(57)【要約】  質量％で以下の元素を含むステンレス鋼の双極燃料電池プレート：  １１から１４質量％のＣｒ、  ７から１１質量％のＮｉ、  ３から５質量％のＭｏ、  ０から２質量％のＣｏ、  ０．５から４質量％のＣｕ、  ０．４から２．５質量％のＴｉ、  ＜５質量％のＭｎ、  ＜１．５質量％のＳｉ、  ＜０．０４質量％のＳ、  ０．０５から１．０質量％のＡｌ、  ＜０．０５質量％のＮ、  ＜０．０５質量％のＣ、  残部Ｆｅ、及び  不可避的不純物。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
双極燃料電池プレートであって、以下の元素、
１１から１４質量％のＣｒ、
７から１１質量％のＮｉ、
３から５質量％のＭｏ、
０から２質量％のＣｏ、
０．５から４質量％のＣｕ、
０．４から２．５質量％のＴｉ、
＜５質量％のＭｎ、
＜１．５質量％のＳｉ、
＜０．０４質量％のＳ、
０．０５から１．０質量％のＡｌ、
＜０．０５質量％のＮ、
＜０．０５質量％のＣ、
残部Ｆｅ、及び
不可避的不純物
を含むステンレス鋼を含む双極燃料電池プレート。
【請求項２】
２４≦Ｃｒの質量％＋Ｍｏの質量％×４≦３２である、請求項１に記載の双極燃料電池プレート。
【請求項３】
２６≦Ｃｒの質量％＋Ｍｏの質量％×４である、請求項２に記載の双極燃料電池プレート。
【請求項４】
Ｃｒの質量％＋Ｍｏの質量％×４≦３０である、請求項２又は３に記載の双極燃料電池プレート。
【請求項５】
Ｍｏの質量％が３から４．２である、請求項１から４のいずれか一項に記載の双極燃料電池プレート。
【請求項６】
Ｃｒの質量％が１１から１３である、請求項１から５のいずれか一項に記載の双極燃料電池プレート。
【請求項７】
Ｃｕの質量％が０．５から２である、請求項１から６のいずれか一項に記載の双極燃料電池プレート。
【請求項８】
Ｓｉの質量％≦０．５である、請求項１から７のいずれか一項に記載の双極燃料電池プレート。
【請求項９】
Ｓｉの質量％≦０．２５である、請求項１から８のいずれか一項に記載の双極燃料電池プレート。
【請求項１０】
Ａｌの質量％が０．０５から０．６の間である、請求項１から９のいずれか一項に記載の双極燃料電池プレート。
【請求項１１】
Ｃｏの質量％≦０．６である、請求項１から１０のいずれか一項に記載の双極燃料電池プレート。
【請求項１２】
Ｎｉの質量％が８から１１である、請求項１から１１のいずれか一項に記載の双極燃料電池プレート。
【請求項１３】
Ｔｉの質量％≧６×Ｃの質量％である、請求項１から１２のいずれか一項に記載の双極燃料電池プレート。
【請求項１４】
請求項１から１３のいずれか一項に記載の双極燃料電池プレートを含む、プロトン交換膜燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、質量％で以下の元素を含むステンレス鋼の双極燃料電池プレートに関する：１１から１４質量％のＣｒ、７から１１質量％のＮｉ、３から５質量％のＭｏ、０から２質量％のＣｏ、０．５から４質量％のＣｕ、０．４から２．５質量％のＴｉ、＜５質量％のＭｎ、＜１．５質量％のＳｉ、＜０．０４質量％のＳ、０．０５から１質量％のＡｌ、＜０．０５質量％のＮ、＜０．０５質量％のＣ、残部Ｆｅ、及び不可避的不純物。
【０００２】
本開示は、さらに本開示に係る双極燃料電池プレートを含むプロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００３】
ステンレス鋼は、双極燃料電池プレートとして使用することが先行技術において提案されており、その量産可能性、成形性、耐食性のゆえに、そして未コーティングのステンレス鋼を適度なコストでリサイクルすることが可能であるゆえに、魅力的であると考えられている。多くの等級のステンレス鋼の1つの欠点は、その接触抵抗である。これらの等級のステンレス鋼を燃料電池プレートとして使用する間、燃料プレートの表面上に酸化物層が堆積するため、接触抵抗が増加する。一方で、接触抵抗が改善された等級のステンレス鋼は、接触抵抗の改善のために添加されるＮｉのような高価な合金元素を比較的多量に使用する必要があるため、高価すぎるとみなされてきた。
【０００４】
欧州特許第１３０２５５６号は、１２．０から１８．０質量％のＣｒ；４．０から１０．０質量％のＮｉ；０．２０質量％以下のＣ；１．０から５．０質量％のＳｉ；５質量％以下のＭｎ；任意選択的に最大３．５質量％のＣｕ、最大５質量％のＭｏ、最大０．１５質量％のＮから選択された１つ又は複数；残部Ｆｅ；及び不可避的不純物からなるステンレス鋼シートを開示している。ステンレス鋼は、オーステナイト‐マルテンサイト系であり、幾つかの用途のうち、スタック内の個々の燃料電池の物理的分離に用いられる燃料電池分離プレートとして使用することが提案されている。 
【０００５】
米国特許第５，５１２，２３７号は、高強度及び高延性の析出硬化マルテンサイト系ステンレス鋼を開示しており、このステンレス鋼は、１０から１４質量％のＣｒ、７から１１質量％のＮｉ、０．５から６質量％のＭｏ、０から９質量％のＣｏ、０．５から４質量％のＣｕ、０．４から１．４質量％のＴｉ、０．０５から０．６質量％のＡｌ、０．０５質量％以下の炭素及び窒素、並びに残部Ｆｅを含む。この材料は、医療、歯科、ばねの用途において使用することが主に提案されており、さらに特定の製品形態のワイヤ、バー、ストリップ、チューブにおいて使用することが提案されている。
【０００６】
日本国特許第２０１２１７７１５７号は、燃料電池（例えば、固体高分子型燃料電池）に使用するためのセパレータ用のステンレス鋼を開示しており、このステンレス鋼は、高電位域においても接触抵抗が低い。任意の従来のステンレス鋼（例えば、フェライト系、オーステナイト系、マルテンサイト系、又は二相系）を使用してもよく、ステンレス鋼の表面は、導電性金属間化合物Ｆｅ２Ｍラーベス相に曝される。
【０００７】
本開示の態様は、双極燃料電池プレートとして使用するのに許容できる優れた接触抵抗及び耐食性を示す等級のステンレス鋼を含み、且つ競合的コストで製造を可能にする組成を有する双極燃料電池プレートを提供している。ステンレス鋼は、十分な成形性も有するべきである。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】抵抗率についての試験結果を示す図である。３つの異なる等級のステンレス鋼が比較された。
【図２】鋼の等級１に対する３つの異なる燃料電池試験のＩＣＲ結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
前述の態様は、質量％で以下の元素を含むステンレス鋼の双極燃料電池プレートを提供する本開示によって達成される：
１１から１４質量％のＣｒ、
７から１１質量％のＮｉ、
３から５質量％のＭｏ、
０から２質量％のＣｏ、
０．５から４質量％のＣｕ、
０．４から２．５質量％のＴｉ、
＜５質量％のＭｎ、
＜１．５質量％のＳｉ、
＜０．０４質量％のＳ、
０．０５から１．０質量％のＡｌ、
＜０．０５質量％のＮ、
＜０．０５質量％のＣ、
残部Ｆｅ、及び
不可避的不純物。
本開示では、「質量％」と「％」は交換可能に用いられている。
【００１０】
双極燃料電池プレートは、燃料電池スタックの構成部品であり、スタック中の隣接する燃料電池膜の電極アセンブリ間での電気の通電を可能にする。双極燃料電池プレートは、燃料電池へと／からガス及び熱の流れを導くように設計されていることが多い。前述又は後述で規定されたステンレス鋼は、コーティングされない双極燃料電池プレートを提供する。つまり、前記ステンレス鋼が、腐食媒体に曝される双極燃料電池プレートの外表面を形成することを意味し、これは、双極燃料電池プレートの電気抵抗特性のために重要である。前述又は後述で規定されたステンレス鋼は、２０ｍＯｈｍ・ｃｍ２を若干上回る優れた接触抵抗率（ＩＣＲ）を有し、この値は、ＤｏＥ（アメリカ合衆国エネルギー省）の推奨値に近似する。このステンレス鋼は、さらに双極燃料電池プレートとしての使用に適切な耐食性（ＤｏＥ準拠で、腐食＜１μＡ／ｃｍ２）、及び競合的コストで製造を可能にする組成を有する。前述又は後述で規定されたステンレス鋼は、十分な成形性も有している（＞４０％の破裂のない伸び）。
【００１１】
本開示の双極燃料電池プレートのステンレス鋼の特性に対する組成の影響を完全に理解するために、前述又は後述で規定されたステンレス鋼が含有するすべての元素を以下で個別に説明する。すべての元素含有量は、質量パーセント（質量％）で示される。
【００１２】
炭素（Ｃ）は、多様な方法でステンレス鋼に影響を与える力強い元素である。炭素含有量が高いと、変形硬化が影響を受け、冷間変形に対する強度が高くなり、ステンレス鋼の延性が減少する。炭素含有量が増大するにつれて、クロム炭化物の沈殿のリスクも増大するので、炭素含有量が高いことは、腐食という観点からも不利である。したがって、炭素含有量は、低いままで約０．０５質量％以下（例えば、０．０２５質量％以下）に留めるべきである。
【００１３】
ケイ素（Ｓｉ）は、フェライト化元素であり、含有量がより高いと、ステンレス鋼の熱間加工性を減少させ得る。したがって、Ｓｉ含有量は、約１．５質量％以下（例えば、約１．０質量％以下）であるべきである。Ｓｉは、約０．５質量％以下（例えば、約０．２５質量％以下）であってもよい。
【００１４】
マンガン（Ｍｎ）は、オーステナイト化元素であり、ニッケルと同様に、ステンレス鋼が冷間変形でマルテンサイト変態しにくいようにする。一実施形態によれば、マンガンの範囲は、約０から約５質量％である。別の実施形態によれば、本開示に係るステンレス鋼のマンガンの最小含有量は、約０．２質量％である。ステンレス鋼は、析出硬化のために著しい含有量のマルテンサイトを有する必要があるため、マンガン含有量は、最大で約５質量％(最大で約３質量％、約２．５質量％以下など）でなければならない。マンガンは、硫黄と共に延性の非金属介在物を形成する。これは、例えば、機械加工特性にとって有益である。
【００１５】
硫黄（Ｓ）は、ステンレス鋼内に硫化物を形成する元素である。硫化物は、耐食性という観点からステンレス鋼の弱点となり得る。硫黄の含有量が高いと、熱間加工性に対して有害であり得る。したがって、Ｓの含有量は、約０．０４質量％未満、さらに約０．０５質量％以下であるべきである。本開示に係る合金の組成は、その合金が硫化チタンを含むように選択される。硫化チタンは、ＴｉＳ又はＴｉ２Ｓの形態でステンレス鋼内に存在し得る。
【００１６】
クロム（Ｃｒ）は、耐食性にとって必須であり、前述又は後述で規定されたように、表面上のクロム酸化物内で受動特性を得るため、且つ使用中に耐食性を維持するために、ステンレス鋼内に少なくとも約１１質量％の含有量で添加されなければならない。しかしながら、クロムは、強いフェライト生成元素（ｆｅｒｒｉｔｅ  ｆｏｒｍｅｒ）でもあり、含有量が高いと、変形時にマルテンサイト変態を抑える。したがって、クロムの含有量は、最大で１４質量％（例えば、最大で約１３質量％）に制限しなければならない。 
【００１７】
ニッケル（Ｎｉ）は、前述又は後述で規定されたように、アニーリング時にオーステナイト組織を得るためにフェライト生成元素を平衡させるようステンレス鋼に添加される。ニッケルは、冷間変形からの硬化を緩和するのに重要な元素でもあり、チタン及びアルミニウムなどの元素と共に析出硬化に役立つ。したがって、ニッケルの最小含有量は、約７質量％(例えば、少なくとも約８質量％）である。ニッケルの含有量が高すぎると、変形時にマルテンサイトを形成する可能性を制限することになる。さらに、ニッケルは、高価な合金元素でもある。したがって、ニッケルの含有量は、最大で約１１質量％である。 
【００１８】
モリブデン（Ｍｏ）は、ステンレス鋼の耐食性に寄与するため、前述又は後述で規定されたように、ステンレス鋼にとって必須である。モリブデンは、析出硬化中には活性元素でもある。したがって、最小含有量は約３質量％である。しかしながら、モリブデンの含有量が高すぎると、熱間加工中に問題を引き起こし得る量までフェライトの形成を促進させ、さらに冷間変形中にマルテンサイト変態を抑える場合がある。さらに、モリブデンの含有量が高すぎると、前述又は後述で規定されたように、ステンレス鋼製の燃料電池プレートの接触抵抗に対して悪影響を及ぼし得る。したがって、モリブデンの含有量は、最大で約５質量％（例えば、約４．２質量％）である。 
【００１９】
ウォルフラム（Ｗ）は、このステンレス鋼に添加することができる任意選択的な元素である。それぞれの耐食性に応じて、モリブデン（Ｍｏ）をウォルフラムで交換することが可能である。ＭｏをＷと交換する場合、３から５質量％の量であるべきである。したがって、Ｗの含有量は、最大で約５質量％(例えば、約４．２質量％）である。
【００２０】
銅（Ｃｕ）は、オーステナイト生成元素（ａｕｓｔｅｎｉｔｅ  ｆｏｒｍｅｒ）であり、ニッケルと共に所望のオーステナイト組織を安定化させる。銅は、適度な含有量で延性を増大させる元素でもある。銅は、本開示のステンレス鋼から作られた燃料電池プレートの接触抵抗に対して肯定的な効果を有し得る。したがって、最小含有量は約０．５質量％以上である。しかしながら、他方では、銅の含有量が高いと熱間加工性が減少するので、銅含有量は、最大で約４質量％（約３質量％、約２質量％など）である。 
【００２１】
チタン（Ｔｉ）は、数多くの理由から、本開示では必須の合金元素である。炭化物生成、粒界腐食、形成されたＣｒ酸化物の安定化という観点で、ＮｂはＴｉに等しい。第１に、チタンは、析出硬化のための強い元素として用いられ、それゆえに最終的な強度を得るためにステンレス鋼を硬化し得るようステンレス鋼内に存在しなければならない。第２に、チタンは、硫黄と共に硫化チタンを形成する（Ｔｉｓ又は場合によりＴｉ２Ｓ）。概して、チタンは、マンガンよりも強い硫化物形成元素（ｓｕｌｆｉｄｅ  ｆｏｒｍｅｒ）であり、ＴｉＳはＭｎＳよりも電気化学的に貴であるため、耐食性を低下させずに機械加工特性の改善を達成することが可能である。耐食性の低下は、加工性の向上のためにＭｎＳを利用してステンレス鋼を自由加工する場合において通常見られる。したがって、チタンの最小含有量は、約０．４質量％(例えば、約０．５質量％）である。しかしながら、チタンの含有量が高すぎると、ステンレス鋼内のフェライト形成を促進させ、脆弱性が増し、成形性特性が減少する。したがって、チタンの最大含有量は、約２．５質量％（約２質量％、約１．５質量％以下など）に制限されるべきである。燃料電池の作動電位が０．７Ｖ／Ａｇ、ＡｇＣｌ（０．９  Ｖ／ＳＨＥ）である場合、過不働態腐食（ｔｒａｎｓｐａｓｓｉｖｅ  ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ）又は粒界腐食のリスクがあると推測することは理に適っている。クロム炭化物の沈殿を防ぐために、Ｔｉが材料の中に存在するべきであり、具体的には、燃料電池の作動電位が０．７Ｖ／Ａｇ、ＡｇＣｌ（０．９  Ｖ／ＳＨＥ）の場合、より高い炭素含有量（上限の０．０５質量％に近接して）で存在するべきである。クロム炭化物の沈殿は、結果として粒界腐食となり得る。一実施形態によると、Ｔｉの含有量（質量％で表現）は、Ｔｉ≧６×Ｃであり、すなわち、Ｔｉの質量％での含有量が、Ｃの質量％での含有量の少なくとも６倍高い。
【００２２】
ニオブ（Ｎｂ）は、このステンレス鋼に添加することができる任意選択的な元素である。炭化物の形成における特性及び機構が似ているため、粒界腐食に対する安定化という観点でチタン（Ｔｉ）をニオブで交換することが可能である。ＴｉをＮｂと交換する場合、０．４から２．５質量％の量であるべきである。したがって、ニオブの最大含有量は、約２．５質量％（約２質量％、約１．５質量％以下など）に制限されるべきである。
【００２３】
熱処理時の硬化の効果を改善するため、前述又は後述で規定されたように、アルミニウム（Ａｌ）がステンレス鋼に添加される。アルミニウムは、ニッケルと共にＮｉ３Ａｌ及びＮｉＡｌなどの金属間化合物を形成することで知られている。 
【００２４】
優れた硬化反応及び成形性を実現するために、最小含有量は、約０．０５％以下(約０．３％以下など）であるべきである。しかしながら、アルミニウムは、強いフェライト生成元素であり、最大含有量が約１質量％以上であってはならない。したがって、一実施形態によると、Ａｌの含有量は、０．０５と０．０６質量％の間である。 
【００２５】
窒素（Ｎ）は、歪硬化を増大させるので、力強い元素である。しかしながら、冷間成形においてマルテンサイト変態に向けてさらにオーステナイトを安定化させる。窒素は、チタン、アルミニウム、及びクロムなどの窒化物形成元素（ｎｉｔｒｉｄｅ  ｆｏｒｍｅｒ)に対しても親和性が高い。窒素含有量は、最大で約０．０５質量％に制限され得る。
【００２６】
コバルト（Ｃｏ）は、特にモリブデンと共に焼き戻し反応（ｔｅｍｐｅｒｉｎｇ  ｒｅｓｐｏｎｓｅ）を強化し得る任意の元素である。しかしながら、コバルトの不利な点は価格である。ステンレス鋼工作物において望ましくない元素でもある。したがって、価格とステンレス冶金技術を考えると、コバルトの合金化を避けることが好ましい。したがって、含有量は、約２質量％以下であり、約１質量％以下（０．６質量％以下など）でさえある。 
【００２７】
前述又は後述で規定されたステンレス鋼は、任意選択的に、最大０．１重量％の量でＶ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｙ、及びＢのうちの１つ又は複数を含んでもよい。例えば、機械加工性などの特定の処理特性を改善するためにこれらの元素を添加してもよい。 
【００２８】
ここでいう「不純物」とは、鉱石及びスクラップなどの原材料や、製造工程上の諸要因により、工業生産の際にステンレス鋼を汚染する物質を意味しており、 前述又は後述で規定されたオーステナイト系ステンレス鋼に悪影響を及ぼさない範囲内で汚染が許容されている。
【００２９】
一実施形態によると、Ｍｏ及びＣｒの含有量は、２４≦Ｃｒの質量％＋Ｍｏの質量％×４≦３２である。Ｃｒ及びＭｏの適切な絶対量を選択し、さらにＣｒ及びＭｏの相対的な量を平衡させることにより、前述又は後述で規定されたステンレス鋼で製造された双極燃料電池プレートのために低い接触抵抗と耐食性が得られる。しかしながら、モリブデン及びクロムの両方の総量は、％で最小含有量であることは許容されておらず、モリブデン及びクロムの両方の総量は、％で最大含有量であることが許容されていない。
【００３０】
本開示の別の実施形態によると、ＣｒとＭｏの和は、２６≦Ｃｒの質量％＋Ｍｏの質量％×４（２７≦Ｃｒの質量％＋Ｍｏの質量％×４など）であってもよい。したがって、本開示のステンレス鋼から作られた双極燃料電池プレートのさらに改善された耐食性が達成される。 
【００３１】
さらに別の実施形態によると、ＣｒとＭｏの和は、質量％Ｃｒ＋質量％Ｍｏ×４≦３０（質量％Ｃｒ＋質量％Ｍｏ×４≦２９など）であってもよい。したがって、本開示のステンレス鋼から作られた双極燃料電池プレートの表面上に酸化物が形成される可能性がさらに抑えられ、プレートの接触抵抗はさらに低くなる。
【００３２】
前述又は後述で規定されたステンレス鋼は、オーステナイト組織を有する。本開示のステンレス鋼内のＮｉの含有量が比較的高いと、ステンレス鋼は、水素脆化及びそれに関連した腐食が発生しにくくなる。これは、水素ガスが通過する双極燃料電池プレートのアノード側で特に重要なことである。他方で、マルテンサイト組織は、水素脆化に関連する腐食がはるかに発生しやすい。 
【００３３】
本開示は、さらに前述及び／又は後述で規定された双極燃料電池プレートを含むプロトン交換膜燃料電池に関する。
【００３４】
双極燃料電池プレートは、例えば、ステンレス鋼の連続鋳造を行い、その後、鋳型の熱間圧延、アニーリング、及び酸洗いを行い、中間再結晶アニーリング工程（ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ  ｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ  ａｎｎｅａｌｉｎｇ）を伴うさらなる冷間圧延工程を通り、意図する形状の双極燃料電池プレートに切削及び形成することによって製造され得る。 
【００３５】
本開示は、以下の非限定的な実験及び実施例によってさらに示される。
【００３６】
実施例
図１及び図２を参照して実験結果が提示される。
過去の試験結果は、双極燃料電池プレートとして使用されるステンレス鋼にモリブデンを添加することが、双極燃料電池プレート上により抵抗性のある不動態膜を形成することに役立つことを示した。モリブデンの含有量に高い含有量のクロムを組み合わせると、不動態膜の抵抗率(接触抵抗)が許容できない程度まで増大する。実験が行なわれ、本開示で規定されたさらなる合金要素を含有するステンレス鋼内でクロム含有量が所定レベル未満であることを条件に、許容可能な接触抵抗が得られることが示された。しかしながら、モリブデンは、耐食性を大いに改善するため、重要である。したがって、本開示に係るステンレス鋼のクロム及びモリブデンのレベルを適切に平衡化させることは、ステンレス鋼から作られた双極燃料電池プレートの許容可能な接触抵抗及び耐食性を達成するために最も重要である。 
【００３７】
以下では、３つの異なるステンレス鋼の比較から得られた試験データが提示されている。等級１の鋼は、本開示に係るステンレス鋼である。等級２の鋼は、双極燃料電池プレートとしての材料の機能性に必須であると主にみなされる合金元素が前述の欧州特許第１３０２５５６号の範囲内であるが、比較的低い含有量のＭｏに、比較的高い含有量のＣｒが組み合わさったステンレス鋼である。等級３の鋼は、比較対象のステンレス鋼の試料であり、著しくより高い含有量のＮｉ及び高い含有量のＣｒによって特徴付けられる。双極燃料電池プレートとして使用するのに許容可能な腐食及び接触抵抗性を有するステンレス鋼の試料の実施例であるが、合金元素Ｃｒ及びＮｉの含有量が高いため（表１参照）、高価である。 
【００３８】
抵抗率
シミュレーションされた燃料電池の条件下で、それぞれのステンレス鋼の長期にわたる挙動を調べるため、長期にわたる定電位試験方法（ｐｏｔｅｎｔｉｏｓｔａｔｉｃ  ｔｅｓｔｉｎｇ  ｍｅｔｈｏｄ）が適用された。定電位試験は、ＰＥＭ燃料電池の動作のシミュレーションの一般的な方法であるとみなされ、当業者には良く知られている。電位は、１００時間ではなく、１０００時間の間、０．７  Ｖ／Ａｇ，ＡｇＣｌに設定された。以前は、１００時間の試験が長期であるとみなされた。定電位負荷（ｐｏｔｅｎｔｉｏｓｔａｔｉｃ  ｌｏａｄ）が不動態膜を強化するという仮定のため、手順は試料の不動態化とみなされる。この試験の目的は、これらの状況下での不動態膜の接触抵抗値の下降、維持、又は許容できない増大を見付けることであった。
【００３９】
ＰＥＭ燃料電池のカソード側をシミュレーションする電解質は、４３６ｇのＫ２ＳＯ４（０．５Ｍ）（事前分析）、０．００１５ｇのＫＦ（事前分析）を含む５Ｌ分が準備された。ｐＨは、９６％のＨ２ＳＯ４を２．５５４ｇ添加することにより、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）を使用してｐＨ＝３に調節された。 
【００４０】
界面接触抵抗が測定された。界面接触抵抗（ＩＣＲ）の構成は、０から２０ｂａｒｓ又は０〜２００Ｎ／ｃｍ２の圧力を印加するハイドロリックピストンからなる。１．５ｃｍの接触半径又は１２．５６ｃｍ２の接触領域を有する２つの金メッキのホルダーが使用された。試料は、２つの金メッキのホルダーの間に位置付けられた２つのガス拡散層（すなわち、ＧＤＬ）において配置された。１２．５６Ａの定電流供給が適用され、結果として、１Ａ／ｃｍ２の電流密度となった。
【００４１】
シミュレーションされたＰＥＭ燃料電池の電解質において、接触抵抗測定が試験の前後に行われた。
【００４２】
接触抵抗測定の結果は、図１で示されている。この図は、同じ試料に対する一連の測定Ａ、Ｂ、Ｃを示す。３回の測定Ａ、Ｂ、Ｃは、それぞれの等級のステンレス鋼のプレートに電流（１Ａ／ｃｍ２）を通過させることによって行なわれた。これらの測定は、定電位試験（試験済の酸洗いされた試料）の対象となった試料に対して行われ、前に定電位試験の対象となっていない酸洗いされた試料（図１で「酸洗いされた試料」と呼ばれる）と比較された。図１で見られるように、いずれの場合においても、本開示に係る等級１のステンレス鋼の性能は、比較された等級２及び３のステンレス鋼の性能よりも優れている。
【００４３】
腐食
本開示に係る等級１のステンレス鋼に対して、シミュレーションされた燃料電池の５Ｌの電解質（４３６ｇのＫ２ＳＯ４（０．５Ｍ）（事前分析）、０．００１５ｇのＫＦ（事前分析）を含む）内で、８０℃で腐食試験が行われた。ｐＨは、９６％のＨ２ＳＯ４を２．５５４ｇ添加することにより、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）を使用してｐＨ＝３に調節された。ＰＥＭ双極燃料電池の挙動のシミュレーションは、動作中のＰＥＭ双極燃料電池の電位又は適用された酸化電位に近似する電位となるプレートを通過する電流によって表される。
【００４４】
試験の後、試料の表面上に腐食は観察されなかった。
【００４５】
腐食電流密度の変換による質量減少率の計算は、ファラデーの法則を用いて、且つ腐食電流と金属溶解速度との間の線形関係を推定することにより行なわれた。ＡＳＴＭ  Ｇ１０２−８９規格に記載された等価重量を用いて両方の合金に対して計算が行われた。
【００４６】
Ｅｗ＝（Σｎｉｆｉ／Ｍｉ）−１
ｎｉ＝合金元素ｉの原子価
ｆｉ＝合金内の元素ｉの質量分率
Ｍｉ＝合金内の元素ｉの原子量
【００４７】
純金属の腐食率は、以下の方程式に従って計算されてもよい：腐食率＝（Ｋ×Ｍ×ｉｃｏｒｒ）／（ｎ×ρ）［ｍｍ／年］
【００４８】
等価重量Ｅｗを用いて、金属合金に対して同じ方程式が適用される：
腐食率＝Ｋ×Ｅｗ×ｉｃｏｒｒ／ρ［ｍｍ／年］
Ｍ＝原子量
ｎ＝元素の原子価
ｉｃｏｒｒ＝腐食電流密度、μＡ／ｃｍ２
ρ＝材料の密度、ｇ／ｃｍ３
Ｋ＝（ｍｍ  ｇ／μＡ  ｃｍ  ｙ）
【００４９】
腐食率の計算は、ＡＳＴＭ  Ｇ１０２−８９規格に記載された等価重量を用いて行われた。
【００５０】
Ｅｗ＝（Σｎｉｆｉ／Ｍｉ）−１
ｎｉ＝合金元素ｉの原子価
ｆｉ＝合金内の元素ｉの質量分率
Ｍｉ＝合金内の元素ｉの原子量
【００５１】
平均電流密度は、１．５１×１０−９  Ａ／ｃｍ２と計算され、腐食率の計算は１．２Ｘ１０−５ｍｍ／ｙとなる。これは、ごくわずかの腐食率である。
【００５２】
以上から見られるように、双極燃料電池プレート、具体的には、ＰＥＭ双極燃料電池プレートとして使用される推奨のステンレス鋼は、先行技術のステンレス鋼よりも当該用途により適した特性を示す。さらに、本開示に係るステンレス鋼は、驚くほど低い合金元素の総含有量、並びに非常に競争的なコストでこのような結果を得る。  
【００５３】
燃料電池試験
双極プレートは、エタノール及び脱イオン水でそれぞれ１５分間、超音波洗浄を用いて洗浄された。燃料電池機構は、窒素ガスの流れの中で加熱された。動作温度（８０℃）で、ガスは水素ガス及び酸素ガスに変えられた。双極プレート以外の燃料電池部品内の材料は、市販のプラチナ、Ｐｔカソード及びプラチナ‐ルテニウム、Ｐｔアノードであった。ガス拡散層（ＧＤＬ）は、Ｓｉｇｒａｃｅｔ  ２５ＢＣであった。活性化シーケンスは、０．９−０．３−０．９Ｖの間の分極化化、並びに５０ｍＶステップでの５ｍＶ／秒の走査速度で行なわれた。燃料電池は、９６時間、０．５Ａ／ｃｍ２の定電流で、且つ双極プレートにわたる１０秒毎の測定点で動作した。
【００５４】
図２では、界面接触抵抗は、燃料電池の動作条件の均等化の結果として増大すると見られている。プレートＡ、Ｂ、及びＣは、等級１の鋼の組成の異なるプレートからなる。
【００５５】
等級１の鋼は、本開示に係る組成である。本実施形態は、具体的な態様に関連して説明されたが、当業者であれば、数多くの他の多くの変形例、修正例、及びその他の使用法が明白になるであろう。したがって、本実施形態が本明細書の特定の開示によってではなく、以下の特許請求の範囲によってのみ限定されることが好ましい。
【００５６】
2017534756.tif 000002
【図１】
2017534756.tif 000003
【図２】
2017534756.tif 000004
【国際調査報告】
2017534756.tif 000005
2017534756.tif 000006
2017534756.tif 000007