(57)【要約】実際に用いて酸化性条件にさらされたケイ素を含有するフェライト系ステンレスを含む物品上における電気抵抗性のスケールの形成を低減させる方法は、物品を実際に用いる前に、鋼に由来するケイ素を含むシリカが鋼の表面上に形成される条件の下に物品をさらすことを含む。場合により、シリカの少なくとも一部を、物品を実際に用いる場合に表面から除去する。少なくともその表面上にシリカが形成される傾向の低減したフェライト系ステンレス鋼の合金も提供される。その鋼は、鋼の残りの部分と比べてケイ素が減少した表面付近の領域を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
使用の際の高温条件にさらされたケイ素を含有するフェライト系ステンレス鋼の物品上に電気抵抗性のシリカの層が形成される傾向を低減する方法であって：
該物品を使用する前に、該鋼に由来するケイ素を含むシリカが該鋼の表面上に形成される条件の下に該物品をさらすこと
を含む、前記方法。
【請求項２】
物品を使用する前にシリカの少なくとも一部を該物品の表面から除去することをさらに含む、請求項１の方法。
【請求項３】
鋼に由来するケイ素を含むシリカが該鋼の表面上に形成される条件の下に物品をさらすことが、該鋼に由来する該ケイ素を含むシリカが該鋼の表面上に形成されるのに十分な期間該物品を酸化性雰囲気において加熱することを含む、請求項１および２のいずれかの方法。
【請求項４】
フェライト系ステンレス鋼の表面付近の領域からケイ素の一部を減少させる、請求項３の方法。
【請求項５】
フェライト系ステンレス鋼が少なくとも０．１５重量パーセントのケイ素を含む、請求項４の方法。
【請求項６】
フェライト系ステンレス鋼が：１５〜３０重量％のクロム；０〜６重量％のモリブデン；２重量％までのマンガン；１重量％までのニッケル；１重量％までのケイ素；１重量％までのアルミニウム；０．１重量％までの炭素；０．１重量％までの窒素；１重量％までのチタン；１重量％までのニオブ；１重量％までのジルコニウム；１重量％までのバナジウム；鉄；および付随的な不純物；
を含む、請求項４の方法。
【請求項７】
フェライト系ステンレス鋼が、ＡＩＳＩタイプ４３０ステンレス鋼、ＡＩＳＩタイプ４３９ステンレス鋼、ＡＩＳＩタイプ４４１ステンレス鋼、ＡＩＳＩタイプ４４４ステンレス鋼、およびＥ−ＢＲＩＴＥ（登録商標）合金を含む群から選択される、請求項４の方法。
【請求項８】
物品を加熱することが、実際に用いるときにさらされる温度よりも高い温度において該物品を加熱することを含む、請求項３の方法。
【請求項９】
物品を加熱することが、実際に用いるときにさらされる温度よりも少なくとも１００℃高い温度において該物品を加熱することを含む、請求項３の方法。
【請求項１０】
物品を加熱することが、実際に用いるときにさらされる温度よりも少なくとも２００℃高い温度において該物品を加熱することを含む、請求項３の方法。
【請求項１１】
物品を加熱することが、少なくとも６００℃の温度において該物品を加熱することを含む、請求項３の方法。
【請求項１２】
物品を加熱することが、６００℃〜１１００℃の範囲の温度において該物品を加熱することを含む、請求項２の方法。
【請求項１３】
酸化性雰囲気が、１×１０−２０気圧より高くない分圧で酸素を含む気体雰囲気である、請求項３の方法。
【請求項１４】
フェライト系ステンレス鋼の物品を加熱することが、６００℃〜１１００℃の範囲の温度において該物品を加熱することを含む、請求項１３の方法。
【請求項１５】
酸化性雰囲気が、水素、１×１０−２０気圧より高くない分圧の酸素、および付随的な不純物から本質的になる気体雰囲気である、請求項３の方法。
【請求項１６】
物品を加熱することが、６００℃〜１１００℃の範囲の温度において該物品を加熱することを含む、請求項１５の方法。
【請求項１７】
物品を酸化性雰囲気において加熱することが、少なくとも６００℃の温度において少なくとも２分間該物品を加熱することを含む、請求項３の方法。
【請求項１８】
表面上に形成されたシリカが、物品の１ミリメートルの厚さあたり少なくとも０．５ミクロンの厚さを有する層である、請求項３の方法。
【請求項１９】
シリカの少なくとも一部を除去することが、シリカを機械的、化学的、および熱化学的処理の少なくとも１種類に供することを含む、請求項２の方法。
【請求項２０】
シリカの少なくとも一部を除去することが、シリカを、水酸化ナトリウム、フッ化水素酸、硝酸、および塩酸からなる群から選択される化合物を含む液体と、その一部を除去するのに十分な期間接触させることを含む、請求項２の方法。
【請求項２１】
シリカの少なくとも一部を除去することが、シリカの下にある鋼を物品から除去することがない、請求項１９の方法。
【請求項２２】
物品が、圧延製品、シート、および燃料電池のインターコネクトからなる群から選択される、請求項１および２のいずれかの方法。
【請求項２３】
フェライト系ステンレス鋼の残りの部分と比べてケイ素が減少した表面付近の領域を含むフェライト系ステンレス鋼を含む製造物品。
【請求項２４】
物品が高温酸化性条件にさらされた際に鋼に由来するケイ素を含む電気抵抗性のシリカの層が形成される傾向が低減された、請求項２３の製造物品。
【請求項２５】
フェライト系ステンレス鋼が、ＡＩＳＩタイプ４３０ステンレス鋼、ＡＩＳＩタイプ４３９ステンレス鋼、ＡＩＳＩタイプ４４１ステンレス鋼、ＡＩＳＩタイプ４４４ステンレス鋼、およびＥ−ＢＲＩＴＥ（登録商標）合金を含む群から選択される、請求項２３の製造物品。
【請求項２６】
物品が燃料電池のインターコネクトである、請求項２４および２５のいずれかの物品。
【請求項２７】
ケイ素を含有するフェライト系ステンレス鋼を、鋼に由来するケイ素を含むシリカが該鋼の表面上に形成される条件の下に該鋼をさらすことにより処理すること；および
処理された該鋼から燃料電池のインターコネクトを製作すること；
を含む、燃料電池のインターコネクトを作る方法。
【請求項２８】
ケイ素を含有するフェライト系ステンレス鋼を処理することが、燃料電池のインターコネクトを製作する前にその表面からシリカの少なくとも一部を除去することを更に含む、請求項２７の方法。
【請求項２９】
インターコネクトを実際に用いる前に、鋼に由来するケイ素を含むシリカがステンレス鋼の表面上に形成される条件の下に該インターコネクトをさらすこと；
を含む、実際に用いるときに高温条件にさらされた際にインターコネクトの表面上に電気抵抗性のシリカのスケールが形成される傾向を低減させるための、ケイ素を含有するフェライト系ステンレス鋼を含む燃料電池のインターコネクトを処理する方法。
【請求項３０】
インターコネクトを実際に用いる前に、ステンレス鋼の表面からシリカの少なくとも一部を除去することを更に含む、請求項２９の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願への相互参照
本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）（３５ＵＳＣ§１１９（ｅ））の下で、２００７年３月６日に出願された同時係属中の米国特許仮出願第６０／９０５，２１９号に対する優先権を主張する。
【０００２】
連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載
本発明につながる研究のいくつかは、米国政府によりエネルギー省共同契約であるＤＥ−ＦＣ２６−０５ＮＴ４２５１３の下で資金助成された。米国は本発明において一定の権利を有することができる。
【０００３】
本開示は、ステンレス鋼が高温、酸化性条件にさらされた際にそのステンレス鋼上に電気抵抗性の表面層、または“スケール（ｓｃａｌｅ）”が形成されることを制限するための方法に関する。本開示はまた、ステンレス鋼およびステンレス鋼を含む製造物品に関し、その鋼は、鋼が高温、酸化性条件にさらされた際にそれらの上に電気抵抗性のスケールを形成する傾向を低減する。
【背景技術】
【０００４】
燃料電池は、ガス燃料と酸化ガスとをイオン伝導性電解質を介して電気化学的に組み合わせることにより電気および熱を発生させるエネルギー変換装置である。燃料電池は、化学エネルギーを燃焼させずに直接電気エネルギーに変換し、レシプロエンジン、ガスタービン、および特定の他の一般的な熱機械的エネルギー生産装置よりもかなり高い変換効率を提供する。加えて、同じ出力につき、燃料電池は化石燃料に基づく発電技術よりも二酸化炭素の放出量が実質的に少ない。また、燃料電池の生み出す酸性雨および光化学スモッグの主成分であるＳＯｘおよびＮＯｘは、無視できる量である。
【０００５】
主に燃料電池の電解質として利用される物質が異なるいくつかのタイプの燃料電池が開発されている。ＮＡＳＡは、最初は１９６０年代にＡｐｏｌｌｏおよび他の宇宙船に電力を供給するために液体電解質を含むアルカリ燃料電池を開発した。しかし、液体電解質は通常は腐食性であり、扱いづらいものである可能性がある。それに対し、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣｓ）は完全に固体状態の材料で構成されており、電解質として高速酸素イオン伝導性セラミック材料を用いている。ＳＯＦＣｓは固体状態での輸送を促進するために約５００℃〜１０００℃の温度範囲で作動する。ＳＯＦＣｓの利点には、高いエネルギー効率および電解質の取り扱いに伴う問題が比較的少ないことが含まれる。ＳＯＦＣｓは良質な排熱も生み出し、熱および電力を組み合わせた装置において用いることができ、炭化水素燃料の内部改質のために利用することができる。
【０００６】
単一のＳＯＦＣサブユニットまたは“電池”には、電解質により隔てられた陽極および陰極が含まれる。ＳＯＦＣ電池の作動の間、酸化剤（例えば酸素または空気）が燃料電池の中に陰極上に供給され、次の半電池反応を通して外部回路から電子を受け取ることにより電解質に酸素イオンを供給する：
１／２Ｏ２（ｇ）＋２ｅ−→Ｏ−２
酸素原子は固体内の拡散によりセラミック電解質を通過して電解質／陽極接触面へと至る。ＳＯＦＣは水素（Ｈ２）および／または一酸化炭素（ＣＯ）を基本的な燃料として用いることができる。作動させる上で、純粋な水素は供給された形のまま用いることができる。もしメタン、灯油、またはガソリンなどの炭化水素燃料を用いる場合、それはまず部分的に燃焼され、または“改質”されて、水素および一酸化炭素を提供しなければならない。これは燃料電池内部で、電池の高い作動温度や、蒸気の注入に助けられて内部的に成し遂げられてよい。この燃料ガス混合物は陽極に浸透して陽極／電解質接触面へと至り、ここでそれは次の２個の半電池反応でイオン伝導性電解質からの酸素イオンと反応する：
Ｈ２（ｇ）＋Ｏ−２→２ｅ−＋Ｈ２Ｏ（ｇ）
ＣＯ（ｇ）＋Ｏ−２→２ｅ−＋ＣＯ２（ｇ）
これらの反応は電子を放出し、この電子は燃料電池の外部回路に再び入る。電解質を通って陰極から陽極へと至る酸素イオンの輸送による電荷の流れは、外部回路における電子伝導を通した電荷の流れにより正確に帳尻を合わせられる。全体の電荷のバランスを維持しようとする要求が、電池の駆動力である。外部回路における電子の流れが有用な電力を提供する。
【０００７】
適度な電圧を発生させるため、燃料電池は単一のユニットとしてではなく、代わりに、直接隣り合う電池のそれぞれの陽極と陰極との間を連結して電流を伝導する“インターコネクト（ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ）”を有する多くの個別の電池の一連の配列からなる“スタック（ｓｔａｃｋ）”として動かされる。一般的なスタックの設計は、平板または“平坦な”ＳＯＦＣ（ＰＳＯＦＣ）であり、これを図１に図式的な形で示す。図１のＰＳＯＦＣ１０において、単一のエネルギー変換電池１２は電解質４０により隔てられた陰極２０および陽極３０を含む。インターコネクト５０は、陽極３０をスタック内の直接隣り合うエネルギー変換電池１４（完全には図示していない）の陰極６０から隔てる。このように、ＰＳＯＦＣ１０は、それぞれの隣り合う電池の間に配置されたインターコネクトを有する、電池１２と実質的に同一である電池の繰り返し配列を含む。
【０００８】
インターコネクトは重要なＳＯＦＣの構成要素であり、反応性ガスを隔て、含有すること、抵抗の低い電流経路を提供して一連の電池を電気的に連結すること、およびスタックに構造的な支持を提供することを含むいくつかの機能を担う。インターコネクトは電池内部の過酷で高温の環境に耐えられる材料で作られなければならず、燃料電池の耐用年数を通して適切に電気伝導性を維持しなければならず、スタックの不可欠な構造的完全性とガスが漏らないこと（ｇａｓ−ｔｉｇｈｔｎｅｓｓ）とが維持されることを確実にするために、電池のセラミックの構成要素の熱膨張係数（ＣＴＥ）に十分に類似した熱膨張係数を有していなければならない。初期のＰＳＯＦＣの設計は、ＬａＣｒＯ３セラミックのインターコネクトを利用した。ＬａＣｒＯ３セラミックは高いＳＯＦＣの作動温度でも質が下がらず、燃料電池の他のセラミックの構成要素と実質的に釣り合うＣＴＥを有する。しかし、ＬａＣｒＯ３セラミックはもろく、製作するのが難しく、高価である。
【０００９】
セラミック電解質の欠陥に取り組むため、インターコネクトが特定の金属合金から作られた。金属製のインターコネクトは、比較的製造コストが低いこと、電気的および熱的伝導性が高いこと、製作が容易であることなどを含む理由から望ましく、ガスチャンネルの形成の助けとなり、高度な寸法制御を可能とする。インターコネクトの用途に関して提案された合金には、ニッケルベースの合金（例えばＡＬ６００（商標）合金）、特定のオーステナイトのステンレス鋼（例えばタイプ３０４、３０９、３１０および３００シリーズファミリーの他の合金）、および特定のフェライト系ステンレス鋼（例えば、Ｅ−ＢＲＩＴＥ（登録商標）合金およびＡＬ４５３（商標）合金など）が含まれる。表１は、上述の商業的に入手できるニッケルベースの、およびステンレス鋼の合金のいくつかに関する名目的な組成を提供し、それらは全てＡＴＩ  Ａｌｌｅｇｈｅｎｙ  Ｌｕｄｌｕｍ，  Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ，  Ｐｅｎｎｓｙｌｖａｎｉａから入手できる。
【００１０】
【表１】
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【００１１】
低コスト、優れた機械処理適性、および一般に用いられるセラミック電解質と適合できるＣＴＥなどを含む、少なくとも約１６重量パーセントのクロムを含むフェライト系ステンレス鋼に特定の特徴は、ＰＳＯＦＣのインターコネクトの用途にとって特に魅力的である。１６〜３０重量パーセントのクロムおよび０．１重量パーセントより少ないアルミニウムを含むフェライト系ステンレス鋼は、インターコネクトの用途に特に適していると考えられている。ＰＳＯＦＣのインターコネクトの用途に適していると考えられるフェライト系ステンレス鋼の具体的な例には、ＡＩＳＩタイプ４３０、４３９、４４１、および４４４ステンレス鋼、さらにＥ−ＢＲＩＴＥ（登録商標）合金が含まれる。例えばセラミック電極材料であるランタンストロンチウムマンガネートおよびＡＩＳＩタイプ４３０フェライト系ステンレス鋼のＣＴＥは、それぞれ約１１〜１３×１０−６および約９〜１２×１０−６であると報告されている。
【００１２】
しかし、フェライト系ステンレス鋼は中程度のレベルのケイ素を、意図的に合金への添加として、または鋼を作るプロセスからの残留物としてのどちらかで一般的に含む。ケイ素は一般にフェライト系ステンレス鋼中に約０．３〜０．６重量パーセントのレベルで存在する。ケイ素は一般にはフェライト系ステンレス鋼に対して意図的な構成元素として添加されることは無いが、それはステンレス鋼の融解の間にプロセス元素として添加される可能性がある。しかし、融解物に添加されたケイ素の一部が鋼の中に入ってしまうことは避けられない。従って、例えケイ素がそのような場合において意図的に添加されたのだとしても、それは鋼の中の残留不純物であると考えてよい。
【００１３】
ケイ素は、鋼の表面／スケール接触面に移動して、薄く、通常は連続的で、高度に電気抵抗性のＳｉＯ２（シリカ）層を接触面において形成する傾向があるため、フェライト系ステンレス鋼のインターコネクトの作動効率にとって有害である。鋼と鋼上に形成されたスケールとの間の接触面におけるシリカの形成は、時間が経てば（ｏｖｅｒ  ｔｉｍｅ）インターコネクトの接触電気抵抗を増大させる。これは電子がインターコネクトと電極との間の接触面の領域を通過するのをますます難しくし、それによりインターコネクトが電池の間で電流を伝導する能力を次第に弱める。このプロセスは、時間が経てばフェライト系ステンレス鋼のインターコネクトを含むＳＯＦＣの全体の効率を大きく低下させる。そのように、これは様々な入手可能であるセラミックおよび合金材料の中から適切なインターコネクトの材料を選ぶ際に考えられる要素の一つである。
【００１４】
従って、例えば鋼がＳＯＦＣのインターコネクトが酸化性条件にさらされた際に、フェライト系ステンレス鋼の表面上に電気抵抗性のシリカが形成される傾向を排除するか、または低減するための方法を提供することが、利点であろう。
【発明の概要】
【００１５】
本開示の一つの観点は、ケイ素を含むフェライト系ステンレス鋼の物品が実用されて高温、酸化性条件にさらされた際に、その物品上に電気抵抗性のシリカの層が形成される傾向を低減する方法に向けられている。その方法には、物品を実際に用いる前に、物品を酸化性条件にさらし、その結果鋼に由来するケイ素を含むシリカを鋼の表面上に形成することが含まれる。場合により、シリカの少なくとも一部を、品物を実際に用いる前に取り除く。その方法の特定の限定的でない実施態様において、シリカが鋼の表面上に形成される条件には、物品を酸化性雰囲気におき、６００℃より高い温度で、シリカが形成されるのに十分な期間の間加熱することが含まれる。
【００１６】
本開示に従う方法により処理される物品に含まれる可能性があるフェライト系ステンレス鋼には、ケイ素を含むあらゆるフェライト系ステンレス鋼が含まれる。そのフェライト系ステンレス鋼の限定的でない例には、ケイ素を含むＡＩＳＩタイプ４３０ステンレス鋼、ＡＩＳＩタイプ４３９ステンレス鋼、ＡＩＳＩタイプ４４１ステンレス鋼、ＡＩＳＩタイプ４４４ステンレス鋼、およびＥ−ＢＲＩＴＥ（登録商標）合金が含まれる。本方法の利点を考慮すれば、本方法はＳＯＦＣのインターコネクトにおいて用いられるフェライト系ステンレス鋼に適用される場合に特に有用であると考えられる。
【００１７】
本開示の他の観点は、燃料電池のインターコネクトを作る方法に向けられている。その方法には、ケイ素を含むフェライト系ステンレス鋼を、鋼に由来するケイ素を含むシリカが鋼の表面上に形成される酸化性条件にさらすことにより処理することが含まれる。場合により、シリカの少なくとも一部を、表面から取り除く。処理された鋼を、続いて燃料電池のインターコネクトへと製作する。本方法は、インターコネクトが実際に用いられて高温酸化性条件にさらされた際に、フェライト系ステンレス鋼のインターコネクト上に電気抵抗性のシリカの層が形成される傾向を低減する。
【００１８】
さらに、本開示の他の観点は、フェライト系ステンレス鋼の残りの部分と比較してケイ素が減少した少なくとも表面付近の領域を含む、フェライト系ステンレス鋼を含む製造物品に向けられている。その特徴は、物品が高温酸化性条件にさらされた際に、物品の表面上に電気抵抗性のシリカの層が形成される傾向を低減する。本開示に従う特定の限定的でない実施態様においては、本開示に従う方法を、鋼の表面付近の領域においてケイ素を減少させる（すなわち、低減させるまたは排除する）ために物品に適用する。特定の限定的でない実施態様に従うと、物品は圧延製品（ｍｉｌｌ  ｐｒｏｄｕｃｔ）（例えば、シート、プレート、または棒）または燃料電池のインターコネクトである。
【００１９】
本明細書で記述される方法、合金および物品の特定の限定的でない実施態様の特徴および利点を、添付の図面を参照して、よりよく理解することができる：
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１はＰＳＯＦＣの実施態様の概略図である。
【図２】図２は水素中の酸素分圧（右手のＹ軸）と水蒸気の含有量（左手のＹ軸、露点として測定した）との間の関係を示すプロットであり、示した範囲の酸素分圧における様々な酸化物に関する安定限界を温度の関数としてプロットした曲線を含む。
【図３】図３は、水素中でおよそ３０分間、およそ１０１０℃において焼きなましたタイプ４３０ステンレス鋼試料パネルに関する、バルク組成を測定するために正規化したオージェ（Ａｕｇｅｒ）組成プロフィールである。
【図４】図４は、本明細書で記述したように製造したいくつかのフェライト系ステンレス鋼試料に関して、７００℃および８００℃の試験温度において得られたＡＳＲ値（ｏｈｍ−ｃｍ２）のプロットである。
【図５】図５は、様々な鋼−セラミック−鋼の“サンドイッチ”アセンブリに関して、８００℃の試験温度において空気中で、５００時間にわたって測定して得られたＡＳＲ値（ｏｈｍ−ｃｍ２）のプロットである。
【図６】図６は、陽極を模したガス中で加熱された、処理された、および未処理の様々なフェライト系ステンレス鋼試料に関する、重量変化（ｍｇ／ｃｍ２）の時間に対するプロットである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本開示に従う方法、合金、および物品の特定の限定的でない実施態様についての下記の詳細な記述を考慮すれば、読者は上記の詳細や、さらに他のものを理解するであろう。また、読者は、本明細書で記述した方法、合金、または物品を実行したり、または使用したりすることで、その追加の詳細のいくつかを理解することができる。
【００２２】
限定的でない実施態様に関する本発明の記述において、および特許請求の範囲において、作動に関する実施例（ｏｐｅｒａｔｉｎｇ  ｅｘａｍｐｌｅｓ）において、または別途記載がある場合以外は、成分および生成物、加工条件などの量または特徴を表す全ての数値は、全ての場合において用語“約”により修飾されているものと理解されるべきである。従って、それに反することが示されていない限り、下記の記述および添付の特許請求の範囲において述べるあらゆる数値パラメータは、本開示に従う合金および物品において得ようと努める望ましい特性依存して変化し得る概数である。最低でも、および特許請求の範囲に対する均等物理論の適用を限定する試みとしてではなく、それぞれの数値パラメータは少なくとも、報告される有効数字の数を考慮し、一般的な丸め技法を適用することにより解釈されるべきである。
【００２３】
本明細書に参照により援用すると記載されたあらゆる特許、刊行物、または他の開示資料は、全部または一部において、援用された資料がこの開示において説明される既存の定義、報告、または他の開示資料と矛盾しない程度でのみ本明細書に含められる。そして、必要な程度で、本明細書において説明される開示は、参照により本明細書に援用されるあらゆる矛盾する資料に取って代わる。本明細書に参照により援用すると記載されたあらゆる資料、またはそれらの一部は、本明細書において説明される既存の定義、報告、または他の開示資料と矛盾するものを除き、その含められた資料と既存の開示資料との間で矛盾が起こらない程度までのみ含められる。
【００２４】
上記で論じたように、フェライト系ステンレス鋼は一般に中程度の量のケイ素を、意図的な合金添加物としてか、または残留した不純物としてのどちらかで含む。金属製のインターコネクトとして実際に用いる間、燃料電池のスタックに存在する過酷な高温酸化環境の内部では、例えわずかな量のケイ素でも、すぐに合金／スケール接触面へと拡散して、薄く、通常は連続的な、電気抵抗性のＳｉＯ２（シリカ）フィルムを形成することが可能である。これは、比較的高い、例えば０．１５重量パーセントより高いレベルのケイ素を含むほとんどのフェライト系およびスーパーフェライト系ステンレス鋼にとって特に問題となるが、特に燃料電池のインターコネクトの用途のためにしばしば開発されるケイ素の含有量が極めて低いフェライト系ステンレス鋼にとってさえも依然として問題である。ケイ素の偏析および酸化の傾向は高く、非常に低いレベルのケイ素を含む合金においてさえも起こることが観察されている。この現象は、フェライト系ステンレス鋼のインターコネクトの表面の電気伝導性を弱め、時間が経過した後の燃料電池の効率をかなり低下させる可能性がある。
【００２５】
フェライト系ステンレス鋼のこの欠点に取り組むための現在のアプローチは、インターコネクトの用途を意図した合金の内部におけるケイ素の濃度を最小限にすることである。例えば、ドイツのＫｒｕｐｐ−ＶＤＭから入手可能なＣＲＯＦＥＲ  ２２ＡＰＵ合金は、通常はケイ素含有量を約０．１０重量パーセントに制限して生産される。しかし、ケイ素含有量を最小限にするアプローチはいくつかの欠点を有する。ケイ素を非常に低いレベルに制御することは技術的に難しく、費用もかかり、通常は、一般的な電気アーク炉におけるそれほど費用のかからない大気融解（ａｉｒ  ｍｅｌｔｉｎｇ）ではなく、真空誘導融解（ｖａｃｕｕｍ  ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ  ｍｅｌｔｉｎｇ）（ＶＩＭ）などの高価な融解技法の使用を必要とする。ケイ素の含有量が低いスクラップを選択することは、実質的に原料コストを増大させ得る。しかし、ケイ素がフェライト系ステンレス鋼の内部で薄い半連続的な酸化物の表面層として偏析する傾向は極めて強いため、ケイ素を低いレベルまで低減させることさえも有効ではない可能性がある。
【００２６】
特定のフェライト系ステンレス鋼の上記の欠陥に取り組むため、本開示は、部分的に、フェライト系ステンレス鋼の表面上に電気抵抗性のシリカが形成される傾向を排除するか、または低減するための方法に向けられている。より詳細には、本開示は、物品が、ＳＯＦＣ内部で一般的に見られる高温酸化性条件であり、インターコネクトが一般的にさらされる条件にさらされた際の、フェライト系ステンレス鋼の物品の表面上における電気抵抗性のシリカの層の形成を低減するための独特な方法を記述する。その方法は、物品を処理して鋼の表面上におけるシリカの形成を誘導することを伴う。場合により、シリカの少なくとも一部を、適切なシリカ除去技法を用いて表面から除去する。次いで、物品を、場合によりさらに適切な形に加工し、続いて使用することができる。本方法は、鋼の少なくとも表面下の領域のケイ素の含有量を変化させて、処理された物品が使用されて高温酸化性条件にさらされた際にシリカが形成されることを抑制する。
【００２７】
本開示に従う方法の１つの限定的でない実施態様によると、ケイ素を含有するフェライト系ステンレス鋼の物品中のケイ素の少なくとも一部は、物品を適切な時間、適切な酸化性雰囲気において“予備酸化（ｐｒｅ−ｏｘｉｄｉｚｉｎｇ）”することにより、物品の表面へと偏析し、表面上で酸化される。本明細書において本開示に従う方法の実施態様に関連して用いられる“物品”は、例えば、シート、プレート、または棒などのいずれかの圧延製品を指し、圧延製品をさらに中間物または最終的な形まで加工することにより生産した、完成した製造物品も指す。また、本明細書において本開示に従う方法の実施態様に関連して用いられる“酸化性雰囲気”、“部分酸化性雰囲気”、“酸化性条件”、および同様の句は、適切な期間さらされたフェライト系ステンレス鋼の物品の表面上において酸化物の形成を促進する雰囲気および／またはその他の条件を指す。
【００２８】
本開示に従う方法の実施態様は、あらゆるケイ素を含有するフェライト系ステンレス鋼に適用することができる。本開示に従う方法は、例えば少なくとも０．１５重量パーセントのケイ素といった比較的高いレベルのケイ素を含むフェライト系ステンレス鋼に適用される際に特に都合がよいと考えられるが、あらゆるケイ素を含むフェライト系ステンレス鋼に適用することができる。通常、本開示の範囲の限定を意図すること無く、本開示に従う方法は：１５〜３０重量％のクロム；６重量％までのモリブデン；２重量％までのマンガン；１重量％までのニッケル；１重量％までのケイ素；１重量％までのアルミニウム；０．１重量％までの炭素；０．１重量％までの窒素；１重量％までのチタン；１重量％までのニオブ；１重量％までのジルコニウム；１重量％までのバナジウム；鉄；および付随的な不純物を含むフェライト系ステンレス鋼に適用することができる。本開示の方法を適用可能なフェライト系ステンレス鋼の具体的な限定的でない例には、ＡＩＳＩタイプ４３０、４３９、４４１、および４４４、ならびにＥ−ＢＲＩＴＥ（登録商標）合金（上記の表１参照）、燃料電池のインターコネクトの用途における使用のために提案された各合金が含まれる。
【００２９】
予備酸化の工程において用いることのできる適切な酸化性雰囲気の限定的でない例には、適切な酸化温度において、主として水素を、比較的小さい濃度の酸素と共に含む雰囲気が含まれる。適切な酸化性雰囲気の他の限定的でない例には、分解アンモニア（ｃｒａｃｋｅｄ  ａｍｍｏｎｉａ）または合成アンモニア、アルゴンまたは他の不活性ガスまたは不活性ガスの混合物、および窒素が含まれ、それらの雰囲気の全ては、合金表面に偏析したケイ素を適切に酸化するのに十分な低濃度の酸素も含んでいなければならない。しかし、高い窒素濃度を含む雰囲気は、高温で窒化を促進する可能性があり、従って好ましくない。酸化性雰囲気中の酸素濃度が、雰囲気が物品の表面上のケイ素を選択的に酸化し、一方でステンレス鋼内部の他の元素に由来する酸化物がかなりのレベルで表面上に形成される結果にならないようなものであるのが好ましい。
【００３０】
本開示に従う方法の一実施態様には、フェライト系ステンレス鋼の物品を酸化性雰囲気において、鋼を実際に用いた際にさらされると予想される温度範囲に類似する、または好ましくはそれを上まわる温度で焼きなます（加熱する）ことが含まれる。このようにして、鋼の表面下の領域の内部のケイ素を著しく減少させ、それにより物品が実際に用いられる高温酸化性条件にさらされた際に物品の表面上に形成されるシリカの量を低減させることが可能である。より好ましくは、焼きなまし処理を、物品が実際に用いられた際にさらされる温度よりも少なくとも１００℃高い、さらにもっと好ましくは少なくとも２００℃高い温度において実施する。ＳＯＦＣのインターコネクトの材料として用いられるフェライト系ステンレス鋼に関しては、焼きなましは、好ましくは少なくとも６００℃〜約１１００℃までの範囲の温度で実施し、より好ましくはＳＯＦＣにとって普通である、一般的な７００℃〜８００℃の作動温度よりもかなり高い（例えば、少なくとも１００℃または少なくとも２００℃高い）温度で実施する。
【００３１】
本開示に従う方法の１つの限定的でない実施態様によると、フェライト系ステンレス鋼の物品を、好ましくは約１×１０−２０気圧までの酸素を含む、部分酸化性で水素を含有する雰囲気に、適切な高い温度において、適切な期間の間さらすことは、結果として物品の表面上におけるシリカの形成をもたらす。酸化物の形成に関するケイ素は、固体状態での拡散により合金の本体から移動する。十分なケイ素を物品の表面付近の領域から除去するため、鋼の表面上に形成されたシリカの層は鋼の厚さ１ミリメートルあたり少なくとも０．５ミクロンの厚さを有するのが好ましい。
【００３２】
本開示の方法の特定の限定的でない実施態様によると、酸化処理の間に形成されたシリカの全てまたは一部を、鋼を実際に用いる前に適切なシリカ除去技法を用いて除去する。可能性のあるシリカ除去技法には、シリカをフェライト系ステンレス鋼の表面から、好ましくはシリカの下にある鋼もかなりの量除去してしまうことなく除去できる、機械的、化学的、および熱化学的技法が含まれる。より好ましくは、鋼に適用されるシリカ除去技法は、除去されるべきシリカの下にある鋼を全く除去しないであろう。可能性のある機械的シリカ除去技法の限定的でない例には、例えばサンダー仕上げ（ｓａｎｄｉｎｇ）および研削仕上げ（ｇｒｉｎｄｉｎｇ）のような機械的研磨（ａｂｒａｓｉｏｎ）技法が含まれる。可能性のある化学的シリカ除去技法の限定的でない例には、シリカを溶解する腐食性もしくは酸性の液体の中に物品を浸すこと、またはそれを物品の表面に適用することが含まれる。可能性のある熱化学的シリカ除去技法の限定的でない例には、シリカを溶解する、腐食性もしくは酸性であり、かつシリカの溶解速度を増大させるのに適切な高い温度で維持された液体の中に物品を浸すこと、またはそれを物品の表面に適用することが含まれる。当業者は、鋼の表面上に形成されたシリカの全部または一部を除去するのに適した他の技法を容易に認識するだろう。
【００３３】
物品を“予備酸化”する工程は、本質的に、鋼の内部の少なくとも一部のケイ素を鋼の表面へと偏析させるために、酸化物の形成の駆動力を利用している。例えば乾燥水素雰囲気などの低酸素の雰囲気は、固体状態での移動性および酸素への極めて高い親和性を有するケイ素および特定の他の合金成分にとって酸化性なままであることが知られている。酸素および水は周知の水性シフト反応（ｗａｔｅｒ  ｓｈｉｆｔ  ｒｅａｃｔｉｏｎ）：
Ｈ２Ｏ（ｇ）  ←→  Ｈ２（ｇ）  ＋  １／２Ｏ２（ｇ）
を通じて関係しているため、水素の酸素含有量は、通常はガスの残留水蒸気含有量を評価することにより決定される。
【００３４】
図２は、水素中の酸素分圧（右手Ｙ軸）と水蒸気含有量（左手Ｙ軸、露点として測定した）との間の関係を示すプロットである。上記の水転換反応により示唆されるように、ガスの水蒸気含有量が増大すると、ガス内の酸素分圧も増大する。図２は、示した範囲の酸素分圧における様々な酸化物に関する安定限界を温度の関数としてプロットした曲線も含む。
【００３５】
図２に示したように、所与の温度における様々な酸化物の安定限界の関係を考慮して、本発明者は、高い温度雰囲気において高すぎない分圧の酸素を含めることにより、および水素または他の適切な酸化性でないガスまたは酸化性でないガスの混合物も含めることにより、ケイ素が合金表面に選択的に偏析して、酸化されてシリカとなり、一方で、例えばマンガンやクロムなどの他の元素を合金の本体の内部で実質的に影響を受けずに、金属の形のままにしておくことが可能であると結論づけた。図２が示唆するように、ケイ素の酸化物は、クロムおよびステンレス鋼中に存在する様々な他の元素の酸化物よりも、はるかに低い酸素分圧において安定である。本発明者は、これらの原理をフェライト系ステンレス鋼にも適用して、鋼の内部のクロムおよび様々な他の合金元素の移動／偏析および酸化を著しく促進すること無く、ケイ素の移動／分離および酸化を選択的に促進することができると結論づけた。本開示に従う方法において用いられる酸化性雰囲気における酸素分圧は、好ましくはクロムの酸化物が安定であり鋼上に形成される酸素分圧より下であり、より好ましくはちょうど下である。例えば、酸素分圧は約１×１０−２０気圧までとすることができる。
【００３６】
ケイ素の合金表面への選択的な偏析は、鋼内部の様々な他の合金元素の濃度に著しく影響を及ぼすこと無く、合金のケイ素を減少させる。この技法を用いて、フェライト系ステンレス鋼を効果的に“予備酸化”し、全てまたはかなりの濃度のケイ素を減少させ、鋼を、鋼の表面上におけるシリカの形成が有害となる用途での使用のためにより適したものとすることができる。その用途には、例えばフェライト系ステンレス鋼を用いてがＳＯＦＣｓのためのインターコネクトを形成することが含まれ、この場合にはシリカはインターコネクトの接触抵抗を増大させる。一度選択的に合金表面へと偏析して酸化すれば、得られたシリカは必要に応じて次いで表面から除去することができる。このように、適切な予備酸化性条件を選択することで、本開示に従う方法の特定の実施態様は、ケイ素を含有するフェライト系ステンレス鋼の表面上のシリカの形成を促進し、それにより結果として合金の少なくとも表面付近の領域中のケイ素を著しく減少させ、後に実際に用いられて高温酸化性条件にさらされた際に鋼の表面上にシリカが形成される傾向を抑制するか、または低減させる。
【００３７】
下記の実施例は、実施して、本開示に従う方法の有用性および実施可能性を確認した試験を記述する。
【実施例】
【００３８】
実施例１
名目上は０．４重量パーセントのケイ素を含むＡＩＳＩタイプ４３０ステンレス鋼の０．５ｍｍ厚試料パネルを、少濃度の水蒸気を付随的な不純物と共に含む水素雰囲気を有する炉室中で焼きなました。水素雰囲気の露点は測定しなかったが、約−２０℃〜０℃の範囲内であると考えられた。パネルを炉室中で、およそ１０１０℃において３０分間の温度における時間（ｔｉｍｅ−ａｔ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）（接触型熱電対により測定した）で加熱した。加熱の後に炉から現れた試料パネルは鈍い表面の色合いを有しており、パネルの表面に比較的厚いシリカを含有する層（スケール）が形成されたことを示す。次いで試験パネルを、（イオンスパッタリングガンによる）深度プロファイル能力を有する走査オージェマイクロプローブを用いて試験した。図３は、バルク組成を測定するために規格化した、ステンレス鋼試料のオージェ組成深度プロフィールを図示する。図３は、様々な深度における酸化物層中の鉄、ケイ素、およびクロムの相対的な濃縮（ｅｎｒｉｃｈｍｅｎｔ）をプロットする。合金の本体から合金の表面へのケイ素の著しい偏析が検出され、表面上におよそ０．１８ミクロン（１８０ｎｍ）の厚さのケイ素の層があることは明らかであった。
【００３９】
スケール／合金接触面（すなわち、鋼の本来の表面）は、スケールの表面から測定して約０．１８ミクロンの位置にあったが、これを図３のほぼ中央の垂直線により示す。図３は、シリカを含有する層が形成される際に起きた、スケールの表面に向かうクロムのごくわずかな偏析も示す。図３はさらに、酸化物の形成の間に鉄の明らかな偏析は起きなかったことを示す。このように、この試験により、合金の本体からのケイ素の選択的な移動および合金表面上におけるケイ素の予備酸化が、合金内部のケイ素の少なくとも一部を選択的に減少させる実用的な方法であることを確認された。
【００４０】
計算は、０．５ｍｍ厚のタイプ４３０鋼の試料上に形成されたスケール内部で生じたシリカの濃縮が、鋼の試料内部の全てのケイ素のおよそ４０重量％を消費したことを示唆している。スケール形成の速度（すなわち、単位時間あたりに形成されるスケールの厚さ）は、通常は本体試料に関する支持体の厚さと無関係であり、従って、もし同一の酸化性条件の下で等しい期間加熱されれば、より薄い試料ほどより大きな程度でケイ素が減少すると予想される。また、本方法のケイ素減少効果（ａｆｆｅｃｔ）は、酸化性条件にさらした後のケイ素が減少した勾配の存在のために、支持体の表面付近において、すなわち、表面付近の領域において大きそうである。試験はＳＯＦＣｓの通常の作動温度範囲（およそ７００〜８００℃）より十分上の温度（１０１０℃）で実施されたため、合金表面に隣接してその下に存在するケイ素が減少した合金層は、合金が実際に用いられて高温酸化性条件にさらされた際に、合金の本体から合金表面へのケイ素の再供給に関して長い拡散距離を与えると考えられる。この効果は、予備酸化処理により提供される合金のケイ素含有量の全体的な低下に対して相補的であると考えられ、その合金がＳＯＦＣ内部の作動条件のような高温酸化性条件にさらされた際に、フェライト系ステンレス鋼で形成されたインターコネクトおよび他の物品の表面上のシリカの形成を抑制するために特に助けになると考えられる。より一般的には、合金から形成された最終的な構成物の耐用年数の間に直面するよりも強くケイ素を含有する酸化物の形成を促進する予備酸化性条件に合金をさらすことにより、さらなる利点を得ることができると考えられる。そうすることにより、ケイ素が合金の表面付近の領域から実質的に減少し、合金が使用条件にさらされた際にその酸化物の形成がより十分に抑制されるだろう。
【００４１】
試験パネル上にシリカ層が形成された後、パネルから小さな金属片を切り取った。金属片のいくつかは酸化されたままの状態にした。他の金属片は、酸化後の処理を行い、酸化物のスケールの全てまたは一部を除去した。用いたスケール除去処理は次の通りである；（ｉ）金属片を０．１Ｍフッ化水素酸に約２分間浸す、および（ｉｉ）金属片を１Ｍ水酸化ナトリウムに約６０℃において約３０分間浸す。酸処理は、金属片を十分な期間浸下場合には、スケールと共に本体の合金をも除去すると考えられている。従って、鋼は、フッ化水素酸溶液などの比較的強力な（ａｇｇｒｅｓｓｉｖｅ）除去処理には、シリコンが減少した表面付近の合金の除去を避けるために、比較的限られた期間さらされることが好ましい。一方で、使用される特別な塩基処理は、下にある合金支持体に影響を与えないはずであり、従ってさらす時間は比較的自由であってよい。
【００４２】
焼きなましたままの状態の金属片および、酸または塩基溶液にさらした金属片を、次いで空気中で約８００℃において約５００時間酸化し、結果として金属片上に比較的厚い（１〜２ミクロン）酸化物のスケールが形成された。試料上に形成されたスケールの厚さは、フェライト系ステンレス鋼のインターコネクト上にそれらの耐用年数の間に形成されると予想されるスケールの厚さに一般に類似していた。酸化されたままの状態の金属片および、酸または塩基のスケール除去処理を受けた金属片を、次いで７００℃または８００℃のどちらかにおいて面積比抵抗（ＡＳＲ）に関して評価した。ＡＳＲは接触電気抵抗の尺度であり、目的は、試験温度における電気伝導性を最適化するために可能な限り低いＡＳＲ値を得ることである。図４は、７００℃および８００℃の試験温度（通常のＳＯＦＣの作動温度範囲にわたる）において、次のような上記の試料に関して得られたＡＳＲ値（ｏｈｍ−ｃｍ２）のプロットである：（１）予備酸化処理を受けなかったタイプ４３０ステンレス鋼の試料（図４中の“４３０対照−１”）；（２）酸化されたままの状態の試料、これは上記で論じたように予備酸化したが、結果として生じた酸化物のスケールを除去するためのそれ以上の加工は受けなかった（“Ｈ２”）；（３）上記で論じたように予備酸化し、フッ化水素酸溶液に浸してスケールの全てまたは一部を除去し、次いで８００℃において酸化した試料（“Ｈ２−酸”）；および（４）上記で論じたように予備酸化し、水酸化ナトリウム溶液に浸し、次いで８００℃において酸化した試料（“Ｈ２−ＮａＯＨ”）。図４は、予備酸化および酸化物のスケール除去の工程を含む方法は、７００℃において評価される接触抵抗を制限するのに比較的有効であり、８００℃において評価した場合にはさらにもっと有効であることを示す。本開示に従う方法の実施態様の適用により得られるＡＳＲの低下は、７００℃において評価した際のおよそ５０％から、８００℃において評価した際のおおよそ７５％までの範囲であった。ケイ素は実際には、適用された技法により合金から除去されたが、合金内部のケイ素の移動性は８００℃においてより大きいと思われ、もし合金を実際に用いる前に少なくとも表面付近の領域から減少させない場合には、それは電気抵抗の増大という点でより大きな問題を引き起こすであろう。
【００４３】
図４は、処理された試料（２、３および４）がそれぞれの試験温度において処理されていない試料（１）よりも低いＡＳＲ値を有していたことを示す。予備酸化された試料（２、３および４）の中で、酸で洗った（ａｃｉｄ−ｃｌｅａｎｅｄ）試料（３）は両方の試験温度において最も悪いＡＳＲ値を示した。あらゆる特別な動作理論に縛られることを意図するものでは無いが、試料の酸化物のスケールの下にあるケイ素を減少させた有益な領域の少なくとも一部が、試験において適用された酸洗浄処理により酸化物のスケールと共に除去され、合金の本体からのケイ素の移動経路を比較的短くしたものと考えられる。従って、もし適用する場合には、スケール除去工程のパラメータの慎重な調整が、酸化物のスケールの下にあるケイ素を減少させた合金の領域を望むべくも無く除去することを制限する助けとなり、それにより、合金で形成された物品の耐用寿命の間にその合金が酸化性条件にさらされた際のシリカの形成をより十分に抑制すると考えられる。
【００４４】
予備酸化され、水酸化ナトリウム溶液を用いてシリカを洗い落とした試料（４）は、ＡＳＲ試験において、焼きなましたままの状態の試料（２）に類似するような性能を示した。これは、焼きなましたままの状態の試料上に形成されたシリカを含有するスケールがそれに続く試料の高温での酸化の間に崩壊した（ｄｉｓｒｕｐｔｅｄ）ことを示す。もし、スケールの全てまたは一部を除去する前に、または必要に応じて鋼を実際に用いる前に、シリカを含有する比較的厚いスケールが予備酸化処理の間に形成された場合にもこの現象が存在するのかどうかは、試験からは明らかではなかった。
【００４５】
実施例２
表２に示した（重量パーセンテージで示した）合金の化学的組成を有するＡＩＳＩタイプ４４１ステンレス鋼のいくつかの金属片を用意した。金属片のいくつかを、１８５０°Ｆ（１０１０℃）においてメッシュベルト炉中で、少濃度の水蒸気を含む水素雰囲気中で加熱した。水蒸気濃度は、名目上−２０℃の露点に一致していた。金属片は炉の加熱区域内部におおよそ３０分間おかれた。熱処理は加熱された金属片の表面上にシリカのスケールを生成し、これらの金属片をこの実施例において“予備酸化された”試料と呼ぶ。同一の鋼の他の金属片は熱処理を受けず、これらをこの実施例において“未処理の”試料と呼ぶ。フェライト系ステンレス鋼のＳＯＦＣインターコネクトの表面上に均質な単一相のマンガンコバルタイトスピネル（“ＭＣ”）コーティングを形成して、燃料電池をクロム中毒から保護し、インターコネクトの安定性を改善することが知られている。使用条件をより十分に模擬実験するため、いくつかの予備酸化された試料およびいくつかの未処理の試料を、試験の前にサードパーティーのプロセスを用いてＭＣコーティングで被覆した。
【００４６】
【表２】
2010520376.tif 000004
【００４７】
被覆されていない予備酸化された試料、ＭＣ被覆された予備酸化された試料、およびＭＣ被覆された未処理の試料を、同一のタイプの試験試料をランタンストロンチウムマンガネート（ＬＳＭ）セラミックの薄いブロックのどちらかの側に置くことにより試験した。ＬＳＭの薄い層に関して、接触する面にインクを塗って、試料およびＬＳＭセラミックの間の密接な接触をより確実にした。電源を用いて鋼−ＬＳＭ−鋼の“サンドイッチ”をまたいで電流を加え、結果としてセラミックをまたいで鋼の試料の間に確立した電圧を測定した。電圧は面積比抵抗（ＡＳＲ）に変換されてｍｏｈｍ−ｃｍ２で記録され、これは電流がサンドイッチをまたいで移動することの相対的な容易さ、または難しさの規格化された尺度である。より低いＡＳＲは、鋼試料とセラミックとの間のより低い接触電気抵抗に等しいと考えられるため、望ましい。インターコネクトのＡＳＲが増大するにつれ、燃料電池の出力は低下し、従って、エネルギー発生のプロセスはより効率が低くなる。ＡＳＲは時間とともに増大し続けるため、燃料電池は最終的に電流の発生を停止する可能性がある。従って、最初は低く、非常に遅い速度で増大するＡＳＲを有する材料を燃料電池のインターコネクトに用いることが望ましい。
【００４８】
サンドイッチを空気中で８００℃の炉室温度に保ち、それぞれの加熱されたサンドイッチをまたいだ電圧を、上記の方法で５００時間連続して記録した。図５は高温酸化試験環境におけるサンドイッチの加熱の結果をグラフで示す。１６５時間での試験装置の一時的な停電および再平衡化は、結果として図５のその時間におけるそれぞれの曲線の切れ目と不連続性とをもたらした。およそ２４５〜３１５時間および４０５〜４４５時間の期間の間のデータのロスも、図５の曲線に切れ目を生じさせた。それでもなお、図５は、ＭＣ被覆された予備酸化された試料を含むサンドイッチは、酸化性な試験雰囲気において加熱された場合に、試験期間にわたって有意に低いＡＳＲを有していたことを明確に示している。これらの結果は、フェライト系ステンレス鋼の試料を本開示に従う予備酸化プロセスにより処理することで、被覆した未処理の試験試料を含むサンドイッチに対して初期ＡＳＲおよび時間が経過した後のＡＳＲが低減されたことを明確に確認している。電気的接触抵抗のこの著しい低下は、結果として予備酸化されたステンレス鋼からなるインターコネクトを含むＳＯＦＣｓの性能および／または耐用年数を著しく高めるであろう。予想されたように、被覆されていない予備酸化された試料は、被覆された予備酸化された試料よりも大きなＡＳＲをもたらした。試験結果を考慮すると、本開示に従うプロセスを用いて予備酸化された被覆されていない試料は、結果として被覆されていない未処理の試験試料よりもかなり低いＡＳＲ値（初期および時間経過後の両方）をもたらすであろう。
【００４９】
実施例３
インターコネクトの用途に用いられる次のフェライト系ステンレス鋼の金属片を用意した：ＡＩＳＩタイプ４３０（ＵＮＳ  Ｓ４３０００）；タイプ４３９（ＵＮＳ  Ｓ４３０３５）；タイプ４４１（ＵＮＳ  Ｓ４４１００）；およびＥ−ＢＲＩＴＥ（登録商標）合金（ＵＮＳ  Ｓ４４６２７）。タイプ４３０、４３９、および４４１の金属片を予備酸化して、上記の実施例２で記述した技法（すなわち、１０１０℃で３０分間）を用いて金属片の表面下の領域からケイ素を除去した。他の金属片は未処理のままであった。次いで金属片を、陽極を模したガス（ｓｉｍｕｌａｔｅｄ  ａｎｏｄｅ  ｇａｓ）（ＳＡＧ）中で８００℃において１０００時間を上まわる時間加熱し、それぞれの試料の規格化した重量変化（ｍｇ／ｃｍ２）を定期的に測定した。ＳＡＧは４体積％の水素、３体積％の水蒸気、および残りの体積のアルゴンからなり、ＳＯＦＣ内部の燃料側の環境を模していた。ＳＡＧ内部の酸素含有量は低かったが、試料を酸化するには十分であった。
【００５０】
図６は試験結果のプロットである。予備酸化（すなわち脱ケイ素（ｄｅｓｉｌｉｃｏｎｉｚａｔｉｏｎ））は、ＳＡＧ中で加熱された試料にとって一様に有益であった。結果は、フェライト系ステンレス鋼の表面下の領域からケイ素を除去するための本開示に従う予備酸化処理により、インターコネクトがＳＯＦＣ内部でさらされる環境を模した環境にさらされた際に予備酸化された鋼の酸化速度が低減されることを確認している。
【００５１】
図６は、未処理の状態のＥ−ＢＲＩＴＥ（登録商標）合金があらゆる試験試料の中で最も低い重量変化を示したことを示している。しかし、Ｅ−ＢＲＩＴＥ（登録商標）合金は、例えばそれが試験した他のフェライト系ステンレス鋼よりも少なくとも約１０重量パーセント多いクロムを含むことを考慮すると、より費用のかかる材料である。いずれにせよ、他の試料に適用された技法を用いたＥ−ＢＲＩＴＥ（登録商標）合金試料の予備酸化は、結果として未処理のＥ−ＢＲＩＴＥ（登録商標）合金試料と比べて低減された重量増加をもたらすと予想される。
【００５２】
従って、本開示に従う方法の実施態様は、ケイ素を含有するフェライト系ステンレス鋼からなる物品（例えば、圧延製品、インターコネクト、または他の部分など）に、鋼中に存在するケイ素に由来するシリカを含む外側表面の酸化物の層の形成を促進するように適合された予備酸化処理を受けさせることを伴う。シリカを含有する酸化物のスケールの全てまたは一部を、例えば適切な機械的、化学的、または熱化学的技法などの適切なシリカ除去技法により除去することができる。化学的スケール除去技法の限定的でない例には、上記で論じたが、スケールに酸または腐食性の液体を適用することが含まれる。液体内でのスケールの高速溶解のために液体を加熱することが都合がよい可能性があり、従って、熱化学的技法（加熱された化学物質を伴う）は室温の液体浴中に浸すことよりも好ましい可能性がある。
【００５３】
予備酸化処理は、支持体の少なくとも一部分、主に鋼の表面付近からケイ素を減少させるのに役立ち、これが今度はつづいて高い温度または他の酸化性条件にさらされた際に、支持体の表面上でシリカが形成される傾向を低下させる。シリカのスケールの全てまたは一部を除去することは、処理された表面が後に実際に用いられて酸化性条件にさらされた際に、シリカの形成をより十分に抑制するという点において有益であるようである。それでもなお、本開示に従う方法は、例え予備酸化工程の間に鋼の上に形成されたシリカが除去されなくても、実際に用いる際のシリカの形成を抑制するようである。予備酸化の間に形成されたシリカのスケールが除去されない場合には、その鋼の部品が実際に用いられるときに外側に成長する酸化物のスケールが、予備酸化の間に形成された薄いシリカのスケールを崩壊させる可能性がある。しかし、合金の予備酸化が無い場合、半連続的なシリカの層が実際に用いられたときに合金上に成長するスケールの下にすぐにその場で形成される可能性があり、そしてその接触面の領域において、シリカは合金の表面の電気伝導性を崩壊させる。
【００５４】
本開示に従う、可能性のある方法、合金、および物品の上記の実施例は、ただの例示として示したものであり、本開示の範囲内の余すところのない全ての方法、合金、および物品ではない。通常の技能を有する者は、本開示を読めば、追加の方法、合金、および物品を容易に確認することができる。また、その知識は当技術分野内に存在するので、当業者は本明細書に記述された様々な物品を、本明細書に記述された合金から、本開示に従って製作することができるであろう。例えば、通常の技能を有する者は、適切な寸法のフェライト系ステンレス鋼の圧延製品から燃料電池のインターコネクトを容易に製作することができる。そのように、製作についての詳細な記述は本明細書では不要である。
【００５５】
上記の記述はやむを得ず限られた数の実施態様のみを示したが、関係のある技術における通常の技能を有する者は、本明細書において記述および／または図示された実施例の詳細において当業者により様々な変更がなされてよいことを理解し、全てのその修正は本明細書において、および添付した特許請求の範囲において述べられている本開示の原則および範囲内に留まるであろう。その広い発明概念から逸脱することなく、上記の実施態様を変更することができることも、当業者により理解されるであろう。従って、この発明は本明細書で開示した個々の実施態様に限られるのではなく、それは特許請求の範囲により定められる本発明の原則および範囲内にある修飾を含むことを意図していることが理解される。
【符号の説明】
【００５６】
１０  ＰＳＯＦＣ
１２  エネルギー変換電池
１４  エネルギー変換電池
２０  陰極
３０  陽極
４０  電解質
５０  インターコネクト
６０  陰極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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