JPH0318314B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔発明の利用分野〕 本発明は溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータ特
に、軽量かつ耐食性の優れた長寿命の溶融炭酸塩
型燃料電池用セパレータの製造法に関する。 〔発明の背景〕 近年、石油資源の枯渇及び価格の高騰に対拠し
て、省エネルギー機器の開発・研究が重要になつ
ている。その一つとして、LNG及び石炭ガスを
利用する溶融塩型燃料電池は省エネルギー、石油
代替エネルギーをめざすものであり、新エネルギ
ー開発の一環をなす火力発電技術である。 第４図は溶融炭酸塩型燃料電池の基本構成を示
し、電解質１、電極であるアノード２及びカソー
ド３、セパレータ４、外枠９、ガス供給管１０か
らなつている。溶融燃料電池は炭酸リチユーム
（Li₂（O₃）や炭酸カリウム（K₂CO₃）等のアルカ
リ金属炭酸塩を電解質として、その融点以上の
600〜750℃の温度域で作動させる燃料電池であ
り、アノードに燃料である水素あるいは水素含有
ガスを供給し、カソードには酸化剤である空気＋
炭酸ガスを供給することにより、次式に示す電気
化学的反応が進行して発電が行なわれるものであ
る。 アノード（水素極）： 2H₂＋2CO₃ ^2-→2CO₂＋2H₂O＋4e^- ……(1) カソード（空気極）： O₂＋2CO₂＋4e^-→2CO₃ ^2- ……(2) (1)＋(2)：2H₂＋O₂→2H₂O ……(3) セパレータ４は水素燃焼ガス及び酸化剤ガスの
分離及び集電、更には電池の保持の役割を兼ねて
いる。 第４図は単セルの電池の構成を示したが、実機
では電圧を高め大容量化にするために、電池を多
数積層する。第５図は積層化に伴つて適用される
セパレータ４の基本構造を示す。そのセパレータ
４は一枚の板の表裏面にガス流通用の溝５が施さ
れている。その表裏面においては前述の(1)、(2)及
び(3)式で示したごとく電気化学的反応及びガス雰
囲気がそれぞれ異なる。したがつてセパレータ材
料としては600〜750℃でアノード側における雰囲
気（水素含有ガス）及びカソード側における雰囲
気（酸化性ガス）の両者に対して腐食性の優れた
ものが要求される。このような条件において、耐
食性の優れた金属材料としては純Ni、純Crなど
が考えられるが、それらは高価でしかも希少金属
であり、多量に使用される電池のセパレータ４材
料としては不向きである。一方、耐食性の点から
は銅が有望であるが、600〜750℃の温度における
高温強度が低いため、実用化は難しい。 以上の点から、従来、電池用セパレータ材料と
しては高温強度の高いステンレス鋼が用いられ
る。しかし、一般のステンレス鋼では耐食性が純
Niや純Crよりも劣り、４年間の定期点検まで耐
用することは困難であつた。 一方、セパレータ４は、電池を小型及び軽量化
するためには、必要最小限の厚さが好ましく、で
きればその厚さは４〜５mm程度が好ましい。しか
しながら、４〜５mm程度の厚さのステンレス鋼の
表裏面に１mm程度の深さのガス流通用の溝５を機
械加工によつて施こすことは困難であり、また加
工可能であつても加工後にセパレータが加工の影
響により撓んでしまい、適用困難となる。したが
つて、従来は、セパレータ４の厚さは10mm程度に
せざるを得ず、電池本体の小型化、軽量化が困難
であつた。 〔発明の目的〕 本発明は、耐食性に優れ、しかも電池の小型、
軽量化を可能にした溶融炭酸塩型燃料電池用セパ
レータの製造法を提供するものである。 〔発明の概要〕 本発明は、炭素鋼、低合金鋼、Cr鋼又はステ
ンレス鋼よりなる中間板の片面又は両面にガス流
通路および保持部を形成するための上記と同材質
のリブおよび外枠を拡散接合により接合し、その
後、これら表面に耐酸化腐食性および耐還元腐食
性の保護膜を形成することにより、溶融炭酸塩型
燃料電池用セパレータを製造することを特徴とす
るものである。 〔発明の実施例〕 第１図は本発明により作製されたセパレータの
基本構造を例示した図である。セパレータ４は中
間板６とその中間板６の表裏面に適当間隔で配列
固定されたリブ７からなり、これにより表裏にガ
ス流通用の溝が形成されている。中間板６とリブ
７は拡散接合によつて接合されている。セパレー
タ材料として炭素鋼、低合金鋼、ステンレス鋼、
Cr鋼、Ni基合金鋼などが用いられる。 上記の拡散接合を行なうには、第２図のよう
に、中間板６とリブ７との間に中間材８を施し、
これらを中間材８の融点以下に加熱し、圧縮応力
を負荷して接合面に均一に荷重がかかるように圧
接せしめる。中間材８は例えばNi−Ｐ（Ni：90〜
99％、Ｐ：１〜10％）または、Ni−Ｂ（Ni：90〜
99％、Ｂ：１〜10％）が望ましい。Ni−Ｐ及び
Ni−Ｂは溶融温度が980℃及び1400℃と一般の構
造用鋼の温度より低い。第２図のように中間材８
を挾んで高温に加熱し、圧縮応力を負荷すると、
中間材が母材（中間板６及びリブ７）側へ拡散移
行する。更に時間の経過と共に拡散は進行し、最
終的には中間板６とリブ７とが完全に接合され
る。その接合されるまでに要する時間は温度が中
間材の溶融温度に近いほど短かくなる。加熱温度
は融点から約300℃下までの範囲が望ましい。 拡散処理工程における雰囲気は、材料を高温に
加熱するために、材料の酸化防止の点から非酸化
性雰囲気であることが望ましい。 中間材８は先に述べた成分のNi−ＰまたはNi
−Ｂが箔状に形成されているものを用いることが
好ましい。または、Niを主成分としてCr、Fe、
Si、Ｐ、Ｂ、Mo、Coなどの元素が単独または複
合含有する晶質または非晶質の箔材であることが
好ましい。中間板６とリブ７との間に上記の箔状
に形成された中間材８を挿入し、かかる後、上記
の拡散接合処理をすることによつて接合が達せら
れる。箔の厚さは１mm以下であることが望まし
く、特に20μｍ以下が望ましい。 また中間材８として箔状に形成された材料を挿
入する代りに、中間板６及びリブ７の表面に、先
に述べた成分のNi−Ｐ及びNi−Ｂのメツキ膜を
施しておいてもよい。すなわち、あらかじめ中間
板６とリブ７の両方または１方の表面にNi−Ｐ
またはNi−Ｂのメツキ膜を形成させ、その後そ
のメツキ膜を介して前記と同様に中間板６とリブ
７との拡散接合を行なうものである。メツキ膜の
厚さは１mm以下が望ましく、特に20μｍ以下が望
ましい。メツキ膜の厚さが厚すぎると、拡散処理
に長時間要するばかりでなく、接合部の高温強度
を低下させるので好ましくない。 セパレータは拡散接合した後に、溶体化処理、
焼入れ処理または焼準処理などを施すと、高温に
保持されるために拡散接合部の中間材８の元素が
更に母材側へ移行する。したがつて接合部は母材
の成分に近くなり、継手性能が更に向上すること
となる。 第３図は前記のようにして一体化された中間板
およびリブを外枠と共に一体に組立てた本発明の
セパレータの構造の詳細を示す。第１図及び第２
図で示した一体化された中間板６及びリブ７の周
りをガス送給管１０の付いた外枠９が囲んでい
る。外枠９はセパレータの保持及びガスの電池外
への漏出防止の役目を持つている。外枠９の厚さ
はリブ７の厚さよりも、リブ７の上に登載される
電極の厚さ分だけ厚くなつている。中間板６と外
枠９は、前述した中間板６とリブ７との拡散接合
法と同様の方法によつて接合される。ガス送給管
１０は外枠９に溶接などの接合法を用いて接合さ
れる。 なお、本発明によればセパレータは、第３図の
ような角型形状の他に、円型形状にも製作可能で
ある。 第６図はリブ７の形状の変形例を示す。すなわ
ち、本発明においては、セパレータのリブ７は、
第１図ないし第３図で示した長方体の他に、立方
体（第６図ａ）、角錐台（同ｂ）又は上部が波型
の長方体（同ｃ）であつてもよい。更に、この
他、円垂台又は円柱型であつてもよい。 上記で述べた中間板６とリブ７及び中間板６と
外枠９が拡散接合された後は、セパレータの耐酸
化性及び耐還元性腐食を良好にするために、第７
図に示すごとく、好ましくはセパレータの全面ま
たは内表面に保護膜１１を形成させる。保護膜１
１はNi、Cu、Cr、Co、Ag、Paなどであり、電
気メツキ又は化学メツキ等によつて施される。な
お、保護膜１１の成分は耐酸化性及び耐還元性腐
食に優れているならば、Ni、Cr、Cu、Pa及び
Coなどの純金属の他に他の成分が含有していて
も差し支えない。また保護膜１１は単層のみなら
ず、複数層積層してもよい。また、その複数の層
の成分は同一成分またはそれぞれの層が異なる成
分であつてもよい。保護膜１１を有せしめれば、
保護膜１１が耐酸化性及び耐還元性腐食に優れて
いるために、セパレータの中間板６、リブ７及び
外枠１１の材質は安価な炭素鋼、低合金鋼及び
Cr鋼などの適用が可能となる。 以上説明した所に基づく具体的実施例を以下に
述べる。 実施例 １ 第１表は実験に用いた供試材の化学組成を示
す。供試材には12Cr系耐熱鋼を用いた。

【表】 拡散接合部の継手強度性能を調べるために、第
１表の供試材より試験片を採取した。試験片の形
状は直径20mm、長さ50mmの円柱である。試験片の
表面は全面ペーパ＃800番で仕上げた。このよう
な試験片の全面に市販の無電解メツキ液を用い
て、Ni−Ｐ及びNi−Ｂメツキを施した。メツキ
厚さはいずれも20μｍである。 次に、上記のメツキを施した試験片を用いて、
それぞれ同種のメツキ材着きの試験片を長手方向
に突合せて、拡散接合を行つた。拡散接合の加熱
条件はNi−Ｐメツキ試験片が800℃、４時間保
持、Ni−Ｂメツキ試験片が1150℃、４時間保持
とした。加熱中の圧縮圧力は両者共1000Kgとし
た。拡散接合中の雰囲気は大気環境であつた。 以上の拡散接合後、試験片に熱処理を施した。
熱処理は焼入れ：1100℃、２時間保持後空冷及び
焼もどし：650℃、２時間保持後空冷の条件で行
つた。 次に、熱処理後の上記試験片より引張試験片を
採取した。試験片形状は平行部中央に接合部に置
き、平行部直径6φ及び平行部長さ24mmである。 第２表は母材及びNi−Ｐ及びNi−Ｂ接合材の
引張強さを示す。Ni−Ｐ及びNi−Ｂ接合材は引
張強さがいずれも母材と同程度の継手強度を示し
ており、優れた接合性能を示すことが明らかであ
る。

〔発明の効果〕

以上述べたごとく、本発明によれば、機械加工
が不要で、薄肉、安価でかつ耐食性の優れた溶融
炭酸塩型燃料電池用セパレータが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係るセパレータの斜
視図、第２図はその接合態様を示す部分側面図、
第３図は外枠と組付けた上記セパレータの斜視
図、第４図は単セルの従来の溶融炭酸塩型燃料電
池の分解構成図、第５図は従来の積層式の溶融炭
酸塩型燃料電池の要部構成図、第６図ａ，ｂ，ｃ
は本発明に係るセパレータのリブの他の例を示す
斜視図、第７図は本発明による保護膜を施したセ
パレータの部分断面図、第８図は還元性雰囲気下
での腐食試験結果、第９図は酸化性雰囲気下での
腐食試験結果を示す図である。 ６……中間板、７……リブ、８……中間材、９
……外枠、１０……ガス供給管。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 炭素鋼、低合金鋼、Cr鋼又はステンレス鋼
   よりなる中間板の片面又は両面にガス流通路およ
   び保持部を形成するための上記と同材質のリブお
   よび外枠を拡散接合により接合し、その後、これ
   らの表面に耐酸化腐食性及び耐還元腐食性の保護
   膜を形成することを特徴とする溶融炭酸塩型燃料
   電池用セパレータの製造法。 ２ 拡散接合は、中間板、リブおよび外枠の接合
   面に予めNi−ＰまたはNi−Ｂメツキを施し、該
   メツキ材の溶融温度以下に加熱保持しながら接合
   部に圧縮応力を負荷することからなる特許請求の
   範囲第１項の溶融炭酸塩型燃料電池用セパレータ
   の製造法。 ３ 拡散接合は中間板、リブおよび外枠の接合面
   に予め、Niを主成分として、その他Cr、Fe、Si、
   Ｐ、Ｂ、Mo、Coなどの元素を単独または複合含
   有する晶質または非晶質の箔材を挿入し、箔材の
   溶融温度以下に加熱保持しながら接合部に圧縮応
   力を負荷することからなる特許請求の範囲第１項
   の溶融炭酸塩型燃料電池用セパレータの製造法。 ４ 中間板、リブ及び外枠の拡散接合後に、溶体
   化処理または焼入れ、焼もどし処理を施す特許請
   求の範囲第１項、第２項又は第３項の溶融炭酸塩
   型燃料電池用セパレータの製造法。 ５ リブの形状が長方体、立方体、四角垂台、円
   柱、円垂台又は上部が波形を有する長方体である
   特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに
   記載の溶融炭酸塩型燃料電池用セパレータの製造
   法。 ６ 保護膜の主成分がNi−Ｐ、Ni−Ｂ、Cr、
   Ni、Cu、Ag又はPaである特許請求の範囲第１
   項ないしは第５項のいずれかに記載の溶融炭酸塩
   型燃料電池用セパレータの製造法。