JP2001196077A - 固体電解質型燃料電池のセパレータ - Google Patents

固体電解質型燃料電池のセパレータ

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祐一 菱沼
Isamu Yasuda
勇 安田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 クロムによる発電性能の低下を燃料電池の空
気極に発生させない、クロム含有合金のセパレータを提
供する。 【解決手段】 固体電解質型燃料電池のセパレータであ
って、Crを含むNi基合金、又はFe基合金である耐
熱性合金からなり、少なくとも空気極側の表面に酸化ク
ロムと複合酸化物を形成するNi、Mn、Feのいずれ
か、あるいはこれら元素の2以上の組み合わせの元素を
含む材料をコーティングして燃料電池用セパレータを形
成した。このことにより、セパレータからクロムを含む
蒸気が発生せず、かかるクロム蒸気による空気極の汚染
が生じないため、固体電解質型燃料電池においてクロム
を原因とする発電性能の低下を起こさない。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体電解質型燃料
電池のセパレータ、およびそれを用いた固体電解質型燃
料電池に関し、特にクロムを含む耐熱性合金でセパレー
タを構成したときのクロムによる空気極の汚染を防止し
たセパレータ及びその固体電解質型燃料電池に関する。
【0002】
【従来の技術】燃料電池は省資源の観点からだけではな
く、環境に対する影響の観点からもエネルギー源として
注目されている。
【0003】固体電解質型燃料電池(SOFC)は固体
電解質層の片面に燃料極、その反対面に空気極を配置し
た単電池と、隣接するそれぞれ単電池同士を電気的に直
列に接続しかつ各単電池に燃料と酸化剤ガスとを分配す
るセパレータと、を交互に積層して複層のスタックとし
て構成されていて、燃料電池の中でも動作温度が700
〜1000℃と高いことから多様な燃料が使用可能な
上、発電効率が高く、また構成材料がすべて固体である
ため取扱いが容易であるなどの利点があり実用化が進ん
でいる。
【0004】固体電解質型燃料電池の単電池(セル)は
中心となる固体電解質層の片面に最初に燃料極を145
0℃程度の高温で焼成し、次に反対側の面に空気極を1
150℃程度の低温で焼成しており、これらの電極は固
体電解質層との間にそれぞれ界面を有している。単電池
の固体電解質には、主に8YSZ(YSZはイットリア
をドープした安定化ジルコニア)または3YSZが用い
られている。
【0005】空気極の材料としてはLaSrMnO
(LSMと称している)が代表的なものとして知られて
いる。また、LSM中のLaを他元素で置換したもの
や、MnをCoに置き換えたCo系材料も提案されてい
る。
【0006】セパレータとしては、一般にドープしたL
aCrOのセラミックが用いられているが、近年作動
温度の低温化が実現できたことや、セラミック自体が高
価なこと等から、クロムを含む耐熱性合金が用いられて
きている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、クロム
を含む耐熱性合金をセパレータに用いた場合、次のよう
な問題が生じていた。すなわち、発電動作が開始され、
酸化雰囲気下でセパレータが高温に曝されるとセパレー
タに含有されているクロムが酸化し、セパレータの表面
にCrの酸化クロム層が形成され、そしてその酸
化クロムが酸素と水に反応して、気体の2CrO(O
H)が発生して蒸散する。するとセパレータに対向し
て設けられている空気極に2CrO(OH)のクロム
含有ガスが接触し、空気極で還元されて酸化クロム層が
空気極と固体電解質層との界面に形成される。
【0008】空気極と固体電解質層との界面に酸化クロ
ム層が形成されると、酸化剤ガスの空気極での反応が阻
害され、図3に示すように発電開始から2〜300分以
内に過電圧が大きくなり、燃料電池の発電性能を著しく
低下させてしまい、クロムを含む耐熱性合金を固体電解
質型燃料電池のセパレータに利用する際の障害となって
いた。
【0009】本発明は、上述の点にかんがみてなされた
もので、セパレータにクロムを含む耐熱性合金を用いた
場合であっても、クロム含有ガスによる問題を空気極に
発生させることのない燃料電池用セパレータを提供する
ことを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】そこで本発明では、上記
課題を解決するため、次のようにセパレータ、およびそ
れを用いた燃料電池を構成した。クロムを含む耐熱性合
金で製造されたセパレータの表面に酸化クロムと複合酸
化物を形成する元素を含む材料をコーティングした。す
ると、発電作用によってセパレータを酸化雰囲気下で高
温にしてセパレータ表面に酸化クロム層が形成されて
も、かかる元素を含むコーティング材によって複合酸化
物が形成されることにより、酸化クロム層の表面を覆い
表面に露出されなくなることから、セパレータからクロ
ムを含む化合物のガス(蒸気)が発生することがなく、
酸化クロムが空気極と電解質層との界面に形成されるこ
とがない。したがって、空気極において酸化クロムによ
る発電反応の阻害がなく、クロム合金からなるセパレー
タを燃料電池に用いて場合であっても発電性能の低下を
もたらすことがない。
【0011】また、コーティングに先立ちセパレータに
予備の加熱処理を行ない、コーティング層の下部に加熱
酸化層を形成してもよい。このように、コーティング層
の下部に加熱酸化層を形成すると、コーティング材を被
覆した際、加熱酸化層と反応し、予め表面に複合酸化物
を形成してより効果的である。
【0012】セパレータとして用いられる金属は、Ni
基合金としては、Inconel600、またFe基合
金としてはSUS430等である。セパレータにコーテ
ィングして、複合酸化物を形成する元素としては、N
i、Mn、Fe等であり、コーティングにより形成され
る複合酸化物は、スピネル構造である。
【0013】
【発明の実施の形態】本発明にかかるセパレータの一実
施形態について説明する。
【0014】セパレータは、図4に示すような燃料電池
20に用いられ、燃料電池20の単電池22を保持し、
燃料ガスや酸化剤ガス等を単電池22に供給する通路、
発電された電流を取出す導電部材等として機能する。単
電池22は、燃料極28の表面に固体電解質層26を形
成し、その上に空気極24が形成してある。
【0015】セパレータ4は、合金セパレータ2とセラ
ミックセパレータ30からなり、セラミックセパレータ
30の中央に形成された凹部31に単電池22を収容し
ている。又、セパレータ4の四隅にはそれぞれ空気等の
酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給孔と、酸化剤ガス
排気孔と、都市ガス等の燃料ガスを供給する燃料ガス供
給孔と、燃料ガス排気孔等(図示せず)が形成してあ
る。これら各孔は、セパレータ4を積層すると積層方向
に連続し、それぞれの供給通路や排気通路をセパレータ
4内に形成する。なお、各通路の形成方法はこれに限る
ものではない。
【0016】単電池22の燃料極28は、Ni/YSZ
サーメットからなり、凹部31の底に設けられたニッケ
ルメッシュ32に接触し、集電孔34を通して、下部に
積層される図示しない燃料電池の合金セパレータに導通
される。また、空気極24は、LSMからなり、合金セ
パレータ2に接触し、上部に積層される図示しない燃料
電池に導通される。固体電解質層26は、YSZから構
成されている。
【0017】合金セパレータ2は、本発明にかかる耐熱
性合金からなるセパレータであり、空気極24に接して
設けられ、溝部により酸化剤ガスの通路等が形成されて
いる。合金セパレータ2の断面を図1に示す。
【0018】合金セパレータ2は、Inconel60
0を基材5とした耐熱性合金で形成されており、Inc
onel600の基材5にはクロムを所定量含有してい
る。そのため基材5は、燃料電池20の発電作用を開始
し高温酸化雰囲気下に曝されると、通常、含有している
クロムが基材5の表面で酸化され、基材5の表面に酸化
クロム層が形成される。
【0019】なお、セパレータ4を、合金セパレータ2
とセラミックセパレータ30から形成したが、本発明は
これに限らず、セパレータ4を合金のみから形成した構
成でも良い。
【0020】次に合金セパレータ2に、予備酸化処理を
行ない表面に酸化クロム層6を形成する。予備酸化処理
は、比較的低温で長時間、約650℃で、50時間程度
行ない、厚さ約10μmの酸化クロム層6を形成する。
【0021】合金セパレータ2には更に、予備酸化処理
で形成した酸化クロム層6の上にNi等の所定の金属元
素をコーティングする。Niのコーティングは、真空蒸
着等の方法を用い、膜厚は50μm以下とする。これに
より表面にクロムとの複合酸化物皮膜8が形成される。
複合酸化物皮膜8はスピネル型構造の皮膜であり、複合
酸化物皮膜8を形成したことにより合金セパレータ2の
表面に酸化クロム(Cr)層6を露出させることが
ない。例えば、Niをコーティングに用いた場合のスピ
ネル型の結晶は、NiCrである。
【0022】このように合金セパレータ2の表面に複合
酸化物皮膜8を形成したことにより、合金セパレータ2
の表面に酸化クロム層6が露出せず、固体電解質型燃料
電池をかかるセパレータ4により構成したとき、クロム
を含む化合物の蒸気が合金セパレータ2から発生せず、
クロム含有蒸気によって空気極に酸化クロム層が形成さ
れず、酸化クロム層を原因とする発電性能の低下をもた
らすことがない。
【0023】また、予め合金セパレータ2に予備酸化の
ための熱処理を行なわなくともよい。
【0024】この場合には、合金セパレータ2に直接N
i等の所定の金属元素をコーティングする。Niのコー
ティングは、上記例と同様真空蒸着等の方法を用い、膜
厚は50μm以下とする。そして、Niのコーティング
を行なった合金セパレータ2を用いて燃料電池20を構
成し、その燃料電池20を作動させて発電作用を開始さ
せると、導入された酸素によって合金セパレータ2の表
面にクロムの酸化物が形成されるが、このクロム酸化層
はNi等の所定の金属元素のコーティング材と反応し、
複合酸化物皮膜8を形成する。このようにしてもスピネ
ル型構造の複合酸化物皮膜8が形成され、形成された複
合酸化物皮膜8により合金セパレータ2の表面に酸化ク
ロム(Cr)層6を露出させることがなく、クロム
蒸気による発電作用の低下等をもたらすことがない。
【0025】また、上記例ではNi基合金を例とした
が、Fe基合金により形成した合金セパレータの場合で
も同様である。
【0026】(実験例)以下、燃料電池の合金セパレー
タの実験例について説明する。実験結果を図2に示す。
【0027】実験は、セパレータの材質として、Ni基
合金としてのInconel600と、Fe基合金とし
てのSUS430を用い、セパレータに各処理を行った
後、かかるセパレータに空気極を接触させ、燃料電池の
使用条件と同様な条件で5時間通電させた後の空気極の
分極を計測した。
【0028】セパレータの処理は、予備酸化処理と金属
元素を含む材料のコーティング処理であり、実施例1〜
14まで条件を変更して行なった。
【0029】予備酸化の処理は、650℃、50時間の
酸素雰囲気下での加熱である。
【0030】コーティング処理は、真空蒸着によりN
i、Mn、Feをそれぞれ50μm以下の膜厚となるよ
うに行った。この各金属元素のコーティングにより、セ
パレータの表面には酸化クロムとの複合酸化物の結晶構
造が形成される。
【0031】実験は、予備酸化のみの実施例1及び2
と、各元素をコーティングした場合において予め予備酸
化を行うものと行わないものの実施例3〜14と、比較
例として処理を行わない従来例1及び2とをそれぞれ実
施した。
【0032】図2の表の右端部に結果を示す。これによ
り、予備加熱処理を行った後に各元素をコーティング
し、表面に酸化クロムの複合酸化物を形成した例が、空
気極の分極が最も小さく、セパレータからのクロム蒸気
の発生が抑えられたことがわかる。また、この結果は、
Ni、Mn、Feのいずれの元素をコーティングした場
合であってもよい結果を得ることができることがわか
る。
【0033】
【発明の効果】本発明のセパレータによれば、結果的に
複合酸化物をセパレータの表面に被覆した構造を実現し
たことにより、セパレータの表面に酸化クロム層を露出
させることがないことから、クロム蒸気を発生させず、
クロム蒸気による空気極の被毒を生じさせることがな
く、空気極の被毒を原因とする燃料電池の発電能力の低
下を生じさせない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかるセパレータを示す断面図であ
る。
【図2】実験結果を示す表である。
【図3】従来の結果を示すグラフである。
【図4】燃料電池を示す断面図である。
【符号の説明】
2 合金セパレータ 4 セパレータ 5 基材 6 酸化クロム層 8 複合酸化物被膜 20 燃料電池 22 単電池 24 空気極 26 固体電解質層 28 燃料極 30 セラミックセパレータ 32 ニッケルメッシュ 34 集電孔
フロントページの続き (72)発明者 松崎 良雄 東京都港区海岸一丁目5番20号 東京瓦斯 株式会社内 Fターム(参考) 5H026 AA06 BB01 BB04 BB10 EE08 EE13

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 単電池とセパレータとを積層してなる固
    体電解質型燃料電池のセパレータであって、Crを含む
    耐熱性合金からなり、少なくとも前記単電池の空気極に
    対向する側の表面に酸化クロムと複合酸化物を形成する
    元素を含む材料をコーティングしたことを特徴とする固
    体電解質型燃料電池のセパレータ。
  2. 【請求項2】 前記耐熱性合金がNi基合金、又はFe
    基合金である請求項1記載の固体電解質型燃料電池のセ
    パレータ。
  3. 【請求項3】 前記複合酸化物がスピネル型酸化物であ
    る請求項1又は2に記載の固体電解質型燃料電池のセパ
    レータ。
  4. 【請求項4】 前記元素のコーティングに先立ち前記セ
    パレータに予備加熱酸化を行い、表面に形成された酸化
    クロム層に前記元素を含む材料をコーティングしたこと
    を特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の固体
    電解質型燃料電池のセパレータ。
  5. 【請求項5】 前記元素がNi、Mn、Feのいずれ
    か、あるいはこれら元素の2以上の組み合わせである請
    求項1〜4のいずれか1項に記載の固体電解質型燃料電
    池のセパレータ。
  6. 【請求項6】 請求項1〜5のいずれか1項に記載のセ
    パレータを用いたことを特徴とする固体電解質型燃料電
    池。
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