JP4133323B2 - 燃料電池用プレスセパレータ - Google Patents
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Description
技術分野
本発明は、固体高分子型燃料電池のガス流路を形成するセパレータに係り、特に、ステンレス鋼板をプレス成形することにより凹凸が連続する波板状に成形された燃料電池用プレスセパレータに関する。
背景技術
固体高分子型燃料電池は、イオン交換樹脂膜等からなる電解膜の両面に、正負の電極触媒層（カソード電極とアノード電極）がそれぞれ積層され、さらにこれら電極触媒層にガス拡散層が積層された電極構造体を、１つの単位セルとしている。そして、複数の単位セルがセパレータを挟んで積層されることにより、実用的な燃料電池スタックが構成される。セパレータは電子伝達機能を有する材料からなるもので、燃料ガスである水素ガスと酸素や空気等の酸化剤ガスとがそれぞれ独立して流通する多数の溝状のガス流路を備え、ガス拡散層に接触する状態で単位セル間に介装される。
このような燃料電池によると、例えば、負極側のセパレータのガス流路に燃料として水素ガスを流し、正極側のセパレータのガス流路に酸素や空気等の酸化性ガスを流すと、電気化学反応が起こって電気が発生する。電気発生中において、ガス拡散層は電気化学反応によって生成した電子を電極触媒層とセパレータとの間で伝達させると同時に燃料ガスおよび酸化性ガスを拡散させる。また、負極側の電極触媒層は燃料ガスに化学反応を起こさせてプロトンと電子を発生させ、正極側の電極触媒層は酸素とプロトンと電子から水を生成し、電解膜はプロトンをイオン伝導させる。そして、正負の電極触媒層を通して電力が取り出される。
ところで上記セパレータは、従来、主に黒鉛系材料が用いられ、ガス流路は溝を切削加工することで形成されていた。黒鉛系材料としては、焼成された等方性黒鉛にフェノール等の樹脂を含浸させたガス不浸透性黒鉛、フェノール等の樹脂を成形後に焼成させたアモルファスカーボン、樹脂と黒鉛からなる複合成形材料等が挙げられる。ところが、これら黒鉛系材料は、硬度が高いのでガス流路を形成し難くかったり、機械的強度や耐衝撃性に劣ったりする問題点を有していた。
このような事情に鑑み、近来では、黒鉛系材料の問題点を補うことができる材料として、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼等の金属製薄板材をプレス成形したものが用いられるようになってきている。これらの中でも、ステンレス鋼は表面に不動態被膜を有することから耐食性に優れているという長所がある。ところが、ステンレス鋼を燃料電池のセパレータに用いた場合には、溶出イオンによる触媒被毒や電解膜の導電率低下を招くおそれがある。また、不動態被膜の電気抵抗が高いため、セパレータと電極構造体との接触界面での接触抵抗が増加するという欠点もある。
そこで、これら問題点を解決する手段として、金メッキを施したステンレス鋼製のセパレータが、特開平１０−２２８９１４号公報により知られている。また、ステンレス鋼中から導電性を有する硼化物あるいは硼炭化物を析出させ、この析出物を不動態被膜とともに表面に露出させて耐食性および導電性の向上を図る手段も試行されている。
上記従来の解決手段のうち、前者はコストの高騰を招くという製造上の大きな課題を有する。また、振動等による擦れを金メッキが受けると、ステンレス鋼との界面において金メッキが剥離しやすく、長期間の使用には適さない。さらに、ピンホール等の欠陥がある場合にはそこを起点として腐食が生じる。一方、後者の手段では、表面に析出させた析出物により材料が脆くなり、プレス成形で折り曲げ加工すると、その折り曲げ部から析出物が剥離・脱落して脱落痕を基点とする腐食が生じ、やはり長期間の使用には適さない。
発明の開示
本発明は、不動態被膜と硼化物あるいは硼炭化物の析出物の組み合わせにより優れた耐食性および導電性が得られ、なおかつ、プレス成形による析出物の剥離・脱落が起こらず腐食の発生が抑えられ、長期にわたる使用が可能となる燃料電池用プレスセパレータを提供することを目的としている。
本発明は、Ｂを０．００５〜１．５重量％含有し、Ｍ２３（Ｃ，Ｂ）６型硼炭化物、Ｍ２Ｂ型、ＭＢ型の硼化物のうち１種以上が表面に析出しているステンレス鋼板を、凹凸が連続する波板状にプレス成形してなり、そのプレス成形による折り曲げもしくは曲げ伸ばしによって形成される屈曲部の角度が１５度以上、外曲げＲ値が１ｍｍ以下であることを特徴とする。
本発明のセパレータによれば、プレス成形による凹凸によって表裏面に形成される多数の溝が、燃料ガスまたは酸化性ガスのガス流路とされる。本発明のセパレータでは、ステンレス鋼の特性である表面の不動態膜による高耐食性に加え、硼炭化物または硼化物のうちの１種以上の析出物が表面に露出していることにより、耐食性が一層高まるとともに、イオン溶出量が抑えられて高い導電性を得ることができる。また、不動態膜や析出物によって有害なイオンや生成物の発生が抑えられ、それら有害物の排出により燃料電池の構成部品である電解膜や電極触媒層、あるいは配管等がダメージを受けることがない。
上記析出物は、上述したように材料の脆化を招き、プレス成形で折り曲げ加工した際に、屈曲部から析出物が剥離・脱落し、脱落痕を基点とする腐食が発生するおそれがある。しかしながら、本発明はＢの含有量を０．００５〜１．５重量％と規定しており、この規定含有量によって屈曲部からの析出物の剥離・脱落が発生しないように制御される。
Ｂは表面に析出する導電性介在物の主要元素で、セパレータに必要な接触抵抗を満足するために必要な析出量を満足する観点から、０．００５重量％以上を必要とする。ただし、１．５重量％を超えると析出量が増え過ぎ、プレス成形によって形成される屈曲部の外面に、剥離・脱落には至らないものの表面に亀裂や空隙が発生し、これを起点として腐食が発生するおそれがある。したがって、Ｂの含有量を０．００５〜１．５重量％とした。
また、本発明のセパレータのガス流路は、ステンレス鋼板を波板状にプレス成形することにより表裏面に溝状に形成されるが、ガス流路を形成する屈曲部の角度を１５度以上、外曲げＲ値を１ｍｍ以下に規定する。第１図ＡおよびＢは、ステンレス鋼板を波板状にプレス成形して得られたセパレータの一部断面を示している。第１図Ａのセパレータ１は、屈曲部１ａの角度θが９０度でガス流路１ｂが二等辺三角形状に形成されている。第１図Ｂのセパレータ２は、屈曲部２ａの角度θが４５度でガス流路２ｂが台形状に形成されている。本発明では、屈曲部の外面側の湾曲半径が外曲げＲ値である。
セパレータのガス流路には燃料ガスまたは酸化性ガスが流されるが、これらガスは、電極構造体に接触することにより消費されていくため、流量を確保する上でガス流路は一定の深さを有していることが必要である。ガス流路断面の観点から言うと、ガス流路の幅に対してある一定以上の高さ（深さ）が必要である。断面の幅をＷとすると、屈曲部の角度θのときに形成される最大深さは０．５Ｗｔａｎθとなり、このとき断面積は最大となる。すなわち、このときの断面の幅と深さの比率０．５Ｗｔａｎθ／Ｗ＝０．５ｔａｎθをパラメータとし、このパラメータを適用することで、ガス流路の深さを決定できる。
第３図は、本発明の組成を有する０．２ｍｍ厚のステンレス鋼板を、屈曲部の外曲げＲ値を一定の０．５ｍｍとし、その屈曲部の角度を変えてプレス成形した各セパレータを用いて燃料電池スタックを構成し、それら燃料電池における０．４Ａ／ｃｍ２発電時の単位セルの発電電圧を測定した結果を示している。この図で判るように、屈曲部の角度が１５度以上であると、１５度を下回っている場合に比べて発電効率が格段に高くなる。このことから、本発明ではガス流路を形成する屈曲部の角度を１５度以上に規定した。
ガス流路は、ガス流路に面する電極構造体に燃料ガスや酸化性ガスが十分供給されて発電効率が確保されるように、それらガスがよどみなくスムーズに流れる特性が求められる。ところが、第２図に示すように、セパレータ３の屈曲部３ａの外面側と電極構造体１０との間には、屈曲部３ａの外面がＲ面であることから微小な隙間（第２図の斜線部分）が形成され、この隙間においてガスがよどむ傾向にある。この隙間をなるべく小さくすれば、電極構造体へのガスの供給が十分になされる。
第４図は、本発明の組成を有する０．２ｍｍ厚のステンレス鋼板を、屈曲部の角度を一定の４５度とし、その屈曲部の外曲げＲ値を変えてプレス成形した各セパレータを用いて燃料電池スタックを構成し、それら燃料電池における０．４Ａ／ｃｍ２発電時の単位セルの発電電圧を測定した結果を示している。この図で判るように、外曲げＲ値が１ｍｍ以上であると、１ｍｍを超える場合に比べて発電効率が格段に高くなる。このことから、本発明ではガス流路を形成する屈曲部の外曲げＲ値を１ｍｍ以下に規定した。
また、本発明は、Ｂ：０．００５〜１．５重量％、Ｃ：０．１５重量％以下、Ｓｉ：０．０１〜１．５重量％、Ｍｎ：０．０１〜２．５重量％、Ｐ：０．０３５重量％以下、Ｓ：０．０１重量％以下、Ａｌ：０．００１〜０．２重量％、Ｎ：０．３重量％以下、Ｃｕ：０〜３重量％、Ｎｉ：７〜５０重量％、Ｃｒ：１７〜３０重量％、Ｍｏ：０〜７重量％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物で、かつ、Ｃｒ，ＭｏおよびＢの含有量が次式を満足し、
Ｃｒ（重量％）＋３×Ｍｏ（重量％）−２．５×Ｂ（重量％）≧１７
Ｍ２３（Ｃ，Ｂ）６型硼炭化物、Ｍ２Ｂ型、ＭＢ型の硼化物のうち１種以上が表面に析出しているオーステナイト系ステンレス鋼板を、凹凸が連続する波板状にプレス成形してなり、そのプレス成形による折り曲げもしくは曲げ伸ばしによって形成される屈曲部の角度が１５度以上、外曲げＲ値が１ｍｍ以下であることを特徴とする。
以下に、前述したＢを除く上記元素の数値限定の根拠を述べる。
Ｃ：０．１５重量％以下
Ｃは量産に好適なプレス成形性を満足する常温靱性・延性を確保するために含有量は低ければ低いほどよく、これを鑑みて本発明では０．１５重量％以下とした。
Ｓｉ：０．０１〜１．５重量％
Ｓｉは脱酸元素として有効であるが、０．０１重量％を下回ると脱酸が不十分となり、１．５重量％を超えると延性の低下を招き、プレス成形性を阻害する。したがって、Ｓｉの含有量は０．０１〜１．５重量％とした。
Ｍｎ：０．０１〜２．５重量％
Ｍｎは脱酸元素として必要であり、Ｎｉのバランス調整元素としても添加される。また、不可避元素として混入するＳをＭｎの硫化物として固定化するように働く。これらの機能は、Ｍｎが０．０１重量％以上の含有量において発揮されるが、２．５重量％を超えるとイオン溶出量が増大し、特に、電解膜がスルホン酸系である場合にはスルホン酸基と結合して電解膜のイオン電導性が低下する。したがって、Ｍｎの含有量は０．０１〜２．５重量％とした。
Ｐ：０．０３５重量％以下
Ｐは不可避的に混入する元素であり、含有量は低ければ低いほどよい。Ｐを含む析出物（介在物）は、燃料電池環境下において腐食の起点となることを考慮して、Ｐは０．０３５重量％以下とした。
Ｓ：０．０１重量％以下
ＳもＰと同様の理由により含有量を０．０１重量％以下とした。
Ａｌ：０．００１〜０．２重量％
Ａｌは脱酸元素として溶鋼段階で添加し、０．００１〜０．２重量％の範囲で含有させる。鋼中のＢは溶鋼中の酸素との結合力が強い元素であり、Ａｌによる脱酸により酸素濃度を低下させておく必要がある。
Ｎ：０．３重量％以下
Ｎは、Ｃと同様の理由により含有量を０．３重量％とした。
Ｃｕ：０〜３重量％
Ｃｕは、必要により３重量％以下を含有させる。Ｃｕを適当量含有させると不動態化が促進され、セパレータ環境で金属の溶出を防止する効果がある。含有量としては０．０１重量％以上が好ましく、一方、３重量％を超えると熱間での加工性を減じることとなり、量産が難しくなる。したがって、Ｃｕの含有量は０〜３重量％とした。
Ｎｉ：７〜５０重量％
Ｎｉは、金属組織学的にオーステナイト系とするために重要な元素である。オーステナイト系とすることで、製造性、耐食性および成形性が確保される。Ｎｉの含有量が７重量％を下回るとオーステナイト組織の形成が困難であり、一方、５０重量％を超えるとコストがかかり過ぎ高価になる。したがって、Ｎｉの含有量は７〜５０重量％とした。なお、ＮｉはＭ２Ｂ型の硼化物中に僅かに含有される。
Ｃｒ：１７〜３０重量％
Ｃｒは含有量が多ければ多いほど耐食性が高くなるが、反面、常温における靱性・延性の低下を招く。耐食性と靱性・延性がバランスよく確保される範囲として、本発明ではＣｒの含有量を１７〜３０重量％とした。
Ｍｏ：０〜７重量％
Ｍｏは含有量が多ければ多いほど耐食性が高くなるが、反面、材料の脆化を招く。本発明では、脆化を招かないＭｏの含有量として０〜７重量％とした。
Ｃｒ（重量％）＋３×Ｍｏ（重量％）−２．５×Ｂ（重量％）≧１７
Ｂがステンレス鋼中のＣｒおよびＭｏを消費して硼化物または硼炭化物を生成するため、母材中に占める耐食性向上の元素であるＣｒおよびＭｏの量が低下し、母材の耐食性を招くが、これを防ぐために上記式を規定した。
また、本発明は、Ｂ：０．００５〜１．５重量％、Ｃ：０．１５重量％以下、Ｓｉ：０．０１〜１．５重量％、Ｍｎ：０．０１〜１．５重量％、Ｐ：０．０３５重量％以下、Ｓ：０．０１重量％以下、Ａｌ：０．００１〜０．２重量％、Ｎ：０．０３５重量％以下、Ｃｕ：０〜１重量％、Ｎｉ：０〜５重量％、Ｃｒ：１７〜３６重量％、Ｍｏ：０〜７重量％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物で、かつ、Ｃｒ，ＭｏおよびＢの含有量が次式を満足し、
Ｃｒ（重量％）＋３×Ｍｏ（重量％）−２．５×Ｂ（重量％）≧１７
Ｍ２３（Ｃ，Ｂ）６型硼炭化物、Ｍ２Ｂ型、ＭＢ型の硼化物のうち１種以上が表面に析出しているフェライト系ステンレス鋼板を、凹凸が連続する波板状にプレス成形してなり、そのプレス成形による折り曲げもしくは曲げ伸ばしによって形成される屈曲部の角度が１５度以上、外曲げＲ値が１ｍｍ以下であることを特徴とする。このセパレータが含有するＭｎ，Ｎ，Ｃｕ，Ｎｉについては、上記オーステナイト系ステンレス鋼板からなるセパレータと若干含有量が異なるが、これら数値の上限、下限の限定理由は同様である。
さらに、本発明の燃料電池用プレスセパレータにおいては、オーステナイト系ステンレス鋼板、フェライト系ステンレス鋼板を含むステンレス鋼板は、光輝焼鈍処理仕上げした鋼板であることが好ましく、この光輝焼鈍処理によって、大気中酸化では防止できない表層での脱Ｂ層の形成を防止することができ、酸洗後に露出する導電性介在物数の減少を阻止することができる。
発明を実施するための最良の形態
以下、実施例を示して本発明の効果を実証する。
（１）Ｂ量と外曲げＲ値の関係（オーステナイト系ステンレス鋼板）
Ｂの含有量が０〜２重量％の範囲で適宜に異なり、他の元素の含有量は本発明の範囲内である０．２ｍｍ厚のオーステナイト系ステンレス鋼板を、屈曲部の曲げ角度を一定（１５度）とし、外曲げＲ値を０．２〜１．６ｍｍに異ならせてプレス成形することにより、Ｂの含有量と外曲げＲ値が異なる組み合わせの各種セパレータを得た。これらセパレータごとに燃料電池を構成し、ガス流路に所定のガスを流して３０００時間連続して発電させた後、セパレータの屈曲部の剥離・脱落および腐食の状態を観察した。第５図はその結果を示しており、図中○は表面の剥離・脱落痕を起点とした腐食が認められず健全な状態だったセパレータ、×はそのような腐食が認められたものである。
（２）Ｂ量と屈曲部の角度の関係（オーステナイト系ステンレス鋼板）
上記同様に、Ｂの含有量が０〜２重量％の範囲で適宜に異なり、他の元素の含有量は本発明の範囲内である０．２ｍｍ厚のオーステナイト系ステンレス鋼板を用意し、屈曲部の外曲げＲ値を一定（１ｍｍ）とし、屈曲部の角度を０〜１２０度に異ならせてプレス成形することにより、Ｂの含有量と屈曲部の角度が異なる組み合わせの各種セパレータを得た。これらセパレータごとに燃料電池を構成し、ガス流路に所定のガスを流して３０００時間連続して発電させた後、セパレータの屈曲部の剥離・脱落および腐食の状態を観察した。第６図はその結果を示しており、○、×で示す評価は第５図と同様である。
第５図によれば、外曲げＲ値を１ｍｍ以下と規定するならば、Ｂの含有量が１．５重量％以下でなければ腐食が生じる。また、第６図によれば、屈曲部の角度を１５度以上と規定するならば、同じくＢの含有量は１．５重量％以下でなければならない。したがって、本発明におけるオーステナイト系ステンレス鋼板製のセパレータにおいては、Ｂを含有することによって析出する硼化物または硼炭化物からなる析出物が剥離・脱落し、脱落痕に起因する腐食を防止するためには、Ｂの含有量：１．５重量％以下、外曲げＲ値：１ｍｍ、屈曲部の角度：１５度以上が必須条件となる。ただし、Ｂの含有量は、セパレータに必要な接触抵抗を満足するために必要な析出量を満足する観点から０．００５重量％以上を必要とする。
（３）Ｂ量と外曲げＲ値の関係（フェライト系ステンレス鋼板）
Ｂの含有量が０〜２重量％の範囲で適宜に異なり、他の元素の含有量は本発明の範囲内である０．２ｍｍ厚のフェライト系ステンレス鋼板を、屈曲部の曲げ角度を一定（１５度）とし、外曲げＲ値を０．２〜１．６ｍｍに異ならせてプレス成形することにより、Ｂの含有量と外曲げＲ値が異なる組み合わせの各種セパレータを得た。これらセパレータごとに燃料電池を構成し、ガス流路に所定のガスを流して３０００時間連続して発電させた後、セパレータの屈曲部の剥離・脱落および腐食の状態を観察した。第７図はその結果を示しており、○、×で示す評価は第５図と同様である。
（４）Ｂ量と屈曲部の角度の関係（フェライト系ステンレス鋼板）
上記と同様に、Ｂの含有量が０〜２重量％の範囲で適宜に異なり、他の元素の含有量は本発明の範囲内である０．２ｍｍ厚のフェライト系ステンレス鋼板を用意し、屈曲部の外曲げＲ値を一定（１ｍｍ）とし、屈曲部の角度を０〜１２０度に異ならせてプレス成形することにより、Ｂの含有量と屈曲部の角度が異なる組み合わせの各種セパレータを得た。これらセパレータごとに燃料電池を構成し、ガス流路に所定のガスを流して３０００時間連続して発電させた後、セパレータの屈曲部の剥離・脱落および腐食の状態を観察した。第８図はその結果を示しており、○、×で示す評価は第５図と同様である。
第７図によれば、外曲げＲ値を１ｍｍ以下と規定するならば、Ｂの含有量が１．５重量％以下でなければ腐食が生じる。また、第８図によれば、屈曲部の角度を１５度以上と規定するならば、同じくＢの含有量は１．５重量％以下でなければならない。したがって、本発明におけるフェライト系ステンレス鋼板製のセパレータにおいては、Ｂを含有することによって析出する硼化物または硼炭化物からなる析出物が剥離・脱落し、脱落痕に起因する腐食を防止するためには、Ｂの含有量：１．５重量％以下、外曲げＲ値：１ｍｍ、屈曲部の角度：１５度以上が必須条件となる。ただし、Ｂの含有量は、セパレータに必要な接触抵抗を満足するために必要な析出量を満足する観点から、０．００５重量％以上を必要とする。
（５）Ｂ量による性能の相違（オーステナイト系ステンレス鋼板）
表１に示す実施例１（本発明品）と比較例１（本発明逸脱品）の組成を有する０．２ｍｍ厚のオーステナイト系ステンレス鋼板を用いて、第９図ＡおよびＢに示すセパレータ４をプレス成形により作製した。第９図Ｂに示すように、セパレータ４のガス流路４ｂは台形状であって、屈曲部４ａの角度は４５度、外曲げＲ値は０．３ｍｍとした。これらのセパレータにつき、接触抵抗と、０．９Ｖ時の不動態保持電流密度を測定した。その測定結果を、第１１図に示す。なお、接触抵抗は２枚重ねたセパレータ（アノード側とカソード側）４に面圧５ｋｇｆ／ｃｍ２の荷重をかけ、抵抗計を用いて測定した貫通抵抗である。また、不動態保持電流密度とは、母材のステンレス鋼が酸化物になる酸化物生成速度と、表面酸化被膜が溶けてイオン化する速度が等しくなったとき、すなわち酸化被膜の厚さが変化しなくなったときの腐食速度に対応した電流密度を言うもので、定電位分極試験にてその電流密度を測定した。
次に、第１０図に示すように、電極構造体からなる単位セル２０を１０セル用い、単位セル２０間に実施例１のセパレータ４を介在させて積層した燃料電池スタックを構成した。同図で２１はシール、２２は集電プレート、２３は燃料電池スタックの積層状態を固定するクランププレートである。一方、比較例１のセパレータを用い、同様にして燃料電池スタックを構成した。これらの燃料電池を発電させ、発電開始から５００時間ごとに３０００時間までの接触抵抗と、単位セルの０．７Ｖ発電時の電流密度を測定した。その測定結果を、第１２図、第１３図にそれぞれ示す。
第１１図によれば、接触抵抗に関しては実施例１と比較例１に大きな差異は認められないが、０．９Ｖ時の不動態保持電流密度は実施例１に比べて比較例１の方が大幅に高い。また、第１２図によれば、発電開始時こそ実施例１と比較例１はともに接触抵抗が低く同等であるが、比較例１は発電直後から接触抵抗が上昇し、さらに時間を経るにつれ徐々に上昇している。一方、実施例１は長時間の発電によっても接触抵抗は低いレベルで変動しない。また、第１３図によれば、発電開始時こそ実施例１と比較例１の電流密度は同等であるが、比較例１は発電直後から電流密度が低下し、さらに時間を経るにつれ徐々に低下している。一方、実施例１は長時間の発電によっても電流密度は低いレベルで変動しない。
（６）Ｂ量による性能の相違（フェライト系ステンレス鋼板）
表１に示す実施例２（本発明品）と比較例２（本発明逸脱品）の組成を有する０．２ｍｍ厚のフェライト系ステンレス鋼板を用いて、実施例１と同様にしてセパレータを作製した。これらのセパレータにつき、上記と同様にして接触抵抗と０．９Ｖ時の不動態保持電流密度を測定した。その測定結果を、第１４図に示す。
次に、実施例１と同様にして、実施例２のセパレータを用いた燃料電池スタックを構成し、さらに、比較例２のセパレータを用いた燃料電池を同様にして構成した。これらの燃料電池を発電させ、発電開始から５００時間ごとに３０００時間までの接触抵抗と、単位セルの０．７Ｖ発電時の電流密度を測定した。その測定結果を、第１５図、第１６図にそれぞれ示す。
第１４図によれば、接触抵抗に関しては実施例２と比較例２に大きな差異は認められないが、０．９Ｖ時の不動態保持電流密度は実施例２と比べて比較例２の方が大幅に高い。また、第１５図によれば、発電開始時こそ実施例２と比較例２はともに接触抵抗が低く同等であるが、比較例２は発電直後から接触抵抗が上昇し、さらに時間を経るにつれ徐々に上昇している。一方、実施例２は長時間の発電によっても接触抵抗は低いレベルで変動しない。また、第１６図によれば、発電開始時こそ実施例２と比較例２の電流密度は同等であるが、比較例２は発電直後から電流密度が低下し、さらに時間を経るにつれ徐々に低下している。一方、実施例１は長時間の発電によっても電流密度は低いレベルで変動しない。
【図面の簡単な説明】
第１図Ａは本発明に係るセパレータを概念的に示す一部断面図、第１図Ｂは本発明に係る他の形態のセパレータを概念的に示す一部断面図である。
第２図は、セパレータの屈曲部と電極構造体との間に形成されてガスのよどみを生じさせる隙間を示す図である。
第３図は、セパレータのガス流路を形成する屈曲部の角度と燃料電池の発電電圧の関係を示す線図である。
第４図は、セパレータのガス流路を形成する屈曲部の外曲げＲ値と燃料電池の発電電圧の関係を示す線図である。
第５図は、オーステナイト系ステンレス鋼板からなるセパレータのＢ量および外曲げＲ値と屈曲部の腐食状態の相関関係を示す図である。
第６図は、オーステナイト系ステンレス鋼板からなるセパレータのＢ量および屈曲部の角度と屈曲部の腐食状態の相関関係を示す図である。
第７図は、フェライト系ステンレス鋼板からなるセパレータのＢ量および外曲げＲ値と屈曲部の腐食状態の相関関係を示す図である。
第８図は、フェライト系ステンレス鋼板からなるセパレータのＢ量および屈曲部の角度と屈曲部の腐食状態の相関関係を示す図である。
第９図Ａは実施例で作製したセパレータの平面図、第９図Ｂは断面図である。
第１０図は、実施例で作製した燃料電池スタックの断面図である。
第１１図は、実施例で行ったオーステナイト系ステンレス鋼板からなるセパレータの接触抵抗および０．９Ｖ時の不動態保持電流密度の測定結果を示す線図である。
第１２図は、実施例で行ったオーステナイト系ステンレス鋼板からなるセパレータの接触抵抗の経時変化を示す線図である。
第１３図は、実施例で行ったオーステナイト系ステンレス鋼板からなるセパレータの電流密度の経時変化を示す線図である。
第１４図は、実施例で行ったフェライト系ステンレス鋼板からなるセパレータの接触抵抗および０．９Ｖ時の不動態保持電流密度の測定結果を示す線図である。
第１５図は、実施例で行ったフェライト系ステンレス鋼板からなるセパレータの接触抵抗の経時変化を示す線図である。
第１６図は、実施例で行ったフェライト系ステンレス鋼板からなるセパレータの電流密度の経時変化を示す線図である。
本発明は、固体高分子型燃料電池のガス流路を形成するセパレータに係り、特に、ステンレス鋼板をプレス成形することにより凹凸が連続する波板状に成形された燃料電池用プレスセパレータに関する。
背景技術
固体高分子型燃料電池は、イオン交換樹脂膜等からなる電解膜の両面に、正負の電極触媒層（カソード電極とアノード電極）がそれぞれ積層され、さらにこれら電極触媒層にガス拡散層が積層された電極構造体を、１つの単位セルとしている。そして、複数の単位セルがセパレータを挟んで積層されることにより、実用的な燃料電池スタックが構成される。セパレータは電子伝達機能を有する材料からなるもので、燃料ガスである水素ガスと酸素や空気等の酸化剤ガスとがそれぞれ独立して流通する多数の溝状のガス流路を備え、ガス拡散層に接触する状態で単位セル間に介装される。
このような燃料電池によると、例えば、負極側のセパレータのガス流路に燃料として水素ガスを流し、正極側のセパレータのガス流路に酸素や空気等の酸化性ガスを流すと、電気化学反応が起こって電気が発生する。電気発生中において、ガス拡散層は電気化学反応によって生成した電子を電極触媒層とセパレータとの間で伝達させると同時に燃料ガスおよび酸化性ガスを拡散させる。また、負極側の電極触媒層は燃料ガスに化学反応を起こさせてプロトンと電子を発生させ、正極側の電極触媒層は酸素とプロトンと電子から水を生成し、電解膜はプロトンをイオン伝導させる。そして、正負の電極触媒層を通して電力が取り出される。
ところで上記セパレータは、従来、主に黒鉛系材料が用いられ、ガス流路は溝を切削加工することで形成されていた。黒鉛系材料としては、焼成された等方性黒鉛にフェノール等の樹脂を含浸させたガス不浸透性黒鉛、フェノール等の樹脂を成形後に焼成させたアモルファスカーボン、樹脂と黒鉛からなる複合成形材料等が挙げられる。ところが、これら黒鉛系材料は、硬度が高いのでガス流路を形成し難くかったり、機械的強度や耐衝撃性に劣ったりする問題点を有していた。
このような事情に鑑み、近来では、黒鉛系材料の問題点を補うことができる材料として、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼等の金属製薄板材をプレス成形したものが用いられるようになってきている。これらの中でも、ステンレス鋼は表面に不動態被膜を有することから耐食性に優れているという長所がある。ところが、ステンレス鋼を燃料電池のセパレータに用いた場合には、溶出イオンによる触媒被毒や電解膜の導電率低下を招くおそれがある。また、不動態被膜の電気抵抗が高いため、セパレータと電極構造体との接触界面での接触抵抗が増加するという欠点もある。
そこで、これら問題点を解決する手段として、金メッキを施したステンレス鋼製のセパレータが、特開平１０−２２８９１４号公報により知られている。また、ステンレス鋼中から導電性を有する硼化物あるいは硼炭化物を析出させ、この析出物を不動態被膜とともに表面に露出させて耐食性および導電性の向上を図る手段も試行されている。
上記従来の解決手段のうち、前者はコストの高騰を招くという製造上の大きな課題を有する。また、振動等による擦れを金メッキが受けると、ステンレス鋼との界面において金メッキが剥離しやすく、長期間の使用には適さない。さらに、ピンホール等の欠陥がある場合にはそこを起点として腐食が生じる。一方、後者の手段では、表面に析出させた析出物により材料が脆くなり、プレス成形で折り曲げ加工すると、その折り曲げ部から析出物が剥離・脱落して脱落痕を基点とする腐食が生じ、やはり長期間の使用には適さない。
発明の開示
本発明は、不動態被膜と硼化物あるいは硼炭化物の析出物の組み合わせにより優れた耐食性および導電性が得られ、なおかつ、プレス成形による析出物の剥離・脱落が起こらず腐食の発生が抑えられ、長期にわたる使用が可能となる燃料電池用プレスセパレータを提供することを目的としている。
本発明は、Ｂを０．００５〜１．５重量％含有し、Ｍ２３（Ｃ，Ｂ）６型硼炭化物、Ｍ２Ｂ型、ＭＢ型の硼化物のうち１種以上が表面に析出しているステンレス鋼板を、凹凸が連続する波板状にプレス成形してなり、そのプレス成形による折り曲げもしくは曲げ伸ばしによって形成される屈曲部の角度が１５度以上、外曲げＲ値が１ｍｍ以下であることを特徴とする。
本発明のセパレータによれば、プレス成形による凹凸によって表裏面に形成される多数の溝が、燃料ガスまたは酸化性ガスのガス流路とされる。本発明のセパレータでは、ステンレス鋼の特性である表面の不動態膜による高耐食性に加え、硼炭化物または硼化物のうちの１種以上の析出物が表面に露出していることにより、耐食性が一層高まるとともに、イオン溶出量が抑えられて高い導電性を得ることができる。また、不動態膜や析出物によって有害なイオンや生成物の発生が抑えられ、それら有害物の排出により燃料電池の構成部品である電解膜や電極触媒層、あるいは配管等がダメージを受けることがない。
上記析出物は、上述したように材料の脆化を招き、プレス成形で折り曲げ加工した際に、屈曲部から析出物が剥離・脱落し、脱落痕を基点とする腐食が発生するおそれがある。しかしながら、本発明はＢの含有量を０．００５〜１．５重量％と規定しており、この規定含有量によって屈曲部からの析出物の剥離・脱落が発生しないように制御される。
Ｂは表面に析出する導電性介在物の主要元素で、セパレータに必要な接触抵抗を満足するために必要な析出量を満足する観点から、０．００５重量％以上を必要とする。ただし、１．５重量％を超えると析出量が増え過ぎ、プレス成形によって形成される屈曲部の外面に、剥離・脱落には至らないものの表面に亀裂や空隙が発生し、これを起点として腐食が発生するおそれがある。したがって、Ｂの含有量を０．００５〜１．５重量％とした。
また、本発明のセパレータのガス流路は、ステンレス鋼板を波板状にプレス成形することにより表裏面に溝状に形成されるが、ガス流路を形成する屈曲部の角度を１５度以上、外曲げＲ値を１ｍｍ以下に規定する。第１図ＡおよびＢは、ステンレス鋼板を波板状にプレス成形して得られたセパレータの一部断面を示している。第１図Ａのセパレータ１は、屈曲部１ａの角度θが９０度でガス流路１ｂが二等辺三角形状に形成されている。第１図Ｂのセパレータ２は、屈曲部２ａの角度θが４５度でガス流路２ｂが台形状に形成されている。本発明では、屈曲部の外面側の湾曲半径が外曲げＲ値である。
セパレータのガス流路には燃料ガスまたは酸化性ガスが流されるが、これらガスは、電極構造体に接触することにより消費されていくため、流量を確保する上でガス流路は一定の深さを有していることが必要である。ガス流路断面の観点から言うと、ガス流路の幅に対してある一定以上の高さ（深さ）が必要である。断面の幅をＷとすると、屈曲部の角度θのときに形成される最大深さは０．５Ｗｔａｎθとなり、このとき断面積は最大となる。すなわち、このときの断面の幅と深さの比率０．５Ｗｔａｎθ／Ｗ＝０．５ｔａｎθをパラメータとし、このパラメータを適用することで、ガス流路の深さを決定できる。
第３図は、本発明の組成を有する０．２ｍｍ厚のステンレス鋼板を、屈曲部の外曲げＲ値を一定の０．５ｍｍとし、その屈曲部の角度を変えてプレス成形した各セパレータを用いて燃料電池スタックを構成し、それら燃料電池における０．４Ａ／ｃｍ２発電時の単位セルの発電電圧を測定した結果を示している。この図で判るように、屈曲部の角度が１５度以上であると、１５度を下回っている場合に比べて発電効率が格段に高くなる。このことから、本発明ではガス流路を形成する屈曲部の角度を１５度以上に規定した。
ガス流路は、ガス流路に面する電極構造体に燃料ガスや酸化性ガスが十分供給されて発電効率が確保されるように、それらガスがよどみなくスムーズに流れる特性が求められる。ところが、第２図に示すように、セパレータ３の屈曲部３ａの外面側と電極構造体１０との間には、屈曲部３ａの外面がＲ面であることから微小な隙間（第２図の斜線部分）が形成され、この隙間においてガスがよどむ傾向にある。この隙間をなるべく小さくすれば、電極構造体へのガスの供給が十分になされる。
第４図は、本発明の組成を有する０．２ｍｍ厚のステンレス鋼板を、屈曲部の角度を一定の４５度とし、その屈曲部の外曲げＲ値を変えてプレス成形した各セパレータを用いて燃料電池スタックを構成し、それら燃料電池における０．４Ａ／ｃｍ２発電時の単位セルの発電電圧を測定した結果を示している。この図で判るように、外曲げＲ値が１ｍｍ以上であると、１ｍｍを超える場合に比べて発電効率が格段に高くなる。このことから、本発明ではガス流路を形成する屈曲部の外曲げＲ値を１ｍｍ以下に規定した。
また、本発明は、Ｂ：０．００５〜１．５重量％、Ｃ：０．１５重量％以下、Ｓｉ：０．０１〜１．５重量％、Ｍｎ：０．０１〜２．５重量％、Ｐ：０．０３５重量％以下、Ｓ：０．０１重量％以下、Ａｌ：０．００１〜０．２重量％、Ｎ：０．３重量％以下、Ｃｕ：０〜３重量％、Ｎｉ：７〜５０重量％、Ｃｒ：１７〜３０重量％、Ｍｏ：０〜７重量％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物で、かつ、Ｃｒ，ＭｏおよびＢの含有量が次式を満足し、
Ｃｒ（重量％）＋３×Ｍｏ（重量％）−２．５×Ｂ（重量％）≧１７
Ｍ２３（Ｃ，Ｂ）６型硼炭化物、Ｍ２Ｂ型、ＭＢ型の硼化物のうち１種以上が表面に析出しているオーステナイト系ステンレス鋼板を、凹凸が連続する波板状にプレス成形してなり、そのプレス成形による折り曲げもしくは曲げ伸ばしによって形成される屈曲部の角度が１５度以上、外曲げＲ値が１ｍｍ以下であることを特徴とする。
以下に、前述したＢを除く上記元素の数値限定の根拠を述べる。
Ｃ：０．１５重量％以下
Ｃは量産に好適なプレス成形性を満足する常温靱性・延性を確保するために含有量は低ければ低いほどよく、これを鑑みて本発明では０．１５重量％以下とした。
Ｓｉ：０．０１〜１．５重量％
Ｓｉは脱酸元素として有効であるが、０．０１重量％を下回ると脱酸が不十分となり、１．５重量％を超えると延性の低下を招き、プレス成形性を阻害する。したがって、Ｓｉの含有量は０．０１〜１．５重量％とした。
Ｍｎ：０．０１〜２．５重量％
Ｍｎは脱酸元素として必要であり、Ｎｉのバランス調整元素としても添加される。また、不可避元素として混入するＳをＭｎの硫化物として固定化するように働く。これらの機能は、Ｍｎが０．０１重量％以上の含有量において発揮されるが、２．５重量％を超えるとイオン溶出量が増大し、特に、電解膜がスルホン酸系である場合にはスルホン酸基と結合して電解膜のイオン電導性が低下する。したがって、Ｍｎの含有量は０．０１〜２．５重量％とした。
Ｐ：０．０３５重量％以下
Ｐは不可避的に混入する元素であり、含有量は低ければ低いほどよい。Ｐを含む析出物（介在物）は、燃料電池環境下において腐食の起点となることを考慮して、Ｐは０．０３５重量％以下とした。
Ｓ：０．０１重量％以下
ＳもＰと同様の理由により含有量を０．０１重量％以下とした。
Ａｌ：０．００１〜０．２重量％
Ａｌは脱酸元素として溶鋼段階で添加し、０．００１〜０．２重量％の範囲で含有させる。鋼中のＢは溶鋼中の酸素との結合力が強い元素であり、Ａｌによる脱酸により酸素濃度を低下させておく必要がある。
Ｎ：０．３重量％以下
Ｎは、Ｃと同様の理由により含有量を０．３重量％とした。
Ｃｕ：０〜３重量％
Ｃｕは、必要により３重量％以下を含有させる。Ｃｕを適当量含有させると不動態化が促進され、セパレータ環境で金属の溶出を防止する効果がある。含有量としては０．０１重量％以上が好ましく、一方、３重量％を超えると熱間での加工性を減じることとなり、量産が難しくなる。したがって、Ｃｕの含有量は０〜３重量％とした。
Ｎｉ：７〜５０重量％
Ｎｉは、金属組織学的にオーステナイト系とするために重要な元素である。オーステナイト系とすることで、製造性、耐食性および成形性が確保される。Ｎｉの含有量が７重量％を下回るとオーステナイト組織の形成が困難であり、一方、５０重量％を超えるとコストがかかり過ぎ高価になる。したがって、Ｎｉの含有量は７〜５０重量％とした。なお、ＮｉはＭ２Ｂ型の硼化物中に僅かに含有される。
Ｃｒ：１７〜３０重量％
Ｃｒは含有量が多ければ多いほど耐食性が高くなるが、反面、常温における靱性・延性の低下を招く。耐食性と靱性・延性がバランスよく確保される範囲として、本発明ではＣｒの含有量を１７〜３０重量％とした。
Ｍｏ：０〜７重量％
Ｍｏは含有量が多ければ多いほど耐食性が高くなるが、反面、材料の脆化を招く。本発明では、脆化を招かないＭｏの含有量として０〜７重量％とした。
Ｃｒ（重量％）＋３×Ｍｏ（重量％）−２．５×Ｂ（重量％）≧１７
Ｂがステンレス鋼中のＣｒおよびＭｏを消費して硼化物または硼炭化物を生成するため、母材中に占める耐食性向上の元素であるＣｒおよびＭｏの量が低下し、母材の耐食性を招くが、これを防ぐために上記式を規定した。
また、本発明は、Ｂ：０．００５〜１．５重量％、Ｃ：０．１５重量％以下、Ｓｉ：０．０１〜１．５重量％、Ｍｎ：０．０１〜１．５重量％、Ｐ：０．０３５重量％以下、Ｓ：０．０１重量％以下、Ａｌ：０．００１〜０．２重量％、Ｎ：０．０３５重量％以下、Ｃｕ：０〜１重量％、Ｎｉ：０〜５重量％、Ｃｒ：１７〜３６重量％、Ｍｏ：０〜７重量％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物で、かつ、Ｃｒ，ＭｏおよびＢの含有量が次式を満足し、
Ｃｒ（重量％）＋３×Ｍｏ（重量％）−２．５×Ｂ（重量％）≧１７
Ｍ２３（Ｃ，Ｂ）６型硼炭化物、Ｍ２Ｂ型、ＭＢ型の硼化物のうち１種以上が表面に析出しているフェライト系ステンレス鋼板を、凹凸が連続する波板状にプレス成形してなり、そのプレス成形による折り曲げもしくは曲げ伸ばしによって形成される屈曲部の角度が１５度以上、外曲げＲ値が１ｍｍ以下であることを特徴とする。このセパレータが含有するＭｎ，Ｎ，Ｃｕ，Ｎｉについては、上記オーステナイト系ステンレス鋼板からなるセパレータと若干含有量が異なるが、これら数値の上限、下限の限定理由は同様である。
さらに、本発明の燃料電池用プレスセパレータにおいては、オーステナイト系ステンレス鋼板、フェライト系ステンレス鋼板を含むステンレス鋼板は、光輝焼鈍処理仕上げした鋼板であることが好ましく、この光輝焼鈍処理によって、大気中酸化では防止できない表層での脱Ｂ層の形成を防止することができ、酸洗後に露出する導電性介在物数の減少を阻止することができる。
発明を実施するための最良の形態
以下、実施例を示して本発明の効果を実証する。
（１）Ｂ量と外曲げＲ値の関係（オーステナイト系ステンレス鋼板）
Ｂの含有量が０〜２重量％の範囲で適宜に異なり、他の元素の含有量は本発明の範囲内である０．２ｍｍ厚のオーステナイト系ステンレス鋼板を、屈曲部の曲げ角度を一定（１５度）とし、外曲げＲ値を０．２〜１．６ｍｍに異ならせてプレス成形することにより、Ｂの含有量と外曲げＲ値が異なる組み合わせの各種セパレータを得た。これらセパレータごとに燃料電池を構成し、ガス流路に所定のガスを流して３０００時間連続して発電させた後、セパレータの屈曲部の剥離・脱落および腐食の状態を観察した。第５図はその結果を示しており、図中○は表面の剥離・脱落痕を起点とした腐食が認められず健全な状態だったセパレータ、×はそのような腐食が認められたものである。
（２）Ｂ量と屈曲部の角度の関係（オーステナイト系ステンレス鋼板）
上記同様に、Ｂの含有量が０〜２重量％の範囲で適宜に異なり、他の元素の含有量は本発明の範囲内である０．２ｍｍ厚のオーステナイト系ステンレス鋼板を用意し、屈曲部の外曲げＲ値を一定（１ｍｍ）とし、屈曲部の角度を０〜１２０度に異ならせてプレス成形することにより、Ｂの含有量と屈曲部の角度が異なる組み合わせの各種セパレータを得た。これらセパレータごとに燃料電池を構成し、ガス流路に所定のガスを流して３０００時間連続して発電させた後、セパレータの屈曲部の剥離・脱落および腐食の状態を観察した。第６図はその結果を示しており、○、×で示す評価は第５図と同様である。
第５図によれば、外曲げＲ値を１ｍｍ以下と規定するならば、Ｂの含有量が１．５重量％以下でなければ腐食が生じる。また、第６図によれば、屈曲部の角度を１５度以上と規定するならば、同じくＢの含有量は１．５重量％以下でなければならない。したがって、本発明におけるオーステナイト系ステンレス鋼板製のセパレータにおいては、Ｂを含有することによって析出する硼化物または硼炭化物からなる析出物が剥離・脱落し、脱落痕に起因する腐食を防止するためには、Ｂの含有量：１．５重量％以下、外曲げＲ値：１ｍｍ、屈曲部の角度：１５度以上が必須条件となる。ただし、Ｂの含有量は、セパレータに必要な接触抵抗を満足するために必要な析出量を満足する観点から０．００５重量％以上を必要とする。
（３）Ｂ量と外曲げＲ値の関係（フェライト系ステンレス鋼板）
Ｂの含有量が０〜２重量％の範囲で適宜に異なり、他の元素の含有量は本発明の範囲内である０．２ｍｍ厚のフェライト系ステンレス鋼板を、屈曲部の曲げ角度を一定（１５度）とし、外曲げＲ値を０．２〜１．６ｍｍに異ならせてプレス成形することにより、Ｂの含有量と外曲げＲ値が異なる組み合わせの各種セパレータを得た。これらセパレータごとに燃料電池を構成し、ガス流路に所定のガスを流して３０００時間連続して発電させた後、セパレータの屈曲部の剥離・脱落および腐食の状態を観察した。第７図はその結果を示しており、○、×で示す評価は第５図と同様である。
（４）Ｂ量と屈曲部の角度の関係（フェライト系ステンレス鋼板）
上記と同様に、Ｂの含有量が０〜２重量％の範囲で適宜に異なり、他の元素の含有量は本発明の範囲内である０．２ｍｍ厚のフェライト系ステンレス鋼板を用意し、屈曲部の外曲げＲ値を一定（１ｍｍ）とし、屈曲部の角度を０〜１２０度に異ならせてプレス成形することにより、Ｂの含有量と屈曲部の角度が異なる組み合わせの各種セパレータを得た。これらセパレータごとに燃料電池を構成し、ガス流路に所定のガスを流して３０００時間連続して発電させた後、セパレータの屈曲部の剥離・脱落および腐食の状態を観察した。第８図はその結果を示しており、○、×で示す評価は第５図と同様である。
第７図によれば、外曲げＲ値を１ｍｍ以下と規定するならば、Ｂの含有量が１．５重量％以下でなければ腐食が生じる。また、第８図によれば、屈曲部の角度を１５度以上と規定するならば、同じくＢの含有量は１．５重量％以下でなければならない。したがって、本発明におけるフェライト系ステンレス鋼板製のセパレータにおいては、Ｂを含有することによって析出する硼化物または硼炭化物からなる析出物が剥離・脱落し、脱落痕に起因する腐食を防止するためには、Ｂの含有量：１．５重量％以下、外曲げＲ値：１ｍｍ、屈曲部の角度：１５度以上が必須条件となる。ただし、Ｂの含有量は、セパレータに必要な接触抵抗を満足するために必要な析出量を満足する観点から、０．００５重量％以上を必要とする。
（５）Ｂ量による性能の相違（オーステナイト系ステンレス鋼板）
表１に示す実施例１（本発明品）と比較例１（本発明逸脱品）の組成を有する０．２ｍｍ厚のオーステナイト系ステンレス鋼板を用いて、第９図ＡおよびＢに示すセパレータ４をプレス成形により作製した。第９図Ｂに示すように、セパレータ４のガス流路４ｂは台形状であって、屈曲部４ａの角度は４５度、外曲げＲ値は０．３ｍｍとした。これらのセパレータにつき、接触抵抗と、０．９Ｖ時の不動態保持電流密度を測定した。その測定結果を、第１１図に示す。なお、接触抵抗は２枚重ねたセパレータ（アノード側とカソード側）４に面圧５ｋｇｆ／ｃｍ２の荷重をかけ、抵抗計を用いて測定した貫通抵抗である。また、不動態保持電流密度とは、母材のステンレス鋼が酸化物になる酸化物生成速度と、表面酸化被膜が溶けてイオン化する速度が等しくなったとき、すなわち酸化被膜の厚さが変化しなくなったときの腐食速度に対応した電流密度を言うもので、定電位分極試験にてその電流密度を測定した。
第１１図によれば、接触抵抗に関しては実施例１と比較例１に大きな差異は認められないが、０．９Ｖ時の不動態保持電流密度は実施例１に比べて比較例１の方が大幅に高い。また、第１２図によれば、発電開始時こそ実施例１と比較例１はともに接触抵抗が低く同等であるが、比較例１は発電直後から接触抵抗が上昇し、さらに時間を経るにつれ徐々に上昇している。一方、実施例１は長時間の発電によっても接触抵抗は低いレベルで変動しない。また、第１３図によれば、発電開始時こそ実施例１と比較例１の電流密度は同等であるが、比較例１は発電直後から電流密度が低下し、さらに時間を経るにつれ徐々に低下している。一方、実施例１は長時間の発電によっても電流密度は低いレベルで変動しない。
（６）Ｂ量による性能の相違（フェライト系ステンレス鋼板）
表１に示す実施例２（本発明品）と比較例２（本発明逸脱品）の組成を有する０．２ｍｍ厚のフェライト系ステンレス鋼板を用いて、実施例１と同様にしてセパレータを作製した。これらのセパレータにつき、上記と同様にして接触抵抗と０．９Ｖ時の不動態保持電流密度を測定した。その測定結果を、第１４図に示す。
次に、実施例１と同様にして、実施例２のセパレータを用いた燃料電池スタックを構成し、さらに、比較例２のセパレータを用いた燃料電池を同様にして構成した。これらの燃料電池を発電させ、発電開始から５００時間ごとに３０００時間までの接触抵抗と、単位セルの０．７Ｖ発電時の電流密度を測定した。その測定結果を、第１５図、第１６図にそれぞれ示す。
第１４図によれば、接触抵抗に関しては実施例２と比較例２に大きな差異は認められないが、０．９Ｖ時の不動態保持電流密度は実施例２と比べて比較例２の方が大幅に高い。また、第１５図によれば、発電開始時こそ実施例２と比較例２はともに接触抵抗が低く同等であるが、比較例２は発電直後から接触抵抗が上昇し、さらに時間を経るにつれ徐々に上昇している。一方、実施例２は長時間の発電によっても接触抵抗は低いレベルで変動しない。また、第１６図によれば、発電開始時こそ実施例２と比較例２の電流密度は同等であるが、比較例２は発電直後から電流密度が低下し、さらに時間を経るにつれ徐々に低下している。一方、実施例１は長時間の発電によっても電流密度は低いレベルで変動しない。
【図面の簡単な説明】
第１図Ａは本発明に係るセパレータを概念的に示す一部断面図、第１図Ｂは本発明に係る他の形態のセパレータを概念的に示す一部断面図である。
第２図は、セパレータの屈曲部と電極構造体との間に形成されてガスのよどみを生じさせる隙間を示す図である。
第３図は、セパレータのガス流路を形成する屈曲部の角度と燃料電池の発電電圧の関係を示す線図である。
第４図は、セパレータのガス流路を形成する屈曲部の外曲げＲ値と燃料電池の発電電圧の関係を示す線図である。
第５図は、オーステナイト系ステンレス鋼板からなるセパレータのＢ量および外曲げＲ値と屈曲部の腐食状態の相関関係を示す図である。
第６図は、オーステナイト系ステンレス鋼板からなるセパレータのＢ量および屈曲部の角度と屈曲部の腐食状態の相関関係を示す図である。
第７図は、フェライト系ステンレス鋼板からなるセパレータのＢ量および外曲げＲ値と屈曲部の腐食状態の相関関係を示す図である。
第８図は、フェライト系ステンレス鋼板からなるセパレータのＢ量および屈曲部の角度と屈曲部の腐食状態の相関関係を示す図である。
第９図Ａは実施例で作製したセパレータの平面図、第９図Ｂは断面図である。
第１０図は、実施例で作製した燃料電池スタックの断面図である。
第１１図は、実施例で行ったオーステナイト系ステンレス鋼板からなるセパレータの接触抵抗および０．９Ｖ時の不動態保持電流密度の測定結果を示す線図である。
第１２図は、実施例で行ったオーステナイト系ステンレス鋼板からなるセパレータの接触抵抗の経時変化を示す線図である。
第１３図は、実施例で行ったオーステナイト系ステンレス鋼板からなるセパレータの電流密度の経時変化を示す線図である。
第１４図は、実施例で行ったフェライト系ステンレス鋼板からなるセパレータの接触抵抗および０．９Ｖ時の不動態保持電流密度の測定結果を示す線図である。
第１５図は、実施例で行ったフェライト系ステンレス鋼板からなるセパレータの接触抵抗の経時変化を示す線図である。
第１６図は、実施例で行ったフェライト系ステンレス鋼板からなるセパレータの電流密度の経時変化を示す線図である。
Claims (6)
- Ｂを０．００５〜１．５重量％含有し、Ｍ２３（Ｃ，Ｂ）６型硼炭化物、Ｍ２Ｂ型、ＭＢ型の硼化物のうち１種以上が表面に析出しているステンレス鋼板を、凹凸が連続する波板状にプレス成形してなり、
そのプレス成形による折り曲げもしくは曲げ伸ばしによって形成される屈曲部の角度が１５度以上、外曲げＲ値が１ｍｍ以下であることを特徴とする燃料電池用プレスセパレータ。 - Ｂ：０．００５〜１．５重量％、Ｃ：０．１５重量％以下、Ｓｉ：０．０１〜１．５重量％、Ｍｎ：０．０１〜２．５重量％、Ｐ：０．０３５重量％以下、Ｓ：０．０１重量％以下、Ａｌ：０．００１〜０．２重量％、Ｎ：０．３重量％以下、Ｃｕ：０〜３重量％、Ｎｉ：７〜５０重量％、Ｃｒ：１７〜３０重量％、Ｍｏ：０〜７重量％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物で、かつ、Ｃｒ，ＭｏおよびＢの含有量が次式を満足し、
Ｃｒ（重量％）＋３×Ｍｏ（重量％）−２．５×Ｂ（重量％）≧１７
Ｍ２３（Ｃ，Ｂ）６型硼炭化物、Ｍ２Ｂ型、ＭＢ型の硼化物のうち１種以上が表面に析出しているオーステナイト系ステンレス鋼板を、凹凸が連続する波板状にプレス成形してなり、
そのプレス成形による折り曲げもしくは曲げ伸ばしによって形成される屈曲部の角度が１５度以上、外曲げＲ値が１ｍｍ以下であることを特徴とする燃料電池用プレスセパレータ。 - Ｂ：０．００５〜１．５重量％、Ｃ：０．１５重量％以下、Ｓｉ：０．０１〜１．５重量％、Ｍｎ：０．０１〜１．５重量％、Ｐ：０．０３５重量％以下、Ｓ：０．０１重量％以下、Ａｌ：０．００１〜０．２重量％、Ｎ：０．０３５重量％以下、Ｃｕ：０〜１重量％、Ｎｉ：０〜５重量％、Ｃｒ：１７〜３６重量％、Ｍｏ：０〜７重量％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物で、かつ、Ｃｒ，ＭｏおよびＢの含有量が次式を満足し、
Ｃｒ（重量％）＋３×Ｍｏ（重量％）−２．５×Ｂ（重量％）≧１７
Ｍ２３（Ｃ，Ｂ）６型硼炭化物、Ｍ２Ｂ型、ＭＢ型の硼化物のうち１種以上が表面に析出しているフェライト系ステンレス鋼板を、凹凸が連続する波板状にプレス成形してなり、
そのプレス成形による折り曲げもしくは曲げ伸ばしによって形成される屈曲部の角度が１５度以上、外曲げＲ値が１ｍｍ以下であることを特徴とする燃料電池用プレスセパレータ。 - Ｂを０．００５〜１．５重量％含有し、Ｍ２３（Ｃ，Ｂ）６型硼炭化物、Ｍ２Ｂ型、ＭＢ型の硼化物のうち１種以上が表面に析出している光輝焼鈍処理仕上げしたステンレス鋼板を、凹凸が連続する波板状にプレス成形してなり、
そのプレス成形による折り曲げもしくは曲げ伸ばしによって形成される屈曲部の角度が１５度以上、外曲げＲ値が１ｍｍ以下であることを特徴とする燃料電池用プレスセパレータ。 - Ｂ：０．００５〜１．５重量％、Ｃ：０．１５重量％以下、Ｓｉ：０．０１〜１．５重量％、Ｍｎ：０．０１〜２．５重量％、Ｐ：０．０３５重量％以下、Ｓ：０．０１重量％以下、Ａｌ：０．００１〜０．２重量％、Ｎ：０．３重量％以下、Ｃｕ：０〜３重量％、Ｎｉ：７〜５０重量％、Ｃｒ：１７〜３０重量％、Ｍｏ：０〜７重量％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物で、かつ、Ｃｒ，ＭｏおよびＢの含有量が次式を満足し、
Ｃｒ（重量％）＋３×Ｍｏ（重量％）−２．５×Ｂ（重量％）≧１７
Ｍ２３（Ｃ，Ｂ）６型硼炭化物、Ｍ２Ｂ型、ＭＢ型の硼化物のうち１種以上が表面に析出している光輝焼鈍処理仕上げしたオーステナイト系ステンレス鋼板を、凹凸が連続する波板状にプレス成形してなり、
そのプレス成形による折り曲げもしくは曲げ伸ばしによって形成される屈曲部の角度が１５度以上、外曲げＲ値が１ｍｍ以下であることを特徴とする燃料電池用プレスセパレータ。 - Ｂ：０．００５〜１．５重量％、Ｃ：０．１５重量％以下、Ｓｉ：０．０１〜１．５重量％、Ｍｎ：０．０１〜１．５重量％、Ｐ：０．０３５重量％以下、Ｓ：０．０１重量％以下、Ａｌ：０．００１〜０．２重量％、Ｎ：０．０３５重量％以下、Ｃｕ：０〜１重量％、Ｎｉ：０〜５重量％、Ｃｒ：１７〜３６重量％、Ｍｏ：０〜７重量％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物で、かつ、Ｃｒ，ＭｏおよびＢの含有量が次式を満足し、
Ｃｒ（重量％）＋３×Ｍｏ（重量％）−２．５×Ｂ（重量％）≧１７
Ｍ２３（Ｃ，Ｂ）６型硼炭化物、Ｍ２Ｂ型、ＭＢ型の硼化物のうち１種以上が表面に析出している光輝焼鈍処理仕上げしたフェライト系ステンレス鋼板を、凹凸が連続する波板状にプレス成形してなり、
そのプレス成形による折り曲げもしくは曲げ伸ばしによって形成される屈曲部の角度が１５度以上、外曲げＲ値が１ｍｍ以下であることを特徴とする燃料電池用プレスセパレータ。
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