JPH07201339A - Separator for solid electrolyte fuel cell - Google Patents

Separator for solid electrolyte fuel cell

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JPH07201339A
JPH07201339A JP5348902A JP34890293A JPH07201339A JP H07201339 A JPH07201339 A JP H07201339A JP 5348902 A JP5348902 A JP 5348902A JP 34890293 A JP34890293 A JP 34890293A JP H07201339 A JPH07201339 A JP H07201339A
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JP
Japan
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ceramics
fuel cell
separator
alloy
solid electrolyte
Prior art date
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Pending
Application number
JP5348902A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Toshihiko Yoshida
利彦 吉田
Hiroshi Seto
浩志 瀬戸
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SEKIYU SANGYO KASSEIKA CENTER
Tonen General Sekiyu KK
Japan Petroleum Energy Center JPEC
Original Assignee
SEKIYU SANGYO KASSEIKA CENTER
Petroleum Energy Center PEC
Tonen Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SEKIYU SANGYO KASSEIKA CENTER, Petroleum Energy Center PEC, Tonen Corp filed Critical SEKIYU SANGYO KASSEIKA CENTER
Priority to JP5348902A priority Critical patent/JPH07201339A/en
Publication of JPH07201339A publication Critical patent/JPH07201339A/en
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    • 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

Abstract

PURPOSE:To provide a thermal expansion characteristic almost equal to that of a solid electrolyte of a fuel cell while having good conductivity excellent in heat resistance and corrosion resistance by providing high density. CONSTITUTION:A device is constituted of a composite comprising heat resistant metal (A) containing at least one kind of heat resistant alloy selected from a cobalt group alloy and iron group alloy and ceramics (B), to provide this heat resistant metal (A) as dispersoid and further the ceramics (B) as matrix, and also ratio of the heat resistant metal to the ceramics, occupying a sectional area, is set to 1:2 to 2:1. Alumina, silica (cristobalite), spinel, etc., are preferable as ceramics. In this way, in addition to reducing a molding cost excellent in moldability capable of performing injection molding, while maintaining conductivity, a thermal expansion characteristic of linear expansion coefficient or the like can be controlled, and each member can be firmly connected in a fuel cell, to improve stability of gas seal and to enable a cell characteristic to improve.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、新規な固体電解質型燃
料電池用セパレータに関するものである。さらに詳しく
いえば、本発明は、高緻密度を有し、耐熱性、耐食性に
優れ、良好な電気伝導度を有するとともに、射出成形可
能で成形性に優れ成形コストを低減させうる上に、電気
伝導度を維持しつつ、線膨張率等の熱膨張特性を制御で
き、熱膨張特性を燃料電池の固体電解質のそれにほぼ等
しくしうることから、燃料電池において各部材の強固な
接合を可能とし、ガス封止の安定性を向上させ、電池特
性を向上させうる固体電解質型燃料電池用セパレータに
関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a novel solid oxide fuel cell separator. More specifically, the present invention has high compactness, excellent heat resistance and corrosion resistance, good electrical conductivity, injection moldability, excellent moldability, and low molding cost. While maintaining conductivity, it is possible to control thermal expansion characteristics such as linear expansion coefficient, and since the thermal expansion characteristics can be made substantially equal to that of the solid electrolyte of the fuel cell, it is possible to firmly join each member in the fuel cell, The present invention relates to a solid oxide fuel cell separator capable of improving gas sealing stability and cell characteristics.

【0002】[0002]

【従来の技術】燃料電池は、水素、一酸化炭素、炭化水
素等の燃焼性化学物質やそれを含有する燃料を活物質に
用い、該化学物質や燃料の酸化反応を電気化学的に行わ
せ、酸化過程におけるエネルギー変化を直接的に電気エ
ネルギーに変換させる電池であって、高いエネルギー変
換効率を期待しうるものである。
2. Description of the Related Art A fuel cell uses a combustible chemical substance such as hydrogen, carbon monoxide, or hydrocarbon or a fuel containing the same as an active material and causes an oxidation reaction of the chemical substance or the fuel to be performed electrochemically. A battery that directly converts energy changes in the oxidation process into electric energy, and is expected to have high energy conversion efficiency.

【0003】中でも特に高い効率を期待しうるものとし
て、近年、第一世代のリン酸型、第二世代の溶融炭酸塩
型に続く第三世代の固体電解質型燃料電池、中でも集積
度の高い平板型のものが注目されている。図1は、この
平板型の3段直列セルの固体電解質型燃料電池の1例の
斜視説明図であって、各固体電解質板11の上面及び下
面にそれぞれカソード12及びアノード13を一体形成
して成る3層構造板をセパレータ14を介して接合集積
し、両端には外部端子15,16をそれぞれ設けて構成
されている。同様にして単位セルの積層数を増減するこ
とにより、多数のセルからなる多段直列型の電池に形成
される。セパレータ14は隣接するセルの電極間を電気
的に接続するとともに、上面に溝14a,下面に溝14
bが形成されて隣接するセルのアノード側及びカソード
側の各ガス通路を形成している。
Among them, particularly high efficiency can be expected, and in recent years, the third generation solid oxide fuel cell following the first generation phosphoric acid type and the second generation molten carbonate type, especially the flat plate having a high degree of integration The type is drawing attention. FIG. 1 is a perspective explanatory view of an example of this flat plate type three-stage series cell solid electrolyte fuel cell, in which a cathode 12 and an anode 13 are integrally formed on the upper surface and the lower surface of each solid electrolyte plate 11. The three-layered structure plate is formed by joining and integrating via a separator 14, and external terminals 15 and 16 are provided at both ends, respectively. Similarly, by increasing or decreasing the number of stacked unit cells, a multi-stage series type battery including a large number of cells is formed. The separator 14 electrically connects the electrodes of adjacent cells, and has a groove 14a on the upper surface and a groove 14 on the lower surface.
b is formed to form each gas passage on the anode side and the cathode side of the adjacent cells.

【0004】しかし、このような平板型のものは、普通
はセパレータがインターコネクタとも称されるように集
電機能を有し、それに適合するような材質の金属、例え
ば耐熱合金で形成されているのに対し、固体電解質はジ
ルコニアを主体とするセラミックスで形成されているた
め、両者間には、800〜1000℃という高温の電池
作動温度に及ぶ環境条件の変動に伴って線膨張係数等の
熱膨張特性にかなりの差異が生じるので、3層構造板と
セパレータ間には応力による歪が生じ、さらには接合強
度が低下したり、クラックが発生したり、接合部にすき
間を生じてガスが漏れ、水素などの燃料と空気などの酸
化剤ガスがクロスリークして活物質としての機能がそこ
なわれたりするおそれがある。
However, in such a flat plate type, the separator usually has a current collecting function, which is also called an interconnector, and is formed of a metal, such as a heat-resistant alloy, which is suitable for the collector. On the other hand, since the solid electrolyte is formed of ceramics mainly composed of zirconia, a thermal expansion coefficient such as a linear expansion coefficient is generated between them due to a change in environmental conditions over a high battery operating temperature of 800 to 1000 ° C. Since there is a considerable difference in expansion characteristics, distortion due to stress occurs between the three-layer structure plate and the separator, and further, the joint strength decreases, cracks occur, and there is a gap in the joint, causing gas leakage. The fuel such as hydrogen and the oxidant gas such as air may cross-leak to impair the function of the active material.

【0005】他方、ランタンクロマイト系セパレータも
知られているが、このものは複合酸化物のセラミックス
であるために電気伝導度が十分満足しうるものではな
く、還元雰囲気で劣化し易いという欠点がある。また、
円筒型で・アルミニウム/アルミナ系セパレータを薄膜
にしたものも提案されているが、このものは酸化防止コ
ートを必要とするという欠点がある。
On the other hand, a lanthanum chromite separator is also known, but since it is a composite oxide ceramic, its electrical conductivity is not sufficiently satisfactory, and it has a drawback that it is easily deteriorated in a reducing atmosphere. . Also,
A cylindrical type having a thin film of an aluminum / alumina-based separator has also been proposed, but this has a drawback that it requires an antioxidant coat.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、先に、
このような従来のセパレータのもつ欠点を改善すべく、
ニッケル、コバルト、鉄、ニッケル基合金、コバルト基
合金、鉄基合金などの耐熱金属と、耐熱性無機系化合物
類とを非酸化性雰囲気下あるいは真空中で焼成して得た
焼結体より構成される所定燃料電池用セパレータを提案
したが(特願平3−212978号、特願平3−212
980号、特願平3−212984号、特願平3−21
3087号)、このものは耐熱性、耐食性に優れ、ガス
封止の安定性を向上させることができ、酸化防止膜を要
しないなどの利点があるものの、燃料電池用セパレータ
の主要物性である電気伝導度については必ずしも十分に
満足しうるものではないばかりか、熱膨張特性がジルコ
ニアなどの固体電解質とは差があり、応力による歪みの
発生を免れないという問題がある。本発明は、このよう
な事情の下、さらに十分な電気伝導度を有するととも
に、熱膨張特性が固体電解質とほぼ一致する固体電解質
型燃料電池用セパレータを提供することを目的としてな
されたものである。
DISCLOSURE OF THE INVENTION The present inventors
In order to improve the drawbacks of such a conventional separator,
Consists of a sintered body obtained by firing a refractory metal such as nickel, cobalt, iron, a nickel-based alloy, a cobalt-based alloy, or an iron-based alloy and a heat-resistant inorganic compound in a non-oxidizing atmosphere or in a vacuum. The proposed fuel cell separator has been proposed (Japanese Patent Application No. 3-212978, Japanese Patent Application No. 3-212).
No. 980, Japanese Patent Application No. 3-2122984, Japanese Patent Application No. 3-21
No. 3087), which has excellent heat resistance and corrosion resistance, can improve the stability of gas sealing, and does not require an antioxidant film, but is an important physical property of a fuel cell separator. Not only is the conductivity not fully satisfactory, but there is also the problem that the thermal expansion characteristics differ from those of solid electrolytes such as zirconia, and strain due to stress cannot be avoided. Under such circumstances, the present invention has been made for the purpose of providing a separator for a solid oxide fuel cell which has a sufficient electric conductivity and has a thermal expansion characteristic which is almost the same as that of the solid electrolyte. .

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記の好
ましい性質を有するセパレータを開発するために種々研
究を重ねた結果、先に提案したようなセパレータを構成
するサーメットのような耐熱金属−セラミックス複合体
の構造が電気伝導度及び熱膨張特性に大きく影響するこ
と、さらに該複合体におけるセラミックスをマトリック
スとし、耐熱金属を分散質とするとともに、断面積に占
めるセラミックスと耐熱金属との割合を特定することに
より、その目的を達成しうることを見出し、この知見に
基づいて本発明を完成するに至った。
The present inventors have conducted various studies to develop a separator having the above-mentioned preferable properties, and as a result, have made a heat-resistant metal such as cermet constituting a separator as previously proposed. -The structure of the ceramic composite has a great influence on the electrical conductivity and thermal expansion characteristics, and further, the ceramic in the composite is used as a matrix, the refractory metal is a dispersoid, and the proportion of the ceramic and the refractory metal in the cross-sectional area is It was found that the object can be achieved by specifying the above, and the present invention has been completed based on this finding.

【0008】すなわち、本発明は、(A)ニッケル、コ
バルト、鉄、ニッケル基合金、コバルト基合金及び鉄基
合金の中から選ばれた少なくとも1種の耐熱合金を含有
する耐熱金属と(B)セラミックスとから成る複合体で
構成され、該耐熱金属(A)が分散質として存在し、か
つセラミックス(B)がマトリックスとして存在すると
ともに、断面積に占める耐熱金属とセラミックスとの割
合が1:2〜2:1であることを特徴とする固体電解質
型燃料電池用セパレータを提供するものである。
That is, the present invention provides (A) a heat-resistant metal containing at least one heat-resistant alloy selected from nickel, cobalt, iron, nickel-base alloys, cobalt-base alloys and iron-base alloys, and (B) The heat-resistant metal (A) is present as a dispersoid and the ceramic (B) is present as a matrix, and the ratio of the heat-resistant metal to the ceramic in the cross-sectional area is 1: 2. The solid electrolyte fuel cell separator is characterized by having a ratio of ˜2: 1.

【0009】本発明において前記複合体を構成する一方
の成分の耐熱金属は、ニッケル基合金、コバルト基合金
及び鉄基合金の中から選ばれた少なくとも1種の耐熱合
金を含有するものであって、これらの耐熱合金のみでも
よいが、さらにニッケル、コバルト及び鉄の中から選ば
れた少なくとも1種の金属を含んでいてもよい。
In the present invention, the refractory metal which is one of the constituents of the composite contains at least one refractory alloy selected from nickel-base alloys, cobalt-base alloys and iron-base alloys. However, these heat-resistant alloys may be used alone, but at least one metal selected from nickel, cobalt, and iron may be further included.

【0010】このニッケル合金としては、Ni‐Cr系
合金、Ni‐Cr‐Fe系合金、Ni‐Cr‐Mo系合
金、Ni‐Cr‐Mo‐Co系合金、その他Ni‐Cr
‐Mo‐Fe系合金などを挙げることができ、その中で
も特にNi‐Cr系合金が好ましい。これらは単独で用
いてもよいし、また2種以上を組合せて用いてもよい。
その代表的な市販品としては、INCONEL All
oy 600,601,617,625,690、X‐
750,751、NIMONIC Alloy75,8
0A,90、INCO Alloy HX,UHMなど
がある。
Examples of the nickel alloy include Ni-Cr alloys, Ni-Cr-Fe alloys, Ni-Cr-Mo alloys, Ni-Cr-Mo-Co alloys, and other Ni-Cr alloys.
-Mo-Fe based alloys can be mentioned, and among them, Ni-Cr based alloys are particularly preferable. These may be used alone or in combination of two or more.
A typical commercially available product is INCONEL All
oy 600,601,617,625,690, X-
750,751, NIMONIC Alloy 75,8
0A, 90, INCO Alloy HX, UHM and the like.

【0011】また、コバルト基合金としては、Co‐C
r系合金、Co‐Cr‐Fe系合金、Co‐Cr‐W系
合金、Co‐Cr‐Ni‐W系合金などが挙げられ、そ
の中でも特にCo‐Cr系合金が好ましい。これらは単
独で用いてもよいし、また2種以上を組合せて用いても
よい。その代表的な市販品としては、ヘインズアロイN
o.25、ヘインズアロイNo.188、三菱ステライ
トNo.6B、UMCo50などがある。
The cobalt-based alloy is Co-C.
Examples include r-based alloys, Co-Cr-Fe-based alloys, Co-Cr-W-based alloys, Co-Cr-Ni-W-based alloys, and among these, Co-Cr-based alloys are particularly preferable. These may be used alone or in combination of two or more. A typical commercially available product is Haines Alloy N.
o. 25, Haines Alloy No. 188, Mitsubishi Stellite No. 6B, UMCo50, etc.

【0012】また、鉄基合金としては、Fe‐Ni‐C
r系合金、Fe‐Cr‐Ni系合金、Fe‐Cr‐Ni
‐Co系合金などが挙げられ、その中でも特にFe‐N
i‐Cr系合金が好ましい。これらは単独で用いてもよ
いし、また2種以上を組合せて用いてもよい。その代表
的な市販品としては、INCOLOY Alloy80
0,800H(T),802、INCO Alloy
330などがある。
Fe-Ni-C is an iron-based alloy.
r-based alloy, Fe-Cr-Ni-based alloy, Fe-Cr-Ni
-Co alloys, etc., among which Fe-N
i-Cr alloys are preferred. These may be used alone or in combination of two or more. A typical commercially available product is INCOLOY Alloy80.
0,800H (T), 802, INCO Alloy
330, etc.

【0013】前記複合体を構成する他方の成分のセラミ
ックスは、耐熱性のものであれば特に限定されず、例え
ば導電性のもの及び非導電性のもののいずれも用いられ
る。導電性のものとしては、例えば希土類系などの導電
性セラミックス、酸化第二スズ、酸化インジウム、炭化
ケイ素、酸化亜鉛などが挙げられる。
The ceramic of the other component constituting the composite is not particularly limited as long as it is heat resistant, and for example, both conductive and non-conductive ceramics can be used. Examples of conductive materials include conductive ceramics of rare earth type, stannic oxide, indium oxide, silicon carbide, zinc oxide and the like.

【0014】また、非導電性のものとしては、炭化物
系、酸化物系、窒化物系セラミックスがあり、例えばア
ルミナ、シリカ、チタニア、窒化ケイ素などが挙げられ
る。また、ムライト、スピネル、コージュライト等の複
合セラミックスでもよい。これらのセラミックスは単独
で用いてもよいし、また2種以上を組合せて用いてもよ
く、中でも特にアルミナ、シリカ(クリストバライ
ト)、スピネルなどが好ましい。
Non-conductive materials include carbide-based, oxide-based, and nitride-based ceramics such as alumina, silica, titania, and silicon nitride. Further, a composite ceramic such as mullite, spinel, cordierite may be used. These ceramics may be used alone or in combination of two or more, and among them, alumina, silica (cristobalite), spinel and the like are particularly preferable.

【0015】セラミックスとしては、耐熱合金が通常熱
膨張率13〜16×10−6(K−1)であるから、セ
パレータの熱膨張率をジルコニア系固体電解質の熱膨張
率10×10−6(K−1)と合わせるためには、熱膨
張率5〜9×10−6(K−1)であるものが好まし
い。この点から、セラミックスは、アルミナ、シリカ
(クリストバライト)、スピネルなどが好ましい。
As the ceramics, a heat-resistant alloy usually has a coefficient of thermal expansion of 13 to 16 × 10 −6 (K −1 ), so that the coefficient of thermal expansion of the separator is 10 × 10 −6 (the coefficient of thermal expansion of the zirconia-based solid electrolyte). to match the K -1) is is preferred coefficient of thermal expansion 5~9 × 10 -6 (K -1) . From this point, the ceramic is preferably alumina, silica (cristobalite), spinel, or the like.

【0016】本発明のセパレータにおいては、前記複合
体における耐熱金属(A)が分散質として存在し、かつ
セラミックス(B)がマトリックスとして存在してお
り、かつ断面積における耐熱金属(A)とセラミックス
(B)との割合が1:2〜2:1の範囲にあることが重
要である。このような存在形態及び断面積における割合
を採ると、常用のジルコニア系材料より成る固体電解質
とほぼ等しい線膨張率をもたせることが容易にでき、1
0Ω−1cm−1以上の高い電気伝導度をもたせること
が可能となる。特に有利には、ニッケル基合金−アルミ
ナ複合体で、断面積におけるニッケル基合金とアルミナ
の割合が2:3〜6:5の範囲内にあるものが用いられ
る。
In the separator of the present invention, the refractory metal (A) in the composite is present as a dispersoid, the ceramics (B) is present as a matrix, and the refractory metal (A) and the ceramics in the cross-sectional area are present. It is important that the ratio with (B) is in the range of 1: 2 to 2: 1. By taking such an existence form and a ratio in the cross-sectional area, it is possible to easily give a linear expansion coefficient almost equal to that of a solid electrolyte made of a commonly used zirconia-based material.
It becomes possible to have a high electric conductivity of 0 Ω −1 cm −1 or more. Particularly preferably, a nickel-base alloy-alumina composite having a ratio of nickel-base alloy to alumina in the cross-sectional area in the range of 2: 3 to 6: 5 is used.

【0017】本発明のセパレータを構成する複合体材料
を作製するには、先ず前記耐熱金属と、前記セラミック
ス又はそれを形成しうる化合物とを好ましくは粉末状、
例えば0.05〜500μmの粉末状で完全に混合、分
散させることが重要であり、得られる混合物が数時間の
放置によっても自然分離することのないように調製され
るのが好ましい。これには、CIPなどの冷間成形用粉
体の場合には、乾式造粒によるのが好ましく、また鋳込
みなどのスラリー成形用分散液の場合には、分散性を向
上させるために、ポリカルボン酸塩系、アミン態窒素含
有アルコール系、アルコール系、マンヌロナン酸塩系な
どの分散剤を加えて均一スラリー化するのが好ましい。
To prepare the composite material constituting the separator of the present invention, first, the refractory metal and the ceramic or the compound capable of forming the ceramic are preferably in powder form,
For example, it is important to completely mix and disperse the powder in the form of powder having a particle size of 0.05 to 500 μm, and it is preferable that the resulting mixture is prepared so as not to spontaneously separate even when left standing for several hours. In the case of powder for cold forming such as CIP, dry granulation is preferable, and in the case of dispersion liquid for slurry forming such as casting, polycarboxylic acid is added to improve dispersibility. It is preferable to add a dispersant such as an acid salt type, an amine type nitrogen-containing alcohol type alcohol, an alcohol type or a mannuronanate type to make a uniform slurry.

【0018】このようにして得た混合物は、加圧成形、
例えば冷間静水圧プレス成形あるいは熱間静水圧プレス
成形やスラリなどを施したのち、セラミックスが焼結
し、なおかつ耐熱合金が溶融しない温度範囲で、非酸化
性雰囲気下、例えば還元雰囲気下や不活性ガス雰囲気下
などや、あるいは真空中で焼成される。還元雰囲気下で
焼成する場合、雰囲気中の水素濃度については特に制限
はないが、好ましくは1〜10%程度とするのがよい。
また、焼成温度は1100〜1500℃の範囲内とする
のが好ましい。セラミックスの焼結性は、その粉体の粒
径にも依存するので、一次粒径が0.05〜5μmの比
較的細かいものを用いると焼結性を向上させることかで
きる。耐熱合金としては通常1〜500μmと比較的大
きな粒径のものが用いられる。このようにして、セラミ
ックスをマトリックスとし、耐熱金属を分散質とする複
合体を作製することができる。
The mixture thus obtained is subjected to pressure molding,
For example, after cold isostatic pressing, hot isostatic pressing, slurry, etc., in a temperature range in which ceramics sinter and the heat resistant alloy does not melt, in a non-oxidizing atmosphere, for example, in a reducing atmosphere or under a non-oxidizing atmosphere. Firing is performed in an active gas atmosphere or in vacuum. When firing in a reducing atmosphere, the hydrogen concentration in the atmosphere is not particularly limited, but preferably about 1-10%.
The firing temperature is preferably in the range of 1100 to 1500 ° C. Since the sinterability of ceramics also depends on the particle size of the powder, it is possible to improve the sinterability by using a relatively fine primary particle size of 0.05 to 5 μm. As the heat-resistant alloy, one having a relatively large particle diameter of 1 to 500 μm is usually used. In this way, it is possible to prepare a composite body in which the ceramic is used as the matrix and the refractory metal is used as the dispersoid.

【0019】次に、本発明セパレータを用いた固体電解
質型燃料電池について説明する。先ず各部材について説
明すると、固体電解質は酸素伝導性を有するものであれ
ば特に制限されず、例えばイットリア安定化ジルコニア
(YSZ)、カルシア安定化ジルコニア(CSZ)など
公知の固体電解質が挙げられ、通常は板状に形成され
る。
Next, a solid oxide fuel cell using the separator of the present invention will be described. First, each member will be described. The solid electrolyte is not particularly limited as long as it has oxygen conductivity, and examples thereof include known solid electrolytes such as yttria-stabilized zirconia (YSZ) and calcia-stabilized zirconia (CSZ). Is formed in a plate shape.

【0020】カソードは酸素や空気などの酸化剤ガス通
路側なので、高温下で酸化剤ガスに対して耐食性のある
導電性材料を用い、ガス透過性となるように多孔状に形
成される。例えば、LaSr1−xMnOなどの導
電性複合酸化物粉末を塗布する。この塗布方法として
は、はけ塗り法やスクリーン印刷法などが用いられる。
その他、多孔状膜の作成方法としては、CVD法、プラ
ズマCVD法、スパッタ法、溶射法などが用いられる。
Since the cathode is on the side of an oxidant gas passage such as oxygen or air, it is formed of a porous material so as to be gas permeable by using a conductive material having a corrosion resistance against the oxidant gas at a high temperature. For example, a conductive complex oxide powder such as La x Sr 1-x MnO 3 is applied. As the coating method, a brush coating method, a screen printing method or the like is used.
In addition, as a method for forming the porous film, a CVD method, a plasma CVD method, a sputtering method, a thermal spraying method, or the like is used.

【0021】アノードは水素などの燃料ガス通路側なの
で、高温下で燃料ガスに対して耐性のある導電性材料、
例えばNi/ZrOサーメットなどをガス透過性とな
るように多孔状に形成する。また、カソード、アノード
は多孔質板にすることが可能であれば、該多孔質板を固
体電解質に付着一体化させて使用することもできる。
Since the anode is on the side of the fuel gas passage such as hydrogen, a conductive material resistant to the fuel gas at high temperature,
For example, Ni / ZrO 2 cermet or the like is formed into a porous shape so as to have gas permeability. Further, if the cathode and the anode can be formed as a porous plate, the porous plate can be used by adhering and integrating with the solid electrolyte.

【0022】このように固体電解質板の両面に各電極を
一体形成したものをセパレータを介して接合集積し、両
端には外部端子をそれぞれ設けることにより、多数のセ
ルからなる多段直列型の電池に形成される。図1のよう
に、セパレータ14は隣接するセルの電極間を電気的に
接続するとともに、両面に溝14a,14bが形成され
て隣接するセルのアノード側及びカソード側のそれぞれ
のガス通路を形成している。溝14a及び14bはそれ
ぞれ水素などの燃料ガス及び空気などの酸素含有ガスに
代表される酸化剤ガスを供給しうるものであれば特に制
限されず、形状や配置等も適宜選定しうるが、通常は図
1に示すように、溝14a,14bは互いに直角方向に
配置される。このように配置すれば、セルを集積後、燃
料ガスの入口及び出口、酸化剤ガスの入口及び出口をそ
れぞれ同じ面上に配置することができ、集積セルとして
ガス供給・排出系の構成を簡単かつ容易とすることがで
きる。
As described above, the solid electrolyte plate on which both electrodes are integrally formed is joined and integrated through the separators, and external terminals are provided at both ends to form a multi-stage series type battery composed of a large number of cells. It is formed. As shown in FIG. 1, the separator 14 electrically connects the electrodes of adjacent cells, and has grooves 14a and 14b formed on both surfaces to form gas passages on the anode side and the cathode side of the adjacent cells. ing. The grooves 14a and 14b are not particularly limited as long as they can supply an oxidant gas typified by a fuel gas such as hydrogen and an oxygen-containing gas such as air, and the shape, arrangement, etc. can be appropriately selected. As shown in FIG. 1, the grooves 14a and 14b are arranged at right angles to each other. With this arrangement, after the cells are integrated, the fuel gas inlet and outlet and the oxidant gas inlet and outlet can be placed on the same plane, which simplifies the configuration of the gas supply / exhaust system as an integrated cell. And can be easy.

【0023】固体電解質板11、セパレータ14、外部
端子15,16を集積して組み立てるときには、固体電
解質板11の両面に配設された電極すなわちカソード1
2、アノード13とセパレータ14又は外部端子15,
16との間でガスの漏れ(リーク)がないように封止す
ることが必要である。このためには、例えばジルコニア
系の無機接着剤で接着し、例えば軟化点が約800℃程
度などの適当なガラスペーストで封止すればよい。この
ガラスペーストは電池の作動温度(例えば900〜10
00℃)で適度に軟化しガスを封止する。
When the solid electrolyte plate 11, the separator 14, and the external terminals 15 and 16 are integrated and assembled, the electrodes, that is, the cathodes 1 arranged on both surfaces of the solid electrolyte plate 11.
2, the anode 13 and the separator 14 or the external terminal 15,
It is necessary to seal so that there is no gas leak between 16 and 16. For this purpose, for example, they may be bonded with a zirconia-based inorganic adhesive and sealed with a suitable glass paste having a softening point of about 800 ° C., for example. This glass paste is used at a battery operating temperature (e.g.
It softens moderately at 00 ° C) and seals the gas.

【0024】こうして組み立てた電池に燃料ガス及び酸
化剤ガスを供給するためには、電池の各溝14a,14
bの両端がそれぞれ同一面にくるように配置されている
ので、それらの面にマニホールドを取り付ければよい。
図2に、マニホールドの取り付け例を示した。上記のよ
うに組み立てた集積型電池本体21を円筒状マニホール
ド22の管内に挿入し、溝14a,14bの出口が管壁
に面するように配置する。電池本体21とマニホールド
22の接続箇所(4ケ所)をガス封止すれば、溝14
a,14bのそれぞれの両端がそれぞれマニホールド2
2の円筒壁と電池本体21で形成された4つのガス通路
23〜26と対応することとなる。
In order to supply the fuel gas and the oxidant gas to the cell thus assembled, each groove 14a, 14 of the cell is provided.
Since both ends of b are arranged on the same plane, the manifold may be attached to those planes.
FIG. 2 shows an example of mounting the manifold. The integrated battery main body 21 assembled as described above is inserted into the pipe of the cylindrical manifold 22 and arranged so that the outlets of the grooves 14a and 14b face the pipe wall. If the connection points (four points) between the battery body 21 and the manifold 22 are gas-sealed, the groove 14
Both ends of a and 14b are manifold 2 respectively.
It corresponds to the four gas passages 23 to 26 formed by the two cylindrical walls and the battery body 21.

【0025】[0025]

【発明の効果】本発明のセパレータは、高緻密度を有
し、耐熱性、耐食性に優れ、10Ω−1cm−1以上の
良好な電気伝導度を有するとともに、射出成形可能で成
形性に優れ成形コストを低減させうる上に、耐熱金属が
分散質でセラミックスがマトリックスとなる構造を有す
るため、電気伝導度を維持しつつ、線膨張率等の熱膨張
特性の制御が可能となり、さらには該構造における耐熱
金属とセラミックスとの断面積比を所定範囲とすること
により、熱膨張特性を燃料電池の固体電解質例えば熱膨
張係数8.5〜12×10−6(K−1)程度とジルコ
ニア系固体電解質のそれにほぼ等しくしうることから、
該セパレータを組み込んだ燃料電池において各部材の強
固な接合を可能とし、ガス封止の安定性を向上させ、ひ
いては電池特性を向上させることができ、しかも形状構
造をバルク体としうるため薄層体のように酸化が全体に
わたることがないという顕著な効果を奏する。
EFFECT OF THE INVENTION The separator of the present invention has a high density, excellent heat resistance and corrosion resistance, good electrical conductivity of 10 Ω −1 cm −1 or more, and is injection moldable and excellent in moldability. In addition to reducing the molding cost, the refractory metal has a structure in which the dispersoid is the ceramic and the ceramic is the matrix, so that it is possible to control the thermal expansion characteristics such as the linear expansion coefficient while maintaining the electrical conductivity. By setting the cross-sectional area ratio of the refractory metal and the ceramics in the structure within a predetermined range, the thermal expansion characteristics of the solid electrolyte of the fuel cell, for example, the thermal expansion coefficient of about 8.5 to 12 × 10 −6 (K −1 ) and the zirconia system are obtained. Since it can be made almost equal to that of the solid electrolyte,
In a fuel cell incorporating the separator, each member can be firmly joined, the stability of gas sealing can be improved, and the cell characteristics can be improved, and the shape and structure of the fuel cell can be a bulk body. As described above, the remarkable effect that the oxidation does not spread over the whole is exhibited.

【0026】[0026]

【実施例】次に実施例によって本発明をさらに詳細に説
明する。
The present invention will be described in more detail with reference to Examples.

【0027】製造例1〜4 表1に示す各粒径のアルミナ粉末及びニッケル基合金の
INCONEL Alloy 600(以下、合金とい
う)の粉末、これらの粉末全量当り1重量%の分散剤及
び適当量の水をよくかきまぜてこれらの粉末が完全に混
合、分散したスラリーを調製した。このスラリーは静置
後数時間はアルミナと合金が分離しない程安定である。
このスラリーを圧力2〜3kg/cm2で多孔質型に鋳
込みグリーン成形体を作製した。このグリーン成形体を
乾燥したのち、窒素雰囲気下1370〜1390℃で焼
成して4種の複合体を作製した。これら4種の複合体
は、合金が分散質として存在し、かつアルミナがマトリ
ックスとして存在する。これら4種の複合体の結晶構造
の断面の走査型電子顕微鏡(SEM)写真を図3ないし
図6に示す。これらの複合体のセラミックスに対する合
金の断面積比、室温での電気伝導度、熱膨張係数、相対
密度(理論密度に対する測定密度)を、表1に示す。
Production Examples 1 to 4 Alumina powder of each particle size shown in Table 1 and powder of nickel-based alloy INCONEL Alloy 600 (hereinafter referred to as alloy), 1% by weight of the total amount of these powders, and an appropriate amount of the dispersant. Water was thoroughly stirred to prepare a slurry in which these powders were thoroughly mixed and dispersed. This slurry is so stable that the alumina and the alloy do not separate for several hours after standing still.
This slurry was cast into a porous mold at a pressure of 2 to 3 kg / cm 2 to produce a green molded body. After drying this green compact, it was fired at 1370 to 1390 ° C. in a nitrogen atmosphere to prepare four types of composites. In these four types of composites, the alloy is present as a dispersoid and the alumina is present as a matrix. Scanning electron microscope (SEM) photographs of the cross sections of the crystal structures of these four types of composites are shown in FIGS. 3 to 6. Table 1 shows the cross-sectional area ratio of the alloy to the ceramics of these composites, the electric conductivity at room temperature, the coefficient of thermal expansion, and the relative density (measured density relative to the theoretical density).

【0028】[0028]

【表1】 [Table 1]

【0029】比較製造例1 粒径3〜7μmのニッケル基合金(INCONEL A
lloy 600)粉末4体積部と粒径0.2〜0.5
μmのアルミナ粉末1体積部とをボールミルで混合した
後、成形圧力2000kg/cmで冷間静水圧プレス
した。得られた成形体を5%水素含有窒素雰囲気中13
70℃で焼成し、合金とアルミナから成り、合金がマト
リックスである複合体を作製した。このものは熱膨張率
が14×10−6(K−1)と大きくなってしまい、燃
料電池用セパレータには用いることができなかった。
Comparative Production Example 1 Nickel-based alloy (INCONEL A) having a particle size of 3 to 7 μm
4 parts by volume of powder and a particle size of 0.2 to 0.5
After mixing 1 part by volume of alumina powder having a diameter of μm with a ball mill, cold isostatic pressing was performed at a molding pressure of 2000 kg / cm 2 . The obtained molded body was placed in a nitrogen atmosphere containing 5% hydrogen 13
It was fired at 70 ° C. to prepare a composite consisting of an alloy and alumina, the alloy being a matrix. This product had a large coefficient of thermal expansion of 14 × 10 −6 (K −1 ) and could not be used for a fuel cell separator.

【0030】比較製造例2 ニッケル基合金として粒径500μmのものを用い、製
造例1と同様にして耐熱金属の粒径が1mm以上のもの
が50%の複合体を作製した。このものは電気伝導度が
10Ω−1cm−1以下と低いため、燃料電池用セパレ
ータには用いることができなかった。
Comparative Production Example 2 A nickel-base alloy having a particle size of 500 μm was used, and a composite having a refractory metal particle size of 1 mm or more and 50% was produced in the same manner as in Production Example 1. Since this product has a low electric conductivity of 10 Ω −1 cm −1 or less, it cannot be used as a fuel cell separator.

【0031】実施例1 図1の集積様式に従い、3段直列セルの固体電解質型燃
料電池を以下のとおり作製した。先ず、セパレータ1
4、外部端子15,16を製造例1で得た複合体を用い
て作製した。これらのセパレータ14及び外部端子1
5,16はいずれも50×50×5mmの正方形の板に
溝幅2mm、溝深さ2mmの溝14a,14b,15
b,16aを形成したものである。セパレータ14では
両面に形成する溝14a,14bの方向を直交させた。
Example 1 A solid oxide fuel cell of a three-stage series cell was prepared as follows according to the integration mode shown in FIG. First, the separator 1
4, the external terminals 15 and 16 were produced using the composite body obtained in Production Example 1. These separator 14 and external terminal 1
In all, 5 and 16 are grooves 14a, 14b, 15 having a groove width of 2 mm and a groove depth of 2 mm on a square plate of 50 × 50 × 5 mm.
b, 16a are formed. In the separator 14, the directions of the grooves 14a and 14b formed on both surfaces are orthogonal to each other.

【0032】また、固体電解質板11には、イットリア
を3モル%添加したジルコニアである部分安定化ジルコ
ニアからなる50×50×0.2mmの板状物を用い
た。そして、酸素通路側にLaSrMnO
粉末(平均粒径5μm)をはけ塗り法で厚さ0.3m
mに塗布してカソード12とし、水素通路側にNi/Z
rO(10/1重量比)のサーメット混合粉末をはけ
塗り法で厚さ0.3mmに塗布してアノード13とし
た。この電極を付設した固体電解質板11とセパレータ
14、外部端子15,16を図1のように集積し、この
電極付き固体電解質板とセパレータ14の間はジルコニ
ア系の無機接着剤で接着し、軟化点が約800℃のガラ
スペーストを塗布してガス封止をした。このガラスペー
ストは電池の作動温度で軟化してガスを封止する。
Further, as the solid electrolyte plate 11, a 50 × 50 × 0.2 mm plate made of partially stabilized zirconia which is zirconia added with 3 mol% of yttria was used. Then, La 0 . 9 Sr 0 . 1 MnO
0.3m thick by brush coating 3 powders (average particle size 5μm)
m on the hydrogen passage side to form Ni / Z
A cermet mixed powder of rO 2 (10/1 weight ratio) was applied to a thickness of 0.3 mm by a brush coating method to form an anode 13. The solid electrolyte plate 11 provided with this electrode, the separator 14, and the external terminals 15 and 16 are integrated as shown in FIG. 1, and the solid electrolyte plate with the electrode and the separator 14 are bonded with a zirconia-based inorganic adhesive to soften them. A glass paste having a point of about 800 ° C. was applied and gas-sealed. This glass paste softens at the operating temperature of the battery and seals the gas.

【0033】こうして集積した各電池本体21を図2に
示した円筒状アルミナ製マニホールド22に納めた。マ
ニホールド22と電池本体21との接触部分はガラスペ
ーストを塗布してガス封止した。外部端子15,16に
は、白金リード線27,28を挿入し、電気的接続を行
った。
The battery main bodies 21 thus integrated were housed in the cylindrical alumina manifold 22 shown in FIG. The contact portion between the manifold 22 and the battery body 21 was coated with glass paste and gas-sealed. Platinum lead wires 27 and 28 were inserted into the external terminals 15 and 16 for electrical connection.

【0034】このようにして作製した各燃料電池を加熱
した。すなわち、室温から150℃までは1℃/分で加
熱し、ガラスペーストの溶媒を蒸発させた。150〜3
50℃までは5℃/分で昇温した。350℃以上では水
素通路側には、アノードの酸化を防止するため、窒素ガ
スを流し、5℃/分で1000℃まで昇温した。その
後、1000℃に保持してアノード側に水素、カソード
側に酸素を流し、発電を開始した。開放電圧は3.3V
であった。放電特性を表2に示す。ガスクロスリークは
水素で2%以下であった。
Each fuel cell produced in this way was heated. That is, the solvent of the glass paste was evaporated by heating from room temperature to 150 ° C at 1 ° C / min. 150-3
The temperature was raised up to 50 ° C at 5 ° C / min. At 350 ° C. or higher, nitrogen gas was flown on the hydrogen passage side to prevent oxidation of the anode, and the temperature was raised to 1000 ° C. at 5 ° C./min. Then, the temperature was maintained at 1000 ° C., hydrogen was flown to the anode side and oxygen was flown to the cathode side to start power generation. Open voltage is 3.3V
Met. The discharge characteristics are shown in Table 2. The gas cross leak was 2% or less for hydrogen.

【0035】実施例2〜4実施例1のセパレータ及び外
部端子に代えて、製造例2ないし4で得た複合体をそれ
ぞれ用いて作製したセパレータ及び外部端子を用いたこ
と以外は実施例1と同様にして各燃料電池を作製し、発
電させた。各放電特性を表2に示す。ガスクロスリーク
はいずれも水素で2%以下であった。
Examples 2 to 4 Example 1 was the same as Example 1 except that the separators and the external terminals were replaced by the separators and the external terminals produced by using the composites obtained in Production Examples 2 to 4, respectively. Similarly, each fuel cell was produced and generated. Table 2 shows each discharge characteristic. The gas cross leak was 2% or less for hydrogen in all cases.

【0036】[0036]

【表2】 [Table 2]

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 本発明のセパレータを用いた平板型の3段直
列セルの固体電解質型燃料電池本体の1例の斜視説明図
FIG. 1 is a perspective explanatory view of an example of a solid oxide fuel cell body of a flat plate type three-stage series cell using a separator of the present invention.

【図2】 図1の電池本体をマニホールドに収納して完
成品とした燃料電池の説明図
FIG. 2 is an explanatory view of a fuel cell which is a completed product by accommodating the cell body of FIG. 1 in a manifold.

【図3】 製造例1で得た複合体の結晶構造の断面の走
査型電子顕微鏡写真
FIG. 3 is a scanning electron micrograph of a cross section of the crystal structure of the composite obtained in Production Example 1.

【図4】 製造例2で得た複合体の結晶構造の断面の走
査型電子顕微鏡写真
FIG. 4 is a scanning electron micrograph of a cross section of a crystal structure of the composite obtained in Production Example 2.

【図5】 製造例3で得た複合体の結晶構造の断面の走
査型電子顕微鏡写真
5 is a scanning electron micrograph of a cross section of the crystal structure of the composite obtained in Production Example 3. FIG.

【図6】 製造例4で得た複合体の結晶構造の断面の走
査型電子顕微鏡写真
FIG. 6 is a scanning electron micrograph of a cross section of the crystal structure of the composite obtained in Production Example 4.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 固体電解質板 12 カソード 13 アノード 14 セパレータ 14a、14b 溝 15、16 外部端子 21 電池本体 22 マニホールド 11 Solid Electrolyte Plate 12 Cathode 13 Anode 14 Separator 14a, 14b Grooves 15, 16 External Terminal 21 Battery Main Body 22 Manifold

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 (A)ニッケル基合金、コバルト基合金
及び鉄基合金の中から選ばれた少なくとも1種の耐熱合
金を含有する耐熱金属と(B)セラミックスとから成る
複合体で構成され、該耐熱金属(A)が分散質として存
在し、かつセラミックス(B)がマトリックスとして存
在するとともに、断面積に占める耐熱金属とセラミック
スとの割合が1:2〜2:1であることを特徴とする固
体電解質型燃料電池用セパレータ。
1. A composite comprising (A) a heat-resistant metal containing at least one heat-resistant alloy selected from nickel-based alloys, cobalt-based alloys and iron-based alloys, and (B) ceramics, The refractory metal (A) is present as a dispersoid, the ceramics (B) is present as a matrix, and the ratio of the refractory metal to the ceramics in the cross-sectional area is 1: 2 to 2: 1. Solid electrolyte fuel cell separator.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008293741A (en) * 2007-05-23 2008-12-04 Ngk Spark Plug Co Ltd Solid oxide fuel cell

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008293741A (en) * 2007-05-23 2008-12-04 Ngk Spark Plug Co Ltd Solid oxide fuel cell

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