JPH05121060A - 高温型燃料電池用セパレータ材料 - Google Patents
高温型燃料電池用セパレータ材料Info
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- JPH05121060A JPH05121060A JP3186936A JP18693691A JPH05121060A JP H05121060 A JPH05121060 A JP H05121060A JP 3186936 A JP3186936 A JP 3186936A JP 18693691 A JP18693691 A JP 18693691A JP H05121060 A JPH05121060 A JP H05121060A
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- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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- H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
- H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
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- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
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- Y—GENERAL 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
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Abstract
(57)【要約】
【構成】 金属、合金又は金属間化合物である金属基成
分とセラミックス成分からなるセパレータ材料におい
て、酸化剤ガス側がセラミックス成分に富み、還元剤ガ
ス側が金属基成分に富むとともに、酸化剤ガス側から還
元剤ガス側にかけて成分組成を連続的あるいは段階的に
傾斜変化させる。 【効果】 強度や導電性を維持したままで、酸化剤ガス
側及び還元剤ガス側のいずれにおいても高温の各腐食性
ガスに対して十分安定で耐食性であり、しかもそり、曲
がりなどの変形、剥がれなどを生じない。
分とセラミックス成分からなるセパレータ材料におい
て、酸化剤ガス側がセラミックス成分に富み、還元剤ガ
ス側が金属基成分に富むとともに、酸化剤ガス側から還
元剤ガス側にかけて成分組成を連続的あるいは段階的に
傾斜変化させる。 【効果】 強度や導電性を維持したままで、酸化剤ガス
側及び還元剤ガス側のいずれにおいても高温の各腐食性
ガスに対して十分安定で耐食性であり、しかもそり、曲
がりなどの変形、剥がれなどを生じない。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、強度や導電性を維持し
たままで、酸化剤ガス側及び還元剤ガス側のいずれにお
いても高温の各腐食性ガスに対して十分安定で耐食性で
あり、しかもそり、曲がりなどの変形、剥がれなどを生
じることのない新規高温型燃料電池用セパレータ材料に
関するものである。
たままで、酸化剤ガス側及び還元剤ガス側のいずれにお
いても高温の各腐食性ガスに対して十分安定で耐食性で
あり、しかもそり、曲がりなどの変形、剥がれなどを生
じることのない新規高温型燃料電池用セパレータ材料に
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】高温型燃料電池用セパレータ材料として
は、金属、合金などの金属基成分とセラミックス成分特
に導電性セラミックス成分からなる複合材料が知られて
いる。しかしながら、このものは、全体的に均質であっ
て、酸化剤ガス側も還元剤ガス側も一定比率の金属基成
分とセラミックス成分を有し、しかも酸化剤ガスに安定
なセラミックス成分は還元剤ガスに弱く、還元剤ガスに
安定な金属基成分は酸化剤ガスで酸化されやすく耐食性
の劣化や導電性の低下を生じやすいことから、いずれの
側も高温の腐食性ガスに対して必ずしも十分安定なもの
とはいえないという問題がある。
は、金属、合金などの金属基成分とセラミックス成分特
に導電性セラミックス成分からなる複合材料が知られて
いる。しかしながら、このものは、全体的に均質であっ
て、酸化剤ガス側も還元剤ガス側も一定比率の金属基成
分とセラミックス成分を有し、しかも酸化剤ガスに安定
なセラミックス成分は還元剤ガスに弱く、還元剤ガスに
安定な金属基成分は酸化剤ガスで酸化されやすく耐食性
の劣化や導電性の低下を生じやすいことから、いずれの
側も高温の腐食性ガスに対して必ずしも十分安定なもの
とはいえないという問題がある。
【０００３】他方、この問題を解決するために表裏の異
なる材料、例えば表側が金属で裏側がセラミックスから
なる貼り合わせ材料などが考えられるが、このものは表
裏が互いに機械的特性や熱的性質などの物性が異なるた
めに温度や圧力などの使用環境の変動により、そり、曲
がりなどの変形、剥がれなどの問題を生じやすい。
なる材料、例えば表側が金属で裏側がセラミックスから
なる貼り合わせ材料などが考えられるが、このものは表
裏が互いに機械的特性や熱的性質などの物性が異なるた
めに温度や圧力などの使用環境の変動により、そり、曲
がりなどの変形、剥がれなどの問題を生じやすい。
【０００４】
【発明が解決しょうとする課題】本発明は、このような
従来の高温型燃料電池用セパレータ材料のもつ欠点を克
服し、酸化剤ガス側及び還元剤ガス側のいずれにおいて
も高温の各腐食性ガスに対して十分安定で耐食性があ
り、しかもそり、曲がりなどの変形、剥がれなどの問題
を生じない高温型燃料電池用セパレータ材料を提供する
ことを目的としてなされたものである。
従来の高温型燃料電池用セパレータ材料のもつ欠点を克
服し、酸化剤ガス側及び還元剤ガス側のいずれにおいて
も高温の各腐食性ガスに対して十分安定で耐食性があ
り、しかもそり、曲がりなどの変形、剥がれなどの問題
を生じない高温型燃料電池用セパレータ材料を提供する
ことを目的としてなされたものである。
【０００５】
【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高温型燃料電池用セパレータ材料を
開発するために種々研究を重ねた結果、金属基成分と導
電性セラミックス成分、特に希土類・クロム複合酸化物
系導電性セラミックス成分とを組合せて複合化するとと
もに、その一方側から他方側にかけてこれら成分組成に
傾斜変化をもたせることにより、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。
ましい性質を有する高温型燃料電池用セパレータ材料を
開発するために種々研究を重ねた結果、金属基成分と導
電性セラミックス成分、特に希土類・クロム複合酸化物
系導電性セラミックス成分とを組合せて複合化するとと
もに、その一方側から他方側にかけてこれら成分組成に
傾斜変化をもたせることにより、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。
【０００６】すなわち、本発明は、金属、合金及び金属
間化合物の中から選ばれた少なくとも１種の金属基成分
と導電性セラミックス成分からなり、かつ酸化剤ガス側
が導電性セラミックス成分に富み、還元剤ガス側が金属
基成分に富むとともに、酸化剤ガス側から還元剤ガス側
にかけて成分組成を連続的あるいは段階的に傾斜変化さ
せたことを特徴とする高温型燃料電池用セパレータ材料
を提供するものである。
間化合物の中から選ばれた少なくとも１種の金属基成分
と導電性セラミックス成分からなり、かつ酸化剤ガス側
が導電性セラミックス成分に富み、還元剤ガス側が金属
基成分に富むとともに、酸化剤ガス側から還元剤ガス側
にかけて成分組成を連続的あるいは段階的に傾斜変化さ
せたことを特徴とする高温型燃料電池用セパレータ材料
を提供するものである。
【０００７】本発明に用いる金属基成分としては、金
属、合金あるいは金属間化合物が用いられる。金属とし
ては、例えばＮｉ、Ｃｏなどが挙げられる。また合金と
しては、例えばＮｉ‐Ｃｒ系、Ｎｉ‐Ｃｒ‐Ｆｅ系、Ｎ
ｉ‐Ｃｒ‐Ｍｏ系、Ｎｉ‐Ｃｒ‐Ｍｏ‐Ｃｏ系、Ｎｉ‐
Ｃｒ‐Ｍｏ‐Ｆｅ系のようなＮｉ基合金、Ｃｏ‐Ｃｒ
系、Ｃｏ‐Ｃｒ‐Ｆｅ系、Ｃｏ‐Ｃｒ‐Ｗ系、Ｃｏ‐Ｃ
ｒ‐Ｎｉ‐Ｗ系のようなＣｏ基合金などが挙げられる。
また金属間化合物としては、例えばＮｉ３Ａｌ、Ｎｉ２
Ａｌ３、ＮｉＡｌ、ＩＣ２１８、ＩＣ２６４などのＮｉ
‐Ａｌ系、Ｎｉ２ＴｉＡｌのようなＮｉ‐Ｔｉ‐Ａｌ
系、Ｃｏ３ＴｉのようなＣｏ‐Ｔｉ系、ＴｉＡｌ、Ｔｉ
Ａｌ３のようなＴｉ‐Ａｌ系、ＶＡｌ３のようなＶ‐Ａ
ｌ系、ＮｂＡｌ３のようなＮｂ‐Ａｌ系、ＺｒＡｌ３の
ようなＺｒ‐Ａｌ系、ＦｅＡｌのようなＦｅ‐Ａｌ系、
ＭｏＳｉ２のようなＭｏ‐Ｓｉ系、Ｔｉ５Ｓｉ３のよう
なＴｉ‐Ｓｉ系のものなどが挙げられ、特にＮｉ‐Ａｌ
系金属間化合物が好ましい。
属、合金あるいは金属間化合物が用いられる。金属とし
ては、例えばＮｉ、Ｃｏなどが挙げられる。また合金と
しては、例えばＮｉ‐Ｃｒ系、Ｎｉ‐Ｃｒ‐Ｆｅ系、Ｎ
ｉ‐Ｃｒ‐Ｍｏ系、Ｎｉ‐Ｃｒ‐Ｍｏ‐Ｃｏ系、Ｎｉ‐
Ｃｒ‐Ｍｏ‐Ｆｅ系のようなＮｉ基合金、Ｃｏ‐Ｃｒ
系、Ｃｏ‐Ｃｒ‐Ｆｅ系、Ｃｏ‐Ｃｒ‐Ｗ系、Ｃｏ‐Ｃ
ｒ‐Ｎｉ‐Ｗ系のようなＣｏ基合金などが挙げられる。
また金属間化合物としては、例えばＮｉ３Ａｌ、Ｎｉ２
Ａｌ３、ＮｉＡｌ、ＩＣ２１８、ＩＣ２６４などのＮｉ
‐Ａｌ系、Ｎｉ２ＴｉＡｌのようなＮｉ‐Ｔｉ‐Ａｌ
系、Ｃｏ３ＴｉのようなＣｏ‐Ｔｉ系、ＴｉＡｌ、Ｔｉ
Ａｌ３のようなＴｉ‐Ａｌ系、ＶＡｌ３のようなＶ‐Ａ
ｌ系、ＮｂＡｌ３のようなＮｂ‐Ａｌ系、ＺｒＡｌ３の
ようなＺｒ‐Ａｌ系、ＦｅＡｌのようなＦｅ‐Ａｌ系、
ＭｏＳｉ２のようなＭｏ‐Ｓｉ系、Ｔｉ５Ｓｉ３のよう
なＴｉ‐Ｓｉ系のものなどが挙げられ、特にＮｉ‐Ａｌ
系金属間化合物が好ましい。
【０００８】導電性セラミックス成分は特に制限されな
いが、希土類系酸化物、中でもランタンクロマイト系複
合酸化物やイットリウムクロマイト系複合酸化物のよう
な希土類・クロマイト系複合酸化物、特に一般式（Ｉ）
いが、希土類系酸化物、中でもランタンクロマイト系複
合酸化物やイットリウムクロマイト系複合酸化物のよう
な希土類・クロマイト系複合酸化物、特に一般式（Ｉ）
【化２】 （ＬはＬａ又はＹ、ＭはＭｇ、Ｓｒ、Ｃａ及びＢａの中
から選ばれた少なくとも１種の元素、Ｍ′はＣｏ、Ｎ
ｉ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｃｕ、
Ｍｏ、Ｐｄ、Ｗ、Ｒｈ、Ｉｒ及びＰｔの中から選ばれた
少なくとも１種の元素、０≦ｘ≦０．５、０≦ｙ≦０．
５、０．９５≦ｂ／ａ≦１．０５である）で表わされか
つペロブスカイト構造を有するものが好ましい。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。
から選ばれた少なくとも１種の元素、Ｍ′はＣｏ、Ｎ
ｉ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｃｕ、
Ｍｏ、Ｐｄ、Ｗ、Ｒｈ、Ｉｒ及びＰｔの中から選ばれた
少なくとも１種の元素、０≦ｘ≦０．５、０≦ｙ≦０．
５、０．９５≦ｂ／ａ≦１．０５である）で表わされか
つペロブスカイト構造を有するものが好ましい。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。
【０００９】本発明の高温型燃料電池用セパレータ材料
は、これら金属基成分と導電性セラミックス成分からな
り、かつ酸化剤ガス側が導電性セラミックス成分に富
み、還元剤ガス側が金属基成分に富むとともに、酸化剤
ガス側から還元剤ガス側にかけて成分組成を連続的ある
いは段階的に傾斜変化させて成るものである。
は、これら金属基成分と導電性セラミックス成分からな
り、かつ酸化剤ガス側が導電性セラミックス成分に富
み、還元剤ガス側が金属基成分に富むとともに、酸化剤
ガス側から還元剤ガス側にかけて成分組成を連続的ある
いは段階的に傾斜変化させて成るものである。
【００１０】本発明においては、このように成分組成を
少しずつ変えていくことにより、物性的な変化も同傾向
とすることが可能である。
少しずつ変えていくことにより、物性的な変化も同傾向
とすることが可能である。
【００１１】すなわち、金属基成分の種類、導電性セラ
ミックス成分の種類、それらの組成を変動させることに
より、任意の部位あるいは各層の物性特に熱膨張率をほ
ぼ同様にそろえてマッチングさせるか、あるいは一方側
から他方側にかけてできるだけ可能な限り少しずつ緩徐
に又は段階的に傾斜変化させることにより、セパレータ
材料のそり、曲がりなどの変形、層間はく離などの不都
合を少なくとも一部防止することが可能になる。
ミックス成分の種類、それらの組成を変動させることに
より、任意の部位あるいは各層の物性特に熱膨張率をほ
ぼ同様にそろえてマッチングさせるか、あるいは一方側
から他方側にかけてできるだけ可能な限り少しずつ緩徐
に又は段階的に傾斜変化させることにより、セパレータ
材料のそり、曲がりなどの変形、層間はく離などの不都
合を少なくとも一部防止することが可能になる。
【００１２】このように、各部位あるいは層間の金属基
成分と導電性セラミックス成分の割合の変化に応じ、熱
膨張についてマッチングあるいは傾斜変化をもたせるに
は、金属基成分の組成を固定すると、熱膨張率の高い金
属基成分の比率がより高い部位あるいは層ほど、より低
い熱膨張率をもつ組成の導電性セラミックス成分を組み
合わせるのが好ましい。換言すると、金属基成分の割合
の増大につれて熱膨張率も大きくなるが、他方のコンポ
ジット成分である導電性セラミックス成分の組成の熱膨
張率を小さくして全体として各部位あるいは層の熱膨張
率をほぼ一定に制御調整するのが好ましい。このために
は導電性セラミックス成分の組成を変動させるか、ある
いは成分を変えるのが実際的である。
成分と導電性セラミックス成分の割合の変化に応じ、熱
膨張についてマッチングあるいは傾斜変化をもたせるに
は、金属基成分の組成を固定すると、熱膨張率の高い金
属基成分の比率がより高い部位あるいは層ほど、より低
い熱膨張率をもつ組成の導電性セラミックス成分を組み
合わせるのが好ましい。換言すると、金属基成分の割合
の増大につれて熱膨張率も大きくなるが、他方のコンポ
ジット成分である導電性セラミックス成分の組成の熱膨
張率を小さくして全体として各部位あるいは層の熱膨張
率をほぼ一定に制御調整するのが好ましい。このために
は導電性セラミックス成分の組成を変動させるか、ある
いは成分を変えるのが実際的である。
【００１３】また、還元側ほど金属基成分の比率がより
高く、しかも金属基成分の熱膨張率の方が導電性セラミ
ックス成分のそれよりも高く、例えば金属基成分のう
ち、比較的熱膨張率の低い金属間化合物の１例としての
Ｎｉ２Ａｌ３の熱膨張率でも約１３×１０−６℃−１で
あることから、還元側ほど導電性セラミックス成分とし
てより熱膨張率の低いものを用いるのが有利である。
高く、しかも金属基成分の熱膨張率の方が導電性セラミ
ックス成分のそれよりも高く、例えば金属基成分のう
ち、比較的熱膨張率の低い金属間化合物の１例としての
Ｎｉ２Ａｌ３の熱膨張率でも約１３×１０−６℃−１で
あることから、還元側ほど導電性セラミックス成分とし
てより熱膨張率の低いものを用いるのが有利である。
【００１４】このより低い熱膨張率をもつ導電性セラミ
ックス成分としては、ペロブスカイト型希土類クロマイ
ト系酸化物、特にランタンクロマイト系（熱膨張率１０
×１０−６℃−１）やそれよりも熱膨張率が小さいイッ
トリウムクロマイト系（熱膨張率８×１０−６℃−１）
のものが好ましい。さらに、該希土類クロマイト系酸化
物を混合して用いたり、そのペロブスカイト構造（ＡＢ
Ｏ３）におけるＡサイトやＢサイトの組成成分や成分間
の割合あるいは比率を変動させるのが好ましい。このＢ
サイトのＣｒの一部を置換する金属、例えばＣｏの量を
制御してその増減により熱膨張率を上下でき、またＡサ
イトの希土類の一部を置換するアルカリ土類金属の量を
制御してその増減により熱膨張率を下げたり上げたりで
きる。このようにして本発明の高温型燃料電池用セパレ
ータ材料全体の熱膨張率を適宜調整することが可能とな
る。
ックス成分としては、ペロブスカイト型希土類クロマイ
ト系酸化物、特にランタンクロマイト系（熱膨張率１０
×１０−６℃−１）やそれよりも熱膨張率が小さいイッ
トリウムクロマイト系（熱膨張率８×１０−６℃−１）
のものが好ましい。さらに、該希土類クロマイト系酸化
物を混合して用いたり、そのペロブスカイト構造（ＡＢ
Ｏ３）におけるＡサイトやＢサイトの組成成分や成分間
の割合あるいは比率を変動させるのが好ましい。このＢ
サイトのＣｒの一部を置換する金属、例えばＣｏの量を
制御してその増減により熱膨張率を上下でき、またＡサ
イトの希土類の一部を置換するアルカリ土類金属の量を
制御してその増減により熱膨張率を下げたり上げたりで
きる。このようにして本発明の高温型燃料電池用セパレ
ータ材料全体の熱膨張率を適宜調整することが可能とな
る。
【００１５】本発明の高温型燃料電池用セパレータ材料
の全体についての上記各成分の比率は、金属基成分と導
電性セラミックス成分との体積比で１：９〜５：５、特
に２：８〜４：６の範囲とするのが好ましい。この比が
大きすぎると耐酸化性等の耐食性に劣るし、また小さす
ぎると導電性や緻密化が不十分となるのを免れない。
の全体についての上記各成分の比率は、金属基成分と導
電性セラミックス成分との体積比で１：９〜５：５、特
に２：８〜４：６の範囲とするのが好ましい。この比が
大きすぎると耐酸化性等の耐食性に劣るし、また小さす
ぎると導電性や緻密化が不十分となるのを免れない。
【００１６】本発明の高温型燃料電池用セパレータ材料
は、常用のフイルム・シート形成技術、例えばドクター
ブレード法などのコーテイング法、ＣＶＤ法、蒸着法、
プラズマスプレー法、粒子焼結法、通電加熱法などの自
己発熱法、あるいはこれらの組み合わせ方法などにより
作成される。特に、各所定割合に成分比率を変えて調製
した金属基成分と導電性セラミックス成分からなる多数
のフイルムを各フイルム間において成分組成を段階的に
傾斜変化するように多層に積層し、一体にプレス成形し
たのち、適当な雰囲気、例えば還元性雰囲気下や不活性
ガス雰囲気下のような非酸化性雰囲気下、あるいは真空
中で焼成することによって得られる。この積層法は、通
常高温型燃料電池用セパレータの厚さは１ｃｍまでであ
って積層シート化するのに適しているので実用的であ
る。
は、常用のフイルム・シート形成技術、例えばドクター
ブレード法などのコーテイング法、ＣＶＤ法、蒸着法、
プラズマスプレー法、粒子焼結法、通電加熱法などの自
己発熱法、あるいはこれらの組み合わせ方法などにより
作成される。特に、各所定割合に成分比率を変えて調製
した金属基成分と導電性セラミックス成分からなる多数
のフイルムを各フイルム間において成分組成を段階的に
傾斜変化するように多層に積層し、一体にプレス成形し
たのち、適当な雰囲気、例えば還元性雰囲気下や不活性
ガス雰囲気下のような非酸化性雰囲気下、あるいは真空
中で焼成することによって得られる。この積層法は、通
常高温型燃料電池用セパレータの厚さは１ｃｍまでであ
って積層シート化するのに適しているので実用的であ
る。
【００１７】本発明の高温型燃料電池用セパレータを作
成する際の問題点は、焼成や加熱処理時の収縮の程度が
任意の部位あるいは積層する各層によって異なってくる
点、及び各層間の密着の不十分なところから剥離を生じ
る点であるが、これを改善する好適な方法としては、液
相焼結法が挙げられる。例えば、重ね合わせた多層状構
造体物を加圧しながら電流を流し、通電により被通電物
を発熱させることによって金属成分を自己加熱溶融さ
せ、焼成する方法などである。この方法によれば溶融し
た金属はセラミックス粒子間を濡らすので、このような
液相焼結により焼成時の収縮の差を制御することができ
る。このような溶融成形品は多孔度に差のある導電性セ
ラミックス成分に溶融金属が入り込んだ形態のものであ
る。
成する際の問題点は、焼成や加熱処理時の収縮の程度が
任意の部位あるいは積層する各層によって異なってくる
点、及び各層間の密着の不十分なところから剥離を生じ
る点であるが、これを改善する好適な方法としては、液
相焼結法が挙げられる。例えば、重ね合わせた多層状構
造体物を加圧しながら電流を流し、通電により被通電物
を発熱させることによって金属成分を自己加熱溶融さ
せ、焼成する方法などである。この方法によれば溶融し
た金属はセラミックス粒子間を濡らすので、このような
液相焼結により焼成時の収縮の差を制御することができ
る。このような溶融成形品は多孔度に差のある導電性セ
ラミックス成分に溶融金属が入り込んだ形態のものであ
る。
【００１８】また、本発明の高温型燃料電池用セパレー
タ材料においては、部位あるいは層ごとの熱膨張率が異
なることから、特に昇温又は降温時にたわみや歪みの発
生が懸念されるが、導電性セラミックス成分であるラン
タンクロマイト系複合酸化物がジルコニアよりも、また
イットリアクロマイト系複合酸化物がランタンクロマイ
ト系複合酸化物よりもそれぞれさらに熱膨張率が小さい
という優れた特性を有することから、各層ごとに金属基
成分とこれらの導電性セラミックス成分との体積比が変
化しても、セラミックス成分の組成を変えることによ
り、線膨張率等に代表される熱膨張率を適宜調整するこ
とができる。例えば、該高温型燃料電池用セパレータ材
料に、燃料電池等の固体電解質材料に常用のジルコニア
系材、例えばイットリア安定化ジルコニアなどとほぼ等
しい熱膨張率を容易にもたせることができる。
タ材料においては、部位あるいは層ごとの熱膨張率が異
なることから、特に昇温又は降温時にたわみや歪みの発
生が懸念されるが、導電性セラミックス成分であるラン
タンクロマイト系複合酸化物がジルコニアよりも、また
イットリアクロマイト系複合酸化物がランタンクロマイ
ト系複合酸化物よりもそれぞれさらに熱膨張率が小さい
という優れた特性を有することから、各層ごとに金属基
成分とこれらの導電性セラミックス成分との体積比が変
化しても、セラミックス成分の組成を変えることによ
り、線膨張率等に代表される熱膨張率を適宜調整するこ
とができる。例えば、該高温型燃料電池用セパレータ材
料に、燃料電池等の固体電解質材料に常用のジルコニア
系材、例えばイットリア安定化ジルコニアなどとほぼ等
しい熱膨張率を容易にもたせることができる。
【００１９】したがって、本発明の高温型燃料電池用セ
パレータ材料は、固体電解質型燃料電池用などとして、
１０００℃付近までの高温に及ぶ環境条件の変動にも十
分に耐えうる各部材の強固な接合を可能とする上に、本
来導電性に優れた金属基成分の特性を高温型燃料電池用
セパレータとして十分実用性のある導電性領域内で維持
することを十分可能とする。特に有利には、金属基成分
がＮｉ‐Ａｌ系金属間化合物、導電性セラミックス成分
が一般式（Ｉ）で表わされるペロブスカイト構造のもの
であり、かつ両者の体積比が高温型燃料電池用セパレー
タ全体について前者：後者で１：９〜５：５、好ましく
は２：８〜４：６の範囲内にあるものが用いられる。
パレータ材料は、固体電解質型燃料電池用などとして、
１０００℃付近までの高温に及ぶ環境条件の変動にも十
分に耐えうる各部材の強固な接合を可能とする上に、本
来導電性に優れた金属基成分の特性を高温型燃料電池用
セパレータとして十分実用性のある導電性領域内で維持
することを十分可能とする。特に有利には、金属基成分
がＮｉ‐Ａｌ系金属間化合物、導電性セラミックス成分
が一般式（Ｉ）で表わされるペロブスカイト構造のもの
であり、かつ両者の体積比が高温型燃料電池用セパレー
タ全体について前者：後者で１：９〜５：５、好ましく
は２：８〜４：６の範囲内にあるものが用いられる。
【００２０】次に、本発明の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、固体電解質は酸素イオン導電性を有するも
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（ＣＳ
Ｚ）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。板状体とした場合、その厚さは通常０．０５
〜０．３ｍｍ、好ましくは０．１〜０．２５ｍｍの範囲
で選ばれる。この厚さが０．０５ｍｍよりも薄いと、強
度が低下するし、また０．３ｍｍを超えると抵抗が大き
くなりすぎて好ましくない。
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、固体電解質は酸素イオン導電性を有するも
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（ＣＳ
Ｚ）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。板状体とした場合、その厚さは通常０．０５
〜０．３ｍｍ、好ましくは０．１〜０．２５ｍｍの範囲
で選ばれる。この厚さが０．０５ｍｍよりも薄いと、強
度が低下するし、また０．３ｍｍを超えると抵抗が大き
くなりすぎて好ましくない。
【００２１】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、例えば、ＬａｘＳｒ１−ｘＭｎＯ３などの
導電性複合酸化物材料を塗布して形成される。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、カソードの作成方法としては、ＣＶ
Ｄ法、プラズマＣＶＤ法、スパッタ法、溶射法などが用
いられる。
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、例えば、ＬａｘＳｒ１−ｘＭｎＯ３などの
導電性複合酸化物材料を塗布して形成される。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、カソードの作成方法としては、ＣＶ
Ｄ法、プラズマＣＶＤ法、スパッタ法、溶射法などが用
いられる。
【００２２】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食性のある導電性材
料、例えばＮｉ／ＺｒＯ２サーメットなどで形成され
る。
で、高温下で燃料ガスに対して耐食性のある導電性材
料、例えばＮｉ／ＺｒＯ２サーメットなどで形成され
る。
【００２３】このように固体電解質板の両面に各電極を
形成したものを高温型燃料電池用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。
形成したものを高温型燃料電池用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。
【００２４】
【発明の効果】本発明の高温型燃料電池用セパレータ材
料は、強度や導電性を維持したままで、酸化剤ガス側及
び還元剤ガス側のいずれにおいても高温の各腐食性ガス
に対して十分安定で耐食性であり、しかもそり、曲がり
などの変形、剥がれなどを生じることがない。
料は、強度や導電性を維持したままで、酸化剤ガス側及
び還元剤ガス側のいずれにおいても高温の各腐食性ガス
に対して十分安定で耐食性であり、しかもそり、曲がり
などの変形、剥がれなどを生じることがない。
【００２５】したがって、本発明材料からなる高温型燃
料電池用セパレータは、これを組み込んだ高温型燃料電
池の性能を長期間保持させることができる。
料電池用セパレータは、これを組み込んだ高温型燃料電
池の性能を長期間保持させることができる。
【００２６】中でも、固体電解質型燃料電池用セパレー
タ、特に導電性セラミックス成分にイットリウムクロマ
イトやランタンクロマイトなどの希土類・クロマイト系
複合酸化物を用いたものは、ジルコニアに比べて小さい
熱膨張率を有することから、金属基成分とそれら導電性
セラミックス成分との比率を適宜変えることで導電性を
そこなうことなく、線膨張率に代表される熱膨張率を制
御することが可能となり、固体電解質材料等との熱膨張
率の整合性を高めうるので、該比率を最適化して熱膨張
率を燃料電池の固体電解質のそれとほぼ一致させること
により、該高温型燃料電池用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
止の安定性に優れ、電池特性を向上させることができる
という顕著な効果を奏する。
タ、特に導電性セラミックス成分にイットリウムクロマ
イトやランタンクロマイトなどの希土類・クロマイト系
複合酸化物を用いたものは、ジルコニアに比べて小さい
熱膨張率を有することから、金属基成分とそれら導電性
セラミックス成分との比率を適宜変えることで導電性を
そこなうことなく、線膨張率に代表される熱膨張率を制
御することが可能となり、固体電解質材料等との熱膨張
率の整合性を高めうるので、該比率を最適化して熱膨張
率を燃料電池の固体電解質のそれとほぼ一致させること
により、該高温型燃料電池用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
止の安定性に優れ、電池特性を向上させることができる
という顕著な効果を奏する。
【００２７】
実施例１ Ｎｉ２Ａｌ３（共立窯業原料社製、商品名Ｎ２Ａ３）粉
末と粒径１μｍ以下のＬａｘＹ０．８−ｘＳｒ０．２Ｃ
ｒ１−ｙＣｏｙＯ３粉末とをそれぞれ所定の割合で配合
しボールミルで混合した後、これらをドクターブレード
法によりシートに作成した。得られた各シートを乾燥後
１００ｍｍφの大きさに打ち抜きその成分組成が各シー
ト間で段階的に傾斜変化するように積層し、熱圧着によ
り一体化させ、空気中４００℃にて一昼夜脱脂処理を行
った。次いで、窒素雰囲気中、１１５０℃、２５０ｋｇ
／ｃｍ２の加圧下でプレス焼成を行い、セパレータ材料
を作成した。
末と粒径１μｍ以下のＬａｘＹ０．８−ｘＳｒ０．２Ｃ
ｒ１−ｙＣｏｙＯ３粉末とをそれぞれ所定の割合で配合
しボールミルで混合した後、これらをドクターブレード
法によりシートに作成した。得られた各シートを乾燥後
１００ｍｍφの大きさに打ち抜きその成分組成が各シー
ト間で段階的に傾斜変化するように積層し、熱圧着によ
り一体化させ、空気中４００℃にて一昼夜脱脂処理を行
った。次いで、窒素雰囲気中、１１５０℃、２５０ｋｇ
／ｃｍ２の加圧下でプレス焼成を行い、セパレータ材料
を作成した。
【００２８】このセパレータ材料は８００〜１０００℃
の所定雰囲気下において前記体積比のＮｉ２Ａｌ３含有
量範囲内で十分な導電性を示し、また１０００℃におけ
る線膨張率は、１０．３×１０−６℃−１とジルコニア
のそれに近い値を示した。
の所定雰囲気下において前記体積比のＮｉ２Ａｌ３含有
量範囲内で十分な導電性を示し、また１０００℃におけ
る線膨張率は、１０．３×１０−６℃−１とジルコニア
のそれに近い値を示した。
【００２９】この材料の各層の導電性セラミックス及び
各層全体についてそれぞれ組成及び１０００℃における
熱膨張率を測定した結果を表１に示す。
各層全体についてそれぞれ組成及び１０００℃における
熱膨張率を測定した結果を表１に示す。
【表１】 ＊Ｎｉ２Ａｌ３：導電性セラミックス
【００３０】実施例２ 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、高温型燃料電池用セパレータ、外部端子
を実施例１で得た高温型燃料電池用セパレータ材料を用
いて作製した。高温型燃料電池用セパレータ及び外部端
子はいずれも５０×５０×５ｍｍの正方形の板に溝幅２
ｍｍ、溝深さ１．５ｍｍの溝を各８本形成したものであ
る。高温型燃料電池用セパレータでは両面に形成する溝
の方向を直交させた。
製した。先ず、高温型燃料電池用セパレータ、外部端子
を実施例１で得た高温型燃料電池用セパレータ材料を用
いて作製した。高温型燃料電池用セパレータ及び外部端
子はいずれも５０×５０×５ｍｍの正方形の板に溝幅２
ｍｍ、溝深さ１．５ｍｍの溝を各８本形成したものであ
る。高温型燃料電池用セパレータでは両面に形成する溝
の方向を直交させた。
【００３１】また、固体電解質板には、イットリアを３
モル％添加した部分安定化ジルコニアからなる５０×５
０×０．２ｍｍの板状物を用いた。そして、酸素通路側
にＬａ０．９Ｓｒ０．１ＭｎＯ３粉末（平均粒径５μ
ｍ）を厚さ０．３ｍｍに塗布してカソードとし、水素通
路側にＮｉ／ＺｒＯ２（１０／１重量比）のサーメット
混合粉末を厚さ０．３ｍｍに塗布してアノードとした。
モル％添加した部分安定化ジルコニアからなる５０×５
０×０．２ｍｍの板状物を用いた。そして、酸素通路側
にＬａ０．９Ｓｒ０．１ＭｎＯ３粉末（平均粒径５μ
ｍ）を厚さ０．３ｍｍに塗布してカソードとし、水素通
路側にＮｉ／ＺｒＯ２（１０／１重量比）のサーメット
混合粉末を厚さ０．３ｍｍに塗布してアノードとした。
【００３２】この電極を付設した固体電解質板と実施例
１で得られた表１記載の積層物を導電性セラミックスだ
けからなる層をカソード側にして高温型燃料電池用セパ
レータ、外部端子を単セルが３層になるように集積し、
この電極付き固体電解質板と高温型燃料電池用セパレー
タ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。
１で得られた表１記載の積層物を導電性セラミックスだ
けからなる層をカソード側にして高温型燃料電池用セパ
レータ、外部端子を単セルが３層になるように集積し、
この電極付き固体電解質板と高温型燃料電池用セパレー
タ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。
【００３３】こうして集積した電池本体を円筒状アルミ
ナ製マニホールドに納めた。マニホールドと電池本体と
の接触部分はガラスペーストを塗布してガス封止した。
外部端子には、白金リード線を挿入し、電気的接続を行
った。
ナ製マニホールドに納めた。マニホールドと電池本体と
の接触部分はガラスペーストを塗布してガス封止した。
外部端子には、白金リード線を挿入し、電気的接続を行
った。
【００３４】このようにして作製した燃料電池を加熱し
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。１５０〜３５
０℃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３．８Ｖであ
った。
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。１５０〜３５
０℃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３．８Ｖであ
った。
【００３５】次に、放電特性を表２に示す。
【表２】
フロントページの続き (72)発明者 桜田 智 埼玉県入間郡大井町西鶴ケ岡一丁目３番１ 号 東燃株式会社総合研究所内
Claims (5)
- 【請求項１】 金属、合金及び金属間化合物の中から選
ばれた少なくとも１種の金属基成分と導電性セラミック
ス成分からなり、かつ酸化剤ガス側が導電性セラミック
ス成分に富み、還元剤ガス側が金属基成分に富むととも
に、酸化剤ガス側から還元剤ガス側にかけて成分組成を
連続的あるいは段階的に傾斜変化させたことを特徴とす
る高温型燃料電池用セパレータ材料。 - 【請求項２】 多層構造を有し、かつ各層間において酸
化剤ガス側から還元剤ガス側に向かうにつれて、成分組
成を段階的に傾斜変化させたことを特徴とする請求項１
記載の高温型燃料電池用セパレータ材料。 - 【請求項３】 導電性セラミックス成分が下記一般式で
表わされる希土類・クロマイト系複合酸化物である請求
項１又は２記載の高温型燃料電池用セパレータ材料。 【化１】 （ＬはＬａ又はＹ、ＭはＭｇ、Ｓｒ、Ｃａ及びＢａの中
から選ばれた少なくとも１種の元素、Ｍ′はＣｏ、Ｎ
ｉ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｃｕ、
Ｍｏ、Ｐｄ、Ｗ、Ｒｈ、Ｉｒ及びＰｔの中から選ばれた
少なくとも１種の元素、０≦ｘ≦０．５、０≦ｙ≦０．
５、０．９５≦ｂ／ａ≦１．０５である） - 【請求項４】 金属基成分と導電性セラミックス成分と
の体積比が１：９〜５：５である請求項１ないし３のい
ずれかに記載の高温型燃料電池用セパレータ材料。 - 【請求項５】 各所定割合に成分比率を変えて調製した
金属基成分と導電性セラミックス成分からなる多数のフ
イルムを各フイルム間において成分組成が段階的に傾斜
変化するように多層に積層し、一体にプレス成形したの
ち、焼成することを特徴とする高温型燃料電池用セパレ
ータ材料の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3186936A JPH05121060A (ja) | 1991-07-02 | 1991-07-02 | 高温型燃料電池用セパレータ材料 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3186936A JPH05121060A (ja) | 1991-07-02 | 1991-07-02 | 高温型燃料電池用セパレータ材料 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05121060A true JPH05121060A (ja) | 1993-05-18 |
Family
ID=16197314
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3186936A Pending JPH05121060A (ja) | 1991-07-02 | 1991-07-02 | 高温型燃料電池用セパレータ材料 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05121060A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006164821A (ja) * | 2004-12-09 | 2006-06-22 | Toyota Motor Corp | 燃料電池 |
| JP2007273358A (ja) * | 2006-03-31 | 2007-10-18 | Kyocera Corp | 燃料電池用集電部材、セルスタック、及び燃料電池 |
| JP2007317610A (ja) * | 2006-05-29 | 2007-12-06 | Kyocera Corp | セルスタック及び燃料電池 |
| JP2008081804A (ja) * | 2006-09-28 | 2008-04-10 | Kyocera Corp | 耐熱性合金部材及び燃料電池用集電部材並びに燃料電池セルスタック、燃料電池 |
| JP2010212036A (ja) * | 2009-03-10 | 2010-09-24 | Noritake Co Ltd | 固体酸化物形燃料電池および該電池用インターコネクタ |
| WO2013157683A1 (ko) * | 2012-04-19 | 2013-10-24 | 주식회사뉴테크 | 세라믹 연결재 및 그 합성방법 |
-
1991
- 1991-07-02 JP JP3186936A patent/JPH05121060A/ja active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006164821A (ja) * | 2004-12-09 | 2006-06-22 | Toyota Motor Corp | 燃料電池 |
| JP2007273358A (ja) * | 2006-03-31 | 2007-10-18 | Kyocera Corp | 燃料電池用集電部材、セルスタック、及び燃料電池 |
| JP2007317610A (ja) * | 2006-05-29 | 2007-12-06 | Kyocera Corp | セルスタック及び燃料電池 |
| JP2008081804A (ja) * | 2006-09-28 | 2008-04-10 | Kyocera Corp | 耐熱性合金部材及び燃料電池用集電部材並びに燃料電池セルスタック、燃料電池 |
| JP2010212036A (ja) * | 2009-03-10 | 2010-09-24 | Noritake Co Ltd | 固体酸化物形燃料電池および該電池用インターコネクタ |
| WO2013157683A1 (ko) * | 2012-04-19 | 2013-10-24 | 주식회사뉴테크 | 세라믹 연결재 및 그 합성방법 |
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