Uso de un acero inoxidable ferrítico como una interconexión o un separador para una pila de combustible de óxido sólido que incluye un electrolito que contiene zircona estabilizada,

el acero inoxidable ferrítico compren- diendo: más de 25 hasta 35 por ciento en peso de cromo; 0.75 a menos de 1.5 por ciento en peso de molibdeno; hasta 0.05 por ciento en peso de carbono; al menos un elemento seleccionado del grupo que consiste de hasta 0.1 por ciento en peso de cerio, hasta 0.05 por ciento en peso de lantano, y hasta 0.05 por ciento en peso de circonio; y al menos uno de niobio, titanio y tantalio, donde el acero comprende no más de 0.5 por ciento en peso de titanio y la suma de los porcentajes en peso de niobio, titanio y tantalio satisface la ecuación hasta el 1,0 por ciento en peso de silicio;hasta 0,25 por ciento en peso de aluminio; hasta 0,25 por ciento en peso de tungsteno; hasta el 1,0 por ciento en peso de manganeso; hasta 0.04 por ciento en peso de nitrógeno; hasta 0,01 por ciento en peso de azufre; hasta 0,05 por ciento en peso de fósforo; hasta 0,25 por ciento de peso de cobre; hasta 0.050 por ciento en peso de hafnio, donde la cantidad combinada de hafnio y circonio es de hasta 0.05 por ciento en peso; siendo el resto hierro e impurezas accidentales

Uso de un acero inoxidable ferrítico con fluencia a alta temperatura.

La presente invención es dirigida al uso de una aleación de acero inoxidable ferrítico. más particularmente, la presente invención está dirigida al uso de una aleación de acero inoxidable ferrítico con estabilidad microestructural y propiedades mecánicas que la hacen particularmente adecuada para aplicaciones de alta temperatura. Tales aplicaciones incluyen, separadores y, interconexiones de recogida de corriente en las pilas de combustible de óxido sólido.

Descripción del resumen de la invención

Las pilas de combustible son medios de generación de energía eléctrica ecológicos y altamente eficientes. El principio básico detrás de la operación de pilas de combustible es la generación de electricidad mediante la combustión de combustible. El combustible es separado de un oxidante por una barrera permeable conocida como un electrolito. Los átomos de hidrógeno en el lado de combustible del electrolito se ionizan. Los protones resultantes pasan a través del electrolito, mientras que los electrones liberados viajan a través de un circuito externo. En el lado aire del electrolito, opuesto al lado de combustible, dos protones combinan con un átomo de oxígeno y dos electrones para crear una molécula de agua, liberando calor y completando el circuito eléctrico. La energía es extraída del proceso usando los electrones en el circuito externo para hacer el trabajo. Para pilas de combustible que funcionan a temperaturas más altas, el calor liberado de la reacción en el lado aire puede también ser usado para la reformación de combustible o aplicaciones de calentamiento, incrementando la eficiencia del funcionamiento general de la pila.

Un tipo de pila de combustible que actualmente despierta gran interés es la pila de combustible de óxido sólido (SOFC). Las SOFC operan a altas temperaturas (1450-1800ºF (788-982ºC)), lo cual significa que pueden internamente reformar los combustibles de hidrocarburos comunes tales como el gas natural, combustible diésel, gasolina, alcohol, y gas de hulla en hidrógeno y monóxido de carbono. La reformación interna recicla la energía térmica y elimina la necesidad de costosos catalizadores de metales del grupo de platino. Hidrógeno y monóxido de carbono son usados como combustibles en SOFC. Hidrógeno se combina con oxígeno en una modificación de la reacción genérico de pila de combustible detallada anteriormente. El electrolito es una cerámica oxidada, la cual es permeable a iones de oxígeno (O^2-), más que a protones. Así, la SOFC funciona en una dirección contraria en relación con otros tipos de pilas de combustible. Además de la combustión de hidrógeno, el monóxido de carbono se oxida a dióxido de carbono en el ánodo, liberando calor. Esto es una ventaja porque el monóxido de carbono está presente en combustibles sin refinar y puede envenenar a las pilas de combustible de baja temperatura, reduciendo la eficiencia de la operación. Las SOFC pequeñas operan con rendimientos de hasta 50%. Para alcanzar incluso una mayor eficiencia, las SOFC de tamaño mediano y grande pueden ser combinadas con turbinas de gas. La eficiencia resultante de un conjunto combinado de SOCF-turbina de gas puede llegar al 70%.

Existen muchas variantes del diseño básico SOFC. El electrolito es normalmente una forma de zircona que ha sido estabilizada mediante la adición de óxidos para inhibir los cambios de estructura y proporcionar alta conductividad iónica cuando es calentado a altas temperaturas. Tales materiales óxido-estabilizado son generalmente conocidos, y son referidos en este documento, como "zircona estabilizada". Comúnmente las SOFC incluyen zircona estabilizada con itria (YSZ) como el electrolito de zircona estabilizada. Un coeficiente reportado de expansión térmica (CTE) de YSZ, entre 20ºC (68ºF) y 1000º(1832ºC), es unos 11 x 10^-6 por ºC.

Una SOFC tubular, de construcción relativamente simple, la cual opera a temperaturas extremadamente altas (1800ºF (982ºC)) y es grande en tamaño, ha sido desarrollado. Una SOFC tubular puede ser ampliada en tamaño incrementando el tamaño y número de tubos SOFC individuales en el dispositivo, más recientemente, la SOFC "planar" (PSOFC) ha sido desarrollada. Las PSOFC son relativamente compactas y son construidos mediante apilamientos de pilas planas. Las placas de ánodo y cátodo son normalmente materiales cerámicos. Los cermets níquel-zircona permeables han sido también usados para el ánodo.

Son necesarias interconexiones para recoger los electrones generados por una pila de combustible. Las interconexiones también funcionan como un separador físico para la oxidación y la reducción de corrientes de gas. Por consiguiente, el material usado para formar interconexiones de pila de combustible debe ser eléctricamente conductor, resistente a la oxidación, y mecánicamente estable, y debe tener propiedades de expansión térmica sustancialmente equiparables a las de los componentes de cerámica de la pila, que puede ser físicamente dispuesta adyacente a las interconexiones. Hasta hace poco, las interconexiones de SOFC fueron comúnmente fabricadas de material cerámico que es eléctricamente conductor a altas temperaturas, comúnmente LaCrO₃ dopado con CaO o SrO. Aunque las cerámicas normalmente son estables cuando son sometidas a altas temperaturas por periodos prolongados, las cerámicas también son frágiles y relativamente costosas, y son malos conductores de la electricidad con relación a los metales. Algunas interconexiones metálicas han sido fabricadas de una aleación basada en cromo desarrollada para ese propósito. La aleación proporciona una adecuada resistencia a la oxidación y un buen paralelismo de expansión térmica con zircona estabilizada. Sin embargo, la ruta de polvo metalúrgico usada para producir la aleación la hace muy costosa, lo cual agrega un costo sustancial a las SOFC producidas a partir de la aleación.

La fabricación de interconexiones SOFC de acero inoxidable puede proporcionar ventajas sobre la cerámica porque los aceros tendrían mayor conductividad eléctrica y pueden ser de una forma menos frágil que la cerámica. Sin embargo, problemas asociados con el uso de aceros inoxidables en aplicaciones de interconexión SOFC incluyen oxidación, expansión térmica, y problemas de fluencia. La oxidación puede reducir la capacidad de un acero inoxidable para conducir corriente, reduciendo así la producción de la pila a la larga. Los aceros inoxidables austeníticos estándares no proporcionan un buen paralelismo de expansión térmica con los electrolitos de cerámica convencionales de SOFC. Los aceros inoxidables ferríticos que pueden proporcionar un buen paralelismo de expansión térmica con los electrolitos de cerámica normalmente exhiben baja resistencia a la fluencia. Por ejemplo, las ensayos realizadas por el presente inventor en varios aceros inoxidables disponibles en el mercado, incluyendo aleaciones E-BRITE® (UNS S44627), AL 29-4-2® (UNS S44800) y ALFA-IV® (Alloy Digest SS-677, ASM Internacional), han demostrado que la aleación E-BRITE® tiene expansión térmica aceptable para uso en SOFC, buena estabilidad térmica, y forma el óxido Cr₂O₃ deseable. La resistencia a la fluencia de la aleación E-BRITE®, sin embargo, es menos de lo deseable para aplicaciones SOFC.

Así, existe una necesidad de una aleación de acero inoxidable mejorada con resistencia a la fluencia a alta temperatura, buena estabilidad térmica, y otras características que lo hagan adecuado para uso actual en interconexiones de recogida de corriente en SOFC's y para su uso en otras aplicaciones de alta temperatura, como en equipos para el proceso químico, petroquímico, generación de energía eléctrica, e industrias de control de la contaminación, así como en el hardware de horno y equipos para la manipulación de metales fundidos.

Resumen de la invención

La presente invención se dirige a la necesidad descrita anteriormente proporcionando el uso de un acero inoxidable ferrítico según la reivindicación 1 de las reivindicaciones adjuntas.

Un método para hacer una aleación de acero inoxidable ferrítico también se describe.

El acero es recocido en solución y luego enfriado desde la temperatura de recocido. El recocido en solución preferentemente se realiza a una temperatura que es al menos la mayor de la temperatura prevista de servicio de la aleación y 1600ºF (871ºC). Si se desea, el acero inoxidable recocido en solución es precipitado por tratamiento térmico para endurecer... [Seguir leyendo]

1. Uso de un acero inoxidable ferrítico como una interconexión o un separador para una pila de combustible de óxido sólido que incluye un electrolito que contiene zircona estabilizada, el acero inoxidable ferrítico compren- diendo:

más de 25 hasta 35 por ciento en peso de cromo;

0.75 a menos de 1.5 por ciento en peso de molibdeno;

hasta 0.05 por ciento en peso de carbono;

al menos un elemento seleccionado del grupo que consiste de hasta 0.1 por ciento en peso de cerio, hasta 0.05 por ciento en peso de lantano, y hasta 0.05 por ciento en peso de circonio; y

al menos uno de niobio, titanio y tantalio, donde el acero comprende no más de 0.5 por ciento en peso de titanio y la suma de los porcentajes en peso de niobio, titanio y tantalio satisface la ecuación

hasta el 1,0 por ciento en peso de silicio;

hasta 0,25 por ciento en peso de aluminio;

hasta 0,25 por ciento en peso de tungsteno;

hasta el 1,0 por ciento en peso de manganeso;

hasta 0.04 por ciento en peso de nitrógeno;

hasta 0,01 por ciento en peso de azufre;

hasta 0,05 por ciento en peso de fósforo;

hasta 0,25 por ciento de peso de cobre;

hasta 0.050 por ciento en peso de hafnio, donde la cantidad combinada de hafnio y circonio es de hasta 0.05 por ciento en peso;

siendo el resto hierro e impurezas accidentales.

2. Uso de un acero inoxidable ferrítico como una interconexión o un separador para una pila de combustible de óxido sólido según la Reivindicación 1 donde el acero comprende 0.07 a no más de 0.50 por ciento en peso de titanio.

3. Uso de un acero inoxidable ferrítico como una interconexión o un separador para una pila de combustible de óxido sólido según la Reivindicación 1 o 2, donde el acero incluye no más de 0.005 por ciento en peso de car- bono.

4. Uso de una acero inoxidable ferrítico como una interconexión o un separador para una pila de combustible de óxido sólido según cualquiera de las Reivindicaciones precedentes, donde la suma de los porcentajes en peso de niobio, titanio, y tantalio satisface la ecuación

5. Una pila de combustible de óxido sólido que comprende:

un ánodo;

un cátodo;

un electrolito que comprende zircona estabilizada e intermedio entre el ánodo y el cátodo;

una interconexión hecha de un acero inoxidable ferrítico que proporciona una vía de corriente desde el ánodo, el acero inoxidable ferrítico comprendiendo:

más de 25 hasta 35 por ciento en peso de cromo;

0.75 a menos de 1.5 por ciento en peso de molibdeno;

hasta 0.05 por ciento en peso de carbono;

al menos un elemento seleccionado del grupo consistente de hasta 0.1 por ciento en peso de cerio, hasta 0.05 por ciento en peso de lantano, y hasta 0.05 por ciento en peso de circonio; y

al menos uno de niobio, titanio y tantalio, donde el acero comprende no más de 0.5 por ciento en peso de titanio y la suma de los porcentajes en peso de niobio, titanio y tantalio satisface la ecuación

hasta 1.0 por ciento en peso de silicio;

hasta 0.25 por ciento en peso de aluminio;

hasta 0.25 por ciento en peso de tungsteno;

hasta 1.0 por ciento en peso de manganeso;

hasta 0.04 por ciento en peso de nitrógeno;

hasta 0.01 por ciento en peso de azufre;

hasta 0.05 por ciento en peso de fósforo;

hasta 0.25 por ciento en peso de cobre;

hasta 0.050 por ciento en peso de hafnio, donde la cantidad combinada de hafnio y circonio es hasta 0.05 por ciento en peso;

siendo el resto hierro e impurezas accidentales.