JPH0878026A - 固体電解質燃料電池用セパレータおよびその製造方法 - Google Patents
固体電解質燃料電池用セパレータおよびその製造方法Info
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- JPH0878026A JPH0878026A JP6209516A JP20951694A JPH0878026A JP H0878026 A JPH0878026 A JP H0878026A JP 6209516 A JP6209516 A JP 6209516A JP 20951694 A JP20951694 A JP 20951694A JP H0878026 A JPH0878026 A JP H0878026A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 安定化ジルコニアを電解質とする固体電解質
燃料電池用として、該電解質と類似の熱膨張係数を有
し、比較的安価、大型の製造が可能でかつ十分な耐酸化
性を有するセパレータ材料を提供すること。 【構成】 Feが45%以下のCr基合金である固体電解
質燃料電池用セパレータ、およびCr粉末または目的製
品より高いCr含有量のFe−Cr合金粉末と、Fe粉
末または前記目的製品より低いCr含有量のFe−Cr
合金粉末を混合、焼結する工程を包含することを特徴と
する固体電解質燃料電池用セパレータの製造方法であ
る。
燃料電池用として、該電解質と類似の熱膨張係数を有
し、比較的安価、大型の製造が可能でかつ十分な耐酸化
性を有するセパレータ材料を提供すること。 【構成】 Feが45%以下のCr基合金である固体電解
質燃料電池用セパレータ、およびCr粉末または目的製
品より高いCr含有量のFe−Cr合金粉末と、Fe粉
末または前記目的製品より低いCr含有量のFe−Cr
合金粉末を混合、焼結する工程を包含することを特徴と
する固体電解質燃料電池用セパレータの製造方法であ
る。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、固体電解質燃料電池用
セパレータおよびその製造方法に関するものである。
セパレータおよびその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】固体電解質燃料電池のうち、最も注目さ
れているものは、固体電解質として例えばイットリウム
を5〜10%含有した安定化ジルコニア(YSZ)を用い、
この両面にいずれも薄層状の燃料極であるアノードと空
気極であるカソードを形成または配置して、単一セルを
形成してなるものである。このセル構造としては、円筒
型が先に開発されたが、最近平板型のセルの開発が積極
的に進められている。燃料極、固体電解質、空気極から
なる平板状セルは、抽出電圧を高めるため、積層した構
造とするが、この時、平板状セル相互間はセパレータで
分離されるとともに、このセパレータと各極の間に隙間
を形成してそれぞれ空気および燃料ガスの通路とされ
る。
れているものは、固体電解質として例えばイットリウム
を5〜10%含有した安定化ジルコニア(YSZ)を用い、
この両面にいずれも薄層状の燃料極であるアノードと空
気極であるカソードを形成または配置して、単一セルを
形成してなるものである。このセル構造としては、円筒
型が先に開発されたが、最近平板型のセルの開発が積極
的に進められている。燃料極、固体電解質、空気極から
なる平板状セルは、抽出電圧を高めるため、積層した構
造とするが、この時、平板状セル相互間はセパレータで
分離されるとともに、このセパレータと各極の間に隙間
を形成してそれぞれ空気および燃料ガスの通路とされ
る。
【0003】固体電解質型燃料電池は、約1000℃の高温
で作動するものであり、平板状セルとセパレータを積層
した平板型は運転のON,OFFにより、幅広い温度範
囲の熱サイクルを受ける。したがって、固体電解質とセ
パレータの熱膨張特性が異なると、脆い固体電解質にク
ラックが入ったり、ガス漏れの原因となるという問題が
あった。そのため、このセパレータ材として、固体電解
質とほぼ同じ熱膨張特性を持つセラミックス系のランタ
ンクロマイトを使用する事例もあるが、この材料は大き
い平板の製造が難しく、かつ高価となる欠点があった。
そのため、金属系の耐熱合金等を用いるものも提案され
ている(特開平4−71167号)。しかし、この耐熱
合金等によるものは固体電解質に比べて熱膨張が大き
い、さらには1000℃での酸化(空気極側)による酸化膜変
化で電気抵抗が変化する等の問題があった。
で作動するものであり、平板状セルとセパレータを積層
した平板型は運転のON,OFFにより、幅広い温度範
囲の熱サイクルを受ける。したがって、固体電解質とセ
パレータの熱膨張特性が異なると、脆い固体電解質にク
ラックが入ったり、ガス漏れの原因となるという問題が
あった。そのため、このセパレータ材として、固体電解
質とほぼ同じ熱膨張特性を持つセラミックス系のランタ
ンクロマイトを使用する事例もあるが、この材料は大き
い平板の製造が難しく、かつ高価となる欠点があった。
そのため、金属系の耐熱合金等を用いるものも提案され
ている(特開平4−71167号)。しかし、この耐熱
合金等によるものは固体電解質に比べて熱膨張が大き
い、さらには1000℃での酸化(空気極側)による酸化膜変
化で電気抵抗が変化する等の問題があった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】前述のように、固体電
解質燃料電池の平板状セル積層型構造で生産を容易化す
るとともにコストを下げるために、セパレータに金属を
使用する構造が検討されている。固体電解質である安定
化ジルコニアの熱膨張係数α(室温〜1000℃)は約10.5×
10マイナス6乗/℃である。一方、金属製セパレータとし
て、例えばオーステナイト系耐熱合金インコネル600を
用いると、その熱膨張係数αは、17×10マイナス6乗/℃
と熱膨張が大きすぎる。そのため、耐酸化性が良くかつ
低熱膨張のフェライト系のFe−Cr系合金も検討され
ているが、SUS430でもα=13.3×10マイナス6乗/
℃と固体電解質に比べてやはり熱膨張が大きい。
解質燃料電池の平板状セル積層型構造で生産を容易化す
るとともにコストを下げるために、セパレータに金属を
使用する構造が検討されている。固体電解質である安定
化ジルコニアの熱膨張係数α(室温〜1000℃)は約10.5×
10マイナス6乗/℃である。一方、金属製セパレータとし
て、例えばオーステナイト系耐熱合金インコネル600を
用いると、その熱膨張係数αは、17×10マイナス6乗/℃
と熱膨張が大きすぎる。そのため、耐酸化性が良くかつ
低熱膨張のフェライト系のFe−Cr系合金も検討され
ているが、SUS430でもα=13.3×10マイナス6乗/
℃と固体電解質に比べてやはり熱膨張が大きい。
【0005】本発明は、安定化ジルコニアを固体電解質
とする固体電解質燃料電池用として、1000℃までの熱膨
張特性が該電解質とほぼ同じで、比較的安価で大型のも
のも製作し易く、かつ1000℃の空気中にさらされた時の
耐酸化性が該用途に対し、十分良好な金属セパレータ材
を提供することを目的とするものである。
とする固体電解質燃料電池用として、1000℃までの熱膨
張特性が該電解質とほぼ同じで、比較的安価で大型のも
のも製作し易く、かつ1000℃の空気中にさらされた時の
耐酸化性が該用途に対し、十分良好な金属セパレータ材
を提供することを目的とするものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明者は、要求される
膨張特性から、先ずCrおよびCr基合金に着目した。
このうち、純Crによる板材は、粉末法や電子ビーム
溶解法で製造し得るが、材質的に脆い欠点があることが
わかった。そして、CrにFeを適量含有させれば、純
Crより高い靭性が得られ、かつ熱膨張係数を(9.5〜1
1.5)×10マイナス6乗/℃と、安定化ジルコニアのそれに
より近付け得ること、さらにその製造方法として粉末法
が適当であることがそれぞれわかった。
膨張特性から、先ずCrおよびCr基合金に着目した。
このうち、純Crによる板材は、粉末法や電子ビーム
溶解法で製造し得るが、材質的に脆い欠点があることが
わかった。そして、CrにFeを適量含有させれば、純
Crより高い靭性が得られ、かつ熱膨張係数を(9.5〜1
1.5)×10マイナス6乗/℃と、安定化ジルコニアのそれに
より近付け得ること、さらにその製造方法として粉末法
が適当であることがそれぞれわかった。
【0007】すなわち、本願の第1発明は安定化ジルコ
ニアを固体電解質とし、その一方の面にアノード、他方
の面にカソードを形成または配置してなる複数のセル間
に配置される固体電解質燃料電池用セパレータにおい
て、該セパレータは質量%でFeが45%以下であるCr
基合金であることを特徴とする固体電解質燃料電池用セ
パレータ、および第2発明は、Cr粉末または目的製品
より高いCr含有品のFe−Cr合金粉末と、Fe粉末
または前記目的製品より低いCr含有量のFe−Cr合
金を混合、焼結する工程を包含することを特徴とする固
体電解質燃料電池用セパレータの製造方法である。
ニアを固体電解質とし、その一方の面にアノード、他方
の面にカソードを形成または配置してなる複数のセル間
に配置される固体電解質燃料電池用セパレータにおい
て、該セパレータは質量%でFeが45%以下であるCr
基合金であることを特徴とする固体電解質燃料電池用セ
パレータ、および第2発明は、Cr粉末または目的製品
より高いCr含有品のFe−Cr合金粉末と、Fe粉末
または前記目的製品より低いCr含有量のFe−Cr合
金を混合、焼結する工程を包含することを特徴とする固
体電解質燃料電池用セパレータの製造方法である。
【0008】
【作用】図1は、各成分比のFe−Cr合金の平均熱膨
張係数(室温〜1000℃)を示したものである。この図か
ら、熱膨張率を安定化ジルコニアの10.5×10マイナス6
乗/℃とほぼ同じとするには、Crを55〜100mass%、望
ましくは65〜85mass%とすれば良いことがわかる。な
お、本願において、製品の熱膨張係数は、(9.5〜11.5)
×10マイナス6乗/℃とすることが望ましい。この範囲を
外れると安定化ジルコニア製固体電解質板との熱膨張差
が大きくなって、これに割れを発生させる危険が多くな
る。また、このFe−Cr合金において、Cr量が増加
すると熱膨張係数は低下するが、一般にCrが30%以上
含有されると、溶解法(造塊−熱間加工)による板材の製
造では割れが発生し易くなり、粉末法が相対的に有利と
なる。そこで、本願の製造方法の発明は、粉末法により
Fe 45%以下のCr基合金を得んとするものである。た
だし、本発明のセパレータは溶解法によっても製造可能
である。
張係数(室温〜1000℃)を示したものである。この図か
ら、熱膨張率を安定化ジルコニアの10.5×10マイナス6
乗/℃とほぼ同じとするには、Crを55〜100mass%、望
ましくは65〜85mass%とすれば良いことがわかる。な
お、本願において、製品の熱膨張係数は、(9.5〜11.5)
×10マイナス6乗/℃とすることが望ましい。この範囲を
外れると安定化ジルコニア製固体電解質板との熱膨張差
が大きくなって、これに割れを発生させる危険が多くな
る。また、このFe−Cr合金において、Cr量が増加
すると熱膨張係数は低下するが、一般にCrが30%以上
含有されると、溶解法(造塊−熱間加工)による板材の製
造では割れが発生し易くなり、粉末法が相対的に有利と
なる。そこで、本願の製造方法の発明は、粉末法により
Fe 45%以下のCr基合金を得んとするものである。た
だし、本発明のセパレータは溶解法によっても製造可能
である。
【0009】本願の第2発明において、純Cr粉または
目的製品より高いCr含有量(以下高Cr合金と記す)
の粉末に対し、これに混合する目的製品より低いCr含
有量(以下低Cr合金と記す)の粉末は、バインダー的
効果をもたらすもので、Cr10〜30%Feを選定すると
よく、その理由は、Fe粉またはCrが10%未満の合金
粉を用いた製品はそのままでは、1000℃での耐酸化性が
劣り、一方、Crが30%を越える合金粉を用いた製品で
は靭性が低下し、これら耐酸化性や靭性を得るために
は、その後拡散均質化処理を要することになるためであ
る。なお、本願の第2発明において用いる粉末は、-32
メッシュの粉末を使用し、混合を十分に行なえば、材料
の靭性や熱膨張特性に及ぼす混合状態の影響を排除する
ことができる。熱膨張係数αは、Cr粉とFe−Cr合
金粉を使用する場合、それらの体積比率により、α=9.
4×(Cr粉の体積比率)+(用いるFe−Cr合金の平均
熱膨張係数)×(Fe−Cr合金の体積比率)から、9.5〜
11.5×10マイナス6乗/℃の範囲で変化させることが可能
であった。
目的製品より高いCr含有量(以下高Cr合金と記す)
の粉末に対し、これに混合する目的製品より低いCr含
有量(以下低Cr合金と記す)の粉末は、バインダー的
効果をもたらすもので、Cr10〜30%Feを選定すると
よく、その理由は、Fe粉またはCrが10%未満の合金
粉を用いた製品はそのままでは、1000℃での耐酸化性が
劣り、一方、Crが30%を越える合金粉を用いた製品で
は靭性が低下し、これら耐酸化性や靭性を得るために
は、その後拡散均質化処理を要することになるためであ
る。なお、本願の第2発明において用いる粉末は、-32
メッシュの粉末を使用し、混合を十分に行なえば、材料
の靭性や熱膨張特性に及ぼす混合状態の影響を排除する
ことができる。熱膨張係数αは、Cr粉とFe−Cr合
金粉を使用する場合、それらの体積比率により、α=9.
4×(Cr粉の体積比率)+(用いるFe−Cr合金の平均
熱膨張係数)×(Fe−Cr合金の体積比率)から、9.5〜
11.5×10マイナス6乗/℃の範囲で変化させることが可能
であった。
【0010】
【実施例】 (実施例1)純Cr粉末に低Cr合金として靭性のある
5%Cr−Fe合金粉末(いずれも -32メッシュ)を混合
し、質量比で90Cr−10Feの材料を焼結−熱間加工で
製造した。この材料の熱膨張係数は、α=10×10マイナ
ス6乗/℃と固体電解質のそれに近いものであったが、空
気中で1000℃に加熱した時、5%Cr−Fe合金粒子分が
著しく酸化してしまう問題を生じた。用いる低Cr合金
を変更した同様のテストから、製造工程中で均質化拡散
処理を施さない場合、低Cr合金粉末は、上記の10%以
上のCrを含むCr−Fe合金とすべきことがわかっ
た。しかし、上記により製造したサンプルは、均質化熱
処理した後は、十分な耐酸化性を示した。
5%Cr−Fe合金粉末(いずれも -32メッシュ)を混合
し、質量比で90Cr−10Feの材料を焼結−熱間加工で
製造した。この材料の熱膨張係数は、α=10×10マイナ
ス6乗/℃と固体電解質のそれに近いものであったが、空
気中で1000℃に加熱した時、5%Cr−Fe合金粒子分が
著しく酸化してしまう問題を生じた。用いる低Cr合金
を変更した同様のテストから、製造工程中で均質化拡散
処理を施さない場合、低Cr合金粉末は、上記の10%以
上のCrを含むCr−Fe合金とすべきことがわかっ
た。しかし、上記により製造したサンプルは、均質化熱
処理した後は、十分な耐酸化性を示した。
【0011】(実施例2)純Cr粉と18%Cr−Fe合
金粉末、および5%Fe−Cr合金粉末と25%Cr−Fe
合金粉末(いずれも-32メッシュ)の組合せにより、表1
に示す8種の比率で混合し、それぞれ鉄製のパイプに充
填したのち、熱間静水圧プレス中で1000気圧、1250℃×
2Hの焼結を行なった。その後、パイプに充填したまま熱
間圧延で、板厚 8mmに加工し、熱膨張試験片と4mmt×10
mmW×70mmLの抗折試験片および3mmt×20mm×20mmの酸化
テスト試験片を採取し、それぞれの特性を測定した。そ
の結果と測定条件を表1に併せて示す。純Cr粉末が10
0%の場合、低熱膨張が得られるが、抗折試験で撓みはほ
とんどなく折損した。しかし、純Cr粉末に18%Cr−
Fe粉末を25%以上、または5%Fe−Cr合金粉末に25%
Cr−Fe合金粉末を30%以上含有させたものは靭性が
改善されている。
金粉末、および5%Fe−Cr合金粉末と25%Cr−Fe
合金粉末(いずれも-32メッシュ)の組合せにより、表1
に示す8種の比率で混合し、それぞれ鉄製のパイプに充
填したのち、熱間静水圧プレス中で1000気圧、1250℃×
2Hの焼結を行なった。その後、パイプに充填したまま熱
間圧延で、板厚 8mmに加工し、熱膨張試験片と4mmt×10
mmW×70mmLの抗折試験片および3mmt×20mm×20mmの酸化
テスト試験片を採取し、それぞれの特性を測定した。そ
の結果と測定条件を表1に併せて示す。純Cr粉末が10
0%の場合、低熱膨張が得られるが、抗折試験で撓みはほ
とんどなく折損した。しかし、純Cr粉末に18%Cr−
Fe粉末を25%以上、または5%Fe−Cr合金粉末に25%
Cr−Fe合金粉末を30%以上含有させたものは靭性が
改善されている。
【0012】
【表1】
【0013】すなわち、純Cr粉末は、靭性のあるFe
−Cr粉末のバインダー的効果で曲げに対する折損抵抗
を増加する。ランタンクロマイトの靭性と上記実施例の
抗折試験結果から、本発明の材料は十分使用に耐える靭
性を有すると判断される。また、熱膨張係数が固体電解
質の10.5×10マイナス6乗/℃に近い値は、金属Crが約
55%以上(Fe:45%以下)で得られている。表1から、酸
化増量はCr量の増加と共に低下していることがわか
る。また、別の試料による5%Cr−Fe材では酸化増量
が5mg/cm2と大きく、かつ酸化膜の一部に剥離が認めら
れたが、表1に示した材料は、いずれも酸化増量は小さ
く、膜剥離は観察されなかった。そして、本発明の材料
の酸化増量は、前述のインコネル600に対し、やや劣る
程度であり、実用に耐えると判断された。
−Cr粉末のバインダー的効果で曲げに対する折損抵抗
を増加する。ランタンクロマイトの靭性と上記実施例の
抗折試験結果から、本発明の材料は十分使用に耐える靭
性を有すると判断される。また、熱膨張係数が固体電解
質の10.5×10マイナス6乗/℃に近い値は、金属Crが約
55%以上(Fe:45%以下)で得られている。表1から、酸
化増量はCr量の増加と共に低下していることがわか
る。また、別の試料による5%Cr−Fe材では酸化増量
が5mg/cm2と大きく、かつ酸化膜の一部に剥離が認めら
れたが、表1に示した材料は、いずれも酸化増量は小さ
く、膜剥離は観察されなかった。そして、本発明の材料
の酸化増量は、前述のインコネル600に対し、やや劣る
程度であり、実用に耐えると判断された。
【0014】
【発明の効果】以上述べたように、本発明による材料
は、金属セパレータとして前記インコネル合金より熱膨
張が大幅に小さく、固体電解質である安定化ジルコニア
の熱膨張係数と近いため、加熱・冷却サイクルで、平板
積層セル端部に発生する熱歪は少なく、脆い固体電解質
にクラックが入る危険率を大幅に低下させるものであ
る。また、本発明のセパレータは、比較的安価で大型の
ものが製作容易であり、さらに、その耐酸化性は、イン
コネル合金に比しやや劣る程度、靭性はランタンクロマ
イトに比し十分高く、実際の使用に十分耐えるものであ
る。
は、金属セパレータとして前記インコネル合金より熱膨
張が大幅に小さく、固体電解質である安定化ジルコニア
の熱膨張係数と近いため、加熱・冷却サイクルで、平板
積層セル端部に発生する熱歪は少なく、脆い固体電解質
にクラックが入る危険率を大幅に低下させるものであ
る。また、本発明のセパレータは、比較的安価で大型の
ものが製作容易であり、さらに、その耐酸化性は、イン
コネル合金に比しやや劣る程度、靭性はランタンクロマ
イトに比し十分高く、実際の使用に十分耐えるものであ
る。
【図1】各成分のCr−Fe合金の常温〜1000℃の間の
平均熱膨張係数を示す図である。
平均熱膨張係数を示す図である。
Claims (4)
- 【請求項1】 安定化ジルコニアを固体電解質とし、そ
の一方の面にアノード、他方の面にカソードを形成また
は配置してなる複数のセル間に配置される固体電解質燃
料電池用セパレータにおいて、該セパレータはFeが質
量%で45%以下であるCr基合金であることを特徴とす
る固体電解質燃料電池用セパレータ。 - 【請求項2】 室温から1000℃までの平均熱膨張係数が
(9.5〜11.5)×10マイナス6乗/℃である請求項1に記載
の固体電解質燃料電池用セパレータ。 - 【請求項3】 Cr粉末または目的製品より高いCr含有
量のFe−Cr合金粉末と、Fe粉末または前記目的製
品より低いCr含有量のFe−Cr合金粉末を混合、焼
結する工程を包含することを特徴とする固体電解質燃料
電池用セパレータの製造方法。 - 【請求項4】 Cr粉末と、Cr 10〜30%を含むFe合
金粉末とを用いる請求項3に記載の固体電解質燃料電池
用セパレータの製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP6209516A JPH0878026A (ja) | 1994-09-02 | 1994-09-02 | 固体電解質燃料電池用セパレータおよびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP6209516A JPH0878026A (ja) | 1994-09-02 | 1994-09-02 | 固体電解質燃料電池用セパレータおよびその製造方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0878026A true JPH0878026A (ja) | 1996-03-22 |
Family
ID=16574092
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP6209516A Pending JPH0878026A (ja) | 1994-09-02 | 1994-09-02 | 固体電解質燃料電池用セパレータおよびその製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0878026A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006269256A (ja) * | 2005-03-24 | 2006-10-05 | Equos Research Co Ltd | セパレータ用金属材料 |
WO2014009788A1 (en) * | 2012-07-09 | 2014-01-16 | Stackpole International | Fuel cell interconnector and method for making a fuel cell interconnector |
-
1994
- 1994-09-02 JP JP6209516A patent/JPH0878026A/ja active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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