WO2013018320A1 - 燃料電池セパレータ用ステンレス鋼 - Google Patents

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WO2013018320A1
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槇石　規子
野呂　寿人
石川　伸
井手　信介
知洋 石井
名越　正泰
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Ｊｆｅスチール株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a stainless steel for a fuel cell separator (corresponding to corrosion resistance (corrosion resistance) and contact resistance resistance characteristics and ability to maintain contact resistance).
  • This fuel cell reacts hydrogen and oxygen (reaction (of hydrogen with oxygen) to generate electricity, and its basic structure has a sandwich-like structure (a sandwich structure), and an electrolyte membrane ( an electrolyte membrane, ion-exchange membrane, two electrodes (a fuel electrode and an air electrode), hydrogen and oxygen (air) diffusion layer, and two separators (separators).
  • an electrolyte membrane an electrolyte membrane, ion-exchange membrane, two electrodes (a fuel electrode and an air electrode), hydrogen and oxygen (air) diffusion layer, and two separators (separators).
  • phosphoric acid form phosphoric acid fuel cell
  • molten carbonate form molten sodium carbonate fuel cell
  • solid oxide form solid oxide fuel cell
  • alkaline form alkaline fuel cell
  • solid Polymer type solid-polymer fuel-cell
  • the polymer electrolyte fuel cell is (1) the operating temperature is about 80 ° C. is much lower than the molten carbonate type and phosphoric acid type fuel cells, etc. It has features such as light weight and small size, (3) quick start-up (a short transient time), fuel efficiency (fuel efficiency), and high output density (output density). For this reason, polymer electrolyte fuel cells are attracting the most attention today for use as electric power sources for electric vehicles (vehicles) and small distributed power sources (compacts, distributed power sources, for homes). Is one of the fuel cells.
  • the polymer electrolyte fuel cell is based on the principle of extracting electricity from hydrogen and oxygen through a polymer membrane, and the structure is shown in Fig. 1 (b).
  • MEA 10Membrane-Electrode Assembly, thickness 10 to several 100 ⁇ m
  • the gas diffusion layer is often integrated with the MEA.
  • Several tens to hundreds of single cells are connected in series to form a fuel cell stack (form a fuel cell stack).
  • the separator has (1) conductors that carry generated electrons (conductors carrying electrons generated), (2) oxygen (air) and hydrogen channels ( channels for oxy (air) and hydrogen) (air channel 6 and hydrogen channel 7 in Fig. 1 respectively) and (3) generated water and exhaust gas discharge channels (channels for water and exhaust gas) (Fig. 1 respectively) Functions as the air flow path 6 and the hydrogen flow path 7) are required.
  • separators having excellent durability and electrical conductivity.
  • separators separators using carbonaceous materials such as graphite are provided.
  • various materials such as titanium alloys are being studied.
  • this carbon separator has the disadvantages that it is easily damaged by impact, is difficult to make compact, and the processing cost for forming the flow path is high.
  • the cost problem is the biggest obstacle to the spread of fuel cells. Therefore, there is an attempt to apply a metal material, particularly stainless steel, instead of the carbon material.
  • Patent Document 1 discloses a technique in which a metal that easily forms a passive film is used as a separator.
  • a metal that easily forms a passive film causes an increase in contact resistance, leading to a decrease in power generation efficiency.
  • these metal materials have problems to be improved such as a contact resistance larger than that of the carbon material and inferior in corrosion resistance.
  • Patent Document 2 discloses a technique for reducing contact resistance and ensuring high output by applying gold plating to the surface of a metal separator such as SUS304 (a metallic separator plated with gold). It is disclosed. However, it is difficult to prevent the occurrence of pinholes with thin gold plating, and conversely, thick gold plating costs high.
  • Patent Document 3 discloses a method for obtaining a separator having improved electrical conductivity by dispersing carbon powders in a ferritic stainless steel substrate.
  • the surface treatment of the separator requires a considerable cost.
  • the separator subjected to the surface treatment has a problem that the corrosion resistance (corrosion resistance) is remarkably lowered when scratches or the like are generated during assembly.
  • Patent Document 4 is a stainless steel plate characterized in that the average interval between the local peaks of the surface roughness curve is 0.3 ⁇ m or less, whereby the contact resistance can be reduced to 20 m ⁇ ⁇ cm 2 or less.
  • This technology has made it possible to provide fuel cell separator materials made of stainless steel.
  • further improvements in contact resistance characteristics are desirable in fuel cell design, and a contact resistance of 10 m ⁇ ⁇ cm 2 or less is required to be stable. It is.
  • the contact resistance is likely to increase due to surface deterioration in the positive electrode (air electrode) exposed to a high potential, so that the contact resistance of 10 m ⁇ ⁇ cm 2 or less can be maintained for a long time in the use environment even in the separator. is necessary.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a stainless steel for a fuel cell separator excellent in contact resistance characteristics and contact resistance maintaining ability.
  • the present inventors have intensively studied in order to improve the contact resistance characteristics in the stainless steel for fuel cell separator and to maintain the contact resistance for a long time.
  • the steel surface contains fluorine and the peak intensities of Cr and Fe when measured by photoelectron spectroscopy (X-ray electro Photoelectron tro Spectroscopy) (hereinafter sometimes referred to as XPS)
  • XPS photoelectron spectroscopy
  • the present invention is based on the above findings, and features are as follows. [1] Mass%, C: 0.03% or less, Si: 1.0% or less, Mn: 1.0% or less, S: 0.01% or less, P: 0.05% or less, Al: 0.20% or less, N: 0.03 Or less, Cr: 16-40%, Ni: 20% or less, Cu: 0.6% or less, Mo: 2.5% or less, one or more types of stainless steel with the balance of Fe and inevitable impurities A stainless steel for fuel cell separators, wherein F is detected when the surface of the stainless steel is measured by photoelectron spectroscopy, and the following is satisfied.
  • the stainless steel for fuel cell separators which was excellent in the contact resistance characteristic and excellent in the practicality which can maintain the contact resistance over a long time is obtained.
  • the stainless steel of the present invention as a separator instead of the conventional expensive carbon or gold plating, an inexpensive fuel cell can be provided and the spread of the fuel cell can be promoted.
  • the stainless steel used as a material is not particularly limited in the steel type or the like as long as it has the corrosion resistance required under the operating environment of the fuel cell.
  • it is necessary to contain 16% by mass or more of Cr.
  • the Cr content is less than 16% by mass, the separator cannot be used for a long time.
  • it is 18 mass% or more.
  • the toughness may decrease due to precipitation of the ⁇ phase, so the Cr content is 40% by mass or less.
  • C 0.03% or less C reacts with Cr in the stainless steel and precipitates as Cr carbide in the grain boundary (precipitate chromium carbonitride in the grain boundary), resulting in a decrease in corrosion resistance. Therefore, the smaller the C content, the better. If C is 0.03% or less, the corrosion resistance is not significantly reduced. Preferably it is 0.015% or less.
  • Si 1.0% or less Si is an effective element for deoxidation, and is added at the melting stage of stainless steel. However, if excessively contained, the stainless steel hardens (causes hardening of the stainless steel sheet) and the ductility decreases (decreased ductility). More preferably, it is 0.01% or more and 0.6% or less.
  • Mn 1.0% or less Mn combines with inevitably mixed S, has the effect of reducing S dissolved in stainless steel, suppresses segregation of sulfur at the grain boundary, and performs hot rolling. It is an effective element for preventing cracking of the steel sheet during hot rolling. However, even if added over 1.0%, there is almost no increase in the effect of addition. On the other hand, an excessive addition causes an increase in cost. Therefore, Mn is 1.0% or less.
  • S 0.01% or less S is an element that lowers the corrosion resistance by binding to Mn to form MnS, and is preferably lower. If it is 0.01% or less, the corrosion resistance will not be significantly reduced. Therefore, S is set to 0.01% or less.
  • P 0.05% or less P lowers the ductility because it lowers the ductility. However, if it is 0.05% or less, the ductility is not significantly reduced. Therefore, P is 0.05% or less.
  • Al 0.20% or less
  • Al is an element used as a deoxidizing element.
  • Al is 0.20% or less.
  • N 0.03% or less N is an element effective for suppressing local corrosion such as crevice corrosion of stainless steel. However, if added over 0.03%, it takes a long time to add N in the melting stage of the stainless steel, resulting in a decrease in productivity and a decrease in the formability of the steel. Therefore, N is set to 0.03% or less.
  • Ni 20% or less
  • Cu 0.6% or less
  • Mo 2.5% or less
  • Ni 20% or less
  • Ni is an element that stabilizes the austenitic phase, and is added when producing austenitic stainless steel. At this time, if the Ni content exceeds 20%, excessive consumption of Ni causes an increase in cost. Therefore, Ni is 20% or less.
  • Cu: 0.6% or less Cu is an element effective for improving the corrosion resistance of stainless steel. However, if added over 0.6%, hot workability deteriorates, leading to a decrease in productivity, and adding Cu excessively increases the cost. Therefore, Cu is made 0.6% or less.
  • Mo 2.5% or less
  • Mo is an element effective in suppressing local corrosion such as crevice corrosion of stainless steel. However, if added over 2.5%, the stainless steel becomes extremely brittle and productivity is lowered, and excessive consumption of Mo leads to an increase in cost. Therefore, Mo is 2.5% or less.
  • one or more of Nb, Ti, and Zr can be added to improve intergranular corrosion resistance in addition to the elements described above. However, if it exceeds 1.0% in total, ductility is reduced. In addition, the cost increases due to the addition of elements. Therefore, when added, Ti, Nb, and Zr are preferably 1.0% or less in total.
  • the balance is Fe and inevitable impurities.
  • the stainless steel of the present invention is characterized by detecting F when the surface is measured by photoelectron spectroscopy and satisfying the following.
  • the term “other than the metal form (Cr + Fe)” refers to the total atomic concentration of Cr and Fe other than the metal form calculated from the result of separating the Cr and Fe peaks into the metal peak and the peak other than the metal peak.
  • the metal form (Cr + Fe) is the sum of atomic concentrations of Cr and Fe in a metal form calculated from the result of separating the Cr and Fe peaks into a metal peak and a peak other than the metal peak.
  • Fig. 2 shows a wide scan spectrum in XPS measurement when the surface of the stainless steel of the present invention is measured by XPS. From FIG. 2, a value of 0.1 at% or more is obtained in the quantification by the relative sensitivity coefficient (Relative Sensitivity Factor), and F can be clearly detected.
  • Relative Sensitivity Factor Relative Sensitivity Factor
  • Fig. 3 shows the 2p spectrum of Fe by XPS
  • Fig. 4 shows the 2p spectrum of Cr. 3 and 4, it can be seen that the peak is separated into a peak other than metal and a peak of metal.
  • the metal peak is detected in the portion with the lowest binding energy, and can be distinguished from the peak other than the metal (for example, compound state). Therefore, the peak other than the metal and the peak of the metal can be separated and the ratio can be obtained.
  • Cr and Fe were quantified by relative sensitivity coefficient (atomic concentration), and the total of atomic concentrations of Cr and Fe obtained from the film using the results of separating each peak by peak separation, that is, other than metals
  • the total atomic concentration of Cr and Fe in the form and the total atomic concentration of Cr and Fe obtained from the metal part, that is, the ratio of the total atomic concentration of Cr and Fe in the metallic form was calculated.
  • the durability test was done, the contact resistance value before and after the test was measured, and the increase was calculated. In the durability test, a sample was kept for 24 hours in a pH 3 sulfuric acid solution under conditions of 800 mVvs SHE and a temperature of 80 ° C.
  • Figure 5 shows the total atomic concentration of Cr and Fe in the non-metal form and the Cr and Fe in the metal form when the surface of stainless steel with F detected when the surface was measured by photoelectron spectroscopy was measured by XPS. It is a figure which shows the relationship of the ratio of total atomic concentration, ie, other than a metal form (Cr + Fe) / metal form (Cr + Fe), and the contact resistance value increase before and behind a durability test. From FIG. 5, it can be seen that when F is detected on the surface and there is more than a certain value other than the metal form (Cr + Fe) / metal form (Cr + Fe), the increase in the contact resistance value is small. As can be seen from FIG.
  • the non-metal form (Cr + Fe) / metal form (Cr + Fe) have a good relationship with the increase in contact resistance, and the increase in contact resistance is 10 m ⁇ ⁇ cm 2 (20 kgf) as a measure of durability in the durability test. / Cm 2 ) or less to achieve non-metal form (Cr + Fe) / metal form (Cr + Fe) of 4.0 or more and 30 m ⁇ ⁇ cm 2 (20 kgf / cm 2 ) or less to 3.0 or more You can see that.
  • Non-metal form (Cr + Fe) / Metal form (Cr + Fe) is set to 3.0 or more to increase the contact resistance to 30 m ⁇ ⁇ cm 2 (20 kgf / cm 2 ) or less, and the contact resistance before the durability test is 10 m ⁇ . • Can be 2 cm or less.
  • metal form (Cr + Fe) / Metal form (Cr + Fe) ⁇ 3.0 Preferably, (Cr + Fe) / metal form (Cr + Fe) ⁇ 4.0.
  • Separation of a peak in a form other than a metal and a peak in a metal form can be performed by a peak fitting method by a least square method using a Gaussian type peak by removing a spectral background by the Sherly method.
  • hydrofluoric acid immersion treatment or the like can be used as a method for imparting F to the surface.
  • other than the metal form (Cr + Fe) / metal form (Cr + Fe) can be within the scope of the present invention by controlling the treatment conditions such as the acid dipping treatment after annealing.
  • the treatment time and the temperature of the treatment liquid can be changed to be within the scope of the present invention.
  • by increasing the treatment time it is possible to increase the non-metal form (Cr + Fe) / metal form (Cr + Fe).
  • the method for producing the stainless steel for a fuel cell separator of the present invention is not particularly limited, and may be a conventionally known method. Preferred production conditions are as follows.
  • a steel slab adjusted to a suitable component composition is heated to a temperature of 1100 ° C or higher, hot-rolled, annealed at a temperature of 800-1100 ° C, and then cold-rolled and annealed repeatedly to obtain stainless steel. .
  • the thickness of the obtained stainless steel plate is preferably about 0.02 to 0.8 mm.
  • pretreatment electrolytic treatment or acid immersion
  • acid treatment As an example of the electrolysis conditions, a method can be used in a sulfuric acid bath of 3% H 2 SO 4 at 2 A / dm 2 at 55 ° C. for 30 seconds.
  • a method of immersing in a mixed solution of 5% hydrofluoric acid and 1% nitric acid at 55 ° C. for 40 seconds to 120 seconds can be employed.
  • the electrolytic treatment was performed in the bath shown in Table 2, with the solution temperature being 55 ° C., the current density being 2 A / dm 2 , and the treatment time being 30 seconds.
  • the solution temperature was 55 ° C. and the treatment time was 30 seconds.
  • the acid treatment was performed using the solutions shown in Table 2, the bath temperature, and the time.
  • the contact resistance was measured and the element present on the outermost surface was evaluated by XPS. Further, a durability test was performed, and the contact resistance was measured in the same manner as before the durability test, thereby obtaining an increase in contact resistance. In the durability test, the sample was kept in a sulfuric acid solution of pH 3 under conditions of 800 mVvs SHE and 80 ° C. for 24 hours.
  • the contact resistance was measured by using a carbon paper CP120 manufactured by Toray Industries, Inc., contacting the carbon paper CP120 with steel, and applying a load of 20 kGf / cm 2 .
  • AXIS-HS manufactured by KRATOS was used for XPS measurement. Measurement was performed using a monochromatized AIK ⁇ x-ray source, and the main component was quantified (atomic%) using the relative sensitivity coefficient attached to the device. From the results, F was quantified, and 2p of Cr and Fe was separated into metal peaks and other peaks, and information related to the film thickness was obtained by taking the ratio.
  • the contact resistance is 10 m ⁇ ⁇ cm 2 or less and the contact resistance increase is 30 m ⁇ ⁇ cm You can see that it is 2 or less.
  • the contact resistance increase is 10 m ⁇ ⁇ cm 2 or less, and the contact resistance maintaining characteristics are further improved. I can see that
  • Example 1 Of the stainless steel plates having a thickness of 0.2 mm used in Example 1, steel numbers 2 and 3 in Table 1 were used.
  • electrolytic treatment was performed in a 3% sulfuric acid solution.
  • the solution temperature was 55 ° C.
  • the current density was 2 A / dm 2
  • the treatment time was 30 seconds.
  • the acid treatment was performed using a mixed solution of 5% hydrofluoric acid and 1% nitric acid for Steel 2 and a 5% hydrofluoric acid solution for Steel 3.
  • the temperature of the acid solution was 55 ° C., and the immersion time was 40 to 120 seconds.
  • a sample not immersed in acid was also prepared.
  • XPS measurement was performed on the surface of the obtained sample, and the presence or absence of F and the ratio of other than metal form (Cr + Fe) / metal form (Cr + Fe) were determined, and contact resistance was measured. Further, a durability test was performed, and the contact resistance was measured in the same manner as before the durability test, thereby obtaining an increase in contact resistance. These measurement and data analysis methods are the same as in Example 1. In the durability test, 0.1 ppm of F ions was added to a pH 3 sulfuric acid solution, and the sample was held for 20 hours under conditions of 800 mVvs SHE and 80 ° C.
  • the contact resistance before the durability test is as low as 10 m ⁇ ⁇ cm 2 or less, and the increase in contact resistance after the durability test is 30 m ⁇ ⁇ cm 2 or less.
  • test Nos. 3, 4 and 8 in which F is detected and the metal form (Cr + Fe) / metal form (Cr + Fe) is 3.5 or more the increase in contact resistance after the durability test is 10 m ⁇ ⁇ cm 2 or less, especially 4.0 or more Test Nos.
  • Test No1 has a metal form other than the metal form (Cr + Fe) / metal form (Cr + Fe) of 3.0, but does not contain F and has high contact resistance before the test (therefore, the durability test is not conducted).
  • Test Nos. 2 and 6 contain F, but the non-metal form (Cr + Fe) / metal form (Cr + Fe) is less than 3.0, and the contact resistance before the test and the increase in the contact resistance after the endurance test are both large and perform well. You can see that they are inferior

Abstract

接触抵抗特性および実用性に優れた燃料電池セパレータ用ステンレス鋼を提供する。 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る。そして、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を検出する。かつ、Cr及びFeのピークを金属ピークと金属ピーク以外のピークに分離した結果から算出される金属形態以外のCrとFeの原子濃度の合計と、金属形態のCrとFeの原子濃度の合計の比率は3.0以上である。

Description

燃料電池セパレータ用ステンレス鋼
本発明は、耐食性(corrosion resistance)に優れるとともに、接触電気抵抗（contact resistance）特性および接触抵抗維持能力に優れた燃料電池セパレータ用ステンレス鋼(stainless steel separator for fuel cells)に関するものである。
　近年、地球環境保全(environmental conservation)の観点から、発電効率(electric power generation efficiency)に優れ、二酸化炭素を排出しない(not emitting carbon dioxide)燃料電池の開発が進められている。この燃料電池は、水素と酸素を反応させて(reaction of hydrogen with oxygen)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(a sandwich structure)を有しており、電解質膜(an electrolyte membrane)すなわちイオン交換膜(ion-exchange membrane)、２つの電極(燃料極(a fuel electrode)と空気極(an air electrode))、水素および酸素（空気）の拡散層、および２つのセパレータ(separators)から構成されている。そして、用いる電解質の種類により、リン酸形(phosphoric acid fuel cell)、溶融炭酸塩形(molten sodium carbonate fuel cell)、固体酸化物形(solid oxide fuel cell)、アルカリ形(alkaline fuel cell)および固体高分子形(solid polymer fuel cell)などが開発されている。
　上記燃料電池の中で、固体高分子形燃料電池は、溶融炭酸塩形およびリン酸形燃料電池等に比べて、(1)運転温度が80℃程度と格段に低い、(2)電池本体の軽量化・小形化が可能である、(3)立上げが早く(a short transient time)、燃料効率(fuel efficiency)、出力密度(output density)が高いなどの特徴を有している。このため、固体高分子形燃料電池は、電気自動車(electric vehicles)の搭載用電源や家庭用、携帯用の小型分散型電源(compact distributed power sources for home use)として利用すべく、今日もっとも注目されている燃料電池の一つである。
　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原理によるものであり、その構造は、図1 に示すように高分子膜とその膜の表裏面に白金系触媒を担持した(carrying a platinum catalyst)カーボンブラック等の電極材料を一体化した膜－電極接合体(MEA: Membrane-Electrode Assembly、厚み数10～数100μｍ)１をカーボンクロス等のガス拡散層２、３およびセパレータ４、５により挟み込み、これを単一の構成要素 (unit cell) とし、セパレータ４と５の間に起電力を生じさせるものである。このとき、ガス拡散層はMEAと一体化される場合も多い。この単セルを数十から数百個直列につないで燃料電池スタックを構成(form a fuel cell stack)し、使用されている。
　セパレータには、単セル間を隔てる隔壁(partition)としての役割に加えて、(1) 発生した電子を運ぶ導電体(conductors carrying electrons generated)、(2) 酸素（空気）や水素の流路(channels for oxygen (air) and hydrogen)（それぞれ図1中の空気流路６、水素流路７）および（3）生成した水や排出ガスの排出路(channels for water and exhaust gas)（それぞれ図1中の空気流路６、水素流路７）としての機能が求められる。
　このように、固体高分子型燃料電池を実用に供するためには、耐久性や電気伝導性に優れたセパレータを使用する必要があり、現在までに実用化されている固体高分子形燃料電池は、セパレータとして、グラファイトなどのカーボン素材(carbonaceous materials)を用いたものが提供されている。また、チタン合金など様々な素材が検討されている。しかしながら、このカーボン製セパレータは、衝撃により破損しやすく、コンパクト化が困難で、かつ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。特にコストの問題は、燃料電池普及の最大の障害となっている。そこで、カーボン素材にかわり金属素材、特にステンレス鋼を適用しようとする試みがある。
　特許文献1には、不働態皮膜(a passivation film)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、不働態皮膜の形成は、接触抵抗の上昇を招くことになり、発電効率の低下につながる。このため、これらの金属素材は、カーボン素材と比べて接触抵抗が大きく、しかも耐食性が劣る等の改善すべき問題点が指摘されている。
　上記問題を解決するために、特許文献2には、SUS304等の金属セパレータの表面に金めっきを施す(a metallic separator plated with gold)ことにより、接触抵抗を低減し、高出力を確保する技術が開示されている。しかし、薄い金めっきではピンホール(pinhole)の発生防止が困難であり、逆に厚い金めっきではコストがかかる。
　特許文献3には、フェライト系ステンレス鋼基材にカーボン粉末(carbon powders)を分散させて、電気伝導性を改善したセパレータを得る方法が開示されている。しかしながら、カーボン粉末を用いた場合も、セパレータの表面処理には相応のコストがかかる。 また、表面処理を施したセパレータは、組立て時にキズ等が生じた場合に、耐食性(corrosion resistance)が著しく低下するという問題点も指摘されている。
　このような状況下において、本発明者らはステンレス素材そのものをそのまま使用し、表面の形状を制御することにより接触抵抗と耐食性を両立する技術として特許文献4を出願した。特許文献4は、表面粗さ曲線の局部山頂の平均間隔が0.3μｍ以下であることを特徴とするステンレス鋼板であって、これにより接触抵抗を20mΩ・cm2以下にすることができる。この技術により、ステンレス素材で燃料電池セパレータ素材を提供できるようになったが、燃料電池設計においてはさらなる接触抵抗特性の改善が望ましく、接触抵抗10mΩ・cm2以下が安定して発現することが必要である。
さらに、燃料電池では、高電位に晒される正極（空気極）において、表面の劣化により接触抵抗が増加しやすく、そのため、セパレータにおいても接触抵抗10mΩ・cm2以下が使用環境下で長く維持できることが必要である。
特開平8-180883号公報 特開平10-228914 号公報 特開2000-277133 号公報 特開2005-302713号公報
本発明が解決しようとする課題
　本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、接触抵抗特性および接触抵抗維持能力に優れた燃料電池セパレータ用ステンレス鋼を提供することを目的とする。
問題を解決するための手段
　本発明者らは、燃料電池セパレータ用ステンレス鋼における接触抵抗特性を向上させ、かつ、その接触抵抗を長時間にわたり維持可能とするために鋭意検討した。検討の結果、鋼表面がフッ素(Fluorine)を含み、光電子分光法(X-ray Photoelectron Spectroscopy)（以下、XPSと称することもある）により測定した場合のCrとFeのピーク強度について、金属以外のピークと金属のピークの比をある一定値以上とすることにより接触抵抗特性および接触抵抗維持能力が向上することを見出した。
　本発明は上記知見に基づくものであり、特徴は以下の通りである。
［１］質量％(mass%)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、下記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。
金属形態以外（Cr＋Fe）／金属形態（Cr＋Fe）≧3.0
ただし、前記金属形態以外（Cr＋Fe）とは、CrおよびFeのピークを金属ピークと金属ピーク以外のピークに分離した結果から算出される金属以外の形態のCrとFeの原子濃度(atomic concentration)の合計である。前記金属形態（Cr＋Fe）とは、CrおよびFeのピークを金属ピークと金属ピーク以外のピークに分離した結果から算出される金属形態のCrとFeの原子濃度の合計である。
［２］前記ステンレス鋼が、さらに、質量％で、Nb、Ti、Zrの一種以上を合計で1.0％以下を含有することを特徴とする前記[１]に記載の燃料電池セパレータ用ステンレス鋼。
　本発明によれば、接触抵抗特性に優れ、その接触抵抗を長時間にわたり維持可能な実用性に優れた燃料電池セパレータ用ステンレス鋼が得られる。
従来の高価なカーボンや金めっきに代わり、本発明のステンレス鋼をセパレータとして用いることで、安価な燃料電池を提供でき、燃料電池の普及を促進させることが可能となる。
燃料電池の基本構造を示す模式図である。 本発明の試料表面をXPSにより測定した場合のワイドスキャンによるスペクトルを示す図である。 本発明の試料表面をXPSにより測定した場合のFe2pスペクトルを示す図である。 本発明の試料表面をXPSにより測定した場合のCr2pスペクトルを示す図である。 金属形態以外（Cr＋Fe）／金属形態（Cr＋Fe）と、耐久性試験前後の接触抵抗値増加分との関係を示す図である。
　以下、本発明を具体的に説明する。
　まず、本発明で対象とするステンレス鋼について説明する。
　本発明において、素材として使用するステンレス鋼については、燃料電池の動作環境下で必要とされる耐食性を有する限り鋼種等に特段の制約は無い。ただし、基本的な耐食性を確保するために、Crは16質量％以上含有する必要がある。Cr含有量が16質量％未満では、セパレータとして長時間の使用に耐えられない。好ましくは18質量％以上である。一方、Cr含有量が40質量％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ため、Cr含有量は、40質量％以下とする。
　以下に、成分組成を示す。なお、成分に関する「％」表示は特に断らない限り質量％を意味するものとする。
　C：0.03％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(precipitate chromium carbonitride in the grain boundary)ため、耐食性の低下をもたらす。したがって、Cの含有量は少ないほど好ましく、Cが0.03％以下であれば、耐食性を著しく低下させることはない。好ましくは 0.015％以下である。
　Si： 1.0％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。しかし過剰に含有させるとステンレス鋼が硬質化(causes hardening of the stainless steel sheet)し、延性が低下する(decreased ductility)ので、1.0％以下とする。さらに好ましくは、0.01％以上0.6％以下である。
　Mn： 1.0％以下
Mnは、不可避的に混入したSと結合し、ステンレス鋼に固溶したSを低減する効果を有し、Sの粒界偏析を抑制(suppresses segregation of sulfur at the grain boundary)し、熱間圧延時の割れを防止する(prevents cracking of the steel sheet during hot rolling)のに有効な元素である。しかし、1.0％を超えて添加しても添加する効果の増加はほとんどない。かえって、過剰に添加することによってコストの上昇を招く。よって、Mnは1.0％以下とする。
　S：0.01％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り低い方が好ましい。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。よって、Sは0.01％以下とする。
　Ｐ：0.05％以下
Pは延性の低下をもたらすため、低いほうが望ましいが、0.05%以下であれば延性を著しく低下させることはない。よって、Pは0.05％以下とする。
　Al：0.20％以下、
Alは、脱酸元素として用いられる元素である。一方で、過剰に含有すると延性の低下をもたらす。よって、Alは0.20％以下とする。
　N： 0.03％以下
N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。しかし、 0.03％を超えて添加すると、ステンレス鋼の溶製段階でNを添加するために長時間を要するので生産性の低下を招くとともに、鋼の成形性が低下する。したがってNは、0.03％以下とする。
　Ni:20%以下、Cu:0.6%以下、Mo:2.5%以下の一種以上
Ni：20％以下
Niは、オーステナイト相を安定化させる元素であり、オーステナイト系ステンレスを製造する場合に添加する。その際、Ni含有量が20％を超えると、Niを過剰に消費することによってコストの上昇を招く。したがってNiは、20％以下とする。
Cu：0.6％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。しかし、0.6％を超えて添加すると、熱間加工性が劣化し、生産性の低下を招くばかりでなく、Cuを過剰に添加することによってコストの上昇を招く。したがってCuは、0.6％以下とする。
Mo：2.5％以下
Moは、ステンレス鋼の隙間腐食等(crevice corrosion)の局部腐食を抑制するのに有効な元素である。しかし、2.5％を超えて添加すると、ステンレス鋼が著しく脆化して生産性が低下するとともに、Moを過剰に消費することによってコストの上昇を招く。したがってMoは、2.5％以下とする。
　Nb、Ti、Zrの一種以上を合計で1.0％以下
本発明では、上記した元素の他に、耐粒界腐食性向上のためにNb、Ti、Zrの一種以上を添加することができる。しかし、合計で1.0％を超えた場合、延性の低下を招く。また、元素添加によるコスト上昇をきたす。したがって、添加する場合は、Ti、Nb、Zrを合計で 1.0％以下が好ましい。
　残部はFeおよび不可避的不純物である。
　次に、本発明に係るセパレータ用ステンレス鋼が具備すべき特性について説明する。
本発明のステンレス鋼は、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、下記を満足することを特徴とする。
金属形態以外（Cr＋Fe）／金属形態（Cr＋Fe）≧3.0
ただし、前記金属形態以外（Cr＋Fe）とは、CrおよびFeのピークを金属ピークと金属ピーク以外のピークに分離した結果から算出される金属形態以外のCrとFeの原子濃度の合計である。前記金属形態（Cr＋Fe）とは、CrおよびFeのピークを金属ピークと金属ピーク以外のピークに分離した結果から算出される金属形態のCrとFeの原子濃度の合計である。
　図2に本発明のステンレス鋼の表面をXPSにより測定した場合のXPS測定におけるワイドスキャンスペクトルを示す。図2より、相対感度係数(Relative Sensitivity Factor)による定量において0．1at％以上の値が得られており、Fが明瞭に検出できる。
　図3にXPSによるFeの2pのスペクトルを、図4に Crの2pのスペクトルを示す。図3、図4のいずれにおいても、金属以外のピークと金属のピークに分離していることがわかる。FeとCrの両者ともに金属のピークは最も結合エネルギーの低い部分に検出されており、金属以外（例えば化合物状態）のピークとは区別することが可能である。そこで、金属以外のピークと金属のピークを分離し、その比をとることができる。具体的には、Cr及びFeを相対感度係数で定量し（原子濃度）、さらにそれぞれのピークをピーク分離によって分離した結果を用いて皮膜から得られるCrとFeの原子濃度の合計すなわち金属以外の形態のCrとFeの原子濃度の合計、と金属部分から得られるCrとFeの原子濃度の合計すなわち金属形態のCrとFeの原子濃度の合計の比を算出した。また、耐久性試験を行い、試験前後の接触抵抗値を測定してその増加分を算出した。耐久性試験はpH3の硫酸溶液中、800mVvs　SHE、温度80℃の条件で試料を24時間保持した。
　図5は、表面を光電子分光法により測定した際にＦを検出したステンレス鋼の表面をXPSにより測定した場合の、金属以外の形態のCrおよびFeの原子濃度合計と金属形態のCrおよびFeの原子濃度合計の比、すなわち、金属形態以外（Cr＋Fe）／金属形態（Cr＋Fe）と、耐久性試験前後の接触抵抗値増加分との関係を示す図である。図5より、表面にＦを検出し、金属形態以外（Cr＋Fe）／金属形態（Cr＋Fe）がある一定以上の場合に、接触抵抗値増加分が少ないことがわかる。図5からわかるように、金属形態以外（Cr＋Fe）／金属形態（Cr＋Fe）は接触抵抗増加分とよい関係にあり、前記耐久試験における耐久性の目安として接触抵抗増加分を10mΩ・cm2（20kgf／cm2）以下とするためには、金属形態以外（Cr＋Fe）／金属形態（Cr＋Fe）を4．0以上、30mΩ・cm2（20kgf／cm2）以下とするためには、3．0以上とすればよいことがわかる。
　以上より、本発明では、ステンレス鋼の表面を光電子分光法により表面を測定した場合に、Ｆを検出し、かつ、下記を満足することとする。金属形態以外（Cr＋Fe）／金属形態（Cr＋Fe）を3.0以上とすることにより、接触抵抗増加分を30mΩ・cm2（20kgf／cm2）以下とすることに加え、耐久試験前の接触抵抗も10mΩ・cm2以下とすることができる。
金属形態以外（Cr＋Fe）／金属形態（Cr＋Fe）≧3.0
　なお、好ましくは、（Cr＋Fe）／金属形態（Cr＋Fe）≧4.0である。
なお、金属以外の形態のピークと金属形態のピークの分離は、Sherly法によりスペクトルのバックグラウンドを除去し、ガウシアン型のピークを用いた最小二乗法によるピークフィッティング法により行うことができる。
　表面にFが存在し、金属形態以外（Cr＋Fe）／金属形態（Cr＋Fe）を3.0以上とすることで、接触抵抗値と耐久性試験前後の接触抵抗増加分が小さい理由は明確になっていないが、FはFeやCrと安定な化合物を形成しやすいこと、金属形態以外（Cr＋Fe）／金属形態（Cr＋Fe）は表面酸化皮膜の厚さに対応していることから、比較的厚さの厚い酸化層が形成されること、が関係していると推定される。
　表面にFを付与する方法として、フッ酸浸漬処理等を用いることができる。また、金属形態以外（Cr＋Fe）／金属形態（Cr＋Fe）は、焼鈍後の酸浸漬処理等の処理条件を制御することで、本発明範囲内とすることができる。例えば、酸性溶液中で電解処理したのち酸性溶液に浸漬する処理においては、処理時間や処理液の温度を変化させることで本発明の範囲内にすることができる。一例として、処理時間は長くすることで、金属形態以外（Cr＋Fe）／金属形態（Cr＋Fe）を大きくすることができる。
　本発明の燃料電池セパレータ用ステンレス鋼の製造方法については、特に制限はなく、従来公知の方法に従えばよいが、好適な製造条件を述べると次のとおりである。
　好適成分組成に調整した鋼片を、1100℃以上の温度に加熱後、熱間圧延し、ついで800～1100℃の温度で焼鈍を施したのち、冷間圧延と焼鈍を繰り返してステンレス鋼とする。得られるステンレス鋼板の板厚は0.02～0.8mm程度とするのが好適である。次いで、仕上焼鈍後、前処理(電解処理、もしくは酸浸漬)を行い、その後、酸処理に施されることが好ましい。電解条件の一例として、3%H2SO4の硫酸浴中で2A/dm2で 55℃、30sec行う方法をとることができる。また、酸浸漬の一例として、HCl:H2O=1:3(体積比)の混合液で 55℃、30sec浸漬する方法を採用することができる。
酸処理の一例としては、5%フッ酸と1%硝酸の混合溶液に、55℃で、40秒～120秒浸漬する方法を採用することができる。
表1に示す化学組成の鋼を真空溶解炉で溶製し、得られた鋼塊を1200℃に加熱したのち、熱間圧延により板厚5mmの熱延板とした。得られた熱延板を900℃で焼鈍したのち、酸洗により脱スケールを行い、次いで、冷間圧延と焼鈍酸洗を繰り返し、板厚0.2mmのステンレス鋼板を製造した。
引き続き、焼鈍を施し、表2に示す条件で前処理（電解処理もしくは酸浸漬）、酸洗溶液に浸漬する酸処理を行った。なお、電解処理は表2に示す浴にて、溶液温度は55℃、電流密度は2A/dm2、処理時間は30秒の条件で行い、前処理としての酸浸漬は表2に示す溶液にて溶液温度は55℃、処理時間は30秒の条件で行った。また、酸処理は表2に示す溶液および浴温度、時間で行った。
以上により得られたステンレス鋼に対して、接触抵抗を測定するとともに、XPSによる測定を行い最表面に存在する元素を評価した。さらに耐久性試験を行い、耐久性試験前と同様に接触抵抗を測定することで、接触抵抗増加分を求めた。なお、耐久性試験は、pH 3の硫酸溶液中に800mVvs　SHE、80℃の条件で試料を24時間保持した。
　接触抵抗は、東レ（株）製のカーボンペーパーCP120を用い、前記カーボンペーパーCP120と鋼を接触させて、20kGf/ cm2の荷重を付加したときの抵抗値を測定した。
　XPSの測定は、KRATOS製AXIS－HSを使用した。AIKαモノクロX線源(monochromatized AIKα x-ray source)を用いて測定し、装置付属の相対感度係数により主成分の定量（Atomic％）を行った。その結果から、Fを定量するとともに、CrとFeの2pについて、金属ピークとそれ以外のピークに分離し、その比をとることによって皮膜厚さに関わる情報を得た。具体的には、Cr及びFeを相対感度係数で定量し（原子濃度）、さらにそれぞれのピークを金属とそれ以外のピークに分離し、その結果を用いて皮膜から得られるCrとFeの原子濃度の合計すなわち金属以外の形態のCrとFeの原子濃度の合計と金属部分から得られるCrとFeの原子濃度の合計すなわち金属形態のCrとFeの原子濃度の合計の比を算出した。
なお、耐久試験前の段階で接触抵抗が10mΩ・cm2以下とならなかったものについては、金属形態以外（Cr＋Fe）／金属形態（Cr＋Fe）および耐久試験後の接触抵抗の測定は行わなかった。
以上により得られた結果を表3に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　表3より、Ｆを検出し、かつ、金属形態以外（Cr＋Fe）／金属形態（Cr＋Fe）≧3.0である本発明例では、接触抵抗が10mΩ・cm2以下、かつ接触抵抗増加分が30mΩ・cm2以下になっているのがわかる。さらに、Ｆを検出し、かつ、金属形態以外（Cr＋Fe）／金属形態（Cr＋Fe）≧4.0である本発明例では、接触抵抗増加分が10mΩ・cm2以下となり、より一層接触抵抗維持特性が優れているのがわかる。
実施例１で用いた板厚0.2mmのステンレス鋼板のうち、表1の鋼番号2および3を用いた。前処理として、3%の硫酸溶液中で電解処理を実施した。溶液温度は55℃で電流密度は2A/dm2、処理時間は30秒とした。酸処理は、鋼2では5%フッ酸と1%硝酸の混合溶液、鋼3では5%フッ酸溶液で行った。酸溶液の温度はともに、55℃であり、浸漬時間を40秒～120秒間とした。比較のため、酸浸漬しない試料も作製した。得られた試料の表面について、XPS測定を行い、Fの有無および金属形態以外（Cr＋Fe）／金属形態（Cr＋Fe）の比率を求め、接触抵抗の測定を行った。さらに耐久性試験を行い、耐久性試験前と同様に接触抵抗を測定することで、接触抵抗増加分を求めた。これらの測定およびデータ解析法は実施例１と同じである。なお、耐久性試験は、pH 3の硫酸溶液中に0.1ppmのFイオンを添加し、800mVvs　SHE、80℃の条件で試料を20時間保持した。
　得られた結果を表４に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　実施例で採用した条件では、酸浸漬時間を60秒以上とすることで、Fを存在させ、かつ金属形態以外（Cr＋Fe）／金属形態（Cr＋Fe）を3.0以上にすることができている。これらの実施例では、耐久試験前の接触抵抗が10mΩ・cm2以下と低く、耐久試験後の接触抵抗増加分が30mΩ・cm2以下となっている。特に、Fが検出され、金属形態以外（Cr＋Fe）／金属形態（Cr＋Fe）が3.5以上の試験Ｎｏ3、4、8は、耐久試験後の接触抵抗増加分が10mΩ・cm2以下、なかでも4.0以上の試験Ｎｏ3、4は、接触抵抗増加分が5mΩ・cm2以下と低接触抵抗の維持能力が高いことがわかる。試験Ｎｏ1は、金属形態以外（Cr＋Fe）／金属形態（Cr＋Fe）が3.0ではあるが、Fを含まず、試験前の接触抵抗が高い（そのため耐久試験は行っていない）。また、試験Ｎｏ2と6は、Fを含むが、金属形態以外（Cr＋Fe）／金属形態（Cr＋Fe）が3.0より小さく、試験前の接触抵抗および耐久試験後の接触抵抗増加分が、ともに大きく性能が劣っていることがわかる。
　１　膜－電極接合体
　２　ガス拡散層
　３　ガス拡散層
　４　セパレータ
　５　セパレータ
　６　空気流路
　７　水素流路

Claims (2)

  1. 　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、下記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。
    金属形態以外（Cr＋Fe）／金属形態（Cr＋Fe）≧3.0
    ただし、前記金属形態以外（Cr＋Fe）とは、CrおよびFeのピークを金属ピークと金属ピーク以外のピークに分離した結果から算出される金属以外の形態のCrとFeの原子濃度の合計であり、前記金属形態（Cr＋Fe）とは、CrおよびFeのピークを金属ピークと金属ピーク以外のピークに分離した結果から算出される金属形態のCrとFeの原子濃度の合計である。
  2. 　前記ステンレス鋼が、さらに、質量％で、Nb、Ti、Zrの一種以上を合計で1.0％以下を含有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セパレータ用ステンレス鋼。
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