JP2019148000A

JP2019148000A - ステンレス鋼基材

Info

Publication number: JP2019148000A
Application number: JP2018034606A
Authority: JP
Inventors: 崇逢坂; Takashi Aisaka; 崇河野; Takashi Kono
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-02-28
Filing date: 2018-02-28
Publication date: 2019-09-05
Anticipated expiration: 2038-02-28
Also published as: JP6988568B2; US20190267641A1; DE102019101504A1; CN110212211A; CN110212211B; US10833335B2

Abstract

【課題】本開示は、Ｎｂを含みかつ耐食性に優れた燃料電池用セパレータに用いられるステンレス鋼基材を提供することを目的とする。【解決手段】本実施形態は、燃料電池用セパレータに用いられるステンレス鋼基材であって、Ｎｂを固溶状態で含み、かつ、Ｎｂ含有金属間化合物の析出物を実質的に含まない、ステンレス鋼基材に関する。【選択図】なし

Description

本開示は、燃料電池用セパレータに用いるためのステンレス鋼基材に関するものである。また、本開示は、燃料電池用セパレータに関するものである。また、本開示は、燃料電池に関するものである。また、本開示は、燃料電池用セパレータに用いるためのステンレス鋼基材の製造方法に関するものである。

固体高分子型燃料電池の燃料電池セルは、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側触媒層（電極層）及びカソード側触媒層（電極層）とからなる膜電極接合体（ＭＥＡ：ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）を備えている。膜電極接合体の両側には、燃料ガス若しくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するためのガス拡散層（ＧＤＬ：ＧａｓＤｉｆｆｕｓｉｏｎＬａｙｅｒ）が形成されている。ＧＤＬが両側に配置された膜電極接合体は、ＭＥＧＡ（ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅ＆ＧａｓＤｉｆｆｕｓｉｏｎＬａｙｅｒＡｓｓｅｍｂｌｙ）と称され、ＭＥＧＡは、一対のセパレータにより挟持されている。ここで、ＭＥＧＡが燃料電池の発電部であり、ガス拡散層がない場合には、膜電極接合体が燃料電池の発電部となる。

固体高分子型燃料電池に使用されるステンレス鋼として、特許文献１は、質量％で、Ｃ：０．０３％以下、Ｎ：０．０３％以下、Ｓｉ：０．０１〜２．０％、Ｍｎ：０．０１〜２．０％、Ａｌ：０．００１〜０．３％、Ｃｒ：２０〜３５％、Ｍｏ：４．０％以下およびＮｂ：０．２〜２．０％を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなり、さらにＣｒ量、Ｎｂ量およびＭｏ量が所定式の関係を満足することを特徴とする、高電位でのイオン溶出量が少ない固体高分子形燃料電池用セパレータ用ステンレス鋼を開示している。また、特許文献１は、Ｎｂは、鋼中のＣ、Ｎを炭窒化物として固定し、耐食性、プレス成形性を改善するのに有効な元素であることを記載している。

また、特許文献２は、所定の化学組成を有し、かつ所定式で算出される値が２０〜４５％であるとともに、フェライト相のみからなる母相中にＭ_２Ｂ型硼化物系金属析出物が分散し、かつ、表面に露出している、フェライトステンレス鋼材を開示している。また、特許文献２は、Ｎｂは、特許文献２の発明においては任意添加元素であるが、鋼中のＣおよびＮの安定化元素であることを記載している。

特開２０１０−２０５４４３号公報国際公開第２０１６／０５２６２２号

上述のように、燃料電池用セパレータとして用いられるステンレス鋼基材には、鋭敏化防止剤としてＮｂを添加することが知られている。ここで、鋭敏化とは、金属内の結晶粒界に沿ってＣｒ濃度が低下し、Ｃｒ欠乏部（Ｃｒ濃度が低い部分）が生成する現象である。鋭敏化は、結晶粒界付近に存在する不純物である炭素がＣｒとともに金属炭化物（Ｃｒ_２３Ｃ_６等）を形成し、結晶粒界付近のＣｒを集めてしまうことにより生じる。

しかしながら、鋭敏化防止剤としてＮｂを含むことにより耐食性が改良されたステンレス鋼基材を燃料電池用セパレータとして用いても、腐食環境下において腐食が発生する場合がある。特に、固体高分子型燃料電池のセパレータは、固体高分子膜からのＦ⁻イオンの溶出や、外気からのＣｌ⁻イオンの流入、生成水中のＨ^＋イオンの濃縮による低ｐＨ等の、ステンレス鋼にとって厳しい腐食環境に置かれるため、上記問題が顕著に現れる。そのため、燃料電池用セパレータに用いられるステンレス鋼基材には、さらに優れた耐食性を有することが求められる。

そこで、本開示は、Ｎｂを含みかつ耐食性に優れた燃料電池用セパレータに用いられるステンレス鋼基材を提供することを目的とする。

本発明者らは、鋭意検討したところ、Ｎｂを含むステンレス鋼基材中にはＮｂを含有する金属間化合物、すなわちＮｂ含有金属間化合物が析出しており、このＮｂ含有金属間化合物の析出物が腐食環境下で金属イオンとして溶出し、この溶出した部分が起点となってステンレス鋼基材に孔食が発生することを新たに知得した。

より具体的に説明すると、例えば、市販されるＮｂを含むステンレス鋼基材（例えばＳＵＳ４４７Ｊ１Ｌ）中には、図１のＴＥＭ写真に示されるように、Ｎｂ含有金属間化合物の析出物が存在している。Ｎｂ含有金属間化合物の析出物は、特に結晶粒界付近に存在する。図２に示すように、このＮｂ含有金属間化合物の析出物は、酸やフッ素イオン、塩素イオン等が存在する燃料電池の腐食環境下に置かれると、金属イオンとして溶出する。そして、この溶出した部分が起点となってさらに腐食が進行し、ステンレス鋼基材に孔食が発生する。具体的には、図２（Ａ）では、ステンレス鋼基材中にＮｂ含有金属間化合物の析出物が存在している様子を示している。次に、図２（Ｂ）に示すように、このＮｂ含有金属間化合物の析出物は、酸やフッ素イオン、塩素イオン等を含む生成水中に溶解する。特に、燃料電池の作動下においては電位が負荷されるため、析出物の溶出が進行し易い。次に、図２（Ｃ）に示すように、析出物の溶出により形成された孔が起点となって、孔食が進行する。

そこで、本発明者らは、ステンレス鋼基材を加熱してＮｂ含有金属間化合物の析出物を固溶させた後急冷することにより、Ｎｂ含有金属間化合物の析出物が実質的に存在しないステンレス鋼基材を得ることができた。そして、このＮｂ含有金属間化合物の析出物が実質的に存在しないステンレス鋼基材は、燃料電池用セパレータとして耐食性に優れることを知得し、本実施形態に至った。

以下に、本実施形態の態様例を記載する。

（１）燃料電池用セパレータに用いられるステンレス鋼基材であって、
Ｎｂを固溶状態で含み、かつ、Ｎｂ含有金属間化合物の析出物を実質的に含まない、ステンレス鋼基材。
（２）前記Ｎｂを０．０５〜０．５０質量％の範囲で含む、（１）に記載のステンレス鋼基材。
（３）ステンレス鋼基材を含む燃料電池用セパレータであって、
前記ステンレス鋼基材は、Ｎｂを固溶状態で含み、かつ、Ｎｂ含有金属間化合物の析出物を実質的に含まない、燃料電池用セパレータ。
（４）前記ステンレス鋼基材が、前記Ｎｂを０．０５〜０．５０質量％の範囲で含む、（３）に記載の燃料電池用セパレータ。
（５）（３）又は（４）に記載の燃料電池用セパレータと、固体電解質膜とを含む、燃料電池。
（６）前記固体電解質膜がフッ素系電解質樹脂を含む、（５）に記載の燃料電池。
（７）燃料電池用セパレータに用いるためのステンレス鋼基材の製造方法であって、
Ｎｂ含有金属間化合物の析出物を含むステンレス鋼基材を不活性雰囲気下で加熱して、前記Ｎｂ含有金属間化合物を固溶させる熱処理工程と、
前記熱処理工程の後、前記ステンレス鋼基材を急冷する急冷工程と、
を含む、ステンレス鋼基材の製造方法。
（８）前記Ｎｂ含有金属間化合物の析出物を含むステンレス鋼基材を、
少なくともＮｂを含むステンレス鋼の原料を溶解させる溶解工程と、
溶解した原料からステンレス鋼基材を鋳造する鋳造工程と、
鋳造したステンレス鋼基材を熱間圧延する熱間圧延工程と、
熱間圧延したステンレス鋼基材を冷間圧延する冷間圧延工程と、
冷間圧延したステンレス鋼基材を酸洗処理する酸洗工程と、
を含む工程により用意する、（７）に記載のステンレス鋼基材の製造方法。

本開示により、Ｎｂを含みかつ耐食性に優れた燃料電池用セパレータに用いられるステンレス鋼基材を提供することができる。

ステンレス鋼基材のＴＥＭ写真である。Ｎｂ含有金属間化合物の析出物が溶出して形成された孔が起点となって孔食が発生する流れを説明するための模式図である。本実施形態に係るステンレス鋼基材の製造方法における熱処理工程及び急冷工程に用いられる装置の構成例を示す概略図である。本実施形態に係る燃料電池の構成例を説明するための概略断面図である。実施例又は比較例における熱処理工程及び急冷工程の温度プロファイルを示す図である。実施例における耐孔食性試験で用いたすき間形成用部材の構成を説明するための概略断面図である。実施例１で得られたステンレス鋼基材Ｅ１（９５０℃、急冷）のＥＰＭＡ写真を示す図である。実施例４で得られたステンレス鋼基材Ｅ４（１１５０℃、急冷）のＥＰＭＡ写真を示す図である。比較例２で得られたステンレス鋼基材Ｃ２（１１５０℃、大気冷却）のＥＰＭＡ写真を示す図である。比較例３で得られたステンレス鋼基材Ｃ３（ＳＵＳ４４７Ｊ１Ｌ）のＥＰＭＡ写真を示す図である。

以下、本実施形態の態様について説明する。

（ステンレス鋼基材）
本実施形態の一態様は、燃料電池用セパレータに用いられるステンレス鋼基材であって、Ｎｂを固溶状態で含み、かつ、Ｎｂ含有金属間化合物の析出物を実質的に含まない、ステンレス鋼基材に関する。

本実施形態に係るステンレス鋼基材は、Ｎｂを含むため、鋭敏化が抑制されている。また、本実施形態に係るステンレス鋼基材は、Ｎｂは基材中に主に固溶状態で含まれており、Ｎｂ含有金属間化合物の析出物を実質的に含まないため、腐食環境下において溶出して腐食の起点となり得る部分が実質的に存在しない。それゆえ、本実施形態に係るステンレス鋼基材は、燃料電池における腐食環境下、特に固体高分子型燃料電池等の高腐食環境下においても、腐食の発生を抑制することができる。

なお、本明細書において、「Ｎｂ含有金属間化合物の析出物を実質的に含まない」とは、本実施形態に係るステンレス鋼基材において、Ｎｂ含有金属間化合物の析出物が全く存在しないか、たとえＮｂ含有金属間化合物の析出物が存在したとしても、本実施形態の効果を得ることの妨げにならない程度でのみ存在することを意味する。換言すると、本実施形態に係るステンレス鋼基材は、本実施形態の効果を得ることの妨げにならない程度であれば、Ｎｂ含有金属間化合物の析出物を含んでもよいことを意味する。また、本明細書において、Ｎｂ含有金属間化合物は、Ｎｂを０．５質量％以上の濃度で含有する析出物のことを指す。

本明細書において、ステンレス鋼とは、日本工業規格（ＪＩＳ）に規定されるように、Ｃを１．２質量％以下、Ｃｒを１０．５％以上含む鋼を意味する。

本実施形態において、ステンレス鋼基材中に含まれるＮｂの含有量は、好ましくは、０．０５質量％以上０．５０質量％以下である。Ｎｂの含有量が０．０５質量％以上である場合、鋭敏化防止剤としてのＮｂの機能を効果的に発揮することができる。Ｎｂの含有量が０．５０質量％以下である場合、Ｎｂ含有金属間化合物の析出物の発生を効果的に抑制することができる。ステンレス鋼基材中に含まれるＮｂの含有量は、より好ましくは０．１０質量％以上である。ステンレス鋼基材中に含まれるＮｂの含有量は、より好ましくは０．４０質量％以下であり、さらに好ましくは０．３０質量％以下である。

本実施形態において、「Ｎｂ含有金属間化合物の析出物を実質的に含まない」とは、ステンレス鋼基材をＥＰＭＡ（倍率１０００）で観察して得られる画像（サイズ：縦５０μｍ×横５０μｍ）において、粒径が２μｍ以上のＮｂ含有金属間化合物の析出物が５個以下（より好ましくは３個以下）であることを意味することが好ましい。粒径は、前記画像上のＮｂ含有金属間化合物の析出物と同じ面積を有する円の直径（円相当直径）を意味する。粒径は、例えば、市販のソフト用いて計算することができ、例えば、ＷｉｎＲｏｏｆを挙げることができる。

本実施形態において、ステンレス鋼基材は、Ｆｅを主成分として含み、Ｃｒを１８〜３０質量％、Ｍｏを０〜２．０質量％、Ｃを０〜０．０２質量％、Ｎを０〜０．０２質量％、Ｃｕを０〜０．１質量％、Ａｌを０〜０．０５質量％、Ｓｉを０〜０．４質量％、Ｓを０〜０．００１％、Ｐを０〜０．０３質量％、Ｍｎを０〜０．１質量％、Ｎｂを０．０５〜０．５０質量％で含むことが好ましい。

ステンレス鋼基材は、特に制限されるものではなく、例えば、オーステナイト系、フェライト系、又はオーステナイト・フェライト二相系等である。

ステンレス鋼基材の形状は、特に制限されるものではなく、例えば、板状である。

ステンレス鋼基材は、ステンレス鋼基材の表面に必然的に形成される酸化膜以外に、金属酸化物皮膜等の保護膜をその表面に含んでもよい。金属酸化物皮膜は、例えば、スパッタリング、真空蒸着、イオン化蒸着、又はイオンプレーティング等を利用した物理的蒸着法（ＰＶＤ）により成膜することができる。金属酸化物皮膜としては、例えば、高電導性を有する酸化スズ等が挙げられる。

（ステンレス鋼基材の製造方法）
本実施形態の一態様は、燃料電池用セパレータに用いるためのステンレス鋼基材の製造方法であって、Ｎｂ含有金属間化合物の析出物を含むステンレス鋼基材を不活性雰囲気下で加熱して、前記Ｎｂ含有金属間化合物を固溶させる熱処理工程と、前記熱処理工程の後、前記ステンレス鋼基材を急冷する急冷工程と、を含む、ステンレス鋼基材の製造方法である。本実施形態により、Ｎｂを固溶状態で含み、かつ、Ｎｂ含有金属間化合物の析出物を実質的に含まないステンレス鋼基材を得ることができる。

熱処理工程では、Ｎｂ含有金属間化合物の析出物を含むステンレス鋼基材を不活性雰囲気下で加熱して、Ｎｂ含有金属間化合物を固溶させる。不活性雰囲気下で加熱することにより、ステンレス鋼の表面での酸化を抑制することができる。

処理対象としてのステンレス鋼基材は、ステンレス鋼の原料から作製してもよい。具体的には、原料の溶解工程と、鋳造工程と、熱間圧延工程と、冷間圧延工程と、酸洗工程を含む工程により、処理対象としてのステンレス鋼基材を用意してもよい。すなわち、一実施形態において、前記Ｎｂ含有金属間化合物の析出物を含むステンレス鋼基材は、少なくともＮｂを含むステンレス鋼の原料を溶解させる溶解工程と、溶解した原料からステンレス鋼基材を鋳造する鋳造工程と、鋳造したステンレス鋼基材を熱間圧延する熱間圧延工程と、熱間圧延したステンレス鋼基材を冷間圧延する冷間圧延工程と、冷間圧延したステンレス鋼基材を酸洗処理する酸洗工程を含む工程により用意される。

ステンレス鋼の原料としては、例えば、ステンレス鋼粉末を用いることができる。ステンレス鋼粉末は、例えば、Ｆｅを主成分として含み、Ｃｒを１８〜３０質量％、Ｎｂを０．０５〜０．５０質量％で含むことが好ましい。

また、処理対象としてのステンレス鋼基材としては、Ｎｂ含有金属間化合物の析出物を含むステンレス鋼基材であればよく、例えば、市販されているステンレス鋼基材を用いてもよい。このようなステンレス鋼基材としては、例えば、ＳＵＳ４４７Ｊ１Ｌ、ＳＵＳ４４４、ＳＵＳ４２９、ＳＵＳ４３０Ｊ１Ｌ等を用いることができる。

Ｎｂ含有金属間化合物の析出物としては、例えば、ＮｂＦｅ_２、ＮｂＭｏ、ＮｂＣｒ等が挙げられる。Ｎｂ含有金属間化合物の析出物の存在は、例えば、ＴＥＭ、ＥＰＭＡ、残渣抽出法により確認することができる。

また、Ｎｂ含有金属間化合物の組成は、例えば、ＥＤＳ、ＸＲＤ、ＥＥＬＳにより決定することができる。

また、Ｎｂ含有金属間化合物の組成からサーモカルク（統合型熱力学計算システム）等により状態図を作成し、該Ｎｂ含有金属間化合物が固溶する温度を把握することができる。

なお、Ｎｂ含有金属間化合物が母材中に固溶したかどうかは、処理前後のステンレス鋼基材をＥＰＭＡやＴＥＭで観察することにより確認することができる。

熱処理工程の加熱温度は、熱処理工程前のステンレス鋼基材中に存在するＮｂ含有金属間化合物の析出物を固溶させる温度であればよいが、好ましくは９５０℃以上であり、より好ましくは１０００℃以上であり、さらに好ましくは１０５０℃以上である、特に好ましくは１１００℃以上であり、最も好ましくは１１２５℃以上である。加熱温度を９５０℃以上に設定することにより、Ｎｂ含有金属間化合物の析出物を母材中に効果的に固溶させることができる。また、熱処理工程の加熱温度は、好ましくは１２００℃以下である。加熱温度を１２００℃以下に設定することにより、耐熱性の高い炉が不必要となる。加熱時間は、Ｎｂ含有金属間化合物の析出物の固溶状態に応じて適宜選択することができ、例えば、０．１〜６０分である。

熱処理工程の後、急冷工程を行い、ステンレス鋼基材の温度を急に下げる。温度を急に下げることにより、Ｎｂ含有金属間化合物の析出が抑制され、Ｎｂ含有金属間化合物の析出物を実質的に含まないステンレス鋼基材を得ることができる。

急冷手段としては、例えば、ガス冷、水冷、又は油冷が挙げられる。ガス冷に用いるガスとしては、例えば、Ａｒ、Ｈｅ、ＮＨ_３分解ガス、Ｎ_２等が挙げられる。

５００℃までの平均冷却速度は、好ましくは３００℃／秒以上であり、より好ましくは５００℃／秒以上である。５００℃までの平均冷却速度を３００℃／秒以上とすることにより、Ｎｂ含有金属間化合物の析出物をより効果的に抑制することができる。なお、平均冷却速度とは、熱処理工程の温度から５００℃を減じた値を、冷却開始から５００℃に達するまでの時間で除したものである。

図３は、熱処理を行う加熱装置４１及び急冷処理を行う冷却装置４２を示す概略図である。加熱装置４１は、Ｎｂ含有金属間化合物の析出物を含むステンレス鋼基材４０を矢印方向に搬送しながら、ヒータ４３により加熱する。例えば、酸洗処理されたステンレス鋼基材４０をそのまま加熱装置４１内に搬送することができる。加熱装置４１の内部は、不活性ガス等により不活性雰囲気４４になっており、表面酸化を抑制しつつ加熱処理を行うことができる。次に、熱処理されたステンレス鋼基材４０は、冷却装置４２の急冷用ガスノズル４５から冷却用ガス等の冷却剤が吹き付けられ、急冷処理が施される。この急冷処理も搬送しながら行うことができる。

また、熱処理工程及び急冷工程は、例えば、ステンレス鋼基材に加熱処理を施す加熱室と、加熱室で加熱されたステンレス鋼基材を急冷する冷却室とを、備える加熱冷却装置を用いて行うこともできる。まず、加熱室内に、Ｎｂ含有金属間化合物の析出物を含むステンレス鋼基材が配置される。不活性ガスを導入する前に、加熱室内は真空排気される。そして、加熱室内に、不活性ガス供給源から露点調整装置で露点を調整された不活性ガス（例えば、Ａｒ、Ｈｅ等）を供給する。次に、ヒータを用いて加熱装置内を加熱し、ステンレス鋼基材中に存在するＮｂ含有金属間化合物の析出物を固溶させる。熱処理が終わった後、不活性ガスを加熱装置から排気し、ステンレス鋼基材を取り出す。次に、加熱室と冷却室との間の断熱扉を開き、搬送手段によってステンレス鋼基材を加熱室から冷却室に搬送する。ステンレス鋼基材が冷却室に搬送されると、断熱扉を閉じ、冷却した不活性ガス（例えば、Ａｒ、Ｈｅ等）をガス供給源から冷却室内に供給し、冷却ガスをステンレス鋼基材に吹き付けて急冷する。不活性ガスの温度は、例えば、３０℃以下に管理しながら冷却室内に供給される。

（燃料電池の構造）
以下、本実施形態に係る燃料電池について図面を参照して説明する。以下では、一例として、燃料電池車等に搭載される燃料電池に本実施形態に係る燃料電池用セパレータを適用した場合を説明する。しかし、本開示がこのような例により制限されることはない。

図４は、燃料電池スタック（燃料電池）１０の要部を断面視した図である。図４に示すように、燃料電池スタック１０には、基本単位であるセル（単電池）１が複数積層されている。各セル１は、酸化剤ガス（例えば空気）と燃料ガス（例えば水素）との電気化学反応により起電力を発生する固体高分子型燃料電池である。セル１は、ＭＥＧＡ２と、ＭＥＧＡ２を区画するように、ＭＥＧＡ２に接触するセパレータ３とを備えている。なお、本実施形態では、ＭＥＧＡ２は、一対のセパレータ３、３により、挟持されている。

ＭＥＧＡ２は、膜電極接合体（ＭＥＡ）４と、この両面に配置されたガス拡散層７、７とが一体化されたものである。膜電極接合体４は、電解質膜５と、電解質膜５を挟むように接合された一対の電極６、６と、からなる。電解質膜５は、固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜からなる。電極６は、例えば、白金等の触媒を担持した多孔質のカーボン素材により形成される。電解質膜５の一方側に配置された電極６がアノードとなり、他方側の電極６がカソードとなる。ガス拡散層７は、ガス透過性を有する導電性部材によって形成される。ガス透過性を有する導電性部材としては、例えば、カーボンペーパ若しくはカーボンクロス等のカーボン多孔質体、又は金属メッシュ若しくは発泡金属等の金属多孔質体等が挙げられる。

ＭＥＧＡ２は、燃料電池１０の発電部であり、セパレータ３は、ＭＥＧＡ２のガス拡散層７に接触している。また、ガス拡散層７が存在しない場合には、膜電極接合体４が発電部であり、この場合には、セパレータ３は、膜電極接合体４に接触している。したがって、燃料電池１０の発電部は、膜電極接合体４を含むものであり、セパレータ３に接触する。

セパレータ３は、導電性やガス不透過性等に優れた金属を基材とする板状の部材である。セパレータ３の一方の面がＭＥＧＡ２のガス拡散層７と当接し、他方の面が隣接する他のセパレータ３と当接している。

各セパレータ３は、波形に形成されている。セパレータ３の形状は、波の形状が等脚台形をなし、かつ波の頂部が平坦で、この頂部の両端が等しい角度をなして角張っている。つまり、各セパレータ３は、表側から見ても裏側から見ても、ほぼ同じ形状である。ＭＥＧＡ２の一方のガス拡散層７には、セパレータ３の頂部が面接触し、ＭＥＧＡ２の他方のガス拡散層７には、セパレータ３の頂部が面接触している。

一方の電極（すなわちアノード）６側のガス拡散層７とセパレータ３との間に画成されるガス流路２１は、燃料ガスが流通する流路であり、他方の電極（すなわちカソード）６側のガス拡散層７とセパレータ３との間に画成されるガス流路２２は、酸化剤ガスが流通する流路である。セル１を介して対向する一方のガス流路２１に燃料ガスが供給され、ガス流路２２に酸化剤ガスが供給されると、セル１内で電気化学反応が生じて起電力が生じる。

さらに、あるセル１と、それに隣接するもう一つのセル１とは、アノードとなる電極６とカソードとなる電極６とを向き合わせて配置されている。また、あるセル１のアノードとなる電極６に沿って配置されたセパレータ３の背面側の頂部と、もう一つのセル１のカソードとなる電極６に沿って配置されたセパレータ３の背面側の頂部とが、面接触している。隣接する２つのセル１間で面接触するセパレータ３、３の間に画成される空間２３には、セル１を冷却する冷媒としての水が流通する。

本実施形態に係る燃料電池用セパレータは、上述の本実施形態に係るステンレス鋼基材を含む。ステンレス鋼基材の両面（すなわち、ガス拡散層７に接触する側の表面及び隣接するセパレータ３に接触する側の表面）には、酸化スズ皮膜等の保護膜を設けてもよい。

本実施形態の燃料電池用セパレータは、高腐食環境下においても耐食性に優れている。

また、燃料電池において、上述のように、フッ化物イオンは、パーフルオロスルホン酸系ポリマーのようなフッ素系電解質樹脂から発生し易い。そのため、燃料電池がフッ素系電解質樹脂を含む固体電解質膜を用いる場合、本実施形態の燃料電池用セパレータが特に有用となる。フッ素系電解質樹脂としては、例えば、パーフルオロスルホン酸系ポリマー等が挙げられ、具体的には、ナフィオン（商品名、デュポン社製）、フレミオン（商品名、旭硝子社製）、アシプレックス（商品名、旭化成社製）等を挙げることができる。これらのなかでも、プロトン導電性に優れるため、ナフィオン（商品名、デュポン社製）を好適に用いることができる。

以下に、本実施形態について実施例に基づき説明する。

［実施例１］
Ｎｂを含有するステンレス鋼基材としてＳＵＳ４４７Ｊ１Ｌ板材（Ｎｂ含有量：０．２０質量％、Ｃｒ含有量：３０質量％、Ｍｏ含有量：２．０質量％、Ｃ含有量：０．０１５質量％、Ｎ含有量：０．０１５質量％）を用意した。該ステンレス鋼基材を加熱炉内に配置し、９５０℃で１０分間熱処理した。この熱処理は、アルゴンガスの不活性ガス雰囲気中で行い、５０℃／秒で常温から９５０℃まで加熱炉内を昇温し、９５０℃で１０分間維持した。その後、ステンレス鋼基材を加熱炉から取り出し、直ちに水（室温）に浸漬させて急冷し、ステンレス鋼基材Ｅ１を得た。この急冷処理におけるステンレス鋼基材の温度について、９５０℃から５００℃までの平均冷却速度は５００℃／秒であった。

［実施例２］
加熱温度を９５０℃の代わりに１０５０℃に設定したこと以外は、実施例１と同様にしてステンレス鋼基材Ｅ２を得た。なお、急冷処理におけるステンレス鋼基材の温度について、１０５０℃から５００℃までの平均冷却速度は５００℃／秒であった。

［実施例３］
加熱温度を９５０℃の代わりに１１００℃に設定したこと以外は、実施例１と同様にしてステンレス鋼基材Ｅ３を得た。なお、急冷処理におけるステンレス鋼基材の温度について、１１００℃から５００℃までの平均冷却速度は５００℃／秒であった。

［実施例４］
加熱温度を９５０℃の代わりに１１５０℃に設定したこと以外は、実施例１と同様にしてステンレス鋼基材Ｅ４を得た。なお、急冷処理におけるステンレス鋼基材の温度について、１１５０℃から５００℃までの平均冷却速度は５００℃／秒であった。

［比較例１］
実施例１と同様にしてステンレス鋼基材を熱処理した。その後、ステンレス鋼基材を大気（室温）中で放置して室温まで冷却し、ステンレス鋼基材Ｃ１を得た。この冷却処理におけるステンレス鋼基材の温度について、９５０℃から５００℃までの平均冷却速度は１００℃／秒であった。

［比較例２］
実施例４と同様にしてステンレス鋼基材を熱処理した。その後、ステンレス鋼基材を大気（室温）中で放置して室温まで冷却し、ステンレス鋼基材Ｃ２を得た。この冷却処理におけるステンレス鋼基材の温度について、１１５０℃から５００℃までの平均冷却速度は１００℃／秒であった。

［比較例３］
ＳＵＳ４４７Ｊ１Ｌ板材をステンレス鋼基材Ｃ３として使用した。

＜耐孔食性試験＞
上記ステンレス鋼基材Ｅ１〜Ｅ４及びＣ１〜Ｃ３を試験片として用い、フッ素イオン及び塩素イオンを含む強酸性条件下における各試験片の耐食性を以下の方法により調べた。

まず、硫酸（ｐＨ３．０）にＮａＦ及びＮａＣｌを添加して硫酸水溶液を調製した。次に、大気解放系の装置において、９０℃に温度調整された上記硫酸水溶液に、各試験片を図６に示すようなすき間形成用部材６０に固定して浸漬させた。図６において、試験片６１は、円筒形のすき間形成材６２、ガスケット６３、およびワッシャ６４、６４’で挟持し、さらにボルト６５を試験片６１のボルト穴に挿通した後、ナット６６を用いてねじ止めした。すき間形成材６２の表面には、試験片との間にすき間が形成されるように、複数の溝Ａが形成されている。すき間形成材６２、ガスケット６３は、セラミック製である。また、ワッシャ６４、６４’、ボルト６５およびナット６６は工業用純チタン製であるが、これらは試験片とは絶縁されている。この状態で、白金板からなる対極と試験片（試料極）とを電気的に接続することにより、対極と試料極との間に１．０Ｖの電位差を生じさせた。参照電極によって試験片の電位を一定に保持し、試験時間は２時間とした。この耐孔食性試験（ＮａＣｌ濃度３０ｐｐｍ）において電流値の急激な上昇（電流のスパイク）が観測された場合、耐食性をＣと評価した。

上述の耐孔食性試験（ＮａＣｌ濃度３０ｐｐｍ）において電流のスパイクが観測されなかった場合、ＮａＣｌの濃度を５０ｐｐｍとしたこと以外は耐孔食性試験（ＮａＣｌ濃度３０ｐｐｍ）と同様にして、耐孔食性試験（ＮａＣｌ濃度５０ｐｐｍ）を行った。この耐孔食性試験（ＮａＣｌ濃度５０ｐｐｍ）において電流のスパイクが観測された場合、耐食性をＢと評価した。

上述の耐孔食性試験（ＮａＣｌ濃度５０ｐｐｍ）において電流のスパイクが観測されなかった場合、ＮａＣｌの濃度を７０ｐｐｍとしたこと以外は耐孔食性試験（ＮａＣｌ濃度５０ｐｐｍ）と同様にして、耐孔食性試験（ＮａＣｌ濃度７０ｐｐｍ）を行った。この耐孔食性試験（ＮａＣｌ濃度７０ｐｐｍ）において電流のスパイクが観測された場合、耐食性をＡと評価した。

上述の結果を表１にまとめる。

＜ＥＰＭＡ分析＞
得られたステンレス鋼基材Ｅ１、ステンレス鋼基材Ｅ４、ステンレス鋼基材Ｃ２及びステンレス鋼基材Ｃ３について、Ｎｂ含有金属間化合物の析出の様子をＥＰＭＡにより観察した（倍率１０００）。図７にステンレス鋼基材Ｅ１のＥＰＭＡ写真を示し、図８にステンレス鋼基材Ｅ４のＥＰＭＡ写真を示し、図９にステンレス鋼基材Ｃ２のＥＰＭＡ写真を示し、図１０にステンレス鋼基材Ｃ３のＥＰＭＡ写真を示す。各ＥＰＭＡ写真の画像サイズは、縦５０μｍ×横５０μｍである。比較例に相当するステンレス鋼基材Ｃ２（図９）及びステンレス鋼基材Ｃ３（図１０）では、粒径が２μｍ以上のＮｂ含有金属間化合物の析出物（Ｎｂ濃度が０．５質量％以上の部分）が多く存在していた。一方、実施例に相当するステンレス鋼基材Ｅ１（図７）では、粒径が２μｍ以上のＮｂ含有金属間化合物の析出物は２つであり、ステンレス鋼基材Ｅ４では粒径が２μｍ以上のＮｂ含有金属間化合物の析出物は０であり、Ｎｂ含有金属間化合物の析出物は実質的に存在していなかった。

以上、本発明の実施形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１：セル、２：ＭＥＧＡ、３：セパレータ、４：膜電極接合体（ＭＥＡ）、５：電解質膜、６：電極、７：ガス拡散層、１０：燃料電池スタック、２１：ガス流路、２２：ガス流路、２３：冷却剤流路、４０：ステンレス鋼基材、４１：加熱装置、４２：冷却装置、４３：ヒータ、４４：不活性雰囲気、４５：急冷用ガスノズル、６０：すき間形成用部材、６１：試験片、６２：すき間形成材、６３：ガスケット、６４、６４’：ワッシャ、６５ボルト、６６ナット

Claims

燃料電池用セパレータに用いられるステンレス鋼基材であって、
Ｎｂを固溶状態で含み、かつ、Ｎｂ含有金属間化合物の析出物を実質的に含まない、ステンレス鋼基材。
前記Ｎｂを０．０５〜０．５０質量％の範囲で含む、請求項１に記載のステンレス鋼基材。
ステンレス鋼基材を含む燃料電池用セパレータであって、
前記ステンレス鋼基材は、Ｎｂを固溶状態で含み、かつ、Ｎｂ含有金属間化合物の析出物を実質的に含まない、燃料電池用セパレータ。
前記ステンレス鋼基材が、前記Ｎｂを０．０５〜０．５０質量％の範囲で含む、請求項３に記載の燃料電池用セパレータ。
請求項３又は４に記載の燃料電池用セパレータと、固体電解質膜とを含む、燃料電池。
前記固体電解質膜がフッ素系電解質樹脂を含む、請求項５に記載の燃料電池。
燃料電池用セパレータに用いるためのステンレス鋼基材の製造方法であって、
Ｎｂ含有金属間化合物の析出物を含むステンレス鋼基材を不活性雰囲気下で加熱して、前記Ｎｂ含有金属間化合物を固溶させる熱処理工程と、
前記熱処理工程の後、前記ステンレス鋼基材を急冷する急冷工程と、
を含む、ステンレス鋼基材の製造方法。
前記Ｎｂ含有金属間化合物の析出物を含むステンレス鋼基材を、
少なくともＮｂを含むステンレス鋼の原料を溶解させる溶解工程と、
溶解した原料からステンレス鋼基材を鋳造する鋳造工程と、
鋳造したステンレス鋼基材を熱間圧延する熱間圧延工程と、
熱間圧延したステンレス鋼基材を冷間圧延する冷間圧延工程と、
冷間圧延したステンレス鋼基材を酸洗処理する酸洗工程と、
を含む工程により用意する、請求項７に記載のステンレス鋼基材の製造方法。