(57)【要約】【課題】高電位環境における耐食性に優れた燃料電池用ステンレス鋼を提供する。【解決手段】質量％で、Ｃ：0.01％以下、Si：1.0％以下、Mn：1.0％以下、Ｓ：0.01％以下、Ｐ：0.05％以下、Al：0.20％以下、Ｎ：0.02％以下、Cr：20〜40％、Mo：4.0％以下およびNb：0.12〜1.0％、かつ次式(1)で示される高電位耐食性指数ＦがＦ≦35を満足する範囲で含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成とする。          Ｆ＝[Cr]＋8.5[Si]＋0.5[Mo]−6.7[Nb]      ・・・ (1)          ただし、[Ｍ]はＭ元素の含有量（質量％）【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：0.01％以下、Si：1.0％以下、Mn：1.0％以下、Ｓ：0.01％以下、Ｐ：0.05％以下、Al：0.20％以下、Ｎ：0.02％以下、Cr：20〜40％、Mo：4.0％以下およびNb：0.12〜1.0％、かつ下記式(1)で示される高電位耐食性指数ＦがＦ≦35を満足する範囲で含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成からなることを特徴とする高電位環境における耐食性に優れた燃料電池用ステンレス鋼。
記
Ｆ＝[Cr]＋8.5[Si]＋0.5[Mo]−6.7[Nb]      ・・・ (1)
ただし、[Ｍ]はＭ元素の含有量（質量％）
【請求項２】
請求項１において、さらに下記式(2)で示される耐孔食性指数ＰＩがＰＩ≧25を満足することを特徴とする高電位環境における耐食性に優れた燃料電池用ステンレス鋼。
記
ＰＩ＝[Cr]＋3.3[Mo]      ・・・ (2)
ただし、[Ｍ]はＭ元素の含有量（質量％）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の高電位使用環境下において優れた耐食性を呈する燃料電池用ステンレス鋼に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境保全の観点から、発電効率に優れ、二酸化炭素を排出しない燃料電池の開発が進められている。この燃料電池は水素と酸素を反応させることによって電気を発生させるもので、その基本構造はサンドイッチのような構造を有しており、電解質膜（すなわちイオン交換膜）、２つの電極（すなわち燃料極および空気極）、水素および酸素（空気）の拡散層および２つのセパレータから構成される。そして、用いる電解質の種類に応じて、リン酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、アルカリ形燃料電池および固体高分子形燃料電池等が開発されている。
【０００３】
これらの燃料電池の中でも、特に固体高分子形燃料電池は、溶融炭酸塩形燃料電池やリン酸形燃料電池等に比べて、
(a) 運転温度が80℃程度と格段に低い、
(b) 燃料電池本体の軽量化、小型化が可能である、
(c) 短時間で立上げができ、燃料効率、出力密度が高い
等の利点を有している。
このため、固体高分子形燃料電池は、電気自動車の搭載用電源や家庭用または携帯用の小型分散型電源（定置型の小型発電機）として、今日最も注目されている燃料電池の一つである。
【０００４】
固体高分子形燃料電池は、高分子膜を介して水素と酸素から電気を取り出す原理によるものであり、その構造は、図１に示すように、膜−電極接合体１を、カーボンクロス等のガス拡散層２，３およびセパレータ４，５により挟み込み、これを単一の構成要素（いわゆる単セル）として、セパレータ４とセパレータ５との間に起電力を生じさせるものである。
なお、膜−電極接合体１は、ＭＥＡ（Membrance-Electrode Assembly）と呼ばれていて、高分子膜とその膜の表裏面に白金系触媒を担持したカーボンブラック等の電極材料を一体化したものであり、厚さは数10μm〜数100μmである。また、ガス拡散層２，３は、膜−電極接合体１と一体化される場合も多い。
【０００５】
固体高分子形燃料電池を前述した用途に適用する場合、上記のような単セルを直列に数十〜数百個つないで燃料電池スタックを構成して使用している。
ここに、セパレータ４，５には、
(A) 単セル間を隔てる隔壁
としての役割に加えて、
(B) 発生した電子を運ぶ導電体、
(C) 酸素（空気）と水素の流路（図中１における空気流路６、水素流路７）、
(D) 生成した水やガスを排出する排出路（空気流路６、水素流路７が兼ねている）
としての機能が求められる。
【０００６】
さらに、固体高分子型燃料電池を実用に供するためには、耐久性や電気伝導性に優れたセパレータを使用する必要がある。
耐久性に関しては、電気自動車の燃料電池では約5000時間、また家庭用の小型分散型電源などとして使用される定置型の発電機等では約40000時間と想定されている。
【０００７】
現在までに実用化されている固体高分子型燃料電池では、セパレータとしてカーボン素材を用いたものが提供されている。しかしながら、このカーボン製セパレータは、衝撃によって破損しやすいので、小型化が困難なだけでなく、流路を形成するための加工コストが高いという欠点があった。特にコストの問題は、燃料電池普及の最大の障害になっている。
そこで、セパレータの素材として、カーボン素材に替えて金属素材、特にステンレス鋼を適用しようとする試みがある。
【０００８】
セパレータが曝される使用環境は、酸性で70℃以上という温度の他に、ときに1.0 V vs SHE以上（以後、電位は全てvs SHEを意味し、単にＶで示す）という高い電位が想定されるところに特徴を有しており、ステンレス鋼を適用する場合には、想定される電位範囲における耐食性を向上させる必要がある。特に1.0Ｖ付近においては、ステンレス鋼の主要元素であるCrの過不動態溶解が生じるために、Crのみによって耐食性を維持するのが困難である一万、0.6Ｖ以下の耐食性を維持するにはCrが重要な役目を担うため、従来の技術では低電位から高電位まで、幅広い電位範囲において耐食性を維持することはできなかった。
例えば、特許文献１には、Cr，Moの含有量を増大して成分面から耐食性を向上させたセパレータ用ステンレス鋼が開示されているが、想定している電位は0.2Ｖという限定された電位であり、例えば過不動態溶解の生じる1.0Ｖ付近では、耐食性が不十分であると考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開2000-239806号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、従来の技術が抱えている上記の問題点に鑑み、特に高電位環境における耐食性に優れた燃料電池用ステンレス鋼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】
【００１１】
さて、発明者らは、高電位環境における耐食性を向上させるべく、鋭意検討を行った。
まず、高電位環境における各添加元素の影響について調査した。
実験１
表１に示す化学組成の鋼を、真空溶解炉で溶製し、鋼塊としたのち、得られた鋼塊を1150℃以上に加熱後、熱間圧延により板厚：５mmの熱延板とした。ついで、熱延板を1000〜1100℃で焼鈍後、酸洗により脱スケールを行ったのち、冷間圧延と焼鈍酸洗を繰り返して板厚：0.7mmの冷延焼鈍板とした。ついで、得られた冷延焼鈍板から30mm×30mmの試験片を切り出し、アセトンで脱脂後、燃料電池の動作環境を模擬したpH３の硫酸（80℃）中にて、0.8〜1.2Ｖの間で 60mV/minの掃引速度で５サイクルの分極測定を実施し、高電位環境における耐食性におよぼす成分元素の影響を調べた。
【００１２】
【表１】
2011047044.tif 000003
【００１３】
５サイクル目の最大電流密度と成分の関係を図２(a)〜(d)に示す。
図２(a)〜(d)に示したとおり、高電位環境における耐食性向上には、Cr，Si，Moは有害で、Nbが有効であることが明らかになった。そして、これらの影響の大きさは、それぞれ有害を＋、有効を−として表すと、質量基準でCrを１とした場合、Siは8.5、Moは0.5、Nbは−6.7となることが明らかになった。
この検討結果により、化学成分を単に調整するだけでなく、高電位環境における耐食性を示す新しい指標である高電位耐食性指数Ｆ（＝Cr＋8.5Si＋0.5Mo−6.7Nb)を制御することによって、高電位環境における耐食性に優れたステンレス鋼が得られることが究明された。
【００１４】
また、耐孔食性を示す指標として耐孔食性指数ＰＩ（＝Cr＋3.3Mo）が用いられることが多いが、これを高位に制御することによって、燃料電池の使用環境における耐孔食性を確保できることも併せて見出された。
本発明は、上記の知見に立脚するものである。
【００１５】
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．質量％で、Ｃ：0.01％以下、Si：1.0％以下、Mn：1.0％以下、Ｓ：0.01％以下、Ｐ：0.05％以下、Al：0.20％以下、Ｎ：0.02％以下、Cr：20〜40％、Mo：4.0％以下およびNb：0.12〜1.0％、かつ下記式(1)で示される高電位耐食性指数ＦがＦ≦35を満足する範囲で含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成からなることを特徴とする高電位環境における耐食性に優れた燃料電池用ステンレス鋼。
記
Ｆ＝[Cr]＋8.5[Si]＋0.5[Mo]−6.7[Nb]      ・・・ (1)
ただし、[Ｍ]はＭ元素の含有量（質量％）
【００１６】
２．上記１において、さらに下記式(2)で示される耐孔食性指数ＰＩがＰＩ≧25を満足することを特徴とする高電位環境における耐食性に優れた燃料電池用ステンレス鋼。
記
ＰＩ＝[Cr]＋3.3[Mo]      ・・・ (2)
ただし、[Ｍ]はＭ元素の含有量（質量％）
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、セパレータの高電位使用環境下において、優れた耐食性を呈する燃料電池用ステンレス鋼を、安価に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】燃料電池の基本構造を示す模式図である。
【図２】５サイクル目の最大電流密度に及ぼす各成分元素の影響を示したグラフである。
【図３】５サイクル目の最大電流密度に及ぼす高電位耐食性指数Ｆの影響を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を具体的に説明する。
まず、本発明において、素材であるステンレス鋼の成分組成を前記の範囲に限定した理由について説明する。なお、成分に関する「％」表示は特に断らない限り質量％を意味するものとする。
Ｃ：0.01％以下
Ｃは、鋼中のCrと結合して、耐食性の低下を招くため、低いほど望ましいが、0.01％以下であれば耐食性を著しく低下させることはない。このため、本発明では、Ｃ量は0.01％以下に限定する。
【００２０】
Si：1.0％以下
Siは、脱酸に用いる元素であるが、過剰に含有されると、高電位環境における耐食性の低下を招くため、1.0％以下に限定する。好ましくは0.5％以下である。
【００２１】
Mn：1.0％以下
Mnは、Ｓと結合してMnＳを形成し、耐食性を低下させるため、1.0％以下に限定する。好ましくは0.8％以下である。
【００２２】
Ｓ：0.01％以下
上述したとおり、Ｓは、Mnと結合してMnＳを形成し、耐食性を低下させるため、0.01％以下に限定する。好ましくは0.008％以下である。
【００２３】
Ｐ：0.05％以下
Ｐは、延性の低下を招くため、低いほど望ましいが、0.05％以下であれば延性を著しく低下させることはない。このため、Ｐ量は0.05％以下に限定する。好ましくは0.04％以下である。
【００２４】
Al：0.20％以下
Alは、脱酸に用いられる元素であるが、過剰に含有されると延性の低下を招くため、Al量は0.20％以下に限定する。好ましくは、0.15％以下である。
【００２５】
Ｎ：0.02％以下
Ｎは、鋼中のCrと結合して、耐食性の低下を招くため、低いほど望ましいが、0.02％以下であれば耐食性を著しく低下させることはない。このため、0.02％以下に限定する。好ましくは0.015％以下である。
【００２６】
Cr：20〜40％
Crは、ステンレス鋼が耐食性を保持するために必須の元素であるが、特に幅広い電位範囲において耐食性を向上させる観点から、20％以上40％以下の範囲に限定する。というのは、Cr量が20％未満では母材そのものの耐食性が低下して不動態維持電流が大きくなり、特に0.6Ｖ以下の環境において耐食性が不足する。一方、Crを40％を超えて含有すると1.0Ｖ付近での過不動態溶解の抑制が困難となる。好ましくは24％以上35％以下である。
【００２７】
Mo：4.0％以下（０％の場合を含む）
Moは、ステンレス鋼の耐食性、特に局部腐食性を改善するのに有効な元素であり、この効果を得るためには、0.02％以上含有させることが好ましい。しかしながら、4.0％を超えて含有すると高電位環境下における耐食性を低下させるのでので、4.0％以下に限定する。好ましくは2.0％以下である。
【００２８】
Nb：0.12〜1.0％
Nbは、高電位での耐食性を向上させるのに不可欠の元素である。しかしながら、含有量が0.12％に満たないとその添加効果に乏しく、一方1.0％を超えると延性の低下が顕著となるので、Nb量は0.12〜1.0％の範囲に限定した。好ましくは0.15〜0.60％の範囲である。
【００２９】
以上、基本成分について説明したが、本発明では、上記の基本成分を単に満足するだけでは不十分で、次式(1)で示す高電位耐食性指数Ｆの値が35以下になるように、各成分の含有量を調整することが重要である。
Ｆ＝[Cr]＋8.5[Si]＋0.5[Mo]−6.7[Nb]      ・・・ (1)
ただし、[Ｍ]はＭ元素の含有量（質量％）
上記(1)式で示される高電位耐食性指数Ｆを35以下に制御することは、燃料電池の高電位使用環境下における耐食性を向上させる本発明において最も重要である。このＦ値が35を超えると、高電位使用環境下における耐食性が低下し、溶出イオンによる電解質の劣化、腐食の進行による接触抵抗の増加等、燃料電池の使用に重大な支障をきたす。このため上記Ｆ値は35以下に限定した。好ましくは34以下である。
【００３０】
図３に、前掲実験１における５サイクル目の最大電流密度に及ぼす高電位耐食性指数Ｆの影響ついて調べた結果を示す。
同図に示したとおり、高電位耐食性指数Ｆの値が35以下になると、５サイクル目の最大電流密度は0.010 mA/cm2以下となり、高電位使用環境下における耐食性が改善されることが分かる。
【００３１】
また、次式(2)で示される耐孔食性指数ＰＩの値が25以上になるように、各成分の含有量を調整することは、さらに有利である。
ＰＩ＝[Cr]＋3.3[Mo]      ・・・ (2)
ただし、[Ｍ]はＭ元素の含有量（質量％）
燃料電池の使用環境下における基本的な耐食性を確保するためには、上記(2)式で示される耐孔食性指数ＰＩを25以上に調整することが有利である。このＰＩ値が25未満では、通常の耐食性が低下し、不動態維持電流密度が増大して、あらゆる電位環境下における耐食性が低下する。
【００３２】
なお、本発明では、上述した基本成分の他にも、耐食性の改善を目的として、Ti，Zr，Ni，Cuを、Ti，Zr，Cuはそれぞれ1.0％以下、Niは20％以下で、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。
【実施例】
【００３３】
実施例１
表２に示す化学組成の鋼を真空溶解炉で溶製し、鋼塊としたのち、得られた鋼塊を1150℃以上に加熱後、熱間圧延により板厚：５mmの熱延板とした。ついで、1000〜1100℃で焼鈍したのち、酸洗により脱スケール後、冷間圧延と焼鈍酸洗を繰り返して板厚：0.7mmの冷延焼鈍板とした。ついて、得られた冷延焼鈍板から30mm×30mmの試験片を切り出し、アセトンで脱脂後、燃料電池の動作環境を模擬したpH３の硫酸（80℃）中にて、0.8〜1.2Ｖの間で60 mV/minの掃引速度で５サイクルの分極測定を実施し、高電位環境における耐食性を評価した。
表３に、５サイクル目の最大電流密度の測定結果を示す。なお、５サイクル目の最大電流密度が0.010 mA/cm2以下の場合を、高電位環境における耐食性が良好(○)と評価した。
【００３４】
【表２】
2011047044.tif 000004
【００３５】
【表３】
2011047044.tif 000005
【００３６】
表３に示したとおり、本発明の成分組成範囲を満足する発明鋼はいずれも、最大電流密度が小さく、高電位環境における耐食性が良好であることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明によれば、高電位環境での耐食性に優れた燃料電池用ステンレス鋼を得ることができ、従来、高価なカーボンや金めっきのセパレータを使用していた燃料電池に、安価なステンレスセパレータを提供して、燃料電池の普及を促進させることが可能となる。
【図１】
2011047044.tif 000006
【図２】
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【図３】
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