(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気極層／電解質層／燃料極層の３層ユニットで構成された単電池とＣｒを含む合金製セパレータとを交互に積層してなる固体酸化物形燃料電池において、
前記Ｃｒを含む合金製セパレータを、Ｃｒ＝２２（重量％、以下同じ）、Ｍｎ＝０．４８、Ｓｉ＝０．３６、Ｎｉ＝０．２６、Ｚｒ＝０．２２、Ａｌ＝０．１４、Ｌａ＝０．０４、Ｃ＝０．０２、Ｆｅ＝バランスからなる材料で構成し、
前記空気極層を、ＳｒをドープしたＬａＣｏＯ3からなる材料で構成し、
前記電解質層のうち、少なくとも前記空気極と接する面を、Ｓｒ及びＭｇをドープしたＬａＧａＯ3からなる材料で構成することにより、
前記空気極層と前記電解質層との界面を、空気中の酸素のみを選択的に還元し、酸化クロムの蒸気種を還元しない性質の界面としてなること、
を特徴とするＣｒを含む合金製セパレータを用いた固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
空気極層／電解質層／燃料極層の３層ユニットで構成された単電池とＣｒを含む合金製セパレータとを交互に積層してなる固体酸化物形燃料電池において、
前記Ｃｒを含む合金製セパレータを、Ｃｒ＝２２（重量％、以下同じ）、Ｍｎ＝０．４８、Ｓｉ＝０．３６、Ｎｉ＝０．２６、Ｚｒ＝０．２２、Ａｌ＝０．１４、Ｌａ＝０．０４、Ｃ＝０．０２、Ｆｅ＝バランスからなる材料で構成し、
前記空気極層を、ＳｒをドープしたＳｍＣｏＯ3からなる材料で構成し、
前記電解質層のうち、少なくとも前記空気極と接する面を、Ｓｒ及びＭｇをドープしたＬａＧａＯ3からなる材料で構成することにより、
前記空気極層と前記電解質層との界面を、空気中の酸素のみを選択的に還元し、酸化クロムの蒸気種を還元しない性質の界面としてなること、
を特徴とするＣｒを含む合金製セパレータを用いた固体酸化物形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セパレータとしてＣｒ（クロム）を含む合金製セパレータを用いてなる固体酸化物形燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池にはイオン導電体すなわち電解質に利用される物質の違いにより各種あるが、そのうち固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）ではイオン導電性を有する電解質として固体酸化物が使用される。ＳＯＦＣは、以下（１）〜（５）のような特長を有している。（１）作動温度が高いことにより、電極における電気化学反応が円滑に進行するために、エネルギーロスが少なく発電効率が高い。
【０００３】
（２）排熱温度が高いので、多段に利用することにより、さらに発電効率を高めることが可能である。（３）作動温度は天然ガスなどの炭化水素燃料を改質させるのに十分なほど高いので、改質反応を電池内部で行うことができる。この点リン酸形やポリマー形のような低温作動型の燃料電池に必要な燃料処理系（改質器＋シフトコンバータ）を大幅に簡素化できる。（４）ＣＯも発電反応に関与させることができるため、燃料を多様化できる。（５）全部材が固体により構成されるので、リン酸形燃料電池や溶融炭酸塩形燃料電池において発生するような腐食や電解質の蒸散の問題がない。
【０００４】
図１〜２はＳＯＦＣの一態様例を原理的に説明する図である。図示のとおり、電解質材料を挟んで燃料極及び空気極（酸化剤として酸素が用いられる場合は酸素極）が配置されて、すなわち空気極／電解質／燃料極の３層ユニットで単電池が構成される。電解質材料としては、例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）のシート状焼結体が用いられ、空気極としては、例えばＳｒをドープしたＬａＭｎＯ3の多孔質体が用いられ、燃料極としては、例えばニッケルとイットリア安定化ジルコニア混合物（Ｎｉ／ＹＳＺサーメット）の多孔質体が用いられ、電解質材料の両面に空気極と燃料極を焼き付けることにより単電池が作製される。
【０００５】
このようなＳＯＦＣの運転時には、単電池の空気極側に酸化剤として空気を通し、燃料極側に燃料を通して、両電極を外部負荷に接続することで電力が得られる。ところが、単電池一つでは高々１．０Ｖ程度の電圧しか得られないので、実用的な電力を得るためには複数の単電池を直列に接続する必要がある。
【０００６】
隣接する単電池を電気的に接続するとともに、空気極と燃料極のそれぞれに空気と燃料を適正に分配、供給、排出する目的で、セパレータ（＝インターコネクタ）と単電池とが交互に積層される。図１〜２では、単電池を二個、その間にセパレータを一個、上方単電池の上面及び下方単電池の下面にそれぞれ枠体（枠体も一種のセパレータである）を備えた場合を示している。セパレータに対しては、下記▲１▼〜▲８▼という数多くの性質が求められる。
【０００７】
▲１▼緻密であってガスを透過、漏洩しない、▲２▼電子導電性が大きい、▲３▼イオン導電性が小さい、▲４▼高温の酸化性、還元性、両雰囲気において材料自身が化学的に安定である、▲５▼二つの電極など接触する他の部材と反応や過度な相互拡散が起こらない、▲６▼他の電池構成材料と熱膨張係数が整合している、▲７▼雰囲気の変動による寸法変化が小さい、▲８▼十分な強度を有する。
【０００８】
セパレータには上記のように厳しい要求があるため、その構成材料が限定される。これらの要求をなるべく多く満たすものとして、最も一般的にはＬａＣｒＯ3系の酸化物固溶体（ランタンクロマイト）が用いられる。この材料はＬａの一部をＣａ、Ｓｒといったアルカリ土類金属元素で置換するか、さらにＣｒの一部をＭｇ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｎｉなどの３ｄ遷移金属元素で置換することにより、上記要求を満たすべく材料特性を最適化している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＳＯＦＣは、その作動温度が７５０〜１０００℃程度と高いが、電解質としてＬａＧａＯ3系の酸化物固溶体や薄膜のジルコニアを用いるＳＯＦＣでは、７５０℃程度以下の低温作動ができる。この場合には、マニホールドやセパレータ用の材料として、Ｃｒを含有する耐熱性合金などの合金を用いることが性能面やコストの面から有利であるが、作動時に合金表面から蒸発してくる酸化クロムの蒸気種が空気極を被毒するという問題がある。
【００１０】
上記酸化クロムの蒸気種の問題を回避する手法として、合金製セパレータの表面を導電性材料でコーティングすることが考えられている。図３は、その概略を示す図である。なお、図１〜２のとおり、セパレータには複数個の溝が設けられるが、図３では省略している。図３のとおり、Ｃｒを含む合金製セパレータの表面を導電性材料でコーティングすることで、すなわちその表面に導電性コーティング層を設けることにより、合金表面の酸化物スケール層（酸化クロム層）の表面への露出を避け、酸化クロムの蒸気種の発生を防いでいる。
【００１１】
しかしこの場合、熱サイクル、すなわち燃料電池として作動、停止を繰り返すうちに合金材料と酸化スケール層、または合金材料と導電性コーティング層が剥離し、Ｃｒ被毒を防止する効果が弱くなる。これにより空気極の劣化が生じ、ひいては電池性能の低下を来してしまう。
そこで、本発明は、合金製セパレータを用いるＳＯＦＣにおいて、空気極／電解質界面（空気極と電解質の界面）の電気化学的性質を利用し、合金製セパレータに対して当接する空気極と電解質の界面自体の構成材料に工夫を加えることにより、上記のような酸化クロムの蒸気種による問題を解決してなる固体酸化物形燃料電池を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、セパレータとしてＣｒを含む合金製セパレータを用いてなる固体酸化物形燃料電池において、空気極と電解質との界面で空気中の酸素のみを選択的に還元し、酸化クロムの蒸気種を還元しない性質の界面を形成してなることを特徴とする合金製セパレータを用いた固体酸化物形燃料電池を提供する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明は、Ｃｒを含む合金製セパレータを用いてなる固体酸化物形燃料電池において、空気極と電解質との界面で空気中の酸素のみを選択的に還元し、酸化クロムの蒸気種（すなわち酸化クロムの蒸気）を還元しない性質の界面を形成してなることを特徴とする。空気中の酸素のみを選択的に還元し、酸化クロムの蒸気種を還元しない性質の界面は、空気極の構成材料として、そのような性質を有する材料を用いることにより形成される。
【００１４】
その際、電解質側の少なくとも表面がＬａＧａＯ3系の電解質であるのが好ましい。この場合、電解質自体をＬａＧａＯ3系の電解質で構成してもよく、他の電解質の表面にＬａＧａＯ3系の電解質層を設けてもよい。ここで、ＬａＧａＯ3系とは、ＬａＧａＯ3にＳｒ及びＭｇをドープしたもので、一般式：Ｌａ1-XＳｒXＧａ1-YＭｇYＯ3-d（式中、ｘは０＜ｘ≦０．５、ｙは０≦ｙ≦０．５）で表される電解質材料である。
【００１５】
上記空気極の構成材料としては、そのような性質、すなわち空気中の酸素のみを選択的に還元し、酸化クロムの蒸気種を還元しない性質を有する材料であればいずれも用いられるが、その例としてはＳｒをドープしたＬａＣｏＯ3、すなわち一般式：Ｌａ1-XＳｒXＣｏＯ3-d（式中、ｘは０＜ｘ≦０．７）で表される材料、ＳｒをドープしたＳｍＣｏＯ3、すなわち一般式：Ｓｍ1-XＳｒXＣｏＯ3-d（式中、ｘは０＜ｘ≦０．７）で表される材料などが挙げられる。
【００１６】
また、上記合金製セパレータの材料は、Ｃｒを含む合金であればよいが、その例としてはＣｒ＝２２（重量％、以下同じ）、Ｍｎ＝０．４８、Ｓｉ＝０．３６、Ｎｉ＝０．２６、Ｚｒ＝０．２２、Ａｌ＝０．１４、Ｌａ＝０．０４、Ｃ＝０．０２、Ｆｅ＝バランスからなる合金（７５０℃における電気抵抗＝約２３ｍΩ・ｃｍ2）やＣｒ＝１６．２、Ｌａ＝２（０）、Ｓｉ＝０．９５、Ｎｉ＝０．１２、Ｍｎ＝０．０９、Ｃ＝０．０３、Ｆｅ＝バランスからなる合金（７５０℃における電気抵抗＝約１６７ｍΩ・ｃｍ2）などが挙げられる。
【００１７】
図４は本発明の態様を示す図である。電解質すなわち電解質材料としてＬａＧａＯ3系電解質を使用し、その上に空気極として例えばＳｒをドープしたＬａＣｏＯ3の多孔質体を配置し、その上にセパレータとしてＣｒを含有する耐熱性合金のような合金製セパレータを配置する。合金製セパレータは、図４では空気極と離して示しているが、燃料電池スタックとしての構成時には空気極面に当接される。ＳｒをドープしたＬａＣｏＯ3とＬａＧａＯ3系電解質との界面は、空気極に供給される空気中の酸素のみを選択的に還元し、酸化クロムの蒸気種を還元しない性質を有する材料であるので、空気極がＣｒによって被毒することが防止される。
【００１８】
このように、本発明においては、空気極と電解質との界面において空気中の酸素のみを選択的に還元し、酸化クロムの蒸気種を還元しない性質の界面を形成することにより、合金表面をコーティングする必要をなくして、空気極のＣｒによる被毒を防止することができる。また、コーティングする場合に比べて低コストであり、さらには、熱サイクルに対する安定性を向上させ、Ｃｒによる被毒防止効果を持続させることができる。
【００１９】
【実施例】
以下、実施例に基づき本発明をさらに詳しく説明するが、本発明がこれら実施例に限定されないことは勿論である。
【００２０】
燃料極（Ｎｉ−ＹＳＺ）上面に固体酸化物電解質材料（ＬａＧａＯ3系電解質）を配置して、燃料極支持膜式電池を形成し、その電解質の上面に、薄い（約５０ミクロン）の金属薄板の枠内にＬａＳｒＣｏＯ3（ＳｒをドープしたＬａＣｏＯ3）製の空気極を配置して「組み合せ体」を構成した。次に、上記「組み合せ体」に厚さ０．６ｃｍ、平面寸法１１ｃｍ×１１ｃｍ（１２１ｃｍ2）のＣｒを含有する耐熱性合金製セパレータを積層し、固体酸化物形燃料電池スタックを構成した。
【００２１】
上記Ｃｒを含有する耐熱性合金の組成は以下のとおりである。Ｃｒ＝２２（重量％、以下同じ）、Ｍｎ＝０．４８、Ｓｉ＝０．３６、Ｎｉ＝０．２６、Ｚｒ＝０．２２、Ａｌ＝０．１４、Ｌａ＝０．０４、Ｃ＝０．０２、Ｆｅ＝バランスからなる合金（７５０℃における電気抵抗＝約２３ｍΩ・ｃｍ2）。このほか、空気極として、それぞれ、ＳｍＳｒＣｏＯ3（＝ＳｒをドープしたＳｍＣｏＯ3）、ＬＳＣＦ、ＬＳＭ及びＰＳＭで構成した空気極を用いた以外は、上記と同様にして固体酸化物形燃料電池スタックを構成した。
【００２２】
ここで、上記ＳｍＳｒＣｏＯ3は、一般式：Ｓｍ1-XＳｒXＣｏＯ3-d（式中、ｘは０＜ｘ≦０．７）で表される材料であるが、本例ではｘ＝０．４の材料を使用した。上記ＬＳＣＦは、一般式：Ｌａ1-XＳｒXＣｏ1-YＦｅYＯ3-d（式中、ｘは０＜ｘ≦０．７、ｙは０．２≦ｙ≦１）で表される材料であるが、本例ではｘ＝０．４、ｙ＝０．８の材料を使用した。上記ＬＳＭは、一般式：Ｌａ1-XＳｒXＭｎＯ3+d（式中、ｘは０＜ｘ≦０．７）で表される材料であるが、本例ではｘ＝０．１５の材料を使用した。また、上記ＰＳＭは、一般式：Ｐｒ1-XＳｒXＭｎＯ3+d（式中、ｘは０＜ｘ≦０．７）で表される材料であるが、本例ではｘ＝０．４の材料を使用した。
【００２３】
また、上記と同様の材料を用いて、試験用として固体酸化物形燃料電池ハーフセルを作製した。その構成は図５のとおりである。図５には、該試験用ハーフセルの構成と併せて、本劣化速度試験で用いた試験装置の概略も示している。この試験装置を用いて劣化速度試験を実施した。本劣化速度試験では、空気極に空気を通して実施した。この時、運転温度は８００℃、電流は０．３Ａｃｍ-2である。図６にこの試験の結果を示している。
【００２４】
図６において、時間の経過に伴う過電圧値の変化（図６中右下がり）が大きいほど空気極の劣化が大きいが、ＬａＳｒＣｏＯ3製の空気極で構成した場合とＳｍＳｒＣｏＯ3製の空気極で構成した場合では、１５０時間経過時でも試験開始時と変わっていない。これに対して、ＬＳＣＦ製の空気極では、試験開始時以降確実に右下がりとなり、ＬＳＭ製の空気極では、ＬＳＣＦ製の空気極の場合より緩いが、試験開始時以降確実に右下がりとなっている。このように本発明による空気極のＣｒによる被毒防止効果は明らかである。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、セパレータとしてＣｒを含む合金製セパレータを用いてなる固体酸化物形燃料電池において、空気極と電解質の界面で空気中の酸素のみを選択的に還元し、酸化クロムの蒸気種を還元しない性質の界面を形成することにより、Ｃｒによる空気極の被毒を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】固体酸化物形燃料電池の一態様例を原理的に説明する図
【図２】固体酸化物形燃料電池の一態様例を原理的に説明する図
【図３】従来におけるＣｒによる空気極の被毒を防止する手法を示す図
【図４】本発明の態様を示す図
【図５】実施例で用いた劣化速度試験装置の概略を示す図
【図６】実施例の結果を示す図
【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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