JP2006049072A - 燃料電池用セパレータおよび固体酸化物形燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 高温雰囲気下における耐腐食性を改善し、耐久性を向上した燃料電池用セパレータおよび固体酸化物形燃料電池を提供する。
【解決手段】 内部に反応用ガスの流通溝１４、１５を有する燃料電池のセパレータ８であって、金属板１１〜１３を母材として構成すると共に、当該金属板１１〜１３の両面に耐腐食性に優れる金属保護皮膜を形成し、これら金属保護皮膜の内の少なくとも一方をクラッド化した。金属保護皮膜として、金属板１１〜１３の燃料極層側の最表面にＮｉ皮膜を、空気極層側の最表面にＡｇ皮膜を形成した。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池用セパレータおよび固体酸化物形燃料電池に関する。

上記固体酸化物形燃料電池は、第三世代の発電用燃料電池として注目されている。現在、固体酸化物形燃料電池は、円筒型、モノリス型、および平板積層型の３種類が提案されており、何れも酸化物イオン伝導体から成る固体電解質を空気極層と燃料極層との間に挟んだ積層構造を有する。間に燃料極集電体と空気極集電体を介在してこの積層体から成る発電セルとセパレータを交互に複数積層することによりスタック化される。

固体酸化物形燃料電池では、発電セルの空気極層側に酸化剤ガスとしての酸素（空気）が、燃料極層側に燃料ガス（Ｈ₂ 、ＣＯ、ＣＨ₄ 等）が供給される。空気極層と燃料極層は、ガスが固体電解質層との界面に到達することができるように、いずれも多孔質とされている。

空気極層側に供給された酸素は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で、空気極層から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ^2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極層の方向に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極層との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応してＨ₂ Ｏ、ＣＯ₂ 等の反応ガス（排ガス）を生じ、燃料極層に電子を放出する。
この電子を別ルートの外部回路にて起電力として取り出すことができる。

ところで、上記セパレータは、発電セルに対して反応用ガスを供給する機能を備えると共に、発電セル間を電気的に接続する機能を有することから、セパレータには優れた導電性が要求されており、上記した平板積層型の固体酸化物形燃料電池では、ステンレス鋼板等の耐熱合金が使用される場合が多い。また、この金属製のセパレータは、厚さが薄くても機械的強度や加工性に優れており、薄型化・軽量化が可能であるというメリットを有している。

ところが、係る金属セパレータは、燃料電池の作動温度８００℃前後といった高温酸化性下および還元性雰囲気下に曝されるため、長時間の使用において腐食し、金属表面に母材を主体とする、例えば、クロム酸化物等の膜が形成され、これが成長するに従ってセパレータと集電体との間の接触抵抗が増大し、発電セル間の電気的な接続機能が低下するという問題があった。金属セパレータの腐食は電池の性能や耐久性を大いに阻害するものである。

このような酸化膜の形成を阻止して良好な導電性を確保する目的で、セパレータの表面に耐腐食性に優れる保護用の金属皮膜をメッキ処理することが、例えば、特許文献１に開示されている。
特開平０５−３６４２２５号公報

ところが、メッキ処理の場合は、メッキ層を厚くすることが困難であってピンホール欠陥を生じ易く、このため、メッキ処理による保護皮膜はピンホール欠陥に起因するセパレータの腐食が懸念されるという問題があった。

本発明は、上記問題に鑑み成されたもので、高温酸化・還元性雰囲気下における耐腐食性を改善し、耐久性を向上した燃料電池用セパレータおよび固体酸化物形燃料電池を提供することを目的としている。

すなわち、請求項１に記載の本発明は、固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層を配置し、これらの外側に、反応用ガスの内部流路を有するセパレータを配置した燃料電池のセパレータであって、金属板を母材として構成すると共に、当該金属板の両面に耐腐食性に優れる金属保護皮膜を形成し、これら金属保護皮膜の内の少なくとも一方をクラッド化したことを特徴としている。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池用セパレータにおいて、前記金属保護皮膜として、前記金属板の燃料極層側の表面にＮｉ皮膜を、空気極層側の表面にＡｇ皮膜を形成したことを特徴としている。

また、請求項３に記載の本発明は、請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料電池用セパレータにおいて、複数枚の金属板で構成すると共に、これら金属板の内の少なくとも１枚がガス流通溝を有し、当該ガス流通溝を有する側の金属板の表面にＡｇ皮膜を形成したことを特徴としている。

また、請求項４に記載の本発明は、請求項１から請求項３までの何れかに記載の燃料電池用セパレーにおいて、前記金属板として、表面にＮｉ皮膜を形成したＦｅ基合金を用いたことを特徴としている。

また、請求項５に記載の本発明は、請求項１から請求項４までの何れかに記載のセパレータを用いた固体酸化物形燃料電池であることを特徴としている。

ここで、請求項１、請求項２に記載の構成では、Ｎｉ、Ａｇ等の耐腐食性に優れる金属皮膜にクラッド材を用いると、メッキ処理で発生し易いピンホール欠陥が生じることがないため、母材の耐腐食性（耐酸化性）が改善され、セパレータの耐久性が向上する。
請求項３に記載の構成では、セパレータの表面だけでなく、内部の反応ガス流路においても優れた耐腐食性が得られ、且つ、複数の金属板を張り合わせる際、その接合面において高い密着性が得られ、優れたガスシール性が確保できる。
請求項４に記載の構成では、Ｆｅ基合金板（ＳＵＳ鋼板）は機械的強度の高い耐熱合金であり、その表面にＮｉ皮膜を形成することにより、ＳＵＳ鋼の有する耐腐食性がより一層向上し、よって、高温雰囲気下において優れた耐腐食性と耐熱性を備えたセパレータを構成することができる。
請求項５に記載の構成では、上記したセパレータの耐腐食性・耐熱性により高温酸化・還元性雰囲気下でのセパレータの表面酸化を防止し、これに接する各集電体との良好な導電性を長期間確保することができる。セパレータの導電性を確保し、内部抵抗を低減することにより、電池性能を向上できる。

本発明によれば、耐熱性を有する金属板の表面にクラッド材によるＮｉ、Ａｇ等の金属皮膜を形成することにより、ピンホールのような金属皮膜の欠陥を無くし、優れた耐腐食性と耐熱性を有するセパレータが得られる。
また、耐腐食性・耐熱性に優れる当セパレータを用いることにより、高温酸化・還元性雰囲気下において、セパレータの表面酸化を防止することにより各集電体との良好な導電性を確保し、電池性能を向上した耐久性のある固体酸化物形燃料電池を実現できる。

以下、図１〜図８に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明に係る固体酸化物型燃料電池の構成を示し、図２はセパレータの構成を示し、図３〜図８はセパレータに形成した金属皮膜の実施例を示している。

本実施形態の燃料電池スタック１は、図１に示すように、固体電解質層２の両面に燃料極層３と空気極層４を配した発電セル５と、燃料極層３の外側の燃料極集電体６と、空気極層４の外側の空気極集電体７と、各集電体６、７の外側のセパレータ８（最上層及び最下層のものは端板９である）とを順番に積層した構造を持つ。この燃料電池スタック１では、発電セル５の外周部にガス漏れ防止シールを敢えて設けないシールレス構造を採用している。

ここで、固体電解質層２はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層３はＮｉ、Ｃｏ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層４はＬａＭｎＯ₃ 、ＬａＣｏＯ₃ 等で構成され、燃料極集電体６はＮｉ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体７はＡｇ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成されている。
セパレータ８は、発電セル５間を電気的に接続すると共に、発電セル５に対して反応用のガスを供給する機能を有するもので、燃料ガスを燃料用マニホールド２１から導入して燃料極層３に対向する面から吐出させる内部流路１０ａと、酸化剤ガスとしての空気を酸化剤用マニホールド２２から導入して空気極層４に対向する面から吐出させる内部流路１０ｂとを備えている。

本実施形態のセパレータ８は、例えば、図２に示すように、略円盤状に形成された上板１２、中板１１、下板１３の３枚の薄い金属板（例えば、厚さ０．５〜１ｍｍ程度）を積層して構成した３層構造を有し、これら金属板１１、１２、１３の母材として、機械的強度、耐腐食性、耐熱性等に優れるステンレス鋼板（Ｆｅ基合金）が用いられ、且つ、このステンレス鋼板の表面に後述する金属保護皮膜が形成されている。
中板１１には、その径方向の一端から中心部に至る螺旋状の第１溝孔１４と、径方向の他端から中心部に至る螺旋状の第２溝孔１５とが互いに交差しないように形成されている。これら第１および第２溝孔１４、１５は、金属板の積層方向にそれぞれ開口した状態となっている。
上板１２には、第１溝孔１４の終端部１４ａと対応する位置に、積層方向に貫通する燃料ガス吐出口１６が設けられ、下板１３には、第２溝孔１５の終端部１５ａと対応する位置に、積層方向に貫通する酸化剤ガス吐出口１７が設けてある。

上板１２、中板１１、下板１３を積層した状態においては、第１および第２溝孔１４、１５の開口が、上板１２および下板１３によって覆われることにより、燃料ガスおよび酸化剤ガスの内部流路１０ａ、１０ｂがそれぞれ形成されると共に、それら内部流路１０ａ、１０ｂに連通する状態で燃料ガス吐出口１６および酸化剤ガス吐出口１７が、集電体６、７と隣接する両端面の中央部にそれぞれ形成されるようになっている。

そして、これら上板１２、中板１１、下板１３の各金属板の表面には、セパレータ８の耐腐食性を向上するための金属皮膜が形成されており、以下、図３〜図８を参照してその実施例について説明する。

図３に示す実施例では、空気極層４側の上板１２に、母材となるＳＵＳ４３０板３０の片側にＮｉ板３２を、その上にＡｇ板３１を張り合わせたＳＵＳ４３０／Ｎｉ／Ａｇクラッド材を使用し、中間の中板１１に、母材のＳＵＳ４３０板３０の片側にＮｉ板３２を、その上にＡｇ板３１を張り合わせたＳＵＳ４３０／Ｎｉ／Ａｇクラッド材を使用し、燃料極３側の下板１３に、母材のＳＵＳ４３０板３０の片側にＮｉ板３２を張り合わせたＳＵＳ４３０／Ｎｉクラッド材を使用し、これらの金属板１１、１２、１３を積層すると共に、熱圧着により相互に接合したものである。
また、 図４に示す実施例は、図３における上板１２、中板１１、下板１３で用いた各片面クラッド材を両面クラッド材に替えたもので、上板１２は、Ａｇ／Ｎｉ／ＳＵＳ４３０／Ｎｉ／Ａｇクラッド材とし、中板１１は、Ａｇ／Ｎｉ／ＳＵＳ４３０／Ｎｉ／Ａｇクラッド材とし、下板１３は、Ａｇ／Ｎｉ／ＳＵＳ４３０／Ｎｉクラッド材としたものである。
図３、図４に示す実施例は、上板１２、中板１１、下板１３の各金属板を全てクラッド材にて構成したものである。

図５に示す実施例では、上板１２に、母材となるＳＵＳ４３０板３０の片側にＮｉ板３２を、その上にＡｇ板３１を張り合わせたＡｇ／Ｎｉ／ＳＵＳ４３０クラッド材を使用し、中板１１に、母材のＳＵＳ４３０板３０の全面にＮｉメッキ３４を、その上にＡｇメッキ３３を施したものを使用し、下板１３に、母材のＳＵＳ４３０板３０にＮｉ板３２を張り合わせたＳＵＳ４３０／Ｎｉクラッド材を使用した構成としている。
この実施例は、金属板３層の内、酸化・還元性雰囲気に曝されて特に腐食し易い上下層の金属皮膜をクラッド材とし、中間層の金属皮膜はメッキにて構成したものである。

次に、図６〜図８に示す実施例は、上板１２と下板１３の２枚の金属板を重ね合わせて構成した２層構造のセパレータ８の場合である。
係る２層構造では、内部流路１０ａ、１０ｂを形成するための第１溝１８および第２溝１９は凹溝であり、それぞれ各金属板１２、１３の接合面に形成されている。上下金属板１２、１３を接合することにより、第１溝１８、第２溝１９の開放部が対面金属板により相互に塞がれることにより、その接合面に内部流路１０ａ、１０ｂが形成される。尚、これら第１溝１８、第２溝１９についても、図２と同様に、その径方向の一端から中心部に至る螺旋状とすることができる。

先ず、図６に示す実施例では、空気極層４側の上板１２に、母材のＳＵＳ３０４板３０の全面にＡｇメッキを施したものを使用し、燃料極３側の下板１３に、母材のＳＵＳ３０４板３０の片側にＮｉ板３２を張り合わせたＳＵＳ３０４／Ｎｉクラッド材を使用し、これら２枚の金属板１２、１３を重ね合わせて熱圧着により接合したものである。

図７に示す実施例では、空気極層４側の上板１２に、母材のＳＵＳ３１６板３０の片側にＮｉ板３２を、その上にＡｇ板３１を張り合わせたＳＵＳ３１６／Ｎｉ／Ａｇクラッド材を使用し、燃料極層３側の下板１３に、母材のＳＵＳ３１６板３０の全面にＮｉメッキ３４を施したものを使用したものである。

これら図６および図７の実施例は、セパレータ両面の金属皮膜の内の少なくとも一方をクラッド化した例である。セパレータ８の腐食は、特に燃料極層３側の還元性雰囲気下で顕著であるので、図６の場合がより好ましい。

また、図８に示す実施例のように、母材のＳＵＳ４３０板３０の全面にＮｉメッキ３４を、その上にＡｇメッキ３３を施した上板１２と、母材のＳＵＳ４３０板３０の片側にＮｉ板３２を張り合わせたＳＵＳ４３０／Ｎｉクラッド材を使用した下板１３との間に薄いＡｇ単板３５を介在させた構造とすることもできる。
上下金属板１２、１３の間にＡｇ単板３５を介在したのは、接合の際の上板１２と下板１３の接着性を向上するためと、反応用ガスの流通溝１８、１９が形成された面の耐腐食性を向上するためである。

上記構成からなる固体酸化物型燃料電池１においては、燃料用マニホールド２１からセパレータ８の内部流路１０ａに導入された燃料ガスが、セパレータ８の一方の端面の中心部に設けられたガス吐出口１６から、燃料極集電体６に向けて吐出されるとともに、酸化剤用マニホールド２２からセパレータ８の内部流路１０ｂに導入された酸化剤ガスとしての空気が、セパレータ８の他方の端面の中心部に設けられたガス吐出口１７から、空気極集電体７に向けて吐出され、その結果、燃料ガスおよび酸化剤ガスが、発電セル５の外周方向に拡散しながら燃料極層３および空気極層４の全面に良好な分布で行き渡り、各電極において発電反応が行われる。

以上のように、ＮｉやＡｇ等の耐酸化性に優れる金属保護皮膜にクラッド材を用いることにより、メッキ層より厚みのある金属皮膜を容易に形成することができ、金属皮膜にピンホールのような欠陥が生じることがなくなるため、母材の耐腐食性が改善され、セパレータ８の耐久性が向上する。
本実施形態では、金属板の空気極側の最表面にＡｇ保護皮膜を形成することにより、高温酸化性雰囲気における耐酸化性を向上することができ、金属板の燃料極側の最表面にＮｉ保護皮膜を形成することにより、高温還元雰囲気における耐水蒸気酸化性を向上することができる。
また、各金属板の接合面にＡｇ皮膜を形成することにより、セパレータ８の表面だけでなく、反応用ガスの内部流路１０ａ、１０ｂにおいても優れた耐腐食性を得ることができ、且つ、複数の金属板を張り合わせる際、その接合面において高い密着性が得られ、優れたガスシール性が確保できる。

このように、耐腐食性・耐熱性に優れる本発明のセパレータ８を用いることにより、高温酸化・還元性雰囲気下において、セパレータ８の表面酸化を防止して各集電体との良好な導電性を確保することができ、電池性能を向上した耐久性のある固体酸化物形燃料電池を実現できる。

以上、本実施形態では、上板１２、下板１３の各金属板を用いた２層構造、或いは、上板１２、中板１１、下板１３の各金属板を用いた３層構造のセパレータ８について説明したが、これらに限られるものではなく、４層以上とすることも勿論可能であるし、また、単板で構成することも可能である。
但し、上記のようにセパレータ８を複数の薄い金属板で構成した場合は、螺旋状のような複雑な反応ガスの内部流路１０ａ、１０ｂも比較的簡単に形成することができ、製造コストの低減と共に、セパレータの薄型化、軽量化が図れるというメリットを有する。

また、本実施形態では、セパレータ８の中心部にガス吐出口１６、１７を一つ設ける構成としたが、例えば、内部流路１０ａ、１０ｂに沿って複数のガス吐出口１６、１７を設けて、それらガス吐出口１６、１７から反応用のガス（燃料ガス、酸化剤ガス）が、集電体６、７に向けてシャワー状に吐出するように構成することも勿論可能である。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池の実施形態を示す要部構成図。 図１のセパレータの一例を示す分解斜視図。 セパレータに施した金属皮膜の実施例を示す説明図。 セパレータに施した図３とは別の金属皮膜の実施例を示す説明図。 セパレータに施した図４とは別の金属皮膜の実施例を示す説明図。 セパレータに施した図５とは別の金属皮膜の実施例を示す説明図。 セパレータに施した図６とは別の金属皮膜の実施例を示す説明図。 セパレータに施した図７とは別の金属皮膜の実施例を示す説明図。

符号の説明

１ 固体酸化物形燃料電池（燃料電池スタック）
２ 固体電解質層
３ 燃料極層
４ 空気極層
８ セパレータ
１０ａ、１０ｂ 内部流路
１１〜１３ 金属板（上板、中板、下板）
１４、１５ ガス流通溝（溝孔）
１８、１９ ガス流通溝（凹溝）
３１、３２ 金属保護皮膜（Ａｇ板、Ｎｉ板）

Claims (5)

1. 固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層を配置し、これらの外側に反応用ガスの内部流路を有するセパレータを配置した燃料電池のセパレータであって、
   金属板を母材として構成すると共に、当該金属板の両面に耐腐食性に優れる金属保護皮膜を形成し、これら金属保護皮膜の内の少なくとも一方をクラッド化したことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
2. 前記金属保護皮膜として、前記金属板の燃料極層側の表面にＮｉ皮膜を、空気極層側の表面にＡｇ皮膜を形成したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
3. 複数枚の金属板で構成すると共に、これら金属板の内の少なくとも１枚がガス流通溝を有し、当該ガス流通溝を有する側の金属板の表面にＡｇ皮膜を形成したことを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料電池用セパレータ。
4. 前記金属板として、表面にＮｉ皮膜を形成したＦｅ基合金を用いたことを特徴とする請求項１から請求項３までの何れかに記載の燃料電池用セパレータ。
5. 請求項１から請求項４までの何れかに記載のセパレータを用いたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。

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