JP2019149353A - ステンレス鋼基材、燃料電池用セパレータ及び燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】本開示は、耐食性に優れた燃料電池用セパレータに用いられるステンレス鋼基材を提供することを目的とする。【解決手段】本実施形態は、燃料電池用セパレータに用いられるステンレス鋼基材であって、Ｎｂを実質的に含まず、かつ、Ｔｉを含む、ステンレス鋼基材に関する。【選択図】なし
Description
本開示は、燃料電池用セパレータに用いるためのステンレス鋼基材に関する。また、本開示は、燃料電池用セパレータに関する。また、本開示は、燃料電池に関する。
固体高分子型燃料電池の燃料電池セルは、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側触媒層（電極層）及びカソード側触媒層（電極層）とからなる膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を備えている。膜電極接合体の両側には、燃料ガス若しくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するためのガス拡散層（ＧＤＬ：Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ）が形成されている。ＧＤＬが両側に配置された膜電極接合体は、ＭＥＧＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ＆ Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と称され、ＭＥＧＡは、一対のセパレータにより挟持されている。ここで、ＭＥＧＡが燃料電池の発電部であり、ガス拡散層がない場合には、膜電極接合体が燃料電池の発電部となる。
固体高分子型燃料電池に使用されるステンレス鋼として、特許文献１は、質量％で、Ｃ：０．０３％以下、Ｎ：０．０３％以下、Ｓｉ：０．０１〜２．０％、Ｍｎ：０．０１〜２．０％、Ａｌ：０．００１〜０．３％、Ｃｒ：２０〜３５％、Ｍｏ：４．０％以下およびＮｂ：０．２〜２．０％を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなり、さらにＣｒ量、Ｎｂ量およびＭｏ量が所定式の関係を満足することを特徴とする、高電位でのイオン溶出量が少ない固体高分子形燃料電池用セパレータ用ステンレス鋼を開示している。また、特許文献１は、Ｎｂは、鋼中のＣ、Ｎを炭窒化物として固定し、耐食性、プレス成形性を改善するのに有効な元素であることを記載している。
また、特許文献２は、所定の化学組成を有し、かつ所定式で算出される値が２０〜４５％であるとともに、フェライト相のみからなる母相中にＭ２Ｂ型硼化物系金属析出物が分散し、かつ、表面に露出している、フェライトステンレス鋼材を開示している。また、特許文献２は、Ｎｂは、特許文献２の発明においては任意添加元素であるが、鋼中のＣおよびＮの安定化元素であることを記載している。
上述のように、燃料電池用セパレータとして用いられるステンレス鋼基材には、鋭敏化防止剤としてＮｂを添加することが知られている。ここで、鋭敏化とは、金属内の結晶粒界に沿ってＣｒ濃度が低下し、Ｃｒ欠乏部（Ｃｒ濃度が低い部分）が生成する現象である。鋭敏化は、結晶粒界付近に存在する不純物である炭素がＣｒとともに金属炭化物（Ｃｒ２３Ｃ６等）を形成し、結晶粒界付近のＣｒを集めてしまうことにより生じる。
しかしながら、鋭敏化防止剤としてＮｂを含むことにより耐食性が改良されたステンレス鋼基材を燃料電池用セパレータとして用いても、腐食環境下において腐食が発生する場合がある。特に、固体高分子型燃料電池のセパレータは、固体高分子膜からのＦ−イオンの溶出や、外気からのＣｌ−イオンの流入、生成水中のＨ＋イオンの濃縮による低ｐＨ等の、ステンレス鋼にとって厳しい腐食環境に置かれるため、上記問題が顕著に現れる。そのため、燃料電池用セパレータに用いられるステンレス鋼基材には、さらに優れた耐食性を有することが求められる。
そこで、本開示は、耐食性に優れた燃料電池用セパレータに用いられるステンレス鋼基材を提供することを目的とする。
本発明者らは、鋭意検討したところ、Ｎｂを含むステンレス鋼基材中にはＮｂを含有する金属間化合物、すなわちＮｂ含有金属間化合物が析出しており、このＮｂ含有金属間化合物の析出物が腐食環境下で金属イオンとして溶出し、この溶出した部分が起点となってステンレス鋼基材に孔食が発生することを新たに知見した。より具体的に説明すると、例えば、市販されるＮｂを含むステンレス鋼基材（例えばＳＵＳ４４７Ｊ１Ｌ）中には、図１のＴＥＭ写真に示されるように、Ｎｂ含有金属間化合物の析出物が存在している。Ｎｂ含有金属間化合物の析出物は、特に結晶粒界付近に存在する。図２に示すように、このＮｂ含有金属間化合物の析出物は、酸やフッ素イオン、塩素イオン等が存在する燃料電池の腐食環境下に置かれると、金属イオンとして溶出する。そして、この溶出した部分が起点となってさらに腐食が進行し、ステンレス鋼基材に孔食が発生する。具体的には、図２（Ａ）では、ステンレス鋼基材中にＮｂ含有金属間化合物の析出物が存在している様子を示している。次に、図２（Ｂ）に示すように、このＮｂ含有金属間化合物の析出物は、酸やフッ素イオン、塩素イオン等を含む生成水中に溶解する。特に、燃料電池の作動下においては電位が負荷されるため、析出物の溶出が進行し易い。次に、図２（Ｃ）に示すように、析出物の溶出により形成された孔が起点となって、孔食が進行する。
そこで、本発明者らは、Ｎｂを実質的に含有させず、Ｎｂの代わりに鋭敏化防止剤としてチタンをステンレス鋼基材中に含有させることにより、耐食性に優れたステンレス鋼基材を得ることができ、本実施形態に至った。
以下に、本実施形態の態様例を記載する。
（１） 燃料電池用セパレータに用いられるステンレス鋼基材であって、
Ｎｂを実質的に含まず、かつ、Ｔｉを含む、ステンレス鋼基材。
（２） 前記Ｔｉの含有量が０．１〜０．５質量％である、（１）に記載のステンレス鋼基材。
（３） さらに、Ｔａを含む、（１）又は（２）に記載のステンレス鋼基材。
（４） 前記Ｔａの含有量が０．０５〜０．５質量％である、（３）に記載のステンレス鋼基材。
（５） ステンレス鋼基材を含む燃料電池用セパレータであって、
前記ステンレス鋼基材は、Ｎｂを実質的に含まず、かつ、Ｔｉを含む、燃料電池用セパレータ。
（６） 前記Ｔｉの含有量が０．１〜０．５質量％である、（５）に記載の燃料電池用セパレータ。
（７） さらに、Ｔａを含む、（５）又は（６）に記載の燃料電池用セパレータ。
（８） 前記Ｔａの含有量が０．０５〜０．５質量％である、（７）に記載の燃料電池用セパレータ。
（９） （５）〜（８）のいずれか１つに記載の燃料電池用セパレータと、固体電解質膜とを含む、燃料電池。
（１０） 前記固体電解質膜がフッ素系電解質樹脂を含む、（９）に記載の燃料電池。
Ｎｂを実質的に含まず、かつ、Ｔｉを含む、ステンレス鋼基材。
（２） 前記Ｔｉの含有量が０．１〜０．５質量％である、（１）に記載のステンレス鋼基材。
（３） さらに、Ｔａを含む、（１）又は（２）に記載のステンレス鋼基材。
（４） 前記Ｔａの含有量が０．０５〜０．５質量％である、（３）に記載のステンレス鋼基材。
（５） ステンレス鋼基材を含む燃料電池用セパレータであって、
前記ステンレス鋼基材は、Ｎｂを実質的に含まず、かつ、Ｔｉを含む、燃料電池用セパレータ。
（６） 前記Ｔｉの含有量が０．１〜０．５質量％である、（５）に記載の燃料電池用セパレータ。
（７） さらに、Ｔａを含む、（５）又は（６）に記載の燃料電池用セパレータ。
（８） 前記Ｔａの含有量が０．０５〜０．５質量％である、（７）に記載の燃料電池用セパレータ。
（９） （５）〜（８）のいずれか１つに記載の燃料電池用セパレータと、固体電解質膜とを含む、燃料電池。
（１０） 前記固体電解質膜がフッ素系電解質樹脂を含む、（９）に記載の燃料電池。
本開示により、耐食性に優れた燃料電池用セパレータに用いられるステンレス鋼基材を提供することができる。
以下、本実施形態の態様について説明する。
（ステンレス鋼基材）
本実施形態の一態様は、燃料電池用セパレータに用いられるステンレス鋼基材であって、Ｎｂを実質的に含まず、かつ、Ｔｉを含む、ステンレス鋼基材に関する。
本実施形態の一態様は、燃料電池用セパレータに用いられるステンレス鋼基材であって、Ｎｂを実質的に含まず、かつ、Ｔｉを含む、ステンレス鋼基材に関する。
本実施形態に係るステンレス鋼基材は、Ｎｂを実質的に含まないため、孔食が発生する起点となるようなＮｂ含有金属間化合物の析出物が実質的に存在しない。また、本実施形態では、鋭敏化防止剤としてＴｉが含有されている。Ｔｉは、ステンレス鋼基材中にＴｉ含有金属間化合物（例えば、Ｔｉ炭化物、Ｔｉ窒化物又はＴｉ炭窒化物）として析出するが、このＴｉ含有金属間化合物は腐食環境下において溶出し難いため、孔食の起点となるような箇所を形成し難い。それゆえ、本実施形態に係るステンレス鋼基材は、燃料電池における腐食環境下、特に固体高分子型燃料電池等の高腐食環境下においても、腐食の発生を抑制することができる。
なお、本明細書において、「Ｎｂを実質的に含まない」とは、本実施形態に係るステンレス鋼基材は、Ｎｂを検出可能なレベルで含まないか、あるいはＮｂを検出可能なレベルで含んだとしても、本実施形態の効果を得ることの妨げにならない程度であれば許容されることを意味する。換言すると、本実施形態に係るステンレス鋼基材は、本実施形態の効果を得ることの妨げにならない程度であれば、Ｎｂを含んでもよいことを意味する。具体的には、ステンレス鋼基材中のＮｂの含有量は、０．０１質量％以下であることが好ましく、０．００５質量％以下であることがより好ましい。Ｎｂの含有量が０．０１質量％以下である場合、孔食の起因となるような量又はサイズのＮｂ含有金属間化合物は形成されない。なお、０．０１質量％は、一般的な化学分析の検出限界以下であると考えられる。
本明細書において、ステンレス鋼とは、日本工業規格（ＪＩＳ）に規定されるように、Ｃを１．２質量％以下、Ｃｒを１０．５％以上含む鋼を意味する。
本実施形態に係るステンレス鋼基材は、Ｔｉを含む。上述のように、Ｔｉは鋭敏化防止剤としての機能を有し、結晶粒界付近における金属炭化物（Ｃｒ２３Ｃ６等）の形成を抑制することができる。また、ＴｉはＴｉ含有金属間化合物（例えば、ＴｉＣ、ＴｉＮ）として析出するが、上述のように、このＴｉ含有金属間化合物は、腐食環境下において溶出し難いため、孔食の起点となるような箇所を形成し難い。その結果、ステンレス鋼基材の耐食性を向上することができる。Ｔｉの含有量は、好ましくは、０．１質量％以上０．５質量％以下である。Ｔｉの含有量が０．１質量％以上である場合、鋭敏化防止剤としてのＴｉの機能を効果的に発揮することができる。Ｔｉの含有量が０．５質量％以下である場合、Ｔｉ含有金属間化合物の過剰な発生を効果的に抑制することができる。ステンレス鋼基材中に含まれるＴｉの含有量は、より好ましくは０．２質量％以上である。ステンレス鋼基材中に含まれるＴｉの含有量は、より好ましくは０．４質量％以下であり、さらに好ましくは０．３質量％以下である。
本実施形態に係るステンレス鋼基材は、Ｔｉに加え、さらにＴａを含むことが好ましい。Ｔａは、Ｔｉと共に、鋭敏化防止剤として含有され得る。Ｔａは、Ｔｉと共にＴｉ及びＴａ含有金属間化合物（例えば、炭化物、窒化物又は炭窒化物）として析出し、このＴｉ及びＴａ含有金属間化合物は、腐食環境下において非常に溶出し難いため、孔食の起点となるような箇所を形成し難い。その結果、ステンレス鋼基材の耐食性をより効果的に向上することができる。Ｔａの含有量は、好ましくは、０．０５質量％以上０．５質量％以下である。Ｔａの含有量が０．０５質量％以上である場合、効果的に鋭敏化を防止することができる。Ｔａの含有量が０．５質量％以下である場合、Ｔｉ及びＴａ含有金属間化合物の過剰な形成を効果的に抑制することができる。ステンレス鋼基材中に含まれるＴａの含有量は、より好ましくは０．１０質量％以上である。ステンレス鋼基材中に含まれるＴａの含有量は、より好ましくは０．４質量％以下であり、さらに好ましくは０．３質量％以下であり、特に好ましくは０．２質量％以下である。
Ｔｉ及びＴａの比は、特に制限されるものではないが、例えば、１：５〜５：１であり、１：４〜４：１であり、１：３〜３：１である。
本実施形態において、ステンレス鋼基材は、Ｆｅを主成分として含み、Ｃｒを１８〜３２質量％、Ｍｏを０〜３．０質量％、Ｔｉを０．１〜０．５質量％、Ｔａを０．０５〜０．５質量％で含むことが好ましい。Ｍｏの含有量は、好ましくは０．１質量％以上であり、０．５質量％以上であり、１．０質量％以上であり、１．５質量％以上である。Ｍｏの含有量は、好ましくは２．７質量％以下であり、２．５質量％以下であり、２．３質量％以下である。Ｃｒの含有量は、好ましくは３０質量％以下である。
本実施形態において、ステンレス鋼基材は、Ｆｅを主成分として含み、Ｃｒを１８〜３０質量％、Ｍｏを０〜２．０質量％、Ｔｉを０．１〜０．５質量％、Ｔａを０．０５〜０．５質量％、Ｃを０〜０．０２質量％、Ｎを０〜０．０２質量％、Ｃｕを０〜０．１質量％、Ａｌを０〜０．０５質量％、Ｓｉを０〜０．４質量％、Ｓを０〜０．００１％、Ｐを０〜０．０３質量％、Ｍｎを０〜０．１質量％で含むことが好ましい。
ステンレス鋼基材は、特に制限されるものではなく、例えば、オーステナイト系、フェライト系、又はオーステナイト・フェライト二相系等である。
ステンレス鋼基材の形状は、特に制限されるものではなく、例えば、板状である。
ステンレス鋼基材は、ステンレス鋼基材の表面に必然的に形成される酸化膜以外に、金属酸化物皮膜等の保護膜をその表面に含んでもよい。金属酸化物皮膜は、例えば、スパッタリング、真空蒸着、イオン化蒸着、又はイオンプレーティング等を利用した物理的蒸着法（ＰＶＤ）により成膜することができる。金属酸化物皮膜としては、例えば、高電導性を有する酸化スズ等が挙げられる。
（ステンレス鋼基材の製造方法）
本実施形態に係るステンレス鋼基材は、例えば、原料の溶解工程と、精錬工程と、鋳造工程と、熱間圧延工程と、冷間圧延工程と、酸洗工程と、箔圧延工程と、熱処理工程と、により製造することができる。より具合的には、ステンレス鋼基材は、少なくともＴｉを含むステンレス鋼の原料を溶解させる溶解工程と、溶解した原料を精錬する精錬工程と、精錬した原料からステンレス鋼基材を鋳造する鋳造工程と、鋳造したステンレス鋼基材を熱間圧延する熱間圧延工程と、熱間圧延したステンレス鋼基材を冷間圧延する冷間圧延工程と、冷間圧延したステンレス鋼基材を酸洗処理する酸洗工程と、酸洗処理したステンレス鋼基材を箔圧延する箔圧延工程と、箔圧延したステンレス鋼基材を熱処理する熱処理工程と、により得ることができる。
本実施形態に係るステンレス鋼基材は、例えば、原料の溶解工程と、精錬工程と、鋳造工程と、熱間圧延工程と、冷間圧延工程と、酸洗工程と、箔圧延工程と、熱処理工程と、により製造することができる。より具合的には、ステンレス鋼基材は、少なくともＴｉを含むステンレス鋼の原料を溶解させる溶解工程と、溶解した原料を精錬する精錬工程と、精錬した原料からステンレス鋼基材を鋳造する鋳造工程と、鋳造したステンレス鋼基材を熱間圧延する熱間圧延工程と、熱間圧延したステンレス鋼基材を冷間圧延する冷間圧延工程と、冷間圧延したステンレス鋼基材を酸洗処理する酸洗工程と、酸洗処理したステンレス鋼基材を箔圧延する箔圧延工程と、箔圧延したステンレス鋼基材を熱処理する熱処理工程と、により得ることができる。
ステンレス鋼の原料としては、例えば、ステンレス鋼粉末を用いることができる。ステンレス鋼粉末は、例えば、Ｆｅを主成分として含み、Ｃｒを１８〜３２質量％を含むことが好ましい。
一般的に、溶解工程により得られた溶湯に対して、一次精錬工程として転炉やＡＯＤ炉、電気炉などで粗脱炭処理が行われる。そして、この一次精錬工程後に、二次精錬工程として、減圧雰囲気下で酸素ガスを供給し、溶湯中の炭素濃度を更に低下させる。本実施形態において、Ｔｉ及び／又はＴａは、この二次精錬工程において溶湯中に微量添加されることが好ましい。これにより、ＴｉやＴａが、酸化物とならずに、炭化物または窒化物を形成し易くすることができる。二次精錬設備として、例えば、ＲＨ真空脱ガス設備やＶＯＤ（Vacuum Oxygen Decarburization）設備を使用することができる。
Ｔｉ含有金属間化合物の析出物としては、例えば、ＴｉＣ、ＴｉＮ等が挙げられる。また、Ｔｉ及びＴａ含有金属間化合物の析出物としては、例えば、炭化物又は窒化物等が挙げられる。Ｔｉ含有金属間化合物の析出物又はＴｉ及びＴａ含有金属間化合物の析出物の存在は、例えば、ＳＥＭ、ＥＰＭＡ、ＴＥＭ等により確認することができる。
また、Ｔｉ含有金属間化合物或いはＴｉ及びＴａ含有金属間化合物の析出物の組成は、例えば、ＥＤＳ、ＸＲＤにより決定することができる。
（燃料電池の構造）
以下、本実施形態に係る燃料電池について図面を参照して説明する。以下では、一例として、燃料電池車等に搭載される燃料電池に本実施形態に係る燃料電池用セパレータを適用した場合を説明する。しかし、本開示がこのような例により制限されることはない。
以下、本実施形態に係る燃料電池について図面を参照して説明する。以下では、一例として、燃料電池車等に搭載される燃料電池に本実施形態に係る燃料電池用セパレータを適用した場合を説明する。しかし、本開示がこのような例により制限されることはない。
図３は、燃料電池スタック（燃料電池）１０の要部を断面視した図である。図３に示すように、燃料電池スタック１０には、基本単位であるセル（単電池）１が複数積層されている。各セル１は、酸化剤ガス（例えば空気）と燃料ガス（例えば水素）との電気化学反応により起電力を発生する固体高分子型燃料電池である。セル１は、ＭＥＧＡ２と、ＭＥＧＡ２を区画するように、ＭＥＧＡ２に接触するセパレータ３とを備えている。なお、本実施形態では、ＭＥＧＡ２は、一対のセパレータ３、３により、挟持されている。
ＭＥＧＡ２は、膜電極接合体（ＭＥＡ）４と、この両面に配置されたガス拡散層７、７とが一体化されたものである。膜電極接合体４は、電解質膜５と、電解質膜５を挟むように接合された一対の電極６、６と、からなる。電解質膜５は、固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜からなる。電極６は、例えば、白金等の触媒を担持した多孔質のカーボン素材により形成される。電解質膜５の一方側に配置された電極６がアノードとなり、他方側の電極６がカソードとなる。ガス拡散層７は、ガス透過性を有する導電性部材によって形成される。ガス透過性を有する導電性部材としては、例えば、カーボンペーパ若しくはカーボンクロス等のカーボン多孔質体、又は金属メッシュ若しくは発泡金属等の金属多孔質体等が挙げられる。
ＭＥＧＡ２は、燃料電池１０の発電部であり、セパレータ３は、ＭＥＧＡ２のガス拡散層７に接触している。また、ガス拡散層７が存在しない場合には、膜電極接合体４が発電部であり、この場合には、セパレータ３は、膜電極接合体４に接触している。したがって、燃料電池１０の発電部は、膜電極接合体４を含むものであり、セパレータ３に接触する。
セパレータ３は、導電性やガス不透過性等に優れた金属を基材とする板状の部材である。セパレータ３の一方の面がＭＥＧＡ２のガス拡散層７と当接し、他方の面が隣接する他のセパレータ３と当接している。
各セパレータ３は、波形に形成されている。セパレータ３の形状は、波の形状が等脚台形をなし、かつ波の頂部が平坦で、この頂部の両端が等しい角度をなして角張っている。つまり、各セパレータ３は、表側から見ても裏側から見ても、ほぼ同じ形状である。ＭＥＧＡ２の一方のガス拡散層７には、セパレータ３の頂部が面接触し、ＭＥＧＡ２の他方のガス拡散層７には、セパレータ３の頂部が面接触している。
一方の電極（すなわちアノード）６側のガス拡散層７とセパレータ３との間に画成されるガス流路２１は、燃料ガスが流通する流路であり、他方の電極（すなわちカソード）６側のガス拡散層７とセパレータ３との間に画成されるガス流路２２は、酸化剤ガスが流通する流路である。セル１を介して対向する一方のガス流路２１に燃料ガスが供給され、ガス流路２２に酸化剤ガスが供給されると、セル１内で電気化学反応が生じて起電力が生じる。
さらに、あるセル１と、それに隣接するもう一つのセル１とは、アノードとなる電極６とカソードとなる電極６とを向き合わせて配置されている。また、あるセル１のアノードとなる電極６に沿って配置されたセパレータ３の背面側の頂部と、もう一つのセル１のカソードとなる電極６に沿って配置されたセパレータ３の背面側の頂部とが、面接触している。隣接する２つのセル１間で面接触するセパレータ３，３の間に画成される空間２３には、セル１を冷却する冷媒としての水が流通する。
本実施形態に係る燃料電池用セパレータは、上述の本実施形態に係るステンレス鋼基材を含む。ステンレス鋼基材の両面（すなわち、ガス拡散層７に接触する側の表面及び隣接するセパレータ３に接触する側の表面）には、酸化スズ皮膜等の保護膜を設けてもよい。
本実施形態の燃料電池用セパレータは、高腐食環境下においても耐食性に優れている。
また、燃料電池において、上述のように、フッ化物イオンは、パーフルオロスルホン酸系ポリマーのようなフッ素系電解質樹脂から発生し易い。そのため、燃料電池がフッ素系電解質樹脂を含む固体電解質膜を用いる場合、本実施形態の燃料電池用セパレータが特に有用となる。フッ素系電解質樹脂としては、例えば、パーフルオロスルホン酸系ポリマー等が挙げられ、具体的には、ナフィオン（商品名、デュポン社製）、フレミオン（商品名、旭硝子社製）、アシプレックス（商品名、旭化成社製）等を挙げることができる。これらのなかでも、プロトン導電性に優れるため、ナフィオン（商品名、デュポン社製）を好適に用いることができる。
また、本実施形態は、燃料電池用セパレータに用いられるステンレス鋼基材における鋭敏化を防止するために、前記ステンレス鋼基材中にＴｉを含有させる方法としても把握可能である。また、本実施形態に係る方法は、Ｔｉに加えて、Ｔａも鋭敏化防止剤として含有させることが好ましい。
以下に、本実施形態について実施例に基づき説明する。
本実施例及び比較例では、下記表１に記載の組成を有するＳＵＳ試作材Ｅ１〜Ｅ４及びＣ１〜Ｃ２を作製した。具体的には、ＳＵＳ試作材は、ボタン溶解（小型溶解）により作製した。アルゴン雰囲気において、非消耗式タングステン電極を用いたアーク熱により所定量の金属を溶解させ、水冷式の銅モールド内で凝固させ、ＳＵＳ試作材を作製した。
＜耐孔食性試験＞
上記ＳＵＳ試作材Ｅ１〜Ｅ４及びＣ１〜Ｃ２を試験片として用い、フッ素イオン及び塩素イオンを含む強酸性条件下における各試験片の耐食性を以下の方法により調べた。
上記ＳＵＳ試作材Ｅ１〜Ｅ４及びＣ１〜Ｃ２を試験片として用い、フッ素イオン及び塩素イオンを含む強酸性条件下における各試験片の耐食性を以下の方法により調べた。
まず、硫酸（ｐＨ３．０）にＮａＦ及びＮａＣｌを添加して硫酸水溶液を調製した。次に、大気解放系の装置において、９０℃に温度調整された上記硫酸水溶液に、各試験片を図４に示すようなすき間形成用部材６０に固定して浸漬させた。図４において、試験片６１は、円筒形のすき間形成材６２、ガスケット６３、およびワッシャ６４、６４’で挟持し、さらにボルト６５を試験片６１のボルト穴に挿通した後、ナット６６を用いてねじ止めした。すき間形成材６２の表面には、試験片との間にすき間が形成されるように、複数の溝Ａが形成されている。すき間形成材６２、ガスケット６３は、セラミック製である。また、ワッシャ６４、６４’、ボルト６５およびナット６６は工業用純チタン製であるが、これらは試験片とは絶縁されている。この状態で、白金板からなる対極と試験片（試料極）とを電気的に接続することにより、対極と試料極との間に１．０Ｖの電位差を生じさせた。参照電極によって試験片の電位を一定に保持し、試験時間は２時間とした。この耐孔食性試験（ＮａＣｌ濃度１０ｐｐｍ）において電流値の急激な上昇（電流のスパイク）が観測された場合、耐食性をＦと評価した。
上述の耐孔食性試験（ＮａＣｌ濃度１０ｐｐｍ）において電流のスパイクが観測されなかった場合、ＮａＣｌの濃度を３０ｐｐｍとしたこと以外は耐孔食性試験（ＮａＣｌ濃度１０ｐｐｍ）と同様にして、耐孔食性試験（ＮａＣｌ濃度３０ｐｐｍ）を行った。この耐孔食性試験（ＮａＣｌ濃度３０ｐｐｍ）において電流のスパイクが観測された場合、耐食性をＥと評価した。
上述の耐孔食性試験（ＮａＣｌ濃度３０ｐｐｍ）において電流のスパイクが観測されなかった場合、ＮａＣｌの濃度を５０ｐｐｍとしたこと以外は耐孔食性試験（ＮａＣｌ濃度３０ｐｐｍ）と同様にして、耐孔食性試験（ＮａＣｌ濃度５０ｐｐｍ）を行った。この耐孔食性試験（ＮａＣｌ濃度５０ｐｐｍ）において電流のスパイクが観測された場合、耐食性をＤと評価した。
上述の耐孔食性試験（ＮａＣｌ濃度５０ｐｐｍ）において電流のスパイクが観測されなかった場合、ＮａＣｌの濃度を７０ｐｐｍとしたこと以外は耐孔食性試験（ＮａＣｌ濃度５０ｐｐｍ）と同様にして、耐孔食性試験（ＮａＣｌ濃度７０ｐｐｍ）を行った。この耐孔食性試験（ＮａＣｌ濃度７０ｐｐｍ）において電流のスパイクが観測された場合、耐食性をＣと評価した。
上述の耐孔食性試験（ＮａＣｌ濃度７０ｐｐｍ）において電流のスパイクが観測されなかった場合、ＮａＣｌの濃度を９０ｐｐｍとしたこと以外は耐孔食性試験（ＮａＣｌ濃度７０ｐｐｍ）と同様にして、耐孔食性試験（ＮａＣｌ濃度９０ｐｐｍ）を行った。この耐孔食性試験（ＮａＣｌ濃度９０ｐｐｍ）において電流のスパイクが観測された場合、耐食性をＢと評価した。
上述の耐孔食性試験（ＮａＣｌ濃度９０ｐｐｍ）において電流のスパイクが観測されなかった場合、ＮａＣｌの濃度を１１０ｐｐｍとしたこと以外は耐孔食性試験（ＮａＣｌ濃度９０ｐｐｍ）と同様にして、耐孔食性試験（ＮａＣｌ濃度１１０ｐｐｍ）を行った。この耐孔食性試験（ＮａＣｌ濃度１１０ｐｐｍ）において電流のスパイクが観測された場合、耐食性をＡと評価した。
上述の結果を表１にまとめる。
実施例１、実施例２、比較例１は、30Cr-2MoベースのＳＵＳ試作材におけるＴｉ添加又はＴｉ及びＴａ添加の効果を検討した結果である。これらの結果より、Ｎｂの代わりにＴｉを添加することにより、優れた耐食性を得ることができることがわかる。また、Ｔｉに加えてＴａも添加することにより、さらに優れた耐食性を得ることができることがわかる。また、同様に、実施例３、実施例４、比較例２は、30CrベースのＳＵＳ試作材におけるＴｉ添加又はＴｉ及びＴａ添加の効果を検討した結果である。これらの結果より、Ｎｂの代わりにＴｉを添加することにより、優れた耐食性を得ることができることがわかる。また、Ｔｉに加えてＴａも添加することにより、さらに優れた耐食性を得ることができることがわかる。
＜ＴＥＭ分析及びＥＰＭＡ分析＞
図５に、得られたＳＵＳ試作材Ｃ１について、Ｎｂ含有金属間化合物の析出物を観察したＴＥＭ画像を示す。図６に、得られたＳＵＳ試作材Ｅ１についてＴｉ含有金属間化合物の析出物を観察したＳＥＭ画像を示し、図７に、得られたＳＵＳ試作材Ｅ４についてＴｉ及びＴａ含有金属間化合物の析出物を観察したＳＥＭ画像を示す。図６及び７に示されるように、ＳＵＳ試作材Ｅ１及びＥ４において、溶出し難いＴｉ含有金属間化合物又はＴｉ及びＴａ含有金属間化合物が析出していることがわかる。
図５に、得られたＳＵＳ試作材Ｃ１について、Ｎｂ含有金属間化合物の析出物を観察したＴＥＭ画像を示す。図６に、得られたＳＵＳ試作材Ｅ１についてＴｉ含有金属間化合物の析出物を観察したＳＥＭ画像を示し、図７に、得られたＳＵＳ試作材Ｅ４についてＴｉ及びＴａ含有金属間化合物の析出物を観察したＳＥＭ画像を示す。図６及び７に示されるように、ＳＵＳ試作材Ｅ１及びＥ４において、溶出し難いＴｉ含有金属間化合物又はＴｉ及びＴａ含有金属間化合物が析出していることがわかる。
図８（Ａ），（Ｂ）に、得られたＳＵＳ試作材Ｅ４についてＴｉ及びＴａ含有金属間化合物の析出物を観察したＥＰＭＡ画像を示す。図８より、析出物がＴｉ及びＴａを含む金属間化合物であることがわかる。
＜ＳＥＭ分析＞
実施例において得られたステンレス鋼基材の断面を切り出し、樹脂埋めした後、その表面を鏡面にまで湿式研磨を施し、ＳＥＭにて断面観察を行った（倍率：１０００倍）。Ｔｉ含有金属間化合物またはＴｉ及びＴａ含有金属間化合物の同定にはＥＤＳを用い、Ｔｉ含有金属間化合物またはＴｉ及びＴａ含有金属間化合物と判断された析出物の面積率を測定した。その結果、ＴｉまたはＴａ炭窒化物の析出物の面積率が、１００μｍ角あたり０．０４％以下（好ましくは０．０３％以下）である場合、耐食性の観点から好ましいことを確認できた。なお、面積率は、図６〜８のＳＥＭ画像より算出した。
実施例において得られたステンレス鋼基材の断面を切り出し、樹脂埋めした後、その表面を鏡面にまで湿式研磨を施し、ＳＥＭにて断面観察を行った（倍率：１０００倍）。Ｔｉ含有金属間化合物またはＴｉ及びＴａ含有金属間化合物の同定にはＥＤＳを用い、Ｔｉ含有金属間化合物またはＴｉ及びＴａ含有金属間化合物と判断された析出物の面積率を測定した。その結果、ＴｉまたはＴａ炭窒化物の析出物の面積率が、１００μｍ角あたり０．０４％以下（好ましくは０．０３％以下）である場合、耐食性の観点から好ましいことを確認できた。なお、面積率は、図６〜８のＳＥＭ画像より算出した。
以上、本発明の実施形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に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における設計変更があっても、それらは本発明に含まれるものである。
１：セル
２：ＭＥＧＡ
３：セパレータ
４：膜電極接合体（ＭＥＡ）
５：電解質膜
６：電極
７：ガス拡散層
１０：燃料電池スタック
２１：ガス流路
２２：ガス流路
２３：冷却剤流路
６０：すき間形成用部材
６１：試験片
６２：すき間形成材
６３：ガスケット
６４：ワッシャ
６４’：ワッシャ
６５：ボルト
６６：ナット
２：ＭＥＧＡ
３：セパレータ
４：膜電極接合体（ＭＥＡ）
５：電解質膜
６：電極
７：ガス拡散層
１０：燃料電池スタック
２１：ガス流路
２２：ガス流路
２３：冷却剤流路
６０：すき間形成用部材
６１：試験片
６２：すき間形成材
６３：ガスケット
６４：ワッシャ
６４’：ワッシャ
６５：ボルト
６６：ナット
Claims (10)
- 燃料電池用セパレータに用いられるステンレス鋼基材であって、
Ｎｂを実質的に含まず、かつ、Ｔｉを含む、ステンレス鋼基材。 - 前記Ｔｉの含有量が０．１〜０．５質量％である、請求項１に記載のステンレス鋼基材。
- さらに、Ｔａを含む、請求項１又は２に記載のステンレス鋼基材。
- 前記Ｔａの含有量が０．０５〜０．５質量％である、請求項３に記載のステンレス鋼基材。
- ステンレス鋼基材を含む燃料電池用セパレータであって、
前記ステンレス鋼基材は、Ｎｂを実質的に含まず、かつ、Ｔｉを含む、燃料電池用セパレータ。 - 前記Ｔｉの含有量が０．１〜０．５質量％である、請求項５に記載の燃料電池用セパレータ。
- さらに、Ｔａを含む、請求項５又は６に記載の燃料電池用セパレータ。
- 前記Ｔａの含有量が０．０５〜０．５質量％である、請求項７に記載の燃料電池用セパレータ。
- 請求項５〜８のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータと、固体電解質膜とを含む、燃料電池。
- 前記固体電解質膜がフッ素系電解質樹脂を含む、請求項９に記載の燃料電池。
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Citations (6)
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|---|---|---|---|---|
| JP2003223904A (ja) * | 2001-02-22 | 2003-08-08 | Jfe Steel Kk | 燃料電池用セパレータとその製造方法および固体高分子型燃料電池 |
| WO2016052622A1 (ja) * | 2014-10-01 | 2016-04-07 | 新日鐵住金株式会社 | フェライト系ステンレス鋼材と、これを用いる固体高分子形燃料電池用セパレータおよび固体高分子形燃料電池 |
| JP2017014538A (ja) * | 2015-06-26 | 2017-01-19 | 新日鐵住金ステンレス株式会社 | 耐熱性と表面平滑性に優れた排気部品用オーステナイト系ステンレス鋼板およびその製造方法 |
| JP2017125248A (ja) * | 2016-01-15 | 2017-07-20 | 新日鐵住金ステンレス株式会社 | 耐熱性に優れた固体酸化物型燃料電池用フェライト系ステンレス鋼およびその製造方法 |
| WO2018008658A1 (ja) * | 2016-07-04 | 2018-01-11 | 新日鐵住金ステンレス株式会社 | フェライト系ステンレス鋼と、その鋼板及びそれらの製造方法 |
| JP2018131643A (ja) * | 2017-02-13 | 2018-08-23 | 新日鐵住金ステンレス株式会社 | 耐熱性に優れた固体酸化物形燃料電池用セパレータおよびこれを用いた燃料電池 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA2372326C (en) | 2001-02-22 | 2007-09-11 | Kawasaki Steel Corporation | Stainless steel separator for fuel cells, method for making the same, and solid polymer fuel cell including the same |
| JP4147925B2 (ja) * | 2002-12-04 | 2008-09-10 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池用セパレータ |
| US7981561B2 (en) * | 2005-06-15 | 2011-07-19 | Ati Properties, Inc. | Interconnects for solid oxide fuel cells and ferritic stainless steels adapted for use with solid oxide fuel cells |
| US20080057371A1 (en) * | 2005-05-25 | 2008-03-06 | Hitachi Cable, Ltd. | Separator for Fuel Cell and Method for Producing Same |
| KR101258715B1 (ko) * | 2005-06-15 | 2013-04-30 | 에이티아이 프로퍼티즈, 인코퍼레이티드 | 고체 산화물 연료 전지용 인터커넥트 및 상기 고체 산화물연료 전지용 인터커넥트로서 사용되기에 적합한 페라이트스테인리스강 |
| JP5014644B2 (ja) * | 2006-02-27 | 2012-08-29 | 新日本製鐵株式会社 | 固体高分子型燃料電池用セパレータおよびその製造方法 |
| JP5375191B2 (ja) | 2009-02-27 | 2013-12-25 | Ｊｆｅスチール株式会社 | イオン溶出量の少ない固体高分子形燃料電池セパレータ用ステンレス鋼および固体高分子形燃料電池 |
-
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003223904A (ja) * | 2001-02-22 | 2003-08-08 | Jfe Steel Kk | 燃料電池用セパレータとその製造方法および固体高分子型燃料電池 |
| WO2016052622A1 (ja) * | 2014-10-01 | 2016-04-07 | 新日鐵住金株式会社 | フェライト系ステンレス鋼材と、これを用いる固体高分子形燃料電池用セパレータおよび固体高分子形燃料電池 |
| JP2017014538A (ja) * | 2015-06-26 | 2017-01-19 | 新日鐵住金ステンレス株式会社 | 耐熱性と表面平滑性に優れた排気部品用オーステナイト系ステンレス鋼板およびその製造方法 |
| JP2017125248A (ja) * | 2016-01-15 | 2017-07-20 | 新日鐵住金ステンレス株式会社 | 耐熱性に優れた固体酸化物型燃料電池用フェライト系ステンレス鋼およびその製造方法 |
| WO2018008658A1 (ja) * | 2016-07-04 | 2018-01-11 | 新日鐵住金ステンレス株式会社 | フェライト系ステンレス鋼と、その鋼板及びそれらの製造方法 |
| JP2018131643A (ja) * | 2017-02-13 | 2018-08-23 | 新日鐵住金ステンレス株式会社 | 耐熱性に優れた固体酸化物形燃料電池用セパレータおよびこれを用いた燃料電池 |
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