JP3143087B2 - 絶縁継ぎ手の製作方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は燃料電池の高温雰囲
気下で使用されるガス配管の電気絶縁配管継手に関わる
ものであり、特に流体の温度が６５０〜７００℃と高温
の条件下で良好なガスシール性と電気絶縁性を有するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来技術の燃料電池の高温ガス配管に使
用される電気絶縁配管継手としては特開平７−１６９４
７２号公報に燃料電池のガス配管とガス配管との間に絶
縁配管継手を使用することが提案されている。この絶縁
配管継手はフランジを有するガス配管とガス配管との間
に絶縁材のガスケットなどのシール材を配置し、フラン
ジに設けた貫通穴よりネジ部を挿入し、ネジ部の先端に
ナットを装着し、ナットを締め付けて、ガス配管とガス
配管との間にガスシール材を固定している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この構
造のガスシールについては下記の様な問題点がある。

【０００４】１．絶縁材であるセラミックスとガス配管
及びフランジの金属との線膨張係数が大きく異なり、ガ
ス配管の昇降温時に熱の伸びによる差でシール面が摺動
するため、シール材の変形及びシール面の荒れによりガ
スシール性が低下する。これは、配管径が太きくなるに
従いその影響が大きくなる。

【０００５】２．絶縁の為のガスケットとして軟質のモ
ネル、銅などの金属に金メッキを行ったものを使用して
いるが、メッキ層はポーラスで有り緻密質は期待できな
いため、高温空気などの酸化雰囲気下ではガスケット材
が酸化してシール性が低下する恐れがある。

【０００６】３．絶縁材を厚くした場合、絶縁材と締め
付けボルトとの熱伸び差により、昇温時にボルトがゆる
みシール性が低下する恐れがある。これは電気絶縁性能
をあげるために絶縁材の厚さを厚くするほど顕著とな
る。

【０００７】４．ボルトはフランジの弾性により締め付
けられているが、長時間の使用ではフランジ材のクリー
プにより締め付け力が不足しシール性が低下する恐れが
ある。

【０００８】本発明の目的は、長期の使用において安定
したガスシール及び電気絶縁性能を有する絶縁配管継手
の製作方法及びその製作方法により製作した絶縁配管継
手を提供することにある。

【０００９】［課題を解決する手段］ 本発明の絶縁継ぎ手の製作方法は、接合すべき配管の互
いに対向する各端部にそれぞれフランジを形成し、前記
各フランジの対向面の周方向に沿って取付けられている
と共に、内周側と外周側との間の断面形状が略Ｖ型形状
を有する接合リングと、前記接合リングと前記フランジ
との間に前記配管に連通する前記接合リングの内径より
大きい外径を有するアルミナリングが前記接合リングを
圧縮するように接合し、前記接合リングと前記アルミナ
リングとが互いに対向する接合面にそれぞれＮｉメッキ
とＭｏ−Ｍｎメタライズ層とを施し、前記Ｎｉメッキと
Ｍｏ−Ｍｎメタライズ層との間にろう材を挟み、前記接
合リング及び前記アルミナリングを昇温し、前記接合リ
ングと前記アルミナリングとの間をろう材により接合し
た後、ろう付け温度以下で前記接合リングが前記アルミ
ナリングを圧縮するように接合していることを特徴とす
る。

【００１０】本発明の絶縁継ぎ手は、前記アルミナリン
グと接触する前記接合リングの接触面に前記アルミナリ
ングを接合する時に前記接合リングの圧縮力を弱める複
数の切り込み溝を設けることを特徴とする。

【００１１】

【００１２】

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図１ない
し図３に示す絶縁配管継手により説明する。

【００１４】図１は電池スタックに絶縁フランジを取り
付けた説明図である。電池スタックは電解質板、電極よ
り構成される単セルをセパレータを介して多数積層した
積層セル１とその上下両端にガス配管を接続するための
ガスヘッダ２から構成されている。ガスヘッダ２にはそ
れぞれ燃料ガスの入口配管、出口配管及び酸化剤ガスの
入口配管、出口配管が設けられている。これらのガスヘ
ッダ２は絶縁フランジ１０を介してスタック外部のそれ
ぞれの燃料ガス入口配管６Ａ、燃料ガス出口配管６Ｂ及
び酸化剤ガスの入口配管５Ａ及び出口配管５Ｂに接続し
ている。燃料ガス出口配管６Ｂは燃料ガス入口配管６Ａ
と対応するガスヘッダ２に設けられ、燃料ガスを外部に
排気する。

【００１５】これらの配管から温度６５０〜７００℃の
燃料ガス及び酸化剤ガスが絶縁フランジ１０を通ってガ
スヘッダ２から積層セル１内に導かれ、反応した後再び
ガスヘッダ２の出口配管に集まり、出口側の絶縁フラン
ジ１０を通ってスタック外の配管に排出される。絶縁フ
ランジ１０は積層セル１が発電する際にガスヘッダ２に
も電位が生じることから、ガス配管を通して電池が短絡
するのを防ぐ役割を果たしている。

【００１６】絶縁フランジ１０は図１に示すように各配
管５Ａ，５Ｂ，６Ａ，６Ｂを接続しているが、構成が同
じなので、以下、図２，３を用いて入口配管５Ａの構成
について説明する。即ち、一端に絶縁性のフランジ１０
Ｆを有する中空状の一方側ＳＵＳの入口配管５Ａと、他
方側ＳＵＳの配管５Ｂとの間に配管と連通するセラミッ
クスより成るアルミナリング１１を配置し、アルミナリ
ング１１と対向するフランジ面にアルミナリング側に突
出する接合リング１２を設け、接合リング１２とアルミ
ナリング１１とをろう材１３にて一体に接合している。
接合リング１２は、フランジ面の周方向に沿って取り付
けられていると共に、外周側と内周側との間の断面形状
が略Ｖ型形状を有している。

【００１７】また、アルミナリング１１と金属部材の接
合リング１２の接合にはＮｉろう材をろう材１３として
付した。通常、金属とセラミックスを接合する場合、そ
の金属材としてはコパール、ファーニコなどの線膨張係
数がセラミックスに近い鉄ニッケル合金が使用される。

【００１８】しかし、これらの金属は燃料電池の様な高
温酸化雰囲気条件での耐食性がＳＵＳ材に比べ低いこと
や、本発明のフランジ１０Ｆが挿入される外部配管は一
般的な鋼管、及びステンレス管であるため、これら低膨
張係数材との溶接が必要であり、該溶接部での熱伸び差
を吸収するための対策が必要となることなどを考慮する
必要がある。このことから、本発明では接合リングに使
用される金属として、高温での強度及び耐食性に優れる
ＳＵＳ３１６材を選定している。

【００１９】また、セラミックスとしては高温強度、電
気絶縁性にすぐれる点からアルミナ材を選定した。ろう
付けを行う部分はテーパの端部部分である。ＳＵＳ材の
接合リング１１の接合部にはＮｉメッキを、またアルミ
ナリング１１の側にはＭｏ−Ｍｎのメタライズ処理をし
たメタライズ層１５を施し、ろう付け時の接合性を向上
させている。また、テーパはアルミナリング１１、ＳＵ
Ｓ材の接合リング１２とも同じ傾斜のテーパであり、ろ
う付け時の接合リング１２とアルミナリング１１の熱伸
び差による空隙の発生を防ぐために付けている。

【００２０】接合リング１２の内径は温度がろう付け時
の１１００℃になった時に、アルミナリング１１の外径
と熱伸びした接合リング１２の内径がほぼ等しくなるよ
うに設定している。アルミナリング１１の肉厚は接合リ
ング１２がろう付け温度から常温にいたる過程で発生す
る締め付け力に対し、十分な強度持つ肉厚に設定してい
る。電気絶縁性能としては、温度７００℃で１ＭΩの抵
抗値を確保するため、アルミナの抵抗率から温度７００
℃での抵抗値を算出して接合リング１２間の距離を設定
した。

【００２１】次に、上述を考慮して絶縁配管継手の詳細
構成及び製作方法を図４ないし図６により説明する。

【００２２】絶縁配管継手である絶縁フランジ１０のろ
う付けは図４に示すように置台１６に一方側の接合リン
グ１２、アルミナリング１１、他方側の接合リング１２
とを順次積み重ね、ろう付け用重石１７を載せた状態で
炉内にセットする。絶縁フランジ１０の周囲温度が７０
０℃であることから、ろう材にはろう付け性を良くする
ために接合リング１２にＮｉメッキ１４を施し、アルミ
ナリング１１にＭｏ−Ｍｎのメタライズ層１５を施して
いる。

【００２３】この時、接合リング１２はその内径がアル
ミナリング１１の外径より約２ｍｍ小さく、また接合部
にテーパが付けられているため、ろう付け巾がラップし
ているのは約５ｍｍ程度である。この状態で炉の温度を
ろう付け温度である１１００℃まで昇温し、３０分ほど
保持した後、降温する。この状態は図５のようにろう付
け用重石１７による押圧力Ｐと接合リング１２の熱伸び
により接合リング１２がＥ方向に拡張すること、及びＮ
ｉメッキ１４とメタライズ層１５との溶融による濡れに
より、図６のようにフランジ１０Ｆ及び接合リング１２
内にアルミナリング１１が嵌め込まれる。接合リング１
２とアルミナリング１１との間は溶融したろう材１３に
て一体化される。昇降温速度はろう付け中、アルミナリ
ング１１に熱衝撃を加えぬよう１００℃／ｈで行う。

【００２４】ろう付けの昇温の過程で接合リング１２は
熱伸びのため径が約２ｍｍ増加するが、接合リング１２
及びアルミナリング１１にはテーパが付けられているた
め、上下の接合リング１２はその熱伸びに応じてアルミ
ナリング１１に沈み込み、ろう付けの間アルミナリング
１１と接合リング１２の接合部のギャップは適正に保た
れる。

【００２５】ろう付けの降温過程で接合リング１２は収
縮し、アルミナリング１１には図６のように接合リング
１２の圧縮応力Ｃが加わる。この時、接合リング１２の
板厚が約０．６ｍｍと薄いのに対し、アルミナリング１
１の肉厚は約１０ｍｍと厚く、この圧縮応力に十分耐え
ることができる。また、このろう付けの際接合リング１
２は、１１００℃まで昇温された後１００℃／ｈで徐冷
されるため、降温の過程で焼きなまされる。

【００２６】アルミナリング１１と接合リング１２の接
合後、ＳＵＳ３０４からなるＳＵＳのフランジ１０Ｆを
接合リング２に溶接して図３に示す絶縁フランジ１０が
完成する。絶縁フランジ１０は１１００℃以下では常に
アルミナリング１１に接合リング１２の圧縮応力Ｃが残
っているので、良好なシール性を保つことができる。

【００２７】このように本発明において、絶縁フランジ
１０のアルミナリング１１と接合リング１２のシール部
はＮｉのろう付け１３によるため、ガスケットなどのシ
ール材に比較して良好なシール性を保つことができる。

【００２８】本発明の絶縁フランジ１０を実際に使用す
る場合、配管内流体の昇降温にともない常温〜７００℃
のヒートサイクルが加わる。この時アルミナリング１１
と接合リング１２との熱伸び差により、接合リング１２
には周方向で約１％の歪みが発生するが、本発明のアル
ミナリングはすでに接合時に接合リング１２により焼き
なまされているため容易に変形し、アルミナリング１１
を破壊するほどの応力を発生する恐れがない。

【００２９】流体に対する耐食性の面から見ると、本継
ぎ手はその部材がアルミナ、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３０
４等、耐食性に優れる材料で構成されており、燃料電池
に利用される流体に対して十分使用が可能である。

【００３０】また、本発明のフランジ１０Ｆでは絶縁材
であるアルミナリングの長さを任意に設計できるため、
一定の電気抵抗が必要な場合に抵抗値の確保が容易であ
る。本実施例では温度７００℃で１ＭΩの抵抗値を確保
したい為、接合リング１２間の距離を３０ｍｍとした
が、それほどの抵抗値を必要としない場合は、このアル
ミナリングの長さを短くする事により容易に目的の抵抗
値を確保することができる。

【００３１】また、本発明の接合リングの周方向の伸び
差については接合リングの板厚を薄くして接合部での応
力を低く押さえ、その応力に対しアルミナリングの肉厚
を十分厚くとることで接合部の信頼性を確保している。
アルミナリングと接合リングの接合時に熱の伸びによる
部材間の隙間が生じる点に関しては、接合部をテーパと
して、接合時に外部配管の軸方向に重石をおき接合中軸
方向に荷重を加えておくことにより、このテーパ部で隙
間の発生を防ぐことができる。

【００３２】また、一般にアルミナリングは金属に比べ
て線膨脹係数が小さいため、本発明の接合部はアルミナ
リングに金属の接合リングを焼ばめする形になるため、
アルミナリングは常温まで降温する段階で金属の接合リ
ングにより締め付けられて、圧縮応力が加わる。アルミ
ナ材は引っ張りに比べ圧縮強度は約１０倍程度大きくな
ることから、アルミナリングの肉厚を十分にとることに
より、接合後の降温時に圧縮応力でアルミナリングを破
損する恐れはない。更に、アルミナリングを接合リング
に挿入しずらい時には、図７に示すように接合リングに
切り込み溝を設けても良い。即ち、アルミナリング１１
と接触する接合リング１２の接触面にアルミナリング１
１を接合する時に前記接合リング１２の圧縮力を弱める
複数の切欠き溝１８を設ける。

【００３３】また、本発明の絶縁フランジに高温ガスを
流した場合、ＳＵＳ金属の接合リングは再び熱膨張し、
接合部に熱応力が発生する。この時、接合部の接合リン
グはアルミナリングへの接合時にすでに焼きなまされて
おり、且つ接合部が薄板で構成されていることから、実
際に接合部に加わる力は小さくろう付け部及びアルミナ
リングが破壊されることはない。更に高温ガスを流して
いる場合には接合リングの軸方向への伸縮は図２に示す
接合リングとアルミナリングとの間の窪み１９により吸
収することが出来る。

【００３４】この様に絶縁材をアルミナリングとし、シ
ールをろう付けとしたことにより、絶縁配管継手のシー
ル性を向上させる事ができる。また、従来構造と比較す
ると絶縁材を締め付けるボルトが不要であり、絶縁材を
締め付けているフランジも軽量化できるなど、絶縁フラ
ンジの構造を簡略化する事ができる。

【００３５】

【発明の効果】以上のように本発明の絶縁配管継手は絶
縁フランジ１０の使用により、１１００℃以下では常に
アルミナリング１１に接合リング１２の圧縮応力Ｃが加
わつているので、燃料電池の運転時の７００〜８００℃
の高温度ガス下でも良好なシール性を保つことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例として示した燃料電池の概略構
成図。

【図２】図１に使用した絶縁継ぎ手の一部を断面した説
明図。

【図３】図２を上側または下側から見た平面図。

【図４】図１の絶縁継ぎ手を製作するための組立て説明
図。

【図５】図１の絶縁継ぎ手の製作工程の一部を示した説
明図。

【図６】図１の絶縁継ぎ手の製作工程の一部を示した説
明図。

【図７】本発明の他の実施例である絶縁継ぎ手の一部を
示す斜視図。

【符号の説明】

１…積層セル、２…ガスヘッダ、５Ａ…入口配管、５Ｂ
…出口配管、６Ａ…燃料ガス入口配管、６Ｂ…燃料ガス
出口配管、１０…絶縁フランジ、１０Ｆ…フランジ、１
１…アルミナリング、１２…接合リング、１３…ろう
材、１４…Ｎｉメッキ、１５…メタライズ層、１６…置
台、１７…ろう付け用重石、１８…切欠き溝、１９…窪
み。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡崎 喜一 茨城県日立市幸町三丁目２番２号 日立 ニュークリアエンジニアリング株式会社 内 (72)発明者 高島 正 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式 会社日立製作所日立工場内 (56)参考文献 特開 平３−223589（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−149177（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−26984（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−35075（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01M 8/00 - 8/24 C04B 37/02 F16K 25/02

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 接合すべき配管を互いに対向する各端部
   にそれぞれフランジを形成し、前記各フランジの対向面
   の周方向に沿って取付けられていると共に、内周側と外
   周側との間の断面形状が略Ｖ型形状を有する接合リング
   と、前記接合リングと前記フランジ面との間に前記配管
   に連通する前記接合リングの内径より大きい外径を有す
   るアルミナリングが前記接合リングを圧縮するように接
   合し、前記接合リングと前記アルミナリングとが互いに
   対向する接合面にそれぞれＮｉメッキとＭｏ−Ｍｎメタ
   ライズ層とを施し、前記ＮｉメッキとＭｏ−Ｍｎメタラ
   イズ層との間にろう材を挟み、前記接合リング及び前記
   アルミナリングを昇温し、前記接合リングと前記アルミ
   ナリングとの間をろう材により接合した後、ろう付け温
   度以下で前記接合リングが前記アルミナリングを圧縮す
   るように接合していることを特徴とする絶縁継ぎ手の製
   作方法。
2. 【請求項２】 前記アルミナリングと接触する前記接合
   リングの接触面に前記アルミナリングを接合する時に前
   記接合リングの圧縮力を弱める複数の切欠き溝を設ける
   ことを特徴とする請求項１に記載の絶縁継ぎ手の製作方
   法。