(57)【要約】２つの固体酸化物燃料電池２１０の間に使用される固体酸化物燃料電池用ガスセパレータ２１２であって、そのガスセパレータは、アノードへの対向面及びカソードへの対向面と、電極接触領域２３６に導電性材料から成る複数の経路２３４とを有するセパレータ本体を備えている。第１の態様において、その導電性材料は、好ましくは１５〜３０重量％のガラスを含む銀-ガラス複合体を含んでいる。この態様において、セパレータ本体の材料は、ジルコニアが好ましく、銀は市販純度のもの、銀混合物又は銀合金である。別の態様においては、セパレータ本体の材料はジルコニアであり、導電性材料は、銀又は銀系材料から成り、ニッケルのコーティング層をアノードへの対向面上の電極接触領域２３６の上に、好ましくは銀のアンダーコート層とともに設け、カソード側の電極接触領域２３６の上には銀-スズ合金のコーティング層を設ける。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの燃料電池の間に使用される固体酸化物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、アノードへの対向面及びカソードへの対向面と、電極接触領域においてアノードへの対向面からカソードへの対向面に貫通する導電性材料から成る複数の経路とを有するセパレータ本体を備えており、
各経路の長さの少なくとも一部を構成する導電性材料が銀−ガラス複合体である燃料電池用ガスセパレータ。
【請求項２】
上記セパレータ本体の材料がジルコニアである請求項１記載のガスセパレータ。
【請求項３】
上記のジルコニアが、約２０重量％までのアルミナを含む請求項２記載のガスセパレータ。
【請求項４】
上記の銀−ガラス複合体が、約１０から約４０重量％のガラスを含む請求項１から３のいずれか一つに記載のガスセパレータ。
【請求項５】
上記の銀−ガラス複合体が、約１５から約３０重量％のガラスを含む請求項４記載のガスセパレータ。
【請求項６】
上記の銀−ガラス複合体中に含まれる銀が市販純度の銀である請求項１から５のいずれか一つに記載のガスセパレータ。
【請求項７】
上記の銀−ガラス複合体中に含まれる銀が銀合金又は混合物である請求項１から５のいずれか一つに記載のガスセパレータ。
【請求項８】
上記の銀が、金、パラジウム、白金、そしてステンレズ鋼の少なくとも１種との合金又は混合物である請求項７記載のガスセパレータ。
【請求項９】
上記の銀−ガラス複合体中に含まれるガラスが、結晶化に対して安定である請求項１から８のいずれか一つに記載のガスセパレータ。
【請求項１０】
上記の銀−ガラス複合体中に含まれるガラスが、高石英ガラスである請求項１から９のいずれか一つに記載のガスセパレータ。
【請求項１１】
上記のガラスの組成が、０〜５．５重量％Ｎａ２Ｏ、８〜１４重量％Ｋ２Ｏ、０〜２．２重量％ＭｇＯ、１〜３重量％ＣａＯ、０〜６重量％ＳｒＯ、０〜８重量％ＢａＯ、６〜２０重量％Ｂ２Ｏ３、３〜７重量％Ａｌ２Ｏ３、５８〜７６重量％ＳｉＯ２、そして０〜１０重量％ＺｒＯ２である請求項１０記載のガスセパレータ。
【請求項１２】
上記のガラスの組成が、０〜２．０重量％Ｎａ２Ｏ、８〜１３．５重量％Ｋ２Ｏ、０〜０．０５重量％ＭｇＯ、１〜１．６重量％ＣａＯ、０．５〜１重量％ＳｒＯ、０〜４．４重量％ＢａＯ、６〜２０重量％Ｂ２Ｏ３、３〜６．０重量％Ａｌ２Ｏ３、６０〜７５重量％ＳｉＯ２、そして０〜５．０重量％ＺｒＯ２である請求項１１記載のガスセパレータ。
【請求項１３】
上記セパレータ本体のアノードへの対向面及びカソードへの対向面における銀−ガラス複合体の上に、それぞれ導電性のコーティング層を設けてなる請求項１から１２のいずれか一つに記載のガスセパレータ。
【請求項１４】
上記の各コーティング層が、各電極接触領域の上に広がる請求項１３記載のガスセパレータ。
【請求項１５】
上記のカソードへの対向面上のコーティング層が、銀又は銀合金である請求項１３又は１４に記載のガスセパレータ。
【請求項１６】
２つの燃料電池の間に使用され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、アノードへの対向面及びカソードへの対向面と、電極接触領域にアノードへの対向面からカソードへの対向面に貫通する導電性材料から成る複数の経路とを有する、ジルコニアを基材とするセパレータ本体を備えており、
各経路の長さの少なくとも一部を構成する導電性材料が銀又は銀系材料であり、
アノードへの対向面の上の電極接触領域の上に設けたニッケルのコーティング層を、上記の導電性材料から成る経路の中の上記の銀又は銀系材料の上に積層する一方、カソードへの対向面の上の電極接触領域の上に設けた銀又は銀−スズ合金のコーティング層を、上記の導電性材料から成る経路の中の上記の銀又は銀系材料の上に積層してなる燃料電池用ガスセパレータ。
【請求項１７】
上記セパレータ本体のジルコニアが、イットリア安定化ジルコニアである請求項１６記載のガスセパレータ。
【請求項１８】
上記セパレータ本体のジルコニアが、約２０重量％までのアルミナを含む請求項１６記載のガスセパレータ。
【請求項１９】
上記の銀又は銀系材料が金属銀である請求項１６から１８のいずれか一つに記載のガスセパレータ。
【請求項２０】
上記の銀又は銀系材料が銀合金又は混合物である請求項１６から１８のいずれか一つに記載のガスセパレータ。
【請求項２１】
上記の銀が、金、パラジウム、白金、そしてステンレズ鋼の少なくとも１種との合金又は混合物である請求項２０記載のガスセパレータ。
【請求項２２】
上記の銀又は銀系材料が銀−ガラス複合体である請求項１６から１８のいずれか一つに記載のガスセパレータ。
【請求項２３】
上記のアノードへの対向面の上に設けたコーティング層が、市販純度のニッケルである請求項１６から２２のいずれか一つに記載のガスセパレータ。
【請求項２４】
上記のアノードへの対向面の上に設けたニッケル層の層厚が、１０〜１０００μｍである請求項１６から２３のいずれか一つに記載のガスセパレータ。
【請求項２５】
上記ニッケルのコーティング層と、ガスセパレータ本体のアノードへの対向面との間の電極接触領域の上に銀層を設けてなる請求項１６から２４のいずれか一つに記載のガスセパレータ。
【請求項２６】
上記銀層が市販純度の銀から成る請求項２５記載のガスセパレータ。
【請求項２７】
上記銀層の層厚が１０〜１０００μｍ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】
上記のカソードへの対向面の上に設けたコーティング層が、約４から約２０重量％のスズを含む銀−スズ合金である請求項１５から２７のいずれか一つに記載のガスセパレータ。
【請求項２９】
上記のカソードへの対向面の上に設けたコーティング層が、そのコーティング層の導電性を向上させるため、１０重量％までのドーパントを含む銀−スズ合金から成る請求項１５から２８のいずれか一つに記載のガスセパレータ。
【請求項３０】
上記のカソードへの対向面の上に設けたコーティング層が、銀−スズ合金であり、その厚さが１０〜１０００μｍである請求項１５から２９のいずれか一つに記載のガスセパレータ。
【請求項３１】
上記のカソードへの対向面の上に設けたコーティング層が、ＳｎＯ２から成る表面層を有する銀−スズ合金である請求項１５から３０のいずれか一つに記載のガスセパレータ。
【請求項３２】
上記のカソードへの対向面の上に設けたコーティング層が、市販の純銀であり、その層厚が５０〜２５０μｍである請求項１５から２７のいずれか一つに記載のガスセパレータ。
【請求項３３】
上記の導電性材料から成る複数の経路が、セパレータ本体を貫通する複数の貫通孔の中に形成されている請求項１から３２のいずれか一つに記載のガスセパレータ。
【請求項３４】
上記複数の貫通孔が、セパレータ本体の厚さを貫通して垂直方向に延びる請求項３３記載のガスセパレータ。
【請求項３５】
上記セパレータ本体のアノード側にある導電性材料から成る経路がそれぞれ、カソード側にある導電性材料から成る接続された経路に対しずらして設けられている請求項３４記載のガスセパレータ。
【請求項３６】
上記の導電性材料から成る経路のそれぞれが、５０〜１０００μｍの平均断面寸法を有する請求項１から３５のいずれか一つに記載のガスセパレータ。
【請求項３７】
上記セパレータ本体を貫通し導電性材料から成る上記複数の経路の全面積が、電極接触領域の片側の表面積１０００ｍｍ２当り０．１〜２０ｍｍ２である請求項１から３６のいずれか一つに記載のガスセパレータ。
【請求項３８】
上記セパレータ本体が板状である請求項１から３７のいずれか一つに記載のガスセパレータ。
【請求項３９】
ガス流路を有する複数の表面構造体が、電極接触領域内のアノードへの対向面及びカソードへの対向面のそれぞれの上に配設されており、上記表面構造体は導電性であり、かつ導電性材料から成る経路の上に積層されてなる請求項１から３８のいずれか一つに記載のガスセパレータ。
【請求項４０】
アノード側の上記表面構造体が固体酸化物燃料電池用アノード材料から形成される一方、カソード側の表面構造体は固体酸化物燃料電池用カソード材料から形成されており、表面構造体はセパレータ本体又は電極接触領域のいずれかのコーティング層に結合されてなる請求項３９記載のガスセパレータ。
【請求項４１】
アノードへの対向面及びカソードへの対向面の上に設けた上記表面構造体のそれぞれの表面に、導電性のコーティング層を形成してなる請求項３９又は４０に記載のガスセパレータ。
【請求項４２】
上記のカソードへの対向面の上の表面構造体の表面に設けた導電性コーティング層が金属銀から成る請求項４１記載のガスセパレータ。
【請求項４３】
上記のアノードへの対向面の上の表面構造体の表面に設けた導電性コーティング層がニッケルから成る請求項４１又は４２に記載のガスセパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、さらに詳しくは隣接する固体酸化物燃料電池同士を接続するガスセパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池アセンブリにおけるガスセパレータの役割は、一の燃料電池のカソード側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側に供給された燃料ガスから分離するとともに、燃料電池の内部で発生した熱を伝熱して燃料電池から放散させることにある。ガスセパレータは、燃料電池内で発生した電気を、燃料電池間に又は燃料電池から伝導することもできる。各燃料電池とガスセパレータとの間の分離部材を用いることにより、この機能を代替することが提案され、導電性のガスセパレータに関し多くの研究がなされている。
【０００３】
固体酸化物燃料電池用のガスセパレータに使用される導電性の複雑なセラミックスが研究されている。しかし、これらには、脆い、熱伝導率が低い、そして高コストという問題がある。特別の金属合金も開発されたが、燃料電池アセンブリを構成する種々の材料及びそれらの間の界面が、燃料電池の運転期間中に劣化又は実質的に変化するのを抑制するのは困難であった。導電性に関しては特に困難であった。これは、固体酸化物燃料電池を効率良く運転させるために必要な高温においては、種々の材料が化学反応を起こし易くなるためである。例えば、多くの金属製のガスセパレータは、多量のクロム元素を含んでおり、それは金属に対し他の特性のみならず耐酸化性を付与するために使用されている。
【０００４】
微量以上のクロムが存在する場合、固体酸化物燃料電池の運転に採用される通常の代表的な条件下であっても、酸素と、又は酸素及び水分と結合して高揮発性の酸化物又はオキシハイドロオキシド（oxyhydroxide）ガスを形成する。これらの揮発性ガスはカソード−電解質の界面に集まり、そこで反応して燃料電池の効率的な運転を阻害する化合物を形成する。もしこれらクロムの量を減らさずあるいは実質的に禁止しない場合、燃料電池の性能は時間とともに低下し、最後には運転が困難となる。
【０００５】
これら金属合金のいくつか及びこの問題を軽減するための一つの提案が、我々の特許出願ＷＯ９６／２８８５５に記載されており、その中では、クロムを含有するガスセパレータが用いられており、そのガスセパレータは酸化物表面層を有しており、その表面層はクロムと反応して基材と酸化物層の間にスピネル層を形成し、結果としてクロムの中に留まる。しかしながら、これらの特殊な合金は高価であり、燃料電池アセンブリに現実に用いることは困難である。そのため、安価な別の材料を用いることが必要である。
【０００６】
動作雰囲気下、高温においても安定な特殊ステンレス鋼が開発されたが、それらは通常、所望の耐参加性を付与するためにクロムを含んでおり、これらの鋼から形成されたガスセパレータからクロム起因のガスが逃散するのを防止するために特殊なコーティング層や処理が必要である。耐熱性鋼から成るガスセパレータに対する別の提案が、我々の特許出願ＷＯ９９／２５８９０に記載されている。しかしながら、これらの耐熱性鋼はすべて、特殊な材料であり、大量に製造しない限り高価なままである。さらに、耐熱性鋼の導電性と熱伝導性は、他の多くの金属や合金と比較して低い。例えば、ＷＯ９６／２８８５５に記載されているシーメンス−プランセ合金の４０〜５０Ｗ／ｍ・Ｋに対して、２０〜２４Ｗ／ｍ・Ｋである。これを補うため、鋼のガスセパレータの厚さを厚くする必要があり、そうすると燃料電池スタックの重量とコストが増加する。
【０００７】
また、別の提案が我々の特許出願ＷＯ  ００／７６０１５に記載されている。我々は、アノードを被毒させることなく、固体酸化物燃料電池に銅系のガスセパレータを用いることが可能であることを見出した。そのガスセパレータ部材は、銅又は銅系合金から成る層を有し、その層はカソード側に耐酸化性材料から成る層を有している。
【０００８】
満足の行くガスセパレータを開発する上での大きな困難の一つは、その熱膨張係数（ＣＴＥ）を、燃料電池アセンブリの他の部材の熱膨張係数と少なくとも実質的に一致させることにある。例えば、一対の対向面にカソードとアノードとを備えた酸化物電解質を有する固体酸化物燃料電池は、約７００℃を超える温度で作動し、隣接するガスセパレータと燃料電池は通常結合されるかあるいは互いにシールされている。したがって、２つの部材間にＣＴＥの違いがあると、それらの一方又は両方にクラックが発生し、その結果、燃料ガスや酸素含有ガスが部材あるいは部材間を通してリークし、最終的に燃料電池スタックの破損に至る。
【０００９】
性能の良い燃料電池用ガスセパレータを開発する上での大きな問題は、一方の側の燃料ガスと他方の側の酸素含有ガスを分離しておくこと、熱伝導性があること、他の燃料電池部材の実質的に一致するＣＴＥを有すること、そして導電性を有することの４つの機能をすべて満足させる材料を提案しなければならないことにある。
【００１０】
これらの要求を満たすため、他の要求を満たすが、導電性でない又は導電性の低い材料を主成分としてガスセパレータを形成し、セパレータの厚さ方向を貫通する導体を設けることが提案されている。その一例がケンダールらの論文、Solid Oxide Fuel Cells IV, 1995,pp.229-235に記載されている。そこでは、ジルコニア材料でガスセパレータプレートが作製され、ランタンクロマイトのリベットがプレートの貫通孔の中に延びている。セパレータの厚さ方向を貫通する導体を設けることについて、別の提案がＥＰ０９９３０５９でなされている。この提案では、セラミックスのガスセパレータプレート、好ましくは安定化ジルコニアが貫通経路を有しており、好ましい実施形態においては、その経路には、カソード側からはカソード材料、そしてアノード側からはアノード材料が充填されている。あるいは、それらの経路には、ドープしたクロマイト、銀−パラジウム又はプランセ合金のような単一の材料を充填することもできる。
【００１１】
このように、導体材料はセパレータの主材料とは異なるものであり、通常、高い導電性を有する。しかしながら、ガスセパレータに熱サイクルを加えると、ＣＴＥの違いによりプレート材との接合が緩くなるという導体の不具合が発生し、さらに、導体の形成されている経路を通してガスがリークする。
【００１２】
さらに、ＥＰ０９９３０５９では、各導体の接触を確保するには、例えば、アノード側のニッケル、プランセ金属又は銀−パラジウムや、カソード側のランタンストロンチウムマンガナイトの場合、電極表面の全面に積層された結合層により導体を各電極に結合することにより行われる。その結合層は、電極間の自由なガスの流れを抑制するが、電極及び各接触部を保持する燃料電池プレートをガスセパレータプレートと組み合わせる時には、各導体を積層するために各接触部を電極上に非常に正確に位置合わせしなくてはならない。
【００１３】
米国特許出願２００２００６８６７７（２００２年６月６日）に記載された別の提案には、主材料が高純度石英ガラスのマトリックスであるガスセパレータプレートが記載されており、そのマトリックスは、銀、銀−パラジウム合金、金そしてフェライト系ステンレス鋼等の材料から成る金属導電体を含んでいる。
【００１４】
本発明の目的は、上述の問題点のいくつかを軽減可能な燃料電池用ガスセパレータを提供することにある。
【発明の開示】
【００１５】
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使用され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、アノードへの対向面及びカソードへの対向面と、電極との接触領域にアノードへの対向面からカソードへの対向面に貫通する導電性材料から成る複数の経路とを有するセパレータ本体を備えており、各経路の長さの少なくとも一部を構成する導電性材料が銀−ガラス複合体である燃料電池用ガスセパレータが提供される。
【００１６】
セパレータ本体を貫通する導電経路に銀を用いることにより、セパレータ本体を構成する材料から所望の導電率を有するガスセパレータを分離できるという利点が得られ、かつ導電経路にガラスを用いることによりガスセパレータを貫通するガスのリークの危険を低減ができる。ガラスは運転温度では軟化し、セパレータが熱サイクルを受けた場合、セパレータ本体の膨張と収縮に伴い流動する。銀の延性がこれを促進する。銀−ガラス複合体には、ガラスマトリックス中に純銀又は銀系材料が存在する形態のものを用いることが有効である。
【００１７】
セパレータ本体の材料には、ＣＴＥが他の燃料電池部材のそれを実質的に同じ材料から選択するのが好ましく、金属や合金等の導電性材料の中から選択することができる。固体酸化物燃料電池アセンブリでは、電解質材料にはジルコニアが好ましく、電極を支持する主要な層を構成し、セパレータ本体の材料には以下に説明するようにジルコニアを用いることが好ましい。
【００１８】
銀−ガラス複合体は、約１０〜約４０重量％、より好ましくは１５〜３０重量％のガラスを含むことが好ましい。約１０重量％が、セパレータ本体において有効なシール性を発現するための下限であり、約４０重量％より多くなると銀の量が不十分となり所望の導電性を得ることができない。潜在的に、複合体における銀とガラスの比率は、セパレータ本体のＣＴＥに最も適合するように調整することができるが、複合体の最も大きな特徴は、セパレータの膨張・収縮とともに変形可能であり、かつ導電性であるという特性を有することにある。
【００１９】
銀−ガラス複合体は種々の方法で作製することができ、例えば、ガラス粉末と銀粉末を混合する、ガラス粉末を銀塩と混合する、そしてゾル−ゲルガラス前駆体と銀塩を混合する方法が含まれる。あるいは、例えば、以下に説明するように、ガスセパレータの主要分の中にガラス粒子を導入した後、ガラスマトリックスに銀又は銀塩を導入することができる。次いでその材料は焼成される。好ましい銀塩の一つは硝酸銀である。ガラス粉末の粒径は１００μｍ以下、より好ましくは平均粒径が１３〜１６μｍであり、銀粉末の粒径は４５μｍ以下が好ましい。好ましいバインダには、例えば、有機のスクリーン印刷用媒体又はインクを挙げることができる。混合した後、その組成物は主要なセパレータ材料を貫通する経路の中に導入され、焼成される。
【００２０】
銀には、市販純度の銀、銀が主成分である混合物あるいは、例えば、銀合金を用いることができる。
【００２１】
燃料電池の運転温度が約９００℃を超えない時、例えば、８００〜９００℃の時には、ガラスマトリックスの中にだけ銀を用いることが好ましい。ガラスとの界面において銀がイオン交換される結果、銀とガラスとの結合が強まり、界面応力が広がるからである。
【００２２】
特に、燃料電池の運転温度が約９００℃よりも高く、例えば１１００℃までの温度である場合、銀の融点よりも高いので、銀は延性があり高融点の１種又は複数の金属、例えば、金、パラジウム、そして白金等の貴金属の１種以上と合金を形成することができる。合金中の銀は５０重量％以下であることが好ましい。１種又は複数の高融点合金金属が、界面のイオン交換によるガラスと銀との結合能を大きく弱めるような場合には、銅のような低融点金属を導入することが好ましい。
【００２３】
銀との結合に用いる別の安価な材料にはステンレス鋼がある。ガラスと結合させる前に、銀とステンレス鋼を混合して粉末にしておくことが好ましい。
【００２４】
選択された主要セパレータ材料に対し、種々のガラス組成物を用いることができる。燃料電池用ガスセパレータが使用される温度及び冷却速度において結晶化しない（例えば堆積結晶化率が４０％以下である）ガラス組成物を用いる必要がある。ガラス組成物は、燃料電池を使用する温度範囲、例えば７００〜１１００℃、好ましくは８００〜９００℃で粘度の変化が小さい方が好ましい。運転時の最高温度でも、自重によりガラスがセパレータ本体から流れ出るような粘度まで低下しないことが必要である。
【００２５】
ガラスは、揮発成分を少量（例えば１０重量％以下）あるいは含有しないことが好ましい。ここで、揮発成分として、例えば、酸化鉛、酸化カドミウム、酸化亜鉛は含有しない方が良く、酸化ナトリウムと酸化ホウ素は少量あるいは含有しない方が良い。燃料電池の好ましい運転温度である８００℃〜９００℃の間の少なくとも１００℃の範囲で粘度変化の小さいガラスの種類として、高石英ガラス、例えばSiO2を５５〜８０重量％含むものを代表として挙げることができる。それらのガラスは、一般にＣＴＥがかなり低い。
【００２６】
ジルコニアのガスセパレータ本体とともに使用可能な高石英ガラスの好ましい組成の例を表１に示す。
【００２７】
表１．
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【００２８】
導電性材料は適当な方法で経路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経路又は貫通孔に導入した後、銀塩の溶液＋又は銀材料の微細なサスペンジョンを、例えば、セパレータ本体の片面又は両面に塗液として塗布するものであり、毛管作用により経路又は貫通孔内のガラス粒子を通過するように吸い込ませることができる。また、溶液又はサスペンジョンを注入することもできる。より好ましくは、バインダ中にガラス粉末と銀材料粉末を含む混合物を、スクリーン法又はステンシル法により、セパレータ本体の片面又は両面に、その本体内の経路の少なくとも一部を満たすように印刷する方法である。次いで、その混合物を加熱してガラスを溶融させ、銀を焼結する。その溶融したガラス−銀複合体は、経路内を流動して経路を封止する。好ましい加熱又は焼成温度は、ガラス組成物と銀材料に依存するが、高石英ガラスのマトリックスに純銀を分散させた系では、銀が過度に蒸発することなくガラスが最適に溶融する温度として６５０〜９５０℃が好ましい。
【００２９】
アノードへの対向面とカソードへの対向面により規定されるセパレータ本体の２つの面の間に、燃料電池用ガスセパレータが電気を伝えることを可能とするため、経路内の銀−ガラス複合体はセパレータ本体の外表面にまで延在することが好ましい。また、銀−ガラス複合体はその表面に導電性のコーティング層を有することが好ましい。そのコーティング層は、各面にまで延び、銀−ガラス複合体、及び／又はガスセパレータと隣接する電極との間の界面を保護することができる。例えば、本発明の第２の態様によれば、ニッケルから成る保護コーティング層を、必要により銀のアンダーコート層を設けてアノード側に設けることが好ましく、かつ銀又は銀−スズ等の合金から成る保護コーティング層をカソード側に設けることが好ましく、これにより銀−ガラス複合体が蒸発して又は近傍の部材に吸上げられて（wicking）ロスするのを抑制することができる。特に、そのコーティング層は、燃料電池の運転温度において、銀−ガラス複合体中のガラスが隣接する燃料電池の電極又は他の多孔質部材に毛管作用により吸い込まれて損失するのを抑制することができる。また、そのコーティング層は、電気接触を促進し、コンプライアンスを与える。
【００３０】
隣接する燃料電池とガスセパレータとの間に流れる電流量を増やすために、上記の保護コーティング層はセパレータ本体の電極接触領域を横切り、例えば、１０〜１０００μｍ、より好ましくは６０から１５０μｍの厚さで延びることが好ましい。代わりにあるいはさらに、メッシュ又は集電体を、ガスセパレータと隣接する燃料電池との間に挿入することが好ましい。そのメッシュ又は集電体は、ガスセパレータのカソード側の空気又は酸素含有ガスと、ガスセパレータのアノード側の燃料ガスとが、隣接する燃料電池の電極の上を通過するのに使用される多数のガス流路の全部又は一部を規定する。
【００３１】
本発明の第２の態様によれば、２つの燃料電池の間に使用され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、アノードへの対向面及びカソードへの対向面と、電極との接触領域にアノードへの対向面からカソードへの対向面に貫通する導電性材料から成る複数の経路とを有する、ジルコニアを基材とするセパレータ本体を備えており、各経路の長さの少なくとも一部を構成する導電性材料が銀又は銀系材料であり、アノードへの対向面の上の電極接触領域の上に設けたニッケルのコーティング層を、上記の導電性材料から成る経路の中の上記の銀又は銀系材料の上に積層する一方、カソードへの対向面の上の電極接触領域の上に設けた銀又は銀−スズ合金のコーティング層を、上記の導電性材料から成る経路の中の上記の銀又は銀系材料の上に積層してなる燃料電池用ガスセパレータが提供される。
【００３２】
本発明のこの態様によれば、セパレータ本体の電極接触領域において、導電性経路が対向する表面コーティング層により保護され、ガスセパレータと隣接する電極との間にある各装置全体又は全装置全体との集電のための電気的接触及び／又はガスの流量制御が促進される。また、そのコーティング層は、わずかに異なる高さを有する燃料電池スタック用部材による一様でない付加を分散させることによりコンプライアンスを与える。
【００３３】
本明細書を通して使用される「電極接触領域」という用語は、隣接する燃料電池用プレートの各電極と対向しかつ直線的に配置されたセパレータ本体の一部を指す。隣接する電極と電極接触領域との接触は如何なる場合でも間接的であり、挿入された集電体及び／又はガス流量制御装置を介して行われることが好ましい。したがって、「電極接触領域」という用語を用いても、それが、ガスセパレータ本体が隣接する電極と直接接触する領域である必要はない。
【００３４】
銀又は銀系導電性材料には、本発明の第１の態様に用いられかつ記載された銀−ガラス複合体を用いることができるが、金属銀（市販純度のもの）、銀が主成分である金属混合物又は銀合金を用いることもできる。
【００３５】
特に、燃料電池の運転温度が約９００℃よりも高く、銀の融点以上であって１１００℃までの範囲にある場合、銀は十分に高融点の１種又は複数の延性のある金属と合金を作ることができる。その金属の例としては、金、パラジウム、そして白金等の貴金属の１種以上を挙げることができる。その合金に含まれる銀は５０重量％以下であることが好ましい。銀との結合に用いることができる別の、そして安価な材料はステンレス鋼である。銀とステンレズ鋼を混合して粉末とし、セパレータ本体を貫通する経路の中で焼成することができる。
【００３６】
金属銀、銀混合物又は導電性の銀合金を、有機バインダを含むスラリーの形で、適当な方法、例えばスクリーン法又はステンシル法等により経路の中に印刷して導入しても良く、あるいは電極接触領域の表面を、例えば、印刷法、蒸着法又はメッキ法によりコーティングし、コーティングした金属、混合物又は合金を経路の中に押し込んでも良い。
【００３７】
アノードへの対向面上に形成された、好ましくは市販の純ニッケルから成るニッケル層の厚さは、約１０〜１０００μｍ、より好ましくは６０から１００μｍである。燃料電池スタックの延長された熱サイクルの間、ニッケル層とセパレータ本体との接続を確保するため、特にセパレータ本体がジルコニアの場合には、好ましくは市販純度の銀から成る銀層を、ニッケルのコーティング層とガスセパレータ本体のアノードへの対向面との間の電極接触領域の上に挿入することが好ましい。その銀層の厚さは、約１０〜１０００μｍ、より好ましくは２０〜２００μｍであり、その延性によりアノードへの対向面上の全コーティング層のコンプライアンスを好適に促進することができる。
【００３８】
セパレータ本体のカソードへの対向面上の銀−スズ合金は、約４〜約２０重量％のスズを含むことが好ましく、厚さは約１０〜１０００μｍ、より好ましくは１００〜１５０μｍである。
【００３９】
銀−スズ合金のコーティング層の表面には、酸化スズの表面層を設けることもでき、その場合、例えば、その表面層は酸化雰囲気でガスセパレータのカソードへの対向面の上に形成することができる。酸化スズの表面層は、ガスセパレータ使用時の高温における「蒸発」による銀の損失を抑制することができる。カソードへの対向面上のコーティング層の導電性を向上させるため、コーティング層はドーパント、例えばパラジウムやランタンを約１０重量％まで含む必要がある。各コーティング層は、スクリーン印刷法、スピンコーティング法、マグネトロンスパッタリング等の蒸着法、スラリー塗布法、テープ成形法等の適用な方法を用いて形成することができる。
【００４０】
銀−スズ合金のコーティング層の代わりに、セパレータ本体のカソードへの対向面の上に銀層を形成することもできる。カソード側の銀のコーティング層の厚さは、１０〜１０００μｍ、より好ましくは５０〜２５０μｍである。
【００４１】
表面コーティング層が本発明の第１の態様におけるガスセパレータの上に設けられる限りにおいて、表面コーティング層に関する上記の説明の場合と同様に、以下の説明は本発明の２つの態様に適用することができる。
【００４２】
ガスセパレータを構成するジルコニアには、例えば３から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。また、ジルコニアをベースとする構造を維持した状態であれば他の材料を含むこともできる。例えば、１５重量％まで、あるいは約２０重量％までのアルミナを含むジルコニア・アルミナを用いることもできる。簡単のため、以下、そのようなすべての材料を含めてジルコニアという。
【００４３】
セパレータ本体の厚さは、５００μｍ以下が好ましく、１個又は複数のガスセパレータを用いる燃料電池スタックの全体の厚さ又は高さと重量をできるだけ小さくするためには、この値より実質的に小さいことがより好ましく、例えば、より好ましくは５０〜２５０μｍである。厚さをより薄くすることも可能であるが、ガスセパレータの製造が困難となり、さらにセパレータ本体の材料を高密度にすること、すなわち、燃料電池アセンブリにおけるガスに対する気密性を確保することが困難となる。厚さをより大きくすることもできるがその必要はなく、２００μｍ以下が好ましい。
【００４４】
セパレータ本体は、セパレータの材料と形状に応じて適当な方法で作製することができる。プレーナー型の燃料電池に使用されるガスセパレータは、通常は板状であり、ジルコニアプレートは、例えば、グリーン材料をテープ成形して焼成することにより作製することができる。適当な製造方法は容易に確認できるものであり、本発明の一部をなすものではない。セパレータ本体は、例えばジルコニアから成る２以上の層で構成することもでき、それらの層は、セパレータ本体の複数の層を貫通する導電性材料から成る経路と接触する、導電性材料から成る層により分離されている。経路の中の導電性材料と分離層を構成する導電性材料は同じものが好ましい。
【００４５】
既に説明したように、ガスセパレータは、燃料電池アセンブリ内において使用されるガスに対し気密性を有していなければならず、最も好ましいのは、セパレータ本体を構成する材料が高密度であることである。しかし、材料は多孔質であって、材料の厚さを貫通する孔を導電性材料が塞ぐ必要がある。しかしながら、好ましくは、導電性材料から成る経路がセパレータ本体を貫通する貫通孔により規定されることである。
【００４６】
簡単のため、それらの貫通孔が、セパレータ本体の厚さを貫通して実質的に垂直に延びることが好ましい。しかしながら、これは重要なことではなく、導電性材料から成る経路を垂直面から少し傾けても良い。セパレータを貫通してガスがリークする危険をさらに低減するため、セパレータ本体のアノードへの対向面における各経路を、カソードへの対向面における接続された経路からずらして配置しても良く、及び／又は、上記のように、セパレータ本体を貫通する経路の中の導電性材料と同じ又は異なる１層以上の導電性材料により分離された２以上の層でセパレータ本体を構成することもできる。
【００４７】
導電性材料から成りセパレータ本体を貫通する各経路の直径又は平均断面積は、５０〜１０００μｍである。経路が貫通孔により規定される場合、貫通孔は、セパレータ本体の製造時あるいはそれに引き続いて作製することができ、例えば、レーザ打ち抜きを用いることができる。貫通孔の大きさの下限値は、貫通孔の製造及び貫通孔への導電性材料の充填の困難さに依存する。より好ましくは、断面の平均的な大きさは、２００〜４００μｍ、例えば約３００μｍである。
【００４８】
貫通孔の数の下限値は、貫通孔の大きさ、充填する材料の導電率、そしてガスセパレータを流れる電流に依存する。貫通孔の断面の平均的な大きさが好ましい範囲の上限値に近い場合、貫通孔の数を減らし、より広く離間するように形成することができる。導電性材料から成りセパレータ本体を貫通する経路の全面積は、セパレータ本体の電極接触領域の片面について１０００ｍｍ２当り０．１ｍｍ２〜２０ｍｍ２が好ましく、より好ましくは１０００ｍｍ２当り０．２ｍｍ２〜５ｍｍ２である。好ましい実施の形態においては、電極接触領域又は約５４００ｍｍ２の機能的なガス分離領域を有するガスセパレータプレートを貫通する、導電性材料から成る平均直径が約３００μｍの１９の経路が存在する。
【００４９】
導電性材料から成る経路は、また、ガスセパレータに対向して存在する燃料電池から熱を移動させるための伝熱経路としても機能するという利点を有する。
【００５０】
ガス流路を規定するため、必要により別体の集電体をともに、ガスセパレータの電極接触領域の中に表面構造を設けることができる。表面構造は、セパレータ本体と一体的に形成された、あるいはセパレータ本体に取付けられた平行なリッジ構造とすることができる。表面構造は必要なガス流量を確保するための適切な高さを有しており、その高さは、例えば約７５０μｍ、好ましくは約５００μｍである。
【００５１】
一実施形態においては、セパレータ本体の導電性経路を両面に設けた平行リッジ列により覆うことが好ましく、その列は所望のガス流方向に平行に延在する。ガスセパレータの対向面に設けたリッジは、燃料ガスと酸素含有ガスが、並行流又は対向流、あるいは横断流又は直交流となるかに応じて、互いに平行にあるいは互いに垂直に延在する。リッジには、導電性で、燃料電池の運転環境において構造的に及び化学的に安定であれば如何なる材料も用いることができ、少なくとも本発明の第２の態様においては、セパレータ本体上に設けたニッケル及び銀のコーティング層又は銀−スズのコーティング層と結合させることが好ましく、あるいは銀のアンダーコート層が存在する場合には、ニッケルのコーティング層を貫通してそのアンダーコート層に結合させることが好ましい。一実施形態においては、ガスセパレータの各面上のリッジには、それらが接触する各電極と同じ材料を用いる。これにより、カソード側には、ランタンストロンチウムマンガナイト等の導電性ペロブスカイトから成るリッジを設けることが好ましく、好ましくは約１００μｍ、より好ましくは約５０μｍの厚さの金属銀のコーティング層を設ける。アノード側には、ニッケル・ジルコニアサーメットから成るリッジを設けることが好ましく、好ましくは約１００μｍ、より好ましくは約５０μｍの厚さの金属ニッケルのコーティング層を設ける。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５２】
図１に、燃料電池１８と本発明のガスエパレータ１４とが交互に配置された列１０を示す。燃料電池１２は平板であり、一方の面にアノード層１８と他方の面にカソード層２０を備えた固体酸化物電解質支持層１６を有している。電解質は、３Ｙ、８Ｙ又は１０Ｙ等のイットリア安定化ジルコニアが好ましい。アノードは、ニッケル−ジルコニアサーメットが好ましく、カソードにはランタンストロンチウムマンガナイト等の導電性ペロブスカイトが好ましい。このような固体酸化物燃料電池は公知であり、詳しくは説明しない。
【００５３】
各ガスセパレータ１４は、外側の第１層２２と第２層２４と、中間の第３層２６とから成る３層のサンドイッチ構造である。
【００５４】
第１層と第２層には、燃料電池１２の電解質支持層１６のＣＴＥと実質的に一致するように、ジルコニアで作製することができる。ジルコニアには、イットリア安定化ジルコニアを用いることができるが、できれば、例えば２０重量％までのアルミナを含むアルミナ添加ジルコニアを用いることが好ましい。
【００５５】
そのジルコニアは導電性はなく、第１層２２と第２層２４のそれぞれが、それら各層の厚さを貫通して延び、銀又は銀系の導電性充填材料により満たされた多数の貫通孔２８を有している。好ましい態様では、その充填材料は、ガラスの中に８０重量％の銀を含む複合体である。銀は市販純度の銀であり、ガラスは、０．８〜１．２重量％Ｎａ２Ｏ、８．９〜９．２重量％Ｋ２Ｏ、＜０．１重量％ＭｇＯ、１．４〜１．５重量％ＣａＯ、＜０．１重量％ＳｒＯ、３．１〜４．２重量％ＢａＯ、７．２〜１０．２重量％Ｂ２Ｏ３、６．２〜６．６重量％Ａｌ２Ｏ３、そして６８．８〜７０．４重量％ＳｉＯ２である。
【００５６】
各ガスセパレータプレート１４の第１層と第２層にある貫通孔２８は、第１層の貫通孔の位置と第２層の貫通孔の位置とが一致しないようにずらして配置されている。中間の第３層２６は、第１層と第２層の充填材料と同じであり、その厚さは６０μｍ以下である。
【００５７】
貫通孔の断面の平均的な大きさは約３００μｍであり、充填材料３０はその貫通孔を封止しており、充填材料の全断面積は、第１層と第２層のそれぞれの片面について測定したものであり、電極接触領域の表面積１０００ｍｍ２当り０．２〜５ｍｍ２である。
【００５８】
図２は、ガスセパレータプレート１４の作製方法の一例を模式的に示している。この方法では、第３層の前駆体からなる厚い層、例えば約２００μｍを、第２層２４の内面の上にスクリーン印刷する。スクリーン印刷は室温又は室温に近い温度で行うことができる。その前駆体は、粒径１００μｍ以下で平均粒径が１３〜１６μｍのガラス粉末と、粒径４５μｍ以下の金属銀をバインダとともに機械的に混合して調製した粉末である。好ましいバインダシステムは、ブランド名がセルデック（CERDEC）とデュラマックス（DURAMAX）であるスクリーン印刷用インクとの組合せである。
【００５９】
図２に示すように、コーティング工程において、塗布された材料の一部が第２層の貫通孔２８の中に入る。次いで、第１層の貫通孔２８の位置が第２層の貫通孔２８の位置からずれるように、第１層２２を、第２層の上に塗布された第３層の前駆体の上に積層する。次いで、図２の下向きの矢印で示すように、十分な圧力を第１層２２に加え、前駆体を流動化させる。これにより、第３層の前駆体材料の厚さを所望の厚さにまで減らすとともに、導電性充填剤としての役割を果たすべく、第１層２２にある貫通孔２８のみならず第２層２４の貫通孔２８の中にまで、複合材料を押し込む。次いで、ガスセパレータプレートを、約８５０〜９２０℃の温度で加熱し、ガラスを溶融させ、そしてガラスマトリックスの中の連続する導電性経路の中に銀を焼成する。燃料電池の運転温度では、複合体中のガラスは高粘性の流体としてガス遮蔽体を形成し、銀は導電性を付与する。低温又は停止時には、複合体中の溶融した又は高粘性のガラスは固体又は硬い状態に戻る。この状態で複合体が損傷した場合、一旦運転温度まで戻すと、ガラスは高粘性の流体の状態に戻り、シール性を回復する。
【００６０】
導電性材料が金属銀、銀混合物又は銀合金を含む場合においても、金属又は合金の１種以上の粉末をスラリーの状態にしてスクリーン印刷することにより、同様の作製方法を用いることができる。
【００６１】
次いで、ガスセパレータプレート１４の外表面に関しては、カソード側には銀-スズ合金の導電層を、そしてアノード側には金属ニッケルの導電層を塗布するが、導電経路を保護するため、必要によりアノード側とニッケル層との間に銀層を設けることもできる。酸化スズ層を銀−スズ層の上に積層することもできる。部材のわすかに異なる高さにより燃料電池スタック内に生じる不均等な負荷の分布に起因する応力を、コーティング層の延性により低減することができる。コーティング層は外側から貫通孔２８を充填することができ、燃料電池スタックの隣接する多孔質層へのガラスの吸い上げを低減することができ、これにより、図１の上向きの矢印で示されるように、貫通孔と第３層とを介してガスセパレータプレート１４の一の外表面から別の外表面へと伝わる導電経路が確保される。コーティング層の作製プロセスについてのさらなる詳細は以下に説明する。
【００６２】
また、図１には、燃料電池１２とガスセパレータプレート１４の上側の対の間に配置された１個の集電体３２が模式的に示されており、これが２つの構造体の間のガス流路を規定している。このガス流路は、隣接するガスセパレータと燃料電池の対の間に必要なものであるが、図１と図２では簡単のため省略している。それらガス流路の形状は、図３から図９に示すように、上記のコーティング層において、ガスセパレータプレート１４の外表面の上にリッジの形で設けることが好ましい。
【００６３】
図３、４、そして５に示すように、固体酸化物燃料電池スタックアセンブリ１０２は、円筒状のハウジング１０４の中に保持され、交互に配置された燃料電池プレート１１０とガスセパレータプレート１３０とからなるスタック１０３を有している。電池プレート１１０はすべて同じものであり、またセパレータプレート１３０もすべて同じものである。図１と図２においてプレートは、通常、スタック内に２０から５００ある。燃料ガスと空気は、スタックアセンブリの一端部から供給され、排ガスは、並行流マニホールドシステムの中にある他端部で集められる。いずれかの端部は供給又は排気に適しているが、マニホールドシステムは対向流であっても良い。記載された並行流の実施形態では、燃料と空気も供給は両方とも底部で行われ、排気は頂部で行われるが、多くの環境では、対向流配置であって、燃料は底部から供給され、空気は頂部から供給されることが好ましい。あるいは、ガスの供給と排気をすべて同じ端部で行うこともできる。
【００６４】
図３から８に示すように、各電池プレート１１０は、電解質をベースとする電池プレートの上面上に配置され実質的に中央に位置する矩形のアノード層と、電池プレートの下面上に配置され実質的に中央に位置する矩形のカソード層を有しており、実質的に矩形の燃料電池１１２を形成している。
【００６５】
電池プレート１１０とセパレータプレート１３０の外形は同じであり、一般的な三房構造（trilobular）あるいは円形と三角形の間の中間的な状態として表されている。形状は通常、自身から延びる３つの丸い突部を有する円形で表される。２つの突部１７４，１７６は大きさは同じであるが、３つ目の突部１７２は他のものよりも約５０％多くプレートの円周方向に広がっている。各突部１７２，１７４，１７６には、腎臓形状の開口部（それぞれ、電池プレートの中の１１４，１１６，１１８と、セパレータプレートの中の１１５，１１７，１１９）はプレートを貫通して延びている。大きな突部１７２は、大きな開口部１１４と１１５を有している。プレートの表面にリブ又はリッジ形状のシールを設けたシステムは、ガス流をスタック内に向ける。これらのシールについては、以下に詳細に説明するが、ガスケット等の別のタイプのシールも使用可能であることは理解されるであろう。
【００６６】
燃料供給マニホールド１０５と排気捕集マニホールド１０６は、燃料電池とガスセパレータプレートの中の３つの配列した開口部１１４，１１５、１１６、１１７、１１８そして１１９で規定され（図３を参照されたい）、シール部材であるプレート１１０と１３０とを結合することにより形成され、燃料導入口と排気流をプレートの空気側を通りアノード側に案内する。空気供給マニホールド１０７と捕集マニホールド１０８は、スタック１０３の周辺部とハウジング１０４の内壁との間に形成される３つの領域により形成されている。マニホールド１０７は、実質的に、プレートの突部１７４と１７６との間に形成され、２つの排気マニホールド１０８は、実質的に、突部１７２と１７４との間、そして突部１７２と１７６との間にそれぞれ形成されている。空気導入マニホールド１０７は、２つの排気マニホールド１０８のそれぞれよりも約５０％大きい環状領域を有しており、燃料導入口又は供給マニホールド１０５と対向している。引伸ばされ滑動する繊維状シール１０９は、それぞれ、スタック１０３とハウジング１０４の内壁との間を、積層され隣接する突部１７２，１７４、そして１７６に沿って伸び、空気供給マニホールド１０７を２つの空気捕集マニホールド１０８から分離している。繊維状シールは、マニホールド１０７と１０８の間のリークをわずかに許すが、これはスタックの運転に有害なものではない。
【００６７】
ハウジング１０４は、適当な耐熱性鋼から成るシート材料により構成されており、適当な絶縁材料によりライニングされ、プレート１１０と１３０とが一緒に組立てられた後、スタック１０３の上にスライドさせて所定位置に固定する。
【００６８】
スタックの運転時には、燃料ガスは、各電池プレート１１０の中の導入ポートを規定する大きな開口部１１４を通り、燃料電池のアノード面を横切って上昇し（矢印Ａ）、次いでその流れを分割し（矢印ＢとＣ）、隣接するガスセパレータプレート１３０にある排気ポート開口部１１７と１１９を通って、それぞれ排気される。電池プレート１１０の反対面の上には、スタックとハウジングの間の導入マニホールド１０７を通りスタック１０３の側面を上昇する空気が、スタック１０３の周辺部から流れ込み（矢印Ｄ）、燃料電池アノードを横切る燃料ガスに対して対向流となる場合においては、スタック１０３の周辺部から排気させるためにその流れを分割するまで（矢印ＥとＦ）、燃料電池のカソード面を横切って流れ、次いで排気マニホールド１０８を通って上昇を続けスタックの頂部に至る。
【００６９】
図６は、スタック１０３に使用される概ね平板の電池プレート１１０の詳細を示している。プレート（アノードが視認できる）上に配置された矩形の燃料電池１１２は、電解質材料が突出してプレート１１０の本体を形成する電解質支持構造を有している。電解質は、イットリア安定化ジルコニアが好ましく、好ましい３Ｙ、８Ｙ、そして１０Ｙは当業者には公知である。アノードには、ニッケル−ジルコニアサーメットが好ましく、カソードにはランタンストロンチウムマンガナイト等の導電性ペロブスカイトが好ましい。電池プレート１１０の裏面とカソードは図５で視認できる。
【００７０】
一対の平行リブ１２０と１２１は、電池プレート１１０の平坦な表面１２４から突出し、その間に谷部又は溝１２２を形成する。表面１２４は、スタックが使用のため配向された場合には、電池プレートのアノード面となる。リブはジルコニアから形成され、例えば、スクリーン印刷用のスラリーを用いてプレート本体と一体的に形成されるか、あるいは別々に形成され、次いで焼成されて本体と一体化される。各リブ１２０と１２１は、電池プレートを貫通し開口部１１４、１１６、１１８から外方に突出し、燃料ガスと接触可能な周辺領域を囲むように配置された、連続経路又は閉じた環状部を形成している。特に、リブ１２０と１２１で規定される閉じた環状部は、導入開口部１１４からの燃料ガスをアノードの上に向けるように、アノードに沿ってくびれを有するように配置されている。
【００７１】
図３から９のすべてにおいては、プレート１１０と１３０の厚さとリブの高さは、部材についての説明を容易にするため、誇張して表している。本実施形態では、燃料電池１１２は２５００ｍｍ２であり、電池プレートは厚さが１５０μｍであり、リブの高さは約５００μｍ、幅は１ｍｍ、そして約２ｍｍ離れている。
【００７２】
図５に示すように、下面の各燃料電池プレート１１０のカソード面１５４の上には、単独リブ１３４（大きさと形成方法についてはリブ１２０と１２１と同様である）が、プレートを貫通し、各開口部１１４，１１６、１１８を囲んだ状態で平坦な表面１５４から突出している。開口部１１６と１１８を囲むリブ１３４は、それぞれ、流入する空気をカソードの上に案内するのを補助するため、燃料電池１１２のカソード層と並列の状態で、内側に、かつ開口部１１４（しかしそこに達するほど長くはない）の方向に突出するアーム１３５を有している。リブ１３４の一つが図９に示されており、リブを用いたシールの使用法については図を参照して説明する。
【００７３】
図７と８は、平板状のガスセパレータプレート１３０を詳細に示している。図７において、表面１３３は、スタックを使用のため配向した時には、セパレータプレート１３０の上側のカソード接触面となる。平行リブ１３６と１３７からなる各対は、セパレータプレート１３０の平坦な表面１３３から突出し、その間に谷部又は溝１３８を形成する。平行リブ１３６、１３７からなる対は、大きさ、間隔、そして形成方法に関してはリブ１２０と１２１と同様であるが、開口部１１５、１１７、１１９を囲んだ状態で、プレート１３０を貫通して突出し、隣接する燃料電池のプレート１１０のカソード面の上でリブ１３４と係合する。開口部１１７、１１９と係合するリブ１３６は、それぞれ、端部が閉じた二重壁のアーム１３９を有しており、対応するリブ１３４のアーム１３５を嵌合することができる。
【００７４】
各ガスセパレータ板１３０のアノード接触面１３２の下側には、単独リブ１４２が図８と図７に部分的に示されている。リブ１４２は、サイズと形成方法に関してはリブ１２０及び１２１と同じであり、プレート１３０を貫通して開口部１１５、１１７、１１９から突出するとともに燃料ガスとの接触領域を囲む連続経路を形成している。リブ１４２の外縁部は、隣接する燃料電池プレート１１０のアノード面上にあるリブ１２０と１２１との間の溝１２２に対応しており、これらのリブと係合してシールを形成する。
【００７５】
図９を参照して以下に説明するように、ガラス封止材１４０が、リブ間のシールを形成するため、谷部１２２と１３８の両方に使用されている。
【００７６】
各セパレータプレート１３０はジルコニアから作製されており、電池プレート１１０の本体のＣＴＥと実質的に一致している。これにより、始動時、運転時、停止時におけるアセンブリ内部の熱応力を極力抑制することができる。ジルコニアにはイットリア安定化ジルコニアを用いることができるが、例えば、アルミナを２０重量％まで、好ましくは１５重量％まで添加したジルコニアを用いることが好ましい。
【００７７】
ジルコニアは導電性ではなく、セパレータプレート１３０が、その全厚さを貫通して垂直に延びかつ導電性の充填材料により満たされた開口部１５０の列を有している。これらの開口部はレーザ打ち抜きにより作製することができ、プレート１３０の中にあり、プレート１１０の中の燃料電池１１２に占有された領域に直接対向する領域を占有している。充填材料には金属銀（市販のものをそのまま）を用いることができ、標準的なメッキ法あるいは印刷法により開口部の中にメッキする。あるいは、開口部を銀混合物、銀合金、あるいは銀複合体、例えば、ガラスと銀、銀混合物又は銀合金との複合体で充填することもできる。あるいは、銀をステンレス鋼と混合し、粉末を開口部の中で焼成することもできる。好ましくは、開口部は、上記のタイプの銀-ガラス複合体を用い図１と２を用いて説明した方法（圧縮工程は除く。なぜなら、セパレータプレート１３０は、図１と２における層２４に通常対応するものであって、ジルコニアの単層で形成されているからである。）で形成することである。
【００７８】
貫通孔の断面の平均的な大きさは約３００μｍであり、充填材料はその貫通孔を封止しており、充填材料の全断面積は、プレート１３０の片面について測定したものであり、電極接触領域の表面積１０００ｍｍ２当り０．２〜５ｍｍ２である。各開口部を満たす銀系の導電性充填剤は、アノード側ではニッケルの保護コーティング層によりメッキされ、カソード側では銀又は銀-スズ合金のコーティング層によりメッキされている。コーティング層は、プレートの電極接触領域の全面に広がっている。ニッケルのコーティング層の下には銀のアンダーコート層を設けても良く、これによりセパレータ本体とニッケルとの稀結合を強くするとともに、アノード側のコーティング層のコンプライアンスを促進する。銀-スズ合金を酸化して、その表面に酸化スズの表面層を設けても良い。それらのコーティング層は、例えば、バインダと粉末材料を用いてスクリーン印刷し、次いで焼成することにより作製され、外側から開口部１５０を充填することができ、これにより、ガスセパレータプレートの一方の外表面から他方の外表面への、開口部を介した導電経路を提供する。例として、ニッケルのコーティング層、銀のアンダーコート層（設ける場合）、そして銀-スズ合金のコーティング層の厚さは、それぞれ６０〜１００μｍ、２０〜２００μｍ、そして１００〜１５０μｍである。また、カソード側の銀のコーティング層の厚さは５０〜２５０μｍである。
【００７９】
所定の厚さや密度が得られるのであれば、コーティング材料は、どのような方法でコーティングしても良く、例えば、その方法には、バインダを用いて調製した１種の金属、複数の金属又は合金の粉末のペーストをスクリーン印刷する方法や、１種の金属、複数の金属又は合金の粉末のサスペンジョンをスピンコーティングする方法や、マグネトロンスパッタリング等の物理的蒸着法や、スラリー塗布法やテープ成形法が含まれる。
【００８０】
一実施形態において、厚さ約８０μｍのニッケルのコーティング層を、銀のアンダーコート層を設けない条件で、市販の有機バインダを用いてニッケル粉末のペーストをスクリーン印刷により電極接触領域のアノード側に形成し、次いでそのニッケル層を焼成した。まず、最初の焼成で、そのニッケル層を酸化した。次いで水素又は燃料ガスの還元雰囲気で焼成して、酸化されたニッケルを還元するとともに、そのニッケル層をガスセパレータプレートのアノード側の電極接触領域と強く結合させ、これにより接触抵抗を低減し、封止材中の充填材料を保護し、そしてニッケル層の延性によりスタック内にコンプライアンスを付与する。
【００８１】
一実施形態において、カソード側では、厚さ約１４０μｍの銀-スズ合金を、有機バインダと合金粉末のペーストをスクリーン印刷により電極接触領域の上に形成した。その合金粉末は銀中に８〜１０重量％のスズを含んでいる。スクリーン印刷した後、コーティング層を酸化雰囲気で５００〜９５０℃の温度で加熱し、コーティング層の上に酸化スズの表面層を形成した。ニッケル層の場合と同様、銀−スズ合金層は、開口部中の充填材料を保護し、ガスセパレータプレートの接触抵抗を低減し、その延性によりコンプライアンスを付与する。
【００８２】
平行リッジ１４８の列は、各プレート１３０のカソード面１３３の上の電極接触領域中を流れる空気の流れと平行になるように配置されている。これらのリッジ１４８は、それぞれ、対応する開口部１５０の列の上及び銀-スズ合金のコーティング層の上に直線状に配列されている。説明を容易にするため、図４と７では、リッジ１４８の約半分が除去されている。リッジ１４８は２つの重要な役割を果たす。第一は、リッジは、開口部１５０の中の充填材料と銀-スズ合金のコーティング層と、燃料電池１１２との間の導電経路を提供する。第二は、電池プレートとセパレートプレートとの間の狭い空間の中にガスを区供給する手段としてだけでなく、薄く脆い電池プレートを支える物理的支持体としての役割を有する。そのため、リッジ１４８は、導電性があり、かつ構造的に安定である必要がある。リッジ１４８の高さは約５００μｍで、カソードのＬＳＭ材料等の導電性ぺロブスカイトで形成することができ、必要によりリッジの上に約５０μｍの厚さの金属銀のコーティング層を設けることもできる。
【００８３】
プレート１３０（例えば、図８の表面１３２）の裏面上では、充填された開口部１５０の列とニッケルのコーティング層が、燃料ガスの流れに平行に配置された平行リッジ１６２の列で覆われている。また、構造を見易くするため、図５と８では、リッジ１６２の約半分が除去されている。リッジ１６２は、集電体として働き、開口部１５０の中の充填剤とニッケルのコーティング層とアノードとの間を電流が流れる。それらはまた電池プレートのための物理的支持体としても働き、さらに電池プレートとセパレータプレートとの間の狭い領域にガスを向けかつ供給する手段としても働く。リッジの高さは約５００μｍで、アノードと同じ材料で作製することができ、必要によりニッケル（厚さ約５０μｍ）を積層する。
【００８４】
図９に示すように、ガラス封止材１４０の層がリブ１３６と１３７との間の谷部１３８の中に配置され、かつリブ１３４により押し込まれている。各リブはテーパー状の断面を有し、そのテーパーは対向して傾斜する側面と端面とを有している。リブ１２０と１２１と１４２との間にも同様の配置が可能であり、それについて別に説明しない。製造時には、ガラスは粉末の形で導入し、組み立て前のスタックを加熱して所望のシールを行うべくガラスを溶融させる。この方法により、バインダは不要である。スタックの運転時には、ガラス封止材１４０は完全に溶融するが、非常に粘性が高いため、図９に示していない以下の選択可能な３つの方法の一つにより谷部に保持される。ガラスの組成は、好ましくは、０〜０．７重量％Ｌｉ２Ｏ、０〜１．２重量％Ｎａ２Ｏ、５〜１５重量％Ｋ２Ｏ、０〜２重量％ＭｇＯ、２〜８重量％ＣａＯ、０〜２重量％ＳｒＯ、２〜１２重量％ＢａＯ、２〜１０重量％Ｂ２Ｏ３、２〜７重量％Ａｌ２Ｏ３、５０〜７０重量％ＳｉＯ２、そして０〜２重量％ＺｒＯ２である。
【００８５】
選択可能な第１の実施形態では、リブ１３４の端面の頂部１５１は、リブ１３４の側面１５２の少なくとも一つを溝の側面１５８と離間させ、かつリブ１３６と１３７の端面１６０と１６１をプレート１１０の基面１５４から離間させた状態で、溝１３８の底面１５６と接触する。この場合、ガラス封止材１４０は、離間した側面１５２と１５８との間に表面張力により保持されている。
【００８６】
選択可能な第２の実施形態では、側面１５２の少なくとも一つを側面１５８から離間させ、かつ端面１５１を底面１５６から離間させた状態で、端面１６０と１６１を基面１５４と接触させる。この場合、封止材１４０は、リブ１３４の端面１５１と底面１５６との間に保持され、離間した側面１５２と１５８との間に一部がはみ出している。
【００８７】
選択可能な第３の実施形態では、端面１６０と１６１とを基面１５４から離間させ、かつ端面１５１を底面１５６から離間させた状態で、両方の側面１５２が対応する側面１５８と係合する。この場合、封止材１４０は、端面１５１と底面１５６との間の空間を満たしている。
【００８８】
図１０には、ガスセパレータプレート２１２の上に積層された燃料電池プレート２１０が示されている（分解状態で）。使用する場合、プレート２１０と２１２は、少なくとも実質的に対向しており、燃料電池プレート２１０とガスエパレ−タプレート２１２とが交互に配置されてスタックを構成する。
【００８９】
プレート２１０と２１２は、見下ろした斜視図の状態で示されており、燃料電池プレート２１０の上の電解質層２１６の上にカソード層２１４を有している。カソード層２１４に対応するアノード層（見えない）は、燃料電池プレートの裏面（図面において）に設けられている。
【００９０】
燃料電池及びガスセパレータプレート２１０，２１２は通常円形であり、内部には、燃料入口２１８、燃料出口２２０、空気入口２２２、そして空気出口２２４が取付けられており、プレートを積層する時、それらは一列に配置される。ガスケットタイプの封止材２２６と２２８は、それぞれ、燃料電池の上面（図面における）とガスセパレータプレート２１０、２１２の上面に設けられている。ガスケットタイプの封止材２２６と２２８は、ガラス組成物又はガラス複合体として形成することが好ましい。
【００９１】
封止材２２６は、空気入口経路に接続する空気入口ポート２３０と、空気出口経路２２４と接続する空気出口ポート２３２を有しており、カソード層２１４を横切って、カソードと隣接するガスセパレータプレート（図示せず）との間に空気を流すことを可能にしている。封止材２２６は、燃料入口経路２１８と燃料出口経路２２０とを完全に包囲して延びており、燃料電池プレート２１０のカソード側に燃料が流れるのを防止している。
【００９２】
同様に、ガスセパレータプレート２１２上の封止材２２８は、空気入口経路２２２と空気出口経路２２４とを完全に包囲するように広がるが、燃料入口経路２１８と燃料出口経路２２０の周囲のみに広がっており、燃料出口経路２２０を通って出る前に、燃料電池プレート２１０と隣接するガスセパレータプレート２１２との間を、アノードを横切って燃料入口経路２１８から燃料ガスが流れるようにしている。
【００９３】
各電極を横切って反応ガスを供給し、かつ燃料電池スタック内でプレート２１０と２１をすべて支えるための手段を設けることもできる（図示せず）。その手段は、ガスセパレータプレート２１２の上に設ける表面構造の形でも良く、例えば、図３から９を参照して説明したもの、あるいは燃料電池プレート２１０の上に設ける表面構造の形でも良い。また、プレート間に設ける別の部材、例えば、メッシュ又は波形構造の部材によりガスを供給することもでき、これらは集電体としても働く。
【００９４】
前の説明のように、カソード材料には、ランタンストロンチウムマンガナイト等の多孔質の導電性ぺロブスカイトが好ましく、アノードは多孔質のニッケル-ジルコニアサーメットで形成することが好ましい。
【００９５】
電解質層２１６は、３Ｙ、８Ｙ、そして１０Ｙ等のイットリア安定化ジルコニアが好ましく、電極層を超えて延びることにより、内部に取付けられ自身を貫通する燃料及び空気の入口経路と出口経路とを構成することもでき、これにより封止材２２６を支持し、かつガスセパレータプレート２１２上の封止材２２８との接触面を提供する。
【００９６】
ガスセパレータプレートは、燃料電池プレート２１０と同様の断面を有しており、ジルコニアで作製することにより、燃料電池の電解質層２１６のＣＴＥと実質的に一致させることができる。ガスセパレータプレート２１２のジルコニアには、イットリア安定化ジルコニアを用いることができ、できれば、例えば、２０重量％までのアルミナを含むアルミナ添加ジルコニアを用いることが好ましい。
【００９７】
ジルコニアには導電性がなく、ガスセパレータプレート２１２の役割の一つは、一の燃料電池からスタックを通して次の燃料電池に電流を流すことにあるので、ガスセパレータプレートの平坦中央部又は電極接触領域２４０の厚さを貫通して、隣接する電極の形状と大きさに対応させた導電経路２３４を設けている。経路２３４は、図１から９を参照して説明した銀又は銀系材料を含み、プレート２１２を貫通する実質的に垂直な貫通孔を有している。ガスセパレータプレート２１２を貫通する経路２３４は、見える形で図示されているが、前に説明したように、各面の中央部２３６を横切る導電性コーティング層により覆われている。
【００９８】
以上の説明では、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明の本質的な特徴又は精神を逸脱することなく、多くの変形例、変更、改良、及び/又は付加を上述の構成及び配置に導入することが可能なことは理解されるであろう。
【００９９】
ここに記載したガスセパレータの他の態様及びそれらの用途は、本願と同時に出願され係属している、名称が、それぞれ、「固体酸化物燃料電池スタック構成」と「燃料電池スタック用シール」である国際特許出願に開示及びクレームされており、これらの出願は、それぞれ、２００１年７月１３日に出願されたオーストラリア仮特許出願ＰＲ６３６４とＰＲ６３６６に基づいて優先権主張しており、上記の係属中の両方の国際特許出願及び米国国内移行出願は、出典を明示して本明細書の一部となる。
【０１００】
本明細書において、文脈において別に要求する以外は、「含む」という言葉、その変形である「含んでいる」や「有する」は、記載された特徴又は特徴群を含むことを意味するものであり、他のいかなる特徴又は特徴群の存在を排除するものではない。
【０１０１】
本明細書における先行技術の参照は、先行技術が公知の知識を形成するということを承認したものでも、示唆するものでもなく、またそのようにみなすべきものでもない。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】本発明の一実施形態に係るガスセパレータプレートを組み込んだ燃料電池スタックの模式分解側面図である。
【図２】製造時における、図１の燃料電池用ガスセパレータの一つについての模式側面図である。
【図３】本発明の別の実施形態に係るガスセパレータプレートを組み込んだ燃料電池スタックの模式平面図である。
【図４】見下ろした状態での模式分解斜視図であり、図３に示すスタックの中の電池プレートとガスセパレータプレートの一般的な配置を示している。
【図５】図４と同じ分解状態で電池プレートとガスセパレータプレートを見上げた状態での模式斜視図である。
【図６】図４に示した電池プレートの内の一つの上面の斜視図である。
【図７】図４に示したガスセパレータプレートの内の一つの上面の切欠き斜視図である。
【図８】図７に示したガスセパレータプレートの切欠き底面図である。
【図９】図３と４に示すプレートの間のガスシールアセンブリの一部を貫通する断面線図である。
【図１０】本発明の別の実施形態に係るガスセパレータプレートの模式分解斜視図であり、２つの係合する燃料電池プレートの一方について示している。
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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