JPH04282566A - 固体電解質型燃料電池用インターコネクター及びこれを有する固体電解質型燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固体電解質型燃料電池
用インターコネクター及びこれを有する固体電解質型燃
料電池に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】最近、燃料電池が発電装置として注目さ
れている。これは、燃料が有する化学エネルギーを直接
電気エネルギーに変換できる装置で、カルノーサイクル
の制約を受けないため、本質的に高いエネルギー変換効
率を有し、燃料の多様化が可能で（ナフサ、天然ガス、
メタノール、石炭改質ガス、重油等）、低公害で、しか
も発電効率が設備規模によって影響されず、極めて有望
な技術である。特に、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ
）　は、１０００℃の高温で作動するため電極反応が極
めて活発で、高価な白金などの貴金属触媒を全く必要と
せず、分極が小さく、出力電圧も比較的高いため、エネ
ルギー変換効率が他の燃料電池にくらべ著しく高い。更
に、構造材は全て固体から構成されるため、安定且つ長
寿命である。

【０００３】こうしたＳＯＦＣにおいては、通常、一つ
のＳＯＦＣ素子（単電池当り）１Ｖ程度の電圧が得られ
るが、発電効率を高めるため、複数のＳＯＦＣ素子を相
互に直列接続して、セルスタック（集合電池）を構成す
ることが行われている。

【０００４】このためには、隣り合ったＳＯＦＣ素子の
空気電極と燃料電極とを電気的に接続する必要があり、
空気電極に接してインターコネクターを設け、このイン
ターコネクターを隣りのＳＯＦＣ素子の燃料電極に対し
電気的に接続している。このようにインターコネクター
は空気電極と燃料電極との間に介在するため、燃料ガス
と酸化ガスとの両者に曝され、これら両者を隔離する役
割を担う。

【０００５】このことから、ＳＯＦＣ用のインターコネ
クターは、ＳＯＦＣの動作温度で酸化、還元に対して安
定であり、熱膨張係数が他のＳＯＦＣ構成部材に近く、
電気抵抗が低く、イオン導電性が小さくなければならな
い。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】こうした各種の制約か
ら、現在のところ、安定なセラミックスであるペロブス
カイト型の　ＬａＣｒＯ３　系セラミックスが有望とさ
れているが、これは約０．５　Ωｃｍという大きな電気
抵抗を有するので、未だ導電性が不充分である。しかも
、還元性雰囲気下では著しい導電率の低下が認められる
。

【０００７】一方、還元性雰囲気下でも高い導電率を示
すインターコネクター材料として、合金の使用が検討さ
れている。しかし、これらは高温酸化性雰囲気で酸化さ
れ易く、空気電極とインターコネクターとの界面付近に
絶縁性酸化物被膜が形成されたり、酸化生成物が空気電
極材料と反応するといった問題がある。

【０００８】本発明の目的は、インターコネクターにお
ける電気抵抗を小さくし、還元雰囲気にインターコネク
ターが曝されることによる電気抵抗の上昇を抑え、かつ
酸化雰囲気によるインターコネクターの劣化を防止する
ことである。

【０００９】本発明は、一方の固体電解質型燃料電池素
子の空気電極と他方の固体電解質型燃料電池素子の燃料
電極とを電気的に接続するために前記空気電極に接して
設けられたインターコネクターであって、前記空気電極
に接する耐酸化性セラミックス層と、この耐酸化性セラ
ミックス層に接する耐還元性金属層とからなる、固体電
解質型燃料電池用インターコネクターに係るものである
。

【００１０】また、本発明は、少なくとも燃料電極と空
気電極と固体電解質とを有する固体電解質型燃料電池素
子を複数個有し、かつ隣り合った前記固体電解質型燃料
電池素子の空気電極と燃料電極とを電気的に接続するた
めに前記空気電極に接してインターコネクターが設けら
れた固体電解質型燃料電池であって、前記空気電極に接
する耐酸化性セラミックス層と、この耐酸化性セラミッ
クス層に接する耐還元性金属層とから前記インターコネ
クターが構成され、前記固体電解質と前記耐酸化性セラ
ミックス層とによって前記耐還元性金属層が酸化ガスか
ら隔離され、かつ前記固体電解質と前記耐還元性金属層
とによって前記耐酸化性セラミックス層が燃料ガスから
隔離されるように構成した、固体電解質型燃料電池に係
るものである。

【００１１】燃料ガスとは、水素、改質水素、一酸化炭
素等の燃料を含むガスをいう。「酸化ガス」とは、酸素
、過酸化水素等の酸化剤を含むガスをいう。

【００１２】

【実施例】まず、円筒状ＳＯＦＣ素子を配列した集合電
池について本発明を適用した例について述べる。図２は
こうした集合電池の一部分を示す正面図、図１は図２の
要部拡大図である。

【００１３】円筒状セラミックス支持体２の外周には空
気電極３が設けられ、空気電極３の外周に沿って固体電
解質４、燃料電極５が配設され、また図２において上側
の領域では空気電極３上にインターコネクター６が設け
られ、この上に接続端子７を付着させて円筒状ＳＯＦＣ
素子１を構成する。そして、図面において上下方向に隣
接する円筒状ＳＯＦＣ素子１の空気電極３と燃料電極５
とをインターコネクター６、接続端子７、金属フェルト
８を介して接続し、これにより上下方向に複数の円筒状
ＳＯＦＣ素子１の直列接続を行う。また、左右方向に隣
接する円筒状ＳＯＦＣ素子１の燃料電極５同士を金属フ
ェルト９を介して接続し、左右方向にも複数の円筒状Ｓ
ＯＦＣ素子１の並列接続を行う。

【００１４】このＳＯＦＣの動作時には、各素子１の筒
内空間２０内に、酸化剤を含有する酸化ガスを流す。ま
た、配列された円筒状ＳＯＦＣ素子１の間に形成される
筒外空間１０においては、燃料電極５の外周に沿って水
素、一酸化炭素等の燃料ガスを流す。

【００１５】ここで、図１を主として参照しつつ、本発
明の特徴であるインターコネクター６の構造について説
明する。ただし、図１においては、便宜上、接続端子７
、金属フェルト８は図示省略してある。

【００１６】このインターコネクター６は二層構造から
なる。即ち、空気電極３の表面に接するように耐酸化性
セラミックス層６Ａが設けられ、耐酸化性セラミックス
層６Ａの両端がそれぞれ固体電解質４に接している。ま
た、耐酸化性セラミックス層６Ａの表面に接して耐還元
性金属層６Ｂが設けられ、耐還元性金属層６Ｂの両端が
それぞれ固体電解質４に接している。耐還元性金属層６
Ｂの表面に接続端子が付着される。

【００１７】耐酸化性セラミックス層６Ａは緻密質であ
り、その両端が緻密質の固体電解質４に接していること
から、耐還元性金属層６Ｂが、筒内空間２０を流れる酸
化ガスに対して隔離される。同様に、耐還元性金属層６
Ｂの両端が固体電解質４　に接していることから、耐酸
化性セラミックス層６Ａが、筒外空間１０を流れる燃料
ガスに対して隔離される。

【００１８】こうした構成を採用することで、全体を　
ＬａＣｒＯ３　等の耐酸化性セラミックスで形成した場
合にくらべてインターコネクター全体の電気抵抗を小さ
くできる。また、耐酸化性セラミックス層６Ａが燃料ガ
スに曝されないので、これによる耐酸化性セラミックス
層６Ａの電気抵抗の上昇を防止できる。更に、耐還元性
金属層６Ｂが酸化ガスに曝されないので、これによる耐
還元性金属層６Ｂの酸化、劣化を防止できる。

【００１９】特に、耐酸化性セラミックス層６Ａの材料
として、空気電極材料として用いられている　ＬａＭｎ
Ｏ３　系セラミックスを使用すると好ましい。即ち、Ｌ
ａＭｎＯ３の電気抵抗は、約０．０１Ωｃｍであり、Ｌ
ａＣｒＯ３の電気抵抗よりも遥かに小さいので、インタ
ーコネクター６全体の電気抵抗を一層下げることができ
る。また、　ＬａＭｎＯ３系セラミックスは、高温の酸
化雰囲気で安定である。しかも、本発明により、耐酸化
性セラミックス層６Ａは燃料ガスから隔離されているの
で、燃料ガスによるＬａＭｎＯ３系セラミックスの劣化
を考慮する必要がない。こうしたＬａＭｎＯ３系セラミ
ックスとしては、ＬａＭｎＯ３，　Ｌａ（Ｓｒ）ＭｎＯ
３，　Ｌａ（Ｃａ）ＭｎＯ３が特に好適である。

【００２０】耐還元性金属層６Ｂの材料としては、ニッ
ケル又はコバルトを含有する耐還元性合金が特に好まし
い。更には、ニッケルを含有する合金として、ハステロ
イ合金、インコネル合金が好ましく、コバルトを含有す
る合金として、ＭＡＲ−Ｍ（３０２　，３２２　，５０
９　），ＦＳＸ４１４　，ＷＩ−５２，Ｘ−（４０，４
５），Ｓ−８１６　が特に好ましい。

【００２１】上記のような二層構造のインターコネクタ
ーを製造するには、例えば物理的気相成長法（ＰＶＤ）
、化学的気相成長法　（ＣＶＤ）、溶射法、接合法によ
る。

【００２２】インターコネクター６以外の部分について
更に述べる。空気電極３は、ドーピングされたか、又は
ドーピングされていない　ＬａＭｎＯ３　，ＣａＭｎＯ
３，　ＬａＮｉＯ３，　ＬａＣｏＯ３，　ＬａＣｒＯ３
等で製造でき、Ｓｒを添加した　ＬａＭｎＯ３　が好ま
しい。この場合、耐酸化性セラミックス層６ＡをＬａＭ
ｎＯ３系セラミックスで形成し、空気電極３も　ＬａＭ
ｎＯ３　系セラミックスで形成すると、両者の熱膨張率
が最も良く一致し、接合性も高い。固体電解質４は、イ
ットリア安定化ジルコニア、イットリア部分安定化ジル
コニア等で製造するのが好ましい。燃料電極５は、一般
にはニッケル−ジルコニアサーメット又はコバルト−ジ
ルコニアサーメットが好ましい。また、図２における各
円筒状ＳＯＦＣ素子１は、それぞれ有底円筒状であって
よく、両端が開放された円筒状であってもよい。

【００２３】次いで、平板状ＳＯＦＣ素子の直列接続に
対して本発明を適用した例について、図３を参照しつつ
説明する。図３においては、二つの平板状ＳＯＦＣ素子
１１Ａ　と１１Ｂ　との直列接続部分を拡大して示して
ある。このＳＯＦＣ素子１１Ａ　，１１Ｂ　は、平板状
空気電極１３、平板状固体電解質１４及び平板状燃料電
極１５を順次積層してなる三層構造のものである。ＳＯ
ＦＣ素子１１Ａ　の平板状空気電極１３の端面に接する
ように、断面略コ字形の耐酸化性セラミックス層１６Ａ
が設けられ、耐酸化性セラミックス層１６Ａ　の端面に
接して、やはり断面略コの字状の耐還元性金属層１６Ｂ
　が設けられている。耐還元性金属層１６Ｂ　の端面が
、ＳＯＦＣ素子１１Ｂ　の平板状燃料電極１５に接して
いる。

【００２４】ＳＯＦＣ素子１１Ａ　においては、平板状
燃料電極１５の図３において右端が板状固体電解質１４
によって覆われ、インターコネクター１６に対して絶縁
されている。ＳＯＦＣ素子１１Ｂ　においては、平板状
空気電極１３の図３において左端が平板状固体電解質１
４によって覆われ、インターコネクター１６に対して絶
縁されている。耐酸化性セラミックス層１６Ａ　は緻密
質であり、ＳＯＦＣ素子１１Ａ　及び１１Ｂ　の平板状
固体電解質１４に接していることから、耐還元性金属層
１６Ｂが、酸化ガスに対して隔離される。同様に、耐還
元性金属層１６ＢがＳＯＦＣ素子１１Ａ　及び１１Ｂ　
の平板状の固体電解質１４に接していることから、耐酸
化性セラミックス層１６Ａ　が、燃料ガスに対して隔離
される。従って、本実施例においても、前述した実施例
と同様の効果が得られる。

【００２５】次に実験結果について述べる。Ｌａ０．９
Ｓｒ０．１ＭｎＯ３にＦｅを　０．１％添加し、径３０
ｍｍφ、厚さ１ｍｍの円板状に成形し、焼成して緻密質
の耐酸化性セラミックス板を作成した。また、インコネ
ル６００　からなる径３０ｍｍφ、厚さ１ｍｍの円板状
の耐還元性金属板の片面に、Ｌａ０．９Ｓｒ０．１Ｍｎ
Ｏ３にＦｅを　０．１％添加したスラリーを塗布し、こ
のスラリー上に上記の耐酸化性セラミックス板を貼り合
わせ、１２００℃で焼きつけ、二層構造のインターコネ
クター板を製作した（試料１）。

【００２６】一方、ＬａＣｒ０．９Ｍｇ０．１Ｏ３を径
３０ｍｍφ、厚さ２ｍｍの円板状にプレス成形し、焼成
して緻密質のインターコネクター板を製作した（比較試
料１）。また、Ｌａ０．９Ｓｒ０．１ＭｎＯ３にＦｅを
０．１　％添加し、径３０ｍｍφ、厚さ１ｍｍの円板状
に成形し、焼成して緻密質の　Ｌａ０．９Ｓｒ０．１Ｍ
ｎＯ３　板を製作した。一方、ＬａＣｒ０．９Ｍｇ０．
１Ｏ３を径３０ｍｍφ、厚さ１ｍｍの円板状にプレス成
形し、焼成して緻密質のＬａＣｒ０．９Ｍｇ０．１Ｏ３
板を製作した。このＬａＣｒ０．９Ｍｇ０．１Ｏ３板の
片面に、Ｌａ０．９Ｓｒ０．１ＭｎＯ３にＦｅを０．１
　％添加したスラリーを塗布し、スラリー上に上記のＬ
ａ０．９Ｓｒ０．１ＭｎＯ３板を貼り合わせ、１２００
℃で焼きつけ、二層構造のインターコネクター板を製作
した（比較試料２）。これらの各試料（各５個）につい
て、１０００℃における電気抵抗を測定した。 　　Ｎｏ．　　　　　　　　　　　　　　　　　　　１
　　　　　　　　　２　　　　　　　　　　３　　　　
　　　　　４　　　　　　　　　５試料１　（×１０−
３Ωｃｍ）　　　　６．１　　　　　　　６．２　　　
　　　　　６．８　　　　　　　７．９　　　　　　　
６．２　　　比較試料１ 　　　　　　（×１０−１Ωｃｍ）　　　　５．７　　
　　　　　５．８　　　　　　　　５．５　　　　　　
　５．５　　　　　　　５．９　 比較試料２ 　　　　　　（×１０−１Ωｃｍ）　　　　２．８　　
　　　　　３．１　　　　　　　　２．９　　　　　　
　２．５　　　　　　　２．９　この結果から、本発明
により、インターコネクターの電気抵抗を大きく低減で
きることが解る。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、空気電極に接する耐酸
化性セラミックス層と、この耐酸化性セラミックス層に
接する耐還元性金属層とからインターコネクターが構成
されているので、全体をＬａＣｒＯ３等の耐酸化性セラ
ミックスで形成した場合にくらべてインターコネクター
全体の電気抵抗を小さくできる。また、固体電解質型燃
料電池素子の固体電解質と耐酸化性セラミックス層とに
よって耐還元性金属層が酸化ガスから隔離されているの
で、高温の酸化ガスによる耐還元性金属層の酸化、劣化
を防止できる。更に、固体電解質と耐還元性金属層とに
よって耐酸化性セラミックス層が燃料ガスから隔離され
ているので、耐酸化性セラミックス層が燃料ガスに曝さ
れることによる耐酸化性セラミックス層の電気抵抗の上
昇を防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】円筒状ＳＯＦＣ素子のインターコネクターの周
辺のみを拡大して示す正面図である。

【図２】円筒状ＳＯＦＣ素子を直列及び並列に接続して
なる集合電池の一部を示す正面図である。

【図３】平板状ＳＯＦＣ素子の直列接続部分の周辺を示
す拡大図である。

【符号の説明】

１　　円筒状ＳＯＦＣ素子 ３，　１３　　　空気電極 ４，　１４　　　固体電解質 ５，　１５　　　燃料電極 ６，　１６　　　インターコネクター ６Ａ，　１６Ａ　　　耐酸化性セラミックス層６Ｂ，　
１６Ｂ　　　耐還元性金属層 １０　　燃料ガスの流れる筒外空間 ２０　　酸化ガスの流れる筒内空間

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　一方の固体電解質型燃料電池素子の空
   気電極と他方の固体電解質型燃料電池素子の燃料電極と
   を電気的に接続するために前記空気電極に接して設けら
   れたインターコネクターであって、前記空気電極に接す
   る耐酸化性セラミックス層と、この耐酸化性セラミック
   ス層に接する耐還元性金属層とからなる、固体電解質型
   燃料電池用インターコネクター。
2. 【請求項２】　　少なくとも燃料電極と空気電極と固体
   電解質とを有する固体電解質型燃料電池素子を複数個有
   し、かつ隣り合った前記固体電解質型燃料電池素子の空
   気電極と燃料電極とを電気的に接続するために前記空気
   電極に接してインターコネクターが設けられた固体電解
   質型燃料電池であって、前記空気電極に接する耐酸化性
   セラミックス層と、この耐酸化性セラミックス層に接す
   る耐還元性金属層とから前記インターコネクターが構成
   され、前記固体電解質と前記耐酸化性セラミックス層と
   によって前記耐還元性金属層が酸化ガスから隔離され、
   かつ前記固体電解質と前記耐還元性金属層とによって前
   記耐酸化性セラミックス層が燃料ガスから隔離されるよ
   うに構成した、固体電解質型燃料電池。