JPH06168727A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 運転寿命の長い燃料電池を提供する。 【構成】 薄板構造体のセパレータ３やガス流路部材１
８，１９等の表面に、第１のアルミニウム合金層２１
と、この第１のアルミニウム合金層２１に生じた亀裂２
２よりも深く、該第１のアルミニウム合金層２１のアル
ミニウムを加熱拡散させてなる第２のアルミニウム合金
層２３とを設けているので、第１のアルミニウム合金層
２１を設けた後に、形状修正等を行うことによって生じ
た第１のアルミニウム合金層２１から母材２０にまで達
する亀裂２２についても、第２のアルミニウム合金層２
３によって覆われることになり、母材２０は腐蝕環境に
直接晒されることがなくなる。このため薄板構造体の耐
蝕性が増すことになり、燃料電池の運転寿命を長くする
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電解質に溶融炭酸塩を
用いた燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知の通り、電解質に燃料ガス及び酸化
剤ガスを供給し反応させて起電する燃料電池は、化学エ
ネルギーを電気エネルギーに直接変換するもので変換効
率が高い。そして使用する電解質によって種々の種類が
あり、また一般に素電池の電圧が１Ｖ前後と低いため、
発電プラントなどのように高い出力電圧を要求されるも
のでは、複数の素電池の間にセパレータを設け、それら
が直列に接続されるように積層することによって構成さ
れる。さらに燃料電池は用いる電解質の種類によって燃
料ガス及び作動温度が異なるため、それぞれ構造が異っ
ている。

【０００３】このような燃料電池のうち、電解質に溶融
炭酸塩を用いた溶融炭酸塩型の燃料電池では作動温度が
６５０℃程度にまで達し、強い腐蝕環境を呈する。この
ため、例えば素電池間に挿入されるセパレータやガス流
路部材等は、ステンレス鋼板やニッケル（Ｎｉ）系鉄合
金板などで形成されると共に、その表面にはアルミニウ
ム（Ａｌ）を拡散処理し、Ａｌ合金層を設けるようにし
た耐蝕処理が施されている。

【０００４】例えばセパレータは、薄いステンレス鋼板
をプレス成形し、溶接あるいは接合などにより組み合わ
せて形成された薄板構造体であって、その両面側にはそ
れぞれ隣接して配置される素電池の燃料ガスもしくは酸
化剤ガスの流路が設けられている。そしてＡｌ拡散処理
は、簡便・安価でしかも均一な処理層が得られることよ
り、薄い鋼板を組み合わせた後に７００℃程度の高温の
溶融Ａｌ浴中に浸漬する浸漬処理法によって行われ、ス
テンレス鋼板の表面に耐蝕性を有するＡｌ合金層が形成
される。

【０００５】しかしながら、このような薄板構造体のセ
パレータには高温の溶融Ａｌ浴中に浸漬することで浸漬
処理後に過大な変形が生じ、その後の燃料電池の組み立
て製造を困難なものにし、またシール面の面精度が得ら
れずガス等が漏洩するなどの問題が生じる。

【０００６】このため溶融Ａｌ浴中に浸漬処理した後に
所定の精度を出すように変形の修正が行われる。しか
し、この場合にはＡｌ合金層が非常に硬く脆いものであ
るから、ステンレス鋼板の母材部分にまで達する微小亀
裂が生じる可能性がある。Ａｌ合金層に亀裂が生じると
その部分から母材の腐蝕が進行し、耐蝕層としてＡｌ合
金層を設けても充分に機能しないことになる。そして、
これによって燃料電池の運転寿命は短いものとなってい
た。

【０００７】同様に、薄板構造体であるガス流路部材な
どにおいても変形修正時に表面のＡｌ合金層に亀裂が入
ると、耐蝕層として充分に機能しないことになる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、高温の
溶融Ａｌ浴中に浸漬して耐蝕処理を施すと薄板構造体に
形状変形が生じ、この変形を修正すると表面に形成され
たＡｌ合金層に母材部分にまで達する微小亀裂が生じる
可能性があり、これによって従来は薄板構造体が腐蝕し
燃料電池の寿命は短いものとなっていた。このような状
況に鑑みて本発明はなされたもので、その目的とすると
ころは薄板構造体の母材が腐蝕環境に直接接触しないよ
うにし、耐蝕性を増すことによって運転寿命を長くした
燃料電池を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の燃料電池は、複
数の素電池と、これら素電池の間に分離するように挿入
されると共に素電池への燃料ガス及び酸化剤ガスの供給
路を構成する薄板構造体を備えた燃料電池において、薄
板構造体の表面に、第１のアルミニウム合金層と、この
第１のアルミニウム合金層に生じた亀裂よりも深く該第
１のアルミニウム合金層のアルミニウムを加熱拡散させ
てなる第２のアルミニウム合金層とを設けたことを特徴
とするものである。

【００１０】

【作用】上記のように構成された燃料電池は、薄板構造
体の表面に、第１のアルミニウム合金層と、この第１の
アルミニウム合金層に生じた亀裂よりも深く該第１のア
ルミニウム合金層のアルミニウムを加熱拡散させてなる
第２のアルミニウム合金層とを設けているので、第１の
アルミニウム合金層を設けた後に、形状修正等を行うこ
とによって生じた第１のアルミニウム合金層から母材に
まで達する亀裂についても、第２のアルミニウム合金層
によって覆われることになり、母材は腐蝕環境に直接晒
されることがなくなる。このため薄板構造体の耐蝕性が
増すことになり、燃料電池の運転寿命を長くすることが
できる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１乃至図３を参
照して説明する。図１は燃料電池本体の概略を示す斜視
図であり、図２はセパレータの一部を断面で示す斜視図
であり、図３は変形修正後の断面状況を模式的に示す図
であり、図４は再加熱処理した後の断面状況を模式的に
示す図であり、図５は処理温度を高くして再加熱処理し
た後の断面状況を模式的に示す図である。

【００１２】図１及び図２において燃料電池本体１は、
例えば炭酸リチウム（Ｌｉ₂ ＣＯ₃）、炭酸カリウム
（Ｋ₂ ＣＯ₃ ）、炭酸ナトリウム（Ｎａ₂ ＣＯ₃ ）等の
溶融炭酸塩を用いた図示しない電解質板の両面に、例え
ばニッケル（Ｎｉ）−クローム（Ｃｒ）の多孔性焼結体
等を基材とした同じく図示しない正・負電極を配設した
素電池２を、隣り合う素電池２の間にセパレータ３を介
在させ直列に接続されるよう複数積層して構成されてい
る。

【００１３】セパレータ３は略方形状の外形を有するも
ので、例えばＳＵＳ３１０Ｓの厚さが０．３〜０．４ｍ
ｍのステンレス鋼板で形成された薄板構造体をなしてお
り、浅皿状で底部中央部に方形の大きな開口４を有する
２枚のエッジ板５を、間にセパレータ板６を挟むように
組み合わせ外周縁部を気密に溶接してある。これによっ
て２枚のエッジ板５とセパレータ板６の両面との間に、
それぞれ燃料ガス路７と酸化剤ガス路８が形成されてい
る。

【００１４】また、セパレータ板６の両面の開口４を臨
む位置には、正・負電極との電気的な接触を保ち、対応
するガスを供給できるようにしながらこれらを支持する
波板９が固着されている。さらにセパレータ３には、両
端部に２枚のエッジ板５とセパレータ板６を貫通して、
燃料ガス入口マニホールド１０及び燃料ガス出口マニホ
ールド１１、酸化剤ガス入口マニホールド１２及び酸化
剤ガス出口マニホールド１３が設けられている。そして
燃料ガス入口マニホールド１０及び燃料ガス出口マニホ
ールド１１には燃料ガス路７が開口し、酸化剤ガスマニ
ホールド１２及び酸化剤ガス出口マニホールド１３には
酸化剤ガス路８が開口するように形成されている。

【００１５】一方、積層された素電池２の間に設けられ
た隣り合うセパレータ３の各ガスマニホールド１０，１
１，１２，１３の対応するものの間には、燃料ガス流路
１４，１５、酸化剤ガス流路１６，１７を形成するよう
にＮｉ系鉄合金板で形成されたガス流路部材１８，１９
が、電気的に絶縁されるようにして気密に接続されてい
る。

【００１６】そして腐蝕環境で使用されるセパレータ３
の耐蝕処理は、セパレータ３に組み合わせる前に各構成
部材の段階で次のようにして行われる。以下、代表的な
２通りの加工手順について図３乃至図５を参照して説明
する。

【００１７】先ず第１の加工手順について説明する。こ
の手順ではエッジ板５に開口４及び各ガスマニホールド
１０，１１，１２，１３の開口を形成し、約７００℃の
溶融Ａｌ浴中に浸漬してステンレス鋼板の母材２０の表
面に厚さ約２５μｍの第１のＡｌ合金層２１を形成す
る。この高温の浸漬処理で、薄板で方形状をなし、約１
ｍ² 程度の開口面積を有する開口４が形成されたエッジ
板５には急激な温度変化が加えられ、過大な変形が発生
する可能性がある。

【００１８】続いて第１のＡｌ合金層２１が表面に形成
されたエッジ板５は浅皿状にプレス加工され、過大な変
形が発生した場合でも所定の形状に成形される。そして
この加工によって図３に示すように母材２０表面の硬く
て脆い第１のＡｌ合金層２１には母材２０に達する微小
亀裂２２が発生する。

【００１９】次に第２の加工手順について説明する。こ
の手順ではエッジ板５に開口４及び各ガスマニホールド
１０，１１，１２，１３の開口を形成し、浅皿状にプレ
ス加工を行った後、約７００℃の溶融Ａｌ浴中に浸漬し
てステンレス鋼板の母材２０の表面に厚さ約２５μｍの
第１のＡｌ合金層２１を形成する。

【００２０】この高温の浸漬処理で、同様に薄板で方形
状をなし、約１ｍ² 程度の開口面積を有する開口４が形
成されたエッジ板５には急激な温度変化が加えられ、過
大な変形が発生する可能性がある。そして変形が発生し
た場合には再プレス成形等によって修正し、所定の形状
（寸法精度、面精度等）が得られるよう変形を低減す
る。

【００２１】特に開口４の周縁部４ａは電解質板との間
でウェットシールを形成するため、高い面精度が要求さ
れ形状修正が必須となる。こうして変形を低減するため
修正加工を施すと、図３に示すように母材２０表面の硬
くて脆い第１のＡｌ合金層２１には母材２０に達する微
小亀裂２２が発生する。

【００２２】そして上記の各手順で所定の形状とされた
ものは、次にエッジ板５を再び７００℃以上の所定の温
度にまで昇温し、この状態を所定時間維持した後に徐々
に降温する。この処理過程は、第１のＡｌ合金層２１の
Ａｌが母材２０に拡散することによって新たに第２のＡ
ｌ合金層２３を形成し、図４に示すように第１のＡｌ合
金層２１に生じていた微小亀裂２２の先端部分を第２の
Ａｌ合金層２３で覆うように行う。これによって微小亀
裂２２と母材２０との間に第２のＡｌ合金層２３でなる
耐蝕層が介在することになり、母材２０に直接達する亀
裂はなくなる。

【００２３】なお再加熱による第１のＡｌ合金層２１の
Ａｌの母材２０への拡散は、処理時間を一定とした状態
でより高い温度にまで昇温することによって、図５に示
すようにより深いところにまで行うことができ、また処
理時間を長くすることによってもより深い拡散を行うこ
とができ、厚い第２のＡｌ合金層２４を設けることがで
きる。

【００２４】さらにセパレータ板６や波板９についても
エッジ板５と同様に、溶融Ａｌ浴中への浸漬処理、変形
修正、再加熱によるＡｌの拡散を行って耐蝕処理を施
す。そして耐蝕処理されたエッジ板５やセパレータ板６
及び波板９を溶接等によって接合してセパレータ３は組
み立てられる。

【００２５】一方、Ｎｉ系鉄合金板でなる薄板構造体の
ガス流路部材１８，１９についてもエッジ板５と同様
に、溶融Ａｌ浴による浸漬処理及び形状修正後の再加熱
によるＡｌの拡散によって耐蝕層を形成する。

【００２６】そして、以上のように耐蝕処理された薄板
構造体の構成部材や素電池２などとにより燃料電池本体
１は構成され、燃料電池の運転に際して、先ず所定温度
にまで昇温される。次いで電解質板の炭酸塩を溶融させ
た状態で燃料ガス流路１４から燃料ガス入口マニホール
ド１０を通じて、主成分が水素（Ｈ₂ ）と二酸化炭素
（ＣＯ₂ ）の燃料ガスＡを燃料ガス路７に送り込み、同
時に酸化剤ガス流路１６から酸化剤ガス入口マニホール
ド１２を通じて、主に空気に二酸化炭素（ＣＯ₂）が加
えられてなる酸化剤ガスＢを酸化剤ガス路８に送り込む
ことによって運転が開始され、燃料ガスＡの発電反応が
行われる。そして発電反応を終了した各ガスは、それぞ
れ燃料ガス出口マニホールド１１及び酸化剤ガス出口マ
ニホールド１３を介して各ガス路１５，１７に集めら
れ、次段の燃料改質装置への送給あるいは大気中への排
出等が行われる。

【００２７】このように運転され発電が行われる間、セ
パレータ３は高温で強い腐蝕環境に晒されるが、第１の
Ａｌ合金層２１に発生した亀裂２２については第２のＡ
ｌ合金層２３によって覆われて母材２０は防護され、ま
たガス流路部材１８，１９も通流するガスＡ，Ｂ，Ｃ，
Ｄによる腐蝕環境に晒されるが、同様にＡｌ合金でなる
耐蝕層によって母材は防護され、燃料電池は長期にわた
り安定して運転することができる。

【００２８】尚、上記の実施例においてはセパレータ３
等の薄板構造体が、各構成部材に第２のＡｌ合金層２３
を形成した後に溶接接合することによって組み立てられ
ているが、第１のＡｌ合金層２１を形成した後に溶接接
合し、その後に加熱拡散処理することによって第２のＡ
ｌ合金層２３を形成するようにしてもよく、この場合に
は溶接による残留応力の除去処理が同時に行える。さら
に溶接歪みの小さい高エネルギ密度の溶接を選択するこ
とによって、溶接部での微小亀裂の発生が抑制されＡｌ
濃度も比較的高い耐蝕性も良好なものとなる。ちなみに
電子ビーム溶接：レーザー溶接：Ｔｉｇ溶接の間では、
溶接部のＡｌ濃度の比が３：２：１であった。

【００２９】また、最初に形成する第１のＡｌ合金層２
１の形成方法については、溶融Ａｌ浴中に浸漬する浸漬
処理方法に限るものではなく、電気化学的な方法や溶射
による方法などでもよく、さらに亀裂２２等が生じた部
位にＡｌ層を部分的に付着させておいてから加熱するこ
とによってＡｌを拡散させ、第２のＡｌ合金層２３を形
成するようにしてもよい等、要旨を逸脱しない範囲内で
適宜変更して実施し得るものである。

【００３０】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明
は、薄板構造体の表面に、第１のアルミニウム合金層
と、この第１のアルミニウム合金層に生じた亀裂よりも
深く該第１のアルミニウム合金層のアルミニウムを加熱
拡散させてなる第２のアルミニウム合金層とを設ける構
成としたことにより、耐蝕性が増し運転寿命を長くする
ことができる効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の燃料電池本体の概略を示す
斜視図である。

【図２】図１におけるセパレータの一部を断面で示す斜
視図である。

【図３】図１における要部の変形修正後の断面状況を模
式的に示す図である。

【図４】図１における要部の再加熱処理した後の断面状
況を模式的に示す図である。

【図５】図１における処理温度を高くしての要部の再加
熱処理した後の断面状況を模式的に示す図である。

【符号の説明】

３…セパレータ ２０…母材 ２１…第１のアルミニウム合金層 ２２…亀裂 ２３…第２のアルミニウム合金層

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の素電池と、これら素電池の間に分
   離するように挿入されると共に前記素電池への燃料ガス
   及び酸化剤ガスの供給路を構成する薄板構造体を備えた
   燃料電池において、前記薄板構造体の表面に、第１のア
   ルミニウム合金層と、この第１のアルミニウム合金層に
   生じた亀裂よりも深く該第１のアルミニウム合金層のア
   ルミニウムを加熱拡散させてなる第２のアルミニウム合
   金層とを設けたことを特徴とする燃料電池。