JPH0536425A - 固体電解質型燃料電池用合金セパレータ及びその製造 方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、電気伝導性及び耐久性の優れた固体
電解質型燃料電池用合金セパレータを低コストで供給す
る。 【構成】固体電解質と燃料極と空気極と、そしてセパレ
ータとを備えてなる固体電解質型燃料電池に使用される
合金セパレータにおいて、セパレータを耐熱合金で構成
し、かつ該セパレータの燃料極面側にはＮｉメッキ層
を、また空気極面側にはＬａＣｒＯ₃層を湿式メッキ法
を用いて設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は固体電解質型燃料電池、
特に改善された固体電解質型燃料電池用合金セパレータ
及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、水素のように酸化され易いガ
スと、酸素のように酸化力のあるガスとを電気化学的反
応プロセスを経て反応させることにより、直流電力を得
るようにした各種燃料電池が開発されており、そのうち
の一つにイオン性電気伝導を示す固体電解質を用いる固
体電解質型燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅ
ｌ Ｃｅｌｌ）がある。該電池は、白金等の高価な貴金
属触媒を必要とせず、エネルギー変換効率が高く、石炭
化ガス等の低質燃料も使用できるなどの有利性がある。
また、該電池は固体のみで構成されているため、他のリ
ン酸電解質型燃料電池や熔融炭酸塩型燃料電池のように
液体電解質を扱う不利点がなく、かつ８００〜１０００
℃の高い作動温度であるためこの廃熱を利用できるなど
の利点がある。

【０００３】該固体電解質型燃料電池には、平板型や円
筒型のものがあり、例えば平板型の固体電解質型燃料電
池の構成は、その単電池が図１に示すごとく、固体電解
質（例えばＺｒＯ_２）板３を一対の燃料極１と空気極２
で挟持し、更にこれらを一対の多数の長溝付きセパレー
タ４、４’で挟持してなり、そしてこれら単電池は直列
に接続されて集合電池とされ、実用的な電力の供給を可
能化する。 そしてこれら各単位電池は、単位電池間で
上記直列接続のための電気的な接続機能と各電極板への
反応ガス（燃料ガス及び空気）の供給通路を形成する機
能とを兼ね備えた導電性のセパレータ４を介して積層さ
れている。

【０００４】一般に、電解質板３は電解質の安定化ジル
コニア等の焼結体であり、燃料極（アノード）１はニツ
ケル多孔質焼結体よりなり、空気極（カソード）２はペ
ロブスカイト酸化物焼結体を主体とするものであって、
燃料極１とセパレータ４との間に燃料である水素が導入
され、また空気極２とセパレータ４’との間に酸素、空
気等が導入され、下記反応により、起電力が生成する。 空気極（電解質界面での反応）：Ｏ_２＋４ｅ→２Ｏ^−２ 燃料極（電解質界面での反応）：２Ｈ_２＋２Ｏ^−２→
２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ

【０００５】セパレータ４、４’は通常、セラミックあ
るいは耐熱合金で構成され、互いに直交して設けられ、
該セパレータ４、４’の対向面には多数の長溝からなる
燃料又は空気の通路が形成され、それらに燃料又は空気
が分流供給される。セパレータ４、４’の材質として
は、ＬａＣｒＯ₃、Ｍｇ添加ＬａＣｒＯ₃、Ｓｒ添加Ｌａ
ＣｒＯ₃等のＬａＣｒＯ₃系セラミックあるいは例えば、
Ｆｅ−Ｃｒ系、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ系、Ｎｉ−Ｃｒ系、Ｎ
ｉ−Ｃｒ−Ｍｏ系、Ｆｅ−Ａｌ系、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系
等の耐熱合金の使用が試みられている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記セパレータは、前
述のごとく単位電池間で電気的な接続機能と各電極板へ
の燃料及び空気の供給通路を形成する機能を備える必要
から、良電気電導性が要求され、また空気と燃料ガスと
の混合を阻止することが要求されている。しかしなが
ら、前記耐熱合金セパレータは、１０００℃付近の高温
で使用されるため、空気極側では母金属（鉄、ニッケル
等）を主体とする酸化物と共に合金元素を主体とする酸
化物膜（Ｃｒ_２Ｏ₃、Ａｌ_２Ｏ₃、ＳｉＯ_２等）の両方が
形成される。また燃料側には合金元素を主体とする酸化
物（Ｃｒ_２Ｏ₃、Ａｌ_２Ｏ₃、ＳｉＯ_２等）の膜が形成さ
れる。その結果電気電導性が低下し、単位電池間の電気
的な接続機能が損なわれてしまう。また、空気極側では
厚い皮膜が形成されるためにセル（空気極／電解質／燃
料極）を破壊してしまう。

【０００７】そこで、これら膜の形成を阻止して電気電
導性の低下を回避するため、溶射法やスラリーコーティ
ング法等により、ＬａＣｒＯ₃系、ＬａＭｎＯ₃系、Ｌａ
ＣｏＯ₃系のコーティングを施すことが検討されたが、
これらの方法では緻密な膜の形成が困難であり、セパレ
ータの酸化防止にはあまり役立たなかった。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者は上記セパレー
タの電気的な接続機能の低下を阻止すべく、研究の結
果、セパレータにある種の金属又は金属酸化物を湿式メ
ッキすることにより、セパレータの酸化防止に役立ち、
かつ電気的な接続機能の低下も阻止できることを見いだ
した。すなわち本発明は、固体電解質と燃料極と空気極
と、そしてセパレータからなる固体電解質型燃料電池の
セパレータにおいて、セパレータ４，４’を耐熱合金で
構成し、かつ該セパレータの燃料極１面側にはニッケル
メッキ層４ａを、また空気極２面側にはＬａＣｒＯ₃系
メッキ層４ｂを湿式法を適用することにより設けてなる
ことを特徴とする固体電解質型燃料電池用合金セパレー
タ、及び固体電解質と燃料極と空気極と、そしてセパレ
ータとを備えてなる固体電解質型燃料電池のセパレータ
の製造方法において、セパレータを耐熱合金で構成し、
かつ該セパレータの燃料極面側に湿式メッキ法でニッケ
ルメッキ層を設け、また空気極面側には湿式法で電析さ
せたＬａＣｒ系メッキ層を酸化処理してＬａＣｒＯ₃系
メッキ層を設けてセパレータを製造することを特徴とす
る固体電解質型燃料電池用合金セパレータの製造方法で
ある。

【０００９】本発明において、耐熱合金としては、Ｆｅ
−Ｃｒ系、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ系、Ｎｉ−Ｃｒ系、Ｎｉ−
Ｃｒ−Ｍｏ系、Ｆｅ−Ａｌ系又はＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系等
が挙げられる。メッキ層として、燃料極１面側にＮｉメ
ッキ層４ａを施した理由は、耐熱合金元素が酸化され、
Ｃｒ_２Ｏ₃やＡｌ_２Ｏ₃等の高抵抗皮膜が形成されないよ
うにするためであり、また空気極２面側にＬａＣｒＯ₃
層４ｂを形成させた理由は、ＬａＣｒ_２Ｏ₃は電気伝導
性が良好で、かつ耐酸化性にも優れ、Ｃｒ_２Ｏ₃やＡｌ
_２Ｏ₃等の高抵抗皮膜の形成を防止するからである。

【００１０】上記本発明において、メッキ層の厚さは３
〜３０μｍが好ましく、そのメッキ法は湿式電気メッキ
法により燃料極側にはニッケルメッキを形成する。また
空気極側のＬａＣｒＯ₃層はＬａＣｒメッキを施した後
に実運転酸化処理を行うことにより形成することができ
る。メッキ層の厚さが３μｍより薄いと、酸化防止の効
果が薄く、また３０μｍを越えると電気抵抗が増大する
ことになる。よって厚さは３〜３０μｍで、電気的な接
続機能の低下を充分に阻止することができる。

【００１１】なお、上記ニッケルメッキの代わりにコバ
ルトメッキを施しても良結果が得られる。ＬａＣｒＯ₃
系としては、ＬａＣｒＯ₃のほか、Ｌａ_０．_９Ｍｇ_０．
_１ＣｒＯ₃、Ｌａ_０．_９Ｓｒ_０．_１ＣｒＯ₃等が好まし
く、同様に湿式メッキ法で形成できる。

【００１２】セパレータの断面構造としては、例えば図
２の（Ａ）に示すごとき、燃料極面側と空気極面側の各
長溝を表裏に設けてなる一体型、また図２の（Ｂ）に図
示するごとき、燃料極側部材と空気極側部材の中間に耐
熱合金をサンドウィッチに挟持した３分割型、さらに図
２（Ｃ）に示す燃料極面側薄板と、空気極面側薄板とで
構成する２分割型等が挙げられる。なお、図中４ａはＮ
ｉメッキ層、４ｂはＬａＣｒＯ₃メッキ層を表す。

【００１３】

【実施例】以下に本発明を実施例によって詳細に説明す
る。合金セパレータとして、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ合金を使
用し、燃料極側の面にＮｉ層を、空気極側の面にＬａＣ
ｒＯ₃層を被覆した。Ｎｉ層は、硫酸ニッケル（ＮｉＳ
Ｏ₄・６Ｈ_２Ｏ）浴を用い、２〜１０Ａ／ｄｍ^２の電流
密度で、厚さ２０〜３０μｍに電析させた。ＬａＣｒＯ
₃層は［（ＮＨ₄）_２Ｃｒ_２Ｏ_７＋Ｌａ（ＮＯ₃）₃］浴を
用い、定電位（−２．０Ｖ〜−１．５ＶｖｓＳＣＥ）電
析で、Ｌａ／Ｃｒモル比１の数μｍの厚さの皮膜を形成
した後、７００℃〜１０００℃の空気中酸化処理でＬａ
ＣｒＯ₃層にした。

【００１４】こうして得られた合金セパレータを固体電
解質型燃料電池に使用したときの出力特性の経時変化を
図３に示した。また同図にはメッキ層を設けていない合
金セパレータを使用したときの出力特性の経時変化も示
した。同図からみて、メッキを施していない合金セパレ
ータを使用した場合に比較して、本実施例のメッキ処理
をした合金セパレータの場合のほうが、長時間運転によ
る性能低下の程度が少ないことが解る。運転後の合金セ
パレータを観察すると、実施例のメッキ処理したセパレ
ータはあまり変化していないが、無処理のものには厚い
酸化皮膜が形成されていた。実施例のメッキ処理材の性
能低下が少ない理由は、酸化膜の形成が抑制され、電気
抵抗の増加が少なかったためである。

【００１５】

【発明の効果】上述のとおり、本発明の合金セパレータ
は低コストで電気的な接続機能の低下のないものであ
り、該セパレータを有する固体電解質型燃料電池は連続
使用による性能低下のない優れものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】固体電解質型燃料電池の単電池の分解斜視説明
図。

【図２】本発明実施例の平板型固体電解質型燃料電池の
各種セパレータの断面構造図。

【図３】実施例の合金セパレータ及びメッキ処理を施し
ていない合金セパレータを固体電解質型燃料電池に使用
したときの出力特性の経時変化を示すグラフ図。

【符号の説明】

１：燃料極， ２：空気極， ３：固体電解質板， ４，４’：セパレータ， ４ａ：Ｎｉメッキ層， ４ｂ：ＬａＣｒＯ₃メッキ層

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体電解質と燃料極と空気極と、そして
   セパレータとを備えてなる固体電解質型燃料電池のセパ
   レータにおいて、セパレータを耐熱合金で構成し、かつ
   該セパレータの燃料極面側にはニッケルメッキ層を、ま
   た空気極面側にはＬａＣｒＯ₃系メッキ層を湿式メッキ
   処理で設けてなることを特徴とする固体電解質型燃料電
   池用合金セパレータ。
2. 【請求項２】 メッキ層の厚さが３〜３０μｍであるこ
   とを特徴とする請求項１記載の固体電解質型燃料電池用
   合金セパレータ。
3. 【請求項３】 固体電解質と燃料極と空気極と、そして
   セパレータとを備えてなる固体電解質型燃料電池のセパ
   レータの製造方法において、セパレータを耐熱合金で構
   成し、かつ該セパレータの燃料極面側に湿式メッキ法で
   ニッケルメッキ層を設け、また空気極面側には湿式法で
   電析させたＬａＣｒ系メッキ層を酸化処理してＬａＣｒ
   Ｏ₃系メッキ層を設けてセパレータを製造することを特
   徴とする固体電解質型燃料電池用合金セパレータの製造
   方法。