JP5703560B2 - 導電性に優れた燃料電池セパレータ用ステンレス鋼板 - Google Patents
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Description
ところで、燃料電池の動作環境においては、セパレータは酸化物や水酸化物によって構成される皮膜を形成するが、酸化物や水酸化物は導電性が低いために、セパレータとガス拡散層との間の接触抵抗が増加して、燃料電池の運転に重大な支障をきたす。そのため、接触抵抗を低減するために、これまでにも様々な検討が行われてきた。
[析出Fe]+[析出Cr]+2[析出Si]≧1.0
ただし、[析出Fe]、[析出Cr]、[析出Si]:ステンレス鋼板中に析出物として含まれるFe、Cr、Si量
この開示技術もまた、導電性と耐食性の高い化合物を“電気の通り道”として利用したものであるが、前述の技術と同様に、長時間の使用や電位の上昇により、これらの化合物の露出高さを超えて母材の皮膜が成長する点については検討が不十分である。
C:0.01%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:0.02%以下、
Cr:24〜34%、
Mo:0.5〜4.0%および
Nb:0.26〜0.90%
を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなることを特徴とする導電性に優れた燃料電池セパレータ用ステンレス鋼板。
C:0.01%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:0.02%以下、
Cr:24〜34%、
Mo:0.5〜4.0%、
Nb:0.20〜0.90%および
W:0.1〜5.0%
を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなることを特徴とする導電性に優れた燃料電池セパレータ用ステンレス鋼板。
まず、本発明に係るステンレス鋼板の成分組成における各成分の含有量の限定理由を以下に説明する。なお、以下に示す成分に係る「%」表示は、特に断らないかぎり、「質量%」を意味する。
C:0.01%以下
Cは、鋼中のCrと結合して耐食性の低下をもたらす結果、腐食により導電性が低下しやすくなるため、低いほど望ましい。しかし、含有量が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ため、0.01%以下に限定する。
Siは、脱酸に用いる元素であり、そのためには、0.02%以上で添加することが好ましい。ただし、過剰に含有すると、Siの酸化物が生成しやすくなり、導電性を低下させるため、1.0%以下に限定する。好ましくは0.5%以下である。
Mnは、Sと結合してMnSを形成し、耐食性の低下をもたらす結果、腐食により導電性が低下しやすくなるため、1.0%以下に限定する。好ましくは、0.8%以下である。
Sは、Mnと結合してMnSを形成し、耐食性の低下をもたらす結果、腐食により導電性が低下しやすくなるため、0.01%以下に限定する。好ましくは0.008%以下である。
Pは、延性の低下をもたらすため、低いほど望ましい。0.05%以下であれば、延性を著しく低下させることはない。このため、0.05%以下に限定する。好ましくは0.04%以下である。
Alは、脱酸に用いられる元素であり、そのためには、0.01%以上で添加することが好ましい。ただし、過剰に含有すると延性の低下をもたらすため、0.20%以下に限定する。好ましくは、0.15%以下である。
Nは、鋼中のCrと結合して耐食性の低下をもたらす結果、腐食により導電性が低下しやすくなるため、低いほど望ましい。0.02%以下であれば耐食性を著しく低下させることはない。このため、0.02%以下に限定する。好ましくは0.015%以下である。
Crは、ステンレス鋼板が耐食性を保持するために必須の元素であるが、さらに、ここでは金属間化合物の析出を促進し、さらに、燃料電池作動環境での皮膜の成長を抑制するために重要な元素である。そのためには、24%以上は必要である。すなわち、24%未満では金属間化合物が析出しにくくなり、また、特に電位が高くなった場合にはFeを含有する皮膜が成長して導電性を低下させる。一方、34%を超えて含有すると、延性が低下し、また電位が高くなった場合には、Crイオンの溶出によりMEAを劣化させる、おそれがあるため、34%以下とする。好ましくは、32%以下である。
Moは、金属間化合物の析出を促進し、さらに、燃料電池作動環境での皮膜の成長を抑制する効果を有する重要な元素である。その効果は0.5%以上で顕著となるために、0.5%以上に限定する。ただし、4.0%を超えて含有すると、延性を低下させるため、4.0%以下に限定する。好ましくは、0.8〜3.0%である。
Nbは、金属間化合物の析出を促進し、さらに燃料電池作動環境での皮膜の成長を抑制する効果を有する重要な元素である。その効果は0.20%以上で顕著となるために、0.20%以上に限定する。ただし、0.90%を超えて含有すると、延性を低下させるため、0.90%以下に限定する。好ましくは、0.26〜0.80%である。
W:0.1〜5.0%
Wは、金属間化合物の析出を促進し、さらに燃料電池作動環境での皮膜の成長を抑制するため、0.1〜5.0%の範囲で含有させることが好ましい。すなわち、0.1%未満ではその効果が十分ではなく、一方5.0%を超えて含有すると延性を低下させる。より好ましくは、0.5〜3.0%である。
すなわち、“電気の通り道”となる金属間化合物は、粒径0.2μm以上のものが100μm2当たり2個以上存在することが好ましい。まず、粒径0.2μm以上の金属間化合物に限定するのは、粒径が0.2μm未満の金属間化合物が、長時間での皮膜の成長によりその効果が消失する可能性が高いからである。また、金属間化合物が100μm2当たり2個以上とするのは、2個未満になると導電性が低くなるからである。
なお、粒径0.2μm以上の金属間化合物の分布密度および接触抵抗の測定方法は、以下の通りである。
走査型電子顕微鏡を用いて、ステンレス鋼板の表面を観察し、2万倍の写真を無作為に20視野ずつ撮影した。写真に撮影された金属間化合物の各粒子の円相当径を測定し、その円相当径が0.2μm以上の粒子の個数を計測して100μm2当たりの分布密度を測定した。金属間化合物の判別には、走査型電子顕微鏡に付属している特性X線分析装置を使用した。
ステンレス鋼板2枚を3枚のカーボンペーパー(東レ製TGP・H・120)で交互に挟み、さらに銅板に金メッキを施した電極を接触させ、単位面積当たり0.98MPaの圧力をかけて電流を流し、2枚のステンレス鋼板の間の電位差を測定し、電気抵抗を算出した。その測定値に接触面の面積を乗じ、さらに接触面の数(=2)で除した値を接触抵抗とした。得られた接触抵抗値が20mΩ・cm2以下を良好、20mΩ・cm2超を不良と判断した。なお、測定時の圧力が高いほど接触抵抗は良好となるが、実環境の圧力を考慮して、0.98MPaとした。
2,3 ガス拡散層
4,5 セパレータ
Claims (3)
- 質量%で、
C:0.01%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:0.02%以下、
Cr:24〜34%、
Mo:0.5〜4.0%および
Nb:0.26〜0.90%
を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなることを特徴とする導電性に優れた燃料電池セパレータ用ステンレス鋼板。 - 質量%で、
C:0.01%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:0.02%以下、
Cr:24〜34%、
Mo:0.5〜4.0%、
Nb:0.20〜0.90%および
W:0.1〜5.0%
を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなることを特徴とする導電性に優れた燃料電池セパレータ用ステンレス鋼板。 - 請求項1または2において、鋼板表面に粒径0.2μm以上の金属間化合物が100μm2当たり2個以上存在することを特徴とする導電性に優れた燃料電池セパレータ用ステンレス鋼
板。
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