JP3756524B2 - プレーナー型燃料電池用電気インターコネクタ - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池に関し、さらに詳しくはプレーナー型固体電解質型燃料電池用インターコネクタデバイスに関する。
背景技術
燃料電池は、気体燃料(例えば、水素、天然ガスそして石炭ガス化ガス)を電気化学反応により直接電気に変換する。燃料電池はバッテリーのように作動するが、充電する必要はなく、燃料と酸化剤を、通常は空気が用いられるが、連続的に供給することにより、電力を発生させることができる。代表的な燃料電池は、2つの電極(主に、電子導電体)に接触した電解質(プロトン、酸化物イオン、炭酸イオン等のイオン導電体、)からなる。外部負荷を介してセルを短絡させると、燃料はアノードで酸化され、生じた電子は外部回路を通って、カソードに達し、そこで酸素を還元する。外部回路を流れる電荷は、電解質を流れるイオン電流とバランスする。このようにして、カソードにおいて、空気又は他の酸化剤からの酸素は、解離して酸化物イオンに変化し、生じた酸化物イオンは電解質膜を通って移動し、アノード/電解質界面で燃料と反応する。負荷状態における単セルの電圧は、0.6から1.0VDC付近であり、電流密度は100から500mAcm-2が可能である。
いくつかの異なるタイプの燃料電池が開発中である。これらの中でも、固体電解質型燃料電池(SOFC)は、低公害、高発電効率、高電力密度そして燃料に対する広い許容性を備えた分散型発電という点で、最も効率的かつ融通性を備えたな発電システムと考えられる。
単電池は、インターコネクタを介して連結され、燃料電池スタックと呼ばれる多層電池ユニットを形成する。ガスの流通経路は、インターコネクタと各電極の間に設けられる。円筒型、一体積層型そしてプレーナー型等の多くの方式のSOFCが開発中である。プレーナー型又は平板型の形状が最も広く研究されている。プレーナー型においては、構成材料である電解質/電極積層体とガス通路を有するインターコネクタ板が、別々に作製され、その後一体積層化され、高温シール材でシールされて固定又は移動シールを形成する。この配置をとることにより、燃料及び酸化剤を流すための外部及び内部の並行流、対向流及び直交流用マニホールドオプションを設けることが可能となる。
良好な電気的、電気化学的、機械的そして熱特性に加え、個々の電池構成材料には必要とする運転環境で安定であることが要求される。現在運転温度を800〜900℃に下げる努力がなされているが、SOFCの運転温度は950〜100℃である。燃料電池の経済性が成り立つためには、連続運転時の寿命として、5から6年が要求される。したがって、種々の電池構成材料の長期間に亘る安定性が重要となる。限られた材料のみが、全ての要求を満たしうる。一般に、SOFCの高い運転温度、多くの構成材料を用いるという問題、そして数年間の寿命を要求されるということが、電池材料やマニホールド部材の選択を大きく制限している。
SOFCに用いられる代表的な固体電解質は、酸素イオン導電体のイットリア安定化ジルコニアである。しかしながら、他にも多くの材料が提案されているが、本発明はこれらのいずれをも用いることができる。SOFCの燃料極に用いるアノード材料にも、いろいろなものが提案されている。しかし、本発明の目的のため、ニッケル含有アノードに限定する。そのアノードには、ニッケルメッキ層とニッケル合金が含まれるが、現在最も好ましいのはNi/ZrO2サーメットである。同様に、SOFCの空気極に用いるカソード材料にも、いろいろなものが提案されている。しかし、本発明は特定のカソード材料に限定されるものではない。しかし、現在最も好ましいのは、ストロンチウムをドープしたランタンマンガネート(LaMnO3)である。
インターコネクタを電池スタックの各端面と単電池の各側面に置くだけでなく、個々の電池の間に置く目的は、燃料電池から及び/又は隣接する電池間の電流を運ぶことと、単独又は複数の燃料電池からの熱を逃がすことである。この点で、インターコネクタは、かなり高い導電性を有する必要がある。すなわち、インターコネクタ/電極界面における接触抵抗が無視できるほど小さく、電圧低下をできるだけ抑制するためには、好ましくは電子導電性のみであるか、又は少なくとも主として電子導電性である必要がある。また、熱分布の均一性を向上させるとともに、熱ストレスを緩和させるために、かなり高い熱伝導率を持つ必要がある。25W/mK以上の熱伝導率が好ましい。さらに、電池スタックの中の中間インターコネクタが、アノードと隣接する電池のカソードの間に広がっているため、燃料と酸化剤の混合を防ぐために、インターコネクタはガスに対して不透過性である必要がある。したがって、インターコネクタは、運転温度における酸化及び還元雰囲気で安定であるだけでなく、かなり高い密度を有し、また開口した穴を有しないことが必要である。また、インターコネクタは運転温度でのクリープがほとんど無視できるように、高いクリープ抵抗を有するとともに、蒸気圧が低いことが必要である。さらに、インターコネクタは、接触する構成材料に対して化学的に安定であるとともに、熱サイクルにおける相安定性及び電池構成材料間の熱膨張の不一致が小さいことが必要である。また、インターコネクタは、構造支持体としても機能するため、低コスト、加工が容易である、そして低脆性だけでなく、十分な強度が必要である。
セラミック、サーメットそして合金インターコネクタが提案されている。金属材料は、一般に高導電性と高熱伝導性、そして加工が容易という利点を有する。しかし、高温の酸化及び還元雰囲気という電池環境での安定性が十分でなく、インターコネクタに用いられる適用可能な金属の数は制限される。ほとんどの高温耐酸化合物は、何らかの固有の保護機構を有しており、通常耐酸化表面相を形成する。通常、高温用に提案されている金属材料は、通常合金で、Cr、AlそしてSiを含み、これらはすべて保護層を形成する。SOFCのインターコネクタとして有用な材料は、使用時にその材料により保護層が形成されても良いが、少なくとも電子導電体であることが要求される。しかし、AlとSiの酸化物は低導電体である。したがって、SOFCの金属インターコネクタに最も適していると思われる合金は、サーメット又は合金の形であろうと、Crを種々の量含んでいる。
Crを含む合金は、例えばpO2<10-23atmのような非常に低い酸素分圧でも、外表面にCr2O3層を形成する。この値は、電池の燃料極側の酸素分圧、これは10-18から10-20atmであるが、これよりもかなり低い。この酸化層はCr合金に耐酸化性を付与するが、空気中ではかなり高い導電性を示す一方、インターコネクタの燃料極側に存在する還元雰囲気(水素-水、合成ガス)中では、導電性はかなり低い。さらに、CrとNiは固溶体を形成するため、インターコネクタの燃料極上のNi含有アノードからインターコネクタのCr合金の中へNiが拡散し、インターコネクタからCrがアノードへ拡散する。アノードにNi/ZrO2サーメットが形成されていると、アノードからのNiの拡散により高抵抗のジルコニア界面層が後に残される。いずれの現象も、避ける必要のあるアノード/インターコネクタ界面における好ましくない接触抵抗をもたらす。
Ni含有アノードからインターコネクタのCr合金へのNiの拡散の問題は、インターコネクタ表面へのNiコーティングにより、ある程度軽減されてきた。しかし、Crはインターコネクタ基板からこの表面コーティング層を通って拡散し、アノードとの電気的接触が不十分なCr2O3表面層を形成する。
さらに、アノードとインターコネクタの間にNiメッシュを挟み、少ない接触面積で十分な導電性を確保することにより、上記問題を解決する方法も提案されている。しかし、メッシュは電池構造に新たな部材を導入することになり、製造方法をより複雑にするという問題をもたらす。
発明の要約
本発明によれば、固体電解質と、カソード及びNi含有アノードからなるプレーナー型燃料電池用の電気インターコネクタデバイスであって、一方の面上に設けられた燃料ガスの流通溝と、上記面の表面に上記アノードと接触するように形成された耐酸化コーティング膜とを有するCr含有板状基板からなり、上記コーティング膜が、Ni、Ag以外の貴金属、又はこれら金属の1種以上からなる合金を含み、アノードと電気的に接触する外側の酸素バリア層と、上記基板と上記外側の酸素バリア層の間にあり、Nb、Ta、Ag又はこれら金属の1種以上からなる合金を含む導電性の金属バリア層とからなる電気インターコネクタデバイスが提供される。
さらに、本発明によれば、固体電解質、カソード及びNi含有アノード、そして前の段落に実質的に記載され、上記アノードと電気的に接触するインターコネクタデバイスとからなる燃料電池を含むプレーナー型燃料電池アセンブリーが提供される。
本発明によれば、金属バリア層は、Ni含有アノードへのCrの拡散を減らすとともに、Crベースのインターコネクタデバイス基板へのNiの拡散を減らす働きをする。また、いくつかの実施例においては、インターコネクタ合金表面への酸素の拡散を減らす働きもする。NbとTaはいずれも、燃料電池の高い運転温度では、かなり低い酸素分圧であっても容易に酸化され酸化物となるが、インターコネクタのコーティング膜の外側の酸素バリア層がこれを減らすために設けられる。さらに、Agの場合、酸素はAg金属層を通り、その下に腐食をもたらすが、外側のバリア層がこれを減らすために設けられる。金属バリア層として、Agのみを用いると、燃料電池の高い運転温度では溶融してしまう。しかし、例えば、850℃以下の低い温度であれば、適用可能である。Agは、1以上の金属、例えばPdと合金化される。
耐酸化コーティング膜は、少なくとも実質的に十分高密度であることが好ましい。すなわち、気体状の酸素の移動を許容するような開口した孔が、実質的にないことが好ましい。
インターコネクタの耐酸化コーティング膜の外側のバリア層に含まれる貴金属又は貴金属群としては、Pt、Pd、Au、Ir、Rh及びRuが挙げられる。外側のバリア層の好ましい金属としては、Ni又はPt、又は少なくともこれら金属の1種を含む合金が挙げられる。
それぞれのバリア層に適用可能として挙げられたいずれの金属に対し、導電率や安定性などの1以上のパラメータを向上させるため、挙げられた別の金属又は他の金属をドープ又は合金化することもできる。
耐酸化コーティング膜の各バリア層の厚さは、0.5から100ミクロン、好ましくは1から50ミクロンである。金属バリア層の最も好ましい厚さは5から15ミクロンで、例えば8から10ミクロンである。一方、外側のバリア層の最も好ましい厚さは5から20ミクロン、例えば約15ミクロンである。
インターコネクタデバイスのCr含有基板は、例えば、合金又はサーメットでできていても良い。サーメットとしては、CrとNi、そしてAl2O3又はZrO2のようなセラミックスとの組み合わせを用いることが好ましく、例えば、インコネル/アルミナが挙げられる。ジーメンス−プランセ(Siemens−Plansee)合金、ヘイネス(Haynes)230合金、そしてニクロファー(Nicrofer)、インコネルのような高温用合金、そして他のCr含有鋼が好適に用いられる。好ましいインターコネクタデバイス基板用材料は、他の燃料電池構成材料の熱膨張係数(10.5から12.0x10-6K)と近い熱膨張係数の値を有することが必要である。これに適合するものとしては、ジーメンス-プランセ合金(94重量%Cr、5重量%Fe、1重量%Y2O3)と第二鉄鋼が挙げられる。
各バリア層は、ターゲットからの金属のスパッタリング、金属の電気メッキ、金属の無電解メッキ、イオンビーム蒸着、金属ターゲットからの物理蒸着、プラズマ噴霧及びレーザー法を含む技術のいずれを用いても、Cr含有インターコネクタ基板の表面に形成できる。以下の実施例においては、バリア層形成のため、マグネトロンスパッタリングを用いているが、商業ベースにおいては、電気メッキ又は真空プラズマ噴霧のような低コストな方法が好ましい。
金属バリア層を形成する前に、例えば、エッチング、研磨/グラインディングのような方法によりインターコネクタの表面を洗浄することにより、耐酸化コーティング膜の特性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
本発明は、添付図面に関連する実施例のみにより、詳細に説明される。
図1は、燃料電池アセンブリーの分解斜視図である。
図2は、アノード/インターコネクタ界面接触抵抗の測定に用いられる電池配置の示す概略図である。
図3は、Cr含有インターコネクタとNi含有アノード材料とが直接接触する図2に示されたタイプの第1のセルにより測定された接触抵抗と時間の関係を示すグラフである。
図4は、Cr含有インターコネクタとNi含有アノード材料とが直接接触する図2に示されたタイプの第2のセルにより測定された接触抵抗と時間の関係を示すグラフである。
図5は、Nbのバリア層と外側のNi層でコートされ、アノード材料と接触する表面を有するインターコネクタ材料を含む図2のタイプの第3のセルにより測定された接触抵抗と時間の関係を示すグラフである。
図6は、Taのバリア層と外側のNi層でコートされ、アノード材料と接触する表面を有するインターコネクタ材料を含む図2のタイプの第4のセルにより測定された接触抵抗と時間の関係を示すグラフである。
図面の詳細な説明
本発明の燃料電池アセンブリー10の代表的な構造を、図1に分解した形で示す。図から構造が明らかなため、詳細には説明しない。アセンブリーは、その一方の面に積層されたアノード層16と他方の面に積層されたカソード層18を有する固体電解質中央層14からなるプレーナ型の燃料電池12を含む。電極層は、公知のスクリーン印刷法により作製可能である。燃料電池は、使用時において、それぞれアノード16とカソード18とに面と面で接触するインターコネクタ対20と22の間に挟まれる。図1のインターコネクタ20と22は、下面26を横切って伸びるガス状燃料用流通溝24及び上面30を横切って伸びるガス状酸化剤流通溝28と一体である。図示されている流通溝24と28は、互いに直交して伸びているが、平行に伸びても良く、そして各ガスの流通方向は、マニホールドの向きにより、同方向でも反対方向でも良い。両側に流通溝を設けたインターコネクタ20と22を用いて、一方の燃料電池12をインターコネクタ20の上に置き、他方の燃料電池12をインターコネクタ22の下に置くことによりに、燃料電池スタックを組み立てることができる。さらに、積層する別の燃料電池の上面にインターコネクタを置くことを繰り返すことにより、所望の数の燃料電池からなる燃料電池スタックを組み立てることができる。スタックの端に使われるインターコネクタガス流通溝アレイのみを有していれば良い。同様に、1個の燃料電池12のみからなる燃料電池アセンブリーでは、燃料電池と接触する面にそれぞれ1個のガス流通溝アレイを有していれば良い。これらの端のインターコネクタは、通常、エンドプレートと呼ばれる。
使用時においては、適合するマニホールド(図示せず)を設けることにより、ガス状燃料及び酸化剤の流れの分離が達成される。その軸が流通溝24と28に垂直になるとともに、燃料電池のコーナー部32とインターコネクタのコーナー部34がそのスリーブの環状の内表面と接触した状態でシールされ、燃料電池スタックを囲んで伸びる、例えば、セラミックスからなる不活性なシリンダー状スリーブを用いることにより、図示した直交流の配置が達成される。燃料電池アセンブリーは、上面及び下面のエンドプレートインターコネクタ上に、燃料電池又は燃料電池スタックを外部負荷に繋ぐための端子を設けることにより、完成する。
既に述べた様に、燃料電池アセンブリー10の説明はなされ、記載の実施例においては、燃料電池12は、イオン導電体であるイットリア安定化ジルコニアからなる固体電解質14を有する一方、電極16と18は、少なくとも主に電子導電体からなる。すなわち、アノード16はNi/ZrO2サーメットからなり、カソードはストロンチウムをドープしたランタンマンガネートからなる。
実施例に記載の様に、不浸透性のインターコネクタ20と22は、94重量%Cr、5重量%Feそして1重量%Y2O3からなるジーメンス-プランセ合金により形成される。インターコネクタの役割は、隣接する燃料電池の間に電流を運ぶことと、燃料電池からの熱を運び去ることである。しかし、記載した実施例の運転温度800から1000℃では、前述のように燃料極における低い酸素分圧においても、アノード/インターコネクタ界面において電気絶縁層が生成する。これは、図2の型の試験電池を用い、時間とともに増加する接触抵抗を示した図3と4のグラフに示されている。
図2の電池40は、燃料電池アセンブリー10のインターコネクタ材料とアノード材料の間の還元雰囲気における界面の抵抗を測定するためだけに開発されたものである。その電池は、厚さ2.5mmのジーメンス−プランセ合金からなるインターコネクタ材料から形成されたコアディスク42を有するサンドイッチ構造により構成されている。アノード材料に向かい合う中間対向層44は、それぞれが50から100ミクロンの厚さの多孔質のNi/ZrO2サーメットからなり、高密度アノード材料Ni/ZrO2サーメットからなる外側のディスク46のそれぞれの表面にスクリーン印刷することにより形成され、接触表面として働く。多孔質及び高密度サーメットアノード材料は、正方晶系ジルコニア、すなわち3%Y2O3をドープしたジルコニアからなる。ディスク42と46は、インターコネクタコアディスク42と多孔質アノード層44の十分な接触が確保されるように、共に加圧した。
上記の構造を有する2つの異なる電池を、図3と4に示すように、電流Iを流して試験した。
第1の電池を、10%水素/窒素の還元雰囲気で室温から1000℃まで加熱した。そして図3に、この条件下での115時間に亘る接触抵抗の測定の結果を示す。この実施例の最初の電流は800mAであったが、抵抗の増大に伴い、約20時間後、これを100mAに減らし、さらに約20時間後、10mAに減らした。高い電流値を維持することはできなかった。
第1の電池の接触抵抗率は、1000℃に達した直後は、最初は3.4mΩcm2程度であった。しかし、約20時間後、急激に増加し始め、115時間後には、インターコネクタディスク42とアノード層44の間の接触抵抗率は4Ωcm2にまで増加した。インターコネクタ板を調べてみると、インターコネクタ材料の全面に亘り、暗緑色の酸化物層が生成していた。室温でのこの酸化物層の抵抗は非常に高かった。
第2の電池は、窒素中で1000℃まで加熱後、10%水素を導入した。この電池の接触抵抗率の測定結果を図4に示す。抵抗率は、10%水素/窒素雰囲気、1000℃で6時間加熱すると14Ωcm2から43mΩcm2に減少した。しかし、200時間後、インターコネクタ/電極界面の接触抵抗率は3.9Ωcm2に増加した。リグから電池を除きと、暗緑色の酸化物層が認められたが、クラックは認められなかった。酸化物層の抵抗は、また非常に高かった。
第2の電池に流した最初の電流は、100mAであったが、第1の電池の場合と同様に、抵抗率の増加とともに減らし、約180時間後、最終的に5mAとした。
空気、水素そして10%水素/窒素雰囲気で加熱したCr含有インターコネクタ試料をX線回折(XRD)により分析すると、明確にクロム酸化物(Cr2O3)の存在が認められた。他の相は検出されなかった。これらの結果から、インターコネクタが10%水素/窒素雰囲気においてさえかなり酸化され、そして生成した酸化物層は、空気雰囲気で生成した酸化物層より抵抗が大きいことが明らかとなった。おそらく、Ni金属層のCrへの拡散、そしてNi/ジルコニアサーメット電極からのNiの欠乏が、界面における高い抵抗に影響を与えていると考えられる。
実施例
以下の実施例は、電池40において、インターコネクタ材料に耐酸化コーティングを行うことにより、本発明を試験した結果を示したものである。
実施例1.
本実施例においては、まずNbからなる金属バリア層を、マグネトロンスパッタリングにより、対向する両面に形成した。そして、耐酸化コーティング膜を形成するために、外側のNiバリア層を、各Nb層の上にマグネトロンスパッタリングにより、約15ミクロンの厚さで形成した。さらに、外側のNi層を、ディスク46の表面の各多孔質Ni/ジルコニアサーメット層44と十分に接触するように加圧することにより、電池を組み立てた。接触抵抗の試験は、また1000℃、10%水素/窒素雰囲気で行った。結果を図5に示す。電流を250mAに保った以外は、コーティングされていない第1のインターコネクタ電池40の場合と同様の方法により行った。接触抵抗は低く保たれ、750時間後でも0.7mΩcm2以下であった。これは、Crの酸化が起こっておらず、またインターコネクタからのCrの拡散又は多孔質アノードからのNiの拡散がないことを示している。
実施例2.
本実施例においては、まず、Taからなる金属バリア層をマグネトロンスパッタリングにより、厚さ約10ミクロンでインターコネクタディスク42の対向する両面の上に形成した。そして、耐酸化コーティング膜を形成するため、Ptの外側バリア層を、マグネトロンスパッタリングにより厚さ約15ミクロンで、各Ta層の上に形成した。さらに、外側のPt層を、ディスク46の表面の各多孔質Ni/ジルコニアサーメット層44と十分に接触するように加圧することにより、電池を組み立てた。接触抵抗の試験は、また1000℃、10%水素/窒素雰囲気で、500時間に亘って行った。結果を図5に示す。電流を250mAに保った以外は、コーティングされていない第1のインターコネクタ電池40の場合と同様の方法により行った。最初の落ち着くまでの期間を経過した後は、非常に低い接触抵抗(約1mΩcm2)が得られ、CrはPtの外側層には検出されなかった。これは、Crの酸化が起こっていないことを示すものであり、さらにインターコネクタからのCrの拡散又は多孔質アノードからのNiの拡散が起こっていないことを示している。
本発明に、ここで述べた以外の変更及び修正を加えることが可能であることは、当業者には明らかであろう。本発明の趣旨と範囲を逸脱しない限り、そのようなすべての変更及び修正を本発明は含むものである。本発明は、また、本明細書に述べられた又は参照されたすべての段階、特徴、組成及び化合物を、個別に、又は集合的に、そして上記2以上の段階又は特徴の複数又はすべての組み合わせを含むものである。特に、ここで確認された以外のバリア層金属を単独又は合金の形で用いることが可能であることと、ここで確認された以外の1個又は複数の金属から耐酸化層を形成できることとが理解されることと思う。
Claims (12)
- 固体電解質と、カソード及びNi含有アノードからなるプレーナー型燃料電池用の電気インターコネクタデバイスであって、
上記インターコネクタデバイスが、一方の面上に設けられた燃料ガス用流通溝と、上記面の表面に上記アノードと接触するように形成された耐酸化コーティング膜とを有するCr含有板状基板からなり、
上記コーティング膜が、Ni、Ag以外の貴金属、又はこれら金属の1種以上からなる合金を含み、アノードと電気的に接触する外側の酸素バリア層と、上記基板と上記外側の酸素バリア層の間にあり、Nb、Ta、Ag又はこれら金属の1種以上からなる合金を含む導電性の金属バリア層とからなる電気インターコネクタデバイス。 - 上記外側の酸素バリア層が、金属又はNi、Pt、Pd、Au、Ir、Rh及びRuの中の1種以上の金属の合金からなる請求項1記載の電気インターコネクタデバイス。
- 上記外側の酸素バリア層が、Ni又はPt、又はNi及びPtの少なくとも1種を含む合金からなる請求項1記載の電気インターコネクタデバイス。
- 上記外側の酸素バリア層の厚さが、約0.5から約100ミクロン、好ましくは約1から約50ミクロン、さらに好ましくは約5から約20ミクロンである請求項1記載の電気インターコネクタデバイス。
- 上記金属バリア層の厚さが、約0.5から約100ミクロン、好ましくは約1から約50ミクロン、さらに好ましくは約5から約15ミクロンである請求項1記載の電気インターコネクタデバイス。
- 上記金属バリア層がNbからなり、上記外側の酸素バリア層がNiからなる請求項1記載の電気インターコネクタデバイス。
- 上記金属バリア層の厚さが約10ミクロン、そして上記外側の酸素バリア層の厚さが約15ミクロンである請求項6記載の電気インターコネクタデバイス。
- 上記金属バリア層がTa、そして上記外側の酸素バリア層がPtからなる請求項1記載の電気インターコネクタデバイス。
- 上記金属バリア層の厚さが約10ミクロン、そして上記外側の酸素バリア層の厚さが約15ミクロンである請求項8記載の電気インターコネクタデバイス。
- 上記Cr含有基板が、ジーメンス-プランセ(Siemens−Plansee)合金から形成される請求項1記載の電気インターコネクタデバイス。
- 固体電解質、カソード、Ni含有アノード及び該アノードと電気的に接触した請求項1記載のインターコネクタデバイスとを含むプレーナー型燃料電池アセンブリー。
- 上記Ni含有アノードがNi/ZrO2サーメットからなる請求項11記載のプレーナー型燃料電池アセンブリー。
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