JP5017777B2 - 燃料電池用セパレータ、セパレータの製造方法および固体酸化物形燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用のセパレータおよびその製造方法、並びに固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）に関するものである。

周知のように、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研究開発が進められている。この固体酸化物形燃料電池の構造には、円筒型、モノリス型および平板積層型の３種類が現在のところ提案されているが、これら構造のうち、低温作動型の固体酸化物形燃料電池には、平板積層型の構造が広く採用されている。

この平板積層型の固体酸化物形燃料電池においては、発電セルとセパレータとが、集電体を間に挟む状態で交互に積層されて燃料電池スタックが構成されている。

発電セルは、酸化物イオン伝導体からなる固体電解質層を空気極（カソード）層と燃料極（アノード）層との間に挟んだ積層構造を有する。この発電セルの空気極側には、酸化剤ガスとしての酸素（空気）が供給される一方、燃料極側には、燃料ガス（Ｈ₂、ＣＨ₄等）が供給されるようになっている。空気極と燃料極は、酸素および燃料ガスが固体電解質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。

一方、セパレータは、発電セル間を電気接続するとともに、発電セルに対して反応用のガスを供給する機能を有するもので、その外周部から燃料ガスを導入して燃料極層と対向する面から吐出させる燃料通路と、酸化剤ガスとしての空気を外周部から導入して空気極層と対向する面から吐出させる酸化剤通路とを備えている。このセパレータと発電セルの空気極との間には、Ａｇ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板等からなる空気極集電体が配置され、セパレータと発電セルの燃料極との間には、Ｎｉ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板等からなる燃料極集電体が配置されている。

上記構成からなる固体酸化物形燃料電池においては、セパレータおよび空気極集電体を介して発電セルの空気極側に供給された酸素が、空気極層内の気孔を通って固体電解質との界面近傍に到達し、この部分で、空気極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、燃料極の方向に向かって固体電解質内を拡散移動する。燃料極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反応生成物（Ｈ₂Ｏ等）を生じ、燃料極に電子を放出する。この電子を燃料極集電体により取り出すことによって電流が流れ、所定の起電力が得られる。

ところで、上記平板積層型の固体酸化物形燃料電池において、その作動温度が８００℃以下の低温に設定されている場合には、上記セパレータとして、ステンレス鋼製のセパレータが採用されることが多い。

しかしながら、上記ステンレス鋼製のセパレータを採用した燃料電池において、燃料ガスとしてメタンガス等の炭化水素化合物を用いると、改質反応により炭素や炭素酸化物が生成されて、それら生成物により、セパレータの燃料通路壁面など、燃料ガスに曝される部分が浸炭してセパレータが早期に劣化してしまうという問題点があった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、耐浸炭性に優れ、燃料ガスとしてメタンガス等の炭化水素化合物を用いる場合においても、浸炭による劣化を抑制することができる燃料電池用セパレータおよびその製造方法、並びに固体酸化物形燃料電池を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、溝孔が設けられた板状部材と、この板状部材を間に挟む複数の板状部材とを積層することにより、上記溝孔の開口が覆われて、反応用のガスを誘導する内部流路が形成される燃料電池用のセパレータであって、上記板状部材の母材として鉄基合金、ニッケル基合金、あるいはクロム基合金を用いるとともに、各々の当該板状部材の両面の少なくとも燃料ガスに曝される部分に銀または銀合金または銅または銅合金のメッキを施してなることを特徴とするものである。

請求項２に記載の発明は、溝孔が設けられた板状部材と、この板状部材を間に挟む複数の板状部材とを積層することにより、上記溝孔の開口が覆われて、反応用のガスを誘導する内部流路が形成される燃料電池用のセパレータであって、上記板状部材の母材として鉄基合金、ニッケル基合金、あるいはクロム基合金を用いるとともに、積層時に、これら複数の板状部材が互いに接する面の何れか一方の面の少なくとも燃料ガスに曝される部分に銀または銀合金または銅または銅合金のメッキを施してなることを特徴とするものである。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載のパレータの製造方法であって、上記板状部材の母材となる鉄基合金、ニッケル基合金、あるいはクロム基合金の両面または片面に銀または銀合金または銅または銅合金のメッキを施し、これをプレス加工することにより上記板状部材をそれぞれ成形し、その後、成形した板状部材を積層して、その積層面におけるメッキを軟化または溶融させることにより、それら板状部材を相互に接合して一体化するようにしたことを特徴とするものである。

請求項４に記載の発明は、請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料電池用のセパレータにおいて、上記内部流路の壁面については、銀または銀合金または銅または銅合金のメッキ処理に替えてその母材の表面にアルミニウムを拡散浸透させるアルミニウム拡散被膜処理を施して成ることを特徴とするものである。

請求項５に記載の発明は、発電セルとセパレータとを交互に積層してなる燃料電池スタックを有し、上記発電セルの各々に反応用のガスを供給して発電反応を生じさせる固体酸化物形燃料電池において、上記セパレータとして、請求項１または請求項２または請求項４の何れかに記載のセパレータを用いたことを特徴とするものである。

本発明によれば、セパレータの表面だけでなく、内部流路の壁面など、燃料ガスに曝される部分すべてに銀または銅または各々の合金のメッキが施された状態となるので、セパレータの耐浸炭性を大幅に向上させることができ、燃料ガスとしてメタンガス等を用いる場合においても、浸炭によるセパレータの劣化を抑制することができる。
また、各々の板状部材の両面または片面に銀または銅または各々の合金のメッキを施すようにしたので、セパレータを加熱して、板状部材の積層面における銀または銅のメッキを軟化または溶融させることにより、板状部材どうしを容易に接合することができ、セパレータの生産効率の向上を図ることができる。
また、特に、内部流路の壁面については、銀または銅または各々の合金のメッキ処理に替えてアルミニウム拡散被膜処理を施すようにしたので、セパレータの耐高温腐食性はより一層向上する。

図１は、本発明に係る固体酸化物形燃料電池の一実施形態を示すもので、図中符号１は燃料電池スタックである。この燃料電池スタック１は、図１に示すように、固体電解質層２の両面に燃料極層３及び空気極層４を配した発電セル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と、各集電体６、７の外側のセパレータ８（最上層及び最下層のものは端板９である）とを順番に積層した構造を持つ。この燃料電池スタック１では、発電セル５の外周部にガス漏れ防止シールを敢えて設けないシールレス構造を採用している。

ここで、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ている。

セパレータ８は、発電セル５間を電気的に接続するとともに、発電セル５に対して反応用のガスを供給する機能を有するもので、燃料ガスを燃料用マニホールド２１から導入して燃料極層３に対向する面から吐出させる内部流路１０ａと、酸化剤ガスとしての空気を酸化剤用マニホールド２２から導入して空気極層４に対向する面から吐出させる内部流路１０ｂとをそれぞれ備えている。

本実施形態のセパレータ８は、図２に示すように、略円盤状に形成された第１〜第３板状部材１１、１２、１３を積層することによって構成され、それら板状部材１１、１２、１３の母材としてステンレス鋼板（鉄基合金）が用いられるとともに、当該ステンレス鋼板の両面に銀または銅のメッキ（あるいは、銀合金または銅合金のメッキも可）が施されている。

第１板状部材１１には、その径方向の一端から中心部に至る螺旋状の第１溝孔１４と、径方向の他端から中心部に至る螺旋状の第２溝孔１５とが互いに交差しないように形成されている。これら第１および第２溝孔１４、１５は、板状部材の積層方向にそれぞれ開口した状態となっている。

第２板状部材１２には、第１溝孔１４の終端部１４ａと対応する位置に、上記積層方向に貫通する燃料ガス吐出口１６が設けられ、第３板状部材１３には、第２溝孔１５の終端部１５ａと対応する位置に、上記積層方向に貫通する酸化剤ガス吐出口１７が設けられている。

これら第１〜第３板状部材１１、１２、１３を積層した状態においては、第１および第２溝孔１４、１５の開口が、第２および第３板状部材１２、１３によって覆われることにより、燃料ガスおよび酸化剤ガスの内部流路１０ａ、１０ｂがそれぞれ形成されるとともに、それら内部流路１０ａ、１０ｂに連通する状態で燃料ガス吐出口１６および酸化剤ガス吐出口１７が、集電体６、７と隣接する両端面の中央部にそれぞれ形成されるようになっている。

上記セパレータ８を製造するには、先ず、ＳＵＳロールの両面に下地となるニッケルメッキを施した後、このニッケルメッキの上から銀または銅のメッキを施し、次いで、銀または銅のメッキが施されたＳＵＳロールをプレス装置に供給して、当該プレス装置での打抜き成形により溝孔１４、１５または燃料ガス吐出口１６、１７を有する略円盤状の第１〜第３板状部材１１、１２、１３をそれぞれ成形し、その後、成形した第１〜第３板状部材１１、１２、１３を積層して、加熱処理を行うことにより、積層面におけるメッキを、軟化または溶融させて、当該メッキにより板状部材１１、１２、１３を貼り合わせる。これにより、第１〜第３板状部材１１、１２、１３を一体化してなる上記セパレータ８を製造することができる。なお、上記製造方法では、銀または銅のメッキを施した後に、打抜き成形により第１〜第３板状部材１１、１２、１３を成形するようにしたが、例えば、打抜き成形の後に銀または銅のメッキを施すことも可能であり、そうすることで、溝孔の側壁面等に対しても上記メッキによる薄膜を形成することが可能である。また、上記製造方法では、ＳＵＳロールの両面に下地としてニッケルメッキを施すようにしたが、第１〜第３板状部材１１、１２、１３の表面に施すメッキとして銅を用いる場合には、あるいはニッケル基合金を母材として用いる場合には、下地となるニッケルメッキを省略することも可能である。また、上記製造方法では、上記第１〜第３板状部材１１、１２、１３の溝孔１４、１５やガス吐出口１６、１７の加工をプレス装置による打ち抜き成形にて行うようにしたが、これに限るものではなく、エッチングによる成形も勿論可能である。

なお、端板９の場合には、第１溝孔１４または第２溝孔１５が形成された板状部材と、この板状部材に形成された溝孔の一方の開口（上面開口または下面開口）を完全に閉塞する板状部材と、燃料ガス吐出口１６または酸化剤ガス吐出口１７が形成された板状部材とをそれぞれ積層することにより、上記セパレータ８と同様に、燃料ガスの内部流路１０ａまたは酸化剤ガスの内部流路１０ｂを形成することができる。

上記構成からなる固体酸化物形燃料電池においては、燃料用マニホールド２１からセパレータ８の内部流路１０ａに導入された燃料ガスが、セパレータ８の一方の端面の中心部に設けられたガス吐出口１６から、燃料極集電体６に向けて吐出されるとともに、酸化剤用マニホールド２２からセパレータ８の内部流路１０ｂに導入された酸化剤ガスとしての空気が、セパレータ８の他方の端面の中心部に設けられたガス吐出口１７から、空気極集電体７に向けて吐出される。その結果、燃料ガスおよび酸化剤ガスが、発電セル５の外周方向に拡散しながら燃料極層３および空気極層４の全面に良好な分布で行き渡り、各電極において発電反応が行われることとなる。

以上のように、本実施形態によれば、板状部材１１、１２、１３の母材としてステンレス鋼板（鉄基合金）を用い、当該ステンレス鋼板の両面に銀または銅のメッキを施したことにより、セパレータ８の表面だけでなく、内部流路１０ａ、１０ｂの壁面など、燃料ガスに曝される部分すべてが、銀または銅の薄膜により覆われた状態となるので、セパレータ８の耐浸炭性を大幅に向上させることができ、燃料ガスとしてメタンガス等を用いる場合においても、浸炭によるセパレータ８の劣化を抑制することができる。また、板状部材１１、１２、１３の両面に銀または銅のメッキを施すようにしたので、セパレータ８を加熱して、板状部材１１、１２、１３の積層面における銀または銅のメッキを軟化または溶融させることにより、板状部材１１、１２、１３どうしを容易に接合することができ、セパレータ８の生産効率の向上を図ることもできる。

また、上記実施形態では、積層する全ての板状部材１１、１２、１３の両面に銀または銅のメッキを施すようにしたが、例えば、一例として図３に示すように、積層時にこれら複数の板状部材１１、１２、１３が互いに接する面の何れか一方の面のみに銀または銅のメッキ層１８を形成するようにしても良い。尚、板状部材がこのような片面メッキ構造であっても、上記同様、セパレータ８を加熱してメッキ層１８を軟化または溶融させることにより板状部材同士の接合は可能である。係る方法によれば、板状部材１１、１２、１３のメッキ面積（すなわち、メッキ材の使用量）を少なくでき、コストダウンが図れる。

また、本実施形態において、特に反応用ガスに曝されている内部流路（すなわち、第１溝孔１４、第２溝孔１５、燃料ガス吐出口１６、酸化剤ガス吐出口１７）の壁面については、上記した銀または銅のメッキ処理に替え、その母材である鉄基合金の表面にアルミニウム拡散被膜処理を施すようにしても良い。このアルミニウム拡散被膜処理とは、母材表面にアルミニウムを拡散浸透させ、Ｆｅ−Ａｌ合金層を形成する金属表面処理のことで、例えば、母材をＦｅ−Ａｌ合金粉とＮＨ₄Ｃｌ粉より成る調合剤とともに鋼製の密閉ケース内に埋め込み、加熱処理することにより行われる。このＦｅ−Ａｌ合金層により、セパレータ８の耐高温酸化性、耐浸炭性をより一層向上することができる。
尚、アルミニウム拡散被膜処理は、上記したセパレータ８の製造過程において、第１〜第３の各板状部材１１、１２、１３を積層する前に各部材毎に行っても良く、あるいは、これら板状部材１１、１２、１３を積層・接合して内部流路を形成した後に行っても良い。

また、本実施形態においては、第１〜第３板状部材１１、１２、１３を積層することによってセパレータ８を形成するようにしたが、板状部材の積層数は３に限られるものではなく、４以上とすることも可能である。また、本実施形態では、第１および第２溝孔１４、１５を一つの板状部材にまとめて形成するようにしたが、異なる板状部材に別個に形成するようにしてもよい。また、本実施形態では、セパレータ８の中心部にガス吐出口１６、１７を一つ設ける構成としたが、例えば、内部流路１０ａ、１０ｂに沿って複数のガス吐出口１６、１７を設けて、それらガス吐出口１６、１７から反応用のガス（燃料ガス、酸化剤ガス）が、集電体６、７に向けてシャワー状に吐出するように構成することも可能である。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池の一実施形態を示す要部構成図である。 図１のセパレータを示す分解斜視図である。 板状部材のメッキ処理の一例を示す説明図である。

符号の説明

１ 燃料電池スタック
５ 発電セル
８ セパレータ
１０ａ、１０ｂ 内部流路
１１、１２、１３ 板状部材
１４、１５ 溝孔

Claims (5)

1. 溝孔が設けられた板状部材と、この板状部材を間に挟む複数の板状部材とを積層することにより、上記溝孔の開口が覆われて、反応用のガスを誘導する内部流路が形成される燃料電池用のセパレータであって、
   上記板状部材の母材として鉄基合金、ニッケル基合金、あるいはクロム基合金を用いるとともに、各々の当該板状部材の両面の少なくとも燃料ガスに曝される部分に銀または銀合金または銅または銅合金のメッキを施してなることを特徴とする燃料電池用のセパレータ。
2. 溝孔が設けられた板状部材と、この板状部材を間に挟む複数の板状部材とを積層することにより、上記溝孔の開口が覆われて、反応用のガスを誘導する内部流路が形成される燃料電池用のセパレータであって、
   上記板状部材の母材として鉄基合金、ニッケル基合金、あるいはクロム基合金を用いるとともに、積層時に、これら複数の板状部材が互いに接する面の何れか一方の面の少なくとも燃料ガスに曝される部分に銀または銀合金または銅または銅合金のメッキを施してなることを特徴とする燃料電池用のセパレータ。
3. 請求項１または請求項２に記載のセパレータの製造方法であって、
   上記板状部材の母材となる鉄基合金、ニッケル基合金、あるいはクロム基合金の両面または片面に銀または銀合金または銅または銅合金のメッキを施し、これをプレス加工することにより上記板状部材をそれぞれ成形し、その後、成形した板状部材を積層して、その積層面におけるメッキを軟化または溶融させることにより、それら板状部材を相互に接合して一体化するようにしたことを特徴とするセパレータの製造方法。
4. 上記内部流路の壁面については、銀または銀合金または銅または銅合金のメッキ処理に替えてその鉄基合金、ニッケル基合金、あるいはクロム基合金の母材の表面にアルミニウムを拡散浸透させるアルミニウム拡散被膜処理を施して成ることを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料電池用のセパレータ。
5. 発電セルとセパレータとを交互に積層してなる燃料電池スタックを有し、上記発電セルの各々に反応用のガスを供給して発電反応を生じさせる固体酸化物形燃料電池において、
   上記セパレータとして、請求項１または請求項２または請求項４の何れかに記載のセパレータを用いたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。

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