(57)【要約】２つの固体酸化物燃料電池（１１０）の間に用いる燃料電池用ガスセパレータ（１１２）であって、ガスセパレータは、アノード面と、カソード面と、セパレータ本体の電極接触領域においてアノード面からカソード面へ貫通する導電性材料からなる複数の経路（１３４）とを有し、導電性材料が銀又は銀含有材料である、セパレータ本体（１４６）と、アノード面用集電体層（１５８）を含み電極接触領域を覆うアノード面コーティング層と、カソード面用集電体層（１５２）を含み電極接触領域を覆うカソード面コーティング層と、を有するものであって、銀用障壁パッチ（１５６）が、アノード面において導電性材料からなる各上記経路の上にそれぞれ直接的又は間接的に重ねられ、各銀用障壁パッチは、上記経路を通って銀が拡散するのを防ぐに足る十分な密度を有する。別の態様では、各銀用障壁パッチは、導電性材料からなる経路に対して位置がずれているが、銀がその経路から漏れてアノードの触媒活性を低下させるのを防ぐ機能を有する。さらに別の態様では、導電性材料からなる経路を通ってカソードからアノードへ酸素が到達するのをガスセパレータが防止する。
2010503157.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの固体酸化物燃料電池の間に用いる燃料電池用ガスセパレータであって、
該ガスセパレータは、
アノード面と、カソード面と、該セパレータ本体の電極接触領域においてアノード面からカソード面へ貫通する導電性材料からなる複数の経路とを有し、該導電性材料が銀又は銀含有材料である、セパレータ本体と、
アノード面用集電体層を含み上記電極接触領域を覆うアノード面コーティング層と、
カソード面用集電体層を含み上記電極接触領域を覆うカソード面コーティング層と、を有するものであって、
銀用障壁パッチが、アノード面において導電性材料からなる各上記経路の上にそれぞれ重ねられ、各銀用障壁パッチは、上記経路を通って銀が拡散するのを防ぐに足る十分な密度を有する、燃料電池用ガスセパレータ。
【請求項２】
少なくとも１つの上記銀用障壁パッチが、導電性材料からなる各上記経路の上にそれぞれ直接重ねられ、上記経路と接触している請求項１記載の燃料電池用ガスセパレータ。
【請求項３】
上記の少なくとも１つの銀用障壁パッチは、導電性材料からなる各上記経路の周囲においてセパレータ本体と結合し、そして導電性を有する、請求項２記載の燃料電池用ガスセパレータ。
【請求項４】
少なくとも１つの銀用障壁パッチは、導電性材料からなる各上記経路に対して位置決めされ、かつ上記経路の上に一部が重なっているが、導電性材料からなる上記経路とはアノード面コーティング層により分離されている、請求項１記載の燃料電池用ガスセパレータ。
【請求項５】
複数の固体酸化物燃料電池の間に用いる燃料電池用ガスセパレータであって、
該ガスセパレータは、アノード面と、カソード面と、該セパレータ本体の電極接触領域においてアノード面からカソード面へ貫通する導電性材料からなる複数の経路とを有し、該導電性材料が銀又は銀含有材料である、セパレータ本体と、
集電体層を含み上記電極接触領域を覆うアノード面コーティング層と、
集電体層を含み上記電極接触領域を覆うカソード面コーティング層と、を有するものであって、
アノード面コーティング層が、さらに、アノード面用集電体層の下のガス障壁層と、該ガス障壁層とセパレータ本体との間の導電性基層とを有し、該ガス障壁層が、アノード面用集電体層と該導電性基層よりも導電性の低い材料から形成される一方、アノード面用集電体を貫通して、セパレータ本体を貫通する導電性材料からなる経路に対して位置をずらして形成され該導電性基層へと至る複数の高導電性通路を有するものであって、
該導電性基層は、セパレータ本体を貫通する導電性材料からなるすべての経路と、該ガス障壁層を貫通するすべての該高導電性通路とを電気的に接続する一方、
各銀用障壁パッチは、該ガス障壁層を貫通する該高導電性通路とそれぞれ結合し、各銀用障壁パッチは、上記経路を通って銀が拡散するのを防ぐに足る十分な密度を有する、燃料電池用ガスセパレータ。
【請求項６】
上記ガス障壁層の材料がガラスである請求項５記載の燃料電池用ガスセパレータ。
【請求項７】
上記ガス障壁層を貫通する該高導電性通路の材料が、上記導電性基層の材料及び上記アノード面コーティング層の集電体層の材料の１種以上から選択される、請求項５記載の燃料電池用ガスセパレータ。
【請求項８】
上記導電性基層の材料が銀を含む請求項５記載の燃料電池用ガスセパレータ。
【請求項９】
上記アノード面コーティング層の材料がニッケルである請求項１又は５に記載の燃料電池用ガスセパレータ。
【請求項１０】
上記アノード面コーティング層が、さらに、上記アノード面用集電体層に直接積層される最外層の変形可能層を有する、請求項１又は５に記載の燃料電池用ガスセパレータ。
【請求項１１】
上記変形可能層が、空孔度が１０〜５０体積％であるニッケルを含む請求項１０記載の燃料電池用ガスセパレータ。
【請求項１２】
上記セパレータ本体の材料がイオン伝導体であり、上記アノード面コーティング層が、上記セパレータ本体と接触し、導電性材料からなる上記各経路に設けた開口部を除いて、上記電極接触領域の上に延在する、請求項１又は５に記載の燃料電池用ガスセパレータ。
【請求項１３】
上記イオン障壁層の材料が、チタニア、アルミナ及びガラスから選択される、請求項１２記載の燃料電池用ガスセパレータ。
【請求項１４】
導電性材料からなる少なくとも１つの上記経路が、アノード面とカソード面の一方又は両方に、拡大された頂部を有する請求項１又は５に記載の燃料電池用ガスセパレータ。
【請求項１５】
上記カソード面用集電体層が、変形可能であり、空孔度が１０〜５０体積％である、請求項請求項１又は５に記載の燃料電池用ガスセパレータ。
【請求項１６】
カソード面において導電性材料からなる少なくとも１つの上記経路の上に密着して封止するようにそれぞれシール用パッチを設け、導電性材料からなる少なくとも１つの上記経路を通って酸素が拡散するのを抑制する、請求項１又は５に記載の燃料電池用ガスセパレータ。
【請求項１７】
上記シール用パッチの材料が、ガラス、導電性のガラス／金属複合体、錫及びロジウムから選択される、請求項１６記載の燃料電池用ガスセパレータ。
【請求項１８】
上記カソード面コーティング層が、上記セパレータ本体と上記カソード面用集電体層との間に酸素障壁層を有し、
該酸素障壁層は、比較的低電導性の材料を用いて形成され、該酸素障壁層を貫通し比較的高導電性の材料から形成された通路を有しており、
該酸素障壁層を貫通する上記通路は、上記セパレータ本体を貫通する導電性材料からなる上記経路に対して位置をずらして形成されている、請求項１又は５に記載の燃料電池用ガスセパレータ。
【請求項１９】
上記カソード面コーティング層が、さらに、上記セパレータ本体と上記酸素障壁層との間に導電性基層を有する、請求項１８記載の燃料電池用ガスセパレータ。
【請求項２０】
２つの固体酸化物燃料電池の間に用いる燃料電池用ガスセパレータであって、
該ガスセパレータは、アノード面と、カソード面と、該セパレータ本体の電極接触領域においてアノード面からカソード面へ貫通する導電性材料からなる複数の経路とを有し、該導電性材料が銀又は銀含有材料である、セパレータ本体と、
アノード面用集電体層を含み上記電極接触領域を覆うアノード面コーティング層と、
カソード面用集電体層を含み上記電極接触領域を覆うカソード面コーティング層と、
１）上記セパレータ本体と各上記集電体層との間のアノード面とカソード面の一方又はそれぞれの上の酸素障壁層と、２）カソード面において、導電性材料からなる各上記経路の上に密着して封止するように設けた各シール用パッチの一方又は両方を有する、燃料電池用ガスセパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の固体酸化物燃料電池に関し、さらに詳しくはそれらとともに用いるガスセパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物燃料電池アセンブリーに用いるガスセパレータの目的は、一の燃料電池のカソード面に供給される酸素含有ガスを、隣接する燃料電池のアノード面に供給する燃料ガスから分離し、そして燃料電池から発生する熱を燃料電池群から放熱させることである。
また、ガスセパレータは、燃料電池群から発生する電気を、燃料電池群間に流し又は燃料電池群から外に流す。セパレータの代わりに、各燃料電池とガスセパレータの間のセパレート部材によりこの働きを行わせることが提案され、導電性ガスセパレータについての多くの研究がなされている。
【０００３】
その研究の一部については、出願人の国際特許出願ＷＯ０３／００７４０３とＷＯ０３／０７３５３３の背景の議論において簡単に説明されており、文献名を引用することにより、それら及びそれらの対応米国特許出願１０／４８２，８３７と１０／５０１，１５３の内容は本明細書の一部となる。それらの特許出願は、それぞれ、２つの固体酸化物燃料電池の間に使用されるガスセパレータに関するものであり、そのガスセパレータは、アノード面とカソード面と、そしてそのセパレータと電極との接触領域においてアノード面からカソード面へと通じる導電性材料からなる複数の経路（paths）とを有するセパレータ本体と、電極との接触領域の上の集電層からなるアノード面コーティング層と、電極との接触領域の上の集電層からなるカソード面コーティング層と、を有している。ここでその導電性材料は銀又は銀系材料である。また、本発明は、特にそのようなガスセパレータに関する。
【０００４】
ＷＯ  ０３／００７４０３とＷＯ  ０３／０７３５３３に記載されているように、セパレータ本体よりも導電性の高い導電性材料からなる複数の経路を有する燃料電池用ガスセパレータの他の開示例としては、ＥＰ−Ａ−０９９３０５９、ＵＳ−Ａ−２００２００６８６７７、そして、ケンダールら（Ｋｅｎｄａｌｌ  ｅｔ  ａｌ．）、「ソリッドオキサイドフューエルセル  ＩＶ」、１９９５年、ｐ．２２９−２３５がある。米国特許第５，８２７，６２０号は、少なくともその一部には、ケンダールらの論文と同様の内容が開示されている特許開示文献である。
【０００５】
銀は、単独として用いても又は複合物の中の一つとして用いたとしても、セパレータを貫通する導電性材料からなる経路に用いる材料としては非常に有効な材料である。その理由は、非常に高い導電性と、温度範囲、特に固体酸化物燃料電池集合体の高温の運転条件（７００℃〜１０００℃）の温度範囲に対する許容性があることである。
【０００６】
一般に、燃料電池の燃料としては、水蒸気で加湿した水素を用いている。しかしながら、燃料電池は、燃料電池発電の経済性を向上させるためには、燃料はできるだけ安価なほうが良い。比較的安価な水素源としては、メタンを主成分とし微量の重炭化水素を含む天然ガスがある。天然ガスは、通常、水蒸気改質反応により水素に転化されるが、メタンが安定であるため、その反応は吸熱反応であり、実質的な転化には少なくとも６５０℃、そして完全転化にはより高温の温度が必要である。固体酸化物燃料電池システムは高温で運転され、除去すべき熱を生成させるが、少なくとも約６５０℃の必要レベルの熱エネルギーを燃料電池から水蒸気改質器へと移動させるのに用いる熱交換器は高価なものである。そのため、外部で水蒸気改質された天然ガスのみから製造された水素は、燃料電池用の燃料源としては必ずしも安価のものではない。
【０００７】
燃料電池用の水素をより経済的に提供するために、ニッケル等の触媒活性なアノード材料を用いて、固体酸化物燃料電池のアノード上で天然ガスの部分改質を行うことが提案されている。そのプロセスの一実施例は、出願人の国際特許出願ＷＯ  ０２／０６７３５１と、その対応米国特許第ＵＳ−Ａ−６，８４１，２７９号に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開第ＷＯ  ０３／００７４０３号パンフレット
【特許文献２】国際公開第ＷＯ  ０３／０７３５３３号パンフレット
【特許文献３】欧州特許出願公開第ＥＰ０９９３０５９号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第ＵＳ２００２００６８６７７号明細書
【特許文献５】米国特許第５８２７６２０号明細書
【特許文献６】国際公開第ＷＯ  ０２／０６７３５１号パンフレット
【特許文献７】米国特許第６８４１２７９号明細書
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】ケンダールら（Ｋｅｎｄａｌｌ  ｅｔ  ａｌ．）、「ソリッドオキサイドフューエルセル  ＩＶ」、１９９５年、ｐ．２２９−２３５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
固体酸化物燃料電池用ガスセパレータのアノード面に銀を用いること、例えば、ＷＯ  ０３／００７４０３とＷＯ  ０３／０７３５３３に記載されているように、導電性材料の経路の中に用いたり、あるいは導電性材料を用いたアノード面のコーティング層の少なくとも一部として用いたりすることにより発生する問題の一つは、燃料電池システムの高温の運転温度では銀が非常に流動し易くなるという点である。そのため、銀が燃料ガスとともに、隣の燃料電池のアノードにまで移動し、そこで、アノードの触媒活性を低下させ、アノード上での燃料ガスの内部改質反応を抑制する。
【００１１】
２つの固体酸化物燃料電池の間に用いるガスセパレータを貫通する導電性材料からなる経路に銀を用いることにより発生する別の問題は、固体酸化物燃料電池集合体の高温の運転温度では、銀に対し、酸素が高い拡散速度を有することである。このことは、導電性材料からなる経路の中に銀を用いた場合、酸化剤からの酸素がその経路を通ってガスセパレータのカソード面からアノード面に到達し、そこで、その酸素が燃料ガスからの水素と反応することを意味する。その反応により水蒸気と熱が発生するので、その水蒸気と熱は、導電性材料からなる経路において、銀の粒界の間に隙間を生成させる。その隙間は拡散速度を増大させ、最終的にはガスセパレータの不良を引き起こす。
【００１２】
隣接する固体酸化物燃料電池の間に用いるガスセパレータに銀を用いることにより発生する１以上の問題点を軽減することは、非常に有用である。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の第１の態様によれば、２つの固体酸化物燃料電池の間に用いる燃料電池用ガスセパレータが提供され、そのガスセパレータは、アノード面と、カソード面と、セパレータ本体の電極接触領域においてアノード面からカソード面へ貫通する導電性材料からなる複数の経路とを有し、該導電性材料が銀又は銀含有材料である、セパレータ本体と、アノード面用集電体層を含み上記電極接触領域を覆うアノード面コーティング層と、カソード面用集電体層を含み上記電極接触領域を覆うカソード面コーティング層と、を有するものであって、銀用障壁パッチ（silver-barrier patch）が、アノード面において導電性材料からなる各上記経路の上にそれぞれ重ねられ、各銀用障壁パッチは、上記経路を通って銀が拡散するのを防ぐに足る十分な密度を有している。
【００１４】
本発明のこの態様によれば、固体酸化物燃料電池のアノードを銀が汚染する問題は、アノード面の導電性材料からなる各経路に直接的に又は間接的に、銀用障壁パッチをそれぞれ重ねることにより、軽減することができる。銀用障壁パッチは、ガスセパレータと隣接する燃料電池のアノードの間を流れる燃料ガス流の中に、導電性材料からなる経路のそれぞれからアノード面コーティング層を貫通して銀が漏れるのを少なくとも防止する。各銀用障壁パッチが、十分に高い密度を有することが好ましい。ガスセパレータを用いる固体酸化物燃料電池の運転時には、銀が各銀用障壁パッチを貫通して拡散しないようにする必要がある。
【００１５】
本明細書で用いる「電極接触領域」とは、隣接する燃料電池の各電極に対向し、かつその電極に対して位置合わせがされた、ガスセパレータの部分を意味する。隣接する電極と電極接触領域とのあらゆる接触は、間接的であり、挿入された集電体、及び／又は流量制御装置が介在する。したがって、「電極接触領域」の用語を使用したとしても、ガスセパレータのその領域は隣接する電極に直接接触する必要がないことが、理解されるであろう。
【００１６】
導電性材料からなる複数の経路の１以上、好ましくはすべてが、セパレータ本体のアノード面において、拡大された頂部（an enlarged head）を有することが好ましく、その大きさは、セパレータ本体を貫通する経路部分の断面積の最大で５０倍が好ましく、より好ましくは２０〜４０倍であり、実施例えば約３０倍である。頂部は経路の導電性材料と一体的に形成することもできるが、別体として形成することが好ましい。セパレータ本体を貫通する導電性材料からなる経路について以後言及する場合、アノード面上の好ましい拡大された頂部についての言及も含むものと概ね理解されたい。拡大された頂部の目的は、セパレータ本体内の導電性材料からなる経路部分と、隣接するアノード構造体との間の電気抵抗を低減することにある。拡大された頂部の材料は、セパレータ本体内の導電性材料からなる経路を構成する材料と少なくとも同等の導電性を有する必要があり、経路を構成する材料よりも導電性が高いことが好ましく、好ましくは市販の純銀である。拡大された頂部の厚さは、例えば、２０〜１００μｍであり、好ましくは３０〜５０μｍである。
【００１７】
各銀用障壁パッチは、導電性材料からなる各経路の外形（これにはアノード面の拡大されたすべての頂部も含み）、を超えて延在する必要があり、これにより各経路の周囲への銀の拡散のリスクを軽減することができる。銀用障壁パッチは、すべての拡大された頂部を含む、導電性材料からなる各経路の断面積の１．５〜５倍又はそれ以上の断面積を有することが好ましく、より好ましくは２〜４倍である。
【００１８】
少なくとも１個の銀用障壁パッチを、接触するように導電性材料からなる経路に直接重ねることが好ましく、この場合、導電性材料からなる経路の周囲においてセパレータ本体と結合させることができる。この場合、銀用障壁パッチは、導電性材料からなる材料からの電流を通すに足る、あるいはアノード面用集電体層からの電流を通すに足る十分な導電性を有することが必要である。固体酸化物燃料電池システムの運転条件において、導電性材料からなる経路からの銀の拡散を防ぎ、かつ導電性を有する、という必要な機能を発揮できる材料はほとんどない。好ましい例としては、銀に対する障壁特性と導電性とが適度にバランスされた比率に配合されたニッケル／ガラス複合体がある。その比率はニッケルが５〜５０重量％、好ましくは１０〜３０重量％、そして残部がガラスである。この実施例では、複合体は、純度９９．９％以上のニッケル粉末と、粉末状の高粘度タイプのガラスとを混合して作製することが好ましい。ニッケル粉末とガラス粉末の好ましい粒径は、最大で約１００μｍ、好ましくは５〜７５μｍである。配合物は適切な温度で焼結する。一例として、セパレータを取り付けた燃料電池スタックの初期運転において、配合物を、例えば８００〜８５０℃の温度範囲で焼結する。ガラスは、高粘性のシリカガラスが好ましく、例えば、後述の表１のガラスタイプ１，４，５のいずれかから選択される重量％組成を有するものである。
【００１９】
この例において、２つの好ましい特性を提供できる、銀用障壁パッチとして好ましい他の材料には、自身が高活性で球状のニッケルであって、例えば上記の方法で８００〜８５０℃の温度範囲で所望の密度に焼結でき、箔として使用できる高純度（９９．９％以上）のニッケルである。これらの導電性の銀用障壁パッチのいずれにも含まれるニッケルを、１以上の銀以外の貴金属と置換又は合金化することができる。しかし、銀以外の貴金属が高価であるので、この方法は好ましいものではない。
【００２０】
この態様の別の例としては、各銀用障壁パッチは、導電性材料からなる各経路（アノード面のすべての拡大された頂部を含む）の上に重ねられ（すなわち、位置合わせされ、部分的に重なる。）、そして前述の大きさを有しており、アノード面コーティング層を介して導電性材料からなる経路とは隔てられている。これにより、銀用障壁パッチを、例えば、セパレータ本体から離れたアノード面用集電体層の表面に位置決めできる。銀用障壁パッチは、導電性材料からなる経路とは離れて配置されているが、その導電性材料からの銀の拡散を抑制するのに効果を有することが見出されている。しかしながら、この例では、銀用障壁パッチが導電性を有することは重要ではなく、例えば、表１のガラスタイプ１〜５のいずれかから選択された粘稠又は結晶性のガラスを用いてパッチを製造することもできる。ガラスの製造方法は、導電性の銀用障壁パッチである上記の好ましいニッケル／ガラス複合体について記載したものと同様である。
【００２１】
本態様のいずれの例においても、銀用障壁パッチの厚さは、約５０〜１５０μｍ、好ましくは約７５〜１２５μｍである。銀用障壁パッチは、有効な障壁となるに十分な厚さを有する必要があるが、ガスセパレータや燃料電池集合体の特性に悪影響を与える程、厚くすべきではない。
【００２２】
本発明の第２の態様によれば、複数の固体酸化物燃料電池の間に用いる燃料電池用ガスセパレータが提供され、そのガスセパレータは、アノード面と、カソード面と、セパレータ本体の電極接触領域においてアノード面からカソード面へ貫通する導電性材料からなる複数の経路とを有し、該導電性材料が銀又は銀含有材料である、セパレータ本体と、集電体層を含み上記電極接触領域を覆うアノード面コーティング層と、集電体層を含み上記電極接触領域を覆うカソード面コーティング層と、を有するものであって、アノード面コーティング層が、さらに、アノード面用集電体層の下のガス障壁層と、そのガス障壁層とセパレータ本体との間の導電性基層（electrically conductive underlayer）とを有し、そのガス障壁層が、アノード面用集電体層と導電性基層よりも導電性の低い材料から形成される一方、アノード面用集電体を貫通して、セパレータ本体を貫通する導電性材料からなる経路に対して位置をずらして（offset）形成され導電性基層へと至る複数の高導電性通路（relatively electrically passages）を有するものであって、導電性基層は、セパレータ本体を貫通する導電性材料からなるすべての経路と、ガス障壁層を貫通するすべての高導電性通路とを電気的に接続する一方、各銀用障壁パッチは、ガス障壁層を貫通する該高導電性通路とそれぞれ結合し、各銀用障壁パッチは、上記経路を通って銀が拡散するのを防ぐに足る十分な密度を有する。
【００２３】
本発明のこの態様によれば、各銀用障壁パッチとガス障壁層を貫通する各通路とを結合させることにより、固体酸化物燃料電池における銀によるアノードの汚染の問題を軽減することができる。さらに、酸素に対する障壁としても作用するので、酸素が導電性材料からなる経路を通過して、ガスセパレータのアノード面の水素と反応するリスクを軽減することができる。各銀用障壁パッチは、十分に高密度であり、そして導電性が必要ではないという点以外は本発明の第１の態様に記載された特性を有することが好ましい。
【００２４】
固体酸化物燃料電池の環境においてガス障壁層に適した材料は制限されるが、現在の好ましい材料としてはガラスを挙げることができる。ガラスには、例えば、表１のガラスタイプ１から５の中から選択された１以上の粘稠ガラス（viscous glass）、結晶性ガラス、又は粘稠ガラスと結晶性ガラスとの混合物を用いることができる。特に、表１のガラスタイプ１又は４のような粘稠ガラスを一の層とし、表１のガラスタイプ２又は３のような結晶性ガラスを他の層とする、２層のガラスを用いることができる。粘稠ガラス層がガスセパレータ本体に近い状態でガス障壁性を主に発揮する一方、結晶層が、上記粘稠層に対して硬い「スキン」を形成し、粘稠層と、隣接する、アノード面コーティング層の集電体層との間の相互作用を軽減することが好ましい。ガラス層又はガラス層群の製造パラメータは、ガスセパレータの他の好ましいガラス成分に対してここに記載されているものと同様である。好ましい２層のガラス層は、上述の方法により粉末状ガラスから製造することができ、さらに燃料電池集合体の運転とは独立して、実施例えば、約９００℃で焼結することができる。
【００２５】
ガス障壁層は、セパレータ本体の電極接触領域の全領域に延在することができ、ガス障壁層の材料は、酸素や水素の通過を防止又は抑制できるような十分な密度又は厚さを有する必要がある。十分な又は１００％の密度を有し、厚さが４０〜１２０μｍ、より好ましくは６０〜１００μｍであることが好ましい。ガス障壁層が２層のガラス層からなる場合。それぞれが３０〜５０μｍの厚さを有することが好ましい。
【００２６】
本発明の第２の態様において、ガスセパレータのガス障壁層を貫通する高導電性通路を設けた理由は、ガス障壁層の材料の導電性が十分ではないからである。ガス障壁層を貫通する高導電性通路の材料には、例えば、導電性基層の材料、又はアノード面コーティング層の集電体層の材料、又はその両方を用いることができる。あるいは、他の使用可能な材料を用いることもでき、例えば、導電性であれば銀用障壁パッチの材料を用いることもできる。
【００２７】
酸素が導電性材料からなる経路を拡散してアノード面で水素と反応するリスクを、ガス障壁層が確実に軽減できるようにするため、セパレータを貫通する導電性材料からなる経路に対し高導電性通路をすべて位置をずらして形成して、酸素の拡散経路を長くする。ガス障壁層を貫通する高導電性通路は、その数を多くし、ガス障壁層を所望の電流が流れるように十分な断面積を有することが必要である。一例として、ガス障壁層を貫通する高導電性層の断面積は、ガスセパレータ本体を貫通する導電性材料からなる経路の全断面積（その流路の拡大された頂部は含まない。）と実質的に同じ、すなわち、約１０％以下の違いしかない。しかし、これは、少なくとも一部は、ガス障壁層を貫通する高導電性通路の材料の導電性に依存する。
【００２８】
セパレータ本体を貫通する導電性材料からなる経路に対して位置をずらして形成された、ガス障壁層を貫通する高導電性通路を設けるためには、本発明の第２の態様におけるガスセパレータのアノード面コーティング層が、セパレータ本体とガス障壁層との間の導電性基層を含むことが必要である。導電性基層は、セパレータを貫通する導電性材料からなるすべての経路の上に積層され、それらのすべての経路と接触し、そしてガス障壁層を貫通する高導電性通路の材料とも接触する。導電性基層は、セパレータの全電極接触領域に延在しており、セパレータ本体の表面の面方向に熱を移動させることにより、温度変化によりセパレータ本体に加わる応力を軽減することができる。
【００２９】
導電性基層は、ガスセパレータ本体を貫通する導電性材料からなる各経路と、ガス障壁層を貫通する斜めの高導電性通路との間に所望の導電性を付与できる程度の厚さを有する必要があるが、特に制限されない。好ましい厚さは、２０〜１００μｍ、より好ましくは３０〜７０μｍである。
【００３０】
導電性基層の材料は銀が好ましい。銀を単独で使用する場合、焼結粉又は箔の形状が好ましい。粉末の粒径の大きさは、最大で約１００μｍ、好ましくは５〜７５μｍである。一般に、好ましい材料としては、純度が９９．９％より大きい焼結銀粉で、粒径が５〜７５μｍの粉末から製造されたものを挙げることができる。あるいは、適切な銀複合体を用いることもでき、その複合体はガラスを含むものが好ましく、その理由は導電性基層に用いることによりガス障壁性を向上させることができるからである。その銀／ガラス複合体は、ガスセパレータを貫通する導電性材料からなる経路に好適に使用される材料と同様のものであり、以下に記載する。銀は、１以上の他の貴金属と、合金化するか、置換することができる。ニッケルは導電性基層の材料としては望ましいものではなく、セパレータ本体を貫通する導電性材料からなる経路を通って拡散する酸素により酸化されて、導電性が低下するリスクがあり、そしてニッケルをその還元状態に維持するために基層に十分に燃料を供給することは困難である。
【００３１】
ガス障壁層を貫通する各高導電性通路と結合する各銀用障壁パッチは、ガスセパレータのアノード面から銀が漏れないようにするため、本発明の第２の態様におけるガスセパレータ内に設ける。ガス障壁層を貫通する各高導電性通路と「結合する」とは、銀用障壁パッチを高導電性通路に直接的に又は間接的に積層すること、あるいは、銀用障壁パッチが高導電性である場合には、銀用障壁パッチの材料の少なくとも一部が高導電性通路の材料であること、を意味する。各銀用障壁パッチは、本発明の第１の態様の別の例において記載され、ガスセパレータ本体を貫通する導電性材料からなる各経路とは分離するように積層された銀用障壁パッチについて記載された材料で作製され、かつその記載された大きさ（各高導電性通路に対しての）を有することが好ましい。
【００３２】
本発明の第２の態様におけるガスセパレータの、セパレータ本体を貫通する導電性材料からなる経路は、それぞれ、本発明の第１の態様に記載されたセパレータ本体のアノード面上に拡大された頂部を有することが好ましい。しかし、その拡大された頂部は、導電性基層が銀である場合には、必ずしも必要ではない。
【００３３】
特に断らない限り、以下の記載は、本発明の既述の両方の態様のガスセパレータにも適用できるものである。
【００３４】
アノード面用集電体層は、セパレータ本体の表面の面方向に電流を流すとともに、温度変化によりセパレータに加わる応力を軽減させるために、面方向に熱を移動させる作用を有する。集電体層は、セパレータの全電極接触領域に延在する必要があり、２０〜１００μｍ、より好ましくは３０〜７０μｍの厚さを有する。面方向に電流を流し、かつ熱を移動させるための最小限の厚さが必要であるが、層が厚過ぎると、破断し易くなる。
【００３５】
固体酸化物燃料電池の運転条件において、面方向に電流を流し、かつ面方向に熱を移動させるという２つの機能を持った材料は少なく、一般には、純度９９．９％以上で粒径が５〜７５μｍであるニッケル粉を焼結したニッケルが好ましい材料である。あるいは、高純度のニッケルを箔の形で用いることもできる。
【００３６】
セパレータ本体を貫通する導電性材料からなる経路の一つに直接積層されていない銀用障壁パッチを、アノード面用集電体層の少なくとも一部に設けることができる。
【００３７】
アノード面コーティング層は、さらに、最外層に変形可能層（compliant layer）を有してもよく、その層は、少なくとも実質的に全電極接触領域にまで延在し、アノード面用集電体層に直接積層されることが好ましい。
【００３８】
変形可能層は、隣接する燃料電池装置の高さの変化を吸収するのに適しており、その理由は、隣接装置のすべての突出部がのこぎり状であり、変形可能層と噛み合わせることができるからである。一実施例として、ガスセパレータとアノードの主面、すなわち、柱又は他の突出物の間のアノードの表面、との間の燃料ガス流の移動を促進させるために、固体酸化物燃料電池のアノードの上に柱又は他の個々の突出物を設けることができる。変形可能層は、ガスセパレータに過度の機械的応力を与えることなく、突出物の若干の高さの変動を許容することができる。変形可能層の噛み合わせる特徴は、独立した層を用いてアノード面用集電体層に対して実行されなくてはならないことがわかった。その理由は、この機能と、さらに面方向への電流の流れと面方向への熱の移動の機能を発現させるように後者の集電体層を形成することが困難であるからである。変形可能層の厚さは、１００〜２００μｍ、より好ましくは１２５〜１７５μｍである。
【００３９】
変形可能層は、アノード面用集電体層と隣接するアノードとの間に導電性を提供する必要があり、一般的に、好ましい材料はニッケルである。一つの形状として、変形可能層は、純度が９９．９％より大きく、粒径が５〜７５μｍであるニッケル粉を焼結したものを用いることができる。空孔形成剤をニッケル粉に混合し、集電体上でニッケルを焼結させる際に燃焼させると、所望の多孔質のニッケル構造体を得ることができる。空孔形成剤は、ニッケルに対し、１０〜３０重量％、好ましくは１５〜２０重量％を用いることができる。適切な空孔形成剤は、ポリブチルメタクリレート（ＰＢＭＡ）であるが、他の公知の空孔形成剤を用いることもできる。変形可能層の空孔度は、１０〜５０体積％が好ましい。
【００４０】
導電性セパレータ本体を貫通する導電性材料からなる経路の一つの上に直接積層されないあらゆる個々の銀用障壁パッチを、変形可能層の開口部の少なくとも一部に設けることができ、これは、変形可能層が少なくとも実質的に全集電体層の上に延在することを意味する。その場合、個々の銀用障壁パッチを、変形可能層の開口部の集電体層の上に設けることができる。パッチは、変形可能層の開口部の端部から面方向に離して配置することができる。
【００４１】
セパレータ本体の材料は、他の燃料電池の部材の熱膨張係数（ＣＴE）と実質的に一致する熱膨張係数を有するものから選択することが好ましいが、金属や合金等の導電性材料を含む適切な材料から選択することが好ましい。燃料電池の電解質材料がジルコニアであり、かつその電解質が電極層を支持する主たる層である、固体酸化物燃料電池アセンブリーにおいては、セパレータ本体に適した材料はジルコニアである。ガスセパレータのジルコニアには、例えば、３〜１０重量％のイットリアを含むイットリア安定化ジルコニアを用いることができる。あるいは又はさらに、ジルコニアの基本構造を保持した状態で他の材料を含んでもよい。例えば、アルミナを最大１５重量％又は最大２０重量％含むジルコニア・アルミナを用いることもできる。一般的に好ましい材料は、１０重量％のイットリアを含む、２〜１５重量％のアルミナで強化した安定化ジルコニアである。便宜上、そのジルコニア系材料を、以降ではジルコニアと呼ぶ。
【００４２】
セパレータ本体の厚さは５００μｍを超えないことが好ましく、多数のガスセパレータを用いる燃料電池スタックの総厚み又は総高さと重量とを最小限にするために、この値よりも小さいことがより好ましく、実施例えば、５０〜２５０μｍである。厚みをさらに薄くすることもできるが、ガスセパレータ本体の製造が困難となる。また、セパレータ本体の密度を高くする、すなわち、燃料電池アセンブリー内のガスに対する材料のガス不透過性を確保する、ことが困難となる。より厚くすることもできるが、その必要はなく、厚さは２００μｍより薄いことが好ましい。
【００４３】
セパレータ本体は、セパレータの材料と形状に応じてあらゆる適切な方法を用いて製造することができる。セパレータは、円形状又は実質的に円形であることが好ましい。平板状の燃料電池に用いるガスセパレータは、一般に板状で、ジルコニア板であり、例えば、生材料（green material）をテープキャストし、焼結して製造することができる。適切な製造方法は容易に理解できるものであり、本発明の範囲には含まれない。セパレータ本体を、例えばジルコニアからなる２層以上とすることもでき、その場合、セパレータ本体の層群を貫通する導電性材料からなる経路と接触するように導電性材料の層を介在させるが、そのことは前述のＷＯ  ０３/００７４０３に記載されている。
【００４４】
既に説明したように、セパレータ本体は、燃料電池アセンブリーに使用されるガスに対して不透過性である必要があるので、セパレータ本体の最も好ましい材料は高密度なものである。しかし、導電性材料からなる経路を用いて、その材料の厚さ方向を貫通する孔を塞げば、その材料には多孔質のものを用いることができる。導電性材料からなる経路は、セパレータ本体を貫通する貫通部として定義することができ、便宜上、以降、このように記載する。
【００４５】
貫通部は、少なくとも実質的にセパレータ本体の厚さ方向を貫通して垂直に延在している。しかし、このことは必須ではなく、導電性材料からなる経路が垂直方向に傾斜していればよい。セパレータ本体のアノード面における各経路を、導電性材料からなる経路を通って酸素が拡散するリスクを軽減するために、カソード面における結合した経路に対して位置をずらして形成することもできる。
【００４６】
各貫通部、及び/又はセパレータ本体を貫通する導電性材料からなる各経路の直径又は平均断面積（導電性材料の頂部を除く。）は、５０〜１０００μｍである。貫通部は、セパレータ本体の製造時において、あるいは製造後に、例えば、レーザ加工を用いて作製することができる。貫通部の大きさの下限は、それらの製造の難度とそれらを導電性材料で塞ぐことの難度に依存する。平均断面積は、２００〜５００μｍ、より好ましくは約３５０μｍである。
【００４７】
貫通部の数の下限は、それらの大きさ、それらの中に入る材料の導電性、そしてガスセパレータにより伝達される電流に依存する。貫通部の断面積が好ましい範囲の上限値に近い場合には、貫通部の数を少なくして、貫通部間の距離を大きくすることが好ましい。セパレータ本体を貫通する導電性材料からなる経路の全面積（導電性材料の頂部を除く。）は、セパレータ本体の電極接触領域の面積（片面のみ）１０００ｍｍ２当たり、０．１ｍｍ２〜２０ｍｍ２、より好ましくは１０００ｍｍ２当たり、０．２ｍｍ２〜５ｍｍ２である。一般的に好ましい例として、電極接触領域又は機能性ガス分離面積が約５４００ｍｍ２であるセパレータ本体を貫通する導電性材料からなる経路の平均直径（導電性材料の頂部を除く。）が約３５０μｍであり、その経路の数が１９である。セパレータ本体を貫通する導電性材料からなる経路は、少なくとも実質的に互いに等間隔（１０％以内の誤差内で）に配置されていることが好ましい。
【００４８】
導電性材料からなる経路は、ガスセパレータの反対面からの熱伝導の経路でもあることが好ましい。
【００４９】
セパレータ本体を貫通する経路に用いる導電性材料には、金属銀（市販純度）、銀を主成分とする金属混合物、又は銀合金を用いることができる。これらは、焼結した高密度の充填物の形で用いることが好ましい。
【００５０】
特に、燃料電池の運転温度が、約９００℃より高温で、銀の融点以上である場合、例えば最大１１００℃である場合、銀は、十分高い融点を有する他の適切な延性のある金属又は金属群を合金化することが好ましい。その金属として、例えば、金、パラジウム、そして白金等の１以上の貴金属を挙げることができる。合金中の銀の含有量が５０重量％より少ないものが好ましい。銀と結合させる安価な材料としては、ステンレス鋼を挙げることができる。他の例としては、アルミニウムと錫がある。銀と、合金用金属又は配合用金属とを粉末の状態で混合し、セパレータ本体の貫通部内で焼結させる。粉末には、市販純度（純度９９．９％以上）で、粒径が５〜７５μｍのものを用いることが好ましい。
【００５１】
金属銀、銀混合物又は導電性の銀合金は、いくつかの適切な方法を用いて貫通部に導入することができ、例えば、有機バインダーを含む金属、混合物又は合金のスラリーを貫通部にスクリーン印刷又はステンシル印刷により導入する方法や、セパレータ本体の少なくとも一方の表面を、例えば、印刷、蒸着又はメッキによりコートし、コートした金属、混合物又は合金を貫通部の中に導入する方法が含まれる。
【００５２】
最も好ましくは、セパレータを貫通する導電性材料は、銀−ガラス複合体である。この材料は、貫通部に銀を用いることにより、セパレータ本体の材料とは独立してガスセパレータに所望の導電性を付与できることと、貫通部にガラスを用いることにより、セパレータ本体を通ってガスが漏れるリスクを軽減できるという利点を有している。ガラスは、燃料電池の運転温度では軟化し、必要により、セパレータが熱サイクルを受けている時、セパレータ本体の膨張と伸縮とともに流動することができる。この特性は銀の延性により促進される。銀−ガラス複合体は、実際には、ガラスをマトリックスとする純銀又は銀系材料を用いることができる。
【００５３】
銀−ガラス複合体は、ガラスを、約１０〜約４０重量％、より好ましくは１５〜３０重量％含むことが好ましい。ガラス１０重量％は、セパレータに適切なシール特性を付与するために必要な下限値であり、４０重量％を超えると、複合体に所望の導電性を付与するための銀の量が十分ではなくなるからである。複合体中の銀とガラスの比率を、セパレータ本体のＣＴＥと最も一致するように調整することは可能であるが、複合体の最大の利点は、セパレータの膨張と伸縮とともに変形しかつ導電性を有することにある。
【００５４】
銀−ガラス複合体中の銀とガラスの混合物は、種々の適切な方法を用いて作製することができ、例えば、ガラス粉と銀粉とを混合する方法、ガラス粉を銀塩と混合する方法、ゾル・ゲルガラス前駆体と銀粉又は銀塩とを混合する方法等を挙げることができる。又は、例えば、以下で説明するように、ガスセパレータ本体にガラス粒子を充填した後、銀又は銀塩をガラスマトリックスに導入する方法がある。複合体材料をその後焼成する。銀塩の好ましい例は、硝酸銀である。好ましい例では、粒径が５〜７５μｍである銀粉とガラス粉を用いる。好ましいバインダーは、例えば、有機スクリーン印刷媒体又はインクである。材料を混合し塗布した後、焼成する。
【００５５】
以上説明したように、複合体の銀には市販純度（純度が９９．９％より大きい）で、実施例えば銀合金等の銀を主成分とする材料混合物を用いることができる。
【００５６】
燃料電池の運転温度が約９００℃を超えない場合、例えば８００〜９００℃である場合、ガラスマトリックスには銀を単独で用いることが好ましい。ガラスの表面で銀のイオン交換がいくらか起こり、銀とガラスとの結合を促進し、界面の応力を拡げることができる。また、ガラスマトリックスと混合するに先立って、前述の１以上の合金金属を銀と結合させることができる。もし、高融点の金属又は金属群が、銀合金の界面におけるガラスとのイオン交換による結合を過度に減少させる場合には、銅等の低融点金属を用いることができる。
【００５７】
種々の組成のガラス組成物を、銀−ガラス複合体に用いることができる。ガラス組成物は、燃料電池用ガスセパレータが使用される温度及びクールダウン速度では、結晶化に対しては安定である必要がある（例えば、４０％より少ない体積結晶化率）。ガラス組成物は、予定される燃料電池の運転温度、例えば７０〜１１００℃、好ましくは８００〜９００℃においては、粘度変化が小さいことが好ましい。予定される最大温度においては、ガラスの粘度が、自重によりセパレータから流れ出す程度まで低下しないようにすべきである。
【００５８】
ガラスは、発煙成分を含まないことあるいは少ないこと（例えば、１０重量％未満）が好ましく、例えば、酸化鉛、酸化カドミウム、酸化亜鉛は含まないことが好ましく、酸化ナトリウムと酸化硼素は含まないことあるいは少ないことが好ましい。好ましい燃料電池運転温度である８００℃〜９００℃における少なくとも１００℃の温度範囲において、粘度変化が小さいガラスの種類としては、一般に、ＳｉＯ２を５５〜８０重量％含む高シリカガラスを挙げることができる。そのガラスは、比較的小さいＣＴＥを有する。
【００５９】
特にジルコニア製のガスセパレータ本体に適した、その高シリカガラスの組成の好ましい例、さらにはより好ましい例は、表１にガラスタイプ１として記載されている。
【００６０】
【表１】
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【００６１】
導電性材料の複合体を、いくつかの適切な方法を用いて貫通部に導入することができる。例えば、ガラスの粉末又は粒子を貫通部に導入した後、銀塩溶液又は銀材料の非常に微細なサスペンションを、セパレータ本体の片面又は両面に液体塗布することにより、毛細管力等によりガラス粒子を通って貫通部に吸い込まれる。また、溶液又はサスペンションを貫通部に注入することもできる。より好ましくは、バインダーを含むガラス粉末と銀材料粉末との混合物を、少なくとも貫通部の一部を充填するために、例えばスクリーン印刷又はステンシル印刷により、セパレータ本体の片面又は両面の上に印刷する。その後、混合物を、ガラスを溶融させるために加熱し、最終的には銀を焼結する。溶融したガラス−銀複合体は、貫通部を流動して、貫通部をシールする。好ましい加熱／焼成温度は、ガラスの組成と銀材料に依るが、銀が蒸発し過ぎないようにガラスを最適溶融するためには、純銀を含む高シリカガラスマトリックスの場合、６５０〜９５０℃が好ましい。
【００６２】
セパレータ本体の材料に、ジルコニア等のイオン伝導体を用いる場合の問題点は、酸素イオンがカソード（酸化剤）面からアノード（燃料）面へと、セパレータ本体を通って移動することである。セパレータのアノード面に酸素イオンが存在すると、燃料電池の電圧とは逆の極性を持った電圧が発生し、燃料電池アセンブリーで発生する出力電圧を低下させる。この問題を抑制するため、アノード面コーティング層が、導電性材料からなる各経路における開口部を除く、全電極接触領域に延在し、イオン伝導性のセパレータ本体と接触するイオン障壁層を含むことが好ましい。各銀用障壁パッチが、導電性材料からなる各経路に直接積層される場合、本発明の第１の態様によれば、イオン障壁層は銀用障壁パッチに部分的に積層されることが好ましい。これにより、各銀用障壁パッチの端部が押さえられる結果、導電性材料からなる経路から銀用障壁パッチを通って、セパレータ本体のアノード面へとガスが漏れるリスクを軽減することができる。
【００６３】
イオン障壁層の第１の目的は、セパレータ本体の材料を通って酸素イオンがセパレータのアノード面に漏れることを防止することであるので、イオン障壁層をあまり厚くする必要はない。厚さは、５〜３０μｍ、より好ましくは１０〜２０μｍである。
【００６４】
イオン障壁層に好ましい材料には、チタニア、アルミナそしてガラスが含まれる。ガラスは結晶性である必要があり、イオン障壁層とセパレータ本体のＣＴＥが実質的に同じになるように、２つの結晶性ガラスを適切な比率で含む化合物を用いることが好ましい。適切な結晶性ガラスの組成物は、表１にガラスタイプ２として説明されている。
【００６５】
本発明の第２の態様に従いガスセパレータ本体のアノード面上に前述の導電性基層を設け、そしてその材料の燃料に対する触媒活性が低い場合、セパレータ本体がイオン伝導体で作製されている場合であっても、セパレータ本体を通って酸素イオンは伝導しないので、イオン障壁層は必ずしも必要ではない。これには、例えば、導電性基層が銀又は銀化合物が作製されている場合が相当する。
【００６６】
カソード面には、セパレータ本体を貫通する導電性材料からなる経路が１以上あり、好ましくはこれらすべてが、セパレータ本体を貫通する導電性材料からなる経路部分と隣接するカソード面構造体との間の電気抵抗を低減させるための拡大された頂部を有することが好ましい。拡大された頂部は、隣接する、セパレータ本体を貫通する経路部分の断面積の最大で１００倍の断面積を有することが好ましく、厚さは５０〜２００μｍ、より好ましくは１００〜１５０μｍである。一例として、セパレータ本体の貫通部の直径は０．３５ｍｍで、導電性材料からなる各経路のカソード面上の頂部は直径が約２．５〜３ｍｍである。最も好ましくは、カソード面の頂部が、隣接する、セパレータ本体を貫通する導電性材料からなる経路部分と同じ材料で作製され、それと一体化されていることである。
【００６７】
アノード面の導電性材料からなる各経路に必要に応じて設けた拡大された頂部の場合とともに、セパレータ本体を貫通する導電性材料からなる経路についての言及は、カソード面における好ましい拡大された頂部についての言及も含むものと理解されるべきである。
【００６８】
カソード面用集電体層は、セパレータ板の表面の面方向に電流を流すことにより、導電性材料からなる経路を隣接するカソード面構造体と接続するとともに、ガスセパレータの表面の面方向に熱を移動させることが必要であり、それにより、熱変動によりもたらされたガスセパレータの応力を最小限に抑制する。また、種々の機械的応力が加わらないようにカソードを集電体層に接触させるために、隣接する燃料電池カソード構造体に高さを変化可能な部分を設け集電体層の中に埋め込むようにすることが好ましい。カソード面用集電体層の厚さは５０〜１８０μｍ、より好ましくは８０〜１５０μｍである。
【００６９】
固体酸化物燃料電池の運転条件で、カソード面集電体層が上記の機能を果たすには、材料として、銀、金、白金、そしてパラジウムを、単独又は２種以上の合金として用いることが好ましい。好ましい材料としては、純度が９９．９％より大きく、粒径が５〜７５μｍの銀粉を焼結した銀である。焼結後に得られる構造体は、所望のコンプライアンスを確保するために、密度を非常に大きくする必要はなく、そして空孔形成剤、好ましくはＰＢＭＡを銀粉と混合し、銀を焼結することにより、所望の空孔を有する銀構造体を得ることができる。空孔形成剤は、銀に対し、１０〜３０重量％、好ましくは１５〜２０重量％を用いる。また、隣接するカソード部材に対しあまりコンプライアンスが必要でない場合には、選択した材料の箔を用いてカソード面用集電体層を作製することができる。カソード面集電体層の空孔度は１０〜５０体積％が好ましい。
【００７０】
カソード面用集電体層は、セパレータ本体のカソード面上の全電極接触領域にわたり延在することが好ましい。また、カソード面用集電体層は、セパレータを貫通する導電性材料からなる各経路にそれぞれ開口部を有することが好ましく、集電体層は、延在して経路部分に隣接し、その隣接する経路部分に接触するか、あるいは隣接する経路部分に部分的に積層される。導電性材料からなる経路の少なくとも一つを通って酸素が拡散するのを抑制するために、カソード面の導電性材料からなる少なくとも１つの経路に、より好ましくはそれぞれの経路に、密に接触して封止するようにその上に各シール用パッチを、設けることが好ましい。以下の変形実施例では、シール用パッチ材料が導電性である場合、カソード面用集電体層を、導電性材料からなる少なくとも１つの経路に接触させたり、あるいは積層する必要はない。
【００７１】
各シール用パッチの厚さは最大１５０μｍであり、厚さは、作製に用いる材料と、カソード面でセパレータ本体の導電性材料からなる経路へ酸素が接近するのを阻止することができる能力による。
【００７２】
シール用材料の一つはガラスであり、好ましくは、表１のガラスタイプ１，４又は５の粘稠ガラスである。ガラス製のシール用パッチの厚さは、例えば７５〜１５０μｍ、好ましくは１００〜１４０μｍである。そのシール用パッチ材料は、非導電性であり、そのため、カソード面用集電体層は、例えば、シール用パッチの端部の周囲で導電性材料の経路と接触する必要がある。この配置では、各シール用パッチは、前述のカソード面用集電体層の中の開口部の一つの中に設けることができ、あるいは集電体層は連続層としてシール用パッチを超えて延在することもできる。
【００７３】
別の例として、シール用パッチが導電性である場合には、カソード面用集電体層が導電性材料からなる経路に直接接触する必要はなく、各シール用パッチは、導電性材料からなる各経路を越えて、経路の周囲のセパレータ本体と結合することができる。導電性材料からなる経路との部分的な重なりは、例えば、０．３〜１ｍｍの範囲である。この例に用いるシール用パッチの材料を、カソード面用集電体層の中の前述の開口部の一つの中に設けることもでき、あるいは集電体層を連続層としてシール用パッチの上まで延在させることもできる。
【００７４】
この例では、シール用パッチ材料に、適切な金属として、好ましくは、白金、金、パラジウム、そしてロジウムからなる貴金属を１種以上含むガラス組成物を用いることができる。表１のガラスタイプ１，４，５のいずれもこのガラス組成物に用いることができる。ニッケルを、白金、金、パラジウム、そしてロジウムの１種以上で置換した以外は、本明細書で導電性のニッケル／ガラスの銀用障壁パッチについて記載したと同様の方法を用いてその組成物を製造することができる。
【００７５】
また、この例では、シール用パッチは、カソード面の導電性材料からなる各経路の拡大された頂部に形成された非常に薄いコーティング膜であり、好ましくは厚さは約１μｍである。そのコーティング膜に適した材料としては、錫とロジウムである。
【００７６】
別の例では、導電性材料からなる経路を通って、ガスセパレータのカソード面から拡散する酸素のリスクは、セパレータ本体とカソード面用集電体層との間の酸素障壁層からなるカソード面コーティング膜により軽減することができる。カソード面酸素障壁層の特徴は、本発明の第２の態様におけるガスセパレータのアノード面ガス障壁層について説明したものから選択することができる。特に、カソード面酸素障壁層がガラスから形成されていることが好ましく、最も好ましくは２層のガラスから形成され、それぞれが粘稠ガラスと結晶性ガラスであり、かつ自身を貫通する比較的導電性の材料からなる通路を有しており、その通路はすべてセパレータ本体を貫通する導電性材料からなる経路に対して位置をずらして形成されている。セパレータ本体を貫通する導電性材料からなる経路に対し、酸素障壁層を貫通する比較的導電性の材料からなる通路を位置をずらして形成することにより、酸素の潜在的な拡散経路を長くすることができる。
【００７７】
セパレータ本体を貫通する導電性材料からなる経路と、カソード面酸素障壁層を貫通する導電性材料からなる通路との間の導電性を高くするために、カソード面コーティング膜は、セパレータ本体と酸素障壁層との間に設けた導電性基層からなる。カソード面の導電性基層は、カソード面上のセパレータ本体の電極接触領域の全域にわたり延在する必要があり、セパレータ本体の表面の面方向への熱移動を可能にして、温度変化によりセパレータ本体に加わる応力を軽減する。カソード面の導電性基層の厚さは、２０〜１００μｍ、より好ましくは４０〜８０μｍである。
【００７８】
カソード面の導電性基層の材料は、金、白金、パラジウム、そして銀のいずれか単独、又はそれらの２種以上の合金、又は適切な適合材料を含むそれらの１種以上の合金から選択することができる。一般に好ましい材料は、純度が９９．９％より大きく、粒径が５〜７５μｍである粉末を焼結した銀である。また、銀／ガラスを用いることもでき、それは、セパレータ本体を貫通する経路を構成する導電製材料について前述したものと同様のものである。ガラスは、粘稠で、表１のガラスタイプ１，４，５から選択することができる。その銀／ガラス複合体からなるカソード面の基層は、カソード面において、導電性材料からなる経路の拡大されたすべての頂部の少なくとも一部を置換することができる。
【００７９】
カソード面の酸素障壁層を貫通する通路に用いる比較的導電性の材料は、好ましくは、カソード面の導電性基層又はカソード面用集電体層、又はその両方である。
【００８０】
セパレータ本体を貫通する導電性材料からなる経路中の銀を通って、酸素がカソード面からアノード面に拡散し、アノード面で水素と反応する、という問題を軽減するための３つの方法をここで説明する。すなわち、１）セパレータ本体とアノード面用集電体層との間のアノード面上にガス障壁層を設け、その障壁層は、ガス障壁層を貫通する開口部であって、酸素の拡散経路を長くするために、導電性材料からなる経路に対して位置をずらして形成された比較的導電性の材料を含んでいる、２）セパレータ本体とカソード面用集電体層との間のカソード面上に酸素障壁層を設け、その障壁層は、ガス障壁層を貫通する開口部であって、酸素の拡散経路を長くするために、導電性材料からなる経路に対して位置をずらして形成された比較的導電性の材料を含んでいる、３）カソード面の導電性材料からなる経路の少なくとも一つの上にかつ密に接触して封止するように、各シール用パッチを設ける。
【００８１】
これらの３つの方法を、別々にあるいはそれらの２つ以上を組み合わせて用いることもできる。しかしながら、本発明の第１と第２の態様の一方又は両方において、その３つの方法をそれぞれガスセパレータに使用していることを既に記載しているが、それは、ガスセパレータのアノード面に銀が拡散するのを防止するためにそれぞれ銀用障壁パッチを取り付けたガスセパレータに関するものである。本発明の第１及び第２の態様に依らずとも、上記の３つの方法の１以上の方法を２つの固体酸化物燃料電池用のガスセパレータに用いることができ、それにより、導電性材料からなる経路中の銀を通って酸素が拡散する問題を軽減できることが理解できるであろう。
【００８２】
よって、本発明の第３の態様では、２つの固体酸化物燃料電池の間に使用する燃料電池用ガスセパレータが提供され、そのガスセパレータは、アノード面と、カソード面と、該セパレータ本体の電極接触領域においてアノード面からカソード面へ貫通する導電性材料からなる複数の経路とを有し、該導電性材料が銀又は銀含有材料である、セパレータ本体と、アノード面用集電体層を含み上記電極接触領域を覆うアノード面コーティング層と、カソード面用集電体層を含み上記電極接触領域を覆うカソード面コーティング層と、を有するものであって、１）セパレータ本体と各集電体層との間のアノード面とカソード面の一方又はそれぞれの上に形成された酸素ガス障壁層と、２）カソード面の、導電性材料からなる材料からなる各経路の上に形成され、各経路と密に接して封止する各シール用パッチの一方又は両方を有している。
【００８３】
本発明の第３の態様においては、ガスセパレータのガス障壁層及び／又はシール用パッチは、本発明の第１及び／又は第２の態様に関して記載されたそれら部材の特徴のいずれを含むこともできる。また、本発明の第３の態様におけるガスセパレータは、本発明の第１及び／又は第２の態様に関して記載されたガスセパレータについての１以上のいずれの付加的な特徴を含んでもよく、本発明の第１と第２の態様の記載はその通りに解釈することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】図１は、一般的な固体酸化物燃料電池のガスセパレータ用プレートと、結合した固体酸化物燃料電池用プレートを示す分解斜視図の一例である。
【図２】図２は、図１のガスセパレータ用プレートの上からの平面図の一例である。
【図３】図３は、図１と図２の本発明のガスセパレータ用プレートの一例を示す部分断面図の一例であり、図２のＡ−Ａ線での断面であり、部分断面図に示すように２つの燃料電池用プレートにより挟まれている。
【図４】図３のガスセパレータ用プレートの模式的なスケール無しの部分拡大図の一例である。
【図５】図１と図２のガスセパレータ用プレートの第２の例についての部分断面図の一例であり、図２のＡ−Ａ線断面におけるものである。
【図６】図５のガスセパレータ用プレートの模式的なスケール無しの部分拡大図の一例であり、その変形例を示している。
【図７】図６のガスセパレータ用プレートの変形例を示すものであり、模式的なスケール無しの部分断面図の一例である。
【図８】図３のガスセパレータ用プレートの部分断面図と同様の図であり、カソード面の変形例を示している。
【図９】図８のガスセパレータ用プレートの模式的なスケール無しの部分拡大図の一例であり、カソード面の変形例を示している。
【図１０】図４と同様の図であり、ガスセパレータ用プレートのアノード面の変形例を示している。
【発明を実施するための形態】
【００８５】
本発明の固体酸化物燃料電池用ガスセパレータの種々の例について、添付の図面の実施例を用いて説明する。
【００８６】
図１は、ガスセパレータ用プレート１２の上に積層された固体酸化物燃料電池用プレート１０を示している（分解状態で）。使用時には、プレート１０と１２は、対向状態で接触し、燃料電池用プレート１０とガスセパレータ用プレート１２とが交互に積層されて、固体酸化物燃料電池アセンブリーを形成する。
【００８７】
プレート１０と１２は、上からの斜視図で示しており、燃料電池用プレート１０の上の電解質層１６の上に視認できるカソード層１４を有している。電解質層１６は、燃料電池用プレート１０の全直径の領域に延在しているのに対し、カソード層１４はプレートの中央部分のみの領域に延在している。カソード層１４に対応するアノード層（不可視）は、燃料電池用プレートの裏面（図面の）に設けられている。ガスセパレータ用プレート１２は、図２の平面図にも示されている。
【００８８】
燃料電池用とガスセパレータ用のプレート１０と１２は、一般に円形状であり、燃料導入用開口部１８、対向する燃料排出用開口部２０、最終の導入用開口部の反対面上の空気導入用開口部２２とそれにそれぞれ対向する空気排出用開口部２４とが内部にマニホールド用の孔として形成されており、プレートを積層する際にはそれぞれが位置決めされてマニホールドを形成する。燃料電池用プレート１０では、これらの開口部は、電解質層１６を貫通させて形成するが、カソード層１４とアノード層１６を配置する中央部分から外側の電解質層１６に形成する。ガスケット型のシール２６と２８は、それぞれ、各燃料電池の上面（図面の）とガスセパレータ用プレート１０と１２の上に設ける。ガスケット型のシール２６と２８は、ガラス組成物又はガラス複合体を用いて容易に作製することができる。
【００８９】
シール２６は、空気導入用開口部２２と結合した空気導入用ポート３０と、空気排出用開口部２４と結合した空気排出用ポート３２を有しており、カソードと隣接するガスセパレータ用プレート（不図示）との間のカソード層１４を横切って空気が流れるのを可能にしている。シール２６は、燃料導入用開口部１８と排出用開口部２０の周囲をすべて囲むように延在しており、燃料電池用プレート１０に燃料が流れ出すのを防いでいる。
【００９０】
それに対応して、ガスセパレータ用プレート１２上のシール２８は、空気導入用開口部２２と空気排出用開口部２４の周囲をすべて囲むように延在しているが、燃料導入用開口部１８と燃料排出用開口部２０についてはその外側のみに延在しており、その理由は、燃料ガスが燃料導入用開口部１８から流入し、燃料排出用開口部２０を通って排出される前に、燃料電池用プレート１０と隣接するガスセパレータ用プレート１２との間のアノードを横切るようにポートを位置決めする必要があるからである。
【００９１】
各電極を横切るように反応ガスを供給し、そして燃料電池スタックのすべてのプレート１０と１２を少なくとも支持できる手段（図１と２には不図示）を設けることができる。その手段として、ガスセパレータ用プレート１２又は燃料電池用プレートの上に導電性表面を形成する方法がある。また、プレート１０と１２の間の別部材（不図示）、例えばメッシュ又は波形構造体を用いてガスを供給することもでき、それらは集電体としても機能する。供給手段としては、図３に記載されているように、アノード層とカソード層の上の短柱の形状が好ましい。
【００９２】
燃料電池用プレート１０のカソード層１４の材料は、多孔質であるランタンストロンチウムマンガネート等の導電性ペロブスカイトが好ましく、アノード層は、多孔質のニッケル−ジルコニアサーメットで作製することが好ましい。
【００９３】
燃料電池用プレート１０の電解質層１６は、密度が十分に高いイットリア安定化ジルコニアであり、例えば、２〜１５重量％のアルミナで強化された３Ｙ、８Ｙ又は１０Ｙを用いることができるものであり、電極層を超えて延在し、自身を貫通するマニホールド用の孔である燃料と空気の導入用及び排出用の開口部を形成する一方、シール２６を支持し、さらにガスセパレータ用プレート１２上にシール２８のための接触用表面を提供する。
【００９４】
ガスセパレータ用プレート１２は、燃料電池用プレート１０と同様の側面を有し、燃料電池の電解質層１６のＣＴＥと少なくとも実質的に一致するように、十分に密度が高いジルコニアを用いて作製する。好ましい例として、プレート１２のジルコニア本体の厚さは１５０μｍである。ガスセパレータ用プレート１２のジルコニアも、イットリア安定化ジルコニアであり、最大２０重量％のアルミナで強化されたものである。一般的に、ガスセパレータ用プレート１２と電解質層１６の両方に好ましい材料は、１０％イットリアで安定化され、２〜１５重量％のアルミナで強化されたジルコニアである。
【００９５】
ジルコニアは導電性ではなく、ガスセパレータ用プレート１２の役割の一つが、スタックを通して一の燃料電池から隣の燃料電池へ電流を流すことであるので、ガスセパレータの中央平面部分又は電極接触領域３６の厚さ方向を貫通して、複数の導電性のフィードスルー（feedthroughs）３４（図１と図２に模式的に示している。）を設けており、ここで、ガスセパレータの中央平面部分又は電極接触領域は、その形状と大きさが、燃料電池用プレート１０の電解質層１６の中央部分に設けた隣接する電極に対応しており、直径は約８０ｍｍである。フィードスルー３４は、プレート１２を貫通する実質的に垂直な貫通部の中に充填された銀又は銀含有材料からなる。各フィードスルー３４は、図２に模式的に示しているように、カソード面とアノード面にそれぞれ、拡大された頂部を有している。ガスセパレータ用プレート１２を貫通するフィードスルー３４は、視認できるように記載されているが、本発明では、それらは、以下の例で記載するように、各面上の電極接触領域３６を横切る１以上の層により覆われている。そのため、図１と図２は、ガスセパレータ用プレート１２を一般的に示している。
【００９６】
図に示したように、ガスセパレータ用プレート１２の電極接触領域３６には１９個のフィードスルー３４があり、電極接触領域の中心に１個が配置され、６個と１２個の列が、互いに等間隔に離間して、中心の周りにそれぞれ同心円状に配置されている。好ましい例では、フィードスルー３４を設けたプレート１２を貫通する貫通部は、直径が０．３５ｍｍであり、フィードスルーの材料は、ガラス中に８０重量％の銀を含む複合体であり、導電性とガス不透過製とのバランスを確保している。銀は、市販純度であり、ガラスは、表１のガラスタイプ１のより好ましい範囲にもとづく組成を有する。
【００９７】
フィードスルーは、粒径が１００μｍより小さく、平均粒径が１３〜１６μｍである粉末状のガラスと、粒径が４５０μｍより小さい市販純度の銀金属粉をバインダーとともに機械的に混合して調製される前駆体混合物から作製する。好ましいバインダー系は、ブランド名がセルデック（Ｃｅｒｄｅｃ）とデュラマックス（Ｄｕｒａｍａｘ）として入手できる、スクリーン印刷用インクを用いることができる。前駆体混合物をセパレータ本体の片面又は両面にスクリーン印刷し、貫通部を少なくとも部分的に充填するようにする。次に、混合物を加熱してガラスを軟化させ、最終的に銀を焼結する。溶融したガラス−銀複合体は、貫通部に流入してそれらをシールする。高シリカガラスマトリックス中の純銀に対して適切な加熱／焼成温度は、銀が過度に蒸発するのを抑制してガラスを最適に軟化させるためには、最大で９５０℃である。前述のように、フィードスルー３４は、アノード面とカソード面に拡大された頂部を有しており、これらについては図３と図４を参照して詳細に説明する。
【００９８】
図３は、フィードスルー１３４を有する本発明のガスセパレータ用プレート１１２の一部が、上側と下側の燃料電池用プレート１１０との間に挟まれている状態を示している。燃料電池スタックでは、このパターンが多数繰り返されている。
【００９９】
各燃料電池用プレートは、電解質層１１６，カソード層１１４，そしてアノード層１１５を含み、それぞれ図１に記載されている。各燃料電池用プレート１１０は、カソード面には規則的に離間配置された導電性の低い柱１３８と、アノード面には対応するように向かい合って配置された導電性の低い柱１４０を有している。カソード面の柱１３８は、カソード材料と同様にぺロブスカイト材料で形成され、アノード面の柱１４０はアノード材料と同様にニッケル/ジルコニアサーメットで形成されている。柱はステンシル印刷を用いて各電極材料の上に配置されている。通常、柱の高さは、約２００〜５００μｍであり、ガスセパレータ用プレート１１２に接することにより、下側の燃料電池用プレート１１０とガスセパレータ用プレート１１２との間に柱１３８を囲むように酸化剤ガス流路１４２を形成し、ガスセパレータ用プレートと上側の燃料電池用プレート１１０との間には柱１４０を囲むように燃料ガス流路１４４をそれぞれ形成している。図に示すように、低い柱の直径は約３ｍｍであるが、柱自身は本発明のいかなる部分を構成するものでもないことが理解されるであろう。
【０１００】
図３と４に示すように、ガスセパレータ用プレート１１２のジルコニアからなるセパレータ本体１４６は、自身を貫通し、フィードスルー１３４が設けられている各貫通部１４８を有している。各フィードスルー１３４は、各貫通部１４８を完全に充填して封止する一方、カソード面には同じ材料からなり一体化されている、拡大された頂部１５０を有している。一例として、一体化された頂部１５０の厚さは約１２０μｍ、直径は約３ｍｍである。拡大された頂部１５０は貫通部１４８の周囲でガスセパレータ本体１４６に付着し、ガス流から貫通部１４８をシールし、かつフィードスルー１３４とカソード面用集電体層１５２との間の接合の電気抵抗を低減させることに寄与している。
【０１０１】
カソード面用集電体層１５２は、カソード面の電極接触領域３６の全面に延在し、かつ多孔質の銀で形成されており、カソード面のセパレータ用プレートの表面の面方向に電流を流して、隣接する燃料電池用プレート１１０の上の柱１３８にフィードスルー１３４を接続する一方、温度変化によりセパレータに発生する応力を最小化するためにセパレータ用プレートの表面の面方向に熱が伝導できるようにしている。
【０１０２】
一例として、カソード面用集電体層１５２は、通常厚さが約１２０μｍであり、集電体層自身の多孔性と相まって、ある程度のコンプライアンスを付与しており、それにより柱１３８が集電体層の中に埋め込まれる結果、それら柱の高さが若干異なっている場合であっても、セパレータ本体１４６に機械的応力を加えることなく、柱は集電体層に接触することができる。しかしながら、カソード面用集電体層１５２は、その厚さは薄くなると拡大された頂部１５０の上に突き出る。
【０１０３】
集電体層１５２は、粒径５〜７５μｍの市販純度の銀粉と、バインダーとして１５〜２０重量％のＰＢＭＡと、粉体の焼結時に燃焼する空孔形成剤とから製造することができ、これにより、空孔度が１０〜５０体積％の層が得られる。
【０１０４】
アノード面では、拡大された頂部１５４は貫通部１４８の周囲でセパレータ本体１４６のアノード面に付着し、フィードスルー１３４と、その下の、ガスセパレータ１１２のアノード面コーティング層１１２との間の電気抵抗を低減する。しかしながら、頂部は市販純度の銀で形成されているので、貫通部１４８のフィードスルー１３４の部分とは一体化することができない。好ましい例では、拡大された頂部１５４の厚さは約４０μｍ、直径は約２ｍｍである。その大きさを、カソード面の拡大された頂部１５０よりも小さくすることができる。その理由は、頂部１５０に比べ、その導電性が高いからである。
【０１０５】
フィードスルー１３４のアノード面の拡大された頂部１５４に銀を用いることの問題は、固体酸化物燃料電池の運転温度では銀は蒸発しやすく、そして移動しやすいため、銀と接触することにより、隣接する燃料電池１１０のアノード１１５の改質機能が低下することである。これを低減するため、個々の銀用障壁パッチ１５６をフィードスルーのアノード面の拡大された頂部１５４に直接積層し、拡大された頂部の周囲でセパレータ本体１４６のアノード面を封止し、これにより、フィードスルー（拡大された頂部を含む。）からセパレータ用プレート１１２のアノード面に銀が漏れるのを抑制することができる。高温の燃料電池運転温度で酸素がフィードスルー１３４を通って拡散しても、銀用障壁パッチ１５６がアノード面への酸素の漏れを抑制することができる。
【０１０６】
銀用障壁パッチ１５６は、フィードスルー１３４からアノード面用集電体層１５８に電流を流すために、導電性である必要がある。銀用障壁パッチ１５６のすべての機能を果たすための材料は、導電性と銀をブロックすることとのバランスをとるために、１０〜３０重量％のニッケルを含む焼結粉から作製したニッケル／ガラス複合体が好ましい。ニッケル粉は市販純度で、粒径が５〜７５μｍのものである。ガラス粉は、粘稠タイプで、表１のガラスタイプ１，４，５のいずれかから選択された組成のものである。各銀用障壁パッチの厚さは、約１００μｍで直径は約３ｍｍである。
【０１０７】
イオン障壁層１６０は、アノード面のガスセパレータ本体１４６と集電体層１５８との間に配置されている。イオン障壁層は、集電体層１５８の下の電極接触領域３６全体に延在するが、拡大された頂部１５４と概ね同じ直径を有する開口部１６４をフィードスルー１３４のアノード面上に形成するために、イオン障壁層が銀用障壁パッチ１５６と１６２で重なっているフィードスルー１３４の部分は除く。
【０１０８】
イオン障壁層１６０は、セパレータ用プレートの熱膨張係数と同じ熱膨張係数を与えるように比率を調整した２種の結晶性ガラスの化合物から製造する。好ましい結晶性ガラス組成物は、表１のガラスタイプ２と３に記載されているものである。結晶性ガラスは、粘稠ガラスに比べ、隣接するガスセパレータ層との反応性が非常に低く安定である。
【０１０９】
イオン障壁層の機能は、セパレータ本体のジルコニアがイオン伝導性の場合、セパレータ本体１４６からアノード面への酸素イオンの拡散を防止することである。各フィードスルーに設けられたイオン障壁層の重なり部１６２は、セパレータ本体とパッチ１５６との間のフィードスルーの拡大された頂部１５４からの材料の漏れを最小限に抑制するために、銀用障壁層の端部を封止する役割も有する。
【０１１０】
アノード面用集電体層１５８は、電極接触領域３６の全面に延在しており、セパレータ用プレート１１２の表面の面方向に電流を流し、フィードスルー１３４と積層された銀用障壁パッチ１５６を、隣接する燃料電池１１０上の導電性の、アノード面の柱１４０に接続する。集電体層１５８は、温度変化によりセパレータ用プレートに発生する応力を最小限に抑制するために、セパレータ本体の表面の面方向に熱を伝導させる機能も有する。
【０１１１】
アノード面用集電体層１５８は、市販純度の粒径が５〜７５μｍである焼結ニッケル粉を用いて作製する。その厚さは通常約５０μｍで、各フィードスルー１３４ではそれより薄くする。
【０１１２】
アノード面用集電体層１５８に積層するアノード面用変形可能層１６６は、ガスセパレータ用プレート１１２に機械的応力を加えることなく、アノード面用柱１４０を変形可能層の中に埋め込むことを可能にしている。一般に、柱１４０は、集電体層に接触する程度まで深くは変形可能層の中に埋め込まれることはないので、変形可能層は、集電体層１５８と、隣接する燃料電池１１０の柱１４０との間にも電流を流す必要がある。
【０１１３】
変形可能層１６６の厚さは約１５０μｍで、焼結ニッケル粉を用いて作製する。ニッケル粉は市販純度で、粒径が５〜７５μｍのものである。それを１５〜２０重量％のＰＢＭＡと混合するが、ＰＢＭＡは空孔形成剤であり、その混合物を焼成すると多孔質のニッケル構造体が得られ、それは速やかにのこぎり状（indented）にされる。
【０１１４】
以下の記載は、図３と４に記載されたガスセパレータの変形実施例に関するものであり、同様の部材については、１００番台以外の対応する符号を用いるか、又はいくつかのケースではプライム””を用いて区別している。これらの部材は、同様の機能と構造を有しているので、簡単のため、図３と４の実施例の対応する部材と異なる点についてのみ記載する。
【０１１５】
図５は、ジルコニアのセパレータ本体２４６を有するガスセパレータ用プレート２１２を示しており、セパレータ本体は自身を貫通する貫通部２４８を有し、その貫通部はそれぞれフィードスルー２３４で封止されている。各フィードスルーは、カソード面には一体の拡大された頂部２５０を有し、アノード面には別体の銀からなる拡大された頂部２５４を有している。
【０１１６】
カソード面において、集電体層２５２とカソード面用集電体層１５２との違いは、集電体層２５２が、フィードスルー２３４の拡大された頂部２５０の上に積層されず、その代わり、拡大された頂部にまで延在し、接する点にある。カソード面では、ガラスのシール用パッチ２６８が積層され、拡大された頂部２５０が封止される。そのパッチの厚さは約１２０μｍ、直径は約３ｍｍであり、カソード面用集電体層２５２の上にも一部が重なっている。シール用パッチ２６８は、カソード面の酸素がフィードスルーの銀に近づくのを防止することにより、フィードスルー２３４のガス不透過性を向上させる。シール用パッチのガラスは、粘稠であり、表１のガラスタイプ１と４のような組成を有することが好ましい。
【０１１７】
アノード面において、銀用障壁パッチ２５６は、フィードスルー２３４の拡大された頂部２５４の上に直接積層されない。そのため、パッチは拡大された頂部２５４と直接には接触していない。その代わり、イオン障壁層２６０が拡大された頂部２５４にまで延在し、接しており（図６にはより明確に示されている。）、アノード面用集電体層２５８は、フィードスルーでは拡大された頂部２５４に直接積層され、フィードスルー以外ではイオン障壁層２６０に直接積層されている。
【０１１８】
銀用障壁パッチ２５６は、フィードスルーの拡大された頂部２５４に積層されるが、パッチは、拡大された頂部に対して位置決めされており、アノード面用変形可能層２６６を貫通する穴２７０の中の集電体層２５８の上に支持されている。銀用障壁パッチの直径は３ｍｍであるが、穴２７０の直径は４ｍｍである。そのため、銀用障壁パッチの周囲すべてに、銀用障壁パッチ２５６と変形可能層２６６との間に空隙がある。
銀用障壁パッチ２５６の厚さは、銀用障壁パッチ１５６と同様に約１００μｍにしてもよく、あるいは、使用時に隣接する燃料電池と接触しないのであれば、それよりも大きくすることができる。図では、銀用障壁パッチ２５６の厚さは約２００μｍである。
【０１１９】
わずかに薄い銀用障壁パッチ２５６’を図６に示すが、それ以外は、ガスセパレータ２１２’のアノード面は、図５のガスセパレータ２１２のアノード面と同じである。また、図６のガスセパレータ用プレート２１２’のカソード面は、カソード面用集電体層２５２’が２７２において拡大された頂部の上に一部積層され、カソード面の封止を向上させるために、シール用パッチ２６８’が、集電体層２５２’の隣接部分と拡大された頂部２５０だけでなく、環状の重なり部２７２の上にも積層された以外は、ガスセパレータ用プレート２１２のカソード面と同じである。シール用パッチ２６８’は、断面Ｔ型であり（図６では上下逆である。）、Ｔの足の部分は、環状の重なり部２７２の内部にあり、直径は約２ｍｍである。
【０１２０】
図７は、図５の別の変形例を示しており、アノード面における唯一の違いは、フィードスルー２３４の拡大された頂部２５４’’が球状であることである。しかし、カソード面では、フィードスルーの一体化された、拡大された頂部２５０’’も球状であり、シール用パッチ２６８’’はその上に直接積層され、拡大された頂部の周縁の回りで、セパレータ本体２４６のカソード面を封止する。これにより、カソード面用集電体層２５２’’がフィードスルー２３４に直接接触することがないので、シール用パッチ２６８’’の材料には導電性が必要である。好ましい材料は、白金／ガラス複合体であり、白金を５０〜９０重量％含むものである。ガラスは粘稠タイプであり、前述のフィードスルーの銀／ガラス複合体と同様の組成を有するものである。導電性のシール用パッチ２６８’’は、前述の金属／ガラス複合体と同様の方法を用いて作製することができる。白金／ガラスシール用パッチ２６８’’は、フィードスルー２３４の銀を通ってカソード面から酸素が拡散してくるのを確実に抑制するために、厚さは６０〜１２０μｍが好ましい。カソード用集電体層２５２’’は、フィードスルーの拡大された頂部２５０’’とシール用パッチ２６８’’の全面に延在している。
【０１２１】
図８では、ガスセパレータ本体３４６、フィードスルー３３４、そしてガスセパレータ用プレート３１２のアノード面は、図３と４に記載した、ガスセパレータ本体１４６、フィードスルー１３４、そしてガスセパレータ用プレート１１２のアノード面とそれぞれ同じである。そのため、アノード面では、拡大された頂部３５４、銀用障壁パッチ３５６、集電体層２５８、重なり部３６２を有するイオン障壁層３６０、そして変形可能層３６６は、図３と４の対応する部材１５４、１５６、１５８、１６０、１６２、そして１６６と同じであるので、さらなる説明は省略する。
【０１２２】
ガスセパレータ用プレート３１２のカソード面では、フィードスルー３３４の一体化された、拡大された頂部３５０は、図３と４のガスセパレータ用プレート１１２の対応する部分１５０と同じである。しかし、カソード面用集電体層３５２は、ガスセパレータ本体３４６及び拡大された頂部３５０とは離れて配置されており、間には集電体基層３７４と、２つのガラス層３７６と３７８からなるガス障壁層とが存在する。
【０１２３】
ガス障壁層は、カソード面の酸素がフィードスルー３３４に到達し、フィードスルーの銀を通ってアノード面に拡散する可能性を最小限に抑制するように構成されている。
【０１２４】
集電体基層３７４に最も近いガラス層３７６は、厚さが４０μｍであり、主要なガス障壁特性を発揮させるために、表１のガラスタイプ１又は４に記載された組成を有する粘稠ガラスで作製することができる。ガス障壁層の隣接するガラス層３７８は、厚さが約６０μｍで、表１のガラスタイプ２又は３に記載された組成を有する結晶性ガラスを用いて作製することが好ましい。結晶性ガラス層は、粘稠層３７６と集電体層３５２との間の相互作用を軽減するための、ガス障壁層の皮膜を提供する。
【０１２５】
ガス障壁層のガラスは、電気絶縁性であり、ガス障壁層は、自身を貫通し、フィードスルー３３４に対して位置をずらして形成された多数の通路３８０を有している。一例として、１８個の通路３８０があり、それぞれの直径は約３．５ｍｍであり（図８では寸法を示していない。）、図１と２に記載した同心円状の複数のフィードスルーの各フィードスルーからはそれぞれ約８ｍｍだけ位置がずれている。各通路３８０は、各同心円の２つのフィードスルー３３４の間に概ね等間隔に離間して配置することができる。すべてのフィードスルー３３４とカソード面用集電体層３５２との間に十分な導電性経路を確保しながら、それら通路にそって酸素が移動するのを最小限に抑制できるのであれば、他の配置ももちろん可能である。
【０１２６】
フィードスルー３３４と通路３８０との間に面方向に電気と熱を流すように集電体基層３７４が延在しているので、ガス障壁層は、通路３８０を除いて電極接触領域３６の全面に延在している。基層３７４の厚さは、ガス障壁層と同様に約７０μｍであり、フィードスルー３３４の拡大された頂部３５０の突出部分では薄くしている。好ましい材料は、フィードスルー３３４と拡大された頂部３５０に用いたと同様の銀／ガラス組成物を用いることができ、同様の方法を用いてフィードスルーに形成することができる。基層３７４とフィードスルー３３４の両方が銀／ガラス複合体で形成されている場合であっても、基層とフィードスルーとの間に良好な導電性を確保するためには、フィードスルーの拡大された頂部３５０が必要であることがわかった。フィードスルーと基層とを同時に焼成する場合には、拡大された頂部３５０を省略することができる。
【０１２７】
基層３７４とカソード面用集電体層３５２との間に伝導経路を確保するために、通路３８０をカソード面用集電体層３５２の材料で充填する。カソード面用集電体層３５２の通常の厚さは約１２０μｍであり、集電体層は電極接触領域３６の全面に延在する。集電体層は銀で作製することができ、その構造と作製方法は、図３と４のガスセパレータ用プレート１１２のカソード面用集電体層１５２について記載されたものと同様である。
【０１２８】
図９の燃料電池用プレート３１２’の、図８の燃料電池用プレート３１２との唯一の違いは、カソード面の集電体基層３７４’の材料である。これは、市販純度の銀のみを用いており、粒径５〜７５μｍの粉末を焼結したものである。基層３７４’の構造と作製方法は、カソード面用集電体層３５２よりも多孔性でないという点以外は、カソード面用集電体層３５２の場合と同様である。この例のカソード面のガス障壁性は、ガスセパレータ用プレート３１２ほど良好ではないが、銀用障壁パッチ３５６を設けるとともに、フィードスルー３３４に対してガス障壁層を貫通する通路３８０の位置をずらすことにより、良好なものとすることができる。
【０１２９】
図１０のガスセパレータ用プレート４１２では、セパレータ本体４４６と、拡大された頂部４５０を有するフィードスルー４３４は、図３と４のセパレータ本体１４６とガスセパレータ用プレート１１２のフィードスルー１３４と同じである。また、カソード面用集電体層４５２と、アノード面の拡大された頂部４５４は、図３と４のガスセパレータ用プレート１１２の対応する部材１５２と１５４と同じである。
【０１３０】
ガスセパレータ用プレート４１２は、アノード面にガス障壁層４８４を設けた点が、これまでの例とは基本的に異なる。ガス障壁層４８４は、電極接触領域３６の全面に延在し、フィードスルー４３４とアノード面用集電体層４５８との間に実質的にガス不透過層を形成する。ガス障壁層４８４は、ガラスで形成され、図示していないが、図８と９のガスセパレータ用プレート３１２と３１２’のカソード面用ガス障壁層を構成するガラス層３７６と３７８と同じ２つの層で形成することが好ましい。また、粘稠ガラス層をセパレータ本体４４６に近付けるという意味で、ガス障壁層４８４の結晶性ガラス層をガス障壁層４８４の粘稠ガラス層の上に積層することもできる。ガス障壁層４８４の構造と作製方法は、図８と９のカソード面用集電体層の構造と作製方法と同じであるので、さらに記載はしない。
【０１３１】
ガラスで形成されているので、ガス障壁層４８４は導電性ではない。したがって、ガス障壁層を貫通し、位置をずらして形成した通路４８６が、集電体基層７８４とアノード面用集電体層４５８との間の導電経路となる。通路４８６は、フィードスルー４３４に対して位置がずれており、大きさ、数そして配置は、図８と９のガスセパレータ用プレート３１２と３１２’に関して記載した通路３８０のそれと同じである。そのため、さらに説明はしない。
【０１３２】
集電体基層４８２は、電極接触領域３６の全面に延在し、積層され、拡大されたフィードスルーの頂部４５４とガスセパレータ用プレート４４６を封止する。その厚さは約５０μｍであり、その目的は、温度変化によりセパレータ本体に発生する応力を最小限に抑制するとともに、セパレータ本体４４６の表面の面方向に電流を流し、フィードスルー４３４とガス障壁層４８４を貫通する電流経路４８６とを接続することにある。基層４８２には、粒径が５〜７５μｍの市販純度の純銀粉を焼結して作製した銀を用いる。また、基層には、前述のように、銀／ガラス複合体を用いることもできる。
【０１３３】
アノード面用集電体層４５８が、通路４８６の中に突出して、基層４８２と集電体層４５８との間の電流流路を提供しているという事実以外は、集電体層４８８は、図３，４，５，６に記載された対応する層１５８、２５８、そして２５８’と実質的に同じであるので、さらに説明はしない。
【０１３４】
当業者であれば、本明細書に記載した発明が、説明した以外の変形例や変更例が可能なことを理解するであろう。本発明が、本発明の精神と範囲を逸脱しない範囲において、そのようなすべての変形例や変更例を含むということは理解されるべきである。また、本発明は、明細書において個別的にあるいは総合的に示唆又は指摘されているすべての工程と特徴、そしてそれらの２以上からなるすべての組み合わせをも含むものである。特に、図面に記載されているガスセパレータ用プレートの一例のすべての特徴は、特に記載がなくても他のすべての例についても適用可能であることは理解されるであろう。
【０１３５】
本明細書における先行技術（又はそれから得られる情報）あるいは公知のすべての事項についての言及は、それらの刊行物（又はそれから得られる情報）あるいは公知の事項が、本明細書の関係する分野の公知技術の一部を構成するものであることの自認又は承認又はいかなる示唆を示すものでもなく、またそのように見なすべきではない。
【０１３６】
本明細書及び以下のクレームにおいては、文脈において必要がなければ、「有する」という用語や、「含む」や「備える」等の変形は、示された要素又は工程あるいは示された要素群又は工程群を含むことを意味するものであり、他の要素又は工程あるいは他の要素群又は工程群を排除するものではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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