JP4136062B2

JP4136062B2 - セパレータ材

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Publication number: JP4136062B2
Application number: JP10134098A
Authority: JP
Inventors: 浩二久田
Original assignee: Toho Gas Co Ltd
Current assignee: Toho Gas Co Ltd
Priority date: 1998-04-13
Filing date: 1998-04-13
Publication date: 2008-08-20
Anticipated expiration: 2018-04-13
Also published as: JPH11297339A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，燃料電池のような電気化学装置において単セル間の分離に用いられるセパレータ材に関する。さらに詳細には，８００〜１０００℃程度の高温域における諸特性（機械的強度，耐酸化性，低電気抵抗性）に優れた金属系のセパレータ材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池その他の電気化学装置においては，必要な電圧を得るために多数のセルを直列に積層して使用する場合がある。この場合には各単セル間に分離のためにセパレータ材が配置されることとなる。このセパレータ材は，装置の構造部品の一つであり，ある程度の機械的強度を有することが要求される。また，燃料や空気（酸素）のような反応性物質と接するものであるから，化学的安定性も求められる。さらに，セパレータ材がセル間の電気的接続や両端の取り出し電極としての役割を兼ねる場合には高い導電性が求められる。特に，固体電解質型燃料電池（以下，「ＳＯＦＣ」という）のように，８００〜１０００℃程度の高温域で使用される装置の場合には，当該温度域にて前記諸特性を満足する必要がある。さらにセパレータ材には，燃料や空気（酸素）等を，電極材に接触させつつ流す流路が溝状に形成されるので，加工性がよいことも要求される。
【０００３】
このような要求に応えるためのセパレータ材には，セラミックス系（導電性セラミックスに限られる）のものと金属系のものとがある。しかしセラミックス系のものは，高価であったり難加工性であったり，また融点は一般的には高いものの高温では脆性で強度が足りなかったり等の問題点があった。その一方で金属系のものは，材料自体の体積抵抗率はセラミックス系のものより低いものの，特に高温では酸化して表面抵抗が増加するので，経時により電池性能が低下するという問題があった。
【０００４】
このため，特開平８−２０３５４４号公報（以下，「４４号」という）では，耐熱合金を基材としつつ，表面に導電性セラミックスをコーティングして，耐酸化性に優れた金属系のセパレータ材を容易に製造する方法を提案している。すなわち４４号公報では，導電性セラミックスの皮膜により耐熱合金の酸化が防止されるので，耐酸化性に優れた金属系のセパレータ材が容易に製造できると説明している。さらに，特開平８−２７３６８１号公報（以下，「８１号」という）では，コーティング後に加熱工程を経る製造方法を提案している。この公報では，加熱により耐熱金属の表面が酸化してセラミックス層間に反応層が形成されるので，セラミックス層の剥離が抑えられると説明している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，前記した従来のセパレータ材は，８００〜１０００℃程度の高温域での耐久使用性がなお不十分であった。すなわち，前記４４号のセパレータ材では，熱膨張率がかなり異なる耐熱合金と導電性セラミックスとが容易に剥離するためであると考えられる。また，反応層を形成させてこれを緩和している８１号のセパレータ材では，導電性セラミックス皮膜の剥離こそ抑えられているものの，１００時間程度の使用で電気抵抗の増大が見られ，電池性能が低下してしまう。すなわち，数日程度の連続運転しかできないのである。
【０００６】
本発明は，前記した従来の技術が有する問題点の解決を目的としてなされたものである。すなわちその課題とするところは，機械的強度や加工性といった金属系素材の長所を生かしつつ，特に８００〜１０００℃程度の高温域で長期間にわたって低い電気抵抗を維持できるセパレータ材を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１
この課題の解決のためになされた本発明のセパレータ材は，耐熱金属を基材とし，その表面に導電性セラミックスの表層を有するものであって，前記基材と前記表層との間に，前記導電性セラミックスと金属との混合物の中間層を有している。
【０００８】
このセパレート材は，基材が耐熱金属であるから，機械的強度や材料自体の体積抵抗率についてはセラミックス系のものより優れている。また，燃料や空気（酸素）等を流す流路の形成も容易である。そして，表面に導電性セラミックスの表層を有しているので，基材の耐熱金属に燃料や空気（酸素）等が直接に接することはなく，耐熱金属の酸化が防止されている。
【０００９】
さらに，基材と表層との間に中間層が設けられており，基材と表層とが直接接触しないようになっている。この中間層は，導電性セラミックスと金属との混合物であるため両者の中間の物性（特には熱膨張率）を有している。したがって，基材と中間層との熱膨張率差および中間層と表層との熱膨張率差はいずれも，基材と表層とが直接接触する場合の熱膨張率差より小さい。このため，８００〜１０００℃程度の高温域でも熱応力が小さく，表層や中間層が基材から剥離することがない。これにより，当該温度域にて１０００時間以上にわたって低い電気抵抗を維持でき，１ヶ月以上の連続使用が可能である。なお，ここにいう耐熱金属および金属はともに，合金を含むものとする。
【００１０】
請求項２，請求項３
かかる本発明のセパレータ材において，前記導電性セラミックスとしては，Ｌａ_XＳｒ_1-XＣｏＯ₃あるいはＬａ_XＳｒ_1-XＭｎＯ₃を用いることができる。これらは，融点が高く耐熱性がある点で，同じ導電性セラミックスでも耐熱性のないＩｎ₂Ｏ₃−ＳｎＯ₂ 等より優れている。また，前記中間層の金属としては，ＮｉやＣｒ等，あるいはこれらの混合物または合金を用いることができる。なお，これらは特性に悪影響を及ぼさない範囲で不純物を含んでいてもよいことはもちろんであり，前記の成分が７０ｗｔ％以上含まれていればそれが主成分であるものとする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下，本発明を具体化した実施の形態について，図面を参照しつつ詳細に説明する。本実施の形態は，本発明のセパレータ材を，ＳＯＦＣにおいて単セル板とともに交互に積層されるセパレータ板に用いて具体化したものである。このためまず，セパレータ板が使用されるＳＯＦＣの概略を説明する。
【００１２】
図１にその概要を示すＳＯＦＣ１０は，セパレータ板１と単セル板２とを交互に積層してなるものであり，図１中最上段にはセパレータ板１Ｕが，最下段にはセパレータ板１Ｄが配置されている。各セパレータ板１，１Ｕ，１Ｄおよび各単セル板２は，ともに四角形の平板状の部材であり，４隅の同じ位置に貫通孔５，６，７，８が設けられている。貫通孔５が空気の導入口であり，貫通孔６がＨ₂ ガスの導入口である。そして，貫通孔７がＨ₂ ガスの排出口であり，貫通孔８が空気の導入口である。各単セル板２が単電池をなすものであり，各セパレータ板１はそれらを分離しつつ電気的に接続するものである。なお，図１では各板の間に隙間があるように描かれているが，実際には隙間なく密着させられた状態で使用される。
【００１３】
各セパレータ板１および最下段のセパレータ板１Ｄの図１中上側の面には，図２に示すように，貫通孔５から貫通孔８へつながる溝路３が形成されている。溝路３は，空気の流路である。また，各セパレータ板１および最上段のセパレータ板１Ｕの図１中下側の面には，図３に示すように，貫通孔６から貫通孔７へつながる溝路４が形成されている。溝路４は，Ｈ₂ ガスの流路である。ただし，各セパレータ板１の厚さは溝路３，４の深さよりも十分あり，溝路３と溝路４とは連通していない。各セパレータ板１，１Ｕ，１Ｄは，後述するように耐熱合金を基材としこれに特殊なコーティングを施したものである。
【００１４】
各単セル板２は，図４の断面図に示すように，基材２１の両面に薄膜電極２２，２３をコーティングしたものである。基材２１は，ＺｒＯ₂ を主成分とする固体電解質である。各単セル板２には，セパレータ板のような溝路は形成されておらず，貫通孔５，６，７，８のみが形成されている。単セル板２とセパレータ板１とを交互に積層した状態では，溝路３，４以外の箇所でセパレータ板１と単セル板２とが密着しているほか，薄膜電極２２と溝路４とによりＨ₂ ガスの流路が区画され，薄膜電極２３と溝路３とにより空気の流路が区画されている。すなわち，薄膜電極２２が燃料極であり，その裏側の薄膜電極２３が空気極である。また，この積層状態では貫通孔５，６，７，８が，最上段のセパレータ板１Ｕから最下段のセパレータ板１Ｄまでそれぞれ連通している。
【００１５】
このＳＯＦＣ１０では，貫通孔５に空気を印加し貫通孔６にＨ₂ ガスを印加すると，空気は貫通孔５から溝路３を通って貫通孔８に至り排出され，Ｈ₂ ガスは貫通孔６から溝路４を通って貫通孔７に至って排出される。このとき溝路３では，セパレータ板１と空気とが接するほか，空気と空気極２３とが接しており，そこで次の反応が起こる。
Ｏ₂＋４ｅ^- → ２Ｏ^2-
このため空気極２３は電子不足の状態となる。また，発生したＯ^2-イオンは固体電解質である基材２１中を板厚方向に移動して燃料極２２へ向かう。
【００１６】
一方溝路４では，セパレータ板１とＨ₂ガスとが接するほか，Ｈ₂ガスと燃料極２２とが接しており，そこで次の反応が起こる。
Ｈ₂＋Ｏ^2- → Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^-
このため燃料極２２は電子過剰の状態となる。これにより単セル板２は，空気極２３が正極であり燃料極２２が負極である単電池として作用する。したがってＳＯＦＣ１０は，最下段のセパレータ板１Ｄが正極となり最上段のセパレート板１Ｕが負極となる。また，上記各反応の発生熱により，ＳＯＦＣ１０の動作温度は８００〜１０００℃程度の高温となる。なお，上記反応により溝路４内にはＨ₂ ガスのほかに水分が存在し，セパレータ板１にもこの水分が接することとなる。以上がＳＯＦＣ１０の概略である。
【００１７】
次に，ＳＯＦＣ１０において本発明としての特徴点をなすセパレータ板１，１Ｕ，１Ｄについてより詳細に説明する。前記のように各セパレータ板１は，単電池である各単セル板２を分離する役割を有している。ここで分離とは，溝路３の空気と溝路４のＨ₂ ガスとを直接混合させないことである。そして各セパレータ板１はまた，上下の単セル板２を電気的に接続する役割を有している。ただしその際に電圧のかかる方向は板厚方向である。また，上下両端のセパレータ板１Ｕ，１Ｄは，ＳＯＦＣ１０の発生電圧の取り出し電極としての役割を有している。このため各セパレータ板１，１Ｕ，１Ｄには，材質自体の体積抵抗率が低いことはもちろん，上下の単セル板２との接触抵抗が低いことが求められる。したがってセパレータ板１は，表面抵抗も低くなくてはならない。
【００１８】
さらに，このことが８００〜１０００℃程度の高温において長期間維持されなければならない。流路３，４内にはＯ₂やＨ₂Ｏが存在するので腐食性雰囲気であり，これによるセパレータ板１の表面の腐食が単セル板２との密着部分に及ぶと抵抗が増加して電池性能が低下してしまうからである。
【００１９】
そこで本実施の形態に係る各セパレータ板１，１Ｕ，１Ｄは，図５に示すように，基材１１上に下層１２，上層１３の２層コーティングを施した表面構造を有している。基材１１は，ステンレス鋼やニッケル基合金その他の耐熱金属または合金の板材である。上層１３は，Ｌａ_XＳｒ_1-XＣｏＯ₃やＬａ_XＳｒ_1-XＭｎＯ₃のような導電性セラミックスの皮膜であり，耐酸化性を有している。そしてそれらの間の下層１２は，導電性セラミックスとＮｉやＣｒのような耐熱金属との混合層である。この下層１２は，基材１１の耐熱金属または耐熱合金と上層１３の導電性セラミックスとの中間の熱膨張率を有している。
【００２０】
このような表面構造を有するセパレータ板１，１Ｕ，１Ｄでは，空気等に直接接するのは導電性セラミックスの上層１３であり，基材１１は空気等に直接曝されることはない。そして，８００〜１０００℃程度の高温にした場合でも，基材１１と上層１３との間の熱膨張率差が混合層である下層１２の存在により緩和されるため熱応力は小さく，上層１３や下層１２が基材１１から剥離することはない。このためセパレータ板１，１Ｕ，１Ｄは高温の腐食性雰囲気下でも１０００時間以上にわたり低い電気抵抗を維持することができ，ＳＯＦＣ１０を１ヶ月以上の期間連続運転することができる。
【００２１】
続いて，セパレータ板１，１Ｕ，１Ｄの製造方法を説明する。セパレータ板１，１Ｕ，１Ｄは，図６に示すように，板状に調製した基材１１に，まず溝路３，４を形成し，次いで下層１２をコーティングし，最後に上層１３をコーティングして製造する。
【００２２】
溝路３，４の形成は，通常の切削加工を基材１１に施すことにより行えばよい。その際，基材１１が金属性の素材なので，セラミックス性の素材の場合よりも加工性に優れており，容易に溝路３，４を形成することができる。なお，切削加工以外に，鋳造成型やパターンエッチング等により溝路３，４を形成してもかまわない。
【００２３】
下層１２および上層１３のコーティングは，図７に示すプラズマ溶射装置３０を用いて行う。すなわち，形成する皮膜（下層１２，上層１３）の粉末材料をプラズマの熱で溶融して液体粒子とし，基材１１の表面に高速度で衝突させ，粒子の積層によって皮膜を形成するのである。ここで上層１３の粉末材料としては，前記した導電性セラミックスの粒度３０〜１４０μｍ程度の粉末を使用する。その前に形成する下層１２の粉末材料としては，同じく導電性セラミックスの粉末と耐熱金属の粉末との混合粉末を使用する。かくして，基材１１上に下層１２，上層１３の２層コーティングを有するセパレータ板１，１Ｕ，１Ｄが製造される。なお，ＳＯＦＣ１０の中段に使用されるセパレータ板１は両面に２層コーティングを施す必要があるが，最上段のセパレータ板１Ｕおよび最下段のセパレータ板１Ｄについては，溝路３，４が形成されている面にのみ２層コーティングを施せば十分である。
【００２４】
【実施例】
本発明に係るセパレータ材について，実際に試験片を作製して耐久性試験を行った。試験片の形状は，２５ｍｍ×５０ｍｍ×４ｍｍの板状とした。なお，この試験では貫通孔５〜８や溝路３，４の形成は省略した。
【００２５】
【表１】

【００２６】
［基材］
基材１１としては，表１に示す各種合金を使用した。これらは，高融点の耐熱金属であって，８００〜１０００℃の温度域での強度（強い方がよい）や，熱膨張率（固体電解質の熱膨張率に近い方がよい）等の特性が比較的に優れているものを選んだものである。なお，ここに選んだ各種合金は，体積抵抗率自体は金属系材料としてはさほど低い方ではない。しかし，それでもセラミックス系の材料よりは遙かに低く，またＳＯＦＣ１０においてはむしろ表面抵抗の方が重要なので，問題にならない。
【００２７】
［上層の材料］
上層１３の導電性セラミックスとしては，次の２種類の材料の粉末のいずれかを使用した。粒度は，４０〜１３０μｍの範囲内とした。
Ｌａ_0.8Ｓｒ_0.2ＣｏＯ₃（以下，「ＬＳＣ」という）
Ｌａ_0.8Ｓｒ_0.2ＭｎＯ₃（以下，「ＬＳＭ」という）
これらは，ペロブスカイト型と呼ばれる結晶構造を有するセラミックスであって，導電性を有するものである。これらのセラミックスは，格子欠陥を含むために導電性が発現されると考えられている。
【００２８】
［下層の材料］
下層１２の混合層の材料としては，上層１３の材料と同じ導電性セラミックスの粉末と，Ｎｉ８０ｗｔ％−Ｃｒ２０ｗｔ％合金の粉末とを混合したものを使用した。混合比は，容量比で１：１（重量比では，導電性セラミックス粉末１：合金粉末１.１〜１.３程度）とした。合金粉末の粒度は，４５〜１０６μｍの範囲内とした。
【００２９】
［コーティング］
図７のプラズマ溶射装置３０を用いて，下層１２，次いで上層１３のコーティングを行った。プラズマ溶射の処理条件は以下の通りとし，生成膜厚は下層１２が約４０μｍ，上層１３が約１６０μｍとした。

ここで，投入電力は，プラズマ溶射装置３０における陽極３１と陰極３２との間の電圧および電流である。
【００３０】
［耐久性試験］
作製した試験片について，空気雰囲気中で１０００時間にわたる高温暴露試験を行い，その途中の１０時間経過時，１００時間経過時，そして１０００時間暴露終了後に，表面抵抗を測定した。暴露温度は，１０００℃（基材１１が表１の▲８▼番のＦｅ−１８Ｃｒ−７Ｗ材であるもののみ８５０℃）とした。表面抵抗の測定は，試験片を図８に示す支持器４０で挟み付けた状態で行った。支持器４０は，２つの多孔質アルミナ板４１，４１で，耐熱ウール４２，４２を介して試験片１を両側から挟み付けて支持するものである。支持器４０に支持されている状態では，耐熱ウール４２，４２と試験片１との間に白金網４３，４３が挟持されており，試験片１に直接接しているのは白金網４３，４３である。そして，白金網４３，４３から４本の白金線４４が引き出されており，４線式電気抵抗測定装置に接続されている。この抵抗測定も，暴露温度とと同じ温度下で行った。この試験では，表面抵抗率が０.０４Ω・ｃｍ²以下であれば合格とした。
【００３１】
表１の▲１▼番のＳＵＳ４４７Ｊ１材を基材１１とする試験片についての測定結果（表面抵抗率Ω・ｃｍ²）を表２に示す。表２において，「本試験片」の欄のＬＳＣ，ＬＳＭはそれぞれ，上層１３および下層１２の導電性セラミックスとしてＬＳＣ，ＬＳＭを使用して作製した試験片を意味する（以下同様）。また，「比較材」の欄の１層ＬＳＣ，１層ＬＳＭはそれぞれ，基材１１上に下層１２を形成せず直接上層１３をコーティングした比較用試験片の結果である（以下同様）。また単体は，コーティングを全くしていない基材１１のみの比較用試験片の結果である（以下同様）。これによれば，ＳＵＳ４４７Ｊ１基材の場合には，ＬＳＣ材，ＬＳＭ材ともに，特に１０００時間暴露終了後において，２層コーティングにより１層コーティング材と比較して低い抵抗率を示していることがわかる。
【００３２】
【表２】

【００３３】
表１の▲２▼番のインコネル６００材を基材１１とする試験片についての測定結果を表３に示す。これによれば，インコネル６００基材の場合には，１層コーティング材でもかなりよい性能を示しており，２層コーティング材でも優れた結果が得られていることがわかる。
【００３４】
【表３】

【００３５】
表１の▲３▼番のインコネル６０１材を基材１１とする試験片についての測定結果を表４に示す。これによれば，インコネル６０１基材の場合には，ＬＳＭ１層コーティング材の抵抗率が安定していないが，２層コーティング材はＬＳＣ材，ＬＳＭ材ともに安定して低い抵抗率を示していることがわかる。
【００３６】
【表４】

【００３７】
表１の▲４▼番のハステロイＸ材を基材１１とする試験片についての測定結果を表５に示す。これによれば，ハステロイＸ基材の場合には，ＬＳＣ材，ＬＳＭ材ともに２層コーティングにより，１層コーティング材と比較して暴露１００時間以後の抵抗率が低くなっていることがわかる。
【００３８】
【表５】

【００３９】
【表６】

【００４０】
表１の▲５▼番のＨＡ２３０材を基材１１とする試験片についての測定結果を表６に示す。これによれば，ＨＡ２３０基材の場合には，ＬＳＣ材，ＬＳＭ材ともに２層コーティングにより，１層コーティング材と比較して暴露１０００時間終了後の抵抗率が低くなっていることがわかる。
【００４１】
表１の▲６▼番のＭＡ７５８材を基材１１とする試験片についての測定結果を表７に示す。ＭＡ７５８基材の場合には，比較材のうち単体およびＬＳＭ１層コーティング材については試験していないが，２層コーティング材はＬＳＣ材，ＬＳＭ材ともに低い抵抗率を示していることがわかる。
【００４２】
【表７】

【００４３】
【表８】

【００４４】
表１の▲７▼番のＣｒ−５Ｆｅ−１Ｙ₂Ｏ₃材を基材１１とする試験片についての測定結果を表８に示す。Ｃｒ−５Ｆｅ−１Ｙ₂Ｏ₃材の場合にはＬＳＣ材と単体しか試験していないが，ＬＳＣ材では，暴露１０００時間終了後の抵抗率で２層コーティングの効果が顕著に出ている。
【００４５】
表１の▲８▼番のＦｅ−１８Ｃｒ−７Ｗ材を基材１１とする試験片についての測定結果を表９に示す。これによれば，Ｆｅ−１８Ｃｒ−７Ｗ基材の場合には，ＬＳＣ材，ＬＳＭ材ともに２層コーティングにより１層コーティング材よりも暴露１０００時間終了後の抵抗率が低下していることがわかる。
【００４６】
【表９】

【００４７】
以上詳細に説明したように本実施例に係る各試験片は，いずれも空気高温暴露後における表面抵抗率が０．０４Ω・ｃｍ²以下であり合格であった。また，比較用試験片である１層コーティング材については，基材１１の種類によっては耐久性能がよくないものも見られたが，本実施例に係る各試験片はいずれも高い耐久性を示した。このことから各試験片は，高温酸化雰囲気下においても上層１３および下層１２の２層コーティング層が安定して基材１１を保護し続け，低い電気抵抗を維持することが理解できる。
【００４８】
したがって，これを用いて前記実施の形態におけるセパレータ材１とすることにより，１ヶ月以上の連続運転が可能なＳＯＦＣ１０が得られるのである。また，このセパレータ材１は，基材がセラミック性でなく金属性なので加工性がよく，コーティング前に行われる溝路３，４の形成も容易である。また，高温域での機械的強度もセラミック基材のものより優れている。また，一般的にはコスト的にもセラミック性のものより優れている。
【００４９】
なお，前記実施の形態および実施例は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。例えば，基材１１の耐熱金属の種類は，表１に挙げたもの以外でもよい。また，上層１３および下層１２の導電性セラミックスも，ＬａとＳｒとの比率を変更したり，ＣｏもしくはＭｎに代えてＣｒを用いたりあるいはこれらの混合を用いたりしてもよい。耐熱性があれば他の結晶系のものを用いてもよい。また，下層１２の金属も，他の種類のものでもよい。また，皮膜の形成方法も，プラズマ溶射法には限定されない。
【００５０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように本発明によれば，機械的強度や加工性といった金属系素材の長所を生かしつつ，特に８００〜１０００℃程度の高温域で長期間にわたって低い電気抵抗を維持できるセパレータ材が提供されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＳＯＦＣの概要を説明する図である。
【図２】セパレータ板の表の溝路（空気の流路）を示す図である。
【図３】セパレータ板の裏の溝路（Ｈ₂の流路）を示す図である。
【図４】単セル板の断面構造を示す図である。
【図５】本実施の形態のセパレータ板の表面構造を説明する断面図である。
【図６】本実施の形態のセパレータ板の製造方法を示す図である。
【図７】プラズマ溶射装置の概要を示す図である。
【図８】抵抗測定のための保持器を示す図である。
【符号の説明】
１セパレータ板
１１基材（耐熱金属）
１２下層（混合物の中間層）
１３上層（導電性セラミックス層）

Claims

耐熱金属を基材とし，その表面に導電性セラミックスの表層を有するセパレータ材において，
前記基材と前記表層との間に，前記導電性セラミックスと金属との混合物の中間層を有することを特徴とするセパレータ材。
請求項１のセパレータ材において，
前記導電性セラミックスが，Ｌａ_XＳｒ_1-XＭＯ₃（ＭはＣｏまたはＭｎ）であることを特徴とするセパレータ材。
請求項１または請求項２のセパレータ材において，
前記中間層の金属が，ＮｉまたはＣｒもしくはこれらの混合物または合金を主成分とするものであることを特徴とするセパレータ材。