JP4462050B2

JP4462050B2 - 固体酸化物形燃料電池

Info

Publication number: JP4462050B2
Application number: JP2005016422A
Authority: JP
Inventors: 喬山田; 範壽千歳; 孝二星野
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2004-02-09
Filing date: 2005-01-25
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2025-01-25
Also published as: JP2005259684A

Description

本発明は、セパレータを介して複数の発電セルを接続した平板積層型の固体酸化物形燃料電池に関し、特に、セパレータの耐高温酸化性を向上した固体酸化物形燃料電池に関する。

上記固体酸化物形燃料電池は、第三世代の発電用燃料電池として注目されている。現在、固体酸化物形燃料電池は、円筒型、モノリス型、および平板積層型の３種類が提案されており、何れも酸化物イオン伝導体から成る固体電解質を空気極層と燃料極層との間に挟んだ積層構造を有する。間に燃料極集電体と空気極集電体を介在してこの積層体から成る発電セルとセパレータを交互に積層することにより燃料電池スタックが構成される。

固体酸化物形燃料電池では、発電セルの空気極層側に酸化剤ガスとしての酸素（空気）が、燃料極層側に燃料ガス（Ｈ₂、ＣＯ、ＣＨ₄等）が供給される。空気極層と燃料極層は、ガスが固体電解質層との界面に到達することができるように、いずれも多孔質とされている。空気極層側に供給された酸素は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で、空気極層から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ^2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極層の方向に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極層との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応してＨ₂Ｏ、ＣＯ₂等の反応ガス（排ガス）を生じ、燃料極層に電子を放出する。この電子を別ルートの外部回路にて起電力として取り出すことができる。

平板積層型の固体酸化物形燃料電池において、セパレータは、発電セルに対して反応用ガスを供給する機能を備えると共に、発電セル間を電気的に接続する機能を備えることから、セパレータには良好な電気電導性が要求されており、通常、母材としてステンレス等の耐熱合金が使用されている。

ところが、係る金属セパレータは燃料電池の作動温度７００〜１０００℃といった高温下で使用されるため、長時間使用している間に金属表面に母材を主体とする、例えば、クロム酸化物等の膜が形成され、これが成長するに従ってセパレータと集電体との間の接触抵抗が増大し、発電セル間の電気的な接続機能が低下するという問題があった。
この現象は特にセパレータの燃料極側で顕著であり、酸化膜による抵抗の増大は電池の性能や寿命に大きく影響するものである。

このような酸化膜の形成・成長を阻止して良好な電気電導性を確保する目的で、セパレータの表面にＮｉ等の耐高温酸化性に優れる金属保護皮膜を形成することが一般的に行われており、その先行技術として、例えば、特許文献１〜３が開示されている。
特開平５−３６４２５号公報特開平１１−２９７３３９号公報特開平７−２８２８２１号公報

上記開示技術において、特許文献１には、セパレータを耐熱合金で構成し、セパレータの燃料極面側にＮｉメッキ層を、空気極面側にＬａＣｒＯ₃系メッキ層を設けた金属セパレータが開示されており、また、特許文献２には、耐熱合金の上に導電性セラミックスの粉末と金属の粉末の混合粉末をプラズマ溶射した金属セパレータが開示されており、さらに、特許文献３には、集電体と接合されるセパレータの面に厚さが１０μｍ以下のＮｉ膜を形成したＬａＣｒＯ₃製等のセパレータが開示されている。

ところが、これらの開示技術は、何れも金属保護皮膜の形成にメッキやプラズマ溶射による方法を用いているため、金属保護皮膜の金属成分が母材と金属結合をしており、長時間使用中にこの金属結合成分が相互拡散して金属表面の金属保護皮膜層が母材に吸収され、表面に母材が露出てしまうといった問題を有している。また、メッキによる保護膜の形成はコスト高となる。

本発明は、このような従来の問題点に鑑み、金属セパレータの燃料極側表面の耐高温酸化性を向上することにより、長時間使用しても発電セル間の電気電導性を良好に維持できる固体酸化物形燃料電池を提供することを目的としている。

すなわち、請求項１に記載の本発明は、固体電解質層の両面に燃料極層と酸化剤極層を配置し、これらの外側に金属セパレータを配置した平板積層型の固体酸化物形燃料電池において、前記金属セパレータの燃料極層側の面に隣接して前記金属セパレータより耐高温酸化性に優れる保護板を配置したことを特徴としている。

また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池において、前記保護板がＮｉまたはＣｕより成ることを特徴としている。

また、請求項３に記載の本発明は、請求項１または請求項２の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池において、前記保護板の厚さが０．０５〜１ｍｍであることを特徴としている。

また、請求項４に記載の本発明は、請求項１から請求項３までの何れかに記載の固体酸化物形燃料電において、前記金属セパレータは、Ｆｅ基合金の耐熱合金から成り、且つ、表面にＮｉメッキおよび／またはＡｇメッキが施されていることを特徴としている。

ここで、請求項１、請求項２の構成では、保護板を金属製セパレータの上に重ねるだけであるから、従来のメッキ層や溶射層のような金属結合による相互拡散は生じ難くなり、加えて、保護板を構成するＮｉおよびＣｕは耐高温酸化性に著しく優れるため、セパレータは高温、高湿の燃料極雰囲気から確実に保護され、長時間の使用にあって優れた電気電導性を維持できる。

また、請求項３の構成で、保護板の厚さを０．０５〜１ｍｍとしたのは、板厚が０．０５ｍｍ未満では、セパレータとの熱膨張差で保護板が波打ちしたり破れたりし易くなり、板厚が１ｍｍを超えると熱変形による反りの影響でセパレータとの間に隙間が生じ、その隙間部分に高温酸化皮膜が形成され易くなるためである。

また、請求項４の構成では、セパレータの表面にＮｉメッキおよび／またはＡｇメッキを施すことにより、上記した保護板の配設と合わせて、セパレータ自体の耐高温酸化性をより一層高めることができる。

以上説明したように、本発明によれば、平板積層型の固体酸化物形燃料電池において、金属セパレータの燃料極層側の面に隣接して金属セパレータより耐高温酸化性に優れるＮｉまたはＣｕで成る保護板を配置したので、金属セパレータは、この保護板によって燃料極雰囲気から確実に保護されて、高温酸化皮膜の成長が阻止されるため、セパレータは常に優れた電気電導性を維持することができ、その結果、長時間の使用にあっても性能低下のない高寿命の固体酸化物形燃料電池を実現できる。

また、金属セパレータ自体にＮｉメッキや銀メッキを施すことにより、それ自体の耐高温酸化性を高めることができるため、優れた電気電導性を確保する上で好ましい。

以下、図１、図２に基づいて本発明の実施形態を説明する。図１は本発明に係る燃料電池スタックの分解斜視図、図２は同、燃料電池スタックの要部断面図である。

図１、図２に示すように、燃料電池スタック１は、固体電解質層２の両面に燃料極層３と空気極層４（酸化剤極層４）を配して構成した発電セル５と、燃料極層３の外側の燃料極集電体６と、空気極層４の外側の空気極集電体７（酸化剤極集電体７）と、各集電体６、７の外側に配したセパレータ８を順番に積層した構造を有する。

燃料電池スタック１を構成するこれら各部材は従来と同様のものが使用でき、例えば、固体電解質層２は、イットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層３は、Ｎｉ、Ｃｏ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層４は、ＬａＭｎＯ₃、ＬａＣｏＯ₃等で構成され、燃料極集電体６は、Ｎｉ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体７は、Ａｇ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ８は、耐熱合金で構成されている。

上記セパレータ８は、発電セル５間を電気接続する機能を有することから、優れた電気電導性が要求されており、例えば、ＳＵＳ４３０等のＦｅ基合金が使用されており、且つ、発電セル５に対してガスを供給する機能を有するため、内部に、燃料ガスをセパレータ８の外周面から導入してセパレータ８の燃料極集電体６に対向する面のほぼ中央部の燃料ガス吐出口９から吐出させる燃料ガス通路１１と、酸化剤ガスをセパレータ８の外周面から導入してセパレータ８の空気極集電体７に対向する面のほぼ中央部の酸化剤ガス吐出口１０から吐出させる酸化剤ガス通路１２を有する構造と成されている。
但し、図１に示すように、両端のセパレータ８（８Ａ、８Ｂ）は、ガス通路１１、１２の何れか一方のみを有する。

そして、本実施形態の燃料電池スタック１は、各セパレータ８と燃料極集電体６の間にＮｉまたはＣｕによる薄い保護板２０が配設されている。
この保護板２０は、セパレータ８の上面を覆うように重ねられ、複数の発電セル５と共に積層されて、その両面がセパレータ８と燃料極集電体６に圧接された状態となっており、そのほぼ中央部にセパレータ８の燃料ガス吐出口９に連通する通孔２１を設け、セパレータ８の燃料ガス通路１１に導入された燃料ガスを、この通孔２１を介して燃料極集電体６側に導入できるようになっている。

このように、本発明は、保護板２０を単にセパレータ８面上に重ね合わせただけであるので、長時間の使用にあって、部分的にセパレータ８との固着が生じる場合もあるが、メッキ層や溶射層による金属保護膜のように、セパレータ８の全面に広範囲に亘って金属結合する心配はない。

従って、保護板２０とセパレータ８との間で燃料電池の寿命や性能に悪影響を及ぼす程の相互拡散は生じず、且つ、保護板２０を構成するＮｉおよびＣｕは、高温・高湿の燃料極雰囲気中で耐酸化性に著しく優れており、セパレータ８は保護板２０によって燃料極雰囲気から確実に保護され、高温酸化皮膜の成長が阻止されるため、セパレータ８は常に優れた電気電導性を維持することができる。
その結果、長時間の使用にあっても性能低下のない高寿命の固体酸化物形燃料電池を実現できる。

また、保護板２０は、薄すぎてセパレータ８との熱膨脹率差で波打ちしたり破れたりしないよう、且つ、厚すぎて熱変形による反りが発生しないよう、その板厚が０．０５〜１ｍｍに規定されている。
尚、保護板２０に波打や破れが生じると、セパレータ８が露出して高温酸化被膜が形成される虞れがあり、また、熱変形で反りが生じるとセパレータ８との間に隙間が生じ、その隙間部分に高温酸化皮膜が形成される虞れがある。従って、上記板厚の保護板２０を用いることが好ましく、且つ、Ｎｉ板やＣｕ板であれば、メッキ層に比べて安価に供給できるというメリットも有している。

また、セパレータ８自体にＮｉメッキと銀メッキ、或いは、Ｎｉメッキまたは銀メッキを施こしておくことにより、それ自体の耐高温酸化性を高めることができるため、より優れた電気電導性を確保する上で好ましい。

本発明に係る燃料電池スタックの分解斜視図。同、燃料電池スタックの要部断面図。

符号の説明

２固体電解質層
３燃料極層
４酸化剤極層
８金属セパレータ
２０保護板

Claims

固体電解質層の両面に燃料極層と酸化剤極層を配置し、これらの外側に金属セパレータを配置した平板積層型の固体酸化物形燃料電池において、
前記金属セパレータの燃料極層側の面に隣接して前記金属セパレータより耐高温酸化性に優れる保護板を配置したことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
前記保護板がＮｉまたはＣｕより成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。
前記保護板の厚さが０．０５〜１ｍｍであることを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。
前記金属セパレータは、Ｆｅ基合金の耐熱合金から成り、且つ、表面にＮｉメッキおよび／またはＡｇメッキが施されていることを特徴とする請求項１から請求項３までの何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。