(57)【要約】【課題】電気伝導性、耐食性及び耐摩耗性に優れ、かつ窒化後においても変形することがないステンレス鋼箔を提供する。【解決手段】窒化装置１は、ステンレス鋼箔２０を所定の予熱温度で予熱するヒータ６と、予熱されたステンレス鋼箔を予熱温度以上の温度でプラズマ窒化する窒化炉２と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステンレス鋼箔を所定の予熱温度で予熱するヒータと、予熱されたステンレス鋼箔を前記予熱温度以上の温度でプラズマ窒化する窒化炉と、を備えることを特徴とする窒化装置。
【請求項２】
ステンレス鋼箔を所定の予熱温度で予熱する予熱工程と、
予熱されたステンレス鋼箔を、前記予熱温度以上の温度でプラズマ窒化する窒化工程と、を含むことを特徴とするステンレス鋼箔の窒化方法。
【請求項３】
前記予熱を５００[℃]以下の温度で行うことを特徴とする請求項２に記載のステンレス鋼箔の窒化方法。
【請求項４】
燃料又は酸化剤の通路と、前記通路の外面に沿って延在する窒化層と、を備えることを特徴とする燃料電池電池用セパレータ。
【請求項５】
窒化層と、前記窒化層に刻設された燃料又は酸化剤の通路と、を備えることを特徴とする燃料電池電池用セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、窒化装置、ステンレス鋼箔の窒化方法及び燃料電池用セパレータに関し、特に燃料電池用セパレータとして使用するステンレス鋼箔を窒化する窒化装置及び窒化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
オーステナイト系ステンレス鋼は、自動車用エンジン等種々の耐食性が要求される分野で活用されている。近年では、自動車用の内燃機関に代えて作動するモータの電源として燃料電池が利用され、この燃料電池に用いるセパレータの基材としてオーステナイト系ステンレス鋼の使用が検討されている。
【０００３】
燃料電池は、使用される電解質の種類に応じて、固体高分子電解質型、リン酸型、溶融炭酸塩型及び固体酸化物型等がある。そのうちの一つである固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）は、電解質として分子中にプロトン交換基を有する高分子電解質膜を使用し、高分子電解質膜を飽和に含水させるとプロトン伝導性電解質として機能することを利用した電池である。固体高分子電解質型燃料電池は比較的低温で作動し、かつ発電効率が高い。更には、固体高分子電解質型燃料電池は他の付帯設備と共に小型で軽量であるため、電気自動車搭載用を始めとする各種の用途が見込まれている。
【０００４】
上記固体高分子電解質型燃料電池は燃料電池スタックを有する。燃料電池スタックは、電気化学反応により発電を行う基本単位となる単セルを複数個積層して両端部をエンドフランジで挟み、締結ボルトにより加圧保持されて一体に構成される。単セルは、高分子電解質膜とその両側に接合されるアノード（燃料極）とカソード（酸化剤極）とにより構成される。
【０００５】
図１０は、燃料電池スタックを形成する単セルの構成を示す断面図である。図１０に示すように、単セル７０は、固体高分子電解質膜７１の両側に酸化剤極７２及び燃料極７３を接合して一体化した膜電極接合体を有する。酸化剤極７２及び燃料極７３は、反応膜７４及びガス拡散層７５（ＧＤＬ:ｇａｓ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｌａｙｅｒ）を備えた２層構造であり、反応膜７４は固体高分子電解質膜７１に接触している。酸化剤極７２及び燃料極７３の両側には、積層のために酸化剤極側セパレータ７６及び燃料極側セパレータ７７が各々設置される。そして、酸化剤極側セパレータ７６及び燃料極側セパレータ７７により、酸化剤ガス流路、燃料ガス流路及び冷却水流路が形成される。
【０００６】
上記構成の単セル７０は、固体高分子電解質膜６１の両側に酸化剤極７２、燃料極７３を配置して、通常、ホットプレス法により一体に接合して膜電極接合体を形成し、次に膜電極接合体の両側にセパレータ７６、７７を配置して製造する。上記単セル７０から構成される燃料電池では、燃料極７３側に、水素、二酸化炭素、窒素、水蒸気の混合ガスを供給し、酸化剤極７２側に空気及び水蒸気を供給すると、主に、固体高分子電解質膜７１と反応膜７４との間の接触面において電気化学反応が起こる。以下、より具体的な反応について説明する。
【０００７】
上記構成の単セル７０において、酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路に酸化剤ガス及び燃料ガスが各々供給されると、酸化剤ガス及び燃料ガスが各ガス拡散層７５を介して反応膜７４側に供給され、各反応膜７４において以下に示す反応が起こる。
【０００８】
燃料極側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ-          ・・・式（１）
酸化剤極側：(１／２)Ｏ2＋２Ｈ+ ＋ ２ｅ-→Ｈ2Ｏ    ・・・式（２）
燃料極７３側に水素を含む燃料ガスが供給されると、式（１）の反応が進行して、Ｈ+ とｅ-とが生成する。Ｈ+は、水和状態で固体高分子電解質膜７１内を移動して酸化剤極７２側に流れ、ｅ- は負荷７８を通って燃料極７３から酸化剤極７２に流れる。酸化剤極７２側では、Ｈ+とｅ-と供給された酸素ガスとにより、式（２）の反応が進行して、電力が生成する。
【０００９】
上述したように、燃料電池スタックに使用される燃料電池用セパレータは各単セル間を電気的に接続する機能を有するため、電気伝導性が良好であり、かつ、ガス拡散層等の構成材料との接触抵抗が低いことが要求される。また、燃料電池に供給される各ガスの温度は８０〜９０[℃]と高温であり、上記したように燃料極ではＨ+が生じる。また、酸素や空気等が通過する酸化剤極は酸性度がｐＨ２〜３の酸性雰囲気にある。このため、燃料電池用セパレータには、酸化剤極及び燃料極と共に強酸性雰囲気に耐え得る耐食性が要求される。
【００１０】
オーステナイト系ステンレス鋼は、表面に緻密な不動態皮膜、すなわちＣｒ（クロム）酸化物（ＣｒＯ・ＯＨ・ｎＨ2Ｏ、Ｃｒ２Ｏ３・ｘＨ2Ｏ）が形成されているため、優れた耐食性を有する。しかし、オーステナイト系ステンレス鋼を燃料電池用セパレータとして用いた場合には、この不動態皮膜は、通常ガス拡散層として用いられるカーボンペーパとの間に接触抵抗を生ずる。燃料電池内の抵抗分極による過電圧は、定置型用途では、コージェネレーション等により排熱を回収し、トータルとしての熱効率の向上が期待できる。しかし、自動車用用途では、接触抵抗に基づく発熱ロスは冷却水を通してラジエータより外部へ捨てるしかないため、接触抵抗が大きいと効率低下につながる。また、この効率低下は発熱が大きくなることと等価であるため、より大きな冷却系を装備する必要も出てくる。このように接触抵抗の低下は解決すべき重要な課題である。
【００１１】
そこで、ステンレス鋼をプレス成形して形成した燃料電池用セパレータのうち、電極と接触する面に直接金メッキ層を形成した燃料電池用セパレータが提案されている（特許文献１参照）。また、ステンレス鋼を燃料電池用セパレータに加工した後、他の部材と接触して接触抵抗を生ずる面の不動態皮膜を除去して貴金属又は貴金属合金を付着させた燃料電池用セパレータが提案されている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平１０−２２８９１４号公報（第２頁、第２図）
【特許文献２】特開２００１−６７１３号公報（第２頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、貴金属を燃料電池用セパレータの表面にコーティングすると素材コストが高くなり、しかも、酸洗、メッキ、洗浄など複数の製造工程を要するため、更なるコストの増加につながる。また、ステンレス鋼表面には不動態皮膜があるため、表面を処理するためには活性水素ガスによる不動態皮膜の還元除去、あるいは、酸洗いなどの不動態皮膜の除去が必要である。さらに、ステンレス鋼の表面に窒化処理を施すことも考えられているが、ステンレス鋼箔においては剛性が低いため窒化温度で熱変形し易くなる。このため、窒化処理前の平面度をそのまま保つことが難しく、窒化処理を施したステンレス鋼を部品形状にプレス成形した場合、部品寸法の精度を確保できず組み付けられない場合がある。また、部品形状にプレス成形した後に窒化処理を施した場合には、窒化処理によるステンレス鋼箔の熱変形のため寸法精度が落ち、組み付けられない場合がある。そして、平面度を保つために窒化温度を低くすると、電気伝導性、耐食性、耐摩耗性の向上をはかる上で難がある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
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、第１の発明である窒化装置は、ステンレス鋼箔を所定の予熱温度で予熱するヒータと、予熱されたステンレス鋼箔を予熱温度以上の温度でプラズマ窒化する窒化炉と、を備えることを要旨とする。
【００１４】
また、第２の発明であるステンレス鋼箔の窒化方法は、ステンレス鋼箔を所定の予熱温度で予熱する予熱工程と、予熱されたステンレス鋼箔を、予熱温度以上の温度でプラズマ窒化する窒化工程と、を含むことを要旨とする。
【００１５】
更に、第３の発明である燃料電池用セパレータは、燃料又は酸化剤の通路と、この通路の外面に沿って延在する窒化層と、を備えることを要旨とする。
【発明の効果】
【００１６】
第１の発明によれば、電気伝導性、耐食性及び耐摩耗性に優れ、かつ窒化後においても変形することがないステンレス鋼箔を提供可能な窒化装置を実現することができる。また、予熱と窒化を連続して行えるため、生産性が良く、低コストな部材を提供することができる。
【００１７】
第２の発明によれば、プラズマ窒化法でステンレス鋼箔の表面が真空雰囲気の酸素分圧の低い状態で窒化されるため、ステンレス鋼の表面が大気に曝されることなく窒化処理できる。このため、ステンレス鋼表面に不動態皮膜が形成されず、イオン衝撃エネルギによる加熱と窒素イオンの打ち込みをするプラズマを利用するため、窒素濃度の高い窒化層がステンレス鋼表面に形成される。このように、電気伝導性と耐食性という相反する機能を有するステンレス鋼箔が得られる。さらに、予熱をヒータによる外熱としたため、ステンレス鋼箔の表面温度を熱変形しない温度に制御できることから、窒化後においてもステンレス鋼箔が変形することがなく、そのまま部材として使用することができる。
【００１８】
第３の発明によれば、セパレータと電極間で発生する接触抵抗が低く、耐食性に優れ、かつ低コストの燃料電池用セパレータを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２０】
図１は、本発明の実施の形態に係る窒化装置１の模式的側面図、図２は、窒化装置１のシステム図である。
【００２１】
窒化装置１は、バッチ式の窒化炉２と、この窒化炉２に雰囲気ガスを供給するガス供給装置３と、窒化炉２内でプラズマを発生させるプラズマ電極４ａ、４ｂ及びこれらの電極４ａ、４ｂに直流電圧を供給する直流電源４と、窒化炉２内のガスを排出するポンプ５と、窒化炉２内を加熱するヒータ６と、窒化炉２内の温度を検知する温度センサ７とを含んでいる。窒化炉２は内壁２ａ及び外壁２ｂを有し、内壁２ａの天井部２ｃにはステンレス鋼箔２０を吊下するステンレス製のハンガ８が設けられる。ガス供給装置３は、ガス室９とガス供給管路１０とを有し、ガス室９には開口３ａ、３ｂ、３ｃ及び３ｄが設けられている。開口３ａ、３ｂ及び３ｃは、それぞれガス供給弁Ｖ１、ガス供給弁Ｖ２及びガス供給弁Ｖ３を備えるＮ２ガス供給ライン３ｅ、Ｈ２ガス供給ライン３ｆ、Ａｒガス供給ライン３ｇと連通する。ガス供給装置３は、ガス供給管路１０の一端と連通する開口３ｄを有する。窒化炉２の天井部２ｃには、ガス供給管路１０の他端と連通する開口２ｄを有する。ガス供給管路１０にはガス供給弁Ｖ４が設けられる。窒化炉２内のガス圧は、窒化炉２の底部２ｅに設けられたガス圧センサ１１によって検知される。窒化炉２には冷却水流路（不図示）が設けられ、冷却水は窒化炉２の外壁２ｂに設けられた開口２ｆから冷却水流路に流入し、開口２ｇから流出する。開口２ｆには冷却水供給弁Ｖ５が設けられ、冷却水の流量を調節する。ポンプ５は、上記底部２ｅに設けられた開口２ｈと連通する排出管路１１と接続される。ヒータ６は窒化炉２の内部に設置され、交流電源１３と接続される。温度センサ７は、窒化炉２の外壁２ｂに設けられた設置口２ｉに設置される。窒化炉２は、ガス供給装置３、直流電源４、ガス圧センサ１１及び交流電源１３を制御する操作盤１４を有する。
【００２２】
図３（ａ）は、窒化装置１で窒化されたステンレス鋼箔２０の斜視図、図３（ｂ）は、ステンレス鋼箔２０のIIIb-IIIb線断面図である。このステンレス鋼箔２０の上面２１には、断面矩形状の燃料又は酸化剤の通路２２が刻設されている。ステンレス鋼箔２０は、ステンレス鋼からなる基材２３と上記通路２２の外面に沿って延在する窒化層２４とを有する。
【００２３】
図４はステンレス鋼箔２０の窒化方法を示すタイムチャート、表１は窒化装置１の制御操作一覧である。
【表１】
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【００２４】
図４及び表１を参照し、窒化装置１を用いたステンレス鋼箔２０の窒化方法について説明する。先ず、ステンレス鋼箔２０はハンガ８により窒化炉２内部に吊下する。次いで、表１に従って窒化処理を行う。表１中において、Ｏは開弁、Ｃは閉弁、ｏｎは電源供給、ｏｆｆは電源遮断を意味する。
【００２５】
詳細には、時間ｔ０において、ガス供給弁Ｖ１、ガス供給弁Ｖ２、ガス供給弁Ｖ３及びガス供給弁Ｖ４を閉じ、冷却水供給弁Ｖ５を開き、ポンプＰをオンにし、直流電源Ｖｇ及び交流電源Ｖｈはオフにする。時間ｔ１において、ガス供給弁Ｖ１及びガス供給弁Ｖ２を閉じ、ガス供給弁Ｖ３、ガス供給弁Ｖ４及び冷却水供給弁Ｖ５を開き、交流電源Ｖｈをオンにする。ここで、窒化炉２内にＡｒガスを供給すると共に、ポンプ５により窒化炉２内が０．１[Ｔｏｒｒ]（＝１３．３[Ｐａ]）になるまで真空引きする。また、交流電源Ｖｈによりヒータ９に電源が入り、窒化炉２内部のＡｒガスを加熱する。時間ｔ２において、弁Ｖ１〜Ｖ５、ポンプＰ、直流電源Ｖｇ及び交流電源Ｖｈの状態は時間ｔ１と同じである。そして、時間ｔ１〜ｔ２の間では、窒化炉２内部のＡｒガスはヒータ９により加熱されて温度Ｔ１となる。時間ｔ３では、ガス供給弁Ｖ１及びガス供給弁Ｖ２を開き、Ａｒガス供給弁Ｖ３を閉じ、直流電源Ｖｇをオン、交流電源Ｖｈをオフにする。時間ｔ２〜ｔ３の間では、窒化炉２内の温度が温度Ｔ１となるように温度を制御し、ステンレス鋼箔の温度をＴ１にする。時間ｔ４では弁Ｖ１〜Ｖ５、ポンプＰ、直流電源Ｖｇ及び交流電源Ｖｈの状態は時間ｔ３と同じである。時間ｔ３〜ｔ４の間では、窒化炉２内にＮ２ガス及びＨ２ガスの混合ガスを数[Ｔｏｒｒ]になるまで導入し、プラズマの発生により温度Ｔ２になるまで窒化炉２内部の混合ガスを加熱する。時間ｔ５では、ガス供給弁Ｖ１、ガス供給弁Ｖ２及びガス供給弁Ｖ４を閉じ、冷却水供給弁Ｖ５を開き、ポンプＰをオンにし、交流電源Ｖｈはオフにする。時間ｔ４〜ｔ５の間では、窒化炉２内部の混合ガスはプラズマの発生によるイオン衝撃エネルギにより加熱されて温度Ｔ２となるように温度制御される。時間ｔ６では弁Ｖ１〜Ｖ５、ポンプＰ、直流電源Ｖｇ及び交流電源Ｖｈの状態は時間ｔ５と同じである。時間ｔ５〜ｔ６の間では、ポンプ５により窒化炉２内を真空引きしながらプラズマ窒化を行ったステンレス鋼箔が取り出せる温度になるまで放置する。
【００２６】
上記窒化方法により、ステンレス鋼箔２０の表面が窒化されるため、ステンレス鋼の表面が大気に曝されることなく窒化処理できる。このため、ステンレス鋼箔２０の上面２１に不動態皮膜が形成されない。また、イオン衝撃エネルギによる加熱と窒素イオンの打ち込みをするプラズマを利用するため、窒素濃度の高い窒化層２４がステンレス鋼箔２０の上面２１に形成される。このように、電気伝導性、耐食性及び耐摩耗性に優れ、かつ窒化後においても変形することがないステンレス鋼箔が得られる。また、電気伝導性と耐食性という相反する機能を有するステンレス鋼箔が得られる。さらに、上記窒化装置１では予熱と窒化を連続して行えるため、生産性が良く、低コストな部材を提供することができる。なお、予熱を５００[℃]以下の温度で行うことが好ましい。予熱をプラズマ加熱にした場合には予熱工程の温度が窒化工程の温度を超えるため、ステンレス鋼箔が熱変形する場合がある。これに対し、予熱を５００[℃]以下の温度で行う場合には、ステンレス鋼箔は熱変形することがなく、そのまま部材として使用できるステンレス鋼箔を提供することができる。
【００２７】
また、上記窒化装置１により得られたステンレス鋼箔２０は、断面矩形状の燃料又は酸化剤の通路２２と、この通路２２の外面に沿って延在する窒化層２４とを有する。このステンレス鋼箔２０は燃料電池用セパレータとして使用可能である。この場合、窒化処理によるステンレス鋼箔の変形が少なくすみ、低コストで、セパレータと電極間で発生する接触抵抗が低く、電気伝導性、耐食性、耐摩耗性の向上をはかることが可能となる。
【００２８】
上記窒化方法では、ステンレス鋼箔を部品形状にプレス成形した後に窒化を行ったが、ステンレス鋼箔に窒化処理を施した後にプレス成形しても良い。図５（ａ）は別実施に係るステンレス鋼箔３０の斜視図、図５（ｂ）はステンレス鋼箔３０のVb-Vb線断面図、図５（ｃ）は、ステンレス鋼箔３０のプレス成形前の断面模式図である。図５（ｃ）に示すように、基材３３の表面に窒化処理を施して窒素化合物層３４を形成したステンレス鋼箔上面３１に、プレス成形により断面矩形状の燃料又は酸化剤の通路３２を形成する。この場合、図５（ｂ）に示すように窒化層３４に通路３２が刻設された形状となる。この場合には、窒化処理前の平面度をそのまま保つことができるため、窒化処理を施したステンレス鋼箔を部品形状にプレス成形した場合、部品寸法の精度が確保できる。
【００２９】
図６は、上記方法により得られたステンレス鋼箔２０、３０を燃料電池用セパレータ４１として用いて構成する燃料電池スタック４０の外観を示す斜視図である。図７は、燃料電池スタック４０の展開図である。図６、７に示すように、電気化学反応により発電を行う基本単位となる単セル４２と燃料電池用セパレータ４１とを交互に複数個積層することにより燃料電池スタック４０を構成することができる。各単セル４２は、固体高分子型電解質膜の両面に各々酸化剤極を有するガス拡散層と燃料極を有するガス拡散層とを形成して膜電極接合体とし、膜電極接合体の両側に燃料電池用セパレータ４１を配置することにより内部に酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路を形成している。固体高分子型電解質膜としては、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体膜（商品名；ナフィオン１１２８（登録商標）、デュポン株式会社）等を使用することができる。そして、積層後、図７に示すように、両端部にエンドフランジ４３を配置し、外周部を締結ボルト４４により締結して、燃料電池スタック４０を構成する。また、燃料電池スタック４０には、各単セル４２に水素ガス等の水素を含有する燃料ガスを供給するための水素供給ラインと、酸化剤ガスとして空気を供給する空気供給ラインと、冷却水を供給する冷却水供給ラインが設けられている。
【００３０】
上記燃料電池用セパレータ４１では、ステンレス鋼箔を基材として用いており、基材表面に窒化層が形成されているため、窒化層が酸性雰囲気での耐食性に寄与し、かつ、燃料電池として通常使用されるカーボンペーパとの間の接触抵抗を低く抑えることが可能となる。また、従来のように、電極と接触する面に直接金メッキを施さなくても接触抵抗を抑えることができるため、低コスト化を実現することが可能となる。さらに、窒化処理前の平面度をそのまま保つことができるため、燃料電池用セパレータ４１では部品寸法の精度が確保できる。そして、この燃料電池用セパレータ４１を用いた燃料電池スタック４０は、発電性能を損なうことなく高い発電効率を維持できると共に、小型化及び低コスト化を実現することが可能となる。
【００３１】
図８は、燃料電池スタックを搭載した電気自動車の外観を示す図である。図８（ａ）は電気自動車の側面図、図８（ｂ）は電気自動車の上面図である。図８（ａ）、（ｂ）に示すように、燃料電池用セパレータ４１を用いた燃料電池スタック４０を動力源として自動車に適用することで、効率の良い燃料電池を小さな空間に搭載し、燃料電池電気自動車の燃費・エネルギー効率向上に貢献でき、同時にスタイリングの自由度を向上できる。図８（ｂ）に示すように、車体５１前方に、左右のフロントサイドメンバとフードリッジのほか、フロントサイドメンバを含む左右のフードリッジ同士を互いに連結するダッシュロア部材をそれぞれ組み合わせて溶接接合したエンジンコンパートメント部５２を形成する。この電気自動車では、エンジンコンパートメント部５２内に燃料電池スタック４０を搭載する。この場合には、燃料電池電気自動車の燃費向上を図ることができる。また、小型化した軽量の燃料電池スタック４０を車両に搭載することにより、車両重量を低減して省燃費化を図ることができ、走行距離の長距離化を図ることができる。さらに、小型の燃料電池を移動体車両等に搭載することにより、車室内空間をより広く活用することができ、スタイリングの自由度を確保することができる。なお、燃料電池車両の一例として電気自動車を挙げたが、電気自動車等の車両に限定されるものではなく、電気エネルギーが要求される航空機その他の機関にも適用することが可能である。
【実施例】
【００３２】
以下、本発明の実施の形態に係るる燃料電池用セパレータの実施例１〜実施例６及び比較例１〜比較例３について説明する。これらの実施例は、本発明の実施の形態に係るステンレス鋼箔の窒化方補の有効性を調べたもので、異なる条件下で窒化処理を施すことによって生成した燃料電池用セパレータの例を示したものである。
【００３３】
＜試料の調製＞
各実施例では、□１００×１００[ｍｍ]、板厚０.１[ｍｍ]のオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６の光輝焼鈍（ＢＡ））材を脱脂洗浄後、両面にプラズマ窒化処理を施した。実施例１〜実施例５及び比較例３ではヒータによる予熱後、プラズマ窒化を行った。実施例６では、ヒータによる予熱後、ヒータによる窒化処理を行った。比較例１及び比較例２では、プラズマ予熱後、プラズマ窒化を行った。予熱温度は３００〜５００[℃]、窒化温度は３００〜５００[℃]で行い、予熱時間及び窒化時間は１[時間]、予熱においては１００％Ａｒガス、および窒化時のガス混合比Ｎ２：Ｈ２＝５：５、処理圧力４[Ｔｏｒｒ]＝５３２[Ｐａ]）とした。下表２に、予熱条件及び窒化条件を示す。
【表２】
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【００３４】
また、実施例１〜実施例５及び比較例３では、上記表１に記した窒化装置の制御操作一覧に従って窒化処理を行った。実施例６では、下表３に記した窒化装置の制御操作一覧に従い、比較例１〜比較例２では、下表４に記した窒化装置の制御操作一覧に従って窒化処理を行った。
【表３】
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【表４】
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【００３５】
ここで、各試料は、以下の方法によって評価された。
【００３６】
＜平面度の測定＞
窒化処理後のステンレス鋼箔を、触針式粗さ測定計を用い、縦横方向に１０[ｍｍ]間隔で凹凸差（平面度）を測定し、反りが最大となる値を求めた。
【００３７】
＜耐摩耗性の測定＞
窒化処理後のステンレス鋼箔の耐摩耗性は、マイクロビッカース硬度計により、荷重１０[ｇ]で硬度を測定した。また、目視により成形後の窒化層の表面のクラックの有無を確認した。
【００３８】
＜窒化層の結晶構造の同定＞
上記方法によって得られた試料の窒化層の結晶構造の同定は、窒化処理を施すことによって改質した基材表面をＸ線回折測定を行うことにより同定した。装置は、マックサイエンス社製 Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）を用いた。測定は、線源はＣｕＫα線、回折角２０〜１００[゜]、スキャン速度２[゜／ｍｉｎ]の条件で行った。
【００３９】
＜接触抵抗値の測定＞
上記実施例１〜実施例６及び比較例１〜比較例３から得られた試料の定電位電解試験を行い、試験前と試験後の接触抵抗値を測定した。定電位電解試験は、得られた試料を３０[ｍｍ]×３０[ｍｍ]の大きさに切り出し、ｐＨ２の硫酸水溶液中で、温度８０[℃]、電位１[ＶvsＳＨＥ]の電位をかけた状態で１００[時間]保持した。
【００４０】
接触抵抗値の測定は、装置はアルバック理工製 圧力負荷接触電気抵抗測定装置  TRS-2000SS型を用いた。そして、図９に示すように、装置６０は、電極６１と試料６２との間にカーボンペーパ６３を介在させて、電極６１／カーボンペーパ６２／試料６３／カーボンペーパ６２／電極６１の構成とし、測定面圧１．０[ＭＰａ]にて１[Ａ／ｃｍ２]の電流を流した際の電気抵抗を２回測定し、その平均値を求めた。なお、カーボンペーパは、カーボンブラックで担持した白金触媒を塗布したカーボンペーパ（東レ（株）製カーボンペーパ  TGP-H-090  厚さ０．２６[ｍｍ]、かさ密度０．４９[ｇ／ｃｍ３]、空隙率７３[％]、気体透過度３７[ｍｍａｑ／ｍｍ]、厚さ方向体積抵抗率０．０７[Ω・ｃｍ２]）を用いた。電極は、Ｃｕ製電極φ２０を用いた。
【００４１】
＜耐食性の評価＞
上記実施例１〜実施例６及び比較例１〜比較例３から得られた試料を３０[ｍｍ]×３０[ｍｍ]の大きさに切り出して、電気化学的な手法である定電位電解試験を用いてイオン溶出量を測定し、耐食性を評価した。燃料電池では、水素極側に比較して酸素極側に最大で１[ＶvsＳＨＥ]程度の電位がかかる。また、固体高分子電解質膜は、分子中にスルホン酸基等のプロトン交換基を有する高分子電解質膜を飽和に含水させてプロトン伝導性を利用するものであり、強酸性を示す。このため、電位をかけた状態で一定時間保持した後の溶液中に溶け出した金属イオン量を蛍光Ｘ線分析により測定して耐食性を評価した。なお、定電位電解試験の条件は、ｐＨ２の硫酸水溶液で、温度８０[℃]、電位１[ＶvsＳＨＥ]、保持する一定時間を１００[時間]とし、腐食電流密度を測定した。
【００４２】
上記実施例１〜実施例６及び比較例１〜比較例３で得られた試料の最大反り値、窒素化合物層の表面クラックの有無、窒素化合物層の結晶構造、定電位電解試験前後の接触抵抗値及び腐食電流密度を下表５に示す。
【表５】
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【００４３】
平面度の測定結果より、実施例１〜実施例６では反りが最大となる値、つまり最大反り値が１．１[ｍｍ]以下であった。これに対し、比較例１〜比較例３の最大反り値は実施例１〜実施例６の７倍以上であり、予熱をヒータによる外熱としたことにより、反り値が大幅に小さくなることがわかった。
【００４４】
耐摩耗性の測定結果により、窒化処理を施してないステンレス鋼箔では硬度はＨＶ（０．１）２３８であるのに対し、実施例１では硬度がＨＶ（０．１）６７８であり、窒化処理により硬化し、耐摩耗性が向上していることがわかった。
【００４５】
また、実施例１〜実施例６及び比較例１〜比較例３で得られた試料の成形後の窒化層の表面を観察したところ、実施例１〜実施例６ではいずれもクラックが無いことに対し、比較例１〜比較例３ではクラックが発生していた。
【００４６】
さらに、Ｘ線回折測定の結果より、実施例１〜実施例６及び比較例１〜比較例３のいずれの試料においてもＭ４Ｎ型で表される結晶構造由来のピークが観測された。窒化処理前のステンレス鋼箔では基材であるオーステナイト系ステンレス鋼由来のγが観測されたが、窒化処理によりＦｅを主体とするＭ４Ｎ型で表される結晶構造、すなわちＳ相、及びＣｒＮ由来のピークが観測された。
【００４７】
また、実施例１〜実施例６及び比較例１〜比較例３のいずれの試料においても、電解試験前後のどちらでも接触抵抗値が低く、優れた耐食性を有することがわかった。燃料電池では、単位セル当りの理論的な電圧は１．２３[Ｖ]となるが、反応分極、ガス拡散分極、抵抗分極により実際に取り出せる電圧が降下し、取り出す電流が大きくなるほど電圧は降下する。また、自動車用用途では、単位体積・重量当りの出力密度を大きくしたいことから、定置用より高電流密度側、例えば、電流密度１[Ａ／ｃｍ２]で使用される。電流密度が１[Ａ／ｃｍ２]の時には、セパレータとカーボンペーパと間の接触抵抗が２０[ｍΩ・ｃｍ２] 、つまり、装置６０での測定値が４０[ｍΩ・ｃｍ２] 以下であれば接触抵抗による効率低下がおさえられると考えられている。実施例１〜実施例６及び比較例１〜比較例３のいずれも、電解試験前後のどちらの場合でも接触抵抗値が４０[ｍΩ・ｃｍ２] 以下であった。これに対し、窒化層が形成されていないステンレス鋼箔の接触抵抗値を測定したところ、その値は２０１９[ｍΩ・ｃｍ２]であり、窒化処理を施したことにより低接触抵抗を示した。また、腐食電流密度を測定したところ、実施例１〜実施例６では比較例１〜比較例３での腐食電流密度と比較すると１／４程度であり、 比較例１〜比較例３に比べて実施例１〜実施例６では腐食電流密度が低く、耐食性に優れていることがわかった。以上の測定結果より、実施例１〜実施例６は、比較例１〜比較例３と比較して低接触抵抗と耐食性の両方を同時に兼ね備え、さらに反り値が小さく、成形後に窒化層にクラックも発生しないことがわかった。このように、本実施例では、電気伝導性、耐食性及び耐摩耗性に優れ、かつ窒化後においても変形することがないステンレス鋼箔が得られた。
【００４８】
なお、本実施例においては、基材としてオーステナイト系ステンレス鋼を用いたが、これに限定されるものではなく、フェライト系もしくはマルテンサイト系ステンレス鋼を用いても同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施の形態に係る窒化装置の側面模式図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る窒化装置のシステム図である。
【図３】（ａ）窒化装置で窒化されたステンレス鋼箔の斜視図である。（ｂ）ステンレス鋼箔のIIIb-IIIb線断面図である。
【図４】ステンレス鋼箔の窒化方法を示すタイムチャートである。
【図５】（ａ）別実施の形態に係るステンレス鋼箔の斜視図である。（ｂ）ステンレス鋼箔のVb-Vb線断面図である。（ｃ）ステンレス鋼箔のプレス成形前の断面模式図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータを用いて構成する燃料電池スタックの外観を示す斜視図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータを用いて構成する燃料電池スタックの展開図である。
【図８】本発明の実施の形態に係る燃料電池スタックを搭載した電気自動車の外観を示す図であり、（ａ）は電気自動車の側面図、（ｂ）は電気自動車の上面図である。
【図９】各実施例で得られた試料の接触抵抗の測定方法を説明する模式図である。
【図１０】燃料電池スタックを形成する単セルの構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１  窒化装置
２  窒化炉
６  ヒータ
２０  ステンレス鋼箔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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