JP5218612B2 - 燃料電池セパレータ用ステンレス鋼 - Google Patents
燃料電池セパレータ用ステンレス鋼 Download PDFInfo
- Publication number
- JP5218612B2 JP5218612B2 JP2011166580A JP2011166580A JP5218612B2 JP 5218612 B2 JP5218612 B2 JP 5218612B2 JP 2011166580 A JP2011166580 A JP 2011166580A JP 2011166580 A JP2011166580 A JP 2011166580A JP 5218612 B2 JP5218612 B2 JP 5218612B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- less
- stainless steel
- metal
- peak
- contact resistance
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 46
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 title claims abstract description 45
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 32
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 79
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 79
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 33
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 32
- 229910052755 nonmetal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- 238000001420 photoelectron spectroscopy Methods 0.000 claims abstract description 7
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims abstract description 4
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 27
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 16
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 16
- 238000000034 method Methods 0.000 description 13
- 238000004833 X-ray photoelectron spectroscopy Methods 0.000 description 11
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 11
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 9
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 8
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 7
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 7
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 6
- 238000010306 acid treatment Methods 0.000 description 5
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 5
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 5
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 5
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 4
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 4
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 description 4
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 4
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N Phosphoric acid Chemical group OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 3
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 3
- 238000007598 dipping method Methods 0.000 description 3
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 3
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 3
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 238000005554 pickling Methods 0.000 description 3
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 3
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003929 acidic solution Substances 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 2
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 2
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 2
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 2
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L Carbonate Chemical compound [O-]C([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 1
- 229910000147 aluminium phosphate Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000963 austenitic stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001721 carbon Chemical class 0.000 description 1
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000005587 carbonate group Chemical group 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 238000007405 data analysis Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 238000005098 hot rolling Methods 0.000 description 1
- 239000004615 ingredient Substances 0.000 description 1
- 239000003014 ion exchange membrane Substances 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 150000002843 nonmetals Chemical group 0.000 description 1
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920005597 polymer membrane Polymers 0.000 description 1
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000011002 quantification Methods 0.000 description 1
- 238000005204 segregation Methods 0.000 description 1
- 238000002791 soaking Methods 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 239000002436 steel type Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
- H01M8/0206—Metals or alloys
- H01M8/0208—Alloys
- H01M8/021—Alloys based on iron
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D6/00—Heat treatment of ferrous alloys
- C21D6/004—Heat treatment of ferrous alloys containing Cr and Ni
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
- C21D9/46—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for sheet metals
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/001—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing N
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/004—Very low carbon steels, i.e. having a carbon content of less than 0,01%
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/02—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing silicon
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/04—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing manganese
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/06—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing aluminium
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
- C22C38/20—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with copper
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
- C22C38/22—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with molybdenum or tungsten
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
- C22C38/26—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with niobium or tantalum
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
- C22C38/28—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with titanium or zirconium
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
- C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
- C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
- C22C38/44—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with molybdenum or tungsten
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
- C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
- C22C38/50—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with titanium or zirconium
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C22/00—Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
- C23C22/05—Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using aqueous solutions
- C23C22/06—Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using aqueous solutions using aqueous acidic solutions with pH less than 6
- C23C22/34—Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using aqueous solutions using aqueous acidic solutions with pH less than 6 containing fluorides or complex fluorides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23F—NON-MECHANICAL REMOVAL OF METALLIC MATERIAL FROM SURFACE; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL; MULTI-STEP PROCESSES FOR SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL INVOLVING AT LEAST ONE PROCESS PROVIDED FOR IN CLASS C23 AND AT LEAST ONE PROCESS COVERED BY SUBCLASS C21D OR C22F OR CLASS C25
- C23F17/00—Multi-step processes for surface treatment of metallic material involving at least one process provided for in class C23 and at least one process covered by subclass C21D or C22F or class C25
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23G—CLEANING OR DE-GREASING OF METALLIC MATERIAL BY CHEMICAL METHODS OTHER THAN ELECTROLYSIS
- C23G1/00—Cleaning or pickling metallic material with solutions or molten salts
- C23G1/02—Cleaning or pickling metallic material with solutions or molten salts with acid solutions
- C23G1/08—Iron or steel
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23G—CLEANING OR DE-GREASING OF METALLIC MATERIAL BY CHEMICAL METHODS OTHER THAN ELECTROLYSIS
- C23G1/00—Cleaning or pickling metallic material with solutions or molten salts
- C23G1/02—Cleaning or pickling metallic material with solutions or molten salts with acid solutions
- C23G1/08—Iron or steel
- C23G1/086—Iron or steel solutions containing HF
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25F—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC REMOVAL OF MATERIALS FROM OBJECTS; APPARATUS THEREFOR
- C25F1/00—Electrolytic cleaning, degreasing, pickling or descaling
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25F—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC REMOVAL OF MATERIALS FROM OBJECTS; APPARATUS THEREFOR
- C25F1/00—Electrolytic cleaning, degreasing, pickling or descaling
- C25F1/02—Pickling; Descaling
- C25F1/04—Pickling; Descaling in solution
- C25F1/06—Iron or steel
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
- Heat Treatment Of Sheet Steel (AREA)
- Cleaning And De-Greasing Of Metallic Materials By Chemical Methods (AREA)
Description
本発明は、耐食性に優れるとともに、接触電気抵抗（以下、接触抵抗と称することもある）特性および接触抵抗維持能力に優れた燃料電池セパレータ用ステンレス鋼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。この燃料電池は、水素と酸素を反応させて電気を発生させるもので、その基本構造は、サンドイッチのような構造を有しており、電解質膜(イオン交換膜)、２つの電極(燃料極と空気極)、水素および酸素（空気）の拡散層、および２つのセパレータから構成されている。そして、用いる電解質の種類により、リン酸形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形、アルカリ形および固体高分子形などが開発されている。
上記燃料電池の中で、固体高分子形燃料電池は、溶融炭酸塩形およびリン酸形燃料電池等に比べて、(1)運転温度が80℃程度と格段に低い、(2)電池本体の軽量化・小形化が可能である、(3)立上げが早く、燃料効率、出力密度が高いなどの特徴を有している。このため、固体高分子形燃料電池は、電気自動車の搭載用電源や家庭用、携帯用の小型分散型電源(定置型の小型発電機)として利用すべく、今日もっとも注目されている燃料電池の一つである。
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原理によるものであり、その構造は、図1 に示すように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膜−電極接合体(MEA: Membrane-Electrode Assembly、厚み数10〜数100μｍ)1をカーボンクロス等のガス拡散層2、3およびセパレータ4、5により挟み込み、これを単一の構成要素 (単セル) とし、セパレータ4と5の間に起電力を生じさせるものである。このとき、ガス拡散層はMEAと一体化される場合も多い。この単セルを数十から数百個直列につないで燃料電池スタックを構成し、使用されている。
セパレータには、単セル間を隔てる隔壁としての役割に加えて、(1) 発生した電子を運ぶ導電体、(2) 酸素（空気）や水素の流路（それぞれ図1中の空気流路6、水素流路7）および（3）生成した水や排出ガスの排出路（それぞれ図1中の空気流路6、水素流路7）としての機能が求められる。
このように、固体高分子型燃料電池を実用に供するためには、耐久性や電気伝導性に優れたセパレータを使用する必要があり、現在までに実用化されている固体高分子形燃料電池は、セパレータとして、グラファイトなどのカーボン素材を用いたものが提供されている。また、チタン合金など様々な素材が検討されている。しかしながら、このカーボン製セパレータは、衝撃により破損しやすく、コンパクト化が困難で、かつ流路を形成するための加工コストが高いという欠点がある。特にコストの問題は、燃料電池普及の最大の障害となっている。そこで、カーボン素材にかわり金属素材、特にステンレス鋼を適用しようとする試みがある。
特許文献1には、不働態皮膜を形成しやすい金属をセパレータとして用いる技術が開示されている。しかし、不働態皮膜の形成は、接触抵抗の上昇を招くことになり、発電効率の低下につながる。このため、これらの金属素材は、カーボン素材と比べて接触抵抗が大きく、しかも耐食性が劣る等の改善すべき問題点が指摘されている。
上記問題を解決するために、特許文献2には、SUS304等の金属セパレータの表面に金めっきを施すことにより、接触抵抗を低減し、高出力を確保する技術が開示されている。しかし、薄い金めっきではピンホールの発生防止が困難であり、逆に厚い金めっきではコストがかかる。
特許文献3には、フェライト系ステンレス鋼基材にカーボン粉末を分散させて、電気伝導性を改善したセパレータを得る方法が開示されている。しかしながら、カーボン粉末を用いた場合も、セパレータの表面処理には相応のコストがかかることから、コストの問題がある。また、表面処理を施したセパレータは、組立て時にキズ等が生じた場合に、耐食性が著しく低下するという問題点も指摘されている。
このような状況下において、本発明者らはステンレス素材そのものをそのまま使用し、表面の形状を制御することにより接触抵抗と耐食性を両立する技術として特許文献4を出願した。特許文献4は、表面粗さ曲線の局部山頂の平均間隔が0.3μｍ以下であることを特徴とするステンレス鋼板であって、これにより接触抵抗を20mΩ・cm2以下にすることができる。この技術により、ステンレス素材で燃料電池セパレータ素材を提供できるようになったが、燃料電池設計においてはさらなる接触抵抗特性の改善が望ましく、接触抵抗10mΩ・cm2以下が安定して発現することが必要である。
さらに、燃料電池では、高電位に晒される正極（空気極）において、表面の劣化により接触抵抗が増加しやすく、そのため、セパレータにおいても接触抵抗10mΩ・cm2以下が使用環境下で長く維持できることが必要である。
さらに、燃料電池では、高電位に晒される正極（空気極）において、表面の劣化により接触抵抗が増加しやすく、そのため、セパレータにおいても接触抵抗10mΩ・cm2以下が使用環境下で長く維持できることが必要である。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、接触抵抗特性および接触抵抗維持能力に優れた燃料電池セパレータ用ステンレス鋼を提供することを目的とする。
本発明者らは、燃料電池セパレータ用ステンレス鋼における接触抵抗特性を向上させ、かつ、その接触抵抗を長時間にわたり維持可能とするために鋭意検討した。検討の結果、鋼表面がFを含み、光電子分光法（以下、XPSと称することもある）により測定した場合のCrとFeのピーク強度について、金属以外のピークと金属のピークの比をある一定以上とすることにより接触抵抗特性および接触抵抗維持能力が向上することを見出した。
本発明は上記知見に基づくものであり、特徴は以下の通りである。
［１］質量％で、C：0.03％以下、Si：1.0％以下、Mn：1.0％以下、S：0.01％以下、P：0.05％以下、Al：0.20％以下、N：0.03％以下、Cr：16〜40％を含み、Ni:20%以下、Cu:0.6%以下、Mo:2.5%以下の一種以上を含有し、残部がFe および不可避的不純物からなるステンレス鋼であって、該ステンレス鋼の表面を光電子分光法により測定した場合に、Ｆを検出し、かつ、下記を満足することを特徴とする燃料電池セパレータ用ステンレス鋼。
金属形態以外（Cr＋Fe）／金属形態（Cr＋Fe）≧3.0
ただし、前記金属形態以外（Cr＋Fe）とは、CrおよびFeのピークを金属ピークと金属ピーク以外のピークに分離した結果から算出される金属以外の形態のCrとFeの原子濃度の合計であり、前記金属形態（Cr＋Fe）とは、CrおよびFeのピークを金属ピークと金属ピーク以外のピークに分離した結果から算出される金属形態のCrとFeの原子濃度の合計である。
［２］前記ステンレス鋼が、さらに、質量％で、Nb、Ti、Zrの一種以上を合計で1.0％以下を含有することを特徴とする前記[１]に記載の燃料電池セパレータ用ステンレス鋼。
［１］質量％で、C：0.03％以下、Si：1.0％以下、Mn：1.0％以下、S：0.01％以下、P：0.05％以下、Al：0.20％以下、N：0.03％以下、Cr：16〜40％を含み、Ni:20%以下、Cu:0.6%以下、Mo:2.5%以下の一種以上を含有し、残部がFe および不可避的不純物からなるステンレス鋼であって、該ステンレス鋼の表面を光電子分光法により測定した場合に、Ｆを検出し、かつ、下記を満足することを特徴とする燃料電池セパレータ用ステンレス鋼。
金属形態以外（Cr＋Fe）／金属形態（Cr＋Fe）≧3.0
ただし、前記金属形態以外（Cr＋Fe）とは、CrおよびFeのピークを金属ピークと金属ピーク以外のピークに分離した結果から算出される金属以外の形態のCrとFeの原子濃度の合計であり、前記金属形態（Cr＋Fe）とは、CrおよびFeのピークを金属ピークと金属ピーク以外のピークに分離した結果から算出される金属形態のCrとFeの原子濃度の合計である。
［２］前記ステンレス鋼が、さらに、質量％で、Nb、Ti、Zrの一種以上を合計で1.0％以下を含有することを特徴とする前記[１]に記載の燃料電池セパレータ用ステンレス鋼。
本発明によれば、接触抵抗特性に優れ、その接触抵抗を長時間にわたり維持可能な実用性に優れた燃料電池セパレータ用ステンレス鋼が得られる。
従来の高価なカーボンや金めっきに代わり、本発明のステンレス鋼をセパレータとして用いることで、安価な燃料電池を提供でき、燃料電池の普及を促進させることが可能となる。
従来の高価なカーボンや金めっきに代わり、本発明のステンレス鋼をセパレータとして用いることで、安価な燃料電池を提供でき、燃料電池の普及を促進させることが可能となる。
以下、本発明を具体的に説明する。
まず、本発明で対象とするステンレス鋼について説明する。
本発明において、素材として使用するステンレス鋼については、燃料電池の動作環境下で必要とされる耐食性を有する限り鋼種等に特段の制約は無い。ただし、基本的な耐食性を確保するために、Crは16質量％以上含有する必要がある。Cr含有量が16質量％未満では、セパレータとして長時間の使用に耐えられない。好ましくは18質量％以上である。一方、Cr含有量が40質量％を超えると、σ相の析出によって靱性が低下する場合があるため、Cr含有量は、40質量％以下とする。
以下に、成分組成を示す。なお、成分に関する「％」表示は特に断らない限り質量％を意味するものとする。
C：0.03％以下
Cは、ステンレス鋼中のCrと反応し、粒界にCr炭化物として析出するため、耐食性の低下をもたらす。したがって、Cの含有量は少ないほど好ましく、Cが0.03％以下であれば、耐食性を著しく低下させることはない。好ましくは 0.015％以下である。
Cは、ステンレス鋼中のCrと反応し、粒界にCr炭化物として析出するため、耐食性の低下をもたらす。したがって、Cの含有量は少ないほど好ましく、Cが0.03％以下であれば、耐食性を著しく低下させることはない。好ましくは 0.015％以下である。
Si： 1.0％以下
Siは、脱酸のために有効な元素であり、ステンレス鋼の溶製段階で添加される。しかし過剰に含有させるとステンレス鋼が硬質化し、延性が低下するので、1.0％以下とする。さらに好ましくは、0.01％以上0.6％以下である。
Siは、脱酸のために有効な元素であり、ステンレス鋼の溶製段階で添加される。しかし過剰に含有させるとステンレス鋼が硬質化し、延性が低下するので、1.0％以下とする。さらに好ましくは、0.01％以上0.6％以下である。
Mn： 1.0％以下
Mnは、不可避的に混入したSと結合し、ステンレス鋼に固溶したSを低減する効果を有し、Sの粒界偏析を抑制し、熱間圧延時の割れを防止するのに有効な元素である。しかし、1.0％を超えて添加しても添加する効果の増加はほとんどない。かえって、過剰に添加することによってコストの上昇を招く。よって、Mnは1.0％以下とする。
Mnは、不可避的に混入したSと結合し、ステンレス鋼に固溶したSを低減する効果を有し、Sの粒界偏析を抑制し、熱間圧延時の割れを防止するのに有効な元素である。しかし、1.0％を超えて添加しても添加する効果の増加はほとんどない。かえって、過剰に添加することによってコストの上昇を招く。よって、Mnは1.0％以下とする。
S：0.01％以下
ＳはMnと結合しMnSを形成することで耐食性を低下させる元素であり低い方が好ましい。0.01%以下であれば耐食性を著しく低下させることはない。よって、Sは0.01％以下とする。
ＳはMnと結合しMnSを形成することで耐食性を低下させる元素であり低い方が好ましい。0.01%以下であれば耐食性を著しく低下させることはない。よって、Sは0.01％以下とする。
Ｐ：0.05％以下
Pは延性の低下をもたらすため、低いほうが望ましいが、0.05%以下であれば延性を著しく低下させることはない。よって、Pは0.05％以下とする。
Pは延性の低下をもたらすため、低いほうが望ましいが、0.05%以下であれば延性を著しく低下させることはない。よって、Pは0.05％以下とする。
Al：0.20％以下、
Alは、脱酸元素として用いられる元素である。一方で、過剰に含有すると延性の低下をもたらす。よって、Alは0.20％以下とする。
Alは、脱酸元素として用いられる元素である。一方で、過剰に含有すると延性の低下をもたらす。よって、Alは0.20％以下とする。
N： 0.03％以下
Nは、ステンレス鋼の隙間腐食等の局部腐食を抑制するのに有効な元素である。しかし、 0.03％を超えて添加すると、ステンレス鋼の溶製段階でNを添加するために長時間を要するので生産性の低下を招くとともに、鋼の成形性が低下する。したがってNは、0.03％以下とする。
Nは、ステンレス鋼の隙間腐食等の局部腐食を抑制するのに有効な元素である。しかし、 0.03％を超えて添加すると、ステンレス鋼の溶製段階でNを添加するために長時間を要するので生産性の低下を招くとともに、鋼の成形性が低下する。したがってNは、0.03％以下とする。
Ni:20%以下、Cu:0.6%以下、Mo:2.5%以下の一種以上
Ni：20％以下
Niは、オーステナイト相を安定化させる元素であり、オーステナイト系ステンレスを製造する場合に添加する。その際、Ni含有量が20％を超えると、Niを過剰に消費することによってコストの上昇を招く。したがってNiは、20％以下とする。
Cu：0.6％以下
Cuは、ステンレス鋼の耐食性を改善するのに有効な元素である。しかし、0.6％を超えて添加すると、熱間加工性が劣化し、生産性の低下を招くばかりでなく、Cuを過剰に添加することによってコストの上昇を招く。したがってCuは、0.6％以下とする。
Mo：2.5％以下
Moは、ステンレス鋼の隙間腐食等の局部腐食を抑制するのに有効な元素である。しかし、2.5％を超えて添加すると、ステンレス鋼が著しく脆化して生産性が低下するとともに、Moを過剰に消費することによってコストの上昇を招く。したがってMoは、2.5％以下とする。
Ni：20％以下
Niは、オーステナイト相を安定化させる元素であり、オーステナイト系ステンレスを製造する場合に添加する。その際、Ni含有量が20％を超えると、Niを過剰に消費することによってコストの上昇を招く。したがってNiは、20％以下とする。
Cu：0.6％以下
Cuは、ステンレス鋼の耐食性を改善するのに有効な元素である。しかし、0.6％を超えて添加すると、熱間加工性が劣化し、生産性の低下を招くばかりでなく、Cuを過剰に添加することによってコストの上昇を招く。したがってCuは、0.6％以下とする。
Mo：2.5％以下
Moは、ステンレス鋼の隙間腐食等の局部腐食を抑制するのに有効な元素である。しかし、2.5％を超えて添加すると、ステンレス鋼が著しく脆化して生産性が低下するとともに、Moを過剰に消費することによってコストの上昇を招く。したがってMoは、2.5％以下とする。
Nb、Ti、Zrの一種以上を合計で1.0％以下
本発明では、上記した元素の他に、耐粒界腐食性向上のためにNb、Ti、Zrの一種以上を添加することができる。しかし、合計で1.0％を超えた場合、延性の低下を招く。また、元素添加によるコスト上昇をきたす。したがって、添加する場合は、Ti、Nb、Zrを合計で 1.0％以下が好ましい。
本発明では、上記した元素の他に、耐粒界腐食性向上のためにNb、Ti、Zrの一種以上を添加することができる。しかし、合計で1.0％を超えた場合、延性の低下を招く。また、元素添加によるコスト上昇をきたす。したがって、添加する場合は、Ti、Nb、Zrを合計で 1.0％以下が好ましい。
残部はFeおよび不可避的不純物である。
次に、本発明に係るセパレータ用ステンレス鋼が具備すべき特性について説明する。
本発明のステンレス鋼は、表面を光電子分光法により測定した場合に、Ｆを検出し、かつ、下記を満足することを特徴とする。
金属形態以外（Cr＋Fe）／金属形態（Cr＋Fe）≧3.0
ただし、前記金属形態以外（Cr＋Fe）とは、CrおよびFeのピークを金属ピークと金属ピーク以外のピークに分離した結果から算出される金属形態以外のCrとFeの原子濃度の合計であり、前記金属形態（Cr＋Fe）とは、CrおよびFeのピークを金属ピークと金属ピーク以外のピークに分離した結果から算出される金属形態のCrとFeの原子濃度の合計である。
本発明のステンレス鋼は、表面を光電子分光法により測定した場合に、Ｆを検出し、かつ、下記を満足することを特徴とする。
金属形態以外（Cr＋Fe）／金属形態（Cr＋Fe）≧3.0
ただし、前記金属形態以外（Cr＋Fe）とは、CrおよびFeのピークを金属ピークと金属ピーク以外のピークに分離した結果から算出される金属形態以外のCrとFeの原子濃度の合計であり、前記金属形態（Cr＋Fe）とは、CrおよびFeのピークを金属ピークと金属ピーク以外のピークに分離した結果から算出される金属形態のCrとFeの原子濃度の合計である。
図2に本発明のステンレス鋼の表面をXPSにより測定した場合のXPS測定におけるワイドスキャンスペクトルを示す。図2より、相対感度係数による定量において0．1at％以上の値が得られており、Fが明瞭に検出できる。
図3にXPSによるFeの2pのスペクトルを、図4に Crの2pのスペクトルを示す。図3、図4のいずれにおいても、金属以外のピークと金属のピークに分離していることがわかる。FeとCrの両者ともに金属のピークは最も結合エネルギーの低い部分に検出されており、金属以外（例えば化合物状態）のピークとは区別することが可能である。そこで、金属以外のピークと金属のピークを分離し、その比をとることができる。具体的には、Cr及びFeを相対感度係数で定量し（原子濃度）、さらにそれぞれのピークをピーク分離によって分離した結果を用いて皮膜から得られるCrとFeの原子濃度の合計すなわち金属以外の形態のCrとFeの原子濃度の合計、と金属部分から得られるCrとFeの原子濃度の合計すなわち金属形態のCrとFeの原子濃度の合計の比を算出した。また、耐久性試験を行い、試験前後の接触抵抗値を測定してその増加分を算出した。耐久性試験はpH3の硫酸溶液中、800mVvs SHE、温度80℃の条件で試料を24時間保持した。
図5は、表面を光電子分光法により測定した際にＦを検出したステンレス鋼の表面をXPSにより測定した場合の、金属以外の形態のCrおよびFeの原子濃度合計と金属形態のCrおよびFeの原子濃度合計の比、すなわち、金属形態以外（Cr＋Fe）／金属形態（Cr＋Fe）と、耐久性試験前後の接触抵抗値増加分との関係を示す図である。図5より、表面にＦを検出し、金属形態以外（Cr＋Fe）／金属形態（Cr＋Fe）がある一定以上の場合に、接触抵抗値増加分が少ないことがわかる。図5からわかるように、金属形態以外（Cr＋Fe）／金属形態（Cr＋Fe）は接触抵抗増加分とよい関係にあり、前記耐久試験における耐久性の目安として接触抵抗増加分を10mΩ・cm2（20kgf／cm2）以下とするためには、金属形態以外（Cr＋Fe）／金属形態（Cr＋Fe）を4．0以上、30mΩ・cm2（20kgf／cm2）以下とするためには、3．0以上とすればよいことがわかる。
以上より、本発明では、ステンレス鋼の表面を光電子分光法により表面を測定した場合に、Ｆを検出し、かつ、下記を満足することとする。金属形態以外（Cr＋Fe）／金属形態（Cr＋Fe）を3.0以上とすることにより、接触抵抗増加分を30mΩ・cm2（20kgf／cm2）以下とすることに加え、耐久試験前の接触抵抗も10mΩ・cm2以下とすることができる。
金属形態以外（Cr＋Fe）／金属形態（Cr＋Fe）≧3.0
なお、好ましくは、（Cr＋Fe）／金属形態（Cr＋Fe）≧4.0である。
なお、金属以外の形態のピークと金属形態のピークの分離は、Sherly法によりスペクトルのバックグラウンドを除去し、ガウシアン型のピークを用いた最小二乗法によるピークフィッティング法により行うことができる。
金属形態以外（Cr＋Fe）／金属形態（Cr＋Fe）≧3.0
なお、好ましくは、（Cr＋Fe）／金属形態（Cr＋Fe）≧4.0である。
なお、金属以外の形態のピークと金属形態のピークの分離は、Sherly法によりスペクトルのバックグラウンドを除去し、ガウシアン型のピークを用いた最小二乗法によるピークフィッティング法により行うことができる。
表面にFが存在し、金属形態以外（Cr＋Fe）／金属形態（Cr＋Fe）を3.0以上とすることで、接触抵抗値と耐久性試験前後の接触抵抗増加分が小さい理由は明確になっていないが、FはFeやCrと安定な化合物を形成しやすいこと、金属形態以外（Cr＋Fe）／金属形態（Cr＋Fe）は表面酸化皮膜の厚さに対応していることから、比較的厚さの厚い酸化層が形成されること、が関係していると推定される。
表面にFを付与する方法として、フッ酸浸漬処理等を用いることができる。また、金属形態以外（Cr＋Fe）／金属形態（Cr＋Fe）は、焼鈍後の酸浸漬処理等の処理条件を制御することで、本発明範囲内とすることができる。例えば、酸性溶液中で電解処理したのち酸性溶液に浸漬する処理においては、処理時間や処理液の温度を変化させることで本発明の範囲内にすることができる。一例として、処理時間は長くすることで、金属形態以外（Cr＋Fe）／金属形態（Cr＋Fe）を大きくすることができる。
本発明の燃料電池セパレータ用ステンレス鋼の製造方法については、特に制限はなく、従来公知の方法に従えばよいが、好適な製造条件を述べると次のとおりである。
好適成分組成に調整した鋼片を、1100℃以上の温度に加熱後、熱間圧延し、ついで800〜1100℃の温度で焼鈍を施したのち、冷間圧延と焼鈍を繰り返してステンレス鋼とする。得られるステンレス鋼板の板厚は0.02〜0.8mm程度とするのが好適である。次いで、仕上焼鈍後、前処理(電解処理、もしくは酸浸漬)を行い、その後、酸処理に施されることが好ましい。電解条件の一例として、3%H2SO4の硫酸浴中で2A/dm2で 55℃、30sec行う方法をとることができる。また、酸浸漬の一例として、HCl:H2O=1:3(体積比)の混合液で 55℃、30sec浸漬する方法を採用することができる。
酸処理の一例としては、5%フッ酸と1%硝酸の混合溶液に、55℃で、40秒〜120秒浸漬する方法を採用することができる。
酸処理の一例としては、5%フッ酸と1%硝酸の混合溶液に、55℃で、40秒〜120秒浸漬する方法を採用することができる。
表1に示す化学組成の鋼を真空溶解炉で溶製し、得られた鋼塊を1200℃に加熱したのち、熱間圧延により板厚5mmの熱延板とした。得られた熱延板を900℃で焼鈍したのち、酸洗により脱スケールを行い、次いで、冷間圧延と焼鈍酸洗を繰り返し、板厚0.2mmのステンレス鋼板を製造した。
引き続き、焼鈍を施し、表2に示す条件で前処理（電解処理もしくは酸浸漬）、酸洗溶液に浸漬する酸処理を行った。なお、電解処理は表2に示す浴にて、溶液温度は55℃、電流密度は2A/dm2、処理時間は30秒の条件で行い、前処理としての酸浸漬は表2に示す溶液にて溶液温度は55℃、処理時間は30秒の条件で行った。また、酸処理は表2に示す溶液および浴温度、時間で行った。
以上により得られたステンレス鋼に対して、接触抵抗を測定するとともに、XPSによる測定を行い最表面に存在する元素を評価した。さらに耐久性試験を行い、耐久性試験前と同様に接触抵抗を測定することで、接触抵抗増加分を求めた。なお、耐久性試験は、pH 3の硫酸溶液中に800mVvs SHE、80℃の条件で試料を24時間保持した。
引き続き、焼鈍を施し、表2に示す条件で前処理（電解処理もしくは酸浸漬）、酸洗溶液に浸漬する酸処理を行った。なお、電解処理は表2に示す浴にて、溶液温度は55℃、電流密度は2A/dm2、処理時間は30秒の条件で行い、前処理としての酸浸漬は表2に示す溶液にて溶液温度は55℃、処理時間は30秒の条件で行った。また、酸処理は表2に示す溶液および浴温度、時間で行った。
以上により得られたステンレス鋼に対して、接触抵抗を測定するとともに、XPSによる測定を行い最表面に存在する元素を評価した。さらに耐久性試験を行い、耐久性試験前と同様に接触抵抗を測定することで、接触抵抗増加分を求めた。なお、耐久性試験は、pH 3の硫酸溶液中に800mVvs SHE、80℃の条件で試料を24時間保持した。
接触抵抗は、東レ（株）性のカーボンペーパーCP120を用い、前記カーボンペーパーCP120と鋼を接触させて、20kGf/cm2の荷重を付加したときの抵抗値を測定した。
XPSの測定は、KRATOS製AXIS−HSを使用した。AIKαモノクロX線源を用いて測定し、
装置付属の相対感度係数により主成分の定量（Atomic％）を行った。その結果から、Fを定量するとともに、CrとFeの2pについて、金属ピークとそれ以外のピークに分離し、その比をとることによって皮膜厚さに関わる情報を得た。具体的には、Cr及びFeを相対感度係数で定量し（原子濃度）、さらにそれぞれのピークを金属とそれ以外のピークに分離し、その結果を用いて皮膜から得られるCrとFeの原子濃度の合計すなわち金属以外の形態のCrとFeの原子濃度の合計と金属部分から得られるCrとFeの原子濃度の合計すなわち金属形態のCrとFeの原子濃度の合計の比を算出した。
なお、耐久試験前の段階で接触抵抗が10mΩ・cm2以下とならなかったものについては、金属形態以外（Cr＋Fe）／金属形態（Cr＋Fe）および耐久試験後の接触抵抗の測定は行わなかった。
以上により得られた結果を表3に示す。
装置付属の相対感度係数により主成分の定量（Atomic％）を行った。その結果から、Fを定量するとともに、CrとFeの2pについて、金属ピークとそれ以外のピークに分離し、その比をとることによって皮膜厚さに関わる情報を得た。具体的には、Cr及びFeを相対感度係数で定量し（原子濃度）、さらにそれぞれのピークを金属とそれ以外のピークに分離し、その結果を用いて皮膜から得られるCrとFeの原子濃度の合計すなわち金属以外の形態のCrとFeの原子濃度の合計と金属部分から得られるCrとFeの原子濃度の合計すなわち金属形態のCrとFeの原子濃度の合計の比を算出した。
なお、耐久試験前の段階で接触抵抗が10mΩ・cm2以下とならなかったものについては、金属形態以外（Cr＋Fe）／金属形態（Cr＋Fe）および耐久試験後の接触抵抗の測定は行わなかった。
以上により得られた結果を表3に示す。
表3より、Ｆを検出し、かつ、金属形態以外（Cr＋Fe）／金属形態（Cr＋Fe）≧3.0である本発明例では、接触抵抗が10mΩ・cm2以下、かつ接触抵抗増加分が30mΩ・cm2以下になっているのがわかる。さらに、Ｆを検出し、かつ、金属形態以外（Cr＋Fe）／金属形態（Cr＋Fe）≧4.0である本発明例では、接触抵抗増加分が10mΩ・cm2以下となり、より一層接触抵抗維持特性が優れているのがわかる。
実施例１で用いた板厚0.2mmのステンレス鋼板のうち、表1の鋼番号2および3を用いた。前処理として、3%の硫酸溶液中で電解処理を実施した。溶液温度は55℃で電流密度は2A/dm2、処理時間は30秒とした。酸処理は、鋼2では5%フッ酸と1%硝酸の混合溶液、鋼3では5%フッ酸溶液で行った。酸溶液の温度はともに、55℃であり、浸漬時間を40秒〜120秒間とした。比較のため、酸浸漬しない試料も作製した。得られた試料の表面について、XPS測定を行い、Fの有無および金属形態以外（Cr＋Fe）／金属形態（Cr＋Fe）の比率を求め、接触抵抗の測定を行った。さらに耐久性試験を行い、耐久性試験前と同様に接触抵抗を測定することで、接触抵抗増加分を求めた。これらの測定およびデータ解析法は実施例１と同じである。なお、耐久性試験は、pH 3の硫酸溶液中に0.1ppmのFイオンを添加し、800mVvs SHE、80℃の条件で試料を20時間保持した。
得られた結果を表４に示す。
実施例で採用した条件では、酸浸漬時間を60秒以上とすることで、Fを存在させ、かつ金属形態以外（Cr＋Fe）／金属形態（Cr＋Fe）を3.0以上にすることができている。これらの実施例では、耐久試験前の接触抵抗が10mΩ・cm2以下と低く、耐久試験後の接触抵抗増加分が30mΩ・cm2以下となっている。特に、Fが検出され、金属形態以外（Cr＋Fe）／金属形態（Cr＋Fe）が3.5以上の試験Ｎｏ3、4、8は、耐久試験後の接触抵抗増加分が10mΩ・cm2以下、なかでも4.0以上の試験Ｎｏ3、4は、接触抵抗増加分が5mΩ・cm2以下と低接触抵抗の維持能力が高いことがわかる。試験Ｎｏ1は、金属形態以外（Cr＋Fe）／金属形態（Cr＋Fe）が3.0ではあるが、Fを含まず、試験前の接触抵抗が高い（そのため耐久試験は行っていない）。また、試験Ｎｏ2と6は、Fを含むが、金属形態以外（Cr＋Fe）／金属形態（Cr＋Fe）が3.0より小さく、試験前の接触抵抗および耐久試験後の接触抵抗増加分が、ともに大きく性能が劣っていることがわかる。
１ 膜−電極接合体
２ ガス拡散層
３ ガス拡散層
４ セパレータ
５ セパレータ
６ 空気流路
７ 水素流路
２ ガス拡散層
３ ガス拡散層
４ セパレータ
５ セパレータ
６ 空気流路
７ 水素流路
Claims (2)
- 質量％で、C：0.03％以下、Si：1.0％以下、Mn：1.0％以下、S：0.01％以下、P：0.05％以下、Al：0.20％以下、N：0.03％以下、Cr：16〜40％を含み、Ni:20%以下、Cu:0.6%以下、Mo:2.5%以下の一種以上を含有し、残部がFe および不可避的不純物からなるステンレス鋼であって、
該ステンレス鋼の表面を光電子分光法により測定した場合に、
Ｆを検出し、かつ、下記を満足することを特徴とする燃料電池セパレータ用ステンレス鋼。
金属形態以外（Cr＋Fe）／金属形態（Cr＋Fe）≧3.0
ただし、前記金属形態以外（Cr＋Fe）とは、CrおよびFeのピークを金属ピークと金属ピーク以外のピークに分離した結果から算出される金属以外の形態のCrとFeの原子濃度の合計であり、前記金属形態（Cr＋Fe）とは、CrおよびFeのピークを金属ピークと金属ピーク以外のピークに分離した結果から算出される金属形態のCrとFeの原子濃度の合計である。 - 前記ステンレス鋼が、さらに、質量％で、Nb、Ti、Zrの一種以上を合計で1.0％以下を含有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セパレータ用ステンレス鋼。
Priority Applications (7)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2011166580A JP5218612B2 (ja) | 2011-07-29 | 2011-07-29 | 燃料電池セパレータ用ステンレス鋼 |
| US14/131,030 US20140154129A1 (en) | 2011-07-29 | 2012-07-25 | Stainless steel for fuel cell separator |
| PCT/JP2012/004736 WO2013018320A1 (ja) | 2011-07-29 | 2012-07-25 | 燃料電池セパレータ用ステンレス鋼 |
| EP12819761.3A EP2738277A4 (en) | 2011-07-29 | 2012-07-25 | STAINLESS STEEL FOR FUEL CELL SEPARATOR |
| KR1020147003502A KR20140039327A (ko) | 2011-07-29 | 2012-07-25 | 연료 전지 세퍼레이터용 스테인리스강 |
| CN201280037588.7A CN103717769B (zh) | 2011-07-29 | 2012-07-25 | 燃料电池隔板用不锈钢 |
| TW101127094A TWI474539B (zh) | 2011-07-29 | 2012-07-27 | 燃料電池隔板用不鏽鋼 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2011166580A JP5218612B2 (ja) | 2011-07-29 | 2011-07-29 | 燃料電池セパレータ用ステンレス鋼 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2013028849A JP2013028849A (ja) | 2013-02-07 |
| JP5218612B2 true JP5218612B2 (ja) | 2013-06-26 |
Family
ID=47628871
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2011166580A Active JP5218612B2 (ja) | 2011-07-29 | 2011-07-29 | 燃料電池セパレータ用ステンレス鋼 |
Country Status (7)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20140154129A1 (ja) |
| EP (1) | EP2738277A4 (ja) |
| JP (1) | JP5218612B2 (ja) |
| KR (1) | KR20140039327A (ja) |
| CN (1) | CN103717769B (ja) |
| TW (1) | TWI474539B (ja) |
| WO (1) | WO2013018320A1 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20190127968A (ko) | 2017-04-25 | 2019-11-13 | 제이에프이 스틸 가부시키가이샤 | 연료 전지의 세퍼레이터용의 스테인리스 강판 및 그 제조 방법 |
| KR20210114047A (ko) | 2019-01-21 | 2021-09-17 | 제이에프이 스틸 가부시키가이샤 | 연료 전지의 세퍼레이터용의 오스테나이트계 스테인리스 강판 및 그의 제조 방법 |
| US11618967B2 (en) | 2017-10-25 | 2023-04-04 | Jfe Steel Corporation | Production method for stainless steel sheet for fuel cell separators |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5768641B2 (ja) * | 2010-10-08 | 2015-08-26 | Ｊｆｅスチール株式会社 | 耐食性および電気伝導性に優れたフェライト系ステンレス鋼およびその製造方法、ならびに固体高分子型燃料電池セパレータおよび固体高分子型燃料電池 |
| EP3009530B1 (en) | 2013-06-13 | 2019-10-23 | Toyo Kohan Co., Ltd. | Gold-plate-coated stainless steel material and production method for gold-plate-coated stainless steel material |
| US20180053948A1 (en) * | 2015-02-13 | 2018-02-22 | Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation | Separator for polymer electrolyte fuel cell and method for producing the same |
| US11380907B2 (en) | 2017-02-09 | 2022-07-05 | Jfe Steel Corporation | Substrate stainless steel sheet for fuel cell separators and production method therefor |
| JP7057766B2 (ja) * | 2019-07-09 | 2022-04-20 | Ｊｆｅスチール株式会社 | 硫化物系固体電池の集電体用のフェライト系ステンレス鋼板およびその製造方法 |
| CN111334699A (zh) * | 2019-12-18 | 2020-06-26 | 国家电投集团黄河上游水电开发有限责任公司 | 一种用于铝用炭素焙烧燃烧器合金材料 |
| CA3168212A1 (en) * | 2020-03-12 | 2021-09-16 | Yoshitomo Fujimura | Ferritic stainless steel and method for manufacturing same |
| CN116635551A (zh) * | 2020-12-15 | 2023-08-22 | 杰富意钢铁株式会社 | 燃料电池隔离件用的不锈钢板 |
Family Cites Families (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100240741B1 (ko) * | 1994-01-26 | 2000-01-15 | 에모또 간지 | 내부식성이 우수한 스테인레스강판의 제조방법 |
| JP4629914B2 (ja) * | 2001-06-04 | 2011-02-09 | 日新製鋼株式会社 | 低温型燃料電池用セパレータ及びその製造方法 |
| CN100552076C (zh) * | 2003-02-10 | 2009-10-21 | 杰富意钢铁株式会社 | 镀层附着性优良的合金化热镀锌钢板及其制造方法 |
| JP2007026694A (ja) * | 2005-07-12 | 2007-02-01 | Nisshin Steel Co Ltd | 固体高分子型燃料電池用セパレータ及び固体高分子型燃料電池 |
| JP2008091225A (ja) * | 2006-10-03 | 2008-04-17 | Nisshin Steel Co Ltd | 固体高分子型燃料電池用セパレータ及びその製造方法 |
| KR100836480B1 (ko) * | 2006-12-28 | 2008-06-09 | 주식회사 포스코 | 연료전지 분리판인 스테인리스 강재의 표면처리방법 |
| US9103041B2 (en) * | 2006-12-28 | 2015-08-11 | Posco | Method for improving surface properties of the stainless steels for bipolar plate of polymer electrolyte membrane fuel cell |
| JP5309385B2 (ja) * | 2007-04-27 | 2013-10-09 | 日本金属株式会社 | ステンレス鋼製導電性部材およびその製造方法 |
| TWI427159B (zh) * | 2007-04-27 | 2014-02-21 | 不鏽鋼製導電性構件及其製造方法 | |
| US20130108945A1 (en) * | 2008-07-02 | 2013-05-02 | Jfe Steel Corporation | Stainless steel for conductive members with low contact electric resistance and method for producing the same |
| JP5621186B2 (ja) * | 2008-07-02 | 2014-11-05 | Ｊｆｅスチール株式会社 | 固体高分子形燃料電池セパレータ用ステンレス鋼の製造方法 |
| KR100993412B1 (ko) * | 2008-12-29 | 2010-11-09 | 주식회사 포스코 | 고분자 연료전지 분리판용 스테인리스강 및 그 제조방법 |
| US9130199B2 (en) * | 2009-07-23 | 2015-09-08 | Jfe Steel Corporation | Stainless steel for fuel cell having good corrosion resistance and method for producing the same |
| KR20120101552A (ko) * | 2010-01-20 | 2012-09-13 | 제이에프이 스틸 가부시키가이샤 | 접촉 전기 저항이 낮은 통전 부품용 스테인레스강 및 그 제조 방법 |
| JP5768641B2 (ja) * | 2010-10-08 | 2015-08-26 | Ｊｆｅスチール株式会社 | 耐食性および電気伝導性に優れたフェライト系ステンレス鋼およびその製造方法、ならびに固体高分子型燃料電池セパレータおよび固体高分子型燃料電池 |
| KR20130121930A (ko) * | 2011-01-17 | 2013-11-06 | 제이에프이 스틸 가부시키가이샤 | 연료 전지 세퍼레이터용 스테인리스강의 제조 방법, 연료 전지 세퍼레이터용 스테인리스강, 연료 전지 세퍼레이터, 그리고 연료 전지 |
-
2011
- 2011-07-29 JP JP2011166580A patent/JP5218612B2/ja active Active
-
2012
- 2012-07-25 US US14/131,030 patent/US20140154129A1/en not_active Abandoned
- 2012-07-25 CN CN201280037588.7A patent/CN103717769B/zh active Active
- 2012-07-25 KR KR1020147003502A patent/KR20140039327A/ko active Search and Examination
- 2012-07-25 EP EP12819761.3A patent/EP2738277A4/en not_active Withdrawn
- 2012-07-25 WO PCT/JP2012/004736 patent/WO2013018320A1/ja active Application Filing
- 2012-07-27 TW TW101127094A patent/TWI474539B/zh active
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20190127968A (ko) | 2017-04-25 | 2019-11-13 | 제이에프이 스틸 가부시키가이샤 | 연료 전지의 세퍼레이터용의 스테인리스 강판 및 그 제조 방법 |
| US11085120B2 (en) | 2017-04-25 | 2021-08-10 | Jfe Steel Corporation | Stainless steel sheet for fuel cell separators and production method therefor |
| US11618967B2 (en) | 2017-10-25 | 2023-04-04 | Jfe Steel Corporation | Production method for stainless steel sheet for fuel cell separators |
| KR20210114047A (ko) | 2019-01-21 | 2021-09-17 | 제이에프이 스틸 가부시키가이샤 | 연료 전지의 세퍼레이터용의 오스테나이트계 스테인리스 강판 및 그의 제조 방법 |
| US12074348B2 (en) | 2019-01-21 | 2024-08-27 | Jfe Steel Corporation | Austenitic stainless steel sheet for fuel cell separators and production method therefor |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2013018320A1 (ja) | 2013-02-07 |
| EP2738277A4 (en) | 2015-08-19 |
| US20140154129A1 (en) | 2014-06-05 |
| CN103717769A (zh) | 2014-04-09 |
| JP2013028849A (ja) | 2013-02-07 |
| EP2738277A1 (en) | 2014-06-04 |
| KR20140039327A (ko) | 2014-04-01 |
| TWI474539B (zh) | 2015-02-21 |
| TW201308724A (zh) | 2013-02-16 |
| CN103717769B (zh) | 2016-04-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5218612B2 (ja) | 燃料電池セパレータ用ステンレス鋼 | |
| JP4798298B2 (ja) | 導電性と延性に優れた燃料電池セパレータ用ステンレス鋼およびその製造方法 | |
| EP2458038B1 (en) | Stainless steel for fuel cell having excellent corrosion resistance and method for producing same | |
| JP6144006B2 (ja) | 燃料電池セパレータ用ステンレス鋼の製造方法、燃料電池セパレータ用ステンレス鋼、燃料電池セパレータ、ならびに燃料電池 | |
| TWI515336B (zh) | 燃料電池隔板用不鏽鋼的製造方法、燃料電池隔板用不鏽鋼、燃料電池隔板以及燃料電池 | |
| CN110521042B (zh) | 燃料电池的隔板用不锈钢板及其制造方法 | |
| JP5972877B2 (ja) | 燃料電池セパレータ用ステンレス鋼の製造方法 | |
| JP6315158B1 (ja) | ステンレス鋼板及びその製造方法、固体高分子型燃料電池用セパレータ、固体高分子型燃料電池セル、並びに固体高分子型燃料電池 | |
| JPWO2017212905A1 (ja) | 燃料電池のセパレータ用ステンレス鋼板およびその製造方法 | |
| JP2012177157A (ja) | 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その製造方法 | |
| JP6414369B1 (ja) | 燃料電池のセパレータ用鋼板の基材ステンレス鋼板およびその製造方法 | |
| JP4930222B2 (ja) | 固体高分子形燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼およびそれを用いた固体高分子形燃料電池 | |
| JP5703560B2 (ja) | 導電性に優れた燃料電池セパレータ用ステンレス鋼板 | |
| JP5625902B2 (ja) | 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その製造方法 | |
| JP2020024883A (ja) | 燃料電池のセパレータ用鋼板の基材ステンレス鋼板およびその製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20121214 |
|
| A871 | Explanation of circumstances concerning accelerated examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A871 Effective date: 20121214 |
|
| A975 | Report on accelerated examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971005 Effective date: 20130118 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20130205 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20130218 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20160315 Year of fee payment: 3 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5218612 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |