(57)【要約】【課題】ステンレス鋼板とカーボンペーパーの間の接触抵抗を低減した、固体高分子型燃料電池のセパレータに好適なステンレス鋼板を提供する。【解決手段】Ｃｒ：１６〜４０質量％、Ｍｏ：０.２〜５質量％を含有するフェライト系ステンレス鋼種からなる鋼板の少なくとも片面に、ハロゲンイオンを含む非酸化性酸、例えば塩酸に浸漬することにより形成される面粗さＳＰａが０.０３超え〜０.３μｍである粗面化表面Ａを持つ固体高分子型燃料電池のセパレータ用粗面化ステンレス鋼板。上記の粗面化表面Ａは、カーボンペーパーと接触面圧１ＭＰａで接触させたときに、接触抵抗が１５ｍΩ・ｃｍ2以下好ましくは１０ｍΩ・ｃｍ2以下を呈するものである。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｒ：１６〜４０質量％、Ｍｏ：０.２〜５質量％を含有するフェライト系ステンレス鋼種からなる鋼板の少なくとも片面に、ハロゲンイオンを含む非酸化性酸に浸漬することにより形成される面粗さＳＰａが０.０３超え〜０.３μｍである粗面化表面Ａを持つ固体高分子型燃料電池のセパレータ用粗面化ステンレス鋼板。
【請求項２】
非酸化性酸は塩酸である請求項１に記載の固体高分子型燃料電池のセパレータ用粗面化ステンレス鋼板。
【請求項３】
粗面化表面Ａは、カーボンペーパーと接触面圧１ＭＰａで接触させたときに、接触抵抗が１５ｍΩ・ｃｍ2以下を呈するものである固体高分子型燃料電池のセパレータ用粗面化ステンレス鋼板。
【請求項４】
前記フェライト系ステンレス鋼種は、ＪＩＳ Ｇ４３０５：２００５に規定されるフェライト系鋼種に相当するものである請求項１〜３のいずれかに記載のセパレータ用粗面化ステンレス鋼板。
【請求項５】
前記フェライト系ステンレス鋼種は、質量％で、Ｃ：０.１２％以下、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：２％以下、Ｐ：０.０８％以下、Ｓ：０.０３％以下、Ｃｒ：１６〜４０％、Ｍｏ：０.２〜５％、Ｎ：０.０２５％以下であり、Ｎｉ：０〜０.６％、Ｃｕ：０〜１％、Ａｌ：０〜１％、Ｔｉ：０〜０.８％、Ｎｂ：０〜０.８％、Ｖ：０〜１％、Ｃａ：０〜０.１％、ＲＥＭ（希土類元素）：０〜０.１％、Ｂ：０〜０.１％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物である組成を有する鋼種である請求項１〜３のいずれかに記載のセパレータ用粗面化ステンレス鋼板。
【請求項６】
粗面化表面Ａを鋼板の片面に持つとともに、その反対側の面には、塩化第二鉄水溶液中での交番電解またはアノード電解により形成される面粗さＳＰａが０.３〜２μｍである粗面化表面Ｂを持ち、その粗面化表面Ｂは、当該鋼板から切り出した２枚の平板試料の粗面化表面Ｂどうしを接触面圧１ＭＰａで接触させたときに、接触抵抗が１０ｍΩ・ｃｍ2以下を呈するものである請求項１〜５のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池のセパレータ用粗面化ステンレス鋼板。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれかに記載の粗面化ステンレス鋼板をプレス成形してなる固体高分子型燃料電池のセパレータ。
【請求項８】
請求項６に記載の粗面化ステンレス鋼板をプレス成形してなる一対のセパレータ部材を、それぞれの前記粗面化表面Ｂどうしの間で接触箇所が形成されるように一体化した固体高分子型燃料電池のセパレータ。
【請求項９】
前記一対のセパレータ部材の間に、前記接触箇所によって仕切られた冷却水流路を有する請求項８に記載のセパレータ。
【請求項１０】
請求項７〜９のいずれかに記載のセパレータおよびカーボンペーパーを用いたガス拡散電極を持ち、セパレータの粗面化表面Ａとカーボンペーパー表面が接触するように構成された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の金属セパレータを構成するための粗面化されたフェライト系ステンレス鋼板、およびそのフェライト系ステンレス鋼板を部材に使用して構成される固体高分子型燃料電池のセパレータ、並びにそのセパレータを用いた固体高分子型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の中でも、固体高分子型の燃料電池は１００℃以下での低温作動が可能であり、短時間で起動する長所を備えている。また、各部材が固体からなる構造であるためメンテナンスが容易であり、振動や衝撃に曝される用途にも適用できる。更に、出力が高いため小型化に適し、燃料効率が高く騒音が小さい等の長所も備えている。
【０００３】
固体高分子型燃料電池は、１セルあたりの発電量が小さいため、実用的な電力を取り出すには、固体高分子膜をセパレータで挟んだセルを１セルとし、多数のセルをスタックする必要がある。固体高分子型燃料電池は、分子中にプロトン交換基をもつ固体高分子樹脂がプロトン導電性電解質として機能することを利用したものであり、他の形式の燃料電池と同様に固体高分子膜を挟んで一方の側に水素等の燃料ガスを、他方の側に空気等の酸化性ガスをそれぞれ流す構造となっている。
【０００４】
図１に、金属製セパレータを用いた車載用の固体高分子型燃料電池の断面構造を模式的に例示する。固体高分子膜の両側にガス拡散電極（それぞれ負極および正極）を挟んでセパレータが配置されている。セパレータとガス拡散電極とは電気的接触を有している。セパレータは、金属板をプレスにより畝状の凹凸断面を有する形状に加工してなる一対のセパレータ部材１とセパレータ部材２を、押圧した状態（すなわち接触部に接触面圧が付与された状態）で接触させ、一体化した構造を有している。そのセパレータ部材１は負極（例えばカーボンペーパー）と電気的に接触しているとともに、負極と当該部材の間には燃料ガス（水素を主体とするもの）が通る流路が形成されている。一方、セパレータ部材２は隣のセルにおける正極（例えばカーボンペーパー）と電気的に接触しているとともに、正極と当該部材の間には酸化剤ガス（例えば空気を主体とするもの）が通る流路が形成されている。そして、セパレータを構成する一対のセパレータ部材１とセパレータ部材２どうしは、互いに電気的接触を有するとともに、両部材の間には冷却水が通る流路が設けられることが多い。
【０００５】
図２に、家庭などで用いる定置用として想定される固体高分子型燃料電池の断面構造を模式的に例示する。この場合、車載用ほど高電流で運転されることは少ないので、例えば３セルに１セル程度の割合でセパレータ部材間に冷却水を通す構造が想定される。冷却水を通すセルでは、金属板をプレスにより畝状の凹凸断面を有する形状に加工してなるセパレータ部材３およびセパレータ部材４を一対として、それらを押圧した状態で接触させて一体化し、セパレータを構成する。この場合も、セパレータとガス拡散電極とは電気的接触を有している。また一対のセパレータ部材３とセパレータ部材４どうしは、互いに電気的接触を有するとともに、両部材の間には冷却水が通る流路が設けられる。
【０００６】
最近ではセパレータとしてステンレス鋼を使用し、ガス拡散電極としてカーボンペーパーを使用するタイプの固体高分子型燃料電池について実用化が種々検討されている。このようなタイプの固体高分子型燃料電池では、ステンレス鋼とカーボンペーパーとの間の接触抵抗を低減させることが大きな課題となっている。ステンレス鋼は導電性の低い不動態皮膜で覆われていることから、単にステンレス鋼表面とカーボンペーパー表面とを押圧した状態で接触させても、良好な導電性を確保することは難しい。そこで、従来から、ステンレス鋼表面を不動態皮膜のない貴金属でコーティングする手法や、粗面化する手法などにより、異種材料との間の接触抵抗を低減させることが各種試みられている（例えば特許文献１〜３）。しかし、貴金属をコーティングする手法はコストが増大し、固体高分子型燃料電池を広く普及させる上では採用し難い。また、従来の粗面化手法ではカーボンペーパーとの間の接触抵抗を満足できるレベルに低減させることは必ずしも容易ではない。
【０００７】
一方、図１や図２の中に示されるような、プレス成形された一対の板状部材を押圧した状態で接触させて一体化したタイプの金属セパレータ（以下これを「板状部材複合型セパレータ」と呼ぶことがある）は、内部に冷却水流路を設けることができので、今後広く採用されるようになると考えられる。このタイプのセパレータでは、一対の板状部材どうしの間に生じる「ステンレス鋼−ステンレス鋼」間の接触抵抗を低減することが極めて重要な要素技術となる。
【０００８】
これまでに、固体高分子型燃料電池のセパレータを意図して、ステンレス鋼表面の接触抵抗を低減させるための手法についても種々検討されてきた。特許文献４〜６にはカーボン粒子をステンレス鋼表面に島状に分布させることにより、耐酸性を確保しながら導電性および接触抵抗を改善したセパレータ材料が開示されている。しかし、ステンレス鋼表面に対するカーボン粒子の付着力を安定して十分に確保することは必ずしも容易ではなく、ハンドリングや加工などの際にカーボン粒子がステンレス鋼表面から脱落することが懸念される。また、良好な密着度でカーボン粒子を付着させるための工程が必要となり、生産工数の増加を招く。特許文献３にはステンレス鋼やチタン表面の酸化物層を除去した後、貴金属または貴金属の合金を付着させ接触抵抗を低減させる方法が記載されている。しかし、この方法は貴金属を使用することによるコスト増大が避けられない。
【０００９】
【特許文献１】特開平１１−２９７３３８号公報
【特許文献２】特開２００３−２２３９０４号公報
【特許文献３】特開２００１−６７１３
【特許文献４】特開平１１−１２１０１８号公報
【特許文献５】特開平１１−１２６６２１号公報
【特許文献６】特開平１１−１２６６２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、このような現状に鑑み、ステンレス鋼製セパレータとカーボンペーパーの間の接触抵抗を顕著に低減しうる安価なセパレータ用ステンレス鋼板、特にステンレス鋼板どうしのあいだの接触抵抗をも同時に低減した板状部材複合型セパレータに好適なステンレス鋼板を提供しようというものである。また、そのステンレス鋼板で構成されるセパレータ、およびそのセパレータを使用した固体高分子型燃料電池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】
カーボンペーパーとの接触抵抗が小さいステンレス鋼板として、本発明では、Ｃｒ：１６〜４０質量％、Ｍｏ：０.２〜５質量％を含有するフェライト系ステンレス鋼種からなる鋼板の少なくとも片面に、ハロゲンイオンを含む非酸化性酸、例えば塩酸に浸漬することにより形成される面粗さＳＰａが０.０３超え〜０.３μｍである粗面化表面Ａを持つ固体高分子型燃料電池のセパレータ用粗面化ステンレス鋼板が提供される。上記の粗面化表面Ａは、カーボンペーパーと接触面圧１ＭＰａで接触させたときに、接触抵抗が１５ｍΩ・ｃｍ2以下を呈するものである。
【００１２】
また、ステンレス鋼板どうしの接触抵抗をも低減したステンレス鋼板として、上記の粗面化表面Ａを鋼板の片面に持つとともに、その反対側の面には、塩化第二鉄水溶液中での交番電解またはアノード電解により形成される面粗さＳＰａが０.３〜２μｍである粗面化表面Ｂを持ち、その粗面化表面Ｂは、当該鋼板から切り出した２枚の平板試料の粗面化表面Ｂどうしを接触面圧１ＭＰａで接触させたときに、接触抵抗が１０ｍΩ・ｃｍ2以下を呈するものである固体高分子型燃料電池のセパレータ用粗面化ステンレス鋼板が提供される。
【００１３】
ここで、「面粗さＳＰａ」は、ＪＩＳ Ｂ０６０１−２００１に規定される断面曲線の算術平均高さＰａを一定面積の表面領域について測定し、その平均値をとったものである。具体的には、ＳＰａは走査型レーザー顕微鏡により測定される三次元表面プロファイルのデータを解析することにより求まる面粗さパラメータの１つであり、断面曲面の平均面に対する断面曲面の標高の絶対値の平均値を意味する。三次元表面プロファイルを測定する表面領域は、一辺が５０μｍ以上の矩形の表面領域とする。すなわち５０μｍ×５０μｍ以上の測定面積を確保する。走査型レーザー顕微鏡の深さ方向分解能は０.０１μｍ以上とすることが望ましい。「接触面圧」は、接触している双方の板状材料表面間に付与されている接触面に垂直方向の応力成分である。「接触抵抗」は、当該接触部を介して双方の板状材料間に直流電流（例えば接触面での電流密度１Ａ／ｃｍ2）を流した際の電圧降下から算出される抵抗値に接触面積を乗じたものである。
【００１４】
前記フェライト系ステンレス鋼種としては、例えばＪＩＳ Ｇ４３０５：２００５に規定されるフェライト系鋼種に相当し、ＣｒおよびＭｏ含有量が上記の範囲にあるものが例示できる。これらの規格鋼種をベースに、必要に応じて種々の元素を添加して特性改善を図った鋼種を採用することもできる。特にＰは０.０８質量％までの含有が許容される。成分組成範囲を例示すると、質量％で、Ｃ：０.１２％以下、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：２％以下、Ｐ：０.０８％以下、Ｓ：０.０３％以下、Ｃｒ：１６〜４０％、Ｍｏ：０.２〜５％、Ｎ：０.０２５％以下であり、Ｎｉ：０〜０.６％、Ｃｕ：０〜１％、Ａｌ：０〜１％、Ｔｉ：０〜０.８％、Ｎｂ：０〜０.８％、Ｖ：０〜１％、Ｃａ：０〜０.１％、ＲＥＭ（希土類元素）：０〜０.１％、Ｂ：０〜０.１％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物である組成を有する鋼種を挙げることができる。ここで、下限が０％である元素は任意成分であり、０％はその元素が無添加であり、通常の製鋼工程での分析手法において測定限界以下である場合を意味する。
【００１５】
また本発明では、粗面化表面Ａを持つ上記の粗面化ステンレス鋼板をプレス成形してなる固体高分子型燃料電池のセパレータが提供される。このセパレータはガス拡散電極のカーボンペーパーとの接触抵抗を低減したものであり、これを組み込んだ固体高分子型燃料電池としては、図１、図２の例でいうと、図中の太線の部分に粗面化表面Ａを持つ。
【００１６】
さらに本発明では、板状部材複合型セパレータとして、粗面化表面ＡおよびＢを持つ上記の粗面化ステンレス鋼板をプレス成形してなる一対のセパレータ部材を、それぞれの前記粗面化表面Ｂどうしの間で接触箇所が形成されるように一体化した固体高分子型燃料電池のセパレータが提供される。前記一対のセパレータ部材の間に、前記接触箇所によって仕切られた冷却水流路を有するものが好適な対象となる。このセパレータはガス拡散電極のカーボンペーパーとの接触抵抗およびステンレス鋼板どうしの接触抵抗を同時に低減したものである。図１、図２の例でいうと、セパレータ部材１とセパレータ部材２を重ね合わせたセパレータがこれに該当し、図中の太線の部分に粗面化表面Ａを持ち、セパレータ部材１とセパレータ部材２の接触面に粗面化表面Ｂを持つ。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、フェライト系ステンレス鋼板とカーボンペーパーを接触させたときの接触抵抗、あるいはさらにフェライト系ステンレス鋼板の表面どうしを接触させたときの接触抵抗が顕著に低減される粗面化ステンレス鋼板が提供された。したがって、本発明の粗面化ステンレス鋼板は、ガス拡散電極としてカーボンペーパーを使用する固体高分子型燃料電池に極めて有用である。特に冷却水流路を内在させた合理的な構造の固体高分子型燃料電池セパレータを構成する部材に適している。また本発明の粗面化ステンレス鋼板で構成される板状部材複合型セパレータは、比較的安価なフェライト系ステンレス鋼を素材としており、しかも貴金属を使用しないので低コストであり、冷却機能を有しながら高い導電性を維持することも可能であることから、車載用および定置用の実用的な固体高分子型燃料電池の普及に寄与するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
〔フェライト系ステンレス鋼種〕
本発明では、固体高分子型燃料電池のセパレータが曝される酸性環境で高い耐久性を呈するステンレス鋼として、Ｍｏ：０.２〜５質量％を含有するフェライト系ステンレス鋼種を対象とする。そのような鋼種としては既存の公知鋼種を採用することができる。例えば、ＪＩＳ Ｇ４３０５：２００５に規定されるフェライト系鋼種であって、Ｍｏを上記の範囲で含有するものを例示することができる。
【００１９】
具体的な成分組成範囲を示すと例えば、質量％で、Ｃ：０.１２％以下好ましくは０.０２５％以下、Ｓｉ：１％以下好ましくは０.５％以下、Ｍｎ：２％以下好ましくは１％以下、Ｐ：０.０８％以下、Ｓ：０.０３％以下、Ｃｒ：１６〜４０％好ましくは１６〜３５％より好ましくは１６〜３２％、Ｍｏ：０.２〜５％好ましくは１〜３％、Ｎ：０.０２５％以下であり、Ｎｉ：０〜０.６％、Ｃｕ：０〜１％好ましくは０〜０.５％、Ａｌ：０〜１％好ましくは０〜０.３％、Ｔｉ：０〜０.８％好ましくは０〜０.３％、Ｎｂ：０〜０.８％好ましくは０〜０.３％、Ｖ：０〜１％、Ｃａ：０〜０.１％好ましくは０〜０.０１％、ＲＥＭ（希土類元素）：０〜０.１％好ましくは０〜０.０１％、Ｂ：０〜０.１％好ましくは０〜０.０１％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる組成が挙げられる。
【００２０】
主な成分元素について簡単に説明する。
Ｃは、０.１２質量％まで許容できるが、フェライト系ステンレス鋼の加工性、低温靭性を低下させるので０.１２質量％以下とすることが望ましい。それらの特性を重視する場合は０.０５質量％以下とすることがより望ましく、０.０２５質量％以下であることが一層好ましい。
【００２１】
Ｓｉは、多量に含有すると鋼を硬質化して加工性を阻害するので、１質量％以下であることが望ましく、０.５質量％以下がより好ましい。
【００２２】
Ｍｎは、多量に含有すると加工性低下、耐食性低下、接触抵抗の増大を招くので、２質量％以下であることが望ましく、１質量％以下がより好ましい。
【００２３】
Ｐは、セパレータが曝される燃料電池の内部環境における耐食性向上に有効な元素であるが、Ｐ含有量増大に伴って加工性が低下するので、０.０８質量％以下であることが望ましい。
【００２４】
Ｓは、耐食性に有害な元素であり、０.０３質量％以下であることが好ましい。
【００２５】
Ｃｒは、ステンレス鋼の耐食性を確保するために重要な元素であり、Ｃｒ含有量が多くなるほど一般に耐食性は向上する。固体高分子型燃料電池のセル内環境を考慮すると１６質量％以上のＣｒ含有量を確保することが望ましい。ただし、多量のＣｒ含有は加工性の低下を招くので、Ｃｒ含有量は４０質量％以下に抑える必要がある。３５質量％以下とすることが望ましく、３０質量％以下がより好ましい。
【００２６】
Ｍｏは、Ｃｒとの共存によりステンレス鋼の耐食性を向上させる元素である。本発明ではセル内環境に曝されたときに優れた耐久性を呈するように、Ｍｏ含有量が０.２質量％以上のオーステナイト系ステンレス鋼を対象とする。Ｍｏ含有量は１質量％以上であることがより好ましい。ただし、多量のＭｏ含有はステンレス鋼を硬質化させ加工性劣化を招き、またコスト的にも不利となるので、Ｍｏ含有量の上限は５質量％に制限される。３質量％以下とすることがより好ましい。
【００２７】
Ｎは、加工性、低温靭性を低下させるので０.０２５質量％以下であることが望ましい。
【００２８】
Ｎｉ、Ｃｕは、酸性雰囲気での耐全面腐食性を改善し、またフェライト系ステンレス鋼の低温靭性を改善する作用があるため、必要に応じてこららの１種以上を添加することができる。上記作用を十分に発揮させるには、Ｎｉの場合は０.１５質量％以上、Ｃｕの場合は０.２質量％以上の含有量を確保することが望ましい。ただし、これらの元素は溶出しやすい性質があり、なかでも溶出したＮｉイオンが触媒層に到達すると電池性能が低下しやすい。したがって、Ｎｉ、Ｃｕの１種以上を添加する場合は、Ｎｉは０.６質量％以下、Ｃｕは０.８質量％以下の範囲で行うことが望ましい。
【００２９】
Ａｌは、鋼の脱酸剤として機能するとともに、Ｎの固定にも有用であることから、必要に応じて添加することができる。この場合、０.０４質量％以上の含有量を確保することがより効果的である。ただし、Ａｌを添加する場合は１質量％以下とすることが望ましく、０.３質量％以下がより好ましい。
【００３０】
Ｔｉ、Ｎｂは、Ｃ、Ｎを固定し加工性を改善する効果があり、必要に応じて添加される。そのためにはＴｉ：０.０３質量％以上、Ｎｂ：０.０３質量％以上の１種以上を添加することが効果的である。ただし、Ｔｉ、Ｎｂの１種以上を添加する場合は、Ｔｉ、Ｎｂとも０.８質量％以下の含有量とすることが望ましく、０.３質量％以下がより好ましい。
【００３１】
Ｖは、燃料電池内の内部環境における耐食性を改善する作用があるので必要に応じて添加される。その作用を十分に得るには０.２質量％以上のＶ含有量を確保することが望ましい。ただし、Ｖを添加する場合は、１質量％以下の含有量とすることが望ましい。
【００３２】
その他、本発明の効果を阻害しない範囲であれば種々の元素を添加することができる。例えば、Ｃａ：０.１質量％以下％好ましくは０.０１質量％以下、ＲＥＭ（希土類元素）：０.１質量％以下好ましくは０.０１質量％以下、Ｂ：０.１質量％以下好ましくは０.０１質量％以下の１種以上の添加などが許容される。
【００３３】
〔粗面化表面Ａの形態〕
粗面化表面Ａはカーボンペーパーとの接触抵抗を顕著に低減したものである。固体高分子型燃料電池のガス拡散層に適用されるカーボンペーパーは、直径約１０μｍのカーボン繊維を織り込んで作られたものである。このカーボン繊維の長手方向に垂直な断面をみると、表面には歯車状に凹凸が存在する。その凹凸のピッチはサブミクロンオーダーである。したがって、接触相手となるステンレス鋼板の表面にもカーボン繊維の表面凹凸に近いサイズの凹凸を形成すれば、接触面積の顕著な増大により、接触抵抗の低減が図れるものと考えられる。ところが、発明者らの検討によれば、単にサブミクロンオーダーの凹凸が存在していても、必ずしも接触抵抗の増大には繋がらないことが判ってきた。その原因として、サブミクロンオーダーの凹凸であっても、カーボン繊維の凹凸形態とマッチングのよい形態の凹凸をステンレス鋼板側にも形成しないと、接触抵抗の低減効果が十分に得られないことが考えられる。
【００３４】
種々検討の結果、ステンレス鋼製セパレータとカーボンペーパー電極を用いた固体高分子型燃料電池において、そのセパレータとカーボンペーパー間の通電を十分に確保するためには、カーボンペーパーと接触面圧１ＭＰａで接触させたときの接触抵抗が１５ｍΩ・ｃｍ2以下となるような粗面化表面Ａを持つステンレス鋼板をセパレータに使用する必要があることがわかった。そのような特性を満たさない粗面化表面では安定して良好な通電を確保することが難しい。特に接触面圧１ＭＰａで接触させたときの接触抵抗が１０ｍΩ・ｃｍ2以下となる粗面化表面Ａを持つ鋼板がより好ましい。
【００３５】
発明者らは詳細な検討を重ねた結果、そのような粗面化表面Ａとしては、フェライト系ステンレス鋼板を塩酸等のハロゲンイオンを含む非酸化性の酸に浸漬したときに形成される微細ピットからなる粗面化形態であって、なおかつ面粗さＳＰａが０.０３超え〜０.３μｍの範囲である粗面化形態を呈することが極めて有効であることを見出した。ＳＰａが０.０３超え〜０.１μｍの範囲であることがより好ましい。
【００３６】
〔粗面化表面Ａの形成手法〕
まず予備処理として、通常の電解脱脂を行うことが好ましい。電解脱脂は例えば濃度１〜１０質量％のオルソケイ酸ナトリウム水溶液中でのアノード電解が好適に採用できる。電解脱脂の液温およびアノード電流密度は例えば、６０℃±５℃、２〜１０Ａ／ｄｍ2とすることができ、処理時間は例えば５〜３０秒の範囲で調製すればよい。
【００３７】
脱脂後のフェライト系ステンレス鋼板を、塩酸等のハロゲンイオンを含む非酸化性酸に浸漬することによって粗面化する。硝酸、フッ硝酸、王水などの酸化力のある酸では適切な粗面化ができない。これらの酸を用いた粗面化では、エッチングはステンレス鋼表面の結晶粒界に沿って進行し、その粗面化形態は結晶粒の形態に依存して大きな凹凸となる傾向が強い。また、非酸化性酸であっても、ハロゲンイオンを含まない硫酸などではやはり適切な粗面化は無理である。これに対し、塩酸等のハロゲンイオンを含む非酸化性酸による粗面化では、結晶粒界に依存せずにエッチングが孔食状に生じ、微細なピットを鋼板表面全体に形成することが可能となる。その凹凸サイズ（ピットサイズ）は、鋼種に応じてエッチング液の酸濃度、温度、浸漬時間によってコントロール可能である。
【００３８】
〔粗面化表面Ｂの形態〕
粗面化表面Ｂはステンレス鋼板どうしの接触抵抗を顕著に低減したものであり、板状部材複合型セパレータを構築する場合に有効となる。
図３に、本発明の粗面化鋼板の粗面化表面どうしが１ＭＰａの接触圧力で接触している接触部についての板厚方向に平行な断面におけるＳＥＭ写真を例示する。尖った突起形状として観察されるピット境界の稜の部分が、押圧による大きな荷重を受けて塑性変形し、その塑性変形に伴い表面の不動態皮膜が破れ新鮮面どうしが接触し良好な通電状態となるものと考えられる。
【００３９】
図４には、粗面化していない鋼板の表面どうしが１ＭＰａの接触圧力で接触している接触部についての板厚方向に平行な断面におけるＳＥＭ写真を例示する。この場合、１ＭＰａの接触圧力を受けても、微視的に見ると両鋼板が接触している部分は少なく、隙間が形成されている部分が多いことがわかる。また、表面の不動態皮膜の破壊も起こりにくい。このような状態では接触抵抗が高く、良好な通電状態が期待できない。
【００４０】
発明者らの検討によれば、板状部材複合型セパレータにおいて、そのセパレータを構成する板状部材間の通電を十分に確保するためには、接触面圧１ＭＰａで接触させたときの接触抵抗が１０ｍΩ・ｃｍ2以下であるような接触状態が形成される板状部材を用いることが必要であることがわかった。そのような特性を満たさない板状部材どうしを組み合わせた場合には安定して良好な通電を確保することが難しい。特に接触面圧１ＭＰａで接触させたときの接触抵抗が３ｍΩ・ｃｍ2以下となる粗面化鋼板であることがより好ましく、１ｍΩ・ｃｍ2以下となることがさらに好ましい。
【００４１】
詳細な検討の結果、図３に示したような新鮮面どうしの接触によって、接触面圧１ＭＰａで接触させたときの接触抵抗が１０ｍΩ・ｃｍ2以下の接触状態を実現するには、後述する電解粗面化によって得られる特異な粗面化形態（開口部が小さい割に深さが深い球面状のピットが鋼板表面の投影面積に占める割合で約８０％以上の高密度で形成されている粗面化形態）において、面粗さＳＰａが０.３μｍ以上に調整されている粗面化表面が極めて有効であることがわかった。ＳＰａが０.３μｍ未満だと鋼板表面の投影面積に占めるピット未発生領域の割合が大きすぎるか、あるいはピットが浅すぎてピット境界の稜の部分の尖り方が不足するものと考えられ、結果的に安定して接触抵抗の十分な低減を図ることが難しい。
【００４２】
〔粗面化表面Ｂの形成手法〕
粗面化表面Ｂは、上記の酸浸漬処理によって粗面化表面Ａを形成したフェライト系ステンレス鋼板を原板として、その片面のみに塩化第二鉄水溶液中での電解粗面化処理を施すことによって作ることができる。すでに粗面化表面Ａが形成されていても、その凹凸は粗面化表面Ｂに要求される凹凸に比べ十分に微細であるから、適正な粗面化表面Ｂを形成する上で問題にならない。したがって、「ハロゲンイオンを含む非酸化性酸による浸漬→片面のみについての塩化第二鉄水溶液中での電解粗面化処理」の手順により、一方の面に粗面化表面Ａを、その反対側の面に粗面化表面Ｂを持つフェライト系ステンレス鋼板を得ることができる。
【００４３】
電解条件としては、Ｆｅ3+イオンを含む塩化第二鉄水溶液中での交番電解処理またはアノード電解処理が好適に適用できる。電解液中にはステンレス鋼の酸化作用を促進するＮＯ3―、ＳＯ42-といったイオンが含まれていないことも、孔食、すなわちピットの形成を容易にさせ、粗面化処理を短時間で終えるために重要となる。Ｍｏを含有するフェライト系ステンレス鋼の場合、Ｃｒ含有量が概ね２５質量％以下の鋼種に対しては交番電解が比較的適しており、Ｃｒ含有量がそれより高い高耐食性鋼種に対してはアノード電解が比較的適している。
【００４４】
電解液の濃度や電解条件は、ステンレス鋼種に応じて上述の粗面化形態が得られる適正範囲に設定する必要がある。例えば、交番電解の場合、Ｆｅ3+濃度５〜１００ｇ／Ｌの塩化第二鉄水溶液中で、アノード電解時の電流密度１〜１０ｋＡ／ｍ2、カソード電解時の電流密度０.０３〜２ｋＡ／ｍ2とした１〜２０Ｈｚの交番電解を１０〜３００秒間施す条件範囲において、最適条件を定めるとよい。アノード電解の場合は、Ｆｅ3+濃度５０〜１００ｇ／Ｌの塩化第二鉄水溶液中で、電流密度１〜１０ｋＡ／ｍ2のアノード電解を１０〜３００秒間施す条件範囲において、最適条件を定めるとよい。
【００４５】
〔セパレータ〕
以上のような本発明の粗面化ステンレス鋼板は、プレス加工により所定の畝状の凹凸を形成したセパレータ部材とすることができる。そのプレス加工を経ても、粗面化表面Ａおよび粗面化表面Ｂのそれぞれの接触抵抗低減効果は、プレス加工前のサンプルを用いた場合と遜色ないことが実験により確認されている。板状部材複合型セパレータを構築する場合は、一対のセパレータ部材を粗面化表面Ｂどうしが接触するように組み合わせて、通常、周辺部をろう付けまたはかしめ加工することにより、両部材の接触部が押圧された状態となるように一体化する。
【実施例１】
【００４６】
板厚０.１５ｍｍの１８Ｃｒ−２Ｍｏ鋼（ＳＵＳ４４４相当鋼）の２Ｂ仕上げ、板厚０.２ｍｍの２２Ｃｒ−１.２Ｍｏ鋼（ＳＵＳ４４５Ｊ１相当鋼）の２Ｄ仕上げ、および板厚０.２５ｍｍの３０Ｃｒ−２Ｍｏ鋼（ＳＵＳ４４７Ｊ１相当鋼）の２Ｂ仕上げのフェライト系ステンレス鋼板を用意した。
これらから切り出した鋼板について、以下のように電解脱脂を行った後、酸浸漬処理による粗面化表面Ａの形成を行った。
【００４７】
まず、上記鋼板を濃度５質量％、液温６０℃のオルソケイ酸ナトリウム溶液に浸漬し、電流密度５Ａ／ｄｍ2でアノード電解脱脂を１０秒間施す方法で電解脱脂を行った。
次いで、脱脂後の鋼板を濃度１０質量％、５０℃の塩酸水溶液に浸漬する方法で塩酸浸漬処理を施すことによって粗面化表面Ａ形成した。浸漬時間を調整することにより表面粗さＳＰａをコントロールした。一部の比較例として酸浸漬処理を施していないもの、および塩酸水溶液に代えて王水により浸漬処理を行ったものを用意した。ここではこれらの比較例の表面も含めて粗面化表面Ａと称している。
粗面化表面Ａについて、面粗さＳＰａ、およびカーボンペーパーとの間の接触抵抗を以下のようにして調べた。
【００４８】
〔面粗さＳＰａ〕
粗面化表面Ａについて、走査型共焦点レーザー顕微鏡（オリンパス株式会社製；ＯＬＳ１２００）を用いて、５１μｍ×５１μｍの表面領域について、分解能０.０１μｍにて面粗さＳＰａを測定した。具体的には、対物レンズ１００倍（深さ方向分解能：０.０１μｍ）、ズーム２.５倍の倍率に設定し、５１μｍ×５１μｍ視野の粗面化表面の画像を取り込んだ後、ピークノイズ除去および画像輝度平均化の画像処理を行うことによって三次元表面プロファイルを求め、そのデータに基づいて算出される面粗さＳＰａを求めた。
【００４９】
〔接触抵抗〕
試料鋼板を室内に約７２時間放置した後、その鋼板から直径１５ｍｍの円形試料を打ち抜いた。粗面化表面Ａを有するこの円形試料と、カーボンペーパーを重ね合わせ、その上下にＣｕ製のブロックをあてがい、オートグラフにより１ＭＰａの接触圧力となる荷重を付加した。そして、上下のＣｕ製のブロック間に直流電源より１.７７Ａ（１Ａ／ｃｍ2）の電流を流し、重ね合わせた円形試料（ステンレス鋼板）とカーボンペーパー間に生じる電圧降下Ｅ（ｍＶ）をデジタルマルチメータで測定し、接触抵抗Ｒ（ｍΩ・ｃｍ2）＝Ｅ／Ｉを求めた。
結果を表１に示す。処理時間０ｍｉｎは未処理であることを意味する。
【００５０】
【表１】
2009231150.tif 000003
【００５１】
面粗さＳＰａが０.０３超え〜０.３μｍである粗面化表面Ａを持つ本発明例の粗面化フェライト系ステンレス鋼板は、その粗面化表面Ａとカーボンペーパーとの間の接触抵抗が、接触面圧１ＭＰａにおいて１５ｍΩ・ｃｍ2以下となり、大幅な接触抵抗の低減が認められた。
【実施例２】
【００５２】
実施例１で粗面化表面Ａを形成した一部の鋼板（酸浸漬処理を施していないものを含む）を用いて、その片面の粗面化表面Ａに、さらに塩化第二鉄水溶液中での電解処理を施すことにより粗面化表面Ｂを形成した。電解条件は以下のとおりである。いずれも処理時間を調整することにより表面粗さＳＰａをコントロールした。
〔１８Ｃｒ−２Ｍｏ鋼〕
Ｆｅ3+：２０ｇ／Ｌ、液温５０℃、アノード電流密度：３.０ｋＡ／ｍ2、カソード電流密度：０.５ｋＡ／ｍ2、交番サイクル５Ｈｚの交番電解処理
〔２２Ｃｒ−１.２Ｍｏ鋼〕
Ｆｅ3+：３０ｇ／Ｌ、液温５０℃、アノード電流密度：３.５ｋＡ／ｍ2、カソード電流密度：０.８ｋＡ／ｍ2、交番サイクル１０Ｈｚの交番電解処理
〔３０Ｃｒ−２Ｍｏ鋼〕
Ｆｅ3+：７０ｇ／Ｌ、液温５０℃、アノード電流密度：３.０ｋＡ／ｍ2のアノード電解処理
なお、一部の比較例として電解処理を施していないもの、および電解処理に代えてショットブラスト処理を行ったものを用意した。ここではこれらの比較例の表面も含めて粗面化表面Ｂと称している。
【００５３】
粗面化表面Ｂについて、面粗さＳＰａ、および同じ鋼板から採取した粗面化表面Ｂどうしの間の接触抵抗を調べた。
面粗さＳＰａは実施例１と同様の方法で測定した。
接触抵抗は、試料鋼板を室内に約７２時間放置した後、その鋼板から直径１５ｍｍの円形試料を打ち抜き、２枚の円形試料の粗面化表面Ｂどうしが向き合うように重ね合わせ、実施例１と同様の方法で測定した。
結果を表２に示す。処理時間０ｍｉｎは未処理であることを意味する。
【００５４】
【表２】
2009231150.tif 000004
【００５５】
面粗さＳＰａが０.３〜２μｍである粗面化表面Ｂを持つ本発明例の粗面化フェライト系ステンレス鋼板は、その粗面化表面Ｂどうしの間の接触抵抗が、接触面圧１ＭＰａにおいて余裕をもって１０ｍΩ・ｃｍ2以下となり、大幅な接触抵抗の低減が認められた。比較例Ｎｏ.ｇのショットブラスト処理を施したものは接触抵抗が１０ｍΩ・ｃｍ2以下となったが、ショットブラスト処理は板に反りが生じやすく、また粉塵等の問題があり、大量生産にはあまり適さない。接触抵抗の値自体も本発明例のものに比べて高く、３ｍΩ・ｃｍ2以下の接触抵抗を実現するには至らなかった。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】金属製セパレータを用いた車載用の固体高分子型燃料電池の断面構造を模式的に例示した図。
【図２】金属製セパレータを用いた定置用の固体高分子型燃料電池の断面構造を模式的に例示した図。
【図３】本発明の粗面化鋼板の粗面化表面Ｂどうしが押圧された状態で接触している接触部についての板厚方向に平行な断面におけるＳＥＭ写真。
【図４】粗面化していない鋼板の表面どうしが押圧された状態で接触している接触部についての板厚方向に平行な断面におけるＳＥＭ写真。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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