JPH0636774A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、セパレータ材料の腐食が低減すると
ともに、セパレータと単セルとの間のガスシールが長期
にわたって安定した燃料電池を提供することにある。 【構成】本発明の燃料電池は、単セルとセパレータとが
接触する界面に、セパレータ材料との間で材料物性値あ
るいは材料組成が連続的あるいは段階的に変化する電気
絶縁体を介装させているので、セパレータ材料と電気絶
縁材料の接合面に生じる熱応力が緩和され、電気絶縁材
料のひび割れや剥離などを生ずることなく、セパレータ
材料の腐食が低減するとともに、セパレータと単セルと
の間のガスシールが長期にわたって安定である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は燃料電池に係わり、特
に、セパレータおよび単セルとの接触界面に電気絶縁性
材料を介装させる燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は電池本体での電気化学的反応
から直接に電気出力を得る発電方法であり、電池本体
は、電気化学反応によって生じたイオンの伝導体となる
電解質層を，多孔質性の燃料極と多孔質性の空気極とに
より挟んだ構造の単セルと、この単セルの燃料極に燃料
ガスを，同時に空気極に酸化剤ガスを互いに隔てて供給
するセパレータとを順次積層して構成されている。

【０００３】セパレータは金属などの導電性材料によっ
て構成され、ガス供給機能と同時に、隣接する単セル同
士を電気的に直列に接続する機能を有する。単セルとセ
パレータとの接触面は多孔質体の単セルから染み出た電
解質液によって濡らされており、その接触面のガスシー
ルが保たれ、セパレータ内を流れる燃料ガスあるいは酸
化剤ガスは積層体の外部気体から隔離される。

【０００４】燃料電池は、燃料ガスおよび酸化剤ガスの
配流によって大きく３種のタイプに分類される。すなわ
ち、燃料ガスと酸化剤ガスとを同方向に流すのが並行流
タイプ、燃料ガスと酸化剤ガスを向き合う方向に流すの
が対向流タイプ、また、燃料ガスと酸化剤ガスとを交差
する方向に流すのが直交流タイプである。

【０００５】ここでは、並行流タイプの燃料電池を図５
を参照して説明する。単セル１は電解質層２と、その両
面に密着して配置される空気極３（カソードと称する）
および燃料極４（アノードと称する）とからなる積層体
を骨格子として構成される。発電時には電解質層の電解
質液が単セル１全体を濡らす。単セル１にはセパレータ
５が密着するように接している。このセパレータ５は、
酸化剤ガス６および燃料ガス７をそれぞれカソード３と
アノード４とに分けて安定に供給する流路となる。単セ
ル１とセパレータ５との密着によってセパレータ内を流
れる酸化剤ガス６あるいは燃料ガス７はセパレータ５外
のガスとシールが保たれている。

【０００６】次に、ガスシール機能を有する単セルとセ
パレータの接触部分の構造を図６（ａ），（ｂ）に示
す。図６（ａ）では、電解質層２とセパレータ５のエッ
ジ部とが密着する。図６（ｂ）ではカソード３およびア
ノード４とセパレータ５とが密着する。電解質層２は電
解質液を含んでおり、電解質液は多孔質体であるカソー
ド３およびアノード４にも含浸されることになる。しが
って、図６（ａ）および（ｂ）のいずれの場合にも、セ
パレータ５と単セル１の接触界面は電解質液によって濡
らされ、ガスを有効にシールし得る。しかし、電解質液
はイオン伝導性を有するので、電解質液によって濡らさ
れた金属製セパレータは腐食され易い環境におかれてい
ることになる。

【０００７】セパレータ金属材料のミクロ的な不均質
は、ミクロ的な電位の不均衡を促し、電解質液とセパレ
ータ金属とを閉回路とする局部電流が発生する。この機
構は局部電池と呼ばれ、電子あるいはイオンの移動が金
属材料を腐食するものとして一般的に知られている。

【０００８】局部電池の機構の例を図７に示す。導電性
液体８が母材金属９と異種金属１０とからなる金属表面
を濡らしていると、２種の金属の電位の相違から、金属
内部の電気伝導（電子移動１１）と導電性液体内部のイ
オン伝導（イオン移動１２）とが生じる。この局部的な
電池反応の仕組みによって、金属が溶け出したり、ガス
が発生したりする金属腐食が進行する。

【０００９】燃料電池本体は、より不活性なガスによっ
て大気より隔離されているが、大気、あるいは大気を主
成分とするガスのように、電池反応に寄与し得る活性な
ガスによって取り囲まれている場合もある。その場合上
述の局部電池機構がもう少しマクロ的に生じる。セパレ
ータ内部の燃料ガスあるいは酸化材ガスとセパレータ外
部のガスとが、セパレータと単セル中に含まれる電解質
液とを介してマクロ的な局部電池機構を構成し、この作
用による電子あるいはイオンの移動がセパレータの腐食
を進行させる。

【００１０】図８にセパレータ内外のガスが寄与する局
部電池の例を示す。セパレータ内部の反応ガス（酸化剤
ガス６あるいは燃料ガス７）とセパレータ外部のガス１
３とが電池反応を生じると、セパレータ５に電子移動１
１、単セル１に含まれる電解質液１４にイオン移動１２
が伴い、セパレータ５の腐食の原因となる。特に、セパ
レータ外部のガス１３が空気を含むような場合には、セ
パレータ内部の燃料ガス７と空気中の酸素とが、本来の
燃料電池発電と同様な電気化学反応を生じる。セパレー
タ５と電解質液１４と燃料ガス７とが共存する三相界線
およびセパレータ外部で電解質液１４と空気とがセパレ
ータ１５と共存する三相界線とにおいて、電子とイオン
の授受が行われる。このとき本来の燃料電池発電回路と
異なるのは、酸化反応と還元反応とが共通のセパレータ
上で行われることである。したがって、本来の燃料電池
発電回路に比較して、回路の電気抵抗が非常に小さく、
反応は進行し易い。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】そこで、金属製セパレ
ータ材料の腐食を防ぐ目的で、単セルとセパレータとの
間に電気絶縁性材料を介装してセパレータ材料表面で生
じる局部電池機構を遮る方法があるが、セパレータ材料
と電気絶縁材とは熱膨脹係数が異なるために、サーマル
サイクルによってそれらの界面が剥離するという問題が
あった。その問題点を解決するために、特開平２−１０
０２７０号公報で開示されているように、セパレータ材
料と電気絶縁材との間に第三の層を熱応力緩衝材として
設けることが知られている。しかしながら、三層からな
る材料の二界面において、熱膨脹係数が異なることは否
めず、サーマルサイクルを受けると、ひび割れや剥離な
どを生じる。

【００１２】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的はセパレータ材料の腐食が低減するととも
に、セパレータと単セルとの間のガスシールが長期にわ
たって安定した燃料電池を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項１は、多孔質性の燃料極と多孔質性
の空気極との間に挟まれた電解質層からなる単セルと前
記単セルに燃料ガスおよび酸化剤ガスを互いに隔てて供
給するセパレータとを交互に積層してなる燃料電池にお
いて、前記単セルと前記セパレータとが接触する界面
に、当該セパレータ材料との間で材料物性値が連続的あ
るいは段階的に変化する電気絶縁体を介装させたことを
特徴とする。ここでいう材料物性値とは、熱伝導率など
の熱物性値および縦弾性係数などの機械的物性値などを
総称したものである。また、請求項２は、セパレータ材
料とアルミニウム、ジルコニウム、チタン、タングステ
ンから選ばれた金属の炭化物、酸化物または硼化物から
なる電気絶縁体との間で、材料組成が連続的あるいは段
階的に変化するように配置したことを特徴とする。

【００１４】

【作用】セパレータ材料と電気絶縁材料を材料物性値あ
るいは材料組成が連続的に変化するように接合すること
で、両者の接合面に生じる熱応力が緩和され、電気絶縁
材料のひび割れや剥離などを生ずることなく、セパレー
タ材料の腐食が低減するとともに、セパレータと単セル
との間のガスシールが長期にわたって安定に保証され
る。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の実施例を図を参照して説明す
る。図１は本発明の一実施例の断面図である。同図にお
いて、燃料電池本体は従来技術による積層体と同様であ
り、単セル１とセパレータ５からなる構成単位である。
単セル１は電解質層２とその両面に密着して配置される
カソード３およびアノード４からなる積層体であり、い
ずれも多孔質体で形成されており、発電時には電解質層
２に含まれていた電解質液１５が単セル１全体を濡らし
ている。

【００１６】本実施例が従来例と異なる点は、単セルと
接触するセパレータの表面に電気絶縁材料を介装した点
にあり、しかもその介装部においては、セパレータ材料
の材料物性値と電気絶縁材の材料物性値とが連続的ある
いは段階的に変化することにある。

【００１７】図２はニッケルクロム合金からなるセパレ
ータ材料とセラミックスであるジルコニアからなる電気
絶縁材との介装部の熱伝導率を示したものである。例え
ばこのように熱伝導率がセパレータ材料と電気絶縁材料
との介装部で連続で、従来のように急変しないため、従
来起こっていた接合面近傍で発生していた局所的な過大
な熱応力が緩和され、サーマルサイクルによってひび割
れや剥離を生じることがなく、セパレータの腐食を抑え
るとともに、ガスシールを長期にわたって安定に保持す
ることができる。

【００１８】図３（ａ）はニッケルクロム合金からなる
セパレータ材料とジルコニアからなる電気絶縁材料との
介装部においての材料組成をミクロ的に表示したもので
あり、図３（ｂ）はその組成の分布を示したものであ
る。２種類の材料が連続的に混合されており、明かな界
面をもたないので、サーマルサイクルに対して電気絶縁
材のひび割れや剥離は生じることなく、セパレータの腐
食を抑えることができる。また同時に、ガスシールを安
定に保持することができる。

【００１９】本発明は、上記したジルコニアに限らず、
電気絶縁材料としては、ＺｒＢ₂ ，ＴｉＣ，Ａｌ
₂ Ｏ₃ ，ＴｉＮ，ＷＢ₂ なども有効である。ホウ化物は
導電性をもち、電気絶縁材料とはいえないが、金属に比
べて耐食性に優れる点から有効である。

【００２０】上記したような材料は、単セルと接触する
セパレータシール部の全面に施されてもよいが、マクロ
的な局部電池回路を妨げるには、図４（ａ），（ｂ），
（ｃ）に示す３種の方法で上記材料を施しても同様な効
果がある。

【００２１】すなわち、図４（ａ）では、単セル１とセ
パレータ５とを仕切るように絶縁材料１５が介装され、
この絶縁材料１５は単セル１の中に含まれる電解質液１
４とセパレータ５の接触部が反応ガスと触れる部分にお
いて、それらを電気的に絶縁する。この場合、反応ガス
は電解質液１４と導電性のセパレータ５と共に三相界線
を形成することはなく、セパレータの腐食の原因になる
局部電池機構は構成されない。したがって、反応ガスの
化学変化を伴って生じる電解質液１４とセパレータ５と
の間の電子授受を阻み、セパレータ材料の腐食を抑制す
ることができる。

【００２２】また、図４（ｂ）では、電解質液１４によ
って漏らされた単セル１と導電性のセパレータ５とが接
触する部分のうち、セパレータ外部のガスが触れる部分
において、電解質液１４とセパレータ５とを仕切る絶縁
性材料１５を介装させる。この場合、セパレータ外部の
ガス１３と電解質液１４と導電性のセパレータ５とが共
存する三相界線は形成されず、セパレータ５の腐食の原
因になる局部電池機構は構成されない。したがって、燃
料電池本体外部のガス１３の化学変化を伴なって生じる
電解質液１４とセパレータ５との間の電子の授受を阻
み、セパレータ材料の腐食を抑制することができる。

【００２３】さらに、図４（ｃ）では、セパレータ５の
内部と外部とを絶縁材料１５で仕切った構造を示す。反
応ガス（酸化剤ガス６あるいは燃料ガス７）が単セル１
の中に含まれる電解質液１４とセパレータ材料と共存す
る三相界線を形成すると同時に、セパレータ５の外部に
おいては外部のガス１３が単セル１の中に含まれる電解
質液１４とセパレータ材料と共存する三相界線を形成す
るが、セパレータの内部とセパレータの外部とを結ぶ電
流が流れないので、局部電池機構は成立しない。したが
って、セパレータ材料の腐食を抑制することができる。
すなわち、セパレータ内部の反応ガスに触れる部分のセ
パレータとセパレータ外部のガスに触れる部分のセパレ
ータとを電気的に絶縁させる。この場合には、セパレー
タの内側とセパレータの外側との間をセパレータ材料の
内部を伝導して流れる電子を抑制することができ、局部
電池の回路が形成されないので、セパレータ材料の腐食
を低減することが可能である。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
セパレータと単セルの界面に、セパレータ材料と電気絶
縁材との材料物性値あるいは材料組成が連続的にあるい
は段階的に変化するよう、電気絶縁材を介装することに
より、サーマルサイクルによる電気絶縁材料のひび割れ
や剥離を抑えることができ、セパレータ材料の腐食を抑
えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の断面図。

【図２】図１のセパレータと電気絶縁材料との介装部の
熱伝導率の変化を示す図。

【図３】図１のセパレータと電気絶縁材料との介装部の
材料組成説明図。

【図４】同図（ａ），（ｂ）および（ｃ）は本発明のそ
れぞれ異なる他の実施例の断面図。

【図５】従来の燃料電池本体の斜視図。

【図６】同図（ａ）は単セルとセパレータとの接触部分
の断面図、同図（ｂ）は他の単セルとセパレータとの接
触部分の断面図。

【図７】局部電池機構によって生じる金属材料腐食説明
図。

【図８】燃料電池特有の局部電池機能の説明図。

【符号の説明】

１…単セル、２…電解質層、３…カソード、４…アノー
ド、５…セパレータ、６…酸化剤ガス、７…燃料ガス、
８…導電性液体、９…母材金属、１０…異種金属、１３
…外部ガス、１４…電解質液、１５…絶縁材料。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多孔質性の燃料極と多孔質性の空気極と
   の間に挟まれた電解質層からなる単セルと前記単セルに
   燃料ガスおよび酸化剤ガスを互いに隔てて供給するセパ
   レータとを交互に積層してなる燃料電池において、前記
   単セルと前記セパレータとが接触する界面に、当該セパ
   レータ材料との間で材料物性値が連続的あるいは段階的
   に変化する電気絶縁体を介装させたことを特徴とする燃
   料電池。
2. 【請求項２】 セパレータ材料とアルミニウム、ジルコ
   ニウム、チタン、タングステンから選ばれた金属の炭化
   物、酸化物または硼化物からなる電気絶縁体との間で、
   材料組成が連続的あるいは段階的に変化するように配置
   したことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。