JP5291368B2 - Fuel cell separator material, fuel cell separator using the same, fuel cell stack, and method for producing fuel cell separator material - Google Patents
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Description
本発明は、表面にAu又はAu合金(Auを含む層)が形成された燃料電池用セパレータ材料、それを用いた燃料電池用セパレータ、及び燃料電池スタックに関する。 The present invention relates to a fuel cell separator material having a surface on which Au or an Au alloy (a layer containing Au) is formed, a fuel cell separator using the same, and a fuel cell stack.
固体高分子型の燃料電池用セパレータは電気伝導性を有し、各単セルを電気的に接続し、各単セルで発生したエネルギー(電気)を集電すると共に、各単セルへ供給する燃料ガス(燃料液体)や空気(酸素)の流路が形成されている。このセパレータは、インターコネクタ、バイポーラプレート、集電体とも称される。
このような燃料電池用セパレータとして、従来はカーボン板にガス流通路を形成したものが使用されていたが、材料コストや加工コストが大きいという問題がある。一方、カーボン板の代わりに金属板を用いる場合、高温で酸化性の雰囲気に曝されるために腐食や溶出が問題となる。このようなことから、ステンレス鋼板の表面にAu,Ru、Rh、Pd、Os、Ir及びPt等から選ばれる貴金属とAuとの合金をスパッタ成膜して導電部分を形成する技術が知られている(特許文献1)。
一方、ステンレス鋼基材の酸化被膜の上に、Ti,Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W等からなる中間層を介してAu膜を形成する燃料電池用セパレータが知られている(特許文献2)。この中間層は、基材酸化膜との密着性、すなわちO(酸素原子)との結合性が良いとともに、金属または半金属のためにAu膜との密着性、結合性が良いとされている。
又、ステンレス鋼板の表面に、下地処理を施さずに酸性浴にて金めっきを施す燃料電池用金属製セパレータが報告されている(特許文献3)。
The polymer electrolyte fuel cell separator has electrical conductivity, and electrically connects each single cell, collects energy (electricity) generated in each single cell, and supplies fuel to each single cell. Gas (fuel liquid) and air (oxygen) flow paths are formed. This separator is also called an interconnector, a bipolar plate, or a current collector.
Conventionally, a fuel cell separator having a gas flow path formed on a carbon plate has been used, but there is a problem that the material cost and processing cost are high. On the other hand, when a metal plate is used instead of the carbon plate, corrosion and elution become a problem because it is exposed to an oxidizing atmosphere at a high temperature. For this reason, a technique for forming a conductive portion by sputtering an alloy of a noble metal selected from Au, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, etc. and Au on the surface of a stainless steel plate is known. (Patent Document 1).
On the other hand, a fuel cell separator is known in which an Au film is formed on an oxide film of a stainless steel substrate through an intermediate layer made of Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, or the like. (Patent Document 2). This intermediate layer has good adhesion to the base oxide film, that is, good bonding with O (oxygen atom), and good adhesion and bonding to the Au film because of the metal or metalloid. .
In addition, a metal separator for fuel cells has been reported in which the surface of a stainless steel plate is subjected to gold plating in an acid bath without applying a base treatment (Patent Document 3).
しかしながら、上記した特許文献1記載の技術の場合、密着性の良いAu合金膜を得るためには、ステンレス鋼表面の酸化皮膜を取り除く処理が必要であり、酸化被膜の除去が不充分な場合は貴金属膜の密着性が低下するという問題がある。
又、特許文献2記載の技術の場合、腐食性環境で使用すると、導電性薄膜の厚みが数10nm以下の場合、中間層を構成する(半)金属が腐食性環境下で耐食性がないため溶出し、接触抵抗が高くなる場合がある。一方、特許文献3記載の技術の場合、湿式の金めっきの電着形状が粒状であり、金めっきの付着量が少ないと、基材表面の一部に非めっき部分となる部分が生じる。そのため、基材表面全体を均一に金めっきするためには、Auの付着量を多くする必要がある。
However, in the case of the technique described in
In the case of the technique described in
すなわち、本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、ステンレス鋼基材表面にAuを含む高耐食性の導電性膜を高い密着性で成膜することができる燃料電池用セパレータ材料、それを用いた燃料電池用セパレータ、燃料電池スタック、及び燃料電池用セパレータ材の製造方法の提供を目的とする。 That is, the present invention has been made to solve the above-described problems, and is a fuel cell separator material capable of forming a highly corrosion-resistant conductive film containing Au on a stainless steel substrate surface with high adhesion. An object of the present invention is to provide a fuel cell separator, a fuel cell stack using the same, and a method for producing a fuel cell separator material.
本発明者らは種々検討した結果、ステンレス鋼基材の表面にFe、O及び所定の貴金属とを含む中間層を形成させ、中間層の上にAuを含む層を形成させることで、含Au(合金)層をステンレス鋼基材上に強固かつ均一に形成可能であり、燃料電池用セパレータに要求される耐食性も確保できることを見出した。
上記の目的を達成するために、本発明の燃料電池用セパレータ材料は、厚みが50〜150μmの板材からなるステンレス鋼基材の表面に、Ru、Rh、Pd、Ir、Os及びPtからなる群より選択される少なくとも1種類以上のAuより易酸化性の貴金属からなる第1成分とAuとの合金層、又はAu単独層が形成され、前記合金層は、Auを40質量%以上含有し、かつX線光電子分光により前記合金層を深さ方向に分析したとき、いずれの深さにおいても前記第1成分の含有量(質量%)がAu>前記第1成分を満たし、かつ、前記合金層又はAu単独層の厚みが1nm以上10nm以下であり、前記合金層又はAu単独層と前記ステンレス鋼基材との間に、ステンレス鋼の構成元素であるFeを含み,Oを10質量%以上含有し,前記第1成分を10質量%以上含有し,かつX線光電子分光により深さ方向に分析したとき、いずれの深さにおいてもAuの含有量(質量%)が前記第1成分≧Au>0を満たし、厚みが1nm以上10nm以下の中間層が形成されている。
As a result of various investigations, the present inventors have formed an intermediate layer containing Fe, O and a predetermined noble metal on the surface of the stainless steel base material, and formed a layer containing Au on the intermediate layer. It has been found that the (alloy) layer can be formed firmly and uniformly on a stainless steel substrate, and the corrosion resistance required for a fuel cell separator can be secured.
In order to achieve the above object, the fuel cell separator material of the present invention is made of a group consisting of Ru, Rh, Pd, Ir, Os, and Pt on the surface of a stainless steel substrate made of a plate material having a thickness of 50 to 150 μm. An alloy layer of Au and a first component composed of a noble metal that is more easily oxidizable than at least one or more kinds of Au selected, or an Au single layer is formed, and the alloy layer contains Au in an amount of 40% by mass or more, When the alloy layer is analyzed in the depth direction by X-ray photoelectron spectroscopy, the content (mass%) of the first component satisfies Au> the first component at any depth, and the alloy layer Alternatively, the Au single layer has a thickness of 1 nm or more and 10 nm or less, and includes Fe, which is a constituent element of stainless steel, between the alloy layer or Au single layer and the stainless steel base material, and contains 10 mass% or more of O. And When the first component is contained in an amount of 10% by mass or more and analyzed in the depth direction by X-ray photoelectron spectroscopy, the content (% by mass) of Au is the first component ≧ Au> 0 at any depth. An intermediate layer satisfying the thickness of 1 nm to 10 nm is formed.
前記合金層中のAuの含有割合が基材側から表面側に向かって増加することが好ましい。
前記合金層の最表面にAu単独層が形成されていることが好ましい。
前記合金層は、前記第1成分と、前記貴金属のうち前記第1成分と異なる元素からなる第2成分とAuとの合金であるとよい。
It is preferable that the content ratio of Au in the alloy layer increases from the substrate side toward the surface side.
It is preferable that an Au single layer is formed on the outermost surface of the alloy layer.
The alloy layer includes a first component, or if there an alloy of the second component and Au made of different elements as the first component of the noble metal.
本発明の燃料電池セパレータは,前記燃料電池用セパレータ材料を用いたものである。
本発明の燃料電池スタックは、前記燃料電池セパレータを用いたものである。
The fuel cell separator of the present invention uses the fuel cell separator material.
The fuel cell stack of the present invention uses the fuel cell separator.
本発明の燃料電池用セパレータ材料の製造方法は、前記燃料電池用セパレータ材料の製造方法であって、ステンレス鋼基材表面にスパッタ法により前記第1成分を1〜10nm被覆した後,スパッタ法によりAuを1〜10nm被覆する。
Method for manufacturing a fuel cell separator material of the present invention is a manufacturing method of the fuel cell separator material, after 1~10nm covering the first component by a sputtering method to a stainless steel substrate surface by sputtering Au is coated 1 to 10 nm .
本発明によれば、ステンレス鋼基材の表面にFe、O、及び所定の貴金属とを含む中間層を形成させ、中間層の上にAuを含む層又はAu合金層を形成させることで、Au層又はAuを含む層をステンレス鋼基材上に強固かつ均一に形成させることができ、燃料電池用セパレータに要求される耐食性も確保できる。 According to the present invention, an intermediate layer containing Fe, O, and a predetermined noble metal is formed on the surface of a stainless steel substrate, and a Au-containing layer or an Au alloy layer is formed on the intermediate layer, whereby Au The layer or the layer containing Au can be formed firmly and uniformly on the stainless steel substrate, and the corrosion resistance required for the fuel cell separator can be ensured.
以下、本発明の実施形態に係る燃料電池用セパレータ材料について説明する。なお、本発明において%とは、特に断らない限り、質量%を示すものとする。
又、本発明において「燃料電池用セパレータ」とは、電気伝導性を有し、各単セルを電気的に接続し、各単セルで発生したエネルギー(電気)を集電すると共に、各単セルへ供給する燃料ガス(燃料液体)や空気(酸素)の流路が形成されたものをいう。セパレータは、インターコネクタ、バイポーラプレート、集電体とも称される。
従って、燃料電池用セパレータとして、板状の基材表面に凹凸状の流路を設けたセパレータの他、上記したパッシブ型DMFC用セパレータのように板状の基材表面にガスやメタノールの流路孔が開口したセパレータを含む。
さらに、固体高分子形燃料電池としては、固体高分子を膜材料に用いて電極で挟んだ構造を有するものであればよく、用いる燃料にも特に限定はないが、燃料としては例えば水素やメタノールが挙げられる。
Hereinafter, a fuel cell separator material according to an embodiment of the present invention will be described. In the present invention, “%” means “% by mass” unless otherwise specified.
In the present invention, the “fuel cell separator” has electrical conductivity, electrically connects each single cell, collects energy (electricity) generated in each single cell, and collects each single cell. A fuel gas (fuel liquid) or air (oxygen) flow path is formed. The separator is also referred to as an interconnector, a bipolar plate, or a current collector.
Therefore, as a separator for a fuel cell, in addition to a separator provided with an uneven channel on the surface of a plate-like substrate, a gas or methanol channel on the plate-like substrate surface like the above-described passive DMFC separator It includes a separator having holes.
Further, as the solid polymer fuel cell, any fuel cell may be used as long as it has a structure in which a solid polymer is used as a membrane material and sandwiched between electrodes, and the fuel to be used is not particularly limited. Is mentioned.
<第1の実施形態>
以下、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池用セパレータ材料について説明する。図1に示すように、第1の実施形態に係る燃料電池用セパレータ材料は、ステンレス鋼基材2の表面に中間層2aが形成され、中間層2aの上に合金層6が形成されてなる。
<First Embodiment>
Hereinafter, the fuel cell separator material according to the first embodiment of the present invention will be described. As shown in FIG. 1, the fuel cell separator material according to the first embodiment has an
<ステンレス鋼基材>
燃料電池用セパレータ材料としては、耐食性が要求され、導電性膜となる合金層(Au単独層)には耐食性と導電性が求められる。このため、基材には耐食性が求められるためステンレス鋼材を用いる。
ステンレス鋼基材2の材質はステンレス鋼であれば特に制限されない。又、ステンレス鋼基材2の形状も特に制限されず、第1成分及び金をスパッタできる形状であればよいが、セパレータ形状にプレス成形することを考えると、ステンレス鋼基材の形状は板材であることが好ましく、ステンレス鋼基材全体の厚みが50〜150μm以上の板材であることが好ましい。
中間層2aに含まれるO(酸素)は、ステンレス鋼基材2を空気中に放置することにより自然に形成されるが、酸化雰囲気で積極的にOを形成してもよい。
<Stainless steel substrate>
The fuel cell separator material is required to have corrosion resistance, and the alloy layer (Au single layer) serving as the conductive film is required to have corrosion resistance and conductivity. For this reason, since a corrosion resistance is calculated | required for a base material, a stainless steel material is used.
The material of the
O (oxygen) contained in the
<合金層>
ステンレス鋼基材2の表面に、Ru、Rh、Pd、Ir、Os及びPtからなる群より選択される少なくとも1種類以上のAuより易酸化性の貴金属からなる第1成分とAuとの合金層6が形成されている。この合金層は、Auを40質量%以上含有し、かつ前記第1成分の含有量がAu>前記第1成分を満たしている。
合金層6は、ステンレス鋼基材にAuの特性(耐食性、導電性、装飾性等)を付与するためのものである。又、上記貴金属は、電位-pH図からAuより易酸化性であり、この特性を利用し、上記第1成分を以下の中間層の構成元素として用いる。第1成分は単一の元素から成っていてもよく、複数の元素から成っていてもよいが、コストが低く酸化物を形成し易いPdが好ましい。
<Alloy layer>
An alloy layer of Au and a first component made of a noble metal that is more oxidizable than Au selected from the group consisting of Ru, Rh, Pd, Ir, Os, and Pt on the surface of the
The
合金層は、後述するXPS分析により確認することができる。合金層の厚みは1〜10nmである。合金層の厚みが1nm未満であると、ステンレス鋼基材上に燃料電池用セパレータに要求される耐食性を確保できなくなる。合金層の厚みが10nmを超えると省金化が図られずコストアップとなる。
又、合金層において、Au濃度が40質量%未満であると、燃料電池用セパレータに要求される耐食性を確保できなくなる。
The alloy layer can be confirmed by XPS analysis described later. The thickness of the alloy layer is 1 to 10 nm. When the thickness of the alloy layer is less than 1 nm, the corrosion resistance required for the fuel cell separator cannot be secured on the stainless steel substrate. If the thickness of the alloy layer exceeds 10 nm, it is not possible to save money and the cost increases.
Further, if the Au concentration in the alloy layer is less than 40% by mass, the corrosion resistance required for the fuel cell separator cannot be secured.
なお、合金層6の表面にAu単独層が形成されていてもよい。又、合金層6が存在せず、以下の中間層の表面がすべてAu単独層であってもよい。Au単独層は、XPS分析によりAuの濃度がほぼ100%の部分である。
又、合金層6の中間層側において、主に第1成分からなる組成領域(貴金属領域)を有していてもよい。
Note that an Au single layer may be formed on the surface of the
Further, the
<中間層>
合金層(又はAu単独層)6とステンレス鋼基材2との間に、ステンレス鋼の構成元素であるFeを含み,Oを10質量%以上含有し,前記第1成分を10質量%以上含有し,かつ,Auの含有量が前記第1成分≧Auを満たし厚みが1nm以上10nm以下の中間層2aが存在する。
通常、ステンレス鋼基材は表面に酸化層を有しており、酸化され難いAu(含有)層をステンレス鋼表面に直接形成させるのは難しい。一方、上記貴金属はAuに比べて酸化され易く、ステンレス鋼基材の表面でCr酸化物中のO原子と酸化物を形成し、ステンレス鋼基材表面に強固に結合するものと考えられる。
又、上記貴金属は耐食性が他の金属と比べ高い。これらの点で、Auを含んだ導電性膜(上記合金層又はAu単独層)の厚みが数10nm以下の場合には、従来、中間層に用いられてきた元素であるTi,Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W等に比べ、前記第1成分を含む中間層の方が耐食性が高く、金属の溶出がない中間層を形成することができる。
<Intermediate layer>
Between the alloy layer (or Au single layer) 6 and the stainless
Usually, a stainless steel substrate has an oxide layer on the surface, and it is difficult to form an Au (containing) layer that is difficult to be oxidized directly on the stainless steel surface. On the other hand, it is considered that the noble metal is more easily oxidized than Au, and forms an O atom and an oxide in Cr oxide on the surface of the stainless steel substrate and is firmly bonded to the surface of the stainless steel substrate.
The noble metal has higher corrosion resistance than other metals. In these respects, when the thickness of the conductive film containing Au (the alloy layer or the Au single layer) is several tens of nm or less, Ti, Zr, Hf, which are elements conventionally used for the intermediate layer, Compared to V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, etc., the intermediate layer containing the first component has higher corrosion resistance and can form an intermediate layer free from metal elution.
前記中間層の厚みは耐食性の観点から1nm以上とし、厚みの上限は、第1成分のコストの点から10nm以下である。
ここでXPS(X−ray photoelectron spectrometer)分析は、分析したい部分及び元素を指定し、深さ方向における指定元素の濃度を検出するものである。指定する元素は、Au、第1成分、O、Fe、Ni、Crであり、後述する第2成分を用いた場合は第2成分を指定に加える。
The thickness of the intermediate layer is 1 nm or more from the viewpoint of corrosion resistance, and the upper limit of the thickness is 10 nm or less from the viewpoint of the cost of the first component.
Here, XPS (X-ray photoelectron spectrometer) analysis designates a portion and element to be analyzed and detects the concentration of the designated element in the depth direction. The elements to be specified are Au, the first component, O, Fe, Ni, and Cr. When the second component described later is used, the second component is added to the specification.
Oの含有量を10質量%以上とした理由は、Oの含有量が10質量%未満である部分は、第1成分とO原子が充分な酸化物を形成しておらず、中間層として機能しないと考えられるからである。 The reason why the O content is 10% by mass or more is that the portion where the O content is less than 10% by mass does not form a sufficient oxide with the first component and O atoms, and functions as an intermediate layer. It is because it is thought that it does not do.
合金層中のAuの割合が基材側から表面側に向かって増加する傾斜組成になっていることが好ましい。ここで、Auの割合(質量%)は、上記したXPS分析で求めることができる。合金層又はAu単独層の厚みは、XPS分析でのスパッタレート(2.6nm/min)から換算した値である。
合金層を傾斜組成とすると、合金層の基材側ではAuより易酸化性の第1成分の割合が多くなり、ステンレス鋼基材表面との結合が強固になる一方、合金層の表面側ではAuの特性が強くなるので、耐食性が向上する。
It is preferable to have a gradient composition in which the proportion of Au in the alloy layer increases from the substrate side toward the surface side. Here, the ratio (mass%) of Au can be obtained by the XPS analysis described above. The thickness of the alloy layer or Au single layer is a value converted from the sputtering rate (2.6 nm / min) in XPS analysis.
When the alloy layer has a gradient composition, the ratio of the first component that is more oxidizable than Au increases on the base material side of the alloy layer, and the bond with the surface of the stainless steel base material becomes stronger, whereas on the surface side of the alloy layer Since the characteristics of Au become strong, the corrosion resistance is improved.
<燃料電池用セパレータ材料の製造>
燃料電池用セパレータ材料の中間層の形成方法としては、ステンレス鋼基材の表面酸化膜を除去せずに、この基材表面に乾式めっきにより前記第1成分を被覆した後,乾式めっきによりAu又はAu合金を被覆する方法が挙げられる。
本発明においては、ステンレス鋼基材の表面酸化膜を除去しないことで、表面酸化膜中のOに第1の成分が結合し、中間層を形成することができる。又、基材2の表面酸化膜を除去後、第1の成分の酸化物を乾式めっきすることや、基材2の表面酸化膜を除去後、第1の成分をターゲットとし酸化雰囲気で乾式めっきすることによっても中間層を形成することができる。
乾式めっきによる第1成分の厚みは1〜10nm程度とし,Au又はAu合金の厚みは1〜10nm程度とすることができる。
ここで、乾式めっきとしては、真空蒸着、イオンプレーティングやスパッタ等の物理蒸着(PVD)、化学蒸着(CVD)を挙げることができるがこれらに限られない。
<Manufacture of fuel cell separator materials>
As a method for forming the intermediate layer of the fuel cell separator material, the surface oxide film of the stainless steel base material is not removed, and the surface of the base material is coated with the first component by dry plating. The method of coat | covering Au alloy is mentioned.
In the present invention, by removing the surface oxide film of the stainless steel substrate, the first component is bonded to O in the surface oxide film, and an intermediate layer can be formed. Also, after removing the surface oxide film of the
The thickness of the first component by dry plating can be about 1 to 10 nm, and the thickness of Au or Au alloy can be about 1 to 10 nm.
Here, examples of the dry plating include, but are not limited to, vacuum vapor deposition, physical vapor deposition (PVD) such as ion plating and sputtering, and chemical vapor deposition (CVD).
特に、乾式めっきがスパッタ法であることが好ましい。スパッタ法の場合、以下のようにして成膜することができる。
まず、ステンレス鋼基材の表面酸化膜を除去せずに、第1の成分をターゲットとしてスパッタ成膜することにより、表面酸化膜中のOに第1の成分が結合し、中間層を形成することができる。又、基材2の表面酸化膜を除去後、第1の成分の酸化物をターゲットとしてスパッタ成膜することや、基材2の表面酸化膜を除去後、第1の成分をターゲットとし酸化雰囲気でスパッタ成膜することによっても中間層を形成することができる。
なお、スパッタの際、基材の表面酸化膜を適度に除去し、基材表面のクリーニングを目的として逆スパッタ(イオンエッチング)を行ってもよい。逆スパッタは、例えばRF100W程度の出力で、アルゴン圧力0.2Pa程度としてアルゴンガスを基材に照射して行うことができる。
中間層のAuは、以下の合金層を形成するためのAuスパッタにより、Au原子が中間層に入り込むことによって中間層内に含まれるようになる。又、第1成分とAuを含む合金ターゲットを用いて基材表面にスパッタ成膜してもよい。
In particular, dry plating is preferably a sputtering method. In the case of sputtering, the film can be formed as follows.
First, without removing the surface oxide film of the stainless steel substrate, the first component is bonded to O in the surface oxide film by forming a sputter film using the first component as a target, thereby forming an intermediate layer. be able to. Further, after removing the surface oxide film of the
During sputtering, the surface oxide film on the base material may be appropriately removed, and reverse sputtering (ion etching) may be performed for the purpose of cleaning the base material surface. Reverse sputtering can be performed, for example, by irradiating the substrate with argon gas at an output of about RF 100 W and an argon pressure of about 0.2 Pa.
The Au of the intermediate layer is contained in the intermediate layer by Au atoms entering the intermediate layer by Au sputtering for forming the following alloy layers. Alternatively, a sputtering film may be formed on the surface of the base material using an alloy target containing the first component and Au.
合金層の形成方法としては、例えば上記したスパッタによりステンレス鋼基材上に第1成分を成膜した後、第1成分膜の上にAuをスパッタ成膜することができる。この場合、スパッタ粒子は高エネルギーを持つため、第1成分膜のみが基材表面に成膜されていても、そこにAuをスパッタすることにより、第1成分膜にAuが入り込み、合金層となる。又、この場合、合金層中のAuの割合が基材側から表面側に向かって増加する傾斜組成となる。
基材表面に最初に第1成分とAuのうちAu濃度が低い合金ターゲットを用いてスパッタ成膜し、その後、第1成分とAuのうちAu濃度が高い合金ターゲットを用いてスパッタ成膜してもよい。
As a method for forming the alloy layer, for example, after the first component is formed on the stainless steel substrate by sputtering as described above, Au can be formed by sputtering on the first component film. In this case, since the sputtered particles have high energy, even if only the first component film is formed on the surface of the substrate, by sputtering Au there, Au enters the first component film, and the alloy layer and Become. Further, in this case, the gradient composition is such that the proportion of Au in the alloy layer increases from the substrate side toward the surface side.
First, sputter film formation is performed using an alloy target having a low Au concentration of the first component and Au on the surface of the base material, and then sputter film formation is performed using an alloy target having a high Au concentration of the first component and Au. Also good.
<第2の実施形態>
次に、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池用セパレータ材料について説明する。図3に示すように、第2の実施形態に係る燃料電池用セパレータ材料は、ステンレス鋼基材2の表面に中間層2aを介して貴金属層4が形成され、貴金属層4の表面に合金層6が形成されている。ステンレス鋼基材2及び合金層6は、第1の実施形態と同一であるので説明を省略する。
貴金属層4は上記貴金属(好ましくは中間層の第1成分と同一)から主として成り、第1成分がAuより酸化され易いため、酸化物層である中間層2aとの結合性が高く、貴金属層4がない場合に比べ、合金層6とステンレス鋼基材2(中間層)との密着性が向上する。
貴金属層4は、スパッタ条件(スパッタ時間、出力)等を変えることにより、適宜形成することができる。
なお、貴金属層4中の貴金属と、合金層6中の第1成分とは同一の元素であってもよく、異なる元素であってもよいが、同一元素とすると、製造が簡易となる。
<Second Embodiment>
Next, a fuel cell separator material according to a second embodiment of the present invention will be described. As shown in FIG. 3, the fuel cell separator material according to the second embodiment has a
The
The
The noble metal in the
<第3の実施形態>
次に、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池用セパレータ材料について説明する。図4に示すように、第3の実施形態に係る燃料電池用セパレータ材料は、ステンレス鋼基材2の表面に中間層2aを介して合金層6が形成され、合金層6の表面にAu単独層8が形成されている。ステンレス鋼基材2及び合金層6は、第1の実施形態と同一であるので説明を省略する。
Au単独層8は、スパッタ条件(スパッタ時間、出力)等を変えることにより、適宜形成することができる。
<Third Embodiment>
Next, a fuel cell separator material according to a third embodiment of the present invention will be described. As shown in FIG. 4, the fuel cell separator material according to the third embodiment has an
The Au
なお、第2及び第3の実施形態の層構成を組み合わせ、ステンレス鋼基材2の表面に、中間層2aを介して貴金属層4、合金層6、Au単独層8をこの順に形成した層構造としてもよい。
In addition, the layer structure which combined the layer structure of 2nd and 3rd embodiment, and formed the
Auに代えて、前記貴金属のうち前記第1成分と異なる元素からなる第2成分とAuとのAu合金を用いてもよい。この場合、中間層はO及び第1成分から主になるが、合金層は第1成分、第2成分及びAuから主になる。 Instead of Au, an Au alloy of Au and a second component made of an element different from the first component of the noble metal may be used. In this case, the intermediate layer is mainly composed of O and the first component, whereas the alloy layer is mainly composed of the first component, the second component and Au.
本発明の実施形態に係る燃料電池用セパレータ材料によれば、Au(合金)層をステンレス鋼基材上に強固かつ均一に形成させることができ、この層が導電性と耐食性を有することから、燃料電池用セパレータ材料として好適である。又、本発明の実施形態によれば、Au(合金)層をスパッタ成膜すればこの層が均一な層となるので、湿式の金めっきに比べて表面が平滑となり、Auを無駄に使用しなくて済むという利点がある。 According to the fuel cell separator material according to the embodiment of the present invention, an Au (alloy) layer can be formed firmly and uniformly on a stainless steel substrate, and this layer has conductivity and corrosion resistance. It is suitable as a separator material for fuel cells. In addition, according to the embodiment of the present invention, if an Au (alloy) layer is formed by sputtering, this layer becomes a uniform layer, so that the surface becomes smoother than wet gold plating, and Au is wasted. There is an advantage that it is not necessary.
<燃料電池用セパレータ>
次に、本発明の燃料電池用セパレータ材料を用いた燃料電池用セパレータについて説明する。燃料電池用セパレータは、上記した燃料電池用セパレータ材料を所定形状に加工してなり、燃料ガス(水素)、空気(酸素)、冷却水等を流すための反応ガス流路(溝)が形成されている。
特に、燃料電池用セパレータにおいて、プレス加工による反応ガス流路が予め前記基材に形成されていると、後工程で反応ガス流路を形成する必要がなく、中間層や合金層等を形成する前の基材をプレス加工することで、容易に反応ガス流路を形成できるので、生産性が向上する。
又、本発明の燃料電池用セパレータにおいて、基材表面に合金層又はAu単独層を形成した燃料電池用セパレータ材料に対し、後からプレス加工によって反応ガス流路を形成してもよい。本発明の燃料電池用セパレータ材料は合金層やAu単独層が基材表面に強固に密着しているので、被膜形成後にプレス加工しても被膜が剥がれずに反応ガス流路を形成でき、生産性が向上する。
<Separator for fuel cell>
Next, a fuel cell separator using the fuel cell separator material of the present invention will be described. The fuel cell separator is formed by processing the above-described fuel cell separator material into a predetermined shape, and a reaction gas channel (groove) for flowing fuel gas (hydrogen), air (oxygen), cooling water, and the like is formed. ing.
In particular, in a separator for a fuel cell, when a reaction gas flow path is formed on the base material in advance, there is no need to form a reaction gas flow path in a subsequent process, and an intermediate layer, an alloy layer, or the like is formed. Since the reaction gas flow path can be easily formed by pressing the previous base material, productivity is improved.
In the fuel cell separator of the present invention, the reaction gas flow path may be formed later by pressing the fuel cell separator material in which the alloy layer or the Au single layer is formed on the surface of the substrate. The separator material for fuel cells of the present invention has an alloy layer or Au single layer firmly adhered to the surface of the base material, so that a reactive gas flow path can be formed without peeling off the coating even if it is pressed after the coating is formed. Improves.
なお、反応ガス流路形成のためのプレス加工をするためには、燃料電池用セパレータ材料として、基材の厚みを50μm以上とすることが好ましい。基材の厚みの上限は限定されないが、コストの点から150μm以下とすることが望ましい。 In addition, in order to perform the press work for forming the reaction gas flow path, it is preferable that the thickness of the base material is 50 μm or more as the fuel cell separator material. The upper limit of the thickness of the base material is not limited, but is desirably 150 μm or less from the viewpoint of cost.
<燃料電池用スタック>
本発明の燃料電池用スタックは、本発明の燃料電池用セパレータ材料、又は本発明の燃料電池用セパレータを用いてなる。
燃料電池用スタックは、1対の電極で電解質を挟み込んだセルを複数個直列に接続したものであり、各セルの間に燃料電池用セパレータが介装されて燃料ガスや空気を遮断する。燃料ガス(水素)が接触する電極が燃料極(アノード)であり、空気(酸素) が接触する電極が空気極(カソード)である。
<Fuel cell stack>
The fuel cell stack of the present invention comprises the fuel cell separator material of the present invention or the fuel cell separator of the present invention.
The fuel cell stack is formed by connecting a plurality of cells in which an electrolyte is sandwiched between a pair of electrodes, and a fuel cell separator is interposed between the cells to block fuel gas and air. The electrode in contact with the fuel gas (hydrogen) is the fuel electrode (anode), and the electrode in contact with the air (oxygen) is the air electrode (cathode).
<試料の作製>
ステンレス鋼基材として、厚み100μmのステンレス鋼材(SUS316L)を用い、FIB(集束イオンビーム加工)による前処理をした。FE−TEM(電解放射型透過電子顕微鏡)によるエネルギー分散型蛍光X線分析(EDX)により観察したところ、ステンレス鋼基材の表面には予め約6nmの酸化物層が形成されていたのを確認した。
<Sample preparation>
A stainless steel material (SUS316L) having a thickness of 100 μm was used as a stainless steel substrate, and pretreatment was performed by FIB (focused ion beam processing). When observed by energy dispersive X-ray fluorescence analysis (EDX) using FE-TEM (electrolytic emission transmission electron microscope), it was confirmed that an oxide layer of about 6 nm was previously formed on the surface of the stainless steel substrate. did.
次に、ステンレス鋼基材のステンレス鋼酸化物層の表面に、スパッタ法を用いて目標厚みが表1の値となるようにPd(貴金属膜)を成膜した。なお、スパッタの際、基材の表面酸化膜を適度に除去し、基材表面のクリーニングを目的として逆スパッタ(イオンエッチング)を行ってもよい。ターゲットには純Pdを用いた。次に、スパッタ法を用いて目標厚みが表1の値となるようにAuを成膜し、実施例1〜9の試料を作製した。ターゲットには純Auを用いた。 Next, a Pd (noble metal film) was formed on the surface of the stainless steel oxide layer of the stainless steel substrate by sputtering so that the target thickness was a value shown in Table 1. During sputtering, the surface oxide film on the base material may be appropriately removed, and reverse sputtering (ion etching) may be performed for the purpose of cleaning the base material surface. Pure Pd was used for the target. Next, Au was formed into a film using the sputtering method so that the target thickness was the value shown in Table 1, and samples of Examples 1 to 9 were produced. Pure Au was used for the target.
比較例10として、スパッタの代わりに、湿式めっきにより、基材表面にAu層を50nm形成した。湿式めっきは、基材の電解脱脂、水洗、電解酸洗、水洗を順に行った後、金めっきを行った。
比較例11、12として、スパッタ時にそれぞれAu膜、Pd膜のみ成膜した。
比較例13として、Pd膜及びAu膜を別個にスパッタする代わりに、Pd−Au合金(Pd70質量%,Au30質量%)を用いて成膜した。比較例14として、Pd膜及びAu膜を別個にスパッタする代わりに、Pd−Au合金(Pd50質量%,Au50質量%)を用いて成膜した。比較例15として、Pd膜及びAu膜を別個にスパッタする代わりに、Pd−Au合金(Pd30質量%,Au70質量%)を用いて成膜した。
比較例16として、スパッタ時のPd膜の目標厚みを0.5nmに低減して成膜した。
As Comparative Example 10, an Au layer having a thickness of 50 nm was formed on the substrate surface by wet plating instead of sputtering. In wet plating, the substrate was subjected to electrolytic degreasing, water washing, electrolytic pickling, and water washing in this order, and then gold plating was performed.
As Comparative Examples 11 and 12, only Au film and Pd film were formed at the time of sputtering.
As Comparative Example 13, a Pd—Au alloy (
As Comparative Example 16, the target thickness of the Pd film during sputtering was reduced to 0.5 nm.
目標厚みは以下のように定めた。まず、予めステンレス鋼基材にスパッタで対象物(例えばPd)を成膜し、蛍光X線膜厚計(Seiko Instruments製SEA5100、コリメータΦ0.1mm)で実際の厚みを測定し、このスパッタ条件におけるスパッタレート(nm/min)を把握した。そして、スパッタレートに基づき、厚み1nmとなるスパッタ時間を計算し、この条件でスパッタを行った。
Pd及びAuのスパッタは、株式会社アルバック製のスパッタ装置を用い、出力DC50W アルゴン圧力0.2Paの条件で行った。
The target thickness was determined as follows. First, an object (for example, Pd) is formed on a stainless steel substrate in advance by sputtering, and an actual thickness is measured with a fluorescent X-ray film thickness meter (SEA 5100 manufactured by Seiko Instruments, collimator Φ0.1 mm). The sputter rate (nm / min) was grasped. Based on the sputtering rate, the sputtering time for a thickness of 1 nm was calculated, and sputtering was performed under these conditions.
Sputtering of Pd and Au was performed using a sputtering apparatus manufactured by ULVAC, Inc. under the conditions of an output DC of 50 W and an argon pressure of 0.2 Pa.
<層構造の測定>
試料のステンレス鋼基材表面をXPSで深さ方向に分析し、O、Pd等の濃度を検出した。XPSとしては、アルバックファイ社製の5600MCを用い、スパッタ条件としてイオン種Ar、加速電圧3kV、掃引領域3mm×3mm、スパッタレート2.6nm/minで測定した。
なお、XPSによる濃度検出は、指定元素の合計100質量%として、各元素の濃度(質量%)を分析した。又、XPS分析で厚み方向に1nmの距離とは、XPS分析によるチャート(図2)の横軸の約0.38分に相当する。
<Measurement of layer structure>
The stainless steel substrate surface of the sample was analyzed in the depth direction by XPS, and the concentrations of O, Pd, etc. were detected. As XPS, 5600MC manufactured by ULVAC-PHI was used, and the sputtering conditions were ion species Ar,
In addition, the density | concentration detection by XPS analyzed the density | concentration (mass%) of each element as a total of 100 mass% of a designated element. Further, the distance of 1 nm in the thickness direction in XPS analysis corresponds to about 0.38 minutes on the horizontal axis of the chart (FIG. 2) by XPS analysis.
図2は、試料の深さ方向のXPS分析結果である。
ステンレス鋼基材2の表面に、Feを含み,Oを10質量%以上含有し,Pdを10質量%以上含有し,かつ,Auの含有量がPd≧Auを満たす中間層2aが存在することがわかる。又、中間層2aの表面側に、Auを40質量%以上含有し、かつPdの含有量がAu>Pdを満たすPdとAuの合金層が形成されていることがわかる。
又、上記合金層として定義される領域の厚みを、図2の横軸から換算すると、1.3nmとなった。
なお、本発明においては、中間層を定義するために、O、第1成分等の濃度を規定している。従って、中間層の境界は便宜上O、第1成分濃度によって決められるため、中間層とその上下の層(例えば基材2)との間に、中間層ともステンレス鋼基材とも異なる層が介在する場合もある。
FIG. 2 shows the result of XPS analysis in the depth direction of the sample.
On the surface of the
Further, when the thickness of the region defined as the alloy layer was converted from the horizontal axis of FIG. 2, it was 1.3 nm.
In the present invention, in order to define the intermediate layer, the concentrations of O, the first component, etc. are defined. Therefore, since the boundary of the intermediate layer is determined by O and the first component concentration for convenience, a layer different from both the intermediate layer and the stainless steel substrate is interposed between the intermediate layer and the upper and lower layers (for example, the substrate 2). In some cases.
<評価>
各試料について以下の評価を行った。
A.密着性
各試料の最表層の合金層に1mm間隔で碁盤の目を罫書いた後、粘着性テープをはり付け、さらに各試験片を180°曲げて元の状態に戻し、曲げ部のテープを急速にかつ強く引き剥がす剥離試験を行った。
剥離が全くない場合を○とし、耐食試験後に一部でも剥離があると目視で認められた場合を△とし、耐食試験前から一部でも剥離があると目視で認められた場合を×とした。
B.成膜形状
各試料の断面のFE-TEM像を撮影し、表面に数nmから数百nmの粒子が集まった凹凸構造が観察された場合を粒状とし、粒状に比べて表面が平滑な場合を層状とした。
<Evaluation>
The following evaluation was performed for each sample.
A. Adhesion After marking the grid of the grid at 1 mm intervals on the outermost alloy layer of each sample, apply adhesive tape, and then bend each specimen 180 ° to return it to its original state. A peeling test was conducted to peel off rapidly and strongly.
The case where there was no peeling was marked as ◯, the case where there was some peeling after the corrosion resistance test was marked as △, and the case where there was some peeling even before the corrosion resistance test was marked as x. .
B. Film formation shape FE-TEM image of the cross section of each sample is taken, and when the uneven structure where particles of several to several hundred nm are collected on the surface is made granular, the surface is smoother than the granular Layered.
C.接触抵抗
接触抵抗の測定は、試料全面に荷重を加える方法で行った。まず、40×50mmの板状の試料の表裏にそれぞれカーボンペーパーを積層し、さらに表裏のカーボンペーパーの外側にそれぞれCu/Ni/Au板を積層した。Cu/Ni/Au板は厚み10mmの銅板に1.0μm厚のNi下地めっきをし、Ni層の上に0.5μmのAuめっきした材料であり、Cu/Ni/Au板のAuめっき面がカーボンペーパーに接するように配置した。
さらに、Cu/Ni/Au板の外側にそれぞれテフロン(登録商標)板を配置し、各テフロン(登録商標)板の外側からロードセルで圧縮方向に10kg/cm2の荷重を加えた。この状態で、2枚のCu/Ni/Au板の間に電流密度100mA/cm2の定電流を流した時、Cu/Ni/Au板間の電気抵抗を4端子法で測定した。
又、接触抵抗は、以下の耐食試験の前後でそれぞれ行った。耐食試験は、浴温90℃の硫酸水溶液(pH=1.8、液量350cc)に各試料を168時間(1週間)浸漬して行った。
C. Contact resistance The contact resistance was measured by applying a load to the entire surface of the sample. First, carbon papers were laminated on the front and back sides of a 40 × 50 mm plate-like sample, and Cu / Ni / Au plates were further laminated on the outer sides of the front and back carbon papers. The Cu / Ni / Au plate is a material in which a 10 μm thick copper plate is plated with a 1.0 μm thick Ni base, and the Ni layer is plated with a 0.5 μm Au plate. The carbon paper was placed in contact with it.
Further, a Teflon (registered trademark) plate was arranged outside the Cu / Ni / Au plate, and a load of 10 kg / cm 2 was applied in the compression direction from the outside of each Teflon (registered trademark) plate with a load cell. In this state, when a constant current with a current density of 100 mA / cm 2 was passed between the two Cu / Ni / Au plates, the electrical resistance between the Cu / Ni / Au plates was measured by the four-terminal method.
The contact resistance was measured before and after the following corrosion resistance test. The corrosion resistance test was performed by immersing each sample in a sulfuric acid aqueous solution (pH = 1.8, liquid amount 350 cc) having a bath temperature of 90 ° C. for 168 hours (one week).
表1に結果を示す。なお、表1において、中間層の厚み、最表層の厚みは、いずれもXPS分析を2回行った値の平均値とした。又、中間層の厚み、最表層の厚みは±0.25nmの幅を持ち、例えば中間層が1.0nmという場合、平均値が0.75nm以上で1.25nm未満のものをいうとする。但し、厚みが10nm以上の場合は±0.5nmの幅とする。 Table 1 shows the results. In Table 1, the thickness of the intermediate layer and the thickness of the outermost layer were both average values obtained by performing XPS analysis twice. Further, the thickness of the intermediate layer and the thickness of the outermost layer have a width of ± 0.25 nm. For example, when the intermediate layer is 1.0 nm, the average value is 0.75 nm or more and less than 1.25 nm. However, when the thickness is 10 nm or more, the width is ± 0.5 nm.
表1から明らかなように、合金層とステンレス鋼基材との間に、ステンレス鋼の構成元素であるFeを含み,Oの最大ピークが10質量%以上で,Pdを10質量%以上含有し,かつ,Auの含有量がPd≧Auを満たす中間層が存在する実施例1〜9の場合、各層の密着性に優れ、又、スパッタにより成膜した合金層又はAu層(最表層)は平滑な層状となった。さらに、耐食試験前後で試料の接触抵抗が変化せず、耐食性と導電性が優れたものとなった。
なお、各実施例の場合、最表面から基材側に向かうAu40質量%以上の領域の厚みはいずれも1nm以上であった。
As is apparent from Table 1, between the alloy layer and the stainless steel substrate, Fe, which is a constituent element of stainless steel, has a maximum peak of O of 10% by mass or more and Pd of 10% by mass or more. In the case of Examples 1 to 9 in which there is an intermediate layer satisfying Pd ≧ Au in the Au content, the adhesion of each layer is excellent, and the alloy layer or Au layer (outermost layer) formed by sputtering is A smooth layer was formed. Furthermore, the contact resistance of the sample did not change before and after the corrosion resistance test, and the corrosion resistance and conductivity were excellent.
In the case of each example, the thickness of
Au層を湿式めっきで形成した比較例10の場合、最表層が粒状となり、Auの使用量が多くなった。
Auのみをスパッタした比較例11の場合、中間層が形成されずに密着性が劣化した。一方、Pdのみをスパッタした比較例12の場合、最表層がAuを含まず、耐食試験後に接触抵抗が大幅に増大した。これは、最表層がAuを含まないために耐食性が劣化したためと考えられる。
Pd-Au合金(Pd70質量%)をターゲットとしてスパッタした比較例13の場合も、耐食試験後に接触抵抗が大幅に増大した。これは、Pd-Au合金中のAuの割合が少ないために最表層にAuを40質量%以上含む層が形成されず、耐食性が劣化したためと考えられる。
In the case of Comparative Example 10 in which the Au layer was formed by wet plating, the outermost layer became granular, and the amount of Au used was increased.
In the case of Comparative Example 11 in which only Au was sputtered, the adhesion was deteriorated without forming the intermediate layer. On the other hand, in the case of Comparative Example 12 in which only Pd was sputtered, the outermost layer did not contain Au, and the contact resistance significantly increased after the corrosion resistance test. This is considered because corrosion resistance deteriorated because the outermost layer did not contain Au.
In the case of Comparative Example 13 in which sputtering was performed using a Pd—Au alloy (
Pd-Au合金(Pd50質量%)をターゲットとしてスパッタした比較例14、及びPd-Au合金(Pd30質量%)をターゲットとしてスパッタした比較例15の場合、いずれも中間層の厚みが1nm未満となり、密着性が劣化した。
これは、Pd-Au合金中のPdの割合が少ないために中間層が充分に形成されなかったためと考えられる。
Pd膜の目標厚みを低減してスパッタした比較例16の場合も、中間層の厚みが1nm未満となり、密着性が劣化した。
In the case of the comparative example 14 which sputtered using Pd-Au alloy (Pd50 mass%) as the target and the comparative example 15 which sputtered using the Pd-Au alloy (
This is presumably because the intermediate layer was not sufficiently formed because of the small proportion of Pd in the Pd—Au alloy.
In the case of Comparative Example 16 in which the target thickness of the Pd film was reduced and sputtered, the thickness of the intermediate layer was less than 1 nm, and the adhesion was deteriorated.
2 ステンレス鋼基材
2a 中間層
4 貴金属層
6 合金層
8 Au単独層
2
Claims (7)
前記合金層は、Auを40質量%以上含有し、かつX線光電子分光により前記合金層を深さ方向に分析したとき、いずれの深さにおいても前記第1成分の含有量(質量%)がAu>前記第1成分を満たし、かつ、前記合金層又はAu単独層の厚みが1nm以上10nm以下であり、
前記合金層又はAu単独層と前記ステンレス鋼基材との間に、ステンレス鋼の構成元素であるFeを含み,Oを10質量%以上含有し,前記第1成分を10質量%以上含有し,かつX線光電子分光により深さ方向に分析したとき、いずれの深さにおいてもAuの含有量(質量%)が前記第1成分≧Au>0を満たし、厚みが1nm以上10nm以下の中間層が形成されている燃料電池用セパレータ材料。 The surface of a stainless steel substrate made of a plate material having a thickness of 50 to 150 μm is made of a noble metal that is more oxidizable than at least one kind of Au selected from the group consisting of Ru, Rh, Pd, Ir, Os, and Pt. An alloy layer of one component and Au, or an Au single layer is formed,
The alloy layer is an Au contain more than 40 wt%, and when analyzing the alloy layer in the depth direction by X-ray photoelectron spectroscopy, the content of the first component at any depth (mass%) of Au> Satisfies the first component, and the thickness of the alloy layer or Au single layer is 1 nm or more and 10 nm or less,
Between the alloy layer or Au single layer and the stainless steel base material, containing Fe which is a constituent element of stainless steel, containing 10 mass% or more of O, containing 10 mass% or more of the first component, In addition, when analyzed in the depth direction by X-ray photoelectron spectroscopy, the content (% by mass) of Au satisfies the first component ≧ Au> 0 at any depth, and an intermediate layer having a thickness of 1 nm to 10 nm. A fuel cell separator material is formed.
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