JP4310723B2 - Steel for solid oxide fuel cell separator - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体酸化物型燃料電池のセパレータに用いられる鋼に関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池は、その発電効率が高いこと、SOx、NOx、Co2の発生量が少ないこと、負荷の変動に対する応答性が良いこと、コンパクトであること等の優れた特徴を有するため、火力発電の代替としての大規模集中型、都市近郊分散配置型、及び自家発電用等の巾広い発電システムへの適用が期待されている。
燃料電池の種類には用いる電解質により、りん酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、固体高分子型に分類されるが、なかでも固体酸化物型燃料電池は電解質として安定化ジルコニア等のセラミックスを用いており、従来、1000℃付近のかなり高温で運転されるものであった。
【0003】
上述の固体酸化物型燃料電池は、高温で運転されるために電極反応に触媒を用いる必要がないこと、高温による化石燃料の内部改質が可能で石炭ガス等の多様な燃料を用いることができること、高温排熱を利用しガスタービン或いは蒸気タービン等と組み合わせ、いわゆるコンバインドサイクル発電とすることにより高効率の発電が可能となること、構成物が全て固体であるためコンパクトであること等の優れた特徴を有し、次世代の電力供給源として非常に有望視されている。
【0004】
しかしながら、固体酸化物型燃料電池の実用化のためには多くの検討課題が残されており、特に高出力密度が可能な平板型燃料電池の場合、重要な構成要素としてセパレータが挙げられる。
このセパレータは電解質、燃料極、空気極の三層を支持し、ガス流路を形成するとともに電流を流す役目を有する。従ってセパレータには、高温での電気伝導性、耐酸化性、更に電解質との熱膨張差が小さいこと等の特性が要求されることから、このような要求特性を鑑み、従来は導電性セラミックスが多く用いられてきたが、セラミックスは加工性が悪くまた高価であることから、燃料電池の大型化、実用化の面から問題を残している。
【0005】
そのため安価で信頼性のある金属材料によるセパレータの開発が要求されている。通常の金属材料を1000℃で使用すると、表面が酸化され酸化被膜を生じるが、セパレータ材として用いるためにはこの酸化被膜が安定で酸化が進行しないことと共に酸化被膜が電気伝導性を有することが必要である。
このような要求特性を満足させるために、特開平6-264193号には固体酸化物型燃料電池用金属材料として、C:0.1%以下、Si:0.5〜3.0%、Mn:3.0%以下、Cr:15〜30%、Ni:20〜60%、Al:2.5〜5.5%、残部Feからなるオーステナイト系ステンレス鋼が提案されている。
【0006】
また、特開平7-166301号には固体電解質燃料電池のセパレータとして、Fe:60〜82%及びCr:18〜40%に前記単電池の空気極との間の接触抵抗を低減する添加元素(La、Y、CeまたはAlをそれぞれ単独で含有させる)からなる合金を使用することが提案されている。更に、特開平7-145454号には、固体電解質型燃料電池用金属材料としてCr:5〜30%、Co:3〜45%、La:1%以下、残部Feからなる材料が提案されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ところで最近、固体電解質型燃料電池の改良が著しく進み、運転温度が従来の1000℃付近から700〜950℃程度にまで低下させることが可能となってきた。このため、実用化が早まるものと予想されている。
上記の特開平6-264193号に開示された材料はAlとCrを相当量含むために表面酸化被膜はAl系酸化物を主体とし、これにCr系酸化物を含有したものである。しかしながら後述するようにAl系酸化物は、電気伝導率が低いために固体電解質型燃料電池セパレータ用としては必ずしも十分といえない面があり、またオーステナイト系ステンレス鋼は、電解質の安定化ジルコニアに比較して熱膨張係数が大きいため電池の起動、停止に伴う熱サイクルによる電解質の割れ等による電池の性能低下を起こしやすく、長時間使用における安定性に問題がある。更に高価なNiを多く含むために価格的にも高く、燃料電池の実用化のためには不十分である。
【0008】
これに対して、特開平7-166301号及び特開平7-145454号に開示された材料は、オーステナイト系ステンレス鋼に比較して熱膨張係数が低く、電解質の安定化ジルコニアの熱膨張係数に近いため長時間使用における安定性に有利であり、また電気伝導率も良好である。しかし、長時間使用後の耐酸化性が不十分であり、特に酸化層の増大に伴う剥離現象を助長し、電池内のガス流路となるセパレータに設けた溝を狭めて、電池機能を低下させる問題がある。
また、特開平8-35042号及び特開平8-277441号に開示された材料は、オーステナイト系ステンレス鋼に比較して熱膨張係数が低く、電解質の安定化ジルコニアの熱膨張係数に近いため長時間使用における安定性に有利であるが、セパレータ材の特性として重要な電気伝導率については何ら考慮されていない。
【0009】
また、特開平9-157801号及び特開平10-280103号に開示された材料もまた、1000℃までの熱膨張係数が低く、電解質の安定化ジルコニアの熱膨張係数に近いため長時間使用における安定性に有利であり、また1000℃での耐酸化性、電気伝導率も良好である。
しかしながら、以上説明する公知の材料は、何れも1000℃で作動する固体酸化物型燃料電池のセパレータとして良好な特性を得ることを目的に開発されたものであり、最近の固体酸化物型燃料電池の作動温度である700〜950℃程度での特性は何ら考慮されていない。
【0010】
また、固体酸化物型燃料電池は運転と停止を繰り返すことから、構成部品のセパレータには熱サイクルによる応力が作用する。この熱応力のために、特に常温での衝撃特性が低いと破断することが心配されるので、セパレータ用鋼には熱応力に耐えるだけの衝撃特性が必要であるが、以上説明した公知の材料には、常温での衝撃特性が何ら考慮されていない。
本発明の目的は、700〜950℃程度において良好な電気伝導性を有する酸化被膜を形成するとともに、長時間の使用においても良好な耐酸化性、特に耐剥離性を有し、かつ常温での衝撃特性に優れ、電解質との熱膨張差が小さい安価な固体酸化物型燃料電池セパレータ用鋼を提供することである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明者は種々検討の結果、まず対象とする金属材料をフェライト系とした。この理由の第一は、固体酸化物の電解質である安定化ジルコニアの常温から約750℃までの平均熱膨張係数が約11×10-6/℃に対し、通常のオーステナイト系の金属材料では約16×10-6/℃以上であり、両者の熱膨張差が大きいため長時間使用中の安定性に問題があると考えたためである。
第二の理由は一般にオーステナイト系は高価なNiを含むため高価であることに対し、フェライト系はFeをベースとしNiを含まないか、または含んでも少量であるため安価であることである。
【0012】
次に本発明者は、形成される酸化被膜の電気伝導度について種々検討した。
保護性を有する酸化被膜の代表としてはAlの酸化物とCrの酸化物が知られている。700〜950℃付近の高温になると一般にはAl2O3の方が保護作用が大きく有利であるが、Al2O3被膜形成材の電気抵抗を測定してみると非常に大きく、セパレータとしては使用できないことが分かった。
一方、Cr2O3被膜形成材の電気抵抗は、十分小さくセパレータに使用可能であることが分かった。そこで本発明においては表面にCr系酸化物を主体とする酸化被膜を形成するフェライト系金属材料、すなわちFe-Cr系を基本とした。
【0013】
次に、長時間使用する場合に問題となる耐酸化性であるが、前述のように700〜950℃付近においては通常Cr系酸化被膜の耐酸化性はAl系酸化被膜より劣る。また、Cr系酸化被膜を主体とする場合でもNiベースの合金(例えばJIS NCF600に代表されるNi-Cr合金)よりもFeベースの合金(例えばSUS430のようなFe-Cr合金)の方が耐酸化性は劣っている。
従って、上記方針に従ってFe-Cr系を基本とすると耐酸化性を満足させることは非常に困難になる。
【0014】
本発明者はこれを解決するために種々検討した結果、Fe-Cr系にY、希土類元素、Zrの一種または二種以上の添加に加え、Alを低めに抑え、更にSi、Mnを少量添加することにより、Cr系の酸化被膜を主体としながら、良好な耐酸化性、特に耐剥離性が得られ、長時間加熱後も被膜の形成状態が安定することを見出した。
特にY及び/または希土類元素にZrを複合添加した場合に耐剥離性は最も向上する。また上記各元素の添加を行っても、形成される酸化被膜はCr系酸化被膜が主体なので電気抵抗もさほど大きくなることはないことも知見した。
【0015】
更に、良好な耐酸化性を得るのに有効な元素であるY、希土類元素、Zrは、合金中のS、Oが多いと硫化物や酸化物を形成して介在物になりやすい。Y、希土類元素、Zrが介在物となって固定されてしまうとマトリックス中に固溶するY、希土類元素、Zrの量が減少し、酸化膜の成長抑制、緻密化、密着性向上に寄与できる有効量が減少する。従って、添加したY、希土類元素、Zrを有効に作用させるためにはこれらの元素の介在物をできるだけ少なくすることが有効であり、S、O等の不純物元素を低く抑えることが良好な耐酸化性を維持するために必要であることを見出した。
また、N、Bについても耐酸化性維持に有効な元素の一部、例えばLa等と化合物を形成する可能性があることから、不純物として低く抑えることが有効であることを見出した。また、特にBは酸化膜表面の平滑性を害して接触抵抗を低下させることを新たに見出し、接触抵抗の点からもセパレータ用鋼中のBは不純物として低く抑える必要がある。
また、Tiも耐酸化性を低下させる元素であるため、不純物として低く抑える必要がある。
【0016】
また、セパレータ用鋼素材の鋼をセパレータに加工するには、硬さを下げることが必要であり、そのためには適正な焼鈍を行うことが必要である。この焼鈍は、硬さ調整のみならず、フェライト結晶粒径の調整にも有効であり、適正な細粒組織とすることによって、衝撃特性も向上させることができる。
以上のように、合金成分の調整を行うとともに、熱処理条件、組織、機械的特性を適正化することによって、本発明に到達した。
【0017】
すなわち本発明の第1発明は、質量%にて、C:0.2%以下、Si:0.2%未満(0%を含まず)、Mn:1.0%以下(0%を含まず)、Ni:2%以下、Cr:15〜30%、Al:1%以下、La:0.005〜0.1%、Zr:1%以下を含み、残部はFe及び不可避的不純物でなり、不可避的不純物として、Ti:0.1%以下、S:0.015%以下、O:0.010%以下、N:0.050%以下、B:0.0030%以下に制限し、かつ(1)式を満足する鋼からなり、硬さが280HV以下、平均フェライト結晶粒度がASTM No.2以上の細粒である固体酸化物型燃料電池セパレータ用鋼である。
(O+2S)/(0.035Zr+0.16La)≦2.0…(1)
(1)式の元素は質量%である。
【0018】
本発明の第2発明は、質量%にて、C:0.1%以下、Si:0.2%未満(0%を含まず)、Mn:1.0%以下(0%を含まず)、Cr:17〜26%、Ni:1%以下、Al:0.001%以上0.5%未満、Zr:0.01〜0.8%、La:0.005〜0.8%を含み、残部はF及び不可避的不純物でなり、不可避的不純物として、Ti:0.1%以下、S:0.015%以下、O:0.010%以下、N:0.020%以下、B:0.0030%以下に制限し、かつ(1)式を満足する鋼からなり、硬さが280HV以下、平均フェライト結晶粒度がASTM No.2以上の細粒である固体酸化物型燃料電池セパレータ用鋼である。
【0019】
本発明の第3発明は、質量%にて、C:0.1%以下、Si:0.2%未満(0%を含まず)、Mn:0.2%未満(0%を含まず)、Cr:17〜26%、Ni:1%以下、Al:0.001%以上0.5%未満、Zr:0.01〜0.8%、La:0.005〜0.8%を含み、残部はF及び不可避的不純物でなり、不可避的不純物として、Ti:0.1%以下、S:0.015%以下、O:0.010%以下、N:0.020%以下、B:0.0030%以下に制限し、かつ(1)式を満足する鋼からなり、硬さが280HV以下、平均フェライト結晶粒度がASTM No.2以上の細粒である固体酸化物型燃料電池セパレータ用鋼である。
【0020】
本発明の第4発明は、上述の合金に、更にY:0.01〜0.3%を含有し、かつ(2)式を満足する固体酸化物型燃料電池セパレータ用鋼である。
(O+2S)/(0.27Y+0.035Zr+0.16La)≦2.0…(2)
【0021】
本発明の第5発明は、質量%にて、C:0.08%以下、Si:0.2%未満(0%を含まず)、Mn:0.5%以下(0%を含まず)、Cr:18〜25%、Ni:0.5%以下、Al:0.001%以上0.5%未満、La:0.005〜0.1%、Zr:0.01〜0.6%、残部はFe及び不可避的不純物でなり、不可避的不純物として、Ti:0.1%以下、S:0.008%以下、O:0.008%以下、N:0.020%以下、B:0.0020%以下に制限し、かつ()式を満足する鋼からなり、硬さが280HV以下、平均フェライト結晶粒度がASTM No.2以上の細粒である固体酸化物型燃料電池セパレータ用鋼である
【0022】
本発明の第6発明は、質量%にて、C:0.08%以下、Si:0.2%未満(0%を含まず)、Mn:0.5%以下(0%を含まず)、Cr:18〜25%、Ni:0.5%以下、Al:0.001%以上0.5%未満、La:0.005〜0.1%、Zr:0.01〜0.6%、残部はFe及び不可避的不純物でなり、不可避的不純物として、Ti:0.1%以下、S:0.008%以下、O:0.008%以下、N:0.020%以下、B:0.0010%未満に制限し、かつ()式を満足する鋼からなり、硬さが280HV以下、平均フェライト結晶粒度がASTM No.3以上の細粒である固体酸化物型燃料電池セパレータ用鋼である
【0023】
好ましくは、質量%にて、Mo単独またはMoとWの二種を、Mo+1/2W≦5.0%を含む固体酸化物型燃料電池セパレータ用鋼である。
更に好ましくは、質量%にて、V、Nb、Hfの一種または二種以上を合計で0.01〜1.0%含む固体酸化物型燃料電池セパレータ用鋼である。
【0024】
更に好ましくは、20℃での2mmVノッチシャルピー衝撃値が8J/cm以上である固体酸化物型燃料電池セパレータ用鋼である。
また更に好ましくは、20℃での2mmVノッチシャルピー衝撃値が10J/cm以上である固体酸化物型燃料電池セパレータ用鋼である。
更に好ましくは、750℃で1000Hr加熱した後の750℃における酸化被膜の電気抵抗が100mΩ・cm以下であり、更に850℃で100Hr加熱後に表面酸化スケールの剥離が発生しない固体酸化物型燃料電池セパレータ用鋼である。
また更に好ましくは、750℃で1000Hr加熱した後の750℃における酸化被膜の電気抵抗が50mΩ・cm以下であり、更に850℃で100Hr加熱後に表面酸化スケールの剥離が実質的に発生しない固体酸化物型燃料電池セパレータ用鋼である。
また本発明は、前述の第1から第3、第5、第6発明の何れかの組成に、合計で0.005〜0.1%のLaとLa以外の希土類元素(REM)を更に含有し、かつ(3)式を満足する固体酸化物型燃料電池セパレータ用鋼である。
(O+2S)/(0.035Zr+0.16REM)≦2.0…(3)
【0025】
【発明の実施の形態】
以下に本発明における成分限定理由について述べる。
Cは、炭化物を形成して高温強度を増大させる作用を有するが、逆に加工性を劣化させまたCrと結び付くことにより耐酸化性に有効なCr量を減少させる。従って0.2%以下に限定する。望ましくは、0.1%以下、更に望ましくは0.08%以下である。
【0026】
Siは、セパレータに設けた高温ガスの流路となる溝の内面に、Cr系酸化層を主体とする被膜の形成に関与し、長時間の使用においても形成した酸化被膜が必要以上に成長したり、また剥離現象を起こすのを防ぐ効果を有する元素である。
Siの効果の一つには、恐らくCr2O3酸化被膜と母材の界面付近に薄い不連続なSiO2被膜を形成して耐酸化性を向上させるものと考えられる。
【0027】
また、上記SiO被膜は母材とCr被膜の界面において母材、Cr被膜、SiO被膜が細かくからみ合った状態を形成しており、これによって母材との密着性を高め、Cr被膜の剥離を阻止する効果がある。
このような効果は特に1000℃以上の高温において大きく、700〜950℃では必ずしも大きくないが、上記効果を得るためにはSiを少量添加することが必要である。
一方、過度の添加は加工性、靭性の低下を招くとともにSiO被膜が厚くなりすぎ、連続して酸化被膜の剥離を招いたり、被膜の電気伝導度が低下する問題が生じるので、Siは0.2%未満(0%を含まず)とする。
【0028】
Mnは、Fe、Crとともにスピネル型酸化物を形成する。Mnを含むスピネル型酸化物層は、Cr2O3の酸化層の外側に形成される。このスピネル型酸化物層は固体酸化物型燃料電池のセラミックス電解質を劣化させるCrがセパレータ用鋼から蒸発するのを防ぐ保護効果を有する。また、このスピネル型酸化物は、通常Cr2O3に比べると酸化速度が大きいので、耐酸化性そのものに対しては不利に働く一方で、酸化被膜の平滑さを維持して接触抵抗を低下させたり、電解質に対して有害なCrの蒸発を防ぐ効果を有している。
一方、過度に添加すると前述のようにMn含有のスピネル型酸化物自体の耐酸化性不足のため耐酸化性が悪くなる。従って、Mnは1%以下(0%を含まず)に限定する。使用温度が700〜950℃程度の低温の場合には、0.5%以下(0%を含まず)としてもよく、更に使用温度が低い場合には0.2%未満(0%を含まず)としてもよい。
【0029】
Crは、本発明においてCr2O3被膜の生成により、耐酸化性及び電気伝導性を維持するために重要な元素である。そのため最低限15%を必要とする。しかしながら過度の添加は耐酸化性向上にさほど効果がないばかりか加工性の劣化を招くので15〜30%に限定する。望ましいCrの範囲は17〜26%、更に望ましいCrの範囲は18〜25%である。
【0030】
Y、希土類元素(REM)、Zrは、少量添加により耐酸化性及び酸化皮膜の電気伝導度を大幅に改善する効果を有する。特に少量のSi、Mn添加と組み合わせた場合の耐酸化性向上効果が大きく、これは主に酸化被膜の密着性を改善することによると考えられる。
本発明においてはCr系酸化被膜のみで耐酸化性を持たせているが、このCr系酸化被膜の密着性を向上させるために、希土類元素(REM)のうち、Laと、Zrの複合添加を必須とし、更に必要応じて、LaとLa以外の希土類元素、を必要に応じて0.005〜0.1%含有しても良い。しかしながら過度の添加は熱間加工性を劣化させるので、Yは0.%以下、希土類元素(REM)は0.%以下、Zrは1%以下に限定する。望ましくは、Y:0.01〜0.3%、希土類元素(REM):0.005〜0.10%、Zr:0.01%〜0.8%である。
【0031】
更に、Y:0.01〜0.3%と、Laを必須とする希土類元素(REM):0.005〜0.10%の一種または二種以上とZr:0.01%〜0.8%を複合で添加すると、酸化皮膜の密着性がより向上し、長時間加熱後においても酸化被膜の剥離を防止できる。更に望ましくは、Laを必須とする希土類元素(REM):0.005〜0.10%とZr:0.01%〜0.8%の複合添加である。希土類元素の中では、Laが最も酸化被膜の密着性向上に効果があることから、本発明ではLa:0.005〜0.1%とZr:1%以下とを必須で複合添加する。La:0.005〜0.10%とZr:0.01%〜0.6%の複合添加が最も望ましい。
なお、Zrは後述のV、Nb、Ta、Hfと同様、Cと結びついて炭化物を形成し、C固定により加工性を向上させ、また強度向上にも寄与する。
【0032】
Niは、本発明鋼に少量添加することにより靭性の向上に効果が有る。しかしNiはオーステナイト生成元素であり、過度の添加はフェライト−オーステナイトの二相組織となり、熱膨張係数の増加及びコストアップを招く。更に過度のNiの添加は耐酸化性を悪くする。従ってNiは2%以下に限定する。望ましくは1%以下、更に望ましくは0.5%以下である。
【0033】
Alは、通常脱酸剤として添加される。Alを多く添加するとAl2O3被膜が形成されるが、前述のようにAl2O3被膜は耐酸化性に対しては有効であるが、酸化被膜の電気抵抗を増大させる。従って、本発明の場合Al2O3被膜の形成を避けるためにAlは1%以下に限定する。望ましくは0.001%以上0.5%未満である。
【0034】
Moは、特に高温強度を増加させる作用を有するので、高温強度を重視する場合には添加してもよい。WもMoと同様の効果を有するが、Moと同じ効果を発揮するためには質量%でMoの二倍の添加が必要である。Wの多量添加は熱間加工性を害することから、WはMoとの複合添加を行い、MoとWの総量を低く抑える必要がある。このように、過度に添加すると加工性を劣化させるだけでなく、耐酸化性も低下させるので、Mo+1/2Wで5%以下に限定する。望ましくは3%以下である。
【0035】
V、Nb、Hfは、Cと結び付いて炭化物を形成し、C固定により加工性を向上させる。また強度向上にも寄与する一方で、700〜900℃付近においてはHfを除き、余り保護性のない酸化物を形成し耐酸化性を劣化させる。
上記のHfは、耐酸化性にも効果を有するため、これらの元素の中では最も好ましいが、高価であるため必要に応じて選択する。また、V、Nb、Hfの元素の過度の添加は、一次炭化物を多く形成して加工性を劣化させる。従って、加工性、強度、耐酸化性を考慮しながら、V、Nb、Hfは一種または二種以上を合計で0.01〜1.0%の範囲で添加しても良い。望ましくは0.03〜0.6%である。
【0036】
次に不可避的不純物元素の限定理由について述べる。
Tiは、内部酸化相を形成することで耐酸化性を劣化させる元素であるため、不純物として、0.1%以下に限定する。
Sは、Mn、希土類元素(REM)等と硫化物系介在物を形成して、耐酸化性に効果をもつ有効な希土類元素量を低下させ、耐酸化性を低下させるだけでなく、熱間加工性、表面肌を劣化させるため、0.015%以下に限定する。望ましくは、0.008%以下がよい。
Oは、Al、Si、Mn、Cr、Y、希土類元素(REM)、Zr等と酸化物系介在物を形成して、熱間加工性、冷間加工性を害するだけでなく、耐酸化性向上に大きく寄与する元素であるY、希土類元素(REM)、Zr等の固溶量を減少させるため、これらの元素による耐酸化性向上効果を減じる。従って、0.010%以下に制限する。望ましくは、0.008%以下がよい。
【0037】
Nは、オーステナイト生成元素であるため、本発明のFe-Cr系フェライト鋼に過剰に添加するとオーステナイト相を生成してフェライト単相を維持できなくするだけでなく、Al、Cr等と窒化物系介在物を形成して熱間、冷間加工性を害するため、0.050%以下に制限する。望ましくは0.020%以下、更に望ましくは0.010%以下がよい。
Bは、約700℃以上の高温で酸化被膜の成長速度を大きくすることで耐酸化性を劣化させるだけでなく、酸化被膜の表面粗さを大きくして酸化被膜と電極との接触面積を小さくすることによって接触抵抗を劣化させるため、不純物として0.0030%以下に制限し、できるだけ0%まで低減させる方が良い。望ましい上限は0.0020%以下がよく、更に望ましくは0.0010%未満がよい。
【0038】
本発明鋼において、特に耐酸化性及び酸化皮膜の電気伝導度の向上に大きな効果を有するY、希土類元素(REM)、Zrが十分効果を発揮するには、これらの元素が硫化物系介在物や酸化物系介在物に完全に固定されないようにする必要がある。そのためには、(1)〜(3)式に示すようにZrとLa、または、Y、Zr、La、または、ZrとLaを必須とした希土類元素(REM)の添加量に対するSとOの量の比率を低く抑えるのが有効である。
(1)〜(3)式の値が2.0を超えるとY、Zr、希土類元素(REM)が介在物の固定されて耐酸化性及び酸化皮膜の電気伝導度向上に寄与しなくなることから、(1)〜(3)式の値は2.0以下とした
【0039】
なお、以下の元素は下記の範囲内で本発明鋼に含まれても良い。
P≦0.04%、Cu≦0.30%、Mg≦0.02%、Ca≦0.02%、Co≦2%
【0040】
次に、上述した組成を有する鋼を用いて、固体酸化物型燃料電池セパレータ用鋼とするには、冷間塑性加工や機械加工によってガス流路を形成する必要があるため、冷間塑性加工や機械加工が容易にでき、しかも熱サイクルに伴う引張り応力によって、鋼に割れが発生しないだけの衝撃特性が重要となる。
この指標として本発明では硬さと結晶粒度及び衝撃特性を用いて規定した。
本発明の固体酸化物型燃料電池セパレータ用鋼に必要な特性である硬さ、結晶粒度、衝撃特性は、合金組成のみで決まるものではなく、素材の塑性加工方法、焼鈍等の熱処理条件等に強く依存するので、固体酸化物型燃料電池セパレータ用鋼として使用するためには、化学成分のみならず、硬さ、結晶粒度、衝撃特性なども合わせて本発明の規定範囲を満足させることが重要である。
【0041】
上述の硬さ、結晶粒度、衝撃特性を満足させるには、素材製造工程で発生して材料中に残存する加工歪を除去するため、焼鈍を行うとよい。焼鈍温度は、950℃より高温では後述する結晶粒が粗大化し、また、650℃より低温では軟化に長時間を要するだけでなく、650℃より低温であまり長時間焼鈍するとσ相が析出して脆化する可能性があることから、焼鈍温度は、650〜950℃の範囲とするとよい。
なお、焼鈍の保持時間は、高温では結晶粒を粗大化させないように短時間で行うのがよく、一方、低温では硬さを低下させるのに長時間を要するため、保持時間は結晶粒度と硬さの関係から適宜選択できる。
【0042】
焼鈍後の硬さが280HVより高いと、これらの加工に時間を要したり、形状精度が低下したりすることから、硬さは280HV以下とした。望ましくは200HV以下である。また、この硬さの範囲内であれば、焼鈍後の熱歪による変形を修正するために、焼鈍後に冷間圧延等の冷間加工を行ってもよい。
【0043】
本発明の固体酸化物型燃料電池セパレータ用鋼は、約700℃以上の使用温度で使用されるものであるが、燃料電池は運転と停止を繰り返し行うことから、セパレータ用鋼は使用温度と常温の間での加熱、冷却の熱サイクルを繰り返し受ける。特に冷却中に引張応力が作用するので、冷却時に割れないようにするためには常温での衝撃特性が良好であればよい。
本発明の固体酸化物型燃料電池セパレータ用鋼のようなフェライト組織の鋼で、良好な衝撃特性を得るためには、フェライト結晶粒を微細化することが有効である。後述する衝撃特性を得るためには平均フェライト結晶粒度がASTM No.2以上の細粒とすることが必要である。望ましくは平均フェライト結晶粒度がASTM No.3以上の細粒がよい。
衝撃特性は、20℃での2mmVノッチシャルピー衝撃値で評価することができ、衝撃値が8J/cm2以上であればよく、望ましくは、10J/cm2以上がよい。
【0044】
次に、本発明の固体酸化物型燃料電池セパレータ用鋼では、特に700〜950℃の温度範囲で優れた電気抵抗を有する。そのため、その優れた電気抵抗を示す指標として以下のように規定した。
電気伝導性を評価する評価手段として、750℃で1000Hr加熱した後の750℃における酸化被膜の電気抵抗が100mΩ・cm2以下、望ましくは50mΩ・cm2以下であることが重要である。
また、長期使用後において、形成されたCr系酸化被膜の酸化が進行して、表面酸化スケールとなって剥離する現象の評価手段として、850℃で100Hr加熱後に表面酸化スケールの剥離が実質的に発生しないことが重要である。なお、「表面酸化スケールの剥離が実質的に発生しない」とは、スケールの自然剥離がないことを指し、外的衝撃が加わらない状態をいう。
【0045】
また、本発明鋼は、固体酸化物型燃料電池セパレータに好適な材料であり、鋼板、鋼帯に加工される場合が多いが、その他の固体酸化物型燃料電池用部品または本発明鋼の特性が生かせるその他用途の部品に、棒鋼、線材、粉末、粉末焼結体、多孔質体、鋼箔、等の種々の形状に加工して使用することが可能である。
【0046】
【実施例】
(実施例1)
本発明鋼及び比較鋼を真空誘導炉にて溶製し10kgのインゴットを作製した。
真空溶解時には、不純物元素を規定内に低く抑えるために、純度の高い原料を選定するとともに炉内雰囲気等操業条件を制御してTi、S、O、N、B等の混入、残存を抑制した。但し、比較鋼の一部については、不純物元素の影響を調べるため、あえてこれらの考慮をしなかった。
その後、1100℃に加熱して30mm角の棒材に鍛伸し、780℃で1時間の焼鈍を行った。表1及び表2に本発明鋼No.1〜23、比較合金No.31〜40の化学組成を示す。なお表2において、比較鋼No.40はJIS NCF600として知られているオーステナイト系合金である。
なお、表に示す式の値は、ZrとLaの複合添加合金は(1)式、Y、Zr、Laの複合添加合金は(2)式、ZrとLaを必須とした希土類元素(REM)の複合添加合金は(3)式で計算した値である。
また、表中でLaを必須添加していない合金については、以下に示す式にて計算を行なった。
(O+2S)/(0.27Y+0.035Zr+0.16REM)≦2.0
式の元素は質量%であり、上記式中のY、Zr、希土類元素(REM)のうち無添加の元素については0として計算した。
【0047】
【表1】
【0048】
【表2】
【0049】
これらの素材から試験片を切り出し各種試験を行った。
まず、これらの鋼の縦断面の光学顕微鏡組織観察を行い、平均フェライト結晶粒度を測定した。また、2mmVノッチシャルピー試験片を採取し、2mmVノッチシャルピー衝撃試験を20℃で行い、衝撃値を求めた。更に直径10mm、長さ20mmの円柱状試験片を用いて、大気中で850℃×100Hr及び750℃で1000Hrの加熱処理を行った後、表面酸化スケールの剥離量を測定した。
また10mmW×10mmL×3mmtの板状試料を用いて、大気中750℃で1000Hr加熱を行って表面に酸化被膜を形成させた後、750℃における電気抵抗を測定した。なお電気抵抗は面積抵抗(mΩ・cm2)で表した。
また、30℃から750℃までの平均熱膨張係数を測定した。これらの試験結果をまとめて表3及び表4に示す。
【0050】
【表3】
【0051】
【表4】
【0052】
表3より、本発明鋼は何れも焼鈍後の硬さが280HV以下、平均フェライト結晶粒度がASTM No.2以上であり、また、2mmVノッチシャルピー衝撃値も8J/cm2以上の値を有しており、シャルピー衝撃値が10J/cm2以上のものもある。
表3より本発明鋼は大気中750℃×1000Hr及び850℃×100Hr加熱後のスケールの剥離は全く観察されない。
また、本発明鋼は、大気中750℃で1000Hr加熱を行って表面に酸化被膜を形成させた後に750℃において測定した電気抵抗の値は十分小さい。これは、主に表面に薄い緻密なCr2O3被膜を形成しているためと考えられる。
更に、本発明鋼は、30〜750℃までの平均熱膨張係数が約11×10-6/℃台と小さく、固体電解質である安定化ジルコニアに近い。
【0053】
一方、表4より比較鋼No.31はCr量が少ないため剥離量が多く、長時間使用に耐えないことがわかる。比較鋼No.32は、Cr量が多いため、750℃ではスケール剥離が観察されないが、850℃では少量のスケール剥離が観察される。
比較鋼No.33はAlを3%以上含むためAl2O3被膜を形成し、電気抵抗の値は本発明鋼の値よりはるかに大きい。また比較鋼No.34はSiが高く、おそらく厚いSiO2被膜が形成されていると思われ、電気抵抗の値が高い。
また、比較鋼No.35、36は、O量が多かったり、Zr、Y、希土類元素(REM)の添加量が少なかったりするために式(1)の値が大きくなり、耐酸化性に効果のあるZr、Y、希土類元素(REM)の効果が十分発揮できず、スケールの剥離が観察され、また電気抵抗も高くなっている。
【0054】
比較鋼No.37は、Bを多く含むため、緻密な酸化スケールが形成されず、一部剥離するとともに電気抵抗も高くなっている。また、比較鋼No.38は、Sを多く含み、そのため式(1)の値が大きくなり、耐酸化性に効果のある希土類元素(REM)等の効果が十分発揮できず、スケールの剥離が観察され、また電気抵抗も高くなっている。
比較鋼No.39は、Tiを多く含み、かつ上述した式の値が大きいためにスケールの剥離が観察され、また電気抵抗も高い。比較鋼No.40は、酸化スケール剥離も観察されず、電気抵抗も低かったが、オーステナイト系Ni基合金であるため、熱膨張係数が非常に大きくなった。
【0055】
参考例No.3、本発明鋼No.5、23及びBを含む比較鋼No.37を1000℃で100時間加熱した後の酸化被膜の断面顕微鏡写真とその模式図を図1〜4に示す。
図1〜3に示すように、本発明鋼は酸化被膜(1)の表面が平滑であり、かつマトリックス(2)が酸化被膜内に入り込んでいるため密着状態が良好であるのに対し、図4に示すBを含む比較鋼No.37の酸化被膜(1)の表面は凹凸が激しく平滑でない上に、酸化被膜内にマトリックス(2)の食い込みがないことがわかる。このため、Bを含む比較鋼は、接触抵抗が高くなるだけでなく、酸化被膜の密着性も良くないと考えられるので、Bは不純物として極力低く抑えることが重要である。
【0056】
(実施例2)
参考例No.1〜3、本発明鋼No.4、5について、熱間鍛造後、熱間圧延によって厚さ5mmの板形状に仕上げ、780℃で1時間の焼鈍を行った。また、更に冷間加工と焼鈍を繰り返し行い、厚さ1mmと0.3mmの板形状に仕上げ、それぞれ850℃で3分及び2分の焼鈍を行った。これらの鋼の縦断面の光学顕微鏡組織観察を行い、結晶粒度を測定した。
また、焼鈍温度を変えて焼鈍を行った30mm角の鍛造材及び厚さ5mmの熱間圧延材について、2mmVノッチシャルピー衝撃試験を20℃で行い、衝撃値を求めた。
これらの結果をまとめて表5に示す。
【0057】
【表5】
【0058】
何れも硬さは280HV以下、平均フェライト結晶粒度はASTM No.3以上であり、特に冷間圧延工程で作製した厚さ1mm及び0.3mmの板材ではASTM No.8〜9及びNo.9〜10程度と非常に細かい。また厚さ5mmの板材の2mmVノッチシャルピー衝撃値は10J/cm2以上であり、衝撃特性も良好である。
【0059】
【発明の効果】
以上述べたように本発明鋼を固体電解質型燃料電池のセパレータに用いることにより、700〜950℃付近において良好な電気伝導性を有する酸化被膜を形成すると共に、長時間の使用においても良好な耐酸化性、特に耐剥離性を有し、かつ電解質との熱膨張差が小さく、燃料電池の低コスト化及び高性能化を図ることができることから、比較的低温の700〜950℃程度で作動する固体電解質型燃料電池の実用化、高効率化、大型化に大きく寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】参考例の固体酸化物型燃料電池セパレータ用鋼の断面顕微鏡写真である。
【図2】本発明の固体酸化物型燃料電池セパレータ用鋼の断面顕微鏡写真である。
【図3】本発明の固体酸化物型燃料電池セパレータ用鋼の断面顕微鏡写真である。
【図4】比較鋼の断面顕微鏡写真である。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to steel used for a separator of a solid oxide fuel cell.
[0002]
[Prior art]
Fuel cells have high power generation efficiency, SOx, NOx, Co2Because it has excellent features such as low generation amount, good response to load fluctuations, compactness, etc., it is a large-scale centralized type as an alternative to thermal power generation, urban suburban distributed type, and private power generation It is expected to be applied to a wide range of power generation systems.
Depending on the electrolyte used, fuel cell types are classified into phosphoric acid type, molten carbonate type, solid oxide type, and solid polymer type. Among them, solid oxide type fuel cells include electrolytes such as stabilized zirconia. It uses ceramics and has been conventionally operated at a fairly high temperature around 1000 ° C.
[0003]
The above-mentioned solid oxide fuel cell is operated at a high temperature, so that it is not necessary to use a catalyst for the electrode reaction, fossil fuel can be internally reformed at a high temperature, and various fuels such as coal gas are used. It can be used, combined with gas turbines or steam turbines using high-temperature exhaust heat, and so-called combined cycle power generation enables high-efficiency power generation, and it is compact because all components are solid. Therefore, it is very promising as a next-generation power supply source.
[0004]
However, many problems remain to be solved for the practical application of solid oxide fuel cells. In the case of a flat plate fuel cell capable of high power density, a separator is an important component.
This separator supports three layers of an electrolyte, a fuel electrode, and an air electrode, and has a function of forming a gas flow path and flowing current. Therefore, since separators are required to have properties such as electrical conductivity at high temperatures, oxidation resistance, and a small difference in thermal expansion from the electrolyte, in view of these required properties, conductive ceramics have conventionally been used. Although many have been used, ceramics have poor workability and are expensive, so that problems remain in terms of the enlargement and practical use of fuel cells.
[0005]
Therefore, development of a separator made of an inexpensive and reliable metal material is required. When a normal metal material is used at 1000 ° C., the surface is oxidized to produce an oxide film, but for use as a separator material, this oxide film is stable and oxidation does not proceed, and the oxide film has electrical conductivity. is necessary.
In order to satisfy such required characteristics, Japanese Patent Laid-Open No. 6-264193 discloses a metal material for a solid oxide fuel cell, C: 0.1% or less, Si: 0.5 to 3.0%, Mn: 3.0% or less, Cr An austenitic stainless steel composed of: 15-30%, Ni: 20-60%, Al: 2.5-5.5%, and the balance Fe has been proposed.
[0006]
In addition, in JP-A-7-163011, as a separator for a solid electrolyte fuel cell, Fe: 60 to 82% and Cr: 18 to 40%, an additive element that reduces the contact resistance between the air electrode of the unit cell ( It has been proposed to use an alloy comprising La, Y, Ce or Al alone. Furthermore, Japanese Patent Laid-Open No. 7-145454 proposes a material comprising Cr: 5 to 30%, Co: 3 to 45%, La: 1% or less, and the balance Fe as a metal material for a solid oxide fuel cell. .
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
Recently, solid oxide fuel cells have been remarkably improved, and it has become possible to lower the operating temperature from around 1000 ° C. to about 700 to 950 ° C. For this reason, it is expected that the practical use will be accelerated.
Since the material disclosed in JP-A-6-264193 mentioned above contains a considerable amount of Al and Cr, the surface oxide film is mainly composed of an Al-based oxide, which contains a Cr-based oxide. However, as will be described later, Al-based oxides have low electrical conductivity and are not necessarily sufficient for solid electrolyte fuel cell separators, and austenitic stainless steels are compared to stabilized zirconia in electrolytes. In addition, since the coefficient of thermal expansion is large, the battery performance is liable to be deteriorated due to the cracking of the electrolyte due to the thermal cycle that accompanies the start and stop of the battery, and there is a problem in stability during long-term use. Furthermore, since it contains a lot of expensive Ni, the price is high, which is insufficient for the practical use of fuel cells.
[0008]
On the other hand, the materials disclosed in JP-A-7-16301 and JP-A-7-145454 have a low thermal expansion coefficient compared to austenitic stainless steel and are close to the thermal expansion coefficient of stabilized zirconia of the electrolyte. Therefore, it is advantageous for stability in long-term use and also has good electrical conductivity. However, the oxidation resistance after long-term use is insufficient, especially the exfoliation phenomenon accompanying the increase of the oxide layer is promoted, and the groove provided in the separator that becomes the gas flow path in the battery is narrowed, and the battery function is deteriorated There is a problem to make.
In addition, the materials disclosed in JP-A-8-35042 and JP-A-8-277441 have a low coefficient of thermal expansion compared to austenitic stainless steel and are close to the coefficient of thermal expansion of stabilized zirconia in the electrolyte. Although it is advantageous for stability in use, no consideration is given to electrical conductivity that is important as a property of the separator material.
[0009]
In addition, the materials disclosed in JP-A-915701 and JP-A-10-280103 also have a low coefficient of thermal expansion up to 1000 ° C. In addition, it has good oxidation resistance at 1000 ° C. and electrical conductivity.
However, the above-described known materials are all developed for the purpose of obtaining good characteristics as a separator for a solid oxide fuel cell operating at 1000 ° C. The characteristics at the operating temperature of about 700 to 950 ° C. are not considered at all.
[0010]
Further, since the solid oxide fuel cell is repeatedly operated and stopped, the stress due to the thermal cycle acts on the separator of the component parts. Because of this thermal stress, there is a concern that fracture will occur particularly when the impact properties at room temperature are low. Therefore, the separator steel must have impact properties sufficient to withstand the thermal stress. Does not consider any impact properties at room temperature.
The object of the present invention is to form an oxide film having good electrical conductivity at about 700 to 950 ° C., and also to have good oxidation resistance, especially peel resistance, even at long term use, and at room temperature. An object of the present invention is to provide an inexpensive solid oxide fuel cell separator steel having excellent impact characteristics and a small difference in thermal expansion from an electrolyte.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
As a result of various studies, the present inventor first made the metal material of interest ferrite. The first reason for this is that the average thermal expansion coefficient of stabilized zirconia, which is an electrolyte of solid oxide, from room temperature to about 750 ° C. is about 11 × 10.-6For normal austenitic metal materials, approximately 16 x 10-6This is because the difference in thermal expansion between the two is large and the stability during use for a long time is considered to be problematic.
The second reason is that austenite is generally expensive because it contains expensive Ni, whereas ferrite is based on Fe and does not contain Ni, or even if it contains a small amount, it is inexpensive.
[0012]
Next, the inventor conducted various studies on the electric conductivity of the oxide film to be formed.
Al oxide and Cr oxide are known as representative oxide films having protective properties. Generally, when the temperature reaches around 700-950 ° C, Al2OThreeIs more advantageous in terms of protection, but Al2OThreeWhen the electrical resistance of the film forming material was measured, it was found to be very large and could not be used as a separator.
Meanwhile, Cr2OThreeIt has been found that the electrical resistance of the film forming material is sufficiently small and can be used for a separator. Therefore, in the present invention, a ferrite metal material that forms an oxide film mainly composed of a Cr-based oxide on the surface, that is, a Fe—Cr-based material is used as a basis.
[0013]
Next, although it is oxidation resistance which becomes a problem when used for a long time, the oxidation resistance of the Cr-based oxide film is usually inferior to that of the Al-based oxide film in the vicinity of 700 to 950 ° C. as described above. Even when a Cr-based oxide film is the main component, an Fe-based alloy (for example, a Fe-Cr alloy such as SUS430) is more acid-resistant than a Ni-based alloy (for example, a Ni-Cr alloy represented by JIS NCF600). The conversion is inferior.
Therefore, it is very difficult to satisfy the oxidation resistance when the Fe—Cr system is used as a basis in accordance with the above policy.
[0014]
As a result of various studies to solve this problem, the present inventor, in addition to adding one or more of Y, rare earth elements, and Zr to the Fe-Cr system, suppressing Al low, and adding a small amount of Si and Mn As a result, it has been found that good oxidation resistance, in particular, peeling resistance can be obtained while mainly using a Cr-based oxide film, and that the film formation state is stable even after heating for a long time.
In particular, when Zr is added in combination with Y and / or rare earth elements, the peel resistance is most improved. It was also found that even when the above elements were added, the oxide film formed was mainly composed of a Cr-based oxide film, so that the electrical resistance did not increase so much.
[0015]
Furthermore, Y, rare earth elements, and Zr, which are effective elements for obtaining good oxidation resistance, tend to form sulfides and oxides when they contain a large amount of S and O in the alloy. If Y, rare earth elements, and Zr are fixed as inclusions, the amount of Y, rare earth elements, and Zr that dissolve in the matrix decreases, contributing to the suppression of oxide film growth, densification, and improved adhesion. The effective amount decreases. Therefore, in order to make the added Y, rare earth element, and Zr act effectively, it is effective to reduce inclusions of these elements as much as possible, and it is good oxidation resistance to keep impurity elements such as S and O low. I found that it is necessary to maintain sex.
Also, N and B have been found to be effective to suppress as impurities because they may form a compound with a part of elements effective for maintaining oxidation resistance, such as La. In particular, B has been newly found to reduce the contact resistance by deteriorating the smoothness of the oxide film surface. From the viewpoint of contact resistance, it is necessary to keep B in the separator steel low as an impurity.
Further, since Ti is an element that lowers oxidation resistance, it needs to be kept low as an impurity.
[0016]
Moreover, in order to process the steel of the steel material for a separator into a separator, it is necessary to reduce the hardness. For that purpose, it is necessary to perform an appropriate annealing. This annealing is effective not only for adjusting the hardness but also for adjusting the ferrite crystal grain size, and the impact characteristics can be improved by using an appropriate fine grain structure.
As described above, the present invention has been achieved by adjusting the alloy components and optimizing the heat treatment conditions, structure, and mechanical properties.
[0017]
  That is, according to the first invention of the present invention, in mass%, C: 0.2% or less, Si: less than 0.2% (not including 0%), Mn: 1.0% or less (not including 0%) ), Ni: 2% or less, Cr: 15-30%, Al: 1% or less, La: 0.005-0.1%, Zr: 1% or less, the balance is Fe and inevitable impurities, As unavoidable impurities, Ti: 0.1% or less, S: 0.015% or less, O: 0.010% or less, N: 0.050% or less, B: 0.0030% or less, and ( 1) It is made of steel satisfying the formula, the hardness is 280 HV or less, and the average ferrite grain size is ASTM No. It is a steel for a solid oxide fuel cell separator that is two or more fine particles.
(O + 2S) /(0. 035Zr + 0.16La) ≦ 2.0 ... (1)
The element of the formula (1) is mass%.
[0018]
  The second invention of the present invention, in mass%, C: 0.1% or less,Si: Less than 0.2% (excluding 0%)Mn: 1.0% or less (excluding 0%), Cr: 17-26%, Ni: 1% or less, Al: 0.001% or more and less than 0.5%, Zr: 0.01-0. 8%, La: 0.005 to 0.8%Including the restIs FeAnd inevitable impuritiesAs an inevitable impurity,Ti: 0.1% or less,S: 0.015% or less, O: 0.010% or less, N: 0.020% or less, B: 0.0030% or less, and made of steel satisfying the formula (1). 280HV or less, average ferrite grain size is ASTM No. It is a steel for a solid oxide fuel cell separator that is two or more fine particles.
[0019]
  The third invention of the present invention is, in mass%, C: 0.1% or less, Si: less than 0.2% (not including 0%), Mn: less than 0.2% (not including 0%) Cr: 17 to 26%, Ni: 1% or less, Al: 0.001% or more and less than 0.5%, Zr: 0.01 to 0.8%, La: 0.005 to 0.8%Including the restIs FeAnd inevitable impuritiesAs an inevitable impurity,Ti: 0.1% or less,S: 0.015% or less, O: 0.010% or less, N: 0.020% or less, B: 0.0030% or less, and made of steel satisfying the formula (1). 280HV or less, average ferrite grain size is ASTM No. It is a steel for a solid oxide fuel cell separator that is two or more fine particles.
[0020]
  The fourth invention of the present invention is the above-mentioned alloy,Further, Y: 0.01 to 0.3% is satisfied, and the formula (2) is satisfiedSteel for solid oxide fuel cell separator.
(O + 2S) / (0.27Y + 0.035Zr + 0.16La) ≦ 2.0 (2)
[0021]
  The fifth invention of the present invention is, in mass%, C: 0.08% or less, Si: less than 0.2% (not including 0%), Mn: 0.5% or less (not including 0%) Cr: 18-25%, Ni: 0.5% or less, Al: 0.001% or more and less than 0.5%, La: 0.005-0.1%, Zr: 0.01-0.6% The balance consists of Fe and unavoidable impurities. Ti: 0.1% or less, S: 0.008% or less, O: 0.008% or less, N: 0.020% or less, B: Limited to 0.0020% or less, and (1)), The hardness is 280 HV or less, and the average ferrite grain size is ASTM No. It is a steel for solid oxide fuel cell separators that is two or more fine grains.
[0022]
  The sixth invention of the present invention is, in mass%, C: 0.08% or less, Si: less than 0.2% (not including 0%), Mn: 0.5% or less (not including 0%) Cr: 18-25%, Ni: 0.5% or less, Al: 0.001% or more and less than 0.5%, La: 0.005-0.1%, Zr: 0.01-0.6% The balance consists of Fe and unavoidable impurities. Ti: 0.1% or less, S: 0.008% or less, O: 0.008% or less, N: 0.020% or less, B: Limited to less than 0.0010% and (1)), The hardness is 280 HV or less, and the average ferrite grain size is ASTM No. It is a steel for solid oxide fuel cell separators with 3 or more fine grains.
[0023]
  Preferably, it is a steel for a solid oxide fuel cell separator containing Mo + 1 / 2W ≦ 5.0% by mass%, Mo alone or two kinds of Mo and W.
  More preferably, in mass%, V, Nb, HA solid oxide fuel cell separator steel containing 0.01 to 1.0% of one or more of f in total.
[0024]
  More preferably, the 2 mmV notch Charpy impact value at 20 ° C. is 8 J / cm.2This is steel for solid oxide fuel cell separators as described above.
  More preferably, the 2 mmV notch Charpy impact value at 20 ° C. is 10 J / cm.2This is steel for solid oxide fuel cell separators as described above.
  More preferably, the electrical resistance of the oxide film at 750 ° C. after heating at 750 ° C. for 1000 hours is 100 mΩ · cm.2The surface oxide scale was peeled after heating at 850 ° C for 100 hours.DepartIt is a solid oxide fuel cell separator steel that does not grow.
  More preferably, the electric resistance of the oxide film at 750 ° C. after heating at 750 ° C. for 1000 hours is 50 mΩ · cm.2This is a steel for a solid oxide fuel cell separator in which peeling of the surface oxide scale does not substantially occur after heating at 850 ° C. for 100 hours.
  In addition, the present invention further includes 0.005 to 0.1% of La and a rare earth element other than La (REM) in any of the compositions of the first to third, fifth and sixth inventions described above. And a steel for a solid oxide fuel cell separator that satisfies the formula (3).
(O + 2S) / (0.035Zr + 0.16REM) ≦ 2.0 (3)
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The reasons for limiting the components in the present invention will be described below.
C has the effect of increasing the high temperature strength by forming carbides, but conversely deteriorates the workability and reduces the amount of Cr effective for oxidation resistance by combining with Cr. Therefore, it is limited to 0.2% or less. Desirably, it is 0.1% or less, and more desirably 0.08% or less.
[0026]
Si is involved in the formation of a film mainly composed of a Cr-based oxide layer on the inner surface of the groove that forms the flow path of the high-temperature gas provided in the separator. Or an element that has the effect of preventing the peeling phenomenon.
One of the effects of Si is probably Cr2OThreeThin discontinuous SiO near the interface between oxide film and base metal2It is considered that a film is formed to improve the oxidation resistance.
[0027]
  In addition, the SiO2Coating is made of base material and Cr2O3At the coating interface, the base material, Cr2O3Coating, SiO2Forms a state where the coating is finely entangled, thereby improving the adhesion with the base material, and Cr2O3There is an effect of preventing peeling of the film.
  Such an effect is particularly great at a high temperature of 1000 ° C. or higher, and not necessarily great at 700 to 950 ° C. However, in order to obtain the above effect, it is necessary to add a small amount of Si.
On the other hand, excessive addition leads to deterioration of workability and toughness and SiO 22Since the film becomes too thick, it causes problems such as continuous peeling of the oxide film and a decrease in the electrical conductivity of the film.Is 0. Less than 2% (excluding 0%)And
[0028]
Mn forms a spinel oxide together with Fe and Cr. The spinel oxide layer containing Mn is Cr2OThreeFormed outside the oxide layer. This spinel oxide layer has a protective effect of preventing Cr, which deteriorates the ceramic electrolyte of the solid oxide fuel cell, from evaporating from the separator steel. Also, this spinel type oxide is usually Cr2OThreeCompared to, the oxidation rate is high, which is disadvantageous to the oxidation resistance itself, while maintaining the smoothness of the oxide film to reduce contact resistance and prevent the evaporation of Cr harmful to the electrolyte Has an effect.
On the other hand, if added excessively, as described above, the oxidation resistance of the Mn-containing spinel-type oxide itself is insufficient, resulting in poor oxidation resistance. Therefore, Mn is limited to 1% or less (not including 0%). When the operating temperature is as low as 700 to 950 ° C, it may be 0.5% or less (not including 0%), and when the operating temperature is lower, it may be less than 0.2% (not including 0%). .
[0029]
In the present invention, Cr is Cr2OThreeIt is an important element for maintaining oxidation resistance and electrical conductivity by forming a coating. Therefore, a minimum of 15% is required. However, excessive addition is not so effective in improving oxidation resistance but also causes deterioration of workability, so it is limited to 15 to 30%. A desirable Cr range is 17 to 26%, and a more desirable Cr range is 18 to 25%.
[0030]
  Y, rare earth element (REM), and Zr have the effect of greatly improving the oxidation resistance and the electrical conductivity of the oxide film when added in small amounts. In particular, the effect of improving the oxidation resistance when combined with a small amount of Si and Mn is large, which is considered to be mainly due to the improvement of the adhesion of the oxide film.
  In the present invention, only the Cr-based oxide film has oxidation resistance, but in order to improve the adhesion of the Cr-based oxide film., Among the rare earth elements (REM), it is essential to add La and Zr, and if necessary, rare earth elements other than La and La,YIf necessary, 0.005 to 0.1% may be contained.. However, excessive addition degrades hot workability, so Y is 0.3% Or less, rare earth element (REM) is 0.1% Or less, Zr is limited to 1% or less. Desirably, Y: 0.01 to 0.3%, rare earth element (REM): 0.005 to 0.10%, Zr: 0.01% to 0.8%.
[0031]
  Furthermore, Y: 0.01 to 0.3%, La requiredWhen one or more of rare earth elements (REM): 0.005 to 0.10% and Zr: 0.01% to 0.8% are added in combination, the adhesion of the oxide film is further improved for a long time. Even after heating, peeling of the oxide film can be prevented. More preferably,Require LaRare earth elements (REM): 0.005 to 0.10% and Zr: 0.01% to 0.8%. Among rare earth elements, La is most effective in improving the adhesion of the oxide film,In the present invention, La: 0.005 to 0.1% and Zr: 1% or less are essential and added in combination.The combined addition of La: 0.005 to 0.10% and Zr: 0.01% to 0.6% is most desirable.
  Zr, like V, Nb, Ta, and Hf, which will be described later, is combined with C to form carbides, improves workability by C fixation, and contributes to strength improvement.
[0032]
Ni is effective in improving toughness by adding a small amount to the steel of the present invention. However, Ni is an austenite-forming element, and excessive addition becomes a ferrite-austenite two-phase structure, resulting in an increase in thermal expansion coefficient and cost increase. Further, excessive addition of Ni deteriorates the oxidation resistance. Therefore, Ni is limited to 2% or less. Desirably, it is 1% or less, and more desirably 0.5% or less.
[0033]
Al is usually added as a deoxidizer. If you add a lot of Al, Al2OThreeA film is formed, but as mentioned above, Al2OThreeThe coating is effective for oxidation resistance, but increases the electrical resistance of the oxide coating. Therefore, in the case of the present invention, Al2OThreeIn order to avoid the formation of a film, Al is limited to 1% or less. Desirably, it is 0.001% or more and less than 0.5%.
[0034]
Mo has an effect of increasing the high temperature strength, and therefore may be added when high temperature strength is important. W also has the same effect as Mo, but in order to exert the same effect as Mo, addition of Mo twice as much by mass is necessary. Since a large amount of W impairs hot workability, W must be combined with Mo to keep the total amount of Mo and W low. Thus, excessive addition not only deteriorates workability but also reduces oxidation resistance, so Mo + 1 / 2W is limited to 5% or less. Desirably, it is 3% or less.
[0035]
  V, Nb, Hf is combined with C to form a carbide, and improves workability by fixing C. While contributing to strength improvement, in the vicinity of 700 to 900 ° C., except for Hf, an oxide having little protection property is formed to deteriorate the oxidation resistance.
  The above Hf is most preferable among these elements because it has an effect on oxidation resistance, but is selected as necessary because it is expensive. V, Nb, HExcessive addition of the element f forms a large amount of primary carbides and degrades workability. Therefore, considering workability, strength, and oxidation resistance, V, Nb, HYou may add 1 type or 2 types or more in the range of 0.01 to 1.0% of f. Desirably, it is 0.03 to 0.6%.
[0036]
Next, the reasons for limiting the inevitable impurity elements will be described.
Since Ti is an element that deteriorates oxidation resistance by forming an internal oxidation phase, it is limited to 0.1% or less as an impurity.
S forms sulfide inclusions with Mn, rare earth elements (REM), etc., reducing the amount of effective rare earth elements effective in oxidation resistance, not only reducing oxidation resistance, but also hot In order to deteriorate the workability and surface skin, the content is limited to 0.015% or less. Desirably, it is 0.008% or less.
O forms oxide inclusions with Al, Si, Mn, Cr, Y, rare earth elements (REM), Zr, etc., not only harming hot workability and cold workability, but also oxidation resistance In order to reduce the amount of solid solution of elements such as Y, rare earth elements (REM), and Zr that greatly contribute to the improvement, the effect of improving the oxidation resistance by these elements is reduced. Therefore, it is limited to 0.010% or less. Desirably, it is 0.008% or less.
[0037]
N is an austenite-generating element, so when added excessively to the Fe-Cr ferritic steel of the present invention, not only does the austenite phase form and the ferrite single phase cannot be maintained, but also Al, Cr, etc. In order to form inclusions and impair hot and cold workability, the content is limited to 0.050% or less. Desirably, it is 0.020% or less, and more desirably 0.010% or less.
B not only deteriorates the oxidation resistance by increasing the growth rate of the oxide film at a high temperature of about 700 ° C or higher, but also increases the surface roughness of the oxide film to reduce the contact area between the oxide film and the electrode. In order to degrade the contact resistance, it is better to limit the impurities to 0.0030% or less and reduce them to 0% as much as possible. A desirable upper limit is 0.0020% or less, more desirably less than 0.0010%.
[0038]
  In the steel of the present invention, Y, rare earth element (REM), and Zr, which have a great effect on improving the oxidation resistance and the electrical conductivity of the oxide film, are particularly effective for the sulfide inclusions. It is necessary to prevent it from being completely fixed to the oxide inclusions. To that end, (1)~ (3)As shown in the formulaZr and La, orY, Zr,La or Zr and La are requiredIt is effective to keep the ratio of the amount of S and O to the amount of rare earth element (REM) added low.
  (1)~ (3)When the value of the formula exceeds 2.0, Y, Zr, and rare earth elements (REM) are fixed to inclusions and do not contribute to the improvement of oxidation resistance and the electrical conductivity of the oxide film. (1)~ (3)The value of the formula was 2.0 or less.
[0039]
The following elements may be included in the steel of the present invention within the following range.
P ≤ 0.04%, Cu ≤ 0.30%, Mg ≤ 0.02%, Ca ≤ 0.02%, Co ≤ 2%
[0040]
Next, in order to use the steel having the above-described composition to produce a solid oxide fuel cell separator steel, it is necessary to form a gas flow path by cold plastic working or machining. It is important to have impact characteristics that can be easily machined and that the steel does not crack due to the tensile stress associated with the thermal cycle.
In the present invention, this index is defined using hardness, grain size and impact characteristics.
Hardness, crystal grain size, and impact characteristics, which are characteristics required for the steel for solid oxide fuel cell separators of the present invention, are not determined only by the alloy composition, but depend on the plastic processing method of the material, heat treatment conditions such as annealing, etc. In order to use it as a steel for solid oxide fuel cell separators, it is important to satisfy not only the chemical components but also the hardness, crystal grain size, impact characteristics, etc., to meet the specified range of the present invention. It is.
[0041]
In order to satisfy the above-described hardness, crystal grain size, and impact characteristics, annealing is preferably performed in order to remove processing strain generated in the raw material manufacturing process and remaining in the material. When the annealing temperature is higher than 950 ° C, the crystal grains described later become coarse, and when the annealing temperature is lower than 650 ° C, it takes a long time for softening. Since there is a possibility of embrittlement, the annealing temperature is preferably in the range of 650 to 950 ° C.
Note that the annealing holding time should be short in order not to coarsen the crystal grains at high temperatures, while it takes a long time to reduce the hardness at low temperatures. It can be appropriately selected from the relationship.
[0042]
If the hardness after annealing is higher than 280HV, it takes time for these processes or the shape accuracy is lowered. Therefore, the hardness is set to 280HV or less. Desirably, it is 200HV or less. Moreover, if it is in the range of this hardness, in order to correct the deformation | transformation by the thermal strain after annealing, you may perform cold processing, such as cold rolling, after annealing.
[0043]
The solid oxide fuel cell separator steel of the present invention is used at a working temperature of about 700 ° C. or higher. However, since the fuel cell is repeatedly operated and stopped, the separator steel has a working temperature and a normal temperature. Repeatedly undergoes a heat cycle between heating and cooling. In particular, since tensile stress acts during cooling, it is sufficient that the impact characteristics at normal temperature are good in order to prevent cracking during cooling.
In order to obtain good impact characteristics in a steel having a ferrite structure such as the solid oxide fuel cell separator steel of the present invention, it is effective to refine the ferrite crystal grains. In order to obtain impact characteristics described later, it is necessary to make the average ferrite grain size finer than ASTM No. 2. Desirably, fine grains having an average ferrite grain size of ASTM No. 3 or more are preferable.
Impact characteristics can be evaluated by 2mmV notch Charpy impact value at 20 ℃, impact value is 8J / cm2More than that, preferably 10J / cm2The above is good.
[0044]
Next, the solid oxide fuel cell separator steel of the present invention has excellent electrical resistance particularly in the temperature range of 700 to 950 ° C. Therefore, it was defined as follows as an index indicating the excellent electrical resistance.
As an evaluation means for evaluating electrical conductivity, the electrical resistance of the oxide film at 750 ° C after heating for 1000 hours at 750 ° C is 100 mΩ · cm2Below, preferably 50mΩ ・ cm2It is important that:
In addition, as a means of evaluating the phenomenon that the oxidation of the formed Cr-based oxide film progresses and becomes a surface oxide scale after long-term use, the surface oxide scale peels substantially after heating at 850 ° C. for 100 hours. It is important that it does not occur. Note that “the surface oxide scale does not peel substantially” means that there is no natural peeling of the scale, and means that no external impact is applied.
[0045]
The steel of the present invention is a material suitable for a solid oxide fuel cell separator, and is often processed into a steel plate or steel strip. It can be used by processing into various shapes such as steel bars, wire rods, powders, powder sintered bodies, porous bodies, steel foils, etc., for parts for other uses that can make the best use of.
[0046]
【Example】
Example 1
  The steel of the present invention and the comparative steel were melted in a vacuum induction furnace to produce a 10 kg ingot.
  At the time of vacuum melting, in order to keep the impurity element low within the specified range, raw materials with high purity were selected and operation conditions such as the atmosphere in the furnace were controlled to suppress mixing and remaining of Ti, S, O, N, B, etc. . However, some of the comparative steels were not considered because of the influence of impurity elements.
  Then, it heated to 1100 degreeC and forge-stretched to the 30-mm square bar | burr, and annealed at 780 degreeC for 1 hour. Tables 1 and 2 show the steel Nos. 1-23, Comparative Alloy No. The chemical composition of 31-40 is shown. In Table 2, the comparative steel No. Reference numeral 40 denotes an austenitic alloy known as JIS NCF600.
  The values of the formulas shown in the table are as follows: Zr and La composite additive alloy (1) formula, Y, Zr, La composite additive alloy (2) formula, rare earth element (REM) essentially including Zr and La The value of the composite additive alloy is the value calculated by equation (3).
  Moreover, about the alloy which does not add La essentially in the table | surface, it calculated by the formula shown below.
(O + 2S) / (0.27Y + 0.035Zr + 0.16REM) ≦ 2.0
The element of the formula is% by mass, and the calculation was performed with 0 for the additive-free element among Y, Zr, and rare earth element (REM) in the above formula.
[0047]
[Table 1]
[0048]
[Table 2]
[0049]
Test pieces were cut out from these materials and subjected to various tests.
First, the optical cross-sectional structure observation of the longitudinal section of these steels was performed, and the average ferrite crystal grain size was measured. In addition, a 2 mm V notch Charpy test piece was collected and a 2 mm V notch Charpy impact test was performed at 20 ° C. to determine the impact value. Further, using a cylindrical test piece having a diameter of 10 mm and a length of 20 mm, heat treatment was performed at 850 ° C. × 100 Hr and 750 ° C. and 1000 Hr in the air, and then the amount of peeling of the surface oxide scale was measured.
10mmW× 10mmL× 3mmtThe plate-shaped sample was heated at 1000 ° C. in the air at 750 ° C. to form an oxide film on the surface, and then the electrical resistance at 750 ° C. was measured. The electrical resistance is area resistance (mΩ ・ cm2)
Further, the average thermal expansion coefficient from 30 ° C. to 750 ° C. was measured. The test results are summarized in Table 3 and Table 4.
[0050]
[Table 3]
[0051]
[Table 4]
[0052]
From Table 3, the steels of the present invention all have a hardness after annealing of 280 HV or less, an average ferrite grain size of ASTM No. 2 or more, and a 2 mmV notch Charpy impact value of 8 J / cm.2It has the above value, Charpy impact value is 10J / cm2There are more.
From Table 3, the steel of the present invention shows no separation of scale after heating in the atmosphere at 750 ° C. × 1000 Hr and 850 ° C. × 100 Hr.
Further, the steel of the present invention has a sufficiently small electric resistance value measured at 750 ° C. after an oxide film is formed on the surface by heating at 750 ° C. in air for 1000 hours. This is mainly due to the thin dense Cr on the surface2OThreeThis is probably because a film is formed.
Furthermore, the steel according to the present invention has an average coefficient of thermal expansion of about 11 × 10 5 up to 30 to 750 ° C.-6It is close to stabilized zirconia, a solid electrolyte, as small as / ° C.
[0053]
On the other hand, it can be seen from Table 4 that Comparative Steel No. 31 has a small amount of Cr and therefore has a large amount of peeling and cannot withstand long-term use. Since Comparative Steel No. 32 has a large amount of Cr, scale peeling is not observed at 750 ° C, but a small amount of scale peeling is observed at 850 ° C.
Since comparative steel No.33 contains more than 3% Al, Al2OThreeA film is formed and the value of electrical resistance is much greater than that of the steel of the present invention. Also, comparative steel No. 34 has high Si and probably thick SiO2It seems that a film is formed and the value of electric resistance is high.
In comparison steel Nos. 35 and 36, the amount of O is large and the amount of Zr, Y and rare earth elements (REM) added is small, so the value of formula (1) is large, which is effective for oxidation resistance. The effects of Zr, Y, and rare earth elements (REM) with a certain amount cannot be sufficiently exhibited, scale peeling is observed, and the electrical resistance is high.
[0054]
  Comparative steel No. Since 37 contains a large amount of B, a dense oxide scale is not formed, and a part of the scale is peeled off and the electrical resistance is high. Comparative steel No. 38 contains a large amount of S, so that the value of the formula (1) becomes large, the effect of rare earth elements (REM) having an effect on oxidation resistance cannot be sufficiently exhibited, peeling of the scale is observed, and electric resistance Is also high.
  Comparative steel No. 39 contains a lot of Ti, andOf the above formulaSince the value is large, peeling of the scale is observed and the electric resistance is high. Comparative steel No. No oxidation scale peeling was observed for 40, and the electrical resistance was low, but since it was an austenitic Ni-based alloy, the thermal expansion coefficient was very large.
[0055]
  Reference Example No. 3,Invention steel No. 5, 23 and B, comparative steel No. 1-4 are cross-sectional micrographs and schematic views of the oxide film after heating 37 at 1000 ° C. for 100 hours.
  As shown in FIGS. 1 to 3, the steel according to the present invention has a smooth surface of the oxide film (1) and a good adhesion because the matrix (2) has entered the oxide film. Comparative steel No. 4 containing B shown in FIG. It can be seen that the surface of the oxide film (1) 37 is not smooth and uneven, and the matrix (2) does not bite into the oxide film. For this reason, since it is thought that the comparative steel containing B not only has a high contact resistance but also a poor adhesion of the oxide film, it is important to keep B as low as possible as an impurity.
[0056]
(Example 2)
  Reference Example No. 1-3Invention steel No. 4, 5After hot forging, it was finished into a plate shape having a thickness of 5 mm by hot rolling and annealed at 780 ° C. for 1 hour. Further, cold working and annealing were repeated to finish a plate shape having a thickness of 1 mm and 0.3 mm, followed by annealing at 850 ° C. for 3 minutes and 2 minutes, respectively. The optical cross-sectional observation of the longitudinal section of these steels was performed, and the grain size was measured.
  Moreover, the 2 mmV notch Charpy impact test was done at 20 degreeC about the 30 mm square forging material and the hot rolled material of thickness 5mm which annealed by changing annealing temperature, and the impact value was calculated | required.
  These results are summarized in Table 5.
[0057]
[Table 5]
[0058]
In either case, the hardness is 280HV or less and the average ferrite grain size is ASTM No. 3 or more. The degree and very fine. The 2mmV notch Charpy impact value of a 5mm thick plate is 10J / cm.2As described above, the impact characteristics are also good.
[0059]
【The invention's effect】
As described above, the steel according to the present invention is used for a separator of a solid oxide fuel cell, thereby forming an oxide film having good electrical conductivity in the vicinity of 700 to 950 ° C., and also having good acid resistance even when used for a long time. It operates at a relatively low temperature of about 700 to 950 ° C because it has low diffusivity, particularly peel resistance, has a small difference in thermal expansion from the electrolyte, and can reduce the cost and performance of the fuel cell. This can greatly contribute to the practical application, high efficiency, and enlargement of solid oxide fuel cells.
[Brief description of the drawings]
[Figure 1]Reference exampleIt is a cross-sectional microscope picture of the steel for solid oxide type fuel cell separators.
FIG. 2 is a cross-sectional micrograph of steel for a solid oxide fuel cell separator of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional micrograph of steel for a solid oxide fuel cell separator of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional micrograph of a comparative steel.

Claims (13)

質量%にて、C:0.2%以下、Si:0.2%未満(0%を含まず)、Mn:1.0%以下(0%を含まず)、Ni:2%以下、Cr:15〜30%、Al:1%以下、La:0.005〜0.1%、Zr:1%以下を含み、残部はFe及び不可避的不純物でなり、不可避的不純物として、Ti:0.1%以下、S:0.015%以下、O:0.010%以下、N:0.050%以下、B:0.0030%以下に制限し、かつ(1)式を満足する鋼からなり、硬さが280HV以下、平均フェライト結晶粒度がASTM No.2以上の細粒であることを特徴とする固体酸化物型燃料電池セパレータ用鋼。
(O+2S)/(0.035Zr+0.16La)≦2.0…(1)
(1)式の元素は質量%である。
In mass%, C: 0.2% or less, Si: less than 0.2% (not including 0%), Mn: 1.0% or less (not including 0%), Ni: 2% or less, Cr 15 to 30%, Al: 1% or less, La: 0.005 to 0.1%, Zr: 1% or less, and the balance is Fe and inevitable impurities. 1% or less, S: 0.015% or less, O: 0.010% or less, N: 0.050% or less, B: 0.0030% or less, and satisfying the formula (1) , The hardness is 280 HV or less, the average ferrite grain size is ASTM No. A steel for a solid oxide fuel cell separator, wherein the steel is a fine particle of 2 or more.
(O + 2S) / ( 0.035Zr + 0.16 La ) ≦ 2.0 (1)
The element of the formula (1) is mass%.
質量%にて、C:0.1%以下、Si:0.2%未満(0%を含まず)、Mn:1.0%以下(0%を含まず)、Cr:17〜26%、Ni:1%以下、Al:0.001%以上0.5%未満、Zr:0.01〜0.8%、La:0.005〜0.8%を含み、残部はFe及び不可避的不純物でなり、不可避的不純物として、Ti:0.1%以下、S:0.015%以下、O:0.010%以下、N:0.020%以下、B:0.0030%以下に制限し、かつ(1)式を満足する鋼からなり、硬さが280HV以下、平均フェライト結晶粒度がASTM No.2以上の細粒であることを特徴とする固体酸化物型燃料電池セパレータ用鋼。
(O+2S)/(0.035Zr+0.16La)≦2.0…(1)
(1)式の元素は質量%である。
In mass%, C: 0.1% or less, Si: less than 0.2% (not including 0%), Mn: 1.0% or less (not including 0%), Cr: 17 to 26%, Ni: 1% or less, Al: 0.001% or more and less than 0.5%, Zr: 0.01 to 0.8%, La: 0.005 to 0.8%, the balance being Fe and inevitable impurities As unavoidable impurities, Ti is limited to 0.1% or less, S: 0.015% or less, O: 0.010% or less, N: 0.020% or less, B: 0.0030% or less. And having a hardness of 280HV or less and an average ferrite grain size of ASTM No. A steel for a solid oxide fuel cell separator, wherein the steel is a fine particle of 2 or more.
(O + 2S) / ( 0.035Zr + 0.16 La ) ≦ 2.0 (1)
The element of the formula (1) is mass%.
質量%にて、C:0.1%以下、Si:0.2%未満(0%を含まず)、Mn:0.2%未満(0%を含まず)、Cr:17〜26%、Ni:1%以下、Al:0.001%以上0.5%未満、Zr:0.01〜0.8%、La:0.005〜0.8%を含み、残部はFe及び不可避的不純物でなり、不可避的不純物として、Ti:0.1%以下、S:0.015%以下、O:0.010%以下、N:0.020%以下、B:0.0030%以下に制限し、かつ(1)式を満足する鋼からなり、硬さが280HV以下、平均フェライト結晶粒度がASTM No.2以上の細粒であることを特徴とする固体酸化物型燃料電池セパレータ用鋼。
(O+2S)/(0.035Zr+0.16La)≦2.0…(1)
(1)式の元素は質量%である。
In mass%, C: 0.1% or less, Si: less than 0.2% (not including 0%), Mn: less than 0.2% (not including 0%), Cr: 17 to 26%, Ni: 1% or less, Al: 0.001% or more and less than 0.5%, Zr: 0.01 to 0.8%, La: 0.005 to 0.8%, the balance being Fe and inevitable impurities As unavoidable impurities, Ti is limited to 0.1% or less, S: 0.015% or less, O: 0.010% or less, N: 0.020% or less, B: 0.0030% or less. And having a hardness of 280HV or less and an average ferrite grain size of ASTM No. A steel for a solid oxide fuel cell separator, wherein the steel is a fine particle of 2 or more.
(O + 2S) / ( 0.035Zr + 0.16 La ) ≦ 2.0 (1)
The element of the formula (1) is mass%.
更にY:0.01〜0.3%を含有し、かつ(2)式を満足することを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載の固体酸化物型燃料電池セパレータ用鋼。
(O+2S)/(0.27Y+0.035Zr+0.16La)≦2.0…(2)
The steel for a solid oxide fuel cell separator according to any one of claims 1 to 3, further comprising Y: 0.01 to 0.3% and satisfying the formula (2) .
(O + 2S) / (0.27Y + 0.035Zr + 0.16La) ≦ 2.0 (2)
質量%にて、C:0.08%以下、Si:0.2%未満(0%を含まず)、Mn:0.5%以下(0%を含まず)、Cr:18〜25%、Ni:0.5%以下、Al:0.001%以上0.5%未満、La:0.005〜0.1%、Zr:0.01〜0.6%、残部はFe及び不可避的不純物でなり、不可避的不純物として、Ti:0.1%以下、S:0.008%以下、O:0.008%以下、N:0.020%以下、B:0.0020%以下に制限し、かつ()式を満足する鋼からなり、硬さが280HV以下、平均フェライト結晶粒度がASTM No.2以上の細粒であることを特徴とする固体酸化物型燃料電池セパレータ用鋼。
(O+2S)/(0.035Zr+0.16La)≦2.0…(
In mass%, C: 0.08% or less, Si: less than 0.2% (not including 0%), Mn: 0.5% or less (not including 0%), Cr: 18 to 25%, Ni: 0.5% or less, Al: 0.001% or more and less than 0.5%, La: 0.005 to 0.1%, Zr: 0.01 to 0.6%, the balance being Fe and inevitable impurities Inevitable impurities are limited to Ti: 0.1% or less, S: 0.008% or less, O: 0.008% or less, N: 0.020% or less, B: 0.0020% or less. and (1) made of steel which satisfies the equation, hardness is 280HV or less, the average ferrite crystal grain size is ASTM No. A steel for a solid oxide fuel cell separator, wherein the steel is a fine particle of 2 or more.
(O + 2S) / (0.035Zr + 0.16La) ≦ 2.0 ( 1 )
質量%にて、C:0.08%以下、Si:0.2%未満(0%を含まず)、Mn:0.5%以下(0%を含まず)、Cr:18〜25%、Ni:0.5%以下、Al:0.001%以上0.5%未満、La:0.005〜0.1%、Zr:0.01〜0.6%、残部はFe及び不可避的不純物でなり、不可避的不純物として、Ti:0.1%以下、S:0.008%以下、O:0.008%以下、N:0.020%以下、B:0.0010%未満に制限し、かつ()式を満足する鋼からなり、硬さが280HV以下、平均フェライト結晶粒度がASTM No.3以上の細粒であることを特徴とする固体酸化物型燃料電池セパレータ用鋼。
(O+2S)/(0.035Zr+0.16La)≦2.0…(
In mass%, C: 0.08% or less, Si: less than 0.2% (not including 0%), Mn: 0.5% or less (not including 0%), Cr: 18 to 25%, Ni: 0.5% or less, Al: 0.001% or more and less than 0.5%, La: 0.005 to 0.1%, Zr: 0.01 to 0.6%, the balance being Fe and inevitable impurities Inevitable impurities are limited to Ti: 0.1% or less, S: 0.008% or less, O: 0.008% or less, N: 0.020% or less, B: less than 0.0010%. and (1) made of steel which satisfies the equation, hardness is 280HV or less, the average ferrite crystal grain size is ASTM No. A steel for a solid oxide fuel cell separator, characterized by being 3 or more fine grains.
(O + 2S) / (0.035Zr + 0.16La) ≦ 2.0 ( 1 )
質量%にて、Mo単独またはMoとWの二種を、Mo+1/2W≦5.0%を含むことを特徴とする請求項1乃至6の何れかに記載の固体酸化物型燃料電池セパレータ用鋼。  The solid oxide fuel cell separator according to any one of claims 1 to 6, characterized by containing Mo + 1 / 2W ≤ 5.0% in terms of mass%, including Mo alone or Mo and W. steel. 質量%にて、V、Nb、Hfの一種または二種以上を合計で0.01〜1.0%含むことを特徴とする請求項1乃至7の何れかに記載の固体酸化物型燃料電池セパレータ用鋼。At mass%, V, Nb, solid oxide fuel as claimed in any one of claims 1 to 7, characterized in that it comprises 0.01% to 1.0% in total of one or two or more H f Steel for battery separator. 20℃での2mmVノッチシャルピー衝撃値が8J/cm以上であることを特徴とする請求項1乃至8の何れかに記載の固体酸化物型燃料電池セパレータ用鋼。9. The steel for a solid oxide fuel cell separator according to claim 1, wherein a 2 mmV notch Charpy impact value at 20 ° C. is 8 J / cm 2 or more. 20℃での2mmVノッチシャルピー衝撃値が10J/cm以上であることを特徴とする請求項1乃至8の何れかに記載の固体酸化物型燃料電池セパレータ用鋼。9. The steel for a solid oxide fuel cell separator according to claim 1, wherein a 2 mmV notch Charpy impact value at 20 ° C. is 10 J / cm 2 or more. 750℃で1000Hr加熱した後の750℃における酸化被膜の電気抵抗が100mΩ・cm以下であり、更に850℃で100Hr加熱後に表面酸化スケールの剥離が発生しないことを特徴とする請求項1乃至10の何れかに記載の固体酸化物型燃料電池セパレータ用鋼。And 1000Hr the electrical resistance of the oxide film at 750 ° C. after heating is 100 m [Omega · cm 2 or less at 750 ° C., to claim 1 further exfoliation of surface oxide scale after 100Hr heated at 850 ° C. is characterized in that it does not occur The solid oxide fuel cell separator steel according to any one of 10. 750℃で1000Hr加熱した後の750℃における酸化被膜の電気抵抗が50mΩ・cm以下であり、更に850℃で100Hr加熱後に表面酸化スケールの剥離が発生しないことを特徴とする請求項1乃至11の何れかに記載の固体酸化物型燃料電池セパレータ用鋼。And 1000Hr the electrical resistance of the oxide film at 750 ° C. after heating is 50 m [Omega · cm 2 or less at 750 ° C., to claim 1 further exfoliation of surface oxide scale after 100Hr heated at 850 ° C. is characterized in that it does not occur The steel for a solid oxide fuel cell separator according to any one of 11. 合計で0.005〜0.1%のLaとLa以外の希土類元素(REM)を更に含有し、かつ(3)式を満足することを特徴とする請求項1乃至6の何れかに記載の固体酸化物型燃料電池セパレータ用鋼。A total of 0.005 to 0.1% of La and rare earth elements other than La (REM) are further satisfied, and the formula (3) is satisfied. Steel for solid oxide fuel cell separator.
(O+2S)/(0.035Zr+0.16REM)≦2.0…(3)(O + 2S) / (0.035Zr + 0.16REM) ≦ 2.0 (3)
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180125598A (en) 2016-07-04 2018-11-23 닛폰 스틸 앤드 스미킨 스테인레스 스틸 코포레이션 Ferritic stainless steel, its steel sheet and manufacturing method thereof

Families Citing this family (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8518234B2 (en) 2003-09-03 2013-08-27 Ati Properties, Inc. Oxidation resistant ferritic stainless steels
JP2005264298A (en) * 2004-03-22 2005-09-29 Jfe Steel Kk Metallic material for fuel cell and solid oxide type fuel cell
JP4737600B2 (en) * 2004-04-09 2011-08-03 日立金属株式会社 Steel for solid oxide fuel cell separator
SE527933C2 (en) * 2004-05-19 2006-07-11 Sandvik Intellectual Property Heat-resistant steel
DE102005005116A1 (en) * 2005-02-04 2006-08-10 Forschungszentrum Jülich GmbH Interconnector for high-temperature fuel cells
JP4756905B2 (en) * 2005-05-10 2011-08-24 日新製鋼株式会社 Solid oxide fuel cell separator material
JP4848687B2 (en) * 2005-07-07 2011-12-28 日産自動車株式会社 Fuel cell stack structure
JP4931423B2 (en) * 2006-01-18 2012-05-16 京セラ株式会社 Heat-resistant conductive member, alloy member for fuel cell, current collecting member for fuel cell, cell stack, fuel cell
DE112006002956B4 (en) * 2005-10-27 2020-06-18 Kyocera Corporation Heat-resistant alloy element, collector element for a fuel cell, cell stack and fuel cell device
JP4932307B2 (en) * 2006-03-30 2012-05-16 京セラ株式会社 Heat-resistant alloy member, alloy member for fuel cell, current collecting member for fuel cell, cell stack, and fuel cell
WO2008013498A1 (en) * 2006-07-26 2008-01-31 Sandvik Intellectual Property Ab Ferritic chromium steel
KR100802683B1 (en) 2006-12-12 2008-02-12 현대자동차주식회사 Seperator for fuel cell
KR100827011B1 (en) * 2006-12-13 2008-05-02 포항공과대학교 산학협력단 Metallic separator for fuel cell
KR20080109148A (en) * 2007-06-12 2008-12-17 포항공과대학교 산학협력단 Stainless steel having excellent corrosion resistance and electric conductivity and bipolar plate made of the same
JP4998132B2 (en) * 2007-08-06 2012-08-15 Jfeスチール株式会社 Ferritic stainless steel sheet for use around water
JP5202902B2 (en) * 2007-08-13 2013-06-05 本田技研工業株式会社 Manufacturing method of fuel cell
JP5075183B2 (en) * 2009-02-04 2012-11-14 日本碍子株式会社 Electrochemical equipment
JP5660331B2 (en) * 2009-09-16 2015-01-28 日立金属株式会社 Solid oxide fuel cell steel with excellent oxidation resistance
CN103492601B (en) * 2011-04-22 2015-08-12 日立金属株式会社 The Solid Oxide Fuel Cell steel of scale resistance excellence and use its Solid Oxide Fuel Cell component
JP5716054B2 (en) 2012-07-13 2015-05-13 新日鐵住金ステンレス株式会社 Ferritic stainless steel sheet with excellent electrical conductivity and adhesion of oxide film
EP3095888B1 (en) 2014-01-14 2019-08-14 Nippon Steel & Sumikin Stainless Steel Corporation Ferritic stainless steel sheet excellent in electrical conductivity and adhesion of oxide film
JP6395037B2 (en) * 2014-09-29 2018-09-26 日立金属株式会社 Steel strip for solid oxide fuel cell
JP6638104B2 (en) * 2018-06-12 2020-01-29 日本碍子株式会社 Alloy member, cell stack and cell stack device
CN115151671A (en) * 2020-03-02 2022-10-04 杰富意钢铁株式会社 Ferritic stainless steel for solid oxide fuel cell
WO2022196775A1 (en) 2021-03-19 2022-09-22 新報国マテリアル株式会社 Thermal expansion-controlled alloy
CN116005080A (en) * 2022-12-26 2023-04-25 山东能源集团有限公司 Connector material and application thereof

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180125598A (en) 2016-07-04 2018-11-23 닛폰 스틸 앤드 스미킨 스테인레스 스틸 코포레이션 Ferritic stainless steel, its steel sheet and manufacturing method thereof
KR20200015820A (en) 2016-07-04 2020-02-12 닛테츠 스테인레스 가부시키가이샤 Ferritic stainless steel, steel sheet thereof, and methods for producing these

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