JP2015032559A - 固体酸化物形燃料電池スタック及びセパレータ付インターコネクタ - Google Patents
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Abstract
【課題】金属材料の表面に導電性セラミックをコーティングしたインターコネクタ本体と第１のセパレータからなるインターコネクタを用い、インターコネクタに加わる応力の緩和と、カソードのクロム被毒の抑制が可能な固体酸化物形燃料電池スタックを提供する。【解決手段】本発明の固体酸化物形燃料電池スタックは、燃料極層２０と空気極層２２と固体電解質層２１とを含む単セルＣを、インターコネクタ１を介して複数個積層される。インターコネクタ１は、表面に導電性セラミック１０ａをコーティングしたインターコネクタ本体１０と、可撓性を有する金属板からなる第１のセパレータ１１とを備えている。インターコネクタ本体１０と第１のセパレータ１１は、開口部１１ａの全周を取り囲む接合部３０を介して互いに接合されている。インターコネクタ１は、第１のセパレータ１１の部分を固定することにより積層されている。【選択図】図３
Description
本発明は、インターコネクタを介して単セルを複数個積層した固体酸化物形燃料電池スタックと、この固体酸化物形燃料電池スタックに含まれるセパレータ付インターコネクタと、に関するものである。
従来から、電解質に固体酸化物を用いた固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）が知られている。ＳＯＦＣの構成単位である単セルは、例えば、平板状の固体電解質層の両面に配置した燃料極層と空気極層のそれぞれに燃料ガス及び酸化剤ガスを供給することで電力を発生する。また、このような単セルを複数個積層し、隣接する単セル間にインターコネクタを配置することで、固体酸化物形燃料電池スタック（以下、燃料電池スタックと呼ぶ）が構成される。ＳＯＦＣに含まれるインターコネクタは、良好なガス気密性と導電性が要求されるので、金属材料を用いて形成することが可能である。例えば、熱膨張率がセルに近いフェライト系ステンレス材を用いたインターコネクタが提案されている（特許文献１参照）。一方、ＳＯＦＣの使用温度域は相当の高温になるので、インターコネクタの金属材料からのクロム蒸散に起因するカソードのクロム被毒が問題となる。そのため、導電性とクロムに対するバリア性とを兼ね備えたスピネル型酸化物等の導電性セラミックを金属材料の表面にコーティングしたインターコネクタが提案されている（特許文献２）。
しかしながら、上記従来のインターコネクタは、その全体がそのまま単セルとともに積層されてスタックを構成し、インターコネクタが積層方向に拘束される構造であるため、ＳＯＦＣの運転中の起動停止の際に加わる熱応力やスタック組み付け時の機械的な応力により、インターコネクタが変形を起こす恐れがある。そして、インターコネクタの金属材料の表面に導電性セラミックがコーティングされている場合は、一般にセラミック材料が応力によって割れやすいことから、上述のインターコネクタの変形によってクラックを生じることになり、コーティングの機能を喪失するという問題があった。
本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、金属材料の表面に導電性セラミックをコーティングすることでカソードのクロム被毒を抑制しつつ、インターコネクタに対して加わる応力を緩和して耐久信頼性の向上が可能な固体酸化物形燃料電池スタックを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の固体酸化物形燃料電池スタックは、燃料極層と、空気極層と、固体電解質層とを含む単セルを、インターコネクタを介して、複数個積層した固体酸化物形燃料電池スタックであって、前記インターコネクタは、表面に導電性セラミックをコーティングした金属材料からなるインターコネクタ本体と、可撓性を有する金属板からなる第１のセパレータとを備え、かつ、前記インターコネクタ本体は、前記第１のセパレータと、当該第１のセパレータの略中央に形成された開口部の全周を取り囲む接合部を介して、互いに接合されており、かつ、前記インターコネクタは、前記第１のセパレータの部分を固定することにより積層されることを特徴としている。
本発明の固体酸化物形燃料電池スタックによれば、インターコネクタ本体は、中央の開口部の全周を取り囲む接合部を介して第１のセパレータと互いに接合され、金属材料の表面に導電性セラミックをコーティングした構造を有する。そして、隣接する単セルの間に第１のセパレータの部分を固定することで、複数の単セルが積層されている。従って、単セルに拘束されないインターコネクタに対して応力が加わったとき、単セルに固定されている第１のセパレータが変形することで応力を逃がすことができる。さらに、熱膨張率が燃料電池セルに近い金属材料を用いてインターコネクタ本体を形成しつつ、その表面の導電性セラミックによりクロム酸化物の蒸散を阻止することができる。このとき、第１のセパレータとインターコネクタ本体との接合構造により導電性セラミックのクラック等の不具合を防止することができる。
第１のセパレータは、インターコネクタ本体よりも薄い金属板により形成することが望ましい。すなわち、第１のセパレータの形成に用いる金属板は、インターコネクタ本体よりも厚いと応力緩和の機能が低下するので、インターコネクタ本体よりも薄くすることにより応力緩和の機能を高めるものである。例えば、第１のセパレータの厚さを０．０５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下に設定することができる。また、第１のセパレータは、アルミニウムを１重量％以上１０重量％以下含有する合金により形成することが望ましい。これにより、第１のセパレータの表面に耐酸化性の高いアルミナの被膜を形成することができる。第１のセパレータのアルミニウムの含有量が１重量％に満たないと、アルミナの被膜形成が不十分になるため、長期に渡って耐久性が得られない。また、第１のセパレータのアルミニウムの含有量が１０重量％を超えると、常温で第１のセパレータが硬くなり過ぎ、応力緩和に支障を来す。
インターコネクタ本体の表面にコーティングされる導電性セラミックは、１μｍ以上３０μｍ以下の厚さで形成することが望ましい。導電性セラミックの厚さが１μｍに満たないと、均質なコーティング層の形成に支障を来す。また、導電性セラミックの厚さが３０μｍを超えると、コーティング層が割れやすくなり、信頼性が低下する。
第１のセパレータは、応力を緩和可能な凹状又は波状の断面形状で形成することができる。このような断面形状を第１のセパレータに持たせることで、応力が加わったときに凹状又は波状の部分が変形し、それにより応力を緩和する効果を十分に高めることができる。
接合部は、溶接、ロウ付け、ガラス封止のいずれか１つ又はこれらの組み合わせを用いて形成することができる。例えば、レーザ溶接機を用いて接合部を形成することでコスト低減を図ることができる。また、ロウ付けで接合部を形成することで接合部の強度を高めることができる。また、ガラス封止で接合部を形成することでガスシール性の向上が可能となる。これらを組み合わせることで、より接合部の信頼性を向上させることも可能となる。
本発明において、固体電解質層を挟んで一方の側に前記燃料極層が配置され他方の側に前記空気極層が配置されたセル本体と、可撓性を有する金属板からなる第２のセパレータとを更に備え、前記セル本体と前記第２のセパレータとを、前記第２のセパレータの略中央に形成された開口部の全周を取り囲むセル接合部を介して互いに接合してもよい。これにより、燃料電池セルに関してもインターコネクタと同様の応力緩和構造を設けることで、積層方向に対する熱応力に対して応力緩和の効果が得られ、インターコネクタに加えて、燃料電池セルの変形や割れを効果的に防止することが可能となる。
また、上記課題を解決するために、本発明のセパレータ付インターコネクタは、燃料極層と、空気極層と、固体電解質層とを含む単セルを複数個積層した固体酸化物形燃料電池スタック用のセパレータ付インターコネクタであって、表面に導電性セラミックをコーティングした金属材料からなるインターコネクタ本体を備え、前記インターコネクタ本体は、可撓性を有する金属板からなる第１のセパレータと、前記第１のセパレータの略中央に形成された開口部の全周を取り囲む接合部を介して、互いに接合されていることを特徴としている。本発明のセパレータ付インターコネクタを用いて前記固体酸化物形燃料電池スタックを構成することにより、上述の作用効果を実現することができる。
以上説明したように、本発明によれば、固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、インターコネクタ本体と第１のセパレータとを互いに接合してインターコネクタを形成するとともに、インターコネクタ本体の金属材料の表面に導電性のセラミック材料をコーティングした構造を採用した。よって、インターコネクタに加わる応力を第１のセパレータの変形により逃がすことができるとともに、金属材料を用いたインターコネクタ本体の表面の導電性セラミックの作用によりクロム酸化物の蒸散を阻止することができる。よって、積層方向の応力に起因するインターコネクタの割れ等の不具合を防止し、かつカソードのクロム被毒を十分に抑制することで、耐久信頼性の向上が可能な固体酸化物形燃料電池スタックを実現することができる。
以下、本発明を適用した固体酸化物形燃料電池の一実施形態について具体的に説明する。図１は、本実施形態の固体酸化物形燃料電池としての燃料電池スタックＳの斜視図を示している。また、図２は、図１に示す燃料電池スタックＳを矢印Ａ方向から見た模式断面図である。本実施形態においては、基本的な構成単位である単セルＣを複数個積層した燃料電池スタックＳが構成される。図１及び図２では、燃料電池スタックＳが４つの単セルＣ（１）、Ｃ（２）、Ｃ（３）、Ｃ（４）を積層した構造を有する例を示しているが、一般には、より多数の単セルＣを積層して燃料電池スタックＳを構成することができる。
図１及び図２に示すように、燃料電池スタックＳは、複数のボルトＢ１〜Ｂ１０及び複数のナットＮによって一体的に固定されている。燃料電池スタックＳは、複数のボルトＢ１〜Ｂ１０に対応する位置に貫通孔Ｈが形成され、上下１対のエンドプレートＰによって上記４つの単セルＣが挟まれた状態で固定されている。各ボルトＢ１〜Ｂ１０のうち、図１の方形平面内の四隅に位置する４個のボルトＢ１、Ｂ４、Ｂ６、Ｂ９は、燃料電池スタックＳを固定する連結部材としてのみ用いられる。一方、それ以外の６個のボルトＢ２、Ｂ３、Ｂ５、Ｂ７、Ｂ８、Ｂ１０の各々は、上記連結部材に加えて、燃料ガス又は酸化剤ガスの流路の一部（入口又は出口）として機能する。
次に、図１の単セルＣの基本構造について説明する。図３は、図２の１個の単セルＣに関し、各構成要素を分解した状態の模式的な断面構造を示している。なお、図３においては、図２の両側の流路構造については省略している。図３に示す単セルＣは、上側及び下側の２個のインターコネクタ本体１０と、上側及び下側の２個のインターコネクタ用セパレータ１１（本発明の第１のセパレータ）と、空気極側集電体１２と、枠部１３と、セル本体１４と、燃料極側集電体１５とを備えている。図３に示すように、インターコネクタ本体１０とインターコネクタ用セパレータ１１は、一体的にセパレータ付インターコネクタ１（以下、単にインターコネクタ１と呼ぶ）として機能する。図３に示す単セルＣは、図１においてエンドプレートＰに接していない単セルＣ（２）、Ｃ（３）に対応する。このように、図３の単セルＣの上下において、それぞれインターコネクタ本体１０及びインターコネクタ用セパレータ１１からなる２個のインターコネクタ１（セパレータ付インターコネクタ）は互いに同じ構造である。よって、以下の説明は、単セルＣの上下の２個のインターコネクタ１について共通である。
単セルＣの発電機能を担うセル本体１４は、下層側から順に、燃料極層２０と、固体電解質層２１と、空気極層２２とが積層形成されてなる。燃料極層２０は、水素源となる燃料ガスに接触し、単セルＣのアノードとして機能する。燃料極層２０の材料としては、金属が好ましく、例えば、Ｎｉ、Ｎｉとセラミック粒子からなるサーメット、Ｎｉ基合金を用いることができる。固体電解質層２１は、イオン導電性を有する各種の固体電解質からなる。固体電解質層２１の材料としては、例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア)、ＳＤＣ（サマリウムドープセリア）、ＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）、ペロブスカイト系酸化物等を用いることができる。空気極層２２は、酸素源となる酸化剤ガス（空気）に接触し、単セルＣのカソードとして機能する。空気極層２２の材料としては、例えば、ＬＳＣＦ（ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物）、ＬＳＭ（ランタンストロンチウムマンガン酸化物）等のペロブスカイト系酸化物、各種貴金属及び貴金属とセラミックとのサーメットを用いることができる。
インターコネクタ１は、図３の単セルＣとその上層に隣接する単セルＣとの間の電気的接続を担う。インターコネクタ用セパレータ１１は、可撓性を有する金属製の薄板である。インターコネクタ用セパレータ１１は、中央に形成された開口部１１ａを取り囲む接合部３０を介してインターコネクタ本体１０と接合され、隣接する２つの単セルＣの間で燃料ガスと酸化剤ガスを隔離する役割がある。インターコネクタ本体１０は、板状の金属部材の表面の全体に、導電性セラミックからなるコーティング層１０ａを形成した構造を有する。なお、インターコネクタ本体１０とその表面のコーティング層１０ａ、及びインターコネクタ用セパレータ１１のそれぞれの材料及び構造の詳細については後述する。
空気極側集電体１２は、セル本体１４の空気極層２２と、上側のインターコネクタ１との間の導通を確保する役割がある。空気極側集電体１２の材料としては、例えば、Ａｇ−Ｐｄ等の金属材料を用いることができる。また、燃料極側集電体１５は、セル本体１４の燃料極層２０と、下側のインターコネクタ１との間の導通を確保する役割がある。燃料極側集電体１５の材料としては、例えば、通気性を有するニッケルフェルト等を用いることができる。
枠部１３は、セル本体１４を単セルＣに固定する役割があり、燃料極フレーム２３と、セル本体用セパレータ２４（本発明の第２のセパレータ）と、絶縁フレーム２５と、空気極フレーム２６とにより構成される枠体状の部材である。このうち、燃料極フレーム２３は、積層方向で燃料極層２０の側に配置され、セラミック等の絶縁材料を用いて形成される。絶縁フレーム２５は、上下のインターコネクタ１の間を電気的に絶縁する役割があり、セラミック等の絶縁材料を用いて形成される。空気極フレーム２６は、積層方向で空気極層２２の側に配置され、金属材料を用いて形成される。これらの燃料極フレーム２３、絶縁フレーム２５、空気極フレーム２６は、いずれも中央に比較的大きい同サイズの開口が形成され、平面視でセル本体１４が開口に取り囲まれる位置関係にある。
また、枠部１３のセル本体用セパレータ２４は、上述のインターコネクタ用セパレータ１１と同様、可撓性を有する金属製の薄板であり、中央に形成された開口を取り囲む接合部３１を介してセル本体１４の固体電解質層２１の外周側の上面と接合されている。従って、セル本体１４とセル本体用セパレータ２４を平面視で見たとき、固体電解質層２１はセル本体用セパレータ２４よりも小さく、かつセル本体用セパレータ２４の開口部よりも大きいサイズの方形に形成され、空気極層２２はセル本体用セパレータ２４の開口部よりも小さいサイズの方形に形成されている。
次に、本実施形態のインターコネクタ１（セパレータ付インターコネクタ）を構成するインターコネクタ本体１０及びインターコネクタ用セパレータ１１の具体的な構造について図４を参照して説明する。図４（Ａ）は、インターコネクタ本体１０及びインターコネクタ用セパレータ１１の平面図を示し、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に対応する側断面図を示している。
図４に示すように、インターコネクタ本体１０の上面（コーティング層１０ａ）とインターコネクタ用セパレータ１１の下面は接合部３０を介して接合されている。具体的には、インターコネクタ用セパレータ１１の中央には、平面視でインターコネクタ本体１０より小さいサイズの開口部１１ａが形成されるので、この開口部１１ａを取り囲んで全周に接合部３０が配置されている。よって、接合部３０によりインターコネクタ本体１０とインターコネクタ用セパレータ１１との間を気密に封止することができる。この場合、開口部１１ａには、インターコネクタ本体１０の表面のコーティング層１０ａが露出した状態になる。
インターコネクタ用セパレータ１１は、既に述べたように可撓性を有する金属製の薄板であるため、積層方向の応力を逃がす程度の厚さに形成する必要がある。具体的には、インターコネクタ用セパレータ１１は、例えば、０．０５〜０．５ｍｍの範囲内の厚さ（例えば、０．１ｍｍの厚さ）に形成することが望ましい。インターコネクタ用セパレータ１１の厚さが０．５ｍｍを超えると、複数の単セルＣを積層した状態で各々のインターコネクタ用セパレータ１１に印加される応力を逃がすことが困難になる結果、応力に起因する割れ等の不具合を招く恐れがある。インターコネクタ用セパレータ１１の厚さが０．０５ｍｍに満たないと、耐酸化性や耐食性が劣化して十分な耐久性を確保できなくなる。なお、図４（Ａ）に示すように、インターコネクタ用セパレータ１１には、図１のボルトＢ１〜Ｂ１０に対応する各位置に円形の貫通孔が形成されている。
インターコネクタ用セパレータ１１は、例えば、主成分が鉄（Ｆｅ）であり、かつ１〜１０重量％程度のアルミニウムを含有する金属材料を用いて形成することが望ましい。すなわち、インターコネクタ用セパレータ１１の表面にアルミナの被膜を形成することにより、耐酸化耐久性を向上させることができる。ただし、アルミニウムの含有量が１重量％に満たない程度の金属材料を用いる場合は、被膜形成が不十分となって上述の効果が弱くなる。一方、アルミニウムの含有量が１０重量％を超える程度の金属材料を用いる場合は、インターコネクタ用セパレータ１１が常温で硬くなり過ぎ、応力の緩和が困難になる。
また、図４（Ｂ）に示すように、インターコネクタ用セパレータ１１は、インターコネクタ本体１０を吊り下げた構造であって変形可能であるため、インターコネクタ用セパレータ１１をインターコネクタ本体１０よりも薄く形成するのが望ましい。この場合、インターコネクタ本体１０の厚さは、上述のインターコネクタ用セパレータ１１の厚さを考慮すると、０．５〜１．５ｍｍの範囲内にすることが望ましい。
一方、インターコネクタ本体１０は、既に述べたように、金属材料の表面が導電性セラミックからなるコーティング層１０ａにより覆われた構造を有する。インターコネクタ本体１０の金属材料としては、例えば、フェライト系ステンレス材を用いることができる。フェライト系ステンレスの熱膨張率は、セル本体１４の熱膨張率に近いため、燃料電池スタックＳにおける熱応力を緩和するのに適している。
インターコネクタ本体１０の表面のコーティング層１０ａとしては、例えば、スピネル型酸化物等の導電性セラミックが用いられる。具体的には、ＭｎＣｏスピネルやＮｉＣｏスピネルなどを挙げることができる。このようなコーティング層１０ａによりインターコネクタ本体１０を覆うことにより、金属製のインターコネクタ本体１０の表面に形成されるクロム酸化物の蒸散を阻止することが可能となる。よって、本実施形態において、コーティング層１０ａの役割は、インターコネクタ本体１０の導電性を維持しつつ、インターコネクタ本体１０が露出しているときに問題となるカソードのクロム被毒を抑制することにある。また、コーティング層１０ａは、１〜３０μｍの範囲内の厚さで形成することが望ましい。すなわち、１μｍに満たない程度の厚さのコーティング層１０ａは均質に形成することが困難であるとともに、３０μｍを超える程度の厚さのコーティング層１０ａは割れやすくなるためである。
次に、本実施形態のインターコネクタ１の具体的な構造に関し、５つの実施例を挙げて順次説明する。インターコネクタ１の第１の実施例は、図４（Ｂ）の側断面図に示す接合部３０を形成する材料として、Ｎｉロウを用いた構造である。具体的には、接合部３０を形成するロウ材として、ＢＮｉ−２、ＢＮｉ−３、ＢＮｉ−５などを用いることができる。接合部３０の材料としてロウ材を用いることで、インターコネクタ本体１０とインターコネクタ用セパレータ１１との間を十分な接合強度で互いに接合する効果が得られる。
インターコネクタ１の第２の実施例は、図４（Ｂ）の側断面図に示す接合部３０を形成する材料として、ガラスを用いた構造である。ガラスを用いて接合部３０を形成する場合は、熱膨張率の差による応力印加時の割れを防止するため、インターコネクタ本体１０及びインターコネクタ用セパレータ１１と比較的近い熱膨張率を有するガラスを採用することが望ましい。接合部３０の材料としてガラスを用いることで、インターコネクタ本体１０とインターコネクタ用セパレータ１１との間を封止して、燃料ガスや酸化剤ガスのリークを防止する効果が得られる。
本実施形態のインターコネクタ１のうちの接合部３０に関しては、図４（Ｂ）を用いて説明した第１及び第２の実施例には限られず、多様な構造を適用可能である。図５は、インターコネクタ１の第３の実施例における接合部３０ａの構造を示している。第３の実施例の接合部３０ａは、上部のインターコネクタ用セパレータ１１と下部のインターコネクタ本体１０の金属部分とを所定箇所で溶接接合することにより形成される。図５に示すように、溶接接合により形成された接合部３０ａは、その径が上方から下方に行くにつれて細くなるテーパ状となっている。例えば、レーザ溶接機を用いて、インターコネクタ用セパレータ１１の上方から所定位置にレーザを照射することにより、インターコネクタ用セパレータ１１とインターコネクタ本体１０とを一体的に溶接接合することができる。
次に、本実施形態のインターコネクタ１のうちのインターコネクタ用セパレータ１１に関しても、上述の第１〜第３の実施例には限られず、多様な構造を適用可能である。図６は、インターコネクタ１の第４の実施例におけるインターコネクタ用セパレータ１１の構造を示している。第４の実施例のインターコネクタ用セパレータ１１は、図６に示すように、インターコネクタ本体１０の外縁の近傍で下方に突出した断面形状の凹状部１１ｂを形成したものである。この凹状部１１ｂは、平面視で開口部１１ａの全体を取り囲むように配置される。第４の実施例の構造を採用することにより、インターコネクタ用セパレータ１１に応力が加わったとき、それを凹状部１１ｂの変形により逃がすことで応力を緩和する効果がある。なお、インターコネクタ用セパレータ１１に凹状部１１ｂを形成するには、例えば、プレス加工を用いればよい。
また図７は、第５の実施例におけるインターコネクタ用セパレータ１１の構造を示している。第５の実施例は、第４の実施例の変形例であり、図７に示すように、インターコネクタ用セパレータ１１に対し、図６の凹状部１１ｂに代えて、上下に突出した波状の断面形状を有する波状部１１ｃを形成したものである。この波状部１１ｃも、上述の凹状部１１ｂと同様、平面視で開口部１１ａの全体を取り囲むように配置される。第５の実施例の構造を採用することにより、第４の実施例と同様、波状部１１ｃの変形により応力を緩和する効果がある。なお、インターコネクタ用セパレータ１１に波状部１１ｃを形成するには、第４の実施例と同様、例えば、プレス加工を用いればよい。
なお、第４及び第５の実施例において、接合部３０の材料及び構造については特に制約はなく、例えば、第１〜第３の実施例を自在に適用することができる。第４及び第５の構造を採用する場合、インターコネクタ用セパレータ１１は、凹状部１１ｂ及び波状部１１ｃの加工が可能である限り、第１〜第３の実施例と同様の厚さで形成することができる。
本実施形態の燃料電池スタックＳに関し、インターコネクタ１（インターコネクタ本体１０及びインターコネクタ用セパレータ１１が互いに接合されてなるセパレータ付インターコネクタ）の製造方法の概略について補足的に説明する。まず、周知の手法で、例えば、上述の比率でアルミニウムを含有するフェライト系ステンレスからなる金属板を形成する。そして、この金属板の表面に対し、コーティング層１０ａの材料をめっきにより付けた後、８００〜１０００℃の熱処理により酸化物を形成し、コーティング層１０ａで覆われたインターコネクタ本体１０を得る。一方、例えば、上述の比率でアルミニウムを含有するフェライト系ステンレス材からなる板材を打ち抜くことにより、開口部１１ａ（図４）を有するインターコネクタ用セパレータ１１を形成する。
次いで、インターコネクタ本体１０とインターコネクタ用セパレータ１１とを互いに接合するための接合部３０の形成を行う。例えば、第３の実施例（図５）を例にとると、インターコネクタ本体１０とインターコネクタ用セパレータ１１を図４（Ｂ）のように配置した状態で、周知の手法で、例えば、レーザ溶接機を用いて平面視でインターコネクタ用セパレータ１１の上方から開口部１１ａを取り囲む所定箇所に一定間隔で順次レーザを照射する。その結果、図５に示すような断面構造を有する複数の接合部３０ａが形成され、インターコネクタ１が完成する。なお、他の実施例の接合部３０を備えるインターコネクタ１に関しても、周知の手法で形成することができる。
以上説明したように、本実施形態の燃料電池スタックＳにおいては、隣接する単セルＣ同士の間にインターコネクタ１を介在させる場合、いわゆる吊り下げ構造を採用してインターコネクタ本体１０をインターコネクタ用セパレータ１１に接合したので、インターコネクタ本体１０の割れを抑制して信頼性を高めることができる。この場合、インターコネクタ本体１０は、金属材料の表面に導電性セラミックをコーティングした構造を有するので、クロム蒸散に起因するカソードのクロム被毒を確実に抑制することができる。そして、上述の吊り下げ構造と、インターコネクタ本体１０における導電性セラミックのコーティング層１０ａとを組み合わせたので、インターコネクタに熱応力や機械的応力が加わった際、それをインターコネクタ用セパレータ１１の変形により吸収することにより、コーティング層１０ａに発生するクラック等を有効に防止することができる。また、接合部３０の構造により、燃料ガスと酸化剤ガスとを確実に隔離しつつ、インターコネクタ本体１０とインターコネクタ用セパレータ１１とを一体的に接合することができる。
なお、インターコネクタ用セパレータ１１は、セル本体用セパレータ２４と同一の材料及び同一の構造で形成してもよい。これにより、燃料電池スタックＳの製造性の向上及び低コスト化に効果がある。
以上、本実施形態に基づき本発明の内容を具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で多様な変更を施すことができる。例えば、インターコネクタ用セパレータ１１は、可撓性を有する金属板を用いる限り、金属材料や形状を自在に変更することができる。また、接合部３０の形成方法についても、その機能を維持できる限り、多様な選択がある。また、それ以外のインターコネクタ１、空気極側集電体１２、枠部１３、セル本体１４、燃料極側集電体１５等の構成部材についても、本発明の目的を達成できる限り、本実施形態の内容に限定されることなく、多様な材料や構造を採用することができる。
１…インターコネクタ（セパレータ付インターコネクタ）
１０…インターコネクタ本体
１０ａ…コーティング層
１１…インターコネクタ用セパレータ
１１ａ…開口部
１２…空気極側集電体
１３…枠部
１４…セル本体
１５…燃料極側集電体
２０…燃料極層
２１…固体電解質層
２２…空気極層
２３…燃料極フレーム
２４…セル本体用セパレータ
２５…絶縁フレーム
２６…空気極フレーム
３０、３０ａ、３１…接合部
Ｓ…燃料電池スタック
Ｃ…単セル
Ｂ１〜Ｂ１０…ボルト
Ｎ…ナット
Ｈ…貫通孔
Ｐ…エンドプレート
１０…インターコネクタ本体
１０ａ…コーティング層
１１…インターコネクタ用セパレータ
１１ａ…開口部
１２…空気極側集電体
１３…枠部
１４…セル本体
１５…燃料極側集電体
２０…燃料極層
２１…固体電解質層
２２…空気極層
２３…燃料極フレーム
２４…セル本体用セパレータ
２５…絶縁フレーム
２６…空気極フレーム
３０、３０ａ、３１…接合部
Ｓ…燃料電池スタック
Ｃ…単セル
Ｂ１〜Ｂ１０…ボルト
Ｎ…ナット
Ｈ…貫通孔
Ｐ…エンドプレート
Claims (8)
- 燃料極層と、空気極層と、固体電解質層とを含む単セルを、インターコネクタを介して、複数個積層した固体酸化物形燃料電池スタックであって、
前記インターコネクタは、
表面に導電性セラミックをコーティングした金属材料からなるインターコネクタ本体と、
可撓性を有する金属板からなる第１のセパレータと、
を備え、
かつ、前記インターコネクタ本体は、前記第１のセパレータと、当該第１のセパレータの略中央に形成された開口部の全周を取り囲む接合部を介して、互いに接合されており、
かつ、前記インターコネクタは、前記第１のセパレータの部分を固定することにより積層されることを特徴とする固体酸化物形燃料電池スタック。 - 前記第１のセパレータは、前記インターコネクタ本体よりも薄い金属板からな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スタック。
- 前記第１のセパレータは、アルミニウムを１重量％以上１０重量％以下含有する合金により形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
- 前記インターコネクタ本体の表面にコーティングされる前記導電性セラミックの厚さは、１μｍ以上３０μｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
- 前記第１のセパレータは、応力を緩和可能な凹状又は波状の断面形状を有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
- 前記接合部は、溶接、ロウ付け、ガラス封止のいずれか１つ又はこれらの組み合わせを用いて形成されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
- 前記固体電解質層を挟んで一方の側に前記燃料極層が配置され他方の側に前記空気極層が配置されたセル本体と、
可撓性を有する金属板からなる第２のセパレータと、
を更に備え、
前記セル本体と前記第２のセパレータとは、前記第２のセパレータの略中央に形成された開口部の全周を取り囲むセル接合部を介して互いに接合されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。 - 燃料極層と、空気極層と、固体電解質層とを含む単セルを複数個積層した固体酸化物形燃料電池スタック用のセパレータ付インターコネクタであって、
表面に導電性セラミックをコーティングした金属材料からなるインターコネクタ本体を備え、
前記インターコネクタ本体は、可撓性を有する金属板からなる第１のセパレータと、前記第１のセパレータの略中央に形成された開口部の全周を取り囲む接合部を介して、互いに接合されていることを特徴とするセパレータ付インターコネクタ。
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