CN109196130A - 不锈钢 - Google Patents

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Abstract

根据本发明，提供一种不锈钢、由该不锈钢构成的燃料电池的互连件或保持电池单元的基材、以及包含该互连件或保持电池单元的基材的固体氧化物型燃料电池，该不锈钢含有Cr：21～23质量％、Mn：0.2～0.4质量％、Mo：1.0～2.0质量％、Al：0.08～2.0质量％、Ti：0.01～0.2质量％、Nb：0.2～0.5质量％，余量由Fe和不可避免的杂质构成。

Description

不锈钢
技术领域
本发明涉及不锈钢，更具体地说，涉及作为燃料电池的互连件的材料或燃料电池的用于保持电池单元的基材使用的不锈钢。
背景技术
固体氧化物型燃料电池的发电效率高，不需要催化剂，能够应对天然气、灯油等多种燃料，并且能够适用于家庭用、汽车用、发电站用等广泛用途中。
固体氧化物型燃料电池中使用的互连件是将固体氧化物型燃料电池的单电池单元间进行电连接的部件。由于固体氧化物型燃料电池在高温下工作，因而对于互连件的材料要求各种特性。另外，对于燃料电池的用于保持电池单元的基材也同样地要求各种特性。
例如，在专利文献1中记载了，从接触电阻的方面出发，包含规定量的Cr、Mo、Mn、Al、Ti、Nb的不锈钢适合于互连件。
另外，在专利文献2中记载了，从防止Cr中毒(因高温而蒸发的铬使燃料电池的性能降低的现象)的方面出发，包含规定量的Cr、Mn、C、Si的不锈钢适合于互连件。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2012-67391号公报
专利文献2：日本特开2013-118178号公报
发明内容
发明所要解决的课题
但是，现有的不锈钢并非是从耐氧化性、导电性、加工性、高温强度以及Cr飞散性的全部方面出发优异的材料。
本发明所要解决的课题在于提供一种从耐氧化性、导电性、加工性、高温强度以及Cr飞散性的全部方面出发优异的不锈钢、由该不锈钢构成的燃料电池的互连件或保持电池单元的基材、以及包含该互连件或保持电池单元的基材的固体氧化物型燃料电池。
用于解决课题的手段
本发明提供以下的方式。
第1方式为一种不锈钢，其含有：
Cr：21～23质量％、
Mn：0.2～0.4质量％、
Mo：1.0～2.0质量％、
Al：0.08～2.0质量％、
Ti：0.01～0.2质量％、
Nb：0.2～0.5质量％，
余量由Fe和不可避免的杂质构成。
第2方式涉及第1方式的不锈钢，其进一步含有：
C：0～0.030质量％、
Si：0.1～1.0质量％。
第3方式涉及一种燃料电池的互连件或保持电池单元的基材，其由第1方式或第2方式中所述的不锈钢构成。
第4方式涉及一种固体氧化物型燃料电池，其包含第3方式中所述的互连件或保持电池单元的基材。
发明的效果
根据本发明，能够提供一种从耐氧化性、导电性、加工性、高温强度以及Cr飞散性的全部方面出发优异的不锈钢、由该不锈钢构成的燃料电池的互连件或保持电池单元的基材、以及包含该互连件或保持电池单元的基材的固体氧化物型燃料电池。
附图说明
图1是示出固体氧化物型燃料电池的一例的示意图。
图2是示出Mn的添加量与Cr飞散量或面积电阻率的关系的曲线图。
图3是示出Mo的添加量与氧化增重的关系的曲线图。
图4是示出Al的添加量与Cr飞散量或水蒸气氧化增重的关系的曲线图。
图5是示出Ti的添加量与r值的关系的曲线图。
图6是示出Ti、Nb或Ti+Nb的添加量与扩孔量的关系的图。
图7是示出Ti、Nb或Ti+Nb的添加量与埃里克森杯突深度值的关系的图。
具体实施方式
[不锈钢]
本发明的不锈钢含有：
Cr：21～23质量％、
Mn：0.2～0.4质量％、
Mo：1.0～2.0质量％、
Al：0.08～2.0质量％、
Ti：0.01～0.2质量％、
Nb：0.2～0.5质量％，
余量由Fe和不可避免的杂质构成。
本发明的不锈钢优选用于燃料电池的互连件、或者燃料电池的保持电池单元的基材。
本发明的不锈钢中，Cr(铬)的含量为21～23质量％、优选为21.5～23.4质量％、更优选为22质量％。通过使Cr的含量为21～23质量％，具有兼顾耐氧化性和成本的效果。
本发明的不锈钢中，Mn(锰)的含量为0.2～0.4质量％、优选为0.2～0.35质量％。通过使Mn的含量为0.2质量％以上，能够减少Cr飞散量，能够降低因Cr中毒所致的性能劣化。通过使Mn的含量为0.4质量％以下，能够提高导电性。
本发明的不锈钢中，Mo(钼)的含量为1.0～2.0质量％、优选为1.2～2.0质量％。通过使Mo的含量为1.0质量％以上，能够提高耐氧化性。通过使Mo的含量为2.0质量％以下，能够抑制α相、χ相的析出，能够提高加工性和耐蚀性。
本发明的不锈钢中，Al(铝)的含量为0.08～2.0质量％、优选为0.08～1.0质量％。通过使Al的含量为0.08质量％以上，能够提高耐氧化性(特别是耐水蒸气氧化性)，并且能够减少Cr飞散量。Al的含量为2.0质量％以下时，能够提高导电性。
本发明的不锈钢中，Ti(钛)的含量为0.01～0.2质量％。通过使Ti的含量为0.01质量％以上，能够促进晶粒微细化，提高耐蚀性、耐晶间腐蚀性、作为深冲性指标的兰克福特值(r值)，因而能够提高加工性。另外，在包含Ti和Nb这两者的情况下，若Ti的含量为0.2质量％以下，则能够抑制固溶Ti量，防止均匀伸长率的降低，抑制粗大的Ti系析出物的形成，由此能够降低扩孔加工时的破裂起点的发生，因此加工性优异。
本发明的不锈钢中，Nb(铌)的含量为0.2～0.5质量％、优选为0.2～0.3质量％。通过使Nb的含量为0.2质量％以上，能够通过固溶强化和析出物微细化强化而提高高温强度、耐蚀性、耐氧化性。Nb的含量为0.5质量％以下时，能够防止均匀伸长率的降低、抑制扩孔性的降低，因而加工性优异，还能够抑制点蚀电位的降低。
本发明人发现，通过以上述特定的范围含有Ti和Nb，可发挥出Ti与Nb的协同效应，加工性和焊接性特别良好。
本发明的不锈钢中，Ti和Nb的合计含量优选为0.21～0.7质量％、更优选为0.21～0.6质量％、进一步优选为0.3～0.6质量％、特别优选为0.4～0.6质量％。
本发明的不锈钢的含有元素如上所述，余量为Fe(铁)和不可避免的杂质。作为不可避免的杂质，可以举出O(氧)、N(氮)、P(磷)、S(硫)等。
另外，本发明的不锈钢除了含有上述元素以外，还可以进一步含有其他元素。
以下对可以含有的元素进行说明。
本发明的不锈钢可以含有0～0.030质量％的C(碳)。C的含量优选为0～0.020质量％。
本发明的不锈钢可以含有0.1～1.0质量％的Si(硅)。在含有Si的情况下，Si的含量优选为0.1～0.4质量％。
本发明的不锈钢可以利用一般的不锈钢制造工序制造。
对本发明的不锈钢的形状没有特别限定，在用于互连件或保持电池单元的基材的情况下，为了容易制作互连件或保持电池单元的基材，优选为例如板状。对板厚没有特别限定，可以适宜地设定，例如可以为0.05～3mm等。
[互连件]
本发明的互连件由上述本发明的不锈钢构成。具体地说，优选通过对上述不锈钢进行成型加工等来制作出。
作为互连件的形状，只要能够将固体氧化物型燃料电池的单电池单元间电连接就没有特别限定，可以为公知的互连件的形状中的任一种，例如可以举出平板型、圆筒型等。另外，在平板型的情况下，优选具有气体流路，例如可以举出在至少一侧表面上具有1个以上的槽的板(参照图1的互连件1)、至少一侧表面为波状的板、在至少一侧表面上具有1个以上的突起的板、多孔性的板等。
[保持电池单元的基材]
本发明的保持电池单元的基材由上述本发明的不锈钢构成。具体地说，优选通过对上述不锈钢进行成型加工等来制作。
作为保持电池单元的基材的形状没有特别限定，可以为公知的保持电池单元的基材的形状中的任一种，例如可以举出平板型等。
[固体氧化物型燃料电池]
本发明的固体氧化物型燃料电池是包含上述互连件或保持电池单元的基材的固体氧化物型燃料电池。
本发明的固体氧化物型燃料电池可以仅包含上述互连件和保持电池单元的基材中的一者，也可以包含这两者。
对于固体氧化物型燃料电池的除了上述互连件或保持电池单元的基材以外的部件没有特别限定，可以使用公知的部件。
使用附图对固体氧化物型燃料电池的一例更详细地进行说明。
图1所示的固体氧化物型燃料电池用电池单元C具备单电池单元3，该单电池单元3是在由氧化物离子电导性的固体氧化物的致密体构成的电解质膜30的一面侧接合空气极31、并且在电解质膜30的另一面侧接合燃料极32而成的。
此外，固体氧化物型燃料电池用电池单元C具有其单电池单元3被互连件1夹在中间而成的结构，该互连件1形成有用于对空气极31或燃料极32进行电子的授受并且供给空气和氢的槽2。并且，通过使空气极31与互连件1密合配置，空气极31侧的上述槽2起到作为用于向空气极31供给空气的空气流路2a的功能，另一方面，通过使燃料极32与互连件1密合配置，燃料极32侧的上述槽2起到作为用于向燃料极32供给氢的燃料流路2b的功能。
需要说明的是，作为空气极31的材料没有特别限定，例如可以利用将LaMo3(例如M＝Mn,Fe,Co)中的La的一部分用碱土金属AE(AE＝Sr,Ca)取代而成的(La,AE)MO3的钙钛矿型氧化物，作为上述燃料极32的材料，可以利用Ni与三氧化二钇稳定化氧化锆(YSZ)的金属陶瓷，此外，作为电解质膜30的材料，可以利用三氧化二钇稳定化氧化锆(YSZ)。
之后，在将2个以上的固体氧化物型燃料电池用电池单元C层积配置的状态下，利用2个以上的螺栓和螺母等沿层积方向施加挤压力来进行挟持，制成电池堆。
在该电池堆中，配置在层积方向的两端部的互连件1仅形成燃料流路2b或空气流路2a中的一者即可，其他的配置在中间的互连件1可以利用在一面形成燃料流路2b、在另一面形成空气流路2a的结构。
具有这样的电池堆结构的固体氧化物型燃料电池通常被称为平板型固体氧化物型燃料电池。在本实施方式中，作为一例，对平板型固体氧化物型燃料电池进行说明，但本发明也能够适用于其他结构的固体氧化物型燃料电池中。
之后，在具备这样的固体氧化物型燃料电池用电池单元C的固体氧化物型燃料电池工作时，藉由形成在与空气极31相邻的互连件1的空气流路2a供给空气，并且藉由形成在与燃料极32相邻的互连件1的燃料流路2b供给氢，在例如700℃左右的工作温度进行工作。之后，在空气极31中O2与电子e-反应生成O2-，该O2-通过电解质膜30而向燃料极32移动，在燃料极32中所供给的H2与该O2-反应生成H2O和e-，由此在一对互连件1之间产生电动势，能够将该电动势取出到外部进行利用。
实施例
以下举出实施例更具体地说明本发明，但本发明的范围并不限于以下的具体例。
(实施例1和比较例1)
通过冷轧制造下表1所示化学组成的不锈钢板(板厚0.5mm)。
[表1]
[评价]
使用所得到的不锈钢板通过以下方法进行评价。
<耐氧化性>
耐氧化性利用大气氧化和水蒸气氧化这两种进行评价。
大气氧化通过将不锈钢板在大气中于800℃进行10000小时热处理来进行。利用扫描型电子显微镜(SEM)对热处理后的不锈钢板的板厚方向的截面进行观察，测定氧化覆膜的膜厚。
水蒸气氧化通过将不锈钢板在100％水蒸气中于800℃进行10000小时热处理来进行。利用扫描型电子显微镜(SEM)对热处理后的不锈钢板的板厚方向的截面进行观察，测定氧化覆膜的膜厚。
<导电性>
在700℃的管状炉内通过4端子法测定面积电阻率。
<加工性>
加工性利用埃里克森杯突深度值和扩孔值这两种进行评价。
关于埃里克森杯突深度值，将固定于防皱压板与模具之间的不锈钢板(试验片)以一定速度夹紧，用球头冲头向上推动以形成凹痕，测定直至在凹痕处产生龟裂为止的高度(深度)，将该值作为埃里克森杯突深度值。埃里克森杯突深度值越高，成型性越优异。
扩孔值通过扩孔试验(JIS2256)进行测定。扩孔值越大，加工性越优异。
<高温强度>
高温强度利用700℃的拉伸强度和700℃的0.2％屈服强度这两种进行评价。
<Cr飞散性>
针对在800℃加热保持了500小时的18mm见方的不锈钢板供试材，对附着于与其相向的25mm见方板状试验片上的蒸镀物的Cr量进行SEM-EDS分析，由此测定出Cr的飞散量。
根据上述表2，与比较例1的不锈钢相比，实施例1的不锈钢的耐氧化性高，导电性高，加工性优异，高温强度高，Cr的飞散量少、Cr飞散性优选。因此，实施例1的不锈钢作为用于燃料电池的互连件或保持电池单元的基材的不锈钢是合适的。
另外，图2～7中示出了在改变不锈钢中的Mn、Mo、Al、Ti、Nb、Ti+Nb的含量的情况下的性能变化。
工业实用性
根据本发明，能够提供一种从耐氧化性、导电性、加工性、高温强度以及Cr飞散性的全部方面出发优异的不锈钢、由该不锈钢构成的燃料电池的互连件或保持电池单元的基材、以及包含该互连件或保持电池单元的基材的固体氧化物型燃料电池。
符号的说明
1：互连件
2：槽
2a：空气流路
2b：燃料流路
3：单电池单元
30：电解质膜
31：空气极
32：燃料极
C：固体氧化物型燃料电池用电池单元

Claims (4)

1.一种不锈钢，该不锈钢含有：
Cr：21质量％～23质量％、
Mn：0.2质量％～0.4质量％、
Mo：1.0质量％～2.0质量％、
Al：0.08质量％～2.0质量％、
Ti：0.01质量％～0.2质量％、
Nb：0.2质量％～0.5质量％，
余量由Fe和不可避免的杂质构成。
2.如权利要求1所述的不锈钢，其中，
该不锈钢进一步含有：
C：0～0.030质量％、
Si：0.1质量％～1.0质量％。
3.一种燃料电池的互连件或保持电池单元的基材，其由权利要求1或2所述的不锈钢构成。
4.一种固体氧化物型燃料电池，其包含权利要求3所述的互连件或保持电池单元的基材。
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