(57)【要約】      （修正有）【課題】耐酸化性燃料電池部品及び燃料電池部品内部にアルミニウム拡散表面層を形成して燃料電池の運転中に起こるクロム汚染を低減する方法を提供する。【解決手段】アルミニウム含有スラリーを燃料電池部品に適用し、部品を加熱して部品中にアルミニウムを拡散させ、部品内部にアルミニウム拡散表面層１０を形成する。表面層は、燃料電池部品の表面１２下に延在するアルミニウム含有金属間化合物相であることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池部品の表面（１２）に、金属アルミニウム合金、ハロゲン活性剤及びバインダーを含有するスラリー皮膜を設け、
燃料電池部品を加熱してスラリー皮膜から燃料電池部品中にアルミニウムを拡散させ、アルミニウム拡散表面層（１０）を燃料電池部品内部に形成する工程を含み、
アルミニウム拡散表面層（１０）が２００μｍ超の厚さのアルミニウム含有金属間化合物相であることを特徴とし、燃料電池部品が、ニッケルもコバルトも実質的に含有せず、約２７重量％以下のクロムを含有する母材金属（１４）から製造される、
燃料電池部品内部にアルミニウム拡散表面層（１０）を形成する方法。
【請求項２】
アルミニウム拡散表面層（１０）の厚さが２００μｍ超〜約４００μｍ未満である、請求項１記載の方法。
【請求項３】
アルミニウム拡散表面層（１０）の厚さが約２５０μｍ〜約３５０μｍである、請求項１記載の方法。
【請求項４】
母材金属（１４）が約８重量％〜約１１重量％のクロムを含有する、請求項１記載の方法。
【請求項５】
母材金属（１４）が約１１重量％〜約２７重量％のクロムを含有する、請求項１記載の方法。
【請求項６】
母材金属（１４）が約１重量％〜約８重量％のクロムを含有する、請求項１記載の方法。
【請求項７】
母材金属（１４）が１重量％未満のクロムを含有する、請求項１記載の方法。
【請求項８】
燃料電池部品が鋳造燃料電池部品を含み、鋳造燃料電池部品の鋳造したままの表面にスラリー皮膜を設ける、請求項１記載の方法。
【請求項９】
燃料電池部品として成形され、ニッケルもコバルトも実質的に含有せず、約２７重量％以下のクロムを含有する母材金属（１４）と
母材金属（１４）の表面（１２）下に延在するアルミニウム拡散表面層（１０）とを有し、アルミニウム拡散表面層（１０）が２００μｍ超の厚さのアルミニウム含有金属間化合物相であることを特徴とする、
燃料電池に用いる耐酸化性部品。
【請求項１０】
アルミニウム拡散表面層（１０）の厚さが２００μｍ超〜約４００μｍ未満である、請求項９記載の耐酸化性部品。
【請求項１１】
アルミニウム拡散表面層（１０）の厚さが約２５０μｍ〜約３５０μｍである、請求項９記載の耐酸化性部品。
【請求項１２】
母材金属（１４）が約８重量％〜約１１重量％のクロムを含有する、請求項９記載の耐酸化性部品。
【請求項１３】
母材金属（１４）が約１１重量％〜約２７重量％のクロムを含有する、請求項９記載の耐酸化性部品。
【請求項１４】
母材金属（１４）が約１重量％〜約８重量％のクロムを含有する、請求項９記載の耐酸化性部品。
【請求項１５】
母材金属（１４）が約１重量％未満のクロムを含有する、請求項９記載の耐酸化性部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、耐熱性金属部品の耐酸化性、特に耐酸化性燃料電池部品及び燃料電池部品内部にアルミニウム拡散表面層を形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）などの耐熱性燃料電池は、化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換できる。通常、燃料電池は、アノード電極、カソード電極、アノードとカソードの間に配置された電解質及びこれらの燃料電池内部部品を物理的に保持するハウジングを有する。さらに、多くの場合、複数の独立した燃料電池（セル）を単一のハウジング内に配置し、各セルの部品をインターコネクト又はセパレータプレートにより分離する。燃料電池の運転中に、空気などの酸素含有ガスが、カソード電極に沿って流れ、触媒作用によりカソードから電子を得、こうして酸素含有ガスの酸素を個々の酸素イオンに開裂する。これらの酸素イオンは、電解質中に拡散し、アノードに向かって移動する。アノードを流れる燃料が酸素イオンと触媒作用により反応して電子を放出し、その後、電子は、アノードから外部回路に輸送され、カソードに戻ることができる。この電子輸送が、外部回路に有用な電気エネルギー源を与える。
【０００３】
通常、燃料電池は比較的高温で運転される。たとえば、ＳＯＦＣ内部の標準的な運転温度は、約１７５０oＦ（約９５０℃）とすることができる。このように運転温度が高いため、通常、燃料電池部品を形成する母材金属として特殊合金、たとえばニッケル又はコバルト含有合金の使用を必要とする。このような部品に高い耐酸化性、したがって燃料電池内部での良好な運転寿命を付与するために、通常、クロムを合金添加材として用いて燃料電池部品の表面に耐酸化性の酸化クロムスケールを形成する。
【０００４】
酸化クロムスケールは通常、金属部品に十分な耐酸化性を与えるが、燃料電池内部で形成すると問題になることがある。特に、燃料電池部品の表面での酸化クロムの形成は、燃料電池の劣化につながるおそれがある。たとえば、クロムがカソードに存在する酸化剤と反応して高い揮発性の酸化物ガスを形成すると燃料電池内部でクロム被毒、即ちクロム汚染が起こることがある。酸化物ガスは通常、移動し、燃料電池の電解質と化学反応してクロム酸カリウム、クロム酸ナトリウム、クロム酸リチウムなどの化合物を形成し、これらのクロム酸塩は電解質を化学的に破壊し、分解する。これらのクロム反応は長期にわたり起こり続けるので、燃料電池の性能及び効率を著しく低下するおそれがあり、このような反応はしばしば、燃料電池を完全に無能にすることがある。
【０００５】
特殊ステンレス鋼及び他の耐熱合金を開発することにより燃料電池内部のクロム汚染を低減又は防止する研究が行われてきた。しかし、これらの特殊合金は、低グレードの鋼／合金鋼に比べ材料コストだけでも著しく高いので、製造に非常に費用がかかることがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７２７０８５２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、燃料電池内部のクロム汚染を低減することができる燃料電池部品を比較的低いコストの材料から製造することが燃料電池技術に望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の観点及び利点を以下に説明するが、以下の説明から明らかになったり、本発明を実施することから分かることもある。
【０００９】
第１の観点では、一般に燃料電池部品内部にアルミニウム拡散表面層を形成して燃料電池の運転中のクロム汚染を低減する方法を開示する。本方法は、燃料電池部品の表面にスラリー皮膜を設け、部品を加熱してスラリー皮膜から部品中にアルミニウムを拡散させ、アルミニウム拡散表面層を部品中に形成する工程を含む。アルミニウム拡散表面層は、２００μｍ超の厚さのアルミニウム含有金属間化合物相であることを特徴とする。
【００１０】
別の観点では、一般に燃料電池に用いる耐酸化性部品を開示する。部品は、燃料電池部品として成形される母材金属を有し、母材金属は、ニッケルもコバルトも実質的に含有せず、約２７重量％以下のクロムを含有する。さらに、部品は、母材金属の表面下に延在するアルミニウム拡散表面層を有する。アルミニウム拡散表面層は、２００μｍ超の厚さのアルミニウム含有金属間化合物相であることを特徴とする。
【００１１】
本発明の上記その他の特徴、観点及び利点は以下の説明と特許請求の範囲を参照することで、一層明らかになるであろう。添付図面は、本明細書の一部であり、本発明の実施形態を示し、以下の説明とともに本発明の原理を明らかにするためのものである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
以下に添付の図面を参照しながら、当業者を対象とした、最良の形態を含む本発明の完全かつ実施可能な開示を説明する。
【図１】本発明の実施形態によるＣｒ−Ｍｏ−Ｖ−Ｎｂ−Ｂ合金鋼（９％Ｃｒ）内部のアルミニウム拡散表面層を示す顕微鏡写真である。
【図２】本発明の実施形態による鋳造４１０ステンレス鋼（１２％Ｃｒ）内部のアルミニウム拡散表面層を示す顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施形態を詳細に言及し、その数例を図に示す。例示は本発明の説明のためのものであり、本発明を限定するものではない。実際、本発明の要旨から逸脱することなく、本発明を改変及び変更し得ることが当業者に明らかである。たとえば、１実施形態の一部分として例示又は説明された構成要素を別の実施形態に用いてさらに他の実施形態とすることができる。したがって、本発明はこのような変更及び改変も特許請求の範囲及びその均等物に入るものとして包含する。
【００１４】
本発明は広義には、耐酸化性燃料電池部品に関する。特に、本発明は、種々の低グレードの鋼／合金鋼を用いて比較的低コストの燃料電池部品を形成し、拡散プロセスを施して部品内部にアルミニウム拡散表面層を形成することができる。このアルミニウム拡散表面層は、燃料電池部品の表面に保護酸化アルミニウム（アルミナ）スケールを形成して部品の酸化を防止する。このようなアルミナスケールは、燃料電池部品の表面に酸化クロムが形成することも防止し、それにより燃料電池内部にクロム汚染が起こる可能性を減らすかなくすことができる。さらに、本発明は、燃料電池部品内部に耐酸化性、アルミニウム富化拡散層を形成して燃料電池の運転中に起こるクロム汚染を低減又は防止する方法を開示する。本方法は広義には、部品の表面にアルミニウム含有スラリーを塗工し、部品を加熱してスラリー中のアルミニウムを金属部品中に拡散させる工程を含む。
【００１５】
本発明者らは、一般に、低グレードの鋼／合金鋼でも、アルミニウム拡散方法で処理すれば、種々の特殊合金で認められるのと同程度の耐酸化性を示すことを発見した。たとえば、種々の低コスト鋼、具体的にはニッケルもコバルトも実質的に含有しない鋼中にアルミニウムを拡散させてアルミニウム拡散表面層を形成すると、アルミニウム拡散表面層が高温酸化剤（たとえば、燃料電池のカソード電極に流れる高温空気）への曝露中のこのような鋼の酸化を防止できることを見出した。特に、アルミニウム拡散表面層を低グレードの鋼／合金鋼内に形成すると、拡散層内部のアルミニウムが鋼の酸化を防止する保護アルミナスケールを形成するので、アルミニウム拡散表面層が高温で長期にわたって高い耐酸化性を示すことが酸化試験により確認された。したがって、たとえば、１０Ｃｒ合金鋼（即ち、約８重量％〜約１１重量％のクロム含量の合金）中にアルミニウム拡散表面層を形成することができる。１０Ｃｒ合金鋼内部の表面層は緻密なアルミナスケールを形成し、アルミナスケールにより合金鋼が酸化の兆候なく約１８００oＦの温度の酸化環境に耐えることが試験で示された。１０Ｃｒ合金鋼は、代表的には約１０００oＦ超の温度で急速に酸化するため、通常、燃料電池内部にこのような鋼を使用するのは不可能である。
【００１６】
さらに、燃料電池部品内部のアルミニウム拡散表面層の形成は、燃料電池内部で起こるクロム汚染を低減又は防止することができると考えられる。特に、本発明者らは、低グレードの鋼／合金鋼に本発明のアルミニウム拡散方法を適用すると比較的厚いアルミニウム拡散表面層が鋼の母材金属内部（即ち、母材金属の元の表面下）に形成されることを見出した。この表面層は、金属学的に母材金属の一部となり、約４００μｍ以下の厚さを有する、高強度のアルミニウム含有金属間化合物相を特徴とする。この表面層のために酸化剤への曝露中に鋼の表面に安定で緻密なアルミナスケールが形成される。このように、アルミナスケールは、鋼燃料電池部品の表面上に形成されると、部品の母材金属内に含有されるクロムと燃料電池内に収容されている高温酸化剤との間の保護バリアとして働く。したがって、アルミナスケールは、部品表面の酸化クロム形成を低減、さらには防止して、クロム汚染による燃料電池の劣化を低減又は防止することができる。
【００１７】
なお、本発明は通常、燃料電池の運転中に酸化剤に曝露される、したがって部品表面に揮発性の酸化クロムを形成する可能性をもつ燃料電池部品であればどのような燃料電池部品にも適用することができる。たとえば、多くの燃料電池部品は、燃料電池のカソード電極近傍を流れる高温酸化剤（たとえば、高温空気）に曝露されることがある。このような部品には、たとえば、積層（スタック）燃料電池配置で、燃料電池の個々のセルを分離するのに用いるセパレータプレート及び燃料電池の内部部品を収納するのに用いる燃料電池ハウジングがあるが、これに限らない。
【００１８】
さらに、本発明の拡散方法を用いて鋳造燃料電池部品及び鍛錬（ｗｒｏｕｇｈｔ）燃料電池部品の両方にアルミニウム拡散表面層を形成することができる。たとえば、種々の燃料電池部品は鋳造法により形成することができる。このような部品を処理するには、本発明のスラリー被覆法を部品の鋳造したままの表面に直接適用できることを確認した。したがって、鋳造燃料電池部品内部にアルミニウム拡散表面層を形成するのに予備機械加工をする必要がない。同様に、鍛錬燃料電池部品の表面に直接スラリー被覆法を適用して部品内部に保護アルミニウム表面層を形成することができる。
【００１９】
１実施形態では、本発明の低コスト、耐酸化性燃料電池部品を形成するのに用いる母材金属としては通常、ニッケルもコバルトも実質的に含有せず、クロム含量が２７重量％未満である母材鋼が挙げられる。なお、ニッケルもコバルトも実質的に含有しないということは、母材金属が通常、有意でない量のニッケル又はコバルト、たとえば約０．７５重量％未満のニッケル又はコバルトを含有することを意味する。したがって、母材金属には、種々の比較的低コスト、低グレードの鋼／合金鋼がある。たとえば、いくつかの実施形態には、燃料電池部品を形成する母材金属には、クロム含量が約１１重量％〜約２７重量％の範囲のフェライト系ステンレス鋼、クロム含量が約１１重量％〜約１８重量％の範囲のマルテンサイト系ステンレス鋼、クロム含量が約８重量％〜約１１重量％の範囲である１０Ｃｒ合金鋼、クロム含量が約１重量％〜約８重量％である合金鋼又は炭素含量が約０．０１重量％〜約１．０重量％であり、ほとんど又は全くクロムを含有しない炭素鋼が挙げられるが、これらに限らない。
【００２０】
１実施形態によれば、成形した燃料電池部品の表面にアルミニウムを堆積及び拡散するスラリー被覆拡散方法により、アルミニウム拡散表面層を燃料電池部品の母材金属内部に形成することができる。スラリー被覆方法はアルミニウム含有スラリーを用い、スラリー組成物は金属アルミニウムを含有するドナー材料、ハライド活性剤及びバインダーを含有する。なお、不活性充填剤、たとえば不活性酸化物材料（具体的に、酸化アルミニウム）は、その粒子が拡散プロセス中に焼結する傾向があり、スラリー組成物の成分には含まれない。さらに、本発明は一般にスラリー被覆拡散方法に言及するが、別の既知の拡散方法、たとえばパックセメンテーション、ＶＰＡ及びＣＶＤ法によってニッケルもコバルトも実質的に含有しない燃料電池部品内部にアルミニウム拡散表面層を形成できると予想される。
【００２１】
スラリー被覆組成物に適当なドナー材料には通常、融点が約１２２０oＦ（６６０℃）であるアルミニウムより高い融解温度をもつアルミニウム合金が挙げられる。たとえば、ドナー材料には、クロム、コバルト及び／又は鉄と合金化された金属アルミニウムがあるが、これらに限らない。別の適当な合金剤は、十分に高い融点をもち拡散プロセス中に堆積しないが、代わりにドナー材料のアルミニウムの不活性キャリアとして働くものであり、当業者には明らかである。好ましい実施形態では、ドナー材料には、クロム−アルミニウム合金がある。特に、合金５６Ｃｒ−４４Ａｌ（４４重量％のアルミニウム、残部のクロム及び不可避的不純物）が、本発明で想定されている広範な拡散温度で行われる拡散プロセスに非常に適していることを確認した。
【００２２】
１実施形態では、ドナー材料を微細粉末の形態にして燃料電池部品のすき間、内部通路などにドナー材料が入り込んだり、捕捉されたりする可能性を低減することができる。たとえば、特定の実施形態では、ドナー材料の粒径は−２００メッシュ（最大直径７４μｍ以下）以下にすることができる。しかし、これより大きなメッシュ寸法の粉末の使用も本発明の範囲内であることは明らかである。たとえば、メッシュ寸法が１００メッシュ（最大直径１４９μｍ以下）以上の粉末を使用できると予想される。
【００２３】
種々のハライド活性剤をスラリー被覆組成物に用いることができる。特に適当なハライド活性剤には、アンモニウムハライド、たとえば塩化アンモニウム（ＮＨ4Ｃｌ）、フッ化アンモニウム（ＮＨ4Ｆ）、臭化アンモニウム（ＮＨ4Ｂｒ）及びこれらの混合物がある。しかし、別のハライド活性剤の使用も本発明の範囲内であることは明らかである。一般に、適当なハライド活性剤はドナー材料に含有されるアルミニウムと反応して揮発性のアルミニウムハライド（たとえば、ＡｌＣｌ3及びＡｌＦ3）を形成することができ、アルミニウムハライドは、燃料電池部品の表面で反応し、部品中に拡散してアルミニウム含有金属間化合物相を形成する。さらに、スラリーに用いる場合、ハライド活性剤は微細粉末の形態とすることができる。さらに、ある実施形態では、ハライド活性剤粉末をカプセル封入でき、水系バインダーを用いる場合などに、水分吸収を抑制することができる。
【００２４】
スラリー被覆組成物に含有されるバインダーとしては有機ポリマーが適当である。たとえば、１実施形態では、バインダーには、種々のアルコール系有機ポリマー、水系有機ポリマー又はこれらの混合物がある。このようなバインダーであれば、ハライド活性剤を蒸発させたり、反応させたりするのに必要な温度より低い温度でバインダーを全量きれいに焼尽（脱脂）することができ、残留物は本質的に灰の形態であり、拡散プロセス後の部品の表面に空気などのガスを強制的に当てることにより簡単に除去することができる。適当な水系有機ポリマーバインダーの市販品には、商品名ＢＲＡＺ−ＢＩＮＤＥＲ  ＧＥＬにてＶＩＴＴＡ社（米国コネチカット州ベサル所在）から市販されているポリマーゲルがある。適当なアルコール系バインダーは、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）などの低分子量多価アルコール（ポリオール）にすることができる。さらに、１実施形態では、バインダーは次亜リン酸ナトリウムなどの硬化触媒又は促進剤を混合することもできる。なお、種々の別のアルコール系又は水系バインダーを本発明の範囲内で用いることができる。さらに、無機ポリマーバインダーも本発明の範囲内で用いるのに適当であると予想される。
【００２５】
適当なスラリー組成物は一般に、約１０重量％〜約８０重量％の固体配合物（ドナー材料及び活性剤）及び残部のバインダーを含有する。特に、適当なスラリー組成物は、ドナー材料粉末含量が約３５重量％〜約６５重量％、たとえば約４５重量％〜約６０重量％の範囲及びこれらの範囲内にあるすべての下位範囲であり、バインダーの含量が約２５重量％〜約６０重量％、たとえば約２５重量％〜約５０重量％の範囲及びこれらの範囲内にあるすべての下位範囲であり、ハライド活性剤の含量が約１重量％〜約２５重量％、たとえば約５重量％〜約２５重量％の範囲及びこれらの範囲内にあるすべての下位範囲である。このような範囲内で、スラリー組成物は、スプレー、ディップ、はけ塗り、注入などの様々な方法により燃料電池部品に適用できる稠度にすることができる。
【００２６】
さらに、本発明のスラリー組成物は、未処理時の厚さ（即ち、未乾燥時の厚さ）が不均一であるように適用されても非常に均一な厚さのアルミニウム含有金属間化合物相を形成することを確認した。さらに、本発明のスラリー組成物は、広い範囲の拡散温度、通常約１５００oＦ〜約２１００oＦ（約８１５℃〜約１１５０℃）、たとえば約１８００oＦ〜約２０００oＦ（約９８０℃〜約１０９０℃）の範囲及びこれらの範囲内にあるすべての下位範囲の温度で内方拡散アルミニウム富化表面層を形成できることを確認した。
【００２７】
成形後の部品、具体的には鍛錬又は鋳造燃料電池部品の表面にスラリーを適用した後、部品を直ちにコーティングチャンバ又はレトルト内に入れて拡散プロセスを行うことができる。レトルト内に追加のスラリー被覆材料も活性剤材料も存在する必要はない。レトルトを排気し、不活性又は還元性雰囲気（たとえば、アルゴン又は水素）で再び満たすことができる。その後、レトルト内部の温度をバインダーを焼尽するのに十分な温度、たとえば約３００oＦ〜約４００oＦ（約１５０℃〜約２００℃）に上昇させ、さらに、上記の望ましい拡散温度、即ち約１５００oＦ〜約２１００oＦに達するまで加熱することができ、その間にハライド活性剤が揮発し、アルミニウムハライドが形成され、アルミニウムが部品の表面上に堆積する。その後、部品を約２時間〜約１２時間、たとえば約２時間〜約４時間このような拡散温度に維持してアルミニウムを部品の表面中に拡散させる。
【００２８】
拡散プロセス後、レトルトチャンバから燃料電池部品を取り出し、クリーニングして部品内や部品上の残留物を除去することができる。このような残留物は、本質的に灰状のバインダー残留物及びドナー材料粒子の残留物に限定され、後者は主にドナー材料のアルミニウム以外の金属成分であることを確認した。これらの残留物は、強制ガス流などで容易に除去することができ、もっと積極的な除去方法、たとえばワイヤブラシ仕上げ、ガラスビーズ又は酸化物グリッド磨き仕上げ、高圧ウォータージェットなどの、強く付着した残留物を除去するのに固体又は液体との物理的接触を必要とする方法に頼らなくてよい。
【００２９】
上述したように、スラリー被覆拡散プロセスを用いてアルミニウム含有金属間化合物相として特徴付けられる拡散表面層を、ニッケルもコバルトも実質的に含有しない燃料電池部品内部に形成することができる。このような表面層の厚さは主に拡散温度並びに拡散処理の時間に依存して変化することがある。しかし、アルミニウム拡散表面層の厚さは、部品の表面からアルミニウム濃度が０％である母材金属内部の位置までを測定したとき、約２５μｍ〜約４００μｍ、たとえば約２００μｍ〜約４００μｍ又は約２５０μｍ〜約３５０μｍの範囲及びこれらの範囲内にあるすべての下位範囲にすることができる。特定の理論に束縛されるものではないが、比較的深い表面層、特に厚さが２００μｍ超える層は、特定のアルミニウム拡散プロセスを使用すること並びに母材金属にニッケルもコバルトも存在しないことにより実現できると考えられる。
【００３０】
また、表面拡散層のアルミニウム含量は、拡散温度及び処理の時間（これらに限らない）に依存して変化することがある。通常、燃料電池部品の表面のアルミニウム含量は、約１０重量％〜約１４重量％、たとえば約１２重量％〜約１４重量％の範囲及びこれらの範囲内にあるすべての下位範囲とすることができ、アルミニウム含量がアルミニウム拡散表面層と非拡散母材金属との界面で０重量％に低減することを確認した。したがって、表面層は、部品の表面から厚さ方向にアルミニウム濃度が減少していく勾配（漸変）層とすることができる。さらに、上記の様々な拡散温度及び拡散時間並びにスラリー組成物の様々な割合のアルミニウム含量であれば、燃料電池部品の表面でのアルミニウム含量は１４重量％超であると予想される。
【００３１】
さらに、低グレードの鋼／合金鋼内に形成されるアルミニウム拡散表面層は比較的延性及び展性であることを確認した。通常、表面層の硬度はロックウェルＢスケールの範囲内とすることができる。特に、表面層の硬度値は、ロックウェルＢスケールの真ん中から上の範囲、たとえば約７０ＨＲＢ〜約９５ＨＲＢ又は約７５ＨＲＢ〜約９０ＨＲＢ及びこれらの範囲内にあるすべての下位範囲とすることができる。したがって、本発明で想定されている鋼から成形し、上記のスラリー被覆拡散プロセスを施した燃料電池部品は、取り付け時に欠けたり、傷ついたり、亀裂がはいったりする可能性が低い。なお、ここで引用したすべての硬度値は、ヌープ硬度試験を使って求め、ロックウェルＢスケールに換算した。具体的には、四角錐のダイヤモンドを対象となる材料の断面に押し当て、生じた圧痕を顕微鏡を用いて測定した。
【００３２】
また、表面層の硬度並びに表面層の他の機械特性及び耐酸化性は、非拡散母材金属の熱処理による影響を受けない。したがって、アルミニウム拡散プロセス後、燃料電池部品の母材金属を熱処理して所望の機械特性を達成できることが理解できるはずである。たとえば、部品を焼きなまし、焼き入れ、焼き戻ししても、アルミニウム拡散表面層の特性を変化させないことを確認した。
【００３３】
さらに、上述のように、アルミニウム拡散表面層は一般に、燃料電池部品の表面に、部品の酸化に対して耐性があり、酸化クロムの形成も防止する保護アルミナスケールを形成する。このような訳で、アルミニウム拡散表面層は、燃料電池の劣化につながる揮発性のクロム化合物の形成を抑制することにより燃料電池内部のクロム汚染を効果的に低減又は防止することができる。なお、燃料電池部品は、たとえば制御雰囲気下で部品を酸化剤に曝露することにより予備酸化処理を施し、部品の表面に保護アルミナスケールを形成することができる。しかし、酸化性環境への継続的な曝露中にアルミニウム拡散部品の表面に比較的短時間、たとえば数時間以内でアルミナスケールが形成することが酸化試験により確認された。
【００３４】
以下の実施例は、例示にすぎず、本発明の要旨を制限するものではない。
【実施例】
【００３５】
実施例１
スラリー被覆組成物を以下のスラリー組成：５０重量％のクロム−アルミニウム（５６Ｃｒ−４４Ａｌ）、１０重量％の塩化アンモニウム、残部のＶＩＴＴＡ社製ＢＲＡＺ−ＢＩＮＤＥＲ  ＧＥＬで調製した。クロム−アルミニウムは粒径−２００メッシュの粉末形態であった。
【００３６】
１０個の試験片を鍛造Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ−Ｎｂ−Ｂ合金鋼（９．０〜９．６％のＣｒ、１．５０〜１．７０％のＭｏ、０．２５〜０．３０％のＶ、０．０４５〜０．０６５％のＮｂ、０．００８〜０．０１２％のＢ）から作製した。各試験片の概略寸法は、２５．４ｘ２５．４ｘ１２．７ｍｍ（１ｘ１ｘ０．５インチ）であった。不均一な厚さのスラリー皮膜を各試験片表面に直接設けた。具体的には、スラリー混合物を試験片上に流し込み、各試験片の表面全体にスラリー混合物を塗り広げることにより皮膜を設けた。
【００３７】
試験片をレトルトに入れ、レトルトを−４０oＦの露点に到達するまでアルゴンでパージした。レトルト内の温度を表１に示した拡散温度（即ち、１６００oＦ、１８００oＦ又は２０００oＦ）に加熱し、表１に示した時間（即ち、２ｈ、３ｈ、４ｈ又は１２ｈ）同温度に保持した。加熱中アルゴンガスを流し続けた。その後、レトルトをアルゴンガス下で冷却し、試験片をレトルトから取り出し、切断してアルミニウム拡散表面層の厚さを測定した。このような測定の結果を図１にまとめる。
【００３８】
【表１】
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各試験片内部のアルミニウム拡散表面層の厚さは、拡散温度及び曝露時間の両方に依存して２５μｍ〜３５６μｍの厚さの範囲で変化した。各試験片の表面層の硬度を測定したところ、硬度測定値は約７９ＨＲＢ〜約８５ＨＲＢの範囲であった。
【００３９】
図１は焼き入れ及び焼き戻し後の試験片＃９（拡散温度＝２０００oＦ、時間＝４時間）の顕微鏡写真である。図から明らかなように、Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ−Ｎｂ−Ｂ合金鋼内の合金鋼の元の表面１２と非拡散母材金属１４との間にアルミニウム拡散表面層１０が形成された。表面層１０は鉄−クロム−アルミニウム金属間化合物相からなり、アルミニウム含量が元の表面１２で約１４重量％であり、表面層１０及び非拡散母材金属１４の界面で０重量％に低減することを確認した。さらに、表面層１０は、特異な単一広幅の結晶粒構造を示した。焼き入れ及び焼き戻し後、非拡散母材金属１４の硬度は約５０ＨＲＣと測定されたが、表面層１０の硬度は約８０ＨＲＢのままであった。
【００４０】
実施例２
スラリー被覆組成物を以下のスラリー組成：表２に示したの割合のクロム−アルミニウム（５６Ｃｒ−４４Ａｌ）、１０重量％の塩化アンモニウム、残部のＶＩＴＴＡ社製ＢＲＡＺ−ＢＩＮＤＥＲ  ＧＥＬで調製した。クロム−アルミニウムは粒径−２００メッシュの粉末形態であった。
【００４１】
４個の試験片を鍛造Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ−Ｎｂ−Ｂ合金鋼（９．０〜９．６％のＣｒ、１．５０〜１．７０％のＭｏ、０．２５〜０．３０％のＶ、０．０４５〜０．０６５％のＮｂ、０．００８〜０．０１２％のＢ）から作製した。各試験片の概略寸法は、２５．４ｘ２５．４ｘ１２．７ｍｍ（１ｘ１ｘ０．５インチ）であった。不均一な厚さのスラリー皮膜を各試験片表面に直接設けた。具体的には、スラリー混合物を試験片上に流し込み、各試験片の表面全体にスラリー混合物を塗り広げることにより皮膜を設けた。
【００４２】
試験片をレトルトに入れ、レトルトを−４０oＦの露点に到達するまでアルゴンでパージした。続いて、レトルト内の温度を拡散温度２０００oＦに加熱し、同温度に４時間保持した。加熱中アルゴンガスを流し続けた。その後、レトルトをアルゴンガス下で冷却し、試験片をレトルトチャンバから取り出し、切断してアルミニウム拡散表面層の厚さを測定した。このような測定の結果を図２にまとめる。
【００４３】
【表２】
2011256461.tif 000004
各試験片内部のアルミニウム拡散表面層の厚さは、スラリー皮膜中のクロム−アルミニウムの割合に僅かだけ依存して変化し、５０％のクロム−アルミニウム含有組成物で最も大きな変化が認められた。表面層は、試験片の元の表面の下側にある鉄−クロム−アルミニウム金属間化合物相を特徴とした。各試験片の表面層の硬度を測定したところ、平均硬度測定値は約８０ＨＲＢであった。
【００４４】
実施例３
スラリー被覆組成物を以下のスラリー組成：５０重量％のクロム−アルミニウム（５６Ｃｒ−４４Ａｌ）、１０重量％の塩化アンモニウム、残部のＶＩＴＴＡ社製ＢＲＡＺ−ＢＩＮＤＥＲ  ＧＥＬで調製した。クロム−アルミニウムは粒径−２００メッシュの粉末形態であった。
【００４５】
試験片を鋳造４１０ステンレス鋼（１２％Ｃｒ）から作製した。試験片の概略寸法は、２５．４ｘ２５．４ｘ１２．７ｍｍ（１ｘ１ｘ０．５インチ）であった。不均一な厚さのスラリー皮膜を試験片の鋳造したままの表面に直接設けた。スラリー混合物を試験片上に流し込み、試験片の表面全体にスラリー混合物を塗り広げることにより皮膜を設けた。
【００４６】
試験片をレトルトに入れ、レトルトを−４０oＦの露点に到達するまでアルゴンでパージした。続いて、レトルト内の温度を拡散温度２０００oＦに加熱し、同温度に４時間保持した。加熱中アルゴンガスを流し続けた。その後、レトルトをアルゴンガス下で冷却し、試験片をレトルトチャンバから取り出し、切断してアルミニウム拡散表面層の厚さを測定した。
【００４７】
図２は、拡散処理後の鋳造４１０ステンレス鋼試験片の顕微鏡写真である。図から明らかなように、試験片内部の合金の元の表面１２と非拡散母材金属１４との間にアルミニウム拡散表面層１０が形成された。表面層１０は鉄−クロム−アルミニウム金属間化合物相を特徴とした。表面層１０の厚さは約２００μｍ（０．００８インチ）であった。さらに、表面層１０は、特異な単一広幅の結晶粒構造を示した。非拡散母材金属１４の硬度は約２５ＨＲＣと測定されたが、表面層１０の硬度は約８８ＨＲＢ〜約９０ＨＲＢと測定された。
【００４８】
実施例４
スラリー被覆組成物を以下のスラリー組成：５０重量％のクロム−アルミニウム（５６Ｃｒ−４４Ａｌ）、１０重量％の塩化アンモニウム、残部のＶＩＴＴＡ社製ＢＲＡＺ−ＢＩＮＤＥＲ  ＧＥＬで調製した。クロム−アルミニウムは粒径−２００メッシュの粉末形態であった。
【００４９】
試験片を炭素鋼（０．１８％Ｃ、１．５％Ｍｎ）から作製した。試験片の概略寸法は、２５．４ｘ２５．４ｘ１２．７ｍｍ（１ｘ１ｘ０．５インチ）であった。不均一な厚さのスラリー皮膜を試験片の表面に直接設けた。スラリー混合物を試験片上に流し込み、試験片の表面全体にスラリー混合物を塗り広げることにより皮膜を設けた。
【００５０】
試験片をレトルトに入れ、レトルトを−４０oＦの露点に到達するまでアルゴンでパージした。続いて、レトルト内の温度を拡散温度２０００oＦに加熱し、同温度に２時間保持した。加熱中アルゴンガスを流し続けた。その後、レトルトをアルゴンガス下で冷却し、試験片をレトルトチャンバから取り出し、切断して表面拡散層の厚さを測定した。
【００５１】
炭素鋼内部の合金の元の表面と非拡散母材金属との間にアルミニウム拡散表面層が形成されたことが分かった。表面拡散層は厚さ約１９０μｍ（０．００７５インチ）の鉄−アルミニウム金属間化合物相を特徴とした。非拡散母材金属の硬度は約９０ＨＲＢと測定されたが、表面層の硬度は約８０ＨＲＢ〜約８５ＨＲＢと測定された。
【００５２】
実施例５
スラリー被覆組成物を以下のスラリー組成：５０重量％のクロム−アルミニウム（５６Ｃｒ−４４Ａｌ）、１０重量％の塩化アンモニウム、残部のＶＩＴＴＡ社製ＢＲＡＺ−ＢＩＮＤＥＲ  ＧＥＬで調製した。クロム−アルミニウムは粒径−２００メッシュの粉末形態であった。
【００５３】
いくつかの試験片を鍛造ＣｒＭｏ−Ｖ−Ｎｂ−Ｂ合金鋼（９．０〜９．６％のＣｒ、１．５０〜１．７０％のＭｏ、０．２５〜０．３０％のＶ、０．０４５〜０．０６５％のＮｂ、０．００８〜０．０１２％のＢ）から作製した。各試験片の概略寸法は、２５．４ｘ２５．４ｘ１２．７ｍｍ（１ｘ１ｘ０．５インチ）であった。不均一な厚さのスラリー皮膜を各試験片の表面に直接設けた。スラリー混合物を試験片上に流し込み、各試験片の表面全体にスラリー混合物を塗り広げることにより皮膜を設けた。
【００５４】
試験片をレトルトに入れ、レトルトを−４０oＦの露点に到達するまでアルゴンでパージした。続いて、レトルト内の温度を拡散温度の２０００oＦに加熱し、同温度に４時間保持した。加熱中アルゴンガスを流し続けた。その後、レトルトをアルゴンガス下で冷却した。
【００５５】
試験片をレトルトチャンバから取り出し、酸化試験を施した。試験片を制御した酸化性環境中に１８００oＦで５０００時間放置した。その後、試験片を調べたが酸化の兆候は認められなかった。酸化試験中に各試験片の表面に保護アルミナスケールが形成された。通常の場合、試験された合金鋼は約１０００oＦ超の温度で急速に酸化する。
【００５６】
実施例６
スラリー被覆組成物を以下のスラリー組成：５０重量％のクロム−アルミニウム（５６Ｃｒ−４４Ａｌ）、１０重量％の塩化アンモニウム、残部のＶＩＴＴＡ社製ＢＲＡＺ−ＢＩＮＤＥＲ  ＧＥＬで調製した。クロム−アルミニウムは粒径−２００メッシュの粉末形態であった。
【００５７】
いくつかの試験片を鋳造４１０ステンレス鋼（１２％Ｃｒ）から作製した。各試験片の概略寸法は、２５．４ｘ２５．４ｘ１２．７ｍｍ（１ｘ１ｘ０．５インチ）であった。不均一な厚さのスラリー皮膜を各試験片の鋳造したままの表面に直接設けた。スラリー混合物を試験片上に流し込み、各試験片の表面全体にスラリー混合物を塗り広げることにより皮膜を設けた。
【００５８】
試験片をレトルトに入れ、レトルトを−４０oＦの露点に到達するまでアルゴンでパージした。続いて、レトルト内の温度を拡散温度２０００oＦに加熱し、同温度に４時間保持した。加熱中アルゴンガスを流し続けた。その後、レトルトをアルゴンガス下で冷却した。
【００５９】
試験片をレトルトチャンバから取り出し、酸化試験を施した。試験片を制御した酸化性環境中に１８００oＦで５０００時間放置した。その後、試験片を調べたが酸化の兆候は認められなかった。酸化試験中に各試験片の表面に保護アルミナスケールが形成された。通常の場合、試験された合金鋼は約１２００oＦ超の温度で急速に酸化する。
【００６０】
実施例１〜６が実証するように、比較的厚いアルミニウム拡散表面層がニッケルもコバルトも実質的に含有しない母材金属から成形した燃料電池部品内に形成される。このような表面層は高温酸化剤の存在下で保護アルミナスケールを形成することにより燃料電池部品の酸化を防止することができる。かくして、この比較的安定なアルミナスケールは、燃料電池部品の表面に通常形成される揮発性の酸化クロムスケールに取って代わる作用をなす。したがって、本発明では、低グレードの鋼／合金鋼を用いて特殊合金の使用に通常ともなう費用の何分の１かの費用で耐酸化性燃料電池部品を製造でき、しかも得られた耐酸化性燃料電池部品は燃料電池内部で起こるクロム汚染を低減又は防止することができる。
【００６１】
本明細書では、具体例を挙げて、最良の形態を含む本発明を開示するとともに、装置又はシステムの製造及び使用、必要な方法の実行を含めて当業者が本発明を実施できるようにしている。本発明の要旨は、特許請求の範囲に規定された通りで、当業者が想起できる他の例を含むことができる。このような他の例は、特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を有するか、特許請求の範囲の文言と実質的に異ならない均等な構造要素を含むならば、特許請求の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６２】
１０  拡散表面層
１２  元の表面
１４  非拡散母材金属
【図１】
2011256461.tif 000005
【図２】
2011256461.tif 000006
【外国語明細書】
2011256461000001.pdf