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JP2007073371A - FUEL CELL STACK AND METHOD FOR PRODUCING FUEL CELL FRAME MEMBER - Google Patents

FUEL CELL STACK AND METHOD FOR PRODUCING FUEL CELL FRAME MEMBER Download PDF

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JP2007073371A JP2005259826A JP2005259826A JP2007073371A JP 2007073371 A JP2007073371 A JP 2007073371A JP 2005259826 A JP2005259826 A JP 2005259826A JP 2005259826 A JP2005259826 A JP 2005259826A JP 2007073371 A JP2007073371 A JP 2007073371A
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nitride layer
frame member
cell stack
transition metal
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JP2005259826A
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Atsushi Miyazawa
篤史 宮澤
Hirotaka Chiba
啓貴 千葉
Noriko Uchiyama
典子 内山
Motokata Ishihara
基固 石原
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Nissan Motor Co Ltd
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Nissan Motor Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell stack having a frame member for a fuel cell excellent in rigidity and corrosion resistant property, and to provide a method of manufacturing the frame member for the fuel cell. <P>SOLUTION: The fuel cell stack is composed of film-electrode assemblies 96 having a gas diffusion layer 104 at nearly middle part of an electrolyte film 97 through a catalyst layer 103, and a frame member 90 fitted to the film-electrode assemblies 96 in a state of contacting peripheral part 105 thereof. The frame member 90 is constituted by a base material made of transition metal or an alloy thereof, on outer surface of which a nitride layer having crystal structure of cubic system is formed. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池スタック、及び燃料電池用フレーム部材の製造方法に関し、特にステンレス鋼を用いて形成する固体高分子電解質型の燃料電池用フレーム部材に関する。   The present invention relates to a fuel cell stack and a method of manufacturing a fuel cell frame member, and more particularly to a solid polymer electrolyte type fuel cell frame member formed using stainless steel.

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。   From the viewpoint of protecting the global environment, it has been studied to use a fuel cell as a power source for a motor that operates in place of an internal combustion engine of an automobile, and to drive the automobile with this motor.

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。   Since this fuel cell does not require the use of fossil fuels that have a resource depletion problem, it does not generate exhaust gas or the like. In addition, the fuel cell has excellent characteristics such that it hardly generates noise, and further, the energy recovery efficiency can be increased as compared with other energy engines.

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固体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。   Fuel cells include a solid polymer electrolyte type, a phosphoric acid type, a molten carbonate type, and a solid oxide type, depending on the type of electrolyte used. One of them, the polymer electrolyte fuel cell (PEFC), uses a solid polymer electrolyte membrane having a proton exchange group in the molecule as an electrolyte to saturate the polymer electrolyte membrane. It is a battery that utilizes the function as a proton conductive electrolyte when it is hydrated.

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はじめとする各種の用途が見込まれている。   A solid polymer electrolyte fuel cell operates at a relatively low temperature and has high power generation efficiency. Furthermore, since the solid polymer electrolyte fuel cell is small and light with other ancillary facilities, various uses including for mounting on an electric vehicle are expected.

前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。この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。   The solid polymer electrolyte fuel cell has a fuel cell stack. This fuel cell stack is configured integrally by stacking a plurality of single cells serving as a basic unit for generating power by an electrochemical reaction, sandwiching both ends between end flanges, and pressurizing and holding with fastening bolts. The single cell is composed of a polymer electrolyte membrane, an anode (hydrogen electrode) and a cathode (oxygen electrode) bonded to both sides thereof.

図15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15に示すように、単セル80は、固体高分子用電解質膜81の両側に酸素極82及び水素極83を接合して一体化した膜電極接合体を有する。酸素極82及び水素極83は、反応膜84及びガス拡散層85(GDL:gas diffusion layer)を備えた2層構造であり、反応膜84は固体高分子用電解質膜81に接触している。酸素極82及び水素極83の両側には、積層のために酸素極側セパレータ86及び水素極側セパレータ87が各々設置されている。そして、酸素極側セパレータ86及び水素極側セパレータ87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。   FIG. 15 is a cross-sectional view showing the configuration of a single cell forming the fuel cell stack. As shown in FIG. 15, the single cell 80 has a membrane electrode assembly in which an oxygen electrode 82 and a hydrogen electrode 83 are joined and integrated on both sides of a solid polymer electrolyte membrane 81. The oxygen electrode 82 and the hydrogen electrode 83 have a two-layer structure including a reaction film 84 and a gas diffusion layer 85 (GDL: gas diffusion layer), and the reaction film 84 is in contact with the solid polymer electrolyte film 81. On both sides of the oxygen electrode 82 and the hydrogen electrode 83, an oxygen electrode side separator 86 and a hydrogen electrode side separator 87 are provided for lamination. The oxygen electrode side separator 86 and the hydrogen electrode side separator 87 form an oxygen gas channel, a hydrogen gas channel, and a cooling water channel.

前記構成の単セル80は、固体高分子用電解質膜81の両側に酸素極82、水素極83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86、87を配置して製造する。前記単セル80から構成される燃料電池では、水素極83側に、水素、二酸化炭素、窒素、水蒸気の混合ガスを供給し、酸素極82側に空気及び水蒸気を供給すると、主に、固体高分子用電解質膜81と反応膜84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。   In the unit cell 80 having the above-described configuration, the oxygen electrode 82 and the hydrogen electrode 83 are arranged on both sides of the solid polymer electrolyte membrane 81, and are usually joined together by a hot press method to form a membrane electrode assembly. The separators 86 and 87 are disposed on both sides of the membrane electrode assembly. In the fuel cell composed of the single cell 80, when a mixed gas of hydrogen, carbon dioxide, nitrogen and water vapor is supplied to the hydrogen electrode 83 side and air and water vapor are supplied to the oxygen electrode 82 side, An electrochemical reaction occurs at the contact surface between the molecular electrolyte membrane 81 and the reaction membrane 84. Hereinafter, a more specific reaction will be described.

前記構成の単セル80において、酸素ガス流路及び水素ガス流路に酸素ガス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85を介して反応膜84側に供給され、各反応膜84において以下に示す反応が起こる。   In the single cell 80 configured as described above, when oxygen gas and hydrogen gas are respectively supplied to the oxygen gas channel and hydrogen gas channel, the oxygen gas and hydrogen gas are supplied to the reaction film 84 side through the gas diffusion layers 85. Then, the following reactions occur in each reaction film 84.

水素極側:H2 →2H+ +2e- ・・・式(1)
酸素極側:(1/2)O2+2H+ + 2e-→H2O ・・・式(2)
水素極83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用電解質膜81内を移動して酸素極82側に流れ、e- は負荷88を通って水素極83から酸素極82に流れる。酸素極82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。
Hydrogen electrode side: H 2 → 2H + + 2e Expression (1)
Oxygen electrode side: (1/2) O 2 + 2H + + 2e → H 2 O (2)
When hydrogen gas is supplied to the hydrogen electrode 83 side, the reaction of the formula (1) proceeds to generate H + and e . H + moves through the solid polymer electrolyte membrane 81 in a hydrated state and flows to the oxygen electrode 82 side, and e flows from the hydrogen electrode 83 to the oxygen electrode 82 through the load 88. On the oxygen electrode 82 side, the reaction of Formula (2) proceeds by H + , e −, and the supplied oxygen gas, and electric power is generated.

前述したように、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。   As described above, since the fuel cell separator has a function of electrically connecting each single cell, it is required to have good electrical conductivity and low contact resistance with a constituent material such as a gas diffusion layer. .

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、該固体高分子型電解質膜に当接する構成部品には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、燃料電池スタックの構成部品には強酸性雰囲気下において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、構成部品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。 The solid polymer electrolyte membrane is formed of a polymer having a large number of sulfonic acid groups, and has proton conductivity because the sulfonic acid groups are used for proton exchange in a wet state. Since the solid polymer electrolyte membrane is strongly acidic, the components contacting the solid polymer electrolyte membrane are required to have corrosion resistance against sulfuric acid acidity of about pH 2 to 3. Further, the temperature of each gas supplied to the fuel cell is as high as 80 to 90 [° C.], and not only H + is generated at the hydrogen electrode, but the oxygen electrode through which oxygen, air, etc. pass is standard hydrogen. It is in an oxidizing environment in which a potential of about 0.6 to 1 [Vvs SHE] is loaded with respect to the extreme potential. For this reason, like the oxygen electrode and the hydrogen electrode, the components of the fuel cell stack are required to have corrosion resistance that can withstand in a strongly acidic atmosphere. In addition, the corrosion resistance required here means the durability which can maintain an electrical-conducting performance also in the oxidizing environment where a component is a strong acid. In other words, the cation dissolves in the humidified water or the water generated by the reaction of the formula (2), so that the cation is bonded to the sulfonic acid group that should originally be a path for protons to occupy the sulfonic acid group, and the power generation of the electrolyte membrane Corrosion resistance needs to be measured in an environment that degrades properties.

また、前記膜電極接合体は、剛性が比較的低いため、燃料電池スタックを組み付ける際に撓んでしまい、組付け作業性が低下するおそれがある。従って、樹脂製のフレーム部材の中央部を矩形状に切り欠いて開口部を形成し、該開口部内に前記膜電極接合体を配設することにより、前記膜電極接合体の剛性を向上させる技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開2004−165125公報
In addition, since the membrane electrode assembly has a relatively low rigidity, the membrane electrode assembly is bent when the fuel cell stack is assembled, and the assembly workability may be reduced. Therefore, a technique for improving the rigidity of the membrane electrode assembly by forming an opening by cutting out the central portion of the resin frame member into a rectangular shape and disposing the membrane electrode assembly in the opening. Is known (see, for example, Patent Document 1).
JP 2004-165125 A

しかしながら、前記樹脂製のフレーム部材を用いた場合は、単セルを組み付けたときに、スタッキング荷重によって変形を起こすおそれがあった。また、この変形により、樹脂製フレームに固着したガスケットの反力が小さくなり、シール性能が低下するおそれがあった。   However, when the resin frame member is used, there is a risk of deformation due to a stacking load when the single cell is assembled. In addition, due to this deformation, the reaction force of the gasket fixed to the resin frame is reduced, and the sealing performance may be deteriorated.

そこで、本発明は、剛性が高く、耐食性に優れた燃料電池用フレーム部材を有する燃料電池用スタック、及び燃料電池用フレーム部材の製造方法を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell stack having a fuel cell frame member having high rigidity and excellent corrosion resistance, and a method of manufacturing the fuel cell frame member.

本発明に係る燃料電池スタックは、電解質膜の略中央部に触媒層を介してガス拡散層を設けた膜電極接合体と、これらの触媒層及びガス拡散層の周囲を囲むように、前記膜電極接合体の周縁部に当接した状態で取り付けたフレーム部材と、を備えた燃料電池スタックであって、前記フレーム部材は、立方晶の結晶構造を有する窒化層を外表面に形成した、遷移金属又は遷移金属の合金からなる基材から構成したことを特徴とする。   The fuel cell stack according to the present invention includes a membrane electrode assembly in which a gas diffusion layer is provided at a substantially central portion of an electrolyte membrane via a catalyst layer, and the membrane so as to surround the catalyst layer and the gas diffusion layer. And a frame member attached in contact with the peripheral edge of the electrode assembly, wherein the frame member is formed with a nitride layer having a cubic crystal structure formed on the outer surface. It is characterized by comprising a base material made of a metal or an alloy of a transition metal.

また、本発明に係る燃料電池用フレーム部材の製造方法は、遷移金属又は遷移金属の合金からなる基材に500[℃]以下の温度でプラズマ窒化処理を施すことにより、前記基材の外表面に窒化層を形成する燃料電池用フレーム部材の製造方法であって、前記窒化層は、Fe、Cr、Ni及びMoの中から選択される少なくとも一種以上の遷移金属元素の金属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MN型の結晶構造を有することを特徴とする。 The method for producing a fuel cell frame member according to the present invention includes subjecting a base material made of a transition metal or a transition metal alloy to a plasma nitriding treatment at a temperature of 500 [° C.] or less, thereby providing an outer surface of the base material. A method of manufacturing a fuel cell frame member, wherein the nitride layer is formed of metal atoms of at least one transition metal element selected from Fe, Cr, Ni, and Mo. It has an M 4 N type crystal structure in which nitrogen atoms are arranged in an octahedral void at the center of a unit cell of a face-centered cubic lattice.

本発明に係る燃料電池スタックによれば、遷移金属又は遷移金属の合金からなる基材を用いた燃料電池用フレーム部材を備えているため、剛性が高くなり、スタッキング時の変形等を抑制することができる。また、立方晶の結晶構造を有する窒化層を外表面に形成しているため、膜電極接合体に当接する部分の耐食性を向上させることができる。   According to the fuel cell stack of the present invention, since the fuel cell frame member using the base material made of a transition metal or a transition metal alloy is provided, the rigidity becomes high, and deformation during stacking is suppressed. Can do. Further, since the nitride layer having a cubic crystal structure is formed on the outer surface, the corrosion resistance of the portion in contact with the membrane electrode assembly can be improved.

さらに、本発明に係る燃料電池用フレーム部材の製造方法によれば、剛性が高く、耐食性に優れた燃料電池用フレーム部材を製造することができる。   Furthermore, according to the method for manufacturing a fuel cell frame member according to the present invention, a fuel cell frame member having high rigidity and excellent corrosion resistance can be manufactured.

以下、本発明の実施の形態に係る燃料電池スタック、及び燃料電池用フレーム部材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。   Hereinafter, a fuel cell stack and a method for manufacturing a fuel cell frame member according to an embodiment of the present invention will be described with reference to an example applied to a polymer electrolyte fuel cell.

(燃料電池用フレーム部材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フレーム部材を備えた燃料電池スタックの外観を示す斜視図、図2は図1に示す燃料電池スタックの分解斜視図である。
(Fuel cell frame member and fuel cell stack)
FIG. 1 is a perspective view showing an external appearance of a fuel cell stack provided with a fuel cell frame member according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an exploded perspective view of the fuel cell stack shown in FIG.

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96と燃料電池用セパレータ3とを交互に複数個積層して構成される。各単セル2は、後述するように、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、及び燃料極を有するガス拡散層を形成した膜電極接合体96と、該膜電極接合体96の周縁部に接着されたフレーム部材90と、燃料電池用セパレータ3とを備えている。また、膜電極接合体96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している。   As shown in FIG. 2, the fuel cell stack 1 is configured by alternately laminating a plurality of membrane electrode assemblies 96 and fuel cell separators 3 serving as basic units for generating power by electrochemical reaction. As will be described later, each single cell 2 includes a membrane electrode assembly 96 in which a gas diffusion layer having an oxidant electrode and a gas diffusion layer having a fuel electrode are formed on both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane, and the membrane. A frame member 90 bonded to the peripheral edge of the electrode assembly 96 and the fuel cell separator 3 are provided. Further, the fuel cell separator 3 is disposed on both sides of the membrane electrode assembly 96, and an oxidant gas flow path and a fuel gas flow path are formed inside the fuel cell separator 3, respectively.

固体高分子型電解質膜としては、例えばスルホン酸基を有するフッ素系樹脂膜等を使用することができる。単セル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。   As the polymer electrolyte membrane, for example, a fluorine resin membrane having a sulfonic acid group can be used. After laminating the single cell 2 and the fuel cell separator 3, end flanges 4 are arranged at both ends, and the outer peripheral portion is fastened by fastening bolts 5 to constitute the fuel cell stack 1.

また、図1に示すように、燃料電池スタック1には、各単セル2に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。   As shown in FIG. 1, the fuel cell stack 1 has a hydrogen supply line for supplying a fuel gas containing hydrogen such as hydrogen gas to each single cell 2, and air for supplying air as an oxidant gas. A supply line and a cooling water supply line for supplying cooling water are provided.

図3は本発明の実施の形態に係るフレーム部材の斜視図、図4は本発明の実施の形態に係る膜電極接合体の平面図、図5は本発明の実施の形態に係る膜電極接合体及びフレーム部材の概念的な断面図である。   3 is a perspective view of the frame member according to the embodiment of the present invention, FIG. 4 is a plan view of the membrane electrode assembly according to the embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a membrane electrode junction according to the embodiment of the present invention. It is a conceptual sectional view of a body and a frame member.

前記フレーム部材90は、平面視で略額縁状に形成された金属製の板材である。即ち、図3における左右方向に細長い矩形状の金属製板状部材の中央部を矩形状に切り抜いて開口部91を設けたものである。従って、フレーム部材90の外表面は、図3における上面となる膜電極接合体96への当接面92、該当接面92の反対側の裏面93、内側面(開口部91の側面)94及び外側面95とからなる。   The frame member 90 is a metal plate formed in a substantially frame shape in plan view. That is, the opening 91 is provided by cutting out the central portion of a rectangular metal plate member elongated in the left-right direction in FIG. 3 into a rectangular shape. Therefore, the outer surface of the frame member 90 includes a contact surface 92 to the membrane electrode assembly 96 that is the upper surface in FIG. 3, a back surface 93 opposite to the contact surface 92, an inner surface (side surface of the opening 91) 94, and It consists of an outer surface 95.

また、図4,5に示すように、膜電極接合体96は、電解質膜97の略中央部に触媒層103を介してガス拡散層104を設けており、これらの触媒層103及びガス拡散層104の周縁部105の両面には、図5に示すように、前記フレーム部材90が接着されている。このように、フレーム部材90の形状は、膜電極接合体96の周縁部105の形状とほぼ同一に形成されている。   As shown in FIGS. 4 and 5, the membrane electrode assembly 96 is provided with a gas diffusion layer 104 at a substantially central portion of the electrolyte membrane 97 through the catalyst layer 103, and these catalyst layer 103 and gas diffusion layer are provided. As shown in FIG. 5, the frame member 90 is bonded to both surfaces of the peripheral edge portion 105 of the 104. Thus, the shape of the frame member 90 is formed substantially the same as the shape of the peripheral edge portion 105 of the membrane electrode assembly 96.

そして、図5に示すように、単セル106は、膜電極接合体96とフレーム部材90とを備えている。   As shown in FIG. 5, the single cell 106 includes a membrane electrode assembly 96 and a frame member 90.

前記膜電極接合体96は、固体高分子型電解質膜97と、該固体高分子型電解質膜97の両面に形成した触媒層103と、該触媒層103の両面に形成したガス拡散層104とから構成されている。   The membrane electrode assembly 96 includes a solid polymer electrolyte membrane 97, a catalyst layer 103 formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 97, and a gas diffusion layer 104 formed on both surfaces of the catalyst layer 103. It is configured.

図6は、図3のA−A線による拡大断面図である。   FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view taken along line AA in FIG.

この図6に示すように、フレーム部材90の外表面には、窒化層102が形成されている。   As shown in FIG. 6, a nitride layer 102 is formed on the outer surface of the frame member 90.

このフレーム部材90は、遷移金属又は遷移金属の合金を基材として用いており、内方側に設けられた基層101と、該基層101の表層部に設けられた窒化層102とから形成されている。そして、この窒化層102は、外表面から深さ方向に形成され、立方晶の結晶構造を有している。   The frame member 90 uses a transition metal or a transition metal alloy as a base material, and is formed of a base layer 101 provided on the inner side and a nitride layer 102 provided on a surface layer portion of the base layer 101. Yes. The nitride layer 102 is formed in the depth direction from the outer surface and has a cubic crystal structure.

前記窒化層102は、具体的には、膜電極接合体96への当接面92、該当接面92の反対側の裏面93、内側面94(開口部91の側面)に形成されており、本実施形態では、外側面95には形成されていない。ただし、この外側面95に窒化層102を設けても良い。   Specifically, the nitride layer 102 is formed on a contact surface 92 to the membrane electrode assembly 96, a back surface 93 opposite to the contact surface 92, and an inner side surface 94 (side surface of the opening 91). In the present embodiment, the outer surface 95 is not formed. However, the nitride layer 102 may be provided on the outer surface 95.

そして、前記膜電極接合体96の周縁部105に当接する前記フレーム部材90の当接面92における窒化層102の厚さを、前記当接面92の裏面93に設けた窒化層102よりも厚く形成している。このため、強酸性の電解質膜97に当接する側の窒化層102の厚さを厚くして、より効率的にフレーム部材90の耐食性を向上させることができる。   Then, the thickness of the nitride layer 102 on the contact surface 92 of the frame member 90 that contacts the peripheral edge 105 of the membrane electrode assembly 96 is thicker than the nitride layer 102 provided on the back surface 93 of the contact surface 92. Forming. Therefore, the thickness of the nitride layer 102 on the side in contact with the strongly acidic electrolyte membrane 97 can be increased, and the corrosion resistance of the frame member 90 can be improved more efficiently.

図7は比較例に係る膜電極接合体及びフレーム部材の概念的な断面図、図8(a)は別の比較例に係る膜電極接合体及びフレーム部材の概念的な断面図、(b)は組付前の状態におけるフレーム部材の断面図、(c)は組付後のフレーム部材の断面図である。   7 is a conceptual cross-sectional view of a membrane electrode assembly and a frame member according to a comparative example. FIG. 8A is a conceptual cross-sectional view of a membrane electrode assembly and a frame member according to another comparative example. Is a cross-sectional view of the frame member in a state before assembly, and (c) is a cross-sectional view of the frame member after assembly.

図7に示すように、電解質膜97の周縁部の両面に断面略三角状のガスケット98を固着している。このガスケット98は、セパレータに当接してガスを封止するものである。しかし、厚さが10〜50μmという薄い電解質膜97にガスケット98を固着すると、電解質膜97を組み付ける際にたわんでしまい、電解質膜97にシワ等が発生するため、燃料電池スタックの組付性が低下するおそれがある。   As shown in FIG. 7, a gasket 98 having a substantially triangular cross section is fixed to both surfaces of the periphery of the electrolyte membrane 97. This gasket 98 is in contact with the separator and seals the gas. However, if the gasket 98 is fixed to the thin electrolyte membrane 97 having a thickness of 10 to 50 μm, it will bend when the electrolyte membrane 97 is assembled, and the electrolyte membrane 97 will be wrinkled. May decrease.

一方、図8に示すフレーム部材99は、樹脂から形成されているため、例えば60〜90℃の温度において燃料電池スタックに組み付ける際に、スタッキング荷重が加わり、図8(c)に示すように、フレーム部材99が変形するおそれがある。この変形によって、ガスケット100の反力が低下し、シール性能が低下するおそれがあるため、好ましくない。   On the other hand, since the frame member 99 shown in FIG. 8 is made of resin, a stacking load is applied when assembling the fuel cell stack at a temperature of 60 to 90 ° C., for example, as shown in FIG. The frame member 99 may be deformed. This deformation is not preferable because the reaction force of the gasket 100 decreases and the sealing performance may decrease.

また、立方晶の結晶構造を有する窒化層102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。このように、フレーム部材90の部位のうち、外部に露出した基材の外表面に窒化層102を形成したため、電解質膜97及びガス拡散層104が当接しても、フレーム部材90が腐食を起こすおそれがない。   Further, the nitride layer 102 having a cubic crystal structure is excellent in corrosion resistance because it is chemically stable even in a strongly acidic atmosphere having a pH of 2 to 3 that is usually used as a fuel cell. As described above, since the nitride layer 102 is formed on the outer surface of the base material exposed to the outside of the part of the frame member 90, the frame member 90 is corroded even if the electrolyte membrane 97 and the gas diffusion layer 104 come into contact with each other. There is no fear.

基材は、Fe、Cr、Ni及びMoの群から選ばれる少なくとも一種以上の金属元素を含むステンレス鋼であることが好ましい。このような元素を含有するステンレス鋼として、オーステナイト系、オーステナイト・フェライト系、析出硬化系のステンレス鋼が挙げられる。これらの中でも、基材は、特にオーステナイト系ステンレス鋼から形成することが好ましい。オーステナイト系ステンレス鋼としては、例えば、SUS304、SUS310S、SUS316L、SUS317J1、SUS317J2、SUS321、SUS329J1、SUS836等が挙げられる。   The base material is preferably stainless steel containing at least one metal element selected from the group consisting of Fe, Cr, Ni and Mo. Examples of stainless steels containing such elements include austenitic, austenitic / ferrite, and precipitation hardening stainless steels. Among these, the base material is preferably formed from austenitic stainless steel. Examples of the austenitic stainless steel include SUS304, SUS310S, SUS316L, SUS317J1, SUS317J2, SUS321, SUS329J1, and SUS836.

立方晶の結晶構造は、より具体的には、Fe(鉄)、Cr(クロム)、Ni(ニッケル)、Mo(モリブデン)の群から選ばれる少なくとも一種以上の金属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MN型の結晶構造であることが好ましい。 More specifically, the crystal structure of the cubic crystal is a face-centered cubic formed by at least one metal atom selected from the group consisting of Fe (iron), Cr (chromium), Ni (nickel), and Mo (molybdenum). It is preferably an M 4 N type crystal structure in which nitrogen atoms are arranged in octahedral voids at the center of the unit cell of the lattice.

図9は、MN型の結晶構造を示している。 FIG. 9 shows an M 4 N type crystal structure.

図9に示すように、MN型の結晶構造20は、Fe、Cr、Ni及びMoの中から選択される遷移金属原子21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22が配置された構造である。このMN型の結晶構造20において、Mは、Fe、Cr、Ni及びMoの中から選択される遷移金属原子21を表し、Nは窒素原子22を表す。窒素原子22はMN型の結晶構造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、MN型の結晶構造20は、遷移金属原子21の面心立方格子の単位胞中心の八面体空隙に窒素原子22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22は各単位胞の格子座標(1/2,1/2,1/2)に位置する。MN型の結晶構造とすることにより、遷移金属原子21間の金属結合を維持したまま、遷移金属原子21と窒素原子22との間で強い共有結合性を示す。 As shown in FIG. 9, the M 4 N-type crystal structure 20 has an octahedral void at the center of a unit cell of a face-centered cubic lattice formed by transition metal atoms 21 selected from Fe, Cr, Ni, and Mo. In which nitrogen atoms 22 are arranged. In the M 4 N type crystal structure 20, M represents a transition metal atom 21 selected from Fe, Cr, Ni, and Mo, and N represents a nitrogen atom 22. The nitrogen atom 22 occupies a quarter of the octahedral void at the center of the unit cell of the M 4 N type crystal structure 20. That is, the M 4 N-type crystal structure 20 is an interstitial solid solution in which nitrogen atoms 22 invade into octahedral voids at the center of the unit cell of the face-centered cubic lattice of transition metal atoms 21, and is represented by a cubic crystal lattice. The nitrogen atoms 22 are located at the lattice coordinates (1/2, 1/2, 1/2) of each unit cell. By adopting the M 4 N type crystal structure, strong covalent bonding is exhibited between the transition metal atom 21 and the nitrogen atom 22 while maintaining the metal bond between the transition metal atoms 21.

また、このMN型の結晶構造20では、遷移金属原子M21はFeを主体としていることが好ましいが、FeがCr、Ni、Moなどの他の遷移金属原子と一部置換した合金であっても良い。 In the M 4 N-type crystal structure 20, the transition metal atom M 21 is preferably mainly composed of Fe, but Fe is an alloy partially substituted with other transition metal atoms such as Cr, Ni, and Mo. May be.

そして、このMN型の結晶構造では、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、窒化層が少なくともFe、Cr、Ni、Moの群から選ばれる少なくとも一種以上の遷移金属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MN型の結晶構造を有する場合には、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することが可能となる。 The M 4 N type crystal structure is considered to be a fcc or fct structure nitride in which high hardness is 1000 [HV] or more accompanied by high density dislocations and twins, and nitrogen is supersaturated in a solid solution. (Yasumaru, Tsugaike; Journal of the Japan Institute of Metals, 50, pp 362-368, 1986). Further, the closer to the surface, the higher the nitrogen concentration, and CrN is not a main component, so that Cr effective for corrosion resistance does not decrease and corrosion resistance is maintained even after nitriding. Thus, nitrogen atoms are arranged in octahedral voids in the center of the unit cell of the face-centered cubic lattice in which the nitride layer is formed of at least one or more transition metal atoms selected from the group of Fe, Cr, Ni, and Mo. In the case of having an M 4 N type crystal structure, the corrosion resistance in a strongly acidic atmosphere having a pH of 2 to 3 can be further improved.

なお、窒化層の厚さは、基材の表面に厚さ0.5〜5[μm]の範囲で形成されていることが好ましい。この場合には、強酸性雰囲気における耐食性に優れる。なお、窒化層の厚さが0.5[μm]を下回る場合には、窒化層と基材との間に亀裂が発生したり、窒化層と基材との密着強度が不足することにより長時間使用すると窒化層が基材との界面から剥がれ易くなるため長時間の使用では充分な耐食性が得られにくくなる。また、窒化層の厚さが5[μm]を上回る場合には、窒化層の厚さの増大とともに窒化層内の応力が過大になって窒化層に亀裂が発生し、燃料電池用セパレータに孔食が発生し易くなり、耐食性の向上に寄与しにくくなる。   In addition, it is preferable that the thickness of the nitride layer is formed in the range of thickness 0.5-5 [micrometers] on the surface of a base material. In this case, the corrosion resistance in a strong acid atmosphere is excellent. If the thickness of the nitride layer is less than 0.5 [μm], cracks may occur between the nitride layer and the substrate, or the adhesion strength between the nitride layer and the substrate may be insufficient. When used for a long time, the nitrided layer easily peels off from the interface with the base material, so that it is difficult to obtain sufficient corrosion resistance when used for a long time. Further, when the thickness of the nitride layer exceeds 5 [μm], as the thickness of the nitride layer increases, the stress in the nitride layer becomes excessive and cracks occur in the nitride layer, resulting in holes in the fuel cell separator. Corrosion tends to occur, and it becomes difficult to contribute to improvement of corrosion resistance.

さらに、窒化層の極表面の窒素量が10[at%]以上かつ酸素量が35[at%]以下であることが好ましい。ここで、窒化層の極表面とは、窒化層の最表面から3〜4[nm]の深さ、つまり原子数十層程度の深さの原子層をさす。また、最表面とは、窒化層の最外部の原子一層をさす。遷移金属の表面に吸着した酸素分子の被覆率が高くなると、遷移金属原子と酸素原子との間に明瞭な結合が形成する。これが遷移金属原子の酸化である。このような遷移金属表面の酸化は、まず最外部の第一原子層が酸化されることによって起こる。第一原子層の酸化が終わると、次に、第一原子層へ吸着した酸素が遷移金属内の自由電子をトンネル効果によって受け取り、酸素が負イオンになる。そして、この負イオンによる強い局部電場のために、遷移金属イオンが遷移金属内部から表面上に引っ張り出され、引っ張り出された遷移金属イオンが酸素原子と結合する。すなわち二層目の酸化膜が生成する。このような反応が次から次へと起こって酸化膜が厚くなっていく。このように、窒化層中の酸素量が35[at%]より多い場合には、絶縁性の酸化膜が形成されやすくなる。これに対し、このように、窒化層の極表面の窒素量が10[at%]以上かつ酸素量が35[at%]以下である場合には、強酸性雰囲気における耐食性に優れた燃料電池用セパレータを得ることができる。   Furthermore, it is preferable that the nitrogen amount on the extreme surface of the nitrided layer is 10 [at%] or more and the oxygen amount is 35 [at%] or less. Here, the extreme surface of the nitride layer refers to an atomic layer having a depth of 3 to 4 nm from the outermost surface of the nitride layer, that is, a depth of several tens of layers. Further, the outermost surface refers to the outermost atomic layer of the nitride layer. When the coverage of oxygen molecules adsorbed on the surface of the transition metal is increased, a clear bond is formed between the transition metal atom and the oxygen atom. This is the oxidation of transition metal atoms. Such oxidation of the transition metal surface first occurs when the outermost first atomic layer is oxidized. When the oxidation of the first atomic layer is completed, next, oxygen adsorbed on the first atomic layer receives free electrons in the transition metal by the tunnel effect, and oxygen becomes negative ions. Then, due to the strong local electric field due to the negative ions, transition metal ions are pulled out from the inside of the transition metal onto the surface, and the pulled transition metal ions are combined with oxygen atoms. That is, a second oxide film is formed. Such a reaction occurs from one to the next, and the oxide film becomes thicker. Thus, when the amount of oxygen in the nitride layer is greater than 35 [at%], an insulating oxide film is likely to be formed. In contrast, when the nitrogen amount on the extreme surface of the nitrided layer is 10 [at%] or more and the oxygen amount is 35 [at%] or less as described above, the fuel cell excellent in corrosion resistance in a strongly acidic atmosphere is used. A separator can be obtained.

また、窒化層の最表面から10[nm]深さにおいて、窒素量が15[at%]以上かつ酸素量が26[at%]以下であることが好ましく、更には窒素量が18[at%]以上かつ酸素量が22[at%]以下であることがより好ましい。この場合には、強酸性雰囲気における耐食性に優れる。   Further, at a depth of 10 [nm] from the outermost surface of the nitride layer, the nitrogen amount is preferably 15 [at%] or more and the oxygen amount is 26 [at%] or less, and further the nitrogen amount is 18 [at%]. More preferably, the oxygen content is 22 [at%] or less. In this case, the corrosion resistance in a strong acid atmosphere is excellent.

さらに、窒化層の最表面から100[nm]〜200[nm]深さにおいて、窒素量が16[at%]以上かつ酸素量が21[at%]以下であることが好ましい。この場合には、窒化層中の窒素原子のケミカルポテンシャルを高めて、遷移金属原子の活量をより一層小さく抑えた状態で遷移金属原子が窒素原子と化合物を形成すると、遷移金属原子の自由エネルギーが下がり、遷移金属原子の酸化に対する反応性を低くすることができ、遷移金属原子が化学的に安定する。   Furthermore, it is preferable that the nitrogen amount is 16 [at%] or more and the oxygen amount is 21 [at%] or less at a depth of 100 [nm] to 200 [nm] from the outermost surface of the nitride layer. In this case, if the chemical potential of the nitrogen atom in the nitride layer is increased and the transition metal atom forms a compound with the nitrogen atom in a state where the activity of the transition metal atom is further reduced, the free energy of the transition metal atom , The reactivity of the transition metal atom with respect to oxidation can be lowered, and the transition metal atom is chemically stabilized.

このように、前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フレーム部材90は耐食性に優れている。   Thus, by adopting the above-described configuration, the fuel cell frame member 90 according to the embodiment of the present invention is excellent in corrosion resistance.

(燃料電池用フレーム部材の製造方法)
次に、本発明の実施の形態に係る燃料電池用フレーム部材の製造方法について説明する。この燃料電池用フレーム部材90の製造方法は、遷移金属又は遷移金属の合金からなる基材に500[℃]以下の温度で窒化処理を施すことにより、Fe、Cr、Ni及びMoの中から選択される遷移金属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MN型の結晶構造を有する窒化層を形成する工程を有することを特徴とする。
(Manufacturing method of fuel cell frame member)
Next, a method for manufacturing a fuel cell frame member according to an embodiment of the present invention will be described. The manufacturing method of the fuel cell frame member 90 is selected from Fe, Cr, Ni, and Mo by nitriding a base material made of a transition metal or a transition metal alloy at a temperature of 500 ° C. or lower. Forming a nitride layer having an M 4 N type crystal structure in which nitrogen atoms are arranged in octahedral voids at the center of a unit cell of a face-centered cubic lattice formed by transition metal atoms formed .

ステンレス鋼の表面に高温で窒化処理を施すと、窒素が基材中のCrと結びつき、主としてNaCl型の結晶構造を有するCrN等の窒化物を析出するために燃料電池用フレーム部材90の耐食性が低下する。これに対し、500[℃]以下の温度で窒化処理を施すと基材表面には、主としてNaCl型の結晶構造を有するCrN等の窒化化合物ではなく、Fe、Cr、Ni、Moの群から選ばれる少なくとも一種以上の金属原子によって形成された面心立方格子または面心正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結晶構造が形成される。   When the surface of the stainless steel is subjected to nitriding treatment at a high temperature, nitrogen is combined with Cr in the base material, and mainly nitride such as CrN having a crystal structure of NaCl type is precipitated, so that the corrosion resistance of the fuel cell frame member 90 is reduced. descend. On the other hand, when nitriding is performed at a temperature of 500 [° C.] or lower, the surface of the substrate is not mainly a nitride compound such as CrN having a NaCl type crystal structure, but selected from the group of Fe, Cr, Ni, and Mo A crystal structure is formed in which nitrogen atoms are arranged in octahedral voids at the center of a unit cell of a face-centered cubic lattice or a face-centered tetragonal lattice formed of at least one metal atom.

この結晶構造は、窒化層の中でも特に耐食性に富むため、500[℃] 以下の低温で窒化処理を施すことにより燃料電池用フレーム部材90の耐食性が向上する。   Since this crystal structure is particularly rich in corrosion resistance among the nitrided layers, the corrosion resistance of the fuel cell frame member 90 is improved by performing nitriding at a low temperature of 500 [° C.] or less.

なお、窒化温度が350[℃]を下回る場合には、この結晶構造を有する窒化層を得るためには長時間の処理を必要とするために生産性が悪化する。このため、窒化処理は350〜500[℃]の範囲で、より好ましくは350〜500[℃]で行うのが好ましい。   Note that when the nitriding temperature is lower than 350 [° C.], it takes a long time to obtain a nitrided layer having this crystal structure, and the productivity deteriorates. Therefore, the nitriding treatment is preferably performed in the range of 350 to 500 [° C.], more preferably 350 to 500 [° C.].

また、窒化処理は、プラズマ窒化法であることが好ましい。窒化処理にはガス窒化法、ガス軟窒化法、塩浴法、プラズマ窒化法などを利用することが可能である。ガス軟窒化法は窒化処理中の酸素分圧が高いため窒化層中の酸素量が高くなる。これに対し、窒化処理のうち、プラズマ窒化法は、被処理物を陰極とし、直流電圧を印加して発生するグロー放電によって窒素ガスをイオン化し、イオン化した窒素が被処理物の表面へ高速加速衝突することで窒化する方法である。このため、プラズマ窒化法では、イオン衝撃によるスパッタリング作用により被処理物であるステンレス鋼表面の不動態皮膜を容易に除去しつつ窒化するためステンレス鋼に適した窒化方法であり、かつ非平衡反応によって基材中に窒素イオンを浸透させるために、前記結晶構造を短時間で容易に得ることができ、耐食性が向上する。   The nitriding treatment is preferably a plasma nitriding method. For the nitriding treatment, a gas nitriding method, a gas soft nitriding method, a salt bath method, a plasma nitriding method, or the like can be used. Since the gas soft nitriding method has a high oxygen partial pressure during nitriding, the amount of oxygen in the nitrided layer is high. In contrast, plasma nitriding is a nitriding process that uses a workpiece as a cathode, ionizes nitrogen gas by glow discharge generated by applying a DC voltage, and the ionized nitrogen accelerates rapidly to the surface of the workpiece. This is a method of nitriding by collision. For this reason, the plasma nitriding method is a nitriding method suitable for stainless steel because nitriding is performed while easily removing the passive film on the surface of the stainless steel, which is the object to be processed, by the sputtering action by ion bombardment, and by non-equilibrium reaction. Since the nitrogen ions are infiltrated into the substrate, the crystal structure can be easily obtained in a short time, and the corrosion resistance is improved.

次に、本発明の実施形態に係る燃料電池用フレーム部材の製造方法に用いる窒化装置の構成を図10に基づいて説明する。図10は、本実施形態の燃料電池用フレーム部材の製造方法に使用される窒化装置の構成を示す側面模式図である。   Next, the structure of the nitriding apparatus used in the method for manufacturing the fuel cell frame member according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a schematic side view showing the configuration of the nitriding apparatus used in the method for manufacturing the fuel cell frame member of the present embodiment.

図10に示すように、窒化装置30は、バッチ式の窒化炉31と、この窒化炉31に雰囲気ガスを供給するガス供給装置32と、窒化炉31内でプラズマを発生させるプラズマ電極33a、33b及びこれらの電極33a、33bに直流電圧を供給する直流電源33と、窒化炉31内のガスを排出するポンプ34と、窒化炉31内の温度を検知する温度センサ37とを含んでいる。窒化炉31は内壁31a及び外壁31bを有し、内壁31aの天井部31cには燃料電池用フレーム部材の形状に加工したステンレス鋼箔44を吊下するステンレス製のハンガ36が設けられる。ガス供給装置32は、ガス室38とガス供給管路39とを有し、ガス室38には開口部が設けられ、この開口部にはそれぞれガス供給弁が設置され、Hガス、Nガス、Arガスが供給されている。窒化炉31の天井部31cには、ガス供給管路39の他端と連通する開口31dを有する。ガス供給管路39にはガス供給弁が設けられている。窒化炉31内のガス圧は、窒化炉31の底部31eに設けられたガス圧センサ40によって検知される。窒化炉31には冷却水流路(不図示)が設けられ、冷却水は窒化炉31の外壁31bに設けられた開口31fから冷却水流路に流入し、開口31gから流出する。開口31fには冷却水供給弁が設けられ、冷却水の流量を調節する。ポンプ34は、上記底部31eに設けられた開口31hと連通する排出管路41と接続される。温度センサ37は、窒化炉31の外壁31bに設けられた設置口31iに設置される。 As shown in FIG. 10, the nitriding apparatus 30 includes a batch-type nitriding furnace 31, a gas supply device 32 that supplies atmospheric gas to the nitriding furnace 31, and plasma electrodes 33 a and 33 b that generate plasma in the nitriding furnace 31. And a DC power source 33 for supplying a DC voltage to the electrodes 33a and 33b, a pump 34 for discharging the gas in the nitriding furnace 31, and a temperature sensor 37 for detecting the temperature in the nitriding furnace 31. The nitriding furnace 31 has an inner wall 31a and an outer wall 31b, and a stainless hanger 36 for suspending a stainless steel foil 44 processed into the shape of a fuel cell frame member is provided on the ceiling 31c of the inner wall 31a. The gas supply device 32 includes a gas chamber 38 and a gas supply conduit 39. The gas chamber 38 is provided with an opening, and a gas supply valve is provided in each of the openings, and H 2 gas, N 2 Gas and Ar gas are supplied. The ceiling portion 31 c of the nitriding furnace 31 has an opening 31 d that communicates with the other end of the gas supply conduit 39. The gas supply line 39 is provided with a gas supply valve. The gas pressure in the nitriding furnace 31 is detected by a gas pressure sensor 40 provided at the bottom 31 e of the nitriding furnace 31. The nitriding furnace 31 is provided with a cooling water flow path (not shown), and the cooling water flows into the cooling water flow path from the opening 31f provided in the outer wall 31b of the nitriding furnace 31, and flows out from the opening 31g. A cooling water supply valve is provided in the opening 31f to adjust the flow rate of the cooling water. The pump 34 is connected to a discharge pipe 41 communicating with an opening 31h provided in the bottom 31e. The temperature sensor 37 is installed in an installation port 31 i provided in the outer wall 31 b of the nitriding furnace 31.

窒化装置30には、グロー放電のために操作盤43から制御される直流電源33の他に、バイアス用のポテンショメータ35が設けられている。直流電源33は陽(+)極33aが窒化炉31の内壁31aに接続され、陰(−)極33bが接地されている。ポテンショメータ35は、バイアス用直流電源端子35cと接地回路35dとの間の電位差を、可動接触子により0[V]からバイアス電圧の範囲で分圧し、それにより得た電圧をバイアス回路35aを介して各ステンレス鋼箔44に供給する。直流電源33は操作盤43からの制御信号によりオン、オフされる。ポテンショメータ35は、操作盤43からバイアス制御回路35bを介してバイアス制御信号が供給され、この制御信号に応じて可動接触子が摺動する。従って、各ステンレス鋼箔44は、内壁31aに対し、直流電源33の端子間電圧と、可動接触子を介して供給されるバイアス電圧とを加えた電圧差を有する。なお、ガス供給装置32及びガス圧センサ40も、操作盤43によって制御される。   The nitriding device 30 is provided with a bias potentiometer 35 in addition to the DC power source 33 controlled from the operation panel 43 for glow discharge. The DC power supply 33 has a positive (+) electrode 33 a connected to the inner wall 31 a of the nitriding furnace 31 and a negative (−) electrode 33 b grounded. The potentiometer 35 divides the potential difference between the bias DC power supply terminal 35c and the ground circuit 35d by a movable contact in the range of 0 [V] to the bias voltage, and the obtained voltage is passed through the bias circuit 35a. Supply to each stainless steel foil 44. The DC power source 33 is turned on / off by a control signal from the operation panel 43. The potentiometer 35 is supplied with a bias control signal from the operation panel 43 via the bias control circuit 35b, and the movable contact slides in accordance with the control signal. Accordingly, each stainless steel foil 44 has a voltage difference with respect to the inner wall 31a, which is obtained by adding the voltage between the terminals of the DC power supply 33 and the bias voltage supplied via the movable contact. The gas supply device 32 and the gas pressure sensor 40 are also controlled by the operation panel 43.

プラズマ窒化には窒素ガス及び水素ガスを使用し、窒素ガス及び水素ガスを放電させた低温非平衡プラズマ中においてステンレス鋼材にマイナスのバイアス電圧をかけることにより、ステンレス鋼材を400〜500[℃]の温度で窒化を行うことが好ましい。プラズマ窒化処理では、イオン衝撃によるスパッタリング作用により金属材料表面の不動態皮膜を容易に除去できる。一方、通常使用されるガス窒化や塩浴窒化を用いて窒化処理を行った場合には、窒化層の数〜数十[nm]オーダの最表層では酸化が起きて絶縁性酸化物が形成されるため、燃料電池のガス拡散層として通常使用されるカーボンペーパとの間の接触抵抗が増大する。これに対し、本発明のようにプラズマ窒化の手法を用いた窒化処理では、金属材料表面の酸素を除去しながら窒化反応を進めることができるため、窒化後の金属材料の最表層の酸素レベルを十分に低く抑えることが可能となる。さらに、カーボンペーパとの間の接触抵抗を、燃料電池として好適となるように低い値に維持することが可能となる。   Nitrogen gas and hydrogen gas are used for plasma nitriding, and a negative bias voltage is applied to the stainless steel material in a low temperature non-equilibrium plasma in which the nitrogen gas and hydrogen gas are discharged. Nitriding is preferably performed at a temperature. In the plasma nitriding treatment, the passive film on the surface of the metal material can be easily removed by the sputtering action by ion bombardment. On the other hand, when nitriding is performed using gas nitriding or salt bath nitriding, which is commonly used, oxidation occurs on the outermost layer of the order of several to several tens [nm] of the nitrided layer to form an insulating oxide. Therefore, the contact resistance with the carbon paper normally used as the gas diffusion layer of the fuel cell increases. On the other hand, in the nitriding treatment using the plasma nitriding method as in the present invention, the nitriding reaction can proceed while removing oxygen on the surface of the metal material. It becomes possible to keep it low enough. Furthermore, the contact resistance with the carbon paper can be maintained at a low value so as to be suitable as a fuel cell.

また、プラズマ窒化処理をする際の処理条件は、温度400〜500[℃]、処理時間10〜60[分]、ガス混合比N:H=3:7〜7:3、処理圧力3〜7[Torr](=399〜931[Pa])とすることが好ましい。窒化処理条件を本範囲に規定したのは、処理時間が1[分]未満になると窒化層が形成されないからであり、逆に、処理時間が60[分]を超えると製造コストが高騰するからである。さらに、ガス混合比を本範囲に規定したのは、ガス中の窒素の割合が減少すると窒化層を形成することができないからであり、逆に、窒素の割合が増大すると還元剤として作用する水素量が減少して、基材表面が酸化されてしまうからである。このような処理条件下でプラズマ窒化処理をすることにより、MN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。 Further, the processing conditions for plasma nitriding are as follows: temperature 400 to 500 [° C.], processing time 10 to 60 [min], gas mixing ratio N 2 : H 2 = 3: 7 to 7: 3, processing pressure 3 -7 [Torr] (= 399 to 931 [Pa]) is preferable. The reason why the nitriding conditions are defined in this range is that the nitrided layer is not formed when the processing time is less than 1 [minute], and conversely, the manufacturing cost increases when the processing time exceeds 60 [minute]. It is. Furthermore, the reason why the gas mixture ratio is defined within this range is that a nitride layer cannot be formed when the nitrogen ratio in the gas decreases, and conversely, hydrogen that acts as a reducing agent when the nitrogen ratio increases. This is because the amount is reduced and the surface of the base material is oxidized. By performing plasma nitriding under such processing conditions, a nitride layer having an M 4 N type crystal structure can be formed on the substrate surface.

このように、本発明の実施の形態に係る燃料電池用フレーム部材の製造方法によれば、簡便な操作により、酸化性環境下での低抵触抵抗値を維持し、耐食性に優れ、かつ低コスト化を実現した燃料電池用フレーム部材90を製造することが可能となる。   As described above, according to the method for manufacturing the fuel cell frame member according to the embodiment of the present invention, the low resistance value in the oxidizing environment is maintained, the corrosion resistance is excellent, and the cost is low by a simple operation. Thus, it becomes possible to manufacture the fuel cell frame member 90 that has been realized.

(燃料電池車両)
本発明の実施の形態に係る燃料電池車両の一例として、前述した本発明の実施の形態に係る燃料電池スタックを動力源とした燃料電池電気自動車を挙げて説明する。
(Fuel cell vehicle)
As an example of the fuel cell vehicle according to the embodiment of the present invention, a fuel cell electric vehicle using the fuel cell stack according to the embodiment of the present invention as a power source will be described.

図11は、燃料電池スタックを搭載した燃料電池電気自動車の外観を示す図であり、本図のうち(a)は燃料電池電気自動車の側面図、(b)は燃料電池電気自動車の平面図である。   FIG. 11 is a diagram showing the appearance of a fuel cell electric vehicle equipped with a fuel cell stack, in which (a) is a side view of the fuel cell electric vehicle and (b) is a plan view of the fuel cell electric vehicle. is there.

図11(b)に示すように、車体51の前方には、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。図11(a)及び(b)に示す燃料電池電気自動車50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。   As shown in FIG. 11 (b), in front of the vehicle body 51, in addition to the left and right front side members and the hood ridge, a dash lower member for connecting the left and right hood ridges including the front side member to each other is combined and welded. A joined engine compartment 52 is formed. In the fuel cell electric vehicle 50 shown in FIGS. 11 (a) and 11 (b), the fuel cell stack 1 is mounted in the engine compartment 52.

本発明の実施の形態に係る燃料電池用フレーム部材90を適用した発電効率の高い燃料電池スタック1を自動車等の移動体車両に搭載することにより、燃料電池電気自動車50の燃費向上を図ることができる。また、小型化した軽量の燃料電池スタック1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、小型化した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高めることができる。   By mounting the fuel cell stack 1 with high power generation efficiency to which the fuel cell frame member 90 according to the embodiment of the present invention is applied to a mobile vehicle such as an automobile, the fuel efficiency of the fuel cell electric vehicle 50 can be improved. it can. In addition, by mounting the miniaturized lightweight fuel cell stack 1 on the vehicle, the vehicle weight can be reduced to save fuel, and the travel distance can be increased. Furthermore, by mounting a miniaturized fuel cell on a mobile vehicle or the like, the vehicle interior space can be used more widely, and the degree of freedom in styling can be increased.

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。   In addition, although the electric vehicle was mentioned as an example of a fuel cell vehicle, this invention is not limited to vehicles, such as an electric vehicle, It can apply also to the aircraft and other engines in which electric energy is requested | required. .

以下、本発明の実施の形態に係る燃料電池用フレーム部材90の実施例1〜実施例6及び比較例1〜比較例5について説明する。これらの実施例は、本発明に係る燃料電池用フレーム部材90の有効性を調べたもので、異なる原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。   Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 5 of the fuel cell frame member 90 according to the embodiment of the present invention will be described below. In these examples, the effectiveness of the fuel cell frame member 90 according to the present invention was examined. Each sample was prepared by treating different raw materials under different conditions. It is not limited to.

<試料の調製>
各実施例及び比較例では、表1に示すように、基材として、板厚0.1[mm]の、JIS規格のオーステナイト系ステンレス鋼(SUS304、SUS316、SUS316L、SUS310)、のそれぞれの光輝焼鈍(BA)材を用いた。これらの基材を脱脂洗浄後、両面にプラズマ窒化処理(直流電流グロー放電によるプラズマ窒化処理)を施した。この表1に示すように、プラズマ窒化条件は、処理温度350〜550[℃]、処理時間10〜60[分]、ガス混合比を実施例1〜6ではN:H=3:7〜7:3とし、処理圧力3〜7[Torr](=399〜931[Pa])とした。
<Preparation of sample>
In each of Examples and Comparative Examples, as shown in Table 1, the brightness of each JIS standard austenitic stainless steel (SUS304, SUS316, SUS316L, SUS310) having a thickness of 0.1 [mm] as a base material is shown. An annealed (BA) material was used. After these substrates were degreased and cleaned, plasma nitriding treatment (plasma nitriding treatment by direct current glow discharge) was performed on both surfaces. As shown in Table 1, the plasma nitriding conditions are as follows: the processing temperature is 350 to 550 [° C.], the processing time is 10 to 60 [min], and the gas mixing ratio is N 2 : H 2 = 3: 7 in Examples 1 to 6. To 7: 3, and a processing pressure of 3 to 7 [Torr] (= 399 to 931 [Pa]).

ここで、各試料は、以下の方法によって評価された。   Here, each sample was evaluated by the following method.

<窒化層の結晶構造の同定>
前記方法によって得られた試料の窒化層の結晶構造の同定は、窒化処理を施すことによって改質した基材表面をX線回折測定を行うことにより同定した。装置は、マックサイエンス社製 X線回折装置(XRD)を用いた。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。
<Identification of crystal structure of nitride layer>
The crystal structure of the nitride layer of the sample obtained by the above method was identified by performing X-ray diffraction measurement on the base material surface modified by nitriding treatment. The apparatus used was an X-ray diffractometer (XRD) manufactured by Mac Science. The measurement was performed under the conditions of a CuKα ray as a radiation source, a diffraction angle of 20 to 100 [°], and a scanning speed of 2 [° / min].

<窒化層の厚さの測定>
窒化層の厚さは、光学顕微鏡または走査型電子顕微鏡を用いて断面観察することにより測定した。
<Measurement of nitride layer thickness>
The thickness of the nitride layer was measured by observing a cross section using an optical microscope or a scanning electron microscope.

<Feに対するCr原子比の測定及び極表面の窒素量及び酸素量の測定>
窒化層のFeに対するCr原子比の測定は、X線電子分光分析(XPS)により窒化層のFe濃度及びCr濃度を測定して求めた。また、窒化層極表面の窒素量及び酸素量をXPSを用いて測定し、測定結果より酸素量に対する窒素量の比O/Nを求めた。装置は、PHI社製 光電子分光分析装置Quantum-2000を用いた。測定は、線源としてMonochromated-Al-kα線(電圧1486.6[eV]、20.0[W])、光電子取り出し角度45[゜]、測定深さ約4[nm]、測定エリアφ200[μm]にてX線を試料に照射することにより行った。
<Measurement of Cr atomic ratio to Fe and measurement of nitrogen amount and oxygen amount on the surface>
The measurement of the Cr atomic ratio with respect to Fe of the nitrided layer was obtained by measuring the Fe concentration and Cr concentration of the nitrided layer by X-ray electron spectroscopy (XPS). Further, the amount of nitrogen and the amount of oxygen on the surface of the nitrided layer were measured using XPS, and the ratio O / N of the amount of nitrogen to the amount of oxygen was determined from the measurement results. The apparatus used was a photoelectron spectrometer Quantum-2000 manufactured by PHI. Measurement is performed using a Monochromated-Al-kα ray (voltage 1486.6 [eV], 20.0 [W]) as a radiation source, a photoelectron extraction angle of 45 [°], a measurement depth of about 4 [nm], and a measurement area φ200 [ The sample was irradiated with X-rays at [μm].

<窒化層の最表面から10[nm]及び100[nm]深さにおける窒素量及び酸素量の測定>
窒化層の最表面から10[nm]及び100[nm]深さにおける窒素量及び酸素量の測定は、走査型オージェ電子分光分析装置によって行った。装置は、PHI社製 MODEL4300を用いた。測定は、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](SiO換算値)の条件で行った。
<Measurement of Nitrogen Content and Oxygen Content at 10 [nm] and 100 [nm] Depth from the Top Surface of Nitride Layer>
Measurements of nitrogen and oxygen at depths of 10 nm and 100 nm from the outermost surface of the nitride layer were performed using a scanning Auger electron spectrometer. The apparatus used was MODEL4300 manufactured by PHI. The measurement is performed under the conditions of an electron beam acceleration voltage of 5 [kV], a measurement area of 20 [μm] × 16 [μm], an ion gun acceleration voltage of 3 [kV], and a sputtering rate of 10 [nm / min] (SiO 2 conversion value). went.

<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、固体高分子用電解質膜97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97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溶液中に溶け出す金属イオン量を蛍光X線分析により測定し、イオン溶出量の値から耐食性の低下の度合いを評価した。
<Evaluation of corrosion resistance>
In the fuel cell, a potential of about 1 [Vvs SHE] is applied to the oxygen electrode side in comparison with the hydrogen electrode side. In addition, the electrolyte membrane 97 for solid polymer uses proton conductivity by saturating the polymer electrolyte membrane 97 having proton exchange groups such as sulfonic acid groups in the molecule, and exhibits strong acidity. For this reason, the corrosion resistance is evaluated using a constant potential electrolysis test that is an electrochemical technique, and the amount of metal ions that dissolve in the solution after being held for a certain period of time with a predetermined constant potential applied by fluorescent X-ray analysis. The degree of reduction in corrosion resistance was evaluated from the value of the ion elution amount.

具体的には、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。その後、硫酸水溶液中に溶け出したFe、Cr、Niのイオン溶出量を蛍光X線分析により測定した。   Specifically, a sample obtained by cutting out the central portion of each sample into a size of 30 [mm] × 30 [mm] in a sulfuric acid aqueous solution of pH 2 at a temperature of 80 [° C.] and a potential of 1 [V vs SHE] for 100 [hours] Retained. Thereafter, the elution amounts of Fe, Cr, and Ni dissolved in the sulfuric acid aqueous solution were measured by fluorescent X-ray analysis.

窒化層の結晶構造、窒化層の厚さ、窒化層の極表面の窒素量及び酸素量、酸素量に対する窒素量の比O/N、窒化層の最表面から10[nm]及び100[nm]深さにおける窒素量及び酸素量、接触抵抗値及びイオン溶出量を表2に示す。
The crystal structure of the nitride layer, the thickness of the nitride layer, the amount of nitrogen and oxygen on the extreme surface of the nitride layer, the ratio of the amount of nitrogen to the amount of oxygen O / N, 10 [nm] and 100 [nm] from the outermost surface of the nitride layer Table 2 shows the amounts of nitrogen and oxygen at the depth, contact resistance values, and ion elution amounts.

さらに、図12に、前記実施例1及び比較例1により得られた試料のX線解析パターンを示す。   Furthermore, the X-ray analysis pattern of the sample obtained by the said Example 1 and the comparative example 1 is shown in FIG.

比較例1では、基材であるオーステナイト由来のピークのみが明確に観測されたのに対し、実施例1では、図中γで示す基材であるオーステナイト由来のピークの他には、前記MN型の結晶構造を示すS1〜S5のピークが観測された。ここで、Mは、Feを主体としており、Feの他にはCr、Ni、Moの合金を含む。なお、図10(a)に示す断面組織より窒化層の厚さを観測すると、実施例1においては表面に5[μm]程度の窒化層が形成されていた。このように、表面はMN型の結晶構造をもつ窒化層に覆われているにもかかわらず、X線回折ピークは基材であるオーステナイト由来のピークも観測されている。これは、本測定条件によるX線の基材への入射深さが10[μm]程度であることから、基材を検出していると判断した。なお、実施例2〜実施例6では、実施例1と同様に基材であるオーステナイト由来のピークの他に前記MN型の結晶構造のピークが観測された。 In Comparative Example 1, only the peak derived from the austenite which is the base material was clearly observed, whereas in Example 1, in addition to the peak derived from the austenite which is the base material indicated by γ in the figure, the above M 4 S1-S5 peaks showing an N-type crystal structure were observed. Here, M is mainly composed of Fe, and includes an alloy of Cr, Ni, and Mo in addition to Fe. When the thickness of the nitride layer was observed from the cross-sectional structure shown in FIG. 10A, a nitride layer of about 5 [μm] was formed on the surface in Example 1. As described above, although the surface is covered with the nitride layer having the M 4 N type crystal structure, the X-ray diffraction peak is also derived from the austenite base material. This was determined that the base material was detected because the incident depth of X-rays on the base material under this measurement condition was about 10 [μm]. In Examples 2 to 6, the peak of the M 4 N type crystal structure was observed in addition to the peak derived from the austenite as the base material, as in Example 1.

また、比較例2及び比較例3では、比較例1と同様に窒化層が形成されていないため、基材であるオーステナイト由来のピークのみが観測された。また、比較例4では、CrNとγ’相を示すピークが観測された。なお、γ’相は、CrがNと結合してCrNなどのCr系窒化化合物を形成するために、基材のCr濃度が低下することによってFe原子が面心立方格子を作る。そして、γ’相はこの格子の単位胞中心の八面体空隙に窒素原子が侵入した結晶構造、すなわち八面体空隙の1/4に窒素原子が配置されたFeN型の結晶構造であり、Feの他にCrやNiの合金を含まない。このように、処理温度が500[℃]を越えた場合には、NaCl型の結晶構造を有するCrNなどのCr系窒化化合物が形成することがわかった。 In Comparative Example 2 and Comparative Example 3, since no nitrided layer was formed as in Comparative Example 1, only the peak derived from the austenite base material was observed. In Comparative Example 4, peaks indicating CrN and γ ′ phases were observed. In the γ ′ phase, Cr combines with N to form a Cr-based nitride compound such as CrN, so that Fe atoms form a face-centered cubic lattice by decreasing the Cr concentration of the base material. The γ ′ phase is a crystal structure in which nitrogen atoms have entered the octahedral voids at the center of the unit cell of this lattice, that is, a Fe 4 N type crystal structure in which nitrogen atoms are arranged in 1/4 of the octahedral voids, It contains no Cr or Ni alloy in addition to Fe. Thus, it has been found that when the processing temperature exceeds 500 [° C.], a Cr-based nitride compound such as CrN having a NaCl-type crystal structure is formed.

次に、実施例1で得られた試料の倍率400倍による断面組織写真を図13(a)に、比較例1で得られた試料の断面組織写真を図13(b)に示す。図13(a)では、基材71の両表面に窒化層72が形成されているが、図13(b)では、基材73の表面には窒化層などの改質層が形成されていないことがわかる。   Next, a cross-sectional structure photograph of the sample obtained in Example 1 at a magnification of 400 is shown in FIG. 13 (a), and a cross-sectional structure photograph of the sample obtained in Comparative Example 1 is shown in FIG. 13 (b). In FIG. 13A, nitride layers 72 are formed on both surfaces of the substrate 71, but in FIG. 13B, a modified layer such as a nitride layer is not formed on the surface of the substrate 73. I understand that.

次に、図14に実施例1により得られた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。   Next, FIG. 14 shows an element profile in the depth direction of the sample obtained in Example 1 by scanning Auger electron spectroscopy analysis.

図14に示すように、窒化層の最表面では窒化処理中に若干の酸素分圧が存在するために酸化膜が存在し、その酸化膜の厚さを電子が自由に行き来できるため酸素量が一番高い。しかし、電子が自由に行き来できる範囲は最表面から3〜4[nm]の深さであるため、徐々に酸素量は低くなり窒素量が増えた。また、窒化層の最表面から10[nm]深さにおいて、窒素量が18[at%]であり酸素量が22[at%]であった。そして、窒化層の最表面から100[nm]深さにおいて、窒素量が17[at%]であり酸素量が17[at%]であった。なお、スパッター深さ50[nm]あたりから、基材の成分であるFeの割合が高くなった。   As shown in FIG. 14, an oxide film exists on the outermost surface of the nitride layer because there is a slight partial pressure of oxygen during the nitridation process, and the amount of oxygen is reduced because electrons can freely move back and forth through the thickness of the oxide film. The highest. However, since the range in which electrons can freely travel is 3 to 4 [nm] from the outermost surface, the amount of oxygen gradually decreased and the amount of nitrogen increased. Further, at a depth of 10 nm from the outermost surface of the nitride layer, the nitrogen content was 18 [at%] and the oxygen content was 22 [at%]. The nitrogen content was 17 [at%] and the oxygen content was 17 [at%] at a depth of 100 [nm] from the outermost surface of the nitride layer. Note that the ratio of Fe, which is a component of the base material, increased from around the sputtering depth of 50 [nm].

以上の測定結果より、実施例1〜実施例6は、比較例1〜比較例5に対しいずれの実施例においても立方晶の結晶構造である、Fe、Cr、Ni、Moの群から選ばれる少なくとも一種以上の遷移金属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MN型の結晶構造を有する窒化層とすることで、イオン溶出量も少なく、耐食性に優れる。 From the above measurement results, Examples 1 to 6 are selected from the group of Fe, Cr, Ni, and Mo, which are the crystal structures of the cubic crystals in any of the Examples compared to Comparative Examples 1 to 5. By using a nitride layer having an M 4 N-type crystal structure in which nitrogen atoms are arranged in the octahedral voids in the center of the unit cell of the face-centered cubic lattice formed of at least one transition metal atom, the ion elution amount is also reduced. Less corrosion resistance.

なお、本実施例においては、基材としてオーステナイト系ステンレス鋼を用いたが、これに限定されるものではなく、フェライト系もしくはマルテンサイト系ステンレス鋼を用いても、また、窒化処理としてプラズマ窒化処理を実施しているが、ガス窒化処理によっても同様の効果が得られる。   In this example, austenitic stainless steel was used as the base material, but the present invention is not limited to this. Even if ferritic or martensitic stainless steel is used, plasma nitriding treatment is also used as nitriding treatment. However, the same effect can be obtained by gas nitriding.

以上の測定結果より、実施例1〜実施例6は比較例1〜比較例5に対しいずれの実施例においても、本実施形態によるフレーム部材90は、遷移金属又は遷移金属の合金からなる基材から形成されて基層101の直接上に形成された立方晶の結晶構造を有する窒化層102を備えることにより、高い耐食性を備えることが判明した。   From the above measurement results, Examples 1 to 6 are comparative examples 1 to 5 in any example. The frame member 90 according to this embodiment is a base material made of a transition metal or an alloy of transition metals. It was found that the nitride layer 102 having a cubic crystal structure formed directly on the base layer 101 is provided with high corrosion resistance.

本発明の実施の形態に係るフレーム部材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。It is a perspective view which shows the external appearance of the fuel cell stack comprised using the frame member which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係るフレーム部材を用いて構成する燃料電池スタックの分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of the fuel cell stack comprised using the frame member which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係るフレーム部材の斜視図である。It is a perspective view of the frame member concerning an embodiment of the invention. 本発明の実施の形態に係る膜電極接合体の平面図である。It is a top view of the membrane electrode assembly which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る膜電極接合体及びフレーム部材の概念的な断面図である。It is a conceptual sectional view of a membrane electrode assembly and a frame member concerning an embodiment of the invention. 図3のA−A線による拡大断面図である。It is an expanded sectional view by the AA line of FIG. 比較例に係る膜電極接合体及びフレーム部材の概念的な断面図である。It is a conceptual sectional view of a membrane electrode assembly and a frame member concerning a comparative example. 本図のうち、(a)は別の比較例に係る膜電極接合体及びフレーム部材の概念的な断面図、(b)は組付前の状態におけるフレーム部材の断面図、(c)は組付後のフレーム部材の断面図である。Among these drawings, (a) is a conceptual cross-sectional view of a membrane electrode assembly and a frame member according to another comparative example, (b) is a cross-sectional view of the frame member in a state before assembly, and (c) is a set. It is sectional drawing of the frame member after attachment. 本発明の実施の形態に係る中間板の窒化層中に含まれるMN型結晶構造を示す概略図である。The M 4 N type crystal structure of the nitride layer of the intermediate plate according to an embodiment of the present invention is a schematic diagram showing. 本発明の実施の形態に係るフレーム部材の製造方法に用いる窒化処理装置を概念的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows notionally the nitriding apparatus used for the manufacturing method of the frame member which concerns on embodiment of this invention. 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斜視図であり、(a)は電気自動車の側面図、(b)は電気自動車の平面図である。It is a perspective view which shows the external appearance of the electric vehicle carrying the fuel cell stack which concerns on embodiment of this invention, (a) is a side view of an electric vehicle, (b) is a top view of an electric vehicle. 実施例1及び比較例1により得られた試料のX線回折パターンを示す図である。It is a figure which shows the X-ray-diffraction pattern of the sample obtained by Example 1 and Comparative Example 1. 本図のうち、(a)は実施例1により得られた試料の断面組織写真、(b)は比較例1により得られた試料の断面組織写真である。In this figure, (a) is a cross-sectional structure photograph of the sample obtained in Example 1, and (b) is a cross-sectional structure photograph of the sample obtained in Comparative Example 1. 実施例1により得られた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。It is a figure which shows the element profile of the depth direction by the scanning Auger electron spectroscopy analysis of the sample obtained by Example 1. FIG. 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。It is sectional drawing which shows the structure of the single cell which forms a fuel cell stack.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池スタック
20 MN型結晶構造
21 遷移金属原子
22 窒素原子
90 フレーム部材
92 当接面
96 膜電極接合体
97 電解質膜
102 窒化層
103 触媒層
104 ガス拡散層
105 周縁部
107 基材

1 the fuel cell stack 20 M 4 N type crystal structure 21 transition metal atom 22 nitrogen atoms 90 frame member 92 abutment surfaces 96 membrane electrode assembly 97 electrolyte membrane 102 nitride layer 103 catalyst layer 104 the gas diffusion layer 105 periphery 107 Substrate

Claims (9)

電解質膜の略中央部に触媒層を介してガス拡散層を設けた膜電極接合体と、これらの触媒層及びガス拡散層の周囲を囲むように、前記膜電極接合体の周縁部に当接した状態で取り付けたフレーム部材と、を備えた燃料電池スタックであって、
前記フレーム部材は、立方晶の結晶構造を有する窒化層を外表面に形成した、遷移金属又は遷移金属の合金からなる基材から構成したことを特徴とする燃料電池スタック。
A membrane electrode assembly in which a gas diffusion layer is provided at a substantially central portion of the electrolyte membrane via a catalyst layer, and a peripheral portion of the membrane electrode assembly so as to surround the catalyst layer and the gas diffusion layer A fuel cell stack provided with a frame member attached in the state,
The fuel cell stack according to claim 1, wherein the frame member is made of a base material made of a transition metal or an alloy of a transition metal and having a nitride layer having a cubic crystal structure formed on the outer surface.
前記膜電極接合体の周縁部に当接する前記フレーム部材の当接面における窒化層の厚さを、前記当接面の裏面に設けた窒化層よりも厚く形成したことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池スタック。   The nitride layer on the contact surface of the frame member that contacts the peripheral edge of the membrane electrode assembly is formed thicker than the nitride layer provided on the back surface of the contact surface. The fuel cell stack described in 1. 前記窒化層は、Fe、Cr、Ni及びMoの群から選ばれる少なくとも一種以上の遷移金属元素を含む合金からなる基材の外表面を窒化処理することにより得られ、
前記基材の外表面から深さ方向に立方晶の結晶構造を有する窒化層が形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池スタック。
The nitride layer is obtained by nitriding an outer surface of a base material made of an alloy containing at least one transition metal element selected from the group consisting of Fe, Cr, Ni and Mo,
3. The fuel cell stack according to claim 1, wherein a nitride layer having a cubic crystal structure is formed in a depth direction from an outer surface of the base material.
前記窒化層の立方晶の結晶構造は、Fe、Cr、Ni及びMoの群から選ばれる少なくとも一種以上の遷移金属元素の金属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MN型の結晶構造であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池スタック。 The cubic crystal structure of the nitride layer is an octahedral void at the center of a unit cell of a face-centered cubic lattice formed by metal atoms of at least one transition metal element selected from the group of Fe, Cr, Ni, and Mo. the fuel cell stack according to claim 1, wherein the nitrogen atom is the crystal structure of the deployed M 4 N type. 前記窒化層の厚さは、0.5〜5[μm]であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池スタック。   5. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the nitride layer has a thickness of 0.5 to 5 μm. 前記窒化層の最表面から10[nm]深さにおいて、窒素量が15[at%]以上かつ酸素量が26[at%]以下であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池スタック。   The nitrogen content is 15 [at%] or more and the oxygen content is 26 [at%] or less at a depth of 10 [nm] from the outermost surface of the nitride layer. The fuel cell stack according to item. 前記窒化層の最表面から100[nm]〜200[nm]深さにおいて、窒素量が16[at%]以上かつ酸素量が21[at%]以下であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の燃料電池スタック。   The nitrogen content is 16 [at%] or more and the oxygen content is 21 [at%] or less at a depth of 100 [nm] to 200 [nm] from the outermost surface of the nitride layer. The fuel cell stack according to any one of 6. 遷移金属又は遷移金属の合金からなる基材に500[℃]以下の温度でプラズマ窒化処理を施すことにより、前記基材の外表面に窒化層を形成する燃料電池用フレーム部材の製造方法であって、
前記窒化層は、Fe、Cr、Ni及びMoの中から選択される少なくとも一種以上の遷移金属元素の金属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MN型の結晶構造を有することを特徴とする燃料電池用フレーム部材の製造方法。
A method for producing a frame member for a fuel cell, in which a nitride layer is formed on the outer surface of a base material by subjecting the base material made of a transition metal or a transition metal alloy to a plasma nitriding treatment at a temperature of 500 ° C. or lower. And
In the nitride layer, nitrogen atoms are arranged in octahedral voids in the center of a unit cell of a face-centered cubic lattice formed of metal atoms of at least one transition metal element selected from Fe, Cr, Ni, and Mo. A method for manufacturing a fuel cell frame member, characterized by having an M 4 N type crystal structure.
前記プラズマ窒化処理は、窒素ガス及び水素ガスを放電させた低温非平衡プラズマ中で、前記基材にマイナスのバイアス電圧をかけることにより行うことを特徴とする請求項8に記載の燃料電池用フレーム部材の製造方法。

9. The fuel cell frame according to claim 8, wherein the plasma nitriding treatment is performed by applying a negative bias voltage to the base material in a low-temperature non-equilibrium plasma in which nitrogen gas and hydrogen gas are discharged. Manufacturing method of member.

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