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JP5768641B2 - 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およびその製造方法、ならびに固体高分子型燃料電池セパレータおよび固体高分子型燃料電池 - Google Patents

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およびその製造方法、ならびに固体高分子型燃料電池セパレータおよび固体高分子型燃料電池 Download PDF

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Description

本発明は、メッキなどの表面処理を施さずに鋼表面そのままで耐食性、電気伝導性に優れるフェライト系ステンレス鋼およびその製造方法、ならびにそれを用いた固体高分子型燃料電池セパレータおよびそのようなセパレータを使用した固体高分子型燃料電池に関する。
近年、地球環境保全の観点から、発電効率に優れ、ＣＯ２を排出しない燃料電池の開発が進められている。燃料電池には使用される電解質の種類により、りん酸型燃料電池、固体電解質型燃料電池、固体高分子型燃料電池などがある。その中でも、固体高分子型燃料電池は１００℃以下の低温で動作可能であり、短時間で起動でき、小型化に適しているため、家庭用の定置型発電機、燃料電池車の搭載用電源などに利用されている。
固体高分子型燃料電池では、固体高分子膜をセパレータで挟んだセルを多数直列に重ねることで必要な電力を得ている。このセパレータには、良好な電気伝導性と高電位での耐食性が必要であるため、従来、黒鉛が使用されているが、黒鉛は衝撃に弱く、水素などを流す流路の加工に手間がかかるという問題がある。そのため、衝撃に強く、加工も容易なステンレス鋼のセパレータへの適用が検討されている。
しかし、ステンレス鋼は、その表面に不動態皮膜が形成されているため、接触抵抗が高く、そのままでは燃料電池のセパレータとしては使用することは難しい。
その問題を解決するため、ステンレス鋼の不動態皮膜に着目し、その改質によって接触抵抗を低減することが検討されている（例えば特許文献１〜３）。
特許文献１には、鋼の組成が質量％でＣ≦０．０３％、Ｎ≦０．０３％、２０％≦Ｃｒ≦４５％、０．１％≦Ｍｏ≦５．０％であり、不動態皮膜に含有されるＣｒとＦｅの原子数比Ｃｒ/Ｆｅが１以上であることを特徴とする固体高分子型燃料電池セパレータ用ステンレス鋼が開示されている。
特許文献２には、鋼の組成が質量％で１５％≦Ｃｒ≦４０％、１％≦Ｍｏ≦５％であり、不動態皮膜に含まれるＭｏ、Ｃｒ、Ｆｅの原子数比Ｍｏ/（Ｍｏ＋Ｃｒ＋Ｆｅ）が０．３以下で、かつ、基材のＭｏ／（Ｍｏ＋Ｃｒ＋Ｆｅ）の１．５倍以上であることを特徴とする固体高分子型燃料電池用ステンレス鋼製セパレータが開示されている。
特許文献３には、鋼の組成が質量％で１６％≦Ｃｒ≦４０％、１％≦Ｍｏ≦５％であり、０．０１〜１μmのマイクロピットが表面全域に形成されており、不動態皮膜に含まれるＣｒ、Ｆｅの原子数比Ｃｒ／Ｆｅが４以上である固体高分子型燃料電池用セパレータが開示されている。
特開２００４−１４９９２０号公報 特開２００６−２５３１０７号公報 特開２００８−９１２２５号公報
しかし、これらの方法を用いても、燃料電池が発電中に到達する可能性がある、Ｃｒが過不動態溶解する電位域における耐食性は必ずしも確保できないという問題がある。
具体的には、特許文献１の技術では、Ｃｒの含有量、Ｍｏの含有量が多いためＣｒが過不動態溶解する電位域（例えば、ｐＨ３の硫酸溶液中で、電位が１．０Ｖ（ｖｓ．ＳＨＥ）の環境）でのイオン溶出が激しく、燃料電池が発電中にその電位域まで到達した場合に電解質膜の性能低下を引き起こすという問題が残る。また特許文献２の技術では、不動態皮膜にＭｏを含有させることで不動態皮膜を薄い状態のまま維持し、接触抵抗を長期間にわたって低位に維持しているが、燃料電池の起動時には高電位の酸化性環境となるため不動態皮膜中のＭｏが溶解し、頻繁に起動・停止が行われる自動車用途などの燃料電池の環境では薄い不動態皮膜を維持できなくなるという問題が残る。さらに特許文献３の技術では、マイクロピットの形成によりカーボンペーパーとの接触面を増加させているが、不動態皮膜中にＣｒが濃化しており、かつ、マイクロピットの形成により表面積が増加しているため、Ｃｒが過不動態溶解する電位域では不動態皮膜からのイオン溶出が多いという問題が残る。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、接触抵抗が低く、かつＣｒが過不動態溶解する電位域における耐食性を確保することが可能であり、固体高分子型燃料電池セパレータとして好適な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およびその製造方法、ならびにそれを用いた固体高分子型燃料電池セパレータおよびそのようなセパレータを使用した固体高分子型燃料電池を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記課題を解決すべく、フェライト系ステンレス鋼の組成や酸への浸漬が接触抵抗や過不動態溶解に対して及ぼす影響について検討した。その結果、組成を特定組成とした上で、特定の酸を主体とする浸漬処理の溶液に浸漬して不動態皮膜を改質することにより、低い接触抵抗を確保しつつ、Ｃｒが過不動態溶解する電位域における耐食性を確保することができることを見出した。
本発明はこのような知見に基づいてなされたものであり、以下の（１）〜（１３）を提供する。
（１） 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、以下の式［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。
［ＨＦ］≧［ＨＮＯ３］ …［１］
（２） 前記浸漬処理溶液中の弗酸濃度［ＨＦ］と硝酸濃度［ＨＮＯ３］とが、下記の式［２］の関係を満たすことを特徴とする、（１）に記載の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。
［ＨＦ］≧２．５［ＨＮＯ３］ …［２］
（３） 前記皮膜に含まれるＦｅに対するＭｎの原子数の比Ｍｎ／Ｆｅが０．０１以下であることを特徴とする、（１）または（２）に記載の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。
（４）さらに質量％で、Ｔｉ：０．６％以下、Ｎｂ：０．６％以下、Ｚｒ：０．６％以下、Ｃｕ：１．００％以下、Ｎｉ：１．００％以下のうち１種または２種以上を含有することを特徴とする、（１）〜（３）のいずれかに記載の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。
（５）さらに質量％で、Ｖ：１．０％以下、Ｗ：１．０％以下、Ｃａ：０．１％以下、Ｍｇ：０．１％以下、ＲＥＭ（Rare Earth Metals）：０．１％以下、Ｂ：０．１％以下のうち、１種または２種以上を含有することを特徴とする、（１）〜（４）のいずれかに記載の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。
（６） （１）〜（５）のいずれかのフェライト系ステンレス鋼で形成された固体高分子型燃料電池セパレータ。
（７） （１）〜（５）のいずれかのフェライト系ステンレス鋼をセパレータとして用いた固体高分子型燃料電池。
（８） （１）、(４)、または(５）に記載の化学組成のステンレス鋼の冷延板または冷延焼鈍板を、弗酸または弗硝酸を主体とし、弗酸濃度［ＨＦ］および硝酸濃度［ＨＮＯ３］の関係が［ＨＦ］≧［ＨＮＯ３］となるように調整した浸漬処理溶液を用いて浸漬処理を行うことを特徴とする、フェライト系ステンレス鋼の製造方法。
（９） 前記浸漬処理溶液中の弗酸濃度［ＨＦ］と硝酸濃度［ＨＮＯ３］とが、下記の式［２］の関係を満たすことを特徴とする、（８）に記載のフェライト系ステンレス鋼の製造方法。
［ＨＦ］≧２．５［ＨＮＯ３］ …［２］
（１０） 弗酸または弗硝酸を主体とし、弗酸濃度［ＨＦ］と硝酸濃度［ＨＮＯ３］が［ＨＦ］≧［ＨＮＯ３］の関係を満たす浸漬処理溶液を用いて浸漬処理されるフェライト系ステンレス鋼であって、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ることを特徴とするフェライト系ステンレス鋼。
（１１）前記浸漬処理溶液中の弗酸濃度［ＨＦ］と硝酸濃度［ＨＮＯ３］とが、下記の式［２］の関係を満たすことを特徴とする、（１０）に記載のフェライト系ステンレス鋼。
［ＨＦ］≧２．５［ＨＮＯ３］ …［２］
（１２） さらに質量％で、Ｔｉ：０．６％以下、Ｎｂ：０．６％以下、Ｚｒ：０．６％以下、Ｃｕ：１．００％以下、Ｎｉ：１．００％以下のうち１種または２種以上を含有することを特徴とする、（１０）または（１１）に記載のフェライト系ステンレス鋼。
（１３） さらに質量％で、Ｖ：１．０％以下、Ｗ：１．０％以下、Ｃａ：０．１％以下、Ｍｇ：０．１％以下、ＲＥＭ（Rare Earth Metals）：０．１％以下、Ｂ：０．１％以下のうち、１種または２種以上を含有することを特徴とする、（１０）から（１２）のいずれかに記載のフェライト系ステンレス鋼。
本発明によれば、めっき等の表面処理を行わずに、長時間の発電の間も接触抵抗の増加を抑制し、かつ、Ｃｒが過不動態溶解する電位域における耐食性を確保することが可能である、固体高分子型燃料電池セパレータとして好適なステンレス鋼が得られる。
弗硝酸浸漬後の接触抵抗におよぼす弗酸濃度および硝酸濃度の影響を示す図である。 過不動態溶解をおこす電位域における耐久試験後の接触抵抗におよぼす鋼のＣｒ含有量とＭｏ含有量の影響を示す図である。
以下に本発明を詳細に説明する。
本発明に係るフェライト系ステンレス鋼は、特定組成を有し、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、以下の式［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。
［ＨＦ］≧［ＨＮＯ３］ …［１］
さらに、下記の式［２］の関係を満たすことがより好ましい。
［ＨＦ］≧２．５［ＨＮＯ３］ …［２］
なお、本発明において、弗硝酸とは、硝酸と弗酸の混合液を示す。また、本発明における弗酸濃度［ＨＦ］、硝酸濃度［ＨＮＯ３］は、質量％で規定するものである。さらに、［ＨＮＯ３］は０を含む。
本発明者らは、種々の組成をもつフェライト系ステンレス鋼を塩酸、硫酸、弗硝酸などの各種酸に浸漬し、接触抵抗の低下が起こる条件を検討した。その結果、所定の組成のフェライトステンレス鋼を、上述のように弗酸濃度［ＨＦ］≧硝酸濃度［ＨＮＯ３］を満たす浸漬処理溶液へ浸漬することにより不動態皮膜を改質して得られた皮膜が、接触抵抗を低下させ、固体高分子型燃料電池セパレータとして好適な値となることが明らかとなった。
このような知見は、後述する実施例１から導かれたものである。すなわち、実施例１をまとめた図１から、
１）弗酸濃度［ＨＦ］と硝酸濃度［ＨＮＯ３］とが、上記（１）式の関係、すなわち［ＨＦ］≧［ＨＮＯ３］を満たす浸漬処理溶液に浸漬することで接触抵抗が目標値である２０ｍΩ・ｃｍ２を下回る。
２）さらに上記（２）式の関係、すなわち［ＨＦ］≧２．５［ＨＮＯ３］を満たす浸漬処理溶液に浸漬することで、より一層接触抵抗が低下し、１０ｍΩ・ｃｍ２を下回る値となる。
といった点が導かれ、この結果に基づいて本発明では、固体高分子型燃料電池セパレータとして適用可能な接触抵抗を得るために、上記（１）式を満たす浸漬処理溶液に浸漬することで形成された皮膜を有することを要件とし、より好ましい条件として、上記（２）式を満たす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とする。
また、弗酸または弗硝酸を主体とするという意味は、浸漬処理溶液には、弗酸と硝酸のほか、塩酸、硫酸、有機酸、酸洗促進剤、酸洗抑制剤などを含有させてもよいということである。それらを含有する場合の含有量は、塩酸、硫酸、有機酸はそれぞれ２０質量％以下、合計で５０質量％以下とすることが好ましい。酸洗促進剤、酸洗抑制剤の場合は、それぞれ３．０体積％以下とすることが好ましい。
次に、本発明に係る固体高分子型燃料電池セパレータ用ステンレス鋼の成分組成について説明する。本発明に係るステンレス鋼は、各成分が以下の範囲であるフェライト系ステンレス鋼である。なお、成分に関する「％」表示は特にことわらない限り質量％を意味するものとする。
・Ｃｒ：１７〜２３％
Ｃｒはステンレス鋼の耐食性を決定付ける重要な元素であり、電位が不動態域にある場合にはＣｒ含有量が多いほど耐食性は良好である。燃料電池セパレータの使用環境は通常は不動態域にあり、そこでの高い耐食性が求められるが、Ｃｒ含有量が１７％未満では十分な耐食性が確保できず、長時間の発電により接触抵抗が増加する。一方、発明者らが、過不動態域（例えば、ｐＨ３の硫酸溶液中で、電位が１．０Ｖ（ｖｓ．ＳＨＥ）の環境）における定電位保持試験を行い、定電位保持試験後の接触抵抗を評価した結果、鋼中のＣｒ含有量が増加すると過不動態溶解が促進される傾向が確認された。すなわち、電位が過不動態域にまで上昇した場合、Ｃｒが６価のイオンとなって溶出するため、Ｃｒ含有量が多いほど過不動態溶解が促進されるのである。過不動態溶解が促進されることで、不動態皮膜の成長、あるいは、腐食生成物の形成が助長され、接触抵抗が増加する。また、Ｃｒイオン溶出は燃料電池の電解質膜の性能を低下させる。このような過不動態溶解の促進は、Ｃｒ含有量が２３％超えとなると顕著となる。以上から、鋼中のＣｒ含有量を１７〜２３％とする。より好ましくは２０〜２２％未満である。
・Ｍｏ：０．１％以下
Ｍｏは一般的にはステンレス鋼の耐食性を向上させる元素である。その効果を得るためには、０．００５％以上が好ましい。しかし、同一Ｃｒ含有量では、鋼中にＭｏを０．１％を超えて含有するステンレス鋼は含有しないステンレス鋼と比較して過不動態域における定電位保持試験を行った後の接触抵抗の増加がより顕著となることが明らかとなった。１６〜２１％のＣｒを含有するステンレス鋼を用いて、６０℃の１２％ＨＦ+４％ＨＮＯ３溶液に６０ｓｅｃ浸漬し、耐久試験としてｐＨ３の硫酸溶液中で、１．０Ｖ（ｖｓ． ＳＨＥ）にて、１ｈの定電位保持試験を行い接触抵抗を測定した。その結果を図２に示す。Ｃｒ含有量が１７％以上のステンレス鋼ではＭｏが０．１%以下においては、接触抵抗が目標値の２０ｍΩ・cm２以下となったが、鋼中にＭｏを０．１％超えて含有することで、接触抵抗の増加が顕著となることが明らかとなった。これは０．１％を超えるＭｏを含有したことで過不動態溶解が促進されたために、接触抵抗の増加が顕著になったと考えられる。よってＭｏ含有量は少ないほうが望ましく、その含有量を０．１％以下とする。より好ましくは０．０８％以下である。一層好ましくは０．０２％未満である。
・Ｃ：０．００１〜０．０５％
Ｃはステンレス鋼に不可避的に含まれる元素であり、固溶強化により鋼の強度を上昇させる効果がある。その効果は０．００１％未満では得られない。一方で、含有量が多くなるとＣｒ炭化物の析出を促進してＣｒ炭化物周囲の地鉄のＣｒ含有量を局所的に減少させ、ステンレス鋼の耐食性を低下させる。そしてその傾向は０．０５％を超えると顕著になる。よってＣ含有量を０．００１〜０．０５％とする。より好ましくは０．００２〜０．０４％である。
・Ｓｉ：０．００１〜０．５％
Ｓｉは脱酸に有用な元素であり、その効果は０．００１％以上で得られる。しかし、過剰に含有させると加工性が低下し、セパレータの成型加工を困難にする。その傾向は０．５％を超えると顕著となる。よってＳｉ含有量を０．００１〜０．５％とする。より好ましくは、０．００２〜０．４％である。
・Ｍｎ：０．００１〜１．０％
Ｍｎは鋼中に不可避的に混入する元素であり、鋼の強度を高める効果がある。その効果は０．００１％未満では得られない。しかし、ＭｎＳを析出し腐食の起点となるため、過剰に含有させると耐食性が低下する。また、不動態皮膜中に存在することによって接触抵抗を増加させる傾向が確認された。これらの悪影響は１．０％を超えると顕著となる。よって、Ｍｎ含有量を０．００１〜１．０％とする。より好ましくは、０．００２〜０．８％である。
・Ａｌ：０．００１〜０．５％
Ａｌは脱酸に有用な元素であり、その効果は０．００１％以上で得られる。しかし、０．５％を超えて過剰に含有させると加工性が低下しセパレータの成型加工を困難にするうえ、酸化被膜を形成した場合に酸洗による脱スケールが困難となるため、製造性が低下する。よって、Ａｌ含有量を０．００１〜０．５％とする。より好ましくは、０．００２〜０．４％である。
・Ｎ：０．００１〜０．０５％
ＮはＣと同様にステンレス鋼に不可避的に含まれる元素であり、固溶強化により鋼の強度を上昇させる効果がある。さらに、鋼中に固溶することで耐食性を向上する効果もある。それらの効果は０．００１％未満では得られない。一方で、含有量が０．０５％を超えるとＣｒ窒化物を析出してステンレス鋼の耐食性を低下させる。よって、Ｎ含有量を０．００１から０．０５％とする。より好ましくは０．００２〜０．０４％である。
以上の必須成分に加え、以下の元素を適宜含有させることができる。
・Ｔｉ：０．６％以下
ＴｉはＣ,Ｎと優先的に結合してＣｒ炭窒化物の析出による耐食性の低下を抑制する元素である。しかし、０．６％を超えると加工性が低下するとともに、Ｔｉ炭窒化物が粗大化し、表面欠陥を引き起こす。よってＴｉを含有させる場合には、その含有量を０．６％以下とする。上記効果は０．０１％以上でより有効に発揮されるため、好ましくは０．０１〜０．６％である。より好ましくは０．０５〜０．４％である。
・Ｎｂ：０．６％以下
ＮｂはＣ,Ｎと優先的に結合してＣｒ炭窒化物の析出による耐食性の低下を抑制する元素である。しかし、０．６％を超えると熱間強度が増加して熱間圧延の負荷が増大するため、製造が困難となる。よってＮｂを含有させる場合には、その含有量を０．６％以下とする。上記効果は０．０１％以上でより有効に発揮されるため、好ましくは０．０１〜０．６％である。より好ましくは０．０５〜０．４％である。
・Ｚｒ：０．６％以下
ＺｒはＣ,Ｎと優先的に結合してＣｒ炭窒化物の析出による耐食性の低下を抑制する元素である。しかし、０．６％を超えると加工性が低下する。よってＺｒを含有させる場合には、その含有量を０．６％以下とする。上記効果は０．０１％以上でより有効に発揮されるため、好ましくは０．０１〜０．６％である。より好ましくは０．０５〜０．４％である。
・Ｃｕ：１．００％以下
Ｃｕはステンレス鋼の耐食性を向上させる元素である。しかし、過剰の含有は、金属イオンの溶出を増加させ燃料電池の電解質膜の性能を低下させるため好ましくなく、その傾向は１．００％を超えることで顕著となる。よって、Ｃｕを含有させる場合には、その含有量を１．００％以下とする。上記効果は０．０５％以上でより有効に発揮されるため、好ましくは０．０５〜１．００％である。より好ましくは、０．２〜０．８％である。
・Ｎｉ：１．００％以下
Ｎｉはステンレス鋼の耐食性を向上させる元素である。しかし、１．００％を超えて含有させると過不動態溶解を促進し、過不動態域での耐食性を低下させる。よって、Ｎｉを含有させる場合には、その含有量を１．００％以下とする。上記効果は０．０５％以上でより有効に発揮されるため、好ましくは０．０５〜１．００％である。より好ましくは、０．２〜０．８％である。
また、その他にも、耐食性の改善を目的として、Ｖ、Ｗをそれぞれ１．０％以下で含有させることができる。その効果を得るためには、それぞれ０．０１％以上、０．０１％以上の含有が好ましい。さらに熱間加工性の向上を目的として、Ｃａ、Ｍｇ、ＲＥＭ（Rare Earth Metals）、Ｂをそれぞれ０．１％以下で含有させることもできる。その効果を得るためには、それぞれ０．０００５％以上、０．０００５％以上、０．０００５％以上、０．０００１％以上の含有が好ましい。
残部は、Ｆｅおよび不可避的不純物である。不可避的不純物のうちＯは０．０２％以下、Ｐは、０．０５％以下、Ｓは、０．０１％以下、Ｓｎは、０．５％以下とすることが好ましい。より好ましくは、Ｏは０．０１％以下、Ｐは、０．０３％以下、Ｓは、０．００８％以下、Ｓｎは、０．３％以下である。
次に、上述した浸漬処理溶液に浸漬して得られた皮膜の組成について説明する。
最終焼鈍工程で光輝焼鈍処理を行い、その後、酸浸漬を行わないフェライト系ステンレス鋼の不動態皮膜にはＭｎが検出されることが多いが、不動態皮膜中のＭｎの存在と接触抵抗の相関について調査を行った結果、Ｍｎが不動態皮膜中に観察された場合、接触抵抗が高くなる傾向が確認された。したがって、上述した浸漬処理溶液に浸漬することによって不動態皮膜を改質して得られた皮膜中のＭｎ量は少なくなる。このため、不動態皮膜中のＭｎ／Ｆｅの好ましい範囲を原子数比で０．０１以下とすることが好ましい。
次に、本発明のフェライト系ステンレス鋼の好適な製造方法について説明する。
本発明において、基材である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。
上記化学組成のステンレス鋼を溶製し、鋳造した後、１１００〜１３００℃に加熱し、仕上温度を７００〜１０００℃、巻取温度を４００〜７００℃として熱間圧延を施し、板厚２．０〜５．０ｍｍの熱間圧延鋼帯とする。こうして作製した熱間圧延鋼帯を８００〜１２００℃の温度で焼鈍し酸洗を行い、次に、冷間圧延、冷延板焼鈍を１回または複数回繰り返し、所定厚さの冷延鋼帯とする。冷延板焼鈍後には酸洗を行ってもよい。その後、最終焼鈍として水素を含む雰囲気中において７００〜１０００℃の温度で光輝焼鈍を行い、次いで酸洗を行う。
最終焼鈍後の酸洗は、弗酸または弗硝酸を主体とし、弗酸濃度［ＨＦ］および硝酸濃度［ＨＮＯ３］の関係が［ＨＦ］≧［ＨＮＯ３］、より好ましくは［ＨＦ］≧２．５［ＨＮＯ３］となるように調整した上述の浸漬処理溶液を用い、５０〜７０℃の温度とした酸洗浴に１０〜３００秒浸漬することにより行う。このときの弗酸濃度［ＨＦ］は３．０％以上が望ましい。浸漬処理とあわせて、電解処理を行ってもよい。これにより本発明のステンレス鋼が得られる。
本発明のステンレス鋼を固体高分子型燃料電池セパレータとして用いる場合には、上記冷間圧延、冷間焼鈍を複数回繰り返して厚さ０．０３〜０．３ｍｍの箔状の冷延鋼帯とした後、最終焼鈍として上述した光輝焼鈍を行い、さらに上述した浸漬処理溶液による酸洗を行って固体高分子型燃料電池セパレータ用ステンレス鋼とし、これを所定形状に仕上げて固体高分子型燃料電池セパレータとする。
このようにして得られたセパレータを、固体高分子電解質膜を挟むようにして設けることによりセルが構成され、このセルを多数直列に重ねることにより固体高分子型燃料電池が得られる。
以下、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
以下の表1の記号３に示すステンレス鋼を真空溶製し、鋳造した後、１２５０℃に加熱し、次いで熱間圧延、熱延板焼鈍（８５０〜１０５０℃）、酸洗を行った。さらに、冷間圧延、冷延板焼鈍（８００〜９００℃）、酸洗を行い、光輝焼鈍を行って、板厚０．３ｍｍのステンレス鋼箔とした。
まず、光輝焼鈍を行ったままの記号３のステンレス鋼について、カーボンペーパーとの接触抵抗を測定した。押し付け圧力は１ＭＰａとした。その結果、接触抵抗は２８９ｍΩ・ｃｍ２であり、目標値である２０ｍΩ・ｃｍ２を大きく上回った。次に記号３のステンレス鋼を種々の濃度に調整した弗硝酸溶液に浸漬したのち接触抵抗を測定した。浸漬条件は、液温度６０℃、浸漬時間６０ｓｅｃとした。浸漬後の接触抵抗測定の結果を図１に示す。図１は横軸に弗硝酸溶液の硝酸濃度をとり縦軸に弗硝酸溶液の弗酸濃度をとって、液組成と接触抵抗との関係を示すものであり、接触抵抗が１０ｍΩ・ｃｍ２以下となった溶液を●、２０ｍΩ・ｃｍ２以下となった溶液を○、２０ｍΩ・ｃｍ２を超えた溶液を×と表記した。
この図１から、弗酸濃度［ＨＦ]≧硝酸濃度[ＨＮＯ３](図1中の点線から上の領域)となる浸漬処理溶液に浸漬することで接触抵抗が目標値である２０ｍΩ・ｃｍ２以下となることがわかる。さらに、［ＨＦ］≧２．５［ＨＮＯ３］(図1中の一点鎖線から上の領域)となる混合液に浸漬することで１０ｍΩ・ｃｍ２以下となりより一層接触抵抗が低下することがわかる。
［実施例２］
表1の鋼種Ｎｏ．１〜１５に示す組成のステンレス鋼を真空溶製し、鋳造した後、１２５０℃に加熱し、次いで熱間圧延、熱延板焼鈍（８５０〜１０５０℃）、酸洗を行った。さらに、冷間圧延、冷延板焼鈍（８００〜９００℃）、酸洗を行い、光輝焼鈍を行って、板厚０．３ｍｍのステンレス鋼箔とした。その後、７質量％ＨＦ+５質量％ＨＮＯ３溶液（Ａ液、［ＨＦ］＝１．４×[ＨＮＯ３]）、および、１２質量％ＨＦ+４質量％ＨＮＯ３溶液（Ｂ液、［ＨＦ］＝３×[ＨＮＯ３]）のそれぞれの溶液に浸漬して供試材を作成し、接触抵抗を測定した。浸漬条件は、液温度６０℃、浸漬時間６０ｓｅｃとした。接触抵抗の測定結果をＡ液の場合を表２に、Ｂ液の場合を表３に示す。なお、鋼種Ｎｏ．１〜１５のうちＮｏ．２〜４、６〜８、１１〜１３は本発明の組成範囲内のものであり、Ｎｏ．１、５、９、１０、１４、１５は本発明の組成範囲から外れるものである。Ｎｏ．１〜１４の組成ではＡ液およびＢ液のいずれの溶液への浸漬によっても接触抵抗が目標値である２０ｍΩ・ｃｍ２以下となったが、Ｎｏ．１５の組成ではＡ液およびＢ液のいずれの溶液への浸漬によっても接触抵抗が目標値である２０ｍΩ・ｃｍ２を超えた値となった。
その後、作成した供試材に、耐久試験として、燃料電池環境を模擬したｐＨ３の硫酸溶液中で、Ｃｒの過不動態溶解が起こる１．０Ｖ（ｖｓ． ＳＨＥ）において、１ｈの定電位保持試験を行い接触抵抗を測定した。押し付け圧力は１ＭＰａとした。耐久試験後の接触抵抗も、耐久試験前と同様に２０ｍΩ・ｃｍ２以下を合格とした。また、Ａ液とＢ液への浸漬の後において、皮膜の組成をＸ線光電子分光法により分析した。特に結合エネルギーで６３８〜６４５ｅＶに得られるＭｎの電子軌道２ｐ３／２のピークと７０９〜７１３ｅＶに得られるＦｅの電子軌道２ｐ３／２のピークから金属状態のピークを除いたピーク面積を測定し、それぞれの相対感度係数で除して、原子数比Ｍｎ／Ｆｅを算出した。これらの結果についても表２、３に示す。なお、表２、３において、Ｍｎ／Ｆｅが０．０００のものはＭｎが検出されなかったことを示す。
Ｎｏ．２〜４、６〜８、１１〜１３の組成のものをＡ液、Ｂ液への浸漬した本発明例においては、耐久試験を行った後も、接触抵抗が２０ｍΩ・ｃｍ２以下を維持した。さらに、これらの中でも、Ｂ液へ浸漬したものは、Ａ液へ浸漬したものと比較して接触抵抗がより低下し、耐久試験前後の接触抵抗の増加幅が減少した。このことから、耐久試験前の接触抵抗が低いほど、耐久試験による接触抵抗の増加幅が小さくなるものと考えられる。Ｂ液へ浸漬した本発明例の耐久試験前の接触抵抗はいずれも１０ｍΩ・ｃｍ２以下となった。これより、耐久試験後の接触抵抗の増加を考慮に入れると、Ｂ液へ浸漬することにより耐久試験前の接触抵抗がより好ましい値となることが確認された。
耐久試験後のサンプルを観察すると、接触抵抗の高いものでは表面の色が黄色がかっており、高電位で保持したことによって、不動態皮膜の成長、あるいは、腐食生成物が形成されたものと思われる。
さらに、Ａ液、Ｂ液への浸漬後の皮膜において、原子数比でＭｎ／Ｆｅが０．０１以上となったサンプルでは、耐久試験による接触抵抗の増加が顕著であった。弗硝酸浸漬および耐久試験による接触抵抗の増減については、そのメカニズムは十分に明らかになっていないが、皮膜中のＭｎ／Ｆｅが原子数比で０．０１以上となる量のＭｎが含まれることで、皮膜の保護性が低下し、皮膜の成長や腐食生成物の形成が容易になり、接触抵抗増加に影響を及ぼしているのではないかと考えられる。
Figure 0005768641
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本発明のフェライト系ステンレス鋼は、めっき等の表面処理を行わずに、長時間の発電の間も接触抵抗の増加を抑制し、かつ、Ｃｒが過不動態溶解する電位域における耐食性を確保することが可能であるため、固体高分子型燃料電池セパレータとして好適である。また、本発明のステンレス鋼は固体高分子型燃料電池セパレータに限らず、電気伝導性を有するステンレス鋼製電気部品としても広く利用することができる。

Claims (13)

  1. 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、以下の式［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。
    ［ＨＦ］≧［ＨＮＯ３］ …［１］
  2. 前記浸漬処理溶液中の弗酸濃度［ＨＦ］と硝酸濃度［ＨＮＯ３］とが、下記の式［２］の関係を満たすことを特徴とする、請求項１に記載の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。
    ［ＨＦ］≧２．５［ＨＮＯ３］ …［２］
  3. 前記皮膜に含まれるＦｅに対するＭｎの原子数の比Ｍｎ／Ｆｅが０．０１以下であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の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。
  4. さらに質量％で、Ｔｉ：０．６％以下、Ｎｂ：０．６％以下、Ｚｒ：０．６％以下、Ｃｕ：１．００％以下、Ｎｉ：１．００％以下のうち１種または２種以上を含有することを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の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。
  5. さらに質量％で、Ｖ：１．０％以下、Ｗ：１．０％以下、Ｃａ：０．１％以下、Ｍｇ：０．１％以下、ＲＥＭ（Rare Earth Metals）：０．１％以下、Ｂ：０．１％以下のうち、１種または２種以上を含有することを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の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。
  6. 請求項１から請求項５のいずれかのフェライト系ステンレス鋼で形成された固体高分子型燃料電池セパレータ。
  7. 請求項１から請求項５のいずれかのフェライト系ステンレス鋼をセパレータとして用いた固体高分子型燃料電池。
  8. 請求項１、請求項４、または請求項５に記載の化学組成のステンレス鋼の冷延板または冷延焼鈍板を、弗酸または弗硝酸を主体とし、弗酸濃度［ＨＦ］および硝酸濃度［ＨＮＯ３］の関係が［ＨＦ］≧［ＨＮＯ３］となるように調整した浸漬処理溶液を用いて浸漬処理を行うことを特徴とする、フェライト系ステンレス鋼の製造方法。
  9. 前記浸漬処理溶液中の弗酸濃度［ＨＦ］と硝酸濃度［ＨＮＯ３］とが、下記の式［２］の関係を満たすことを特徴とする、請求項８に記載のフェライト系ステンレス鋼の製造方法。
    ［ＨＦ］≧２．５［ＨＮＯ３］ …［２］
  10. 弗酸または弗硝酸を主体とし、弗酸濃度［ＨＦ］と硝酸濃度［ＨＮＯ３］が［ＨＦ］≧［ＨＮＯ３］の関係を満たす浸漬処理溶液を用いて浸漬処理されるフェライト系ステンレス鋼であって、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ることを特徴とするフェライト系ステンレス鋼。
  11. 前記浸漬処理溶液中の弗酸濃度［ＨＦ］と硝酸濃度［ＨＮＯ３］とが、下記の式［２］の関係を満たすことを特徴とする、請求項１０に記載のフェライト系ステンレス鋼。
    ［ＨＦ］≧２．５［ＨＮＯ３］ …［２］
  12. さらに質量％で、Ｔｉ：０．６％以下、Ｎｂ：０．６％以下、Ｚｒ：０．６％以下、Ｃｕ：１．００％以下、Ｎｉ：１．００％以下のうち１種または２種以上を含有することを特徴とする、請求項１０または１１に記載のフェライト系ステンレス鋼。
  13. さらに質量％で、Ｖ：１．０％以下、Ｗ：１．０％以下、Ｃａ：０．１％以下、Ｍｇ：０．１％以下、ＲＥＭ（Rare Earth Metals）：０．１％以下、Ｂ：０．１％以下のうち、１種または２種以上を含有することを特徴とする、請求項１０から請求項１２のいずれか１項に記載のフェライト系ステンレス鋼。
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