JPH04358044A - 溶融炭酸塩型燃料電池セパレータ用高耐食鋼板 - Google Patents
溶融炭酸塩型燃料電池セパレータ用高耐食鋼板Info
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- JPH04358044A JPH04358044A JP3133073A JP13307391A JPH04358044A JP H04358044 A JPH04358044 A JP H04358044A JP 3133073 A JP3133073 A JP 3133073A JP 13307391 A JP13307391 A JP 13307391A JP H04358044 A JPH04358044 A JP H04358044A
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、高温アルカリ炭酸塩を
使用する溶融炭酸塩型燃料電池セパレータ用の材料に関
するもので、アノード、カソード両環境での耐食性に優
れることを特徴とするものである。
使用する溶融炭酸塩型燃料電池セパレータ用の材料に関
するもので、アノード、カソード両環境での耐食性に優
れることを特徴とするものである。
【０００２】
【従来の技術】溶融炭酸塩型燃料電池は、水素などの還
元性ガスと酸素などの酸化性ガスを炭酸塩の存在下で反
応させ電力を得るシステムである。電池は７００℃前後
の高温で運転されるため腐食性の高い環境となっており
、電池の構成材料の耐食性が電池全体の寿命を決定して
いる。特に腐食の激しい部材は、アノード極とカソード
極を隔てているセパレータである。電池では、還元性ガ
スと酸化性ガスの特性の異なる２種類のガスを使用して
いるため、アノード極付近では還元性環境、カソード極
付近では酸化性環境となっている。このため、セパレー
タ上では片面で還元性環境での腐食、もう片面で酸化性
環境での機構の異なった腐食が起こっている。このため
、セパレータは還元性環境と酸化性環境での耐食性が共
に優れた材料でなくてはならない。さらに、セパレータ
は電流の通路にもなっているため、アルミナなどの電気
絶縁性の酸化スケールが生成する合金やセラミックスは
不適当である。
元性ガスと酸素などの酸化性ガスを炭酸塩の存在下で反
応させ電力を得るシステムである。電池は７００℃前後
の高温で運転されるため腐食性の高い環境となっており
、電池の構成材料の耐食性が電池全体の寿命を決定して
いる。特に腐食の激しい部材は、アノード極とカソード
極を隔てているセパレータである。電池では、還元性ガ
スと酸化性ガスの特性の異なる２種類のガスを使用して
いるため、アノード極付近では還元性環境、カソード極
付近では酸化性環境となっている。このため、セパレー
タ上では片面で還元性環境での腐食、もう片面で酸化性
環境での機構の異なった腐食が起こっている。このため
、セパレータは還元性環境と酸化性環境での耐食性が共
に優れた材料でなくてはならない。さらに、セパレータ
は電流の通路にもなっているため、アルミナなどの電気
絶縁性の酸化スケールが生成する合金やセラミックスは
不適当である。
【０００３】このような技術的課題があるにもかかわら
ず、従来のセパレータには耐アノード環境用の材料選定
が行われていた。たとえば、アノード極の還元性環境下
では、Ｎｉなど電気化学的に貴な金属は耐食性が良好で
あるため、高ＮｉのＳＵＳ３１０Ｓステンレス鋼（Ｆｅ
−２５Ｃｒ−２０Ｎｉ）がＳＵＳ３１６Ｌ（Ｆｅ−１７
Ｃｒ−１２Ｎｉ−２．５Ｍｏ）よりも有望視されている
。さらにＮｉ量を高めたステンレス鋼として、特開昭６
３−１９０１４３号公報においては、Ｃｒを１５〜３５
％、Ｎｉを１５〜３５％添加した上にＡｌとＹを複合添
加したＦｅ基合金が開示されている。また、純Ｎｉや純
Ａｕなどのように、金属自体の電位がもともと貴なもの
はアノード環境で極めて耐食性が良いことも従来から知
られていた。
ず、従来のセパレータには耐アノード環境用の材料選定
が行われていた。たとえば、アノード極の還元性環境下
では、Ｎｉなど電気化学的に貴な金属は耐食性が良好で
あるため、高ＮｉのＳＵＳ３１０Ｓステンレス鋼（Ｆｅ
−２５Ｃｒ−２０Ｎｉ）がＳＵＳ３１６Ｌ（Ｆｅ−１７
Ｃｒ−１２Ｎｉ−２．５Ｍｏ）よりも有望視されている
。さらにＮｉ量を高めたステンレス鋼として、特開昭６
３−１９０１４３号公報においては、Ｃｒを１５〜３５
％、Ｎｉを１５〜３５％添加した上にＡｌとＹを複合添
加したＦｅ基合金が開示されている。また、純Ｎｉや純
Ａｕなどのように、金属自体の電位がもともと貴なもの
はアノード環境で極めて耐食性が良いことも従来から知
られていた。
【０００４】しかし、セパレータの置かれているもう一
方の環境である酸化性のカソード環境において、アノー
ド環境での耐食性に優れる純Ｎｉおよび高Ｎｉ合金は、
ＮｉＯの生成と溶解により、逆に耐食性が極めて悪いと
いう問題点が存在した。同様に、Ｎｉ量の少ないカソー
ド環境での耐食性が良好なステンレス鋼は、合金の電位
が充分に貴にはならないためにアノード環境での耐食性
は低いという問題が存在した。
方の環境である酸化性のカソード環境において、アノー
ド環境での耐食性に優れる純Ｎｉおよび高Ｎｉ合金は、
ＮｉＯの生成と溶解により、逆に耐食性が極めて悪いと
いう問題点が存在した。同様に、Ｎｉ量の少ないカソー
ド環境での耐食性が良好なステンレス鋼は、合金の電位
が充分に貴にはならないためにアノード環境での耐食性
は低いという問題が存在した。
【０００５】この様に、現状ではアノード環境とカソー
ド環境の両方での耐食性を有するセパレータ用の材料は
未だ開発されていない。
ド環境の両方での耐食性を有するセパレータ用の材料は
未だ開発されていない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、溶融炭酸塩
型燃料電池のセパレータに求められる、アノード環境と
カソード環境での耐食性を合わせ持った材料の提供を目
的としてなされたものである。
型燃料電池のセパレータに求められる、アノード環境と
カソード環境での耐食性を合わせ持った材料の提供を目
的としてなされたものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明者は、当初、上記
課題を解決するためにアノードとカソードの双方での耐
食性に優れる単一の金属材料を探索した。その結果、上
記のような相矛盾する合金元素の役割を発見するに至り
、耐還元性の腐食特性を有する金属材料と耐酸化性の腐
食特性を有する金属材料を複合化することで、電気伝導
性に優れ、かつ高耐食性の材料を得ることに成功した。
課題を解決するためにアノードとカソードの双方での耐
食性に優れる単一の金属材料を探索した。その結果、上
記のような相矛盾する合金元素の役割を発見するに至り
、耐還元性の腐食特性を有する金属材料と耐酸化性の腐
食特性を有する金属材料を複合化することで、電気伝導
性に優れ、かつ高耐食性の材料を得ることに成功した。
【０００８】本発明の要旨とするところは、重量パーセ
ントで、Ｃ：０．１％以下、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：３
５％以下、Ｃｒ：５〜２６％、Ｎｉ：２０％以下を含み
、残部はＦｅと不可避不純物とからなるオーステナイト
系ステンレス鋼板の片面が純Ｎｉあるいは純Ｃｕまたは
ＮｉとＣｕとのうち一つを８０％以上含む合金により覆
われていることを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池セパ
レータ用高耐食鋼板にある。
ントで、Ｃ：０．１％以下、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：３
５％以下、Ｃｒ：５〜２６％、Ｎｉ：２０％以下を含み
、残部はＦｅと不可避不純物とからなるオーステナイト
系ステンレス鋼板の片面が純Ｎｉあるいは純Ｃｕまたは
ＮｉとＣｕとのうち一つを８０％以上含む合金により覆
われていることを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池セパ
レータ用高耐食鋼板にある。
【０００９】
【作用】以下に、本発明を詳細に説明する。本発明の複
合鋼板は、オーステナイト系ステンレス鋼が燃料電池の
カソード極側に、純Ｎｉあるいは純ＣｕまたはＮｉとＣ
ｕとのうち一つを８０％以上含む合金がアノード極側に
なるように燃料電池内に配置する。
合鋼板は、オーステナイト系ステンレス鋼が燃料電池の
カソード極側に、純Ｎｉあるいは純ＣｕまたはＮｉとＣ
ｕとのうち一つを８０％以上含む合金がアノード極側に
なるように燃料電池内に配置する。
【００１０】まず、カソード環境用のオーステナイト系
ステンレス鋼成分範囲の限定理由に ついて述べる。Ｃ：Ｃにはステンレス鋼の高温強度を向
上させる作用がある。しかし、過度の添加は合金の熱間
加工性を害するために、０．１％以下に限定する。 Ｓｉ：Ｓｉには耐酸化性と高温強度を改善する作用があ
る。しかし、多量の添加は加工性を阻害するため、１％
以下に限定する。
ステンレス鋼成分範囲の限定理由に ついて述べる。Ｃ：Ｃにはステンレス鋼の高温強度を向
上させる作用がある。しかし、過度の添加は合金の熱間
加工性を害するために、０．１％以下に限定する。 Ｓｉ：Ｓｉには耐酸化性と高温強度を改善する作用があ
る。しかし、多量の添加は加工性を阻害するため、１％
以下に限定する。
【００１１】Ｍｎ：Ｍｎはオーステナイト相形成元素で
あり、高温強度や靱性に優れるオーステナイト相を得る
ために有効である。しかし、３５％超の添加は加工性を
害するため、製造コスト上昇につながる。そのため、Ｍ
ｎ添加量は３５％以下とする。 Ｃｒ：ＣｒはＦｅと共に溶融炭酸塩中にて複合酸化物か
ら成る酸化スケールを形成し、溶融炭酸塩中でのステン
レス鋼の耐食性を向上させる効果がある。ところが、電
池のカソード側の電位はＣｒ酸化物の溶解電位域にある
ため、酸化スケールがＣｒ酸化物主体になるほど多量の
Ｃｒを添加すると、かえって耐食性が劣化する。したが
って、Ｃｒ添加量は安定な酸化スケールを形成し、かつ
Ｃｒ酸化物の溶解も起こらない範囲に制限する必要があ
る。そのため、Ｃｒ添加量は５％〜２６％とする。
あり、高温強度や靱性に優れるオーステナイト相を得る
ために有効である。しかし、３５％超の添加は加工性を
害するため、製造コスト上昇につながる。そのため、Ｍ
ｎ添加量は３５％以下とする。 Ｃｒ：ＣｒはＦｅと共に溶融炭酸塩中にて複合酸化物か
ら成る酸化スケールを形成し、溶融炭酸塩中でのステン
レス鋼の耐食性を向上させる効果がある。ところが、電
池のカソード側の電位はＣｒ酸化物の溶解電位域にある
ため、酸化スケールがＣｒ酸化物主体になるほど多量の
Ｃｒを添加すると、かえって耐食性が劣化する。したが
って、Ｃｒ添加量は安定な酸化スケールを形成し、かつ
Ｃｒ酸化物の溶解も起こらない範囲に制限する必要があ
る。そのため、Ｃｒ添加量は５％〜２６％とする。
【００１２】Ｎｉ：Ｎｉはオーステナイト生成元素であ
り、加工性や靱性また高温強度を確保するためにオース
テナイト相を得る際に有用な元素である。しかし、カソ
ード側環境の電位域において、ＮｉやＮｉ酸化物は溶解
するため、多量の添加はカソード雰囲気での耐食性を劣
化させる。そのため、Ｎｉ添加量は２０％以下とする。
り、加工性や靱性また高温強度を確保するためにオース
テナイト相を得る際に有用な元素である。しかし、カソ
ード側環境の電位域において、ＮｉやＮｉ酸化物は溶解
するため、多量の添加はカソード雰囲気での耐食性を劣
化させる。そのため、Ｎｉ添加量は２０％以下とする。
【００１３】次に、アノード環境用の材料の選定理由に
ついて述べる。純Ｎｉ、純Ｃｕともに、電気化学的に貴
な電位を示す金属である。純金属はもちろんそれらのう
ち一つを８０％以上含む合金も貴な電位を示し、アノー
ド環境においてイオンよりも金属状態が安定となり優れ
た耐食性を示す。Ｎｉ、Ｃｕともに８０％未満では合金
の電位が充分貴にはならず耐食性向上は望めない。これ
らの金属と合金は安価であり、金属箔もしくは薄板とし
ての製造が容易であり圧延法によるクラッド化が容易で
あるばかりでなく、めっきによりこれら金属やその合金
をオーステナイト系ステンレス鋼の片面に被覆すること
も可能な元素である。しかも、上記のカソード環境用の
オーステナイト系ステンレス鋼と熱膨張率が近く、電池
の昇温や冷却過程での熱応力によるわん曲も小さい。
ついて述べる。純Ｎｉ、純Ｃｕともに、電気化学的に貴
な電位を示す金属である。純金属はもちろんそれらのう
ち一つを８０％以上含む合金も貴な電位を示し、アノー
ド環境においてイオンよりも金属状態が安定となり優れ
た耐食性を示す。Ｎｉ、Ｃｕともに８０％未満では合金
の電位が充分貴にはならず耐食性向上は望めない。これ
らの金属と合金は安価であり、金属箔もしくは薄板とし
ての製造が容易であり圧延法によるクラッド化が容易で
あるばかりでなく、めっきによりこれら金属やその合金
をオーステナイト系ステンレス鋼の片面に被覆すること
も可能な元素である。しかも、上記のカソード環境用の
オーステナイト系ステンレス鋼と熱膨張率が近く、電池
の昇温や冷却過程での熱応力によるわん曲も小さい。
【００１４】
【実施例】以下、実施例に基づき本発明を詳細に説明す
る。本発明範囲の供試材として、表１に化学組成を示し
たオーステナイト系ステンレス鋼をカソード側環境用と
して、純Ｎｉ、純Ｃｕ、Ｎｉ−１５％Ｃｕ合金、および
Ｃｕ−１０％Ｓｎ合金とのクラッド鋼を試作した。複合
鋼板は圧延法により作製したクラッド鋼板を試験に使用
した。アノード側のＮｉおよびＣｕの厚さは仕上がりで
０．１ｍｍ、オーステナイト系ステンレス鋼は仕上がり
で０．７ｍｍになるように制御した。また、比較材とし
て０．８ｍｍ厚さの市販ＳＵＳ３１０ＳとＳＵＳ３１６
Ｌステンレス鋼板を使用した。耐食性は、７００℃のＬ
ｉ２ ＣＯ３ −Ｋ２ ＣＯ３ 塩（Ｌｉ２ ＣＯ３
：Ｋ２ ＣＯ３ ＝６２モル％：３８モル％）中での３
０００分 間の定電位分極試験での減肉厚さにより評価
した。その際に、電位はＯ２ ／ＣＯ２ 、Ａｕ電極（
Ｏ２ ：ＣＯ２ ＝３０ｖｏｌ％：７０ｖｏｌ％）を基
準にして測定した。アノード極の環境を模擬する場合に
は、溶融塩をＨ２ を７２％、ＣＯ２ を１８％、Ｈ２
Ｏを１０％混合した雰囲気に保持して、−９５０ｍＶ
の電位を付与した。カソード極の環境を模擬する場合に
は溶融塩をＡｉｒを７０ｖｏｌ％とＣＯ２ を３０ｖｏ
ｌ％混合したガス雰囲気に保持し、試験片に−１００ｍ
Ｖの電位を付与した。本試験の場合、アノードとカソー
ドでの耐食性を同時に試験することはできないため、ク
ラッド鋼の片面のみ溶融塩に接するようにアルミナセメ
ントで片面と端面を被覆して試験に供試し、片面づつの
評価とした。また、クラッド鋼を電気炉内で７００℃に
１０時間加熱して、冷却後のわん曲の程度を図１に示し
た板の曲がりの程度により評価した。昇温速度は１００
℃／ｈ、冷却速度は５０℃／ｈとした。試験片の大きさ
は、５０ｍｍ×５０ｍｍを使用した。
る。本発明範囲の供試材として、表１に化学組成を示し
たオーステナイト系ステンレス鋼をカソード側環境用と
して、純Ｎｉ、純Ｃｕ、Ｎｉ−１５％Ｃｕ合金、および
Ｃｕ−１０％Ｓｎ合金とのクラッド鋼を試作した。複合
鋼板は圧延法により作製したクラッド鋼板を試験に使用
した。アノード側のＮｉおよびＣｕの厚さは仕上がりで
０．１ｍｍ、オーステナイト系ステンレス鋼は仕上がり
で０．７ｍｍになるように制御した。また、比較材とし
て０．８ｍｍ厚さの市販ＳＵＳ３１０ＳとＳＵＳ３１６
Ｌステンレス鋼板を使用した。耐食性は、７００℃のＬ
ｉ２ ＣＯ３ −Ｋ２ ＣＯ３ 塩（Ｌｉ２ ＣＯ３
：Ｋ２ ＣＯ３ ＝６２モル％：３８モル％）中での３
０００分 間の定電位分極試験での減肉厚さにより評価
した。その際に、電位はＯ２ ／ＣＯ２ 、Ａｕ電極（
Ｏ２ ：ＣＯ２ ＝３０ｖｏｌ％：７０ｖｏｌ％）を基
準にして測定した。アノード極の環境を模擬する場合に
は、溶融塩をＨ２ を７２％、ＣＯ２ を１８％、Ｈ２
Ｏを１０％混合した雰囲気に保持して、−９５０ｍＶ
の電位を付与した。カソード極の環境を模擬する場合に
は溶融塩をＡｉｒを７０ｖｏｌ％とＣＯ２ を３０ｖｏ
ｌ％混合したガス雰囲気に保持し、試験片に−１００ｍ
Ｖの電位を付与した。本試験の場合、アノードとカソー
ドでの耐食性を同時に試験することはできないため、ク
ラッド鋼の片面のみ溶融塩に接するようにアルミナセメ
ントで片面と端面を被覆して試験に供試し、片面づつの
評価とした。また、クラッド鋼を電気炉内で７００℃に
１０時間加熱して、冷却後のわん曲の程度を図１に示し
た板の曲がりの程度により評価した。昇温速度は１００
℃／ｈ、冷却速度は５０℃／ｈとした。試験片の大きさ
は、５０ｍｍ×５０ｍｍを使用した。
【００１５】表２に、各クラッド鋼と比較材のステンレ
ス鋼の溶融塩中での減肉厚さを示す。アノード環境とカ
ソード環境での減肉厚さを合計したものを右端に示した
。この値で比較すると、本発明のクラッド鋼は従来材の
ＳＵＳ３１０ＳやＳＵＳ３１６Ｌに比べて数倍の耐食性
があることがわかる。また、アノード環境側での減肉厚
さが極めて薄いため、純Ｎｉと純Ｃｕもしくはそのうち
一つを８０％以上含む合金を１００μｍ程度の厚さのめ
っき層とした場合においても、充分に耐食性を維持でき
ることがわかる。
ス鋼の溶融塩中での減肉厚さを示す。アノード環境とカ
ソード環境での減肉厚さを合計したものを右端に示した
。この値で比較すると、本発明のクラッド鋼は従来材の
ＳＵＳ３１０ＳやＳＵＳ３１６Ｌに比べて数倍の耐食性
があることがわかる。また、アノード環境側での減肉厚
さが極めて薄いため、純Ｎｉと純Ｃｕもしくはそのうち
一つを８０％以上含む合金を１００μｍ程度の厚さのめ
っき層とした場合においても、充分に耐食性を維持でき
ることがわかる。
【００１６】表３に、所定の熱サイクル後の湾曲量を測
定した結果を示す。セパレータとしての許容値は５μｍ
である。本発明クラッド鋼の湾曲の程度は許容値以下で
あり、燃料電池の構成部材としての性能に問題はない。
定した結果を示す。セパレータとしての許容値は５μｍ
である。本発明クラッド鋼の湾曲の程度は許容値以下で
あり、燃料電池の構成部材としての性能に問題はない。
【００１７】
【表１】
【００１８】
【表２】
【００１９】
【表３】
【００２０】
【発明の効果】本発明は、溶融炭酸塩型燃料電池内で最
も腐食の激しいセパレータとして、充分使用に耐えうる
耐食性を有するクラッド鋼を得ることに成功したもので
ある。本発明のクラッド鋼は、現在ＳＵＳ３１６やＳＵ
Ｓ３１０Ｓなどが使用されている燃料電池のセパレータ
として非常に有効である。本発明鋼の使用により、溶融
炭酸塩型燃料電池の長寿命化がはかれる。
も腐食の激しいセパレータとして、充分使用に耐えうる
耐食性を有するクラッド鋼を得ることに成功したもので
ある。本発明のクラッド鋼は、現在ＳＵＳ３１６やＳＵ
Ｓ３１０Ｓなどが使用されている燃料電池のセパレータ
として非常に有効である。本発明鋼の使用により、溶融
炭酸塩型燃料電池の長寿命化がはかれる。
【図１】クラッド鋼の熱サイクルによる湾曲の程度を評
価する際に用いた湾曲量の定義と計測方法を示した側面
図である。
価する際に用いた湾曲量の定義と計測方法を示した側面
図である。
１ クラッド鋼
２ 湾曲量
Claims (1)
- 【請求項１】 重量パーセントで、 Ｃ：０．１％以下、 Ｓｉ：１％以下、 Ｍｎ：３５％以下、 Ｃｒ：５〜２６％、 Ｎｉ：２０％以下を含み、残部はＦｅと不可避不純物と
からなるオーステナイト系ステンレス鋼板の片面が純Ｎ
ｉあるいは純ＣｕまたはＮｉとＣｕとのうち一つを８０
％以上含む合金により覆われていることを特徴とする溶
融炭酸塩型燃料電池セパレータ用高耐食鋼板。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3133073A JPH04358044A (ja) | 1991-06-04 | 1991-06-04 | 溶融炭酸塩型燃料電池セパレータ用高耐食鋼板 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3133073A JPH04358044A (ja) | 1991-06-04 | 1991-06-04 | 溶融炭酸塩型燃料電池セパレータ用高耐食鋼板 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04358044A true JPH04358044A (ja) | 1992-12-11 |
Family
ID=15096218
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3133073A Withdrawn JPH04358044A (ja) | 1991-06-04 | 1991-06-04 | 溶融炭酸塩型燃料電池セパレータ用高耐食鋼板 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04358044A (ja) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1046723A1 (en) * | 1999-04-19 | 2000-10-25 | Sumitomo Metal Industries, Ltd. | Stainless steel product for producing polymer electrode fuel cell |
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