JP5396967B2

JP5396967B2 - 固体酸化物形燃料電池

Info

Publication number: JP5396967B2
Application number: JP2009083264A
Authority: JP
Inventors: 順秋草
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2009-03-30
Filing date: 2009-03-30
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2029-03-30
Also published as: JP2010238438A

Description

本発明は、固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層を配置した発電セルを備える固体酸化物形燃料電池に関し、特に、セパレータの電気抵抗の増加を防ぐことにより、セル電圧の低下の抑制を図った固体酸化物形燃料電池に関するものである。

近年、燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する固体酸化物形燃料電池が高効率でクリーンな発電装置として注目されている。この固体酸化形燃料電池は、固体電解質層の両面に燃料極層（アノード）と空気極層（カソード）を配置して成る発電セルの外側に燃料極集電体と空気極集電体を配置し、これらの集電体の外側にセパレータを配置した単セルを複数積層することによりスタック化されている。

上記固体酸化形燃料電池では、反応用ガスとして空気極層側に酸化剤ガスが供給され、燃料極層側に燃料ガスが供給されることにより発電反応が生じる。このため、空気極集電体と燃料極集電体は、反応ガスが空気極層と燃料極層との界面に到達することができるように、いずれも多孔質の層で形成されている。

そして、発電セル内において、空気極層側に供給された酸素は、空気極集電体内の気孔を通って空気極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、燃料極層に向かって固体電解質層内を拡散移動し、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反応生成物（Ｈ₂Ｏ、ＣＯ₂等）を生じ、燃料極層に電子を放出する。電極反応で生じた電子は、別ルートの外部負荷にて電力として取り出すことができる。

図４は、従来の平板積層型の固体酸化物形燃料電池を示しており、固体電解質層２の両面に燃料極層３と空気極層４を配した発電セル５と、燃料極層３の外側に配した燃料極集電体６と、空気極層４の外側に配した空気極集電体７と、各集電体６、７の外側に配したセパレータ８によって単セル１０が構成されている。そして単セル１０は複数積層されるとともに、その上下端部にフランジ１３を配して周縁部をボルト１４にて締め付けられ、その締め付け荷重によって各構成要素が一体的に密着して構成されることにより燃料電池スタック１が形成されている。

ここで、固体電解質層２は、酸化物イオンの移動媒体であると同時に、燃料ガスと空気を直接接触させないための隔壁としても機能するので、ガス不透過性の撤密な構造となっている。この固体電解質層２は、酸化物イオン伝導性が高く、空気極層３側の酸化性雰囲気から燃料極層４側の還元性雰囲気までの条件下において化学的に安定で、熱衝撃に強い材料から構成する必要があり、かかる要件を満たす材料として、イットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）で構成されている。

一方、電極である空気極（カソード）層３と燃料極（アノード）層４はいずれも電子伝導性の高い材料から構成する必要がある。空気極層３の材料は、７００℃前後の高温の酸化性雰囲気中で化学的に安定でなければならないため、金属は不適当であり、電子伝導性を持つＬａＭｎＯ₃もしくはＬａＣｏＯ₃、または、これらのＬａの一部をＳｒ、Ｃａ等に置換した固溶体（ＬＳＭ、ＬＳＣ，ＳＳＣ等）で構成されている。また、燃料極層４の材料は、Ｎｉ、Ｃｏなどの金属、或いはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺなどのサーメットで構成されている。

また、燃料極集電体７は、ニッケル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６は、銀基合金等の同じくスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成されている。スポンジ状多孔質焼結金属板は、集電機能、ガス透過機能、均一ガス拡散機能、クッション機能、熱膨脹差吸収機能等を兼ね備えるので、多機能の集電体材料として適している。

そして、中温作動型の固体酸化物形燃料電池は、発電の際に、作動温度が６５０℃〜８００℃程度になることが知られている。

そのため、セパレータ８は、伝導性を有するとともに、６５０℃〜８００℃程度の温度で溶融することのないクロムを１８重量％の割合で含むＳＵＳ４３０ステンレス鋼等の金属材料により構成されている。

加えて、セパレータ８は、発電セル５間を電気接続すると共に、発電セル５に対してガスを供給する機能を有するもので、燃料ガスをセパレータ外周面から導入して燃料ガス供給路１１を介してセパレータ８の燃料極層４に対向する面から吐出させる燃料ガス吐出孔（反応ガス吐出孔）１７と、酸化剤ガスをセパレータ外周面から導入して酸化剤ガス供給路１２を介してセパレータ８の空気極層３に対向する面から吐出させる酸化剤ガス吐出孔（反応ガス吐出孔）１８とをそれぞれ有している。

このような平板型の固体酸化物形燃料電池の従来技術として、特許文献１に示されるものが知られている。

しかしながら、ＳＵＳ４３０ステンレス鋼により構成されたセパレータ８は、６５０℃〜８００℃程度の高温になると、表面が酸化して酸化被膜を形成するために、セパレータ８の電気抵抗が増加して、セル電圧が低下するという欠点がある。

このため、特許文献２に示すように、セパレータ８の表面に、高温時に良好な導電性を有すると共に、耐酸化性を有する銀めっきを成膜することにより、セパレータ８の表面の酸化被膜の形成を防止し、セル電圧の低下を抑制するものが提案されている。

特開２００３−７３１６号公報特開２００２−２０３５８８号公報

しかしながら、特許文献２に記載の発明にあっては、上記セパレータの表面に銀めっきを施しているため、耐酸化性を有するが、高温雰囲気下で１万時間を越える長期運転を行なうと、酸化雰囲気下で銀めっきが僅かに酸素を透過し、セパレータ表面に酸化被膜が生成され、そのためにさらに数万時間の長期運転を行なうと、セパレータ表面に酸化被膜が厚く形成されてしまい、その結果、セパレータの電気抵抗が増加し、セル電圧が低下してしまうという問題点があった。また、銀めっきすると、コストが高くなるという問題もあった。

本発明は、上記従来技術の問題点を解決すべくなされたもので、セパレータの電気抵抗の増加を防止することにより、セル電圧の低下を抑制することが可能であり、しかも、低コスト化が図れる上に、ガス漏れを起こしにくい固体酸化物形燃料電池を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層を配置して発電セルを構成し、この発電セルの外側に燃料極集電体と空気極集電体を配置し、これらの集電体の外側にセパレータを配置して単セルを構成すると共に、上記セパレータの上記燃料極層及び空気極層に対向する各面に反応ガスを吐出するための反応ガス吐出孔を形成し、当該セパレータの上記反応ガス吐出孔より上記集電体を介して燃料極層及び空気極層に反応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、上記セパレータは、クロムを２０重量％〜２４重量％の割合で含むフェライト系合金よりなる空気極側金属層と、ニッケルまたはニッケル基合金よりなる燃料極側金属層と、上記空気極側金属層と上記燃料極側金属層との間に位置したクロムを１３重量％〜１８重量％の割合で含むフェライト系またはオーステナイト系ステンレスよりなる中間金属層と、の３層の金属層を積層して接合した積層接合体として構成されており、上記空気極側金属層及び燃料極側金属層にそれぞれ上記反応ガス吐出孔が設けられると共に、上記中間金属層にセパレータから上記各反応ガス吐出孔に繋がる反応ガス供給路がそれぞれ形成されていることを特徴とするものである。

請求項２の発明は、上記セパレータと上記空気極集電体との間に、高温時に導電性を有し、且つ上記セパレータの空気極側金属層の反応ガス吐出孔と対向する位置に反応ガス供給孔が形成された金属板が設けられていることを特徴とするものである。

請求項１に記載の発明によれば、セパレータを３層構造の積層接合体として構成し、クロムを１３重量％〜１８重量％の低い割合で含むフェライト系またはオーステナイト系ステンレスを中間金属層とし、その空気極層側にクロムを２０重量％〜２４重量％の高い割合で含むフェライト系合金よりなる空気極側金属層を設けると共に、その燃料極層側にニッケルまたはニッケル基合金よりなる燃料極側金属層を設けているので、従来のようにＳＵＳ４３０ステンレス鋼の空気極層側の表面に銀めっきを施したセパレータを用いるのと比べて、セパレータの電気抵抗の増加を防止することができ、セル電圧の低下を抑制することが可能である。以下、その点を詳述する。

まず、クロムを２０重量％〜２４重量％の高い割合で含むフェライト系合金よりなる空気極側金属層は、高温耐酸性を発揮できる上、高温での高い電気伝導性を発揮することができる。即ち、高温時、空気極層側のセパレータの表面（空気極側金属層の表面）には、該表面が酸化剤ガスにより酸化されることにより、ＣｒＯ、Ｃｒ₂Ｏ₂が組み合わさった２価を含むＣｒ₃Ｏ₄からなる酸化被膜が形成される。一般的に、クロムの酸化物は導電性を有するために、上記セパレータの表面（空気極側金属層の表面）に酸化被膜が形成されても、電気抵抗は増加せず、セル電圧の低下を防止することが可能である。このように、セパレータの空気極層側の表面は、高温酸化雰囲気においても、安定した電気導電性を維持することが可能であり、長期の耐久試験において安定的な動作を保証することができる。

また、ニッケルまたはニッケル基合金よりなる燃料極側金属層は、還元雰囲気における水蒸気酸化防止に高い効果を発揮することができるので、こちら側の層も、安定した電気導電性を維持することが可能であり、長期の耐久試験において安定的な動作を保証することができる。また、中間金属層には、クロムを１３重量％〜１８重量％の低い割合で含むフェライト系またはオーステナイト系ステンレスを使用しているので、良好な加工性の提供とコストの抑制を図ることができる。

また、中間金属層と空気極側金属層と燃料極側金属層の金属種類を異ならせているので、高温真空下での拡散接合や熱圧着が可能であり、各金属の薄板を用意し、それらを積層して接合することにより、複雑な経路の内部流路を含むセパレータを一体ものとして容易に作成することができる。また、層間の接合も強固にできるため、内部流路からのガス漏れも有効に防止することができる。

ちなみに、例えば、クロムを２０重量％〜２４重量％の高い割合で含むフェライト系合金でセパレータ全体を構成した場合は、コストが高くなるばかりでなく、薄板を積層接合して内部流路を形成した際に、ガス漏れの問題を発生する可能性がある。つまり、セパレータには複雑な経路の内部通路を形成する必要性があることから、薄板を積層して接合する作製方法が一般に採用されるが、クロムを２０重量％〜２４重量％の高い割合で含むフェライト系合金の薄板同士を接合しようとした場合、高温での拡散接合や熱圧着が容易にできないために、結果的に接合不良を生じることになり、それによって使用時にガス漏れを発生するおそれがある。接合不良が起こる理由の一つとしては、高温真空中で極微量の酸素と合金中のクロムが反応し、表面にクロミア層が容易に生成されてしまい、そのクロミア層が接合を阻害するためであると考えられる。

ところが、請求項１の発明では、空気極側金属層だけを、クロムを２０重量％〜２４重量％の高い割合で含むフェライト系合金で構成し、その下層はクロムの含有割合の少ないステンレスで構成しているので、薄板同士の接合も信頼性高く容易に行うことができ、ガス漏れのおそれも低減することができる。

また、例えば、セパレータ全体がクロムを２０重量％〜２４重量％の高い割合で含むフェライト系合金で構成されている場合は、内部のガス流路が全てクロム２０重量％〜２４重量％を含むフェライト系合金で囲まれることになるために、酸化剤ガスがこの流路を通った際に、フェライト合金よりクロムが蒸発して、大量のクロムが、流通する酸化剤ガス中に含まれることになり、その酸化剤ガスが発電セルの空気極層に向けて吐出された際に、空気極層の表面にクロムが堆積して、クロム被毒が発生する。クロムの堆積量が増加して、クロム被毒が生じると、空気極層表面での電気抵抗が増加し、抵抗過電圧が上昇し、セル電圧が低下するおそれがある。

その点、請求項１の発明では、セパレータの内部流路のほとんどを、クロムの含有割合の少ないステンレスの中間金属層に形成しているので、流通する酸化剤ガス中へのクロムの蒸発を最小限に抑えることができる。そのため、蒸発したクロムが空気極層側に堆積してクロム酸化物を生成し、そのために空気極層の導電性が低下するクロム被毒を抑制することができ、発電性能を低下させてしまう不具合を低減することができる。

また、請求項２の発明によれば、上記セパレータと上記空気極集電体との間に、高温時に導電性を有するとともに、耐酸化性を有する金属板を設けているために、上記セパレータと上記空気極集電体との間に、酸化剤ガスが入り込まないので、高温時に空気極層側の上記セパレータの表面に酸化被膜が形成されなくなる。

また、仮に隙間が生じる等により、酸化剤ガス吐出孔より供給された酸化剤ガスが上記セパレータの表面に到達し酸化被膜が形成されて、酸化被膜の表面よりクロムが蒸発しても、上記金属板によりクロムが遮蔽されて、遮蔽されたクロムが、酸化剤ガスとともに単セル外に排出されるために、空気極層にクロムが堆積することが無くなり、上記空気極層の抵抗過電圧の上昇を防止することができる。この結果、単セルのセル電圧の低下を防ぐことができるため、発電性能を維持することが可能となる。

さらに、上記金属板にガス供給孔を形成しているために、上記セパレータと上記空気極集電体との間に上記金属板を設けても酸化剤ガス吐出孔から供給される酸化剤ガスを空気極層の界面まで確実に供給することができるので、発電効率が低下することがない。

本発明の実施形態の燃料電池の原理構成を示す分解図である。同燃料電池におけるセパレータの平面図である。（ａ）〜（ｄ）は、同セパレータの層構成の例を示す模式断面図である。従来の燃料電池スタックの構成図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１に示すように、本実施形態の固体酸化物形燃料電池は、固体電解質層２の両面に燃料極層３と空気極層４を配置して発電セル５を構成し、この発電セル５の外側に燃料極集電体６と空気極集電体７を配置し、これらの集電体６、７の外側にセパレータ２０を配置して単セルを構成すると共に、セパレータ２０の燃料極層６及び空気極層７に対向する各面に燃料ガスＡ及び酸化剤ガス（空気）Ｂを吐出するための燃料ガス吐出孔３２及び酸化剤ガス吐出孔４２（反応ガス吐出孔）を形成し、セパレータ２０の燃料ガス吐出孔３２及び酸化剤ガス吐出孔４２よりそれぞれ燃料極集電体６及び空気極集電体７を介して燃料極層３及び空気極層４に燃料ガスＡ及び酸化剤ガスＢ（反応ガス）を供給して発電反応を生じさせるものであり、セパレータ２０に次の特徴を有するものを採用している。

即ち、このセパレータ２０は、クロムを２０重量％〜２４重量％の割合で含むフェライト系合金よりなる空気極側金属層２２と、ニッケルまたはニッケル基合金よりなる燃料極側金属層２１と、空気極側金属層２２と燃料極側金属層２１との間に位置したクロムを１３重量％〜１８重量％の割合で含むフェライト系またはオーステナイト系ステンレスよりなる中間金属層２５と、の３層の金属層を積層し接合した積層接合体として構成されている。そして、図２にも示すように、空気極側金属層２２及び燃料極側金属層２１にそれぞれ酸化剤ガス吐出孔４２及び燃料ガス吐出孔３２が設けられると共に、中間金属層２５に、セパレータ２０の外周部から酸化剤ガス吐出孔４２及び燃料ガス吐出孔３２にそれぞれ繋がる酸化剤ガス供給路４１及び燃料ガス供給路３１がそれぞれ形成されている。

また、セパレータ２０と空気極集電体７との間には、高温時に導電性を有し、且つセパレータ２０の空気極側金属層２２の酸化剤ガス吐出孔４２と対向する位置に反応ガス供給孔１３が形成された金属板１２が設けられており、この金属板１２が、クロムを２０重量％〜２４重量％の割合で含むフェライト系合金の結晶構造と固溶することのない金属により形成されている。

このように、セパレータ２０を、クロムを１３重量％〜１８重量％の低い割合で含むフェライト系またはオーステナイト系ステンレスを中間金属層２５とし、その空気極層側にクロムを２０重量％〜２４重量％の高い割合で含むフェライト系合金よりなる空気極側金属層２２を設けると共に、その燃料極層側にニッケルまたはニッケル基合金よりなる燃料極側金属層２１を設けた３層の積層接合体として構成しているので、従来のようにＳＵＳ４３０ステンレス鋼の空気極層側の表面に銀めっきを施したセパレータを用いるのと比べて、セパレータ２０の電気抵抗の増加を防止することができ、セル電圧の低下を抑制することが可能である。

その点を詳述すると、まず、クロムを２０重量％〜２４重量％の高い割合で含むフェライト系合金よりなる空気極側金属層２２は、高温耐酸性を発揮できる上、高温での高い電気伝導性を発揮することができる。即ち、高温時、空気極層側のセパレータ２０の表面（空気極側金属層２２の表面）には、該表面が酸化剤ガスにより酸化されることにより、ＣｒＯ、Ｃｒ₂Ｏ₂が組み合わさった２価を含むＣｒ₃Ｏ₄からなる酸化被膜が形成される。一般的に、クロムの酸化物は導電性を有するために、上記セパレータ２０の表面（空気極側金属層２２の表面）に酸化被膜が形成されても、電気抵抗は増加せず、セル電圧の低下を防止することが可能である。このように、セパレータ２０の空気極層側の表面は、高温酸化雰囲気においても、安定した電気導電性を維持することが可能であり、長期の耐久試験において安定的な動作を保証することができる。

また、ニッケルまたはニッケル基合金よりなる燃料極側金属層２１は、還元雰囲気における水蒸気酸化防止に高い効果を発揮することができるので、こちら側の層も、安定した電気導電性を維持することが可能であり、長期の耐久試験において安定的な動作を保証することができる。また、中間金属層２５には、クロムを１３重量％〜１８重量％の低い割合で含むフェライト系またはオーステナイト系ステンレスを使用しているので、良好な加工性の提供とコストの抑制を図ることができる。

すなわち、代表的なフェライト系ステンレスであるＳＵＳ４３０の融点は、１４３０〜１５１０℃であり、オーステナイト系ステンレスであるＳＵＳ３０４の融点は、１４００〜１４５０℃、ＳＵＳ３１６は、１３７１〜１４００℃である。これに対して、Ｃｒ２０〜２４重量％の割合で含むフェライト系合金の融点は、１５１０〜１５３０℃であって、上記フェライト系またはオーステナイト系のステンレスに比べて高い。このように、比較的融点の低いステンレスを中間金属層２５として用いているので、高温真空下での拡散接合や熱圧着が可能であり、各金属の薄板を用意し、それらを積層して接合することにより、複雑な経路の内部流路（酸化剤ガス供給路４２や燃料ガス供給路３２）を含むセパレータ２０を一体ものとして容易に作成することができる。また、層間の接合も強固にできるため、内部流路からのガス漏れも有効に防止することができる。

ちなみに、例えば、クロムを２０重量％〜２４重量％の高い割合で含むフェライト系合金でセパレータ全体を構成した場合は、コストが高くなるばかりでなく、薄板を積層接合して内部流路を形成した際に、ガス漏れの問題を発生する可能性がある。つまり、セパレータには複雑な経路の内部通路を形成する必要性があることから、薄板を積層して接合する作製方法が一般に採用されるが、クロムを２０重量％〜２４重量％の高い割合で含むフェライト系合金の薄板同士を接合しようとした場合、高温での拡散接合や熱圧着が容易にできないために、結果的に接合不良を生じることになり、それによって使用時にガス漏れを発生するおそれがある。接合不良が起こる理由の一つとしては、金属の融点が高いことに加えて、高温真空中で極微量の酸素と合金中のクロムが反応し、表面にクロミア層が容易に生成されてしまい、そのクロミア層が接合を阻害するためであると考えられる。

ところが、本実施形態におけるセパレータ２０では、空気極側金属層２２だけを、クロムを２０重量％〜２４重量％の高い割合で含むフェライト系合金で構成し、その下層（中間金属層２５）はクロムの含有割合の少ないステンレスで構成しているので、薄板同士の接合も信頼性高く容易に行うことができ、ガス漏れのおそれも低減することができる。

その点、本実施形態においては、セパレータ２０の内部流路のほとんど（酸化剤ガス供給路４２及び燃料ガス供給路３２）を、クロムの含有割合の少ないステンレスの中間金属層２５に形成しているので、流通する酸化剤ガス中へのクロムの蒸発を最小限に抑えることができる。そのため、蒸発したクロムが空気極層側に堆積してクロム酸化物を生成し、そのために空気極層の導電性が低下するクロム被毒を抑制することができ、発電性能を低下させてしまう不具合を低減することができる。

また、本実施形態の燃料電池では、上記セパレータ２０と上記空気極集電体７との間に、高温時に導電性を有するとともに、耐酸化性を有する金属板１２を設けているために、上記セパレータ２０と上記空気極集電体７との間に、酸化剤ガスが入り込まないようにすることができ、高温時に空気極層側の上記セパレータ２０の表面に酸化被膜が形成されなくなる。

また、仮に隙間が生じる等により、酸化剤ガス吐出孔４２より供給された酸化剤ガスＢが上記セパレータ２０の表面に到達し酸化被膜が形成されて、酸化被膜の表面よりクロムが蒸発しても、上記金属板１２によりクロムが遮蔽されて、遮蔽されたクロムが、酸化剤ガスＢとともに単セル外に排出されるために、空気極層４にクロムが堆積することが無くなり、上記空気極層４の抵抗過電圧の上昇を防止することができる。この結果、単セルのセル電圧の低下を防ぐことができるため、発電性能を維持することが可能となる。

さらに、上記金属板１２にガス供給孔１３を形成しているために、上記セパレータ２０と上記空気極集電体７との間に上記金属板１２を設けても、酸化剤ガス吐出孔から供給される酸化剤ガスを空気極層の界面まで確実に供給することができるので、発電効率が低下することがない。

また、本実施形態の燃料電池によれば、上記金属板１２を上記フェライト系合金の結晶構造と固溶することのない金属により形成しているために、上記金属板１２とセパレータ２０のフェライト系合金が固溶して金属間化合物を生成することがなくなる。この結果、セパレータ２０の表面にクロムを含む金属間化合物が露出した状態となることがないため、高温時に、クロムが蒸発することがなくなり、クロム被毒の発生を一層確実に防止することができる。

図３は（ａ）〜（ｄ）はセパレータ２０（２０Ａ〜２０Ｄ）の層構成の例を示す模式断面図である。
（ａ）は中間金属層２５を１層だけ設けたセパレータ２０Ａの例を示している。
（ｂ）は（ａ）の中間金属層２５の下側にもう１層の中間金属層２６を設けたセパレータ２０Ｂの例を示しており、下側の中間金属層２６には、空気極側金属層２２の酸化剤ガス吐出孔４２に対応する位置に燃料ガス吐出孔４３が設けられている。
（ｃ）は（ａ）の中間金属層２５の上側にもう１層の中間金属層２７を設けたセパレータ２０Ｃの例を示しており、上側の中間金属層２７には、燃料極側金属層２１の燃料ガス吐出孔３２に対応する位置に酸化剤ガス吐出孔３３が設けられている。
（ｄ）は（ａ）の中間金属層２５の下側と上側に２層の中間金属層２６、２７を設けたセパレータ２０Ｄの例を示しており、下側の中間金属層２６には、空気極側金属層２２の酸化剤ガス吐出孔４２に対応する位置に酸化剤ガス吐出孔４３が設けられ、上側の中間金属層２７には、燃料極側金属層２１の燃料ガス吐出孔３２に対応する位置に燃料ガス吐出孔３３が設けられている。

次に実施例と比較例について検討した結果について述べる。
まず、図３（ｃ）のタイプのセパレータの中間金属層２５、２６のステンレスの種類を変化させて接合試験を行い、接合性について調べてみた。ここでは、径１２０ｍｍのセル用のセパレータについて、中間金属層２５、２６の種類を変化させたときの熱圧着あるいは拡散接合（１０００℃の真空雰囲気）後の圧着性とセパレータの反りについて調べた。

その場合の条件として、空気極側の板（空気極側金属層２２）には、Ｃｒ２０〜２４重量％（主にＣｒ２２重量％）フェライト合金の厚さ０．５ｍｍの板を用いた。また、燃料極側の板（燃料極側金属層２１）には、０．１ｍｍ厚のＮｉ板を使用した。中間金属層２５、２６の材料としては、ＳＵＳ４３０、３１６、３０４、それ以外にＳＵＳ３１０、４３０、Ｃｒ２２フェライト合金を選んだ。その結果、次の表１の評価が得られた。

この表から分かるように、ＳＵＳ４３０、３１６、３０４は良い評価が得られたが、それ以外のＳＵＳ３１０、４３０、Ｃｒ２２フェライト合金は接合性に問題があることが分かった。

次に、図３（ｃ）のタイプのセパレータの空気極側金属層２２を構成するステンレスのＣｒの割合（酸化剤ガスの供給される面の合金中のＣｒ濃度）を変化させた際の初期性能（単セルでの発電性能ｍＷ／ｃｍ²）の違いについて調べてみた。

その場合の条件は次の通りである。
まず、径１２０ｍｍのＣｒ濃度の異なる空気極側金属層２２を有するセパレータを用意し、空気極集電体７に径１２０ｍｍの発泡銀、燃料極集電体６に径１２０ｍｍの発泡Ｎｉを用いて単セルを組立てた。発電セルとしては、厚さ２２０ミクロンのランタンガレート系電解質を用い、燃料極には酸化ニッケルーセリアのコンポジットサーメット、空気極にはサマリウムコバルタイト（Ｓｍ_0.5Ｓｒ_0.5ＣｏＯ_2.75）を用いた。

燃料ガスとしては、水素を０℃基準で５７０ｍｌ／ｍｉｎ供給し、酸化剤ガスとしては、空気を０℃基準で２．８Ｌ／ｍｉｎ供給し、７５０℃で発電試験を実施した。セパレータからの配線を電子負荷装置に接続し、電流を流し、電流密度を０．５４Ａ／ｃｍ²、燃料利用率７５％、空気利用率３８％での発電セルの電圧を測定した。それにより、次の表２の結果を得た。

この結果によれば、セパレータの表面の板（空気極側金属層２２）のＣｒ濃度が２０重量％に満たないと、発電性能が低いことが分かった。Ｃｒ濃度が低いため、表面に生成された軟化被膜が、電気を通さない絶縁性であることが原因であるとみなせる。また、セパレータの表面の板（空気極側金属層２２）のＣｒ濃度が２６重量％と大きいと、表面に生成される導電性の酸化被膜が安定でなく、異なった成分の酸化被膜が生成されるために、電気抵抗が大きくなり、発電性能が低下すると考えられる。従って、フェライト中のＣｒ濃度は２０〜２４重量％が適切であることが分かる。

なお、使用したＣｒ合金の組成（重量％）は、次の表３の通りである。なお、上記合金には、不純物として、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｌａなどが０．１重量％程度含まれている。

２固体電解質層
３燃料極層
４空気極層
５発電セル
６燃料極集電体
７空気極集電体
２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄセパレータ
２１燃料極側金属層
２２空気極側金属層
２５，２６，２７中間金属層
３１燃料ガス供給路
３２燃料ガス吐出孔（反応ガス吐出孔）
４１酸化剤ガス供給路
４２酸化剤ガス吐出孔（反応ガス吐出孔）
Ａ燃料ガス
Ｂ酸化剤ガス

Claims

固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層を配置して発電セルを構成し、この発電セルの外側に燃料極集電体と空気極集電体を配置し、これらの集電体の外側にセパレータを配置して単セルを構成すると共に、上記セパレータの上記燃料極層及び空気極層に対向する各面に反応ガスを吐出するための反応ガス吐出孔を形成し、当該セパレータの上記反応ガス吐出孔より上記集電体を介して燃料極層及び空気極層に反応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、
上記セパレータは、クロムを２０重量％〜２４重量％の割合で含むフェライト系合金よりなる空気極側金属層と、ニッケルまたはニッケル基合金よりなる燃料極側金属層と、上記空気極側金属層と上記燃料極側金属層との間に位置したクロムを１３重量％〜１８重量％の割合で含むフェライト系またはオーステナイト系ステンレスよりなる中間金属層と、の３層の金属層を積層して接合した積層接合体として構成されており、
上記空気極側金属層及び燃料極側金属層にそれぞれ上記反応ガス吐出孔が設けられると共に、上記中間金属層にセパレータから上記各反応ガス吐出孔に繋がる反応ガス供給路がそれぞれ形成されていることを特徴とする固体電解質型燃料電池。
上記セパレータと上記空気極集電体との間に、高温時に導電性を有し、且つ上記セパレータの空気極側金属層の反応ガス吐出孔と対向する位置に反応ガス供給孔が形成された金属板が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池。