JP2014123544A - 固体酸化物形燃料電池及びインターコネクタの製作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐酸化コーティングを介して酸化雰囲気下に露出されても長時間安定的に使用することができるインターコネクタを備えた固体酸化物形燃料電池及びインターコネクタの製作方法を提供する。
【解決手段】本発明の固体酸化物形燃料電池１は、燃料極２１０、電解質２２０、及び空気極２３０を具備した単位電池２００と、胴体の一面あるいは両面にチャンネル１２０と凸部で凹凸形状を形成し、所定の間隔に平行に配列されたインターコネクタ１００と、からなり、チャンネル１２０の下面と側面には耐酸化絶縁セラミック層で積層されているものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池及びインターコネクタの製作方法に関する。

通常、燃料電池は、燃料（水素、ＬＮＧ、ＬＰＧ等）と空気（酸素）の化学エネルギーを、電気化学反応を介して電気と熱に直接変換させる装置である。従来の発電技術は、燃料燃焼、蒸気発生、タービン駆動、発電機駆動などの過程をたどるが、燃料電池は、燃料燃焼やタービン駆動の過程がないため、効率が高いだけでなく、環境問題を誘発しない新たな概念の発電技術である。このような燃料電池は、ＳＯ_ＸとＮＯ_Ｘなどの大気汚染物質をほぼ排出しなく、二酸化炭素の発生も少なくて無公害発電が可能であり、低騷音、無振動などの長所が存在する。

燃料電池は、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、アルカリ形燃料電池（ＡＦＣ）、高分子電解質形燃料電池（ＰＥＭＦＣ）、直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）等、多様な種類があり、このうち固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、活性化分極に基づいて過電圧が低く、非可逆的損失が少ないため、発電効率が高い。また、電極での反応速度が速いため、電極触媒として高価な貴金属を必要としない。従って、固体酸化物形燃料電池は、今後、水素経済社会への進入のために必須な発電技術である。

このような固体酸化物形燃料電池の特徴は、既存の高分子電解質形燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＰＥＭＦＣ）と違って、炭素またはハイドロカーボン系のどんな燃料でも活用可能であるため、燃料選択の自由度が高いという長所があり、水素（Ｈ_２）が燃料として使われた時の化学反応式は、発明の詳細な説明で記述する。

既存の平板形固体酸化物形燃料電池（ｐｌａｎａｒ ｓｏｌｉｄ ｏｘｉｄｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）は、燃料あるいは空気などのガス流路（ｆｌｏｗ ｃｈａｎｎｅｌ）を提供し、単位電池のスタッキング（ｓｔａｃｋｉｎｇ）のためにインターコネクタ（ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｏｒ）を採用しており、このインターコネクタは、その上部と下部に配列された単位電池で発生される電気を集電することができる。

例えば、特許文献１では、クロムを含むフェライト系ステンレス鋼（Ｆｅｒｒｉｔｉｃ ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ）素材のインターコネクタを記載しており、このフェライト系ステンレス鋼のインターコネクタは、固体酸化物形燃料電池作業温度で、酸化物スケール成長が遅く行われ、電気伝導性を提供することができる。

当該分野の熟練者に広く知られているように、金属合金で製作されたインターコネクタは、高温酸化雰囲気で容易に酸化されて酸化物スケールを形成し、金属合金のうちクロム（Ｃｒ）成分は、高温で電極や電解質に移動（ｍｉｇｒａｔｉｏｎ）し、電極や電解質の構成物質と２次相を形成するという問題点を含んでいる。このような問題点は、インターコネクタの電気伝導度を低下（ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ）させて、全般的に固体酸化物形燃料電池の電気集電効率を落とすようになる。

国際公開第２００６／１３８０７０号

本発明は、前述した短所または問題点を解消するために導き出されたものであって、耐酸化性を提供する同時に電気伝導度を保障することができる固体酸化物形燃料電池及びインターコネクタの製作方法を提供するものである。

前述したように、本発明の目的は、高温酸化雰囲気でも耐酸化性を維持して電気伝導度を保障することができるように単位電池をスタックに積層する平板形固体酸化物形燃料電池のインターコネクタを形成することである。

このような目的を達成するために、本発明の好ましい固体酸化物形燃料電池は、燃料極、電解質、及び空気極を具備した単位電池と、胴体の一面あるいは両面にチャンネルと凸部で凹凸形状を形成し、所定の間隔に平行に配列されたインターコネクタと、からなり、チャンネルの下面と側面には耐酸化絶縁セラミック層で積層されていることを特徴とする。

好ましく、本発明による凸部の接触面は、耐酸化伝導層で蒸着されている。

また、本発明は、胴体の縁部の側面にも耐酸化絶縁セラミック層で積層されている。

本発明によるインターコネクタ用胴体は、サーメットで形成されるようにする。

インターコネクタに供給される気体の外部流出を遮断する密封材が、単位電池とインターコネクタの縁部に追加に配置される。

本発明において、胴体と耐酸化絶縁セラミック層は、セラミック素材を含んでいる。

本発明において、密封材と耐酸化絶縁セラミック層は、セラミック素材を含んでいる。

耐酸化伝導層は、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）またはこれらの混合物で構成されている。

本発明による固体酸化物形燃料電池用インターコネクタの製作方法は、チャンネルと凸部を備えるサーメット素材の胴体を提供する段階と、凸部の接触面にマスクを塗布する段階と、胴体の全体表面に耐酸化絶縁セラミック層を積層する段階と、マスクを除去する段階と、を含むものである。

マスクの除去段階後に、本発明の方法は、凸部の接触面に耐酸化伝導層を蒸着する段階を追加に含む。

マスクを除去した以後に、本発明の方法による胴体は、還元雰囲気下で焼結されるようにする。

サーメット素材は、金属粉末とセラミック系粉末の混合物からなっている。

以上、本発明の説明によると、本発明は、耐酸化コーティングを介して酸化雰囲気下に露出されても長時間安定的に使用することができるインターコネクタを備えた固体酸化物形燃料電池を提供する。

本発明は、電気伝導度を保障することができるインターコネクタを手段とし、単位電池をスタックに積層することができる。

特に、本発明は、インターコネクタの胴体と単位電池の電解質及びインターコネクタの一部面にコーティングされた耐酸化絶縁セラミック層は、類似したセラミック材で形成されているため、高温環境下でも熱膨張率が相当類似して熱衝撃及び／または熱応力に対して信頼することができる耐久性を向上させることができる。

本発明によるインターコネクタを適用した固体酸化物形燃料電池の分解斜視図である。 図１に示すスタックに積層された固体酸化物形燃料電池の斜視図である。 本発明によるインターコネクタの概略的な断面図である。 図３に示すインターコネクタの製作工程図である。

本発明の目的、特定の長所及び新規の特徴は、添付図面に係る以下の詳細な説明及び好ましい実施例によってさらに明らかになるであろう。本明細書において、各図面の構成要素に参照番号を付け加えるに際し、同一の構成要素に限っては、たとえ異なる図面に示されても、できるだけ同一の番号を付けるようにしていることに留意しなければならない。また、「一面」、「他面」、「第１」、「第２」などの用語は、一つの構成要素を他の構成要素から区別するために用いられるものであり、構成要素が前記用語によって限定されるものではない。以下、本発明を説明するにあたり、本発明の要旨を不明瞭にする可能性がある係る公知技術についての詳細な説明は省略する。

以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。

図１及び図２は、本発明によるインターコネクタを適用した固体酸化物形燃料電池を概略的に示す図面である。

図面を参照すると、本発明の固体酸化物形燃料電池１は、平板形の固体酸化物形燃料電池であり、平板状で形成された燃料極２１０、電解質２２０、及び空気極２３０で積層された単位電池２００を具備する。

図示したように、本発明の固体酸化物形燃料電池１は、一つ以上のインターコネクタ１００、一つ以上の単位電池２００、及び密封材３００で構成される。特に、インターコネクタ１００は、単位電池２００に気体（燃料あるいは空気）を供給することができるチャンネル１２０ａ、１２０ｂを具備する。

ここで、インターコネクタという用語は、基本的に単位電池の燃料極と隣接するように配列された他の単位電池の空気極を電気的に連結する一方、空気極に供給される空気と燃料極に供給される燃料ガスを物理的に遮断することができる構成部材である。

また、密封材３００は、積層されたインターコネクタ１００と単位電池２００との間の絶縁のため、電気絶縁性素材、例えば、セラミック材あるいはガラス材で製作されることが好ましい。

単位電池２００は、電気エネルギーを生成する役割を遂行するものであり、前述したように、燃料極２１０、電解質２２０、及び空気極２３０で積層されて形成される。一般的に、固体酸化物形燃料電池１（ＳＯＦＣ）において、燃料ガスが水素（Ｈ_２）または一酸化炭素（ＣＯ）であると、燃料極２１０と空気極２３０では、以下のような電極反応を起こす。

燃料極２１０で生成された電子（ｅ⁻）は、外部回路（図示せず）を介して空気極２３０に伝達され、これと同時に空気極２３０で発生された酸素イオン（Ｏ^２−）は、電解質２２０を介して燃料極２１０に伝達される。燃料極２１０では水素が酸素イオンと結合されて電子と水が生成される。結果的に、固体酸化物形燃料電池の全反応は、水素（Ｈ_２）または一酸化炭素（ＣＯ）が燃料極２１０に供給され、酸素が空気極２３０に供給されると、最終的に二酸化炭素（ＣＯ_２）と水（Ｈ_２Ｏ）が生成される。

燃料極２１０は、インターコネクタ１００の燃料チャンネル１２０ａに案内される燃料に電極反応を介して陰極役割を遂行する。選択可能に、燃料極２１０は、酸化ニッケル（ＮｉＯ）とイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）で構成され、酸化ニッケルは、水素により金属ニッケルに還元されて電子伝導性を保障し、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）は、酸化物としてイオン伝導性を保障するようになる。

電解質２２０は、空気極２３０で発生される酸素イオンを燃料極２１０に伝達する媒介体であり、イットリア安定化ジルコニアまたはＳｃＳＺ（Ｓｃａｎｄｉｕｍ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ）、ＧＤＣ、ＬＤＣなどを焼結して形成することができる。参考までに、イットリア安定化ジルコニアは、４価ジルコニウムイオンの一部が３価のイットリウムイオンに代置されているため、イットリウムイオン２個当たり１個の酸素イオン孔が内部に発生し、高温で前記孔を介して酸素イオンが移動するようになる。また、電解質２２０に気孔ができると、燃料と酸素（空気）が直接反応するクロスオーバー（ｃｒｏｓｓｏｖｅｒ）現象が発生して効率が落ちるため、キズが発生しないように注意しなければならない。

空気極２３０は、インターコネクタ１００の空気チャンネル１２０ｂから酸素あるいは空気の供給を受け、電極反応を介して陽極役割を遂行する。ここで、空気極２３０は、電子伝導性が高いランタンストロンチウムマンガナイト（（Ｌａ_０．８４ Ｓｒ_０．１６）ＭｎＯ_３）などを焼結して形成することができる。また、空気極２３０では、酸素がランタンストロンチウムマンガナイトの触媒作用により酸素イオンに転換され、電解質２２０を介して燃料極２１０に伝達される。

本発明による固体酸化物形燃料電池１は、図示したように、一つ以上の単位電池２００を具備し、図１では２個の単位電池２００のみを図示している。平行に配列された２個の単位電池２００の間にインターコネクタ１００が配置される。インターコネクタ１００の上部面は、図示したように、酸化雰囲気下で単位電池２００の空気極２３０に接するようになり、インターコネクタ１００の下部面は、還元雰囲気下で燃料極２１０に接するようになる。

本発明のインターコネクタ１００は、サーメット（ｃｅｒｍｅｔ）で製作されることが好ましい。このサーメットは、耐熱性と耐酸化性及び耐摩耗性を備え、高温環境下で作動する固体酸化物形燃料電池に適する。サーメットは、既に広く知られているように、無機物であるセラミック系粉末を結合材である金属粉末と混合して加圧成形して焼結した材料である。

本発明の固体酸化物形燃料電池用インターコネクタ１００は、上部面と下部面にそれぞれのチャンネル１２０ａ、１２０ｂを形成し、この複数のチャンネル１２０ａ、１２０ｂは、上部面あるいは下部面の一端から他端まで平行に長さ延長されるように形成される。インターコネクタ１００の上部面は、複数個のチャンネル１２０ｂを介して凹凸構造を有し、下部面は、複数個のチャンネル１２０ａを介して凹凸構造を有する。また、チャンネル１２０ａとチャンネル１２０ｂは、互いに直交方向に形成される。チャンネル１２０ａは燃料ガス（水素）を通過させ、チャンネル１２０ｂは空気を通過させ、燃料ガスと空気を互いに混合されないようにする。

図３は、本発明によるインターコネクタの概略的な断面図である。

本発明の固体酸化物形燃料電池用インターコネクタ１００は、図１に示すように上部面と下部面にそれぞれのチャンネル１２０を手段とし、凹凸形状を備えている。具体的に、インターコネクタ１００は、一面あるいは両面（具体的に、上部面と下部面）に凹凸形状で形成された胴体１１０と、この胴体１１０の凸部１３０の接触面（参照符号無し）に積層される耐酸化伝導層Ｌ１、及びチャンネル１２０の下面と側面、そして胴体１１０の側面に積層される耐酸化絶縁セラミック層Ｌ２からなる。ここで、接触面という用語は、インターコネクタ１００の上部面及び／または下部面に形成された凸部１３０の扁平な端部面であり、単位電池の燃料極または空気極と直接接して通電可能にする部材である。

耐酸化伝導層Ｌ１は、高温下で耐酸化性を備え、電気伝導性が良い物質、特に貴金属類、例えば、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）またはこれらの混合物を使用することが好ましい。このような耐酸化伝導層Ｌ１は、凸部１３０の近辺にスケールが発生されて接触抵抗が増加されることを未然に防止する一方、単位電池（図示せず）の電極と良好な電気接触状態を確保することができる。

耐酸化絶縁セラミック層Ｌ２は、高温の酸化雰囲気に露出されることができるチャンネル１２０の下面と側面に積層される。特に、チャンネル１２０は、耐酸化絶縁セラミック層Ｌ２で囲まれて絶縁状態を維持することができるため、凸部１３０にのみ通電可能にする。

また、耐酸化絶縁セラミック層Ｌ２は、ジルコニウム（Ｚｒ）などのセラミック素材で製作することができ、電解質２２０（図１参照）の素材（例えば、ＹＳＺ、ＳｃＳＺ、ＧＤＣ等）としても適用可能である。

耐酸化絶縁セラミック層Ｌ２は、胴体１１０及び／または電解質２２０（図１参照）と同じ、あるいは類似したセラミック系素材で製作されているため、高温環境下で誘発される耐酸化絶縁セラミック層Ｌ２と胴体１１０または電解質の熱膨張率がほぼ一致して熱衝撃及び／または熱応力緩和作用を提供して耐久性を向上することができる。

また、耐酸化絶縁セラミック層Ｌ２の素材が胴体１１０のサーメット材質と同じ、あるいは類似して組成されると、胴体１１０のチャンネル１２０の側面と下面上に塗布された耐酸化絶縁セラミック層Ｌ２を焼結した後にも、これらの間の界面で剥離されずに、安定的に付着状態を維持することができる。

選択可能に、耐酸化絶縁セラミック層Ｌ２を胴体１１０の周縁の側面に積層することができる。耐酸化絶縁セラミック層Ｌ２は、図２に示すように、インターコネクタ１００の周縁部に沿って積層され、このインターコネクタ１００の周縁部は、セラミック素材の密封材３００に接触させることができる。

耐酸化絶縁セラミック層Ｌ２が密封材３００の類似成分からなっており、密封材の熱的安定性を向上することができる。

図４は、図３に示すインターコネクタの製作工程図である。

本発明による固体酸化物形燃料電池用インターコネクタは、以下のような段階で製作することができる。

参考までに、図４に示すインターコネクタ１００は、既に広く公知されたように、一面あるいは両面（ここでは上部面と下部面）にチャンネルを形成して凹凸形状を備えており、下部面に形成されるチャンネルの形成方向は、上部面に形成されるチャンネルの形成方向と直交方向に伸びている。従って、インターコネクタ１００の下部面は、凸部のみで表示される。

優先的に、図４の（ａ）は、サーメット素材のインターコネクタ１００の胴体１１０を提供する段階を含む。胴体１１０は、金属粉末とセラミック系粉末で混合されたサーメットを媒介として加圧成形し、胴体１１０の一面あるいは両面にチャンネル１２０を形成することができるようにする。また、チャンネル１２０は、前述したように、単位電池に供給される燃料あるいは空気の流路として使われる。

図４の（ｂ）は、単位電池２００（図１及び図２参照）の電極（燃料極あるいは空気極）と接触する部分にマスク（Ｍ）を塗布する段階を含む。具体的に、マスク（Ｍ）は、供給されたインターコネクタ１００の凸部１３０接触面にのみ選択的に塗布されるようにする。

図４の（ｃ）は、マスク（Ｍ）塗布段階以後、胴体１１０の全体表面に耐酸化絶縁セラミック層Ｌ２を積層する段階を含む。胴体１１０が、例えば、ディップコーティング（ｄｉｐ ｃｏａｔｉｎｇ）工程を介して、全体表面上に耐酸化絶縁セラミック層Ｌ２でコーティングすることができる。これは、図３に示す胴体１１０のチャンネル１２０の下面と側面、そして胴体１１０の縁部の側面上に耐酸化絶縁セラミック層Ｌ２を形成する。

図４の（ｄ）は、マスク（Ｍ）を除去する段階を含む。以前段階で、胴体１１０は、表面の一部とマスク（Ｍ）に耐酸化絶縁セラミック層Ｌ２をコーティングする。マスク（Ｍ）を除去することによって、胴体１１０の凸部１３０の接触面が外部に露出される。参考までに、露出された凸部１３０は、セラミックを含むサーメットで構成されている。

図４の（ｅ）は、耐酸化伝導層Ｌ１を蒸着する段階を含む。耐酸化伝導層Ｌ１は、図示したように、耐酸化絶縁セラミック層Ｌ２を除去した胴体１１０の凸部１３０接触面にのみ選択的に蒸着される。

一般的に、インターコネクタ１００は、高温下で焼結されて剛性を有するようになり、焼結時サーメットの金属成分が酸化されることを防止するために、窒素あるいは水素などのガスで供給される還元雰囲気で焼結するようになる。その後、胴体１１０の露出部位（即ち、凸部１３０の接触面）にスパッタリング（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）等を介して薄膜の耐酸化伝導層Ｌ１を蒸着することができる。

耐酸化伝導層Ｌ１は、完成されたインターコネクタ１００の酸化を防止するだけでなく、固体酸化物形燃料電池の電極と接触して電流を集電することができるようにする。

以上、本発明を具体的な実施例に基づいて詳細に説明したが、これは本発明を具体的に説明するためのものであり、本発明はこれに限定されず、該当分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想内にての変形や改良が可能であることは明白であろう。

本発明の単純な変形乃至変更はいずれも本発明の領域に属するものであり、本発明の具体的な保護範囲は添付の特許請求の範囲により明確になるであろう。

本発明は、固体酸化物形燃料電池及びインターコネクタの製作方法に適用可能である。

１ 固体酸化物形燃料電池
１００ インターコネクタ
１１０ 胴体
１２０、１２０ａ、１２０ｂ チャンネル
１３０ 凸部
２００ 単位電池
２１０ 燃料極
２２０ 電解質
２３０ 空気極
３００ 密封材
Ｌ１ 耐酸化伝導層
Ｌ２ 耐酸化絶縁セラミック層
Ｍ マスク

Claims (13)

1. 燃料極、電解質、及び空気極を具備した単位電池と、
   胴体の一面あるいは両面にチャンネルと凸部で凹凸形状を形成し、所定の間隔に平行に配列されたインターコネクタと、からなり、
   前記チャンネルの下面と側面には耐酸化絶縁セラミック層で積層されている固体酸化物形燃料電池。
2. 前記凸部の接触面は、耐酸化伝導層で蒸着されている請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
3. 前記胴体の周縁面にも耐酸化絶縁セラミック層で積層される請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
4. 前記胴体は、サーメットからなっている請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
5. 前記インターコネクタに供給される気体の外部流出を遮断する密封材が前記単位電池と前記インターコネクタの縁部に追加に具備される請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
6. 前記胴体と前記耐酸化絶縁セラミック層は、セラミック素材を含んでいる請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
7. 前記密封材と前記耐酸化絶縁セラミック層は、セラミック素材を含んでいる請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池。
8. 前記耐酸化伝導層は、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）またはこれらの混合物で構成される請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池。
9. 前記耐酸化絶縁セラミック層は、セラミック素材で形成される請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
10. チャンネルと凸部を備えるサーメット素材の胴体を提供する段階と、
    前記凸部の接触面にマスクを塗布する段階と、
    前記胴体の全体表面に耐酸化絶縁セラミック層を積層する段階と、
    前記マスクを除去する段階と、
    を含む固体酸化物形燃料電池用インターコネクタの製作方法。
11. 前記マスクの除去段階後に、前記凸部の接触面に耐酸化伝導層を蒸着する段階を追加に含む請求項１０に記載の固体酸化物形燃料電池用インターコネクタの製作方法。
12. 前記マスクを除去した以後に、前記胴体は、還元雰囲気下で焼結される請求項１０に記載の固体酸化物形燃料電池用インターコネクタの製作方法。
13. 前記サーメット素材は、金属粉末とセラミック系粉末の混合物からなる請求項１０に記載の固体酸化物形燃料電池用インターコネクタの製作方法。