JP3097690B1 - Polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

Polymer electrolyte fuel cell

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JP3097690B1
JP3097690B1 JP11103357A JP10335799A JP3097690B1 JP 3097690 B1 JP3097690 B1 JP 3097690B1 JP 11103357 A JP11103357 A JP 11103357A JP 10335799 A JP10335799 A JP 10335799A JP 3097690 B1 JP3097690 B1 JP 3097690B1
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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。 【解決手段】S、P、V、NiおよびCu等の不純物を
低くし、CrとMoの含有量を、Cr:10.5〜35
%、Mo:0.5〜5%で、かつ12%≦Cr+3Mo
≦43%を満足させた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。
The present invention provides a solid oxide fuel cell including a stainless steel separator having extremely low poisoning of each electrode-supported catalyst due to eluting metal ions. SOLUTION: Impurities such as S, P, V, Ni and Cu are reduced, and the content of Cr and Mo is reduced to Cr: 10.5 to 35.
%, Mo: 0.5 to 5%, and 12% ≦ Cr + 3Mo
A solid oxide fuel cell including a stainless steel separator satisfying ≦ 43%.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[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。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell used as a small distributed power source for a vehicle or a home.

【0002】[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。
2. Description of the Related Art A fuel cell is a cell that generates DC power using hydrogen and oxygen, and is a solid electrolyte fuel cell, a molten carbonate fuel cell, a phosphoric acid fuel cell, and a polymer electrolyte fuel cell. and so on. The name of the fuel cell is derived from the constituent materials of the "electrolyte" part that forms the basis of the cell.

【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。
At present, fuel cells that have reached the commercial stage include a phosphoric acid fuel cell and a molten carbonate fuel cell.
Approximate operating temperatures of the fuel cell are 1000 ° C. for a solid oxide fuel cell, 650 ° C. for a molten carbonate fuel cell, 200 ° C. for a phosphoric acid fuel cell, and 80 ° C. for a polymer electrolyte fuel cell.

【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。
A solid oxide fuel cell has an operating temperature of 80
Since it is easy to start and stop at low temperatures around ℃ and the energy efficiency can be expected to be about 40%, it can be used as an emergency dispersed power source for small business establishments and telephone offices, a small household dispersed power source using city gas as fuel, hydrogen gas It is expected to be put to practical use worldwide as a power source for low-pollution electric vehicles using methanol or gasoline as fuel.

【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。
[0005] The above-mentioned various fuel cells are referred to by a common name of "fuel cell", but when considering the constituent materials of the respective cells, it is necessary to consider them completely different. The performance required by the presence or absence of corrosion of the constituent materials due to the electrolyte used, the presence or absence of high-temperature oxidation that begins to become apparent at around 380 ° C, the presence or absence of sublimation and reprecipitation of the electrolyte, the presence of condensation, etc. Because it is completely different. In fact, the materials used are also various, ranging from graphite-based materials to Ni clad materials, high alloys, and stainless steels.

【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。
[0006] It is hardly conceivable to apply the materials used in commercially available phosphoric acid fuel cells and molten carbonate fuel cells to the constituent materials of polymer electrolyte fuel cells.

【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。
FIG. 1 is a view showing the structure of a polymer electrolyte fuel cell. FIG. 1 (a) is an exploded view of a fuel cell (single cell), and FIG. 1 (b) is a perspective view of the whole fuel cell. It is. As shown in FIG. 1, the fuel cell 1 is an aggregate of single cells. In the single cell, as shown in FIG. 1A, a solid polymer electrolyte membrane 2 has a fuel electrode membrane (anode) 3 laminated on one surface and an oxidant electrode membrane (cathode) 4 laminated on the other surface. It has a structure in which separators 5a and 5b are overlapped on both surfaces.

【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。
A typical solid polymer electrolyte membrane 2 includes:
There is a fluorine ion exchange resin membrane having a hydrogen ion (proton) exchange group.

【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。
The fuel electrode film 3 and the oxidant electrode film 4 include
A catalyst layer made of a particulate platinum catalyst, graphite powder, and, if necessary, a fluororesin having a hydrogen ion exchange group is provided so as to come into contact with a fuel gas or an oxidizing gas.

【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
により電気化学反応が生じて直流電力が発生する。
The flow path 6a provided in the separator 5a
From the fuel gas (hydrogen or hydrogen-containing gas) A to supply hydrogen to the fuel electrode film 3. Also, the separator 5
An oxidizing gas B such as air is flown from a flow path 6b provided in b, and oxygen is supplied. The supply of these gases causes an electrochemical reaction to generate DC power.

【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。
Anode side: H 2 → 2H + + 2e Cathode side: (1/2) O 2 + 2H + 2e → H 2 O The functions required of the polymer electrolyte fuel cell separator are:
(1) a function as a “flow path” for uniformly supplying fuel gas in a plane on the fuel electrode side, and (2) water generated on the cathode side,
A function as a "flow path" that efficiently discharges air and oxygen from the fuel cell together with the carrier gas such as air and oxygen outside the system. (3) Between single cells that maintain low electrical resistance and good electrical conductivity as electrodes for a long time And (4) the function as a "partition wall" between the anode chamber of one cell and the cathode chamber of an adjacent cell in an adjacent cell.

【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。
Until now, the use of a carbon plate as a separator material has been intensively studied. However, the carbon plate has a problem that it is easily cracked. Further, the machining cost for flattening the surface and the gas flow path are reduced. There is a problem that the machining cost for forming is very high. Each is a fatal issue, and there are situations that can make commercialization of fuel cells themselves difficult.

【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。
[0013] Among carbons, a heat-expandable graphite product has been receiving the most attention as a material for a polymer electrolyte fuel cell separator because it is extremely inexpensive. However, in order to reduce the gas permeability and impart the function as the partition wall, the resin impregnation and firing must be performed “a plurality of times”. In addition, there are many issues to be solved in the future, such as machining costs for securing flatness and forming grooves,
At present, it has not been put to practical use.

【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。
[0014] In response to the study of the application of such graphite materials, attempts have been made to apply stainless steel to the separator for the purpose of cost reduction.

【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。
Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-228914 discloses a fuel cell separator made of a metal member and having a gold plating directly applied to a contact surface of a unit cell with an electrode. Stainless steel, aluminum, and Ni-iron alloy are listed as metal members, and SUS304 is used as stainless steel. In the present invention,
It is said that since the separator is plated with gold, the contact resistance between the separator and the electrode is reduced, and the conduction of electrons from the separator to the electrode is improved, so that the output voltage of the fuel cell is increased.

【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。
JP-A-8-180883 discloses a solid polymer electrolyte fuel cell in which a passive film formed on the surface uses a separator made of a metal material that is easily formed by the atmosphere. I have. Stainless steel and titanium alloy are mentioned as metal materials. In the present invention, a passivation film is always present on the surface of the metal used for the separator, and the degree of ionization of water generated in the fuel cell is reduced due to the fact that the surface of the metal is hardly chemically attacked. The fuel cell is said to be reduced, and a decrease in the electrochemical reactivity of the fuel cell is suppressed. Further, it is said that the electrical contact resistance value is reduced by removing the passive body film at the portion of the separator that contacts the electrode film or the like and forming a noble metal layer.

【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。
However, even if a metal material such as stainless steel provided with a passivation film on the surface disclosed in the above-mentioned publication is used for the separator as it is, the corrosion resistance is not sufficient and the metal is eluted, and the metal eluted. The supported catalyst performance is degraded by ions (hereinafter, referred to as poisoning of the supported catalyst).
In addition, corrosion products such as Cr-OH and Fe-OH generated after elution have a problem that the contact resistance of the separator increases. At present, noble metal plating is applied.

【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。
The application of metal materials to separators so far has only been applied, and is far from practical use.

【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。
As a separator, which can be applied “pure” without expensive surface treatment and has excellent electric conductivity in a battery environment and stainless steel excellent in corrosion resistance, the production cost of a fuel cell will increase. This is a drastic decrease, and the commercialization of polymer electrolyte fuel cells and the expansion of applications can be expected.

【0020】[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。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to eliminate the need for expensive surface treatment, to minimize the poisoning of each electrode-carrying catalyst by metal ions eluted, and to reduce the contact electric contact with electrodes by corrosion products. An object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell provided with a stainless steel separator in which the increase in resistance and the increase in contact resistance due to the strengthening of a passive film are small.

【0021】[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。
The gist of the present invention is as follows.

【0022】(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。
(1) A plurality of unit cells in which a fuel electrode membrane and an oxidant electrode membrane are stacked with the solid polymer electrolyte membrane at the center, and a fuel gas And a oxidizing gas to generate DC power, wherein the separator is made of a ferritic stainless steel having the following chemical composition.

【0023】重量%で、 S:0.005%以下、 P:0.025%以下、 V:0.2%以下、 Ni:0.2%以下、 Cu:0.2%以下、 Cr:10.5〜35%、 Mo:0〜6%、 希土類元素:0〜0.1% を含有し、かつ(Cr+3Mo)が10.5〜43%の
範囲内にある (2)フェライト系ステンレス鋼中のSiおよびMn
が、重量%で、Si量が0.3%以下、Mnが0.4%
以下である上記(1)記載の固体高分子型燃料電池。
S: 0.005% or less, P: 0.025% or less, V: 0.2% or less, Ni: 0.2% or less, Cu: 0.2% or less, Cr: 10 0.5 to 35%, Mo: 0 to 6%, rare earth element: 0 to 0.1%, and (Cr + 3Mo) in the range of 10.5 to 43% (2) In ferritic stainless steel Si and Mn
, By weight, Si content 0.3% or less, Mn 0.4%
The polymer electrolyte fuel cell according to the above (1), which is:

【0024】(3)フェライト系ステンレス鋼中のCお
よびN量が、重量%で、C:0.018%以下、N:
0.018%以下、かつCとNの合計含有量が、0.0
25%以下である上記(1)または(2)記載の固体高
分子型燃料電池。
(3) The content of C and N in the ferritic stainless steel is, by weight%, C: 0.018% or less, and N:
0.018% or less, and the total content of C and N is 0.0
The polymer electrolyte fuel cell according to the above (1) or (2), wherein the content is 25% or less.

【0025】(4)フェライト系ステンレス鋼が、Ti
とNbの1種または2種を含有しており、Tiが、重量
%で0.2%以下で、かつ6(C%+N%)〜25(C
%+N%)の範囲、およびNbが0.3%以下で、かつ
6C%〜25C%の範囲内にある上記(1)から(3)
のいずれか記載の固体高分子型燃料電池。
(4) The ferritic stainless steel is made of Ti
And one or two of Nb, and Ti is 0.2% by weight or less, and 6 (C% + N%) to 25 (C
% + N%), and the above (1) to (3), in which Nb is 0.3% or less and in the range of 6 C% to 25 C%.
The polymer electrolyte fuel cell according to any one of the above.

【0026】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。
The separator has the four functions described above. That is, a) a function as a "flow path" for uniformly supplying a fuel gas in-plane on the fuel electrode side, b) air generated on the cathode side by reacting air from the fuel cell,
Function as a "flow path" to efficiently discharge out of the system together with carrier gas such as oxygen, c) Function as an electrical "connector" between single cells that maintains low electrical resistance and good electrical conductivity as an electrode for a long time And d) adjacent cells have a function as a "partition wall" between the anode chamber of one cell and the cathode chamber of the adjacent cell. In some cases, the functions are shared by a plurality of plates. As used herein, the term “separator” refers to a plate having at least one of the above four functions.

【0027】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 a)セパレータが置かれるpHが1〜3の環境(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。
The present inventors have developed a polymer electrolyte fuel cell having a separator made of stainless steel,
In an environment where the separator is placed, various tests were performed using a single cell with the aim of reducing as much as possible the metal ions eluted from the stainless steel surface. as a result,
Achieved the present invention based on the following findings a) An environment where the pH of the separator is 1 to 3 (hereinafter, referred to as
In this case, austenitic stainless steel has insufficient corrosion resistance and metal is eluted remarkably, making it unsuitable for a separator.

【0028】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。
B) In a separator environment, ferritic stainless steel exhibits good corrosion resistance, but general ferritic stainless steel elutes metal to an extent that affects battery performance.

【0029】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。
C) When the metal is eluted, the corrosion product (Fe
(Mainly a hydroxide), which causes an increase in the contact electric resistance and has a remarkable adverse effect on the performance of the supported catalyst, so that the battery performance represented by electromotive force is deteriorated in a short time.
In addition, the cation conductivity of the fluorinated ion exchange resin membrane having hydrogen ion (proton) exchange groups is adversely affected.

【0030】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、
NiおよびCuの含有量を同時に低減すると共に、不働
態被膜を強固にしなければならない。
D) In order to prevent the elution of the metal, among the impurities in the ferritic stainless steel, S, P, V,
The content of Ni and Cu must be reduced at the same time, and the passivation film must be strengthened.

【0031】e)不働態被膜を強固にしても、不働態被
膜厚さ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。
E) Even if the passivation film is strengthened, if the passivation film thickness is increased, the contact electric resistance is increased and the battery efficiency is significantly reduced.

【0032】f)不働態被膜を厚くすることなく強固に
して、セパレータ環境で金属の溶出を抑制するために
は、CrとMoの含有量は(Cr%+3×Mo%)が1
2〜43%の範囲内になるようにする必要がある。
F) In order to strengthen the passivation film without thickening it and to suppress metal elution in the separator environment, the content of Cr and Mo is (Cr% + 3 × Mo%) of 1
It is necessary to be within the range of 2 to 43%.

【0033】g)積極的にMoを添加することで、耐食
性が確保されるが、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
影響は比較的軽微である。
G) By actively adding Mo, corrosion resistance is ensured. However, even if Mo is eluted, the influence on the performance of the catalyst supported on the anode and the cathode is relatively small.

【0034】[0034]

【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。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The reason why the chemical composition of the ferrite stainless steel separator provided in the polymer electrolyte fuel cell of the present invention is specified will be described in detail below.
In addition,% display of the following components shows weight%.

【0035】S:鋼中のS量は、0.005%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、金属の腐食溶出抑制に
有害である。
S: The amount of S in steel must be 0.005% or less. S is a Mn-based sulfide, a Cr-based sulfide, a Fe-based sulfide, a Ti-based sulfide, a composite non-metal with these composite sulfides and oxides, depending on the coexisting element in the steel and the amount of S in the steel. Most are precipitated as inclusions.
However, in a separator environment, non-metallic inclusions of any composition, although varying in degree, act as a starting point of corrosion, and are harmful to maintaining passivation and suppressing corrosion elution of metals.

【0036】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
0.005%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、低ければ低い程よ
い。
In a situation where the fuel cell is operating, a separator made of ferritic stainless steel and a M
In the gap between EA (Membrane Electrode Assembly)
Due to the battery reaction and / or oxygen concentration difference battery corrosion, the pH in the gap is lowered and micro battery corrosion is likely to occur. However, sulfide-based nonmetallic inclusions are corrosion starting points and acceleration factors at that time. Have a big impact. S content in normal mass-produced steel exceeds 0.005% and 0.008%
Before and after, it is necessary to reduce it to 0.005% or less in order to prevent the above harmful effects. The desirable S content in steel is 0.002% or less, and the most desirable S content level in steel is less than 0.001%, the lower the better.

【0037】P:鋼中のP量は、0.025%以下であ
ることが必要である。通常のステンレス商用鋼含有レベ
ルは、0.026〜0.035%程度である。Pは不可
避的な不純物であり、Sと並んで、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の影響を及ぼす有
害素である。低い程望ましい。
P: The amount of P in steel must be 0.025% or less. Normal stainless commercial steel content levels are on the order of 0.026-0.035%. P is an unavoidable impurity and, along with S, is a harmful element that has a considerable effect on poisoning of the anode and cathode catalyst layers. The lower the better.

【0038】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
低いほどよい。
V: V in steel must be 0.2% or less. In general, V is contained as an impurity in a Cr source, which is an essential melting raw material when smelting stainless steel, and it is unavoidable to mix V to some extent. However, the eluted V
Has a considerable adverse effect on the performance of the catalyst supported on the anode and cathode parts. From the viewpoint of maintaining battery characteristics, the allowable upper limit is 0.2%, and the lower the better, the better.

【0039】Cu,Ni:鋼中のCu、Niは、いずれ
も、あるいは双方ともに0.2%以下にする必要があ
る。一般に不純物程度の微量Cu、Niであっても、低
pH環境におけるステンレス鋼の耐食性を改善する効果
を有する。しかしながら、セパレータ環境では、不働態
維持状態における微量のCu、Niイオン溶出であって
もアノードおよびカソード触媒層の被毒に対して影響を
及ぼすので、上限を0.2%とする必要がある。スクラ
ップからの混入も含めて、鋼中のCu、Ni量は低い方
が望ましいが、0.2%以下の極微量不純物レベルのC
u、Niが、フェライト系ステンレス鋼の不働態化能を
高め、不働態化状態での金属溶出を抑制する作用も有
し、結果として電池性能を改善するため、上限を0.2
%とする。
Cu, Ni: Cu or Ni in the steel must be 0.2% or less for both or both. In general, even trace amounts of Cu and Ni, which are as small as impurities, have an effect of improving the corrosion resistance of stainless steel in a low pH environment. However, in the separator environment, even if a small amount of Cu and Ni ions are eluted in the passive state, the poisoning of the anode and cathode catalyst layers is affected, so the upper limit must be 0.2%. It is desirable that the amount of Cu and Ni in the steel be low, including contamination from scrap.
Since u and Ni have the effect of increasing the passivation ability of ferritic stainless steel and suppressing metal elution in the passivated state, and as a result, improving the battery performance, the upper limit is 0.2.
%.

【0040】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。
Cr, Mo: Cr and Mo are both basic alloying elements for ensuring corrosion resistance. The higher the content, the higher the corrosion resistance, but the higher the Cr content, the lower the room temperature toughness tends to be. If the Cr content exceeds 35%, mass production becomes difficult. If it is less than 10.5%, it becomes difficult to secure the corrosion resistance required for a separator even if other elements are changed.

【0041】Moは、必要により含有させる元素で、C
rに比べて少量で耐食性を改善する効果がある。0.5
%未満ではMoの効果が明確でなくなる。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5%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は比較的軽微であり、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が小さい。
Mo is an element to be contained if necessary.
An effect of improving the corrosion resistance is obtained with a small amount as compared with r. 0.5
%, The effect of Mo is not clear. In the case where it is contained, if it is contained in excess of 6%, it is difficult to avoid precipitation of intermetallic compounds such as a sigma phase, and production becomes difficult due to the problem of embrittlement of steel. By positively containing Mo, corrosion resistance is ensured. Even if Mo is eluted, the effect on the performance of the catalyst supported on the anode and the cathode is relatively minor, and the cation conductivity of the fluorinated ion exchange resin membrane having hydrogen ion (proton) exchange groups is also affected. The adverse effects are small.

【0042】(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、CrおよびMoの含有量は、腐食指数であ
る(Cr%+3Mo%)が12〜43%の範囲内にある
ことが必要である。
(Cr% + 3Mo%): As the stainless steel for the separator, it is in a passivated state in an environment of 70 ° C. to 100 ° C. at most, which is the operating temperature of the polymer electrolyte fuel cell, and it is continuous. In addition, it is necessary that the contact electric resistance is low. It is necessary to suppress the increase in the thickness of the passive film and the formation of corrosion products within a practical range. As a necessary condition for this, the content of Cr and Mo needs to have a corrosion index (Cr% + 3Mo%) in the range of 12 to 43%.

【0043】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。そのためには、本環境で0.2V vs.
SCE における不働態維持電流密度が50μA/cm2
未満であることが望ましい。
The pH at 25 ° C. is determined to be appropriate as a simulated environment inside the battery in an actual operating state.
At 80 ° C. of a sulfuric acid aqueous solution ”is at least necessary. For this purpose, 0.2V vs.
Passive maintenance current density in SCE is 50 μA / cm 2
Desirably less than.

【0044】Si:鋼中のSi量は、0.3%以下にす
るのが好ましい。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。しかし、溶出したSi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、電池特性維持の上からは明らかに有害
であるため0.3%以下とする。0.25%前後での生
産が量産コスト低減の観点からは最も望ましいが、セパ
レータ環境では0.2%未満であることが望ましい。さ
らに望ましいのは、0.1%未満である。
Si: The amount of Si in the steel is preferably 0.3% or less. Si is a deoxidizing element as effective as Al in mass-produced steel. However, the eluted Si has a considerable effect on the poisoning of the anode and cathode catalyst layers, and is obviously harmful from the viewpoint of maintaining battery characteristics. Production at around 0.25% is most desirable from the viewpoint of mass production cost reduction, but it is desirably less than 0.2% in a separator environment. Even more desirable is less than 0.1%.

【0045】Mn:鋼中Mn量は、0.4%以下とする
のが望ましい。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Niバランス調整元素
として積極的に添加してもよい。しかし、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、0.4%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。望ましくは、0.1%未満であ
る。0.45以下のMnであれば、量産の際の熱間割れ
などの問題も発生することなく製造が可能である。製造
コストアップもほとんど問題とならない。
Mn: The Mn content in steel is desirably 0.4% or less. Usually, Mn has an effect of fixing S in steel as Mn-based sulfide, and has an effect of improving hot workability. Further, it may be positively added as a deoxidizing element or a Ni balance adjusting element. However, while the passive state is maintained, the elution of the metal progresses little by little. However, when the amount exceeds 0.4%, the eluted Mn ions are less likely to poison the anode and cathode catalyst layers. Influence. Desirably, it is less than 0.1%. If the Mn is 0.45 or less, it can be manufactured without problems such as hot cracking during mass production. Increase in manufacturing cost is hardly a problem.

【0046】C、N:鋼中のC、Nは、常温靭性改善の
目的から、Cは0.018%以下、Nは0.018%以
下で、かつC%+N%値で0.025%以下とすること
が望ましい。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、溶接部の耐食性およ
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熱延コイルの製
造工程で問題となる常温靭性対策となり、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ほどよ
い。
C, N: C and N in the steel are 0.018% or less, N is 0.018% or less, and 0.025% in C% + N% value for the purpose of improving room temperature toughness. It is desirable to make the following. C and N are intrusive elements and cause deterioration of base metal toughness, corrosion resistance and toughness of a welded portion of high-purity ferritic stainless steel. Strictly limiting C and N is a measure against room temperature toughness, which is a problem in the process of manufacturing a hot-rolled coil of high-purity ferritic stainless steel, and can avoid an increase in manufacturing cost. Room temperature toughness improves as C and N in the steel are made extremely low, so the lower the better, the better.

【0047】Ti:Tiは、必要により0.2%以下
で、(C%+N%)値の6倍以上、25倍以下の範囲量
で含有させる。Tiは、アノードおよびカソード触媒層
に被毒を及ぼすので、本来は低減されるべき元素である
が、量産での製造性確保、薄板の加工性確保の観点よ
り、必要により最低量含有させる。
Ti: If necessary, Ti is contained in an amount of 0.2% or less and in a range of 6 times or more and 25 times or less of the (C% + N%) value. Ti is an element that should be reduced because it poisons the anode and cathode catalyst layers. However, from the viewpoint of ensuring productivity in mass production and ensuring workability of a thin plate, Ti is contained in a minimum amount as necessary.

【0048】溶接性が要求されない場合には、(C%+
N%)値×6倍以上、10倍以下が最も望ましい。溶接
性が求められる場合には、(C%+N%)値の10倍以
上、16倍以下が最も望ましい。介在物起因の板表面疵
発生を回避するためには、0.1%以下とすることが望
ましい。必要以上含有させると、不働態維持状態におけ
る金属の溶出によるアノードおよびカソード触媒性能劣
化の原因となる。
When weldability is not required, (C% +
(N%) value × 6 times or more and 10 times or less is most desirable. When weldability is required, the value is most preferably 10 times or more and 16 times or less of the (C% + N%) value. In order to avoid the occurrence of plate surface flaws due to inclusions, the content is desirably 0.1% or less. If it is contained more than necessary, it may cause deterioration of the performance of the anode and cathode catalysts due to elution of the metal in the passive state.

【0049】Nb:Nbは、必要により含有させる元素
で、Tiと同様に鋼中C、Nとの結合力がCrよりも強
い合金元素である。Nbは、0.3%以下で、かつC%
×6〜C%×25[すなわち、Nb(%)/C(%)=6〜
25%]の範囲内で含有させる。熱延コイルの常温靭性
を含め靭性改善に極めて効果的である。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ので、母材性能の
観点のみからはNb含有量は低い方が望ましい。ただ
し、溶接部の性能の確保や、NbとTiを同時に含有さ
せて冷延鋼板素材の加工性を改善する必要があると判断
される場合には必要最少量添加する。
Nb: Nb is an element to be contained if necessary, and is an alloy element having a stronger bonding force with C and N in steel than Cr, like Ti. Nb is 0.3% or less and C%
× 6 to C% × 25 [that is, Nb (%) / C (%) = 6 to
25%]. It is extremely effective in improving toughness including the cold room toughness of hot rolled coils. However, Nb eluted due to corrosion accumulates as a corrosion product on the corroded surface and has a harmful effect of increasing the contact electric resistance. Therefore, it is preferable that the Nb content is low from the viewpoint of base metal performance only. However, if it is determined that it is necessary to improve the workability of the cold-rolled steel sheet material by ensuring the performance of the welded portion or simultaneously containing Nb and Ti, the minimum necessary amount is added.

【0050】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
る効果がある。したがって、必要によりミッシュメタル
のような形で添加しても良い。含有量は、0.1%以下
で十分効果が得られる。
Rare earth element (REM): The rare earth element has an extremely strong bonding force with S in the molten steel stage, and thus has the effect of rendering S harmless. Therefore, if necessary, it may be added in the form of misch metal. A sufficient effect can be obtained when the content is 0.1% or less.

【0051】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
Ca、MgやBを含有させるのがよい。
If necessary, an element other than the above elements may be contained. For example, in order to improve the hot workability, it is preferable to contain Ca, Mg or B of 0.1 or less.

【0052】[0052]

【実施例】表1に示した28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。
EXAMPLES Ferritic stainless steels having 28 kinds of chemical compositions shown in Table 1 were melted in a high-frequency induction heating type 150 kg vacuum melting furnace. As the melting raw material, a commercially available raw material having a small amount of impurities was carefully selected and used, and the amount of impurities in the steel was adjusted.

【0053】[0053]

【表1】 [Table 1]

【0054】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。
The ingot having a round cross-section was heated to 1230 ° C. for 3 hours in the atmosphere, and then hot forged with a press-type forging machine. Finished.

【0055】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 Z2202 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。
Thickness 30 mm, width 100 mm, length 12
A slab having a thickness of 0 mm, a thickness of 70 mm, a width of 380 mm, and a length of 550 mm is hot-rolled into a hot-rolled steel sheet having a thickness of 6 mm, and then gradually cooled under heat insulating material wrapping conditions simulating the temperature history immediately after the end of hot rolling in mass production. did. A Charpy impact test was conducted to examine the hot rolled coil toughness at room temperature. The test piece was JIS Z2202 No. 4 half size. The slab was cut into a slab having a thickness of 62 mm by cutting the slab surface by machining to remove oxide scale on the surface.
This slab was heated to 1200 ° C. in the air and hot-rolled to a thickness of 4 mm, and then gradually cooled under heat insulating material winding conditions simulating the temperature history immediately after the end of hot rolling in mass production.

【0056】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.25の熱延鋼板 ・・・・・・・・・・・ 830℃ 表1のNo.11〜15、16〜23の熱延鋼板・・・・ 900℃ 表1のNo.1〜10の熱延鋼板 ・・・・・・・・ 930℃ 表1のNo.24、29の熱延鋼板 ・・・・・・・・ 980℃ 表1のNo.26,27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。
The hot-rolled steel sheet was subjected to a solution treatment for 4 minutes at the following temperature in accordance with the chemical composition, and was forcibly air-cooled. No. 25 hot-rolled steel sheet in Table 1… 830 ° C No. 11 to 15 and 16 to 23 hot-rolled steel sheet in Table 1 ... 900 ° C No. Hot-rolled steel sheets 1 to 10 930 ° C Hot-rolled steel sheets No. 24 and 29 in Table 1 980 ° C Hot-rolled steel sheets No. 26 and 27 in Table 1 Steel plate 1080 ° C. Each temperature was set to a temperature at which recrystallization proceeds and an intermetallic compound forms a solid solution. Furnace time was approximately 20 minutes.

【0057】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。
Next, the hot-rolled steel sheet subjected to the solution treatment was cold-rolled using a multi-stage Sendzimer-type roll rolling mill while sandwiching intermediate annealing on the way to finish it to a thickness of 0.3 mm. The final finish annealing was performed in a bright annealing furnace in a hydrogen atmosphere having a dew point of −50 ° C. or less, and the temperature was the same as the annealing temperature of the hot-rolled material. The holding time was 1 minute, and the oven time was about 3 minutes.

【0058】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。
From this cold rolled annealed material, a test piece for evaluating a passive film in a separator simulated environment having the following dimensions and a separator for loading into an actual polymer electrolyte fuel cell were formed by press molding. Made.

【0059】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、片面5μm厚
さの金めっきを施した。
For No. 27 of Comparative Example, a test piece for a simulated environment and a separator were prepared, and then gold plating was applied to one side of a thickness of 5 μm.

【0060】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)これらの表面をショット加工用Si
C砥粒を用いて機械的にショット研磨仕上げし、5%H
NO3+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おこない、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。
Test specimen for simulated environment: thickness 0.3 mm, width 1
0 mm, length 10 mm Separator: thickness 0.3 mm, length 80 mm, width 80 mm Gas flow path: height 0.8 mm, spacing between peaks 1.2 mm
(Corrugating) These surfaces are shot Si
Mechanically shot-polished using C abrasives, 5% H
Ultrasonic cleaning was performed for 15 minutes in NO 3 + 3% HF at 40 ° C. Further, immediately before the test, alkali spray degreasing treatment using 6% sodium hydroxide aqueous solution was performed. Distilled water immersion cleaning was performed three times, and distilled water spray cleaning was further performed for 4 minutes to dry with a cool air dryer, and then subjected to each test.

【0061】模擬環境での試験として、特級試薬の硫酸
を用いて調整した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、不働態化の有無を腐食減量、素材表面からの
水素気泡発生、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、0.2Vvs S
CE における不働態保持電流密度を測定した。
As a test in a simulated environment, a sulfuric acid aqueous solution having a pH of 2.6 at 25 ° C. adjusted with sulfuric acid as a special grade reagent was heated to 80 ° C., and the test piece was immersed in the solution for 6 hours. In addition to evaluating the presence or absence of passivation from corrosion weight loss, generation of hydrogen bubbles from the material surface, color change of the test solution,
0.2V vs S
The passivation current density at CE was measured.

【0062】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。
The results of the Charpy impact test and the test results in the simulated separator environment are as shown in Table 2.

【0063】[0063]

【表2】 [Table 2]

【0064】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20μA/cm2以下となって
いる。
As is clear from Table 2, in the example of the present invention,
It is in a passivated state in a sulfuric acid aqueous solution having a pH of 2.6 at 25 ° C. at a temperature of 80 ° C., and the “passive holding current density” indicating the degree of elution is also 20 μA / cm 2 or less.

【0065】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は
可能な限り低いレベルとすることが望ましいことはいう
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。
When stainless steel is used as a separator for a polymer electrolyte fuel cell, it is needless to say that the passive state holding current density is desirably as low as possible. It is important to take a stable low value,
Less than 10 μA / cm 2 is most desirable, then 10-20
μA / cm 2 is desirable.

【0066】比較例の不働態電流密度は、30〜80μ
A/cm2であり、抑制されているといえるが、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。
The passive current density of the comparative example is 30 to 80 μm.
A / cm 2 , which can be said to be suppressed, but indicates that relatively large elution has occurred from the separator.

【0067】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電流密度>50
μA/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50μA/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。
The present inventors have determined that the passive state holding current density> 50 based on the relationship with the performance characteristics of an actual single cell battery as a criterion for judging the applicability as a fuel cell separator material.
It was determined that the performance was insufficient at μA / cm 2 . In the case of a material having a passivation holding current density of 50 μA / cm 2 or less, even a real single cell evaluation test has not been able to confirm the problematic continuous deterioration of the performance, which is extremely suitable as a rapid simulation environment evaluation condition. Is determined to be. Also in the present results, in the case of the invention example, it is at the same level as the gold plating material (test steel 27) which is one of the most desirable metal materials in the polymer electrolyte fuel cell environment. It was determined that it could be secured.

【0068】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。
Next, as an evaluation of characteristics in a state where the battery was loaded as a separator inside an actual solid polymer type single cell battery,
One hour after the flow of the fuel gas into the battery, the voltage of the single cell battery was measured and compared with the initial voltage to determine the rate of voltage decrease. The rate of decrease was determined by 1− (voltage V after one hour has elapsed / initial voltage v).

【0069】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を改造して
用いた。
The polymer electrolyte fuel cell used in the evaluation was a modified battery cell FC50 manufactured by Electrochem, USA.

【0070】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。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
0.04〜0.20barで調整した。セル性能評価
は、単セル電圧で500mA/cm2−0.62Vが確認で
きた状態より継時的に測定を行った。
The gas for fuel on the anode side is 99.9.
999% hydrogen gas was used, and air was used as the cathode electrode side gas. The entire body of the battery was kept at 78 ± 2 ° C., and the humidity control inside the battery was adjusted on the entry side based on the measurement of the exhaust gas moisture concentration on the cell exit side. The pressure inside the battery is
1 atm. The introduction gas pressure of hydrogen gas and air into the battery was adjusted at 0.04 to 0.20 bar. The cell performance evaluation was continuously performed from a state where 500 mA / cm 2 −0.62 V was confirmed at a single cell voltage.

【0071】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。
As a single cell performance measuring system, a modified fuel cell measuring system based on the 890 series manufactured by Scribner, USA was used. It is expected that the characteristics will change depending on the battery operating state, but this is a comparative evaluation under the same conditions.

【0072】結果を表2に示した。The results are shown in Table 2.

【0073】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。ま
た、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0.3〜0.8と極めて大きかった。
As is evident from Table 2, in the examples of the present invention, the voltage drop rates were all 0.05 or less, which was equivalent to the No. 27 expensive and highly corrosion-resistant gold-plated separator. Moreover, in the comparative example which deviated from the chemical composition specified in the present invention, the voltage reduction rate was extremely large, 0.3 to 0.8.

【0074】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
した相関した結果が得られた。
Some of the test pieces were evaluated by performing a long-term test, and the results obtained were close to the short-term test results shown in Table 2 and correlated.

【0075】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。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
発明の場合のレベルであれば実用上全く問題がない。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
となる熱延コイルの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。
The toughness of stainless steel at room temperature is generally inferior to ferritic stainless steel as compared to austenitic stainless steel. However, as is clear from the Charpy test results in Table 2, the series of examples of the present invention having lower C and N contents are much superior to the comparative examples having higher C and N contents in steel. It has high toughness. In general, the room temperature toughness is apparently improved as the sheet thickness becomes thinner, so that there is no practical problem at the level of the present invention. That is, it can be said that the normal temperature toughness of the hot-rolled coil, which is a problem when producing a high-purity ferritic stainless steel, is good. In general, the room temperature toughness is apparently improved as the sheet thickness is reduced, and therefore there is no practical problem at the level of the steel of the present invention.

【0076】[0076]

【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。
The polymer electrolyte fuel cell of the present invention can be manufactured at a low cost because the separator is made of ferritic stainless steel and does not require expensive gold plating.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】固体高分子型燃料電池の構造を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a structure of a polymer electrolyte fuel cell.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

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 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell 2 Solid molecular electrolyte membrane 3 Fuel electrode membrane 4 Oxidizer electrode membrane 5a, 5b Separator

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8−188853(JP,A) 特開 平8−311620(JP,A) 特開 平9−157801(JP,A) 特開 平9−241809(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 Continuation of the front page (56) References JP-A-6-146006 (JP, A) JP-A-8-188853 (JP, A) JP-A-8-311620 (JP, A) JP-A-9-157801 (JP) JP-A 9-241809 (JP, A) JP-A 10-280103 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01M 8/02 H01M 8/10 C22C 38/00 302 C22C 38/46 C22C 38/50

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【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、 S:0.005%以下、 P:0.025%以下、 V:0.2%以下、 Ni:0.2%以下、 Cu:0.2%以下、 Cr:10.5〜35%、 Mo:0〜6%、 希土類元素:0〜0.1% を含有し、かつ(Cr+3Mo)が10.5〜43%の
範囲内にある
1. A laminate in which a plurality of unit cells in which a fuel electrode membrane and an oxidant electrode membrane are overlapped with a solid polymer electrolyte membrane in the center, and a separator is interposed between the unit cells,
A polymer electrolyte fuel cell for supplying a fuel gas and an oxidant gas to generate DC power, wherein the separator is made of a ferritic stainless steel having the following chemical composition. % By weight, S: 0.005% or less, P: 0.025% or less, V: 0.2% or less, Ni: 0.2% or less, Cu: 0.2% or less, Cr: 10.5 or more 35%, Mo: 0 to 6%, Rare earth element: 0 to 0.1%, and (Cr + 3Mo) is in the range of 10.5 to 43%
【請求項2】フェライト系ステンレス鋼中のSiおよび
Mnが、重量%で、Si量が0.3%以下、Mnが0.
4%以下であることを特徴とする請求項1記載の固体高
分子型燃料電池。
2. The ferrite stainless steel contains Si and Mn in a weight percentage of not more than 0.3% and Mn of not more than 0.3%.
The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the content is 4% or less.
【請求項3】 フェ
ライト系ステンレス鋼中のCおよびN量が、重量%で、
C:0.018%以下、N:0.018%以下、かつC
とNの合計含有量が、0.025%以下である請求項1
または2記載の固体高分子型燃料電池。
3. The amount of C and N in the ferritic stainless steel is expressed in% by weight,
C: 0.018% or less, N: 0.018% or less, and C
And the total content of N and N is 0.025% or less.
Or the polymer electrolyte fuel cell according to 2.
【請求項4】フェライト系ステンレス鋼が、TiとNb
の1種または2種を含有しており、Tiが、重量%で
0.2%以下で、かつ6(C%+N%)〜25(C%+
N%)の範囲、およびNbが0.3%以下で、かつ6C
%〜25C%の範囲内にある請求項1から3のいずれか
記載の固体高分子型燃料電池。
4. A ferritic stainless steel comprising Ti and Nb.
One or two of the following, and Ti is not more than 0.2% by weight%, and 6 (C% + N%) to 25 (C% +
Nb) and Nb is 0.3% or less and 6C
The polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the concentration is in the range of 25% to 25C%.
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