JPH0644488B2 - 溶融炭酸塩型燃料電池 - Google Patents

溶融炭酸塩型燃料電池

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JPH0644488B2
JPH0644488B2 JP62270171A JP27017187A JPH0644488B2 JP H0644488 B2 JPH0644488 B2 JP H0644488B2 JP 62270171 A JP62270171 A JP 62270171A JP 27017187 A JP27017187 A JP 27017187A JP H0644488 B2 JPH0644488 B2 JP H0644488B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、新規な溶融炭酸塩型燃料電池に係り、特に耐
食性の高い波板セパレータを備えた溶融炭酸塩型燃料電
池に関する。
〔従来の技術〕
近年、石油資源の問題に対して、省エネルギー機器の開
発研究が重要な問題となっている。これに対して、LN
G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2図は溶融炭酸塩型燃料電池の基本構成を示し、電池
は電解質体1と、その電解質体1の両側の配置されたカ
ソード2およびアノード3と、これらの外側に配置され
た一対のセパレータ5とからなり、一対の端板6により
被覆されている。またセパレータ5には溝状の複数のガ
ス流路8が形成されている。
溶融塩型燃料電池は、炭酸リチウム(Li2CO3)と炭酸カ
リウム(K2CO3)等のアルカリ金属塩を電解質とし
て、その融点以上の600〜750℃の温度域で作動さ
れる。その電池は、アノード3に燃料である水素又は水
素含有ガスを供給し、カソード2に酸化剤である空気と
炭酸ガスとを供給することにより下記式の電気化学的反
応が進行して発電が行われる。
アノード(水素極):2H2+2CO3 2-→CO2+2H2
O+4e…(1) カソード(空気極):O2+2CO2+4e→2CO3
2-…(2) すなわち、アノード3で水素と炭酸イオンが反応して水
と炭酸ガスを生成すると共に、電子を外部回路に放出す
る。一方、カソード2では酸素と炭素ガスが外部回路か
らの電子と反応して炭素イオンを生成する。
以上のように、本発明が対象としているセパレータ5
は、反応ガスの流路を確保するばかりでなく発電した電
気を集電する役目を有している。
〔発明が解決しようとする問題点〕
第2図におけるセパレータ5は、ガス流路8を機械切削
加工によって製作している。しかし、大出力溶融塩型燃
料電池の場合、セパレータ5が大型化するため、ガス流
路8を切削加工するのでは、加工に多大な時間を要する
ばかりでなく、重量軽減のため薄板状のセパレータ5と
した場合に加工歪によって変形するため、セパレータ5
の板厚を薄くするにも限度がある。
それに対して、第1図は、切削加工にかわってガス流路
8を波板9により形成したセパレータ5を示す。この技
術は、日本金属学会会報第23巻,第8号に述べられて
いるが、薄板をロール又はギア等によって波型に成形し
て波板9とし、それを端板6に取付けたものである。こ
の方法によれば、上述の切削加工による諸問題が解決さ
れ、電池の軽量化及び大型化が可能となる。
また、セパレータは、表面に溶融塩が付着し、腐食ガス
雰囲気中で650℃の高温にさらされるため、高耐食性
材料が要求されている。材料としては、「鉄と鋼,No.
5Vol73,82P(1987)」に記載されているごとく、
高Cr高合金鋼が適用される。
しかしながら高合金鋼は塑性加工性に難点があり、塑性
加工前の材料性質によっては波板加工中に割れが発生す
る。また、高合金鋼といえどもセパレータは、過酷な腐
食環境下で長時間さらされるため、より一層の耐食性向
上が望まれている。
本発明の目的は、セパレータのガス流路に適用される波
板の塑性加工性を向上できると共に耐食性を向上させる
ことができるようにした溶融炭酸塩型燃料電池を提供す
ることにある。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は、電解質体とその該電解質体の両面に配置され
た電極と、その電極の外側に配置されたセパレータとを
備え、セパレータのガス流路を波板により形成した溶融
炭酸塩型燃料電池において、前記波板材は重量で、炭素
0.01〜0.05%、けい素1%以下、マンガン2%
以下、ニッケル15〜35%、クロム15〜35、アル
ミニウム0.1〜0.9%を含有するとともに、イット
リウム,ランタン,セリウム,スカンジウム及びジルコ
ニウムの1種以上を0.015〜0.5%含有し、残部
が鉄及び不可避不純物からなり、前記波板の成形前に薄
板を好ましくは950℃以上で加熱後急冷させ、更に薄
板表面に酸化皮膜を生成させたものであり、かつ波板成
形後にも波板表面に酸化皮膜が形成されているものであ
る。
〔作用〕
上記の構成によれば波板加工前の薄板は、塑性加工性に
富む組織を有し、波板加工を施しても割れが発生しない
ばかりでなく、波板表面には耐食性に富む酸化皮膜が形
成されているため波板の耐食性が向上する。
以下、本発明による鉄基合金の構成部分を上記のように
限定した理由について説明する。
炭素は、オーステナイト形成元素であるが、0.05%
を超えて含有すると熱間加工性及び耐酸化性を悪くする
ので0.05%以下とした。0.01%未満では強度が
低下するので、0.01%以上とすべきである。
けい素は、高温強度及び耐酸化性を改善する効果がある
が、過度に存在すると溶接性及び加工性を阻害するので
上限を1%とした。特に、0.5〜0.9%が好まし
い。
マンガン(Mn)はオーステナイト形成元素であるが、
耐酸化性をやや悪くするので低い方が好ましい。通常の
ステンレス鋼に含有されている程度とし、2%以下とす
る。特に、0.5〜1.5%が好ましい。
ニッケル(Ni)はオーステナイト系ステンレス鋼の基
本的元素の一つである。オーステナイト組織を維持する
ため下限を15%とする。一方、35%を越える含有は
耐硫化性を劣化させるため好ましくない。特に、25〜
31%が好ましい。
クロム(Cr)は、耐溶融塩腐食性の基本となる成分で
最低でも15%必要だが、35%を越えて添加しても効
果が飽和する。特に、23〜26%が好ましい。
アルミニウム(Al)は1%以上の場合耐溶融塩腐食性
改善に有効であるが、0.9%以下の単独添加では逆に
悪影響を及ぼす。本発明は、イットリウム(Y)との複
合添加でなければ効果が得られず、0.1%以上0.9
%以下とした。特に、0.3〜0.6%が好ましい。
イットリウム(Y)は、0.015%以上でアルミニウ
ム(Al)との複合添加により耐溶融塩腐食性を改善す
るためのもので主要元素であるが、多量に添加すると加
工性を低下させるので上限を0.5%とした。特に、
0.1〜0.3%が好ましい。
更に、ランタン(La),セリウム(Ce),スカンジ
ウム(Sc),ジルコニウム(Zr)及びガドリニウム
(Gd)の希土類元素のうち1種以上を0.015〜
0.5%添加すると、イットリウム(Y)と同様にアル
ミニウム(Al)と複合作用して耐溶融塩腐食性の向上
に効果を発揮する。しかし0.5%を越えると、加工性
が低下するので上限を0.5%とする。特に、0.05
〜0.3%が好ましい。
〔実施例1〕 以下本発明の実施例を述べる。
第1表に実験に用いた供試材の化学組成(重量%)を示
す。この材料は、SUS310系鋼にAl,Yが含有し
ている。残部はFeである。
供試材は、真空溶解炉にて溶製した。溶製後は950〜
1100℃の温度域で板厚10mmまで熱間鍛造を施し
た。その後ロール冷間圧延で板厚0.3mmまで圧延し、
それを被試験材に用いた。
被試験材の塑性加工性を歯車噛み込み成形によって検討
した。その歯車の形状は、凸部幅1.5mm,凹部幅1.
5mm,歯深さ1.5mm,歯ピッチ5mmである。被試験体
の熱処理条件は、600,800,950,1050℃
で1時間保持後水冷とした。
第2表は、歯車噛み込み法によって被試験体を波形に成
形加工し、熱処理と割れの有無との関係を実験した結果
である。その結果、800℃以下の熱処理では割れが発
生し、950℃以上では割れが認められない。代表例と
して割れが発生した600℃比較材及び割れが発生しな
かった1050℃本発明材の光学顕微鏡組織を観察した結
果、割れが発生した600℃材では粒界に炭化物が多数
析出している。一方、割れが発生しなかった1050℃材
は、結晶粒界への炭化物の析出は認められない。すなわ
ち、波板成形時の割れ発生の要因は結晶粒界への炭化物
の粒界析出に伴なう塑性加工性の低下のためである。し
たがって、本発明の割れの発生しない波板を得るには、
950℃以上で熱処理を施し、結晶粒界への炭化物の析
出を防止する必要があることが明らかである。
本発明は第1表に示す鋼種ばかりでなく、その他熱処理
により結晶粒界への炭化物の析出を伴なう鋼種ならば、
いずれにも適用可能である。
次に、第1実施例において高温で熱処理した際に板表面
に生成される酸化スケールと腐食との関係を検討した。
供試材には、第1表の成分の材料を用いた。被試験体に
は、冷間ロール圧延で0.3mmまで圧延し、その後10
50℃,1時間保持後水冷の熱処理を施した。腐食試験
片は、上記熱処理によって生成された酸化皮膜を付着さ
せたままのもの(本発明)と、酸化皮膜をサンドペーパ
によって除去したもの(比較例)の2種類を用いた。腐
食試験は、Li2CO3:K2CO3=62:38(モル
比)の混合塩中に浸漬させ、空気:CO2=70:30
のガス腐食雰囲気で、750℃,480時間の条件で実
施した。
なお、腐食の評価は、下式に示す減肉厚さによって求め
た。
第3表に腐食試験結果を示す。減肉厚さは、比較材が2
4μmであるのに対して、本発明材は19μmである。
この結果、表面に酸化スケールを生成させた波板材は、
比較材に比べて耐食性が向上していることが明らかであ
る。
実施例2 実施例1と同様に第4表に示す化学組成(重量%)を有
する試料を製造するとともに、1050℃で1時間保持
後水冷の溶体化処理を施し、成形加工性及び腐食試験を
行った。本願発明の供試材はいずれも成形加工後の割れ
は認められなかった。更に、腐食試験後の減肉厚さはい
ずれも約18μmであり、耐食性が優れたものであっ
た。
〔発明の効果〕 上述のごとく、本発明によれば、セパレータのガス流路
に適用される波板は、あらかじめ熱処理によって塑性加
工性を向上されているので波板成形が可能となるばかり
でなく、波板表面に付着した酸化皮膜が保護皮膜となっ
て耐食性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】 第1図は本発明の実施例に係るガス流路に波板を使用し
た溶融炭酸塩型燃料電池の概略縦断面図、第2図は溶融
炭酸塩型燃料電池の基本構成を示す分解斜視図である。 1……電解質体、2……カソード(空気極)、3……ア
ノード(水素極)、5……セパレータ、8……ガス流
路、9……波板。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ▲吉▼田 武彦 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (56)参考文献 特開 昭61−51769(JP,A) 特開 昭61−216256(JP,A) 特開 昭61−161665(JP,A)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】電解質体と、該電解質体の両面に配置され
    た電極と、該電極の外側に配置されたセパレータとを備
    え、該セパレータのガス流路を波板により形成した溶融
    炭酸塩型燃料電池において、前記波板は、重量で炭素
    0.01〜0.05%,けい素1%以下,マンガン2%
    以下,ニッケル15〜35%,クロム15〜35%,ア
    ルミニウム0.1〜0.9%を含有するとともに、イッ
    トリウム,ランタン,セリウム,スカンジウム及びジル
    コニウムの1種以上を0.015〜0.5%含有し、残
    部が鉄及び不可避不純物からなり、前記波板は主にオー
    ステナイト相を有し、波板表面に酸化皮膜を有すること
    を特徴とする溶融塩型燃料電池。
JP62270171A 1987-10-28 1987-10-28 溶融炭酸塩型燃料電池 Expired - Fee Related JPH0644488B2 (ja)

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