JP3423574B2 - 溶融炭酸塩形燃料電池の分離板の耐食処理方法 - Google Patents
溶融炭酸塩形燃料電池の分離板の耐食処理方法Info
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Description
池の分離板の耐食処理方法に係り、特にステンレス鋼材
質の母材にニッケル及びアルミニウムをコーティングし
たり、アルミニウムのみコーティングしたり、アルミニ
ウム薄膜を接着してから拡散処理することにより電解質
に対する耐食性を向上させ、熱処理時の変形を防止でき
るようにした溶融炭酸塩形燃料電池の分離板の耐食処理
方法に関する。
ガスや天然ガスを燃料とし、空気を酸化剤として相互反
応させ、これにより燃料に含有された水素と酸化剤に含
有された酸素が電気化学反応することにより電気を発生
させる装置であって、水力、火力、原子力発電に続く第
4の発電方式と考えられている。かかる燃料電池は、反
応物の化学エネルギーを電気エネルギーに直接に転換さ
せるので高効率のみならず低公害という利点がある装置
である。
説明する。図1は、一般の溶融炭酸塩形燃料電池を示し
た構成図であって、溶融炭酸塩形燃料電池の内部積層構
造及びその作動原理を説明するための図である。同図に
示したように、燃料電池を構成する構成要素は、電気化
学反応が起こり、燃料極、空気極にて区分された電極1
0a、10b、電極間に介在して電解質の溶融炭酸塩を
収容して支持するマトリックス20a、20b、反応に
より発生する電子の移動を円滑にする集電装置30a、
30b及び反応ガスの流出入と電流の通路とを提供する
分離板40a、40bからなる。電極10a、10bを
構成する物質としては、燃料極にニッケル−クロム(N
i−Cr)を、空気極に酸化ニッケル(NiO)を使用
し、電解質としては62mol%のLi2 CO3 −38
mol%のK2 CO3 の組成を有する混合炭酸塩を、そ
してマトリックス20a、20bとしてはリチウムアル
ミネート(LiAlO2 )を使用する。また、分離板4
0a、40bの材質としてはAISI316やAISI
310のようなステンレス鋼を使用するのが望ましい。
電解質と連接している空気極で電解質との反応により空
気極の酸化ニッケルを溶解、腐食させ電解質の損失が誘
発される現象が深刻な問題とされている。特に、溶融炭
酸塩形燃料電池は、その作動が650℃の高温でなされ
るので、電解質と接触している、言わば分離板の液体密
封部(wet seal)41a、41bが深刻に腐食される
が、この腐食は電解質を消耗させ、よって反応ガスのク
ロスオーバや腐食生成物による電池の短絡現象が発生し
て電池の性能の劣化及び寿命の短縮を招く。
に開発されたのが燃料電池の液体密封部にコ−ティング
する方法であって、そのうちアルミニウムコーティング
が最良のことと見なされている。このアルミニウムコー
ティングの一般的方法としては、溶融されたアルミニウ
ム中に母材を浸漬する溶融アルミニウムメッキ法と、A
l、NH4 Cl及びAl2 O3 などを混合し、熱処理し
てAlを母材に拡散させるカロライジング法がある。そ
の他、アルミニウムを蒸気に気化させ蒸着させる物理蒸
着法、アルミニウム粉末と多様な溶剤を混合して作った
スラリーを母材にコーティングするスラリーコーティン
グ法、アルミニウムを母材に噴射するスプレーコーティ
ング法、プラズマを用いたメッキ法、パックセメンテー
ション及び真空蒸着法などがある。前述したような一般
のアルミニウムコーティング方法では900℃以上で拡
散熱処理を行うが、この際分離板が薄板なので燃料電池
の作動時発生する高熱により変形が生じ、表面層に高温
熱処理による欠陥が生じてステンレス鋼母材まで腐食さ
れることにより、燃料電池の寿命を縮める短所がある。
また、アルミニウムを一定厚さ(最小30μm)以上に
コーティングしなければ耐食性が十分にならなくなる
が、これを防ぐためには結局コーティング比を高めなけ
ればならないので、大面積の分離板のコーティング製作
が困難になるのみならず、よって製作費が上昇する短所
がある。
題点を解決するために案出されたもので、大面積の分離
板を容易に簡単な操作でコーティングしうる燃料電池の
分離板の耐食処理方法を提供することを目的とする。本
発明の他の目的は、拡散熱処理時に薄板の分離板の変形
を最小化し、高耐食性を有するよう構成した燃料電池の
分離板の耐食処理方法を提供することである。本発明の
さらに他の目的は、最適の温度と雰囲気で拡散熱処理す
ることにより分離板の熱変形を防止し、耐久性を向上さ
せた燃料電池の分離板の耐食処理方法を提供することで
ある。
ため、本発明は、ガスが出入するマニフォールド部と、
電極を装着する電極部と、ガスが外部へ流出しないよう
密閉する気密部とからなる溶融炭酸塩形燃料電池の、母
材がステンレス鋼板である分離板の耐食処理方法におい
て、前記母材にニッケルを5〜20μmの厚さにてメッ
キする工程と、ニッケルメッキされた母材の気密部上に
5〜20μm厚さのアルミニウム薄膜を接合する工程
と、水素ガス雰囲気で室温から660℃乃至700℃の
温度まで1〜3℃/分の昇温速度で温度を上げて2〜1
0時間処理する第一熱処理と、前記第一熱処理後、水素
ガス雰囲気で660℃乃至700℃の温度から900℃
乃至1000℃の温度まで1〜3℃/分の昇温速度で温
度を上げた後、900℃乃至〜1000℃の温度を2〜
10時間保持する第二熱処理とにより、母材とニッケル
及びアルミニウムの接合面における拡散によりニッケル
−アルミニウム金属化合物を形成する工程と、を含むこ
とを特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池の分離板の耐食処
理方法を提供する。
ールド部と、電極を装着する電極部と、ガスが外部へ流
出しないよう密閉する気密部からなる溶融炭酸塩形燃料
電池の、母材がステンレス鋼板である分離板の耐食処理
方法において、所定広さの母材にアルミニウムを10〜
500μmの厚さにてコーティングする工程と、600
℃〜1000℃の温度で、10%〜50%の水素雰囲気
で1〜20時間熱処理して前記母材とアルミニウムとを
反応させることにより拡散層を形成する工程を含むこと
を特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池の分離板の耐食処理
方法を提供する。
ールド部と、電極を装着する電極部と、ガスが外部へ流
出しないよう密閉する気密部からなる溶融炭酸塩形燃料
電池の、母材がステンレス鋼板である分離板の耐食処理
方法において、所定広さの母材にニッケルを所定厚さに
てコーティングする工程と、前記ニッケルコーティング
層上に所定厚さにてアルミニウムをコーティングする工
程と、前記ニッケルとアルミニウムとが積層コーティン
グされた母材を600℃〜1000℃の温度で10%〜
50%の水素雰囲気で1〜5時間熱処理して拡散層を形
成する工程を含むことを特徴とする溶融炭酸塩形燃料電
池の分離板の耐食処理方法を提供するものである。
発明を実施例に基づいて詳述する。まず、本発明の一実
施例であってアルミニウム薄膜を接着剤で接着してから
熱処理により拡散コーティングする方法について説明す
る。
ための耐食コーティング工程図である。同図に示したよ
うに、分離板の液体密封部を耐食処理するため、母材
(図4の51)にニッケル電気メッキをして約5〜20
μm厚さのニッケルコーティング層52を形成したり、
あるいはニッケル−ステンレス鋼クラッド板を予め備え
る(工程100)。かかるニッケルメッキされた母材ま
たはクラッド板にはその液体密封部上に厚さが約5〜2
0μmの範囲のアルミニウム薄膜53が接着剤で接着さ
れる(工程110)。この際、アルミニウム薄膜は、市
販の製品を使い、接着剤としては主に銀ペーストを用い
る。また、接着されたアルミニウム薄膜の開放面にはセ
ラミック粉末60を塗布するが(工程120)、これは
熱処理中にアルミニウムのセラミック粉末側への拡散を
防ぐためであり、セラミックス粉末の主成分は、粒度の
極めて微細なAl2 O3 またはBN(Boron Nitride) 粉
末であり、アルミニウム薄膜上に均一な厚さで塗布され
る。
離板50は熱処理工程のために積層されてスタック形で
構成され、加圧板71、72と締めボルト73、74よ
りなる加圧装置70により加圧されてから熱処理される
が(工程130)、この際加圧大きさは約10〜50K
g/cm2 とする。これにより、スタック形で加圧され
た分離板は、熱処理されるが、その第一工程としては6
60℃〜700℃温度まで毎分1〜3℃の昇温速度で温
度が上がるよう設定された水素ガス雰囲気炉で2〜10
時間処理を行う。毎分1℃の昇温速度で上昇した温度を
2時間ぐらい保持するのが望ましい。この工程下でアル
ミニウムはニッケルコーティング層52中に拡散する。
そして、その第二工程として水素雰囲気炉中で900℃
〜1000℃まで毎分1〜3℃の昇温速度で上昇させて
2〜10時間さらに熱処理工程を行う。毎分1℃の昇温
速度で上昇した温度を約2時間保持するのが望ましい。
このような第一工程、第二工程の熱処理工程を経て拡散
が起こって母材、ニッケル及びアルミニウムの密着力が
向上し、これにより分離板に所望のニッケル−アルミニ
ウムコーティング層が得られる。
ンレス鋼材質の母材にアルミニウムを選択してコーティ
ングしてから拡散処理することにより電解質に対する耐
食性を向上させる方法について説明する。まず、その工
程を図5に基づき簡単に説明する。
るための耐食コーティング工程図である。同図に示した
ように、分離板の母材のステンレス鋼板の表面に残留し
ている油及び不純物を水、有機溶剤、酸などで奇麗に洗
う(工程200)。そして、ステンレス鋼板にアルミニ
ウムをコーティングする(工程210)。ここで使われ
るコーティング方法としては物理蒸着法、スラリーコー
ティング法、スプレーコーティング法などがある。この
ように、アルミニウムがコーティングされた母材を水素
(窒素バランス)雰囲気炉で熱処理して母材とアルミニ
ウムを反応させることにより拡散層を形成させる(工程
220)。このような方式で耐食コーティングを行い、
以下、その工程を実際の実験データに基づき詳細に説明
する。
2mm厚さのステンレス鋼板316L(以下、母材と称
する)の表面に残留している油及び不純物を水、有機溶
剤、酸などで奇麗に洗う。そして、母材を気圧5×10
-6torrの真空炉中に入れ物理蒸着法の一種のイオン
スパッタリング方法でアルミニウムを蒸着する。この
際、蒸着されるアルミニウムの厚さは30〜40μmほ
どが望ましく、このようにアルミニウム蒸着された母材
を、約10%の水素(窒素バランス)が流れる水素雰囲
気炉に入れ、800〜900℃で約2時間熱処理する。
こうして、水素雰囲気炉が窒素で完全に充填されたら、
熱処理された母材を取り出す。このとき、母材表面から
酸化されたアルミニウムは除去されている。この母材
を、表面層の組成を確認するため試験片に切断し、表面
加工を施してから母材表面の元素分析を行う。分析され
た表面層の厚さ及び組成は表1に示した。また、この方
法で耐食処理された母材の腐食実験を行うため、アルミ
ニウムコーティングされた試験片上に62mol%のL
i2 CO3 と38mol%のK2 CO3 の組成を有する
炭酸塩粉末を積層し、CO2 雰囲気の650℃の炉中で
200時間腐食させた。この腐食実験後に試験片表面を
走査電子顕微鏡とX線回折装置(XRD)で観察した結
果、800℃又は900℃で熱処理された試験片は腐食
が全然見つからなかった。
て、前記他の実施例のような方式でアルミニウムコーテ
ィングされた母材を600℃、900℃でそれぞれ熱処
理して試片を製作した。この二つの試験片を前記他の実
施例と同様な方法で分析し、腐食実験を行った。この分
析結果も表1に示した。腐食実験の結果、600℃と9
00℃で熱処理された試験片はその表面層が炭酸塩と反
応してリチウムアルミネートを生成し、母材まで腐食が
起こったことが観察された。
レス鋼板にアルミニウムを10μm以上の厚さでコーテ
ィングする。この際、物理蒸着法による最適厚さは20
〜80μm、スラリーコーティング法による最適厚さは
100〜500μm、スプレーコーティング法による最
適厚さは50〜200μmが望ましかった。また、こう
してアルミニウムコーティングされた母材は、600〜
1000℃の温度で10〜50%水素(窒素バランス)
雰囲気炉で1〜20時間熱処理して母材とアルミニウム
を反応させることにより拡散層を形成させるのが望まし
かった。
は次の通りである。物理蒸着法では温度範囲700〜9
00℃、熱処理時間2〜10時間、スラリー法では温度
範囲800〜1000℃、熱処理時間5〜20時間、ス
プレー法では温度範囲700〜1000℃、熱処理時間
1〜5時間が望ましい。特に、実験の結果、熱処理後の
アルミニウム表面層の組成がアルミニウム40〜80重
量%、鉄20〜50重量%、ニッケル5〜10重量%、
クロム5〜10重量%の際炭酸塩による耐食性に優れる
ことが判明した。従って、この方法で製作された分離板
は、燃料電池に装着され、高温の炭酸塩中でも耐食性を
長時間保持することができる。
ステンレス鋼材質の母材にニッケルとアルミニウムを順
にコーティングしてから拡散処理することにより電解質
に対する耐食性を向上させる方法について説明する。ま
ず、その工程を図6に基づき簡単に説明すれば次の通り
である。図6は、本発明によるさらに他の実施例を説明
するための耐食コーティング工程図である。
ンレス鋼板の表面に残留している油及び不純物を水、有
機溶剤、酸などで奇麗に洗う(工程300)。この洗っ
た母材をスルファミン酸ニッケル水溶液の中に入れてニ
ッケル電気メッキを施す(工程310)。電気メッキさ
れた母材を再び上記の方法で洗い(工程320)、母材
のステンレス鋼板にアルミニウムをコーティングする
(工程330)。このようにニッケル−アルミニウムが
コーティングされた母材を水素(窒素バランス)雰囲気
炉で熱処理する(工程340)。
ティングされた分離板を熱処理せずに燃料電池に使え
ば、アルミニウムの融点が645℃なので燃料電池の操
業過程で溶けてしまったり、炭酸塩と激しく反応して炭
酸塩の損失を大幅に誘発させるので電池の性能を低下さ
せる。また、ニッケルのコ−ティング厚さが2μm以下
であったり、アルミニウムのコーティング厚さが4μm
以下であると、炭酸塩に対する耐腐食効果が著しく低下
する。さらに、熱処理温度が600℃以下なら、アルミ
ニウム−ニッケルと母材の原子との間に拡散がほとんど
起こらなくなり、それにもかかわらずこの分離板を燃料
電池に使えば、電解質の消耗が多くなり、母材に腐食が
起こる。一方、熱処理温度を1000℃以上にする場
合、母材に変形が生じ表面層に欠陥が生じて母材の腐食
が起こる。さらに、熱処理時間を10分以下にすれば、
アルミニウムと母材との反応が適切に起こらなくなる。
下、その工程を実際の実験データに基づき詳細に説明す
る。その実験の一例として、1.2mmまたは2mm厚
さのステンレス鋼板316L(以下、母材と称する)の
表面に残留している油及び不純物を水、有機溶剤、酸な
どで奇麗に洗う。そして、洗った母材をスルファミン酸
ニッケル水溶液の中に入れ、2μm〜5μmの厚さでニ
ッケル電気メッキを施す。電気メッキされた母材を再び
上記と同様な方法で洗い、気圧5×10-6torrの真
空炉中に入れ物理蒸着法の一種のイオンスパッタリング
方法でアルミニウムを蒸着する。この際、蒸着されるア
ルミニウムの厚さは約10μmが望ましく、このように
してアルミニウム蒸着された母材を10%の水素(窒素
バランス)が流れる雰囲気炉に入れ、約830℃の温度
で1時間熱処理する。こうして、水素雰囲気炉が窒素で
完全に充填されたら熱処理された母材を取り出す。この
とき母材の表面から酸化されたアルミニウムは除去され
ていた。この母材を、表面層の組成を確認するため試験
片に切断し、表面加工を施してから母材表面の元素分析
を行う。分析された表面層の厚さ及び組成は表2に示し
た。
食実験を行うため、アルミニウムコーティングされた試
験片上に62mol%のLi2 CO3 〜38mol%の
K2CO3 の組成を有する炭酸塩粉末を積層し、CO2
雰囲気の650℃の炉中で200時間腐食させた。この
腐食実験後に試験片表面を走査電子顕微鏡とX線回折装
置(XRD)で観察した結果、熱処理された試験片は腐
食が全然見つからなかった。
として、1.2mmまたは2mm鋼板316L(母材)
表面をサンドブラスティングを行ってからニッケル粉末
をスプレーコーティング法で20μm厚さでコーティン
グする。ここにスプレー法によりアルミニウムを70μ
m厚さでコーティングしてから830℃で熱処理した。
もちろん、この工程は前述した本発明のさらに他の実施
例と同様な方法で行われた。このように製作された母材
をさらに他の実施例の分析方式と同様な方法で分析し、
腐食実験した結果、表2に示したように母材に対する腐
食はほぼ起らないと観察された。
レス鋼板にニッケルを適正厚さでコーティングし、その
上にアルミニウムをコーティングするが、このような積
層コーティングを行うための一番目の方法としては分離
板の母材のステンレス鋼板にニッケルを2μm以上の厚
さ(最適厚さ5〜20μm)で電気メッキを施す。その
後、ニッケルがコーティングされた母材上にアルミニウ
ムを物理蒸着法により厚さ4μm以上(最適厚さ10〜
60μm)でコーティングする。
板にニッケルを5μm以上の厚さ(最適厚さ10〜50
μm)でスプレーコーティングし、その上にスプレーコ
ーティング法でアルミニウムを10μm以上の厚さ(最
適厚さ20〜100μm)でコーティングした。このよ
うに積層コーティングした後、母材とアルミニウム及び
ニッケルを反応させ拡散層を形成するよう600〜10
00℃の温度(最適温度650〜900℃)下の10%
〜50%水素(窒素バランス)雰囲気炉で10分以上
(最適時間1〜5時間)熱処理するのが適当であった。
ケル−アルミニウム表面層の組成がアルミニウム25〜
75mol%、ニッケル25〜75mol%の際炭酸塩
に対する耐食性に優れると判明した。従って、以上の方
法で製作された分離板は、燃料電池に装着され、高温の
炭酸塩中でも耐食性を長時間保持する。
の耐食処理方法は、主にステンレス鋼材質の母材にニッ
ケル及びアルミニウムをコーティングしたり、アルミニ
ウムのみコーティングしたり、アルミニウム薄膜を接着
してから拡散処理することにより、製作工程が簡単にな
って製作費が低廉になり、拡散によりコーティングが完
成されるので、耐食性及び母材との接合性に優れたコー
ティング層が得られる。また、長時間の燃料電池の使用
による高温の炭酸塩中でも耐食性を長時間保持する。さ
らに、母材にニッケルとアルミニウムを順にコーティン
グしてから拡散処理する方法においては、熱処理温度を
相対的に低められるので燃料電池の分離板のような薄板
における熱変形を防止して耐久性を向上させうる。
明図である。
を説明するための工程図である。
た状態で示す説明図である。
例を説明するための工程図である。
の実施例を説明するための工程図である。
Claims (8)
- 【請求項1】 ガスが出入するマニフォールド部と、電
極を装着する電極部と、ガスが外部へ流出しないよう密
閉する気密部とからなる溶融炭酸塩形燃料電池の、母材
がステンレス鋼板である分離板の耐食処理方法におい
て、 前記母材にニッケルを5〜20μmの厚さにてメッキす
る工程と、 ニッケルメッキされた母材の気密部上に5〜20μm厚
さのアルミニウム薄膜を接合する工程と、 水素ガス雰囲気で室温から660℃乃至700℃の温度
まで1〜3℃/分の昇温速度で温度を上げて2〜10時
間処理する第一熱処理と、前記第一熱処理後、水素ガス
雰囲気で660℃乃至700℃の温度から900℃乃至
1000℃の温度まで1〜3℃/分の昇温速度で温度を
上げた後、900℃乃至〜1000℃の温度を2〜10
時間保持する第二熱処理とにより、母材とニッケル及び
アルミニウムの接合面における拡散によりニッケル−ア
ルミニウム金属化合物を形成する工程と、を含むことを
特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池の分離板の耐食処理方
法。 - 【請求項2】 前記熱処理工程のうちアルミニウム薄膜
が反対方向へ拡散されることを防ぐために粒度の微細な
セラミック粉末を所定厚さにて母材とは反対側の前記ア
ルミニウム薄膜の表面に塗布する請求項1に記載の溶融
炭酸塩形燃料電池の分離板の耐食処理方法。 - 【請求項3】 ガスが出入するマニフォールド部と、電
極を装着する電極部と、ガスが外部へ流出しないよう密
閉する気密部からなる溶融炭酸塩形燃料電池の、母材が
ステンレス鋼板である分離板の耐食処理方法において、 所定広さの母材にアルミニウムを10〜500μmの厚
さにてコーティングする工程と、 600℃〜1000℃の温度で、10%〜50%の水素
雰囲気で1〜20時間熱処理して前記母材とアルミニウ
ムとを反応させることにより拡散層を形成する工程を含
むことを特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池の分離板の耐
食処理方法。 - 【請求項4】 ガスが出入するマニフォールド部と、電
極を装着する電極部と、ガスが外部へ流出しないよう密
閉する気密部からなる溶融炭酸塩形燃料電池の、母材が
ステンレス鋼板である分離板の耐食処理方法において、 所定広さの母材にニッケルを所定厚さにてコーティング
する工程と、 前記ニッケルコーティング層上に所定厚さにてアルミニ
ウムをコーティングする工程と、 前記ニッケルとアルミニウムとが積層コーティングされ
た母材を600℃〜1000℃の温度で、10%〜50
%の水素雰囲気で1〜5時間熱処理して拡散層を形成す
る工程を含むことを特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池の
分離板の耐食処理方法。 - 【請求項5】 前記ニッケルを電気メッキ法により最適
厚さ5〜20μmにて母材にコーティングし、前記アル
ミニウムを物理蒸着法により最適厚さ10〜60μmに
て前記ニッケルコ−ティング層上にコ−ティングする請
求項4に記載の溶融炭酸塩形燃料電池の分離板の耐食処
理方法。 - 【請求項6】 前記ニッケルをスプレー法により最適厚
さ10〜50μm厚さにて母材にコーティングし、前記
アルミニウムをスプレー法により最適厚さ20〜100
μm厚さにて前記ニッケルコーティング層上にコーティ
ングする請求項4に記載の溶融炭酸塩形燃料電池の分離
板の耐食処理方法。 - 【請求項7】 前記熱処理の温度が650℃〜900℃
である請求項4に記載の溶融炭酸塩形燃料電池の分離板
の耐食処理方法。 - 【請求項8】 前記熱処理後の母材表面層の組成がアル
ミニウム25〜75mol%、ニッケル25〜75mo
l%である請求項4に記載の溶融炭酸塩形燃料電池の分
離板の耐食処理方法。
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