JP5377613B2 - 表面電気伝導性に優れた導電部材用ステンレス鋼板 - Google Patents
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Description
本発明は、固体高分子型燃料電池セパレータ、固体酸化物型燃料電池インターコネクターなどに適した、表面電気伝導性を顕著に改善したステンレス鋼板であって、製造性が良好で、工業的に安価に大量生産することが可能なものを提供することを目的とする。
以下、本発明を特定するための事項について説明する。
本発明では酸化皮膜の組成をC、Oを除いたAl、Ti、Nb、Si、Mn、Cr、Fe、Nの8元素の原子比によって特定している。分析箇所はXPSあるいはAESにより測定される最表面とする。例えばXPSの場合だと、表面から数nm程度の深さ領域における各元素の結合エネルギースペクトルから、それぞれの元素の存在割合(原子比)が求められる。本明細書では特に断らない限り、XPSまたはAESで測定される上記8元素の合計量を100原子%として、酸化皮膜を構成する各元素の存在割合を表示している。
鋼中のCは、オーステナイト形成元素であり、導電性やコスト面で有利なフェライト系鋼種を得るためには、高温熱処理後の冷却過程で硬質なマルテンサイト相が生成しないように、多量のC含有を避けるべきである。また、Cは固溶強化による加工性の低下や、Cr系炭化物の生成による耐食性低下を招く要因になる。これらのことを考慮すると、フェライト系、オーステナイト系いずれの鋼種においてもC含有量は0.1質量%以下とすることが望ましく、0.05質量%以下とすることがより好ましい。
母材のステンレス鋼板は、一般的なステンレス鋼板製造工程を利用して製造することができる。用途に応じて最終的な板厚が決定されるが、例えば固体高分子型燃料電池のセパレータ用途では板厚0.1〜0.2mm程度の冷延鋼板が使用され、固体酸化物型燃料電池のインターコネクター用途では板厚0.2〜0.8mm程度の冷延鋼板が使用される。母材鋼板の表面仕上としては、熱延や焼鈍の工程で表面に生成した酸化スケールが除去されている無垢のステンレス鋼板(すなわち表層が不動態皮膜であるもの)であれば特にこだわる必要はなく、種々の仕上材が適用できる。一般的には酸洗仕上とすればよい。
AlおよびTi+Nbの含有量が上記のように調整された母材鋼板を、以下に示す条件で熱処理することによって、表面電気伝導性が顕著に改善された酸化皮膜を構築することができる。
なお、表1中の鋼種Aは、Al、Ti、Nbの含有量が本発明で規定するステンレス鋼板の製造方法を適用する上で好ましい範囲に調整されているものである。
各供試材サンプルの表面(片面)に直径15mmの円形カーボンペーパーを荷重10kg/cm2で接触させ、その接触面に電流密度I=1A/cm2の電流を流すのに必要な電圧Eを4端子法により測定し、接触抵抗R(mΩ・cm2)=E/Iを求めた。この方法による接触抵抗が20mΩ・cm2以下のものは、固体高分子型燃料電池セパレータとして使用可能な表面電気伝導性を有すると判断され、合格と評価した。
結果を表2中に示す。
具体的には、試料11はAl含有量の少ない鋼種Bを使用したことにより、この熱処理条件では皮膜中のSi濃度が相対的に高くなりすぎ、Al濃度が不十分となった。
試料12はTi+Nbの合計含有量が少ない鋼種Cを使用したことにより、この熱処理条件では、皮膜中のAl濃度は高められたものの、Ti+Nbの共存量が不十分となった。
試料13は雰囲気ガス中の酸素濃度が高すぎたことにより、電気抵抗の大きいSi系酸化物およびMn系酸化物が皮膜中に多く生成した。
試料14は雰囲気ガスの露点が高すぎたことにより、皮膜中のAl系酸化物の存在比率が少なくなり、かつNの浸入が生じた。
試料15は熱処理温度が低すぎたことにより、Al、Ti、Nbが十分に皮膜中に濃化しなかった。
試料16は熱処理温度が高すぎたことにより、Al濃度の高い皮膜は形成されたものの、Ti+Nbの共存量が不十分となった。
試料17は雰囲気ガスの水素濃度が高すぎたことにより、表面へのNの浸入が生じた。
試料18はステンレス鋼の光輝焼鈍の際に一般的に使用される水素主体の雰囲気ガスを採用したものであり、絶縁性の高いSi酸化物主体の皮膜となった。
試料19は酸洗仕上のまま、熱処理を行っていないものであり、表面にはCrおよびFeが主体の不動態皮膜が形成されている。不動態皮膜の表面電気伝導性は悪いことがわかる。
Claims (3)
- C:0.1質量%以下、Si:3.0質量%以下、Mn:1.5質量%以下、P:0.04質量%以下、S:0.03質量%以下、Cr:10.5〜30質量%、Al:0.03〜5質量%、Ti+Nbの合計:0.1〜3質量%、ただしNb:0.07質量%以上、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有するステンレス鋼を母材として、その表面にAlが濃化した酸化皮膜を形成したステンレス鋼板であって、その酸化皮膜は、最表面についてのAl、Ti、Nb、Si、Mn、Cr、Fe、Nの8元素の原子比が、Al:40原子%以上、Ti+Nbの合計:3原子%以上であり、かつSi:8原子%以下、Mn:10原子%以下、Cr:30原子%以下、Fe:10原子%以下、N:15原子%以下である表面電気伝導性に優れた導電部材用ステンレス鋼板。
- 母材のステンレス鋼は、さらにMo:5質量%以下、Cu:3質量%以下、Ni:5質量%以下の1種以上を含有するものである請求項1に記載の表面電気伝導性に優れた導電部材用ステンレス鋼板。
- 前記導電部材は固体高分子型燃料電池セパレータまたは固体酸化物型燃料電池インターコネクターである請求項1または2に記載のステンレス鋼板。
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