(57)【要約】２つの平面状固体酸化物燃料電池（１２）間の燃料電池ガスセパレータ（１４）は、ガス非透過性材料からなる第１層（２２）、及びガス非透過性材料からなる第２層（２４）とを有する。上記第１層及び第２層は、膜厚を貫通するように孔を有する。この孔は電気伝導性プラグ材料により閉じられている。上記第１層及び第２層間の第３中間層（２６）は電気伝導性を有し、上記第１層及び第２層を貫通する孔内のプラグ材料と電気的に接続されている。第１層内の孔は、第２層内の孔に対して互い違いに形成されている。上記第１層及び第２層の孔内の電気伝導性プラグ材料は同じでも良いし、また、上記第３中間層の材料と同一であってもよい。電気伝導性材料は、例えば銀−ガラス複合物のような銀若しくは銀ベースの材料であっても良い。電気伝導性被膜を、第１層及び第２層の電極接触領域上に備えていても良い。
2005518652.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス非透過性材料により形成された第１層と、ガス非透過性材料により形成された第２層とを含み、上記第１層及び第２層は、電気伝導性プラグ材料により閉じられた孔をその膜厚方向に有し、
さらに、上記第１層と第２層との間に第３中間層を含み、該第３中間層は、電気伝導性を有し、上記第１層及び第２層を貫通する孔内の前記プラグ材料に電気的に接続されていることを特徴とする燃料電池ガスセパレータ。
【請求項２】
前記第１層及び第２層の材料が同一である請求項１記載のガスセパレータ。
【請求項３】
前記第１層及び第２層のそれぞれの材料がジルコニアである請求項１又は２記載のガスセパレータ。
【請求項４】
前記ジルコニアが、イットリアにより安定化されている請求項３記載のガスセパレータ。
【請求項５】
前記ジルコニアが、約２０ｗｔ％以下のアルミナを含有する請求項３記載のガスセパレータ。
【請求項６】
前記第１層及び第２層のそれぞれの膜厚が、２０〜２５０μｍの範囲にある請求項１〜５のいずれかに記載のガスセパレータ。
【請求項７】
前記第３中間層の膜厚が、１０〜１００μｍの範囲にある請求項１〜６のいずれかに記載のガスセパレータ。
【請求項８】
前記第３中間層の電気伝導性材料が、輝コバルト鉱、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、前記金属を１以上含有する合金、及び他の銀ベース材料から選ばれる請求項１〜７のいずれかに記載のガスセパレータ。
【請求項９】
前記第３中間層の材料が、電気伝導性プラグ材料と同一である請求項１〜８のいずれかに記載のガスセパレータ。
【請求項１０】
前記孔が、前記第１層及び第２層の膜厚方向に対して垂直に延びる請求項１〜９のいずれかに記載のガスセパレータ。
【請求項１１】
前記第１層内の孔が、第２層内の孔に対して互い違いに形成されている請求項１〜１０のいずれかに記載のガスセパレータ。
【請求項１２】
各孔の断面の平均的な大きさが、５０〜１０００μｍの範囲にある請求項１〜１１のいずれかに記載のガスセパレータ。
【請求項１３】
前記第１層及び第２層のそれぞれを貫通する孔の全面積が、前記層の電極接触領域の表面領域１０００ｍｍ２に対して０．１〜２０ｍｍ２の範囲にある請求項１〜１２のいずれかに記載のガスセパレータ。
【請求項１４】
前記電気伝導性プラグ材料が、輝コバルト鉱、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、前記金属を１以上含有する合金及び他の銀ベース材料から選ばれる請求項１〜１３のいずれかに記載のガスセパレータ。
【請求項１５】
前記電気伝導性プラグ材料が、金属銀、Ａｇが主成分である金属混合物、銀合金及び銀ガラス複合物から選ばれる請求項１４記載のガスセパレータ。
【請求項１６】
前記電気伝導性プラグ材料が、銀と、金、パラジウム、プラチナ及びステンレス鋼のうち１以上とが合金化されているか、若しくは混合されている請求項１５記載のガスセパレータ。
【請求項１７】
前記電気伝導性プラグ材料が、約１０〜４０ｗｔ％のガラスを含有する銀−ガラス複合物である請求項１５記載のガスセパレータ。
【請求項１８】
前記銀−ガラス複合物が、約１５〜３０ｗｔ％のガラスを含有する請求項１７記載のガスセパレータ。
【請求項１９】
前記銀−ガラス複合物における銀が、市販の純粋な銀、銀合金若しくは銀混合物から選ばれる請求項１５、１７若しくは１８のいずれかに記載のガスセパレータ。
【請求項２０】
前記銀が、金、パラジウム、プラチナ若しくはステンレス鋼のいずれか１以上と合金化されるか若しくは混合される請求項１９記載のガスセパレータ。
【請求項２１】
前記銀−ガラス複合物中のガラスが、結晶化に対して安定である請求項１５及び１７〜２０のいずれかに記載のガスセパレータ。
【請求項２２】
前記銀−ガラス複合物中のガラスが、高濃度シリカガラスである請求項１５及び１７〜２１のいずれかに記載のガスセパレータ。
【請求項２３】
前記ガラスの組成物が、０−５.５ｗｔ％Ｎａ２Ｏ、８−１４ｗｔ％Ｋ２Ｏ、０−２.２ｗｔ％ＭｇＯ、１−３ｗｔ％ＣａＯ、０−６ｗｔ％ＳｒＯ、０−８ｗｔ％ＢａＯ、６−２０ｗｔ％Ｂ２Ｏ３、３−７ｗｔ％Ａｌ２Ｏ３、５８−７６ｗｔ％ＳｉＯ２及び０−１０ｗｔ％ＺｒＯ２である請求項２２記載のガスセパレータ。
【請求項２４】
前記ガラスの組成物が、０−２.０ｗｔ％Ｎａ２Ｏ、８−１３.５ｗｔ％Ｋ２Ｏ、０−０.０５ｗｔ％ＭｇＯ、１−１.６ｗｔ％ＣａＯ、０.５−１ｗｔ％ＳｒＯ、０−４.４ｗｔ％ＢａＯ、６−２０ｗｔ％Ｂ２Ｏ３、３−６.０ｗｔ％Ａｌ２Ｏ３、６０−７５ｗｔ％ＳｉＯ２及び０−５.０ｗｔ％ＺｒＯ２である請求項２３記載のガスセパレータ。
【請求項２５】
各電気伝導性被膜を、第１層及び第２層の電極接触サイドの電気伝導性プラグ材料上に備える請求項１〜２４のいずれかに記載のガスセパレータ。
【請求項２６】
前記被膜が、前記第１層及び第２層のそれぞれの各電極接触領域上に拡がる請求項２５に記載のガスセパレータ。
【請求項２７】
カソード接触サイド上の前記電気伝導性被膜が銀若しくは銀合金である請求項２５又は２６に記載のガスセパレータ。
【請求項２８】
前記カソード接触サイド上の被膜が、約４〜２０ｗｔ％のＳｎを含有するＡｇ−Ｓｎ合金である請求項２７記載のガスセパレータ。
【請求項２９】
前記カソード接触サイド上の被膜が、前記被膜の電気伝導性を改善するため、約１０ｗｔ％以下のドーパントを含有するＡｇ−Ｓｎ合金である請求項２７又は２８に記載のガスセパレータ。
【請求項３０】
前記カソード接触サイド上の被膜が、Ａｇ−Ｓｎ合金であり、１０〜１０００μｍの範囲の膜厚を有する請求項２７〜２９のいずれかに記載のガスセパレータ。
【請求項３１】
前記カソード接触サイド上の被膜が、ＳｎＯ２表面層を有するＡｇ−Ｓｎ合金である請求項２７〜３０のいずれかに記載のガスセパレータ。
【請求項３２】
前記カソード接触サイド上の被膜が、市販の純粋な銀からなり、５０〜２５０μｍの範囲にある膜厚を有する請求項２７記載のガスセパレータ。
【請求項３３】
アノード接触サイド上の電気伝導性被膜が、市販の純粋なニッケルからなる請求項２５〜３２のいずれかに記載のガスセパレータ。
【請求項３４】
前記アノード接触サイド上のニッケル被膜が、市販の純粋なものである請求項３３記載のガスセパレータ。
【請求項３５】
前記アノード接触サイド上のニッケル層が、１０〜１０００μｍの範囲にある膜厚を有する請求項３３又は３４記載のガスセパレータ。
【請求項３６】
銀の層を、ニッケルの被膜と、第１層若しくは第２層のいずれかのアノード接触サイドとの間の電極接触領域に備える請求項３３〜３５のいずれかに記載のガスセパレータ。
【請求項３７】
前記銀の層が、市販の純粋な銀を含有する請求項３６記載のガスセパレータ。
【請求項３８】
前記銀の層が、１０〜１０００μｍの範囲にある膜厚を有する請求項３６又は３７に記載のガスセパレータ。
【請求項３９】
ガス流通路を規定する表面形成層を、前記第１層及び第２層のそれぞれの電極接触サイド上に備え、
前記表面形成層が、電気伝導性を有し、電気伝導性プラグ材料が充填された孔を被覆していることを特徴とする請求項１〜３８のいずれかに記載のガスセパレータ。
【請求項４０】
前記アノード接触サイド上の表面形成層が、固体酸化物燃料電池アノード材料により形成され、前記カソード接触サイド上の表面形成層が、固体酸化物燃料電池カソード材料により形成され、
前記表面形成層が、前記第１層及び第２層若しくはそれらの上に形成された電気伝導性被膜に接着されていることを特徴とする請求項３９記載のガスセパレータ。
【請求項４１】
電気伝導性被膜を、アノード接触サイド及びカソード接触サイド上の表面形成層上のそれぞれに備える請求項３９又は４０に記載のガスセパレータ。
【請求項４２】
前記カソード接触サイドの表面形成層上の被膜が、金属銀により形成されている請求項４１記載のガスセパレータ。
【請求項４３】
前記アノード接触サイドの表面形成層上の被膜が、ニッケルにより形成されている請求項４１又は４２に記載のガスセパレータ。
【請求項４４】
燃料電池ガスセパレータを形成する方法であって、
ガス非透過性材料により形成され、膜を貫通する孔を有する、ガスセパレータの第１層及び第２層を準備する工程と、
電気伝導性材料からなり、第１の膜厚を有し、さらに前記第１層と第２層との間に置かれる第３層に、第１層及び第２層を重ね合わせる工程と、
前記積層された第１層、第２層及び第３層を圧縮する工程とを有し、
上記条件の下では、電気伝導性材料が押し流され、それにより、電気伝導性材料からなる第３層が、上記第１の膜厚より薄い第２の膜厚を有し、前記電気伝導性材料が第１層及び第２層の孔内に流れ込んで前記孔が塞がれているガスセパレータが作製されることを特徴とする製造方法。
【請求項４５】
前記第１層及び第２層が、該第１層及び第２層を貫通する孔が互い違いになるように形成され、若しくは方向付けられる請求項４４記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、燃料電池に関する。詳細には、近接する燃料電池（特に固体酸化物燃料電池）間のガスセパレータに関する。
【０００２】
（背景技術）
燃料電池アッセンブリにおけるガスセパレータは、ある燃料電池のカソードサイドに供給される酸素含有ガスと、それに近接する燃料電池のアノードサイドに供給される燃料含有ガスとを分離した状態に保ち、且つこの燃料電池から離れた燃料電池で発生した熱を伝えるためのものである。このガスセパレータは、燃料電池間若しくは燃料電池から離れたところで発生した電気を伝導することもできる。この機能を、各燃料電池とガスセパレータ間のセパレート部ではなく、別のものにより実行することが提案されているけれども、多くの開発は、電気的伝導性ガスセパレータに対して行われている。
【０００３】
燃料電池ガスセパレータに使用するための混合型セラミックであって、電気伝導性を有するセラミックが開発されてきた。しかし、これらは、脆弱性が比較的高く、熱伝導性が低く、またコストが高い。また別に、特定の金属の合金も開発されてきた。しかし、特に、電気伝導性に関して、燃料電池アッセンブリ、およびこのアッセンブリ間の界面の様々な材料が、燃料電池のライフサイクルを通して実質的に低下すること、及び変化することを防止することは困難であることが示された。これは、固体酸化物燃料電池を効率的に作動させるために必要な高温において、様々な材料が化学反応を起こしやすいためである。例えば、最も金属的なガスセパレータは、大量のクロム元素を含んでいる。これは、他の特性と同時に金属に対する耐酸化性を与えるためである。
【０００４】
固体酸化物燃料電池を作動させる場合に一般的に起きる条件の下では、クロムが微量若しくはそれ以上含まれる場合、クロムは酸素若しくは水分含有酸素と結合し、揮発性の高い酸化物若しくはオキシ水酸化ガスが生成されてしまう。これらの揮発性ガスは、カソード−電解質界面に引きつけられ、この界面において、これらの揮発性ガスは反応し、燃料電池の効率に悪影響を与えるような化合物を生成してしまう。これらのクロムの反応が、排除されないか若しくはほとんど抑制されない場合、燃料電池の性能は、時間とともに、燃料電池がもはや効率的でないところまで低下してしまう。
【０００５】
これらの金属合金のいくつか、及びこれらの問題を改善するための提案が、我々の特許出願ＷＯ９６／２８８５５に記載されている。この明細書には、クロム含有ガスセパレータに酸化物表面層が設けられ、この酸化物表面層はクロムと反応して、基板と酸化物表面層との間にスピネル層を形成し、それによりクロムを結び付けておくことが記載されている。しかし、これらの専門的な合金は、燃料電池アッセンブリにおける実質的な使用において高価である。そのため、より低いコストの代用品を手に入れることが望まれる。
【０００６】
関連する雰囲気中において高温でも安定である特別なステンレス鋼が開発されてきた。しかし、所望の耐酸化性を与えるため、これらは一般的に大量のクロムを含んでいる。そして、クロム含有のガスが、これらの鉄鋼からなるガスセパレータから逃げるのを防止するためには、特別の被膜若しくは処理が必要となる。耐熱性鋼鉄ガスセパレータに関する他の方法が、我々の特許出願ＷＯ９９／２５８９０に記載されている。しかし、これらの耐熱性鋼鉄の全ては、専門的な材料であり、これらのコストは、大量に生産されなければ高価なままである。さらに、耐熱性鋼鉄の熱伝導性及び電気伝導性は、他の多くの材料及び合金と比べて低い。これは、例えば、ＷＯ９６／２８８５５に記載されたSiemens-Plansee合金の４０−５０Ｗ／ｍ．Ｋに対して、２２−２４Ｗ／ｍ．Ｋである。これを補うために、鋼鉄ガスセパレータの膜厚を増加させなければならない。しかし、燃料電池スタックの体積とコストが増大してしまう。
【０００７】
我々の特許出願ＷＯ００／７６０１５で開示した他の提案では、我々は、固体酸化物燃料電池アッセンブリにおいて、銅含有ガスセパレータを使用することにより、アノードが被毒されることなく利用することができることを見出した。このガスセパレータ部は、カソードサイドに耐酸化性材料層を有する銅若しくは銅含有合金の層を含んでいる。
【０００８】
申し分のないガスセパレータを開発する場合における主な困難の一つは、確実に、ガスセパレータの熱拡散係数（ＣＴＥ）を、燃料電池の他のコンポーネントの熱拡散係数と少なくとも実質的に一致させなければならないということである。例えば、対向する面にカソードとアノードとを有する酸化物電解質を有する固体燃料電池は、７００℃を超える温度で作動する。ガスセパレータと燃料電池セルは、通常交互に連結されているか若しくは互いにシールされている。２つのコンポーネント間のＣＴＥの実質的な不整合により、それらの一つ若しくは両方にクラックが発生し、これにより、そのコンポーネントを通過する燃料ガス及び酸素含有ガスが漏れてしまう。そして、徐々に燃料電池スタックは機能を失う。
【０００９】
以下の４つの機能全てを備える材料を提供することは、適切な燃料電池ガスセパレータを開発する上で困難である。上記機能とは、一方のサイドの燃料ガスを、もう一方のサイドの酸素含有ガスと分離する機能、熱的に伝導するという機能、他の燃料電池コンポーネントのＣＴＥと実質的に適合するＣＴＥを有するという機能、及び電気的伝導性を有するという機能である。
【００１０】
これらの必要条件を満たすため、電気的伝導性を有さないか若しくは電気伝導性が十分でないが他の条件は満たす材料により主に形成されたガスセパレータを準備し、そしてセパレータの膜厚方向に電気伝導性フィードスルー（feedthroughs）を設けることが提案されてきた。そのような提案の一つが、Kendall等の「固体酸化物燃料電池ＩＶ（１９９５年、ｐｐ．２２９−２３５）」においてなされている。ここでは、プレートがジルコニア材料により形成され、さらにランタニウムクロミウムリベットが、このプレートのホールに延在している。また、セパレータプレートの膜厚方向に電気伝導性フィードスルーを設けることに関する他の提案が、ＥＰ０９９３０５９においてなされている。この提案では、セラミック製ガスセパレータプレート（好ましくはジルコニア安定化されている）は、貫通するような通路を有する。この通路は、好ましい実施形態においては、カソードサイドからカソード材料が充填され、アノードサイドからアノード材料が充填されている。別の実施の形態では、それらは、ドープされた亜クロム酸塩、銀パラジウム、プランシー（Plansee）合金のような単一材料の混合物により充填されていても良い。
【００１１】
フィードスルー材料は、主要なセパレータ材料と異なっており、概してより高い電気伝導性を有する。しかし、ガスセパレータが熱サイクルに供されると、ＣＴＥが異なることにより、プレート材料内においてフィードスルー材料が分離するという欠点が発生し、フィードスルーが形成された通路からガスが漏れることになりうる。
【００１２】
ＥＰ０９９３０５９における別の実施形態では、例えばアノードサイドではＮｉ、プランシー金属若しくはＡｇ−Ｐｄ、及びカソードサイドではＡｇ−Ｐｄ若しくはランタニウムストロンチウム亜マンガン酸塩からなる、フィードスルーのためのそれぞれのコンタクト部は、全電極表面を被覆する接着層により各電極と接続される。このような接着層は、電極を通る自由なガスの流れを制限し、電極及びそれぞれのコンタクト部を有する燃料電池セルプレートが、ガスセパレータプレートに積層されるとき、それぞれのコンタクト部は、非常に正確に電極上に位置し、各フィードスルーを被覆しなければならない。
【００１３】
２００２年６月６日に発行された米国特許出願第２００２００６８６７７号明細書に記載された他の提案は、主要なプレート材料が、高濃度のシリカガラスマトリクスであり、この高濃度シリカガラスマトリクスは、銀、Ａｇ−Ｐｄ合金、金及びフェライトステンレス鋼のような材料から形成された金属伝導体がその中に注入されたことを特徴とするガスセパレータプレートが含まれる。
【００１４】
本発明は、上記欠点を改善する燃料電池ガスセパレータを提供することを目的とする。
【００１５】
（課題を解決するための手段）
第１発明は、ガス非透過性材料からなる第１層、ガス非透過性材料からなる第２層を備え、上記第１層及び第２層は、膜厚方向に、電気伝導性のプラグ材料により充填された孔を有し、さらに、上記第１層と上記第２層との間に第３層が形成され、この第３層は電気伝導性を有し、第１層及び第２層の孔内のプラグ材料と電気的に接続されていることを特徴とする燃料電池ガスセパレータである。
【００１６】
本発明によれば、ガスセパレータの電気伝導性を、このセパレータの主要な材料から分離することができるという有利な効果を奏する。また、プラグ材料が剥離している場合にガスが孔を通って漏れるという危険性が、第１層及び第２層間に中間層を設けることにより抑制される。このプラグ材料及び第３中間層は、反対サイドの燃料電池から熱伝導させるための熱伝導性パスを提供することが好ましい。
【００１７】
ガスセパレータの第１層及び第２層の材料は、同一であることが好ましい。これは２つの層のＣＴＥの相違を最小にするためである。しかし、これは根本的なことではない。この材料は、燃料電池コンポーネントのＣＴＥと実質的に適合するＣＴＥを選択することが好ましい。しかし、金属及び合金のような電気伝導性材料を含む如何なる材料を選択しても良い。電解質材料がジルコニアであることが好ましく、電解質材料が、電極材料を支持する主要層であるような固体酸化物燃料電池アッセンブリにおいて、ガスセパレータの第１層及び第２層の材料は、ジルコニアであることが好ましい。第１層及び第２層のジルコニアは、例えば３〜１０％Ｙのイットリアで安定化されていても良い。他の実施の形態では、ジルコニアは、ジルコニアベースの構造を維持しつつ他の材料を含んでいても良い。例えば、このジルコニアは、アルミナを１５ｗｔ％まで、もしくは約２０ｗｔ％まで含むジルコニアアルミナであってもよい。便宜のため、そのような全ての材料は、以下において、ジルコニアということにする。
【００１８】
ガスセパレータの第１層と第２層のそれぞれの厚みは、２０〜２５０μｍの範囲にあることが好ましい。より薄い膜厚を用いれば、この層は製造することが困難となり、この層の主要な材料が密集することを保証すること、即ち燃料電池アッセンブリ内のガスに対して気密性を有することを保証することがより困難となる。より厚い膜厚を用いても良いが、しかしこのことは必要なことではない。ガスセパレータプレート及びガスセパレータプレートを含む燃料電池アッセンブリのスタックの体積及び高さを最小にするため、膜厚を１５０μｍ以下にすることがより好ましい。第１層及び第２層のそれぞれの厚さは、５０〜１００μｍの範囲にあることが最も好ましい。
【００１９】
第１層及び第２層は、如何なる適切な手段により形成しても良い。これは、セパレータの材料及び形状に特に依存する。平面状の燃料電池に使用されるガスセパレータは、一般的に、少なくとも略平面状のプレートの形態を取る。そして、例えばジルコニアからなる平面状第１層及び第２層を、グリーン材料（green material）をテープ状に押出成形し、焼結することにより形成しても良い。適切な製造方法は、容易に分かるだろう。そして、製造方法は本発明の一部を構成するものではない。
【００２０】
便宜のため、孔は層を垂直に延在することが好ましい。しかし、これは本質的なことではない。電気伝導性材料のパスが垂直方向に対して傾いていてもよい。より好ましい実施形態では、第１層における孔は、第２層における孔と互い違いに配置されている。これは、ガスセパレータの全膜厚方向にリークするために、第１層及び第２層のいずれか一方に存する１以上の孔から漏れる可能性のあるガスが、第３層に沿って、もしくは第３層を超えて通過し、第１層及び第２層のもう一方にある１以上の孔からリークしなければならないようにするためである、
【００２１】
第１層及び第２層の孔は、直径若しくは断面の平均的な大きさが、５０〜１０００μｍの範囲にあることが好ましい。この孔は、各層の製造中若しくは製造後に、例えばレーザカットにより形成しても良い。孔の最小サイズは、形成の困難性、及びそれらを電気伝導性プラグ材料で充填する場合の困難性と相関関係を有する。断面の平均的な大きさは、２００〜４００μｍの範囲、例えば約３００μｍであることが最も好ましい。
【００２２】
孔の最小の数は、孔のサイズ、プラグ材料の電気伝導性、及びガスセパレータを通過する電流と相関関係を有する。孔が、好ましい範囲の上限値に近いような、断面の平均な大きさを有する場合、その数は少なくなるだろうし、スペースはより広くなるだろう。上記記載の好ましい実施形態のガスセパレータプレートによりリークの危険を抑制する場合に有利であるだろう。これは、ガスが第１層及び第２層内の孔を、第３の中間層に沿ってまたはこれを横切るように移動しなければならないからである。第１層及び第２層のそれぞれを通過する孔の全領域は、層の電極接触領域の表面積１０００ｍｍ２（一方のサイドのみ）に対して０．１〜２０ｍｍ２の範囲にあることが好ましく、１０００ｍｍ２に対して０．２ｍｍ２〜５ｍｍ２の範囲にあることがさらに好ましい。我々の現在の好ましい実施形態では、電極接触領域若しくは機能性ガス分離領域が約５４００ｍｍ２有する第１層及び第２層に平均径３００μｍを有する孔が１９個存在する。これらの全ては、プラグ材料でシールされ、燃料電池ガスが層を通過するのを妨げる。
【００２３】
この明細書で使用される「電極接触領域」という用語は、互いに対向して設置された第１及び第２ガスセパレータ層が、近接する燃料電池の各電極と接触する部分を意味する。近接する電極と全ての電極接触領域との接触は、挿入された集電体及び／又はガスフロー制御装置により間接的に行っても良い。それゆえ、「電解接触領域」という用語を使用するのに、ガスセパレータ層の領域が、近接する電極と直接接触していなくてもよいということは理解されるだろう。
【００２４】
第１層及び第２層のそれぞれの孔の電気伝導性プラグ材料は同一であることが好ましい。第３中間層の電気伝導性材料と同一であることがより好ましいが、これは本質的なことではない。金属、酸化物及びセラミックを含む第３中間層及びプラグのために、如何なる材料を使用しても良い。可能性として考えられるある伝導性酸化物は輝コバルト鉱（cobaltite）である。しかし、伝導性金属は、例えばＡｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、これらのうち１以上を含有する合金、及び他の銀ベース材料であることが特に好ましい。第３中間層の好ましい材料及び好ましいプラグ材料は銀若しくは銀ベース材料である。この銀若しくは銀ベース材料は、金属銀（市販の純粋なもの）、Ａｇを主要な成分とする金属混合物、若しくは銀合金であっても良い。
【００２５】
燃料電池の作動温度が約９００℃（銀の融点を超える温度）より高く、例えば１１００℃までであるならば、この銀は、十分高い融点を有する適切な延性金属と合金を形成しても良い。そのような金属の具体例は、金、パラジウム、プラチナ等の１以上の貴金属である。合金内に存在するＡｇが５０ｗｔ％を超えないことが好ましい。Ａｇと混合すべき代替材料若しくはより安価な材料はステンレス鋼である。Ａｇ及びステンレス鋼は、粉末状で混合され、第１及び第２層内の孔において加熱することによりこれを焼結する。
【００２６】
金属銀、銀混合物、若しくは銀合金などの電気的伝導性材料を、あらゆる適切な方法により孔に充填してもよい。適当な方法には、有機バインダに混合された金属、混合物若しくは合金のスラリーを孔内にスクリーン印刷若しくはステンシル印刷する方法、若しくは例えばプリンティング、蒸気析出法若しくはメッキ法及び、コートされた金属、混合物若しくは合金を孔の中に浸漬させることにより、第１層及び第２層の表面を被覆する方法も含まれる。
【００２７】
プラグ及び／又は第３中間層のための電気的伝導性材料は、銀とガラスの複合物であることが最も好ましい。これは、孔に銀を使用することによって、第１層、第２層の材料から、所望のレベルのガスセパレータの電気伝導性が発生し、さらに孔にガラスを使用することによって、ガスセパレータを通過するガスのリークの危険性を緩和するという有利な効果を有する。プラグ材料及び／又は第３中間層内のガラスにより、燃料電池の作動温度を緩和してもよいし、必要であれば、セパレータが熱循環中にあるとき、第１層及び第２層の拡散及び収縮とともに上記材料は流れ出ても良い。銀の延性によりこれを容易にする。銀とガラスの複合物は、ガラスマトリクスに純粋な銀若しくは銀ベースの材料が含まれる形態であっても良い。
【００２８】
銀とガラスとの複合物は、約１０〜約４０ｗｔ％のガラスを含んでいることが好ましく、１５〜３０ｗｔ％のガラスを含んでいることが更に好ましい。約１０ｗｔ％のガラスは、セパレータにおいて十分な密閉特性を与えるような臨界点の下限であり、一方ガラスを約４０ｗｔ％含むレベルでは、複合物中に十分な量の銀が含まれておらず、所望のレベルの電気伝導性を得ることができない。潜在的には、第１層及び第２層のＣＴＥが最良に適合するように、複合物中の銀とガラスの割合を変化させても良いが、しかしこの複合物の主要な有利な効果は、セパレータの拡大及び収縮とともにこの材料が変形し、さらに電気を伝導することができるということである。
【００２９】
銀ガラス複合物を、様々な適切な製造方法により形成してもよい。適切な方法とは、ガラスと銀の粉末を混合する方法、ガラスの粉末を銀の塩に混合する方法、そしてゾルゲル状のガラス前駆物質を銀粉末若しくは銀の塩と混合する方法が含まれる。別の実施の形態では、後で説明するように、ガラス粒子がガラスセパレータの主成分に注入された後、例えば、銀若しくは銀の塩をガラスのマトリックスに注入してもよい。その後その材料を焼成する。適切な銀塩は窒化銀である。好ましい実施形態では、ガラス粉末は、１００μｍ以下の粒子サイズを有する。最も好ましいのは、平均粒子サイズが１３〜１６μｍの範囲であり、銀粉末が４５μｍ以下の粒子サイズを有することである。適切なバインダーは、例えば有機スクリーン印刷用の媒体若しくはインクである。材料を混合し添加したあと焼成を行う。
【００３０】
複合物中の銀は、市販の純粋なものであり、Ａｇが主成分若しくは例えば銀合金である複合材料であっても良い。
【００３１】
もし燃料電池の作動温度が約９００℃を超えない場合、例えば８００〜９００℃の範囲にあるならば、銀をガラス基板においてのみ使用することができる。ガラスとの界面において、銀のイオン交換が起こってもよい。この銀のイオン交換により、このＡｇとガラスとの結合を強固なものとし、界面応力を分散させる
【００３２】
特に、もし燃料電池の作動温度が約９００℃（これは銀の融点を超えている）より高く、例えば１１００℃以下である場合、この銀を、十分高い融点を有する適切な延性金属、例えば金、パラジウム及びプラチナのような１以上の貴金属により合金化しても良い。合金内に存在するＡｇは多くても５０ｗｔ％であることが好ましい。金属を合金化するより高い融点が、界面におけるイオン交換により銀合金とガラスとが結合する能力を低下させる場合、銅のような融点の低い金属を含有させても良い。
【００３３】
Ａｇと組み合わせるより安価な代替材料はステンレス鋼である。Ａｇとステンレス鋼を、ガラスと混合する前に粉状で混合しても良い。
【００３４】
様々なガラスの組成物を、第１層及び第２層の材料に使用してもよい。ガラスの組成物は、燃料電池ガスセパレータが使用される温度及び冷却率において、結晶化（例えば４０重量％以下における結晶化）に対して安定であるべきである。ガラスの組成物は、所定の燃料電池作動範囲（例えば７００〜１１００℃、好ましくは８００〜９００℃）に亘って粘度の変化が小さいことが好ましい。所定の最大作動温度において、ガラスの粘度は、ガラスがその重力によりセパレータから流れ出ることができる程度まで減少すべきでない。
【００３５】
ガラスは、発煙成分が低濃度（例えば１０重量％以下）であるか、または含まれないことが好ましい。例えば酸化鉛、酸化カドミウム、酸化亜鉛及び酸化硫黄及び酸化臭素が全くないか、酸化硫黄及び酸化臭素がわずかに含まれることが好ましい。好ましい燃料電池作動範囲である８００〜９００℃の範囲では、少なくとも１００℃の温度範囲に亘って、粘度の変化が小さいタイプのガラスは一般的に高濃度のシリカガラス（５５〜８０ｗｔ％の範囲のＳｉＯ２を含む）である。そのようなガラスは一般的に比較的低いＣＴＥを有する。
【００３６】
ジルコニアガスセパレータボディに使用するためのそのような高濃度シリカガラスの好ましい組成物及びさらに好ましい組成物を表１に記載している。
（表１）
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【００３７】
複合的な電気伝導性材料を、適切な手段によって孔に注入しても良い。例えば、ガラス粉末若しくは粒子を孔に注入した後、銀塩の溶液若しくは非常にきめ細かい銀材料の懸濁液は、毛管現象等により、孔内のガラス粒子を介して引き込まれるようにしてもよい。この溶液若しくは懸濁液は、例えば第１層及び第２層のそれぞれの一方の面若しくは両面に塗布するような液体被膜である。別の実施形態では、溶解液及び懸濁液を注入してもよい。バインダ中でガラスと銀の材料の粉末を混合したものを、例えばスクリーン印刷若しくはステンシル印刷により、第１層及び第２層のそれぞれの一方若しくは両方の面にプリントし、少なくとも部分的に孔を充填することが最も好ましい。その後、溶融したガラスと銀との複合物は孔に流れこみ、孔を密閉する。適切な加熱／焼成温度はガラス組成と銀材料に依存するが、高濃度シリカガラスマトリクス中に純粋な銀が混合されている場合、６５０〜９５０℃の範囲にあることが好ましい。これは、銀が過度に蒸発せずに、ガラスを最大限溶融することができるからである。
【００３８】
上述のように、孔にプラグ材料を注入する代わりに、プラグ材料を以下に述べた第２発明に係る方法で注入することが好ましい。
【００３９】
第３中間層は、１０〜５００μｍの範囲の膜厚を有することが好ましいが、その膜厚は、ガスセパレータの体積及び高さを最小にするため、上記範囲の下限に近い方が好ましい。そのため、第３中間層の膜厚は、１０〜１００μｍの範囲にあることが好ましく、６０μｍ以下であることが最も好ましい。
【００４０】
第１層、第２層及び第３層の全膜厚（第１層及び第２層上のあらゆる表面形成層をふくむ。）は、厚くても５００μｍであることが好ましい。膜厚は、ガスセパレータプレートを利用する燃料電池セルスタックの全高及び全体積を最小にするため、これより実質的に小さいことが好ましい。
【００４１】
第３中間層を、適切な手段、例えば上述のように第１層及び第２層の一方にスパッタリング、スクリーン印刷、テープ鋳造若しくは他の被膜により形成し、その後、第１層及び第２層のもう一方を第３中間層上に載置しても良い。別の実施形態では、第３中間層材料を、第１層及び第２層の両方に対して被覆しても良い。この第１層及び第２層をその後重ね合わせて中間層を形成しても良い。中間層の材料がプラグ材料と同一である場合、これらのコートの前駆物質のどれかを使用して、第１層及び第２層の一方若しくは両方の孔を充填しても良い。第３中間層は最終膜厚より比較的厚い膜厚で最初重ね合わされる。そして、その後、燃料電池アッセンブリにおいてガスが透過しないように、第１層及び第２層間で圧縮し、第３中間層の密度を高める。そのような圧力を用いて、第３中間層の材料を第１層及び第２層の孔に押し込んでもよい。
【００４２】
即ち、第２発明では、燃料電池ガスセパレータを形成する方法であって、
ガス非透過性材料により形成され、さらにその膜厚方向に孔を有する、ガスセパレータの第１層及び第２層を準備する工程と、
電気伝導性材料からなり、第１の膜厚を有し、さらに前記第１層と第２層との間に置かれる第３層に、上記第１層及び第２層を重ね合わせる工程と、
上記積層された第１層、第２層及び第３層を圧縮する工程とを有し、
上記条件の下では、電気伝導性材料が押し流され、それにより、電気伝導性材料からなる第３層が、上記第１膜厚より薄い第２膜厚を有し、上記電気伝導性材料が、第１層及び第２層の孔に流れ込んで上記孔が塞がれているガスセパレータプレートが作製されることを特徴とする製造方法にある。
【００４３】
第２発明に係る方法は、電気伝導性材料がこの方法で使用する温度において流れるような温度で実施しても良い。
【００４４】
第２発明に係る方法は、第１層及び第２層を貫通する孔が互い違いになるように第１層及び第２層を形成し方向付ける工程を含んでいることが好ましい。
【００４５】
燃料電池ガスセパレータが、確実に、一方のサイドの燃料電池からもう一方のサイドの燃料電池へ電気が透過するように、孔内の電気伝導性プラグ材料は、第１層及び第２層のそれぞれの露出面に拡がっていてもよい。別の実施形態では、露出面に拡がりかつプラグ材料及び／又はガスセパレータとこれに近接する電極との間の界面を保護している電気伝導性被膜を、プラグ材料がその上に有していてもよい。そのような被膜はプラグ材料に依存し、また、第１層又は第２層がどちらの電極に接触しているかということに依存する。例えば、銀若しくは銀ベースプラグ材料に対して、Ｎｉ若しくはＰｔ保護被膜をアノードサイドに設けても良い。任意ではあるが、Ａｇの下地被覆層を有してもよい。そして、Ａｇ−Ｓｎ保護被覆層のようなＡｇ若しくはＡｇ合金をカソードサイドに設けても良い。特に、カソードサイドのＡｇ−Ｓｎ保護被覆層により、上述の銀―ガラス複合物プラグ材料が、他の近接するコンポーネントへの蒸発若しくは「毛管現象」を介して失われることが抑制される。特に、この被膜は、燃料電池作動温度における毛管現象により、銀―ガラス複合物中のガラスが、燃料電池の近接する電極若しくは他の多孔性コンポーネントへと失われていくことを抑制する。また、この被膜は電気接続性を高め、ある程度のコンプライアンスを与える。燃料電池アッセンブリ若しくはスタックが、僅かに異なる高さを有するために、不均一な負荷を分配するように作用する被覆層によりコンプライアンスを与えてもよい。
【００４６】
近接する燃料電池及びガスセパレータ間の電流の流れを高めるため、上述の保護被覆層は、セパレータの電極接触領域に亘って広がっていることが好ましい。アノードに面するサイド上のニッケル、好ましくは市販の純粋なニッケルの被膜は、約１０〜１０００μｍの範囲、好ましくは６０〜１００μｍの範囲の膜厚を有してもよい。特に、第１層若しくは第２層の材料がジルコニアである燃料電池スタックの長時間の熱サイクルの間、Ｎｉ層が、第１層および第２層のそれぞれの一方に連続的に接することを保証するため、銀、好ましくは市販の純粋なＡｇを、第１層若しくは第２層のニッケル被覆層とアノードに面するサイドとの間の電極接触領域上に積層させても良い。銀のそのような層は、約１０〜１０００μｍ、好ましくは２０〜２００μｍの範囲にある膜厚を有していることが好ましく、その延性により、アノードサイド上の全被覆層のコンプライアンスを高めることが好ましい。
【００４７】
第１層若しくは第２層の、カソードに面するサイド上のＡｇ−Ｓｎ合金被膜は、約４〜約２０ｗｔ％のＳｎを含有していることが好ましく、約１０〜１０００μｍ、好ましくは１００〜１５０μｍの範囲にある膜厚を有していても良い。
【００４８】
Ａｇ−Ｓｎ合金被膜は、例えば酸化剤雰囲気で、ガスセパレータの、カソードに面するサイド上に形成されたＳｎＯ２表面層を有していても良い。ＳｎＯ２表面層は、上昇したガスセパレータの使用温度において「蒸発」によるＡｇの損失を抑制する。カソードに面するサイド上の被覆層の電気伝導性を改良するため、この被膜は、Ｐｄ及びＬａ等のドーパントを約１０ｗｔ％まで含んでいても良い。この被覆層のそれぞれは、スクリーン印刷、スピン被覆、マグネトロンスパッタリング等の蒸気析出プロセス、スラリー被覆及びテープ鋳造を含む適切な方法により塗布しても良い。
【００４９】
Ａｇ−Ｓｎ被覆層の代わりとして、セパレータボディの、カソードに面するサイド上に銀層を形成しても良い。カソードサイド上の銀被膜は、１０〜１０００μｍ、好ましくは５０〜２５０μｍの膜厚を有してもよい。
【００５０】
上述の被覆層の代わりとして、または追加して、メッシュ若しくは他の集電体のそれぞれを、近接する燃料電池のガスセパレータ及び電極間に挿入しても良い。このメッシュ若しくは他の集電体は、ガスセパレータのカソードサイド上の空気若しくは他の酸素含有ガス、及びガスセパレータのアノードサイド上の燃料ガスが、近接する燃料電池電極を通過するガス通路として規定しても良いし、部分的に規定しても良い。
【００５１】
集電体により規定された、もしくは部分的に規定された上述のガス流通路の代わりとして、またはそれに追加して、ガスセパレータの電極接触領域に表面形成層を設け、ガス流通路を規定しても良い。この表面形成層は、第１層及び第２層の材料に積層するように形成され、第１層及び第２層の表面に対して添えられた平行リッジ状の形態をとっても良い。この表面形成層は、必要なガス流を与えるための適切な高さを有しても良い。例えば、約７５０μｍ、好ましくは約５００μｍの高さである。
【００５２】
ある実施の形態では、プラグ材料で充填された孔が、セパレータの両サイドにおいて、パラレルリッジのアレイにより被覆されていることが好ましい。このアレイは、ガス流の所望の方向に対してパラレルにのびる。ガスセパレータの反対サイドのリッジは、燃料ガス及び酸素含有ガスが、並行流若しくは対向流又は直交流若しくはクロス流であるかに依存するが、それぞれに対して平行にのびても良いし、垂直に伸びても良い。このリッジを、電気伝導性を有し、さらに燃料電池作動環境において構造的及び化学的に安定で適切な材料により形成しても良い。ある実施形態では、このリッジを、セパレータ上の上述のＮｉ及び銀若しくはＡｇ−Ｓｎ被覆層に接続しても良いし、若しくは、Ｎｉ被覆層が存在する場合は、Ｎｉ被覆層を介してＡｇ下地被覆層に接続しても良い。ガスセパレータの各サイド上のリッジは、リッジが接触する各電極と同一の材料から形成されることが好ましい。このように、カソードサイドにおいて、リッジを、ランタニウム、ストロンチウムマンガン酸塩のような、電気伝導性のペロブスカイトであって、好ましくは、約１００μｍ以下、より好ましくは約５０μｍの膜厚の金属性銀被覆層により被覆されたペロブスカイトにより形成されていてもよい。アノードサイドにおいて、このリッジを、約１００μｍ以下、好ましくは約５０μｍの膜厚の金属性ニッケル被覆層を有する、ニッケルジルコニアサーメットにより形成されていても良い。
【００５３】
（発明を実施するための最良の形態）
本発明に係る燃料電池ガスセパレータプレートの様々な実施の形態を、添付の図面を参照することによって、具体的な言葉により記載している。
【００５４】
図１に関して説明する。本発明に係る燃料電池セル１２とガスセパレータプレート１４が交互に積層されたアレイ１０が図示されている。燃料電池セル１２は、平面状であり、固体酸化物電解質支持層１６からなる。この固体酸化物電解質支持層１６は、一方のサイドにアノード層１８を、もう一方のサイドにカソード層２０を有する。電解質は、３Ｙ、８Ｙ若しくは１０Ｙのようなイットリア安定化ジルコニアであることが好ましい。アノードは、ニッケルジルコニアサーメットであることが好ましく、カソードはランタニウムストロンチウムマンガン酸塩のような伝導性ペロブスカイトであることが好ましい。このような固体酸化物燃料電池はよく知られており、これ以上詳しく述べることはしない。
【００５５】
各ガスセパレータプレート１４は、第１及び第２の外部層２２及び２４、さらに第３中間層２６を有する、３層サンドイッチ構造を有する。
【００５６】
第１及び第２層は、燃料電池セル１２の電解質支持層１６のＣＴＥを実質的に合わせるために、ジルコニアで形成されることが好ましい。このジルコニアは、イットリアで安定化されていても良い。しかし、例えば、２０ｗｔ％間でのアルミニウムを含有するアルミナ添加ジルコニアであっても良い。
【００５７】
このジルコニアは、電気的伝導性を有さないが、第１層２２及び第２層２４のそれぞれは、電気的伝導性プラグ材料により充填された複数の孔２８であって、膜厚方向に亘って垂直に延びる孔２８を有する。プラグ材料は、市販の純粋な銀、銀合金若しくはガラス中に混合された銀のような、銀ベース材料であることが好ましい。好ましい実施形態では、このプラグ材料は、ガラスの中に８０ｗｔ％の銀が混合されたものである。この銀は、市販の純粋なものであり、ガラスは０.８−１.２ｗｔ％Ｎａ２Ｏ、８.９−９.２ｗｔ％Ｋ２Ｏ、＜０.１ｗｔ％ＭｇＯ、１.４−１.５ｗｔ％ＣａＯ、＜０.１ｗｔ％ＳｒＯ、３.１−４.２ｗｔ％ＢａＯ、７.２−１０.２ｗｔ％Ｂ２Ｏ３、６.２−６.６ｗｔ％Ａｌ２Ｏ３、及び６８.８−７０.４ｗｔ％ＳｉＯ２からなる組成物を有する。
【００５８】
各ガスセパレータプレート１４の第１層及び第２層内の孔２８は、第１層内の孔が、第２層内の孔と一致しないように、互い違いに形成されている。第３中間層２６の材料は、第１層及び第２層内のプラグ材料と同一であり、６０μｍ以下の膜厚を有する。
【００５９】
孔は、断面の平均的な大きさが約３００μｍであり、プラグ材料３０は、この孔を密閉しプラグ材料の全断面積は、第１層及び第２層のそれぞれのうちのどちらかの一方のサイド上の電極接触領域の表面積１０００ｍｍ２に対して０．２〜５ｍｍ２の範囲にある。
【００６０】
図２は、ガスセパレータプレート１４を形成する一つの方法を示している。この方法において、第３中間層の材料のより薄い層（例えば、約２００μｍ）が、第２層２４の内部表面上にスクリーン印刷される。このスクリーン印刷を、室温で若しくは室温近くで実施しても良い。この前駆物質は、１００μｍ以下の粒径サイズ、１３から１６μｍの範囲の平均サイズを有する紛状のガラス、および４５μｍ以下の粒径サイズを有する金属銀の粉末をバインダ中で機械的に攪拌することにより、形成された複合物である。適切なバインダ系は、商標名ＣＥＲＤＥＣおよびＤＵＲＡＭＡＸとして入手可能なスクリーン印刷インクの複合物である。
【００６１】
図２に示したように、コートされた材料のいくらかは、被覆プロセスの間に第２層内の孔２８に入り込む。その後この第１層２２は、第２層上の第２層の、コートされた材料上に積み重ねられる。第１層内の孔２８は、第２層内の孔２８に対して交互に形成されている。その後、十分な圧力を第１層２２を介して加えられ（図２の下向き矢印により示されている）、この材料を押し流す。これにより、第３層の前駆物質材料を所望の膜厚まで薄くし、複合材料を、第１層２２の孔２８だけでなく第２層２４の孔２８にも押し込み電気伝導性プラグとして作用させる。その後、ガスセパレータプレートは、約８５０〜９２０℃の温度で焼成し、ガラスを溶融し、ガラスマトリクス内の連続電気的伝導性パス内で銀を焼結させる。燃料電池の作動温度において、複合物内のガラスは粘性を有する液体である、ガスバインダーを形成する。一方、銀は、電気伝導性を与える。低い温度で、若しくは運転停止した状態で、複合物中の溶融粘性ガラスは、固体／硬直状態へと戻る。複合材料が、この状態においてダメージを受けた状態であるならば、一旦それが作動温度に戻れば、ガラスは液体状態に戻り、そして、密閉特性を回復するだろう。
【００６２】
同様の形成プロセスを適用しても良い。電気伝導性材料が、金属銀、銀複合物若しくは銀合金を含有し、この金属、合金粉末がスラリー内に形成され、スクリーン印刷される。
【００６３】
その後、ガスセパレータプレート１４の外部表面を、任意ではあるが、アノードサイドおよびニッケル被覆間の銀の層を有し、カソードサイド上にＡｇ−Ａｎ合金の伝導性層で、アノードサイド上にニッケル金属の伝導性層で被覆し、電気伝導性パスを保護する。ＳｎＯ２の層はＡｇ−Ｓｎ被覆層を被覆しても良い。この被膜の延性は、コンポーネントのわずかな高さの違いのため、燃料電池スタック内の不均一な負荷の分配を発生させるストレスを緩和しても良い。確実に、電気伝導性パスを、孔および第３中間層を介して、ガスセパレータプレート１４の外部表面の一方から他方へ（図１に示した上方向の矢印により示されるように）与えられるように、この被膜は、また外側から孔２８を充填し、燃料電池スタックの、近接する多孔質層にガラスを運ぶことを緩和するように作用させてもよい。この被覆のための塗布プロセスに関して、以下に詳細に説明している。
【００６４】
再び図１を参照して説明する。一つの集電体３２が、燃料電池セル１２およびガスセパレータプレート１４の上部の対の間に概略的に示されている。そして、これは、２つの構造体間のガス流の通路を規定しても良い。そのようなガス流の通路は、ガスセパレータと燃料電池とが近接するそれぞれの対の間にあることが必要である。しかし、便宜のため、図１および２から省略している。これらは、図３〜９に関して記載され、図示されているように上記被膜に亘って、ガスセパレータプレート１４の外部表面上のリッジ状であることが好ましい。
【００６５】
図３、４及び５を参照して説明する。固体酸化物型燃料電池スタックアッセンブリ１０２は、スタック１０３を有する。このスタック１０３は、セルプレート１１０とガスセパレータプレート１３０の形態をとる燃料電池コンポーネントを交互に積層している。セルプレート１１０とガスセパレータプレート１３０は、管状の外被１０４内において保持される。セルプレート１１０の全ては、同じ形状をしており、また、ガスセパレータプレート１３０の全ても同じ形状をしている。図１および２に示したプレートに関して説明すると、一般的に、これらのプレートは、それぞれ、スタック１０３内に２０から５００存在する。共流マニホールドシステムにおいて、燃料ガス及び空気をスタックアッセンブリの軸方向の一方の端面から供給し、排出されたガスを、もう一方の端面から回収する。それぞれの端面は、供給機能及び排出機能に適している。しかし、別の実施の形態では、マニホールドシステムは、交互対向流であっても良い。記載された共流型の実施の形態において、燃料及び空気の供給は、ともに、底面で行われ、排出は上面で行われる。多くの条件下では、対向流型配置において、燃料を底面から供給し、空気を上面から供給することが好ましい。また、別の実施の形態において、ガスの供給と排出の全てを同じ端面で行っても良い。
【００６６】
次に、図３から８を参照して説明する。各セルプレート１１０は、略中央に位置する矩形アノード層と、略中央に位置するカソード層とを備え、略矩形の燃料電池１１２を形成する。ここで、アノード層は、電解質ベースのセルプレートの上面に位置し、カソード層は、セルプレートの下面に位置する。
【００６７】
このセルプレート１１０及びセパレータプレート１３０は、同じ外形を有する。この外形は、略トリロビュラー形（trilobular）（即ち、円形と三角形との間の形状）である。別の表現をすれば、この形状は、曲線的な突出部が円形から延びるような略円形の形状である。突出部１７４及び１７６の２つは、同じ大きさであり、三番目の突出部１７２は、プレートの周辺から、他のものよりさらに約５０％増しで延びている。それぞれの突出部１７２、１７４及び１７６において、腎臓のような形状をしたアパーチャー（セルプレートにおいては、１１４、１１６及び１１８と、セパレータプレートにおいては、１１５、１１７及び１１９と番号を付けている）が、プレートを貫通して延びている。より大きな突出部１７２は、より大きなアパーチャー１１４又は１１５を備える。プレートの面上のリブ若しくは隆起した形状のシールシステムは、スタック内において、ガスの流れを方向付ける。これらのシールについて、以下に詳細に説明する。しかし、他のタイプのシール（ガスケットシールを含む）を使用しても良いことは明らかである。
【００６８】
燃料供給マニホールド１０５及び排気回収マニホールド１０６により、プレートの空気極を通って、アノード極まで、燃料挿入及び排気の流れを導く。燃料供給マニホールド１０５及び排気回収マニホールド１０６は、それぞれ、配列された３つの一連のアパーチャー、即ち、セルプレートおよびガスセパレータプレート内のアパーチャー１１４と１１５、１１６と１１７及び１１８と１１９により規定され、プレート１１０及び１３０のシール構成要素を連結することにより形成されている（図３参照）。空気供給用マニホールド１０７及び回収マニホールド１０８を、それぞれ、スタック１０３の外周と外被１０４の内壁との間に形成された３つの部分により形成する。基本的に、マニホールド１０７を、プレートの突出部１７４と１７６との間に形成する。そして、２つの排気マニホールド１０８を、プレートの突出部１７２と１７４との間、及び突出部１７２と１７６との間のそれぞれに形成する。空気供給マニホールド１０７は、２つの排気マニホールド１０８より約５０％大きい中心角を有し、燃料導入若しくは供給用マニホールド１０５の反対側に位置する。細長い滑動式の繊維質シール１０９は、それぞれ、スタック１０３と外被１０４の内壁との間でスタックに沿って突出部１７２、１７４及び１７６に近接するように延在しており、２つの空気回収マニホールド１０８と空気供給マニホールド１０７とを分離する。繊維質シールは、マニホールド１０７及び１０８間のある程度の漏れは許される。これは、スタックの作動に不利益とはならないようである。
【００６９】
外被１０４は、適当な耐熱性鋼鉄シート材料により作製されている。この鋼鉄シート材料には、適当な絶縁性材料を配していても良い。外被１０４は、プレート１１０及び１３０を互いに組み合わせたあと、スタック１０３にスライドするように被せる。
【００７０】
スタックの動作中、燃料ガスは、より大きなアパーチャー１１４を通って、燃料電池アノード面を横切って流れ（矢印Ａ）、その後、その流れは分かれ（矢印Ｂ及びＣ）、近接するように配置されたガスセパレータプレート１３０の排気ポートアパーチャー１１７及び１１９のどちらかを通って排出される。ここで、アパーチャー１１４は、各セルプレート１１０上における入口ポートである。セルプレート１１０の反対面において、スタックと外被の間の挿入マニホールド１０７を通じてスタック１０３の側面に沿って上昇してきた空気は、スタック１０３の周辺からカソード極の面を横切るように内側へ流れる（矢印Ｄ）。これは、燃料電池アノードを横切って流れる燃料ガスとは逆向きである。その後、流れが分けられ、スタック１０３の周辺から排出され（矢印Ｅ及びＦ）、さらに、排出マニホールド１０８を通って、スタックの上部まで上昇を続ける。
【００７１】
図６を参照して説明する。図６では、スタック１０３において使用される略平面状のセルプレート１１０をより詳細に示している。プレート（アノード極は見ることができる）上の矩形の燃料電池１１２は、電解質によって支持された構造を有しており、プレート１１０の主要なボディを形成するように広がった電解質材料によって支持されている。電解質は、イットリア安定化ジルコニアであることが好ましく、適当な３Ｙ、８Ｙ及び１０Ｙ材料が、この技術分野において知られている。アノードは、ニッケルジルコニアのサーメット（cermet）であることが好ましく、カソードは、ランタニウムストロンチウムマンガン酸塩などの伝導性ペロブスカイトであることが好ましい。セルプレート１１０及びカソードの下面が、図５に示されている。
【００７２】
一対の平行リブ１２０及び１２１は、セルプレート１１０の平面状の表面１２４から突出している。この平行リブ１２０及び１２１は、その間に、谷状部若しくは溝部１２２を形成する。スタックが使用されるとき、この表面１２４は、セルプレートのアノード表面の上面である。このリブをジルコニアで作製し、プレートの主要ボディを用いて一体に形成しても良い。また、例えばスクリーン印刷されたスラリーによって、別々に形成し、焼成して主要ボディと一体化させても良い。各リブ１２０及び１２１は、燃料ガスを接触させることが許されている領域の外周を囲むように、また、セルプレートを貫通するアパーチャー１１４、１１６及び１１８の外側に、連続的なパス若しくは閉ループを形成する。特に、リブ１２０及び１２１により形成された閉ループは、アノードに沿って絞られた形状をしており、燃料ガスを挿入アパーチャー１１４からアノードへと方向付ける。
【００７３】
図３〜９の全ての図面において、プレート１１０及び１３０の膜厚やリブの高さは、構成要素の説明をしやすいように、かなり誇張している。この実施の形態において、燃料電池１１２は、２５００ｍｍ２であり、セルプレートの膜厚は、１５０μｍであり、リブは、およそ５００μｍの高さ、１ｍｍの幅を有し、およそ２ｍｍ離れている。
【００７４】
各燃料セルプレート１１０の下側、即ちカソード側１５４には、図５に示すように、各シングルリブ１３４（大きさ及び作製方法といった点はリブ１２０及び１２１と同様である）がプレートを貫通したアパーチャー１１４、１１６及び１１８の周りに延在している。アパーチャー１１６及び１１８の周りの各リブ１３４は、アーム１３５を有する。このアーム１３５は、燃料電池１１２のカソード層に沿って、アパーチャー１１４に向かって（しかし、それは短い）内側へ延び、導入された空気をカソード上へガイドする。リブ１３４の一方を図９に示しており、この図を参照しながらリブシールの使用方法を説明する。
【００７５】
図７及び８は、平面状のガスセパレータプレート１３０をより詳細に示している。図７において、スタックが使用されているとき、表面１３３はセパレータプレート１３０の上面にあって、カソードが接触する表面である。一対の平行リブ１３６及び１３７は、セパレータプレート１３０の平面状表面１３３から突出している。この平行リブ１３６及び１３７は、これらの間に谷状部若しくは溝部１３８を形成する。一対の平行リブ１３６及び１３７は、サイズ、スペース及び作製方法という点では、リブ１２０及び１２１と同様である。しかし、これらは、プレート１３０上でアパーチャー１１５、１１７及び１１９の周りに広がり、近接するセルプレート１１０のカソードサイドのリブ１３４と係合する。アパーチャー１１７及び１１９に対応する各リブ１３６は、二重の壁を持つアーム１３９を有する。このアーム１３９は、その末端において閉じられており、対応するリブ１３４のアーム１３５と係合する。
【００７６】
各ガスセパレータプレート１３０の下面、即ちアノードに接触する面１３２には、シングルリブ１４２が示されている（図８及び部分的に図７）。リブ１４２は、サイズ及び形成方法はリブ１２０及び１２１と同様であり、プレート１３０上で燃料ガスが接触することが許される領域の外周を囲むように、また、アパーチャー１１５、１１７及び１１９の外側に連続パスを形成する。リブ１４２の輪郭は、近接するセルプレート１１０のアノード表面上のリブ１２０及び１２１間の溝部１２２に対応し、シールを形成するときにこれらのリブと係合する。
【００７７】
図９を参照して以下に説明するように、ガラスシール剤１４０を谷状部１２２及び１３８の両方に使用して、リブ間にシールを形成する。
【００７８】
各セパレータプレート１３０を、図１および２に関連して記載しているように、セルプレート１１０の主ボディのＣＴＥと実質的に調和するジルコニアで作製された第１および第２外部層により作製する。これにより、始動オペレーション及びシャットダウンの間に、アッセンブリ内に生じる熱ストレスを最小に抑えることができる。酸化ジルコニウムを、酸化イットリウムにより安定化しても良いし、例えば、酸化アルミニウムを２０ｗｔ％まで、より好ましくは１５ｗｔ％まで加えた酸化アルミニウム含有酸化物ジルコニウムとしてもよい。第３の中間電気伝導性層を、サンドイッチ構造の外部層間に配置する。
【００７９】
酸化物ジルコニウムは、電気伝導性ではない。セパレータプレート１３０の外部層は、孔１５０のアレイを有し、この孔１５０は、第３中間層の電気的伝導性のプラグ材料で充填され、この第３中間層まで膜厚方向に垂直に延びている。これらの孔を、レーザカットにより形成しても良い。また、これらの孔は、プレート１１０の燃料電池１１２により占められた領域に対向するプレート１３０の領域を占めても良い。図１および２のように、第１層および第２層中の孔１５０が、それぞれに対して互い違いに形成され、第３中間層に接続されている。プラグ材料は、金属銀（市販の純粋なもの）であっても良い。この銀の孔を標準的なメッキ技術若しくはプリント技術を用いてメッキする。別の実施の形態では、電気伝導性材料は、ガラス中に存在する銀複合物、銀混合物若しくは銀合金等の銀混合物、銀合金、若しくは銀複合物であっても良い。適切な合金用元素若しくは材料には、金、パラジウム及びプラチナが含まれる。別の実施の形態では、孔内で焼結する前に、銀を例えば粉状のステンレス鋼と混合しても良い。好ましい実施の形態において、第３中間層を、銀―ガラス複合物により形成し、孔を銀−ガラス複合物により充填する。この銀―ガラス複合物は、図１及び２に関して記載されたタイプの複合物であり、図１及び２に関して記載された方法により作製される。
【００８０】
孔は、３００μｍの平均断面径を有する。プラグ材料で孔を密閉することにより、各電極に接触する領域１０００ｍｍ２あたりのプラグ材料の全断面積がプレートの一方の面で測定して０．２〜５ｍｍ２の範囲にあるようにする（これをプレート１３０の一方の面だけで測定している）。各孔を充填し、電気的伝導性の銀をベースとするプラグを、アノードサイドでは保護被膜Ｎｉでメッキし、また、カソードサイドではＡｇ−Ｓｎ被膜でメッキすることが好ましい。被膜は、プレートの電極に接触する領域全体に亘って広がっていることが好ましい。ニッケル被膜は、Ｎｉがセパレータボディに接着しやすいようにするため、また、被膜の弾力性（コンプライアンス）を高めるために、Ａｇ下塗り層を有していても良い。そして、Ａｇ−Ｓｎ被膜は、結果として酸化されたＳｎＯ２表面層を有していても良い。そのような皮膜によって、例えばバインダ中の粉末材料をスクリーン印刷した後に焼成する方法により、外部から孔１５０を埋め、ガスセパレータプレートの一方の表面から他方の表面まで通じる孔を介して電気的な導電パスが形成されるようにしても良い。純粋に具体例として示せば、ニッケル被膜、Ａｇ被膜（仮に存在する場合）、及びＡｇ−Ｓｎ被膜は、それぞれ６０−１００μｍ、２０−２００μｍ、及び１００−１５０μｍの範囲の膜厚を有しても良い。別の実施形態では、カソードサイドのＡｇ被覆層が、５０〜２５０μｍの範囲の膜厚を有しても良い。
【００８１】
被服材料を、適切なバインダを使用して作製された金属のペースト、金属粉末若しくは合金粉末をスクリーン印刷する方法、金属、金属粉末若しくは合金粉末を浮遊させることを使用したスピン被覆法、マグネトロンスパッタリングのような物理的蒸気析出プロセス、スラリー被覆法、若しくはテープ鋳造法を含む適切な方法により塗布し、必要とされる膜厚及び硬さを達成しても良い。
【００８２】
特定の実施形態では、約８０μｍの膜厚を有するニッケル被覆層を、電極接触領域のアノードサイド上に形成してもよい。これは、市販の適当な有機バインダに溶解したＮｉ粉末のペーストを、Ａｇ下地層を使用せずスクリーン印刷し、その後このＮｉ層を焼成することにより形成する。最初、Ｎｉ層を第１の焼成で酸化させた。その後、水素若しくは燃料ガスのような還元雰囲気中で焼成している間、Ｎｉ酸化物を減少させ、ガスセパレータプレートのアノードサイド上の電極接触領域と積極的に接続されたＮｉ層は、シール内のプラグ材料を保護し、ニッケル層の延性のため、スタック内にある程度のコンプライアンスを与える。
【００８３】
特定の実施の形態のカソードサイドには、約１４０μｍの膜厚を有するＡｇ−Ｓｎ合金層を、有機バインダ中の合金粉末のペーストをプリント印刷することにより、電極接触領域上に作製した。この合金粉末はＡｇ中に８〜１０ｗｔ％のＳｎを含有していた。スクリーン印刷に続いて、酸化剤雰囲気において、５００〜９５０℃の範囲の温度でこの被膜を焼成した。この間、連続するＳｎＯ２表面層を被覆層上に形成した。ニッケル層に関して言えば、Ａｇ−Ｓｎ合金層は孔内のプラグ材料を保護し、ガスセパレータプレートの一定の抵抗を低下させ、その延性のためある程度のコンプライアンスを与える。
【００８４】
各プレート１３０の面１３３上において、カソードに接触する領域に、平行リッジ部１４８の配列を空気の流れに対して平行に配置させる。これらのリッジ部１４８を、対応する孔１５０の列及びＡｇ−Ｓｎ被膜上に配列する。説明を補助するため、図４及び７において、リッジ部１４８の約半分が取り除かれている。リッジ部１４８は、２つの大きな機能を果たす。第一に、それらは、孔１５０のプラグ材料若しくはＡｇ−Ｓｎ被膜と燃料電池１１２との間の伝導性パスを提供する。第二に、それらは、薄くてもろいセルプレートを支持するための物理的なサポートを提供し、また、セルプレートとセパレータプレートとの間の狭いスペースにガスの流れを配分する手段を提供する。リッジ部１４８は、電気的伝導性及び構造的安定性の両方を有することが必要である。リッジ部１４８は、およそ５００μｍの高さを有し、カソードのＬＳＭ材料と同様の伝導性ペロブスカイトで形成されていても良い。任意ではあるが、リッジ部上に約５０μｍの膜厚の金属銀被膜を有していても良い。
【００８５】
プレート１３０の下面（即ち、図８に示した表面１３２）において、充填された孔１５０の列、及びＮｉ被膜及び／又はＡｇ下地層を、平行リッジ部１６２のアレイにより被覆する。この平行リッジ部１６２のアレイは、燃料ガス流れに対して平行に位置する。さらに、リッジ部１６２の約半分を、図５及び８に示すように取り除き、構造を見易くしている。リッジ部１６２は、電流集電体の役割を果たし、それにより、孔１５０内のプラグ材料若しくは被膜とアノードとの間を電流が流れる。平行リッジ部１６２のアレイは、セルプレートに対して、物理的なサポートを与え、さらに、セルプレートとセパレータプレートとの間の狭いスペースに、ガスの流れを方向付け配分するための手段を与える。リッジ部は、およそ５００μｍの高さを有し、アノードと同じ材料からなる。任意ではあるが、リッジ部は、ニッケルの被覆材（およそ５０μｍの膜厚）を有していても良い。
【００８６】
図９を参照して説明する。ガラスシール剤１４０のプールは、リブ１３６と１３７との間に位置し、リブ１３４によって押し込まれている。各リブは、反対に傾いた側壁及び端面を有するテーパ状である。この配置は、リブ１２０及び１２１とリブ１４２との関係にも適用できるが、個別には記載しない。製造時には、ガラスを粉末として加え、スタックを組み立てた後に、スタックを加熱しガラスを溶融して必要なシールを形成する。従って、バインダは必要でない。スタックの作動中、ガラスシール剤１４０は完全に溶融されるが、しかし、高い粘性を有する。ガラスシール剤１４０は、以下の３つの実施の形態のうちどれかの溝部１３８に保持される。これらの実施の形態は、図９に全て示されているわけではない。ガラスは、０−０．７ｗｔ％のＬｉ２Ｏ、０−１．２ｗｔ％のＮａ２Ｏ、５−１５ｗｔ％のＫ２Ｏ、０−２ｗｔ％のＭｇＯ、２−１２ｗｔ％のＣａＯ、０−２ｗｔ％のＳｒＯ、２−１０ｗｔ％のＢａＯ、２−１０ｗｔ％のＢａ２Ｏ３、２−７ｗｔ％のＡｌ２Ｏ３、５０−７０ｗｔ％のＳｉＯ２、０−２ｗｔ％のＺｒＯ２の組成範囲を有することが好ましい。
【００８７】
第一の実施の形態では、リブ１３４の側壁１５２の少なくとも一方が溝部１３８の側面１５８から離間し、リブ１３６及び１３７の端面１６０及び１６１が、プレート１１０の基準面１５４から離間するように、リブ１３４の端面１５１を、溝部１３８のフロアー１５６に接触させる。この場合、ガラスのシール剤１４０は、間を隔てられた側面１５２と１５８との間で表面張力により保持される。
【００８８】
好ましい第二の実施の形態において、側面１５２の少なくとも一方が側面１５８から離間し、端面１５１がフロアー１５６から離間するように、端面１６０及び１６１を基準面１５４に接触させる。この場合、シール剤１４０は、リブ１３４の端面１５１とフロアー１５６との間に保持され、シール剤のいくらかは、空隙を有する側面１５２と１５８との間を外側に移動している。
【００８９】
第三の実施の形態では、端面１６０及び１６１が基準面１５４から離間し、端面１５１がフロアー１５６から離間するように、両側面１５２を対応する側面１５８に嵌合させる。この場合、シール剤１４０は、端面１５１とフロアー１５６との間を満たす。
【００９０】
図１０を参照して説明する。ガスセパレータプレート２１２上に積み重ねられている燃料電池プレート２１０を分解して示している。使用時において、プレート２１０及び２１２は、少なくとも対向するように接触し、燃料電池セルプレート２１０及びガスセパレータプレート２１２が交互に積層されたスタックとして存在する。
【００９１】
このプレート２１０及び２１２は、カソード層２１４の上方から遠近法により見たものである。このカソード層２１４は、燃料電池セルプレート２１０の電解質層２１６上に見られる。カソード層２１４に対応するアノード層（不図示）を燃料電池セルプレートの下面（図示されている）上に備える。
【００９２】
燃料電池セルプレート２１０及びガスセパレータプレート２１２は、略円形であり、燃料入口開口部２１８、燃料出口開口部２２０、空気入口開口部２２２及び空気出口開口部２２４により内部マニホールドが形成されている。上記開口部は、プレートが積層されるときそれぞれ配列されるものである。ガスケットタイプのシール２２６及び２２８のそれぞれを、燃料電池セルプレート２１０及びガスセパレータプレート２１２のそれぞれの上面（図示されている）に備える。このガスケットタイプシール２２６及び２２８は、ガラス組成物及びガラス複合物から形成されていることが好ましい。
【００９３】
このシール２２６は、空気入口通路と関連する入口ポート２３０と、空気出口通路２２４と関連する空気出口ポート２３２を有し、空気を、カソードと近接するガスセパレータプレート（不図示）間のカソード層２１４を通過させる。このシール２２６は、燃料入口通路２１８及び出口通路２２０の全体に広がり、燃料が燃料電池セルプレート２１０のカソードサイド上を流れることを防止する。
【００９４】
同様に、ガスセパレータプレート２１２上のシール２２８は、空気入口通路２２２及び空気出口通路２２４全体に広がるが、しかし、燃料入口通路２１８及び燃料出口通路２２０のみ広がっていない。これは、燃料ガスが、燃料出口通路２２０から出る前に、燃料電池セルプレート２１０及び近接するガスセパレータプレート２１２間を、燃料入口通路２１８からアノードを通って流れるようにするためである。
【００９５】
反応ガスを各電極に分配し、燃料ガスセルスタック内のプレート２１０及び２１２の全てのための支持する手段（不図示）を備える。このような手段は、例えば図３から９に関連して記載しているような、ガスセパレータプレート２１２上の表面形成層の形態を取っていても良い。若しくは、燃料電池セルプレート２１０上の表面形成層の形成を取っていても良い。別の実施形態では、このプレート間のセパレータ部、例えば集電体として作用するメッシュ若しくは波形の構造体により、ガスを分配しても良い。
【００９６】
上述のように、カソード材料はランタニウムストロンチウムマンガン酸塩のような、多孔質の伝導性ペブルスカイトであることが好ましく、アノードは、多孔質のニッケルジルコニアサーメットにより形成されていることが好ましい。
【００９７】
電解質層２１６は、３Ｙ、８Ｙ若しくは１０Ｙのようなイットリア安定化ジルコニアであることが好ましく、電極層上に広がり、内部マニホールドが形成された燃料及び空気入口及び出口通路を規定し、シール２２６を支持し、そしてガスセパレータプレート２１２上にシール２２８のための接触表面を提供する。
【００９８】
ガスセパレータプレートは、燃料電池セルプレート２１０に対して同様の外形を有し、ジルコニア外部層のサンドイッチ構造を有し、燃料電池の電解質層２１６のＣＴＥと、電気伝導性の第３中間層のＣＴＥとを実質的に揃える。ガスセパレータプレート２１２のジルコニアは、イットリアで安定化されていてもよく、例えば２０ｗｔ％までのアルミナを有する、アルミナ添加ジルコニアであってもよい。
【００９９】
外部層のジルコニアは、電気伝導性を有さず、ガスセパレータプレート２１２の機能の一つが、ある燃料電池から次の燃料電池へスタックを介して電流を流すことであるので、互い違いに形成された電気伝導性通路２３４を、外部層の平面上の中央部分若しくは電極接触領域２４０の膜厚方向に備える。これらは、形状及びサイズにおいて、近接する電極に対応し、第３中間層と接続する。通路２３４は、銀、若しくは銀ベースの材料を含有するプレート２１２の外部層を介して略垂直の孔を備える。これらは、図１〜９に関連して記載されているように、第３中間層に沿って形成される。ガスセパレータプレート２１２を通過する通路２３４は、見えるように図示されているけれども、これらは本明細書で上述したように、各サイド上の中央部分２３６上に亘って電気伝導性被膜により被覆されている。
【０１００】
上記記載は、本発明の好ましい実施の形態を示すが、本発明の基本的特徴、精神若しくは範囲から離れない範囲で、上記のような部品の作製及び配置において、多くのバリエーション、変形、修正、及び／又は付加をしても良い。
【０１０１】
この明細書において使用されている"comprise"という単語及び"comprises"、"comprising"のような変形した単語は、別段の意味がなければ、述べられた１つの要素に含有されることを意味するが、しかし、他の要素を排除するものではないことは理解されるであろう。
【０１０２】
本明細書における先行技術を参照することにより、一般常識と捕らえるべきではないし、そのような先行技術が、共通の一般常識を形成することを示唆するものと捕らえるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】図１は、本発明に係るガスセパレータプレートのある実施形態を組み込んだ燃料電池スタックの概略分解斜視図である。
【図２】図２は、製造プロセスにおける、図１に図示した燃料電池ガスセパレータプレートの一つを概略的に示した側面図である。
【図３】図３は、本発明に係るガスセパレータプレートの別の実施形態を組み込んだ燃料電池セルスタックの平面図である。
【図４】図４は、図３に示されるスタック内のセルプレート及びガスセパレータプレートの一般的な方向を示した図であって、下方向に眺めた概略分解斜視図である。
【図５】図５は、図４に示されたものと同様の分解配置において、セルプレート及びガスセパレータプレートを上向きに眺めた概略斜視図である。
【図６】図６は、図４に示されたセルプレートの一つの上面の斜視図である。
【図７】図７は、図４に示したガスセパレータプレートの一つの上面の切り欠き斜視図である。
【図８】図８は、図７に示されたガスセパレータプレートの下面の切り欠き図である。
【図９】図９は、図３及び４に示されたプレート間のガス密閉アッセンブリの部分の概略断面図である。
【図１０】図１０は、関連する２つの燃料電池セルプレートを用いて示された、本発明に係るガスセパレータプレートの他の実施形態の分解斜視図である。
【図１】
2005518652.tif 000004
【図２】
2005518652.tif 000005
【図３】
2005518652.tif 000006
【図４】
2005518652.tif 000007
【図５】
2005518652.tif 000008
【図６】
2005518652.tif 000009
【図７】
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【図８】
2005518652.tif 000011
【図９】
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【図１０】
2005518652.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成15年5月15日(2003.5.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス非透過性材料により形成された第１層と、ガス非透過性材料により形成された第２層とを含み、上記第１層及び第２層は、電気伝導性プラグ材料により閉じられた孔をその膜厚方向に有し、
さらに、上記第１層と第２層との間に第３中間層を含み、該第３中間層は、電気伝導性を有し、上記第１層及び第２層を貫通する孔内の前記プラグ材料に電気的に接続されていることを特徴とする燃料電池ガスセパレータ。
【請求項２】
前記第１層及び第２層の材料が同一である請求項１記載のガスセパレータ。
【請求項３】
前記第１層及び第２層のそれぞれの材料がジルコニアである請求項１又は２記載のガスセパレータ。
【請求項４】
前記ジルコニアが、イットリアにより安定化されている請求項３記載のガスセパレータ。
【請求項５】
前記ジルコニアが、約２０ｗｔ％以下のアルミナを含有する請求項３記載のガスセパレータ。
【請求項６】
前記第１層及び第２層のそれぞれの膜厚が、２０〜２５０μｍの範囲にある請求項１〜５のいずれかに記載のガスセパレータ。
【請求項７】
前記第３中間層の膜厚が、１０〜１００μｍの範囲にある請求項１〜６のいずれかに記載のガスセパレータ。
【請求項８】
前記第３中間層の電気伝導性材料が、輝コバルト鉱、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、前記金属を１以上含有する合金、及び他の銀ベース材料から選ばれる請求項１〜７のいずれかに記載のガスセパレータ。
【請求項９】
前記第３中間層の材料が、電気伝導性プラグ材料と同一である請求項１〜８のいずれかに記載のガスセパレータ。
【請求項１０】
前記孔が、前記第１層及び第２層の膜厚方向に対して垂直に延びる請求項１〜９のいずれかに記載のガスセパレータ。
【請求項１１】
前記第１層内の孔が、第２層内の孔に対して互い違いに形成されている請求項１〜１０のいずれかに記載のガスセパレータ。
【請求項１２】
各孔の断面の平均的な大きさが、５０〜１０００μｍの範囲にある請求項１〜１１のいずれかに記載のガスセパレータ。
【請求項１３】
前記第１層及び第２層のそれぞれを貫通する孔の全面積が、前記層の電極接触領域の表面領域１０００ｍｍ２に対して０．１〜２０ｍｍ２の範囲にある請求項１〜１２のいずれかに記載のガスセパレータ。
【請求項１４】
前記電気伝導性プラグ材料が、輝コバルト鉱、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、前記金属を１以上含有する合金及び他の銀ベース材料から選ばれる請求項１〜１３のいずれかに記載のガスセパレータ。
【請求項１５】
前記電気伝導性プラグ材料が、金属銀、Ａｇが主成分である金属混合物、銀合金及び銀ガラス複合物から選ばれる請求項１４記載のガスセパレータ。
【請求項１６】
前記電気伝導性プラグ材料が、銀と、金、パラジウム、プラチナ及びステンレス鋼のうち１以上とが合金化されているか、若しくは混合されている請求項１５記載のガスセパレータ。
【請求項１７】
前記電気伝導性プラグ材料が、約１０〜４０ｗｔ％のガラスを含有する銀−ガラス複合物である請求項１５記載のガスセパレータ。
【請求項１８】
前記銀−ガラス複合物が、約１５〜３０ｗｔ％のガラスを含有する請求項１７記載のガスセパレータ。
【請求項１９】
前記銀−ガラス複合物における銀が、市販の純粋な銀、銀合金若しくは銀混合物から選ばれる請求項１５、１７若しくは１８のいずれかに記載のガスセパレータ。
【請求項２０】
前記銀が、金、パラジウム、プラチナ若しくはステンレス鋼のいずれか１以上と合金化されるか若しくは混合される請求項１９記載のガスセパレータ。
【請求項２１】
前記銀−ガラス複合物中のガラスが、結晶化に対して安定である請求項１５及び１７〜２０のいずれかに記載のガスセパレータ。
【請求項２２】
前記銀−ガラス複合物中のガラスが、高濃度シリカガラスである請求項１５及び１７〜２１のいずれかに記載のガスセパレータ。
【請求項２３】
前記ガラスの組成物が、０−５.５ｗｔ％Ｎａ２Ｏ、８−１４ｗｔ％Ｋ２Ｏ、０−２.２ｗｔ％ＭｇＯ、１−３ｗｔ％ＣａＯ、０−６ｗｔ％ＳｒＯ、０−８ｗｔ％ＢａＯ、６−２０ｗｔ％Ｂ２Ｏ３、３−７ｗｔ％Ａｌ２Ｏ３、５８−７６ｗｔ％ＳｉＯ２及び０−１０ｗｔ％ＺｒＯ２である請求項２２記載のガスセパレータ。
【請求項２４】
前記ガラスの組成物が、０−２.０ｗｔ％Ｎａ２Ｏ、８−１３.５ｗｔ％Ｋ２Ｏ、０−０.０５ｗｔ％ＭｇＯ、１−１.６ｗｔ％ＣａＯ、０.５−１ｗｔ％ＳｒＯ、０−４.４ｗｔ％ＢａＯ、６−２０ｗｔ％Ｂ２Ｏ３、３−６.０ｗｔ％Ａｌ２Ｏ３、６０−７５ｗｔ％ＳｉＯ２及び０−５.０ｗｔ％ＺｒＯ２である請求項２３記載のガスセパレータ。
【請求項２５】
各電気伝導性被膜を、第１層及び第２層の電極接触サイドの電気伝導性プラグ材料上に備える請求項１〜２４のいずれかに記載のガスセパレータ。
【請求項２６】
前記被膜が、前記第１層及び第２層のそれぞれの各電極接触領域上に拡がる請求項２５に記載のガスセパレータ。
【請求項２７】
カソード接触サイド上の前記電気伝導性被膜が銀若しくは銀合金である請求項２５又は２６に記載のガスセパレータ。
【請求項２８】
前記カソード接触サイド上の被膜が、約４〜２０ｗｔ％のＳｎを含有するＡｇ−Ｓｎ合金である請求項２７記載のガスセパレータ。
【請求項２９】
前記カソード接触サイド上の被膜が、前記被膜の電気伝導性を改善するため、約１０ｗｔ％以下のドーパントを含有するＡｇ−Ｓｎ合金である請求項２７又は２８に記載のガスセパレータ。
【請求項３０】
前記カソード接触サイド上の被膜が、Ａｇ−Ｓｎ合金であり、１０〜１０００μｍの範囲の膜厚を有する請求項２７〜２９のいずれかに記載のガスセパレータ。
【請求項３１】
前記カソード接触サイド上の被膜が、ＳｎＯ２表面層を有するＡｇ−Ｓｎ合金である請求項２７〜３０のいずれかに記載のガスセパレータ。
【請求項３２】
前記カソード接触サイド上の被膜が、市販の純粋な銀からなり、５０〜２５０μｍの範囲にある膜厚を有する請求項２７記載のガスセパレータ。
【請求項３３】
アノード接触サイド上の電気伝導性被膜が、市販の純粋なニッケルからなる請求項２５〜３２のいずれかに記載のガスセパレータ。
【請求項３４】
前記アノード接触サイド上のニッケル被膜が、市販の純粋なものである請求項３３記載のガスセパレータ。
【請求項３５】
前記アノード接触サイド上のニッケル層が、１０〜１０００μｍの範囲にある膜厚を有する請求項３３又は３４記載のガスセパレータ。
【請求項３６】
銀の層を、ニッケルの被膜と、第１層若しくは第２層のいずれかのアノード接触サイドとの間の電極接触領域に備える請求項３３〜３５のいずれかに記載のガスセパレータ。
【請求項３７】
前記銀の層が、市販の純粋な銀を含有する請求項３６記載のガスセパレータ。
【請求項３８】
前記銀の層が、１０〜１０００μｍの範囲にある膜厚を有する請求項３６又は３７に記載のガスセパレータ。
【請求項３９】
ガス流通路を規定する表面形成層を、前記第１層及び第２層のそれぞれの電極接触サイド上に備え、
前記表面形成層が、電気伝導性を有し、電気伝導性プラグ材料が充填された孔を被覆していることを特徴とする請求項１〜３８のいずれかに記載のガスセパレータ。
【請求項４０】
前記アノード接触サイド上の表面形成層が、固体酸化物燃料電池アノード材料により形成され、前記カソード接触サイド上の表面形成層が、固体酸化物燃料電池カソード材料により形成され、
前記表面形成層が、前記第１層及び第２層若しくはそれらの上に形成された電気伝導性被膜に接着されていることを特徴とする請求項３９記載のガスセパレータ。
【請求項４１】
電気伝導性被膜を、アノード接触サイド及びカソード接触サイド上の表面形成層上のそれぞれに備える請求項３９又は４０に記載のガスセパレータ。
【請求項４２】
前記カソード接触サイドの表面形成層上の被膜が、金属銀により形成されている請求項４１記載のガスセパレータ。
【請求項４３】
前記アノード接触サイドの表面形成層上の被膜が、ニッケルにより形成されている請求項４１又は４２に記載のガスセパレータ。
【請求項４４】
燃料電池ガスセパレータを形成する方法であって、
ガス非透過性材料により形成され、膜を貫通する孔を有する、ガスセパレータの第１層及び第２層を準備する工程と、
電気伝導性材料からなり、第１の膜厚を有し、さらに前記第１層と第２層との間に置かれる第３層に、第１層及び第２層を重ね合わせる工程と、
前記積層された第１層、第２層及び第３層を圧縮する工程とを有し、
上記条件の下では、電気伝導性材料が押し流され、それにより、電気伝導性材料からなる第３層が、上記第１の膜厚より薄い第２の膜厚を有し、前記電気伝導性材料が第１層及び第２層の孔内に流れ込んで前記孔が塞がれているガスセパレータが作製されることを特徴とする製造方法。
【請求項４５】
前記第１層及び第２層が、該第１層及び第２層を貫通する孔が互い違いになるように形成され、若しくは方向付けられる請求項４４記載の製造方法。
【国際調査報告】
2005518652.tif 000014
2005518652.tif 000015
2005518652.tif 000016