JP7361478B2 - 燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼材及びその製造方法、燃料電池セパレータ、並びに燃料電池 - Google Patents
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Description
セパレータに用いられる材料としては、耐食性及び導電性の観点から、カーボンブロックを切り出して所定形状に成型したものや、圧縮成型したカーボン樹脂などが用いられてきた。
しかしながら、カーボン素材の使用は、加工費用が高くなるばかりでなく、板厚を薄くすることが困難なためにPEFCを軽量化できない等の問題があった。
しかしながら、ステンレス鋼材の不動態皮膜は、導電性を低下させる原因となる。セパレータの導電性が低い場合、セパレータと電極との間の接触抵抗が高くなり、通電時の発熱、電圧降下などの問題が生じる。そのため、ステンレス鋼材をセパレータとして用いるためには、導電性を向上させる必要がある。
また、本発明は、発電効率が高い燃料電池を提供することを目的とする。
前記燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼材が、塩化物イオンを含む水溶液環境中で使用される場合に、下記式(1):
[Cr]+3×[Mo]+16×[N]≧19+0.1×[Cl - ] (1)
(式中、[Cr]、[Mo]及び[N]はそれぞれ、前記燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼材中のCr、Mo及びNの含有量(質量%)を表し、[Cl - ]は、前記燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼材が使用される水溶液環境中の塩化物イオン濃度(ppm)を表す)を満たす、燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼材である。
前記燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼材が、塩化物イオンを含む水溶液環境中で使用される場合に、下記式(1):
[Cr]+3×[Mo]+16×[N]≧19+0.1×[Cl - ] (1)
(式中、[Cr]、[Mo]及び[N]はそれぞれ、前記燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼材中のCr、Mo及びNの含有量(質量%)を表し、[Cl - ]は、前記燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼材が使用される水溶液環境中の塩化物イオン濃度(ppm)を表す)を満たす、燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼材の製造方法である。
さらに、本発明は、前記燃料電池セパレータを備える燃料電池である。
また、本発明によれば、発電効率が高い燃料電池を提供することができる。
図1に示すように、燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼材1は、母材2と、母材2の表面に形成された窒化ホウ素層3とを有する。ここで、本明細書において「窒化ホウ素層3」とは、窒化ホウ素から形成される皮膜を意味する。
窒化ホウ素層3は、窒化ホウ素のみからなる層であってよいが、当該層中にCr、又はCr、Ti、Alなどを含む酸化物や窒化物といった析出物が分散していてもよい。また、母材2と、窒化ホウ素層3との間には、Fe、Crなどの酸化物層(図示していない)が形成されていてもよい。
また、窒化ホウ素層3の厚みは、特に限定されないが、燃料電池セパレータに要求される導電性及び耐食性を安定して確保する観点から、好ましくは0.1~20nm、より好ましくは0.5~10nmである。
上記のような構造を有する燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼材1は、所定の組成を有するオーステナイト系ステンレス鋼材(母材2)を所定の条件で窒化処理することによって製造することができる。
ここで、本明細書において「不可避的不純物」とは、Oなどの除去することが難しい成分のことを意味する。不可避的不純物は、原料を溶製する段階で不可避的に混入する。
窒化処理は、窒素ガス含有雰囲気下で行われる。窒素ガス含有雰囲気中の窒素ガスの濃度は、好ましくは25体積%以上、より好ましくは50体積%以上、さらに好ましくは75体積%以上、最も好ましくは100体積%である。窒素ガス以外のガスは、特に限定されないが、アルゴン、水素などの非酸化性ガスであることが好ましい。また、雰囲気中の水分が多いと、酸化が進行し易くなるため、雰囲気中の露点は-35℃以下にすることが好ましい。
窒化処理における加熱条件は、オーステナイト系ステンレス鋼材の組成に応じて適宜設定すればよく、特に限定されないが、通常は400~1150℃の温度範囲まで加熱して冷却すればよい。
[Cr]+3×[Mo]+16×[N]≧19+0.1×[Cl-] (1)
式中、[Cr]、[Mo]及び[N]はそれぞれ、燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼材1中のCr、Mo及びNの含有量(質量%)を表し、[Cl-]は、燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼材1が使用される水溶液環境中の塩化物イオン濃度(ppm)を表す。
したがって、燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼材1が使用される水溶液環境中の塩化物イオン濃度(ppm)に応じて、Cr、Mo及びNの含有量を適切な範囲に制御することにより、燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼材1の耐食性を確保することが可能になる。
本発明の実施形態に係る燃料電池セパレータの形状としては、特に限定されず、当該技術分野において公知の形状(例えば、凹凸形状)であればよい。
本発明の実施形態に係る燃料電池セパレータは、上記の燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼材1を素材として用いているため、耐食性及び導電性に優れている。
燃料電池の種類としては、特に限定されず、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、固体高分子形燃料電池、固体電解質形燃料電池とすることができる。その中でも発電効率の観点から、固体高分子形燃料電池が好ましい。
本発明の実施形態に係る燃料電池は、上記の燃料電池セパレータを用いているため、燃料電池セパレータからの金属イオン溶出に伴う発電効率の低下を抑制することができる。
耐溶出試験は、燃料電池内で燃料電池セパレータが使用される環境を考慮し、定電位分解試験により行った。具体的には、上記で得られた燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼材に対し、3ppmのフッ化物イオン(F-)を含むpH3の水溶液中で0.7V vs. Ag/AgClの定電位電解を24時間行った後、3ppmのフッ化物イオン(F-)及び表3に示す濃度の塩化物イオン(Cl-)を含むpH3の水溶液中で0.7V vs. Ag/AgClの定電位電解を24時間行った。
また、接触抵抗は、燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼材の表面にカーボンペーパを接触させ、10kgf/cm2の面圧を加えたときの接触抵抗値を四端子法で測定した。そして、接触抵抗測定ρ'(mΩ・cm2)は、測定した抵抗値をR(mΩ)とし、接触面積S(cm2)を用いて、ρ'=R×S(mΩ・cm2)より算出した。なお、接触抵抗は、20mΩ・cm2以下であれば、導電性が良好であると判断することができる。
上記の結果を表2に示す。
また、窒化ホウ素が表面に形成された燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼材(試験番号1、2、4~6、9~11及び14~16)は、耐溶出試験前の接触抵抗が低かった(導電性が良好であった)のに対し、窒化ホウ素層が表面に形成されていない燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼材(試験番号3、7、8、12、13及び17)は、耐溶出試験前の接触抵抗が高かった。
また、窒化ホウ素が表面に形成された燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼材のうち、[Cr]+3×[Mo]+16×[N]≧19+0.1×[Cl-]を満たす場合(試験番号1、2、4、6、11、14及び15)は、耐溶出試験後の接触抵抗も低かった。したがって、燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼材が使用される水溶液環境中の塩化物イオン濃度(ppm)に応じて、適切な燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼材を選択して用いることにより、燃料電池セパレータの耐食性及び導電性を向上させることができる。
2 母材
3 窒化ホウ素層
Claims (4)
- C:0.10質量%以下、Si:0.01~4.00質量%、Mn:0.01~6.00質量%、P:0.05質量%以下、S:0.03質量%以下、Ni:6.0~30.0質量%、Cr:15.0~35.0質量%、Mo:4.0質量%以下、Cu:4.5質量%以下、N:0.30質量%以下、B:0.0010~0.010質量%を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなる組成を有し、
窒化ホウ素層を表面に有する燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼材であって、
前記燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼材が、塩化物イオンを含む水溶液環境中で使用される場合に、下記式(1):
[Cr]+3×[Mo]+16×[N]≧19+0.1×[Cl - ] (1)
(式中、[Cr]、[Mo]及び[N]はそれぞれ、前記燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼材中のCr、Mo及びNの含有量(質量%)を表し、[Cl - ]は、前記燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼材が使用される水溶液環境中の塩化物イオン濃度(ppm)を表す)を満たす、燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼材。 - C:0.10質量%以下、Si:0.01~4.00質量%、Mn:0.01~6.00質量%、P:0.05質量%以下、S:0.03質量%以下、Ni:6.0~30.0質量%、Cr:15.0~35.0質量%、Mo:4.0質量%以下、Cu:4.5質量%以下、N:0.30質量%以下、B:0.0010~0.010質量%を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなる組成を有するオーステナイト系ステンレス鋼材を窒素ガス含有雰囲気下で窒化処理する、燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼材の製造方法であって、
前記燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼材が、塩化物イオンを含む水溶液環境中で使用される場合に、下記式(1):
[Cr]+3×[Mo]+16×[N]≧19+0.1×[Cl - ] (1)
(式中、[Cr]、[Mo]及び[N]はそれぞれ、前記燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼材中のCr、Mo及びNの含有量(質量%)を表し、[Cl - ]は、前記燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼材が使用される水溶液環境中の塩化物イオン濃度(ppm)を表す)を満たす、燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼材の製造方法。 - 請求項1に記載の燃料電池セパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼材から形成された燃料電池セパレータ。
- 請求項3に記載の燃料電池セパレータを備える燃料電池。
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