JP2009203502A - セパレータ用粗面化ステンレス鋼板およびその製造方法並びにセパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】Ｍｏを含有する高耐食性のオーステナイト系ステンレス鋼板からなる一対の部材どうしを接触させて一体化した構造の固体高分子型燃料電池のセパレータにおいて、その接触部における接触抵抗を低減させることのできる鋼板を提供する。
【解決手段】Ｍｏ：１.５〜４質量％を含有するオーステナイト系ステンレス鋼種からなる鋼板の少なくとも片面に、三次元平均表面粗さＳＲａが０.１μｍ以上、表面積増加率が１.５以上の電解粗面化表面を持つ粗面化鋼板であって、当該鋼板の粗面化表面と、上記同条件（すなわちＳＲａが０.１μｍ以上、かつ表面積増加率が１.５以上）の粗面化表面を持つ他の鋼板の粗面化表面とを、接触面圧１ＭＰａで接触させたときに、接触抵抗が１０ｍΩ・ｃｍ²以下を呈する固体高分子型燃料電池のセパレータ用粗面化ステンレス鋼板。
【選択図】図４

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池の金属セパレータを構成するための粗面化されたオーステナイト系ステンレス鋼板、およびその製造方法、並びにそのオーステナイト系ステンレス鋼板を部材に使用して構成される固体高分子型燃料電池のセパレータに関する。

燃料電池の中でも、固体高分子型の燃料電池は１００℃以下での低温作動が可能であり、短時間で起動する長所を備えている。また、各部材が固体からなる構造であるためメンテナンスが容易であり、振動や衝撃に曝される用途にも適用できる。更に、出力が高いため小型化に適し、燃料効率が高く騒音が小さい等の長所も備えている。

固体高分子型燃料電池は、１セルあたりの発電量が小さいため、実用的な電力を取り出すには、固体高分子膜をセパレータで挟んだセルを１セルとし、多数のセルをスタックする必要がある。固体高分子型燃料電池は、分子中にプロトン交換基をもつ固体高分子樹脂がプロトン導電性電解質として機能することを利用したものであり、他の形式の燃料電池と同様に固体高分子膜を挟んで一方の側に水素等の燃料ガスを、他方の側に空気等の酸化性ガスをそれぞれ流す構造となっている。

図１に、金属製セパレータを用いた車載用の固体高分子型燃料電池の断面構造を模式的に例示する。固体高分子膜の両側に電極（それぞれ負極および正極）を挟んでセパレータが配置されている。セパレータは、金属板をプレスにより畝状の凹凸断面を有する形状に加工してなる一対のセパレータ部材１とセパレータ部材２を、押圧した状態（すなわち接触部に接触面圧が付与された状態）で接触させ、一体化した構造を有している。そのセパレータ部材１は負極（例えばカーボンペーパー）と電気的に接触しているとともに、負極と当該部材の間には燃料ガス（水素を主体とするもの）が通る流路が形成されている。一方、セパレータ部材２は隣のセルにおける正極（例えばカーボンペーパー）と電気的に接触しているとともに、正極と当該部材の間には酸化剤ガス（例えば空気を主体とするもの）が通る流路が形成されている。そして、セパレータを構成する一対のセパレータ部材１とセパレータ部材２どうしは、互いに電気的接触を有するとともに、両部材の間には冷却水が通る流路が設けられることが多い。

図２に、家庭などで用いる定置用として想定される固体高分子型燃料電池の断面構造を模式的に例示する。この場合、車載用ほど高電流で運転されることは少ないので、例えば３セルに１セル程度の割合でセパレータ部材間に冷却水を通す構造が想定される。冷却水を通すセルでは、金属板をプレスにより畝状の凹凸断面を有する形状に加工してなるセパレータ部材３およびセパレータ部材４を一対として、それらを押圧した状態で接触させて一体化し、セパレータを構成する。この場合も、一対のセパレータ部材３とセパレータ部材４どうしは、互いに電気的接触を有するとともに、両部材の間には冷却水が通る流路が設けられる。

図１や図２に示されるような、プレス成形された一対の板状部材を押圧した状態で接触させて一体化したタイプのセパレータを、以下単に「板状部材複合型セパレータ」と呼ぶことがある。

固体高分子型燃料電池のセパレータは、ｐＨ２〜３程度の酸性雰囲気に耐える材料で構成する必要がある。このような強酸性雰囲気に耐え、しかもセパレータに要求される特性を満足する金属材料は、これまでのところ実用化されていない。例えば、強酸性雰囲気に耐える金属材料としてステンレス鋼等の耐酸性材料が考えられる。これらの材料は、表面に形成した強固な不動態皮膜によって耐酸性を呈するが、その不動態皮膜の存在によって表面抵抗や接触抵抗が高くなる。特に、一対のセパレータ部材を組み合わせることによって冷却水流路を区画した上記のような構造の板状部材複合型セパレータでは、両部材の接触箇所において良好な導電性が確保されなければならない。接触抵抗が高くなると、接触部分で多量のジュール熱が発生して大きな熱損失となり、燃料電池の発電効率を低下させる。したがって、ステンレス鋼等の不動態皮膜により耐酸性を確保するタイプの金属材料を実用的な構造のセパレータ材に適用することは容易でない。一方、不動態皮膜によらずに高耐食性を発揮する金属材料としては貴金属が挙げられ、これをセパレータ部材表面にコーティングすれば接触抵抗を低減させることは可能である。しかし、コスト的にそのような手法は採用できない。

これまでに、固体高分子型燃料電池のセパレータを意図して、ステンレス鋼表面の接触抵抗を低減させるための手法が種々検討されてきた。特許文献１〜３にはカーボン粒子をステンレス鋼表面に島状に分布させることにより、耐酸性を確保しながら導電性および接触抵抗を改善したセパレータ材料が開示されている。しかし、ステンレス鋼表面に対するカーボン粒子の付着力を安定して十分に確保することは必ずしも容易ではなく、ハンドリングや加工などの際にカーボン粒子がステンレス鋼表面から脱落することが懸念される。また、良好な密着度でカーボン粒子を付着させるための工程が必要となり、生産工数の増加を招く。

特許文献４には塩化第二鉄水溶液中での交番電解処理によりステンレス鋼表面に多数の微細なピットを形成し、ピットの周縁に微細突起を林立させた表面性状とすることで接触抵抗の低減を図る技術が開示されている。しかし、セパレータ材に適した高耐食性を有するＭｏ含有のオーステナイト系ステンレス鋼種を対象とした場合、交番電解処理の手法を用いて接触抵抗を大きく低減させるに足る粗面化表面を安定して形成させることは困難であることがわかった。

一方、電解のない酸浸漬のみでは溶解不足となり良好な粗面化ができない。また、公知のアノード電解も接触抵抗の低減には有効でない。

特開平１１−１２１０１８号公報 特開平１１−１２６６２１号公報 特開平１１−１２６６２２号公報 特願２００２−５２７５９４号公報

本発明は、上記のような現状に鑑み、Ｍｏを含有する高耐食性のオーステナイト系ステンレス鋼種からなる鋼板を素材として、上記のような板状部材複合型セパレータにおいて、その接触部における接触抵抗の低減に極めて効果的となる粗面化表面を有するステンレス鋼板を提供しようというものである。また、その粗面化の手法を開示するとともに、当該ステンレス鋼板を用いたセパレータを提供することを目的とする。

上記目的は、Ｍｏ：１.５〜４質量％を含有するオーステナイト系ステンレス鋼種、例えばＪＩＳ Ｇ４３０５に規定されるＳＵＳ３１６系またはＳＵＳ３１７系の鋼種からなる鋼板の少なくとも片面に、三次元平均表面粗さＳＲａが０.１μｍ以上、表面積増加率が１.５以上の電解粗面化表面を持つ粗面化鋼板であって、当該鋼板の粗面化表面と、上記同条件（すなわちＳＲａが０.１μｍ以上、かつ表面積増加率が１.５以上）の粗面化表面を持つ他の鋼板の粗面化表面とを、接触面圧１ＭＰａで接触させたときに、接触抵抗が１０ｍΩ・ｃｍ²以下を呈する固体高分子型燃料電池のセパレータ用粗面化ステンレス鋼板によって達成される。

ここで、三次元平均表面粗さＳＲａおよび表面積増加率は、走査型共焦点レーザー顕微鏡により測定される鋼板表面の三次元的なプロファイルから求めることができる。表面積増加率は「投影面積に対する表面積比率」である。具体的には、鋼板表面のある測定領域における表面積を、その測定領域の面積すなわち鋼板の厚さ方向から見た測定領域の投影面積で除した値を表面積増加率と呼ぶ。その測定領域は例えば１辺が４０μｍ以上の矩形領域（例えば５０μｍ×５０μｍ）とすればよい。接触面圧は、接触している双方の鋼板表面間に付与されている接触面に垂直方向の応力成分である。接触抵抗は、当該接触部を介して双方の鋼板間に直流電流（例えば接触面での電流密度１Ａ／ｃｍ²）を流した際の電圧降下から算出される抵抗値に接触面積を乗じたものである。

前記オーステナイト系ステンレス鋼種としては、質量％で、Ｃ：０.０８％以下、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：２％以下、Ｐ：０.０４５％以下、Ｓ：０.０３％以下、Ｎｉ：１０〜１５％、Ｃｒ：１６〜２０％、Ｍｏ：１.５〜４％であり、Ｃｕ：０〜６％、Ａｌ：０〜３％、Ｔｉ：０〜１％、Ｎｂ：０〜１％、Ｖ：０〜１％、Ｃａ：０〜０.１％、ＲＥＭ（希土類元素）：０〜０.１％、Ｂ：０〜１％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物である組成を有する鋼種を挙げることができる。

ここで、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｃａ、ＲＥＭ（希土類元素）、Ｂにおける０質量％は、当該元素の含有量が通常の製鋼における分析手法により測定限界以下である場合である。なお、Ｎは耐食性向上等の目的として、最大で０.２２質量％までの混入が許容される。

当該鋼板の粗面化表面は、塩化第二鉄と塩酸の混合水溶液中でのアノード電解により粗面化する手法で形成させることができるものである。その粗面化表面は、ピット未発生部分の面積率（板厚方向から鋼板表面を見た場合の投影面積による）が例えば５％以下と極めて小さい。

本発明では特に、前記粗面化ステンレス鋼板の製造方法として、塩化第二鉄濃度１２〜１８質量％、塩酸濃度２〜４.５質量％、温度４０〜６０℃の塩化第二鉄と塩酸の混合水溶液中で鋼板表面にアノード電解処理を施すことによって粗面化表面を形成する製造方法が提供される。そのアノード電解処理は、温度５０℃±５℃において、アノード電流密度５〜１０Ａ／ｄｍ²とする条件が好適に採用できる。

さらに本発明では、上記のような粗面化鋼板をプレス成形してなる一対のセパレータ部材を、それぞれの前記粗面化表面どうしの間で押圧された接触箇所が形成されるように一体化した固体高分子型燃料電池のセパレータが提供される。特に、前記一対のセパレータ部材の間に、前記接触箇所によって仕切られた冷却水流路を有するものが好適な対象となる。図１、図２の例では、太線で示した箇所に前記粗面化表面が適用される。

本発明によれば、Ｍｏを含有する高耐食性のオーステナイト系ステンレス鋼板の表面に、特殊な電解液中でのアノード電解によって特異な形態の粗面化表面を形成させることができた。この粗面化表面を有する鋼板は、その粗面化表面どうしを接触させたときに、接触抵抗の顕著な低減効果が得られる。したがって、本発明の粗面化ステンレス鋼板は、冷却水流路を内在させた合理的な構造の固体高分子型燃料電池セパレータを構成する部材として極めて有用である。また本発明の粗面化ステンレス鋼板で構成される板状部材複合型セパレータは、高価な貴金属を使用しないので低コストであり、かつ冷却機能を有しながら高い導電性を維持できることから、車載用および定置用の実用的な固体高分子型燃料電池の普及に寄与するものである。

ステンレス鋼板どうしの接触抵抗を低減するには、双方の鋼板表面を交番電解することにより微細なピットに埋め尽くされた粗面化表面を形成し、その粗面化表面どうしを押圧された状態で接触させることが有効である（引用文献４）。しかし、固体高分子型燃料電池のセパレータ環境で高耐久性を呈するステンレス鋼として望まれるＭｏを含有したオーステナイト系ステンレス鋼種の場合には、交番電解によって鋼板表面を微細なピットで埋め尽くすことは必ずしも容易ではないことがわかった。発明者らはその原因について検討したところ、交番電解粗面化処理はアノード電解とカソード電解を交互に繰り返すのであるが、本来再不動態化しやすいＭｏ含有オーステナイト系ステンレス鋼種の場合、カソード電解において素早く強固な不動態化が生じ、アノード電解で十分な溶解すなわちピットの形成が達成されないうちに次のカソード電解に移行してしまうことが考えられた。つまり、ピットの形成に寄与する実質的なアノード電解時間を十分に確保することが難しいものと推察された。このようなことから、Ｍｏ含有オーステナイト系ステンレス鋼種において接触抵抗を十分に低減させるに足る粗面化表面を安定して形成するための手法は見出されていなかった。

そこで発明者らは詳細な研究を重ねた結果、Ｍｏ含有オーステナイト系ステンレス鋼種において表面全体に微細なピットを容易に形成することのできる新規な電解粗面化処理技術を見出すに至った。その手法は、塩化第二鉄と塩酸の混合水溶液中でアノード電解を行うというものである。このアノード電解のメカニズムは現時点で未解明の部分も多いが、エッチング力の強い塩酸を塩化第二鉄水溶液に添加することにより溶解反応が促進され、Ｍｏを含有する高耐食性オーステナイト系ステンレス鋼表面の強固な不動態皮膜が溶解されやすくなり、アノード電解によって微細なピットが形成されるものと考えられる。

具体的には、塩化第二鉄濃度１２〜１８質量％、塩酸濃度２〜４.５質量％、温度４０〜６０℃の塩化第二鉄と塩酸の混合水溶液中で鋼板表面にアノード電解処理を施すことによって接触抵抗の低減に極めて有効な粗面化表面を形成することができる。

電解液中の塩化第二鉄濃度が１２質量％未満ではステンレス鋼板表面全域にピットを形成させることが難しくなる。一方、塩化第二鉄濃度が１６質量％を超えると溶解反応が過剰になり全面溶解の傾向が強くなるので、接触抵抗を低減させるに足るピットを十分に形成させることが難しくなる。また、塩酸濃度が２質量％以下では溶解反応が弱く、ピット未発生領域が多く残りやすい。逆に塩酸濃度４質量％を超えると溶解反応が過剰になり全面溶解の傾向が強くなってしまうとともに、電解処理時に酸ヒュームが発生し作業環境の悪化を招く。

電解液の温度が４０℃より低いと溶解反応が弱く、ピット未発生領域が残りやすい。一方、液温６０℃を超えると溶解反応が過剰となり全面溶解の傾向が強くなってしまう。

アノード電流密度が低すぎると溶解反応速度が遅くなり、ピットの形成が難しくなる。逆にアノード電解電流密度が高すぎると溶解反応が過剰となり全面溶解となってしまい、この場合もピットの形成が困難となる。種々検討の結果、特に、温度５０℃±５℃において、アノード電流密度５〜１０Ａ／ｄｍ²でのアノード電解処理を施すことが好ましい。電解時間は５〜９０秒の間で調整することができる。ピット未発生領域の面積率が５％以下となるように電解条件をコントロールすることが肝要である。

なお、この電解粗面化に先だって、電解脱脂および予備酸洗を行うことが効果的である。電解脱脂は例えば濃度１〜１０質量％のオルソケイ酸ナトリウム水溶液中でのアノード電解が好適に採用できる。電解脱脂の液温およびアノード電流密度は例えば、６０℃±５℃、２〜１０Ａ／ｄｍ²とすることができ、処理時間は例えば５〜３０秒の範囲で調製すればよい。予備酸洗は常温の塩酸水溶液に浸漬する方法が好適に採用できる。その塩酸濃度は例えば１〜１０質量％とし、浸漬時間は５〜３０秒程度の範囲で調整すればよい。

上記のアノード電解によって鋼板表面のほぼ全域（例えばピット未発生領域の面積率が５％以下）に微細なピットを形成させると、板厚方向に平行な断面において、個々のピットの境界の部分が尖った形状を呈する粗面化形態が実現できる。

図３に、本発明の粗面化鋼板の板厚方向に平行な断面におけるＳＥＭ写真を例示する。これは後述の実施例におけるＮｏ.１４の例である。ピット境界の稜の部分は、この断面において尖った突起形状として観察される。

図４に、本発明の粗面化鋼板の粗面化表面どうしが押圧された状態で接触している接触部についての板厚方向に平行な断面におけるＳＥＭ写真を例示する。双方の粗面化鋼板は後述の実施例におけるＮｏ.１４の条件で得られたものである。図４（ｂ）は図４（ａ）の中央付近をより高倍率で撮影したものである。尖った突起形状として観察されるピット境界の稜の部分が、押圧による大きな荷重を受けて塑性変形し、その塑性変形に伴い表面の不動態皮膜が破れ新鮮面どうしが接触し良好な通電状態となるものと考えられる。

このように本発明の粗面化鋼板を、その粗面化表面どうしが押圧された状態で接触させた際に形成される接触部においては、不動態皮膜を介さずに金属―金属接触となる部分が多数存在し、当該部分が通電サイトとして働く。そのため、強固な不動態皮膜が形成されるＭｏ含有鋼種であっても低い接触抵抗でステンレス鋼どうしを接触させることが可能となる。また、通電サイト以外の表面部にはＣｒリッチの保護膜が形成されているので、過酷な雰囲気に曝されても十分な耐食性を呈する。

発明者らの詳細な検討によると、このような接触抵抗の顕著な低減効果を発揮するためには、三次元平均表面粗さＳＲａが０.１μｍ以上、かつ表面積増加率が１.５以上の粗面化形態を有していることが極めて有効である。これらの条件を満たさない場合にはセパレータ部材として使用したときに十分な接触抵抗が得られにくい。後述の接触抵抗の値を満たす粗面化表面である限り、ＳＲａおよび表面積増加率の上限は特に規定する必要はないが、例えばＳＲａは０.１〜０.５μｍ、表面積増加率は１.５〜１０の範囲とすればよい。

また、本発明の粗面化ステンレス鋼板の粗面化表面は、当該鋼板の粗面化表面と、三次元平均表面粗さＳＲａが０.１μｍ以上、かつ表面積増加率が１.５以上である他の鋼板の粗面化表面とを、接触面圧１ＭＰａで接触させたときに、接触抵抗が１０ｍΩ・ｃｍ²以下を呈するものである。接触面圧１ＭＰａは図１や図２に示したような固体高分子型燃料電池の板状部材複合型セパレータにおいて想定される部材間の接触抵抗を評価するうえで適切と考えられる接触面圧である。このときの接触抵抗が１０ｍΩ・ｃｍ²以下であれば、当該材料により構成される板状部材複合型セパレータを介して多数のセルを直列に配置した車載用あるいは定置用固体高分子型燃料電池において、損失の少ない実用的なものが構築できる。

本発明では、固体高分子型燃料電池のセパレータが曝される酸性環境で高い耐久性を呈するステンレス鋼として、Ｍｏ：１.５〜４質量％を含有するオーステナイト系ステンレス鋼種を対象とする。例えば、ＪＩＳ Ｇ４３０５に規定されるＳＵＳ３１６系またはＳＵＳ３１７系の鋼種が好適な対象となる。ＳＵＳ３１６系としては、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３１６Ｎ、ＳＵＳ３１６ＬＮ、ＳＵＳ３１６Ｔｉ、ＳＵＳ３１６Ｊ１、ＳＵＳ３１６Ｊ１Ｌなどが該当鋼種となる。ＳＵＳ３１７系としては、ＳＵＳ３１７、ＳＵＳ３１７Ｌ、ＳＵＳ３１７ＬＮなどが該当鋼種となる。

より具体的には、質量％で、Ｃ：０.０８％以下、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：２％以下、Ｐ：０.０４５％以下、Ｓ：０.０３％以下、Ｎｉ：１０〜１５％、Ｃｒ：１６〜２０％、Ｍｏ：１.５〜４％であり、Ｃｕ：０〜６％、Ａｌ：０〜３％、Ｔｉ：０〜１％、Ｎｂ：０〜１％、Ｖ：０〜１％、Ｃａ：０〜０.１％、ＲＥＭ（希土類元素）：０〜０.１％、Ｂ：０〜１％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物である組成を有する鋼種が採用できる。

主な成分元素について簡単に説明する。
Ｃは、オーステナイト系ステンレス鋼の加工性を低下させる元素であるため０.０８質量％以下に制限することが好ましく、０.０３質量％以下であることがより好ましい。

Ｓｉは、多量に含有すると鋼を硬質化して加工性を阻害するので、１質量％以下であることが望ましい。

Ｍｎは、多量に含有するとオーステナイト系ステンレス鋼の加工性低下、耐食性低下、接触抵抗の増大を招くので、２質量％以下であることが望ましい。

Ｐは、セパレータが曝される燃料電池の内部環境における耐食性向上に有効な元素であるが、Ｐ含有量増大に伴って加工性が低下するので、０.０４５質量％以下であることが望ましい。

Ｓは、耐食性に有害な元素であり、０.０３質量％以下であることが好ましい。

Ｎｉは、オーステナイト相の形成および酸性雰囲気下の耐食性確保のために必要な元素である。Ｎｉ含有量は１０質量％以上の含有量とすることが望ましく、１２質量％以上を確保することがより好ましい。ただし、Ｎｉ増加に伴い加工性が低下し、コスト的にも不利となる。さらに、燃料電池のセル内に溶出するＮｉイオンの量が多くなりイオン交換膜表面に存在させている触媒の劣化を促進させる。このため、Ｎｉ含有量は１５質量％以下の範囲に制限することが望ましい。

Ｃｒは、ステンレス鋼の耐食性を確保するために重要な元素であり、Ｃｒ含有量が多くなるほど一般に耐食性は向上する。固体高分子型燃料電池のセル内環境を考慮すると１６質量％以上のＣｒ含有量を確保することが望ましい。ただし、多量のＣｒ含有は加工性の低下を招くので、Ｃｒ含有量は２０質量％以下とすることが望ましく、１８質量％以下がより好ましい。

Ｍｏは、Ｃｒとの共存によりステンレス鋼の耐食性を向上させる元素である。本発明ではセル内環境に曝されたときに優れた耐久性を呈するように、Ｍｏ含有量が１.５質量％以上のオーステナイト系ステンレス鋼を対象とする。Ｍｏ含有量は２質量％以上であることがより好ましい。ただし、多量のＭｏ含有はステンレス鋼を硬質化させ加工性劣化を招き、またコスト的にも不利となるので、Ｍｏ含有量の上限は４質量％に制限される。３質量％以下とすることがより好ましい。

その他、必要に応じて、Ｃｕ：６質量％以下好ましくは３質量％以下、Ａｌ：３質量％以下好ましくは０.５質量％以下、Ｔｉ：１質量％以下、Ｎｂ：１質量％以下、Ｖ：１質量％以下、Ｃａ：０.１質量％以下、ＲＥＭ（希土類元素）：０.１質量％以下、Ｂ：１質量％以下好ましくは０.２質量％以下の１種以上を含有させることができる。

以上のような本発明の粗面化ステンレス鋼板は、プレス加工により所定の畝状の凹凸を形成したセパレータ部材とすることができる。そのプレス加工を経ても、板状部材複合型セパレータを構成する一対の部材間における接触抵抗は、プレス加工前のサンプルを用いた場合と遜色ないことが実験により確認されている。一対のセパレータ部材は、通常、周辺部をろう付けまたはかしめ加工することにより一体化され、両部材の接触部が押圧された状態の板状部材複合型セパレータが構築される。

供試材として、表１に示す組成のステンレス鋼板、板厚０.２ｍｍ、ＢＡ仕上げ材を用意した。表１に記載される元素の残部はＦｅおよび不可避的不純物である。

前処理として供試材の鋼板を濃度５質量％、液温６０℃のオルソケイ酸ナトリウム溶液に浸漬し、電流密度５Ａ／ｄｍ²でアノード電解脱脂を１０秒間実施した。その後、濃度５質量％、常温の塩酸酸洗を１０秒間実施した。

前処理を終えた鋼板の表面（片面）に、アノード電解による粗面化処理を施した。条件は、液温４０〜６０℃、塩化第二鉄濃度１０〜２０質量％と塩酸濃度１.５〜５質量％混合水溶液中でアノード電流密度５〜８Ａ／ｄｍ²、処理時間１０〜６０秒の範囲の種々の条件を採用した。また、粗面化処理を施さなかったＢＡ仕上げままの比較材も用意した。

粗面化処理を終えた材料および粗面化処理を施さなかった比較材（以下、これらを試料鋼板という）について、三次元平均表面粗さＳＲａ、表面積増加率、初期および湿潤試験後の接触抵抗を以下のようにして調べた。

〔三次元平均表面粗さＳＲａ〕
各試料鋼板の粗面化表面（粗面化処理を施さなかった比較材はＢＡ仕上げままの表面）について、走査型共焦点レーザー顕微鏡（オリンパス株式会社製；ＯＬＳ１２００）を用いて、５０μｍ×５０μｍの矩形領域の三次元表面プロファイルを測定した。そのプルファイルのデータから算出される三次元平均表面粗さＳＲａを求めた。

〔表面積増加率〕
上記三次元表面プロファイルから算出される５０μｍ×５０μｍの矩形領域における表面積Ｓと、測定領域の投影面積Ｓ₀（５０×５０μｍ²）から、Ｓ／Ｓ₀の値を求め、これを表面積増加率とした。

〔初期の接触抵抗〕
試料鋼板を室内に約７２時間放置した後、その鋼板から直径１５ｍｍの円形試料を打ち抜いた。２枚の円形試料（いずれも同種の鋼板試料から打ち抜いたもの）を１組として、それぞれの粗面化表面どうしが向き合うように、水平盤の上に置かれた一方の円形試料の上に他方の円形試料を重ねて置き、その上から錘を乗せることによって、双方の円形試料の接触面に１ＭＰａの接触面圧が付与される状態とした。双方の円形試料の縁には予めリード線が取り付けられており、そのリード線を介して接触面に電流密度Ｉ＝１Ａ／ｃｍ²の直流電流を負荷したときの双方の円形試料間における電圧降下Ｅ（ｍＶ）を４端子法により測定し、接触抵抗Ｒ（ｍΩ・ｃｍ²）＝Ｅ／Ｉを求めた。

〔湿潤試験後の接触抵抗〕
試料鋼板を燃料電セル内環境を想定した湿潤環境（温度：８５℃、相対湿度：８５％）に７２時間曝す湿潤試験に供した。この湿潤試験後の鋼板から直径１５ｍｍの円形試料を打ち抜き、上記と同様の方法で接触抵抗を求めた。

表２に、粗面化処理条件のうちの電解液組成、液温、アノード電流密度を示す。
表３に、粗面化処理条件のうちの処理時間と、試験結果を示す。

表３からわかるように、本発明例のものは、粗面化表面どうしの接触抵抗が低く、かつ湿潤試験後においても十分に低い接触抵抗を呈した。これらは板状部材複合型セパレータに適したものである。

これに対し、三次元平均表面粗さＳＲａが０.１μｍ未満であるか、または表面積増加率が１.５未満である比較例のものは、接触抵抗が初期の状態で既に１０ｍΩ・ｃｍ²を超えており、板状部材複合型セパレータに望まれる低い接触抵抗が得られなかった。

金属製セパレータを用いた車載用の固体高分子型燃料電池の断面構造を模式的に例示した図。 金属製セパレータを用いた定置用の固体高分子型燃料電池の断面構造を模式的に例示した図。 本発明の粗面化鋼板の板厚方向に平行な断面におけるＳＥＭ写真。 本発明の粗面化鋼板の粗面化表面どうしが押圧された状態で接触している接触部についての板厚方向に平行な断面におけるＳＥＭ写真。

Claims (8)

1. Ｍｏ：１.５〜４質量％を含有するオーステナイト系ステンレス鋼種からなる鋼板の少なくとも片面に、三次元平均表面粗さＳＲａが０.１μｍ以上、表面積増加率が１.５以上の電解粗面化表面を持つ粗面化鋼板であって、当該鋼板の粗面化表面と、上記同条件の粗面化表面を持つ他の鋼板の粗面化表面とを、接触面圧１ＭＰａで接触させたときに、接触抵抗が１０ｍΩ・ｃｍ²以下を呈する固体高分子型燃料電池のセパレータ用粗面化ステンレス鋼板。
2. 前記オーステナイト系ステンレス鋼種は、ＪＩＳ Ｇ４３０５に規定されるＳＵＳ３１６系またはＳＵＳ３１７系の鋼種である請求項１に記載のセパレータ用粗面化ステンレス鋼板。
3. 前記オーステナイト系ステンレス鋼種は、質量％で、Ｃ：０.０８％以下、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：２％以下、Ｐ：０.０４５％以下、Ｓ：０.０３％以下、Ｎｉ：１０〜１５％、Ｃｒ：１６〜２０％、Ｍｏ：１.５〜４％であり、Ｃｕ：０〜６％、Ａｌ：０〜３％、Ｔｉ：０〜１％、Ｎｂ：０〜１％、Ｖ：０〜１％、Ｃａ：０〜０.１％、ＲＥＭ（希土類元素）：０〜０.１％、Ｂ：０〜１％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物である組成を有する鋼種である請求項１に記載のセパレータ用粗面化ステンレス鋼板。
4. 前記粗面化表面は、塩化第二鉄と塩酸の混合水溶液中でのアノード電解により粗面化されたものである請求項１〜３のいずれかに記載のセパレータ用粗面化ステンレス鋼板。
5. 塩化第二鉄濃度１２〜１８質量％、塩酸濃度２〜４.５質量％、温度４０〜６０℃の塩化第二鉄と塩酸の混合水溶液中で鋼板表面にアノード電解処理を施すことによって粗面化表面を形成する請求項１〜３のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池のセパレータ用粗面化ステンレス鋼板の製造方法。
6. 温度５０℃±５℃において、アノード電流密度５〜１０Ａ／ｄｍ²でのアノード電解処理を施す請求項５に記載のセパレータ用粗面化ステンレス鋼板の製造方法。
7. 請求項１〜４のいずれかに記載の粗面化鋼板をプレス成形してなる一対のセパレータ部材を、それぞれの前記粗面化表面どうしの間で接触箇所が形成されるように一体化した固体高分子型燃料電池のセパレータ。
8. 前記一対のセパレータ部材の間に、前記接触箇所によって仕切られた冷却水流路を有する請求項７に記載のセパレータ。