(57)【要約】【課題】耐アンモニア性の向上した金属インターコネクタを提供する。【解決手段】本発明により、アンモニアを燃料とする固体酸化物形燃料電池スタックに用いられる金属インターコネクタ２０Ａであって、フェライト系ステンレス鋼で構成されている基部２３と、基部２３の表面に形成され、Ｆｅ４ＮとＣｒＮとを含んだ窒化層２４と、を備える金属インターコネクタ２０Ａが提供される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンモニアを燃料とする固体酸化物形燃料電池スタックに用いられる金属インターコネクタであって、
フェライト系ステンレス鋼で構成されている基部と、
前記基部の表面に形成され、Ｆｅ４ＮとＣｒＮとを含んだ窒化層と、
を備える、金属インターコネクタ。
【請求項２】
前記窒化層において、Ｆｅ４ＮとＣｒＮとの含有比率が、モル基準で、Ｆｅ４Ｎ：ＣｒＮ＝５０：５０〜９５：５である、請求項１に記載の金属インターコネクタ。
【請求項３】
前記窒化層の平均厚みが、５μｍ以上１００μｍ以下である、請求項１または２に記載の金属インターコネクタ。
【請求項４】
燃料極と固体電解質層と空気極とを備える複数の固体酸化物形燃料電池のセルと、
前記複数のセルの間に配置されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の金属インターコネクタと、
を備え、
前記燃料極にはアンモニアが供給されるように構成されている、固体酸化物形燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属インターコネクタとこれを備えた固体酸化物形燃料電池スタックに関する。詳しくは、アンモニアを燃料とする固体酸化物形燃料電池スタックに用いられる金属インターコネクタ、および、当該金属インターコネクタを備えた固体酸化物形燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）は、種々のタイプの燃料電池のなかでも発電効率が高く、また多様な燃料が使用可能であること等から、環境負荷の少ない次世代の発電装置として開発が進められている。ＳＯＦＣのセルは、燃料極（アノード）と固体電解質と空気極（カソード）とがこの順に積層された構造を有する。ＳＯＦＣのセルは、出力密度や発電効率を向上する観点から、実用的には複数個が金属インターコネクタを介して電気的に接続されたＳＯＦＣスタックとして使用されている。
【０００３】
ＳＯＦＣの作動時には、空気極にＯ２（酸素）含有ガスが供給され、燃料極に燃料ガスが供給される。ＳＯＦＣの燃料ガスとしては、従来からＨ２（水素）や天然ガス等の水蒸気改質ガスが広く使用されている。また近年では、これに替わる燃料ガスとして、非炭化水素系で二酸化炭素排出量の削減効果が大きいアンモニアの使用が検討されている（非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２４８３７９号公報
【特許文献２】国際公開２００５／１２４９１０号
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】京都大学、科学技術振興機構（ＪＳＴ）、株式会社ノリタケカンパニーリミテド、共同プレスリリース、「アンモニアを直接燃料とした燃料電池による発電」、平成２７年７月２２日、[２０１６年１２月１３日検索]、インターネット＜http://www.noritake.co.jp/company/press/files/ammonia_fuelcell.pdf＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、アンモニアを燃料ガスとして用いるＳＯＦＣスタックは、起動と停止を繰り返した場合に発電性能が低下することがあった。そこで、本発明者らが検討を重ねたところ、この発電性能低下の一因が金属インターコネクタの劣化にあることが判明した。つまり、アンモニアを燃料として用いる場合、金属インターコネクタの燃料極と接する側の面は、アンモニアと接触し、ｐＨ１１〜１２程度の強塩基性の雰囲気に曝されている。この状態でＳＯＦＣの起動と停止、すなわち室温から高温域（例えば６００℃以上）までのヒートサイクルを繰り返すと、金属インターコネクタの抵抗が増大してＳＯＦＣスタックの発電性能が低下することが判明した。
【０００７】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、アンモニアに対する耐久性（耐アンモニア性）の向上した金属インターコネクタとこれを備えたＳＯＦＣスタックを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明により、アンモニアを燃料とする固体酸化物形燃料電池スタックに用いられる金属インターコネクタが提供される。この金属インターコネクタは、フェライト系ステンレス鋼で構成されている基部と、上記基部の表面に形成され、Ｆｅ４ＮとＣｒＮとを含んだ窒化層と、を備える。
【０００９】
上記金属インターコネクタは、従来の金属インターコネクタ（例えば、基部がフェライト系ステンレス鋼以外で構成されている金属インターコネクタや、Ｆｅ４ＮとＣｒＮとを含んだ窒化層を有しない金属インターコネクタ）に比べて、室温〜高温域の温度範囲における耐アンモニア性が向上しており、化学的安定性に優れるものである。このため、上記金属インターコネクタを備えたＳＯＦＣスタックは、室温〜高温域のヒートサイクルを繰り返した場合に劣化を生じ難く、ヒートサイクル特性を向上することができる。
【００１０】
なお、特許文献１、２には、固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）のセパレータの表面に窒化層を形成する技術が開示されている。例えば特許文献１には、オーステナイト系ステンレス鋼を含む基部と、その表面に形成された遷移金属窒化物層とを備える燃料電池用セパレータが開示されている。また、特許文献１には、固体高分子電解質膜が強酸性であるため、ＰＥＦＣ用のセパレータにはｐＨ２〜３程度の硫酸酸性に対する耐食性が要求される旨が記載されている。しかしながら、本発明者らの調査によれば、特許文献１、２のセパレータは、例えばアンモニアのようなｐＨ１１〜１２程度の強塩基性に対する腐食性が十分といえるものではなかった。
【００１１】
ここで開示される好適な一態様では、上記窒化層において、Ｆｅ４ＮとＣｒＮとの含有比率が、モル基準で、Ｆｅ４Ｎ：ＣｒＮ＝５０：５０〜９５：５である。これにより、金属インターコネクタの耐アンモニア性をより良く向上すると共に、窒化層の電子伝導性を高めることができる。
【００１２】
ここで開示される好適な一態様では、上記窒化層の平均厚みが、５μｍ以上１００μｍ以下である。これにより、金属インターコネクタの耐アンモニア性をより高いレベルで向上することができる。その結果、例えば、アンモニアに曝された状態で室温〜高温域を昇降温する場合にも、金属インターコネクタの基部を長期にわたって安定的な状態で維持することができる。
【００１３】
また、本発明の他の側面として、燃料極と固体電解質層と空気極とを備える複数の固体酸化物形燃料電池のセルと、上記複数のセルの間に配置されている金属インターコネクタと、を備え、上記燃料極にはアンモニアが供給されるように構成されている固体酸化物形燃料電池スタックが提供される。かかるＳＯＦＣスタックでは、金属インターコネクタの耐アンモニア性が高められている。このため、ヒートサイクルを繰り返しても、高い発電性能を安定的に発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】一実施形態に係るＳＯＦＣスタックを模式的に示す分解斜視図である。
【図２】一実施形態に係る金属インターコネクタを模式的に示す断面図である。
【図３】一例に係る金属インターコネクタの窒化層のＸＲＤチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、適宜図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項（例えば金属インターコネクタ）以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄（例えば、本発明を特徴付けないＳＯＦＣのセルの構成材料や、ＳＯＦＣの製造プロセス等）は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。また、以下の図面において、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明し、重複する説明は省略または簡略化することがある。また、各図における寸法関係（長さ、幅、厚みなど）は必ずしも実際の寸法関係を反映するものではない。また、本明細書において「Ａ〜Ｂ（ただし、Ａ，Ｂが任意の値）」とは、特に断らない限りＡ，Ｂの値（下限値および上限値）を包含するものとする。
【００１６】
＜ＳＯＦＣスタック＞
まず、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）スタック１について説明する。
図１は、ＳＯＦＣスタック１を模式的に示す分解斜視図である。ＳＯＦＣスタック１は、アンモニアを燃料ガスとして、当該アンモニアを燃料極１２に直接供給する、所謂、アンモニア直接供給型のＳＯＦＣスタックである。図１に示すように、ＳＯＦＣスタック１は、複数のＳＯＦＣのセル１０Ａ、１０Ｂと、複数の金属インターコネクタ２０、２０Ａとを備えている。ＳＯＦＣスタック１は、ＳＯＦＣのセル１０Ａ、１０Ｂが、金属インターコネクタ２０、２０Ａを介して積み重ねられているスタック構造を有する。ＳＯＦＣスタック１は、従来公知の製造方法に準じて製造することができる。
【００１７】
セル１０Ａ、１０Ｂの構成は従来と同様でよく、特に限定されない。この実施形態では、セル１０Ａ、１０Ｂは、それぞれ、燃料極（アノード）１２と、固体電解質層１４と、空気極（カソード）１６と、を備えている。燃料極１２は、例えば、ニッケル系の金属材料（例えばＮｉＯ）や、ニッケル系の金属材料と安定化ジルコニア（例えば、イットリア安定化ジルコニア）とのサーメットである。固体電解質層１４は、燃料極１２と空気極１６との間に介在する。固体電解質層１４は、酸素イオン伝導する役割と、燃料極１２側のガスと、空気極１６側のガスとを分離する役割と、を併せ持つ。固体電解質層１４は、例えば、イットリア等の安定化剤で安定化されたジルコニア（例えば、ＹＳＺ：Yttria stabilized zirconia）や、ガドリニア等のドープ剤がドープされたセリア（例えば、ＧＤＣ：Gadolinia doped ceria）等の、酸化物イオン伝導体である。空気極１６は、例えば、ランタンコバルトネート（ＬａＣｏＯ３）系やランタンマンガネート（ＬａＭｎＯ３）系のペロブスカイト型酸化物である。
【００１８】
なお、この実施形態では、燃料極１２と固体電解質層１４と空気極１６とがそれぞれ単層構造であり、セル１０Ａ、１０Ｂがそれぞれ３層構造を有しているが、これには限定されない。燃料極１２と固体電解質層１４と空気極１６とは、それぞれ独立して、２層以上の複層構造であってもよい。また、セル１０Ａ、１０Ｂは、上記以外の層を有していてもよい。例えば、固体電解質層１４と空気極１６との間に、両者の界面を安定化させるための層、例えばＹＳＺやＧＤＣからなる反応抑止層をさらに備えていてもよい。また、燃料極１２の下側（固体電解質層１４から離れた側）に、多孔質な金属シートをさらに備えていてもよい。
【００１９】
セル１０Ａ、１０Ｂでは、固体電解質層１４や空気極１６に比べて燃料極１２が厚めに形成されている。セル１０Ａ、１０Ｂは、燃料極１２が支持体としての機能を併せ持つ、所謂、燃料極支持型（ＡＳＣ：Anode-Supported Cell）のセルである。ただし、セル１０Ａ、１０Ｂは、例えば、固体電解質層１４を厚くした、所謂、電解質支持型（ＥＳＣ：Electrolyte-Supported Cell）のセルであってもよく、空気極１６を厚くした、所謂、空気極支持型（ＣＳＣ：Cathode-Supported Cell）のセルであってもよい。また、セル１０Ａ、１０Ｂは、燃料極１２の下側に多孔質な金属シートを備えたメタルサポートセル（ＭＳＣ：Metal-Supported Cell）であってもよい。
【００２０】
金属インターコネクタ２０、２０Ａは、複数のセル１０Ａ、１０Ｂを相互に電気的に接続するためのものである。図１の中央に位置する金属インターコネクタ２０Ａは、２つのセル１０Ａ、１０Ｂの間に介在している。セル１０Ａ、１０Ｂは、金属インターコネクタ２０Ａによって直列に接続されている。ただし、セル１０Ａ、１０Ｂは、並列に接続されていてもよい。なお、金属インターコネクタ２０、２０Ａの構成については、後に詳しく説明する。
【００２１】
セル１０Ａ、１０Ｂの対向面と、金属インターコネクタ２０、２０Ａのセル対向面２１、２５との間には、それぞれ接合材を付与してなる導電性の封止部（図示せず）が形成されている。金属インターコネクタ２０、２０Ａの空気極１６に対向する側のセル対向面２１には、複数の溝部が形成され酸素含有ガス流路２２を構成している。酸素含有ガス流路２２は、図示しない酸素含有ガスの供給源と接続されている。また、金属インターコネクタ２０、２０Ａの燃料極１２に対向する側のセル対向面２５には、複数の溝部が形成され燃料ガス流路２６を構成している。燃料ガス流路２６は、図示しない燃料ガスの供給源と接続されている。
【００２２】
ＳＯＦＣスタック１の発電時には、ＳＯＦＣスタック１が６００℃以上、例えば６００〜９００℃程度の高温域まで昇温される。また、酸素含有ガス流路２２には、酸素含有ガス、例えば空気（Ａｉｒ）が供給される。燃料ガス流路２６には、燃料ガス、ここではアンモニア（ＮＨ３）ガスが直接供給される。ＳＯＦＣのセル１０Ａ、１０Ｂでは、空気極１６において酸素が還元され、酸化物イオンとなる。該酸化物イオンが固体電解質層１４を介して燃料極１２に到達し、アンモニアを酸化して電子を放出する。これにより電気エネルギーが発生する。すなわち、発電が行われる。
【００２３】
＜金属インターコネクタ＞
次に、アンモニア直接供給型のＳＯＦＣスタック１に用いられる金属インターコネクタ２０、２０Ａについて説明する。金属インターコネクタ２０、２０Ａには、通常のＳＯＦＣスタック１に要求される性質、例えば、電子導電性が大きいこと、高温域で化学的に安定であること、熱膨張性が小さいこと等に加えて、室温〜高温域の温度範囲にわたって燃料ガス流路２６の部分が耐アンモニア性に優れることが求められる。
【００２４】
図２は、金属インターコネクタ２０Ａを模式的に示す断面図である。図２に示すように、金属インターコネクタ２０Ａは、基部２３と、基部の表面に形成された窒化層２４と、を備えている。本実施形態において、窒化層２４は、金属インターコネクタ２０Ａの燃料極１２に対向する側のセル対向面２５を覆うように、セル対向面２５の全面に形成されている。ただし、窒化層２４は、少なくともアンモニアと接触する燃料ガス流路２６の部分に形成されていればよく、必ずしもセル対向面２５の全面を覆っていなくてもよい。また、窒化層２４は、セル対向面２５のみならず、金属インターコネクタ２０Ａの表面全体、例えば空気極１６に対向する側のセル対向面２１をも覆うように形成されていてもよい。
【００２５】
基部２３は、フェライト系ステンレス鋼で構成されている。フェライト系ステンレス鋼は、例えば特許文献１、２に記載されているようなＰＥＦＣ用のセパレータに用いられるオーステナイト系ステンレス鋼に比べて、相対的に電気抵抗が低く、熱膨張性が小さい。さらに、熱伝導性にも優れている。したがって、ＳＯＦＣスタック１のように高温で作動するタイプの燃料電池に好適である。フェライト系ステンレス鋼の線熱膨張係数は特に限定されないが、概ね５〜１５ｐｐｍ／Ｋ、例えば８〜１２ｐｐｍ／Ｋであるとよい。
【００２６】
フェライト系ステンレス鋼としては、フェライト相で構成され、オーステナイト相を有していないものが好ましい。これにより、Ｆｅ４ＮとＣｒＮとを備えた窒化層２４をより良く形成することができる。フェライト系ステンレス鋼の一例として、所謂、クロム系と呼ばれている４００系のものが挙げられる。クロム系の一好適例として、ＳＵＳ４０３、ＳＵＳ４０５、ＳＵＳ４１０Ｌ、ＳＵＳ４２９、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ４３０Ｆ、ＳＵＳ４３０ＬＸ、ＳＵＳ４３０Ｊ１Ｌ、ＳＵＳ４３４、ＳＵＳ４３６Ｌ、ＳＵＳ４４３Ｊ１、ＳＵＳ４４４、ＳＵＳ４４５Ｊ１、ＳＵＳ４４５Ｊ２、ＳＵＳ４４７Ｊ１、ＳＵＳＸＭ２７、ＳＵＨ４０９、ＳＵＨ４０９Ｌ等が挙げられる。
【００２７】
フェライト系ステンレス鋼は、鉄（Ｆｅ）とクロム（Ｃｒ）とを含む合金である。Ｆｅはフェライト系ステンレス鋼の主成分（最も多く含まれる成分）であり、通常は概ね５０質量％以上を占め、典型的には６０〜９０質量％、例えば７０〜８７質量％を占める。Ｃｒは、Ｆｅに次いで多く含まれる成分であり、典型的には１０〜４０質量％、例えば１３〜３０質量％を占める。ＦｅとＣｒの含有比率をそれぞれ上記範囲とすることで、Ｆｅ４ＮとＣｒＮとを好適なバランスで備えた窒化層２４をより良く形成することができる。また、高温域における化学的安定性を向上することができる。
【００２８】
フェライト系ステンレス鋼は、ＦｅとＣｒとの２成分で構成されていてもよく、その他の成分を、不可避的な不純物として、あるいは添加的に（例えば５質量％以下の割合で）含んでいてもよい。不可避的に含まれ得る成分としては、例えば、炭素（Ｃ）が挙げられる。添加的に含まれ得る成分としては、フェライト系ステンレス鋼の特性改善に有効なことが知られている成分、例えば、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ケイ素（Ｓｉ）等が挙げられる。
好適な一態様では、フェライト系ステンレス鋼がニッケルを含まないか、含んでも僅か（例えば３質量％未満）である。これにより、広範な温度域における耐アンモニア性をより良く向上することができる。
【００２９】
窒化層２４は、基部２３（フェライト系ステンレス鋼）の表面に、基部２３と一体的に形成されている。ここに開示される窒化層２４は、Ｍ４Ｎ型の結晶構造を有するＦｅ４Ｎと、ＮａＣｌ型の結晶構造を有するＣｒＮと、を共に含んでいる。このような窒化層２４を基部２３の表面に備えることで、金属インターコネクタ２０Ａの耐アンモニア性を広範な温度域において向上することができる。
さらに、窒化層２４は、例えば特許文献１、２に開示されるようなＰＥＦＣ用のセパレータの表面に形成されている遷移金属窒化層と比べて、相対的に基部２３との結合性が高められている。このことにより、窒化層２４の剥離が生じ難くなり、金属インターコネクタ２０Ａとしての一体性が高められている。したがって、優れた耐アンモニア性を長期にわたって安定的に実現することができる。
【００３０】
窒化層２４は、Ｆｅ４ＮとＣｒＮとで構成されていてもよく、その他の化合物をさらに含んでいてもよい。窒化層２４に含まれ得る成分としては、例えば、Ｃｒ２Ｎ、Ｆｅ２Ｎ、Ｆｅ３Ｎ等が挙げられる。なお、窒化層２４に含まれる化合物の種類は、Ｘ線回折（X-Ray Diffraction：ＸＲＤ）に基づく定性分析（化合物相の同定）によって把握することができる。
【００３１】
好適な一態様では、窒化層２４において、Ｆｅ４Ｎの含有比率とＣｒＮの含有比率との合計が、モル基準で、窒化層２４の全体（１００％）に対して、概ね５０％以上、典型的には８０％以上、例えば９０％以上を占める。これにより、ここに開示される技術の効果をより高いレベルで発揮することができる。
また、好適な一態様では、Ｆｅ４Ｎの含有比率とＣｒＮの含有比率との合計を１００％としたときに、モル基準で、Ｆｅ４Ｎが概ね５０％以上、例えば６０％以上であって、概ね９５％以下、例えば８０％以下である。好適な他の一態様では、ＣｒＮが概ね５％以上、典型的には１０％以上、例えば２０％以上であって、概ね５０％以下、例えば４０％以下である。なお、窒化層２４に含まれる化合物の含有比率は、Ｘ線回折（X-Ray Diffraction：ＸＲＤ）に基づく定量分析（各化合物相の比率）によって把握することができる。また、Ｆｅ４ＮとＣｒＮとの含有比率は、例えば、基部２３を構成するステンレス鋼の種類（成分比）や、後述する窒化処理の窒化条件（例えば窒化温度や窒化雰囲気等）によって調整することができる。
【００３２】
窒化層２４の厚みは特に限定されないが、概ね０．５μｍ以上、好ましくは１μｍ以上、より好ましくは５μｍ以上、特には１０μｍ以上、例えば５０μｍ以上であるとよい。窒化層２４の厚みを所定値以上とすることで、耐アンモニア性向上の効果をより良く発揮することができ、ＳＯＦＣスタック１のヒートサイクル特性を一層向上することができる。また、窒化層２４の厚みの上限値は、低コスト化や電子伝導性を向上する観点等から、概ね５００μｍ以下、典型的には３００μｍ以下、例えば１００μｍ以下であるとよい。
【００３３】
窒化層２４は、基部２３となるフェライト系ステンレス鋼を窒化処理することによって形成することができる。窒化処理の方法としては、例えば、ガス窒化法、イオン窒化法、塩浴窒化法、プラズマ窒化法等が挙げられる。なかでも、ガス窒化法が好ましい。
ガス窒化法を用いる場合、一好適例では、アンモニアガス１００％の雰囲気中で、フェライト系ステンレス鋼を所定の窒化温度まで加熱し、当該窒化温度で所定の時間保持する。このことにより、アンモニアの窒素がフェライト系ステンレス鋼のＣｒと結合し、ＣｒＮが生成される。また、アンモニアの窒素がフェライト系ステンレス鋼のＦｅと結合し、Ｆｅ４Ｎが生成される。
【００３４】
窒化温度は、Ｆｅ４ＮとＣｒＮとを好適なバランスで生成させて、窒化層２４として着実に定着させる観点から、ＳＯＦＣスタック１の作動温度よりも低く設定するとよい。具体的には、概ね３００℃以上、例えば５００℃以上であって、概ね７００℃以下、例えば６００℃以下とするとよい。また、窒化温度での保持時間は特に限定されないが、例えば数時間程度とするとよい。窒化温度での保持時間によって窒化層２４の厚みを好適に調整することができる。
窒化処理に用いるガスとしては、従来、例えば窒素ガスや、窒素ガスとアンモニアガスとの混合ガスが使用されていた（特許文献２の段落００３１参照）。しかしながら、本発明者らの検討によれば、アンモニアガス１００％を用いることで、窒化速度が速められ、Ｆｅ４Ｎを短い時間で効率的に生成させることができる。そして、Ｆｅ４ＮとＣｒＮとを好適なバランスで備えた窒化層２４を好適に形成することができる。
【００３５】
以上のような構成の金属インターコネクタ２０は、例えば特許文献１、２に記載されるようなＰＥＦＣ用の金属インターコネクタに比べて、室温〜高温域の温度範囲における耐アンモニア性が向上し、化学的安定性に優れるものである。また、電子伝導性に優れると共に、熱膨張性が小さいものである。このため、金属インターコネクタ２０を備えたＳＯＦＣスタック１では、室温〜高温域のヒートサイクルを繰り返した場合にも劣化を生じ難くなり、ヒートサイクル特性を向上することができる。
【００３６】
以下、本発明に関するいくつかの実施例を説明するが、本発明をかかる具体例に示すものに限定することを意図したものではない。
【００３７】
〔金属インターコネクタの用意〕
まず、フェライト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４３０）製の金属インターコネクタを複数用意した。このうち一つは窒化処理を行わず、そのまま比較例１の金属インターコネクタとした。残りは、６００℃の環境下においてアンモニア１００％の雰囲気中で５〜１０時間熱処理した。このようにして、アンモニアが熱分解して生じた窒素（Ｎ）によって、フェライト系ステンレス鋼の表面に窒化層を形成し、比較例２および例１〜５の金属インターコネクタとした。
また、オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３１０）製の金属インターコネクタを用意し、上記と同様に窒化処理して、オーステナイト系ステンレス鋼の表面に窒化層を形成し、比較例３、４の金属インターコネクタとした。
【００３８】
〔窒化層の厚み測定〕
上記形成した窒化層について、ＳＥＭ−ＥＤＸ（Scanning Electron Microscope - Energy Dispersive X-ray Spectroscope）と微小硬度計を用いて厚みを測定した。厚みの測定は複数点で行い、その値を算術平均して平均厚みとした。結果を表１に示す。
表１に示すように、比較例２および例１〜５の窒化層は、平均厚みが０．１〜１００μｍであり、比較例３、４の窒化層は、平均厚みが５〜１０μｍであった。
【００３９】
〔窒化層のＸＲＤ測定〕
上記形成した窒化層について、Ｃｕ−Ｋα線を用いたＸＲＤにより、２θ＝２０〜８０°の範囲におけるピークを評価した。一例として比較例１および例５に係る結果（ＸＲＤチャート）を図３に示す。
図３および表１に示すように、フェライト系ステンレス鋼の表面に形成された窒化層（比較例２および例１〜５の窒化層）では、Ｆｅ４Ｎ、ＣｒＮの位置に化合物相のピークが検出された。一方、オーステナイト系ステンレス鋼の表面に形成された窒化層（比較例３、４の窒化層）では、Ｆｅ２Ｎｉ２Ｎ、ＣｒＮ、（Ｃｒ，Ｆｅ，Ｎｉ）３Ｏ４スピネルの位置に化合物相のピークが検出された。
【００４０】
また、窒化層のＸＲＤチャートに基づいて、ＷＰＦ(Whole Pattern Fitting)法により、Ｆｅ４Ｎの化合物相とＣｒＮの化合物相との比を算出した。結果を表１に示す。
表１に示すように、比較例２および例１〜５の窒化層では、Ｆｅ４ＮとＣｒＮとの含有比率が、モル基準で、Ｆｅ４Ｎ：ＣｒＮ＝８０：２０だった。また、Ｆｅ４ＮとＣｒＮとの含有比率の合計は、モル基準で、窒化層全体の９５％以上を占めていた。
【００４１】
【表１】
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【００４２】
〔ＳＯＦＣスタックの構築〕
先ず、燃料極と固体電解質層と反応抑止層と空気極とがこの順に積層されている構成のＳＯＦＣセルを複数用意した。次に、上記で用意した各金属インターコネクタを介して、複数個のＳＯＦＣセルを電気的に接続し、それぞれＳＯＦＣスタックを構築した。
【００４３】
〔発電性能（ヒートサイクル特性）の評価〕
上記で構築したＳＯＦＣスタックを７００℃まで昇温し、電流密度０．５Ａ／ｃｍ２で作動させて、初期の出力電圧（Ｗ）を測定した。なお、燃料極供給ガスは、１００％アンモニアガス（５０ｍｌ／ｍｉｎ）とし、空気極供給ガスは、空気（１００ｍｌ／ｍｉｎ）とした。次いで、いったん室温（２５℃）まで降温した後、再び７００℃まで昇温し、初期の出力電圧と同様にして、ヒートサイクル後の出力電圧（Ｗ）を測定した。そして、次の式：〔（初期の出力電圧−ヒートサイクル後の出力電圧）／初期の出力電圧〕×１００；から、劣化率（％）を算出した。結果を表１に示す。
【００４４】
表１に示すように、表面に窒化層を備えていない金属インターコネクタを使用した「比較例１」は、ヒートサイクル後の劣化率が最も高かった。また、本発明者らが、比較例１の金属インターコネクタについてヒートサイクル後に窒化層のＸＲＤ測定を行ったところ、モル基準で、その９５％超をＣｒＮが占めており、Ｆｅ４Ｎのピークは殆ど確認されなかった。つまり、ＳＯＦＣの構築前に窒化処理によってあらかじめ生成された窒化層と、ＳＯＦＣのヒートサイクルによって生成された窒化層とでは明らかに組成が異なっていた。以上のことから、比較例１で劣化率が高くなった原因としては、ヒートサイクルにより金属インターコネクタの抵抗が増大したことが考えられる。例えば、金属インターコネクタのアンモニアガスと接触する側の表面に高抵抗な皮膜（例えば、Ｆｅ４Ｎを含まない窒化層）が形成されたことや、金属インターコネクタのアンモニアガスと接触する側の表面が腐食されたこと等が考えられる。
【００４５】
これに対して、フェライト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４３０）の表面に窒化層を備える金属インターコネクタを使用した「比較例２および例１〜５」では、窒化層の厚みが厚くなるほど、ヒートサイクル後の劣化率が低く抑えられていた。なかでも、窒化層の厚みが０．５μｍ以上、さらには１μｍ以上、特には５０μｍ以上であると、劣化率を低減する効果が顕著であった。
このように、フェライト系ステンレス鋼の表面に所定の窒化層を備えることで、室温〜高温域のヒートサイクルを繰り返した場合にも劣化を抑えることができ、ヒートサイクル特性に優れたＳＯＦＣスタックを実現することができる。
【００４６】
なお、オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３１０）の表面に窒化層を備える金属インターコネクタを使用した「比較例３、４」では、フェライト系ステンレス鋼製の金属インターコネクタを用いた場合に比べて、相対的にヒートサイクル後の劣化率が高かった。言い換えれば、オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３１０）製の金属インターコネクタでは、ここに開示される窒化層を形成することの効果が低かった。このことから、フェライト系ステンレス鋼の表面に上記した窒化層を備える構成は、ヒートサイクル特性を向上する観点から非常に有利であるといえる。
【００４７】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
【００４８】
例えば、図１に示すＳＯＦＣのセル１０Ａ、１０Ｂは平型（Planar）であるが、これには限定されない。ＳＯＦＣのセルは、他にも種々の形状とすることができる。例えば、従来公知の多角形型、円筒型（Tubular）、あるいは円筒の周側面を垂直に押し潰した扁平円筒型（Flat Tubular）等とすることができる。また、金属インターコネクタ２０、２０Ａの形状やサイズも、セル１０Ａ、１０Ｂの形状等に応じて適宜に変更することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１    ＳＯＦＣスタック
１０Ａ、１０Ｂ  ＳＯＦＣの単セル
２０、２０Ａ    金属インターコネクタ
２３  基部
２４  窒化層
【図１】
2018190683.tif 000004
【図２】
2018190683.tif 000005
【図３】
2018190683.tif 000006