JP5115942B2

JP5115942B2 - 燃料電池用配管およびその製造方法

Info

Publication number: JP5115942B2
Application number: JP2001250156A
Authority: JP
Inventors: 伊吉渡邊; 輝久高橋
Original assignee: Usui Co Ltd
Current assignee: Usui Co Ltd
Priority date: 2001-08-21
Filing date: 2001-08-21
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2021-08-21
Also published as: JP2003059520A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池、特に固体高分子型燃料電池のシステムに用いられる配管とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
地球温暖化、有害物質による大気汚染または化石燃料の埋蔵量の減少に伴うエネルギー問題の対策の一環として燃料電池の開発が進められている。特に燃料電池自動車については、厳しい走行条件への適合のみならず経済性、効率性等の改善が求められている。
自動車搭載用として最有力視されている固体高分子型燃料電池は、水素と酸素を反応させ、その際に生成する電気エネルギーを取出すもので、水素イオンを選択的に透過するイオン交換膜を電極で挟み込み、負極側に水素、正極側に酸素をそれぞれ流す構造となっている。このイオン交換膜は、一般的に５０〜２００μｍ程度の非常に薄い膜で形成されているため、配管システム内の異物により破壊され易いばかりでなく、電極における触媒反応を阻害する鉄、銅やアルミニウム等のイオンが配管内に残留していたり、新たに発生することにより性能を低下させるため、配管内は異物の残留が極めて少なく、触媒反応を損なうイオンが残留しない清浄な状態が求められている。
【０００３】
この燃料電池用配管には、ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６等のオーステナイト系ステンレス鋼が用いられ、内面を清浄化するため酸洗や電解研磨等を施し、超純水で十分洗浄された高価な配管材料が使用されている。また、フレアー等の配管接続部および曲げ加工部等の塑性加工を受ける部位は、残留応力による応力腐食を避けるため、接続用の管端末部を成形したり曲げ加工を施さずに、内面を清浄化した高価な継手部品等を多数組合わせて用い接続して配管を構成している。さらに、これらの配管材料は、溶接時の熱影響によって鋭敏化した部分の腐食が進むのを避けるため、一切の熱が付加されないよう配慮されている。このような燃料電池用配管は、一般にステンレス配管専用（鉄などの他の材料の製品は一切加工しない）設備で切断、端末成形、穿孔、曲げ等の加工が施され、清浄化処理された後、予め清浄化処理された継手部品等を組付けて配管システムを製造している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ステンレス配管専用設備で燃料電池用配管を製造する従来の方法では、配管設計や製造に制約を受けるばかりか、配管システム価格が非常に高価なものとなるという問題があった。
本発明は、このような従来の問題を解決するためになされたもので、内面が清浄でかつ触媒反応に支障を及ぼすような有害イオンの残留や発生がなく、さらには応力腐食を生じさせるような鋭敏化した組織のない品質良好な燃料電池用配管と、この品質良好な燃料電池用配管をステンレス配管専用設備以外の通常の鋼管等の配管製造設備により安価に提供することができる燃料電池用配管の製造方法を提案することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池用配管は、切断工程、成形工程、穿孔工程、仮付け工程、ろう付・固溶体化熱処理工程のいずれか必要な工程と内面清浄化処理工程とからなる製造ラインにより製造されるステンレス鋼製の燃料電池用配管であって、前記内面清浄化処理工程で端面を含む少なくとも管内面に付着する金属粉を溶解除去する清浄化処理を施した後に、化学Ｎｉめっき工程で端面を含む少なくとも管内面に化学Ｎｉめっきを施すことによって、端面を含む少なくとも管内面に金属イオンの生成を防止することを特徴とするものである。
また、上記燃料電池用配管の製造方法は、切断工程、成形工程、穿孔工程、仮付け工程、ろう付・固溶体化熱処理工程のいずれか必要な工程と内面清浄化処理工程とからなる製造ラインによりステンレス鋼製の燃料電池用配管を製造する方法において、前記内面清浄化処理工程で端面を含む少なくとも管内面に付着する金属粉を溶解除去する清浄化処理を施した後、化学Ｎｉめっき工程で端面を含む少なくとも管内面に化学Ｎｉめっきを施すことを特徴とするものである。
本発明において、前記成形工程にて端末成形および曲げ加工を施した後、付属部品を管に取付ける場合は、仮付け溶接後、固溶体化熱処理工程にてろう付けを行うことを好ましい態様とし、さらに、前記ろう付け手段としては、水素雰囲気中または真空中にてニッケルろう付けする方法を用いることを好ましい態様とするものである。
なお、ここでいう固溶体化熱処理とは、ＪＩＳＢ６９０５「金属製品熱処理用語」の番号１６１１記載の「溶体化処理」を完璧に実施することをいうのではなく、Ｎｉろう付け時の１０００℃を超える加熱により仮付け溶接の加熱で生じた結晶粒界付近の炭化クロムをオーステナイト結晶粒内の固溶を促進させ、完全なる急冷はできなくても、溶体化処理された組織に類似させて鋭敏化していない組織を得る熱処理のことをいう。
また、Ｎｉろう付けとしては、例えば特開２０００−２１９３８９、特開２０００−２１８３９０等に記載されている方法を用いることができる。
【０００６】
本発明において、内面清浄化処理工程で端面を含む少なくとも管内面に付着する金属粉を溶解除去する清浄化処理を施すこととしたのは、以下に記載する理由による。
ステンレス配管専用設備以外の通常の鋼管等の配管製造設備によりステンレス鋼製の燃料電池用配管を製造する場合、切断加工や曲げ加工時に既設の設備に付着しているステンレス鋼以外の金属粉が当該ステンレス配管に付着し、これが腐食・溶出することにより燃料電池の触媒反応に有害な鉄イオン等が発生する。一方、溶接やろう付け工程で発生する熱により、ステンレス管の一部が鋭敏化することにより、当該部分が配管の流体である水分により腐食する。これにより燃料電池用配管としての機能を損なうばかりか、腐食による鉄イオンの流出により触媒反応が損なわれる。
本発明は、このような問題を解決し、内面が清浄でかつ触媒反応に支障を及ぼすような有害イオンの残留や発生がなく、さらには応力腐食を生じさせるような鋭敏化した組織のない品質良好なステンレス鋼製の燃料電池用配管をステンレス配管専用設備以外の通常の配管製造設備により製造する手段として、前記内面清浄化処理工程で端面を含む少なくとも管内面に付着する金属粉を溶解除去する清浄化処理を施す方法を採用したものである。ここで、管内面に付着する金属粉を溶解除去する方法としては、特に限定するものではないが、脱脂後、酸洗浄する方法を用いることができる。
【０００７】
また、本発明において、上記清浄化処理を施した後、化学Ｎｉめっき工程で端面を含む少なくとも管内面に化学Ｎｉめっきを施すのは、例え清浄化処理において、鉄粒子等が内周面に残留するようなことがあっても、化学Ｎｉメッキ被膜により被覆されて遮蔽されることとなり、鉄イオン等が溶出して触媒反応に悪影響を及ぼすことが確実に防止できるからである
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１〜図４は本発明に係るステンレス鋼製の燃料電池用配管を例示したもので、図１は管端部にスプールが設けられた燃料電池用配管の一例を示す側面図、図２は管端にフランジが取付けられた燃料電池用配管の一例を示す側面図、図３は管本体の外面にブラケットが取付けられた燃料電池用配管の一例を示す側面図、図４は管本体にニップルが取付けられた燃料電池用配管の一例を示す一部破断側面図、図５は管端にフランジをろう付けした他の燃料電池用配管の一例を示す部分拡大図、図６は本発明に係る燃料電池用配管の製造方法の一実施例を示す製造工程図、図７は同じく他の実施例を示す製造工程図、図８は図１に示す燃料電池用配管の製造工程図、図９は図２に示す燃料電池用配管の製造工程図、図１０は図３に示す燃料電池用配管の製造工程図、図１１は図４に示す燃料電池用配管の製造工程図である。
【０００９】
図１に示すステンレス鋼製の燃料電池用配管１１は、両管端部に膨出加工によりスプール１１−２を形成した管体１１−１に曲げ加工が施されたものである。図２に示すステンレス鋼製の燃料電池用配管１２は、曲げ加工が施された管体１２−１の両管端に、締結用フランジ１２−２を外嵌し、その嵌合部の外周縁部を仮付け溶接後Ｎｉろう付けしたもので、１２−３がそのＮｉろう付け部である。図３に示すステンレス鋼製の燃料電池用配管１３は、膨出加工によりスプール１３−２が形成された管体１３−１に曲げ加工が施され、この曲げ加工が施された管体１３−１の曲管部の外周面に固定用ブラケット１３−３を仮付け溶接後Ｎｉろう付けしたもので、１３−４がそのＮｉろう付け部である。図４に示すステンレス鋼製の燃料電池用配管１４は、曲げ加工が施された管体１４−１の曲管部に分岐孔１４−１ａを穿設し、該管体１４−１の両管端に締結用フランジ１４−２を、前記分岐孔１４−１ａにニップル１４−３をそれぞれ仮付け溶接し、しかる後締結用フランジ１４−２とニップル１４−３を同時にＮｉろう付けしたもので、１４−４、１４−５がＮｉろう付け部である。
【００１０】
図５に示すステンレス鋼製の燃料電池用配管１５は、管体１５−１の管端部に当該管端部の開口端面を覆うように形成した締結用フランジ１５−２を外嵌し、その嵌合部の外周縁部をＮｉろう付けしたもので、１５−３がそのＮｉろう付け部である。この燃料電池用配管１５の場合は、フランジ１５−２と管体１５−１の間にできる隙間にＮｉろう材１５−４が充填されることにより、管体１５−１の内表面にはろう材フィレットが形成され隙間がなくなり、隙間腐食が防止される。
【００１１】
上記した図１〜図５に示すステンレス鋼製の燃料電池用配管１１〜１５は、すべて内面清浄化処理工程で金属粉が溶解除去されている。したがって、触媒反応に支障を及ぼすような有害イオンの残留や発生がない。
【００１２】
次に、図６、図７に示すステンレス鋼製の燃料電池用配管の製造方法について説明する。
まず図６に示すステンレス鋼製の燃料電池用配管の製造方法は、通常の配管製造設備にてステンレス鋼製の燃料電池用配管を製造する方法であり、管体を所定の長さに切断する切断工程２１、所定の長さに切断された管体に端末成形や曲げ加工を施す成形工程２２、分岐孔等の孔をあける穿孔工程２３、管端部や分岐孔等にフランジや分岐管等の部品を仮付けする仮付け工程２４、前記部品をろう付けするろう付・固溶体化熱処理工程２５と、端面を含む少なくとも管内面に付着する金属粉を溶解除去する内面清浄化処理工程２６からなる製造ラインにてステンレス鋼製の燃料電池用配管を製造する方法である。
この方法において、端面を含む少なくとも管内面に付着する金属粉を溶解除去する清浄化処理手段としては、脱脂後、酸洗浄する方法を用いることができる。この場合、脱脂は塩化メチレンに常温で数分間浸漬して行い、酸洗浄は例えば１５ｖ／ｖ％ＨＮＯ_３水溶液（６７ｗ／ｗ％ＨＮＯ_３使用）＋５ｖ／ｖ％ＨＦ水溶液（４６ｗ／ｗ％ＨＦ使用）を用いて、６０℃で１０分程度浸漬して行う方法を用いることができる。
【００１３】
図７にステンレス鋼製の燃料電池用配管の製造方法は、前記図６に示す製造方法に端面を含む少なくとも管内面に化学Ｎｉめっきを施す化学Ｎｉめっき工程２７を加えた製造ラインにてステンレス鋼製の燃料電池用配管を製造する方法であり、化学Ｎｉめっき工程２７以外は前記図６に示す製造方法と同様の工程からなる。
すなわち、管体を所定の長さに切断する切断工程２１、所定の長さに切断された管体に端末成形や曲げ加工を施す成形工程２２、分岐孔等の孔をあける穿孔工程２３、管端部や分岐孔等にフランジや分岐管等の部品を仮付けする仮付け工程２４、前記部品をろう付けするろう付・固溶体化熱処理工程２５、端面を含む少なくとも管内面に付着する金属粉を溶解除去する内面清浄化処理工程２６と、前記金属粉を溶解除去された管体の内外面にニッケルめっきを施す化学Ｎｉめっき工程２７からなる製造ラインにてステンレス鋼製の燃料電池用配管を製造する方法である。化学Ｎｉめっき方法としては、無電解ニッケルめっきを用いることができる。
【００１４】
図８に示す燃料電池用配管の製造方法は、切断工程２１で管体を所定の長さに切断し、成形工程２２で管体１１−１の両管端部に膨出加工によりスプール１１−２を形成すると共に、曲げ加工を施し、しかる後内面清浄化処理工程２６で端面を含む少なくとも管内面に付着する金属粉を溶解除去する方法である。
図９に示す燃料電池用配管の製造方法は、切断工程２１で管体を所定の長さに切断し、成形工程２２で曲げ加工を施すと共に、その曲げ加工が施された管体１２−１の両管端に仮付け工程２４で締結用フランジ１２−２を外嵌しその嵌合部の外周縁部を仮付け溶接した後、ろう付・固溶体化熱処理工程２５でＮｉろう付けし、しかる後内面清浄化処理工程２６で端面を含む少なくとも管内面に付着する金属粉を溶解除去する方法である。
図１０に示す燃料電池用配管の製造方法は、切断工程２１で管体を所定の長さに切断し、成形工程２２で管体１３−１の両管端部に膨出加工によりスプール１３−２を形成すると共に、曲げ加工を施し、次いで仮付け工程２４で管体１３−１の曲管部の外周面に締結用ブラケット１３−３を仮付け溶接した後、ろう付・固溶体化熱処理工程２５でＮｉろう付けし、しかる後内面清浄化処理工程２６で端面を含む少なくとも管内面に付着する金属粉を溶解除去する方法である。
図１１に示す燃料電池用配管の製造方法は、切断工程２１で管体を所定の長さに切断し、成形工程２２で曲げ加工を施し、続いて穿孔工程２３で曲げ加工が施された管体１４−１の曲管部に分岐孔１４−１ａを穿設し、次いで仮付け工程２４で管体１４−１の両管端に締結用フランジ１４−２を外嵌しその嵌合部の外周縁部を仮付け溶接した後、ろう付・固溶体化熱処理工程２５でＮｉろう付けし、しかる後内面清浄化処理工程２６で端面を含む少なくとも管内面に付着する金属粉を溶解除去する方法である。
【００１５】
【実施例】
実施例１
外径３８ｍｍφ×厚さ１．２ｍｍのステンレス鋼管（ＳＵＳ３０４材）を用い、ステンレス配管専用設備を除く既存の鋼管製造設備により燃料電池用配管を製造した。本実施例では、所定の長さに切断したステンレス鋼管に対し、成形工程にて片端に端末バルジ加工を施し、続いてスチール製芯金を使用して当該鋼管に曲げ加工を施し、次いで孔あけ加工（孔径５．５ｍｍφ）を施し、しかる後前記孔部にステンレス鋼管製分岐管（外径６．３５ｍｍφ、肉厚０．５ｍｍ、長さ２５ｍｍ）を仮付け溶接し、さらに管端部にステンレス製締結用フランジ（外径１１５ｍｍφ、厚さ１２ｍｍ）を仮付け溶接した後、水素炉で通常のニッケルろう付けと固溶体化熱処理を施し、最終工程の内面清浄化処理工程にて脱脂後、酸洗浄を行って端面を含む管内面に付着する金属粉を溶解除去した。脱脂は塩化メチレンに常温で３分間浸漬して行い、酸洗浄は１５ｖ／ｖ％ＨＮＯ_３水溶液（６７ｗ／ｗ％ＨＮＯ_３使用）＋５ｖ／ｖ％ＨＦ水溶液（４６ｗ／ｗ％ＨＦ使用）を用いて、６０℃で１０分浸漬した。
そして洗浄後のステンレス鋼製燃料電池用配管を軸方向に半割切断し、一方は内面、他方は外面を対象に塩水噴霧試験を１６８時間実施し、錆の発生状況を観察した結果、端末成形部、曲げ加工部、分岐管ろう付け部、フランジろう付け部およびろう付けのための仮付け溶接部周辺すべてにわたり赤錆（鉄錆）の発生は確認されなかった。
【００１６】
実施例２
外径１６ｍｍφ×厚さ１．２ｍｍのステンレス鋼管（ＳＵＳ３１６材）を用い、ステンレス配管専用設備を除く既存の鋼管製造設備により実施例１と同様の条件（フランジは外径８０ｍｍφ、厚さ９ｍｍ）で燃料電池用配管を製造し、得られた燃料電池用配管を実施例１と同様の評価試験を行って錆の発生状況を観察した結果、本実施例においても端末成形部、曲げ加工部、分岐管ろう付け部、フランジろう付け部およびろう付けのための仮付け溶接部周辺すべてにわたり赤錆（鉄錆）の発生は確認されなかった。
【００１７】
実施例３
外径３８ｍｍφ×厚さ１．２ｍｍのステンレス鋼管（ＳＵＳ３０４材）を用い、ステンレス配管専用設備を除く既存の鋼管製造設備により実施例１と同様の条件で孔あけ加工、端末バルジ加工、曲げ加工、分岐管およびフランジの仮付け溶接、ニッケルろう付けと固溶体化熱処理を施した後、アルカリ脱脂、水洗、酸洗を行って端面を含む管内面に付着する金属粉を溶解除去し、その後水洗し、分岐管およびフランジを含む内外面全体に無電解ニッケルめっきを施し、水洗、乾燥させて燃料電池用配管を製造した。本実施例におけるアルカリ脱脂は、常温の水溶液（ユケン工業株式会社製パクナルＬＦ６１２４５ｇ／ｌ水溶液）に３分間浸漬して行った。水洗はすべて、常温の水道水に３分間浸漬して行った。酸洗は、常温の１０ｖ／ｖ％塩酸水溶液（３５ｗ／ｗ％塩酸使用）中に３分間浸漬した。無電解ニッケルめっきは、９０〜９３℃に加温した水溶液（日本カニゼン製シューマーＳ−７８０−Ｏの５倍希釈水溶液）に１５分間浸漬して行い、分岐管およびフランジを含む内外面全体に厚さ５μｍのニッケルーりん合金めっきを施した。乾燥手段には圧縮空気（５ｋｇｆ／ｃｍ^２）で水分を吹き飛ばす方法を用いた。得られた燃料電池用配管に対し実施例１と同様の評価試験を行って錆の発生状況を観察した結果、本実施例においても端末成形部、曲げ加工部、分岐管ろう付け部、フランジろう付け部およびろう付けのための仮付け溶接部周辺すべてにわたり赤錆（鉄錆）の発生は確認されなかった。
【００１８】
比較例１
実施例１と同じ燃料電池用配管用ステンレス鋼管を用い、実施例１と同様の条件で孔あけ加工、端末バルジ加工、曲げ加工、分岐管およびフランジの仮付け溶接を行い、通常の銀ろう付けを施した後、アルカリ脱脂液で通常の洗浄を行って得られた燃料電池用配管に対し実施例１と同様の評価試験を行って錆の発生状況を観察した結果、端末バルジ加工部の一部および管の切断端面に赤錆が確認された。また、曲げ加工部の芯金と擦られた部分に線状の赤錆が確認され、さらに分岐管およびフランジの接合部に赤錆が確認された。これは、切断加工や曲げ加工時に既設の鋼管製造設備に付着しているステンレス鋼以外の金属粉が当該ステンレス配管に付着し、これが腐食することにより発生したものであり、燃料電池の触媒反応に有害な鉄イオンが発生したことによるものと推察される。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したごとく、本発明のステンレス鋼製の燃料電池用配管は、安価で、内面が清浄でかつ触媒反応に支障を及ぼすような有害イオンの残留や発生のない品質良好なものである。また、本発明方法によれば、内面が清浄でかつ触媒反応に支障を及ぼすような有害イオンの残留や発生のない品質良好なステンレス鋼製の燃料電池用配管をステンレス配管専用設備以外の通常の配管製造設備により安価に製造することができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るステンレス鋼製の燃料電池用配管で、管端部にスプールが設けられた燃料電池用配管の一例を示す側面図である。
【図２】同じく本発明に係るステンレス鋼製の燃料電池用配管で、管端にフランジが取付けられた燃料電池用配管の一例を示す側面図である。
【図３】同じく本発明に係るステンレス鋼製の燃料電池用配管で、管本体の外面にブラケットが取付けられた燃料電池用配管の一例を示す側面図である。
【図４】同じく本発明に係るステンレス鋼製の燃料電池用配管で、管本体にニップルが取付けられた燃料電池用配管の一例を示す一部破断側面図である。
【図５】同じく本発明に係るステンレス鋼製の燃料電池用配管で、管端にフランジをろう付けした他の燃料電池用配管の一例を示す部分拡大図である。
【図６】本発明に係る燃料電池用配管の製造方法の一実施例を示す製造工程図である。
【図７】同じく他の実施例を示す製造工程図である。
【図８】図１に示す燃料電池用配管の製造工程図である。
【図９】図２に示す燃料電池用配管の製造工程図である。
【図１０】図３に示す燃料電池用配管の製造工程図である。
【図１１】図４に示す燃料電池用配管の製造工程図である。
【符号の説明】
１１、１２、１３、１４、１５燃料電池用配管
１１−１、１２−１１３−１、１４−１、１５−１管体
１１−２スプール
１２−２、１４−２、１５−２締結用フランジ
１３−３締結用ブラケット
１４−３締結用ニップル
１２−３、１３−４、１４−４、１４−５、１５−３Ｎｉろう付け部
１５−４Ｎｉろう材
２１切断工程
２２成形工程
２３穿孔工程
２４仮付け工程
２５ろう付・固溶体化熱処理工程
２６内面清浄化処理工程
２７化学Ｎｉめっき工程

Claims

切断工程、成形工程、穿孔工程、仮付け工程、ろう付・固溶体化熱処理工程のいずれか必要な工程と内面清浄化処理工程とからなる製造ラインにより製造されるステンレス鋼製の燃料電池用配管であって、前記内面清浄化処理工程で端面を含む少なくとも管内面に付着する金属粉を溶解除去する清浄化処理を施した後に、化学Ｎｉめっき工程で端面を含む少なくとも管内面に化学Ｎｉめっきを施してなる燃料電池用配管。
切断工程、成形工程、穿孔工程、仮付け工程、ろう付・固溶体化熱処理工程のいずれか必要な工程と内面清浄化処理工程とからなる製造ラインによりステンレス鋼製の燃料電池用配管を製造する方法において、前記内面清浄化処理工程で端面を含む少なくとも管内面に付着する金属粉を溶解除去する清浄化処理を施した後、化学Ｎｉめっき工程で端面を含む少なくとも管内面に化学Ｎｉめっきを施すことを特徴とする燃料電池用配管の製造方法。