JP2005285465A - Separator for fuel cell, fuel cell stack, fuel cell vehicle, and manufacturing method of separator for fuel cell - Google Patents

Separator for fuel cell, fuel cell stack, fuel cell vehicle, and manufacturing method of separator for fuel cell Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a separator for a fuel cell which has low contact resistance generated between the separator and an electrode, excellent corrosion resistance, and a low cost, and to provide a fuel cell stack, and a fuel cell vehicle carrying it. <P>SOLUTION: A nitride compound layer 12 is formed on the surface of the base material 11 of the separator for the fuel cell, and a carbon particle layer 13 is also formed on this nitride compound layer 12. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

この発明は、燃料電池用セパレータ、燃料電池スタック、燃料電池車両、及び燃料電池用セパレータの製造方法に関し、特にステンレス鋼を用いて形成した固体高分子電解質型の燃料電池用セパレータに関する。   The present invention relates to a fuel cell separator, a fuel cell stack, a fuel cell vehicle, and a method for manufacturing a fuel cell separator, and more particularly to a solid polymer electrolyte fuel cell separator 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。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、騒音がほとんど発生せず、さら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。   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. Since this fuel cell does not require the use of fossil fuels that have a problem of resource depletion, it does not generate exhaust gas or the like. In addition, it has excellent features such that little noise is generated and that the energy recovery efficiency can be higher than that of 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高分子電解質膜を使用しており、高分子電解質膜を飽和に含水させるとプロトン伝導性電解質として機能することを利用した電池である。固体高分子電解質型燃料電池は比較的低温で作動し、かつ発電効率が高い。さらには、固体高分子電解質型燃料電池は他の付帯設備と共に小型で軽量であるため、電気自動車搭載用を始めとする各種の用途が見込まれている。   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 polymer electrolyte membrane having a proton exchange group in the molecule as an electrolyte, and saturates the polymer electrolyte membrane. It is a battery that utilizes the function as a proton conductive electrolyte when it is hydrated. 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 lightweight together with other ancillary facilities, various applications including those for mounting on an electric vehicle are expected.

上記固体高分子電解質型燃料電池は燃料電池スタックを有する。燃料電池スタックは、電気化学反応により発電を行う基本単位となる単セルを複数個積層して両端部をエンドフランジで挟み、締結ボルトにより加圧保持されて一体に構成される。単セルは、高分子電解質膜とその両側に接合されるアノード（水素極）とカソード（酸素極）より構成される。   The solid polymer electrolyte fuel cell has a fuel cell stack. The 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 end portions with 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) joined to both sides thereof.

図９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９に示すように、単セル４０は、固体高分子電解質膜４１の両側に酸素極４２及び水素極４３を接合して一体化した膜電極接合体を有する。酸素極４２及び水素極４３は、反応膜４４及びガス拡散層４５（ＧＤＬ:ｇａｓ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｌａｙｅｒ）を備えた２層構造であり、反応膜４４は固体高分子電解質膜４１に接触している。酸素極４２及び水素極４３の両側には、積層のために酸素極側セパレータ４６及び水素極側セパレータ４７が各々設置されている。そして、酸素極側セパレータ４６及び水素極側セパレータ４７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. 9 is a cross-sectional view showing the configuration of a single cell forming the fuel cell stack. As shown in FIG. 9, the single cell 40 has a membrane electrode assembly in which an oxygen electrode 42 and a hydrogen electrode 43 are integrated on both sides of a solid polymer electrolyte membrane 41. The oxygen electrode 42 and the hydrogen electrode 43 have a two-layer structure including a reaction film 44 and a gas diffusion layer 45 (GDL: gas diffusion layer), and the reaction film 44 is in contact with the solid polymer electrolyte film 41. On both sides of the oxygen electrode 42 and the hydrogen electrode 43, an oxygen electrode side separator 46 and a hydrogen electrode side separator 47 are respectively installed for lamination. The oxygen electrode side separator 46 and the hydrogen electrode side separator 47 form an oxygen gas channel, a hydrogen gas channel, and a cooling water channel.

上記構成の単セル４０は、固体高分子電解質膜４１の両側に酸素極４２、水素極４３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４６、４７を配置して製造する。上記単セル４０から構成される燃料電池では、水素極４３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４２側に空気及び水蒸気を供給すると、主に、固体高分子電解質膜４１と反応膜４４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 40 having the above-described configuration, the oxygen electrode 42 and the hydrogen electrode 43 are disposed on both sides of the solid polymer electrolyte membrane 41, and are usually joined together by a hot press method to form a membrane electrode assembly. It manufactures by arrange | positioning the separators 46 and 47 on both sides of a membrane electrode assembly. In the fuel cell composed of the single cell 40, when a mixed gas of hydrogen, carbon dioxide, nitrogen, and water vapor is supplied to the hydrogen electrode 43 side and air and water vapor are supplied to the oxygen electrode 42 side, An electrochemical reaction occurs at the contact surface between the molecular electrolyte membrane 41 and the reaction membrane 44. Hereinafter, a more specific reaction will be described.

上記構成の単セル４０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４５を介して反応膜４４側に供給され、各反応膜４４において以下に示す反応が起こる。   In the single cell 40 configured as described above, when oxygen gas and hydrogen gas are respectively supplied to the oxygen gas flow channel and the hydrogen gas flow channel, the oxygen gas and hydrogen gas are supplied to the reaction film 44 side through the gas diffusion layers 45. Then, the following reactions occur in each reaction film 44.

（化１）
水素極側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- ・・・式（１）
酸素極側：(１／２)Ｏ2＋２Ｈ+ ＋ ２ｅ-→Ｈ2Ｏ ・・・式（２）
水素極４３側に水素ガスが供給されると、式（１）の反応が進行して、Ｈ+ とｅ-とが生成する。Ｈ+は、水和状態で固体高分子電解質膜４１内を移動して酸素極４２側に流れ、ｅ- は負荷４８を通って水素極４３から酸素極４２に流れる。酸素極４２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。 (Chemical formula 1)
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 43 side, the reaction of the formula (1) proceeds and H + and e − are generated. H + moves in the solid polymer electrolyte membrane 41 in a hydrated state and flows to the oxygen electrode 42 side, and e − flows from the hydrogen electrode 43 to the oxygen electrode 42 through the load 48. On the oxygen electrode 42 side, the reaction of Formula (2) proceeds by H + , e −, and the supplied oxygen gas, and electric power is generated.

上述したように、燃料電池スタックに使用される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、電気伝導性が良好であり、かつ、ガス拡散層等の構成材料との接触抵抗が低いことが要求される。また、燃料電池に供給される各ガスの温度は８０〜９０[℃]と高温にあり、上記したようにＨ+が生じる水素極及び酸素や空気等が通過する酸素極は、酸性度がｐＨ２〜３の酸性雰囲気にある。このため、燃料電池用セパレータには、酸素極及び水素極と共に強酸性雰囲気に耐え得る耐食性が要求される。 As described above, since the separator for a fuel cell used in the fuel cell stack has a function of electrically connecting each single cell, the electrical conductivity is good, and a constituent material such as a gas diffusion layer is used. The contact resistance is required to be low. The temperature of each gas supplied to the fuel cell is as high as 80 to 90 [° C.]. As described above, the hydrogen electrode where H + is generated and the oxygen electrode through which oxygen or air passes have an acidity of pH 2. In an acidic atmosphere of ~ 3. For this reason, the fuel cell separator is required to have corrosion resistance that can withstand a strongly acidic atmosphere together with the oxygen electrode and the hydrogen electrode.

そこで、燃料電池用セパレータには、電気伝導性が良好であると共に耐食性を有するステンレス鋼を使用することが考えられている。ステンレス鋼は、表面緻密な不動態皮膜、すなわちＣｒ酸化物（ＣｒＯ・ＯＨ・ｎＨ2Ｏ、Ｃｒ２Ｏ３・ｘＨ2Ｏ）が形成されているため、優れた耐食性を有する。 Therefore, it is considered to use stainless steel having good electrical conductivity and corrosion resistance for the fuel cell separator. Stainless steel has excellent corrosion resistance because it has a dense surface passive film, ie, Cr oxide (CrO.OH.nH 2 O, Cr 2 O 3 .xH 2 O).

しかし、この不動態皮膜は、通常ガス拡散層として用いられるカーボンペーパとの間に接触抵抗を生ずる。燃料電池内の抵抗分極による過電圧は、定置型用途では、コージェネレーション等により排熱を回収し、トータルとしての熱効率の向上が期待できる。しかし、自動車用用途では、接触抵抗に基づく発熱ロスは冷却水を通してラジエータより外部へ捨てるしかないため、接触抵抗が大きいと効率低下につながる。また、この効率低下は発熱が大きくなることと等価であるため、より大きな冷却系を装備する必要も出てくる。このように接触抵抗の低下は解決すべき重要な課題である。   However, this passive film produces contact resistance with the carbon paper normally used as a gas diffusion layer. The overvoltage caused by resistance polarization in the fuel cell can be expected to improve the total thermal efficiency by recovering exhaust heat by cogeneration in stationary applications. However, in automobile applications, heat loss due to contact resistance can only be thrown out of the radiator through the cooling water. Moreover, since this reduction in efficiency is equivalent to an increase in heat generation, it is necessary to equip a larger cooling system. Thus, the reduction of contact resistance is an important problem to be solved.

そこで、ステンレス鋼をプレス成形して形成した燃料電池用セパレータのうち、電極と接触する面に直接金メッキ層を形成させた燃料電池用セパレータが提案されている（特許文献１参照）。また、ステンレス鋼を燃料電池用セパレータに加工した後、他の部材と接触して接触抵抗を生ずる面の不動態皮膜を除去して貴金属又は貴金属合金を付着させた燃料電池用セパレータが提案されている（特許文献２参照）。
特開平１０−２２８９１４号公報（第２頁、第２図） 特開２００１−６７１３号公報（第２頁） Therefore, among fuel cell separators formed by press-molding stainless steel, a fuel cell separator in which a gold plating layer is directly formed on a surface in contact with an electrode has been proposed (see Patent Document 1). In addition, a fuel cell separator is proposed in which after the stainless steel is processed into a fuel cell separator, the passive film on the surface that comes into contact with other members to generate contact resistance is removed and a noble metal or noble metal alloy is adhered. (See Patent Document 2).
Japanese Patent Laid-Open No. 10-228914 (2nd page, FIG. 2) JP 2001-6713 A (page 2)

しかしながら、貴金属を燃料電池用セパレータ表面にコーティングさせると素材コストがかかるためコストの増加につながる。   However, if the surface of the fuel cell separator is coated with a noble metal, the material cost increases, leading to an increase in cost.

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、第１の発明である燃料電池用セパレータは、ステンレス鋼を基材として用いている燃料電池用セパレータであって、基材表面に窒化化合物層が形成され、さらに、窒化化合物層の上にカーボン粒子層が形成されていることを要旨とする。   The present invention has been made to solve the above problems, and a fuel cell separator according to a first aspect of the present invention is a fuel cell separator using stainless steel as a base material. The gist is that a nitride compound layer is formed and a carbon particle layer is formed on the nitride compound layer.

また、第２の発明である燃料電池用セパレータの製造方法は、ステンレス鋼からなる基材表面に窒化処理を施して基材表面に窒化化合物層を形成する第一の工程と、基材に浸炭処理を施して窒化化合物層の上にカーボン粒子層を形成する第二の工程と、を備えることを要旨とする。   In addition, a method for manufacturing a fuel cell separator according to a second aspect of the invention includes a first step of nitriding a substrate surface made of stainless steel to form a nitride compound layer on the substrate surface, and carburizing the substrate. And a second step of forming a carbon particle layer on the nitride compound layer by performing a treatment.

さらに、第３の発明である燃料電池スタックは、上記第１の発明である燃料電池用セパレータを用いたことを要旨とする。   Furthermore, the fuel cell stack according to the third aspect of the present invention uses the fuel cell separator according to the first aspect of the present invention.

また、第４の発明である燃料電池車輌は、上記第３の発明である燃料電池スタックを搭載し、これを動力源として用いたことを要旨とする。   The gist of the fuel cell vehicle according to the fourth invention is that the fuel cell stack according to the third invention is mounted and used as a power source.

第１の発明によれば、セパレータと電極間で発生する接触抵抗が低く、耐食性に優れており、さらに電気伝導性に優れ、低コストの燃料電池用セパレータを提供することができる。   According to the first invention, it is possible to provide a low-cost fuel cell separator that has low contact resistance generated between the separator and the electrode, excellent corrosion resistance, and excellent electrical conductivity.

第２の発明によれば、簡便な操作により高性能の燃料電池用セパレータを製造することが可能となる。   According to the second invention, a high-performance fuel cell separator can be manufactured by a simple operation.

第３の発明によれば、高性能で、かつ小型化及び低コスト化した燃料電池スタックを提供することができる。   According to the third aspect of the present invention, it is possible to provide a fuel cell stack that has high performance and is reduced in size and cost.

第４の発明によれば、小型化した燃料電池スタックを搭載することにより、走行距離の長距離化を実現できると共にスタイリングの自由度を確保することができる。   According to the fourth aspect of the present invention, by mounting the miniaturized fuel cell stack, it is possible to realize a long travel distance and to secure a degree of freedom in styling.

以下、本発明の燃料電池用セパレータ、燃料電池スタック、燃料電池車両、及び燃料電池用セパレータの製造方法の詳細を実施の形態に基づいて説明する。   Hereinafter, details of a method for manufacturing a fuel cell separator, a fuel cell stack, a fuel cell vehicle, and a fuel cell separator according to the present invention will be described based on embodiments.

（燃料電池用セパレータ及び燃料電池スタック）
本発明に係る燃料電池用セパレータ及び燃料電池スタックの実施の形態について説明する。本発明に係る燃料電池用セパレータは、ステンレス鋼を基材として用いている燃料電池用セパレータであって、基材表面に窒化化合物層が形成され、さらに、窒化化合物層の上にカーボン粒子層が形成されていることを特徴とする。また、本発明に係る燃料電池スタックは、本発明に係る燃料電池用セパレータを用いたことを特徴としており、電気化学反応により発電を行う基本単位となる単セルと燃料電池用セパレータとを交互に複数個積層することにより燃料電池スタックを構成する。 (Fuel cell separator and fuel cell stack)
Embodiments of a fuel cell separator and a fuel cell stack according to the present invention will be described. The fuel cell separator according to the present invention is a fuel cell separator using stainless steel as a base material, wherein a nitride compound layer is formed on the surface of the base material, and a carbon particle layer is further formed on the nitride compound layer. It is formed. In addition, the fuel cell stack according to the present invention is characterized by using the fuel cell separator according to the present invention, and alternately includes a single cell and a fuel cell separator, which are basic units for generating power by an electrochemical reaction. A fuel cell stack is formed by stacking a plurality of layers.

図１は、本発明に係る燃料電池用セパレータ１を用いて構成した燃料電池スタック１０の一部を模式的に示した斜視図である。図１に示すように、燃料電池スタック１０は、燃料電池用セパレータ１と単セル２を交互に複数個積層したものである。各単セル２は、固体高分子型電解質膜の両面に各々酸化剤極を有するガス拡散層と燃料極を有するガス拡散層とを形成して膜電極接合体とし、膜電極接合体の両側に燃料電池用セパレータ１を配置することにより内部に酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路を形成している。固体高分子型電解質膜としては、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体膜（商品名；ナフィオン１１２８（登録商標）、デュポン株式会社）等を使用することができる。そして、積層後、図１に示すように、両端部にエンドフランジ３を配置し、外周部を締結ボルト４により締結して、燃料電池スタック１０を構成する。なお、図２は、燃料電池スタック１０を斜視的に示す図である。   FIG. 1 is a perspective view schematically showing a part of a fuel cell stack 10 constituted by using a fuel cell separator 1 according to the present invention. As shown in FIG. 1, the fuel cell stack 10 is formed by alternately laminating a plurality of fuel cell separators 1 and single cells 2. Each single cell 2 forms a membrane electrode assembly by forming a gas diffusion layer having an oxidizer electrode and a gas diffusion layer having a fuel electrode on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, and is formed on both sides of the membrane electrode assembly. By disposing the fuel cell separator 1, an oxidant gas channel and a fuel gas channel are formed inside. As the solid polymer electrolyte membrane, a perfluorocarbon polymer membrane having a sulfonic acid group (trade name; Nafion 1128 (registered trademark), DuPont Co., Ltd.) or the like can be used. Then, after stacking, as shown in FIG. 1, the end flanges 3 are arranged at both ends, and the outer peripheral part is fastened by the fastening bolts 4 to constitute the fuel cell stack 10. FIG. 2 is a perspective view of the fuel cell stack 10.

本実施の形態に係る燃料電池用セパレータは、ステンレス鋼を基材として用いており、基材表面に窒化化合物層が形成され、さらに、窒化化合物層の上にカーボン粒子層が形成されている。図３に、本実施の形態に係る燃料電池用セパレータの断面組織構造の説明図を示す。図３に示すように、燃料電池用セパレータを構成する基材１１の表面には窒化化合物層１２が形成されており、その上にはさらにカーボン粒子層１３が形成されている。   The fuel cell separator according to the present embodiment uses stainless steel as a base material, a nitride compound layer is formed on the surface of the base material, and a carbon particle layer is further formed on the nitride compound layer. FIG. 3 is an explanatory diagram of a cross-sectional structure of the fuel cell separator according to the present embodiment. As shown in FIG. 3, a nitride compound layer 12 is formed on the surface of a base material 11 constituting a fuel cell separator, and a carbon particle layer 13 is further formed thereon.

本実施の形態に係る燃料電池用セパレータでは、窒化化合物層が酸性雰囲気での耐食性に寄与し、さらには、カーボン粒子は燃料電池として通常使用されるカーボンペーパとの間の電気伝導性を保つ。このため、カーボンペーパとの間の接触抵抗を低く抑え、かつ、耐食性と高い電気伝導性を有する燃料電池用セパレータを得ることが可能となる。また、従来のように、電極と接触する面に直接金メッキ層を施さなくても接触抵抗を抑えることができるため、低コスト化を実現することが可能となる。   In the fuel cell separator according to the present embodiment, the nitride compound layer contributes to the corrosion resistance in an acidic atmosphere, and the carbon particles maintain electrical conductivity with carbon paper that is normally used as a fuel cell. For this reason, it is possible to obtain a fuel cell separator having a low contact resistance with the carbon paper and having corrosion resistance and high electrical conductivity. Further, unlike the conventional case, the contact resistance can be suppressed without providing a gold plating layer directly on the surface in contact with the electrode, so that the cost can be reduced.

また、上記窒化化合物層は、窒化化合物層中に含まれるＦｅ（鉄）に対するＣｒ（クロム）の原子比が、基材中に含まれるＦｅに対するＣｒの原子比よりも小さいものであることが好ましい。窒化化合物層中のＦｅに対するＣｒ原子比が基材のＦｅに対するＣｒ原子比よりも高い場合には、窒素が基材のＣｒと結びついてＮａＣｌ型の結晶構造を有するＣｒＮなどのＣｒ系窒化物が析出するため基材にＣｒの欠乏層ができ、耐食性は低下する。これに対し、窒化化合物層中に含まれるＦｅに対するＣｒの原子比が基材のＦｅに対するＣｒの原子比よりも低い場合には、Ｃｒ系窒化物が析出することがないため、基材に含まれる耐食性に有効なＣｒが減少せずに窒化後も燃料電池用セパレータ１の耐食性が保たれ、強酸性雰囲気における耐食性が一段と優れたものになる。   The nitride compound layer preferably has an atomic ratio of Cr (chromium) to Fe (iron) contained in the nitride compound layer smaller than an atomic ratio of Cr to Fe contained in the substrate. . When the Cr atomic ratio with respect to Fe in the nitride compound layer is higher than the Cr atomic ratio with respect to Fe of the base material, a Cr-based nitride such as CrN having a NaCl-type crystal structure is formed by combining nitrogen with Cr of the base material. As a result of precipitation, a Cr-deficient layer is formed on the substrate, and the corrosion resistance is reduced. On the other hand, if the atomic ratio of Cr to Fe contained in the nitride compound layer is lower than the atomic ratio of Cr to Fe of the base material, Cr-based nitride will not precipitate, so it is included in the base material. The effective corrosion resistance of Cr does not decrease and the corrosion resistance of the fuel cell separator 1 is maintained even after nitriding, and the corrosion resistance in a strongly acidic atmosphere is further improved.

上記窒化化合物層は、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または面心正方格子の八面体空隙にＮ原子が配置された結晶構造を有することが好ましい。ここで、図４に示すように、この窒化化合物層は、Ｍ４Ｎ型で表される結晶構造１４を有する。結晶構造１４において、１５は、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Ｍを表し、１６は窒素原子Ｎを表し、結晶構造１４の単位胞中心の八面体空隙の１／４を占有する。また、Ｍ１４はＦｅを主体としており、ＦｅがＣｒ、Ｎｉ、Ｍｏなど他の金属原子と一部置換した場合も含む。そして、上記したようにＦｅに対するＣｒ原子比が高い場合には、窒素が窒化化合物層中のＣｒと結びついてＣｒＮなどのＣｒ系窒化物、すなわち単位胞中心の全ての八面体空隙にＮ原子が侵入するＮａＣｌ型となり、窒化化合物層の耐食性は低下する。このため、ＭはＦｅを主体とすることが好ましい。この結晶構造では、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の析出がないため、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、窒化化合物層が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八面体空隙にＮ原子が配置された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し、かつカーボンペーパとの間の接触抵抗を低く押さえることが可能となる。 More specifically, the nitride compound layer is a face-centered cubic lattice formed of at least one metal atom selected from the group consisting of Fe (iron), Cr (chromium), Ni (nickel), and Mo (molybdenum). Alternatively, it preferably has a crystal structure in which N atoms are arranged in octahedral voids of a face-centered tetragonal lattice. Here, as shown in FIG. 4, the nitride compound layer has a crystal structure 14 represented by M 4 N type. In the crystal structure 14, 15 represents at least one metal atom M selected from the group of Fe, Cr, Ni, and Mo, 16 represents a nitrogen atom N, and an octahedral void at the center of the unit cell of the crystal structure 14. Occupies 1/4. M14 is mainly composed of Fe, and includes a case where Fe is partially substituted with other metal atoms such as Cr, Ni, and Mo. When the Cr atomic ratio to Fe is high as described above, nitrogen is combined with Cr in the nitride compound layer, so that N atoms are present in Cr-based nitrides such as CrN, that is, all octahedral voids at the center of the unit cell. The intruding NaCl type results in a decrease in the corrosion resistance of the nitride compound layer. For this reason, it is preferable that M is mainly composed of Fe. This crystal structure is considered to be a fcc or fct structure nitride in which nitrogen is supersaturated with high density of dislocations and twins and high hardness of 1000 [HV] (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 the absence of CrN precipitation, so that Cr effective for corrosion resistance does not decrease and the corrosion resistance is maintained even after nitriding. In this way, N atoms are arranged in an octahedral void of a face-centered cubic lattice or a face-centered tetragonal lattice in which the nitride compound layer is formed of at least one metal atom selected from the group consisting of Fe, Cr, Ni, and Mo. In the case of having a crystal structure, the corrosion resistance in a strongly acidic atmosphere having a pH of 2 to 3 is further improved, and the contact resistance with the carbon paper can be kept low.

また、窒化化合物層の基材の厚さに対する比が１／２００〜１／１０であり、具体的には、基材の板厚が０．１[ｍｍ]の場合には、窒化化合物層の厚さは基材表面に厚さ０．５〜１０[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、かつカーボンペーパとの間の接触抵抗を低く押さえることが可能となる。   Further, the ratio of the nitride compound layer to the thickness of the base material is 1/200 to 1/10. Specifically, when the thickness of the base material is 0.1 [mm], The thickness is preferably formed in the range of 0.5 to 10 [μm] on the substrate surface. In this case, the corrosion resistance in a strong acid atmosphere is excellent, and the contact resistance with the carbon paper can be kept low.

なお、窒化化合物層の厚さが０．５[μｍ]を下回る場合には、窒化化合物層と基材との間に亀裂が発生したり、窒化化合物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化合物層が基材との界面から剥がれ易くなるため充分な耐食性が得られない。また、窒化化合物層の厚さが１０[μｍ]を上回る場合には、窒化化合物層の厚さの増大とともに窒化化合物層内の応力が過大になって窒化化合物層に亀裂が発生し、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, when the thickness of the nitride compound layer is less than 0.5 [μm], a crack occurs between the nitride compound layer and the base material, or the adhesion strength between the nitride compound layer and the base material is insufficient. Therefore, when used for a long time, the nitride compound layer is easily peeled off from the interface with the base material, so that sufficient corrosion resistance cannot be obtained. Further, when the thickness of the nitride compound layer exceeds 10 [μm], as the thickness of the nitride compound layer increases, the stress in the nitride compound layer becomes excessive and cracks occur in the nitride compound layer, and the fuel cell It becomes difficult for pitting corrosion to occur in the separator for use and contributes to improvement of corrosion resistance.

さらに、カーボン粒子層は、炭化鉄（Ｆｅ５Ｃ２）を有するものであることが好ましい。炭化鉄は、単斜晶系に属する侵入固溶型化合物であり電気伝導性に優れている。このため、このセパレータでは、カーボン粒子層が炭化鉄を有することにより、セパレータとカーボンペーパとを接触させた際の電気伝導性がより優れたものになる。 Further, the carbon particle layer is preferably one having an iron carbide (Fe 5 C 2). Iron carbide is an interstitial solid solution compound belonging to the monoclinic system and has excellent electrical conductivity. For this reason, in this separator, when the carbon particle layer has iron carbide, the electrical conductivity when the separator is brought into contact with the carbon paper becomes more excellent.

ここで、カーボン粒子層の基材の厚さに対する比が１／２００以上であり、より具体的には、基材の板厚がが０．１[ｍｍ]の場合には、カーボン粒子層の厚さは、基材上に厚さ０．５[μｍ]以上形成されていることが好ましく、さらには、０．５[μｍ]〜１０[μｍ]の範囲であることが好ましい。この場合には、長期に渡ってセパレータとカーボンペーパとの電気伝導性を優れたものにする。なお、カーボン粒子層の厚さが０．５[μｍ]を下回る場合には、カーボン粒子層と窒化化合物層との密着強度が不足するため、長時間使用するとカーボン粒子層が窒化化合物層との界面から剥がれ易くなり、優れた電気伝導性を保つことが難しくなる。   Here, when the ratio of the carbon particle layer to the thickness of the substrate is 1/200 or more, more specifically, when the plate thickness of the substrate is 0.1 [mm], the carbon particle layer The thickness is preferably 0.5 [μm] or more on the substrate, and more preferably in the range of 0.5 [μm] to 10 [μm]. In this case, the electrical conductivity between the separator and the carbon paper is made excellent over a long period of time. When the thickness of the carbon particle layer is less than 0.5 [μm], the adhesion strength between the carbon particle layer and the nitride compound layer is insufficient. It becomes easy to peel off from the interface, and it becomes difficult to maintain excellent electrical conductivity.

このように、上記した構成を採用したことにより、本発明に係る燃料電池用セパレータは、耐食性及び電気伝導性に優れており、さらに低コストで生産性が良好であると共に、隣接するガス拡散電極等の構成材料との接触電気抵抗が低く、燃料電池の発電性能の良い燃料電池用セパレータを得ることが可能となる。また、本発明に係る燃料電池スタックは、本発明に係る燃料電池用セパレータを用いたことにより、発電性能を損なうことなく高い発電効率を維持できると共に、小型化及び低コスト化を実現することが可能となる。   As described above, by adopting the above-described configuration, the fuel cell separator according to the present invention is excellent in corrosion resistance and electrical conductivity, is low in cost, has good productivity, and is adjacent to the gas diffusion electrode. It is possible to obtain a fuel cell separator having a low contact electric resistance with a constituent material such as the above and having good power generation performance of the fuel cell. In addition, the fuel cell stack according to the present invention can maintain high power generation efficiency without impairing the power generation performance by using the fuel cell separator according to the present invention, and can realize downsizing and cost reduction. It becomes possible.

（燃料電池用セパレータの製造方法）
次に、本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法の実施の形態について説明する。この燃料電池用セパレータの製造方法は、ステンレス鋼からなる基材表面に窒化処理を施して基材表面に窒化化合物層を形成する第一の工程と、基材に浸炭処理を施して窒化化合物層の上にカーボン粒子層を形成する第二の工程と、を備えることを特徴とする。 (Manufacturing method of fuel cell separator)
Next, an embodiment of a method for manufacturing a fuel cell separator according to the present invention will be described. The fuel cell separator manufacturing method includes a first step of nitriding a base material surface made of stainless steel to form a nitride compound layer on the surface of the base material, and a carburizing treatment of the base material to form a nitride compound layer. And a second step of forming a carbon particle layer on the substrate.

上記工程を備えることにより、基材表面に窒化化合物層が形成され、この窒化化合物層の上にカーボン粒子層が形成されている燃料電池用セパレータを製造することが可能となる。また、先に窒化処理を施すことにより、浸炭処理時に耐食性を低下させるＣｒ系炭化物の析出を抑制し、窒化化合物層の表面だけにカーボンペーパとの電気伝導性の良い炭化鉄（Ｆｅ５Ｃ２）を有するカーボン粒子層を付着させることが可能となる。また、窒化処理と浸炭処理は、同じ設備を用いてガス種を変えるだけの簡便な操作により続けて処理が行えるため、簡便で低コストな燃料電池用セパレータを製造することが可能となる。このように、簡便な操作により、耐食性及び電気伝導性に優れおり、さらに低コストで生産性が良好であると共に、隣接するガス拡散電極等の構成材料との接触電気抵抗が低く、燃料電池の発電性能の良い燃料電池用セパレータを得ることが可能となる。 By providing the above steps, it becomes possible to produce a fuel cell separator in which a nitride compound layer is formed on the surface of the substrate, and a carbon particle layer is formed on the nitride compound layer. Further, by performing nitriding first, the precipitation of Cr-based carbides that lower the corrosion resistance during the carburizing process is suppressed, and iron carbide (Fe 5 C 2 having good electrical conductivity with the carbon paper is formed only on the surface of the nitride compound layer. It is possible to attach a carbon particle layer having). In addition, since the nitriding treatment and the carburizing treatment can be performed continuously by a simple operation of changing the gas type using the same equipment, a simple and low-cost fuel cell separator can be manufactured. Thus, by simple operation, it is excellent in corrosion resistance and electrical conductivity, is low in cost and has good productivity, and has low contact electrical resistance with a constituent material such as an adjacent gas diffusion electrode, so that the fuel cell A fuel cell separator with good power generation performance can be obtained.

また、ステンレス鋼からなる基材表面に窒化処理を施して基材表面に窒化化合物層を形成する第一の工程は、５００[℃]以下の温度で行うことが好ましい。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、ＣｒＮ、Ｃｒ２Ｎ等の窒化物を析出するために燃料電池用セパレータ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八面体空隙にＮ原子が配置された結晶構造が形成される。この結晶構造は、窒化化合物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セパレータの耐食性が向上する。また、セパレータと隣接するガス拡散電極等の構成材料との接触抵抗を低く抑えることができ、燃料電池の発電効率を維持でき、優れた耐久信頼性を有する燃料電池用セパレータを低コストにより得ることができる。 Moreover, it is preferable to perform the 1st process of giving a nitriding process to the base-material surface which consists of stainless steel, and forming a nitride compound layer on the base-material surface at the temperature of 500 [degreeC] or less. When the nitriding treatment is performed on the surface of the stainless steel at a high temperature, nitrogen is combined with Cr in the base material, and nitrides such as CrN and Cr 2 N are precipitated, so that the corrosion resistance of the fuel cell separator is lowered. On the other hand, when nitriding is performed at a temperature of 500 [° C.] or less, the substrate surface is not 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 N atoms are arranged in an octahedral void of a face-centered cubic lattice or a face-centered tetragonal lattice formed of at least one metal atom. Since this crystal structure is particularly rich in corrosion resistance among nitride compound layers, the corrosion resistance of the fuel cell separator is improved by performing nitriding at a low temperature of 500 [° C.] or lower. Moreover, the contact resistance between the separator and the constituent material such as the adjacent gas diffusion electrode can be kept low, the power generation efficiency of the fuel cell can be maintained, and a fuel cell separator having excellent durability and reliability can be obtained at low cost. Can do.

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化合物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[℃]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 nitride compound layer having this crystal structure, so that productivity is deteriorated. For this reason, the nitriding treatment is preferably performed at 350 to 500 [° C.].

また、基材に浸炭処理を施して窒化化合物層の上にカーボン粒子層を形成する第二の工程は、５００[℃]以下の温度で行うことことが好ましい。５００[℃]以下の温度で行う場合には、カーボンガスが基材に固溶しにくくなる。このため、過剰のカーボンが窒化化合物層上に炭化鉄となって付着され、窒化化合物層上にカーボンペーパとの電気伝導性の高い炭化鉄を有するカーボン粒子層を析出・付着させることが可能となる。なお、５００[℃]を越える温度で行った場合には、窒化処理時に形成した窒化化合物層が固溶・分解すると同時に、耐食性を低下させるＣｒ系化合物が析出するようになるため、好ましくない。   Moreover, it is preferable to perform the 2nd process of giving a carburizing process to a base material and forming a carbon particle layer on a nitride compound layer at the temperature of 500 [degreeC] or less. When it is performed at a temperature of 500 [° C.] or less, the carbon gas is difficult to dissolve in the substrate. For this reason, excess carbon is deposited as iron carbide on the nitride compound layer, and it is possible to deposit and deposit a carbon particle layer having iron carbide with high electrical conductivity with the carbon paper on the nitride compound layer. Become. In addition, it is not preferable to carry out at a temperature exceeding 500 [° C.] because the nitride compound layer formed during the nitriding treatment is dissolved and decomposed, and at the same time, a Cr-based compound that lowers the corrosion resistance is precipitated.

なお、浸炭温度が３５０[℃]を下回る場合には、カーボンペーパとの電気伝導性の高い炭化鉄付着させ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、浸炭温度は３５０〜５００[℃]で行うのが好ましい。   When the carburizing temperature is lower than 350 [° C.], it takes a long time to adhere iron carbide having high electrical conductivity with the carbon paper, so that productivity is deteriorated. For this reason, it is preferable to perform carburizing temperature at 350-500 [degreeC].

さらに、窒化処理は、プラズマ窒化処理（イオン窒化処理）であり、また、浸炭処理は、プラズマ浸炭処理（イオン浸炭処理）であることが好ましい。プラズマ窒化処理は、プラズマ中に発生する陰イオンを鋼材表面に蒸着させる電気的窒化法である。プラズマ窒化処理では、ステンレス鋼表面の不動態皮膜をイオン衝撃によるスパッタリング作用により除去し、基材中に窒素元素を浸透させて堅い窒化層を形成する。そして、プラズマ窒化処理を施すことにより、基材の表面硬度が高くなるため、耐摩耗性、耐疲労性等の機械的性質が向上する他、耐食性が向上する。さらには、他の熱処理に比較して低温であるため、処理後の歪が非常に少なく、また、所望の箇所を処理することができるため、部分窒化が容易である。   Further, the nitriding treatment is preferably plasma nitriding treatment (ion nitriding treatment), and the carburizing treatment is preferably plasma carburizing treatment (ion carburizing treatment). Plasma nitriding is an electrical nitriding method in which anions generated in plasma are deposited on the surface of a steel material. In the plasma nitriding treatment, the passive film on the surface of the stainless steel is removed by a sputtering action by ion bombardment, and nitrogen element is infiltrated into the base material to form a hard nitrided layer. By applying the plasma nitriding treatment, the surface hardness of the base material is increased, so that mechanical properties such as wear resistance and fatigue resistance are improved, and corrosion resistance is improved. Furthermore, since the temperature is lower than that of other heat treatments, distortion after treatment is very small, and a desired portion can be treated, so that partial nitridation is easy.

また、プラズマ浸炭処理は、減圧した浸炭性及び窒化性ガス雰囲気中で、陰極とした処理物と陽極との間に生じるグロー放電により炭化水素系ガスを電離させ、それによって作り出される炭素イオンを金属材料表面に衝突、侵入させることにより電気伝導性に優れるカーボン粒子層を形成させ、機械的性質を向上させるプラズマ熱処理である。プラズマ浸炭処理は、基材拡散硬化処理のため耐磨耗性、耐焼付性、耐剥離性、耐衝撃性に優れており、硬化層、硬さ分布を目的によりコントロールが可能である。
このように、本発明における燃料電池用セパレータの製造方法によれば、基材表面に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八面体空隙にＮ原子が配置された結晶構造を有する窒化化合物層が形成されるため、耐食性に優れた燃料電池用セパレータ製造することが可能となる。さらに、基材に浸炭処理を施して窒化化合物層の上にカーボン粒子層を形成することで、低コストで電気伝導性が良く、燃料電池の発電性能の良い燃料電池用セパレータ製造することが可能となる。 In plasma carburizing, hydrocarbon gas is ionized by glow discharge generated between the cathode treated material and the anode in a reduced carburizing and nitriding gas atmosphere, and the carbon ions produced thereby are converted into metal. This is a plasma heat treatment in which a carbon particle layer having excellent electrical conductivity is formed by colliding and intruding on the surface of the material, and mechanical properties are improved. The plasma carburizing treatment is excellent in wear resistance, seizure resistance, peeling resistance, and impact resistance because of the base material diffusion hardening treatment, and the hardened layer and hardness distribution can be controlled depending on the purpose.
Thus, according to the method for manufacturing a fuel cell separator in the present invention, a face-centered cubic lattice or surface formed of at least one metal atom selected from the group consisting of Fe, Cr, Ni, and Mo on the surface of the base material. Since a nitride compound layer having a crystal structure in which N atoms are arranged in octahedral voids of the center square lattice is formed, it becomes possible to manufacture a fuel cell separator having excellent corrosion resistance. Furthermore, by carburizing the base material to form a carbon particle layer on the nitride compound layer, it is possible to produce a fuel cell separator with good electrical conductivity and fuel cell power generation performance at low cost. It becomes.

さらに、図８に示すように、本発明の燃料電池セパレータを用いた燃料電池スタック１０を自動車に適用することで、効率の良い燃料電池を小さな空間に搭載し、燃料電池電気自動車の燃費・エネルギー効率向上に貢献でき、同時にスタイリングの自由度を向上できる。   Further, as shown in FIG. 8, by applying the fuel cell stack 10 using the fuel cell separator of the present invention to an automobile, an efficient fuel cell is mounted in a small space, and the fuel consumption and energy of the fuel cell electric vehicle are increased. Contributes to improved efficiency and at the same time improves the freedom of styling.

以下、本発明に係る燃料電池用セパレータの実施例１〜実施例１０及び比較例１〜比較例８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セパレータ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を施すことによって生成した燃料電池用セパレータの例を示したものである。   Hereinafter, Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 to 8 of the separator for a fuel cell according to the present invention will be described. These examples are examinations of the effectiveness of the fuel cell separator according to the present invention, and show examples of fuel cell separators produced by treating different raw materials under different conditions. It is.

＜試料の調製＞
各実施例では、板厚０.１[ｍｍ]のオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１０）の光輝焼鈍（ＢＡ））材を脱脂洗浄後、両面にプラズマ（イオン）窒化処理を施した。なお、プラズマ窒化条件は、処理温度３８０〜７００[℃]、処理時間１〜４５[分]、ガス混合比Ｎ２：Ｈ２＝１：５、処理圧力７[Ｔｏｒｒ]（＝９３１[Ｐａ]）とした。プラズマ（イオン）窒化処理を行った後、ガスをＮ２からＣ３Ｈ８に代え、処理温度３８０〜７００[℃]、処理時間５〜１０[分]、ガス混合比Ｃ３Ｈ８：Ｈ２＝９：１の条件でプラズマ（イオン）浸炭処理を行った。なお、比較例１〜比較例３では、プラズマ窒化処理及びプラズマ浸炭処理を施してはいない。また、比較例４ではプラズマ浸炭のみを行い、比較例５ではプラズマ窒化のみを行った。下表１に、用いた基材及び処理条件を示す。
<Preparation of sample>
In each example, a bright annealing (BA) material of austenitic stainless steel (SUS304, SUS316, SUS310) having a thickness of 0.1 [mm] was degreased and cleaned, and then plasma (ion) nitriding treatment was performed on both surfaces. The plasma nitriding conditions are as follows: processing temperature 380 to 700 [° C.], processing time 1 to 45 [min], gas mixing ratio N 2 : H 2 = 1: 5, processing pressure 7 [Torr] (= 931 [Pa]) ). After performing the plasma (ion) nitriding treatment, the gas is changed from N 2 to C 3 H 8 , the treatment temperature is 380 to 700 [° C.], the treatment time is 5 to 10 [min], and the gas mixture ratio C 3 H 8 : H Plasma (ion) carburization was performed under the condition of 2 = 9: 1. In Comparative Examples 1 to 3, plasma nitriding treatment and plasma carburizing treatment are not performed. In Comparative Example 4, only plasma carburization was performed, and in Comparative Example 5, only plasma nitridation was performed. Table 1 below shows the base materials and processing conditions used.

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.

＜窒化化合物層及びカーボン粒子層の結晶構造同定＞
上記方法によって得られた試料の窒化化合物層及びカーボン粒子層の結晶構造同定は、窒化処理及び浸炭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。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。 <Crystal structure identification of nitride compound layer and carbon particle layer>
The crystal structure identification of the nitride compound layer and the carbon particle layer of the sample obtained by the above method was identified by performing X-ray diffraction measurement on the surface of the base material modified by nitriding treatment and carburizing treatment. 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].

＜窒化化合物層及びカーボン粒子層の厚さの測定＞
窒化化合物層及びカーボン粒子層の厚さは、断面を王水にて腐食後、光学顕微鏡（４００倍）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 thickness of nitride compound layer and carbon particle layer>
The thickness of the nitride compound layer and the carbon particle layer was measured by observing the cross section with an optical microscope (400 times) scanning electron microscope after corroding the cross section with aqua regia.

＜Ｆｅに対するＣｒ原子比の測定＞
窒化化合物層のＦｅに対するＣｒ原子比の測定は、Ｘ線電子分光分析により窒化化合物層のＦｅ濃度及びＣｒ濃度を測定して求めた。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>
The measurement of the Cr atomic ratio with respect to Fe of the nitride compound layer was obtained by measuring the Fe concentration and Cr concentration of the nitride compound layer by X-ray electron spectroscopy. As the apparatus, a photoelectron spectrometer Quantum-2000 manufactured by PHI was used. 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].

＜接触抵抗値の測定＞
上記実施例１〜実施例１０及び比較例１〜比較例８から得られた試料を３０[ｍｍ]×３０[ｍｍ]の大きさに切り出して接触抵抗を測定した。装置は、アルバック理工製 圧力負荷接触電気抵抗測定装置 TRS-2000SS型を用いた。そして、図５に示すように、電極２１と試料２２の間にカーボンペーパ２３を介在させて、電極２１／カーボンペーパ２３／試料２２／カーボンペーパ２３／電極２１の構成とし、測定面圧１．０[ＭＰａ]にて１[Ａ／ｃｍ２]の電流を流した際の電気抵抗を２回測定し、その平均値を求めた。なお、カーボンペーパは、カーボンブラックで担持した白金触媒を塗布したカーボンペーパ（東レ（株）製カーボンペーパ TGP-H-090 厚さ０．２６[ｍｍ]、かさ密度０．４９[ｇ／ｃｍ３]、空隙率７３[％]、気体透過度[ｍｍａｑ／ｍｍ]、厚さ方向体積抵抗率０．０７[Ω・ｃｍ２]）を用いた。電極は、Ｃｕ製電極φ２０を用いた。 <Measurement of contact resistance value>
Samples obtained from Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 to 8 were cut into a size of 30 [mm] × 30 [mm], and contact resistance was measured. The apparatus used was TRS-2000SS, a pressure load contact electrical resistance measuring device manufactured by ULVAC-RIKO. Then, as shown in FIG. 5, a carbon paper 23 is interposed between the electrode 21 and the sample 22 to form a structure of electrode 21 / carbon paper 23 / sample 22 / carbon paper 23 / electrode 21, and measurement surface pressure 1. The electrical resistance when a current of 1 [A / cm 2 ] was passed at 0 [MPa] was measured twice, and the average value was obtained. The carbon paper is a carbon paper coated with a platinum catalyst supported by carbon black (carbon paper TGP-H-090 manufactured by Toray Industries, Inc., thickness 0.26 [mm], bulk density 0.49 [g / cm 3]. ], Porosity 73 [%], gas permeability [mmaq / mm], thickness direction volume resistivity 0.07 [Ω · cm 2 ]). As an electrode, a Cu electrode φ20 was used.

＜耐食性の評価＞
上記実施例１〜実施例１０及び比較例１〜比較例８から得られた試料から３０[ｍｍ]×３０[ｍｍ]の大きさに切り出して、電気化学的な手法である定電位電解試験を用いてイオン溶出量を測定し、耐食性の低下の度合いを評価した。 <Evaluation of corrosion resistance>
From the samples obtained from Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 to 8, the sample was cut to a size of 30 [mm] × 30 [mm], and a constant potential electrolysis test as an electrochemical method was performed. The amount of ion elution was measured and the degree of decrease in corrosion resistance was evaluated.

燃料電池では、水素極側に比較して酸素極側に最大で１[Ｖ]vsＳＨＥ程度の電位がかかる。また、固体高分子電解質膜は、分子中にスルホン酸基等のプロトン交換基を有する高分子電解質膜を飽和に含水させてプロトン伝導性を利用するものであり、強酸性を示す。このため、電位をかけた状態で一定時間保持した後の溶液中に溶け出した金属イオン量を蛍光Ｘ線分析により測定して耐食性を評価した。なお、定電位電解試験の条件は、ｐＨ２の硫酸水溶液で、温度８０[℃]、腐食電位１[Ｖ]vsＳＨＥ、保持する一定時間を１００[時間]とした。   In the fuel cell, a potential of about 1 [V] vs. SHE is applied to the oxygen electrode side in comparison with the hydrogen electrode side. In addition, the solid polymer electrolyte membrane is a polymer electrolyte membrane having a proton exchange group such as a sulfonic acid group in the molecule, saturated with water and utilizing proton conductivity, and exhibits strong acidity. Therefore, the corrosion resistance was evaluated by measuring the amount of metal ions dissolved in the solution after being held for a certain period of time with a potential applied, by fluorescent X-ray analysis. The conditions of the constant potential electrolysis test were pH 2 sulfuric acid aqueous solution, temperature 80 [° C.], corrosion potential 1 [V] vs SHE, and holding constant time 100 [hour].

上記実施例１〜実施例１０及び比較例１〜比較例８の窒化化合物層とカーボン粒子層を含む表面改質層の結晶構造、窒化化合物層及びカーボン粒子層の厚さ、Ｆｅに対するＣｒ原子比、接触抵抗値及びイオン溶出量を下表２に示す。
Crystal structure of surface modified layer including nitride compound layer and carbon particle layer of Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 to 8, thickness of nitride compound layer and carbon particle layer, Cr atomic ratio to Fe The contact resistance values and ion elution amounts are shown in Table 2 below.

また、図６に上記実施例５により得られた試料のＸ線回折パターン、図７に比較例１により得られた試料のＸ線回折パターンを示す。   6 shows the X-ray diffraction pattern of the sample obtained in Example 5, and FIG. 7 shows the X-ray diffraction pattern of the sample obtained in Comparative Example 1.

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５では、基材であるオーステナイト由来のピーク（図中γで示す）の他には、上記Ｍ４Ｎ型の結晶構造を示すＳ１〜Ｓ４のピーク及び炭化鉄のピークが観測された。なお、本測定条件によるＸ線の入射深さは１０[μｍ]程度であるため、窒化化合物層の厚さが１０[μｍ]を越えている実施例１０では、基材であるオーステナイト由来のピークが観測されなかったと考えられる。 In Comparative Example 1, only the peak derived from the austenite which is the base material was clearly observed, whereas in Example 5, in addition to the peak derived from the austenite which is the base material (indicated by γ in the figure), the above S1 to S4 peaks and iron carbide peaks showing an M 4 N type crystal structure were observed. In addition, since the incident depth of X-rays by this measurement condition is about 10 [μm], in Example 10 in which the thickness of the nitride compound layer exceeds 10 [μm], a peak derived from the austenite which is the base material It is thought that was not observed.

比較例２及び比較例３では、比較例１と同様に窒化化合物層及びカーボン粒子層を形成していないため、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。比較例４では、炭素を固溶した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５では、γ’相及びＣｒＮを示すピークが観測された。比較例６では、炭化鉄及びγ’相及びＣｒＮを示すピークが観測された。比較例７では、オーステナイト由来のピーク及びγ’相及びＣｒＮを示すピークが観測された。比較例８では、γ’相、ＣｒＮ及びＭ３Ｃ型の結晶構造をもつ炭化物（セメンタイト）のピークが観測された。ここで、ＭはＣｒが主体であると考えられる。なお、γ’相は、ＣｒがＮと結合してＣｒ系窒化化合物（ＣｒＮなど）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もしくは面心正方格子を作る。そして、γ’相はこの格子の単位胞中心の八面体空隙にＮ原子が侵入した結晶構造、すなわち八面体空隙の１／４にＮ原子が配置されたＦｅ４Ｎ型の結晶構造であり、Ｆｅの他にＣｒやＮｉの合金を含まない。 In Comparative Example 2 and Comparative Example 3, since the nitride compound layer and the carbon particle layer were not formed as in Comparative Example 1, only the peak derived from the austenite as the base material was observed. In Comparative Example 4, only a peak derived from austenite in which carbon was dissolved was observed. In Comparative Example 5, peaks indicating γ ′ phase and CrN were observed. In Comparative Example 6, peaks indicating iron carbide, γ ′ phase and CrN were observed. In Comparative Example 7, a peak derived from austenite and a peak indicating γ ′ phase and CrN were observed. In Comparative Example 8, peaks of carbide (cementite) having a γ ′ phase, CrN, and M 3 C type crystal structure were observed. Here, M is considered to be mainly composed of Cr. In the γ ′ phase, since Cr combines with N to form a Cr-based nitride compound (CrN, etc.), the Fe atom is reduced to a face-centered cubic lattice or a face-centered square lattice by decreasing the Cr concentration of the base material. make. The γ ′ phase is a crystal structure in which N atoms enter the octahedral void at the center of the unit cell of this lattice, that is, an Fe 4 N type crystal structure in which N atoms are arranged in 1/4 of the octahedral voids, It contains no Cr or Ni alloy in addition to Fe.

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。また、浸炭処理温度が５００[℃]以下の場合には炭化鉄を有するカーボン粒子層が形成されるが、５００[℃]を越えた場合には炭化鉄を有するカーボン粒子層が形成されず、炭素を固溶するオーステナイト組織(γ)となり、さらには、７５０[℃]になるとＭ3Ｃ型の結晶構造を有する炭化物（セメンタイト）が析出することがわかった。 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. Further, when the carburizing temperature is 500 [° C.] or less, a carbon particle layer having iron carbide is formed, but when it exceeds 500 [° C.], a carbon particle layer having iron carbide is not formed, It was found that carbide (cementite) having an M 3 C-type crystal structure is precipitated when the austenite structure (γ) that dissolves carbon is obtained and further 750 [° C.].

次に、表２に示すように、窒化化合物層の上に炭化鉄が析出した実施例１〜実施例１０では、いずれも接触抵抗値が１０[ｍΩ・ｃｍ２]以下であった。これに対し、炭化鉄及び窒化化合物層が析出形成していない比較例１〜比較例３では著しく接触抵抗値は高かった。比較例４では、窒化処理を行わずに浸炭処理を行うと、浸炭処理による炭素固溶組織のみが形成される。このため、窒化化合物層が形成されている場合と比較すると接触抵抗値が悪くなると考えられた。また、ＮａＣｌ型の結晶構造を有するＣｒＮなどのＣｒ系窒化化合物層が析出形成している比較例５、７及び８では、窒化化合物層がない比較例１〜比較例４と比べると接触抵抗値は低いが、実施例１〜実施例１０で得られた接触抵抗値と比較すると高かった。さらに比較例６は炭化鉄を有するカーボン粒子層が形成されているため接触抵抗値は実施例１〜実施例１０と同程度に低かった。 Next, as shown in Table 2, in Examples 1 to 10 in which iron carbide was deposited on the nitride compound layer, the contact resistance value was 10 [mΩ · cm 2 ] or less. On the other hand, in Comparative Examples 1 to 3 in which the iron carbide and nitride compound layers were not deposited, the contact resistance value was remarkably high. In Comparative Example 4, when the carburizing process is performed without performing the nitriding process, only the carbon solid solution structure formed by the carburizing process is formed. For this reason, it was thought that a contact resistance value worsened compared with the case where the nitride compound layer is formed. Further, in Comparative Examples 5, 7 and 8 in which a Cr-based nitride compound layer such as CrN having a NaCl type crystal structure is deposited, the contact resistance value is larger than those in Comparative Examples 1 to 4 having no nitride compound layer. Although it was low, it was high compared with the contact resistance value obtained in Examples 1 to 10. Furthermore, since the carbon particle layer which has an iron carbide was formed in the comparative example 6, the contact resistance value was as low as Example 1- Example 10.

燃料電池では、単位セル当りの理論的な電圧は１．２３[Ｖ]となるが、反応分極、ガス拡散分極、抵抗分極により実際に取り出せる電圧が降下し、取り出す電流が大きくなるほど電圧は降下する。また、自動車用用途では、単位体積・重量当りの出力密度を大きくしたいことから、定置用より高電流密度側、例えば、電流密度１[Ａ／ｃｍ２]で使用される。電流密度が１[Ａ／ｃｍ２]の時には、セパレータとカーボンペーパ間の接触抵抗が１０[ｍΩ・ｃｍ２]以下であれば接触抵抗による効率低下がおさえられると考えられている。本実施例１〜実施例１０では、いずれも接触抵抗値が１０[ｍΩ・ｃｍ２]以下であるため、単位セル当りの起電力が高く、起電力の高い燃料電池スタックを形成することが可能となる。 In a fuel cell, the theoretical voltage per unit cell is 1.23 [V], but the voltage that can be actually taken out decreases due to reaction polarization, gas diffusion polarization, and resistance polarization, and the voltage drops as the extracted current increases. . Further, in automotive applications, since it is desired to increase the output density per unit volume / weight, it is used at a higher current density side than stationary use, for example, at a current density of 1 [A / cm 2 ]. When the current density is 1 [A / cm 2 ], it is considered that if the contact resistance between the separator and the carbon paper is 10 [mΩ · cm 2 ] or less, the efficiency reduction due to the contact resistance can be suppressed. In each of Examples 1 to 10, since the contact resistance value is 10 [mΩ · cm 2 ] or less, it is possible to form a fuel cell stack with high electromotive force per unit cell and high electromotive force. It becomes.

次に、イオン溶出量を測定した結果により、実施例１〜実施例１０ではいずれもイオン溶出量が低く、耐食性に優れていることがわかった。これに対し、比較例１〜比較例３では、基材表面に不動態膜が形成されているため接触抵抗が高い。また、不動態膜があるため、一般的にオーステナイト系ステンレス鋼は耐食性に優れているのが一般的であるが、実施例１〜実施例１０と比較すると劣ることがわかった。また、比較例４では、窒化処理を行わずに浸炭処理を行うと、浸炭処理による炭素固溶組織のみが形成される。このため、窒化化合物層が形成されている場合と比較すると耐食性が劣ると考えられる。比較例５〜比較例８のように窒化処理を施しても、ＮａＣｌ型の結晶構造を有するＣｒＮなどのＣｒ系窒化化合物層が析出し、窒化化合物層が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八面体空隙にＮ原子が配置された結晶構造を含まない場合には、窒化処理を施していない比較例１〜比較例３と比較すると接触抵抗は低くなるが、実施例１〜実施例１０と比較すると接触抵抗値が高く、さらには、耐食性が劣る。さらに、比較例６のように、炭化鉄を有するカーボン粒子層が形成されている場合であっても、窒化化合物層がγ’とＣｒＮ窒化化合物の場合には耐食性が劣る。   Next, from the results of measuring the ion elution amount, it was found that in all of Examples 1 to 10, the ion elution amount was low and the corrosion resistance was excellent. On the other hand, in Comparative Examples 1 to 3, the contact resistance is high because the passive film is formed on the substrate surface. Further, since there is a passive film, it is generally found that austenitic stainless steel is generally excellent in corrosion resistance, but is inferior to Examples 1 to 10. In Comparative Example 4, when the carburizing process is performed without performing the nitriding process, only the carbon solid solution structure formed by the carburizing process is formed. For this reason, it is thought that corrosion resistance is inferior compared with the case where the nitride compound layer is formed. Even if the nitriding treatment is performed as in Comparative Examples 5 to 8, a Cr-based nitride compound layer such as CrN having a NaCl-type crystal structure is deposited, and the nitride compound layer is formed from the group of Fe, Cr, Ni, and Mo. Comparative Example 1 in which nitriding treatment is not performed when the crystal structure in which N atoms are arranged in an octahedral void of a face-centered cubic lattice or a face-centered tetragonal lattice formed by at least one selected metal atom is not included Although the contact resistance is lower than that of Comparative Example 3, the contact resistance value is higher than that of Examples 1 to 10, and the corrosion resistance is inferior. Further, even when the carbon particle layer having iron carbide is formed as in Comparative Example 6, the corrosion resistance is inferior when the nitride compound layer is γ ′ and CrN nitride compound.

以上の測定結果より、実施例１〜実施例１０は、比較例１〜比較例８に対しいずれの実施例においても窒化化合物層が少なくとも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八面体空隙にＮ原子が配置された結晶構造を有し、さらには炭化鉄を有するカーボン粒子層が形成されていることで接触抵抗値が１０[ｍΩ・ｃｍ２]以下と低接触抵抗を示し、イオン溶出量も少なく、耐食性に優れている。また、ステンレス鋼からなる基材表面に窒化処理を施して基材表面に窒化化合物層を形成する第一の工程と、基材に浸炭処理を施して窒化化合物層の上にカーボン粒子層を形成する第二の工程は、プラズマ窒化処理とプラズマ浸炭処理およびをガス窒化処理とガス浸炭処理を実施すると、同じ設備を用いてガス種を変えるだけの簡便な操作により続けて処理が行えるため、簡便で低コストな燃料電池用セパレータを製造することが可能となる。 From the above measurement results, Examples 1 to 10 are at least one or more selected from the group of Fe, Cr, Ni, and Mo in which the nitride compound layer is at least one of Comparative Examples 1 to 8 in any Example. A crystal structure in which N atoms are arranged in octahedral voids of a face-centered cubic lattice or a face-centered tetragonal lattice formed of metal atoms, and a carbon particle layer having iron carbide is formed to form a contact. The resistance value is 10 [mΩ · cm 2 ] or less and low contact resistance, the amount of ion elution is small, and the corrosion resistance is excellent. In addition, the first step of nitriding the surface of the base material made of stainless steel to form a nitride compound layer on the surface of the base material, and carburizing the base material to form a carbon particle layer on the nitride compound layer In the second step, the plasma nitriding treatment and the plasma carburizing treatment, and the gas nitriding treatment and the gas carburizing treatment, can be carried out continuously by the simple operation of changing the gas type using the same equipment. Thus, it is possible to manufacture a low-cost fuel cell separator.

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、同様の効果が得られる。   In the present embodiment, austenitic stainless steel is used as the base material, but the present invention is not limited to this, and the same effect can be obtained even if ferritic or martensitic stainless steel is used.

（燃料電池車両）
本実施形態では、燃料電池車両の一例として、上記方法により作製した燃料電池スタックを含む燃料電池を動力源として用いた燃料電池電気自動車を挙げて説明する。 (Fuel cell vehicle)
In this embodiment, a fuel cell electric vehicle using a fuel cell including a fuel cell stack manufactured by the above method as a power source will be described as an example of a fuel cell vehicle.

図８は、燃料電池スタックを搭載した電気自動車の外観を示す図である。図８（ａ）は電気自動車の側面図、図８（ｂ）は電気自動車の上面図であり、図８（ｂ）に示すように、車体３１前方に、左右のフロントサイドメンバとフードリッジのほか、フロントサイドメンバを含む左右のフードリッジ同士を互いに連結するダッシュロア部材をそれぞれ組み合わせて溶接接合したエンジンコンパートメント部３２を形成している。本発明の実施の形態に係る電気自動車では、エンジンコンパートメント部３２内に燃料電池スタック１０を搭載している。   FIG. 8 is a diagram showing the external appearance of an electric vehicle equipped with a fuel cell stack. 8A is a side view of the electric vehicle, and FIG. 8B is a top view of the electric vehicle. As shown in FIG. 8B, the left and right front side members and the hood ridge are disposed in front of the vehicle body 31. In addition, the engine compartment portion 32 is formed by welding and joining the dash lower members that connect the left and right hood ridges including the front side member to each other. In the electric vehicle according to the embodiment of the present invention, the fuel cell stack 10 is mounted in the engine compartment portion 32.

本発明の実施の形態に係る燃料電池セパレータを適用した発電性能の良い燃料電池スタックを自動車等の車両に搭載することにより、燃料電池電気自動車の燃費向上を図ることができる。また、本実施形態によれば、小型化した軽量の燃料電池スタックを車両に搭載することにより、車両重量を低減して省燃費化を図ることができ、走行距離の長距離化を図ることができる。さらに、本実施形態によれば、小型の燃料電池を移動体車両等に搭載することにより、車室内空間をより広く活用することができ、スタイリングの自由度を確保することができる。   By mounting a fuel cell stack having a good power generation performance to which the fuel cell separator according to the embodiment of the present invention is mounted on a vehicle such as an automobile, the fuel efficiency of the fuel cell electric vehicle can be improved. In addition, according to the present embodiment, by mounting a small and lightweight fuel cell stack on a vehicle, the vehicle weight can be reduced and fuel consumption can be reduced, and the travel distance can be increased. it can. Furthermore, according to this embodiment, by mounting a small fuel cell on a mobile vehicle or the like, the vehicle interior space can be used more widely, and the degree of freedom of styling can be ensured.

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. .

本発明における燃料電池スタックの外観を示す構成図である。It is a block diagram which shows the external appearance of the fuel cell stack in this invention. 本発明における燃料電池スタックを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the fuel cell stack in this invention. 本発明における燃料電池用セパレータの断面組織構造の説明図である。It is explanatory drawing of the cross-sectional structure | tissue structure of the separator for fuel cells in this invention. 本発明における窒化化合物層に含まれる結晶構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the crystal structure contained in the nitride compound layer in this invention. 本発明におけるセパレータの接触抵抗の測定方法を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the measuring method of the contact resistance of the separator in this invention. 実施例５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。6 is a diagram showing an X-ray diffraction pattern of a sample obtained in Example 5. FIG. 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 the comparative example 1. 本発明における燃料電池スタックを搭載した電気自動車の外観を示す図であり、（ａ）は電気自動車の側面図、（ｂ）は電気自動車の上面図である。It is a figure which shows the external appearance of the electric vehicle carrying the fuel cell stack in this invention, (a) is a side view of an electric vehicle, (b) is a top view of an electric vehicle. 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 燃料電池用セパレータ
２ 単セル
３ エンドフランジ
４ 締結ボルト
１０ 燃料電池スタック
１１ 基材
１２ 窒化化合物層
１３ カーボン粒子層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell separator 2 Single cell 3 End flange 4 Fastening bolt 10 Fuel cell stack 11 Base material 12 Nitride compound layer 13 Carbon particle layer

Claims (14)

ステンレス鋼を基材として用いている燃料電池用セパレータであって、前記基材表面に窒化化合物層が形成され、さらに、前記窒化化合物層の上にカーボン粒子層が形成されていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。   A separator for a fuel cell using stainless steel as a base material, wherein a nitride compound layer is formed on the surface of the base material, and a carbon particle layer is formed on the nitride compound layer. Fuel cell separator. 前記窒化化合物層中に含まれるＦｅに対するＣｒの原子比が、前記基材中に含まれるＦｅに対するＣｒの原子比よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。   2. The fuel cell separator according to claim 1, wherein an atomic ratio of Cr to Fe contained in the nitride compound layer is smaller than an atomic ratio of Cr to Fe contained in the base material. 前記窒化化合物層は、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八面体空隙にＮ原子が配置された結晶構造を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池用セパレータ。   The nitride compound layer has a crystal structure in which N atoms are arranged in an octahedral void of a face-centered cubic lattice or a face-centered tetragonal lattice formed of at least one metal atom selected from the group consisting of Fe, Cr, Ni, and Mo. The fuel cell separator according to claim 1, comprising: 前記窒化化合物層の前記基材の厚さに対する比が１／２００〜１／１０であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池用セパレータ。   The fuel cell separator according to any one of claims 1 to 3, wherein a ratio of the nitride compound layer to the thickness of the base material is 1/200 to 1/10. 前記窒化化合物層の厚さは、０．５〜１０[μｍ]であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池用セパレータ。   5. The fuel cell separator according to claim 1, wherein the nitride compound layer has a thickness of 0.5 to 10 μm. 6. 前記カーボン粒子層は、炭化鉄を有することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータ。   The fuel cell separator according to any one of claims 1 to 5, wherein the carbon particle layer includes iron carbide. 前記カーボン粒子層の前記基材の厚さに対する比が１／２００以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータ。   The fuel cell separator according to any one of claims 1 to 6, wherein a ratio of the carbon particle layer to the thickness of the base material is 1/200 or more. 前記カーボン粒子層の厚さは、０．５[μｍ]以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の燃料電池用セパレータ。   8. The fuel cell separator according to claim 1, wherein a thickness of the carbon particle layer is 0.5 [μm] or more. 9. ステンレス鋼からなる基材表面に窒化処理を施して前記基材表面に窒化化合物層を形成する第一の工程と、前記基材に浸炭処理を施して前記窒化化合物層の上にカーボン粒子層を形成する第二の工程と、を備えることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。   A first step of nitriding a base material surface made of stainless steel to form a nitride compound layer on the base material surface; and carburizing the base material to form a carbon particle layer on the nitride compound layer. And a second step of forming the fuel cell separator. 前記第一の工程は、５００[℃]以下の温度で行うことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。   The method for manufacturing a fuel cell separator according to claim 9, wherein the first step is performed at a temperature of 500 [° C] or lower. 前記第二の工程は、５００[℃]以下の温度で行うことを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。   11. The method for manufacturing a fuel cell separator according to claim 9, wherein the second step is performed at a temperature of 500 ° C. or less. 11. 前記窒化処理はプラズマ窒化処理であり、前記浸炭処理はプラズマ浸炭処理であることを特徴とする請求項９乃至請求項１１のいずれか一項に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。   The method for manufacturing a fuel cell separator according to any one of claims 9 to 11, wherein the nitriding treatment is a plasma nitriding treatment, and the carburizing treatment is a plasma carburizing treatment. 請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載された燃料電池用セパレータを用いたことを特徴とする燃料電池スタック。   A fuel cell stack using the fuel cell separator according to any one of claims 1 to 8. 請求項１３に記載の燃料電池スタックを搭載し、これを動力源として用いたことを特徴とする燃料電池車両。   A fuel cell vehicle comprising the fuel cell stack according to claim 13 and using the fuel cell stack as a power source.
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