(57)【要約】【課題】燃料電池（１０）のための相互接続（１２）用の合金を提供すること。【解決手段】合金が、少なくとも約６０質量パーセントの鉄と、約１５〜約３０質量パーセントの範囲内のクロムと、約３〜約４．５質量パーセントの範囲内のタングステンとを含む。また、合金は、アルミニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、マンガン、モリブデン、ニッケル、バナジウム、タンタル、およびチタンからなる群から選択される少なくとも１つの元素を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のための相互接続用の合金であって、
少なくとも６０質量パーセントの鉄と、
１５〜３０質量パーセントの範囲内のクロムと、
３〜４．５質量パーセントの範囲内のタングステンと、
アルミニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、マンガン、モリブデン、ニッケル、バナジウム、タンタル、およびチタンからなる群から選択される少なくとも１つの元素と
を含む合金。
【請求項２】
前記合金のタングステン含有量が、３．５質量パーセント〜４．５質量パーセントの範囲内である請求項１記載の合金。
【請求項３】
前記合金のタングステン含有量が、４質量パーセントである請求項２記載の合金。
【請求項４】
前記合金のクロム含有量が、１５質量パーセント〜２５質量パーセントの範囲内である請求項１記載の合金。
【請求項５】
前記合金のクロム含有量が、２０質量パーセントである請求項１記載の合金。
【請求項６】
前記合金の前記少なくとも１つの元素の含有量が、０．０１質量パーセント〜１０質量パーセントの範囲内である請求項１記載の合金。
【請求項７】
前記合金の前記少なくとも１つの元素の含有量が、０．０１質量パーセント〜１．０質量パーセントの範囲内である請求項１記載の合金。
【請求項８】
前記合金の前記少なくとも１つの元素の含有量が、０．１質量パーセントである請求項１記載の合金。
【請求項９】
ランタンおよびイットリウムを含む請求項１記載の合金。
【請求項１０】
前記合金のランタン含有量が０．１質量パーセントであり、前記合金のイットリウム含有量が０．１質量パーセントである請求項９記載の合金。
【請求項１１】
前記燃料電池が、固体酸化物型燃料電池、陽子交換膜、固体高分子型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、リン酸型燃料電池、アルカリ型燃料電池、ダイレクトメタノール型燃料電池、再生型燃料電池、亜鉛空気燃料電池、および陽子セラミック型燃料電池からなる群から選択される請求項１記載の合金。
【請求項１２】
固体酸化物型燃料電池のための相互接続用の合金であって、
少なくとも７５質量パーセントの鉄と、
２０質量パーセントのクロムと、
４質量パーセントのタングステンと、
アルミニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、マンガン、モリブデン、ニッケル、バナジウム、タンタル、およびチタンからなる群から選択される少なくとも１つの元素と
を含む合金。
【請求項１３】
アノード、カソード、およびそれらの間に介在された電解質を備える少なくとも１つの燃料電池と、
前記カソードおよびアノードの少なくとも１つと密接する相互接続構造であって、
少なくとも６０質量パーセントの鉄と、
１５〜３０質量パーセントの範囲内のクロムと、
３〜４．５質量パーセントの範囲内のタングステンと、
アルミニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、マンガン、モリブデン、ニッケル、バナジウム、タンタル、およびチタンからなる群から選択される少なくとも１つの元素と
を含む合金から作製される相互接続構造と
を備える燃料電池アセンブリ。
【請求項１４】
前記燃料電池が固体酸化物型燃料電池である請求項１３記載の燃料電池アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、燃料電池内の相互接続用の合金に関し、より具体的には、相互接続の製造性を向上する合金に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料および酸化剤にそれぞれアノードおよびカソードで触媒作用を及ぼして、イオン化された原子水素および酸素にすることによって電気を発生する。アノードでのイオン化プロセスで水素から除去される自由電子は、カソードに伝導され、そこで酸素をイオン化する。固体酸化物型燃料電池の場合、酸素イオンは電解質を通して伝導され、イオン化された水素と結合して、廃棄生成物として水を生成し、プロセスを完成させる。電解質は通常、燃料と酸化剤との両方に対して不透過性であり、酸素イオンのみを伝導する。この一連の電気化学的な反応が、燃料電池内部で電力を発生する唯一の手段である。したがって、電力を発生せずに燃料電池の効率を低下させる燃焼などの別の結合をもたらす反応物質の何らかの混合を低減する、またはなくすことが望ましい。
【０００３】
燃料電池は、典型的には、燃料電池スタック内に電気的に直列に組み立てられて、有用な電圧で電力を発生する。燃料電池スタックを作製するために、相互接続部材を使用して、隣接する燃料電池を電気的に直列に一体に接続する。燃料電池が約６００℃〜１０００℃の間など高温で使用されるとき、燃料電池は機械的および熱的負荷を受け、これが燃料電池スタック内でひずみを生じ、結果として応力を生じる場合がある。典型的には、燃料電池アセンブリ内で、互いに密接する様々な要素は、金属やセラミックなど異なる構成材料から成る。燃料電池アセンブリの熱サイクル中、構成材料の熱膨張係数（ＣＴＥ）の相違により、要素の膨張および／または収縮が異なる。さらに、個々の要素は、１つまたは複数の元素の化学的状態の変化など他の現象により、膨張または収縮を受ける場合がある。
【０００４】
典型的には、燃料電池内部の相互接続は金属製であり、金属相互接続とセラミック電極との間のＣＴＥの相違を減少するためにタングステンまたはモリブデンを含むフェライト合金から成る。しかし、合金中の高いパーセントのタングステンは、相互接続の製造性を低下させる。すなわち、あるレベルのタングステン含有量で、部品の加工中、特に材料の厚さの減少中に、欠陥、さらには亀裂が生じる可能性があることが分かっている。
【特許文献１】米国特許第２００３／００６３９９４号公報
【特許文献２】米国特許第２００２／００２０４７３号公報
【特許文献３】米国特許第６，１２３，８９８号公報
【特許文献４】米国特許第５，８００，１５２号公報
【特許文献５】米国特許第５，２４０，５１６号公報
【特許文献６】欧州特許第０７６７２４８号公報
【特許文献７】日本特許第０９１５７８０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、温度サイクルおよび化学的状態の変化を含めた動作状態の変化に適しており、かつ製造が容易でもある燃料電池アセンブリでの相互接続を設計する必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
簡潔には、一実施形態によれば、燃料電池相互接続用の合金が提供される。合金は、少なくとも約６０質量パーセントの鉄と、約１５〜約３０質量パーセントの範囲内のクロムと、約３〜約４．５質量パーセントの範囲内のタングステンとを含む。また、合金は、アルミニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、マンガン、モリブデン、ニッケル、バナジウム、タンタル、およびチタンからなる群から選択される少なくとも１つの元素を含む。
【０００７】
別の実施形態では、燃料電池相互接続用の別の合金が、少なくとも約７５質量パーセントの鉄と、約２０質量パーセントのクロムと、約４質量パーセントのタングステンとを含む。また、合金は、アルミニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、マンガン、モリブデン、ニッケル、バナジウム、タンタル、およびチタンからなる群から選択される少なくとも１つの元素を含む。
【０００８】
さらに別の実施形態では、燃料電池アセンブリは、アノード、カソード、およびそれらの間に介在された電解質を備える少なくとも１つの燃料電池を含む。また、燃料電池アセンブリは、カソードおよびアノードの少なくとも１つと密接する相互接続構造を含む。相互接続構造は合金からなる。合金は、少なくとも約６０質量パーセントの鉄と、約１５〜約３０質量パーセントの範囲内のクロムと、約３〜約４．５質量パーセントの範囲内のタングステンとを含む。また、合金は、アルミニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、マンガン、モリブデン、ニッケル、バナジウム、タンタル、およびチタンからなる群から選択される少なくとも１つの元素を含む。
【０００９】
本発明のこれらおよびその他の特徴、態様、および利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読めば、より良く理解されよう。図面中、同様の符号は、図面を通じて同様の部品を表す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
燃料電池は、高い効率および低い汚染パワー発生の可能性を示している。燃料電池、例えば固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、イオン伝導層を挟んで燃料と酸化剤とを電気化学的に組み合わせることによって電気を発生するエネルギー変換デバイスである。図１に示されるように、例示的な平坦燃料電池１０は、相互接続部分１２と、電解質１８によって離隔された一対の電極、すなわちカソード１４およびアノード１６とを備える。
【００１１】
相互接続部分１２は、カソード１４に密接する複数の空気流チャネル２４と、隣接する電池反復ユニット２０のアノード１６に密接する複数の燃料流チャネル２６とを画定し、あるいはその逆に画定する。動作時、燃料流２８が燃料流チャネル２６に供給され、空気流３０（典型的には加熱空気）が空気流チャネル２４に供給される。
【００１２】
図２は、燃料電池の一部を示し、燃料電池の動作を例示する。図２に示されるように、燃料流２８（例えば天然ガス）がアノード１６に供給されて、酸化反応を受ける。アノードでの燃料は、電解質をわたってアノードに移送される酸素イオン（Ｏ２−）と反応する。酸素イオン（Ｏ２−）は、消イオン化（de-ionize）されて、外部電気回路３４に電子を解放する。空気流３０がカソード１４に供給されて、外部電気回路３４から電子を受け入れ、還元反応を受ける。電解質１８が、アノード１６とカソード１４との間でイオンを伝導する。電子流が直流電気を発生し、プロセスは、何らかの排気ガスおよび熱を発生する。
【００１３】
図１に示される例示的な実施形態では、燃料電池アセンブリ１０は、平坦構成を有する複数の反復ユニット２０を備えるが、複数のそのような電池を単一構造内に提供することもでき、そのような構造は、電池のスタックまたは集合、あるいは合計出力を発生することが可能なアセンブリと呼ぶことができる。
【００１４】
アノード層１６の主目的は、燃料電池内に導入される燃料の電気化学的な酸化のための反応場所を提供することである。さらに、アノード材料は、燃料還元環境で安定であり、燃料電池動作状態での燃料気体反応に適した電子伝導率、表面積、および触媒活性を有し、かつ反応場所に気体を移送できるようにするのに十分な多孔率を有するべきである。アノード層１６は、これらの性質を有するいくつかの材料から作製することができ、そのような材料には、貴金属、遷移金属、サーメット、セラミックス、およびそれらの組合せが含まれ、しかしそれらに限定されない。より具体的には、アノード層１６は、Ｎｉ、Ｎｉ合金、Ａｇ、Ｃｕ、コバルト、ルテニウム、Ｎｉ−ＹＳＺサーメット、Ｃｕ−ＹＳＺサーメット、Ｎｉセリアサーメット、またはそれらの組合せからなる群から選択される任意の材料から作製することができる。
【００１５】
電解質１８は、典型的にはテープ成形またはテープカレンダー加工によってアノード層１６の上に堆積される。電解質層の主目的は、アノード層１６とカソード層１４との間でイオンを伝導することである。電解質は、一方の電極で発生されたイオンを他方の電極に送り、電子流からの電荷の平衡を保ち、燃料電池内で電気回路を完成する。さらに、電解質は、燃料電池内で燃料を酸化剤から分離する。したがって、電解質は、還元および酸化環境の両方で安定であり、反応気体に対して不透過性であり、動作状態で適切な伝導性をもたなければならない。典型的には、電解質１８は実質的に電子絶縁である。電解質１８は、これらの性質を有するいくつかの材料から作製することができ、そのような材料には、ＺｒＯ２、ＹＳＺ、ドープセリア、ＣｅＯ２、三二酸化ビスマス（Bismuth sesquioxide）、パイロクロア酸化物、ドープジルコネート、ペロブスカイト酸化物材料、およびそれらの組合せが含まれ、しかしそれらに限定されない。
【００１６】
カソード層１４は、電解質１８の上に堆積される。カソード層１４の主目的は、酸化剤の電気化学的な還元のための反応場所を提供することである。したがって、カソード層１４は、酸化環境で安定であり、燃料電池動作状態での酸化剤気体反応に十分な電子およびイオン伝導率、表面積、ならびに触媒活性を有し、かつ反応場所に気体を移送できるようにするのに十分な多孔率を有さなければならない。カソード層１４は、これらの性質を有するいくつかの材料から作製することができ、そのような材料には、導電酸化物、ペロブスカイト、ドープＬａＭｎＯ３、スズドープ酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、ストロンチウムドープＰｒＭｎＯ３、Ｌａフェライト、Ｌａコバルタイト、ＲｕＯ２−ＹＳＺ、およびそれらの組合せが含まれ、しかしそれらに限定されない。
【００１７】
平坦燃料電池アセンブリでの典型的な相互接続のいくつかの特徴は、直列または並列に接続された燃料電池間に電気接触を提供すること、燃料および酸化剤の流れ経路を提供すること、ならびに構造支持を提供することである。セラミック、サーメット、および金属合金が、相互接続として典型的に使用される。金属材料は、それらの高い導電率および熱伝導率、製造の容易性、ならびに低コストにより、相互接続材料として使用されるときにいくらかの利点を有する。いくつかの実施形態では、燃料電池アセンブリは、平坦構成、管状構成、またはそれらの組合せを有する燃料電池を備える場合がある。実際、本発明の技法によって提供される合金は、ある範囲の物理的な燃料電池構成に有益である場合があり、そのような構成で使用される様々な設計の相互接続の形成を容易にする。
【００１８】
燃料電池環境での金属材料の不安定性が、相互接続として使用することができる金属の数を限定する。典型的には、高温耐酸化合金が表面上に保護酸化物層を形成し、その酸化物層が酸化反応の速度を低下する。耐用期間中、固体酸化物型燃料電池などの燃料電池の温度は、停止状態での室温と、１０００℃程度の高さの動作温度との間で数回循環されることがある。燃料電池アセンブリでの熱サイクル中、アノード、カソード、および相互接続を含めた、しかしそれらに限定されない燃料電池アセンブリ内の要素が、個々の材料のＣＴＥに従って熱膨張および収縮を受ける。互いに密接している燃料電池アセンブリ要素のＣＴＥの相違が存在する場合、燃料電池アセンブリは機械的応力を受ける。さらに、燃料電池内部で生成されるこの機械的応力が、燃料電池の構造的完全性を損なう場合がある。
【００１９】
したがって、相互接続の製造に使用される金属合金は、いくつかの性質を示すべきである。相互接続用の合金を選択する一方で、耐酸化性、ＣＴＥ、面積抵抗率、および製造性を含めた、しかしそれらに限定されない諸性質を考慮しなければならない。
【００２０】
本明細書で開示するのは、少なくとも約６０質量パーセントの鉄と、約１５〜約３０質量パーセントの範囲内のクロムと、約３〜約４．５質量パーセントの範囲内のタングステンとを含む相互接続用の合金である。さらに、合金は、アルミニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、マンガン、モリブデン、ニッケル、バナジウム、タンタル、およびチタンからなる群から選択される少なくとも１つの元素を含む。
【００２１】
一実施形態では、合金のクロム含有量は、約１５質量パーセント〜約２５質量パーセントの範囲内である。別の実施形態では、合金のクロム含有量は、約２０質量パーセントである。耐酸化鋼は通常、主要な合金元素としてクロムを含有する。高温であり酸素を含む環境で、クロムは優先的に酸化し、典型的には酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）からなる保護表面スケールを形成する。高温で、この層は電子伝導性も示す。
【００２２】
本明細書で開示する合金のより具体的な実施形態におけるタングステン含有量は、約３．５質量パーセント〜約４．５質量パーセントの範囲内である。一実施形態では、合金のタングステン含有量は、約４質量パーセントである。フェライト鋼合金（鉄ベースの合金）では、タングステンが主要な強化元素として働く。しかし、より高いパーセントのタングステンは、相互接続シートを製造する間に合金の加工をより困難にする。また、タングステンは、燃料電池内のセラミック構成要素のＣＴＥに密接に合致するように合金のＣＴＥを改良するために必要とされる。高レベルで存在するとき、タングステンは、合金を硬化する傾向がある。したがって、本発明者は、高いパーセントのタングステンが、ＣＴＥを改良するだけでなく、燃料電池相互接続を形成するための合金の加工中に亀裂など加工欠陥を生み出すと考えている。典型的には、相互接続シートを作製するために合金が加工されるときの圧延操作中に、亀裂が生じる。合金中の約３〜約４．５質量パーセントのタングステン含有量が最適なレベルであり、相互接続合金の所要の性質をどれも損なわないと考えられる。本明細書で述べる合金組成物では、このパーセントのタングステンは、合金の製造性または加工の容易性を犠牲にせずに、合金のＣＴＥの改良を可能にする。
【００２３】
いくつかの実施形態では、合金は、約０．０１質量パーセント〜約１０質量パーセントの範囲内でアルミニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、マンガン、モリブデン、ニッケル、バナジウム、タンタル、およびチタンからなる群から選択される少なくとも１つの元素を含む。いくつかの他の実施形態では、合金は、約０．０１質量パーセント〜約１．０質量パーセントの範囲内でアルミニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、マンガン、モリブデン、ニッケル、バナジウム、タンタル、およびチタンからなる群から選択される少なくとも１つの元素を含む。一実施形態では、合金は、約０．１質量パーセントのランタンと、約０．１質量パーセントのイットリウムとを含む。いくつかの他の実施形態では、合金は、約１質量パーセント〜約１０質量パーセントの範囲内でマンガン、モリブデン、ニッケル、バナジウム、タンタル、およびチタンからなる群から選択される少なくとも１つの元素を含む。
【００２４】
アルミニウムは、合金の耐酸化性を高める。しかし、合金中の高いパーセンテージのアルミニウムは、合金の強度を低下させる。イットリウムおよびランタンが、合金の強度および耐酸化性を改良する。また、マンガン、モリブデン、ジルコニウム、ニッケル、バナジウム、タンタル、およびチタンなどの金属を合金に添加して、アノード、カソード、および電解質など非金属構成要素のＣＴＥに合致するように合金のＣＴＥを改良することもできる。
【００２５】
別の実施形態では、相互接続用の合金は、少なくとも約７５質量パーセントの鉄含有分と、約２０質量パーセントのクロムと、約４質量パーセントのタングステンとを含む。また、合金は、アルミニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、マンガン、モリブデン、ニッケル、バナジウム、タンタル、およびチタンからなる群から選択される少なくとも１つの元素を含む。
【００２６】
いくつかの他の実施形態では、相互接続用の合金は、少なくとも約７５質量パーセントの鉄と、約２０質量パーセントのクロムと、約４質量パーセントのタングステンとを含む。また、合金は、約０．１質量パーセントのランタンと、約０．１質量パーセントのイットリウムとを含む。
【００２７】
別の実施形態では、相互接続用の合金は、少なくとも約７５質量パーセントの鉄と、約２０質量パーセントのクロムと、約４質量パーセントのタングステンとを含む。また、合金は、約０．５質量パーセントのランタンと、約０．５質量パーセントのイットリウムとを含む。
【００２８】
前節に記載した全ての合金組成物を、固体酸化物型燃料電池、陽子交換膜、または固体高分子型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、リン酸型燃料電池、アルカリ型燃料電池、ダイレクトメタノール型燃料電池、再生型燃料電池、亜鉛空気燃料電池、または陽子セラミック型燃料電池を含めた、しかしそれらに限定されない様々なタイプの燃料電池に使用することができる。
【００２９】
図１および２に示されるように、固体酸化物型燃料電池アセンブリ１０の相互接続部分１２は、前節に記載した合金組成物を使用して製造することができる。本明細書で開示する燃料電池相互接続用の合金組成物を、以下の非限定的な実施例でさらに示す。
【実施例】
【００３０】
鉄、２０％のクロム、４％のタングステン、０．５％のランタン、および０．５％のイットリウムを含有するフェライト合金組成物を形成した。このパーセンテージの全てが質量パーセントである。この合金組成物から作製されたインゴットを高温で鋳造して長方形の棒に機械的に変形させた。次いで、その棒材を、０．１５０インチの厚さを有するプレートに熱間圧延した。鋳造および高温加工プロセス中、材料に亀裂は生じなかった。平均ビッカース硬さは、熱間圧延後に、３．５ＨＶの標準偏差を有して２００．２ＨＶと測定された。次いで、材料を、冷間圧延操作を使用して反復して厚さを減少させた。各回に２５％の厚さ減少を試みたが、測定された厚さ減少は１３％〜３２％の間でバラツキがあった。７回の冷間圧延操作それぞれに関する平均の厚さ減少は２４％であった。シートの加工中、圧延されたシートに亀裂は検出されなかった。各圧延段階の後に、５００グラムの負荷の下で１３秒の滞留時間にわたってビッカーススケールで硬さ測定を行った。硬さは、２００〜３３５ＨＶの範囲であった。同一のインゴットから取られた試料に対して、圧縮荷重試験を実施した。４つの試料に関して測定された降伏応力は４５．８ｋｓｉであった。
【００３１】
本発明のいくつかの特徴のみを本明細書で例示して説明してきたが、多くの修正および変更が当業者には想定されよう。したがって、頭記の特許請求の範囲は、全てのそのような修正および変更を本発明の真の精神に入るものとして網羅することを意図されていることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】１つの反復ユニットを例示し、本発明の一実施形態による合金から作製された相互接続を含む例示的な燃料電池アセンブリの斜視図である。
【図２】改良された相互接続を有する燃料電池の動作を示す例示的な燃料電池アセンブリの拡大された一部分を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０  燃料電池アセンブリ
１２  相互接続
１４  カソード
１６  アノード
１８  電解質
２０  反復ユニット
２４  空気流チャネル
２６  燃料流チャネル
２８  燃料流
３０  空気流
３２  燃料電池の拡大された一部分
３４  外部回路
【図１】
2007107090.tif 000003
【図２】
2007107090.tif 000004