JP6763501B1 - 燃料電池のセパレータ用のオーステナイト系ステンレス鋼板およびその製造方法 - Google Patents
燃料電池のセパレータ用のオーステナイト系ステンレス鋼板およびその製造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP6763501B1 JP6763501B1 JP2020524250A JP2020524250A JP6763501B1 JP 6763501 B1 JP6763501 B1 JP 6763501B1 JP 2020524250 A JP2020524250 A JP 2020524250A JP 2020524250 A JP2020524250 A JP 2020524250A JP 6763501 B1 JP6763501 B1 JP 6763501B1
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- stainless steel
- steel sheet
- austenitic stainless
- less
- treatment
- 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
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
- C25D11/00—Electrolytic coating by surface reaction, i.e. forming conversion layers
- C25D11/02—Anodisation
- C25D11/34—Anodisation of metals or alloys not provided for in groups C25D11/04 - C25D11/32
-
- 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
- C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
- C21D1/26—Methods of annealing
-
- 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
- C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
- C21D1/74—Methods of treatment in inert gas, controlled atmosphere, vacuum or pulverulent material
- C21D1/76—Adjusting the composition of the atmosphere
-
- 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
- C21D8/00—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
- C21D8/02—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips
- C21D8/0205—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips of ferrous alloys
-
- 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
- C21D8/00—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
- C21D8/02—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips
- C21D8/0221—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips characterised by the working steps
- C21D8/0226—Hot rolling
-
- 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
- C21D8/00—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
- C21D8/02—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips
- C21D8/0221—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips characterised by the working steps
- C21D8/0236—Cold rolling
-
- 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
- C22C38/002—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing In, Mg, or other elements not provided for in one single group C22C38/001 - C22C38/60
-
- 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
- C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
- C22C38/42—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel 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
- C22C38/40—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
- C22C38/48—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel 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
- C22C38/40—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
- 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
- C22C38/58—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with more than 1.5% by weight of manganese
-
- 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
- C23C10/00—Solid state diffusion of only metal elements or silicon into metallic material surfaces
-
- 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
- C23C22/48—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 not containing phosphates, hexavalent chromium compounds, fluorides or complex fluorides, molybdates, tungstates, vanadates or oxalates
- C23C22/50—Treatment of iron or alloys based thereon
-
- 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
- C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
- C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
- C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
- C23C8/24—Nitriding
- C23C8/26—Nitriding of ferrous surfaces
-
- 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
- C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
- C23C8/80—After-treatment
-
- 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
- C23F1/00—Etching metallic material by chemical means
- C23F1/10—Etching compositions
- C23F1/14—Aqueous compositions
- C23F1/16—Acidic compositions
- C23F1/28—Acidic compositions for etching iron group metals
-
- 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
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25F—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC REMOVAL OF MATERIALS FROM OBJECTS; APPARATUS THEREFOR
- C25F3/00—Electrolytic etching or polishing
- C25F3/02—Etching
- C25F3/06—Etching of 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
- 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
-
- 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
- H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
- H01M8/026—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant characterised by grooves, e.g. their pitch or depth
-
- 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
- C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
- C21D2211/001—Austenite
-
- 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
- H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric 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
-
- 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
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
- Heat Treatment Of Sheet Steel (AREA)
- Chemical Treatment Of Metals (AREA)
- Heat Treatment Of Articles (AREA)
Abstract
Description
そして、使用される電解質膜の種類に応じて、リン酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、アルカリ形燃料電池および固体高分子形燃料電池(PEFC;proton-exchange membrane fuel cellまたはpolymer electrolyte fuel cell)に分類され、それぞれ開発が進められている。
なお、上記の膜−電極接合体は、MEA(Membrane-Electrode Assembly)と呼ばれていて、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ものである。上記の膜−電極接合体の厚さは、数10μm〜数100μmである。また、ガス拡散層は、膜−電極接合体と一体化される場合も多い。
ここに、セパレータには、
(a) 単セル間を隔てる隔壁
としての役割に加え、
(b) 発生した電子を運ぶ導電体、
(c) 酸素(空気)が流れる空気流路、水素が流れる水素流路、
(d) 生成した水やガスを排出する排出路(空気流路、水素流路が兼備)
としての機能が求められるので、優れた耐久性や電気伝導性が必要となる。
しかしながら、特許文献1に開示の技術では、不動態皮膜の形成に伴い、接触抵抗の上昇を招き、その結果、発電効率が低下する。このように、特許文献1に開示される金属素材は、グラファイト素材と比べて接触抵抗が大きい等の問題がある。
「質量%で、C:0.001〜0.05%、Si:0.001〜0.5%、Mn:0.001〜1.0%、Al:0.001〜0.5%、N:0.001〜0.05%、Cr:17〜23%、Mo:0.1%以下を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、その表面に、弗酸または弗硝酸を主体とし、弗酸濃度を[HF]、硝酸濃度を[HNO3]と表した場合に、式:[HF]≧[HNO3]…[1]の関係を有する浸漬処理溶液に浸漬することで得られた皮膜を有することを特徴とする、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。」
が開示されている。
「16mass%以上のCrを含有するステンレス鋼に対して、電解処理を施した後、フッ素を含有する溶液への浸漬処理を施すことを特徴とする燃料電池セパレータ用ステンレス鋼の製造方法。」
が開示されている。
「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、金属形態以外(Cr+Fe)/金属形態(Cr+Fe)≧3.0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。」
が開示されている。
「16〜40質量%のCrを含有するステンレス鋼であって、
該ステンレス鋼の表面には、微細な凹凸構造を有する領域が面積率として50%以上存在することを特徴とする表面接触抵抗の低い燃料電池セパレータ用ステンレス鋼。」
が開示されている。
また、フッ酸を含有する処理液は化学的に極めて活性が高いため、処理作業時における安全性の問題が生じる。加えて、処理作業後に排出される廃液の処理においても、やはり安全性の問題が生じる。
「素材となるステンレス鋼板を準備し、
ついで、上記ステンレス鋼板の表面の酸化皮膜を除去し、
ついで、上記ステンレス鋼板に、上記ステンレス鋼板の活性態域で電解エッチング処理を施す、燃料電池のセパレータ用のステンレス鋼板の製造方法。」
を開示した。
そのため、加工条件の厳しい複雑形状の燃料電池セパレータを製造する場合には、セパレータの素材として、オーステナイト系ステンレス鋼板が用いられる場合がある。
また、本発明は、上記の燃料電池のセパレータ用のオーステナイト系ステンレス鋼板の有利な製造方法を提供することを目的とする。
まず、発明者らは、オーステナイト系ステンレス鋼板に対して、上掲特許文献6の技術を適用する場合に接触抵抗の経時劣化が生じる原因を検討した。
まず、素材となるフェライト系ステンレス鋼板およびオーステナイト系ステンレス鋼板をそれぞれ準備し、これらの鋼板を用いて、特許文献6の製造方法(ステンレス鋼板表面の酸化皮膜除去処理および当該ステンレス鋼板の活性態域で電解エッチング処理)により、種々の燃料電池のセパレータ用ステンレス鋼板を製造し、製造した鋼板の表面状態を調査した。
その結果、以下の知見を得た。
(1)電解エッチング処理により、フェライト系ステンレス鋼板およびオーステナイト系ステンレス鋼板のいずれを素材とした場合にも、鋼板表面に微細な凹凸構造が形成される。
この鋼板表面に形成された微細な凹凸構造により、ステンレス鋼板(セパレータ)とガス拡散層との接触面積が大きくなる。そのため、電解エッチング処理直後は、両者とも低い接触抵抗が得られる。
(2)一方、電解エッチング処理直後から、フェライト系ステンレス鋼板およびオーステナイト系ステンレス鋼板とも、鋼板表面に不動態皮膜が生成する。
そして、この不動態皮膜の安定性が、フェライト系ステンレス鋼板とオーステナイト系ステンレス鋼板とで、大きく異なる。
すなわち、フェライト系ステンレス鋼板に生成する不動態皮膜は、比較的安定であり、時間が経過しても、不動態皮膜の成長(厚膜化)は殆ど見られない。これに対し、オーステナイト系ステンレス鋼板に生成する不動態皮膜は不安定であり、時間の経過とともに、不動態皮膜が成長(厚膜化)する。
この不動態皮膜の安定性の違いから、オーステナイト系ステンレス鋼板を素材にする場合には、接触抵抗の経時劣化が生じる。
一般に、ステンレス鋼では、鋼中のCr含有量が多いほど、不動態皮膜の耐食性が向上する。そのため、発明者らは、鋼板表面のCr濃度を増加させて、不動態皮膜を安定化させることを試みた。
その結果、鋼板表面のCr濃度を増加させることにより、接触抵抗の経時劣化の抑制効果が見られることが判明した。しかし、それだけではなおも十分とは言えなかった。
その結果、
(i)鋼板表面のCr濃度を増加させることにより、不動態皮膜の厚膜化を極力抑制しつつ、
(ii)鋼板表面の凹凸構造における凹凸間の高低差を十分に確保する、
ことが重要であることを知見した。
そして、上記の(i)および(ii)を同時に満足させることによって、オーステナイト系ステンレス鋼板を大気中に一定時間保管した後であっても、低い接触抵抗が得られることを知見した。
その理由について、発明者らは、次のように考えている。
(a)すなわち、セパレータとなるステンレス鋼板表面に凹凸構造が形成されると、ステンレス鋼板とガス拡散層との接触面積が大きくなって、低い接触抵抗が得られる。特に、ステンレス鋼板表面に不動態皮膜が形成されても、ステンレス鋼板とガス拡散層との接触により、ステンレス鋼板表面の凸部の不動態皮膜が部分的に破壊される。この破壊された部分とガス拡散層のカーボン繊維とが接点となる、換言すれば、不動態皮膜を介さずに、ステンレス鋼板の地鉄部分とガス拡散層とが接触して、低い接触抵抗が得られる。
(b)しかし、上述したように、オーステナイト系ステンレス鋼板に対し、所定の電解エッチング処理を施し、その後、その鋼板を大気中で保管する場合には、時間の経過とともに、不動態皮膜が厚膜化する。また、大気中に含まれる粉塵等の微粒子や、有機物、水蒸気等が鋼板表面に付着することによっても、接触抵抗の上昇を招くおそれがある。
(c)この点、鋼板表面のCr濃度を増加させることにより、不動態皮膜の厚膜化を極力抑制することが可能となる。
また、ステンレス鋼板の表面の凹凸構造における凹凸間の高低差を十分に確保することによって、ステンレス鋼板とガス拡散層との接触時にステンレス鋼板表面の凸部とガス拡散層との接点にかかる面圧が増加する。そのため、たとえ不動態皮膜が電解エッチング処理直後に比べて厚膜化しても、不動態皮膜は破壊されやすくなる。さらに、大気中に含まれる粉塵等の微粒子や、有機物、水蒸気等の影響を受けにくくなる。
(d)上記した相乗作用によって、ステンレス鋼板とガス拡散層との接触時に、ステンレス鋼板表面の凸部の不動態皮膜が部分的に破壊される。
そのため、オーステナイト系ステンレス鋼板を大気中に一定時間保管した後であっても、不動態皮膜を介さずに、ステンレス鋼板の地鉄部分とガス拡散層とを接触させることが可能となり、低い接触抵抗が得られる。
・ステンレス鋼板の表面の凹凸構造において、凸部の平均高さを30nm以上300nm以下、凸部間の平均間隔を20nm以上350nm以下にそれぞれ制御し、かつ、
・ステンレス鋼板の表面において、金属以外の形態として存在するFeの原子濃度に対する金属以外の形態として存在するCrの原子濃度の比である[Cr]/[Fe]を1.0以上に制御する、
ことが重要であり、これらを同時に満足させることにより、優れた接触抵抗の耐経時劣化性が得られる、との知見を得た。
また、上記した鋼板表面の凹凸構造を得るには、凹凸構造を形成するエッチング処理において、溶解量を適正に制御する、具体的には、1.0〜20.0g/m2の範囲に制御することが重要である、との知見を得た。
この点についても、発明者らは検討を重ね、ステンレス鋼板の表面に存在するNの原子濃度を1.0at%以上に制御することで、耐孔食性が大幅に向上する、との知見を得た。
本発明は上記の知見に基づき、さらに検討を重ねた末に完成されたものである。
1.燃料電池のセパレータ用のオーステナイト系ステンレス鋼板であって、
上記燃料電池のセパレータ用のオーステナイト系ステンレス鋼板の表面に凹部と凸部とを有する凹凸構造を備え、該凸部の平均高さが30nm以上300nm以下であり、かつ該凸部間の平均間隔が20nm以上350nm以下であり、
上記燃料電池のセパレータ用のオーステナイト系ステンレス鋼板の表面において、金属以外の形態として存在するFeの原子濃度に対する金属以外の形態として存在するCrの原子濃度の比である[Cr]/[Fe]が1.0以上である、燃料電池のセパレータ用のオーステナイト系ステンレス鋼板。
ついで、上記素材オーステナイト系ステンレス鋼板の表面の酸化皮膜を除去し、
ついで、上記素材オーステナイト系ステンレス鋼板に、上記素材オーステナイト系ステンレス鋼板の活性態域で、溶解量が1.0〜20.0g/m2となるエッチング処理を施し、
ついで、上記素材オーステナイト系ステンレス鋼板に、酸化性を有する溶液中での浸漬処理、または、上記素材オーステナイト系ステンレス鋼板の不動態域における電解処理を施す、燃料電池のセパレータ用のオーステナイト系ステンレス鋼板の製造方法。
前記素材オーステナイト系ステンレス鋼板に、処理雰囲気:窒素濃度が5体積%以上でかつ露点が−45℃以下、最高到達温度:1000℃以上1200℃以下、および、1000℃以上の温度域における滞留時間:1秒以上300秒以下の条件で、熱処理を施す、前記3に記載の燃料電池のセパレータ用のオーステナイト系ステンレス鋼板の製造方法。
また、オーステナイト系ステンレス鋼板は、フェライト系ステンレス鋼板よりも加工性に優れるので、本発明の燃料電池のセパレータ用のオーステナイト系ステンレス鋼板を適用することにより、加工条件が厳しい種々の複雑形状の燃料電池セパレータを製造することが可能となる。
以下、本発明の一実施形態に係る燃料電池のセパレータ用のオーステナイト系ステンレス鋼板について、説明する。
上述したように、本発明の一実施形態に係る燃料電池のセパレータ用のオーステナイト系ステンレス鋼板では、表面に凹部と凸部とを有する微細凹凸構造を形成して、その形状をnmオーダーで制御することが重要となる。
上述したように、凸部の平均高さは、優れた接触抵抗の耐経時劣化性を得る観点から、30nm以上300nm以下とすることが必要である。
ここで、凸部の平均高さが30nm未満の場合、凹凸間の高低差が過少となる。そのため、ステンレス鋼板を大気中で保管した際に不動態皮膜が厚膜化すると、ステンレス鋼板とガス拡散層との接触時に、鋼板表面の凸部の不動態皮膜が破壊されなくなる。その結果、ステンレス鋼板の地鉄部分とガス拡散層とを直接接触させることができなくなって、接触抵抗が増加する。さらに、大気中に含まれる粉塵等の微粒子や、有機物、水蒸気等の付着の影響を受け易くなる。
一方、凸部の平均高さが300nm超になると、エッチング処理の際に、溶解量、ひいては、エッチング時間が増加し、生産性の面で不利になる。
従って、凸部の平均高さは、30nm以上300nm以下とする。好ましくは50nm以上である。また、好ましくは200nm以下である。
すなわち、(最終製品となる)オーステナイト系ステンレス鋼板から、集束イオンビーム加工装置(FIB、FEI社製Versa 3D DualBeam)により、断面観察用薄膜試料を作製する。ついで、この試料を、球面収差補正型走査透過電子顕微鏡(Cs−corrected STEM、日本電子製JEM−ARM200F)により、50000倍にて任意の5視野で観察し、TEM像を得る。
得られた図1のような各TEM像において、鋼板表面を確認し、図2に示すように、1つの凸部に隣接する(両側の)凹部の最下点V(鋼板の板厚(深さ)方向における最下点)を直線bで結び、当該直線bと、当該凸部の頂点T(鋼板の板厚(深さ)方向における頂点)との距離hを求める。そして、求めた距離hを、当該凸部の高さとする。このようにして、得られた各TEM像において観察される鋼板表面の各凸部について、高さを求め、求めた各凸部の高さの(算術)平均値を、凸部の平均高さとする。
なお、高さが10nm未満のものについては、凸部とはみなさず、上記の平均値の算出からも除外するものとする。
オーステナイト系ステンレス鋼板の表面(以下、単に鋼板表面ともいう)における凸部間の平均間隔は、低い接触抵抗を実現するため、20nm以上350nm以下とすることが必要である。
ここで、凸部間の平均間隔が20nm未満になると、凹凸が細か過ぎて、鋼板表面の凸部とガス拡散層等の燃料電池構成部材とが十分に接触できない。そのため、所望の接触抵抗が得られない。
一方、凸部間の平均間隔が350nm超になると、鋼板表面に凹凸を微細かつ密に分散させることができず、十分な接触面積の増大効果が得られない。そのため、やはり所望の接触抵抗が得られない。また、エッチング処理の際に、溶解量、ひいては、エッチング時間が増加し、生産性の面で不利になる。
従って、凸部間の平均間隔は、20nm以上350nm以下とする。好ましくは50nm以上である。また、好ましくは300nm以下である。
すなわち、上記のようにして得られた各TEM像において、図1に示すように、任意に鋼板表面に平行な方向(鋼板の板厚(深さ)方向に直角となる方向)に線分(長さ:1μm)を引き、該線分の鋼板の板厚(深さ)方向における投影領域内の凸部の個数(上記した凸部の頂点の数)を測定する。そして、該線分の長さ(1μm)を、測定した凸部の個数で除し、その値を凸部間の間隔とする。ついで、各TEM像で求めた凸部間の間隔を(算術)平均し、その値を、凸部間の平均間隔とする。
なお、高さが10nm未満のものについては、凸部とはみなさず、上記の凸部の個数からも除外するものとする。
上述したように、鋼板表面の凹凸構造の形状を制御しつつ、鋼板表面において金属以外の形態として存在するFeの原子濃度に対する金属以外の形態として存在するCrの原子濃度の比(以下、[Cr]/[Fe]ともいう)を1.0以上とすることにより、優れた接触抵抗の耐経時劣化性が得られる。
また、鋼板表面のCr濃度を増加させることで、耐食性も向上する。
従って、[Cr]/[Fe]は1.0以上とする。好ましくは1.2以上である。
なお、鋼板表面での不動態皮膜の成長を抑制する観点からは、[Cr]/[Fe]は大きい方が有利になるので、[Cr]/[Fe]の上限については特に限定されるものではないが、20以下が好ましい。
また、金属以外の形態とは、酸化物および水酸化物の形態を示す。具体的には、Crの場合、CrO2、Cr2O3、CrOOH、Cr(OH)3およびCrO3などが挙げられる。またFeの場合、FeO、Fe3O4、Fe2O3およびFeOOHなどが挙げられる。
すなわち、X線光電子分光法(以下、XPSともいう)により測定したCrおよびFeのピークを、金属形態として存在するCrおよびFeのピークと、金属以外の形態として存在するCrおよびFeのピークにそれぞれ分離する。そして、各ピークの強度から、金属以外の形態として存在するCrの原子濃度および金属以外の形態として存在するFeの原子濃度を算出し、金属以外の形態として存在するCrの原子濃度を、金属以外の形態として存在するFeの原子濃度で除することにより求めることができる。
具体的には、鋼板から10mm角の試料を切り出し、この試料を用いて、Al-KαモノクロX線源を用いて、取出し角度:45度の条件でX線光電子分光装置(アルバック・ファイ社製 X−tool)による測定を行う。そして、CrおよびFeのピークをそれぞれ、金属形態として存在するCrおよびFeのピークと、金属以外の形態として存在するCrおよびFeのピークに分離する。ついで、各ピークの強度から、金属以外の形態として存在するCrの原子濃度および金属以外の形態として存在するFeの原子濃度を算出し、金属以外の形態として存在するCrの原子濃度を、金属以外の形態として存在するFeの原子濃度で除することにより求めたものである。
なお、ピーク分離は、Shirley法によりスペクトルのバックグラウンドを除去し、Gauss-Lorentz複合関数(Lorentz関数の割合:30%)を用いることで実施した。
鋼板表面の窒素濃度を増加させることで、燃料電池のセパレータ使用環境における耐食性を、一層向上させることができる。
すなわち、鋼板の表層部に窒素を導入することで、鋼板の表層部に耐食性に優れる窒化物が形成される。これによって、鋼板表面のバリア性が向上し、耐食性、特には耐孔食性が向上する。なお、ここでいう窒化物とは、ステンレス鋼板の成分組成に含有される元素の窒化物であり、主にCr窒化物、Si窒化物、Al窒化物、および、これらの混合物から構成される。また、鋼板の表層部への窒素導入による固溶窒素量の増加も、耐食性、特には耐孔食性の向上に寄与する。
このため、鋼板表面に存在するNの原子濃度は1.0at%以上とすることが好ましい。より好ましくは3.0at%以上である。
ただし、鋼板表面に存在するNの原子濃度が20.0at%を超えると、上記の窒化物が鋼板の内部にも多量に形成され、当該窒化物が、セパレータ形状に加工する際に、割れの起点になるおそれがある。このため、鋼板表面に存在するNの原子濃度は、20.0at%以下とすることが好ましい。
具体的には、鋼板から10mm角の試料を切り出し、この試料を用いて、Al-KαモノクロX線源を用いて、取出し角度:45度の条件でX線光電子分光装置(アルバック・ファイ社製X−tool)による測定を行う。そして、鋼板に含まれる主要な元素、具体的には、N、Al、Si、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Mo、Ti、NbおよびZrの原子数(比)(これらの元素のピーク強度(比))を求める。ついで、Nの原子数(比)をこれらの元素の原子数(比)の合計で除し、100を乗じることにより、鋼板表面に存在するNの原子濃度(at%)を算出する。
なお、CおよびOのピークも検出されるが、鋼板表面の不純物の影響が特に大きいため、ここでは除外するものとする。
一方、本発明の一実施形態に係る燃料電池のセパレータ用のオーステナイト系ステンレス鋼板は、フッ酸の濃度を極力低減した処理液を用いて製造されるため、鋼板表面をXPSにより測定したとしてもFは検出されない。よって、本発明の一実施形態に係る燃料電池のセパレータ用のオーステナイト系ステンレス鋼板では、その表面をXPSにより測定したとしてもFのピークは観測されない。
また、オーステナイト系ステンレス鋼板の成分組成は特に限定されるものではないが、質量%で、C:0.100%以下、Si:2.00%以下、Mn:3.00%以下、P:0.050%以下、S:0.010%以下、Cr:15.0〜40.0%、Ni:5.0〜30.0%、Al:0.500%以下およびN:0.100%以下を含有し、
任意に、(a)Cu:2.50%以下、(b)Mo:4.00%以下、および(c)Ti、NbおよびZrから選んだ1種以上の元素:合計で1.00%以下のうちから選んだ1または2以上を含有し、
残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分組成とすることが好適である。
以下、その理由を説明する。なお、成分組成に関する「%」表示は特に断らない限り質量%を意味する。
Cは、鋼中のCrと反応して、粒界にCr炭化物として析出する。そのため、Cは、耐食性の低下をもたらす。従って、耐食性の観点からは、Cは少ないほど好ましく、C含有量は0.100%以下とすることが好ましい。より好ましくは0.060%以下である。なお、下限については特に限定されるものではないが、0.001%とすることが好適である。
Siは、脱酸のために有効な元素であり、鋼の溶製段階で添加される。その効果は、好適にはSiの0.01%以上の含有で得られる。しかし、Siを過剰に含有させると、硬質化して、延性が低下しやすくなる。従って、Si含有量は2.00%以下とすることが好ましい。より好ましくは1.00%以下である。
Mnは、脱酸のために有効な元素であり、鋼の溶製段階で添加される。その効果は、好適にはMnの0.01%以上の含有で得られる。しかし、Mn含有量が3.00%を超えると、耐食性が低下しやすくなる。従って、Mn含有量は3.00%以下とすることが好ましい。より好ましくは1.50%以下、さらに好ましくは1.00%以下である。
Pは延性の低下をもたらすため、その含有量は少ないほうが望ましい。ただし、P含有量が0.050%以下であれば、延性の著しい低下は生じない。従って、P含有量は0.050%以下とすることが好ましい。より好ましくは0.040%以下である。下限については特に限定されるものではないが、過度の脱Pはコストの増加を招く。よって、P含有量は、0.010%以上とすることが好適である。
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る。ただし、S含有量が0.010%以下であれば、耐食性の著しい低下は生じない。従って、S含有量は0.010%以下とすることが好ましい。下限については特に限定されるものではないが、過度の脱Sはコストの増加を招く。よって、S含有量は、0.001%以上とすることが好適である。
耐食性を確保するために、Cr含有量は15.0%以上とすることが好ましい。すなわち、Cr含有量が15.0%未満では、耐食性の面から燃料電池のセパレータとして長時間の使用に耐えることが困難となる。好ましくは18.0%以上である。一方、Cr含有量が40.0%を超えると、延性が低下する場合がある。従って、Cr含有量は40.0%以下とすることが好ましい。より好ましくは30.0%以下である。さらに好ましくは20.0%以下である。
Niは、オーステナイト相の生成を促進させる元素である。その効果は、好適にはNi含有量が5.0%以上で得られる。好ましくは7.5%以上である。さらに好ましくは12.0%以上である。しかし、Ni含有量が30.00%を超えると、熱間加工性が低下する。従って、Ni含有量は30.00%以下とすることが好ましい。より好ましくは20.00%以下である。さらに、より好ましくは15.00%以下である。
Alは、脱酸に用いられる元素である。その効果は、好適にはAlの0.001%以上の含有で得られる。しかし、Al含有量が0.500%を超えると、延性の低下をもたらす場合がある。従って、Al含有量は0.500%以下とすることが好ましい。より好ましくは0.010%以下、さらに好ましくは0.005%以下である。
N含有量が0.100%を超えると、成形性が低下する。従って、N含有量は0.100%以下とすることが好ましい。より好ましくは0.050%以下である。さらに好ましくは0.030%以下である。下限については特に限定されるものではないが、過度の脱Nはコストの増加を招く。よって、N含有量は、0.002%以上とすることが好適である。
Cu:2.50%以下
Cuは、オーステナイト相の生成を促進させること、および、ステンレス鋼の耐食性を改善することに有効な元素である。その効果は、好適にはCuの0.01%以上の含有で得られる。しかし、Cu含有量が2.50%を超えると、熱間加工性が低下し、生産性の低下を招く。従って、Cuを含有させる場合、Cu含有量は2.50%以下とする。好ましくは1.00%以下である。
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。その効果は、好適にはMoの0.01%以上の含有で得られる。しかし、Mo含有量が4.00%を超えると、ステンレス鋼の脆化を招く。従って、Moを含有させる場合、Mo含有量は4.00%以下とする。好ましくは2.50%以下である。
Ti、NbおよびZrは、耐粒界腐食性向上に寄与するため、これらの元素を単独でまたは複合して含有させることができる。その効果は、好適にはそれぞれ0.01%以上の含有で得られる。しかし、これらの元素の合計の含有量が1.00%を超える場合、延性が低下し易くなる。従って、Ti、NbおよびZrを含有させる場合、これらの合計の含有量は1.00%以下とする。下限については特に限定されるものではないが、Ti、NbおよびZrの合計の含有量で0.01%以上とすることが好適である。
次に、本発明の一実施形態に係る燃料電池のセパレータ用のオーステナイト系ステンレス鋼板の製造方法を説明する。
準備工程は、素材とするオーステナイト系ステンレス鋼板(以下、素材オーステナイト系ステンレス鋼板ともいう)を準備する工程である。素材オーステナイト系ステンレス鋼板は、特に限定されず、例えば、上記の成分組成を有するオーステナイト系ステンレス鋼板を以下のようにして準備すればよい。
すなわち、上記の成分組成を有する鋼スラブを、熱間圧延して熱延板とし、該熱延板に必要に応じて熱延板焼鈍を施し、その後、該熱延板に冷間圧延を施して所望板厚の冷延板とすることで、上記の成分組成を有するオーステナイト系ステンレス鋼板を準備することができる。さらに必要に応じて該冷間圧延工程の間に、中間焼鈍として冷延板焼鈍を追加することもできる。
なお、熱間圧延や冷間圧延、熱延板焼鈍、冷延板焼鈍などの条件は特に限定されず、常法に従えばよい。また、冷延板焼鈍後に酸洗し、スキンパスを施してもよい。また、冷延板焼鈍を、光輝焼鈍とすることもできる。
上記のようにして準備した素材オーステナイト系ステンレス鋼板に、(後述する酸化皮膜の除去処理工程の前に)処理雰囲気:窒素濃度が5体積%以上でかつ露点が−45℃以下、最高到達温度:1000℃以上1200℃以下、および、1000℃以上の温度域における滞留時間:1秒以上300秒以下の条件で熱処理を施すことが好適である。
この熱処理により、素材オーステナイト系ステンレス鋼板の表層部に窒素を導入することが可能となり、最終製品となる燃料電池のセパレータ用のオーステナイト系ステンレス鋼板において、燃料電池のセパレータの使用環境における耐食性、特には、耐孔食性が向上する。
処理雰囲気の窒素濃度を5体積%以上とすることにより、素材オーステナイト系ステンレス鋼板の表層部に効果的に窒素を導入することが可能となる。そのため、処理雰囲気の窒素濃度は5体積%以上とすることが好ましい。より好ましくは10体積%以上、さらに好ましくは20体積%以上である。
なお、窒素以外の雰囲気ガスとしては、水素、ヘリウム、アルゴン、ネオン、一酸化炭素、二酸化炭素のうちから選んだ1種以上とすることが好ましい。
また、処理雰囲気の露点が高くなると、熱処理時に素材オーステナイト系ステンレス鋼板の表面に酸化物が形成されて、鋼板の表層部に窒素を導入することが困難となる。この点、処理雰囲気の露点を−45℃以下とすることにより、素材オーステナイト系ステンレス鋼板の表層部に効果的に窒素を導入することが可能となる。そのため、処理雰囲気の露点は、−45℃以下とすることが好ましい。より好ましくは−50℃以下である。さらに好ましくは−65℃以下である。
熱処理における最高到達温度が1000℃未満であると、素材オーステナイト系ステンレス鋼板の表層部に十分に窒素を導入することができない。また、素材オーステナイト系ステンレス鋼板(冷延板)の圧延組織を十分に再結晶させることができず、加工性の劣化を招くおそれがある。
一方、最高到達温度が1200℃を超えると、結晶粒が粗大化し、やはり加工性の劣化を招くおそれがある。また、固溶限を大幅に超えた窒素が導入されると、当該窒素は窒化物として、鋼板表面だけでなく鋼板の内部にも析出して、耐食性および加工性の劣化を招くおそれがある。
そのため、熱処理における最高到達温度は1000℃以上1200℃以下とすることが好ましい。より好ましくは、1050℃以上である。また、より好ましくは1150℃以下である。
熱処理における1000℃以上の温度域における滞留時間が1秒未満の場合、素材オーステナイト系ステンレス鋼板の表層部に十分な窒素を導入させることができない。また、素材オーステナイト系ステンレス鋼板(冷延板)の圧延組織を十分に再結晶させることができず、加工性の劣化を招くおそれがある。
一方、熱処理における1000℃以上の温度域における滞留時間が300秒を超えると、結晶粒が粗大化し、やはり加工性の劣化を招くおそれがある。また、固溶限を大幅に超えた窒素が導入されると、当該窒素は窒化物として、鋼板表面だけでなく鋼板の内部にも析出して、耐食性および加工性の劣化を招くおそれがある。
従って、熱処理における1000℃以上の温度域における滞留時間は、1秒以上300秒以下とすることが好ましい。より好ましくは3秒以上、さらに好ましくは5秒以上である。また、より好ましくは120秒以下、さらに好ましくは60秒以下である。
よって、後述する酸化皮膜の除去処理工程において酸化皮膜が除去され、さらにエッチング処理工程において、厚さで数μm程度のステンレス鋼板母材が溶解されても、最終製品では、鋼板表面に存在するNの原子濃度は高いまま維持される。
ついで、素材オーステナイト系ステンレス鋼板の表面にあらかじめ形成されている酸化皮膜(以下、単に酸化皮膜ともいう)を除去する。このような酸化皮膜の除去処理を、後述するエッチング処理を施す前に行うことで、活性態域におけるエッチング処理による接触抵抗の低減効果が安定して得られるようになる。
ここで、あらかじめ形成されている酸化皮膜とは、大気中で形成される不動態皮膜や、素材オーステナイト系ステンレス鋼板の製造段階の焼鈍時に形成される皮膜などが挙げられる。
ここで、カソード電解処理の処理条件は、ステンレス鋼板表面の酸化皮膜を除去できるような電流密度で実施すればよい。具体的には、ステンレス鋼板の鋼種や、あらかじめ形成されている酸化皮膜の厚さ、電解装置等の構成に応じて、その都度、電解条件を調整することが好ましい。
例えば、電位制御の場合は、30g/Lの硫酸水溶液中、電位:−0.7V(vs.Ag/AgCl)、処理時間:1分以上の条件でカソード電解処理を施せばよい。なお、V(vs.Ag/AgCl)は、参照電極として用いた銀−塩化銀電極に対する電位であり、以下、(vs.Ag/AgCl)と記載する。
また、電流制御の場合は、鋼種や酸化皮膜の厚さによっても異なるが、電流密度:−0.1〜−100mA/cm2、処理時間:1〜600秒の範囲で調整することが好ましい。特に、処理時間は、電流密度によっても異なるが、例えば、電流密度:−0.5mA/cm2の場合には、処理時間を60秒以上とすれば、通常、ステンレス鋼板の表面の酸化被膜は除去される。ただし、処理時間が長くなると、経済性が悪くなるため、600秒以下とすることが好ましい。より好ましくは300秒以下である。
なお、ここでいう電流密度は、被処理材となるステンレス鋼板と対極との間に流れる電流を、被処理材の表面積で除した値を示し、電流制御の場合は、この電流密度を制御する。
また、処理液の濃度は、処理液の導電率が十分高くなるよう調整すればよく、例えば、硫酸水溶液の場合は硫酸の濃度を10〜100g/L程度とすることが好ましい。
ただし、再生酸等の安価な酸を使用する場合、フッ酸やリン酸等の他の酸が不純物として含まれる場合があるが、硫酸以外の酸の濃度は5g/L以下であれば許容できる。ただし、フッ酸については、処理作業時における安全性と、処理作業後に排出される廃液の処理の安全性の観点から、フッ酸の濃度は極微量、具体的には、1g/L以下に低減する必要がある。なお、硫酸以外の酸の濃度が0g/Lであってもよいことは言うまでもない。
なお、酸化皮膜の除去と後述するエッチング処理の処理液を同一にした場合、コスト的に有利である。また、電解槽の構造によっては同一の電解槽において、酸化被膜の除去とエッチング処理とを連続して行うことができる。
上記の酸化皮膜の除去処理を施して、表面の酸化皮膜を除去した素材オーステナイト系ステンレス鋼板に、当該素材オーステナイト系ステンレス鋼板の活性態域においてエッチング処理を施す。
そして、その際に、溶解量を1.0〜20.0g/m2の範囲制御することが極めて重要である。
エッチング処理における溶解量を1.0g/m2以上に制御することで、ステンレス鋼板表面に所定の凹凸構造を形成する、特には、所定の凸部の平均高さに制御することが可能となる。これにより、接触抵抗の耐経時劣化性が高まる。従って、エッチング処理における溶解減量は1.0g/m2以上とする。好ましくは3.0g/m2以上である。
ただし、エッチング処理における溶解量が20.0g/m2を超えると、凸部間の平均間隔が大きくなり過ぎ、所定の接触抵抗が得られなくなる。また、スマットが鋼板表面に強固に付着して、当該スマットが後述する酸性溶液中での処理でも除去しにくくなる。そのため、接触抵抗が上昇する。従って、エッチング処理における溶解量は20.0g/m2以下とする。好ましくは10.0g/m2以下である。
また、過不動態域でエッチング処理した場合、ステンレス鋼板の溶解量が多く、また溶解速度も速くなる。そのため、エッチングが急速に進行して、やはり所望の接触抵抗の低減効果が得られない。加えて、電位によっては、酸素発生反応も同時に起こる場合があるため、エッチング量の制御が困難となる。
このように、活性態域でのエッチング処理であれば、ステンレス鋼板の溶解量を精密に制御し、ひいては、鋼板表面に形成される微細凹凸構造の形状をnmオーダーで制御することが可能となる。そのため、ここでは、活性態域でのエッチング処理を行うこととした。
すなわち、図3に示すように、後述する表1の鋼No.Aの成分組成を有するステンレス鋼板を自然浸漬電位からアノード方向に分極すると、電位が−0.35V(vs.Ag/AgCl)を超えたあたりから電流、ひいては電流密度が増加して+0.67mA/cm2程度の極大値に達する。その後、電位の上昇とともに電流は減少し、電位が−0.11V(vs.Ag/AgCl)に達すると、電流密度は上記極大値の1/10以下にまで低下する。この電流の低い状態は−0.11V(vs.Ag/AgCl)から+0.78V(vs.Ag/AgCl)の電位範囲で持続し、その後、電位の上昇とともに、電流密度が再び急激に増加する。
なお、図3は、後述する表1の鋼No.Aについて、参照電極に銀−塩化銀電極を用いて、30g/L硫酸水溶液中、55℃、において、−0.7V(vs.Ag/AgCl)で1分間カソード電解処理を実施し、その後、電位走査速度:1mV/sの条件で得た、アノード分極曲線である。アノード分極曲線を得るにあたっては、この電位走査速度を用いるものとする。
この初期の電位の上昇とともに電流密度が増加する電位範囲が活性態域、電位を上昇させても、ほとんど電流が流れず、電流密度が低い値に保持される電位範囲が不動態域、不動態域の電位範囲を超えて、電流密度が急激に増大する電位範囲が過不動態域である。
具体的には、活性態域を、処理液中のステンレス鋼板を自然浸漬電位からアノード方向に、1mV/sの走査速度で分極した際に得られるアノード分極曲線において、電位上昇時に初めに現れる(後述する不動態域に達する前の)、電位の上昇とともに電流密度が増加し、極大値(活性態域における電流密度の最大値)をとった後、電流密度が低下し、電流密度が前記極大値の1/10以下となるまでの電位範囲と定義する。
また、不動態域は、上記のアノード分極曲線において、活性態域を超えて電位を上昇させても、電流が殆ど流れない電位範囲(具体的には、電流密度が前記極大値の1/10以下に維持される電位範囲)と定義する。
さらに、過不動態域は、不動態域を超え、かつ、電位の上昇とともに電流が急激に増加する電位範囲と定義する。
具体的には、電位制御でエッチング処理を行う場合、事前に被処理材となるステンレス鋼板のアノード分極曲線を取得して、活性態域の電位範囲を把握し、その電位範囲においてエッチング処理を行えばよい。
例えば、後述する表1の鋼種Aを30g/L硫酸水溶液により処理する場合、−0.35V〜−0.10V(vs.Ag/AgCl)の電位範囲であれば、活性態域に相当する電位範囲となる。よって、当該活性態域となる電位範囲において、処理時間を1〜600秒の範囲で適宜調整してエッチング処理を行えばよい。
ただし、電流制御の場合、使用するステンレス鋼板の鋼種や処理液等によって適切な電流密度が変化するため、その都度、調整が必要である。
また、被処理材が大きい場合やコイル状態の鋼板にエッチング処理を施す場合など、電解装置が大型になるような工場の設備では、参照電極を用いることが困難となる。そのような場合、電流密度を上げていきながら、電流密度と、被処理材となるステンレス鋼板と対極との間にかかる電解電圧との関係を確認することにより、活性態域の電位範囲でエッチングされる電流密度を確認する。そのうえで、当該活性態域の電位範囲となる電流密度で、エッチング処理を施せばよい。
具体的には、被処理材となるステンレス鋼板と対極との間にかかる電解電圧が急激に増加するまでの電流密度であれば、活性態域にあると判断することができる。一方、被処理材となるステンレス鋼板と対極との間にかかる電解電圧が急激に増加した後の電流密度であれば、過不動態域にあると判断することができる。
例えば、後述する表1の鋼種Aを30g/L硫酸水溶液により処理する場合、電流密度を0.01〜1.00mA/cm2程度に制御すれば、活性態域に相当する電位範囲で電解できる。そのため、当該活性態域となる電流密度範囲において、処理時間を1〜600秒の範囲で適宜調整して電解エッチング処理を行えばよい。
なお、ここでいう電流密度は、被処理材となるステンレス鋼板と対極との間に流れる電流を、被処理材の表面積で除した値を示し、電流制御の場合は、この電流密度を制御する。
また、処理液の濃度は、処理液の導電率が十分高くなるよう調整すればよい。例えば、硫酸水溶液の場合、硫酸の濃度を10〜300g/L程度とすることが好ましい。また、エッチング処理における溶解量を1.0〜20.0g/m2の範囲に制御する観点からは、硫酸の濃度を30g/L以上、さらには60g/L以上とすることが好ましい。
なお、ステンレス鋼の表面に発生するスマットを除去する目的等で、処理液中に硝酸を少量加えてもよい。ただし、硝酸はステンレス鋼を不動態化してエッチング効果を抑制する。このため、硝酸の濃度は10g/L以下とすることが好ましい。また、硫酸水溶液に硝酸を加える場合、硝酸の濃度は、硫酸の濃度以下とすることが好ましい。硝酸の濃度が0g/Lであってもよいことは言うまでもない。
また、上記した硫酸および硝酸以外の酸は、極力低減することが好ましい。ただし、再生酸等の安価な酸を使用する場合、フッ酸やリン酸等の他の酸が不純物として含まれる場合があるが、硫酸および硝酸以外の酸の濃度は5g/L以下であれば許容できる。ただし、処理作業時における安全性と、処理作業後に排出される廃液の処理の安全性の観点から、フッ酸の濃度は極微量、具体的には、1g/L以下に低減する必要がある。なお、硫酸以外の酸の濃度が0g/Lであってもよいことは言うまでもない。
なお、酸化皮膜の除去処理と電解エッチング処理とを、同じ処理液かつ同一の処理温度で行える場合には、同一の電解槽を用いて連続して処理することもできる。
接触抵抗の耐経時劣化性を向上させるには、上記のエッチング処理を施した素材オーステナイト系ステンレス鋼板に、さらに酸化性を有する溶液中での浸漬処理、または、上記素材オーステナイト系ステンレス鋼板の不動態域における電解処理(以下、酸化性を有する溶液中での浸漬処理、または、電解処理ともいう)を施すことが重要である。これにより、鋼板表面のCr濃度を高め、ステンレス鋼板の大気中での保管時における不動態皮膜の厚膜化を極力抑制する。
また、同時に、酸化性を有する溶液中での浸漬処理、または、電解処理により、エッチング処理時に形成されたスマット等の付着物を溶解(除去)することが重要である。
すなわち、本発明の一実施形態に係る燃料電池のセパレータ用のオーステナイト系ステンレス鋼板では、前述したように、鋼板表面の凹凸構造における凹凸間の高低差を十分に確保する必要がある。このため、鋼板表面の凹凸構造を形成するエッチング処理では、溶解量を多くする、具体的には、1.0g/m2以上にする必要がある。しかし、エッチング処理における溶解量が多くなると、エッチング処理後、ステンレス鋼板の表面に多量のスマット(C、N、S、O、Fe、Cr、Niを主要な構成元素とする混合物で電気抵抗が高い)が生成する。そのため、エッチング処理ままの鋼板では、かようなスマットの影響により、却って、接触抵抗が大きくなってしまう。この点、上記のエッチング処理後に、上記の酸化性を有する溶液中での浸漬処理、または、電解処理を行い、鋼板表面のCr濃度、換言すれば[Cr]/[Fe]を高めることで、結果的に、上記のスマットが除去され、低い接触抵抗が得られるようになる。一方、上記のエッチング処理後に、酸化性を有する溶液中での浸漬処理、または、電解処理を行わないと、接触抵抗の耐経時劣化性はもとより、スマットの影響で、低い接触抵抗も得られなくなる。
なお、浸漬時間は長いほど、スマット等の除去や、表面でのCr濃縮を促すが、長すぎるとその効果が飽和し、また生産性が低下する。そのため、浸漬処理における処理時間は、2時間(120分)以下とすることが好ましい。より好ましくは15分以下である。また、下限については、0.5分以上とすることが好ましい。より好ましくは1分以上である。
なお、ステンレス鋼板が不動態化する電位域(不動態域)は、使用する処理液(電解液)や被処理材となるステンレス鋼板の鋼種によって異なる。そのため、当該電解処理における電位は、処理液とステンレス鋼の鋼種ごとに調整することが好ましい。例えば、50g/L硝酸水溶液を用いて後述する表1の鋼Aを処理する場合、電位:+0.40〜+0.60V(vs.Ag/AgCl)の範囲で電解処理を施すことが好ましい。また、処理時間は長いほど鋼板表面の金属以外の形態として存在するCrの濃縮を促すが、長すぎるとその効果が飽和する。また、生産性が低下する。そのため、電解時間は、2時間(120分)以下とすることが好ましい。より好ましい電解時間は、15分以下である。また、下限については、0.5分以上とすることが好ましい。より好ましくは1分以上である。
さらに、電解処理における処理温度についても特に限定されるものではないが、30〜70℃が好ましい。
上記の酸化性を有する溶液中での浸漬処理、または、素材オーステナイト系ステンレス鋼板の不動態域における電解処理を施したのち、鋼板表面にさらに表面処理皮膜を形成してもよい。
形成する表面処理皮膜は、特に限定されるものではないが、燃料電池用のセパレータの使用環境において耐食性や導電性に優れる材料を使用することが好ましく、例えば、金属層、合金層、金属酸化物層、金属炭化物層、金属窒化物層、炭素材料層、導電性高分子層、導電性物質を含有する有機樹脂層、またはこれらの混合物層とすることが好適である。
また、合金層としては、Ni-Sn(Ni3Sn2、Ni3Sn4)、Cu-Sn(Cu3Sn、Cu6Sn5)、Fe-Sn(FeSn、FeSn2)、Sn-Ag、Sn-CoなどのSn合金層やNi-W、Ni-Cr、Ti-Taなどの合金層が挙げられ、中でもNi-SnやFe-Snの合金層が好適である。
さらに、金属酸化物層としてはSnO2、ZrO2、TiO2、WO3、SiO2、Al2O3、Nb2O5、IrO2、RuO2、PdO2、Ta2O5、Mo2O5およびCr2O3などの金属酸化物層が挙げられ、中でもTiO2やSnO2の金属酸化物層が好適である。
加えて、金属窒化物層および金属炭化物層としては、TiN、CrN、TiCN、TiAlN、AlCrN、TiC、WC、SiC、B4C、窒化モリブデン、CrC、TaCおよびZrNなどの金属窒化物層や金属炭化物層が挙げられ、中でもTiNの金属窒化物層が好適である。
また、炭素材料層としては、グラファイト、アモルファスカーボン、ダイヤモンドライクカーボン、カーボンブラック、フラーレンおよびカーボンナノチューブなどの炭素材料層が挙げられ、中でもグラファイトやダイヤモンドライクカーボンの炭素材料層が好適である。
さらに、導電性高分子層としては、ポリアニリンおよびポリピロールなどの導電性高分子層が挙げられる。
加えて、導電性物質を含有する有機樹脂層は、上記した金属層、合金層、金属酸化物層、金属窒化物層、金属炭化物層、炭素材料層および導電性高分子層を構成する金属や合金、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、炭素材料および導電性高分子から選んだ導電性物質を少なくとも1種含有し、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリエステル樹脂、ポリフェニレンスルファイド樹脂、ポリアミド樹脂、ウレタン樹脂、アクリル樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、カルボジイミド樹脂およびフェノールエポキシ樹脂などから選んだ有機樹脂を少なくとも1種含有するものである。このような導電性物質を含有する有機樹脂層としては、例えば、グラファイトが分散したフェノール樹脂やカーボンブラックが分散したエポキシ樹脂などが好適である。
なお、上記の導電性物質としては、金属および炭素材料(特にグラファイト、カーボンブラック)が好適である。また、導電性物質の含有量は特に限定されず、固体高分子形燃料電池用のセパレータにおける所定の導電性が得られればよい。
また、上記の混合物層としては、例えば、TiNが分散したNi-Sn合金などの混合物層が挙げられる。
上記のような表面処理皮膜であれば、基材となるステンレス鋼板と表面処理皮膜との界面における電気抵抗を低減することができる。
表1に記載の成分組成(残部はFeおよび不可避的不純物)を有する板厚:0.10mmの素材オーステナイト系ステンレス鋼板(冷間圧延ままの鋼板)を準備した。ついで、準備したステンレス鋼板に、表2に示す条件で、熱処理、酸化皮膜の除去処理、エッチング処理、および、酸化性を有する溶液中での浸漬処理を施し、セパレータ用のオーステナイト系ステンレス鋼板を得た。
なお、表2中の電流密度は、被処理材となるステンレス鋼板と対極との間に流れる電流を、被処理材の表面積で除した値である。また、エッチング処理を行うにあたり、事前に、条件および鋼種ごとに、電流密度と、被処理材となるステンレス鋼板と対極との間にかかる電解電圧との関係を事前に調査し、いずれの条件でも、電流密度を+0.03mA/cm2に調整すれば、活性態域となることを確認した。
さらに、表2中の試料No.A9では、エッチング処理後の処理として、以下の条件で電解処理を実施した。すなわち、50g/L硝酸水溶液を使用し、処理温度:55℃、電位:+0.50V(vs.Ag/AgCl)、処理時間:60秒の条件で行った。なお、鋼No.Bのステンレス鋼板では、+0.50V(vs.Ag/AgCl)の電位は不動態域であった。
上記のエッチング処理後、1時間以内に、上記のようにして得られた燃料電池のセパレータ用のオーステナイト系ステンレス鋼板から、所定の試料を切り出した。
ついで、当該試料をカーボンペーパ(東レ(株)TGP−H−120)で挟み、さらに、その両側から銅板に金めっきを施した電極を接触させ、単位面積あたり0.98MPa(=10kg/cm2)の圧力をかけて電流を流した。そして、電極間の電圧差を測定し、電気抵抗を算出した。
そして、この電気抵抗の測定値に接触面の面積を乗じた値を接触抵抗値とし、以下の基準で接触抵抗を評価した。評価結果を表3に併記する。
○(合格):20mΩ・cm2以下
×(不合格):20mΩ・cm2超
上記の酸化性を有する溶液中での浸漬処理後、上記のようにして得られた燃料電池のセパレータ用のオーステナイト系ステンレス鋼板を大気中で100時間保管した。
ついで、100時間保管後の燃料電池のセパレータ用のオーステナイト系ステンレス鋼板から、所定の試料を切り出した。当該試料をカーボンペーパ(東レ(株)TGP−H−120)で挟み、さらに、その両側から銅板に金めっきを施した電極を接触させ、単位面積あたり0.98MPa(=10kg/cm2)の圧力をかけて電流を流した。そして、電極間の電圧差を測定し、電気抵抗を算出した。
そして、この電気抵抗の測定値に接触面の面積を乗じた値を接触抵抗値とし、以下の基準で接触抵抗の耐経時劣化性を評価した。評価結果を表3に併記する。なお、(1)の接触抵抗の評価で、×(不合格)になったものについては、一部、当該評価を省略した。
○(合格):100時間経過後の接触抵抗値が20mΩ・cm2以下、でかつ、接触抵抗値の増加率が20%以下
×(不合格):100時間経過後の接触抵抗値が20mΩ・cm2超、または、接触抵抗値の増加率が20%超
なお、接触抵抗値の増加率は、次式により求める。
[接触抵抗値の増加率(%)]=([100時間経過後の接触抵抗値]−[(1)で測定したエッチング処理直後の接触抵抗値])/[(1)で測定したエッチング処理直後の接触抵抗値]×100
上記のようにして大気中に100時間保管した後のセパレータ用のオーステナイト系ステンレス鋼板から所定の試料を切り出した。
ついで、切り出した試料を作用極に、白金線を対極に、Ag/AgClを参照極にして、1000ppmの塩化物イオンを含有するpH3.0の硫酸水溶液(塩化ナトリウムおよび硫酸を用いて調整)中、80℃の条件で、電位走査速度:20mV/minで、浸漬電位からアノード方向に電位を走査した。
そして、電流密度が10μA/cm2に到達した電位を孔食発生電位として、以下の基準で、耐食性(耐孔食性)の評価を評価した。評価結果を表3に併記する。
◎(合格、特に優れる):孔食発生電位が0.40V(vs.Ag/AgCl)超
○(合格、優れる):孔食発生電位が0.30V(vs.Ag/AgCl)以上0.40V(vs.Ag/AgCl)以下
×(不合格):孔食発生電位が0.30V(vs.Ag/AgCl)未満
上記のようにして大気中に100時間保管した後のセパレータ用のオーステナイト系ステンレス鋼板から、圧延方向に平板JIS13号B引張試験片を採取し、JIS Z2241に準拠して、引張速度:10mm/minの条件で引張試験を行い、伸びを測定した。そして、以下の基準で、加工性の評価を行った。評価結果を表3に併記する。
○(合格):伸びが50%以上
×(不合格):伸びが50%未満
なお、高さ:10nm以上の凸部が観察されなかった試料については、表3中の凸部の平均高さおよび凸部間の平均間隔を「−」としている。
(a) 発明例ではいずれも、所望とする低い接触抵抗が得られており、また、接触抵抗の耐経時劣化性にも優れていた。さらに、加工性や耐食性(耐孔食性)にも優れていた。
(b) 一方、比較例ではいずれも、所望とする低い接触抵抗、および/または、接触抵抗の耐経時劣化性が得られなかった。
Claims (4)
- 燃料電池のセパレータ用のオーステナイト系ステンレス鋼板であって、
上記燃料電池のセパレータ用のオーステナイト系ステンレス鋼板の表面に凹部と凸部とを有する凹凸構造を備え、該凸部の平均高さが30nm以上300nm以下であり、かつ該凸部間の平均間隔が20nm以上350nm以下であり、
上記燃料電池のセパレータ用のオーステナイト系ステンレス鋼板の表面において、金属以外の形態として存在するFeの原子濃度に対する金属以外の形態として存在するCrの原子濃度の比である[Cr]/[Fe]が1.0以上である、燃料電池のセパレータ用のオーステナイト系ステンレス鋼板。 - 前記燃料電池のセパレータ用のオーステナイト系ステンレス鋼板の表面に存在するNの原子濃度が1.0at%以上である、請求項1に記載の燃料電池のセパレータ用のオーステナイト系ステンレス鋼板。
- 素材オーステナイト系ステンレス鋼板を準備し、
ついで、上記素材オーステナイト系ステンレス鋼板の表面の酸化皮膜を除去し、
ついで、上記素材オーステナイト系ステンレス鋼板に、上記素材オーステナイト系ステンレス鋼板の活性態域で、溶解量が1.0〜20.0g/m2となるエッチング処理を施し、
ついで、上記素材オーステナイト系ステンレス鋼板に、酸化性を有する溶液中での浸漬処理、または、上記素材オーステナイト系ステンレス鋼板の不動態域における電解処理を施す、燃料電池のセパレータ用のオーステナイト系ステンレス鋼板の製造方法。 - 前記素材オーステナイト系ステンレス鋼板の表面の酸化皮膜を除去する前に、
前記素材オーステナイト系ステンレス鋼板に、処理雰囲気:窒素濃度が5体積%以上でかつ露点が−45℃以下、最高到達温度:1000℃以上1200℃以下、および、1000℃以上の温度域における滞留時間:1秒以上300秒以下の条件で、熱処理を施す、請求項3に記載の燃料電池のセパレータ用のオーステナイト系ステンレス鋼板の製造方法。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2019008036 | 2019-01-21 | ||
JP2019008036 | 2019-01-21 | ||
PCT/JP2020/000180 WO2020153117A1 (ja) | 2019-01-21 | 2020-01-07 | 燃料電池のセパレータ用のオーステナイト系ステンレス鋼板およびその製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP6763501B1 true JP6763501B1 (ja) | 2020-09-30 |
JPWO2020153117A1 JPWO2020153117A1 (ja) | 2021-02-18 |
Family
ID=71735891
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2020524250A Active JP6763501B1 (ja) | 2019-01-21 | 2020-01-07 | 燃料電池のセパレータ用のオーステナイト系ステンレス鋼板およびその製造方法 |
Country Status (6)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US20220085388A1 (ja) |
EP (1) | EP3916136A4 (ja) |
JP (1) | JP6763501B1 (ja) |
KR (2) | KR102601896B1 (ja) |
CN (1) | CN113348273A (ja) |
WO (1) | WO2020153117A1 (ja) |
Families Citing this family (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP3703165A4 (en) * | 2017-10-25 | 2020-11-18 | JFE Steel Corporation | METHOD OF MANUFACTURING A STAINLESS STEEL PLATE FOR A FUEL CELL SEPARATOR |
EP3974549A4 (en) * | 2019-07-09 | 2022-06-01 | JFE Steel Corporation | CHROMIUM-CONTAINING STEEL SHEET FOR COLLECTORS OF NON-AQUEOUS ELECTROLYTE SECONDARY BATTERIES AND PROCESS FOR ITS MANUFACTURE |
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 |
WO2022131204A1 (ja) * | 2020-12-15 | 2022-06-23 | Jfeスチール株式会社 | 燃料電池のセパレータ用のステンレス鋼板 |
CN115595578A (zh) * | 2022-10-27 | 2023-01-13 | 江阴市珞珈绿碳科技有限公司(Cn) | 一种用于熔融碳酸盐电解体系的电解槽材料及其制备方法 |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005183338A (ja) * | 2003-12-24 | 2005-07-07 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池 |
JP2005302713A (ja) * | 2004-03-18 | 2005-10-27 | Jfe Steel Kk | 通電部材用金属材料,それを用いた燃料電池用セパレータおよびその燃料電池 |
JP2011149041A (ja) * | 2010-01-20 | 2011-08-04 | Jfe Steel Corp | 接触電気抵抗の低い通電部品用ステンレス鋼およびその製造方法 |
WO2013080533A1 (ja) * | 2011-11-30 | 2013-06-06 | Jfeスチール株式会社 | 燃料電池セパレータ用ステンレス鋼 |
WO2017110656A1 (ja) * | 2015-12-24 | 2017-06-29 | Jfeスチール株式会社 | 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 |
WO2018198685A1 (ja) * | 2017-04-25 | 2018-11-01 | Jfeスチール株式会社 | 燃料電池のセパレータ用のステンレス鋼板およびその製造方法 |
Family Cites Families (17)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5218612B1 (ja) | 1970-01-16 | 1977-05-23 | ||
JPS5768641U (ja) | 1980-10-10 | 1982-04-24 | ||
JP3460346B2 (ja) | 1994-12-26 | 2003-10-27 | 富士電機株式会社 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
JP2001064797A (ja) * | 1999-08-26 | 2001-03-13 | Fuji Photo Film Co Ltd | 金属板電解処理装置 |
CA2417753A1 (en) * | 2000-08-05 | 2002-02-14 | Ineos Chlor Limited | Stainless steel substrate treatment |
JP2008071738A (ja) * | 2006-08-18 | 2008-03-27 | Nissan Motor Co Ltd | 遷移金属窒化物、燃料電池用セパレータ、遷移金属窒化物の製造方法、燃料電池用セパレータの製造方法、燃料電池スタック、及び燃料電池車両 |
US9068271B2 (en) * | 2010-03-03 | 2015-06-30 | Alliance For Sustainable Energy, Llc | Electrochemical nitridation of metal surfaces |
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 |
JP6144006B2 (ja) | 2011-01-17 | 2017-06-07 | Jfeスチール株式会社 | 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 |
JP5218612B2 (ja) | 2011-07-29 | 2013-06-26 | Jfeスチール株式会社 | 燃料電池セパレータ用ステンレス鋼 |
KR101588093B1 (ko) * | 2013-12-24 | 2016-01-22 | 주식회사 포스코 | 연료전지용 오스테나이트계 스테인리스강 및 그 제조방법 |
CA2937680A1 (en) * | 2014-04-03 | 2015-10-08 | Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation | Composite metal foil for fuel cell separator, fuel cell separator, fuel cell, and method for producing composite metal foil for fuel cell separator |
KR20160082632A (ko) * | 2014-12-26 | 2016-07-08 | 주식회사 포스코 | 고분자 연료전지용 분리판 및 그 제조방법 |
US10435782B2 (en) * | 2015-04-15 | 2019-10-08 | Treadstone Technologies, Inc. | Method of metallic component surface modification for electrochemical applications |
KR101798406B1 (ko) * | 2015-09-22 | 2017-11-17 | 주식회사 포스코 | 연료전지 분리판용 스테인리스강 및 이의 제조 방법 |
KR102177522B1 (ko) * | 2016-06-10 | 2020-11-12 | 제이에프이 스틸 가부시키가이샤 | 연료 전지의 세퍼레이터용 스테인리스 강판의 제조 방법 |
CN107783805A (zh) | 2016-08-23 | 2018-03-09 | 中兴通讯股份有限公司 | 一种信息处理方法和装置 |
-
2020
- 2020-01-07 EP EP20745518.9A patent/EP3916136A4/en active Pending
- 2020-01-07 CN CN202080010055.4A patent/CN113348273A/zh active Pending
- 2020-01-07 US US17/423,897 patent/US20220085388A1/en active Pending
- 2020-01-07 KR KR1020217026313A patent/KR102601896B1/ko active IP Right Grant
- 2020-01-07 KR KR1020237026981A patent/KR20230119737A/ko not_active Application Discontinuation
- 2020-01-07 JP JP2020524250A patent/JP6763501B1/ja active Active
- 2020-01-07 WO PCT/JP2020/000180 patent/WO2020153117A1/ja unknown
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005183338A (ja) * | 2003-12-24 | 2005-07-07 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池 |
JP2005302713A (ja) * | 2004-03-18 | 2005-10-27 | Jfe Steel Kk | 通電部材用金属材料,それを用いた燃料電池用セパレータおよびその燃料電池 |
JP2011149041A (ja) * | 2010-01-20 | 2011-08-04 | Jfe Steel Corp | 接触電気抵抗の低い通電部品用ステンレス鋼およびその製造方法 |
WO2013080533A1 (ja) * | 2011-11-30 | 2013-06-06 | Jfeスチール株式会社 | 燃料電池セパレータ用ステンレス鋼 |
WO2017110656A1 (ja) * | 2015-12-24 | 2017-06-29 | Jfeスチール株式会社 | 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 |
WO2018198685A1 (ja) * | 2017-04-25 | 2018-11-01 | Jfeスチール株式会社 | 燃料電池のセパレータ用のステンレス鋼板およびその製造方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EP3916136A4 (en) | 2022-03-23 |
WO2020153117A1 (ja) | 2020-07-30 |
US20220085388A1 (en) | 2022-03-17 |
JPWO2020153117A1 (ja) | 2021-02-18 |
KR102601896B1 (ko) | 2023-11-13 |
KR20210114047A (ko) | 2021-09-17 |
EP3916136A1 (en) | 2021-12-01 |
KR20230119737A (ko) | 2023-08-16 |
CN113348273A (zh) | 2021-09-03 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6763501B1 (ja) | 燃料電池のセパレータ用のオーステナイト系ステンレス鋼板およびその製造方法 | |
JP6521203B1 (ja) | 燃料電池のセパレータ用のステンレス鋼板の製造方法 | |
CN110521042B (zh) | 燃料电池的隔板用不锈钢板及其制造方法 | |
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 | |
JP7226648B2 (ja) | 燃料電池のセパレータ用のステンレス鋼板 | |
JP7338618B2 (ja) | 燃料電池のセパレータのオーステナイト系ステンレス鋼板およびその製造方法 | |
JP2023182358A (ja) | 燃料電池のセパレータ用のステンレス鋼板の製造方法 | |
WO2021019849A1 (ja) | 燃料電池のセパレータの基材用オーステナイト系ステンレス鋼板 | |
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: 20200428 |
|
A871 | Explanation of circumstances concerning accelerated examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A871 Effective date: 20200428 |
|
A975 | Report on accelerated examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971005 Effective date: 20200611 |
|
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: 20200811 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20200824 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6763501 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |