JP2000309854A - Austenitic stainless steel for current-carrying electric parts, and fuel cell - Google Patents

Austenitic stainless steel for current-carrying electric parts, and fuel cell

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JP2000309854A
JP2000309854A JP11115461A JP11546199A JP2000309854A JP 2000309854 A JP2000309854 A JP 2000309854A JP 11115461 A JP11115461 A JP 11115461A JP 11546199 A JP11546199 A JP 11546199A JP 2000309854 A JP2000309854 A JP 2000309854A
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芳男 樽谷
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To produce an austenitic stainless steel for current-carrying electric parts, minimal in contact electric resistance, and to provide a separator composed of the stainless steel, and a solid-electrolyte-type fuel cell having the separator. SOLUTION: The austenitic stainless steel has a composition containing, by weight, 0.015-0.2% C. 0.01-1.5% Si. 0.01-2.5% Mn, 17-30% Cr, 7-50% Ni, 0-3% Cu, 0-0.3% N, 0-7% Mo, and 0-0.2% Al and satisfying Cr+3Mo=17 to 50%, and further, the content of C precipitating as a Cr carbide and the total content of C in the steel satisfy inequality (content (wt.%) of C precipitating as Cr carbide)×100/(total C content (wt.%) in the steel-0.012%)>=85. A fuel cell 1 is provided with a separator 5 composed of the stainless steel.

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、通電電気部品と
して用いられる接触電気抵抗の小さいオーステナイト系
ステンレス鋼、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前記ステンレス鋼からなるセパレー
タ(バイポーラプレートと呼ばれることもある)を備え
た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 separator (bipolar) made of austenitic stainless steel having low contact electric resistance used as a current-carrying electric part, and the above-mentioned stainless steel used as a small distributed power source for use in automobiles and homes. (Sometimes referred to as a plate).

【0002】[0002]

【従来の技術】オーステナイト系ステンレス鋼は、その
表面に不働態体皮膜が形成されているため耐食性に優れ
ている。しかし、表面の不働態体皮膜は電気抵抗が大き
いため、小さい接触電気抵抗が要求される通電して使用
される電気部品には適していない。不働態体皮膜の厚さ
が厚くなれば耐食性はより優れたものとなるが、電気抵
抗はより大きくなる傾向にある。
2. Description of the Related Art Austenitic stainless steel is excellent in corrosion resistance because a passive film is formed on its surface. However, since the passive film on the surface has a large electric resistance, it is not suitable for an electric component which is used by being energized and requires a low contact electric resistance. The thicker the passive layer film, the better the corrosion resistance, but the higher the electrical resistance.

【0003】オーステナイト系ステンレス鋼の接触電気
抵抗を小さくすることができれば、オーステナイト系ス
テンレス鋼を耐食性が要求される通電電気部品として使
用することが可能となる。優れた耐食性と小さい接触電
気抵抗が要求される通電電気部品の一つに固体高分子型
燃料電池のセパレータがある。
[0003] If the contact electric resistance of austenitic stainless steel can be reduced, it becomes possible to use the austenitic stainless steel as a current-carrying electrical component requiring corrosion resistance. One of the current-carrying electrical components requiring excellent corrosion resistance and small contact electric resistance is a separator of a polymer electrolyte fuel cell.

【0004】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。
A fuel cell is a battery that generates DC power using hydrogen and oxygen, and is a solid oxide fuel cell,
There are a molten carbonate fuel cell, a phosphoric acid fuel cell, and a polymer electrolyte fuel cell. The name of the fuel cell is derived from the constituent materials of the "electrolyte" part that forms the basis of the cell.

【0005】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, the 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.

【0006】固体高分子型燃料電池は、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 polymer electrolyte 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.

【0007】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。
[0007] The above-mentioned various fuel cells are called 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.

【0008】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。
[0008] 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 solid polymer fuel cells.

【0009】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 shows 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.

【0010】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.

【0011】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.

【0012】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。
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 an electrochemical reaction to generate DC power.

【0013】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。
The functions required of a polymer electrolyte fuel cell separator include (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. As a "flow path" for efficiently discharging the fuel and the carrier gas such as air and oxygen from the fuel cell to the outside of the system, and (3) simply maintaining low electrical resistance and good conductivity as an electrode for a long time. The function as an electrical "connector" between cells, and (4) the function as a "partition wall" between an anode chamber of one cell and a cathode chamber of an adjacent cell in an adjacent cell.

【0014】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。
So far, 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, and furthermore, 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.

【0015】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、
実用化に至っていない。
[0015] Among carbons, a heat-expandable graphite processed 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,
It has not been put to practical use.

【0016】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。
As a move against the study of the use of graphite-based materials, attempts have been made to apply stainless steel to the separator for the purpose of cost reduction.

【0017】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.

【0018】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 which 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.

【0019】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 performance of the supported catalyst is degraded by the 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.

【0020】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.

【0021】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、電池環境での接触電気抵抗が
小さいと共に、耐食性に優れたステンレス鋼の開発が極
めて強く望まれており、ステンレス鋼製セパレータの実
用化が固体高分子型燃料電池の商用化、適用拡大の成否
を握っていると言っても過言ではない。
It is very strongly desired to develop a stainless steel which can be used as a separator without any expensive surface treatment and which is "pure" and has low contact electric resistance in a battery environment and excellent corrosion resistance. It is no exaggeration to say that the practical use of separators has succeeded in commercializing polymer electrolyte fuel cells and expanding their applications.

【0022】[0022]

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、接触
電気抵抗が小さく、耐食性に優れた、特に固体高分子型
燃料電池のセパレータ環境で、高価な表面処理を施すこ
となく、無垢のままで使用しても、溶出金属イオンの少
ないオーステナイト系ステンレス鋼、そのステンレス鋼
からなる固体高分子型燃料電池セパレータおよびそのセ
パレータを用いた固体高分子型燃料電池を提供すること
にある。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a low solid contact resistance and excellent corrosion resistance, particularly in a separator environment of a polymer electrolyte fuel cell without expensive surface treatment. An object of the present invention is to provide an austenitic stainless steel with less eluting metal ions even when used in the above, a polymer electrolyte fuel cell separator made of the stainless steel, and a polymer electrolyte fuel cell using the separator.

【0023】[0023]

【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.

【0024】(1)重量%で、C:0.015〜0.2
%、Si:0.01〜1.5%、Mn:0.01〜2.
5%、P:0.035%以下、S:0.01%以下、C
r:17〜30%、Ni:7〜50%、Cu:0〜3
%、N:0〜0.3%、Mo:0〜7%、Al:0〜
0.2%を含有し、かつCr+3Moが17〜50%で
あって、残部Feおよび不可避不純物からなり、Cr系
炭化物として析出しているC量および鋼中の全C量が、
下記式を満足している接触電気抵抗の小さい通電電気部
品用オーステナイト系ステンレス鋼。
(1) C: 0.015 to 0.2% by weight
%, Si: 0.01-1.5%, Mn: 0.01-2.
5%, P: 0.035% or less, S: 0.01% or less, C
r: 17 to 30%, Ni: 7 to 50%, Cu: 0 to 3
%, N: 0 to 0.3%, Mo: 0 to 7%, Al: 0 to 0%
0.2%, Cr + 3Mo is 17-50%, and the balance of Fe and inevitable impurities, the amount of C precipitated as Cr-based carbide and the total amount of C in steel are:
Austenitic stainless steel with low contact electrical resistance for current-carrying electrical components that satisfies the following formula.

【0025】(Cr系炭化物として析出しているC重量%)
×100/(鋼中全C重量%-0.012%)≧85 (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、セパレータが上記(1)記載
のオーステナイト系ステンレス鋼からなる固体高分子型
燃料電池。
(C weight% precipitated as Cr-based carbide)
× 100 / (total C weight% in steel-0.012%) ≧ 85 (2) A plurality of unit cells in which a fuel electrode membrane and an oxidant electrode membrane are overlapped with the solid polymer electrolyte membrane at the center, between the unit cells In a polymer electrolyte fuel cell in which a fuel gas and an oxidizing gas are supplied to a stacked body laminated with a separator interposed therebetween to generate DC power, the separator is made of the austenitic stainless steel described in (1) above. Molecular fuel cell.

【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、少なくとも上記
C)の機能を有するプレートをセパレータと言う。
The separator has the four functions described above. That is, a) a function as a "flow path" for uniformly supplying a fuel gas in-plane on the fuel electrode side, b) air generated on the cathode side by reacting air from the fuel cell,
Function as a "flow path" to efficiently discharge the carrier gas together with a carrier gas such as oxygen, c) Function as an electrical "connector" between single cells that maintains low electrical resistance and good electrical conductivity as an electrode for a long time And d) adjacent cells have 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 the function of C).

【0027】また、Cr系炭化物とは、C276に代表
されるCrを含む炭化物をいう。炭化物中にFe、Mo
などのCrと並んでCとの化学的親和力の強い元素を微
量含有している場合もある。
The Cr-based carbide refers to a carbide containing Cr represented by C 27 C 6 . Fe, Mo in carbides
In some cases, a small amount of an element having a strong chemical affinity with C, such as Cr, is contained.

【0028】本発明者らは、接触電気抵抗の小さい通電
電気部品用のオーステナイト系ステンレス鋼、特に固体
電解質型燃料電池セパレータ環境において、鋼表面から
溶出する金属イオンができるだけ少なく、長時間にわた
ってセパレータとして使用しても、電極用黒鉛との接触
電気抵抗が大きくならないステンレス鋼の開発を目指し
て種々の試験を実施した。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 found that in an environment of an austenitic stainless steel for a current-carrying electric component having a low contact electric resistance, particularly a solid oxide fuel cell separator environment, the metal ions eluted from the steel surface are as small as possible and can be used as a separator for a long time. Various tests were conducted with the aim of developing a stainless steel that does not increase the contact electrical resistance with graphite for electrodes even when used. As a result, the present inventors have obtained the following findings and completed the present invention.

【0029】a)セパレータ環境で、オーステナイト系
ステンレス鋼は比較的良好な耐食性を発揮するが、一般
のオーステナイト系ステンレス鋼では金属溶出が起こ
る。
A) Austenitic stainless steel exhibits relatively good corrosion resistance in a separator environment, but metal elution occurs in general austenitic stainless steel.

【0030】b)金属溶出が起こると、腐食生成物(F
e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。起電力に代表される電池性能が短時間で劣化し、水
素イオン(プロトン)交換基を有するフッ素系イオン交
換樹脂膜のプロトン伝導性が劣化する。 c)表面に形成される不働態皮膜の電気抵抗はステンレ
ス鋼固有のものであり、電池性能を確保するのに十分小
さい不働態皮膜電気抵抗を安定して維持させることは容
易でない。
B) When metal elution occurs, corrosion products (F
e-based hydroxide) is produced, resulting in an increase in contact electric resistance and a significant adverse effect on supported catalyst performance. Battery performance represented by electromotive force deteriorates in a short time, and proton conductivity of a fluorine-based ion exchange resin membrane having a hydrogen ion (proton) exchange group deteriorates. c) The electric resistance of the passive film formed on the surface is specific to stainless steel, and it is not easy to stably maintain the electric resistance of the passive film small enough to secure battery performance.

【0031】d)一方で、電池本体内環境におけるセパ
レータとしての耐食性を確保するためには、不働態皮膜
は必要不可欠である。
D) On the other hand, in order to secure corrosion resistance as a separator in the environment inside the battery body, a passive film is indispensable.

【0032】e)耐食性確保のために不働態被膜を強固
にしても、被膜厚が厚くな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 strengthened to ensure corrosion resistance, the contact electric resistance increases as the film thickness increases,
Battery efficiency is significantly reduced.

【0033】f)ステンレス鋼表面のCr系炭化物が、
電気伝導性に優れた接触点として作用しており、ステン
レス鋼をセパレータとして用いた際に問題となる接触電
気抵抗は、接触単位面積当りの接触点数と面積、表面に
形成される不働態皮膜の電気抵抗に依存している。
F) The Cr-based carbide on the stainless steel surface
It acts as a contact point with excellent electrical conductivity, and the contact electric resistance, which becomes a problem when stainless steel is used as a separator, depends on the number and area of contact points per unit area of contact, and the passive film formed on the surface. Depends on electrical resistance.

【0034】g)鋼中にCr系主体の炭化物が析出した
ステンレス鋼は、鋼表面の不働態皮膜の如何によらず、
接触電気抵抗を継時的に低く維持することができる。た
だし、Cr含有炭化物として析出しているC量および鋼
中の全C量が下記式を満足していなければならない。
G) The stainless steel in which carbides mainly containing Cr are precipitated in the steel, irrespective of the passive film on the steel surface,
The contact electric resistance can be kept low over time. However, the amount of C precipitated as Cr-containing carbide and the total amount of C in the steel must satisfy the following formula.

【0035】(Cr系炭化物として析出しているC重量%)
×100/(鋼中全C重量%-0.012%)≧85 h)不働態被膜を強固にして、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
+3Mo)が17〜50%の範囲内になるようにする必
要がある。
(C weight% precipitated as Cr-based carbide)
× 100 / (total C weight% in steel-0.012%) ≧ 85 h) In order to strengthen the passivation film and suppress the elution of metal in the separator environment, the content of Cr and Mo should be (Cr
+ 3Mo) must be in the range of 17 to 50%.

【0036】j)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特徴を有する。
J) Corrosion resistance is ensured by actively adding Mo. Even if Mo is eluted, the effect on the performance of the catalyst supported on the anode and the cathode is relatively small. Having.

【0037】[0037]

【発明の実施の形態】以下、本発明のオーステナイト系
ステンレス鋼の化学組成を規定した理由を詳しく説明す
る。なお、下記の%表示は重量%を示す。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The reasons for defining the chemical composition of the austenitic stainless steel of the present invention will be described in detail below. In addition, the following% display shows weight%.

【0038】C:Cは、本発明においてもっとも重要な
元素である。Cr系主体の炭化物として分散析出するこ
とで、不働態皮膜で覆われるステンレス鋼表面の接触電
気抵抗を下げる効果がある。
C: C is the most important element in the present invention. Dispersion and precipitation as a Cr-based carbide has an effect of lowering the contact electric resistance of the surface of the stainless steel covered with the passive film.

【0039】一般に、ステンレス鋼におけるクロム系炭
化物の析出は、“鋭敏化”として知られる耐食性低下の
主原因となり少ないほどよいとされている。しかし、本
発明ではクロム系炭化物を積極的に析出させて利用する
ものである。
In general, it is said that the precipitation of chromium carbides in stainless steel is the main cause of deterioration of corrosion resistance known as “sensitization”, and the smaller the precipitation, the better. However, in the present invention, chromium-based carbides are positively precipitated and used.

【0040】ステンレス鋼表面には、数十 程度の極々
薄い不働態皮膜が生成しており優れた耐食性を示すが、
母材に比べて電気伝導性が劣り、接触電気抵抗を高め
る。不働態皮膜を薄くすることで、電気抵抗を小さくす
ることも可能ではあるが、特に固体高分子型燃料電池内
部では、安定して不動態皮膜を薄い状態で維持すること
は容易ではない。
On the surface of stainless steel, a few tens of ultra-thin passivation films are formed and exhibit excellent corrosion resistance.
It is inferior in electric conductivity to the base material and increases the contact electric resistance. Although it is possible to reduce the electric resistance by making the passivation film thinner, it is not easy to stably maintain the passivation film in a thin state especially in the polymer electrolyte fuel cell.

【0041】電気伝導性に優れたCr系炭化物が不働態
皮膜に覆われることなく表面に直接露出することが、ス
テンレス鋼表面の電気伝導性を長時間にわたって低く安
定させるのに極めて有効である。すなわち、Cr系炭化
物は耐食的に安定で、かつ表面に不働態皮膜を形成しな
いため、たとえ固体高分子型燃料電池内部で表面の不働
態皮膜が厚くなったとしても、鋼表面に露出しているC
r系炭化物を介して良電導性が確保されることとなり、
鋼表面の接触電気抵抗が高くなるのを抑制することがで
きる。言いかえるならば、不働態皮膜に覆われることな
く露出している微細なクロム系炭化物が『電気の通り道
(迂回路)』として機能することで、接触電気抵抗を低
く維持することができる。
It is extremely effective that the Cr-based carbide having excellent electric conductivity is directly exposed to the surface without being covered with the passivation film, in order to stabilize the electric conductivity of the stainless steel surface for a long time. That is, since the Cr-based carbide is stable in terms of corrosion resistance and does not form a passive film on the surface, even if the passive film on the surface becomes thick inside the polymer electrolyte fuel cell, it is exposed to the steel surface. C
Good electrical conductivity is ensured through the r-based carbide,
An increase in the contact electric resistance of the steel surface can be suppressed. In other words, the fine chromium-based carbide exposed without being covered by the passivation film functions as an “electrical passage (bypass)”, so that the contact electric resistance can be kept low.

【0042】一般に、オーステナイト系ステンレス鋼に
Cを多量に含有させると、強度および硬度が高くなり、
延性も低下する。また熱間加工性の低下も大きくなる。
固体高分子型燃料電池用セパレータ材としての成形性を
確保するためにも、鋼中のCを炭化物として析出させ
て、固溶C量を下げる必要がある。炭化物として、Cを
析出させることで、鋼の成形性が改善される。すなわ
ち、成形性確保の点からも、鋼中のCを炭化物として析
出させることが必要である。さらに、炭化物を熱処理で
凝集粗大化させることも、加工性を一層改善させるのに
有効である。長時間保持することで、炭化物は凝集、粗
大化する。
In general, when a large amount of C is contained in austenitic stainless steel, strength and hardness increase,
Ductility also decreases. In addition, the reduction in hot workability also increases.
In order to secure the formability as a separator material for a polymer electrolyte fuel cell, it is necessary to precipitate C in steel as carbide to reduce the amount of solid solution C. By precipitating C as a carbide, the formability of steel is improved. That is, it is necessary to precipitate C in steel as carbide from the viewpoint of ensuring formability. Further, the heat treatment of the carbides to make them coarse and coarse is also effective for further improving the workability. By holding for a long time, the carbides are aggregated and coarsened.

【0043】本発明鋼では、積極的に炭化物を析出させ
るためにCを0.015%以上、0.2%以下の量で含
有させる。0.2%を超えて含有させると、固体高分子
型燃料電池セパレータ用としての成形性を確保すること
ができなくなる。
In the steel of the present invention, C is contained in an amount of 0.015% or more and 0.2% or less in order to positively precipitate carbides. If the content exceeds 0.2%, the moldability for a polymer electrolyte fuel cell separator cannot be ensured.

【0044】(Cr系炭化物として析出しているC重量%)
×100/(鋼中全C重量%-0.012%)≧85 :不働態被膜を表面に有するオーステナイト系ステンレ
ス鋼をセパレータとして用いた場合、電極との接触電気
抵抗を小さくするためには、Cr系炭化物として析出して
いるC重量と鋼中全C重量を下記式を満足するように調
整する必要がある。
(C weight% precipitated as Cr-based carbide)
× 100 / (total C weight% in steel-0.012%) ≧ 85: When austenitic stainless steel having a passivation film on the surface is used as a separator, in order to reduce the contact electrical resistance with the electrode, use a Cr-based It is necessary to adjust the C weight precipitated as carbide and the total C weight in steel so as to satisfy the following formula.

【0045】(Cr系炭化物として析出しているC重量%)
×100/(鋼中全C重量%-0.012%)≧85以下、この(Cr含系
化物として析出しているC重量%)×100/(鋼中全C重量%
-0.012)をI値という。
(C weight% precipitated as Cr-based carbide)
× 100 / (total C weight% in steel-0.012%) ≧ 85 or less, this (C weight% precipitated as Cr-containing material) × 100 / (total C weight% in steel)
-0.012) is called an I value.

【0046】I値が85未満では、鋼表面にCr系炭化物
が析出している効果がなく、通常のオーステナイト系ス
テンレス鋼の接触電気抵抗と同程度になる。
When the I value is less than 85, there is no effect of the precipitation of Cr-based carbide on the steel surface, and it is almost equal to the contact electric resistance of ordinary austenitic stainless steel.

【0047】I値を85以上にするには、最終の熱処理
として500〜950℃の温度域に保持する熱処理を施
せばよい。950℃を超える温度域では、Cr系炭化物
は熱的に不安定となり再固溶する。一方、500℃以下
では鋼中C,Crの拡散速度が遅く、量産での析出処理
時間が長くなり工業的な観点より好ましくない。Cr系
炭化物析出に好適な処理温度域は600℃以上、900
℃以下である。
In order to make the I value 85 or more, a heat treatment for maintaining the temperature in a temperature range of 500 to 950 ° C. may be performed as a final heat treatment. In a temperature range exceeding 950 ° C., the Cr-based carbide becomes thermally unstable and re-dissolves. On the other hand, if the temperature is lower than 500 ° C., the diffusion rates of C and Cr in the steel are low, and the precipitation treatment time in mass production becomes long, which is not preferable from an industrial viewpoint. The processing temperature range suitable for Cr-based carbide precipitation is 600 ° C or more,
It is below ° C.

【0048】Cr系炭化物は鋼中に微細に分散析出する
が、析出しやすい結晶粒界に優先析出する傾向がある。
接触電気抵抗を低くする上で、クロム系炭化物が粒界、
粒内いずれに析出するかはさほどの影響はないが、均一
に分散させるとの観点より考えると、粒内にも分散析出
していることが望ましい。
Although Cr-based carbides are finely dispersed and precipitated in steel, they tend to preferentially precipitate at crystal grain boundaries where they are easily precipitated.
In order to lower the contact electric resistance, chromium-based carbides
There is not much effect on where the particles are precipitated, but from the viewpoint of uniform dispersion, it is desirable that the particles are also dispersed and precipitated within the particles.

【0049】粒内に分散させるためには、一旦、Cr系
炭化物を析出させた状態で、Cr系炭化物が再固溶しな
い温度域および時間内に熱間圧延あるいは冷間圧延で加
工歪を付与した後、再度500℃以上、950℃以下の
Cr系炭化物析出温度域に保持すればよい。再固溶した
鋼中Cが、粒界あるいは粒内に固溶せず残留している炭
化物を核として再度析出し、新粒界が形成されることで
粒内にも炭化物が析出することとなる。
In order to disperse the particles in the grains, a working strain is imparted by hot rolling or cold rolling within a temperature range and time in which the Cr-based carbide does not re-dissolve in a state where the Cr-based carbide is once precipitated. After that, the temperature may be maintained again in the Cr-based carbide precipitation temperature range of 500 ° C. or more and 950 ° C. or less. The C in the re-dissolved steel precipitates again using the remaining carbide as a nucleus without forming a solid solution in the grain boundary or grain, and the carbide is also precipitated in the grain by forming a new grain boundary. Become.

【0050】周知のように、Cr系炭化物析出処理で
は、鋭敏化により母材耐食性を低下させる可能性があ
る。鋭敏化とは、Cr系炭化物が析出することでその周
囲にCr欠乏層が生成することで起こる耐食性の低下で
ある。Cr系炭化物析出処理で500℃以上、950℃
以下の温度域に長時間保持し、緩冷却することで鋭敏化
を回避、あるいは鋭敏化度を小さくすることができる。
一般的に、冷却速度は遅いほど望ましい。ただし、鋭敏
化抑制の熱処理時間は、鋼中のC量および材料の履歴に
より異なる現象がある。すなわち、鋭敏化抑制の熱処理
は、炭化物析出処理の熱処理前での炭化物での析出状
況、残留加工歪量および保持温度などにより一概に規定
することは困難である。一例としては、830℃×6時
間炉冷などがある。析出熱処理をおこなった直後に冷却
することなく継続して処理をおこなってもよい。また、
いったん冷却した後、再度500℃以上、950℃以下
の温度域に加熱保持し、緩冷却してもよい。
As is well known, in the Cr-based carbide precipitation treatment, there is a possibility that the base material corrosion resistance may be reduced due to sensitization. Sensitization is a reduction in corrosion resistance caused by the formation of a Cr-deficient layer around the precipitation of Cr-based carbides. 500 ° C or more, 950 ° C with Cr-based carbide precipitation
By maintaining the temperature in the following temperature range for a long period of time and slowly cooling, sensitization can be avoided or the degree of sensitization can be reduced.
Generally, a lower cooling rate is more desirable. However, the heat treatment time for suppressing sensitization has a phenomenon that varies depending on the C content in steel and the history of the material. That is, it is difficult to unconditionally define the heat treatment for suppressing sensitization based on the precipitation state of the carbide, the amount of residual working strain, the holding temperature, and the like before the heat treatment of the carbide precipitation treatment. An example is furnace cooling at 830 ° C. for 6 hours. Immediately after performing the precipitation heat treatment, the treatment may be continuously performed without cooling. Also,
After cooling once, heating may be performed again in a temperature range of 500 ° C. or more and 950 ° C. or less, and cooling may be performed slowly.

【0051】次に、(Cr系炭化物として析出している
C重量%)値の定量は、例えば試験材を、AA液(10
%アセチルアセトンー1%テトラメチルアンモニウムク
ロライド−残りメタノール)を用いる非水溶媒溶液中で
の定電流電解をおこない、地金を溶解して得られた“抽
出残渣”中のCrの定量分析結果から、CrがすべてC
236であるとして等量計算によりおこなうことがで
きる。
Next, the amount of (C weight% precipitated as Cr-based carbide) was determined by, for example, using a test material in an AA solution (10%).
% Acetylacetone-1% tetramethylammonium chloride-residual methanol) in a non-aqueous solvent solution, and the quantitative analysis of Cr in the "extraction residue" obtained by dissolving the metal, Cr is all C
It can be performed by equivalent calculation assuming that it is r 23 C 6 .

【0052】また、(鋼中全C重量%)の定量について
は、赤外線吸収法を用いて定量することができる。すな
わち、試験片を酸素気流中で加熱、溶解して、鋼中の炭
素を十分に加熱して二酸化炭素とし、これを酸素と共に
赤外線吸収セルに送り、二酸化炭素による赤外線吸収量
で定量分析する。この方法は、現在では最も一般的な鋼
中C定量法である。
Further, the determination of (total C weight% in steel) can be performed by using an infrared absorption method. That is, the test piece is heated and melted in an oxygen gas stream, and the carbon in the steel is sufficiently heated to be carbon dioxide, sent to an infrared absorption cell together with oxygen, and quantitatively analyzed by the amount of infrared absorption by carbon dioxide. This method is currently the most common method for determining C in steel.

【0053】Si:Siは、0.01〜1.5%の範囲
内で含有させる。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1.5%を超えると成形性が低下する
ので、Si含有量は0.01〜1.5%とした。
Si: Si is contained in the range of 0.01 to 1.5%. Si is a deoxidizing element as effective as Al in mass-produced steel. If it is less than 0.01%, the deoxidation becomes insufficient, while if it exceeds 1.5%, the moldability decreases, so the Si content was made 0.01 to 1.5%.

【0054】Mn:Mn含有量は、0.01〜2.5%
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バランス調整元素でもある。これらの効果を得るに
は、0.01%以上が必要である。一方、2.5%を超
えると製造時の表面スケール生成量が多くなり鋼板表面
性状がわるくなるため上限は2.5%とした。
Mn: Mn content is 0.01 to 2.5%
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
It is also an i-balance adjusting element. To obtain these effects, 0.01% or more is required. On the other hand, if it exceeds 2.5%, the amount of surface scale generated during production increases and the surface properties of the steel sheet deteriorate, so the upper limit was made 2.5%.

【0055】P:鋼中のPは、0.035%以下である
ことが必要である。本発明においては、Sと同様に最も
有害な不純物である。低ければ低い程望ましい。
P: P in steel must be 0.035% or less. In the present invention, like S, it is the most harmful impurity. The lower the better.

【0056】S:鋼中のS量は、0.01%以下である
ことが必要である。本発明において、Pと同様に最も有
害な不純物である。低ければ、低いほど望ましい。鋼中
共存元素およびS含有量に応じて、Mn系硫化物、Cr
系硫化物、Fe系硫化物、あるいは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、不働態被膜の維持、腐食
溶出抑制に有害である。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
ることが望ましい。より望ましくは0.002%以下で
あり、最も望ましいのは、0.001%未満であり、低
ければ低い程よい。工業的量産レベルで0.001%未
満とすることは、現状の精錬技術で十分可能である。。
S: The amount of S in steel must be 0.01% or less. In the present invention, like P, it is the most harmful impurity. The lower the better, the better. Depending on the coexisting element and S content in steel, Mn-based sulfide, Cr
Almost all precipitate as sulfides, Fe sulfides, or composite nonmetallic inclusions with these composite sulfides and oxides. However, in a separator environment, the nonmetallic inclusions of any composition, although varying in degree, act as a starting point of corrosion and are harmful to the maintenance of the passive film and the suppression of corrosion elution. The amount of S in normal mass-produced steel is
Although it is more than 0.005% and about 0.008%, it is desirable to reduce it to 0.004% or less in order to prevent the above harmful effects. It is more preferably 0.002% or less, most preferably less than 0.001%, the lower the better. The level of less than 0.001% at the industrial mass production level is sufficiently possible with the current refining technology. .

【0057】Cr:Crは、母材の耐食性を確保する上
で極めて重要な基本合金元素である。含有量は高いほど
高耐食となる。30%を超えると、熱間で割れが発生し
やすくなり量産規模での生産が難しくなる。また、17
%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: Cr is a very important basic alloy element for ensuring the corrosion resistance of the base material. The higher the content, the higher the corrosion resistance. If it exceeds 30%, cracks are likely to occur during hot work, making production on a mass production scale difficult. Also, 17
If it is less than%, it is difficult to secure the corrosion resistance required as a separator even if other elements are changed.

【0058】Ni:Niは、本発明鋼を金属組織学的に
オーステナイト系とするために重要な元素である。オー
ステナイト系とすることで、熱間加工性、耐食性、成形
性が確保される。7%未満ではオーステナイト組織とす
ることが困難となり、一方、50%を超えるとコスト的
に極めて高価なものとなる。したがって、下限を7%、
上限を50%とした。
Ni: Ni is an important element for making the steel of the present invention metallographically austenitic. By using an austenitic material, hot workability, corrosion resistance, and moldability are ensured. If it is less than 7%, it is difficult to form an austenitic structure, while if it exceeds 50%, it becomes extremely expensive in terms of cost. Therefore, the lower limit is 7%,
The upper limit was set to 50%.

【0059】Cu:Cuは、鋼表面を不働態化する作用
があり、必要に応じて3%以下で含有させる。含有させ
る場合、0.01%以上が好ましく、一方3%を超えて
含有させると、熱間での加工性が劣化して量産が難しく
なる。
Cu: Cu has a function of passivating the steel surface, and is contained at 3% or less as necessary. When it is contained, the content is preferably 0.01% or more. On the other hand, when it exceeds 3%, hot workability is deteriorated and mass production becomes difficult.

【0060】N:Nは、オーステナイト形成元素で、必
要により0.3%以下で含有させる。0.3%を超える
と常温での薄板成形性が劣化するため、上限は0.3%
とした。
N: N is an austenite-forming element and is contained at 0.3% or less as necessary. If it exceeds 0.3%, the formability of the sheet at normal temperature deteriorates, so the upper limit is 0.3%.
And

【0061】Mo:Moは、必要に応じ含有させる。C
rに比べて少量で耐食性を改善する効果がある。しか
し、7%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7%とした。
Mo: Mo is contained as required. C
An effect of improving the corrosion resistance is obtained with a small amount as compared with r. However, if the content exceeds 7%, 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 7%.

【0062】また、Moの特徴として、たとえ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特徴
がある。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対する影響も小
さいことが挙げられる。
As a feature of Mo, even if Mo elutes, the effect on the performance of the catalyst supported on the anode and the cathode is relatively small. The effect on the cation conductivity of the fluorinated ion exchange resin membrane having a hydrogen ion (proton) exchange group is small.

【0063】(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、少なくとも、CrおよびMoの含有量は、腐食
指数である(Cr+3Mo)が17〜50%の範囲内に
あることが必要である。
(Cr + 3Mo): As a stainless steel for a separator, it is in a passivated state in an environment of 70 ° C. to 100 ° C. at most, which is the operating temperature of a polymer electrolyte fuel cell, and is continuously in contact. It is necessary that the electric resistance value 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, at least the content of Cr and Mo must be such that the corrosion index (Cr + 3Mo) is in the range of 17 to 50%.

【0064】その他不純物として、少量のB、V、RE
M(希土類元素)などを含有することは、本発明におい
て大きな影響はない。
As other impurities, a small amount of B, V, RE
The inclusion of M (rare earth element) has no significant effect in the present invention.

【0065】なお、上記のように本発明のオーステナイ
ト系ステンレス鋼は、固体高分子型燃料電池のセパレー
タ用として好適であるが、通電する電気部品で小さい接
触電気抵抗が要求されるような部品に用いることができ
る。例えば、電線と、電線または電気機械器具とを接続
するためのコネクター等の電気部品である。
As described above, the austenitic stainless steel of the present invention is suitable for use as a separator in a polymer electrolyte fuel cell, but it is suitable for a component that is required to have a low contact electric resistance in an electric component to be energized. Can be used. For example, it is an electric component such as a connector for connecting an electric wire to an electric wire or an electric machine.

【0066】[0066]

【実施例】以下、実施例により本発明の効果について説
明する。
EXAMPLES The effects of the present invention will be described below with reference to examples.

【0067】表1に示した21種の化学組成のオーステ
ナ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、市販の溶解
原料を使用し、鋼中の不純物量を調整した。
An austenitic stainless steel having the 21 chemical compositions shown in Table 1 was subjected to a high-frequency induction heating method of 150 kg.
It melted in a vacuum melting furnace. A commercially available melting raw material was used as the melting raw material, and the amount of impurities in the steel was adjusted.

【0068】[0068]

【表1】 [Table 1]

【0069】造塊した横断面が丸形のインゴットは、大
気中で1280℃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 at 1280 ° C. for 3 hours in the atmosphere, and then hot forged with a press-type forging machine, and each ingot was turned into a test slab having the following two dimensions. Finished.

【0070】 厚さ30mm、幅100mm、長さ120mm 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、次いで実生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。次いで、この熱延鋼
板に、大気雰囲気の800℃に恒温保持された加熱炉中
で16時間保持した後、48時間をかけて炉冷する焼鈍
を施し供試材(以下、素材Aと記す)とした。
A slab having a thickness of 30 mm, a width of 100 mm, and a length of 120 mm A slab having 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 immediately after the end of hot rolling in actual production. Was gradually cooled under the heat insulating material wrapping condition simulating the temperature history. Next, the hot-rolled steel sheet is annealed in a heating furnace maintained at a constant temperature of 800 ° C. in the air atmosphere for 16 hours and then cooled in a furnace for 48 hours to give a test material (hereinafter referred to as “material A”). And

【0071】上記のスラブは、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6
2mmのスラブに仕上げた。このスラブを大気中で12
00℃に加熱し、熱間圧延して厚さ4mmに仕上げた
後、と同様、実生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。次いで、この熱
延鋼板に、大気雰囲気の800℃に恒温保持された加熱
炉中で16時間保持した後、48時間をかけて炉冷する
焼鈍を施した。次いで、酸洗した後冷間圧延機を用いて
圧下率80%の冷間圧延をおこない厚さ0.3mm(+
−0.02)の冷延鋼板(以下、素材Bと記す)とし
た。
In the slab, the slab surface is cut by machining to remove oxide scale on the surface, and the slab has a thickness of 6 mm.
It was finished into a 2 mm slab. This slab is air
After heating to 00 ° C. and finishing by hot rolling to a thickness of 4 mm, as in the case of the actual production, the material was gradually cooled under heat insulating material winding conditions simulating the temperature history immediately after the end of hot rolling. Next, the hot-rolled steel sheet was annealed in a heating furnace maintained at a constant temperature of 800 ° C. in the air atmosphere for 16 hours, and then cooled for 48 hours. Next, after pickling, cold rolling was performed using a cold rolling mill at a rolling reduction of 80% to a thickness of 0.3 mm (+
-0.02) cold rolled steel sheet (hereinafter, referred to as material B).

【0072】上記の熱延鋼板の素材Aおよび冷延鋼板の
素材Bから、接触電気抵抗測定試験片、固体高分子
型燃料電池用セルにセパレータ、および粒界腐食試験
片を作製した。これらの各試験片に、表2および表3の
最終熱処理欄に示す条件でCr炭化物析出処理を施し、
各試験に供した。試験片および試験条件は以下に示す通
りとした。なお、素材Bから作製したセパレータは、セ
パレータの形状に冷間成形する前にCr炭化物析出処理
を施した。
From the above-mentioned hot-rolled steel sheet material A and cold-rolled steel sheet material B, a test piece for measuring contact electric resistance, a separator for a polymer electrolyte fuel cell, and a grain boundary corrosion test piece were prepared. Each of these test pieces was subjected to a Cr carbide precipitation treatment under the conditions shown in the final heat treatment column in Tables 2 and 3,
Each test was used. The test pieces and test conditions were as shown below. The separator prepared from the material B was subjected to a Cr carbide precipitation treatment before being cold-formed into the shape of the separator.

【0073】接触電気抵抗測定試験 試験片の寸法:厚さ:3mmまたは0.3mm、幅:4
0mm、長さ:40mm 接触電気抵抗は、電極として厚さ0.6mmの市販のグ
ラッシーカーボン板を用い、そのカーボン板に、接触面
積1cm2として上記試験片を接触させた。接触電気抵
抗の測定は、4端子法とした。なお、評価用試験片表面
は、評価直前に湿式600番エメリー研磨し、表面を洗
浄後評価に供試した。負荷荷重は12kg/cm2とし
た。負荷荷重により接触電気抵抗は変化するが、12k
g/cm2ではほぼ一定値が得られる。
Contact Electric Resistance Measurement Test Dimension of test piece: thickness: 3 mm or 0.3 mm, width: 4
0 mm, length: 40 mm The contact electric resistance was such that a commercially available glassy carbon plate having a thickness of 0.6 mm was used as an electrode, and the test piece was brought into contact with the carbon plate with a contact area of 1 cm 2 . The contact resistance was measured by a four-terminal method. The surface of the test piece for evaluation was subjected to wet-type No. 600 emery polishing immediately before evaluation, and the surface was subjected to evaluation after cleaning. The applied load was 12 kg / cm 2 . The contact electric resistance changes with the applied load,
At g / cm 2 , an almost constant value is obtained.

【0074】固体高分子型燃料電池セルにセパレータ
を装填した状態での特性評価 固体高分子型燃料電池セル装填による性能評価は、厚さ
0.3mmの素材Bを用いておこなった。コルゲート形
状の詳細は下記の通りである。
Evaluation of Characteristics in a State in which a Separator is Loaded in a Polymer Electrolyte Fuel Cell A performance evaluation by loading a polymer electrolyte fuel cell was performed using a material B having a thickness of 0.3 mm. The details of the corrugated shape are as follows.

【0075】a)セパレータ形状: 素材A 厚さ5mm、縦80mm、横80mm ガス流路:高さ0.8mm、山と山との間隔1.2mm
(機械加工) 素材B 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
(コルケ゛ート加工) b)セパレータ表面仕上げ: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。
A) Separator shape: Material A Thickness 5 mm, length 80 mm, width 80 mm Gas flow path: height 0.8 mm, gap between peaks 1.2 mm
(Machining) Material B Thickness 0.3 mm, height 80 mm, width 80 mm Gas flow path: height 0.8 mm, gap between peaks 1.2 mm
(Corrugated processing) b) Separator surface finish: Si for surface shot processing
Mechanically shot-polished using C abrasives, 5% H
Ultrasonic cleaning was performed for 15 minutes in NO 3 + 3% HF at 40 ° C. Further, immediately before the test, alkali spray degreasing treatment using 6% sodium hydroxide aqueous solution was 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.

【0076】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は、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
べて行った。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。
In the evaluation of the characteristics in a state where the separator was loaded inside the solid polymer type single cell battery, the voltage of the single cell battery was measured one hour after the fuel gas was flown into the battery, and the voltage was compared with the initial voltage. Then, the rate of voltage decrease was checked. The rate of decrease was determined by 1− (voltage V after one hour has elapsed / initial voltage v).

【0077】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。
As the solid polymer fuel single cell battery used for the evaluation, a commercially available battery cell FC50 manufactured by Electrochem, USA, was modified and used.

【0078】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500(+−100)mA/cm2−0.
62(+−0.03)Vが確認できた状態より継時的に
測定をおこなった。
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. The pressure inside the battery is
One atmosphere. The introduction gas pressure of hydrogen gas and air into the battery was adjusted at 0.04 to 0.20 bar. The cell performance was evaluated at a single cell voltage of 500 (+ −100) mA / cm 2 −0.
Measurement was carried out successively from the state where 62 (+ -0.03) V was confirmed.

【0079】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、同一条件で比較評価し
た。
As a single cell performance measuring system, a modified fuel cell measuring system based on the 890 series manufactured by Scribner, USA was used. Although the characteristics are expected to change depending on the battery operating state, comparative evaluation was performed under the same conditions.

【0080】粒界腐食試験片 ストラウス試験にて耐粒界腐食性を調べた。IJS G
0575の規定に従って、硫酸−硫酸銅腐食試験を実施
した。
Intergranular Corrosion Test Specimen The intergranular corrosion resistance was examined by a Strauss test. IJS G
A sulfuric acid-copper sulfate corrosion test was performed according to the provisions of 0575.

【0081】以上の試験結果を表2および表3に示す。The test results are shown in Tables 2 and 3.

【0082】[0082]

【表2】 [Table 2]

【0083】[0083]

【表3】 [Table 3]

【0084】各熱処理を施してCr炭化物を析出させ接
触電気抵抗測定試験片の一部から分析試験片を切り出
し、下記の方法でCr含有炭化物として析出しているC
量および鋼中全C量を求めた。その分析結果から求めた
I値を表2および表3に示す。
Each of the heat treatments was carried out to precipitate Cr carbide, and an analytical test piece was cut out from a part of the test piece for measuring the contact electric resistance, and C deposited as a Cr-containing carbide by the following method.
The amount and the total C content in the steel were determined. Tables 2 and 3 show I values obtained from the analysis results.

【0085】(Cr含有炭化物として析出しているC重
量%)値の定量は、試験材を、AA液(10%アセチル
アセトン−1%テトラメチルアンモニウムクロライド−
残りメタノール)を用いる非水溶媒溶液中での定電流電
解を行うことで得られる“抽出残渣”中Cr定量分析結
果に基づいて求めた。すなわち、AA非水溶媒液中に
て、20mA/cm2の電流密度にて約3時間の定電流電
解をおこなうことで約0.4g相当を溶解し、電解後す
みやかに電解試験片を超音波洗浄した際に用いたAA非
水溶媒液と電解に用いたAA非水溶媒溶液をフィルター
径0.2μmのCoster Scientific Corporation社製
“商品名Nuclepore”で濾し取り、フィルター上の残渣
を硫りん酸(特級りん酸:特級硫酸:蒸留水=1:1:
1)中で溶解し、これを島津製作所製誘導結合プラズマ
発光分光分析装置“商品名ICPV-1014”にて金属成分を
分析し、Cr濃度を定量した。CrがすべてCr236
であるとして等量計算にてC量を定量した。
For the determination of the (C weight% precipitated as Cr-containing carbide) value, the test material was measured using an AA solution (10% acetylacetone-1% tetramethylammonium chloride-
(Residual methanol) was determined based on the result of quantitative analysis of Cr in “extraction residue” obtained by performing a constant current electrolysis in a non-aqueous solvent solution using the same. That is, in an AA non-aqueous solvent solution, constant current electrolysis is performed for about 3 hours at a current density of 20 mA / cm 2 to dissolve about 0.4 g equivalent. The AA non-aqueous solvent solution used for washing and the AA non-aqueous solvent solution used for electrolysis are filtered off with a filter diameter of 0.2 μm (trade name: Nuclepore, manufactured by Coster Scientific Corporation), and the residue on the filter is phosphoric acid sulfate. (Special grade phosphoric acid: special grade sulfuric acid: distilled water = 1: 1: 1
In 1), the metal component was analyzed using an inductively coupled plasma emission spectrometer “ICPV-1014” manufactured by Shimadzu Corporation to quantify the Cr concentration. Cr is all Cr 23 C 6
And the amount of C was quantified by equivalent calculation.

【0086】また、(鋼中全C重量%)の定量について
は、一般に用いられている赤外線吸収法にて定量した。
Further, the determination of (total C weight% in steel) was determined by a generally used infrared absorption method.

【0087】熱延条件、熱延後の冷却条件、Cr炭化物
析出のための熱処理条件によって化学組成が同じ鋼板で
あっても炭化物の析出状態が異なり、クロム欠乏層形成
度により耐食性、接触電気抵抗値および固体高分子型燃
料電池内部での性能に差異がある。
The precipitation state of carbides differs depending on the hot rolling conditions, the cooling conditions after hot rolling, and the heat treatment conditions for precipitation of Cr carbide, even in steel sheets having the same chemical composition. Corrosion resistance and contact electric resistance depend on the degree of chromium deficiency layer formation. Values and the performance inside the polymer electrolyte fuel cell.

【0088】本発明例では、全て接触電気抵抗が0.2
Ω・cm2以下と低いが、比較例では0.41〜0.96
Ω・cm2と極めて高い。鋼中C量が0.01%未満と低
い鋼番13、14および15は、炭化物析出量が少ない
ため接触抵抗値が特に大きい。
In the examples of the present invention, the contact electric resistance was 0.2
Ω · cm 2 or less, but 0.41 to 0.96 in the comparative example.
Very high Ω · cm 2 . Steel numbers 13, 14, and 15 having a low C content in steel of less than 0.01% have a particularly large contact resistance value due to a small amount of carbide precipitation.

【0089】I値は、高い程鋼中CはCr系の炭化物と
して析出している割合が高いが、85未満では、カーボ
ン板との接触電気抵抗、固体高分子型燃料電池セルでの
性能ともに十分でない。この傾向は、鋼中C量が低い程
I値の影響を大きく受け、低い場合には性能が劣ってい
る。
The higher the I value, the higher the proportion of C in the steel which precipitates as Cr-based carbides. However, if it is less than 85, the contact electric resistance with the carbon plate and the performance in the polymer electrolyte fuel cell are not sufficient. . This tendency is greatly affected by the I value as the C content in the steel is lower, and the performance is inferior when the C content is lower.

【0090】固体高分子型燃料電池セルにセパレータを
装填した状態での特性は、本発明例では電圧低下率は全
て0.05未満であるのに対し、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。
The characteristics of the polymer electrolyte fuel cell with the separator loaded are such that the voltage drop rate is less than 0.05 in all of the present invention examples, but the chemical composition specified in the present invention is out of the range. In the comparative example, the voltage drop rate is 0.2 to> 0.
8 was extremely large.

【0091】表3中、鋼番20、21は、熱間圧延に際
して耳割れと称している端面からの割れが発生した。熱
間での耳割れ対策としては、鋼中のS量を低く押さえる
ことが有効であることが知られているが、鋼番20、2
1ともに鋼中S量は0.001%程度であり、工業的に
は極めて低いレベルである。したがって、鋼中Pあるい
はSi量が高いことが熱間での割れに起因している。
In Table 3, steel Nos. 20 and 21 cracked from the end faces called edge cracks during hot rolling. As a countermeasure against hot ear cracks, it is known that it is effective to keep the S content in steel low.
In both cases, the S content in steel is about 0.001%, which is extremely low industrially. Therefore, the high content of P or Si in the steel is due to hot cracking.

【0092】鋼番19は、フェライトとオーステナイト
両組織からなる二相ステンレス鋼である。二相ステンレ
ス組織では、耐食性は比較的良好であるが、常温での加
工性に方向性が強く、薄板での成形性が要求されるセパ
レータへの加工は難しい。また、表3に示した830℃
で24時間保持後空冷の熱処理をおこなった鋼は、耐食
性は確保されたもののσ相析出による脆化が顕著であっ
た。硬度も高く、切断、切削加工は極めて困難であっ
た。
[0092] Steel No. 19 is a duplex stainless steel having both a ferrite and austenitic structure. The duplex stainless steel structure has relatively good corrosion resistance, but has strong directivity in workability at room temperature, and it is difficult to work on a separator that requires thin plate formability. 830 ° C shown in Table 3
In the steel subjected to air-cooling heat treatment after holding for 24 hours, the corrosion resistance was ensured, but embrittlement due to σ phase precipitation was remarkable. Hardness was high, and cutting and cutting were extremely difficult.

【0093】[0093]

【発明の効果】本発明のオーステナイト系ステンレス鋼
は、接触電気抵抗が小さく、特に固体高分子型燃料電池
のセパレータ用として、極めて優れた電気特性を発揮す
る。また、このセパレータを用いた固体高分子型燃料電
池は安価で電気特性に優れている。
The austenitic stainless steel of the present invention has a low contact electric resistance and exhibits extremely excellent electric properties especially as a separator for a polymer electrolyte fuel cell. Further, a polymer electrolyte fuel cell using this separator is inexpensive and has excellent electrical characteristics.

【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 CC05 EE08 HH05  ────────────────────────────────────────────────── ─── Continued on 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 CC05 EE08 HH05

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】重量%で、C:0.015〜0.2%、S
i:0.01〜1.5%、Mn:0.01〜2.5%、
P:0.035%以下、S:0.01%以下、Cr:1
7〜30%、Ni:7〜50%、Cu:0〜3%、N:
0.3%以下、Mo:0〜7%、Al:0〜0.2%を
含有し、かつCr+3Moが17〜50%であって、残
部Feおよび不可避不純物からなり、Cr系炭化物とし
て析出しているC量および鋼中の全C量が、下記式を満
足していることを特徴とする接触電気抵抗の小さい通電
電気部品用オーステナイト系ステンレス鋼。(Cr系炭化
物として析出しているC重量%)×100/(鋼中全C重量%-
0.012%)≧85
(1) C: 0.015 to 0.2% by weight, S
i: 0.01 to 1.5%, Mn: 0.01 to 2.5%,
P: 0.035% or less, S: 0.01% or less, Cr: 1
7-30%, Ni: 7-50%, Cu: 0-3%, N:
0.3% or less, Mo: 0 to 7%, Al: 0 to 0.2%, and Cr + 3Mo is 17 to 50%, the balance being Fe and unavoidable impurities, which precipitate as Cr-based carbides. An austenitic stainless steel for a current-carrying electric part having a low contact electric resistance, wherein the amount of C and the total amount of C in the steel satisfy the following expression. (C weight% precipitated as Cr-based carbide) x 100 / (total C weight% in steel-
(0.012%) ≧ 85
【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、セパレータが請求項1
記載のオーステナ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。
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,
In a polymer electrolyte fuel cell that generates a DC power by supplying a fuel gas and an oxidant gas, the separator is a separator.
A polymer electrolyte fuel cell comprising the austenitic stainless steel according to any one of the preceding claims.
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