(57)【要約】  本発明によれば、Ｃｒ：２１〜２３質量％、Ｍｎ：０．２〜０．４質量％、Ｍｏ：１．０〜２．０質量％、Ａｌ：０．０８〜２．０質量％、Ｔｉ：０．０１〜０．２質量％、Ｎｂ：０．２〜０．５質量％、を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる、ステンレス鋼、このステンレス鋼からなる燃料電池のインターコネクター又はセルを保持する基材、及びこのインターコネクター又はセルを保持する基材を含む固体酸化物形燃料電池が提供される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｒ：２１〜２３質量％、
Ｍｎ：０．２〜０．４質量％、
Ｍｏ：１．０〜２．０質量％、
Ａｌ：０．０８〜２．０質量％、
Ｔｉ：０．０１〜０．２質量％、
Ｎｂ：０．２〜０．５質量％、
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる、ステンレス鋼。
【請求項２】
さらに、
Ｃ：０〜０．０３０質量％、
Ｓｉ：０．１〜１．０質量％、
を含有する、請求項１に記載のステンレス鋼。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のステンレス鋼からなる、燃料電池のインターコネクター又はセルを保持する基材。
【請求項４】
請求項３に記載のインターコネクター又はセルを保持する基材を含む固体酸化物形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステンレス鋼に関し、より具体的には、燃料電池のインターコネクターの材料又は燃料電池のセルを保持するための基材として用いられるステンレス鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池は、発電効率が高く、触媒が不要で、天然ガスや灯油などの多様な燃料に対応可能であり、また、家庭用、自動車用、発電所用など幅広い用途に適用することができる。
固体酸化物形燃料電池に用いられるインターコネクターは、固体酸化物形燃料電池の単セル間を電気的に接続する部材である。固体酸化物形燃料電池は高温で作動することから、インターコネクターの材料には種々の特性が求められる。また、燃料電池のセルを保持するための基材についても同様に種々の特性が求められる。
例えば、特許文献１には、接触抵抗の観点で、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｂを所定量含むステンレス鋼がインターコネクターに好適であることが記載されている。
また、特許文献２には、Ｃｒ被毒（高温により蒸発したクロムにより燃料電池の性能が低下する現象）を防ぐ観点から、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃ、Ｓｉを所定量含むステンレス鋼がインターコネクターに好適であることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】日本国特開２０１２−６７３９１号公報
【特許文献２】日本国特開２０１３−１１８１７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来のステンレス鋼は、耐酸化性、導電性、加工性、高温強度、及びＣｒ飛散性のすべての観点で優れるものはなかった。
本発明が解決しようとする課題は、耐酸化性、導電性、加工性、高温強度、及びＣｒ飛散性のすべての観点で優れるステンレス鋼、このステンレス鋼からなる燃料電池のインターコネクター又はセルを保持する基材、及びこのインターコネクター又は又はセルを保持する基材を含む固体酸化物形燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は以下の態様を提供するものである。【０００６】
第１態様は、
Ｃｒ：２１〜２３質量％、
Ｍｎ：０．２〜０．４質量％、
Ｍｏ：１．０〜２．０質量％、
Ａｌ：０．０８〜２．０質量％、
Ｔｉ：０．０１〜０．２質量％、
Ｎｂ：０．２〜０．５質量％、
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる、ステンレス鋼である。【０００７】
第２態様は、
第１態様のステンレス鋼であって、
さらに、
Ｃ：０〜０．０３０質量％、
Ｓｉ：０．１〜１．０質量％、
を含有するステンレス鋼である。【０００８】
第３態様は、
第１態様又は第２態様に記載のステンレス鋼からなる、燃料電池のインターコネクター又はセルを保持する基材である。【０００９】
第４態様は、
第３態様に記載のインターコネクター又はセルを保持する基材を含む固体酸化物形燃料電池である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、耐酸化性、導電性、加工性、高温強度、及びＣｒ飛散性のすべての観点で優れるステンレス鋼、このステンレス鋼からなる燃料電池のインターコネクター又はセルを保持する基材、及びこのインターコネクター又はセルを保持する基材を含む固体酸化物形燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】固体酸化物形燃料電池の一例を示す模式図である。
【図２】Ｍｎの添加量と、Ｃｒ飛散量又は面積抵抗率との関係を示すグラフである。
【図３】Ｍｏの添加量と酸化増量との関係を示すグラフである。
【図４】Ａｌの添加量と、Ｃｒ飛散量又は水蒸気酸化増量との関係を示すグラフである。
【図５】Ｔｉの添加量とｒ値との関係を示すグラフである。
【図６】Ｔｉ、Ｎｂ、又はＴｉ＋Ｎｂの添加量と、穴拡げ量との関係を示すグラフである。
【図７】Ｔｉ、Ｎｂ、又はＴｉ＋Ｎｂの添加量と、エリクセン値との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
［ステンレス鋼］
本発明のステンレス鋼は、
Ｃｒ：２１〜２３質量％、
Ｍｎ：０．２〜０．４質量％、
Ｍｏ：１．０〜２．０質量％、
Ａｌ：０．０８〜２．０質量％、
Ｔｉ：０．０１〜０．２質量％、
Ｎｂ：０．２〜０．５質量％、
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる。
本発明のステンレス鋼は、好ましくは、燃料電池のインターコネクター、又は燃料電池のセルを保持する基材に用いられる。
【００１３】
本発明のステンレス鋼において、Ｃｒ（クロム）の含有量は、２１〜２３質量％であり、好ましくは２１．５〜２３．４質量％であり、より好ましくは２２質量％である。Ｃｒの含有量が２１〜２３質量％であることにより、耐酸化性とコストの両立という効果がある。
【００１４】
本発明のステンレス鋼において、Ｍｎ（マンガン）の含有量は、０．２〜０．４質量％であり、好ましくは０．２〜０．３５質量％である。Ｍｎの含有量が０．２質量％以上であることによりＣｒ飛散量を少なくすることができ、Ｃｒ被毒による性能の劣化を低減することができる。Ｍｎの含有量が０．４質量％以下であることにより、導電性を高くすることができる。
【００１５】
本発明のステンレス鋼において、Ｍｏ（モリブデン）の含有量は、１．０〜２．０質量％であり、好ましくは１．２〜２．０質量％である。Ｍｏの含有量が１．０質量％以上であることにより、耐酸化性を向上することができる。Ｍｏの含有量が２．０質量％以下であることにより、α相やχ相の析出を抑えることができ、加工性及び耐食性を向上することができる。
【００１６】
本発明のステンレス鋼において、Ａｌ（アルミニウム）の含有量は、０．０８〜２．０質量％であり、好ましくは０．０８〜１．０質量％である。Ａｌの含有量が０．０８質量％以上であることにより、耐酸化性（特に耐水蒸気酸化性）を向上することができ、かつＣｒ飛散量を少なくすることができる。Ａｌの含有量が２．０質量％以下であると導電性を向上することができる。
【００１７】
本発明のステンレス鋼において、Ｔｉ（チタン）の含有量は、０．０１〜０．２質量％である。Ｔｉの含有量が０．０１質量％以上であることにより、結晶粒微細化が促進され、耐食性、耐粒界腐食性、深絞り性の指標となるランクフォード値（ｒ値）を向上させることができるため、加工性を向上することができる。また、ＴｉとＮｂとを両方含む場合、Ｔｉの含有量が０．２質量％以下であると、固溶Ｔｉ量を抑制し、均一伸びの低下を防ぎ、粗大なＴｉ系析出物の形成を抑制できるため、穴拡げ加工時の割れの起点の発生を低減できるため、加工性に優れる。
【００１８】
本発明のステンレス鋼において、Ｎｂ（ニオブ）の含有量は、０．２〜０．５質量％であり、好ましくは０．２〜０．３質量％である。Ｎｂの含有量が０．２質量％以上であることにより、固溶強化及び析出物微細化強化により、高温強度、耐食性、耐酸化性を向上させることができる。Ｎｂの含有量が０．５質量％以下であると、均一伸びの低下を防ぎ、穴拡げ性の低下を抑制できるため、加工性に優れ、孔食電位の低下も抑制できる。
【００１９】
本発明者らは、ＴｉとＮｂを上記特定の範囲で含有することにより、ＴｉとＮｂの相乗効果を発揮し、特に加工性及び溶接性が良好になることを見出した。
本発明のステンレス鋼において、ＴｉとＮｂの合計の含有量は、０．２１〜０．７質量％であることが好ましく、０．２１〜０．６質量％であることがより好ましく、０．３〜０．６質量％であることが更に好ましく、０．４〜０．６質量％であることが特に好ましい。
【００２０】
本発明のステンレス鋼の含有元素は上記のとおりであり、残部はＦｅ（鉄）及び不可避的不純物である。不可避的不純物としては、Ｏ（酸素）、Ｎ（窒素）、Ｐ（リン）、Ｓ（硫黄）などが挙げられる。
【００２１】
また、本発明のステンレス鋼は、上記元素以外に、更に他の元素を含有していてもよい。
以下、含有していてもよい元素について説明する。
【００２２】
本発明のステンレス鋼は、Ｃ（炭素）を０〜０．０３０質量％含有していてもよい。Ｃの含有量は、０〜０．０２０質量％であることが好ましい。
【００２３】
本発明のステンレス鋼は、Ｓｉ（ケイ素）を０．１〜１．０質量％含有していてもよい。Ｓｉを含有する場合は、Ｓｉの含有量は、０．１〜０．４質量％であることが好ましい。
【００２４】
本発明のステンレス鋼は、一般的なステンレス鋼の製造工程を利用して製造することができる。
本発明のステンレス鋼の形状は特に限定されないが、インターコネクター又はセルを保持する基材に用いられる場合は、インターコネクター又はセルを保持する基材を作成しやすいようにするため、例えば板状であることが好ましい。板厚は特に限定されず、適宜設定することができるが、例えば、０．０５〜３ｍｍなどにすることができる。
【００２５】
［インターコネクター］
本発明のインターコネクターは、上記本発明のステンレス鋼からなるものである。具体的には、上記ステンレス鋼を成形加工等することにより作成されたものであることが好ましい。
インターコネクターの形状としては、固体酸化物形燃料電池の単セル間を電気的に接続することができれば特に限定されず、公知のインターコネクターの形状のいずれであってもよく、例えば、平板型や円筒型などが挙げられる。また、平板型の場合には、ガス流路を有するものであることが好ましく、例えば、少なくとも一方の表面に１つ以上の溝を有する板（図１のインターコネクター１参照）、少なくとも一方の表面が波状の板、少なくとも一方の表面に１つ以上の突起を有する板、多孔性の板などが挙げられる。
【００２６】
［セルを保持する基材］
本発明のセルを保持する基材は、上記本発明のステンレス鋼からなるものである。具体的には、上記ステンレス鋼を成形加工等することにより作成されたものであることが好ましい。
セルを保持する基材の形状としては、特に限定されず、公知のセルを保持する基材の形状のいずれであってもよく、例えば、平板型などが挙げられる。
【００２７】
［固体酸化物形燃料電池］
本発明の固体酸化物形燃料電池は、上記インターコネクター又はセルを保持する基材を含む固体酸化物形燃料電池である。
本発明の固体酸化物形燃料電池は、上記インターコネクター及びセルを保持する基材のうち一方のみを含んでいてもよいし、両方を含んでいてもよい。
固体酸化物形燃料電池の上記インターコネクター又はセルを保持する基材以外の部材については、特に限定されず、公知の部材を用いることができる。
固体酸化物形燃料電池の一例を、図を用いてより詳細に説明する。
図１に示す固体酸化物形燃料電池用セルＣは、酸化物イオン電導性の固体酸化物の緻密体からなる電解質膜３０の一方の面側に、空気極３１を接合するとともに、電解質膜３０の他方の面側に燃料極３２を接合してなる単セル３を備える。
さらに、固体酸化物形燃料電池用セルＣは、この単セル３を、空気極３１または燃料極３２に対して電子の授受を行うとともに空気および水素を供給するための溝２が形成されたインターコネクター１により挟み込んだ構造を有する。そして、空気極３１側の上記溝２が、空気極３１とインターコネクター１とが密着配置されることで、空気極３１に空気を供給するための空気流路２ａとして機能し、一方、燃料極３２側の上記溝２が、燃料極３２とインターコネクター１とが密着配置されることで、燃料極３２に水素を供給するための燃料流路２ｂとして機能する。
【００２８】
なお、空気極３１の材料としては、特に限定されないが、例えば、ＬａＭＯ３（例えばＭ＝Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ）中のＬａの一部をアルカリ土類金属ＡＥ（ＡＥ＝Ｓｒ，Ｃａ）で置換した（Ｌａ，ＡＥ）ＭＯ３のペロブスカイト型酸化物を利用することができ、上記燃料極３２の材料としては、Ｎｉとイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）とのサーメットを利用することができ、さらに、電解質膜３０の材料としては、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を利用することができる。
【００２９】
そして、複数の固体酸化物形燃料電池用セルＣが積層配置された状態で、複数のボルトおよびナット等により積層方向に押圧力を与えて挟持され、セルスタックとなる。
このセルスタックにおいて、積層方向の両端部に配置されたインターコネクター１は、燃料流路２ｂまたは空気流路２ａの一方のみが形成されるものであればよく、その他の中間に配置されたインターコネクター１は、一方の面に燃料流路２ｂが形成され他方の面に空気流路２ａが形成されるものを利用することができる。
このようなセルスタックの構造を有する固体酸化物形燃料電池を一般的に平板型固体酸化物形燃料電池と呼ぶ。本実施形態では、一例として平板型固体酸化物形燃料電池について説明するが、本発明は、その他の構造の固体酸化物形燃料電池についても適用可能である。
【００３０】
そして、このような固体酸化物形燃料電池用セルＣを備えた固体酸化物形燃料電池の作動時には、空気極３１に対して隣接するインターコネクター１に形成された空気流路２ａを介して空気を供給するとともに、燃料極３２に対して隣接するインターコネクター１に形成された燃料流路２ｂを介して水素を供給し、例えば７００℃程度の作動温度で作動する。そして、空気極３１においてＯ２が電子ｅ−と反応してＯ２−が生成され、そのＯ２−が電解質膜３０を通って燃料極３２に移動し、燃料極３２において供給されたＨ２がそのＯ２−と反応してＨ２Ｏとｅ−とが生成されることで、一対のインターコネクター１の間に起電力が発生し、その起電力を外部に取り出し利用することができる。
【実施例】
【００３１】
以下に実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明の範囲は以下の具体例に制限されるものではない。【００３２】
（実施例１及び比較例１）
冷間圧延により、下記表１に示す化学組成のステンレス鋼板（板厚０．５ｍｍ）を製造した。【００３３】
【表１】
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【００３４】
［評価］
得られたステンレス鋼板を用いて以下の方法で評価した。【００３５】
＜耐酸化性＞
耐酸化性は、大気酸化と水蒸気酸化の２種類で評価した。
大気酸化は、ステンレス鋼板を大気中で８００℃、１００００時間熱処理することにより行った。熱処理後のステンレス鋼板の板厚方向の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察し、酸化被膜の膜厚を測定した。
水蒸気酸化は、ステンレス鋼板を１００％水蒸気中で８００℃、１００００時間熱処理することにより行った。熱処理後のステンレス鋼板の板厚方向の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察し、酸化被膜の膜厚を測定した。【００３６】
＜導電性＞
７００℃の管状炉内で４端子法により面積抵抗率を測定した。【００３７】
＜加工性＞
加工性は、エリクセン値と穴拡げ値の２種類で評価した。
エリクセン値は、しわ押えとダイスの間に固定されたステンレス鋼板（試験片）を一定スピードでクランプし球頭パンチで押し上げくぼみを形成し、くぼみに亀裂が生じるまでの高さ（深さ）を測定し、この値をエリクセン値とした。エリクセン値が高いほど成形性に優れている。
穴拡げ値は、穴拡げ試験（ＪＩＳ２２５６）により測定した。穴拡げ値が大きいほど加工性に優れている。【００３８】
＜高温強度＞
高温強度は、７００℃における引張強度及び７００℃における０．２％耐力の２種類で評価した。【００３９】
＜Ｃｒ飛散性＞
８００℃、５００時間加熱保持した１８ｍｍ角のステンレス鋼板供試材に対し、それに対向する２５ｍｍ角板状試験片に付着した蒸着物のＣｒ量についてＳＥＭ−ＥＤＳ分析を行うことによりＣｒの飛散量を測定した。【００４０】
【表２】
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【００４１】
上記表２より、実施例１のステンレス鋼は、比較例１のステンレス鋼に比べて、耐酸化性が高く、導電性が高く、加工性に優れ、高温強度が高く、Ｃｒの飛散量が少なく、Ｃｒ飛散性が望ましい。このため、実施例１のステンレス鋼は、燃料電池のインターコネクター又はセルを保持する基材に用いられるステンレス鋼として好適である。
また、ステンレス鋼において、Ｍｎ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔｉ＋Ｎｂの含有量を変化させた場合の性能の変化について図２〜７に示した。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明により、耐酸化性、導電性、加工性、高温強度、及びＣｒ飛散性のすべての観点で優れるステンレス鋼、このステンレス鋼からなる燃料電池のインターコネクター又はセルを保持する基材、及びこのインターコネクター又はセルを保持する基材を含む固体酸化物形燃料電池を提供することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１：インターコネクター
２：溝
２ａ：空気流路
２ｂ：燃料流路
３：単セル
３０：電解質膜
３１：空気極
３２：燃料極
Ｃ：固体酸化物形燃料電池用セル
【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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【図７】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年7月5日(2017.7.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｒ：２１〜２３質量％、
Ｍｎ：０．２〜０．４質量％、
Ｍｏ：１．０〜２．０質量％、
Ａｌ：０．０８〜２．０質量％、
Ｔｉ：０．０１〜０．２質量％、
Ｎｂ：０．２〜０．５質量％、
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる、ステンレス鋼。
【請求項２】
請求項１に記載のステンレス鋼からなる、燃料電池のインターコネクター又はセルを保持する基材。
【請求項３】
Ｃｒ：２１〜２３質量％、
Ｍｎ：０．２〜０．４質量％、
Ｍｏ：１．０〜２．０質量％、
Ａｌ：０．０８〜２．０質量％、
Ｔｉ：０．０１〜０．２質量％、
Ｎｂ：０．２〜０．５質量％、
Ｃ：０〜０．０３０質量％、
Ｓｉ：０．１〜１．０質量％、
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる、ステンレス鋼からなる、固体酸化物形燃料電池のインターコネクター又はセルを保持する基材。
【請求項４】
請求項２又は３に記載のインターコネクター又はセルを保持する基材を含む固体酸化物形燃料電池。
【手続補正書】
【提出日】平成30年9月27日(2018.9.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｒ：２１〜２３質量％、
Ｍｎ：０．２〜０．４質量％、
Ｍｏ：１．０〜２．０質量％、
Ａｌ：０．０８〜２．０質量％、
Ｔｉ：０．０１〜０．２質量％、
Ｎｂ：０．２〜０．５質量％、
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる、ステンレス鋼。
【請求項２】
請求項１に記載のステンレス鋼からなる、燃料電池のインターコネクター。
【請求項３】
請求項１に記載のステンレス鋼からなる、燃料電池のセルを保持する基材。
【請求項４】
Ｃｒ：２１〜２３質量％、
Ｍｎ：０．２〜０．４質量％、
Ｍｏ：１．０〜２．０質量％、
Ａｌ：０．０８〜２．０質量％、
Ｔｉ：０．０１〜０．２質量％、
Ｎｂ：０．２〜０．５質量％、
Ｃ：０〜０．０３０質量％、
Ｓｉ：０．１〜１．０質量％、
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる、ステンレス鋼からなる、固体酸化物形燃料電池のインターコネクター。
【請求項５】
請求項４に記載のインターコネクターを含む固体酸化物形燃料電池。
【請求項６】
Ｃｒ：２１〜２３質量％、
Ｍｎ：０．２〜０．４質量％、
Ｍｏ：１．０〜２．０質量％、
Ａｌ：０．０８〜２．０質量％、
Ｔｉ：０．０１〜０．２質量％、
Ｎｂ：０．２〜０．５質量％、
Ｃ：０〜０．０３０質量％、
Ｓｉ：０．１〜１．０質量％、
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる、ステンレス鋼からなる、固体酸化物形燃料電池のセルを保持する基材。
【請求項７】
請求項６に記載のセルを保持する基材を含む固体酸化物形燃料電池。
【国際調査報告】
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2018122947.tif 000013
2018122947.tif 000014
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