JPWO2019082591A1 - 燃料電池のセパレータ用のステンレス鋼板の製造方法 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
本発明は、燃料電池のセパレータ用のステンレス鋼板の製造方法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から電気化学反応によっ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（燃料極および空気極）、Ｏ2（空気）とＨ2の拡散層および２つのセパレータ（Bipolar plate）から構成されている。
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。
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。
これらの燃料電池のうち、特に、固体高分子形燃料電池は、電気自動車の搭載用電源、家庭用または業務用の定置型発電機、携帯用の小型発電機としての利用が期待されている。
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ものであり、膜−電極接合体を、ガス拡散層（たとえばカーボンペーパ等）およびセパレータによって挟み込み、これを単一の構成要素（いわゆる単セル）とする。そして、燃料極側セパレータと空気極側セパレータとの間に起電力を生じさせる。
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り、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。
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り、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。
また、固体高分子形燃料電池を実用に供する場合には、上記のような単セルを直列に数十〜数百個つないで燃料電池スタックを構成し、使用するのが一般的である。
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。
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。
ここで、耐久性は耐食性で決定される。その理由は、セパレータが腐食して金属イオンが溶出すると高分子膜（電解質膜）のプロトン伝導性が低下し、発電特性が低下するからである。
また、電気伝導性（導電性）に関しては、セパレータとガス拡散層との接触抵抗が極力低いことが望まれる。その理由は、セパレータとガス拡散層との接触抵抗が増大すると、固体高分子形燃料電池の発電効率が低下するからである。つまり、セパレータとガス拡散層との接触抵抗が小さいほど、発電特性に優れていると言える。
現在までに、セパレータとしてグラファイトを用いた固体高分子形燃料電池が実用化されている。このグラファイトからなるセパレータは、接触抵抗が比較的低く、しかも腐食しないという利点がある。しかしながら、グラファイト製のセパレータは、衝撃によって破損しやすいので、小型化が困難なだけでなく、空気流路、水素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。グラファイトからなるセパレータが有するこれらの欠点は、固体高分子形燃料電池の普及を妨げる原因になっている。
そこで、セパレータの素材として、グラファイトに替えて金属素材を適用する試みがなされている。特に、耐久性向上の観点から、ステンレス鋼やチタン、チタン合金等を素材としたセパレータの実用化に向けて、種々の検討がなされている。
たとえば、特許文献１には、ステンレス鋼またはチタン合金等の不動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くことになり、発電効率の低下を招く。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。
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くことになり、発電効率の低下を招く。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。
そこで、接触抵抗の低減を図るべく、例えば、特許文献２には、
「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。
「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。
また、特許文献３には、
「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。
「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。
さらに、特許文献４には、
「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。
「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。
加えて、特許文献５には、
「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。
「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。
しかしながら、特許文献２〜５に開示されるステンレス鋼板を量産すべく、エッチング処理としてフッ酸を含む処理液中への浸漬処理を連続して行うと、被処理材である鋼板から溶出したFeイオン等の影響で、フッ酸によるエッチング能力が低減してしまい、所望とする接触抵抗低減効果が安定して得られない場合があった。
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。
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。
本発明は、上記の現状に鑑み開発されたもので、低い接触抵抗が得られる燃料電池のセパレータ用のステンレス鋼板を、フッ酸を使用することなく、量産性や安全性の面でより有利に製造することできる、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提供することを目的とする。
発明者らは、上記の課題を解決すべく、鋭意検討を行った。
まず、発明者らは、フッ酸を含む処理液中への浸漬処理に代わるものとして、種々の処理液を用いた電解エッチング処理を試みた。
その結果、電解エッチング処理時の電解電位によって、接触抵抗の低減効果が異なることを知見した。具体的には、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場合に、接触抵抗の低減効果が最も有利に得られることを知見した。
まず、発明者らは、フッ酸を含む処理液中への浸漬処理に代わるものとして、種々の処理液を用いた電解エッチング処理を試みた。
その結果、電解エッチング処理時の電解電位によって、接触抵抗の低減効果が異なることを知見した。具体的には、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場合に、接触抵抗の低減効果が最も有利に得られることを知見した。
また、発明者らがさらに検討を重ねたところ、電解エッチング処理を施す前に、あらかじめ鋼板上に形成されている酸化皮膜（具体的には、大気中で形成される不動態皮膜や、鋼板製造時の光輝焼鈍で形成されるＢＡ皮膜など）を除去することで、活性態域での電解エッチング処理の効果がより安定して得られ、これらを組み合わせることで、フッ酸を含む処理液中への浸漬処理と同等程度の接触抵抗の低減効果が得られることを知見した。
さらに、特許文献２〜５に開示されるステンレス鋼板を、実際に燃料電池のセパレータとして適用すると、いずれも素材鋼板の段階で期待していたほどは接触抵抗が低減されず、所望とする発電特性が得られない場合があった。
この点について、発明者らがさらに検討を重ねたところ、上記の電解エッチング処理を施した後、ステンレス鋼板にその表面の安定化処理を施すことにより、接触抵抗を一層低減でき、また、実際の燃料電池のセパレータに適用する場合においても、素材鋼板の段階で期待された程度の接触抵抗の低減効果が確実に維持されることを知見した。
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。
この点について、発明者らがさらに検討を重ねたところ、上記の電解エッチング処理を施した後、ステンレス鋼板にその表面の安定化処理を施すことにより、接触抵抗を一層低減でき、また、実際の燃料電池のセパレータに適用する場合においても、素材鋼板の段階で期待された程度の接触抵抗の低減効果が確実に維持されることを知見した。
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。
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．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。
１．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。
２．前記ステンレス鋼板の表面の酸化皮膜の除去を、電解処理により行う、前記１に記載の燃料電池のセパレータ用のステンレス鋼板の製造方法。
３．前記電解処理がカソード電解処理である、前記２に記載の燃料電池のセパレータ用のステンレス鋼板の製造方法。
４．前記電解エッチング処理を施した後、
さらに、上記ステンレス鋼板に、その表面の安定化処理を施す、前記１〜３のいずれかに記載の燃料電池のセパレータ用のステンレス鋼板の製造方法。
さらに、上記ステンレス鋼板に、その表面の安定化処理を施す、前記１〜３のいずれかに記載の燃料電池のセパレータ用のステンレス鋼板の製造方法。
５．前記ステンレス鋼板の表面の安定化処理が、酸化性を有する溶液中での浸漬処理、または、前記ステンレス鋼板の不動態域における電解処理である、前記４に記載の燃料電池のセパレータ用のステンレス鋼板の製造方法。
６．前記電解エッチング処理で用いる処理液が、硫酸水溶液、塩酸水溶液、または、硫酸と塩酸との混合水溶液である、前記１〜５のいずれかに記載の燃料電池のセパレータ用のステンレス鋼板の製造方法。
本発明によれば、低い接触抵抗が得られる燃料電池のセパレータ用のステンレス鋼板を、フッ酸を含有する処理液を使用することなく、量産性や安全性の面でより有利に製造することができる。
さらに、本発明の製造方法により製造される燃料電池のセパレータ用のステンレス鋼板は、燃料電池スタック製造工程における熱処理環境下に曝されたとしても低い接触抵抗が維持されるので、実用において極めて有利である。
さらに、本発明の製造方法により製造される燃料電池のセパレータ用のステンレス鋼板は、燃料電池スタック製造工程における熱処理環境下に曝されたとしても低い接触抵抗が維持されるので、実用において極めて有利である。
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ステンレス鋼板の製造方法を説明する。
（１）素材となるステンレス鋼板の準備
当該工程は、素材とするステンレス鋼板を準備する工程である。ここで、素材とするステンレス鋼板は、特に限定されず、例えば、所定の成分組成を有する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、所定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し、さらに必要に応じて該冷延板に冷延板焼鈍を施すことにより、上記の成分組成を有するステンレス鋼板を準備することができる。
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、光輝焼鈍としたステンレス鋼板を用いこともできる。
（１）素材となるステンレス鋼板の準備
当該工程は、素材とするステンレス鋼板を準備する工程である。ここで、素材とするステンレス鋼板は、特に限定されず、例えば、所定の成分組成を有する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、所定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し、さらに必要に応じて該冷延板に冷延板焼鈍を施すことにより、上記の成分組成を有するステンレス鋼板を準備することができる。
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、光輝焼鈍としたステンレス鋼板を用いこともできる。
ここで、準備する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：２．００％以下、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Cr：１１．０〜４０．０％、Al：０．５００％以下およびＮ：０．１００％以下を含有し、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、成分に関する「％」表示は特に断らない限り質量％を意味する。
以下、その理由を説明する。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。
Ｃ：０．１００％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。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０．０３０％以下である。さらに好ましくは０．０２０％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％程度とすることが好適である。
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。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０．０３０％以下である。さらに好ましくは０．０２０％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％程度とすることが好適である。
Si：２．００％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。その効果は、好適には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、ステンレス鋼が硬質化し、延性が低下し易くなる。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０．６０％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。その効果は、好適には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、ステンレス鋼が硬質化し、延性が低下し易くなる。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０．６０％以下である。
Mn：２．００％以下
Mn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。その効果は、好適には０．０１％以上の含有で得られる。しかし、Mn含有量が２．００％を超えると、耐食性が低下し易くなる。従って、Mn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１．５０％以下、さらに好ましくは１．００％以下である。
Mnは、脱酸のために有効な元素であり、ステンレス鋼の溶製段階で添加される。その効果は、好適には０．０１％以上の含有で得られる。しかし、Mn含有量が２．００％を超えると、耐食性が低下し易くなる。従って、Mn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１．５０％以下、さらに好ましくは１．００％以下である。
Ｐ：０．０５０％以下
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ので、０．０１０％程度とすることが好適である。
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ので、０．０１０％程度とすることが好適である。
Ｓ：０．０１０％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ので、０．００１％程度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ので、０．００１％程度とすることが好適である。
Cr：１１．０〜４０．０％
耐食性を確保するために、Cr含有量は１１．０％以上とすることが好ましい。すなわち、Cr含有量が１１．０％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おそれがある。好ましくは１６．０％以上である。一方、Cr含有量が４０．０％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。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３２．０％以下である。
耐食性を確保するために、Cr含有量は１１．０％以上とすることが好ましい。すなわち、Cr含有量が１１．０％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おそれがある。好ましくは１６．０％以上である。一方、Cr含有量が４０．０％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。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３２．０％以下である。
Al：０．５００％以下
Alは、脱酸に用いられる元素である。その効果は、好適には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０．１５０％以下、さらに好ましくは０．１００％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０．１５０％以下、さらに好ましくは０．１００％以下である。
Ｎ：０．１００％以下
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０．０３０％以下である。さらに好ましくは０．０２０％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ので、０．００２％程度とすることが好適である。
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０．０３０％以下である。さらに好ましくは０．０２０％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ので、０．００２％程度とすることが好適である。
以上、基本成分について説明したが、上記した基本成分に加えて、さらに以下の成分を含有させてもよい。
Ni：３０．００％以下
Ni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。また、Niは、通常、オーステナイト系ステンレス鋼やフェライト−オーステナイト２相ステンレス鋼に、一定量含有されている。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を含有させる場合、Ni含有量は３０．００％以下とする。好ましくは１５．００％以下である。なお、オーステナイト系ステンレス鋼やフェライト−オーステナイト２相ステンレス鋼でのNi含有量の好適な下限は２．００％である。
また、フェライト系ステンレス鋼においてNiを含有させる場合には、Ni含有量は４．００％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。なお、フェライト系ステンレス鋼での好適な下限は０．０１％である。
Ni：３０．００％以下
Ni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。また、Niは、通常、オーステナイト系ステンレス鋼やフェライト−オーステナイト２相ステンレス鋼に、一定量含有されている。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を含有させる場合、Ni含有量は３０．００％以下とする。好ましくは１５．００％以下である。なお、オーステナイト系ステンレス鋼やフェライト−オーステナイト２相ステンレス鋼でのNi含有量の好適な下限は２．００％である。
また、フェライト系ステンレス鋼においてNiを含有させる場合には、Ni含有量は４．００％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。なお、フェライト系ステンレス鋼での好適な下限は０．０１％である。
Cu：２．５０％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。その効果は、好適には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。
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。その効果は、好適には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：４．００％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。その効果は、好適には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。
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から選んだ１種以上の元素：合計で１．００％以下
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％とすることが好適である。
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％とすることが好適である。
なお、上記以外の成分はFeおよび不可避的不純物である。
また、燃料電池スタック時の搭載スペースや重量を鑑みると、ステンレス鋼板の板厚は、０．０３〜０．３０mmの範囲とすることが好ましい。板厚が０．０３mm未満であると、金属板素材の生産効率が低下する。一方、０．３０mmを超えるとスタック時の搭載スペースや重量が増加する。より好ましくは０．０３〜０．１０mmの範囲である。
（２）酸化皮膜の除去
後述する電解エッチング処理を施す前に、準備した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）を除去することで、活性態域における電解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、素材となるステンレス鋼板の製造段階での光輝焼鈍時に形成されるＢＡ皮膜などが挙げられる。
後述する電解エッチング処理を施す前に、準備した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）を除去することで、活性態域における電解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、素材となるステンレス鋼板の製造段階での光輝焼鈍時に形成されるＢＡ皮膜などが挙げられる。
また、酸化皮膜の除去は、アノード電解処理やカソード電解処理、アノード電解処理とカソード電解処理との組み合わせにより行えばよいが、なかでもカソード電解処理が好ましい。カソード電解処理は、アノード電解処理に比べ、ステンレス鋼板の母材の溶解量が低減されるため、特に有利である。
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く、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。
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く、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。
さらに、カソード電解処理で使用する処理液は特に限定されるものではないが、例えば、硫酸水溶液や塩酸水溶液、硫酸と塩酸の混合水溶液が挙げられる。なかでも、硫酸水溶液が好ましい。
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、塩酸水溶液の場合は塩酸の濃度を１０〜１００ｇ／Ｌ程度、硫酸と塩酸の混合水溶液の場合には硫酸の濃度を１０〜１００ｇ／Ｌ程度、塩酸の濃度を１０〜１００ｇ／Ｌ程度とすることが好ましい。
なお、硝酸は少量であれば含まれていてもよいが、その濃度は１０ｇ／Ｌ以下とすることが好ましい。また、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、塩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、塩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、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、塩酸および硝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。
よって、ここでいう硫酸水溶液、塩酸水溶液、および、硫酸と塩酸の混合水溶液にはそれぞれ、上記した１０ｇ／Ｌ以下の硝酸、および、５ｇ／Ｌ以下の硫酸、塩酸および硝酸以外の酸が含有される硫酸水溶液、塩酸水溶液、および、硫酸と塩酸の混合水溶液も含まれるものとする。また、ここでいう硫酸水溶液、塩酸水溶液、および、硫酸と塩酸の混合水溶液は、フッ酸の濃度が１ｇ／Ｌ以下に抑制されているもののみを指すこととする。
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、塩酸水溶液の場合は塩酸の濃度を１０〜１００ｇ／Ｌ程度、硫酸と塩酸の混合水溶液の場合には硫酸の濃度を１０〜１００ｇ／Ｌ程度、塩酸の濃度を１０〜１００ｇ／Ｌ程度とすることが好ましい。
なお、硝酸は少量であれば含まれていてもよいが、その濃度は１０ｇ／Ｌ以下とすることが好ましい。また、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、塩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、塩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、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、塩酸および硝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。
よって、ここでいう硫酸水溶液、塩酸水溶液、および、硫酸と塩酸の混合水溶液にはそれぞれ、上記した１０ｇ／Ｌ以下の硝酸、および、５ｇ／Ｌ以下の硫酸、塩酸および硝酸以外の酸が含有される硫酸水溶液、塩酸水溶液、および、硫酸と塩酸の混合水溶液も含まれるものとする。また、ここでいう硫酸水溶液、塩酸水溶液、および、硫酸と塩酸の混合水溶液は、フッ酸の濃度が１ｇ／Ｌ以下に抑制されているもののみを指すこととする。
さらに、処理温度についても特に限定されるものではないが、３０〜８５℃が好ましい。
なお、酸化皮膜の除去と後述する電解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、酸化被膜の除去と電解エッチング処理とを連続して行うことができる。
なお、酸化皮膜の除去と後述する電解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、酸化被膜の除去と電解エッチング処理とを連続して行うことができる。
（３）電解エッチング処理
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ステンレス鋼板に、当該ステンレス鋼板の活性態域において電解エッチング処理を施す。これにより、フッ酸を含む処理液中への浸漬処理と同等以上の接触抵抗の低減効果が得られる。
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ステンレス鋼板に、当該ステンレス鋼板の活性態域において電解エッチング処理を施す。これにより、フッ酸を含む処理液中への浸漬処理と同等以上の接触抵抗の低減効果が得られる。
その理由について、発明者らは次のように考えている。
ステンレス鋼板の電解処理としては、活性態域、不動態域および過不動態域という３つの電位範囲での電解処理が挙げられる。
具体的には、図１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−０．５１Ｖ（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＋２２．０ｍＡ／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−０．３４Ｖ（vs.Ag/AgCl）に達すると、電流密度は上記極大値の１／１００以下にまで低下する。この電流の低い状態は−０．３４Ｖ（vs.Ag/AgCl）から＋０．９７Ｖ（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１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℃、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１／１００以下となるまでの電位範囲と定義する。ただし、オーステナイト系ステンレス鋼の場合は、活性態域における電流値が極めて低いため、電流密度が前記極大値の１／２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１／１００以下に維持される電位範囲、ただし、オーステナイト系ステンレス鋼の場合は、電流密度が前記極大値の１／２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。
なお、鋼種や電解液によって、流れる電流値や電位は変化するので、その都度アノード分極曲線を取得し、判断すればよい。
ステンレス鋼板の電解処理としては、活性態域、不動態域および過不動態域という３つの電位範囲での電解処理が挙げられる。
具体的には、図１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−０．５１Ｖ（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＋２２．０ｍＡ／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−０．３４Ｖ（vs.Ag/AgCl）に達すると、電流密度は上記極大値の１／１００以下にまで低下する。この電流の低い状態は−０．３４Ｖ（vs.Ag/AgCl）から＋０．９７Ｖ（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１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℃、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１／１００以下となるまでの電位範囲と定義する。ただし、オーステナイト系ステンレス鋼の場合は、活性態域における電流値が極めて低いため、電流密度が前記極大値の１／２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１／１００以下に維持される電位範囲、ただし、オーステナイト系ステンレス鋼の場合は、電流密度が前記極大値の１／２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。
なお、鋼種や電解液によって、流れる電流値や電位は変化するので、その都度アノード分極曲線を取得し、判断すればよい。
このうち、不動態域で電解エッチング処理を行う場合、ステンレス鋼板には不動態皮膜が形成されるため、十分なエッチング効果が得られず、所望の接触抵抗の低減効果が得られない。
また、過不動態域で電解処理した場合、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。
また、過不動態域で電解処理した場合、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。
一方、活性態域で電解エッチング処理を行う場合には、不動態域と比較して十分なエッチング効果が得られる。また、過不動態域と比較すると、ステンレス鋼の溶解量が少なく、また溶解量を制御しやすい。そのため、ステンレス鋼板の表面位置によってエッチング量の不均一な部分が生じ、微細な凹凸形状が形成される。
かような表面に微細な凹凸形状が形成されたステンレス鋼を固体高分子形燃料電池のセパレータに適用すると、セパレータとガス拡散層との接触面積が大きくなって、接触抵抗が低減される。また、前述したように、当該電解エッチング処理を行う前に、素材となるステンレス鋼板表面の酸化皮膜を除去することで、接触抵抗の低減効果が安定して得られるようになる。
これらの相乗効果により、表面の酸化皮膜を除去したステンレス鋼板に、当該ステンレス鋼板の活性態域において電解エッチング処理を施すことで、フッ酸を含む処理液中への浸漬処理と同等程度の接触抵抗の低減効果が得られるようになる、と発明者らは考えている。
かような表面に微細な凹凸形状が形成されたステンレス鋼を固体高分子形燃料電池のセパレータに適用すると、セパレータとガス拡散層との接触面積が大きくなって、接触抵抗が低減される。また、前述したように、当該電解エッチング処理を行う前に、素材となるステンレス鋼板表面の酸化皮膜を除去することで、接触抵抗の低減効果が安定して得られるようになる。
これらの相乗効果により、表面の酸化皮膜を除去したステンレス鋼板に、当該ステンレス鋼板の活性態域において電解エッチング処理を施すことで、フッ酸を含む処理液中への浸漬処理と同等程度の接触抵抗の低減効果が得られるようになる、と発明者らは考えている。
ここで、活性態域は、ステンレス鋼板の鋼種や、使用する処理液等によって変化するため、これらの条件に合わせたアノード分極曲線を事前に取得し、活性態域の電位範囲を把握して、電解エッチング処理を行うことが好ましい。
具体的には、電位制御で電解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電解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、−０．５１Ｖ〜−０．３４Ｖ（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ので、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電解エッチングを行えばよい。
具体的には、電位制御で電解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電解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、−０．５１Ｖ〜−０．３４Ｖ（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ので、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電解エッチングを行えばよい。
また、電流制御で電解エッチング処理を行う場合、あらかじめ電流密度と電解電位との関係を調査し、活性態域で電解される電流密度の範囲を把握し、その電流密度の範囲において電解エッチングを行えばよい。
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。
例えば、電解時における電流密度と参照電極に対する電位の関係を調べて、図１で示した活性態域の電位範囲で電解エッチングされる電流密度を確認し、その電流密度で電解エッチング処理を施せばよい。
図２に、電解時における電流密度と参照電極に対する電位との関係の一例を示す。これは、後述する表１の鋼Ａについて、３０ｇ／Ｌ硫酸水溶液中、５５℃での、電解時における電流密度と参照電極に対する電位との関係である。
同図より、電流密度を７．５〜１２．５ｍＡ／ｃｍ2程度に制御すれば、活性態域である−０．４０Ｖ（vs.Ag/AgCl）近傍で電解エッチング処理を行えることがわかる。
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す。電流制御の場合は、この電流密度を制御する。
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。
例えば、電解時における電流密度と参照電極に対する電位の関係を調べて、図１で示した活性態域の電位範囲で電解エッチングされる電流密度を確認し、その電流密度で電解エッチング処理を施せばよい。
図２に、電解時における電流密度と参照電極に対する電位との関係の一例を示す。これは、後述する表１の鋼Ａについて、３０ｇ／Ｌ硫酸水溶液中、５５℃での、電解時における電流密度と参照電極に対する電位との関係である。
同図より、電流密度を７．５〜１２．５ｍＡ／ｃｍ2程度に制御すれば、活性態域である−０．４０Ｖ（vs.Ag/AgCl）近傍で電解エッチング処理を行えることがわかる。
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す。電流制御の場合は、この電流密度を制御する。
また、被処理材が大きい場合やコイル状態の鋼板に電解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電解エッチングされる電流密度を確認し、その電流密度で電解エッチング処理を施せばよい。
なお、例えば、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り、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。
図３に、電解時における電流密度と、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の一例を示す。これは、後述する表１の鋼Ａについて、３０ｇ／Ｌ硫酸水溶液中、５５℃での、電解時における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調べたものである。この場合、電流密度が＋７．５ｍＡ／ｃｍ2〜＋１５．０ｍＡ／ｃｍ2の間で電解電圧が急激に増加しており、よって、＋０．５〜＋７．５ｍＡ／ｃｍ2程度（好適には＋０．５〜＋１．０ｍＡ／ｃｍ2程度）に調整すれば、活性態域にあると判断することができる。また、電流密度を＋１５．０ｍＡ／ｃｍ2程度以上に調整すれば、過不動態域にあると判断することができる。
なお、処理時間は、１〜６００秒の範囲で適宜調整すればよい。
また、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。
なお、例えば、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り、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。
図３に、電解時における電流密度と、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の一例を示す。これは、後述する表１の鋼Ａについて、３０ｇ／Ｌ硫酸水溶液中、５５℃での、電解時における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調べたものである。この場合、電流密度が＋７．５ｍＡ／ｃｍ2〜＋１５．０ｍＡ／ｃｍ2の間で電解電圧が急激に増加しており、よって、＋０．５〜＋７．５ｍＡ／ｃｍ2程度（好適には＋０．５〜＋１．０ｍＡ／ｃｍ2程度）に調整すれば、活性態域にあると判断することができる。また、電流密度を＋１５．０ｍＡ／ｃｍ2程度以上に調整すれば、過不動態域にあると判断することができる。
なお、処理時間は、１〜６００秒の範囲で適宜調整すればよい。
また、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。
加えて、電解エッチング処理に用いる処理液は、硫酸水溶液や塩酸水溶液、硫酸と塩酸の混合水溶液が好ましい。これらの処理液を用いた場合、十分なエッチング効果を得ることができる。なかでも、硫酸水溶液が好ましい。
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、塩酸水溶液の場合は塩酸の濃度を１０〜１００ｇ／Ｌ程度、硫酸と塩酸の混合水溶液の場合には硫酸の濃度を１０〜１００ｇ／Ｌ程度、塩酸の濃度を１０〜１００ｇ／Ｌ程度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が、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。ここでいうスマットとは、ステンレス鋼板を電解処理した際に、ステンレス鋼板の表面に付着する、Ｃ、Ｎ、Ｓ、Fe、Crを含む混合物である。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、硝酸の濃度は、硫酸水溶液の場合は硫酸の濃度以下、塩酸水溶液の場合は塩酸の濃度以下、ならびに、硫酸と塩酸の混合水溶液の場合は硫酸および塩酸の濃度以下とすることが好ましい。また、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、塩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、塩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、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、塩酸および硝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。
よって、ここでいう硫酸水溶液、塩酸水溶液、および、硫酸と塩酸の混合水溶液にはそれぞれ、上記した１０ｇ／Ｌ以下の硝酸、および、５ｇ／Ｌ以下の硫酸、塩酸および硝酸以外の酸が含有される硫酸水溶液、塩酸水溶液、および、硫酸と塩酸の混合水溶液も含まれるものとする。また、ここでいう硫酸水溶液、塩酸水溶液、および、硫酸と塩酸の混合水溶液は、フッ酸の濃度が１ｇ／Ｌ以下に抑制されているもののみを指すこととする。
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、塩酸水溶液の場合は塩酸の濃度を１０〜１００ｇ／Ｌ程度、硫酸と塩酸の混合水溶液の場合には硫酸の濃度を１０〜１００ｇ／Ｌ程度、塩酸の濃度を１０〜１００ｇ／Ｌ程度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が、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。ここでいうスマットとは、ステンレス鋼板を電解処理した際に、ステンレス鋼板の表面に付着する、Ｃ、Ｎ、Ｓ、Fe、Crを含む混合物である。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、硝酸の濃度は、硫酸水溶液の場合は硫酸の濃度以下、塩酸水溶液の場合は塩酸の濃度以下、ならびに、硫酸と塩酸の混合水溶液の場合は硫酸および塩酸の濃度以下とすることが好ましい。また、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、塩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、塩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、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、塩酸および硝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。
よって、ここでいう硫酸水溶液、塩酸水溶液、および、硫酸と塩酸の混合水溶液にはそれぞれ、上記した１０ｇ／Ｌ以下の硝酸、および、５ｇ／Ｌ以下の硫酸、塩酸および硝酸以外の酸が含有される硫酸水溶液、塩酸水溶液、および、硫酸と塩酸の混合水溶液も含まれるものとする。また、ここでいう硫酸水溶液、塩酸水溶液、および、硫酸と塩酸の混合水溶液は、フッ酸の濃度が１ｇ／Ｌ以下に抑制されているもののみを指すこととする。
さらに、処理温度についても特に限定されるものではないが、３０〜８５℃が好ましい。
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。
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。
（４）表面の安定化処理
上記のように電解エッチング処理を施すことでステンレス鋼板の接触抵抗を低減できるが、接触抵抗を一層低減したい場合や、燃料電池スタック製造工程において熱処理が施されることが想定される場合には、上記の電解エッチング処理を施したステンレス鋼板に、さらに、その表面の安定化処理を施してもよい。これにより、ステンレス鋼板の表面において、電解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して除去させるとともに、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の原子濃度の比を高めて、ステンレス鋼板表面の不動態皮膜を安定化させる。
その結果、接触抵抗がさらに低減され、かつ、実際の燃料電池のセパレータに適用する場合においても、素材鋼板の段階で期待された程度の接触抵抗の低減効果が維持される。
上記のように電解エッチング処理を施すことでステンレス鋼板の接触抵抗を低減できるが、接触抵抗を一層低減したい場合や、燃料電池スタック製造工程において熱処理が施されることが想定される場合には、上記の電解エッチング処理を施したステンレス鋼板に、さらに、その表面の安定化処理を施してもよい。これにより、ステンレス鋼板の表面において、電解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して除去させるとともに、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の原子濃度の比を高めて、ステンレス鋼板表面の不動態皮膜を安定化させる。
その結果、接触抵抗がさらに低減され、かつ、実際の燃料電池のセパレータに適用する場合においても、素材鋼板の段階で期待された程度の接触抵抗の低減効果が維持される。
この理由について、発明者らは次のように考えている。
すなわち、素材ステンレス鋼板をプレス成形し、必要に応じて耐食性や導電性を向上させる目的でさらに表面処理等を施し、燃料電池用セパレータとし、それを用いて燃料電池単セルを組み、さらに単セルを直列に数十〜数百個つないで燃料電池スタックを製造する工程（以下、燃料電池スタック製造工程ともいう）では、熱処理が施される場合があり、この熱処理の際に、セパレータとして使用するステンレス鋼の表面の不動態皮膜が厚く成長し、場合によっては、実質的に酸化皮膜と称すべきほどに厚く成長し、これによって、素材鋼板の段階よりも鋼板表面の導電性が低下して、接触抵抗が上昇する。
これが従来技術で、実際に燃料電池のセパレータとして適用すると、いずれも素材鋼板の段階で期待していたほどは接触抵抗が低減されず、所望とする発電特性が得られない場合があった理由と考えられる。
この点、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の原子濃度の比を高めて、ステンレス鋼板表面の不動態皮膜を安定化させれば、ステンレス鋼板が燃料電池スタック製造工程における熱処理環境下に曝される場合であっても、鋼板表面での不動態皮膜の成長を抑制することが可能となる。その結果、実際の燃料電池のセパレータに適用する場合においても、素材鋼板の段階で期待された程度の接触抵抗の低減効果が得られるようになるものと、発明者らは考えている。
すなわち、素材ステンレス鋼板をプレス成形し、必要に応じて耐食性や導電性を向上させる目的でさらに表面処理等を施し、燃料電池用セパレータとし、それを用いて燃料電池単セルを組み、さらに単セルを直列に数十〜数百個つないで燃料電池スタックを製造する工程（以下、燃料電池スタック製造工程ともいう）では、熱処理が施される場合があり、この熱処理の際に、セパレータとして使用するステンレス鋼の表面の不動態皮膜が厚く成長し、場合によっては、実質的に酸化皮膜と称すべきほどに厚く成長し、これによって、素材鋼板の段階よりも鋼板表面の導電性が低下して、接触抵抗が上昇する。
これが従来技術で、実際に燃料電池のセパレータとして適用すると、いずれも素材鋼板の段階で期待していたほどは接触抵抗が低減されず、所望とする発電特性が得られない場合があった理由と考えられる。
この点、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の原子濃度の比を高めて、ステンレス鋼板表面の不動態皮膜を安定化させれば、ステンレス鋼板が燃料電池スタック製造工程における熱処理環境下に曝される場合であっても、鋼板表面での不動態皮膜の成長を抑制することが可能となる。その結果、実際の燃料電池のセパレータに適用する場合においても、素材鋼板の段階で期待された程度の接触抵抗の低減効果が得られるようになるものと、発明者らは考えている。
また、表面の安定化処理としては、酸化性を有する溶液中での浸漬処理や、当該ステンレス鋼板が不動態化する電位域での電解処理などが挙げられる。
ここで、酸化性を有する溶液とは、硝酸水溶液や過酸化水素水溶液が挙げられる。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。
また、硝酸水溶液を使用する場合、硝酸の濃度は１０〜４００ｇ／Ｌとすることが好ましい。さらに、過酸化水素水溶液を使用する場合、過酸化水素の濃度は１０〜３００ｇ／Ｌとすることが好ましい。なお、各処理液中に不純物として含まれる酸はいずれも、１０ｇ／Ｌ以下であれば許容できる。各処理液中に不純物として含まれる酸の下限については特に限定されず、０ｇ／Ｌであってもよい。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。
加えて、浸漬処理における処理温度は特に限定されるものではないが、３０〜６０℃とすることが好適である。
ここで、酸化性を有する溶液とは、硝酸水溶液や過酸化水素水溶液が挙げられる。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。
また、硝酸水溶液を使用する場合、硝酸の濃度は１０〜４００ｇ／Ｌとすることが好ましい。さらに、過酸化水素水溶液を使用する場合、過酸化水素の濃度は１０〜３００ｇ／Ｌとすることが好ましい。なお、各処理液中に不純物として含まれる酸はいずれも、１０ｇ／Ｌ以下であれば許容できる。各処理液中に不純物として含まれる酸の下限については特に限定されず、０ｇ／Ｌであってもよい。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。
加えて、浸漬処理における処理温度は特に限定されるものではないが、３０〜６０℃とすることが好適である。
また、電解処理にあたっては、電位を、ステンレス鋼板が不動態化する電位域に調整すればよい。特には、鋼中に含まれるFeやNiなどのCr以外の成分が溶解し、Crが溶解しない電位域とすることが好ましい。
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）やステンレス鋼板の鋼種によって異なるため、その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〜＋０．８０Ｖ（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し、また生産性が低下する。そのため、電解時間は、０．１分以上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、１分以上１５分以下である。
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。
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）やステンレス鋼板の鋼種によって異なるため、その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〜＋０．８０Ｖ（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し、また生産性が低下する。そのため、電解時間は、０．１分以上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、１分以上１５分以下である。
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。
（５）その他
また、上記の表面の安定化処理を施したのち、ステンレス鋼板の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、上記の表面の安定化処理を施したのち、ステンレス鋼板の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。
例えば、金属層としては、Au、Ag、Cu、Pt、Pd、W、Sn、Ti、Al、Zr、Nb、Ta、Ru、IrおよびNiなどの金属層が挙げられ、中でもAuやPtの金属層が好適である。
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。
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。
・実施例１
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のステンレス鋼板（光輝焼鈍板）を準備し、このステンレス鋼板に表２に示す条件で、カソード電解処理を施し、鋼板表面に形成されていた酸化皮膜を除去した。ついで、表２に示す条件で、電位制御にて電解エッチング処理を施したのち、表２に示す条件で、表面の安定化処理として浸漬処理を行い、セパレータ用のステンレス鋼板を得た。なお、表２中の電位はいずれも、参照電極に対する電位（Ｖ vs.Ag/AgCl）である。
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のステンレス鋼板（光輝焼鈍板）を準備し、このステンレス鋼板に表２に示す条件で、カソード電解処理を施し、鋼板表面に形成されていた酸化皮膜を除去した。ついで、表２に示す条件で、電位制御にて電解エッチング処理を施したのち、表２に示す条件で、表面の安定化処理として浸漬処理を行い、セパレータ用のステンレス鋼板を得た。なお、表２中の電位はいずれも、参照電極に対する電位（Ｖ vs.Ag/AgCl）である。
ここで、電位制御にて電解エッチング処理を行うにあたり、事前に、参照電極にAg/AgClを用いて、３０ｇ／Ｌ硫酸水溶液中、５５℃、電位走査速度：１ｍＶ／ｓの条件で、鋼種ごとに、アノード分極曲線を取得し、鋼種Ａについては、−０．５１〜−０．３４Ｖ（vs.Ag/AgCl）の電位範囲が活性態域、−０．３４超〜＋０．９７Ｖ（vs.Ag/AgCl）の電位範囲が不動態域、＋０．９７Ｖ（vs.Ag/AgCl）超の電位範囲が過不動態域であることを確認した。鋼種Ｂについては、−０．４９〜−０．３９Ｖ（vs.Ag/AgCl）の電位範囲が活性態域、−０．３９超〜＋１．００Ｖ（vs.Ag/AgCl）の電位範囲が不動態域、＋１．００Ｖ（vs.Ag/AgCl）超の電位範囲が過不動態域であることを確認した。
また、鋼種Ｃについては、−０．２５〜−０．１９Ｖ（vs.Ag/AgCl）の電位範囲が活性態域、−０．１９超〜＋０．９２Ｖ（vs.Ag/AgCl）の電位範囲が不動態域、＋０．９２Ｖ（vs.Ag/AgCl）超の電位範囲が過不動態域であることを確認した。
さらに、鋼種Ｄについては、−０．３４〜−０．１９Ｖ（vs.Ag/AgCl）の電位範囲が活性態域、−０．１９超〜＋０．９８Ｖ（vs.Ag/AgCl）の電位範囲が不動態域、＋０．９８Ｖ（vs.Ag/AgCl）超の電位範囲が過不動態域であることを確認した。
加えて、鋼種Ｅについては、−０．３５〜−０．２０Ｖ（vs.Ag/AgCl）の電位範囲が活性態域、−０．２０超〜＋０．９６Ｖ（vs.Ag/AgCl）の電位範囲が不動態域、＋０．９６Ｖ（vs.Ag/AgCl）超の電位範囲が過不動態域であることを確認した。
また、鋼種Ｃについては、−０．２５〜−０．１９Ｖ（vs.Ag/AgCl）の電位範囲が活性態域、−０．１９超〜＋０．９２Ｖ（vs.Ag/AgCl）の電位範囲が不動態域、＋０．９２Ｖ（vs.Ag/AgCl）超の電位範囲が過不動態域であることを確認した。
さらに、鋼種Ｄについては、−０．３４〜−０．１９Ｖ（vs.Ag/AgCl）の電位範囲が活性態域、−０．１９超〜＋０．９８Ｖ（vs.Ag/AgCl）の電位範囲が不動態域、＋０．９８Ｖ（vs.Ag/AgCl）超の電位範囲が過不動態域であることを確認した。
加えて、鋼種Ｅについては、−０．３５〜−０．２０Ｖ（vs.Ag/AgCl）の電位範囲が活性態域、−０．２０超〜＋０．９６Ｖ（vs.Ag/AgCl）の電位範囲が不動態域、＋０．９６Ｖ（vs.Ag/AgCl）超の電位範囲が過不動態域であることを確認した。
また、電解エッチング処理後の浸漬処理は、処理温度：５５℃の条件で、３００ｇ／Ｌ硝酸水溶液に５分または１５分浸漬することにより行った。
かくして得られたセパレータ用のステンレス鋼板を用いて、以下の要領で接触抵抗の評価を行った。
接触抵抗は、所定の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、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た。
また、これらのセパレータ用ステンレス鋼板に、燃料電池スタック製造工程で行われる場合のある熱処理を想定して、大気雰囲気中において２００℃、２時間保持する熱処理を施し、上記と同じ要領で、以下の基準により熱処理後のステンレス鋼板の接触抵抗値を算出した。これらの評価結果を表２に示す。
ここで、熱処理前の接触抵抗値が２０．０ｍΩ・ｃｍ2以下の場合には、低い接触抵抗が得られていると判定した。
また、熱処理後の接触抵抗値が３０．０ｍΩ・ｃｍ2以下の場合には、熱処理後においても低い接触抵抗が維持されていると判定した。
なお、熱処理前に低い接触抵抗が得られていない試料については、熱処理後の接触抵抗の評価は省略した。
接触抵抗は、所定の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、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た。
また、これらのセパレータ用ステンレス鋼板に、燃料電池スタック製造工程で行われる場合のある熱処理を想定して、大気雰囲気中において２００℃、２時間保持する熱処理を施し、上記と同じ要領で、以下の基準により熱処理後のステンレス鋼板の接触抵抗値を算出した。これらの評価結果を表２に示す。
ここで、熱処理前の接触抵抗値が２０．０ｍΩ・ｃｍ2以下の場合には、低い接触抵抗が得られていると判定した。
また、熱処理後の接触抵抗値が３０．０ｍΩ・ｃｍ2以下の場合には、熱処理後においても低い接触抵抗が維持されていると判定した。
なお、熱処理前に低い接触抵抗が得られていない試料については、熱処理後の接触抵抗の評価は省略した。
表２より、次の事項が明らかである。
(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いる。特に、電解エッチング処理後に安定化処理を行ったものは、熱処理後においても、低い接触抵抗が維持されている。さらに、これらの鋼板は、フッ酸を使用することなく製造できるので、安全性や量産性の面で極めて有利になる。
(b) 一方、比較例ではいずれも、熱処理前の段階で所望の接触抵抗が得られていない。
(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いる。特に、電解エッチング処理後に安定化処理を行ったものは、熱処理後においても、低い接触抵抗が維持されている。さらに、これらの鋼板は、フッ酸を使用することなく製造できるので、安全性や量産性の面で極めて有利になる。
(b) 一方、比較例ではいずれも、熱処理前の段階で所望の接触抵抗が得られていない。
・実施例２
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のステンレス鋼板（光輝焼鈍板）を準備し、このステンレス鋼板に表３および表４に示す条件で、カソード電解処理を施し、鋼板表面に形成されていた酸化皮膜を除去した。ついで、表３および表４に示す条件で、電流制御にて電解エッチング処理を施したのち、表３および表４に示す条件で、表面の安定化処理として浸漬処理または電解処理を行い、セパレータ用のステンレス鋼板を得た（なお、表３および表４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。）。ただし、試料Ｎｏ．１８については酸化皮膜の除去処理としてのカソード電解処理を、試料Ｎｏ．１９、２８および３５については表面の安定化処理としての浸漬処理および電解処理を実施しなかった。
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のステンレス鋼板（光輝焼鈍板）を準備し、このステンレス鋼板に表３および表４に示す条件で、カソード電解処理を施し、鋼板表面に形成されていた酸化皮膜を除去した。ついで、表３および表４に示す条件で、電流制御にて電解エッチング処理を施したのち、表３および表４に示す条件で、表面の安定化処理として浸漬処理または電解処理を行い、セパレータ用のステンレス鋼板を得た（なお、表３および表４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。）。ただし、試料Ｎｏ．１８については酸化皮膜の除去処理としてのカソード電解処理を、試料Ｎｏ．１９、２８および３５については表面の安定化処理としての浸漬処理および電解処理を実施しなかった。
ここで、電流制御にて電解エッチング処理を行うにあたり、事前に、３０ｇ／Ｌ硫酸水溶液中、５５℃の条件で、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、電解電圧が急激に増加する範囲から、鋼種Ａでは電流密度を＋０．５〜＋７．５ｍＡ／ｃｍ2の範囲、鋼種Ｂでは電流密度を＋０．０３〜＋０．３ｍＡ／ｃｍ2の範囲、鋼種Ｃでは電流密度を＋０．０３〜＋０．３ｍＡ／ｃｍ2の範囲、鋼種ＤおよびＥではいずれも電流密度を＋０．０３ｍＡ／ｃｍ2に調整すれば、活性態域であることを確認した。
また、鋼種Ａでは電流密度が＋１５．０ｍＡ／ｃｍ2以上、鋼種Ｂでは電流密度が＋７．５ｍＡ／ｃｍ2以上、鋼種Ｃでは電流密度が＋１５．０Ａ／ｃｍ2以上、鋼種Ｄでは電流密度が＋１５．０ｍＡ／ｃｍ2以上、鋼種Ｅでは電流密度が＋１５．０ｍＡ／ｃｍ2以上であれば、過不動態域であることを確認した。
また、鋼種Ａでは電流密度が＋１５．０ｍＡ／ｃｍ2以上、鋼種Ｂでは電流密度が＋７．５ｍＡ／ｃｍ2以上、鋼種Ｃでは電流密度が＋１５．０Ａ／ｃｍ2以上、鋼種Ｄでは電流密度が＋１５．０ｍＡ／ｃｍ2以上、鋼種Ｅでは電流密度が＋１５．０ｍＡ／ｃｍ2以上であれば、過不動態域であることを確認した。
同様に、鋼種Ａについて、
３０ｇ／Ｌ塩酸水溶液中で５５℃の条件において、電流密度を＋０．８ｍＡ／ｃｍ2に調整すれば、
また、１５ｇ／Ｌ硫酸＋１５ｇ／Ｌ塩酸の混合水溶液中で５５℃の条件、３０ｇ／Ｌ硫酸＋０．５ｇ／Ｌフッ酸水溶液中で５５℃の条件、および、３０ｇ／Ｌ硫酸＋１ｇ／Ｌ硝酸水溶液中で５５℃の条件において、電流密度を＋１．０ｍＡ／ｃｍ2に調整すれば、
いずれも活性態域であることを確認した。
さらに、鋼種Ｂについて、
３０ｇ／Ｌ硫酸水溶液中で６５℃の条件、３０ｇ／Ｌ硫酸水溶液中で７０℃の条件、および、３０ｇ／Ｌ塩酸水溶液中で７０℃の条件において、電流密度を＋０．０３ｍＡ／ｃｍ2に調整すれば、
いずれも活性態域であることを確認した。
加えて、鋼種Ｄについて、
３０ｇ／Ｌ硫酸水溶液中で７０℃の条件、および、３０ｇ／Ｌ硫酸水溶液中で７５℃の条件において、電流密度を＋０．０３ｍＡ／ｃｍ2に調整すれば、
いずれも活性態域であることを確認した。
３０ｇ／Ｌ塩酸水溶液中で５５℃の条件において、電流密度を＋０．８ｍＡ／ｃｍ2に調整すれば、
また、１５ｇ／Ｌ硫酸＋１５ｇ／Ｌ塩酸の混合水溶液中で５５℃の条件、３０ｇ／Ｌ硫酸＋０．５ｇ／Ｌフッ酸水溶液中で５５℃の条件、および、３０ｇ／Ｌ硫酸＋１ｇ／Ｌ硝酸水溶液中で５５℃の条件において、電流密度を＋１．０ｍＡ／ｃｍ2に調整すれば、
いずれも活性態域であることを確認した。
さらに、鋼種Ｂについて、
３０ｇ／Ｌ硫酸水溶液中で６５℃の条件、３０ｇ／Ｌ硫酸水溶液中で７０℃の条件、および、３０ｇ／Ｌ塩酸水溶液中で７０℃の条件において、電流密度を＋０．０３ｍＡ／ｃｍ2に調整すれば、
いずれも活性態域であることを確認した。
加えて、鋼種Ｄについて、
３０ｇ／Ｌ硫酸水溶液中で７０℃の条件、および、３０ｇ／Ｌ硫酸水溶液中で７５℃の条件において、電流密度を＋０．０３ｍＡ／ｃｍ2に調整すれば、
いずれも活性態域であることを確認した。
なお、電解エッチング処理後の浸漬処理は、処理温度：５５℃の条件で、３００ｇ／Ｌ硝酸水溶液に０．５分、１分、５分、１５分または３０分間浸漬することにより行った。
また、電解エッチング処理後の電解処理は、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：５分の条件で行った。なお、鋼Ｎｏ．Ａ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。
また、電解エッチング処理後の電解処理は、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：５分の条件で行った。なお、鋼Ｎｏ．Ａ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。
かくして得られたセパレータ用のステンレス鋼板を用いて、実施例１と同じ要領で接触抵抗の評価を行った。評価結果を表３および４に示す。
表３および４より、次の事項が明らかである。
(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いる。特に、適切な安定化処理を行ったものは熱処理後においても、低い接触抵抗が維持されている。さらに、これらの鋼板は、フッ酸を使用することなく製造できるので、安全性や量産性の面で極めて有利になる。
(b) 一方、比較例ではいずれも、熱処理前の段階で所望の接触抵抗が得られていない。
(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いる。特に、適切な安定化処理を行ったものは熱処理後においても、低い接触抵抗が維持されている。さらに、これらの鋼板は、フッ酸を使用することなく製造できるので、安全性や量産性の面で極めて有利になる。
(b) 一方、比較例ではいずれも、熱処理前の段階で所望の接触抵抗が得られていない。
Claims (6)
- 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。 - 前記ステンレス鋼板の表面の酸化皮膜の除去を、電解処理により行う、請求項１に記載の燃料電池のセパレータ用のステンレス鋼板の製造方法。
- 前記電解処理がカソード電解処理である、請求項２に記載の燃料電池のセパレータ用のステンレス鋼板の製造方法。
- 前記電解エッチング処理を施した後、
さらに、上記ステンレス鋼板に、その表面の安定化処理を施す、請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池のセパレータ用のステンレス鋼板の製造方法。 - 前記ステンレス鋼板の表面の安定化処理が、酸化性を有する溶液中での浸漬処理、または、前記ステンレス鋼板の不動態域における電解処理である、請求項４に記載の燃料電池のセパレータ用のステンレス鋼板の製造方法。
- 前記電解エッチング処理で用いる処理液が、硫酸水溶液、塩酸水溶液、または、硫酸と塩酸との混合水溶液である、請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池のセパレータ用のステンレス鋼板の製造方法。
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