遷移金属窒化物、燃料電池用セパレータ、燃料電池スタック、燃料電池車両、遷移金属窒化物の製造方法及び燃料電池用セパレータの製造方法
【課題】セパレータと電極間で発生する接触抵抗が低く、耐食性に優れており、かつ低コストの遷移金属窒化物、燃料電池用セパレータ、燃料電池スタック及び燃料電池車両を提供する。
【解決手段】燃料電池用セパレータ3であって、Fe、Cr、Ni及びSiの中から選ばれた元素を含むステンレス鋼からなる基材10の表面10aを窒化処理することにより得られ、基材10の表面10aから深さ方向に形成された窒化層11を備え、窒化層11はSiの酸化物を含む。
【解決手段】燃料電池用セパレータ3であって、Fe、Cr、Ni及びSiの中から選ばれた元素を含むステンレス鋼からなる基材10の表面10aを窒化処理することにより得られ、基材10の表面10aから深さ方向に形成された窒化層11を備え、窒化層11はSiの酸化物を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、遷移金属窒化物、燃料電池用セパレータ、燃料電池スタック、燃料電池車両及び燃料電池用セパレータの製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
地球環境保護の観点から、燃料電池を自動車の内燃機関に代えて作動するモーターの電源として利用し、このモーターにより自動車を駆動することが検討されている。この燃料電池は、資源の枯渇問題を有する化石燃料を使う必要がないため排気ガス等を発生することがない。また、燃料電池は騒音がほとんど発生せず、更にはエネルギーの回収効率も他のエネルギー機関と比べて高くすることが可能である等の優れた特徴を有している。
【0003】
燃料電池は、使用される電解質の種類に応じて、固体高分子電解質型、リン酸型、溶融炭酸塩型及び固体酸化物型等がある。そのうちの一つである固体高分子電解質型燃料電池(PEFC:Polymer Electrolyte Fuel Cell)は、電解質として分子中にプロトン交換基を有する高分子電解質膜を使用して、高分子電解質膜を飽和に含水させるとプロトン伝導性電解質として機能することを利用した電池である。固体高分子電解質型燃料電池は比較的低温で作動し、かつ発電効率が高い。更には、固体高分子電解質型燃料電池は他の付帯設備と共に小型で軽量であるため、電気自動車搭載用を始めとする各種の用途が見込まれている。
【0004】
上記固体高分子電解質型燃料電池は燃料電池スタックを有する。燃料電池スタックは、電気化学反応により発電を行う基本単位となる単セルを複数個積層して両端部をエンドフランジで挟み、締結ボルトにより加圧保持されて一体に構成される。単セルは、高分子電解質膜とその両側に接合されるアノード(水素極)とカソード(酸素極)により構成される。
【0005】
図22は、燃料電池スタックを形成する単セルの構成を示す断面図である。図22に示すように、単セル70は、固体高分子電解質膜71の両側に酸素極72及び水素極73を接合して一体化した膜電極接合体を有する。酸素極72及び水素極73は、反応膜74及びガス拡散層75(GDL:gas diffusion layer)を備えた2層構造であり、反応膜74は固体高分子電解質膜71に接触している。酸素極72及び水素極73の両側には、積層のために酸素極側セパレータ76及び水素極側セパレータ77が各々設置されている。そして、酸素極側セパレータ76及び水素極側セパレータ77により、酸素ガス流路、水素ガス流路及び冷却水流路が形成されている。
【0006】
上記構成の単セル70は、固体高分子電解質膜71の両側に酸素極72、水素極73を配置して、通常、ホットプレス法により一体に接合して膜電極接合体を形成し、次に膜電極接合体の両側にセパレータ76、77を配置して製造する。上記単セル70から構成される燃料電池では、水素極73側に、水素及び水蒸気を供給し、酸素極72側に空気及び水蒸気を供給すると、主に、固体高分子電解質膜71と反応膜74との間の接触面において電気化学反応が起こる。以下、より具体的な反応について説明する。
【0007】
上記構成の単セル70において、酸素極ガス流路及び水素極ガス流路に空気及び水素ガスが各々供給されると、酸素ガス及び水素ガスが各ガス拡散層75を介して反応膜74側に供給され、各反応膜74において以下に示す反応が起こる。
【0008】
水素極側:H2 →2H+ +2e- ・・・式(1)
酸素極側:(1/2)O2+2H+ + 2e-→H2O ・・・式(2)
水素極73側に水素ガスが供給されると、式(1)の反応が進行して、H+ とe-とが生成する。H+は、水和状態で固体高分子電解質膜71内を移動して酸素極72側に流れ、e- は負荷78を通って水素極73から酸素極72に流れる。酸素極72側では、H+とe-と供給された酸素ガスとにより、式(2)の反応が進行して、電力が生成する。
【0009】
上述したように、燃料電池用セパレータは各単セル間を電気的に接続する機能を有するため、電気伝導性が良く、かつガス拡散層等の構成材料との接触抵抗が低いことが要求される。また、固体高分子型電解質膜は、スルホン酸基を多数有する高分子から形成されており、湿潤状態においてスルホン酸基をプロトン交換として用いるため、プロトン伝導性を有する。固体高分子型電解質膜は強酸性であるため、燃料電池用セパレータにはpH2〜3程度の硫酸酸性に対する耐食性が要求される。さらに、燃料電池に供給される各ガスの温度は80〜90[℃]と高温であり、また、水素極ではH+が生じるだけでなく、酸素や空気等が通過する酸素極は、標準水素極電位に対して0.6〜1[VvsSHE]程度の電位が負荷される酸化性環境下にある。このため、酸素極及び水素極と同様に、燃料電池用セパレータには強酸性雰囲気下で耐え得る耐食性が要求される。なお、ここで要求される耐食性とは、燃料電池用セパレータが強酸性の酸化環境下においても電気伝導性能を維持できる耐久性を意味する。つまり、カチオンが加湿水又は式(2)の反応により生成した水に溶け出すことにより、カチオンが本来プロトンの通り道となるべきスルホン酸基と結合してスルホン酸基を占有し、電解質膜の発電特性を劣化させる環境で、耐食性を測定する必要がある。
【0010】
また、燃料電池では、単位セル当りの理論的な電圧は1.23[V]となるが、反応分極、ガス拡散分極、抵抗分極により実際に取り出せる電圧が降下し、取り出す電流が大きくなるほど電圧は降下する。また、自動車用用途では、単位体積・重量当りの出力密度を大きくしたいことから、定置用より高電流密度側、例えば、電流密度1[A/cm2]で使用される。電流密度が1[A/cm2]の時には、セパレータと電極間の接触抵抗が40[mΩ・cm2]以下であれば接触抵抗による効率低下がおさえられると考えられている。
【0011】
そこで、燃料電池用セパレータとして、電気伝導性が良く耐食性に優れたステンレス鋼又は工業用純チタン等のチタン材を使用する試みがされている。ステンレス鋼は、その表面にクロムを主金属元素とした酸化物、水酸化物又はこれらの水和物等の緻密な不動態皮膜が形成されている。チタンも同様に、その表面に酸化チタン、水酸化チタン又はこれらの水和物等の緻密な不動態皮膜が形成されている。このため、ステンレス鋼やチタンは耐食性が良好である。
【0012】
しかし、上記した不動態皮膜は、通常ガス拡散層として用いられるカーボンペーパとの間で接触抵抗を生じる。燃料電池内の抵抗分極による過電圧は、定置型用途ではコージェネレーション等により排熱を回収できるため、トータルとしての熱効率が向上する。一方、自動車用用途では、接触抵抗に基づく発熱ロスは冷却水を通してラジエータから外部に捨てるしかないため、接触抵抗が大きくなると発電効率の低下に繋がる。また、発電効率低下は発熱が大きくなることと等価であり、より大きな冷却系を装備する必要性が生じるため、接触抵抗の増大は解決すべき重要な課題となっている。
【0013】
そこで、ステンレス鋼をプレス成形した後、電極との接触面に直接金めっき層を形成した燃料電池用セパレータが提案されている(特許文献1参照)。また、ステンレス鋼を成形して燃料電池用セパレータの形状に加工した後、電極との接触により接触抵抗を生じる面の不動態皮膜を除去して、貴金属又は貴金属合金を付着させた燃料電池用セパレータが提案されている(特許文献2参照)。
【特許文献1】特開平10−228914号公報(第2頁、第2図)
【特許文献2】特開2001−6713号公報(第2頁)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0014】
しかしながら、ステンレス鋼をセパレータ基材に用いる場合、導電性と接触抵抗値は相反する機能であるために、耐食性と導電性の両立は難しい。また、ステンレス鋼の表面に貴金属等をコーティングする場合には、製造時の手間がかかるだけでなく、コストが増大する可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【0015】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、本発明に係る遷移金属窒化物は、Fe、Cr、Ni及びSiの中から選ばれた元素を含むステンレス鋼からなる基材の表面を窒化処理することにより得られる遷移金属窒化物であって、基材の表面から深さ方向に形成された窒化層を備え、窒化層はSiの酸化物を含むことを特徴とする。
【0016】
本発明に係る燃料電池セパレータは、本発明に係る遷移金属窒化物を用いたことを特徴とする。
【0017】
本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法は、Fe、Cr及びNiの中から選ばれた遷移金属元素とSiを1.0[wt%]以上4.0[wt%]以下含有するステンレス鋼からなる基材をプレス成形して燃料又は酸化剤の通路を形成し、プレス成形された基材を窒化して、基材表面にFe、Cr、Ni及びSiの群から選択される原子によって形成された面心立方格子の単位胞中心の八面体空隙に窒素原子が配置されたM4N型結晶構造を有する連続した窒化層を形成することを特徴とする。
【0018】
本発明に係る燃料電池スタックは、本発明に係る燃料電池用セパレータを用いたことを特徴とする。
【0019】
本発明に係る燃料電池スタックは、本発明に係る燃料電池用セパレータを用いたことを特徴とする。
【0020】
本発明に係る燃料電池車両は、本発明に係る燃料電池スタックを動力源として備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【0021】
本発明によれば、強酸かつ電位が負荷された腐食に厳しい環境においても、セパレータと電極間で発生する接触抵抗が低く、耐食性に優れ、低コストで生産性が良好な遷移金属窒化物及び燃料電池用セパレータを提供することができる。
【0022】
本発明によれば、高性能の燃料電池用セパレータを容易に製造することが可能となる。
【0023】
本発明によれば、高性能で、かつ小型化及び低コスト化した燃料電池スタックを提供することができる。
【0024】
本発明によれば、小型化及び低コスト化した燃料電池スタックを搭載することにより、走行距離の長距離化を実現できると共にスタイリングの自由度を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0025】
以下、本発明に係る遷移金属窒化物、燃料電池用セパレータ、燃料電池スタック、燃料電池車両及び燃料電池用セパレータの製造方法について、固体高分子型燃料電池に適用した例を挙げて説明する。
【0026】
(遷移金属窒化物、燃料電池用セパレータ及び燃料電池スタック)
図1は、本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータを用いて構成した燃料電池スタックの外観を示す斜視図である。図2は、図1に示す燃料電池スタック1の詳細な構成を模式的に示す燃料電池スタック1の展開図である。
【0027】
図2に示すように、燃料電池スタック1は、電気化学反応により発電を行う基本単位となる膜電極接合体2と燃料電池用セパレータ3からなる単セルを複数個積層して構成される。膜電極接合体2は、固体高分子型電解質膜の両面に各々酸化剤極を有するガス拡散層と燃料極を有するガス拡散層とからなり、膜電極接合体2の両側に燃料電池用セパレータ3を配置して、燃料電池用セパレータ3内部に酸化剤ガス流路と燃料ガス流路とを各々形成する。固体高分子型電解質膜としては、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体膜(ナフィオン1128(登録商標)、デュポン株式会社)等を使用することができる。膜電極接合体2と燃料電池用セパレータ3とを積層した後、両端部にエンドフランジ4を配置して、外周部を締結ボルト5により締結して燃料電池スタック1を構成する。また、燃料電池スタック1には、水素ガス等の水素を含有する燃料ガスを供給するための水素供給ラインと、酸化剤ガスとして空気を供給する空気供給ラインと、冷却水を供給する冷却水供給ラインが設けられている。
【0028】
図2に示した燃料電池用セパレータ3の模式図を図3に示す。図3(a)は、燃料電池用セパレータ3の模式的斜視図、図3(b)は、燃料電池用セパレータ3のIIIb-IIIb線断面図、図3(c)は、燃料電池用セパレータ3のIIIc-IIIc線断面図である。図3(a)〜(c)に示すように、燃料電池用セパレータ3は、Fe、Cr、Ni及びSiを含むステンレス鋼からなる基材10からなり、基材10の表面10aを窒化処理することにより得られ、基材10の表面10a全体かつ表面の深さ方向に連続して形成されている窒化層11と、窒化されていない未窒化層である基層12からなる。燃料電池用セパレータ3には、プレス成形により断面矩形状の燃料又は酸化剤の溝状の通路13が形成されている。通路13と通路13との間には、通路13と通路13とで画成された平板部14を備え、通路13及び平板部14の外面に沿って窒化層11が延在する。平板部14は、燃料電池用セパレータ3と膜電極接合体2とを交互に積層した際に、隣接する固体高分子膜上のガス拡散層に接触する。窒化層11は、Fe、Cr及びNiの中から選ばれた遷移金属原子、及びSi原子によって形成されたM4N型の結晶構造を有する遷移金属窒化物の層である。
【0029】
この遷移金属窒化物は、Fe、Cr、Ni及びSiを含むステンレス鋼からなる基材を窒化処理することにより得られ、基材表面にFe、Cr、Niの中から選ばれた遷移金属原子、及びSi原子によって形成された後述するM4N型の結晶構造を含む。このため、窒化物中のFe、Cr、Ni等の遷移金属原子が窒素原子との間で共有性に富んだ結合を形成していることに加え、SiとFe、Cr、Ni等の遷移金属原子間には金属結合が形成されているため、この燃料電池用セパレータ3は電気伝導性に優れる。また、典型金属であるSiは、M4N型窒化物の金属格子を構成する元素の一つであるが、Nとの共有結合はほとんどない。また、Fe、Ni、Crはイオンとして溶出するが、Siはイオンとして溶出しない。また、Siはフェライト形成傾向を有する元素であるため、粒界に濃化する傾向にあり、粒界において酸化物を形成し、この粒界のSi酸化物が粒界腐食を抑制する。
【0030】
Fe、Cr及びNiの中から選ばれた遷移金属原子、及びSi原子によって形成されたM4N型の結晶構造を有する窒化物は燃料電池として通常使用されるpH2〜3の強酸性雰囲気においても化学的に安定であるため耐食性に優れる。さらに、Fe、Cr及びNiの中から選ばれた遷移金属原子、及びSi原子によって形成されたM4N型の結晶構造中のSi量を1.0[wt%]以上4.0[wt%]以下とすることで化学的安定性が増す。このため、このFe、Cr、Niの中から選ばれた遷移金属、及びSi原子によって形成されたM4N型の結晶構造を有する窒化物を窒化層とすると、燃料電池用セパレータとカーボンペーパとの間の接触抵抗が低くおさえられ、強酸性雰囲気においても継続的に良好な電気伝導性を示す燃料電池用セパレータが得られると同時に、イオン溶出量を低く抑えられ、耐食性に優れた燃料電池用セパレータが得られる。また、従来のように、電極と接触する面に直接金メッキ層を施さなくても接触抵抗を抑えることができるため、燃料電池用セパレータの低コスト化を実現することが可能となる。
【0031】
基材10として用いるステンレス鋼は、Fe、Cr、Ni及びSiを含み、オーステナイト単相組織となるFe、Cr、Ni、Si量を含有し、Siを1.0[wt%]以上4.0[wt%]以下含有することが好ましい。この範囲からはずれる場合は、M4N型窒化物の窒素固溶量が減るために、化学的安定性に欠け、導電性や耐食性に劣るようになる。また、Fe、Cr、Ni等の遷移金属原子は、Nの代わりにOと結合し易くなるためにM4N型窒化物表面に厚い酸化膜を形成するなどして導電性が悪化したりするようになる。 Fe、Cr、Ni及びSiを含み、オーステナイト単相組織となるFe、Cr、Ni及びSi量を含有し、Siを1.0[wt%]以上4.0[wt%]以下含有するオーステナイト系ステンレス鋼としては、例えば、SUS302B、SUSXM15J1等があげられる。燃料電池用セパレータ3の基材10としてオーステナイト系ステンレス鋼を用いる場合には、ガス流路及び冷却水流路等の凹凸をプレス成形する必要がある。その際に、プレス成形する基材組織がオーステナイト単相の場合、伸び、絞り性に優れ、プレス成形性に優れるため、基材としてオーステナイト系ステンレス鋼を用いることは効果的である。また、基材10にプラズマ窒化を施した場合には、基材10の表面10aに対する窒素固溶量が大きくなり、基材表面10aにプラズマ窒化によって高濃度の窒素を含有した遷移金属窒化物が形成され易くなるためである。フェライト系又はマルテンサイト系ステンレス鋼を基材として用いた場合には、伸び、絞り性が劣り、プレス成形性が劣るようになる。
【0032】
窒化層11は、Fe、Cr、Niの中から選ばれた遷移金属原子、及びSi原子によって形成された面心立方格子の単位胞中心の八面体空隙に窒素原子が配置されたM4N型の結晶構造を有することが好ましい。M4N型結晶構造を図4に示す。図4に示すように、M4N型結晶構造20は、Fe22aを主成分として、Fe22a、Cr22b、Ni22cの中から選ばれた遷移金属原子22a〜22c、及びSi原子22dによって形成された面心立方格子の単位胞中心の八面体空隙に窒素原子21が配置された構造である。つまり、窒化処理により面心立方格子内に侵入する窒素原子21が、Fe、Cr、Niの中から選ばれた遷移金属原子22a〜22c、及びSi原子22dから形成される面心立方格子の単位胞中心の八面体空隙に配置されてM4N型結晶構造20となる。このM4N型結晶構造20において、Mは、Fe、Cr及びNiの中から選ばれた遷移金属原子、及びSi原子を表し、Nは窒素原子21を表す。窒素原子21はM4N型結晶構造20の単位胞中心の八面体空隙の1/4を占有する。すなわち、M4N型結晶構造20は、Fe、Cr及びNiの中から選ばれた遷移金属原子22a〜22c、及びSi原子22d)の面心立方格子の単位胞中心の八面体空隙に窒素原子21が侵入した侵入型固溶体であり、立方晶の空間格子で表すと、窒素原子21は各単位胞の格子座標(1/2,1/2,1/2)に位置する。
【0033】
また、このM4N型結晶構造20では、Fe原子22aを主体としているが、Fe原子22aがCr原子22b及びNi原子22c等の他の遷移金属原子、又はSi原子22dと一部置換した合金も含む。このM4N型結晶構造20では、Fe、Cr及びNiの中から選ばれた遷移金属原子間の金属結合23を保ったまま、Fe、Cr及びNiの中から選ばれた遷移金属原子22a〜22cと窒素原子21との間で強い共有結合24を示すことにより、各遷移金属原子22a〜22cの酸化に対する反応性が低下する。このため、Fe、Cr及びNiの中から選ばれた遷移金属原子22a〜22c、及びSi原子22dからなるM4N型結晶構造20を有する窒化層11は、燃料電池内の酸化性環境下においても化学的に安定であり、燃料電池用セパレータ3として必要な導電性、セパレータ使用環境下における導電性の機能を維持する化学的安定性及び耐食性を兼ね備える。
【0034】
窒化層11のSi原子22dは、窒化層11に均一に分散され、窒素原子21を除く他の構成原子及び酸素原子と結合していることが好ましい。図4において、Fe、Cr及びNiの中から選ばれた遷移金属原子22a〜22cは窒素原子21と共有結合24しているが、破線25で示すように、Si原子22dと窒素原子21との間にはほとんど結合がない。Si原子22dは窒素原子21との結合はほとんどないが、酸素原子との結合が強い。このため、Si原子22dは酸素原子と結合して導電性を有する薄い酸化物となり、窒化層11の表面にこの導電性を有する薄い酸化物の層ができることにより、耐熱性が向上し、また粒界腐食が抑制される。
【0035】
上記した結晶構造20及びを有する窒化層11が基層12の上に直接形成された燃料電池用セパレータ3では、燃料電池スタック1内のような酸化性環境下に置かれても、燃料電池として通常使用されるガス拡散層との間の接触抵抗を低く維持できる。また、従来のように、ガス拡散層を含む電極と接触する面に直接金メッキ層を施さなくても接触抵抗を抑えることができるため、低コスト化を実現することが可能となる。さらに、Fe、Cr及びNiの中から選ばれた遷移金属原子22a〜22c、及びSi原子22dからなるM4N型結晶構造20を有する窒化層11が化学的安定性を有するため、腐食に厳しい、つまり、強酸かつ電位の負荷された環境においてもセパレータと電極との間の接触抵抗を低い値に維持し、耐食性に優れ、かつ低コスト化を実現した燃料電池用セパレータ3を提供することができる。
【0036】
このFe、Cr及びNiの中から選ばれた遷移金属原子22a〜22c、及びSi原子22dからなるM4N型の結晶構造20では、Fe22aを主体としていることが好ましいが、FeがCr及びNi等の他の遷移金属原子22b〜22c、及びSi原子22dと一部置換した合金であっても良い。また、M4N型の結晶構造20を構成する遷移金属原子22a〜22c、及びSi原子22dは、規則性が見られないことが好ましい。この場合には、各原子22a〜22dの部分モル自由エネルギが低下して、各原子22a〜22dの活量を低く抑えることができる。これに伴い、窒化層11中の各原子22a〜22dの酸化に対する反応性が低くなり、燃料電池内の酸化性環境下においても窒化層11は化学的安定性を有する。そして、セパレータ3とガス拡散層を含む電極との間の接触抵抗を低く維持できる結果、耐久性を高めることができる。また、電極との接触面となるセパレータ3上に貴金属めっき層を形成することなく低接触抵抗を維持できるため、低コスト化を実現することができる。また、Fe、Cr及びNiの中から選ばれた遷移金属原子22a〜22c、及びSi原子22dは、規則性が見られないことにより混合エントロピーが増大し各遷移金属原子の部分モル自由エネルギ−が低下しているか、又は各原子22a〜22dの活量がラウールの規則より推定される値より低くなっていることが好ましい。
【0037】
そして、このFe、Cr及びNiの中から選ばれた遷移金属原子22a〜22c、及びSi原子22dからなるM4N型の結晶構造20では、Fe原子に対するCr原子比が高い場合には、窒化層中に含まれる窒素が窒化層11中のCrと結びついてCrN等のCrの濃化した窒化物、すなわちNaCl型の窒化化合物が主成分となり、その一方で窒化層の一部にCr欠乏層を形成するようになるために窒化層11の耐食性は低下する。このため、M4N型の結晶構造20ではFeを主体とすることが好ましい。この結晶構造20では、高密度の転位や双晶を伴い、硬さも1000[HV]以上と高く、窒素が過飽和に固溶したfccまたはfct構造の窒化物であると考えられている(安丸、蒲池;日本金属学会誌,50,pp362−368,1986)。そして、表面に近いほど窒素濃度が高いことや、CrNが主成分とならないため、耐食性に有効なCrが減少せずに窒化後も耐食性が保たれる。このように、窒化層11がFe、Cr及びNiの中から選ばれた遷移金属原子22a〜22c、及びSi原子22dによって形成された面心立方格子の単位胞中心の八面体空隙に窒素原子21が配置されたM4N型の結晶構造20を有する場合には、pH2〜3の強酸性雰囲気における耐食性を一段と優れたものとし、かつ電極との間の接触抵抗を低くおさえることが可能となる。
【0038】
さらに、窒化層11は、窒化層断面をオージェ分析した場合、窒化層11の表面、つまり基材10の表面部10aから10[nm]深さ位置において、窒化層11の組成が、少なくともSiは2.5[at%]以上、Nは20[at%]以上であることが好ましい。この場合には、この窒化層11は、M4N型の結晶構造を含み、窒化物中の遷移金属原子が窒素原子との間で共有性に富んだ結合を形成していることに加え、金属原子間には金属結合が形成されているため、電気伝導性に優れる。また、典型金属のSiは、M4N型窒化物の金属格子を構成する元素の一つであるが、Nとの共有結合はほとんどない。その上イオンとして溶出せず、Siは、酸化物を形成し易い元素であり、基層、窒化物層内に均一に分散するため、窒化物表面で酸化物を形成し、この窒化物表面のSi酸化物が腐食を抑制するという効果がある。このため、窒化層の11の組成が上記範囲にある場合には、特に強酸性雰囲気において酸化を抑制し耐食性に優れるようになる。
【0039】
このように、上記した構成を採用したことにより、本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータは耐食性に優れる。そして、セパレータと電極間で発生する接触抵抗が低く、耐食性に優れており、かつコストの低い燃料電池用セパレータを得ることが可能となる。また、本発明の実施の形態に係る燃料電池スタックは、本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータを有することにより、発電性能を損なうことなく高い発電効率を維持できると共に、小型化及び低コスト化を実現することが可能となる。
【0040】
(燃料電池用セパレータの製造方法)
次に、本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法について説明する。
【0041】
本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法は、Fe、Cr及びNiの中から選ばれた遷移金属元素とSiを1.0[wt%]以上4.0[wt%]以下含有するステンレス鋼からなる基材をプレス成形して燃料又は酸化剤の通路を形成し、プレス成形された基材を窒化して、基材表面にFe、Cr、Ni及びSiの群から選択される原子によって形成された面心立方格子の単位胞中心の八面体空隙に窒素原子が配置されたM4N型結晶構造を有する連続した窒化層を形成することを特徴とする。この方法によれば、基材の表面から深さ方向に形成された窒化層を備え、窒化層はSiの酸化物を含む燃料電池用セパレータであって、強酸かつ電位が負荷された腐食に厳しい環境においても、セパレータと電極間で発生する接触抵抗が低く、耐食性に優れ、低コストで生産性が良好な高性能の燃料電池用セパレータを容易に製造することが可能となる。
【0042】
次に、図5を参照して、燃料電池用セパレータの製造方法について説明する。図5は、本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法に用いる窒化装置30の模式的側面図である。
【0043】
プラズマ窒化は、被処理物(ここではステンレス鋼)を陰極とし、直流電圧を印加してグロー放電、即ち、低温非平衡プラズマを発生させて、ガス成分の一部をイオン化し、非平衡プラズマ中のイオン化したガス成分を被処理物の表面に高速衝突させて窒化する方法である。
【0044】
窒化装置30は、バッチ式の窒化炉31と、窒化炉31に設置された真空式窒化処理容器31aを排気して真空圧にする真空ポンプ34と、真空式窒化処理容器31aに雰囲気ガスを供給するガス供給装置32と、真空式窒化処理容器31a内でプラズマを発生させるため高電圧にチャージされるプラズマ電極33a、33b及びこれらの電極33a、33bに周波数45[KHz]の高周波にパルス化された直流電圧を供給するパルスプラズマ電源33と、真空式窒化処理容器31a内の温度を検知する温度検出計37とを備える。窒化炉31は、上記真空式窒化処理容器31aを収容する断熱性の絶縁材からなる外側容器31bを備え、プラズマ観察窓31gを備える。真空式窒化処理容器31aは、その底部31cに、プラズマ電極33a、33bを高電位に保持するための絶縁体35を備える。プラズマ電極33a、33bは、その上にステンレス製の支架36が設けられている。この支架36は、プレス成形により燃料又は酸化剤の流路が形成され、セパレータの形状に加工したステンレス鋼44(以下、しばしば基材とも呼ぶ。)を支持する。ガス供給装置32は、ガス室38とガス供給管路39とを備え、ガス室38は所定数のガス導入用の開口(不図示)を有し、この開口は、それぞれガス供給弁(不図示)を備える水素ガス供給ライン(不図示)、窒素ガス供給ライン(不図示)、アルゴンガス供給ライン(不図示)に連通する。ガス供給装置32は、更に、ガス供給管路39の一端39aと連通するガス供給用の開口32aを有し、この開口32aにはガス供給弁(不図示)が設けられている。ガス供給管路39は、窒化炉31の外側容器31bの底部31dと真空式窒化処理容器31aの底部31cとを気密に貫通して真空式窒化処理容器31a内に延入し、垂直に立ち上がる立ち上がり部39bに至る。この立ち上がり部39bは、真空式窒化処理容器31a内にガスを噴出するための複数の開口39cが設けられている。真空式窒化処理容器31a内のガス圧は、真空式窒化処理容器31aの底部31cに設けられたガス圧センサ(不図示)により検知される。真空式窒化処理容器31aは、その外周に抵抗加熱式若しくは誘導加熱式のヒータ39の導電線39aが巻回され、これにより加熱される。真空式窒化処理容器31aと外側容器31bとの間には空気流路40が画成される。外側容器31bの側壁31eには、外側容器31bの側壁31eに設けられた開口31fから空気流路40に流入した空気を送る送風機41が設けられている。空気流路40は空気が流出する開口40aを備える。真空ポンプ34は、真空式窒化処理容器31aの底部31cに設けられた開口31hと連通する排気管路45を介して排気を行う。温度検出計37は、真空式窒化処理容器31aと外側容器31bの底部31c、31d及びプラズマ電極33a、33bを貫通して信号線路37aを介して温度センサ37b(例えば、熱伝対。)に接続される。
【0045】
パルスプラズマ電源33はプロセス制御装置42から制御信号を受け、オン、オフされる。各ステンレス鋼44は、アース側(例えば、真空式窒化処理容器31aの内壁31i。)に対し、パルスプラズマ電源33から供給される電圧分の電位差を有する。ガス供給装置32、真空ポンプ34、温度検出計37及びガス圧センサもプロセス制御装置42によって制御され、このプロセス制御装置42は、パーソナルコンピュータ43により操作される。
【0046】
本発明の実施の形態で用いたプラズマ窒化についてより詳細に説明する。まず、窒化炉31内に被処理物であるステンレス鋼44を配置し、1[Torr](=133[Pa])以下の真空に炉内を排気する。次に、窒化炉31内に水素ガスとアルゴンガスの混合ガスを導入した後、数[Torr]〜十数[Torr](665[Pa]〜2128[Pa])の真空度で、ステンレス鋼44を陰極、真空式窒化処理容器31aの内壁31iを陽極として、電圧を印加する。この場合、陰極であるステンレス鋼44上にグロー放電が発生し、このグロー放電によりステンレス鋼44を加熱及び窒化する。
【0047】
本発明の実施の形態に係る製造方法として、第一の工程として、ステンレス鋼からなる基材44表面の不導態皮膜を除去するスパッタークリーニングを実施する。このスパッタークリーニングの際、導入ガスがイオン化した水素イオン、アルゴンイオンなどが試料表面に衝突することで、ステンレス鋼44表面のCrを主体とした酸化皮膜を除去することができる。
【0048】
第2の工程として、スパッタークリーニングの後、水素ガスと窒素ガスの混合ガスを真空式窒化処理容器31a内に導入し、電圧を印加して陰極である基材44上にグロー放電を発生させる。この際、イオン化した窒素が基材44表面に衝突、侵入及び拡散することにより、基材44表面にM4N型結晶構造を有する連続した窒化層が形成される。窒化層の形成と同時に、イオン化した水素と基材表面の酸素が反応する還元反応により、基材表面に形成された酸化膜が除去される。
【0049】
なお、このプラズマ窒化では、基材44表面での反応は平衡反応ではなく非平衡反応であり、その上、Fe、Cr、Ni及びSiの中から選ばれた元素を含むステンレス鋼からなる基材44の表面温度が320[℃]以上550[℃]以下の状態で窒化した場合には、基材44の表面から深さ方向に高窒素濃度のM4N型結晶構造及びSiの酸化物を含む遷移金属窒化物が迅速に得られ、この窒化物は導電性と耐食性に富む。
【0050】
これに対し、大気圧でかつ平衡反応により窒化が進行する窒化法、例えば、ガス窒化法などを用いた場合、基材表面の不導態皮膜を除去するのが難しく、かつ平衡反応のため、基材表面に、M4N型結晶構造を得るようにするには長時間を要し、かつ、所望の窒素濃度が得られ難くなる。このため、基材表面に酸化皮膜が存在するため導電性が悪化し、化学的安定性に欠けるため、この窒化法により得られた窒化物及び窒化層では強酸性雰囲気での導電性維持が困難となる。
【0051】
本発明の実施の形態では、電源としてパルスプラズマ電源を用いることが好ましい。プラズマ窒化法に用いる電源としては、直流電圧を印加し、この放電電流を電流検出器により検出し、所定の電流となるようサイリスタにより制御する直流波形を有する直流電源を用いるのが一般的である。この場合、グロー放電は連続的に継続され、基材温度を放射温度計により測定すると、基材温度は±30[℃]程度の範囲で変化する。これに対し、パルスプラズマ電源は、直流電圧とサイリスタによる高周波遮断回路から構成されており、この回路により直流電源波形は、グロー放電がオンとオフを繰り返すパルス波形となる。この場合、プラズマを放電させる時間とプラズマを遮断する時間を1〜1000[μsec]として放電、遮断を繰り返すパルスプラズマ電源を用いたプラズマ窒化を行うことで、基材温度を放射温度計により測定すると、基材温度の変化は±5[℃]程度の範囲になる。高窒素濃度を有する遷移金属窒化物の窒化層を得るためには、基材温度の精密温度制御が要求されることから、基材温度の変化の小さいパルスプラズマ電源を用い、この電源は、1〜1000[μsec]の周期でプラズマの放電及び遮断を繰り返すことが可能であることが好ましい。
【0052】
この方法により、基材表面に窒化層を形成した場合には、従来のように、電極と接触する面に直接金メッキ層を施さなくても接触抵抗を抑えることができるため、低コスト化を実現することが可能となる。
【0053】
また、プラズマ窒化する際の処理条件は、温度320〜550[℃]、処理時間10〜60[分]、ガス混合比N2:H2=1:5〜7:3、処理圧力3〜7[Torr](=399〜931[Pa])とすることが好ましい。窒化処理条件が上記範囲からはずれ、320[℃]未満の温度で窒化処理を行うと、窒化層が形成されない。また、温度が550[℃]を超えるとM4N型結晶構造ができず、高温相のCr2N、CrN等が析出する。この結果、窒素原子のケミカルポテンシャルを適切に制御できないため、各金属元素の活量を低く抑えることができなくなる。更に、Cr2N、CrNが析出すると、基層にCr欠乏部ができて耐食性が低下する。また、処理時間が1[分]未満になると、窒化層が形成されない。また、処理時間が60[分]を超えると、製造コストが高騰する。さらに、ガス混合比が上記範囲からはずれてガス中の窒素の割合が減少すると、窒化層が形成されない。逆に、窒素の割合が100[%]になると、還元剤として作用する水素量が減少して、基材の表面が酸化される。このような処理条件下でプラズマ窒化をすることにより、Fe、Cr及びNiの中から選ばれた遷移金属原子、及びSi原子からなるM4N型の結晶構造を有する窒化層を基材表面に形成することができる。
【0054】
このように、本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法によれば、基材の表面から深さ方向に形成され、Siの酸化物を含み、耐食性及び導電性に優れた遷移金属窒化物を含む窒化層が形成された燃料電池用セパレータが得られる。また、簡便な操作により低コストの燃料電池用セパレータ製造することが可能となる。
【0055】
(燃料電池車両)
本実施形態では、燃料電池車両の一例として、上記方法により作製した燃料電池スタックを含む燃料電池を動力源として用いた燃料電池電気自動車を挙げて説明する。
【0056】
図6は、燃料電池スタックを搭載した電気自動車の外観を示す図である。図6(a)は電気自動車の側面図、図6(b)は電気自動車の上面図である。図6(b)に示すように、車体51前方に、左右のフロントサイドメンバとフードリッジのほか、フロントサイドメンバを含む左右のフードリッジ同士を互いに連結するダッシュロア部材をそれぞれ組み合わせて溶接接合したエンジンコンパートメント部52を形成している。本発明の実施の形態に係る電気自動車では、エンジンコンパートメント部52内に燃料電池スタック1を搭載している。
【0057】
本発明の実施の形態に係る燃料電池セパレータを適用した発電性能の良い燃料電池スタックを自動車等の車両に搭載することにより、燃料電池電気自動車の燃費向上を図ることができる。また、本実施形態によれば、小型化した軽量の燃料電池スタックを車両に搭載することにより、車両重量を低減して省燃費化を図ることができ、走行距離の長距離化を図ることができる。さらに、本実施形態によれば、小型の燃料電池を移動体車両等に搭載することにより、車室内空間をより広く活用することができ、スタイリングの自由度を確保することができる。
【0058】
なお、燃料電池車両の一例として電気自動車を挙げたが、本発明は電気自動車等の車両に限定されるものではなく、電気エネルギーが要求される航空機その他の機関にも適用することが可能である。
【実施例】
【0059】
以下、本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータの実施例1〜実施例5及び比較例1〜比較例5について説明する。各実施例は、本発明に係る燃料電池用セパレータの有効性を調べたもので、原材料に対して異なる条件下で処理して各試料を調製したものであり、例示した実施例に限定されるものではない。
<試料の調製>
各実施例及び比較例では、基材として、JIS規格のSUS316L(18Cr−12Ni−2Mo−低C)、SUS310S(25Cr−20Ni−低C)、SUS304LSUS302B、SUSXM15J1を原材料とした厚さ0.1[mm]、□100×100[mm]の真空焼鈍材をセパレータ形状にプレス成形して用いた。セパレータ形状プレス成形材を脱脂洗浄した後、真空焼鈍材の両面にパルス直流電源グロー放電によるプラズマ窒化処理した。プラズマ窒化の条件は、窒化温度は300[℃]〜550 [℃]、窒化時間60[分]、窒化時のガス混合比N2:H2=7:3、処理圧力3[Torr](399[Pa])の範囲内で各々変えた。なお、比較例1の試料はガス窒化プラズマ窒化を実施した。比較例2では、直流グロー放電によりプラズマ窒化した。表1に、基材として用いたステンレス鋼の鋼種、化学組成、プラズマ窒化の有無、使用したプラズマ電源、窒化中の基材温度を示す。
【表1】
【0060】
得られた各試料を、次に示す評価法を用いて評価した。
【0061】
<10[nm]深さ位置の組成の測定>
表面から10[nm]深さにおけるFe、Cr、Ni、Si及びN量は、走査型オージェ電子分光分析装置によって、電子線加速電圧:5[kV]、測定領域:20[μm]×16[μm]、イオン銃加速電圧:3[kV]、スパッタリングレート:10[nm/min](SiO2換算値)条件で測定した。
【0062】
<窒化層の結晶構造の同定>
上記方法によって得られた試料の窒化化合物層の結晶構造の同定は、表面のX線回折測定を行うことにより同定した。測定は、線源はCuKα線、回折角20〜100[゜]、スキャン速度2[゜/min]の条件で行った。
【0063】
<結晶粒界のSiの濃化の同定>
結晶粒界のSiの濃化の有無は、X線光電子分光分析装置(XPS)によってX線源としてMONOCHROMATED-AL-Kα線(1486.6[eV])、20[W]を用い、光電子取り出し角度45[°]、測定エリアφ200[μm]にて分析測定した。
【0064】
<接触抵抗値の測定>
実施例1〜実施例5及び比較例1〜比較例5で得られたセパレータの接触抵抗を耐食試験前と耐食試験後において測定した。装置は、アルバック理工製 圧力負荷接触電気抵抗測定装置TRS-2000SS型を用いた。そして、図7(a)に示すように、電極61とサンプル62との間にカーボンペーパ63を介在させて、図7(b)に示すように、電極61a/カーボンペーパ63a/サンプル62/カーボンペーパ63b/電極61bの構成とした。そして、測定面圧1.0[MPa]にて1[A/cm2]の電流を流した際の電気抵抗を2回測定し、各電気抵抗の平均値を求めて接触抵抗値とした。なお、接触抵抗値は、後述する耐食試験の前後で2回測定を行った。耐食試験後の接触抵抗値は、燃料電池内で燃料電池用セパレータが曝される環境を模擬して、酸化環境下での耐食性を評価したものである。カーボンペーパは、カーボンブラックで担持した白金触媒を塗布したカーボンペーパ(東レ(株)製カーボンペーパ TGP-H-090 厚さ0.26[mm]、かさ密度0.49[g/cm3]、空隙率73[%]、厚さ方向体積抵抗率0.07[Ω・cm2])を用いた。電極は、直径φ20のCu製電極を用いた。
【0065】
<耐食性の評価>
燃料電池では、水素極側に比較して酸素極側に最大で1[VvsSHE]程度の電位がかかる。また、固体高分子電解質膜は、分子中にスルホン酸基等のプロトン交換基を有する高分子電解質膜を飽和に含水させてプロトン伝導性を利用するものであり、強酸性を示す。このため、耐食性の評価は、電気化学的な手法である定電位電解試験を用いて、所定の定電位をかけた状態で一定時間保持後に接触抵抗を測定した。具体的には、まず、各試料の中央部を大きさ30[mm]×30[mm]に切り出したサンプルを準備し、準備したサンプルをpH2の硫酸水溶液中で、温度80[℃]、電位1[VvsSHE]として100[時間]保持した。
【0066】
実施例1〜実施例5及び比較例1〜比較例5における10[nm]深さ位置組成(at%)、窒化層の結晶構造、結晶粒界へのSiの濃化の有無を表2に示し、耐食試験前後での接触抵抗値、試験溶液中のイオン溶出量を表3に示す。
【表2】
【表3】
【0067】
比較例1では、窒化処理していないため、表面に不働態皮膜が形成しているため、試験前後の接触抵抗値は高く、pH2-電位1[VvsSHE]環境では、脱不働態化が起こりイオン溶出量も高かった。また、比較例2で得られた試料の表面は結晶構造がM4Nであるが、セパレータ表面に厚いSi酸化物が形成し、安定な不動態皮膜が形成している。このため、イオンの溶出量は、比較的低く抑えられているが、耐食試験前及び耐食試験後の接触抵抗値は高い値を示した。比較例3の試料では、基層に隣接して窒化層が形成されているが、結晶構造がM4Nに加えCrNを含むため、窒化層におけるのCrの含量が高くなっている。このため、窒化層及び基層においてCr欠乏層が生じて耐食性が悪化し、耐食試験後の接触抵抗値は、100[mΩ・cm2]を越える高い値を示し、酸化性環境下において窒化層が十分な電気化学的安定性を示さなかった。また、イオンの溶出量も高かった。比較例4の試料では、基層に隣接して窒化層が形成されていなかったため、耐食試験前及び耐食試験後の接触抵抗値は高い値を示し、イオンの溶出量も高かった。比較例5の試料では、Si含有量が0.7[wt%]と少なかったため、結晶粒界にSiが濃化せず、粒界腐食を呈する腐食形態となった。このため、耐食試験前及び耐食試験後の接触抵抗値は高い値を示し、イオンの溶出量も高かった。
【0068】
これに対して、実施例1〜実施例5の各試料では、基材の表面部、つまり、基材の最表面にはM4N型の結晶構造を含む析出物を有する窒化層が形成され、かつ粒界にのみSiが濃化したため、腐食形態は全面腐食を呈した。このため、これらの試料は耐食性及び導電性に優れ、かつ接触抵抗値を低く維持することができ、イオン溶出量も低く抑えることができたと考えられる。
【0069】
なお、実施例1〜4により、Siはもともと耐熱性を有する元素であるため、窒化温度が550[℃]を越えなければ、窒化温度が高温になる程、M4N窒化物のN固溶量が多くなり、化学的安定性がより高まるため、耐食試験前後の接触抵抗値は低く、その上イオン溶出量も低減する。
【0070】
また、実施例3と実施例5により、同じ窒化温度でも、基材のSi含有量が多くなる程、Si酸化膜が安定生成するために、化学的安定性がより高まるため、耐食試験前後の接触抵抗値は低く、その上イオン溶出量も低減する。
【0071】
次に、図8に、比較例5により得られた試料の倍率2500倍の断面SEM写真及び倍率1000倍の表面SEM表面写真を、図9に、実施例3により得られた試料の倍率2500倍の断面SEM写真及び倍率1000倍の表面SEM表面写真を、図10に、実施例5により得られた試料の倍率2500倍の断面SEM写真及び倍率1000倍の表面SEM表面写真を示す。
【0072】
図8(a)は、比較例5の0.7[%]Siを含む基材にプラズマ窒化した際の試料の断面、図8(b)は耐食試験前の試料の表面を、図8(c)は耐食試験後の試料の表面を示す。比較例5では、表面に窒化層は形成しているが、Si含有量が0.7[%]のため、結晶粒界が酸化膜で覆われておらず、耐食試験後は結晶粒界で腐食が進行しているということがわかる。
【0073】
図9(a)は実施例3の2.5[%]Siを含む基材にプラズマ窒化した際の試料の断面、図9(b)は耐食試験前の試料の表面を、図9(c)は耐食試験前の試料の表面を示す。実施例3では、表面に窒化層が形成し、かつSi含有量が2.5[%]のため、窒化物表面および結晶粒界に安定な酸化膜が形成し、耐食試験前後で表面はほとんど変化していないということがわかる。
【0074】
図10(a)は実施例5の3.5[%]Siを含む基材にプラズマ窒化した際の試料の断面、図10(b)は耐食試験前の試料の表面を、図10(c)は耐食試験前の試料の表面を示す。実施例5では、表面に窒化層が形成し、かつSi含有量が3.5[%]と多いため、表面全面に安定な酸化膜が形成し、耐食試験前後で表面はほとんど変化していないということがわかる。
【0075】
次に、図11に、X線回折による窒化物の結晶構造同定の結果を示す。図11(a)は比較例5を、図10(b)は実施例3を、図10(c)は実施例5を示す。これらの図より、全ての鋼種で基材のγ(111)、(200)、(220)、(311)、(222)のピークより、低角度側にシフトした面心立方のピークが確認され、これらのピークから、M4N型の結晶構造をもつ窒化物であるということがわかる。
【0076】
次に、図12に比較例5の走査型オージェ電子分光分析による深さ方向の元素プロファイルを、図13に実施例3の走査型オージェ電子分光分析による深さ方向の元素プロファイルを、図14に実施例5の走査型オージェ電子分光分析による深さ方向の元素プロファイルを示す。図12(a)は、耐食試験前の表面から深さ方向の元素濃度分布を、図12(b)は耐食試験後の表面から深さ方向の元素濃度分布を示す。これらの図より、表面から数[nm]より深い部分ではSiは検出されているが、試験前後の最表面数[nm]の領域ではSiは検出されず、また実施例3、5に比較して酸素濃度も低く、表面が不働態化していないということがわかる。図13(a)は、耐食試験前の表面から深さ方向の元素濃度分布を、図13(b)は耐食試験後の表面から深さ方向の元素濃度分布を示す。これらの図より、試験後の最表面数[nm]の領域でSiが検出され、その上酸素濃度も高く、表面が不働態化しているということがわかる。図14(a)は、耐食試験前の表面から深さ方向の元素濃度分布を、図14(b)は耐食試験後の表面から深さ方向の元素濃度分布を示す。これらの図より、試験後の最表面数[nm]の領域では、Si及び酸素の濃化ピークが検出され、最表面にSi酸化物が形成しているということがわかる。
【0077】
次に、図15、16にSi添加鋼のAESによる面分析の結果を示す。図15(a)は、実施例3のSiの濃度分布測定結果を、図15(b)は実施例5のSiの濃度分布測定結果を示す。これらの図より、Si含有量に関わらず、Siは窒化層内に均一に分散しているということがわかる。また、図16(a)は、実施例3のSi濃度分布測定面のSEM写真を、図16(b)は実施例5のSi濃度分布測定面のSEM写真を示す。
【0078】
なお、燃料電池では、単位セル当りの理論的な電圧は1.23[V]となるが、反応分極、ガス拡散分極、抵抗分極により実際に取り出せる電圧が降下し、取り出す電流が大きくなるほど電圧は降下する。また、自動車用用途では、単位体積・重量当りの出力密度を大きくしたいことから、定置用より高電流密度側、例えば、電流密度1[A/cm2]で使用される。このため、電流密度が1[A/cm2]の時には、セパレータとカーボンペーパと間の接触抵抗が20[mΩ・cm2] 、つまり、図10(b)に示す装置での測定値が40[mΩ・cm2] 以下であれば接触抵抗による効率低下がおさえられると考えられる。本実施例1〜実施例11では、いずれも接触抵抗値が30[mΩ・cm2] 以下であるため、単位セル当りの起電力が高く、発電性能に優れ、小型化かつ低コスト化した燃料電池スタックを形成することが可能となる。
【0079】
以上の測定結果より、実施例1〜実施例5は、比較例と比較して低接触抵抗を示し、その上、イオン溶出量も少なく、耐食性に優れることから、低接触抵抗と耐食性の両方を同時に兼ね備えることが示された。また、簡便な方法で行えることから、低コストで生産性が良好な燃料電池用セパレータを提供することができることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【0080】
【図1】本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータを用いて構成する燃料電池スタックの外観を示す斜視図である。
【図2】本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータを用いて構成する燃料電池スタックの展開図である。
【図3】(a)燃料電池用セパレータの模式的な斜視図である。(b)燃料電池用セパレータのIIIb-IIIb線断面図である。(c)燃料電池用セパレータのIIIc-IIIc線断面図である。
【図4】M4N型結晶構造を示す模式図である。
【図5】本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法に用いる窒化装置の模式的側面図である。
【図6】本発明の実施の形態に係る燃料電池スタックを搭載した電気自動車の外観を示す図であり、(a)は電気自動車の側面図、(b)は電気自動車の上面図である。
【図7】(a)各実施例で得られた試料の接触抵抗の測定方法を説明する模式図である。(b)接触抵抗の測定に使用する装置を説明する模式図である。
【図8】(a)比較例5により得られた試料の倍率2500倍の断面SEM写真である。(b)耐食試験前の倍率1000倍の表面SEM写真である。(c)耐食試験後の倍率1000倍の表面SEM写真である。
【図9】(a)実施例3により得られた試料の倍率2500倍の断面SEM写真である。(b)耐食試験前の倍率1000倍の表面SEM写真である。(c)耐食試験後の倍率1000倍の表面SEM写真である。
【図10】(a)実施例5により得られた試料の倍率2500倍の断面SEM写真である。(b)耐食試験前の倍率1000倍の表面SEM写真である。(c)耐食試験後の倍率1000倍の表面SEM写真である。
【図11】(a)比較例3により得られた試料のX線回折の結果を示す図である。(b)実施例3により得られた試料のX線回折の結果を示す図である。(c)実施例5により得られた試料のX線回折の結果を示す図である。
【図12】(a)比較例3により得られた耐食試験前の試料の走査型オージェ電子分光分析による深さ方向の元素プロファイルを示す図である。(b)耐食試験後の試料の走査型オージェ電子分光分析による深さ方向の元素プロファイルを示す図である。
【図13】(a)実施例3により得られた耐食試験前の試料の走査型オージェ電子分光分析による深さ方向の元素プロファイルを示す図である。(b)耐食試験後の試料の走査型オージェ電子分光分析による深さ方向の元素プロファイルを示す図である。である。
【図14】(a)実施例5により得られた耐食試験前の試料の走査型オージェ電子分光分析による深さ方向の元素プロファイルを示す図である。(b)耐食試験後の試料の走査型オージェ電子分光分析による深さ方向の元素プロファイルを示す図である。
【図15】(a)実施例3のSi添加鋼のAESによる面分析の結果を示す図である。(b)実施例5のSi添加鋼のAESによる面分析の結果を示す図である。
【図16】(a)実施例3のSi添加鋼のAESによる面分析の測定面を示す図である。(b)実施例5のSi添加鋼のAESによる面分析の測定面を示す図である。
【図17】燃料電池スタックを形成する単セルの構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【0081】
1 燃料電池スタック
2 膜電極接合体
3 燃料電池用セパレータ
4 エンドフランジ
5 締結ボルト
10 基材
10a 表面
11 窒化層
12 基層
20 M4N型結晶構造
21 遷移金属原子
22 窒素原子
【技術分野】
【0001】
この発明は、遷移金属窒化物、燃料電池用セパレータ、燃料電池スタック、燃料電池車両及び燃料電池用セパレータの製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
地球環境保護の観点から、燃料電池を自動車の内燃機関に代えて作動するモーターの電源として利用し、このモーターにより自動車を駆動することが検討されている。この燃料電池は、資源の枯渇問題を有する化石燃料を使う必要がないため排気ガス等を発生することがない。また、燃料電池は騒音がほとんど発生せず、更にはエネルギーの回収効率も他のエネルギー機関と比べて高くすることが可能である等の優れた特徴を有している。
【0003】
燃料電池は、使用される電解質の種類に応じて、固体高分子電解質型、リン酸型、溶融炭酸塩型及び固体酸化物型等がある。そのうちの一つである固体高分子電解質型燃料電池(PEFC:Polymer Electrolyte Fuel Cell)は、電解質として分子中にプロトン交換基を有する高分子電解質膜を使用して、高分子電解質膜を飽和に含水させるとプロトン伝導性電解質として機能することを利用した電池である。固体高分子電解質型燃料電池は比較的低温で作動し、かつ発電効率が高い。更には、固体高分子電解質型燃料電池は他の付帯設備と共に小型で軽量であるため、電気自動車搭載用を始めとする各種の用途が見込まれている。
【0004】
上記固体高分子電解質型燃料電池は燃料電池スタックを有する。燃料電池スタックは、電気化学反応により発電を行う基本単位となる単セルを複数個積層して両端部をエンドフランジで挟み、締結ボルトにより加圧保持されて一体に構成される。単セルは、高分子電解質膜とその両側に接合されるアノード(水素極)とカソード(酸素極)により構成される。
【0005】
図22は、燃料電池スタックを形成する単セルの構成を示す断面図である。図22に示すように、単セル70は、固体高分子電解質膜71の両側に酸素極72及び水素極73を接合して一体化した膜電極接合体を有する。酸素極72及び水素極73は、反応膜74及びガス拡散層75(GDL:gas diffusion layer)を備えた2層構造であり、反応膜74は固体高分子電解質膜71に接触している。酸素極72及び水素極73の両側には、積層のために酸素極側セパレータ76及び水素極側セパレータ77が各々設置されている。そして、酸素極側セパレータ76及び水素極側セパレータ77により、酸素ガス流路、水素ガス流路及び冷却水流路が形成されている。
【0006】
上記構成の単セル70は、固体高分子電解質膜71の両側に酸素極72、水素極73を配置して、通常、ホットプレス法により一体に接合して膜電極接合体を形成し、次に膜電極接合体の両側にセパレータ76、77を配置して製造する。上記単セル70から構成される燃料電池では、水素極73側に、水素及び水蒸気を供給し、酸素極72側に空気及び水蒸気を供給すると、主に、固体高分子電解質膜71と反応膜74との間の接触面において電気化学反応が起こる。以下、より具体的な反応について説明する。
【0007】
上記構成の単セル70において、酸素極ガス流路及び水素極ガス流路に空気及び水素ガスが各々供給されると、酸素ガス及び水素ガスが各ガス拡散層75を介して反応膜74側に供給され、各反応膜74において以下に示す反応が起こる。
【0008】
水素極側:H2 →2H+ +2e- ・・・式(1)
酸素極側:(1/2)O2+2H+ + 2e-→H2O ・・・式(2)
水素極73側に水素ガスが供給されると、式(1)の反応が進行して、H+ とe-とが生成する。H+は、水和状態で固体高分子電解質膜71内を移動して酸素極72側に流れ、e- は負荷78を通って水素極73から酸素極72に流れる。酸素極72側では、H+とe-と供給された酸素ガスとにより、式(2)の反応が進行して、電力が生成する。
【0009】
上述したように、燃料電池用セパレータは各単セル間を電気的に接続する機能を有するため、電気伝導性が良く、かつガス拡散層等の構成材料との接触抵抗が低いことが要求される。また、固体高分子型電解質膜は、スルホン酸基を多数有する高分子から形成されており、湿潤状態においてスルホン酸基をプロトン交換として用いるため、プロトン伝導性を有する。固体高分子型電解質膜は強酸性であるため、燃料電池用セパレータにはpH2〜3程度の硫酸酸性に対する耐食性が要求される。さらに、燃料電池に供給される各ガスの温度は80〜90[℃]と高温であり、また、水素極ではH+が生じるだけでなく、酸素や空気等が通過する酸素極は、標準水素極電位に対して0.6〜1[VvsSHE]程度の電位が負荷される酸化性環境下にある。このため、酸素極及び水素極と同様に、燃料電池用セパレータには強酸性雰囲気下で耐え得る耐食性が要求される。なお、ここで要求される耐食性とは、燃料電池用セパレータが強酸性の酸化環境下においても電気伝導性能を維持できる耐久性を意味する。つまり、カチオンが加湿水又は式(2)の反応により生成した水に溶け出すことにより、カチオンが本来プロトンの通り道となるべきスルホン酸基と結合してスルホン酸基を占有し、電解質膜の発電特性を劣化させる環境で、耐食性を測定する必要がある。
【0010】
また、燃料電池では、単位セル当りの理論的な電圧は1.23[V]となるが、反応分極、ガス拡散分極、抵抗分極により実際に取り出せる電圧が降下し、取り出す電流が大きくなるほど電圧は降下する。また、自動車用用途では、単位体積・重量当りの出力密度を大きくしたいことから、定置用より高電流密度側、例えば、電流密度1[A/cm2]で使用される。電流密度が1[A/cm2]の時には、セパレータと電極間の接触抵抗が40[mΩ・cm2]以下であれば接触抵抗による効率低下がおさえられると考えられている。
【0011】
そこで、燃料電池用セパレータとして、電気伝導性が良く耐食性に優れたステンレス鋼又は工業用純チタン等のチタン材を使用する試みがされている。ステンレス鋼は、その表面にクロムを主金属元素とした酸化物、水酸化物又はこれらの水和物等の緻密な不動態皮膜が形成されている。チタンも同様に、その表面に酸化チタン、水酸化チタン又はこれらの水和物等の緻密な不動態皮膜が形成されている。このため、ステンレス鋼やチタンは耐食性が良好である。
【0012】
しかし、上記した不動態皮膜は、通常ガス拡散層として用いられるカーボンペーパとの間で接触抵抗を生じる。燃料電池内の抵抗分極による過電圧は、定置型用途ではコージェネレーション等により排熱を回収できるため、トータルとしての熱効率が向上する。一方、自動車用用途では、接触抵抗に基づく発熱ロスは冷却水を通してラジエータから外部に捨てるしかないため、接触抵抗が大きくなると発電効率の低下に繋がる。また、発電効率低下は発熱が大きくなることと等価であり、より大きな冷却系を装備する必要性が生じるため、接触抵抗の増大は解決すべき重要な課題となっている。
【0013】
そこで、ステンレス鋼をプレス成形した後、電極との接触面に直接金めっき層を形成した燃料電池用セパレータが提案されている(特許文献1参照)。また、ステンレス鋼を成形して燃料電池用セパレータの形状に加工した後、電極との接触により接触抵抗を生じる面の不動態皮膜を除去して、貴金属又は貴金属合金を付着させた燃料電池用セパレータが提案されている(特許文献2参照)。
【特許文献1】特開平10−228914号公報(第2頁、第2図)
【特許文献2】特開2001−6713号公報(第2頁)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0014】
しかしながら、ステンレス鋼をセパレータ基材に用いる場合、導電性と接触抵抗値は相反する機能であるために、耐食性と導電性の両立は難しい。また、ステンレス鋼の表面に貴金属等をコーティングする場合には、製造時の手間がかかるだけでなく、コストが増大する可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【0015】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、本発明に係る遷移金属窒化物は、Fe、Cr、Ni及びSiの中から選ばれた元素を含むステンレス鋼からなる基材の表面を窒化処理することにより得られる遷移金属窒化物であって、基材の表面から深さ方向に形成された窒化層を備え、窒化層はSiの酸化物を含むことを特徴とする。
【0016】
本発明に係る燃料電池セパレータは、本発明に係る遷移金属窒化物を用いたことを特徴とする。
【0017】
本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法は、Fe、Cr及びNiの中から選ばれた遷移金属元素とSiを1.0[wt%]以上4.0[wt%]以下含有するステンレス鋼からなる基材をプレス成形して燃料又は酸化剤の通路を形成し、プレス成形された基材を窒化して、基材表面にFe、Cr、Ni及びSiの群から選択される原子によって形成された面心立方格子の単位胞中心の八面体空隙に窒素原子が配置されたM4N型結晶構造を有する連続した窒化層を形成することを特徴とする。
【0018】
本発明に係る燃料電池スタックは、本発明に係る燃料電池用セパレータを用いたことを特徴とする。
【0019】
本発明に係る燃料電池スタックは、本発明に係る燃料電池用セパレータを用いたことを特徴とする。
【0020】
本発明に係る燃料電池車両は、本発明に係る燃料電池スタックを動力源として備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【0021】
本発明によれば、強酸かつ電位が負荷された腐食に厳しい環境においても、セパレータと電極間で発生する接触抵抗が低く、耐食性に優れ、低コストで生産性が良好な遷移金属窒化物及び燃料電池用セパレータを提供することができる。
【0022】
本発明によれば、高性能の燃料電池用セパレータを容易に製造することが可能となる。
【0023】
本発明によれば、高性能で、かつ小型化及び低コスト化した燃料電池スタックを提供することができる。
【0024】
本発明によれば、小型化及び低コスト化した燃料電池スタックを搭載することにより、走行距離の長距離化を実現できると共にスタイリングの自由度を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0025】
以下、本発明に係る遷移金属窒化物、燃料電池用セパレータ、燃料電池スタック、燃料電池車両及び燃料電池用セパレータの製造方法について、固体高分子型燃料電池に適用した例を挙げて説明する。
【0026】
(遷移金属窒化物、燃料電池用セパレータ及び燃料電池スタック)
図1は、本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータを用いて構成した燃料電池スタックの外観を示す斜視図である。図2は、図1に示す燃料電池スタック1の詳細な構成を模式的に示す燃料電池スタック1の展開図である。
【0027】
図2に示すように、燃料電池スタック1は、電気化学反応により発電を行う基本単位となる膜電極接合体2と燃料電池用セパレータ3からなる単セルを複数個積層して構成される。膜電極接合体2は、固体高分子型電解質膜の両面に各々酸化剤極を有するガス拡散層と燃料極を有するガス拡散層とからなり、膜電極接合体2の両側に燃料電池用セパレータ3を配置して、燃料電池用セパレータ3内部に酸化剤ガス流路と燃料ガス流路とを各々形成する。固体高分子型電解質膜としては、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体膜(ナフィオン1128(登録商標)、デュポン株式会社)等を使用することができる。膜電極接合体2と燃料電池用セパレータ3とを積層した後、両端部にエンドフランジ4を配置して、外周部を締結ボルト5により締結して燃料電池スタック1を構成する。また、燃料電池スタック1には、水素ガス等の水素を含有する燃料ガスを供給するための水素供給ラインと、酸化剤ガスとして空気を供給する空気供給ラインと、冷却水を供給する冷却水供給ラインが設けられている。
【0028】
図2に示した燃料電池用セパレータ3の模式図を図3に示す。図3(a)は、燃料電池用セパレータ3の模式的斜視図、図3(b)は、燃料電池用セパレータ3のIIIb-IIIb線断面図、図3(c)は、燃料電池用セパレータ3のIIIc-IIIc線断面図である。図3(a)〜(c)に示すように、燃料電池用セパレータ3は、Fe、Cr、Ni及びSiを含むステンレス鋼からなる基材10からなり、基材10の表面10aを窒化処理することにより得られ、基材10の表面10a全体かつ表面の深さ方向に連続して形成されている窒化層11と、窒化されていない未窒化層である基層12からなる。燃料電池用セパレータ3には、プレス成形により断面矩形状の燃料又は酸化剤の溝状の通路13が形成されている。通路13と通路13との間には、通路13と通路13とで画成された平板部14を備え、通路13及び平板部14の外面に沿って窒化層11が延在する。平板部14は、燃料電池用セパレータ3と膜電極接合体2とを交互に積層した際に、隣接する固体高分子膜上のガス拡散層に接触する。窒化層11は、Fe、Cr及びNiの中から選ばれた遷移金属原子、及びSi原子によって形成されたM4N型の結晶構造を有する遷移金属窒化物の層である。
【0029】
この遷移金属窒化物は、Fe、Cr、Ni及びSiを含むステンレス鋼からなる基材を窒化処理することにより得られ、基材表面にFe、Cr、Niの中から選ばれた遷移金属原子、及びSi原子によって形成された後述するM4N型の結晶構造を含む。このため、窒化物中のFe、Cr、Ni等の遷移金属原子が窒素原子との間で共有性に富んだ結合を形成していることに加え、SiとFe、Cr、Ni等の遷移金属原子間には金属結合が形成されているため、この燃料電池用セパレータ3は電気伝導性に優れる。また、典型金属であるSiは、M4N型窒化物の金属格子を構成する元素の一つであるが、Nとの共有結合はほとんどない。また、Fe、Ni、Crはイオンとして溶出するが、Siはイオンとして溶出しない。また、Siはフェライト形成傾向を有する元素であるため、粒界に濃化する傾向にあり、粒界において酸化物を形成し、この粒界のSi酸化物が粒界腐食を抑制する。
【0030】
Fe、Cr及びNiの中から選ばれた遷移金属原子、及びSi原子によって形成されたM4N型の結晶構造を有する窒化物は燃料電池として通常使用されるpH2〜3の強酸性雰囲気においても化学的に安定であるため耐食性に優れる。さらに、Fe、Cr及びNiの中から選ばれた遷移金属原子、及びSi原子によって形成されたM4N型の結晶構造中のSi量を1.0[wt%]以上4.0[wt%]以下とすることで化学的安定性が増す。このため、このFe、Cr、Niの中から選ばれた遷移金属、及びSi原子によって形成されたM4N型の結晶構造を有する窒化物を窒化層とすると、燃料電池用セパレータとカーボンペーパとの間の接触抵抗が低くおさえられ、強酸性雰囲気においても継続的に良好な電気伝導性を示す燃料電池用セパレータが得られると同時に、イオン溶出量を低く抑えられ、耐食性に優れた燃料電池用セパレータが得られる。また、従来のように、電極と接触する面に直接金メッキ層を施さなくても接触抵抗を抑えることができるため、燃料電池用セパレータの低コスト化を実現することが可能となる。
【0031】
基材10として用いるステンレス鋼は、Fe、Cr、Ni及びSiを含み、オーステナイト単相組織となるFe、Cr、Ni、Si量を含有し、Siを1.0[wt%]以上4.0[wt%]以下含有することが好ましい。この範囲からはずれる場合は、M4N型窒化物の窒素固溶量が減るために、化学的安定性に欠け、導電性や耐食性に劣るようになる。また、Fe、Cr、Ni等の遷移金属原子は、Nの代わりにOと結合し易くなるためにM4N型窒化物表面に厚い酸化膜を形成するなどして導電性が悪化したりするようになる。 Fe、Cr、Ni及びSiを含み、オーステナイト単相組織となるFe、Cr、Ni及びSi量を含有し、Siを1.0[wt%]以上4.0[wt%]以下含有するオーステナイト系ステンレス鋼としては、例えば、SUS302B、SUSXM15J1等があげられる。燃料電池用セパレータ3の基材10としてオーステナイト系ステンレス鋼を用いる場合には、ガス流路及び冷却水流路等の凹凸をプレス成形する必要がある。その際に、プレス成形する基材組織がオーステナイト単相の場合、伸び、絞り性に優れ、プレス成形性に優れるため、基材としてオーステナイト系ステンレス鋼を用いることは効果的である。また、基材10にプラズマ窒化を施した場合には、基材10の表面10aに対する窒素固溶量が大きくなり、基材表面10aにプラズマ窒化によって高濃度の窒素を含有した遷移金属窒化物が形成され易くなるためである。フェライト系又はマルテンサイト系ステンレス鋼を基材として用いた場合には、伸び、絞り性が劣り、プレス成形性が劣るようになる。
【0032】
窒化層11は、Fe、Cr、Niの中から選ばれた遷移金属原子、及びSi原子によって形成された面心立方格子の単位胞中心の八面体空隙に窒素原子が配置されたM4N型の結晶構造を有することが好ましい。M4N型結晶構造を図4に示す。図4に示すように、M4N型結晶構造20は、Fe22aを主成分として、Fe22a、Cr22b、Ni22cの中から選ばれた遷移金属原子22a〜22c、及びSi原子22dによって形成された面心立方格子の単位胞中心の八面体空隙に窒素原子21が配置された構造である。つまり、窒化処理により面心立方格子内に侵入する窒素原子21が、Fe、Cr、Niの中から選ばれた遷移金属原子22a〜22c、及びSi原子22dから形成される面心立方格子の単位胞中心の八面体空隙に配置されてM4N型結晶構造20となる。このM4N型結晶構造20において、Mは、Fe、Cr及びNiの中から選ばれた遷移金属原子、及びSi原子を表し、Nは窒素原子21を表す。窒素原子21はM4N型結晶構造20の単位胞中心の八面体空隙の1/4を占有する。すなわち、M4N型結晶構造20は、Fe、Cr及びNiの中から選ばれた遷移金属原子22a〜22c、及びSi原子22d)の面心立方格子の単位胞中心の八面体空隙に窒素原子21が侵入した侵入型固溶体であり、立方晶の空間格子で表すと、窒素原子21は各単位胞の格子座標(1/2,1/2,1/2)に位置する。
【0033】
また、このM4N型結晶構造20では、Fe原子22aを主体としているが、Fe原子22aがCr原子22b及びNi原子22c等の他の遷移金属原子、又はSi原子22dと一部置換した合金も含む。このM4N型結晶構造20では、Fe、Cr及びNiの中から選ばれた遷移金属原子間の金属結合23を保ったまま、Fe、Cr及びNiの中から選ばれた遷移金属原子22a〜22cと窒素原子21との間で強い共有結合24を示すことにより、各遷移金属原子22a〜22cの酸化に対する反応性が低下する。このため、Fe、Cr及びNiの中から選ばれた遷移金属原子22a〜22c、及びSi原子22dからなるM4N型結晶構造20を有する窒化層11は、燃料電池内の酸化性環境下においても化学的に安定であり、燃料電池用セパレータ3として必要な導電性、セパレータ使用環境下における導電性の機能を維持する化学的安定性及び耐食性を兼ね備える。
【0034】
窒化層11のSi原子22dは、窒化層11に均一に分散され、窒素原子21を除く他の構成原子及び酸素原子と結合していることが好ましい。図4において、Fe、Cr及びNiの中から選ばれた遷移金属原子22a〜22cは窒素原子21と共有結合24しているが、破線25で示すように、Si原子22dと窒素原子21との間にはほとんど結合がない。Si原子22dは窒素原子21との結合はほとんどないが、酸素原子との結合が強い。このため、Si原子22dは酸素原子と結合して導電性を有する薄い酸化物となり、窒化層11の表面にこの導電性を有する薄い酸化物の層ができることにより、耐熱性が向上し、また粒界腐食が抑制される。
【0035】
上記した結晶構造20及びを有する窒化層11が基層12の上に直接形成された燃料電池用セパレータ3では、燃料電池スタック1内のような酸化性環境下に置かれても、燃料電池として通常使用されるガス拡散層との間の接触抵抗を低く維持できる。また、従来のように、ガス拡散層を含む電極と接触する面に直接金メッキ層を施さなくても接触抵抗を抑えることができるため、低コスト化を実現することが可能となる。さらに、Fe、Cr及びNiの中から選ばれた遷移金属原子22a〜22c、及びSi原子22dからなるM4N型結晶構造20を有する窒化層11が化学的安定性を有するため、腐食に厳しい、つまり、強酸かつ電位の負荷された環境においてもセパレータと電極との間の接触抵抗を低い値に維持し、耐食性に優れ、かつ低コスト化を実現した燃料電池用セパレータ3を提供することができる。
【0036】
このFe、Cr及びNiの中から選ばれた遷移金属原子22a〜22c、及びSi原子22dからなるM4N型の結晶構造20では、Fe22aを主体としていることが好ましいが、FeがCr及びNi等の他の遷移金属原子22b〜22c、及びSi原子22dと一部置換した合金であっても良い。また、M4N型の結晶構造20を構成する遷移金属原子22a〜22c、及びSi原子22dは、規則性が見られないことが好ましい。この場合には、各原子22a〜22dの部分モル自由エネルギが低下して、各原子22a〜22dの活量を低く抑えることができる。これに伴い、窒化層11中の各原子22a〜22dの酸化に対する反応性が低くなり、燃料電池内の酸化性環境下においても窒化層11は化学的安定性を有する。そして、セパレータ3とガス拡散層を含む電極との間の接触抵抗を低く維持できる結果、耐久性を高めることができる。また、電極との接触面となるセパレータ3上に貴金属めっき層を形成することなく低接触抵抗を維持できるため、低コスト化を実現することができる。また、Fe、Cr及びNiの中から選ばれた遷移金属原子22a〜22c、及びSi原子22dは、規則性が見られないことにより混合エントロピーが増大し各遷移金属原子の部分モル自由エネルギ−が低下しているか、又は各原子22a〜22dの活量がラウールの規則より推定される値より低くなっていることが好ましい。
【0037】
そして、このFe、Cr及びNiの中から選ばれた遷移金属原子22a〜22c、及びSi原子22dからなるM4N型の結晶構造20では、Fe原子に対するCr原子比が高い場合には、窒化層中に含まれる窒素が窒化層11中のCrと結びついてCrN等のCrの濃化した窒化物、すなわちNaCl型の窒化化合物が主成分となり、その一方で窒化層の一部にCr欠乏層を形成するようになるために窒化層11の耐食性は低下する。このため、M4N型の結晶構造20ではFeを主体とすることが好ましい。この結晶構造20では、高密度の転位や双晶を伴い、硬さも1000[HV]以上と高く、窒素が過飽和に固溶したfccまたはfct構造の窒化物であると考えられている(安丸、蒲池;日本金属学会誌,50,pp362−368,1986)。そして、表面に近いほど窒素濃度が高いことや、CrNが主成分とならないため、耐食性に有効なCrが減少せずに窒化後も耐食性が保たれる。このように、窒化層11がFe、Cr及びNiの中から選ばれた遷移金属原子22a〜22c、及びSi原子22dによって形成された面心立方格子の単位胞中心の八面体空隙に窒素原子21が配置されたM4N型の結晶構造20を有する場合には、pH2〜3の強酸性雰囲気における耐食性を一段と優れたものとし、かつ電極との間の接触抵抗を低くおさえることが可能となる。
【0038】
さらに、窒化層11は、窒化層断面をオージェ分析した場合、窒化層11の表面、つまり基材10の表面部10aから10[nm]深さ位置において、窒化層11の組成が、少なくともSiは2.5[at%]以上、Nは20[at%]以上であることが好ましい。この場合には、この窒化層11は、M4N型の結晶構造を含み、窒化物中の遷移金属原子が窒素原子との間で共有性に富んだ結合を形成していることに加え、金属原子間には金属結合が形成されているため、電気伝導性に優れる。また、典型金属のSiは、M4N型窒化物の金属格子を構成する元素の一つであるが、Nとの共有結合はほとんどない。その上イオンとして溶出せず、Siは、酸化物を形成し易い元素であり、基層、窒化物層内に均一に分散するため、窒化物表面で酸化物を形成し、この窒化物表面のSi酸化物が腐食を抑制するという効果がある。このため、窒化層の11の組成が上記範囲にある場合には、特に強酸性雰囲気において酸化を抑制し耐食性に優れるようになる。
【0039】
このように、上記した構成を採用したことにより、本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータは耐食性に優れる。そして、セパレータと電極間で発生する接触抵抗が低く、耐食性に優れており、かつコストの低い燃料電池用セパレータを得ることが可能となる。また、本発明の実施の形態に係る燃料電池スタックは、本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータを有することにより、発電性能を損なうことなく高い発電効率を維持できると共に、小型化及び低コスト化を実現することが可能となる。
【0040】
(燃料電池用セパレータの製造方法)
次に、本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法について説明する。
【0041】
本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法は、Fe、Cr及びNiの中から選ばれた遷移金属元素とSiを1.0[wt%]以上4.0[wt%]以下含有するステンレス鋼からなる基材をプレス成形して燃料又は酸化剤の通路を形成し、プレス成形された基材を窒化して、基材表面にFe、Cr、Ni及びSiの群から選択される原子によって形成された面心立方格子の単位胞中心の八面体空隙に窒素原子が配置されたM4N型結晶構造を有する連続した窒化層を形成することを特徴とする。この方法によれば、基材の表面から深さ方向に形成された窒化層を備え、窒化層はSiの酸化物を含む燃料電池用セパレータであって、強酸かつ電位が負荷された腐食に厳しい環境においても、セパレータと電極間で発生する接触抵抗が低く、耐食性に優れ、低コストで生産性が良好な高性能の燃料電池用セパレータを容易に製造することが可能となる。
【0042】
次に、図5を参照して、燃料電池用セパレータの製造方法について説明する。図5は、本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法に用いる窒化装置30の模式的側面図である。
【0043】
プラズマ窒化は、被処理物(ここではステンレス鋼)を陰極とし、直流電圧を印加してグロー放電、即ち、低温非平衡プラズマを発生させて、ガス成分の一部をイオン化し、非平衡プラズマ中のイオン化したガス成分を被処理物の表面に高速衝突させて窒化する方法である。
【0044】
窒化装置30は、バッチ式の窒化炉31と、窒化炉31に設置された真空式窒化処理容器31aを排気して真空圧にする真空ポンプ34と、真空式窒化処理容器31aに雰囲気ガスを供給するガス供給装置32と、真空式窒化処理容器31a内でプラズマを発生させるため高電圧にチャージされるプラズマ電極33a、33b及びこれらの電極33a、33bに周波数45[KHz]の高周波にパルス化された直流電圧を供給するパルスプラズマ電源33と、真空式窒化処理容器31a内の温度を検知する温度検出計37とを備える。窒化炉31は、上記真空式窒化処理容器31aを収容する断熱性の絶縁材からなる外側容器31bを備え、プラズマ観察窓31gを備える。真空式窒化処理容器31aは、その底部31cに、プラズマ電極33a、33bを高電位に保持するための絶縁体35を備える。プラズマ電極33a、33bは、その上にステンレス製の支架36が設けられている。この支架36は、プレス成形により燃料又は酸化剤の流路が形成され、セパレータの形状に加工したステンレス鋼44(以下、しばしば基材とも呼ぶ。)を支持する。ガス供給装置32は、ガス室38とガス供給管路39とを備え、ガス室38は所定数のガス導入用の開口(不図示)を有し、この開口は、それぞれガス供給弁(不図示)を備える水素ガス供給ライン(不図示)、窒素ガス供給ライン(不図示)、アルゴンガス供給ライン(不図示)に連通する。ガス供給装置32は、更に、ガス供給管路39の一端39aと連通するガス供給用の開口32aを有し、この開口32aにはガス供給弁(不図示)が設けられている。ガス供給管路39は、窒化炉31の外側容器31bの底部31dと真空式窒化処理容器31aの底部31cとを気密に貫通して真空式窒化処理容器31a内に延入し、垂直に立ち上がる立ち上がり部39bに至る。この立ち上がり部39bは、真空式窒化処理容器31a内にガスを噴出するための複数の開口39cが設けられている。真空式窒化処理容器31a内のガス圧は、真空式窒化処理容器31aの底部31cに設けられたガス圧センサ(不図示)により検知される。真空式窒化処理容器31aは、その外周に抵抗加熱式若しくは誘導加熱式のヒータ39の導電線39aが巻回され、これにより加熱される。真空式窒化処理容器31aと外側容器31bとの間には空気流路40が画成される。外側容器31bの側壁31eには、外側容器31bの側壁31eに設けられた開口31fから空気流路40に流入した空気を送る送風機41が設けられている。空気流路40は空気が流出する開口40aを備える。真空ポンプ34は、真空式窒化処理容器31aの底部31cに設けられた開口31hと連通する排気管路45を介して排気を行う。温度検出計37は、真空式窒化処理容器31aと外側容器31bの底部31c、31d及びプラズマ電極33a、33bを貫通して信号線路37aを介して温度センサ37b(例えば、熱伝対。)に接続される。
【0045】
パルスプラズマ電源33はプロセス制御装置42から制御信号を受け、オン、オフされる。各ステンレス鋼44は、アース側(例えば、真空式窒化処理容器31aの内壁31i。)に対し、パルスプラズマ電源33から供給される電圧分の電位差を有する。ガス供給装置32、真空ポンプ34、温度検出計37及びガス圧センサもプロセス制御装置42によって制御され、このプロセス制御装置42は、パーソナルコンピュータ43により操作される。
【0046】
本発明の実施の形態で用いたプラズマ窒化についてより詳細に説明する。まず、窒化炉31内に被処理物であるステンレス鋼44を配置し、1[Torr](=133[Pa])以下の真空に炉内を排気する。次に、窒化炉31内に水素ガスとアルゴンガスの混合ガスを導入した後、数[Torr]〜十数[Torr](665[Pa]〜2128[Pa])の真空度で、ステンレス鋼44を陰極、真空式窒化処理容器31aの内壁31iを陽極として、電圧を印加する。この場合、陰極であるステンレス鋼44上にグロー放電が発生し、このグロー放電によりステンレス鋼44を加熱及び窒化する。
【0047】
本発明の実施の形態に係る製造方法として、第一の工程として、ステンレス鋼からなる基材44表面の不導態皮膜を除去するスパッタークリーニングを実施する。このスパッタークリーニングの際、導入ガスがイオン化した水素イオン、アルゴンイオンなどが試料表面に衝突することで、ステンレス鋼44表面のCrを主体とした酸化皮膜を除去することができる。
【0048】
第2の工程として、スパッタークリーニングの後、水素ガスと窒素ガスの混合ガスを真空式窒化処理容器31a内に導入し、電圧を印加して陰極である基材44上にグロー放電を発生させる。この際、イオン化した窒素が基材44表面に衝突、侵入及び拡散することにより、基材44表面にM4N型結晶構造を有する連続した窒化層が形成される。窒化層の形成と同時に、イオン化した水素と基材表面の酸素が反応する還元反応により、基材表面に形成された酸化膜が除去される。
【0049】
なお、このプラズマ窒化では、基材44表面での反応は平衡反応ではなく非平衡反応であり、その上、Fe、Cr、Ni及びSiの中から選ばれた元素を含むステンレス鋼からなる基材44の表面温度が320[℃]以上550[℃]以下の状態で窒化した場合には、基材44の表面から深さ方向に高窒素濃度のM4N型結晶構造及びSiの酸化物を含む遷移金属窒化物が迅速に得られ、この窒化物は導電性と耐食性に富む。
【0050】
これに対し、大気圧でかつ平衡反応により窒化が進行する窒化法、例えば、ガス窒化法などを用いた場合、基材表面の不導態皮膜を除去するのが難しく、かつ平衡反応のため、基材表面に、M4N型結晶構造を得るようにするには長時間を要し、かつ、所望の窒素濃度が得られ難くなる。このため、基材表面に酸化皮膜が存在するため導電性が悪化し、化学的安定性に欠けるため、この窒化法により得られた窒化物及び窒化層では強酸性雰囲気での導電性維持が困難となる。
【0051】
本発明の実施の形態では、電源としてパルスプラズマ電源を用いることが好ましい。プラズマ窒化法に用いる電源としては、直流電圧を印加し、この放電電流を電流検出器により検出し、所定の電流となるようサイリスタにより制御する直流波形を有する直流電源を用いるのが一般的である。この場合、グロー放電は連続的に継続され、基材温度を放射温度計により測定すると、基材温度は±30[℃]程度の範囲で変化する。これに対し、パルスプラズマ電源は、直流電圧とサイリスタによる高周波遮断回路から構成されており、この回路により直流電源波形は、グロー放電がオンとオフを繰り返すパルス波形となる。この場合、プラズマを放電させる時間とプラズマを遮断する時間を1〜1000[μsec]として放電、遮断を繰り返すパルスプラズマ電源を用いたプラズマ窒化を行うことで、基材温度を放射温度計により測定すると、基材温度の変化は±5[℃]程度の範囲になる。高窒素濃度を有する遷移金属窒化物の窒化層を得るためには、基材温度の精密温度制御が要求されることから、基材温度の変化の小さいパルスプラズマ電源を用い、この電源は、1〜1000[μsec]の周期でプラズマの放電及び遮断を繰り返すことが可能であることが好ましい。
【0052】
この方法により、基材表面に窒化層を形成した場合には、従来のように、電極と接触する面に直接金メッキ層を施さなくても接触抵抗を抑えることができるため、低コスト化を実現することが可能となる。
【0053】
また、プラズマ窒化する際の処理条件は、温度320〜550[℃]、処理時間10〜60[分]、ガス混合比N2:H2=1:5〜7:3、処理圧力3〜7[Torr](=399〜931[Pa])とすることが好ましい。窒化処理条件が上記範囲からはずれ、320[℃]未満の温度で窒化処理を行うと、窒化層が形成されない。また、温度が550[℃]を超えるとM4N型結晶構造ができず、高温相のCr2N、CrN等が析出する。この結果、窒素原子のケミカルポテンシャルを適切に制御できないため、各金属元素の活量を低く抑えることができなくなる。更に、Cr2N、CrNが析出すると、基層にCr欠乏部ができて耐食性が低下する。また、処理時間が1[分]未満になると、窒化層が形成されない。また、処理時間が60[分]を超えると、製造コストが高騰する。さらに、ガス混合比が上記範囲からはずれてガス中の窒素の割合が減少すると、窒化層が形成されない。逆に、窒素の割合が100[%]になると、還元剤として作用する水素量が減少して、基材の表面が酸化される。このような処理条件下でプラズマ窒化をすることにより、Fe、Cr及びNiの中から選ばれた遷移金属原子、及びSi原子からなるM4N型の結晶構造を有する窒化層を基材表面に形成することができる。
【0054】
このように、本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法によれば、基材の表面から深さ方向に形成され、Siの酸化物を含み、耐食性及び導電性に優れた遷移金属窒化物を含む窒化層が形成された燃料電池用セパレータが得られる。また、簡便な操作により低コストの燃料電池用セパレータ製造することが可能となる。
【0055】
(燃料電池車両)
本実施形態では、燃料電池車両の一例として、上記方法により作製した燃料電池スタックを含む燃料電池を動力源として用いた燃料電池電気自動車を挙げて説明する。
【0056】
図6は、燃料電池スタックを搭載した電気自動車の外観を示す図である。図6(a)は電気自動車の側面図、図6(b)は電気自動車の上面図である。図6(b)に示すように、車体51前方に、左右のフロントサイドメンバとフードリッジのほか、フロントサイドメンバを含む左右のフードリッジ同士を互いに連結するダッシュロア部材をそれぞれ組み合わせて溶接接合したエンジンコンパートメント部52を形成している。本発明の実施の形態に係る電気自動車では、エンジンコンパートメント部52内に燃料電池スタック1を搭載している。
【0057】
本発明の実施の形態に係る燃料電池セパレータを適用した発電性能の良い燃料電池スタックを自動車等の車両に搭載することにより、燃料電池電気自動車の燃費向上を図ることができる。また、本実施形態によれば、小型化した軽量の燃料電池スタックを車両に搭載することにより、車両重量を低減して省燃費化を図ることができ、走行距離の長距離化を図ることができる。さらに、本実施形態によれば、小型の燃料電池を移動体車両等に搭載することにより、車室内空間をより広く活用することができ、スタイリングの自由度を確保することができる。
【0058】
なお、燃料電池車両の一例として電気自動車を挙げたが、本発明は電気自動車等の車両に限定されるものではなく、電気エネルギーが要求される航空機その他の機関にも適用することが可能である。
【実施例】
【0059】
以下、本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータの実施例1〜実施例5及び比較例1〜比較例5について説明する。各実施例は、本発明に係る燃料電池用セパレータの有効性を調べたもので、原材料に対して異なる条件下で処理して各試料を調製したものであり、例示した実施例に限定されるものではない。
<試料の調製>
各実施例及び比較例では、基材として、JIS規格のSUS316L(18Cr−12Ni−2Mo−低C)、SUS310S(25Cr−20Ni−低C)、SUS304LSUS302B、SUSXM15J1を原材料とした厚さ0.1[mm]、□100×100[mm]の真空焼鈍材をセパレータ形状にプレス成形して用いた。セパレータ形状プレス成形材を脱脂洗浄した後、真空焼鈍材の両面にパルス直流電源グロー放電によるプラズマ窒化処理した。プラズマ窒化の条件は、窒化温度は300[℃]〜550 [℃]、窒化時間60[分]、窒化時のガス混合比N2:H2=7:3、処理圧力3[Torr](399[Pa])の範囲内で各々変えた。なお、比較例1の試料はガス窒化プラズマ窒化を実施した。比較例2では、直流グロー放電によりプラズマ窒化した。表1に、基材として用いたステンレス鋼の鋼種、化学組成、プラズマ窒化の有無、使用したプラズマ電源、窒化中の基材温度を示す。
【表1】
【0060】
得られた各試料を、次に示す評価法を用いて評価した。
【0061】
<10[nm]深さ位置の組成の測定>
表面から10[nm]深さにおけるFe、Cr、Ni、Si及びN量は、走査型オージェ電子分光分析装置によって、電子線加速電圧:5[kV]、測定領域:20[μm]×16[μm]、イオン銃加速電圧:3[kV]、スパッタリングレート:10[nm/min](SiO2換算値)条件で測定した。
【0062】
<窒化層の結晶構造の同定>
上記方法によって得られた試料の窒化化合物層の結晶構造の同定は、表面のX線回折測定を行うことにより同定した。測定は、線源はCuKα線、回折角20〜100[゜]、スキャン速度2[゜/min]の条件で行った。
【0063】
<結晶粒界のSiの濃化の同定>
結晶粒界のSiの濃化の有無は、X線光電子分光分析装置(XPS)によってX線源としてMONOCHROMATED-AL-Kα線(1486.6[eV])、20[W]を用い、光電子取り出し角度45[°]、測定エリアφ200[μm]にて分析測定した。
【0064】
<接触抵抗値の測定>
実施例1〜実施例5及び比較例1〜比較例5で得られたセパレータの接触抵抗を耐食試験前と耐食試験後において測定した。装置は、アルバック理工製 圧力負荷接触電気抵抗測定装置TRS-2000SS型を用いた。そして、図7(a)に示すように、電極61とサンプル62との間にカーボンペーパ63を介在させて、図7(b)に示すように、電極61a/カーボンペーパ63a/サンプル62/カーボンペーパ63b/電極61bの構成とした。そして、測定面圧1.0[MPa]にて1[A/cm2]の電流を流した際の電気抵抗を2回測定し、各電気抵抗の平均値を求めて接触抵抗値とした。なお、接触抵抗値は、後述する耐食試験の前後で2回測定を行った。耐食試験後の接触抵抗値は、燃料電池内で燃料電池用セパレータが曝される環境を模擬して、酸化環境下での耐食性を評価したものである。カーボンペーパは、カーボンブラックで担持した白金触媒を塗布したカーボンペーパ(東レ(株)製カーボンペーパ TGP-H-090 厚さ0.26[mm]、かさ密度0.49[g/cm3]、空隙率73[%]、厚さ方向体積抵抗率0.07[Ω・cm2])を用いた。電極は、直径φ20のCu製電極を用いた。
【0065】
<耐食性の評価>
燃料電池では、水素極側に比較して酸素極側に最大で1[VvsSHE]程度の電位がかかる。また、固体高分子電解質膜は、分子中にスルホン酸基等のプロトン交換基を有する高分子電解質膜を飽和に含水させてプロトン伝導性を利用するものであり、強酸性を示す。このため、耐食性の評価は、電気化学的な手法である定電位電解試験を用いて、所定の定電位をかけた状態で一定時間保持後に接触抵抗を測定した。具体的には、まず、各試料の中央部を大きさ30[mm]×30[mm]に切り出したサンプルを準備し、準備したサンプルをpH2の硫酸水溶液中で、温度80[℃]、電位1[VvsSHE]として100[時間]保持した。
【0066】
実施例1〜実施例5及び比較例1〜比較例5における10[nm]深さ位置組成(at%)、窒化層の結晶構造、結晶粒界へのSiの濃化の有無を表2に示し、耐食試験前後での接触抵抗値、試験溶液中のイオン溶出量を表3に示す。
【表2】
【表3】
【0067】
比較例1では、窒化処理していないため、表面に不働態皮膜が形成しているため、試験前後の接触抵抗値は高く、pH2-電位1[VvsSHE]環境では、脱不働態化が起こりイオン溶出量も高かった。また、比較例2で得られた試料の表面は結晶構造がM4Nであるが、セパレータ表面に厚いSi酸化物が形成し、安定な不動態皮膜が形成している。このため、イオンの溶出量は、比較的低く抑えられているが、耐食試験前及び耐食試験後の接触抵抗値は高い値を示した。比較例3の試料では、基層に隣接して窒化層が形成されているが、結晶構造がM4Nに加えCrNを含むため、窒化層におけるのCrの含量が高くなっている。このため、窒化層及び基層においてCr欠乏層が生じて耐食性が悪化し、耐食試験後の接触抵抗値は、100[mΩ・cm2]を越える高い値を示し、酸化性環境下において窒化層が十分な電気化学的安定性を示さなかった。また、イオンの溶出量も高かった。比較例4の試料では、基層に隣接して窒化層が形成されていなかったため、耐食試験前及び耐食試験後の接触抵抗値は高い値を示し、イオンの溶出量も高かった。比較例5の試料では、Si含有量が0.7[wt%]と少なかったため、結晶粒界にSiが濃化せず、粒界腐食を呈する腐食形態となった。このため、耐食試験前及び耐食試験後の接触抵抗値は高い値を示し、イオンの溶出量も高かった。
【0068】
これに対して、実施例1〜実施例5の各試料では、基材の表面部、つまり、基材の最表面にはM4N型の結晶構造を含む析出物を有する窒化層が形成され、かつ粒界にのみSiが濃化したため、腐食形態は全面腐食を呈した。このため、これらの試料は耐食性及び導電性に優れ、かつ接触抵抗値を低く維持することができ、イオン溶出量も低く抑えることができたと考えられる。
【0069】
なお、実施例1〜4により、Siはもともと耐熱性を有する元素であるため、窒化温度が550[℃]を越えなければ、窒化温度が高温になる程、M4N窒化物のN固溶量が多くなり、化学的安定性がより高まるため、耐食試験前後の接触抵抗値は低く、その上イオン溶出量も低減する。
【0070】
また、実施例3と実施例5により、同じ窒化温度でも、基材のSi含有量が多くなる程、Si酸化膜が安定生成するために、化学的安定性がより高まるため、耐食試験前後の接触抵抗値は低く、その上イオン溶出量も低減する。
【0071】
次に、図8に、比較例5により得られた試料の倍率2500倍の断面SEM写真及び倍率1000倍の表面SEM表面写真を、図9に、実施例3により得られた試料の倍率2500倍の断面SEM写真及び倍率1000倍の表面SEM表面写真を、図10に、実施例5により得られた試料の倍率2500倍の断面SEM写真及び倍率1000倍の表面SEM表面写真を示す。
【0072】
図8(a)は、比較例5の0.7[%]Siを含む基材にプラズマ窒化した際の試料の断面、図8(b)は耐食試験前の試料の表面を、図8(c)は耐食試験後の試料の表面を示す。比較例5では、表面に窒化層は形成しているが、Si含有量が0.7[%]のため、結晶粒界が酸化膜で覆われておらず、耐食試験後は結晶粒界で腐食が進行しているということがわかる。
【0073】
図9(a)は実施例3の2.5[%]Siを含む基材にプラズマ窒化した際の試料の断面、図9(b)は耐食試験前の試料の表面を、図9(c)は耐食試験前の試料の表面を示す。実施例3では、表面に窒化層が形成し、かつSi含有量が2.5[%]のため、窒化物表面および結晶粒界に安定な酸化膜が形成し、耐食試験前後で表面はほとんど変化していないということがわかる。
【0074】
図10(a)は実施例5の3.5[%]Siを含む基材にプラズマ窒化した際の試料の断面、図10(b)は耐食試験前の試料の表面を、図10(c)は耐食試験前の試料の表面を示す。実施例5では、表面に窒化層が形成し、かつSi含有量が3.5[%]と多いため、表面全面に安定な酸化膜が形成し、耐食試験前後で表面はほとんど変化していないということがわかる。
【0075】
次に、図11に、X線回折による窒化物の結晶構造同定の結果を示す。図11(a)は比較例5を、図10(b)は実施例3を、図10(c)は実施例5を示す。これらの図より、全ての鋼種で基材のγ(111)、(200)、(220)、(311)、(222)のピークより、低角度側にシフトした面心立方のピークが確認され、これらのピークから、M4N型の結晶構造をもつ窒化物であるということがわかる。
【0076】
次に、図12に比較例5の走査型オージェ電子分光分析による深さ方向の元素プロファイルを、図13に実施例3の走査型オージェ電子分光分析による深さ方向の元素プロファイルを、図14に実施例5の走査型オージェ電子分光分析による深さ方向の元素プロファイルを示す。図12(a)は、耐食試験前の表面から深さ方向の元素濃度分布を、図12(b)は耐食試験後の表面から深さ方向の元素濃度分布を示す。これらの図より、表面から数[nm]より深い部分ではSiは検出されているが、試験前後の最表面数[nm]の領域ではSiは検出されず、また実施例3、5に比較して酸素濃度も低く、表面が不働態化していないということがわかる。図13(a)は、耐食試験前の表面から深さ方向の元素濃度分布を、図13(b)は耐食試験後の表面から深さ方向の元素濃度分布を示す。これらの図より、試験後の最表面数[nm]の領域でSiが検出され、その上酸素濃度も高く、表面が不働態化しているということがわかる。図14(a)は、耐食試験前の表面から深さ方向の元素濃度分布を、図14(b)は耐食試験後の表面から深さ方向の元素濃度分布を示す。これらの図より、試験後の最表面数[nm]の領域では、Si及び酸素の濃化ピークが検出され、最表面にSi酸化物が形成しているということがわかる。
【0077】
次に、図15、16にSi添加鋼のAESによる面分析の結果を示す。図15(a)は、実施例3のSiの濃度分布測定結果を、図15(b)は実施例5のSiの濃度分布測定結果を示す。これらの図より、Si含有量に関わらず、Siは窒化層内に均一に分散しているということがわかる。また、図16(a)は、実施例3のSi濃度分布測定面のSEM写真を、図16(b)は実施例5のSi濃度分布測定面のSEM写真を示す。
【0078】
なお、燃料電池では、単位セル当りの理論的な電圧は1.23[V]となるが、反応分極、ガス拡散分極、抵抗分極により実際に取り出せる電圧が降下し、取り出す電流が大きくなるほど電圧は降下する。また、自動車用用途では、単位体積・重量当りの出力密度を大きくしたいことから、定置用より高電流密度側、例えば、電流密度1[A/cm2]で使用される。このため、電流密度が1[A/cm2]の時には、セパレータとカーボンペーパと間の接触抵抗が20[mΩ・cm2] 、つまり、図10(b)に示す装置での測定値が40[mΩ・cm2] 以下であれば接触抵抗による効率低下がおさえられると考えられる。本実施例1〜実施例11では、いずれも接触抵抗値が30[mΩ・cm2] 以下であるため、単位セル当りの起電力が高く、発電性能に優れ、小型化かつ低コスト化した燃料電池スタックを形成することが可能となる。
【0079】
以上の測定結果より、実施例1〜実施例5は、比較例と比較して低接触抵抗を示し、その上、イオン溶出量も少なく、耐食性に優れることから、低接触抵抗と耐食性の両方を同時に兼ね備えることが示された。また、簡便な方法で行えることから、低コストで生産性が良好な燃料電池用セパレータを提供することができることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【0080】
【図1】本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータを用いて構成する燃料電池スタックの外観を示す斜視図である。
【図2】本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータを用いて構成する燃料電池スタックの展開図である。
【図3】(a)燃料電池用セパレータの模式的な斜視図である。(b)燃料電池用セパレータのIIIb-IIIb線断面図である。(c)燃料電池用セパレータのIIIc-IIIc線断面図である。
【図4】M4N型結晶構造を示す模式図である。
【図5】本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法に用いる窒化装置の模式的側面図である。
【図6】本発明の実施の形態に係る燃料電池スタックを搭載した電気自動車の外観を示す図であり、(a)は電気自動車の側面図、(b)は電気自動車の上面図である。
【図7】(a)各実施例で得られた試料の接触抵抗の測定方法を説明する模式図である。(b)接触抵抗の測定に使用する装置を説明する模式図である。
【図8】(a)比較例5により得られた試料の倍率2500倍の断面SEM写真である。(b)耐食試験前の倍率1000倍の表面SEM写真である。(c)耐食試験後の倍率1000倍の表面SEM写真である。
【図9】(a)実施例3により得られた試料の倍率2500倍の断面SEM写真である。(b)耐食試験前の倍率1000倍の表面SEM写真である。(c)耐食試験後の倍率1000倍の表面SEM写真である。
【図10】(a)実施例5により得られた試料の倍率2500倍の断面SEM写真である。(b)耐食試験前の倍率1000倍の表面SEM写真である。(c)耐食試験後の倍率1000倍の表面SEM写真である。
【図11】(a)比較例3により得られた試料のX線回折の結果を示す図である。(b)実施例3により得られた試料のX線回折の結果を示す図である。(c)実施例5により得られた試料のX線回折の結果を示す図である。
【図12】(a)比較例3により得られた耐食試験前の試料の走査型オージェ電子分光分析による深さ方向の元素プロファイルを示す図である。(b)耐食試験後の試料の走査型オージェ電子分光分析による深さ方向の元素プロファイルを示す図である。
【図13】(a)実施例3により得られた耐食試験前の試料の走査型オージェ電子分光分析による深さ方向の元素プロファイルを示す図である。(b)耐食試験後の試料の走査型オージェ電子分光分析による深さ方向の元素プロファイルを示す図である。である。
【図14】(a)実施例5により得られた耐食試験前の試料の走査型オージェ電子分光分析による深さ方向の元素プロファイルを示す図である。(b)耐食試験後の試料の走査型オージェ電子分光分析による深さ方向の元素プロファイルを示す図である。
【図15】(a)実施例3のSi添加鋼のAESによる面分析の結果を示す図である。(b)実施例5のSi添加鋼のAESによる面分析の結果を示す図である。
【図16】(a)実施例3のSi添加鋼のAESによる面分析の測定面を示す図である。(b)実施例5のSi添加鋼のAESによる面分析の測定面を示す図である。
【図17】燃料電池スタックを形成する単セルの構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【0081】
1 燃料電池スタック
2 膜電極接合体
3 燃料電池用セパレータ
4 エンドフランジ
5 締結ボルト
10 基材
10a 表面
11 窒化層
12 基層
20 M4N型結晶構造
21 遷移金属原子
22 窒素原子
【特許請求の範囲】
【請求項1】
Fe、Cr、Ni及びSiの中から選ばれた元素を含むステンレス鋼からなる基材の表面を窒化処理することにより得られる遷移金属窒化物セパレータであって、
前記基材の表面から深さ方向に形成された窒化層を備え、前記窒化層はSiの酸化物を含むことを特徴とする遷移金属窒化物。
【請求項2】
前記窒化層のSiは、前記窒化層に均一に分散され、窒素原子を除く他の構成原子及び酸素原子と結合していることを特徴とする請求項1に記載の遷移金属窒化物。
【請求項3】
前記基材は、Siを1.0[wt%]以上4.0[wt%]以下の範囲で含有することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の遷移金属窒化物。
【請求項4】
前記窒化層の表面から10[nm]深さ位置において、前記窒化層の組成が、少なくともSiは2.5[at%]以上、Nは20[at%]以上であることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の遷移金属窒化物。
【請求項5】
前記窒化層は、M4N型の結晶構造を含むことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の遷移金属窒化物。
【請求項6】
前記M4N型の結晶構造は、Fe、Cr及びNiの中から選ばれた遷移金属原子、及びSi原子によって形成された面心立方格子の単位胞中心の八面体空隙に窒素原子が配置された構造であることを特徴とする請求項5に記載の遷移金属窒化物。
【請求項7】
請求項1乃至請求項6のいずれか一項に係る遷移金属窒化物を用いたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項8】
Fe、Cr及びNiの中から選ばれた遷移金属元素とSiを1.0[wt%]以上4.0[wt%]以下含有するステンレス鋼からなる基材をプレス成形して燃料又は酸化剤の通路を形成し、
前記プレス成形された基材を窒化して、前記基材表面にFe、Cr、Ni及びSiの群から選択される原子によって形成された面心立方格子の単位胞中心の八面体空隙に窒素原子が配置されたM4N型結晶構造を有する連続した窒化層を形成することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項9】
前記窒化は、プラズマ窒化法であることを特徴とする請求項8に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項10】
前記プラズマ窒化法は、プラズマを放電させる時間とプラズマを遮断する時間を1〜1000[μsec]として放電、遮断を繰り返すパルスプラズマ電源を用いることを特徴とする請求項9に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項11】
前記窒化は、前記基材の温度が320[℃]以上550[℃]以下の状態で行うことを特徴とする請求項8乃至請求項10のいずれか一項に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項12】
請求項7に係る燃料電池用セパレータを用いたことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項13】
請求項12に係る燃料電池スタックを動力源として備えることを特徴とする燃料電池車両。
【請求項1】
Fe、Cr、Ni及びSiの中から選ばれた元素を含むステンレス鋼からなる基材の表面を窒化処理することにより得られる遷移金属窒化物セパレータであって、
前記基材の表面から深さ方向に形成された窒化層を備え、前記窒化層はSiの酸化物を含むことを特徴とする遷移金属窒化物。
【請求項2】
前記窒化層のSiは、前記窒化層に均一に分散され、窒素原子を除く他の構成原子及び酸素原子と結合していることを特徴とする請求項1に記載の遷移金属窒化物。
【請求項3】
前記基材は、Siを1.0[wt%]以上4.0[wt%]以下の範囲で含有することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の遷移金属窒化物。
【請求項4】
前記窒化層の表面から10[nm]深さ位置において、前記窒化層の組成が、少なくともSiは2.5[at%]以上、Nは20[at%]以上であることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の遷移金属窒化物。
【請求項5】
前記窒化層は、M4N型の結晶構造を含むことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の遷移金属窒化物。
【請求項6】
前記M4N型の結晶構造は、Fe、Cr及びNiの中から選ばれた遷移金属原子、及びSi原子によって形成された面心立方格子の単位胞中心の八面体空隙に窒素原子が配置された構造であることを特徴とする請求項5に記載の遷移金属窒化物。
【請求項7】
請求項1乃至請求項6のいずれか一項に係る遷移金属窒化物を用いたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項8】
Fe、Cr及びNiの中から選ばれた遷移金属元素とSiを1.0[wt%]以上4.0[wt%]以下含有するステンレス鋼からなる基材をプレス成形して燃料又は酸化剤の通路を形成し、
前記プレス成形された基材を窒化して、前記基材表面にFe、Cr、Ni及びSiの群から選択される原子によって形成された面心立方格子の単位胞中心の八面体空隙に窒素原子が配置されたM4N型結晶構造を有する連続した窒化層を形成することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項9】
前記窒化は、プラズマ窒化法であることを特徴とする請求項8に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項10】
前記プラズマ窒化法は、プラズマを放電させる時間とプラズマを遮断する時間を1〜1000[μsec]として放電、遮断を繰り返すパルスプラズマ電源を用いることを特徴とする請求項9に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項11】
前記窒化は、前記基材の温度が320[℃]以上550[℃]以下の状態で行うことを特徴とする請求項8乃至請求項10のいずれか一項に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項12】
請求項7に係る燃料電池用セパレータを用いたことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項13】
請求項12に係る燃料電池スタックを動力源として備えることを特徴とする燃料電池車両。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図2】
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【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【公開番号】特開2008−300054(P2008−300054A)
【公開日】平成20年12月11日(2008.12.11)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−141628(P2007−141628)
【出願日】平成19年5月29日(2007.5.29)
【出願人】(000003997)日産自動車株式会社 (16,386)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成20年12月11日(2008.12.11)
【国際特許分類】
【出願日】平成19年5月29日(2007.5.29)
【出願人】(000003997)日産自動車株式会社 (16,386)
【Fターム(参考)】
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