JP2022096547A

JP2022096547A - 燃料電池のセパレータのオーステナイト系ステンレス鋼板およびその製造方法

Info

Publication number: JP2022096547A
Application number: JP2020209720A
Authority: JP
Inventors: 雄一芝辻; Yuichi SHIBATSUJI; 伸石川; Shin Ishikawa; 孝宜矢野; Takanobu Yano
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2020-12-17
Filing date: 2020-12-17
Publication date: 2022-06-29
Anticipated expiration: 2040-12-17
Also published as: JP7338618B2

Abstract

【課題】燃料電池のセパレータの使用環境での優れた耐孔食性を有する燃料電池のセパレータのオーステナイト系ステンレス鋼板を、提供する【解決手段】表面から０．５μｍの深さ位置までの窒素濃度の平均値を０．３質量％以上０．６質量％以下とし、該表面における円相当直径：０．１μｍ以上のＣｒ窒化物の個数を６００００個／ｍｍ2以下とする。【選択図】なし

Description

本発明は、燃料電池のセパレータのオーステナイト系ステンレス鋼板およびその製造方法に関するものである。

近年、地球環境保全の観点から、発電効率に優れ、二酸化炭素を排出しない燃料電池の開発が進められている。燃料電池は、水素と酸素から電気化学反応によって電気を発生させるものである。燃料電池は、サンドイッチのような構造を有し、電解質膜（イオン交換膜）、２つの電極（燃料極および空気極）、Ｏ₂（空気）とＨ₂の拡散層および２つのセパレータ（Bipolar plate）から構成される。
そして、使用される電解質膜の種類に応じて、リン酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、アルカリ形燃料電池および固体高分子形燃料電池（PEFC；proton-exchange membrane fuel cellまたはpolymer electrolyte fuel cell）に分類され、それぞれ開発が進められている。

燃料電池のうち、特に、固体高分子形燃料電池は、電気自動車の搭載用電源、家庭用または業務用の定置型発電機、携帯用の小型発電機としての利用が期待されている。

固体高分子形燃料電池は、高分子膜を介して水素と酸素から電気を取り出すものである。固体高分子形燃料電池では、膜－電極接合体を、ガス拡散層（たとえばカーボンペーパ等）およびセパレータによって挟み込み、これを単一の構成要素（いわゆる単セル）とする。そして、燃料極側セパレータと空気極側セパレータとの間に起電力を生じさせる。
なお、上記の膜－電極接合体は、ＭＥＡ（Membrane-Electrode Assembly）と呼ばれている。ＭＥＡは、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。また、ガス拡散層は、膜－電極接合体と一体化される場合も多い。

また、固体高分子形燃料電池を実用に供する場合には、上記のような単セルを直列に数十～数百個つないで燃料電池スタックを構成し、使用するのが一般的である。
ここに、セパレータには、
(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) 酸素（空気）が流れる空気流路、水素が流れる水素流路、
(d) 生成した水やガスを排出する排出路（空気流路、水素流路が兼備）
としての機能が求められる。そのため、セパレータには、優れた耐久性や電気伝導性が必要となる。

ここで、耐久性は、耐食性で決定される。その理由は、セパレータが腐食して金属イオンが溶出すると高分子膜（電解質膜）のプロトン伝導性が低下し、発電特性が低下するからである。

現在までに、セパレータとしてグラファイトを用いた固体高分子形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、グラファイト製のセパレータは、衝撃によって破損しやすい。そのため、グラファイト製のセパレータには、小型化が困難であるという欠点がある。また、グラファイト製のセパレータには、空気流路および水素流路を形成するための加工コストが高いという欠点もある。グラファイト製のセパレータが有するこれらの欠点は、固体高分子形燃料電池の普及を妨げる原因になっている。

そこで、セパレータの素材として、グラファイトに替えて金属素材を適用する試みがなされている。特に、耐久性向上の観点から、ステンレス鋼を素材としたセパレータの実用化に向けて、種々の検討がなされている。

なかでも、オーステナイト系ステンレス鋼板は、一般的に、フェライト系ステンレス鋼板に比べて加工性に優れる。そのため、加工条件の厳しい複雑形状の燃料電池のセパレータを製造する場合には、セパレータの基材として、オーステナイト系ステンレス鋼板を用いる方が有利になる。

例えば、特許文献１には、セパレータの基材として、オーステナイト系ステンレス鋼板であるＳＵＳ３０４を使用し、単位電池の電極との接触面に金めっきを施した燃料電池用セパレータが開示されている。

また、特許文献２には、
「質量％で、
Ｃ：０．０７％以下、
Ｓｉ：０．１～２．０％、
Ｍｎ：０．１～２．０％、
Ｐ：０．０４％以下、
Ｓ：０．００５％以下、
Ａｌ：０．２％以下、
Ｎ：０．０５０％以下、
Ｃｒ：１６．０～１８．５％、
Ｎｉ：６．０～１５．０％
を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、鋼板の板厚が０．２５ｍｍ以下であり、鋼板の平均結晶粒径が１０～２５μｍの範囲にあり、板厚の中央部におけるビッカース硬度Ｈｃと表層から１／８ｔ（ｔは板厚）におけるビッカース硬度Ｈｓの差が２０以下であり、鋼板の板面内で圧延方向と垂直な方向の延性が６５％以上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板。」
が開示されている。

特開平１０－２２８９１４号公報特開２００６-０４０６０８号公報国際公開第２０２０／１５３１１７号

しかし、特許文献１で使用されているＳＵＳ３０４などの一般的なオーステナイト系ステンレス鋼板や、特許文献２に開示されるステンレス鋼板を燃料電池のセパレータの基材として使用すると、孔食が発生して、セパレータに孔が開く場合があることが分かった。

本発明は、上記の現状に鑑み開発されたもので、燃料電池のセパレータの使用環境での優れた耐孔食性を有する燃料電池のセパレータのオーステナイト系ステンレス鋼板を、提供することを目的とする。
また、上記の燃料電池のセパレータのオーステナイト系ステンレス鋼板の製造方法を、提供することを目的とする。

さて、発明者らは、上記の課題を解決すべく、鋭意検討を行った。
まず、発明者らは、ＳＵＳ３０４などの一般的なオーステナイト系ステンレス鋼板を、燃料電池のセパレータの基材として使用した場合に、孔食が発生する要因について、調査した。
その結果、燃料電池セパレータの使用環境が、温度：８０℃程度、ｐＨ：３程度の高温の酸性環境であるため、当該環境中に微量存在している塩化物イオン等の腐食因子により不動態皮膜が破壊され、孔食が発生することがわかった。

そこで、発明者らは、上記の問題を解決すべく検討を重ね、先に、特許文献３において、
「１．燃料電池のセパレータ用のオーステナイト系ステンレス鋼板であって、
上記燃料電池のセパレータ用のオーステナイト系ステンレス鋼板の表面に凹部と凸部とを有する凹凸構造を備え、該凸部の平均高さが３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であり、かつ該凸部間の平均間隔が２０ｎｍ以上３５０ｎｍ以下であり、
上記燃料電池のセパレータ用のオーステナイト系ステンレス鋼板の表面において、金属以外の形態として存在するFeの原子濃度に対する金属以外の形態として存在するCrの原子濃度の比である[Cr]／[Fe]が１．０以上である、燃料電池のセパレータ用のオーステナイト系ステンレス鋼板。
２．前記燃料電池のセパレータ用のオーステナイト系ステンレス鋼板の表面に存在するＮの原子濃度が１．０ａｔ％以上である、前記１に記載の燃料電池のセパレータ用のオーステナイト系ステンレス鋼板。」
を開発した。

上掲特許文献３の技術、特に鋼板の表面に存在する窒素（Ｎ）の原子濃度を一定以上に高めることによって、燃料電池のセパレータの使用環境での優れた耐孔食性を有する燃料電池のセパレータのオーステナイト系ステンレス鋼板が得られるようになった。

しかし、近年、燃料電池の性能向上に伴い、さらなる耐久性、ひいては一層優れた耐孔食性を有するステンレス鋼板が要求される場合がある。

そこで、発明者らは、上記の要求にこたえるべく検討を重ね、まず、鋼板の表面に存在するＮの濃度を高めることによって、耐孔食性の向上を図ることを試みた。
しかし、鋼板の表面に存在する窒素の原子濃度を如何に高めても、一定の水準以上には耐孔食性は向上しなかった。

そこで、発明者らは、種々のオーステナイト系ステンレス鋼板に種々の条件で熱処理を施し、鋼板表層部への窒素の導入状態と耐孔食性との関係性を調査した。
その結果、鋼板表層部への窒素導入量が多くなると、鋼板の表面に窒化物が形成され、この窒化物が耐孔食性の向上を阻害する要因となることを知見した。
すなわち、鋼板表面に微小な局部腐食が発生した場合、熱処理により鋼板表層部に導入された窒素、特には固溶状態の窒素（以下、固溶Ｎともいう）が、腐食部で発生した水素イオンと結合してｐＨ低下を抑制する。これにより、鋼板表面の再不働態化が促進され、腐食の進行が停止する。その結果、耐食性、特には耐孔食性が向上する。
しかし、鋼板表層部への窒素導入量が多くなると、鋼板の表面において窒化物が形成される。この窒化物は主にＣｒ窒化物であるため、当該Ｃｒ窒化物の近傍ではＣｒ濃度が低下する。そのため、当該Ｃｒ窒化物の近傍が微小な局部腐食の起点となり、耐孔食性の向上が阻害される。

そこで、発明者らは、鋼板表層部への窒素導入量を高めつつ、鋼板の表面に形成される窒化物の量を抑制するための方法について、さらに種々の実験および検討を重ねた。
その結果、鋼板表層部へ窒素を導入するための熱処理条件（特には、処理雰囲気、処理温度）および熱処理後の冷却条件を制御することにより、鋼板表層部への窒素導入量を高めつつ、鋼板の表面に形成される窒化物の量を抑制できることを見出した。

そして、発明者らが、上記の知見を基にさらに検討を重ねたところ、
鋼板の表面から０．５μｍの深さ位置までの窒素濃度の平均値（以下、表層部の窒素濃度ともいう）を０．３質量％以上０．６質量％以下とし、かつ鋼板の表面における円相当直直径：０．１μｍ以上のＣｒ窒化物の個数（以下、Ｃｒ窒化物の個数ともいう）を６００００個／ｍｍ²以下とする、
ことにより、固溶Ｎによる再不働態化促進効果が最大化され、従来に比べて格段に優れた耐孔食性が得られることを知見した。
また、発明者らは、上記のように表層部の窒素濃度およびＣｒ窒化物の個数を制御するには、以下の条件を満足させることが有効であるとの知見を得た。
・熱処理条件
処理雰囲気：窒素濃度が５体積％以上、水素濃度が５体積％以上でかつ露点が－６０℃以上－５０℃以下
最高到達温度：１０５０℃以上１１５０℃以下
１０５０℃以上１１５０℃以下の温度域における滞留時間：１秒以上４５秒以下
・熱処理後の冷却条件
１０５０～６００℃の温度域における平均冷却速度：１５℃／ｓ以上
本発明は、上記の知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。

すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．表面から０．５μｍの深さ位置までの窒素濃度の平均値が０．３質量％以上０．６質量％以下であり、
該表面における円相当直径：０．１μｍ以上のＣｒ窒化物の個数が６００００個／ｍｍ²以下である、燃料電池のセパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼板。

２．（ａ）素材オーステナイト系ステンレス鋼板を準備する工程と、
（ｂ）該素材オーステナイト系ステンレス鋼板に、
処理雰囲気：窒素濃度が５体積％以上、水素濃度が５体積％以上でかつ露点が－６０℃以上－５０℃以下、
最高到達温度：１０５０℃以上１１５０℃以下、
１０５０℃以上１１５０℃以下の温度域における滞留時間：１秒以上４５秒以下
の条件で、熱処理を施す工程と、
（ｃ）該熱処理終了後、該素材オーステナイト系ステンレス鋼板を、１０５０～６００℃の温度域における平均冷却速度：１５℃／ｓ以上で、冷却する工程と、
をそなえる、燃料電池のセパレータのオーステナイト系ステンレス鋼板の製造方法。

本発明によれば、燃料電池のセパレータの使用環境での優れた耐孔食性を有する燃料電池のセパレータのオーステナイト系ステンレス鋼板を、得ることができる。
また、本発明の燃料電池のセパレータのオーステナイト系ステンレス鋼板を用いることによって、孔食によるセパレータの孔開きを有効に防止しつつ、加工条件の厳しい複雑形状の燃料電池のセパレータを製造することが可能となる。

（１）燃料電池のセパレータ用の基材オーステナイト系ステンレス鋼板
以下、本発明の一実施形態に係る燃料電池のセパレータのオーステナイト系ステンレス鋼板について、説明する。
上述したように、本発明の一実施形態に係る燃料電池の燃料電池のセパレータのオーステナイト系ステンレス鋼板では、鋼板の表面から０．５μｍの深さ位置までの窒素濃度の平均値を０．３質量％以上０．６質量％以下とし、かつ鋼板の表面における円相当直径：０．１μｍ以上のＣｒ窒化物の個数を６００００個／ｍｍ²以下とすることが肝要である。

鋼板の表面から０．５μｍの深さ位置までの窒素濃度の平均値（以下、表層部の窒素濃度ともいう）：０．３質量％以上０．６質量％以下
上述したように、鋼板表面に微小な局部腐食が発生した場合、熱処理により鋼板表層部に導入された窒素、特には固溶Ｎが、腐食部で発生した水素イオンと結合してｐＨ低下を抑制する。これにより、鋼板表面の再不働態化が促進され、腐食の進行が停止する。その結果、耐食性、特には耐孔食性が向上する。このような効果を得るため、表層部の窒素濃度は０．３質量％以上とする。表層部の窒素濃度は、好ましくは０．４質量％以上である。一方、表層部の窒素濃度が０．６質量％を超えると、後述する熱処理工程終了後の冷却工程における冷却速度を適正に制御しても、鋼板の表面においてＣｒ窒化物が多数形成され、当該Ｃｒ窒化物の近傍ではＣｒ濃度が低下する。そのため、当該Ｃｒ窒化物の近傍が微小な局部腐食の起点となり、耐孔食性の向上が阻害される。よって、表層部の窒素濃度は０．６質量％以下とする。表層部の窒素濃度は、好ましくは０．５質量％以下である。
なお、窒素濃度を規定する深さ位置を、０．５μｍの深さ位置までとしたのは、鋼板表面に生成する微小な局部腐食の起点位置（０．１μｍ程度の深さ位置）より十分に深く、また、０．５μｍよりも深い位置に存在する窒素は、耐孔食性の向上に大きくは寄与しない、と考えられるからである。

ここで、鋼板表面から０．５μｍの深さ位置までの窒素濃度の平均値は、グロー放電発光分析法（ＧｌｏｗＤｉｓｃｈａｒｇｅｏｐｔｉｃａｌｅｍｉｓｓｉｏｎＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ、以下、ＧＤＳともいう）により求める。ＧＤＳは、Ｘ線光電子分光法（Ｘ-ＲａｙＰｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ、以下、ＸＰＳともいう）等の他の方法よりも簡便な方法であり、製造現場での品質管理に適している。
具体的には、鋼板から２０ｍｍ×２０ｍｍの試料を切り出し、測定用サンプルを作製する。ついで、測定用サンプルの表面の中央を測定位置として、深さ方向に表面から１０μｍの深さ位置までＡｒスパッタリングしながら、深さ方向におけるＮおよびＦｅの強度を０．５ｎｍピッチで測定する。なお、測定領域は４ｍｍφとし、２.８ｈＰａの圧力で６００Ｖの電圧を印加することにより、グロープラズマを発生させる。
そして、測定したＮおよびＦｅの強度から、次式により、規格化されたＮの強度を求める。
［規格化されたＮの強度］＝［測定したＮの強度］／［測定したＦｅの強度］
なお、規格化されたＮの強度は、鋼板表面から深部に向かって減少し、最終的には、所定の深さ位置で概ね一定になる。ただし、鋼板表面極近傍の深さ位置、具体的には表面から数ｎｍ程度の深さ位置では、ＧＤＳの特性上、グロー放電が不安定となるため、鋼板表面極近傍でＮ強度の最大値が得られた位置を基準位置（鋼板表面の位置（深さ０位置））とする。
ついで、鋼板表面の位置（深さ０位置）から０．５μｍの深さ位置までで測定した規格化されたＮの強度の算術平均値を求め、求めた値を、検量線により、窒素濃度に変換する。そして、この変換した窒素濃度を、鋼板表面から０．５μｍの深さ位置までの窒素濃度の平均値とする。
なお、上記の検量線は、以下のようにして作成する。
すなわち、窒素濃度が０．０１～０．５０質量％の標準サンプル（０．０１質量％ピッチ）を作製し、上記と同様の要領で、ＧＤＳにより、上記標準サンプルの規格化されたＮの強度を測定する。そして、横軸を窒素濃度、縦軸を規格化されたＮの強度として、各標準サンプルで測定した規格化されたＮの強度をプロットし、最小二乗法を用いて、検量線を作成する。

表面における円相当直径：０．１μｍ以上のＣｒ窒化物の個数（以下、Ｃｒ窒化物の個数ともいう）：６００００個／ｍｍ²以下
鋼板の表面において形成される窒化物は主にＣｒ窒化物であり、当該Ｃｒ窒化物の近傍ではＣｒ濃度が低下する。そのため、当該Ｃｒ窒化物の近傍が微小な局部腐食の起点となり、耐孔食性の向上が阻害される。また、Ｃｒ窒化物が多量に形成されると、加工性の低下を招く。そのため、Ｃｒ窒化物の個数は６００００個／ｍｍ²以下とする。Ｃｒ窒化物の個数は、好ましくは３００００個／ｍｍ²以下、より好ましくは１００００個／ｍｍ²以下である。
ここでいうＣｒ窒化物とは、ＣｒとＮとの化合物である。ただし、一部のＣｒが（鋼中に含有される）ＦｅやＭｎなどの元素に置換されたものや、一部のＮがＣに置換されたもの（いわゆる炭窒化物）も、ここでいうＣｒ窒化物に含むものとする。

なお、形成されるＣｒ窒化物の周が長くなるほど、周囲の金属素地に存在するＣｒ欠乏層の領域が広くなるため、微細な局部腐食の起点となり易い。特に、一定以上の大きさのＣｒ窒化物、具体的には、円相当直径：０．１μｍ以上のＣｒ窒化物の近傍が、微小な局部腐食の起点となり易い。そのため、ここでは、円相当直径：０．１μｍ以上のＣｒ窒化物を対象とした。

また、Ｃｒ窒化物の個数は、以下の要領で求める。
すなわち、鋼板の表面の任意の０．０２ｍｍ×０．０２ｍｍの領域を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により、３０００倍で観察する。そして、当該観察領域において、ＳＥＭ－ＥＤＸ（ＳｃａｎｎｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ－ＥｎｅｒｅｇｙＤｉｓｐｅｒｓｉｖｅＸ-ｒａｙＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いた点分析により観察される析出物の主成分を測定し、Ｃｒ窒化物を同定する。具体的には、当該観察領域で観察される析出物のうち、ＦｅとＣｒの合計濃度が８０質量％以上であり、Ｃｒ濃度の比（[Ｃｒ（質量％）]／[Ｃｒ（質量％）]＋[Ｆｅ（質量％）]＋[Ｎ（質量％）]）が０．４以上であり、かつ、Ｎ濃度の比（[Ｎ（質量％）]／[Ｃｒ（質量％）]＋[Ｆｅ（質量％）]＋[Ｎ（質量％）]）が０．０３以上である析出物を、Ｃｒ窒化物と同定する。そして、同定したＣｒ窒化物のうち、円相当直径が０．１μｍ以上のＣｒ窒化物の個数をカウントし、カウントしたＣｒ窒化物の個数を、観察領域の面積（０．０２ｍｍ×０．０２ｍｍ）で除することにより、Ｃｒ窒化物の個数を求める。
なお、Ｃｒ窒化物の円相当直径は、次式により算出する。
［Ｃｒ窒化物の円相当直径（μｍ）］
＝（［Ｃｒ窒化物の面積（μｍ²）］÷π）^0.5×２

次に、本発明の一実施形態に係る燃料電池のセパレータのオーステナイト系ステンレス鋼板の好適な成分組成について説明する。なお、成分組成における単位はいずれも「質量％」であるが、以下、特に断らない限り、単に「％」で示す。

本発明の一実施形態に係る燃料電池のセパレータのオーステナイト系ステンレス鋼板の好適な成分組成は、Ｃ：０．１００％以下、Ｓｉ：２．００％以下、Ｍｎ：３．００％以下、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ｎｉ：６．０％以上、１４．０％以下、Ｃｒ：１６．０％以上、２１．０％以下、Ｎ：０．１００％以下およびＡｌ：０．５００％以下を有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物である成分組成である。
また、任意に、Ｃｕ：２．５０％以下およびＭｏ：２．５０％以下を含有させることができる。

Ｃ：０．１００％以下
Ｃ含有量が０．１００％を超えると、加工性が低下する。また、粒界にＣｒ炭窒化物が析出することにより、Ｃｒ欠乏層が生じ、耐食性が低下する。そのため、Ｃ含有量は０．１００％以下とすることが好ましい。より好ましくは０．０２０％以下である。Ｃ含有量の下限は特に限定されるものではないが、過度の脱Ｃは製造コストの増加を招く。このため、Ｃ含有量は、０．００１％以上が好ましい。

Ｓｉ：２．００％以下
Ｓｉは、脱酸効果を有する元素である。このような効果を得るため、Ｓｉ含有量は０．０１％以上が好ましい。より好ましくは０．０５％以上である。しかし、Ｓｉ含有量が多くなり過ぎると、鋼が硬質化して加工性が低下する。そのため、Ｓｉ含有量は２．００％以下とすることが好ましい。より好ましくは０．７０％以下である。

Ｍｎ：３．００％以下
Ｍｎは、鋼中に存在するＳと結合することで、Ｓの粒界偏析による熱間圧延時の割れを防止する。このような効果を得るため、Ｍｎ含有量は０．０１％以上が好ましい。より好ましくは０．０５％以上である。しかし、Ｍｎ含有量が多くなり過ぎると、Ｍｎ硫化物の析出量が多くなって、耐孔食性の低下を招く。そのため、Ｍｎ含有量は３．００％以下とすることが好ましい。より好ましくは１．００％以下である。

Ｐ：０．０５０％以下
Ｐは、靱性の低下を招く元素であり、極力鋼中に混入させないことが望ましい。そのため、Ｐ含有量は０．０５０％以下とすることが好ましい。より好ましくは０．０３５％以下である。Ｐ含有量の下限は特に限定されるものではないが、過度の脱Ｐは製造コストの増加を招く。このため、Ｐ含有量は、０．０１０％以上が好ましい。

Ｓ：０．０１０％以下
Ｓは粒界偏析により、熱間圧延時に割れを生じさせる元素であり、極力鋼中に混入させないことが望ましい。そのため、Ｓ含有量は０．０１０％以下とすることが好ましい。より好ましくは０．００５％以下である。Ｓ含有量の下限は特に限定されるものではないが、過度の脱Ｓは製造コストの増加を招く。このため、Ｓ含有量は、０．００１％以上が好ましい。

Ｃｕ：２．５０％以下
Ｃｕは、ステンレス鋼の耐食性を高める元素である。このような効果を得るためには、Ｃｕ含有量を０．０１％以上とすることが好ましい。しかし、Ｃｕ含有量が多くなり過ぎると、熱間加工性の低下を招く、そのため、Ｃｕ含有量は２．５０％以下とすることが好ましい。より好ましくは０．８０％以下である。さらに好ましくは０．４０％以下である。なお、Ｃｕ含有量は０％であってもよい。

Ｎｉ：６．０％以上、２０．０％以下
Ｎｉはオーステナイト相の生成を促進する元素であり、オーステナイト系ステンレス鋼とするために、Ｎｉ含有量は６．０％以上とすることが好ましい。より好ましくは８．０％以上である。しかし、Ｎｉ含有量が多くなり過ぎると、加工性の低下を招き、複雑形状の燃料電池のセパレータを製造する場合に、割れ等が発生しやすくなる。そのため、Ｎｉ含有量は、２０．０％以下とすることが好ましい。より好ましくは１０．５％以下である。

Ｃｒ：１６．０％以上、２５．０％以下
Ｃｒは、鋼板表面に形成される不働態皮膜を強固にし、耐孔食性を向上させる元素である。このような効果を得るため、Ｃｒ含有量は１６．０％以上とすることが好ましい。より好ましくは１８．０％以上である。しかし、Ｃｒ含有量が多くなり過ぎると、加工性の低下を招き、複雑形状の燃料電池のセパレータを製造する場合に、割れ等が発生しやすくなる。そのため、Ｃｒ含有量は２５．０％以下とすることが好ましい。より好ましくは２０．０％以下である。

Ｍｏ：２．５０％以下
Ｍｏは、Ｃｒ同様、鋼板表面に形成される不働態皮膜を強固にし、耐孔食性を向上させる元素である。このような効果を得るため、Ｍｏ含有量を０．１０％以上とすることが好ましい。しかし、Ｍｏ含有量が多くなり過ぎると、熱間加工性の低下を招く、そのため、Ｍｏ含有量は２．５０％以下とすることが好ましい。より好ましくは２．００％以下である。さらに好ましくは１．５０％以下である。なお、Ｍｏ含有量は０％であってもよい。

Ｎ：０．１００％以下
Ｎ含有量が０．１００％を超えると、成形性が低下する。従って、Ｎ含有量は０．１００％以下とすることが好ましい。より好ましくは０．０７５％以下である。さらに好ましくは０．０３０％以下である。下限については特に限定されるものではないが、過度の脱Ｎはコストの増加を招く。よって、Ｎ含有量は、０．００２％以上とすることが好適である。

Ａｌ：０．５００％以下
Ａｌは、脱酸効果を有する元素である。このような効果を得るため、Ａｌ含有量は０．００１％以上が好ましい。しかし、Ａｌ含有量が多くなり過ぎると、成形性を低下させる。そのため、Ａｌ含有量は０．５００％以下とすることが好ましい。より好ましくは０．０１０％以下である。さらに好ましくは０．００５％以下である。

上記以外の成分はＦｅおよび不可避的不純物である。
なお、鋼板の成分組成における各元素の含有量は、鋼板を表面から深さ方向に１０μｍ程度研磨して得た試料を用いた一般的な鉄鋼分析方法により、求めることができる。
例えば、Ｎ含有量（質量％）は、上記の試料を用い、Ｈｏｒｉｂａ社製酸素・窒素分析装置ＥＭＧＡ－９２０による測定により、求めることができる。

次に、本発明の一実施形態に係る燃料電池のセパレータのオーステナイト系ステンレス鋼板の組織について説明する。
本発明の一実施形態に係る燃料電池のセパレータのオーステナイト系ステンレス鋼板の組織は、基本的にオーステナイト相により構成される（オーステナイト相の体積率が９９％以上）。また、本発明の一実施形態に係る燃料電池のセパレータのオーステナイト系ステンレス鋼板の組織は、オーステナイト相以外の残部として、体積率で１％以下の介在物および析出物を含有していてもよい。介在物および析出物としては、例えば、酸化物、炭化物、窒化物、硫化物および金属間化合物からなる群より選択される１または２以上が挙げられる。

また、本発明の一実施形態に係る燃料電池のセパレータのオーステナイト系ステンレス鋼板の板厚は特に限定されるものではないが、０．０５～０．２０ｍｍとすることが好ましい。本発明の一実施形態に係る燃料電池のセパレータのオーステナイト系ステンレス鋼板の板厚は、より好ましくは０．０７ｍｍ以上である。また、本発明の一実施形態に係る燃料電池のセパレータのオーステナイト系ステンレス鋼板の板厚は、より好ましくは０．１０ｍｍ以下である。

次に、本発明の一実施形態に係る燃料電池のセパレータのオーステナイト系ステンレス鋼板の製造方法について、説明する。

・準備工程
準備工程は、素材オーステナイト系ステンレス鋼板を準備する工程であり、例えば、上記の成分組成を有するオーステナイト系ステンレス鋼板を以下のようにして準備する。
すなわち、上記の成分組成を有する鋼スラブを、熱間圧延して熱延板とする。得られた熱延板に、任意に、熱延板焼鈍および酸洗を施す。ついで、熱延板に、任意に、冷間圧延を施して冷延板とする。ついで、得られた冷延板に、任意に、冷延板焼鈍を施す。さらに、熱延板または冷延板に仕上げ圧延（最終の冷間圧延）を施して所望の板厚とすることにより、素材オーステナイト系ステンレス鋼板を準備することができる。また、仕上げ圧延後に、仕上げ焼鈍を施してもよい。
なお、熱間圧延や冷間圧延、熱延板焼鈍、冷延板焼鈍、仕上げ圧延および仕上げ焼鈍などの条件は特に限定されず、常法に従えばよい。また、冷延板焼鈍後に酸洗してもよい。また、冷間圧延の際に、中間焼鈍を施してもよい。さらに、冷延板焼鈍、中間焼鈍および仕上げ焼鈍を、光輝焼鈍としてもよい。
また、後述する熱処理工程と、仕上げ焼鈍を兼ねることも可能である。この場合には、仕上げ焼鈍条件を、後述する熱処理条件を満足するように制御する。

・熱処理工程
ついで、上記のようにして準備した素材オーステナイト系ステンレス鋼板に、
処理雰囲気：窒素濃度が５体積％以上、水素濃度が５体積％以上でかつ露点が－６０℃以上－５０℃以下
最高到達温度：１０５０℃以上１１５０℃以下
１０５０℃以上１１５０℃以下の温度域における滞留時間：１秒以上４５秒以下
の条件で、熱処理を施す。

処理雰囲気における窒素濃度：５体積％以上
処理雰囲気における窒素濃度を５体積％以上とすることにより、素材オーステナイト系ステンレス鋼板の表層部に効果的に窒素を導入することが可能となる。しかし、処理雰囲気における窒素濃度が５体積％未満になると、表層部に十分量の窒素が導入されない。そのため、処理雰囲気における窒素濃度は５体積％以上とする。処理雰囲気における窒素濃度は、好ましくは１０体積％以上である。なお、処理雰囲気における窒素濃度の上限は、９５体積％である。処理雰囲気における窒素濃度は、好ましくは５０体積％以下である。

処理雰囲気における水素濃度：５体積％以上
素材オーステナイト系ステンレス鋼の表面には、通常、Ｃｒ酸化物を主体とした酸化層が存在している。この酸化層は、窒素を導入する際の障壁となる。この点、処理雰囲気における水素濃度を５体積％以上とすることにより、この酸化層が還元され、素材オーステナイト系ステンレス鋼板の表層部に効果的に窒素を導入することが可能となる。しかし、処理雰囲気における水素濃度が５体積％未満になると、鋼板表面の酸化層が十分に還元されず、素材オーステナイト系ステンレス鋼板の表層部に効果的に窒素を導入することができなくなる。そのため、処理雰囲気における水素濃度は５体積％以上とする。処理雰囲気における水素濃度は、好ましくは５０体積％以上である。なお、処理雰囲気における水素濃度の上限は、９５体積％である。処理雰囲気における水素濃度は、好ましくは９０体積％以下である。

なお、窒素および水素以外の雰囲気ガスとしては、ヘリウム、アルゴン、ネオン、一酸化炭素、二酸化炭素のうちから選んだ１種以上とすることが好ましい。

露点：－６０℃以上－５０℃以下
処理雰囲気の露点が高くなると、熱処理時に素材オーステナイト系ステンレス鋼板の表面に酸化物が形成されて、鋼板の表層部に窒素を導入することが困難となる。この点、処理雰囲気の露点を－５０℃以下とすることにより、素材オーステナイト系ステンレス鋼板の表層部に効果的に窒素を導入することが可能となる。一方、処理雰囲気の露点が過度に低くなると、鋼板の表層部に窒素が過剰に導入される。特に、露点が－６０℃未満になると、熱処理後の冷却時に、鋼板の表層部に導入された窒素が、鋼板の表面で窒化物、特にはＣｒ窒化物として析出する。その結果、耐孔食性の低下を招く。そのため、処理雰囲気の露点は、－６０℃以上－５０℃以下とする。

最高到達温度：１０５０℃以上１１５０℃以下
熱処理における最高到達温度が１０５０℃未満であると、素材オーステナイト系ステンレス鋼板の表層部に十分に窒素を導入することができない。
一方、最高到達温度が１１５０℃を超えると、固溶限を大幅に超えた窒素が導入される。その場合、当該窒素はＣｒ窒化物として、鋼板表面や内部に大量に析出する。その結果、耐孔食性の劣化を招く。
そのため、熱処理における最高到達温度は１０５０℃以上１１５０℃以下とする必要がある。好ましくは１０７５℃以上である。

１０５０℃以上１１５０℃以下の温度域（以下、熱処理温度域ともいう）における滞留時間：１秒以上４５秒以下
熱処理温度域における滞留時間が１秒未満の場合、素材オーステナイト系ステンレス鋼板の表層部に十分な窒素を導入させることができない。
一方、熱処理温度域における滞留時間が４５秒を超えると、固溶限を大幅に超えた窒素が導入される。当該窒素はＣｒ窒化物として、鋼板表面や鋼板の内部に大量に析出する。その結果、耐孔食性の劣化を招く。
従って、熱処理温度域における滞留時間は、１秒以上４５秒以下とする必要がある。熱処理温度域における滞留時間は、好ましくは５秒以上、より好ましくは２０秒以上である。また、熱処理温度域における滞留時間は、好ましくは３０秒以下である。

・冷却工程
そして、上記の熱処理工程終了後、素材オーステナイト系ステンレス鋼板を、１０５０～６００℃の温度域における平均冷却速度：１５℃／ｓ以上の条件で冷却する。これにより、鋼板の表面に析出するＣｒ窒化物の個数を抑制することが極めて重要である。

１０５０～６００℃の温度域における平均冷却速度（以下、平均冷却速度ともいう）：１５℃／ｓ以上
平均冷却速度が１５℃／ｓ未満の場合、鋼板の表層部に導入された窒素が鋼板の表面にＣｒ窒化物として多量に析出する。その結果、耐孔食性の低下を招く。そのため、平均冷却速度は１５℃／ｓ以上とする。平均冷却速度は、好ましくは３０℃／ｓ以上、より好ましくは４０℃／ｓ以上である。

上記以外の条件については特に限定されず、常法に従えばよい。

（３）その他
なお、上述したように、燃料電池のセパレータは、上記のオーステナイト系ステンレス鋼板の表面に導電性コーティングを形成した状態で使用してもよい。
ここで、導電性コーティングとしては、燃料電池用のセパレータの使用環境において耐食性や導電性に優れる材料を使用することが好ましい。導電性コーティングは、例えば、金属層、合金層、金属酸化物層、金属炭化物層、金属窒化物層、炭素材料層、導電性高分子層、導電性物質を含有する有機樹脂層、またはこれらの混合物層とすることが好適である。

金属層としては、Au、Ag、Cu、Pt、Pd、W、Sn、Ti、Al、Zr、Nb、Ta、Ru、IrおよびNiなどの金属層が挙げられ、中でもAuやPtの金属層が好適である。
また、合金層としては、Ni-Sn（Ni₃Sn₂、Ni₃Sn₄）、Cu-Sn（Cu₃Sn、Cu₆Sn₅）、Fe-Sn（FeSn、FeSn₂）、Sn-Ag、Sn-CoなどのSn合金層やNi-W、Ni-Cr、Ti-Taなどの合金層が挙げられ、中でもNi-SnやFe-Snの合金層が好適である。

さらに、金属酸化物層としてはSnO₂、ZrO₂、TiO₂、WO₃、SiO₂、Al₂O₃、Nb₂O₅、IrO₂、RuO₂、PdO₂、Ta₂O₅、Mo₂O₅およびCr₂O₃などの金属酸化物層が挙げられ、中でもTiO₂やSnO₂の金属酸化物層が好適である。

加えて、金属窒化物層および金属炭化物層としては、TiN、CrN、TiCN、TiAlN、AlCrN、TiC、WC、SiC、B₄C、窒化モリブデン、CrC、TaCおよびZrNなどの金属窒化物層や金属炭化物層が挙げられ、中でもTiNの金属窒化物層が好適である。

また、炭素材料層としては、グラファイト、アモルファスカーボン、ダイヤモンドライクカーボン、カーボンブラック、フラーレンおよびカーボンナノチューブなどの炭素材料層が挙げられ、中でもグラファイトやダイヤモンドライクカーボンの炭素材料層が好適である。

さらに、導電性高分子層としては、ポリアニリンおよびポリピロールなどの導電性高分子層が挙げられる。

加えて、導電性物質を含有する有機樹脂層は、上記した金属層、合金層、金属酸化物層、金属窒化物層、金属炭化物層、炭素材料層および導電性高分子層を構成する金属や合金、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、炭素材料および導電性高分子から選んだ導電性物質を少なくとも１種含有し、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリエステル樹脂、ポリフェニレンスルファイド樹脂、ポリアミド樹脂、ウレタン樹脂、アクリル樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、カルボジイミド樹脂およびフェノールエポキシ樹脂などから選んだ有機樹脂を少なくとも１種含有するものである。このような導電性物質を含有する有機樹脂層としては、例えば、グラファイトが分散したフェノール樹脂やカーボンブラックが分散したエポキシ樹脂などが好適である。
なお、上記の導電性物質としては、金属および炭素材料（特にグラファイト、カーボンブラック）が好適である。また、導電性物質の含有量は特に限定されず、固体高分子形燃料電池用のセパレータにおける所定の導電性が得られればよい。

また、上記の混合物層としては、例えば、TiNが分散したNi-Sn合金などの混合物層が挙げられる。

表１に示す鋼Ｎｏ．Ａの成分組成（残部はＦｅおよび不可避的不純物）を有する板厚：０．１０ｍｍの素材オーステナイト系ステンレス鋼板（ＳＵＳ３０４相当成分、仕上げ圧延ままの鋼板）と、鋼Ｎｏ．Ｂの成分組成（残部はＦｅおよび不可避的不純物）を有する板厚：０．１０ｍｍの素材オーステナイト系ステンレス鋼板（ＳＵＳ３１６Ｌ相当成分、仕上げ圧延ままの鋼板）を準備した。
ついで、準備した素材オーステナイト系ステンレス鋼板にそれぞれ、表２に示す条件で熱処理を行い、冷却後、燃料電池のセパレータに適用するオーステナイト系ステンレス鋼板を得た。なお、試番１４および１６では、熱処理を行わず、仕上げ圧延ままの鋼板をそのまま、燃料電池のセパレータに適用するオーステナイト系ステンレス鋼板とした。
なお、光学顕微鏡で得られた鋼板の組織観察を行ったところ、いずれの鋼板でも、オーステナイト相の体積率が９９％以上であった。

また、上記のようにして得た鋼板について、上述した要領で、表層部の窒素濃度およびＣｒ窒化物の個数を測定した。結果を表２に併記する。
なお、表２では、Ｃｒ窒化物の個数が６００００個／ｍｍ²以下のものを「〇（合格）」、６００００個／ｍｍ²超のものを「×（不合格）」としている。
また、上記のようにして得た鋼板について、上述した要領で、各元素の含有量を測定したところ、表１の成分組成と実質的に同じ（誤差範囲内）であった。

・燃料電池のセパレータの使用環境における耐孔食性の評価
上記のようにして得た鋼板から、所定の試験片を採取し、燃料電池のセパレータの使用環境を模擬した環境において、孔食電位測定を行った。
具体的には、試験溶液として、１０００質量ｐｐｍの塩化物イオンを含む、温度：８０℃、ｐＨ：３の溶液を使用し、ＪＩＳＧ０５７７の規定に準拠して、孔食電位測定を実施した。そして、電流密度が１００μＡ・ｃｍ^-2に到達する電位：Ｖ_C'100（ｍＶｖｓ．Ａｇ/ＡｇＣｌ）を求めた。なお、参照電極には、Ａｇ/ＡｇＣｌ（飽和ＫＣｌ）を使用した。
得られたＶ_C'100を孔食電位として、以下の基準により、耐孔食性を評価した。評価結果を表２に併記する。
なお、試験片には、孔食電位測定の前に、不働態化処理を施し、＃６００研磨紙での乾式研磨を行った。
〇（合格）：孔食電位が６００ｍＶ以上
×（不合格）：孔食電位が６００ｍＶ未満

表２より、発明例ではいずれも、優れた耐孔食性が得られていた。
特に、ＳＵＳ３１６Ｌは、ＳＵＳ３０４に比べて高い耐孔食性が得られる鋼種であるが、ＳＵＳ３０４相当成分の鋼Ｎｏ．Ａの成分組成を有する試番６、８、９、１０、１１の発明例では、ＳＵＳ３１６Ｌ相当成分の鋼Ｎｏ．Ｂの成分組成を有する試番１６の比較例（所定条件の熱処理を行わなかった比較例）よりも、優れた耐孔食性が得られていた。また、ＳＵＳ３１６Ｌ相当成分の鋼Ｎｏ．Ｂの成分組成を有する試番１５の発明例でも、所定条件の熱処理を行うことにより、鋼板表層部への窒素導入量を高めつつ、鋼板の表面に形成されるＣｒ窒化物の量を抑制することで、耐孔食性が格段に向上した。

一方、比較例である試番１では、熱処理の処理雰囲気における窒素濃度が５体積％未満であるため、表層部の窒素濃度が０．３質量％未満となった。そのため、十分な耐孔食性が得られなかった。
試番２では、熱処理の処理雰囲気における水素濃度が５体積％未満であるため、表層部の窒素濃度が０．３質量％未満となった。そのため、十分な耐孔食性が得られなかった。
試番３では、熱処理の処理雰囲気における露点が－５０℃を超えるため、表層部の窒素濃度が０．３質量％未満となった。そのため、十分な耐孔食性が得られなかった。
試番７では、熱処理の最高到達温度が１０５０℃未満であるため、表層部の窒素濃度が０．３質量％未満となった。そのため、十分な耐孔食性が得られなかった。
試番１４および１６では、所定条件の熱処理を行わなかったため、表層部の窒素濃度が０．３質量％未満となった。そのため、十分な耐孔食性が得られなかった。

試番４および５では、熱処理の処理雰囲気における露点が－６０℃未満であるため、表層部の窒素濃度が０．６％質量超となり、Ｃｒ窒化物の個数も６００００個／ｍｍ²超となった。そのため、十分な耐孔食性が得られなかった。
試番１２では、熱処理温度域での滞留時間が４５秒超であるため、表層部の窒素濃度が０．６％質量超となり、Ｃｒ窒化物の個数も６００００個／ｍｍ²超となった。そのため、十分な耐孔食性が得られなかった。
試番１３では、熱処理後の冷却における平均冷却速度が１５℃／ｓ未満であるため、Ｃｒ窒化物の個数が６００００個／ｍｍ²超となった。そのため、十分な耐孔食性が得られなかった。

Claims

表面から０．５μｍの深さ位置までの窒素濃度の平均値が０．３質量％以上０．６質量％以下であり、
該表面における円相当直径：０．１μｍ以上のＣｒ窒化物の個数が６００００個／ｍｍ²以下である、燃料電池のセパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼板。
（ａ）素材オーステナイト系ステンレス鋼板を準備する工程と、
（ｂ）該素材オーステナイト系ステンレス鋼板に、
処理雰囲気：窒素濃度が５体積％以上、水素濃度が５体積％以上でかつ露点が－６０℃以上－５０℃以下、
最高到達温度：１０５０℃以上１１５０℃以下、
１０５０℃以上１１５０℃以下の温度域における滞留時間：１秒以上４５秒以下
の条件で、熱処理を施す工程と、
（ｃ）該熱処理終了後、該素材オーステナイト系ステンレス鋼板を、１０５０～６００℃の温度域における平均冷却速度：１５℃／ｓ以上で、冷却する工程と、
をそなえる、燃料電池のセパレータのオーステナイト系ステンレス鋼板の製造方法。