JP2007273303A - 固体酸化物形燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】長時間使用しても発電セル間の電気電導性を良好に維持できる高寿命の固体酸化物形燃料電池を提供する。
【解決手段】金属セパレータ８の燃料極層３側の面にＮｉまたはＣｕより成る保護板２０を拡散接合により接合した。本構成では、両部材の接合部分に燃料ガスが侵入することばなく、且つ、ＮｉおよびＣｕは耐高温酸化性に著しく優れるため、セパレータは、この保護板２０によって燃料極雰囲気から確実に保護され、高温酸化被膜の成長が阻止される。これにより、長時間の使用において優れた電気電導性を維持できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、セパレータを介して複数の発電セルを接続した平板積層型の固体酸化物形燃料電池に関し、特に、セパレータの耐高温酸化性を向上した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ている。

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Ｈ₂Ｏ、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。

平板積層型の固体酸化物形燃料電池において、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備えることから、セパレータには良好な電気電導性が要求されており、通常、母材としてステンレス等の耐熱合金が使用されている。

ところが、係る金属セパレータは燃料電池の作動温度７００〜１０００℃といった高温下で使用されるため、長時間使用している間に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。
この現象は特にセパレータの燃料極側で顕著であり、酸化膜による抵抗の増大は電池の性能や寿命に大きく影響するものである。

このような酸化膜の形成・成長を阻止して良好な電気電導性を確保する目的で、セパレータの表面にＮｉ等の耐高温酸化性に優れる金属保護皮膜を形成することが一般的に行われており、その先行技術として、例えば、特許文献１、２が開示されている。
特開平５−３６４２５号公報 特開平１１−２９７３３９号公報

上記開示技術において、特許文献１には、セパレータを耐熱合金で構成し、セパレータの燃料極面側にＮｉメッキ層を、空気極面側にＬａＣｒＯ₃系メッキ層を設けた金属セパレータが開示されており、また、特許文献２には、耐熱合金の上に導電性セラミックスの粉末と金属の粉末の混合粉末をプラズマ溶射した金属セパレータが開示されている。

ところが、これらの開示技術は、何れも金属保護膜の形成にメッキやプラズマ溶射による方法を用いているため、保護膜を厚くすることは難しく、長時間使用中に金属表面の保護膜が相互拡散により母材に吸収され、表面に母材が露出てしまうといった問題を有している。加えて、メッキやプラズマ溶射によるに保護膜の形成はコスト高である。

本発明は、このような従来の問題点に鑑み、金属セパレータの燃料極側表面の耐高温酸化性を向上することにより、長時間使用しても発電セル間の電気電導性を良好に維持できる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酸化剤極層を配置し、これらの外側に金属セパレータを配置した平板積層型の固体酸化物形燃料電池において、前記金属セパレータの燃料極層側の面に前記金属セパレータより耐高温酸化性に優れる保護板が接合されていることを特徴としている。

また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池において、前記セパレータと前記保護板が拡散接合により接合されている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の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池において、前記セパレータは複数の金属板を積層して構成されており、これら複数の金属板同士および金属板と前記保護板が拡散接合により接合され、一体化されている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固体酸化物形燃料電池において、前記保護板はＮｉまたはＣｕより成る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固体酸化物形燃料電において、前記金属セパレータは、Ｆｅ基合金の耐熱合金から成り、且つ、表面にＮｉメッキおよび／またはＡｇメッキが施されていることを特徴としている。

請求項１に記載の本発明によれば、セパレータの燃料極層側の面に耐高温酸化性に優れる保護板が接合されているので、両部材の接合部分に燃料ガスが侵入する虞はなく、セパレータはこの保護板によって燃料極雰囲気から確実に保護され、長時間の使用にあって優れた電気電導性を維持でき、よって、長時間の使用にあっても性能低下のない高寿命の固体酸化物形燃料電池が実現できる。

特に、請求項２に記載の本発明では、セパレータと保護板の接合が拡散接合により行われるので、両部材の接合は確実で接合部分に優れた気密性が得られるものであり、且つ、接合強度は強固であるから高温雰囲気下において保護板が剥離することはない。よって、セパレータはこの保護板によって燃料極雰囲気から確実に保護されることになり、長時間の使用にあって優れた電気電導性を維持できる。

また、請求項３に記載の本発明のように、セパレータが複数の金属板による多層構造であっても、これら複数の金属板と保護板を拡散接合により一体的に接合することができるため、耐高温酸化性に優れるセパレータを容易に製造することが可能となる。

また、請求項４に記載の発明のように、保護板をＮｉやＣｕで構成すると、ＮｉやＣｕは耐高温酸化性に著しく優れるため、セパレータは高温、高湿の燃料極雰囲気から確実に保護され、長時間の使用にあって優れた電気電導性を維持できる。

また、請求項４に記載の発明のように、セパレータの表面にＮｉメッキおよび／またはＡｇメッキを施すことにより、上記した保護板の配設と合わせて、セパレータ自体の耐高温酸化性をより一層高めることができる。

以下、図１〜図４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形燃料電池（燃料電池スタック）の構成を示し、図２、図４は図１のセパレータの構成例を示し、図３はセパレータの外観を示している。

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有する。

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等の金属あるいはＮｉ−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機能を有することから、優れた電気電導性が要求されており、例えば、機械的強度、耐腐食性、耐熱性等に優れるＳＵＳ４３０等のＦｅ基合金が使用されており、内部には、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燃料ガス通路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酸化剤ガス通路１０ｂとが形成されている。
但し、図１に示すように、両端の端板９は、燃料ガス通路１０ａ或いは酸化剤ガス通路１０ｂの何れか一方のみを有する。

本実施形態のセパレータ８は、例えば、図２に示すように、上板１２、中板１１、下板１３による内金属板１６と、この内金属板１６の外側に配した上下２枚の外金属板１４、１５とを積層した５層構造で構成することができる。これら各金属板１１〜１５は板厚０．５ｍｍ程度の四角形の金属板（例えば、ＳＵＳ４３０）が使用されている。

内金属板１６の内、上板１２には凹溝１２ａ、１２ｂが設けられ、中板１１には溝孔１１ａ、１１ｂが設けられ、下板１３には凹溝１３ａ、１３ｂが設けられ、これら上板１２と中板１１と下板１３を積層することにより、それぞれ対応する凹溝１２ａ、溝孔１１ａ、凹溝１３ａによって図１に示す燃料ガス通路１０ａが形成され、それぞれ対応する凹溝１２ｂ、溝孔１１ｂ、凹溝１３ｂによって酸化剤ガス通路１０ｂが形成されるようになっている。
また、外金属板１４の中央部には、上記燃料ガス通路１０ａの末端に連通する燃料ガス吐出口１７が設けられ、外金属板１５の中央部には酸化剤ガス通路１０ｂの末端に連通する酸化剤ガス吐出口１８が設けられている。

そして、これら複数の金属板１１〜１５が接合され、一体化されることにより、例えば、図３に示すように内部に螺旋状の燃料ガス通路１０ａ、１０ｂを備えた四角形セパレータ８が構成される。

そして、本実施形態では、各セパレータ８の燃料極集電体６側の表面に上記セパレータ８より耐高温酸化性に優れる保護板２０が外金属板１４の上面を覆うように重ねられた状態で外部金属板１４と拡散接合により接合されている。この保護板２０は、ＮｉまたはＣｕにより構成することができ、板厚は０．０１〜０．５ｍｍが望ましく、本実施形態では、板厚０．５ｍｍ程の外金属板１４に対して板厚０．１ｍｍ程の保護板２０が用いられている。
また、保護板２０のほぼ中央部に外部金属板１４の燃料ガス吐出口１７に連通する通孔２１が設けられて、セパレータ８の燃料ガス通路１０ａに導入された燃料ガスを、この通孔２１を介して燃料極集電体６側に導入できるようになっている。

ここで、上述の拡散接合とは、各部材を加熱・加圧してその接合面間に部材同士の合金層（拡散層）を生じさせることにより一体化（接合）する接合方法であって、両部材、すなわち、外部金属板１４と保護板２０の接合は確実で接合部分に優れた気密性が得られるため、高温度の燃料極雰囲気中において接合部分に燃料ガスが侵入する虞はなく、且つ、接合強度は強固であるから、保護板２０が剥離することはない。

加えて、保護板２０を構成するＮｉおよびＣｕは、高温・高湿の燃料極雰囲気中で耐酸化性に著しく優れることから、セパレータ８は保護板２０によって燃料極雰囲気から確実に保護され、高温酸化皮膜の成長が阻止されるため、セパレータ８は常に優れた電気電導性を維持することができ、その結果、長時間の使用にあっても性能低下のない高寿命の固体酸化物形燃料電池を実現できる。また、Ｎｉ板やＣｕ板は、メッキ層に比べて安価に供給できるため、コストダウンが図れる

特に、Ｎｉ板とＳＵＳ板は拡散温度がほぼ同じであることから、上記実施形態のように、セパレータ８が複数の金属板１１〜１５による多層構造の場合は、例えば、保護板２０にＮｉ板を使用すれば、これら複数の金属板１１〜１５とＮｉ製の保護板２０を拡散接合により同時に接合して一体化することが可能となり、多層構造で、且つ、耐高温酸化性に優れるセパレータ８を容易に製造することができる。しかも、拡散接合であるから、金属板１１〜１５同士の接合も確実であって、各接合部分に優れた気密性と強固な接合性が得られるものである。

以上、本実施形態のセパレータ８は、上板１２、中板１１、下板１３の複数の金属板による内金属板１６と、その外側に配した上下２枚の外金属板１４、１５とで構成される５層構造としたが、図４に示すように、上板３２、中板３１、下板３３による３層構造とすることも勿論可能である。
図４において、中板３１には、溝孔３１ａ、３１ｂが設けられ、また、上板３２の中央部には、上記燃料ガス通路１０ａの末端に連通する燃料ガス吐出口１７が設けられ、下板３３の中央部には、酸化剤ガス通路１０ｂの末端に連通する酸化剤ガス吐出口１８が設けられている。そして、図２と同様に、上板３２には、拡散接合により保護板２０が接合されている。尚、上板３２と下板３３は板厚１ｍｍ程、中板３１は板厚０．５ｍｍ程であり、保護板２０は、例えば、板厚０．１ｍｍ程である。

また、セパレータ８を単板で構成することも勿論可能であが、上記のように複数の薄い金属板による多層構造とした場合は、螺旋状のような複雑な反応ガスの内部流通路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８自体の薄型化、軽量化が図れるというメリットを有する。

また、セパレータ８自体にＮｉメッキと銀メッキ、或いは、Ｎｉメッキまたは銀メッキを施こしておくことにより、それ自体の耐高温酸化性を高めることができるため、より優れた電気電導性を確保する上で好ましい。

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のセパレータの構成例を示す断面図。 セパレータの外観を示す図。 図２とは別のセパレータの構成例を示す断面図。

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 酸化剤極層
８ セパレータ
２０ 保護板

Claims (5)

1. 固体電解質層の両面に燃料極層と酸化剤極層を配置し、これらの外側に金属セパレータを配置した平板積層型の固体酸化物形燃料電池において、
   前記金属セパレータの燃料極層側の面に前記金属セパレータより耐高温酸化性に優れる保護板が接合されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
2. 前記セパレータと前記保護板が拡散接合により接合されていることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
3. 前記セパレータは複数の金属板を積層して構成されており、これら複数の金属板同士および金属板と前記保護板が拡散接合により接合され、一体化されていることを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。
4. 前記保護板はＮｉまたはＣｕより成る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固体酸化物形燃料電池。
5. 前記金属セパレータはＦｅ基合金の耐熱合金から成り、且つ、表面にＮｉメッキおよび／またはＡｇメッキが施されていることを特徴とする請求項１から請求項４までの何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。

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