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JP5660497B2 - Fuel cell separator and method for producing the same - Google Patents

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JP5660497B2 JP2011020251A JP2011020251A JP5660497B2 JP 5660497 B2 JP5660497 B2 JP 5660497B2 JP 2011020251 A JP2011020251 A JP 2011020251A JP 2011020251 A JP2011020251 A JP 2011020251A JP 5660497 B2 JP5660497 B2 JP 5660497B2
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Description

本発明は、耐食性及び導電性が求められる燃料電池用の金属製セパレータに関し、特に固体高分子形燃料電池に好適なセパレータ及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a metal separator for a fuel cell that requires corrosion resistance and conductivity, and more particularly to a separator suitable for a polymer electrolyte fuel cell and a method for producing the same.

燃料電池は、環境への影響の少ないクリーンなエネルギーを発生させる装置として近年注目されている技術である。燃料電池は、使用される電解質の種類によりに固体高分子形燃料電池(PEFC)、りん酸形燃料電池(PAFC)、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)、固体酸化物形燃料電池(SOFC)に分類される。固体高分子形燃料電池は、他の形式の燃料電池に比べセル抵抗が小さく、高電流密度での動作及び小型軽量化が可能であり、動作温度も低いことから、家庭用燃料電池や自動車用燃料電池として利用されている。   The fuel cell is a technology that has been attracting attention in recent years as a device that generates clean energy with little environmental impact. Depending on the type of electrolyte used, the fuel cell can be a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), a phosphoric acid fuel cell (PAFC), a molten carbonate fuel cell (MCFC), or a solid oxide fuel cell (SOFC). are categorized. Solid polymer fuel cells have lower cell resistance than other types of fuel cells, can be operated at high current density, can be reduced in size and weight, and have low operating temperatures. It is used as a fuel cell.

燃料電池の基本構造は、図5に示すように、電解質101両側に燃料極102(アノードとして機能)及び空気極103(カソードとして機能)が接合されており、燃料極102には水素(H2)が供給され、空気極103には酸素(O2)を含む空気が供給される。各電極は、電解質101との間に反応の触媒である白金が分散された触媒層が形成されている。燃料極102側では、水素、触媒及び電解質が存在することで、プロトン(H+)及び電子(e-)が生じ、電子は、燃料極102から外部に取り出されて負荷104に供給され、プロトンは電解質101内を移動して空気極103側に向かう。一方、空気極103側では、酸素、触媒及び電解質が存在することで、負荷104から空気極103に供給された電子、電解質101内を移動してきたプロトン及び空気中の酸素が反応して水を生成するようになる。 As shown in FIG. 5, the basic structure of the fuel cell is such that a fuel electrode 102 (functioning as an anode) and an air electrode 103 (functioning as a cathode) are joined to both sides of an electrolyte 101, and hydrogen (H 2 ) is connected to the fuel electrode 102. ) And air containing oxygen (O 2 ) is supplied to the air electrode 103. Each electrode is formed with a catalyst layer in which platinum as a reaction catalyst is dispersed between the electrode and the electrolyte 101. On the fuel electrode 102 side, the presence of hydrogen, catalyst, and electrolyte generates protons (H + ) and electrons (e ). The electrons are taken out from the fuel electrode 102 and supplied to the load 104, Moves in the electrolyte 101 and moves toward the air electrode 103 side. On the other hand, on the air electrode 103 side, oxygen, a catalyst, and an electrolyte exist, so that electrons supplied from the load 104 to the air electrode 103, protons that have moved in the electrolyte 101, and oxygen in the air react to water. Will be generated.

図6は、固体高分子形燃料電池の最小単位である単セルの基本構成に関する説明図である。層状に形成された固体高分子形の電解質膜1の両面には、全体に触媒を分散させた触媒層2及び3が形成された多孔質体4及び5が接合されている。そして、多孔質体4及び5の外面にはセパレータ6及び7が接合されている。セパレータ6及び7の多孔質体4及び5との接合部分には複数の溝が形成されており、これらの溝によりガスが流通する流路8及び9が形成される。   FIG. 6 is an explanatory diagram relating to the basic configuration of a single cell which is the minimum unit of a polymer electrolyte fuel cell. Porous bodies 4 and 5 in which catalyst layers 2 and 3 in which a catalyst is dispersed are formed are bonded to both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane 1 formed in layers. Separators 6 and 7 are bonded to the outer surfaces of the porous bodies 4 and 5. A plurality of grooves are formed in the joint portions of the separators 6 and 7 with the porous bodies 4 and 5, and flow paths 8 and 9 through which gas flows are formed by these grooves.

そして、図示しない外部の供給装置より流路8には水素ガスが供給され、流路9には酸素を含む空気が供給されることで、触媒層2及び多孔質体4が燃料極として機能し、触媒層3及び多孔質体5が空気極として機能する。したがって、多孔質体4からは電子が外部に取り出されて、多孔質体5に電子が供給されるようになる。   Then, hydrogen gas is supplied to the flow path 8 from an external supply device (not shown), and air containing oxygen is supplied to the flow path 9 so that the catalyst layer 2 and the porous body 4 function as a fuel electrode. The catalyst layer 3 and the porous body 5 function as an air electrode. Therefore, electrons are taken out from the porous body 4 and supplied to the porous body 5.

実際の燃料電池では、必要な電力を得るために、こうした単セルを数十セット組み合わせたスタック形で使用されており、上述したセパレータ(バイポーラプレート)は、単セル同士を区分けするとともに電気的に接続するために用いられる。また、セパレータは、燃料ガス及び空気の流路となることから、セパレータには、単セル同士を接続する導電性、燃料ガス及び空気の混合防止のための気密性、発電環境下における耐食性といった特性が求められる。   In an actual fuel cell, in order to obtain the necessary power, a stack form in which several tens of such single cells are combined is used. The separator (bipolar plate) described above separates the single cells from each other electrically. Used to connect. In addition, since the separator serves as a flow path for fuel gas and air, the separator has characteristics such as conductivity for connecting single cells, airtightness for preventing mixing of fuel gas and air, and corrosion resistance in a power generation environment. Is required.

セパレータに用いられる材料としては、主に炭素系材料及び金属材料が挙げられる。炭素系材料を用いるセパレータは、耐食性の点で優れているが、十分な強度と気密性を得るためには一定の厚みが必要であり、小型化及び薄型化を妨げる要因となっている。一方、金属材料を用いるセパレータは、強度及び気密性の点では問題ないため薄肉に形成することができるが、腐食が生じやすく耐食性の点で問題がある。そのため、金属製セパレータでは、導電性及び耐食性に優れた皮膜で表面を被覆する必要がある。   Examples of the material used for the separator mainly include carbon-based materials and metal materials. A separator using a carbon-based material is excellent in terms of corrosion resistance. However, a certain thickness is required to obtain sufficient strength and airtightness, which is a factor that hinders downsizing and thinning. On the other hand, a separator using a metal material can be formed thin because there is no problem in terms of strength and airtightness, but corrosion is likely to occur and there is a problem in terms of corrosion resistance. Therefore, it is necessary to coat the surface of the metal separator with a film having excellent conductivity and corrosion resistance.

金属製セパレータの表面処理方法としては、例えば、特許文献1では、スパッタリング処理及びアークイオンプレーティング処理といったPVD(Physical Vapor Deposition;物理蒸着法)により、金属部材の表面に導電性セラミックス皮膜を形成したセパレータが記載されている。また、特許文献2では、金属基材層上に緻密バリア層、中間層及び導電性薄膜層を形成したセパレータが記載されている。   As a surface treatment method for a metal separator, for example, in Patent Document 1, a conductive ceramic film is formed on the surface of a metal member by PVD (Physical Vapor Deposition) such as sputtering and arc ion plating. A separator is described. Patent Document 2 describes a separator in which a dense barrier layer, an intermediate layer, and a conductive thin film layer are formed on a metal substrate layer.

特開2002−75398号公報JP 2002-75398 A 特開2010−129303号公報JP 2010-129303 A

特許文献1では、導電性セラミックス皮膜で金属部材の表面を被覆する点が記載されているが、PVDにより形成された皮膜にはピンホールと呼ばれる微小な隙間が存在するため十分な耐食性を得ることは難しい。また、特許文献2では、導電性薄膜層を通過した酸性水により、中間層又は緻密バリア層が酸化する可能性があり、そのためセパレータの抵抗が増加して発電効率の低下を起こすおそれがある。   Patent Document 1 describes that the surface of a metal member is covered with a conductive ceramic film. However, the film formed by PVD has a minute gap called a pinhole, so that sufficient corrosion resistance is obtained. Is difficult. Moreover, in patent document 2, there exists a possibility that an intermediate | middle layer or a dense barrier layer may be oxidized by the acidic water which passed the electroconductive thin film layer, and there exists a possibility that the resistance of a separator may increase and a power generation efficiency may fall.

そこで、本発明は、導電性及び耐食性に優れた燃料電池用の金属製セパレータ及びその製造方法を提供することを目的とする。   Then, an object of this invention is to provide the metal separator for fuel cells excellent in electroconductivity and corrosion resistance, and its manufacturing method.

本発明に係る燃料電池用セパレータは、金属材料からなる基材と、基材表面に形成されたTiNからなる導電性非晶質膜と、導電性非晶質膜の表面に形成された結晶性窒化物であるInGaNからなる皮膜とを備えていることを特徴とする。 The fuel cell separator according to the present invention includes a base material made of a metal material , a conductive amorphous film made of TiN formed on the surface of the base material, and a crystallinity formed on the surface of the conductive amorphous film. And a film made of InGaN which is a nitride .

本発明に係る別の燃料電池用セパレータの製造方法は、金属材料からなる基材表面に物理蒸着法(PVD)によって導電性非晶質膜を形成し、形成された導電性非晶質膜の表面に有機金属化学蒸着法(MOCVD)又は分子線エピキタシー法(MBE)により結晶性窒化物からなる皮膜を形成したことを特徴とする。   Another method for manufacturing a fuel cell separator according to the present invention is to form a conductive amorphous film on a substrate surface made of a metal material by physical vapor deposition (PVD), and to form the formed conductive amorphous film. A film made of crystalline nitride is formed on the surface by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) or molecular beam epitaxy (MBE).

本発明は、上記の構成を有することで、金属材料からなる基材の表面を結晶性窒化物からなる皮膜で被覆しているので、燃料電池の燃料極側及び空気極側の両側にセパレータとして用いた場合でも気密性、耐食性及び導電性を確保して安定した発電性能を発揮することができる。   In the present invention, since the surface of the base material made of a metal material is coated with a film made of crystalline nitride, the separator is formed on both the fuel electrode side and the air electrode side of the fuel cell. Even when used, airtightness, corrosion resistance and electrical conductivity can be secured and stable power generation performance can be exhibited.

半導体の伝導帯から充満帯までの電位を示すグラフである。It is a graph which shows the electric potential from the conduction band of a semiconductor to a full band. 接触面積抵抗率を測定する試験装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the test apparatus which measures a contact area resistivity. 耐食試験に関する評価結果を示す表である。It is a table | surface which shows the evaluation result regarding a corrosion resistance test. 発電試験に関する測定結果を示す表である。It is a table | surface which shows the measurement result regarding a power generation test. 燃料電池の基本構造に関する説明図である。It is explanatory drawing regarding the basic structure of a fuel cell. 固体高分子形燃料電池の単セルの基本構成に関する説明図である。It is explanatory drawing regarding the basic composition of the single cell of a polymer electrolyte fuel cell.

以下、本発明の実施形態について説明する。本発明の燃料電池用セパレータの基材としては、特に制約はなく、従来セパレータに使用されている金属材料を用いることができる。例えば、鉄、チタン、アルミニウムといった金属又はこれらのうち少なくとも1種類を含む合金が挙げられる。これらの金属材料は、機械的強度、汎用性、加工容易性及びコストの点でセパレータの基材として好適である。鉄合金としてはステンレスが代表的な材料として挙げられ、SUS304、SUS316といったオーステナイト系ステンレス、SUS430といったフェライト系ステンレス、SUS420といったマルテンサイト系ステンレスが挙げられる。ステンレスを基材として用いた場合には、他の材料に比べて、機械的強度、導電性及び耐食性の点で優れた特性を発揮することができる。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. There is no restriction | limiting in particular as a base material of the separator for fuel cells of this invention, The metal material conventionally used for the separator can be used. For example, a metal such as iron, titanium, or aluminum or an alloy containing at least one of these metals can be given. These metal materials are suitable as the base material of the separator in terms of mechanical strength, versatility, ease of processing, and cost. A typical example of the iron alloy is stainless steel, such as austenitic stainless steel such as SUS304 and SUS316, ferritic stainless steel such as SUS430, and martensitic stainless steel such as SUS420. When stainless steel is used as a base material, it can exhibit excellent characteristics in terms of mechanical strength, electrical conductivity, and corrosion resistance compared to other materials.

基材の厚さは、特に限定されないが、機械的強度及び加工容易性、薄くすることによる燃料電池のエネルギー密度の向上といった観点から設定することができる。例えば、ステンレスを用いる場合には、0.1mm〜1mmが好ましい。   The thickness of the substrate is not particularly limited, but can be set from the viewpoints of mechanical strength and ease of processing, and improvement of the energy density of the fuel cell by thinning. For example, when using stainless steel, 0.1 mm to 1 mm is preferable.

結晶性窒化物からなる皮膜は、有機金属化学蒸着法(MOCVD)又は分子線エピキタシー法(MBE)により形成される。例えば、MOCVD法で形成する場合には、公知の製造装置を用い、500〜1000℃に加熱した基材表面に有機金属ガス(トリエチルガリウム、トリメチルガリウム等)及びそのキャリアガス(水素又は窒素)、並びに反応ガス(アンモニアガス)を吹き込み、基材表面でガス同士の化学反応が生じることで結晶性窒化物からなる皮膜を形成することができる。皮膜の膜厚は、薄く形成するとピンホールが生じて耐久性が弱くなり、厚く形成すると抵抗が高くなるため、0.1μm〜2μmに形成することが好ましい。   The film made of crystalline nitride is formed by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) or molecular beam epitaxy (MBE). For example, in the case of forming by MOCVD method, using a known manufacturing apparatus, an organic metal gas (triethyl gallium, trimethyl gallium, etc.) and a carrier gas (hydrogen or nitrogen) on the substrate surface heated to 500 to 1000 ° C., In addition, a reactive gas (ammonia gas) is blown, and a chemical reaction between the gases occurs on the surface of the substrate, whereby a film made of crystalline nitride can be formed. The film thickness is preferably 0.1 μm to 2 μm because pinholes are generated when the film is formed thin and durability is weakened, and resistance is increased when the film is formed thick.

皮膜を構成する結晶性窒化物としては、例えば、窒化アルミニウム(AlN)、窒化ガリウム(GaN)、窒化インジウム(InN)、窒化インジウムガリウム(InGaN)、窒化チタン(TiN)、窒化チタンアルミニウムといった半導体又は導体の性質を有する窒化物が挙げられる。   Examples of the crystalline nitride constituting the film include semiconductors such as aluminum nitride (AlN), gallium nitride (GaN), indium nitride (InN), indium gallium nitride (InGaN), titanium nitride (TiN), and titanium aluminum nitride. A nitride having the properties of a conductor can be mentioned.

こうした結晶性窒化物を1層又は複数層形成して基材表面に皮膜形成する。例えば、GaN層をバッファ層として形成した後その上にInGaN層を形成して2層構造の皮膜を形成することもできる。また、結晶性窒化物からなる皮膜には、異種元素をドーピングすることで導電性等の特性を向上させることも可能で、例えば、InGaN層及びバッファとなるGaN層にシリコン(Si)をドーピングすることで皮膜の導電性が向上するようになる。   One or more such crystalline nitrides are formed to form a film on the surface of the substrate. For example, after forming a GaN layer as a buffer layer, an InGaN layer can be formed thereon to form a two-layered film. The film made of crystalline nitride can be improved in characteristics such as conductivity by doping with a different element. For example, the InGaN layer and the GaN layer serving as a buffer are doped with silicon (Si). As a result, the conductivity of the film is improved.

燃料電池において発電環境下では、上述したように、燃料極(アノード)で生じた電子が燃料極側セパレータに流入し、流入した電子は燃料極側セパレータから空気極側セパレータに流入して空気極(カソード)に電子が流出するようになる。結晶性窒化物からなる皮膜として半導体膜を形成した場合、燃料極から電子が流入する燃料極側セパレータでは、燃料極側の反応(H2→2H++2e-)における電位より高くする必要がある。 In the power generation environment of the fuel cell, as described above, the electrons generated at the fuel electrode (anode) flow into the fuel electrode side separator, and the flowed electrons flow from the fuel electrode side separator into the air electrode side separator. Electrons flow out to (cathode). When a semiconductor film is formed as a film made of crystalline nitride, the fuel electrode side separator into which electrons flow from the fuel electrode needs to be higher than the potential in the reaction on the fuel electrode side (H 2 → 2H + + 2e ). .

図1は、半導体の伝導帯から充満帯までの電位を示すグラフである(参考文献;吉田清輝、「GaNを用いた電子デバイス」、1999年、応用物理学会、68巻、p.787;藤井政俊 外、「半導体微粒子による光化学反応とエネルギー変換機能−光触媒作用を中心として−」、1984年、応用物理学会、53巻、p.916)。図1に示すように、InGaNは、伝導帯の電位が燃料極側における水素の酸化還元電位より高く、他の半導体より燃料極側セパレータに用いる皮膜に適した材料であることがわかる。   FIG. 1 is a graph showing the potential from the conduction band to the full band of a semiconductor (reference: Kiyoteru Yoshida, “Electronic device using GaN”, 1999, Japan Society of Applied Physics, Vol. 68, p. 787; Fujii Masatoshi, “Photochemical reaction and energy conversion function by semiconductor fine particles: focusing on photocatalysis”, 1984, Japan Society of Applied Physics, 53, p.916). As shown in FIG. 1, InGaN has a conduction band potential higher than the oxidation-reduction potential of hydrogen on the fuel electrode side, indicating that it is a material more suitable for a coating used for the fuel electrode side separator than other semiconductors.

結晶性窒化物からなる皮膜の形成方法としては、上述したように、MOCVD法やMBE法が挙げられるが、こうした皮膜の形成方法では、皮膜の結晶性が基材の表面状態により影響を受けやすいため、これまで単結晶サファイアのような限られた材料からなる基材表面での皮膜形成に限られてきた。MOCVD法やMBE法により金属材料からなる基材表面に結晶性窒化物からなる皮膜を直接形成することは可能であるが、基材表面と皮膜との間の熱膨張係数差による大きな残留応力の発生及び皮膜の剥離、皮膜の密着性の低下といった現象が生じやすい。   As described above, examples of the method for forming a film made of crystalline nitride include the MOCVD method and the MBE method. In such a film formation method, the crystallinity of the film is easily affected by the surface condition of the substrate. Therefore, until now, it has been limited to film formation on the surface of a base material made of a limited material such as single crystal sapphire. Although it is possible to directly form a film made of crystalline nitride on the surface of a base material made of a metal material by MOCVD or MBE, a large residual stress due to a difference in thermal expansion coefficient between the surface of the base material and the film Phenomena such as generation, peeling of the film, and deterioration of the adhesion of the film are likely to occur.

こうした現象が発生するのを避けるために、皮膜形成を行う前に基材表面にスパッタリング法又はイオンプレーティング法といったPVD法により導電性非晶質膜を形成することで、皮膜を形成する際の基材表面の影響を緩和することができる。一般的に、非晶質膜を形成した表面に結晶性膜を形成する場合、下地の非晶質膜の影響を受けて結晶性膜も非晶質となることが知られているが、ウルツ鉱構造を有するGaNやInGaN等はc軸配向性が強く、非晶質膜の表面でも結晶性膜を形成することができる(参考文献;K. Iwata et al.,「Gas Source Molecular Beam Epitaxy Growth of GaN on C-, A-, R- and M-Plane Sapphire and Silica Glass Substrates」,1997,Jpn.J.Appl.Phys.36)。   In order to avoid such a phenomenon, a conductive amorphous film is formed on the surface of the base material by a PVD method such as a sputtering method or an ion plating method before the film is formed. The influence of the substrate surface can be reduced. In general, when a crystalline film is formed on the surface on which an amorphous film is formed, it is known that the crystalline film becomes amorphous due to the influence of the underlying amorphous film. GaN, InGaN, and the like having an ore structure have strong c-axis orientation and can form a crystalline film even on the surface of an amorphous film (reference: K. Iwata et al., “Gas Source Molecular Beam Epitaxy Growth of GaN on C-, A-, R- and M-Plane Sapphire and Silica Glass Substrates ", 1997, Jpn.J.Appl.Phys.36).

導電性非晶質膜は、上述したようにPVD法により形成することができる。例えば、ステンレスからなる基材表面に形成する場合には、表面の異物を除去するために、アルカリ浸漬脱脂及び電解脱脂の後純水で洗浄し乾燥する清浄化処理を行う。また、成膜前には、アルゴンプラズマにより基材表面に形成されているステンレスの不動態膜を除去して非晶質膜を公知のPVD法により形成すればよい。非晶質膜としては、例えばTiN、TiC、TiCN、TiAlN、TiAlC、TiAlCN、CrN、CrC、CrCNといった導電性金属セラミックス膜が挙げられる。また、非晶質膜の密着性を向上させるために、例えば、チタン、アルミニウム、クロム、ジルコニウム、バナジウム、ニオブ、ハフニウム、タンタル又はこれらの合金からなる金属膜を中間層として基材表面に形成するようにしてもよい。導電性非晶質膜の膜厚は、厚くなるとクラックが生じやすくなることから、0.1μm〜2μmに形成することが好ましい。   The conductive amorphous film can be formed by the PVD method as described above. For example, when forming on the base material surface which consists of stainless steel, in order to remove the foreign material on the surface, after the alkali immersion degreasing and the electrolytic degreasing, a cleaning process of washing with pure water and drying is performed. Further, before the film formation, an amorphous film may be formed by a known PVD method by removing the stainless passive film formed on the surface of the substrate by argon plasma. Examples of the amorphous film include conductive metal ceramic films such as TiN, TiC, TiCN, TiAlN, TiAlC, TiAlCN, CrN, CrC, and CrCN. Further, in order to improve the adhesion of the amorphous film, for example, a metal film made of titanium, aluminum, chromium, zirconium, vanadium, niobium, hafnium, tantalum, or an alloy thereof is formed on the substrate surface as an intermediate layer. You may do it. The conductive amorphous film is preferably formed to a thickness of 0.1 μm to 2 μm because cracks are likely to occur as the thickness increases.

<実施例1>
基材としてステンレス(SUS304)を用い、基材表面に結晶性窒化物としてInGaNからなる皮膜を形成したセパレータを製造した。まず、基材表面を、アルカリ浸漬脱脂処理及び電解脱脂処理を行った後、純水で洗浄して乾燥させ、清浄化処理を行った。清浄化して異物を除去した基材表面に、MOCVD法によりInGaNを形成した。原料として、有機金属ガス(トリエチルガリウム及びトリメチルガリウム)、キャリアガス(窒素)、反応ガス(アンモニアガス)を混合したものを使用し、基材温度を600℃〜800℃に設定して混合ガスを60分間基材表面に吹き込み、膜厚0.5μmの皮膜を基材表面に形成した。
<Example 1>
Stainless steel (SUS304) was used as a base material, and a separator having a film made of InGaN as crystalline nitride formed on the base material surface was manufactured. First, the surface of the base material was subjected to alkali dipping degreasing and electrolytic degreasing, and then washed with pure water and dried to perform a cleaning process. InGaN was formed by MOCVD on the surface of the substrate that had been cleaned to remove foreign matter. As a raw material, a mixture of an organometallic gas (triethylgallium and trimethylgallium), a carrier gas (nitrogen), and a reactive gas (ammonia gas) is used, and the substrate temperature is set to 600 ° C. to 800 ° C. and the mixed gas is used. A film having a thickness of 0.5 μm was formed on the substrate surface by blowing on the substrate surface for 60 minutes.

<実施例2>
基材としてステンレス(SUS304)を用い、基材表面を清浄化処理した後導電性非晶質膜としてTiN膜を形成し、導電性非晶質膜の表面に結晶性窒化物としてInGaNからなる皮膜を形成したセパレータを製造した。導電性非晶質膜は、チタンをターゲットとし、プラズマ化したアルゴンでターゲットをスパッタするマグネトロンスパッタリング法で形成し、膜形成の際に窒素ガスを吹き込み反応させることでTiN膜を形成させる。アルゴンと窒素の流量比を5:3とし、30分間膜成長させることで膜厚0.6μmの導電性非晶質膜を形成した。結晶性窒化物からなる皮膜は、実施例1と同様に混合ガスを導電性非晶質膜の表面に吹き込んで膜厚0.5μmに形成した。
<Example 2>
Using stainless steel (SUS304) as a base material, cleaning the base material surface, forming a TiN film as a conductive amorphous film, and a film made of InGaN as crystalline nitride on the surface of the conductive amorphous film A separator was formed. The conductive amorphous film is formed by a magnetron sputtering method using titanium as a target and sputtering the target with plasma argon, and a TiN film is formed by blowing nitrogen gas and reacting in forming the film. A flow rate ratio of argon and nitrogen was set to 5: 3, and a film was grown for 30 minutes to form a conductive amorphous film having a thickness of 0.6 μm. The film made of crystalline nitride was formed to a thickness of 0.5 μm by blowing a mixed gas onto the surface of the conductive amorphous film in the same manner as in Example 1.

<実施例3>
実施例2において導電性非晶質膜としたTiN膜をアークイオンプレーティング法によって形成したセパレータを製造した。アークイオンプレーティング法では、チタンターゲットをカソードとして、アノードとの間で真空アーク放電を起こしてターゲットを蒸発させ、イオン化することにより基材表面に膜形成した。膜形成の際に窒素ガスを吹き込み、チタンイオンと反応させることでTiN膜を形成させる。窒素の流量は640sccmとし、30分間基材表面に膜成長させることで膜厚0.6μmの導電性非晶質膜を形成した。
<Example 3>
In Example 2, a separator in which a TiN film as a conductive amorphous film was formed by an arc ion plating method was manufactured. In the arc ion plating method, a titanium target was used as a cathode, a vacuum arc discharge was generated between the anode and the target, the target was evaporated, and a film was formed on the surface of the substrate by ionization. When forming a film, nitrogen gas is blown and reacted with titanium ions to form a TiN film. The flow rate of nitrogen was 640 sccm, and a conductive amorphous film having a thickness of 0.6 μm was formed by growing the film on the surface of the substrate for 30 minutes.

<比較例>
比較例1として、ステンレス(SUS304)をそのまま用いて評価を行った。また、比較例2として、ステンレス(SUS316)をそのまま用いて評価を行った。比較例3として、実施例2と同様にステンレスを基材として用い、基材表面にマグネトロンスパッタリング法により導電性非晶質膜としてTiN膜のみを膜厚0.6μm形成したものを製造して評価を行った。比較例4として、実施例3と同様にステンレスを基材として用い、基材表面にアークイオンプレーティング法により導電性非晶質膜としてTiN膜のみを膜厚0.6μm形成したものを製造して評価を行った。
<Comparative example>
As Comparative Example 1, evaluation was performed using stainless steel (SUS304) as it was. Further, as Comparative Example 2, evaluation was performed using stainless steel (SUS316) as it was. As Comparative Example 3, as in Example 2, stainless steel was used as the base material, and a film was formed by forming only a TiN film having a thickness of 0.6 μm as a conductive amorphous film on the base material surface by magnetron sputtering. Went. As Comparative Example 4, as in Example 3, a stainless steel was used as a base material, and a TiN film only having a thickness of 0.6 μm was formed as a conductive amorphous film on the base material surface by an arc ion plating method. And evaluated.

<評価試験>
製造したセパレータの評価試験として、接触面積抵抗率の測定、耐食性試験及び簡易発電試験を行った。接触面積抵抗率の測定については、図2に示す試験装置を用いて実施した。試験装置では、電極板10とセパレータ13の両面にカーボンシート12(東レ株式会社製TGP−H−060)を介してそれぞれ電極板11を配置し、電極板11の外側に絶縁性プレートからなる加圧保持部材10をそれぞれ配置して加圧保持部材10を両側から挟圧するように加圧して各部材を密着させた状態に設定する。そして、一対の電極板11の間に電流計及び電圧計を接続する。
<Evaluation test>
As an evaluation test of the manufactured separator, a contact area resistivity measurement, a corrosion resistance test, and a simple power generation test were performed. The contact area resistivity was measured using the test apparatus shown in FIG. In the test apparatus, the electrode plate 11 is disposed on both surfaces of the electrode plate 10 and the separator 13 via the carbon sheet 12 (TGP-H-060 manufactured by Toray Industries, Inc.), and an insulating plate is added outside the electrode plate 11. Each of the pressure holding members 10 is arranged, and the pressure holding member 10 is pressed so as to sandwich the pressure from both sides, and the respective members are brought into close contact with each other. Then, an ammeter and a voltmeter are connected between the pair of electrode plates 11.

加圧保持部材10に加えられる面圧力は15kgf/cm2とし、カーボンシート10のサイズを1cm×1cmに設定してセパレータの接触面積を1cm2とした。一対の電極板11の電流を流す場合には一方の電極板から他方の電極板に流す場合及びその逆方向に流す場合の2通りで行い、それぞれの場合の電流値及び電圧値から抵抗値を求めた。そして、得られた抵抗値とセパレータの面積値との積を接触面積抵抗率とした。 The surface pressure applied to the pressure holding member 10 was 15 kgf / cm 2 , the size of the carbon sheet 10 was set to 1 cm × 1 cm, and the contact area of the separator was 1 cm 2 . When the current of the pair of electrode plates 11 is made to flow, it is performed in two ways: when flowing from one electrode plate to the other electrode plate and when flowing in the opposite direction, and the resistance value is determined from the current value and voltage value in each case. Asked. The product of the obtained resistance value and the area value of the separator was defined as the contact area resistivity.

耐食性試験では、pH2.0に調整して60℃に昇温した硫酸中にセパレータを100時間浸漬して行った。耐食性の評価は、試験前及び試験後の接触面積抵抗率を測定してその変化から評価した。評価結果を図3に示す。   In the corrosion resistance test, the separator was immersed in sulfuric acid adjusted to pH 2.0 and heated to 60 ° C. for 100 hours. Corrosion resistance was evaluated by measuring the contact area resistivity before and after the test and evaluating the change. The evaluation results are shown in FIG.

セパレータの接触面積抵抗率は、燃料電池の性能を維持するためには30mΩ・cm2以下であることが必要となる。接触面積抵抗率が30mΩ・cm2を超えると、セル間の電圧降下が大きくなって発電効率が下がり、燃料電池の性能が大幅に低下するようになる。評価結果をみると、実施例1から3では、耐食性試験の前後で接触面積抵抗率が30mΩ・cm2以下になっており、燃料電池の性能を維持するのに必要な接触面積抵抗率及び耐食性を備えていることがわかる。 The contact area resistivity of the separator is required to be 30 mΩ · cm 2 or less in order to maintain the performance of the fuel cell. When the contact area resistivity exceeds 30 mΩ · cm 2 , the voltage drop between the cells becomes large, the power generation efficiency is lowered, and the performance of the fuel cell is greatly lowered. From the evaluation results, in Examples 1 to 3, the contact area resistivity was 30 mΩ · cm 2 or less before and after the corrosion resistance test, and the contact area resistivity and corrosion resistance necessary to maintain the performance of the fuel cell. It can be seen that

簡易発電試験については、実施例3と同様の導電性非晶質膜及び結晶性窒化物からなる皮膜を一方の片面に形成したセパレータの皮膜形成表面の一部に白金を担持したカーボンをナフィオンをバインダーとして塗布したものを用いた。セパレータの他方の片面には、電極として使用するために引き出し線を接続して全面を絶縁物質によりマスキングした。燃料極側セパレータの発電試験として、水素を封入した雰囲気下にセパレータを設置し、電解液である硫酸水溶液に半面浸漬した状態に設定した。その際に、セパレータの皮膜形成面以外は、絶縁物質のマスキングにより硫酸水溶液に触れないようになっている。空気極側セパレータの発電試験として、燃料極側セパレータと同様に作成したセパレータを用いて皮膜形成面が大気に接触した状態とし、燃料極側セパレータ及び空気極側セパレータの引き出し線を外部負荷を介して電気的に接続した。これにより、試料をアノードとカソード両方の発電環境下においた燃料電池の発電が起きる。このときの電流密度を100〜300mA/cm2とした場合の電圧値を測定して評価を行う。この試験では、電流密度増加に伴う電圧降下の少ないものほど発電効率がよく、セパレータとしても性能に優れていることになる。 For the simple power generation test, carbon carrying platinum on a part of the film-forming surface of the separator in which a film made of the same conductive amorphous film and crystalline nitride as that of Example 3 was formed on one side was added with Nafion. What was apply | coated as a binder was used. On the other side of the separator, a lead wire was connected for use as an electrode, and the entire surface was masked with an insulating material. As a power generation test of the fuel electrode side separator, the separator was placed in an atmosphere filled with hydrogen, and was set in a state where it was immersed in a sulfuric acid aqueous solution as an electrolyte. At that time, except for the film-forming surface of the separator, the aqueous sulfuric acid solution is not touched by masking the insulating material. As a power generation test for the air electrode side separator, the film formation surface was brought into contact with the atmosphere using a separator prepared in the same manner as the fuel electrode side separator, and the lead wires of the fuel electrode side separator and the air electrode side separator were connected via an external load. Connected electrically. As a result, power generation of the fuel cell occurs with the sample in both the anode and cathode power generation environments. Evaluation is performed by measuring the voltage value when the current density at this time is 100 to 300 mA / cm 2 . In this test, the smaller the voltage drop with increasing current density, the better the power generation efficiency, and the better the separator performance.

測定結果を図4に示す。なお、比較例として、比較例1と同様にステンレス(SUS304)をそのまま用いて評価を行った。測定結果をみると、実施例3と同様に導電性非晶質膜及び皮膜を形成した場合には、電流密度を高くしても高電圧が保たれており、発電性能が優れていることがわかる。   The measurement results are shown in FIG. As a comparative example, evaluation was performed using stainless steel (SUS304) as it is in the same manner as in comparative example 1. Looking at the measurement results, when the conductive amorphous film and the film were formed as in Example 3, the high voltage was maintained even when the current density was increased, and the power generation performance was excellent. Recognize.

1・・・電解質膜 2・・・触媒層 3・・・触媒層 4・・・多孔質体 5・・・多孔質体 6・・・セパレータ 7・・・セパレータ 8・・・流路 9・・・流路 101・・・電解質 102・・・燃料極 103・・・空気極 104・・・負荷 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Electrolyte membrane 2 ... Catalyst layer 3 ... Catalyst layer 4 ... Porous body 5 ... Porous body 6 ... Separator 7 ... Separator 8 ... Channel 9 ..Flow path 101 ... Electrolyte 102 ... Fuel electrode 103 ... Air electrode 104 ... Load

Claims (2)

金属材料からなる基材と、基材表面に形成されたTiNからなる導電性非晶質膜と、導電性非晶質膜の表面に形成された結晶性窒化物であるInGaNからなる皮膜とを備えていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。 A base material made of a metal material , a conductive amorphous film made of TiN formed on the surface of the base material, and a film made of InGaN which is a crystalline nitride formed on the surface of the conductive amorphous film A separator for a fuel cell, comprising: 金属材料からなる基材表面に物理蒸着法(PVD)によって導電性非晶質膜を形成し、形成された導電性非晶質膜の表面に有機金属化学蒸着法(MOCVD)又は分子線エピキタシー法(MBE)により結晶性窒化物からなる皮膜を形成したことを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。A conductive amorphous film is formed on the surface of a substrate made of a metal material by physical vapor deposition (PVD), and metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) or molecular beam epitaxy is formed on the surface of the formed conductive amorphous film. A method of manufacturing a separator for a fuel cell, wherein a film made of crystalline nitride is formed by (MBE).
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