JP3101358B2 - Solid oxide fuel cell separator - Google Patents

Solid oxide fuel cell separator

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JP3101358B2 JP03213087A JP21308791A JP3101358B2 JP 3101358 B2 JP3101358 B2 JP 3101358B2 JP 03213087 A JP03213087 A JP 03213087A JP 21308791 A JP21308791 A JP 21308791A JP 3101358 B2 JP3101358 B2 JP 3101358B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、新規な固体電解質型燃
料電池用セパレータに関するものである。さらに詳しく
いえば、本発明は、セパレータ自体を構成する焼結体
が、高緻密度を有し、耐熱性、耐食性に優れ、良好な電
気伝導度を有するとともに、射出成形可能で成形性に優
れ成形コストを低減させうる上に、金属材料と無機系化
合物との比率を適宜変えることにより、電気伝導度を維
持しつつ、線膨張率等の熱膨張特性の制御が可能となる
ことから、燃料電池の各部材の強固な接合を可能とし、
ガス封止の安定性を向上させることができる固体電解質
型燃料電池用セパレータに関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a novel separator for a solid oxide fuel cell. More specifically, in the present invention, the sintered body constituting the separator itself has a high density, is excellent in heat resistance and corrosion resistance, has a good electric conductivity, and is injection moldable and has excellent moldability. In addition to reducing the molding cost, by appropriately changing the ratio between the metal material and the inorganic compound, it is possible to control the thermal expansion characteristics such as the coefficient of linear expansion while maintaining the electrical conductivity. Enables strong joining of battery components,
The present invention relates to a solid oxide fuel cell separator capable of improving the stability of gas sealing.

【0002】[0002]

【従来の技術】燃料電池は、水素、一酸化炭素、炭化水
素等の燃焼性化学物質やそれを含有する燃料を活物質に
用い、該化学物質や燃料の酸化反応を電気化学的に行わ
せ、酸化過程におけるエネルギー変化を直接的に電気エ
ネルギーに変換させる電池であって、高いエネルギー変
換効率を期待しうるものである。
2. Description of the Related Art A fuel cell uses a combustible chemical substance such as hydrogen, carbon monoxide, or a hydrocarbon or a fuel containing the same as an active material, and causes the oxidation reaction of the chemical substance or fuel to be performed electrochemically. A battery that directly converts an energy change in an oxidation process into electric energy, and can be expected to have high energy conversion efficiency.

【0003】中でも特に高い効率を期待しうるものとし
て、近年、第一世代のリン酸型、第二世代の溶融炭酸塩
型に続く第三世代の固体電解質型燃料電池、中でも集積
度の高い平板型のものが注目されている。図4は、この
平板型の3段直列セルの固体電解質型燃料電池の1例の
斜視説明図であって、各固体電解質板41の上面及び下
面にそれぞれカソード42及びアノード43を一体形成
して成る3層構造板をセパレータ44を介して接合集積
し、両端には外部端子45,46をそれぞれ設けて構成
されている。同様にして単位セルの積層数を増減するこ
とにより、多数のセルからなる多段直列型の電池に形成
される。セパレータ44は隣接するセルの電極間を電気
的に接続するとともに、上面に溝44a,下面に溝44
bが形成されて隣接するセルのアノード側及びカソード
側の各ガス通路を形成している。
[0003] In particular, a particularly high efficiency can be expected in recent years. In recent years, a third-generation solid electrolyte fuel cell has been developed following a first-generation phosphoric acid type and a second-generation molten carbonate type. The type thing is attracting attention. FIG. 4 is a perspective explanatory view of one example of the flat-plate type three-stage series-cell solid oxide fuel cell, in which a cathode 42 and an anode 43 are integrally formed on the upper and lower surfaces of each solid electrolyte plate 41, respectively. The three-layer structure plates are joined and integrated via a separator 44, and external terminals 45 and 46 are provided at both ends, respectively. Similarly, by increasing or decreasing the number of stacked unit cells, a multi-stage series battery including a large number of cells is formed. The separator 44 electrically connects the electrodes of adjacent cells, and has a groove 44a on the upper surface and a groove 44a on the lower surface.
b is formed to form each gas passage on the anode side and cathode side of the adjacent cell.

【0004】しかし、このような平板型のものは、普通
はセパレータがインターコネクタとも称されるように集
電機能を有し、それに適合するような材質の金属、例え
ば耐熱合金で形成されているのに対し、固体電解質はジ
ルコニアを主体とするセラミックスで形成されているた
め、両者間には、800〜1000℃という高温の電池
作動温度に及ぶ環境条件の変動に伴って線膨張係数等の
熱膨張特性にかなりの差異が生じるので、3層構造板と
セパレータ間には応力による歪が生じ、さらには接合強
度が低下したり、クラックが発生したり、接合部にすき
間を生じてガスが漏れ、水素などの燃料と空気などの酸
化剤ガスがクロスリークして活物質としての機能がそこ
なわれたりするおそれがある。
[0004] However, such a flat type usually has a current collecting function so that the separator is also called an interconnector, and is formed of a metal such as a heat-resistant alloy suitable for the function. On the other hand, since the solid electrolyte is formed of a ceramic mainly composed of zirconia, the solid electrolyte has a thermal expansion coefficient such as a linear expansion coefficient due to a change in environmental conditions ranging from a high battery operating temperature of 800 to 1000 ° C. Since there is a considerable difference in the expansion characteristics, distortion occurs due to stress between the three-layer structure plate and the separator, and further, the joint strength is reduced, cracks are generated, and a gap is generated in the joint, and gas leaks. In addition, a fuel such as hydrogen and an oxidizing gas such as air may cross-leak, thereby impairing the function as an active material.

【0005】他方、ランタンクロマイト系(マグネシウ
ムをドープしたもの、LaCrOとニッケルアルミナ
イドとの複合材等)セパレータも知られているが、この
ものは複合酸化物のセラミックスであるために電気伝導
度が十分満足しうるものではなく、還元雰囲気で劣化し
易いという欠点がある。また、円筒型でニッケル・アル
ミニウム/アルミナ系セパレータを薄膜にしたものも提
案されているが、このものは酸化防止コートを必要とす
るという欠点がある。
On the other hand, a lanthanum chromite (magnesium-doped, composite material of LaCrO 3 and nickel aluminide) separator is also known, but since this is a composite oxide ceramic, its electrical conductivity is low. It is not satisfactory enough and has a disadvantage that it is easily deteriorated in a reducing atmosphere. Further, a cylindrical type in which a nickel-aluminum / alumina-based separator is formed into a thin film has been proposed, but this has a disadvantage that an antioxidant coat is required.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
従来のセパレータのもつ欠点を克服し、セパレータ自体
を構成する焼結体が高緻密度を有し、耐熱性、耐食性に
優れ、良好な電気伝導度を有するとともに、成形性に優
れる上に、電気伝導度を維持しつつ、熱膨張特性を制御
でき、ガス封止の安定性を向上させることができ、しか
も酸化防止膜を要しない固体電解質型燃料電池用セパレ
ータを提供することを目的としてなされたものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention overcomes such disadvantages of the conventional separator, and the sintered body constituting the separator itself has high density, excellent heat resistance and corrosion resistance, and In addition to having excellent electrical conductivity and excellent moldability, it is possible to control thermal expansion characteristics while maintaining electrical conductivity, improve the stability of gas sealing, and do not require an antioxidant film The object of the present invention is to provide a separator for a solid oxide fuel cell.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記の好
ましい性質を有するセパレータを開発するために種々研
究を重ねた結果、ニッケル基合金又はそれと特定の金属
及び/又は合金との混合物と、特定の無機系化合物とを
特定雰囲気下に焼成して得た焼結体より構成されるセパ
レータがその目的に適合することを見出し、この知見に
基づいて本発明を完成するに至った。
The present inventors have conducted various studies to develop a separator having the above-mentioned preferable properties, and as a result, have found that a nickel-based alloy or a mixture thereof with a specific metal and / or alloy can be used. The present inventors have found that a separator composed of a sintered body obtained by firing a specific inorganic compound under a specific atmosphere is suitable for the purpose, and have completed the present invention based on this finding.

【0008】すなわち、本発明は、ニッケル基合金又は
それとニッケル、コバルト、コバルト基合金、鉄及び鉄
基合金の中から選ばれた少なくとも1種との混合物と、
アルミナ、シリカ、チタニア、酸化インジウム、酸化第
二スズ、炭化ケイ素及び窒化ケイ素の中から選ばれた少
なくとも1種の無機系化合物又はそれを形成しうる化合
物とを非酸化性雰囲気下あるいは真空中で焼成して得た
焼結体より構成されることを特徴とする固体電解質型燃
料電池用セパレータを提供するものである。
That is, the present invention provides a nickel-based alloy or a mixture thereof with at least one selected from nickel, cobalt, a cobalt-based alloy, iron and an iron-based alloy;
Alumina, silica, titania, indium oxide, stannic oxide, at least one inorganic compound selected from silicon carbide and silicon nitride or a compound capable of forming the same, in a non-oxidizing atmosphere or in a vacuum An object of the present invention is to provide a separator for a solid oxide fuel cell, comprising a sintered body obtained by firing.

【0009】本発明のセパレータを構成する焼結体は、
ニッケル基合金又はそれとニッケル、コバルト、コバル
ト基合金、鉄及び鉄基合金の中から選ばれた少なくとも
1種との混合物(以下、金属材料という)と、前記無機
系化合物又はそれを形成しうる化合物とを好ましくは粉
末状で混合したのち、非酸化性雰囲気下、例えば還元雰
囲気下や不活性ガス雰囲気下などや、あるいは真空中で
焼成することによって得られる。金属材料がニッケル合
金と他の金属及び/又は合金との上記混合物である場合
には、ニッケル合金やニッケル金属を主体とするのが耐
熱性や耐食性に優れるので好ましい。
The sintered body constituting the separator of the present invention comprises:
A nickel-based alloy or a mixture thereof (hereinafter referred to as a metal material) with at least one selected from nickel, cobalt, a cobalt-based alloy, iron and an iron-based alloy, and the inorganic compound or a compound capable of forming the same Are preferably mixed in powder form, and then calcined in a non-oxidizing atmosphere, for example, in a reducing atmosphere or an inert gas atmosphere, or in a vacuum. When the metal material is the above-mentioned mixture of a nickel alloy and another metal and / or alloy, it is preferable to use a nickel alloy or a nickel metal as a main component because of its excellent heat resistance and corrosion resistance.

【0010】このニッケル合金としては、Ni‐Cr系
合金、Ni‐Cr‐Fe系合金、Ni‐Cr‐Mo系合
金、Ni‐Cr‐Mo‐Co系合金、その他Ni‐Cr
‐Mo‐Fe系合金などを挙げることができ、その中で
も特にNi‐Cr系合金が好ましい。これらは単独で用
いてもよいし、また2種以上を組合せて用いてもよい。
その代表的な市販品としては、INCONEL All
oy 600、601、617、625、690、X‐
750、751、NIMONIC Alloy75、8
0A、90や、INCO Alloy HX、UHMな
どがある。
The nickel alloy includes Ni-Cr alloy, Ni-Cr-Fe alloy, Ni-Cr-Mo alloy, Ni-Cr-Mo-Co alloy, and other Ni-Cr alloys.
-Mo-Fe alloys and the like, among which Ni-Cr alloys are particularly preferable. These may be used alone or in combination of two or more.
A typical commercially available product is INCONEL All.
oy 600, 601, 617, 625, 690, X-
750, 751, NIMONIC Alloy 75, 8
OA, 90, INCO Alloy HX, UHM, and the like.

【0011】前記したように、ニッケル基合金とともに
コバルト基合金や鉄基合金等を用いる場合、コバルト基
合金としては、Co‐Cr系合金、Co‐Cr‐Fe系
合金、Co‐Cr‐W系合金、Co‐Cr‐Ni‐W系
合金などが挙げられ、その中でも特にCo‐Cr系合金
が好ましい。これらは単独で用いてもよいし、また2種
以上を組合せて用いてもよい。その代表的な市販品とし
ては、ヘインズアロイNo.25、ヘインズアロイN
o.188、三菱ステライトNo.6B、UMCo50
などがある。また鉄基合金としては、Fe‐Ni‐Cr
系合金、Fe‐Cr‐Ni系合金、Fe‐Cr‐Ni‐
Co系合金などが挙げられ、その中でも特にFe‐Ni
‐Cr系合金が好ましい。これらは単独で用いてもよい
し、また2種以上を組合せて用いてもよい。その代表的
な市販品としては、INCOLOYAlloy 80
0、800H(T)、802、INCO Alloy
330などがある。
As described above, when a cobalt-based alloy or an iron-based alloy is used together with a nickel-based alloy, the cobalt-based alloy may be a Co—Cr alloy, a Co—Cr—Fe alloy, or a Co—Cr—W alloy. Alloy, a Co-Cr-Ni-W alloy, etc., among which a Co-Cr alloy is particularly preferable. These may be used alone or in combination of two or more. Typical commercial products include Haines Alloy No. 25, Haynes Alloy N
o. 188, Mitsubishi Stellite No. 6B, UMCo50
and so on. Also, as an iron-based alloy, Fe-Ni-Cr
Alloy, Fe-Cr-Ni alloy, Fe-Cr-Ni-
Co-based alloys, among which Fe-Ni
-Cr-based alloys are preferred. These may be used alone or in combination of two or more. A typical commercially available product is INCOLOYAlloy 80
0, 800H (T), 802, INCO Alloy
330 and the like.

【0012】また、これら金属材料とともに用いられる
無機系化合物は、アルミナ、シリカ、チタニア、酸化イ
ンジウム、酸化第二スズ、炭化ケイ素及び窒化ケイ素の
中から選ばれた少なくとも1種であって、これらの無機
系化合物は単独で用いてもよいし、また2種以上を組合
せて用いてもよく、中でも特にアルミナが好ましい。
The inorganic compound used together with these metal materials is at least one selected from alumina, silica, titania, indium oxide, stannic oxide, silicon carbide and silicon nitride. The inorganic compounds may be used alone or in combination of two or more. Among them, alumina is particularly preferred.

【0013】これらの原料は通常粒径0.05〜500
μmの粉末状で混合し、冷間静水圧プレスあるいは熱間
静水圧プレス等で加圧成形される。次いで、非酸化性雰
囲気下、例えば還元雰囲気や不活性ガス雰囲気下など、
あるいは真空中で焼成を行う。還元雰囲気下で焼成する
場合、雰囲気中の水素濃度には特に制限はないが、好ま
しくは該水素濃度は1〜10%程度とする。また、焼成
温度は1100〜1400℃の範囲内とするのが好まし
い。
These raw materials usually have a particle size of 0.05 to 500.
The powder is mixed in the form of a μm powder, and is subjected to pressure molding by a cold isostatic press or a hot isostatic press. Then, under a non-oxidizing atmosphere, such as a reducing atmosphere or an inert gas atmosphere,
Alternatively, firing is performed in a vacuum. When firing in a reducing atmosphere, the hydrogen concentration in the atmosphere is not particularly limited, but preferably the hydrogen concentration is about 1 to 10%. The firing temperature is preferably in the range of 1100 to 1400 ° C.

【0014】本発明のセパレータにおいては、金属材料
と無機系化合物との比率例えば体積比を適宜調整するこ
とにより、常用のジルコニア系材料より成る固体電解質
とほぼ等しい線膨張率をもたせることが容易にでき、1
000℃付近までの高温に及ぶ環境条件の変動にも十分
に耐えうる各部材の強固な接合が可能になる上に、本来
電気伝導度に優れた金属材料の特性をセパレータとして
十分実用性のある電気伝導度領域内で残すことが、無機
系化合物の比率がある程度まで、例えばアルミナの場合
で75容量%程度までならば可能となる。特に有利に
は、金属材料がニッケル基合金、無機材料がアルミナで
あり、かつ両者の体積比がニッケル基合金:アルミナで
80:20〜25:75の範囲内にあるものが用いられ
る。
In the separator of the present invention, by appropriately adjusting the ratio of the metal material to the inorganic compound, for example, the volume ratio, it is easy to have a linear expansion coefficient substantially equal to that of a solid electrolyte made of a common zirconia material. Can, 1
In addition to being able to firmly join each member that can sufficiently withstand fluctuations in environmental conditions up to high temperatures up to around 000 ° C., the characteristics of a metal material originally having excellent electrical conductivity are sufficiently practical as a separator. It can be left in the electric conductivity region if the ratio of the inorganic compound is up to a certain level, for example, up to about 75% by volume in the case of alumina. Particularly preferably, the metal material is a nickel-based alloy and the inorganic material is alumina, and the volume ratio of both is nickel-based alloy: alumina in the range of 80:20 to 25:75.

【0015】次に、本発明セパレータを用いた固体電解
質型燃料電池について説明する。先ず各部材について説
明すると、固体電解質は酸素伝導性を有するものであれ
ば特に制限されず、例えばイットリア安定化ジルコニア
(YSZ)、カルシア安定化ジルコニア(CSZ)など
公知の固体電解質が挙げられ、通常は板状に形成され
る。板状体とした場合、その厚さは通常0.05〜0.
3mm、好ましくは0.08〜0.25mmの範囲で選
ばれる。この厚さが0.05mmよりも薄いと、強度が
低下するし、また0.3mmを超えると電流路が長くな
りすぎて好ましくない。
Next, a solid oxide fuel cell using the separator of the present invention will be described. First, each member will be described. The solid electrolyte is not particularly limited as long as it has oxygen conductivity, and examples thereof include known solid electrolytes such as yttria-stabilized zirconia (YSZ) and calcia-stabilized zirconia (CSZ). Is formed in a plate shape. In the case of a plate-like body, its thickness is usually 0.05 to 0.5.
3 mm, preferably in the range of 0.08 to 0.25 mm. If the thickness is less than 0.05 mm, the strength is reduced, and if it exceeds 0.3 mm, the current path becomes too long, which is not preferable.

【0016】カソードは酸素や空気などの酸化剤ガス通
路側なので、高温下で酸化剤ガスに対して耐食性のある
導電性材料を用い、多孔状に形成される。例えば、La
Sr1−xMnOなどの導電性複合酸化物粉末を塗
布する。この塗布方法としては、はけ塗り法やスクリー
ン印刷法などが用いられる。その他、多孔状膜の作成方
法としては、CVD法、プラズマCVD法、スパッタ
法、溶射法などが用いられる。また、カソードはガス透
過性となる程度に多孔性に形成する。
Since the cathode is on the side of an oxidizing gas passage such as oxygen or air, the cathode is formed in a porous shape using a conductive material having corrosion resistance to the oxidizing gas at a high temperature. For example, La
applying a conductive complex oxide powders such as x Sr 1-x MnO 3. As the coating method, a brush coating method, a screen printing method, or the like is used. In addition, as a method for forming the porous film, a CVD method, a plasma CVD method, a sputtering method, a thermal spraying method, or the like is used. Further, the cathode is formed so as to be porous so as to be gas permeable.

【0017】アノードは水素などの燃料ガス通路側なの
で、高温下で燃料ガスに対して耐性のある導電性材料、
例えばNi/ZrOサーメットなどを多孔状に形成す
る。アノードもガス透過性に形成する。また、カソー
ド、アノードは多孔質板にすることが可能であれば、該
多孔質板を固体電解質に付着一体化させて使用すること
もできる。
Since the anode is on the side of a fuel gas passage such as hydrogen, a conductive material resistant to fuel gas at high temperatures,
For example, Ni / ZrO 2 cermet or the like is formed in a porous shape. The anode is also made gas permeable. Further, as long as the cathode and the anode can be made of a porous plate, the porous plate can be attached to and integrated with a solid electrolyte.

【0018】このように固体電解質板の両面に各電極を
一体形成したものをセパレータを介して接合集積し、両
端には外部端子をそれぞれ設けることにより、多数のセ
ルからなる多段直列型の電池に形成される。図4のよう
に、セパレータ44は隣接するセルの電極間を電気的に
接続するとともに、両面に溝44a,44bが形成され
て隣接するセルのアノード側及びカソード側のそれぞれ
のガス通路を形成している。溝44a及び44bはそれ
ぞれ水素などの燃料ガス及び空気などの酸素含有ガスに
代表される酸化剤ガスを供給しうるものであれば特に制
限されず、形状や配置等も適宜選定しうるが、通常は図
4に示すように、溝44a,44bは互いに直角方向に
配置される。このように配置すれば、セルを集積後、燃
料ガスの入口及び出口、酸化剤ガスの入口及び出口をそ
れぞれ同じ面上に配置することができ、集積セルとして
ガス供給・排出系の構成を簡単かつ容易とすることがで
きる。
The solid electrolyte plate having both electrodes integrally formed on both sides is joined and integrated via a separator, and external terminals are provided at both ends, thereby providing a multi-stage series battery comprising a large number of cells. It is formed. As shown in FIG. 4, the separator 44 electrically connects the electrodes of the adjacent cells, and has grooves 44a and 44b formed on both surfaces to form respective gas passages on the anode side and the cathode side of the adjacent cells. ing. The grooves 44a and 44b are not particularly limited as long as they can supply an oxidizing gas typified by a fuel gas such as hydrogen and an oxygen-containing gas such as air, and the shape and arrangement can be appropriately selected. As shown in FIG. 4, the grooves 44a and 44b are arranged at right angles to each other. With this arrangement, after the cells are integrated, the inlet and outlet of the fuel gas and the inlet and outlet of the oxidizing gas can be respectively arranged on the same surface, and the configuration of the gas supply / discharge system as an integrated cell can be simplified. And easy.

【0019】固体電解質板41、セパレータ44、外部
端子45、46を集積して組み立てるときには、固体電
解質板41の両面に配設された電極すなわちカソード4
2,アノード43とセパレータ44又は外部端子45,
46との間でガスの漏れ(リーク)がないように封止す
ることが必要である。このためには、例えばジルコニア
系の無機接着剤で接着し、軟化点が約800℃のガラス
ペーストで封止すればよい。このガラスペーストは電池
の作動温度(900〜1000℃)で適度に軟化しガス
を封止する。
When the solid electrolyte plate 41, the separator 44, and the external terminals 45 and 46 are integrated and assembled, the electrodes, ie, the cathodes 4 provided on both surfaces of the solid electrolyte plate 41 are assembled.
2, anode 43 and separator 44 or external terminal 45,
It is necessary to seal so that there is no gas leakage between the gas and the gas. For this purpose, for example, it is sufficient to bond with a zirconia-based inorganic adhesive and seal with a glass paste having a softening point of about 800 ° C. This glass paste moderately softens at the operating temperature of the battery (900 to 1000 ° C.) and seals the gas.

【0020】こうして組み立てた電池に燃料ガス及び酸
化剤ガスを供給するためには、電池の各溝44a,44
bの両端がそれぞれ同一面にくるように配置されている
ので、それらの面にマニホールドを取り付ければよい。
図5に、マニホールドの取り付け例を示した。上記のよ
うに組み立てた集積型電池本体51を円筒状マニホール
ド52の管内に挿入し、溝44a,44bの出口が管壁
に面するように配置する。電池本体51とマニホールド
52の接続箇所(4ケ所)をガス封止すれば、溝44
a,44bのそれぞれの両端がそれぞれマニホールド5
2の円筒壁と電池本体51で形成された4つのガス通路
53〜56と対応することとなる。
In order to supply the fuel gas and the oxidizing gas to the battery assembled in this manner, each of the grooves 44a, 44 of the battery is required.
Since both ends of b are arranged on the same plane, a manifold may be attached to those planes.
FIG. 5 shows an example of mounting the manifold. The integrated battery body 51 assembled as described above is inserted into the tube of the cylindrical manifold 52, and is arranged such that the outlets of the grooves 44a and 44b face the tube wall. If the connection points (four places) between the battery body 51 and the manifold 52 are gas-sealed, the grooves 44
a and 44b each have a manifold 5
It corresponds to four gas passages 53 to 56 formed by the two cylindrical walls and the battery body 51.

【0021】[0021]

【発明の効果】本発明のセパレータは、それを構成する
焼結体が、高緻密度を有し、耐熱性、耐食性に優れ、良
好な電気伝導度を有するとともに、射出成形可能で成形
性に優れ成形コストを低減させうる上に、金属材料と無
機系化合物との比率を適宜変えることにより、電気伝導
度を維持しつつ、線膨張率等の熱膨張特性の制御が可能
となり、さらには該比率を最適化することにより、線膨
張率を燃料電池の固体電解質に用いられるジルコニア系
材料のそれにほぼ等しくしうることから、該セパレータ
を組み込んだ燃料電池において各部材の強固な接合を可
能とし、ガス封止の安定性を向上させることができ、し
かも形状構造をバルク体としうるため薄層体のように酸
化が全体にわたることがないので、酸化防止被膜を必要
としないという顕著な効果を奏する。
According to the separator of the present invention, the sintered body constituting the separator has high density, is excellent in heat resistance and corrosion resistance, has good electric conductivity, and is injection moldable and has good moldability. It is possible to control the thermal expansion characteristics such as the coefficient of linear expansion while maintaining the electrical conductivity by appropriately changing the ratio of the metal material and the inorganic compound, in addition to being able to excellently reduce the molding cost. By optimizing the ratio, it is possible to make the coefficient of linear expansion approximately equal to that of the zirconia-based material used for the solid electrolyte of the fuel cell. The stability of gas sealing can be improved, and the shape and structure can be made into a bulk body. Achieve the effect.

【0022】[0022]

【実施例】次に実施例によって本発明をさらに詳細に説
明する。 製造例1 粒径3〜7μmのニッケル基合金(INCO社製、商品
名Inconel Alloy600)(以下、合金と
いう)粉末と粒径0.2〜0.5μmのアルミナ粉末と
をボールミルで混合した後、成形圧力2000kg/c
2で冷間静水圧プレスした。得られた成形体を5%水
素含有窒素雰囲気中1350℃で焼成し、焼結体を作製
した。この焼結体は合金/アルミナの体積比2/8から
9/1の範囲で理論密度に対して90%以上の緻密度を
示した。
Next, the present invention will be described in more detail by way of examples. Production Example 1 After mixing a nickel-based alloy (trade name: Inconel Alloy600, manufactured by INCO) (hereinafter referred to as an alloy) powder having a particle size of 3 to 7 μm and alumina powder having a particle size of 0.2 to 0.5 μm by a ball mill, Molding pressure 2000kg / c
Cold isostatic pressing at m 2 . The obtained molded body was fired at 1350 ° C. in a nitrogen atmosphere containing 5% hydrogen to produce a sintered body. This sintered body exhibited a compactness of 90% or more with respect to the theoretical density in the range of the alloy / alumina volume ratio of 2/8 to 9/1.

【0023】次に、この焼結体の諸物性について以下の
とおり調べた。図1に、1000℃での還元雰囲気下で
の合金含有量と電気伝導度との関係をグラフで示した。
これから、合金含有量が約25容量%以上、すなわちア
ルミナ含有量が約75容量%未満ならば十分な電気伝導
度が得られることが分る。
Next, various physical properties of the sintered body were examined as follows. FIG. 1 is a graph showing the relationship between the alloy content and the electrical conductivity under a reducing atmosphere at 1000 ° C.
This shows that sufficient electrical conductivity can be obtained when the alloy content is about 25% by volume or more, that is, when the alumina content is less than about 75% by volume.

【0024】また、図2に、合金/アルミナ体積比4/
6の場合の電気伝導度と温度との関係、詳しくは電気伝
導度と絶対温度の逆数の1000倍値との関係をグラフ
で示した。これより、電気伝導度は温度上昇とともに低
下して温度依存性を示し、焼結体が金属としての性質を
有することが分る。これから、合金の粒子同士の接触に
より電気伝導の経路が形成されていると考えられる。合
金/アルミナ体積比4/6の焼結体の電気伝導度は10
00℃で880Scm−1である。
FIG. 2 shows an alloy / alumina volume ratio of 4 /
In the case of No. 6, the relationship between the electric conductivity and the temperature, specifically, the relationship between the electric conductivity and the reciprocal of the absolute temperature, which is 1000 times, is shown in a graph. From this, it can be seen that the electrical conductivity decreases as the temperature rises and shows temperature dependency, and the sintered body has properties as a metal. From this, it is considered that a path of electric conduction is formed by contact between the particles of the alloy. The electric conductivity of the sintered body having a volume ratio of alloy / alumina of 4/6 is 10
880 Scm −1 at 00 ° C.

【0025】また、図3に、合金/アルミナ体積比と1
000℃における線膨張率との関係をグラフで示した。
これから、合金/アルミナ体積比4/6で線膨張率は1
0.5×10−6−1とジルコニアのそれに近い値を
示すことが分る。
FIG. 3 shows the alloy / alumina volume ratio and 1
The relationship with the linear expansion coefficient at 000 ° C. is shown in a graph.
From this, the linear expansion coefficient is 1 at an alloy / alumina volume ratio of 4/6.
It can be seen that the value is 0.5 × 10 −6 ° C. −1 which is close to that of zirconia.

【0026】製造例2 金属材料に製造例1のニッケル基合金30容量部とコバ
ルト基合金(ヘインズアロイ No.25)10容量部
を用い、アルミナの使用量を60容量部としたこと以外
は、製造例1と同様にして、焼結体を作製した。このも
のの1000℃における電気伝導度及び線膨張率はそれ
ぞれ900Scm−1及び10.5×10−6−1
あった。
Production Example 2 Except that 30 parts by volume of the nickel-based alloy and 10 parts by volume of the cobalt-based alloy (Haines Alloy No. 25) of Production Example 1 were used as the metal materials, and the amount of alumina used was 60 parts by volume. A sintered body was produced in the same manner as in Production Example 1. Its electrical conductivity and coefficient of linear expansion at 1000 ° C. were 900 Scm −1 and 10.5 × 10 −6 ° C. −1 , respectively.

【0027】製造例3 コバルト基合金に代えて鉄基合金(Incoloy 8
00)を用いたこと以外は、製造例2と同様にして、焼
結体を作製した。このものの1000℃における電気伝
導度及び線膨張率はそれぞれ890Scm−1及び1
0.6×10−6−1であった。
Production Example 3 An iron-based alloy (Incoloy 8) was used instead of the cobalt-based alloy.
A sintered body was produced in the same manner as in Production Example 2 except that Example No. 00) was used. Its electrical conductivity and linear expansion coefficient at 1000 ° C. were 890 Scm −1 and 1 respectively.
0.6 × 10 −6 ° C.- 1 .

【0028】実施例1 図4の集積様式に従い、3段直列セルの固体電解質型燃
料電池を以下のとおり作製した。先ず、セパレータ4
4、外部端子45,46を製造例1で得た合金/アルミ
ナ体積比4/6の焼結体を用いて作製した。これらのセ
パレータ44及び外部端子45,46はいずれも50×
50×5mmの正方形の板に溝幅2mm、溝深さ2mm
の溝44a,44b,45b,46aを形成したもので
ある。セパレータ44では両面に形成する溝44a,4
4bの方向を直交させた。
Example 1 A three-stage series cell solid oxide fuel cell was manufactured as follows in accordance with the integration mode shown in FIG. First, the separator 4
4. The external terminals 45 and 46 were manufactured using the sintered body having the alloy / alumina volume ratio of 4/6 obtained in Production Example 1. Each of these separators 44 and external terminals 45 and 46 is 50 ×
50mm x 5mm square plate with groove width 2mm and groove depth 2mm
Of the grooves 44a, 44b, 45b, 46a. In the separator 44, grooves 44a, 4
The direction of 4b was made orthogonal.

【0029】また、固体電解質板41には、イットリア
を3モル%添加したジルコニアである部分安定化ジルコ
ニアからなる50×50×0.2mmの板状物を用い
た。そして、酸素通路側にLaSrMnO
粉末(平均粒径5μm)をはけ塗り法で厚さ0.3m
mに塗布してカソード42とし、水素通路側にNi/Z
rO(10/1重量比)のサーメット混合粉末をはけ
塗り法で厚さ0.3mmに塗布してアノード43とし
た。
As the solid electrolyte plate 41, a 50 × 50 × 0.2 mm plate made of partially stabilized zirconia, which is zirconia added with 3 mol% of yttria, was used. Then, La 0 . 9 Sr 0 . 1 MnO
3 powder (average particle size 5 μm) 0.3m thick by brushing method
m / m to form a cathode 42, and Ni / Z
An anode 43 was formed by applying a cermet mixed powder of rO 2 (10/1 weight ratio) to a thickness of 0.3 mm by brushing.

【0030】この電極を付設した固体電解質板41とセ
パレータ44、外部端子45,46を図4のように集積
し、この電極付き固体電解質板とセパレータ44の間は
ジルコニア系の無機接着剤で接着し、軟化点が約800
℃のガラスペーストを塗布してガス封止をした。このガ
ラスペーストは電池の作動温度で軟化してガスを封止す
る。
The solid electrolyte plate 41 provided with the electrodes, the separator 44, and the external terminals 45 and 46 are integrated as shown in FIG. 4, and the solid electrolyte plate with the electrodes and the separator 44 are bonded with a zirconia-based inorganic adhesive. And the softening point is about 800
A glass paste at ℃ was applied and gas sealing was performed. This glass paste softens at the operating temperature of the battery and seals the gas.

【0031】こうして集積した各電池本体51を図5に
示した円筒状アルミナ製マニホールド52に納めた。マ
ニホールド52と電池本体51との接触部分はガラスペ
ーストを塗布してガス封止した。外部端子45,46に
は、白金リード線57,58を挿入し、電気的接続を行
った。
Each of the battery bodies 51 thus assembled was placed in a cylindrical alumina manifold 52 shown in FIG. The contact portion between the manifold 52 and the battery body 51 was gas-sealed by applying a glass paste. Platinum lead wires 57 and 58 were inserted into the external terminals 45 and 46 to make electrical connection.

【0032】このようにして作製した各燃料電池を加熱
した。すなわち、室温から150℃までは1℃/分で加
熱し、ガラスペーストの溶媒を蒸発させた。150〜3
50℃までは5℃/分で昇温した。350℃以上では水
素通路側には、アノードの酸化を防止するため、窒素ガ
スを流し、5℃/分で1000℃まで昇温した。その
後、1000℃に保持してアノード側に水素、カソード
側に酸素を流し、発電を開始した。開放電圧は3.8V
であった。放電特性を表1に示す。ガスクロスリークは
水素で0.1%以下であった。
Each of the fuel cells thus produced was heated. That is, heating was performed at a rate of 1 ° C./minute from room temperature to 150 ° C. to evaporate the solvent of the glass paste. 150-3
The temperature was raised at a rate of 5 ° C./min up to 50 ° C. At 350 ° C. or higher, a nitrogen gas was flowed through the hydrogen passage side to prevent oxidation of the anode, and the temperature was raised to 1000 ° C. at 5 ° C./min. Thereafter, while maintaining the temperature at 1000 ° C., hydrogen was supplied to the anode side and oxygen was supplied to the cathode side to start power generation. Open voltage is 3.8V
Met. Table 1 shows the discharge characteristics. The gas cross leak was 0.1% or less with hydrogen.

【0033】実施例2、3 実施例1のセパレータ及び外部端子に代えて、製造例2
で得た焼結体及び製造例3で得た焼結体をそれぞれ用い
て作製したセパレータ及び外部端子を用いたこと以外は
実施例1と同様にして各燃料電池を作製し、発電させ
た。各放電特性を表1に示す。ガスクロスリークは水素
で0.1%以下であった。
Embodiments 2 and 3 In place of the separator and external terminals of Embodiment 1, Production Example 2
Each fuel cell was produced and power was generated in the same manner as in Example 1 except that the separator and the external terminal were respectively produced using the sintered body obtained in and the sintered body obtained in Production Example 3. Table 1 shows the discharge characteristics. The gas cross leak was 0.1% or less with hydrogen.

【表1】 [Table 1]

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 焼結体の1例における合金含有量と電気伝導
度との関係を示すグラフ。
FIG. 1 is a graph showing a relationship between an alloy content and electric conductivity in one example of a sintered body.

【図2】 合金/アルミナ体積比4/6の焼結体の1例
における電気伝導度と温度との関係を示すグラフ
FIG. 2 is a graph showing the relationship between electric conductivity and temperature in one example of a sintered body having an alloy / alumina volume ratio of 4/6.

【図3】 焼結体の1例における合金/アルミナ体積比
と1000℃における線膨張率との関係を示すグラフ
FIG. 3 is a graph showing a relationship between an alloy / alumina volume ratio and a coefficient of linear expansion at 1000 ° C. in one example of a sintered body.

【図4】 本発明のセパレータを用いた平板型の3段直
列セルの固体電解質型燃料電池本体の1例の斜視説明図
FIG. 4 is a perspective explanatory view of an example of a solid oxide fuel cell body of a flat plate type three-stage series cell using the separator of the present invention.

【図5】 図4の電池本体をマニホールドに収納して完
成品とした燃料電池の説明図
FIG. 5 is an explanatory view of a completed fuel cell in which the cell body of FIG. 4 is housed in a manifold.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

41 固体電解質板 42 カソード 43 アノード 44 セパレータ 44a、44b 溝 45、46 外部端子 51 電池本体 52 マニホールド 41 Solid electrolyte plate 42 Cathode 43 Anode 44 Separator 44a, 44b Groove 45, 46 External terminal 51 Battery body 52 Manifold

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉田 利彦 埼玉県入間郡大井町西鶴ケ岡一丁目3番 1号 東燃株式会社総合研究所内 (72)発明者 櫻田 智 埼玉県入間郡大井町西鶴ケ岡一丁目3番 1号 東燃株式会社総合研究所内 (56)参考文献 特開 平1−100866(JP,A) 特開 平3−71561(JP,A) 特開 昭64−41172(JP,A) 特開 昭64−7475(JP,A) 特開 昭59−201371(JP,A) 特開 平2−288162(JP,A) 特開 平4−188564(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 8/00 - 8/24 C22C 19/03 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Toshihiko Yoshida 1-3-1, Nishitsurugaoka, Oi-machi, Iruma-gun, Saitama Prefecture Tonen Co., Ltd. Chome 3-1 Tonen Co., Ltd. (56) References JP-A-1-100866 (JP, A) JP-A-3-71561 (JP, A) JP-A-64-41172 (JP, A) JP-A 64-7475 (JP, A) JP-A-59-201371 (JP, A) JP-A-2-288162 (JP, A) JP-A 4-188564 (JP, A) (58) Int.Cl. 7 , DB name) H01M 8/00-8/24 C22C 19/03

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 ニッケル基合金又はそれとニッケル、コ
バルト、コバルト基合金、鉄及び鉄基合金の中から選ば
れた少なくとも1種との混合物と、アルミナ、シリカ、
チタニア、酸化インジウム、酸化第二スズ、炭化ケイ素
及び窒化ケイ素の中から選ばれた少なくとも1種の無機
系化合物又はそれを形成しうる化合物とを非酸化性雰囲
気下あるいは真空中で焼成して得た焼結体より構成され
ることを特徴とする固体電解質型燃料電池用セパレー
タ。
A nickel-based alloy or a mixture thereof with at least one selected from nickel, cobalt, a cobalt-based alloy, iron and an iron-based alloy, and alumina, silica,
At least one inorganic compound selected from titania, indium oxide, stannic oxide, silicon carbide and silicon nitride or a compound capable of forming the same is fired in a non-oxidizing atmosphere or in vacuum. A separator for a solid oxide fuel cell, comprising a sintered body.
【請求項2】 無機系化合物がアルミナである請求項1
記載のセパレータ。
2. The method according to claim 1, wherein the inorganic compound is alumina.
The separator as described.
【請求項3】 ニッケル基合金とアルミナとの体積比が
80:20〜25:75である請求項1又は2記載のセ
パレータ。
3. The separator according to claim 1, wherein the volume ratio between the nickel-based alloy and alumina is 80:20 to 25:75.
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