JP2005298960A - 固体高分子型燃料電池セパレータ用多層ステンレスクラッド鋼板、厚板およびそれらの素材、並びにそれらの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】(1)B含有量が0〜0.3質量%であるステンレス鋼を内層とし、その外層として片面または両面にB含有量が0.3〜2.5質量%であるステンレス鋼を組み合わせたこと特徴とする固体高分子型燃料電池セパレータ用多層ステンレスクラッド鋼板およびその素材である。(2)前記クラッド鋼板用素材を1000〜1200℃に加熱したのち、粗圧延を行い、次いで圧延終了温度を600℃以上とする熱間圧延を行い、その後冷間圧延することを特徴とする固体高分子型燃料電池セパレータ用多層ステンレスクラッド鋼板の製造方法である。
【選択図】図2
Description
hm=(H+2h)/3 ・・・ (2)
図3に示す結果から、初期圧延で加えられる圧延形状比が熱間圧延後の3層クラッド鋼板の剪断強度に大きな影響を及ぼすことがわかる。具体的には、初期圧延での圧延形状比を0.4以上にすれば、その後の熱間圧延で圧延形状比が0.4未満であっても、内層および外層の接合面の剥離もなく、熱間圧延後においてJISで規定する200MPa以上の剪断強度を確保することができる。さらに、初期圧延での圧延形状比を0.6以上にすれば、熱間圧延後の剪断強度を一層向上させることができるので望ましい。
(b)高エネルギー密度溶接に際しては、溶接後凝固した溶接金属の組成に適正な範囲があり、溶接金属の組成を適切に管理することによって、熱間圧延や熱間鍛造中に発生する割れを防止するのに有効である。
1.多層ステンレスクラッド鋼板およびその素材
本発明の多層ステンレスクラッド鋼板およびその素材は、B含有量が0〜0.3%であるステンレス鋼を内層とし、その外層として片面または両面にB含有量が0.3〜2.5%であるステンレス鋼を組み合わせたこと特徴としている。外層ステンレス鋼および内層ステンレス鋼は、次の構成による。
1−1.外層ステンレス鋼
外層ステンレス鋼は内層ステンレス鋼の片面または両面に組み合わせて構成され、そのB含有量が0.3%未満になると、不働態皮膜に覆われた表面から直接露出するボライドの突出数が少なくなり、接触抵抗が増大する。
1−2.内層ステンレス鋼
内層ステンレス鋼のB含有量は少ないほどよく、0〜0.3%とする。これは、そのB含有が0.3%を超えると、熱間加工時に割れが発生するおそれがあるからである。そのため、内層ステンレス鋼はBを含有しなくてもよいが、含有する場合は0.3%以下に制限することとした。また、内層ステンレス鋼は、フェライト系またはオーステナイト系ステンレス鋼のいずれでもよいが、外層ステンレス鋼と化学組成を近似させるのが望ましい。
2.電子ビーム溶接による一体化
前述の通り、高エネルギー密度溶接には、プラズマ溶接、電子ビーム溶接、およびレーザー溶接等が例示される。しかし、以下では、高エネルギー密度溶接として電子ビーム溶接を適用した場合について説明する。
3.プロテクト材の接合
3−1.接合条件
本発明の多層ステンレスクラッド鋼板用素材では、外層材がB含有ステンレス鋼であり、熱間加工中に割れが生じるおそれがある。このため、素材の加工面を除く側面に、B含有量が0.3%以下のプロテクト材を接合するのが望ましい。
3−2.溶接金属の化学組成
「溶接金属」とは、プロテクト接合部の一部であって、接合前の母材ステンレス鋼およびプロテクト材が接合により溶融凝固した金属部分をいう。プロテクト材を電子ビーム溶接などで接合する場合に、接合時に生じる割れや熱間加工時に発生する割れを防止する必要がある。これらの割れを効果的に防止するには、プロテクト材と母材ステンレス鋼との接合部を構成する溶接金属の化学組成が下記の(3)〜(6)式で示される関係を満足するのが望ましい。
4≦Creq−Nireq≦17 ・・・ (4)
ただし、
Creq=Cr+1.5×S+Mo−5×B ・・・ (5)
Nieq=Ni+30×(C+N)+0.5×Mn ・・・ (6)
ここで、式中の元素記号は、鋼中に含まれる各元素の含有量(質量%)を表す。
4.クラッド鋼板およびその素材の製造方法
4−1.初期加工の加工条件
本発明の多層クラッド鋼板の製造方法で採用する熱間加工は、分塊鍛造、厚板圧延、および熱延鋼帯圧延などが対象となる。この熱間加工時に内層および外層ステンレス鋼の接合面での剥離を防止するには、初期加工での高加工度、すなわち、圧延加工での圧延形状比、または鍛造加工での鍛造比を規定することにより、十分に接合面を密着させるのが望ましい。
4−2.熱間加工および冷間加工
Bを含有する素材の加熱温度が1000℃未満であれば温度が低く圧延中の変形抵抗が大きくなり、圧延中に剥離するおそれがある。一方、加熱温度が1200℃を超えるとスケール疵が発生する場合がある。このため、素材の加熱温度は1000〜1200℃とする。さらに加熱温度を1050〜1200℃にするのが望ましい。
3:燃料電極膜、 4:酸化剤電極膜
5a、5b:セパレート、 6a、6b:流路
7:外層ステンレス鋼、 8:内層ステンレス鋼
9:起点部、 10:プロテクト材
11:単体のB含有鋼
Claims (14)
- B含有量が0〜0.3質量%であるステンレス鋼を内層とし、その外層として片面または両面にB含有量が0.3〜2.5質量%であるステンレス鋼を組み合わせたこと特徴とする固体高分子型燃料電池セパレータ用多層ステンレスクラッド鋼板。
- 質量%で、前記内層とするステンレス鋼がCr:12〜35%、Ni:7〜50%およびMo:8%以下を含有し、前記外層として片面または両面に組み合わせるステンレス鋼がCr:5%以上およびMo:5%以下を含有することを特徴とする請求項1に記載の固体高分子型燃料電池セパレータ用多層ステンレスクラッド鋼板。
- B含有量が0〜0.3質量%であるステンレス鋼を内層とし、その外層として片面または両面にB含有量が0.3〜2.5質量%であるステンレス鋼を組み合わせたこと特徴とする固体高分子型燃料電池セパレータ用多層ステンレスクラッド鋼板用素材。
- 質量%で、前記内層とするステンレス鋼がCr:12〜35%、Ni:7〜50%およびMo:8%以下を含有し、前記外層として片面または両面に組み合わせるステンレス鋼がCr:5%以上およびMo:5%以下を含有することを特徴とする請求項3に記載の固体高分子型燃料電池セパレータ用多層ステンレスクラッド鋼板用素材。
- 熱間圧延または熱間鍛造が施されたことを特徴とする請求項3または4に記載の固体高分子型燃料電池セパレータ用多層ステンレスクラッド鋼板用素材。
- 請求項3または4に記載の多層ステンレスクラッド鋼板用素材の製造に際し、
前記内層とするステンレス鋼と前記外層に組み合わせるステンレス鋼とを高エネルギー密度溶接で一体化することを特徴とする固体高分子型燃料電池セパレータ用多層ステンレスクラッド鋼板用素材の製造方法。 - 前記素材の加工面を除く側面に、B含有量が0〜0.3質量%のプロテクト材を接合させたことを特徴とする請求項6に記載の固体高分子型燃料電池セパレータ用多層ステンレスクラッド鋼板用素材の製造方法。
- 前記高エネルギー密度溶接で水平方向に溶接する場合に、溶接の起点部を予め形成し高エネルギー密度溶接を行うこと特徴とする請求項6または7に記載の固体高分子型燃料電池セパレータ用多層ステンレスクラッド鋼板用素材の製造方法。
- 請求項3〜5のいずれかに記載の素材を1000〜1200℃に加熱したのち、加工終了温度を600℃以上とし厚板圧延加工することを特徴とする固体高分子型燃料電池セパレータ用多層ステンレスクラッド鋼厚板の製造方法。
- 請求項9に記載の製造方法で得られたことを特徴とする固体高分子型燃料電池セパレータ用多層ステンレスクラッド鋼厚板。
- 請求項3〜5のいずれかに記載の素材を1000〜1200℃に加熱したのち、粗圧延を行い、次いで圧延終了温度を600℃以上とする熱間圧延を行い、その後冷間圧延することを特徴とする固体高分子型燃料電池セパレータ用多層ステンレスクラッド鋼板の製造方法。
- 請求項10に記載の多層ステンレスクラッド鋼厚板を、さらに1000〜1200℃に加熱したのち、粗圧延を行い、次いで圧延終了温度を600℃以上とする熱間圧延を行い、その後冷間圧延することを特徴とする固体高分子型燃料電池セパレータ用多層ステンレスクラッド鋼板の製造方法。
- 請求項1または2に記載の多層ステンレスクラッド鋼板を用いたことを特徴とする固体高分子型燃料電池セパレータ。
- 請求項13に記載のセパレータを用いたことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
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