JP2009245624A

JP2009245624A - 燃料電池用セパレータおよびその製造方法

Info

Publication number: JP2009245624A
Application number: JP2008087823A
Authority: JP
Inventors: Naoya Murakami; 直也村上
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2008-03-28
Filing date: 2008-03-28
Publication date: 2009-10-22

Abstract

【課題】容易かつ確実に、セパレータの酸化剤極集電体が当接する範囲に、高温耐酸化層を形成することなく銀メッキを施し、かつその他の部分には上記高温耐酸化層を形成することができる燃料電池用セパレータおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】３枚以上の平板３６ａ〜３６ｅが接合・一体化されてなり、かつ酸化剤極集電体７側の面は、少なくとも酸化剤極集電体７Ａが当接する範囲の平板３６ａ、３６ｂが取り除かれることにより酸化剤極集電体７が緩挿される段部３８が形成されるとともに、段部３８の外方の表面には、高温耐酸化層が形成され、かつ段部３８内の表面には、当該高温耐酸化層が形成されることなく銀メッキ層３９が形成されてなる。
【選択図】図５

Description

本発明は、発電セルと、当該発電セルの両面に各々燃料極集電体および酸化剤極集電体を間に介して配されたセパレータとが積層状に組み立てられた平板積層型燃料電池における上記セパレータおよび当該セパレータの製造方法に関するものである。

近年、高効率でクリーンな発電装置として燃料電池が注目されており、特に固体酸化物形燃料電池は、第３世代の発電用燃料電池として研究開発が進められている。
この固体酸化物形燃料電池は、酸化物イオン導電体から成り、両面に各々燃料極層および酸化剤極層が形成された発電セルと、この発電セルを間に挟んで配設された燃料極集電体および酸化剤極集電体と、これら燃料極集電体と酸化剤極集電体の外側に配設されたセパレータとを備えた単セルが、複数積層されたものである。

図７〜図９は、本発明者等が先に開発したこの種の燃料電池を示すものである。
図７において、この燃料電池は、固体電解質層２の一方の面に燃料極層３が配置されるとともに他方の面に空気極層（酸化剤極層）４が配置された発電セル５と、この発電セル５の燃料極３側に配設された燃料極集電体６および空気極層４側に配設された空気極集電体（酸化剤極集電体）７と、これら燃料極集電体６と空気極集電体７の外側に配設されて各々燃料極集電体６または空気極集電体７に燃料ガスまたは空気（酸化剤ガス）を供給する燃料ガス流路１０ａおよび空気流路（酸化剤ガス流路）１０ｂが形成されたセパレータ９とを順番に積層したもので、この燃料電池１においては、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が採用されている。

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等の金属、あるいはＮｉ−ＹＳＺ等のサーメットで構成されるとともに、空気極層４は、ＬａＭｎＯ₃、ＬａＣｏＯ₃等で構成されている。また、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、他方、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おり、これら集電体６、７は、集電機能、ガス透過機能、ガス拡散機能、クッション機能、熱膨脹差吸収機能等を兼ね備えている。

また、セパレータ９は、発電セル５間を電気的に接続するとともに、発電セル５に対して燃料ガスおよび空気を供給する機能を有している。
このセパレータ９は、図８および図９に示すように、発電セル５よりも大きな面積に形成されて当該発電セル５を覆うインターコネクト部２０と、このインターコネクト部２０の一方の対角部２０ａからインターコネクト部２０の外周に沿ってＬ字状に延在し、他方の対角部２０ｂに至る空気用アーム部２１と、インターコネクト部２０の対角部２０ｂからインターコネクト部２０の外周に沿ってＬ字状に延在し、対角部２０ａに至る燃料用アーム部２２と、対角部２０ｂ側に配設された空気マニホールド２３と、対角部２０ａ側に配設された燃料ガスマニホールド２４とが一体化されたものである。

そして、上記燃料ガス流路１０ａは、燃料ガスマニホールド２４から燃料用アーム部２２を介してインターコネクト部２０へと形成されるとともに、空気流路１０ｂは、空気マニホールド２３から空気用アーム部２１を介してインターコネクト部２０へと形成されている。

ここで、セパレータ１９は、複数枚（図では３枚）の略正方形のステンレス鋼板（平板）１２が打ち抜き加工されるとともに、互いに接合一体化されることにより２〜３ｍｍの厚さ寸法の板状に形成されたものである。
そして、空気マニホールド２３内および燃料ガスマニホールド２４内に形成された空気流路１０ｂおよび燃料ガス流路１０ａは、図７に示すように、それぞれ積層方向に連通するように形成されている。

また、空気用アーム部２１、燃料用アーム部２２およびインターコネクト部２０における空気流路１０ｂおよび燃料ガス流路１０ａは、それぞれ３枚の平板１２のうちの中間の平板１２が打ち抜き加工されることにより形成されている。なお、空気流路１０ｂおよび燃料ガス流路１０ａは、インターコネクト部２０において対角部２０ａ、２０ｂから、互いに交差しないように螺旋状を描いて中心部に延びるように形成され、中心部において燃料ガス流路１０ａからの吹出口１１ａが一方の面に形成されるとともに、空気流路１０ｂからの吹出口１１ｂが他方の面に形成されている。

上記構成の固体酸化物形燃料電池においては、燃料用マニホールド２４からセパレータ９の燃料ガス流路１０ａに導入された燃料ガス（Ｈ₂、ＣＯ等）が、セパレータ９の一方の端面の中心部に設けられたガス吐出口１１ａから燃料極集電体６に向けて吐出されるとともに、空気マニホールド２３からセパレータ９の空気流路１０ｂに導入された酸化剤ガス（Ｏ₂）としての空気が、セパレータ９の他方の端面の中心部に設けられたガス吐出口１１ｂ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６００℃〜１０００℃の温度雰囲気下で発電反応が行われるようになっている。
特願２００７−８８４０３

ところで、上記燃料電池のセパレータ９においては、耐腐食性（高温耐酸化性）をより一層向上させて高温時における電気導電性を担保するために、燃料極集電体６側の表面にＮｉメッキが、空気極集電体７側の表面に銀メッキが、それぞれ施されている。

しかしながら、上述した高温雰囲気下での運転時に、特に銀メッキ層が形成された空気極集電体７側の表面においては、図８中に斜線で示す空気極集電体７が当接する範囲Ａにおいて所望の電気導電性と共に高温耐酸化性が保持されるものの、インターコネクト部２０の上記範囲Ａから外れた位置の表面や、空気用アーム部２１および燃料用アーム部２２の表面においては、高温酸化腐食が発生し、この結果、鉄系酸化物が析出することによって生成した粉体が上記セパレータ９の表面に堆積して、上下方向に隣接するセパレータ９間等において短絡を生じるおそれがあった。

そこで、かかる弊害が生じることを未然に防ぐために、予め上記範囲Ａの外方の表面に、カロライジング処理等によって高温耐酸化層を形成している。
ところが、上記カロライジング処理は、高温雰囲気下において行う処理であり、これに対して銀メッキは、ほぼ常温の雰囲気下において行う処理であるために、先ずセパレータ９の表面にカロライジング処理を施し、次いで銀メッキ層を形成する必要がある。

このため、銀メッキ層を形成する上記範囲Ａについては、先に形成されたカロライジング処理によって形成された高温耐酸化層を研削加工やサンドブラスと等によって除去した上で、上記銀メッキ処理をおこなう必要があり、当該高温耐酸化層の除去作業に多大の手間を要するとともに、最終的に上記高温耐酸化層を完全に除去することが難しという問題点があった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、容易かつ確実に、セパレータの酸化剤極集電体が当接する範囲に、高温耐酸化層を形成することなく銀メッキを施し、かつその他の部分には上記高温耐酸化層を形成することができる燃料電池用セパレータおよびその製造方法を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、平板状の発電セルの一方の面に形成された燃料極層側に燃料極集電体が配設され、上記発電セルの他方の面に形成された酸化剤極層側に酸化剤極集電体が配設されるとともに、上記燃料極集電体と酸化剤極集電体の外側に、各々上記燃料極集電体または酸化剤極集電体に、燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給する燃料ガス流路および酸化剤ガス流路が形成されたセパレータが設けられてなる燃料電池の上記セパレータであって、３枚以上の平板が接合・一体化されてなり、かつ上記酸化剤極集電体側の面は、少なくとも上記酸化剤極集電体が当接する範囲の上記平板が取り除かれることにより上記酸化剤極集電体が緩挿される段部が形成されるとともに、上記段部の外方の表面には、高温耐酸化層が形成され、かつ上記段部内の表面には、当該高温耐酸化層が形成されることなく銀メッキ層が形成されてなることを特徴とするものである。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、少なくとも最外層に位置する上記平板が、ステンレス鋼からなり、かつ上記高温耐酸化層は、カロライジング処理によって形成されていることを特徴とするものである。

請求項３に記載の発明は、平板状の発電セルの一方の面に形成された燃料極層側に燃料極集電体が配設され、上記発電セルの他方の面に形成された酸化剤極層側に酸化剤極集電体が配設されるとともに、上記燃料極集電体と酸化剤極集電体の外側に、各々上記燃料極集電体または酸化剤極集電体に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給する燃料ガス流路および酸化剤ガス流路が形成されたセパレータが設けられてなる燃料電池の上記セパレータの製造方法であって、当該セパレータの外法寸法を有する４枚以上の平板のうち、上記酸化剤極集電体側の表面から２枚目の上記平板を、上記酸化剤極集電体が当接する範囲が取り除かれた環状に形成し、これら４枚以上の平板を接合・一体化した後に、上記表面に高温耐酸化層を形成し、次いで当該表面の最外層の上記平板の上記酸化剤極集電体が当接する範囲を切断除去することにより、上記酸化剤極集電体が緩挿される段部を形成した後に、当該段部内の表面に、銀メッキ層を形成することを特徴とするものである。

また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、高温耐酸化性を有する金属を上記平板の表面に拡散浸透させることにより上記高温耐酸化層を形成することを特徴とするものである。

さらに、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、少なくとも最外層に位置する上記平板が、ステンレス鋼からなるとともに、上記高温耐酸化層を、上記カロライジング処理によって形成することを特徴とするものである。

請求項１または２に記載の発明においては、酸化剤極集電体側の面のうち、少なくとも上記酸化剤極集電体が当接する範囲の表面に銀メッキ層のみが形成されているために、この銀メッキ層によって確実に所望の電気導電性を確保することができる。また、当該範囲の外方に位置する表面に高温耐酸化層が形成されているために、運転時に、当該セパレータが高温酸化雰囲気下において酸化腐食されることにより、上述したセパレータ間等において短絡を生じるといったおそれがない。

加えて、酸化剤極集電体側の面には、酸化剤極集電体が緩挿される段部が形成されているために、組み立て時における酸化剤極集電体の位置決めが容易になるとともに、上記酸化剤極集電体の横ずれも未然に防止することができる。

また、請求項３〜５のいずれかに記載の発明によれば、予め酸化剤極集電体側の表面から２枚目の平板を、上記酸化剤極集電体が当接する範囲が取り除かれた環状に形成しておき、これら４枚以上の平板を接合・一体化した後に、先ず上記表面の全面に高温耐酸化層を形成し、次いで最外層の平板の上記酸化剤極集電体が当接する範囲を切断除去すると、この最外層の平板がマスキングとなって、上記高温耐酸化層が形成されていない表面から３枚目の平板の表面が露出する。また、上記範囲の周縁には、最外層および表面から２枚目の平板の取り除かれた周縁によって、上記酸化剤極集電体が緩挿される段部が形成される。

そこで、上記酸化剤極集電体が当接する上記段部内の表面に、銀メッキ層を形成することにより、容易に、セパレータの酸化剤極集電体が当接する範囲に、高温耐酸化層を形成することなく銀メッキ層を形成することができる。この結果、これまでのようにカロライジング処理が施された表面を研削加工等することなく、高い付着強度によって銀メッキ層を形成することができ、よって確実に当該範囲において所望の電気導電性を確保することができる。

なお、上記高温耐酸化層としては、表面に高温時に耐酸化性を有する被覆（コーティング）を形成することによって構成することもできるが、請求項４に記載の発明のように、高温耐酸化性を有する金属を上記平板の表面に拡散浸透させることにより上記高温耐酸化層を形成すれば、長期間にわたって、当該高温耐酸化性能を保持することができて好適である。

また、少なくとも最外層に位置する平板がステンレス鋼からなる場合には、請求項２または５に記載の発明のように、上記高温耐酸化層を上記カロライジング処理によって形成することが好ましい。

ちなみに、このカロライジング処理とは、アルミニウムを拡散処理させることにより鉄素材である上記平板の表層中にアルミニウムを浸透させるものであり、例えば接合一体化された複数枚の上記平板を、アルミニウム塩化物粉末とアルミナ粉末の混合粉の中に埋めて、不活性ガス雰囲気下で加熱する等の方法がある。

図４〜図６は、本発明に係る燃料電池用セパレータの一実施形態を示すもので、燃料電池の構成については、図７に示したものと同様であるために、以下同一符号を付してその説明を簡略化する。
これらの図において、符号３０が、上記発電セル５間を電気的に接続するとともに、発電セル５に対して燃料ガスおよび空気を供給する上記燃料電池用のセパレータである。

このセパレータ３０も、外観形状およびについては、図８に示したものと同様に、発電セル５よりも大きな面積に形成されて当該発電セル５を覆うインターコネクト部３１と、このインターコネクト部３１の一方の対角部３１ａからインターコネクト部３１の外周に沿ってＬ字状に延在し、他方の対角部３１ｂに至る空気用アーム部３２と、インターコネクト部３１の対角部３１ｂからインターコネクト部３１の外周に沿ってＬ字状に延在し、対角部３１ａに至る燃料用アーム部３３と、対角部３１ｂ側に配設された空気マニホールド３４と、対角部３１ａ側に配設された燃料ガスマニホールド３５とが一体化されたものである。

そして、このセパレータ３０は、５枚のステンレス鋼からなる平板３６ａ〜３６ｅが接合・一体化されたものである。ここで、上記空気極（酸化剤極）集電体７側に位置する３枚の平板３６ａ〜３６ｃは、他の２枚の平板３６ｄ、３６ｅよりも薄く形成されており、本実施形態においては、上記３枚の平板３６ａ〜３６ｃの厚さ寸法の合計が、他の２枚の平板３６ｄ、３６ｅの各々の厚さ寸法と等しく形成されている。また特に、最外層の平板３６ａは、他の平板３６ｂ〜３６ｅよりも薄く形成されている。

例えば、平板３６ａ〜３６ｅの各々の厚さ寸法は、平板３６ａが０．１ｍｍ、平板３６ｂが０．４ｍｍ、平板３６ｃが０．５ｍｍ、平板３６ｄ、３６ｅが各々１．０ｍｍに形成されている。

そして、上記このセパレータ３０においては、上記空気極（酸化剤極）集電体７側に位置する２枚の平板３６ａ、３６ｂの中央部分であって、かつ上記空気極集電体７が当接する範囲より僅かに大きな円形の範囲Ａに開口部３７が形成されることにより、当該開口部３７の周縁に上記空気極集電体７が緩挿される段部３８が形成されている。

なお、このセパレータ３０においては、燃料極集電体６側から２枚目の平板３６ｄに上記燃料ガス流路１０ａおよび空気流路１０ｂが形成されるとともに、空気流路１０ｂからの吹出口１１ｂが、空気極集電体７が当接する平板３６ｃの中央に形成され、燃料ガス流路１０ａからの吹出口１１ａが、燃料極集電体６が当接する平板３６ｅの中央であって、かつ上記吹出口１１ｂと連通しない離間位置に形成されている。

そして、上記段部３８の外方に位置するインターコネクト部３１、空気用アーム部３２および燃料用アーム部３３の表面には、カロライジング処理が施されることにより、高温耐酸化層が形成されている。他方、この開口部３７内に露出する中央の平板３６ｃの表面には、上記カロライジング処理が施されることなく、銀メッキ層３９が形成されている。

次に、図１〜図６に基づいて、上記構成からなるセパレータを製造するための本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法の一実施形態について説明する。
先ず、上記セパレータ３０を製造するに際して、予め図１〜図３に示す構造のセパレータ素材４０を準備する。

このセパレータ素材４０は、最終的なセパレータ３０の外法寸法に形成された５枚の上記平板３６ａ〜３６ｅを拡散接合・一体化したものである。
ここで、上記５枚以上の平板のうち、空気極集電体７側の表面から２枚目の平板３６ｂは、予め空気極集電体７の外径寸法よりも僅かに大きな円形の範囲Ａが取り除かれることにより、中央部分に開口部が形成された環状に形成されている。また、最外層の平板３６ａは、他の平板３６ｃ〜３６ｅと同様に、セパレータ３０全面積を覆う形状に形成されている。

次に、セパレータ素材４０の全面にわたって、カロライジング処理を施す。そして、当該カロライジング処理が完了した後に、最外層の平板３６ａの図１中斜線で示す中央部分を、２枚目の平板３６ｂの開口部の周縁に沿って切断して除去する。これにより、平板３６ａにも、平板３６ｂの開口部と連通する上記開口部３７が形成されるとともに、その周縁に上記段部３８が形成される。

この結果、開口部３７内には、カロライジング処理が施されていない中央の平板３６ｃの表面が露出するとともに、当該平板３６ｃの中央に形成された吹出口１１ｂも開口する。そこで次に、段部３８内に露出する平板３６ｃの表面に、銀メッキ処理を施して銀メッキ層３９を形成する。これにより、上記セパレータ３０の製造工程が完了する。

以上の構成からなる燃料電池用セパレータ３０においては、空気極集電体７側の表面のうち、当該空気極集電体７が当接する範囲Ａの平板３６ｃの表面に銀メッキ層３９のみが形成されているために、この銀メッキ層３９によって確実に所望の電気導電性を確保することができる。また、当該範囲Ａの外方に位置する表面には、カロライジング処理が施されているために、周囲が高温酸化雰囲気となる運転時に、当該セパレータ３０が酸化腐食されて、上述したセパレータ間等において短絡を生じるといったおそれがない。

加えて、空気極集電体７側の面には、この空気極集電体７が緩挿される段部３８が形成されているために、組み立て時に上記空気極集電体７を開口部３７内に載置するのみで、その位置決めを行うことができる。このため、製造が一層容易になるとともに、組み立て中や搬送中における空気極集電体７の横ずれも未然に防止することができる。

さらに、上記構成からなる燃料電池用セパレータ３０の製造方法によれば、予め空気極集電体７側の表面から２枚目の平板３６ｂを、空気極集電体７が当接する範囲Ａが取り除かれた環状に形成しておき、これら５枚の平板３６ａ〜３６ｅを接合・一体化した後に、先ず全面にカロライジング処理を施し、次いで最外層の平板３６ａの上記範囲Ａを切断除去することにより、空気極集電体７が当接するカロライジング処理が施されていない平板３６ｃに銀メッキ層３９を形成することができる。

この結果、セパレータ３０の空気極集電体７が当接する範囲Ａに、カロライジング処理を施すことなく銀メッキ層３９を形成することができ、よってその製造が極めて容易になるとともに、確実に当該範囲Ａにおける所望の電気導電性を確保することができる。
また、特にカロライジング処理が完了した後に、最外層の平板３６ａの図１中斜線で示す中央部分を２枚目の平板３６ｂの開口部の周縁に沿って切断して除去する必要があるが、当該平板３６ａを他の平板３６ｂ〜３６ｅよりも薄くしているために、容易に上記切断を行うことができる。

なお、上記実施の形態においては、空気極集電体７側の面に形成した段部３８の外方に位置するインターコネクト部３１、空気用アーム部３２および燃料用アーム部３３の表面に、高温耐酸化層を形成するためにカロライジング処理を施した場合についてのみ説明したが、これに限定されるものではなく、例えば高温耐酸化性を有するコーティング処理を施すことにより、上記高温耐酸化層を形成してもよく、あるいは高温耐酸化性を有する金属を上記表面に拡散浸透させることにより当該高温耐酸化層を形成する方法も適用することが可能である。

本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法の一実施形態に用いられるセパレータ素材を示す平面図である。図１のＩＩ−ＩＩ線視断面図である。図２の一部省略した拡大断面図である。本発明に係る燃料電池用セパレータの一実施形態を示す平面図である。図４のＶ−Ｖ線視断面図である。図５の一部省略した拡大断面図である。本発明者等が開発した燃料電池の概略構成を示す縦断面図である。図７の燃料電池用セパレータを示す斜視図である。図８のＩＸ−ＩＸ線視断面図である。

符号の説明

３燃料極層
４酸化剤極層
５発電セル
６燃料極集電体
７空気極集電体（酸化剤極集電体）
１０ａ燃料ガス流路
１０ｂ酸化剤ガス流路
３０セパレータ
３６ａ〜３６ｅ平板
３７開口部
３８段部
３９銀メッキ層
Ａ空気極集電体が当接する範囲

Claims

平板状の発電セルの一方の面に形成された燃料極層側に燃料極集電体が配設され、上記発電セルの他方の面に形成された酸化剤極層側に酸化剤極集電体が配設されるとともに、上記燃料極集電体と酸化剤極集電体の外側に、各々上記燃料極集電体または酸化剤極集電体に、燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給する燃料ガス流路および酸化剤ガス流路が形成されたセパレータが設けられてなる燃料電池の上記セパレータであって、
３枚以上の平板が接合・一体化されてなり、かつ上記酸化剤極集電体側の面は、少なくとも上記酸化剤極集電体が当接する範囲の上記平板が取り除かれることにより上記酸化剤極集電体が緩挿される段部が形成されるとともに、上記段部の外方の表面には、高温耐酸化層が形成され、かつ上記段部内の表面には、当該高温耐酸化層が形成されることなく銀メッキ層が形成されてなることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
少なくとも最外層に位置する上記平板は、ステンレス鋼からなり、かつ上記高温耐酸化層は、カロライジング処理によって形成されている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。
平板状の発電セルの一方の面に形成された燃料極層側に燃料極集電体が配設され、上記発電セルの他方の面に形成された酸化剤極層側に酸化剤極集電体が配設されるとともに、上記燃料極集電体と酸化剤極集電体の外側に、各々上記燃料極集電体または酸化剤極集電体に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給する燃料ガス流路および酸化剤ガス流路が形成されたセパレータが設けられてなる燃料電池の上記セパレータの製造方法であって、
当該セパレータの外法寸法を有する４枚以上の平板のうち、上記酸化剤極集電体側の表面から２枚目の上記平板を、上記酸化剤極集電体が当接する範囲が取り除かれた環状に形成し、これら４枚以上の平板を接合・一体化した後に、上記表面に高温耐酸化層を形成し、次いで当該表面の最外層の上記平板の上記酸化剤極集電体が当接する範囲を切断除去することにより、上記酸化剤極集電体が緩挿される段部を形成した後に、当該段部内の表面に、銀メッキ層を形成することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
高温耐酸化性を有する金属を上記平板の表面に拡散浸透させることにより上記高温耐酸化層を形成することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
少なくとも最外層に位置する上記平板は、ステンレス鋼からなるとともに、上記高温耐酸化層を、上記カロライジング処理によって形成することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。