JP3447019B2 - 固体電解質型燃料電池用セパレータ材料及びその製造方法 - Google Patents
固体電解質型燃料電池用セパレータ材料及びその製造方法Info
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- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
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Description
【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材料に関するものである。さらに詳
しくいえば、本発明は、高緻密度、高強度、良好な電気
伝導度を有し、耐熱性、耐食性に優れ、しかも熱膨張特
性が燃料電池の固体電解質のそれにほぼ等しく、そのた
め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、電池特性を向上させうる固
体電解質型燃料電池用セパレータ材料に関するものであ
る。
料電池用セパレータ材料に関するものである。さらに詳
しくいえば、本発明は、高緻密度、高強度、良好な電気
伝導度を有し、耐熱性、耐食性に優れ、しかも熱膨張特
性が燃料電池の固体電解質のそれにほぼ等しく、そのた
め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、電池特性を向上させうる固
体電解質型燃料電池用セパレータ材料に関するものであ
る。
【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。
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。
【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１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１１の上面及び下
面にそれぞれカソード１２及びアノード１３を一体形成
して成る３層構造板をセパレータ材料１４を介して接合
集積し、両端には外部端子１５，１６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。セパレータ材料１４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１４ａ，下面
に溝１４ｂ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。
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１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１１の上面及び下
面にそれぞれカソード１２及びアノード１３を一体形成
して成る３層構造板をセパレータ材料１４を介して接合
集積し、両端には外部端子１５，１６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。セパレータ材料１４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１４ａ，下面
に溝１４ｂ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。
【０００４】しかし、このような平板型のものは、普通
はセパレータ材料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
板とセパレータ材料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。
はセパレータ材料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
板とセパレータ材料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。
【０００５】他方、ランタンクロマイト系セパレータ材
料も知られているが、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、強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、円筒型でアルミニウム／アルミナ系セパレー
タ材料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。
料も知られているが、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、強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、円筒型でアルミニウム／アルミナ系セパレー
タ材料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。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、先に、
このような従来のセパレータ材料のもつ欠点を改善すべ
く、ニッケル、コバルト、鉄、ニッケル基合金、コバル
ト基合金、鉄基合金などの耐熱金属と、耐熱性無機系化
合物類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所定燃料電池用セパレータ材
料を提案したが（特願平３−２１２９７８号、特願平３
−２１２９８０号、特願平３−２１２９８４号、特願平
３−２１３０８７号）、このものは耐熱性、耐食性に優
れ、ガス封止の安定性を向上させることができ、酸化防
止膜を要しないなどの利点があるものの、燃料電池用セ
パレータ材料の主要物性である電気伝導度については必
ずしも十分に満足しうるものではないばかりか、熱膨張
特性がジルコニアなどの固体電解質とは差があり、応力
による歪みの発生を免れず、また強度の点でも十分では
ないという問題がある。本発明は、このような事情の
下、高緻密度、高強度、良好な電気伝導度を有し、耐熱
性、耐食性に優れ、しかも熱膨張特性が燃料電池の固体
電解質のそれにほぼ等しく、そのため燃料電池において
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、電池特性を向上させうる固体電解質型燃料電池
用セパレータ材料を提供することを目的としてなされた
ものである。
このような従来のセパレータ材料のもつ欠点を改善すべ
く、ニッケル、コバルト、鉄、ニッケル基合金、コバル
ト基合金、鉄基合金などの耐熱金属と、耐熱性無機系化
合物類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所定燃料電池用セパレータ材
料を提案したが（特願平３−２１２９７８号、特願平３
−２１２９８０号、特願平３−２１２９８４号、特願平
３−２１３０８７号）、このものは耐熱性、耐食性に優
れ、ガス封止の安定性を向上させることができ、酸化防
止膜を要しないなどの利点があるものの、燃料電池用セ
パレータ材料の主要物性である電気伝導度については必
ずしも十分に満足しうるものではないばかりか、熱膨張
特性がジルコニアなどの固体電解質とは差があり、応力
による歪みの発生を免れず、また強度の点でも十分では
ないという問題がある。本発明は、このような事情の
下、高緻密度、高強度、良好な電気伝導度を有し、耐熱
性、耐食性に優れ、しかも熱膨張特性が燃料電池の固体
電解質のそれにほぼ等しく、そのため燃料電池において
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、電池特性を向上させうる固体電解質型燃料電池
用セパレータ材料を提供することを目的としてなされた
ものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、先にセパ
レータ材料の開発においてそれを構成するサーメットの
ような耐熱金属−セラミックス複合体の構造が電気伝導
度、強度、熱膨張特性に大きく影響することに着目した
提案を行ったが（特願平５−３４８９０２号）、さらに
該複合体の構造について鋭意研究を進めた結果、該複合
体において耐熱金属をマトリックスとし、セラミックス
を分散質とするとともに、相対密度を特定することによ
り、その目的を達成しうることを見出し、この知見に基
づいて本発明を完成するに至った。
レータ材料の開発においてそれを構成するサーメットの
ような耐熱金属−セラミックス複合体の構造が電気伝導
度、強度、熱膨張特性に大きく影響することに着目した
提案を行ったが（特願平５−３４８９０２号）、さらに
該複合体の構造について鋭意研究を進めた結果、該複合
体において耐熱金属をマトリックスとし、セラミックス
を分散質とするとともに、相対密度を特定することによ
り、その目的を達成しうることを見出し、この知見に基
づいて本発明を完成するに至った。
【０００８】すなわち、本発明は、（１）（Ａ）ニッケ
ル基合金、コバルト基合金及び鉄基合金の中から選ばれ
た少なくとも１種の耐熱合金を含有する耐熱金属と
（Ｂ）セラミックスとから成り、かつ耐熱金属（Ａ）の
体積比率が２０〜６０％である複合体で構成され、しか
も耐熱金属（Ａ）がマトリックスとして、かつセラミッ
クス（Ｂ）が分散質として存在し、かつ相対密度が９０
％以上であることを特徴とする固体電解質型燃料電池用
セパレータ材料を提供するものである。本発明の好まし
い実施態様としては、（２）耐熱金属がニッケル基合金
であり、セラミックスがアルミナである前記（１）項記
載の固体電解質型燃料電池用セパレータ材料、（３）耐
熱金属の体積比率が３０〜５０％である前記（１）項又
は（２）項記載の固体電解質型燃料電池用セパレータ材
料、が挙げられる。
ル基合金、コバルト基合金及び鉄基合金の中から選ばれ
た少なくとも１種の耐熱合金を含有する耐熱金属と
（Ｂ）セラミックスとから成り、かつ耐熱金属（Ａ）の
体積比率が２０〜６０％である複合体で構成され、しか
も耐熱金属（Ａ）がマトリックスとして、かつセラミッ
クス（Ｂ）が分散質として存在し、かつ相対密度が９０
％以上であることを特徴とする固体電解質型燃料電池用
セパレータ材料を提供するものである。本発明の好まし
い実施態様としては、（２）耐熱金属がニッケル基合金
であり、セラミックスがアルミナである前記（１）項記
載の固体電解質型燃料電池用セパレータ材料、（３）耐
熱金属の体積比率が３０〜５０％である前記（１）項又
は（２）項記載の固体電解質型燃料電池用セパレータ材
料、が挙げられる。
【０００９】本発明において前記複合体を構成する一方
の成分の耐熱金属は、ニッケル基合金、コバルト基合金
及び鉄基合金の中から選ばれた少なくとも１種の耐熱合
金を含有するものであって、これらの耐熱合金のみでも
よいが、さらにニッケル、コバルト及び鉄の中から選ば
れた少なくとも１種の金属を含んでいてもよい。
の成分の耐熱金属は、ニッケル基合金、コバルト基合金
及び鉄基合金の中から選ばれた少なくとも１種の耐熱合
金を含有するものであって、これらの耐熱合金のみでも
よいが、さらにニッケル、コバルト及び鉄の中から選ば
れた少なくとも１種の金属を含んでいてもよい。
【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種以上を組み合わせて用いてもよ
い。その代表的な市販品としては、ＩＮＣＯＮＥＬ Ａ
ｌｌｏｙ ６００，６０１，６１７，６２５，６９０、
Ｘ‐７５０，７５１、ＮＩＭＯＮＩＣ Ａｌｌｏｙ ７
５，８０Ａ，９０、ＩＮＣＯ Ａｌｌｏｙ ＨＸ，ＵＨ
Ｍなどがある。
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種以上を組み合わせて用いてもよ
い。その代表的な市販品としては、ＩＮＣＯＮＥＬ Ａ
ｌｌｏｙ ６００，６０１，６１７，６２５，６９０、
Ｘ‐７５０，７５１、ＮＩＭＯＮＩＣ Ａｌｌｏｙ ７
５，８０Ａ，９０、ＩＮＣＯ Ａｌｌｏｙ ＨＸ，ＵＨ
Ｍなどがある。
【００１１】また、コバルト基合金としては、Ｃｏ‐Ｃ
ｒ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種以上を組み合わせて用い
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Ｎｏ．１８８、三菱ステ
ライトＮｏ．６Ｂ、ＵＭＣ０５０などがある。
ｒ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種以上を組み合わせて用い
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Ｎｏ．１８８、三菱ステ
ライトＮｏ．６Ｂ、ＵＭＣ０５０などがある。
【００１２】また、鉄基合金としては、Ｆｅ‐Ｎｉ‐Ｃ
ｒ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‐Ｎ
ｉ‐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種以上を組み合わせて用いてもよい。その
代表的な市販品としては、ＩＮＣＯＬＯＹ Ａｌｌｏｙ
８００，８００Ｈ（Ｔ），８０２、ＩＮＣＯ Ａｌｌ
ｏｙ ３３０などがある。
ｒ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‐Ｎ
ｉ‐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種以上を組み合わせて用いてもよい。その
代表的な市販品としては、ＩＮＣＯＬＯＹ Ａｌｌｏｙ
８００，８００Ｈ（Ｔ），８０２、ＩＮＣＯ Ａｌｌ
ｏｙ ３３０などがある。
【００１３】前記複合体を構成する他方の成分のセラミ
ックスは、耐熱性のものであれば特に限定されず、例え
ば導電性のもの及び非導電性のもののいずれも用いられ
る。導電性のものとしては、例えば希土類系などの導電
性セラミックス、酸化第二スズ、酸化インジウム、炭化
ケイ素、酸化亜鉛などが挙げられる。
ックスは、耐熱性のものであれば特に限定されず、例え
ば導電性のもの及び非導電性のもののいずれも用いられ
る。導電性のものとしては、例えば希土類系などの導電
性セラミックス、酸化第二スズ、酸化インジウム、炭化
ケイ素、酸化亜鉛などが挙げられる。
【００１４】また、非導電性のものとしては、炭化物
系、酸化物系、窒化物系セラミックスがあり、例えばア
ルミナ、シリカ、チタニア、窒化ケイ素などが挙げられ
る。また、ムライト、スピネル、コージュライト等の複
合セラミックスでもよい。これらのセラミックスは単独
で用いてもよいし、また２種以上を組み合わせて用いて
もよく、中でも特にアルミナ、シリカ（クリストバライ
ト）、スピネルなどが好ましい。
系、酸化物系、窒化物系セラミックスがあり、例えばア
ルミナ、シリカ、チタニア、窒化ケイ素などが挙げられ
る。また、ムライト、スピネル、コージュライト等の複
合セラミックスでもよい。これらのセラミックスは単独
で用いてもよいし、また２種以上を組み合わせて用いて
もよく、中でも特にアルミナ、シリカ（クリストバライ
ト）、スピネルなどが好ましい。
【００１５】セラミックスとしては、耐熱合金が通常熱
膨張率１３〜１６×１０-6（Ｋ-1）であるから、セパレ
ータ材料の熱膨張率をジルコニア系固体電解質の熱膨張
率１０〜１１×１０-6（Ｋ-1）と合わせるためには、熱
膨張率５〜９×１０-6（Ｋ-1）であるものが好ましい。
この点から、セラミックスは、アルミナ、シリカ（クリ
ストバライト）、スピネルなどが好ましい。
膨張率１３〜１６×１０-6（Ｋ-1）であるから、セパレ
ータ材料の熱膨張率をジルコニア系固体電解質の熱膨張
率１０〜１１×１０-6（Ｋ-1）と合わせるためには、熱
膨張率５〜９×１０-6（Ｋ-1）であるものが好ましい。
この点から、セラミックスは、アルミナ、シリカ（クリ
ストバライト）、スピネルなどが好ましい。
【００１６】本発明のセパレータ材料は、前記耐熱金属
（Ａ）とセラミックス（Ｂ）とから成り、かつ耐熱金属
（Ａ）の体積比率が２０〜６０％、好ましくは３０〜５
０％である複合体で構成される。さらに耐熱金属（Ａ）
がマトリックスとして、かつセラミックス（Ｂ）が分散
質として存在し、かつ相対密度が９０％以上であること
が重要である。
（Ａ）とセラミックス（Ｂ）とから成り、かつ耐熱金属
（Ａ）の体積比率が２０〜６０％、好ましくは３０〜５
０％である複合体で構成される。さらに耐熱金属（Ａ）
がマトリックスとして、かつセラミックス（Ｂ）が分散
質として存在し、かつ相対密度が９０％以上であること
が重要である。
【００１７】このような存在形態及び相対密度を採らせ
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、１５００Ω-1ｃｍ-1以上の高い電気伝導度、２５ｋ
ｇｆ／ｍｍ2以上の高い曲げ強度をもたせることが可能
となる。曲げ強度を高めることは、耐熱性、シール性を
高め、薄膜化を進める上でも重要である。特に有利に
は、ニッケル基合金−アルミナ複合体で、合金の体積比
率が３５〜４５％の範囲内にあるものが用いられる。ま
た、相対密度が９０％未満ではガスのクロスリークが発
生しやすくなり、電池性能が劣化する傾向が見られる。
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、１５００Ω-1ｃｍ-1以上の高い電気伝導度、２５ｋ
ｇｆ／ｍｍ2以上の高い曲げ強度をもたせることが可能
となる。曲げ強度を高めることは、耐熱性、シール性を
高め、薄膜化を進める上でも重要である。特に有利に
は、ニッケル基合金−アルミナ複合体で、合金の体積比
率が３５〜４５％の範囲内にあるものが用いられる。ま
た、相対密度が９０％未満ではガスのクロスリークが発
生しやすくなり、電池性能が劣化する傾向が見られる。
【００１８】次に、本発明は、また上記したセパレータ
材料の製造方法を提供するものである。すなわち、本発
明方法は、（４）（ａ）非造粒の耐熱金属粉末と（ｂ）
セラミックス粉末を造粒して調製されたセラミックス造
粒体を、各平均粒径が次の関係式 セラミックス粉末の粒径＜耐熱金属粉末（ａ）の粒径＜
セラミックス造粒体（ｂ）の粒径を満たすように選定
し、これらを混合したのち、混合物を加圧成形し、非酸
化性雰囲気下あるいは真空中で焼成するものである。
材料の製造方法を提供するものである。すなわち、本発
明方法は、（４）（ａ）非造粒の耐熱金属粉末と（ｂ）
セラミックス粉末を造粒して調製されたセラミックス造
粒体を、各平均粒径が次の関係式 セラミックス粉末の粒径＜耐熱金属粉末（ａ）の粒径＜
セラミックス造粒体（ｂ）の粒径を満たすように選定
し、これらを混合したのち、混合物を加圧成形し、非酸
化性雰囲気下あるいは真空中で焼成するものである。
【００１９】その特徴は、先ず原料粉末を、以下の諸条
件を満たすように選定することにある。 （ｉ）耐熱金属粉末として非造粒品を用いる。 （ｉｉ）セラミックス粉末は造粒品として用いる。 （ｉｉｉ）耐熱金属粉末の粒径を（ａ）の粒径、セラミ
ックス粉末の粒径を（ｂ）の一次粒径、セラミックス造
粒体の粒径を（ｂ）の二次粒径と称するとして、各平均
粒径が次の関係式を満たす。 （ｂ）の一次粒径＜（ａ）の粒径＜（ｂ）の二次粒径 さらに好ましくは、前記（ｉｉｉ）の条件の好適なもの
として、 （ｂ）の一次粒径＜５μｍ ５μｍ≦（ａ）の粒径≦５０μｍ （ｂ）の二次粒径＞５０μｍ を満たすものや、以下の関係式を満たすものがよい。 〔（ｂ）の一次粒径〕×５≦（ａ）の粒径 〔（ａ）の粒径〕×５≦（ｂ）の二次粒径
件を満たすように選定することにある。 （ｉ）耐熱金属粉末として非造粒品を用いる。 （ｉｉ）セラミックス粉末は造粒品として用いる。 （ｉｉｉ）耐熱金属粉末の粒径を（ａ）の粒径、セラミ
ックス粉末の粒径を（ｂ）の一次粒径、セラミックス造
粒体の粒径を（ｂ）の二次粒径と称するとして、各平均
粒径が次の関係式を満たす。 （ｂ）の一次粒径＜（ａ）の粒径＜（ｂ）の二次粒径 さらに好ましくは、前記（ｉｉｉ）の条件の好適なもの
として、 （ｂ）の一次粒径＜５μｍ ５μｍ≦（ａ）の粒径≦５０μｍ （ｂ）の二次粒径＞５０μｍ を満たすものや、以下の関係式を満たすものがよい。 〔（ｂ）の一次粒径〕×５≦（ａ）の粒径 〔（ａ）の粒径〕×５≦（ｂ）の二次粒径
【００２０】本発明のセパレータ材料を製造するには、
先ずこのようにして選定した各粉粒を完全に混合する。
この際（Ｂ）の造粒物を破壊しないように留意する。次
いで、得られた混合物は、加圧成形、例えば冷間静水圧
プレス成形あるいは熱間静水圧プレス成形やスラリなど
を施したのち、セラミックスが焼結し、なおかつ耐熱金
属が溶融しない温度範囲で、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
空中で焼成される。還元雰囲気下で焼成する場合、雰囲
気中の水素濃度については特に制限はないが、好ましく
は１〜１０％程度とするのがよい。また、焼成温度は１
１００〜１５００℃の範囲内とするのが好ましい。セラ
ミックスの焼結性は、その粉体の粒径にも依存するの
で、一次粒径が０．０５〜５μｍの比較的細かいものを
用いると焼結性を向上させることかできる。このように
して、耐熱金属をマトリックスとし、セラミックスを分
散質とするセパレータ材料を作製することができる。
先ずこのようにして選定した各粉粒を完全に混合する。
この際（Ｂ）の造粒物を破壊しないように留意する。次
いで、得られた混合物は、加圧成形、例えば冷間静水圧
プレス成形あるいは熱間静水圧プレス成形やスラリなど
を施したのち、セラミックスが焼結し、なおかつ耐熱金
属が溶融しない温度範囲で、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
空中で焼成される。還元雰囲気下で焼成する場合、雰囲
気中の水素濃度については特に制限はないが、好ましく
は１〜１０％程度とするのがよい。また、焼成温度は１
１００〜１５００℃の範囲内とするのが好ましい。セラ
ミックスの焼結性は、その粉体の粒径にも依存するの
で、一次粒径が０．０５〜５μｍの比較的細かいものを
用いると焼結性を向上させることかできる。このように
して、耐熱金属をマトリックスとし、セラミックスを分
散質とするセパレータ材料を作製することができる。
【００２１】
【発明の効果】本発明のセパレータ材料は、高緻密度、
高強度、良好な電気伝導度を有し、耐熱性、耐食性に優
れ、しかも熱膨張特性が燃料電池の固体電解質のそれに
ほぼ等しく、そのため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、電池特
性を向上させうるという顕著な効果を奏する。
高強度、良好な電気伝導度を有し、耐熱性、耐食性に優
れ、しかも熱膨張特性が燃料電池の固体電解質のそれに
ほぼ等しく、そのため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、電池特
性を向上させうるという顕著な効果を奏する。
【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。
明する。
【００２３】実施例１〜４
表１に示す各粒径のアルミナ粉末及びニッケル基合金の
ＩＮＣＯＮＥＬ Ａｌｌｏｙ ６００（以下、合金とい
う）の粉末を混合し、１〜２トン／ｃｍ2の圧力で冷間
静水圧プレス成形した。得られた成形体は、窒素雰囲気
下１３５０℃で焼成して４種の複合体を作製した。これ
ら４種の複合体は、アルミナセラミックスが分散質とし
て存在し、かつ合金がマトリックスとして存在する。こ
れら４種の複合体の結晶構造の断面の走査型電子顕微鏡
（ＳＥＭ）写真を図２ないし図５に示す。これらの図に
おいて、黒模様がアルミナセラミックスであり、これら
４種の複合体はすべて合金がマトリックスになっている
ことが分る。また、これら４種の複合体の特性につい
て、室温での電気伝導度、室温での４点曲げ強度、熱膨
張係数、相対密度（理論密度に対する測定密度）を表１
に示す。
ＩＮＣＯＮＥＬ Ａｌｌｏｙ ６００（以下、合金とい
う）の粉末を混合し、１〜２トン／ｃｍ2の圧力で冷間
静水圧プレス成形した。得られた成形体は、窒素雰囲気
下１３５０℃で焼成して４種の複合体を作製した。これ
ら４種の複合体は、アルミナセラミックスが分散質とし
て存在し、かつ合金がマトリックスとして存在する。こ
れら４種の複合体の結晶構造の断面の走査型電子顕微鏡
（ＳＥＭ）写真を図２ないし図５に示す。これらの図に
おいて、黒模様がアルミナセラミックスであり、これら
４種の複合体はすべて合金がマトリックスになっている
ことが分る。また、これら４種の複合体の特性につい
て、室温での電気伝導度、室温での４点曲げ強度、熱膨
張係数、相対密度（理論密度に対する測定密度）を表１
に示す。
【００２４】比較例１
平均粒径４０μｍの合金粉末５５体積部と平均粒径０．
１μｍのアルミナ粉末（非造粒品）４５体積部を混合し
た後、２トン／ｃｍ2の圧力で冷間静水圧プレス成形
し、得られた成形体を窒素雰囲気下１３５０℃で焼成
し、複合体を作製した。この複合体の結晶構造の断面の
走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を図６に示す。この図
において黒模様がアルミナセラミックスであり、アルミ
ナ粉末に非造粒品を用いたため、アルミナがマトリック
スになっている。また、この複合体の特性について、室
温での電気伝導度、室温での４点曲げ強度、熱膨張係
数、相対密度（理論密度に対する測定密度）を表１に示
す。
１μｍのアルミナ粉末（非造粒品）４５体積部を混合し
た後、２トン／ｃｍ2の圧力で冷間静水圧プレス成形
し、得られた成形体を窒素雰囲気下１３５０℃で焼成
し、複合体を作製した。この複合体の結晶構造の断面の
走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を図６に示す。この図
において黒模様がアルミナセラミックスであり、アルミ
ナ粉末に非造粒品を用いたため、アルミナがマトリック
スになっている。また、この複合体の特性について、室
温での電気伝導度、室温での４点曲げ強度、熱膨張係
数、相対密度（理論密度に対する測定密度）を表１に示
す。
【００２５】比較例２
平均粒径８μｍの合金粉末４体積部と平均粒径７０μｍ
のアルミナ粉末（非造粒品）６体積部を混合した後、２
トン／ｃｍ2の圧力で冷間静水圧プレス成形し、得られ
た成形体を窒素雰囲気下１３５０℃で焼成し、複合体を
作製した。この複合体の結晶構造の断面の走査型電子顕
微鏡（ＳＥＭ）写真を図７に示す。この図において黒模
様がアルミナセラミックスであり、合金がマトリックス
になっている。また、この複合体の特性について、室温
での電気伝導度、室温での４点曲げ強度、熱膨張係数、
相対密度（理論密度に対する測定密度）を表１に示す。
のアルミナ粉末（非造粒品）６体積部を混合した後、２
トン／ｃｍ2の圧力で冷間静水圧プレス成形し、得られ
た成形体を窒素雰囲気下１３５０℃で焼成し、複合体を
作製した。この複合体の結晶構造の断面の走査型電子顕
微鏡（ＳＥＭ）写真を図７に示す。この図において黒模
様がアルミナセラミックスであり、合金がマトリックス
になっている。また、この複合体の特性について、室温
での電気伝導度、室温での４点曲げ強度、熱膨張係数、
相対密度（理論密度に対する測定密度）を表１に示す。
【００２６】
【表１】
【００２７】これより、比較例１の複合体は、アルミナ
粉末に非造粒品を用いたためアルミナマトリックスとな
り、電気伝導度、４点曲げ強度がともに低いし、また比
較例２の複合体は、アルミナ粉末に一次粒径の大きいも
のを用いたため合金マトリックスになっているものの、
相対密度が７５％と低く、また強度も低いので、いずれ
も燃料電池用セパレータ材料には不適当であるのに対
し、各実施例の複合体は、原料アルミナ粒として造粒品
を用いたため合金マトリックスになっており、電気伝導
度、曲げ強度がともに高く、相対密度も高い上に、熱膨
張特性が固体電解質のそれとほぼ一致するので、燃料電
池用セパレータ材料に適している。
粉末に非造粒品を用いたためアルミナマトリックスとな
り、電気伝導度、４点曲げ強度がともに低いし、また比
較例２の複合体は、アルミナ粉末に一次粒径の大きいも
のを用いたため合金マトリックスになっているものの、
相対密度が７５％と低く、また強度も低いので、いずれ
も燃料電池用セパレータ材料には不適当であるのに対
し、各実施例の複合体は、原料アルミナ粒として造粒品
を用いたため合金マトリックスになっており、電気伝導
度、曲げ強度がともに高く、相対密度も高い上に、熱膨
張特性が固体電解質のそれとほぼ一致するので、燃料電
池用セパレータ材料に適している。
【図１】 本発明のセパレータ材料を用いた平板型の３
段直列セルの固体電解質型燃料電池の１例の斜視説明
図。
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。
【図２】 実施例１で得た複合体の結晶構造の断面の走
査型電子顕微鏡写真。
査型電子顕微鏡写真。
【図３】 実施例２で得た複合体の結晶構造の断面の走
査型電子顕微鏡写真。
査型電子顕微鏡写真。
【図４】 実施例３で得た複合体の結晶構造の断面の走
査型電子顕微鏡写真。
査型電子顕微鏡写真。
【図５】 実施例４で得た複合体の結晶構造の断面の走
査型電子顕微鏡写真。
査型電子顕微鏡写真。
【図６】 比較例１で得た複合体の結晶構造の断面の走
査型電子顕微鏡写真。
査型電子顕微鏡写真。
【図７】 比較例２で得た複合体の結晶構造の断面の走
査型電子顕微鏡写真。
査型電子顕微鏡写真。
１１ 固体電解質板
１２ カソード
１３ アノード
１４ セパレータ材料
１４ａ、１４ｂ 溝
１５、１６ 外部端子
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 角田 淳
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 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
(56)参考文献 特開 平６−76832（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−76833（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−76834（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−76835（ＪＰ，Ａ)
特開 平５−194021（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01M 8/02
H01M 8/12
Claims (2)
- 【請求項１】 （Ａ）ニッケル基合金、コバルト基合金
及び鉄基合金の中から選ばれた少なくとも１種の耐熱合
金を含有する耐熱金属と（Ｂ）セラミックスとから成
り、かつ耐熱金属（Ａ）の体積比率が２０〜６０％であ
る複合体で構成され、しかも耐熱金属（Ａ）がマトリッ
クスとして、かつセラミックス（Ｂ）が分散質として存
在し、かつ相対密度が９０％以上であることを特徴とす
る固体電解質型燃料電池用セパレータ材料。 - 【請求項２】 （ａ）非造粒の耐熱金属粉末と（ｂ）セ
ラミックス粉末を造粒して調製されたセラミックス造粒
体を、各平均粒径が次の関係式 セラミックス粉末の粒径＜耐熱金属粉末（ａ）の粒径＜
セラミックス造粒体（ｂ）の粒径を満たすように選定
し、これらを混合したのち、混合物を加圧成形し、非酸
化性雰囲気下あるいは真空中で焼成することを特徴とす
る固体電解質型燃料電池用セパレータ材料の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26330694A JP3447019B2 (ja) | 1994-10-04 | 1994-10-04 | 固体電解質型燃料電池用セパレータ材料及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26330694A JP3447019B2 (ja) | 1994-10-04 | 1994-10-04 | 固体電解質型燃料電池用セパレータ材料及びその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08171924A JPH08171924A (ja) | 1996-07-02 |
| JP3447019B2 true JP3447019B2 (ja) | 2003-09-16 |
Family
ID=17387652
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP26330694A Expired - Fee Related JP3447019B2 (ja) | 1994-10-04 | 1994-10-04 | 固体電解質型燃料電池用セパレータ材料及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3447019B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006156386A (ja) * | 2004-11-25 | 2006-06-15 | Samsung Sdi Co Ltd | 燃料電池用金属セパレータ及びその製造方法とこれを含む燃料電池スタック |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0936688A1 (de) | 1998-02-17 | 1999-08-18 | Sulzer Hexis AG | Interkonnektor für Hochtemperatur-Brennstoffzellen |
| JP6804868B2 (ja) * | 2016-05-18 | 2020-12-23 | 森村Ｓｏｆｃテクノロジー株式会社 | 電気化学反応単セルおよび電気化学反応セルスタック |
-
1994
- 1994-10-04 JP JP26330694A patent/JP3447019B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006156386A (ja) * | 2004-11-25 | 2006-06-15 | Samsung Sdi Co Ltd | 燃料電池用金属セパレータ及びその製造方法とこれを含む燃料電池スタック |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH08171924A (ja) | 1996-07-02 |
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