(57)【要約】【課題】低コストで、耐食性及び導電性に優れた燃料電池セパレータ用２相ステンレス鋼を提供すること。【解決手段】γ相が７０ｖｏｌ％以上９９ｖｏｌ％以下であり、Ｃｒ含有量が２０ｍａｓｓ％以上である燃料電池セパレータ用２相ステンレス鋼。燃料電池セパレータ用２相ステンレス鋼は、０．００１≦Ｃ≦０．１００ｍａｓｓ％、０．０１≦Ｓｉ≦３．００ｍａｓｓ％、０．０１≦Ｍｎ≦１０．００ｍａｓｓ％、０．０１≦Ｃｕ≦３．００ｍａｓｓ％、１２．０≦Ｎｉ≦２８．０ｍａｓｓ％、２０．０≦Ｃｒ≦３３．０ｍａｓｓ％、０．０１≦Ｍｏ≦３．００ｍａｓｓ％、Ｎｂ≦１．００ｍａｓｓ％、Ｔｉ≦１．００ｍａｓｓ％、Ｎ≦０．２０ｍａｓｓ％、Ａｌ≦１．０００ｍａｓｓ％、Ｖ≦１．０００ｍａｓｓ％、及び、Ｂ≦１．０００ｍａｓｓ％を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなるものが好ましい。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
γ相が７０ｖｏｌ％以上９９ｖｏｌ％以下であり、Ｃｒ含有量が２０ｍａｓｓ％以上である燃料電池セパレータ用２相ステンレス鋼。
【請求項２】
γ相が８０ｖｏｌ％以上９９ｖｏｌ％以下である請求項１に記載の燃料電池セパレータ用２相ステンレス鋼。
【請求項３】
γ相が９０ｖｏｌ％以上９９ｖｏｌ％以下である請求項１に記載の燃料電池セパレータ用２相ステンレス鋼。
【請求項４】
Ｃｒ含有量が２２ｍａｓｓ％以上である請求項１から３までのいずれかに記載の燃料電池セパレータ用２相ステンレス鋼。
【請求項５】
Ｃｒ含有量が２４ｍａｓｓ％以上である請求項１から３までのいずれかに記載の燃料電池セパレータ用２相ステンレス鋼。
【請求項６】
０．００１≦Ｃ≦０．１００ｍａｓｓ％、
０．０１≦Ｓｉ≦３．００ｍａｓｓ％、
０．０１≦Ｍｎ≦１０．００ｍａｓｓ％、
０．０１≦Ｃｕ≦３．００ｍａｓｓ％、
１２．０≦Ｎｉ≦２８．０ｍａｓｓ％、
２０．０≦Ｃｒ≦３３．０ｍａｓｓ％、
０．０１≦Ｍｏ≦３．００ｍａｓｓ％、
Ｎｂ≦１．００ｍａｓｓ％、
Ｔｉ≦１．００ｍａｓｓ％、
Ｎ≦０．２０ｍａｓｓ％、
Ａｌ≦１．０００ｍａｓｓ％、
Ｖ≦１．０００ｍａｓｓ％、及び、
Ｂ≦１．０００ｍａｓｓ％、
を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる請求項１から５までのいずれかに記載の燃料電池セパレータ用２相ステンレス鋼。
【請求項７】
０．００１≦Ｃ≦０．０９０ｍａｓｓ％、
０．０１≦Ｓｉ≦１．５０ｍａｓｓ％、
０．０１≦Ｍｎ≦５．００ｍａｓｓ％、
０．０１≦Ｃｕ≦２．００ｍａｓｓ％、
１５．０≦Ｎｉ≦２５．０ｍａｓｓ％、
２２．０≦Ｃｒ≦３０．０ｍａｓｓ％、
０．０１≦Ｍｏ≦２．５０ｍａｓｓ％、
Ｎｂ≦０．８０ｍａｓｓ％、
Ｔｉ≦０．８０ｍａｓｓ％、
Ｎ≦０．１５ｍａｓｓ％、
Ａｌ≦０．８００ｍａｓｓ％、
Ｖ≦０．８０ｍａｓｓ％、及び、
Ｂ≦０．８００ｍａｓｓ％、
を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる請求項１から５までのいずれかに記載の燃料電池セパレータ用２相ステンレス鋼。
【請求項８】
０．００１≦Ｃ≦０．０８０ｍａｓｓ％、
０．０１≦Ｓｉ≦１．００ｍａｓｓ％、
０．０１≦Ｍｎ≦３．００ｍａｓｓ％、
０．０１≦Ｃｕ≦１．００ｍａｓｓ％、
１８．０≦Ｎｉ≦２３．０ｍａｓｓ％、
２４．０≦Ｃｒ≦３０．０ｍａｓｓ％、
０．０１≦Ｍｏ≦２．００ｍａｓｓ％、
Ｎｂ≦０．５０ｍａｓｓ％、
Ｔｉ≦０．５０ｍａｓｓ％、
Ｎ≦０．１００ｍａｓｓ％、
Ａｌ≦０．５００ｍａｓｓ％、
Ｖ≦０．５０ｍａｓｓ％、及び、
Ｂ≦０．６００ｍａｓｓ％、
を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる請求項１から５までのいずれかに記載の燃料電池セパレータ用２相ステンレス鋼。
【請求項９】
次の（１）式に示すＤＦＷが１％以上５０％以下である請求項６から８までのいずれかに記載の燃料電池セパレータ用２相ステンレス鋼。
ＤＦＷ＝−９９．７＊(Ｎｉeq＋３６．５)／(Ｃｒeq＋１７．６)＋１３８  ・・（１）
但し、
Ｎｉeq＝[Ｎｉ]＋３０＊[Ｃ]＋３０＊[Ｎ]＋０．５＊[Ｍｎ]＋０．１６[Ｃｕ]
Ｃｒeq＝[Ｃｒ]＋[Ｍｏ]＋１．５＊[Ｓｉ]＋０．５＊[Ｎｂ]＋１．７７＊[Ｔｉ]＋２１．４＊[Ａｌ]＋４０＊[Ｂ]＋８．２９＊[Ｖ]
【請求項１０】
前記ＤＦＷは、１％以上３０％以下である請求項９に記載の燃料電池セパレータ用２相ステンレス鋼。
【請求項１１】
前記ＤＦＷは、５％以上２０％以下である請求項９に記載の燃料電池セパレータ用２相ステンレス鋼。
【請求項１２】
前記Ｎｉeqが１３以上である請求項９から１１までのいずれかに記載の燃料電池セパレータ用２相ステンレス鋼。
【請求項１３】
前記Ｎｉeqが１５以上である請求項９から１１までのいずれかに記載の燃料電池セパレータ用２相ステンレス鋼。
【請求項１４】
前記Ｎｉeqが１７以上である請求項９から１１までのいずれかに記載の燃料電池セパレータ用２相ステンレス鋼。
【請求項１５】
Ｓ≦０．０５０ｍａｓｓ％、
Ｐ≦０．０６０ｍａｓｓ％、及び、
Ｏ≦０．０６０ｍａｓｓ％
をさらに含む請求項６から１４までのいずれかに記載の燃料電池セパレータ用２相ステンレス鋼。
【請求項１６】
Ｓ≦０．０３０ｍａｓｓ％、
Ｐ≦０．０４０ｍａｓｓ％、及び、
Ｏ≦０．０４０ｍａｓｓ％
をさらに含む請求項６から１４までのいずれかに記載の燃料電池セパレータ用２相ステンレス鋼。
【請求項１７】
Ｓ≦０．０２０ｍａｓｓ％、
Ｐ≦０．０３０ｍａｓｓ％、及び、
Ｏ≦０．０３０ｍａｓｓ％
をさらに含む請求項６から１４までのいずれかに記載の燃料電池セパレータ用２相ステンレス鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セパレータ用２相ステンレス鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜の両面に電極が接合された膜電極接合体（ＭＥＡ）の両面を、ガス流路を備えたセパレータで挟持した単セルを基本単位とする。この単セルを積層して直列接続し、高電圧が得られるようにしたものは、セルスタックと呼ばれている。
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、電気伝導性が良いことが求められている。また、固体高分子電解質膜は、スルホン酸基を多数有する高分子からなり、湿潤状態では強酸性を示す。そのため、セパレータには、高い耐食性も求められる。従来、燃料電池用セパレータには、良好な電気伝導性と耐食性とを併せ持つカーボンを用いるのが一般的であったが、カーボンセパレータは、高価である。そのため、近年では、ステンレス鋼、Ｔｉ等の金属セパレータの使用も検討されている。しかしながら、金属セパレータは、一般に、カーボンセパレータに比べて耐食性が劣るという問題がある。
【０００３】
そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献１には、ステンレス鋼板の表面に金の被覆層が形成され、ステンレス鋼板の表面には粒界腐食により空隙が形成され、この空隙に埋め込まれる状態で金の被覆層が形成されている燃料電池用セパレータが開示されている。
同文献には、
（１）  金の被覆層により耐食性が向上する点、及び、
（２）  金の被覆層がステンレス鋼板表面の空隙に埋め込まれた状態になっているため、プレス加工時において、屈曲部における金の被覆層の剥離や割れが防止される点、
が記載されている。
【０００４】
また、特許文献２には、オーステナイト系ステンレス鋼、インコネル（登録商標）６００、又は工業用純チタンの両面をプラズマ窒化処理することにより得られる燃料電池用セパレータが開示されている。
同文献には、
（１）  ステンレス鋼の表面を５９０℃以下の温度で窒化処理すると、Ｍ4Ｎ型結晶構造を持つ窒化層を形成することができる点、
（２）  Ｍ4Ｎ型窒化層は、ＣｒＮが主成分とならないため、耐食性に有効なＣｒが減少せず、窒化後も耐食性が保たれる点、
が記載されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−９２１１７号公報
【特許文献２】特開２００６−１３４８５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
金属セパレータの表面を金でコーティングすると、耐食性が向上するだけでなく、電極との接触抵抗が小さくなるという利点がある。しかしながら、金コーティングは、高コストである。
一方、Ｍ4Ｎ型窒化物は、面心立方構造を持つオーステナイト系ステンレス鋼を窒化させることにより形成することができるので、低コストである。また、Ｍ4Ｎ型窒化物は、Ｃｒ以外の元素を構成元素とすることができるので、ステンレス鋼の表面にＭ4Ｎ型窒化物層を形成しても、窒化物層の直下にＣｒの欠乏層が生成しない（すなわち、基地の耐食性が低下しない）。さらに、Ｍ4Ｎ型窒化物は、酸化性環境下における化学的安定性が高いので、電極との接触抵抗を低く維持することができる。
しかしながら、燃料電池の特性をさらに向上させるためには、コストを上昇させることなく、金属セパレータの耐食性及び導電性を同時に向上させることが望まれる。
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、低コストで、耐食性及び導電性に優れた燃料電池セパレータ用２相ステンレス鋼を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池セパレータ用２相ステンレス鋼は、γ相が７０ｖｏｌ％以上９９ｖｏｌ％以下であり、Ｃｒ含有量が２０ｍａｓｓ％以上であることを要旨とする。
燃料電池セパレータ用２相ステンレス鋼は、
０．００１≦Ｃ≦０．１００ｍａｓｓ％、
０．０１≦Ｓｉ≦３．００ｍａｓｓ％、
０．０１≦Ｍｎ≦１０．００ｍａｓｓ％、
０．０１≦Ｃｕ≦３．００ｍａｓｓ％、
１２．０≦Ｎｉ≦２８．０ｍａｓｓ％、
２０．０≦Ｃｒ≦３３．０ｍａｓｓ％、
０．０１≦Ｍｏ≦３．００ｍａｓｓ％、
Ｎｂ≦１．００ｍａｓｓ％、
Ｔｉ≦１．００ｍａｓｓ％、
Ｎ≦０．２０ｍａｓｓ％、
Ａｌ≦１．０００ｍａｓｓ％、
Ｖ≦１．０００ｍａｓｓ％、及び、
Ｂ≦１．０００ｍａｓｓ％、
を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなるものが好ましい。
また、燃料電池セパレータ用２相ステンレス鋼は、
次の（１）式に示すＤＦＷが１％以上５０％以下であるものが好ましい。
ＤＦＷ＝−９９．７＊(Ｎｉeq＋３６．５)／(Ｃｒeq＋１７．６)＋１３８  ・・（１）
但し、
Ｎｉeq＝[Ｎｉ]＋３０＊[Ｃ]＋３０＊[Ｎ]＋０．５＊[Ｍｎ]＋０．１６[Ｃｕ]
Ｃｒeq＝[Ｃｒ]＋[Ｍｏ]＋１．５＊[Ｓｉ]＋０．５＊[Ｎｂ]＋１．７７＊[Ｔｉ]＋２１．４＊[Ａｌ]＋４０＊[Ｂ]＋８．２９＊[Ｖ]
【発明の効果】
【０００９】
所定量のγ相と所定量のＣｒとを含む２相ステンレス鋼を所定の条件下で窒化処理すると、γ相であった部分が立方晶のＭ4Ｎ型窒化物又はＭ4Ｎ型＋Ｍ2-3Ｎ型窒化物となり、α相であった部分がＣｒＮなどのＣｒ窒化物となる。すなわち、２相ステンレス鋼の表面に、Ｍ4Ｎ窒化物又はＭ4Ｎ型＋Ｍ2-3Ｎ型窒化物中にＣｒ窒化物が分散した窒化層を形成することができる。得られた窒化層は、導電性の高いＣｒ窒化物が分散しているために、Ｍ4Ｎ単相に比べて導電性が高い。また、Ｃｒ欠乏層を生成させることがないので、耐食性が高い。さらに、基地をγ相単相にする必要がない（すなわち、Ｎｉ等のγ相安定化元素を多量に加える必要がない）ので、コストの上昇を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
［１．  燃料電池セパレータ用２相ステンレス鋼］
本発明に係る燃料電池セパレータ用２相ステンレス鋼は、γ相が７０ｖｏｌ％以上９９ｖｏｌ％以下であり、Ｃｒ含有量が２０ｍａｓｓ％以上であることを特徴とする。
【００１１】
オーステナイト（γ）相を窒化処理すると、Ｍ4Ｎ型窒化物となる。ここで、「Ｍ4Ｎ型窒化物」とは、遷移金属元素（Ｍ）からなる面心立方格子の単位胞中心の八面体空隙に窒素が配置された構造を持つ。Ｍ4Ｎ型窒化物を構成する遷移金属元素（Ｍ）としては、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏなどがある。Ｍ4Ｎ型窒化物は、窒素が過飽和に固溶したｆｃｃ又はｆｃｔ構造の窒化物と考えられており、高密度の転位や双晶を伴い、硬さも高い。また、Ｃｒ窒化物が主成分とならないため、表面に窒化層を形成しても、窒化層直下の基地中において、耐食性に有効なＣｒが減少せず、基地の耐食性が保たれる。また、Ｍ4Ｎ型窒化物は、遷移金属元素間の金属結合を保ったまま、遷移金属元素と窒素元素の間で強い共有結合が生ずるので、高い導電性を保ったまま、遷移金属元素の酸化に対する反応性が低下する。さらに、Ｍ4Ｎ型窒化物は、基地（γ相）と同じ面心立方構造をとるので、基地との整合性が良く、基地との間の電子の移動も容易となる。
【００１２】
γ相の窒化をさらに進行させると、Ｍ4Ｎ型窒化物の固溶窒素が過飽和状態になり、Ｍ4Ｎ型窒化物よりも高窒素なＭ2-3Ｎ型窒化物がＭ4Ｎ型窒化物の積層欠陥上に析出する。すなわち、Ｍ4Ｎ型窒化物とＭ2-3Ｎ型窒化物のナノレベルの積層結晶構造を持つ窒化物が得られる。ここで、「Ｍ2-3Ｎ型窒化物」とは、遷移金属元素（Ｍ）からなる最密六方格子の格子間に窒素原子が配置された構造を持つものをいう。Ｍ2-3Ｎ型窒化物を構成する遷移金属元素（Ｍ）としては、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏなどがある。
【００１３】
これに対し、フェライト（α）相とγ相の２相組織からなる２相ステンレス鋼を窒化処理すると、γ相はＭ4Ｎ型窒化物又はＭ4Ｎ型＋Ｍ2-3Ｎ型窒化物となり、α相はＣｒ窒化物となる。すなわち、２相ステンレス鋼を窒化すると、その表面に、Ｍ4Ｎ型窒化物又はＭ4Ｎ型＋Ｍ2-3Ｎ型窒化物からなるマトリックス中にＣｒ窒化物が分散した窒化層が形成される。
【００１４】
２相ステンレス鋼中のγ相の量が少なすぎると、窒化層中に占めるＣｒ窒化物の割合が高くなる。表面に多量のＣｒ窒化物が生成すると、基地中のＣｒが表面に拡散し、窒化層の直下にＣｒ欠乏層が生成する。Ｃｒ欠乏層は、基地の耐食性を低下させる原因となる。基地の耐食性の低下を抑制するためには、γ相は、７０ｖｏｌ％以上が好ましい。γ相は、さらに好ましくは、８０ｖｏｌ％以上、さらに好ましくは、９０ｖｏｌ％以上である。
一方、γ相の量が多くなり過ぎると、窒化層中のＣｒ窒化物量が少なくなる。Ｃｒ窒化物は、Ｍ4Ｎ型窒化層又はＭ4Ｎ型＋Ｍ2-3Ｎ型窒化層より電気伝導度が高いので、Ｃｒ窒化物量が少なくなるほど、窒化層の電気伝導度が低下する。また、多量のγ相を含む鋼を製造するためには、それに応じて多量のγ相生成元素が必要となるが、γ相生成元素（例えば、Ｎｉなど）は、一般に高価である。また、γ相生成元素を多量に添加すると、加工性が低下する。コストを上昇させることなく、電気伝導度の高い窒化層を形成するためには、γ相は、９９ｖｏｌ％以下が好ましい。
【００１５】
Ｍ4Ｎ型窒化物及びＭ2-3Ｎ型窒化物は、いずれも、Ｃｒ以外の遷移金属元素を構成元素とすることができる。また、γ相の表面にＭ4Ｎ型窒化物及びＭ2-3Ｎ型窒化物からなる窒化層が形成されても、窒化層の直下にＣｒ欠乏層が生じない。すなわち、Ｍ4Ｎ型窒化物及びＭ2-3Ｎ型窒化物は、いずれも、基地の組成にほぼ対応した組成を持つ。従って、基地中のＣｒ濃度が高くなるほど、窒化層中のＣｒ濃度も高くなる。
窒化層中のＣｒ濃度が高くなるほど、耐食性が高くなる。耐食性に優れた窒化層を得るためには、２相ステンレス鋼中のＣｒ含有量は、２０ｍａｓｓ％以上が好ましい。Ｃｒ含有量は、さらに好ましくは、２２ｍａｓｓ％以上、さらに好ましくは、２４ｍａｓｓ％以上である。
なお、γ相の体積率（％）は、Ｘ線回折によるフェライト相の（２１１）面及びオーステナイト相の（２２０）面の積分強度比Ｉ(２１１)／Ｉ(２２０)から、次の（ａ）式により算出することができる。
γ相体積率＝１／（１＋０．６１×Ｉ(２１１)／Ｉ(２２０)）×１００  ・・・（ａ）
また、α相の体積率（％）は、次の（ｂ）式により算出することができる。
α相体積率＝１００−γ相体積率  ・・・（ｂ）
【００１６】
γ相量及びＣｒ含有量が所定の範囲にある２相ステンレス鋼は、所定量のＣｒを含む鋼を（α＋γ）領域となる温度で所定時間保持することにより製造することができる。従って、理想的には、２０ｍａｓｓ％以上のＣｒを含むすべての鋼を用いて、本発明に係る２相ステンレス鋼を製造することができる。しかしながら、一般の鋼を用いて所定量のγ相を含む２相組織を得るためには、極めて長時間の加熱を必要とする場合が多い。所定量のγ相を含む２相ステンレス鋼を容易に製造するためには、特定の組成を有する鋼を用いるのが好ましい。
【００１７】
［２．  具体例］
［２．１．  第１の具体例］
燃料電池セパレータ用の素材として好適な２相ステンレス鋼の第１の具体例は、以下のような元素を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる。添加元素の種類、その成分範囲、及び、その限定理由は、以下の通りである。
【００１８】
（１）  ０．００１≦Ｃ≦０．１００ｍａｓｓ％。
Ｃは、オーステナイト生成元素であり、オーステナイトの安定化に寄与する。また、浸入型元素であるため、強度の向上に寄与する。このような効果を得るためには、Ｃ含有量は、０．００１ｍａｓｓ％以上が好ましい。
一方、Ｃ含有量が過剰になると、Ｃｒ炭化物の形成により、母相の固溶Ｃｒ濃度が低下してＣｒ欠乏相を生じる。その結果、ステンレス鋼そのものの耐食性を劣化させることに加え、プラズマ窒化時に不均一な窒化層が生成する原因となる。従って、Ｃ含有量は、０．１００ｍａｓｓ％以下が好ましい。Ｃ含有量は、さらに好ましくは、０．０９０ｍａｓｓ％以下、さらに好ましくは、０．０８０ｍａｓｓ％以下である。
【００１９】
（２）  ０．０１≦Ｓｉ≦３．００ｍａｓｓ％。
Ｓｉは、フェライト生成元素であり、フェライト相の安定化に寄与する。所定量のフェライトを共存させるためには、Ｓｉ含有量は、０．０１ｍａｓｓ％以上が好ましい。
一方、Ｓｉは、σ相の析出を促進させ、加工性を劣化させる。そのため、０．１ｍｍ厚の薄板加工の際には、欠陥等の原因になることがある。従って、Ｓｉ含有量は、３．００ｍａｓｓ％以下が好ましい。Ｓｉ含有量は、さらに好ましくは、１．５０ｍａｓｓ％以下、さらに好ましくは、１．００ｍａｓｓ％以下である。
【００２０】
（３）  ０．０１≦Ｍｎ≦１０．００ｍａｓｓ％。
Ｍｎは、オーステナイト生成元素であり、オーステナイト相の安定化に寄与する。このような効果を得るためには、Ｍｎ含有量は、０．０１ｍａｓｓ％以上が好ましい。
一方、Ｍｎ含有量が過剰になると、ステンレス鋼の酸性雰囲気下での耐食性を著しく劣化させることがある。従って、Ｍｎ含有量は、１０．００ｍａｓｓ％以下が好ましい。Ｍｎ含有量は、さらに好ましくは、５．００ｍａｓｓ％以下、さらに好ましくは、３．００ｍａｓｓ％以下である。
【００２１】
（４）  ０．０１≦Ｃｕ≦３．００ｍａｓｓ％。
Ｃｕは、オーステナイト生成元素であり、オーステナイト相の安定化に寄与する。このような効果を得るためには、Ｃｕ含有量は、０．０１ｍａｓｓ％以上が好ましい。
一方、２相ステンレス鋼の場合、Ｃｕは、フェライト相とオーステナイト相とでは、その固溶量が大きく異なる。そのため、熱間加工時にその界面でＣｕが析出し、著しく熱間加工性を劣化させることがある。従って、Ｃｕ含有量は、３．００ｍａｓｓ％以下が好ましい。Ｃｕ含有量は、さらに好ましくは、２．００ｍａｓｓ％以下、さらに好ましくは、１．００ｍａｓｓ％以下である。
【００２２】
（５）  １２．０≦Ｎｉ≦２８．０ｍａｓｓ％。
Ｎｉは、オーステナイト生成元素であり、オーステナイト相の安定化に寄与する。また、ステンレス鋼の酸性雰囲気下での耐食性向上にも有効である。このような効果を得るためには、Ｎｉ含有量は、１２．０ｍａｓｓ％以上が好ましい。Ｎｉ含有量は、さらに好ましくは、１５．０ｍａｓｓ％以上、さらに好ましくは、１８．０ｍａｓｓ％以上である。
一方、Ｎｉ含有量が過剰になると、コストの上昇を招く。従って、Ｎｉ含有量は、２８．０ｍａｓｓ％以下が好ましい。Ｎｉ含有量は、さらに好ましくは、２５．０ｍａｓｓ％以下、さらに好ましくは、２３．０ｍａｓｓ％以下である。
【００２３】
（６）  ２０．０≦Ｃｒ≦３３．０ｍａｓｓ％。
Ｃｒは、フェライト生成元素であり、フェライト相の安定化に寄与する。また、耐食性、強度の向上に大きく寄与する重要な元素である。このような効果を得るためには、Ｃｒ含有量は、２０．０ｍａｓｓ％以上が好ましい。Ｃｒ含有量は、さらに好ましくは、２２．０ｍａｓｓ％以上、さらに好ましくは、２４．０ｍａｓｓ％以上である。
一方、Ｃｒ含有量が過剰になると、固溶化熱処理時の未固溶Ｃｒ炭窒化物の残存量を増大させ、ステンレス鋼そのものの耐食性を著しく低下させる。さらに、未固溶Ｃｒ炭窒化物は、プラズマ窒化時に不均一な窒化層が生成する原因ともなる。従って、Ｃｒ含有量は、３３．０ｍａｓｓ％以下が好ましい。Ｃｒ含有量は、さらに好ましくは、３０．０ｍａｓｓ％以下である。
【００２４】
（７）  ０．０１≦Ｍｏ≦３．００ｍａｓｓ％。
Ｍｏは、フェライト生成元素であり、フェライト相の安定化に寄与する。また、耐食性の向上に大きく寄与する元素である。このような効果を得るためには、Ｍｏ含有量は、０．０１ｍａｓｓ％以上が好ましい。
一方、Ｍｏは、σ相の析出を促進させ、加工性を劣化させる。そのため、０．１ｍｍ厚の薄板加工の際には、欠陥等の原因になることがある。従って、Ｍｏ含有量は、３．００ｍａｓｓ％以下が好ましい。Ｍｏ含有量は、さらに好ましくは、２．５０ｍａｓｓ％以下、さらに好ましくは、２．００ｍａｓｓ％以下である。
【００２５】
（８）  Ｎｂ≦１．００ｍａｓｓ％。
（９）  Ｔｉ≦１．００ｍａｓｓ％。
（１０）  Ａｌ≦１．０００ｍａｓｓ％。
（１１）  Ｖ≦１．０００ｍａｓｓ％。
（１２）  Ｂ≦１．０００ｍａｓｓ％。
これらの元素は、フェライト生成元素であり、効果は弱いものの、フェライト相の安定化に寄与するので添加することができる。
一方、これらの元素の含有量が過剰になると、固溶化熱処理時の未固溶炭窒化物の残存量を増大させ、プラズマ窒化時に不均一な窒化層が生成する原因となることがある。従って、これらの元素の含有量は、１．００ｍａｓｓ％以下が好ましい。これらの元素の含有量は、さらに好ましくは、０．８０ｍａｓｓ％以下、さらに好ましくは、０．６０ｍａｓｓ％以下、さらに好ましくは、０．５０ｍａｓｓ％以下である。
【００２６】
（１３）  Ｎ≦０．２０ｍａｓｓ％。
Ｎは、オーステナイト生成元素であり、オーステナイト相の安定化に寄与する。また、耐食性、強度の向上にも寄与するので、添加することができる。
一方、Ｎ含有量が過剰になると、固溶化熱処理時の未固溶Ｃｒ窒化物の残存量を増大させ、ステンレス鋼そのものの耐食性を著しく低下させる。また、未固溶Ｃｒ窒化物は、プラズマ窒化時に不均一な窒化層が生成する原因ともなる。従って、Ｎ含有量は、０．２０ｍａｓｓ％以下が好ましい。Ｎ含有量は、さらに好ましくは、０．１５ｍａｓｓ％以下、さらに好ましくは、０．１０ｍａｓｓ％以下である。
【００２７】
本発明に係る燃料電池セパレータ用２相ステンレス鋼は、添加元素が上述の範囲にあることに加え、不可避的不純物であるＳ、Ｏ、Ｐが以下の範囲にあることが好ましい。
（１４）  Ｓ≦０．０５０ｍａｓｓ％。
（１５）  Ｐ≦０．０６０ｍａｓｓ％。
（１６）  Ｏ≦０．０６０ｍａｓｓ％。
これらの元素は、プラズマ窒化処理を施した際に、窒化層の導電性や耐食性に影響を与える。窒化層の導電性や耐食性の低下を抑制するためには、これらの元素は、少ないほど良い。
Ｓ含有量は、具体的には、０．０５０ｍａｓｓ％以下が好ましい。Ｓ含有量は、さらに好ましくは、０．０３０ｍａｓｓ％以下、さらに好ましくは、０．０２０ｍａｓｓ％以下である。
また、Ｐ含有量は、具体的には、０．０６０ｍａｓｓ％以下が好ましい。Ｐ含有量は、さらに好ましくは、０．０４０ｍａｓｓ％以下、さらに好ましくは、０．０３０ｍａｓｓ％以下である。
さらに、Ｏ含有量は、具体的には、０．０６０ｍａｓｓ％以下が好ましい。Ｏ含有量は、さらに好ましくは、０．０４０ｍａｓｓ％以下、さらに好ましくは、０．０３０ｍａｓｓ％以下である。
【００２８】
本発明に係る燃料電池セパレータ用２相ステンレス鋼は、添加元素（及び、不可避的不純物）が上述の範囲にあることに加えて、ＤＦＷが１％以上５０％であることが好ましい。
ここで、「ＤＦＷ」とは、次の（１）式で表される値をいう。
ＤＦＷ＝−９９．７＊(Ｎｉeq＋３６．５)／(Ｃｒeq＋１７．６)＋１３８  ・・（１）
但し、
Ｎｉeq＝[Ｎｉ]＋３０＊[Ｃ]＋３０＊[Ｎ]＋０．５＊[Ｍｎ]＋０．１６[Ｃｕ]
Ｃｒeq＝[Ｃｒ]＋[Ｍｏ]＋１．５＊[Ｓｉ]＋０．５＊[Ｎｂ]＋１．７７＊[Ｔｉ]＋２１．４＊[Ａｌ]＋４０＊[Ｂ]＋８．２９＊[Ｖ]
Ｎｉeqは、２相ステンレス鋼を構成する元素の内、オーステナイト相安定化元素によるオーステナイト相安定化への寄与を表す。この値が大きいほど、２相ステンレス鋼を構成するオーステナイト相が安定であることの目安となる。
Ｃｒeqは、２相ステンレス鋼を構成する元素の内、フェライト相安定化元素によるフェライト相安定化への寄与を表す。この値が大きいほど、２相ステンレス鋼を構成するフェライト相が安定であることの目安となる。
ＤＦＷは、ＮｉeqとＣｒeqのバランスにより決まる２相ステンレス鋼中のフェライト相存在割合を推定する値である。
【００２９】
プラズマ窒化処理を施した際に、導電性と耐食性という相反する機能を両立することができる２相ステンレス鋼を得るためには、ＤＦＷは、１％以上５０％以下が好ましい。ＤＦＷは、さらに好ましくは、１％以上３０％以下、さらに好ましくは、５％以上２０％以下である。
また、プラズマ窒化処理を施した際に、導電性と耐食性という相反する機能を両立することができる２相ステンレス鋼とするためは、フェライト相が一定の割合で分布している事が望ましい。従って、Ｎｉeqは、１３以上が好ましい。Ｎｉeqは、さらに好ましくは、１５以上、さらに好ましくは、１７以上である。
【００３０】
［２．２．  第２の具体例］
燃料電池セパレータ用２相ステンレス鋼の第２の具体例は、以下のような元素を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる。
（１）  ０．００１≦Ｃ≦０．０９０ｍａｓｓ％。
（２）  ０．０１≦Ｓｉ≦１．５０ｍａｓｓ％。
（３）  ０．０１≦Ｍｎ≦５．００ｍａｓｓ％。
（４）  ０．０１≦Ｃｕ≦２．００ｍａｓｓ％。
（５）  １５．０≦Ｎｉ≦２５．０ｍａｓｓ％。
（６）  ２２．０≦Ｃｒ≦３０．０ｍａｓｓ％。
（７）  ０．０１≦Ｍｏ≦２．５０ｍａｓｓ％。
（８）  Ｎｂ≦０．８０ｍａｓｓ％。
（９）  Ｔｉ≦０．８０ｍａｓｓ％。
（１０）  Ｎ≦０．１５ｍａｓｓ％。
（１１）  Ａｌ≦０．８００ｍａｓｓ％。
（１２）  Ｖ≦０．８０ｍａｓｓ％。
（１３）  Ｂ≦０．８００ｍａｓｓ％。
各添加元素の限定理由の詳細、Ｓ、Ｐ、及びＯは、所定量以下であることが望ましい点、並びに、ＤＦＷ及びＮｉeqが所定の範囲であることが望ましい点は、第１の具体例と同様であるので、説明を省略する。
【００３１】
［２．３．  第３の具体例］
燃料電池セパレータ用２相ステンレス鋼の第３の具体例は、以下のような元素を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる。
（１）  ０．００１≦Ｃ≦０．０８０ｍａｓｓ％。
（２）  ０．０１≦Ｓｉ≦１．００ｍａｓｓ％。
（３）  ０．０１≦Ｍｎ≦３．００ｍａｓｓ％。
（４）  ０．０１≦Ｃｕ≦１．００ｍａｓｓ％。
（５）  １８．０≦Ｎｉ≦２３．０ｍａｓｓ％。
（６）  ２４．０≦Ｃｒ≦３０．０ｍａｓｓ％。
（７）  ０．０１≦Ｍｏ≦２．００ｍａｓｓ％。
（８）  Ｎｂ≦０．５０ｍａｓｓ％。
（９）  Ｔｉ≦０．５０ｍａｓｓ％。
（１０）  Ｎ≦０．１００ｍａｓｓ％。
（１１）  Ａｌ≦０．５００ｍａｓｓ％。
（１２）  Ｖ≦０．５０ｍａｓｓ％。
（１３）  Ｂ≦０．６００ｍａｓｓ％。
各添加元素の限定理由の詳細、Ｓ、Ｐ、及びＯは、所定量以下であることが望ましい点、並びに、ＤＦＷ及びＮｉeqが所定の範囲であることが望ましい点は、第１の具体例と同様であるので、説明を省略する。
【００３２】
［３．  燃料電池用セパレータの製造方法］
燃料電池用セパレータは、所定量のγ相及びＣｒを含む２相ステンレス鋼を所定の形状に加工し、表面を窒化処理することにより製造することができる。
窒化方法は、特に限定されるものではなく、種々の方法を用いることができる。窒化方法としては、具体的には、
（１）  被処理物を陰極とし、直流電圧を印加してグロー放電（すなわち、低温非平衡プラズマ）を発生させ、ガス成分の一部をイオン化し、非平衡プラズマ中のイオン化したガス成分を被処理物の表面に高速衝突させて窒化させるプラズマ窒化法、
（２）  大気圧で、かつ平衡反応により窒化を進行させるガス窒化法、
などがある。
特に、プラズマ窒化法は、
（１）  被処理物表面に形成される不動態被膜の除去が容易である、
（２）  窒化層の形成と同時に、被処理物表面に形成された酸化膜の除去が容易である、
（３）  被処理物表面から深さ方向に、導電性と耐食性に富んだ、高窒素濃度のＭ4Ｎ型窒化物を含む窒化層が迅速に得られる、
という利点がある。
【００３３】
２相ステンレス鋼のプラズマ窒化は、具体的には、以下のような手順により行う。すなわち、まず、２相ステンレス鋼からなる被処理物を窒化炉内に配置し、真空排気する。次いで、炉内に水素ガスとアルゴンガスの混合ガスを導入し、数〜十数Ｔｏｒｒ（６６５〜２１２８Ｐａ）の真空度で、被処理物を陰極、炉壁を陽極として、電圧を印加する。電圧を印加すると、陰極である被処理物上にグロー放電が発生し、グロー放電によりイオン化した窒素は、被処理物の表面に衝突、浸入、及び拡散する。その結果、被処理物が加熱されると同時に、被処理物の表面に窒化層が形成される。
【００３４】
Ｃｒが濃化したα相組織をプラズマ窒化すると、Ｃｒ窒化物となる。一方、γ相組織をプラズマ窒化すると、Ｍ4Ｎ型窒化物、又は、Ｍ4Ｎ型窒化物とＭ2-3Ｎ型窒化物からなるナノレベルの積層結晶構造を有する窒化物となる。そのため、２相ステンレス鋼をプラズマ窒化すると、ナノレベルの積層結晶構造を有する窒化物中に塊状又は球状のＣｒ窒化物が分散している窒化層を形成することができる。
この時、２相ステンレス鋼の組成を最適化すると、プラズマ窒化処理によって、アノード条件下での耐食試験後の接触抵抗が４０ｍΩｃｍ2以下であるセパレータが得られる。また、これに加えて、アノード条件下でのＦｅイオン溶出量が０．０５０ｐｐｍ以下であるセパレータが得られる。
【００３５】
［４．  本発明に係る燃料電池セパレータ用２相ステンレス鋼の作用］
γ相を窒化処理すると、γ相であった部分が立方晶のＭ4Ｎ型窒化物となる。γ相は、面心立方構造を持つので、窒化処理により窒素原子が遷移金属元素から構成される面心立方格子の単位胞中心の八面体空隙に侵入し、Ｍ4Ｎ型窒化物を形成しやすい。γ相の窒化をさらに進行させると、Ｍ4Ｎ型窒化物の積層欠陥上にＭ2-3Ｎ型窒化物が析出し、ナノレベルの積層構造を持つ窒化物となる。Ｍ4Ｎ型窒化物及びＭ4Ｎ型＋Ｍ2-3Ｎ型窒化物は、いずれもＣｒ以外の元素も構成元素とすることができるので、基地中のＣｒを過剰に消費することがなく、基地の耐食性を低下させることがない。
一方、α相は、体心立方構造を持つ。α相を窒化処理すると、Ｃｒ窒化物を生成しやすい。基地表面にＣｒ窒化物が形成されると、基地中のＣｒが消費され、窒化層の直下にＣｒ欠乏相が生じる。また、α単相を基材にして窒化処理を施しても、窒化層として表層に均一に形成することが難しいため、基地の耐食性が低下する。
【００３６】
これに対し、所定量のγ相と所定量のＣｒとを含む２相ステンレス鋼を所定の条件下で窒化処理すると、２相ステンレス鋼の表面に、Ｍ4Ｎ窒化物又はＭ4Ｎ型＋Ｍ2-3Ｎ型窒化物中にＣｒ窒化物が分散した窒化層を形成することができる。得られた窒化層は、導電性の高いＣｒ窒化物が分散しているために、Ｍ4Ｎ単相に比べて導電性が高い。また、Ｍ4Ｎ窒化物又はＭ4Ｎ型＋Ｍ2-3Ｎ型窒化物中にＣｒ窒化物が分散しているために、Ｃｒ欠乏層を生成させることがなく、基地の耐食性を低下させることがないので、窒化層の耐食性も高い。また、表面に露出したＣｒ窒化物の表面には、導電性を有する厚さ数十ｎｍの不動態被膜が形成しやすくなり、硫酸環境下での耐食性が向上する。さらに、基地をγ相単相にする必要がないので、Ｎｉ等の高価なγ相安定化元素を多量に加える必要がなく、加工性の低下も最小限に抑制することができる。そのため、導電性と耐食性という相反する機能を両立させると同時に、コストの上昇を抑えることができる。
また、特定の組成を有する２相ステンレス鋼を用いると、このような窒化層が形成された燃料電池用セパレータを容易に製造することができる。また、特定の組成に加えて、ＤＦＷ及び／又はＮｉeqが最適化された２相ステンレス鋼を用いると、このような窒化層が形成された燃料電池用セパレータをさらに容易に製造することができる。
【実施例】
【００３７】
（実施例１〜１２、比較例１〜８）
［１．  試料の作製］
高周波誘導炉により、表１の化学成分の合金を溶解・鋳造し、５０ｋｇの鋼塊を得た。次に、この鋼塊を均質加熱後、熱間鍛造で６０角の板材とした。板材を冷間圧延により、０．１ｍｍ厚の薄板とした。得られた薄板について、還元性雰囲気下で熱処理を行い、２相組織を得た。表１に、合金組成及び熱処理条件を示す。
さらに、プラズマ窒化法を用いて、薄板表面を窒化処理した。プラズマ窒化は、以下の手順により行った。すなわち、プレス成形により得られたセパレータを酸洗した後、熱処理材の両面にマイクロパルス直流電流グロー放電によるプラズマ窒化処理を施した。
プラズマ窒化の条件は、窒化温度：３００〜５００℃、窒化時間：６０分、窒化時のガス混合比：Ｎ2：Ｈ2＝７：３、処理圧力：３Ｔｏｒｒ（３００Ｐａ）とした。
【００３８】
【表１】
2009209414.tif 000002
【００３９】
［２．  試験方法］
（１）  基層組織体積率：
窒化処理前の試料を３０ｍｍ×３０ｍｍの大きさに切り出し、Ｘ線回折により基層組織体積率を測定した。装置は、Ｒｉｇａｋｕ製ＲＩＮＴ−ＴＴＲIIIを用いた。α相の（２１１）面及びγ相の（２２０）面の積分強度比を用いて、上述の（ａ）式及び（ｂ）式により、それぞれ、γ相体積率（％）及びα相体積率（％）を求めた。
（２）  Ｃｒ窒化物面積率測定：
窒化処理後の試料の縦断面について、ＥＰＭＡによりＣｒ濃度を測定した。装置は、日本電子（株）製ＪＸＡ−８５００Ｆを用いた。Ｃｒ窒化物は、窒素拡散層中でＣｒが濃化しているため、明確にこの相を区別することができる。今回は、簡易的にこの方法で窒素拡散層中のＣｒ窒化物面積率を求めた。具体的には、試料の１０μｍ×１０μｍの視野を１０視野測定し、窒素拡散層中でＣｒが濃化している領域の面積率の平均値をＣｒ窒化物面積率とした。
＜窒素拡散層の結晶構造の同定＞
上記方法によって得られた試料から、収束イオンビーム装置（ＦＩＢ）（日立製作所製、Ｂ２０００Ａ）及びＦＩＢ−Ｐサンプリング法を用いて、ＴＥＭ観察用の表面付近の薄膜試料を作製した。得られた薄膜試料を、電界放射型透過電子顕微鏡（日立製作所製ＨＦ−２０００）を用いて、２００ｋＶにて観察した。
【００４０】
（３）  イオン溶出量：
燃料電池では、水素極側に比較して酸素極側に自然電位ないしは最大で１[Ｖ vs ＳＨＥ]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し、含水状態で使用されるため、強酸性を示す。このため、耐食性の評価は、電気化学的な手法である自然電位環境での浸漬試験法を用いて、燃料電池スタック内で燃料電池用セパレータが曝される環境を模擬した酸環境下で行った。
具体的には、まず、薄板の中央部から大きさ３０ｍｍ×３０ｍｍの試料を切り出し、これをｐＨ４、温度８０℃の硫酸水溶液中に１００時間浸漬した。その際の雰囲気は、アノード極環境を模擬したＮ2ガス脱気、又はカソード環境を模擬した大気開放状態とした。耐食試験終了後、硫酸水溶液中に溶け出したＦｅ、Ｃｒ及びＮｉのイオン溶出量を蛍光Ｘ線分析により測定した。
（４）  接触抵抗値：
耐食試験前後の接触抵抗値は、アルバック理工製、圧力負荷接触電気抵抗測定装置ＴＲＳ−２０００ＳＳ型を用いて行った。３０ｍｍ×３０ｍｍ×に切り出した試料と電極の間にカーボンペーパーを介在させ、電極／カーボンペーパー／試料／カーボンペーパー／電極の順に重ね合わせた。測定面圧１．０ＭＰａにて、１Ａ／ｃｍ2の電流を流した際の電気抵抗を２回測定し、各電気抵抗の平均値を求めて接触抵抗値とした。
カーボンペーパーには、白金触媒を担持したカーボンブラックを塗布したカーボンペーパー（東レ（株）製カーボンペーパーＴＧＰ−Ｈ−０９０、厚さ０．２６[ｍｍ]、かさ密度０．４９[ｇ／ｃｍ3]、空隙率７３[％]、厚さ方向体積抵抗率０．０７[ｏ・ｃｍ2]）を用いた。電極は、直径ｆ２０のＣｕ製電極を用いた。
【００４１】
［３．  結果］
表２に、基層組織体積率、及びＣｒ窒化物面積率を示す。また、表３に、接触抵抗値及びイオン溶出量を示す。
比較例１は、Ｃ量が多いために、イオン溶出性が悪い。比較例２は、Ｃｒ量が少ないために、イオン溶出性が悪い。比較例３は、Ｃｒが多すぎ、炭窒化物を形成しているために、イオン溶出性が悪い。比較例４は、γ単相であり、若干抵抗値が高い。比較例５〜８は、Ｎｉが少なく、熱処理も最適でないため、基材のα相が過剰であり、特にイオン溶出性が悪い。
これに対し、実施例１〜１２は、いずれも、Ｃｒ量及び基層中のγ相量が最適化されているので、耐食性と導電性とを両立させることができる。
表２及び表３より、
（１）  基層のα相体積率とＣｒ窒化物の面積率は、ほぼ一致する、
（２）  窒素拡散層中のＣｒ窒化物の量が多くなるほど、接触抵抗は小さくなるが、基層のα相が５０％を超えると、著しくイオン溶出量が増大する、
（３）  窒素拡散層中のＣｒ窒化物の量が少なくなるほど、イオン溶出量は少なくなるが、全くＣｒ窒化物が存在しないと、接触抵抗値が若干高い、
ことがわかる。
【００４２】
【表２】
2009209414.tif 000003
【００４３】
【表３】
2009209414.tif 000004
【００４４】
（実施例１３〜１５）
［１．  試料の作製］
主要元素の含有量は実施例２とほぼ同一であるが、Ｓ、Ｐ、及びＯの異なる３種類の合金を溶解鋳造した。以下、実施例１〜１２と同様の手順に従い、薄板の作製及び表面の窒化処理を行った。
［２．  試験方法］
実施例１〜１２と同様の手順に従い、基層組織体積率、Ｃｒ窒化物面積率、接触抵抗値及びイオン溶出量を測定した。
【００４５】
［３．  結果］
表４に、その結果を示す。表４より、不純物量は、接触抵抗値にあまり影響はないが、不純物量が少なくなるほど、イオン溶出量が少なくなることがわかる。
【００４６】
【表４】
2009209414.tif 000005
【００４７】
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は、上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明に係る燃料電池セパレータ用２相ステンレス鋼は、燃料電池用セパレータの材料として用いることができる。