JP2018131643A - Separator excellent in heat resistance for solid oxide type fuel cell and fuel cell using the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a separator for a solid oxide type fuel cell which maintains excellent oxidation resistance and electrical conduction property under a long period high temperature oxidation environment without involving increase in material cost and impairment of versatility, and in which surface damage caused by heat stress is suppressed, and a fuel cell using the separator for a solid oxide type fuel cell.SOLUTION: Structure having an austenite phase composed of an austenite grain having an average particle size of 1-10 μm is formed on at least one surface of a ferritic stainless steel containing, by mass%, C: 0.030% or less, Si: 1.0% or less, Mn: 1.0% or less, P: 0.045% or less, S: 0.0050% or less Cr: 19.0-25.0%, Mo: 0.2-2.0% or less, N: 0.040% or less, Al: 0.50% or less, Nb: 0.001-0.5% and/or Ti: 0.001-0.5%, and the balance Fe with inevitable impurities. The Co concentration of the austenite phase may be 10-95 mass%, and the balance Ni, Fe, Cr with inevitable impurities.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、長期の高温酸化環境において優れた耐酸化性と電気伝導性を持続するとともに、熱応力に伴う表面損傷を抑止した固体酸化物形燃料電池用セパレータならびにその周辺の高温部材と、これらを利用した固体酸化物形燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell separator that maintains excellent oxidation resistance and electrical conductivity in a long-term high-temperature oxidation environment, and suppresses surface damage caused by thermal stress, and the surrounding high-temperature members, and these The present invention relates to a solid oxide fuel cell using

近年、石油を代表とする化石燃料の枯渇化、CO2排出による地球温暖化現象等の問題から、従来の発電システムに替わる新しいシステムの普及が加速している。その1つとして、分散電源,自動車の動力源としても実用的価値が高い「燃料電池」が注目されている。燃料電池にはいくつかの種類があるが、その中でも固体酸化物形燃料電池(以下、SOFC)はエネルギー効率が高く、将来の普及拡大が有望視されている。 In recent years, the spread of new systems replacing conventional power generation systems is accelerating due to problems such as the depletion of fossil fuels represented by petroleum and global warming due to CO 2 emissions. As one of them, “fuel cell”, which has high practical value as a distributed power source and a power source for automobiles, is attracting attention. There are several types of fuel cells. Among them, solid oxide fuel cells (hereinafter referred to as SOFC) have high energy efficiency, and are expected to be widely used in the future.

SOFCの作動温度は、近年、固体電解質膜の改良により600〜900℃で作動するSOFCシステムが主流となっている。この温度域になると、高価で加工性の悪いセラミックスから安価で加工性の良好な金属材料のセパレータが適応可能になる。   In recent years, SOFC systems operating at 600 to 900 ° C. have become mainstream due to improvements in solid electrolyte membranes. In this temperature range, an inexpensive and poorly workable ceramic material to a cheap and good workable metal material separator can be applied.

燃料電池用セパレータに求められる特性は、先ず、600〜900℃の温度域で優れた「耐酸化性」と「電気伝導性」を有していること、次に、セラミックス系の固体酸化物と同程度の「熱膨張係数」を有することである。例えば、従来、特許文献1〜3において、耐酸化性と電気伝導性を兼備したSOFC用鋼が開示されている。これらSOFC用鋼は、(Y,REM(希土類元素),Zr)のグル−プから選ばれる1種または2種以上を含むことを特徴とする高Crタイプのフェライト系ステンレス鋼である。   The characteristics required for a fuel cell separator are that it first has excellent “oxidation resistance” and “electric conductivity” in a temperature range of 600 to 900 ° C. Next, a ceramic solid oxide and It has the same “thermal expansion coefficient”. For example, conventionally, Patent Documents 1 to 3 disclose steels for SOFC having both oxidation resistance and electrical conductivity. These SOFC steels are high Cr type ferritic stainless steels containing one or more selected from the group of (Y, REM (rare earth elements), Zr).

但し、上述したステンレス鋼の無垢材をセパレータに使用した場合、SOFCの運転中にCr濃度の高い酸化物を生成して、接触部の電気抵抗が増大し、発電損失を生じる。また、空気極材料のクロム被毒の問題から、実用上、特許文献4のように、SOFC用鋼の表面にMnCoのスピネル系酸化物をクロム被毒防止コーティングとして施す必要がある。
MnCo系スピネル酸化物をコーティングとして使用する場合、酸化物紛体の焼結工程を必要とし、1000℃で高温焼成するため、母材が酸化に対してもたないという問題が生じる。焼結温度を下げるため、Liなどの焼結助剤を添加する方法もあるが、収縮によるコーティングの割れや焼結助剤の母材への影響が懸念される。ここで、MnCo系スピネル酸化物とは、MnCo24に代表されるような材料をいう。
However, when the above-described solid stainless steel material is used for the separator, an oxide having a high Cr concentration is generated during the operation of the SOFC, the electrical resistance of the contact portion is increased, and power generation loss occurs. Further, due to the problem of chromium poisoning of the air electrode material, it is necessary to practically apply a spinel oxide of MnCo as a chromium poisoning prevention coating on the surface of the SOFC steel as in Patent Document 4.
When MnCo-based spinel oxide is used as a coating, a sintering step of the oxide powder is required, and since it is fired at a high temperature at 1000 ° C., there arises a problem that the base material is not resistant to oxidation. In order to lower the sintering temperature, there is a method of adding a sintering aid such as Li, but there are concerns about the cracking of the coating due to shrinkage and the influence of the sintering aid on the base material. Here, the MnCo-based spinel oxide refers to a material typified by MnCo 2 O 4 .

他方、特許文献5では、高価な希土類元素の添加に頼らず、電気伝導性、耐酸化性に優れクロム被毒を抑制したSOFC用セパレータ材も開示されている。これらセパレータ材は、Cr:11〜40質量%のフェライト系ステンレス鋼を基材とし、膜厚:0.05〜100μm、Ti濃度:40原子%以上のTiN被覆層が基材表面に形成されていることを特徴としている。また、特許文献6のように、セパレータ材料の電気伝導性および耐酸化性の向上を目的とした技術も検討されている。セパレータ材料の被覆にAgを使用し、材料表面の酸化の防止および電気伝導性の確保を狙いとしている。最近、クロムを含むフェライト系ステンレス鋼で形成されたインターコネクト構造体の表面に、オーステナイト相からなる拡散障壁層を形成させたインターコネクト構造体、並びにデバイス及び方法が開示されている。これら技術は表面にクロムの拡散速度が低いオーステナイト相を形成して、厚い酸化クロム層の形成を最小限に抑えることを指向している。   On the other hand, Patent Document 5 discloses a SOFC separator material that is excellent in electric conductivity and oxidation resistance and suppresses chromium poisoning without depending on the addition of expensive rare earth elements. These separator materials have Cr: 11 to 40% by mass of ferritic stainless steel as a base material, and a TiN coating layer having a film thickness of 0.05 to 100 μm and a Ti concentration of 40 atomic% or more is formed on the surface of the base material. It is characterized by being. In addition, as in Patent Document 6, a technique for improving the electrical conductivity and oxidation resistance of a separator material has been studied. Ag is used for the coating of the separator material, and the aim is to prevent oxidation of the material surface and to ensure electrical conductivity. Recently, an interconnect structure, a device and a method have been disclosed in which a diffusion barrier layer made of an austenite phase is formed on the surface of an interconnect structure formed of ferritic stainless steel containing chromium. These techniques are directed to minimizing the formation of a thick chromium oxide layer by forming an austenite phase with a low chromium diffusion rate on the surface.

特許第4310723号公報Japanese Patent No. 4310723 特許第4737600号公報Japanese Patent No. 4737600 特許第4385328号公報Japanese Patent No. 4385328 特許第5283896号公報Japanese Patent No. 5283896 特許第4756905号公報Japanese Patent No. 4756905 特許第5417935号公報Japanese Patent No. 5417935 特開2010−3689号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-3629

MnCo系スピネル酸化物をコーティングする特許文献4の技術は、特許文献1〜3に開示された高価な希土類元素を添加したステンレス鋼を使用するため、普及拡大の視点から、材料コストと汎用性に課題がある。
TiNを被覆する特許文献5の技術は、基材のフェライト系ステンレス鋼(例えば22Cr鋼)と比較して、高温での熱膨張係数が一桁程度小さいことに加えて極めて硬質であり、耐久性の視点から起動停止の熱応力に伴う剥離やミクロ的な表面の損傷が懸念される。
Ag被覆する特許文献6の技術は、Agの長時間使用における耐熱性、および材料コストの課題がある。
オーステナイト相を表面に形成する特許文献6の技術については、基材のフェライト系ステンレス鋼の成分や、発電時の表面構造に関する具体的な記述や開示がない。
前記した通り、従来、SOFC用セパレータとしては、高Crタイプのフェライト系ステンレス鋼において、(1)高価な希土類元素(Y,REM,Zr等)を添加してMnCo系のスピネル型酸化物のコーティングを施す、(2)TiN被覆層やAg被覆を施して耐酸化性と電気伝導性の改善を図っている。前者のセパレータは、SOFC普及拡大の視点から材料コストと汎用性に課題がある。後者の場合、長期の高温酸化環境下における耐酸化性や耐熱性、電気伝導性ならびに熱応力に伴う表面損傷については不明である。
Since the technology of Patent Document 4 for coating the MnCo-based spinel oxide uses stainless steel added with expensive rare earth elements disclosed in Patent Documents 1 to 3, the material cost and versatility are reduced from the viewpoint of widespread use. There are challenges.
The technology of Patent Document 5 that coats TiN is extremely hard and durable in addition to the thermal expansion coefficient at a high temperature that is about an order of magnitude smaller than that of ferritic stainless steel (for example, 22Cr steel) as a base material. From this point of view, there are concerns about delamination and microscopic surface damage due to thermal stress at start and stop.
The technique of Patent Document 6 that coats Ag has problems of heat resistance and material cost when Ag is used for a long time.
Regarding the technique of Patent Document 6 for forming an austenite phase on the surface, there is no specific description or disclosure relating to the components of the ferritic stainless steel of the base material or the surface structure during power generation.
As described above, conventionally, as a separator for SOFC, in a high Cr type ferritic stainless steel, (1) an expensive rare earth element (Y, REM, Zr, etc.) is added to coat a MnCo based spinel type oxide. (2) A TiN coating layer or an Ag coating is applied to improve oxidation resistance and electrical conductivity. The former separator has problems in material cost and versatility from the viewpoint of widespread use of SOFC. In the latter case, it is unknown about oxidation resistance, heat resistance, electrical conductivity and surface damage due to thermal stress in a long-term high-temperature oxidation environment.

以上に述べた通り、材料のコスト上昇や汎用性を損なうことなく、長期の高温酸化環境下において、優れた耐酸化性と電気伝導性を持続して、熱応力に伴う表面損傷を抑止したSOFC用セパレータについては未だ出現していないのが現状である。   As described above, the SOFC maintains excellent oxidation resistance and electrical conductivity in a long-term high-temperature oxidation environment and suppresses surface damage due to thermal stress without sacrificing material cost or versatility. At present, no separator has appeared.

本発明は、上述した課題を解消すべく案出されたものであり、高価な希土類元素の添加や、MnCo系のスピネル型酸化物のコーティングに頼ることなく、長期の高温酸化環境下において、優れた耐酸化性と電気伝導性を持続して、熱応力に伴う表面損傷を抑止したSOFC用セパレータを提供するものである。   The present invention has been devised to solve the above-mentioned problems, and is excellent in a long-term high-temperature oxidation environment without relying on the addition of expensive rare earth elements or the coating of a MnCo-based spinel oxide. The present invention provides a SOFC separator that maintains high oxidation resistance and electrical conductivity and suppresses surface damage caused by thermal stress.

本発明の要旨は、以下に記載するとおりのものである。
(1)質量%にて、C:0.030%以下、Si:1.0%以下、Mn:1.0%以下、P:0.045%以下、S:0.0050%以下、Cr:19.0〜25.0%、Mo:0.2〜2.0%、N:0.040%以下、Al:0.50%以下、Nb:0.001〜0.5%及び/又はTi:0.001〜0.5%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなるフェライト系ステンレス鋼を基材とし、前記ステンレス基材の少なくとも一方の表面上に平均粒径1〜10μmのオーステナイト相を有する組織が形成されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池用セパレータ。
(2)前記組織のオーステナイト相のCo濃度が10〜95質量%、残部がNi、Fe、Cr及び不可避的不純物からなる(1)に記載する固体酸化物形燃料電池用セパレータ。
(3)前記オーステナイト相を形成するオーステナイト粒のアスペクト比(板幅方向/板厚方向)の平均値が0.1〜0.9である(1)又は(2)に記載する固体酸化物形燃料電池用セパレータ。
(4)基材が、さらに質量%にて、V:0.5%以下、Sn:0.3%以下、Sb:0.3%以下、Ni:1%以下、Cu:1%以下、W:1%以下、Co:1%以下、B:0.010%以下、Ga:0.010%以下、Mg:0.010%以下、Ca:0.010%以下、Zr:0.1%以下、La:0.1%以下、Y:0.1%以下、REM:0.1%以下、Ta:0.1%以下の1種または2種以上を含有していることを特徴とする(1)から(3)の何れかに記載する固体酸化物形燃料電池用セパレータ。
(5)発電要素を複数積層して構成される燃料電池であって、前記発電要素は、一方の主面にアノード、他方の主面にカソードが接続された板状のセルと、前記アノードならびに前記カソードに各々電気的に接続するように積層されるセパレータとを備え、前記セパレータの少なくとも一部に、(1)ないし(4)の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池用セパレータを用いた、燃料電池。
The gist of the present invention is as described below.
(1) In mass%, C: 0.030% or less, Si: 1.0% or less, Mn: 1.0% or less, P: 0.045% or less, S: 0.0050% or less, Cr: 19.0-25.0%, Mo: 0.2-2.0%, N: 0.040% or less, Al: 0.50% or less, Nb: 0.001-0.5% and / or Ti : Austenite containing 0.001 to 0.5%, the balance being ferritic stainless steel made of Fe and inevitable impurities, and having an average particle size of 1 to 10 μm on at least one surface of the stainless steel substrate A separator for a solid oxide fuel cell, wherein a structure having a phase is formed.
(2) The solid oxide fuel cell separator according to (1), wherein the Co concentration of the austenite phase of the structure is 10 to 95% by mass, and the balance is Ni, Fe, Cr, and inevitable impurities.
(3) The solid oxide form described in (1) or (2), wherein the average value of the aspect ratio (plate width direction / plate thickness direction) of the austenite grains forming the austenite phase is 0.1 to 0.9. Fuel cell separator.
(4) The base material is further mass%, V: 0.5% or less, Sn: 0.3% or less, Sb: 0.3% or less, Ni: 1% or less, Cu: 1% or less, W : 1% or less, Co: 1% or less, B: 0.010% or less, Ga: 0.010% or less, Mg: 0.010% or less, Ca: 0.010% or less, Zr: 0.1% or less , La: 0.1% or less, Y: 0.1% or less, REM: 0.1% or less, Ta: 0.1% or less. A separator for a solid oxide fuel cell according to any one of 1) to (3).
(5) A fuel cell configured by laminating a plurality of power generation elements, wherein the power generation element includes a plate-shaped cell in which an anode is connected to one main surface and a cathode is connected to the other main surface; And a separator laminated so as to be electrically connected to the cathode, and the separator for a solid oxide fuel cell according to any one of (1) to (4) is used for at least a part of the separator. Was a fuel cell.

以下、上記(1)、(2)、(3)、(4)のセパレータに係わる発明をそれぞれ本発明という。また、(1)〜(5)の発明を合わせて、本発明ということがある。   Hereinafter, the inventions related to the separators (1), (2), (3), and (4) are referred to as the present invention. The inventions (1) to (5) may be collectively referred to as the present invention.

本発明によれば、高価な希土類元素の添加や、MnCo系のスピネル型酸化物のコーティングに頼ることなく、長期の高温酸化環境下において、優れた耐酸化性と電気伝導性を持続して、熱応力に伴う表面損傷を抑止したSOFC用セパレータと、これを利用した固体酸化物形燃料電池を得ることができる。   According to the present invention, without depending on the addition of expensive rare earth elements or coating of MnCo-based spinel type oxides, excellent oxidation resistance and electrical conductivity can be maintained in a long-term high-temperature oxidation environment, It is possible to obtain a SOFC separator that suppresses surface damage due to thermal stress and a solid oxide fuel cell using the same.

発電ユニットの分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of a power generation unit. セパレータの分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of a separator. 基材表面に形成したオーステナイト相を有する組織のEBSD測定結果例を示す図である。It is a figure which shows the example of an EBSD measurement result of the structure | tissue which has the austenite phase formed in the base-material surface. 発電評価試験の測定結果例であって、電圧低下率と時間の関係を示す図である。It is an example of a measurement result of a power generation evaluation test, and is a diagram showing a relationship between a voltage drop rate and time.

本発明者らは、前記した課題を解決するために、長期の高温酸化環境下において求められる耐酸化性と電気伝導性、ならびに起動停止による熱応力に伴う表面損傷を抑止したSOFC用セパレータについて鋭意実験と検討を重ね、本発明を完成させた。
以下に、本発明で得られた知見について説明する。
(a)SOFC用セパレータにおいて長期の高温酸化環境とは、SOFCの空気極で700〜750℃で1〜10万h(時間)の暴露を想定する。実験室的には、大気ないし加湿空気の雰囲気下において800〜850℃で100〜1000h曝露し、セパレータの酸化特性やミクロ組織、ならびに発電効率の劣化挙動を評価する。
(b)上述した加速評価において、セパレータの劣化挙動を抑制するためには、Moを含有する高Crタイプのフェライト系ステンレス鋼を基材として、その表面に微細な結晶粒からなるオーステナイト相を有する組織を形成させることが極めて有効である。つまり、前記した耐酸化性と電気伝導性、ならびに熱応力に伴う表面損傷は、平均粒径10μm以下のオーステナイト相からなる結晶粒を基材表面に形成することで著しく改善するという全く新規な知見を獲得した。
(c)更に、耐酸化性と電気伝導性の向上には、基材表面に形成したオーステナイト相を有する組織のCo濃度を高めて、オーステナイト粒のアスペクト比(板幅方向/板厚方向)の平均値を小さくすることが効果的であることも分かった。
(d)上述した基材表面の改質作用については未だ不明な点も多いが、実験事実に基づいて以下に述べるような作用機構を推察している。Co濃度の高いオーステナイト相は高温酸化環境下において、外層側がCo34に代表される導電性の高いスピネル型酸化物を生成する。その下層には、基材から拡散したFeとCoの反応層を形成し、導電性の低下に繋がるCrの酸化を抑制する。その際、基材表面でのオーステナイト粒の微細化は、Feの選択酸化を促進してCrの酸化を抑制する。また、Moを含有する高Crタイプのフェライト系ステンレス鋼を基材とすることで、上記のCo系酸化物層と基材の界面にはCr23皮膜を生成して基材の耐酸化性を維持する。更に、Moを含有する高Crタイプのフェライト系ステンレス鋼を基材とすることでセラミックス電極との熱膨張係数差を低減し、微細なオーステナイト粒を有する組織は起動停止に伴って、表面に発生する熱応力の緩和にも有効に作用する。
(e)外層側にCo34を主体とするスピネル型酸化物を形成すると、下層のCr酸化物の揮発によるCrガスの飛散を防止し、空気極材料のクロム被毒を防止する。さらに、スピネル型酸化物は元素の価数変化が起こりにくいので、Cr(III)の酸化物からCr(VI)への酸化を抑制することができ、Crのガス化による空気極材料のクロム被毒も防止することができる。また、スピネル型酸化物は結晶構造上、金属イオンのような+イオンの移動が遅いため、基材からの金属イオンの表層への拡散も遅く、耐酸化性の観点からも適している。
In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have earnestly studied an SOFC separator that suppresses oxidation resistance and electrical conductivity required in a long-term high-temperature oxidation environment, and surface damage caused by thermal stress due to starting and stopping. Experiments and studies were repeated to complete the present invention.
Below, the knowledge acquired by this invention is demonstrated.
(A) The long-term high-temperature oxidation environment in the SOFC separator is assumed to be 1 to 100,000 hours (hours) of exposure at 700 to 750 ° C. at the SOFC air electrode. In the laboratory, exposure is performed at 800 to 850 ° C. for 100 to 1000 hours in an atmosphere of air or humidified air, and the oxidation characteristics and microstructure of the separator, and the degradation behavior of power generation efficiency are evaluated.
(B) In the accelerated evaluation described above, in order to suppress the deterioration behavior of the separator, a high Cr type ferritic stainless steel containing Mo is used as a base material, and the surface has an austenite phase composed of fine crystal grains. It is very effective to form a tissue. That is, the above-described oxidation resistance, electrical conductivity, and surface damage caused by thermal stress are completely new knowledge that crystal grains composed of an austenite phase having an average grain size of 10 μm or less are remarkably improved. Won.
(C) Further, in order to improve oxidation resistance and electrical conductivity, the Co concentration of the structure having an austenite phase formed on the substrate surface is increased, and the aspect ratio of the austenite grains (plate width direction / plate thickness direction) is increased. It has also been found that reducing the average value is effective.
(D) Although there are still many unclear points about the above-described substrate surface modification action, the following action mechanism is presumed based on experimental facts. The austenite phase having a high Co concentration produces a highly conductive spinel oxide represented by Co 3 O 4 on the outer layer side in a high-temperature oxidation environment. In the lower layer, a reaction layer of Fe and Co diffused from the base material is formed to suppress oxidation of Cr which leads to a decrease in conductivity. At that time, the refinement of austenite grains on the substrate surface promotes selective oxidation of Fe and suppresses oxidation of Cr. In addition, by using high Cr type ferritic stainless steel containing Mo as a base material, a Cr 2 O 3 film is formed at the interface between the Co-based oxide layer and the base material to prevent oxidation of the base material. Maintain sex. Furthermore, by using high Cr type ferritic stainless steel containing Mo as the base material, the difference in thermal expansion coefficient from the ceramic electrode is reduced, and the structure with fine austenite grains is generated on the surface with the start and stop. It also works effectively to relieve thermal stress.
(E) When a spinel oxide mainly composed of Co 3 O 4 is formed on the outer layer side, scattering of Cr gas due to volatilization of the lower layer Cr oxide is prevented, and chromium poisoning of the air electrode material is prevented. Furthermore, since spinel oxides are less likely to change the valence of elements, oxidation of Cr (III) oxide to Cr (VI) can be suppressed, and chromium coating of the air electrode material due to Cr gasification can be suppressed. Poison can also be prevented. In addition, the spinel type oxide has a slow movement of + ions such as metal ions due to its crystal structure, so that diffusion of metal ions from the substrate to the surface layer is also slow, which is suitable from the viewpoint of oxidation resistance.

上述したように、Moを含有する高Crタイプのフェライト系ステンレス鋼を基材とした表面改質により、優れた耐酸化性と電気伝導性を持続し、熱応力に伴う表面損傷を抑止するという新たな特性は、高価な希土類元素の添加やMnCo系のスピネル型酸化物のコーティングに頼ることなく達成できる。前記(1)〜(4)の本発明は、上述した検討結果に基づいて完成されたものである。   As mentioned above, surface modification based on high Cr type ferritic stainless steel containing Mo maintains excellent oxidation resistance and electrical conductivity, and suppresses surface damage associated with thermal stress. New properties can be achieved without resorting to the addition of expensive rare earth elements or MnCo-based spinel oxide coatings. The present inventions (1) to (4) have been completed based on the above-described examination results.

以下、本発明の各要件について詳しく説明する。なお、基材において各元素の含有量の「%」表示は「質量%」を意味する。   Hereinafter, each requirement of the present invention will be described in detail. In addition, "%" display of the content of each element in the base material means "mass%".

(I)基材成分の限定理由を以下に説明する。 (I) The reason for limitation of the base component will be described below.

Cは、鋼中に含まれる不可避的不純物元素であり、基材の耐酸化性や電気導電性を阻害する。そのため,C量は低いほど好ましいが、過度な低減は高温環境下の耐クリープ強さの低下や、精錬コストの大幅な上昇を招く。従って、上限は0.030%とする。前記した特性と製造性の点から、好ましい範囲は0.001〜0.02%である。   C is an inevitable impurity element contained in the steel, and inhibits the oxidation resistance and electrical conductivity of the base material. Therefore, the lower the amount of C, the better. However, excessive reduction leads to a decrease in creep resistance under a high temperature environment and a significant increase in refining costs. Therefore, the upper limit is 0.030%. A preferable range is 0.001 to 0.02% from the above-described characteristics and manufacturability.

Siは、基材の耐酸化性や高温強度を高める作用を持つ一方で、過度な添加は電気伝導性を阻害する。これら基本特性の視点から、上限は1.0%とする。下限は、脱酸剤やクロム原料からの不可避的不純物を考慮した製造コストの上昇から、0.01%とすることが好ましい。基材の基本特性と製造コストを両立する点から、好ましい範囲は0.05〜0.5%、より好ましい範囲は0.10〜0.30%である。   Si has the effect of increasing the oxidation resistance and high-temperature strength of the base material, but excessive addition inhibits electrical conductivity. From the viewpoint of these basic characteristics, the upper limit is 1.0%. The lower limit is preferably set to 0.01% because of an increase in manufacturing cost considering inevitable impurities from the deoxidizer and chromium raw material. From the viewpoint of achieving both the basic characteristics of the substrate and the manufacturing cost, the preferred range is 0.05 to 0.5%, and the more preferred range is 0.10 to 0.30%.

Mnは、脱酸元素として有効に作用することに加えて、基材の電気伝導性を向上させる作用を持つ。これら効果を得るために下限は、0.05%とすることが好ましい。一方、過度な添加は、基材の耐酸化性を阻害する場合もあるため、上限は1.0%とする。基材の基本特性と製造性の点から、好ましい範囲は0.05〜0.5%である、さらに好ましい範囲は0.10〜0.30%である。   In addition to effectively acting as a deoxidizing element, Mn has an effect of improving the electrical conductivity of the substrate. In order to obtain these effects, the lower limit is preferably 0.05%. On the other hand, excessive addition may inhibit the oxidation resistance of the substrate, so the upper limit is made 1.0%. From the viewpoint of the basic characteristics and manufacturability of the substrate, the preferred range is 0.05 to 0.5%, and the more preferred range is 0.10 to 0.30%.

Pは、製造性や耐酸化性を阻害する元素であり、その含有量は少ないほど良いため、上限は0.045%とする。但し、過度な低減は精錬コストの上昇に繋がるため、下限は0.003%とすることが好ましい。基材の基本特性と製造性の点から,好ましい範囲は0.005〜0.035%、より好ましくは0.010〜0.030%である。   P is an element that inhibits manufacturability and oxidation resistance, and the lower the content, the better. Therefore, the upper limit is made 0.045%. However, excessive reduction leads to an increase in refining costs, so the lower limit is preferably 0.003%. From the basic characteristics and manufacturability of the substrate, the preferred range is 0.005 to 0.035%, more preferably 0.010 to 0.030%.

Sは、鋼中に含まれる不可避的不純物元素であり、基材の耐酸化性や電気伝導性を低下させる。特に、Mn系介在物や固溶Sの存在は、長期の高温酸化環境におけるCr系酸化皮膜の保護性を低下させる起点として作用する。そのため,S量は低いほど良いため、上限は0.0050%とする。但し、過度な低減は原料や精錬コストの上昇に繋がるため、下限は0.0001%とする。基材の基本特性と製造性の点から、好ましい範囲は0.0001〜0.0030%、より好ましくは0.0002〜0.0020%である。   S is an inevitable impurity element contained in the steel, and lowers the oxidation resistance and electrical conductivity of the substrate. In particular, the presence of Mn inclusions and solute S acts as a starting point for reducing the protective properties of the Cr-based oxide film in a long-term high-temperature oxidation environment. Therefore, the lower the amount of S, the better. Therefore, the upper limit is made 0.0050%. However, excessive reduction leads to an increase in raw materials and refining costs, so the lower limit is made 0.0001%. A preferable range is 0.0001 to 0.0030%, more preferably 0.0002 to 0.0020% from the viewpoint of basic characteristics and manufacturability of the substrate.

Crは、基材の耐酸化性と電気伝導性ならびに熱膨張係数や耐クリープ強さを確保する上でも基本となる元素である。本発明においては、19.0%以下では基材の基本特性が十分に確保されない。従って、下限は19.0%とする。しかし、過度なCrの添加は、高温環境に曝された際、脆化相であるσ相の生成を助長することに加え、Crの酸化や蒸発を助長して電気伝導性を損なう場合がある。上限は、本発明の目標とする基本特性の視点から25.0%とする。基材の基本特性および製造コストの点から,好ましい範囲は20〜24%、より好ましくは21〜23%である。   Cr is an element that is fundamental in securing the oxidation resistance and electrical conductivity of the substrate, as well as the thermal expansion coefficient and creep resistance. In the present invention, if the content is 19.0% or less, the basic characteristics of the substrate are not sufficiently ensured. Therefore, the lower limit is 19.0%. However, excessive addition of Cr may not only promote the formation of the σ phase, which is an embrittlement phase, but also promote the oxidation and evaporation of Cr and impair the electrical conductivity when exposed to a high temperature environment. . The upper limit is 25.0% from the viewpoint of the basic characteristics targeted by the present invention. A preferable range is 20 to 24%, more preferably 21 to 23% from the viewpoint of the basic characteristics of the substrate and the manufacturing cost.

Moは、基材の耐酸化性と熱膨張係数を確保する上で有効な構成元素である。さらに、固溶強化元素として作用し、高温部材として耐クリープ強さの確保においても有効に作用する。これら効果を得るために、下限は0.2%とする。しかし、過度な添加は、脆化相であるσ相の生成を助長することに加え、原料コストの上昇を招く。上限は、本発明の目標とする基本特性の視点から2.0%とする。基材の基本特性およびコスト対効果の点から,好ましい範囲は0.3〜1.5%、より好ましくは0.5〜1.3%である。   Mo is a constituent element effective in securing the oxidation resistance and thermal expansion coefficient of the base material. Furthermore, it acts as a solid solution strengthening element, and acts effectively as a high temperature member in ensuring creep resistance. In order to obtain these effects, the lower limit is made 0.2%. However, excessive addition promotes the formation of the σ phase, which is an embrittlement phase, and causes an increase in raw material cost. The upper limit is set to 2.0% from the viewpoint of the basic characteristics targeted by the present invention. A preferable range is 0.3 to 1.5%, more preferably 0.5 to 1.3% from the viewpoint of basic characteristics of the substrate and cost effectiveness.

Nは、鋼中に含まれる不可避的不純物元素であり、基材の耐酸化性や電気導電性を阻害する。そのため,N量は低いほど好ましいが、過度な低減は高温環境下の耐クリープ強さの低下や精錬コストの大幅な上昇を招く。従って、上限は0.040%とする。前記した特性と製造性の点から、好ましい範囲は0.001〜0.02%である。   N is an unavoidable impurity element contained in the steel and inhibits the oxidation resistance and electrical conductivity of the base material. For this reason, the N content is preferably as low as possible, but excessive reduction leads to a decrease in creep resistance under a high temperature environment and a significant increase in refining costs. Therefore, the upper limit is 0.040%. A preferable range is 0.001 to 0.02% from the above-described characteristics and manufacturability.

Alは、強力な脱酸元素として有効であることに加えて、基材の耐酸化性を高める作用を持つ。これら効果を得るために、下限は0.01%とすることが好ましい。過度な添加は、基材の電気伝導性を低下や熱膨張係数を上昇させる場合がある。これら基本特性の視点から、上限は0.50%とする。基材の基本特性と製造性を両立する視点から、好ましい範囲は0.02〜0.30%、より好ましくは0.05〜0.15%である。   In addition to being effective as a strong deoxidizing element, Al has an effect of increasing the oxidation resistance of the substrate. In order to obtain these effects, the lower limit is preferably 0.01%. Excessive addition may lower the electrical conductivity of the substrate and increase the thermal expansion coefficient. From the viewpoint of these basic characteristics, the upper limit is 0.50%. From the viewpoint of achieving both basic characteristics and manufacturability of the substrate, the preferred range is 0.02 to 0.30%, more preferably 0.05 to 0.15%.

Nb、Tiは、CやNを炭窒化物として固定し,基材の耐酸化性や電気伝導性を高めるとともに、高温部材として必要な強度を高める作用を持つ。これら効果を得るために、下限を0.001%とする。過度な添加は、効果が飽和するとともに、原料コストの上昇や加工性を阻害するため、上限は0.5%である。コスト対効果の点から、好ましい範囲は0.05〜0.40%、より好ましい範囲は0.15〜0.35%である。NbとTiは単独もしくは複合して添加しても良い。   Nb and Ti fix C and N as carbonitrides and increase the oxidation resistance and electrical conductivity of the base material, and also increase the strength required as a high temperature member. In order to obtain these effects, the lower limit is made 0.001%. Excessive addition saturates the effect and hinders increase in raw material cost and processability, so the upper limit is 0.5%. From the viewpoint of cost effectiveness, a preferable range is 0.05 to 0.40%, and a more preferable range is 0.15 to 0.35%. Nb and Ti may be added alone or in combination.

Vは、CやNを炭窒化物として固定し、基材の耐酸化性や高温強度を高めるのに有効な元素であり、必要に応じて添加しても良い。但し、過度な添加は耐酸化性を阻害し、合金コストの上昇を招くため、上限は0.5%とする。下限は、クロム原料からの不可避的不純物を考慮した原料コストの上昇から、0.005%とすることが好ましい。基材の基本特性と原料コストを両立する点から、好ましい範囲は0.01〜0.2%、より好ましくは0.01〜0.1%である。   V is an element effective for fixing C and N as carbonitrides and enhancing the oxidation resistance and high-temperature strength of the substrate, and may be added as necessary. However, excessive addition inhibits oxidation resistance and causes an increase in alloy cost, so the upper limit is made 0.5%. The lower limit is preferably set to 0.005% because of an increase in raw material cost in consideration of inevitable impurities from the chromium raw material. A preferable range is 0.01 to 0.2%, more preferably 0.01 to 0.1% from the viewpoint of achieving both the basic characteristics of the substrate and the raw material cost.

Sn、Sb、Ni、Cu、W、Co、は、基材の耐酸化性や耐クリープ強さを高めるのに有効な元素であり、必要に応じて添加しても良い。但し、過度な添加は合金コストの上昇や製造性を阻害することに繋がるため、Sn、Sbの上限は0.3%、Ni、Cu、W、Coの上限は1%とする。SnとSbの好ましい含有量の下限は0.01%、Ni、Cu、W、Coの好ましい下限は0.1%である。   Sn, Sb, Ni, Cu, W, and Co are elements effective for increasing the oxidation resistance and creep resistance strength of the substrate, and may be added as necessary. However, excessive addition leads to an increase in alloy costs and obstructs manufacturability, so the upper limit of Sn and Sb is 0.3%, and the upper limit of Ni, Cu, W and Co is 1%. The lower limit of the preferred contents of Sn and Sb is 0.01%, and the preferred lower limit of Ni, Cu, W, and Co is 0.1%.

B、Ga、Mg、Caは、基材の耐酸化性や耐クリープ強さ、ならびに熱間加工性を向上させるのに有効な元素であり、必要に応じて添加しても良い。一方、過度な添加は、製造性と基材の耐酸化性の低下を招く。このため、それぞれの上限は、B:0.010%、Ga:0.010%、Mg:0.010%、Ca:0.010%とする。好ましい下限はいずれの元素も0.0002%である。MgとCaの含有量は精錬条件により制御することもできる。   B, Ga, Mg, and Ca are effective elements for improving the oxidation resistance, creep resistance, and hot workability of the substrate, and may be added as necessary. On the other hand, excessive addition causes a decrease in manufacturability and oxidation resistance of the substrate. For this reason, each upper limit is made into B: 0.010%, Ga: 0.010%, Mg: 0.010%, Ca: 0.010%. The preferred lower limit is 0.0002% for all elements. The contents of Mg and Ca can also be controlled by refining conditions.

Zr、La、Y、REM、Taは、従来から基材の耐酸化性と電気伝導性を高める上で有効な元素であり、必要に応じて添加しても良い。但し、本発明の技術思想ならびに着想と合金コストの低減から、これら元素の添加効果に頼るものではない。添加する場合、上限はそれぞれ0.1%とし、下限は0.001%とすることが好ましい。ここで、REMは原子番号57〜71に帰属する元素であり、例えば、Ce、Pr、Nd等である。   Zr, La, Y, REM, and Ta are elements that have been conventionally effective in increasing the oxidation resistance and electrical conductivity of the substrate, and may be added as necessary. However, the addition of these elements is not relied on because of the technical idea of the present invention, the idea, and the alloy cost reduction. When added, the upper limit is preferably 0.1%, and the lower limit is preferably 0.001%. Here, REM is an element belonging to atomic numbers 57 to 71, such as Ce, Pr, and Nd.

以上、説明した各元素の他にも、本発明の効果を損なわない範囲で含有させることが出来る。一般的な不純物元素である前述のP、Sを始め、Zn、Bi、Pb、Se、H、Tl等は可能な限り低減することが好ましい。一方、これらの元素は、本発明の課題を解決する限度において、その含有割合が制御され、必要に応じて、Zn≦100ppm、Bi≦100ppm、Pb≦100ppm、Se≦100ppm、H≦100ppm、Tl≦500ppmの1種以上を含有してもよい。   In addition to the elements described above, the elements of the present invention can be contained within a range not impairing the effects of the present invention. It is preferable to reduce as much as possible Zn, Bi, Pb, Se, H, Tl, etc. as well as the aforementioned P and S, which are general impurity elements. On the other hand, the content ratio of these elements is controlled within the limit of solving the problems of the present invention, and, if necessary, Zn ≦ 100 ppm, Bi ≦ 100 ppm, Pb ≦ 100 ppm, Se ≦ 100 ppm, H ≦ 100 ppm, Tl One or more of ≦ 500 ppm may be contained.

本発明の基材は、主として、熱間圧延鋼帯を焼鈍、あるいは焼鈍を省略してデスケ−リングの後冷間圧延し、続いて仕上げ焼鈍とデスケ−リングした冷延焼鈍板を対象としている。場合によっては、冷間圧延を施さない熱延焼鈍板でも構わない。仕上げ焼鈍は、800〜1050℃とするのが好ましい。800℃未満では鋼の軟質化と再結晶が不十分となり、所定の材料特性が得られないこともある。他方、1050℃超では粗大粒となり、鋼の靭性・延性を阻害することもある。   The base material of the present invention is mainly intended for a cold-rolled annealed sheet obtained by annealing a hot-rolled steel strip or omitting annealing and then cold-rolling after descaling, followed by finish annealing and descaling. . In some cases, a hot-rolled annealed plate that is not subjected to cold rolling may be used. The finish annealing is preferably 800 to 1050 ° C. If it is less than 800 degreeC, softening and recrystallization of steel become inadequate, and a predetermined material characteristic may not be acquired. On the other hand, if it exceeds 1050 ° C., it becomes coarse particles, which may impair the toughness and ductility of steel.

(II)基材表面に形成する組織における金属組織の限定理由を以下に説明する。本発明では、前記した成分を有する基材表面に対して、本発明の目標とする耐熱性を付与するために、以下に述べるオーステナイト相を有する組織を形成させるものである。 (II) The reason for limiting the metal structure in the structure formed on the substrate surface will be described below. In the present invention, a structure having an austenite phase described below is formed on the surface of the base material having the above-described components in order to impart the target heat resistance of the present invention.

オーステナイト相を有する組織を構成するオーステナイト結晶粒の平均粒径は、[0015]項(b)および(d)に記述した通り、高温酸化環境下において表面の改質作用を発現させるために、上限を10μmとする。平均粒径が10μmを超えると、Feの選択酸化を加速して耐酸化性を損なう場合がある。また、起動停止に伴って発生する熱応力の緩和に効果を発揮せず、表面に微細なクラックなどの損傷を誘発して耐久性を阻害する場合もある。ここで、オーステナイト相を有する組織において平均粒径の下限は、特に規定するものでないが、工業的な製造法と効果の視点から1μmとすることが好ましい。コスト対効果の視点から、好ましい平均粒径の範囲は1〜8μm、より好ましい範囲は2〜6μmである。   The average grain size of the austenite crystal grains constituting the structure having the austenite phase is, as described in [0015] (b) and (d), the upper limit for expressing the surface modification action in a high temperature oxidation environment. Is 10 μm. If the average particle size exceeds 10 μm, selective oxidation of Fe may be accelerated and oxidation resistance may be impaired. In addition, there is a case in which durability is hindered by inducing damage such as fine cracks on the surface without exerting an effect on relaxation of the thermal stress generated along with starting and stopping. Here, in the structure having an austenite phase, the lower limit of the average particle diameter is not particularly specified, but is preferably 1 μm from the viewpoint of an industrial production method and effects. From the viewpoint of cost effectiveness, a preferable average particle diameter is 1 to 8 μm, and a more preferable range is 2 to 6 μm.

オーステナイト相の組成は、[0015]項(d)及び(e)に記述した通り、本発明の目標とする耐熱性を付与するために、Co濃度を高めることが極めて有効である。Co濃度の下限は10%とする。Co濃度が10%未満の場合、長期の高温酸化環境下における電気伝導性の維持が困難である。Co濃度の上限は、製造法と効果の視点から95%とする。コスト対効果の視点から、好ましい範囲は30〜95%、より好ましい範囲は60〜90%である。残部は、Coと金属間化合物を生成するNiや、高温酸化環境下でCoとスピネル酸化物を形成するFeやCrとして良い。その他、Ti、Mn、Sn、Cu、Zn、Nb、Moなど、本発明の目標とする耐熱性を損なわない範囲で不可避的不純物は混入しても構わない。   As described in the paragraphs [0015] (d) and (e), it is extremely effective to increase the Co concentration in order to impart the target heat resistance of the present invention. The lower limit of the Co concentration is 10%. When the Co concentration is less than 10%, it is difficult to maintain electrical conductivity in a long-term high-temperature oxidation environment. The upper limit of the Co concentration is 95% from the viewpoint of the manufacturing method and effects. From the viewpoint of cost effectiveness, a preferable range is 30 to 95%, and a more preferable range is 60 to 90%. The balance may be Ni that forms an intermetallic compound with Co, or Fe or Cr that forms spinel oxide with Co in a high-temperature oxidizing environment. In addition, inevitable impurities such as Ti, Mn, Sn, Cu, Zn, Nb, and Mo may be mixed as long as the target heat resistance of the present invention is not impaired.

オーステナイト結晶粒のアスペクト比(板幅方向/板厚方向)の平均値は、[0015]項(c)および(d)に記述した通り、小さいことが好ましい。特に、起動停止に伴い発生する熱応力の緩和には有効に作用する。これら作用効果を得るために、アスペクト比の平均値として上限は0.9、下限は効果と製造方法の視点から0.1とすることが好ましい。コスト対効果の視点から、より好ましい範囲は0.3〜0.6である。   The average value of the aspect ratio (plate width direction / plate thickness direction) of the austenite crystal grains is preferably small as described in [0015] items (c) and (d). In particular, it effectively works to relieve thermal stress generated with starting and stopping. In order to obtain these functions and effects, the upper limit of the average aspect ratio is preferably 0.9, and the lower limit is preferably 0.1 from the viewpoints of effects and manufacturing method. From the viewpoint of cost effectiveness, a more preferable range is 0.3 to 0.6.

オーステナイト相を有する組織の厚さは、特に規定するものではないが、下限は[0036]項に記載した平均粒径の下限に相当する1μm、上限はコスト対効果の視点から50μmとすることが好ましい。コスト対効果の視点から、より好ましい範囲は2〜20μm、更に好ましい範囲は3〜15μmである。   The thickness of the structure having an austenite phase is not particularly specified, but the lower limit is 1 μm corresponding to the lower limit of the average particle diameter described in the item [0036], and the upper limit is 50 μm from the viewpoint of cost effectiveness. preferable. From the viewpoint of cost effectiveness, a more preferable range is 2 to 20 μm, and a further preferable range is 3 to 15 μm.

前記したオーステナイト相を有する組織の平均粒径、組成、アスペクト比、厚さは、初期状態であることは言うまでもなく、高温酸化環境下の運転後に残存した状態に対しても適用できるものである。   The average particle size, composition, aspect ratio, and thickness of the structure having the austenite phase described above are not limited to the initial state, but can be applied to the state remaining after operation in a high-temperature oxidizing environment.

オーステナイト相を有する組織の形成方法については、Moを含有する高Crタイプのフェライト系ステンレス鋼の基材の少なくとも一方の表面に、Coの金属皮膜を2〜20μm、好ましくは3〜15μmを形成する。形成方法としては、乾式または湿式のめっき法が考えられるが、生産性の高い湿式のめっき法が好ましい。Coの金属皮膜形成後、真空熱処理を施すことにより、Moを含有する高Crタイプのフェライト系ステンレス鋼の表面近傍にオーステナイト相を有する組織を形成することができる。真空熱処理は、アルゴンまたは窒素ガス雰囲気中、10〜100Paの減圧下のもと、850℃〜1100℃、保持時間としては2〜6時間の条件で処理することにより、オーステナイト相を有する組織を形成することができる。
(III)固体酸化物形燃料電池の構成について、以下に説明する。燃料電池は、発電ユニット10を複数積層することにより構成されている。なお、発電ユニット10は、燃料ガスと酸化剤(空気)とが対向するように流れる(カウンタフロー)ように構成されている。
Regarding the formation method of the structure having an austenite phase, a Co metal film is formed to 2 to 20 μm, preferably 3 to 15 μm on at least one surface of a high Cr type ferritic stainless steel base material containing Mo. . As a forming method, a dry or wet plating method can be considered, but a wet plating method with high productivity is preferable. After forming the Co metal film, a structure having an austenite phase can be formed in the vicinity of the surface of the high Cr type ferritic stainless steel containing Mo by performing a vacuum heat treatment. The vacuum heat treatment forms a structure having an austenite phase by processing under conditions of 850 ° C. to 1100 ° C. and holding time of 2 to 6 hours under a reduced pressure of 10 to 100 Pa in an argon or nitrogen gas atmosphere. can do.
(III) The configuration of the solid oxide fuel cell will be described below. The fuel cell is configured by stacking a plurality of power generation units 10. The power generation unit 10 is configured to flow so that the fuel gas and the oxidant (air) face each other (counter flow).

図1に示すように、発電ユニット10では、下方側(Z2方向側)から、セパレータ20と、絶縁部材30と、セル50と、セル押さえ60とが、この順で積層されている。   As shown in FIG. 1, in the power generation unit 10, the separator 20, the insulating member 30, the cell 50, and the cell presser 60 are stacked in this order from the lower side (Z2 direction side).

図2に示すように、セパレータ20では、下方側(Z2方向側)から、集電プレート21と、カソードプレート22と、セパレータ本体23と、アノードプレート24と、セルホルダ25とが、この順で積層されている。   As shown in FIG. 2, in the separator 20, the current collecting plate 21, the cathode plate 22, the separator body 23, the anode plate 24, and the cell holder 25 are stacked in this order from the lower side (Z2 direction side). Has been.

集電プレート21は、セル50のカソードに接触するように構成されている。また、集電プレート21には、燃料ガスが流通する孔部21aと、酸化剤が流通する孔部21bおよび孔部21cとが設けられている。また、集電プレート21には、酸化剤をカソードに導くための複数の孔部21dが設けられている。   The current collecting plate 21 is configured to come into contact with the cathode of the cell 50. The current collecting plate 21 is provided with a hole 21a through which fuel gas flows, and a hole 21b and hole 21c through which an oxidant flows. Further, the current collecting plate 21 is provided with a plurality of holes 21d for guiding the oxidant to the cathode.

カソードプレート22には、燃料ガスが流通する孔部22aと、酸化剤が流通する孔部22bおよび孔部22cとが設けられている。また、カソードプレート22には、X方向に沿って、酸化剤の流路22dが設けられている。具体的には、酸化剤は、流路22dの下面側(Z2方向側)を流通する。   The cathode plate 22 is provided with a hole 22a through which fuel gas flows, and a hole 22b and a hole 22c through which an oxidant flows. The cathode plate 22 is provided with an oxidant flow path 22d along the X direction. Specifically, the oxidant flows on the lower surface side (Z2 direction side) of the flow path 22d.

セパレータ本体23には、燃料ガスが流通する孔部23aと、酸化剤が流通する孔部23bおよび孔部23cとが設けられている。また、セパレータ本体23の表面は、平坦面状に形成されている。   The separator body 23 is provided with a hole 23a through which the fuel gas flows, and a hole 23b and a hole 23c through which the oxidant flows. Further, the surface of the separator body 23 is formed into a flat surface.

アノードプレート24には、燃料ガスが流通する孔部24aおよび孔部24dと、酸化剤が流通する孔部24bおよび孔部24cとが設けられている。また、アノードプレート24には、X方向に沿って、燃料ガスの流路24eが設けられている。燃料ガスは、流路24eの上面側を流通する。なお、集電プレート21、カソードプレート22、セパレータ本体23およびアノードプレート24は、導電性の部材により形成されている。これにより、セパレータ20の上面側に配置されるセル50と、下面側に配置されるセル50とが導通する。すなわち、セパレータ20の上面側に配置されるセル50と、下面側に配置されるセル50とが電気的に接続される。   The anode plate 24 is provided with a hole 24a and a hole 24d through which fuel gas flows, and a hole 24b and a hole 24c through which an oxidant flows. The anode plate 24 is provided with a fuel gas flow path 24e along the X direction. The fuel gas flows through the upper surface side of the flow path 24e. The current collecting plate 21, the cathode plate 22, the separator body 23, and the anode plate 24 are formed of conductive members. Thereby, the cell 50 arrange | positioned at the upper surface side of the separator 20 and the cell 50 arrange | positioned at the lower surface side conduct | electrically_connect. That is, the cell 50 disposed on the upper surface side of the separator 20 and the cell 50 disposed on the lower surface side are electrically connected.

セルホルダ25には、燃料ガスが流通する孔部25aと、酸化剤が流通する孔部25bおよび孔部25cとが設けられている。また、セルホルダ25の中央部には、開口部25dが設けられている。   The cell holder 25 is provided with a hole 25a through which the fuel gas flows, and a hole 25b and a hole 25c through which the oxidant flows. In addition, an opening 25d is provided at the center of the cell holder 25.

絶縁部材30には、燃料ガスが流通する孔部30aと、酸化剤が流通する孔部30bおよび孔部30cとが設けられている。また、絶縁部材30は、積層方向に隣接するセル50間を絶縁するように構成されている。   The insulating member 30 is provided with a hole 30a through which the fuel gas flows, and a hole 30b and a hole 30c through which the oxidant flows. The insulating member 30 is configured to insulate between the cells 50 adjacent in the stacking direction.

図2に示すように、セル押さえ60には、燃料ガスが流通する孔部60aと、酸化剤が流通する孔部60bおよび孔部60cとが設けられている。また、セル押さえ60の中央部には、開口部60dが設けられている。   As shown in FIG. 2, the cell retainer 60 is provided with a hole 60a through which the fuel gas flows, and a hole 60b and a hole 60c through which the oxidant flows. In addition, an opening 60d is provided at the center of the cell presser 60.

また、図1に示すように、最も上方に配置される発電ユニット10の上面上には、トッププレートを含む一方、アノードプレートは含まないセパレータ20aが設けられている。また、最も下方に配置される発電ユニット10の下面上には、ボトムプレートを含む一方、カソードプレートは含まないセパレータ20bが設けられている。   As shown in FIG. 1, a separator 20 a that includes a top plate but does not include an anode plate is provided on the upper surface of the power generation unit 10 that is disposed at the uppermost position. A separator 20b that includes a bottom plate but does not include a cathode plate is provided on the lower surface of the power generation unit 10 that is disposed at the lowermost position.

図2に示すように、セル50(図1)のアノードに供給する燃料ガスは、セパレータ本体23のX1方向側の孔部23aから、アノードプレート24の孔部24dを介して、アノードプレート24の上面側(Z1方向側面側)に流入する。また、反応後の燃料ガスは、アノードプレート24のX2方向側の孔部24aを介して流出する。また、セル50のカソード53に供給される酸化剤(空気)は、カソードプレート22のX2方向側の孔部22bから、集電プレート21の上面側(カソードプレート22の下面側)に流入する。また、反応後の酸化剤は、集電プレート21のX1方向側の孔部21cを介して流出する。   As shown in FIG. 2, the fuel gas supplied to the anode of the cell 50 (FIG. 1) passes through the hole 23 a on the X1 direction side of the separator main body 23 through the hole 24 d of the anode plate 24. It flows into the upper surface side (Z1 direction side surface side). The reacted fuel gas flows out through the hole 24a on the X2 direction side of the anode plate 24. Further, the oxidant (air) supplied to the cathode 53 of the cell 50 flows into the upper surface side (the lower surface side of the cathode plate 22) of the current collecting plate 21 from the hole 22 b on the X2 direction side of the cathode plate 22. Further, the oxidant after the reaction flows out through the hole 21c on the X1 direction side of the current collecting plate 21.

上記実施形態では、燃料電池(発電ユニット)が、燃料ガスと空気とが対向するように流れるカウンタフローの燃料電池である例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、燃料ガスと空気とが交差するように流れるクロスフローの燃料電池にも、本発明を適用することが可能である。   In the above embodiment, the fuel cell (power generation unit) is an example of a counter-flow fuel cell that flows so that the fuel gas and air face each other. However, the present invention is not limited to this. For example, the present invention can be applied to a cross-flow fuel cell in which fuel gas and air flow so as to intersect each other.

以下に、本発明の実施例について述べる。   Examples of the present invention will be described below.

表1に成分を示す基材を溶製し、熱間圧延、焼鈍酸洗、冷間圧延を行い、その後前記した熱処理条件に従い焼鈍し、板厚0.2〜1.0mmの冷延鋼板を製造した。鋼A〜Jは本発明の規定する成分範囲を有し、鋼K〜Rは本発明の規定する成分範囲から外れるものである。次に、これら冷延鋼板から試験片を切り出し、湿式CoめっきによりCoコーティングして金属皮膜を形成し、その後真空熱処理を施して、基材表面近傍にオーステナイト相を有する組織を形成した試験片を作製した。基材表面に形成したオーステナイト相を有する組織の分析、ならびに酸化試験による耐酸化性と高温の繰り返し試験による表面損傷の評価に供した。また、本発明のSOFC用セパレータの使用のもと、セルスタックを作製し、発電評価試験を実施した。   The base material which shows a component in Table 1 is melted, hot-rolling, annealing pickling, and cold-rolling are performed, and it anneals according to above-mentioned heat processing conditions, The cold-rolled steel plate with a plate thickness of 0.2-1.0 mm is then carried out. Manufactured. Steels A to J have a component range defined by the present invention, and steels K to R deviate from the component ranges defined by the present invention. Next, test pieces were cut out from these cold-rolled steel sheets, coated with Co by wet Co plating to form a metal film, and then subjected to vacuum heat treatment to form a structure having an austenite phase near the substrate surface. Produced. The structure having an austenite phase formed on the surface of the substrate was analyzed, and the oxidation resistance by the oxidation test and the evaluation of the surface damage by the repeated test at high temperature were used. In addition, a cell stack was prepared and a power generation evaluation test was performed using the SOFC separator of the present invention.

基材表面近傍に形成したオーステナイト相を有する組織の平均粒径、アスペクト比は電子線後方散乱回折法(EBSD)を用いて評価することができる。EBSDは、結晶粒毎の結晶構造(オーステナイト相、フェライト相)とその形状(アスペクト比)や結晶方位を高速に測定する装置である。EBSD測定の解析システムから、オーステナイト相の結晶粒径とアスペクト比をヒストグラム形式で表示させて、その平均値を採用した。なお、EBSDは試験片の断面をコロイダルシリカ研磨で仕上げた試料で測定することができる。図3は、後述する顕著な特性向上を実現した基材表面に形成したオーステナイト相を有する組織のEBSD測定結果例を示したものである。また、オーステナイト相の組成(Co濃度)は、電子顕微鏡のエネルギー分散型X線分光器(EDS)による元素分析で測定することができる。EDSは試験片の断面埋め込み試料を作製して分析した。   The average particle diameter and aspect ratio of the structure having an austenite phase formed in the vicinity of the substrate surface can be evaluated using an electron beam backscatter diffraction method (EBSD). The EBSD is a device that measures the crystal structure (austenite phase, ferrite phase) and the shape (aspect ratio) and crystal orientation of each crystal grain at high speed. From the analysis system for EBSD measurement, the crystal grain size and aspect ratio of the austenite phase were displayed in a histogram format, and the average value was adopted. In addition, EBSD can be measured with the sample which finished the cross section of the test piece by colloidal silica grinding | polishing. FIG. 3 shows an example of an EBSD measurement result of a structure having an austenite phase formed on the surface of a base material that realizes a remarkable improvement in characteristics to be described later. The composition (Co concentration) of the austenite phase can be measured by elemental analysis using an energy dispersive X-ray spectrometer (EDS) of an electron microscope. EDS produced and analyzed the cross-section sample of the test piece.

酸化試験は、Coコーティングを施した基材を準備し、20℃加湿空気中(水蒸気濃度2.3%)、800℃×100h保持後に室温まで冷却した。耐酸化性の評価指標は、目視で酸化物の剥離を生じず、組織断面の観察から基材/コーティング界面にCr23連続皮膜が形成していたものを「◎」、一部に酸化物の剥離は見られるものの基材/コーティング界面にCr23連続皮膜が形成していたものを「○」、酸化物の剥離とCr23のブレイクアウトが観察されたものを「×」とした。なお、本発明の目標とする耐酸化性は、「○」ならびに「◎」とする。 In the oxidation test, a Co-coated substrate was prepared, and cooled to room temperature after being kept at 800 ° C. for 100 hours in 20 ° C. humidified air (water vapor concentration: 2.3%). The evaluation index of oxidation resistance is “◎”, which indicates that a continuous film of Cr 2 O 3 was formed at the substrate / coating interface from the observation of the cross section of the structure without observing the peeling of the oxide visually. Although the exfoliation of the object was seen, “○” indicates that the Cr 2 O 3 continuous film was formed at the substrate / coating interface, and “x” indicates that the oxide exfoliation and the Cr 2 O 3 breakout were observed. " The target oxidation resistance of the present invention is “◯” and “◎”.

発電試験は、本発明のSOFC用セパレータを使用のもと、セルスタックを作製して、700℃、1000hの連続発電で生じる電圧値の経時変化を評価した。電圧の経時変化を測定し、1000hあたりの電圧低下率が0.125%/kh以下の場合を〇、0.125%/khを超過する場合を×とした。図4は、発電評価試験により良好な発電性能が得られた測定結果の例を示すものである。   In the power generation test, a cell stack was produced using the SOFC separator of the present invention, and the change with time in voltage value caused by continuous power generation at 700 ° C. and 1000 h was evaluated. The voltage change with time was measured, and the case where the voltage drop rate per 1000 h was 0.125% / kh or less was marked with ◯, and the case where it exceeded 0.125% / kh was marked with x. FIG. 4 shows an example of a measurement result in which good power generation performance was obtained by the power generation evaluation test.

高温繰り返し試験は、コーティングを施した基材を準備し、大気中、800℃×24h加熱、室温への冷却を30回繰り返した。表面損傷の評価指標は、目視で酸化物の剥離を生じず、埋め込み試料を作製した断面観察からコーティングの剥離・浮上も認められなかったものを「◎」、目視で酸化物の剥離は見られないものの断面観察からコーティングの剥離・浮上が見られたものを「○」、目視と断面観察の両者でコーティングの剥離や浮上が観察されたものを「×」とした。なお、本発明の目標とする表面損傷の程度は、「○」ならびに「◎」を合格とする。   In the high temperature repetition test, a coated substrate was prepared, and heating in the air at 800 ° C. for 24 hours and cooling to room temperature was repeated 30 times. The evaluation index of surface damage is that the oxide does not peel off visually, and from the cross-sectional observation of the embedded sample, the coating was neither peeled nor lifted up, and the oxide peeling was seen visually. “○” indicates that the coating was peeled off and floated from the observation of the cross section, while “×” indicates that the coating was peeled off and floated both by visual observation and cross-sectional observation. In addition, the grade of the surface damage made into the target of this invention makes "(circle)" and "(double-circle)" pass.

得られた結果を表2に併記した。No.1、2、4〜16は、本発明で規定する基材の成分を有し、本発明で規定する基材表面近傍のオーステナイト相を有する組織の性状を満たし、本発明の目標とする耐酸化性と発電性能ならびに表面損傷の評価は「○」あるいは「◎」となったものである。中でも、No.7、12は、基材成分がより好ましい範囲で、かつ基材表面近傍のオーステナイト相を有する組織が本発明のより好ましい平均粒径、Co濃度、アスペクト比の範囲にあり、顕著な耐酸化性の向上と表面損傷の抑止効果を発現して、両者とも「◎」となった。   The obtained results are also shown in Table 2. No. 1, 2, 4 to 16 have the components of the base material defined in the present invention, satisfy the properties of the structure having the austenite phase in the vicinity of the base material surface defined in the present invention, and target oxidation resistance of the present invention. The evaluation of the property, the power generation performance and the surface damage is “◯” or “◎”. Among these, No. 7 and 12, the base component is in a more preferable range, and the structure having an austenite phase in the vicinity of the base surface is in the range of the more preferable average particle diameter, Co concentration, and aspect ratio of the present invention, and remarkable oxidation resistance. Both showed “◎” as a result of the improvement in surface resistance and the effect of suppressing surface damage.

No.3、17は、本発明で規定する基材の成分を有するものの、基材表面近傍の組織のオーステナイト粒径が本発明の範囲から外れるものであり、本発明の目標とする発電性能、表面損傷を得る事ができず、評価は「×」となった。No.18〜25は、本発明の基材成分から外れるものであり、基材表面近傍のオーステナイト相を有する組織が本発明の規定範囲であるものの、本発明の目標とする耐酸化性、発電性能、表面損傷のすべてを両立することができず、いずれかの評価が「×」となった。   No. 3 and 17 have the components of the base material defined in the present invention, but the austenite grain size of the structure in the vicinity of the surface of the base material is out of the scope of the present invention, and the power generation performance and surface damage targeted by the present invention Could not be obtained, and the evaluation was “x”. No. 18 to 25 are deviated from the base material component of the present invention, and the structure having the austenite phase in the vicinity of the base material surface is within the specified range of the present invention, but the target oxidation resistance, power generation performance of the present invention, Not all of the surface damage could be achieved, and either evaluation was “x”.

以上の結果から、本発明で規定する基材の成分とその表面近傍に形成するオーステナイト相を有する組織の平均粒径、Co濃度、アスペクト比を満足すれば、高温酸化環境において耐酸化性と発電性能を持続し、熱応力に伴う表面損傷の抑止に極めて有効であることが分かった。   From the above results, if the average particle size, Co concentration, and aspect ratio of the structure having the austenite phase formed in the vicinity of the components of the base material defined in the present invention are satisfied, oxidation resistance and power generation in a high-temperature oxidation environment are satisfied. It was found that the performance was sustained and it was extremely effective in suppressing surface damage caused by thermal stress.

本発明によれば、材料のコスト上昇や汎用性を損なうことなく、長期の高温酸化環境下において、優れた耐酸化性と電気伝導性を持続して、熱応力に伴う表面損傷を抑止したSOFC用セパレータを得ることができる。また、本発明のSOFC用セパレータは、特殊な製造方法によらず、工業的に生産することが可能である。したがって、燃料電池、ガスタービン、発電システムなどに用いられる高温部材全般に好適である。   According to the present invention, an SOFC that maintains excellent oxidation resistance and electrical conductivity in a long-term high-temperature oxidation environment and suppresses surface damage due to thermal stress without impairing the cost of materials and versatility. Can be obtained. Moreover, the SOFC separator of the present invention can be industrially produced regardless of a special production method. Therefore, it is suitable for all high-temperature members used in fuel cells, gas turbines, power generation systems and the like.

10 発電ユニット
20 セパレータ
21 集電プレート
21a、21b、21c、21d、 孔部
22 カソードプレート
22a、22b、22c 孔部
22d 流路(酸化ガス用)
23 セパレータ本体
23a、23b、23c 孔部
24 アノードプレート
24a、24b、24c、24d 孔部
24e 流路(燃料ガス用)
25 セルホルダ
25a、25b、25c 孔部
25d 開口部
30 絶縁部材
30a、30b、30c 孔部
30d 開口部
50 (燃料電池)セル
60 セル押さえ
60a、60b、60c 孔部
60d 開口部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Electric power generation unit 20 Separator 21 Current collecting plate 21a, 21b, 21c, 21d, Hole part 22 Cathode plate 22a, 22b, 22c Hole part 22d Flow path (for oxidizing gas)
23 Separator body 23a, 23b, 23c Hole 24 Anode plate 24a, 24b, 24c, 24d Hole 24e Flow path (for fuel gas)
25 cell holder 25a, 25b, 25c hole 25d opening 30 insulating member 30a, 30b, 30c hole 30d opening 50 (fuel cell) cell 60 cell holder 60a, 60b, 60c hole 60d opening

Claims (5)

質量%にて、C:0.030%以下、Si:1.0%以下、Mn:1.0%以下、P:0.045%以下、S:0.0050%以下、Cr:19.0〜25.0%、Mo:0.2〜2.0%、N:0.040%以下、Al:0.50%以下、Nb:0.001〜0.5%及び/又はTi:0.001〜0.5%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなるフェライト系ステンレス鋼を基材とし、前記ステンレス基材の少なくとも一方の表面上に平均粒径1〜10μmのオーステナイト相を有する組織が形成されている、固体酸化物形燃料電池用セパレータ。   In mass%, C: 0.030% or less, Si: 1.0% or less, Mn: 1.0% or less, P: 0.045% or less, S: 0.0050% or less, Cr: 19.0 To 25.0%, Mo: 0.2 to 2.0%, N: 0.040% or less, Al: 0.50% or less, Nb: 0.001 to 0.5% and / or Ti: 0.00. The base material is ferritic stainless steel containing 001 to 0.5%, the balance being Fe and inevitable impurities, and has an austenite phase having an average particle diameter of 1 to 10 μm on at least one surface of the stainless steel base material. A solid oxide fuel cell separator in which a structure is formed. 前記組織のオーステナイト相のCo濃度が10〜95質量%、残部がNi、Fe、Cr、及び不可避的不純物からなる請求項1に記載する固体酸化物形燃料電池用セパレータ。   2. The solid oxide fuel cell separator according to claim 1, wherein the Co concentration of the austenite phase of the structure is 10 to 95 mass%, and the balance is Ni, Fe, Cr, and inevitable impurities. 前記オーステナイト相を形成するオーステナイト粒のアスペクト比(板幅方向/板厚方向)の平均値が0.1〜0.9である請求項1又は2に記載する固体酸化物形燃料電池用セパレータ。   3. The solid oxide fuel cell separator according to claim 1, wherein an average value of aspect ratios (plate width direction / plate thickness direction) of austenite grains forming the austenite phase is 0.1 to 0.9. 基材が、さらに質量%にて、V:0.5%以下、Sn:0.3%以下、Sb:0.3%以下、Ni:1%以下、Cu:1%以下、W:1%以下、Co:1%以下、B:0.010%以下、Ga:0.010%以下、Mg:0.010%以下、Ca:0.010%以下、Zr:0.1%以下、La:0.1%以下、Y:0.1%以下、REM:0.1%以下、Ta:0.1%以下の1種または2種以上を含有している、請求項1から3の何れか1項に記載する固体酸化物形燃料電池用セパレータ。   The base material is further mass%, V: 0.5% or less, Sn: 0.3% or less, Sb: 0.3% or less, Ni: 1% or less, Cu: 1% or less, W: 1% Hereinafter, Co: 1% or less, B: 0.010% or less, Ga: 0.010% or less, Mg: 0.010% or less, Ca: 0.010% or less, Zr: 0.1% or less, La: One or two or more of 0.1% or less, Y: 0.1% or less, REM: 0.1% or less, Ta: 0.1% or less are contained. A separator for a solid oxide fuel cell according to item 1. 発電要素を複数積層して構成される燃料電池であって、前記発電要素は、一方の主面にアノード、他方の主面にカソードが接続された板状のセルと、前記アノードならびに前記カソードに各々電気的に接続するように積層されるセパレータとを備え、前記セパレータの少なくとも一部に、請求項1ないし4の何れか1項に記載の固体酸化物形燃料電池用セパレータを用いた、燃料電池。   A fuel cell configured by laminating a plurality of power generation elements, the power generation element comprising: a plate-like cell having an anode on one main surface and a cathode connected to the other main surface; and the anode and the cathode A separator using the separator for a solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 4 as at least a part of the separator. battery.
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