JP2007538157A - 耐熱鋼 - Google Patents

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Abstract

Ｃ：０wt％超、０．２wt％以下、Ｎ：０wt％超、０．１wt％以下、Ｏ：０wt％超、０．１wt％以下、Ｓｉ：０wt％超、０．４wt％以下、Ａｌ：０wt％超、０．５wt％未満、Ｍｎ：０wt％超、０．５wt％以下、Ｃｒ：２０〜２５wt％、Ｎｉ：０wt％超、２．０wt％以下、Ｚｒ＋Ｈｆ：０．００１〜０．１wt％、Ｔｉ：０wt％超、０．５wt％以下、Ｍｏ＋Ｗ：０wt％超、２．５wt％以下、Ｎｂ＋Ｔａ：０wt％超、１．２５wt％以下、Ｖ：０wt％超、０．５wt％以下、および残部：鉄および自然に生じる不純物、ただし不純物としてのＳ：０．０１０wt％以下から実質的に成る高温耐食性ステンレス鋼。この鋼は特に固体酸化物燃料電池のインタコネクトの製造に適している。

Description

本発明は、一般に、表面導電性が良好で下地鋼との密着性に優れた酸化スケールを高温で生成する鋼に関し、特に、固体酸化物燃料電池のインタコネクトまたはバイポーラプレートとしての使用、または、その他自動車やトラックの触媒コンバータのような高温用途に適したフェライト系クロム鋼に関する。
フェライト系クロム鋼は、例えば固体酸化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell:SOFC）のインタコネクト材料として、あるいはＡｌを添加して触媒コンバータ用材料として用いられている。フェライト系クロム鋼は、電解質材料として燃料電池に共通して用いられている電気活性セラミクス材料であるイットリウム安定化ジルコニア（Yttrium-Stabilized Zirconia：YSZ）の熱膨張係数（Thermal Expansion Coefficient：TEC）に非常に近い熱膨張係数を持つので、固体酸化物燃料電池用として非常に適している。このことは、例えばLinderoth et al.の"Investigation of Fe-Cr ferritic steels as SOFC interconnect material（固体酸化物燃料電池のインタコネクト材料としてのＦｅ−Ｃｒフェライト鋼の研究）", Mat. Res. Soc. Symp. Proc., vol. 575, (1999), pp. 325-330で検討されている。
インタコネクト用鋼材の表面に生成する酸化スケールは、温度サイクルによるスポーリング剥離やクラックが発生しない良好な密着性を備えていることが望ましい。また、酸化スケールは導電性が良好であること、かつ、燃料電池の寿命期間中に余り厚く成長しないことが必要である。酸化スケールが厚くなると電気抵抗が増加する。更に、酸化スケールは固体酸化物燃料電池の燃料として用いられるガスに対して化学的な耐性を持つこと、すなわちオキシ水酸化クロムのような金属含有揮発物質が生成しないことも必要である。オキシ水酸化クロムのような揮発性物質は固体酸化物燃料電池の電気活性セラミクス材料を汚染して、燃料電池の効率を低下させる。
市販のフェライト系クロム鋼を用いた場合の欠点は、合金元素として含有するアルミニウムおよび／またはシリコンが、固体酸化物燃料電池の作動温度でＡｌ２Ｏ３および／またはＳｉＯ２を形成することである。これら酸化物はいずれも電気抵抗の高い酸化物であり、電池の電気抵抗を増加させて燃料電池の効率を低下させる。
その対策として、酸化スケールの導電性を確保するために、低Ａｌ低Ｓｉのフェライト鋼が開発されている。開発された新たな鋼には通常は合金元素としてマンガンが添加されている。鋼にＭｎを添加すると、酸化スケール中に酸化クロム系スピネル構造の生成が誘起される。しかしＭｎは一般に鋼の耐食性に対する効果が少ないので、鋼中のＭｎ含有量が低レベルであるか注意深く監視することが望ましい。Ｍｎ含有量が高過ぎると、激しい高温腐食による厚い酸化スケールが生成する。
上記の新開発鋼は、Ｍｎ以外にも、合金元素として第III族元素すなわちＳｃ、Ｌａ、Ｙおよび／または他の希土類元素（ＲＥＭ）が添加されている。Ｌａ、ＹまたはＲＥＭは高温での材料寿命を延ばすために添加されている。Ｌａ、ＹおよびＲＥＭのような強力な酸化物形成元素は、Ｃｒ２Ｏ３酸化スケール中の酸素イオンの移動度を低下させるので酸化スケールの成長速度が低下すると言われている。ＲＥＭ含有量が高過ぎると製造プロセスが困難になったり、耐食性が低下したりするので、ＲＥＭ添加量は注意深く監視する必要がある。
アメリカ合衆国特許出願US2003/0059335に記載された鋼は、少量のＬａ（０．０１〜０．４wt％）を添加し、任意に少量のＹおよびＣｅ（０．１〜０．４wt％）を添加してある。
ヨーロッパ特許出願EP1298338A2に記載された鋼は、Ｙ（０．５wt％以下）またはＲＥＭ（０．２wt％以下）またはＬａ（０．００５〜０．１wt％）を添加してある。
アメリカ合衆国特許US6,294,131B1に記載された鋼はＲＥＭ（０．００５〜０．５wt％）を添加され、アメリカ合衆国特許出願US2002/0192468A1に記載された最終的な鋼は０．０１〜１．５wt％のイットリウム、希土類金属、およびこれらの酸化物を含有している。
上記引用した特許公報に記載されたものの他にも、固体酸化物燃料電池のインタコネクトに適用できる市販のフェライト鋼が何種類かある。そのうちの２種類は鋼種Ａおよび鋼種Ｂ（詳細は後出の実施例３を参照）であり、Ａは０．０４wt％のＬａを添加し、Ｂは最大０．２wt％のＬａを添加してある。上記公報および市販の鋼はいずれも、Ｙ、ＬａおよびＣｅのような希土類金属を少量添加されている。反応性の高い希土類金属を添加すると、本発明の鋼に比べて耐食性が低下する。
本発明の目的は、高温耐食性を高めた鋼を提供することである。本発明のもう一つの目的は、鋼表面の酸化スケールの密着性を高め且つ表面抵抗を低下させることである。本発明の更にもう一つの目的は、上記の優れた特性を得るのにＲＥＭや第III族元素の添加を必要とせず、その分、鋼の製造プロセスが簡潔に、低コストにすることである。更にもう一つの目的は、固体酸化物燃料電池のインタコネクトおよび／またはバイポーラプレートの作製に適した鋼を提供することである。更にもう一つの目的は、自動車用の触媒コンバータの作製に適した鋼を提供することである。
上記の目的および他の利点を達成するために、請求項１に基づいて鋼の種々の合金元素の含有量を注意深く監視する。特に、２０〜２５wt％のクロムを添加し、シリコン、アルミニウム、マンガンのような酸化物形成元素の含有量が低レベルであるかどうかを監視する。更に、Ｎｉ、Ｍｏ、および元素の周期律表の第IV族（チタン族）および第V族（バナジウム族）のような元素を添加する。本発明鋼は従来の製鋼プロセスで製造される。本発明鋼の最終製品としての形態は、ストリップ、フォイル、ワイヤ、チューブ、バー、更には粉末の形態であり得るが、望ましくはストリップまたはフォイルの形態である。
本発明鋼の一つの特徴として、９００℃までの耐熱性を持ち、生成した酸化スケールが過剰に成長しない。そのため、空気中または空気＋１％Ｈ２Ｏ混合雰囲気中にて８５０℃で１０００時間の酸化を行った場合、あるいは固体酸化物燃料電池に用いるガスに類似した環境中でにおいて、鋼の重量増加は１．５ｍｇ／ｃｍ２未満である。更にもう一つの特徴として、生成した酸化スケールがスポーリング剥離せず、鋼下地との密着性が良好である。
固体酸化物燃料電池のインタコネクトまたはバイポーラプレートとして使用可能なためには、燃料電池に用いるアノード材料または電解質材料の熱膨張から鋼の熱膨張が大きく離れないことが必要である。そのため、本発明鋼の熱膨張係数は温度範囲０〜９００℃において、１０〜１５×１０−６℃−１、望ましくは１１〜１４×１０−６℃−１、最も望ましくは１１．５〜１３×１０−６℃−１である。その結果、燃料電池の電気活性セラミクス材料と本発明鋼との熱膨張ミスマッチ（ＴＥＭ）は±２５％以下、望ましくは±２０％以下、最も望ましくは±１５％以下である。ここで熱膨張ミスマッチ（ＴＥＭ）は（ＴＥＣｓｓ−ＴＥＣｃｅ）／ＴＥＣｓｓで定義され、ＴＥＣｓｓは鋼の熱膨張、ＴＥＣｃｅはアノード支持された燃料電池に用いられる電気活性セラミクス材料の熱膨張である。
更にもう一つの重要な狙いは、本発明鋼の導電性が良好なことである。燃料電池のバイポーラプレートは集電部材として作用する。燃料電池の効率低下を回避するために、鋼の接触抵抗は燃料電池の使用寿命の全期間に亘ってできる限り低く維持される。固体酸化物燃料電池に組み込まれた状態で本発明鋼の面積比抵抗（ＡＳＲ）は低く維持される必要があり、かつ面積比抵抗の経時増加もできるだけ低く維持される必要がある。面積比抵抗の経時増加が大きいと、燃料電池の効率が低下する原因になる。
化学組成：本発明鋼の化学組成（wt％）は、
Ｃ ：０wt％超、０．２wt％以下、望ましくは０．００１wt％＜Ｃ≦０．２wt％、
Ｎ ：０wt％超、０．１wt％以下、望ましくは０．００１wt％＜Ｎ≦０．１wt％、
Ｏ ：０wt％超、０．１wt％以下、望ましくは０．００１wt％＜Ｏ≦０．１wt％、
Ｓｉ：０wt％超、０．４wt％以下、望ましくは０．０１wt％＜Ｓｉ≦０．４wt％、
Ａｌ：０wt％超、０．５wt％未満、望ましくは０．００１wt％＜Ａｌ＜０．５wt％、
Ｍｎ：０wt％超、０．５wt％以下、望ましくは０．０１wt％＜Ｍｎ≦０．５wt％、
Ｃｒ：２０〜２５wt％、
Ｎｉ：０wt％超、２．０wt％以下、望ましくは０．０１wt％≦Ｎｉ≦２．０wt％、
Ｚｒ＋Ｈｆ：０．００１〜０．１wt％、望ましくは０．００１wt％≦Ｚｒ＋Ｈｆ≦０．１wt％、
Ｔｉ：０wt％超、０．５wt％以下、望ましくは０．０１wt％≦Ｔｉ≦０．５wt％
Ｍｏ＋Ｗ：０wt％超、２．５wt％以下、望ましくは０．０１wt％≦Ｍｏ＋Ｗ≦２．５wt％、
Ｎｂ＋Ｔａ：０wt％超、１．２５wt％以下、望ましくは０．０１wt％≦Ｎｂ＋Ｔａ≦１．２５wt％、
Ｖ ：０wt％超、０．５wt％以下、望ましくは０．０１wt％≦Ｖ≦０．５wt％、および
残部：鉄および自然に生じる不純物、ただし不純物としてのＳ：０．０１０wt％以下
から実質的に成る。この鋼は通常の製鋼プロセスで製造される。
本発明鋼の一実施形態においては、化学組成（wt％）は、
Ｃ ：０wt％超、０．１wt％以下、望ましくは０．００１wt％＜Ｃ≦０．１wt％、
Ｎ ：０wt％超、０．１wt％以下、望ましくは０．００１wt％＜Ｎ≦０．１wt％、
Ｏ ：０wt％超、０．１wt％以下、望ましくは０．００１wt％＜Ｏ≦０．１wt％、
Ｓｉ：０wt％超、０．４wt％以下、望ましくは０．０１wt％＜Ｓｉ≦０．４wt％、
Ａｌ：０wt％超、０．４wt％未満、望ましくは０．００１wt％＜Ａｌ＜０．４wt％、
Ｍｎ：０wt％超、０．４wt％以下、望ましくは０．０１wt％＜Ｍｎ≦０．４wt％、
Ｃｒ：２０〜２５wt％、
Ｎｉ：０wt％超、１．０wt％以下、望ましくは０．０１wt％≦Ｎｉ≦１．０wt％、
Ｚｒ：０wt％超、０．１wt％以下、望ましくは０．００１wt％≦Ｚｒ≦０．１wt％、
Ｔｉ：０wt％超、０．５wt％以下、望ましくは０．００１wt％≦Ｔｉ≦０．４wt％、
Ｍｏ：０wt％超、２．５wt％以下、望ましくは０．０１wt％≦Ｍｏ≦２．５wt％、
Ｎｂ：０wt％超、１．２５wt％以下、望ましくは０．０１wt％≦Ｎｂ≦１．２５wt％
Ｖ ：０wt％超、０．１wt％以下、望ましくは０．０１wt％≦Ｖ≦０．１wt％、および
残部：鉄および自然に生じる不純物、ただし不純物としてのＳ：０．０１０wt％以下
から実質的に成る。この鋼は通常の製鋼プロセスで製造される。
高温耐食性： 本発明鋼は、９００℃までの温度で耐熱性を有し、酸化により生成した酸化スケールが厚く成長し過ぎない。表１に、種々の厚さの酸化クロムスケールについて、単位面積当たりの理論重量増加の計算値を示す。計算は、緻密で純粋なＣｒ２Ｏ３が鋼表面に生成すると仮定して行なった。Ｃｒ２Ｏ３は密度が５３００ｍｇ／ｃｍ３であり、Ｃｒ２Ｏ３中の酸素の割合は３１．６wt％である。これから、厚さ１μｍの純粋で緻密な酸化クロムスケールは単位面積当たり重量増加が０．１６ｍｇ／ｃｍ２であり、厚さ５μｍの酸化スケールは重量増加が０．８２ｍｇ／ｃｍ２である。
これら純粋なＣｒ２Ｏ３の生成の重量増加の値は、あくまで理論値である。実際にフェライト系クロム鋼を酸化させると、混合酸化物が生成し、重量増加は添加した合金元素に依存する。しかし、重量増加が大きくなると生成する酸化スケールが厚くなり、鋼の抵抗が増加するので、重量増加が小さいことが重要である。そのため、本発明鋼は空気中または空気＋１％Ｈ２Ｏ混合雰囲気中で８５０℃、１０００時間暴露したときの重量増加が１．５ｍｇ／ｃｍ２未満である。
もう一つの特徴として、生成した酸化スケールがスポーリング剥離せず、鋼下地との密着性が良好である。
熱膨張： 固体酸化物燃料電池のインタコネクトまたはバイポーラプレートとして使用可能であるためには、燃料電池に用いるアノード材料または電解質材料の熱膨張から鋼の熱膨張が大きく離れないことが必要である。そのため、本発明鋼の熱膨張係数は温度範囲０〜９００℃において、１０〜１５×１０−６℃−１、望ましくは１１〜１４×１０−６℃−１、最も望ましくは１１．５〜１３×１０−６℃−１である。また、燃料電池の電気活性セラミクス材料と本発明鋼との熱膨張ミスマッチ（ＴＥＭ）は±２５％以下、望ましくは±２０％以下、最も望ましくは±１５％以下である。
ここで熱膨張ミスマッチ（ＴＥＭ）は（ＴＥＣｓｓ−ＴＥＣｃｅ）／ＴＥＣｓｓで定義され、ＴＥＣｓｓは鋼の熱膨張、ＴＥＣｃｅは電気活性セラミクス材料の熱膨張である。本発明鋼の熱膨張は、ニッケルのような合金元素の含有量を注意深く監視することにより、電気活性セラミクス材料の熱膨張とマッチングさせることができる。
導電性： 本発明鋼は良好な導電性を有し、固体酸化物燃料電池に組み込んだ状態で、インタコネクトのアノード側およびカソード側の両方で、１０００時間後の面積比抵抗（ＡＳＲ）が５０ｍΩｃｍ２未満、望ましくは２５ｍΩｃｍ２未満である。更に、インタコネクトのアノード側およびカソード側の両方で、面積比抵抗の１０００時間当り増加分は１０ｍΩｃｍ２以下であり、望ましくは５ｍΩｃｍ２以下である。これにより、４００００時間に達すると見込まれる燃料電池の使用寿命の全期間に亘って燃料電池の効率を良好に確保できる。
以下に、本発明鋼の望ましい形態を詳細に説明する。本発明鋼は、通常の冶金製鋼処理により規定の化学組成で製造される。具体例は以下の実施例に示す。得られた鋼は熱間圧延により中間サイズにした後、多数回の再結晶焼鈍工程を含む数工程の冷間圧延を行なって、通常は３ｍｍ以下の最終個別厚さ、最大幅４００ｍｍにする。ディラトメータ（膨張計）により本発明鋼の線熱膨張を測定したところ、温度範囲３０〜９００℃で１２．３×１０−６℃−１であった。
〔実施例１〕
Ｃ：０．２wt％以下、Ｎ：０．１wt％以下、Ｏ：０．１wt％以下、Ｓｉ：０．４wt％以下、Ａｌ：０．５wt％以下、Ｍｎ：０．５wt％以下、Ｃｒ：２０〜２５wt％、Ｎｉ：２．０wt％以下、Ｚｒ＋Ｈｆ：０．００１〜０．１wt％、Ｔｉ：０．５wt％以下、Ｍｏ＋Ｗ：２．５wt％以下、Ｖ：０．５wt％以下、Ｎｂ＋Ｔａ：１．２５wt％以下、および残部：Ｆｅ（自然に生ずる不純物を伴う）である公称組成で厚さ０．２ｍｍの鋼ストリップを、通常の製鋼プロセスと、厚さを４ｍｍ未満にまで圧下する熱間圧延を行なって製造した。ただし、熱間圧延後に多数回の再結晶焼鈍工程を含む数工程の冷間圧延により最終厚さ０．２ｍｍまで圧下した。比較例として他の４鋼種も同様の方法で製造した。これら比較例の４鋼種について、化学組成およびサンドビック鋼種ナンバーを表２に示す。
上記５鋼種のストリップから７０×３０×０．２ｍｍの試験片を採取し、それぞれ８５０℃にて３３６時間、６７２時間、１００８時間の酸化を行なった。図１に、これら５鋼種について単位面積当たりの重量増加を時間に対してプロットして示す。図１に示したように、本発明鋼（実施例１）は１０００時間当りの重量増加が１．１ｍｇ／ｃｍ２未満であり、高温耐食性が優れ、生成した酸化スケールの成長速度が小さいことが分かる。これに対して、Ｍｎ含有量０．５wt％であり希土類金属としてＣｅを添加した比較例の鋼（サンドビック鋼種No.４３３、４３６、４３７）はいずれも、１０００時間当りの重量増加が１．８ｍｇ／ｃｍ２を超えており、また、Ｍｎ含有量５wt％の比較例の鋼（サンドビック鋼種No.４３４）は１０００時間当りの重量増加がほぼ５ｍｇ／ｃｍ２に達している。Ｍｎ含有量５wt％の鋼（サンドビック鋼種No.４３４）の重量増加が著しく大きいことから、高温腐食を回避するために、鋼のＭｎ含有量を十分に監視することが重要であることが分かる。これから得られる一つの結論は、高温耐食性を十分に確保する場合には、鋼中のＭｎ含有量を注意深く監視すること、そして合金元素としてのＭｎは少なくすることが望ましいことである。
図２に、実施例１の本発明鋼を空気中で８５０℃にて３３６時間酸化した際に生成した酸化スケールの断面の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を示す。図２から、生成した酸化スケールは鋼下地に良く密着しており、厚さが３μｍ未満であることが分かる。空気中８５０℃３３６時間で生成した酸化スケールの化学組成をグロー放電光学発光分析（ＧＤＯＥＳ）により求めた。図３に、生成した酸化スケールのＧＤＯＥＳによる深さ方向プロファイルを示す。種々の元素から種々の酸化スケールが生成しているはずである。図３において、生成酸化スケール中のＭｎ濃度は表面で約１２wt％まで増加していることが分かる。この高Ｍｎ酸化スケールの厚さは約０．５μｍであり、その下に厚さ２．４μｍ程度以下の比較的高Ｃｒの酸化スケールがある。表面の最表層に高Ｍｎ酸化スケールが生成していることは重要である。それは、ＭｎＣｒ２Ｏ３のような３元クロム酸化物がオキシ水酸化クロムのような揮発性クロム基物質の生成を低減すると考えられるからである。酸化スケール中のＴｉ濃度が約０．４wt％であることも分かる。最後に、鋼と酸化スケールとの界面に、酸化シリコンの領域が生成していることが分かる。酸化シリコンの生成はできるだけ少なく抑えるべきだが、鋼が合金元素または不純物としてマトリクス中にＳｉを含む場合には不可避である。しかし、鋼界面での絶縁性の酸化シリコンの生成が連続層ではなく島状であるかぎり、燃料電池の性能上には実質的な影響がない。酸化試験片のＸ線回折結果によると、スケール中の酸化物にはスピネル構造（ＭＣｒ２Ｏ３）とコランダム構造（Ｍ２Ｏ３）のものが認められた。
〔実施例２〕
本発明鋼の実施例として、最終鋼ストリップの試験片（約３０×４０×０．０５７ｍｍ）を空気中、７５０℃および８５０℃にてそれぞれ５００時間および１０００時間酸化させた。表３に、４種類の酸化の結果をサンプルの実測初期寸法と併せて示す。７５０℃の結果では、単位面積当たりの重量増加は非常に少なく、酸化５００時間で０．２ｍｇ／ｃｍ２未満であり、１０００時間でも余り増加しない。１０００時間でもまだ０．３ｍｇ／ｃｍ２未満である。８５０℃で酸化した２つのサンプルは、単位面積当たりの重量増加は上記よりは大きいがそれでも１．１ｍｇ／ｃｍ２未満であり、実施例１において酸化した厚い（０．２ｍｍ）サンプルの結果と同等であった。
実施例１、２で観察された少ない重量増加を、公表されている市販鋼および他の試験溶解鋼の重量増加の値と比較する。表４に、種々の鋼種の文献値および今回の試験結果をまとめて本発明鋼の実施例と比較して示す。表４から、本発明鋼の実施例の重量増加は、市販鋼と比べて少ない。例えば、市販鋼ＺＭＧ２３２は空気中、８５０℃、１００時間の暴露で既に重量増加が約０．５ｍｇ／ｃｍ２である。同じ鋼を空気＋１％Ｈ２Ｏ混合雰囲気、８５０℃で、６７０時間暴露しただけで重量増加が１．５４ｍｇ／ｃｍ２と大きくなっている。
〔実施例３〕
本発明鋼の実施例と、実施例１の試験溶解４鋼種（サンドビック鋼種No.４３３、４３４、４３６、４３７）、更にサンドビック０Ｃ４４鋼を、固体酸化物燃料電池のインタコネクト用の市販鋼２鋼種（Ａ鋼、Ｂ鋼）と一緒に、空気＋１％Ｈ２Ｏの混合雰囲気中で８５０℃、５００時間酸化した。図４に、これらの鋼について、空気＋１％Ｈ２Ｏの混合雰囲気中、８５０℃での酸化後の重量増加を示す。図４に示すように、本発明鋼の実施例はサンドビック試験溶解鋼に比べて重量増加が非常に少なく、市販鋼２鋼種と比べても非常に少ない。ここで、重量増加が少ないことは高温耐食性が優れていることと同義である。２番目に重量増加が少ないのはサンドビック０Ｃ４４鋼であり、その公称組成はＣ：０．０１８wt％以下、Ｎ：０．０２５wt％以下、Ｓｉ：０．５wt％以下、Ｍｎ：０．３５wt％以下、Ｃｒ：２１．１〜２１．８wt％、Ｎｉ：０．３wt％以下、Ｐ：０．０２wt％以下、Ｓ：０．００７wt％以下、Ｍｏ：０．１５wt％以下、Ｔｉ：０．０１０wt％以下、Ｎｂ：０．０１wt％以下、Ｃｅ：０．０３wt％以下、Ｍｇ：０．０１５wt％以下、および残部：Ｆｅ（自然に発生する不純物を伴う）である。実施例１に示したように、高Ｍｎのサンドビック鋼種No.４３４は最も重量増加が多く、５００時間の暴露でほぼ３ｍｇ／ｃｍ２であった。２番目に重量増加が多いのは市販鋼Ｂであり、組成はＣ：０．０２wt％、Ｓｉ：０．４０wt％、Ｍｎ：０．５０wt％、Ｎｉ：０．２６wt％、Ｃｒ：２１．９７wt％、Ａｌ：０．２１wt％、Ｚｒ：０．２２wt％、Ｌａ：０．０４wt％、および残部：Ｆｅであり、参考文献"Development of Ferritic Fe-Cr Alloy for SOFC separator（固体酸化物燃料電池セパレータ用Ｆｅ−Ｃｒフェライト鋼の開発）", T. Uehara, T. Ohno & A. Toji, Proceedings Fifth European Solid Oxide Fuel Cell Forum, Lucerne, Switzerland, edited by J. Huijsmans (2002) p. 281によると５００時間の暴露でほぼ２．５ｍｇ／ｃｍ２である。他のサンドビック３鋼種すなわち鋼種No.４３３、４３６、４３７はＭｎ含有量が僅か０．５wt％であり、市販鋼Ａは公称組成がＣｒ：２１．０〜２４．０wt％、Ｃ：０．０３wt％以下、Ｍｎ：０．８wt％以下、Ｓｉ：０．５wt％以下、Ｃｕ：０．５wt％以下、Ｔｉ：０．２５wt％以下、Ｐ：０．０５wt％以下、Ｌａ：０．２wt％以下、および残部：Ｆｅであり、いずれも重量増加が１ｍｇ／ｃｍ２未満であるが、本発明鋼の実施例やサンドビックの０Ｃ４４鋼よりは大幅に多い。
〔実施例４〕
上記実施例１〜３では、本発明鋼の実施例が高温耐食性に優れていることを示した。本実施例では、本発明鋼が電気抵抗が低いことを具体的に示す。７５０℃×２９００時間、ただし開始時の温度ピーク８５０℃×１０時間の条件で接触抵抗を測定した。開始時点での接触荷重は１ｋｇ／ｃｍ２、接触面積は０．５ｃｍ２であった。面積比抵抗（ＡＳＲ）の実測値は、開始時点すなわち８５０℃ピーク温度後で１５ｍΩｃｍ２であり、２９００時間（温度サイクル６回を含む）後には２５ｍΩｃｍ２未満にまで増加した。面積比抵抗の経時増加は１０００時間当り５ｍΩｃｍ２未満であった。これを直線的に外挿すると、４００００時間暴露後の接触の面積比抵抗は２００ｍΩｃｍ２未満となる。燃料電池の使用寿命の全期間に亘って面積比抵抗が低いことは、燃料電池の効率にとって重要である。更に、アノードガス環境下すなわちＡｒ＋９％Ｈ２、７５０℃の環境下での接触抵抗を試験したところ、面積比抵抗は更に低くて、６００時間の暴露後で１０ｍΩｃｍ２より大幅に低かった。面積比抵抗の経時増加は非常に低くて、１０００時間当り２ｍΩｃｍ２未満であった。これを直線的に外挿すると、４００００時間暴露後の接触の面積比抵抗は２００ｍΩｃｍ２より大幅に低く、更に１００ｍΩｃｍ２よりも低くなる。これに対する比較例としては、市販鋼ＺＭＧ２３２の空気中、７５０℃、１０００時間暴露後の接触抵抗で約２６ｍΩｃｍ２であるとの報告が"Development of Ferritic Fe-Cr Alloy for SOFC separator（固体酸化物燃料電池セパレータ用Ｆｅ−Ｃｒフェライト鋼の開発）", T. Uehara, T. Ohno & A. Toji, Proceedings Fifth European Solid Oxide Fuel Cell Forum, Lucerne, Switzerland, edited by J. Huijsmans (2002) p. 281になされている。
Figure 2007538157
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以上、本発明の望ましい実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されること無く、特許請求の範囲から逸脱しない範囲で付加、削除、改変、置換が可能である。
図１は、本発明鋼の実施例と、比較例としての４鋼種（サンドビック鋼種４３３、４３４、４３６、４３７）とをそれぞれ空気中で３３６時間、６７２時間、１００８時間酸化したときの単位面積当たり重量増加を時間に対してプロットして示す。 図２は、空気中で８５０℃、３３６時間酸化した本発明鋼の実施例の表面に生成した酸化スケールのＳＥＭによる断面写真である。 図３は、空気中で８５０℃、３３６時間酸化した本発明鋼の実施例の表面に生成した酸化スケールのグロー放電光学発光分析（Glow Discharge Optical Emission Spectroscopy: GDOES）による深さ方向プロファイルを示す。 図４は、本発明鋼の実施例と、比較例としての４鋼種（サンドビック鋼種４３３、４３４、４３６、４３７）とを含む８種類の鋼種について、空気＋１％Ｈ２Ｏ混合雰囲気中で８５０℃、５００時間酸化したときの単位面積当たり重量増加を示す。

Claims (11)

  1. Ｃ ：０wt％超、０．２wt％以下、
    Ｎ ：０wt％超、０．１wt％以下、
    Ｏ ：０wt％超、０．１wt％以下、
    Ｓｉ：０wt％超、０．４wt％以下、
    Ａｌ：０wt％超、０．５wt％未満、
    Ｍｎ：０wt％超、０．５wt％以下、
    Ｃｒ：２０〜２５wt％、
    Ｎｉ：０wt％超、２．０wt％以下、
    Ｚｒ＋Ｈｆ：０．００１〜０．１wt％、
    Ｔｉ：０wt％超、０．５wt％以下、
    Ｍｏ＋Ｗ：０wt％超、２．５wt％以下、
    Ｎｂ＋Ｔａ：０wt％超、１．２５wt％以下、
    Ｖ ：０wt％超、０．５wt％以下、および
    残部：鉄および自然に生じる不純物、ただし不純物としてのＳ：０．０１０wt％以下
    から実質的に成る高温耐食性ステンレス鋼。
  2. Ｃ ：０wt％超、０．１wt％以下、
    Ｎ ：０wt％超、０．１wt％以下、
    Ｏ ：０wt％超、０．１wt％以下、
    Ｓｉ：０wt％超、０．４wt％以下、
    Ａｌ：０wt％超、０．４wt％未満、
    Ｍｎ：０wt％超、０．４wt％以下、
    Ｃｒ：２０〜２５wt％、
    Ｎｉ：０wt％超、１．０wt％以下、
    Ｚｒ：０．００１〜０．１wt％、
    Ｔｉ：０wt％超、０．４wt％以下、
    Ｍｏ：０wt％超、２．５wt％以下、
    Ｎｂ：０wt％超、１．２５wt％以下、
    Ｖ ：０wt％超、０．１wt％以下、および
    残部：鉄および自然に生じる不純物、ただし不純物としてのＳ：０．０１０wt％以下
    から実質的に成る高温耐食性ステンレス鋼。
  3. 請求項１または２において、空気または空気＋１％Ｈ２Ｏの雰囲気中で８５０℃×１０００時間の酸化による重量増が１．５ｍｇ／ｃｍ２未満であり、酸化スケールのスポーリングが発生しないことを特徴とするステンレス鋼。
  4. 請求項１から３までのいずれか１項において、温度範囲３０〜９００℃における線熱膨張係数が１１．５×１０−６℃−１より大、１３．０×１０−６℃−１より小であることを特徴とするステンレス鋼。
  5. 請求項１から４までのいずれか１項において、固体酸化物燃料電池の電気活性セラミクス材料との熱膨張係数のミスマッチ（ＴＥＭ）が±１５％未満であることを特徴とするステンレス鋼。
  6. 請求項１から６までのいずれか１項において、固体酸化物燃料電池のインタコネクトまたはバイポーラプレート材料としての使用に適していることを特徴とするステンレス鋼。
  7. 請求項１または２において、自動車用触媒コンバータとしての使用に適していることを特徴とするステンレス鋼。
  8. 請求項１から７までのいずれか１項において、固体酸化物燃料電池のアノード側およびカソード側の両方で１０００時間後の面積比抵抗が５０ｍΩｃｍ２未満であることを特徴とするステンレス鋼。
  9. 請求項８において、１０００時間当りの面積比抵抗の増加が１０ｍΩｃｍ２以下であることを特徴とするステンレス鋼。
  10. 請求項１または２に記載のステンレス鋼を用いた固体酸化物燃料電池。
  11. 請求項１または２に記載のステンレス鋼を用いた自動車用触媒コンバータ。
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