JP5017857B2

JP5017857B2 - 燃料電池用のセパレータおよび固体酸化物形燃料電池

Info

Publication number: JP5017857B2
Application number: JP2005363289A
Authority: JP
Inventors: 尚史小谷; 直也村上; 雅治山田
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2005-12-16
Filing date: 2005-12-16
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2025-12-16
Also published as: JP2007165240A

Description

本発明は、燃料電池用のセパレータおよび固体酸化物形燃料電池に関するものである。

上記固体酸化物形燃料電池は、第三世代の発電用燃料電池として注目されている。現在、固体酸化物形燃料電池は、円筒型、モノリス型、および平板積層型の３種類が提案されており、何れも酸化物イオン伝導体から成る固体電解質を空気極層と燃料極層との間に挟んだ積層構造を有する。間に燃料極集電体と空気極集電体を介在してこの積層体から成る発電セルとセパレータを交互に複数積層することによりタック化されている。

固体酸化物形燃料電池では、発電セルの空気極層側に酸化剤ガスとしての酸素（空気）が、燃料極層側に燃料ガス（Ｈ₂、ＣＯ、ＣＨ₄等）が供給される。空気極層と燃料極層は、ガスが固体電解質層との界面に到達することができるように、いずれも多孔質とされている。

空気極層側に供給された酸素は、空気極層内の気孔を通って固体電解質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、燃料極層の方向に向かって固体電解質層内を拡散移動する。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Ｈ₂Ｏ、ＣＯ₂等の反応ガス（排ガス）を生じ、燃料極層に電子を放出する。
この電子を別ルートの外部回路にて起電力として取り出すことができる。

ところで、上記セパレータは、発電セルに対して反応用ガスを供給する機能を備えると共に、発電セル間を電気的に接続する機能を有することから、セパレータには優れた導電性が要求されており、上記した平板積層型の固体酸化物形燃料電池において作動温度が８００℃以下の低温作動が行われる場合は、ステンレス鋼板等の耐熱合金が使用される場合が多い。また、この金属製のセパレータは、厚さが薄くても機械的強度や加工性に優れており、薄型化・軽量化が可能であるというメリットを有している。

ところが、ステンレス鋼板のようなクロムを含有する耐熱合金でセパレータを構成すると、次のような問題が発生した。
すなわち、燃料電池の発電動作が開始され、金属セパレータが高温酸化性雰囲気下に曝されると、長時間の使用においてセパレータに含有されるクロムが析出し、母材の表面にクロム酸化物等の膜が形成されると共に、このクロム酸化物が酸化剤ガス流路内を流通する酸化剤ガスとともに空気極層側に運ばれ、空気極層側において酸化クロムを析出させる。この析出酸化クロムが空気極層側での発電反応を阻害し、発電セルの発電性能を著しく低下させる（クロム被毒という）という問題である。

このようなクロム含有合金の構成部材よる被毒を防止する技術は、例えば、特許文献１に開示されている。特許文献１には、空気極と電解質をそれらの境界面においてクロム被毒を受けない組み合わせの材料で構成した固定電解質型燃料電池が記載されている。
特開２００１−１９６０８３号公報

本発明は、セパレータにクロム含有合金を用いた場合でも、クロム被毒による発電性能の低下が生じないようにしたセパレータ、および、これを用いた固体酸化物形燃料電池を提供することを目的としている。

すなわち、請求項１に記載の本発明は、内部に反応用ガスの流通路を備える内金属板と、当該内金属板の外側の外金属板で構成される燃料電池用のセパレータであって、前記内金属板として、発電動作時に高温酸化性雰囲気下に曝される反応用ガスの流通路においてＡｌの酸化被膜が形成される鉄基合金を用いることを特徴としている。

また、請求項２に記載の本発明は、内部に反応用ガスの流通路を備える内金属板と、当該内金属板の外側の外金属板で構成される燃料電池用のセパレータであって、前記内金属板として、反応用ガスの流通路の表面にアルミニウム拡散被膜処理を施した鉄基合金を用いることを特徴としている。

また、請求項３に記載の本発明は、請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料電池用のセパレータにおいて、前記内金属板は、ガス流通用の溝を設けた複数枚の板状部材を積層して構成されることを特徴としている。

また、請求項４に記載の本発明は、請求項１から請求項３までの何れかに記載の燃料電池用のセパレータにおいて、前記内金属板の前記流通路部分を除く少なくとも一部を厚さ方向に亘り鉄基合金またはニッケル基合金としたことを特徴としている。

また、請求項５に記載の本発明は、請求項１から請求項４までの何れかに記載の燃料電池用のセパレータにおいて、前記外金属板の母材として、鉄基合金またはニッケル基合金を用いることを特徴としている。

また、請求項６に記載の本発明は、発電セルとセパレータを交互に積層して燃料電池スタックを構成すると共に、各発電セルに反応用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、前記セパレータとして、請求項１から請求項５までの何れかに記載のセパレータを用いることを特徴としている。

本発明によれば、内部に反応用ガスの流通路を備えるセパレータの内金属板を、発電動作時に高温酸化性雰囲気下に曝される反応用ガスの流通路（酸化剤ガス流通路）においてＡｌの酸化被膜が形成される鉄基合金を用いて構成したので、クロムの析出を抑えることができ、よって、空気極層側においてクロム被毒による発電性能の低下が生じないようにできる。
また、内部に反応用ガスの流通路を備えるセパレータの内金属板を、反応用ガスの当該流通路の表面にアルミニウム拡散被膜処理を施した鉄基合金を用いて構成したので、内金属板の表面の耐高温酸化性が著しく向上し、反応用ガスの流通路（酸化剤ガス流通路）において、クロムの析出は発生せず、よって、空気極層側においてクロム被毒による発電性能の低下が生じないようにできる。

従って、鉄基合金またはニッケル基合金をセパレータの外金属板として用いることにより、機械的強度に優れ、高温酸化・還元性雰囲気下において優れた耐腐食性と耐熱性を有し、且つ、クロム被毒による発電性能の低下を生じさせないセパレータ、および固体酸化物形燃料電池を提供することができる。

以下、図１、図２に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明に係る固体酸化物形燃料電池（燃料電池スタック）の構成を示し、図２はセパレータの構成を示している。

本実施形態の燃料電池スタック１は、図１に示すように、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の外側の燃料極集電体６と、空気極層４の外側の空気極集電体７と、各集電体６、７の外側のセパレータ８（最上層及び最下層のものは端板９である）とを順番に積層した構造を持つ。この燃料電池スタック１では、発電セル５の外周部にガス漏れ防止シールを敢えて設けないシールレス構造を採用している。

ここで、固体電解質層２はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層３はＮｉ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層４はＬａＭｎＯ₃、ＬａＣｏＯ₃等で構成され、燃料極集電体６はＮｉ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等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成されている。
セパレータ８は、発電セル５間を電気的に接続すると共に、発電セル５に対して反応用のガスを供給する機能を有するもので、燃料ガスを燃料用マニホールド２１から導入して燃料極層３に対向する面から吐出させる内部流通路１０ａと、酸化剤ガスとしての空気を酸化剤用マニホールド２２から導入して空気極層４に対向する面から吐出させる内部流通路１０ｂとを備えている。

本実施形態のセパレータ８は、例えば、図２に示すように、上板１２、中板１１、下板１３の３枚の薄い金属板（板状部材）を積層・接合して構成した内金属板１６と、この内金属板１６の外側に配した上下２枚の外金属板１４、１５とで構成される。これら各金属板１１〜１５の板厚は０．５〜１ｍｍ程度である。

内金属板１６の内、上板１２には凹溝１２ａ、１２ｂが設けられ、中板１１には溝孔１１ａ、１１ｂが設けられ、下板１３には凹溝１３ａ、１３ｂが設けられ、これら上板１２と中板１１と下板１３を積層することにより、それぞれ対応する凹溝１２ａ、溝孔１１ａ、凹溝１３ａによって図１に示す燃料ガス用の内部流通路１０ａが形成され、それぞれ対応する凹溝１２ｂ、溝孔１１ｂ、凹溝１３ｂによって酸化剤ガス用の内部流通路１０ｂが形成されるようになっている。
また、外金属板１４の中央部には、上記内部流通路１０ａの末端に連通する燃料ガス吐出口１７が設けられ、外金属板１５の中央部には内部流通路１０ｂの末端に連通する酸化剤ガス吐出口１８が設けられている。

本実施形態では、外金属板１４、１５の母材として機械的強度、耐腐食性、耐熱性等に優れるステンレス鋼板（鉄基合金）やニッケル基合金を用い、且つ、耐腐食性、耐熱性をより一層向上するためにこれらの母材の表面に銀や銅等のメッキが施されている。
一方、内金属板１６を構成する上板１２、中板１１、下板１３としてアルミニウムを含む鉄基合金、例えば、フェライト系ステンレスとアルミニウム、チタン等の合金を用いる。
これら複数の金属板が拡散接合（熱圧着）やロウ付け等の工法で接合されることにより、５層構造のセパレータ８を構成している。セパレータ８は、円盤形や四角形とすることができる。

上記構成の固体酸化物形燃料電池においては、燃料用マニホールド２１からセパレータ８の内部流通路１０ａに導入された燃料ガスが、セパレータ８の一方の端面の中心部に設けられたガス吐出口１７から燃料極集電体６に向けて吐出されるとともに、酸化剤用マニホールド２２からセパレータ８の内部流通路１０ｂに導入された酸化剤ガスとしての空気が、セパレータ８の他方の端面の中心部に設けられたガス吐出口１８から空気極集電体７に向けて吐出され、その結果、燃料ガスおよび酸化剤ガスが、発電セル５の外周方向に拡散しながら燃料極層３および空気極層４の全面に良好な分布で行き渡り、各電極において発電反応が行われる。

ここで、上記のように、内金属板１６をアルミニウムを含む鉄基合金を用いて構成することにより、外金属板１４、１５としてクロム含有合金である鉄基合金またはニッケル基合金を用いた場合も、発電動作時の高温酸化性雰囲気下に曝される反応用ガスの流通路（酸化剤ガス流通路１０ｂ）においてＡｌ酸化被膜の形成により、クロムの析出は発生せず、よって、空気極層４側においてクロム被毒による発電性能の低下が生じないようにできる。これにより、機械的強度に優れ、高温酸化・還元性雰囲気下において優れた耐腐食性と耐熱性を有し、且つ、クロム被毒による発電性能の低下を生じない固体酸化物形燃料電池を得ることができる。

また、本実施形態において、内金属板１６を構成する上板１２、中板１１、下板１３の母材としてステンレス鋼板を用いると共に、その表面にアルミニウム拡散被膜処理を施すようにしても良い。このアルミニウム拡散被膜処理とは、母材表面にアルミニウムを拡散浸透させ、Ｆｅ−Ａｌ合金層を形成する金属表面処理のことで、例えば、母材をＦｅ−Ａｌ合金粉とＮＨ₄Ｃｌ粉より成る調合剤とともに鋼製の密閉ケース内に埋め込み、加熱処理することにより行われる。このＦｅ−Ａｌ合金層により、セパレータ８の耐高温酸化性、耐浸炭性をより一層向上することができる。
アルミニウム拡散被膜処理は、上板１２、中板１１、下板１３の各板状部材を積層する前に各部材毎に行っても良く、あるいは、これら板状部材１１、１２、１３を積層・接合して内部流通路１０ａ、１０ｂを形成した後に行っても良い。

何れにしても、セパレータ８の内金属板１６を表面にアルミニウム拡散被膜処理を施したステンレス鋼板を用いて構成することにより、内金属板１６の表面の耐高温酸化性が著しく向上し、反応用ガスの流通路（酸化剤ガス流通路１０ｂ）において、上記実施形態と同様にクロムの析出は発生せず、よって、空気極層４側においてクロム被毒による発電性能の低下が生じないようにできる。
尚、本実施形態では、各板状部材の全面でなく、クロム析出が問題となる酸化剤ガス流通路１０ｂにのみアルミニウム拡散被膜処理を施すようにしても良い。

また、上記内金属板１６においては、図３に示すように、反応用ガスの内部流通路１０ａ、１０ｂが形成されている部分を除く少なくとも一部を鉄基合金またはニッケル基合金等のアルミニウムを含まない導電性金属３０としても良い。
図３（ａ）は、上記導電性金属３０を内金属板１６の縁部に設けた例であり、図３（ｂ）は、内金属板１６の内側に設けた例である。図３（ｂ）の場合は、内金属板１６に孔を設けて導電性金属３０を嵌め込む構造となる。何れの場合も、この導電性金属３０は内金属板１６の厚さ方向（上下方向）に亘るように設けられており、両外側に外金属板１４、１５を接合した際に、この導電性金属３０の表面露出部分がそれぞれの外金属板１４、１５に接触し、内金属板１６の表面にアルミ被膜が発生し、表面の電気伝導性が低下したとしても、この導電性金属３０を通して上下外金属板１４、１５との確実な電気的導通性が得られるようになっている。
尚、この導電性金属３０の配設箇所は、図３（ａ）、（ｂ）に示すように一箇所に限るものではないことは勿論である。

以上、本実施形態では、内金属板１６について、上板１２、中板１１、下板１３の各板状部材を用いた３層構造としたが、これを４層以上（複数の中板は全て溝孔が設けられる）とすることも可能であるし、また、上板、下板による２層構造（何れも凹溝が設けられる）とすることもできる。
また、単板で構成することも勿論可能であが、上記のように内金属板１６を複数の薄い板状部材で構成した場合は、螺旋状のような複雑な反応ガスの内部流通路１０ａ、１０ｂも比較的簡単に形成することができ、製造コストの低減と共に、セパレータ８自体の薄型化、軽量化が図れるというメリットを有する。

本発明に係る固体酸化物型燃料電池の実施形態を示す要部構成図。図１のセパレータの一例を示す断面図。図２とは別のセパレータを示す要部断面図。

符号の説明

１燃料電池スタック
５発電セル
８セパレータ
１０ａ、１０ｂ反応用ガスの流通路
１１、１２、１３板状部材
１１ａ、１１ｂ、１３ａ、１３ｂ溝
１４、１５外金属板
１６内金属板

Claims

内部に反応用ガスの流通路を備える内金属板と、当該内金属板の外側の外金属板で構成される燃料電池用のセパレータであって、
前記内金属板として、発電動作時に高温酸化性雰囲気下に曝される反応用ガスの流通路においてＡｌの酸化被膜が形成される鉄基合金を用いることを特徴とする燃料電池用のセパレータ。
内部に反応用ガスの流通路を備える内金属板と、当該内金属板の外側の外金属板で構成される燃料電池用のセパレータであって、
前記内金属板として、反応用ガスの流通路の表面にアルミニウム拡散被膜処理を施した鉄基合金を用いることを特徴とする燃料電池用のセパレータ。
前記内金属板は、ガス流通用の溝を設けた複数枚の板状部材を積層して構成されることを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料電池用のセパレータ。
前記内金属板の前記流通路部分を除く少なくとも一部を厚さ方向に亘り鉄基合金またはニッケル基合金としたことを特徴とする請求項１から請求項３までの何れかに記載のセパレ
ータ。
前記外金属板の母材として、鉄基合金またはニッケル基合金を用いることを特徴とする請求項１から請求項４までの何れかに記載の燃料電池用のセパレータ。
発電セルとセパレータを交互に積層して燃料電池スタックを構成すると共に、各発電セルに反応用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、
前記セパレータとして、請求項１から請求項５までの何れかに記載のセパレータを用いることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。