Acero ferrítico al cromo.

Un acero ferrítico al cromo, que comprende en porcentaje en peso:

C máximo 0,1

Si 0,1-1

Mn máximo 0,6

Cr 20-25

Ni máximo 2

Mo, opcionalmente parcialmente remplazado por W,

0,5-1,8

Nb, opcionalmente al menos parcialmente remplazado por Ta,

0,3-1,0

Ti máximo 0,5

Zr, opcionalmente al menos parcialmente remplazado por Hf,

máximo 0,5 en el que el contenido de Zr+Ti es al menos 0,2%.

REM máximo 0,3

Al máximo 0,1

N máximo 0,07

y el resto Fe y las impurezas que normalmente se encuentran.

Acero ferrftico al cromo.

La presente invención se refiere en general a un acero inoxidable ferrftico al cromo. Por otra parte, la presente invención se refiere al uso de dicho acero en celdas de combustible, tales como las celdas de combustible de 6xido sólido (S0FC, siglas del ingles "Solid 0xide Fuel Cell") . En particular, se refiere a un acero ferrftico al cromo adecuado para uso en interconexiones o placas bipolares de celdas de combustible de 6xido sólido o en otras aplicaciones a altas temperaturas en las que se necesita una superficie conductora.

Antecedentesº

Las celdas de combustible de 6xido sólido operan a temperaturas elevadas de 500ºC hasta 900ºC, y los materiales del interior de la celda estan sometidos a los gases corrosivos usados como combustible. Por lo tanto, cuando se selecciona un material para aplicaciones de S0FC, se han de considerar varias propiedades diferentes, tales como la expansión termica, la resistencia a la corrosión, las propiedades mecanicas, etc. La expansión termica de un acero para la interconexión de una S0FC necesita igualarse estrechamente con la expansión termica de los componentes ceramicos que se acumulan en el anodo, el electr6lito y el catodo, con el fin de evitar el agrietamiento de cualquiera de estos componentes durante el ciclo termico. El material de la interconexión tambien necesita tener una buena resistencia a la corrosión para evitar el crecimiento de una costra de 6xido demasiado gruesa que aumente la resistencia global de la celda. Por otra parte, la costra de 6xido formada, incluso aunque sea delgada, debe ser electricamente conductora, es decir, en el acero se deben evitar los formadores de 6xidos aislantes tales como el Al. La resistencia mecanica del acero proporciona estabilidad al conjunto de la pila de la celda de combustible cuando se acopla.

Generalmente, los aceros ferrfticos al cromo se usan para aplicaciones con altas exigencias en la resistencia a la corrosión a altas temperaturas. La expansión termica de este tipo de aceros es muy similar a la expansión termica de los materiales ceramicos electroactivos usados en las pilas de las S0FC, tales como la zirconfa estabilizada con itrio (YSZ) que es el material comun usado como electr6lito en las celdas de combustible, y que por lo tanto se considera una elección apropiada para esta aplicación.

Se desea que la costra de 6xido formada en el material de acero de la interconexión no se desconche o se agriete debido a los ciclos termicos, ya que esto puede provocar una corrosión adversa indeseable en el acero. Esto significa que la costra de 6xido formada en la superficie del material debe tener una buena adherencia con el material. La costra de 6xido tambien debe tener una buena conductividad electrica y no se debe volver demasiado 30 gruesa durante la vida util de la celda de combustible, ya que las costras de 6xido gruesas conducen a un aumento de la resistencia electrica. El 6xido formado tambien debe ser químicamente resistente a los gases usados como combustible en las S0FC, es decir, no se deben formar especies volatiles que contienen metales tales como los oxihidróxidos de cromo. Las especies volatiles, tales como los oxihidróxidos de cromo, contaminan los materiales ceramicos electroactivos de las pilas de S0FC, lo que conduce a una disminución de la eficacia de las celdas de combustible.

La mayoría de los aceros ferrfticos al cromo disponibles comercialmente se alean con aluminio y/o silicio. Estos elementos aleantes forman Al203 y/o Si02 a la temperatura de funcionamiento de las S0FC. Estos dos 6xidos son 6xidos electricamente aislantes, lo que aumenta la resistencia electrica de la celda y disminuye la eficacia de la celda de combustible. Esto ha conducido al desarrollo de aceros ferrfticos con bajos contenidos de Al y Si, para 40 asegurar una conductividad buena en las costras de 6xido formadas. Estos aceros desarrollados recientemente tambien se alean normalmente con manganeso. La adición de Mn al acero induce la formación, en la costra de 6xido formada, de estructuras de espinela a base de 6xido de cromo. Sin embargo, en general el manganeso tiene un escaso efecto sobre la resistencia a la corrosión del acero; por lo tanto, es deseable que el contenido de Mn en el acero se vigile cuidadosamente para que sus niveles sean bajos. Una concentración demasiado alta de Mn en el 45 acero conduce al crecimiento de costras de 6xido gruesas debido a la intensa corrosión a altas temperaturas.

Ademas del Mn, varios de estos aceros desarrollados recientemente se alean con elementos del grupo III, es decir, Sc, La e Y y/u otros elementos de las tierras raras (REM) . La adición de La, Y o REM se hace para aumentar la vida util del material a altas temperaturas. Se dice que los formadores de 6xidos fuertes, tales como el La, el Y y el REM, disminuyen la mobilidad del ion oxígeno en la costra de Cr203 formada, lo que conduce a una disminución de la 50 velocidad de crecimiento de la costra de 6xido.

En la solicitud de patente US-2003/0059335 se describe un ejemplo de un acero al cromo para uso en S0FC, en el que el acero contiene 12-28% de Cr, 0, 01-0, 4% de La, 0, 2-1, 0% de Mn, 0, 05-0, 4% de Ti, menos de 0, 2% de Si y menos de 0, 2% de Al.

La patente EP-1.600.520 A1 describe otro ejemplo de un acero al cromo para uso en S0FC que contiene 20-25% de 55 Cr, hasta 0, 5% de Mn, 0, 001-0, 1% de Zr+Hf, hasta 0, 4% de Si y hasta 0, 4% de Al.

Tambien, en la solicitud de patente EP-1.298.228 A2 se describe un acero para uso en S0FC. Este acero contiene 15-30% de Cr, no mas de 1, 0% de Mn, hasta 1% de Si y al menos uno de Y hasta 0, 5%, REM hasta 0, 2% y Zr hasta 1%.

En la patente US-6.294.131 B1 se describe todavfa otro ejemplo de un acero ferrftico para S0FC. Este acero contiene 18-28, 5% de Cr, 0, 005-0, 10% de Mn, hasta 0, 1% de Si y 0, 005-0, 50% de REM.

Por otra parte, en Leszek Niewolak et al., "Development of High Strength Ferritic Steel for Interconnect Application in S0FCs", 7º Foro Europeo de S0FC, Sesión B08, Miercoles 5 de Julio de 2006, 16:45 h, Carpeta Nº B084, se describen aceros ferrfticos para S0FC. Se encontr6 que las adiciones de Nb y W a los aceros ferrfticos con alto contenido de Cr pueden desarrollar precipitados de fases de Laves finamente dispersas.

La patente EP-A 1.536.031 describe un acero ferrftico para celdas de combustible de 6xido sólido que contiene : 0, 20% de C, 0, 02-1, 0% de Si, : 2, 0% de Mn, 10-40% de Cr, 0, 03-5% de Mo, 0, 1-3% de Nb y al menos uno de Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Zr y Hf hasta 1, 0% en total.

El objeto de la invención es proporcionar un acero alternativo adecuado para uso en celdas de combustible de 6xido sólido.

Compendpo El objeto de la invención se consigue mediante un acero ferrftico al cromo segun se define en la reivindicación 1, que proporciona un material apropiado para uso en celdas de combustible de 6xido sólido, especialmente para las interconexiones. La composición del acero ferrftico al cromo permite una resistencia a la corrosión muy buena, una expansión termica adecuada, una buena adherencia del 6xido formado a la superficie del material y, especialmente, una resistencia de contacto muy baja.

La composición del acero permite que el Si presente en el acero se aglutine en partfculas ricas en Si. Mas específicamente, el acero comprende partfculas ricas en Si que comprenden Mo y Nb. La presencia de estas partfculas minimiza el riesgo de que el Si se difunda a la superficie y forme 6xidos de silicio. Mediante la formación de estas partfculas ricas en silicio, se evita la formación de una parte rica en 6xido de silicio en la costra de 6xido por debajo del 6xido de cromo. Se cree que la reducción de la formación de 6xidos de silicio en la costra de 6xido es la razón principal de la baja velocidad de degradación de la resistencia de contacto de estas aleaciones. Por consiguiente, la composición segun la presente invención tambien permite que el contenido de Si sea mucho mayor que el considerado previamente como apropiado para la aplicación de celdas de combustible de 6xido sólido, lo que tambien permite un procedimiento de fabricación mas rentable ya que no hay necesidad de limitar el contenido de Si en la colada. Sin embargo, para formar partfculas ricas en silicio no solamente se necesita la adición de Mo y Nb, para la aplicación para interconexiones de celdas de combustible de 6xido sólido, tambien es esencial anadir a la aleación de la invención Zr y/o Ti. El Zr y/o el Ti no sólo aseguran ante todo una costra de 6xido muy adherente, sino que tambien... [Seguir leyendo]

1. Un acero ferrftico al cromo, que comprende en porcentaje en peso:

C maximo 0, 1 Si 0, 1-1

Mn maximo 0, 6 C.

2. 25 Ni maximo 2 Mo, opcionalmente parcialmente remplazado por W, 0, 5-1, 8 10 Nb, opcionalmente al menos parcialmente remplazado por Ta, 0, 3-1, 0 Ti maximo 0, 5 Zr, opcionalmente al menos parcialmente remplazado por Hf, maximo 0, 5

en el que el contenido de Zr+Ti es al menos 0, 2%. REM maximo 0, 3 Al maximo 0, 1 N maximo 0, 07 y el resto Fe y las impurezas que normalmente se encuentran.

2. Un acero ferrftico al cromo segun la reivindicación 1, que comprend.

2. 24% de Cr, preferiblemente 21, 5-23, 5%.

3. Un acero ferrftico al cromo segun las reivindicaciones 1 6 2, que comprende 0, 5-1, 5% de Mo.

4. Un acero ferrftico al cromo segun la reivindicación 3, que comprende 0, 6-1, 2% de Mo.

5. Un acero ferrftico al cromo segun la reivindicación 1, que comprende 0, 4-1, 0% de Nb.

6. Un acero ferrftico al cromo segun cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende 0, 18-0, 5% de 25 Si.

7. Un acero ferrftico al cromo segun la reivindicación 6, que comprende mas de 0, 2 a 0, 4% de Si.

8. Un acero ferrftico al cromo segun cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende 0, 20-0, 35% de Zr+Ti.

9. Un acero ferrftico al cromo segun cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende un maximo de 30 0, 3% de Ti, preferiblemente un maximo de 0, 1% de Ti.

10. Un acero ferrftico al cromo segun las reivindicaciones 8 6 9, que comprende 0, 2-0, 3% de Zr.

11. Un acero ferrftico al cromo segun cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que no contiene ninguna adición de REM.

12. Un acero ferrftico al cromo segun cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende un maximo de 35 0, 05% de N, preferiblemente un maximo de 0, 03% de N.

13. Un acero ferrftico al cromo segun cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende unas partfculas ricas en Si.

14. Un acero ferrftico al cromo segun la reivindicación 13, en el que las partfculas ricas en Si ademas comprenden Mo y Nb.

15. Un acero ferrftico al cromo segun cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende un maximo de 1% de Ni, preferiblemente un maximo de 0, 5% de Ni.

16. Un acero ferrftico al cromo segun cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende un maximo de 0, 05% de C, preferiblemente un maximo de 0, 03% de C.

17. Un acero ferrftico al cromo segun cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende un maximo de 45 0, 4% de Mn.

18. Un acero ferrftico al cromo segun cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende al menos 0, 2% de Mn.

19. Un acero ferrftico al cromo segun cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende un maximo de 0, 05% de Al.

20. Un acero ferrftico al cromo segun la reivindicación 1, que tiene la siguiente composición aproximada en porcentaje en peso:

Si 0, 2 Mn 0, 3 5 Cr 22 Mo 1 Nb 0, 4 Zr 0, 3 Ti 0, 05 10 y el resto Fe y las impurezas que normalmente se encuentran.

21. El uso de un acero segun cualquiera de las reivindicaciones precedentes en una celda de combustible, tal como una celda de combustible de 6xido sólido.

22. Una celda de combustible, tal como una celda de combustible de 6xido sólido, que comprende un elemento de interconexión fabricado con un acero segun cualquiera de las reivindicaciones 1-20.