JP2000328200A - 通電電気部品用オーステナイト系ステンレス鋼および燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】接触電気抵抗が小さく、特に固体高分子型燃料
電池のセパレータ環境で、高価な表面処理を施すことな
く、無垢のままで使用しても、溶出金属イオンの少ない
オーステナイト系ステンレス鋼、そのステンレス鋼から
なるパレータを備えた固体高分子型燃料電池を提供す
る。 【解決手段】重量％で、Ｃ：０．０３％以下、Ｓｉ：
０．０１〜１．５％、Ｍｎ：０．０１〜２．５％、Ｐ：
０．０３５％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：１７〜
３０％、Ｎｉ：７〜５０％、Ｂ：０．０００５〜３．５
％、Ａｌ：０．００１％〜０．２％、Ｎ：０．３％以
下、Ｍｏ：０〜７％、Ｃｕ：０〜３％を含有し、かつＣ
ｒ、ＭｏおよびＢ含有量は下記式を満足しており、残部
Ｆｅからなり、鋼中のＢがＭ₂Ｂ型硼化物として析出し
ている電気部品用オーステナイト系ステンレス鋼、その
鋼からなるセパレータを備えた燃料電池。 １７≦Ｃｒ＋３Ｍｏ−２．５Ｂ

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、通電電気部品と
して用いられる接触電気抵抗が低いオーステナイト系ス
テンレス鋼、自動車搭載用や家庭用等の小型分散型電源
として用いられる前記ステンレス鋼からなるセパレータ
（バイポーラプレートと呼ばれることもある）を備えた
固体高分子型燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】オーステナイト系ステンレス鋼は、その
表面に不働態体皮膜が形成されているため耐食性に優れ
ている。しかし、表面の不働態体皮膜は電気抵抗が大き
いため、小さい接触電気抵抗が要求される通電用して使
用される電気部品には適していない。不働態体皮膜の厚
さが厚くなれば耐食性はより優れたものとなるが、電気
抵抗はより大きくなる傾向にある。

【０００３】オーステナイト系ステンレス鋼の接触電気
抵抗を小さくすることができれば、オーステナイト系ス
テンレス鋼を耐食性が要求される通電電気部品として使
用することが可能となる。優れた耐食性と小さい接触電
気抵抗が要求される通電電気部品の一つに固体高分子型
燃料電池のセパレータがある。

【０００４】燃料電池は、水素および酸素を利用して直
流電力を発電する電池であり、固体電解質型燃料電池、
溶融炭酸塩型燃料電池、リン酸型燃料電池および固体高
分子型燃料電池などがある。燃料電池の名称は、電池の
根幹をなす『電解質』部分の構成材料に由来している。

【０００５】現在、商用段階に達している燃料電池に
は、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池がある。
燃料電池のおおよその運転温度は、固体電解質型燃料電
池で１０００℃、溶融炭酸塩型燃料電池で６５０℃、リ
ン酸型燃料電池で２００℃および固体高分子型燃料電池
で８０℃である。

【０００６】固体高分子型燃料電池は、運転温度が８０
℃前後と低く起動−停止が容易であり、エネルギー効率
も４０％程度が期待できることから、小規模事業所、電
話局などの非常用分散電源、都市ガスを燃料とする家庭
用小型分散電源、水素ガス、メタノールあるいはガソリ
ンを燃料とする低公害電気自動車搭載用電源として、世
界的に実用化が期待されている。

【０００７】上記の各種の燃料電池は、『燃料電池』と
言う共通の呼称で呼ばれているものの、それぞれの電池
構成材料を考える場合には、全く別物として捉えること
が必要である。使用される電解質による構成材料の腐食
の有無、３８０℃付近から顕在化し始める高温酸化の有
無、電解質の昇華と再析出、凝結の有無等により求めら
れる性能、特に耐食性能が、それぞれの燃料電池で全く
異なるためである。実際、使用されている材料も様々で
あり、黒鉛系素材から、Ｎｉクラッド材、高合金、ステ
ンレス鋼と多様である。

【０００８】商用化されているリン酸型燃料電池、溶融
炭酸塩型燃料電池に使用されている材料を、固体高分子
質型燃料電池の構成材料に適用することは全く考えるこ
とができない。

【０００９】図１は、固体高分子型燃料電池の構造を示
す図で、図１（ａ）は、燃料電池セル（単セル）の分解
図、図１（ｂ）は燃料電池全体の斜視図である。同図に
示すように、燃料電池１は単セルの集合体である。単セ
ルは、図１（ａ）に示すように固体高分子電解質膜２の
１面に燃料電極膜（アノード）３を、他面には酸化剤電
極膜（カソード）４が積層されており、その両面にセパ
レータ５ａ、５ｂが重ねられた構造になっている。

【００１０】代表的な固体高分子電解質膜２としては、
水素イオン（プロトン）交換基を有するフッ素系イオン
交換樹脂膜がある。

【００１１】燃料電極膜３および酸化剤電極膜４には、
粒子状の白金触媒と黒鉛粉、必要に応じて水素イオン
（プロトン）交換基を有するフッ素樹脂からなる触媒層
が設けられており、燃料ガスまたは酸化性ガスと接触す
るようになっている。

【００１２】セパレータ５ａに設けられている流路６ａ
から燃料ガス（水素または水素含有ガス）Ａが流されて
燃料電極膜３に水素が供給される。また、セパレータ５
ｂに設けられている流路６ｂからは空気のような酸化性
ガスＢが流され、酸素が供給される。これらガスの供給
により電気化学反応が生じて直流電力が発生する。

【００１３】固体高分子型燃料電池セパレータに求めら
れる機能は、（１）燃料極側で、燃料ガスを面内均一に
供給する“流路”としての機能、（２）カソード側で生
成した水を、燃料電池より反応後の空気、酸素といった
キャリアガスとともに効率的に系外に排出させる“流
路”としての機能、（３）長時間にわたって電極として
低電気抵抗、良電導性を維持する単セル間の電気的“コ
ネクタ”としての機能、および（４）隣り合うセルで一
方のセルのアノード室と隣接するセルのカソード室との
“隔壁”としての機能などである。

【００１４】これまで、セパレータ材料としてカーボン
板材の適用が鋭意検討されてきているが、カーボン板材
には“割れやすい”という問題があり、さらに表面を平
坦にするための機械加工コストおよびガス流路形成のた
めの機械加工コストが非常に高くなる問題がある。それ
ぞれが宿命的な問題であり、燃料電池の商用化そのもの
を難しくさせかねない状況がある。

【００１５】カーボンの中でも、熱膨張性黒鉛加工品は
格段に安価であることから、固体高分子型燃料電池セパ
レータ用素材として最も注目されている。しかしなが
ら、ガス透過性を低減して前記隔壁としての機能を付与
するためには、“複数回”に及ぶ樹脂含浸と焼成を実施
しなければならない。また、平坦度確保および溝形成の
ための機械加工コスト等今後も解決すべき課題が多く、
実用化に至っていない。

【００１６】こうした黒鉛系素材の適用の検討に対峙す
る動きとして、コスト削減を目的に、セパレータにステ
ンレス鋼を適用する試みが開始されている。

【００１７】特開平１０−２２８９１４号公報には、金
属製部材からなり、単位電池の電極との接触面に直接金
めっきを施した燃料電池用セパレータが開示されてい
る。金属製部材として、ステンレス鋼、アルミニウムお
よびＮｉ−鉄合金が挙げられており、ステンレス鋼とし
ては、ＳＵＳ３０４が用いられている。この発明では、
セパレータは金めっきが施されているので、セパレータ
と電極との接触抵抗が低下し、セパレータから電極への
電子の導通が良好となるため、燃料電池の出力電圧が大
きくなるとされている。

【００１８】特開平８−１８０８８３号公報には、表面
に形成される不働態膜が大気により容易に生成される金
属材料からなるセパレータが用いられている固体高分子
電解質型燃料電池が開示されている。金属材料としてス
テンレス鋼とチタン合金が挙げられている。この発明で
は、セパレータに用いられる金属の表面には、必ず不働
態膜が存在しており、金属の表面が化学的に侵され難く
なって燃料電池セルで生成された水がイオン化される度
合いが低減され、燃料電池セルの電気化学反応度の低下
が抑制されるとされている。また、セパレータの電極膜
等に接触する部分の不働体膜を除去し、貴金属層を形成
することにより、電気接触抵抗値が小さくなるとされて
いる。

【００１９】しかしながら、上記の公開公報に開示され
ている表面に不働態膜を備えたステンレス鋼のような金
属材料をそのままセパレータに用いても、耐食性が十分
でなく金属の溶出が起こり、溶出金属イオンにより担持
触媒性能が劣化（以下、担持触媒の被毒と記す）する。
また、溶出後に生成するCr-OH、Fe-OHのような腐食生成
物により、セパレータの接触抵抗が増加するという問題
があるので、金属材料からなるセパレータには、コスト
を度外視した金めっき等の貴金属めっきが施されている
のが現状である。

【００２０】これまでの金属材料のセパレータへの適用
は、適用したという実績があるにすぎず、実用化にはほ
ど遠い状況がある。

【００２１】セパレータとして、高価な表面処理を施さ
ない“無垢”で適用できる、電池環境での電気伝導性に
優れ、接触電気抵抗が小さいと共に、耐食性に優れたス
テンレス鋼の開発が極めて強く望まれており、ステンレ
ス鋼製セパレータの実用化が固体高分子型燃料電池の商
用化、適用拡大の成否を握っていると言っても過言では
ない。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、接触
電気抵抗が小さく、特に固体高分子型燃料電池のセパレ
ータ環境で、高価な表面処理を施すことなく無垢のまま
で使用しても、溶出金属イオンの少ないオーステナイト
系ステンレス鋼およびそのステンレス鋼からなるセパレ
ータを備えた固体高分子型燃料電池を提供することにあ
る。

【００２３】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、以下の
通りである。

【００２４】（１）重量％で、Ｃ：０．０３％以下、Ｓ
ｉ：０．０１〜１．５％、Ｍｎ：０．０１〜２．５％、
Ｐ：０．０３５％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：１
７〜３０％、Ｎｉ：７〜５０％、Ｂ：０．０００５〜
３．５％、Ａｌ：０．００１〜０．２％、Ｎ：０．３％
以下、Ｍｏ：０〜７％、Ｃｕ：０〜３％を含有し、かつ
Ｃｒ、ＭｏおよびＢ含有量は下記式を満足しており、残
部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、鋼中のＢがＭ₂Ｂ
型硼化物として析出している接触電気抵抗の低い通電電
気部品用オーステナイト系ステンレス鋼。

【００２５】１７≦Ｃｒ＋３Ｍｏ−２．５Ｂ ただし、式中の各元素記号は含有量（重量％）を示す （２）固体高分子電解質膜を中央にして燃料電極膜と酸
化剤電極膜を重ね合わせた単位電池を複数個、単位電池
間にセパレータを介在させて積層した積層体に、燃料ガ
スと酸化剤ガスを供給して直流電力を発生させる固体高
分子型燃料電池において、セパレータが上記（１）記載
のオーステナイト系ステンレス鋼からなる固体高分子型
燃料電池。

【００２６】ここで、Ｍ₂Ｂの“Ｍ”は金属元素を示
す。特定の金属元素ではなく鋼中に含有されているＢと
の化学的親和力の強い金属元素である。Ｍは、共存元素
との関係より、Ｃｒ、Ｆｅを主体とし、Ｎｉ、Ｍｏを微
量含有する。

【００２７】具体的な例として、（Ｃｒ、Ｆｅ）₂Ｂ、
（Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉ）₂Ｂ、（Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｏ）₂Ｂ、（Ｃ
ｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｏ）₂Ｂ、Ｃｒ_1.2Ｆｅ_0.76Ｎｉ_0.04Ｂ
といったものがある。いずれにしても“硼化物中の金属
元素であるＣｒ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｘ（ここで、Ｘは
Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｎｉ以外の鋼中金属元素）とＢ量と
の間において、“（Ｃｒ重量％／Ｃｒ原子量＋Ｆｅ重量
％/Ｆｅ原子量＋Ｍｏ重量％/Ｍｏ原子量＋Ｎｉ重量％/
Ｎｉ原子量＋Ｘ重量％/Ｘ原子量）／（Ｂ重量％／Ｂ原
子量） ２である”ことがＭ₂Ｂ表記の理由である。本
表記法は、特殊なものではなくて極めて一般的な表記法
である。

【００２８】なお、セパレータとは前述した４つの機能
を有するものである。すなわち、ａ）燃料極側で、燃料
ガスを面内均一に供給する"流路"としての機能、ｂ）カ
ソード側で生成した水を、燃料電池より反応後の空気、
酸素といったキャリアガスとともに効率的に系外に排出
させる"流路"としての機能、ｃ）長時間にわたって電極
として低電気抵抗、良電導性を維持する単セル間の電気
的"コネクタ"としての機能、およびｄ）隣り合うセルで
一方のセルのアノード室と隣接するセルのカソード室と
の"隔壁"としての機能を有するものである。これらの機
能を複数枚のプレートで機能分担させる構造にする場合
もある。本発明でいうセパレータとは、少なくとも上記
ｃ）の機能を有するプレートをセパレータと言う。

【００２９】本発明者らは、接触電気抵抗の小さい通電
電気部品用のオーステナイト系ステンレス鋼、特に固体
高分子型型燃料電池セパレータ環境において、鋼表面か
ら溶出する金属イオンができるだけ少なく、長時間にわ
たってセパレータとして使用しても、電極用黒鉛との接
触電気抵抗が大きくならないステンレス鋼の開発を目指
して種々の試験を実施した。その結果、以下の知見を得
て本発明を完成するに至った。

【００３０】ａ）セパレータ環境で、オーステナイト系
ステンレス鋼は比較的良好な耐食性を発揮するが、一般
のオーステナイト系ステンレス鋼では金属溶出が起こ
る。

【００３１】ｂ）金属溶出が起こると、腐食生成物（Ｆ
ｅを主体とする水酸化物）が生成し、接触電気抵抗の増
大をもたらし、かつ担持触媒性能に著しい悪影響を及
す。起電力に代表される電池性能が短時間で劣化し、水
素イオン（プロトン）交換基を有するフッ素系イオン交
換樹脂膜のプロトン伝導性が劣化する。 ｃ）表面に形成される不働態皮膜の電気抵抗は、ステン
レス鋼固有のものであり、その電気抵抗を電池性能を発
揮するのに十分低い値に安定して維持させることは容易
でない。

【００３２】ｄ）一方で、電池本体内環境におけるセパ
レータとしての耐食性を確保するためには、不働態皮膜
は必要不可欠である。

【００３３】ｅ）耐食性確保のために不働態被膜を強固
にしても、被膜厚が厚くなると接触電気抵抗が増大し、
電池効率が著しく低下する。

【００３４】ｆ）ステンレス鋼表面に析出したＭ₂Ｂ型
硼化物が、電気伝導性に優れた接触点として作用してお
り、接触電気抵抗は、接触単位面積当りの接触点数と面
積、表面に形成される不働態皮膜の電気抵抗に依存して
いる。

【００３５】ｇ）鋼中にＦｅ、Ｃｒを主体に含有するＭ
₂Ｂ型硼化物が析出したステンレス鋼は、鋼表面の不働
態皮膜の如何によらず、接触電気抵抗を継時的に低く維
持することができる。

【００３６】ｈ）しかし、Ｍ₂Ｂ型硼化物を積極的に析
出させると、耐食性改善元素であるＣｒ、Ｍｏ、Ｆｅお
よびＮｉといった元素を消費するため、Ｃｒ，Ｍｏ濃度
低下による母材耐食性低下が顕著となる。そのため、鋼
中Ｃr、Ｍｏ濃度を高め不働態被膜を強固にして、セパ
レータ環境で金属の溶出を抑制するるため、（Ｃｒ＋３
Ｍｏ−２．５Ｂ）を１７％以上とする必要がある ｉ）積極的にＭｏを添加することで、耐食性が確保され
るが、Ｍｏは溶出したとしても、アノードおよびカソー
ド部に担持されている触媒の性能に対する影響は比較的
軽微である。

【００３７】

【発明の実施の形態】以下、本発明のオーステナイト系
ステンレス鋼の化学組成を規定した理由を詳しく説明す
る。なお、下記の％表示は重量％を示す。

【００３８】Ｃ：Ｃは、鋼中でクロム系炭化物を形成し
やすく、鋭敏化による耐食性低下を招く。したがって、
Ｃｒ炭化物の析出をできるだけ少なくするために上限を
０．０３％とした。本発明鋼においては、硼化物を積極
的に析出させることで、Ｃｒ，Ｆｅを主体とし、Ｎｉ、
Ｍｏを微量含有する（Ｃｒ，Ｆｅ）₂Ｂ、（Ｃｒ，Ｆ
ｅ，Ｎｉ）₂ＢといったＭ₂Ｂ型硼化物として析出させ、
不働態皮膜で覆われるステンレス鋼表面の接触電気抵抗
を下げることができるが、鋼中Ｃが０．０３％を超えて
含有する場合には、高温からの放冷過程における炭化物
析出に伴う鋭敏化が顕在化しやすく、鋭敏化対策として
の特段の熱処理が必要となる。 Ｓｉ：Ｓｉは、量産鋼においてはＡｌと同様に有効な脱
酸元素である。０．０１％未満では脱酸が不十分とな
り、一方１．５％を超えると成形性が低下するので、Ｓ
ｉ含有は０．０１〜１．５％とした。

【００３９】Ｍｎ：通常、Ｍｎは鋼中のＳをＭｎ系の硫
化物として固定する作用があり、熱間加工性を改善する
効果がある。また、脱酸元素あるいはＮｉバランス調整
元素でもある。これらの効果を得るには、０．０１％以
上が必要である。一方、２．５％を超えると製造時の表
面スケール生成量が多くなり鋼板表面性状がわるくなる
ため上限は２．５％とした。

【００４０】Ｐ：鋼中のＰは、Ｓと並んで最も有害な不
純物で０．０３５％以下であることが必要である。低け
れば低い程望ましい。

【００４１】Ｓ：Ｓは、Ｐと同様最も有害な不純物で上
限を０．０１％とする。鋼中共存元素および鋼中のＳ量
に応じて、Ｍｎ系硫化物、Ｃｒ系硫化物、Ｆｅ系硫化
物、あるいは、これらの複合硫化物および酸化物との複
合非金属介在物としてほとんどは析出している。しかし
ながら、セパレータ環境においては、いずれの組成の非
金属介在物も、程度の差はあるものの腐食の起点として
作用し、不働態化の維持、腐食溶出抑制に有害である。
通常の量産鋼の鋼中Ｓ量は、０．００５％超え０．００
８％前後であるが、上記の有害な影響を防止するために
は０．００４％以下に低減することが望ましい。より、
望ましい鋼中Ｓ量は０．００２％以下であり、最も望ま
しい鋼中Ｓ量レベルは、０．００１％未満であり、低け
れば低い程よい。工業的量産レベルで０．００１％未満
とすることは、現状の精錬技術をもってすれば全く問題
ない。

【００４２】Ｃｒ：Ｃｒは、母材の耐食性を確保する上
で極めて重要な基本合金元素である。含有量は高いほど
高耐食となる。３０％を超えると熱間で割れが発生し易
くなり量産規模での生産が難しくなる。また、１７％未
満では、その他の元素を変化させてもセパレータとして
必要な耐食性の確保が困難となる。Ｍ₂Ｂ型硼化物形成
により、耐食性向上に寄与する鋼中Ｃｒ量が低下し、母
材耐食性が劣化する。そのため、鋼中ＣrおよびＭｏ濃
度を高め不働態被膜を強固にして、セパレータ環境で金
属の溶出を抑制するるため、（Ｃｒ＋３Ｍｏ−２．５
Ｂ）を１７以上とする必要がある。

【００４３】Ｎｉ：Ｎｉは、金属組織学的にオーステナ
イト系とするために重要な元素である。オーステナイト
系とすることで、製造性、耐食性および成形性が確保さ
れる。下限を７％、上限を５０％とする。７％以下では
オーステナイト組織とすることが困難となり、一方、５
０％を超えるとコスト的に極めて高価なものとなる。ご
くわずかのＮｉがＭ₂Ｂ型硼化物中に含有される。

【００４４】Ｂ：Ｂは、本発明においてもっとも重要な
元素である。Ｃｒ、Ｆｅ を主体とし、Ｎｉ、Ｍｏを微
量含有する（Ｃｒ，Ｆｅ）₂Ｂ、（Ｃｒ，Ｆｅ，Ｎｉ）₂
Ｂ といったＭ₂Ｂ型硼化物として析出させることによ
り、不働態皮膜で覆われているステンレス鋼表面の接触
電気抵抗を下げる効果がある。

【００４５】ステンレス鋼におけるＭ₂Ｂ型硼化物析出
は、耐食性低下の原因であり一般に厄介者扱いされるこ
とが多い。本発明では、これまで厄介者扱いされてきた
Ｍ₂Ｂ型硼化物を積極的に析出させ、不働態皮膜形成に
より増大する接触電気抵抗を減じさせる『電気の通り道
（迂回路）』として活用するのである。

【００４６】硼化物が、接触電気抵抗を下げる効果があ
ることは、これらの硼化物が金属的性質を有しており、
不働態皮膜よりも良好な電気伝導性を有していることに
より説明できる。

【００４７】一般にステンレス鋼表面には、数十 程度
の極々薄い不働態皮膜が生成して優れた耐食性を示す
が、多かれ少なかれ不働態皮膜は母材に比べて電気伝導
性が劣り、接触電気抵抗を高める。不働態皮膜を薄くす
ることで、電気抵抗を小さくすることも可能ではある
が、腐食環境で安定して不動態皮膜を薄いまま維持する
ことは容易ではない。特に固体高分子型燃料電池内部で
用いた場合、不働態皮膜を薄く維持するのは容易でな
い。

【００４８】電気電導性に優れた硼化物が、不働態皮膜
に覆われることなく表面に直接露出していることが、ス
テンレス鋼表面の良電気伝導性を長時間にわたって安定
させることに有効である。すなわち、硼化物が耐食的に
安定で、かつ表面に不働態皮膜を形成しないために、た
とえ固体高分子型燃料電池内部で表面の不働態皮膜が厚
くなったとしても、鋼表面に露出している硼化物を介し
て良電導性が確保される。その結果、鋼表面の接触電気
抵抗が高くなるのを抑制することができる。言いかえる
ならば、不働態皮膜に覆われることなく露出している微
細な硼化物が『電気の通り道（迂回路）』として機能す
ることで、接触電気抵抗を低く維持することができる。

【００４９】一般に、Ｂを多量に含有させると、オース
テナイト系ステンレス鋼は強度、硬度が高くなり、延性
も低下して製造性が低下する。固体高分子型燃料電池用
セパレータ材としての成形性を確保するためにも、鋼中
のＢを硼化物として析出させて、固溶Ｂ量を下げる必要
がある。硼化物としてＢを析出させることで、鋼の成形
性が改善される。すなわち、成形性確保の点からも、鋼
中のＢを硼化物として析出させることが必要である。

【００５０】本発明では、積極的に硼化物を析出させる
ために０．０００５％以上、３．５％以下のＢを含有量
させる。３．５％を超えて含有量させることは、通常の
溶解法での製造が困難となる。また、固体高分子型燃料
電池セパレータ用としての常温での成形性を確保するこ
とができなくなる。好ましくは０．００５〜１．８％
で、さらに好ましくは０．０５〜１．２０％である。鋼
中のＢは、通常の製造方法でそのほとんどが硼化物とし
て析出する。１１２５℃においても０．０１％程度固溶
するのみである。低温側では、固溶量はさらに低くな
る。本発明鋼においても、温度、鋼中成分に依存しつ
つ、０．０１％以下程度の微量固溶Ｂが存在している。

【００５１】析出温度は含有量にもよるが凝固温度近傍
にあり、一端析出するとほとんど再固溶しない。硼化物
そのものの変形能が極めて劣ることから、Ｂ含有量が多
く硼化物析出が顕著になるほど製造時、加工時の割れ問
題が大きくなる。Ｂの含有量の増加と共に液相線が低下
し、熱間での鍛造可能温度範囲も狭くなる問題がある。
ただし、Ｂ含有量が１．５％を超えて本発明で規定する
上限である３．５％までの場合には相当の困難さを伴う
ものの工業的規模での製造は可能である。Ｂ含有量が数
十ｐｐｍ程度である場合には、硼化物は結晶粒界に析出
する傾向が大きい。接触電気抵抗を低くする上で、硼化
物が粒界、粒内いずれに析出するかはさほどの影響はな
いと判断しているが、常温での加工性、割れ問題回避の
点より均一に分散させる方が好ましい。このことから、
Ｂ含有量を０．０５％以上とするのが、硼化物の粒内の
析出量が比較的多くなることから好ましい。硼化物析出
により、母材の耐食性は低下する。その理由は、硼化物
が析出することでその周囲のＣｒが多量に消費されるか
らである。あらかじめ、硼化物形成により消費されるＣ
ｒおよびＭｏ量に相当するＣｒとＭｏを溶鋼の段階で添
加しておくことが耐食性低下軽減に対して極めて効果的
である。冷却速度の影響は比較的小さい。ＣｒおよびＭ
ｏ量を、Ｃｒ＋３Ｍｏ−２．５Ｂ％を１７％以上となる
ように調整することが、固体高分子型燃料電池本体内部
での耐食性確保に必要である。上記式の各元素にかかる
係数は実験則である。

【００５２】鋼中Ｂ量の定量は、試料を、ＡＡ液（１０
％アセチルアセトンー１％テトラメチルアンモニウムク
ロライド−残りメタノール）を用いる非水溶媒溶液中で
の定電流電解をおこなうことにより抽出した残渣中のＢ
量を分析することにより可能である。

【００５３】また、硼化物としてＢと結合している金属
元素の定量は、誘導結合プラズマ発光分光分析法を利用
することで可能である。定性分析は、Ｘ線回折法により
可能である^。 Ａｌ：Ａｌは、脱酸元素として溶鋼段階で添加し、０．
００１〜０．２％の範囲で含有量させる。本発明鋼で添
加するＢは、溶鋼中酸素との結合力が強い元素であり、
Ａｌ脱酸により酸素濃度を下げておく必要がある。

【００５４】Ｎ：Ｎは、オーステナイト形成元素として
金属組織調整に用いることがあり、必要に応じて０．３
％以下の量で含有させる。

【００５５】Ｍｏ：Ｍｏは、Ｃｒに比べて少量で耐食性
を改善する効果があり、必要により７％以下で含有させ
る。７％を超えて含有させると、シグマ相等の金属間化
合物の析出回避が困難であり、鋼の脆化の問題から生産
が困難となるので上限を７％とした。本発明のオーステ
ナイト系ステンレス鋼を固体高分子型燃料電池のセパレ
ータとして用いた場合、たとえ鋼中のＭｏが溶出したと
しても、アノードおよびカソード部に担持されている触
媒の性能に対する影響は比較的軽微である。水素イオン
（プロトン）交換基を有するフッ素系イオン交換樹脂膜
の陽イオン伝導度に対する影響も小さい。

【００５６】Ｍｏ含有量は、硼化物になることを考慮し
てＣｒ含有量との関係で（Ｃｒ＋３Ｍｏ−２．５Ｂ）≧
１７％なる関係式を満たすことが必要である。

【００５７】Ｃｕ：Ｃｕは、必要により３％以下の量で
含有させる。Ｃｕを適当量含有させると、不働態化が促
進され、セパレータ環境で金属の溶出を防止する効果が
ある。含有させる場合０．０１％以上とするのが好まし
く、一方３％超えて含有させると熱間での加工性を減ず
ることとなり、量産が難しくなる。

【００５８】その他不純物として、少量のＶ、ＲＥＭ
（希土類元素）などを含有することは、本発明において
大きな影響はない。

【００５９】本発明のオーステナイト系ステンレス鋼
は、通常の溶解、分塊、熱間加工および冷間加工により
製造できる。焼鈍、酸洗は、通常のステンレス鋼の量産
に用いられる連続焼鈍、酸洗ラインをそのまま流用する
ことができる。

【００６０】しかし、Ｂ含有ステンレス鋼は熱間加工性
がわるく、熱間加工時に鋼板の両側端部が降温して耳割
れが発生し易い。この耳割れの発生は、熱間加工の途中
で再加熱するか、スラブの両側端面に肉盛り溶接層を設
けて熱間加工することにより防止できる。熱間で強圧下
加工することにより、変形能が劣る硼化物を“砕き”微
細に分散させることにより、硼化物析出に伴い劣化する
靭性を改善することができる。さらに、硼化物を熱処理
で凝集粗大化させることも、加工性を一層改善させるの
に有効である。熱処理で長時間保持することにより、硼
化物は凝集し粗大化する。

【００６１】なお、上記のように本発明のオーステナイ
ト系ステンレス鋼は、固体高分子型燃料電池のセパレー
タ用として好適であり、セパレータを主体に説明した
が、通電する電気部品で小さい接触電気抵抗が要求され
るような部品に用いることができる。例えば、電線と電
線または電気機械器具同志とを接続するためのコネクタ
ー等の電気部品である。

【００６２】以下、具体的な実施例により本発明の効果
を詳細に説明する。

【００６３】

【実施例】高周波誘導加熱方式の１５０kg真空溶解炉
で、表１に示した２１種の化学組成のオーステナイト系
ステンレス鋼を溶解した。溶解原料としては、市販の溶
解原料を使用し、鋼中の不純物量を調整した。Ｂ添加に
は市販のＦｅ−Ｂ合金鉄を用いた。

【００６４】

【表１】

【００６５】造塊した横断面が丸形のインゴットは、大
気中で１２２０℃に３時間加熱した後、プレス方式鍛造
機で熱間鍛造し、厚さ７０ｍｍ、幅３８０ｍｍ、長さ５
５０ｍｍのスラブに仕上げた。鍛造スラブは、スラブ表
面を切削加工して、表面の酸化スケール、端面の割れを
除去し、厚さ６０ｍｍのスラブに仕上げた。このスラブ
を大気中で１２２０℃に加熱し、熱間圧延して厚さ４ｍ
ｍに仕上げた後、量産での熱延終了直後の温度履歴を模
擬した断熱材巻き付け条件で徐冷した。

【００６６】Ｍ₂Ｂ型硼化物は金属化合物でありながら
常温域、高温域ともに変形能が極めて悪く、熱間加工時
の鋼材割れの原因となりやすいので、１０００〜１２０
０℃の温度範囲で再加熱を繰り返しながら鍛造および圧
延をおこなった。コイルの両側端部の温度は低下しやす
くて耳割れが発生しやすいので、コイル端面を加熱しな
がら熱間圧延した。

【００６７】熱延素材は、大気雰囲気、１０８０℃にて
焼鈍、空冷した後、酸洗して冷間圧延ミルを用いて冷間
圧延をおこなった。必要に応じて、途中板厚で１０８０
℃における軟化焼鈍と酸洗をおこない、最終板厚目標で
ある３ｍｍ厚のコイルまで圧延した。

【００６８】冷延コイルは、大気中、１０８０℃にて焼
鈍、酸洗して供試した。酸洗後のコイル表面も通常のオ
ーステナイト系ステンレス鋼と見た目は全く変らない様
相を呈していた。

【００６９】なお、Ｂ含有量の定量は下記のようにして
おこなった。

【００７０】各鋼片から採取した試料を、ＡＡ液（１０
％アセチルアセトン−１％テトラメチルアンモニウムク
ロライド−残りメタノール）非水溶媒液中にて、２０ｍ
Ａ/ｃｍ²の電流密度にて約３時間の定電流電解をおこな
うことで約０．４ｇ相当を溶解し、電解後すみやかに電
解試験片を超音波洗浄したＡＡ非水溶媒液と電解に用い
たＡＡ非水溶媒溶液をフィルター径０．２μｍのCoster
Scientific Corporation社製“商品名Nuclepore”で濾
し取り、フィルター上のＭ₂Ｂの化合物を分析した。

【００７１】鋼中の硼化物量が少なく残渣量が４０μｇ
以下の少ない場合には、蒸留分離した後クルクミン吸光
光度法により、４０μｇ以上の場合には硫りん酸（特級
りん酸：特級硫酸：蒸留水＝１：１：１）中で溶解した
後、これを島津製作所製誘導結合プラズマ発光分光分析
装置“商品名ICPV-1014”にて金属成分を分析し、硼化
物として析出しているＢ量を定量した。これは、一般的
な定量方法である。

【００７２】図２は、冷圧板のミクロ組織（２００倍）
を示す。分散相がＭ₂Ｂ型硼化物である。

【００７３】カーボン板との接触電気抵抗測定は、厚さ
０．６ｍｍの市販のグラッシーカーボン板を用い、評価
用ステンレス鋼試験片接触面積を１ｃｍ²とし、４端子
法にて測定した。評価用試験片表面は、評価直前に湿式
６００番エメリー研磨とし、表面を洗浄後評価に供試し
た。負荷荷重は１２ｋｇ/ｃｍ²とした。負荷荷重により
接触電気抵抗は変化するが、１２ｋｇ/ｃｍ²ではほぼ一
定値が得られる。

【００７４】燃料電池内での性能評価に用いたコルゲー
ト形状のセパレータ板の詳細は下記の通りである。ただ
し、供試鋼５については、常温での薄板加工が困難であ
ったので、４ｍｍ厚熱延コイルから機械加工によりガス
流路を切削加工し、試験に供試した。外観は、概ね図１
に示した通りである。溝幅２ｍｍ、溝深さ１ｍｍで両面
に溝を形成し、アノード極側、カソード極側とした。

【００７５】（１）０．３ｍｍ厚の鋼板より成形加工し
たセパレータ形状：厚さ０．３ｍｍ、縦８０ｍｍ、横８
０ｍｍ ガス流路：高さ０．８ｍｍ、山と山との間隔１．２ｍｍ
（コルゲート加工） （２）セパレータ表面仕上げ：表面をショット加工用Ｓ
ｉＣ砥粒を用いて機械的にショット研磨仕上げし、５％
ＨＮＯ₃＋３％ＨＦ、４０℃中で１５分間の超音波洗浄
をおこない、さらに試験直前に６％水酸化ナトリウム水
溶液を用いたアルカリ噴霧脱脂処理をおこない、流水で
簡易水洗した後、バッチ型水槽で蒸留水浸漬洗浄を３回
おこない、さらに蒸留水噴霧洗浄を４分間おこなって冷
風ドライアー乾燥させた後、各試験に供した。

【００７６】固体高分子型単セル電池内部にセパレータ
として装填した状態での特性評価は、電池内に燃料ガス
を流してから１時間経過後に単セル電池の電圧を測定
し、初期の電圧と比較することにより電圧の低下率を調
べて行った。なお、低下率は、１−（１時間経過後の電
圧Ｖ／初期電圧ｖ）により求めた。

【００７７】評価に用いた固体高分子型燃料単セル電池
は、米国Electrochem社製市販電池セルFC50を改造して
用いた。

【００７８】アノード極側燃料用ガスとしては９９．９
９９９％水素ガスを用い、カソード極側ガスとしては空
気を用いた。電池本体は全体を７８±２℃に保温すると
共に、電池内部の湿度制御は、セル出側の排ガス水分濃
度測定をもとに入り側でおこなった。電池内部の圧力は
1気圧である。水素ガス、空気の電池への導入ガス圧は
０．０４〜０．２０ｂａｒの範囲で調整した。セル性能
評価は、単セル電圧で５００±２０ｍＡ/cm²−０．６２
±０．０４Ｖが確認できた状態より継時的に測定を行っ
た。

【００７９】単セル性能測定用システムとしては、米国
スクリブナー社製890シリーズを基本とした燃料電池計
測システムを改造して用いた。電池運転状態により、特
性に変化があると予想されるが、同一条件での比較評価
である。

【００８０】評価結果を表２に示す。

【００８１】

【表２】

【００８２】表２から明らかなように、本発明例では電
圧低下率は全て０．０５未満であるのに対し、本発明で
規定した化学組成を外れた比較例では、電圧低下率が
０．３以上と極めて大きかった。また、本発明例の場
合、接触電気抵抗は０．１２Ω・ｃｍ²以下と低いのに対
し、比較例では０．４１〜０．９６Ω・ｃｍ²とかなり高
い。

【００８３】

【発明の効果】本発明のオーステナイト系ステンレス鋼
は、耐食性に優れており、かつ接触電気抵抗が小さく、
特に固体高分子型燃料電池のセパレータ用として好適で
あり、安価な固体高分子型燃料電池の製造に貢献すると
ころ大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】固体高分子型燃料電池の構造を示す図である。

【図２】Ｍ₂Ｂ型硼化物の析出状態を示すミクロ写真を
示す図である。

【符号の説明】

１ 燃料電池 ２ 固体分子電解質膜 ３ 燃料電極膜 ４ 酸化剤電極膜 ５ａ、５ｂ セパレータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 土井 教史 大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号住 友金属工業株式会社内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC03 EE08 HH05

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量％で、Ｃ：０．０３％以下、Ｓｉ：
   ０．０１〜１．５％、Ｍｎ：０．０１〜２．５％、Ｐ：
   ０．０３５％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：１７〜
   ３０％、Ｎｉ：７〜５０％、Ｂ：０．０００５〜３．５
   ％、Ａｌ：０．００１〜０．２％、Ｎ：０．３％以下、
   Ｍｏ：０〜７％、Ｃｕ：０〜３％を含有し、かつＣｒ、
   ＭｏおよびＢ含有量は下記式を満足しており、残部Ｆｅ
   および不可避不純物からなり、鋼中のＢがＭ₂Ｂ型硼化
   物として析出していることを特徴とする接触電気抵抗の
   低い通電電気部品用オーステナイト系ステンレス鋼。 １７≦Ｃｒ＋３Ｍｏ−２．５Ｂ ただし、式中の各元素記号は含有量（重量％）を示す
2. 【請求項２】固体高分子電解質膜を中央にして燃料電極
   膜と酸化剤電極膜を重ね合わせた単位電池を複数個、単
   位電池間にセパレータを介在させて積層した積層体に、
   燃料ガスと酸化剤ガスを供給して直流電力を発生させる
   固体高分子型燃料電池において、セパレータが請求項１
   記載のオーステナイト系ステンレス鋼からなることを特
   徴とする固体高分子型燃料電池。