JP2000294255A - Solid high polymer fuel cell - Google Patents

Solid high polymer fuel cell

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JP2000294255A
JP2000294255A JP11102381A JP10238199A JP2000294255A JP 2000294255 A JP2000294255 A JP 2000294255A JP 11102381 A JP11102381 A JP 11102381A JP 10238199 A JP10238199 A JP 10238199A JP 2000294255 A JP2000294255 A JP 2000294255A
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芳男 樽谷
Akira Seki
彰 関
Norifumi Doi
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To extremely reduce poisoning of respective electrode carrying catalysts by an eluting metallic ion by constituting a separator of ferrite stainless steel including C, Mn, S, V, Ni, Al, Si, P, N, Cu, Cr and Mo having the specific composition. SOLUTION: Ferrite stainless steel for constituting a separator has the following composition. Respective component elements of C not more than 0.012%, Si of 0.01 to 0.6%, Mn of 0.01 to 0.6%, P not more than 0.026%, S not more than 0.004%, N not more than 0.02%, V of 0.2%, Cu of 0.01 to 0.8%, Ni of 0.2 to 6%, Cr of 10.5 to 35%, Al of 0.001 to 0.2% and Mo of 0 to 6% are included in wt.%. The content of C, N, Cr and Mo falls within a range for satisfying the following two relationships. (C+N<=0.03% and 10.5%<=Cr+3Mo<=43%) are realized, and here, respective atomic symbols show the content (wt.%) of the elements.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、自動車搭載用や
家庭用等の小型分散型電源として用いられる固体高分子
型燃料電池に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell used as a small distributed power source for a vehicle or a home.

【0002】[0002]

【従来の技術】燃料電池は、水素および酸素を利用して
直流電力を発電する電池であり、固体電解質型燃料電
池、溶融炭酸塩型燃料電池、リン酸型燃料電池および固
体高分子型燃料電池などがある。燃料電池の名称は、電
池の根幹をなす『電解質』部分の構成材料に由来してい
る。
2. Description of the Related Art A fuel cell is a cell that generates DC power using hydrogen and oxygen, and is a solid electrolyte fuel cell, a molten carbonate fuel cell, a phosphoric acid fuel cell, and a polymer electrolyte fuel cell. and so on. The name of the fuel cell is derived from the constituent materials of the "electrolyte" part that forms the basis of the cell.

【0003】現在、商用段階に達している燃料電池に
は、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池がある。
燃料電池のおおよその運転温度は、固体電解質型燃料電
池で1000℃、溶融炭酸塩型燃料電池で650℃、リ
ン酸型燃料電池で200℃および固体高分子型燃料電池
で80℃である。
At present, fuel cells that have reached the commercial stage include a phosphoric acid fuel cell and a molten carbonate fuel cell.
Approximate operating temperatures of the fuel cell are 1000 ° C. for a solid oxide fuel cell, 650 ° C. for a molten carbonate fuel cell, 200 ° C. for a phosphoric acid fuel cell, and 80 ° C. for a polymer electrolyte fuel cell.

【0004】固体電解質型燃料電池は、運転温度が80
℃前後と低く起動−停止が容易であり、エネルギー効率
も40%程度が期待できることから、小事業所、電話局
などの非常用分散電源、都市ガスを燃料とする家庭用小
型分散電源、水素ガス、メタノールあるいはガソリンを
燃料とする低公害電気自動車搭載用電源として、世界的
に実用化が期待されている。
A solid oxide fuel cell has an operating temperature of 80
Since it is easy to start and stop at low temperatures around ℃ and the energy efficiency can be expected to be about 40%, it can be used as an emergency dispersed power source for small business establishments and telephone offices, a small household dispersed power source using city gas as fuel, and hydrogen gas. It is expected to be put to practical use worldwide as a power source for low-pollution electric vehicles using methanol or gasoline as fuel.

【0005】上記の各種の燃料電池は、『燃料電池』と
言う共通の呼称で呼ばれているものの、それぞれの電池
構成材料を考える場合には、全く別物として捉えること
が必要である。使用される電解質による構成材料の腐食
の有無、380℃付近から顕在化し始める高温酸化の有
無、電解質の昇華と再析出、凝結の有無等により求めら
れる性能、特に耐食性能が、それぞれの燃料電池で全く
異なるためである。実際、使用されている材料も様々で
あり、黒鉛系素材から、Niクラッド材、高合金、ステ
ンレス鋼と多様である。
[0005] The above-mentioned various fuel cells are referred to by a common name of "fuel cell", but when considering the constituent materials of the respective cells, it is necessary to consider them completely different. The performance required by the presence or absence of corrosion of the constituent materials due to the electrolyte used, the presence or absence of high-temperature oxidation that begins to become apparent at around 380 ° C, the presence or absence of sublimation and reprecipitation of the electrolyte, the presence of condensation, etc. Because it is completely different. In fact, the materials used are also various, ranging from graphite-based materials to Ni clad materials, high alloys, and stainless steels.

【0006】商用化されているリン酸型燃料電池、溶融
炭酸塩型燃料電池に使用されている材料を、固体高分子
質型燃料電池の構成材料に適用することは全く考えるこ
とができない。
[0006] It is hardly conceivable to apply the materials used in commercially available phosphoric acid fuel cells and molten carbonate fuel cells to the constituent materials of polymer electrolyte fuel cells.

【0007】図1は、固体高分子型燃料電池の構造を示
す図で、図1(a)は、燃料電池セル(単セル)の分解
図、図1(b)は燃料電池全体の斜視図である。同図に
示すように、燃料電池1は単セルの集合体である。単セ
ルは、図1(a)に示すように固体高分子電解質膜2の
1面に燃料電極膜(アノード)3を、他面には酸化剤電
極膜(カソード)4が積層されており、その両面にセパ
レータ5a、5bが重ねられた構造になっている。
FIG. 1 is a view showing the structure of a polymer electrolyte fuel cell. FIG. 1 (a) is an exploded view of a fuel cell (single cell), and FIG. 1 (b) is a perspective view of the whole fuel cell. It is. As shown in FIG. 1, the fuel cell 1 is an aggregate of single cells. In the single cell, as shown in FIG. 1A, a solid polymer electrolyte membrane 2 has a fuel electrode membrane (anode) 3 laminated on one surface and an oxidant electrode membrane (cathode) 4 laminated on the other surface. It has a structure in which separators 5a and 5b are overlapped on both surfaces.

【0008】代表的な固体高分子電解質膜2としては、
水素イオン(プロトン)交換基を有するフッ素系イオン
交換樹脂膜がある。
A typical solid polymer electrolyte membrane 2 includes:
There is a fluorine ion exchange resin membrane having a hydrogen ion (proton) exchange group.

【0009】燃料電極膜3および酸化剤電極膜4には、
粒子状の白金触媒と黒鉛粉、必要に応じて水素イオン
(プロトン)交換基を有するフッ素樹脂からなる触媒層
が設けられており、燃料ガスまたは酸化性ガスと接触す
るようになっている。
The fuel electrode film 3 and the oxidant electrode film 4 include
A catalyst layer made of a particulate platinum catalyst, graphite powder, and, if necessary, a fluororesin having a hydrogen ion (proton) exchange group is provided so as to come into contact with a fuel gas or an oxidizing gas.

【0010】セパレータ5aに設けられている流路6a
から燃料ガス(水素または水素含有ガス)Aが流されて
燃料電極膜3に水素が供給される。また、セパレータ5
bに設けられている流路6bからは空気のような酸化性
ガスBが流され、酸素が供給される。これらガスの供給
により下記のような電気化学反応が生じて直流電力が発
生する。
The flow path 6a provided in the separator 5a
From the fuel gas (hydrogen or hydrogen-containing gas) A to supply hydrogen to the fuel electrode film 3. Also, the separator 5
An oxidizing gas B such as air is flown from a flow path 6b provided in b, and oxygen is supplied. The supply of these gases causes the following electrochemical reaction to generate DC power.

【0011】アノード側: H2 → 2H++2e カソード側: (1/2)O2+2H+2e- → H2O 固体高分子型燃料電池セパレータに求められる機能は、
(1)燃料極側で、燃料ガスを面内均一に供給する“流
路”としての機能、(2)カソード側で生成した水を、
燃料電池より反応後の空気、酸素といったキャリアガス
とともに効率的に系外に排出させる“流路”としての機
能、(3)長時間にわたって電極として低電気抵抗、良
電導性を維持する単セル間の電気的“コネクタ”として
の機能、および(4)隣り合うセルで一方のセルのアノ
ード室と隣接するセルのカソード室との“隔壁”として
の機能などである。
Anode side: H 2 → 2H + + 2e Cathode side: (1/2) O 2 + 2H + 2e → H 2 O The functions required of the polymer electrolyte fuel cell separator are:
(1) a function as a “flow path” for uniformly supplying fuel gas in a plane on the fuel electrode side, and (2) water generated on the cathode side,
A function as a "flow path" that efficiently discharges air and oxygen from the fuel cell together with the carrier gas such as air and oxygen outside the system. (3) Between single cells that maintain low electrical resistance and good electrical conductivity as electrodes for a long time And (4) the function as a "partition wall" between the anode chamber of one cell and the cathode chamber of an adjacent cell in an adjacent cell.

【0012】これまで、セパレータ材料としてカーボン
板材の適用が鋭意検討されてきているが、カーボン板材
には“割れやすい”という問題があり、さらに表面を平
坦にするための機械加工コストおよびガス流路形成のた
めの機械加工コストが非常に高くなる問題がある。それ
ぞれが宿命的な問題であり、燃料電池の商用化そのもの
を難しくさせかねない状況がある。
Until now, the use of a carbon plate as a separator material has been intensively studied. However, the carbon plate has a problem that it is easily cracked. Further, the machining cost for flattening the surface and the gas flow path are reduced. There is a problem that the machining cost for forming is very high. Each is a fatal issue, and there are situations that can make commercialization of fuel cells themselves difficult.

【0013】カーボンの中でも、熱膨張性黒鉛加工品は
格段に安価であることから、固体高分子型燃料電池セパ
レータ用素材として最も注目されている。しかしなが
ら、ガス透過性を低減して前記隔壁としての機能を付与
するためには、“複数回”に及ぶ樹脂含浸と焼成を実施
しなければならない。また、平坦度確保および溝形成の
ための機械加工コスト等今後も解決すべき課題が多く、
実用化されるに至っていないのが現状である。
[0013] Among carbons, a heat-expandable graphite product has been receiving the most attention as a material for a polymer electrolyte fuel cell separator because it is extremely inexpensive. However, in order to reduce the gas permeability and impart the function as the partition wall, the resin impregnation and firing must be performed “a plurality of times”. In addition, there are many issues to be solved in the future, such as machining costs for securing flatness and forming grooves,
At present, it has not been put to practical use.

【0014】こうした黒鉛系素材の適用の検討に対峙す
る動きとして、コスト削減を目的に、セパレータにステ
ンレス鋼を適用する試みが開始されている。
[0014] In response to the study of the application of such graphite materials, attempts have been made to apply stainless steel to the separator for the purpose of cost reduction.

【0015】特開平10−228914号公報には、金
属製部材からなり、単位電池の電極との接触面に直接金
めっきを施した燃料電池用セパレータが開示されてい
る。金属製部材として、ステンレス鋼、アルミニウムお
よびNi−鉄合金が挙げられており、ステンレス鋼とし
ては、SUS304が用いられている。この発明では、
セパレータは金めっきが施されているので、セパレータ
と電極との接触抵抗が低下し、セパレータから電極への
電子の導通が良好となるため、燃料電池の出力電圧が大
きくなるとされている。
Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-228914 discloses a fuel cell separator made of a metal member and having a gold plating directly applied to a contact surface of a unit cell with an electrode. Stainless steel, aluminum, and Ni-iron alloy are listed as metal members, and SUS304 is used as stainless steel. In the present invention,
It is said that since the separator is plated with gold, the contact resistance between the separator and the electrode is reduced, and the conduction of electrons from the separator to the electrode is improved, so that the output voltage of the fuel cell is increased.

【0016】特開平8−180883号公報には、表面
に形成される不働態膜が大気により容易に生成される金
属材料からなるセパレータが用いられている固体高分子
電解質型燃料電池が開示されている。金属材料としてス
テンレス鋼とチタン合金が挙げられている。この発明で
は、セパレータに用いられる金属の表面には、必ず不働
態膜が存在しており、金属の表面が化学的に侵され難く
なって燃料電池セルで生成された水がイオン化される度
合いが低減され、燃料電池セルの電気化学反応度の低下
が抑制されるとされている。また、セパレータの電極膜
等に接触する部分の不働体膜を除去し、貴金属層を形成
することにより、電気接触抵抗値が小さくなるとされて
いる。
JP-A-8-180883 discloses a solid polymer electrolyte fuel cell in which a passive film formed on the surface uses a separator made of a metal material that is easily formed by the atmosphere. I have. Stainless steel and titanium alloy are mentioned as metal materials. In the present invention, a passivation film is always present on the surface of the metal used for the separator, and the degree of ionization of water generated in the fuel cell is reduced due to the fact that the surface of the metal is hardly chemically attacked. The fuel cell is said to be reduced, and a decrease in the electrochemical reactivity of the fuel cell is suppressed. Further, it is said that the electrical contact resistance value is reduced by removing the passive body film at the portion of the separator that contacts the electrode film or the like and forming a noble metal layer.

【0017】しかしながら、上記の公開公報に開示され
ている表面に不働態膜を備えたステンレス鋼のような金
属材料をそのままセパレータに用いても、耐食性が十分
でなく金属の溶出が起こり、溶出金属イオンにより担持
触媒性能が劣化(以下、担持触媒の被毒と記す)する。
また、溶出後に生成するCr-OH、Fe-OHのような腐食生成
物により、セパレータの接触抵抗が増加するという問題
があるので、金属材料からなるセパレータには、コスト
を度外視した金めっき等の貴金属めっきが施されている
のが現状である。
However, even if a metal material such as stainless steel provided with a passivation film on the surface disclosed in the above-mentioned publication is used for the separator as it is, the corrosion resistance is not sufficient and the metal is eluted, and the metal eluted. The supported catalyst performance is degraded by ions (hereinafter, referred to as poisoning of the supported catalyst).
In addition, corrosion products such as Cr-OH and Fe-OH generated after elution have a problem that the contact resistance of the separator increases. At present, noble metal plating is applied.

【0018】これまでの金属材料のセパレータへの適用
は、適用したという実績があるにすぎず、実用化にはほ
ど遠い状況にある。
The application of metal materials to separators so far has only been applied, and is far from practical use.

【0019】セパレータとして、高価な表面処理を施さ
ない“無垢”で適用でき、電池環境での電気伝導性に優
れると共に、耐食性に優れたステンレス鋼の開発がなさ
れれば、燃料電池の製造コストが格段に低下し、固体高
分子型燃料電池の商用化、用途拡大が期待できる。
As a separator, which can be applied “pure” without expensive surface treatment and has excellent electric conductivity in a battery environment and stainless steel excellent in corrosion resistance, the production cost of a fuel cell will increase. This is a drastic decrease, and the commercialization of polymer electrolyte fuel cells and the expansion of applications can be expected.

【0020】[0020]

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、高価
な表面処理を施す必要がなく、溶出金属イオンによる各
電極担持触媒の被毒が極めて少なく、かつ腐食生成物に
よる電極との接触電気抵抗の増加および不働態皮膜の強
化による接触抵抗の増加が少ないステンレス鋼のセパレ
ータを備えた固体電解質型燃料電池を提供することにあ
る。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to eliminate the need for expensive surface treatment, to minimize the poisoning of each electrode-carrying catalyst by metal ions eluted, and to reduce the contact electric contact with electrodes by corrosion products. An object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell provided with a stainless steel separator in which the increase in resistance and the increase in contact resistance due to the strengthening of a passive film are small.

【0021】[0021]

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、以下の
通りである。
The gist of the present invention is as follows.

【0022】固体高分子電解質膜を中央にして燃料電極
膜と酸化剤電極膜を重ね合わせた単位電池を複数個、単
位電池間にセパレータを介在させて積層した積層体に、
燃料ガスと酸化剤ガスを供給して直流電力を発生させる
固体高分子型燃料電池において、セパレータが下記
(1)または(2)の化学組成を有するフェライト系ス
テンレス鋼からなることを特徴とする固体高分子型燃料
電池。
A plurality of unit cells in which the fuel electrode film and the oxidant electrode film are overlapped with the solid polymer electrolyte membrane in the center, and a laminate in which a separator is interposed between the unit cells,
A solid polymer fuel cell for generating direct current power by supplying a fuel gas and an oxidizing gas, wherein the separator is made of a ferritic stainless steel having the following chemical composition (1) or (2): Polymer fuel cell.

【0023】 (1)重量%で、 C:0.012%以下、 Si:0.01〜0.6%、 Mn:0.01〜0.6%、 P:0.026%以下、 S:0.004%以下、 N:0.02%以下、 V:0.2%以下、 Cu:0.01〜0.8%、 Ni:0.2〜6%、 Cr:10.5〜35%、 Al:0.001〜0.2%、 Mo:0〜6%を含有し、 かつC、N、CrおよびMo含有量は下記式、を満
足する範囲内にある C+N≦0.03% ・・・・・・・・・・・・・・・・・ 10.5%≦Cr+3Mo≦43% ・・・・・・ ここで、元素記号は各元素の含有量(重量%)を示す (2)重量%で、 C:0.012%以下、 Si:0.01〜0.6%、 Mn:0.01〜0.6%、 P:0.026%以下、 S:0.004%以下、 N:0.02%以下、 V:0.2%以下、 Cu:0.01〜0.8%、 Ni:0.2〜6%、 Cr:10.5〜35%、 Al:0.001〜0.2%、 Mo:0〜6%を含有し、 さらに、Nb:0.001〜0.3%、Ti:0.00
1〜0.15%の一方または 双方を含み、かつC、
N、Cr、Mo含有量は、下記式およびを満足し、
NbおよびTi含有量は下記式および、またはを満
足する範囲内にある C+N≦0.03% ・・・・・・・・・・・・・・・・・ 10.5%≦Cr+3Mo≦43% ・・・・・ 6≦Nb/C≦25 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 6≦Ti/(C+N)≦25 ・・・・・・・・・・・・ ここで、元素記号は各元素の含有量(重量%)を示す なお、セパレータとは前述した4つの機能を有するもの
である。すなわち、a)燃料極側で、燃料ガスを面内均
一に供給する"流路"としての機能、b)カソード側で生
成した水を、燃料電池より反応後の空気、酸素といった
キャリアガスとともに効率的に系外に排出させる"流路"
としての機能、c)長時間にわたって電極として低電気
抵抗、良電導性を維持する単セル間の電気的"コネクタ"
としての機能、およびd)隣り合うセルで一方のセルの
アノード室と隣接するセルのカソード室との"隔壁"とし
ての機能を有するものである。これらの機能を複数枚の
プレートで機能分担させる構造にする場合もある。本発
明でいうセパレータとは、上記4つの機能のうちの少な
くとも一つの機能を有するプレートをセパレータと言
う。
(1) By weight%, C: 0.012% or less, Si: 0.01 to 0.6%, Mn: 0.01 to 0.6%, P: 0.026% or less, S: 0.004% or less, N: 0.02% or less, V: 0.2% or less, Cu: 0.01 to 0.8%, Ni: 0.2 to 6%, Cr: 10.5 to 35% , Al: 0.001 to 0.2%, Mo: 0 to 6%, and the contents of C, N, Cr and Mo are within a range satisfying the following formula: C + N ≦ 0.03% ·········· 10.5% ≦ Cr + 3Mo ≦ 43% ···························································································· ) In weight%, C: 0.012% or less, Si: 0.01 to 0.6%, Mn: 0.01 to 0.6%, P: 0.026% or less, S: 0.004% or less , : 0.02% or less, V: 0.2% or less, Cu: 0.01 to 0.8%, Ni: 0.2 to 6%, Cr: 10.5 to 35%, Al: 0.001 to 0.2%, Mo: 0-6%, Nb: 0.001-0.3%, Ti: 0.00
1 to 0.15% or both, and C,
The contents of N, Cr and Mo satisfy the following formula and
The content of Nb and Ti is within a range satisfying the following expression and / or C + N ≦ 0.03% 10.5% ≦ Cr + 3Mo ≦ 43% 6 ≦ Nb / C ≦ 25 6 ≦ Ti / (C + N) ≦ 25 ········································································································ Separator has the above-mentioned four functions. That is, a) a function as a "flow path" for uniformly supplying the fuel gas in-plane on the fuel electrode side, and b) water generated on the cathode side is efficiently used together with a carrier gas such as air and oxygen reacted from the fuel cell. "Flow path" to be discharged out of the system
C) electrical "connector" between single cells that maintains low electrical resistance and good electrical conductivity as an electrode for a long time
And d) an adjacent cell has a function as a "partition wall" between the anode chamber of one cell and the cathode chamber of the adjacent cell. In some cases, the functions are shared by a plurality of plates. As used herein, the term “separator” refers to a plate having at least one of the above four functions.

【0024】本発明者らは、ステンレス鋼からなるセパ
レータを備えた固体高分子型燃料電池を開発するため、
セパレータが置かれる環境において、ステンレス鋼表面
から溶出する金属イオンを可能な限り低減することを目
標に、単セルを用いて種々試験を実施した。その結果、
以下の知見を得て本発明を完成するに至った。
The present inventors have developed a polymer electrolyte fuel cell having a separator made of stainless steel,
In an environment where the separator is placed, various tests were performed using a single cell with the aim of reducing as much as possible the metal ions eluted from the stainless steel surface. as a result,
The present invention has been completed based on the following findings.

【0025】a)セパレータが置かれるpHが1〜3と
低い環境(以下、単にセパレータ環境と記す)におい
て、オーステナイト系ステンレス鋼は耐食性が不十分で
あり、金属の溶出が著しくセパレータには不適当であ
る。
A) In an environment where the pH of the separator is as low as 1 to 3 (hereinafter simply referred to as the separator environment), the austenitic stainless steel has insufficient corrosion resistance, remarkably elutes metals, and is not suitable for a separator. It is.

【0026】b)セパレータ環境で、フェライト系ステ
ンレス鋼は良好な耐食性を発揮するが、一般のフェライ
ト系ステンレス鋼では、電池性能に影響を及ぼす程度の
金属の溶出が生じる。
B) In a separator environment, ferritic stainless steel exhibits good corrosion resistance, but general ferritic stainless steel elutes a metal to such an extent as to affect battery performance.

【0027】c)金属が溶出すると、腐食生成物(Fe
を主体とする水酸化物)が生成し、接触電気抵抗の増大
をもたらし、かつ担持触媒性能に著しい悪影響を及すの
で、起電力に代表される電池性能が短時間で劣化する。
また、水素イオン(プロトン)交換基を有するフッ素系
イオン交換樹脂膜の陽イオン伝導度にも悪影響を及ぼ
す。
C) When the metal elutes, the corrosion product (Fe
(Mainly a hydroxide), which causes an increase in the contact electric resistance and has a remarkable adverse effect on the performance of the supported catalyst, so that the battery performance represented by electromotive force is deteriorated in a short time.
In addition, the cation conductivity of the fluorinated ion exchange resin membrane having hydrogen ion (proton) exchange groups is adversely affected.

【0028】d)金属の溶出を防止するためには、フェ
ライト系ステンレス鋼中の不純物のうち、S、P、V、
Mnの含有量を低減すると共に、不働態被膜を強固にし
なければならない。
D) In order to prevent metal elution, among impurities in ferritic stainless steel, S, P, V,
It is necessary to reduce the Mn content and to strengthen the passive film.

【0029】e)不働態被膜を強固にしても、被膜厚を
厚くすると接触電気抵抗が増大し、電池効率が著しく低
下する。
E) Even if the passive film is made strong, if the film thickness is increased, the contact electric resistance is increased, and the battery efficiency is significantly reduced.

【0030】f)不働態被膜を強固にするために、フェ
ライト系ステンレス鋼に、適量のCuおよびNiを含有
させるのが良く、それにより鋼表面の不働態化が促進さ
れ、不働態保持電流密度を低めるのに効果的で、溶出イ
オン量の低減に極めて有効である。
F) In order to strengthen the passivation film, the ferritic stainless steel should contain appropriate amounts of Cu and Ni, whereby the passivation of the steel surface is promoted and the passivation holding current density is increased. And is extremely effective in reducing the amount of eluted ions.

【0031】g)特に、セパレータ環境での金属の溶出
防止には、Sの低減とCuおよびNi複合添加による相
乗効果が大きい。
G) In particular, the synergistic effect of the reduction of S and the addition of a combination of Cu and Ni is great for preventing metal elution in the separator environment.

【0032】h)セパレータ環境で金属の溶出を抑制す
るためには、25℃におけるpHが2.6で、80℃に
昇温した硫酸水溶液中で不働態の状態を維持し続けなけ
ればならない。すなわち、上記硫酸溶液中で、0.2V
vs. SCEにおける不働態維持電流密度は50μA/c
2以下になるようにしなければならない。
H) In order to suppress the elution of metals in the separator environment, the pH at 25 ° C. must be 2.6 and the passive state must be maintained in an aqueous sulfuric acid solution heated to 80 ° C. That is, in the above sulfuric acid solution, 0.2 V
vs. Passive maintenance current density in SCE is 50μA / c
m 2 or less.

【0033】i)そのためには、CrとMoの含有量は
(Cr+3Mo)が10.5〜43%の範囲内になるよ
うにする必要がある。
I) For this purpose, the content of Cr and Mo must be such that (Cr + 3Mo) is in the range of 10.5 to 43%.

【0034】j)Moを含有させれば耐食性が確保さ
れ、Moは溶出したとしても、アノードおよびカソード
部に担持されている触媒の性能に対する影響が比較的軽
微である。
J) If Mo is contained, corrosion resistance is ensured, and even if Mo is eluted, the effect on the performance of the catalyst carried on the anode and the cathode is relatively small.

【0035】[0035]

【発明の実施の形態】以下、本発明の固体高分子型燃料
電池が備えているフェライト系ステンレス鋼からなるセ
パレータの化学組成を規定した理由を詳しく説明する。
なお、下記成分の%表示は重量%を示す。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The reason why the chemical composition of the ferrite stainless steel separator provided in the polymer electrolyte fuel cell of the present invention is specified will be described in detail below.
In addition,% display of the following components shows weight%.

【0036】C、N:鋼中のC、Nは、常温靭性改善の
目的から、Cは0.012%以下、Nは0.02%以下
で、かつC+N値で0.03%以下とすることが必要で
ある。C、Nは、浸入型元素であり、高純度フェライト
系ステンレス鋼の母材靭性、溶接部耐食性および靭性劣
化の原因となる。C、Nは厳しく制限することが、高純
度フェライト系ステンレス鋼の製造工程での熱延コイル
靭性対策となり、製造コストの上昇を避けることができ
る。鋼中のC、Nを極低化すればするほど常温靭性は改
善するので低ければ低い程良い。
C, N: C and N in steel are set to 0.012% or less, N to 0.02% or less, and 0.03% or less in C + N value for the purpose of improving room temperature toughness. It is necessary. C and N are intrusion-type elements and cause deterioration of base metal toughness, corrosion resistance of welds, and toughness of high-purity ferritic stainless steel. Strictly limiting C and N is a measure against hot-rolled coil toughness in the manufacturing process of high-purity ferritic stainless steel, and can avoid an increase in manufacturing cost. Room temperature toughness improves as C and N in steel are made extremely low, so the lower the better, the better.

【0037】Si:鋼中のSi量は、0.01〜0.6
%の範囲内であることが必要である。Siは、量産鋼に
おいてはAlと同様に有効な脱酸元素である。0.01
%未満では脱酸が不十分となり、一方0.6%を超える
と成形性が低下するので、Si含有は0.01〜0.6
%とした。0.1%から0.25%前後が生産性、成形
性の改善、生産コスト低減の観点からは最も望ましい。
Si: The amount of Si in the steel is 0.01 to 0.6.
%. Si is a deoxidizing element as effective as Al in mass-produced steel. 0.01
If it is less than 0.6%, the deoxidation becomes insufficient, while if it exceeds 0.6%, the moldability decreases.
%. 0.1% to 0.25% is most desirable from the viewpoint of improving productivity, moldability and reducing production cost.

【0038】Mn:鋼中Mn量は、0.01〜0.6%
の範囲内であることが必要である。通常、Mnは、鋼中
のSをMn系の硫化物として固定する作用があり、熱間
加工性を改善する効果がある。また脱酸元素あるいはN
iバランス調整元素として積極的に添加しても良い。こ
れらの効果を得るには、0.01%以上が必要である。
一方、上限は0.6%とする。これは、不働態を維持し
ている状態においても金属の溶出がわずかづつ進行する
が、0.6%を超える量になると、溶出したMnイオン
が、アノードおよびカソード触媒層の被毒に対して少な
からず影響を及ぼすためである。
Mn: Mn content in steel is 0.01-0.6%
Must be within the range. Usually, Mn has an effect of fixing S in steel as Mn-based sulfide, and has an effect of improving hot workability. Also, deoxidizing element or N
You may add positively as an i balance adjustment element. To obtain these effects, 0.01% or more is required.
On the other hand, the upper limit is 0.6%. This is because the elution of the metal progresses little by little even in the state where the passive state is maintained, but when the amount exceeds 0.6%, the eluted Mn ions become poisoned to the anode and cathode catalyst layers. This is because the influence is not so small.

【0039】P:鋼中のP量は、0.026%以下であ
ることが必要である。通常のステンレス商用鋼のP含有
レベルは、0.026%から0.035%程度である。
セパレータにとっては、PはSと並んで最も有害な不純
物である。低ければ低い程望ましい。
P: The amount of P in steel must be 0.026% or less. The P content level of ordinary stainless commercial steel is about 0.026% to 0.035%.
For the separator, P is the most harmful impurity along with S. The lower the better.

【0040】S:鋼中のS量は、0.004%以下とす
ることが必要である。Sは、鋼中共存元素および鋼中の
S量に応じて、Mn系硫化物、Cr系硫化物、Fe系硫
化物、Ti系硫化物、これらの複合硫化物および酸化物
との複合非金属介在物としてほとんどは析出している。
しかしながら、セパレータ環境においては、いずれの組
成の非金属介在物も、程度の差はあるものの腐食の起点
として作用し、不働態化の維持、腐食溶出抑制に有害で
ある。
S: The amount of S in steel must be 0.004% or less. S is a Mn-based sulfide, a Cr-based sulfide, a Fe-based sulfide, a Ti-based sulfide, a composite non-metal with these composite sulfides and oxides, depending on the coexisting element in the steel and the amount of S in the steel. Most are precipitated as inclusions.
However, in a separator environment, non-metallic inclusions of any composition, although varying in degree, act as a starting point of corrosion and are harmful to maintaining passivation and suppressing corrosion elution.

【0041】また、燃料電池が作動している状況におい
て、フェライト系ステンレス鋼からなるセパレータとM
EA(Membrane Electrode Assembly)間の隙間内は、
電池反応および/または酸素濃度差電池腐食が起こるこ
とにより隙間内のpHが低下し、ミクロ電池腐食を起こ
しやすい状況となるが、硫化物系非金属介在物はその際
の腐食起点、加速因子として大きな影響を及ぼす。通常
の量産鋼の鋼中S量は、0.005%超え0.008%
前後であるが、上記の有害な影響を防止するためには
0.004%以下に低減する必要がある。望ましい鋼中
S量は0.002%以下であり、最も望ましい鋼中S量
レベルは、0.001%未満であり、低ければ低い程良
い。
When the fuel cell is operating, the separator made of ferritic stainless steel and the M
In the gap between EA (Membrane Electrode Assembly)
Due to the battery reaction and / or oxygen concentration difference battery corrosion, the pH in the gap is lowered and micro battery corrosion is likely to occur. However, sulfide-based nonmetallic inclusions are corrosion starting points and acceleration factors at that time. Have a big impact. S content in normal mass-produced steel exceeds 0.005% and 0.008%
Before and after, it is necessary to reduce it to 0.004% or less in order to prevent the above harmful effects. The desirable S content in steel is 0.002% or less, and the most desirable S content level in steel is less than 0.001%, the lower the better.

【0042】V:鋼中のVは、0.2%以下にする必要
である。一般に、Vはステンレス鋼を溶製する際の必須
溶解原料であるCr源中に不純物として含有されてお
り、ある程度の混入は不可避である。但し、溶出したV
は、アノードおよびカソード部に担持されている触媒の
性能に対して少なからず悪影響を及ぼす。電池特性維持
の上から、許容できる上限は0.2%であり、低ければ
低い程良い。
V: V in steel must be 0.2% or less. In general, V is contained as an impurity in a Cr source, which is an essential melting raw material when smelting stainless steel, and it is unavoidable to mix V to some extent. However, the eluted V
Has a considerable adverse effect on the performance of the catalyst supported on the anode and cathode parts. From the viewpoint of maintaining battery characteristics, the allowable upper limit is 0.2%, and the lower the better, the better.

【0043】Cu:Cuは、0.01〜0.8%とする
必要がある。フェライト系ステンレス鋼は、不働態皮膜
が不安定となる臨界pH以上のpH環境においては、N
iを多量に含有するオーステナイト系ステンレス鋼に比
べて優れた耐食性質を示し、不働態維持状態における溶
出速度も小さい特徴を有している。この特徴は、フェラ
イト系ステンレス鋼中にCuを添加することにより、一
層改善される。
Cu: Cu must be 0.01 to 0.8%. Ferritic stainless steels can be used in a pH environment above the critical pH where the passive film becomes unstable.
It shows superior corrosion resistance compared to austenitic stainless steel containing a large amount of i, and has a feature that the dissolution rate in the passive state is low. This feature is further improved by adding Cu to the ferritic stainless steel.

【0044】固体高分子型燃料電池用セパレータ環境含
め、不働態保持状態にある素材からの金属溶出を低減さ
せるために、適正量のCuを添加すると不働態化を促進
し、不働態保持電流密度を低めることに極めて効果的で
ある。不働態化の程度が顕著に改善されることは、溶出
金属イオン量を低減することにとって極めて有効なこと
であり、ひいては溶出金属イオンによる触媒被毒の程度
を顕著に改善するために極めて有効である。これらの効
果を得るためには0.01%以上含有させることが必要
で、0.8%を超えると効果がほぼ飽和し、製造性低
下、製造コストアップの原因となる。したがって、Cu
含有量は0.01〜0.8%とした。0.15〜0.6
5%が最も効果的である。
When a proper amount of Cu is added to reduce the metal elution from a material in a passive state including a separator environment for a polymer electrolyte fuel cell, passivation is promoted, and a passive state current density is increased. Is extremely effective in lowering The remarkable improvement in the degree of passivation is extremely effective for reducing the amount of eluted metal ions, and is therefore extremely effective for remarkably improving the degree of catalyst poisoning by the eluted metal ions. is there. In order to obtain these effects, it is necessary to contain 0.01% or more, and when it exceeds 0.8%, the effects are almost saturated, which causes a reduction in manufacturability and an increase in manufacturing cost. Therefore, Cu
The content was 0.01 to 0.8%. 0.15-0.6
5% is most effective.

【0045】Ni:Ni含有量は、0.2〜6%の範囲
内とする必要がある。Niは、Cuと同様に、フェライ
ト系ステンレス鋼の不働態皮膜を安定にして、不働態皮
膜が不安定となる臨界pH以上のpH環境における不働
態維持状態における金属の溶出速度を小さくする効果を
有している。Niを含有させることにより、セパレータ
環境での不働態保持状態での金属溶出が低減し、溶出金
属イオンによる触媒被毒の程度が顕著に改善される。こ
の効果を得るためには0.2%以上が必要である。
Ni: Ni content needs to be in the range of 0.2 to 6%. Ni, like Cu, has the effect of stabilizing the passive film of ferritic stainless steel and reducing the metal elution rate in the passive state maintained in a pH environment above the critical pH where the passive film becomes unstable. Have. The inclusion of Ni reduces the metal elution in the passive environment holding state in the separator environment, and significantly improves the degree of catalyst poisoning by the eluted metal ions. To obtain this effect, 0.2% or more is required.

【0046】Niのこの効果は、特にCuと複合で含有
させ、かつS量を低減することにより、一層顕著にな
る。しかし、6%を超えると、フェライト−オーステナ
イトの二相組織、あるいは、マルテンサイト組織とな
り、成形性が劣化する。二相組織では、成形性に方向性
が強くなり、またマルテンサイト系では、強度が高くな
り、セパレータのような鋼板の成形が必要な用途には不
向きである。
This effect of Ni becomes more remarkable especially when it is contained in a composite with Cu and the amount of S is reduced. However, if it exceeds 6%, a two-phase structure of ferrite-austenite or a martensite structure is obtained, and the formability is deteriorated. In a two-phase structure, the directionality of the formability is increased, and in the martensite system, the strength is increased, which is unsuitable for applications requiring forming of a steel sheet such as a separator.

【0047】Cr、Mo:Cr、Moはともに、耐食性
を確保する上での基本合金元素である。含有量は高いほ
ど高耐食となるが、高Cr化するに伴い常温靭性が低下
する傾向があり、Cr量で35%を超えると量産での生
産は困難となる。また、10.5%未満では、その他の
元素を変化させてもセパレータとして必要な耐食性の確
保が困難となる。
Cr, Mo: Cr and Mo are both basic alloying elements for ensuring corrosion resistance. The higher the content, the higher the corrosion resistance, but the higher the Cr content, the lower the room temperature toughness tends to be. If the Cr content exceeds 35%, mass production becomes difficult. If it is less than 10.5%, it becomes difficult to secure the corrosion resistance required for a separator even if other elements are changed.

【0048】Moは必要により含有させる元素で、Cr
に比べ、少量で耐食性を改善する効果がある。含有させ
る場合6%を超えて含有させると、シグマ相等の金属間
化合物の析出回避が困難であり、鋼の脆化の問題から生
産が困難となるので上限を6%とする。積極的にMo含
有させることで、耐食性が確保される。Moが溶出した
としても、アノードおよびカソード部に担持されている
触媒の性能に対する影響は比較的軽微である。
Mo is an element to be contained if necessary.
The effect of improving corrosion resistance is small with a small amount. If the content exceeds 6%, it is difficult to avoid precipitation of an intermetallic compound such as a sigma phase, and production becomes difficult due to the problem of embrittlement of steel. Therefore, the upper limit is set to 6%. By positively containing Mo, corrosion resistance is ensured. Even if Mo elutes, the effect on the performance of the catalyst supported on the anode and the cathode is relatively small.

【0049】(Cr%+3Mo%):セパレータ用ステ
ンレス鋼としては、固体高分子型燃料電池の作動温度で
ある70℃から高々100℃の環境において不働態化の
状態にあり、かつ、継時的にも接触電気抵抗値が低いこ
とが必要である。不働態皮膜厚さ増加と腐食生成物生成
を実用的な範囲で抑制する必要がある。そのための必要
条件として、実際の作動状態にある電池内部の模擬環境
として妥当と判断される。「25℃におけるpHが2.
6の硫酸水溶液80℃中」で不働態化していることが少
なくとも必要である。本環境で、0.2V vs. SCEに
おける不働態維持電流密度が50μA/cm2以下である
必要がある。本条件を満たすためには、少なくとも、C
rおよびMoの含有量は、腐食指数である(Cr%+3
Mo%)が10.5〜43%の範囲内にあることが必要
である。
(Cr% + 3 Mo%): The stainless steel for the separator is in a passivated state in an environment of 70 ° C. to 100 ° C. at most, which is the operating temperature of the polymer electrolyte fuel cell, and it is continuous. In addition, it is necessary that the contact electric resistance is low. It is necessary to suppress the increase in the thickness of the passive film and the formation of corrosion products within a practical range. As a necessary condition for this, it is determined that it is appropriate as a simulated environment inside the battery in an actual operating state. "If the pH at 25 ° C is 2.
6 at 80 ° C. in an aqueous solution of sulfuric acid ”. In this environment, the passive state maintaining current density at 0.2 V vs. SCE needs to be 50 μA / cm 2 or less. In order to satisfy this condition, at least C
The content of r and Mo is the corrosion index (Cr% + 3
Mo%) must be in the range of 10.5 to 43%.

【0050】Al:Alは脱酸に有効であり、その効果
を得るためには0.001%以上が必要である。しか
し、0.2%を超えると更なる改善硬化が認められなく
なるとともに、製造コストアップが大きくなり過ぎるた
め0.2%以下とする。
Al: Al is effective for deoxidation, and 0.001% or more is required to obtain the effect. However, if it exceeds 0.2%, further improved hardening will not be observed, and the production cost will increase too much.

【0051】Nb、Ti:鋼中C、Nとの結合力がCr
よりも強い合金元素であるNbおよびTiの1種または
2種を、必要により含有させる。Nbは、0.001〜
0.3%でかつ、Nb(%)/C(%)は6〜25の範囲
で、またTiは、0.001〜0.15%で、かつTi
(%)/C+N(%)は6〜25の範囲内とする。
Nb, Ti: The bonding force between C and N in steel is Cr.
One or two of Nb and Ti, which are stronger alloying elements, are contained as necessary. Nb is 0.001 to
0.3%, Nb (%) / C (%) is in the range of 6 to 25, Ti is 0.001 to 0.15%, and Ti is
(%) / C + N (%) is in the range of 6 to 25.

【0052】Nb、Tiは、低温靭性改善に極めて効果
的である。鋼板の成形性改善に果たす効果も大きい。た
だし、腐食に伴い溶出したNbは、腐食面に腐食生成物
として堆積し、接触電気抵抗を高める弊害がある。ま
た、腐食に伴い溶出したTiは、固体高分子型燃料電池
アノードおよびカソード極側に担持している触媒性能を
低める害がある。したがって、含有させる場合は必要最
低量にする必要があり、上記範囲内であれば上記の効果
が得られ、かつ上記弊害を避けることができる。また、
NbとTiを同時に添加することで、冷延鋼板素材の加
工性が改善される。
Nb and Ti are extremely effective in improving low-temperature toughness. It has a great effect on improving the formability of steel sheets. However, Nb eluted with the corrosion accumulates as a corrosion product on the corroded surface and has a problem of increasing the contact electric resistance. In addition, Ti eluted due to corrosion has the harm of lowering the performance of the catalyst carried on the anode and cathode of the polymer electrolyte fuel cell. Therefore, when it is contained, it is necessary to make the necessary minimum amount, and within the above range, the above effects can be obtained and the above-mentioned adverse effects can be avoided. Also,
By simultaneously adding Nb and Ti, the workability of the cold-rolled steel sheet material is improved.

【0053】希土類元素(REM):希土類元素は、溶
鋼段階でSとの結合力が極めて強いので、Sを無害化す
る。必要によりミッシュメタルのような形で含有させて
も良い。含有量は、0.1%以下の微量で十分効果が得
られる。
Rare earth element (REM): The rare earth element renders S harmless because it has an extremely strong bonding force with S in the molten steel stage. If necessary, it may be contained in the form of misch metal. A sufficient effect can be obtained when the content is as small as 0.1% or less.

【0054】上記元素以外の元素を必要により含有させ
てもよい。例えば、熱間加工性改善には、0.1以下の
微量のCa、MgやBを含有させるのがよい。
If necessary, an element other than the above elements may be contained. For example, in order to improve the hot workability, it is preferable to contain a small amount of Ca, Mg or B of 0.1 or less.

【0055】[0055]

【実施例】表1に示した26種の化学組成のフェライト
系ステンレス鋼を高周波誘導加熱方式の150kg真空溶
解炉で溶解した。溶解原料としては、市販の不純物の少
ない原料を厳選して使用し、鋼中の不純物量を調整し
た。
EXAMPLES Ferritic stainless steels having 26 kinds of chemical compositions shown in Table 1 were melted in a high-frequency induction heating type 150 kg vacuum melting furnace. As the melting raw material, a commercially available raw material having a small amount of impurities was carefully selected and used, and the amount of impurities in the steel was adjusted.

【0056】[0056]

【表1】 [Table 1]

【0057】造塊した横断面が丸形のインゴットは、大
気中で1230℃に3時間加熱した後、プレス方式鍛造
機で熱間鍛造し、各インゴットを下記2種の寸法の試験
用スラブに仕上げた。
The ingot having a round cross section was heated to 1230 ° C. for 3 hours in the atmosphere, and then hot forged with a press-type forging machine, and each ingot was formed into a test slab having the following two dimensions. Finished.

【0058】厚さ30mm、幅100mm、長さ12
0mm 厚さ70mm、幅380mm、長さ550mm のスラブは、熱間圧延して厚さ6mmの熱延鋼板と
し、次いで量産での熱延終了直後の温度履歴を模擬した
断熱材巻き付け条件で徐冷した。常温での熱延コイルの
靱性を調べるためシャルピー衝撃試験に供した。試験片
は、JIS−4号ハーフサイズとした。 のスラブは、機械加工でスラブ表面を切削加工して、
表面の酸化スケールを除去し、厚さ62mmのスラブに
仕上げた。このスラブを大気中で1200℃に加熱し、
熱間圧延して厚さ4mmに仕上げた後、と同様、量産
での熱延終了直後の温度履歴を模擬した断熱材巻き付け
条件で徐冷した。
Thickness 30 mm, width 100 mm, length 12
A slab having a thickness of 0 mm, a thickness of 70 mm, a width of 380 mm, and a length of 550 mm is hot-rolled into a hot-rolled steel sheet having a thickness of 6 mm, and then gradually cooled under heat insulating material wrapping conditions simulating the temperature history immediately after the end of hot rolling in mass production. did. A Charpy impact test was conducted to examine the toughness of the hot rolled coil at room temperature. The test piece was JIS-4 half size. The slab is machined by cutting the slab surface
The oxide scale on the surface was removed, and the slab was finished to a thickness of 62 mm. This slab is heated to 1200 ° C in the atmosphere,
After finishing to a thickness of 4 mm by hot rolling, as in the case of the above, the material was gradually cooled under heat insulating material wrapping conditions simulating the temperature history immediately after the end of hot rolling in mass production.

【0059】この熱延鋼板に、化学組成に応じて下記の
温度で、保持4分の溶体化処理を施し、強制空冷した。 表1のNo.1〜4、15〜20の化学組成の熱延鋼板 ・・・・ 930℃ 表1のNo.5〜8、12、13、21、22の熱延鋼板・・・・1000℃ 表1のNo.9〜11、23〜26の熱延鋼板 ・・・・1080℃ 各温度は、再結晶が進行し、金属間化合物が固溶する温
度とした。在炉時間はおよそ20分であった。
This hot-rolled steel sheet was subjected to a solution treatment for 4 minutes at the following temperature according to the chemical composition, and was forcibly air-cooled. Hot-rolled steel sheets of No. 1 to 4, 15 to 20 in Table 1 having a chemical composition of 930 ° C. Hot-rolled steel sheets of No. 5 to 8, 12, 13, 21, and 22 in Table 1... 1000 C. Hot rolled steel sheets of Nos. 9 to 11 and 23 to 26 in Table 1... 1080 C. Each temperature was set to a temperature at which recrystallization proceeds and an intermetallic compound forms a solid solution. Furnace time was approximately 20 minutes.

【0060】次いで、溶体化処理した熱延鋼板を、多段
式ゼンジマー型ロール圧延機を用い途中で中間焼鈍を挟
みながら、冷間圧延をおこない厚さ0.3mmに仕上げ
た。最終仕上げ焼鈍は、露点が−50℃以下である水素
雰囲気の光輝焼鈍炉内で行い、温度は熱間圧延素材の焼
鈍温度と同じとした。保持時間は1分であり、在炉時間
で約3分であった。
Next, the hot-rolled steel sheet subjected to the solution treatment was cold-rolled using a multi-stage Sendzimer-type roll rolling mill while sandwiching intermediate annealing on the way, and finished to a thickness of 0.3 mm. The final finish annealing was performed in a bright annealing furnace in a hydrogen atmosphere having a dew point of −50 ° C. or less, and the temperature was the same as the annealing temperature of the hot-rolled material. The holding time was 1 minute, and the oven time was about 3 minutes.

【0061】この冷間圧延焼鈍材から、下記寸法のセパ
レータ模擬環境での不働態皮膜の評価をおこなうための
試験片、および実際の固体高分子型燃料電池への装填用
のセパレータをプレス成形により製作した。
From this cold-rolled annealed material, a test piece for evaluating a passive film in a simulated separator having the following dimensions and a separator for loading into an actual polymer electrolyte fuel cell were formed by press molding. Made.

【0062】なお、比較例のNo.27については、模擬
環境用試験片およびセパレータを作製後、片側5μm厚
さの金めっきを施した。
For No. 27 of Comparative Example, a test piece for a simulated environment and a separator were prepared, and then gold plating was applied to a thickness of 5 μm on one side.

【0063】 模擬環境用試験片: 厚さ0.3mm、幅10mm、長さ10mm セパレータ: 厚さ0.3mm、縦80mm、横80mm ガス流路:高さ0.8mm、山と山との間隔1.2mm
(コルゲート加工)これらをの表面をショット加工用S
iC砥粒を用いて機械的にショット研磨仕上げし、5%
HNO3+3%HF、40℃中で15分間の超音波洗浄
を行い、さらに、試験直前に6%水酸化ナトリウム水溶
液を用いたアルカリ噴霧脱脂処理を行い、流水で簡易水
洗後、バッチ型水槽で蒸留水浸漬洗浄を3回行い、さら
に蒸留水噴霧洗浄を4分間行って冷風ドライアー乾燥さ
せた後、各試験に供した。
Test specimen for simulated environment: thickness 0.3 mm, width 10 mm, length 10 mm Separator: thickness 0.3 mm, length 80 mm, width 80 mm Gas flow path: height 0.8 mm, gap between peaks 1.2mm
(Corrugating) These surfaces are shot
Mechanically shot-polished using iC abrasives, 5%
Ultrasonic cleaning is performed for 15 minutes in HNO 3 + 3% HF at 40 ° C. Further, immediately before the test, alkali spray degreasing using a 6% aqueous sodium hydroxide solution is performed. Distilled water immersion cleaning was performed three times, and distilled water spray cleaning was further performed for 4 minutes to dry with a cool air dryer, and then subjected to each test.

【0064】模擬環境での試験として、特級試薬の硫酸
を用いて作成した25℃におけるpHが2.6である硫
酸水溶液を80℃に昇温し、その溶液中に試験片を6時
間浸漬した。不働態化の有無は、腐食減量、素材表面か
らの水素気泡発生の有無、試験溶液の色変化から評価す
ると共に、金属の溶出程度をより正確に調べるため、
0.2V vs SCE における不働態保持電流密度を測定
した。
As a test in a simulated environment, an aqueous sulfuric acid solution having a pH of 2.6 at 25 ° C. prepared using sulfuric acid as a special grade reagent was heated to 80 ° C., and the test piece was immersed in the solution for 6 hours. . The presence or absence of passivation is evaluated from the loss of corrosion, the presence or absence of hydrogen bubbles from the surface of the material, and the color change of the test solution.
The passive holding current density at 0.2 V vs SCE was measured.

【0065】シャルピー衝撃試験結果およびセパレータ
模擬環境における試験結果は、表2に示す通りであっ
た。
Table 2 shows the results of the Charpy impact test and the test results in the simulated separator environment.

【0066】[0066]

【表2】 [Table 2]

【0067】表2から明らかなように、本発明例では、
80℃に昇温した25℃におけるpHが2.6である硫
酸水溶液中で不働態化状態にあり、溶出の程度を示す
“不働態保持電流密度”も30μA/cm2以下となって
いる。
As is apparent from Table 2, in the present invention,
It is in a passivated state in an aqueous sulfuric acid solution having a pH of 2.6 at 25 ° C. at a temperature raised to 80 ° C., and the “passive holding current density” indicating the degree of elution is also 30 μA / cm 2 or less.

【0068】ステンレス鋼を固体高分子型燃料電池用セ
パレータとして適用する際には、不働態保持電流密度を
可能な限り低いレベルとすることが望ましいことは言う
までもない。安定して低い値をとることが重要であり、
10μA/cm2未満が最も望ましく、次いで10〜20
μA/cm2であることが望ましい。
When stainless steel is applied as a separator for a polymer electrolyte fuel cell, it is needless to say that it is desirable to keep the passive state holding current density as low as possible. It is important to take a stable low value,
Less than 10 μA / cm 2 is most desirable, then 10-20
μA / cm 2 is desirable.

【0069】比較例の不働態保持電流密度は50〜70
μA/cm2であり、抑制されていると言えるが、セパレ
ータから比較的大きな溶出が起こっている状態であるこ
とを示している。
The passive state holding current density of the comparative example is 50 to 70.
μA / cm 2 , which can be said to be suppressed, but indicates that relatively large elution has occurred from the separator.

【0070】本発明者らは、燃料電池用セパレータ材料
としての適用可否を判断する基準として、実機単セル電
池での性能特性との関係から不働態保持密度電流>50
μm/cm2 では性能が不十分であると判断した。不働
態保持電流密度が50μm/cm2以下の材料において
は、実単セル評価試験でも、問題となる程度の継時的性
能劣化を確認するには至っておらず、迅速模擬環境評価
条件として極めて適切であると判断している。本結果に
おいても、発明例の場合は固体高分子型燃料電池環境で
最も望ましい金属素材のひとつである金めっき素材(供
試鋼27)と同じレベルであり、相対的に見て良好な性
能が確保できると判断された。
The present inventors determined that the passive state holding current> 50 as a criterion for judging the applicability as a fuel cell separator material in relation to the performance characteristics of an actual single cell battery.
It was determined that the performance was insufficient at μm / cm 2 . For materials with a passive state current density of 50 μm / cm 2 or less, even a real single-cell evaluation test has not been able to confirm the time-dependent deterioration of a problematic degree, which is extremely suitable as a rapid simulation environment evaluation condition. Is determined to be. Also in the present results, in the case of the invention example, it is at the same level as the gold plating material (test steel 27) which is one of the most desirable metal materials in the polymer electrolyte fuel cell environment. It was determined that it could be secured.

【0071】次に、実際の固体高分子型単セル電池内部
にセパレータとして装填した状態での特性評価として、
電池内に燃料ガスを流してから1時間経過後に単セル電
池の電圧を測定し、初期の電圧と比較することにより電
圧の低下率を調べた。なお、低下率は、1−(1時間経
過後の電圧V/初期電圧v)により求めた。
Next, as an evaluation of the characteristics in a state where the separator is loaded inside the actual solid polymer type single cell battery,
One hour after the flow of the fuel gas into the battery, the voltage of the single cell battery was measured and compared with the initial voltage to determine the rate of voltage decrease. The rate of decrease was determined by 1− (voltage V after one hour has elapsed / initial voltage v).

【0072】評価に用いた固体高分子型燃料単セル電池
は、米国Electrochem社製市販電池セル“FC50(商
品名)”を改造して用いた。
The polymer electrolyte fuel cell used in the evaluation was a modified battery cell “FC50 (trade name)” manufactured by Electrochem, USA.

【0073】アノード極側燃料用ガスとしては99.9
999%水素ガスを用い、カソード極側ガスとしては空
気を用いた。電池本体は全体を78±2℃に保温すると
共に、電池内部の湿度制御を、セル出側の排ガス水分濃
度測定をもとに入り側で調整した。設定湿度は、78±
2℃である。電池内部の圧力は、1気圧である。水素ガ
ス、空気の電池への導入ガス圧は0.04〜0.20b
arで調整した。セル性能評価は、単セル電圧で500
mA/cm2−0.62Vとなるのを確認できた状態より継
時的に測定を行った。
The gas for fuel on the anode side is 99.9.
999% hydrogen gas was used, and air was used as the cathode electrode side gas. The entire body of the battery was kept at 78 ± 2 ° C., and the humidity control inside the battery was adjusted on the entry side based on the measurement of the exhaust gas moisture concentration on the cell exit side. Set humidity is 78 ±
2 ° C. The pressure inside the battery is 1 atm. Introducing gas pressure of hydrogen gas and air into the battery is 0.04-0.20b
Adjusted with ar. The cell performance was evaluated at a single cell voltage of 500.
mA / cm 2 −0.62 V The measurement was continuously performed from the state where it was confirmed that the voltage became 0.62 V.

【0074】単セル性能測定用システムとしては、米国
スクリブナー社製890 シリーズを基本とした燃料電池計
測システムを改造して用いた。電池運転状態により、特
性に変化があると予想されるが、同一条件での比較評価
である。
As a single cell performance measuring system, a modified fuel cell measuring system based on the 890 series manufactured by Scribner, USA was used. It is expected that the characteristics will change depending on the battery operating state, but this is a comparative evaluation under the same conditions.

【0075】結果を表2に示す。Table 2 shows the results.

【0076】表2から明らかなように、本発明例では電
圧低下率は全て0.05以下であり、No.27の高価で
高耐食性の金めっきしたセパレータと同等となった。そ
れに対して本発明で規定した化学組成を外れた比較例で
は、電圧低下率が0.2〜0.8と極めて大きかった。
As is clear from Table 2, the voltage drop rates of all the examples of the present invention were 0.05 or less, which was equivalent to that of the No. 27 expensive and highly corrosion-resistant gold-plated separator. On the other hand, in Comparative Examples in which the chemical compositions deviated from those defined in the present invention, the voltage drop rate was extremely large, 0.2 to 0.8.

【0077】一部の試験片で、長時間の試験を実施して
評価おこなったが、表2に示した短時間試験結果と近似
した相関結果が得られた。
Some of the test pieces were evaluated by performing a long-term test, and a correlation result similar to the short-term test result shown in Table 2 was obtained.

【0078】ステンレス鋼の常温での靭性は、一般にオ
ーステナイト系ステンレス鋼に比べてフェライト系ステ
ンレス鋼は劣っている。しかし、表2のシャルピー試験
結果から明らかなように、鋼中のC、N含有量が高い比
較例の場合に比べて、C、N含有量が低い一連の本発明
例の場合は格段に優れた靱性を有している。すなわち、
高純度フェライト系ステンレス鋼製造時に問題となる熱
延コイル常温靭性は良好であると言える。一般に常温靭
性は、板厚が薄くなると見かけ上改善されるため、本発
明の鋼のレベルであれば実用上全く問題がない。
The toughness of stainless steel at room temperature is generally inferior to ferritic stainless steel as compared to austenitic stainless steel. However, as is clear from the Charpy test results in Table 2, the series of examples of the present invention having lower C and N contents are much superior to the comparative examples having higher C and N contents in steel. It has high toughness. That is,
It can be said that the hot-rolled coil room-temperature toughness, which is a problem when producing high-purity ferritic stainless steel, is good. In general, the room temperature toughness is apparently improved as the sheet thickness is reduced, and therefore there is no practical problem at the level of the steel of the present invention.

【0079】[0079]

【発明の効果】本発明の固体高分子型燃料電池は、セパ
レータがフェライト系ステンレス鋼からなり、高価な金
めっきを施す必要ないので、安価に製造ができる。
The polymer electrolyte fuel cell of the present invention can be manufactured at a low cost because the separator is made of ferritic stainless steel and does not require expensive gold plating.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】固体高分子型燃料電池の構造を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a structure of a polymer electrolyte fuel cell.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 燃料電池 2 固体分子電解質膜 3 燃料電極膜 4 酸化剤電極膜 5a、5b セパレータ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell 2 Solid molecular electrolyte membrane 3 Fuel electrode membrane 4 Oxidizer electrode membrane 5a, 5b Separator

フロントページの続き (72)発明者 土井 教史 大阪府大阪市中央区北浜4丁目5番33号住 友金属工業株式会社内 Fターム(参考) 5H026 AA06 CC03 EE08 HH05 Continuation of the front page (72) Inventor: Norifumi Doi 4-5-33 Kitahama, Chuo-ku, Osaka-shi, Osaka Sumitomo Metal Industries, Ltd. F-term (reference) 5H026 AA06 CC03 EE08 HH05

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】固体高分子電解質膜を中央にして燃料電極
膜と酸化剤電極膜を重ね合わせた単位電池を複数個、単
位電池間にセパレータを介在させて積層した積層体に、
燃料ガスと酸化剤ガスを供給して直流電力を発生させる
固体高分子型燃料電池において、セパレータが下記の化
学組成を有するフェライト系ステンレス鋼からなること
を特徴とする固体高分子型燃料電池。 重量%で、 C:0.012%以下、 Si:0.01〜0.6%、 Mn:0.01〜0.6%、 P:0.026%以下、 S:0.004%以下、 N:0.02%以下、 V:0.2%以下、 Cu:0.01〜0.8%、 Ni:0.2〜6%、 Cr:10.5〜35%、 Al:0.001〜0.2%、 Mo:0〜6%を含有し、 かつC、N、CrおよびMo含有量は下記式、を満
足する範囲内にある C+N≦0.03% ・・・・・・・・・・・・・・・・・ 10.5%≦Cr+3×Mo≦43%・・・・・・ ここで、元素記号は各元素の含有量(重量%)を示す
1. A laminate in which a plurality of unit cells in which a fuel electrode membrane and an oxidant electrode membrane are overlapped with a solid polymer electrolyte membrane in the center, and a separator is interposed between the unit cells,
A polymer electrolyte fuel cell for supplying a fuel gas and an oxidant gas to generate DC power, wherein the separator is made of a ferritic stainless steel having the following chemical composition. By weight%, C: 0.012% or less, Si: 0.01 to 0.6%, Mn: 0.01 to 0.6%, P: 0.026% or less, S: 0.004% or less, N: 0.02% or less, V: 0.2% or less, Cu: 0.01 to 0.8%, Ni: 0.2 to 6%, Cr: 10.5 to 35%, Al: 0.001 0.2%, Mo: 0-6%, and the contents of C, N, Cr and Mo are within a range satisfying the following formula: C + N ≦ 0.03% ········ 10.5% ≦ Cr + 3 × Mo ≦ 43% ·················································································.
【請求項2】固体高分子電解質膜を中央にして燃料電極
膜と酸化剤電極膜を重ね合わせた単位電池を複数個、単
位電池間にセパレータを介在させて積層した積層体に、
燃料ガスと酸化剤ガスを供給して直流電力を発生させる
固体高分子型燃料電池において、セパレータが下記の化
学組成を有するフェライト系ステンレス鋼からなること
を特徴とする固体高分子型燃料電池。 C:0.012%以下、 Si:0.01〜0.6%、 Mn:0.01〜0.6%、 P:0.026%以下、 S:0.004%以下、 N:0.02%以下、 V:0.2%以下、 Cu:0.01〜0.8%、 Ni:0.2〜6%、 Cr:10.5〜35%、 Al:0.001〜0.2%、 Mo:0〜6%を含有し、 さらに、Nb:0.001〜0.3%、Ti:0.00
1〜0.15%の一方または 双方を含み、かつC、
N、Cr、Mo含有量は、下記式およびを満足し、
NbおよびTi含有量は下記式および、またはを満
足する範囲内にある C+N≦0.03% ・・・・・・・・・・・・・・・・・ 10.5%≦Cr+3Mo≦43% ・・・・・ 6≦Nb/C≦25 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 6≦Ti/(C+N)≦25 ・・・・・・・・・・・・ ここで、元素記号は各元素の含有量(重量%)を示す
2. A laminate in which a plurality of unit cells in which a fuel electrode membrane and an oxidant electrode membrane are overlapped with the solid polymer electrolyte membrane in the center, and a separator is interposed between the unit cells,
A polymer electrolyte fuel cell for supplying a fuel gas and an oxidant gas to generate DC power, wherein the separator is made of a ferritic stainless steel having the following chemical composition. C: 0.012% or less, Si: 0.01 to 0.6%, Mn: 0.01 to 0.6%, P: 0.026% or less, S: 0.004% or less, N: 0. 02% or less, V: 0.2% or less, Cu: 0.01 to 0.8%, Ni: 0.2 to 6%, Cr: 10.5 to 35%, Al: 0.001 to 0.2 %, Mo: 0 to 6%, Nb: 0.001 to 0.3%, Ti: 0.00
1 to 0.15% or both, and C,
The contents of N, Cr and Mo satisfy the following formula and
The content of Nb and Ti is within a range satisfying the following expression and / or C + N ≦ 0.03% 10.5% ≦ Cr + 3Mo ≦ 43% 6 ≦ Nb / C ≦ 25 6 ≦ Ti / (C + N) ≦ 25 .. Here, the element symbol indicates the content (% by weight) of each element
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