(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｂ含有量が０〜０．３質量％であるステンレス鋼を内層とし、その外層として片面または両面にＢ含有量が０．３〜２．５質量％であるステンレス鋼を組み合わせた固体高分子型燃料電池セパレータ用多層ステンレスクラッド鋼板用素材であって、
前記内層とするステンレス鋼と前記外層に組み合わせるステンレス鋼が、溶接を施されて、下記の（１）〜（４）式で表される関係を満足する化学成分を有するステンレス鋼溶接金属により接合され一体化されたことを特徴とする固体高分子型燃料電池セパレータ用多層ステンレスクラッド鋼板用素材。
１５≦Ｃｒｅｑ≦３０  ・・・  （１）
４≦Ｃｒｅｑ−Ｎｉｅｑ≦１７  ・・・  （２）
ただし、
Ｃｒｅｑ＝Ｃｒ＋１．５×Ｓｉ＋Ｍｏ−５×Ｂ  ・・・  （３）
Ｎｉｅｑ＝Ｎｉ＋３０×（Ｃ＋Ｎ）＋０．５×Ｍｎ  ・・・  （４）
ここで、式中の元素記号は、鋼中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
【請求項２】
Ｂ含有量が０〜０．３質量％であるステンレス鋼を内層とし、その外層として片面または両面にＢ含有量が０．３〜２．５質量％であるステンレス鋼を組み合わせた固体高分子型燃料電池セパレータ用多層ステンレスクラッド鋼板用素材であって、
前記内層とするステンレス鋼と前記外層に組み合わせるステンレス鋼とが溶接で一体化され、
当該素材の加工面を除く少なくとも前記外層の側面に、Ｂ含有量が０〜０．３質量％のプロテクト材が、下記の（１）〜（４）式で表される関係を満足する化学成分を有するステンレス鋼溶接金属により接合され一体化されたことを特徴とする固体高分子型燃料電池セパレータ用多層ステンレスクラッド鋼板用素材。
１５≦Ｃｒｅｑ≦３０  ・・・  （１）
４≦Ｃｒｅｑ−Ｎｉｅｑ≦１７  ・・・  （２）
ただし、
Ｃｒｅｑ＝Ｃｒ＋１．５×Ｓｉ＋Ｍｏ−５×Ｂ  ・・・  （３）
Ｎｉｅｑ＝Ｎｉ＋３０×（Ｃ＋Ｎ）＋０．５×Ｍｎ  ・・・  （４）
ここで、式中の元素記号は、鋼中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
【請求項３】
前記溶接が、高エネルギー密度溶接であることを特徴とする請求項１または２に記載の固体高分子型燃料電池セパレータ用多層ステンレスクラッド鋼板用素材。
【請求項４】
質量％で、前記内層とするステンレス鋼がＣｒ：１２〜３５％、Ｎｉ：７〜５０％およびＭｏ：８％以下を含有し、前記外層として片面または両面に組み合わせるステンレス鋼がＣｒ：５％以上およびＭｏ：５％以下を含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池セパレータ用多層ステンレスクラッド鋼板用素材。
【請求項５】
熱間圧延または熱間鍛造が施されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池セパレータ用多層ステンレスクラッド鋼板用素材。
【請求項６】
Ｂ含有量が０〜０．３質量％であるステンレス鋼を内層とし、その外層として片面または両面にＢ含有量が０．３〜２．５質量％であるステンレス鋼を組み合わせた固体高分子型燃料電池セパレータ用多層ステンレスクラッド鋼板用素材の製造方法であって、
前記内層とするステンレス鋼と前記外層に組み合わせるステンレス鋼を、溶接を施して、下記の（１）〜（４）式で表される関係を満足する化学成分を有するステンレス鋼溶接金属により接合し一体化す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多層ステンレスクラッド鋼板用素材の製造方法。
１５≦Ｃｒｅｑ≦３０  ・・・  （１）
４≦Ｃｒｅｑ−Ｎｉｅｑ≦１７  ・・・  （２）
ただし、
Ｃｒｅｑ＝Ｃｒ＋１．５×Ｓｉ＋Ｍｏ−５×Ｂ  ・・・  （３）
Ｎｉｅｑ＝Ｎｉ＋３０×（Ｃ＋Ｎ）＋０．５×Ｍｎ  ・・・  （４）
ここで、式中の元素記号は、鋼中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
【請求項７】
Ｂ含有量が０〜０．３質量％であるステンレス鋼を内層とし、その外層として片面または両面にＢ含有量が０．３〜２．５質量％であるステンレス鋼を組み合わせた固体高分子型燃料電池セパレータ用多層ステンレスクラッド鋼板用素材の製造方法であって、
前記内層とするステンレス鋼と前記外層に組み合わせるステンレス鋼とを溶接で一体化した後、
当該素材の加工面を除く少なくとも前記外層の側面に、Ｂ含有量が０〜０．３質量％のプロテクト材を、下記の（１）〜（４）式で表される関係を満足する化学成分を有するステンレス鋼溶接金属により接合し一体化す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多層ステンレスクラッド鋼板用素材の製造方法。
１５≦Ｃｒｅｑ≦３０  ・・・  （１）
４≦Ｃｒｅｑ−Ｎｉｅｑ≦１７  ・・・  （２）
ただし、
Ｃｒｅｑ＝Ｃｒ＋１．５×Ｓｉ＋Ｍｏ−５×Ｂ  ・・・  （３）
Ｎｉｅｑ＝Ｎｉ＋３０×（Ｃ＋Ｎ）＋０．５×Ｍｎ  ・・・  （４）
ここで、式中の元素記号は、鋼中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
【請求項８】
前記溶接が、高エネルギー密度溶接であることを特徴とする請求項６または７に記載の固体高分子型燃料電池セパレータ用多層ステンレスクラッド鋼板用素材の製造方法。
【請求項９】
前記高エネルギー密度溶接で水平方向に溶接する場合に、溶接の起点部を予め形成し高エネルギー密度溶接を行うこと特徴とする請求項８に記載の固体高分子型燃料電池セパレータ用多層ステンレスクラッド鋼板用素材の製造方法。
【請求項１０】
請求項１〜５のいずれかに記載の素材を１０００〜１２００℃に加熱したのち、加工終了温度を６００℃以上とし厚板圧延加工す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多層ステンレスクラッド鋼厚板の製造方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の製造方法で得られたことを特徴とする固体高分子型燃料電池セパレータ用多層ステンレスクラッド鋼厚板。
【請求項１２】
請求項１〜５のいずれかに記載の素材を１０００〜１２００℃に加熱したのち、粗圧延を行い、次いで圧延終了温度を６００℃以上とする熱間圧延を行い、その後冷間圧延す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多層ステンレスクラッド鋼板の製造方法。
【請求項１３】
請求項１１に記載の多層ステンレスクラッド鋼厚板を、さらに１０００〜１２００℃に加熱したのち、粗圧延を行い、次いで圧延終了温度を６００℃以上とする熱間圧延を行い、その後冷間圧延す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多層ステンレスクラッド鋼板の製造方法。
【請求項１４】
請求項１２または１３に記載の製造方法で得られた多層ステンレスクラッド鋼板を用いたことを特徴とする固体高分子型燃料電池セパレータ。
【請求項１５】
請求項１４に記載のセパレータを用いたことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子型燃料電池セパレータとして最適な多層ステンレスクラッド鋼板等およびそれらの製造方法に関し、さらに詳しくは、ボロン（Ｂ）を含有する鋼を外層材として内層材の片面または両面に組み合わせ、２層または３層からなる多層ステンレスクラッド鋼板、厚板、それらの素材、およびそれらの製造方法、さらにそれらを用いたセパレータおよび固体高分子型燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境に関する問題として、特に温暖化防止に対する関心が高まるなかで、燃料電池は未来のクリーンエネルギーとして脚光を浴びている。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。
【０００３】
これらのなかでも、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、メタノールまた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、世界的な規模で実用化が期待されている。
【０００４】
図１は、固体高分子型燃料電池の構造を示す図であり、図１（ａ）は燃料電池セル（単セル）の分解図を、図１（ｂ）は燃料電池外観の斜視図を示している。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。
【０００５】
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。
【０００６】
従来、固体高分子型燃料電池のセパレータ材料としてカーボン板材の適用が検討されているが、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、またはガス流路形成のために精密な機械加工を必要とし、製造コストが増大するという問題がある。こられはいずれも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る要因になっている。
【０００７】
このような問題を解決するため、上記の黒鉛系素材の適用の検討に対峙する動きになるが、製造コストの削減を主な目的として、燃料電池のセパレータ材料にステンレス鋼を適用する試みが行われている。
【０００８】
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Ｎｉ−鉄合金が挙げられており、そのうちステンレス鋼として、ＳＵＳ３０４が用いられている。
【０００９】
特許文献１に開示される技術によれば、セパレータに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するため、セパレータから電極への電子の導通が良好となり、燃料電池の出力電圧が大きくなるとされている。
【００１０】
また、特許文献２には、ボロンを含有させたオーステナイト系ステンレスをセパレータに適用することにより、ボライド（硼化物）をステンレスの表面に析出させ、接触電気抵抗を低減させた金属セパレータ用ステンレス鋼が提案されている。
【００１１】
一方、特許文献３には、製造面におけるＢを含有した鋼の熱間圧延時の割れ防止法として、鋳込みクラッドを用いて、内層に１％以上のボロンを含有した普通鋼、その両側にＳＵＳ３１６、３１７のステンレスを貼り合わせ、耳割れを防止する製造方法が開示されている。
【００１２】
さらに、特許文献４には、耳割れの発生を防止する熱間圧延方法として、０．３〜２．０ｗｔ％のＢを含有するオーステナイト系ステンレス鋼材の側部に、ステンレス鋼材よりも変形抵抗が小さい鋼材を溶接により被覆した素材を作製し、その素材を（５３Ｂ＋７００）℃（ただし、Ｂ：Ｂ含有量（ｗｔ％））以上の温度で仕上げ圧延する方法が開示されている。
【００１３】
同様に、特許文献５では、被圧延材の耳割れの発生を防止するため、Ｂを０．３〜２．５質量％含有するオーステナイト系ステンレス鋼片を熱間圧延するに際し、その側面に、Ｎｉ：４％以下、Ｂ：０．１〜０．４％を含有するステンレス鋼からなる厚さ３ｍｍ以上の肉盛り溶接被覆層を設けて、熱間加工する方法が提案されている。
【００１４】
また、特許文献６では、ステンレス鋼からなるセパレータを用いた場合に、電極構造体との間における優れた接触抵抗性が得られると同時に、プレス成形時に割れを生じない機械的特性を有するように、セパレータ用素材板が耐食性を有する表面に導電性介在物が露出する一対の鋼材の間に、この鋼材よりも高い延性を有する金属材を接合することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開平１０−２２８９１４号公報
【特許文献２】特開２００１−３２０５６号公報
【特許文献３】特開平６−２４６４２４号公報
【特許文献４】特開平４−２５３５０６号公報
【特許文献５】特開２００１−２３９３６４号公報
【特許文献６】特開２００４−７１３１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上述した燃料電池セパレータにステンレス鋼などを適用する試みにおいて、幾つかの問題が残されている。
【００１７】
すなわち、特許文献１で開示される金属製部材からなる燃料電池用セパレータでは、例えば、その表面に不働態膜を備えたステンレス鋼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、いわゆる担持触媒の被毒が発生する。
【００１８】
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もある。このため、金属製部材からなる燃料電池用セパレータには、製造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】
次に、特許文献２で提案するセパレータでは、Ｂ含有ステンレス鋼を採用するため、変形抵抗が高く、熱間圧延での耳割れ防止や複雑な形状にプレス成形するときの割れ防止を考慮し、セパレータの形状設計にある程度の制約を加えざるを得ないという問題がある。
【００２０】
一方、特許文献３が開示する製造方法では、鋳込みクラッドを出発素材とし、内層部をＢ含有の普通鋼で、外層部をステンレス鋼で構成するため、普通鋼とステンレス鋼の境界部で剥離が生じ易くなる。さらに、特許文献３のクラッドでは、内層部を普通鋼で構成するので耐食性が悪くなり、さらに外層部がＢを含有しないステンレス鋼で構成されることから表層に不導体被膜が形成され、燃料電池セパレータとしては使用できない。
【００２１】
さらに、特許文献４の熱間圧延方法では、精度の高い開先形状を有するフレーム材を用意し、しかも熱間加工時にそれが剥離しないように溶接する必要がある。このため、溶接に多大な工数を要することになる。
【００２２】
同様に、特許文献５の熱間加工方法では、熱間圧延中に耳割れを防止するのに十分な溶接厚みを確保することが必要になり、肉盛り溶接で被覆層を設けるには溶接パス回数が多くなり、溶接工数が増加する。また、溶接割れが発生すると、それが起点となって耳割れの発生につながる場合があり、耳割れ発生を完全に防止することが困難になる。
【００２３】
また、特許文献６のセパレータ用鋼板は、前述の通り、内層に外層よりも高い延性を有する金属素材を接合してなる３層クラッド鋼板に関するものであり、その最大の特長は内層に外層素材よりも高い延性を有する金属材を接合することにより、プレス成形時に万が一に割れが発生した場合にも貫通する割れの発生を防止できることである。しかし、この特長は、クラッドの機能としては至極一般的に付加される機能の一つに過ぎない。また、特許文献６には、クラッドの一体化技術に関し、何ら開示がなされていない。
【００２４】
本発明は、上述した燃料電池セパレータにステンレス鋼を適用する場合に発生する問題点に鑑みてなされたものであり、安価で大量生産が可能であり、熱間加工性および成形性に優れ、固体高分子型燃料電池セパレータとして最適なＢを含有し、２層または３層からなる多層ステンレスクラッド鋼板、その素材、およびそれらの製造方法、さらにそれらを用いたセパレータおよび固体高分子型燃料電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明者らは、燃料電池セパレータに最適なステンレス鋼を開発するため、電気電導性に優れたボライト（硼化物）を利用することにしている。すなわち、ボライトを表面の不働態皮膜に覆われることなく突出させ、表面に直接露出させることにより、ステンレス鋼表面の電気伝導性を長時間にわたって低く安定させることが可能になる。
【００２６】
ステンレス鋼表面でのボライトの突出数を一定以上に確保するには、ステンレス鋼のＢ含有量を０．３％以上にする必要があるが、一般的にＢを多量に含有すると、ステンレス鋼は強度、硬度が高くなり延性が低下し、熱間加工性や成形性が低下することになる。
【００２７】
ところが、Ｂ含有量が０．３％未満のステンレス鋼を選択すれば、熱間加工性が改善され、成形時の変形抵抗が小さくなる。一般に、熱間加工性は材料の変形抵抗によって支配される。クラッド鋼板の変形抵抗は、それぞれの層の変形抵抗に複合則を適用して決定される。したがって、Ｂ含有量が高く変形抵抗の大きいステンレス鋼単体に、Ｂ含有量が低く変形抵抗の小さいステンレス鋼をクラッドすることで、熱間加工性を大きく向上させることができる。
【００２８】
図２は、Ｂ含有量が１．０質量％のステンレス鋼とこれを用いた３層クラッド鋼板における変形抵抗の推移を調査した結果を示す図である。３層クラッド鋼板はＢ含有量が０．２％以下のステンレス鋼を内層とし、その外層として両側にＢ含有量が１．０質量％のステンレス鋼を組み合わせて構成した。
【００２９】
単体のステンレス鋼および３層クラッド鋼板ともに、厚さ５０ｍｍ×幅１４０ｍｍ×長さ１００ｍｍの寸法で供試素材を作製し、１１８０℃に加熱後圧延加工し、このときの圧延荷重からｏｒｏｗａｎの式を用いて変形抵抗を逆算した。３層クラッド鋼板の素材は、内層の厚さを２２ｍｍとし、その両側外層の厚さをそれぞれ１４ｍｍとした。
【００３０】
図２に示す結果から、Ｂ含有量が０．３％以下のステンレス鋼と組み合わせて３層クラッド鋼板を構成することによって、Ｂを多量に含有するステンレス鋼であっても、熱間加工性を改善し、成形時の変形抵抗を小さくできることが分かる。
【００３１】
２層クラッド鋼板はＢ含有量が０．２％以下のステンレス鋼を母材とし、合せ材としてその片側にＢ含有量が１．０質量％のステンレス鋼を組み合わせて構成したが、２層クラッド鋼板の場合にも上述の複合則に従い熱間加工性を向上できることを確認している。
【００３２】
しかしながら、２層または３層からなる多層クラッド鋼板の熱間加工に際し、内層ステンレス鋼および片側または両側の外層ステンレス鋼との接合面での剥離を防止するために、初期加工（初回パス）において高加工度、例えば、大きな圧延形状比を付加することにより、十分に接合面を接合させることが必要になる。
【００３３】
通常、熱間圧延や熱間鍛造によって多層クラッド鋼を製造する場合に、熱間加工後の層間剪断強度が重要な要因になることから、以下の試験を行って加工条件と剪断強度との関係を調査した。
【００３４】
図３は、３層クラッド鋼板の熱間圧延における初期圧延で付加する圧延形状比と圧延後の剪断強度との関係を示す図である。供試した３層クラッド鋼板用素材は、厚さ１３０ｍｍ×幅２０００ｍｍ×長さ２３００ｍｍの寸法とし、内層は厚さ９０ｍｍでＢ含有量が０．２％以下のステンレス鋼とし、その両側外層にＢ含有量が１．０％のステンレス鋼をそれぞれ厚さ２０ｍｍとして組み合わせた。
【００３５】
上記３層クラッド鋼板用素材を用いて熱間圧延を行い、初期圧延（初回圧延パス）で圧延形状比を０．３〜５．２の範囲で変化させ、その後２５ｍｍまで圧延した。熱間圧延された３層クラッド鋼板から試材を採取し、ＪＩＳ  Ｇ０６０１に規定するクラッド鋼の剪断試験方法に基づいて剪断強度を測定した。
【００３６】
図３に示す圧延形状比は、Ｒ：圧延ロール半径（ｍｍ）、Ｈ：圧延入り側板厚（ｍｍ）およびｈ：圧延出側板厚（ｍｍ）とし、下記（１）および（２）式の関係である場合に、ｌｄ／ｈｍとして定義する。
【００３７】
ｌｄ＝（Ｒ×（Ｈ−ｈ））1/2  ・・・  （１）
ｈｍ＝（Ｈ＋２ｈ）／３  ・・・  （２）
図３に示す結果から、初期圧延で加えられる圧延形状比が熱間圧延後の３層クラッド鋼板の剪断強度に大きな影響を及ぼすことがわかる。具体的には、初期圧延での圧延形状比を０．４以上にすれば、その後の熱間圧延で圧延形状比が０．４未満であっても、内層および外層の接合面の剥離もなく、熱間圧延後においてＪＩＳで規定する２００ＭＰａ以上の剪断強度を確保することができる。さらに、初期圧延での圧延形状比を０．６以上にすれば、熱間圧延後の剪断強度を一層向上させることができるので望ましい。
【００３８】
図３に示すと同様の検討を熱間鍛造についても実施し、初期鍛造での鍛造比を１．２以上にすれば、その後の鍛造で鍛造比が１．１以下であっても、接合面に剥離が発生することがなく、熱間鍛造後における多層クラッド鋼板の剪断強度を２００ＭＰａ以上にできることを確認している。
【００３９】
また、３層クラッド鋼板の熱間鍛造においても、初期鍛造での鍛造比を１．５以上にすれば、熱間鍛造後の剪断強度を向上させることができるので望ましい。ここで、鍛造比は、最初の板厚Ｈ0、鍛造後の板厚Ｈ1とすれば、Ｈ0／Ｈ1の比で示される。
【００４０】
しかしながら、上述した熱間圧延での圧延形状比および熱間鍛造での鍛造比に関する結果は、あくまでもクラッド比が７（外層）：１１（内層）：７（外層）の場合である。このため、対象となる鋼板のクラッド比が変化した場合には、所定の剪断強度を得るための初期圧延の圧延形状比および初期鍛造の鍛造比は変化することになる。
【００４１】
２層クラッド鋼板に関しても、クラッド比を７（合せ材）：１１（母材）とした場合に、熱間圧延および熱間鍛造における加工条件と剪断強度との関係を調査した。その結果は、３層クラッド鋼板の場合と同様であり、初期圧延での圧延形状比を０．４以上にすれば、内層および外層の接合面の剥離もなく、熱間圧延後においてＪＩＳで規定する２００ＭＰａ以上の剪断強度を確保することができること、および初期鍛造での鍛造比を１．２以上にすれば、接合面に剥離が発生することがなく、熱間鍛造後における多層クラッド鋼板の剪断強度を２００ＭＰａ以上にできることを確認している。
【００４２】
したがって、燃料電池セパレータに適用できるステンレス鋼の開発に際し、内層に成形性が優れたステンレス鋼を用い、外層として片面または両面にＢ含有量が０．３％以上のステンレス鋼を組み合わせて多層クラッド鋼板用素材を構成し、その初期加工での加工度を規定することによって、剪断強度が確保でき、しかも熱間圧延加工性および成形性に優れた多層ステンレスクラッド鋼板を得ることができる。
【００４３】
これにより、３層ステンレスクラッド鋼板の表層部は不働態皮膜に覆われることなく、ボライトが露出し『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と同時に、３層ステンレスクラッド鋼板を複雑な形状に成形加工できる。同じく、２層ステンレスクラッド鋼板の片面表層部にボライトを露出させるとともに、例えば、他の表層部に導電処理を施すことによって、接触電気抵抗を低く維持すると同時に、２層ステンレスクラッド鋼板を容易に成形加工できる。すなわち、燃料電池セパレータ用ステンレス鋼として要求されるが、従来技術では実現できなかった、低い接触抵抗と優れた成形性とを両立させることが可能になる。
【００４４】
さらに、本発明者らは、本発明が対象とする多層ステンレスクラッド鋼板用素材の組み合わせに際し、有効な接合手段について種々の方法やその条件について検討を加えた結果、次の知見を得ることができた。
【００４５】
（ａ）多層クラッド鋼板の素材（スラブ）を高エネルギー密度溶接することにより、素材組み合わせの工数を大幅に削減できる。
【００４６】
ここで「高エネルギー密度溶接」とは、エネルギー密度で１０5Ｗ／ｃｍ2以上のエネルギー密度を有した溶接であり、代表的な例としては、プラズマ溶接、電子ビーム溶接、およびレーザー溶接等がある。
【００４７】
特に、電子ビーム溶接の場合、真空中で組み合わせ溶接を行うことから、内層および外層間の空気を完全に排除でき、熱間圧延や熱間鍛造において剥離を生じない。
【００４８】
さらに、素材の組み合わせにおける１日当たりの製造可能な本数を比較すると、人手による多層盛溶接では１本／週が限界であるが、高エネルギー密度溶接では５〜６本／週以上が可能であり生産性は大幅に向上する。
【００４９】
（ｂ）高エネルギー密度溶接に際しては、溶接後凝固した溶接金属の組成に適正な範囲があり、溶接金属の組成を適切に管理することによって、熱間圧延や熱間鍛造中に発生する割れを防止するのに有効である。
【００５０】
（ｃ）高エネルギー密度溶接での溶接方向は垂直方向と水平方向とに区分され、水平方向で溶接する場合に、ビードたれが発生し易く凝固割れの発生要因となる。このビードたれは、クラッド鋼板用素材の外層と内層の接合面に起点部を設けて高エネルギー密度溶接を行うことによって防止できる。
【００５１】
本発明は、上記の検討結果や高エネルギー密度溶接に関する知見に基づいて完成されたものであり、次の（１）の固体高分子型燃料電池セパレータ用多層ステンレスクラッド鋼板用素材、（２）の多層ステンレスクラッド鋼板用素材の製造方法、（３）の多層ステンレスクラッド鋼厚板の製造方法およびその厚板、（４）の多層ステンレスクラッド鋼板の製造方法、並びに（５）の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を要旨としている。
【００５２】
（１）Ｂ含有量が０〜０．３質量％であるステンレス鋼を内層とし、その外層として片面または両面にＢ含有量が０．３〜２．５質量％であるステンレス鋼を組み合わせた固体高分子型燃料電池セパレータ用多層ステンレスクラッド鋼板用素材であって、前記内層とするステンレス鋼と前記外層に組み合わせるステンレス鋼が、溶接を施されて、下記の（１）〜（４）式で表される関係を満足する化学成分を有するステンレス鋼溶接金属により接合され一体化されたことを特徴とする固体高分子型燃料電池セパレータ用多層ステンレスクラッド鋼板用素材である。
１５≦Ｃｒｅｑ≦３０  ・・・  （１）
４≦Ｃｒｅｑ−Ｎｉｅｑ≦１７  ・・・  （２）
ただし、
Ｃｒｅｑ＝Ｃｒ＋１．５×Ｓｉ＋Ｍｏ−５×Ｂ  ・・・  （３）
Ｎｉｅｑ＝Ｎｉ＋３０×（Ｃ＋Ｎ）＋０．５×Ｍｎ  ・・・  （４）
ここで、式中の元素記号は、鋼中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
【００５３】
また、本発明の固体高分子型燃料電池セパレータ用多層ステンレスクラッド鋼板用素材は、前記内層とするステンレス鋼と前記外層に組み合わせるステンレス鋼とが溶接で一体化され、当該素材の加工面を除く側面に、Ｂ含有量が０〜０．３質量％のプロテクト材が、上記の（１）〜（４）式で表される関係を満足する化学成分を有するステンレス鋼溶接金属により接合され一体化されたことを要旨としている。
【００５４】
本発明のクラッド鋼板用素材では、前記溶接が、高エネルギー密度溶接であることが好ましい。
【００５５】
本発明のクラッド鋼板用素材では、さらに、質量％で、前記内層とするステンレス鋼（以下、単に「内層ステンレス鋼」という）がＣｒ：１２〜３５％、Ｎｉ：７〜５０％およびＭｏ：８％以下を含有し、前記外層として片面または両面に組み合わせるステンレス鋼（以下、単に「外層ステンレス鋼」という）がＣｒ：５％以上およびＭｏ：５％以下を含有するのが望ましい。なお、内層材、外層材ともにＭｏは任意添加元素であり、添加しなくてもよい。
【００５６】
（２）Ｂ含有量が０〜０．３質量％であるステンレス鋼を内層とし、その外層として片面または両面にＢ含有量が０．３〜２．５質量％であるステンレス鋼を組み合わせた固体高分子型燃料電池セパレータ用多層ステンレスクラッド鋼板用素材の製造方法であって、前記内層とするステンレス鋼と前記外層に組み合わせるステンレス鋼を、溶接を施して、上記の（１）〜（４）式で表される関係を満足する化学成分を有するステンレス鋼溶接金属により接合し一体化す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多層ステンレスクラッド鋼板用素材の製造方法である。
【００５７】
また、本発明の固体高分子型燃料電池セパレータ用多層ステンレスクラッド鋼板用素材の製造方法は、前記内層とするステンレス鋼と前記外層に組み合わせるステンレス鋼とを溶接で一体化した後、当該素材の加工面を除く側面に、Ｂ含有量が０〜０．３質量％のプロテクト材を、上記の（１）〜（４）式で表される関係を満足する化学成分を有するステンレス鋼溶接金属により接合し一体化することを要旨としている。
【００５８】
本発明のクラッド鋼板用素材の製造方法では、前記溶接が、高エネルギー密度溶接であることが好ましい。
【００５９】
本発明のクラッド鋼板用素材の製造方法では、前記高エネルギー密度溶接で水平方向に溶接する場合に、溶接の起点部を予め形成し高エネルギー密度溶接を行うことが望ましい。
【００６０】
（３）前記（１）の素材を１０００〜１２００℃に加熱したのち、加工終了温度を６００℃以上とし厚板圧延加工す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多層ステンレスクラッド鋼厚板の製造方法およびそれによって製造された厚板である。
【００６１】
上記で得られた厚板を、さらに１０００〜１２００℃に加熱したのち、粗圧延を行い、次いで圧延終了温度を６００℃以上とする熱間圧延を行い、その後冷間圧延することで固体高分子型燃料電池セパレータ用多層ステンレスクラッド鋼板を製造することができる。
【００６２】
（４）前記（１）の素材を１０００〜１２００℃に加熱したのち、粗圧延を行い、次いで圧延終了温度を６００℃以上とする熱間圧延を行い、その後冷間圧延す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多層ステンレスクラッド鋼板の製造方法である。
【００６３】
（５）前記（３）または（４）の製造方法で得られた多層ステンレスクラッド鋼板を用いたことを特徴とする固体高分子型燃料電池セパレータである。さらに、このセパレータを用いたことを特徴とする固体高分子型燃料電池である。
【発明の効果】
【００６４】
本発明の２層または３層からなる多層ステンレスクラッド鋼板によれば、安価で大量生産が可能であり、熱間加工性および成形性に優れ、固体高分子型燃料電池セパレータとして最適なＢ含有ステンレス鋼を提供することができる。これによりセパレータを作製すれば、電池性能に優れた固体高分子型燃料電池を製造できる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】固体高分子型燃料電池の構造を示す図であり、図１（ａ）は燃料電池セル（単セル）の分解図を、図１（ｂ）は燃料電池外観の斜視図を示している。
【図２】Ｂ含有量が１．０質量％のステンレス鋼とこれを用いた多層クラッド鋼板における変形抵抗の推移を調査した結果を示す図である。
【図３】３層クラッド鋼板の熱間圧延における初期加工で付加する圧延形状比と圧延後の剪断強度との関係を示す図である。
【図４】クラッド鋼板用素材を電子ビーム溶接で一体に組み合わせる方法を説明する図であり、（ａ）は組み合わせ後の全体構成と溶接方向を示しており、（ｂ）は電子ビーム溶接における起点部の形成例を示している。
【図５】実施例で供試した多層ステンレスクラッド鋼板用素材および比較例の構成を示す図であり、（ａ）〜（ｅ）はそれぞれＣａｓｅ１〜５の構成例を示している。
【発明を実施するための形態】
【００６６】
前述の通り、本発明は固体高分子型燃料電池セパレータ用多層ステンレスクラッド鋼板、およびその素材、並びにそれらの製造方法に関するものである。以下に、本発明の内容を、多層ステンレスクラッド鋼板およびその素材、高エネルギー密度溶接による一体化、プロテクト材の接合、並びにクラッド鋼板およびその素材の製造方法に区分して説明する。以下の説明において、化学組成の含有量は質量％を意味する。
【００６７】
なお、本発明では「高エネルギー密度溶接」を電子ビーム溶接の場合について以下に記すが、これにより本発明が電子ビーム溶接に限定されるものではない。
【００６８】
１．多層ステンレスクラッド鋼板およびその素材
本発明の多層ステンレスクラッド鋼板およびその素材は、Ｂ含有量が０〜０．３％であるステンレス鋼を内層とし、その外層として片面または両面にＢ含有量が０．３〜２．５％であるステンレス鋼を組み合わせたこと特徴としている。外層ステンレス鋼および内層ステンレス鋼は、次の構成による。
【００６９】
１−１．外層ステンレス鋼
外層ステンレス鋼は内層ステンレス鋼の片面または両面に組み合わせて構成され、そのＢ含有量が０．３％未満になると、不働態皮膜に覆われた表面から直接露出するボライドの突出数が少なくなり、接触抵抗が増大する。
【００７０】
一方、Ｂ含有量が２．５％を超えると、セパレータの加工に必要な成形性を確保することができない。したがって、外層ステンレス鋼のＢ含有量は、０．３〜２．５％とする。さらに、Ｂ含有量を０．８〜２％にするのが望ましい。
【００７１】
外層ステンレス鋼は、さらにＣｒ：５％以上およびＭｏ：５％以下を含有するオーステナイト系ステンレスとするのが望ましい。
【００７２】
Ｃｒは、耐食性を向上させるのに有効な元素であり、その効果を得るには５％以上含有する必要がある。したがって、耐食性の向上を図りたい場合には、５％以上含有することができる。一方、Ｃｒの含有が３０％を超えと熱間加工性の低下が顕著になるので、Ｃｒを含有する場合には、その上限を３０％にする。
【００７３】
Ｍｏは、添加しなくてよい。しかし、Ｃｒと同様に、必要に応じて含有することにより、一層、耐食性を向上させることができる。しかし、Ｍｏは５％を超えて含有しても効果は飽和し、かつＭｏは高価な元素である。このため、Ｍｏを含有する場合には、上限を５％とした。Ｍｏを含有する場合に、望ましい下限は０．３％である。
【００７４】
１−２．内層ステンレス鋼
内層ステンレス鋼のＢ含有量は少ないほどよく、０〜０．３％とする。これは、そのＢ含有が０．３％を超えると、熱間加工時に割れが発生するおそれがあるからである。そのため、内層ステンレス鋼はＢを含有しなくてもよいが、含有する場合は０．３％以下に制限することとした。また、内層ステンレス鋼は、フェライト系またはオーステナイト系ステンレス鋼のいずれでもよいが、外層ステンレス鋼と化学組成を近似させるのが望ましい。
【００７５】
接触する金属の化学組成が大きく異なると電位差が大きくなり、腐食が促進されることになる。したがって、本発明ではクラッド鋼板の耐食性を確保する観点から、外層と内層に用いるステンレス鋼の電位差が少なくなるように、成分設計するのが望ましい。
【００７６】
内層ステンレス鋼は、さらにＣｒ：１２〜３５％、Ｎｉ：７〜５０％およびＭｏ：８％以下を含有することができる。
【００７７】
Ｃｒは、耐食性を向上させる効果があるが、含有が１２％未満では効果が発揮されず、耐食性が劣化する。一方、３５％を超えて含有すると熱間加工性が著しく低下する。このため、Ｃｒを含有する場合には、含有量は１２〜３５％とする。
【００７８】
Ｎｉは、Ｃｒと同様に、耐食性を向上させる効果があるが、含有量が７％未満では効果が発揮されず、耐食性が劣化する。一方、含有量が５０％を超えると、効果が飽和しコストが高くなる。このため、Ｎｉを含有する場合には、含有量は７〜５０％とする。
【００７９】
Ｍｏも、必要に応じて含有することにより、一層耐食性を向上させることができる。しかし、８％を超えて含有しても効果は飽和するので、Ｍｏを含有する場合には８％以下とする。Ｍｏを含有する場合に、望ましい下限は０．２％である。
【００８０】
２．電子ビーム溶接による一体化
前述の通り、高エネルギー密度溶接には、プラズマ溶接、電子ビーム溶接、およびレーザー溶接等が例示される。しかし、以下では、高エネルギー密度溶接として電子ビーム溶接を適用した場合について説明する。
【００８１】
多層ステンレスクラッド鋼板に用いる素材（スラブ）を一体化する方法には各種あり、例えば、爆着法、溶接法または鋳込み法などが一般的に用いられている。特に、溶接法は特殊な設備を必要とせず、簡易な装置で手軽に実施できるので、従来から広く採用されている。
【００８２】
ところが、従来の溶接法では熱間加工中に外層材と内層材が剥離しないように多層盛する必要があり、多大な工数を要していた。また、溶接時に内外層間の空気を完全に抜くことが困難であり、熱間加工後の超音波検査で残存空気に起因する欠陥を多発することがある。
【００８３】
これに対し、電子ビーム溶接によれば、溶接を真空中で行うため、残存空気のおそれがなく、同時に１パスの溶接で十分な強度を確保することができる。このため、従来の溶接法に比較し、大幅な工数削減ができるとともに超音波欠陥の発生が殆どなく、品質および歩留まりの両面で著しい向上が見られる。
【００８４】
図４は、クラッド鋼板用素材を電子ビーム溶接で一体に組み合わせる方法を説明する図であり、（ａ）は組み合わせ後の全体構成と溶接方向を示しており、（ｂ）は電子ビーム溶接における起点部の形成例を示している。クラッド鋼板用素材を組み合わせる場合に、電子ビーム溶接の溶接方向は垂直方向（白抜き矢印）Ｖと水平方向（黒抜き矢印）Ｈに分けられる。水平方向Ｈでの電子ビーム溶接では、起点部にビードたれが発生し、その部分を始点として凝固割れが発生する場合がある。
【００８５】
ビードたれが発生した場合に、外層ステンレス鋼７に窪みができるため、打ち直し（補修）溶接を行う必要がある。このとき２、３パスの溶接が行われるため、外層ステンレス鋼７のＢ濃度が変化し、希釈された溶接箇所において凝固割れが発生し易くなる。凝固割れが発生すると、熱間加工中にその部分を始点として加工割れが発生する。
【００８６】
ビードたれの発生を防止するには、電子ビーム溶接を開始する前に起点部９を形成するのが有効である。図４（ｂ）に示すように、起点部９の形成例としては、外層ステンレス鋼７と内層ステンレス鋼８との接合面で、外層ステンレス鋼７に凹部を設けることができる。起点部９として形成される凹部の寸法は、幅Ｗが５〜１５ｍｍ、長さＬが６０〜８０ｍｍおよび深さＤが５〜１５ｍｍとできる。
【００８７】
例えば、凹部を設けた起点部９から電子ビーム溶接を水平方向Ｈにスタートさせることにより、ビードたれが発生しない溶接部を得ることができる。さらに、確実にビードたれの発生を防止するには、電子ビーム溶接のスタート時に溶接電流を逐次増大させて、所定時間後に目標電流で溶接するようにするのがさらに望ましい。
【００８８】
３．プロテクト材の接合
３−１．接合条件
本発明の多層ステンレスクラッド鋼板用素材では、外層材がＢ含有ステンレス鋼であり、熱間加工中に割れが生じるおそれがある。このため、素材の加工面を除く側面に、Ｂ含有量が０．３％以下のプロテクト材を接合するのが望ましい。
【００８９】
「加工面を除く側面」とは、圧延や鍛造などの加工を受ける加工面以外の面のうち、少なくとも対向する側部２面をいう。例えば、圧延の場合は、圧延ロールと接触しない長手方向の２側面、またはこれらを含めて頭部や尾部の端面が含まれていてもよい。鍛造の場合は、ラムと接触しない対向する側部２面、またはこれらを含めて３〜４面が含まれてもよい。
【００９０】
上述の通り、本発明の多層ステンレスクラッド鋼板用素材では熱間加工中に割れが発生するおそれがあるが、０．３％以下とＢ含有量が少ないプロテクト材を、当該クラッド鋼板用素材の加工面を除く側面に接合することにより、圧延中の耳割れを防止できる。
【００９１】
プロテクト材は圧延終了後に切断されるため、Ｂ以外の化学組成は特に規定しない。さらに、プロテクト材の寸法は、熱間加工中に座屈を起こし剥離する危険性を回避するため、板厚を１０ｍｍ以上にするのが望ましい。
【００９２】
プロテクト材を接合する場合に、後述する図５（ｂ）および（ｃ）に示すように、内層ステンレス鋼８の両側に外層ステンレス鋼７を電子ビーム溶接で一体に組み合わせた後、外層ステンレス鋼７に電子ビーム溶接でプロテクト材１０を接合しもよく、また、内層ステンレス鋼８および外層ステンレス７鋼の全厚さにわたり電子ビーム溶接でプロテクト材１０を接合してもよい。
【００９３】
３−２．溶接金属の化学組成
「溶接金属」とは、プロテクト接合部の一部であって、接合前の母材ステンレス鋼およびプロテクト材が接合により溶融凝固した金属部分をいう。プロテクト材を電子ビーム溶接などで接合する場合に、接合時に生じる割れや熱間加工時に発生する割れを防止する必要がある。これらの割れを効果的に防止するには、プロテクト材と母材ステンレス鋼との接合部を構成する溶接金属の化学組成が下記の（３）〜（６）式で示される関係を満足するのが望ましい。
【００９４】
１５≦Ｃｒｅｑ≦３０  ・・・  （３）
４≦Ｃｒｅｑ−Ｎｉｅｑ≦１７  ・・・  （４）
ただし、
Ｃｒｅｑ＝Ｃｒ＋１．５×Ｓｉ＋Ｍｏ−５×Ｂ  ・・・  （５）
Ｎｉｅｑ＝Ｎｉ＋３０×（Ｃ＋Ｎ）＋０．５×Ｍｎ  ・・・  （６）
ここで、式中の元素記号は、鋼中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
【００９５】
上記のＣｒｅｑの値が１５未満では、Ｂ含有ステンレス鋼との希釈により、Ｂを含有する溶接金属が生成して延性が不足し、電子ビーム溶接による溶接などのように熱応力が大きくなる場合には、延性不足に起因する割れを生じる。延性不足はボライト（硼化物）の形成にともない、オーステナイト相が不安定となって、一部が延性の乏しいマルテンサイト化することによる。
【００９６】
しかしながら、Ｃｒｅｑの値を１５以上とすることにより、ボライト（硼化物）が生成してオーステナイト相が安定となり、マルテンサイトの生成を抑制して延性不足を回避できる。
【００９７】
一方、Ｃｒｅｑの値が３０を超えると、溶接金属の熱間加工性が劣化し、熱間加工時に割れが発生する。したがって、Ｃｒｅｑの値は、上記の（３）式で表される関係を満足する必要がある。
【００９８】
また、溶接時に生じる割れの回避および熱間圧延時の割れ防止のためには、Ｃｒｅｑの値が上記の（３）の関係を満足するのみでは不充分であり、（Ｃｒｅｑ−Ｎｉｅｑ）の値も適正範囲に調整する必要がある。（Ｃｒｅｑ−Ｎｉｅｑ）の値が４未満では、溶接凝固割れが発生する一方、（Ｃｒｅｑ−Ｎｉｅｑ）の値が１７を超えると、熱間圧延割れが発生する。
【００９９】
溶接凝固割れは、Ｂによる低融点相の形成と、電子ビーム溶接などに特有の熱応力との重畳効果によるものである。（Ｃｒｅｑ−Ｎｉｅｑ）の値を４以上とすることにより、凝固後期までのフェライト相を残存させて、低融点相を分散させることができるので、電子ビーム溶接などの高い熱応力下においても凝固割れの回避が可能となる。したがって、（Ｃｒｅｑ−Ｎｉｅｑ）の値は、上記の（４）式の関係を満足する必要がある。
【０１００】
上述の理由により、溶接金属の化学組成を上記の（３）〜（６）式で示される適正範囲に調整することにより、プロテクト材を高能率で溶接する場合であっても、溶接時に生じる割れを回避し、かつ溶接金属の熱間圧延時の割れを防止する有効な手段となる。
【０１０１】
前述の通り、プロテクト材が接合する母材ステンレス鋼はＢ含有鋼であり、プロテクト材がＢを含有しない組み合わせで溶接を行うと、溶接金属の割れ感受性が高まり、溶接割れを発生するおそれがある。すなわち、プロテクト材で希釈された溶接金属では、液相からのボライト（硼化物）の生成が生じにくくなり、Ｂによる低融点相の消失が遅れるからである。
【０１０２】
したがって、プロテクト材と母材ステンレス鋼とのＢ含有量を調整し、溶接割れを防止するため、Ｂを含有するインサート材として板、箔、粉末などを両者の間に挿入、または挟み込んでプロテクト材の接合を行うのが望ましい。
【０１０３】
４．クラッド鋼板およびその素材の製造方法
４−１．初期加工の加工条件
本発明の多層クラッド鋼板の製造方法で採用する熱間加工は、分塊鍛造、厚板圧延、および熱延鋼帯圧延などが対象となる。この熱間加工時に内層および外層ステンレス鋼の接合面での剥離を防止するには、初期加工での高加工度、すなわち、圧延加工での圧延形状比、または鍛造加工での鍛造比を規定することにより、十分に接合面を密着させるのが望ましい。
【０１０４】
具体的には、２層クラッド鋼板または３層クラッド鋼板を製造する場合に、厚板圧延および熱延鋼帯圧延の熱間圧延では、初期圧延または初期圧延を含む連続２パス以上の平均圧延形状比を０．４以上にするのが望ましい。初期圧延での圧延形状比を確保することによって、その後の熱間圧延で圧延形状比が０．４未満であっても、内層および外層ステンレス鋼の接合面の剥離もなく、熱間圧延後においてＪＩＳで規定する２００ＭＰａ以上の剪断強度を確保することができる。
【０１０５】
さらに、初期圧延での圧延形状比を０．６以上にすれば、熱間圧延後の剪断強度を一層向上させることができるので望ましい。本発明で規定する圧延形状比は、前述の通り、定義される。
【０１０６】
一方、２層クラッド鋼板または３層クラッド鋼板を製造する場合に、熱間鍛造では、初期鍛造での鍛造比を１．２以上にすれば、その後の鍛造で鍛造比が１．１未満であっても、接合面に剥離が発生することがなく、熱間鍛造後における多層クラッド鋼の剪断強度を２００ＭＰａ以上にできる。ここで、鍛造比は、最初の板厚Ｈ0、鍛造後の板厚Ｈ1とすれば、Ｈ0／Ｈ1の比で定義する。
【０１０７】
４−２．熱間加工および冷間加工
Ｂを含有する素材の加熱温度が１０００℃未満であれば温度が低く圧延中の変形抵抗が大きくなり、圧延中に剥離するおそれがある。一方、加熱温度が１２００℃を超えるとスケール疵が発生する場合がある。このため、素材の加熱温度は１０００〜１２００℃とする。さらに加熱温度を１０５０〜１２００℃にするのが望ましい。
【０１０８】
熱間加工での仕上げ温度は、耳割れ防止の観点からは高いほどよいが、加工終了後の温度が６００℃未満になると靭性が劣化する。このため、厚板圧延および熱延鋼帯圧延などでは、圧延終了温度を６００℃以上とする。
【０１０９】
さらに、燃料電池用セパレータ材としてクラッド鋼板を用いる場合には、熱間加工の後、冷間加工として冷延鋼帯圧延を施して冷延鋼板に仕上げ加工を行い、得られた薄板をプレス成形して所定の断面形状にする。
【実施例】
【０１１０】
本発明の効果を確認するため、表１に示す化学成分を有するステンレス鋼スラブを準備した。スラブ寸法は、厚さ５０ｍｍ、幅１４０ｍｍおよび長さ１００ｍｍとした。
【０１１１】
【表１】
0005246023.tif 000002
【０１１２】
これらのスラブを組み合わせて多層ステンレスクラッド鋼板用素材を作製し、必要に応じてプロテクト材を接合し、得られた素材に熱間圧延を施した。熱間圧延はレバース圧延、および連続圧延が共に可能な実験設備を用いて行った。
【０１１３】
図５は、実施例で供試した単層、または２層若しくは３層の多層ステンレスクラッド鋼板用素材および比較例の構成を示す図であり、（ａ）〜（ｅ）はそれぞれＣａｓｅ１〜５の構成例を示している。（ａ）に示すＣａｓｅ１は、内層ステンレス鋼８の両面に外層ステンレス鋼７を電子ビーム溶接で一体に組み合わせた構成である。さらに、（ｂ）に示すＣａｓｅ２では、外層ステンレス鋼７に電子ビーム溶接でプロテクト材１０を接合した後、内層ステンレス鋼８の両面にプロテクト材を接合した外層ステンレス鋼７を電子ビーム溶接で一体に組み合わせている。
【０１１４】
また、（ｃ）に示すＣａｓｅ３では、内層ステンレス鋼８の両面に外層ステンレス鋼７を電子ビーム溶接で一体に組み合わせた後、内層ステンレス鋼８および外層ステンレス鋼７の全厚さにわたり電子ビーム溶接でプロテクト材１０を接合している。一方、（ｄ）に示すＣａｓｅ４は、クラッド鋼を構成せず、単層のＢ含有鋼１１に電子ビーム溶接でプロテクト材１０を接合した構成である。さらに、（ｅ）に示すＣａｓｅ５では、外層ステンレス鋼７に電子ビーム溶接でプロテクト材１０を接合した後、内層ステンレス鋼８の片面にプロテクト材を接合した外層ステンレス鋼７を電子ビーム溶接で一体に組み合わせている。
【０１１５】
図５に示す構成のうち、（ｂ）〜（ｅ）に示すＣａｓｅ２〜５でプロテクト材の接合を行う場合に、必要に応じてインサート材を使用している。本発明例の多層ステンレスクラッド鋼板用素材および比較例の組み合わせ条件を表２に示す。
【０１１６】
【表２】
0005246023.tif 000003
【０１１７】
表２中の外層材の厚さはそれぞれ片面厚さを示しており、例えば１４（ｍｍ）／１４（ｍｍ）は、内層材の両面に厚さ１４ｍｍの外層材を組み合わせて３層クラッド鋼板を構成し、１４（ｍｍ）／０（ｍｍ）は、内層材の片面に厚さ１４ｍｍの外層材を組み合わせて２層クラッド鋼板を構成していることを示している。
【０１１８】
３層ステンレスクラッド鋼板用素材の組み合わせに際し、外層ステンレス鋼素材を作製するため、厚さ１５０ｍｍのスラブを８５ｍｍまで熱間鍛造し、それをフライス研削して厚さ３５ｍｍまで減肉した。次いで、内層ステンレス鋼は厚さ２２ｍｍの材料を用い、両側に外層のステンレス鋼素材を溶接して一体化した後、さらに外層のステンレス鋼素材を各々３５ｍｍから１４ｍｍまで減肉し、多層ステンレスクラッド鋼板用素材とした。
【０１１９】
上記のような煩雑な工程を適用したのは、外層のステンレス鋼素材を当初から厚さ１４ｍｍで外層材として用いると、溶接時の入熱の影響でコーナー部が溶損するおそれがあるからである。かかる処理は実施例における処置であり、実機の素材組み合わせにおいては不要となる。
【０１２０】
さらに、プロテクト材を使用したＣａｓｅ２〜５については、プロテクト材を研削し、１０ｍｍ厚まで減肉した。
【０１２１】
上記スクラッド鋼板用素材の組み合わせでは、電子ビーム溶接を外層ステンレス鋼と内層ステンレス鋼の一体化およびプロテクト材の接合に採用し、その溶接方向は垂直方向と水平方向の２法で行われた。それぞれの溶接条件を表３に示す。
【０１２２】
【表３】
0005246023.tif 000004
【０１２３】
Ｃａｓｅ１〜３および５の素材を構成する場合に、溶接方向が水平方向となる電子ビーム溶接では、溶接スタート時は溶接電流を小さくし、徐々に大きくして、３〜４秒後に表３に示す目標溶接電流となるように電流制御を行った。同水平方向の溶接での起点部として、外層ステンレス鋼と内層ステンレス鋼の合わせ面の外層側に深さ１０×幅１０×長さ７０ｍｍの溝加工を施した。
【０１２４】
得られた多層ステンレスクラッド鋼板用素材を窒素雰囲気で１１８０℃に加熱し、１時間保持後、表４に示す圧延スケジュールに基づいて９パスの熱間圧延を行い、７００℃で圧延を終了し、最終肉厚が６ｍｍとなる熱間圧延コイルに仕上げた。その後、通常の条件で焼鈍および酸洗などの処理を行って、さらに仕上げ肉厚０．１５ｍｍまで冷間圧延を行った。
【０１２５】
【表４】
0005246023.tif 000005
【０１２６】
得られた冷間圧延コイルを供試材としてプレス成形性の評価試験を行い、その結果を表５に示した。ただし、試験記号Ｎは外層材のＢ含有量が本発明で規定する範囲から外れるため、熱間圧延の際に割れが発生し、熱間圧延コイルに仕上げることができなかった。そのため、その後の試験は行わなかった。
【０１２７】
供試材を流路部分が５０ｍｍ×５０ｍｍのセパレータ製作用プレス金型を用いて、５０トンプレス機によりプレス加工を行った。金型はガス流路となる溝の幅が２ｍｍで、溝の深さは押し込みストロークにより０．４ｍｍ、０．５ｍｍおよび０．６ｍｍに調整した。
【０１２８】
表５に示す評価試験の結果では、各供試材の溝深さにおける貫通割れの有り無しを示しており、〇は貫通割れ無し、●は貫通割れ有りをそれぞれ示している。
【０１２９】
評価試験の結果から、試験記号Ｏ〜Ｑで示すＢを含有する外層材の単層で構成する供試材に比べ、試験記号Ａ〜ＭおよびＲで示すように、多層クラッド鋼板を構成することによって、良好なプレス成形性を有することがわかる。
【０１３０】
【表５】
0005246023.tif 000006
【０１３１】
同様に、冷間圧延コイルを供試材として接触抵抗を測定し、その結果を表６に示す。供試材の表面を硝酸１０％フッ酸４％、残部水の酸洗液で１０分間の酸洗を行い、ボライト（硼化物）を表面に露出させた。
【０１３２】
接触抵抗の測定は、電極として市販の厚さ０．３ｍｍのカーボンペーパー（ＳＧ３）を用いて、そのカーボンペーパーに接触面積１ｃｍ2として上記供試材の表面に接触させた。電気抵抗の測定は４端子法とし、負荷荷重は１０ｋｇ／ｃｍ2に固定し、抵抗の変動を回避した。
【０１３３】
表６に示す接触抵抗の測定結果から、試験記号Ａ〜Ｍに示す多層クラッド鋼板を構成した場合でも、試験記号Ｏ〜Ｑで示すＢを含有する外層材の単層で構成した場合と同じように低い接触抵抗を示した。しかし、試験記号Ｒでは、外層材として本発明で規定するＢ含有量より少ない鋼番号ｇ９を採用したので、接触抵抗が増大している。
【０１３４】
【表６】
0005246023.tif 000007
【０１３５】
得られた冷間圧延コイルをプレス成形したセパレータを用い、前記図１に示す固体高分子型燃料電池セル（単セル）を作製し、電池性能の評価を行い、その結果を表７に示す。
【０１３６】
アノード極側燃料用ガスとしては９９．９９９９％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７８℃±２℃に保持するとともに、電池内部の湿度制御をセル入り側で行い、電池内部の圧力を１気圧とした。
【０１３７】
単セルで０．５Ａ／ｃｍ2、および０．６２Ｖの状態から継続的に発電状況の評価を実施した。電池性能の比較は５０時間経過後の単セル電圧低下率とし、［１−（５０時間経過後のセル電圧／初期セル電圧）］で評価を行った。
【０１３８】
表７に示す評価結果から、試験記号Ａ〜Ｍに示す本発明例では、多層クラッド鋼板を構成したにもかかわらず、試験記号Ｏ〜Ｑで示すＢを含有する外層材の単層で構成した場合と同様の性能を示している。しかし、試験記号Ｒでは、外層材のＢ含有量が本発明の規定範囲外であるため、性能が著しく低下している。
【０１３９】
【表７】
0005246023.tif 000008
【産業上の利用可能性】
【０１４０】
本発明の多層ステンレスクラッド鋼板によれば、安価で大量生産が可能であり、熱間加工性および成形性に優れ、固体高分子型燃料電池セパレータとして最適なＢ含有ステンレス鋼を提供することができる。これによりステンレス鋼製のセパレータを作製すれば、プレス成形性に優れ、低い接触抵抗を示すことから、電池性能に優れた固体高分子型燃料電池を効率的に製造でき、燃料電池の分野で広く適用できる。
【符号の説明】
【０１４１】
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：セパレート、    ６ａ、６ｂ：流路、
７：外層ステンレス鋼、    ８：内層ステンレス鋼、
９：起点部、    １０：プロテクト材、
１１：単体のＢ含有鋼
【図１】
0005246023.tif 000009
【図２】
0005246023.tif 000010
【図３】
0005246023.tif 000011
【図４】
0005246023.tif 000012
【図５】
0005246023.tif 000013