JP2009167502A - Austenitic stainless steel for fuel cell separator - Google Patents

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寿郎 江渡
Tetsuya Shimizu
哲也 清水
Tomoyuki Nakajima
智之 中島
Noriko Uchiyama
典子 内山
Hirotaka Chiba
啓貴 千葉
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an austenitic stainless steel which is inexpensive, is excellent in corrosion resistance and electric conductivity, and also is excellent in workability. <P>SOLUTION: The austenitic stainless steel has a composition containing, by mass, ≤0.08% C, 0.01 to 3.00% Si, 0.01 to 10.00% Mn, 0.01 to 3.00% Cu, 15.0 to 40.0% Ni, 20.0 to 35.0% Cr, 0.1 to 4.0% Mo and 0.005 to 0.300% N, and the balance Fe with inevitable impurities. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼に関する。   The present invention relates to an austenitic stainless steel for a fuel cell separator.

固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜の両面に電極が接合された膜電極接合体(MEA)の両面を、ガス流路を備えたセパレータで挟持した単セルを基本単位とする。この単セルを積層して直列接続し、高電圧が得られるようにしたものは、セルスタックと呼ばれている。
セパレータは、各単セル間を電気的に接続する機能を有するため、電気伝導性が良いことが求められている。また、固体高分子電解質膜は、スルホン酸基を多数有する高分子からなり、湿潤状態では強酸性を示す。そのため、セパレータには、高い耐食性も求められる。従来、燃料電池用セパレータには、良好な電気伝導性と耐食性とを併せ持つカーボンを用いるのが一般的であったが、カーボンセパレータは、高価である。そのため、近年では、ステンレス鋼、Ti等の金属セパレータの使用も検討されている。しかしながら、金属セパレータは、一般に、カーボンセパレータに比べて耐食性が劣るという問題がある。
The solid polymer fuel cell has a basic unit of a single cell in which both sides of a membrane electrode assembly (MEA) in which electrodes are joined to both sides of a solid polymer electrolyte membrane are sandwiched by a separator having a gas flow path. A structure in which single cells are stacked and connected in series to obtain a high voltage is called a cell stack.
Since the separator has a function of electrically connecting each single cell, it is required to have good electrical conductivity. The solid polymer electrolyte membrane is made of a polymer having a large number of sulfonic acid groups and exhibits strong acidity in a wet state. Therefore, the separator is also required to have high corrosion resistance. Conventionally, carbon having both good electric conductivity and corrosion resistance has been generally used for a fuel cell separator, but a carbon separator is expensive. For this reason, in recent years, the use of metal separators such as stainless steel and Ti has been studied. However, the metal separator generally has a problem that the corrosion resistance is inferior to the carbon separator.

そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献1には、ステンレス鋼板の表面に金の被覆層が形成され、ステンレス鋼板の表面には粒界腐食により空隙が形成され、この空隙に埋め込まれる状態で金の被覆層が形成されている燃料電池用セパレータが開示されている。
同文献には、
(1) 金の被覆層により耐食性が向上する点、及び、
(2) 金の被覆層がステンレス鋼板表面の空隙に埋め込まれた状態になっているため、プレス加工時において、屈曲部における金の被覆層の剥離や割れが防止される点、
が記載されている。
In order to solve this problem, various proposals have heretofore been made.
For example, in Patent Document 1, a gold coating layer is formed on the surface of a stainless steel plate, a void is formed on the surface of the stainless steel plate by intergranular corrosion, and a gold coating layer is formed in a state of being embedded in the void. A fuel cell separator is disclosed.
In the same document,
(1) The corrosion resistance is improved by the gold coating layer, and
(2) Since the gold coating layer is embedded in the voids on the surface of the stainless steel plate, it is possible to prevent peeling and cracking of the gold coating layer at the bent portion during pressing.
Is described.

また、特許文献2〜4には、オーステナイト系ステンレス鋼、インコネル(登録商標)600、又は工業用純チタンの両面をプラズマ窒化処理することにより得られる燃料電池用セパレータが開示されている。
特許文献2には、
(1) ステンレス鋼の表面を590℃以下の温度で窒化処理すると、M4N型結晶構造を持つ窒化層を形成することができる点、
(2) M4N型窒化層は、CrNが主成分とならないため、耐食性に有効なCrが減少せず、窒化後も耐食性が保たれる点、
が記載されている。
Patent Documents 2 to 4 disclose fuel cell separators obtained by plasma nitriding both surfaces of austenitic stainless steel, Inconel (registered trademark) 600, or industrial pure titanium.
In Patent Document 2,
(1) When the surface of stainless steel is nitrided at a temperature of 590 ° C. or lower, a nitride layer having an M 4 N type crystal structure can be formed.
(2) Since the M 4 N-type nitride layer does not contain CrN as a main component, Cr effective for corrosion resistance does not decrease, and corrosion resistance is maintained even after nitriding,
Is described.

特開2003−92117号公報JP 2003-92117 A 特開2006−134855号公報JP 2006-134855 A 特開2007−39786号公報JP 2007-39786 A 特開2007−73440号公報JP 2007-73440 A

金属セパレータの表面を金でコーティングすると、耐食性が向上するだけでなく、電極との接触抵抗が小さくなるという利点がある。しかしながら、金コーティングは、高コストである。
一方、M4N型窒化物は、面心立方構造を持つオーステナイト系ステンレス鋼を窒化させることにより形成することができるので、低コストである。また、M4N型窒化物は、Cr以外の元素を構成元素とすることができるので、ステンレス鋼の表面にM4N型窒化物層を形成しても、窒化物層の直下にCrの欠乏層が生成しない(すなわち、基地の耐食性が低下しない)。さらに、M4N型窒化物は、酸化性環境下における化学的安定性が高いので、電極との接触抵抗を低く維持することができる。
また、このような窒化物層を備えたオーステナイト系ステンレス鋼の耐食性をさらに向上させるためには、窒化物層のCr量を増加させることが好ましく、そのためには、基地中のCr含有量を増加させることが有効である。しかしながら、Crは、フェライト相生成元素であるため、高Cr組成でオーステナイト単相を維持することは難しい。また、通常、Crの過剰な添加は、鋼の硬さを増し、遷移温度を上昇させ、衝撃抵抗値も上げてしまう。さらに、製造工程中にσ相が析出すると、成形性は著しく悪化するため、高Cr鋼は、熱間、冷間を問わず成形性が著しく悪い。
Coating the surface of the metal separator with gold has the advantage that not only the corrosion resistance is improved, but also the contact resistance with the electrode is reduced. However, gold coating is expensive.
On the other hand, M 4 N-type nitrides can be formed by nitriding austenitic stainless steel having a face-centered cubic structure, so that the cost is low. Further, M 4 N type nitrides, can be the constituent element an element other than Cr, be formed M 4 N type nitride layer on the surface of the stainless steel, the Cr just below the nitride layer A deficient layer does not form (ie, the corrosion resistance of the base does not decrease). Furthermore, since M 4 N-type nitride has high chemical stability in an oxidizing environment, the contact resistance with the electrode can be kept low.
In order to further improve the corrosion resistance of the austenitic stainless steel provided with such a nitride layer, it is preferable to increase the Cr content of the nitride layer, and for this purpose, the Cr content in the base is increased. It is effective to make it. However, since Cr is a ferrite phase forming element, it is difficult to maintain an austenite single phase with a high Cr composition. Usually, excessive addition of Cr increases the hardness of the steel, raises the transition temperature, and increases the impact resistance value. Furthermore, if the σ phase is precipitated during the manufacturing process, the formability is remarkably deteriorated. Therefore, the high Cr steel has remarkably poor formability regardless of whether it is hot or cold.

本発明が解決しようとする課題は、低コストで、耐食性及び導電性に優れ、しかも、加工性に優れた燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼を提供することにある。   The problem to be solved by the present invention is to provide an austenitic stainless steel for a fuel cell separator that is low in cost, excellent in corrosion resistance and conductivity, and excellent in workability.

上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼は、
C≦0.08mass%、
0.01≦Si≦3.00mass%、
0.01≦Mn≦10.00mass%、
0.01≦Cu≦3.00mass%、
15.0≦Ni≦40.0mass%、
20.0≦Cr≦35.0mass%、
0.1≦Mo≦4.0mass%、及び、
0.005≦N≦0.300mass%
を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなることを要旨とする。
前記燃料電池用オーステナイト系ステンレス鋼は、式(1)で定義するαが、−9≦αであるものが好ましい。
α=[Ni]+30*[C]+30*[N]+0.5*[Mn]+0.16*[Cu]-[Cr]-[Mo]-1.5*[Si] ・・・(1)
In order to solve the above problems, an austenitic stainless steel for a fuel cell separator according to the present invention,
C ≦ 0.08 mass%,
0.01 ≦ Si ≦ 3.00 mass%,
0.01 ≦ Mn ≦ 10.00 mass%,
0.01 ≦ Cu ≦ 3.00 mass%,
15.0 ≦ Ni ≦ 40.0 mass%,
20.0 ≦ Cr ≦ 35.0 mass%,
0.1 ≦ Mo ≦ 4.0 mass%, and
0.005 ≦ N ≦ 0.300 mass%
The balance is composed of Fe and inevitable impurities.
In the austenitic stainless steel for fuel cells, α defined by the formula (1) is preferably −9 ≦ α.
α = [Ni] + 30 * [C] + 30 * [N] + 0.5 * [Mn] + 0.16 * [Cu]-[Cr]-[Mo] -1.5 * [Si] (1)

高Cr組成において、Ni、C、Mo等の添加量を最適化すると、高Crでありながらオーステナイト相単相を維持することができる。また、オーステナイト単相であるため、熱間及び冷間での加工性にも優れている。さらに、このようなオーステナイト系ステンレス鋼を所定の条件下で窒化処理すると、表面に層状の立方晶のM4N型窒化物又はM4N型+M2-3N型窒化物を形成することができる。得られた窒化物層は、Cr含有量が高いので、優れた導電性及び酸性雰囲気下での耐食性を示す。 When the amount of addition of Ni, C, Mo, etc. is optimized in a high Cr composition, it is possible to maintain an austenite single phase while maintaining high Cr. Moreover, since it is an austenite single phase, it is excellent also in hot and cold workability. Further, when such austenitic stainless steel is nitrided under predetermined conditions, layered cubic M 4 N type nitride or M 4 N type + M 2-3 N type nitride may be formed on the surface. it can. Since the obtained nitride layer has a high Cr content, it exhibits excellent conductivity and corrosion resistance in an acidic atmosphere.

以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
[1. 燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼]
[1.1. Cr量とM4N型窒化物]
オーステナイト(γ)相を窒化処理すると、表面にM4N型窒化物が生成する。ここで、「M4N型窒化物」とは、遷移金属元素(M)からなる面心立方格子の単位胞中心の八面体空隙に窒素が配置された構造を持つ。M4N型窒化物を構成する遷移金属元素(M)としては、Fe、Cr、Ni、Moなどがある。M4N型窒化物は、窒素が過飽和に固溶したfcc又はfct構造の窒化物と考えられており、高密度の転位や双晶を伴い、硬さも高い。また、Cr窒化物が主成分とならないため、表面に窒化層を形成しても、窒化層直下の基地中において、耐食性に有効なCrが減少せず、基地の耐食性が保たれる。また、M4N型窒化物は、遷移金属元素間の金属結合を保ったまま、遷移金属元素と窒素元素の間で強い共有結合が生ずるので、高い導電性を保ったまま、遷移金属元素の酸化に対する反応性が低下する。さらに、M4N型窒化物は、基地(γ相)と同じ面心立方構造をとるので、基地との整合性が良く、基地との間の電子の移動も容易となる。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
[1. Austenitic stainless steel for fuel cell separator]
[1.1. Cr amount and M 4 N type nitride]
When the austenite (γ) phase is nitrided, M 4 N-type nitride is generated on the surface. Here, the “M 4 N-type nitride” has a structure in which nitrogen is arranged in an octahedral space at the center of a unit cell of a face-centered cubic lattice made of a transition metal element (M). Examples of the transition metal element (M) constituting the M 4 N type nitride include Fe, Cr, Ni, and Mo. The M 4 N-type nitride is considered to be a fcc or fct structure nitride in which nitrogen is supersaturated and has high density of dislocations and twins, and has high hardness. Further, since Cr nitride is not a main component, even if a nitride layer is formed on the surface, Cr effective for corrosion resistance does not decrease in the base immediately below the nitride layer, and the corrosion resistance of the base is maintained. In addition, since M 4 N-type nitride forms a strong covalent bond between the transition metal element and the nitrogen element while maintaining the metal bond between the transition metal elements, the M 4 N-type nitride maintains the high conductivity while maintaining the high conductivity. Reactivity to oxidation is reduced. Furthermore, since the M 4 N-type nitride has the same face-centered cubic structure as the base (γ phase), the alignment with the base is good and the movement of electrons between the bases is easy.

γ相の窒化をさらに進行させると、M4N型窒化物の固溶窒素が過飽和状態になり、M4N型窒化物よりも高窒素なM2-3N型窒化物がM4N型窒化物の積層欠陥上に析出する。すなわち、M4N型窒化物とM2-3N型窒化物のナノレベルの積層結晶構造を持つ窒化物が得られる。ここで、「M2-3N型窒化物」とは、遷移金属元素(M)からなる最密六方格子の格子間に窒素原子が配置された構造を持つものをいう。M2-3N型窒化物を構成する遷移金属元素(M)としては、Fe、Cr、Ni、Moなどがある。
γ相の窒化をさらに進行させると、ナノレベルの積層結晶構造を持つ窒化物層の上に、六方晶のCr2N、CrN及びM2-3N型窒化物、並びに、立方晶のM4N型窒化物の少なくとも1種を含む窒化物層が形成される。
Upon further progress of the nitridation of the γ-phase, M 4 dissolved nitrogen of the N-type nitride becomes supersaturated, M 4 high nitrogen of M 2-3 N type nitrides than N type nitrides M 4 N type Precipitates on nitride stacking faults. That is, a nitride having a nano-level stacked crystal structure of M 4 N-type nitride and M 2-3 N-type nitride is obtained. Here, “M 2-3 N-type nitride” means a structure in which nitrogen atoms are arranged between lattices of a close-packed hexagonal lattice made of a transition metal element (M). The transition metal element constituting the M 2-3 N type nitride (M), there Fe, Cr, Ni, Mo and the like.
When the γ-phase nitridation further proceeds, a hexagonal Cr 2 N, CrN and M 2-3 N-type nitride and a cubic M 4 are formed on the nitride layer having a nano-level stacked crystal structure. A nitride layer containing at least one N-type nitride is formed.

4N型窒化物及びM2-3N型窒化物は、いずれも、Cr以外の遷移金属元素を構成元素とすることができる。また、γ相の表面にM4N型窒化物及びM2-3N型窒化物からなる窒化層が形成されても、窒化層の直下にCr欠乏層が生じない。すなわち、M4N型窒化物及びM2-3N型窒化物は、いずれも、基地の組成にほぼ対応した組成を持つ。従って、基地中のCr濃度が高くなるほど、窒化層中のCr濃度も高くなる。
高い導電性と耐食性を両立させる遷移金属窒化物の窒化層を形成するには、基材中のCr濃度が高いことが好ましい。そのためには、オーステナイト系ステンレス鋼中のCr含有量は、20mass%以上が好ましい。Cr含有量は、さらに好ましくは、25mass%以上、さらに好ましくは、26mass%以上である。
Both the M 4 N-type nitride and the M 2-3 N-type nitride can contain transition metal elements other than Cr as constituent elements. Further, even if the nitride layer consisting of M 4 N type nitrides and M 2-3 N type nitride is formed on the surface of the γ-phase, Cr-depleted zone is not generated immediately under the nitride layer. That is, both the M 4 N-type nitride and the M 2-3 N-type nitride have a composition that substantially corresponds to the composition of the matrix. Therefore, the higher the Cr concentration in the base, the higher the Cr concentration in the nitride layer.
In order to form a nitrided layer of transition metal nitride that achieves both high conductivity and corrosion resistance, it is preferable that the Cr concentration in the substrate is high. For that purpose, the Cr content in the austenitic stainless steel is preferably 20 mass% or more. The Cr content is more preferably 25 mass% or more, and further preferably 26 mass% or more.

本発明に係る燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼は、オーステナイト単相からなる。本発明において、「オーステナイト単相」とは、外部磁力200(Oe)の条件下で測定された透磁率が1.005以下であることを言う。
通常、Crはフェライト生成元素であるため、Crのみの過剰添加はフェライト相を形成してしまう。しかしながら、オーステナイト単相を維持すると、窒化が均一に行われ、より耐食性に優れる導電性を有する均一窒化層を形成することができる。
The austenitic stainless steel for a fuel cell separator according to the present invention comprises an austenite single phase. In the present invention, the “austenite single phase” means that the magnetic permeability measured under an external magnetic force of 200 (Oe) is 1.005 or less.
Usually, since Cr is a ferrite-forming element, excessive addition of Cr alone forms a ferrite phase. However, if the austenite single phase is maintained, nitridation is uniformly performed, and a uniform nitride layer having conductivity that is more excellent in corrosion resistance can be formed.

Cr含有量が所定の範囲にあるオーステナイト系ステンレス鋼は、オーステナイト領域となる温度で所定時間保持することにより製造することができる。この際、Crは、フェライト形成元素であるため、過剰に添加していると、オーステナイト領域を狭めてしまう。従って、理想的には、20mass%以上のCrを含む鋼でもオーステナイト系ステンレス鋼を製造することはできるが、一般の鋼を用いて所定量のCrを含むオーステナイト単相組織を得るためには、実際の製造プロセスでは非現実的(高温、長時間等)な熱処理を必要とする場合が多い。所定量のCrを含むオーステナイト系ステンレス鋼を容易に製造するためには、特定の組成を有する鋼を用いるのが好ましい。   An austenitic stainless steel having a Cr content in a predetermined range can be produced by holding for a predetermined time at a temperature at which it becomes an austenitic region. At this time, since Cr is a ferrite forming element, if it is excessively added, the austenite region is narrowed. Therefore, ideally, an austenitic stainless steel can be produced even with a steel containing 20 mass% or more of Cr, but in order to obtain an austenitic single phase structure containing a predetermined amount of Cr using a general steel, In actual manufacturing processes, unrealistic (high temperature, long time, etc.) heat treatment is often required. In order to easily produce austenitic stainless steel containing a predetermined amount of Cr, it is preferable to use steel having a specific composition.

[2. 具体例]
[2.1. 第1の具体例]
燃料電池セパレータ用の素材として好適なオーステナイト系ステンレス鋼の第1の具体例は、以下のような元素を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなる。添加元素の種類、その成分範囲、及び、その限定理由は、以下の通りである。
[2. Concrete example]
[2.1. First Specific Example]
A first specific example of austenitic stainless steel suitable as a material for a fuel cell separator includes the following elements, with the balance being Fe and inevitable impurities. The kind of additive element, its component range, and the reason for limitation are as follows.

(1) C≦0.08mass%。
Cは、オーステナイト生成元素であり、オーステナイト相の安定化に寄与する。また、侵入型元素であるため、強度の向上に寄与する。
一方、C含有量が過剰になると、Cr炭化物の形成により、母相の固溶Cr濃度が低下したCr欠乏相を生じ、ステンレス鋼そのものの耐食性を劣化させる。また、窒化時に不均一な窒化層が生成する原因となる。従って、C含有量は、0.08mass%以下が好ましい。C含有量は、さらに好ましくは、0.04mass%以下、さらに好ましくは、0.02mass%以下である。
(1) C ≦ 0.08 mass%.
C is an austenite generating element and contributes to stabilization of the austenite phase. Moreover, since it is an interstitial element, it contributes to the improvement of strength.
On the other hand, when the C content is excessive, the formation of Cr carbides causes a Cr-deficient phase in which the solid solution Cr concentration of the matrix phase is reduced, thereby deteriorating the corrosion resistance of the stainless steel itself. In addition, a non-uniform nitride layer is generated during nitriding. Therefore, the C content is preferably 0.08 mass% or less. The C content is more preferably 0.04 mass% or less, and still more preferably 0.02 mass% or less.

(2) 0.01≦Si≦3.00mass%。
Siは、脱酸元素であり、鋼の清浄度に寄与する。このような効果を得るためには、Si含有量は、0.01mass%以上が好ましい。
一方、Siは、フェライト生成元素であり、過剰の添加はフェライト相を安定化させる。さらに、過剰のSiは、鋼中でSiO2等の酸化物を形成し、ステンレス鋼の窒化時に不均一な窒化層を形成する原因となる。従って、Si含有量は、3.0mass%以下が好ましい。Si含有量は、さらに好ましくは、2.00mass%以下、さらに好ましくは、1.00mass%以下である。
(2) 0.01 ≦ Si ≦ 3.00 mass%.
Si is a deoxidizing element and contributes to the cleanliness of steel. In order to obtain such an effect, the Si content is preferably 0.01 mass% or more.
On the other hand, Si is a ferrite-forming element, and excessive addition stabilizes the ferrite phase. Furthermore, excess Si forms oxides such as SiO 2 in the steel and causes a non-uniform nitrided layer to form during nitriding of stainless steel. Accordingly, the Si content is preferably 3.0 mass% or less. The Si content is more preferably 2.00 mass% or less, and still more preferably 1.00 mass% or less.

(3) 0.01≦Mn≦10.00mass%。
Mnは、オーステナイト生成元素であり、オーステナイト相の安定化に寄与する。このような効果を得るためには、Mn含有量は、0.01mass%以上が好ましい。
一方、Mn含有量が過剰になると、ステンレス鋼の酸性雰囲気下での耐食性を著しく劣化させる。従って、Mn含有量は、10.00mass%以下が好ましい。Mn含有量は、さらに好ましくは、5.00mass%以下、さらに好ましくは、3.00mass%以下である。
(3) 0.01 ≦ Mn ≦ 10.00 mass%.
Mn is an austenite generating element and contributes to stabilization of the austenite phase. In order to obtain such an effect, the Mn content is preferably 0.01 mass% or more.
On the other hand, if the Mn content is excessive, the corrosion resistance of the stainless steel in an acidic atmosphere is significantly deteriorated. Therefore, the Mn content is preferably 10.00 mass% or less. The Mn content is more preferably 5.00 mass% or less, and still more preferably 3.00 mass% or less.

(4) 0.01≦Cu≦3.00mass%。
Cuは、オーステナイト生成元素であり、オーステナイト相の安定化に寄与する。このような効果を得るためには、Cu含有量は、0.01mass%以上が好ましい。
一方、Cuを多量に含有した鋼種はスクラップとしてリサイクルできない(Cuはトラップエレメントである)ことに加え、ステンレス鋼の酸性雰囲気下での耐食性を著しく低下させてしまうことがある。従って、Cu含有量は、3.00mass%以下が好ましい。Cu含有量は、さらに好ましくは、2.00mass%以下、さらに好ましくは、1.00mass%以下である。
(4) 0.01 ≦ Cu ≦ 3.00 mass%.
Cu is an austenite generating element and contributes to stabilization of the austenite phase. In order to obtain such effects, the Cu content is preferably 0.01 mass% or more.
On the other hand, steel types containing a large amount of Cu cannot be recycled as scrap (Cu is a trap element), and in addition, the corrosion resistance of stainless steel in an acidic atmosphere may be significantly reduced. Therefore, the Cu content is preferably 3.00 mass% or less. The Cu content is more preferably 2.00 mass% or less, and still more preferably 1.00 mass% or less.

(5) 15.0≦Ni≦40.0mass%。
Niは、オーステナイト生成元素であり、オーステナイト相の安定化に強く寄与する有用な元素である。このような効果を得るためには、Ni含有量は、15.0mass%以上が好ましい。Ni含有量は、さらに好ましくは、18.0mass%以上、さらに好ましくは、21.0mass%以上である。
一方、Ni含有量が過剰になると、コストの上昇を招く。従って、Ni含有量は、40.0mass%以下が好ましい。Ni含有量は、さらに好ましくは、35.0mass%以下である。
(5) 15.0 ≦ Ni ≦ 40.0 mass%.
Ni is an austenite-forming element and is a useful element that strongly contributes to stabilization of the austenite phase. In order to obtain such an effect, the Ni content is preferably 15.0 mass% or more. The Ni content is more preferably 18.0 mass% or more, and further preferably 21.0 mass% or more.
On the other hand, when the Ni content is excessive, the cost is increased. Therefore, the Ni content is preferably 40.0 mass% or less. The Ni content is more preferably 35.0 mass% or less.

(6) 20.0≦Cr≦35.0mass%。
Crは、フェライト生成元素であり、フェライト相の安定化に強く寄与してしまう。しかし、耐食性、強度の向上に寄与する重要な元素である。このような効果を得るためには、Cr含有量は、20.0mass%以上が好ましい。Cr含有量は、さらに好ましくは、25.0mass%以上、さらに好ましくは、26.0mass%以上である。
一方、Cr含有量が過剰になると、固溶化熱処理時の未固溶Cr炭窒化物の残存量を増大させ、ステンレス鋼そのものの耐食性を著しく低下させる。また、未固溶Cr炭窒化物は、窒化時に不均一な窒化層を生成させる原因となる。従って、Cr含有量は、35.0mass%以下が好ましい。Cr含有量は、さらに好ましくは、33.0mass%以下である。
(6) 20.0 ≦ Cr ≦ 35.0 mass%.
Cr is a ferrite forming element and strongly contributes to stabilization of the ferrite phase. However, it is an important element that contributes to the improvement of corrosion resistance and strength. In order to obtain such an effect, the Cr content is preferably 20.0 mass% or more. The Cr content is more preferably 25.0 mass% or more, and further preferably 26.0 mass% or more.
On the other hand, if the Cr content is excessive, the residual amount of undissolved Cr carbonitride during the solution heat treatment is increased, and the corrosion resistance of the stainless steel itself is significantly reduced. Further, undissolved Cr carbonitride causes a non-uniform nitrided layer to be generated during nitriding. Therefore, the Cr content is preferably 35.0 mass% or less. The Cr content is more preferably 33.0 mass% or less.

(7) 0.1≦Mo≦4.0mass%。
Moは、フェライト生成元素であり、フェライト相の安定化に寄与してしまう。しかし、耐食性の向上に大きく寄与する元素である。このような効果を得るためには、Mo含有量は、0.1mass%以上が好ましい。Mo含有量は、さらに好ましくは、0.5mass%以上である。
一方、Mo含有量が過剰になると、鋼中でMo炭窒化物を形成し、窒化時に不均一な窒化層を生成させる原因となる。従って、Mo含有量は、4.0mass%以下が好ましい。Mo含有量は、さらに好ましくは、3.5mass%以下、さらに好ましくは、2.5mass%以下である。
(7) 0.1 ≦ Mo ≦ 4.0 mass%.
Mo is a ferrite-forming element and contributes to stabilization of the ferrite phase. However, it is an element that greatly contributes to the improvement of corrosion resistance. In order to obtain such an effect, the Mo content is preferably 0.1 mass% or more. The Mo content is more preferably 0.5 mass% or more.
On the other hand, if the Mo content is excessive, Mo carbonitrides are formed in the steel, which causes a non-uniform nitrided layer to be generated during nitriding. Therefore, the Mo content is preferably 4.0 mass% or less. The Mo content is more preferably 3.5 mass% or less, and even more preferably 2.5 mass% or less.

(8) 0.005≦N≦0.300mass%。
Nは、オーステナイト生成元素であり、オーステナイト相の安定化に寄与する。また、耐食性、強度の向上に寄与する元素でもある。このような効果を得るためには、N含有量は、0.005mass%以上が好ましい。
一方、N含有量が過剰になると、固溶化熱処理時の未固溶Cr窒化物の残存量を増大させ、母相の固溶Cr濃度が低下した欠乏相を生じ、ステンレス鋼そのものの耐食性を著しく低下させる。また、未固溶Cr窒化物は、窒化時に不均一な窒化層を生成する原因ともなる。従って、N含有量は、0.300mass%以下が好ましい。N含有量は、さらに好ましくは、0.250mass%以下、さらに好ましくは、0.200mass%以下である。
(8) 0.005 ≦ N ≦ 0.300 mass%.
N is an austenite generating element and contributes to stabilization of the austenite phase. It is also an element that contributes to improving corrosion resistance and strength. In order to obtain such an effect, the N content is preferably 0.005 mass% or more.
On the other hand, when the N content is excessive, the residual amount of undissolved Cr nitride during the solution heat treatment is increased, resulting in a deficient phase in which the solid solution Cr concentration of the parent phase is lowered, and the corrosion resistance of the stainless steel itself is remarkably increased. Reduce. In addition, undissolved Cr nitride also causes a non-uniform nitride layer to be formed during nitriding. Therefore, the N content is preferably 0.300 mass% or less. The N content is more preferably 0.250 mass% or less, and still more preferably 0.200 mass% or less.

本発明に係る燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼は、添加元素が上述の範囲にあることに加え、不可避的不純物であるS、O、Pが以下の範囲にあることが好ましい。
(14) S≦0.050mass%。
(15) P≦0.060mass%。
(16) O≦0.060mass%。
これらの元素は、プラズマ窒化処理を施した際に、窒化層の導電性や耐食性に影響を与える。窒化層の導電性や耐食性の低下を抑制するためには、これらの元素は、少ないほど良い。
S含有量は、具体的には、0.050mass%以下が好ましい。S含有量は、さらに好ましくは、0.030mass%以下、さらに好ましくは、0.020mass%以下である。
また、P含有量は、具体的には、0.060mass%以下が好ましい。P含有量は、さらに好ましくは、0.040mass%以下、さらに好ましくは、0.030mass%以下である。
さらに、O含有量は、具体的には、0.060mass%以下が好ましい。O含有量は、さらに好ましくは、0.040mass%以下、さらに好ましくは、0.030mass%以下である。
In the austenitic stainless steel for a fuel cell separator according to the present invention, it is preferable that S, O, and P, which are unavoidable impurities, are in the following ranges in addition to the additive elements being in the above-mentioned range.
(14) S ≦ 0.050 mass%.
(15) P ≦ 0.060 mass%.
(16) O ≦ 0.060 mass%.
These elements affect the conductivity and corrosion resistance of the nitride layer when plasma nitriding is performed. In order to suppress a decrease in the conductivity and corrosion resistance of the nitride layer, the smaller the number of these elements, the better.
Specifically, the S content is preferably 0.050 mass% or less. The S content is more preferably 0.030 mass% or less, and still more preferably 0.020 mass% or less.
Moreover, specifically, P content is preferably 0.060 mass% or less. The P content is more preferably 0.040 mass% or less, and still more preferably 0.030 mass% or less.
Furthermore, specifically, the O content is preferably 0.060 mass% or less. The O content is more preferably 0.040 mass% or less, and still more preferably 0.030 mass% or less.

本発明に係る燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼は、添加元素が上述の範囲にあることに加え、次の式(1)で定義するαが、−9≦αであるものが好ましい。

α=[Ni]+30*[C]+30*[N]+0.5*[Mn]+0.16*[Cu]-[Cr]-[Mo]-1.5*[Si] ・・・(1)
但し、[Ni]等は、各元素のmass%を表す。
In the austenitic stainless steel for a fuel cell separator according to the present invention, in addition to the additive element being in the above range, α defined by the following formula (1) is preferably −9 ≦ α.

α = [Ni] + 30 * [C] + 30 * [N] + 0.5 * [Mn] + 0.16 * [Cu]-[Cr]-[Mo] -1.5 * [Si] (1)
However, [Ni] etc. represents mass% of each element.

通常、Crの過剰な添加は、鋼の硬さを増し、遷移温度を上昇させ、衝撃抵抗値も上げてしまうため、高Cr鋼は熱間、冷間を問わず成形性が著しく悪くなることが知られている。さらに、Crは、フェライト相生成元素であるため、高Cr組成でオーステナイト相単相を維持することは難しい。
これに対し、式(1)を満たすように、成形性に影響を及ぼす添加元素の含有量を最適化すると、M4N型結晶構造の窒化物Cr濃度が高くなり、かつ、オーステナイト単相を維持できることに加えて、良好な成形性を得ることができる。このような効果を得るためには、αは、−6<αが好ましく、さらに好ましくは、−2<αである。
Usually, excessive addition of Cr increases the hardness of the steel, raises the transition temperature, and raises the impact resistance value. Therefore, the high Cr steel has extremely poor formability regardless of whether it is hot or cold. It has been known. Furthermore, since Cr is a ferrite phase generating element, it is difficult to maintain an austenite single phase with a high Cr composition.
On the other hand, when the content of the additive element affecting the formability is optimized so as to satisfy the formula (1), the nitride Cr concentration of the M 4 N-type crystal structure is increased, and the austenite single phase is reduced. In addition to being able to be maintained, good moldability can be obtained. In order to obtain such an effect, α is preferably −6 <α, and more preferably −2 <α.

さらに、本発明に係る燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼は、成分元素及び成分バランスが上述の範囲にあることに加えて、冷間圧延後に、b値以上(b+c)値以下の温度で固溶化熱処理をすることにより得られるものが好ましい。
但し、
α=[Ni]+30*[C]+30*[N]+0.5*[Mn]+0.16*[Cu]-[Cr]-[Mo]-1.5*[Si] ・・・(1)
b=(α+10)×22+850 ・・・(2)
c=(5−α)×19.3 ・・・(3)
Furthermore, the austenitic stainless steel for a fuel cell separator according to the present invention is solidified at a temperature not less than b value and not more than (b + c) value after cold rolling in addition to the component elements and the component balance being in the above-mentioned ranges. Those obtained by heat treatment are preferred.
However,
α = [Ni] + 30 * [C] + 30 * [N] + 0.5 * [Mn] + 0.16 * [Cu]-[Cr]-[Mo] -1.5 * [Si] (1)
b = (α + 10) × 22 + 850 (2)
c = (5-α) × 19.3 (3)

金属セパレータは、一般に、鋼板を約0.1mm厚まで冷間圧延し、固溶化熱処理した後、プレス成形することにより製造される。固溶化熱処理は、冷間圧延された鋼板にプレス成形性を付与するために行われる。この固溶化熱処理時に硬質な金属間化合物であるσ相が析出すると、ステンレス鋼は、熱間、冷間を問わず、著しく成形性が悪化する。オーステナイト単相を維持でき、かつσ相の析出を抑制するためには、固溶化熱処理温度は、(2)式で定義されるb値以上が好ましい。
一方、固溶化熱処理温度が高すぎると、結晶粒が粗大となる。粗大な結晶粒からなる0.1mm厚オーステナイト系ステンレス鋼板は、プレス成形時に十分な加工性を持たず、割れ、欠け等の欠陥を生じやすい。さらに、Crを過剰に添加した鋼は硬さが増し、弾性限を高め、衝撃抵抗値も上がるため、高Cr鋼は、熱間、冷間を問わず、成形性が悪くなる。従って、固溶化熱処理温度は、(2)式及び(3)式で定義される(b+c)値以下が好ましい。
c値は、さらに次の(3')式を満たすことが好ましい。
c=(5−α)×8.8 ・・・(3')
A metal separator is generally manufactured by cold rolling a steel sheet to a thickness of about 0.1 mm, subjecting it to a solution heat treatment, and then press-molding. The solution heat treatment is performed to impart press formability to the cold-rolled steel sheet. When the σ phase, which is a hard intermetallic compound, precipitates during the solution heat treatment, the formability of stainless steel is significantly deteriorated regardless of whether it is hot or cold. In order to maintain the austenite single phase and suppress the precipitation of the σ phase, the solution heat treatment temperature is preferably not less than the b value defined by the formula (2).
On the other hand, if the solution heat treatment temperature is too high, the crystal grains become coarse. A 0.1 mm-thick austenitic stainless steel plate made of coarse crystal grains does not have sufficient workability during press molding, and is liable to cause defects such as cracks and chips. Furthermore, steel with excessive addition of Cr has increased hardness, increased elasticity limit, and increased impact resistance, so that high Cr steel has poor formability regardless of whether it is hot or cold. Therefore, the solution heat treatment temperature is preferably not more than the (b + c) value defined by the equations (2) and (3).
The c value preferably further satisfies the following expression (3 ′).
c = (5-α) × 8.8 (3 ′)

固溶化熱処理温度は、材料の伸び及び結晶粒度に影響を及ぼす。一般に、固溶化熱処理温度が低すぎるとσ相が析出し、伸びが低下する。良好な加工性を得るためには、引張試験(JIS Z 2241)時の伸びは、10%以上が好ましい。
一方、固溶化熱処理温度が高すぎると、結晶粒が粗大化し、加工性が低下する。良好な加工性を得るためには、結晶粒径は、結晶粒度番号(JIS G 0551)で4以上が好ましい。
このような伸び及び結晶粒度を有するステンレス鋼は、固溶化熱処理温度を最適化することにより得られる。高Cr組成になるほど、好適な固溶化熱処理温度幅は狭くなる。
The solution heat treatment temperature affects the material elongation and grain size. Generally, when the solution heat treatment temperature is too low, the σ phase is precipitated and the elongation is lowered. In order to obtain good workability, the elongation during the tensile test (JIS Z 2241) is preferably 10% or more.
On the other hand, when the solution heat treatment temperature is too high, the crystal grains become coarse and the workability deteriorates. In order to obtain good processability, the crystal grain size is preferably 4 or more in terms of crystal grain size number (JIS G 0551).
Stainless steel having such elongation and crystal grain size can be obtained by optimizing the solution heat treatment temperature. The higher the Cr composition, the narrower the suitable solution heat treatment temperature range.

[2.2. 第2の具体例]
本発明に係る燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼は、上述した組成の中でも、
C≦0.04mass%、
0.01≦Si≦2.00mass%
0.01≦Mn≦5.00mass%
0.01≦Cu≦2.00mass%
18.0≦Ni≦40.0mass%
25.0≦Cr≦35.0mass%
0.1≦Mo≦3.5mass%、及び、
0.005≦N≦0.250mass%
を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなるものが好ましい。
各添加元素の限定理由の詳細、S、P、及びOが所定量以下であることが望ましい点、αが所定の範囲であることが望ましい点、並びに、所定の固溶化熱処理温度で固溶化熱処理することが好ましい点は、第1の具体例と同様であるので、説明を省略する。
[2.2. Second specific example]
The austenitic stainless steel for a fuel cell separator according to the present invention has the above-described composition,
C ≦ 0.04 mass%,
0.01 ≦ Si ≦ 2.00 mass%
0.01 ≦ Mn ≦ 5.00 mass%
0.01 ≦ Cu ≦ 2.00 mass%
18.0 ≦ Ni ≦ 40.0 mass%
25.0 ≦ Cr ≦ 35.0 mass%
0.1 ≦ Mo ≦ 3.5 mass%, and
0.005 ≦ N ≦ 0.250 mass%
In which the balance is Fe and inevitable impurities.
Details of reasons for limiting each additive element, points where S, P, and O are preferably less than a predetermined amount, points where α is preferably within a predetermined range, and solution heat treatment at a predetermined solution heat treatment temperature Since it is the same as that of the 1st specific example that it is preferable to do, description is abbreviate | omitted.

[2.3. 第3の具体例]
本発明に係る燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼は、上述した組成の中でも、
C≦0.02mass%、
0.01≦Si≦1.00mass%
0.01≦Mn≦3.00mass%
0.01≦Cu≦1.00mass%
20.0≦Ni≦35.0mass%
26.0≦Cr≦33.0mass%
0.5≦Mo≦2.5mass%、及び、
0.005≦N≦0.200mass%
を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなるものが特に好ましい。
各添加元素の限定理由の詳細、S、P、及びOが所定量以下であることが望ましい点、αが所定の範囲であることが望ましい点、並びに、所定の固溶化熱処理温度で固溶化熱処理することが好ましい点は、第1の具体例と同様であるので、説明を省略する。
[2.3. Third specific example]
The austenitic stainless steel for a fuel cell separator according to the present invention has the above-described composition,
C ≦ 0.02 mass%,
0.01 ≦ Si ≦ 1.00 mass%
0.01 ≦ Mn ≦ 3.00 mass%
0.01 ≦ Cu ≦ 1.00 mass%
20.0 ≦ Ni ≦ 35.0 mass%
26.0 ≦ Cr ≦ 33.0 mass%
0.5 ≦ Mo ≦ 2.5 mass%, and
0.005 ≦ N ≦ 0.200 mass%
In particular, the balance being Fe and inevitable impurities.
Details of reasons for limiting each additive element, points where S, P, and O are preferably less than a predetermined amount, points where α is preferably within a predetermined range, and solution heat treatment at a predetermined solution heat treatment temperature Since it is the same as that of the 1st specific example that it is preferable to do, description is abbreviate | omitted.

[3. 燃料電池用セパレータの製造方法]
燃料電池用セパレータは、所定量のCrを含むオーステナイト系ステンレス鋼を所定の形状に加工し、表面を窒化処理することにより製造することができる。
窒化方法は、特に限定されるものではなく、種々の方法を用いることができる。窒化方法としては、具体的には、
(1) 被処理物を陰極とし、直流電圧を印加してグロー放電(すなわち、低温非平衡プラズマ)を発生させ、ガス成分の一部をイオン化し、非平衡プラズマ中のイオン化したガス成分を被処理物の表面に高速衝突させて窒化させるプラズマ窒化法、
(2) 大気圧で、かつ平衡反応により窒化を進行させるガス窒化法、
などがある。
特に、プラズマ窒化法は、
(1) 被処理物表面に形成される不動態被膜の除去が容易である、
(2) 窒化層の形成と同時に、被処理物表面に形成された酸化膜の除去が容易である、
(3) 被処理物表面から深さ方向に、導電性と耐食性に富んだ、高窒素濃度のM4N型窒化物を含む窒化層が迅速に得られる、
という利点がある。
[3. Manufacturing method of fuel cell separator]
The fuel cell separator can be manufactured by processing austenitic stainless steel containing a predetermined amount of Cr into a predetermined shape and nitriding the surface.
The nitriding method is not particularly limited, and various methods can be used. Specifically, as the nitriding method,
(1) Using an object to be processed as a cathode, applying a DC voltage to generate glow discharge (ie, low temperature non-equilibrium plasma), ionizing a part of the gas component, and covering the ionized gas component in the non-equilibrium plasma A plasma nitriding method in which nitriding is performed by high-speed collision with the surface of the workpiece
(2) Gas nitriding method in which nitriding proceeds at atmospheric pressure and by an equilibrium reaction,
and so on.
In particular, the plasma nitriding method is
(1) It is easy to remove the passive film formed on the surface of the workpiece.
(2) Simultaneously with the formation of the nitride layer, it is easy to remove the oxide film formed on the surface of the workpiece.
(3) A nitride layer containing M 4 N-type nitride having a high nitrogen concentration, which is rich in conductivity and corrosion resistance in the depth direction from the surface of the workpiece, can be obtained quickly.
There is an advantage.

オーステナイト系ステンレス鋼のプラズマ窒化は、具体的には、以下のような手順により行う。すなわち、まず、オーステナイト系ステンレス鋼からなる被処理物を窒化炉内に配置し、真空排気する。次いで、炉内に水素ガスとアルゴンガスの混合ガスを導入し、数〜十数Torr(665〜2128Pa)の真空度で、被処理物を陰極、炉壁を陽極として、電圧を印加する。電圧を印加すると、陰極である被処理物上にグロー放電が発生し、グロー放電によりイオン化した窒素は、被処理物の表面に衝突、浸入、及び拡散する。その結果、被処理物が加熱されると同時に、被処理物の表面に窒化層が形成される。   Specifically, plasma nitriding of austenitic stainless steel is performed by the following procedure. That is, first, an object made of austenitic stainless steel is placed in a nitriding furnace and evacuated. Next, a mixed gas of hydrogen gas and argon gas is introduced into the furnace, and a voltage is applied at a degree of vacuum of several to several tens of Torr (665 to 2128 Pa) using the workpiece as a cathode and the furnace wall as an anode. When a voltage is applied, a glow discharge is generated on the object to be processed as a cathode, and nitrogen ionized by the glow discharge collides, enters, and diffuses on the surface of the object to be processed. As a result, at the same time as the workpiece is heated, a nitride layer is formed on the surface of the workpiece.

[4. 本発明に係る燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼の作用]
γ相を窒化処理すると、表面に立方晶のM4N型窒化物が形成される。γ相は、面心立方構造を持つので、窒化処理により窒素原子が遷移金属元素から構成される面心立方格子の単位胞中心の八面体空隙に侵入し、M4N型窒化物を形成しやすい。γ相の窒化をさらに進行させると、M4N型窒化物の積層欠陥上にM2-3N型窒化物が析出し、ナノレベルの積層構造を持つ窒化物となる。M4N型窒化物及びM4N型+M2-3N型窒化物は、いずれもCr以外の元素を構成元素とすることができるので、基地中のCrを消費することがなく、基地の耐食性を低下させることがない。
[4. Action of austenitic stainless steel for fuel cell separator according to the present invention]
When the γ phase is nitrided, cubic M 4 N type nitride is formed on the surface. Since the γ phase has a face-centered cubic structure, nitrogen atoms invade into octahedral voids at the center of the unit cell of the face-centered cubic lattice composed of transition metal elements by nitriding to form M 4 N-type nitrides. Cheap. When the γ-phase nitridation further proceeds, M 2-3 N-type nitride is deposited on the stacking faults of the M 4 N-type nitride, resulting in a nitride having a nano-level stacked structure. Both the M 4 N type nitride and the M 4 N type + M 2-3 N type nitride can use elements other than Cr as constituent elements, so the Cr in the base is not consumed. Corrosion resistance is not reduced.

また、高い導電性と耐食性を両立させるためには、窒化物層中のCr濃度は高いことが好ましく、そのためには、基地中のCr濃度は、高いことが好ましい。しかしながら、一般に、Crの過剰添加は、オーステナイト単相を維持するのが困難であり、成形性も著しく低下させるという問題がある。
これに対し、高Cr組成において、Ni、C、Mo等の添加量を最適化すると、高Crでありながらオーステナイト相単相を維持することができる。また、オーステナイト単相であるため、熱間及び冷間での加工性にも優れている。特に、式(1)を満たすように添加元素を最適化すると、オーステナイト単相を維持しながら、高い成形性を維持することができる。
さらに、このようなオーステナイト系ステンレス鋼を所定の条件下で窒化処理すると、表面に立方晶のM4N型窒化物又はM4N型+M2-3N型窒化物を形成することができる。得られた窒化物層は、Cr含有量が高いので、優れた導電性及び酸性雰囲気下での耐食性を示す。
Further, in order to achieve both high conductivity and corrosion resistance, it is preferable that the Cr concentration in the nitride layer is high, and for that purpose, the Cr concentration in the matrix is preferably high. However, in general, excessive addition of Cr has a problem in that it is difficult to maintain an austenite single phase, and formability is significantly reduced.
On the other hand, if the amount of addition of Ni, C, Mo, etc. is optimized in a high Cr composition, an austenite phase single phase can be maintained while being high Cr. Moreover, since it is an austenite single phase, it is excellent also in hot and cold workability. In particular, when the additive element is optimized to satisfy the formula (1), high formability can be maintained while maintaining the austenite single phase.
Furthermore, when such austenitic stainless steel is nitrided under predetermined conditions, cubic M 4 N type nitride or M 4 N type + M 2-3 N type nitride can be formed on the surface. Since the obtained nitride layer has a high Cr content, it exhibits excellent conductivity and corrosion resistance in an acidic atmosphere.

(実施例1〜12、比較例1〜11)
[1. 試料の作製]
高周波誘導炉により、表1の化学成分の合金を溶解・鋳造し、50kgの鋼塊を得た。次に、この鋼塊を均質加熱後、熱間鍛造で60角の板材とした。板材を冷間圧延により、0.1mm厚の薄板とした。得られた薄板について、還元性雰囲気下で熱処理を行った。熱処理温度は800〜1300℃とし、熱処理時間は60sとした。表1に、合金組成を示す。また、表2及び表3に、α、熱処理条件、b、c、及び、b+cを示す。
さらに、プラズマ窒化法を用いて、薄板表面を窒化処理した。プラズマ窒化は、以下の手順により行った。すなわち、プレス成形により得られたセパレータを酸洗した後、熱処理材の両面にマイクロパルス直流電流グロー放電によるプラズマ窒化処理を施した。
プラズマ窒化の条件は、窒化温度:425℃、窒化時間:60分、窒化時のガス混合比:N2:H2=7:3、処理圧力:3Torr(300Pa)とした。
(Examples 1-12, Comparative Examples 1-11)
[1. Preparation of sample]
An alloy having chemical components shown in Table 1 was melted and cast using a high frequency induction furnace to obtain a 50 kg steel ingot. Next, this steel ingot was uniformly heated and then made into a 60-square plate by hot forging. The plate material was made into a thin plate having a thickness of 0.1 mm by cold rolling. The obtained thin plate was heat-treated in a reducing atmosphere. The heat treatment temperature was 800 to 1300 ° C., and the heat treatment time was 60 s. Table 1 shows the alloy composition. Tables 2 and 3 show α, heat treatment conditions, b, c, and b + c.
Furthermore, the thin plate surface was nitrided using a plasma nitriding method. Plasma nitriding was performed according to the following procedure. That is, after the separator obtained by press molding was pickled, both surfaces of the heat treatment material were subjected to plasma nitriding treatment by micropulse direct current glow discharge.
The plasma nitriding conditions were nitriding temperature: 425 ° C., nitriding time: 60 minutes, gas mixing ratio during nitriding: N 2 : H 2 = 7: 3, and processing pressure: 3 Torr (300 Pa).

Figure 2009167502
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Figure 2009167502
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[2. 試験方法]
[2.1. 接触抵抗値]
耐食試験前後の接触抵抗値は、アルバック理工製、圧力負荷接触電気抵抗測定装置TRS−2000SS型を用いて行った。30mm×30mm×に切り出した試料と電極の間にカーボンペーパーを介在させ、電極/カーボンペーパー/試料/カーボンペーパー/電極の順に重ね合わせた。測定面圧1.0MPaにて、1A/cm2の電流を流した際の電気抵抗を2回測定し、各電気抵抗の平均値を求めて接触抵抗値とした。
カーボンペーパーには、白金触媒を担持したカーボンブラックを塗布したカーボンペーパー(東レ(株)製カーボンペーパーTGP−H−090、厚さ0.26[mm]、かさ密度0.49[g/cm3]、空隙率73[%]、厚さ方向体積抵抗率0.07[o・cm2])を用いた。電極は、直径f20のCu製電極を用いた。また、接触抵抗値測定用試料には、1100℃×60sの熱処理を行ったものを用いた。
[2. Test method]
[2.1. Contact resistance value]
Contact resistance values before and after the corrosion resistance test were measured using a pressure load contact electrical resistance measuring device TRS-2000SS manufactured by ULVAC-RIKO. Carbon paper was interposed between the sample cut out to 30 mm × 30 mm × and the electrode, and the electrode / carbon paper / sample / carbon paper / electrode were stacked in this order. The electrical resistance when a current of 1 A / cm 2 was passed at a measurement surface pressure of 1.0 MPa was measured twice, and the average value of each electrical resistance was determined to obtain the contact resistance value.
Carbon paper coated with carbon black carrying a platinum catalyst (carbon paper TGP-H-090 manufactured by Toray Industries, Inc., thickness 0.26 [mm], bulk density 0.49 [g / cm 3] , Porosity 73 [%], thickness direction volume resistivity 0.07 [o · cm 2 ]). As the electrode, a Cu electrode having a diameter of f20 was used. Further, a sample subjected to heat treatment at 1100 ° C. × 60 s was used as the contact resistance value measurement sample.

[2.2. イオン溶出量]
燃料電池では、水素極側に比較して酸素極側に最大で1[V vs SHE]程度の電位がかかる。また、固体高分子電解質膜は、分子中にスルホン酸基等のプロトン交換基を有し、含水状態で使用されるため、強酸性を示す。このため、耐食性の評価は、電気化学的な手法である定電位電解試験法を用いて、燃料電池スタック内で燃料電池用セパレータが曝される環境を模擬した酸環境下で行った。
具体的には、まず、薄板の中央部から大きさ30mm×30mmの試料を切り出し、これをpH4、温度80℃の硫酸水溶液中に100時間浸漬した。その際の雰囲気は、アノード極環境を模擬したN2ガス脱気、又はカソード環境を模擬した大気開放状態とした。耐食試験終了後、硫酸水溶液中に溶け出したFe、Cr及びNiのイオン溶出量を蛍光X線分析により測定した。また、イオン溶出量測定用試料には、1100℃×60sの熱処理を行ったものを用いた。
[2.2. Ion elution amount]
In the fuel cell, a potential of about 1 [V vs SHE] is applied to the oxygen electrode side in comparison with the hydrogen electrode side. Further, the solid polymer electrolyte membrane has a proton exchange group such as a sulfonic acid group in the molecule, and is used in a water-containing state, and thus exhibits a strong acidity. For this reason, the corrosion resistance was evaluated in an acid environment simulating the environment where the fuel cell separator is exposed in the fuel cell stack, using a constant potential electrolysis test method which is an electrochemical technique.
Specifically, first, a sample having a size of 30 mm × 30 mm was cut out from the central portion of the thin plate and immersed in a sulfuric acid aqueous solution having a pH of 4 and a temperature of 80 ° C. for 100 hours. The atmosphere at that time was N 2 gas deaeration simulating the anode electrode environment, or an open air state simulating the cathode environment. After the corrosion resistance test, the ion elution amounts of Fe, Cr, and Ni dissolved in the sulfuric acid aqueous solution were measured by fluorescent X-ray analysis. Moreover, what performed the heat processing of 1100 degreeC x 60 s was used for the sample for ion elution amount measurement.

[2.3. 熱間加工性]
熱間鍛造時のきず発生程度を目視で評価した。熱間加工性は、クラスA(きず発生なし)からクラスE(大割れ発生:鍛造不能)まで、5段階(A>B>C>D>E)で評価した。
[2.4. 熱間成形性]
熱間鍛造後の板材から6φ×55Lの円柱試験片を切り出し、高温高速引張試験(グリーブル試験)を行った。すなわち、試験片を通電加熱により1200℃まで昇温し、60秒保持した後、50.8mm/sの引張速度にて試験片を破断させた。破断後の試験片を用いて、破断絞り(くびれ度合い)を測定した。破断絞り値(%)が高いほど、熱間成形性に優れていることを表す。
[2.3. Hot workability]
The extent of occurrence of flaws during hot forging was visually evaluated. The hot workability was evaluated in five stages (A>B>C>D> E) from class A (no flaws generated) to class E (large cracks generated: not forged).
[2.4. Hot formability]
A 6φ × 55 L cylindrical test piece was cut out from the plate material after hot forging, and a high-temperature high-speed tensile test (greeble test) was performed. That is, the temperature of the test piece was raised to 1200 ° C. by energization heating and held for 60 seconds, and then the test piece was broken at a tensile rate of 50.8 mm / s. Using the specimen after fracture, the fracture drawing (degree of constriction) was measured. The higher the fracture drawing value (%), the better the hot formability.

[2.5. 冷間加工性]
冷間圧延時の耳割れなどの欠陥発生頻度を目視で評価した。冷間加工性は、クラスA(きず発生なし)からクラスE(大割れ発生:圧延不能)まで、5段階(A>B>C>D>E)で評価した。
[2.6. 冷間成形性]
熱間鍛造後の板材から15φ×22.5Lの円柱試験片を切り出し、長さ方向に600tプレスによる75%圧縮(端面拘束圧縮試験(室温))を行った。このような圧縮試験を5回行い、圧縮試験時の変形抵抗値及び試験片側面に割れが発生した試験片の個数を測定した。変形抵抗値が小さいほど、及び、割れ発生率が少ないほど、冷間成形性に優れていることを表す。
[2.5. Cold workability]
The occurrence frequency of defects such as ear cracks during cold rolling was visually evaluated. The cold workability was evaluated in five stages (A>B>C>D> E) from class A (no flaw generation) to class E (large crack generation: unrollable).
[2.6. Cold formability]
A 15φ × 22.5 L cylindrical test piece was cut out from the plate material after hot forging, and subjected to 75% compression (end face constrained compression test (room temperature)) by a 600 t press in the length direction. Such a compression test was performed five times, and the deformation resistance value during the compression test and the number of test pieces in which cracks occurred on the side surfaces of the test piece were measured. The smaller the deformation resistance value and the smaller the crack generation rate, the better the cold formability.

[2.7. 透磁率]
VSM(振動試料型磁力計)を用いて、外部磁力200(Oe)の条件下で透磁率を測定した。試料には、冷間圧延後熱処理実施材を用いた。
[2.7. Permeability]
Using a VSM (vibrating sample magnetometer), the magnetic permeability was measured under the condition of an external magnetic force of 200 (Oe). As the sample, a material subjected to heat treatment after cold rolling was used.

[2.8 粒度]
結晶粒度は、0.1mm厚薄板の縦断面を組織観察し、JIS G 0551に準じて測定を行った。
[2.9 硬度]
0.1mm厚薄板の縦断面を鏡面研磨後にビッカース硬度計を用いて測定した。
[2.10 伸び]
0.1mm厚薄板の圧延方向に沿うように試験片(JIS13号13B)を切り出し、引張試験(JIS Z 2241)を行い、その際の伸び(%)を測定した。
[2.8 Particle size]
The crystal grain size was measured according to JIS G 0551 by observing the structure of a longitudinal section of a 0.1 mm thick plate.
[2.9 Hardness]
A vertical section of a 0.1 mm thin plate was measured using a Vickers hardness meter after mirror polishing.
[2.10 Elongation]
A test piece (JIS No. 13B) was cut out along the rolling direction of the 0.1 mm thin plate, a tensile test (JIS Z 2241) was performed, and the elongation (%) at that time was measured.

[3. 結果]
表4〜表7に、試験結果を示す。比較例1〜11は、いずれも成分元素の含有量が適切でないために、耐食試験後の接触抵抗値が相対的に高く、イオン溶出量も相対的に多い。また、組成によっては、オーステナイト単相を維持できない鋼種(比較例2、5、7、9〜11)もある。
これに対し、実施例1〜12は、いずれも成分元素の含有量が適切であるため、耐食試験後の接触抵抗値が低く、イオン溶出量も少なく、すべての鋼種でオーステナイト単相を維持することができた。また、式(1)で表されるαと接触抵抗値、イオン溶出量との間に相関があり、αを最適化することによって、オーステナイト単相を維持しながら、セパレータとしての特性が向上することがわかった。
[3. result]
Tables 4 to 7 show the test results. In Comparative Examples 1 to 11, since the content of the component elements is not appropriate, the contact resistance value after the corrosion resistance test is relatively high, and the ion elution amount is relatively large. Moreover, depending on the composition, there are steel types (Comparative Examples 2, 5, 7, 9 to 11) that cannot maintain the austenite single phase.
In contrast, in Examples 1 to 12, since the content of the component elements is appropriate, the contact resistance value after the corrosion resistance test is low, the ion elution amount is small, and the austenite single phase is maintained in all steel types. I was able to. In addition, there is a correlation between α represented by formula (1), the contact resistance value, and the ion elution amount, and by optimizing α, the characteristics as a separator are improved while maintaining the austenite single phase. I understood it.

しかし、成分元素の含有量が適切な実施例1〜12でも、製造時の固溶化熱処理温度の変動により、機械的特性(硬度、伸び)や、熱間、冷間での加工性が大きく異なることがわかった。これは、固溶化熱処理温度が低いと硬質な金属間化合物であるσ相が析出するためである。σ相析出を防ぐためには、固溶化熱処理温度をb値以上にしなければならない。
一方、固溶化熱処理温度が高すぎると、結晶粒が粗大となる。粗大な結晶粒からなる0.1mm厚オーステナイト系ステンレス鋼板は、プレス成形時に十分な加工性を持たず、割れ、欠け等の欠陥を生じやすい。さらに、Crを過剰に添加した鋼は、硬さが増し、弾性限が高くなり、衝撃抵抗値も上がってしまっているため、高Cr鋼は、熱間、冷間を問わず、成形性が悪くなることが知られている。そのため、結晶粒を細かい状態(例えば、結晶粒度番号で4以上)に維持できるように、固溶化熱処理温度はある温度((b+c)値)以下にしなければならない。
これらを満たす製造工程により作製された実施例は、どれも熱間、冷間での加工性に優れ、実操業の観点からは好ましい。さらに、式(2)、式(3)で表されるb値、c値と、熱間、冷間での加工性との間に相関があり、b、c値を最適化することで、熱間、冷間での加工性が向上することがわかった。
However, even in Examples 1 to 12 in which the content of the component elements is appropriate, mechanical properties (hardness, elongation), hot workability, and cold workability differ greatly due to fluctuations in the solution heat treatment temperature during production. I understood it. This is because the σ phase, which is a hard intermetallic compound, precipitates when the solution heat treatment temperature is low. In order to prevent sigma phase precipitation, the solution heat treatment temperature must be higher than the b value.
On the other hand, if the solution heat treatment temperature is too high, the crystal grains become coarse. A 0.1 mm-thick austenitic stainless steel plate made of coarse crystal grains does not have sufficient workability during press molding, and is liable to cause defects such as cracks and chips. Furthermore, steel with excessive addition of Cr has increased hardness, increased elastic limit, and increased impact resistance, so high Cr steel has formability regardless of whether it is hot or cold. It is known to get worse. Therefore, the solution heat treatment temperature must be set to a certain temperature ((b + c) value) or less so that the crystal grains can be maintained in a fine state (for example, a crystal grain size number of 4 or more).
Any of the examples produced by the production process satisfying these conditions is excellent in hot and cold workability, and is preferable from the viewpoint of actual operation. Furthermore, there is a correlation between the b and c values represented by the formulas (2) and (3) and the hot and cold workability, and by optimizing the b and c values, It was found that the workability between hot and cold is improved.

Figure 2009167502
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以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は、上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。   The embodiment of the present invention has been described in detail above, but the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

本発明に係る燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼は、燃料電池用セパレータの材料として用いることができる。   The austenitic stainless steel for fuel cell separators according to the present invention can be used as a material for fuel cell separators.

Claims (6)

C≦0.08mass%、
0.01≦Si≦3.00mass%、
0.01≦Mn≦10.00mass%、
0.01≦Cu≦3.00mass%、
15.0≦Ni≦40.0mass%、
20.0≦Cr≦35.0mass%、
0.1≦Mo≦4.0mass%、及び、
0.005≦N≦0.300mass%
を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなる燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼。
C ≦ 0.08 mass%,
0.01 ≦ Si ≦ 3.00 mass%,
0.01 ≦ Mn ≦ 10.00 mass%,
0.01 ≦ Cu ≦ 3.00 mass%,
15.0 ≦ Ni ≦ 40.0 mass%,
20.0 ≦ Cr ≦ 35.0 mass%,
0.1 ≦ Mo ≦ 4.0 mass%, and
0.005 ≦ N ≦ 0.300 mass%
An austenitic stainless steel for fuel cell separators, the balance being Fe and inevitable impurities.
次の式(1)で定義するαが、−9≦αである請求項1に記載の燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼。
α=[Ni]+30*[C]+30*[N]+0.5*[Mn]+0.16*[Cu]-[Cr]-[Mo]-1.5*[Si] ・・・(1)
The austenitic stainless steel for a fuel cell separator according to claim 1, wherein α defined by the following formula (1) is −9 ≦ α.
α = [Ni] + 30 * [C] + 30 * [N] + 0.5 * [Mn] + 0.16 * [Cu]-[Cr]-[Mo] -1.5 * [Si] (1)
S≦0.050mass%、
P≦0.060mass%、及び、
O≦0.060mass%
をさらに含む請求項1又は2に記載の燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼。
S ≦ 0.050 mass%,
P ≦ 0.060 mass%, and
O ≦ 0.060 mass%
The austenitic stainless steel for fuel cell separators according to claim 1 or 2, further comprising:
冷間圧延後に、b値以上(b+c)値以下の温度で固溶化熱処理をすることにより得られる請求項1から3までのいずれかに記載の燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼。
但し、
α=[Ni]+30*[C]+30*[N]+0.5*[Mn]+0.16*[Cu]-[Cr]-[Mo]-1.5*[Si] ・・・(1)
b=(α+10)×22+850 ・・・(2)
c=(5−α)×19.3 ・・・(3)
The austenitic stainless steel for a fuel cell separator according to any one of claims 1 to 3, which is obtained by performing a solution heat treatment at a temperature not lower than b value and not higher than (b + c) value after cold rolling.
However,
α = [Ni] + 30 * [C] + 30 * [N] + 0.5 * [Mn] + 0.16 * [Cu]-[Cr]-[Mo] -1.5 * [Si] (1)
b = (α + 10) × 22 + 850 (2)
c = (5-α) × 19.3 (3)
前記c値は、次の(3')式を満たす請求項4に記載の燃料電池セパレータ用ステンレス鋼。
c=(5−α)×8.8 ・・・(3')
The said c value is stainless steel for fuel cell separators of Claim 4 which satisfy | fills following (3 ') Formula.
c = (5-α) × 8.8 (3 ′)
結晶粒度番号4以上、かつ、引張試験時の伸びが10%以上である請求項1から5までのいずれかに記載の燃料電池セパレータ用ステンレス鋼。   The stainless steel for a fuel cell separator according to any one of claims 1 to 5, wherein the grain size number is 4 or more and the elongation at the time of the tensile test is 10% or more.
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