JP5417935B2

JP5417935B2 - 固体酸化物形燃料電池

Info

Publication number: JP5417935B2
Application number: JP2009083270A
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: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2029-03-30
Also published as: JP2010238442A

Description

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ている。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。

ここで、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、ガス不透過性の緻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Ｃｒを１８ｗｔ％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８外周面から導入して燃料ガス通路１３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９と、酸化剤ガスをセパレータ８外周面から導入して酸化剤ガス通路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１０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が開示されている。

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ともに、耐酸化性を有するＡｇ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Ａｇめっきを施しているために、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、Ａｇめっきが僅かに酸素を透過し、上記セパレータの表面に酸化被膜が生成される。このため、さらに数万時間の長期運転を行なうと、上記セパレータの表面に酸化被膜が厚く形成されて、上記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。

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、上記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な固体酸化物形燃料電池を提供するものである。

上記課題を解決するために、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の空気極層側に空気極集電体を配置し、上記燃料極層及び上記空気極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ともに、上記燃料極層及び空気極層に反応ガスを供給して発電反応が生じる固体酸化物形燃料電池において、上記セパレータは、Ｃｒを２０ｗｔ％〜２４ｗｔ％の割合で含むフェライト系ステンレスによって構成されているとともに、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かつフェライト系ステンレスからなる当該セパレータと固溶しない金属板が設けられていることを特徴とするものである。

また、請求項２に記載の本発明は、上記金属板が、ＡｇまたはＡｇを主成分とした金属化合物、もしくは、ＡｇまたはＡｇを主成分とした金属化合物を表面に被覆したステンレスにより構成されていることを特徴とするものである。

さらに、請求項３に記載の本発明は、上記単セルが複数積層されて燃料電池スタックが構成されているとともに、上記セパレータの外形寸法が上記発電セル及び上記集電体より大きく形成し、且つ上記燃料電池スタックの積層方向の中央部に位置する少なくとも１層以上の上記金属板が、上記発電セルの外形寸法と同じ寸法に形成されるとともに、上記積層方向の両端部に位置する少なくとも１層以上の上記金属板が、上記セパレータの外形寸法と同じ寸法に形成されていることを特徴とするものである。

そして、請求項４に記載の本発明は、上記金属板には、上記セパレータ側から供給された上記反応ガスを空気極層側に供給するガス供給孔またはガス流路が形成されていることを特徴とするものである。

さらに、請求項５に記載の本発明は、固体酸化物形燃料電池の作動温度が６００℃〜８００℃であり、発電セルから燃料電池反応に使用されなかった上記反応ガスが発電セルより上記単セルより放出されるシールレス構造であることを特徴とするものである。

請求項１に記載の本発明によれば、Ｃｒを２０ｗｔ％〜２４ｗｔ％の割合と高い割合で含むフェライト系ステンレスによりセパレータを構成しているために、高温時、空気極層側の上記セパレータの表面が酸化剤ガスにより酸化されて、ＣｒＯ、Ｃｒ₂Ｏ_２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、Ｃｒ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に酸化被膜が形成されても、電気抵抗が増加しないので、セル電圧の低下を防止することが可能である。

ところで、上記セパレータは、表面に酸化被膜を形成すると、その酸化被膜の表面からＣｒが蒸発して、発電セルの空気極層表面に堆積してＣｒ被毒が発生する。Ｃｒの堆積量が増加して、Ｃｒ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恐れがある。

この点、本発明においては、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かつフェライト系ステンレスからなる当該セパレータと固溶しない金属板を設けているために、上記セパレータと上記金属板との間に、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Ｃｒが蒸発しても、上記金属板によりＣｒが遮蔽されて、遮蔽されたＣｒ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Ｃｒ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。

一方、請求項２に記載の本発明によれば、上記金属板が、ＡｇまたはＡｇを主成分とした金属化合物、もしくは、ＡｇまたはＡｇを主成分とした金属化合物を表面に被覆したステンレスにより構成されているために、上記金属板とフェライト系ステンレスからなるセパレータと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、セパレータの表面にＣｒ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、Ｃｒが蒸発することがなくなり、Ｃｒ被毒の発生を一層確実に防止することができる。

また、金属板の主成分となるＡｇの他に、セパレータを構成しているフェライト系ステンレスと固溶しない金属として、Ｐｔ、Ｐｄ等が知られているが、このＡｇは、Ｐｔ（９．７×１０⁶Ｓ／ｍ）、Ｐｄ（９．５×１０⁶Ｓ／ｍ）の電気伝導度に比べて、電気伝導度が６３×１０⁶Ｓ／ｍと非常に良好であり、且つ高温雰囲気下においても耐酸化性を有することから、高温雰囲気下における電気伝導度も非常に良好となる。

ところで、上記単セルが複数積層されて構成された燃料電池スタックは、積層方向の中央部の温度が、燃料電池スタックが積層構造であるために中央部の熱の放熱性が悪く、発電セルの発電反応で生じたジュール熱が単セル外に発散し難くなっているので、極端に温度が高くなり、積層方向の両端部の温度が、スタックの境界部分であるために中央部に比べると上記ジュール熱が単セル外に発散し易く成っているので、極端に温度が低くなることが知られている。

そして、両端部の温度が低くなると、発電セルの電気抵抗が上昇し、電気伝導性が低下するために、燃料極層の活性化過電圧が上昇する。そして、燃料極層の活性化過電圧が上昇すると、燃料極層において水素が水素イオンとなる際に活性化エネルギーが必要となり、この活性化エネルギーの損失により、両端部の単セルのセル電圧が低下する。

このように、単セルを直列に複数積層することにより構成される燃料電池スタックは、単セルの積層方向の中央部から両端部に向けて温度が低下して温度分布が生じると、燃料電離スタック全体の発電性能が両端部のセル電圧の低下により制限され効率的な発電が行えなくなるという問題点があった。

これに対して、請求項３に記載の本発明によれば、燃料電池スタックの上記セパレータの外形寸法が上記発電セル及び上記集電体より大きく形成し、且つ上記燃料電池スタックの積層方向の中央部に位置する少なくとも１層以上の上記金属板が、上記発電セルの外形寸法と同じ寸法に形成されているために、上記セパレータの上記発電セルとの非対向位置に黒色の酸化被膜が形成され、ジュール熱が黒色の酸化被膜に吸収されて放熱されて、熱輻射率が高くなるので、中央部の温度が低下させることが可能となる。

また、上記燃料電池スタックの積層方向の両端部に位置する少なくとも１層以上の上記金属板が、上記セパレータの外形寸法と同じ寸法に形成されているために、金属板がジュール熱を反射して、熱輻射率が低くなるので、両端部の温度の低下を維持することが可能となる。

このように、中温部の温度を低下させるとともに、両端部の温度の低下を維持することにより、燃料電池スタックの積層方向の温度分布が均一となるために、燃料電池スタックの発電性能が両端部の温度低下により低下したセル電圧に制限されることが無くなるために、発電効率が向上する。

さらに、請求項４に記載の本発明によれば、上記金属板には、上記セパレータ側から供給された上記反応ガスを空気極層側に供給するガス供給孔またはガス流路が形成されているために、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、上記セパレータ側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。

そして、請求項５に記載の本発明によれば、固体酸化物形燃料電池の作動温度が６００℃〜８００℃であり、発電セルから燃料電池反応に使用されなかった上記反応ガスが発電セルより上記単セルより放出されるシールレス構造であるために、スタック端部に位置する発電セルの外周部に、未使用の反応ガスが他の発電セルに比べて多量に放出され、セル近傍で燃焼されるため、この燃焼熱によってスタック端部の発電セルを昇温させることができる。これにより、昇温された発電セルの内部抵抗は減少し、セル電圧が上昇するため、より効率的な発電が行えるようになる。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池の第１実施形態における単セルを示す断面図である。本発明に係る固体酸化物形燃料電池の第１実施形態における金属板を示す平面図である。本発明に係る固体酸化物形燃料電池の第１実施形態における正面図、及び中央部、両端部に位置する単セルの断面図である。従来の固体酸化物形燃料電池を示す平面図及び単セルの拡大断面図である。本発明に係る固体酸化物形燃料電池の第２実施形態における単セルを示す斜視図である。本発明に係る固体酸化物形燃料電池の第２実施形態における金属板を示す断面図である。本実施例３の実験結果における単セルの運用時間に応じた単セルのセル電圧の変化を示す図である

（第１実施形態）
以下、本発明に係わる固体酸化物形燃料電池の第１実施形態について図１〜図３に基づいて説明する。この固体酸化物形燃料電池は、セパレータ８がＣｒを２０ｗｔ％〜２４ｗｔ％の割合で含むフェライト系ステンレスにより構成されている点と、空気極層４側のセパレータ８と空気極集電体７との間に、金属板９を設置している点が従来技術と異なっている。なお、燃料電池スタック１の構成などの従来技術と同一構成部分については、同一符号を用いることにより説明を省略する。

まず、図1に示すように、この固体酸化物形燃料電池は、平板型のものであり、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、空気極集電体７の外側に配した金属板９と、集電体６および金属板９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。

この際、セパレータ８は、発電セル５間が電気的に接続されるとともに、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８の外周面から導入して、燃料ガス通路１１を介して燃料極集電体６に対向する面の中央から吐出させる燃料ガス吐出孔１７、及び酸化剤ガスをセパレータ８の外周面から導入して、酸化剤ガス通路１２を介して空気極集電体７に対向する面の中央から吐出させる酸化剤ガス吐出孔１８が形成されている。

また、図３に示すように単セル１０は、複数積層（本実施形態では４６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、セパレータ８は、Ｃｒを２０％〜２４％の割合で含むフェライト系ステンレスで構成されており、発電セル５及び各集電体６，７の外形寸法より大きな矩形に形成されている。

一方、金属板９は、高温時に導電性を有するＡｇで構成されている。なお、金属板９は、フェライト系ステンレスの結晶構造と固溶し易いＡｕなどの金属を用いると、固溶した金属がフェライト系ステンレスにより構成されたセパレータ８と固溶して金属間化合物となり、セパレータ８の表面にＣｒを含む金属間化合物が露出した状態となるため、高温時にＣｒが蒸発して、Ｃｒ被毒が発生してしまう。このため、金属板９は、セパレータ８を構成しているフェライト系ステンレスと固溶し難い金属であるＰｔ、Ｐｄ、Ａｇで構成することが好ましい。また、Ｐｔ、Ｐｄの電気伝導度に比べて、電気伝導度が非常に良好であり、且つ高温雰囲気下においても耐酸化性を有することから、高温雰囲気下における電気伝導度も非常に良好となることからＡｇで構成することが好ましい。さらに、金属板９は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇの中でも、ＰｔとＰｄに比べて安価であるＡｇで構成することがより好ましい。

また、図２に示すように、金属板９の中央には、酸化剤ガス吐出孔１８と同径のガス供給孔１９が形成されている。なお、ガス供給孔１９を酸化剤ガス吐出孔１８より大きく形成すると、酸化剤ガス突出孔１８近傍にセパレータ８が露出するために、酸化皮膜を形成し、酸化皮膜からＣｒが蒸発して空気極層４に堆積してしまうので、Ｃｒ被毒が発生する。また、ガス供給孔１９を酸化剤ガス吐出孔１８より小さく形成すると、酸化剤ガスである酸素が十分に空気極層４の界面上に到達しないために、発電性能が低下する。このため、ガス供給孔１９は、酸化剤ガス吐出孔１８と同径であることが好ましい。

さらに、金属板９は、積層方向の厚さが、３μｍ以上の薄膜であれば良いが、ピンホール等の予防を考慮すると３０μｍ以上が好ましく、さらにシートのハンドリングを考慮すると５０μｍ以上であることが望ましい。

ここで、燃料電池スタック１の積層方向の中央部１５に位置する２６層の金属板９は、発電セル５の外形寸法と同じ寸法に形成されている。また、上記積層方向の両端部１６に位置する各１０層の金属板９は、セパレータ８の外形寸法と同じ寸法に形成されている。

以上の構成からなる固体酸化物形燃料電池においては、空気極集電体７の外側に配したセパレータ８に形成された酸化剤ガス通路１２に酸素を供給する。そして、酸素を空気極集電体７の周辺部まで充分に行き渡らせるように、酸化剤ガス通路１２を介して酸化剤ガス吐出孔１８から供給する。

この酸化剤ガス吐出孔から供給された酸素は、金属板９のガス供給孔１９を介して、空気極集電体７に吐出する。この空気極集電体７に供給された酸素は、Ａｇ基合金の多孔質焼結金属板からなる空気極集電体７の気孔を通って空気極層４との界面近傍に到達する。そして、界面近傍に到達した酸素が、空気極層４との界面上で電子を受け取り、酸素イオンへ解離する際の反応が促進されて発電が行なわれる。

（第２実施形態）
次いで、本発明に係わる固体酸化物形燃料電池の第２実施形態について図５に基づいて説明する。本発明は、金属板９がステンレス材２２にＡｇめっき２３を被覆して形成されている点、およびセパレータ８に燃料ガス吐出孔１７および酸化剤ガス供給孔１８に代わり燃料ガス流路２０および酸化剤ガス流路２１が形成されている点が第１実施形態と異なっている。なお、図１〜図４に示した燃料電池スタックの構成などの第１実施形態と同一の構成については、同一符号を用いることにより説明を省略する。

まず、図５に示すように、この固体酸化物形燃料電池は、平板型のものであり、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、空気極層４の外側に配した空気極集電体７と、空気極集電体７の外側に配した金属板９と、金属板９と燃料極層３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。

この際、セパレータ８は、発電セル５間が電気的に接続されるとともに、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８の外周面から導入して燃料極層３に供給する燃料ガス流路２０が形成され、酸化剤ガスをセパレータ８の外周面から導入して空気極層４に供給する酸化剤ガス流路２１が形成されている。

そして、第１実施形態と同様に、単セル１０が複数積層（第１実施形態と同様に４６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、セパレータ８は、Ｃｒを２０ｗｔ％〜２４ｗｔ％の割合で含むフェライト系ステンレスで構成されており、発電セル５及び各集電体６，７の外形寸法より大きな矩形に形成されている。

一方、図６に示すように、金属板９は、高温時に導電性を有するＡｇめっき２３を表面に被覆したステンレス材２２により構成され、このステンレス材２２は、フェライト系ステンレスにより構成されている。

この際、ステンレス材２２を構成するフェライト系ステンレスは、Ｃｒを２２％の割合で含むＣｒ２２を使用すると、Ａｇとの固着性が悪く、実際、固体酸化物形燃料電池を長時間運用した際に、次第にＡｇが剥離してＣｒ２２が露出し、Ｃｒ２２の表面からＣｒが蒸発してＣｒ被毒を発生させる可能性がある。また、フェライト系ステンレスとして、Ｃｒを１３．５％の割合で含むＳＵＳ４０５を使用すると、Ａｇとの固着性は良いものの、Ｃｒの含有量が少ないために、電気導電性が悪く、固体酸化物形燃料電池の電力が低下してしまう。このため、フェライト系ステンレスとしては、Ｃｒを１８％の割合で含むＳＵＳ４３０を使用するのが好ましい。

さらに、ステンレス材２２に被覆する金属として、フェライト系ステンレスの結晶構造と固溶し易いＡｕなどの金属を用いると、固溶した金属がフェライト系ステンレスにより構成されたセパレータ８およびステンレス材２２と固溶して金属間化合物となり、セパレータ８およびステンレス材２２の表面にＣｒを含む金属間化合物が露出した状態となるため、高温時にＣｒが蒸発して、Ｃｒ被毒が発生してしまう。このため、金属板９は、セパレータ８およびステンレス材２２を構成しているフェライト系ステンレスと固溶することのない金属であるＰｔ、Ｐｄ、Ａｇで構成することが好ましい。また、金属板９は、Ｐｔ、Ｐｄの電気伝導度に比べて、電気伝導度が非常に良好であり、且つ高温雰囲気下においても耐酸化性を有するとともに、高温雰囲気下における電気伝導度も非常に良好となることからも、Ａｇで構成することが好ましい。さらに、金属板９は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇの中でも、ＰｔとＰｄに比べて安価であるＡｇで構成することがより好ましい。

また、金属板９は、積層方向の厚さが、３μｍ以上の薄膜であれば良いが、ピンホール等の予防を考慮すると３０μｍ以上が好ましく、さらにシートのハンドリングを考慮すると５０μｍ以上であることが望ましい。

以上の構成からなる固体酸化物形燃料電池においては、空気極集電体７の外側に配したセパレータ８に形成された酸化剤ガス流路２１に酸素を空気極集電体７の周辺部まで充分に行き渡らせるように供給する。

この酸化剤ガス流路２１から供給された酸素は、空気極集電体７に吐出して、この空気極集電体７に供給された酸素は、Ａｇ基合金の多孔質焼結金属板からなる空気極集電体７の気孔を通って空気極層４との界面近傍に到達する。そして、界面近傍に到達した酸素が、空気極層４との界面上で電子を受け取り、酸素イオンへ解離する際の反応が促進されて発電が行なわれる。

以上の構成からなる第１実施形態および第２実施形態に係る固体酸化物形燃料電池によれば、Ｃｒを２０ｗｔ％〜２４ｗｔ％の割合で含むフェライト系ステンレスによりセパレータ８を構成しているために、高温時、空気極層４側のセパレータ８の表面が酸素により酸化されて、ＣｒＯ、Ｃｒ₂Ｏ_２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Ｃｒの酸化物は、導電性を有するために、セパレータ８の表面に酸化被膜が形成されても、電気抵抗が増加しないので、セル電圧の低下を防止することが可能である。

加えて、セパレータ８と空気極集電体７との間に、高温時に導電性及び耐酸化性を有するＡｇにより構成された金属板９またはＡｇめっき２３を表面に被覆したステンレス材２２により構成された金属板９を設けているために、セパレータ８と金属板９との間に、酸素が入り込まないので、高温時に、空気極層４側のセパレータ８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、酸素がセパレータ８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Ｃｒが蒸発しても、金属板９により遮蔽されて、遮蔽されたＣｒ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４にＣｒが堆積することが無くなり、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１０のセル電圧の低下を防ぐことができるために、発電性能を維持することが可能となる。

そして、金属板９を、フェライト系ステンレスの結晶構造と固溶し難いＡｇ、またはＡｇめっき２３被覆したステンレス材２２を用いて構成しているために、金属板９とフェライト系ステンレス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８の表面にＣｒ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、Ｃｒが蒸発することがなくなり、Ｃｒ被毒の発生を一層確実に防止することができる。

また、燃料電池スタック１のセパレータ８の外形寸法を、発電セル５及び各集電体６，７より大きく形成し、且つ燃料電池スタック１の積層方向の中央部１５に位置する少なくとも１層以上の金属板９を、発電セル５の外形寸法と同じ寸法に形成しているために、セパレータ８の発電セル５との非対向位置に黒色の酸化被膜が形成されて、ジュール熱がこの黒色の酸化被膜に吸収されて放熱されるので、熱輻射率が高くなり、中央部１５の温度が低下させることが可能となる。

しかも、燃料電池スタック１の積層方向の両端部１６に位置する少なくとも１層以上の金属板９を、セパレータ８の外形寸法と同じ寸法に形成しているために、金属板９を構成しているＡｇがジュール熱を反射して、ジュール熱が放熱し難くなるので、熱輻射率が低くなり、両端部１６の温度の低下を維持することが可能となる。

このように、中央部１５の温度を低下させるとともに、両端部１６の温度の低下を維持することにより、燃料電池スタック１の積層方向の温度分布が均一となるために、燃料電池スタック１の発電性能が両端部１６の温度低下により低下したセル電圧に制限されることが無くなるので、発電効率が向上する。

さらに、固体酸化物形燃料電池の作動温度が６００℃〜８００℃であり、発電セル５から燃料電池反応に使用されなかった燃料ガスおよび酸化剤ガスが発電セル５より単セル１０より放出されるシールレス構造であるために、燃料電池スタック１の両端部１６に位置する発電セル５の外周部に、未使用の燃料ガスおよび酸化剤ガスが他の発電セル５に比べて多量に放出され、単セル１０近傍で燃焼されるため、この燃焼熱によって燃料電池スタック１の両端部１６の発電セル５を昇温させることができる。これにより、昇温された発電セル５の内部抵抗は減少し、セル電圧が上昇するため、より効率的な発電が行えるようになる。

また、固体酸化物形燃料電池は、金属板９をセパレータ８と発電セル５との間に配置するだけで容易に取付け可能であるために、セパレータ８に導電性を有する金属をメッキや蒸着する固体酸化物形燃料電池に比べて、生産性および作業性が良い。

そして、第１実施形態に係わる固体酸化物形燃料電池によれば、さらに、金属板９にガス供給孔１９を形成しているために、セパレータ８と空気極集電体７との間に金属板９を設けても酸化剤ガス吐出孔１８から供給される酸素を空気極層４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、ガス供給孔１９を酸化剤ガス吐出孔１８と同径に形成しているために、ガス供給孔１９が酸化剤ガス吐出孔１８より大きく形成することにより生じるＣｒ被毒を防止できるとともに、ガス供給孔１９が酸化剤ガス吐出孔１８より小さく形成することにより生じる発電性能の低下を防止することができる。

なお、第１実施形態および第２実施形態に係わる固体酸化物形燃料電池において、それぞれＡｇにより構成された金属板９およびＡｇめっき２３を被覆したステンレス材２２により構成された金属板９を用いたが、Ａｇめっき２３とステンレス材２２との間に、密着性を向上させるＮｉめっきを施したもの、もしくはステンレス材２２の両側にＡｇ板を配置して拡散結合したクラッド、またはステンレス材２２とＡｇ板との間にＮｉ板を配置して拡散結合したクラッドなどを用いても対応可能である。

実施例に、φ１２０ｍｍ、厚さ２２０μｍの自立膜式の円型平板形のランタンガレート固体電解質２（Ｌａ_0.8Ｓｒ_0.2Ｇａ_0.8Ｍｇ_0.15Ｃｏ_0.05Ｏ_2.8）の一方の面に、数１０μｍのＮｉとＣｅ_0.8Ｓｍ_0.2Ｏ₂のコンポジットサーメットからなる燃料極層３を、他方の面に数１０μｍのＳｍ_0.5Ｓｒ_0.5ＣｏＯ_2.75からなる空気極層４を焼結して発電セル５を構成し、この発電セル５の燃料極層３側の外側に多孔質のＮｉ（ニッケル）の燃料極集電体６を配置し、空気極層４側の外側にＡｇ（銀）の多孔質の空気極集電体７を配置し、各集電体６、７の外側にＣｒ（クロム）量が異なるフェライト系ステンレス、またはオーステナイト系ステンレス、もしくはマルテンサイト系ステンレスにより構成したセパレータ８を配置して構成した単セル１０を用いて、それぞれの条件により構成された単セル１０の耐久試験を実施した。

この際、セパレータ８の燃料極層３との対向面には、Ｎｉめっきを施し、セパレータ８の空気極層４側には、構成の異なる金属板９をセパレータ８と空気極集電体７との間に配置した。

ここで、セパレータ８を構成するＣｒ量が異なるフェライト系ステンレスとして、それぞれＣｒを１３．５ｗｔ％（ＳＵＳ４０５）、１７ｗｔ％（ＳＵＳ４３０）、２０ｗｔ％（Ｃｒ２０）、２２ｗｔ％（Ｃｒ２２）、２４ｗｔ％（Ｃｒ２４）、または２６ｗｔ％（Ｃｒ２６）の割合で含むものを使用し、オーステナイト系ステンレスとして、Ｎｉを１２％およびＣｒを１８ｗｔ％（ＳＵＳ３１６）の割合で含むものを使用し、マルテンサイト系ステンレスとして、Ｃｒを１３ｗｔ％（ＳＵＳ４２０）の割合で含むものを使用した。

また、セパレータ８と空気極集電体７との間に配置する金属板９として、厚さ０．１０ｍｍのＡｇ板を使用した。

さらに、Ｃｒ２２フェライト系ステンレスからなるセパレータ８を配置した単セル１０のセパレータ８と空気極集電体７との間に配置する金属板９として、Ａｇ板の他に、厚さ０．１０ｍｍのＰｔ板、Ｐｄ板、またはＡｕ板をそれぞれ使用した。

そして、それぞれの単セル１０を、電気炉内に設置し、３時間で７５０℃まで昇温し、燃料極層３側に水素５７０ｍｌ／ｍｉｎ（０℃基準）、空気極層４側に空気２．８Ｌ／ｍｉｎ（０℃基準）を供給し、単セル１０のセパレータ８にケーブルを介して電子負荷装置を接続し、定電流モードで負荷電流６０．８Ａ、即ち電流密度０．５４Ａ／ｃｍ²に設定して、それぞれの単セル１０の初期および１０００ｈｒ後の出力密度を測定した。なお、この時の燃料利用率が７５％であり、空気利用率が３８％と、実際に使用する固体酸化物形燃料電池の運転条件と同条件で実施している。

また、耐久試験後に、それぞれの発電セル５を回収して、発電セル５の１／４を採取し、ＩＣＰ発光分光装置により、発電セル５の空気極層４に付着したＣｒの量を測定した。

下記の表１は、以上の条件により測定したそれぞれの単セル１０の初期の出力密度、１０００ｈｒ後の出力密度および発電セル１０の空気極層４に付着したＣｒの量である。

上記の表１からそれぞれの初期および１０００ｈｒ後の出力密度を抽出すると、ＳＵＳ４０５およびＳＵＳ４３０のようにＣｒを２０ｗｔ％以下に含むフェライト系ステンレスにより構成されたセパレータ８を配置した単セル１０に、０．１０ｍｍのＡｇ板を配置した場合、初期の出力密度が１２０ｍＷ／ｃｍ²および２７０ｍＷ／ｃｍ²と発電性能が低かった。また、１０００ｈｒ後の出力密度が、ＳＵＳ４３０により構成されたセパレータ８を配置した単セル１０の場合、１４０ｍＷ／ｃｍ²と発電性能が低下しており、ＳＵＳ４０５からなるセパレータ８を配置した単セル１０の場合、低すぎて測定できなかった。これは、空気極層４に付着したＣｒ量が全て１０ｐｐｍ以下であり、セパレータ８からのＣｒの蒸発をＡｇ板が抑止していることが確認できることから、Ｃｒ被毒による電気抵抗の増加によるセル電圧の低下では無く、ステンレス中のＣｒ量が少ないために、セパレータ８の表面に、良好な電気伝導成膜を生成することができずに絶縁性の酸化膜を生成してしまい、セパレータ８の表面での抵抗値が増加したことに起因している。

一方、Ｃｒ２０〜２４フェライト系ステンレスにより構成されたセパレータ８を配置した単セル１０に、０．１０ｍｍのＡｇ板を配置した場合、初期の出力密度が３９０〜４２０ｍＷ／ｃｍ²とそれぞれの発電性能が良好であることが確認できる。また、１０００ｈｒ後の出力密度も３７０〜４１０ｍＷ／ｃｍ²と殆ど初期の出力密度と殆ど変わらなかった。これは、空気極層４に付着したＣｒ量が全て１０ｐｐｍ以下であり、セパレータ８からのＣｒの蒸発をＡｇ板が抑止していることが確認できることから、Ｃｒ被毒による電気抵抗の増加を防止し、出力密度を維持することができているとともに、Ｃｒがセパレータの表面に良好な電気伝導成膜を生成していることに起因している。

他方、Ｃｒ２６フェライト系ステンレスにより構成されたセパレータを配置した単セル１０に０．１０ｍｍのＡｇ板を配置した場合、初期の出力密度が４２０ｍＷ／ｃｍ²と良好であるものの、１０００ｈｒ後の出力密度が３００ｍＷ／ｃｍ²に低下してしまった。これは、ステンレス中のＣｒ量が多すぎることにより、表面の酸化膜の安定性が維持できず、低下してしまったことに起因している。また、空気極層４へのＣｒの付着量が１０ｐｐｍ以下であり、セパレータ８からのＣｒの蒸発を抑止していることが確認できるものの、セパレータ８のＣｒの含有量が２６ｗｔ％と多いことから、Ｃｒ２０〜２４フェライト系ステンレスにより構成されたセパレータ８を用いた単セル１０に比べ、多少なりＣｒが空気極層４に付着し、電気抵抗が増加したことに起因しているとも考えられる。

次に、ＳＵＳ４２０マルテンサイト系ステンレスおよびＳＵＳ３１６オーステナイト系ステンレスにより構成されたセパレータ８を用いた単セル１０に、厚さ０．１０ｍｍのＡｇ板を配置した場合、初期の出力密度が５０ｍＷ／ｃｍ²および９０ｍＷ／ｃｍ²と非常に低く、１０００ｈｒ後の出力密度にあっては、共に出力密度が測定できなかった。これは、フェライト系ステンレスで無いことに加え、Ｃｒの含有量が少ないために、表面に高抵抗の酸化膜を生成したことによるセル電圧の低下だと考えられる。

また、Ｃｒ２２フェライト系ステンレスにより構成されたセパレータ８を配置した単セル１０に、Ａｕ板、Ｐｔ板、Ｐｄ板をそれぞれ配置した場合、初期の出力密度は、Ａｕ板が３２０ｍＷ／ｃｍ²、Ｐｔ板が３５０ｍＷ／ｃｍ²、Ｐｄ板が３６０ｍＷ／ｃｍ²であり、全体的にＡｇ板を用いた場合に比べて出力密度が低く、１０００ｈｒ後の出力密度は、Ａｕ板が２７０ｍＷ／ｃｍ²、Ｐｔ板が３３０ｍＷ／ｃｍ²、Ｐｄ板が３５０ｍＷ／ｃｍ²であり、初期の出力密度と同様Ａｇ板を用いた場合に比べて、出力密度が低かった。これは、Ａｇの電気伝導度に比べてＡｕ、Ｐｔ、Ｐｄの電気伝導度が低いために、出力密度が僅かながら低下してしまうことに起因している。しかし、１０００ｈｒ後のＰｔ板およびＰｄ板を配置した単セル１０の出力密度においては、出力密度が１０〜２０ｍＷ／ｃｍ²しか下がっておらず、初期の出力密度が低いものの、出力密度を維持することが可能であることが実証できた。また、１０００ｈｒ後のＡｕ板を配置した単セル１０の出力密度にあっては、初期の出力密度に比べて５０ｍＷ／ｃｍ²低下している。これは、Ａｕがフェライト系ステンレスと固溶し金属間化合物となるために、１０００ｈｒ後において、まだ発電セル５へのＣｒの付着が１０ｐｐｍ以下であるものの、徐々にＣｒがＡｕ板の表面に露出した状態になり、そのＣｒが蒸発し、発電セル５に僅かながらＣｒが付着し電気抵抗が増加したことに起因していると考えられる。

以上の実施例から、セパレータ８を、Ｃｒ２０〜２４フェライト系ステンレスにより構成することにより、高温雰囲気下において長時間運用してセパレータ８の表面に酸化被膜が形成されても、電気抵抗が増加せずに、出力密度の低下を防止することができ、セル電圧を維持することが可能であることが実証できた。また、セパレータ８と空気極集電体７との間にＡｇ板、Ｐｔ板、Ｐｄ板を配置することにより、空気極層４にＣｒが付着することを防ぎ、Ｃｒ被毒を防止することができることが実証できた。

次に、実施例１と同一構成の単セル１０に、Ｃｒ２２フェライト系ステンレスからなるセパレータ８を配置し、セパレータ８と空気極集電体７との間に金属板９を配置してないもの、セパレータ８と空気極集電体７との間に、厚さ０．１０ｍｍ、０．０３ｍｍ及び０．０５ｍｍのＡｇ板、厚さ０．１０ｍｍのＡｇ９８％−Ｃｕ２％からなるＡｇ合金板、ＳＵＳ４３０の両面にＡｇをめっきした金属板、ＳＵＳ４３０の両面にＮｉとＡｇとを順にめっきした金属板、ＳＵＳ４３０の両面にＡｇ板を拡散結合したクラッド板、Ａｇペースト、Ａｇ９７％−Ｐｄ３％ペーストを、それぞれ配置したもの、およびＳＵＳ４３０フェライト系ステンレスからなるセパレータを配置し、セパレータ８と空気極集電体７との間に、Ａｇペースト、ＳＵＳ４３０の両面にＮｉとＡｇとを順にめっきした金属板、ＳＵＳ４３０の両面にＡｇを拡散結合したクラッド板を、それぞれ配置したものを用いて、実施例１と同一運転条件して、同測定方法により初期のおよび３０００ｈｒ後の出力密度および発電セル５の空気極層４に付着したＣｒ量を測定した。

下記の表２は、以上の条件により測定したそれぞれの単セル１０の初期の出力密度、３０００ｈｒ後の出力密度および発電セル５の空気極層４に付着したＣｒの量である。

上記の表２からそれぞれの初期および３０００ｈｒ後の出力密度を抽出すると、Ｃｒ２２フェライト系ステンレスにより構成されたセパレータ８を配置した単セル１０に金属板９を配置していない場合、初期の出力密度が４２０ｍＷ／ｃｍ²と発電性能が良好である。これは、セパレータ８を、Ｃｒ２２フェライト系ステンレスで構成することにより、セパレータ８の表面に薄膜で良好な電気導電性を有するＣｒＯ・Ｃｒ₂Ｏ₃を生成することに起因している。しかしながら、３０００ｈｒ後の出力密度が１００ｍＷ／ｃｍ²と極端に低下している。これは、発電セル５に付着したＣｒ量が４２００ｐｐｍであり、空気極層４の表面に多量のＣｒが堆積してしまい、Ｃｒ被毒が発生して空気極層４の電気抵抗が増加してしまうことに起因している。

また、Ｃｒ２２フェライト系ステンレスにより構成されたセパレータ８にＡｇペーストを塗布し、８００℃の真空中で加熱固化した場合、およびＣｒ２２フェライト系ステンレスにより構成されたセパレータ８にＡｇを９７ｗｔ％、Ｐｄを３ｗｔ％の割合で含むＡｇ合金ペーストを塗布し、８００℃の真空中で加熱固化した場合、共に初期の出力密度が４２０ｍＷ／ｃｍ²と発電性能が良好である。これは、金属板９を配置していない単セル１０と同様に、セパレータ８を、Ｃｒフェライト系ステンレスで構成することにより、セパレータ８の表面に薄膜で良好な電気導電性を有するＣｒＯ・Ｃｒ₂Ｏ₃を生成することに起因している。しかしながら、３０００ｈｒ後の出力密度が、金属板９を配置していない単セル１０程ではないものの同様に、２００ｍＷ／ｃｍ²および１８０ｍＷ／ｃｍ²と極端に低下している。これは、セパレータ８にＡｇまたはＡｇ合金のペーストを塗布しているが、このペーストは緻密質ではなく、ポーラス構造であるために、セパレータ８から蒸発したＣｒがポーラスを介して空気極層４に到達し、結果、発電セル５にＣｒが１５００ｐｐｍおよび１８００ｐｐｍ付着してしまい、空気極層４の電気抵抗が増加してしまったことに起因している。

一方、Ｃｒフェライト系ステンレスにより構成されたセパレータ８を配置した単セル１０に、０．０３ｍｍ、０．０５ｍｍおよび０．１０ｍｍのＡｇ板を配置した場合、初期の出力密度が４２０ｍＷ／ｃｍ²とそれぞれの発電性能が良好であることが確認できる。また、３０００ｈｒ後の出力密度も４００ｍＷ／ｃｍ²と殆ど初期の出力密度と変わらなかった。

また、Ｃｒフェライト系ステンレスにより構成されたセパレータ８を配置した単セル１０にＡｇ９８ｗｔ％とＣｕ２ｗｔ％の割合からなるＡｇ合金板を配置した場合、初期の出力密度が４００ｍＷ／ｃｍ²であり、Ａｇ板を配置した単セル１０に比べて、出力密度が２０ｍＷ／ｃｍ²低く、３０００ｈｒ後の出力密度も３６０ｍＷ／ｃｍ²であり、Ａｇ板を配置した単セル１０と比べて、出力密度が４０ｍＷ／ｃｍ²低くなっている。これは材料のＣｕが空気中の酸素により酸化し電気抵抗が僅かながら増加したことに起因している。

そして、Ｃｒ２２フェライト系ステンレスにより構成されたセパレータ８を配置した単セル１０に、ＳＵＳ４３０にＡｇを厚さ５μｍにめっきした金属板を配置した場合、初期の出力密度が４２０ｍＷ／ｃｍ²と発電性能が良好だが、３０００ｈｒ後の出力密度が３４０ｍＷ／ｃｍ²であり、Ａｇ板を配置した単セル１０に比べて、出力密度が６０ｍＷ／ｃｍ²低くなっている。これは、ＳＵＳ４３０にＡｇめっきを施すことにより高温酸化雰囲気下において耐酸化性は向上しているが、耐熱性が不十分でありＳＵＳ４３０にＡｇめっきの表面から少しずつ透過した酸素によりＳＵＳ４３０が酸化し電気伝導性が低下したものと考えられる。

さらに、Ｃｒ２２フェライト系ステンレスにより構成されたセパレータ８を配置した単セル１０に、ＳＵＳ４３０にＮｉとＡｇとを順にめっきした金属板を配置した場合、初期の出力密度が４２０ｍＷ／ｃｍ²であり、３０００ｈｒ後の出力密度も４１０ｍＷ／ｃｍ²と発電性能が共に良好であった。これは、ＳＵＳ４３０とＡｇめっきとの間にＮｉめっきを施すことにより耐熱性が向上したことに起因している。

また、Ｃｒ２２フェライト系ステンレスにより構成されたセパレータ８を配置した単セル１０に、厚さ０．１ｍｍのＳＵＳ４３０の両面にそれぞれ厚さ０．１ｍｍのＡｇ板を拡散結合したクラッド板を配置した場合、初期の出力密度が４１０ｍＷ／ｃｍ²であり、３０００ｈｒ後の出力密度が３４０ｍＷ／ｃｍ²であった。これは、ＳＵＳ４３０にＡｇめっきを施した単セルと同様に、ＳＵＳ４３０にＡｇ板を拡散結合するより高温酸化雰囲気下において耐酸化性は向上しているが、耐熱性が不十分でありＳＵＳ４３０にＡｇ板の表面から少しずつ透過した酸素によりＳＵＳ４３０が酸化し電気伝導性が低下したものと考えられる。

次に、ＳＵＳ４３０により構成されたセパレータを配置した単セル１０に、Ａｇペースト、ＳＵＳ４３０の両面にＮｉとＡｇとを順にめっきした金属板、ＳＵＳ４３０の両面にＡｇを拡散結合したクラッド板を、それぞれ配置した場合、初期の出力密度が３２０ｍＷ／ｃｍ²、２７０ｍＷ／ｃｍ²および２４０ｍＷ／ｃｍ²と発電性能が低かった。これは、セパレータ８を構成しているフェライト系ステンレスのＣｒの含有量が１７ｗｔ％と少なく、高温雰囲気下において、表面に生成される酸化膜が導電性を持たないことに起因している。３０００ｈｒ後の出力密度も、１００ｍＷ／ｃｍ²、１３０ｍＷ／ｃｍ²および７０ｍＷ／ｃｍ²と極端に低下している。これは、セパレータ８の表面が酸化して絶縁性の酸化膜を生成し、セパレータの電気抵抗が増加することに起因している。

以上の実施例から金属板９を配置してない単セル１０およびセパレータ８にＡｇペーストまたはＡｇ合金ペーストを塗布した単セル１０に比べて、厚さ０．１０ｍｍ、０．０３ｍｍ及び０．０５ｍｍのＡｇ板、厚さ０．１０ｍｍのＡｇ９８％、Ｃｕ２％からなるＡｇ合金板、ＳＵＳ４３０の両面にＡｇをめっきした金属板、ＳＵＳ４３０の両面にＮｉとＡｇとを順にめっきした金属板、ＳＵＳ４３０の両面にＡｇ板を拡散結合したクラッド板を配置した単セル１０の方が、出力密度を維持することができていることから、高温雰囲気下において長時間運用を実施してもセル電圧を維持し続けることが可能であることが実証できた。加えて、ＳＵＳ４３０により構成されたセパレータ８を配置した単セル１０に比べて、Ｃｒ２２フェライト系ステンレスにより構成したセパレータ８を配置した単セル１０の方が、初期および３０００ｈｒ後の出力密度が非常に良く、セル電圧を高い状態で維持することが可能であるということが実証できた。

加えて、厚さ０．１０ｍｍ、０．０３ｍｍ及び０．０５ｍｍのＡｇ板、厚さ０．１０ｍｍのＡｇ９８％、Ｃｕ２％からなるＡｇ合金板、ＳＵＳ４３０の両面にＡｇをめっきした金属板、ＳＵＳ４３０の両面にＮｉとＡｇとを順にめっきした金属板、ＳＵＳ４３０の両面にＡｇ板を拡散結合したクラッド板を配置した単セル１０は、空気極層４に付着したＣｒ量が全て１０ｐｐｍ以下であり、Ａｇ板、Ａｇ合金板、Ａｇめっきが、高温雰囲気下におけるセパレータからのＣｒの蒸発を抑止し、クロム被毒を防止していることが実証できた。

次いで、φ１２０ｍｍ、厚さ２２０μｍの自立膜式の円型平板形のランタンガレート固体電解質２（Ｌａ_0.8Ｓｒ_0.2Ｇａ_0.8Ｍｇ_0.15Ｃｏ_0.05Ｏ_2.8）の一方の面に、数１０μｍのＮｉとＣｅ_0.8Ｓｍ_0.2Ｏ₂のコンポジットサーメットからなる燃料極層３を、他方の面に数１０μｍのＳｍ_0.5Ｓｒ_0.5ＣｏＯ_2.75からなる空気極層４を焼結して発電セル５を構成し、この発電セル５の燃料極層３側の外側に多孔質のＮｉの燃料極集電体６を配置し、空気極層４側の外側にＡｇの多孔質の空極集電体７を配置して、空気極集電体７の外側にＡｇからなる金属板９を配置し、燃料極集電体６および金属板９の外側にＣｒ２２フェライト系ステンレスにより構成したセパレータ８を配置して構成した単セル１０を用いて耐久試験を実施した。この際、運転条件および測定方法を実施例１と同一条件にして単セル１０のセル電圧を測定した。

この際、上記実施形態の単セル１０と比較するために、金属板９を配置していない単セル１０を用いて運転条件を同条件に単セル１０のセル電圧を測定した。

図７は、上記実施形態のＡｇ板（金属板９）を配置した単セル１０の運転時間に応じたセル電圧の変化と、Ａｇ板を配置していない単セル１０の運転時間に応じたセル電圧の変化とを対比して示す図であり、Ｘ軸が単セル１０の運転時間を示し、Ｙ軸が単セル１０のセル電圧を示している。なお、図中の破線がＡｇ板を配置した単セル１０を示し、実線がＡｇ板を配置していない単セル１０を示している。

ここで、Ａｇ板を配置していない単セル１０の初期のセル電圧を抽出すると、７８０ｍＶと発電性能が良好であった。しかしながら１２００ｈｒ後を越えた辺りから徐々にセル電圧が下がっていき、２０００ｈｒ後に急激にセル電圧が低下し始めた。そして、最終的に３０００ｈｒ後にセル電圧が２００ｍＶまで下がってしまった。

次に、Ａｇ板を配置した単セル１０の初期のセル電圧を抽出すると、７８０ｍＶであり、また３０００ｈｒ後のセル電圧を抽出しても７７０ｍＶと殆どセル電圧が低下していないことが確認できた。

この結果、単セル１０にＡｇ板を配置することにより、高温雰囲気下において長時間運用を実施しても単セル１０のセル電圧を維持し続けることが可能であることが実証できた。

１燃料電池スタック
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
８セパレータ
９金属板
１０単セル
１７燃料ガス吐出孔
１８酸化剤ガス吐出孔
１９ガス供給孔
２０燃料ガス流路
２１酸化剤ガス流路

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の空気極層側に空気極集電体を配置し、上記燃料極層及び上記空気極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ともに、上記燃料極層及び空気極層に反応ガスを供給して発電反応が生じる固体酸化物形燃料電池において、
上記セパレータは、Ｃｒを２０ｗｔ％〜２４ｗｔ％の割合で含むフェライト系ステンレスによって構成されているとともに、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かつフェライト系ステンレスからなる当該セパレータと固溶しない金属板が設けられていることを特徴とする固体酸化物型燃料電池。
上記金属板が、ＡｇまたはＡｇを主成分とした金属化合物、もしくは、ＡｇまたはＡｇを主成分とした金属化合物を表面に被覆したステンレスにより構成さ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形燃料電池。
上記単セルが複数積層されて燃料電池スタックが構成されているとともに、上記セパレータの外形寸法が上記発電セル及び上記集電体より大きく形成され、且つ上記燃料電池スタックの積層方向の中央部に位置する少なくとも１層以上の上記金属板が、上記発電セルの外形寸法と同じ寸法に形成されるとともに、上記積層方向の両端部に位置する少なくとも１層以上の上記金属板が、上記セパレータの外形寸法と同じ寸法に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池。
上記金属板には、上記セパレータ側から供給された上記反応ガスを空気極層側に供給するガス供給孔またはガス流路が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。
固体酸化物形燃料電池の作動温度が６００℃〜８００℃であり、発電セルから燃料電池反応に使用されなかった上記反応ガスが発電セルより上記単セルより放出されるシールレス構造であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。