(57)【要約】【課題】優れたガスシール性及び電気絶縁性を発揮し得る絶縁シール構造、その形成方法及び燃料電池スタック構造体を提供する。【解決手段】絶縁シール構造は、燃料電池スタック構造体における一対の対向部材の間に形成され、該一対の対向部材の間をガスシールすると共に電気絶縁する。絶縁シール構造は、一方の対向部材側に位置する絶縁層と、他方の対向部材側に位置する金属シール層と、該絶縁層と該金属シール層との間に位置する金属拡散抑制層とを有する。  燃料電池スタック構造体は、上記絶縁シール構造を備える。  絶縁シール構造の形成方法は、金属箔からなる金属シール層にめっき法及び／又は蒸着法を利用して形成された金属拡散抑制層を有する金属拡散抑制層付き金属シール層を用いて絶縁シール構造を形成する方法である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタック構造体における一対の対向部材の間に形成され、該一対の対向部材の間をガスシールすると共に電気絶縁する絶縁シール構造であって、
一方の対向部材側に位置する絶縁層と、他方の対向部材側に位置する金属シール層と、該絶縁層と該金属シール層との間に位置する金属拡散抑制層とを有する
ことを特徴とする絶縁シール構造。
【請求項２】
上記金属シール層の主構成材料が銀であり、
上記金属拡散抑制層の主構成材料が、金、銅、クロム、鉄、コバルト又は白金である
ことを特徴とする請求項１に記載の絶縁シール構造。
【請求項３】
上記金属拡散抑制層の主構成材料が金、銅、白金、アルミニウム又は鉛であることを特徴とする請求項１又は２に記載の絶縁シール構造。
【請求項４】
上記金属拡散抑制層の主構成材料が金、白金又はアルミニウムであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の絶縁シール構造。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の絶縁シール構造を備えたことを特徴とする燃料電池スタック構造体。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の絶縁シール構造を形成する方法であって、
金属箔からなる金属シール層にめっき法及び／又は蒸着法を利用して形成された金属拡散抑制層を有する金属拡散抑制層付き金属シール層を用いる
ことを特徴とする絶縁シール構造の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁シール構造、その形成方法及び燃料電池スタック構造体に関する。更に詳細には、本発明は、優れたガスシール性及び電気絶縁性を発揮し得る絶縁シール構造、その形成方法及び燃料電池スタック構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、相互に対向する二つの部材間をより確実にシールしかつ絶縁する絶縁シール構造を得ることを目的として、一対の対向部材間に絶縁性ガスケットを狭装し、当該対向部材間をシールするとともに絶縁する絶縁シール構造が提案されている（特許文献１参照。）。
【０００３】
この絶縁シール構造は、絶縁材料を主成分とする材質からなるコア部と、前記コア部の表面に蒸着によって形成され、対向部材に当接する金属被覆部と、を備え、前記金属被覆部と対向部材との間に、前記絶縁性ガスケットとは別のシール部材を狭装している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４３８９７１８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、本発明者らが検討したところ、上記特許文献１に記載された絶縁シール構造であっても、長期運転における電気絶縁性について改善の余地があった。
【０００６】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものである。そして、その目的とするところは、優れたガスシール性及び電気絶縁性を発揮し得る絶縁シール構造、その形成方法及び燃料電池スタック構造体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねた。その結果、一方の対向部材側に位置する絶縁層と、他方の対向部材側に位置する金属シール層と、該絶縁層と該金属シール層との間に位置する金属拡散抑制層とを有する絶縁シール構造を形成することなどにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
すなわち、本発明の絶縁シール構造は、燃料電池スタック構造体における一対の対向部材の間に形成され、該一対の対向部材の間をガスシールすると共に電気絶縁する。そして、本発明の絶縁シール構造においては、一方の対向部材側に位置する絶縁層と、他方の対向部材側に位置する金属シール層と、該絶縁層と該金属シール層との間に位置する金属拡散抑制層とを有する。
【０００９】
また、本発明の燃料電池スタック構造体は、上記本発明の絶縁シール構造を備える。
【００１０】
更に、本発明の絶縁シール構造の形成方法は、上記本発明の絶縁シール構造を形成する方法の一例である。そして、本発明の絶縁シール構造の形成方法においては、金属箔からなる金属シール層にめっき法及び／又は蒸着法を利用して形成された金属拡散抑制層を有する金属拡散抑制層付き金属シール層を用いる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、一方の対向部材側に位置する絶縁層と、他方の対向部材側に位置する金属シール層と、該絶縁層と該金属シール層との間に位置する金属拡散抑制層とを有する絶縁シール構造を形成することなどとした。
そのため、優れたガスシール性能と電気絶縁性能を発揮し得る絶縁シール構造、その形成方法及び燃料電池スタック構造体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る固体酸化物形燃料電池スタック構造体の一例を示す概略斜視図である。
【図２】図１に示す燃料電池スタック構造体のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。
【図３】図２に包囲線ＩＩＩで示す部分の部分拡大図である。
【図４】シール性能評価試験の要領を説明する説明図である。
【図５】実施例１の絶縁シール構造の断面における走査型電子顕微鏡による反射電子像（ａ）及び電子プローブマイクロアナライザーによる分析結果を示す写真（ｂ）である。
【図６】比較例１の絶縁シール構造の断面における走査型電子顕微鏡による反射電子像（ａ）及び電子プローブマイクロアナライザーによる分析結果を示す写真（ｂ）である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の一実施形態に係る絶縁シール構造、その形成方法及び燃料電池スタック構造体について詳細に説明する。なお、以下の実施形態で引用する図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
【００１４】
まず、本発明の一実施形態に係る絶縁シール構造及び燃料電池スタック構造体について、固体酸化物形燃料電池スタック構造体に適用した場合を例に挙げて図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る固体酸化物形燃料電池スタック構造体の一例を示す概略斜視図、図２は、図１に示す燃料電池スタック構造体のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図、図３は、図２に包囲線ＩＩＩで示す部分の部分拡大図である。
【００１５】
図１及び図２に示すように、本実施形態の固体酸化物形燃料電池スタック構造体（以下「セルスタック」という。）Ａは、複数の固体酸化物燃料電池（以下「セルユニット」という。）Ｂ同士をシール部材を介して積層してなるもの（上下面にはエンドプレート５１，５１が配置されている。）であり、それらセルユニットＢ内外に、ガス導入口及びガス排出口を配置した構成となっているホルダ５０，５０を介して２種類の反応用ガスを互いに分離して流通させることによる発電を行うようにしたものである。
【００１６】
本実施形態においては、一方の反応用ガスが水素や炭化水素などの燃料ガスであり、他方の反応用ガスが酸素や空気などの酸化剤ガスであるが、詳細を後述するセルユニットＢの燃料極や空気極の相対的な配置に応じて、一方の反応用ガスを空気、他方の反応用ガスを炭化水素としてもよい。
【００１７】
セルユニットＢは、固体電解質型の単セル４０、薄型流路部品１０、流路形成体３０及びセパレータ２０を主要の構成としたものである。
【００１８】
単セル４０は、上記した燃料極（アノード極）と空気極（カソード極）とを電解質の上下両側に互いに対設したものであり、貫通孔を中心に配設した円環形に形成されている。
【００１９】
セパレータ２０は、単セル４０の外径よりも大きな外径にした金属製の板体であり、これの中心に円形孔が形成されているとともに、その中間部の外周縁部内外面（図示上下面）に、単セル４０の燃料極に当接する集電用の金属多孔質体２１、また、他のセルユニットＢの空気極又はエンドプレート５１に弾接する金属多孔質体２２が配設されている。
このセパレータ２０の外周縁部には、これの全周にわたる円環形にしたスペーサ２３が固定されているとともに、そのスペーサ２３の下面に、円環形の内周板２４が内方に延出した状態で固定されている。
また、内周板２４の上面と単セル４０の電解質の外周縁部下面を、これらの間に介在させたガラス接着剤３６によって接着固定している。
【００２０】
流路形成体３０は、流路部品３１，３２を有しており、これらには、上記したガス流通空間βに上記いずれかの反応用ガスを給排送するための流路３４，３５を共通に連通させて形成している。
【００２１】
流路部品３１は、単セル４０の貫通孔の内径よりもやや小さい外径にした円柱形のものである。
流路部品３２は、これの下面に、ガス流通用溝３２ａが流路３５とガス流通空間βとを連通させて形成されており、後記する薄型流路部品１０よりもやや大きな外径の円板形にして形成されている。
【００２２】
薄型流路部品１０は、単セル４０の貫通孔よりも大きな外径の円環形にした金属製の板体である。
すなわち、単セル４０の貫通孔よりも大きな外径の円環形に形成することにより、平面視において単セル４０の内周縁部に重ね合わせ、この重ね合わせた部分において、ガラス接着剤３６を介して単セル４０の内周縁部上面に接着されている。
上記した流路形成体３０、薄型流路部品１０及びセパレータ２０は、ともに軸線Ｏを中心とした同心配置にしている。
【００２３】
なお、ガラス接着剤３６を介して単セル４０の内周縁部下面に接着した状態において、単セル４０の燃料極の上面と、流路部品３２との間に空隙を生じさせるように流路部品３１の高さを設定している。
【００２４】
図３に示すように、シール部材６０は、流路部品３１と同じ外径にした円環形のものであり、絶縁層６１と金属シール層６２とこれらの間に位置する金属拡散抑制層６３とを有するものである。セルスタックの一対の対向部材の一方であるセパレータ２０は、その表面に絶縁層を有し、対向部材の他方である流路部品３１は、その表面に金属シール層を有し、これらの間には金属拡散抑制層が配設されている。そして、この絶縁シール構造は、積み重ねた複数枚のセルユニットＢ同士を、これらの図示上下両側から弾圧（挟圧）する締結荷重の作用によって、対向部材間を絶縁シールする。
【００２５】
絶縁層６１は、電気絶縁性材料からなるものを挙げることができる。これは１層からなる構造であってもよく、複数層からなる構造（積層構造）であってもよい。絶縁層とした場合、コア部材を適用する場合と比較して、締結荷重の作用による破損のおそれを低減することができる。また、絶縁層の好適形態としては、対向部材上に電気絶縁性材料を溶射することによって形成される溶射膜を挙げることができる。電気絶縁性材料としては、例えば、電気絶縁性セラミックを適用することが好ましい。電気絶縁性セラミックとしては、例えばアルミナを好適例として挙げることができる。
【００２６】
金属シール層６２は、その主構成材料が銀、銅、ステンレス鋼などからなるものを好適例として挙げることができる。また、これは金属箔からなるものを適用することが好ましい。これは１層からなる構造であってもよく、複数層からなる構造（積層構造）であってもよい。なお、本発明において、例えば「銀が主構成材料」とは、金属シール層の９０質量％以上が銀であることを意味する。
【００２７】
金属拡散抑制層６３は、その主構成材料の燃料電池運転温度における蒸気圧が、金属シール層の主構成材料の燃料電池運転温度における蒸気圧より高いことが好ましい。この関係を満足しない場合には、金属シール層の構成金属が絶縁層に蒸発拡散し易く、電気絶縁性が低下する可能性がある。金属拡散抑制層は、その主構成材料が、金、銀、銅、クロム、鉄、コバルト、白金などからなるものを好適例として挙げることができる。これは１層からなる構造であってもよく、複数層からなる構造（積層構造）であってもよい。なお、本発明において、例えば「金が主構成材料」とは、金属拡散抑制層の９０質量％以上が金であることを意味する（以下同様。）。
【００２８】
また、金属拡散抑制層６３は、高展性材料からなるものを好適に用いることができる。例えば、その主構成材料が金、銀、銅、白金、アルミニウム、鉛などのような高展性材料からなるものを好適例として挙げることができる。このような高展性材料であると、締結荷重が作用した場合でも、その展性によって絶縁層との間のガスシール性を維持することができる。
【００２９】
更に、金属拡散抑制層６３は、その主構成材料が金、白金、アルミニウムなどのような耐酸化性能を有するもの（酸化物生成の標準自由エネルギーと温度の関係を示すエリンガム図において燃料電池運転温度（７００℃）を参照することにより規定することができる。）や不動体被膜を形成するもの（例えば、酸化速度定数が小さいものを参照することにより規定することができる。）を好適例として挙げることができる。
【００３０】
上述した種々の観点から、金や白金からなる金属拡散抑制層をより好ましい例として挙げることができる。
【００３１】
次に、本発明の一実施形態に係る絶縁シール構造の形成方法について詳細に説明する。
本発明の一実施形態に係る絶縁シール構造の形成方法は、上記本発明の一実施形態に係る絶縁シール構造を形成する方法の一例である。
本実施形態の絶縁シール構造の形成方法においては、金属箔からなる金属シール層にめっき法及び蒸着法の少なくとも一方を利用して形成された金属拡散抑制層を有する金属拡散抑制部付き金属シール層を用いることが好ましい。なお、めっき法や蒸着法としては、電解めっきや無電解めっき、プラズマ化学蒸着や熱化学蒸着などの化学蒸着法、真空蒸着やスパッタリング、イオンプレーティングなどの物理蒸着法などの従来公知の成膜法を適用することができる。
このような金属拡散抑制部付き金属シール層を用いると、絶縁層へ金属拡散抑制層を形成した場合に比較して、金属拡散抑制層を緻密に形成することができ、また、部品点数を少なくすることができるという利点がある。
しかしながら、本発明の絶縁シール構造は、上述した構成を有するものであれば、このような形成方法により得られたものに限定されるものではない。
【実施例】
【００３２】
以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳細に説明する。
【００３３】
（実施例１）
厚み１ｍｍのステンレス鋼（ＳＵＳ４３０）からなる基板上ａに溶射法により厚み０．５ｍｍのアルミナ溶射膜からなる絶縁層ｂを形成した。なお、基板ａと絶縁層ｂとの密着性を高めるために基板ａには予めサンドブラスト処理を行った。
【００３４】
内径φ３０ｍｍ、外径φ３６ｍｍ、厚み０．２ｍｍのリング状の銀箔からなる金属シール層ｃ上に真空蒸着法により厚み５μｍの金からなる金属拡散抑制層ｄを形成した。
【００３５】
基板ａ上に形成された絶縁層ｂと金属シール層ｃ上に形成された金属拡散抑制層ｄとを対向させて配置し、絶縁抵抗計測のためのリード線ｅが接合された２枚の電極板ｆで挟持し、更に絶縁のためのアルミナプレートｇ、金属プレートｈで挟持し、ボルトｉで締結して、図４に示すような本例のガスシール構造を形成した。
【００３６】
（実施例２）
内径φ３０ｍｍ、外径φ３６ｍｍ、厚み０．２ｍｍのリング状の銀箔に替えて、内径φ３０ｍｍ、外径φ３６ｍｍ、厚み０．２ｍｍのリング状の銅箔からなる金属シール層を用いたこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、図４に示すような本例のガスシール構造を形成した。
【００３７】
（実施例３）
内径φ３０ｍｍ、外径φ３６ｍｍ、厚み０．２ｍｍのリング状の銀箔に替えて、内径φ３０ｍｍ、外径φ３６ｍｍ、厚み０．２ｍｍのリング状のステンレス鋼箔（ＳＵＳ３１６Ｌ）からなる金属シール層を用いたこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、図４に示すような本例のガスシール構造を形成した。
【００３８】
（比較例１）
厚み１ｍｍのステンレス鋼（ＳＵＳ４３０）からなる基板上に溶射法により厚み０．５ｍｍのアルミナ溶射膜からなる絶縁層を形成した。なお、基板と溶射膜との密着性を高めるために基板には予めサンドブラスト処理を行った。
【００３９】
基板上に形成された絶縁層と内径φ３０ｍｍ、外径φ３６ｍｍ、厚み０．２ｍｍのリング状の銀箔からなる金属シール層とを対向させて配置し、絶縁抵抗計測のためのリード線が接合された電極板２枚で挟持し、更に絶縁のためのアルミナプレート、金属プレートで挟持し、ボルトで締結して、本例のガスシール構造を形成した。なお、本例は、金属拡散抑制層を形成しなかったこと以外は、実施例１と同じ構成である。
【００４０】
（比較例２）
内径φ３０ｍｍ、外径φ３６ｍｍ、厚み０．２ｍｍのリング状の銀箔に替えて、内径φ３０ｍｍ、外径φ３６ｍｍ、厚み０．２ｍｍのリング状の銅箔からなる金属シール層を用いたこと以外は、比較例１と同様の操作を繰り返して、本例のガスシール構造を形成した。
【００４１】
（比較例３）
内径φ３０ｍｍ、外径φ３６ｍｍ、厚み０．２ｍｍのリング状の銀箔に替えて、内径φ３０ｍｍ、外径φ３６ｍｍ、厚み０．２ｍｍのリング状のステンレス鋼箔（ＳＵＳ３１６Ｌ）からなる金属シール層を用いたこと以外は、比較例１と同様の操作を繰り返して、本例のガスシール構造を形成した。
上記各例のシール構造の仕様の一部を表１に示す。
【００４２】
【表１】
2013246887.tif 000003
【００４３】
［性能評価］
（シール性能評価試験）
下記高温曝露処理の前後における上記各例のシール構造に対して、ヘリウムガスを用いて１０ｋＰａ加圧した際の漏れ量を計測した。なお、降温時は空気のみ供給した。得られた結果を表１に併記する。
【００４４】
＜高温曝露処理＞
供給ガス：燃焼ガス（乾燥空気；２００Ｌ／ｍｉｎ（０℃、１ａｔｍ）、水素；２０Ｌ／ｍｉｎ（０℃、１ａｔｍ））
本体温度：７５０℃
保持時間：１０時間以上
【００４５】
（高温絶縁性能評価試験）
高温ガス配管の一部に、上記各例のシール構造を組み込み、高温ガス供給条件下、本体温度７５０℃で、電極間に５０Ｖ電圧を印加したときの絶縁抵抗値を計測した。得られた結果を表１に併記する。
【００４６】
表１より、本発明の範囲に属する実施例１〜実施例３は、本発明外の比較例２及び比較例３と比較した場合、高温曝露処理の前後においてガスシール性が優れていることが分かる。また、比較例２及び比較例３は、高温曝露処理後においてガスシール性が低下していることが分かる。一方、本発明外の比較例１は、本発明の範囲に属する実施例１〜実施例３と比較した場合、高温曝露処理の前後においてガスシール性は同程度である。しかしながら、本発明外の比較例１は、本発明の範囲に属する実施例１〜実施例３と比較した場合、電気絶縁性が十分なものとなっていないことが分かる。
【００４７】
つまり、本発明のガスシール構造とすることにより、優れたガスシール性及び電気絶縁性を発揮することができることが分かる。特に、銀箔からなる金属シール層を適用し、その上に、金からなる金属拡散抑制層を形成した実施例１に係るガスシール構造が現時点においては最も優れていることが分かる。これらは、金属シール層を構成する銀や銅、ステンレス鋼に比較して金属拡散抑制層を構成する金の方が、燃料電池運転温度付近における蒸気圧が低く、銀が絶縁層に拡散することを抑制して、絶縁性能を維持するためと考えられる。また、金属拡散抑制層を構成する金は、展性や耐酸化性が優れているという観点から、上述した材料の中でも好適に用いることができる。
【００４８】
また、実施例１及び比較例１の絶縁シール構造について、その断面を走査型電子顕微鏡及び電子プローブマイクロアナライザーによって観察した。得られた結果を図５及び図６に示す（なお、図５及び図６は、各例における基板とその上に形成された絶縁層の部分を示している。）。図６に示す比較例１においては、金属シール層を構成する銀（Ａｇ）が蒸発拡散し、アルミナ溶射膜からなる絶縁層内にＡｇが堆積していることが分かる。一方、図５に示す実施例１においては、金属拡散抑制層が蒸発拡散した銀（Ａｇ）をトラップしているため、アルミナ溶射膜からなる絶縁層内にＡｇが堆積することがないことが分かる。
【００４９】
以上、本発明を若干の実施形態及び実施例によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。
【符号の説明】
【００５０】
１０…薄型流路部品、２０…セパレータ、２１，２２…金属多孔質体、２３…スペーサ、２４…内周板、３０…流路形成体、３１，３２…流路部品、３２ａ…ガス流通用溝、３４，３５…流路、３６…ガラス接着剤、４０…単セル、５０…ホルダ、５１…エンドプレート、６０…シール部材、６１…絶縁層、６２…金属シール層、６３…金属拡散抑制層、Ａ…セルスタック、Ｂ…セルユニット、β…ガス流通空間
【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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