JP2005302713A - 通電部材用金属材料,それを用いた燃料電池用セパレータおよびその燃料電池 - Google Patents
通電部材用金属材料,それを用いた燃料電池用セパレータおよびその燃料電池 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】 不動態皮膜が生成される性質を備える金属材料の表面の局部山頂の平均間隔が0.3μm以下である通電部材用金属材料を使用する。
【選択図】 図1
Description
(a) 発電温度が80℃程度であり、格段に低い温度で発電できる、
(b) 燃料電池本体の軽量化,小型化が可能である、
(c) 短時間で立上げができる、
等の利点を有している。このため、固体高分子型燃料電池は、電気自動車の搭載用電源,家庭用あるいは業務用の定置型発電機,携帯用の小型発電機として利用するべく、今日もっとも注目されている燃料電池である。
なお膜−電極接合体1は、MEA(すなわち Membrance-Electrode Assembly )と呼ばれており、高分子膜とその膜の表裏面に白金系触媒を担持したカーボンブラック等の電極材料を一体化したものであり、厚さは数10μm〜数100μmである。ガス拡散層2,3は、膜−電極接合体1と一体化される場合も多い。
セパレータ4,5には、
(A) 単セル間を隔てる隔壁
としての役割に加え、
(B) 発生した電子を運ぶ導電体、
(C) O2 (すなわち空気)とH2 が流れる空気流路,水素流路、
(D) 生成した水やガスを排出する排出路
としての機能が求められる。さらに固体高分子型燃料電池を実用に供するためには、耐久性や電気伝導性に優れたセパレータ4,5を使用する必要がある。
現在までに、セパレータ4,5としてグラファイトを用いた固体高分子型燃料電池が実用化されている。このグラファイトからなるセパレータ4,5は、接触抵抗が比較的低く、しかも腐食しないという利点がある。しかしながら衝撃によって破損しやすいので、小型化が困難であり、しかも空気流路6,水素流路7を形成するための加工コストが高いという欠点がある。グラファイトからなるセパレータ4,5が有するこれらの欠点は、固体高分子型燃料電池の普及を妨げる原因になっている。
たとえば特開平8-180883号公報には、スタンレス鋼またはチタン合金等の不動態皮膜を形成しやすい金属をセパレータとして用いる技術が開示されている。しかし不動態皮膜の形成は、接触抵抗の上昇を招くことになり、発電効率の低下につながる。このため、これらの金属素材は、グラファイト素材と比べて接触抵抗が大きく、しかも耐食性が劣る等の改善すべき問題点が指摘されていた。
また特開2000-277133号公報には、フェライト系ステンレス鋼基材にカーボン粉末を分散させて、電気伝導性を改善(すなわち接触抵抗を低下)したセパレータを得る方法が開示されている。しかしながらカーボン粉末を用いた場合も、セパレータの表面処理には相応のコストがかかることから、依然としてコストの問題が残っている。 また、表面処理を施したセパレータは、組立て時にキズ等が生じた場合に、耐食性が著しく低下するという問題点も指摘されている。
[2] 本発明の通電部材用金属材料においては、金属材料の表面の粗さ曲線の二乗平均平方根傾斜が0.05以上であることが好ましい。
[3] また、金属材料が、Crを16〜45質量%,Cを0.03質量%以下,Nを0.03質量%以下,C+Nを0.03質量%以下,Moを0.1〜5.0質量%含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成を有するフェライト系ステンレス鋼であることが好ましい。
[4] さらに、そのフェライト系ステンレス鋼が、前記した [3]の組成に加えて下記の(1)〜(4)の群から選ばれる1種以上を含有することが好ましい。
(1) Si:1.0質量%以下
(2) Mn:1.0質量%以下
(3) Cu:3.0質量%以下
(4) Ti,Nb,VおよびZrのうちの少なくとも1種以上を合計で0.01〜0.5質量%
[5] あるいは金属材料が、C:0.03質量%以下,Cr:16〜30質量%,Mo:0.1〜10.0質量%,Ni:7〜40質量%を含有し残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成を有するオーステナイト系ステンレス鋼であることが好ましい。
[6] さらに、そのオーステナイト系ステンレス鋼が、前記した [5]の組成に加えて下記の(1)〜(5)の群から選ばれる1種以上を含有することが好ましい。
(1) N:2.0質量%以下
(2) Cu:3.0質量%以下
(3) Si:1.5質量%以下
(4) Mn:2.5質量%以下
(5) Ti,Nb,VおよびZrのうちの少なくとも1種以上を合計で0.01〜0.5質量%
[7] あるいは、金属材料が、Ti:70質量%以上を含有するチタンまたは、チタン合金であることが好ましい。
[9] また本発明は、固体高分子膜,電極,ガス拡散層およびセパレータからなる固体高分子形燃料電池であって、上記したセパレータを用いる固体高分子形燃料電池である。
[10]また本発明は、C:0.03質量%以下,N:0.03質量%以下,Cr:16〜45質量%,Mo:0.1〜5.0質量%を含有し、かつC含有量とN含有量の合計が0.03質量%以下であり、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成を有するステンレス鋼材であって、ステンレス鋼材の表面に存在する局部山頂の平均間隔が0.3μm以下である固体高分子型燃料電池セパレータ用ステンレス鋼材である。
(1) Si:1.0質量%以下
(2) Mn:1.0質量%以下
(3) Cu:3.0質量%以下
(4) Ti,Nb,VおよびZrのうちの少なくとも1種以上を合計で0.01〜0.5質量%
[12]また本発明は、ステンレス鋼材からなる固体高分子型燃料電池セパレータであって、ステンレス鋼材がC:0.03質量%以下,N:0.03質量%以下,Cr:16〜45質量%,Mo:0.1〜5.0質量%を含有し、かつC含有量とN含有量の合計が0.03質量%以下であり、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成を有し、かつステンレス鋼材の表面に存在する局部山頂の平均間隔が0.3μm以下である固体高分子型燃料電池用セパレータである。
(1) Si:1.0質量%以下
(2) Mn:1.0質量%以下
(3) Cu:3.0質量%以下
(4) Ti,Nb,VおよびZrのうちの少なくとも1種以上を合計で0.01〜0.5質量%
[14]また本発明は、固体高分子膜,電極およびセパレータからなる固体高分子型燃料電池であって、セパレータとして上記の固体高分子型燃料電池用セパレータを用いる固体高分子型燃料電池である。
[16]本発明の固体高分子型燃料電池セパレータ用ステンレス鋼材は、前記した[15]の組成に加えて下記の(1)〜(5)の群から選ばれる1種以上を含有することが好ましい。
(1) N:2.0質量%以下
(2) Cu:3.0質量%以下
(3) Si:1.5質量%以下
(4) Mn:2.5質量%以下
(5) Ti,Nb,VおよびZrのうちの少なくとも1種以上を合計で0.01〜0.5質量%
[17]また本発明は、ステンレス鋼材からなる固体高分子型燃料電池セパレータであって、ステンレス鋼材がC:0.03質量%以下,Cr:16〜30質量%,Mo:0.1〜10.0質量%,Ni:7〜40質量%を含有し残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成を有し、かつステンレス鋼材の表面に存在する局部山頂の平均間隔が0.3μm以下である固体高分子型燃料電池用セパレータである。
(1) N:2.0質量%以下
(2) Cu:3.0質量%以下
(3) Si:1.5質量%以下
(4) Mn:2.5質量%以下
(5) Ti,Nb,VおよびZrのうちの少なくとも1種以上を合計で0.01〜0.5質量%
[19]また本発明は、固体高分子膜,電極およびセパレータからなる固体高分子型燃料電池であって、セパレータとして上記の固体高分子型燃料電池セパレータを用いる固体高分子型燃料電池である。
なお本発明は、固体高分子型燃料電池セパレータに限らず、電気伝導性を有する金属製通電部品としても広く利用できる。
まず本発明を想到するにいたった実験結果について説明する。
実験では、C:0.004質量%,N:0.007質量%,Si:0.1質量%,Mn:0.1質量%,Cr:30.5質量%,Mo:1.85質量%,P:0.03質量%,S:0.005質量%を含有し、冷間圧延を施し、さらに大気中で焼鈍( 950℃,2分)したフェライト系ステンレス鋼(厚さ 0.5mm)と、市販のオーステナイト系ステンレス鋼SUS316L (厚さ0.5mm)および工業用純チタン(純度99%,板厚2mm)を素材として用いた。
条件A :25質量%の硝酸水溶液(60℃)に1時間浸漬
条件B1:10質量%の硝酸と30質量%の塩酸を含む水溶液(55℃)に60秒浸漬 (フェライト系ステンレス鋼用)
条件B2:10質量%の硝酸と20質量%の塩酸を含む水溶液(55℃)に60秒浸漬 (オーステナイト系ステンレス鋼用)
条件B3:5質量%の硝酸と30質量%の塩酸水溶液(40℃)に10秒浸漬 (工業用純チタン用)
条件B4:7質量%の硝酸と2質量%のフッ酸を含む水溶液(55℃)に60秒浸漬 (フェライト系ステンレス鋼用)
なお、条件Aは不動態化処理として知られている条件であり、表面粗さの調整にほとんど影響を及ぼさないが、比較のために実施した。
接触抵抗の測定は、図2に示すように2枚の試験片8を、その両側から同じ大きさの3枚のカーボンペーパ9(東レ製TGP-H-120)で交互に挟み、さらに銅板に金めっきを施した電極10を接触させ、137.2N/cm2 (すなわち14kgf/cm2 )の圧力をかけて試験片8間の抵抗を測定した。その測定値に接触面の面積を乗じ、さらに接触面の数(=2)で除した値を接触抵抗値とした。
参考例として、表面に金めっき(厚さ約0.1μm)を施したステンレス鋼板(厚さ0.3mm,SUS304相当)およびグラファイト板(厚さ5mm)についても、同様の測定を行ない、接触抵抗値を算出した。その結果を表1,表2および表3に併せて示す。
触針式の粗さ計による計測では、JISB0601−1994に準拠し、先端の半径が2μmの触針を用い、高域フィルタのカットオフ値および基準長さを0.8mm,低域フィルタのカットオフ値を2.5μm,評価長さを4.0mmとして、算術平均粗さRaおよび二乗平均平方根傾斜△qを測定した。測定方向は、研磨方向と直交方向とした。同様の測定を5箇所で行ない、その平均値を算出した。その結果を表1,表2および表3に併せて示す。
S2 を算出するための反射電子像の観察は6箇所で行った。このうち3箇所については研磨方向と同じ方向に粗さ曲線を作成し、他の3箇所については研磨方向に直交する方向に粗さ曲線を作成した。これら6箇所でのS2 の平均値を各サンプルの局部山頂の平均間隔Sとした。ここで、表面粗さ曲線を作成する際に、間隔が0.02μm未満の波長成分および10μmより長い波長成分は、それぞれ周波数解析ソフトの低域フィルタおよび高域フィルタを用いて除去した。したがって、局部山頂の間隔Si の下限値は0.02μmとなる。また、局部山頂13と認識する高さ方向の識別値は0.01μmとした。その結果は表1,表2および表3に示すとおりである。
表1,表2および表3から明らかなように、フェライト系ステンレス鋼板,オーステナイト系ステンレス鋼板または工業用純チタン板のいずれの金属材料においても、その表面粗さを示す指標のうち、触針式の粗さ計で測定したRaの平均値は湿式研磨の条件に応じて変化するが、表面粗さ調整処理の条件には依存しない。一方、走査電子顕微鏡で測定した局部山頂13の平均間隔Sは、表面粗さ調整処理の条件に応じて変化するが、湿式研磨の条件には依存しない。また、接触抵抗値は、表面粗さ調整処理の条件に応じて変化するが、湿式研磨の条件にはあまり依存しない。つまり接触抵抗値は、局部山頂13の平均間隔Sとの相関性が強いことが分かった。また、同時に粗さ曲線の二乗平均平方根傾斜△qが0.05以上であれば、接触抵抗値がさらに低くなることが分かった。
また、同時に△qが0.05以上のとき、接触抵抗値はさらに低く、10mΩ・cm2以下となる。
従来、不働態皮膜を形成する金属材料の接触抵抗を下げることは困難であると考えられていたが、この実験によって、サブミクロンピッチの局部山頂の平均間隔Sを調整すれば接触抵抗を大幅に低減できるという、従来にない知見を得た。
金属材料の種類:
高い耐久性や電気伝導性が求められる通電部材、特に、固体高分子型燃料電池用セパレータ用の金属材料として、不動態皮膜が、容易に生成される性質を備える金属材料が好ましい。特に、不動態皮膜の厚さが数nmと極めて薄い不動態皮膜を作るステンレス鋼、純チタン、または、チタン合金が極めて高い耐食性が得られるので、好ましい。なお、アルミニウムやアルミニウム合金も不動態皮膜を作るが、皮膜自体の導電性が低く、また燃料電池運転環境での耐食性が十分でないため、燃料電池用セパレータに適用することが、困難である。しかし、表面粗さ調整により接触抵抗が、低減するため、燃料電池用セパレータ以外では、用途によっては使用できる。なお、セパレータをプレス加工で製作する場合は、特に、フェライト系ステンレス鋼あるいはオーステナイト系ステンレス鋼が加工性に優れているので、より好ましい。
セパレータ用金属材料の表面粗さは、接触抵抗を低減する上で重要な因子である。セパレータ用金属材料の表面粗さを示す指標は局部山頂の平均間隔Sを採用し、そのS値を 0.3μm以下に維持することによって、接触抵抗値を20mΩ・cm2 以下に低減することができる。接触抵抗値が20mΩ・cm2 以下であれば、固体高分子型燃料電池セパレータとして支障なく使用できる。
固体高分子型燃料電池のガス拡散層に用いられるカーボンペーパは直径約6μmの炭素繊維からなっており、セパレータとの真の接触部は見かけの接触面積のごく一部である。この接触部はマクロに見ると点接触といえるが、各接触点におけるカーボンペーパの表面はミクロ的には、平坦ではない。したがって、Sが小さいとミクロな接触部での接触面積が大きくなり、低い接触抵抗を得ることができるのと推定される。また、カーボンペーパ以外の材料の表面も、ミクロ的には平坦でないため、同様の効果が得られるものと思われる。
具体的な処理方法は、従来技術(酸洗)のように、不動態皮膜も含め素材を均一に除去するのでは、なく、サブミクロンレベル以下の間隔で局所的に不動態皮膜を破壊する条件が望ましい。しかし金属内部に深いピッティングを生じる条件は避ける必要がある。そのための好適な溶液の濃度や好適な温度範囲、浸漬時間の範囲を決定する必要があるが、これは、処理される金属材料の組成やその金属材料の表面に形成される不動態皮膜の組成に応じて、それらの好適な範囲は異なる。一例として、短時間の浸漬で局所的に不動態皮膜を破壊できるような最適な溶液の組成、濃度範囲、温度範囲にする方法が好ましい。
ただし、本発明の粗さ調整処理は、これに限るものではない。
さらに低い接触抵抗値を得るためには、前記の局部山頂の平均間隔Sの最適化に加えて、表面粗さ曲線の二乗平均平方根傾斜△qを0.05以上とすることが好ましい。△qは表面粗さ曲線の傾きを表すパラメータである。前述したとおり、セパレータとカーボンクロスの接触部は見かけの接触面積のごく一部であり、この接触部はマクロに見ると点接触といえる。このとき、△qが小さすぎると点接触する数が少なくなり、さらに低い接触抵抗を得ることができないものと推定される。なお、△qは、少なくとも一方向において、0.05以上になっていれば良い。また、カーボンペーパ以外の材料に対しても、接触点増加の効果により同様の効果が得られる。
次に、本発明に係るセパレータ用フェライト系ステンレス鋼の成分の限定理由を説明する。
Crは、フェライト系ステンレス鋼板としての基本的な耐食性を確保するために必要な元素であり、Cr含有量が16質量%未満では、セパレータとして長時間の使用に耐えられない。一方、Cr含有量が45質量%を超えると、σ相の析出によって靭性が低下する。したがってCr含有量は、16〜45質量%の範囲内を満足する必要がある。なお、好ましくは18〜35質量%である。
Moは、セパレータ用フェライト系ステンレス鋼の隙間腐食等の局部腐食を抑制するのに有効な元素である。この効果を得るためには、0.1質量%以上含有させる必要がある。一方、5.0 質量%を超えると、セパレータ用フェライト系ステンレス鋼が著しく脆化して生産性が低下する。したがってMoは、0.1〜5.0 質量%の範囲内を満足する必要がある。なお、好ましくは0.5〜3.0 質量%である。
Si:1.0質量%以下
Siは、脱酸のために有効な元素であり、セパレータ用フェライト系ステンレス鋼の溶製段階で添加される。このような効果を得るためには、0.01質量%以上が好ましい。しかし過剰に含有させるとセパレータ用フェライト系ステンレス鋼が硬質化し、延性が低下する。したがってSiを添加する場合は、1.0質量%以下が好ましい。ただし、0.01〜0.6質量%が一層好ましい。
Mnは、不可避的に混入したSと結合し、セパレータ用フェライト系ステンレス鋼に固溶したSを低減する効果を有するので、Sの粒界偏析を抑制し、熱間圧延時の割れを防止するのに有効な元素である。このような効果は、含有量が0.001質量%以上、1.0質量%以下で発揮される。したがってMnを添加する場合は、1.0質量%以下が好ましい。ただし、0.001〜0.8質量%が一層好ましい。
Cuは、セパレータ用フェライト系ステンレス鋼の耐食性改善に効果のある元素で、必要に応じて適宜添加する。ただし、3.0質量%を超えて添加すると、熱間加工性が低下し、生産性の低下を招く。したがってCuを添加する場合は、3.0質量%以下が好ましい。ただし、0.01〜2.5質量%が一層好ましい。
Ti,Nb,VおよびZrは、いずれもセパレータ用フェライト系ステンレス鋼中のC,Nと反応して炭窒化物を形成する。Ti,Nb,VおよびZrは、このようにしてC,Nを固定するので、Cr炭窒化物析出に伴う耐食性の低下を防止し、さらにセパレータ用フェライト系ステンレス鋼のプレス成形性を改善するのに有効な元素である。CとNの含有量が合計0.03質量%以下では、Ti,Nb,VまたはZrのいずれかを添加する場合のプレス成形性の改善効果は、それぞれ0.01質量%以上で発揮される。Ti,Nb,VおよびZrをともに添加する場合のプレス成形性の改善効果は、Ti,Nb,VおよびZrの含有量が合計0.01質量%以上で発揮される。一方、Ti,Nb,VおよびZrは、それぞれ0.5質量%,合計で0.5質量%を超えて含有させてもその効果は飽和する。したがってTi,Nb,VおよびZrの少なくとも1種以上を添加する場合は、その合計が0.01〜0.5質量%の範囲内が好ましい。
次に、本発明のフェライト系ステンレス鋼の好適な製造方法について述べる。
本願発明のフェライト系ステンレス鋼の溶製方法は、公知の溶製方法がすべて適用でき、特に限定する必要はない。例えば、転炉で溶製し、強攪拌・真空酸素脱炭処理(SS-VOD)により2次精錬を行うのが好適である。鋳造方法は、生産性、品質の面から連続鋳造法が好ましい。鋳造により得られたスラブは、例えば、1000〜1250℃に加熱され、熱間圧延により所望の板厚の熱延板とされる。この熱延板は、800〜1150℃の熱延板焼鈍後、酸洗された後、さらに、冷間圧延して所定の製品板厚とし、あるいはさらに800〜1150℃の焼鈍、また、あるいはさらに酸洗処理を施して製品とするのが好ましい。この冷間圧延工程では、生産上の都合により、必要に応じて中間焼鈍を含む2回以上の冷間圧延を行ってもよい。
次に、本発明に係るセパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼の成分の限定理由を説明する。
C:0.03質量%以下
Cは、セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼中のCrと反応して化合物を形成し、粒界にCr炭窒化物として析出するので、耐食性の低下をもたらす。したがってCの含有量は小さいほど好ましく、0.03質量%以下であれば耐食性を著しく低下させることはない。したがってCは0.03質量%以下とする。なお、好ましくは0.015質量%以下である。
Crは、オーステナイト系ステンレス鋼板としての基本的な耐食性を確保するために必要な元素であり、Cr含有量が16質量%未満では、セパレータとして長時間の使用に耐えられない。一方、Cr含有量が30質量%を超えると、オーステナイト組織を得るのが困難である。したがってCrは、16〜30質量%の範囲内を満足する必要がある。なお、好ましくは18〜26質量%である。
Moは、セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼の隙間腐食等の局部腐食を抑制するのに有効な元素である。この効果を得るためには、0.1質量%以上含有させる必要がある。一方、10.0質量%を超えると、セパレータ用ステンレス鋼が著しく脆化して生産性が低下する。したがってMoは、0.1〜10.0質量%の範囲内を満足する必要がある。なお、好ましくは0.5〜7.0質量%である。
Niは、オーステナイト相を安定させる元素である。Ni含有量が7質量%未満では、オーステナイト相の安定化の効果が得られない。一方、Ni含有量が40質量%を超えると、Niを過剰に消費することによってコストの上昇を招く。したがってNiは、7〜40質量%の範囲内を満足する必要がある。
N:2.0質量%以下
Nは、セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼の局部腐食を抑制する作用を有する元素である。しかしN含有量を2.0質量%を超えて含有させるのは工業的には困難であるのでこれを上限とする。さらに通常の溶製方法では、0.4質量%を超えると、セパレータ用ステンレス鋼の溶製段階でNを添加するために長時間を要するので生産性の低下を招く。したがってコストの面では0.4質量%以下がさらに好ましい。さらに、0.01〜0.3 質量%が一層好ましい。
Cuは、セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼の耐食性を改善する作用を有する元素である。このような効果を得るためには、0.01質量%以上が好ましい。しかしCu含有量が3.0質量%を超えると、熱間加工性が低下し、生産性の低下を招く。したがってCuを添加する場合は、3.0質量%以下が好ましい。ただし、0.01〜2.5質量%が一層好ましい。
Siは、脱酸のために有効な元素であり、セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼の溶製段階で添加される。このような効果を得るためには、0.01質量%以上が好ましい。しかし過剰に含有させるとセパレータ用ステンレス鋼が硬質化し、延性が低下する。したがってSiを添加する場合は、1.5質量%以下が好ましい。ただし、0.01〜1.0質量%が一層好ましい。
Mnは、不可避的に混入したSと結合し、セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼に固溶したSを低減する効果を有するので、Sの粒界偏析を抑制し、熱間圧延時の割れを防止するのに有効な元素である。このような効果は、含有量が0.001質量%以上、1.0質量%以下で発揮される。したがってMnを添加する場合は、2.5質量%以下が好ましい。ただし、0.001〜2.0質量%が一層好ましい。
Ti,Nb,VおよびZrは、いずれもセパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼中のC,Nと反応して炭窒化物を形成する。Ti,Nb,VおよびZrは、このようにしてC,Nを固定するので、セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼の耐粒界腐食性を改善するのに有効な元素である。Cの含有量が0.03質量%以下では、Ti,Nb,VまたはZrのいずれかを添加する場合の耐食性の改善効果は、Ti,Nb,VおよびZrの1種以上がそれぞれ0.01質量%以上,合計で0.01質量%以上で発揮される。Ti,Nb,VおよびZrをともに添加する場合の耐食性の改善効果は、Ti,Nb,VおよびZrの含有量が合計0.01質量%以上で発揮される。一方、Ti,Nb,VおよびZrは、それぞれ0.5質量%,合計で0.5質量%を超えて含有させてもその効果は飽和する。したがってTi,Nb,VおよびZrの1種以上を添加する場合は、その合計が0.01〜0.5 質量%の範囲内が好ましい。
その他の元素は、残部Feおよび不可避的不純物である。
次に、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼の好適な製造方法について述べる。
本発明に係るチタンおよびチタン合金の組織や化学組成は特に限定しないが、耐食性に優れたチタン酸化物が主体の不働態皮膜を得るためには、70質量%以上のチタンを含むことが望ましい。さらに、耐食性向上,成形性向上等を目的に種々の元素を添加しても良い。
チタンまたはチタン合金の組織:
本発明に係るチタンおよびチタン合金の組織は特に限定しない。
チタンの組織は882℃以下ではα相(最密六方構造(hcp))、それ以上の温度ではβ相(体心立方構造(bcc))である。塑性変形する場合の滑り系の数が少ないが、加工硬化性が小さく、六方晶金属の中では塑性加工性に富む材料であり、また一般にチタン合金に比べ安価なため、本発明の目的の1つであるセパレータに加工するに好ましい材料である。
チタン:
工業用純チタンであり、チタン以外の元素は不純物である。不純物として、Fe,O,C,NおよびHがあり、これらの元素の中で特にOとFeは強度を高めるためにチタンに添加される場合がある。その量が高いほど強度が上昇するが、その合計量が1%を超えると効果は飽和する。したがって、OとFeの合計は1%以下で、残部Tiであることが好ましい。
Ti:70質量%以上
耐食性に優れたチタン酸化物が主体の不働態皮膜を得るためには、70質量%以上のチタンを含むことが望ましい。
Al:0.5〜9質量%
Alは、チタン合金中にα相安定化元素として添加され、耐食性を損なうことなく、強度上昇に寄与する。その効果を得るためには、0.50質量%以上が好ましい。また、Alが9質量%を超えると脆化相が析出し、熱間変形抵抗が増大するとともに、割れ感受性が著しく増大し、製造性が悪くなる。Alの範囲は、好ましくは0.5〜7質量%である。
Fe, Ni, Co およびCrの一種以上を0.2〜3質量%:
Fe, Ni, Co およびCrは共析型β相安定化元素であり、主にβ相に固溶し強度を上昇させる。また、β変態点を低下させることにより、超塑性発現温度を低下させることができる。さらに、これらの元素はチタン中での拡散速度が大きく、また熱間加工性の良いβ相の体積率が増大させることにより、熱間加工時、特に超塑性成形時の変形抵抗を下げる、割れ等の欠陥の発生を抑えられる効果がある。それらの効果を得るためには、Fe, Ni, Co およびCrは、0.2質量%以上が好ましい。一方、Fe, Ni, Co およびCrの含有量が3質量%を超えると、これらの元素とTiとの間に脆化相である金属間化合物が形成され、さらに、溶解、凝固時にβフレックと呼ばれる偏析相が形成され、その結果、合金の機械的性質、特に延性が劣化する。したがって、Fe, Ni, Co およびCrの一種以上を0.2〜3質量%が好ましい。
Mo,Vは、全率固溶型β相安定化元素であり、主にβ相に固溶し強度を上昇させる。その効果を得るためには、1質量%以上が好ましいが、その合計が25質量%を超えると、その効果が飽和する。また、Mo,Vは重い元素であり、かつ高価な元素であることから25質量%を超えて添加するのは好ましくない。さらに、Moはチタン中での拡散速度が小さいために、熱間加工時、特に超塑性成形時の変形応力が増大する。したがって、Mo,Vの含有量は、その合計で1〜25質量%が好ましい。
Oは、α相に固溶して強度を上昇させる。その効果を得るためには、0.05質量%以上が好ましい。一方、O含有量が0.5質量%を超えると、冷間加工性や延性を劣化させる。したがって、Oは、0.05〜0.5質量%が好ましい。
Zr,Snの一種以上を合計0.2〜6質量%
Zr,Snは、チタン合金中に中性元素として添加され、延性を低下させることなく強度を上昇させ、耐食性を損なうこともない。また、耐食磨耗性も改善される。その効果を得るためには、その合計が0.2質量%以上が好ましい。一方、Zr,Snの含有量が6質量%を超えると、目的とする効果が得られない。したがって、Zr,Snの合計は0.2〜6質量%が好ましい。
Si:0.5質量%以下
Siは、耐食磨耗性向上に有効な元素であり、チタン合金の溶製段階で添加される。しかし過剰に含有させるとTiとの間に金属間化合物を形成し、延性が低下する。したがってSiを添加する場合は、0.5質量%以下が好ましい。ただし、0.05〜0.5質量%が一層好ましい。
Mnは、共析型β相安定化元素であり、主にβ相に固溶し強度を上昇させる。また、β変態点を低下させることにより、超塑性発現温度を低下させることができる。それらの効果を得るためには、Mn,Cuの一種以上を合計で0.2質量%以上が好ましい。一方、Mn,Cuの合計の含有量が5質量%を超えると、これらの元素とTiとの間に脆化相である金属間化合物が形成され、さらに、溶解、凝固時にβフレックと呼ばれる偏析相が形成され、その結果、合金の機械的性質、特に延性が劣化する。したがって、Mn,Cuの一種以上を合計で5質量%以下含有するのが好ましい。
その他の元素は、残部Tiおよび不可避的不純物である。
上記の成分組成を有するチタンまたはチタン合金インゴットを分塊鍛造または分塊圧延により鋳造組織を壊し、組織的に均質に近いものとした後、熱間鍛造,熱間圧延,熱間押し出し等の熱間加工により所定の形状に製造される。この際、加工性の観点より、熱間加工や熱間圧延に適した温度領域が存在するので、大断面インゴットまたは粗片から圧延する場合、または肉厚の薄い材料に圧延する(以下、薄物圧延という)場合には、インゴットまたは粗片を1回加熱した後、圧延して製品とする工程では、所望の製品を製造することが、困難であり、そのため、再加熱して圧延する多ヒート圧延をしなければならない。熱間圧延鋼板は、焼きなましと、脱スケールのあと大型の鉄鋼用やステンレス用冷間圧延機やゼンジミア圧延機等で、冷間圧延される。冷間圧延された冷延鋼板は、真空炉または不活性ガス雰囲気炉で、焼きなましし、鋼板全体の機械的性質や結晶粒度を均一化する。特に、α型チタン合金やα+β型チタン合金の冷間圧延は、純チタンよりも圧延が困難な場合が多く、粗片を炭素鋼によって、少なくとも、その上下2面を被覆し熱間圧延(パック圧延)をして薄板化する場合もある。β型合金は、冷間加工性が良好であるが、耳割れ防止,過度の冷間圧延に伴なう内部クラック発生防止のため、冷間圧延の中間焼きなまし回数を増やすこともある。
不働態皮膜をサプミクロンレベルで局所的に破壊し、局部山頂の平均間隔Sを0.3μm以下にするためには、酸性水溶液への浸漬および電解等の手法を用いることができる。
ステンレス鋼の製造工程では、いわゆる酸洗工程として、各種の酸あるいは混酸への浸漬あるいは電解により、脱スケールが行われることが多い。また、耐食性の向上を目的として、酸洗を含む種々の不動態化処理が知られている。しかしながら、耐食性の向上とともに,接触抵抗の低減のために不働態皮膜を局所的に破壊し、局部山頂の平均間隔Sを0.3μm以下にするため、酸溶液への浸漬により調整するためには、通常の酸洗で用いられる溶液とは全く異なる組成の酸溶液を用いる必要がある。
また、硝酸+フッ酸水溶液の場合には、硝酸の濃度に対してフッ酸の濃度を1.5倍以上にした酸溶液で,良好な結果が得られた。これらの硝酸+塩酸水溶液および硝酸+フッ酸水溶液の場合の好適な酸溶液の温度は、45℃以上で、酸溶液の温度が高いほど、処理時間を短くできる。ただし,本発明の処理に使用される処理液は、これらに限るものではなく、素材ステンレス鋼の組成、表面仕上げ等に応じて、浸漬により処理する場合には種々の酸の種類や組成の選択,酸溶液の温度や処理時間などの選択が可能である。電解により処理する場合には種々の電解液の組成や電解条件(電圧,電流,電解液の温度や処理時間などの選択が可能である。
また、純チタンやチタン合金にたいしては、硝酸+塩酸、あるいは硝酸+フッ酸に浸漬して処理を行う場合には、硝酸の濃度に対して塩酸、あるいはフッ酸の濃度を3倍以上にした酸溶液で、良好な結果が得られた。これらの硝酸+塩酸水溶液および硝酸+フッ酸水溶液の場合の好適な酸溶液の温度は、酸溶液の温度が60℃を超えると、急激に反応が起こるため、60℃以下が好ましい。さらにチタンやチタン合金においても、電解法により粗さ調整を行なうこともできる。
なお、二乗平均平方根傾斜△qを0.05以上とするためには、エメリー紙による研磨や、ショットブラストなどを用いることができる。また、圧延や、圧延後の焼鈍・酸洗などによってもよい。高光沢を得るような、鏡面研磨を行った場合には、前記の方法で△qを調整するのがより望ましい。
転炉および2次精錬(SS−VOD法)によって表4に示す成分のフェライト系ステンレス鋼を溶製し、さらに連続鋳造法によって厚さ200mm のスラブとした。このスラブを1250℃に加熱した後、熱間圧延によって厚さ4mmの熱延ステンレス鋼板として焼鈍(850〜1100℃)および酸洗処理を施し、さらに冷間圧延と焼鈍(800〜1050℃)および酸洗を繰り返し、厚さ0.2mm とした後、光輝焼鈍BA(800〜1000℃)を行ない、いわゆるBA仕上げの冷延焼鈍板とした。
発電特性を評価するため、高分子膜としてナフィオン(デュポン社製)を使用し、ガス拡散層2,3も一体化された有効面積50cm2 の膜−電極接合体1(エレクトロケム社製 FC50-MEA )を用いて、図1に示す形状の単セルを作成した。単セルの空気流路6と水素流路7は、いずれも高さ1mm,幅2mmの矩形とし、全体で17列配置した。カソード側には空気を流し、アノード側には超高純度水素(純度 99.9999体積%)を80±1℃に保持したバブラにより加湿した後供給して、電流密度0.4A/cm2 で10時間稼動させた後の出力電圧を測定した。
参考例として、ステンレス鋼板(SUS304相当)を上記の鋼番号1〜10と同様の形状に加工した後、表面に金めっき(厚さ約0.1μm)を施したセパレータ、および厚さ4mmのグラファイト板の片面に幅2mm,高さ1mmの溝を切削加工によって2mm間隔で17列配置したセパレータを使用した単セルを用いて、電流密度0.4A/cm2 の出力電圧を測定した。出力電圧の測定方法は、上記の鋼番号1〜10と同じである。その結果を表5に併せて示す。
[実施例2]
実施例1で用いた鋼番号5の熱延板(4mmt)から200mm×200mmの試験片を8枚切り出した。試験片を、それぞれ切削加工によって、片面に幅2mm,高さ1mmの溝を2mm間隔で17列配置した形状を有するセパレータとした。次いで、セパレータ表面(カーボンペーパと接する面)を鏡面研磨した後、一部のセパレータに対して、酸性水溶液への浸漬を行って表面粗さを調整した。表面粗さの調整は、硝酸と塩酸またはフッ酸を含有する酸性水溶液を使用し、以下の条件で浸漬した。
酸処理A:硝酸10%+塩酸30%,55℃,300秒
酸処理B:硝酸10%+塩酸30%,55℃,30秒
酸処理C:硝酸8%+フッ酸3%,55℃,300秒
次いで、実施例と1と同様の条件で表面粗さ(S,Ra ,△q)を求めた。
一方、酸処理なしや酸処理CによりSが0.03を越えるセパレータを用いた単セルでは、初期の出力電圧が不十分であった。
転炉および2次精錬(SS−VOD法)によって表7に示す成分のオーステナイト系ステンレス鋼を溶製し、さらに連続鋳造法によって厚さ200mm のスラブとした。このスラブを1250℃に加熱した後、熱間圧延によって厚さ4mmの熱延ステンレス鋼板として焼鈍(850〜1100℃)および酸洗処理を施し、さらに冷間圧延と焼鈍(800〜1050℃)および酸洗を繰り返し、厚さ0.2mm とした後、光輝焼鈍(800〜1000℃)を行ない、いわゆるBA仕上げの冷延焼鈍板(厚さ0.2mm )とした。
参考例として、ステンレス鋼板(SUS304相当)を上記の鋼番号1〜9と同様の形状に加工した後、表面に金めっき(厚さ約0.1μm)を施したセパレータ、および厚さ4mmのグラファイト板の片面に幅2mm,高さ1mmの溝を切削加工によって2mm間隔で17列配置したセパレータを使用した単セルを用いて、電流密度0.4A/cm2 の出力電圧を測定した。出力電圧の測定方法は、上記の鋼番号1〜9と同じである。その結果を表8に併せて示す。
素材として、純度99%の工業用純チタン(素材A),0.15質量%のPdを含有し、残部がチタンと不可避的不純物からなるチタン合金(素材B)を用いた。素材A,素材B(板厚1mm,幅250mm,長さ400mm)を圧延と焼鈍を繰返し、板厚0.2mmの冷延焼鈍板とした。
得られた冷延焼鈍板を#600研磨した後、板幅中央部かつ、長手方向中央部から200mm×200mmのサンプルを各4枚切り出した。各素材について、4枚のサンプルをプレス加工により所定の形状を有するセパレータとした。その後、各素材について一部のセパレータに対して表面粗さ調整処理処理を行った。ここで、表面粗さ調整処理を行う際には、5質量%の硝酸と30質量%の塩酸の混合水溶液(40℃,10秒)を用いた。
また処理前後の表面粗さを実施例1と同様にSEM/反射電子法により測定し、局部山頂の平均間隔S,算術平均粗さRa ,二乗平均平方根傾斜△qを算出した。
参考例としてSUS304を上記と同一形状に加工したのち、表面に厚さ約0.1μmの金めっきを施したステンレス製セパレータ、および板厚3mmで片面に幅2mm,高さ0.5mmの溝を2mm間隔で17列切削加工したカーボン製セパレータを用いて、上記と同様の条件で単セルの発電特性を評価した。
一方、処理を行わなかったチタンAおよびチタン合金Bの局部山頂の平均間隔Sは本発明の範囲を外れており、十分な初期特性、1000時間後の発電特性が得られない。
2 ガス拡散層
3 ガス拡散層
4 セパレータ
5 セパレータ
6 空気流路
7 水素流路
8 試験片
9 カーボンペーパ
10 電極
11 X線照射位置
12 ステンレス鋼材
13 局部山頂
14 山頂部間隔L
Claims (19)
- 不動態皮膜が生成される性質を備える金属材料の表面の粗さ曲線における局部山頂の平均間隔が0.3μm以下であることを特徴とする通電部材用金属材料。
- 前記金属材料の表面の粗さ曲線の二乗平均平方根傾斜が0.05以上であることを特徴とする請求項1に記載の通電部材用金属材料。
- 前記金属材料が、Crを16〜45質量%、Cを0.03質量%以下、Nを0.03質量%以下、C+Nを0.03質量%以下、Moを0.1〜5.0質量%含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成を有するフェライト系ステンレス鋼であることを特徴とする請求項1または2に記載の通電部材用金属材料。
- 前記フェライト系ステンレス鋼が、前記組成に加えて下記の(1)〜(4)の群から選ばれる1種以上を含有することを特徴とする請求項3に記載の通電部材用金属材料。
(1) Si:1.0質量%以下
(2) Mn:1.0質量%以下
(3) Cu:3.0質量%以下
(4) Ti、Nb、VおよびZrのうちの少なくとも1種以上を合計で0.01〜0.5質量% - 前記金属材料が、C:0.03質量%以下、Cr:16〜30質量%、Mo:0.1〜10.0質量%、Ni:7〜40質量%を含有し残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成を有するオーステナイト系ステンレス鋼であることを特徴とする請求項1または2に記載の通電部材用金属材料。
- 前記オーステナイト系ステンレス鋼が、前記組成に加えて下記の(1)〜(5)の群から選ばれる1種以上を含有することを特徴とする請求項5に記載の通電部材用金属材料。
(1) N:2.0質量%以下
(2) Cu:3.0質量%以下
(3) Si:1.5質量%以下
(4) Mn:2.5質量%以下
(5) Ti、Nb、VおよびZrのうちの少なくとも1種以上を合計で0.01〜0.5質量% - 前記金属材料が、Ti:70質量%以上を含有するチタンまたは、チタン合金であることを特徴とする請求項1または2に記載の通電部材用金属材料。
- 請求項1〜7に記載の通電部材用金属材料を用いることを特徴とする固体高分子形燃料電池用セパレータ。
- 固体高分子膜、電極、ガス拡散層およびセパレータからなる固体高分子形燃料電池であって、請求項8に記載のセパレータを用いることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
- C:0.03質量%以下、N:0.03質量%以下、Cr:16〜45質量%、Mo:0.1〜5.0質量%を含有し、かつC含有量とN含有量の合計が0.03質量%以下であり、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成を有するステンレス鋼材であって、前記ステンレス鋼材の表面に存在する局部山頂の平均間隔が0.3μm以下であ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ステンレス鋼材。
- 前記ステンレス鋼材が、前記組成に加えて下記の(1)〜(4)の群から選ばれる1種以上を含有することを特徴とする請求項9に記載の固体高分子型燃料電池セパレータ用ステンレス鋼材。
(1) Si:1.0質量%以下
(2) Mn:1.0質量%以下
(3) Cu:3.0質量%以下
(4) Ti、Nb、VおよびZrのうちの少なくとも1種以上を合計で0.01〜0.5質量% - ステンレス鋼材からなる固体高分子型燃料電池セパレータであって、前記ステンレス鋼材がC:0.03質量%以下、N:0.03質量%以下、Cr:16〜45質量%、Mo:0.1〜5.0質量%を含有し、かつC含有量とN含有量の合計が0.03質量%以下であり、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成を有し、かつ前記ステンレス鋼材の表面に存在する局部山頂の平均間隔が0.3μm以下であることを特徴とする固体高分子型燃料電池用セパレータ。
- 前記ステンレス鋼材が、前記組成に加えて下記の(1)〜(4)の群から選ばれる1種以上を含有することを特徴とする請求項12に記載の固体高分子型燃料電池用セパレータ。
(1) Si:1.0質量%以下
(2) Mn:1.0質量%以下
(3) Cu:3.0質量%以下
(4) Ti、Nb、VおよびZrのうちの少なくとも1種以上を合計で0.01〜0.5質量% - 固体高分子膜、電極およびセパレータからなる固体高分子型燃料電池であって、前記セパレータとして請求項12または13に記載の固体高分子型燃料電池用セパレータを用いることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
- C:0.03質量%以下、Cr:16〜30質量%、Mo:0.1〜10.0質量%、Ni:7〜40質量%を含有し残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成を有するステンレス鋼材であって、前記ステンレス鋼材の表面に存在する局部山頂の平均間隔が0.3μm以下であ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ステンレス鋼材。
- 前記ステンレス鋼材が、前記組成に加えて下記の(1)〜(5)の群から選ばれる1種以上を含有することを特徴とする請求項15に記載の固体高分子型燃料電池セパレータ用ステンレス鋼材。
(1) N:2.0質量%以下
(2) Cu:3.0質量%以下
(3) Si:1.5質量%以下
(4) Mn:2.5質量%以下
(5) Ti、Nb、VおよびZrのうちの少なくとも1種以上を合計で0.01〜0.5質量% - ステンレス鋼材からなる固体高分子型燃料電池セパレータであって、前記ステンレス鋼材がC:0.03質量%以下、Cr:16〜30質量%、Mo:0.1〜10.0質量%、Ni:7〜40質量%を含有し残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成を有し、かつ前記ステンレス鋼材の表面に存在する局部山頂の平均間隔が0.3μm以下であることを特徴とする固体高分子型燃料電池用セパレータ。
- 前記ステンレス鋼材が、前記組成に加えて下記の(1)〜(5)の群から選ばれる1種以上を含有することを特徴とする請求項17に記載の固体高分子型燃料電池セパレータ。
(1) N:2.0質量%以下
(2) Cu:3.0質量%以下
(3) Si:1.5質量%以下
(4) Mn:2.5質量%以下
(5) Ti、Nb、VおよびZrのうちの少なくとも1種以上を合計で0.01〜0.5質量% - 固体高分子膜、電極およびセパレータからなる固体高分子型燃料電池であって、前記セパレータとして請求項17または18に記載の固体高分子型燃料電池用セパレータを用いることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
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