JPH07166301A - 固体電解質燃料電池のセパレータ - Google Patents

固体電解質燃料電池のセパレータ

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JPH07166301A
JPH07166301A JP5314827A JP31482793A JPH07166301A JP H07166301 A JPH07166301 A JP H07166301A JP 5314827 A JP5314827 A JP 5314827A JP 31482793 A JP31482793 A JP 31482793A JP H07166301 A JPH07166301 A JP H07166301A
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JP
Japan
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separator
solid electrolyte
fuel cell
cell
contact resistance
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JP5314827A
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Takeshi Kawashima
健 川島
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Tokyo Gas Co Ltd
Original Assignee
Tokyo Gas Co Ltd
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Publication date
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0206Metals or alloys
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 熱膨張率が電解質(8YSZ)とほぼ同一
で、燃料電池の空気極との接触抵抗が低く、製造および
加工が容易で大型化ができ、導電性に優れ、機械的強度
が大きく、長期にわたり化学的に安定で、熱応力に強
く、低廉なセパレータを提供すること。 【構成】 固体電解質層を挟むように燃料極と空気極を
配置してなる平板状単電池を電気的に直列に接続しかつ
該単電池の各電極にそれぞれ燃料ガスまたは酸化剤ガス
を分配する固体電解質燃料電池のセパレータにおいて、
Fe60〜82重量%およびCr18〜40重量%と、
前記単電池の空気極との間の接触抵抗を低減する添加元
素(La、Y、CeまたはAl)からなる合金で造られ
た。

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燃料電池のセ
パレータに関する。
【0002】
【従来の技術】最近、酸素と水素をそれぞれ、酸化剤お
よび燃料として、燃料が本来持っている化学エネルギー
を直接電気エネルギーに変換する燃料電池が、省資源、
環境保護などの観点から注目されている。イットリアな
どをドープしたジルコニアを単電池の電解質層として用
い、耐熱性金属や導電性酸化物をセパレータとして用い
た固体電解質燃料電池は、作動温度が高く、発電効率が
高く、高温の廃熱の利用により総合効率が高いので、研
究開発が進んでいる。固体電解質燃料電池は固体電解質
層を挟むように燃料極と空気極を配置してなる平板状単
電池と、隣接する単電池同志を電気的に直列に接続し、
かつ各単電池に燃料ガスと酸化剤ガスとを分配し、さら
に燃料ガスと酸化剤ガスとを分離してクロスリークを防
止するセパレータとを交互に積層して複層のスタックと
して構成されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】従来、セパレータ材料
としてはペロブスカイト型の導電性酸化物であるLa
(M)CrO3 (M:Sr、Ca、Mg)が用いられて
いるが、緻密に焼結することが困難であり、また、H2
O存在下で燃料極との接触抵抗が大きく、かつ大型化が
困難であり、また化学的安定性と機械的強度に問題があ
り、さらに実用上高価であるなどの欠点があった。
【0004】また、耐熱性合金を用いて空気極側の表面
に導電性の酸化物をコーティングして複合セパレータと
する方法も提案されている(特開平1ー100866、
特開平2ー37669、特開平3ー8264)が、金属
と酸化物との熱膨張差のためにコーティング層の剥離が
起こる問題があった。
【0005】また、セパレータ全体をステンレス鋼やイ
ンコネルなどの耐熱性合金で造る方法もあるが、耐熱性
合金の熱膨張率が電解質(8YSZ)に比較して極端に
大きく、そのためセパレータが燃料電池から剥離する欠
点があった。
【0006】本発明は上述の点に鑑みてなされたもの
で、熱膨張率が電解質(8YSZ)とほぼ同レベルで、
燃料電池の空気極との接触抵抗が低く、製造および加工
が容易で大型化ができ、導電性に優れ、機械的強度が大
きく、長期にわたり化学的に安定で、熱応力に強く、低
廉な金属セパレータを提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は固体電解質層を挟むように燃料極と空気極
を配置してなる平板状単電池を電気的に直列に接続しか
つ該単電池の各電極にそれぞれ燃料ガスまたは酸化剤ガ
スを分配する固体電解質燃料電池のセパレータにおい
て、Fe60〜82重量%およびCr18〜40重量%
と、前記単電池の空気極との間の接触抵抗を低減する添
加元素(La、Y、CeまたはAl)からなる合金で造
られたことを特徴とする
【0008】
【作用】固体電解質燃料電池のセパレータをFe−Cr
系合金に微量の添加元素(La、Y、CeまたはAl)
を加えた金属により造ることにより、膨張率を固体電解
質(8YSZ)層の熱膨張率にきわめて近づけ、かつ空
気極との接触抵抗を低減する。
【0009】
【実施例】以下、本発明を図面に基づいて説明する。
【0010】固体電解質燃料電池ではこれを構成してい
る諸部材の熱膨張率の整合性を確保して破壊を防止し耐
久性を維持することが必要である。固体電解質燃料電池
の構成部材の中で機械的強度が最も弱いものは単電池の
固体電解質層である。ゆえに、固体電解質層の熱膨張率
と同レベルの熱膨張率を有する金属材料でセパレータを
造ることが必要である。本発明者は調査実験の結果、F
e−Cr系合金が現在広く使用されている固体電解質
(8YSZ)層の熱膨張率にきわめて近い材料であるこ
とを見出した。
【0011】図1はFe−Cr合金の室温から1000
℃までの平均熱膨張率に対するCr濃度の影響を示すグ
ラフである。
【0012】図1のグラフは横軸にCr濃度を単位重量
%、縦軸に熱膨張率を単位ppm/Kで示す。この熱膨
張率は室温から1000℃までの値である。このグラフ
において熱膨張率が10〜11.5ppm/Kであれば
セパレータの材料として適当なことが判明した。したが
って、熱膨張率10〜11.5ppm/Kに対応してC
r濃度は18〜40%が適当である。なお、従来セパレ
ータの材料として使用していたインコネルは熱膨張率が
18ppm/Kであり、セパレータの材料として高すぎ
るので電池破壊の原因になっていることがわかる。
【0013】また、セパレータの重要な機能は燃料ガス
と酸化剤ガスとを分離してクロスリークさせないこと
と、隣同志の単電池を直列に接続することである。この
ため、単電池の電極とセパレータの間の接触抵抗値が低
くなければならない。接触抵抗値を低くするためにFe
−Cr合金に微量の元素(La、Y、CeまたはAl)
を添加すればよいことが判明した。
【0014】図2は本発明のセパレータの1000℃に
おける空気極(La0.85 Sr0.15MnO3 )との接触
抵抗の経時を示すグラフである。
【0015】図2のグラフは横軸に時間を単位h、縦軸
に接触抵抗を単位mΩcm2 で示す。測定に使用したセ
パレータの材質はFe−Cr合金に0.39%のLaを
添加したFe−18Cr−0.39Laである。なお、
各元素Fe、CrおよびLaの濃度の合計は100%で
ある。このグラフからわずか50mΩcm2 という低接
触抵抗が長時間にわたって維持されることが判明した。
添加元素としてLaの代わりに微量のY、CeまたはA
lを使用しても同じように接触抵抗を低下させることが
できる。
【0016】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、固
体電解質燃料電池のセパレータはFe60〜82重量%
およびCr18〜40重量%と、前記単電池の空気極と
の間の接触抵抗を低減する添加元素(La、Y、Ceま
たはAl)からなる合金で造ったので、次のような優れ
た効果が得られる。 (1)熱膨張率が電解質(8YSZ)とほぼ同レベルと
なる。 (2)燃料電池の空気極との接触抵抗を低減することが
できる。 (3)製造および加工が容易で大型化が可能となる。 (4)機械的強度が大きく、熱応力に強く、長期にわた
り化学的に安定である。 (5)製造コストが大幅に低減される。 (6)隣接する単電池同志を電気的に直列に接続し、か
つ燃料ガスと酸化剤ガスとを分離してクロスリークを防
止するセパレータとしての機能を完全に果たすことがで
きる。。
【図面の簡単な説明】
【図1】Fe−Cr合金の室温から1000℃までの平
均熱膨張率に対するCr濃度の影響を示すグラフであ
る。
【図2】本発明のセパレータの1000℃における空気
極(La0.85Sr0.15MnO3)との接触抵抗の経時を
示すグラフである。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 固体電解質層を挟むように燃料極と空気
    極を配置してなる平板状単電池を電気的に直列に接続し
    かつ該単電池の各電極にそれぞれ燃料ガスまたは酸化剤
    ガスを分配する固体電解質燃料電池のセパレータにおい
    て、Fe60〜82重量%およびCr18〜40重量%
    と、前記単電池の空気極との間の接触抵抗を低減する添
    加元素からなる合金で造られたことを特徴とする固体電
    解質燃料電池のセパレータ。
  2. 【請求項2】 前記添加元素がLaであることを特徴と
    する請求項1に記載の固体電解質燃料電池のセパレー
    タ。
  3. 【請求項3】 前記添加元素がYであることを特徴とす
    る請求項1に記載の固体電解質燃料電池のセパレータ。
  4. 【請求項4】 前記添加元素がCeであることを特徴と
    する請求項1に記載の固体電解質燃料電池のセパレー
    タ。
  5. 【請求項5】 前記添加元素がAlであることを特徴と
    する請求項1に記載の固体電解質燃料電池のセパレー
    タ。
JP5314827A 1993-12-15 1993-12-15 固体電解質燃料電池のセパレータ Withdrawn JPH07166301A (ja)

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