(57)【要約】【課題】高電位域でも、セパレータの接触低抗が増加することを効果的に抑制する、燃料電池セパレータ用ステンレス鋼を提供する。【解決手段】ステンレス鋼の表面に、直径が0.1μｍ以上のラーベス相が10 4個／mm2以上の存在頻度で露出させ、かつ該ラーベス相の平均粒径をｄ（μｍ）、該ステンレス鋼の素地の算術平均粗さをＲａ（μｍ）とするとき、以下の式（１）の関係を満足させる。    ｄ/2  ＞  Ｒａ/2  ＋  0.05    …  （１）【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性粒子としてラーベス相が表面に露出するステンレス鋼であって、該ステンレス鋼の表面に、直径が0.1μｍ以上のラーベス相が10 4個／mm2以上の存在頻度で露出し、かつ該ラーベス相の平均粒径をｄ（μｍ）、該ステンレス鋼の素地の算術平均粗さをＲａ（μｍ）とするとき、下記式（１）の関係を満足することを特徴とする固体高分子形燃料電池セパレータ用ステンレス鋼。
記
ｄ/2  ＞  Ｒａ/2  ＋  0.05    …  （１）
【請求項２】
固体高分子形燃料電池セパレータ用のステンレス鋼の製造方法において、
該ステンレス鋼の冷延焼鈍板にラーベス相を析出させ、ついで、該ステンレス鋼の素地を溶解して、該ステンレス鋼の表面に、円相当径で直径が0.1μｍ以上のラーベス相を、10 4個／mm2以上の存在頻度で露出させ、さらに、上記ラーベス相の平均直径をｄ（μｍ）、上記算術平均粗さをＲａ（μｍ）とするとき、これらについて下記式（１）の関係を満足させることを特徴とする固体高分子形燃料電池セパレータ用ステンレス鋼の製造方法。
記
ｄ/2  ＞  Ｒａ/2  ＋  0.05    …  （１）
【請求項３】
前記素地の溶解手段が、混酸浸漬処理または電解処理であることを特徴とする請求項２に記載の固体高分子形燃料電池セパレータ用ステンレス鋼の製造方法。
【請求項４】
前記冷延焼鈍板に対するラーベス相の析出を、冷延板焼鈍時の冷却速度を調整して行うことを特徴とする請求項２または３に記載の固体高分子形燃料電池セパレータ用ステンレス鋼の製造方法。
【請求項５】
前記冷延焼鈍板に対するラーベス相の析出を、非酸化性雰囲気中で、600〜900℃の温度範囲に５秒〜20時間保持する時効処理により行うことを特徴とする請求項２または３に記載の固体高分子形燃料電池セパレータ用ステンレス鋼の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高電位域であっても接触抵抗値が低い固体高分子形燃料電池セパレータ用ステンレス鋼およびその製造方法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、また、ＣＯ2を排出しない燃料電池の開発が積極的に進められている。この燃料電池は、電気化学反応によってＨ2とＯ2から電気を発生させるものであって、その基本構造はサンドイッチのような構造を有している。具体的には、電解質膜（イオン交換膜）、２つの電極（燃料極および空気極）、Ｏ2（空気）とＨ2の拡散層および２つのセパレータから構成されている。
そして、使用される電解質膜の種類に応じて、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うち、固体高分子形燃料電池は、他の燃料電池に比べて、
(ｉ) 発電温度が80℃程度であり、格段に低い温度で発電ができる、
(ii) 燃料電池本体の軽量化、小型化が可能である、
(iii) 短時間で立上げができ、燃料効率や電力の出力密度が高い
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、家庭用または業務用の定置型発電機、携帯用の小型発電機として、今日最も注目されているタイプの燃料電池である。
【０００４】
固体高分子形燃料電池（以下、本発明において、単に燃料電池と言った場合は、固体高分子形燃料電池を指すものとする。）は、高分子膜を介してＨ2とＯ2から電気を取り出すものであり、図１に示すように、膜−電極接合体１を、ガス拡散層２，３（たとえばカーボンペーパ等）およびセパレータ４，５によって挟み込んで、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と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は、上記のような単セルを、直列に数10〜数100個直列につないで燃料電池スタックとして使用している。
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) Ｏ2（空気）とＨ2が流れる空気流路６、水素流路７、
(d) 生成した水やガスを排出する排出路
としての機能がそれぞれ求められる。
従って、固体高分子形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が必要である。
【０００６】
ここに、燃料電池の耐久性は、電気自動車の搭載用電源として使用する場合、約5,000時間がその耐用時間として想定されている。また、家庭用の定置型発電機等として使用する場合、約40,000時間がその耐用時間として想定されている。
【０００７】
現在までに、セパレータの素材としては、カーボン素材を用いた燃料電池が実用化されている。このカーボン素材からなるセパレータは、接触抵抗が比較的小さいだけでなく、腐食をしないという利点がある。しかしながら、カーボン素材からなるセパレータは、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、加工性が極めて悪いので、空気流路や、水素流路など、セパレータを形成するための加工コストが高くなるという欠点がある。
これらカーボン素材のセパレータが有する欠点は、固体高分子形燃料電池の普及を妨げる原因ともなっている。
【０００８】
そこで、近年、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を適用することが試みられている。特に、耐久性向上の観点から、ステンレス鋼を素材としたセパレータの実用化に対して、種々の検討がなされている。
【０００９】
例えば、特許文献１には、オーステナイト系ステンレス鋼（SUS304）等の金属セパレータの表面に金めっきを施すことにより、接触抵抗を低減し、高出力を確保する技術が開示されている。しかしながら、金めっき層が薄いと、ピンホールの発生を防止することが困難になり、耐食性に対して問題がある。一方、金めっき層が厚いと、コスト高になるという問題がある。
【００１０】
他方、導電性物質を用いて、ステンレス鋼の接触低抗を低減する技術として、例えば、特許文献２には、フェライト系ステンレス鋼基材に、カーボン粉末を分散付着させることで電導性(接触抵抗)を改善したセパレータを得る技術が、また、特許文献３には、Ｍ２３Ｃ６型炭化物あるいはＭ２Ｂ型硼化物を表面に露出分散させて接触抵抗を低減したセパレータを得る技術が、さらに特許文献４には、ラーベス相を表面に露出分散させ接触抵抗を低減したセパレータを得る技術が、それぞれ開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平10-228914号公報
【特許文献２】特開2000-277133号公報
【特許文献３】特開2000-214186号公報
【特許文献４】特開2004-124197号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、近年、特にカソード極(空気極)側で、反応の不均一性などに起因して、局所的、一時的に、１Ｖを超える電位が発生する場合があることが指摘されている。
かようにカソード極(空気極)側で電位が１Ｖを超えた場合は、電極材料(Ptやカーボン)が劣化するだけでなく、ステンレス鋼の不動態皮膜が厚くなるため、導電性物質が表面に存在したとしても、セパレータの接触抵抗が増加するおそれが生じる。
【００１３】
本発明は、上記した問題点を有利に解決するもので、高電位域でも、セパレータの接触低抗が増加することを抑制する、燃料電池セパレータ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】
【００１４】
発明者らは、上記の目的を達成するために、高電位域において、セパレータの接触抵抗を低く抑制することができるステンレス鋼を開発すべく、鋭意検討を重ねた。
その結果、ラーベス相を含有したステンレス鋼において、酸洗などにより素地を溶解してラーベス相を鋼表面に露出させ、かつその際の露出したラーベス相の粒径や存在頻度、また素地の鋼材表面の粗さなどを所定の範囲に規定することによって、たとえ、高電位域で不動態皮膜が厚くなったとしても、セパレータの接触抵抗の増加が大幅に抑制できることを見出した。
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．導電性粒子としてラーベス相が表面に露出するステンレス鋼であって、該ステンレス鋼の表面に、直径が0.1μｍ以上のラーベス相が10 4個／mm2以上の存在頻度で露出し、かつ該ラーベス相の平均粒径をｄ（μｍ）、該ステンレス鋼の素地の算術平均粗さをＲａ（μｍ）とするとき、下記式（１）の関係を満足することを特徴とする固体高分子形燃料電池セパレータ用ステンレス鋼。
記
ｄ/2  ＞  Ｒａ/2  ＋  0.05    …  （１）
【００１６】
２．固体高分子形燃料電池セパレータ用のステンレス鋼の製造方法において、
該ステンレス鋼の冷延焼鈍板にラーベス相を析出させ、ついで、該ステンレス鋼の素地を溶解して、該ステンレス鋼の表面に、円相当径で直径が0.1μｍ以上のラーベス相を、10 4個／mm2以上の存在頻度で露出させ、さらに、上記ラーベス相の平均直径をｄ（μｍ）、上記算術平均粗さをＲａ（μｍ）とするとき、これらについて下記式（１）の関係を満足させることを特徴とする固体高分子形燃料電池セパレータ用ステンレス鋼の製造方法。
記
ｄ/2  ＞  Ｒａ/2  ＋  0.05    …  （１）  
【００１７】
３．前記素地の溶解手段が、混酸浸漬処理または電解処理であることを特徴とする前記２に記載の固体高分子形燃料電池セパレータ用ステンレス鋼の製造方法。 
【００１８】
４．前記冷延焼鈍板に対するラーベス相の析出を、冷延板焼鈍時の冷却速度を調整して行うことを特徴とする前記２または３に記載の固体高分子形燃料電池セパレータ用ステンレス鋼の製造方法。
【００１９】
５．前記冷延焼鈍板に対するラーベス相の析出を、非酸化性雰囲気中で、600〜900℃の温度範囲に５秒〜20時間保持する時効処理により行うことを特徴とする前記２または３に記載の固体高分子形燃料電池セパレータ用ステンレス鋼の製造方法。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、カソード極側が１Ｖを越える高電位になった場合であっても、セパレータの接触抵抗の増加が少ない燃料電池セパレータ用ステンレス鋼を得ることができる。従って、高価なカーボンセパレータや金めっきセパレータを使用していた燃料電池に、安価なステンレス製セパレータを使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】燃料電池の基本構造を示す模式図である。
【図２】接触抵抗の測定要領を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明を具体的に説明する。
本発明において、素材として用いるステンレス鋼はラーベス相をその表面に露出しているが、素地のステンレス鋼に特に制限はなく、例えば、フェライト系ステンレス、オーステナイト系ステンレス、マルテンサイト系ステンレスや、二相系ステンレス鋼など、素材としては、従来公知のステンレス鋼をいずれも好適に使用することができる。
【００２３】
本発明のステンレス鋼は、導電性物質として、ラーベス相をその表面に露出しているところに特徴がある。このラーベス相は、ステンレス鋼中に析出するFe2M型の金属間化合物であり、Fe、Cr、Nb、Moなどを主体とし、鋼材の成分や熱処理条件などによって、様々な組成や形態で析出する金属間化合物である。このとき、Crは一部Feと置換し、M元素（Nb、Moなど）と結合しラーベス相を形成する。ラーベス相は、不動態皮膜に比べ高い導電率を持つため、鋼表面に露出することによって、セパレータの接触抵抗を低減する効果を有している。また、ラーベス相は、燃料電池の運転環境を想定した高電位でもほぼ安定であり、耐食性についても優れている。
上記ラーベス相を、ステンレス鋼の表面に露出させるためには、酸洗などにより、ステンレス鋼の素地を選択的に溶解させればよい。この時、ラーベス相を、鋼表面に十分に露出させて、セパレータの接触抵抗を低減するためには、ラーベス相の平均粒径：ｄ(μm) に対して、1/2×ｄ(μm)程度以上素地を溶解することが好ましい。
なお、本発明において、素地とは、ラーベス相以外のステンレス鋼部分をいう。
【００２４】
しかしながら、上記のようにラーベス相を鋼表面に露出させたとしても、１Ｖを超えるような高電位が加わると、接触抵抗が大幅に増加することがある。これは、素地の不動態皮膜が高電位域で厚くなるため、カーボンクロスなどのガス拡散層とステンレス鋼表面のラーベス相とが接触できなくなってしまうためであると考えられる。このとき、ガス拡散層と接しているのは素地の凸部であるから、素地の粗さを、ラーベス相の粒径に対して所定値以下とすることが接触抵抗の増加を抑制するのに有効であると考えられる。
【００２５】
そこで、発明者らは、高電位における接触抵抗の増加に対し、ラーベス相の平均粒径(ｄ)と素地の表面粗さ(算術平均粗さ:Ｒａ)とが及ぼす影響を詳細に調査した。その結果、ステンレス鋼の表面に、直径が0.1μｍ以上のラーベス相を10 4個／mm2以上の存在頻度で露出させ、かつ、ラーベス相の平均粒径：ｄ（μm)と算術平均粗さ: Ｒａ(μm)とが、以下の式（１）の関係を満足するときに、セパレータの接触抵抗の増加が大幅に抑制されることが分かった。
ｄ/2  ＞  Ｒａ/2  ＋  0.05    …  （１）
【００２６】
ここに、本発明において、フェライト系ステンレス鋼を用いる場合は、以下に示す組成であることが好ましい。なお、以下、鋼成分においての％表示は、特に断らない限り質量％を意味する。
Ｃ：O.03％以下、Ｎ：O.03％以下:
ＣおよびＮは、いずれもフェライト系ステンレス鋼中のCrと反応して化合物を形成し、粒界にCr炭窒化物として析出するので、耐食性の低下をもたらす。従って、Ｃ、Ｎの含有量は小さいほど好ましく、ＣがO.03％以下、Ｎが0.03％以下であれば、耐食性を著しく低下させることはない。またＣ含有量およびＮ含有量の合計が0.06％を超えると、フェライト系ステンレス鋼の延性が低下し、加工する際に割れが発生しやすくなる。従って、ＣはO.03％以下、ＮはO.03％以下とすることが好ましい。より好ましくはＣ：0.015％以下、Ｎ：0.015％以下、Ｃ含有量およびＮ含有量の合計が0.03％以下である。
【００２７】
Cr：16〜45％
Crは、フェライト系ステンレス鋼としての基本的な耐食性を確保するために必要な元素である。Cr含有量が16％未満では、燃料電池セパレータが曝される環境において、長時間の使用に耐えられない。一方、Cr含有量が45％を超えると、σ相が過剰に析出することによって靭性が低下する。従って、Cr含有量は、16〜45％の範囲を満足することが好ましく、16〜25％がより好ましい。
【００２８】
Ni：２％以下
Niは、フェライト系ステンレス鋼の耐食性改善、靭性向上に効果のある元素で、必要に応じて適宜含有させる。この効果を得るためには、O.01％以上の含有量が好ましい。ただし、２％を超えて含有させると、コストの増加を招く。従って、Niを含有させる場合は、２％以下が好ましく、0.01〜１％の範囲がより好ましい。
【００２９】
Mo：５％以下
Moは、フェライト系ステンレス鋼の隙間腐食等の局部腐食を抑制するのに有効な元素で、また本発明においては、Feと結合してラーベス相を形成する元素の一つであり、必要に応じて適宜含有させる。なお、この効果を得るためには、0.010％以上含有させる。一方、５％を超えると、フェライト系ステンレス鋼が著しく脆化して生産性が低下する。従って、Moは、５％以下を満足することが好ましい。
【００３０】
Si：２％以下
Siは、脱酸のために有効な元素であり、フェライト系ステンレス鋼の溶製段階で添加される。このような効果を得るためには、O.01％以上含有させる。しかし、過剰に含有させると、フェライト系ステンレス鋼が硬質化し、延性が低下する。従って、Siを含有させる場合は、２％以下が好ましく、0.01〜１％がより好ましい。
【００３１】
Mn：１％以下
Mnは、不可避的に混入したＳと結合し、フェライト系ステンレス鋼に固溶したＳを低減する効果を有するので、Ｓの粒界偏析を抑制し、熱間圧延時の割れを防止するのに有効な元素である。このような効果は、含有量が0.001％以上、１％以下で発揮される。従って、Mnを含有させる場合は、１％以下が好ましく、O.001〜0.8％の範囲がより好ましい。
【００３２】
Al：0.2％以下
Alは、脱酸のために有効な元素であり、フェライト系ステンレス鋼の溶製段階で添加される。このような効果を得るためには、O.001％以上が好ましい。しかし、過剰に含有させると、鋼が硬質化し、延性が低下する。従って、Alを含有させる場合は、O.2％以下が好ましく、O.01〜0.2％がより好ましい。
【００３３】
Cu：３％以下
Cuは、フェライト系ステンレス鋼の耐食性改善に効果のある元素で、必要に応じて適宜含有させる。この効果を得るために含有させる場合は、O.01％以上が好ましい。一方、３％を超えて含有させると、熱間加工性が低下し、生産性の低下を招く。従って、Cuを含有させる場合は、３％以下が好ましく、O.01〜2.5％がより好ましい。
【００３４】
Ti、Nb、ＶおよびZrの少なくとも1種を、２％以下
Ti、Nb、ＶおよびZrは、いずれもフェライト系ステンレス鋼中のＣ、Ｎと反応して炭窒化物を形成する。Ti、Nb、ＶおよびZrは、このようにしてＣ、Ｎを固定するので、Cr炭窒化物析出に伴う耐食性の低下を防止すると共に、フェライト系ステンレス鋼のプレス成形性を改善するのに有効な元素である。この効果を得るためにはＣとＮの含有量に応じてTi、Nb、ＶおよびZrそれぞれの含有量を決めればよいが、例えばＣとＮが合計で、O.03％以下含有されていると、Ti、Nb、ＶまたはZrのいずれかを含有させる場合のプレス成形性の改善効果は、それぞれO.05％以上の含有量により発揮される。
一方、これらの元素は、Feと結合してラーベス相を形成し、接触抵抗を低減する効果も有する。Ti、Nb、ＶおよびZrを含むラーベス相を形成して接触抵抗の低減効果を得るには、それぞれO.1％以上、あるいは合計でO.1％以上が好ましい。しかし、それぞれ単独で２％を超えて含有させると製造性が低下することから、Ti、Nb、ＶまたはZrを２種以上同時に含有させる場合は、その合計を、２％以下とすることが好ましい。より好ましくは合計でO.1〜２％の範囲である。
【００３５】
本発明では、上記した元素の他に、フェライト系ステンレス鋼の熱間加工性向上のためにCa、Mg、希土類元素(いわゆるREM)をそれぞれO.1％以下の範囲で含有させても良い。なお、本発明におけるフェライト系ステンレス鋼のその他の元素は、Feおよび不可避的不純物である。
【００３６】
次に、本発明に、オーステナイト系ステンレス鋼を用いる場合には、以下に示す組成であることが好ましい。
Ｃ：O.1％以下
Ｃは、オーステナイト系ステンレス鋼中のCrと反応して化合物を形成し、粒界にCr炭窒化物として析出するので、耐食性の低下をもたらす。そこで、Ｃの含有量は小さいほど好ましいが、O.1％以下であれば耐食性を著しく低下させることはない。より好ましくはO.03％以下である。
【００３７】
Cr：13〜30％
Crは、オーステナイト系ステンレス鋼としての基本的な耐食性を確保するために必要な元素である。ここに、Cr含有量が13％未満では、燃料電池セパレータが曝される環境下での長時間の使用に耐えられない。一方、Cr含有量が30％を超えると、オーステナイト組織を得るのが困難な場合がある。従って、Crは、13〜30％の範囲であることが好ましい。
【００３８】
Ni：３〜40％
Niは、オーステナイト相を安定させる元素である。Ni含有量が３％未満では、オーステナイト相を安定化する効果が得られないおそれがある。一方、Ni含有量が40％を超えると、Niを過剰に消費することによってコスト上昇を招く。従って、Niは、３〜40％の範囲を満足することが好ましい。
【００３９】
Mo：10％以下
Moは、オーステナイト系ステンレス鋼の隙間腐食等の局部腐食を抑制するのに有効な元素であり、また本発明においては、Feと結合してラーベス相を形成する元素の一つであり、必要に応じて適宜含有させることができる。この効果を得るためには、O.01％以上含有させることが好ましい。ただし、10％を超えると、ステンレス鋼が脆化して生産性が低下する。従って、Moは10％以下を満足することが好ましい。
【００４０】
Ｎ：２％以下
Ｎは、オーステナイト系ステンレス鋼の局部腐食を抑制する作用を有する元素である。しかし、Ｎの含有量を２％を超えて含有させるのは、工業的に困難である。また、通常の溶製方法では、O.4％を超えると、ステンレス鋼の溶製段階において、Ｎを含有させるために長時間を要し、生産性の低下を招くことになる。従って、コストの点では、O.4％以下がより好ましい。さらに、O.01〜0.3％の範囲が一層好ましい。
【００４１】
Cu：３％以下
Cuは、オーステナイト系ステンレス鋼の耐食性を改善する作用を有する元素である。このような効果を得るためには、O.01％以上の含有量が好ましい。一方、Cu含有量が３％を超えると、熱間加工性が低下し、生産性の低下を招くおそれがある。従って、Cuを含有させる場合は、３％以下が好ましく、O.01〜2.5％がより好ましい。
【００４２】
Si：３％以下
Siは、脱酸のために有効な元素であり、オーステナイト系ステンレス鋼の溶製段階で添加される。このような効果を得るためには、O.01％以上が好ましい。しかし過剰に含有させるとステンレス鋼が硬質化し、延性が低下する。従って、Siを含有させる場合は、３％以下が好ましく、O.01〜２％がより好ましい。
【００４３】
Mn：10％以下
Mnは、不可避的に混入したＳと結合し、オーステナイト系ステンレス鋼に固溶したＳを低減する効果を有するので、Ｓの粒界偏析を抑制し、また熱間圧延時の割れを防止するのに有効な元素である。このような効果は、含有量がO.001％以上で発揮される。従って、Mnを含有させる場合は、O.001％以上が好ましい。また、Mnはオーステナイト相を安定化させる目的でも含有させるが、10％を超えると、圧延時に圧延負荷の増大を招くので10％以下が好ましい。
【００４４】
Al：0.2％以下
Alは、脱酸のために有効な元素であり、オーステナイト系ステンレス鋼の溶製段階で添加される。このような効果を得るためには、O.001％以上が好ましい。しかしながら、過剰に含有させると硬質化し、延性が低下する。従って、Alを含有させる場合は、O.2％以下が好ましい。O.01〜0.2％がより好ましい。
【００４５】
Ti、Nb、ＶおよびZrのうちの少なくとも１種を、４％以下
Ti、Nb、ＶおよびZrは、いずれもオーステナイト系ステンレス鋼中のＣと反応して炭化物を形成する。Ti、Nb、ＶおよびZrは、Ｃを固定するので、オーステナイト系ステンレス鋼の耐粒界腐食性を改善するのに有効な元素である。Ｃの含有量がO.1％以下では、Ti、Nb、ＶまたはZrのうちいずれかを含有させる場合、耐食性の改善効果は、Ti、Nb、ＶまたはZrがそれぞれO.05％以上の含有量で発揮される。
Ti、Nb、ＶおよびZrを、複数組み合わせて含有させる場合、耐食性の改善効果は、Ti、Nb、ＶおよびZrの含有量が、合計でO.05％以上含有された場合に発揮される。
一方、これらの元素はFeと結合してラーベス相を形成し、接触低抗を低減する効果をも有する。すなわち、Ti、Nb、ＶおよびZrを含有させて、ラーベスを形成し、接触抵抗の低減効果を得るためには、それぞれO.1％以上、あるいは合計でO.1％以上が好ましい。一方、４％を超えて含有すると、製造性が低下する。従って、Ti、Nb、ＶまたはZrの少なくとも1種以上を含有させる場合は、その合計で、４％以下が好ましい。より好ましくは0.1〜２％の範囲である。
【００４６】
本発明では、上記した元素の他に、オーステナイト系ステンレス鋼の熱間加工性を向上するために、Ca，Mg、希土類元素(いわゆるREM)をそれぞれO.1％以下の範囲で含有しても良い。なお、本発明におけるオーステナイト系ステンレス鋼のその他の元素は、Feおよび不可避的不純物である。
【００４７】
以下、本発明におけるステンレス鋼の製造方法を説明する。
本発明は、以下に述べる条件を除いては、従来公知の固体高分子形燃料電池セパレータ用のステンレス鋼の製造方法を用いることができる。
また、本発明では、前述したように、素材として用いる冷延焼鈍板に特に制限はなく、従来から公知の冷延焼鈍板を用いるため、その素材の製造方法について特段の制限はない。
【００４８】
ここに、本発明では、ステンレス鋼にラーベス相（平均粒径：ｄ（μｍ）とする）を析出させる。ラーベス相の析出は、冷延板焼鈍時の冷却速度を調整することにより行うことができる。その際、好適な冷却速度は鋼組成に基づいて決定することができるが、900〜600℃間の冷却速度を３〜70℃/sとして、900〜600℃間の滞留時間を、4.3〜100sとするのが好ましい。
また、ラーベス相の析出処理は、冷延焼鈍板に時効処理を施すことによっても行うことができる。その際の時効処理の好適な処理条件は、以下のとおりである。
雰囲気：非酸化性雰囲気
温度  ：600〜900℃
時間  ：５秒〜20時間
なお、本発明における時効処理は、熱処理炉に入れて加熱する方法などで行うことができる。
【００４９】
ついで、ラーベス相を除く素地を溶解する。溶解量については、特に制限はないが、ラーベス相の平均粒径：ｄ（μｍ）に対して、素地の厚み方向、深さ換算で1/2ｄ（μｍ）以上とすることが好ましい。具体的には、0.06〜３μｍ程度の深さを溶解することが好適である。
また、その際、上記ステンレス鋼の表面に、円相当径で直径が0.1μｍ以上のラーベス相を、10 4個／mm2以上の存在頻度で露出させ、かつ、上記平均粒径：ｄと上記素地の溶解後における表面の算術平均粗さ：Ｒａとが、次式（１）の関係を満足することが重要である。
ｄ/2  ＞  Ｒａ/2  ＋  0.05    …  （１）
なお、本発明における、素地の算術平均粗さがＲａ（μｍ）とは、以下の手順で測定した算術平均粗さのことをいう。
まず、SEMを用いて、倍率：100〜1000倍の視野とし、ラーベス相の無い素地の部分であることを、EDX等によって確認する。ついで、この素地表面における表面粗さを、３次元SEM 等により測定し、以下の式（２）における基準長さｌを、Ra：0.02未満に対しては0.08mm、Ra:0.02〜0.1に対しては0.25mm、Ra：0.1以上に対しては0.8mmとして、１サンプル当たり、少なくとも10箇所以上の測定をして、それらの測定値を平均することで求められる。  
2012177157.tif 000002
【００５０】
また、前述したように、素地の溶解は、ラーベス相を除いた素地を、素地の厚み方向に、深さ換算で1/2ｄ（μｍ）以上溶解することができれば、その溶解条件に、特段の制限はないが、混酸浸漬処理または電解処理による処理であることが好ましい。
また、酸洗に使用する酸の種類は、素地が充分に溶解するものであれば、ふっ酸、硝酸、硫酸、塩酸などの酸、あるいはそれらを混合した酸を使用できるが、中でも弗酸（２〜10質量％）と硝酸（２〜15質量％）を混合した酸が安定して素地を溶解することができるため好ましい。以下、酸成分における％も、特に断らない限り質量％である。
【００５１】
なお、混酸浸漬処理は、比較的簡便な方法であり、鋼組成に合わせて弗酸と硝酸の量、浸漬時間、温度を調整することにより、素地の溶解量や表面粗さをコントロールできる。例えば、混酸組成：２〜10％弗酸＋２〜15％硝酸、浸漬時間：10秒〜300秒、温度：40〜70℃、の各条件で処理することができる。
【００５２】
一方、電解処理は、酸浸漬に比べコストはかかるものの、電解条件（温度、電解電流、時間）によって再現性よく溶解量をコントロールできるという長所がある。電解条件や用いる電解液の種類によって、溶解量と表面粗さを調整する。電解液としては、硫酸、硝酸などが使用できる。例えば、電解液：５〜30％硫酸、温度：30〜80℃、電流密度：１〜10A/dm2、電解時間：10〜300秒、の各条件で処理することができる。
【実施例】
【００５３】
表１に示す化学組成の鋼を、真空溶解炉により溶製し、得られたインゴットを1200℃以上に加熱したのち、熱間圧延により板厚：５mmの熱延板とし、1100℃の熱延板焼鈍と酸洗処理を施した。ついで、冷間圧延と焼鈍酸洗を繰り返し、板厚：O.7mmの冷延焼鈍板とした。最終圧延後の焼鈍は、露点：-50℃以下の水素中で行い、いわゆるＢＡ仕上げとした。また、一部の冷延焼鈍板については、焼鈍後の冷却速度を制御し、900℃〜600℃の滞留時間が約30秒となるように徐冷して、冷却中にラーベス相を析出させた（徐冷材）。
次に、徐冷材を除く冷延焼鈍板から50mm×200mmのサンプルを切り出し、850℃の不活性ガス中で、時効処理を行ってラーベス相を析出させた。このとき、時効時間を１分、10分、８時間、20時間と変化させ、表２に示すようにラーベス相のサイズが異なるサンプルを作製した。
【００５４】
その後、金属間化合物を表面に露出させるため、10％硝酸と５％弗酸の混合酸への浸漬(混酸浸漬)および20％硫酸中での電解処理(硫酸電解)で素地のみを溶解した。混酸浸漬は温度：55℃で行い、浸漬時間(10〜300秒)を変化させることにより、溶解量と素地の表面粗さが異なるサンプルを作製した。また、硫酸電解は温度：70℃、電流密度：２A/dm2で行い、電解時間を変化させることにより、溶解量と素地の表面粗さの異なるサンプルを作製した。溶解量（溶解深さ換算）と素地の表面粗さの測定結果を表２にそれぞれ示した。
【００５５】
なお、時効後のサンプルは、エメリー紙で湿式研磨し(♯800番仕上げ)、時効処理によるスケールを除去し、さらにバフ研磨を行った。その後、純水中で洗浄した後、混酸浸漬および硫酸電解による酸洗処理を行った。
ついで、酸洗したサンプルは、純水洗浄した後、重量測定により酸洗減量(すなわち溶解量)を計測した。さらに小片に切り出し、接触抵抗測定、SEM観察(析出物サイズ・密度測定、粗さ測定)、燃料電池の高電位環境を模擬した分極測定に供した。
【００５６】
【表１】
2012177157.tif 000003
【００５７】
なお、使用環境下での接触抵抗値は、以下のとおり評価した。
<接触抵抗測定>
接触抵抗の測定は、20 mm×20mmの試験片を用いて行った。図２に示すように２枚の試験片７を、両面から同じ大きさの３枚のカーボンペーパ３(東レ製：TGP-H-120)で交互に挟み、さらに銅板に金めっきを施した電極８を接触させ、単位面積当たり15kgf/cm2の圧力をかけて２枚のステンレス鋼板間の抵抗を測定し、接触面積を乗じ、さらに接触面数：２で除した値を接触抵抗値とした。
【００５８】
<SEM観察>
SEMの観察は、20 mm×20mmの試験片を用いて行った。倍率：5000 倍のSEM像を用いて、ラーベス相の粒径を測定した。このとき、EDXによる組成分析も併せて行い、ラーベス相であることを確認した。粒径は、ラーベス相の面積から求めた円相等径とし、100個以上のラーベス相を観察し、SEM像から算出した値を、ラーベス相の平均粒径とした。また、倍率：100〜1000倍で撮影した反射電子像(凹凸像)から、ラーベス相の無いステンレス鋼（素地）表面を確認し、基準長さｌを、Ra：0.02未満に対しては0.08mm、Ra:0.02〜0.1に対しては0.25mm、Ra：0.1以上に対しては0.8mmとして、１サンプル当たり少なくとも10箇所を測定し、前掲式（２）を用いて、算術平均粗さ：Ｒａを求めている。
【００５９】
<分極測定>
分極測定は、30 mm×30mmの試験片を用いて行った。試験片をアセトンで脱脂した後、燃料電池の１Ｖ以上の高電位環境を模擬するため、pH:３の硫酸(800℃)中でO.8Ｖと1.2Ｖの範囲を20mV/minの走査速度で、100回繰り返して電位走査した。なお、分極測定は２回行い、ついで、電位走査後のサンプル２枚を用いて接触抵抗を測定した。
【００６０】
以上により求めた、ラーベス相の平均粒径、ラーベス相の析出頻度（個／mm2）、酸洗による溶解量、素地の算術平均粗さ、酸洗直後および100サイクルの分極測定後の接触抵抗値を、表２に併記する。
【００６１】
【表２−１】
2012177157.tif 000004
【００６２】
【表２−２】
2012177157.tif 000005
【００６３】
表２−１、表２−２に示したとおり、ラーベス相の平均粒径：ｄに対して1/2未満の溶解量の酸洗では、初期接触抵抗が20mΩ・cm2以上と高い。また、酸洗を十分に行い、ラーベス相を析出させた場合であっても、析出物の平均粒径の1/2倍(1/2d) が、素地の算術平均粗さ：Ｒａの1/2と0.05の和より小さい場合には、１Ｖ以上の高電位環境を模擬した100サイクルの分極測定後の接触抵抗が、20mΩ・cm2以上と高い。
一方、平均粒径が0.1μｍ以上のラーベス相の析出頻度を10 4（個／mm2）以上とし、さらに素地の表面粗さ：Ｒａを、2×(1/2ｄ−0.05) (μm) の値未満とした場合には、初期および100サイクル分極後の接触抵抗が共に、20mΩ・cm2未満となった。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明によれば、従来から使用されている金めっきステンレス製セパレータやグラファイト製セパレータと、同程度に接触抵抗が低いセパレータを、安価に得ることができる。その結果、本発明では、安価なセパレータ用ステンレス鋼を用いることができるので、固体高分子形燃料電池の製造コストを大幅に削減することができる。
【符号の説明】
【００６５】
１      膜−電極接合体
２，３  ガス拡散層
４，５  セパレータ
６      Ｏ２（空気）流路
７      水素流路
８      試験片
９      カーボンペーパ
10      銅板に金めっきを施した電極
【図１】
2012177157.tif 000006
【図２】
2012177157.tif 000007