JP4568977B2

JP4568977B2 - Fuel cell separator

Info

Publication number: JP4568977B2
Application number: JP2000260103A
Authority: JP
Inventors: 幸多児玉; 潔東山; 浩玉垣; 理人則本; 俊樹佐藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-08-30
Filing date: 2000-08-30
Publication date: 2010-10-27
Anticipated expiration: 2020-08-30
Also published as: JP2002075398A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用セパレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平１１−１６２４７９号公報は、固体高分子電解質型燃料電池と燃料電池用セパレータを開示している。
固体高分子電解質型燃料電池は、電解質であるイオン交換膜とこの膜の両面に接合された電極とからなる電極−膜接合体と、電極に燃料および酸化剤を供給するための流体通路を形成するセパレータとを交互に配置し、これら全体を締め付けて一体化して構成されている。また、セパレータは、複数の単電池を積層する場合の燃料極のガスと空気極のガスの混合を防止するための単電池間の仕切り板として用いられるとともに、直列結合された単電池の電気通路として用いられる。上記公報のセパレータは基体が金属のセパレータであり、該セパレータは、ステンレス鋼、またはアルミニウムとチタンとから選ばれる１種以上を８０重量％以上含む金属、からなる基体の表面に、炭化チタン、ホウ化チタン、窒化チタン（ＴｉＮ、セラミックスである）、ケイ化タングステンまたは窒化タンタルからなる導電性セラミックスを皮膜形成して構成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ＴｉＮを金属基体の表面にコーティングしたセパレータは、ＴｉＮが耐食性の点で劣るため、使用時間の経過とともに酸化が進み、接触抵抗が悪化し、燃料電池から取り出せる電圧が低下していくという課題（問題）があった。
本発明の目的は、コーティング膜の酸化を抑制できる燃料電池用セパレータを提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１）金属部材と、該金属部材の表面にコーティングされた、酸化抑制元素としてＳｎを含有するＴｉＮ皮膜と、からなる燃料電池用セパレータ。
（２）金属部材からなり、その表面に酸化抑制元素としてＳｎのみを含有するＴｉＮ皮膜がコーティングされている（１）記載の燃料電池用セパレータ。
（３）前記ＴｉＮ皮膜中の金属成分の組成が、１ａｔ％≦Ｓｎ／（Ｓｎ＋Ｔｉ）≦５０ａｔ％である（２）記載の燃料電池用セパレータ。
（４）前記ＴｉＮ皮膜の膜厚が０．０１μｍ以上である（２）または（３）記載の燃料電池用セパレータ。
（５）金属部材がステンレス鋼またはチタンである（２）ないし（４）の何れか記載の燃料電池用セパレータ。
（６）金属部材からなり、その表面に酸化抑制元素としてＳｎに加え酸素を含有するＴｉＮ皮膜がコーティングされている（１）記載の燃料電池用セパレータ。
（７）前記ＴｉＮ皮膜中の酸素と窒素の組成が、１０ａｔ％≦Ｏ／（Ｏ＋Ｎ）≦７０ａｔ％である（６）記載の燃料電池用セパレータ。
（８）金属部材からなり、その表面に、酸化抑制元素としてＳｎと酸素に加え、Ａｌ、Ｖのうち１種または２種を含有するＴｉＮ皮膜がコーティングされている（６）または（７）記載の燃料電池用セパレータ。
（９）前記ＴｉＮ皮膜中の酸素と窒素の組成が、１０ａｔ％≦Ｏ／（Ｏ＋Ｎ）≦７０ａｔ％であり、かつ、前記ＴｉＮ皮膜中の金属成分の組成が、２ａｔ％≦（Ａｌ＋Ｖ）／金属成分≦６０ａｔ％、かつ、１ａｔ％≦Ｓｎ／金属成分≦５０ａｔ％である（８）記載の燃料電池用セパレータ。
（１０）前記ＴｉＮ皮膜の膜厚が０．０１μｍ以上である（６）ないし（９）の何れか記載の燃料電池用セパレータ。
（１１）金属部材がステンレス鋼またはチタンである（６）ないし（１０）の何れか記載の燃料電池用セパレータ。
【０００５】
上記本発明の燃料電池用セパレータでは、金属部材の表面に酸化抑制元素（たとえば、Ａｌ、Ｖ、Ｓｎ、Ｏのうち、Ｓｎを含む１種以上）を含有するＴｉＮ皮膜がコーティングされているので、Ｓｎを含む酸化抑制元素を含有しなかった従来に比べてＴｉＮ皮膜の酸化が抑制され、接触抵抗の悪化、燃料電池の出力電圧低下が抑制される。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の燃料電池用セパレータ１１が組み込まれた、燃料電池１０を示している。燃料電池１０は、固体高分子電解質型燃料電池であり、電解質であるイオン交換膜１２とこの膜１２の両面に接合された電極１３、１４（燃料極、空気極）とからなる電極−膜接合体と、電極１３、１４に燃料（水素）および酸化剤を供給するための流体通路を形成するセパレータ１１および拡散層１５とを、交互に配置し、これら全体を締め付けて一体化したスタックからなる。
セパレータ１１は、複数の単電池を積層する場合の燃料極のガスと空気極のガスの混合を防止するための単電池間の仕切り板として用いられるとともに、直列結合された単電池の電気の流れ路として用いられる。
【０００７】
各セパレータ１１は、金属部材１１ａと、該金属部材１１ａの少なくともガス流路の表面（全表面でもよい）にコーティングされた、酸化抑制元素を含有する導電性セラミック１１ｂ皮膜と、からなる。
金属部材１１ａは、ステンレス鋼（オーステナイト系、フェライト系、マルテンサイト系の何れでもよい）、またはチタン（チタンを８０％以上含む金属）、からなる。
導電性セラミックは、窒化チタン（ＴｉＮはＴｉＮ_xで、ｘ＝約０．４〜１と広い固溶域をもって存在する。または酸素を含有するＴｉＮ、これらは何れもセラミックスである）からなる。
導電性セラミックに含有される、酸化抑制元素は、ＴｉＮ、または酸素を含有するＴｉＮより先に酸化される元素からなり、たとえば、Ａｌ、Ｖ、Ｓｎ、Ｏのうち、Ｓｎを含む１種以上からなる。
【０００８】
ＴｉＮ、または酸素を含有するＴｉＮ皮膜は、スパッタリング、またはアークイオンプレーティング法によって、形成される。
アークイオンプレーティングでは、真空アーク放電により金属陰極材を蒸気化、イオン化して、金属部材の上に堆積させると同時に、窒素、酸素等の反応ガスと反応させて、ＴｉＮなどの目的とする皮膜を成膜する。
スパッタリングでは、真空中にプラズマを発生させ、イオン化されたガス（窒素、アルゴン等）をターゲットの金属にぶつけることで、エネルギーを得た金属原子が空間へ飛散させ、蒸着により金属部材の上に成膜する。
【０００９】
燃料電池用セパレータ１１は、つぎの参考形態１、実施形態２、３の何れかの形態をとる。ただし、参考形態は本発明には含まれない。
〔参考形態１〕ＴｉＮ＋Ａｌ、Ｖ
参考形態１では、燃料電池用セパレータ１１は、金属部材１１ａからなり、その表面にＡｌ、Ｖのうち１種または２種を含有するＴｉＮ皮膜１１ｂがコーティングされている。
ＴｉＮ皮膜１１ｂ中の金属成分の組成は、２ａｔ％≦（Ａｌ＋Ｖ）／（Ａｌ＋Ｖ＋Ｔｉ）≦６０ａｔ％である。ここで、ａｔ％は”アトミックパーセント”で、原子数比％である。２ａｔ％未満では酸化抑制の効果がなく、６０ａｔ％を越えると、Ａｌ、Ｖの酸化が進み接触抵抗が増大する。
ＴｉＮ皮膜の膜厚は０．０１μｍ以上である。０．０１μｍより薄いと膜を介した酸素の拡散が金属部材１１ａまで到達し、下地の金属部材１１ａが酸化されて接触抵抗が増大する。
金属部材１１ａはステンレス鋼またはチタンである。この種の金属では、ピンホール部が酸化されることにより金属の溶出が防止される。
【００１０】
参考形態１の上記の各限界値およびステンレス鋼、チタン選定を検証するための試験を行った。それらを、参考形態１の例１、２として以下に述べる。
〔参考形態１の例１〕
ステンレス製セパレータ金属部材の表面に、表１に示す金属組成のターゲットを用い、アークイオンプレーティング装置を用いて、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＶＮ、ＴｉＡｌＶＮを種々の膜厚で成膜した。膜中の金属成分の組成をＥＰＭＡで分析したところ、膜中の組成はターゲット組成と同じであった。
コーティングされたセパレータについて、８０℃、ｐＨ２の硫酸水溶液に２００時間浸漬し、浸漬する前後の接触抵抗の測定を行った。測定は、測定面積１２ｍｍ□、面圧：１０ｋｇ／ｃｍ²、相手材：カーボンクロス、抵抗測定：４端子法（計測電流１００ｍＡ）とした。結果を表２および図２に示す。
この結果から、本発明のセパレータは接触抵抗の増加が殆ど無いことがわかる。
【００１１】
【表１】

【００１２】
【表２】

【００１３】
〔参考形態１の例２〕
アルミ、銅、ニッケル、チタン製のセパレータにスパッタリング装置を用いて、１μｍの膜厚のＴｉＡｌＶＮを成膜した。膜中の金属成分の組成を調べたところ、金属成分に対してＴｉが８５ａｔ％、Ａｌが１０ａｔ％、Ｖが５ａｔ％であった。
これらのセパレータを８０℃、ｐＨ２の硫酸水溶液に４８時間浸漬したところ、アルミ、銅、およびニッケル製のセパレータについては、膜表面に孔食状の腐食が多数発生しているのが観察されたが、チタンとステンレス製のセパレータについては、外観上の変化はまったく見られなかった。
【００１４】
〔実施形態２〕ＴｉＮ＋Ｓｎ
実施形態２では、燃料電池用セパレータ１１は、金属部材１１ａからなり、その表面にＳｎを含有するＴｉＮ皮膜１１ｂがコーティングされている。
ＴｉＮ皮膜１１ｂ中の金属成分の組成は、１ａｔ％≦Ｓｎ／（Ｓｎ＋Ｔｉ）≦５０ａｔ％である。１ａｔ％未満では酸化抑制の効果がなく、５０ａｔ％を越えるとポーラスな膜が形成され、金属部材１１ａの酸化が促進され接触抵抗が増大する。
ＴｉＮ皮膜の膜厚は０．０１μｍ以上である。０．０１μｍより薄いと膜を介した酸素の拡散が金属部材１１ａまで到達し、下地の金属部材１１ａが酸化されて接触抵抗が増大する。
金属部材１１ａはステンレス鋼またはチタンである。この種の金属では、ピンホール部が酸化されることにより金属の溶出が防止される。
【００１５】
実施形態２の上記の各限界値およびステンレス鋼、チタン選定を検証するための試験を行った。それらを、実施形態２の実施例１、２として以下に述べる。
〔実施形態２の実施例１〕
ステンレス製セパレータ金属部材の表面に、スパッタリング装置により、ＴｉとＳｎの２つのターゲットを用いて、Ｓｎを含有するＴｉＮを成膜した。このとき、各ターゲットに投入するスパッタパワーをコントロールすることによりＴｉとＳｎの組成を調整し、表３に示す組成の膜を作製した。
コーティングされたセパレータについて、８０℃、ｐＨ２の硫酸水溶液に２００時間浸漬し、浸漬する前後の接触抵抗の測定を行った。結果を表３および図２に示す。
この結果から、本発明のセパレータは接触抵抗の増加が殆ど無いことがわかる。
【００１６】
【表３】

【００１７】
〔実施形態２の実施例２〕
アルミ、銅、ニッケル、チタン製のセパレータにスパッタリング装置を用いて、１μｍの膜厚のＴｉＳｎＮを成膜した。膜中の金属成分の組成を調べたところ、金属成分に対してＴｉが８０ａｔ％、Ｓｎが２０ａｔ％であった。
これらのセパレータを８０℃、ｐＨ２の硫酸水溶液に４８時間浸漬したところ、アルミ、銅、およびニッケル製のセパレータについては、膜表面に孔食状の腐食が多数発生しているのが観察されたが、チタンとステンレス製のセパレータについては、外観上の変化はまったく見られなかった。
【００１８】
〔実施形態３〕ＴｉＮ＋Ｏ（＋Ａｌ＋Ｖ＋Ｓｎ）
実施形態３では、燃料電池用セパレータ１１は、金属部材１１ａからなり、その表面にＯを含有するＴｉＮ皮膜１１ｂがコーティングされている。
ＴｉＮ皮膜１１ｂ中の酸素と窒素の組成は、１０ａｔ％≦Ｏ／（Ｏ＋Ｎ）≦７０ａｔ％である。１０ａｔ％未満では酸化抑制の効果がなく、７０ａｔ％を越えると、成膜時にＴｉＯ₂が形成されるため、接触抵抗が増大する。
【００１９】
Ｏを含有するＴｉＮ皮膜１１ｂに代えて、酸素に加え、Ａｌ、Ｖのうち１種または２種、および／またはＳｎを含有するＴｉＮがコーティングされてもよい。酸素に加え、Ａｌ、Ｖのうち１種または２種、および／またはＳｎをＴｉＮに添加することにより、ＴｉＮの酸化が抑制され、接触抵抗の増加を防止できる。
この場合、ＴｉＮ皮膜中の酸素と窒素の組成は、１０ａｔ％≦Ｏ／（Ｏ＋Ｎ）≦７０ａｔ％であり、かつＴｉＮ皮膜中の金属成分の組成は、２ａｔ％≦（Ａｌ＋Ｖ）／金属成分≦６０ａｔ％、または１ａｔ％≦Ｓｎ／金属成分≦５０ａｔ％である。Ｏ／（Ｏ＋Ｎ）が１０ａｔ％未満では酸化抑制の効果がなく、７０ａｔ％を越えると、成膜時にＴｉＯ₂が形成されるため、接触抵抗が増大する。また、（Ａｌ＋Ｖ）／金属成分については、２ａｔ％未満では酸化抑制の効果がなく、６０ａｔ％を越えると、Ａｌ、Ｖの酸化が進み接触抵抗が増大する。また、Ｓｎ／金属成分については、１ａｔ％未満では酸化抑制の効果がなく、５０ａｔ％を越えるとポーラスな膜が形成され、金属部材１１ａの酸化が促進され接触抵抗が増大する。
ＴｉＮ皮膜の膜厚は、０．０１μｍ以上である。０．０１μｍより薄いと膜を介した酸素の拡散が金属部材１１ａまで到達し、下地の金属部材１１ａが酸化されて接触抵抗が増大する。
金属部材は、ステンレス鋼またはチタンである。この種の金属では、ピンホール部が酸化されることにより金属の溶出が防止される。
【００２０】
実施形態３の上記の各限界値およびステンレス鋼、チタン選定を検証するための試験を行った。それらを、実施形態３の実施例１、２、３として以下に述べる。
〔実施形態３の実施例１〕
ステンレス製セパレータ金属部材の表面に、スパッタリング装置により、Ｔｉターゲットを用いて、種々の酸素と窒素の分圧比率雰囲気中で種々の組成の酸素を含有するＴｉＮを成膜した（表４）。
コーティングされたセパレータについて、８０℃、ｐＨ２の硫酸水溶液に２００時間浸漬し、浸漬する前後の接触抵抗の測定を行った。結果を表４に示す。
この結果から、本発明のセパレータは接触抵抗の増加が殆ど無いことがわかる。
【００２１】
【表４】

【００２２】
〔実施形態３の実施例２〕
ステンレス製セパレータ金属部材の表面に、ＴｉＡｌ、ＴｉＡｌＶ、ＴｉＶ、ＴｉＳｎ、ＴｉＳｎＡｌ、ＴｉＳｎＶ、ＴｉＳｎＡｌＶの金属ターゲットを用い、アークイオンプレーティング装置を用いて、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＶＮ、ＴｉＶＮ、ＴｉＳｎＮ、ＴｉＳｎＡｌＮ、ＴｉＳｎＶＮ、ＴｉＳｎＡｌＶＮを種々の膜厚で成膜した。また、このとき窒素と酸素の分圧比率が異なる雰囲気ガス中で成膜を行い、種々の酸素組成の膜を製作した。
コーティングされたセパレータについて、８０℃、ｐＨ２の硫酸水溶液に２００時間浸漬し、浸漬する前後の接触抵抗の測定を行った。結果を表５に示す。
この結果から、本発明のセパレータは接触抵抗の増加が殆ど無いことがわかる。
【００２３】
【表５】

【００２４】
〔実施形態３の実施例３〕
アルミ、銅、ニッケル、チタン製のセパレータにスパッタリング装置を用いて、１μｍの膜厚のＴｉＡｌＶＯＮを成膜した。膜中の金属成分の組成を調べたところ、金属成分に対してＴｉが８５ａｔ％、Ａｌが１０ａｔ％、Ｖが５ａｔ％であり、非金属成分に対する酸素の組成は１５ａｔ％であった。
これらのセパレータを８０℃、ｐＨ２の硫酸水溶液に４８時間浸漬したところ、アルミ、銅、およびニッケル製のセパレータについては、膜表面に孔食状の腐食が多数発生しているのが観察されたが、チタンとステンレス製のセパレータについては、外観上の変化はまったく見られなかった。
【００２５】
【発明の効果】
請求項１〜請求項１１の燃料電池用セパレータによれば、金属部材の表面に酸化抑制元素としてＳｎを含有するＴｉＮ皮膜がコーティングされているので、Ｓｎを含む酸化抑制元素を含有しなかった従来に比べてＴｉＮ皮膜の酸化が抑制され、接触抵抗の悪化、燃料電池の出力電圧低下が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池用セパレータを組み込んだ燃料電池の構成図である。
【図２】本発明の燃料電池用セパレータの劣化試験前後における接触抵抗のグラフである。
【符号の説明】
１０燃料電池
１１燃料電池用セパレータ
１１ａ金属部材
１１ｂ酸化抑制元素を含むＴｉＮ皮膜
１２電解質であるイオン交換膜
１３、１４電極
１５拡散層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell separator.
[0002]
[Prior art]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-162479 discloses a solid polymer electrolyte fuel cell and a fuel cell separator.
A solid polymer electrolyte fuel cell forms an electrode-membrane assembly comprising an ion exchange membrane as an electrolyte and electrodes joined to both sides of the membrane, and a fluid passage for supplying fuel and oxidant to the electrode The separators to be arranged are alternately arranged, and the whole is tightened and integrated. The separator is used as a partition plate between the unit cells for preventing mixing of the fuel electrode gas and the air electrode gas when a plurality of unit cells are stacked, and the electric path of the unit cells connected in series Used as The separator of the above publication is a separator whose base is a metal, and the separator is made of titanium carbide, boron on the surface of a base made of stainless steel or a metal containing at least 80% by weight of at least one selected from aluminum and titanium. A conductive ceramic made of titanium nitride, titanium nitride (TiN, which is ceramic), tungsten silicide or tantalum nitride is formed into a film.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the separator coated with TiN on the surface of the metal substrate is inferior in corrosion resistance, the oxidation proceeds with the passage of time, the contact resistance deteriorates, and the voltage that can be taken out from the fuel cell decreases. There was (problem).
The objective of this invention is providing the separator for fuel cells which can suppress the oxidation of a coating film.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
The present invention for achieving the above object is as follows.
(1) A fuel cell separator comprising a metal member and a TiN film coated on the surface of the metal member and containing Sn as an oxidation inhibiting element.
( 2 ) The fuel cell separator according to (1), comprising a metal member, the surface of which is coated with a TiN film containing only Sn as an oxidation inhibiting element .
( 3 ) The fuel cell separator according to ( 2 ), wherein the composition of the metal component in the TiN film is 1 at% ≦ Sn / (Sn + Ti) ≦ 50 at%.
( 4 ) The fuel cell separator according to ( 2 ) or (3 ), wherein the film thickness of the TiN film is 0.01 μm or more.
( 5 ) The fuel cell separator according to any one of ( 2 ) to (4), wherein the metal member is stainless steel or titanium.
( 6 ) The fuel cell separator according to (1), comprising a metal member, and having a surface coated with a TiN film containing oxygen in addition to Sn as an oxidation inhibiting element .
( 7 ) The fuel cell separator according to ( 6 ), wherein the composition of oxygen and nitrogen in the TiN film is 10 at% ≦ O / (O + N) ≦ 70 at%.
(8) made of a metal member on its surface, in addition to Sn and oxygen as an oxidation suppressing element, Al, TiN coating containing one or two of V is coated (6) or (7) wherein Fuel cell separator.
( 9 ) The composition of oxygen and nitrogen in the TiN film is 10 at% ≦ O / (O + N) ≦ 70 at%, and the composition of the metal component in the TiN film is 2 at% ≦ (Al + V) / metal. ( 8 ) The fuel cell separator according to ( 8 ), wherein component ≦ 60 at% and 1 at% ≦ Sn / metal component ≦ 50 at%.
( 10 ) The fuel cell separator according to any one of ( 6 ) to (9), wherein the TiN film has a thickness of 0.01 μm or more.
( 11 ) The fuel cell separator according to any one of ( 6 ) to (10), wherein the metal member is stainless steel or titanium.
[0005]
In the fuel cell separator of the present invention, the surface of the metal member is coated with a TiN film containing an oxidation inhibiting element (for example, one or more of Sn containing Al, V, Sn, and O). Compared to the conventional case that does not contain an oxidation-suppressing element containing Sn, oxidation of the TiN film is suppressed, and deterioration of contact resistance and a decrease in the output voltage of the fuel cell are suppressed.
[0006]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows a fuel cell 10 in which a fuel cell separator 11 of the present invention is incorporated. The fuel cell 10 is a solid polymer electrolyte fuel cell, and is an electrode-membrane junction comprising an ion exchange membrane 12 as an electrolyte and electrodes 13 and 14 (fuel electrode, air electrode) joined to both surfaces of the membrane 12. And a separator 11 and a diffusion layer 15 forming fluid passages for supplying fuel (hydrogen) and an oxidant to the

electrodes

13 and 14 are alternately arranged, and the whole is clamped and integrated to form a stack. .
The separator 11 is used as a partition plate between the unit cells for preventing mixing of the fuel electrode gas and the air electrode gas when a plurality of unit cells are stacked, and the electric flow of the unit cells connected in series. Used as a road.
[0007]
Each separator 11 is composed of a metal member 11a and a conductive ceramic 11b film containing an oxidation-inhibiting element coated on at least the surface (or the entire surface) of the gas channel of the metal member 11a.
The metal member 11a is made of stainless steel (any of austenite, ferrite, and martensite) or titanium (a metal containing 80% or more of titanium).
The conductive ceramic is made of titanium nitride (TiN is TiN _x and has a wide solid solution region where x = about 0.4 to 1. Or TiN containing oxygen, both of which are ceramics).
Contained in the conductive ceramic, oxidation control element consists element to be oxidized before the TiN containing TiN or oxygen, for example, Al, V, Sn, among O, on one or more kinds containing Sn Consists of.
[0008]
The TiN film containing TiN or oxygen is formed by sputtering or arc ion plating.
In arc ion plating, a metal cathode material is vaporized and ionized by vacuum arc discharge, deposited on a metal member, and simultaneously reacted with a reactive gas such as nitrogen or oxygen to form a target film such as TiN. Is deposited.
In sputtering, plasma is generated in a vacuum, and ionized gas (nitrogen, argon, etc.) is struck against the target metal, so that the metal atoms that gain energy are scattered into the space and formed on the metal member by vapor deposition. Film.
[0009]

Fuel

cell separator 11, reference embodiment 1 of the following, taking one of the forms status of the second and third embodiments. However, the reference form is not included in the present invention.
[ Reference Form 1] TiN + Al, V
In Reference Form 1, the fuel cell separator 11 is made of a metal member 11a, and the surface thereof is coated with a TiN film 11b containing one or two of Al and V.
The composition of the metal component in the TiN film 11b is 2 at% ≦ (Al + V) / (Al + V + Ti) ≦ 60 at%. Here, at% is “atomic percent” and is the atomic ratio%. If it is less than 2 at%, there is no effect of suppressing oxidation, and if it exceeds 60 at%, the oxidation of Al and V proceeds and the contact resistance increases.
The film thickness of the TiN film is 0.01 μm or more. If the thickness is less than 0.01 μm, the diffusion of oxygen through the film reaches the metal member 11a, the underlying metal member 11a is oxidized, and the contact resistance increases.
The metal member 11a is stainless steel or titanium. With this type of metal, the elution of the metal is prevented by oxidizing the pinhole portion.
[0010]
Tests were conducted to verify the above limit values of Reference Form 1 and the selection of stainless steel and titanium. These will be described below as Examples 1 and 2 of Reference Embodiment 1.
[ Example 1 of Reference Form 1]
TiN, TiAlN, TiVN, and TiAlVN were formed in various thicknesses on the surface of a stainless steel separator metal member using a target having a metal composition shown in Table 1 and an arc ion plating apparatus. When the composition of the metal component in the film was analyzed by EPMA, the composition in the film was the same as the target composition.
About the coated separator, it immersed in the sulfuric acid aqueous solution of 80 degreeC and pH2 for 200 hours, and measured the contact resistance before and behind immersion. Measurement was performed with a measurement area of 12 mm □, surface pressure: 10 kg / cm ² , counterpart material: carbon cloth, resistance measurement: 4-terminal method (measurement current 100 mA). The results are shown in Table 2 and FIG.
From this result, it is understood that the separator of the present invention hardly increases the contact resistance.
[0011]
[Table 1]

[0012]
[Table 2]

[0013]
[ Example 2 of Reference Form 1]
A TiAlVN film having a thickness of 1 μm was formed on a separator made of aluminum, copper, nickel, or titanium using a sputtering apparatus. When the composition of the metal component in the film was examined, Ti was 85 at%, Al was 10 at%, and V was 5 at% with respect to the metal component.
When these separators were immersed in an aqueous sulfuric acid solution at 80 ° C. and pH 2 for 48 hours, a large number of pitting corrosions were observed on the membrane surfaces of aluminum, copper, and nickel separators. For the titanium and stainless steel separators, no change in appearance was observed.
[0014]
[Embodiment 2] TiN + Sn
In the second embodiment, the fuel cell separator 11 is made of a metal member 11a, and the surface thereof is coated with a TiN film 11b containing Sn.
The composition of the metal component in the TiN film 11b is 1 at% ≦ Sn / (Sn + Ti) ≦ 50 at%. If it is less than 1 at%, there is no effect of suppressing oxidation, and if it exceeds 50 at%, a porous film is formed, oxidation of the metal member 11a is promoted, and contact resistance increases.
The film thickness of the TiN film is 0.01 μm or more. If the thickness is less than 0.01 μm, the diffusion of oxygen through the film reaches the metal member 11a, the underlying metal member 11a is oxidized, and the contact resistance increases.
The metal member 11a is stainless steel or titanium. With this type of metal, the elution of the metal is prevented by oxidizing the pinhole portion.
[0015]
Tests for verifying the above-described limit values of the second embodiment and selection of stainless steel and titanium were performed. These are described below as Examples 1 and 2 of the second embodiment.
[Example 1 of Embodiment 2]
On the surface of the stainless steel separator metal member, a TiN film containing Sn was formed by a sputtering apparatus using two targets of Ti and Sn. At this time, the composition of Ti and Sn was adjusted by controlling the sputtering power input to each target, and films having the compositions shown in Table 3 were prepared.
About the coated separator, it immersed in the sulfuric acid aqueous solution of 80 degreeC and pH2 for 200 hours, and measured the contact resistance before and behind immersion. The results are shown in Table 3 and FIG.
From this result, it is understood that the separator of the present invention hardly increases the contact resistance.
[0016]
[Table 3]

[0017]
[Example 2 of Embodiment 2]
A TiSnN film having a thickness of 1 μm was formed on a separator made of aluminum, copper, nickel, or titanium using a sputtering apparatus. When the composition of the metal component in the film was examined, Ti was 80 at% and Sn was 20 at% with respect to the metal component.
When these separators were immersed in an aqueous sulfuric acid solution at 80 ° C. and pH 2 for 48 hours, a large number of pitting corrosions were observed on the membrane surfaces of aluminum, copper, and nickel separators. For the titanium and stainless steel separators, no change in appearance was observed.
[0018]
[Embodiment 3] TiN + O (+ Al + V + Sn)
In the third embodiment, the fuel cell separator 11 is made of a metal member 11a, and the surface thereof is coated with a TiN film 11b containing O.
The composition of oxygen and nitrogen in the TiN film 11b is 10 at% ≦ O / (O + N) ≦ 70 at%. If it is less than 10 at%, there is no effect of suppressing oxidation, and if it exceeds 70 at%, TiO ₂ is formed during film formation, so that the contact resistance increases.
[0019]
Instead of the TiN film 11b containing O, in addition to oxygen, one or two of Al and V, and / or TiN containing Sn may be coated. By adding one or two of Al and V and / or Sn to TiN in addition to oxygen, the oxidation of TiN is suppressed, and an increase in contact resistance can be prevented.
In this case, the composition of oxygen and nitrogen in the TiN film is 10 at% ≦ O / (O + N) ≦ 70 at%, and the composition of the metal component in the TiN film is 2 at% ≦ (Al + V) / metal component ≦ 60 at%. %, Or 1 at% ≦ Sn / metal component ≦ 50 at%. If O / (O + N) is less than 10 at%, there is no effect of suppressing oxidation. If O / (O + N) exceeds 70 at%, TiO ₂ is formed during film formation, and the contact resistance increases. As for (Al + V) / metal component, if it is less than 2 at%, there is no effect of suppressing oxidation, and if it exceeds 60 at%, oxidation of Al and V proceeds and contact resistance increases. As for the Sn / metal component, if it is less than 1 at%, there is no effect of suppressing oxidation, and if it exceeds 50 at%, a porous film is formed, the oxidation of the metal member 11a is promoted, and the contact resistance increases.
The film thickness of the TiN film is 0.01 μm or more. If the thickness is less than 0.01 μm, the diffusion of oxygen through the film reaches the metal member 11a, the underlying metal member 11a is oxidized, and the contact resistance increases.
The metal member is stainless steel or titanium. With this type of metal, the elution of the metal is prevented by oxidizing the pinhole portion.
[0020]
Tests for verifying the above limit values of the third embodiment and selection of stainless steel and titanium were performed. These are described below as Examples 1, 2, and 3 of the third embodiment.
[Example 1 of Embodiment 3]
On the surface of the stainless steel separator metal member, TiN containing various compositions of oxygen was formed in the atmosphere of various oxygen and nitrogen partial pressure ratios using a Ti target by a sputtering apparatus (Table 4).
About the coated separator, it immersed in the sulfuric acid aqueous solution of 80 degreeC and pH2 for 200 hours, and measured the contact resistance before and behind immersion. The results are shown in Table 4.
From this result, it is understood that the separator of the present invention hardly increases the contact resistance.
[0021]
[Table 4]

[0022]
[Example 2 of Embodiment 3]
Using a metal target of TiAl, TiAlV, TiV, TiSn, TiSnAl, TiSnV, TiSnAlV on the surface of a stainless steel separator metal member, and using an arc ion plating apparatus, TiAlN, TiAlVN, TiVN, TiSnN, TiSnAlN, TiSnVN, TiSnAlVN Were deposited in various film thicknesses. At this time, films were formed in atmospheric gases having different partial pressure ratios of nitrogen and oxygen to produce films having various oxygen compositions.
About the coated separator, it immersed in the sulfuric acid aqueous solution of 80 degreeC and pH2 for 200 hours, and measured the contact resistance before and behind immersion. The results are shown in Table 5.
From this result, it is understood that the separator of the present invention hardly increases the contact resistance.
[0023]
[Table 5]

[0024]
[Example 3 of Embodiment 3]
A TiAlVON film having a thickness of 1 μm was formed on a separator made of aluminum, copper, nickel, or titanium using a sputtering apparatus. When the composition of the metal component in the film was examined, Ti was 85 at%, Al was 10 at%, and V was 5 at% with respect to the metal component, and the oxygen composition with respect to the non-metal component was 15 at%.
When these separators were immersed in an aqueous sulfuric acid solution at 80 ° C. and pH 2 for 48 hours, a large number of pitting corrosions were observed on the membrane surfaces of aluminum, copper, and nickel separators. For the titanium and stainless steel separators, no change in appearance was observed.
[0025]
【The invention's effect】
According to the fuel cell separator of claims 1 to 11 , since the TiN film containing Sn as the oxidation inhibiting element is coated on the surface of the metal member, the conventional oxidation containing element containing Sn is not contained. In comparison with the above, the oxidation of the TiN film is suppressed, and the deterioration of the contact resistance and the decrease in the output voltage of the fuel cell are suppressed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell incorporating a fuel cell separator according to the present invention.
FIG. 2 is a graph of contact resistance before and after a deterioration test of a fuel cell separator according to the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell 11 Fuel cell separator 11a Metal member 11b TiN film | membrane 12 containing an oxidation suppression element

Ion exchange membranes

13 and 14 which are electrolytes Electrode 15 Diffusion layer

Claims

A fuel cell separator comprising: a metal member; and a TiN film containing Sn as an oxidation-inhibiting element coated on the surface of the metal member.

The fuel cell separator according to claim 1, wherein the separator is made of a metal member, and the surface thereof is coated with a TiN film containing only Sn as an oxidation inhibiting element .

3. The fuel cell separator according to claim 2, wherein the composition of the metal component in the TiN film is 1 at% ≦ Sn / (Sn + Ti) ≦ 50 at%.

4. The fuel cell separator according to claim 2 , wherein the thickness of the TiN film is 0.01 μm or more. 5.

The fuel cell separator according to any one of claims 2 to 4, wherein the metal member is stainless steel or titanium.

The fuel cell separator according to claim 1, wherein the separator is made of a metal member, and the surface thereof is coated with a TiN film containing oxygen in addition to Sn as an oxidation inhibiting element .

The fuel cell separator according to claim 6, wherein the composition of oxygen and nitrogen in the TiN film is 10 at% ≦ O / (O + N) ≦ 70 at%.

A metal member on its surface, in addition to Sn and oxygen as an oxidation suppressing element, Al, 1 or or claim TiN coating containing two or are coated 6 or claim 7 fuel cell according of the V Separator for use.

The composition of oxygen and nitrogen in the TiN film is 10 at% ≦ O / (O + N) ≦ 70 at%, and the composition of the metal component in the TiN film is 2 at% ≦ (Al + V) / metal component ≦ 60 at%. %, and, 1 at.% ≦ Sn / metal component ≦ 50at% a fuel cell separator according to claim 8, wherein.

The fuel cell separator according to any one of claims 6 to 9, wherein the thickness of the TiN film is 0.01 µm or more.

The fuel cell separator according to any one of claims 6 to 10, wherein the metal member is stainless steel or titanium.