高窒素ステンレス鋼のPEFC用
金属セパレータへの適用可能性

第1回つくば３Eフォーラム
筑波大学 大学会館ホール（３F)
２００７年１２月１６日(独) 物質・材料研究機構
片田 康行

内容
・研究の背景とねらい
・高窒素ステンレス鋼（HNS)の開発（NIMS)* 加圧ESR法によるHNSの創製* HNSの機械的性質／耐食性* ニッケルフリーHNS・固体高分子型燃料電池用セパレータへの適用
・まとめ各種燃料電池の構成と特徴
アルカリ 固体高 リン酸 溶融炭酸 固体酸化燃料電池型
分子型型
塩型
物型の種類
（AFC) （PEFC) （PAFC) （MCFC) （SOFC)
作動温度
低温型
高温型
（℃）
室温～230 室温～100180～205 630～670 ～1000
1kW
50300kW
100kW
発電出力 ～10kW ～100kW ～200kW ～MW～200kW

用途

宇宙用

携帯電話
ビル用発電 大規模発電 大規模発電自動車

固体高分子型燃料電池の模式図

田村英雄監修、電子とイオンの機能化学シリーズ No.4
固体高分子形燃料電池のすべて、エヌティーエス (2004)

グラファイトと金属の比較
セパレータ特性／素材

グラファイト系

金属系

耐食性◎△

接触抵抗◎△

強度△◎

ガス透過性△◎

大量生産性△◎コスト△◎◎：優れている△：やや問題あり

燃料電池の原理
水素負荷i↑

空気(酸素)

2ｅ-H2O22e-H2→２H+＋2e-

多孔質アノードH22e-2H+

電解質
膜

H2O

２H+＋ （½）O2＋2e- → H2O（½）O2H2＋ （½）O2 →H2O+＋2e-

多孔質カソードスタック(積層）されたセルの模式図
E = n ×0.7V
0.7V 0.7V 0.7V 0.7V 0.7V 0.7V 0.7V 0.7V・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

水素ガス

空気（酸素）
セパレータ

PEMスタックのコスト「固体高分子形燃料電池セパレータ量産化技術開発」、NEDO、平成13年度成果報告書、住友金属工業株式会社 （２００１）

高窒素ステンレス鋼研究開発の背景
省資源型耐海水性
ステンレス鋼の開発

87

現状

6：オーステナイト系：フェライト系：二相系

Hastelloy-G

AL-6X

Mo (%)

16-25-6

超高Ｎ化

超清浄化

オーステナイト組織の安定性向上

耐孔食性､耐す
き間腐食性の向上

Ｎｉ含有量の節減

Ｃｒ，Ｍｏ含有量の節減

すき間腐食なし

52RN65

2RK65

425-4
AF-22

317

33RE602316

29-4
Sanicro28
DP-3825
20Cb-3U-50

目標 329-J1

18-228-230-226-1

1 すき間腐食発生
304015202530

Cr (%)

耐海水ステンレス鋼開発の研究目標

加圧ＥＳＲ装置の導入

NIMSで開発された加圧ESR溶解装置

オーステナイト系高窒素ステンレス鋼

ＨＮＳ

Ni-free HNS○★

HNSの機械的性質
100
90

Related austenitic stainless steels△：YUS1 7 0 : 25Cr-14Ni-2Mn-1Mo-0.3N○：Nit r o n ic : 17Cr-6Ni-8Mn-0.2N◇：SM O: 20Cr-18Ni-1Mn-6.5Mo-0.2N

80●:23Cr-2Mo-４Ｎｉ-0.5N▲:23Cr-2Mo-0.8N■:23Cr-2Mo-４Ｎｉ-1N◆:23Cr-2Mo-1.5N

HNS

Elongation（％）

70

SUS304 and its
related steels

60
YUS1 7 05040(γ )(γ )Mild steel(α +γ )

3020(γ )NitronicSMO

SUS41010SUS430
High strength steels

0200

400

600

800

1000

1200

Tensile strength（ＭＰａ）

1400

1600

HNSの局部腐食特性

1no pitting

0.80.6
0.4
0.20VIF
VIF+N2 absorption
P-ESR-0.2
15253545%Cr+3*%Mo+10*% N, C / mass%
Fig.3. Relationship between pitting corrosion
resistance equivalent (%Cr+3*%Mo+10*%N) andpitting potential in artificial seawater (45℃).

Crevice corrosion potential、E/ V vs.SCE

Pitting potential、E / V vs.SCE

Artificial seawater,45℃
10.8

VIF
VIF+N2 absorption
P-ESRno corrosion
Artificial seawater
35℃

0.60.40.20-0.215253545%Cr+3*%Mo+10*%N, C / mass%

Fig.5. Relationship between crevice
corrosion resistance equivalent(%Cr+3*%Mo+10*%N) and crevice
corrosion potential in artificial
seawater (35℃).

実海水暴露試験
As received

After rinsing

Enlargement

Duplex stainless steel(25Cr-7Ni-3Mo-0.15N)

Initiation of crevice
corrosion

HNS(23Cr-4Ni-2Mo-1N)

No corrosion

No crevice corrosion was observed so far in the filed test

N添加による耐食性向上の発現機構

Solution水溶液
F e-Cr H ydroxide layer
F e-,C r-oxide (NH 3 ,N H 4+）

M eta l(F e/Cr/N i/N）

Passivationfilm（ P rod uction of F e-,Cr-hydroxide）
Fe 2+ +2OH - → FeOOH + H + +e Cr 2+ + 2OH - → CrOOH + H + + e （ Prod uction of Fe, C r-oxi de）
Fe 2 O 3 , Cr 2 O 3（ P rodu ction of anm on ia）
N + 4H + +3e - → NH 4 +(Increase in pH value by am monia)

Fig.12 Qualitative model of passive film of HNS

After polarization, N is enriched in the inner layer ofpassivation film, and formed NH4+ resulting in increasing pH
value in the corroded area.

→ Crevice corrosion suppressedニッケルフリー高窒素ステンレス鋼の応用展開

Dilatation of stenotic

閉塞血管の拡張blood vessel

非磁性・ニッケルフリーHNS→ インプラント材、歯科材料、手術用／手術室用機器

発電条件・MEA・HNSセパレータ
••
•
•
•
•

セル温度: 348 K
アノードガス : 純水素 (利用率70%,加湿温度 343 K)
カソードガス : 空気 (利用率 40 %,加湿温度 343 K)
MEA : 市販品 (50×50 mm2)
締め付け圧：１５０ N cm-2
電流密度: 0.5 A cm-2

MEA
(50mmx50mm)

HNSセパレータ(50mmx50mm)

浅石 他：材料と環境2007講演集（２００７）

1.0

Cell voltage, V0.80.60.4SUS304
SUS310S
HNSgraphite

0.20.00200400600Time, h

800

1000

発電特性の比較

1.01.0SUS304

HNS0.8セル電圧, V

セル電圧, V

0.80.60.4■：発電開始時▲：1000h発電後

0.20.00.00.1

0.20.3電流密度, A cm-2(a)HNS

0.40.50.60.4■：発電開始時▲：1000h発電後

0.20.00.00.1

0.20.30.4

電流密度, A cm-2（B)SUS304

1000h発電後のi-V特性の比較（SUS304で劣化を確認）

0.5

まとめ• 燃料電池用セパレータ市場では、低コスト・大量生産が可能な金属セパレータの出現が期待されている。.
• NIMSで開発された低ニッケル型オーステナイ
ト系ステンレス鋼製セパレータは、安定した発電特性を示した。 .
• 低 Ni γ系高窒素鋼 (HNS) は金属用セパレー
タとして期待されるが、コストや加工性についてさらなる検討が必要である。