(57)【要約】  アノード極側セル構成部材１１およびカソード極側セル構成部材１２を備える固体高分子形燃料電池用セル１０であって、アノード極側セル構成部材１１はフェライト系ステンレス鋼材で構成され、かつ、カソード極側セル構成部材１２はステンレス鋼材で構成され、アノード極側セル構成部材１１を構成するフェライト系ステンレス鋼材は、質量％で、Ｓｎ含有量が０．０２〜２．５０％である化学組成を有し、かつ、フェライト系ステンレス鋼材中に、微細に分散析出したＭ２Ｂ型硼化物を含む析出物を有し、析出物は、その一部が前記フェライト系ステンレス鋼材の表面から突出しており、カソード極側セル構成部材１２を構成するステンレス鋼材は、質量％で、Ｓｎ含有量が０．０２％未満である化学組成を有する、固体高分子形燃料電池用セル１０。
2017170066.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード極側セル構成部材およびカソード極側セル構成部材を備える固体高分子形燃料電池用セルであって、
前記アノード極側セル構成部材はフェライト系ステンレス鋼材で構成され、かつ、前記カソード極側セル構成部材はステンレス鋼材で構成され、
前記アノード極側セル構成部材を構成する前記フェライト系ステンレス鋼材は、質量％で、Ｓｎ含有量が０．０２〜２．５０％である化学組成を有し、かつ、
前記フェライト系ステンレス鋼材中に、微細に分散析出したＭ２Ｂ型硼化物を含む析出物を有し、
該析出物は、その一部が前記フェライト系ステンレス鋼材の表面から突出しており、
前記カソード極側セル構成部材を構成する前記ステンレス鋼材は、質量％で、Ｓｎ含有量が０．０２％未満である化学組成を有する、
固体高分子形燃料電池用セル。
【請求項２】
前記アノード極側セル構成部材を構成する前記フェライト系ステンレス鋼材が有する前記析出物は、
Ｍ２Ｂ型硼化物を析出核として、その表面にＭ２３Ｃ６型Ｃｒ系炭化物が析出した複合析出物をさらに含み、
前記複合析出物は、その一部が前記フェライト系ステンレス鋼材の表面から突出している、
請求項１に記載の固体高分子形燃料電池用セル。
【請求項３】
前記カソード極側セル構成部材を構成する前記ステンレス鋼材は、
前記ステンレス鋼材中に、微細に分散析出したＭ２Ｂ型硼化物を含む析出物を有し、
該析出物は、その一部が前記ステンレス鋼材の表面から突出している、
請求項１または請求項２に記載の固体高分子形燃料電池用セル。
【請求項４】
前記カソード極側セル構成部材を構成する前記ステンレス鋼材が有する前記析出物は、
Ｍ２Ｂ型硼化物を析出核として、その表面にＭ２３Ｃ６型Ｃｒ系炭化物が析出した複合析出物をさらに含み、
前記複合析出物は、その一部が前記ステンレス鋼材の表面から突出している、
請求項３に記載の固体高分子形燃料電池用セル。
【請求項５】
前記カソード極側セル構成部材を構成する前記ステンレス鋼材は、
表面に導電性を有する耐食めっき層を有する、
請求項１または請求項２に記載の固体高分子形燃料電池用セル。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれかに記載の固体高分子形燃料電池用セルを備える、
固体高分子形燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子形燃料電池用セルおよび固体高分子形燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素および酸素を利用して直流電流を発電する電池であり、固体電解質形、溶融炭酸塩形、リン酸形および固体高分子形に大別される。それぞれの形式は、燃料電池の根幹部分を構成する電解質部分の構成材料に由来する。【０００３】
現在、商用段階に達している燃料電池としては、２００℃付近で動作するリン酸形、および６５０℃付近で動作する溶融炭酸塩形がある。近年の技術開発の進展とともに、室温付近で動作する固体高分子形と、７００℃以上で動作する固体電解質形が、自動車搭載用または家庭用小型電源として注目されている。【０００４】
図１は、固体高分子形燃料電池の構造を示す説明図であり、図１（ａ）は、燃料電池セル（単セル）の分解図、図１（ｂ）は燃料電池スタックの斜視図である。【０００５】
図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、燃料電池スタック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、その両面にセパレータ５ａ、５ｂが重ねられた構造を有する。【０００６】
代表的な固体高分子膜２として、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。【０００７】
燃料電極膜３および酸化剤電極膜４は、それぞれ、拡散層と、該拡散層の固体高分子膜２側の表面に設けられる触媒層とを備える。拡散層は、カーボン繊維で構成されるカーボンペーパまたはカーボンクロスからなり、触媒層は、粒子状の白金触媒、黒鉛粉、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。そして、燃料電極膜３および酸化剤電極膜４が有する触媒層は、拡散層を透過した燃料ガスまたは酸化性ガスとそれぞれ接触する。【０００８】
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５ｂ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。【０００９】
固体高分子形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的接触抵抗、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。【００１０】
これまで上記の機能を発揮するセパレータの基材について、種々の研究がなされてきた。セパレータに用いられる材料は、金属系材料とカーボン系材料とに大別される。【００１１】
カーボン系材料として、カーボン板材のセパレータへの適用が、実験室レベルで鋭意検討されてきている。しかしながら、カーボン板材には割れ易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嵩むという問題がある。それぞれが大きな問題であり、燃料電池の商用化そのものを難しくしてきたのが実情である。【００１２】
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、固体高分子形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、ますます厳しくなる寸法精度への対応、燃料電池適用中に生じる経年的な結着用有機樹脂の劣化、電池運転条件の影響を受けて進行するカーボン腐食、および燃料電池組み立て時と使用中とに起こる予期せぬ割れ事故等の問題も、今後に解決すべき課題として残されている。【００１３】
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。【００１４】
例えば、特許文献１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ニッケル−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。【００１５】
特許文献１に記載の発明では、セパレータは金めっきを施されているので、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。【００１６】
また、特許文献２には、表面に形成される不動態皮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形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。【００１７】
特許文献２に記載の発明では、セパレータに用いられる金属の表面には、必ず不動態皮膜が存在しており、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動態皮膜を除去し、貴金属層を形成することにより、表面接触抵抗値が小さくなるとされている。【００１８】
しかし、特許文献１および２に開示された、表面に不動態皮膜を備える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する。また、溶出後に生成するＣｒ−ＯＨまたは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ため、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。【００１９】
このような状況の下、セパレータとして、高価な表面処理を施さずに無垢のままで適用できる、耐食性に優れたステンレス鋼も提案されている。【００２０】
特許文献３には、固体電解質型燃料電池のセパレータとして好適なステンレス鋼が開示されている。また、特許文献４および５には、フェライト系ステンレス鋼からなるセパレータを備えた固体高分子形燃料電池が開示されている。【００２１】
特許文献６には、鋼中に０．０１〜０．１５質量％のＣを含有し、Ｃｒ系炭化物が析出した固体高分子形燃料電池のセパレータ用フェライト系ステンレス鋼およびこれを適用した固体高分子形燃料電池が開示されている。特許文献７には、鋼中に０．０１５〜０．２％のＣを含有し、Ｎｉを７〜５０％含有する、Ｃｒ系炭化物を析出する固体高分子形燃料電池のセパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼が示されている。【００２２】
特許文献８には、ステンレス鋼表面に、導電性を有するＭ２３Ｃ６型、Ｍ４Ｃ型、Ｍ２Ｃ型、ＭＣ型炭化物系金属介在物およびＭ２Ｂ型硼化物系介在物のうちの１種以上が分散、露出している固体高分子形燃料電池のセパレータ用ステンレス鋼が開示されており、質量％で、Ｃ：０．１５％以下、Ｓｉ：０．０１〜１．５％、Ｍｎ：０．０１〜１．５％、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：１５〜３６％、Ａｌ：０．００１〜６％、Ｎ：０．０３５％以下を含有し、かつＣｒ、ＭｏおよびＢ含有量が１７％≦Ｃｒ＋３×Ｍｏ−２．５×Ｂを満足し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなるフェライト系ステンレス鋼が記載されている。【００２３】
特許文献９には、ステンレス鋼材の表面を酸性水溶液により腐食させて、その表面に導電性を有するＭ２３Ｃ６型、Ｍ４Ｃ型、Ｍ２Ｃ型、ＭＣ型炭化物系金属介在物およびＭ２Ｂ型硼化物系金属介在物のうちの１種以上を露出させる固体高分子形燃料電池のセパレータ用ステンレス鋼材の製造方法が示されており、質量％で、Ｃ：０．１５％以下、Ｓｉ：０．０１〜１．５％、Ｍｎ：０．０１〜１．５％、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：１５〜３６％、Ａｌ：０．００１〜１％、Ｂ：０〜３．５％、Ｎ：０．０３５％以下、Ｎｉ：０〜５％、Ｍｏ：０〜７％、Ｃｕ：０〜１％、Ｔｉ：０〜２５×（Ｃ％＋Ｎ％）、Ｎｂ：０〜２５×（Ｃ％＋Ｎ％）を含有し、かつＣｒ、ＭｏおよびＢ含有量は１７％≦Ｃｒ＋３×Ｍｏ−２．５×Ｂを満足しており、残部Ｆｅおよび不純物からなるフェライト系ステンレス鋼材が開示されている。【００２４】
さらに、特許文献１０には、表面にＭ２Ｂ型の硼化物系金属化合物が露出しており、かつ、アノード面積およびカソード面積をそれぞれ１としたとき、アノードがセパレータと直接接触する面積、およびカソードがセパレータと直接接触する面積のいずれもが０．３から０．７までの割合である固体高分子形燃料電池が示されており、ステンレス鋼表面に、導電性を有するＭ２３Ｃ６型、Ｍ４Ｃ型、Ｍ２Ｃ型、ＭＣ型炭化物系金属介在物およびＭ２Ｂ型硼化物系介在物のうちの１種以上が露出しているステンレス鋼が開示されている。【００２５】
特許文献１０には、セパレータを構成するステンレス鋼が、質量％で、Ｃ：０．１５％以下、Ｓｉ：０．０１〜１．５％、Ｍｎ：０．０１〜１．５％、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：１５〜３６％、Ａｌ：０．２％以下、Ｂ：３．５％以下（ただし０％を除く）、Ｎ：０．０３５％以下、Ｎｉ：５％以下、Ｍｏ：７％以下、Ｗ：４％以下、Ｖ：０．２％以下、Ｃｕ：１％以下、Ｔｉ：２５×（Ｃ％＋Ｎ％）以下、Ｎｂ：２５×（Ｃ％＋Ｎ％）以下で、かつＣｒ、ＭｏおよびＢの含有量が、１７％≦Ｃｒ＋３×Ｍｏ−２．５×Ｂを満足するフェライト系ステンレス鋼材であることが示されている。【００２６】
そして、特許文献１１〜１５には、表面にＭ２Ｂ型の硼化物系導電性金属析出物が露出するオーステナイト系ステンレスクラッド鋼材およびその製造方法が開示されている。【００２７】
特許文献１６には、Ｃ：０．０８％以下、Ｓｉ：０．０１〜１．５％、Ｍｎ：０．０１〜１．５％、Ｐ：０．０３５％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：１７〜３６％、Ａｌ：０．００１〜０．２％、Ｂ：０．０００５〜３．５％、Ｎ：０．０３５％以下、必要によりＮｉ、Ｍｏ、Ｃｕを含有し、かつＣｒ、ＭｏおよびＢ含有量は１７％≦Ｃｒ＋３Ｍｏ−２．５Ｂを満足し、残部Ｆｅおよび不純物からなる化学組成を有し、鋼中のＢがＭ２Ｂ型硼化物系金属介在物として析出しているフェライト系ステンレス鋼からなるセパレータを備える燃料電池が開示されている。【００２８】
特許文献１７には、例えば、Ｃ：０．２％以下、Ｓｉ：２％以下、Ｍｎ：３％以下、Ａｌ：０．００１％以上６％以下、Ｐ：０．０６％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｎ：０．４％以下、Ｃｒ：１５％以上３０％以下、Ｎｉ：６％以上５０％以下、Ｂ：０．１％以上３．５％以下、残部Ｆｅおよび不純物を含有する化学組成を有し、Ｍ２Ｂ型硼化物系金属介在物からなる導電性物質を備える固体高分子形燃料電池のセパレータ用オーステナイト系ステンレス鋼材が開示されている。【００２９】
特許文献１８には、Ｃ：０．０２％以下、Ｓｉ：０．１５％以下、Ｍｎ：０．３〜１％、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．００３％以下、Ｃｒ：２０〜２５％、Ｍｏ：０．５〜２％、Ａｌ：０．１％以下、Ｎ：０．０２％以下、Ｎｂ：０．００１〜０．５％、かつ２．５＜Ｍｎ／（Ｓｉ＋Ａｌ）＜８．０を含有し、任意元素として、Ｔｉ：０．５％以下、Ｖ：０．５％以下、Ｎｉ：２％以下、Ｃｕ：１％以下、Ｓｎ：１％以下、Ｂ：０．００５％以下、Ｍｇ：０．００５％以下、Ｃａ：０．００５％以下、Ｗ：１％以下、Ｃｏ：１％以下、Ｓｂ：０．５％以下の１種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不純物からなる化学組成を有し、高温で良好な電気伝導性を有する酸化皮膜が形成されたフェライト系ステンレス鋼板が開示されている。【００３０】
特許文献１９には、Ｃ：０．００１〜０．０３％、Ｓｉ：０．０１〜２％、Ｍｎ：０．０１〜１．５％、Ｐ：０．００５〜０．０５％、Ｓ：０．０００１〜０．０１％、Ｃｒ：１６〜３０％、Ｎ：０．００１〜０．０３％、Ａｌ：０．８％超〜３％、Ｓｎ：０．０１〜１％、残部がＦｅおよび不純物からなる化学組成を有し、微量のＳｎを添加して耐酸化性と高温強度を向上させたフェライト系ステンレス鋼板が開示されている。【００３１】
特許文献２０には、Ｃ：０．０１％以下、Ｓｉ：０．０１〜０．２０％、Ｍｎ：０．０１〜０．３０％、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：１３〜２２％、Ｎ：０．００１〜０．０２０％、Ｔｉ：０．０５〜０．３５％、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｓｎ：０．００１〜１％、残部がＦｅおよび不純物からなる化学組成を有し、Ｓｎを含有することにより不動態皮膜を改質して耐食性を向上させたフェライト系ステンレス鋼が開示されている。【００３２】
しかし、これら多数の提案にもかかわらず、固体高分子形燃料電池セパレータ用素材としてステンレス鋼を適用することには、休止後の固体高分子形燃料電池を起動する際に生じるカソード極側触媒担持カーボンの腐食という大きな課題が残されている。【００３３】
具体的には、起動時に、酸化性ガス（空気）がアノード極側に充満している状態で燃料ガスである水素ガスをアノード極側に導入すると、アノード極側とカソード極側で非定常な過渡的現象が発生する。この過度的現象は、カソード極側に瞬間的なセルの電位上昇が発生してカソード極側触媒担持カーボンが消耗する現象である。カソード極側触媒担持カーボンの消耗は、不可避に触媒機能の低下を引き起こす。【００３４】
これまで、この対策として、アノード極側の内容積を小さくしてガス置換時間を短くしたり、短時間でガス置換が進行するように起動時の燃料ガス（水素）の流量を多めにしたり、流路設計を工夫することが行われてきた。また、燃料ガス（水素）を加圧した状態でアノード極側に導入することも行われている。【００３５】
さらに、アノード極側とカソード極側を短絡する抵抗器をセル毎に設置することも行われているが、セル数が多くなるとシステム制御が大掛かりになり、燃料電池システムを高価なものにするとともに電池効率を落とす原因になる。【００３６】
このように、固体高分子形燃料電池の起動時におけるカソード極側触媒担持カーボンの消耗は、固体高分子形燃料電池の長期耐久性の確保と性能低下の軽減を図るために、大きな課題である。【００３７】
特許文献２１には、固体高分子形燃料電池のセルの内部、アノード流れ場プレートとアノード触媒層との間にガス感知層を介挿する発明が開示されている。ガス感知層は、例えば、約３０ナノメートル未満の半導体酸化物ナノ構造体を含む。半導体酸化物ナノ構造体は、酸化チタン、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、およびこれらの組み合わせから構成される。ガス感知層は、水素ガスに接触するときには電気抵抗が減少し、酸素含有ガスに接触するときには電気抵抗が増加して、アノードチャンネル内にＯ２が残留しているときの腐食からセルを保護する。【００３８】
すなわち、固体高分子形燃料電池の起動時で、アノードにまだ酸素が残っているときには、酸素と接触するガス感知層の電気抵抗は高く、この部位の電池反応が抑制されて電極劣化をもたらす電気化学反応が抑制される。【００３９】
その後、水素が流れ続けてアノードから空気が追い出されると、ガス感知層が水素に接触して電気抵抗が低下して本来の電池反応が進行するようになる。換言すれば、ガス感知層が、ガス拡散層、高分子膜ならびに触媒層から構成されるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）を介してのアノードおよびカソード間の誘導電圧により引き起こされる電池性能の低下をもたらす電気化学反応を抑制する。【００４０】
特許文献２１には、さらに、酸化スズとしてＳｎＯ２が開示され、酸化チタンとしてＴｉＯ２ナノチューブが開示されている。ガス感知層を形成する方法としては、ガス拡散層またはバイポーラ板の上へのコーティングと付着力を改善するための２００〜４００℃での熱処理、バイポーラ板への物理的気相成長法、化学的気相成長法などによる蒸着法、電着等が開示されている。また、これらの金属フィルムを電気化学エッチングまたは酸による腐食などの周知技術を用いて、ナノ構造化された半導体酸化物をガス感知層に変換することも開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００４１】
【特許文献１】特開平１０−２２８９１４号公報
【特許文献２】特開平０８−１８０８８３号公報
【特許文献３】特開２０００−２３９８０６号公報
【特許文献４】特開２０００−２９４２５５号公報
【特許文献５】特開２０００−２９４２５６号公報
【特許文献６】特開２０００−３０３１５１号公報
【特許文献７】特開２０００−３０９８５４号公報
【特許文献８】特開２００３−１９３２０６号公報
【特許文献９】特開２００１−２１４２８６号公報
【特許文献１０】特開２００２−１５１１１１号公報
【特許文献１１】特開２００４−７１３１９号公報
【特許文献１２】特開２００４−１５６１３２号公報
【特許文献１３】特開２００４−３０６１２８号公報
【特許文献１４】特開２００７−１１８０２５号公報
【特許文献１５】特開２００９−２１５６５５号公報
【特許文献１６】特開２０００−３２８２０５号公報
【特許文献１７】特開２０１０−１４０８８６号公報
【特許文献１８】特開２０１４−０３１５７２号公報
【特許文献１９】特開２０１２−１７２１６０号公報
【特許文献２０】特開２００９−１７４０３６号公報
【特許文献２１】特開２０１５−１２８０６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００４２】
これまでの技術開発は以上のような状況にあるが、固体分子形燃料電池の起動時に、燃料電池のアノード極側内部に酸化性ガス（例えば、空気）が残留している状態で燃料ガス（水素）がアノード極側に導入される場合に生じるカソード極側でのカーボン（例えば、触媒担持カーボン）およびセパレータの腐食を十分に軽減することはできていない。【００４３】
本発明は、上記問題を解決し、固体分子形燃料電池の起動時に、燃料電池のアノード極側内部に酸化性ガスが残留している状態で燃料ガスがアノード極側に導入されることに起因するカソード極側でのカーボンおよびセパレータの腐食を軽減することができる固体高分子形燃料電池用セル、およびそれを備える固体高分子形燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００４４】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、下記の固体高分子形燃料電池用セルおよび固体高分子形燃料電池スタックを要旨とする。【００４５】
（１）アノード極側セル構成部材およびカソード極側セル構成部材を備える固体高分子形燃料電池用セルであって、
前記アノード極側セル構成部材はフェライト系ステンレス鋼材を含み、かつ、前記カソード極側セル構成部材はステンレス鋼材を含み、
前記アノード極側セル構成部材に含まれる前記フェライト系ステンレス鋼材は、質量％で、Ｓｎ含有量が０．０２〜２．５０％である化学組成を有し、かつ、
前記フェライト系ステンレス鋼材中に、微細に分散析出したＭ２Ｂ型硼化物を含む析出物を有し、
該析出物は、その一部が前記フェライト系ステンレス鋼材の表面から突出しており、
前記カソード極側セル構成部材に含まれる前記ステンレス鋼材は、質量％で、Ｓｎ含有量が０．０２％未満である化学組成を有する、
固体高分子形燃料電池用セル。【００４６】
（２）前記アノード極側セル構成部材に含まれる前記フェライト系ステンレス鋼材が有する前記析出物は、
Ｍ２Ｂ型硼化物を析出核として、その表面にＭ２３Ｃ６型Ｃｒ系炭化物が析出した複合析出物をさらに含み、
前記複合析出物は、その一部が前記フェライト系ステンレス鋼材の表面から突出している、
上記（１）に記載の固体高分子形燃料電池用セル。【００４７】
（３）前記カソード極側セル構成部材に含まれる前記ステンレス鋼材は、
前記ステンレス鋼材中に、微細に分散析出したＭ２Ｂ型硼化物を含む析出物を有し、
該析出物は、その一部が前記ステンレス鋼材の表面から突出している、
上記（１）または（２）に記載の固体高分子形燃料電池用セル。【００４８】
（４）前記カソード極側セル構成部材に含まれる前記ステンレス鋼材が有する前記析出物は、
Ｍ２Ｂ型硼化物を析出核として、その表面にＭ２３Ｃ６型Ｃｒ系炭化物が析出した複合析出物をさらに含み、
前記複合析出物は、その一部が前記ステンレス鋼材の表面から突出している、
上記（３）に記載の固体高分子形燃料電池用セル。【００４９】
（５）前記カソード極側セル構成部材に含まれる前記ステンレス鋼材は、
表面に導電性を有する耐食めっき層を有する、
上記（１）または（２）に記載の固体高分子形燃料電池用セル。【００５０】
（６）上記（１）から（５）までのいずれかに記載の固体高分子形燃料電池用セルを備える、
固体高分子形燃料電池スタック。
【発明の効果】
【００５１】
本発明によれば、固体分子形燃料電池の起動時に、燃料電池のアノード極側内部に酸化性ガスが残留している状態で燃料ガスがアノード極側に導入されることに起因する、カソード極側でのカーボンおよびセパレータの腐食を軽減することができる、固体高分子形燃料電池用セル、およびそれを備える固体高分子形燃料電池スタックを得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】図１は、固体高分子型燃料電池の構造を示す説明図であり、図１（ａ）は、燃料電池セル（単セル）の分解図、図１（ｂ）は燃料電池スタックの斜視図である。
【図２】図２は、固体高分子形燃料電池用セルの断面模式図である。
【図３】図３は、実施例で用いたセパレータの形状を示す写真である。
【発明を実施するための形態】
【００５３】
本発明者は、長年に亘り、固体高分子形燃料電池のセパレータとして長時間使用しても、セパレータ表面からの金属溶出が少なく、拡散層、高分子膜および触媒層から構成されるＭＥＡの金属イオン汚染の進行を抑制でき、触媒および高分子膜の性能の低下を起こし難いステンレス鋼材の開発に専念してきた。
【００５４】
図２は、固体高分子形燃料電池用セル１０の断面模式図である。固体高分子形燃料電池用セル１０は、高分子膜１９の両側にそれぞれ触媒層１７，１８および拡散層１５，１６が設けられたＭＥＡ２０と、ＭＥＡ２０の両面にそれぞれ設けられたアノード極側セル構成部材１１およびカソード極側セル構成部材１２とを含む。そして、ＭＥＡ２０とアノード極側セル構成部材１１およびカソード極側セル構成部材１２との間には、それぞれアノード極側燃料ガス流路１３およびカソード極側ガス流路１４が設けられている。
【００５５】
上述のように、固体高分子形燃料電池は、アノード極側燃料ガス流路１３が空気で充満された状態で起動される。図２においては、起動時の固体高分子形燃料電池用セル１０の内部で進行する化学反応を、模式的に説明している。図２を参照しながら、起動時に固体高分子形燃料電池用セル１０の内部で発生する過渡的現象をさらに詳しく説明する。
【００５６】
空気雰囲気中にあるアノード極側燃料ガス流路１３側に水素が導入されると、アノード極側燃料ガス流路１３側の空気は、水素によって置換される。しかしながら、固体高分子形燃料電池用セル１０内のアノード極側燃料ガス流路１３側には、配管およびマニホールド部を含めて多大な容積が存在する。導入されるガス流量およびガス流速には制限があるため、空気が水素によって完全に追い出されるまでには、不可避にある程度の時間（例えば数秒間）を要する。
【００５７】
すなわち、起動時には、アノード極側燃料ガス流路１３に流れ込んだ水素と、残留する空気との間に境界部が生じることとなる。そして、この境界部付近のアノード極側の触媒層１７の表面において、空気および水素による瞬間的触媒表面反応が進行するとともに、局部的なＨ＋欠乏が発生する。
【００５８】
その結果、セルの内部で局部電池が形成され、ＭＥＡ２０を介してアノード極側セル構成部材１１とカソード極側セル構成部材１２との間で瞬間的に１．４Ｖを超える誘導電圧が発生する。局部電池形成に関与する化学反応は、以下のとおりである。
【００５９】
（Ｉ）アノード極側の触媒層１７での反応（瞬間的触媒表面反応）
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ          ・・・・・（ｉ）
（II）カソード極側の触媒層１８での反応
Ｃ＋２Ｈ２Ｏ→４Ｈ＋＋４ｅ−＋ＣＯ２    ・・・・・（ii）
２Ｈ２Ｏ→４Ｈ＋＋４ｅ−＋Ｏ２          ・・・・・（iii）
【００６０】
反応（ｉ）は、残留する空気がＨ＋欠乏を発生させる反応であり、アノード極側の触媒層１７で進行する、起動時の過渡的な反応である。また、反応（ii）は、カソード極側の触媒層１８側で進行するＣ消耗反応である。さらに、反応（iii）は、カソード極側の触媒層１８側で進行するＨ＋欠乏を補うための水分解反応（酸化反応）である。
【００６１】
これらの反応（ｉ）〜（iii）の進行に伴って、カソード極側の触媒層１８で触媒担持カーボンの消耗（腐食）が生じるとともに、カソード極側セル構成部材１２の腐食が進行する。特に、触媒担持カーボンの腐食は、燃料電池性能の低下に直結する。しかも、この触媒担持カーボンの腐食は不可逆反応であるため、燃料電池性能の累積的な低下をもたらすこととなる。
【００６２】
燃料電池システムの内容積が大きいほど、アノード極側燃料ガス流路１３でのＨ＋欠乏状態はより長い時間に亘って発生し、カソード極側の触媒層１８での触媒担持カーボンの腐食が顕在化し易くなる。
【００６３】
このように、固体高分子形燃料電池用セル１０の起動時に生じる局部電池の形成を抑制することによって、触媒担持カーボンおよびセル構成部材の腐食量を低減することが重要となる。
【００６４】
ところで、従来の固体高分子形燃料電池においては、アノード極側セル構成部材と、カソード極側セル構成部材とに同材質のものを用いることが前提となっている。異なる材質のものを用いると製造コストの上昇が予見されるし、そもそも異なる材質を用いる必要性がないと考えられてきたためである。
【００６５】
しかし、本発明者は、このような前提にとらわれることなく鋭意検討を重ねた。すなわち、アノード極側セル構成部材とカソード極側セル構成部材とで、それぞれの環境下において要求される性能を発揮する材料を適用することを検討した。
【００６６】
特に、アノード極側セル構成部材には、優れた耐食性を有することに加えて、通常運転時には表面接触抵抗値が低く、導電性（接触電気抵抗）に優れ、一方、起動時には表面接触抵抗値が高く、局部電池の形成を抑制できることが望まれる。そこで、本発明者は、このような性能を有する鋼材について検討を行い、その結果、以下の知見を得るに至った。
【００６７】
（ａ）鋼材中に微細に分散し表面に突出したＭ２Ｂ型硼化物（以下、単に「Ｍ２Ｂ」ということもある）は、不動態皮膜で覆われたステンレス鋼表面で「電気の通り道（導電性パス）」として機能することにより、鋼材表面の接触電気抵抗を顕著に改善する。
【００６８】
（ｂ）鋼中にＳｎを含有させることにより、母相中に固溶しているＳｎが、事前に行う酸液処理または燃料電池の運転中に生じる緩やかな母相溶解によって、母相の表面のみならず、Ｍ２Ｂの表面にも金属スズまたは酸化スズとして濃化する。このことにより、母相およびＭ２Ｂからの金属イオンの溶出が顕著に抑制される。
【００６９】
（ｃ）母相およびＭ２Ｂの表面に濃化する金属スズおよび酸化スズは、半導体的性質を有している。そして、金属スズまたは酸化スズが有する電気伝導性は、曝されるガス雰囲気の酸素ポテンシャル（以下、「酸素濃度」と記述する）により変化し、具体的には酸素濃度が低いほど電気伝導性が良好になる。そのため、鋼材表面の接触電気抵抗は、当該鋼材表面が曝されている雰囲気の酸素濃度が空気のように高い場合には上昇し、水素雰囲気のように極めて低い場合には低下する。
【００７０】
（ｄ）すなわち、Ｍ２Ｂを覆う金属スズまたは酸化スズは、固体高分子形燃料電池の起動時には、酸素濃度が高い雰囲気に曝されているため、電気伝導性が低下しており、Ｍ２Ｂの導電性パスとしての機能が抑えられる。その結果、起動時のみ鋼材の表面接触抵抗値が高くなり、過渡的に発生する局部電池反応が抑制される。
【００７１】
（ｅ）一方、カソード極側セル構成部材は、通常運転中でも酸化性雰囲気で使用される。そのため、Ｓｎを含有するステンレス鋼材をカソード極側セル構成部材に適用すると、運転中に極めて緩やかに進行する母相溶解（腐食）によって、母相の表面等に導電性に劣る酸化スズが厚膜化するようになる。これにより、接触電気抵抗の上昇が起き、電池出力が低下するようになる。
【００７２】
（ｆ）以上の結果、本発明者は、所定量のＳｎを含有し、かつＭ２Ｂを含む析出物が表面から突出しているステンレス鋼材をアノード極側セル構成部材として適用し、Ｓｎ含有量を低減したステンレス鋼材をカソード極側セル構成部材として適用した固体高分子形燃料電池用セルを開発するに至った。そして、それを備える固体高分子形燃料電池は、アノード極側が酸化性雰囲気（空気）の状態から起動しても、カソード極側触媒担持カーボンの消耗による電池性能の低下を抑制できることを知見した。
【００７３】
本発明は上記の知見に基づいてなされたものである。以下、本発明の各要件について詳しく説明する。
【００７４】
図２を参照して、固体高分子形燃料電池用セル１０は、アノード極側セル構成部材１１およびカソード極側セル構成部材１２を備える。それぞれについて詳しく説明する。
【００７５】
なお、本発明において、「セル構成部材」とは、セパレータまたは整流板である。セパレータはバイポーラプレートと呼ばれることもある。整流板は、燃料ガスまたは酸化性ガスを、整流または配流するための部材であり、多孔質板、フィンまたはメッシュと呼ばれることもある。
【００７６】
１．アノード極側セル構成部材
アノード極側セル構成部材１１は以下に説明するフェライト系ステンレス鋼材を含む。なお、アノード極側セル構成部材１１のうち、少なくともガス流路の表面部分に使用される部材が後述するフェライト系ステンレス鋼材で構成されることが好ましい。
【００７７】
１−１．フェライト系ステンレス鋼材の化学組成
各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「％」は、「質量％」を意味する。
【００７８】
アノード極側セル構成部材１１に含まれるフェライト系ステンレス鋼材は、Ｓｎ含有量が０．０２〜２．５０％である。Ｓｎ含有量を上記の範囲に限定する理由については後述する。
【００７９】
また、上記のフェライト系ステンレス鋼材の化学組成は、Ｃ：０．００１〜０．１５％、Ｓｉ：０．０１〜１．５％、Ｍｎ：０．０１〜１．５％、Ｐ：０．０３５％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：２２．５〜３５．０％、Ｍｏ：０．０１〜６．０％、Ｎｉ：０．０１〜６．０％、Ｃｕ：０．０１〜１．０％、Ｎ：０．０３５％以下、Ｖ：０．０１〜０．３５％、Ｂ：０．５〜１．０％、Ａｌ：０．００１〜６．０％、Ｓｎ：０．０２〜２．５０％、ＲＥＭ：０〜０．１％、Ｎｂ：０〜０．３５％、Ｔｉ：０〜０．３５％、および、残部：Ｆｅおよび不純物であり、下記（iv）式を満足することが好ましい。
２０．０≦Ｃｒ＋３×Ｍｏ−２．５×Ｂ−１７×Ｃ≦４５．０  ・・・（iv）
但し、式中の各元素記号は、鋼材中に含まれる各元素の含有量（質量％）を意味する。
【００８０】
ここで「不純物」とは、鋼材を工業的に製造する際に用いる溶解原料、添加元素、スクラップ、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
【００８１】
さらに上記のフェライト系ステンレス鋼材として、以下の２種のフェライト系ステンレス鋼材が挙げられる。
【００８２】
（ａ）Ｃ：０．００１％以上０．０２０％未満、Ｓｉ：０．０１〜１．５％、Ｍｎ：０．０１〜１．５％、Ｐ：０．０３５％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：２２．５〜３５．０％、Ｍｏ：０．０１〜６．０％、Ｎｉ：０．０１〜６．０％、Ｃｕ：０．０１〜１．０％、Ｎ：０．０３５％以下、Ｖ：０．０１〜０．３５％、Ｂ：０．５〜１．０％、Ａｌ：０．００１〜６．０％、Ｓｎ：０．０２〜２．５０％、ＲＥＭ：０〜０．１％、Ｎｂ：０〜０．３５％、Ｔｉ：０〜０．３５％、および、残部：Ｆｅおよび不純物であり、下記（ｖ）式を満足する、フェライト系ステンレス鋼材。
２０．０≦Ｃｒ＋３×Ｍｏ−２．５×Ｂ≦４５．０  ・・・（ｖ）
【００８３】
（ｂ）Ｃ：０．０２０〜０．１５％、Ｓｉ：０．０１〜１．５％、Ｍｎ：０．０１〜１．５％、Ｐ：０．０３５％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：２２．５〜３５．０％、Ｍｏ：０．０１〜６．０％、Ｎｉ：０．０１〜６．０％、Ｃｕ：０．０１〜１．０％、Ｎ：０．０３５％以下、Ｖ：０．０１〜０．３５％、Ｂ：０．５〜１．０％、Ａｌ：０．００１〜６．０％、Ｓｎ：０．０２〜２．５０％、ＲＥＭ：０〜０．１％、および、残部：Ｆｅおよび不純物であり、下記（iv）式を満足する、フェライト系ステンレス鋼材。
２０．０≦Ｃｒ＋３×Ｍｏ−２．５×Ｂ−１７×Ｃ≦４５．０  ・・・（iv）
【００８４】
Ｃ：０．００１〜０．１５％
Ｃは、母相の組織および組成、特に鋼中のＣｒ含有量にもよるが、Ｃｒ主体のＭ２３Ｃ６型Ｃｒ系炭化物（以下、単に「Ｍ２３Ｃ６」ということもある）として鋼中に析出することがある。Ｃ含有量を０．００１％以上とすることによって、Ｍ２３Ｃ６が析出して接触抵抗特性が向上するようになる。一方、Ｃを過度に含有させると製造性が著しく悪化する。そのため、Ｃ含有量は０．００１〜０．１５％とする。
【００８５】
なお、Ｍ２３Ｃ６等のＣｒ系炭化物を活用しない場合には、Ｃ含有量を低く抑えることによって、鋭敏化による耐食性の低下を防止し、常温靱性を向上させ製造性を改善することが可能になる。鋭敏化はＪＩＳ  Ｇ  ０５７５に規定される硫酸―硫酸銅腐食試験により容易に確認できる。粒界腐食性が生じると、固体高分子形燃料電池中での耐食性を維持できなくなるため、鋭敏化は抑制することが好ましい。一方、極端にＣ含有量を低減すると、精練時間が長くなり精練コストが嵩む。このため、Ｃ含有量は０．００１％以上０．０２０％未満としてもよい。この場合、Ｃ含有量は０．００１５％以上であるのが好ましく、０．０１０％未満であるのが好ましい。
【００８６】
また、Ｍ２３Ｃ６等のＣｒ系炭化物を積極的に活用する場合には、Ｃ含有量は０．０２０〜０．１５％としてもよい。この場合、Ｃ含有量は０．０３０％以上であるのが好ましく、０．１４％以下であるのが好ましい。
【００８７】
Ｓｉ：０．０１〜１．５％
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。Ｓｉ含有量が０．０１％未満では脱酸が不安定となるばかりでなく、Ａｌ添加量が多くなり製造コストが嵩むようになる。また、鋼材表面疵も発生しやすくなる。一方、Ｓｉ含有量が１．５％を超えると成形性が低下する。そのため、Ｓｉ含有量は０．０１〜１．５％とする。Ｓｉ含有量は０．０５％以上であるのが好ましく、０．１％以上であるのがより好ましい。また、Ｓｉ含有量は１．２％以下であるのが好ましく、１．０％以下であるのがより好ましい。
【００８８】
Ｍｎ：０．０１〜１．５％
Ｍｎは、鋼中のＳをＭｎ系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。一方、Ｍｎ含有量が１．５％を超えると、製造の際の加熱時に表面に生成する高温酸化スケールの密着性が低下し、表面肌荒れの原因となるスケール剥離を起こし易くなる。そのため、Ｍｎ含有量は０．０１〜１．５％とする。Ｍｎ含有量は０．０５％以上であるのが好ましく、０．１％以上であるのがより好ましい。また、Ｍｎ含有量は１．２％以下であるのが好ましく、１．０％以下であるのがより好ましい。
【００８９】
Ｐ：０．０３５％以下
Ｐは、Ｓと並んで有害な不純物元素である。Ｐ含有量が０．０３５％を超えると、製造性が低下する。そのため、Ｐ含有量は０．０３５％以下とする。
【００９０】
Ｓ：０．０１％以下
Ｓは、耐食性にとって極めて有害な不純物元素である。このため、Ｓ含有量は０．０１％以下とする。Ｓは、鋼中共存元素および鋼中のＳ量に応じて、Ｍｎ系硫化物、Ｆｅ系硫化物、または、これらの複合硫化物および酸化物との複合非金属析出物として、そのほとんどが析出している。
【００９１】
固体高分子型燃料電池のセパレータ環境においては、いずれの組成の硫化物系非金属析出物であっても、程度の差はあるものの腐食の起点として作用し、不動態皮膜の維持、金属イオン溶出抑制にとって有害である。通常の量産鋼のＳ含有量は、０．００５％超〜０．００８％前後であるが、上記の有害な影響を抑制するためには、Ｓ含有量は０．００３％以下であるのが好ましく、０．００２％以下であるのがより好ましく、０．００１％未満であるのがさらに好ましい。Ｓ含有量は低ければ低い程、望ましい。工業的量産レベルで、Ｓ含有量を０．００１％未満とすることは、現状の精錬技術をもってすれば、わずかな製造コストの上昇で可能である。
【００９２】
Ｃｒ：２２．５〜３５．０％
Ｃｒは、母材の耐食性を確保する作用を有する元素である。Ｃｒ含有量は高いほど高耐食性を示す。また、鋼材中にＭ２Ｂを析出させるためにも、Ｃｒを含有させる必要がある。一方、Ｃｒ含有量が３５．０％を超えると量産規模での生産が難しくなる。そのため、Ｃｒ含有量は２２．５〜３５．０％とする。
【００９３】
なお、Ｍ２Ｂが析出することにより、母相中で耐食性向上に寄与するＣｒ濃度が、溶鋼段階でのＣｒ濃度に比べて低下して耐食性が低下する場合がある。Ｃ含有量が０．００１％以上０．０２０％未満であって、固体高分子形燃料電池内部での耐食性を確保するためには、下記（ｖ）式を満足することが好ましい。
２０．０≦Ｃｒ＋３×Ｍｏ−２．５×Ｂ≦４５．０  ・・・（ｖ）
【００９４】
また、Ｍ２３Ｃ６を析出させる場合にも、Ｃｒは必要な元素である。Ｍ２ＢおよびＭ２３Ｃ６が析出することにより、母相中で耐食性向上に寄与するＣｒ濃度が、溶鋼段階でのＣｒ濃度に比べて低下して耐食性が低下する場合がある。Ｃ含有量が０．０２０〜０．１５％であって、固体高分子形燃料電池内部での耐食性を確保するためには、下記（iv）式を満足することが好ましい。
２０．０≦Ｃｒ＋３×Ｍｏ−２．５×Ｂ−１７×Ｃ≦４５．０  ・・・（iv）
【００９５】
Ｍｏ：０．０１〜６．０％
Ｍｏは、Ｃｒに比べて少量で耐食性を改善する効果がある。また、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が比較的軽微である。このことは、溶出したＭｏが、陰イオンであるモリブデン酸イオンとして存在するため、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を阻害する影響が小さいためと考えられる。
【００９６】
しかし、６．０％を超える量のＭｏを含有させると、製造途中でシグマ相等の金属間化合物の析出回避が困難となり、鋼の脆化の問題から生産が困難となる。また、Ｍｏは高価な添加元素である。そのため、Ｍｏ含有量は０．０１〜６．０％とする。Ｍｏ含有量は０．０５％以上であるのが好ましく、５．０％未満であるのが好ましい。
【００９７】
Ｎｉ：０．０１〜６．０％
Ｎｉは、耐食性、靭性を改善する元素である。しかし、Ｎｉ含有量が６．０％を超えると、工業的に熱処理を施してもフェライト単相組織とすることが困難となる。そのため、Ｎｉ含有量は０．０１〜６．０％とする。Ｎｉ含有量は０．０３％以上であるのが好ましい。
【００９８】
Ｃｕ：０．０１〜１．０％
Ｃｕは溶解原料より不可避に０．０１％以上混入する。０．０１％未満で溶解することは可能であるが、製造コストが嵩む。Ｃｕ含有量が１．０％を超えると、熱間での加工性を減ずることとなり、量産性の確保が難しくなる。そのため、Ｃｕ含有量は０．０１〜１．０％とする。なお、Ｃｕは母相に固溶していることが必要である。金属系析出物として分散すると燃料電池内での腐食起点となり電池性能低下をもたらす。Ｃｕ含有量は０．０２％以上であるのが好ましく、０．８％以下であるのが好ましい。
【００９９】
Ｎ：０．０３５％以下
Ｎは、不純物として鋼材中に含まれ、常温靭性を劣化させる元素である。そのため、Ｎ含有量は０．０３５％以下とする。工業的にはＮ含有量は０．００７％以下とすることが望ましい。しかし、Ｎ含有量を過剰に低下することは、溶製コストの著しい上昇をもたらす。このため、Ｎ含有量は０．００１％以上であるのが好ましく、０．００２％以上であるのがより好ましい。
【０１００】
Ｖ：０．０１〜０．３５％
Ｖは、意図的に添加する元素ではないが、量産時に溶解原料として用いるＣｒ源中に不可避に含有されている。Ｖは、僅かではあるものの、フェライト系ステンレス鋼の常温靭性を改善する。このため、Ｖ含有量は０．０１〜０．３５％とする。Ｖ含有量は０．０３％以上であるのが好ましく、０．３０％以下であるのが好ましい。
【０１０１】
Ｂ：０．５〜１．０％
Ｂは、溶鋼段階で添加すると、凝固時点で共晶反応により、ほぼ全量がＭ２Ｂとして析出する。鋼材中に析出、分散し、表面に露出したＭ２Ｂは、表面の導電性を改善するとともに、Ｍ２３Ｃ６を析出制御するための析出核としての役割も果たす。Ｂ含有量が０．５％未満では、Ｍ２Ｂの析出量が少なく表面の導電性確保が難しい。一方、１．０％を超えて含有させると延性が著しく低下して鋼材の製造が困難となる。そのため、Ｂ含有量は０．５〜１．０％とする。Ｂ含有量は０．５％以上であるのが好ましく、０．８５％以下であるのが好ましい。
【０１０２】
Ａｌ：０．００１〜６．０％
Ａｌはフェライト形成元素であることに加えて、有効な脱酸元素である。必須で含有させるＢは溶鋼中酸素との結合力が強い元素であるため、Ａｌ脱酸により溶鋼中の酸素濃度を十分に下げておく必要がある。そのため、Ａｌを０．００１％以上含有させる必要がある。一方、６．０％を超える量のＡｌを含有させると、鋼材表面に導電性に劣るアルミ酸化皮膜が生成しやすくなるとともに、製造コストが嵩む。そのため、Ａｌ含有量は０．００１〜６．０％とする。Ａｌ含有量は０．０１％以上であるのが好ましく、５．５％以下であるのが好ましい。
【０１０３】
Ｓｎ：０．０２〜２．５０％
Ｓｎは、溶鋼段階で合金元素として添加することにより母相中に固溶する。そして、上述のように、母相中に固溶しているＳｎが、事前に行う酸液処理または燃料電池の運転中に生じる緩やかな母相溶解によって、母相の表面のみならず、Ｍ２Ｂの表面にも金属スズまたは酸化スズとして濃化する。そして、金属スズおよび酸化スズは半導体的性質を有し、酸化性雰囲気中での表面接触抵抗値は、非酸化性雰囲気中での表面接触抵抗値に比べて、２倍から３倍程度にまで高くなる。この作用により、固体高分子形燃料電池の起動時における過渡的に発生する局部電池反応を抑制する作用を発揮する。
【０１０４】
Ｓｎ含有量が０．０２％未満ではこのような効果を安定して得られないおそれがある。一方、Ｓｎ含有量が２．５０％を超えると製造性が低下するおそれがある。このため、Ｓｎ含有量は０．０２〜２．５０％とする。Ｓｎ含有量は０．０５％以上であるのが好ましく、１．０％以下であるのが好ましい。
【０１０５】
ＲＥＭ：０〜０．１％
ＲＥＭ（希土類元素）は、熱間製造性を改善する効果を有するため、必要に応じて含有させてもよい。しかし、過度の含有は、製造コストの増加につながる。そのため、ＲＥＭ含有量は０．１％以下とする。ＲＥＭ含有量は０．０５％以下であるのが好ましい。上記の効果を得るためには、ＲＥＭ含有量は０．００１％以上であることが好ましく、０．００５％以上であるのがより好ましい。
【０１０６】
ここで、本発明において、ＲＥＭはＳｃ、Ｙおよびランタノイドの合計１７元素を指し、前記ＲＥＭの含有量はこれらの元素の合計含有量を意味する。なお、ランタノイドは、工業的には、ミッシュメタルの形で添加される。
【０１０７】
Ｎｂ：０〜０．３５％
Ｔｉ：０〜０．３５％
ＮｂおよびＴｉは、鋼中のＣおよびＮの安定化元素である。すなわち、ＮｂおよびＴｉは、鋼中では炭化物および窒化物を形成する。そのため、特に、Ｃ含有量が０．００１％以上０．０２０％未満である場合に、これらの１種または２種を必要に応じて含有させてもよい。ＴｉおよびＮｂの含有量は、いずれも０．３５％以下とする。ＮｂおよびＴｉの含有量は０．３０％以下であるのが好ましい。上記の効果を得るためには、ＮｂおよびＴｉの１種または２種を０．００１％以上含有させることが好ましい。また、Ｎｂは（Ｎｂ／Ｃ）値が３．０〜２５．０となるように、Ｔｉは｛Ｔｉ／（Ｃ＋Ｎ）｝値が３．０〜２５．０となるように含有することが好ましい。
【０１０８】
１−２．フェライト系ステンレス鋼材中の析出物
アノード極側セル構成部材１１に含まれるフェライト系ステンレス鋼材は、鋼材中に、微細に分散析出したＭ２Ｂを含む析出物を有する。この析出物は、Ｍ２Ｂを析出核として、その表面にＭ２３Ｃ６が析出した複合析出物をさらに含んでいてもよい。なお、Ｍ２３Ｃ６中のＭは、Ｃｒ、またはＣｒおよびＦｅ等であり、Ｃの一部は、Ｂに置換されていてもよい。また、Ｍ２Ｂ中のＭは、Ｃｒ、またはＣｒおよびＦｅ等であり、Ｂの一部は、Ｃに置換されていてもよい。
【０１０９】
そして、上記の析出物は、その一部が鋼材の表面から突出している。鋼材の表面から突出したＭ２ＢまたはＭ２３Ｃ６が導電性パスとしての機能を発揮し、接触抵抗を低減させる効果を有する。
【０１１０】
Ｍ２ＢおよびＭ２３Ｃ６を鋼材の表面から突出させた場合であっても、これら析出物の表面には、不動態皮膜（酸化物皮膜）は形成される。しかし、Ｍ２Ｂ中およびＭ２３Ｃ６中のＣｒ濃度は、マトリクス中のＣｒ濃度よりも高い。そのことに加え、Ｍ２ＢまたはＭ２３Ｃ６の表面に形成される不動態皮膜の厚さは、マトリクス表面を覆っている不動態皮膜よりも薄い。そのため、これらの析出物は電子伝導性に優れ、導電性パスとして機能する。
【０１１１】
鋼材の表面から突出したＭ２Ｂは、脱落することが懸念される。しかしながら、Ｍ２Ｂは金属析出物であることにより、母相と金属結合しており、脱落することはない。また、Ｍ２Ｂは、大型であり、かつ、非常に硬質な析出物である。そのため、熱間鍛造、熱間圧延、冷間圧延の各工程において機械的に破砕され、均一に分散するようになる。
【０１１２】
Ｍ２Ｂは導電性を有し、破砕されたとしても非常に大型の金属析出物である。そのため、Ｍ２Ｂ単体であっても導電性パスとしての十分な機能は得られる。しかし、Ｍ２３Ｃ６は、Ｍ２Ｂよりもさらに導電性に優れる。そのため、大型で多量に分散しているＭ２Ｂの表面に、導電性に優れるＭ２３Ｃ６を析出させることで、大型かつ導電性に優れる複合析出物が分散して存在する状態となり、アノード極側セル構成部材に用いられる鋼材としてより望ましい表面状態が得られる。
【０１１３】
ここで、Ｍ２Ｂは、凝固末期に進行する共晶反応により析出する。そのため、組成が均一であるとともに、熱的にも極めて安定である特長を有している。鋼材の製造工程における熱履歴によって、再固溶も、再析出も、成分変化もすることはない。
【０１１４】
一方、Ｍ２３Ｃ６は、鋼中のＣ含有量にもよるが、加熱過程でその一部または全てが固溶し、その後の冷却過程でＭ２Ｂの表面に再析出する。すなわち、適切な加熱、冷却条件を設定した熱処理を行うことにより、Ｍ２Ｂを析出核としてその表面に、Ｍ２３Ｃ６が析出した複合析出物とすることができる。
【０１１５】
２．カソード極側セル構成部材
カソード極側セル構成部材１２は以下に説明するステンレス鋼材を含む。なお、カソード極側セル構成部材１２のうち、少なくともガス流路の表面部分に使用される部材が後述するステンレス鋼材で構成されることが好ましい。
【０１１６】
２−１．ステンレス鋼材の化学組成
カソード極側セル構成部材１２に含まれるステンレス鋼材は、Ｓｎ含有量を０．０２％未満に制限する。Ｓｎ含有量を上記の範囲に限定する理由については後述する。
【０１１７】
また、上記のステンレス鋼材の化学組成は、Ｃ：０．００１〜０．２％、Ｓｉ：０．０１〜１．５％、Ｍｎ：０．０１〜２．５％、Ｐ：０．０３５％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：１６．０〜３５．０％、Ｍｏ：０〜７．０％、Ｎｉ：０．０１〜５０．０％、Ｃｕ：０．０１〜３．０％、Ｎ：０．００１〜０．４％、Ｖ：０〜０．３５％、Ｂ：０．５〜１．０％、Ａｌ：０．００１〜６．０％、Ｗ：０〜４．０％、Ｓｎ：０．０２％未満、ＲＥＭ：０〜０．１％、Ｎｂ：０〜０．３５％、Ｔｉ：０〜０．３５％、および、残部：Ｆｅおよび不純物であり、下記（iv）式を満足することが好ましい。
２０．０≦Ｃｒ＋３×Ｍｏ−２．５×Ｂ−１７×Ｃ≦４５．０  ・・・（iv）
【０１１８】
上記のステンレス鋼材は、フェライト系ステンレス鋼材であってもよいし、オーステナイト系ステンレス鋼材であってもよい。上記のフェライト系ステンレス鋼材として、以下の２種のフェライト系ステンレス鋼材が挙げられ、上記のオーステナイト系ステンレス鋼材として、以下の１種のオーステナイト系ステンレス鋼材が挙げられる。それぞれの化学組成について詳しく説明する。
【０１１９】
なお、フェライト相とオーステナイト相との二相組織であると、圧延材である鋼材の成形性に方向性が認められるようになるため、二相系ステンレス鋼材は固体高分子形燃料電池用のセル構成部材としては適さない。
【０１２０】
（ｃ）Ｃ：０．００１％以上０．０２０％未満、Ｓｉ：０．０１〜１．５％、Ｍｎ：０．０１〜１．５％、Ｐ：０．０３５％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：２２．５〜３５．０％、Ｍｏ：０．０１〜６．０％、Ｎｉ：０．０１〜６．０％、Ｃｕ：０．０１〜１．０％、Ｎ：０．０３５％以下、Ｖ：０．０１〜０．３５％、Ｂ：０．５〜１．０％、Ａｌ：０．００１〜６．０％、Ｓｎ：０．０２％未満、ＲＥＭ：０〜０．１％、Ｎｂ：０〜０．３５％、Ｔｉ：０〜０．３５％、および、残部：Ｆｅおよび不純物であり、下記（ｖ）式を満足する、フェライト系ステンレス鋼材。
２０．０≦Ｃｒ＋３×Ｍｏ−２．５×Ｂ≦４５．０  ・・・（ｖ）
【０１２１】
（ｄ）Ｃ：０．０２０〜０．１５％、Ｓｉ：０．０１〜１．５％、Ｍｎ：０．０１〜１．５％、Ｐ：０．０３５％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：２２．５〜３５．０％、Ｍｏ：０．０１〜６．０％、Ｎｉ：０．０１〜６．０％、Ｃｕ：０．０１〜１．０％、Ｎ：０．０３５％以下、Ｖ：０．０１〜０．３５％、Ｂ：０．５〜１．０％、Ａｌ：０．００１〜６．０％、Ｓｎ：０．０２％未満、ＲＥＭ：０〜０．１％、および、残部：Ｆｅおよび不純物であり、下記（iv）式を満足する、フェライト系ステンレス鋼材。
２０．０≦Ｃｒ＋３×Ｍｏ−２．５×Ｂ−１７×Ｃ≦４５．０  ・・・（iv）
【０１２２】
（ｅ）Ｃ：０．００５〜０．２０％、Ｓｉ：０．０１〜１．５％、Ｍｎ：０．０１〜２．５％、Ｐ：０．０３５％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：１６．０〜３０．０％、Ｍｏ：０〜７．０％、Ｎｉ：７．０〜５０．０％、Ｃｕ：０．０１〜３．０％、Ｎ：０．００１〜０．４％、Ｖ：０．３％以下、Ｂ：０．５〜１．０％、Ａｌ：０．００１〜０．２％、Ｓｎ：０．０２％未満、残部：Ｆｅおよび不純物であり、下記（vi）式を満足する、オーステナイト系ステンレス鋼材。
２４．０≦Ｃｒ＋３×Ｍｏ−２．５×Ｂ−１７×Ｃ≦４５．０  ・・・（vi）
【０１２３】
２−２．フェライト系ステンレス鋼材の化学組成
Ｃ：０．００１〜０．１５％
Ｃは、母相の組織および組成、特に鋼中のＣｒ含有量にもよるが、Ｃｒ主体のＭ２３Ｃ６として鋼中に析出することがある。Ｃ含有量を０．００１％以上とすることによって、Ｍ２３Ｃ６が析出して接触抵抗特性が向上するようになる。一方、Ｃを過度に含有させると製造性が著しく悪化する。そのため、Ｃ含有量は０．００１〜０．１５％とする。
【０１２４】
なお、Ｍ２３Ｃ６等のＣｒ系炭化物を活用しない場合には、Ｃ含有量を低く抑えることによって、鋭敏化による耐食性の低下を防止し、常温靱性を向上させ製造性を改善することが可能になる。一方、極端にＣ含有量を低減すると、精練時間が長くなり精練コストが嵩む。このため、Ｃ含有量は０．００１％以上０．０２０％未満としてもよい。この場合、Ｃ含有量は０．００１５％以上であるのが好ましく、０．０１０％未満であるのが好ましい。
【０１２５】
また、Ｍ２３Ｃ６等のＣｒ系炭化物を積極的に活用する場合には、Ｃ含有量は０．０２０〜０．１５％としてもよい。この場合、Ｃ含有量は０．０３０％以上であるのが好ましく、０．１４％以下であるのが好ましい。
【０１２６】
Ｓｉ：０．０１〜１．５％
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。Ｓｉ含有量が０．０１％未満では脱酸が不安定となるばかりでなく、Ａｌ添加量が多くなり製造コストが嵩むようになる。また、鋼材表面疵も発生しやすくなる。一方、Ｓｉ含有量が１．５％を超えると成形性が低下する。そのため、Ｓｉ含有量は０．０１〜１．５％とする。Ｓｉ含有量は０．０５％以上であるのが好ましく、０．１％以上であるのがより好ましい。また、Ｓｉ含有量は１．２％以下であるのが好ましく、１．０％以下であるのがより好ましい。
【０１２７】
Ｍｎ：０．０１〜１．５％
Ｍｎは、鋼中のＳをＭｎ系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。一方、Ｍｎ含有量が１．５％を超えると、製造の際の加熱時に表面に生成する高温酸化スケールの密着性が低下し、表面肌荒れの原因となるスケール剥離を起こし易くなる。そのため、Ｍｎ含有量は０．０１〜１．５％とする。Ｍｎ含有量は０．０５％以上であるのが好ましく、０．１％以上であるのがより好ましい。また、Ｍｎ含有量は１．２％以下であるのが好ましく、１．０％以下であるのがより好ましい。
【０１２８】
Ｐ：０．０３５％以下
Ｐは、Ｓと並んで有害な不純物元素である。Ｐ含有量が０．０３５％を超えると、製造性が低下する。そのため、Ｐ含有量は０．０３５％以下とする。
【０１２９】
Ｓ：０．０１％以下
Ｓは、耐食性にとって極めて有害な不純物元素である。このため、Ｓ含有量は０．０１％以下とする。Ｓは、鋼中共存元素および鋼中のＳ量に応じて、Ｍｎ系硫化物、Ｆｅ系硫化物、または、これらの複合硫化物および酸化物との複合非金属析出物として、そのほとんどが析出している。
【０１３０】
固体高分子型燃料電池のセパレータ環境においては、いずれの組成の硫化物系非金属析出物であっても、程度の差はあるものの腐食の起点として作用し、不動態皮膜の維持、金属イオン溶出抑制にとって有害である。通常の量産鋼のＳ含有量は、０．００５％超〜０．００８％前後であるが、上記の有害な影響を抑制するためには、Ｓ含有量は０．００３％以下であるのが好ましく、０．００２％以下であるのがより好ましく、０．００１％未満であるのがさらに好ましい。Ｓ含有量は低ければ低い程、望ましい。工業的量産レベルで、Ｓ含有量を０．００１％未満とすることは、現状の精錬技術をもってすれば、わずかな製造コストの上昇で可能である。
【０１３１】
Ｃｒ：２２．５〜３５．０％
Ｃｒは、母材の耐食性を確保する作用を有する元素である。Ｃｒ含有量は高いほど高耐食性を示す。また、鋼材中にＭ２Ｂを析出させるためにも、Ｃｒを含有させる必要がある。一方、Ｃｒ含有量が３５．０％を超えると量産規模での生産が難しくなる。そのため、Ｃｒ含有量は２２．５〜３５．０％とする。
【０１３２】
なお、Ｍ２Ｂが析出することにより、母相中で耐食性向上に寄与するＣｒ濃度が、溶鋼段階でのＣｒ濃度に比べて低下して耐食性が低下する場合がある。Ｃ含有量が０．００１％以上０．０２０％未満であって、固体高分子形燃料電池内部での耐食性を確保するためには、下記（ｖ）式を満足することが好ましい。
２０．０≦Ｃｒ＋３×Ｍｏ−２．５×Ｂ≦４５．０  ・・・（ｖ）
【０１３３】
また、Ｍ２３Ｃ６を析出させる場合にも、Ｃｒは必要な元素である。Ｍ２ＢおよびＭ２３Ｃ６が析出することにより、母相中で耐食性向上に寄与するＣｒ濃度が、溶鋼段階でのＣｒ濃度に比べて低下して耐食性が低下する場合がある。Ｃ含有量が０．０２０〜０．１５％であって、固体高分子形燃料電池内部での耐食性を確保するためには、下記（iv）式を満足することが好ましい。
２０．０≦Ｃｒ＋３×Ｍｏ−２．５×Ｂ−１７×Ｃ≦４５．０  ・・・（iv）
【０１３４】
Ｍｏ：０．０１〜６．０％
Ｍｏは、Ｃｒに比べて少量で耐食性を改善する効果がある。また、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が比較的軽微である。このことは、溶出したＭｏが、陰イオンであるモリブデン酸イオンとして存在するため、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を阻害する影響が小さいためと考えられる。
【０１３５】
しかし、６．０％を超える量のＭｏを含有させると、製造途中でシグマ相等の金属間化合物の析出回避が困難となり、鋼の脆化の問題から生産が困難となる。また、Ｍｏは高価な添加元素である。そのため、Ｍｏ含有量は０．０１〜６．０％とする。Ｍｏ含有量は０．０５％以上であるのが好ましく、５．０％未満であるのが好ましい。
【０１３６】
Ｎｉ：０．０１〜６．０％
Ｎｉは、耐食性、靭性を改善する元素である。しかし、Ｎｉ含有量が６．０％を超えると、工業的に熱処理を施してもフェライト単相組織とすることが困難となる。そのため、Ｎｉ含有量は０．０１〜６．０％とする。Ｎｉ含有量は０．０３％以上であるのが好ましい。
【０１３７】
Ｃｕ：０．０１〜１．０％
Ｃｕは溶解原料より不可避に０．０１％以上混入する。０．０１％未満で溶解することは可能であるが、製造コストが嵩む。Ｃｕ含有量が１．０％を超えると、熱間での加工性を減ずることとなり、量産性の確保が難しくなる。そのため、Ｃｕ含有量は０．０１〜１．０％とする。なお、Ｃｕは母相に固溶していることが必要である。金属系析出物として分散すると燃料電池内での腐食起点となり電池性能低下をもたらす。Ｃｕ含有量は０．０２％以上であるのが好ましく、０．８％以下であるのが好ましい。
【０１３８】
Ｎ：０．０３５％以下
Ｎは、不純物として鋼材中に含まれ、常温靭性を劣化させる元素である。そのため、Ｎ含有量は０．０３５％以下とする。工業的にはＮ含有量は０．００７％以下とすることが望ましい。しかし、Ｎ含有量を過剰に低下することは、溶製コストの著しい上昇をもたらす。このため、Ｎ含有量は０．００１％以上であるのが好ましく、０．００２％以上であるのがより好ましい。
【０１３９】
Ｖ：０．０１〜０．３５％
Ｖは、意図的に添加する元素ではないが、量産時溶解原料として用いるＣｒ源中に不可避に含有されている。Ｖは、僅かではあるものの、フェライト系ステンレス鋼の常温靭性を改善する。このため、Ｖ含有量は０．０１〜０．３５％とする。Ｖ含有量は０．０３％以上であるのが好ましく、０．３０％以下であるのが好ましい。
【０１４０】
Ｂ：０．５〜１．０％
Ｂは、溶鋼段階で添加すると、凝固時点で共晶反応により、ほぼ全量がＭ２Ｂとして析出する。鋼材中に析出、分散し、表面に露出したＭ２Ｂは、表面の導電性を改善するとともに、Ｍ２３Ｃ６を析出制御するための析出核としての役割も果たす。Ｂ含有量が０．５％未満では、Ｍ２Ｂの析出量が少なく表面の導電性確保が難しい。一方、１．０％を超えて含有させると延性が著しく低下して鋼材の製造が困難となる。そのため、Ｂ含有量は０．５〜１．０％とする。Ｂ含有量は０．５％以上であるのが好ましく、０．８５％以下であるのが好ましい。
【０１４１】
Ａｌ：０．００１〜６．０％
Ａｌはフェライト形成元素であることに加えて、有効な脱酸元素である。必須で含有させるＢは溶鋼中酸素との結合力が強い元素であるため、Ａｌ脱酸により溶鋼中の酸素濃度を十分に下げておく必要がある。そのため、Ａｌを０．００１％以上含有させる必要がある。一方、６．０％を超える量のＡｌを含有させると、鋼材表面に導電性に劣るアルミ酸化皮膜が生成しやすくなるとともに、製造コストが嵩む。そのため、Ａｌ含有量は０．００１〜６．０％とする。Ａｌ含有量は０．０１％以上であるのが好ましく、５．５％以下であるのが好ましい。
【０１４２】
Ｓｎ：０．０２％未満
上述のように、カソード極側セル構成部材は、通常運転中でも酸化性雰囲気で使用される。そのため、Ｓｎを含有するステンレス鋼材をカソード極側セル構成部材に適用すると、母相の表面等に導電性に劣る酸化スズが厚膜化するようになる。Ｓｎ含有量が０．０２％以上であると、接触電気抵抗の上昇が顕著になり、電池出力が低下するようになる。このため、Ｓｎ含有量は０．０２％未満とする。Ｓｎ含有量は０．０１５％以下であるのが好ましい。Ｓｎ含有量は不純物レベルであってもよい。
【０１４３】
ＲＥＭ：０〜０．１％
ＲＥＭ（希土類元素）は、熱間製造性を改善する効果を有するため、必要に応じて含有させてもよい。しかし、過度の含有は、製造コストの増加につながる。そのため、ＲＥＭ含有量は０．１％以下とする。ＲＥＭ含有量は０．０５％以下であるのが好ましい。上記の効果を得るためには、ＲＥＭ含有量は０．００１％以上であることが好ましく、０．００５％以上であるのがより好ましい。
【０１４４】
ここで、本発明において、ＲＥＭはＳｃ、Ｙおよびランタノイドの合計１７元素を指し、前記ＲＥＭの含有量はこれらの元素の合計含有量を意味する。なお、ランタノイドは、工業的には、ミッシュメタルの形で添加される。
【０１４５】
Ｎｂ：０〜０．３５％
Ｔｉ：０〜０．３５％
ＮｂおよびＴｉは、鋼中のＣおよびＮの安定化元素である。すなわち、ＮｂおよびＴｉは、鋼中では炭化物および窒化物を形成する。そのため、特に、Ｃ含有量が０．００１％以上０．０２０％未満である場合に、これらの１種または２種を必要に応じて含有させてもよい。ＴｉおよびＮｂの含有量は、いずれも０．３５％以下とする。ＮｂおよびＴｉの含有量は０．３０％以下であるのが好ましい。上記の効果を得るためには、ＮｂおよびＴｉの１種または２種を０．００１％以上含有させることが好ましい。また、Ｎｂは（Ｎｂ／Ｃ）値が３．０〜２５．０となるように、Ｔｉは｛Ｔｉ／（Ｃ＋Ｎ）｝値が３．０〜２５．０となるように含有することが好ましい。
【０１４６】
２−３．オーステナイト系ステンレス鋼材の化学組成
Ｃ：０．００５〜０．２０％
Ｃは、オーステナイト相安定化元素である。Ｃ含有量が０．００５％未満であると、オーステナイト相が不安定になり鋭敏化を起こし、鋭敏化による耐食性低下を起こし易くなるとともに、常温靭性が低下して製造性が低下する。一方、Ｃを過度に含有させると製造性が著しく悪化する。そのため、Ｃ含有量は０．００５〜０．２０％とする。Ｃ含有量は０．０１５％以上であるのが好ましい。Ｃ含有量は０．１５％以下であるのが好ましく、０．０２５％以下であるのがより好ましい。
【０１４７】
Ｓｉ：０．０１〜１．５％
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。Ｓｉ含有量が０．０１％未満では脱酸が不安定となるばかりでなく、Ａｌ添加量が多くなり製造コストが嵩むようになる。鋼材表面疵も発生しやすくなる。一方、Ｓｉ含有量が１．５％を超えると成形性が低下する。そのため、Ｓｉ含有量は０．０１〜１．５％とする。Ｓｉ含有量は０．０５％以上であるのが好ましく、０．１％以上であるのがより好ましい。また、Ｓｉ含有量は１．２％以下であるのが好ましく、１．０％以下であるのがより好ましい。
【０１４８】
Ｍｎ：０．０１〜２．５％
Ｍｎは、鋼中のＳをＭｎ系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。Ｍｎ含有量が０．０１％未満では上記効果は得られない。一方、Ｍｎ含有量が２．５％を超えると、製造の際の加熱時に表面に生成する高温酸化スケールの密着性が低下し、表面肌荒れの原因となるスケール剥離を起こし易くなる。そのため、Ｍｎ含有量は０．０１〜２．５％とする。Ｍｎ含有量は０．０５％以上であるのが好ましく、０．１％以上であるのがより好ましい。また、Ｍｎ含有量は１．０％以下であるのが好ましく、０．６％以下であるのがより好ましい。
【０１４９】
Ｐ：０．０３５％以下
Ｐは、Ｓと並んで有害な不純物元素である。Ｐ含有量が０．０３５％を超えると、製造性が低下する。そのため、Ｐ含有量は０．０３５％以下とする。製造性の観点より、Ｐ含有量は、０．０３０％以下であることが好ましい。
【０１５０】
Ｓ：０．０１％以下
Ｓは、耐食性にとって極めて有害な不純物元素である。このため、Ｓ含有量は０．０１％以下とする。Ｓは、鋼中共存元素および鋼中のＳ量に応じて、Ｍｎ系硫化物、Ｆｅ系硫化物、または、これらの複合硫化物および酸化物との複合非金属析出物として、そのほとんどが析出している。
【０１５１】
固体高分子型燃料電池のセパレータ環境においては、いずれの組成の硫化物系非金属析出物であっても、程度の差はあるものの腐食の起点として作用し、不動態皮膜の維持、金属イオン溶出抑制にとって有害である。通常の量産鋼のＳ含有量は、０．００５％超〜０．００８％前後であるが、上記の有害な影響を抑制するためには、Ｓ含有量は０．００３％以下であるのが好ましく、０．００２％以下であるのがより好ましく、０．００１％未満であるのがさらに好ましい。Ｓ含有量は低ければ低い程、望ましい。工業的量産レベルで、Ｓ含有量を０．００１％未満とすることは、現状の精錬技術をもってすれば、わずかな製造コストの上昇で可能である。
【０１５２】
Ｃｒ：１６．０〜３０．０％
Ｃｒは、母材の耐食性を確保する作用を有する元素である。Ｃｒ含有量は高いほど高耐食性を示す。また、鋼材中にＭ２Ｂを析出させるためにも、Ｃｒを含有させる必要がある。一方、Ｃｒはフェライト形成元素であるため、Ｃｒ含有量が３０．０％を超えると、オーステナイト形成元素であるＮｉをオーステナイト相安定化のために多量に含有することが必要になり、成形性の低下が顕著になる。そのため、Ｃｒ含有量は１６．０〜３０．０％とする。
【０１５３】
なお、Ｍ２３Ｃ６を析出させる場合にも、Ｃｒは必要な元素である。Ｍ２ＢおよびＭ２３Ｃ６が析出することにより、母相中で耐食性向上に寄与するＣｒ濃度が、溶鋼段階でのＣｒ濃度に比べて低下して耐食性が低下する場合がある。固体高分子形燃料電池内部での耐食性を確保するためには、下記（vi）式を満足することが好ましい。
２４．０≦Ｃｒ＋３×Ｍｏ−２．５×Ｂ−１７×Ｃ≦４５．０  ・・・（vi）
【０１５４】
Ｍｏ：０〜７．０％
Ｍｏは、Ｃｒに比べて少量で耐食性を改善する効果がある。固体高分子形燃料電池内は腐食環境として厳しい環境であるので、必要に応じてＭｏを含有させてもよい。また、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が比較的軽微である。このことは、溶出したＭｏが、陰イオンであるモリブデン酸イオンとして存在するため、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を阻害する影響が小さいためと考えられる。
【０１５５】
しかし、７．０％を超える量のＭｏを含有させると、製造途中でシグマ相等の金属間化合物の析出回避が困難となり、鋼の脆化の問題から生産が困難となる。また、Ｍｏは高価な添加元素である。そのため、Ｍｏ含有量は７．０％以下とする。Ｍｏ含有量は６．５％以下であるのが好ましい。上記効果を得るためには、Ｍｏ含有量は、０．５％以上であるのが好ましい。
【０１５６】
Ｎｉ：７．０〜５０．０％
Ｎｉは、オーステナイト形成元素であるため、７．０％以上含有させる。しかし、Ｎｉは高価な元素であるため、５０．０％を超えて含有させると、成形性が低下して構造部材としての加工に適さなくなるとともに、製造コストが上昇して固体高分子形燃料電池用のセル構造部材として適用が難しくなる。そのため、Ｎｉ含有量は７．０〜５０．０％とする。
【０１５７】
Ｃｕ：０．０１〜３．０％
Ｃｕはオーステナイト形成元素であるため、０．０１％以上含有させる。しかし、Ｃｕ含有量が３．０％を超えると耐食性が低下する場合がある。そのため、Ｃｕ含有量は０．０１〜３．０％とする。なお、Ｃｕは母相に固溶していることが必要である。金属系析出物として分散すると燃料電池内での腐食起点となり電池性能低下をもたらす。Ｃｕ含有量は０．０２％以上であるのが好ましく、０．８％未満であるのが好ましい。
【０１５８】
Ｎ：０．００１〜０．４％
Ｎは、最も安価なオーステナイト形成元素であるため、０．００１％以上含有させる。しかし、Ｎ含有量が０．４％を超えると、製造性が顕著に低下するとともに、薄板加工性も著しく低下する。そのため、Ｎ含有量は０．００１〜０．４％とする。Ｎ含有量は０．００２％以上であるのが好ましく、０．１％以下であるのが好ましい。
【０１５９】
Ｖ：０．３％以下
Ｖは、量産時に用いる溶解原料として添加するＣｒ源中に不可避に含有されている。Ｖは意図的に添加する必要はないが、含有量の過度の低減はコストの増大を招く。そのため、Ｖ含有量は０．３％以下とする。
【０１６０】
Ｂ：０．５〜１．０％
Ｂは、溶鋼段階で添加すると、凝固時点で共晶反応により、ほぼ全量がＭ２Ｂとして析出する。鋼材中に析出、分散し、表面に露出したＭ２Ｂは、表面の導電性を改善するとともに、Ｍ２３Ｃ６を析出制御するための析出核としての役割も果たす。Ｂ含有量が０．５％未満では、Ｍ２Ｂの析出量が少なく表面の導電性確保が難しい。一方、１．０％を超えて含有させると延性が著しく低下して鋼材の製造が困難となる。そのため、Ｂ含有量は０．５〜１．０％とする。Ｂ含有量は０．５％以上であるのが好ましく、０．８５％以下であるのが好ましい。
【０１６１】
Ａｌ：０．００１〜０．２％
Ａｌは、脱酸元素として溶鋼段階で添加する。必須で含有させるＢは溶鋼中酸素との結合力が強い元素であるので、Ａｌ脱酸により溶鋼中酸素濃度を十分に下げておく必要がある。そのため、Ａｌ含有量は０．００１〜０．２％とする。
【０１６２】
Ｓｎ：０．０２％未満
上述のように、カソード極側セル構成部材は、通常運転中でも酸化性雰囲気で使用される。そのため、Ｓｎを含有するステンレス鋼材をカソード極側セル構成部材に適用すると、母相の表面等に導電性に劣る酸化スズが厚膜化するようになる。Ｓｎ含有量が０．０２％以上であると、接触電気抵抗の上昇が顕著になり、電池出力が低下するようになる。このため、Ｓｎ含有量は０．０２％未満とする。Ｓｎ含有量は０．０１５％以下であるのが好ましい。Ｓｎ含有量は不純物レベルであってもよい。
【０１６３】
２−４．ステンレス鋼材中の析出物
カソード極側セル構成部材１２に含まれるステンレス鋼材は、必要に応じて、鋼材中に、微細に分散析出したＭ２Ｂを含む析出物を有してもよい。また、この析出物は、Ｍ２Ｂを析出核として、その表面にＭ２３Ｃ６が析出した複合析出物をさらに含んでいてもよい。そして、上記の析出物を有している場合には、その一部が鋼材の表面から突出している。鋼材の表面から突出したＭ２ＢまたはＭ２３Ｃ６が導電性パスとしての機能を発揮し、接触抵抗を低減させる効果を有する。
【０１６４】
２−５．ステンレス鋼材表面の耐食めっき層
カソード極側セル構成部材１２に含まれるステンレス鋼材は、必要に応じて、鋼材表面に導電性を有する耐食めっき層を有してもよい。鋼材表面に耐食めっき層を有することにより、接触抵抗が大幅に低減される。耐食めっき層としては、例えば、金めっき層が挙げられる。
【０１６５】
３．製造方法
アノード極側セル構成部材１１に含まれるフェライト系ステンレス鋼材およびカソード極側セル構成部材１２に含まれるステンレス鋼材の製造条件について特に制限はない。例えば、上記の化学組成を有する鋼に対して、熱延工程、焼鈍工程、冷延工程および最終焼鈍工程を順に行うことによって製造することができる。
【０１６６】
なお、熱延工程においては、高温でのα相とγ相の相変態を活用して、結晶粒度調整を行うとともに、Ｍ２３Ｃ６の析出制御を行うことが好ましい。具体的には、圧延途中でα−γの二相組織となるように制御することによって、結晶粒径および粒内析出物の制御が可能となる。
【０１６７】
続いて、必要に応じて、析出物が鋼材表面から突出するよう、表面を粗面化する処理を施すことが望ましい。粗面化処理方法について特に限定は設けないが、酸洗（エッチング）処理が最も量産性に優れている。特に、塩化第二鉄水溶液をスプレー処理するエッチング処理が好ましい。
【０１６８】
高濃度の塩化第二鉄水溶液を用いるスプレーエッチング処理は、ステンレス鋼のエッチング処理法として広く用いられており、使用後の処理液の再利用も可能である。高濃度の塩化第二鉄水溶液を用いるスプレーエッチング処理は、一般に、マスキング処理を行なった後の局所的な減肉処理または貫通穴開け処理として行なわれることが多いが、本発明においては表面粗化のための溶削処理に用いる。
【０１６９】
スプレーエッチング処理について、さらに詳しく説明する。使用する塩化第二鉄溶液は非常に高濃度の酸溶液である。塩化第二鉄溶液濃度は、ボーメ比重計で測定される示度であるボーメ度で定量が行なわれている。表面粗面化のためのエッチング処理は、静置状態または流れのある塩化第二鉄溶液中に浸漬することで行なってもよいが、スプレーエッチングにより表面粗化することが望ましい。これは、工業的規模での生産を行なうに当たって、効率よくかつ精度よく、エッチング深さ、エッチング速度、表面粗化の程度を制御することが可能なためである。スプレーエッチング処理は、ノズルから吐出する圧力、液量、エッチング素材表面での液流速（線流速）、スプレーの当たり角度、液温により制御できる。
【０１７０】
適用する塩化第二鉄溶液は、液中の銅イオン濃度、Ｎｉ濃度が低いことが望ましいが、国内で一般流通している工業品を購入して用いることで問題はない。用いる塩化第二鉄溶液濃度は、ボーメ度にて４０〜５１°の溶液である。４０°未満の濃度では、穴あき腐食傾向が強くなり、表面粗化には不向きである。一方、５１°を超えるとエッチング速度が著しく遅くなり、液の劣化速度も速くなる。大量生産を行なう必要がある固体高分子形燃料電池セパレータのコア材表面の粗化処理液としては不向きである。
【０１７１】
塩化第二鉄溶液濃度は、ボーメ度で、４２〜４６°とすることがより好ましい。塩化第二鉄溶液の温度は２０〜６０℃とするのが好ましい。温度が低下するとエッチング速度が低下し、温度が高くなるとエッチング速度が速くなる。温度が高いと、液劣化も短時間で進行するようになる。
【０１７２】
液劣化の程度は塩化第二鉄溶液中に浸漬した白金板の自然電位を測定することで連続的に定量評価が可能である。液が劣化した場合の液能力回復法の簡便な方法としては、新液注ぎ足し、または新液による全液交換がある。また、塩素ガスを吹き込んでもよい。
【０１７３】
塩化第二鉄溶液によるエッチング処理後は、すぐに多量の清浄な水で表面を強制的に洗浄する。洗浄水で希釈された塩化鉄第二鉄溶液由来の表面付着物（沈殿物）を洗い流すためである。素材表面における流速が上げられるスプレー洗浄が望ましく、また、スプレー洗浄後も流水中にしばらく浸漬する洗浄を併用することが望ましい。
【０１７４】
上述のように、アノード極側セル構成部材１１に含まれるフェライト系ステンレス鋼材においては、母相中に固溶しているＳｎを、事前に母相の表面および析出物の表面に金属スズまたは酸化スズとして濃化させておくことが望ましい。
【０１７５】
洗浄中およびその後の乾燥過程において、表面に付着している各種金属塩化物、水酸化物は、大気中でより安定な金属またはその酸化物に変化する。Ｓｎは、金属スズまたは酸化スズとして、鋼材表面および鋼材表面から突出した析出物表面に濃化する。いずれも、導電性を有しており、表面に濃化して存在することで半導体的な特性を発揮する。
【０１７６】
塩化第二鉄水溶液による表面粗化処理の後に、さらに硫酸水溶液を用いるスプレー洗浄、または浸漬処理を行なってもよい。前工程で用いる塩化第二鉄溶液はｐＨが非常に低く、流速もあるため、金属スズおよび酸化スズはどちらかといえば表面濃化し難い状態にある。しかし、例えば、２０％未満の硫酸水溶液を用いるスプレー洗浄または浸漬処理を、塩化第二鉄溶液によるスプレー洗浄でのエッチング素材表面における液流速（線流速）よりも遅い液流速、または静置に近い状態で行なうと、酸化スズの表面濃化が促進される。
【０１７７】
適用する硫酸水溶液の濃度は、処理を行なう素材の耐食性により異なる。浸漬した際に、表面に気泡発生が認められ始める程度の腐食性に濃度調整する。腐食を伴いながら激しく気泡が発生するような濃度条件は望ましくない。前述の金属またはその酸化物が表面で濃化するのに支障をきたし、固体高分子形燃料電池適用直後の接触抵抗を下げる働きを低下するおそれがあるためである。
【０１７８】
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【０１７９】
アノード極側セパレータおよびカソード極側セパレータに用いた素材（鋼材）は、化学組成を表１に示す鋼材１〜６のいずれかである。鋼材１〜６は、全て、光輝焼鈍仕様（ＢＡ仕様）冷間圧延ステンレスコイル材であり、板厚は０．１２６ｍｍ、コイル幅は２４０ｍｍである。成形加工は、専用の順送り金型および汎用の２５０トンプレス機を用いて行った。【０１８０】
【表１】
2017170066.tif 000003
【０１８１】
図３は、実施例で用いたセパレータの形状を示す写真である。セパレータの流路は、並行３本流路のサーペンタイン型であり、流路幅は１ｍｍであり、深さは０．７ｍｍである。カソード側、アノード側に同じ形状のセパレータを反転させて配置し、固体高分子形燃料電池セルを構成した。セルとしての有効反応面積は１００ｃｍ２である。【０１８２】
ＭＥＡとしては、高分子膜の両側に触媒層を設け、拡散層としてカーボンペーパを適用した市販の一体型ＭＥＡを用いた。白金触媒担持量は、アノード側０．０５ｍｇ／ｃｍ２、カソード側０．４ｍｇ／ｃｍ２である。【０１８３】
鋼材１〜５では、鋼中にＭ２Ｂが分散していた。鋼材２および４では、さらに、分散しているＭ２Ｂの表面にＭ２３Ｃ６が析出していた。鋼材２および４においては、単独で析出しているＭ２Ｂはほとんど存在せず、単独で析出しているＭ２３Ｃ６も容易には確認できない程度の析出量であった。【０１８４】
その後、上記の鋼材１〜６に対して、表面粗さの調整のための塩化第二鉄水溶液スプレーエッチング処理を行った。溶削量は片面それぞれ８μｍであり、スプレーエッチング処理後の板厚は０．１１ｍｍである。【０１８５】
さらに、鋼材６については、シアン浴中での金めっき処理により、平均目付量２０ｎｍ厚の導電性耐食めっきを付与した。【０１８６】
表面粗さの調整により、鋼材１、３および５では、鋼中に析出しているＭ２Ｂが、鋼材２および４では、Ｍ２Ｂを析出核としてその表面にＭ２３Ｃ６が析出している複合析出物、Ｍ２３Ｃ６それぞれの一部が、鋼材表面から突出した。【０１８７】
スプレーエッチング処理の直後には、清浄な酸溶液および水により洗浄した。これにより、鋼中にＳｎを含有する鋼材１および２では、母相表面、ならびにＭ２Ｂ、Ｍ２Ｂを析出核としてその表面にＭ２３Ｃ６が析出している複合析出物、およびＭ２３Ｃ６の表面のいずれにも、金属スズおよび酸化スズが表面を薄く覆う状態となった。【０１８８】
表面の粗さは、塩化第二鉄溶液の濃度、液温、スプレー速度（板表面での線流速）、スプレー処理時間により調整した。具体的には、ボーメ度４３度、３５℃の塩化第二鉄水溶液を用いてスプレー処理した。スプレーの吐出圧は２ｋｇ／ｃｍ２であり、スプレー時間は約４０秒間であった。【０１８９】
セルを構成するために、ＥＰＤＭ製のガスケットとタック性を有するＰＥＮフィルムとを用いた。セルとしての一体化後には、水素ガスおよび冷却水の漏れのないことを燃料電池として組み付け後に確認した。【０１９０】
実施例で用いた燃料電池評価用運転設備は、市販の機器を組み合わせて製作した。燃料電池評価用運転設備では、燃料電池スタックのアノード極側ガス入口およびアノード極側ガス出口に直結してガス温度の低下が起きないように保温した内容積５０ｍｌのガス滞留タンクを設けた。起動時の設定水素ガス流量の１０倍の容量に相当する。【０１９１】
さらに、入り側タンク手前の配管に三方電磁弁を設けて、燃料電池へのアノード側供給ガスの空気から水素、水素から空気へガス切り替えが瞬時に行われるようにした。これにより、燃料電池起動時のアノード極側で発生するＨ＋欠乏状態を再現することが可能になる。【０１９２】
三方電磁弁切り替え直後のアノード極側ガス入口設置のガス滞留タンク内の空気は、１０〜２０秒間前後をかけて水素ガスにより置換されるが、その間にセル内のアノード極側に流入するアノード極側ガス中の水素濃度もアノード極側ガス入口設置の滞留タンク内の空気で希釈された状態で流入するために低下しており、滞留タンク内の水素ガス置換の進行状況とともに次第に濃化することとなる。【０１９３】
一方、セルのアノード極側出口側は、出口側に設置のガス滞留タンク内の空気により、電池内反応後のアノード極側ガスがさらに希釈されることになる。本実施例で用いるセルの反応面積は小さく、流路内の内容積も小さいが、ガス滞留タンクをアノードガス極側ガス入口およびアノードガス極側ガス出口に直結して設置することにより２０秒間前後にわたって電池起動時の過渡的なセル内条件を再現することができる。【０１９４】
燃料電池の組み付けは単セル構成とし、起動に際しては、アノード極側、カソード極側ともに配管内も含めて窒素ガス置換を行った後に、アノード極側に空気を導入するとともにカソード極側に水素を導入して、電池反応を始動させた。【０１９５】
ガス流量は、水素が３００ｃｃ／ｍｉｎ、空気が６００ｃｃ／ｍｉｎで一定として、電流密度が０．１Ａ／ｃｍ２で一定となるように保持した。【０１９６】
性能評価は、セル電圧低下およびセル抵抗上昇の度合い、ならびに運転終了後のＭＥＡ膜金属汚染量の測定により行った。ＭＥＡ膜金属汚染量はセパレータの腐食程度を示す。具体的には、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、ＳｎおよびＰｔの量を定量した。しかし、Ｃｒ、Ｎｉ、ＳｎおよびＰｔの量は僅かであったため、Ｆｅ量をセパレータの腐食程度の指標とした。【０１９７】
ＭＥＡ膜汚染のＦｅ量が多くなると、過酸化水素生成を伴うフェントン反応により高分子膜の膜分解劣化が進行するとともに、Ｐｔ触媒の溶出が進行してＭＥＡ膜性能が低下する。運転時間が長くなり高分子膜に穴あきが発生すると、燃料電池の運転継続が困難になる。なお、本実施例では穴あきは発生しなかった。【０１９８】
電池として運転中の電気的なセル抵抗値は、鶴賀電機株式会社製抵抗計（ＭＯＤＥＬ３５６５）により測定した。表示されるセル抵抗値は、四端子法による周波数１ｋＨｚでの交流インピーダンス値である。【０１９９】
セル抵抗値の上昇は、高分子膜抵抗値の上昇を示しており、電池運転中のＭＥＡの乾燥および濡れ状態、ならびにＭＥＡ膜性能の低下を確認できる指標である。セル抵抗値が２ｍΩ超えて大きく上昇し始めることは、ＭＥＡの劣化が進行していることを示す。【０２００】
各セルのアノード極側およびカソード極側のセパレータに用いた鋼材の種類および上記の測定結果を表２にまとめて示す。【０２０１】
【表２】
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【０２０２】
表２に示すように、本実施例では、運転後のセル抵抗値は、いずれも１ｍΩ未満であり、高分子膜そのものの劣化はほとんど問題ないと判断できる。【０２０３】
また、セル電圧を詳細に比較検討すると、運転開始後１００時間後と、２０００時間後のセル電圧値に実施例および比較例の間で性能差はなく、かつ、燃料電池運転では不可避な程度のセル電圧性能の低下範囲にあることが確認された。【０２０４】
このことから、アノード極側に水素が充満している状態でアノード極側に空気を導入することなく、かつ、運転中の設定電流値が一定であり、電池の休止および起動も行わない本実施例の環境では、セパレータの材質による性能劣化に差が生じないことが分かる。すなわち、アノード極側に空気が入ることがない定電流運転の環境下では、本発明に係る固体高分子形燃料電池用セルの効果は確認できなかった。運転終了後のＭＥＡ中のＦｅイオン量定量結果においても運転に伴うＦｅイオン量増加も確認できなかった。
【実施例２】
【０２０５】
実施例２では、モード運転（一定条件での繰り返し運転）を行った。初回起動時には、アノード極側およびカソード極側ともに、配管内も含めて窒素ガス置換を行った後に、アノード極側に水素を導入するとともにカソード極側に空気を導入し、電池運転を開始した。全評価時間を通じて、運転中は、アノード極側への空気導入は行っていない。【０２０６】
ただし、本実施例では、実際の固体高分子形燃料電池の起動時に発生する電位上昇を実験室的に再現するために、アノード極側が水素雰囲気ままで外部から１．０Ｖのセル電圧（一定）を、電子負荷装置を用いてセルに電圧負荷する条件をモード中に設定した。【０２０７】
具体的な運転モードは、（ｓ１）セル電圧１．０Ｖ（一定）２０秒間保持運転、（ｓ２）電流密度０．１Ａ／ｃｍ２での５分間保持運転、（ｓ３）電流密度０．２Ａ／ｃｍ２での３分間保持運転、（ｓ４）電流密度０．３Ａ／ｃｍ２での３分間保持運転、（ｓ５）電流密度０．４Ａ/ｃｍ２での５分間保持運転、および（ｓ６）開路状態での２０秒間保持（外部電源により電池に負荷をかけていない状態）の、６つのステップの繰り返しである。【０２０８】
なお、ガス流量は、電流密度０．１Ａ／ｃｍ２当たり水素３００ｃｃ／ｍｉｎ、空気６００ｃｃ／ｍｉｎを流した。設定電流密度が０．４Ａ／ｃｍ２では、水素１２００ｃｃ/ｍｉｎ、空気２４００ｃｃ／ｍｉｎの設定流量となる。本セパレータを適用するにあたって、最も安定した動作が補償できると判断される最適流量である。【０２０９】
開路状態保持およびセル電圧１．０Ｖ（一定）保持運転時のステップでは、流速３００ｃｃ／ｍｉｎで水素ガスを流した。電池運転温度は６８℃とした。セル電圧１．０Ｖは、アノード極側に空気が充満している状態で水素ガスを導入した際に本スタックとして確認されたセル電圧上昇値である。ステンレス鋼では、過不動態域と呼ばれる電位域であり、ステンレス鋼表面に生成している不動態皮膜が、過不動態域で安定な過不動態皮膜に変化する電位環境である。表面皮膜変化による金属溶出が進行し易い環境と見做せる。評価運転時間は１０００時間であり、モード繰り返し数は、３６００サイクルである。【０２１０】
各セルのアノード極側およびカソード極側のセパレータに用いた鋼材の種類および測定結果を表３にまとめて示す。【０２１１】
【表３】
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【０２１２】
実施例１で示した０．１Ａ／ｃｍ２での定電流保持運転での運転開始後１００時間後のセル電圧に比較してセル電圧低下が大きいことから、本モード運転条件では、ＭＥＡ性能低下が大きいことが確認できる。【０２１３】
ただし、１０００時間後のセル電圧は１００時間経過後とほぼ同等であり、大きなセル電圧低下は発生していない。セル性能としては安定していると判断できる。運転終了後のＭＥＡ中のＦｅイオン濃度も１００ｐｐｂ未満であり、性能低下を促すようなＦｅイオン濃度には至っていないと判断された。
【実施例３】
【０２１４】
実施例３では、実施例２と類似パターンでのモード運転（一定条件での繰り返し運転）を行った。ただし、初回起動時には、アノード極側およびカソード極側ともに、配管内も含めて窒素ガス置換を行った後に、アノード極側ならびにカソード極側双方に空気を導入した後に電池運転を開始した。【０２１５】
さらに、実際の固体高分子形燃料電池の起動時に発生する電位上昇を実験室的に再現するために、開路状態保持のモードの際に、三方電磁弁を切り替えてアノード極側水素雰囲気に空気を導入して水素から空気へのガス置換（流速２４００ｃｃ／ｍｉｎ、２０秒間保持）を行なうとともに、その後に、三方電磁弁を切り替えてアノード極側に水素ガスを流速３００ｃｃ／ｍｉｎで導入した。外部からの電子負荷装置による１．０Ｖ（一定）負荷は、条件設定の再現性を高めるための操作である。【０２１６】
具体的な運転モードは、（ｓ１）セル電圧１．０Ｖ（一定）保持運転（２０秒間）、（ｓ２）電流密度０．１Ａ／ｃｍ２での５分間保持運転、（ｓ３）電流密度０．２Ａ／ｃｍ２での３分間保持運転、（ｓ４）電流密度０．３Ａ／ｃｍ２での３分間保持運転、（ｓ５）電流密度０．４Ａ／ｃｍ２での５分間保持運転、および（ｓ６）開路状態での２０秒間保持（外部電源により電池に負荷をかけていない状態）の繰り返しである。評価運転時間は１０００時間であり、モード繰り返し数は３６００サイクルである。【０２１７】
各セルのアノード極側およびカソード極側のセパレータに用いた鋼材の種類および測定結果を表４にまとめて示す。【０２１８】
【表４】
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【０２１９】
運転開始後１００時間では性能差が明瞭ではないが、１０００時間後のセル電圧、セル抵抗値では明瞭である。セル電圧が０．７５Ｖ以上であれば性能良好と判断される。アノード極側のセパレータのみにＳｎ含有のフェライト系ステンレス鋼材を用いた本発明例の試験Ｎｏ．７５〜７８および８１〜８４においては、性能低下が小さく、セパレータ材質の組み合わせとして好ましいと判断できる。【０２２０】
一方、アノード極側およびカソード極側の双方のセパレータにＳｎ含有のフェライト系ステンレス鋼材を用いた比較例の試験Ｎｏ．７３、７４、７９および８０では、セル抵抗値の上昇が明瞭である。酸化性雰囲気であるカソード極側で不可避に進行するステンレス基材の溶出（腐食）と酸化スズの生成が顕著となり、表面の接触抵抗上昇をもたらしていると判断される。評価終了後の解体においても、ＭＥＡ表面（拡散層）含めて、カソード極側セパレータ表面で、酸化スズ付着が顕著であった。【０２２１】
また、アノード極側のセパレータにＳｎを含有していないステンレス鋼材を用いた比較例の試験Ｎｏ．８５〜１０１では、明瞭なセル電圧低下が確認された。【０２２２】
比較例の試験Ｎｏ．１０２は、アノード極側のセパレータ素材がＳｎを含有しない場合に比べて性能が劣っているが、セル電圧低下は比較的軽微であった。セル電圧低下が相対的に小さいのは、カソード極側に適用している金めっき処理の効果によると判断できる。【０２２３】
一方、比較例の試験Ｎｏ．１０３〜１０８では、試験Ｎｏ．１０２に比較すると、セル電圧低下が大きくなっている。金めっき処理では不可避に残留するめっき欠陥からの母相腐食の影響があるためと判断される。めっき欠陥からのガルバニック腐食が進行したと判断できる。【０２２４】
評価終了後のＭＥＡ分析結果からも、優劣が確認できる。ただし、高分子膜劣化に伴う電池性能劣化が顕在化するには至っておらず、カソード極側のカーボン腐食に伴う触媒性能劣化によるセル電圧低下が主体であると判断された。【０２２５】
本実施例により、アノード極側に空気が入るサイクル運転の環境下では、セパレータの材質による性能劣化に差が生じ、本発明の効果が確認された。
【符号の説明】
【０２２６】
１  燃料電池スタック
２  固体高分子電解質膜
３  燃料電極膜（アノード）
４  酸化剤電極膜（カソード）
５ａ，５ｂ  セパレータ
６ａ，６ｂ  流路
１０  固体高分子形燃料電池セル
１１  アノード極側セル構成部材
１２  カソード極側セル構成部材
１３  アノード極側燃料ガス流路
１４  カソード極側ガス流路
１５，１６  拡散層
１７，１８  触媒層
１９  高分子膜
２０  ＭＥＡ
【図１】
2017170066.tif 000007
【図２】
2017170066.tif 000008
【図３】
2017170066.tif 000009
【国際調査報告】
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2017170066.tif 000011
2017170066.tif 000012
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