JP5236294B2 - 高温燃料電池用のインターコネクタ - Google Patents

Description

本発明は、高温燃料電池用のインターコネクタに関する。

燃料電池は、カソードと、電解質と、アノードとを備える。カソードには、酸化剤、例えば、空気が供給され、アノードには、燃料、例えば、水素が供給される。

様々な燃料電池タイプが公知であり、例えば、特許文献１からはＳＯＦＣ型燃料電池が、並びに特許文献２からはＰＥＭ型燃料電池が公知である。

ＳＯＦＣ型燃料電池は、それらの動作温度が最高１０００°Ｃとなる可能性があるので、高温燃料電池とも呼ばれる。高温燃料電池のカソードでは、酸化剤の存在下で酸素イオンが形成される。酸素イオンは、電解質を通して拡散し、アノード側で燃料から得られる水素と再結合して水になる。この再結合によって電子が放出され、このようにして電力が生み出される。

複数の燃料電池は、通常大きな電気出力を実現するために、インターコネクタとも呼ばれる接続部品によって互いに電気的及び機械的に接続される。インターコネクタを用いて、重なり合って積み上げられ、直列に電気接続された燃料電池が得られる。この構成は、燃料電池スタックと呼ばれる。燃料電池スタックは、インターコネクタと電極・電解質ユニットとから構成される。

インターコネクタは、電気的及び機械的な特性の他に、通常ガス配送構造も有する。この構造は、畝と溝によって実現される（特許文献３）。ガス配送構造の作用により、動作媒体は電極空間（電極が存在する空間）内に均一に分散される。

不利なことに、燃料電池及び燃料電池スタックでは、次の問題が起こる可能性がある。高いアルミニウム含有量を有する金属製のインターコネクタは、電気絶縁体のように不利に作用するＡｌ₂ Ｏ₃ カバー層を形成する。

温度負荷が周期的となる場合、一般的に個々の構成要素の互いの相対運動と関連して、動作時に使用される材料の膨張特性が異なる、或いは膨張係数が異なることから生じる熱応力が発生する。

これらに関して、従来技術では、例えば、金属製インターコネクタの比較的高い膨張係数と、膨張係数が比較的小さい現在公知の電極材料との間の十分な両立性は未だ得られていない。一方で、電極とインターコネクタとの間に熱応力が生じることがある。このことは、燃料電池の内部の破壊をもたらす可能性がある。しかも、このことは、他方で燃料電池に頻繁に使用される燃料電池の気密性を保証するガラス半田にも関係する。従来技術により公知のインターコネクタは、金属から製造され、それによって、優れた導電性が保証されている。しかし、金属性インターコネクタの欠点は、それが腐食に弱く、それによって燃料電池の寿命が短縮されることである。特に、フェライト系クロム鋼（例えば、２２％のクロムを有する鋼合金のクローファ（Ｃｒｏｆｅｒ）２２）の使用により、燃料電池のカソードに問題が起こっている。この材料は、高温の際には、導電性が十分である酸化クロム保護層を形成する。しかし、運転条件下において、この保護層からクロム成分が絶えず蒸発し、それにより、燃料電池のカソードの活性中心が非活性化されることとなる、所謂クロム被毒となる。このことは、燃料電池の出力を恒常的に低下させることを意味する。特許文献４から、酸化クロムを形成する合金から成る選択的に被覆されたインターコネクタが公知である。この合金は、ガス案内面の領域に、腐食効果を低減するとともに、電気絶縁体、例えば、薄いＡｌ₂ Ｏ₃ 層である保護層を備えている。その他の点では、このインターコネクタは、電極接触面において、導電性の上昇並びに蒸発速度の低下をもたらす混合酸化物層で覆われている。この混合酸化物層は、例えば、金属又は金属酸化物から成る薄い層を被着することによって実現され、この薄い層は、酸化物とガスの境界面でＣｒ及び／又はＣｒ₂ Ｏ₃ を高温使用する際に、（例えば、スピネル型の）混合酸化物を形成する。好適な金属又はその酸化物として、Ｃｒ₂ Ｏ₃ の物理特性を望ましい形で修正するＦｅ、Ｎｉ又はＣｏが提案されている。しかし、これらの層は、条件付きでしか安定しておらず、剥げ落ちたり、亀裂を形成する傾向がある。別の欠点は、これらの薄い層の製造方法が費用のかかることである。
ドイツ特許第４４３０９５８号明細書 ドイツ特許第１９５３１８５２号明細書 ドイツ特許第４４１０７１１号明細書 ドイツ特許第１９５４７６９９号明細書

以上のことから、本発明の課題は、耐酸化性であり、電極との境界面での導電性が優れており、揮発性の酸化クロム／水酸化クロムの蒸発速度が低い高温燃料電池用インターコネクタを提供することである。更に、ガラス半田と金属との間の接触によって生じる腐食は、可能な限り小さく保持されるべきである。更に、本発明の課題は、上述の特性を有するインターコネクタの簡単な製造方法を提供することである。熱応力に起因する問題、例えば、気密性の不足は排除されるべきである。

上記課題は、請求項１による高温燃料電池用インターコネクタによって解決される。この高温燃料電池は、相異なる材料の２つの構成要素（Ａ，Ｂ）から構成され、電極（２，３）と接触して、燃料電池を電気接続する役割を果たす構成要素（Ａ）が、酸化クロムを形成する高温合金から構成され、燃料電池を機械的に接続する構成要素（Ｂ）が、例えば、酸化クロムなどのクロム成分を蒸発させない耐腐食性で非導電性の高温材料から構成されるインターコネクタ（１）を特徴とする。構成要素（Ｂ）に適した材料は、例えば、酸化アルミニウム保護層を形成する鉄−クロム−アルミニウム合金とすることができる。この保護層によって、クロム成分の蒸発が防止される。しかし、この保護層は導電性でない。この理由から、導電性の構成要素（Ａ）は、例えば、酸化クロム形成物であるフェライト系クロム鋼から構成される。ここで、燃料電池スタックの大部分は、酸化アルミニウム形成物又はその他のクロム成分を含まない材料から構成されることとなるので、クロム被毒が著しく低減される。更に、ここで、ガラス半田が、酸化クロムを蒸発させない構成要素Ｂの材料とのみ接触することとなるので、従来の酸化クロムを形成する鋼とガラス半田の継目との間の接触によって生じていた腐食が防止される。

相異なる材料の間の熱応力を可能な限り小さく維持するために、高温燃料電池の動作温度において同様の熱膨張係数を有する材料を選択することが有利である。即ち、例えば、構成要素Ａ用のクローファ２２と構成要素Ｂ用のアルクロム（Ａｌｕｃｈｒｏｍ）との組み合わせか、さもなければ材料番号１．４７４２の鉄とアルクロムとの組み合わせが有利な実施形態である。

この装置の有利な実施形態では、構成要素Ａは、形状に変化を持たせた圧延板から構成される。このことにより、さもなければ１つの構成要素から製造されたインターコネクタの場合に通常行われるガス配送構造を形成するための切削方法が不要となるので、この構成要素の製造が容易となる。

この装置の別の有利な実施形態では、構成要素Ｂは薄板から構成される。このような実施形態により、この構成要素の製造が容易となる。構成要素Ａのための骨格を形成する構成要素Ｂは、例えば、構成要素Ａに必要な切欠き部を板から打ち抜きする形で製造することができる。

この装置の有利な実施形態は、両方の構成要素ＡとＢとの間の熱応力を低減するために、構成要素ＡとＢを、例えば、０．０５〜０．２ｍｍの厚さの薄板で接続するものと規定する。そのために、構成要素ＡとＢとの間に、例えば、２〜１０ｍｍの間隙を設けることができ、この間隙は、薄板で覆って、溶接又は高温鑞付けを用いて、それぞれ構成要素Ａ及び構成要素Ｂと気密に接続される。

更に、この課題は、本発明によるインターコネクタを製造するための方法によって解決される。

以下において、特に、実施例の記述にもとづき、添付図面を参照して、本発明を説明する。

図１は、本発明によるインターコネクタ１によって互いに接続された、それぞれアノード２、カソード４及び電解質３から構成される４つの燃料電池５の横断面を模式的に図示している。インターコネクタ１は、相異なる材料の２つの構成要素ＡとＢから製造される。インターコネクタは、ガスの通路６及び畝７を有する。構成要素Ａは、畝７とインターコネクタの壁面部８の両方を有する。燃料電池内部の導電性を確保し、かつ次の燃料電池のカソード４及びアノード２とそれぞれ接触する構成要素Ａは、例えば、酸化クロムを形成する合金又はその他の導電性の変形可能な材料から製造される。それは、例えば、クローファ２２などのフェライト系クロム鋼、或いは銀、プラチナ、金又はパラジウムなどの貴金属とすることができる。

個々の燃料電池５を互いに機械的に接続して、構成要素Ａ用の骨格を形成する構成要素Ｂは、例えば、セラミックなどの電気絶縁材料又は酸化アルミニウムを形成するフェライト系合金から製造される。それは、例えば、約２０％のクロムの他に、更に２〜５％のアルミニウムを含むアルクロムとすることができる。このアルミニウム素材は、緊密な酸化アルミニウム保護層を形成し、その結果、クロム成分の蒸発が回避される。アノード２とインターコネクタ１との間に、相対運動を緩和するために、弾性手段を配置することができる。それは、例えば、弾力的なニッケル製ネット９とすることができる。燃料電池５とインターコネクタ１との間の継目を気密にシールするために、例えば、ガラス半田１０などのガラス製セラミックが使用される。

本発明によるインターコネクタ１によって互いに接続された燃料電池のスタックの横断面の模式図

Claims (8)

1. 高温燃料電池用のインターコネクタにおいて、
   この高温燃料電池では、インターコネクタ（１）を用いて、それぞれアノード（２）、カソード（４）及び電解質（３）から成る複数の燃料電池ユニット（５）が重なり合って積み上げられて、直列に電気接続されており、
   インターコネクタ（１）は、相異なる材料の２つの構成要素（Ａ，Ｂ）から構成され、アノード（２）及びカソード（４）と接触して、燃料電池ユニット（５）を電気接続する役割を果たす構成要素（Ａ）が、酸化クロムを形成する高温合金から構成され、構成要素（Ａ）と接触しない燃料電池ユニット（５）の部分を機械的に接続して、構成要素（Ａ）を収容する骨格を形成する構成要素（Ｂ）が、それ自身からクロム成分を蒸発させない耐腐食性で非導電性の高温材料から構成されることと、
   構成要素（Ａ）と構成要素（Ｂ）が、それらの間に設けられた間隙を薄板で覆われることによって、互いに接続されることと、
   を特徴とするインターコネクタ。
2. 構成要素（Ａ）が、フェライト系クロム鋼から構成され、構成要素（Ｂ）が、鉄−クロム−アルミニウム合金から構成されることを特徴とする請求項１に記載のインターコネクタ。
3. 構成要素（Ａ）が、クローファ２２から構成され、構成要素（Ｂ）が、２０％のクロムと２〜５％のアルミニウムを主成分とするアルクロムから構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のインターコネクタ。
4. 構成要素（Ａ）が、形状に変化を持たせた圧延板であることを特徴とする請求項１から３までのいずれか一つに記載のインターコネクタ。
5. 構成要素（Ｂ）が、薄板から構成されることを特徴とする請求項１から４までのいずれか一つに記載のインターコネクタ。
6. 高温燃料電池用のインターコネクタを製造するための方法において、
   この高温燃料電池では、インターコネクタ（１）を用いて、それぞれアノード（２）、カソード（４）及び電解質（３）から成る複数の燃料電池ユニット（５）が重なり合って積み上げられて、直列に電気接続されており、
   インターコネクタ（１）は、２つの構成要素（Ａ，Ｂ）から製造され、アノード（２）及びカソード（４）と接触して、燃料電池ユニット（５）を電気接続する役割を果たす構成要素（Ａ）が、酸化クロムを形成する高温合金から製造され、構成要素（Ａ）と接触しない燃料電池ユニット（５）の部分を機械的に接続して、構成要素（Ａ）を収容する骨格を形成する構成要素（Ｂ）が、それ自身からクロム成分を蒸発させない耐腐食性で非導電性の高温材料から製造されることと、
   構成要素（Ａ）と構成要素（Ｂ）が、それらの間に設けられた間隙を薄板で覆われることによって、互いに接続されることと、
   を特徴とする方法。
7. 構成要素（Ａ）が、形状に変化を持たせた圧延板から製造されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 構成要素（Ｂ）が、薄板から製造されることを特徴とする請求項６又は７に記載の方法。

Images