JP2008016248A - 固体電解質型燃料電池ユニット及びスタック - Google Patents
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Abstract
【解決手段】セル2cを支持した金属製セル板2と、このセル板2に対向する金属製セパレータ板3を備えた燃料電池ユニット1において、酸化物、窒化物、貴金属、貴金属を含む合金材料、銅、若しくはクロムを含む合金材料による被覆、又はこれらの混合材料から成る被覆をセパレータ板3の少なくとも一部の表面に施す。また、要求される機能に応じてセパレータ板3とセル板2を構成する金属材料をそれぞれ別な種類の材料とする。
【選択図】図1
Description
一方、オーステナイト系ステンレス鋼は、耐食性、耐酸化性に優れるものの、熱膨張係数の相違によってセルの破損を来たすことがある。
また、本発明によれば、同様の燃料電池ユニットにおいて、セルを支持する金属製セル板の熱膨張係数を、金属製セパレータ板の熱膨張係数よりもセルの熱膨張係数に近いものとしたことから、熱応力によるセルの破損を防止することができ、電池の耐久性を向上させることができる。
さらにまた、セルを支持する金属製セル板と金属製セパレータ板の結晶構造を異なるものとしたことから、セルの熱膨張係数に近い結晶構造の材料をセル板に適用することによって、電池の耐久性を向上させることができる。
これらセル板2及びセパレータ板3の中心部には、燃料ガス又は空気を導入及び排気するための流入口4a及び排出口4b(図2参照)を備えた流路部品4が配置される一方、これらセル板2及びセパレータ板3の外周部を、例えばレーザ溶接によって接合することによって、これらの間に形成された閉空間が上記ガスの流路として機能するようになっている。
また、上記セル板2には、図1(a)に示すように、複数のセル(単セル)2cを支持させることも、図1(b)に示すように、ドーナツ盤状のセル2cを1個だけ支持するようになすこともできる。
図2は、上記燃料電池スタック10の縦断面図であって、積層された各ユニット間には、同じくガス透過性を備えた導電性物質から成る集電体7が介在し、ユニット間の通電路として機能するようになっている。
そして、燃料極材料としては、Niや、Ni−YSZ、Ni−SSZ、Ni−SDC、Ni−GDC、Co−YSZ、Co−SSZ、Co−SDC、Co−GDCなどのサーメットを使用することができ、空気極材料としては、LSC(La1−XSrXCoO3)、SSC(Sm1−XSrXCoO3)などのコバルト系酸化物や、LSM(La1−XSrXMnO3)、LCM(La1−XCaXMnO3)などのランタンマンガン系酸化物等を用いることができる。これらの電極材料は、動作温度、使用燃料、電解質材料などによって最適化する必要があり、上述の材料に限定されるものではない。
ただし、機能的には変わらないものの、円盤型の場合には応力集中が発生し難く、熱ショックに強い構造となるという利点がある。
被覆材料として、具体的には、例えばランタンクロマイト、酸化亜鉛、酸化錫、酸化インジウム、窒化チタン、窒化クロム、白金(Pt)、銀(Ag)、金(Au)、銅(Cu)、Fe−Cr合金などを挙げることができ、導電性や耐酸化性を付与するために、これらの物質にTiAlN、ITO、Ga添加ZnOなどを添加することもできる。
また、図3(c)のようにセパレータ板3の外面側における集電体7との当接面に被覆層Cを形成したり、図3(d)に示すように、セパレータ板3の内面側の集電体5との当接面に被覆層Cを形成したりすることができる。
セルが固定されているセル板2は、昇降温時などの熱膨張差によるセル2cの破損を防ぐため、セル2cと熱膨張係数が近いことが望ましい。一方、セパレータ板3については、セル2cと直接接することはなく、その熱膨張係数がセル2cと一致させる必要は必ずしもない。
さらにまた、軽量化を図るうえでセパレータの肉厚を0.05〜0.5mmとすることが望ましい。セパレータの肉厚が薄過ぎるとセパレータ自体の強度が低下する一方、セパレータの肉厚が大きすぎると、熱容量の増加、加工性の悪化、重量の増加、パッキング密度の低下などが懸念される。最適板厚は、材料にもよるが、SUS430の場合は、0.1mm程度であると考える。
当該合金は、加工性がさほど良くないため、スタックとして積層するための中心段差や、後述する応力緩和用溝などのプレス加工をセル板2の側に施すことが難しいことから、このような加工はセパレータ板3の側に集中的に実施することが望ましく、これによって製造コスト低減も可能となる。
したがって、セル板2については、積極的に酸化物を形成することにより酸化膜の成長を抑制し、耐熱性を向上させる観点から、Al及びSiのうちの多い方の含有量について、セパレータ板3よりもセル板2の方が多くなるようにすることが望ましく、これによって耐久性の向上を図ることができる。
セル2cがSOFCの場合、代表的な電解質材料であるYSZの熱膨張係数が10.2×10−6/Kであるのに対して、オーステナイト系合金であるSUS310Sの熱膨張係数は、15.9×10−6/K、フェライト系合金であるSUS430の熱膨張係数については、10.4×10−6/Kであることから、フェライト系合金SUS430の方がセル2cを固定するためのセル板2の材料としてふさわしいことになる。
まず、0.1mmの肉厚を有するSUS430(フェライト系ステンレス鋼)から成る圧延板を使用し、この圧延板を超硬及びSKD11から成る金型を装備したプレス装置にセットして、80トンの荷重でプレス成形することによって、図3に示したような断面形状のセル板2と、セパレータ板3を得た。なお、これらセル板2及びセパレータ板3の外径寸法は、それぞれ120mmとした。
このようにITO皮膜を介在させることでITO皮膜が持つ耐酸化性により長期間にわたり安定した発電性能を発揮させることができ、また低抵抗を維持してスタック出力の向上および出力安定化を図ることができる。
なお、表1は、上記によってITO皮膜を形成したSUS430(フェライト系ステンレス鋼)製のセパレータ板3を高温酸化性雰囲気中(850℃空気中)に、長時間(50時間)放置した場合における単位面積当たりの重量増加をITO皮膜のない場合と比較したものであって、ITO皮膜を施すことによって、セパレータ板の耐酸化性が改善されることが判る。
セル板2及びセパレータ板3をプレス成形するに際し、セル板2については、上記実施例1で使用した肉厚0.1mmのSUS430から成る圧延板を使用する一方、セパレータ板3については、0.1mmの肉厚を有するSUS310S(オーステナイト系ステンレス鋼)から成る圧延板を使用し、同様のプレス装置により、同様の外径寸法を有するセル板2及びセパレータ板3をそれぞれ成形した。
なお、オーステナイト系ステンレス鋼から成るセパレータ板3については、図4(b)に示したような応力緩和溝3gを設け、これによってセル板2との熱膨張差による熱変形を吸収するようにした。
なお、セル2cとセパレータ板3の熱膨張差による変形は、セパレータ板3に形成した応力緩和溝3gによって吸収される。
2 セル板
2c セル
3 セパレータ板
4 流路部品
4a 流入口
4b 排出口
10 固体電解質型燃料電池スタック
C 被覆層
Claims (10)
- セルを支持して成る金属製のセル板と、該セル板と対向する金属製セパレータ板を備え、上記セパレータ板の少なくとも一部の表面に、酸化物、窒化物、貴金属、貴金属を含む合金材料、銅、及びクロムを含む合金材料から成る群より選ばれた少なくとも1種による被覆が施されていることを特徴とする固体電解質型燃料電池ユニット。
- セルをを支持して成る金属製のセル板と、該セル板と対向する金属製セパレータ板を備え、上記セル板の熱膨張係数が、セパレータ板の熱膨張係数よりもセルの熱膨張係数に近いことを特徴とする固体電解質型燃料電池ユニット。
- セルをを支持して成る金属製のセル板と、該セル板と対向する金属製セパレータ板を備え、上記セパレータ板表面の導電性が、少なくとも当該セルの作動温度において上記セル板の導電性よりも高いことを特徴とする固体電解質型形燃料電池ユニット。
- 上記金属製セル板におけるAl及びSiのうちの多い方の含有量が上記セパレータ板におけるAl及びSiのうちの多い方の含有量よりも高いことを特徴とする請求項3に記載の固体電解質型燃料電池ユニット。
- セルをを支持して成る金属製のセル板と、該セル板と対向する金属製セパレータ板を備え、上記セル板及びセパレータ板の結晶構造が互いに異なることを特徴とする固体電解質型燃料電池ユニット。
- 上記セル板がフェライト系合金から成り、上記セパレータ板がオーステナイト系合金から成ることを特徴とする請求項5に記載の固体電解質型燃料電池ユニット。
- 上記セル板及びセパレータ板の略中心部にガスの流入・排出口を備えると共に、当該セル板及びセパレータ板の外周部が接合され、閉じたガス流路を形成していることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1つの項に記載の固体電解質型燃料電池ユニット。
- 上記セル板及びセパレータ板の外周部が溶接、ろう付け、拡散接合及び接着のいずれかによって接合されていることを特徴とする請求項7に記載の固体電解質型燃料電池ユニット。
- 外径形状が略円形であることを特徴とする請求項7又は8に記載の固体電解質型燃料電池ユニット。
- 請求項1〜9のいずれか1つの項に記載の固体電解質型燃料電池ユニットを複数積層して成ることを特徴とする固体電解質型燃料電池スタック。
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