JP5375191B2 - Stainless steel and polymer electrolyte fuel cell for polymer electrolyte fuel cell separator with low ion elution - Google Patents
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Description
本発明は、高電位でのイオン溶出量が少ない燃料電池セパレータ用ステンレス鋼およびかかるステンレス鋼を燃料電池のセパレータとして用いる固体高分子形燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a stainless steel for a fuel cell separator with a small amount of ion elution at a high potential, and a polymer electrolyte fuel cell using such stainless steel as a separator for a fuel cell.
近年、地球環境保全の観点から、発電効率に優れ、二酸化炭素を排出しない燃料電池の開発が進められている。この燃料電池は、水素と酸素を反応させて電気を発生させるもので、その基本構造は、サンドイッチのような構造を有しており、電解質膜(イオン交換膜)、2つの電極(燃料極と空気極)、水素および酸素(空気)の拡散層ならびに2つのセパレータから構成されている。そして、用いる電解質の種類により、リン酸形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形、アルカリ形および固体高分子形などに分類される。 In recent years, fuel cells that are excellent in power generation efficiency and do not emit carbon dioxide have been developed from the viewpoint of global environmental conservation. This fuel cell reacts hydrogen and oxygen to generate electricity, and its basic structure has a sandwich-like structure, an electrolyte membrane (ion exchange membrane), two electrodes (a fuel electrode and Air electrode), a diffusion layer of hydrogen and oxygen (air), and two separators. Depending on the type of electrolyte used, it is classified into phosphoric acid form, molten carbonate form, solid oxide form, alkali form, and solid polymer form.
上記の燃料電池の中で、固体高分子形燃料電池は、溶融炭酸塩形やリン酸形燃料電池に比べて、
(1) 運転温度が80℃程度と格段に低い、
(2) 電池本体の軽量化・小形化が可能である、
(3) 立上げが早く、燃料効率、出力密度が高い
などの特長を有している。
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や家庭用、業務用の小型分散型電源(定置型の小型発電機)として、今日もっとも注目されている燃料電池の一つである。
Among the fuel cells described above, the polymer electrolyte fuel cell is compared with the molten carbonate fuel cell or the phosphoric acid fuel cell.
(1) The operating temperature is extremely low, around 80 ℃,
(2) The battery body can be reduced in weight and size.
(3) It has features such as quick start-up, high fuel efficiency and high power density.
For this reason, the polymer electrolyte fuel cell is one of the fuel cells that are attracting the most attention today as a power source for mounting an electric vehicle and a small distributed power source (stationary small generator) for home use and business use. is there.
固体高分子形燃料電池は、高分子膜を介して水素と酸素から電気を取り出す原理によるものであり、その構造は、図1に示すように、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を一体化した膜−電極接合体(MEA: Membrane-Electrode Assembly、厚み:数10〜数100μm)1を、カーボンクロス等のガス拡散層2,3およびセパレータ4,5により挟み込み、これを単一の構成要素 (単セル) として、セパレータ4と5の間に起電力を生じさせるものである。このとき、ガス拡散層はMEAと一体化される場合も多い。かような単セルを数十から数百個直列につないで燃料電池スタックを構成し、使用されている。
The polymer electrolyte fuel cell is based on the principle of taking out electricity from hydrogen and oxygen through a polymer membrane. As shown in FIG. 1, the structure of the polymer polymer fuel cell is platinum-based on the front and back surfaces of the membrane. Membrane-Electrode Assembly (MEA: Membrane-Electrode Assembly, thickness: several tens to several hundreds μm) 1 integrated with electrode material such as carbon black carrying a catalyst,
セパレータには、単セル間を隔てる隔壁としての役割に加えて、
(a) 発生した電子を運ぶ導電体、
(b) 酸素(空気)や水素の流路(それぞれ図1中の空気流路6、水素流路7)および生成した水や排出ガスの排出路(それぞれ図1中の空気流路6、水素流路7)
としての機能が求められる。
また、耐久性に関しては、自動車用の燃料電池では約5,000時間、家庭用の小型分散電源などとして使用される定置型の燃料電池では約40,000時間が想定されている。
In addition to the role as a partition that separates single cells,
(a) a conductor carrying the generated electrons,
(b) Oxygen (air) and hydrogen flow paths (air flow path 6 and hydrogen flow path 7 in FIG. 1 respectively) and generated water and exhaust gas discharge paths (air flow path 6 and hydrogen flow in FIG. 1 respectively) Channel 7)
Function is required.
As for durability, about 5,000 hours are assumed for an automobile fuel cell, and about 40,000 hours are assumed for a stationary fuel cell used as a small-sized distributed power source for home use.
現在までに実用化された固体高分子形燃料電池は、セパレータとして、カーボン素材を用いたものが提供されている。しかしながら、このカーボン製セパレータは、衝撃により破損しやすいだけでなく、コンパクト化が困難で、しかも流路を形成するための加工コストが高いという欠点があった。特にコストの問題は、燃料電池普及の最大の障害になっている。 Solid polymer fuel cells that have been put to practical use up to now have been provided using carbon materials as separators. However, this carbon separator is not only easily damaged by an impact, but also has a drawback that it is difficult to make it compact and the processing cost for forming the flow path is high. In particular, the cost problem is the biggest obstacle to the spread of fuel cells.
そこで、カーボン素材に替わり、金属素材、特にステンレス鋼を適用しようとする試みがなされている。
ステンレス鋼を適用する場合には、耐食性と導電性(接触抵抗が低いこと)が求められる。
耐食性に関しては、例えば特許文献1に、Cr,Moの含有量を増量し成分面から耐食性を向上させたセパレータ用ステンレス鋼が開示されている。
また、導電性に関しては、ステンレス鋼表面に種々の導電性物質をコーティングする方法が提案されている。この点、発明者らも、特許文献2において、導電性析出物としてラーベス相を用いる技術を提案した。
その他、例えば、特許文献3には、不動態皮膜を形成しやすい金属をセパレータとして用いる技術が、特許文献4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て、電導性(接触抵抗)を改善したセパレータを得る技術が、さらに特許文献5には、M23C6型炭化物あるいはM2B型硼化物を表面に析出させて接触抵抗を低減したセパレータが開示されている。
Therefore, an attempt has been made to apply a metal material, particularly stainless steel, instead of the carbon material.
When stainless steel is applied, corrosion resistance and electrical conductivity (low contact resistance) are required.
Regarding corrosion resistance, for example,
As for conductivity, methods for coating various conductive substances on the surface of stainless steel have been proposed. In this regard, the inventors have also proposed a technique using a Laves phase as a conductive precipitate in Patent Document 2.
In addition, for example,
しかしながら、例えば非特許文献1に示されているように、近年、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。電位が1Vを超える場合には、ステンレス鋼の過不動態化領域となるため、ステンレス鋼からの金属イオン溶出が増大し、電解質膜、電極触媒の性能低下を引き起こすおそれがある。この問題に対し、上記した従来技術では、ステンレス鋼からの高電位でのイオン溶出を抑えることは困難である。
However, as shown in Non-Patent
この点、特許文献6には、SUS304などの金属セパレータの表面に、金めっきを施すことによって接触抵抗を低減し、高出力を確保する技術が開示されている。この場合、高電位でのイオン溶出は低減できるものの、薄金めっきではピンホールの発生防止が困難であり、逆に厚い金めっきではコストの問題が残っている。 In this regard, Patent Document 6 discloses a technique for ensuring high output by reducing contact resistance by performing gold plating on the surface of a metal separator such as SUS304. In this case, although ion elution at a high potential can be reduced, it is difficult to prevent the occurrence of pinholes in thin gold plating, and conversely, a problem of cost remains in thick gold plating.
本発明は、従来の技術が抱えている上記の問題に鑑み開発されたもので、高電位域でのイオン溶出量の少ない燃料電池セパレータ用ステンレス鋼を、それを用いた固体高分子形燃料電池と共に提案することを目的とする。 The present invention has been developed in view of the above-mentioned problems of the prior art. A solid polymer fuel cell using a stainless steel for a fuel cell separator with a small ion elution amount in a high potential region. It aims to be proposed together.
さて、発明者らは、上記の問題を解決すべく、高電位域でのイオン溶出量(腐食電流)を低減する方法について、成分面から詳細な検討を行った。その結果、
(1) Cr含有量を高めるとかえって高電位域での腐食電流が増加する、
(2) またMo含有量を高めるとさらに高電位域での腐食電流が増加する、
(3) これに対し、Nb含有量を高めると上記した腐食電流の増加を抑制できる
ことを見出した。
さらに、ステンレス鋼表面に導電性物質をコーティングしたり、あるいは導電性析出物を露出させることによって、接触抵抗が低下するが、高電位域での腐食電流が小さくなると、腐食により表面に形成される皮膜も薄くなるため、導電性物質による接触抵抗低減効果をより長期にわたって保持できることも併せて見出した。
本発明は、上記の知見に立脚するものである。
Now, in order to solve the above-mentioned problems, the inventors have conducted a detailed study from the component aspect on a method for reducing the ion elution amount (corrosion current) in a high potential region. as a result,
(1) Increasing the Cr content increases the corrosion current in the high potential range.
(2) Increasing the Mo content further increases the corrosion current in the high potential region.
(3) In contrast, it has been found that increasing the Nb content can suppress the increase in the corrosion current described above.
Furthermore, by coating the stainless steel surface with a conductive material or exposing conductive precipitates, the contact resistance is reduced, but when the corrosion current in the high potential region is reduced, the surface is formed by corrosion. It has also been found that since the film becomes thinner, the effect of reducing the contact resistance by the conductive substance can be maintained for a longer period of time.
The present invention is based on the above findings.
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
1.質量%で、
C:0.03%以下、
N:0.03%以下、
Si:0.01〜2.0%、
Mn:0.01〜2.0%、
Al:0.001〜0.3%、
Cr:20〜35%、
Mo:4.0%以下および
Nb:0.51〜2.0%
を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物からなり、さらにCr量、Nb量およびMo量が下記式(1)、(2)の関係を満足し、80℃のpH3の硫酸中水溶液中で、0.8V vs. SHEと1.2V vs. SHEの範囲を20mV/minの掃引速度で繰返し分極したときの20回目の最大電流密度が1μA/cm 2 以下であることを特徴とする、高電位でのイオン溶出量が少ない固体高分子形燃料電池セパレータ用ステンレス鋼。
記
Cr+3Mo≧ 23 --- (1)
Nb/(Cr+5Mo)≧ 0.01 --- (2)
That is, the gist configuration of the present invention is as follows.
1. % By mass
C: 0.03% or less,
N: 0.03% or less,
Si: 0.01-2.0%
Mn: 0.01 to 2.0%
Al: 0.001 to 0.3%,
Cr: 20-35%
Mo: 4.0% or less and
Nb: 0.51 to 2.0%
The balance consists of Fe and inevitable impurities, and the Cr amount, Nb amount and Mo amount satisfy the relationship of the following formulas (1) and (2), and in an aqueous solution of sulfuric acid at
Record
Cr + 3Mo ≧ 23 --- (1)
Nb / (Cr + 5Mo) ≧ 0.01 --- (2)
2.前記成分に加えて、さらに、質量%で
TiおよびZrのうちから選んだ一種または二種:1.0%以下
を含有することを特徴とする上記1に記載のステンレス鋼。
2. In addition to the above ingredients,
1 or 2 types selected from Ti and Zr: 1.0% or less, The stainless steel as described in 1 above.
3.表面に導電性物質が存在することを特徴とする上記1または2に記載のステンレス鋼。 3 . 3. The stainless steel as described in 1 or 2 above, wherein a conductive substance is present on the surface.
4.前記導電性物質が、Fe2Nb型ラーベス相であることを特徴とする上記3に記載のステンレス鋼。 4 . 4. The stainless steel as described in 3 above, wherein the conductive material is an Fe 2 Nb type Laves phase.
5.固体高分子膜、電極、ガス拡散層およびセパレータからなる固体高分子形燃料電池であって、前記セパレータとして上記1〜4のいずれかに記載のステンレス鋼を用いることを特徴とする固体高分子形燃料電池。 5 . A solid polymer fuel cell comprising a solid polymer membrane, an electrode, a gas diffusion layer and a separator, wherein the stainless steel according to any one of the above 1 to 4 is used as the separator. Fuel cell.
本発明によれば、グラファイト板や金めっきステンレス鋼板を用いなくても、カソード極側が高電位になった場合でもイオン溶出量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。
その結果、従来、高価なカーボンセパレータや金めっきセパレータの使用を余儀なくされていた燃料電池に対し、安価なステンレス鋼セパレータを提供することが可能となり、製造コストの大幅な低減が達成できる。
According to the present invention, it is possible to obtain a stainless steel for a fuel cell separator with a small amount of ion elution even when the cathode electrode side is at a high potential without using a graphite plate or a gold-plated stainless steel plate.
As a result, it is possible to provide an inexpensive stainless steel separator for a fuel cell that has conventionally had to use an expensive carbon separator or a gold plating separator, and a significant reduction in manufacturing cost can be achieved.
以下、本発明を具体的に説明する。
まず、本発明に係るセパレータ用ステンレス鋼の成分組成を上記の範囲に限定した理由について説明する。なお、成分に関する「%」表示は特に断らない限り質量%を意味するものとする。
C:0.03%以下、N:0.03%以下
CおよびNはいずれも、鋼中のCrと化合物を形成し、粒界にCr炭窒化物として析出して、耐食性の低下をもたらす。このため、両元素とも低いほど望ましいが、C:0.03%以下、N: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。このため、C:0.03%以下、N:0.03%以下に制限した。好ましくはC:0.015%以下、N:0.015%以下である。
Hereinafter, the present invention will be specifically described.
First, the reason why the component composition of the stainless steel for a separator according to the present invention is limited to the above range will be described. Unless otherwise specified, “%” in relation to ingredients means mass%.
C: 0.03% or less, N: 0.03% or less Both C and N form a compound with Cr in the steel, and precipitate as Cr carbonitride at the grain boundary, resulting in a decrease in corrosion resistance. For this reason, it is preferable that both elements are low, but if C is 0.03% or less and N is 0.03% or less, the corrosion resistance is not significantly reduced. For this reason, it was limited to C: 0.03% or less and N: 0.03% or less. Preferably, C is 0.015% or less, and N is 0.015% or less.
Si:0.01〜2.0%
Siは、脱酸のために有効な元素であるので、この目的で添加されるが、この効果を得るためには少なくとも0.01%の添加が必要である。一方、過度に含有させると鋼板の硬質化と延性の低下を招くので、Si量の上限は2.0%とした。好ましくは0.05〜1.0%である。
Si: 0.01-2.0%
Since Si is an effective element for deoxidation, it is added for this purpose. However, to obtain this effect, addition of at least 0.01% is necessary. On the other hand, if excessively contained, the steel sheet is hardened and the ductility is lowered, so the upper limit of the Si content is set to 2.0%. Preferably it is 0.05 to 1.0%.
Mn:0.01〜2.0%
Mnは、Sと結合し、固溶Sを低減することによりSの粒界偏析を抑制し、熱間圧延時の割れを防止する有効な元素である。この効果を得るためには少なくとも0.01%の添加が必要であるが、2.0%を超えてもその効果は飽和するので、Mn量は0.01〜2.0%の範囲に限定した。好ましくは0.05〜1.0%の範囲である。
Mn: 0.01-2.0%
Mn is an effective element that combines with S and reduces the solid solution S to suppress grain boundary segregation of S and prevent cracking during hot rolling. In order to obtain this effect, addition of at least 0.01% is necessary, but since the effect is saturated even if it exceeds 2.0%, the amount of Mn is limited to a range of 0.01 to 2.0%. Preferably it is 0.05 to 1.0% of range.
Al:0.001〜0.3%
Alは、製鋼工程における脱酸に寄与するが、含有量が0.001%に満たないとその添加効果に乏しく、一方0.3%を超えてもその効果は飽和に達し、むしろコストアップとなるので、Al量は0.001〜0.3%の範囲に限定した。好ましくは0.01〜0.2%の範囲である。
Al: 0.001 to 0.3%
Al contributes to deoxidation in the steelmaking process, but if the content is less than 0.001%, the effect of addition is poor, while if it exceeds 0.3%, the effect reaches saturation, and rather costs increase, so Al The amount was limited to a range of 0.001 to 0.3%. Preferably it is 0.01 to 0.2% of range.
Cr:20〜35%
Crは、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。セパレータの動作環境は燃料電池の構造や運転方法により異なるが、実使用時の動作環境の変動を考えると、Cr量が20%未満ではセパレータとして長期の使用に耐えられず、一方Cr量が35%を超えると製造性の著しい低下を招く不利がある。そのため、Cr量は20〜35%の範囲に限定した。好ましくは24〜35%の範囲である。
Cr: 20-35%
Cr is an element necessary for ensuring basic corrosion resistance as stainless steel. The operating environment of the separator varies depending on the structure and operation method of the fuel cell. However, considering fluctuations in the operating environment during actual use, if the Cr content is less than 20%, it cannot withstand long-term use as a separator, while the Cr content is 35 If it exceeds 50%, there is a disadvantage that the productivity is significantly reduced. Therefore, the Cr content is limited to a range of 20 to 35%. Preferably it is 24 to 35% of range.
Mo:4.0%以下
Moは、ステンレス鋼の耐食性、特に耐局部腐食性を改善するのに有効な元素である。従って、0.1%以上含有させることが好ましいが、Mo量が4.0%を超えると製造性の低下のみならず、コストの上昇を招く。このため、Mo量は4.0%以下とした。好ましくは2.0%以下である。
Mo: 4.0% or less
Mo is an element effective for improving the corrosion resistance, especially the local corrosion resistance of stainless steel. Therefore, it is preferable to contain 0.1% or more, but if the amount of Mo exceeds 4.0%, not only the productivity is lowered but also the cost is increased. Therefore, the Mo content is 4.0% or less. Preferably it is 2.0% or less.
Nb:0.51〜2.0%
Nbは、鋼中のC,Nを炭窒化物として固定し、耐食性、プレス成形性を改善するのに有効な元素である。また、Nbを0.51%以上添加することにより、導電性を有するラーベス相をステンレス鋼の表面に析出させて電気伝導性を向上させることもできる。一方、2.0%を超えて添加すると製造性、成形性が低下する。このため、Nb量は0.51〜2.0%の範囲に限定した。好ましくは0.51〜1.0%の範囲である。
Nb: 0.51 to 2.0%
Nb is an element effective for fixing C and N in steel as carbonitrides and improving corrosion resistance and press formability. Further, by adding 0.51 % or more of Nb, a conductive Laves phase can be precipitated on the surface of the stainless steel to improve electrical conductivity. On the other hand, if it exceeds 2.0%, the manufacturability and moldability are lowered. For this reason, the amount of Nb was limited to the range of 0.51 to 2.0%. Preferably it is 0.51 to 1.0% of range.
以上、本発明の基本成分の適正組成範囲について説明したが、本発明では、各々の元素が単に上記の範囲を満足するだけでは不十分で、Cr,MoおよびNbについては、次の関係を満足させることが重要である。
Cr+3Mo:23%以上
Moは、上述したとおり、ステンレス鋼の耐食性、特に耐局部腐食性を改善するのに有効な元素である。セパレータの動作環境は燃料電池の構造や運転方法により異なるが、実使用時の動作環境の変動を考えると、Cr+3Mo≧23を満足する範囲で含有させる必要がある。(Cr+3Mo)が23%に満たないと、運転中にpHが低下した場合に耐食性の低下を招く。
As described above, the proper composition range of the basic component of the present invention has been described. However, in the present invention, it is not sufficient that each element simply satisfies the above range, and Cr, Mo, and Nb satisfy the following relationship. It is important to let
Cr + 3Mo: 23% or more
As described above, Mo is an element effective for improving the corrosion resistance of stainless steel, particularly the local corrosion resistance. The operating environment of the separator varies depending on the structure and operation method of the fuel cell, but considering the fluctuation of the operating environment at the time of actual use, it is necessary to contain it within a range satisfying Cr + 3Mo ≧ 23. If (Cr + 3Mo) is less than 23%, the corrosion resistance is lowered when the pH is lowered during operation.
Nb/(Cr+5Mo):0.01%以上
CrおよびMo量の増加は、非定常運転モードで発生する高電位域での腐食電流を増加させるため、これを抑制するためにNbの複合添加が不可欠である。ここに、高電位域での腐食電流の増加は、Crに比べてMoの影響が大きいため、Nb/(Cr+5Mo)≧0.01を満足するようにNbを含有させる必要がある。
Nb / (Cr + 5Mo): 0.01% or more
An increase in Cr and Mo increases the corrosion current in the high potential region that occurs in the unsteady operation mode, so in order to suppress this, the combined addition of Nb is indispensable. Here, since the increase in the corrosion current in the high potential region is more affected by Mo than Cr, it is necessary to contain Nb so as to satisfy Nb / (Cr + 5Mo) ≧ 0.01.
図2に、Nb/(Cr+5Mo)値と電流密度(μA/cm2)との関係について調べた結果を示す。この電流密度とは、80℃のpH3の硫酸中水溶液中で、0.8V vs. SHEと1.2V vs. SHEの範囲を20mV/minの掃引速度で繰返し分極したときの20回目の最大電流密度のことであり、実使用時における動作環境の変動を考慮したものである。
同図から明らかなように、Nb/(Cr+5Mo)値を0.01以上とすることにより、実使用時に動作環境が変動した場合であっても、電位の上昇を1V以下に抑制することができ、従って、従来懸念された高電位域でのイオン溶出量(腐食電流)を効果的に低減することができる。
FIG. 2 shows the results of examining the relationship between the Nb / (Cr + 5Mo) value and the current density (μA / cm 2 ). This current density is the maximum current density of the 20th time when the range of 0.8V vs. SHE and 1.2V vs. SHE is repeatedly polarized at a sweep rate of 20mV / min in an aqueous solution of sulfuric acid at
As is clear from the figure, by setting the Nb / (Cr + 5Mo) value to 0.01 or more, even if the operating environment fluctuates during actual use, the potential increase can be suppressed to 1 V or less. The ion elution amount (corrosion current) in the high potential region, which has been a concern in the past, can be effectively reduced.
以上、本発明の基本成分について説明したが、本発明では、その他にも必要に応じて、以下に述べる元素を適宜含有させることができる。
TiおよびZrのうちから選んだ一種または二種:1.0%以下
TiおよびZrはいずれも、鋼中のC,Nを炭窒化物として固定し、耐食性やプレス成形性を改善するのに有効な元素である。しかしながら、TiとZrを、合計で1.0%を超えて添加すると、鋼板が著しく脆化して製造性が低下する。従って、Ti,Zrは、単独添加または複合添加いずれの場合も1.0%以下で含有させるものとした。
The basic components of the present invention have been described above. However, in the present invention, the following elements can be appropriately contained as necessary.
One or two selected from Ti and Zr: 1.0% or less
Ti and Zr are both effective elements for fixing C and N in steel as carbonitrides and improving corrosion resistance and press formability. However, if Ti and Zr are added in excess of 1.0% in total, the steel sheet becomes significantly embrittled and productivity decreases. Therefore, Ti and Zr should be contained at 1.0% or less in either case of single addition or composite addition.
なお、本発明では、上記の元素以外に、さらに熱間加工性の向上を目的として、Ca,Mg,REMおよびBのうちから選んだ一種または二種以上を0.1%以下で添加することができる。また、耐食性の向上を目的として、Ni:1.0%以下、Cu:5.0%以下を添加することもできる。その他の元素は、残部Feおよび不可避的不純物である。 In the present invention, in addition to the above elements, one or more selected from Ca, Mg, REM and B can be added at 0.1% or less for the purpose of improving hot workability. . Further, for the purpose of improving the corrosion resistance, Ni: 1.0% or less and Cu: 5.0% or less can be added. Other elements are the balance Fe and inevitable impurities.
上記したステンレス鋼の製造方法については、特に制限はなく、従来公知の方法に従えばよい。好適な製造条件を述べると次のとおりである。
上記した好適成分組成に調整した鋼片を、1150℃以上に加熱後、熱間圧延し、ついで1000〜1100℃の温度で焼鈍を施し、さらに冷間圧延を施したのち、950〜1100℃の温度で光輝焼鈍を施す。
かくして、板厚:0.05〜0.3mm程度のステンレス鋼板とする。
There is no restriction | limiting in particular about the manufacturing method of above-mentioned stainless steel, What is necessary is just to follow a conventionally well-known method. The preferred production conditions are as follows.
The steel slab adjusted to the above preferred component composition is heated to 1150 ° C. or higher, then hot rolled, then annealed at a temperature of 1000 to 1100 ° C., further cold rolled, and then 950 to 1100 ° C. Bright annealing at temperature.
Thus, a stainless steel plate having a thickness of about 0.05 to 0.3 mm is obtained.
かくして、イオン溶出量の少ない固体高分子形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。
ここに、「イオン溶出量の少ない」とは、80℃のpH3の硫酸中水溶液中で、0.8V vs. SHEと1.2V vs. SHEの範囲を20mV/minの掃引速度で繰返し分極したときの20回目の最大電流密度が1μA/cm2以下であることを意味する。
Thus, a stainless steel for a polymer electrolyte fuel cell separator with a small ion elution amount can be obtained.
Here, “low ion elution amount” means that the range of 0.8 V vs. SHE and 1.2 V vs. SHE is repeatedly polarized at a sweep rate of 20 mV / min in an aqueous solution of sulfuric acid at
さらに、本発明では、導電性を付与するために表面に導電性物質をコーティングするか、導電性析出物を表面に露出させることが好ましい。コーティングとしては、金、黒鉛、TiNなどの窒化物、TiCなどの炭化物等が有利に適合する。なお、本発明の鋼は優れた耐食性を有するので、かかるコーティングは鋼板の全面を覆う必要はない。
また、導電性析出物を用いる場合は、本発明鋼がNbを含有しているので、Fe2Nb型のラーベス相を用いることができる。ラーベス相は700〜950℃の時効処理により析出させることができるが、鋼板製造工程で熱処理あるいは熱処理後の冷却速度を制御して析出させることもできる。また、セパレータに加工してから時効処理を行ってもよい。析出処理の後、酸洗などにより表面をエッチングすれば接触抵抗の低い表面を得ることができる。
Furthermore, in this invention, in order to provide electroconductivity, it is preferable to coat an electroconductive substance on the surface or to expose electroconductive deposits on the surface. As the coating, gold, graphite, nitrides such as TiN, carbides such as TiC, and the like are advantageously suitable. In addition, since the steel of this invention has the outstanding corrosion resistance, this coating does not need to cover the whole surface of a steel plate.
Moreover, when using a conductive precipitate, since the steel of the present invention contains Nb, a Fe 2 Nb type Laves phase can be used. The Laves phase can be precipitated by an aging treatment at 700 to 950 ° C., but can also be precipitated by controlling the cooling rate after heat treatment or heat treatment in the steel plate production process. Further, the aging treatment may be performed after processing into a separator. If the surface is etched by pickling after the precipitation treatment, a surface with low contact resistance can be obtained.
そして、上記のようにして得たステンレス鋼を、固体高分子形燃料電池のセパレータに適用することにより、高電位でのイオン溶出量が少ない固体高分子形燃料電池を得ることができる。 By applying the stainless steel obtained as described above to the separator of the polymer electrolyte fuel cell, a polymer electrolyte fuel cell with a small amount of ion elution at a high potential can be obtained.
表1に示す化学組成の鋼を、真空溶解により溶製し、得られたインゴットを1150℃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、1000〜1100℃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・酸洗を繰り返し施して板厚:0.3mmの冷延焼鈍板とした。また、一部の鋼板(No.1,7,13,19,24)については接触抵抗を低減するために800℃,10分間の時効処理を施してFe2Nb型ラーベス相を析出させたのち、硝フッ酸で酸洗してラーベス相を鋼板表面に露出させた。 Steel with the chemical composition shown in Table 1 is melted by vacuum melting, and the resulting ingot is heated to 1150 ° C or higher, then hot rolled into a hot-rolled sheet with a thickness of 5 mm and heated at 1000 to 1100 ° C. The steel sheet was annealed and pickled. Next, cold rolling, annealing and pickling were repeated to obtain a cold-rolled annealed sheet having a thickness of 0.3 mm. In addition, some steel plates (No. 1, 7, 13, 19, and 24) were subjected to aging treatment at 800 ° C for 10 minutes to reduce the contact resistance, and then Fe 2 Nb type Laves phase was precipitated. The laves phase was exposed to the steel sheet surface by pickling with nitric hydrofluoric acid.
冷延焼鈍板および時効処理鋼板から30mm□の試験片を切出し、アセトンで脱脂後、燃料電池の動作環境を模擬したpH3の硫酸(80℃)中で、非定常時の電位上昇を模擬し、0.8V vs. SHEと1.2V vs. SHEの範囲を20mV/minの掃引速度で繰り返し分極処理した。このとき、各電位での電流密度を測定した。繰返し分極により電流密度は減少するが、20回目の電位掃引時の最大電流が1μA/cm2以下であるものを高電位での耐食性が良好と判断した。
得られた結果を表1に併記する。
A 30 mm square test piece was cut out from a cold-rolled annealed sheet and an aging-treated steel sheet, degreased with acetone, and simulated in a
The obtained results are also shown in Table 1.
また、時効処理鋼板については、30回分極処理後のサンプルを純水で洗浄し、送風乾燥した後、接触抵抗を測定した。接触抵抗の測定は、分極測定後の試験片の両面を10mm×10mmのカーボンペーパ(東レ製:TGP-H-120)で挟み、さらに同じ面積の銅板に金めっきを施した電極を接触させ、単位面積当たり:196 MPa(20kgf/cm2)の圧力をかけて分極測定面側の金めっき電極と試験片との間の抵抗を測定することにより行った。この接触抵抗値が10mΩ・cm2以下であれば導電性は良好といえる。
得られた結果を表2に示す。
For the aging-treated steel sheet, the sample after 30 times of polarization treatment was washed with pure water, blown and dried, and then contact resistance was measured. The contact resistance is measured by sandwiching both sides of the test piece after polarization measurement with 10 mm x 10 mm carbon paper (Toray: TGP-H-120), and then contacting a gold-plated electrode on a copper plate of the same area. Per unit area: It was measured by applying a pressure of 196 MPa (20 kgf / cm 2 ) and measuring the resistance between the gold plating electrode on the polarization measuring surface side and the test piece. If the contact resistance value is 10 mΩ · cm 2 or less, the conductivity is good.
The obtained results are shown in Table 2.
表1に示したとおり、発明例(No.4〜5,7〜8,11,13〜14,16〜17)はいずれも、20回分極測定時の最大電流密度が1μA/cm2以下であり、高電位での耐食性に優れていることが分かる。これに対して、Cr量、Mo量に対するNb含有量が適正量に満たない比較例(No.18〜27)はいずれも、20回繰り返し分極時における最大電流密度は1μA/cm2超であり、良好な高電位耐食性は得られなかった。
また、表2から明らかなように、発明例(No.7,13)はいずれも、接触抵抗値が 10mΩ・cm2以下であり、良好な導電性が得られていることが分かる。この理由は、本発明鋼は、高電位でのイオン溶出量が少ない、すなわち腐食電流が小さいため、表面に生成する腐食生成物も少なくなる結果、繰返し分極後の接触抵抗も低下したものと考えられる。
これに対し、比較例(No.19,24)はいずれも、接触抵抗値が 10mΩ・cm2を超えていた。
As shown in Table 1, all of the inventive examples (Nos. 4-5, 7-8, 11, 13-14, 16-17 ) have a maximum current density of 1 μA / cm 2 or less during 20 times polarization measurement. It can be seen that the corrosion resistance at high potential is excellent. On the other hand, in all of the comparative examples (Nos. 18 to 27) in which the Nb content relative to the Cr amount and the Mo amount is less than the appropriate amount, the maximum current density at the time of repeated 20 times is over 1 μA / cm 2 . Good high-potential corrosion resistance was not obtained.
Further, as is clear from Table 2, it can be seen that all of the inventive examples (Nos. 7 and 13) have a contact resistance value of 10 mΩ · cm 2 or less, and good conductivity is obtained. The reason for this is that the steel according to the present invention has a low ion elution amount at a high potential, that is, a small corrosion current, resulting in a decrease in corrosion products generated on the surface, resulting in a decrease in contact resistance after repeated polarization. It is done.
On the other hand, all of the comparative examples (Nos. 19 and 24) had a contact resistance value exceeding 10 mΩ · cm 2 .
Claims (5)
C:0.03%以下、
N:0.03%以下、
Si:0.01〜2.0%、
Mn:0.01〜2.0%、
Al:0.001〜0.3%、
Cr:20〜35%、
Mo:4.0%以下および
Nb:0.51〜2.0%
を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物からなり、さらにCr量、Nb量およびMo量が下記式(1)、(2)の関係を満足し、80℃のpH3の硫酸中水溶液中で、0.8V vs. SHEと1.2V vs. SHEの範囲を20mV/minの掃引速度で繰返し分極したときの20回目の最大電流密度が1μA/cm 2 以下であることを特徴とする、高電位でのイオン溶出量が少ない固体高分子形燃料電池セパレータ用ステンレス鋼。
記
Cr+3Mo≧ 23 --- (1)
Nb/(Cr+5Mo)≧ 0.01 --- (2) % By mass
C: 0.03% or less,
N: 0.03% or less,
Si: 0.01-2.0%
Mn: 0.01 to 2.0%
Al: 0.001 to 0.3%,
Cr: 20-35%
Mo: 4.0% or less and
Nb: 0.51 to 2.0%
The balance consists of Fe and inevitable impurities, and the Cr amount, Nb amount and Mo amount satisfy the relationship of the following formulas (1) and (2), and in an aqueous solution of sulfuric acid at pH 3 at 80 ° C. The maximum current density at the 20th time when the range of 0.8V vs. SHE and 1.2V vs. SHE is repeatedly polarized at a sweep rate of 20mV / min is 1μA / cm 2 or less . Stainless steel for polymer electrolyte fuel cell separator with low ion elution.
Record
Cr + 3Mo ≧ 23 --- (1)
Nb / (Cr + 5Mo) ≧ 0.01 --- (2)
TiおよびZrのうちから選んだ一種または二種:1.0%以下
を含有することを特徴とする請求項1に記載のステンレス鋼。 In addition to the above ingredients,
The stainless steel according to claim 1, containing 1.0% or less of one or two selected from Ti and Zr.
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