JPH04190553A - 固体電解質型燃料電池用セパレータ及びこれを用い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】 （産業上の利用分野） 本発明は、固体電解質型燃料電池用セパレータ及びこれ
を用いる固体電解質型燃料電池に関するものである。

（従来の技術及びその問題点） 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
°Ｃ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１．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。

５ＯＦＣの分野では、例えば平板状、円筒状の５ＯＦＣ
が知られている。このうち平板状５ＯＦＣは単位体積当
たりの発電量が大きく、有望であるが、平板状の単電池
を積層してスタックを形成する際、隣接する単電池を緻
密質隔壁で分画し、燃料ガスと酸化ガスとが混合しない
ようにする必要がある。

この際、単電池間のセパレータとして、インコネル等の
耐酸化金属板を使用する方法がある。しかし、この場合
は、セパレータと別に、燃料ガス供給路、酸化ガス供給
路を設けた板状部材を耐酸化金属板の各面にそれぞれ設
置する必要があり、このため構成部品が多く、スタック
の構造が複雑になった。

また、予め燃料ガス供給用又は酸化ガス供給用の溝を設
けた、ＬａＣｒ０＋の焼結体をセパレータとして使用す
る方法が提案されている。

しかし、この場合は、ＬａＣｒ０＋が焼結段階で緻密化
しにくく、緻密質のセパレータを得ることが困難である
。また、この熱伝導性は金属にくらべてかなり劣るため
、単電池内部で熱の偏りが生し易い。更に、ＬａＣｒＯ
３は金属との接合性が悪いため、セパレータを金属製の
外部ケースと適切に接合し、ガスのシールを行うことは
困難である。

（発明が解決しようとする課題） 本発明の課題は、単電池のスタック化を容易にでき、単
電池内部の熱の偏りを防止でき、かつガスのシールを容
易に行うことができるような、固体電解質型燃料電池用
セパレータ及びこれを用いる固体電解質型燃料電池を提
供することである。

（課題を解決するだめの手段） 本発明は、固体電解質型燃料電池に使用するガスと前記
固体電解質型燃料電池の動作温度に対し安定な金属板と
；前記金属板の一方の面に設けられた耐酸化多孔質サー
メット層と；前記金属板の他方の面に設けられた耐還元
多孔質サーメット層とを有する、固体電解質型燃料電池
用セパレータに係るものである。

また、本発明は、固体電解質型燃料電池用セパレークと
、板状単電池とを交互に積層してなる固体電解質型燃料
電池であって、前記板状単電池の空気電極に対して前記
耐酸化多孔質サーメット層が当接し、前記板状単電池の
燃料電極に対して前記耐還元多孔質サーメット層が当接
す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。

（作　用） 本発明によれば、まず金属板が酸化ガスと燃料ガスを分
離する機能を持つ。

そして、耐酸化多孔質サーメット層を金属板の一方の面
に設けるので、この耐酸化多孔質サーメット層を通して
酸化ガスを空気電極へと供給できる。また、耐還元多孔
質サーメット層を金属板の他方の面に設けるので、この
耐還元多孔質サーメット層を通して燃料ガスを燃料電極
へと供給できる。従って、ガスに対する隔壁として作用
する金属板と別体に特別のガス供給路を設ける必要がな
く　、５ＯＦＣ単電池と一体構造のセパレータを順次交
互に積層するのみで、５ＯＦＣ単電池を直列方向にスタ
ック化でき、５ＯＦＣ単電池の積層数を増やして３ＯＦ
Ｃの出力を上げることが容易である。

また、ガスの隔壁として耐熱性の金属板を使用するので
、耐熱金属製の外部ケースと金属板とを溶接することで
容易にガスシールを行なうことができる。

更に、一般に金属板の伝熱性は、ＬａＣｒＯ３等の従来
の隔壁材料の伝熱性よりも高いので、５ＯＦＣ単電池に
熱の偏りが生じにくい。

（実施例） 第１図は本発明の実施例に係る５ＯＦＣ用セパレータを
示す斜視図、第２図は第１図のセパレータと５ＯＦＣ単
電池とを順次積層して形成した５ＯＦＣを示す正面図で
ある。

セパレータ４においては、緻密な金属板２の一方の面に
耐酸化多孔質サーメット層１を設け、他方の面に耐還元
多孔質サーメット層３を設け、これら三層を一体化する
。

緻密な金属板２は、５ＯＦＣの動作時に使用する燃料ガ
スと酸化ガスとに対して耐性があり、がっ５ＯＦＣの動
作温度で安定な耐熱性を有する金属で形成する。こうし
た金属としては、例えば、Ｎｉ−Ｃｒ。

Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｒ、　Ｎ１−Ｆｅ−Ｃｒ−Ａ　Ｉ２　、
　Ｃｏ−Ｎｉ−Ｃｒ、　Ｆｅ−Ｃｒ、　Ｆｅ−Ｃｒ−Ａ
　Ｉ！等の各組成の合金を例示できる。

耐酸化多孔質サーメット層は、酸化ガスに対して耐性が
ある耐酸化金属粉末とセラミックス粉末との混合物を焼
結してなる多孔質サーメットで構成する。また、耐還元
多孔質サーメット層は、燃料ガスに対して耐性がある耐
還元金属とセラミックス粉末との混合物を焼結してなる
多孔質サーメットで構成される。ここで、セラミックス
粉末としては、アルミナやジルコニアを主成分とするセ
ラミックスの粉末を例示できる。耐酸化金属粉末として
は、Ｎｉ−Ｃｒ、　Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｒ、　Ｎｉ−Ｆｅ−
Ｃｒ−八ｆｆ、Ｃ。

−Ｎｉ−Ｃｒ、　Ｆｅ−Ｃｒ、　Ｆｅ−Ｃｒ−Ａ　Ｉ２
等の合金の粉末を例示できる。耐還元金属粉末としては
、Ｎｉ−Ｃｒ、　Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｒ、　　Ｎｉ−Ｆｅ−
Ｃｒ−Ｉｎ！、　　Ｃｏ−Ｎｉ−Ｃｒ、　　Ｆｅ−Ｃｒ
、　　Ｆｅ−Ｃｒ−へ１等の合金の粉末や、Ｎｉ、　Ｃ
ｏ、　Ｆｅの粉末を例示できる。

こうしたセパレータ４を製造するには、以下の方法があ
る。

（１）まず、金属板２を用意する。この一方耐還元金属
の粉末とイツトリア安定化ジルコニア等のセラミックス
粉末とを調合し、平板状となるように成形し、この成形
体を焼成して耐還元多孔質体を作製する。この際は、い
わゆる粉末冶金技術を転用する。これと同様にして耐酸
化多孔質体を作製する。このとき、上記混合物をそのま
ま成形、焼成してもある程度の孔は形成できるが、粉末
混合物の成形時にセルロースを添加すれば、このセルロ
ースの量を変えることによってサーメットの気孔率を制
御できる。

次に、上記の耐酸化多孔質体、耐還元多孔質体を平板状
となるように加工し、こうして得た耐酸化多孔質平板、
耐還元多孔質平板を第１図に示すように金属板２の上下
に接合する。この際は通例の接合技術により、」１記の
三枚の平板を溶接するか、また三枚の平板を積層した後
に再度炉中で熱処理する。

（２）金属板２の表面に耐還元金属の粉末とセラミック
ス粉末との混合物をそのまま又はスラリー状−７＝ にして塗膜し、プレス成形した後炉中で焼成し、耐還元
多孔質サーメツＩ・層３を形成する。耐酸化多孔質サー
メット層１も同様の方法で形成できる。

次に、上記のセパレータ４を使用する際には、第２図に
示すように、セパレータ４と５ＯＦＣ単電池８とを交互
に積層する。５ＯＦＣ単電池８は、平板状の燃料電極５
、固体電解質６、空気電極７を積層一体化した構造のも
のであり、空気電極７に対して耐酸化多孔質サーメット
層１が当接し、燃料電極５に対して耐還元多孔質サーメ
ット層３が当接する。ただし、第２図において上端側（
−極側）においてはセパレーク４から耐酸化多孔質サー
メット層１を除いて金属板２を露出させ、下端側（＋極
側）においてはセパレータ４から耐還元多孔質サーメッ
ト層３を除き、集電体９を金属板２に接続して集電を行
う。

本実施例によれば、耐酸化多孔質サーメット層１を通し
て酸化ガスを供給でき、耐還元多孔質サーメット層３を
通して燃料ガスを供給でき、しかもこれらの層１．３が
金属板２に接合されている。

従って、ガスに対する隔壁として作用する金属板２と別
体に特別なガス供給路を設ける必要がなく、５ＯＦＣ単
電池８と一体構造のセパレータ４とを順次交互に積層す
るのみでガスの隔離と供給との機能を満足させることが
でき、直列方向のスタック化が可能となる。従って、５
ＯＦＣ単電池の積層数を増して５ＯＦＧの出力を容易に
」二げることができる。

また、金属板２が耐熱性金属からなるので、耐熱金属製
の外部ケースと金属板２とを溶接することで容易に金属
板２の両側でのガスシールを行うことができ、従来のよ
うなセラミックスと金属との接合の困難性という問題は
生じない。

更に、一般に金属板２の伝熱性は１、ａｃｒ０３等の伝
熱性よりも高いので、５ＯＰＣ単電池８に熱の偏りが生
じにくい。

しかも、多孔質層１．３が金属とセラミックスの焼結体
であるサーメットからなるので、固体電解質６または空
気電極７、または燃料電極５を構成するセラミックスと
同一の又は類催した組成のセラミックス粉末を多孔質層
１，３の原料粉末として使用すれば、多孔質層１，３と
固体電解質６の熱膨張係数の差を小さく抑えることがで
きる。

多孔管層１，３はそれぞれ酸化ガス又は燃料ガスを透過
させる必要があることから、その気孔率はある程度大き
い方が好ましい。しかし、電気伝導度を低下させ、内部
抵抗の増大につながらない範囲で小さい方がよい。従っ
て、最適な気孔率範囲が存在する。また、本発明のセパ
レータの金属板２は、酸化ガスと燃料ガスを分離するだ
けの厚さを持てば良く、可能な限り薄い方が好ましい。

また本発明のセパレータの多孔質層１．３も発電に必要
なガスを供給できる範囲でより薄い方が好ましい。

第３図、第４図はそれぞれ、断面四辺形の直線状のガス
供給路１１ａ、　１３ａを設けた多孔質サーメット層Ｉ
Ｌ　１３を使用したセパレータを示す斜視図である。

これらのセパレータ１４．２４においては、耐酸化多孔
質サーメット層１１の金属板２と当接する側に複数の断
面四辺形の酸化ガス供給路１１ａを互いに平行に設け、
同様に、耐還元多孔質す−メ７１−層１３の金属板２と
当接する側に複数の断面四辺形の燃料ガス供給路１３ａ
を互いに平行に設ける。この際、例えば多孔質板と金属
板２とを溶接等によって接合する前に多孔質板の表面に
第３図、第４図の形状の溝を設けておくとよい。そして
、第３図の例では、ガス供給路１１ａと１３ａとを互い
に平行となるように設け、第４図の例ではガス供給路１
１ａと１３ａとを互いに直交するように設ける。

こうしたセパレータと５ＯＦＣ単電池とを積層し、酸化
ガス供給路１１ａに酸化ガスを通し、燃料ガス供給路１
．３ａに燃料ガスを通しているので、多孔質ザーメット
層ＩＬ　１３内にガスを透過させる効果に加え、酸化ガ
ス、燃料ガスを矢印の方向に流し易くできる。

本発明のセパレータを使用した固体電解質型燃料電池の
作動例を示す。第２図に於いて、固体電解質型燃料電池
の単電池の燃料電極５に接する耐還元金属とセラミック
ス粉末との混合物を焼結してなる多孔質ザーメッｌ−層
３中には、圧縮された一冊− 燃料が供給され、燃料中の１１□やＣＯが燃料電極５の
全面に渡って行き届いている。一方、固体電解質型燃料
電池の単電池の空気電極７に接する耐酸化金属とセラミ
ックス粉末との混合物を焼結してなる多孔質サーメット
層１中には、圧縮された酸素や空気が供給され、０□が
空気電極の全面に渡って行き届いている。０□は、空気
電極の活性のため、空気電極から供給される電子と結合
し、酸素イオン（０２″）となって固体電解質６のなか
に取り込まれ、酸素イオンは燃料極側と空気極側の酸素
分圧の差によって固体電解質６中を拡散し、燃料電極で
１１□またはＣＯと反応して１１□０またはＣＯ２とな
り、電子を燃料電極５へ放出する。放出された電子は、
燃料電極から、本発明のセパレータの耐還元金属とセラ
ミックス粉末との混合物を焼結してなる多孔質サーメッ
ト層３に集電され、さらに本発明のセパレータの金属板
２を通って、耐酸化金属とセラミックス粉末との混合物
を焼結してなる多孔質サーメット層１へ移動し、更に隣
に接する固体電解質型燃料電池の単電池の空気電極へ電
子を供給−１３＝ し、この電子はまた空気電極における酸素のイオン化反
応に使用される。

また第２図において最上部金属板２に集められた電子は
、外部導線９を通って外部負荷に繋がり、また外部負荷
から出た電子は外部導線を通って最下部金属板２へ戻っ
て来る。

この例において、燃料と酸素または空気は圧縮して供給
しているが、さらにガスの供給をし易くするためには、
第３図や第４図の如く、ガスの供給路を設けてやればガ
スを圧縮する必要もなく、燃料と酸素または空気を供給
することができ、自然の拡散によって燃料電極または空
気電極へそれぞれＨ２やＣＯｌまた０□を供給しうる。

更に、反応に使われなかった燃料や空気及び反応によっ
て生じたＨ２ＯまたはＣＯ□を、容易に除去しうるよう
になる。

空気電極は、ドーピングされたか、又はドーピングされ
ていないＬａＭｎＯ３，ＣａＭｎＯ３，Ｉ、ａＮｉ（］
＋＋　ＬａＣｏ０＋＋ＬａＣｒＯ３等で製造でき、スト
ロンチウムやカルシウムをドーピングしたＬａＭｎ０．
、が好ましい。燃料電極は、−ｒにはニッケル−ジルコ
ニアザーメント又はコハルト−ジルコニアザーメントが
好ましい。

（発明の効果） 本発明によれば、まず金属板がセパレータとして機能す
る。

そして、耐酸化多孔質サーメット層を金属板の一方の面
に設けるので、この耐酸化多孔質ザーメット層を通して
酸化ガスを空気電極へと供給できる。また、耐還元多孔
質サーメット層を金属板の他方の面に設けるので、この
耐還元多孔質サーメット層を通して燃料ガスを燃料電極
へと供給できる。従って、ガスに対する隔壁として作用
する金属板と別体に特別のガス供給路を設ける必要がな
く、５ＯＦＣ単電池と一体構造のセパレークを順次交互
に積層するのみで、５ＯＦＣ単電池を直列方向にスタッ
ク化でき、５ＯＦＣ単電池の積層数を増やして５ＯＦＣ
の出力を上げることが容易である。

また、ガスの隔壁として耐熱性の金属板を使用するので
、耐熱金属製の外部ケースと金属板とを溶接することで
容易にガスシールを行うことができる。

更に、一般に金属板の伝熱性は、ＬａＣｒＯ３等の従来
の隔壁材料の伝熱性よりも高いので、５ＯＦＣ単電池に
熱の偏りが生じにくい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る５ＯＦＣ用セパレータを
示す斜視図、 第２図は第１図のセパレータと５ＯＦＣ単電池とを積層
してなるスタックを示す概略正面図、第３図、第４図は
それぞれ他の５ＯＦＣ用セパレータを示す斜視図である
。 １．１１・・・耐酸化多孔質サーメット層２・・・金属
板 ３．１３・・・耐還元多孔質サーメット層４、１４．２
４・・・５ｏｐｃ用セパレータ５・・・燃料電極　　　
　　　６・・・固体電解質７・・・空気電極　　　　　
　８・・・５ＯＦＣ単電池１１ａ・・・酸化ガス供給路
　　１３ａ・・・燃料ガス供給路−一一一一一）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、固体電解質型燃料電池に使用するガスと前記固体電
   解質型燃料電池の動作温度に対し安定な金属板と； 前記金属板の一方の面に設けられた耐酸化 多孔質サーメット層と； 前記金属板の他方の面に設けられた耐還元 多孔質サーメット層とを有する、固体電解質型燃料電池
   用セパレータ。 ２、請求項１記載の固体電解質型燃料電池用セパレータ
   と、板状単電池とを交互に積層してなる固体電解質型燃
   料電池であって、 前記板状単電池の空気電極に対して前記耐 酸化多孔質サーメット層が当接し、前記板状単電池の燃
   料電極に対して前記耐還元多孔質サーメット層が当接す
   るように構成した固体電解質型燃料電池。