JPS63277735A - Separator for phosphoric acid type fuel cell - Google Patents

Separator for phosphoric acid type fuel cell

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JPS63277735A
JPS63277735A JP62111466A JP11146687A JPS63277735A JP S63277735 A JPS63277735 A JP S63277735A JP 62111466 A JP62111466 A JP 62111466A JP 11146687 A JP11146687 A JP 11146687A JP S63277735 A JPS63277735 A JP S63277735A
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JP
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phosphoric acid
fuel cell
amorphous alloy
atoms
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Yoshio Takizawa
与司夫 滝沢
Akira Mihashi
章 三橋
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Mitsubishi Metal Corp
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    • C22C45/10Amorphous alloys with molybdenum, tungsten, niobium, tantalum, titanium, or zirconium or Hf as the major constituent
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Abstract

PURPOSE:To produce a thin separator for a phosphoric acid type fuel cell having excellent corrosion resistance, strength, etc., by using an amorphous alloy in which specific ratios of Cr and P are incorporated into Ni. CONSTITUTION:The amorphous alloy contg., by atom, 10-30% Cr and 15-23% P, contg. at need one or two kinds of 0.1-7.0% B and Si in such a manner that 15-23% P+B+Si are regulated and consisting of the balance Ni with inevitable impurities is prepd. Said amorphous alloy can thinly by worked, has high corrosion resistance to high temp. concd. phosphoric acid, has good electroconductivity and has excellent strength of withstanding a laminated structure. The alloy is suitable as the titled separator and by which the miniaturization of a cell is permitted.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、りん酸型燃料電池のセパレーターに関する
ものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] This invention relates to a separator for a phosphoric acid fuel cell.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

一般に、シん酸型燃料電池を構成するセルは、第1図に
示さ、れる構造となっており、かかる構造のセルが、例
えば200層程変種層されて組込まれてりん酸型燃料電
池を構成していた。
In general, cells constituting a phosphoric acid fuel cell have the structure shown in FIG. It was composed.

第1図は、シん酸型燃料電池のセルの構造を示す概略図
であり、1はセパレーター、2は負t!Ji。
FIG. 1 is a schematic diagram showing the structure of a silicic acid fuel cell, in which 1 is a separator and 2 is a negative t! Ji.

3は電極触媒、4は電解質、5は正極を示す。3 represents an electrode catalyst, 4 represents an electrolyte, and 5 represents a positive electrode.

上記りん酸型燃料電池用セルにおけるセパレーター1の
材料として、次のような特性が求められている。
The following characteristics are required for the material of the separator 1 in the above-mentioned phosphoric acid fuel cell.

(1)  高温濃縮りん酸に対する耐食性が高いこと。(1) High corrosion resistance against high temperature concentrated phosphoric acid.

(2)電気導電性がよいこと。(2) Good electrical conductivity.

(3)薄板形状に容易に製作可能なこと。(3) It can be easily manufactured into a thin plate shape.

(4)積層構造に耐え得る強度があること。(4) Must have enough strength to withstand a laminated structure.

これらの特性に対する要求に対して、従来からセパレー
ター用部材としてカーボン板が用いられており、カーボ
ン板を可能な限り薄く加工して上記りん酸型燃料電池用
セルのセパレーターとして使用していた。
In response to these demands for properties, carbon plates have been conventionally used as separator members, and carbon plates have been processed to be as thin as possible and used as separators in the above-mentioned phosphoric acid fuel cells.

〔発明が解決しようとする問題点〕 上記カーボン板は、りん酸型燃料電池用セパレーターと
して優れた部材であるものの、もろい材料であるため、
カーボン板を薄く加工することが難しく、また取扱い中
に割れやすいという欠点があった。
[Problems to be solved by the invention] Although the above carbon plate is an excellent member as a separator for phosphoric acid fuel cells, it is a brittle material, so
It was difficult to process the carbon plate to be thin, and it also had the disadvantage that it was easily broken during handling.

ところが、一方では、りん酸型燃料電池には、第1図に
示されるようなカーボン板製セパレーター1を含むスタ
ックセルが、例えば200層も積層して用いられるため
、セルを構成する部品の厚さが大きいと、シん酸型燃料
電池は大型となってしまうので、セルを構成する各部品
に対する薄肉化の要求が強く、セパレーターにも同じ要
求があるが、カーボン板では割れやすいという問題から
厚さは10程度が限界であった。
However, on the other hand, since a phosphoric acid fuel cell uses a stacked cell containing, for example, 200 layers of carbon plate separators 1 as shown in FIG. If the size is large, the cynic acid fuel cell will be large, so there is a strong demand for thinner walls for each part that makes up the cell, and the same demand is also placed on the separator, but due to the problem that carbon plates break easily. The maximum thickness was about 10 mm.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

そこで1本発明者等は、上記シん酸型燃料電池用セルを
構成する部品の一部であるセパレーターを、従来のカー
ボン板よシも、薄く加工でき、高温濃縮シん酸に対する
耐食性が高く、電気導電性がよく、積層構造に耐える強
度を有する特性を兼ね備えた部材で製造すべく研究を行
った結果。
Therefore, the inventors of the present invention have found that the separator, which is a part of the components constituting the above-mentioned silicic acid fuel cell, can be made thinner than conventional carbon plates, and has high corrosion resistance against high-temperature concentrated silicic acid. , the result of research to produce a material that has both good electrical conductivity and the strength to withstand a laminated structure.

(1)  Cr: l O〜30原子%、P:15〜2
3原子%。
(1) Cr: l O ~ 30 atomic%, P: 15 ~ 2
3 atomic%.

残部:Niおよび不可避不純物、 からなるアモルファス合金、 (2)  Cr: l O〜30原子チ、P:15〜2
3原子チ、 Ta1l〜10原子チ、 残部:Niおよび不可避不純物。
Remainder: Ni and inevitable impurities, an amorphous alloy consisting of (2) Cr: 10 to 30 atoms, P: 15 to 2
3 atoms, Ta11 to 10 atoms, balance: Ni and inevitable impurities.

からなるアモルファス合金。Amorphous alloy consisting of.

(3)  Cr: 10〜30原子%、P:15〜23
原子%、 B、Siの18i[tたは2種二0.1〜7.0原子チ
を、 P 十B 十Si: l 5〜23原子チとなるように
含有し、 残部=N1および不可避不純物。
(3) Cr: 10-30 atomic%, P: 15-23
Atomic %, B, contains 18i[t or 2 types of 20.1 to 7.0 atoms of Si, P 10B 10Si: l 5 to 23 atoms, the remainder = N1 and unavoidable impurities.

からなるアモルファス合金、または、 (4)  Cr: 10〜30原子チ、P:15〜23
原子チ、 Ta:l〜10原子俤、 8%Siの1mまたは2種: 0.1〜7.0原子チを
、 P−1−B−)Si:15〜23原子チとなるように含
有し、 残部:Niおよび不可避不純物、 からなるアモルファス合金、 から作製することによシ、すぐれたりん酸型燃料電池用
セパレーターが得られるという知見を得たのである。
or (4) Cr: 10-30 atoms, P: 15-23
Contains atomic atoms, Ta: 1 to 10 atoms, 8%Si 1 m or 2 types: 0.1 to 7.0 atoms, P-1-B-) Si: 15 to 23 atoms. The inventors have found that an excellent separator for phosphoric acid fuel cells can be obtained by manufacturing an amorphous alloy consisting of: Ni and unavoidable impurities.

この発明は、かかる知見にもとづいてなされたものであ
って、上記(1)〜(4)の合金で作製したシん酸型燃
料電池用セパレーターに特徴を有するものである。
The present invention was made based on this knowledge, and is characterized by a separator for a cynic acid fuel cell made of the alloys (1) to (4) above.

つぎに、この発明のりん酸型燃料電池用セパレーターに
用いるアモルファス合金の成分組成を上記の如く限定し
た理由について述べる。
Next, the reason why the composition of the amorphous alloy used in the separator for a phosphoric acid fuel cell of the present invention is limited as described above will be described.

Cr。Cr.

Crは、不動態皮膜を形成する元素であって、高温濃り
ん酸のような非酸化性の酸中で、特にその特性を発揮す
る元素であるが、その含有量が10原子チ未満では、高
温濃りん酸中での耐′食性が不十分であり、また、30
原子チを越えて含有すると、アモルファス形成能が低下
する。
Cr is an element that forms a passive film and exhibits its properties particularly in non-oxidizing acids such as high-temperature concentrated phosphoric acid, but when its content is less than 10 atoms, The corrosion resistance in high-temperature concentrated phosphoric acid is insufficient, and
If the content exceeds 1 atom, the ability to form an amorphous layer decreases.

したがって、 cr含有量の範囲は、10〜30原子チ
と定めた。
Therefore, the range of cr content was determined to be 10 to 30 atoms.

Pには、 Niと共存してアモルファス構造を形成する
のに有効な作用がありsCrを主成分とする保護皮膜の
形成を促す作用があるが、その含有量が15原子−未満
では、アモルファス形成能が低下し、したがって耐食性
も低下する。一方、その含有量が23原子チを越えて含
有すると、高温濃りん酸中の環境で保護性の低いりん酸
塩皮膜が、Pが酸化されて生じるので好ましくない。
P has an effective effect in coexisting with Ni to form an amorphous structure and promotes the formation of a protective film mainly composed of sCr, but if its content is less than 15 atoms, amorphous structure may be formed. performance and therefore corrosion resistance. On the other hand, if the content exceeds 23 atoms, P is undesirably oxidized, resulting in a phosphate film with low protective properties in the environment of high-temperature concentrated phosphoric acid.

したがって、Pの含有量は、15〜23原子チと定めた
Therefore, the content of P was determined to be 15 to 23 atoms.

Ta。Ta.

Taは、保護皮膜を形成して耐食性を担う元素であるが
、P%あるいは%PとBおよびSiの少なくとも一種と
共存する場合は、PがTaによる保護皮膜の形成を加速
するため、 Taが1原子チでも保護皮膜が形成される
が、 Taが10原子チ゛を越えてもアモルファス形成
能が落ちて効果がない。
Ta is an element responsible for corrosion resistance by forming a protective film, but when P% or %P coexists with at least one of B and Si, Ta accelerates the formation of a protective film by Ta. A protective film can be formed even with one atom of Ta, but if Ta exceeds ten atoms, the ability to form an amorphous layer decreases and there is no effect.

したがって、 Taの含有量を1〜10原子チと定めた
Therefore, the Ta content was determined to be 1 to 10 atoms.

B、Si BおよヒS1成分も、Nlと共存してアモルファス構造
を形成するのに有効な成分であり、Pと置換することが
できる元素であるが、アモルファス形成能を高めるため
には、B、Siの1種または2種は最低0.1原子チは
必要であり、また保護皮膜の形成を促すPの作用を低下
させないためにはB。
B, Si B, and S1 components are also effective components for forming an amorphous structure in coexistence with Nl, and are elements that can be substituted for P, but in order to enhance the amorphous formation ability, One or both of B and Si is required in an amount of at least 0.1 atom, and B in order not to reduce the effect of P that promotes the formation of a protective film.

Slの1種または2種は7原子チを越えて含有してはな
らない。
One or two types of Sl must not contain more than 7 atoms.

したがって、B、Siの1$1または2種の含有量を0
.1〜7.0原子チと定めた。
Therefore, if the content of 1$1 or 2 of B and Si is 0
.. It was determined to be 1 to 7.0 atoms.

P−1−B−1−8i、 BおよびSi成分は、上述のようにN1と共存してアモ
ルファス構造を形成するのに有効であるが。
P-1-B-1-8i, B and Si components are effective in coexisting with N1 to form an amorphous structure as described above.

Pの一部と置換することによシ一層アモルファス形成能
を高める作用もある。ところが、PとBと81の合計が
15原子チ未満では、アモルファス形成能が低下し耐食
性も低下する。一方、PとBと81の合計が23原子チ
を越えて含有すると保護皮膜の形成能が悪く耐食性が低
下する。したがって、PとB 、!:siの合計は、1
5〜23原子チと定めた。
Substituting a part of P also has the effect of further enhancing the amorphous formation ability. However, if the total of P, B, and 81 is less than 15 atoms, the amorphous formation ability decreases and the corrosion resistance also decreases. On the other hand, if the total of P, B, and 81 exceeds 23 atoms, the ability to form a protective film will be poor and the corrosion resistance will be reduced. Therefore, P and B,! :The total of si is 1
It was set as 5 to 23 atoms.

〔実施例〕〔Example〕

つぎに、この発明を実施例にもとづいて具体的に説明す
る。
Next, the present invention will be specifically explained based on examples.

第1表の1および2に示される成分組成を有する原料金
属を混合し、アルゴンアーク溶解炉により原料合金をつ
くり、これらの合金をアルゴン雰囲気中で再溶解し、単
ロール法を用いて超急冷凝固させることにより、厚さ:
0.051m、幅:10鵡のアモルファス合金帯状薄板
を得た。
Raw material metals having the compositions shown in 1 and 2 in Table 1 are mixed, raw material alloys are made in an argon arc melting furnace, these alloys are remelted in an argon atmosphere, and ultra-quenched using a single roll method. Thickness by solidification:
A thin amorphous alloy strip having a width of 0.051 m and a width of 10 mm was obtained.

アモルファス構造の形成の確認は、X線回折により行っ
た。
The formation of an amorphous structure was confirmed by X-ray diffraction.

これらアモルファス合金帯状薄板を、長さ:200鵡に
切断して、厚さ:0.05顛×幅:1゜鵡x長さ: 2
00mmの薄板とし、この薄板の表面をシリコンカーバ
イド紙1000番迄シクロヘキサン中で研摩して本発明
セパレーター1〜17および比較セパレーター1〜8を
作製した。
These amorphous alloy strip-shaped thin plates were cut into length: 200 mm, thickness: 0.05 mm x width: 1゜ length x length: 2 mm.
Separators 1 to 17 of the present invention and comparative separators 1 to 8 were prepared by polishing the surface of the thin plate in cyclohexane to No. 1000 silicon carbide paper.

さらに、カーボン板を機械加工することにより、厚さ:
1鵡×幅:2511111X長さ:5o朋のカーボン薄
板を作製し、従来のカーボンセパレーターとした。
Furthermore, by machining the carbon plate, the thickness:
A carbon thin plate measuring 1 mm x width: 2511111 x length: 5 mm was produced and used as a conventional carbon separator.

これら1本発明セパレーター1〜17%比較セパレータ
ー1〜8および従来のカーボンセパレーターの比抵抗値
を測定した後、温度:160′c。
After measuring the specific resistance values of the separators 1 to 17% of the present invention separators 1 to 17% and the comparative separators 1 to 8 and the conventional carbon separator, the temperature was 160'c.

濃度=87重量%のH3PO4溶液中に8日間浸漬し、
単位時間および単位面積当シの腐食によるセパレーター
の重量減少量を測定した。
Immersed in H3PO4 solution with concentration = 87% by weight for 8 days,
The weight loss of the separator due to corrosion per unit time and per unit area was measured.

このようにして測定した値を、比較しやすくするために
、従来のカーボンセパレーターの測定値に対する本発明
セパレーターおよび比較セパレーターの割合を、上記カ
ーボンセパレーp −測定値100に対する割合として
第1表に示した。
In order to facilitate comparison of the values measured in this manner, Table 1 shows the ratio of the separator of the present invention and the comparative separator to the measured value of the conventional carbon separator as a ratio to the p-measured value of the carbon separator 100. Ta.

第1表の1および2において、※印は、この発明の成分
組成の条件を外れた値を示すものである。
In 1 and 2 of Table 1, the * mark indicates a value outside the conditions of the component composition of this invention.

なお、この実施例では、アモルファス合金の製造を単ロ
ール法で行ったが、この発明におけるアモルファス合金
の製造は、単ロール法のみに限定されるものではない。
In this example, the amorphous alloy was produced by a single roll method, but the production of the amorphous alloy in this invention is not limited to the single roll method.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

第1表の1および2に示された結果から明らかなように
、この発明の条件をみたすアモルファス合金で作製した
セパレーターは、従来のカーボンセパレーターと比べて
高温濃シん酸に対する耐食性がほぼ同等であシ、電気抵
抗は小さく、また、板厚はアモルファス合金薄板から作
製するから機械加工を施すことなく極めて薄くすること
が可能であり、靭性にもすぐれている。
As is clear from the results shown in Table 1, 1 and 2, a separator made of an amorphous alloy that satisfies the conditions of this invention has almost the same corrosion resistance against high-temperature concentrated citric acid as a conventional carbon separator. It has low resistance and electrical resistance, and since it is made from an amorphous alloy thin plate, it can be made extremely thin without machining, and it has excellent toughness.

したがって、この発明のセパレーターをりん酸型燃料電
池に使用することによシ、強度のある小型のシん酸型燃
料電池をつくることができるというすぐれた効果を奏す
るものである。
Therefore, by using the separator of the present invention in a phosphoric acid fuel cell, a strong and small phosphoric acid fuel cell can be produced, which is an excellent effect.

【図面の簡単な説明】 第1図は、りん酸型燃料電池のセルの概略図である。 1・・・セパレーター、   2・・・負極、3・・・
電極触媒、     4・・・電解質。 5・・・正極。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic diagram of a phosphoric acid fuel cell. 1...Separator, 2...Negative electrode, 3...
Electrode catalyst, 4... Electrolyte. 5...Positive electrode.

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)Cr:10〜30原子%、 P:15〜23原子%、 残部:Niおよび不可避不純物、 からなるアモルファス合金で作製したことを特徴とする
りん酸型燃料電池用セパレーター。
(1) A separator for a phosphoric acid fuel cell, characterized in that it is made of an amorphous alloy consisting of Cr: 10 to 30 atomic %, P: 15 to 23 atomic %, and the remainder: Ni and unavoidable impurities.
(2)Cr:10〜30原子%、 P:15〜23原子%、 Ta:1〜10原子%、 残部:Niおよび不可避不純物、 からなるアモルファス合金で作製したことを特徴とする
りん酸型燃料電池用セパレーター。
(2) A phosphoric acid type fuel made of an amorphous alloy consisting of Cr: 10 to 30 at%, P: 15 to 23 at%, Ta: 1 to 10 at%, balance: Ni and inevitable impurities. Battery separator.
(3)Cr:10〜30原子%、 P:15〜23原子%、 B、Siの1種または2種:0.1〜7.0原子%を、 P+B+Si:15〜23原子%となるように含有し、 残部:Niおよび不可避不純物、 からなるアモルファス合金で作製したことを特徴とする
りん酸型燃料電池用セパレーター。
(3) Cr: 10 to 30 at%, P: 15 to 23 at%, one or both of B and Si: 0.1 to 7.0 at%, P+B+Si: 15 to 23 at% 1. A separator for a phosphoric acid fuel cell, characterized in that it is made of an amorphous alloy comprising: Ni and unavoidable impurities.
(4)Cr:10〜30原子%、 P:15〜23原子%、 Ta:1〜10原子%、 B、Siの1種または2種:0.1〜7.0原子%を、 P+B+Si:15〜23原子%となるように含有し、 残部:Niおよび不可避不純物、 からなるアモルファス合金で作製したことを特徴とする
りん酸型燃料電池用セパレーター。
(4) Cr: 10 to 30 at%, P: 15 to 23 at%, Ta: 1 to 10 at%, one or both of B and Si: 0.1 to 7.0 at%, P+B+Si: A separator for a phosphoric acid fuel cell, characterized in that it is made of an amorphous alloy containing 15 to 23 atomic %, the balance being Ni and unavoidable impurities.
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