JP4667685B2 - 平板型燃料電池スタック - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、固体電解質型燃料電池に関し、さらに詳しくは、隣接する燃料電池間に配置するガスセパレータ部材を含む平板型燃料電池スタックに関する。
【０００２】
（背景技術）
平板型燃料電池アセンブリにおけるガスセパレータの目的は、１個の燃料電池のカソード側に供給される酸素含有ガスを隣接する燃料電池のアノード側に供給される燃料ガスから隔離するとともに、燃料電池から発生する熱を燃料電池から放熱することにある。ガスセパレータは、燃料電池で発生した電気を燃料電池から伝導することもできるが、この機能は各燃料電池とガスセパレータの間の独立した部材が代わりに行うことができる。
【０００３】
燃料電池用ガスセパレータに使用される導電性の高度なセラミックスがいくつか開発されている。しかしながら、これらのセラミックスは、非常に脆い、熱伝導率が低い、そして高コストであるという問題を有している。特別の金属合金もいくつか開発されている。しかしながら、燃料電池の運転中に、燃料電池アセンブリーの種々の材料及びそれら材料間の界面が劣化あるいは変化するという問題、特に導電性に関する問題を回避することは困難であった。なぜなら、燃料電池の効率的な運転に必要な高温においては、異種の材料が化学的に反応し易くなるという問題があるからである。例えば、多くの金属性のガスセパレータは、他の特性のみならず耐酸化性を付与するためクロムを多く含有している。
【０００４】
微量以上のクロムが存在すると、固体電解質型燃料電池の一般的な運転条件下において、クロムは酸素あるいは酸素及び水分と結合して高揮発性の酸化物あるいはオキシ水酸化物を生成することが知られている。揮発性ガスはカソード−電解質の界面に引き寄せられ、そこで、燃料電池の効率に有害な化合物を形成する。このクロムの反応を抑制あるいは実質的に禁止することができなければ、燃料電池の性能は時間とともに低下し、最終的に使用不能となる。
【０００５】
これら金属合金のいくつか及びこの問題を低減するための提案が、われわれの特許出願ＷＯ９６／２８８５５号公報に開示されている。それには、酸化物表面層を有するクロム含有ガスセパレータが記載されている。その酸化物表面層は、クロムと反応して基板と酸化物表面層との間にスピネル層を形成し、クロム内で結合する。しかしながら、現在、燃料電池アセンブリーに実際に用いるには、これらの特別の合金は高価であり、別の低コストの材料が望ましい。
【０００６】
関係する雰囲気下において、高温でも安定ないくつかの特別のステンレス鋼が開発されている。しかし、通常それらは所望の耐酸化性を確保するためにかなりの量のクロムを含有しており、さらに、これら鋼から成るガスセパレータからクロムベースのガスが飛散するのを防止するために特別のコーティングや処理が必要である。耐熱性鋼のガスセパレータについての別のアプローチが、我々の特許出願ＷＯ９９／２５８９０号公報に記載されている。しかしながら、また、これら耐熱性鋼は特別の材料であり、大量に製造されなければコストは高いままである。さらに、耐熱性鋼の熱伝導率及び導電率は、他の多くの金属や合金と比べて低いという問題がある。例えば、ＷＯ９６／２８８５５号公報に記載のシーメンス−プランセ合金の４０〜５０Ｗ／ｍ．Ｋに対し、耐熱性鋼は２２〜２４Ｗ／ｍ．Ｋである。この差を補うためには、鋼のガスセパレータの厚さを大きくする必要があるが、そうすると燃料電池スタックの重量とコストが増大する。
【０００７】
我々は、驚くべきことに、銅系合金から成るガスセパレータが、アノードを損傷させることなく固体電解質型燃料電池アセンブリに好適に使用可能であることを見出したものである。本発明は、第１の態様において、固体電解質層、アノード層及びカソード層を有する燃料電池に用いるガスセパレータ部材であって、アノード面とカソード面とを有し、そのカソード面の上には耐酸化材料層を有する銅又は銅系合金の層を有する燃料電池用ガスセパレータ部材を提供する。
【０００８】
銅は、代表的な耐熱性鋼と比べ、約１４倍の大きな熱伝導率を有しており、そのため、銅の量が少なくても所望の熱伝導速度を得ることができる。例えば、所望の熱伝導速度を得るのに、耐熱性鋼を用いると４ｍｍの厚さが必要な場合でも、銅層を有する本発明のガスセパレータであれば約０．３ｍｍの厚さで良い。そのため、特別の耐熱性鋼に対し銅のコストを大きく下げることができるので、固体電解質型燃料電池スタックのコスト及び重量を低減することができる。
【０００９】
銅層の膜厚は、好ましくは０．２５〜１ｍｍ、より好ましくは０．４〜０．７ｍｍである。膜厚が０．３ｍｍ以下であると、通常の固体電解質型燃料電池の出力密度において所望の熱伝導率を得るのに必要な十分な嵩を得ることができない。しかし、出力密度が低い場合には、銅層の膜厚を小さくしても良く、例えば、０．１ｍｍ以下とすることができる。純粋な銅を用いる場合には、膜厚を０．７ｍｍより大きくする必要はない。しかし、銅は他の元素を最大５０重量％、好ましくは２０重量％含むように合金化することができる。その場合、所望の熱伝導率を得るために、１ｍｍより大きい膜厚、例えば、上限４ｍｍの膜厚が必要となる。合金化可能な元素には、Ａｌ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｆｅ、Ｂｅ、Ａｇ、Ａｕ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｐ、そしてＰｂを単独、あるいはそれら元素の２以上の組合せを用いることができる。
【００１０】
銅層の銅をアルミニウムと合金化する主要な利点は、高温で酸素含有ガスに曝された場合、例えば燃料電池用のガスセパレータに使用した場合、自動的にカソード面に耐酸化性材料層が形成されることにある。そこで、本発明の第２の態様においては、固体電解質層、アノード層及びカソード層から成る燃料電池に用いられるガスセパレータ部材であって、アルミニウム青銅から成る燃料電池用ガスセパレータ部材が提供される。
【００１１】
アルミニウム青銅は、少なくとも４重量％、より一般的には少なくとも５重量％のＡｌを含む。Ａｌ_２Ｏ_３から成る耐酸化層を形成するアルミニウム青銅の能力、すなわち、ガスセパレータ部材の耐酸化性は、Ａｌの含有量が４重量％より５重量％の方がはるかに大きい。しかし、アルミニウムの含有量をそれ以上増やしてもあまり効果はない。アルミニウム青銅は１４重量％あるいはそれ以上のＡｌを含むように製造されているが、一般的にＡｌは１０重量％以上で良い。公知の方法により、加工助剤、ＦｅやＳｎ等の他の添加剤、そしてアルミニウム青銅中の他の元素を包含させることができる。
【００１２】
アルミニウム青銅を空気雰囲気あるいは他の酸素含有ガス雰囲気で、少なくとも６５０℃、好ましくは少なくとも７５０℃で加熱して前処理し、ガスセパレータのカソード面の上にＡｌ_２Ｏ_３層を形成することができる。しかし、好ましくは、上述のように、耐酸化層をガスセパレータ部材を用いて形成することができる。
【００１３】
アルミニウム青銅は、純銅に比べてかなり熱伝導性が低い。そのため、ガスセパレータ部材として使用する場合には０．７ｍｍより厚くする必要があり、通常の出力密度で所望の熱伝導を得るには好ましくは上限２ｍｍの膜厚が必要である。
【００１４】
また、ガスセパレータのカソード面の上の耐酸化性材料層又はその層の前駆体を、銅又は銅系合金の層にコーティングすることができる。あるいは、その逆も可能である。耐酸化性材料層の第１の役割は、燃料電池のカソード面側の酸素含有ガスが銅又は銅系合金の層に到達するのを防止することにあり、厚い膜厚は不要であり、例えば、層のタイプにより、５０〜１０００ミクロン、好ましくは上限２００ミクロン、より好ましくは上限１００ミクロンの膜厚を用いることができる。耐酸化性材料層にはいかなる形状のものも使用することができる。例えば、銅又は銅系合金のカソード面の上に重ねた箔や、この場合酸素含有ガスの到達を防止するために例えばその箔で包む又はその箔を取付ける、あるいはコーティング層や、あるいは銅又は銅系合金の層をコーティングした基材を用いることもできる。銅又は銅系合金は、耐酸化性材料の基材層の上にスパッタリングあるいは他の適切なコーティング技術を用いてコーティングすることができる。箔あるいは基材の好ましい材料は耐熱性鋼である。耐熱性鋼自身がアルミナと一緒にカソード面にコーティングされても良く、あるいは、ガスセパレータとして使用する場合にクロム含有ガスの飛散及びカソードの劣化を防止する、自己アルミ化（self-aluminising）耐熱性鋼でも良い。自己アルミ化耐熱性鋼は、少なくとも４重量％のＡｌを含み、高温で酸化雰囲気に曝されるアルミナ表面層を形成する。
【００１５】
銅又は銅系合金の層が耐酸化性材料のコーティング層を有する場合、耐酸化性材料あるいはその前駆体を蒸着により又は公知のあらゆる方法によりコーティングすることができる。耐酸化材料層自身を所望の特性を有する多層とすることもできる。好ましいコーティング材料には、Ａｌ、Ａｌ_２Ｏ_３、そしてＺｒＯ_２が含まれる。
【００１６】
一実施の形態において、耐酸化性材料のコーティング膜は、銅又は銅系合金の層にアルミナコーティングを行ってあるいは引き続き酸化を行うアルミニウムコーティングを行って形成されたＡｌ_２Ｏ_３を含んでいる。アルミニウムは、燃焼メタライジング、低速又は高速の酸素−燃料プロセス、電気アークプロセス、プラズマフレームプロセス等の適切な金属噴霧法、他の蒸着法、あるいは電気メッキ法あるいは予熱浸漬法を用いて銅あるいは合金の表面に適用される。アルミニウムコーティング層は次いで酸化されてアルミナ層となる。しかし、ここで、アルミニウムをまず、銅あるいは銅系合金の層と反応させてその表面に拡散させることが好ましい。その条件は、高温で、好ましくはアルミニウムの融点以上の高温において、不活性ガス、還元雰囲気あるいは酸化雰囲気などの制御された雰囲気下である。銅あるいは銅系合金の層の表面に連続したＡｌ層が存在しなくなるまでアルミニウムを拡散させることが好ましい。しかし、露出する表面には少なくとも５重量％のＡｌが存在することが必要であり、その表面のＡｌは次に酸化されて連続したアルミナ層を形成する。
【００１７】
少なくとも７５０℃である固体電解質型燃料電池の作動温度において、銅はかなりの蒸気圧を有しているので、燃料電池のアノード層の活性表面を汚染する可能性がある。燃料ガスが水素の場合、このことは大きな問題ではなく、銅は燃料電池のアノード層に対して露出したままでも良い。しかし、通常アノード層はニッケル材料から成っており、燃料ガス中のメタンを水素に改質するための触媒としてアノードにはニッケルを用いることが提案されている。したがって、燃料ガスがメタンを含み、そしてアノード層がニッケルを含む場合、銅又は銅系合金の層から成るアノード面の上にも保護層を設ける必要がある。しかし、銅系合金層に上述のアルミニウム青銅を用いる場合にはその保護層は不要である。なぜなら、アルミナ層が銅の蒸気の飛散を防止するからである。
【００１８】
アノード面の上の保護層には、上述の耐熱性鋼やアルミナを用いることができる。そして、例えば、銅又は銅系合金の層を耐熱性鋼の箔で完全に包むことにより、銅又は合金の優れた熱伝導性のみを利用することができる。また、アノード面の上の耐熱性鋼の保護層は、上述のように５０〜１００μｍの膜厚を有することが好ましい。Ａｌ_２Ｏ_３保護層の膜厚は１〜３μｍが好ましいが、上述のように大きな膜厚を用いることもできる。
【００１９】
また、アノード面の上の保護層を多層で構成することもできる。一実施の形態において、Ｗ、Ｔａ、そしてＮｂのいずれか一つ、又はこれら金属の１種以上から成り銅に溶解しない合金から成る金属障壁層が銅又は銅系合金の層の上に形成され、次いで、Ａｇから成る中間層と、Ｎｉ、Ａｇ以外の貴金属又はこれら金属の合金から成る外側の障壁層とが形成される。金属障壁層は、銅の蒸気が飛散してＮｉ含有アノードを劣化させるのを防止する。しかし、Ｗ、Ｔａ、そしてＮｂは、固体電解質型燃料電池のかなり高い運転温度では燃料電池の燃料側の酸素分圧が非常に低い場合であっても酸化物に酸化される、及び/又は炭化水素あるいはＣＯ_２と反応して炭化物を生成する。そのため、これらを防止するためにＡｇ層が形成される。金属障壁層と外側の障壁層の金属あるいは金属群は、Ａｇとは反応しない。しかい、互いに反応するので、それを防止するためＡｇが設けられている。Ａｇは、メタンから好ましくないエタンへの改質を触媒する。したがってＡｇを外側の障壁層に用いることは好ましくない。外側の障壁層はこれを防止する。Ｃｒ系のガスセパレータの上の類似の保護層については、我々の特許出願ＷＯ９７/３５３４９号公報に記載されており、その内容は米国特許出願０９/１５５０６１号公報に基づくすべての米国特許の参照によりその内容が本願に盛り込まれている。
【００２０】
多層から成る保護層の各層の膜厚は、２〜３μｍが好ましい。しかし、１〜３０μｍでも適用可能である。３０μｍより大きいと、多層から成る保護層の１層あるいはそれ以上の層が使用時において、金属の熱膨張率の差により分離し易くなる。
【００２１】
さらに、本発明によれば、固体電解質層と、その電解質層の一方の面に形成されたアノード層と、その電解質層の他方の面に形成されたカソード層とを有する少なくとも２つ以上の燃料電池と、少なくとも２つの燃料電池の間に配置されたガスセパレータとを備え、ガスセパレータに上述の第１及び第２の態様において記載されたものを用いる燃料電池スタックが提供される。
【００２２】
本発明のガスセパレータは、対向面の上に形成されたガス溝を有する。しかし、例えば我々の特許出願ＷＯ９８/５７３８４号公報に記載された、メッシュ、あるいはガスセパレータの各面と隣接する電極との間に形成された構造体によりガスフロー経路を構成することが好ましい。その出願には、他の主題の中に、耐熱性鋼あるいは内部にマニホールドされている材料から形成されたガスセパレータプレート（そこではインターコネクタプレートとして呼ばれている）が記載されている。そのガスセパレータは本発明に適用するに際し、変更可能であり、ガスセパレータ部の厚さの一部を銅又は銅系合金に置き換えることができる。ガスセパレータ部の残りの厚さの部分は、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３の表面層を有する耐熱性鋼等の適当な材料で形成することにより耐酸化層として作用させることができる。また、耐酸化層を、対向面であり、かつ銅あるいは銅系合金の層の露出面の上に形成することにより、残りの厚さ部分をガスセパレータのアノード面として作用させることができる。この場合、ガスセパレータの残りの厚さ部分、そしてマニホールド部分を適当な材料で形成することができる。銅又は銅系合金の層を、鋳造するあるいはガスセパレータ部の残りの厚さ部分に係合させることができる。
【００２３】
また、本発明のガスセパレータ部材は、ＷＯ９８/５７３８４号公報に開示された内部にマニホールドされたガスセパレータプレートを貫通する開口部に挿入することができる。ＷＯ９８/５７３８４号公報及びそれに対応する米国出願０９/４４５７３５号公報は、参照により本願にその内容が盛り込まれている。
【００２４】
ガスセパレータは、燃料電池からの集電経路であって、高導電性の銅により付与された経路を提供することができる。しかし、ガスセパレータと各電極との間に配置された独立の導電部材を用いることが好ましい。特に、耐酸化性材料及び/又はすべての保護層をアルミナ等の絶縁性材料で形成する場合にはそれが好ましい。
【００２５】
本発明に係る燃料電池用ガスセパレータプレート及びそのプレートを備えた燃料電池アセンブリの種々の実施形態について、以下の図面を参照して説明する。
【００２６】
図１の拡大図で示された燃料電池アセンブリは、本発明に係るガスセパレータを用いた代表的な構造を示している。図から全体の構造は明らかであり、詳細については説明しない。アセンブリは平板型燃料電池１２から成り、さらに、その平板型燃料電池１２は、一方の面に積層一体化されたアノード層１６と対向する他方の面に積層一体化されたカソード層１８とを有する固体電解質の中央層１４から成っている。電解質層は公知のスクリーン印刷法により形成することができる。燃料電池は一対のガスセパレータ２０と２２により挟持され、使用時には、それぞれ、アノード１６とアノード１８とに対向して接触する。
【００２７】
図１中のガスセパレータ２０と２２は、底面２６を横切って延びる燃料ガス溝２４のアレイ及び上面３０を横切って延びる酸化剤ガスのフロー溝２８のアレイと同一である。図中、溝２４と２８は互いに直交して延びているが、並行でも良く、そして各ガスフローの方向はマニホールドの配置に応じて同じあるいは反対にすることができる。両面にガスフロー溝を設けることにより、ガスセパレータプレート２０と２２とを用いて燃料電池スタックを構成することができる。すなわち、１個の燃料電池１２をガスセパレータプレート２０の上に積層し、別の同じ燃料電池１２をガスセパレータプレート２２の下に積層する。さらに、別の同じガスセパレータプレートを別の燃料電池の反対面に接して配置し、これを繰り返して所望の数の燃料電池から成る燃料電池スタックを作製する。スタックの端部のガスセパレータプレートには、スタックの上面のガスセパレータプレートのガス溝２４とスタックの底面のガスセパレータプレートのガス溝２８について図示した通り、ガス溝のアレイが１種あればよい。したがって、１個の燃料電池１２から成る燃料電池アセンブリでは、ガスセパレータプレートには燃料電池と接する面のみにガス溝を設ければよい。これら端部のガスセパレータプレートは通常エンドプレートと呼ばれる。
【００２８】
ガスセパレータプレート２０と２２の片面あるいは両面に設けられたガス溝は、ガスセパレータプレートと各電極との間を分離する、例えばメッシュ等の独立したガスフロー用構造体で置き換えることができる。その配置の例は、我々の特許出願ＷＯ９８/５７３８４号公報に記載されている。
【００２９】
使用時には、ガス燃料及び酸化剤流は隔離しておく必要があり、そのために適当なマニホールド（図示せず）を設ける必要がある。図示の直交フロー配置においては、例えばセラミックス製の、円筒状あるいは他の形状の不活性なスリーブ（図示せず）により上記の燃料ガスフロー及び酸化剤ガスフローの隔離が好適に達成されている。すなわち、スリーブは燃料電池スタックの周囲に延在しており、その軸はガスフロー溝２４と２８に対して垂直であり、そして燃料電池１２の角部３２とガスセパレータプレートの角部３４とがスリーブの環状内表面に接して密封されている。燃料電池アセンブリは、外部負荷に燃料電池あるいは燃料電池スタックを接続するために、上部及び底部のエンドプレートの上に端子を設けることにより完成する。
【００３０】
既に述べたように、図１の燃料電池アセンブリ１０は公知であり、説明した実施の形態において、燃料電池１２は、イオン導電体としてＹ_２Ｏ_３ドープのＺｒＯ_２の固体電解質を含み、一方、電極１６と１８は少なくとも一次電子伝導体であり、アノード１６はＮｉ／ＺｒＯ_２サーメットを含み、カソード１８はストロンチウムをドープしたマンガン酸ランタン（ＬＳＭ）を含む。
【００３１】
変形例として、燃料電池１２を、例えば、前述の特許出願ＷＯ９８／５７３８４号公報に記載されているような、アノード層が一次負荷保持層である燃料電池で置換えることもできる。その出願に記載されている他の特徴、例えば、燃料電池のアノード側への圧縮負荷を低減する提案等は、使用のため本発明に適用することが可能である。
【００３２】
ガスセパレータプレート２０と２２は、アルミニウム青銅、あるいは銅又は他の適切な銅合金を用いて形成することができる。いずれの場合でも、燃料ガスがメタンを含む場合、使用時にはプレート２０と２２は、少なくとも銅プレートの場合、アノード面のみならずカソード面にもＡｌ_２Ｏ_３を有している。
【００３３】
図２を参照すると、ガスセパレータプレート２２は銅金属で形成され、その膜厚は約０．５ｍｍである。カソード面３０とアノード面２６のそれぞれの上には、膜厚約５０μｍの自己アルミ化鋼箔（耐熱性鋼）の層２９と３１とがそれぞれ設けられている。箔層２９と３１は全プレート２２を箔で包むように設けられており、面３０と２６に対して垂直な端面において重なった状態で結合している。使用時の酸化雰囲気において、アルミナ層は箔の外側表面を形成し、箔とプレート２２とを電気的に絶縁する。箔を使用する代わりに、プレートのカソード面に、電気絶縁性であり膜厚が約１００μｍであるアルミナの高密度層をコーティングすることもできる。箔を用いる場合と同様に、アルミナ層は、酸素含有ガス溝２８全体を含む、ガスセパレータプレート２２のカソード面３０を横切るように延在している。同様に、膜厚約２μｍのアルミナ層を、ガス溝２４全体を含むプレート２２のアノード面２６の上に設けることもできる。
【００３４】
燃料電池１２のカソード面から集電するため、厚さ約１００μｍのエキスパンドメタル銀メッシュ３６がカソード面３０の上に延在し、カソード層１８とガスセパレータプレート２２との間に挟持されている。メッシュ３６により溝２８からの酸素含有ガスはカソード層１８に接触することができる。メッシュは組立てられた燃料電池アセンブリの圧縮負荷の下で変形可能な十分に薄い厚さを有しており、カソード層１８及びガスセパレータプレートのカソード面３０における小さな表面の凹凸に適応することができる。これにより、カソード層１８との電気的接続を向上させることができる。
【００３５】
銀メッシュ３６は、メッシュに対向する端部で、外部回路につながる白金の集電ワイヤ３８と電気的に接続している。
【００３６】
アノード面２６の上には、ニッケルメッシュ（図示せず）が、ガスセパレータプレート２２と隣接する燃料電池のアノード層１６との間に配置されている。ニッケルメッシュは、外部電気回路と電気的に接続している。
【００３７】
図３を参照すると、ガスセパレータプレート１２２は、図２のガスセパレータプレート２２と同じ構造を有しているが、アルミニウム青銅で形成されている。使用時には、Ａｌ_２Ｏ_３層は少なくともプレート１２２のカソード面の上に生成する。カソード面の上の導電層１３６は、銀メッキされた高温ステンレス鋼から製造された織メッシュ形状である。このメッシュは、４つのわずかに隆起した接触部１３８とその角部で接触することにより、プレート１２２のカソード面と電気的に接続している。接触部１３８は導電性リベットの銀メッキヘッドであり、このリベットはプレート１２２の厚みを完全に貫通しており、それ故、プレートのカソード面の上に形成されたアルミナ層を貫通している。アノード側面１２６では、対向するリベットヘッド１４２は銀あるいは銀メッキあるいはニッケルあるいはニッケルメッキであり、これらによりニッケルあるいはニッケルメッキの導電性メッシュ１４４をプレート１２２のアノード側面に取付ける。図４に示した燃料電池の運転時においては、メッシュ１４４は燃料電池のアノード面に押し付けられており、これによりそのアノード面との電気的接触が確保されている。導電経路は、第１の燃料電池のカソード面からメッシュ１３６へと達し、次いで４つのリベットを介してガスセパレータプレート１２２を貫通してメッシュ１４４に達し、そこから第２の燃料電池のアノード面に達するように延在している。この接続経路がガスセパレータプレートの上の一層あるいは多層のアルミナ層の存在とは無関係である、ことが理解されるであろう。
【００３８】
リベットが貫通するコネクタプレート１２２内のリベットと孔との間の環状クリアランスの密封は、プレート１２２のカソード側面に固着されたリベットヘッド１３８により行うことができる。さらにあるいはその代わりに、リベットと孔との間のクリアランスを、ガスセパレータプレートの使用温度で粘性のあるガラスで密封することもできる。
【００３９】
（実施例）
固体電解質型燃料電池アセンブリのガスセパレータ材料として銅を用いることの可能性に関し、長期間にわたり試験を行い、銅によるニッケルアノードの汚染により燃料電池アセンブリの性能が実質的に低下するか否かを実証した。実施例のみにより得られた結果を図４に示す。
【００４０】
実施例において、４つの燃料電池アセンブリから成る１つのスタックは、実施例３を参照して実質的に記載された各燃料電池を用いて作製された。ただ、燃料電池のアノード面の上のニッケルメッシュの２つがそれぞれ銅メッシュで置換えられ、そして銀メッシュが白金メッシュで置換えられた点が相違する。しかし、銀メッシュは白金メッシュの代わりに用いることができる。各燃料電池は、イオン導電体としてＹ_２Ｏ_３ドープのＺｒＯ_２の固体電解質と、Ｎｉ／ＺｒＯ_２サーメットから成るアノードと、ストロンチウムをドープしたマンガン酸ランタン（ＬＳＭ）とから成るカソードとを含む。
【００４１】
隣接する燃料電池間及び２つの端部の燃料電池に隣接する各ガスセパレータは、自己アルミ化耐熱性鋼で形成されており、隣接する１個以上の燃料電池に対向可能に片面又は両面に形成されたガス溝を備えている。白金コネクタを備えた発金メッシュは、各燃料電池のカソードと隣接するガスセパレータとの間に配置される一方、２つの燃料電池のアノードの間にニッケルメッシュが配置され、そして銅メッシュを備えた隣接するガスセパレータは他の２つの燃料電池のアノードと隣接するガスセパレータとの間に配置されており、すべてのメッシュは隣接する電極と電気的に接触している。
【００４２】
燃料電池、ガスセパレータ、そしてメッシュの大きさはそれぞれ５０ｍｍ×５０ｍｍであり、銅メッシュは織メッシュ、ニッケル及び白金メッシュはエキスパンドメッシュである。ステンレス鋼のガスセパレータはすべて、アノード面及びカソード面の両面がアルミナコーティングされている。電流取出部は、図３を参照して記載したようにガスセパレータのスルーホールを通り抜ける、あるいは端部のガスセパレータ又は密封部の下のエンドプレートに溶接された白金ワイヤから成る。燃料電池アセンブリは、燃料ガスと酸素含有ガスの漏れを防止するためにマニホールドされ、９００℃、電流３Ａで、９．５％Ｈ_２Ｏを含有し加湿した水素を含む燃料ガスと、酸素含有ガスとして空気を用いて試験を行った。
【００４３】
電圧は一対のセル毎に測定した。ここで、一対のセルとは、銅アノード側の集電体を備えた２つのセルと、ニッケルアノード側の集電体を備えた２つのセルをいう。試験の間、窒素で希釈してすべての流速及びその他のパラメータを同じにするようにして、燃料利用率（Ｕｆ）を測定した。燃料利用率は、投入した燃料ガスのうち、どの程度が燃料電池スタックにより電気を作るのに利用されたかを示すものである。スタックの運転中、図４から以下の９つのフェイズが確認できた。
立上りフェイズ：〜４．５時間
フェイズ１：４．５〜２５時間。燃料利用率５．５％の連続運転。
フェイズ２：２５〜２６０時間。燃料利用率５．７％の連続運転。
フェイズ３：２６０〜２８５時間。加湿により燃料利用率を高める試み。
フェイズ４：２８５〜４５５時間。燃料利用率３３％で窒素による希釈。
フェイズ５：４５８〜４５９時間。燃料利用率５７及び４８％で窒素による希釈。
フェイズ６：４５８．８〜４７７．７時間。燃料利用率３８．６％で窒素による希釈。
フェイズ７：４７７．８〜９６３時間。フェイズ２と同じ条件。燃料利用率５．７％で連続運転。
フェイズ８：９６２〜１００９時間。フェイズ２と同じ条件。熱サイクル実験。フェイズ９：１０１０〜１０３１時間。フェイズ２と同じ条件。機械的負荷を除去。
運転停止フェーズ。
【００４４】
図４は、約１０００時間にわたり実質的に安定な出力電圧を示している。ここで、銅アノード側の集電体とニッケルアノード側の集電体との間の電圧の差は非常にわずかである。このことは、カソード面の上に耐酸化性コーティングを有する銅を燃料電池スタックのガスセパレータとして用いることができ、これにより、金属の優れた熱伝導性を付与できることを示している。水素を燃料ガスに用いると、他の処理あるいは銅の保護層は不要である。しかし、メタンが燃料ガスであり、かつニッケルがアノード材料である場合、銅のガスセパレータのアノード面の上には保護コーティングが必要である。また、ガスセパレータから銅の蒸気が飛散するのを防止するため他の手段が必要であり、例えば、アルミニウムとの合金化が挙げられる。例えばＢｅ等の合金可能な金属を用いても同様な効果を得ることができる。しかしながら、Ａｌの方がＢｅより好ましい。なぜなら、Ｂｅは高コストで、さらにその酸化物は非常に毒性が高いからである。
【００４５】
銅又は銅合金のシートの上の種々の保護コーティングについても試験を行い、燃料電池アノードに使用されているニッケルジルコニアのサーメット中のニッケルが銅の蒸気により汚染されるのをコーティングにより防止できるかどうかを検討した。
【００４６】
第１の試験では、タングステン、銀、そしてニッケルの３層から成る保護層を純銅シートに適用した。第２の試験では、タンタル、銀、そしてニッケルの３層から成る保護層を同様の純銅シートに適用した。各試験における３層それぞれの厚さは、２〜３ミクロンである。第３の試験では、同様の純銅シートを厚さ５０ミクロンの自己アルミ化耐熱性鋼の箔で包んだ。第４の試験では、シートを空気中で２時間酸化してアルミナ表面層を形成したアルミニウム青銅シートを用いた。
【００４７】
次に、これら保護シートをニッケルジルコニアのサーメットの基材の上に対向して載置し、銅又は銅合金シートの保護層とアノード材料との間を物理的に密着させるため荷重を加えた。次に、その構造体を、パージガスに４％Ｈ_２含有窒素を用い、９００℃で１週間加熱した。試験終了後、各構造体を冷却し、ニッケルジルコニアのサーメット基材についてニッケルが銅に汚染されているかどうか調べた。しかし、汚染は認められなかった。
【００４８】
当業者は、特別に記載したもの以外に、この中に記載した発明については変更例や変形例が可能であることを理解するであろう。本発明の精神及び範囲内に含まれるものであれば、そのような変更例や変形例はすべて本発明に含まれる。また、本発明には、明細書において個別的あるいは集合的に参照あるいは示されたすべての工程、特徴、組成、そして化合物、さらに、上記工程、特徴、組成、そして化合物の２以上のものの組合せが含まれる。
【００４９】
この明細書及び以下のクレームを通して、特に説明がなければ、「有する」という用語や、「含む」や「備える」等の変形は、示された要素又は工程あるいは示された要素群又は工程群を含むことを意味するものであり、他の要素又は工程あるいは他の要素群又は工程群を排除するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 燃料電池アセンブリの模式的な分解斜視図である。
【図２】 本発明に係る第１の実施形態の燃料電池アセンブリの模式的な部分側面分解図である。
【図３】 本発明に係る第２の実施形態の燃料電池アセンブリの分解図である。
【図４】 約１０３０時間にわたるセルの出力電圧の経過を示すプロットであり、図３に記載されたと同様の燃料電池アセンブリについてのものである。

Claims (25)

1. 少なくとも２つの平板型固体電解質型燃料電池を含み、各燃料電池は、固体電解質層と、該固体電解質層の一方の面に形成されたアノード層と、該固体電解質層の他方の面に形成されたカソード層と、少なくとも２つの燃料電池の間に配置されたガスセパレータ部材と、から成る平板型燃料電池スタックであって、
   該ガスセパレータ部材は、アノード面とカソード面とを有し、
   銅又は少なくとも５０質量％の銅を含む銅系合金の層と、その銅又は銅系合金の層のカソード面の耐酸化性材料層と、固体電解質型燃料電池スタックの運転温度においてガスセパレータ部材のアノード面からの銅の蒸気の飛散を防止する、その銅又は銅系合金の層のアノード側の保護層と、を有する平板型燃料電池スタック。
2. 上記ガスセパレータ部材の銅又は銅系合金の層は、０．１〜４ｍｍの膜厚を有する請求項１記載の平板型燃料電池スタック。
3. 上記ガスセパレータ部材の銅の層は、０．１ｍｍ〜１ｍｍの膜厚を有する請求項２記載の平板型燃料電池スタック。
4. 上記ガスセパレータ部材の銅系合金の層は、Ａｌ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｆｅ、Ｂｅ、Ａｇ、Ａｕ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｐ及びＰｂから成る群から選択された１以上の合金元素を最大で５０質量％含む請求項１又は２に記載の平板型燃料電池スタック。
5. 上記銅系合金の層は、上記の１以上の合金元素を最大で２０質量％含む請求項４記載の平板型燃料電池スタック。
6. 上記ガスセパレータ部材上の上記耐酸化性材料層は、５０〜１０００ミクロンの膜厚を有する請求項１から５のいずれか一つに記載の平板型燃料電池スタック。
7. 上記ガスセパレータ部材上の上記耐酸化性材料層は、上記の銅又は銅系合金の層に取付けられた箔、上記の銅又は銅系合金の層の上のコーティング層、そして表面に上記の銅又は銅系合金の層がコーティングされた基材から成る群から選択されたものから成る請求項１から６のいずれか一つに記載の平板型燃料電池スタック。
8. 上記ガスセパレータ部材上の上記耐酸化性材料層は、箔又は基材のいずれかであって、かつ耐熱性鋼から成る請求項７記載の平板型燃料電池スタック。
9. 上記耐熱性鋼は、カソード面の上にアルミナとともにコーティングされて成る請求項８記載の平板型燃料電池スタック。
10. 上記耐熱性鋼は、少なくとも４質量％のアルミニウムを含有し、かつ、少なくとも固体電解質型燃料電池スタックの運転温度で上記ガスセパレータ部材上にアルミナの表面層を形成してなる請求項８記載の平板型燃料電池スタック。
11. 上記ガスセパレータ部材の銅又は銅系合金の層は、カソード面の上に多層形成されて成り、耐酸化性材料層も同時に形成されて成る請求項７記載の平板型燃料電池スタック。
12. 上記ガスセパレータ部材の耐酸化性材料は、上記の銅又は銅系合金の層の上にアルミナコーティング膜として形成されたＡｌ_２Ｏ_３から成る請求項７記載の平板型燃料電池スタック。
13. 上記ガスセパレータ部材の耐酸化性材料は、上記の銅又は銅系合金の層の上にアルミニウムコーティング層として形成され続いて酸化されたＡｌ_２Ｏ_３から成る請求項７記載の平板型燃料電池スタック。
14. 上記アルミニウムコーティング層は、酸化される前に、その少なくとも一部が上記の銅又は銅系合金の層のカソード側の表面部分に拡散して成る請求項１３記載の平板型燃料電池スタック。
15. 上記ガスセパレータ部材の保護層が耐熱性鋼から成る請求項１から１４のいずれか一つに記載の平板型燃料電池スタック。
16. 上記ガスセパレータ部材の保護層の耐熱性鋼は、上記ガスセパレータ部材のアノード面上にアルミナからなる表面層を有する請求項１５記載の平板型燃料電池スタック。
17. 上記ガスセパレータ部材の保護層の耐熱性鋼は、少なくとも４質量％のアルミニウムを含んで成る請求項１６記載の平板型燃料電池スタック。
18. 上記ガスセパレータ部材の保護層の耐熱性鋼は、箔の形状を有する請求項１５から１７のいずれか一つに記載の平板型燃料電池スタック。
19. 上記ガスセパレータ部材の保護層は、アルミナコーティング層として上記の銅又は銅系合金の層の上にコーティングされたＡｌ_２Ｏ_３から成る請求項１から１４のいずれか一つに記載の平板型燃料電池スタック。
20. 上記ガスセパレータ部材の保護層は、上記の銅又は銅系合金の層の上にアルミニウムコーティング層として形成され続いて酸化されたＡｌ_２Ｏ_３から成る請求項１から１４のいずれか一つに記載の平板型燃料電池スタック。
21. 上記アルミニウムコーティング層は、その少なくとも一部が、酸化される前に、上記の銅又は銅系合金の層のアノード側の表面部分に拡散して成る請求項２０記載の平板型燃料電池スタック。
22. 上記ガスセパレータ部材の保護層は多層から成り、該多層は、
    上記の銅又は銅系合金の層の上に形成され、Ｗと、Ｔａと、Ｎｂと、そしてそれら金属の１種以上を含む合金とから成る群から選択され、上記の銅又は銅系合金からなる層に溶解しない材料から形成されて成る金属障壁層と、
    該金属障壁層の上に形成されたＡｇから成る中間層と、
    該中間層の上に形成され、Ｎｉと、Ａｇ以外の貴金属と、そしてＡｇ以外の貴金属とＮｉの内の１種以上から成る合金と、から成る群から選択された材料から成る障壁層とを有する請求項１から１４のいずれか一つに記載の平板型燃料電池スタック。
23. 上記ガスセパレータ部材の銅又は銅系合金の層はアルミニウム青銅から成り、上記耐酸化性材料層は上記アルミニウム青銅の上に形成されたアルミナから成り、上記保護層は上記アルミニウム青銅の上に形成されたアルミナから成る請求項１又は２に記載の平板型燃料電池スタック。
24. 上記ガスセパレータ部材のアルミニウム青銅は、少なくとも５質量％のＡｌを含む請求項２３記載の平板型燃料電池スタック。
25. 上記ガスセパレータ部材は、１〜４ｍｍの膜厚を有する請求項２３又は２４に記載の平板型燃料電池スタック。

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