(57)【要約】【課題】セパレータから空気極側へのクロムの拡散を抑え、かつ高い電気伝導性を備えた電気化学セルスタックおよびそのセパレータを提供すること。【解決手段】  本発明の実施形態によれば、セルとセパレータとが順次積層された平板型の電気化学セルスタックのセパレータであって、スピネル型の酸化物で構成され、前記セルの空気極と対向する前記セパレータの表面に設けられた第一の保護膜と、ペロブスカイト型の酸化物で構成され、前記第一の保護膜上に設けられた第二の保護膜と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セルとセパレータとが順次積層された平板型の電気化学セルスタックのセパレータであ
って、
スピネル型の酸化物で構成され、前記セルの空気極と対向する前記セパレータの表面に
設けられた第一の保護膜と、
ペロブスカイト型の酸化物で構成され、前記第一の保護膜上に設けられた第二の保護膜
と、
を備える電気化学セルスタックのセパレータ。
【請求項２】
セルとセパレータとが順次積層された平板型の電気化学セルスタックのセパレータであ
って、
ペロブスカイト型の酸化物で構成され、前記セルの空気極と対向する前記セパレータの
表面に設けられた第一の保護膜と、
スピネル型の酸化物で構成され、前記第一の保護膜上に設けられた第二の保護膜と、
を備える電気化学セルスタックのセパレータ。
【請求項３】
前記スピネル型の酸化物は、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｃｅ、Ｃｕ、およびＺｎ
の少なくとも一つの元素がその組成に含まれる請求項１または２に記載された電気化学セ
ルスタックのセパレータ。
【請求項４】
前記ペロブスカイト型の酸化物は、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｐｒ、Ｓｍ
、Ｂａ、Ｎｉ、Ｃｅ、Ｙ、Ｚｒ、Ｇｄ、Ｃａ、Ｔｉ、およびＢｉの少なくとも一つの元素
がその組成に含まれる請求項１から３のいずれかに記載された電気化学セルスタックのセ
パレータ。
【請求項５】
前記第一の保護膜の気孔率は、前記第二の保護膜の気孔率よりも小さい請求項１から４
のいずれかに記載された電気化学セルスタックのセパレータ。
【請求項６】
セルと、
請求項１から５のいずれかに記載されたセパレータと、
を備える電気化学セルスタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電気化学セルスタックおよびそのセパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
平板型の電気化学セルスタック（以下ではセルスタックという）は、平板型の固体酸化
物形燃料電池（ＳＯＦＣ）および固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）の最小構成単位であ
るセルとセパレータとを順次積層した積層体である。セパレータは、セルの作動温度であ
る６００度から１０００度程度の温度領域における電気伝導性が要求され、主にクロムを
含むステンレス合金で構成されている。この作動温度において、セパレータの表面にはＣ
ｒ２Ｏ３を主成分とする酸化被膜が形成される。この酸化被膜は、セルスタックの電気抵
抗となってセルスタックの電気伝導性を低下させる。また、クロムが気化してセルの空気
極に拡散すると、このクロムが空気極に付着してセルで生じる化学反応を阻害するため、
セルの性能も低下する。
【０００３】
そこで、セパレータの表面に保護膜を設けることで、Ｃｒ２Ｏ３を主成分とする酸化被
膜の形成と、空気極へのクロムの拡散とを抑える技術が知られている。さらに、この保護
膜がセパレータ表面から剥離しないように、熱膨張率の異なる二層の保護膜を設ける技術
が知られている。この保護膜には、クロムの拡散を抑えることと、セルスタックの性能を
低下させない程度の電気伝導性とが要求される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第６００４４４８号公報
【特許文献２】特開２０１８−０３７２９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
二層の保護膜がセパレータ表面に設けられた構造では、その材料として二層ともペロブ
スカイト型の酸化物を用いるものと、二層ともスピネル型の酸化物を用いるものとがある
。二層ともペロブスカイト型の酸化物で構成された保護膜は電気伝導性が良いものの、保
護膜を緻密にすることが一般的に難しく、クロムの空気極への拡散を抑えきれない可能性
がある。一方、スピネル型の酸化物を用いた保護膜は緻密であるものの、抵抗率が大きい
ために電気伝導性が低くなる。
【０００６】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、セパレータから空気極側へのクロムの拡散
を抑え、かつ高い電気伝導性を備えた電気化学セルスタックおよびそのセパレータを提供
することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、実施形態のセパレータは、セルとセパレータとが順次積
層された平板型の電気化学セルスタックのセパレータであって、スピネル型の酸化物で構
成され、前記セルの空気極と対向する前記セパレータの表面に設けられた第一の保護膜と
、ペロブスカイト型の酸化物で構成され、前記第一の保護膜上に設けられた第二の保護膜
と、を備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、セパレータから空気極側へのクロムの拡散を抑え、かつ高い電気伝導
性を備えることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態に係る電気化学セルスタックの構成を示す図である。
【図２】実施形態に係る電気化学セルスタックの断面図であって、（ａ）は図１をＰ−Ｐ断面で見た場合の断面図を、（ｂ）は図１をＱ−Ｑ断面で見た場合の断面図をそれぞれ示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施形態に係る電気化学セルスタックおよびこの電気化学セルスタックに用いられるセ
パレータについて、図１および図２を用いて説明する。図１は、実施形態に係る電気化学
セルスタックの構成を示す図を、図２は、実施形態に係る電気化学セルスタックの断面図
であって、（ａ）は図１をＰ−Ｐ断面で見た場合の断面図を、（ｂ）は図１をＱ−Ｑ断面
で見た場合の断面図をそれぞれ示す。
【００１１】
以降の説明においては、電気化学セルをセル、電気化学セルスタックをセルスタックと
表記して説明する。また、以降の説明において積層方向とは、後述するセル１１およびセ
パレータ１２を積層する方向（ｚ方向）を示し、その方向や特定の面を表す際には、特段
の指定がない限り積層方向を基準として表記する。例えば、上面とは積層方向を基準とし
た上面、側面とは積層方向を基準とした側面、下側とは積層方向を基準とした下側をそれ
ぞれ示す。なお、ここでいう積層方向は、重力方向とは必ずしも一致しない。
【００１２】
図１に示すように、セルスタック１は、セル１１と、セパレータ１２と、封止板１３と
、シール材１４と、燃料供給流路３０と、空気供給流路３５と、燃料排出流路４０と、空
気排出流路４５とを備える。セルスタック１は、セル１１、セパレータ１２、封止板１３
、およびシール材１４を順次積層配置したものを一単位とし、この単位を複数積層した積
層体である。
【００１３】
セル１１は、燃料極１１ａと、電解質１１ｂと、空気極１１ｃとを順次積層した固体酸
化物形の平板セルである。セル１１は、後述する燃料室１５に燃料ガスを、後述する空気
室１６に空気をそれぞれ供給して化学反応を引き起こす。ここでいう化学反応とは、ＳＯ
ＦＣとして用いる場合には電気エネルギーを生成する反応（発電反応）、ＳＯＥＣとして
用いる場合には電気分解反応をそれぞれ示す。なお、燃料ガスとは、例えばＳＯＦＣに用
いる場合には水素や一酸化炭素を、ＳＯＥＣに用いる場合には水蒸気をそれぞれ示す。
【００１４】
セパレータ１２は、基材２０と、第一の保護膜２１と、第二の保護膜２２とを備える。
【００１５】
基材２０は、セル１１の側面を囲うように配置された板状の部材であり、少なくともＣ
ｒを含む金属材料で構成される。本実施形態においては、基材２０がセル１１の側面から
所定の間隙を経てこのセル１１を囲うように配置される。すなわち、基材２０の上面には
、この面から下側に凹んだセル収容部２０ａが設けられ、セル収容部２０ａよりも内側に
セル１１が配置される。なお、ここでいうセル１１の側面を囲うとは、図１に示すように
セル１１の側面と基材２０のセル収容部２０ａとが所定の間隙だけ離間して設けられる場
合に限定されず、例えばセル１１の側面がセル収容部２０ａの内周面と隣接してもよい。
【００１６】
第一の保護膜２１は、基材２０の下面（空気極１１ｃと対向するセパレータ１２の表面
）に設けられた層であり、スピネル型の酸化物で構成される。ここでいうスピネル型の酸
化物とは、化学式がＡ３Ｏ４で表記された体心立方構造の酸化物である。スピネル型の酸
化物には、例えば四酸化三コバルトにＭｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｅ、Ｚｎの少なくとも一種類
がドーパントとして含まれる酸化物や、四酸化三亜鉛にＦｅ、Ｍｎ、Ｃｕの少なくとも一
種類がドーパントとして含まれる酸化物が挙げられる。
【００１７】
また、第一の保護膜２１は緻密な層を形成する。本実施形態における緻密な層とは、気
孔率が１５％以下であることを示す。第一の保護膜２１が緻密な層である理由は、基材２
０に含まれるＣｒ原子の拡散によって高抵抗層であるＣｒ２Ｏ３の層がセパレータ１２に
発生することを防ぐためである。ただし、緻密な層の気孔率はこの範囲に限定されるもの
ではない。
【００１８】
第二の保護膜２２は、第一の保護膜２１から積層方向下側（ｚ方向下側）に設けられた
層であり、ペロブスカイト型の酸化物で構成される。ここでいうペロブスカイト型の酸化
物とは、化学式がＡＢＯ３で表記された面心立方構造の酸化物であり、スピネル型の酸化
物と比べて高い電気伝導性を有する。ＡおよびＢは、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃ
ｒ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｎｉ、Ｂａ、Ｃｅ、Ｙ、Ｚｒ、Ｇｄ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｂｉの元素群から選
択された少なくとも二種類の組み合わせを示している。例えば、（Ｌａ、Ｓｒ）ＣｏＯ３
、（Ｌａ、Ｓｒ）（Ｃｏ、Ｆｅ）Ｏ３、（Ｌａ、Ｓｒ）ＭｎＯ３、ＬａＮｉＯ４、Ｂａ（
ＣｅＹ）Ｏ３、（ＢａＺｒ）（ＣｅＹ）Ｏ３が挙げられる。
【００１９】
また、第二の保護膜２２は多孔な層を形成する。本実施形態における多孔な層とは、気
孔率が１５％よりも大きいことを示す。すなわち、第二の保護膜２２は、第一の保護膜２
１よりも多孔率が大きい。発明者は鋭意研究を行った結果、特に第二の保護膜２２の気孔
率が、第一の保護膜２１よりも１０％から６０％程度高いことが好ましいことを発見して
いる。
【００２０】
なお、本実施形態においては、第二の保護膜２２がペロブスカイト型の酸化物で構成さ
れる場合を例示して説明しているが、第二の保護膜２２の構成はペロブスカイト型の結晶
構造を有する酸化物であればよく、例えば（ＡＢＯ３）ｎ・ＡＯ（Ｒｕｄｄｅｌｓｄｅｎ
−Ｐｏｐｐｅｒ型構造）の酸化物でもよい。
【００２１】
封止板１３は導電性を有する板状の部材であり、セパレータ１２の上面に設けられる。
より具体的には、封止板１３は少なくともその中央に開口部を有し、封止板１３の上面か
ら見た場合に、この開口部を介してセル１１の上面が見えるようにセパレータ１２の上面
に配置される。
【００２２】
シール材１４は、導電性を有する板状の部材である。シール材１４は、封止板１３の上
面に配置される。
【００２３】
燃料室１５は、セル収容部２０ａおよび封止板１３との間に設けられた空間である。燃
料室１５には、後述する燃料供給流路３０から燃料ガスが供給される。
【００２４】
空気室１６は、封止板１３の開口部、シール材１４、およびシール材１４に接する別の
単位のセパレータ１２との間に設けられた空間である。空気室１６には、後述する空気供
給流路３５から空気が供給される。
【００２５】
図２（ｂ）に示すように、燃料供給流路３０は、燃料供給縦流路３０ａと、燃料供給横
流路３０ｂを具備する燃料ガスの供給流路である。燃料供給縦流路３０ａは、各単位のセ
パレータ１２、封止板１３、およびシール材１４を貫き、積層方向に延びた一本の流路を
構成する。燃料供給横孔３０ｂは各単位にそれぞれ設けられ、同じ単位の燃料室１５と燃
料供給縦流路３０ａとを連結する。
【００２６】
燃料排出流路４０は、燃料排出縦流路４０ａと、燃料排出横流路４０ｂを具備する燃料
ガスの排出流路である。燃料排出縦流路４０ａは、積層方向上側から見て（図２（ａ）の
断面を見て）、燃料供給縦流路３０ａと対向する側に設けられる。その他の構成は、燃料
供給流路３０と同様である。
【００２７】
図２（ａ）に示すように、空気供給流路３５は、空気供給縦流路３５ａと、空気供給横
流路３５ｂを具備する空気の供給流路である。空気供給縦流路３５ａは、燃料供給流路３
０との接触を防ぐため、積層方向上側から見て、燃料供給流路３０ａの配置位置からセパ
レータ１２の中心周りに９０度回転させた位置に設けられている。空気供給横流路３５ｂ
は各単位にそれぞれ設けられ、同じ単位の空気室１６と空気供給縦流路３５ｂとを連結す
る。
【００２８】
空気排出流路４５は、空気排出縦流路４５ａと、空気排出横流路４５ｂを具備する空気
の排出流路である。空気排出横流路４５ｂは各単位にそれぞれ設けられ、同じ単位の空気
室１６と空気排出縦流路４５ｂとを連結する。
【００２９】
セルスタック１をＳＯＦＣとして動作させる場合には、外部から燃料供給縦流路３０ａ
に燃料ガスとして水素を、空気供給縦流路３５ａに空気をそれぞれ導入する。水素は、燃
料供給縦流路３０ａ、燃料供給横流路３０ｂを順次経て各単位の燃料室１５に供給される
。また、空気は、空気供給縦流路３５ａ、空気供給横流路３５ｂを順次経て各単位の空気
室１６に供給される。これら水素および空気は、セル１１での発電反応（電気エネルギー
を生成する反応）の反応物として用いられる。反応物として用いられなかった水素は、燃
料排出横流路４０ｂ、燃料排出縦流路４０ａを順次経て、空気は、空気排出横流路４５ｂ
、燃料排出縦流路４０ａを順次経て、それぞれ外部へ排出される。
【００３０】
一方、セルスタック１をＳＯＥＣとして動作させる場合には、外部から燃料供給縦流路
３０ａに燃料ガスとして水蒸気を導入する。この水蒸気は、燃料供給縦流路３０ａ、燃料
供給横流路３０ｂを順次経て各単位の燃料室１５に供給され、セル１１での電気分解反応
の反応物として用いられる。電気分解反応の反応物として用いられなかった水蒸気は、燃
料排出横流路４０ｂ、燃料排出縦流路４０ａを順次経て外部へ排出される。
【００３１】
セル１１の化学反応に伴って基材２０の温度が上昇すると、基材２０に含まれるクロム
は、高い熱エネルギーを持って基材２０から空気極１１ｃ側に拡散しようとする。しかし
ながら、本実施形態では第一の保護膜２１と第二の保護膜２２とが互いに異なる材料で構
成されているために、緻密な層である第一の保護膜２１の内部だけでなく、第一の保護膜
２１と第二の保護膜２２との界面においてもクロムの拡散を抑えることができる。つまり
、本実施形態では、第一の保護膜２１を構成するスピネル型の酸化物と、第二の保護膜２
２を構成するペロブスカイト型の酸化物との格子定数の差に加えて、これらの結晶構造の
違いを利用することで、第一の保護膜２１と第二の保護膜２２との界面でクロムが拡散し
にくくなる。
【００３２】
上述した実施形態によれば、基台２０上にスピネル型の酸化物で構成される第一の保護
膜２１と、ペロブスカイト型の酸化物で構成される第二の保護膜２２とを設けることによ
って、これらの保護膜の結晶構造の違いとその界面の結晶欠陥を利用し、基台２０からの
クロムの拡散を抑えることができる。また、ペロブスカイト型の酸化物はスピネル型の酸
化物よりも電気伝導性が高いため、保護膜の電気伝導性を向上させることもできる。
【００３３】
なお、本実施形態では、第一の保護膜２１がスピネル型の酸化物、第二の保護膜２２が
ペロブスカイト型の酸化物でそれぞれ構成される場合を例示して説明したが、本実施形態
の他の構成として、例えば第一の保護膜２１がペロブスカイト型の酸化物、第二の保護膜
２２がスピネル型の酸化物でそれぞれ構成されてもよい。ただし、第一および第二の保護
膜は、スピネル型およびペロブスカイト型のいずれか一方の型の酸化物のみで構成され、
スピネル型の酸化物とペロブスカイト型の酸化物との混合物で構成される場合は含まない
。これは、第一および第二の保護膜の少なくとも一方がスピネル型とペロブスカイト型の
混合物で構成される場合、第一および第二の保護膜の界面で結晶構造の同じ箇所が生じて
しまい、クロムがこの箇所を通って第一の保護膜２１から第二の保護膜２２に拡散する可
能性があるからである。
【００３４】
また、本実施形態ではセルスタック１のセパレータが全て本実施形態に係るセパレータ
１２である場合を例示して説明したが、セルスタック１を構成するセパレータの少なくと
も一つがセパレータ１２であればよく、必ずしもセルスタック１の全てのセパレータがセ
パレータ１２である必要はない。
【００３５】
さらに、本実施形態ではセルスタック１が封止板１３を備える構成を例示して説明した
が、例えば封止板１３を設けずに、同じ単位内のセパレータ１２とシール材１４とが直接
圧着させる構造としてもよいし、シール材１４の上面（すなわち絶縁層１４ｂの上面）と
他の単位のセパレータ１２の下面とを、絶縁材料の接着剤を介して圧着させる構造として
もよい。また、これらの組み合わせとして、封止板１３を設けず、かつ絶縁材料の接着剤
を介してシール材１４の上面（すなわち絶縁層１４ｂの上面）と他の単位のセパレータ１
２の下面とを圧着させる構造としてもよい。
【００３６】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したも
のであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その
他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の
省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や
要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる
。
【符号の説明】
【００３７】
１．セルスタック、１１．セル、１１ａ．燃料極、１１ｂ．電解質、１１ｃ．空気極、１
２．セパレータ、１３．封止板、１４．シール材、１５．燃料室、１６．空気室、２０．
基材、２０ａ．セル収容部、２１．第一の保護膜、２２．第二の保護膜、３０．燃料供給
流路、３０ａ．燃料供給縦流路、３０ｂ．燃料供給横流路、３５．空気供給流路、３５ａ
．空気供給縦流路、３５ｂ．空気供給横流路、４０．燃料排出流路、４０ａ．燃料排出縦
流路、４０ｂ．燃料排出横流路、４５．空気排出流路、４５ａ．空気排出縦流路、４５ｂ
．空気排出横流路
【図１】
2020144985.tif 000003
【図２】
2020144985.tif 000004