KR20110005900A - 페라이트 합금 조성물 - Google Patents

페라이트 합금 조성물 Download PDF

Info

Publication number
KR20110005900A
KR20110005900A KR1020107027542A KR20107027542A KR20110005900A KR 20110005900 A KR20110005900 A KR 20110005900A KR 1020107027542 A KR1020107027542 A KR 1020107027542A KR 20107027542 A KR20107027542 A KR 20107027542A KR 20110005900 A KR20110005900 A KR 20110005900A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
weight percent
remaining
composition
alloy composition
thermal expansion
Prior art date
Application number
KR1020107027542A
Other languages
English (en)
Inventor
브루스 에이. 파인트
베스 엘. 암스트롱
이안 지. 라이트
마이클 피. 브래디
피터 에프. 토르토렐리
티모시 알. 암스트롱
크리스틴 저드킨스
Original Assignee
유티-바텔, 엘엘씨
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 유티-바텔, 엘엘씨 filed Critical 유티-바텔, 엘엘씨
Publication of KR20110005900A publication Critical patent/KR20110005900A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0206—Metals or alloys
    • H01M8/0208—Alloys
    • H01M8/021—Alloys based on iron
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/22—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with molybdenum or tungsten
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)
  • Production Of Liquid Hydrocarbon Mixture For Refining Petroleum (AREA)

Abstract

본 발명은 페라이트 합금 조성물에 관한 것이다. 일측면에서, 페라이트 합금 조성물은 약 16 내지 20 중량%의 Cr, 약 7 내지 11 중량%의 Mo 및 나머지 Fe를 포함한다. 다른 측면에서, 페라이트 합금 조성물은 약 10 내지 14 중량%의 Cr, 약 7 내지 11 중량%의 Mo 또는 약 10 내지 20 중량%의 W 및 나머지 Fe를 포함한다.

Description

페라이트 합금 조성물{FERRITIC ALLOY COMPOSITIONS}
정부 후원 연구에 관한 진술
미국 정부는 미국 에너지부와 UT-Battelle, LLC 사이의 계약 번호 DE-AC05-00OR22725에 따라 본 발명에 대해 권리를 갖는다.
발명의 분야
본 발명은 페라이트 합금 조성물의 분야에 관한 것이며, 특히 고체 산화물 연료 전지의 성분에 사용되는 이러한 합금에 관한 것이다.
고체 산화물 연료 전지(SOFC)는 연료로부터 직접 전기를 생성하는 전기 화학 전환 장치이다. 이러한 연료 전지는 이의 전해질 재료에 특징이 있으며, 명칭이 의미하듯이, SOFC는 고체 산화물 또는 세라믹 전해질을 갖는다.
세라믹 연료 전지는 고분자를 기반으로 하는 전지보다 훨씬 더 고온에서 작동한다. 고체 산화물 연료 전지는 통상적으로 집전 장치로서 작용하는 인터커넥터(interconnector)를 포함하며, 개별 전지 사이에 전기적 접속을 제공한다. 고체 산화물 연료 전지에서 취성 세라믹(예컨대, LaCrO3)을 금속성 인터커넥터로 대체하면 기계적 내구성을 크게 개선시키고 전지당 비용을 절감할 수 있다.
그러나, SOFC의 고온 환경이 금속에 대한 분해를 초래할 수 있다. 또한, 전지의 제작 동안 또는 작동 중 열 순환 동안 금속성 인터커넥터와 연료 전지 구성 요소(즉, 애노드, 캐소드 및 전해질) 사이의 열 팽창 계수(CTE) 불일치가 이들 기능성 층에 기계적 손상을 초래할 수 있다. 일부 설계에서, 금속이 산화 배기 가스에 노출되는 것을 회피하여 환원(연료측) 가스 환경에 대한 분해를 최소화시킬 수 있다. 그러나, 금속은 세라믹 기능성 층의 소결을 가능하게 하기 위해 어느 정도의 내산화성을 필요로 할 수 있다. 대부분의 설계에서, CTE 불일치는 중요한 이슈이다.
발명의 개요
더 낮은 열 팽창 계수(CTE) 불일치 및 개선된 내산화성을 갖는 페라이트 합금 조성물을 제공하는 것이 본 발명의 목적이다. 이들 및 다른 목적은 일측면에서 약 16 내지 20 중량%의 크롬(Cr), 약 7 내지 11 중량%의 몰리브덴(Mo) 및 나머지 철(Fe)을 포함하는 페라이트 합금 조성물을 제공하는 본 발명에 의해 충족되었다. 본 발명의 이 측면의 페라이트 합금 조성물은 감소된 열 팽창 계수 불일치를 갖는다.
다른 측면에서, 본 발명은 약 10 내지 14 중량%의 Cr, 약 7 내지 11 중량%의 Mo 또는 약 10 내지 20 중량%의 W(텅스텐) 및 나머지 Fe를 포함하는 페라이트 합금 조성물을 제공한다. 본 발명의 이 측면의 페라이트 합금 조성물은 개선된 내산화성을 갖는다.
본 발명의 일측면의 페라이트 합금 조성물의 이점은 이트리아로 안정화된 지르코니아에 필적하는 열 팽창 계수를 갖는다는 것을 포함한다. 따라서, 열 유도 스트레인이 SOFC에서 균열을 초래하기에 충분한 응력을 발생시키지 않는다. 본 발명의 다른 측면에서, 페라이트 합금 조성물은 안정하고 점착성이 있으며 얇은 산화크롬층을 형성하는데, 이는 추가의 산소 유도 분해로부터 아래에 있는 금속을 보호한다.
다른 이점 및 추가의 이점과 함께 본 발명을 더 잘 이해하기 위해, 하기 상세한 설명을 참고하며, 이의 범위는 이어지는 청구 범위에서 지적할 것이다.
도 1은 가공 시판 SS410 및 소결된 Fe-13 중량% Cr-15 중량% Y(410Y) 및 이트리아로 안정화된 ZrO2(YSZ)와 비교한 다양한 모델 합금에 대한 온도의 함수로서의 평균 열 팽창 계수(CTE)를 도시한다.
1300℃로 2차 가열하는 동안 견본에 대해 데이터를 수집하였다. ∼700℃의 기대 작동 온도를 파선으로 나타낸다.
도 2는 건조 유동 O2 중에서 10 내지 10O 시간 동안 등온 노출 후 다양한 Fe-Cr 합금에 대한 견본 질량 증가를 도시한다.
도 3은 건조 유동 O2 중에서 10 시간 동안 900℃에 노출 후 Fe-12 중량% Cr+0.2La(F3CL) 마판(polished section)의 광학 현미경 사진이다.
도 4는 건조 유동 O2 중에서 24 시간 동안 900℃에 노출 후 Fe-12 중량% Cr-9Mo+0.2La(F3C5ML) 마판의 광학 현미경 사진이다.
도 5a는 건조 유동 O2 중에서 24 시간 동안 900℃에 노출 후 Fe-12 중량% Cr-9Mo+0.2La(F3C5ML) 마판의 광학 현미경 사진이다.
도 5b는 건조 유동 O2 중에서 24 시간 동안 900℃에 노출 후 Fe-11 중량% Cr-15W+0.07La(F3C5WL) 마판의 광학 현미경 사진이다.
발명의 상세한 설명
본 명세서 전체에서, 변수는 최대량 및 최소량으로 한정된다. 각각의 최소량은 범위를 한정하기 위해 각각의 최대량과 조합될 수 있다.
일측면에서, 본 발명은 다량의 Mo를 첨가하면 열 팽창 계수 불일치가 감소되거나 또는 Fe-Cr 합금 조성물의 내산화성이 개선된다는 본 발명자들에 의한 발견에 기초한 것이다. 다른 측면에서, 본 발명은 다량의 W를 첨가하면 Fe-Cr 합금 조성물의 내산화성이 개선된다는 본 발명자들의 발견에 기초한 것이다.
따라서, 본 발명은
(i) 약 16 내지 20 중량%의 Cr, 약 7 내지 11 중량%의 Mo 및 나머지 Fe; 또는
(ii) 약 10 내지 14 중량%의 Cr, 약 7 내지 11 중량%의 Mo 또는 약 10 내지 20 중량%의 W 및 나머지 Fe를 포함하는 페라이트 합금 조성물에 관한 것이다.
일측면에서, 본 발명의 페라이트 합금 조성물은 약 16 내지 20 중량%의 Cr, 약 7 내지 11 중량%의 Mo 및 나머지 Fe를 포함한다. 본 발명의 이 측면에서, 페라이트 합금 조성물 중 Cr의 최소 총 중량%는 약 16%이고, 바람직하게는 약 17%이며, 더욱 바람직하게는 약 18%이다. 본 발명의 이 측면의 페라이트 합금 조성물 중 Cr의 최대 총 중량%는 약 20%이고, 바람직하게는 약 19%이며, 더욱 바람직하게는 약 18%이다. 유사하게, 페라이트 합금 조성물 중 Mo의 최소 총 중량%는 약 7%이고, 바람직하게는 약 8%이며, 더욱 바람직하게는 약 9%이다. 본 발명의 이 측면의 페라이트 합금 조성물 중 Mo의 최대 총 중량%는 약 11%이고, 바람직하게는 약 10%이며, 더욱 바람직하게는 약 9%이다. 일구체예에서, 페라이트 합금 조성물은 실질적으로 약 16 내지 20 중량%의 Cr, 약 7 내지 11 중량%의 Mo 및 나머지 Fe로 구성된다.
약 16 내지 20 중량%의 Cr, 약 7 내지 11 중량%의 Mo 및 나머지 Fe를 포함하는 본 발명의 페라이트 합금 조성물은 41OSS와 같은 종래의 금속성 인터커넥터에 비해 감소된 열 팽창 계수를 갖는다. 본 명세서에서 사용되는 바의 용어 "열 팽창 계수"는 열 전달 동안 원자 사이의 분자간 결합에서 저장되는 에너지의 변화를 지칭한다. 통상적으로, 저장된 에너지가 증가할 경우, 분자 결합의 길이가 증가한다. 그 결과, 냉각시 가열 및 수축에 반응하여 고체가 통상적으로 팽창하며, 온도 변화에 대한 이러한 반응을 열 팽창 계수로서 표현한다. 열 팽창 계수는 통상적으로 하나의 평균 값으로서 표시하며 일정한 것으로 추정된다. 그러나, 열 팽창 거동이 온도의 함수로서 변화하고, 이에 따라 평균이 온도의 함수로서 변화한다.
이트리아로 안정화된 지르코니아는 평균 열 팽창 계수가 실온 내지 1000℃의 온도 범위에서 약 8 ppm/℃-1 내지 약 11.5 ppm/℃-1 범위이다. 약 16 내지 20 중량%의 Cr, 약 7 내지 11 중량%의 Mo 및 나머지 Fe를 포함하는 본 발명의 페라이트 합금 조성물은 열 팽창 계수가 이트리아로 안정화된 지르코니아에 가깝다. 예컨대, 본 발명의 이러한 조성물은 평균 열 팽창 계수가 실온 내지 1000℃의 온도 범위에서 약 9 ppm/℃-1 내지 약 12 ppm/℃-1 범위이다.
따라서, 약 16 내지 20 중량%의 Cr, 약 7 내지 11 중량%의 Mo 및 나머지 Fe 및 이트리아로 안정화된 지르코니아를 포함하는 본 발명의 페라이트 합금 조성물 사이의 불일치는 1.5 ppm/℃-1 미만, 바람직하게는 약 1.2 ppm/℃-1 미만, 더욱 바람직하게는 약 1.0 ppm/℃-1 미만이다. 예컨대, 700℃에서의 본 발명의 하나의 페라이트 합금 조성물의 평균 열 팽창 계수는 10.86이고, 700℃에서의 이트리아로 안정화된 지르코니아의 평균 열 팽창 계수는 약 9.84이다. 따라서, 불일치는 1.02 ppm/℃- 1 이다.
다른 측면에서, 본 발명의 페라이트 합금 조성물은 약 10 내지 14 중량%의 Cr, 약 7 내지 11 중량%의 Mo 및 나머지 Fe를 포함한다. 이 측면에서, 페라이트 합금 조성물 중 Cr의 최소 총 중량%는 약 10%이고, 바람직하게는 약 11%이며, 더욱 바람직하게는 약 12%이다. 이 측면의 페라이트 합금 조성물 중 Cr의 최대 총 중량%는 약 14%이고, 바람직하게는 약 13%이며, 더욱 바람직하게는 약 12%이다. 유사하게, 페라이트 합금 조성물 중 Mo의 최소 총 중량%는 약 7%이고, 바람직하게는 약 8%이며, 더욱 바람직하게는 약 9%이다. 본 발명의 이 측면의 페라이트 합금 조성물 중 Mo의 최대 총 중량%는 약 11%이고, 바람직하게는 약 10%이며, 더욱 바람직하게는 약 9%이다. 일구체예에서, 본 발명의 페라이트 합금 조성물은 약 10 내지 14 중량%의 Cr, 약 7 내지 11 중량%의 Mo 및 나머지 Fe를 포함하거나, 또는 실질적으로 이로 구성된다.
또 다른 측면에서, 본 발명의 페라이트 합금 조성물은 약 10 내지 14 중량%의 Cr, 약 10 내지 20 중량%의 W 및 나머지 Fe를 포함한다. 이 측면에서, 페라이트 합금 조성물 중 Cr의 최소 총 중량%는 약 10%이고, 바람직하게는 약 11%이며, 더욱 바람직하게는 약 12%이다. 이 측면의 페라이트 합금 조성물 중 Cr의 최대 총 중량%는 약 14%이고, 바람직하게는 약 13%이며, 더욱 바람직하게는 약 12%이다. 페라이트 합금 조성물 중 W의 최소 총 중량%는 약 10%이고, 바람직하게는 약 11%이고, 더욱 바람직하게는 약 12%이고, 더더욱 바람직하게는 약 13%이다. 본 발명의 이 측면의 페라이트 합금 조성물 중 W의 최대 총 중량%는 약 20%이고, 바람직하게는 약 19%이고, 더욱 바람직하게는 약 18%이고, 가장 바람직하게는 약 17%이다. 일구체예에서, 본 발명의 페라이트 합금 조성물은 약 10 내지 14 중량%의 Cr, 약 10 내지 20 중량%의 W 및 나머지 Fe를 포함하거나, 또는 실질적으로 이로 구성된다.
약 10 내지 14 중량%의 Cr, 약 7 내지 11 중량%의 Mo 또는 약 10 내지 20 중량%의 W 및 나머지 Fe를 포함하는 본 발명의 페라이트 합금 조성물은 고밀도(dense)의 점착성 크로미아(chromia) 층(예컨대 Cr 풍부 산화물 층)의 느린 형성으로 인해 개선된 내산화성을 갖는다. 실험실 분위기에서 900℃에 24 시간 노출 후, 산화크롬 층의 질량 증가는 일반적으로 0.35 ㎎/㎝ 미만이고, 더욱 일반적으로 0.30 ㎎/㎝ 미만이며, 더더욱 일반적으로 0.20 ㎎/㎠ 미만이다. Mo 및 W 무함유 Fe-12Cr 합금은 일반적으로 Fe 풍부 산화물 층을 빠르게 형성한다.
본 발명의 이 측면의 페라이트 합금 조성물의 크로미아 형성은 실험실 분위기에서 900℃에 5,000 시간 노출 후에도 유지된다. 실험실 분위기에서 900℃에의 5,000 시간 노출 동안의 산화 반응에 대한 포물선 속도 상수는 일반적으로 7×10-14g2/㎝4s 미만, 5×10-15g2/㎝4s 미만, 더욱 일반적으로 1×10-15g2/㎝4s 미만, 더더욱 일반적으로 7×10-16g2/㎝4s 미만이다.
본 발명의 페라이트 합금 조성물은 1종 이상의 희토류 원소를 추가로 포함하거나 또는 실질적으로 이로 구성될 수 있다. 페라이트 합금 조성물 중 희토류 원소의 존재는 통상적으로 산화물 층의 안정화를 돕고, 페라이트 합금 조성물의 표면 상의 산화 스케일(oxide scale)의 전기 비저항의 감소를 돕는다.
본 명세서에서 사용된 바의 용어 "희토류 원소"는 란탄족 원소 57 내지 71의 군에 있는 희토류 금속 원소 중 임의의 1종 이상을 지칭하고, 스칸듐, 지르코늄, 하프늄 및 이트륨도 포함한다. 란탄족 원소 57 내지 71의 군에 속하는 원소는 당업자에게 잘 알려져 있다. 란탄족 원소 57 내지 71의 예는 란탄(La), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd), 프로메튬(Pm), 사마륨(Sm), 유로퓸(Eu), 가돌리늄(Gd), 테르븀(Tb), 디스프로슘(Dy), 홀뮴(Ho), 에르븀(Er), 툴륨(Tm), 이테븀(Yb) 및 루테튬(Lu)을 포함한다.
희토류 원소는 일반적으로 페라이트 합금 조성물 중에 약 0.01 중량% 내지 약 0.5 중량% 범위의 총 수준으로 존재한다. 페라이트 합금 조성물 중 희토류 원소의 최소 총 중량%는 약 0.01%이고, 바람직하게는 약 0.05%이며, 더욱 바람직하게는 약 0.1%이다. 페라이트 합금 조성물 중 희토류 원소의 최대 총 중량%는 약 0.5%이고, 바람직하게는 약 0.4%이며, 더욱 바람직하게는 약 0.3%이다.
일구체예에서, 본 발명의 페라이트 합금 조성물은 약 18 중량%의 Cr, 약 9 중량%의 Mo, La 및 나머지 Fe를 포함하거나, 또는 실질적으로 이로 구성된다.
다른 구체예에서, 본 발명의 페라이트 합금 조성물은 약 12 중량%의 Cr, 약 9 중량%의 Mo, 약 0.2 중량% La 및 나머지 Fe를 포함하거나, 또는 실질적으로 이로 구성된다.
추가의 구체예에서, 본 발명의 페라이트 합금 조성물은 11 중량%의 Cr, 약 15 중량%의 W, 약 0.2 중량% La 및 나머지 Fe를 포함하거나, 또는 실질적으로 이로 구성된다.
다른 측면에서, 본 발명은 연료 전지로부터 전류를 수집하기 위한, 플레이트와 같은 인터커넥터 구성 요소를 제공한다. 이 측면에서, 인터커넥터 구성 요소는 상기 기재한 페라이트 합금 조성물로 형성된다.
본 발명의 추가의 측면에서, 고체 산화물 연료 전지에 대한 다공성 지지체가 제공된다. 다공성 지지체는 애노드 재료 또는 캐소드 재료가 증착될 수 있는 고체 산화물 연료 전지의 구성 요소이다. 고체 산화물 연료 전지는 예컨대 평면형 또는 관형 고체 산화물 연료 전지일 수 있다. 이 측면에서, 다공성 지지체는 상기 기재한 페라이트 합금 조성물을 포함한다.
다공성 지지체의 평균 공극 크기는 일반적으로는 약 0.8 ㎛ 내지 약 50 ㎛ 범위이고, 더욱 일반적으로는 약 1 ㎛ 내지 약 40 ㎛ 범위이며, 더욱 일반적으로는 약 2 ㎛ 내지 약 30 ㎛ 범위이다. 다공성 지지체의 다공도는 통상적으로는 약 25 부피% 내지 약 60 부피%이고, 더욱 통상적으로는 약 30 부피% 내지 약 50 부피%이다.
페라이트 합금 조성물은 고체 산화물 연료 전지로부터 전류를 수집하기 위한 인터커넥터 구성 요소로서의 또는 고체 산화물 연료 전지에 대한 다공성 지지체로서의 이의 용도에 한정되지 않는다. 페라이트 합금 조성물에 대한 다른 용도는 당업자에게는 명백할 것이다. 예컨대, 페라이트 합금 조성물은 또한 치과 및 수술 기구, 노즐, 밸브 부품, 경화 강구(hardened steel ball) 및 마모 표면에 사용될 수 있다.
실시예
실시예 1 : 페라이트 합금 조성물
합금을 유도 용융시키고, 수냉 구리 주형에서 주조하였다. 화학 조성을 유도 결합 플라즈마 및 연소 분석에 의해 측정하였다. 하기 표 1은 중량%의 조성을 제공한다. 듀얼 푸쉬 로드 팽창계(dual push rod dilatometer)를 이용하여 열 팽창 측정을 위한 주조 상태 재료로서 로드(통상적으로 25 ㎜ 길이×3 ㎜ 직경)를 절단하였다. 이트리아로 안정화된 지르코니아(YSZ)의 견본을 소결시키고 규격화하여 이 통상적인 전해질 재료에 대한 열 팽창 계수 데이터를 얻었다. 각각의 로드에 대해 실온 내지 1300℃ 및 재차 실온으로의 2 가지 측정을 실시하였다. 산화 실험을 위해, 주조 재료를 약 1.5 ㎜ 두께로 말고, 900℃에서 2 분 동안 어닐링 처리하여 주조 상태 재료보다 더 미세한 과립 구조체로 발달시켰다. 건조 유동 O2 중에서 900℃에서 4 내지 100 시간 동안 산화 실험을 등온으로 실시하였다.
표 I. ICP 및 연소 분석에 의해 측정한 화학적 조성(중량%). 조성의 나머지는 각각의 경우 Fe임.
Figure pct00001
<는 0.01 미만을 나타낸다.
실시예 2: 열 팽창 계수 분석
도 1은 실온 내지 1300℃에서의 다양한 모델 합금에 대한 평균 열 팽창 계수(CTE) 데이터를 도시한다. 기저선 비교는 가공 410형 스테인레스강(Fe-12Cr, 표 I 참조) 및 고밀도의 소결된 이트리아로 안정화된 지르코니아(YSZ, ∼7 중량% Y2O3), 전극 재료 사이의 것이다. ∼700℃의 목표 작동 온도(도 1에서 파선)에서, 이들 재료 사이의 불일치는 > 3 ppm/℃였다(하기 표 II).
410SS에 대한 CTE 곡선은 ∼850℃에서의 오스테나이트로의 상 변이에 의해 복잡해졌다. 0.6 Y 또는 0.1 La와 같은 소량의 합금을 첨가시 주로 상 변이의 억제에 의해 CTE에 대한 효과가 아주 적었다(도 1 참조). Fe-18Cr-9W(중량%)는 410SS보다 훨씬 낮은 CTE를 나타냈다.
Fe-Cr-Mo 시스템에서 나온 합금도 평가하였다. 11 내지 12%의 Cr 및 16 내지 23%의 Mo를 포함하는 합금은 CTE의 감소를 나타내지 않았다. 그러나, Fe-12Cr-9W는 11.3 ppm/℃로의 감소를 나타냈다.
Fe-20Cr-3Mo 조성(at%)[또는 Fe-18Cr-5Mo(중량%)]에서 W를 Mo로 대체시 W(11.08)와 마찬가지로 유사한 낮은 CTE(11.35)를 나타냈다. Fe-18Cr-8.6Mo는 10.86 ppm/℃의 더 낮은 CTE를 가져왔다(도 1 참조). 이 합금을 사용시, 700℃에서의 YSZ를 사용한 CTE 불일치는 ∼1 ppm/℃였다(하기 표 II 참조).
표 II. 제2 가열 동안의 700℃에서의 다양한 Fe-Cr 합금의 평균 CTE.
Figure pct00002

실시예 3: 등온 산화 후 Fe - Cr 합금에 대한 질량 증가 분석
도 2는 건조 유동 O2 분위기에서 4 내지 100 시간 동안 등온 산화 후 다양한 Fe-Cr 합금에 대한 특정 견본 질량 증가를 도시한다. 410형 스테인레스강, 소결된 410 분말(410 A) 및 12% Cr 합금에 대한 높은 질량 증가는 이들 합금에 대한 FeO의 빠른 형성을 반영한다. Mo 또는 W를 함유하는 다른 합금에 대한 낮은 질량 증가는 Cr 풍부 산화물의 느린 형성을 반영한다.
이 거동은 18% Cr(F0C3 WL)에 대해 예상되었지만, 겨우 12% Cr 및 15% W(F3C5WL) 또는 9% Mo(F3C5ML)를 포함하는 합금에 대해서는 예상되지 않았다. 겨우 12% Cr을 포함하는 Cr 풍부 스케일의 형성이 예상되지 않았는데, 이는 이러한 Cr 수준이 통상적으로는 Cr 풍부 산화 스케일의 형성에 충분하지 않기 때문이다(도 3 참조). 산화는 경쟁적인 반응 공정이므로, 합금에서 Cr 풍부 산화물을 형성하고 더 빨리 성장하는(즉, 비보호적인) Fe 풍부 산화물의 형성을 방지하는 데에 충분한 Cr 수준이 필요하다. 이들 합금 3 가지 모두 La를 함유하지만, 내화성 금속을 첨가하지 않고 La 또는 Y를 첨가하면 산화 거동이 개선되지 않았다.
F3C5 WL 합금에 대해, 6×10-14g2/㎝4s의 산화 속도 상수로 실험실 분위기에서 900℃에 5,000 시간 노출 동안 크로미아 형성은 유지되었다.
실시예 4: 금속학 분석
도 2에 도시된 견본에 대해 금속학 분석을 수행하였다. 도 3은 Fe-12% Cr-0.2La에 대해 건조 O2 분위기에서 900℃에서 10 시간 후 소비된 금속을 도시한다. 이러한 조건 하에서 빠르게 성장하는 Fe 풍부 산화물이 형성되었다. 대조적으로, 도 4 및 5a는 동일한 노출 후 Fe-12Cr-9Mo-0.2La(F3C5ML) 상에 형성된 얇은 보호성 Cr 풍부 산화물을 도시한다. Mo의 첨가로 합금의 선택적 산화 거동이 변화하였다. 도 5b는 Fe-11Cr-15W-0.07La(F3C5WL)에 대한 유사한 효과를 도시한다. 이들 합금은 모두 5 at.%의 내화 금속 첨가물을 함유하였다.
실시예 5: 증가 크기 분석
Y 및 La만을 첨가한 Fe-12Cr 합금의 과립 크기는 각각 29±12 ㎛ 및 79±17 ㎛였다. Fe-12Cr-9Mo+La 합금의 과립 크기는 64±15 ㎛였다. 따라서, 산화 거동에 대한 효과는 합금 과립 크기의 감소로 인한 것일 수 없다. Fe-11Cr-15W+La 합금의 과립 크기는 합금 내 다수의 작은 W 풍부 침전으로 인해 정확하게 측정할 수 없었다. 침전은 특히 5%의 Mo로는 관찰되지 않는 도 5a에 비해, 도 5b의 합금에서 또렷이 보였다. Fe-18 중량% Cr 중 3 at.% W(9 중량%)에서, W 풍부 침전은 이미 분명히 보였다.
이렇게, 현재 본 발명의 바람직한 구체예라고 여겨지는 것들을 기재하였지만, 본 발명에 대해 변화 및 변경이 이루어질 수 있으며, 본 발명의 사상 내에 있는 다른 구체예가 가능함을 당업자는 알 것이며, 본 명세서에서 하기 기재된 바의 청구 범위 내에 있는 이러한 다른 변화 및 변경 및 구체예를 본 발명에 포함시키고자 한다.

Claims (13)

  1. (i) 약 16 내지 20 중량%의 Cr, 약 7 내지 11 중량%의 Mo 및 나머지 Fe; 또는
    (ii) 약 10 내지 14 중량%의 Cr, 약 7 내지 11 중량%의 Mo 또는 약 10 내지 20 중량%의 W 및 나머지 Fe
    를 포함하는 페라이트 합금 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 약 16 내지 20 중량%의 Cr, 약 7 내지 11 중량%의 Mo 및 나머지 Fe를 포함하는 것을 특징으로 하는 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 약 10 내지 14 중량%의 Cr, 약 7 내지 11 중량%의 Mo 및 나머지 Fe를 포함하는 것을 특징으로 하는 조성물.
  4. 제1항에 있어서, 약 10 내지 14 중량%의 Cr, 약 10 내지 20 중량%의 W 및 나머지 Fe를 포함하는 것을 특징으로 하는 조성물.
  5. 제1항에 있어서, 1종 이상의 희토류 원소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조성물.
  6. 제5항에 있어서, 희토류 원소는 조성물 중에 약 0.01 내지 0.5 중량%의 총량으로 존재하는 것을 특징으로 하는 조성물.
  7. 제6항에 있어서, 희토류 원소는 란탄족 원소 51 내지 71의 군에 있는 원소, 스칸듐, 이트륨 및 이의 조합으로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 조성물.
  8. 제2항에 있어서, 약 18 중량%의 Cr, 약 9 중량%의 Mo, La 및 나머지 Fe를 포함하는 것을 특징으로 하는 조성물.
  9. 제3항에 있어서, 약 12 중량%의 Cr, 약 9 중량%의 Mo, 약 0.2 중량% La 및 나머지 Fe를 포함하는 것을 특징으로 하는 조성물.
  10. 제4항에 있어서, 약 11 중량%의 Cr, 약 15 중량%의 W, 약 0.2 중량% La 및 나머지 Fe를 포함하는 것을 특징으로 하는 조성물.
  11. 제2항에 있어서, 실온 내지 1000℃의 온도 범위에서 열 팽창 계수가 약 9 ppm/℃-1 내지 약 12 ppm/℃-1인 것을 특징으로 하는 조성물.
  12. 고체 산화물 연료 전지로부터 전류를 수집하기 위한 페라이트 합금 인터커넥터 플레이트(interconnector plate)로서,
    (i) 약 16 내지 20 중량%의 Cr, 약 7 내지 11 중량%의 Mo 및 나머지 Fe; 또는
    (ii) 약 10 내지 14 중량%의 Cr, 약 7 내지 11 중량%의 Mo 또는 약 10 내지 20 중량%의 W 및 나머지 Fe
    를 포함하는 페라이트 합금 인터커넥터 플레이트.
  13. 고체 산화물 연료 전지에 대한 다공성 지지체로서,
    (i) 약 16 내지 20 중량%의 Cr, 약 7 내지 11 중량%의 Mo 및 나머지 Fe; 또는
    (ii) 약 10 내지 14 중량%의 Cr, 약 7 내지 11 중량%의 Mo 또는 약 10 내지 20 중량%의 W 및 나머지 Fe
    를 포함하는 다공성 지지체.
KR1020107027542A 2008-05-13 2009-05-13 페라이트 합금 조성물 KR20110005900A (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US12/119,648 2008-05-13
US12/119,648 US20090286107A1 (en) 2008-05-13 2008-05-13 Ferritic Alloy Compositions

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20110005900A true KR20110005900A (ko) 2011-01-19

Family

ID=41316472

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020107027542A KR20110005900A (ko) 2008-05-13 2009-05-13 페라이트 합금 조성물

Country Status (12)

Country Link
US (1) US20090286107A1 (ko)
EP (2) EP2313536A2 (ko)
JP (1) JP2011523438A (ko)
KR (1) KR20110005900A (ko)
CN (1) CN102057071A (ko)
AU (1) AU2009246448A1 (ko)
BR (1) BRPI0912645A2 (ko)
CA (1) CA2723828A1 (ko)
MX (1) MX2010012296A (ko)
RU (1) RU2010146185A (ko)
WO (1) WO2009140366A2 (ko)
ZA (1) ZA201007803B (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3680917B1 (en) * 2019-01-14 2023-10-04 Westinghouse Electric Sweden AB A cladding tube for a fuel rod for nuclear reactors

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4049431A (en) * 1976-09-30 1977-09-20 The United States Of America As Represented By The United States Energy Research And Development Administration High strength ferritic alloy
EP0028213A1 (fr) * 1979-10-25 1981-05-06 S.A. Floridienne N.V. Perfectionnements aux alliages métalliques
DE3310693A1 (de) * 1983-03-24 1984-10-04 Fried. Krupp Gmbh, 4300 Essen Korrosionsbestaendiger chromstahl und verfahren zu seiner herstellung
JP3236755B2 (ja) * 1995-04-04 2001-12-10 住友特殊金属株式会社 耐酸化性金属材料
CA2233338C (en) * 1995-09-27 2001-04-03 Sumitomo Metal Industries, Ltd. Welded high-strength steel structure with excellent corrosion resistance
JP2000328205A (ja) * 1999-05-24 2000-11-28 Sumitomo Metal Ind Ltd 通電電気部品用フェライト系ステンレス鋼および燃料電池
JP3397168B2 (ja) * 1999-04-19 2003-04-14 住友金属工業株式会社 固体高分子型燃料電池セパレータ用フェライト系ステンレス鋼および固体高分子型燃料電池
DE10025108A1 (de) * 2000-05-20 2001-11-29 Forschungszentrum Juelich Gmbh Hochtemperaturwerkstoff
CA2372326C (en) * 2001-02-22 2007-09-11 Kawasaki Steel Corporation Stainless steel separator for fuel cells, method for making the same, and solid polymer fuel cell including the same
AT4810U1 (de) * 2001-05-31 2001-11-26 Plansee Ag Stromsammler für sofc-brennstoffzellen
JP2003187828A (ja) * 2001-12-20 2003-07-04 Nisshin Steel Co Ltd 固体酸化物型燃料電池部材用フェライト系ステンレス鋼
US7211346B2 (en) * 2002-04-03 2007-05-01 Ut-Battelle, Llc Corrosion resistant metallic bipolar plate
US20050158693A1 (en) * 2002-04-22 2005-07-21 Arun Prasad Dental alloys
WO2005035816A1 (ja) * 2003-10-07 2005-04-21 Jfe Steel Corporation 固体高分子型燃料電池セパレータ用ステンレス鋼およびそのステンレス鋼を用いた固体高分子型燃料電池
US20070087250A1 (en) * 2005-10-13 2007-04-19 Lewis Daniel J Alloy for fuel cell interconnect
US7829012B2 (en) * 2005-12-19 2010-11-09 Worldwide Energy, Inc. Of Delaware Enhancement of thermal stability of porous bodies comprised of stainless steel or an alloy
WO2008013498A1 (en) * 2006-07-26 2008-01-31 Sandvik Intellectual Property Ab Ferritic chromium steel
US7745029B2 (en) * 2006-11-07 2010-06-29 General Electric Company Ferritic steels for solid oxide fuel cells and other high temperature applications

Also Published As

Publication number Publication date
WO2009140366A3 (en) 2010-12-16
JP2011523438A (ja) 2011-08-11
RU2010146185A (ru) 2012-06-20
EP2371981A1 (en) 2011-10-05
WO2009140366A2 (en) 2009-11-19
EP2313536A2 (en) 2011-04-27
US20090286107A1 (en) 2009-11-19
ZA201007803B (en) 2011-07-27
MX2010012296A (es) 2011-02-22
CN102057071A (zh) 2011-05-11
CA2723828A1 (en) 2009-11-19
AU2009246448A1 (en) 2009-11-19
BRPI0912645A2 (pt) 2016-01-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Hassan et al. Influence of alloy addition and spinel coatings on Cr-based metallic interconnects of solid oxide fuel cells
Xiao et al. Oxidation behavior of Cu-doped MnCo2O4 spinel coating on ferritic stainless steels for solid oxide fuel cell interconnects
Talic et al. Effect of pre-oxidation on the oxidation resistance of Crofer 22 APU
Yang et al. (Mn, Co) 3O4 spinel coatings on ferritic stainless steels for SOFC interconnect applications
Montero et al. MnCo1. 9Fe0. 1O4 spinel protection layer on commercial ferritic steels for interconnect applications in solid oxide fuel cells
Geng et al. A low-Cr metallic interconnect for intermediate-temperature solid oxide fuel cells
ES2444217T3 (es) Densificación de electrolitos a base de óxido de cerio
KR101314993B1 (ko) 내산화성 페라이트계 스테인레스 강
JP4737600B2 (ja) 固体酸化物型燃料電池セパレータ用鋼
CA2383808C (en) Steel for separators of solid-oxide type fuel cells
Gil et al. Improving the oxidation resistance and electrical properties of ferritic stainless steels for application in SOFC interconnects
Zhu et al. Evaluation of several low thermal expansion Fe–Co–Ni alloys as interconnect for reduced-temperature solid oxide fuel cell
Garcia-Fresnillo et al. Influence of alloying elements on the behavior of different ferritic steels as candidate materials for SOFC interconnect
JP5306631B2 (ja) 固体酸化物型燃料電池その他の高温用途向けのフェライト鋼
KR20110005900A (ko) 페라이트 합금 조성물
McCleary et al. Effect of Aluminum Titanate (Al2TiO5) Doping on the Mechanical Performance of Solid Oxide Fuel Cell Ni‐YSZ Anode
JP2007016297A (ja) 固体酸化物型燃料電池セパレータ用鋼
Grolig Coated ferritic stainless steels as interconnects in solid oxide fuel cells
Mathur et al. Role of divalent co-dopant as structure stabilizer in Scandia-stabilized zirconia electrolyte for SOFC
JP6418362B1 (ja) ステンレス鋼材、構成部材、セルおよび燃料電池スタック
JP2001072465A (ja) 固体電解質、その製造方法、並びに該固体電解質を用いた燃料電池及び酸素センサー
US20070122304A1 (en) Alloys for intermediate temperature applications, methods for maufacturing thereof and articles comprising the same
JP2003105503A (ja) 固体酸化物型燃料電池セパレータ用鋼
McCleary Investigation of the Mechanical Properties of Aluminum Titanate (Al2TiO5) Doped Ni-Ysz Solid Oxide Fuel Cell Anodes
Opakhai et al. Development and investigation of a porous metal-ceramic substrate for solid oxide fuel cells

Legal Events

Date Code Title Description
WITN Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid