JP2010003689A

JP2010003689A - 燃料電池インターコネクト構造体並びに関連するデバイス及び方法

Info

Publication number: JP2010003689A
Application number: JP2009142850A
Authority: JP
Inventors: Matthew Joseph Alinger; マシュー・ジョセフ・エイリンガー; Frederic Joseph Klug; フレデリック・ジョセフ・クラッグ; James Anthony Ruud; ジェームズ・アンソニー・ラッド; Stephane Renou; ステファニー・レヌー; Reza Sarrafi-Nour; レザ・サラフィ−ヌアー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-06-20
Filing date: 2009-06-16
Publication date: 2010-01-07
Also published as: CN101609875A; US20090317705A1; KR20090132530A; EP2136427A1

Abstract

【課題】表面にオーステナイト相を形成させた固体酸化物燃料電池用のインターコネクト構造体を提供する。
【解決手段】クロムを含むフェライト系ステンレス鋼で形成されたインターコネクト構造体２２，３３の表面２３上に、オーステナイト相からなる拡散障壁層を形成する。インターコネクト表面２３をオーステナイト相安定剤で被覆し、次いで被覆表面を加熱する段階を含んでいる。この熱処理は、インターコネクトの表面領域のミクロ組織をフェライト系の体心立方（ＢＣＣ）相からオーステナイト系の面心立方（ＦＣＣ）相に転移させる。ＦＣＣ相を通してのクロムの拡散速度は比較的低いので、厚い酸化クロム層の形成を最小限に抑え、良好な発電性能を実現する。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般的には燃料電池に関する。さらに詳しくは、本発明は固体酸化物燃料電池用のインターコネクト構造体及び材料に関する。

固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、高い効率及び低い排出量を伴いながら燃料から電気エネルギーを生み出すための有望なデバイスである。大抵の燃料電池と同じく、ＳＯＦＣデバイスは水素及び酸素の電気化学的化合によって電流を発生する。典型的なＳＯＦＣでは、アノード層及びカソード層はセラミック固体酸化物から形成された電解質によって隔てられている。水素（純水素又は炭化水素の改質で得られた水素）をアノードの外面に沿って流し、アノード中に拡散させる。酸素（通例は空気からの酸素）をカソードの外面に沿って流し、カソード中に拡散させる。各Ｏ_２分子は、カソードにより（触媒的に）分割されて２つのＯ^−２陰イオンになる。酸素陰イオンは電解質を通って移動し、アノード／電解質界面で４つの水素イオンと化合して２つの水分子を形成する。外部の負荷を介してアノード及びカソードを接続することで回路を完成すれば、４つの電子はアノードからカソードに移送される。

図１に示すように、例示的なプレーナ型ＳＯＦＣ２０は、カソードインターコネクト２２と１対の電極（カソード２６及びアノード２４）とを含んでいる。カソード及びアノードはセラミック電解質２８によって隔てられている。一般に、このような電池構成は当技術分野で公知であるが、図に示した構成を（例えば、アノード層が電解質の上方に位置しかつカソード層が電解質の下方に位置するように）変更することもできる。

市販の固体酸化物燃料電池構造物は、通常は多数のかかる電池を互いに積層したものからなり、これらが累加的にデバイスを商業的に実用可能にするのに十分な電圧を与える。電池は、通例、上述したもののようなインターコネクトによって互いに接合されている。インターコネクトは、通常は金属層又はセラミック層の形態を有しており、個々の電池間における電気的接触、電流分布及び構造的保全性をもたらす。（説明の都合から垂直方向に沿って見た）典型的なカソード−電解質−アノードスタック構成では、隣接するセル又は「モジュール」のアノード層への接続のため、カソード層の上面に１つのインターコネクト層が取り付けられる。別の隣接するセルのカソード層への接続のため、アノードの下面に別のインターコネクト層が取り付けられる。

コスト及び製造の容易性のような考慮事項に基づき、燃料電池では金属インターコネクトが多用される。任意のタイプのインターコネクト（例えば、セラミック）の場合と同じく、合金組成物は燃料電池動作条件下で所望レベルの気密性及び導電性を与えなければならない。その上、合金材料は高温での動作及び温度サイクリング条件がもたらす効果に耐え得るべきである。

多くの場合、カソードインターコネクト及びアノードインターコネクトはフェライト系ステンレス鋼材料で形成される。フェライト系ステンレス鋼は当技術分野で公知であり、通常は鉄、クロム及び及びその他各種の選択元素に基づいている。一例として、かかる材料は体心立方（ＢＣＣ）相の形態を有する。この種の材料は、燃料電池中の電解質の熱膨張率（ＣＴＥ）と緊密に整合し得るＣＴＥを有している。ＳＯＦＣ中の各種層に関する膨張特性の整合は、高温電気性能及び構造的保全性の点から見て不可欠である。

確かに、フェライト系ステンレス鋼はインターコネクト材料として非常に有用である。クロム含有合金は成形及び造形が容易であり、また大抵のセラミックインターコネクト材料より安価である。しかし、フェライト系ステンレス鋼はいくつかの欠点も有している。例えば、かかる材料は熱的に誘起される酸化物生成（即ち、合金部品の表面上における酸化クロム（クロミア）層の急速な形成）を起こしやすい。大抵の場合、部品表面上の薄くて緻密なクロミア層は、比較的高い導電性を示しながら金属表面を保護するために有益であり得る。しかし、急速に成長する厚いクロミア層は、短期間で電池の総合電気抵抗を増加させることにより、燃料電池の性能を低下させることがある。その結果、燃料電池の有効寿命は顕著に減少することがある。

これらの考慮事項を念頭に置けば、固体酸化物燃料電池及び燃料電池部品の新しい製造方法は当技術分野で歓迎されるであろう。かかる方法は、例えば燃料電池の面積抵抗率（ＡＳＲ）によって測定した場合、長い動作期間にわたって最適で安定した電気化学的特性及び燃料効率を与え得る燃料電池構造を生み出すべきである。その上、燃料電池は良好な物理的保全性及び耐久性を示すべきである。

米国特許第４６３００９６号明細書米国特許第４７２２９１４号明細書米国特許第４７８３６９５号明細書米国特許第４８９４１１５号明細書米国特許第４９０１１３６号明細書米国特許第４９１８８１１号明細書米国特許第４９３３０４２号明細書米国特許第４９８１８１１号明細書米国特許第５１６９６７８号明細書米国特許第５１６９９１１号明細書米国特許第５３５３１９５号明細書米国特許第５３５３４９８号明細書米国特許第５３６６９０６号明細書米国特許第５４５２１８２号明細書米国特許第５４９７０３３号明細書米国特許第５５２７７４１号明細書米国特許第５８６６９５２号明細書米国特許第５８８８８３７号明細書米国特許第５９４６５４６号明細書米国特許第６２３９４８２号明細書米国特許第６２３９９８０号明細書米国特許第６２４２２８２号明細書米国特許第６３９６１５３号明細書米国特許第６４７５８７７号明細書米国特許第６４８９１８５号明細書米国特許第６５０６６３２号明細書米国特許第６５０６６３３号明細書米国特許第６５４８８９６号明細書米国特許第６５５５９０６号明細書米国特許第６５８６８２２号明細書米国特許第６７１３８５９号明細書米国特許第６７３４５３４号明細書米国特許第６７４９７３７号明細書米国特許第６８２５０６３号明細書米国特許第６８３８７７６号明細書米国特許第６８９４３９９号明細書米国特許第６９９１９６６号明細書米国特許第６９９４８９７号明細書米国特許第７００７３５６号明細書米国特許第７０７８７８８号明細書米国特許第７１７０１６２号明細書米国特許第７１８３６５８号明細書欧州特許第１４７４９５９号明細書欧州特許出願公開第１６１７７１４号明細書国際公開第０３／０６５７７８号パンフレット国際公開第２００４／０７７９０２号パンフレット国際公開第２００４／０７７９０３号パンフレット国際公開第２００５／０２７６０２号パンフレット国際公開第２００６／０１３２３０号パンフレット

本発明は、フェライト系ステンレス鋼からなる材料で形成された１以上の燃料電池インターコネクト構造体の表面上に拡散障壁層を形成する方法を提供することで上記その他のニーズを満たす。かかる方法は、
（ａ）インターコネクトの表面にオーステナイト相安定剤のコーティングを適用する段階、及び
（ｂ）被覆表面を加熱してオーステナイト相安定剤を表面中に拡散させることで、インターコネクト構造体の表面領域を実質的にフェライト系の体心立方（ＢＣＣ）相から実質的にオーステナイト系の面心立方（ＦＣＣ）相に転移させる段階
を含んでなる。

本発明の別の実施形態では、固体酸化物燃料電池が開示される。かかる燃料電池は、
（ｉ）カソード、
（ii）アノード、
（iii）アノードとカソードとの間に配設されたセラミック電解質、
（iv）カソードの上面に取り付けられたカソードインターコネクトであって、カソードの表面に対面しかつ該表面に少なくとも部分的に接触するインターコネクト表面を有するカソードインターコネクト、及び
（ｖ）アノードの下面に取り付けられたアノードインターコネクトであって、アノードの表面に対面しかつ該表面に少なくとも部分的に接触するインターコネクト表面を有するアノードインターコネクト
を含んでなり、カソードインターコネクト表面又はアノードインターコネクト表面の少なくとも一方が実質的にオーステナイト系の面心立方（ＦＣＣ）相によって特徴づけられる表面領域を含んでいる。

本発明のさらに別の実施形態は、固体酸化物燃料電池スタックに関する。かかるスタックは、複数の相互接続された燃料電池から形成されている。少なくとも１つの燃料電池は、フェライト系ステンレス鋼材料で形成されかつ燃料電池のカソードの表面に対面するカソードインターコネクト表面を有するカソードインターコネクトを含んでいる。カソードインターコネクト表面は、実質的にオーステナイト系の面心立方（ＦＣＣ）相によって特徴づけられる表面領域を含んでいる。

図１は固体酸化物燃料電池の略図である。図２は燃料電池インターコネクトの一部分の概略断面図である。図３はオーステナイト相安定剤を適用した図２の燃料電池インターコネクトを示す図である。図４は所定の熱処理後における図３の燃料電池インターコネクトを示す図である。

以下の説明では、図面中の複数の図のすべてにわたり、同じ参照符号は類似の又は対応する部分を表すことに注意すべきである。また、「上部」、「下部」、「外方」、「内方」、「第１」、「第２」などの用語は便宜上の言葉であって、限定的な用語と解すべきでないことはもちろんである。さらに、本明細書全体にわたって使用される不定冠詞“ａ”及び“ａｎ”は数量の限定を意味するわけではなく、むしろ記載されたものの１以上が存在することを意味する。本明細書中で使用される接尾辞“（ｓ）”は、それが修飾する語の単数形及び複数形の両方を包含し、それによってその語が意味するものの１以上を包含するものである（例えば、“ｓｕｒｆａｃｅ”という用語は時には１種以上の表面を包含し得る）。

図１は上述した通りであって、本発明の若干の実施形態に係るＳＯＦＣの典型的な構造を示している。カソード２６上にカソードインターコネクト２２が配設されかつ取り付けられている。インターコネクトの内面２３は一定パターンの燃料流路２５をなして形成されていて、トラフの壁面並びにカソード２６に直接接触する「分割壁」の表面２７の両方を含んでいる。

上記に示唆されている通り、カソードインターコネクト２２用の合金組成物はフェライト系ステンレス鋼合金（本明細書中では時に「フェライト鋼」ともいう）からなっている。かかる合金は当技術分野で公知である。電気化学セルで使用されるものの多くは、約６０〜約８５重量％の鉄及び約１５〜約３０重量％のクロムを含んでいる。かかる合金は、多くの場合、炭素（例えば、約０．１重量％以下）及び／又はマンガン（例えば、約１重量％以下）を含んでいる。その他各種の金属（例えば、イットリウム及びランタン）も含まれることがあるが、これらは通例約１重量％以下のレベルで存在する。しかし、本発明は「フェライト系ステンレス鋼」として特徴づけることができる多種多様の鉄−クロム合金に適用し得ることに注意すべきである。

上述の通り、インターコネクトの表面（例えば、内面２３及び表面２７）にオーステナイト相安定剤のコーティングが適用される。オーステナイト相安定剤は、ニッケル、コバルト、窒素、炭素及びマンガンからなる群から選択される１種以上の金属を含んでいる。若干の特定の実施形態では、オーステナイト相安定剤はマンガン、コバルト、又はマンガン及びコバルトの組合せからなる。しかし、多くの実施形態ではニッケルが好ましく、他の実施形態ではコバルトが好ましい安定剤である。オーステナイト相安定剤は、通例は金属形態で堆積させなければならない。場合によっては、安定剤を酸化物形態で堆積させることもできるが、これは続いて（例えば、水素炉のような還元雰囲気中での熱処理により）金属形態に還元される。

インターコネクトの表面にオーステナイト相安定剤を適用するためには各種の堆積技法が使用できる。非限定的な例には、電気めっき、無電解めっき、真空プラズマ溶射、低圧プラズマ溶射、真空アーク溶射、物理蒸着、電子ビーム物理蒸着、スパッタコーティング及び化学蒸着がある。若干の実施形態では、電気めっきが好ましい堆積方法であるのに対し、他の実施形態では、無電解めっきが選択すべき技法であろう。当業者はこれらの技法に精通しており、その各々を特定の堆積状況に適合させることができる。インターコネクト表面に適用させるべきオーステナイトコーティング材料（即ち、オーステナイト形成コーティング）の量は、後述の通り、一部ではオーステナイト系表面層又は表面領域の所望厚さによって決定される。一般に、オーステナイト形成コーティングの厚さは基体の厚さに無関係である。その代わり、本明細書中に述べられる通り、コーティング厚さは燃料電池の動作寿命にわたって拡散を低減又は阻止するように最適化される。

オーステナイト相安定剤をインターコネクト（カソードインターコネクト、アノードインターコネクト又はその両方）の表面上に適用した後、熱処理を実施することで材料を表面中に拡散させる。特定の加熱条件は、使用する特定のオーステナイト相安定剤金属、安定剤金属を堆積させる方法、下方のフェライト鋼材料の具体的組成及びそのミクロ組織特性、並びにオーステナイト系表面領域の所望深さのような各種因子に依存する。様々な製造因子（例えば、典型的な製造施設においてインターコネクト構造体上に所望の表面領域を形成するために必要な時間）もまた重要となり得る。

通常、インターコネクト表面領域はフェライト系ステンレス鋼材料の融点の約４０％以上の温度に加熱される。若干の特定の実施形態では、表面領域はフェライト鋼材料の融点の約６５％以上に加熱される。マンガン又はコバルトオーステナイト元素に関する非限定的な例示としては、拡散温度は約６００〜約１１００℃の範囲内にある。若干の特定の実施形態では、拡散温度は約８００〜約１０００℃の範囲内にある。当業者には理解される通り、これらの範囲内で温度が高くなるほど熱処理時間を短縮できる一方、長い熱処理は低い拡散温度を補償できる。商業的環境に関する若干の好ましい実施形態では、熱処理時間は通常約１〜約２４時間の範囲内にある。（後述のようなインサイチュ熱処理の場合には、熱処理は実際には約１００時間までの期間にわたって実施できる。）熱処理はいくつかの技法によって達成できる。普通、それは空気雰囲気又は酸素雰囲気を用いる通常の炉内で実施される。別法として、（上述のような）還元雰囲気又は不活性雰囲気を使用することもできる。

本発明の別の実施形態では、インターコネクト表面領域に関する熱処理は「インサイチュ（ｉｎ−ｓｉｔｕ）」で（即ち、燃料電池が動作している間に）実施できる。一例としては、オーステナイト相安定化材料をインターコネクトに適用し、次いでインターコネクトを燃料電池構造物中に組み込むことができる。燃料電池がその初期動作温度（例えば、約７００〜９００℃）に達すると、通常は後述のようにインターコネクトの表面領域の相転移が起こり始まる。さらに、若干の実施形態では、初期の通常加熱及び続くインサイチュ加熱の組合せによって熱処理を実施することもできる。（本明細書中で使用される「被覆表面を加熱する」という用語は、部分的又は全体的なインサイチュ処理も述べるものとする。）
やはり前述した通り、熱処理はインターコネクト構造体の表面領域を実質的にフェライト系の体心立方（ＢＣＣ）相から実質的にオーステナイト系の面心立方（ＦＣＣ）相に転移させ、効果的に拡散障壁層を形成する。表面領域の平均深さはいくつかの因子に依存するが、その一部は上述した通りである。かかる因子には、使用する特定のオーステナイト相安定剤金属及び下方のフェライト鋼材料の具体的組成がある。

一般に、表面領域は障壁層として機能するのに十分な厚さ（即ち、深さ）を有するべきである。障壁層はインターコネクト表面からのクロム拡散を阻止し、それによってベース金属の酸化速度を低下させる。しかし、表面領域は、バルクインターコネクト構造体が燃料電池の他の構造部材（例えば、セラミック電解質膜）と同様な又は実質的に同一のＣＴＥ値を維持することを保証するのに十分な程度に薄くあるべきである。

若干の実施形態では、表面領域はインターコネクト構造体の厚さの約０．１〜約１０％の範囲内の深さを有する。図１を参照しながら、非限定的な例示を示すことができる。約１２０〜約１５００ミクロンの範囲内の厚さ（「ｘ」）を有するインターコネクトに関しては、オーステナイト系表面領域は通例約０．５〜約１０ミクロンの範囲内の深さを有する。当業者は、本明細書中の教示に基づき、所定の状況下における表面領域の最も適切な深さを選択できよう。さらに、当技術分野で知られる各種のイメージング技法を使用することで、ミクロ組織相が変化した表面領域の深さを測定することができる。一例は電子後方散乱回折（ＥＢＳＤ）分析である。

本開示はまた、前述したように、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）に関する実施形態も含んでいる。図１について説明すれば、例示的なプレーナ型燃料電池は、カソードインターコネクト２２と、電解質２８で隔てられた１対の電極（即ち、カソード２６及びアノード２４）とを含んでいる。一般に、このような電池構成は当技術分野で公知である。しかし、図に示した構成を（例えば、アノード層が電解質の上方に位置しかつカソード層が電解質の下方に位置するように）変更することもできる。当業者には理解される通り、燃料電池は水平、垂直又は任意の方位で動作させることができる。場合によっては、インターコネクト２２とカソード２６との間にボンド層を配置することができる。（さらに、視認を容易にするため、図中の各種層の厚さは必ずしも一定の縮尺で示されておらず、またこれらの層は分解図で示されている。）
続けて図１について説明すれば、インターコネクト部分２２はカソード２６に接触した複数の空気流路２５を画成している。上述の通り、インターコネクトの表面にオーステナイトコーティングが適用される。（下方のカソード３５に取り付けられた）インターコネクト部分３３は、アノード２４に接触した複数の燃料流路３４を画成している。

若干の実施形態では、アノード２４に対面するアノードインターコネクトの表面にオーステナイトコーティングを適用することが望ましい場合もある。即ち、かかるコーティングは燃料流路３４（即ち、トラフ）の壁面４５並びに構造体の分割壁の表面４７に適用できる。次いで、独立の段階として、或いは燃料電池に関する別の熱処理の一部として、オーステナイト被覆表面を（拡散及び相転移のため）前述したようにして加熱することができる。アノードインターコネクト上におけるオーステナイト材料の使用もまた、カソードインターコネクトに関して上述した基本的な利点のいくつかを提供し得る。アノードインターコネクトの場合には、オーステナイト相安定剤は通常ニッケルである。

燃料電池の動作に際しては、燃料の流れ４０が燃料流路３４に供給される。また、空気（通例は加熱空気）の流れ３８が空気流路２５に供給される。図１に示したもののような燃料電池の動作は当技術分野で公知である。非限定的な例としては、２００６年１１月３０日に提出されたＴ．Ｓｔｒｉｋｅｒらの米国特許出願第１１／５６５，２３６号には、固体酸化物燃料電池の動作に関係する一般概念が記載されている。２００７年９月２８日に提出されたＳ．Ｃ．Ｑｕｅｋらの米国特許出願第１１／８６３，７４７号並びに米国特許第６９４９３０７号（Ｃａｂｌｅら）及び同第６２９６９６２号（Ｍｉｎｈ）も有益である。これらの特許及び特許出願はいずれも、援用によって本明細書の内容の一部をなす。一般に、天然ガスのような燃料がアノード２６に供給されて酸化反応を受ける。燃料はアノードで、電解質を横切ってアノードに輸送される酸素イオン（Ｏ^２−）と反応する。酸素イオンは水素と反応して水を生成し、外部電気回路に電子を放出する。燃料電池スキームの一部として、空気がカソードに供給される。カソードが外部回路から電子を受け取ると、還元反応が起こる。電解質はアノードとカソードとの間でイオンを伝導する。電子の流れは直流電気を発生し、このプロセスは熱並びに若干の排ガス及び液体（例えば、水及び二酸化炭素）を生じる。

ＳＯＦＣの各種構造層の組成は当技術分野で公知である。セラミック電解質は、通例、イオン種（例えば、酸化イオン又は水素イオン）を伝導し得るが、比較的低い導電性を有する材料で形成されている。好適なセラミック材料の例には、特に限定されないが、様々な形態のジルコニア、セリア、ハフニア、酸化ビスマス、没食子酸ランタン、トリア及びこれらのセラミックの様々な組合せがある。若干の実施形態では、セラミック電解質は、イットリア安定化ジルコニア、希土類酸化物安定化ジルコニア、スカンジア安定化ジルコニア、希土類ドープトセリア、アルカリ土類ドープトセリア、希土類酸化物安定化酸化ビスマス及びこれらの化合物の様々な組合せからなる群から選択される材料からなる。例示的な実施形態では、セラミック電解質はイットリア安定化ジルコニアからなる。ドープトジルコニアは、広範囲の酸素分圧レベルにわたって実質的に純粋なイオン伝導性を示すので魅力的である。一実施形態では、セラミック電解質は熱溶射イットリア安定化ジルコニアからなる。当業者は、本明細書中に記載された要件に基づいて適切な電解質を選択する方法を熟知しているであろう。

同様に、アノード層の組成は最終用途に依存する。非限定的な一実施形態では、アノード層は、貴金属、遷移金属、サーメット、セラミック及びこれらの組合せからなる群から選択される材料からなる。好適なアノード材料の若干の例には、特に限定されないが、ニッケル、ニッケル合金、コバルト、ニッケル−イットリア安定化ジルコニアサーメット、銅−イットリア安定化ジルコニアサーメット、ニッケル−セリアサーメット、ニッケル−サマリアドープトセリアサーメット、ニッケル−ガドリニウムドープトセリアサーメット及びこれらの組合せがある。これらのアノード材料には、多くの異種陽イオンをドープすることができる。例えば、ジルコニアに対しては、Ｙ、Ｃａ及びＳｃがドーパントとして使用できる。セリアの場合には、Ｇｄ及びＳｍがドーパントとして使用できる。特定の実施形態では、アノード層はニッケルからなる。ニッケルは、容易にインサイチュで気孔を形成し得るという利点を与えると共に、未焼結状態で非常に頑強である。ニッケルのその他の利点は、比較的安い価格及び容易な入手可能性に関する。

カソード層もまた、各種の導電性（かつ場合によってはイオン伝導性）化合物のような通常の材料で形成できる。非限定的な例には、ストロンチウムドープトＬａＭｎＯ_３、ストロンチウムドープトＰｒＭｎＯ_３、ストロンチウムドープト亜鉄酸ランタン、ストロンチウムドープトコバルト酸ランタン、ストロンチウムドープト亜鉄酸コバルト酸ランタン、亜鉄酸ストロンチウム、ＳｒＦｅＣｏ_０．５Ｏ_ｘ、ＳｒＣｏ_０．８Ｆｅ_０．２Ｏ_３−δ、Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．２Ｃｏ_０．８Ｎｉ_０．２Ｏ_３−δ、Ｌａ_０．７Ｓｒ_０．３Ｆｅ_０．８Ｎｉ_０．２Ｏ_３−δ及びこれらの組合せがある。これらの材料の複合材も使用できる。若干の実施形態では、イオン伝導体は、イットリア安定化ジルコニア、希土類酸化物安定化ジルコニア、スカンジア安定化ジルコニア、希土類ドープトセリア、アルカリ土類ドープトセリア、希土類酸化物安定化酸化ビスマス及びこれらの化合物の様々な組合せからなる群から選択される材料からなる。

燃料電池部品用の材料に関するその他の様々な詳細は当技術分野で公知である。さらに、電池の製造方法も公知である。当業者は、燃料電池スタックの組立方法にも精通している。図１に示される例示的な実施形態では、燃料電池アセンブリ２０は、通常はプレーナ型構造を有する複数の繰返し単位３０を含んでいる。複数のこの種の電池を単一の構造物中に設けることができる。かかる構造物は、「スタック」、「アセンブリ」、又は単一の出力電圧を生じ得る電池の集合体ということがある。

図２は、カソードインターコネクト２２（図１）に類似した燃料電池インターコネクトの一部分５０の概略断面図である。かかるインターコネクトはフェライト鋼材料で形成され、通例はカソード層（図示せず）に対面する表面５２を含んでいる。図３では、前述のようにして表面５２上にオーステナイト材料５４（例えば、コバルト又はマンガンからなるもの）が適用される。次いで、被覆表面に熱処理を施す（或いは部分的又は全体的にインサイチュで熱処理する）ことにより、オーステナイト相安定剤をインターコネクトの表面中に拡散させる。図４に示される通り、熱処理後には表面領域５６が形成される。（表面領域の深さは視認を容易にするために多少拡大されている。さらに、領域の境界は実際にはやや不規則なことがあり、また拡散プロファイルのパターンに従うこともある。）上述の通り、表面領域は実質的にオーステナイト系のＦＣＣ相に転移している。ＦＣＣ相の存在は、本明細書中に記載した付属の利点、例えば燃料電池インターコネクトからのクロム拡散の減少及びその結果としての電池の有効実用寿命の増加をもたらすことができる。熱処理後、時にはオーステナイト相安定剤の残渣がインターコネクトの表面上に残ることがある。場合によっては、かかる残渣は有益なことがあり、残ったままにされる。他の場合には、かかる残渣は各種のクリーニング技法（例えば、化学エッチング又は機械的研削）によって除去できる。

本発明の特許可能な技術的範囲は、特許請求の範囲によって定義されている。以上、特定の実施形態に関して本発明を詳しく説明してきたが、本発明の技術思想から逸脱せずに（本明細書中に詳述された実施形態を超える）本発明のその他の変更を行い得ることは当業者にとって自明であろう。したがって、当業者によって想起される変更は本発明の技術的範囲内に含まれると考えるべきである。さらに、上記に記載した特許、特許公開、論文、教科書及びその他の参考文献はいずれも、援用によって本明細書の内容の一部をなす。

２０固体酸化物燃料電池
２２カソードインターコネクト
２３インターコネクト表面
２４アノード
２６カソード
２８セラミック電解質
３０相互接続された燃料電池
３３アノードインターコネクト
５０インターコネクト構造体
５２インターコネクト表面
５４オーステナイト相安定剤
５６インターコネクトの表面領域

Claims

フェライト鋼からなる材料で形成された１以上の燃料電池インターコネクト構造体（５０）の表面（５２）上に拡散障壁層（５６）を形成する方法であって、
（ａ）インターコネクト（５０）の表面（５２）にオーステナイト相安定剤のコーティング（５４）を適用する段階、及び
（ｂ）被覆表面を加熱してオーステナイト相安定剤を表面（５２）中に拡散させることで、インターコネクト構造体（５０）の表面領域（５６）を実質的にフェライト系の体心立方（ＢＣＣ）相から実質的にオーステナイト系の面心立方（ＦＣＣ）相に転移させる段階であって、ＦＣＣ相はＢＣＣ相を通しての金属原子の拡散速度に比べて金属原子の拡散速度を低下させる特性を示す段階
を含んでなる方法。
インターコネクト（２２）が燃料電池（２０）のカソード（２６）に取り付けられる、請求項１記載の方法。
インターコネクト構造体材料がクロムを含む、請求項１記載の方法。
拡散障壁層が、ＢＣＣフェライト材料を通してのクロムの拡散速度に比べてクロムの拡散速度を低下させる特性を有する、請求項３記載の方法。
オーステナイト相安定剤が、ニッケル、コバルト、窒素、炭素及びマンガンからなる群から選択される１種以上の金属を含む、請求項１記載の方法。
段階（ｂ）において、インターコネクト構造体（５０）の厚さの約０．１〜約１０％に相当する深さを有する表面領域（５６）を形成するのに十分な条件下で被覆表面（５２）が加熱される、請求項１記載の方法。
表面領域（５６）が約０．５〜約１０ミクロンの深さを有する、請求項６記載の方法。
（ｉ）カソード（２６）、
（ii）アノード（２４）、
（iii）アノードとカソードとの間に配設されたセラミック電解質（２８）、
（iv）カソード（２６）の上面に取り付けられたカソードインターコネクト（２２）であって、カソードの表面に対面しかつ該表面に少なくとも部分的に接触するインターコネクト表面（２３）を有するカソードインターコネクト（２２）、及び
（ｖ）アノード（２４）の下面に取り付けられたアノードインターコネクト（３３）であって、アノードの表面に対面しかつ該表面に少なくとも部分的に接触するインターコネクト表面を有するアノードインターコネクト（３３）
を含んでなる固体酸化物燃料電池（２０）であって、カソードインターコネクト表面又はアノードインターコネクト表面の少なくとも一方が実質的にオーステナイト系の面心立方（ＦＣＣ）相によって特徴づけられる表面領域を含む、固体酸化物燃料電池（２０）。
カソードインターコネクト（２２）がフェライト系ステンレス鋼からなる材料で形成されていて、実質的にフェライト系の体心立方（ＢＣＣ）相によって特徴づけられる下方のバルク領域と、実質的にオーステナイト系の面心立方（ＦＣＣ）相によって特徴づけられる表面領域とを含んでいる、請求項８記載の固体酸化物燃料電池。
複数の相互接続された燃料電池（３０）から形成された固体酸化物燃料電池スタックであって、少なくとも１つの燃料電池がフェライト系ステンレス鋼材料で形成されかつ燃料電池（２０）のカソード（２６）の表面に対面するカソードインターコネクト表面（２３）を有するカソードインターコネクト（２２）を含み、カソードインターコネクト表面が実質的にオーステナイト系の面心立方（ＦＣＣ）相によって特徴づけられる表面領域を含む、固体酸化物燃料電池スタック。