JP5257803B2 - 耐酸化性に優れた固体酸化物形燃料電池用鋼及びそれを用いた固体酸化物形燃料電池用部材 - Google Patents
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Description
しかし、セラミックスは加工性が悪く、高価であること、また、近年、固体酸化物形燃料電池の作動温度が低下し、700〜900℃程度になってきたことから、例えば、セパレータの部品等にはセラミックスより安価で、かつ加工性が良く、耐酸化性の優れた金属製の部品を用いる検討が盛んに行われている。
前述の固体酸化物形燃料電池用に用いられる金属製の部品には、優れた耐酸化性が求められ、本願出願人も特開2007−16297号公報(特許文献1)、特開2005−320625号公報(特許文献2)、WO2011/034002号パンフレット(特許文献3)等として、耐酸化性に優れるフェライト系ステンレス鋼を提案している。
ところで、特許文献3に記載されるように、窒素(N)は耐酸化性を劣化させる元素として、低く規制される元素である。
本発明者の検討によれば、フェライト系ステンレス鋼の小型炉による真空精錬では脱ガス効果が高く、低窒素化が容易であるが、大型炉において低窒素化は難しく工数も増大するという問題に直面した。これに対して、窒素含有量の低い原料を使用するという方法もあるが、これもコスト増を招くため適切な方法ではない。
本発明の目的は、窒素を所定量含有しても、十分な耐酸化性を確保できる固体酸化物形燃料電池用鋼及びそれを用いた固体酸化物形燃料電池用部材を提供することである。
その結果、基本的な合金組成を最適範囲に絞り込んだ上で、C、Si、Al、O等の特定元素を調整すれば、窒素(N)が少量含まれていても良好な耐酸化性が安定して得られることを知見し、本発明に到達した。
好ましくは、質量%の比でZr/(C+N):10以上の耐酸化性に優れた固体酸化物形燃料電池用鋼である。
更に好ましくは、前記Si量が質量%で0.1%未満の耐酸化性に優れた固体酸化物形燃料電池用鋼である。
更に好ましくは、前記C量が質量%で0.020%以下の耐酸化性に優れた固体酸化物形燃料電池用鋼である。
また、本発明は、上記の固体酸化物形燃料電池用鋼を用いた固体酸化物形燃料電池用部材であって、前記固体酸化物形燃料電池用鋼の表層側にMnを含むスピネル型酸化物層を有し、前記スピネル型酸化物層の下にCr酸化物層を有する酸化被膜が形成され、該酸化被膜の厚さが0.3〜2.0μmの固体酸化物形燃料電池用部材である。
本発明の固体酸化物形燃料電池用鋼において各元素の含有量を規定した理由は以下の通りである。なお、各元素の含有量は質量%として記す。
C:0.022%以下(0%を含む)
Cは、Nを含有する場合の耐酸化性の劣化を補償するために制限すべき最も重要な元素の一つである。Cは、Crと結び付くことにより母材のCr量を減少させ、耐酸化性を低下させる元素である。そのため、耐酸化性を向上させるためには、Cはできる限り低くすることが有効であり、本発明では0.022%以下(0%を含む)の範囲に限定する。
また、Cは後述するNに比べると精錬による低減が比較的容易であることから、より好ましい上限は0.020%である。
N:0.01〜0.05%
Nは上述のように耐酸化性を劣化させる元素であるため、一般には低い方が好ましい。しかしながら、低窒素とするには、窒素含有量の低い高価な原料を使用する。本発明では、上述のC、及び後述のSi、Alの含有量を厳格に制限することによって、0.01%以上のNを含有しても、Nを低減した固体酸化物形燃料電池用鋼に匹敵する優れた耐酸化性を実現することができる。一方、Nは、オーステナイト生成元素であるため、本発明のフェライト系ステンレス鋼に過剰に含有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、上述のCと同様に、Cr等と結び付いて窒化物系介在物を形成し、母材中のCr量を低下させ、耐酸化性を劣化させる。また、この窒化物系介在物は、熱間、冷間加工性を害する要因にもなる。多すぎると上述した成分の最適化によっても、優れた耐酸化性が得られなくなるため、0.05%以下に制限する。
Oは、Nを含有する場合の耐酸化性の劣化を補償するために制限すべき重要な元素の一つである。Oは、Al、Si、Mn、Cr、Zr、La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La、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(0%を含む)に制限すると良い。好ましくは、0.008%以下である。
Al:0.15%以下(0%を含む)
Alは、Nを含有する場合の耐酸化性の劣化を補償するために制限すべき元素の一つである。Alは、固体酸化物形燃料電池の作動温度において、Cr酸化被膜近傍の金属組織中にAl2O3を粒子状、及び針状に形成する。これにより、Crの外方拡散を不均一にして安定なCr酸化被膜の形成を妨げることで、耐酸化性を劣化させる。このため、本発明では0.15%以下(0%を含む)の範囲に限定する。前述のAlを低減した場合の効果をより確実に得るには、Alの上限を0.1%以下とし、更に好ましくは0.05%以下とする。好ましくは0.03%以下である。
Siは、Nを含有する場合の耐酸化性の劣化を補償するために制限すべき元素の一つである。固体酸化物形燃料電池の作動温度において、Cr酸化被膜と母材の界面付近に膜状のSiO2を形成する。SiO2の電気比抵抗がCrの酸化物よりも高いことから、電気伝導性を低下させる。また、上述のAl2O3の形成と同様に、安定なCr酸化被膜の形成を妨げることで、耐酸化性を劣化させる。このため、本発明では0.15%以下(0%を含む)の範囲に限定する。前述のSiを低減した場合の効果をより確実に得るには、Siの上限を0.1%未満とし、更に好ましくは0.05%以下であり、更に好ましくは0.03%以下である。
Mn:0.1〜0.5%
Mnは、Crと共にスピネル型酸化物を形成する元素である。Mnを含むスピネル型酸化物層は、Cr2O3酸化物層の外側(表面側)に形成される。このスピネル型酸化物層は、固体酸化物形燃料電池の電解質・電極等のセラミックス部品に蒸着して燃料電池の性能を劣化させる複合酸化物を形成するCrが、固体酸化物形燃料電池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、接触抵抗の低下や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。このため、最低限0.1%を必要とする。好ましいMnの下限は0.2%である。
一方、過度に添加すると酸化被膜の成長速度を速めるために耐酸化性が悪くなる。従って、Mnは0.5%を上限とする。好ましいMnの上限は0.4%である。
Crは、固体酸化物形燃料電池の作動温度において、緻密なCr2O3に代表されるCr酸化被膜の生成により、優れた耐酸化性を実現するに必要な元素である。また、電気伝導性を維持するために重要な元素である。安定して良好な耐酸化性及び電気伝導性を得るため最低限22.0%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上限を25.0%に限定する。好ましいCrの下限は23.0%である。
Ni:1.0%以下(0%を含まない)
Niは、少量添加することで靱性の向上に効果がある。また、熱間加工性を改善する効果本があるため、0%を超えて添加する。また、本発明においてCuを含む場合は、赤熱脆性により熱間加工性が低下することが心配される。これを抑制するために少量のNi添加が有効である。前述の効果をより確実に得るにはNiの下限を0.1%とするのが好ましい。更に好ましい下限は0.2%である。一方、Niはオーステナイト生成元素であり、過度に含有した場合、フェライト−オーステナイトの二相組織となり易く、熱膨張係数を増加させる。また、本発明のようなフェライト系ステンレス鋼を製造する際に、例えば、リサイクル材の溶解原料を用いたりすると、不可避的に混入する場合もある。Niの含有量が多くなり過ぎると、セラミックス系の部品との接合性が低下することが懸念されるため、多量の添加または混入は好ましくない。そのため本発明においては、Niの上限を1.0%以下とする。
本発明の固体酸化物形燃料電池用鋼は、700〜900℃程度の作動温度では、Cr2O3酸化物層上に、Mnを含むスピネル型酸化物層が形成された2層構造のCr酸化被膜を形成する。
Cuは、Cr2O3酸化物層上に形成されるMnを含むスピネル型酸化物を緻密化することで、Cr2O3酸化物層からのCrの蒸発を抑制する効果がある。そのため、Cuを1.5%を上限として添加可能であるが、Cuを1.5%より多く添加すると母相中にCu相が析出して、Cu相の存在場所でち密なCr酸化物が形成されにくくなり、耐酸化性が低下したり、熱間加工性が低下したり、フェライト組織が不安定となる可能性があるので、Cuを1.5%以下(0%を含む)とした。
La:0.02〜0.12%
Laは、少量添加により、主としてCrを含む酸化被膜を緻密化させたり、密着性を向上させることによって、良好な耐酸化性を発揮させており、添加が不可欠である。Laは0.02%より添加が少ないと酸化被膜の緻密性、密着性を向上させる効果が少なく、一方0.12%より多く添加するとLaを含む酸化物等の介在物が増加し熱間加工性が劣化する恐れがあるため、Laは0.02〜0.12%とする。Laの好ましい下限は0.03%であり、より好ましい下限は0.04%である。また、Laの好ましい上限は0.11%であり、より好ましい上限0.10%である。
Zrもまた、少量添加により酸化被膜を緻密化させたり、酸化被膜の密着性を向上させることで、耐酸化性、及び酸化被膜の電気伝導度を大幅に改善する効果を有する。Zrは0.01%より少ないと酸化被膜の緻密性、密着性を向上させる効果が少なく、一方、1.50%より多く添加するとZrを含む粗大な化合物が多く形成され、熱間加工性及び冷間加工性が劣化する恐れがあることから、Zrは0.01〜1.50%とする。好ましいZrの下限は0.10%であり、より好ましくは0.20%である。また、好ましいZrの上限は0.85%であり、より好ましくは0.80%である。
La+Zr:0.03〜1.60%
本発明では、前述のLa及びZrについて、いずれも優れた高温での耐酸化性を向上させる効果を有することから複合添加が好ましいが、その場合、LaとZrの合計が0.03%より少ないと耐酸化性向上への効果が少なく、一方、1.60%を超えて添加するとLaやZrを含む化合物が多く生成することによって熱間加工性や冷間加工性の低下が心配されることから、LaとZrは合計で0.03〜1.60%とする。好ましいLa+Zrの下限は0.15%であり、より好ましくは0.30%である。また、好ましいLa+Zrの上限は1.20%であり、より好ましくは0.85%であり、更に好ましくは0.80%である。
一般に、固溶強化等に対してWと同じ作用効果を発揮する元素としてMoが知られている。しかし、WはMoと比較して、固体酸化物形燃料電池の作動温度で酸化したときのCrの外方拡散を抑制する効果が高い。そのため、本発明では、Wを単独で必須添加する。
W添加によりCrの外方拡散を抑制することで、Cr酸化被膜形成後の合金内部のCr量の減少を抑制することができる。また、Wは合金の異常酸化も防止して、優れた耐酸化性を維持することができる。この効果を発揮するためには最低限1.5%を必要とする。しかし、Wを2.5%を超えて添加すると熱間加工性が劣化するため、Wは2.5%を上限とする。
次に、好ましい範囲として規定したZr、C、Nの比について説明する。
本発明では、Zr、C、Nの質量%の比として、Zr/(C+N)を一定量以上に制御することが好ましい。本発明では、質量%でCを0.022%以下と低くすることで、少量のNを許容することができるが、上述した通り、C、Nはともに、母材中のCrと結び付くことにより耐酸化性に有効なCr量を減少させる元素である。Zrの添加は上述の効果以外に、Zr炭化物、Zr窒化物、及びZr炭窒化物を形成することで、C、NのCrとの結合を抑制し、母相であるフェライト相中の有効なCr量を維持することができる。
このとき、上述の酸化被膜の緻密化効果や密着性向上効果をもたらすためのZr量をより確実に確保するため、Zr/(C+N):10以上とした。
Mo:0.2%以下
Moは、耐酸化性を低下させることから積極的な添加は行わないが、0.2%以下の含有は酸化特性に大きく影響しないので0.2%以下に制限する。
S:0.015%以下
Sは、希土類元素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%以下にすると良い。好ましくは、0.008%以下が良い。
P:0.04%以下
Pは酸化被膜を形成するCrよりも酸化しやすい元素であり、耐酸化性を劣化させるため、0.04%以下に制限すると良い。好ましくは、0.03%以下が良く、更に好ましくは、0.02%以下、更には0.01%以下が良い。
B:0.003%以下
Bは、約700℃以上の高温で酸化被膜の成長速度を大きくし、耐酸化性を劣化させる。また、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。そのため、Bは0.003%以下に制限すると良く、できるだけ0%まで低減させる方が良い。好ましい上限は0.002%以下が良く、更に好ましくは0.001%未満が良い。
H:0.0003%以下
Hは、Fe−Cr系フェライト母相中に過剰に存在すると、粒界等の欠陥部へ集まり易く、水素脆化を起こすことで製造中に割れを発生させる場合があることから、0.0003%以下に制限すると良い。更に好ましくは0.0002%以下が良い。
本発明の固体酸化物形燃料電池用鋼は、実使用環境において、安定で緻密かつ密着性のよい酸化被膜を形成するように合金組成を規定しており、そのまま使用した場合にも良好な耐酸化性、電気伝導性、熱膨張特性と言った主要な必要特性を発揮する。ここで、本発明鋼において形成される酸化被膜は、表層側にMnを含むスピネル型酸化物層、その下にCrを主体とするCr酸化物(クロミア)層の2層からなり、この2層を合わせて酸化被膜と呼ぶこととする。
また、このような使用環境において形成される酸化被膜を人工的に予め形成させることで、更に安定した耐酸化性、電気伝導性、更には耐Cr蒸発特性等の耐久性を向上させる特性を得ることが可能である。このような安定で緻密かつ密着性のよい酸化皮膜を予め形成させるには、固体酸化物形燃料電池用鋼を所定の形状に加工して固体酸化物形燃料電池用部材とし、実使用温度よりも高温で酸化被膜を形成させることが望ましい。固体酸化物形燃料電池の主流の作動温度は700〜850℃程度であることから、予め酸化被膜を人工的に形成させる酸化処理は、この作動温度より高い850℃以上で実施するのがよい。一方、1100℃を超える温度で酸化処理を実施すると、母相の鋼の結晶組織が粗大化して高温強度や靭性が低下するおそれがあることから、酸化処理温度は、850〜1100℃とする。
なお、このときに形成される鋼の表面の酸化被膜の厚さは、酸化処理時間や酸化処理雰囲気に依存するが、0.3μmより薄いと均一な酸化被膜を形成しにくくなり、一方、2.0μmを超えると初期の電気伝導性が低下することから、酸化被膜は0.3〜2.0μmとするのがよい。
また、Cr蒸発を抑制するために、固体酸化物形燃料電池用鋼を用いたカソード側表面にセラミックスコーティングを実施する場合があるが、その場合にもセラミックスコーティングの前に本発明の酸化処理を実施することにより、更に耐酸化性、耐Cr蒸発特性を得ることも可能である。
本発明鋼及び比較鋼を真空誘導炉または、真空精錬炉を用いて鋼塊を作製した。真空溶解または真空精錬時には、C、Si、Al及び不純物元素を規定内に低く抑えるために、操業条件を制御して溶解を行った。ここで言う操業条件としては、例えば、原料の厳選、炉内真空雰囲気の高真空化、Arバブリング等を単独或いは幾つかを組み合わせた操業条件である。
その後、鋼塊を熱間鍛造、熱間圧延、冷間圧延などの塑性加工によって種々の寸法に加工した後、780〜950℃の種々の温度で数分〜1時間の焼鈍を行って焼鈍材とした。表1に本発明のNo.1〜10合金、比較例のNo.11〜15合金の化学組成とZr、C、Nの質量%の比であるZr/(C+N)を示す。
表1に示さない不純物元素は、各合金ともに、Mo≦0.2%、H≦0.0003%、B<0.001%、P≦0.04%、S≦0.015%の範囲であった。
本発明のNo.1〜10合金及び比較例のNo.11〜15合金について、10mm(w)×10mm(l)×3mm(t)の板状試験片を用いて、大気中において、850℃で2000Hrの加熱処理を行った後、酸化増量の測定と、30℃から850℃までの平均熱膨張係数を測定した。
次に、酸化速度を加速させるため、本発明のNo.1合金とNo.2合金、及び、比較例のNo.11〜13合金について、15mm(w)×15mm(l)×0.1mm(t)の極めて薄い板状の試験片を用いた加速試験を実施した。
また、本発明のNo.7〜10合金、及び、比較例のNo.13合金とNo.14合金について、15mm(w)×15mm(l)×0.3mm(t)の極めて薄い板状の試験片を用いた加速試験を実施し、大気中において、850℃での加熱処理を行った後、酸化増量を測定した。
これらの試験結果をまとめて表2に示す。
また、本発明のNo.1合金とNo.2合金の酸化増量は、N量の低い比較例のNo.13合金と大きな差は見られない。これにより、Cを制限することにより0.02質量%程度のN量を許容できることが確認できた。
更に、Zr/(C+N)が10以上の本発明のNo.4合金、No.5合金、No.7合金及びNo.8合金は、比較例のNo.13合金と比較して2割程度酸化増量を低減できる結果となった。
また、本発明のNo.1合金、No.2合金及びNo.7合金〜No.10合金と、比較鋼No.11合金、No.12合金、No.14合金及びNo.15合金の化学組成は、CとZr以外の元素が同レベルであるにも関わらず、Cを制限し、かつZr/(C+N)を一定量以上に制限したことによる耐酸化性向上の効果が得られた。
また、耐酸化性を高めた本発明の固体酸化物形燃料電池用鋼は、電気抵抗の高い酸化物から成る酸化被膜が薄いために、比較例の各合金と比較して、大気中850℃で1000Hr加熱後の、750℃における電気抵抗が小さく、良好な電気伝導性を示した。
なお、本発明鋼はすべて、30〜850℃までの平均熱膨張係数が約12×10−6/℃台であり、固体電解質である安定化ジルコニアに近いことも分かる。
10mm×10mm×3mmの厚い板状の試験片をセラミックス板にはさみ、試験片の上面と上側のセラミックス板との間に0.4mmの隙間をもうけた状態で、大気中850℃で30Hr加熱し、取り出した後のセラミックス板の着色状況によりセラミックス板に蒸着したCr酸化物量の大小を目視で観察した。
その結果、本発明のNo.1合金及びNo.3合金〜No.5合金は、比較例のNo.13合金と比べてほぼ同等のCr蒸発量を示す一方、Cuを添加した本発明のNo.2合金及びNo.6合金〜No.10合金は、比較例のNo.13合金と同等以下までCr蒸発が低減していることが確認された。これは、Cuの添加により、Mnを含むスピネル型酸化物層が緻密化されたためと考えられる。
本発明のNo.6合金を用いて、950℃×12時間の酸化処理を行って酸化被膜を形成した。得られた酸化被膜の光学顕微鏡で写真を図1に示す。酸化被膜の構造はエックス線分析装置で確認したところ、表層側にMnを含むMnとCrを含有するスピネル型酸化物層2が形成され、その下(母材4側)にCr2O3でなるCr酸化物層1が形成された2層構造の酸化被膜3が確認できた。またその膜厚は最大で1.5μmであった。そのため、更に安定した耐酸化性、電気伝導性、更には耐Cr蒸発特性等の耐久性を向上させる特性を得ることが可能である。
2 スピネル型酸化物層
3 酸化被膜
4 母材
Claims (5)
- 質量%でC:0.022%以下(無添加は含まず)、N:0.01〜0.05%、O:0.01%以下(無添加を含む)、Al:0.15%以下(無添加を含む)、Si:0.15%以下(無添加を含む)、Mn:0.1〜0.5%、Cr:22.0〜25.0%、Ni:0.1〜1.0%以下、Cu:1.5%以下(無添加を含む)、La:0.02〜0.12%、Zr:0.01〜1.50%、La+Zr:0.03〜1.60%、W:1.5〜2.5%、残部Fe及び不可避的不純物からなることを特徴とする耐酸化性に優れた固体酸化物形燃料電池用鋼。
- 質量%の比でZr/(C+N):10以上であることを特徴とする請求項1に記載の耐酸化性に優れた固体酸化物形燃料電池用鋼。
- 質量%でSi:0.1%未満(無添加を含む)であることを特徴とする請求項1または2に記載の耐酸化性に優れた固体酸化物形燃料電池用鋼。
- 質量%でC:0.020%以下(無添加は含まず)であることを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載の耐酸化性に優れた固体酸化物形燃料電池用鋼。
- 請求項1乃至4の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池用鋼を用いた固体酸化物形燃料電池用部材であって、前記固体酸化物形燃料電池用鋼の表層側にMnを含むスピネル型酸化物層を有し、前記スピネル型酸化物層の下にCr酸化物層を有する酸化被膜が形成され、該酸化被膜の厚さが0.3〜2.0μmであることを特徴とする固体酸化物形燃料電池用部材。
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