JP3097689B1 - 固体高分子型燃料電池 - Google Patents

Abstract

【要約】 【課題】溶出金属イオンによる各電極担持触媒の被毒が
極めて少ないステンレス鋼からなるセパレータを備えた
固体電解質型燃料電池を提供する。 【解決手段】Ｓ、Ｐ、Ｎ、Ｖ等の不純物が低く、Ｃｕ：
０．０１〜０．８およびＮｉ：０．２〜６％を含有し、
（Ｃｒ＋３Ｍｏ）が１０．５〜４３％であるフェライト
系ステンレス鋼からなるセパレータを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、自動車搭載用や
家庭用等の小型分散型電源として用いられる固体高分子
型燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、水素および酸素を利用して
直流電力を発電する電池であり、固体電解質型燃料電
池、溶融炭酸塩型燃料電池、リン酸型燃料電池および固
体高分子型燃料電池などがある。燃料電池の名称は、電
池の根幹をなす『電解質』部分の構成材料に由来してい
る。

【０００３】現在、商用段階に達している燃料電池に
は、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池がある。
燃料電池のおおよその運転温度は、固体電解質型燃料電
池で１０００℃、溶融炭酸塩型燃料電池で６５０℃、リ
ン酸型燃料電池で２００℃および固体高分子型燃料電池
で８０℃である。

【０００４】固体電解質型燃料電池は、運転温度が８０
℃前後と低く起動−停止が容易であり、エネルギー効率
も４０％程度が期待できることから、小事業所、電話局
などの非常用分散電源、都市ガスを燃料とする家庭用小
型分散電源、水素ガス、メタノールあるいはガソリンを
燃料とする低公害電気自動車搭載用電源として、世界的
に実用化が期待されている。

【０００５】上記の各種の燃料電池は、『燃料電池』と
言う共通の呼称で呼ばれているものの、それぞれの電池
構成材料を考える場合には、全く別物として捉えること
が必要である。使用される電解質による構成材料の腐食
の有無、３８０℃付近から顕在化し始める高温酸化の有
無、電解質の昇華と再析出、凝結の有無等により求めら
れる性能、特に耐食性能が、それぞれの燃料電池で全く
異なるためである。実際、使用されている材料も様々で
あり、黒鉛系素材から、Ｎｉクラッド材、高合金、ステ
ンレス鋼と多様である。

【０００６】商用化されているリン酸型燃料電池、溶融
炭酸塩型燃料電池に使用されている材料を、固体高分子
質型燃料電池の構成材料に適用することは全く考えるこ
とができない。

【０００７】図１は、固体高分子型燃料電池の構造を示
す図で、図１（ａ）は、燃料電池セル（単セル）の分解
図、図１（ｂ）は燃料電池全体の斜視図である。同図に
示すように、燃料電池１は単セルの集合体である。単セ
ルは、図１（ａ）に示すように固体高分子電解質膜２の
１面に燃料電極膜（アノード）３を、他面には酸化剤電
極膜（カソード）４が積層されており、その両面にセパ
レータ５ａ、５ｂが重ねられた構造になっている。

【０００８】代表的な固体高分子電解質膜２としては、
水素イオン（プロトン）交換基を有するフッ素系イオン
交換樹脂膜がある。

【０００９】燃料電極膜３および酸化剤電極膜４には、
粒子状の白金触媒と黒鉛粉、必要に応じて水素イオン
（プロトン）交換基を有するフッ素樹脂からなる触媒層
が設けられており、燃料ガスまたは酸化性ガスと接触す
るようになっている。

【００１０】セパレータ５ａに設けられている流路６ａ
から燃料ガス（水素または水素含有ガス）Ａが流されて
燃料電極膜３に水素が供給される。また、セパレータ５
ｂに設けられている流路６ｂからは空気のような酸化性
ガスＢが流され、酸素が供給される。これらガスの供給
により下記のような電気化学反応が生じて直流電力が発
生する。

【００１１】アノード側： Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ カソード側： (1/2)Ｏ₂＋２Ｈ＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ 固体高分子型燃料電池セパレータに求められる機能は、
（１）燃料極側で、燃料ガスを面内均一に供給する“流
路”としての機能、（２）カソード側で生成した水を、
燃料電池より反応後の空気、酸素といったキャリアガス
とともに効率的に系外に排出させる“流路”としての機
能、（３）長時間にわたって電極として低電気抵抗、良
電導性を維持する単セル間の電気的“コネクタ”として
の機能、および（４）隣り合うセルで一方のセルのアノ
ード室と隣接するセルのカソード室との“隔壁”として
の機能などである。

【００１２】これまで、セパレータ材料としてカーボン
板材の適用が鋭意検討されてきているが、カーボン板材
には“割れやすい”という問題があり、さらに表面を平
坦にするための機械加工コストおよびガス流路形成のた
めの機械加工コストが非常に高くなる問題がある。それ
ぞれが宿命的な問題であり、燃料電池の商用化そのもの
を難しくさせかねない状況がある。

【００１３】カーボンの中でも、熱膨張性黒鉛加工品は
格段に安価であることから、固体高分子型燃料電池セパ
レータ用素材として最も注目されている。しかしなが
ら、ガス透過性を低減して前記隔壁としての機能を付与
するためには、“複数回”に及ぶ樹脂含浸と焼成を実施
しなければならない。また、平坦度確保および溝形成の
ための機械加工コスト等今後も解決すべき課題が多く、
実用化されるに至っていないのが現状である。

【００１４】こうした黒鉛系素材の適用の検討に対峙す
る動きとして、コスト削減を目的に、セパレータにステ
ンレス鋼を適用する試みが開始されている。

【００１５】特開平１０−２２８９１４号公報には、金
属製部材からなり、単位電池の電極との接触面に直接金
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。金属製部材として、ステンレス鋼、アルミニウムお
よびＮｉ−鉄合金が挙げられており、ステンレス鋼とし
ては、ＳＵＳ３０４が用いられている。この発明では、
セパレータは金めっきが施されているので、セパレータ
と電極との接触抵抗が低下し、セパレータから電極への
電子の導通が良好となるため、燃料電池の出力電圧が大
きくなるとされている。

【００１６】特開平８−１８０８８３号公報には、表面
に形成される不働態膜が大気により容易に生成される金
属材料からなるセパレータが用いられている固体高分子
電解質型燃料電池が開示されている。金属材料としてス
テンレス鋼とチタン合金が挙げられている。この発明で
は、セパレータに用いられる金属の表面には、必ず不働
態膜が存在しており、金属の表面が化学的に侵され難く
なって燃料電池セルで生成された水がイオン化される度
合いが低減され、燃料電池セルの電気化学反応度の低下
が抑制されるとされている。また、セパレータの電極膜
等に接触する部分の不働体膜を除去し、貴金属層を形成
することにより、電気接触抵抗値が小さくなるとされて
いる。

【００１７】しかしながら、上記の公開公報に開示され
ている表面に不働態膜を備えたステンレス鋼のような金
属材料をそのままセパレータに用いても、耐食性が十分
でなく金属の溶出が起こり、溶出金属イオンにより担持
触媒性能が劣化（以下、担持触媒の被毒と記す）する。
また、溶出後に生成するCr-OH、Fe-OHのような腐食生成
物により、セパレータの接触抵抗が増加するという問題
があるので、金属材料からなるセパレータには、コスト
を度外視した金めっき等の貴金属めっきが施されている
のが現状である。

【００１８】これまでの金属材料のセパレータへの適用
は、適用したという実績があるにすぎず、実用化にはほ
ど遠い状況にある。

【００１９】セパレータとして、高価な表面処理を施さ
ない“無垢”で適用でき、電池環境での電気伝導性に優
れると共に、耐食性に優れたステンレス鋼の開発がなさ
れれば、燃料電池の製造コストが格段に低下し、固体高
分子型燃料電池の商用化、用途拡大が期待できる。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、高価
な表面処理を施す必要がなく、溶出金属イオンによる各
電極担持触媒の被毒が極めて少なく、かつ腐食生成物に
よる電極との接触電気抵抗の増加および不働態皮膜の強
化による接触抵抗の増加が少ないステンレス鋼のセパレ
ータを備えた固体電解質型燃料電池を提供することにあ
る。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、以下の
通りである。

【００２２】固体高分子電解質膜を中央にして燃料電極
膜と酸化剤電極膜を重ね合わせた単位電池を複数個、単
位電池間にセパレータを介在させて積層した積層体に、
燃料ガスと酸化剤ガスを供給して直流電力を発生させる
固体高分子型燃料電池において、セパレータが下記
（１）または（２）の化学組成を有するフェライト系ス
テンレス鋼からなることを特徴とする固体高分子型燃料
電池。

【００２３】（１）重量％で、 Ｃ：０．０１２％以下、 Ｓｉ：０．０１〜０．６％、 Ｍｎ：０．０１〜０．６％、 Ｐ：０．０２６％以下、 Ｓ：０．００４％以下、 Ｎ：０．０２％以下、 Ｖ：０．２％以下、 Ｃｕ：０．０１〜０．８％、 Ｎｉ：０．２〜６％、 Ｃｒ：１０．５〜３５％、 Ａｌ：０．００１〜０．２％、 Ｍｏ：０〜６％を含有し、 かつＣ、Ｎ、ＣｒおよびＭｏ含有量は下記式、を満
足する範囲内にある Ｃ＋Ｎ≦０．０３％ ・・・・・・・・・・・・・・・・・ １０．５％≦Ｃｒ＋３Ｍｏ≦４３％ ・・・・・・ ここで、元素記号は各元素の含有量（重量％）を示す
（２）重量％で、 Ｃ：０．０１２％以下、 Ｓｉ：０．０１〜０．６％、 Ｍｎ：０．０１〜０．６％、 Ｐ：０．０２６％以下、 Ｓ：０．００４％以下、 Ｎ：０．０２％以下、 Ｖ：０．２％以下、 Ｃｕ：０．０１〜０．８％、 Ｎｉ：０．２〜６％、 Ｃｒ：１０．５〜３５％、 Ａｌ：０．００１〜０．２％、 Ｍｏ：０〜６％を含有し、 さらに、Ｎｂ：０．００１〜０．３％、Ｔｉ：０．００
１〜０．１５％の一方または 双方を含み、かつＣ、
Ｎ、Ｃｒ、Ｍｏ含有量は、下記式およびを満足し、
ＮｂおよびＴｉ含有量は下記式および、またはを満
足する範囲内にある Ｃ＋Ｎ≦０．０３％ ・・・・・・・・・・・・・・・・・ １０．５％≦Ｃｒ＋３Ｍｏ≦４３％ ・・・・・ ６≦Ｎｂ／Ｃ≦２５ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ ６≦Ｔｉ／（Ｃ＋Ｎ）≦２５ ・・・・・・・・・・・・ ここで、元素記号は各元素の含有量（重量％）を示す なお、セパレータとは前述した４つの機能を有するもの
である。すなわち、ａ）燃料極側で、燃料ガスを面内均
一に供給する"流路"としての機能、ｂ）カソード側で生
成した水を、燃料電池より反応後の空気、酸素といった
キャリアガスとともに効率的に系外に排出させる"流路"
としての機能、ｃ）長時間にわたって電極として低電気
抵抗、良電導性を維持する単セル間の電気的"コネクタ"
としての機能、およびｄ）隣り合うセルで一方のセルの
アノード室と隣接するセルのカソード室との"隔壁"とし
ての機能を有するものである。これらの機能を複数枚の
プレートで機能分担させる構造にする場合もある。本発
明でいうセパレータとは、上記４つの機能のうちの少な
くとも一つの機能を有するプレートをセパレータと言
う。

【００２４】本発明者らは、ステンレス鋼からなるセパ
レータを備えた固体高分子型燃料電池を開発するため、
セパレータが置かれる環境において、ステンレス鋼表面
から溶出する金属イオンを可能な限り低減することを目
標に、単セルを用いて種々試験を実施した。その結果、
以下の知見を得て本発明を完成するに至った。

【００２５】ａ）セパレータが置かれるｐＨが１〜３と
低い環境（以下、単にセパレータ環境と記す）におい
て、オーステナイト系ステンレス鋼は耐食性が不十分で
あり、金属の溶出が著しくセパレータには不適当であ
る。

【００２６】ｂ）セパレータ環境で、フェライト系ステ
ンレス鋼は良好な耐食性を発揮するが、一般のフェライ
ト系ステンレス鋼では、電池性能に影響を及ぼす程度の
金属の溶出が生じる。

【００２７】ｃ）金属が溶出すると、腐食生成物（Ｆｅ
を主体とする水酸化物）が生成し、接触電気抵抗の増大
をもたらし、かつ担持触媒性能に著しい悪影響を及すの
で、起電力に代表される電池性能が短時間で劣化する。
また、水素イオン（プロトン）交換基を有するフッ素系
イオン交換樹脂膜の陽イオン伝導度にも悪影響を及ぼ
す。

【００２８】ｄ）金属の溶出を防止するためには、フェ
ライト系ステンレス鋼中の不純物のうち、Ｓ、Ｐ、Ｖ、
Ｍｎの含有量を低減すると共に、不働態被膜を強固にし
なければならない。

【００２９】ｅ）不働態被膜を強固にしても、被膜厚を
厚くすると接触電気抵抗が増大し、電池効率が著しく低
下する。

【００３０】ｆ）不働態被膜を強固にするために、フェ
ライト系ステンレス鋼に、適量のＣｕおよびＮｉを含有
させるのが良く、それにより鋼表面の不働態化が促進さ
れ、不働態保持電流密度を低めるのに効果的で、溶出イ
オン量の低減に極めて有効である。

【００３１】ｇ）特に、セパレータ環境での金属の溶出
防止には、Ｓの低減とＣｕおよびＮｉ複合添加による相
乗効果が大きい。

【００３２】ｈ）セパレータ環境で金属の溶出を抑制す
るためには、２５℃におけるｐＨが２．６で、８０℃に
昇温した硫酸水溶液中で不働態の状態を維持し続けなけ
ればならない。すなわち、上記硫酸溶液中で、０.２Ｖ
vs. ＳＣＥにおける不働態維持電流密度は５０μＡ/ｃ
ｍ²以下になるようにしなければならない。

【００３３】ｉ）そのためには、ＣｒとＭｏの含有量は
（Ｃｒ＋３Ｍｏ）が１０．５〜４３％の範囲内になるよ
うにする必要がある。

【００３４】ｊ）Ｍｏを含有させれば耐食性が確保さ
れ、Ｍｏは溶出したとしても、アノードおよびカソード
部に担持されている触媒の性能に対する影響が比較的軽
微である。

【００３５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の固体高分子型燃料
電池が備えているフェライト系ステンレス鋼からなるセ
パレータの化学組成を規定した理由を詳しく説明する。
なお、下記成分の％表示は重量％を示す。

【００３６】Ｃ、Ｎ：鋼中のＣ、Ｎは、常温靭性改善の
目的から、Ｃは０．０１２％以下、Ｎは０．０２％以下
で、かつＣ＋Ｎ値で０．０３％以下とすることが必要で
ある。Ｃ、Ｎは、浸入型元素であり、高純度フェライト
系ステンレス鋼の母材靭性、溶接部耐食性および靭性劣
化の原因となる。Ｃ、Ｎは厳しく制限することが、高純
度フェライト系ステンレス鋼の製造工程での熱延コイル
靭性対策となり、製造コストの上昇を避けることができ
る。鋼中のＣ、Ｎを極低化すればするほど常温靭性は改
善するので低ければ低い程良い。

【００３７】Ｓｉ：鋼中のＳｉ量は、０．０１〜０．６
％の範囲内であることが必要である。Ｓｉは、量産鋼に
おいてはＡｌと同様に有効な脱酸元素である。０．０１
％未満では脱酸が不十分となり、一方０．６％を超える
と成形性が低下するので、Ｓｉ含有は０．０１〜０．６
％とした。０．１％から０．２５％前後が生産性、成形
性の改善、生産コスト低減の観点からは最も望ましい。

【００３８】Ｍｎ：鋼中Ｍｎ量は、０．０１〜０．６％
の範囲内であることが必要である。通常、Ｍｎは、鋼中
のＳをＭｎ系の硫化物として固定する作用があり、熱間
加工性を改善する効果がある。また脱酸元素あるいはＮ
ｉバランス調整元素として積極的に添加しても良い。こ
れらの効果を得るには、０．０１％以上が必要である。
一方、上限は０．６％とする。これは、不働態を維持し
ている状態においても金属の溶出がわずかづつ進行する
が、０．６％を超える量になると、溶出したＭｎイオン
が、アノードおよびカソード触媒層の被毒に対して少な
からず影響を及ぼすためである。

【００３９】Ｐ：鋼中のＰ量は、０．０２６％以下であ
ることが必要である。通常のステンレス商用鋼のＰ含有
レベルは、０．０２６％から０．０３５％程度である。
セパレータにとっては、ＰはＳと並んで最も有害な不純
物である。低ければ低い程望ましい。

【００４０】Ｓ：鋼中のＳ量は、０．００４％以下とす
ることが必要である。Ｓは、鋼中共存元素および鋼中の
Ｓ量に応じて、Ｍｎ系硫化物、Ｃｒ系硫化物、Ｆｅ系硫
化物、Ｔｉ系硫化物、これらの複合硫化物および酸化物
との複合非金属介在物としてほとんどは析出している。
しかしながら、セパレータ環境においては、いずれの組
成の非金属介在物も、程度の差はあるものの腐食の起点
として作用し、不働態化の維持、腐食溶出抑制に有害で
ある。

【００４１】また、燃料電池が作動している状況におい
て、フェライト系ステンレス鋼からなるセパレータとＭ
ＥＡ（Membrane Electrode Assembly）間の隙間内は、
電池反応および／または酸素濃度差電池腐食が起こるこ
とにより隙間内のｐＨが低下し、ミクロ電池腐食を起こ
しやすい状況となるが、硫化物系非金属介在物はその際
の腐食起点、加速因子として大きな影響を及ぼす。通常
の量産鋼の鋼中Ｓ量は、０．００５％超え０．００８％
前後であるが、上記の有害な影響を防止するためには
０．００４％以下に低減する必要がある。望ましい鋼中
Ｓ量は０．００２％以下であり、最も望ましい鋼中Ｓ量
レベルは、０．００１％未満であり、低ければ低い程良
い。

【００４２】Ｖ：鋼中のＶは、０．２％以下にする必要
である。一般に、Ｖはステンレス鋼を溶製する際の必須
溶解原料であるＣｒ源中に不純物として含有されてお
り、ある程度の混入は不可避である。但し、溶出したＶ
は、アノードおよびカソード部に担持されている触媒の
性能に対して少なからず悪影響を及ぼす。電池特性維持
の上から、許容できる上限は０．２％であり、低ければ
低い程良い。

【００４３】Ｃｕ：Ｃｕは、０．０１〜０．８％とする
必要がある。フェライト系ステンレス鋼は、不働態皮膜
が不安定となる臨界ｐＨ以上のｐＨ環境においては、Ｎ
ｉを多量に含有するオーステナイト系ステンレス鋼に比
べて優れた耐食性質を示し、不働態維持状態における溶
出速度も小さい特徴を有している。この特徴は、フェラ
イト系ステンレス鋼中にＣｕを添加することにより、一
層改善される。

【００４４】固体高分子型燃料電池用セパレータ環境含
め、不働態保持状態にある素材からの金属溶出を低減さ
せるために、適正量のＣｕを添加すると不働態化を促進
し、不働態保持電流密度を低めることに極めて効果的で
ある。不働態化の程度が顕著に改善されることは、溶出
金属イオン量を低減することにとって極めて有効なこと
であり、ひいては溶出金属イオンによる触媒被毒の程度
を顕著に改善するために極めて有効である。これらの効
果を得るためには０．０１％以上含有させることが必要
で、０．８％を超えると効果がほぼ飽和し、製造性低
下、製造コストアップの原因となる。したがって、Ｃｕ
含有量は０．０１〜０．８％とした。０．１５〜０．６
５％が最も効果的である。

【００４５】Ｎｉ：Ｎｉ含有量は、０．２〜６％の範囲
内とする必要がある。Ｎｉは、Ｃｕと同様に、フェライ
ト系ステンレス鋼の不働態皮膜を安定にして、不働態皮
膜が不安定となる臨界ｐＨ以上のｐＨ環境における不働
態維持状態における金属の溶出速度を小さくする効果を
有している。Ｎｉを含有させることにより、セパレータ
環境での不働態保持状態での金属溶出が低減し、溶出金
属イオンによる触媒被毒の程度が顕著に改善される。こ
の効果を得るためには０．２％以上が必要である。

【００４６】Ｎｉのこの効果は、特にＣｕと複合で含有
させ、かつＳ量を低減することにより、一層顕著にな
る。しかし、６％を超えると、フェライト−オーステナ
イトの二相組織、あるいは、マルテンサイト組織とな
り、成形性が劣化する。二相組織では、成形性に方向性
が強くなり、またマルテンサイト系では、強度が高くな
り、セパレータのような鋼板の成形が必要な用途には不
向きである。

【００４７】Ｃｒ、Ｍｏ：Ｃｒ、Ｍｏはともに、耐食性
を確保する上での基本合金元素である。含有量は高いほ
ど高耐食となるが、高Ｃｒ化するに伴い常温靭性が低下
する傾向があり、Ｃｒ量で３５％を超えると量産での生
産は困難となる。また、１０．５％未満では、その他の
元素を変化させてもセパレータとして必要な耐食性の確
保が困難となる。

【００４８】Ｍｏは必要により含有させる元素で、Ｃｒ
に比べ、少量で耐食性を改善する効果がある。含有させ
る場合６％を超えて含有させると、シグマ相等の金属間
化合物の析出回避が困難であり、鋼の脆化の問題から生
産が困難となるので上限を６％とする。積極的にＭｏ含
有させることで、耐食性が確保される。Ｍｏが溶出した
としても、アノードおよびカソード部に担持されている
触媒の性能に対する影響は比較的軽微である。

【００４９】（Ｃｒ％＋３Ｍｏ％）：セパレータ用ステ
ンレス鋼としては、固体高分子型燃料電池の作動温度で
ある７０℃から高々１００℃の環境において不働態化の
状態にあり、かつ、継時的にも接触電気抵抗値が低いこ
とが必要である。不働態皮膜厚さ増加と腐食生成物生成
を実用的な範囲で抑制する必要がある。そのための必要
条件として、実際の作動状態にある電池内部の模擬環境
として妥当と判断される。「２５℃におけるｐＨが２．
６の硫酸水溶液８０℃中」で不働態化していることが少
なくとも必要である。本環境で、０.2Ｖ vs. ＳＣＥに
おける不働態維持電流密度が５０μＡ/ｃｍ²以下である
必要がある。本条件を満たすためには、少なくとも、Ｃ
ｒおよびＭｏの含有量は、腐食指数である（Ｃｒ％＋３
Ｍｏ％）が１０．５〜４３％の範囲内にあることが必要
である。

【００５０】Ａｌ：Ａｌは脱酸に有効であり、その効果
を得るためには０．００１％以上が必要である。しか
し、０．２％を超えると更なる改善硬化が認められなく
なるとともに、製造コストアップが大きくなり過ぎるた
め０．２％以下とする。

【００５１】Ｎｂ、Ｔｉ：鋼中Ｃ、Ｎとの結合力がＣｒ
よりも強い合金元素であるＮｂおよびＴｉの１種または
２種を、必要により含有させる。Ｎｂは、０．００１〜
０．３％でかつ、Ｎｂ(％)/Ｃ(％)は６〜２５の範囲
で、またＴｉは、０．００１〜０．１５％で、かつＴｉ
(％)/Ｃ＋Ｎ(％)は６〜２５の範囲内とする。

【００５２】Ｎｂ、Ｔｉは、低温靭性改善に極めて効果
的である。鋼板の成形性改善に果たす効果も大きい。た
だし、腐食に伴い溶出したＮｂは、腐食面に腐食生成物
として堆積し、接触電気抵抗を高める弊害がある。ま
た、腐食に伴い溶出したＴｉは、固体高分子型燃料電池
アノードおよびカソード極側に担持している触媒性能を
低める害がある。したがって、含有させる場合は必要最
低量にする必要があり、上記範囲内であれば上記の効果
が得られ、かつ上記弊害を避けることができる。また、
ＮｂとＴｉを同時に添加することで、冷延鋼板素材の加
工性が改善される。

【００５３】希土類元素（ＲＥＭ）：希土類元素は、溶
鋼段階でＳとの結合力が極めて強いので、Ｓを無害化す
る。必要によりミッシュメタルのような形で含有させて
も良い。含有量は、０．１％以下の微量で十分効果が得
られる。

【００５４】上記元素以外の元素を必要により含有させ
てもよい。例えば、熱間加工性改善には、０．１以下の
微量のＣａ、ＭｇやＢを含有させるのがよい。

【００５５】

【実施例】表１に示した２６種の化学組成のフェライト
系ステンレス鋼を高周波誘導加熱方式の１５０kg真空溶
解炉で溶解した。溶解原料としては、市販の不純物の少
ない原料を厳選して使用し、鋼中の不純物量を調整し
た。

【００５６】

【表１】

【００５７】造塊した横断面が丸形のインゴットは、大
気中で１２３０℃に３時間加熱した後、プレス方式鍛造
機で熱間鍛造し、各インゴットを下記２種の寸法の試験
用スラブに仕上げた。

【００５８】厚さ３０ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ１２
０ｍｍ 厚さ７０ｍｍ、幅３８０ｍｍ、長さ５５０ｍｍ のスラブは、熱間圧延して厚さ６ｍｍの熱延鋼板と
し、次いで量産での熱延終了直後の温度履歴を模擬した
断熱材巻き付け条件で徐冷した。常温での熱延コイルの
靱性を調べるためシャルピー衝撃試験に供した。試験片
は、JIS−４号ハーフサイズとした。のスラブは、機
械加工でスラブ表面を切削加工して、表面の酸化スケー
ルを除去し、厚さ６２ｍｍのスラブに仕上げた。このス
ラブを大気中で１２００℃に加熱し、熱間圧延して厚さ
４ｍｍに仕上げた後、と同様、量産での熱延終了直後
の温度履歴を模擬した断熱材巻き付け条件で徐冷した。

【００５９】この熱延鋼板に、化学組成に応じて下記の
温度で、保持４分の溶体化処理を施し、強制空冷した。 表１のNo.１〜４、１５〜２０の化学組成の熱延鋼板 ・・・・ ９３０℃ 表１のNo.５〜８、１２、１３、２１、２２の熱延鋼板・・・・１０００℃ 表１のNo.９〜１１、２３〜２６の熱延鋼板 ・・・・１０８０℃ 各温度は、再結晶が進行し、金属間化合物が固溶する温
度とした。在炉時間はおよそ２０分であった。

【００６０】次いで、溶体化処理した熱延鋼板を、多段
式ゼンジマー型ロール圧延機を用い途中で中間焼鈍を挟
みながら、冷間圧延をおこない厚さ０．３ｍｍに仕上げ
た。最終仕上げ焼鈍は、露点が−５０℃以下である水素
雰囲気の光輝焼鈍炉内で行い、温度は熱間圧延素材の焼
鈍温度と同じとした。保持時間は１分であり、在炉時間
で約３分であった。

【００６１】この冷間圧延焼鈍材から、下記寸法のセパ
レータ模擬環境での不働態皮膜の評価をおこなうための
試験片、および実際の固体高分子型燃料電池への装填用
のセパレータをプレス成形により製作した。

【００６２】なお、比較例のNo.２７については、模擬
環境用試験片およびセパレータを作製後、片側５μm厚
さの金めっきを施した。

【００６３】模擬環境用試験片：厚さ０．３ｍｍ、幅１
０ｍｍ、長さ１０ｍｍ セパレータ：厚さ０．３ｍｍ、縦８０ｍｍ、横８０ｍｍ ガス流路：高さ０．８ｍｍ、山と山との間隔１．２ｍｍ
（コルゲート加工）これらをの表面をショット加工用Ｓ
ｉＣ砥粒を用いて機械的にショット研磨仕上げし、５％
ＨＮＯ₃＋３％ＨＦ、４０℃中で１５分間の超音波洗浄
を行い、さらに、試験直前に６％水酸化ナトリウム水溶
液を用いたアルカリ噴霧脱脂処理を行い、流水で簡易水
洗後、バッチ型水槽で蒸留水浸漬洗浄を３回行い、さら
に蒸留水噴霧洗浄を４分間行って冷風ドライアー乾燥さ
せた後、各試験に供した。

【００６４】模擬環境での試験として、特級試薬の硫酸
を用いて作成した２５℃におけるｐＨが２．６である硫
酸水溶液を８０℃に昇温し、その溶液中に試験片を６時
間浸漬した。不働態化の有無は、腐食減量、素材表面か
らの水素気泡発生の有無、試験溶液の色変化から評価す
ると共に、金属の溶出程度をより正確に調べるため、
０．２Ｖ vs SCE における不働態保持電流密度を測定
した。

【００６５】シャルピー衝撃試験結果およびセパレータ
模擬環境における試験結果は、表２に示す通りであっ
た。

【００６６】

【表２】

【００６７】表２から明らかなように、本発明例では、
８０℃に昇温した２５℃におけるｐＨが２．６である硫
酸水溶液中で不働態化状態にあり、溶出の程度を示す
“不働態保持電流密度”も3０μＡ/ｃｍ²以下となって
いる。

【００６８】ステンレス鋼を固体高分子型燃料電池用セ
パレータとして適用する際には、不働態保持電流密度を
可能な限り低いレベルとすることが望ましいことは言う
までもない。安定して低い値をとることが重要であり、
１０μＡ/ｃｍ²未満が最も望ましく、次いで１０〜２０
μＡ/ｃｍ²であることが望ましい。

【００６９】比較例の不働態保持電流密度は５０〜７０
μＡ/ｃｍ²であり、抑制されていると言えるが、セパレ
ータから比較的大きな溶出が起こっている状態であるこ
とを示している。

【００７０】本発明者らは、燃料電池用セパレータ材料
としての適用可否を判断する基準として、実機単セル電
池での性能特性との関係から不働態保持密度電流＞５０
μｍ/ｃｍ² では性能が不十分であると判断した。不働
態保持電流密度が５０μｍ/ｃｍ²以下の材料において
は、実単セル評価試験でも、問題となる程度の継時的性
能劣化を確認するには至っておらず、迅速模擬環境評価
条件として極めて適切であると判断している。本結果に
おいても、発明例の場合は固体高分子型燃料電池環境で
最も望ましい金属素材のひとつである金めっき素材（供
試鋼２７）と同じレベルであり、相対的に見て良好な性
能が確保できると判断された。

【００７１】次に、実際の固体高分子型単セル電池内部
にセパレータとして装填した状態での特性評価として、
電池内に燃料ガスを流してから１時間経過後に単セル電
池の電圧を測定し、初期の電圧と比較することにより電
圧の低下率を調べた。なお、低下率は、１−（１時間経
過後の電圧Ｖ／初期電圧ｖ）により求めた。

【００７２】評価に用いた固体高分子型燃料単セル電池
は、米国Electrochem社製市販電池セル“ＦＣ５０（商
品名）”を改造して用いた。

【００７３】アノード極側燃料用ガスとしては９９．９
９９９％水素ガスを用い、カソード極側ガスとしては空
気を用いた。電池本体は全体を７８±２℃に保温すると
共に、電池内部の湿度制御を、セル出側の排ガス水分濃
度測定をもとに入り側で調整した。設定湿度は、７８±
２℃である。電池内部の圧力は、1気圧である。水素ガ
ス、空気の電池への導入ガス圧は０．０４〜０．２０ｂ
ａｒで調整した。セル性能評価は、単セル電圧で５００
ｍＡ/cm²−０．６２Ｖとなるのを確認できた状態より継
時的に測定を行った。

【００７４】単セル性能測定用システムとしては、米国
スクリブナー社製890 シリーズを基本とした燃料電池計
測システムを改造して用いた。電池運転状態により、特
性に変化があると予想されるが、同一条件での比較評価
である。

【００７５】結果を表２に示す。

【００７６】表２から明らかなように、本発明例では電
圧低下率は全て０．０５以下であり、No.２７の高価で
高耐食性の金めっきしたセパレータと同等となった。そ
れに対して本発明で規定した化学組成を外れた比較例で
は、電圧低下率が０．２〜０．８と極めて大きかった。

【００７７】一部の試験片で、長時間の試験を実施して
評価おこなったが、表２に示した短時間試験結果と近似
した相関結果が得られた。

【００７８】ステンレス鋼の常温での靭性は、一般にオ
ーステナイト系ステンレス鋼に比べてフェライト系ステ
ンレス鋼は劣っている。しかし、表２のシャルピー試験
結果から明らかなように、鋼中のＣ、Ｎ含有量が高い比
較例の場合に比べて、Ｃ、Ｎ含有量が低い一連の本発明
例の場合は格段に優れた靱性を有している。すなわち、
高純度フェライト系ステンレス鋼製造時に問題となる熱
延コイル常温靭性は良好であると言える。一般に常温靭
性は、板厚が薄くなると見かけ上改善されるため、本発
明の鋼のレベルであれば実用上全く問題がない。

【００７９】

【発明の効果】本発明の固体高分子型燃料電池は、セパ
レータがフェライト系ステンレス鋼からなり、高価な金
めっきを施す必要ないので、安価に製造ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】固体高分子型燃料電池の構造を示す図である。

【符号の説明】

１ 燃料電池 ２ 固体分子電解質膜 ３ 燃料電極膜 ４ 酸化剤電極膜 ５ａ、５ｂ セパレータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−146006（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−126812（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−188853（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−311620（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−157801（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−280103（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01M 8/02 H01M 8/10 C22C 38/00 302 C22C 38/46 C22C 38/50

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固体高分子電解質膜を中央にして燃料電極
   膜と酸化剤電極膜を重ね合わせた単位電池を複数個、単
   位電池間にセパレータを介在させて積層した積層体に、
   燃料ガスと酸化剤ガスを供給して直流電力を発生させる
   固体高分子型燃料電池において、セパレータが下記の化
   学組成を有するフェライト系ステンレス鋼からなること
   を特徴とする固体高分子型燃料電池。重量％で、 Ｃ：０．０１２％以下、 Ｓｉ：０．０１〜０．６％、 Ｍｎ：０．０１〜０．６％、 Ｐ：０．０２６％以下、 Ｓ：０．００４％以下、 Ｎ：０．０２％以下、 Ｖ：０．２％以下、 Ｃｕ：０．０１〜０．８％、 Ｎｉ：０．２〜６％、 Ｃｒ：１０．５〜３５％、 Ａｌ：０．００１〜０．２％、 Ｍｏ：０〜６％を含有し、 かつＣ、Ｎ、ＣｒおよびＭｏ含有量は下記式、を満
   足する範囲内にある Ｃ＋Ｎ≦０．０３％ ・・・・・・・・・・・・・・・・・ １０．５％≦Ｃｒ＋３×Ｍｏ≦４３％・・・・・・ ここで、元素記号は各元素の含有量（重量％）を示す
2. 【請求項２】固体高分子電解質膜を中央にして燃料電極
   膜と酸化剤電極膜を重ね合わせた単位電池を複数個、単
   位電池間にセパレータを介在させて積層した積層体に、
   燃料ガスと酸化剤ガスを供給して直流電力を発生させる
   固体高分子型燃料電池において、セパレータが下記の化
   学組成を有するフェライト系ステンレス鋼からなること
   を特徴とする固体高分子型燃料電池。 Ｃ：０．０１２％以下、 Ｓｉ：０．０１〜０．６％、 Ｍｎ：０．０１〜０．６％、 Ｐ：０．０２６％以下、 Ｓ：０．００４％以下、 Ｎ：０．０２％以下、 Ｖ：０．２％以下、 Ｃｕ：０．０１〜０．８％、 Ｎｉ：０．２〜６％、 Ｃｒ：１０．５〜３５％、 Ａｌ：０．００１〜０．２％、 Ｍｏ：０〜６％を含有し、 さらに、Ｎｂ：０．００１〜０．３％、Ｔｉ：０．００
   １〜０．１５％の一方または 双方を含み、かつＣ、
   Ｎ、Ｃｒ、Ｍｏ含有量は、下記式およびを満足し、
   ＮｂおよびＴｉ含有量は下記式および、またはを満
   足する範囲内にある Ｃ＋Ｎ≦０．０３％ ・・・・・・・・・・・・・・・・・ １０．５％≦Ｃｒ＋３Ｍｏ≦４３％ ・・・・・ ６≦Ｎｂ／Ｃ≦２５ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ ６≦Ｔｉ／（Ｃ＋Ｎ）≦２５ ・・・・・・・・・・・・ ここで、元素記号は各元素の含有量（重量％）を示す