JPH06101336B2 - 溶融炭酸塩型燃料電池のセパレ−タ用金属材料 - Google Patents

溶融炭酸塩型燃料電池のセパレ−タ用金属材料

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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用金属材料
に係り、特に、耐食性に優れて長寿命な溶融炭酸塩型燃
料電池のセパレータ用金属材料に関する。
〔発明の背景〕
近年、石油資源の枯渇に対処するため、省エネルギー機
器の開発・研究が重要な問題となつている。このうち、
LNGおよび石炭ガスを利用する溶融炭酸塩型燃料電池は
省エネルギーと石油代替エネルギーとをめざすものであ
り、新エネルギー開発の一環をなす重要な火力発電技術
である。
第５図は本発明が対象にしている従来の溶融炭酸塩型燃
料電池の基本構造図を示す。
電池は電解質１、電極のアノード２およびカソード３、
そしてセパレータ４からなつている。溶融炭酸塩型燃料
電池は炭酸リチユウム（Li2CO3）、炭酸カリウム（K2CO
3）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
る。電池は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、カソードには空気と炭酸ガスを供給す
ることにより、次式に示す電気化学的反応が進行して発
電が行われる。
アノード（水素極）：2H2＋2CO2- 3→ ＋2CO2＋2H2O＋4e- ……（１） カソード（空気極）：O2＋2CO2＋4e-→ 2CO2- 3 ……（２） （１）式＋（２）式：2H2＋O2＋2HO ……（３） セパレータ４は水素燃料ガスおよび酸化ガスの分離およ
び集電の役割を兼ねている。第５図は単セル電池の構成
を示しており、実機では電圧を高め大容量化するために
電池を多数積層する。
上記セパレータ４には燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給
するためのガス流通用溝５が設けられている。このガス
供給溝は第６図に示すように、セパレータ４の表または
裏側にそれぞれ存在し、燃料ガスと酸化剤ガスがそれぞ
れに流れている。
燃料電池の運転時の電池の作動温度は600〜650℃にな
る。このためセパレータ材料としてはこの温度で両方の
ガス雰囲気に対して耐食性の優れたものが要求される。
また、セパレータ４は電極および電解質板をも保持する
ものであるので、長時間使用しても脆化しない材料が要
求される。
現在一般的なセパレータ材料の公知例としては、例えば
富士時報55巻1982年および火力原子力発電32巻1981年で
記載されているものがある。この公知例は、オーステナ
イト系ステンレス鋼SUS316鋼、および310鋼をセパレー
タ材料に使用することが有望であることが述べられてあ
る。
しかし、前記で述べた溶融炭酸塩型燃料電池の腐食環境
においては316鋼は耐食性が著しく悪く、および310鋼は
650℃程度で長時間加熱するとシグマー相の析出による
脆化の問題が生ずる。
〔発明の目的〕 本発明は燃料ガスまたは酸化剤ガスが流れる腐食環境に
おいても耐食性が優れ、しかも脆化しない溶融炭酸塩型
燃料電池のセパレータ用金属材料を提供することにあ
る。
〔発明の概要〕
本発明者らは溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータを水素
ガス含有雰囲気および酸化剤ガス雰囲気においてセパレ
ータ用金属材料の研究を行つた。その結果、耐食性に優
れた材料を実験で見出し、本発明に至つたものである。
すなわち、本願第１の発明は重量比でC0.15〜0.40％、S
i0.3〜1.5％、Mn0.5〜1.5％、Cr20〜30％、Ni23〜30
％、残りがFeおよび不純物からなることを特徴とする溶
融炭酸塩型燃料電池のセパレータ用金属材料であり、本
願第２の発明は重量比でC0.15〜0.40％、Si0.3〜1.5
％、Mn0.5〜1.5％、Cr20〜30％、Ni23〜30％、Ｙ、Alの
少なくとも１種0.05〜1.0％、残りをFeおよび不純物か
らなることを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池のセパレ
ータ用金属材料である。
次に本発明の成分限定理由を述べる。
Ｃは組織の安定性および強度向上のために必要な元素で
ある。しかし、0.15％以下では効果がなく、0.40％以上
添加すると靱性を低下させるとともに耐食性を低下させ
る。したがつて、Ｃは0.15〜0.40％が好ましい。特に0.
20〜0.25％が好ましい。
Siは脱酸剤として添加するものであり、0.3〜1.5で十分
である。特に0.5〜1.2％が好ましい。
MnはSiと同様に、脱酸剤として添加するものであり、0.
5〜1.5％で十分である。特に0.8〜1.2％が好ましい。
Crは耐食性を向上させる元素である。しかし、その効果
は20％以下では少ない。30％以上では組織を不安定に
し、靱性を低める。したがつて、Cr添加量は20〜30％が
好ましい。
Niは組織を安定化させるための必要元素である。23％以
下ではその効果は少なく、30％以上でも効果は少ない。
したがつて、23〜30％が好ましい。
イツトリウム（Ｙ）は耐酸化性を向上させるために添加
するものである。その量は0.05％以下では効果が少な
い。また、1.0％以上になるとその効果は飽和するとと
もに、鍛造性を損なう。したがつて、添加量としては0.
05〜1.0％が好ましい。特に、0.2〜0.5％が好ましい。
その他、Alも上記イツトリウムと同様の効果を発揮す
る。Alの単独またはイットリウムとの複合の合計で、0.
05％以下では効果を示さない。一方、1.0％以上になる
と鋳造性および鍛造性を損なう。したがつて、0.05〜1.
0％が好ましい。特に、0.2〜0.5％が好ましい。
本発明にかかるセパレータ用金属材料は鋳造後、鍛造ま
たは圧延することが好ましい。鍛造または圧延温度は10
00〜1200℃が好ましい。鋳造後、1000〜1200℃で鍛造ま
たは圧延することによつて、粒内および粒界の層状共晶
炭化物が球状で、かつ均一に分散し、材料靱性を向上さ
せる。
更に、鍛造または圧延後1000〜1200℃の温度で加熱して
十分な時間保持し、急冷する溶体化処理を施すことによ
って、鋼の合金成分の析出を防止し耐食性を向上するこ
とができる。
〔発明の実施例〕
次に、本発明の実施例について説明する。
実施例１ 次に本発明の具体的実施例を示す。第１表は耐食性腐食
実験条件を示す。腐食試験条件は実機の環境を模擬し、
２種類の腐食試験条件を用いた。試験温度および時間は
いずれも650℃,200時間保持で実施した。また、試験片
にはあらかじめLi2CO3，K2CO3＝62:38（モル比）の塗布
灰を塗布した。
第２表は実験に用いた供試材の化学組成を示す。比較例
に用いた供試材は市販のSUS304,316および310Sである。
腐食試験片の形状は幅15mm、長さ25mm、厚さ4mmであ
る。
本実施例のセパレータ用金属材料は大気溶解にて溶製
し、1000〜1100℃で鍛造した後、1050℃で１時間保持
し、水冷する溶体化処理を施したものを実験に供した。
第１図は水素ガス含有雰囲気における腐食試験結果を示
すグラフである。第２表で説明したNo.A〜Ｄは腐食増量
が少なく、耐食性が良好であることが明らかである。特
にNo.Dが良好であつた。これに対して、市販のSUS304お
よび316は腐食増量が3.2および4.5mg/cm2であり、上記
実施例に比べて耐食性が著しく劣ることが明らかであ
る。なお、耐食性が実施例と同等の比較例のNo.Eおよび
SUS310Sは後述の実施例２で述べる耐脆化特性が実施例
の材料に比べて著しく劣る。
第２図は酸化性ガス雰囲気における腐食試験結果を示し
たグラフである。耐食性は第１図と同様の傾向を示し、
実施例の材料が良好であることを示している。
第３図はNo.A〜Ｄの材料の鍛造または圧延後のミクロ組
織を示す顕微鏡写真である。共晶炭化物が球状で、かつ
均一に分散し、良好な微細組織を示していることがわか
る。
実施例２ 次に材料の脆化特性について実験した。実験には実施例
１の腐食試験で耐食性の良好であつた材料のNo.A〜Ｄ、
比較例のNo.EおよびSUS310Sを用いた。
使用材の脆化は加熱脆化処理後の衝撃値によつて比較し
た。加熱脆化処理は650℃で、1000時間5000時間保持で
行つた。
第４図は衝撃試験結果を示す。実施例の材料Ａ〜Ｄの衝
撃値は650℃で5000時間保持しても20kg-m程度と良好な
結果を示す。それに対して、比較材ＥおよびSUS310Sの
衝撃値は熱処理のままでは約28kg-m程度と実施例の材料
と同様高い値を示す。しかし、650℃,5000時間の脆化処
理を施すと約4kg-mと著しく低下する。
比較材およびSUS310材の650℃、長時間加熱材の衝撃値
が著しく低下したのは組織観察の結果長時間加熱に伴つ
てシグマー相が析出したためであることがわかつた。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明にかかる溶融炭酸塩型燃料
電池のセパレータ用金属材料は腐食環境下においても耐
食性に優れ、かつ、加熱脆化特性に優れている。したが
つて、燃料電池のセパレータとして有効な材料である。
【図面の簡単な説明】
第１図およば第２図は本発明に係るセパレータ用金属材
料と腐食増量の関係を示すグラフ、第３図は鍛造または
圧延後のセパレータ用金属材料の金属組織を示す顕微鏡
写真、第４図はその材料と衝撃値の関係を写すグラフ、
第５図および第６図は従来の溶融炭酸塩型燃料電池の構
造を示す図である。 １…電解質、2,3…電極板、４…セパレータ、５…ガス
流路溝。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】重量比でC0.15〜0.40％、Si0.3〜1.5％、M
    n0.5〜1.5％、Cr20〜30％、Ni23〜30％、残りがFeおよ
    び不純物からなることを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電
    池のセパレータ用金属材料。
  2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項において、上記金属
    材料を鍛造または圧延することにより、共晶炭化物が球
    状でかつ均一に分散していることを特徴とする溶融炭酸
    塩型燃料電池のセパレータ用金属材料。
  3. 【請求項３】特許請求の範囲第２項において、鍛造また
    は圧延後1000〜1200℃の温度で溶体化処理を施すことを
    特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータ用金属材
    料。
  4. 【請求項４】重量比でC0.15〜0.40％、Si0.3〜1.5％、M
    n0.5〜1.5％、Cr20〜30％、Ni23〜30％、Ｙ及びA1の少
    なくとも１種0.05〜1.0％、残りをFeおよび不純物から
    なることを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池のセパレー
    タ用金属材料。
  5. 【請求項５】特許請求の範囲第４項において、上記金属
    材料を鍛造または圧延することにより、共晶炭化物が球
    状でかつ均一に分散していることを特徴とする溶融炭酸
    塩型燃料電池のセパレータ用金属材料。
  6. 【請求項６】特許請求の範囲第５項において、鍛造また
    は圧延後1000〜1200℃の温度で溶体化処理を施すことを
    特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータ用金属材
    料。
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