JPH0982345A - 溶融炭酸塩型燃料電池及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ウェットシール部の耐食性が不十分であっ
た。 【解決手段】 ウェットシール部は、１〜９重量％のア
ルミニウムを含み鉄を主成分とする合金から成る母材５
５の表面にアルミニウム拡散層１１１が形成されてい
る。また、ウェットシール部は、１〜９重量％のアルミ
ニウムを含み鉄を主成分とする合金から成る母材の表面
にアルミニウムをコーティングした後に熱処理を施して
アルミニウム拡散層を形成することにより製造される。
また、ウェットシール部は、１〜９重量％のアルミニウ
ムを含み鉄を主成分とする合金から成る母材を溶融アル
ミニウム浴に浸漬して上記母材の表面にアルミニウム拡
散層を形成することにより製造される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は溶融炭酸塩型燃料電
池に関するものであり、特に、ウェットシール部の耐食
性の向上により長寿命化、高性能化を図るものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に単電池は燃料電極、電解質マトリ
クス、酸化剤電極から構成されている。燃料電極にはニ
ッケル等の遷移金属の多孔性焼結体が用いられており、
酸化剤電極には燃料電極と同様に高い電子伝導性を有す
るニッケル等の酸化物多孔体が用いられている。また、
電解質マトリクスにはアルミン酸リチウム粒子の焼結体
に電解質を含浸させて用いられている。電解質にはリチ
ウム、カリウムの炭酸塩の２元系が主として用いられて
おり、それらの組成比はイオン導電率を高く、かつ融点
を電池の動作温度である６５０℃より低くする必要から
共晶塩組成またはその組成に近い炭酸塩が用いられてい
る。特に酸化剤電極の電極反応速度の点からはリチウ
ム、カリウム炭酸塩が有利であり、広く用いられてい
る。実用に供せられる溶融炭酸塩型燃料電池は一般に、
燃料電極と酸化剤電極で電解質マトリクスを挟み、重ね
合わせて単セルとし、セパレータ板と呼ばれるステンレ
ス／ニッケル薄板と単セルとを順次、直列に複数個積み
重ねた構造となっている。

【０００３】溶融炭酸塩型燃料電池の燃料ガスとしては
メタンガスと水蒸気またはメタンを改質器を用いて水蒸
気改質した水素、二酸化炭素、水蒸気を主成分として供
給し、酸化剤ガスとしては酸素、窒素、二酸化炭素を含
むガスが用いられている。燃料電極で電極反応に関与す
る化学種は水素、二酸化炭素、水蒸気である。これらの
組成比の違いによってガスの熱力学的な物性が異なり、
燃料ガス中の水素濃度が高いほど電池特性は高くなる。

【０００４】図４は例えば特開平２−７５１６２号公報
で提唱された６５０℃で電解質が液体となるアルカリ金
属の炭酸塩を用いる溶融炭酸塩型燃料電池の内部マニホ
ールド型構造の単電池の一例を一部破断して示す要部斜
視図であり、図５はその単電池の一部を拡大して示す要
部斜視図である。各図において、１０はセパレータ板、
１，５はそれぞれセパレータ板１０で分離設置されてい
る燃料電極及び酸化剤極である。３，７はセパレータ板
１０と燃料電極１及び酸化剤極５の間に設けられた燃料
ガス流路及び酸化剤ガス流路を構成する燃料側コルゲー
ト板と酸化剤側コルゲート板である。４は燃料電極１と
酸化剤極５の間に設置され、単セルを構成するための電
解質マトリックスである。２，６は燃料電極１と酸化剤
極５を保持し、発生した電流を通過せしめる燃料側穴あ
き板と酸化剤側穴あき板であるが、図４では簡単のため
省略している。２０，３０は燃料ガス及び酸化剤ガス供
給排気用マニホールドである。２１，３１はそれぞれ電
極１，５及びマニホールド２０，３０の周囲のセパレー
タ板１０の燃料ガス側面と酸化剤ガス側面に設けたウェ
ットシール部で、電池内外、マニホールド２０，３０の
内外を分離シールする。４１は端部スペーサであり、例
えば特開昭６３−２８９７７号公報に記載されているよ
うに、燃料電極１又は酸化剤電極５と同材質の端部材
と、燃料側コルゲート板３又は酸化剤側コルゲート板７
とを重ね合わせてウェットシール部２１，３１の内側に
挿入されている。１３は酸化剤電極５側の端部スペーサ
４１の端部材である。なお、矢印２２は燃料ガスの流
れ、３２は酸化剤ガスの流れを示す。

【０００５】図６は一枚のセパレータ板１０の両面にそ
れぞれウェットシール部２１，３１を取り付けた状態を
示す斜視図であり、図において、ウェットシール部２
１，３１のそれぞれの外周部に斜線で示すところの４０
はセパレータ板１０と接合するための溶接部である。

【０００６】一方、図７（ａ）はウェットシール部２
１，３１の表面にアルミニウムを溶射した状態を示す要
部断面の拡大図であり、図において、５０はウェットシ
ール部母材、１０３はアルミニウム溶射層、１０４はア
ルミニウムが付着していない部分のアルミニウム溶射欠
陥部、１０５は空隙部である。図７（ｂ）は上記アルミ
ニウム溶射した後に熱処理を行って、ウェットシール部
母材５０の表面にアルミニウムを拡散させた状態を示す
要部断面の拡大図であり、図において、１０６はアルミ
ニウム拡散層、１０７は上記アルミニウム溶射欠陥部１
０４に相当する位置に存在するアルミニウム未拡散欠陥
部、１０９はアルミニウム未拡散欠陥部１０７からウェ
ットシール部母材５０内部に生じた腐食部である。

【０００７】燃料電極１両端及び燃料ガス給排マニホー
ルド２０の周囲に位置するウェットシール部２１、また
は酸化剤極５両端及び酸化剤ガス給排マニホールド３０
の周囲に位置するウェットシール部３１は、電解質を保
持するマトリクス４と当接させて、電解質で常にウェッ
トな状態に保たれ、かつ、一定の面圧を加えることによ
って、電池内の燃料ガスまたは酸化剤ガスが、電池及び
マニホールド２０，３０の外部に漏れないようにするこ
と、あるいは逆に、電池内及びマニホールド２０，３０
内に混入しないようにすることを目的として構成されて
いる。従って、電池動作状態におけるウェットシール部
２１，３１の近傍は常に６５０℃前後の高温の電解質に
接しており、かつ、電位差などによって局部電池反応が
生じやすいなどの厳しい腐食環境下にある。ウェットシ
ール部２１，３１の材質は例えば耐食性ステンレス鋼の
ＳＵＳ３１６ＬやＳＵＳ３１０Ｓなどを用いているが、
このような厳しい環境下においては長時間の耐食性に問
題がある。よって、その対策として、図７に示すよう
に、ウェットシール部２１，３１の母材５０表面に、先
ずアルミニウムを溶射して、最大厚みが１００μｍ以上
１５０μｍ以下の厚みのアルミニウム溶射層１０３を形
成させた後、還元ガス雰囲気（例えばアルゴンガス雰囲
気）で９００℃、１時間の熱処理を行って、ウェットシ
ール部母材５０の表面にアルミニウム拡散層１０６を形
成させて耐食性をもたせる方法がとられている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来の溶融炭酸塩形燃
料電池の特にウェットシール部は以上のように構成され
製造されているが、例えば上記アルミニウム溶射法にお
いては、アルミニウムが酸化し易いために、ウェットシ
ール部の母材５０の表面に溶射アルミニウムが付着した
時にアルミニウム粒子間の融合性が悪く、アルミニウム
溶射層１０３は非常に不均一となり、部分的にアルミニ
ウムが全く付着していない欠陥部１０４や空隙１０５が
点在する。この欠陥部１０４や空隙１０５が大きい場合
は、熱処理してウェットシール部母材５０の表面にアル
ミニウムを拡散させても、その部分は拡散層が形成され
ない未拡散部１０７が生じていた。そのために未拡散部
１０７から腐食１０９が生じることによって耐食性処理
効果が得られず、電池寿命に支障を来すという問題点が
あった。なお、アルミニウム溶射層１０３を厚くすると
欠陥を無くせるが、厚くするとアルミニウム拡散層１０
６にクラックが生じるなどの問題点があった。このよう
に、ウェットシール部は厳しい腐食環境下に置かれるこ
とから、長時間の耐食性を維持するのは難しく、より耐
食性の優れた構成及び製造方法が必要とされている。

【０００９】本発明は、上記の様な問題点を解消し、耐
食性に優れ長寿命の溶融炭酸塩型燃料電池を得ることを
目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係わ
る溶融炭酸塩型燃料電池は、ウェットシール部が、１〜
９重量％のアルミニウムを含み鉄を主成分とする合金か
ら成る母材の表面にアルミニウム拡散層が形成されてい
るものである。

【００１１】本発明の請求項２に係わる溶融炭酸塩型燃
料電池の製造方法は、ウェットシール部が、１〜９重量
％のアルミニウムを含み鉄を主成分とする合金から成る
母材の表面にアルミニウムをコーティングした後に熱処
理を施してアルミニウム拡散層を形成することにより製
造されるものである。

【００１２】本発明の請求項３に係わる溶融炭酸塩型燃
料電池の製造方法は、請求項２記載の熱処理は、表面に
アルミニウムがコーティングされたウェットシール部の
母材とセパレータ板を接合する工程、上記ウェットシー
ル部とセパレータ板間の空間及び電極挿入用空間にカー
ボンスペーサを挿入したものをカーボン当て板を介して
複数個積層する工程、並びに上記積層体の両端をカーボ
ン当て板を介して金属よりなる押さえ板で挟持して上記
積層体を加圧した状態で加熱する工程を有するものであ
る。

【００１３】本発明の請求項４に係わる溶融炭酸塩型燃
料電池の製造方法は、ウェットシール部が、１〜９重量
％のアルミニウムを含み鉄を主成分とする合金から成る
母材を溶融アルミニウム浴に浸漬して上記母材の表面に
アルミニウム拡散層を形成することにより製造されるも
のである。

【００１４】

【発明の実施の形態】

実施の形態１．以下、本発明の実施の形態１について説
明する。本願発明に係わるウェットシール部の母材とし
て適用される１〜９重量％のアルミニウムを含み鉄を主
成分とする合金の一例として、二種類のアルミニウム含
有フェライト系ステンレス鋼と、従来適用していた二種
類のオーステナイト系ステンレス鋼の耐食性を比較する
ために熱重量分析を行った。図１は加熱条件と分析結果
を示すものであり、図において、グラフの縦軸は重量変
化（又は温度）、横軸は時間を表す。分析曲線のうち、
破線と一点鎖線はそれぞれ従来適用していたオーステナ
イト系ステンレス鋼のＳＵＳ３１６ＬとＳＵＳ３１０Ｓ
であり、実線は本発明に係るアルミニウム含有フェライ
ト系ステンレス鋼の１８Ｃｒ−３Ａｌ（略称）であり、
２０Ｃｒ−５Ａｌ（略称）も１８Ｃｒ−３Ａｌの曲線と
殆ど重なるような曲線となった。表１は本発明に係る二
種類のアルミニウム含有フェライト系ステンレス鋼の主
要成分を示すものであり、住友金属工業(株)製等の市販
ベースの耐熱、耐食性材料である。

【００１５】

【表１】

【００１６】次に上記熱重量分析の方法と結果について
説明する。厚みが０．５ｍｍで１ｃｍ四方の寸法の試料
全面に、炭酸リチウム５３モル％と炭酸ナトリウム４７
モル％からなる共晶塩を同量のエタノールを混ぜてスラ
リー状にしたものを塗布し、乾燥後の塗布量が１０ｍｇ
となるようにした。分析条件は、空気７０モル％と二酸
化炭素３０モル％の混合ガス雰囲気で、図１に曲線１０
０で示すように、昇温速度は０℃〜２００℃は５℃／
分、２００℃〜６５０℃が０．７℃／分とし６５０℃で
４０時間保持した状態での分析を行った。その結果、従
来適用していたＳＵＳ３１６ＬとＳＵＳ３１０Ｓの材料
は重量増加が明確に表れているのに対して、本発明に係
るアルミニウム含有フェライト系ステンレス鋼の１８Ｃ
ｒ−３Ａｌと２０Ｃｒ−５Ａｌは殆ど変化していない。
すなわち、この分析結果より、従来の材料に比べて本発
明に係るアルミニウム含有フェライト系ステンレス鋼の
耐食性が優れていることは明らかである。

【００１７】材料の耐食性については、上記の熱重量分
析法以外に溶融炭酸塩中に浸漬する方法でも評価した。
試験方法は炭酸リチウム６２モル％と炭酸カリウム３８
モル％からなる共晶塩を入れた高純度のアルミナるつぼ
中にそれぞれの試料を浸漬し、温度７００℃、Ａｉｒ雰
囲気の条件下で３０００時間の試験を行った。試験後の
表面と断面を観察した結果、オーステナイト系ステンレ
ス鋼のＳＵＳ３１６ＬとＳＵＳ３１０Ｓは著しく腐食さ
れているのに対して、アルミニウム含有フェライト系ス
テンレス鋼の１８Ｃｒ−３Ａｌ及び２０Ｃｒ−５Ａｌで
は表面にアルミナ被膜が形成されることによってほとん
ど腐食されておらず、この浸漬試験の結果においても従
来の材料に比べて本発明に係るアルミニウム含有フェラ
イト系ステンレス鋼の耐食性が優れていること明らかで
ある。但し、アルミニウム含有フェライト系ステンレス
鋼ではオーステナイト系ステンレス鋼のような著しい腐
食は生じないものの、孔食の発生が見られた。よって、
従来の材料よりもアルミニウム含有フェライト系ステン
レス鋼の耐食性が優れているといえども、材料単体での
使用は適当ではない。

【００１８】図２，３は本発明の実施の形態１による溶
融炭酸塩型燃料電池及びその製造方法を説明するもので
あり、図２（ａ）はウェットシール部の母材の表面にア
ルミニウムをコーティングした状態を示す要部断面拡大
図、図２（ｂ）は上記アルミニウムコーティングした後
に熱処理をしてウェットシール部の母材の表面にアルミ
ニウムを拡散させた状態を模式的に示す要部断面図であ
る。図において、５５は上記表１に示す主成分から成る
３重量％、及び５重量％のアルミニウムを含有するフェ
ライト系ステンレス鋼１８Ｃｒ−３Ａｌ又は２０Ｃｒ−
５Ａｌより成るウェットシール部の母材、１１０はアル
ミニウムペイントを塗布して形成した無欠陥のアルミニ
ウムコーティング層、１１１は欠陥がなく厚みが均一な
アルミニウム拡散層である。図３は上記熱処理を行う際
に締め付け治具を用いて、ウェットシール部２１，３１
とセパレータ板１０の一体化構造物を複数個積層し、加
圧拘束した状態を示すものであり、６０ａはウェットシ
ール部２１，３１とセパレータ板１０との空隙部に挿入
したカーボンスぺーサ、６０ｂは電極挿入エリアに配置
したカーボンスぺーサ、６２は上下のウェットシール部
２１，３１の表面に当接したカーボン当て板、６４は上
記カーボンスぺーサ６０ａ，６０ｂを挿入したものをカ
ーボン当て板６２を介して複数個積層した積層体の上下
面にカーボン当て板６２を介して当接したステンレス鋼
の押え板、６６，６７，６８，６９は上記積層体を加圧
拘束するための締め付け部品で、各々ネジ棒、ナット、
バネ座金、平座金である。

【００１９】次にアルミニウムコーティング層１１０を
形成する方法について説明する。先ず、サンドブラスト
処理を施したウェットシール部の母材５５の表面に、平
均粒径が１０μｍ以下のアルミニウム粉末を５４.５重
量％以上で５８.５重量％以下と、結合材としてメチル
セルロースを３.０重量％以上で７.０重量％以下、燐酸
７.０重量％以上で９.０重量％以下、三酸化クロムを
３.０重量％、水を２６.５重量％、各々混合・攪拌した
ものから成るアルミニウムペイントをスプレー塗布す
る。アルミニウムコーティング層１１０の厚みは、ウェ
ットシール部２１，３１の母材５５の表面から５０μｍ
以上１５０μｍ以下の範囲にする。なぜならば、１５０
μｍ以上の厚みになると、乾燥・焼成の段階で塗膜に亀
裂が生じる可能性がある上に、熱処理後のアルミニウム
拡散層１１１に亀裂を生じる可能性が大きくなり、又、
５０μｍ以下の薄い厚みの場合は、アルミニウム拡散層
１１１の厚みが薄くなり、処理効果が得られないからで
ある。

【００２０】アルミニウムペイントを塗布した後、先
ず、室温で１時間の乾燥を行なった後に８０℃の温度で
１時間以上の乾燥を行ない、更に、３００℃の温度で３
０分以上の焼成を行なって塗膜を硬化させて安定なもの
にした。なお、乾燥が不十分な場合は、焼成時に塗膜に
割れが生じたり、塗膜内部に空隙がなどが生じて安定し
た塗膜形成できない場合があるので十分に乾燥しておく
ことが必要である。上記の方法でアルミニウムコーティ
ング層１１０を形成した後に、熱処理を行なって、ウェ
ットシール部の母材５５の表面にアルミニウム拡散層１
１１を形成させた。この場合の熱処理は、ウェットシー
ル部２１，３１及びセパレータ板１０の熱歪を防止する
ために次のような方法で行った。

【００２１】本実施の形態ではウェットシール部２１，
３１の母材５５はアルミニウム含有フェライト系ステン
レス鋼を用い、セパレータ板１０にはオーステナイト系
ステンレス鋼を用いて両者を溶接して一体化構造を形成
している。この場合、両者の熱膨張率が異なることによ
り、高温での熱処理を行うと熱歪が生じる。したがっ
て、熱処理をする際には歪防止対策が必要であり、その
対策として次のような方法を考え出して対処した。ま
ず、ウェットシール部２１，３１とセパレータ板１０と
の空間部に、両者の隙間寸法に相当する厚みのカーボン
スペーサ６０ａを挿入すると共に、セパレータ板１０の
両面の電極挿入用空間に、ウェットシール２１，３１と
セパレータ板１０との間隙寸法に相当する厚みのカーボ
ンスペーサ６０ｂを配置したものをカーボン当て板６２
を介して複数個積層し、その積層体の両端すなわち上下
面をカーボン当て板６２を介してステンレス製の押さえ
板６４で挟持し、ネジ棒６６とナット６７、バネ座金６
８、平座金６９の締付部品によって一定面圧で締め付け
て加圧拘束した。この場合の締め付け力は、バネ座金６
８の初期変形分が完全に押しつぶされて平坦になる程度
とした。なお、ウェットシール面に当接させる当て板６
２の材質をカーボンにしたのは次のような理由による。
例えば、当て板６２に金属板を用いた場合は、熱処理時
にウェットシール面にコーティングしたアルミニウム
が、当て板６２の金属表面側にも拡散し、ウェットシー
ル面へのアルミニウム拡散が不十分となる上に、ウェッ
トシール面と当て板６２が固着して熱処理後に分解でき
なくなる。そこで、当て板６２としてカーボン板を用い
た実験を行った結果、上記のような問題は生じず、カー
ボン板が適していることが確認された。

【００２２】このような方法で熱処理を行ってウェット
シール部母材５５の表面にアルミニウムを拡散させた。
この場合の熱処理条件は、水素雰囲気で９００℃、１時
間とした。これにより欠陥の無い均一なアルミニウム拡
散層１１１を形成することができた。

【００２３】このようにしてウェットシール部２１，３
１にアルミニウム拡散処理したものを用い、従来例と同
様の構成で組み立てた電池を従来例と同様の条件で１万
時間にわたる運転を行ったが、ウェットシール部２１，
３１の腐食による電池特性の低下はなく、安定した電池
を得ることができた。また、分解調査の結果、ウェット
シール部２１，３１の腐食は従来例では母材が部分的に
腐食されているのが観察されたが、本実施例では全くそ
のような部分は見られず、耐食性向上の効果が大きいこ
とが確認された。また、電池運転での耐食性評価とは別
に、溶融炭酸塩中に浸漬する方法でも評価した。試験方
法は前述の材料試験の場合と同様の方法で３０００時間
の試験を行った。その結果、腐食の発生は全く観察され
ず、健全なアルミニウム拡散層が維持されており、従来
のものに比べて耐食性の高いものであることが実証され
た。

【００２４】なお、上記実施の形態ではアルミニウムペ
イント塗布後の予備焼成と焼成温度を一定とし、また、
熱処理条件も一定の下で行ったものを示したが、予備焼
成温度を７０℃以上９０℃以下の範囲に、焼成温度を３
００℃以上３５０℃以下の範囲とし、また、熱処理の雰
囲気をＡｒまたは真空中とし、熱処理温度を８５０℃以
上９００℃以下の範囲に、時間を１時間以上２時間以下
の範囲としてもよく、実施の形態１と同様に欠陥の無い
均一な厚みのアルミニウム拡散層を形成することができ
た。ただし、アルミニウム拡散層１１１の厚みは熱処理
温度と時間に依存するので、高い温度で時間を長くする
とアルミニウム拡散層１１１の厚みが厚くなり、低い温
度で時間が短いと厚みは薄くなった。また、アルミニウ
ム拡散層１１１の厚みが約１００μｍ以上になると拡散
層に亀裂が生じる可能性が高くなり、薄すぎると耐食性
が得られなくなる。したがって、熱処理の温度と時間の
組み合わせとしては、上記温度範囲の低い温度で処理す
る場合は時間を長くする必要があり、逆に、高い温度で
処理する場合は時間を短くする必要がある。例えば、温
度を８５０℃とした場合は時間を２時間とし、８７５℃
にした場合は時間を１．５時間程度にするのがよい。

【００２５】実施の形態２．以下、本発明の実施の形態
２について、ウェットシール部の母材として、実施の形
態１に説明した材料以外のものについて説明する。実施
の形態１では、アルミニウム含有フェライト系ステンレ
ス鋼の耐食性評価結果の例として、１８Ｃｒ−３Ａｌと
２０Ｃｒ−５Ａｌ材の二種類について説明したが、これ
以外にアルミニウムの含有比率を変えたアルミニウム含
有フェライト系ステンレス鋼の耐食性、及び溶接性等の
加工性についての評価を行った。表２は、アルミニウム
とクロムを主体に、各々の含有比率を変えた材料の評価
結果を示すものであり、表において、○印は良、△印は
やや不良、×印は不良の判定結果を表したものである。

【００２６】

【表２】

【００２７】次にその結果について説明する。先ず、耐
食性の点においては、アルミニウムを含有しないフェラ
イト系ステンレス鋼、例えばＳＵＳ４３０では、この種
の電池の環境下での十分な耐食性は得られないが、アル
ミニウムを約１重量％含有することにより耐食性の向上
効果が得られた。但し、前述のごとく、アルミニウム含
有フェライト系ステンレス鋼はオーステナイト系ステン
レス鋼のような著しい腐食は生じないが、小さな孔食の
発生が見られた。孔食発生量はアルミニウム含有量が多
くなるにしたがって減少する傾向を示し、アルミニウム
が約１０重量％では孔食は生じなかった。このように、
アルミニウム含有量が増す毎に耐食性は高くなることが
確認された。しかし、その半面、加工性、特に溶接性の
点では、アルミニウム含有量が増す毎に溶接部に割れが
発生する等の問題が生じる可能性が高くなり、アルミニ
ウム含有量が約１０重量％のものでは、割れの発生、及
び溶け込み状態の不良などの現象が顕著に現れた。した
がって、耐食性と加工性の両方を満足するアルミニウム
含有比率の最適値は、１重量％以上、９重量％以下の範
囲にするのがよい。

【００２８】アルミニウム含有比率が上記の様な１重量
％以上、９重量％以下の範囲から成るフェライト系ステ
ンレス鋼を、各々ウェットシール部母材５５に適用し
て、実施の形態１と同様の表面処理法で表面にアルミニ
ウム拡散層１１１を形成し、従来と同様の構成で組み立
てた電池を従来と同様の条件で同様の時間の運転を行っ
たが、ウェットシール部２１，３１の腐食による電池特
性の低下はなく、安定した電池を得ることができた。ま
た、運転後の分解調査の結果、ウェットシール部に電池
特性に影響するような腐食はなく、従来に比べて耐食性
が優れていることが確認できた。また、電池運転での評
価とは別に、実施の形態１の場合と同様の方法で溶融炭
酸塩中での浸漬試験も行ったが、腐食の発生は全くな
く、この評価結果でも従来のものよりも耐食性が優れて
いることが確認できた。

【００２９】なお、上記実施の形態１，２ではアルミニ
ウムを含み鉄を主成分とする合金としてフェライト系ス
テンレス鋼を挙げたが、これに限るものではなく、例え
ば、ニッケル６重量％未満とクロム１３重量％未満を含
有する鉄基合金においても、１〜９重量％のアルミニウ
ムを含有していれば同様の耐食性向上効果が得られる。

【００３０】実施の形態３．本発明の実施の形態３につ
いて説明する。実施の形態１ではウェットシール部２
１，３１の母材５５表面にアルミニウムコーティング処
理を行う方法として、アルミニウムペイントをコーティ
ングする方法を説明したが、これ以外の方法として、ア
ルミニウム蒸着やアルミニウムメッキを施してもよく、
欠陥のない均一なアルミニウムコーティング層１１０が
得られる。したがって、これらの方法でアルミニウムコ
ーティング層１１０を形成した後、実施の形態１で説明
したのと同様の熱処理を施すことにより、ウェットシー
ル部の母材５５表面に欠陥のない均一なアルミニウム拡
散層１１１が形成されるので、実施の形態１と同様の効
果が得られる。

【００３１】実施の形態４．以下、本発明の実施の形態
４について説明する。この実施の形態では溶融アルミニ
ウム浴浸漬処理方法によってウェットシール部母材５５
の表面にアルミニウムを拡散させる。溶融アルミニウム
浴浸漬処理法は、溶融アルミニウム浴中にウェットシー
ル部母材５５を浸漬して母材５５表面に直接アルミニウ
ム拡散層１１１を形成させる方法であり、実施の形態１
の様なアルミニウムコーティング処理と熱処理の二つの
処理工程を必要とせず、一工程でアルミニウム拡散層１
１１を形成することができ、熱処理を行う必要がないの
で、処理費用と処理工程が省けるのでコストの低減化と
加工時間の短縮ができるという長所を有する。しかしな
がら、一般に、形成されるアルミニウム拡散層１１１の
厚さは実施の形態１の場合の方が厚くできる。本実施の
形態はウェットシール部２１，３１の母材５５に実施の
形態１に示すアルミニウム含有フェライト系ステンレス
鋼を適用し、溶融アルミニウム浴浸漬処理によってその
母材５５表面にアルミニウム拡散層１１１を形成させた
ものである。この処理のアルミニウム拡散層１１１の厚
みは２０μｍ以上８０μｍ以下の範囲にするのが望まし
い。なぜならば、８０μｍ以上の厚みにするとアルミニ
ウム拡散層１１１に亀裂が生じる可能性が高くなり、ま
た、２０μｍ未満にすると処理効果が得られなくなるか
らである。なお、上述のように、この実施の形態では実
施の形態１の場合に比べて処理工程を短縮できる反面、
厚いアルミニウム拡散層１１１は得にくいが、本願発明
ではアルミニウム含有母材５５を用いているため、アル
ミニウム拡散層１１１の厚さが従来のものより薄くても
充分な耐食性を得ることができる。

【００３２】溶融アルミニウム浴浸漬処理の方法は、文
献（「日本舶用機関学会誌」第21巻，第9号，P.70〜75
）等にも公知されている方法で、先ず、ウェットシー
ル部母材５５を酸洗浄・水洗・乾燥等の前処理をした後
に７００℃弱の溶融アルミニウム浴中に浸漬し、約１時
間保持した後に溶融アルミニウム浴中より取り出して酸
洗浄・水洗・乾燥等の後処理を行った。なお、この場合
はアルミニウム拡散層１１１の厚みを厚くするために、
浸漬時間は約１時間とこの種の標準処理時間とされる２
０〜３０分程度よりも長くした。これにより、欠陥のな
い均一なアルミニウム拡散層１１１を形成することがで
きた。

【００３３】この様にして、アルミニウム含有フェライ
ト系ステンレス鋼を適用したウェットシール部２１，３
１にアルミニウム拡散処理したものを用い、従来と同様
の構成で組み立てた電池を従来と同様の条件で１万時間
の運転を行ったが、ウェットシール部２１，３１の腐食
による電池特性の低下はなく、安定した電池を得ること
ができた。また、運転後の分解調査の結果、ウェットシ
ール部に電池特性に影響するような腐食はなく、従来に
比べて耐食性が優れていることが確認できた。また、電
池運転での評価とは別に、実施の形態１と同様の方法で
溶融炭酸塩中での浸漬試験を行ったが、腐食の発生は全
くなく、この評価結果でも従来のものよりも耐食性が優
れていることが確認できた。

【００３４】なお、上記実施の形態では、溶融アルミニ
ウム浴中に浸漬する時間を１時間としたが、３０分以上
１.５時間以下の範囲としてもよく、上記実施の形態と
同様の効果が得られる。

【００３５】

【発明の効果】以上のように、請求項１の発明に係わる
溶融炭酸塩型燃料電池は、ウェットシール部が、１〜９
重量％のアルミニウムを含み鉄を主成分とする合金から
成る母材の表面にアルミニウム拡散層が形成されている
ので、充分な耐食性が得られる。

【００３６】請求項２の発明に係わる溶融炭酸塩型燃料
電池の製造方法は、ウェットシール部が、１〜９重量％
のアルミニウムを含み鉄を主成分とする合金から成る母
材の表面にアルミニウムをコーティングした後に熱処理
を施してアルミニウム拡散層を形成することにより製造
されるので、ウェットシール部に充分な耐食性を付与で
きる。

【００３７】本発明の請求項３に係わる溶融炭酸塩型燃
料電池の製造方法は、請求項２記載の熱処理は、表面に
アルミニウムがコーティングされたウェットシール部の
母材とセパレータ板を接合する工程、上記ウェットシー
ル部とセパレータ板間の空間及び電極挿入用空間にカー
ボンスペーサを挿入したものをカーボン当て板を介して
複数個積層する工程、並びに上記積層体の両端をカーボ
ン当て板を介して金属よりなる押さえ板で挟持して上記
積層体を加圧した状態で加熱する工程を有するので、母
材とセパレータ板の材質が異なり熱膨張率が異なっても
熱処理時の熱歪の発生を防止できる。

【００３８】本発明の請求項４に係わる溶融炭酸塩型燃
料電池の製造方法は、ウェットシール部が、１〜９重量
％のアルミニウムを含み鉄を主成分とする合金から成る
母材を溶融アルミニウム浴に浸漬して上記母材の表面に
アルミニウム拡散層を形成することにより製造されるの
で、ウェットシール部に充分な耐食性を付与できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態１に係わるウェットシー
ル部材と従来の材料の耐食性を評価した一例を示す特性
図である。

【図２】 本発明の実施の形態１に係わり、（ａ）はウ
ェットシール部表面にアルミニウムペイントを塗布した
状態を、（ｂ）は（ａ）のアルミニウムペイント塗布後
にアルミニウムを拡散させた状態をそれぞれ模式的に示
す要部断面図である。

【図３】 本発明の実施の形態１に係わる熱処理方法を
説明する要部断面図である。

【図４】 従来の内部マニホールド形式の溶融炭酸塩型
燃料電池の一般的な単電池の構造を一部破断して示す斜
視図である。

【図５】 図４の一部を拡大して示す要部斜視図であ
る。

【図６】 従来の内部マニホールド形式の溶融炭酸塩型
燃料電池のセパレータ板の一般的な構造を一部破断して
示す要部斜視図である。

【図７】 従来の溶融炭酸塩型燃料電池に係わり、
（ａ）はウェットシール部表面にアルミニウムを溶射し
た状態を、（ｂ）は（ａ）のアルミニウム溶射後にアル
ミニウムを拡散させた状態をそれぞれ模式的に示す要部
断面拡大図である。

【符号の説明】

１ 燃料電極、４ マトリクス、５ 酸化剤電極、１０
セパレータ板、２０ 燃料側マニホールド、２１ 燃
料側ウェットシール部、３０ 酸化剤側マニホールド、
３１ 酸化剤側ウェットシール部、４０ 溶接部、５５
アルミ含有フェライト系ステンレス母材、６０ａ，６
０ｂ カーボンスペーサ、６２ カーボン当て板、６４
押え板、６６ ネジ棒、６７ ナット、６８ バネ座
金、６９ 平座金、１０３ アルミニウム溶射層、１０
６ アルミニウム拡散層、１１０ アルミニウムペイン
ト層、１１１ 無欠陥アルミニウム拡散層。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料電極、電解質マトリクス、及び酸化
   剤電極を有する単セルと、ガス流路を形成するセパレー
   タ板とを交互に積層して形成されるスタック、燃料及び
   酸化剤ガス給排気用の内部マニホールド、並びに上記電
   極及びマニホールドの周囲に上記セパレータ板と接して
   設けられるウェットシール部を備える溶融炭酸塩型燃料
   電池において、上記ウェットシール部は、１〜９重量％
   のアルミニウムを含み鉄を主成分とする合金から成る母
   材の表面にアルミニウム拡散層が形成されているもので
   あることを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池。
2. 【請求項２】 燃料電極、電解質マトリクス、及び酸化
   剤電極を有する単セルと、ガス流路を形成するセパレー
   タ板とを交互に積層して形成されるスタック、燃料及び
   酸化剤ガス給排気用の内部マニホールド、並びに上記電
   極及びマニホールドの周囲に上記セパレータ板と接して
   設けられるウェットシール部を備える溶融炭酸塩型燃料
   電池を製造する方法において、上記ウェットシール部
   は、１〜９重量％のアルミニウムを含み鉄を主成分とす
   る合金から成る母材の表面にアルミニウムをコーティン
   グした後に熱処理を施してアルミニウム拡散層を形成す
   ることにより製造されることを特徴とする溶融炭酸塩型
   燃料電池の製造方法。
3. 【請求項３】 請求項２記載の熱処理は、表面にアルミ
   ニウムがコーティングされたウェットシール部の母材と
   セパレータ板を接合する工程、上記ウェットシール部と
   セパレータ板間の空間及び電極挿入用空間にカーボンス
   ペーサを挿入したものをカーボン当て板を介して複数個
   積層する工程、並びに上記積層体の両端をカーボン当て
   板を介して金属よりなる押さえ板で挟持して上記積層体
   を加圧した状態で加熱する工程を有するものであること
   を特徴とする請求項２記載の溶融炭酸塩型燃料電池の製
   造方法。
4. 【請求項４】 燃料電極、電解質マトリクス、及び酸化
   剤電極を有する単セルと、ガス流路を形成するセパレー
   タ板とを交互に積層して形成されるスタック、燃料及び
   酸化剤ガス給排気用の内部マニホールド、並びに上記電
   極及びマニホールドの周囲に上記セパレータ板と接して
   設けられるウェットシール部を備える溶融炭酸塩型燃料
   電池を製造する方法において、上記ウェットシール部
   は、１〜９重量％のアルミニウムを含み鉄を主成分とす
   る合金から成る母材を溶融アルミニウム浴に浸漬して上
   記母材の表面にアルミニウム拡散層を形成することによ
   り製造されることを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池の
   製造方法。