JPH06264193A - 固体電解質型燃料電池用金属材料 - Google Patents
固体電解質型燃料電池用金属材料Info
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- JPH06264193A JPH06264193A JP5079060A JP7906093A JPH06264193A JP H06264193 A JPH06264193 A JP H06264193A JP 5079060 A JP5079060 A JP 5079060A JP 7906093 A JP7906093 A JP 7906093A JP H06264193 A JPH06264193 A JP H06264193A
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- H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
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- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 高温酸化雰囲気中においても優れた耐酸化性
と電気伝導性を示す固体電解質型燃料電池用オ−ステナ
イト系ステンレス鋼を提供する。 【構成】 オ−ステナイト系ステンレス鋼を、Ｃ： 0.1
％以下， Si： 0.5〜 3.0％， Mn：3.00％以下，C
r：15〜30％， Ni：20〜60％， Al： 2.5〜
5.5％を含有するか、或いは更にTi，Nb及びZrのうちの
１種以上：４×｛Ｃ(%) ＋Ｎ(%) ｝〜 1.0％，Ｙ，希土
類元素及びCaのうちの１種以上： 1.0％以下，Mo：10.0
％以下のうちの１種又は２種以上をも含有すると共に、
残部がFe及び不可避的不純物より成る成分構成とする。
と電気伝導性を示す固体電解質型燃料電池用オ−ステナ
イト系ステンレス鋼を提供する。 【構成】 オ−ステナイト系ステンレス鋼を、Ｃ： 0.1
％以下， Si： 0.5〜 3.0％， Mn：3.00％以下，C
r：15〜30％， Ni：20〜60％， Al： 2.5〜
5.5％を含有するか、或いは更にTi，Nb及びZrのうちの
１種以上：４×｛Ｃ(%) ＋Ｎ(%) ｝〜 1.0％，Ｙ，希土
類元素及びCaのうちの１種以上： 1.0％以下，Mo：10.0
％以下のうちの１種又は２種以上をも含有すると共に、
残部がFe及び不可避的不純物より成る成分構成とする。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、６００℃以上の高温
酸化雰囲気中においても優れた耐酸化性と電気伝導性を
示す固体電解質型燃料電池用オ−ステナイト系ステンレ
ス鋼に関するものである。
酸化雰囲気中においても優れた耐酸化性と電気伝導性を
示す固体電解質型燃料電池用オ−ステナイト系ステンレ
ス鋼に関するものである。
【０００２】
【従来技術とその課題】近年、将来に予想される石油資
源枯渇と大気汚染を含む環境問題の観点から、石炭改質
ガスを利用することが可能で、かつエネルギ−変換効率
が高い燃料電池が次世代の電力供給源として脚光を浴び
始めており、１９８１年度からム−ンライト計画の一環
として「燃料電池発電技術の研究開発」が進められてき
た。
源枯渇と大気汚染を含む環境問題の観点から、石炭改質
ガスを利用することが可能で、かつエネルギ−変換効率
が高い燃料電池が次世代の電力供給源として脚光を浴び
始めており、１９８１年度からム−ンライト計画の一環
として「燃料電池発電技術の研究開発」が進められてき
た。
【０００３】ところで、燃料電池は起電力を発生する電
解質の種類により“リン酸型",“溶融炭酸塩型",“固体
電解質型" 等に分類されており、各々運転温度も異なっ
ているが、その中で運転温度が２００℃程度であるリン
酸型燃料電池は基本的な技術開発が終了し、実用間近と
なっている。
解質の種類により“リン酸型",“溶融炭酸塩型",“固体
電解質型" 等に分類されており、各々運転温度も異なっ
ているが、その中で運転温度が２００℃程度であるリン
酸型燃料電池は基本的な技術開発が終了し、実用間近と
なっている。
【０００４】また、固体電解質型燃料電池は、運転温度
が１０００℃にも達するために幾つかの未解決な問題を
抱えてはいるものの、 a) エネルギ−効率が他の発電システムより高い， b) 石炭改質ガス等種々の燃料ガスが利用可能である， c) ＮＯX の発生が少なく環境への影響が小さい， d) 液体，融体を用いないため構造がコンパクトであ
る， 等の利点を数多く有していることから、次世代の最も期
待されている発電システムであると考えられている。
が１０００℃にも達するために幾つかの未解決な問題を
抱えてはいるものの、 a) エネルギ−効率が他の発電システムより高い， b) 石炭改質ガス等種々の燃料ガスが利用可能である， c) ＮＯX の発生が少なく環境への影響が小さい， d) 液体，融体を用いないため構造がコンパクトであ
る， 等の利点を数多く有していることから、次世代の最も期
待されている発電システムであると考えられている。
【０００５】しかし、これらの燃料電池にあっては、製
造コストの低減と長寿命化が今後の実用化を考える上で
極めて重要な課題となっており、これを製造するための
安価で高性能な材料の開発が強く求められている。
造コストの低減と長寿命化が今後の実用化を考える上で
極めて重要な課題となっており、これを製造するための
安価で高性能な材料の開発が強く求められている。
【０００６】特に、前述した固体電解質型燃料電池は電
池構成も含めて開発がこれからとも言えるものではある
が、その中の「平板型」のものは量産性に優れると共に
高出力密度が得られると期待されており、これに適用す
る材料の開発にしのぎが削られている。
池構成も含めて開発がこれからとも言えるものではある
が、その中の「平板型」のものは量産性に優れると共に
高出力密度が得られると期待されており、これに適用す
る材料の開発にしのぎが削られている。
【０００７】即ち、「平板型」の固体電解質型燃料電池
は電解質と燃料極と空気極の薄膜３層から成る平坦な発
電膜とインタコネクタから構成されており、発電膜とイ
ンタコネクタとの間に波型支持層でガス流路を形成する
構造となっているが、実験室規模で検討されているイン
タ−コネクタや波型支持層等の構成部材には、耐酸化
性，高温での電気伝導性，電解質との熱膨張差から見た
整合性の点から従来より導電性セラミックスが用いられ
てきた。しかし、このような材料は、加工性が悪い上に
高温での強度も金属材料より小さく、しかも高価である
ことから、システムの大型化に対応できないという問題
を有していた。そのため、安価で高性能な金属材料の開
発が急務となっていたのである。
は電解質と燃料極と空気極の薄膜３層から成る平坦な発
電膜とインタコネクタから構成されており、発電膜とイ
ンタコネクタとの間に波型支持層でガス流路を形成する
構造となっているが、実験室規模で検討されているイン
タ−コネクタや波型支持層等の構成部材には、耐酸化
性，高温での電気伝導性，電解質との熱膨張差から見た
整合性の点から従来より導電性セラミックスが用いられ
てきた。しかし、このような材料は、加工性が悪い上に
高温での強度も金属材料より小さく、しかも高価である
ことから、システムの大型化に対応できないという問題
を有していた。そのため、安価で高性能な金属材料の開
発が急務となっていたのである。
【０００８】ところで、高温での強度や耐久性に優れる
比較的安価な金属材料ということになると“ステンレス
鋼”が思い浮かぶが、上述のような固体電解質型燃料電
池のインタ−コネクタや波型支持層等の構成部材として
ステンレス鋼を適用しようとすると、１０００℃という
極めて過酷な酸化環境での耐酸化性と高温での良電気伝
導性の確保という点で、これまでのステンレス鋼とは一
線を画する性能を付与することが必要となる。
比較的安価な金属材料ということになると“ステンレス
鋼”が思い浮かぶが、上述のような固体電解質型燃料電
池のインタ−コネクタや波型支持層等の構成部材として
ステンレス鋼を適用しようとすると、１０００℃という
極めて過酷な酸化環境での耐酸化性と高温での良電気伝
導性の確保という点で、これまでのステンレス鋼とは一
線を画する性能を付与することが必要となる。
【０００９】もっとも、耐酸化性については、鋼中に適
正量のAl，Si等の耐酸化性改善元素を添加することによ
ってある程度は改善が可能である。例えば、Fe基合金で
は、１５％以上のCr（以降、 成分割合を表す％は重量％
とする）を添加した上で、フェライト系の場合には２％
以上のAlを添加すると表面に均一なAl系酸化スケ−ル(A
l2Ｏ3)が安定に生成されるようになり耐酸化性に優れた
材料となることが知られている。また、オ−ステナイト
系のFe基合金では、例えば特公昭５５−４３４９８号公
報や特開平２−１１５３４８号公報にも開示されている
ように、１５％以上のCrを添加した上で 4.5％以上のAl
を添加することによりやはり表面に均一なAl系酸化スケ
−ル(Al2Ｏ3)が安定に生成されるようになり、耐酸化性
に優れた材料となる。
正量のAl，Si等の耐酸化性改善元素を添加することによ
ってある程度は改善が可能である。例えば、Fe基合金で
は、１５％以上のCr（以降、 成分割合を表す％は重量％
とする）を添加した上で、フェライト系の場合には２％
以上のAlを添加すると表面に均一なAl系酸化スケ−ル(A
l2Ｏ3)が安定に生成されるようになり耐酸化性に優れた
材料となることが知られている。また、オ−ステナイト
系のFe基合金では、例えば特公昭５５−４３４９８号公
報や特開平２−１１５３４８号公報にも開示されている
ように、１５％以上のCrを添加した上で 4.5％以上のAl
を添加することによりやはり表面に均一なAl系酸化スケ
−ル(Al2Ｏ3)が安定に生成されるようになり、耐酸化性
に優れた材料となる。
【００１０】しかしながら、一般的に耐酸化性に優れた
金属材料表面の生成酸化物は電気伝導性が低いことか
ら、このような耐熱材料をそのまま電池インタ−コネク
タや波型支持層等に適用することは難しいと考えられ、
それへの適用に際しては高温での電気伝導性確保のため
の工夫が必要である。特に、１０００℃を超える条件で
のステンレス鋼の耐酸化性改善に最も望ましいと考えら
れる Al2Ｏ3 は絶縁性酸化物であり、１０００℃付近で
は１０-6Ｓ/cm 程度の導電率しか示さない。
金属材料表面の生成酸化物は電気伝導性が低いことか
ら、このような耐熱材料をそのまま電池インタ−コネク
タや波型支持層等に適用することは難しいと考えられ、
それへの適用に際しては高温での電気伝導性確保のため
の工夫が必要である。特に、１０００℃を超える条件で
のステンレス鋼の耐酸化性改善に最も望ましいと考えら
れる Al2Ｏ3 は絶縁性酸化物であり、１０００℃付近で
は１０-6Ｓ/cm 程度の導電率しか示さない。
【００１１】上述のように、耐酸化性改善元素を含有さ
せたステンレス鋼、特にオ−ステナイト系ステンレス鋼
は加工性が良好である上に高温強度や高温での耐酸化性
に優れているので、その基本的な特徴を損なうことなく
高温酸化雰囲気中での電気伝導性を確保することができ
れば固体電解質型燃料電池の構成部材用材料として極め
て有望なものと考えられた。
せたステンレス鋼、特にオ−ステナイト系ステンレス鋼
は加工性が良好である上に高温強度や高温での耐酸化性
に優れているので、その基本的な特徴を損なうことなく
高温酸化雰囲気中での電気伝導性を確保することができ
れば固体電解質型燃料電池の構成部材用材料として極め
て有望なものと考えられた。
【００１２】このようなことから、本発明が目的とする
のは、セラミックス材料に比べて加工性や高温での機械
的強度に優れ、かつ安価であるというオ−ステナイト系
ステンレス鋼の基本的な特性，利点をそのまま備え、か
つ高温酸化雰囲気中においても優れた耐酸化性と電気伝
導性を示す固体電解質型燃料電池用オ−ステナイト系ス
テンレス鋼を提供することである。
のは、セラミックス材料に比べて加工性や高温での機械
的強度に優れ、かつ安価であるというオ−ステナイト系
ステンレス鋼の基本的な特性，利点をそのまま備え、か
つ高温酸化雰囲気中においても優れた耐酸化性と電気伝
導性を示す固体電解質型燃料電池用オ−ステナイト系ス
テンレス鋼を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明者等は上記目的を
達成すべく鋭意研究を重ねた結果、次のような知見を得
ることができた。即ち、オ−ステナイト系ステンレス鋼
中に耐酸化性改善のための合金元素としてCr，Al，Si等
を添加した場合、酸化速度の点（酸化速度が減少するこ
と）からすると９００℃以上での使用がある程度可能と
なるが、酸化スケ−ルの成長に伴い高温での電気伝導性
が低下する。
達成すべく鋭意研究を重ねた結果、次のような知見を得
ることができた。即ち、オ−ステナイト系ステンレス鋼
中に耐酸化性改善のための合金元素としてCr，Al，Si等
を添加した場合、酸化速度の点（酸化速度が減少するこ
と）からすると９００℃以上での使用がある程度可能と
なるが、酸化スケ−ルの成長に伴い高温での電気伝導性
が低下する。
【００１４】特に、オ−ステナイト系ステンレス鋼の場
合、１０００℃を超えての適用では耐酸化性確保の点か
らAlを 4.5％以上添加することが最も有効であるが、Al
添加により鋼表面に絶縁性のAl系酸化スケ−ルが生成す
るため電気伝導の低下が著しい。そのため、このような
高Al添加のオ−ステナイト系ステンレス鋼を固体電解質
型燃料電池のインタ−コネクタ等の部材に適用すると、
電気抵抗が高くなるので電気特性が急激に低下する可能
性がある。
合、１０００℃を超えての適用では耐酸化性確保の点か
らAlを 4.5％以上添加することが最も有効であるが、Al
添加により鋼表面に絶縁性のAl系酸化スケ−ルが生成す
るため電気伝導の低下が著しい。そのため、このような
高Al添加のオ−ステナイト系ステンレス鋼を固体電解質
型燃料電池のインタ−コネクタ等の部材に適用すると、
電気抵抗が高くなるので電気特性が急激に低下する可能
性がある。
【００１５】しかしながら、Al，Siの適量添加が行われ
ないと１０００℃程度の高温酸化雰囲気中ではFe系主体
のスピネル型酸化物が生成し、母材の耐酸化性が急速に
劣化する。
ないと１０００℃程度の高温酸化雰囲気中ではFe系主体
のスピネル型酸化物が生成し、母材の耐酸化性が急速に
劣化する。
【００１６】一方、Cr含有鋼では、その組成調整により
高温酸化雰囲気中で表面に“Ｐ型半導体であって１００
０℃での電気伝導性が約２×１０-3Ｓ/cm と比較的良好
である Cr2Ｏ3 ”のスケ−ルを形成させることができる
が、この場合にはスケ−ルの成長速度が速く、一定時間
におけるスケ−ル厚さは Al2Ｏ3 の場合に比して格段に
厚くなる。このように、Cr系酸化スケ−ルの場合には、
スケ−ルが厚くなるために結果として経時的な電気伝導
性の低下が大きくなり、やはり問題である。
高温酸化雰囲気中で表面に“Ｐ型半導体であって１００
０℃での電気伝導性が約２×１０-3Ｓ/cm と比較的良好
である Cr2Ｏ3 ”のスケ−ルを形成させることができる
が、この場合にはスケ−ルの成長速度が速く、一定時間
におけるスケ−ル厚さは Al2Ｏ3 の場合に比して格段に
厚くなる。このように、Cr系酸化スケ−ルの場合には、
スケ−ルが厚くなるために結果として経時的な電気伝導
性の低下が大きくなり、やはり問題である。
【００１７】ところが、鋼の成分調整によっては、高温
酸化雰囲気中で生成する表面酸化スケ−ルを、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とする
ことができ、これによって耐酸化性と電気伝導性が共に
優れるオ−ステナイト系ステンレス鋼を実現できること
を見出した。
酸化雰囲気中で生成する表面酸化スケ−ルを、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とする
ことができ、これによって耐酸化性と電気伝導性が共に
優れるオ−ステナイト系ステンレス鋼を実現できること
を見出した。
【００１８】つまり、次に示す事項を究明したのであ
る。 a) Crを１５％以上、Niを２０％以上、更にAlを 4.5％
以上含有するステンレス鋼は、Al系酸化スケ−ルを生成
して８５０℃から９５０℃を超えるほどの温度領域にお
いても優れた耐酸化性を損なうことはないが、電気伝導
性に問題がある。 b) しかるに、上記合金系のオ−ステナイト系ステンレ
ス鋼においてSi含有量を0.5 ％以上にすると、高温酸化
雰囲気中においてAl系酸化物主体にCr系酸化物を含有す
る酸化スケ−ルを生成するようになり、このような鋼は
Al系酸化スケ−ルを生成する耐熱合金より耐酸化性が劣
るものの、Fe−Cr−Ni系より耐酸化性に優れる上、Al系
酸化スケ−ルを生成する合金以上の電気伝導性を示す。 c) しかも、上記ステンレス鋼に総量で1.0 ％以下の
Ｙ，希土類元素又はCaを更に添加した場合には、電気伝
導性を損なわずに耐酸化性をより改善することができ
る。 d) 更に、これらのステンレス鋼に適量のMoを添加する
と、高温での強度，耐食性が一層向上する。
る。 a) Crを１５％以上、Niを２０％以上、更にAlを 4.5％
以上含有するステンレス鋼は、Al系酸化スケ−ルを生成
して８５０℃から９５０℃を超えるほどの温度領域にお
いても優れた耐酸化性を損なうことはないが、電気伝導
性に問題がある。 b) しかるに、上記合金系のオ−ステナイト系ステンレ
ス鋼においてSi含有量を0.5 ％以上にすると、高温酸化
雰囲気中においてAl系酸化物主体にCr系酸化物を含有す
る酸化スケ−ルを生成するようになり、このような鋼は
Al系酸化スケ−ルを生成する耐熱合金より耐酸化性が劣
るものの、Fe−Cr−Ni系より耐酸化性に優れる上、Al系
酸化スケ−ルを生成する合金以上の電気伝導性を示す。 c) しかも、上記ステンレス鋼に総量で1.0 ％以下の
Ｙ，希土類元素又はCaを更に添加した場合には、電気伝
導性を損なわずに耐酸化性をより改善することができ
る。 d) 更に、これらのステンレス鋼に適量のMoを添加する
と、高温での強度，耐食性が一層向上する。
【００１９】本発明は、上記知見事項等を基にした更な
る検討の末に完成されたものであって、「オ−ステナイ
ト系ステンレス鋼を、Ｃ： 0.1％以下， Si： 0.5〜
3.0％， Mn：3.00％以下，Cr：15〜30％， Ni：2
0〜60％， Al： 2.5〜 5.5％を含有するか、 或い
は更にTi，Nb及びZrのうちの１種以上：４×｛Ｃ(%) ＋
Ｎ(%) ｝〜 1.0％，Ｙ，希土類元素及びCaのうちの１種
以上： 1.0％以下，Mo：10.0％以下のうちの１種又は２
種以上をも含有すると共に、 残部がFe及び不可避的不純
物より成る成分構成とすることにより、 固体電解質型燃
料電池用としても十分に満足できる高温酸化雰囲気中で
の優れた耐酸化性，電気伝導性を備えしめた点」に大き
な特徴を有している。
る検討の末に完成されたものであって、「オ−ステナイ
ト系ステンレス鋼を、Ｃ： 0.1％以下， Si： 0.5〜
3.0％， Mn：3.00％以下，Cr：15〜30％， Ni：2
0〜60％， Al： 2.5〜 5.5％を含有するか、 或い
は更にTi，Nb及びZrのうちの１種以上：４×｛Ｃ(%) ＋
Ｎ(%) ｝〜 1.0％，Ｙ，希土類元素及びCaのうちの１種
以上： 1.0％以下，Mo：10.0％以下のうちの１種又は２
種以上をも含有すると共に、 残部がFe及び不可避的不純
物より成る成分構成とすることにより、 固体電解質型燃
料電池用としても十分に満足できる高温酸化雰囲気中で
の優れた耐酸化性，電気伝導性を備えしめた点」に大き
な特徴を有している。
【００２０】以下、本発明において、鋼の成分割合を前
記の如くに数値限定した理由を説明する。
記の如くに数値限定した理由を説明する。
Ｃ：Ｃには鋼の機械的強度を確保する作用があるが、高
温での使用時或いは溶接熱影響部においてCr23Ｃ6 型の
炭化物を形成して加工性を劣化したり、Crによる耐酸化
性の向上効果を著しく減じたりするほか、スケ−ル剥離
を起こしやすくする元素であるので 0.1％を超える含有
量とするのは避けなければならない。なお、機械的強度
を重視する場合は上限まで含有させることもあるが、Ｃ
含有量は低い方が好ましいと言える。もっとも、製鋼コ
ストの問題から実際上は0.0001％程度が下限値になると
言える。
温での使用時或いは溶接熱影響部においてCr23Ｃ6 型の
炭化物を形成して加工性を劣化したり、Crによる耐酸化
性の向上効果を著しく減じたりするほか、スケ−ル剥離
を起こしやすくする元素であるので 0.1％を超える含有
量とするのは避けなければならない。なお、機械的強度
を重視する場合は上限まで含有させることもあるが、Ｃ
含有量は低い方が好ましいと言える。もっとも、製鋼コ
ストの問題から実際上は0.0001％程度が下限値になると
言える。
【００２１】Si：Siは本発明鋼において重要な成分であ
り、その含有量が 0.5％未満では高温酸化雰囲気中にお
いて均一なAl系酸化スケ−ルのみ生成するので電気伝導
性が問題となってくる。一方、 3.0％を超えてSiを含有
させるとFe系主体のスピネル型酸化物が形成され、耐酸
化性が急激に低下する。従って、Si含有量は 0.5〜 3.0
％と定めた。
り、その含有量が 0.5％未満では高温酸化雰囲気中にお
いて均一なAl系酸化スケ−ルのみ生成するので電気伝導
性が問題となってくる。一方、 3.0％を超えてSiを含有
させるとFe系主体のスピネル型酸化物が形成され、耐酸
化性が急激に低下する。従って、Si含有量は 0.5〜 3.0
％と定めた。
【００２２】Mn：Mnは鋼中へ必然的に随伴される元素で
あってオ−ステナイト相安定化に有効な成分であるが、
高温での強度確保を目的として積極的に添加しても良
い。しかしながら、3.00％を超えて含有させても実質的
な便益が得られないことからMn含有量を3.00％以下と定
めたが、0.01〜3.00％の範囲で調整するのが望ましい。
あってオ−ステナイト相安定化に有効な成分であるが、
高温での強度確保を目的として積極的に添加しても良
い。しかしながら、3.00％を超えて含有させても実質的
な便益が得られないことからMn含有量を3.00％以下と定
めたが、0.01〜3.00％の範囲で調整するのが望ましい。
【００２３】Cr：CrはAlと共に高温での耐酸化性を得る
のに必要な基本的な元素である。即ち、６００℃を超え
る温度に加熱されて“電気伝導性をそれほど損なわない
Al系とCr系の酸化スケ−ル”を生成し耐酸化性を保つた
めには、１５％以上のCr含有量が必要である。一方、３
０％を超えてCrを含有させてもそれ以上の耐酸化性向上
効果が得られないばかりか、成形性，加工性に悪影響が
出てくることから、Cr含有量は１５〜３０％と定めた。
のに必要な基本的な元素である。即ち、６００℃を超え
る温度に加熱されて“電気伝導性をそれほど損なわない
Al系とCr系の酸化スケ−ル”を生成し耐酸化性を保つた
めには、１５％以上のCr含有量が必要である。一方、３
０％を超えてCrを含有させてもそれ以上の耐酸化性向上
効果が得られないばかりか、成形性，加工性に悪影響が
出てくることから、Cr含有量は１５〜３０％と定めた。
【００２４】Ni：Niはオ−ステナイト鋼の基本的性質を
与えるのみならず、Al系酸化物にCr系酸化物を含有した
複合酸化スケ−ルを生成するのに重要な元素である。し
かし、その含有量が２０％未満ではオ−ステナイト相が
不安定となるほか、Cr系もしくはAl系の単一スケ−ルし
か生成しない。一方、６０％を超える鋼はコスト的に実
用し難いものであることから、Ni含有量は２０〜６０％
と定めた。
与えるのみならず、Al系酸化物にCr系酸化物を含有した
複合酸化スケ−ルを生成するのに重要な元素である。し
かし、その含有量が２０％未満ではオ−ステナイト相が
不安定となるほか、Cr系もしくはAl系の単一スケ−ルし
か生成しない。一方、６０％を超える鋼はコスト的に実
用し難いものであることから、Ni含有量は２０〜６０％
と定めた。
【００２５】Al：Alは本発明鋼において重要な基本元素
であり、Al系酸化物を主体としCr系酸化物を含有する複
合酸化スケ−ルを生成させるためには 2.5％以上含有さ
せる必要がある。しかし、 5.5％を含有させるとSi，Ni
量にかかわらずAl系酸化スケ−ルのみが均一に生成する
ようになるほか、常温での靱性低下が極めて顕著となる
ため、Al含有量は 2.5〜 5.5％と定めた。
であり、Al系酸化物を主体としCr系酸化物を含有する複
合酸化スケ−ルを生成させるためには 2.5％以上含有さ
せる必要がある。しかし、 5.5％を含有させるとSi，Ni
量にかかわらずAl系酸化スケ−ルのみが均一に生成する
ようになるほか、常温での靱性低下が極めて顕著となる
ため、Al含有量は 2.5〜 5.5％と定めた。
【００２６】Ti，Nb及びZr：これらの成分にはＣを固定
してクロム炭化物の析出を抑える等しい作用があるの
で、必要により１種又は２種以上の添加がなされるが、
Ｎとも結合しやすいためＣの固定を十分ならしめるには
総量で｛Ｃ(%) ＋Ｎ(%) ｝の４倍以上の含有量を確保す
る必要がある。一方、含有量が多くなり過ぎると鋼の脆
化（靱性低下）をもたらすので、その上限を総量で 1.0
％と定めた。
してクロム炭化物の析出を抑える等しい作用があるの
で、必要により１種又は２種以上の添加がなされるが、
Ｎとも結合しやすいためＣの固定を十分ならしめるには
総量で｛Ｃ(%) ＋Ｎ(%) ｝の４倍以上の含有量を確保す
る必要がある。一方、含有量が多くなり過ぎると鋼の脆
化（靱性低下）をもたらすので、その上限を総量で 1.0
％と定めた。
【００２７】Ｙ，希土類元素（ＲＥＭ）及びCa：これら
の成分には鋼の耐酸化性を改善する等しい作用があり、
また鋼中のＳを固定して熱間加工性を改善する作用をも
有しているので必要により１種又は２種以上の添加がな
されるが、過剰に含有させると粗大酸化物の生成して逆
に耐酸化性を劣化することから、含有量の上限は総量で
1.0％と定めた。
の成分には鋼の耐酸化性を改善する等しい作用があり、
また鋼中のＳを固定して熱間加工性を改善する作用をも
有しているので必要により１種又は２種以上の添加がな
されるが、過剰に含有させると粗大酸化物の生成して逆
に耐酸化性を劣化することから、含有量の上限は総量で
1.0％と定めた。
【００２８】Mo：Moは高温での強度確保作用や耐食性を
改善する作用を有しているため必要により添加される成
分であるが、10.0％を超えて添加してもそれ以上の性能
改善効果が得られないことから、含有量の上限を10.0％
以下と定めた。
改善する作用を有しているため必要により添加される成
分であるが、10.0％を超えて添加してもそれ以上の性能
改善効果が得られないことから、含有量の上限を10.0％
以下と定めた。
【００２９】その他、本発明鋼における不可避的不純物
元素の代表的なものとしてＰ，Ｓ，Cu，Ｏ及びＮが挙げ
られるが、以下、これらの含有量について説明する。 Ｐ：不純物であるＰについては0.03％以下に規制するの
が好ましい。
元素の代表的なものとしてＰ，Ｓ，Cu，Ｏ及びＮが挙げ
られるが、以下、これらの含有量について説明する。 Ｐ：不純物であるＰについては0.03％以下に規制するの
が好ましい。
【００３０】Ｓ：Ｓは鋼の熱間加工性を害する元素であ
るため低い方が好ましく、出来れば0.002 ％以下に規制
するのが良い。また、前述したように、Mnより高温でよ
り安定な硫化物を形成するCe，La等の希土類元素やＹ，
Caを必要に応じて添加することで固定化する。そして、
これらの効果を高める目的より鋼中のＯ濃度は低い方が
良い。このことは、Ｙ，希土類元素，Caといった添加元
素が酸化物を作りやすく、鋼中のＳ固定元素として機能
する前に酸化物として消費されてしまい、有効量が減少
するためである。なお、鋼中の｛Ｓ(%) ＋Ｏ(%) ｝値は
低い方が好ましいが、出来れば「Ｓ(%) ＋Ｏ(%) ≦ 0.0
08」、更に望ましくは「Ｓ(%) ＋Ｏ(%) ≦ 0.005」に規
制するのが良い。
るため低い方が好ましく、出来れば0.002 ％以下に規制
するのが良い。また、前述したように、Mnより高温でよ
り安定な硫化物を形成するCe，La等の希土類元素やＹ，
Caを必要に応じて添加することで固定化する。そして、
これらの効果を高める目的より鋼中のＯ濃度は低い方が
良い。このことは、Ｙ，希土類元素，Caといった添加元
素が酸化物を作りやすく、鋼中のＳ固定元素として機能
する前に酸化物として消費されてしまい、有効量が減少
するためである。なお、鋼中の｛Ｓ(%) ＋Ｏ(%) ｝値は
低い方が好ましいが、出来れば「Ｓ(%) ＋Ｏ(%) ≦ 0.0
08」、更に望ましくは「Ｓ(%) ＋Ｏ(%) ≦ 0.005」に規
制するのが良い。
【００３１】Cu：鋼中へはNi源からの不純物としてCuが
随伴されることがあるが、 1.5％程度までは許容され
る。 Ｎ：Ｎは鋼中のCr，Alと結合して窒化物を形成し、Cr，
Alによる高温の耐酸化性を低下させる元素であり、好ま
しくは0.10％以下に規制するのが良い。なお、鋼中の
Ｃ，Ｎの悪影響を減ずる目的で、先にも述べたように必
要に応じてCr或いはAlよりもＣ，Ｎとの親和力の強いT
i，Nb又はZrといった安定化元素が添加される。
随伴されることがあるが、 1.5％程度までは許容され
る。 Ｎ：Ｎは鋼中のCr，Alと結合して窒化物を形成し、Cr，
Alによる高温の耐酸化性を低下させる元素であり、好ま
しくは0.10％以下に規制するのが良い。なお、鋼中の
Ｃ，Ｎの悪影響を減ずる目的で、先にも述べたように必
要に応じてCr或いはAlよりもＣ，Ｎとの親和力の強いT
i，Nb又はZrといった安定化元素が添加される。
【００３２】本発明に係るオ−ステナイト系ステンレス
鋼の組成は、上述のような組成を有する限りその他の格
別な制限はないが、規格その他を考慮した場合の実用的
観点からは次の組成範囲がより好ましいと言える。即
ち、合金成分又は不純物元素の含有割合がＣ：0.0001〜
0.10％， Si： 0.5〜 3.0％， Mn：0.01〜3.00％，
Ｐ：0.03％以下， Ｓ：0.0001〜0.0020％， Cr：15.0
〜30.0％，Ni：20.0〜50.0％， Al： 2.5〜 5.5％，
Ｎ：0.0001〜0.10％，Ti，Nb及びZrのうちの１種以
上：４×｛Ｃ(%) ＋Ｎ(%) ｝〜 1.0％であって、必要に
応じてＹ，希土類元素（Ce，La等）又はCaのうちの１種
又は２種以上を1.00％以下を含み、更に必要によりMo：
0.01〜10.0％，を含有し、残部がFe及び不可避不純物で
あるオ−ステナイト系ステンレス鋼が推奨される。
鋼の組成は、上述のような組成を有する限りその他の格
別な制限はないが、規格その他を考慮した場合の実用的
観点からは次の組成範囲がより好ましいと言える。即
ち、合金成分又は不純物元素の含有割合がＣ：0.0001〜
0.10％， Si： 0.5〜 3.0％， Mn：0.01〜3.00％，
Ｐ：0.03％以下， Ｓ：0.0001〜0.0020％， Cr：15.0
〜30.0％，Ni：20.0〜50.0％， Al： 2.5〜 5.5％，
Ｎ：0.0001〜0.10％，Ti，Nb及びZrのうちの１種以
上：４×｛Ｃ(%) ＋Ｎ(%) ｝〜 1.0％であって、必要に
応じてＹ，希土類元素（Ce，La等）又はCaのうちの１種
又は２種以上を1.00％以下を含み、更に必要によりMo：
0.01〜10.0％，を含有し、残部がFe及び不可避不純物で
あるオ−ステナイト系ステンレス鋼が推奨される。
【００３３】ところで、本発明に係るオ−ステナイト系
ステンレス鋼が高温酸化雰囲気中で優れた耐酸化性と電
気伝導性を示すのは、形成されるスケ−ルがAl主体の酸
化物にCr主体の酸化物が適正割合で含まれた構成となる
ためである。つまり、Al主体の酸化物とCr主体の酸化物
で構成されるスケ−ルでは a) 絶縁性酸化物であるAl主体の酸化物へCr主体の酸化
物を生成させることにより電気伝導性が上がる， b) Cr主体の酸化物の増加により耐酸化性が低下し、更
にスケ−ル厚が増加することで電気伝導性が急激に低下
していく， という傾向があるため、Cr主体の酸化物の含有量は重要
であるが、本発明鋼に係る成分組成に調整されると高温
酸化雰囲気中でAl主体の酸化物に対し１５〜６０vol％
の割合でCr主体の酸化物が含まれるスケ−ルが形成さ
れ、優れた耐酸化性と電気伝導性とが両立するようにな
る。
ステンレス鋼が高温酸化雰囲気中で優れた耐酸化性と電
気伝導性を示すのは、形成されるスケ−ルがAl主体の酸
化物にCr主体の酸化物が適正割合で含まれた構成となる
ためである。つまり、Al主体の酸化物とCr主体の酸化物
で構成されるスケ−ルでは a) 絶縁性酸化物であるAl主体の酸化物へCr主体の酸化
物を生成させることにより電気伝導性が上がる， b) Cr主体の酸化物の増加により耐酸化性が低下し、更
にスケ−ル厚が増加することで電気伝導性が急激に低下
していく， という傾向があるため、Cr主体の酸化物の含有量は重要
であるが、本発明鋼に係る成分組成に調整されると高温
酸化雰囲気中でAl主体の酸化物に対し１５〜６０vol％
の割合でCr主体の酸化物が含まれるスケ−ルが形成さ
れ、優れた耐酸化性と電気伝導性とが両立するようにな
る。
【００３４】次に、実施例により本発明を更に具体的に
説明する。
説明する。
【実施例】表１に示される成分組成の鋼Ａ〜Ｕを真空溶
解炉にて溶製した後、鍛造，熱間圧延，冷間圧延を施し
て板厚２mmとした。
解炉にて溶製した後、鍛造，熱間圧延，冷間圧延を施し
て板厚２mmとした。
【００３５】
【表１】
【００３６】次に、上記各鋼板から各種試験材を切出
し、高温酸化雰囲気中での特性を調査した。まず、各試
験材を大気中で１０００℃に５００時間加熱し、表面に
生成した酸化物の種類を調べた。なお、この調査は、表
面に生成した酸化物を薄膜Ｘ線分析により同定する方法
（タ−ゲット：Cu，入射角α=0.3°）によった。この同
定結果を表２に示す。
し、高温酸化雰囲気中での特性を調査した。まず、各試
験材を大気中で１０００℃に５００時間加熱し、表面に
生成した酸化物の種類を調べた。なお、この調査は、表
面に生成した酸化物を薄膜Ｘ線分析により同定する方法
（タ−ゲット：Cu，入射角α=0.3°）によった。この同
定結果を表２に示す。
【００３７】
【表２】
【００３８】表２に示される結果からも、本発明鋼にお
いて生成した酸化物は「Al主体の酸化物(Al2Ｏ3)にCr主
体の酸化物(Cr2Ｏ3)が複合されたもの」であることが確
認できる。これに対して、比較鋼Ｑ及びＴは Al2Ｏ3 ス
ケ−ルを、また比較鋼Ｓ及びＵはそれぞれ FeCr2Ｏ4 ，
(FeCr2Ｏ4, Cr2Ｏ3, Al2Ｏ3)多層スケ−ルを形成してい
ることが分かる。更に、比較鋼Ｕについてスケ−ル断面
の観察，ＥＰＭＥ分析を行ったところ、 Al2Ｏ3 の内部
酸化層が母材奥深く成長し、その先端部にAlＮが生成し
ているのが確認された。
いて生成した酸化物は「Al主体の酸化物(Al2Ｏ3)にCr主
体の酸化物(Cr2Ｏ3)が複合されたもの」であることが確
認できる。これに対して、比較鋼Ｑ及びＴは Al2Ｏ3 ス
ケ−ルを、また比較鋼Ｓ及びＵはそれぞれ FeCr2Ｏ4 ，
(FeCr2Ｏ4, Cr2Ｏ3, Al2Ｏ3)多層スケ−ルを形成してい
ることが分かる。更に、比較鋼Ｕについてスケ−ル断面
の観察，ＥＰＭＥ分析を行ったところ、 Al2Ｏ3 の内部
酸化層が母材奥深く成長し、その先端部にAlＮが生成し
ているのが確認された。
【００３９】ところで、図１は、本発明鋼Ａ〜Ｐ、及び
比較鋼Ｑ，Ｒ，Ｓ，Ｔの１０００℃大気中での酸化増量
の経時変化(mg/cm2)を比較したグラフであり、耐酸化性
を評価するために整理したものである（酸化試験ではス
ケ−ル剥離を含めた酸化後の酸化増量の大小をもって耐
酸化性を評価した）。図１に示す酸化増量の経時変化か
ら、本発明鋼Ａ〜Ｐは比較鋼Ｑ及びＴ（何れも表１での
確認で Al2Ｏ3 スケ−ルが形成されている）より劣るも
のの、既存のFe−Cr系やFe−Cr−Ni系の鋼に比べて耐酸
化性に優れていることが分かる。なお、Ｙ，希土類元
素，Caを添加したものはスケ−ル剥離が見られず、より
耐酸化性に優れることも確認された。
比較鋼Ｑ，Ｒ，Ｓ，Ｔの１０００℃大気中での酸化増量
の経時変化(mg/cm2)を比較したグラフであり、耐酸化性
を評価するために整理したものである（酸化試験ではス
ケ−ル剥離を含めた酸化後の酸化増量の大小をもって耐
酸化性を評価した）。図１に示す酸化増量の経時変化か
ら、本発明鋼Ａ〜Ｐは比較鋼Ｑ及びＴ（何れも表１での
確認で Al2Ｏ3 スケ−ルが形成されている）より劣るも
のの、既存のFe−Cr系やFe−Cr−Ni系の鋼に比べて耐酸
化性に優れていることが分かる。なお、Ｙ，希土類元
素，Caを添加したものはスケ−ル剥離が見られず、より
耐酸化性に優れることも確認された。
【００４０】一方、図２は、本発明鋼Ｃ及びＨ、並びに
比較鋼Ｑ及びＳの１０００℃大気中での電気抵抗の経時
変化を示したグラフである。なお、この「電気抵抗の経
時変化」の測定は鋼板の厚さ方向で行い、結果は面積抵
抗（Ω・cm2)に換算して整理した。
比較鋼Ｑ及びＳの１０００℃大気中での電気抵抗の経時
変化を示したグラフである。なお、この「電気抵抗の経
時変化」の測定は鋼板の厚さ方向で行い、結果は面積抵
抗（Ω・cm2)に換算して整理した。
【００４１】図２に示される結果からも、本発明鋼Ｃ及
びＨでは0.08Ω・cm2 という低い電気抵抗を維持してい
るのに対して、 FeCr2Ｏ4 スケ−ル生成鋼Ｓは時間経過
と共に電気抵抗が上昇し、 Al2Ｏ3 スケ−ル生成鋼Ｑの
場合には僅かの間に電気抵抗が極めて高い値にまで急上
昇していることが分かる。勿論、耐酸化性と同じく電気
伝導性に優れていることは固体電解質型燃料電池部材
（インタ−コネクタ等）に適用する上で重要な要求性能
であり、本発明鋼が固体電解質型燃料電池部材として非
常に優れていることを確認できる。性質である。
びＨでは0.08Ω・cm2 という低い電気抵抗を維持してい
るのに対して、 FeCr2Ｏ4 スケ−ル生成鋼Ｓは時間経過
と共に電気抵抗が上昇し、 Al2Ｏ3 スケ−ル生成鋼Ｑの
場合には僅かの間に電気抵抗が極めて高い値にまで急上
昇していることが分かる。勿論、耐酸化性と同じく電気
伝導性に優れていることは固体電解質型燃料電池部材
（インタ−コネクタ等）に適用する上で重要な要求性能
であり、本発明鋼が固体電解質型燃料電池部材として非
常に優れていることを確認できる。性質である。
【００４２】
【効果の総括】以上に説明したように、この発明によれ
ば、高温酸化雰囲気中でも優れた耐酸化性，電気伝導性
を示し、固体電解質型燃料電池の構成部材として優れた
性能を発揮する比較的安価なオ−ステナイト系ステンレ
ス鋼を提供することが可能となり、固体電解質型燃料電
池の実用化に大きく寄与できるなど、産業上極めて優れ
た効果がもたらされる。
ば、高温酸化雰囲気中でも優れた耐酸化性，電気伝導性
を示し、固体電解質型燃料電池の構成部材として優れた
性能を発揮する比較的安価なオ−ステナイト系ステンレ
ス鋼を提供することが可能となり、固体電解質型燃料電
池の実用化に大きく寄与できるなど、産業上極めて優れ
た効果がもたらされる。
【図１】実施例で作成した鋼について高温耐酸化性を比
較したグラフである。
較したグラフである。
【図２】実施例で作成した鋼について高温酸化雰囲気で
の電気抵抗変化を示したグラフである。
の電気抵抗変化を示したグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｍ 8/12 8821−4Ｋ
Claims (4)
- 【請求項１】 重量割合にてＣ： 0.1％以下， Si：
0.5〜 3.0％， Mn：3.00％以下，Cr：15〜30％，
Ni：20〜60％， Al： 2.5〜 5.5％を含有すると
共に、残部がFe及び不可避的不純物より成ることを特徴
とする、固体電解質型燃料電池用オ−ステナイト系ステ
ンレス鋼。 - 【請求項２】 重量割合にてＣ： 0.1％以下， Si：
0.5〜 3.0％， Mn：3.00％以下，Cr：15〜30％，
Ni：20〜60％， Al： 2.5〜 5.5％，Ti，Nb及び
Zrのうちの１種以上：４×｛Ｃ(%) ＋Ｎ(%) ｝〜 1.0％
を含有すると共に、残部がFe及び不可避的不純物より成
ることを特徴とする、固体電解質型燃料電池用オ−ステ
ナイト系ステンレス鋼。 - 【請求項３】 重量割合にてＣ： 0.1％以下， Si：
0.5〜 3.0％， Mn：3.00％以下，Cr：15〜30％，
Ni：20〜60％， Al： 2.5〜 5.5％，Ti，Nb及び
Zrのうちの１種以上：４×｛Ｃ(%) ＋Ｎ(%) ｝〜 1.0
％，Ｙ，希土類元素及びCaのうちの１種以上： 1.0％以
下を含有すると共に、残部がFe及び不可避的不純物より
成ることを特徴とする、固体電解質型燃料電池用オ−ス
テナイト系ステンレス鋼。 - 【請求項４】 構成成分として更に10.0重量％以下のMo
を含有して成ることを特徴とする、請求項１乃至３の何
れかに記載の固体電解質型燃料電池用オ−ステナイト系
ステンレス鋼。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP07906093A JP3321888B2 (ja) | 1993-03-12 | 1993-03-12 | 固体電解質型燃料電池用金属材料 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP07906093A JP3321888B2 (ja) | 1993-03-12 | 1993-03-12 | 固体電解質型燃料電池用金属材料 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06264193A true JPH06264193A (ja) | 1994-09-20 |
| JP3321888B2 JP3321888B2 (ja) | 2002-09-09 |
Family
ID=13679353
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP07906093A Expired - Lifetime JP3321888B2 (ja) | 1993-03-12 | 1993-03-12 | 固体電解質型燃料電池用金属材料 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3321888B2 (ja) |
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- 1993-03-12 JP JP07906093A patent/JP3321888B2/ja not_active Expired - Lifetime
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