JP2000294256A

JP2000294256A - 固体高分子型燃料電池

Info

Publication number: JP2000294256A
Application number: JP11103357A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Taruya; 芳男樽谷; Akira Seki; 彰関; Norifumi Doi; 教史土井
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1999-04-09
Filing date: 1999-04-09
Publication date: 2000-10-20
Anticipated expiration: 2019-04-09
Also published as: JP3097690B1

Abstract

(57)【要約】【課題】溶出金属イオンによる各電極担持触媒の被毒が
極めて少ない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。【解決手段】Ｓ、Ｐ、Ｖ、ＮｉおよびＣｕ等の不純物を
低くし、ＣｒとＭｏの含有量を、Ｃｒ：１０．５〜３５
％、Ｍｏ：０．５〜５％で、かつ１２％≦Ｃｒ＋３Ｍｏ
≦４３％を満足させたステンレス鋼からなるセパレータ
を備えた固体電解質型燃料電池。

Description

【発明の詳細な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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
により電気化学反応が生じて直流電力が発生する。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【００２２】（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。

【００２３】重量％で、Ｓ：０．００５％以下、Ｐ：０．０２５％以下、Ｖ：０．２％以下、Ｎｉ：０．２％以下、Ｃｕ：０．２％以下、Ｃｒ：１０．５〜３５％、Ｍｏ：０〜６％、希土類元素：０〜０．１％を含有し、かつ（Ｃｒ＋３Ｍｏ）が１０．５〜４３％の
範囲内にある（２）フェライト系ステンレス鋼中のＳｉ
およびＭｎが、重量％で、Ｓｉ量が０．３％以下、Ｍｎ
が０．４％以下である上記（１）記載の固体高分子型燃
料電池。

【００２４】（３）フェライト系ステンレス鋼中のＣお
よびＮ量が、重量％で、Ｃ：０．０１８％以下、Ｎ：
０．０１８％以下、かつＣとＮの合計含有量が、０．０
２５％以下である上記（１）または（２）記載の固体高
分子型燃料電池。

【００２５】（４）フェライト系ステンレス鋼が、Ｔｉ
とＮｂの１種または２種を含有しており、Ｔｉが、重量
％で０．２％以下で、かつ６（Ｃ％＋Ｎ％）〜２５（Ｃ
％＋Ｎ％）の範囲、およびＮｂが０．３％以下で、かつ
６Ｃ％〜２５Ｃ％の範囲内にある上記（１）から（３）
のいずれか記載の固体高分子型燃料電池。

【００２６】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。

【００２７】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ａ）セパレータが置かれるｐＨが１〜３の環境（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。

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】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、
ＮｉおよびＣｕの含有量を同時に低減すると共に、不働
態被膜を強固にしなければならない。

【００３１】ｅ）不働態被膜を強固にしても、不働態被
膜厚さ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。

【００３２】ｆ）不働態被膜を厚くすることなく強固に
して、セパレータ環境で金属の溶出を抑制するために
は、ＣｒとＭｏの含有量は（Ｃｒ％＋３×Ｍｏ％）が１
２〜４３％の範囲内になるようにする必要がある。

【００３３】ｇ）積極的にＭｏを添加することで、耐食
性が確保されるが、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
影響は比較的軽微である。

【００３４】

【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。

【００３５】Ｓ：鋼中のＳ量は、０．００５％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、金属の腐食溶出抑制に
有害である。

【００３６】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
０．００５％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、低ければ低い程よ
い。

【００３７】Ｐ：鋼中のＰ量は、０．０２５％以下であ
ることが必要である。通常のステンレス商用鋼含有レベ
ルは、０．０２６〜０．０３５％程度である。Ｐは不可
避的な不純物であり、Ｓと並んで、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の影響を及ぼす有
害素である。低い程望ましい。

【００３８】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
低いほどよい。

【００３９】Ｃｕ，Ｎｉ：鋼中のＣｕ、Ｎｉは、いずれ
も、あるいは双方ともに０．２％以下にする必要があ
る。一般に不純物程度の微量Ｃｕ、Ｎｉであっても、低
ｐＨ環境におけるステンレス鋼の耐食性を改善する効果
を有する。しかしながら、セパレータ環境では、不働態
維持状態における微量のＣｕ、Ｎｉイオン溶出であって
もアノードおよびカソード触媒層の被毒に対して影響を
及ぼすので、上限を０．２％とする必要がある。スクラ
ップからの混入も含めて、鋼中のＣｕ、Ｎｉ量は低い方
が望ましいが、０．２％以下の極微量不純物レベルのＣ
ｕ、Ｎｉが、フェライト系ステンレス鋼の不働態化能を
高め、不働態化状態での金属溶出を抑制する作用も有
し、結果として電池性能を改善するため、上限を０．２
％とする。

【００４０】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。

【００４１】Ｍｏは、必要により含有させる元素で、Ｃ
ｒに比べて少量で耐食性を改善する効果がある。０．５
％未満ではＭｏの効果が明確でなくなる。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５％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は比較的軽微であり、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が小さい。

【００４２】（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、ＣｒおよびＭｏの含有量は、腐食指数であ
る（Ｃｒ％＋３Ｍｏ％）が１２〜４３％の範囲内にある
ことが必要である。

【００４３】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。そのためには、本環境で０.2Ｖ vs.
ＳＣＥにおける不働態維持電流密度が５０μＡ/ｃｍ²
未満であることが望ましい。

【００４４】Ｓｉ：鋼中のＳｉ量は、０．３％以下にす
るのが好ましい。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。しかし、溶出したＳｉ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、電池特性維持の上からは明らかに有害
であるため０．３％以下とする。０．２５％前後での生
産が量産コスト低減の観点からは最も望ましいが、セパ
レータ環境では０．２％未満であることが望ましい。さ
らに望ましいのは、０．１％未満である。

【００４５】Ｍｎ：鋼中Ｍｎ量は、０．４％以下とする
のが望ましい。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Ｎｉバランス調整元素
として積極的に添加してもよい。しかし、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、０．４％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。望ましくは、０．１％未満であ
る。０．４５以下のＭｎであれば、量産の際の熱間割れ
などの問題も発生することなく製造が可能である。製造
コストアップもほとんど問題とならない。

【００４６】Ｃ、Ｎ：鋼中のＣ、Ｎは、常温靭性改善の
目的から、Ｃは０．０１８％以下、Ｎは０．０１８％以
下で、かつＣ％＋Ｎ％値で０．０２５％以下とすること
が望ましい。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、溶接部の耐食性およ
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熱延コイルの製
造工程で問題となる常温靭性対策となり、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ほどよ
い。

【００４７】Ｔｉ：Ｔｉは、必要により０．２％以下
で、（Ｃ％＋Ｎ％）値の６倍以上、２５倍以下の範囲量
で含有させる。Ｔｉは、アノードおよびカソード触媒層
に被毒を及ぼすので、本来は低減されるべき元素である
が、量産での製造性確保、薄板の加工性確保の観点よ
り、必要により最低量含有させる。

【００４８】溶接性が要求されない場合には、（Ｃ％＋
Ｎ％）値×６倍以上、１０倍以下が最も望ましい。溶接
性が求められる場合には、（Ｃ％＋Ｎ％）値の１０倍以
上、１６倍以下が最も望ましい。介在物起因の板表面疵
発生を回避するためには、０．１％以下とすることが望
ましい。必要以上含有させると、不働態維持状態におけ
る金属の溶出によるアノードおよびカソード触媒性能劣
化の原因となる。

【００４９】Ｎｂ：Ｎｂは、必要により含有させる元素
で、Ｔｉと同様に鋼中Ｃ、Ｎとの結合力がＣｒよりも強
い合金元素である。Ｎｂは、０．３％以下で、かつＣ％
×６〜Ｃ％×２５［すなわち、Ｎｂ(％)/Ｃ(％)＝６〜
２５％］の範囲内で含有させる。熱延コイルの常温靭性
を含め靭性改善に極めて効果的である。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ので、母材性能の
観点のみからはＮｂ含有量は低い方が望ましい。ただ
し、溶接部の性能の確保や、ＮｂとＴｉを同時に含有さ
せて冷延鋼板素材の加工性を改善する必要があると判断
される場合には必要最少量添加する。

【００５０】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
る効果がある。したがって、必要によりミッシュメタル
のような形で添加しても良い。含有量は、０．１％以下
で十分効果が得られる。

【００５１】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
Ｃａ、ＭｇやＢを含有させるのがよい。

【００５２】

【実施例】表１に示した２８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。

【００５３】

【表１】

【００５４】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。

【００５５】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 Z2202 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。

【００５６】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.２５の熱延鋼板・・・・・・・・・・・８３０℃ 表１のNo.１１〜１５、１６〜２３の熱延鋼板・・・・９００℃ 表１のNo.１〜１０の熱延鋼板・・・・・・・・９３０℃ 表１のNo.２４、２９の熱延鋼板・・・・・・・・９８０℃ 表１のNo.２６，２７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。

【００５７】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。

【００５８】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。

【００５９】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、片面５μm厚
さの金めっきを施した。

【００６０】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）これらの表面をショット加工用Ｓｉ
Ｃ砥粒を用いて機械的にショット研磨仕上げし、５％Ｈ
ＮＯ₃＋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おこない、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。

【００６１】模擬環境での試験として、特級試薬の硫酸
を用いて調整した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、不働態化の有無を腐食減量、素材表面からの
水素気泡発生、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、０．２Ｖvs S
CE における不働態保持電流密度を測定した。

【００６２】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。

【００６３】

【表２】

【００６４】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２０μＡ/ｃｍ²以下となって
いる。

【００６５】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は
可能な限り低いレベルとすることが望ましいことはいう
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。

【００６６】比較例の不働態電流密度は、３０〜８０μ
Ａ/ｃｍ²であり、抑制されているといえるが、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。

【００６７】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電流密度＞５０
μＡ／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５０μＡ／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。

【００６８】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。

【００６９】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を改造して
用いた。

【００７０】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。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
０．０４〜０．２０ｂａｒで調整した。セル性能評価
は、単セル電圧で５００ｍＡ/cm²−０．６２Ｖが確認で
きた状態より継時的に測定を行った。

【００７１】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。

【００７２】結果を表２に示した。

【００７３】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。ま
た、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０．３〜０．８と極めて大きかった。

【００７４】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
した相関した結果が得られた。

【００７５】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。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
発明の場合のレベルであれば実用上全く問題がない。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
となる熱延コイルの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。

【００７６】

【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。

【図面の簡単な説明】

【図１】固体高分子型燃料電池の構造を示す図である。

【符号の説明】

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

───────────────────────────────────────────────────── 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 CC05 CX04 EE08 HH05

Claims

【特許請求の範囲】

【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、Ｓ：０．００５％以下、Ｐ：０．０２５％以下、Ｖ：０．２％以下、Ｎｉ：０．２％以下、Ｃｕ：０．２％以下、Ｃｒ：１０．５〜３５％、Ｍｏ：０〜６％、希土類元素：０〜０．１％を含有し、かつ（Ｃｒ＋３Ｍｏ）が１０．５〜４３％の
範囲内にある
【請求項２】フェライト系ステンレス鋼中のＳｉおよび
Ｍｎが、重量％で、Ｓｉ量が０．３％以下、Ｍｎが０．
４％以下であることを特徴とする請求項１記載の固体高
分子型燃料電池。
【請求項３】フェ
ライト系ステンレス鋼中のＣおよびＮ量が、重量％で、
Ｃ：０．０１８％以下、Ｎ：０．０１８％以下、かつＣ
とＮの合計含有量が、０．０２５％以下である請求項１
または２記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項４】フェライト系ステンレス鋼が、ＴｉとＮｂ
の１種または２種を含有しており、Ｔｉが、重量％で
０．２％以下で、かつ６（Ｃ％＋Ｎ％）〜２５（Ｃ％＋
Ｎ％）の範囲、およびＮｂが０．３％以下で、かつ６Ｃ
％〜２５Ｃ％の範囲内にある請求項１から３のいずれか
記載の固体高分子型燃料電池。