JP2002075399A - Separator for solid polymer electrolyte fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は燃料電池用セパレー
タに係り、特に、固体高分子電解質型の燃料電池に好適
なセパレータ材料に関する。The present invention relates to a fuel cell separator, and more particularly to a separator material suitable for a solid polymer electrolyte type fuel cell.
【0002】[0002]
【従来の技術】種々ある燃料電池の中で、固体高分子電
解質型燃料電池は、高分子からなる膜状の固体電解質
が、白金等の触媒が担持されたカーボン電極で挟まれ、
さらにこれを、燃料の水素ガスおよび酸化剤ガス(酸素
あるいは空気)の流路を形成し、かつ集電作用を有する
一対のセパレータで狭持した構造である。これを単セル
といい、燃料電池スタックはこの単セルを複数個積層し
たものである。2. Description of the Related Art Among various types of fuel cells, a solid polymer electrolyte fuel cell has a membrane solid electrolyte composed of a polymer sandwiched between carbon electrodes carrying a catalyst such as platinum.
Further, this is a structure in which a flow path for the hydrogen gas and the oxidizing gas (oxygen or air) of the fuel is formed, and a pair of separators having a current collecting action sandwich the fuel gas. This is called a single cell, and a fuel cell stack is formed by stacking a plurality of these single cells.
【0003】セパレータは、従来から耐食性に優れた人
造黒鉛などが使用されていたが、最近になり、コスト低
減の観点から、セパレータ材料として金属を使用する方
法も開発されてきている。Conventionally, artificial graphite or the like having excellent corrosion resistance has been used as a separator. However, recently, from the viewpoint of cost reduction, a method using a metal as a separator material has been developed.
【0004】しかし、金属材料として、鉄基あるいはニ
ッケル基、アルミニウムなどの実用金属を採用すると、
電池の運転時間の経過とともに、電極界面で発生するプ
ロトンにより、セパレータが腐食される。However, when a practical metal such as iron-based or nickel-based or aluminum is adopted as the metal material,
As the operation time of the battery elapses, protons generated at the electrode interface corrode the separator.
【0005】さらには、腐食によって生成する金属イオ
ンが電解質膜のイオン交換基に固定され、これがプロト
ンの通り道を閉塞させるため、膜抵抗が上昇し、電池性
能が劣化することがある。Furthermore, metal ions generated by corrosion are fixed to ion exchange groups of the electrolyte membrane, which block the passage of protons, so that the membrane resistance increases and the battery performance may deteriorate.
【0006】金属セパレータは低コスト化の手法として
期待できるが、金属を使用するためには腐食を抑える必
要がある。これを防止するための多くの金属表面処理方
法が発明されている。ただし、ここであげる表面処理方
法は、セパレータが集電材としてのはたらきも併せ持つ
ので、表面処理後も導電性を保持する必要がある。Although a metal separator can be expected as a method of reducing cost, it is necessary to suppress corrosion in order to use a metal. Many metal surface treatment methods have been invented to prevent this. However, in the surface treatment method described here, since the separator also has a function as a current collector, it is necessary to maintain conductivity even after the surface treatment.
【0007】特開平05−182679号公報に記載の
技術は、耐食性の劣る基板金属上に、耐食性があり、か
つ導電性を有する金属をコートする方法である。特開平
08−222237号公報に記載の技術は、金属材料の
表裏面に電気伝導性材料をコートし耐食性を向上させる
方法である。The technique described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 05-182679 is a method of coating a metal having corrosion resistance and conductivity on a substrate metal having poor corrosion resistance. The technique described in JP-A-08-222237 is a method for improving corrosion resistance by coating an electrically conductive material on the front and back surfaces of a metal material.
【0008】特に、めっきを用いた例として、特開20
00−036309号公報、特開2000−10045
2号公報、特開2000−106197号公報、特開平
10−228914号公報、特開平11−126621
号公報、特開平11−126622号公報、特開平11
−162478号公報などがある。In particular, as an example using plating, see Japanese Patent Application Laid-Open No.
00-036309, JP-A-2000-10045
2, JP-A-2000-106197, JP-A-10-228914, JP-A-11-126621
JP, JP-A-11-126622, JP-A-11-126622
162478.
【0009】また、同じ目的で、炭素あるいは炭素塗料
を塗布し、耐食性を向上させる例として、特開平05−
310471号公報、特開平07−272731号公
報、特開平10−255823号公報、特開平10−2
55823号公報、特開平11−121018号公報、
特開平11−144744号公報、特開平11−345
618号公報、特開平11−345618号公報などが
ある。For the same purpose, carbon or carbon paint is applied to improve corrosion resistance.
JP-A-310471, JP-A-07-272731, JP-A-10-255823, JP-A-10-2
No. 55823, Japanese Unexamined Patent Publication No. 11-12018,
JP-A-11-144744, JP-A-11-345
618 and JP-A-11-345618.
【0010】また、表面被覆材が酸化物導電体の場合、
特開平07−153470号公報、特開平07−201
340号公報、特開平07−296827号公報、特開
平11−273693号公報などの例がある。When the surface coating material is an oxide conductor,
JP-A-07-153470, JP-A-07-201
340, JP-A-07-296827, and JP-A-11-273693.
【0011】このほか、セラミクスなどを被覆した例と
して、特開平08−203544号公報、特開平10−
074527号公報、特開平11−126620号公
報、特開平11−162479号公報、特開平11−2
60382号公報、特開平11−260383号公報な
どがあり、また、樹脂などを被覆した特開平11−12
9396号公報、特開平11−268075号公報など
の例がある。In addition, as examples of coating with ceramics and the like, see JP-A-08-203544 and JP-A-10-
JP-A-0745527, JP-A-11-126620, JP-A-11-162479, and JP-A-11-2
No. 60382, JP-A-11-260383 and the like, and JP-A-11-12 coated with a resin or the like.
9396, and Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-268075.
【0012】そして、これら各公報に記載された発明は
いずれも、金属基板を防食するための発明である。Each of the inventions described in these publications is an invention for protecting a metal substrate from corrosion.
【0013】[0013]
【発明が解決しようとする課題】上述した各種金属表面
処理では、充分な耐食性や耐久性に乏しいことがある。
自動車用燃料電池など、一般的な寿命までの実質運転時
間が5000時間たらずの対象に使用される場合は充分
な方法もあるが、分散電源など、比較的長期にわたり、
連続的に使用される燃料電池では数万時間の耐久力が要
求される。The above-mentioned various metal surface treatments may not have sufficient corrosion resistance and durability.
There is a sufficient method when it is used for an object such as a fuel cell for an automobile that has a substantial operating time of less than 5000 hours until its life, but for a relatively long time such as a distributed power source,
Continuously used fuel cells require tens of thousands of hours of durability.
【0014】これに加え、コストを低減することが燃料
電池を普及させる上で必要不可欠であることを考える
と、低コストの基板材料、低コストの表面処理法で、数
万時間の耐久力を有するセパレータを開発する必要があ
る。[0014] In addition, considering that cost reduction is indispensable for the spread of fuel cells, a low-cost substrate material and a low-cost surface treatment method can provide tens of thousands of hours of durability. It is necessary to develop a separator having the same.
【0015】本発明の課題は、鉄基合金の表面をエッチ
ングする手段を用いて、金属表面における添加元素濃度
を増加させて耐食性を付与する。さらには、酸化、窒
化、炭化あるいはホウ化して表面の不動態皮膜の耐酸性
能力を強固にし、一層の耐食性を与えることである。An object of the present invention is to provide corrosion resistance by increasing the concentration of additional elements on a metal surface by using means for etching the surface of an iron-based alloy. Further, it is to oxidize, nitride, carbonize or borate to strengthen the acid resistance of the passivation film on the surface and to provide more corrosion resistance.
【0016】[0016]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明では、固体高分子電解質型燃料電池のセパレ
ータに鉄基合金を採用し、その表層に添加元素の濃縮層
を形成した。これによって、耐食性の向上したセパレー
タおよび固体高分子電解質型燃料電池が得られる。以
下、その手段のいくつかの態様を述べる。In order to solve the above-mentioned problems, in the present invention, an iron-based alloy is used for a separator of a solid polymer electrolyte fuel cell, and a concentrated layer of an additive element is formed on the surface of the separator. Thereby, a separator and a solid polymer electrolyte fuel cell having improved corrosion resistance can be obtained. Hereinafter, some aspects of the means will be described.
【0017】第1の態様として、固体高分子電解質型燃
料電池の燃料ガス、酸化剤ガス(酸素あるいは空気)の
流路形成ならびに集電機能の役割を果たすセパレータに
おいて、セパレータは鉄基の合金とする。この合金をセ
パレータの形状に加工した後、エッチングする。これに
よって、セパレータ表面近傍の鉄が選択的に溶解し、表
面における添加した元素の濃度が増加し、耐食性の向上
が期待される。As a first embodiment, in a separator which plays a role of forming a flow path of a fuel gas and an oxidizing gas (oxygen or air) and collecting current in a solid polymer electrolyte fuel cell, the separator is made of an iron-based alloy. I do. After processing this alloy into the shape of a separator, it is etched. This selectively dissolves iron near the separator surface, increases the concentration of the added element on the surface, and is expected to improve corrosion resistance.
【0018】第2の態様として、固体高分子電解質型燃
料電池の燃料ガス、酸化剤ガスの流路形成ならびに集電
機能の役割を果たすセパレータにおいて、セパレータは
鉄基の合金であり、セパレータ表面の酸化皮膜が、添加
元素で形成する酸化皮膜、水酸化物皮膜、オキシ水酸化
物皮膜で形成され、かつ、前記皮膜と金属界面の金属側
における添加元素の濃度が、鉄と添加元素の混合割合よ
り高い濃度にする。As a second aspect, in a separator that plays a role of forming a flow path of a fuel gas and an oxidizing gas of a solid polymer electrolyte fuel cell and performing a current collecting function, the separator is an iron-based alloy, The oxide film is formed of an oxide film, a hydroxide film, and an oxyhydroxide film formed by the additive element, and the concentration of the additive element on the metal side of the interface between the film and the metal is a mixing ratio of iron and the additive element. Use a higher concentration.
【0019】第3の態様として、上記セパレータを、さ
らに酸化、窒化、炭化あるいはホウ化処理のうちの少な
くともいずれか一つの方法により、セパレータ表面に無
機皮膜を形成させる。これによって環境と材料を隔てる
障壁が厚くなるので、さらなる耐食性の向上が図られ
る。In a third embodiment, the separator is further formed with an inorganic film on the surface of the separator by at least one of oxidation, nitridation, carbonization and boration. This increases the thickness of the barrier separating the environment and the material, thereby further improving the corrosion resistance.
【0020】第4の態様として、上記鉄基の合金に、該
合金上に生成する酸化皮膜を不純物半導体とするための
添加元素を加える。これによって電子伝導性を有する酸
化皮膜が得られるので、耐食性と導電性を維持できる。As a fourth embodiment, an additional element for converting an oxide film formed on the alloy into an impurity semiconductor is added to the iron-based alloy. As a result, an oxide film having electron conductivity is obtained, so that corrosion resistance and conductivity can be maintained.
【0021】第5の態様として、上記燃料電池用のセパ
レータの最外表面を、電子伝導性を有する被覆層で被覆
することにより、セパレータの下地金属層を腐食から保
護するようにした。As a fifth aspect, the outermost surface of the fuel cell separator is coated with a coating layer having electron conductivity to protect the base metal layer of the separator from corrosion.
【0022】第6の態様として、上記鉄基の合金が、ク
ロム、ニッケル、アルミニウム、チタン、ジルコニウ
ム、ニオブ、タングステン、ケイ素のうち、少なくとも
一元素を添加する。In a sixth aspect, the iron-based alloy adds at least one element of chromium, nickel, aluminum, titanium, zirconium, niobium, tungsten, and silicon.
【0023】第7の態様として、上記合金の成分が、ク
ロム12wt%以上で、かつ、チタン2〜5wt%ある
いはアルミニウム2〜5wt%のうち何れか少なくとも
一元素か、あるいは前記元素の組み合せで構成される鉄
基合金とする。According to a seventh aspect, the composition of the alloy is at least one element of 12 wt% or more of chromium and 2 to 5 wt% of titanium or 2 to 5 wt% of aluminum, or a combination of the above elements. Iron-based alloy.
【0024】以下、本発明の作用を説明する。燃料電池
は、水素ガスと酸化剤ガス(酸素あるいは空気)を、そ
れぞれ別個の電極で酸化反応および還元反応させ、その
ときの電極間で生じる起電力を利用した電池である。Hereinafter, the operation of the present invention will be described. A fuel cell is a battery that uses an electromotive force generated between the electrodes in which a hydrogen gas and an oxidizing gas (oxygen or air) are oxidized and reduced by separate electrodes, respectively.
【0025】ここで、水素ガス側の電極を水素極、酸化
剤ガス側電極を酸素極と呼ぶことにする。これらの電極
は、一般に水素過電圧ならびに酸素過電圧の小さい白金
などの、触媒作用のある金属で構成されている。固体高
分子電解質型燃料電池では、水素極ならびに酸素極は、
カーボンに微粒子の白金を担持させたものが使われい
る。Here, the electrode on the hydrogen gas side is called a hydrogen electrode, and the electrode on the oxidant gas side is called an oxygen electrode. These electrodes are generally made of a catalytic metal such as platinum having a low hydrogen overvoltage and a low oxygen overvoltage. In a solid polymer electrolyte fuel cell, the hydrogen electrode and the oxygen electrode
What carries fine particles of platinum on carbon is used.
【0026】また、両電極は電子伝導性は無いがイオン
伝導性を有するイオン交換樹脂からなる高分子膜を介し
て狭持されている。イオン伝導性部分に固体の高分子を
利用しているところに、固体高分子電解質型燃料電池の
特徴がある。Both electrodes are sandwiched by a polymer membrane made of an ion exchange resin having no ion conductivity but having ion conductivity. There is a feature of a solid polymer electrolyte fuel cell in that a solid polymer is used for the ion conductive portion.
【0027】セパレータは水素ガスや酸素ガスの流路の
役割ならびに電池反応で生じる電流を流すはたらきを有
している。従来は、セパレータは黒鉛系の材料が用いら
れてきたが、コストの点を考えると金属を利用すること
が有利である。The separator has a role of a flow path for hydrogen gas and oxygen gas and a function of flowing current generated by a battery reaction. Conventionally, a graphite-based material has been used for the separator, but it is advantageous to use a metal in view of cost.
【0028】一方、実用金属は腐食されやすいという短
所を有する。燃料である水素分子が酸化されるとプロト
ンとなる。セパレータと電極が接触する界面では、この
プロトン濃度が極度に高くなっていると考えられ、水素
発生型の腐食反応が進行し、セパレータが腐食する懸念
がある。On the other hand, practical metals have a disadvantage that they are easily corroded. When hydrogen molecules as fuel are oxidized, they become protons. At the interface where the separator and the electrode are in contact, the proton concentration is considered to be extremely high, and there is a concern that the hydrogen-producing type corrosion reaction proceeds and the separator corrodes.
【0029】金属の短所は腐食することだけでなく、腐
食生成物である金属イオンが、高分子電解質膜へ移動
し、イオン交換基に捕捉されることにもある。イオン交
換樹脂におけるイオン交換のされやすさは選択係数で表
され、イオン半径が大きいほど、また、イオン価数が大
きいほどイオン交換樹脂の交換基と結合する力が強い傾
向がある。The disadvantages of metals are not only that they corrode, but also that metal ions, which are corrosion products, migrate to the polymer electrolyte membrane and are trapped by ion exchange groups. The easiness of ion exchange in the ion exchange resin is represented by a selectivity coefficient. The larger the ion radius and the higher the ionic valence, the stronger the tendency to bind to the exchange group of the ion exchange resin.
【0030】つまり、イオン交換基はプロトンより金属
イオンの方と強く結合する性質を有している。したがっ
て、本来、プロトンが通るべき道が、金属イオンによっ
て塞がれてしまい、プロトン伝導性が低下することにな
る。この結果、腐食の進行とともに、膜の電気抵抗が上
昇し、電流が通れなくなるおそれがある。That is, the ion-exchange group has the property of binding more strongly to the metal ion than to the proton. Therefore, the path through which the protons should originally pass is blocked by the metal ions, and the proton conductivity is reduced. As a result, the electric resistance of the film increases with the progress of corrosion, and there is a possibility that current cannot pass.
【0031】このように、金属をセパレータとして使用
するためには、腐食を抑えることが必要不可欠である。
白金などに代表される貴金属は、非酸化性環境であれば
耐酸性に優れているが、ステンレス鋼など、従来の実用
金属材料は耐酸性に劣る。As described above, in order to use a metal as a separator, it is essential to suppress corrosion.
Noble metals typified by platinum and the like have excellent acid resistance in a non-oxidizing environment, but conventional practical metal materials such as stainless steel have poor acid resistance.
【0032】通常、耐硫酸、耐塩酸用の実用材料とし
て、高ニッケル−高クロムステンレス鋼やニッケル基ク
ロム−モリブデン合金などの、優れた金属材料が存在す
るが、若干のイオン溶出を伴なう。さらには、燃料電池
の場合、セパレータが電極と電気的に接触しているた
め、セパレータが分極された状態で使用されることに注
意する必要がある。Usually, there are excellent metallic materials such as high nickel-high chromium stainless steel and nickel-based chromium-molybdenum alloy as practical materials for sulfuric acid resistance and hydrochloric acid resistance, but they are accompanied by some ion elution. . Furthermore, in the case of a fuel cell, it must be noted that the separator is used in a polarized state because the separator is in electrical contact with the electrode.
【0033】ステンレス鋼、特に高クロム−高ニッケル
鋼では、過不動態域での耐食性に著しく劣り、場合によ
っては不動態化している炭素鋼より悪い場合がある。こ
れは、この合金中に含まれているニッケルやクロムが、
酸素発生反応の電位より比較的低い電位域でイオンとし
て溶出するためである。[0033] Stainless steels, especially high chromium-high nickel steels, have significantly poorer corrosion resistance in the overpassivation region, and in some cases worse than passivated carbon steel. This is because nickel and chromium contained in this alloy
This is because they are eluted as ions in a potential range relatively lower than the potential of the oxygen generation reaction.
【0034】つまり、実際の使用電位域におけるイオン
溶出量が、甚だ大きいという欠点を有する。前述したよ
うに、ニッケル(2価または3価)イオン、クロム(ク
ロム酸として6価)イオンは、共にイオン半径、価数が
大きいため膜におけるプロトン通過の妨害作用が大きく
なると予想される。That is, there is a disadvantage that the ion elution amount in the actual working potential range is extremely large. As described above, nickel (divalent or trivalent) ions and chromium (hexavalent as chromic acid) ions both have a large ionic radius and valence, so that it is expected that the proton blocking effect in the membrane will increase.
【0035】水素極側でも同様の現象が懸念される。水
素極側の電位領域が、ちょうどステンレス鋼の活性態域
に一致するため、金属イオンの溶出量が大となる。ただ
し、鋼種によって、活性態最大電流密度は過不動態電流
密度より小さいこともあるので、活性溶解の影響は小さ
くできる可能性がある。A similar phenomenon is concerned on the hydrogen electrode side. Since the potential region on the hydrogen electrode side exactly matches the active region of stainless steel, the amount of metal ions eluted is large. However, depending on the type of steel, the active maximum current density may be smaller than the transpassive current density, so that the influence of active dissolution may be reduced.
【0036】以上、ステンレス鋼を一例に実用合金の問
題点を述べたが、ステンレス鋼より耐酸性に極めて優れ
るニッケル基−クロム−モリブデン合金なども同じよう
な傾向を示す。これに対し、チタン、ジルコニウム、ニ
オブは、pH1程度の硫酸水溶液では完全に耐食的であ
る。Although the problems of practical alloys have been described above using stainless steel as an example, nickel-base-chromium-molybdenum alloys, which have much higher acid resistance than stainless steel, show the same tendency. On the other hand, titanium, zirconium, and niobium are completely corrosion resistant in a sulfuric acid aqueous solution having a pH of about 1.
【0037】ただし、チタンの価格は、ステンレス鋼と
して最も一般的なSUS304より一桁程度高く、ニッ
ケル基−クロム−モリブデン合金にいたっては、チタン
の2倍ほどの価格であり、コスト低減の観点からは、こ
れらの材料を選定するには困難が伴なう。However, the price of titanium is about an order of magnitude higher than SUS304, which is the most common stainless steel, and the price of nickel-base-chromium-molybdenum alloy is about twice that of titanium. Therefore, it is difficult to select these materials.
【0038】コストを考慮すると、鉄鋼材料を主眼に据
えることが肝要であり、本発明においては、鉄基合金の
表面処理を特徴的に行なうことにより、セパレータの耐
食性を向上させたものである。Considering the cost, it is important to focus on the steel material. In the present invention, the corrosion resistance of the separator is improved by characteristically performing the surface treatment of the iron-based alloy.
【0039】前述した第1の態様では、たとえば耐硫酸
性に優れるチタン、ニオブ、ジルコニウム、アルミニウ
ム、クロム、ニッケル、シリコンなどの添加元素のう
ち、少なくとも一種類を含ませた鉄基の合金とする。In the first embodiment described above, for example, an iron-based alloy containing at least one of additional elements such as titanium, niobium, zirconium, aluminum, chromium, nickel, and silicon having excellent sulfuric acid resistance is used. .
【0040】これらの添加元素の中で、鉄の耐食性を向
上できる元素はクロムで、これが12wt%以上含むと
耐食性が著しく改善される。チタン、ニオブ、ジルコニ
ウムやアルミニウムの場合、10wt%程度まで添加量
を増加させれば、耐食性の向上が期待できるが、これと
引き換えに、硬く、脆くなり、加工性が甚だ乏しくな
る。実用的な添加量は元素により異なるが、概略3wt
%前後である。Among these additional elements, chromium is an element capable of improving the corrosion resistance of iron, and when it contains 12 wt% or more, the corrosion resistance is remarkably improved. In the case of titanium, niobium, zirconium or aluminum, increasing the amount of addition to about 10 wt% can be expected to improve corrosion resistance, but in exchange for this, it becomes hard and brittle, and the workability becomes extremely poor. The practical addition amount varies depending on the element, but approximately 3 wt.
%.
【0041】このままの添加量では耐食性の向上が期待
できないので、次に、数wt%の前記元素を含む鉄鋼
を、化学エッチングあるいは電解研磨等のエッチング手
段を用いて、表面を穏やかに処理する。Since the corrosion resistance cannot be expected to be improved with the added amount as it is, the surface of the steel containing several wt% of the above-mentioned element is gently treated by etching means such as chemical etching or electrolytic polishing.
【0042】これによって耐食性に劣る鉄が優先的に溶
解し、結果として、添加元素が表面に濃縮した層が形成
される。これによって高価な元素を少ない添加量で耐食
性の改善を図ることが可能となる。As a result, iron having poor corrosion resistance is preferentially dissolved, and as a result, a layer in which the additive element is concentrated on the surface is formed. This makes it possible to improve corrosion resistance with a small amount of expensive element added.
【0043】そのほかの添加元素として、ニッケルは、
機械加工性に優れるオーステナイトを形成するために重
要なはたらきを有する。適当量添加することにより、オ
ーステナイト相とすることができる。As another additive element, nickel is
It has an important function for forming austenite having excellent machinability. By adding an appropriate amount, an austenite phase can be obtained.
【0044】また、シリコンは、耐食性には直接寄与し
ないが、以下の態様で述べるように、合金を酸化して耐
食性酸化皮膜を形成する際、鉄−クロム主体の酸化皮膜
成長を抑制し、耐食性に優れた皮膜形成を助けるはたら
きを有している。Although silicon does not directly contribute to corrosion resistance, as described in the following embodiment, when forming an anti-corrosion oxide film by oxidizing an alloy, the growth of an oxide film mainly composed of iron-chromium is suppressed, and It has a function to help excellent film formation.
【0045】第2の態様では、第1の態様で説明したよ
うな、添加元素を加えた鉄基合金において、その表面近
傍に添加元素の濃縮層を形成させる。耐食性に優れる添
加元素が表面に濃縮しているため、合金表面に生成する
酸化皮膜(不動態皮膜)は、前記添加元素で形成する酸
化物、水酸化物、オキシ水酸化物のいずれか、あるいは
組み合せで形成され、一層の耐食性を付与できる。In the second embodiment, in the iron-based alloy to which the additive element is added as described in the first embodiment, a concentrated layer of the additive element is formed near the surface. Since the additive element having excellent corrosion resistance is concentrated on the surface, an oxide film (passive film) formed on the alloy surface is formed of any of the oxide, hydroxide, and oxyhydroxide formed by the additive element, or Formed in combination, it can provide even more corrosion resistance.
【0046】これは、金属母材/濃縮層/酸化皮膜(不
動態皮膜)層の3層で形成され、濃縮層における添加元
素濃度は、鉄と添加元素の混合割合から計算される濃度
より高くすることで達成される。This is formed of three layers: a metal base material / a concentrated layer / an oxide film (passive film) layer, and the concentration of the additive element in the concentrated layer is higher than the concentration calculated from the mixing ratio of iron and the additive element. It is achieved by doing.
【0047】第3の態様では、第1および第2の態様の
金属材料を、酸化、窒化、炭化あるいはホウ化処理する
ものである。これらいずれかの処理によって、表面には
厚い無機皮膜層が形成されるため、金属母材と環境とを
隔てる障壁が強くなり、より一層の耐食性を与えること
ができる。In the third embodiment, the metal material of the first and second embodiments is subjected to oxidation, nitridation, carbonization or boride treatment. Since a thick inorganic coating layer is formed on the surface by any of these treatments, a barrier separating the metal base material and the environment is strengthened, and more corrosion resistance can be imparted.
【0048】研磨直後など、新生面の皮膜は数原子層の
厚さしがないが、前記処理によってミクロンオーダまで
皮膜を成長させることができる。その結果、腐食性イオ
ンが金属母材に達するのを妨げるはたらきが増大する。
窒化物や炭化物を形成させた場合、その多くは電子伝導
性に優れるのものが多いので、優れた集電機能を併せて
待つことができる。The film on the new surface, such as immediately after polishing, does not have a thickness of several atomic layers, but the film can be grown to the order of microns by the above-mentioned treatment. As a result, the function of preventing corrosive ions from reaching the metal base material is increased.
When nitrides or carbides are formed, many of them have excellent electron conductivity, so that they can also wait for an excellent current collecting function.
【0049】第4の態様では、第1および第2の態様で
形成した皮膜の電子伝導性を向上させるために、鉄基合
金へ不純物半導体を形成できる元素を添加する。たとえ
ば、鉄−チタン合金を酸化処理すると、二酸化チタンを
主とする皮膜が合金表面に形成されるが、この皮膜は半
導体であるため、電子伝導性に劣る場合がある。In the fourth embodiment, an element capable of forming an impurity semiconductor is added to the iron-based alloy in order to improve the electron conductivity of the film formed in the first and second embodiments. For example, when an iron-titanium alloy is oxidized, a film mainly composed of titanium dioxide is formed on the surface of the alloy. However, since this film is a semiconductor, it may have poor electron conductivity.
【0050】前記合金に、たとえばニオブを添加する
と、酸化チタン−酸化ニオブの複合酸化皮膜が形成し、
n型の不純物半導体になると考えられる。これによって
電子伝導性を高めることができる。When, for example, niobium is added to the alloy, a composite oxide film of titanium oxide-niobium oxide is formed,
It is considered that it becomes an n-type impurity semiconductor. Thereby, electron conductivity can be increased.
【0051】第5の態様は、第1〜第4の態様で述べた
金属を、さらに電子伝導性を有する被覆層で被覆する。
酸化皮膜層を形成しても、必ずしも均一な皮膜が形成さ
れるとは限らず、部分的に弱い部分ができることがあ
る。In a fifth embodiment, the metal described in the first to fourth embodiments is further covered with a coating layer having electron conductivity.
Even if an oxide film layer is formed, a uniform film is not always formed, and a weak portion may be partially formed.
【0052】つまり、ピンホールやクラック的なものな
どが存在することがあり、この部位が腐食起点となるお
それがあるが、電子伝導性を有する被覆層で全体を被覆
することにより、集電材としての機能を失わず、かつ、
皮膜の弱い部分やピンホール部分を被覆物が塞ぐので、
より一層の耐食性向上を期待できる。In other words, pinholes or cracks may be present, and there is a possibility that these portions may become corrosion starting points. However, by covering the whole with a coating layer having electron conductivity, the current collector can be used. Without losing the function of
Since the coating covers the weak part of the film and the pinhole part,
Further improvement in corrosion resistance can be expected.
【0053】第6の態様は、第1および第2の態様にお
ける鉄基の合金が、クロム、ニッケル、アルミニウム、
チタン、ジルコニウム、ニオブ、ケイ素のうち、少なく
とも一元素で構成される。これらの元素は鉄に比べると
耐硫酸性に優れており、これらの元素を添加することで
耐食性が向上する。さらに表面をエッチングして添加元
素の濃縮層を形成するので、耐食性の向上を図ることが
できる。In a sixth aspect, the iron-based alloy in the first and second aspects is such that chromium, nickel, aluminum,
It is composed of at least one element of titanium, zirconium, niobium and silicon. These elements are more excellent in sulfuric acid resistance than iron, and the corrosion resistance is improved by adding these elements. Further, since the surface is etched to form a concentrated layer of the additional element, the corrosion resistance can be improved.
【0054】第7の態様は、鉄に12wt%以上のクロ
ムを含ませると、耐食性の著しい改善を図ることができ
る。さらに、この合金にチタン2〜5wt%か、あるい
はアルミニウム2〜5wt%のうちの何れか一方か、あ
るいは両者を添加する。In the seventh embodiment, when iron contains 12% by weight or more of chromium, the corrosion resistance can be remarkably improved. Further, either 2-5 wt% of titanium or 2-5 wt% of aluminum, or both are added to this alloy.
【0055】チタンは耐硫酸性に優れた金属である。ア
ルミニウムは両性金属なので一般に酸やアルカリに耐食
的ではないが、硫酸中では鉄より腐食速度が遅く、か
つ、上記第3の態様のように、表面を酸化することによ
りアルミナの皮膜が成長するので、より耐食性を向上さ
せることができる。Titanium is a metal having excellent sulfuric acid resistance. Since aluminum is an amphoteric metal, it is generally not corrosion-resistant to acids and alkalis. However, in sulfuric acid, the corrosion rate is lower than that of iron, and as in the third embodiment, the alumina film grows by oxidizing the surface. The corrosion resistance can be further improved.
【0056】このほか、炭素、リン、硫黄、酸素など不
可避な不純物元素は、耐食性や機械的特性に影響をおよ
ぼすものの、固体高分子電解質型燃料電池では、他の種
類の燃料電池と異なり、低温(80℃前後)で使用され
る上、特段の強度を必要としないので、ここでは規定し
ない。In addition, unavoidable impurity elements such as carbon, phosphorus, sulfur, and oxygen affect corrosion resistance and mechanical properties. However, unlike the other types of fuel cells, the solid polymer electrolyte fuel cell has a low temperature. (Approximately 80 ° C.) and no special strength is required, so it is not specified here.
【0057】[0057]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
する。まず、上記第1の態様における実施例を詳述す
る。Embodiments of the present invention will be described below. First, an example of the first aspect will be described in detail.
【0058】最初に、基板材料を製作する。基板材料の
原料として、それぞれ純度99.9%〜99.99%のク
ロムを12wt%、チタンを3wt%、ニオブを0.0
3wt%、残りを鉄とする各金属を、アルゴン雰囲気中
でアーク溶解し、合金を造る。これを均質化熱処理し、
熱間圧延、冷間圧延を経て板厚2mmとし、再度均質化
処理して基板合金とする。First, a substrate material is manufactured. As raw materials for the substrate material, chromium having a purity of 99.9% to 99.99% was 12 wt%, titanium was 3 wt%, and niobium was 0.0.
3 wt% of each metal with the balance being iron is arc melted in an argon atmosphere to produce an alloy. This is subjected to a homogenizing heat treatment,
After hot rolling and cold rolling, the plate is made 2 mm thick and homogenized again to obtain a substrate alloy.
【0059】その後、燃料ガスの流路を形成する機械加
工に供し、断面が方形の流路を持つセパレータとする。
このほか、プレス成型、あるいは射出成形、鋳造などの
ほか、流路を形成できる方法であれば、いずれの方法を
採用してもよい。After that, the separator is subjected to machining for forming a fuel gas flow path to form a separator having a flow path having a rectangular cross section.
In addition, any method other than press molding, injection molding, casting, or any other method that can form a flow path may be employed.
【0060】次に流路溝を形成した基板を化学エッチン
グする。化学エッチングの方法は、30%硝酸水溶液を
50℃まで加熱し、これに1時間程度基板を浸漬する。
これによって表面における鉄が優先溶解し、その結果、
添加元素であるクロム、チタン、ニオブが濃縮した表面
層を形成できる。Next, the substrate on which the flow channel has been formed is chemically etched. In the chemical etching method, a 30% aqueous nitric acid solution is heated to 50 ° C., and the substrate is immersed in the aqueous solution for about one hour.
This preferentially dissolves iron at the surface,
A surface layer in which chromium, titanium, and niobium as added elements are concentrated can be formed.
【0061】ここで述べた化学エッチングの方法は、一
例を示したのみで、合金の組成によって、使用する薬品
の種類や、温度、浸漬時間を変更することができる。た
とえば、クロムを含有しない鋼は、上述した硝酸溶液中
に浸漬すると激しく腐食されてしまい、逆効果となるた
め、マイルドな条件を選ぶ必要がある。The chemical etching method described here is only an example, and the type of chemical used, the temperature, and the immersion time can be changed depending on the composition of the alloy. For example, steel containing no chromium is severely corroded when immersed in the above-mentioned nitric acid solution, which has an adverse effect. Therefore, it is necessary to select mild conditions.
【0062】無機酸あるいは有機酸などで酸性度の弱い
溶液に浸漬したり、鉄と錯イオンを形成しやすいチオシ
アン酸カリウムなどの塩を添加したり、場合によって
は、爆気した塩化ナトリウム水溶液に浸漬して鉄分だけ
を腐食させ、最後に腐食生成物を塩酸などで除去したり
するなど、多くの方法がある。Dipping in a solution having a weak acidity with an inorganic acid or an organic acid, adding a salt such as potassium thiocyanate, which easily forms complex ions with iron, may be carried out in an explosive aqueous sodium chloride solution. There are many methods such as immersion to corrode only the iron and finally removing the corrosion products with hydrochloric acid or the like.
【0063】逆に、高クロム、高ニッケル鋼では、より
厳しい化学エッチング条件を用い、処理時間の短縮を図
ることもできる。ここでは化学エッチングを採用した
が、このほかに電解研磨による手法を用いてもよい。い
ずれにせよ、表面の鉄を優先溶解させる手法であれば、
いずれの手法を用いてもよい。On the other hand, in the case of high chromium and high nickel steels, stricter chemical etching conditions can be used to shorten the processing time. Although the chemical etching is employed here, a method using electrolytic polishing may be used. In any case, if it is a method that preferentially dissolves iron on the surface,
Either method may be used.
【0064】このように、化学エッチングされた表面
は、母相より高い添加元素濃度になっているため、耐食
性が向上する。図2は、30℃、pH1.24の硫酸水
溶液中(0.05MH2SO4)で測定した合金のままの
状態(A)と、化学エッチングした状態(B)の分極曲
線を示す。Since the surface of the chemically etched surface has a higher additive element concentration than that of the mother phase, the corrosion resistance is improved. FIG. 2 shows the polarization curves of the as-alloy state (A) and the chemically etched state (B) measured in a sulfuric acid aqueous solution (0.05 MH2 SO4) at 30 ° C. and pH 1.24.
【0065】化学エッチングした基板(B)は、合金の
ままの状態(A)に比べ、全体的に電流密度が小さくな
り、概略1/3〜1/2である。化学エッチングにより
電流密度が小さくなったということは、耐食性が向上し
ていることを意味する。The substrate (B) that has been chemically etched has a lower current density as a whole, as compared with the state of the alloy as it is (A), which is approximately 1/3 to 1/2. The fact that the current density is reduced by the chemical etching means that the corrosion resistance is improved.
【0066】もう一例として、3wt%のシリコンを含
む鉄鋼(ケイ素鋼板)を、30℃、10wt%塩化ナト
リウム水溶液に24時間浸漬し、その後、希塩酸で表面
の腐食生成物を溶解させた。図3は上述した分極曲線と
同じ条件で測定した結果である。As another example, steel (silicon steel sheet) containing 3 wt% of silicon was immersed in a 10 wt% aqueous sodium chloride solution at 30 ° C. for 24 hours, and then the corrosion products on the surface were dissolved with dilute hydrochloric acid. FIG. 3 shows the results measured under the same conditions as the polarization curve described above.
【0067】図3において、未処理の材料(A)に比
べ、表面処理(B)した方の材料は、若干、電流密度が
低くなり、概略1/2である。実際は、処理あるいは未
処理とも、電流密度は極めて大きいため、実際のセパレ
ータ材料として使用することは困難であるが、耐食性を
全く有していない鉄鋼であっても、化学エッチング処理
により耐食性の向上は可能である。In FIG. 3, the material subjected to the surface treatment (B) has a slightly lower current density than that of the untreated material (A), which is approximately 1 /. Actually, the current density is extremely large, whether treated or untreated, so it is difficult to use it as an actual separator material.However, even with steel that has no corrosion resistance, the improvement in corrosion resistance due to chemical etching treatment is not possible. It is possible.
【0068】次に、上記第2の態様における実施例を説
明する。例として、第1の態様で示したように、クロム
を12wt%、チタンを3wt%、ニオブを0.03w
t%、残りを鉄とする合金で説明する。Next, an embodiment of the second aspect will be described. As an example, as shown in the first embodiment, 12 wt% of chromium, 3 wt% of titanium, and 0.03 w of niobium.
The following description is based on an alloy containing t% and the remainder being iron.
【0069】図1は、本発明のセパレータ材料につい
て、断面を模式的に示した図である。母材1は、クロム
を12wt%、チタンを3wt%、ニオブを0.03w
t%、残りを鉄とする組成で構成されており、母材表面
近傍は、鉄が少なくなったチタン、クロム、ニオブの濃
縮層2が形成されている。さらにその表面には、これら
添加元素の酸化物等で構成されるnmオーダの極薄皮膜
の不動態皮膜層3が生成している。FIG. 1 is a diagram schematically showing a cross section of the separator material of the present invention. The base material 1 is composed of 12 wt% of chromium, 3 wt% of titanium, and 0.03 w of niobium.
In the vicinity of the base material surface, a concentrated layer 2 of titanium, chromium, and niobium with reduced iron is formed. In addition, a passivation film layer 3 of an ultra-thin film of the order of nm is formed on the surface thereof, which is composed of oxides of these additional elements.
【0070】ただし、酸化処理の方法やその条件によ
り、必ずしも酸化物のみとは限らず、水酸化物やオキシ
水酸化物あるいは金属塩となっていることがあり、これ
ら化学物質を成分とする不動態皮膜層3であっても構わ
ない。However, depending on the method of oxidation treatment and its conditions, it is not always limited to oxides alone, but may be hydroxides, oxyhydroxides or metal salts. The dynamic film layer 3 may be used.
【0071】濃縮層2は、耐食性に優れる添加元素が濃
縮しており、また、これら添加元素を主成分とする不動
態皮膜層3が形成されているため、母相1そのままの状
態のときよりも、耐食性の向上を図ることができる。In the concentrated layer 2, additional elements having excellent corrosion resistance are concentrated, and the passivation film layer 3 containing these additional elements as main components is formed. However, the corrosion resistance can be improved.
【0072】次に、本発明の第3の態様における実施例
を説明する。ここで述べる材料は、クロムを12wt
%、チタンを3wt%、ニオブを0.03wt‰、残り
を鉄の合金とし、溝加工後、硝酸水溶液中で化学エッチ
ングするところまでは第1の態様と同じである。Next, an embodiment of the third aspect of the present invention will be described. The material described here is chromium 12wt
%, Titanium is 3 wt%, niobium is 0.03 wt%, and the remainder is an iron alloy. After the groove processing, it is the same as the first embodiment until it is chemically etched in a nitric acid aqueous solution.
【0073】この合金を、大気が通じている、300℃
に加熱した電気炉で24h加熱処理する。これによっ
て、基板金属の表面の酸化皮膜が成長し、μmオーダ前
後の皮膜が形成される。この皮膜の成分は、合金中に含
まれているチタンおよび鉄からなる酸化物が主である。This alloy is heated to 300 ° C.
In an electric furnace heated for 24 hours. As a result, an oxide film on the surface of the substrate metal grows, and a film on the order of μm is formed. The component of this film is mainly an oxide composed of titanium and iron contained in the alloy.
【0074】皮膜にはチタンの酸化物である二酸化チタ
ンが含まれているため、耐酸性に優れ、酸化処理するこ
とによって母材を保護する能力が向上する。図2の
(C)は酸化処理合金の分極曲線である。自熱電位は未
処理(A)のものより高くなり、活性溶解域、過不動態
域が消失している。このように酸化処理により、全体的
に電流密度を低減することができ、耐食性の向上に寄与
する。Since the film contains titanium dioxide, which is an oxide of titanium, the film has excellent acid resistance, and the ability to protect the base material by oxidation treatment is improved. FIG. 2C is a polarization curve of the oxidized alloy. The autothermal potential is higher than that of the untreated (A), and the active dissolution zone and the transpassive zone have disappeared. As described above, the current density can be reduced as a whole by the oxidation treatment, which contributes to the improvement of corrosion resistance.
【0075】本実施例における酸化処理方法は、空気中
で加熱する手法を採ったが、これに限定するものではな
い。母材表面の皮膜を成長させることが可能な手法であ
れば、水蒸気加熱、酸素ガス加熱、オゾン処理、熱水浸
漬、塩浴、あるいは電気化学的なアノード酸化などの方
法を選んでもよい。The oxidation treatment method in this embodiment employs a method of heating in air, but is not limited to this. As long as it is a technique capable of growing a film on the base material surface, a method such as steam heating, oxygen gas heating, ozone treatment, hot water immersion, salt bath, or electrochemical anodic oxidation may be selected.
【0076】上記で述べた酸化処理のほかに、イオン窒
化法やガス窒化法などによる表面層の窒化処理、あるい
はイオン浸炭法、塩浴浸炭、塩浴浸炭窒化などによる炭
化処理、あるいは、ガスボロン化法などによるホウ化処
理を選んでもよい。In addition to the oxidation treatment described above, nitriding treatment of the surface layer by ion nitriding or gas nitriding, or carbonizing treatment by ion carburizing, salt bath carburizing, salt bath carbonitriding, or gas boronization Boration treatment by a method or the like may be selected.
【0077】特に、上記材料では、表面にチタンが濃縮
しているので、これを窒化処理するとTiNが生成し、
耐酸性と電子伝導性を兼ね備えた表面層を形成できる。
なお、上述した材料は一例であって、本発明は、特にこ
れらに限定されるものではない。In particular, in the above materials, since titanium is concentrated on the surface, when this is nitrided, TiN is generated,
A surface layer having both acid resistance and electron conductivity can be formed.
Note that the above-described materials are examples, and the present invention is not particularly limited to these materials.
【0078】第1から第3の態様で述べた皮膜層は金属
酸化物等で構成されるため、電子伝導性に乏しいことが
ある。電気抵抗が大きくなると、燃料電池から取り出し
たエネルギーの損失をまねくので、電気抵抗を極力低く
抑えることが必要である。これを改善するために、第4
の態様では、第1の態様から第3の態様で示した合金の
表面に生成する皮膜が、n型半導体の性質を有するよう
に添加元素を加えた。The film layers described in the first to third embodiments are composed of metal oxides or the like, and thus may have poor electron conductivity. If the electric resistance increases, the energy taken out of the fuel cell is lost, so it is necessary to keep the electric resistance as low as possible. In order to improve this,
In the embodiment, the additional element is added so that the film formed on the surface of the alloy shown in the first embodiment to the third embodiment has the property of an n-type semiconductor.
【0079】たとえば、これまで述べてきたクロムを1
2wt%、チタンを3wt%、ニオブを0.03wt
%、残りを鉄とする合金では、第1の態様で述べた方法
で濃縮層2を形成した後の不動態皮膜層3、あるいは第
2の態様で述べたように、さらに酸化処理して皮膜を成
長させた皮膜層における組成は、酸化チタンが主成分と
なるが、酸化チタンはそのままでは電子伝導性に劣るた
め、これを改善する必要がある。For example, the chromium described above is replaced with 1
2wt%, titanium 3wt%, niobium 0.03wt
%, With the balance being iron, the passivation film layer 3 after the formation of the concentrated layer 2 by the method described in the first embodiment, or a further oxidation treatment as described in the second embodiment. The composition of the film layer on which is grown is titanium oxide as a main component, but since titanium oxide is inferior in electron conductivity as it is, it is necessary to improve this.
【0080】前記合金に含まれているニオブは、酸化チ
タンと複合酸化物を形成し、n型半導体としての性質を
付与するため、皮膜層の電気抵抗を下げることができ
る。本例では、ニオブをn型半導体を形成するための添
加元素として例示したが、特にニオブに限定するもので
はなく、不純物半導体としての性質を与える元素であれ
ばよい。Niobium contained in the alloy forms a composite oxide with titanium oxide and imparts properties as an n-type semiconductor, so that the electric resistance of the coating layer can be reduced. In this example, niobium is exemplified as an additive element for forming an n-type semiconductor, but is not particularly limited to niobium, and may be any element that imparts properties as an impurity semiconductor.
【0081】また、表面の酸化物皮膜がケイ素の酸化物
であれば、アルミニウムやリンなどを添加してもよい。
ただし、腐食の観点から考えると、p型半導体はアノー
ド分極により溶解し易くなるため、n型半導体であった
ほうが好ましい。If the oxide film on the surface is a silicon oxide, aluminum, phosphorus or the like may be added.
However, from the viewpoint of corrosion, since the p-type semiconductor is easily dissolved by anodic polarization, it is preferable to use an n-type semiconductor.
【0082】第1および第2の態様で示した金属材料
は、耐食性を向上させるために添加元素の濃縮層を形成
させたものであり、第3の態様は、さらなる耐食性の改
善を図るために、第1および第2の態様の金属材料を酸
化処理して不動態皮膜を強制的に成長させ、厚い酸化物
皮膜層を形成するか、窒化、炭化あるいはホウ化処理し
て、母材表面に濃縮した添加元素との間にこれらの化合
物層を形成するものである。The metal materials shown in the first and second embodiments are formed by forming a concentrated layer of an additional element in order to improve the corrosion resistance. In the third embodiment, the metal material is used to further improve the corrosion resistance. , The passivation film is forcibly grown by oxidizing the metal material of the first and second aspects to form a thick oxide film layer, or by nitriding, carbonizing or boring, and These compound layers are formed with the concentrated additive element.
【0083】しかし、不均一な皮膜層が形成された場
合、皮膜の薄い部分や、ピンホール、クラックが生じて
いることがあり、この部分直下の金属層が優先的に腐食
されることがある。これを防止するために最外層に電気
伝導性の被覆層を設けた。図4はその段面構造の模式図
を示す。However, when a non-uniform film layer is formed, a thin portion of the film, a pinhole, or a crack may occur, and the metal layer immediately below this portion may be preferentially corroded. . In order to prevent this, an electrically conductive coating layer was provided on the outermost layer. FIG. 4 shows a schematic view of the step structure.
【0084】図4において、母相1は、クロムを12w
t%、チタンを3wt%、ニオブを0.03wt%、残
りを鉄とする合金で、化学エッチング処理して添加元素
の濃縮層2を表面近傍に形成している。そして、その表
面には酸化処理して、不動態皮膜を成長させた添加元素
の酸化物層4が形成されている。In FIG. 4, the matrix 1 contains chromium of 12 watts.
An enriched layer 2 of an additional element is formed in the vicinity of the surface by chemical etching with an alloy containing t%, titanium at 3 wt%, niobium at 0.03 wt%, and the remainder iron. Then, an oxide layer 4 of the additive element on which a passivation film has been grown by oxidation treatment is formed on the surface.
【0085】以上は、図1の実施例で述べた手法と同じ
である。本例では、さらにこの表面に、耐食性に優れる
金を電気化学メッキで施し、めっき層5を付与した。め
っきした金はクラックやピンホール6を埋めるため、皮
膜の弱い部位を保護し、局部的な腐食の進行を抑えるこ
とができる。The above is the same as the method described in the embodiment of FIG. In this example, furthermore, gold having excellent corrosion resistance was applied to this surface by electrochemical plating to provide a plating layer 5. Since the plated gold fills cracks and pinholes 6, it protects weak portions of the film and suppresses the progress of local corrosion.
【0086】ここでは、金メッキにより耐食性の向上を
図ったが、カーボン等の導電性フィラーを含む高分子を
バインダーとした塗料をはじめ、スパッタ、イオンプレ
ーティング、CPD、PVDなどに代表されるドライプ
レーティングで金属膜あるいはセラミクス膜を成膜して
もよい。Here, the corrosion resistance was improved by gold plating. However, a coating using a polymer containing a conductive filler such as carbon as a binder, as well as dry plating typified by sputtering, ion plating, CPD, PVD, etc. May form a metal film or a ceramics film.
【0087】さらには、溶射、塩浴窒化、塩浴酸化など
の方法を用いてもよく、導電性を有し、酸化物層4の保
護性を向上できる手法であれば、膜の種類および手段は
問わない。Further, a method such as thermal spraying, salt bath nitridation, salt bath oxidation, etc. may be used. Does not matter.
【0088】次に、第6の態様における実施例について
説明する。図5は、各種純金属の30℃、0.05M硫
酸水溶液中における分極曲線を示す。鉄は分極すると電
流密度が自然電位から急激に増加し、どの電位域でも活
性溶解を続ける。Next, an embodiment in the sixth mode will be described. FIG. 5 shows polarization curves of various pure metals in a 0.05 M sulfuric acid aqueous solution at 30 ° C. When the iron is polarized, the current density sharply increases from the spontaneous potential, and continues active dissolution in any potential range.
【0089】アルミニウムも同じ挙動を示すが、電流密
度は鉄より2桁程度小さい。一方、ニッケルやクロムは
活性溶解するが、中位の電位不動態化し、耐食的であ
る。チタン、ニオブ、ジルコニウムは活性溶解せず、ど
の電位域においても不動態化しており、優れた耐食性を
示す。Aluminum also exhibits the same behavior, but the current density is about two orders of magnitude lower than iron. On the other hand, nickel and chromium actively dissolve, but passivate medium potential and are corrosion resistant. Titanium, niobium, and zirconium do not actively dissolve, are passivated in any potential range, and exhibit excellent corrosion resistance.
【0090】したがって、これら元素を鉄に添加するこ
とにより、耐食性の向上を得ることができる。さらに本
発明では表面をエッチングし、表面に添加元素の濃縮層
を形成するので、一層の耐食性改善をはかることができ
る。Therefore, by adding these elements to iron, an improvement in corrosion resistance can be obtained. Further, in the present invention, since the surface is etched to form a concentrated layer of the additional element on the surface, the corrosion resistance can be further improved.
【0091】これまで述べたように、鉄はそのままの状
態で使用すると、酸性環境下では不動態を維持できず、
無制限に腐食する。しかし、耐酸性のある元素を添加す
ることにより、鉄合金の耐食性が向上できることを述べ
た。As described above, if iron is used as it is, it cannot maintain passivity in an acidic environment.
Corrodes indefinitely. However, it was stated that the corrosion resistance of the iron alloy can be improved by adding an acid-resistant element.
【0092】クロムが12wt%以上含むだけで、耐食
性は格段に向上する。アルミニウムやチタン、ニオブな
ども耐食金属であるが、鉄に対し、これら金属は全率固
溶体を作らないので、添加できる上限が自ずと生じる。The corrosion resistance is remarkably improved only by containing 12% by weight or more of chromium. Aluminum, titanium, niobium and the like are also corrosion-resistant metals, but since these metals do not form a solid solution with respect to iron, the upper limit that can be added naturally arises.
【0093】また、固溶する添加量以下であったとして
も、固くなったり、脆くなったりして、金属特有の加工
性が失われることがある。したがって、実用的に添加で
きる量が決まってくる。チタンやニオブでは3wt%前
後が実用的な上限値である。これだけの少量の添加量で
は、大きな耐食性の向上が期待できない。[0093] Even if the addition amount is less than the amount of the solid solution, the workability specific to the metal may be lost due to hardening or brittleness. Therefore, the amount that can be added practically is determined. For titanium and niobium, around 3 wt% is a practical upper limit. With such a small addition amount, great improvement in corrosion resistance cannot be expected.
【0094】そこで、少量の添加量で、耐食性の向上を
図るため、本発明では、鉄が腐食しやすいという短所を
逆に利用し、比較的穏やかな環境で表面をエッチング
し、最表面の鉄を優先溶解させることで耐食性のある添
加元素を濃縮させ、耐食性の向上を図った。Therefore, in order to improve the corrosion resistance with a small amount of addition, the present invention uses the disadvantage that iron is easily corroded, and etches the surface in a relatively mild environment to remove the iron on the outermost surface. Was preferentially dissolved to concentrate the corrosion-resistant additive element, thereby improving the corrosion resistance.
【0095】上記第7の態様では、クロム12wt%以
上を含み、かつ、チタン2〜5wt%あるいはアルミニ
ウム2〜5wt%のうちのいずれか少なくとも一元素
か、あるいは、これら元素の組み合せで構成される鉄基
合金を選んだ。In the seventh aspect, chromium is contained in an amount of 12 wt% or more, and is composed of at least one element of 2 to 5 wt% of titanium or 2 to 5 wt% of aluminum, or a combination of these elements. I chose an iron-based alloy.
【0096】この合金そのものの耐食性は、JISで定
められているSUS403やSUS405、SUS41
0といった13Cr系ステンレス鋼と同等の耐食性であ
るが、化学エッチングを経て酸化処理すると、耐食性が
増加する。The corrosion resistance of this alloy itself is SUS403, SUS405, SUS41 specified by JIS.
It has the same corrosion resistance as 13Cr stainless steel such as 0, but the corrosion resistance increases when oxidized through chemical etching.
【0097】この方法によると、高価な元素を少ない添
加量で耐食性を向上させるこができるため、高価な高ニ
ッケル−高クロム−高モリブデン鋼に代表される高耐食
ステンレス鋼やニッケル基合金よりコスト面で利点があ
る。According to this method, the corrosion resistance can be improved with a small amount of expensive elements added. There are advantages in terms.
【0098】[0098]
【発明の効果】本発明によれば、燃料電池用セパレータ
において、鉄基合金の表面をエッチングする手段を用い
て、金属表面における添加元素濃度を増加させた濃縮層
により耐食性が付与され、さらには、酸化、窒化、炭化
あるいはホウ化して表面の不動態皮膜の耐酸性能力を強
固にすることができる。According to the present invention, in a fuel cell separator, corrosion resistance is imparted by a concentrated layer in which the concentration of an additive element is increased on a metal surface by using a means for etching the surface of an iron-based alloy. It can be oxidized, nitrided, carbonized or borated to strengthen the acid resistance of the passive film on the surface.
【0099】そのため、少ない添加元素量で、母材が本
来持っている耐食性よりさらに向上した耐食性を有する
燃料電池用セパレータおよび固体高分子電解質型燃料電
池が得られる。Therefore, a fuel cell separator and a solid polymer electrolyte fuel cell having corrosion resistance further improved than the corrosion resistance inherent in the base material can be obtained with a small amount of added elements.
【図1】本発明の第2の態様におけるセパレータ材料の
模式的断面図である。FIG. 1 is a schematic sectional view of a separator material according to a second embodiment of the present invention.
【図2】本発明における作用を示し、硫酸水溶液中で測
定した合金のままの状態(A)と化学エッチングした状
態(B)と酸化処理した状態(C)を示す分極曲線図で
ある。FIG. 2 is a polarization curve showing the function of the present invention, showing a state of an alloy as measured in an aqueous sulfuric acid solution (A), a state of chemically etched state (B), and a state of oxidation treatment (C).
【図3】本発明における作用を示し、3wt%のシリコ
ンを含む鉄鋼を化学エッチングした後の分極曲線図であ
る。FIG. 3 is a polarization curve showing the effect of the present invention after chemically etching steel containing 3 wt% of silicon.
【図4】最外層に電気伝導性被覆層を形成したセパレー
タの模式的断面図である。FIG. 4 is a schematic sectional view of a separator having an outermost layer having an electrically conductive coating layer formed thereon.
【図5】各種純金属の硫酸水溶液中における分極曲線図
である。FIG. 5 is a polarization curve diagram of various pure metals in a sulfuric acid aqueous solution.
1 母材 2 濃縮層 3 不動態皮膜層 4 酸化物層 5 めっき層 6 ピンホール 1 Base material 2 Concentrated layer 3 Passive film layer 4 Oxide layer 5 Plating layer 6 Pinhole
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 斉藤 幸雄 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 山賀 賢史 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 河野 一重 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 東山 和寿 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 吉川 正則 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 新井 将彦 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 土井 裕之 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 青野 泰人 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 加茂 友一 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 上原 利弘 島根県安来市安来町2107番地の2 日立金 属株式会社冶金研究所内 (72)発明者 千葉 芳孝 東京都港区芝浦一丁目2番1号 日立金属 株式会社内 (72)発明者 市橋 健 島根県安来市安来町2107番地の2 日立金 属株式会社安来工場内 (72)発明者 大野 丈博 島根県安来市安来町2107番地の2 日立金 属株式会社安来工場内 (72)発明者 村田 英夫 島根県安来市安来町2107番地の2 日立金 属株式会社冶金研究所内 Fターム(参考) 5H026 AA06 BB10 CC03 EE08 EE11 EE12 HH05 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Yukio Saito 7-1-1, Omikacho, Hitachi City, Ibaraki Prefecture Inside the Hitachi Research Laboratory, Hitachi, Ltd. (72) Inventor Takefumi Yamaga 7-1, Omikamachi, Hitachi City, Ibaraki Prefecture No. 1 Inside Hitachi, Ltd.Hitachi Research Laboratories (72) Inventor Kazue Kawano 7-1-1, Omika-cho, Hitachi City, Ibaraki Prefecture Inside Hitachi, Ltd. Hitachi Research Laboratory Co., Ltd. (72) Inventor Kazuhisa Higashiyama, Hitachi City, Ibaraki 7-1-1, Machimachi, Hitachi Research Laboratory, Hitachi, Ltd. (72) Inventor Masanori Yoshikawa 7-1-1, Omikamachi, Hitachi City, Ibaraki Prefecture, Hitachi, Ltd. Hitachi Research Laboratory, Hitachi, Ltd. (72) Inventor, Masahiko Arai Ibaraki 7-1-1, Omika-cho, Hitachi City, Japan Inside Hitachi Research Laboratory, Hitachi Ltd. (72) Inventor Hiroyuki Doi Hitachi City, Ibaraki Prefecture 7-1-1, Omikacho Hitachi Research Laboratory, Hitachi, Ltd. (72) Inventor Yasuto Aono 7-1-1, Omikamachi, Hitachi City, Ibaraki Pref. Hitachi, Ltd. Hitachi Research Laboratory, Ltd. (72) Inventor Kamo Tomoichi 7-1-1, Omika-cho, Hitachi City, Ibaraki Prefecture Within Hitachi Research Laboratory, Hitachi, Ltd. (72) Inventor Toshihiro Uehara 2107-2, Yasugi-cho, Yasugi-shi, Shimane Hitachi Metals Research Laboratory, Metallurgy (72) Inventor Yoshitaka Chiba Hitachi Metals Co., Ltd., 1-2-1, Shibaura, Minato-ku, Tokyo (72) Inventor Ken Ichihashi 2107-2, Yasugi-cho, Yasugi City, Shimane Prefecture Hitachi Metals Co., Ltd. Yasugi Plant (72) Inventor Takehiro Ohno 2107 Yasugi-cho, Yasugi-shi, Shimane Prefecture Inside Hitachi Metals Co., Ltd. Yasugi Factory (72) Inventor Hideo Murata 2107-2 Yasugi-cho, Yasugi-shi, Shimane Prefecture Hitachi Metals Co., Ltd. Metallurgy Research Laboratory F-term (reference) 5H026 AA06 BB10 CC03 EE08 EE11 EE12 HH05
Claims (9)
チングすることにより、前記添加元素の濃度の増加した
濃縮層が表層に形成されてなる固体高分子電解質型燃料
電池用セパレータ。1. A separator for a solid polymer electrolyte fuel cell, wherein a concentrated layer having an increased concentration of the additive element is formed on a surface layer by etching a surface of an iron-based alloy containing the additive element.
および酸化剤ガスの流路を形成するとともに、集電機能
を有する合金で構成されたセパレータにおいて、前記合
金は添加元素を含む鉄基の合金で形成され、前記合金の
表面をエッチングすることにより、表面近傍における添
加元素の濃度が増加していることを特徴とする固体高分
子電解質型燃料電池用セパレータ。2. A separator formed of an alloy having a current collecting function while forming a flow path for a fuel gas and an oxidizing gas of a solid polymer electrolyte fuel cell, wherein the alloy is an iron-based alloy containing an additional element. A separator for a solid polymer electrolyte fuel cell, wherein the separator is made of an alloy, and the concentration of the additive element near the surface is increased by etching the surface of the alloy.
および酸化剤ガスの流路を形成するとともに、集電機能
を有する合金で構成されたセパレータにおいて、前記合
金は添加元素を含む鉄基の合金で形成され、前記合金表
面の酸化皮膜が、前記添加元素の化合物である酸化物、
水酸化物、オキシ水酸化物のうちのいずれかまたは複数
からなり、かつ、前記酸化皮膜と前記合金の金属界面と
の金属側の添加元素濃度が、前記添加元素と鉄との混合
割合より高い濃度であることを特徴とする固体高分子電
解質型燃料電池用セパレータ。3. A separator formed of an alloy having a current collecting function while forming a flow path for a fuel gas and an oxidizing gas of a solid polymer electrolyte fuel cell, wherein the alloy is an iron-based separator containing an additional element. An oxide film formed of an alloy, wherein the oxide film on the surface of the alloy is a compound of the additive element;
The additive element concentration on the metal side between the oxide film and the metal interface of the alloy, which is composed of one or more of a hydroxide and an oxyhydroxide, is higher than the mixing ratio of the additive element and iron. A separator for a solid polymer electrolyte fuel cell, wherein the separator has a concentration.
タにおいて、前記合金の表面を、酸化、窒化、炭化ある
いはホウ化処理し、表面に無機皮膜を形成したことを特
徴とする固体高分子電解質型燃料電池用セパレータ。4. The solid polymer according to claim 1, wherein the surface of the alloy is oxidized, nitrided, carbonized or borated to form an inorganic film on the surface. Electrolyte type fuel cell separator.
タにおいて、前記添加元素は、前記合金の表面上に生成
する酸化皮膜が不純物半導体になるような添加元素であ
ることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池用セパ
レータ。5. The solid according to claim 1, wherein the additive element is such that an oxide film formed on the surface of the alloy becomes an impurity semiconductor. Polymer electrolyte fuel cell separator.
タにおいて、前記合金の最外表面は、電子伝導性を有す
る被覆層で被覆されていることを特徴とする固体高分子
電解質型燃料電池用セパレータ。6. The solid polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the outermost surface of the alloy is coated with a coating layer having electron conductivity. For separator.
タにおいて、前記鉄基合金は、クロム、ニッケル、アル
ミニウム、チタン、ジルコニウム、ニオブ、ケイ素のう
ちの少なくとも一元素が添加されていることを特徴とす
る固体高分子電解質型燃料電池用セパレータ。7. The separator according to claim 1, wherein the iron-based alloy is added with at least one element of chromium, nickel, aluminum, titanium, zirconium, niobium, and silicon. A solid polymer electrolyte fuel cell separator.
タにおいて、前記鉄基合金は、クロムを12wt%以上
を含み、かつ、チタン2〜5wt%あるいはアルミニウ
ム2〜5wt%のうちのいずれか一方もしくは双方を含
んで構成されていることを特徴とする固体高分子電解質
型燃料電池用セパレータ。8. The separator according to claim 1, wherein the iron-based alloy contains chromium in an amount of 12 wt% or more, and one of titanium 2-5 wt% and aluminum 2-5 wt%. A separator for a solid polymer electrolyte fuel cell, comprising one or both of them.
型燃料電池用セパレータを用いてなる固体高分子電解質
型燃料電池。9. A solid polymer electrolyte fuel cell comprising the solid polymer electrolyte fuel cell separator according to claim 1. Description:
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