JPH06188004A - 高温燃料電池設備の金属成分用材料 - Google Patents
高温燃料電池設備の金属成分用材料Info
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Abstract
るセラミック固体電解質を備えている高温燃料電池設備
において、固体電解質との熱膨張差の少ない金属成分用
材料を提供する。 【構成】 固体電解質板がイットリウム安定化酸化ジル
コニウムからなる高温燃料電池設備の金属成分に、その
熱膨張係数が温度200〜900℃の範囲で固体電解質
の熱膨張係数とほぼ適合する熱膨張係数を有する、鉄3
〜10原子%並びに希土類金属及び/又は希土類金属酸
化物0.5〜5原子%を有するクロム合金を使用する。
Description
化ジルコニウムからなるセラミック固体電解質を備えて
いる高温燃料電池設備の金属成分用材料に関する。
id Oxide Fuel Cell)とも云われる
高温燃料電池設備は800〜1100℃の範囲の比較的
高い温度で運転されるため、低温燃料電池設備とは異な
り、水素ガスの他に例えば天然ガス又は液化貯蔵可能な
プロパンのような炭化水素を反応させるのに適してい
る。燃料に二酸化炭素及び水蒸気を添加すると、燃料の
変質により高温でも常に煤の形成を回避することができ
る。この種の高温燃料電池設備では温度条件によって固
体電解質が使用される。この種の用途には、主として酸
化ジルコニウム及び若干の酸化イットリウムのような添
加物からなるセラミック固体電解質板を電極間に挿入す
ることが公知である。この公知構造の場合固体電解質板
はその両側面にある電極と共に導電性窓箔を介在して良
導電性のいわゆる双極板に接しており、双極板の溝のあ
る表面構造が燃料及び酸化剤の流入を保証する。更にこ
のような燃料電池が多数積み重ねられて、すなわち電気
的に直列に接続されて燃料電池モジュール又は燃料電池
スタックを形成している。更に多数のこの種のスタック
が燃料電池設備として組み込まれる。
又は運転停止後再び室温に冷却され、更に双極板及び窓
箔のような固体電解質板に接する他の構造部材もまた若
干異なる膨張係数を有しているために、セラミック固体
電解質板は高い運転温度により強い機械的応力に曝され
る。これらの応力は固体電解質板内に亀裂を生じ、高温
燃料電池モジュールの寿命を著しく制約する。
138号明細書から、イットリウム安定化酸化ジルコニ
ウムからなる固体電解質板に接する窓箔及び双極板がニ
ッケル含有率5〜15重量%のクロム/ニッケル合金又
はモリブデン及び/又はタングステンを5〜15重量%
含有する鉄/クロム/アルミニウム合金からなる固体電
解質高温燃料電池モジュールが公知である。第1の合金
はその膨張係数が固体電解質のそれに極めて良好に適合
する特性を有する。しかし残念ながらその耐食性は全く
満足できるものではない。第2の合金については第1の
合金とは逆のことがいえる。
電解質高温燃料電池設備の寿命を更に一層高めることが
できるようにすることを課題とする。
ム安定化酸化ジルコニウムからなるセラミック固体電解
質を備えている高温燃料電池設備の金属成分用材料とし
て、鉄3〜10原子%並びに希土類金属及び/又は希土
類金属酸化物0.5〜5原子%を有するクロム合金から
なり、その熱膨張係数が200℃の温度で8.5×10
-6〜10.5×10-6/Kであり、この温度を上昇させ
て900℃では14×10-6〜15×10-6/Kの範囲
の値に達する材料を使用することにより解決される。
ニウムからなる高温燃料電池設備の金属成分に本発明で
は、鉄3〜10原子%並びに希土類金属及び/又は希土
類金属酸化物0.5〜5原子%を有するクロム合金から
なり、その熱膨張係数が温度200℃で8.5×10-6
〜10.5×10-6/Kとなり、この温度を上昇させて
900℃で14×10-6〜15×10-6/Kの範囲に達
する材料を使用することによって、主として酸化ジルコ
ニウムからなるセラミック固体電解質がそれと関連する
応力を亀裂を生じることなく柔軟に受け止めることがで
きるように、冷却並びに再加熱時に生じる問題となる寸
法の膨張差を少なくするため本質的な前提条件に適して
いる。この場合固体電解質板の脆性が高くまた引張強さ
が弱いため比較的僅かな引張応力を受容できるに過ぎな
いことを考慮すべきである。そのために高温燃料電池内
で支配的な物理的及び化学的条件で良好な耐食性及び拡
散耐性に優れているクロム合金からなる材料が使用され
ている。
膨張係数は0〜1000℃の全温度範囲にわたってイッ
トリウム安定化酸化ジルコニウムの膨張係数との差が1
0%以下とする。その結果金属製窓箔とろう付けされる
イットリウム安定化酸化ジルコニウム板は加熱又は冷却
時に極く短期的に僅かな応力を受ける温度範囲を通過す
ることになる。
Fe5Y2O3l合金であることである。この種の合金の
平均膨張係数は0〜1000℃の温度範囲でイットリウ
ム安定化酸化ジルコニウムを含有する固体電解質板の膨
張係数と5%以下の差しか示さない。
る。
モジュールが多数の長方形の本実施例においては正方形
の板状素子からなっていることを示している。板状素子
は積み重ねられており、カバープレートと呼ばれるそれ
らの最上及び最下板2、3はその周縁部に8個の円形の
貫通孔4、5、6、7、8、9、10、11を燃料又は
燃料ガス及び空気又は酸素を供給するために備えてい
る。図1に示した固体電解質高温燃料電池モジュール1
中には上部カバープレート2の下に図6に示されている
窓箔、図4及び5に示されている固体電解質素子、更に
もう1枚の窓箔、図2及び3に示されている双極板、更
にもう1枚の窓箔(以下同様)が順次重ね合わされてい
る。その際隣合う2枚の双極板の間にある固体電解質素
子はそれぞれ固体電解質素子の両側面で直接接している
窓箔及びこれらの窓箔に接している両双極板のそれぞれ
の側面と共に固体電解質高温燃料電池を構成している。
双極板12の構造を平面図で示すものである。この双極
板は単一体に構成されており、その熱膨張係数が0〜1
000℃の温度範囲で固体電解質板28(図5)の熱膨
張係数にできるだけ近い良導電性材料からなる。本実施
例ではこの双極板はCrFe5Y2O3l合金である。双
極板12は周縁部以外は殆ど全面を覆っている互いに密
接して平行に並ぶ溝をもつ溝領域14、15を有する。
これらの溝領域はその両端で双極板12の周縁部内にあ
るスリット状切口18、19、20、21に通じてい
る。また双極板の他の面は、その溝領域16、17が図
2に示す溝領域14、15に対して90°回転されて形
成されており、従って溝領域14、15の上下方向にあ
るスリット状切口22、23、24、25に通じている
ことを除けば、図2に示す面と全く同じように形成され
ている。このことは図3の断面図から、その上部面では
溝15が長手方向で切断されており、下部面では両溝領
域16、17の溝が短手方向で切断されていることから
明らかである。
部及び下部カバープレートを形成する双極板2、3だけ
はそのそれぞれの外側面に溝を備えていない。またそれ
らの場合スリット状切口は設けられておらず、溝を有す
る内側面上のみに溝の深さまで凹まされているに過ぎな
い。本実施例ではカバープレートにはこのスリット状の
凹部範囲内にそれぞれ貫通孔4、5、6、7、8、9、
10、11が1つづつ設けられており、この貫通孔を介
して外部から燃料又は酸素担体用導管(図示されていな
い)をそれぞれ接続可能である。
ール1の固体電解質素子26の平面図である。この平面
図及び図5による断面図から、この素子が4つの長方形
の固体電解質板28並びにこれらの固体電解質板の両側
面に施された電極30、31、32、33、34、35
を有していることが判る。その際電極は片側面では陰極
としてまたもう一方の側では陽極として形成されてい
る。陰極は本実施例ではLxSryMnO3セラミックか
らなる。陽極は本実施例では酸化ニッケル又はニッケル
酸化ジルコニウムサーメットからなる。本実施例では固
体電解質板28はイットリウム安定化酸化ジルコニウム
からなる。各固体電解質素子26の陰極及び陽極材によ
り被覆されている固体電解質板28は電気的に絶縁され
ている枠36(本実施例ではMgO/Al2O3尖晶石か
らなる)にはめ込まれており、この枠は双極板12のス
リット状切口と重なり合うように配置されているスリッ
ト状切口38、39、40、41、42、43、44、
45を備えている。枠36はその両面を運転温度以上で
溶融するろう50で隣接する窓箔6上に面状にろう付け
されている。陰極と陽極の材料の違いを度外視すれば、
固体電解質素子の形状構成はその両側面で同じである。
本実施例では枠36は単一体ではなく4つの密着骨組4
6、47、48、49から構成されている。この枠はM
gO/Al2O3尖晶石からなり、十分に温度安定性で、
気密でありまたその導電性は極めて低い。
ール1の窓箔52の平面図である。この窓箔は本実施例
では双極板12と同じ材料からできている。これは双極
板と同様の外部寸法を有しており、その周縁部に双極板
のスリット状切口と重なり合うように配設されているス
リット状切口54、55、56、57、58、59、6
0、61を有している。更に窓箔52は4つの窓開口6
2、63、64、65を有しており、それらは双極板に
載置される際にその溝領域14、15、16、17の上
にくるように配置されている。窓開口は左下の窓63の
ように仕切りを全く備えていないか又は他の窓62、6
4、65の場合のように双極板12の溝領域14、15
の溝の縁と重なり合うように延びている複数の仕切り6
8を有するように構成することもできる。これらの仕切
りは固体電解質素子26の電極30、31、32、3
3、34、35を支えまた流れを導く機能を有する。
転する際燃料は両カバープレート2、3内のスタックの
一辺の側に作られている貫通孔8、9に供給される。燃
料はこれらの貫通孔と連絡しているカバープレートの内
側切口18、20及びその下にある窓箔52、固体電解
質素子26及び双極板12内に重なり合うように配設さ
れているスリット状切口38、40、58、60にスタ
ック全体を通して流れ込み、個々の双極板内のこれらの
スリット状切口と連絡している各溝領域14、15の溝
を通ってスタックの対向する位置にあるスリット状切口
19、21に流れ、そこから再び固体電解質高温燃料電
池モジュール1の両カバープレート2、3内の貫通孔
4、5を通って流れ出る。同様にして酸素又は本実施例
では空気は両カバープレート2、3内の燃料供給管に隣
接する辺の側に通されている貫通孔6、7及び両カバー
プレートのこれと連絡する内側切口22、24を通って
窓箔52、固体電解質素子26及び双極板12に重なり
合うように形成されているその下にあるスリット状切口
42、44、54、56にスタック全体を通して流れ、
双極板12のスリット状切口からそれと連絡する各溝領
域16、17の溝に流れ、対向するスリット状切口2
3、25に流れ、そこから再び両カバープレート2、3
内のこれと連絡する貫通孔10、11を通って出てい
く。その際固体電解質素子26はその陰極側が隣接する
双極板の酸素を通す溝領域に、またその陽極側がもう一
方の隣接する双極板の燃料を通す溝領域に向かうように
配向されている。これをここでは直交流原理と呼ぶ。
子の陰極と直接接触することになる。陰極固体電解質の
界面で空気からのO2分子は電子の受容下にO2-イオン
に変換される。即ちO2分子は酸化ジルコニウム固体電
解質によりO2-イオンとして酸素空格子点に移動するこ
とができる。その際O2-イオンは最終的に陽極に達し、
陽極固体電解質の界面で電子の供与下に燃料ガスと反応
して二酸化炭素及び水蒸気に変わる。更に燃料ガスの酸
化の際に生じる二酸化炭素及び水蒸気混合物は燃料ガス
と共に再び排出される。その際燃料ガスは外部でここで
はこれ以上記載しない方法で燃焼生成物CO2及びH2O
と分離され、再び燃料供給導管に供給される。陽極及び
陰極で生じた電位差は共にそれぞれCrFe5Y2O3l
合金からなる良導電性の窓箔52及び双極板12によっ
て相互に直列接続可能である。個々の燃料電池モジュー
ル1の直列に接続された電位の和はカバープレートから
取り出すことができる。
O3l合金を使用することによって、これらの各固体電
解質素子に密着する板状構造部材は0〜1000℃の温
度全域にわたってイットリウム安定化酸化ジルコニウム
からなる固体電解質の膨張係数に十分適合する膨張係数
を有する。固体電解質と窓箔及び双極板との間の膨張係
数の差は極めて僅かであり、従って固体電解質の寸法が
5cmの場合膨張差は固体電解質素子のセラミック材の
弾性範囲内にとどまる。高温燃料素子を頻繁にオンオフ
する際にそれから生じる著しい温度変化よる固体電解質
中の亀裂形成を回避できる。0〜1000℃の温度範囲
での合金の平均膨張係数がイットリウム安定化酸化ジル
コニウムの膨張係数より僅かであることによって、窓箔
を固体電解質素子上にろう付けする接着温度から出発す
るためイットリウム安定化酸化ジルコニウムはより低い
温度では膨張するよりはむしろ膨径する。これは固体電
解質の僅かな引張強さにとって好都合である。
分としては双極板、上下のカバープレート及び窓箔の他
に、支持構造物、導管及び集電装置も考えられる。これ
らの構造部材も設備のモジュール内又はモジュール間の
歪みの発生を回避するために同じ膨張係数を有すべきも
のであるからである。
ルの外観図。
図。
図。
リット状切口 26 固体電解質素子 30、31、32、33、34、35 電極 36 電気絶縁枠 38、39、40、41、42、43、44、45 ス
リット状切口 46、47、48、49 骨組 50 溶融ろう 52 窓箔 54、55、56、57、58、59、60、61 ス
リット状切口 62、63、64、65 窓開口 68 仕切り
Claims (6)
- 【請求項1】 イットリウム安定化酸化ジルコニウムか
らなるセラミック固体電解質を備えている高温燃料電池
設備の金属成分用材料(12、26、52)が、鉄3〜
10原子%並びに希土類金属及び/又は希土類金属酸化
物0.5〜5原子%を有するクロム合金からなり、その
熱膨張係数が200℃の温度で8.5×10-6〜10.
5×10-6/Kであり、温度が上って900℃では14
×10-6〜15×10-6/Kの範囲の値であることを特
徴とする高温燃料電池設備の金属成分用材料。 - 【請求項2】 0〜1000℃の温度全域での平均熱膨
張係数が常にイットリウム安定化酸化ジルコニウムの膨
張係数と10%以下の差しか示さないことを特徴とする
請求項1記載の材料。 - 【請求項3】 CrFe5Y2O3l合金からなることを
特徴とする請求項1又は2記載の材料。 - 【請求項4】 希土類金属がイットリウムであることを
特徴とする請求項1ないし3の1つに記載の材料。 - 【請求項5】 双極板(12)として使用されることを
特徴とする請求項1ないし4の1つに記載の材料。 - 【請求項6】 窓箔(52)として使用されることを特
徴とする請求項1ないし4の1つに記載の材料。
Applications Claiming Priority (2)
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Country Status (8)
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| JP (1) | JP3432547B2 (ja) |
| AT (1) | ATE137361T1 (ja) |
| DE (1) | DE59206124D1 (ja) |
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| ES (1) | ES2087357T3 (ja) |
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