特許 6188372 固体酸化物形燃料電池用セルおよび燃料電池用セル間接続部材

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6188372

(24)【登録日】2017年8月10日

(45)【発行日】2017年8月30日

(54)【発明の名称】固体酸化物形燃料電池用セルおよび燃料電池用セル間接続部材

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0202 20160101AFI20170821BHJP

   H01M 8/12 20160101ALI20170821BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/02 B

   H01M8/02 Y

   H01M8/12

【請求項の数】5

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2013-64856(P2013-64856)

(22)【出願日】2013年3月26日

(65)【公開番号】特開2013-229317(P2013-229317A)

(43)【公開日】2013年11月7日

【審査請求日】2015年12月8日

(31)【優先権主張番号】特願2012-77492(P2012-77492)

(32)【優先日】2012年3月29日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000000284

【氏名又は名称】大阪瓦斯株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107308

【弁理士】

【氏名又は名称】北村 修一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100120352

【弁理士】

【氏名又は名称】三宅 一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100128901

【弁理士】

【氏名又は名称】東 邦彦

(72)【発明者】

【氏名】依田 将和

(72)【発明者】

【氏名】井上 修一

(72)【発明者】

【氏名】野中 英正

【審査官】 小森 重樹

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１０／０８７２９８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１１／１０５５７８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１１−１６５６５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２１６５０８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／０２０２

Ｈ０１Ｍ ８／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

セル間接続部材用のＣｒを含有する合金または酸化物からなる基材に、保護膜を形成してある燃料電池用セル間接続部材であって、セル間接続部材用の前記基材上にＺｎ_x（Ｃｏ_yＭｎ_(1-y)）_(3-x)Ｏ₄（０＜ｘ＜１、０＜ｙ×（３−ｘ）≦２）からなる保護膜を形成してある燃料電池用セル間接続部材（但し、Ｃｒを含有する合金の表面の少なくとも一部に、Ｚｎを含有する酸化物を含んでなる第１の層と、ＺｎＯを含まず、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ₃系ペロブスカイト型酸化物を含んでなる第２の層とをこの順に積層してなるＣｒ拡散抑制層を具備するものを除く）。

【請求項2】

前記基材がフェライト系ステンレスである請求項１に記載の燃料電池用セル間接続部材。

【請求項3】

前記保護膜がＺｎ_x（Ｃｏ_yＭｎ_(1-y)）_(3-x)Ｏ₄（０＜ｘ＜１、０＜ｙ×（３−ｘ）≦２）の微粒子を焼結して形成され、前記微粒子の平均粒径が０．１μｍ以上１０μｍ以下である請求項１または２に記載の燃料電池用セル間接続部材。

【請求項4】

前記保護膜がＺｎ_x（Ｃｏ_yＭｎ_(1-y)）_(3-x)Ｏ₄（０＜ｘ＜１、１≦ｙ×（３−ｘ）≦２）の微粒子を焼結して形成される請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池用セル間接続部材。

【請求項5】

請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池用セル間接続部材と空気極とを接合してなる固体酸化物形燃料電池用セル。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、セル間接続部材用のＣｒを含有する合金または酸化物からなる基材に、保護膜を形成してある燃料電池用セル間接続部材および固体酸化物形燃料電池（以下、適宜「ＳＯＦＣ」と記載する。）用セルに関する。

【背景技術】

【0002】

かかるＳＯＦＣ用セルは、電解質膜の一方面側に空気極を接合するとともに、同電解質膜の他方面側に燃料極を接合してなる単セルを、空気極または燃料極に対して電子の授受を行う一対の電子伝導性の基材（セル間接続部材）により挟み込んだ構造を有する。
そして、このようなＳＯＦＣ用セルでは、例えば７００〜９００℃程度の作動温度で作動し、空気極側から燃料極側への電解質膜を介した酸化物イオンの移動に伴って、一対の電極間に起電力が発生し、その起電力を外部に取り出し利用することができる。セル間接続部材にはインターコネクタやインターコネクタを介してセル間を電気的に接続する部材が該当する。

【0003】

インターコネクタは燃料と空気の隔壁となる部材である。
近年の開発の進展に伴い、ＳＯＦＣの作動温度が下がってきている。従来の作動温度は１０００℃程度であり、耐熱性の観点からランタンクロマイトに代表される金属酸化物が使用されていたが、最近は作動温度が７００℃〜８００℃まで下がっており、合金が使用できるようになってきた。合金使用により、コストダウン、ロバスト性の向上が期待できる。

【0004】

前記合金としては、接合される金属酸化物の熱膨張率との整合性から、フェライト系ステンレス鋼が用いられることが多いが、耐熱性により優れたオーステナイト系ステンレス鋼であるＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ合金や、ニッケル基合金であるＮｉ−Ｃｒ合金などが用いられることもある。また、合金ではなく、（Ｌａ，Ｃａ）ＣｒＯ₃（カルシウムドープランタンクロマイト）に代表される金属酸化物が用いられることもある。

【0005】

これらの合金等は、ほぼ例外なくＣｒを含んでおり、作動環境である高温大気雰囲気で表面にＣｒ₂Ｏ₃やＭｎＣｒ₂Ｏ₄の酸化被膜を形成する。この酸化被膜は経時的に膜厚が厚くなり、電気抵抗が増大するとともに、作動環境である高温大気雰囲気で６価クロムの化合物として蒸発し、空気極を被毒させて劣化を引き起こすことが知られている（Ｃｒ被毒と呼ばれる）。また、（Ｌａ，Ｃａ）ＣｒＯ₃（カルシウムドープランタンクロマイト）を用いた場合でも合金を用いた場合よりも少ないが、Ｃｒ被毒が生じる場合がある。そこで、合金、（Ｌａ，Ｃａ）ＣｒＯ₃（カルシウムドープランタンクロマイト）の表面に耐熱性に優れた金属酸化物材料をコーティングして劣化を抑制する試みがなされている。

【0006】

また、ＳＯＦＣ用セルは、その製造工程において、セル間接続部材用の基材と空気極および燃料極との間の接触抵抗をできるだけ小さくするなどの目的で、それらを積層した状態で、作動温度よりも高い１０００℃〜１２５０℃程度の焼成温度で焼成する焼成処理を行う場合がある（例えば、特許文献１、２を参照。）。

【0007】

一方、ＳＯＦＣ用セルで利用されるセル間接続部材用の基材の表面に、単一系酸化物に不純物をドープしてなるｎ型半導体保護膜を形成し、このような保護膜形成処理を行うことによって、合金中に含まれるＣｒが飛散し易い６価の酸化物へと酸化されることを抑制しようとする技術もあった（例えば、特許文献３を参照。）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２００４−２５９６４３号公報

【特許文献2】国際公開ＷＯ２００９／１３１１８０号パンフレット

【特許文献3】国際公開ＷＯ２００７／０８３６２７号パンフレット

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

保護膜を形成してあるセル間接続部材とセルとが接続された燃料電池では、セル間接続部材用の基材と保護膜、保護膜とセルとの接合部分で電気的な接続がなされているため、それぞれの接合部分における剥離やクラックなどが発生すると、接触抵抗が増大し、燃料電池の劣化を招く恐れがある。

【0010】

ＳＯＦＣは起動停止時に室温から７００〜８００℃の温度変動があるため、各構成部材間の接合部分に熱膨張率の差に応じた熱歪起因の応力が生じる。応力が接合部分の密着強度を上回ると接合部分の剥離やクラックなどが生じると考えられる。

【0011】

また、燃料電池の製造時においても、特許文献１のように、セル間接続部材とセルとを接合した状態で焼成処理を行う場合には、作動温度よりも大きい温度変動があるため、大きな応力が接合部分に働き、剥離やクラックなどが生じる恐れがある。

【0012】

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、セル間接続部材とセルとが接続された燃料電池において、燃料電池の温度変動時にセル間接続部材用の基材と保護膜、保護膜とセルとの接合部分等に作用する応力を低減する技術を提供する点にある。

【課題を解決するための手段】

【0013】

〔構成１〕
上記目的を達成するための本発明の燃料電池用セル間接続部材（但し、Ｃｒを含有する合金の表面の少なくとも一部に、Ｚｎを含有する酸化物を含んでなる第１の層と、ＺｎＯを含まず、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ₃系ペロブスカイト型酸化物を含んでなる第２の層とをこの順に積層してなるＣｒ拡散抑制層を具備するものを除く）の特徴構成は、セル間接続部材用のＣｒを含有する合金または酸化物からなる基材に、保護膜を形成してある燃料電池用セル間接続部材であって、セル間接続部材用基材上にＺｎ_x（Ｃｏ_yＭｎ_(1-y)）_(3-x)Ｏ₄（０＜ｘ＜１、０＜ｙ×（３−ｘ）≦２）からなる保護膜を形成してある点にある。

【0014】

〔作用効果１〕
燃料電池用セル間接続部材にあっては、基材側からのＣｒの飛散による空気極のＣｒ被毒を防止することが求められている。また、基材に含まれるＣｒの減少（Ｃｒ枯れ）に起因する合金等の酸化劣化の進行を防止する必要もある。

【0015】

このような場合に用いられる保護膜として、本発明者らは、（Ｚｎ_zＣｏ_1-z）Ｃｏ₂Ｏ₄（０．４５≦ｚ≦１．００）等のＺｎ−Ｃｏ系材料や、ＭｎＣｏ₂Ｏ₄等のＭｎ−Ｃｏ系材料が有利に用いられることを既に見出している（特許文献２参照）。そこで、さらに複合酸化物として種々の化合物を検討したところ、Ｚｎ_x（Ｃｏ_yＭｎ_(1-y)）_(3-x)Ｏ₄（０＜ｘ＜１、０＜ｙ×（３−ｘ）≦２）からなる保護膜は、基材、空気極等との熱膨張率の不一致（差）が小さく、かつ、特に製造工程時（保護膜の焼成時）において、一度は晒される８００℃〜１０００℃の環境下においても基材、空気極等との熱膨張率の不一致（差）が小さいことを新たに見出し、本発明を完成させるに至った。

【0016】

つまり、本構成の燃料電池用セル間接続部材によれば、Ｚｎ_x（Ｃｏ_yＭｎ_(1-y)）_(3-x)Ｏ₄（０＜ｘ＜１、０＜ｙ×（３−ｘ）≦２）からなる保護膜が採用されるため、基材と空気極等との熱膨張率の不一致が非常に小さく、長期にわたる運転によっても、熱膨張率のミスマッチにより発生するセル間接続部材用の基材と保護膜、保護膜とセルとの接合部分の剥離、クラックの形成を抑制でき、それに伴う電気抵抗の増大等を抑制できる。

【0017】

また、Ｚｎ量（ｘ）は、保護膜の焼結性を向上させる点から０＜ｘとすることが望ましいが、多くし過ぎると、ＺｎＯの蒸散が見られる傾向が強くなるとともに、環境によっては保護膜がスピネル構造を維持することができない組成となるため、ｘ＜１とする。

【0018】

また、Ｚｎ量（ｘ）を０＜ｘ＜１としても、０＜ｙ×（３−ｘ）＜３の範囲をとり得るが、上記組成中におけるＣｏ量（ｙ×（３−ｘ））を０＜ｙ×（３−ｘ）≦２とすることとによって、高温域における熱膨張率についても、低温域における熱膨張率から大きく変化しないことも明らかになり、前記保護膜の成膜時における熱膨張率の不一致についても大きく改善することができ、成膜時の熱膨張率のミスマッチにより発生するセル間接続部材用の基材と保護膜、保護膜とセルとの接合部分の剥離、クラックの形成を抑制でき、それに伴う電気抵抗の増大等を抑制できる。

【0019】

さらに、Ｚｎ_x（Ｃｏ_yＭｎ_(1-y)）_(3-x)Ｏ₄（０＜ｘ＜１、０＜ｙ×（３−ｘ）≦２）からなる保護膜はＺｎ−Ｃｏ系材料と同等程度に、基材側から空気極側への気相のＣｒ（ＶＩ）の酸化物（またはオキシ水酸化物）の飛散を抑制して、空気極のＣｒ被毒の発生を良好に抑制することができる。また、合金等側からのＣｒの飛散が抑制されるので、Ｃｒ枯れに起因する合金等の酸化劣化の進行を抑制することができる。

【0020】

また、Ｚｎ_x（Ｃｏ_yＭｎ_(1-y)）_(3-x)Ｏ₄（０＜ｘ＜１、０＜ｙ×（３−ｘ）≦２）を含む保護膜はＺｎ−Ｃｏ系材料と同等程度に、酸化被膜の膜厚が厚くなることによる電気抵抗の増大を抑制することができる。

【0021】

前記Ｚｎ_x（Ｃｏ_yＭｎ_(1-y)）_(3-x)Ｏ₄（０＜ｘ＜１、０＜ｙ×（３−ｘ）≦２）は、その熱膨張率が１１．６〜１３．９×１０^-6Ｋ^-1程度であり、主に基材として使用されるフェライト系ステンレス鋼（熱膨張率：１２×１０^-6Ｋ^-1）や、接合して使用される空気極材料である（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ₃（熱膨張率：１５〜２１×１０^-6Ｋ^-1）、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ₃（熱膨張率：１１×１０^-6Ｋ^-1）に比較的近いものである。なお、良好な特性を持ったＺｎＣｏ₂Ｏ₄の熱膨張率は９．３×１０^-6Ｋ^-1であり、それと比べても他の構成材料との熱膨張率の整合性が高い。
なお、ここで示した熱膨張率は室温から８００℃までの平均熱膨張率である。

【0022】

従って、本構成のスピネル系酸化物からなる保護膜は、合金等や空気極が熱膨張しても合金等から容易に剥がれ落ちることがなく、耐久性に優れた保護膜であるといえる。

【0023】

なお、上記Ｚｎ_x（Ｃｏ_yＭｎ_(1-y)）_(3-x)Ｏ₄（０＜ｘ＜１、０＜ｙ×（３−ｘ）≦２）の微粒子を焼結して製膜を行う場合、他の材料に比べて比較的低温で、緻密な酸素バリア性の高い膜を得られるので、工業的に好ましい。また、Ｚｎ−Ｃｏ系のものは、比較的低温（例えば６５０℃）における電圧降下が小さく、ＳＯＦＣの運転条件を低温にシフトさせても高い性能を維持しやすいという利点がある。

【0024】

また、０＜ｘ＜１とすることにより、Ｃｏ_yＭｎ_(3-y)Ｏ₄（ｘ＝０）に比べて焼結性が高められ、保護膜の成形性がよくなるとともに、Ｚｎ（Ｃｏ_yＭｎ_(1-y)）₂（ｘ＝１）に比べてＺｎＯの蒸散に伴って組成が不安定化するというような不都合も生じにくくなり、さらに保護膜の耐久性を高くすることができるようになった。

【0025】

〔構成２〕
また、前記基材が、フェライト系ステンレスであってもよい。

【0026】

〔作用効果２〕
前記基材としては、熱膨張率から、フェライト系ステンレス鋼が用いられることが多いが、耐熱性により優れたオーステナイト系ステンレス鋼であるＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ合金や、ニッケル基合金であるＮｉ−Ｃｒ合金などが用いられることもある。また、合金ではなく、（Ｌａ，Ｃａ）ＣｒＯ₃（カルシウムドープランタンクロマイト）に代表される金属酸化物が用いられることもある。

【0027】

中でも前記基材がフェライト系ステンレス鋼である場合は、前記Ｚｎ_x（Ｃｏ_yＭｎ_(1-y)）_(3-x)Ｏ₄（０＜ｘ＜１、０＜ｙ×（３−ｘ）≦２）の微粒子を焼結してなる保護膜との親和性が高いこと、熱膨張率の面からも前記保護膜に熱応力を生じさせにくいこと等からより耐久性の高い保護膜を作成するのに好適である。

【0028】

〔構成３〕
前記保護膜がＺｎ_x（Ｃｏ_yＭｎ_(1-y)）_(3-x)Ｏ₄（０＜ｘ＜１、０＜ｙ×（３−ｘ）≦２）の微粒子を焼結して形成され、前記微粒子の平均粒径が０．１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。

【0029】

〔作用効果３〕
微粒子を保護膜として形成する際に、平均粒径が小さすぎると、形成した塗膜を乾燥して保護膜とする際に、ひび割れの発生が生じやすくなり、大きすぎると好適な粘度に調製することが困難になるため０．１μｍ〜１０μｍが好ましい。

【0030】

〔構成４〕
前記保護膜がＺｎ_x（Ｃｏ_yＭｎ_(1-y)）_(3-x)Ｏ₄（０＜ｘ＜１、１≦ｙ×（３−ｘ）≦２）の微粒子を焼結して形成されることが好ましい。

【0031】

〔作用効果４〕
微粒子を保護膜として用いられるＺｎ_x（Ｃｏ_yＭｎ_(1-y)）_(3-x)Ｏ₄は、後述の実施の形態より、ｙ×（３−ｘ）の値が1よりも大きな場合に、基材の熱膨張率との差が比較的小さくなっているため、１≦ｙ×（３−ｘ）≦２であると好適である。

【0032】

〔構成５〕
本発明のＳＯＦＣ用セルの特徴構成は、燃料電池用セル間接続部材と空気極とを接合してなる点にある。

【0033】

〔作用効果５〕
このＳＯＦＣ用セルは、上記セル間接続部材を備えるので、性能安定性の高いＳＯＦＣを提供することができる。

【発明の効果】

【0034】

従って、耐久性が高く長期にわたって安定して使用することができるセル間接続部材、ＳＯＦＣ用セルを備えた燃料電池を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0035】

【図1】固体酸化物形燃料電池の概略図

【図2】固体酸化物形燃料電池のセル間接続部材の使用形態を示す図

【図3】保護膜を形成したセル間接続部材試験片の断面図

【図4】Ｚｎ_x（Ｃｏ_yＭｎ_(1-y)）_(3-x)Ｏ₄（０＜ｘ＜１、０＜ｙ×（３−ｘ）≦２）の組成図

【図5】Ｚｎ_x（Ｃｏ_yＭｎ_(1-y)）_(3-x)Ｏ₄（ｘ＝１、０＜ｙ×（３−ｘ）≦２）の熱膨張率の温度依存性を示すグラフ

【図6】Ｚｎ_x（Ｃｏ_yＭｎ_(1-y)）_(3-x)Ｏ₄（ｘ＝０．４５、０＜ｙ×（３−ｘ）≦２）の熱膨張率の温度依存性を示すグラフ

【図7】Ｚｎ_x（Ｃｏ_yＭｎ_(1-y)）_(3-x)Ｏ₄（０＝０．２、０＜ｙ×（３−ｘ）≦２）の熱膨張率の温度依存性を示すグラフ

【発明を実施するための形態】

【0036】

以下に、本発明のＳＯＦＣ用セルおよび燃料電池用セル間接続部材を説明し、保護膜の製造方法およびその試験例を示す。なお、以下に好適な実施例を記すが、これら実施例はそれぞれ、本発明をより具体的に例示するために記載されたものであって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々変更が可能であり、本発明は、以下の記載に限定されるものではない。

【0037】

＜固体酸化物形燃料電池＞
本発明にかかるＳＯＦＣ用セル間接続部材およびその製造方法の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
図１および図２に示すＳＯＦＣ用セルＣは、酸化物イオン伝導性の固体酸化物の緻密体からなる電解質膜３０の一方面側に、酸化物イオンおよび電子伝導性の多孔体からなる空気極３１を接合するとともに、同電解質膜３０の他方面側に電子伝導性の多孔体からなる燃料極３２を接合してなる単セル３を備える。
さらに、ＳＯＦＣ用セルＣは、この単セル３を、空気極３１または燃料極３２に対して電子の授受を行うとともに空気および水素を供給するための溝２が形成された一対の電子伝導性の合金または酸化物からなるセル間接続部材１により、適宜外周縁部においてガスシール体を挟持した状態で挟み込んだ構造を有する。そして、空気極３１側の上記溝２が、空気極３１とセル間接続部材１とが密着配置されることで、空気極３１に空気を供給するための空気流路２ａとして機能し、一方、燃料極３２側の上記溝２が、燃料極３２とセル間接続部材１とが密着配置されることで、燃料極３２に水素を供給するための燃料流路２ｂとして機能する。セル間接続部材１はインターコネクタとセル間を電気的に接続する部材が接続された構成となることもある。

【0038】

なお、上記ＳＯＦＣ用セルＣを構成する各要素で利用される一般的な材料について説明を加えると、例えば、上記空気極３１の材料としては、ＬａＭＯ₃（例えばＭ＝Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ）中のＬａの一部をアルカリ土類金属ＡＥ（ＡＥ＝Ｓｒ，Ｃａ）で置換した（Ｌａ，ＡＥ）ＭＯ₃のペロブスカイト型酸化物を利用することができ、上記燃料極３２の材料としては、Ｎｉとイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）とのサーメットを利用することができ、さらに、電解質膜３０の材料としては、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を利用することができる。

【0039】

さらに、これまで説明してきたＳＯＦＣ用セルＣでは、セル間接続部材１の材料としては、電子伝導性および耐熱性の優れた材料であるＬａＣｒＯ₃系等のペロブスカイト型酸化物や、フェライト系ステンレス鋼であるＦｅ−Ｃｒ合金や、オーステナイト系ステンレス鋼であるＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ合金や、ニッケル基合金であるＮｉ−Ｃｒ合金などのように、Ｃｒを含有する合金または酸化物が利用されている。

【0040】

そして、複数のＳＯＦＣ用セルＣが積層配置された状態で、複数のボルトおよびナットにより積層方向に押圧力を与えて挟持され、セルスタックとなる。
このセルスタックにおいて、積層方向の両端部に配置されたセル間接続部材１は、燃料流路２ｂまたは空気流路２ａの一方のみが形成されるものであればよく、その他の中間に配置されたセル間接続部材１は、一方の面に燃料流路２ｂが形成され他方の面に空気流路２ａが形成されるものを利用することができる。なお、かかる積層構造のセルスタックでは、上記セル間接続部材１をセパレータと呼ぶ場合がある。
このようなセルスタックの構造を有するＳＯＦＣを一般的に平板型ＳＯＦＣと呼ぶ。本実施形態では、一例として平板型ＳＯＦＣについて説明するが、本願発明は、その他の構造のＳＯＦＣについても適用可能である。

【0041】

そして、このようなＳＯＦＣ用セルＣを備えたＳＯＦＣの作動時には、図２に示すように、空気極３１に対して隣接するセル間接続部材１に形成された空気流路２ａを介して空気を供給するとともに、燃料極３２に対して隣接するセル間接続部材１に形成された燃料流路２ｂを介して水素を供給し、例えば８００℃程度の作動温度で作動する。すると、空気極３１においてＯ₂が電子ｅ^-と反応してＯ^2-が生成され、そのＯ^2-が電解質膜３０を通って燃料極３２に移動し、燃料極３２において供給されたＨ₂がそのＯ^2-と反応してＨ₂Ｏとｅ^-とが生成されることで、一対のセル間接続部材１の間に起電力Ｅが発生し、その起電力Ｅを外部に取り出し利用することができる。

【0042】

＜セル間接続部材＞
前記セル間接続部材１は、図１、図３に示すように、例えば、フェライト系ステンレス合金製のセル間接続部材用の基材１１の表面に保護膜１２を設けて構成してある。そして、前記各単セル３の間に空気流路２ａ、燃料流路２ｂを形成しつつ接続可能にする溝板状に形成してある。

【0043】

なお、セル間接続部材１の基材１１としては、フェライト系ステンレス鋼が用いられることが多いが、耐熱性により優れたオーステナイト系ステンレス鋼であるＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ合金や、ニッケル基合金であるＮｉ−Ｃｒ合金などが用いられることもある。また、合金ではなく、（Ｌａ，Ｃａ）ＣｒＯ₃（カルシウムドープランタンクロマイト）に代表される金属酸化物が用いられることもある。

【0044】

前記保護膜１２は、導電性セラミックス材料を含有する塗膜形成用材料を、前記基材１１にコーティング（例えばディップコーティング）することにより保護膜１２を厚膜として形成してある。前記厚膜の膜厚としては、０．１μｍ〜１００μｍが好適である。

【0045】

＜保護膜＞
前記保護膜１２は、例えば、Ｃｒを２２％、Ｍｎを約０．５％含むフェライト系ステンレス鋼等からなる前記基材の表面に、保護膜としてＺｎ_x（Ｃｏ_yＭｎ_(1-y)）_(3-x)Ｏ₄（０＜ｘ＜１、０＜ｙ×（３−ｘ）≦２）［平均粒径０．５μｍ］等の金属酸化物膜を形成した。
形成方法は、湿式成膜法、または乾式成膜法により、スピネル系酸化物を含む被膜を、フェライト系ステンレス鋼からなる合金平板（基材１１）の表面に形成した。基材１１の表面は、サンドペーパーで＃６００まで研磨したものを使用した。
湿式成膜法は、ディッピング法を採用した。先ず、スピネル系酸化物微粒子の粉末、アルコール（１−メトキシ−２−プロパノール）、およびバインダ（ヒドロキシプロピルセルロース）に、ジルコニアボールを加え、ペイントシェーカーを用いて混合した。次に、スピネル系酸化物微粒子の粉末を含む混合液に基材１１をディップし、引き上げ後、５０℃に調整した恒温槽中で乾燥させた。そして、乾燥後、電気炉を使用して１０００℃で２時間焼成し、その後除冷してセル間接続部材を得た。
保護膜形成用材料として用いられる前記金属酸化物の微粒子としては、例えば、Ｚｎ_x（Ｃｏ_yＭｎ_(1-y)）_(3-x)Ｏ₄（０＜ｘ＜１、０＜ｙ×（３−ｘ）≦２）を含む平均粒径が０．１μｍ以上２μｍ以下のものが好適に用いられる。

【0046】

以下に前記保護膜の具体的な製造方法を詳述するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

【0047】

〔試験例１．予備実験〕
ＳＯＦＣの合金に起因する劣化としては、大きく３つある。
（１）合金と電極の接合部分の剥離、クラックに起因する電気抵抗の増大
（２）作動条件が高温の空気中であることに起因する合金表面に形成される酸化被膜が成長することによる電気抵抗の増大
（３）合金中のＣｒが空気極を被毒して空気極の反応抵抗が増大するＣｒ被毒

【0048】

本発明では、熱膨張率のフィッティング向上を図り、上記（１）の問題を抑制することを検討する予備実験を行った。

【0049】

Ｚｎ_x（Ｃｏ_yＭｎ_(1-y)）_(3-x)Ｏ₄（０＜ｘ＜１、０＜ｙ×（３−ｘ）≦２）を含む保護膜を形成するための材料として下記表１に示す組成の粉末を合成し、一軸プレスにより成型後、１２００℃で焼成し、焼結体を得て、熱膨張率の測定を行った。結果を図５表に示す。
なお、熱膨張率は、３０℃から図５〜７に記載の横軸温度までの範囲における熱膨張率の平均値として求められる値である。また、基材としてはフェライト系ステンレス鋼の熱膨張率と対比しており、参考までに、燃料極用材料の熱膨張率は、１２〜１３×１０^-6Ｋ^-1であるとされている。

【0050】

【表1】

【0051】

〔結果１〕
図５〜７より、Ｚｎ_x（Ｃｏ_yＭｎ_(1-y)）_(3-x)Ｏ₄（０＜ｘ＜１、０＜ｙ×（３−ｘ）≦２）の、広い範囲の組成において、室温３０℃から１０００℃までの高温領域でＮｏ．１のものと比べて基材（フェライト系ステンレス）や空気極、燃料極とのフィッティングが良好となる熱膨張率となっていることがわかる。しかし、ｙ×（３−ｘ）≧２を超える図６，７におけるＮｏ．９，１２，１３のものは、９００℃〜１０００℃にかけての熱膨張率の増大が激しく、保護膜の焼成条件において、熱膨張率のミスマッチにより発生する接合部分の剥離、クラックの形成を抑制する効果があまり期待できないことがわかる。（ｙ×（３−ｘ）＝２の図５におけるＮｏ．１のものについても同様の現象が見られる。）

【0052】

さらに、ｙの値が特に小さな領域（図５〜７のＮｏ．６、７、１１，１５のもの）では、高温領域における熱膨張率の急増は見られないものの、全温度領域にわたって、基材の熱膨張率との差が比較的大きく観測されており、基材としてフェライト系ステンレスを採用する場合には、ｙ×（３−ｘ）の値を１≦ｙ×（３−ｘ）≦２と設定することがより好ましいこともわかる。

【0053】

また、ｙの値が共通の図５〜７のＮｏ．２，９，１３、あるいは、Ｎｏ．４，１０，１４、あるいは、Ｎｏ．６，１１，１５を比較すると、ｘ（Ｚｎ量）が多いほどＺｎＯの蒸散があり、材料の消失に基づく強度低下や、組成が変化してしまうことによる長期耐久性の低下の問題があった。逆にｘ（Ｚｎ量）が少なければ、焼成条件下で、基材との密着性が低下し、衝撃等に対する接合部分の剥離耐久性が低下しやすいことが予想される。

【0054】

以上より、前記セル間接続部材用基材上に形成したＺｎ_x（Ｃｏ_yＭｎ_(1-y)）_(3-x)Ｏ₄（０＜ｘ＜１、０＜ｙ×（３−ｘ）≦２）の保護膜は、基材と電極の接合部分の剥離、クラックに起因する電気抵抗の増大を抑制するのに好適に用いられることとがわかった。

【0055】

＜実施例１＞
表１Ｎｏ．１０の微粒子［平均粒径０．５μｍ］を、バインダとともに溶媒中に分散させ、スラリー状の塗膜形成材料を形成する。具体的には、表１Ｎｏ．１０の材料微粒子１５ｇを溶媒としてのイソプロパノール５０ｍｌに分散させ、バインダとしてヒドロキシプロピルセルロースを添加したスラリーを調製した。このスラリーの粘度は、室温（２５℃）で４０ｍＰａ・ｓであった。

【0056】

塗膜形成工程は、ディップコーター（株式会社アイデン社製ＤＣ４２００）を用い室温にて行った。試験片は吊り下げ保持した状態で、前記スラリー中に浸漬した後、引き上げ速度３６ｍｍ／ｓで引き上げることにより塗膜を形成した。得られた塗膜は、完全乾燥させるのに大気開放状態（２５℃、６２％ＲＨ）で約６００秒（完全乾燥時間）要した。
完全乾燥してから、再度同様の条件でディップし、合計５回ディップを繰り返した。
複数回ディップを行った理由は、１回のディップでは基材のエッジ部に塗布がほとんどできないためである。

【0057】

ディップ後、５０℃に調整した恒温槽中で乾燥させた。そして、乾燥後のセル間接続部材を、電気炉を使用して１０００℃で２時間焼成し、その後除冷してセル間接続部材を得た。

【0058】

＜比較例２＞
ＺｎＣｏ₂Ｏ₄微粒子［平均粒径１．０μｍ］（表１Ｎｏ．１）を、バインダとともに溶媒中に分散させ、スラリー状の塗膜形成材料を形成する。具体的には、ＺｎＣｏ₂Ｏ₄材料微粒子１５ｇを溶媒としてのイソプロパノール５０ｍｌに分散させ、バインダとしてヒドロキシプロピルセルロースを添加したスラリーを調製した。このスラリーの粘度は、室温（２５℃）で４０ｍＰａ・ｓであった。

【0059】

塗膜形成工程は、ディップコーター（株式会社アイデン社製ＤＣ４２００）を用い室温にて行った。試験片は吊り下げ保持した状態で、前記スラリー中に浸漬した後、引き上げ速度３６ｍｍ／ｓで引き上げることにより塗膜を形成した。得られた塗膜は、完全乾燥させるのに大気開放状態（２５℃、６２％ＲＨ）で約６００秒（完全乾燥時間）要した。
完全乾燥してから、再度同様の条件でディップし、合計５回ディップを繰り返した。
複数回ディップを行った理由は、１回のディップではエッジ部に塗布がほとんどできないためである。

【0060】

ディップ後、５０℃に調整した恒温槽中で乾燥させた。そして、乾燥後のセル間接続部材を、電気炉を使用して１０００℃で２時間焼成し、その後除冷してセル間接続部材を得た。

【0061】

〔試験例２．耐久性試験〕
作動条件が高温の空気中であることに起因して基材表面の酸化被膜が成長することによってもＳＯＦＣ用セルとしての性能、耐久性が低下することが考えられる。
そこで、保護膜１２のＳＯＦＣ用セルとしての性能、耐久性が確保されているかを評価するために、実施例１、比較例２の保護膜１２の電気抵抗の経時変化を評価する試験を実施した。

【0062】

具体的な試験方法としては、先ず、保護膜１２を形成してある基材１１（セル間接続部材）と空気極材料とを接合した状態で、大気雰囲気中において１０００〜１１５０℃の焼成温度で２時間焼成処理を行うとともに、集電部として白金メッシュを付設してＳＯＦＣ用セルとした。
このＳＯＦＣセルの両側から、ＳＯＦＣの作動時を想定して、大気雰囲気中で一定温度で保持した状態で０．２４Ａ／ｃｍ^２の直流電流を流し続け、電圧降下をモニタリングした。

【0063】

〔結果２〕
なお、ここでの電圧降下は各セル間接続部材の抵抗を、基材１１自体の抵抗と空気極材料、集電に用いた白金メッシュの抵抗の合計値として、セル間接続部材に流れる電流及び抵抗をモニタして求めたものである。７５０℃、８２５℃の温度条件で各保護膜１２を試験に供した。

【0064】

その結果、各セルの電圧降下は、７５０℃、４００ｈｒにおいて、Ｎｏ．１（比較例２）のものでは、平均２．５ｍＶ／１０００ｈｒであったのに対し、Ｎｏ．１０（実施例１）のものでは、０ｍＶ／１０００ｈｒであり、８２５℃、２００ｈｒにおいて、Ｎｏ．１，Ｎｏ．１０ともに６ｍＶ／１０００ｈｒとなっていた。

【0065】

つまり、各温度において、比較例２に比べて実施例１は同等程度の抵抗値増大となっていることがわかった。また、いずれの条件においても、経時的に電気抵抗は増大する。これは、ステンレス鋼表面の酸化被膜の増大や、ステンレス鋼中のＣｒがステンレス鋼から空気極材料に飛散する（Ｃｒ被毒）ことで空気極材料のオーミック抵抗の増大が起こる、などの要因によるものである。
また、実施例１については、高温における基材と保護膜との熱膨張が近似しており、焼成処理条件においても、熱膨張率のミスマッチにより発生する接合部分の剥離、クラックの形成を抑制でき、それに伴う電気抵抗の増大等を抑制できることが期待される。

【0066】

〔試験例３．Ｃｒの飛散抑制試験〕
基材からＣｒが飛散して空気極を被毒して空気極の反応抵抗が増大する（Ｃｒ被毒）ことによってもＳＯＦＣ用セルとしての性能、耐久性が低下することが考えられる。
そこで、ＳＯＦＣの耐久性試験においてＣｒ飛散の抑制効果を下記のように調べた。

【0067】

フェライト系ステンレス合金からなる基材に上記ディップ法に従って表１Ｎｏ．１０の［平均粒径０．５μｍ］の保護膜を形成してなるセル間接続部材を作成し、これを、空気極材に埋め込み、１０００℃〜１１５０℃で２時間焼成処理を行って、空気極３１とセル間接続部材１が接続されたサンプルを得た。このサンプルを９５０℃×１４５ｈｒで熱処理し、熱処理後のそれぞれのサンプル断面のＣｒの分布状態をＥＰＭＡで分析し、空気極部に漏れたＣｒの分布状態をＥＰＭＡで分析した。

【0068】

〔結果３〕
Ｃｒの飛散量を定量的に評価するために、空気極材料中のＣｒ飛散量のカウント数で評価すると、９５０℃・１４５時間熱処理後のＣｒのカウント数は、Ｎｏ．１で１２２６、Ｎｏ．１０で１５７１、となっており実施例１、比較例２でほぼ同等であった。

【0069】

〔試験例４．〕
試験例３と同様にして得られたサンプルを、８７５℃×２５００ｈｒで熱処理し、表１、実施例Ｎｏ．１０、Ｎｏ．１１、Ｎｏ．１４、Ｎｏ．１５について、熱処理後の保護膜の酸化被膜厚さを測定したところ、比較例Ｎｏ．１では、すべて酸化されて、２００μｍ以上の酸化被膜となっていたのに対して、Ｎｏ．１０では、５μｍ、Ｎｏ．１１では、１５〜４０μｍ、Ｎｏ．１４では、５μｍ、Ｎｏ１５．では、７５μｍとなっていることが明らかになった。すなわち、比較例２のＮｏ．１の例に比べて、実施例１におけるＮｏ．１０，１１，１４，１５について抵抗の増加が抑制されていることが明らかである。
また、Ｎｏ．１１,Ｎｏ．１４について空気極材料中のＣｒ飛散量のカウント数を求めたところ、Ｎｏ．１１で１１６９、Ｎｏ．１４で、１３９２となっていた。
また、８７５℃・２５００時間熱処理して、被膜の剥離耐久性を調べたところ、実施例１のＮｏ．１０、１１、１４、１５では比較例２のＮｏ．１に対して優位性が見られた。

【0070】

〔結果４〕
すなわち、本発明によると、Ｃｒ飛散抑制効果や、比較例２（Ｎｏ．１）と同等の効果を発揮しつつ、抵抗の増加抑制効果、剥離耐久性を向上することができ、良好な塗膜を安定して形成することができるとともに、長期使用に対しても、高い性能を維持可能であることがあきらかになった。

【0071】

〔総括〕
結果１〜４より、本発明の燃料電池用セル間接続部材によると、Ｚｎ_x（Ｃｏ_yＭｎ_(1-y)）_(3-x)Ｏ₄（０＜ｘ＜１、０＜ｙ×（３−ｘ）≦２）を含む保護膜を形成してあることにより、従来から用いられていたＺｎＣｏ₂Ｏ₄を含む保護膜を形成してある燃料電池用セル間接続部材と同等の酸化劣化抑制効果、および、Ｃｒ飛散抑制効果を備えながら、クラックに起因する電気抵抗の増大を抑制することができ、耐久性が高く長期にわたって安定して使用することができることがわかった。

【産業上の利用可能性】

【0072】

本発明によれば、耐久性が高く長期にわたって安定して使用することができるセル間接続部材、ＳＯＦＣ用セルを備えた燃料電池を提供することができる。

【符号の説明】

【0073】

１ ：セル間接続部材
２ ：溝
２ａ ：空気流路
２ｂ ：燃料流路
３ ：単セル
１１ ：基材
１２ ：保護膜
３０ ：電解質膜
３１ ：空気極
３２ ：燃料極
Ｃ ：固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）用セル

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】