JP2003100323A - Power collector and its manufacturing method, and solid electrolyte type fuel cell - Google Patents

Power collector and its manufacturing method, and solid electrolyte type fuel cell

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JP2003100323A JP2001296134A JP2001296134A JP2003100323A JP 2003100323 A JP2003100323 A JP 2003100323A JP 2001296134 A JP2001296134 A JP 2001296134A JP 2001296134 A JP2001296134 A JP 2001296134A JP 2003100323 A JP2003100323 A JP 2003100323A
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孝二 星野
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To increase the power generation efficiency of a power collector by increasing the gas delivery supply performance thereof. SOLUTION: The power collector 6 placed between the separator of a solid electrolyte type fuel cell and an electrode layer is so constructed as the porosity of the peripheral portion 6A is lower than than of a central portion 6B. The power collector 6 is formed by the steps of: forming a disc 21 comprising a metal porous body having a three dimensional homogeneous framework structure in the whole; (b) forming a standing ring wall 22 by folding all of the outer peripheral portion of the disc 21; compressing the standing wall 22 in the thickness direction of the disc 21 for making the porosity of the portion (the outer peripheral portion 6A) lower than that of the central portion 6B, and forming the whole in the homogeneous thickness.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、固体電解質型燃料
電池の集電体とその製造方法及びその集電体を用いた固
体電解質型燃料電池に関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a current collector for a solid oxide fuel cell, a method for producing the current collector, and a solid oxide fuel cell using the current collector.

【0002】[0002]

【従来の技術】酸化物イオン伝導体からなる固体電解質
層を空気極層と燃料極層との間に挟んだ積層構造を持つ
固体電解質型燃料電池は、第三世代の発電用燃料電池と
して開発が進んでいる。固体電解質型燃料電池では、空
気極側に酸素(空気)が、燃料極側には燃料ガス
(H2 、CO等)が供給される。空気極と燃料極は、ガ
スが固体電解質との界面に到達することができるよう
に、いずれも多孔質とされている。
2. Description of the Related Art A solid oxide fuel cell having a laminated structure in which a solid electrolyte layer made of an oxide ion conductor is sandwiched between an air electrode layer and a fuel electrode layer was developed as a fuel cell for power generation of the third generation. Is progressing. In the solid oxide fuel cell, oxygen (air) is supplied to the air electrode side and fuel gas (H 2 , CO, etc.) is supplied to the fuel electrode side. Both the air electrode and the fuel electrode are made porous so that the gas can reach the interface with the solid electrolyte.

【0003】空気極側に供給された酸素は、空気極層内
の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、こ
の部分で、空気極から電子を受け取って酸化物イオン
(O2-)にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料
極の方向に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃
料極との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分
で、燃料ガスと反応して反応生成物(H2 O、CO
2 等)を生じ、燃料極に電子を放出する。
Oxygen supplied to the air electrode reaches the vicinity of the interface with the solid electrolyte layer through the pores in the air electrode layer, and at this portion, electrons are received from the air electrode and an oxide ion (O 2 - ) Is ionized. The oxide ions diffuse and move in the solid electrolyte layer toward the fuel electrode. Oxide ions that have reached the vicinity of the interface with the fuel electrode react with the fuel gas at this portion and react with reaction products (H 2 O, CO 2).
2 ) occurs and emits electrons to the fuel electrode.

【0004】燃料に水素を用いた場合の電極反応は次の
ようになる。 空気極: 1/2 O2 + 2e- → O2- 燃料極: H2 + O2- → H2 O+2e 全体 : H2 + 1/2 O2 → H2
The electrode reaction when hydrogen is used as the fuel is as follows. Air electrode: 1/2 O 2 + 2e → O 2 Fuel electrode: H 2 + O 2 − → H 2 O + 2e Overall: H 2 + 1/2 O 2 → H 2 O

【0005】固体電解質層は、酸化物イオンの移動媒体
であると同時に、燃料ガスと空気を直接接触させないた
めの隔壁としても機能するので、ガス不透過性の緻密な
構造となっている。この固体電解質層は、酸化物イオン
伝導性が高く、空気極側の酸化性雰囲気から燃料極側の
還元性雰囲気までの条件下で化学的に安定で、熱衝撃に
強い材料から構成する必要があり、かかる要件を満たす
材料として、イットリアを添加した安定化ジルコニア
(YSZ)が一般的に使用されている。
The solid electrolyte layer is a moving medium for oxide ions and at the same time functions as a partition wall for preventing direct contact between the fuel gas and air, so that the solid electrolyte layer has a gas impermeable and dense structure. This solid electrolyte layer must have a high oxide ion conductivity, be chemically stable under conditions from an oxidizing atmosphere on the air electrode side to a reducing atmosphere on the fuel electrode side, and be composed of a material that is resistant to thermal shock. As a material that meets such requirements, stabilized zirconia (YSZ) added with yttria is generally used.

【0006】一方、電極である空気極(カソード)層と
燃料極(アノード)層はいずれも電子伝導性の高い材料
から構成する必要がある。空気極材料は、700℃前後
の高温の酸化性雰囲気中で化学的に安定でなければなら
ないため、金属は不適当であり、電子伝導性を持つペロ
ブスカイト型酸化物材料、具体的にはLaMnO3 もし
くはLaCoO3 、または、これらのLaの一部をS
r、Ca等に置換した固溶体が一般に使用されている。
また、燃料極材料は、Ni、Coなどの金属、或いはN
i−YSZ、Co−YSZなどのサーメットが一般的で
ある。
On the other hand, both the air electrode (cathode) layer and the fuel electrode (anode) layer, which are electrodes, must be made of a material having a high electron conductivity. Since the air electrode material must be chemically stable in an oxidizing atmosphere at a high temperature of around 700 ° C., the metal is not suitable, and a perovskite type oxide material having electronic conductivity, specifically, LaMnO 3 is used. Alternatively, LaCoO 3 or a part of these La is S
Solid solutions substituted with r, Ca, etc. are generally used.
The fuel electrode material is a metal such as Ni or Co, or N.
Cermets such as i-YSZ and Co-YSZ are common.

【0007】固体酸化物型燃料電池には、1000℃前
後の高温で作動させる高温作動型のものと、700℃前
後の低温で作動させる低温作動型のものとがある。低温
作動型の固体酸化物型燃料電池は、例えば電解質である
イットリアを添加した安定化ジルコニア(YSZ)の厚
さを10μm程度まで薄膜化して、電解質の抵抗を低く
して、低温でも燃料電池として発電するように改良され
た発電セルを使用する。
There are two types of solid oxide fuel cells, a high temperature type which operates at a high temperature around 1000 ° C. and a low temperature type which operates at a low temperature around 700 ° C. A low-temperature operation type solid oxide fuel cell is a fuel cell at low temperature, for example, by reducing the thickness of stabilized zirconia (YSZ), which is an electrolyte, to a thickness of about 10 μm to reduce the resistance of the electrolyte. Use a power generation cell that has been modified to generate electricity.

【0008】高温の固体酸化物型燃料電池では、セパレ
ータには、例えばランタンクロマイト(LaCrO3
等の電子伝導性を有するセラミックスが用いられるが、
低温作動型の固体酸化物燃料電池では、ステンレス等の
金属材料を使用することができる。
In a high temperature solid oxide fuel cell, the separator may be, for example, lanthanum chromite (LaCrO 3 ).
Ceramics having electronic conductivity such as
A metal material such as stainless steel can be used in the low temperature operation type solid oxide fuel cell.

【0009】また、固体酸化物型燃料電池の構造には、
円筒型、モノリス型、及び平板積層型の3種類が提案さ
れている。それらの構造のうち、低温作動型の固体酸化
物型燃料電池には、金属のセパレータを使用できること
から、金属のセパレータに形状付与しやすい平板積層型
の構造が適している。
In addition, the structure of the solid oxide fuel cell includes
Three types have been proposed: a cylindrical type, a monolith type, and a flat plate laminated type. Among these structures, a metal oxide separator can be used for the low temperature operation type solid oxide fuel cell, and thus a flat plate laminated structure that is easy to give a shape to the metal separator is suitable.

【0010】平板積層型の固体電解質型燃料電池のスタ
ックは、発電セル、集電体、セパレータを交互に積層し
た構造を持つ。一対のセパレータが発電セルを両面から
挟んで、一方は空気極集電体を介して空気極と、他方は
燃料極集電体を介して燃料極と接している。燃料極集電
体には、Ni基合金等のスポンジ状の多孔質体を使用す
ることができ、空気極集電体には、Ag基合金等の同じ
くスポンジ状の多孔質体を使用することができる。スポ
ンジ状多孔質体は、集電機能、ガス透過機能、均一ガス
拡散機能、クッション機能、熱膨脹差吸収機能等を兼ね
備えるので、多機能の集電体材料として適している。
A stack of flat plate type solid oxide fuel cells has a structure in which power generating cells, current collectors, and separators are alternately stacked. A pair of separators sandwich the power generation cell from both sides, one is in contact with the air electrode via the air electrode current collector, and the other is in contact with the fuel electrode via the fuel electrode current collector. A sponge-like porous body such as a Ni-based alloy can be used for the fuel electrode current collector, and a similar sponge-like porous body such as an Ag-based alloy can be used for the air electrode current collector. You can Since the sponge-like porous body has a current collecting function, a gas permeating function, a uniform gas diffusing function, a cushioning function, a thermal expansion difference absorbing function, and the like, it is suitable as a multifunctional current collecting material.

【0011】セパレータは、発電セル間を電気接続する
と共に、発電セルに対してガスを供給する機能を有する
もので、燃料ガスをセパレータ外周面から導入してセパ
レータの燃料極層に対向する面から吐出させる燃料通路
と、酸化剤ガスをセパレータ外周面から導入してセパレ
ータの酸化剤極層に対向する面から吐出させる酸化剤通
路とをそれぞれ有している。
The separator has a function of electrically connecting the power generating cells and supplying gas to the power generating cells. From the surface of the separator facing the fuel electrode layer of the separator, the fuel gas is introduced from the outer peripheral surface of the separator. It has a fuel passage for discharging and an oxidant passage for introducing an oxidant gas from the outer peripheral surface of the separator and discharging it from the surface of the separator facing the oxidant electrode layer.

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の燃料
電池では、電極層とセパレータの間に多孔質クッション
材よりなる集電体を配置し、この集電体を通してセパレ
ータから電極層にガスを分配供給しているが、特に、セ
パレータの中央部から集電体を介して電極層にガスを供
給する場合に、電極層の周辺部にまで十分な濃度のガス
が行き渡らないことが原因で、中央部と周辺部で発電量
に差が出てしまうことがあり、発電効率をアップするた
め、集電体の一層の性能向上が要求されるようになって
きた。
By the way, in the conventional fuel cell, a current collector made of a porous cushion material is arranged between the electrode layer and the separator, and gas is distributed from the separator to the electrode layer through the current collector. In particular, when gas is supplied from the central part of the separator to the electrode layer through the current collector, the gas of sufficient concentration does not reach the peripheral part of the electrode layer. There may be a difference in the amount of power generation between the central part and the peripheral part, and in order to improve the power generation efficiency, it has become necessary to further improve the performance of the current collector.

【0013】本発明は、上記事情を考慮し、発電効率の
アップを図れるようにした集電体とその製造方法及びそ
の集電体を用いた固体電解質型燃料電池を提供すること
を目的とする。
In view of the above circumstances, it is an object of the present invention to provide a current collector capable of improving power generation efficiency, a method for manufacturing the current collector, and a solid oxide fuel cell using the current collector. .

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】請求項1の発明は、固体
電解質型燃料電池のセパレータと電極層との間に配され
る集電体において、3次元骨格構造を有する金属多孔質
体より構成され、且つ、外周縁部が中央部より気孔率が
低く形成されていることを特徴とする。
According to a first aspect of the present invention, a current collector disposed between a separator and an electrode layer of a solid oxide fuel cell is composed of a metal porous body having a three-dimensional skeleton structure. In addition, the outer peripheral edge portion is formed to have a lower porosity than the central portion.

【0015】この集電体は、外周縁部の気孔率を中央部
より低く設定しているので、集電体の外周端に作用する
背圧を大きくすることができる。従って、発電セルの外
周部にガスシール部材を設けないタイプの燃料電池に適
用した場合でも、集電体の外周部からのガスの抜けを抑
制することができ、セパレータの中央部から供給される
ガスを、集電体の周辺部にまで十分な濃度で行き渡らせ
ることができる。その結果、集電体の中央部から周辺部
までの広い面でガスを電極層に均一に分配供給すること
ができ、中央部と周辺部での発電量の差を無くして、全
体の発電効率のアップが図れる。
In this current collector, the porosity of the outer peripheral edge portion is set lower than that of the central portion, so that the back pressure acting on the outer peripheral end of the current collector can be increased. Therefore, even when applied to a fuel cell of the type in which the gas seal member is not provided on the outer periphery of the power generation cell, it is possible to suppress the escape of gas from the outer periphery of the current collector, and the gas is supplied from the center of the separator. The gas can be spread to the peripheral portion of the current collector in a sufficient concentration. As a result, the gas can be uniformly distributed and supplied to the electrode layer over a wide surface from the central part to the peripheral part of the current collector, eliminating the difference in the amount of power generation between the central part and the peripheral part, thus improving the overall power generation efficiency. Can be improved.

【0016】請求項2の発明は、固体電解質型燃料電池
のセパレータと電極層との間に配される集電体の製造方
法において、全体に均質な3次元骨格構造を有する金属
多孔質体よりなる円板を形成する工程と、その円板の外
周縁部を圧縮することで当該部分の気孔率を中央部より
も低く形成する工程とを有することを特徴とする。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a method for producing a current collector arranged between a separator and an electrode layer of a solid oxide fuel cell, wherein the metal porous body has a homogeneous three-dimensional skeleton structure. And a step of forming a circular plate having a lower porosity than that of the central portion by compressing the outer peripheral edge portion of the circular plate.

【0017】金属多孔質体よりなる円板の外周縁部の気
孔率を低くする方法としては、その金属多孔質体を成形
する段階で気孔率を調整する方法も採り得るが、請求項
2の発明では、材料の成形段階では全体を均質な3次元
骨格構造を有する金属多孔質体として形成しておき、そ
の後の工程で、当該金属多孔質体の潰しやすい性質を利
用して、円板の外周縁部を圧縮して潰すことにより、当
該部分の気孔率を他より低めるようにしている。その
際、予め圧縮して潰す部分の厚さを大きく成形してお
き、後から潰した状態で全体の厚さが均等になるように
することもできる。なお、集電体の微細構造としては、
メッシュ、フェルト、発泡体などが考えられるが、3次
元骨格構造を有する金属の発泡体で構成した場合には、
潰しやすいので加工が極めて簡単にできる。
As a method of lowering the porosity of the outer peripheral edge portion of the disk made of the porous metal body, a method of adjusting the porosity at the stage of molding the porous metal body can be adopted. In the invention, in the molding step of the material, the whole is formed as a metal porous body having a homogeneous three-dimensional skeleton structure, and in the subsequent steps, the crushable property of the metal porous body is utilized to make the disc By compressing and crushing the outer peripheral edge portion, the porosity of that portion is made lower than others. At that time, the thickness of the portion to be compressed and crushed may be formed to be large so that the entire thickness becomes uniform in the crushed state later. In addition, as the fine structure of the current collector,
Mesh, felt, foam, etc. are conceivable, but when composed of metal foam having a three-dimensional skeleton structure,
Since it is easy to crush, processing is extremely easy.

【0018】請求項3の発明は、固体電解質型燃料電池
のセパレータと電極層との間に配される集電体の製造方
法において、全体に均質な3次元骨格構造を有する金属
多孔質体よりなる円板を形成する工程と、その円板の外
周縁部を全周に亘って折り曲げることで環状の起立壁を
形成する工程と、その起立壁を円板の厚さ方向に圧縮す
ることで当該部分の気孔率を中央部よりも低く形成する
と共に全体を均等な厚さに形成する工程とを有すること
を特徴とする。
According to a third aspect of the present invention, there is provided a method for producing a current collector disposed between a separator and an electrode layer of a solid oxide fuel cell, wherein the metal porous body has a homogeneous three-dimensional skeleton structure throughout. By forming a circular disc, forming an annular standing wall by bending the outer peripheral edge of the disc over the entire circumference, and compressing the standing wall in the thickness direction of the disc. And a step of forming the porosity of the portion lower than that of the central portion and forming the entire portion to have a uniform thickness.

【0019】この発明では、円板の外周縁部を圧縮して
潰す前に予め、円板の外周縁部を折り曲げて起立壁を形
成しておき、その状態で起立壁の高さ分を圧縮して潰す
ことにより、全体の厚さを均等にしながら、外周縁部の
気孔率を中央部よりも低くなるよう形成している。従っ
て、金属多孔質体の成形段階で特別な工夫(外周縁部だ
け厚くなるように成形する等の工夫)をしなくても、全
体の厚さを均等にしながら気孔率の調整ができる。その
場合、気孔率の大きさは、起立壁の折り曲げ高さに応じ
て設定することも可能となる。
According to the present invention, the outer peripheral edge of the disk is bent to form the standing wall before the outer peripheral edge of the disk is compressed and crushed, and the height of the standing wall is compressed in this state. By crushing it, the porosity of the outer peripheral edge portion is made lower than that of the central portion while making the entire thickness uniform. Therefore, it is possible to adjust the porosity while making the entire thickness uniform without any special device (device for forming the outer peripheral edge portion to be thicker) at the stage of forming the metal porous body. In that case, the size of the porosity can be set according to the bending height of the standing wall.

【0020】請求項4の発明は、固体電解質層の両面に
燃料極層と酸化剤極層を積層し、燃料極層と酸化剤極層
の外側にそれぞれ多孔質体よりなる燃料極集電体と酸化
剤極集電体を積層し、燃料極集電体と酸化剤極集電体の
外側にセパレータを積層して燃料電池スタックを構成
し、前記セパレータの中央部から前記燃料極集電体及び
酸化剤極集電体を介して燃料極層及び酸化剤極層に燃料
ガス及び酸化剤ガスを供給する固体電解質型燃料電池に
おいて、少なくとも前記燃料極集電体として、請求項1
記載の集電体を用いたことを特徴とする。
According to a fourth aspect of the present invention, a fuel electrode layer and an oxidant electrode layer are laminated on both sides of the solid electrolyte layer, and a fuel electrode current collector made of a porous material is provided outside the fuel electrode layer and the oxidant electrode layer, respectively. And an oxidant electrode current collector are laminated, and a separator is laminated outside the fuel electrode current collector and the oxidant electrode current collector to form a fuel cell stack, and the fuel electrode current collector is formed from the center of the separator. And a solid oxide fuel cell for supplying a fuel gas and an oxidant gas to the fuel electrode layer and the oxidant electrode layer via the oxidant electrode current collector, at least as the fuel electrode current collector,
It is characterized by using the described current collector.

【0021】集電体を通してのガスの分配供給量の偏り
による問題は、主に燃料ガスの供給側で起きる。これ
は、燃料ガスは空気(酸化剤ガス)のように大量に流せ
ず、規定された量だけしか流せないからである。そこ
で、請求項3の発明では、少なくとも燃料極集電体とし
て、請求項1記載の外周縁部の気孔率を低くした集電体
を用いることにしている。この集電体を用いることによ
り、燃料極層の全面に対して均一な分布で燃料ガスを分
配供給することができるようになるため、発電効率がア
ップする。
The problem due to the uneven distribution of the gas distributed and supplied through the current collector mainly occurs on the fuel gas supply side. This is because the fuel gas cannot flow in a large amount like air (oxidant gas), and only a specified amount can flow. Therefore, in the invention of claim 3, at least the fuel electrode current collector having the lower porosity of the outer peripheral edge portion is used. By using this collector, the fuel gas can be distributed and supplied to the entire surface of the fuel electrode layer in a uniform distribution, so that the power generation efficiency is improved.

【0022】[0022]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。図1は集電体の構成図で、(a)は
平面図、(b)は断面図である。図2は集電体の製造方
法の工程説明図である。また、図3は固体電解質型燃料
電池の分解断面図、図4は同要部の分解斜視図である。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram of a current collector, where (a) is a plan view and (b) is a sectional view. FIG. 2 is a process explanatory diagram of the method for manufacturing the current collector. Further, FIG. 3 is an exploded cross-sectional view of the solid oxide fuel cell, and FIG. 4 is an exploded perspective view of the relevant part.

【0023】まず、実施形態の固体電解質型燃料電池の
全体構成を、図3、図4を用いて説明する。図3におい
て、1は積層方向を縦にして置かれた燃料電池スタック
である。この燃料電池スタック1は、固体電解質層2の
両面に燃料極層3及び空気極層(酸化剤極層)4を配し
た発電セル(発電部)5と、燃料極層3の外側の燃料極
集電体6と、空気極層4の外側の空気極集電体(酸化剤
極集電体)7と、各集電体6、7の外側のセパレータ8
とを順番に積層した構造を持つ。
First, the overall structure of the solid oxide fuel cell of the embodiment will be described with reference to FIGS. 3 and 4. In FIG. 3, reference numeral 1 is a fuel cell stack that is placed with the stacking direction being vertical. This fuel cell stack 1 includes a power generation cell (power generation section) 5 in which a fuel electrode layer 3 and an air electrode layer (oxidant electrode layer) 4 are arranged on both sides of a solid electrolyte layer 2, and a fuel electrode outside the fuel electrode layer 3. Current collector 6, air electrode current collector (oxidant electrode current collector) 7 outside air electrode layer 4, and separator 8 outside each current collector 6, 7.
It has a structure in which and are stacked in order.

【0024】ここで、固体電解質層2はイットリアを添
加した安定化ジルコニア(YSZ)等で構成され、燃料
極層3はNi、Co等の金属あるいはNi−YSZ、C
o−YSZ等のサーメットで構成され、空気極層4はL
aMnO3 、LaCoO3 等で構成され、燃料極集電体
6はNi基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構
成され、空気極集電体7はAg基合金等のスポンジ状の
多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ8はステンレ
ス等で構成されている。
The solid electrolyte layer 2 is made of stabilized zirconia (YSZ) containing yttria, and the fuel electrode layer 3 is made of a metal such as Ni or Co or Ni-YSZ, C.
It is composed of cermet such as o-YSZ, and the air electrode layer 4 is L
aMnO 3 , LaCoO 3, etc., the fuel electrode current collector 6 is a sponge-like porous sintered metal plate such as Ni-based alloy, and the air electrode current collector 7 is sponge-like such as Ag-based alloy. The separator 8 is made of a porous sintered metal plate, and the separator 8 is made of stainless steel or the like.

【0025】集電体6、7を構成する多孔質金属板は、
次の工程を経ることで作製したものである。工程の順番
は、スラリー調製工程→成形工程→発泡工程→乾燥工程
→脱脂工程→焼結工程である。
The porous metal plates constituting the current collectors 6 and 7 are
It was produced by going through the following steps. The order of steps is: slurry preparation step → molding step → foaming step → drying step → degreasing step → sintering step.

【0026】まず、スラリー調製工程において、金属粉
末、有機溶剤(n−ヘキサン等)、界面活性剤(ドデシ
ルベンゼンスルホン酸ナトリウム等)、水溶性樹脂結合
剤(ヒドロキシプロピルメチルセルロース等)、可塑剤
(グリセリン等)、水、を混ぜて発泡スラリーを調製す
る。これを成形工程において、ドクターブレード法によ
りキャリヤシート上に薄板状に成形してグリーンシート
を得る。次に発泡工程において、このグリーンシートを
高温高湿環境下で、揮発性有機溶剤の蒸気圧及び界面活
性剤の起泡性を利用してスポンジ状に発泡させた後、乾
燥工程、脱脂工程、焼成工程を経て多孔質金属板を得
る。
First, in the slurry preparation step, metal powder, organic solvent (n-hexane etc.), surfactant (sodium dodecylbenzene sulfonate etc.), water-soluble resin binder (hydroxypropyl methylcellulose etc.), plasticizer (glycerin). Etc.) and water are mixed to prepare a foamed slurry. In a molding step, this is molded into a thin plate on a carrier sheet by a doctor blade method to obtain a green sheet. Next, in the foaming step, in a high-temperature and high-humidity environment, the green sheet is foamed into a sponge shape by utilizing the vapor pressure of the volatile organic solvent and the foamability of the surfactant, followed by a drying step, a degreasing step, A porous metal plate is obtained through a firing process.

【0027】この場合、発泡工程において、グリーンシ
ートの内部に発生した気泡は、全方向からほぼ等価な圧
力を受けて略球状の形状で成長する。気泡が内部から拡
散して大気との界面に近づくと、気泡は、気泡と大気の
間のスラリーの薄い部分へと成長していき、やがて気泡
は破れて、気泡内部の気体は、できた小孔から大気中へ
拡散していく。よって、表面に開口した連続気孔を有す
る多孔質金属板が得られる。
In this case, in the foaming process, the bubbles generated inside the green sheet are subjected to substantially equivalent pressure from all directions and grow in a substantially spherical shape. When the bubbles diffuse from the inside and approach the interface with the atmosphere, the bubbles grow into a thin portion of the slurry between the bubbles and the atmosphere, and eventually the bubbles are broken and the gas inside the bubbles forms small particles. It diffuses from the hole into the atmosphere. Therefore, a porous metal plate having open pores on the surface can be obtained.

【0028】集電体6、7は、このように作製した3次
元骨格構造を有する多孔質金属板(金属多孔質体)を円
形にカットすることで構成されている。特に、Ni基合
金等の多孔質焼結金属板で構成された燃料極集電体6
は、図1(a)、(b)に詳細を示すように、外周縁部
6Aが中央部6Bよりも気孔率を低く形成したもので構
成されている。
The current collectors 6 and 7 are formed by cutting the porous metal plate (metal porous body) having the three-dimensional skeleton structure thus produced into a circle. In particular, a fuel electrode current collector 6 composed of a porous sintered metal plate such as a Ni-based alloy
As shown in detail in FIGS. 1A and 1B, the outer peripheral edge portion 6A has a lower porosity than the central portion 6B.

【0029】金属多孔質体よりなる円板の外周縁部6A
の気孔率だけを中央部6Bよりも低く設定する方法とし
ては、その金属多孔質体を成形する段階で気孔率を調整
する方法も採ることが可能であるが、ここでは、材料の
成形段階では全体を均質な3次元骨格構造を有する多孔
質金属板として形成しておき、それを円形にカットした
後の工程で、当該多孔質金属板の潰しやすい性質を利用
して、円板の外周縁部6Aを圧縮して潰すことにより、
当該部分の気孔率を他より低めるようにしている。
An outer peripheral edge portion 6A of a disk made of a porous metal body
As a method for setting only the porosity lower than that of the central portion 6B, a method of adjusting the porosity at the stage of molding the metal porous body can also be adopted. The entire periphery is formed as a porous metal plate having a uniform three-dimensional skeleton structure, and the outer peripheral edge of the circular plate is formed by taking advantage of the crushable property of the porous metal plate in a step after cutting it into a circle. By compressing and crushing the part 6A,
The porosity of that part is made lower than the others.

【0030】その具体的な製造方法について図2を参照
ながら説明する。この方法では、まず、第1の工程で、
全体に均質な3次元骨格構造を有する金属多孔質体より
なる円板21を形成し、それを、(a)に示すようにプ
レス機30にセットする。プレス機30は、コア31と
その外周のリング32とからなる上型33と、コア34
とその外周のリング35かとらなる下型36とを備える
ものである。
The specific manufacturing method will be described with reference to FIG. In this method, first, in the first step,
A disk 21 made of a metal porous body having a uniform three-dimensional skeleton structure is formed over the entire surface, and the disk 21 is set in a pressing machine 30 as shown in FIG. The pressing machine 30 includes an upper mold 33 including a core 31 and a ring 32 around the core 31, and a core 34.
And a lower die 36 which is a ring 35 on the outer periphery thereof.

【0031】下型36の上に円板21をセットした後、
第2の工程では、(b)に示すように、上下のコア3
1、34を、上下のリング32、35に対して相対的に
下動させることで、円板21の外周縁部を全周に亘って
折り曲げ、環状の起立壁22を形成する。
After setting the disc 21 on the lower die 36,
In the second step, as shown in FIG.
The outer peripheral edge portion of the disc 21 is bent over the entire circumference by moving the first and the lower parts 34 relative to the upper and lower rings 32 and 35, thereby forming the annular standing wall 22.

【0032】次に第3の工程では、(c)に示すよう
に、上型33のリング32を下動させて、前記起立壁2
2を円板21の厚さ方向に圧縮することで、全体を均等
な厚さに形成する。そうすることで、外周縁部(起立壁
22のあった部分)6Aの気孔率を中央部6Bよりも低
く形成した集電体6が得られる。後は、(d)に示すよ
うに上型33と下型36を開いて成形品(集電体6)を
取り出せばよい。
Next, in the third step, as shown in (c), the ring 32 of the upper mold 33 is moved downward to move the standing wall 2 up.
By compressing 2 in the thickness direction of the disk 21, the whole is formed to have a uniform thickness. By doing so, it is possible to obtain the current collector 6 in which the porosity of the outer peripheral edge portion (portion where the standing wall 22 was) 6A is lower than that of the central portion 6B. After that, as shown in (d), the upper mold 33 and the lower mold 36 may be opened and the molded product (current collector 6) may be taken out.

【0033】このような工程を経て集電体6を形成する
ことにより、金属多孔質体の成形段階で特別な工夫(外
周縁部だけを厚くなるように成形する等の工夫)をしな
くても、全体の厚さを均等にしながら、外周縁部6Aの
気孔率を低く設定することができる。
By forming the current collector 6 through these steps, it is not necessary to make a special device (a device for forming only the outer peripheral edge portion to be thick) at the forming step of the metal porous body. Also, the porosity of the outer peripheral edge portion 6A can be set low while making the entire thickness uniform.

【0034】また、図3、図4に戻って全体の構成を説
明すると、セパレータ8は、発電セル5間を電気接続す
ると共に、発電セル5に対してガスを供給する機能を有
するもので、燃料ガスをセパレータ8の外周面から導入
してセパレータ8の燃料極集電体6に対向する面のほぼ
中央部から吐出させる燃料通路11と、酸化剤ガスをセ
パレータ8の外周面から導入してセパレータ8の空気極
集電体7に対向する面から吐出させる酸化剤通路12と
をそれぞれ有している。ただし、両端のセパレータ8
(8A、8B)は、いずれかの通路11、12のみを有
する。
Returning to FIG. 3 and FIG. 4, the overall structure will be described. The separator 8 has a function of electrically connecting the power generation cells 5 and supplying gas to the power generation cells 5. A fuel passage 11 for introducing the fuel gas from the outer peripheral surface of the separator 8 and discharging the fuel gas from substantially the central portion of the surface of the separator 8 facing the fuel electrode current collector 6, and an oxidant gas are introduced from the outer peripheral surface of the separator 8. The separator 8 has an oxidant passage 12 discharged from the surface of the separator 8 facing the air electrode current collector 7. However, the separators 8 at both ends
(8A, 8B) has only one of the passages 11 and 12.

【0035】一方、図3に示すように、燃料電池スタッ
ク1の側方には、各セパレータ8の燃料通路11に接続
管13を通して燃料ガスを供給する燃料用マニホールド
15と、各セパレータ8の酸化剤通路12に接続管14
を通して酸化剤ガスを供給する酸化剤用マニホールド1
6とが、発電セル5の積層方向に延在して設けられてい
る。
On the other hand, as shown in FIG. 3, on the side of the fuel cell stack 1, a fuel manifold 15 for supplying a fuel gas to a fuel passage 11 of each separator 8 through a connecting pipe 13 and oxidation of each separator 8. Connection pipe 14 in the agent passage 12
Oxidizer manifold 1 for supplying oxidant gas through
6 are provided so as to extend in the stacking direction of the power generation cells 5.

【0036】以上の構成の燃料電池では、燃料極集電体
6として、図1に示す外周縁部6Aの気孔率を中央部6
Bよりも低く設定したものを用いているので、セパレー
タ8の中心部から供給する燃料ガスを、燃料極集電体6
を通して燃料極層3の全面に良好な分布で行き渡らせる
ことができる。
In the fuel cell having the above structure, the fuel electrode current collector 6 has the porosity of the outer peripheral edge portion 6A shown in FIG.
The fuel gas supplied from the central portion of the separator 8 is supplied to the fuel electrode current collector 6 because the fuel gas which is set lower than B is used.
Can be distributed over the entire surface of the fuel electrode layer 3 with good distribution.

【0037】即ち、従来の集電体は全体の気孔率が均一
化されていたので、外周端からガスが抜けてしまい、そ
のため中央部から周辺部にいくほどガスの濃度が低くな
り、周辺部にまで十分な濃度のガスに行き渡らない可能
性があったが、この燃料極集電体6は、外周縁部6Aの
気孔率を中央部6Bのそれよりも低く設定しているの
で、集電体6の外周端に作用する背圧を大きくすること
ができる。従って、発電セルの外周部にガスシール部材
を設けないタイプ(シールレスタイプ)の燃料電池に適
用した場合でも、集電体6の外周端からのガスの抜けを
抑制することができ、セパレータ8の中央部から供給さ
れる燃料ガスを、集電体6の周辺部にまで十分な濃度で
行き渡らせることができる。その結果、集電体6の中央
部から周辺部までの広い面で、燃料ガスを燃料極層3の
全面に均一に分配供給することができ、中央部と周辺部
での発電量の差を無くして、全体の発電効率のアップが
図れる。
That is, in the conventional current collector, since the porosity of the whole is made uniform, the gas escapes from the outer peripheral edge, so that the gas concentration becomes lower from the central portion to the peripheral portion, and the peripheral portion is reduced. However, since the fuel electrode current collector 6 has the porosity of the outer peripheral edge portion 6A set lower than that of the central portion 6B, The back pressure acting on the outer peripheral end of the body 6 can be increased. Therefore, even when it is applied to a fuel cell of a type (sealless type) in which a gas seal member is not provided on the outer peripheral portion of the power generation cell, it is possible to suppress the escape of gas from the outer peripheral end of the current collector 6 and to separate the separator 8 The fuel gas supplied from the central part of can be distributed to the peripheral part of the current collector 6 at a sufficient concentration. As a result, the fuel gas can be uniformly distributed and supplied to the entire surface of the fuel electrode layer 3 over a wide surface from the central portion of the current collector 6 to the peripheral portion, and the difference in power generation amount between the central portion and the peripheral portion can be reduced. Without it, the overall power generation efficiency can be improved.

【0038】なお、空気極集電体7にも、外周縁部の気
孔率を中央部より低めた燃料極集電体6と同様の集電体
を使用することができる。また、集電体6、7の多孔質
構造としては、発泡体の他に、メッシュやフェルトなど
も使用することができる。
As the air electrode current collector 7, it is possible to use a current collector similar to the fuel electrode current collector 6 in which the porosity of the outer peripheral edge portion is lower than that of the central portion. Further, as the porous structure of the current collectors 6 and 7, in addition to the foamed material, mesh or felt can be used.

【0039】また、上述した実施形態では、発電セルの
電解質にイットリアを添加した安定化ジルコニア(YS
Z)を用いる固体酸化物型燃料電池を示したが、本発明
は、その他の固体酸化物型燃料電池、例えばセリア系電
解質、ガレート型電解質を用いる固体酸化物型燃料電池
にも適用することができる。
In the above-described embodiment, the stabilized zirconia (YS) obtained by adding yttria to the electrolyte of the power generation cell is used.
Although the solid oxide fuel cell using Z) is shown, the present invention can be applied to other solid oxide fuel cells, for example, solid oxide fuel cells using a ceria-based electrolyte or a gallate electrolyte. it can.

【0040】[0040]

【発明の効果】以上説明したように、請求項1の発明の
集電体は、外周縁部の気孔率を中央部のそれより低く形
成しているので、集電体の外周端に作用する背圧を大き
くすることができ、セパレータの中央部から供給される
ガスを、集電体の周辺部にまで十分な濃度で行き渡らせ
ることができる。従って、集電体の中央部から周辺部ま
での広い面でガスを電極層に均一に分配供給することが
でき、中央部と周辺部での発電量の差を無くして、全体
の発電効率をアップすることができる。
As described above, the current collector of the first aspect of the invention has a lower porosity at the outer peripheral edge portion than that at the central portion, and therefore acts on the outer peripheral edge of the current collector. The back pressure can be increased, and the gas supplied from the central portion of the separator can be spread to the peripheral portion of the current collector with a sufficient concentration. Therefore, the gas can be uniformly distributed and supplied to the electrode layer over a wide surface from the central portion to the peripheral portion of the current collector, eliminating the difference in the amount of power generation between the central portion and the peripheral portion, and improving the overall power generation efficiency. Can be up.

【0041】請求項2の発明の製造方法によれば、材料
の成形段階では全体を均質な3次元骨格構造を有する金
属多孔質体として形成しておき、その後の工程で、円板
の外周縁部を圧縮して潰すことにより、当該部分の気孔
率を他より低めるようにしているので、気孔率の調整が
簡単にできる。また、請求項3のようにすれば、金属多
孔質体の成形段階で特別な工夫をしなくても、全体の厚
さを均等にしながら気孔率の調整が簡単にできる。
According to the manufacturing method of the second aspect of the present invention, in the step of forming the material, the whole is formed as a porous metal body having a homogeneous three-dimensional skeleton structure, and in the subsequent step, the outer peripheral edge of the disk is formed. By compressing and crushing the part, the porosity of the part is made lower than the others, so that the porosity can be easily adjusted. Further, according to the third aspect, the porosity can be easily adjusted while making the entire thickness uniform without special measures at the stage of forming the metal porous body.

【0042】請求項4の発明によれば、前記の集電体を
少なくとも燃料極集電体として使用しているので、燃料
極層の全面に均一な分布で燃料ガスを分配供給すること
ができ、発電効率がアップする。
According to the invention of claim 4, since the current collector is used at least as a fuel electrode current collector, the fuel gas can be distributed and supplied to the entire surface of the fuel electrode layer in a uniform distribution. , Power generation efficiency is improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の実施形態の集電体の構成図で、(a)
は平面図、(b)は断面図である。
FIG. 1 is a configuration diagram of a current collector according to an embodiment of the present invention, in which FIG.
Is a plan view and (b) is a sectional view.

【図2】(a)〜(d)は集電体の製造方法を説明する
ための工程図である。
FIG. 2A to FIG. 2D are process drawings for explaining a method of manufacturing a current collector.

【図3】本発明の実施形態の固体電解質型燃料電池の要
部構成を示す分解断面図である。
FIG. 3 is an exploded cross-sectional view showing a main configuration of a solid oxide fuel cell device according to an embodiment of the present invention.

【図4】同燃料電池の要部構成を示す分解斜視図であ
る。
FIG. 4 is an exploded perspective view showing a main configuration of the fuel cell.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 燃料電池スタック 2 固体電解質層 3 燃料極層 4 空気極層(酸化剤極層) 6 燃料極集電体 6A 外周縁部 6B 中央部 7 空気極集電体 8 セパレータ 21 円板 22 起立壁 1 Fuel cell stack 2 Solid electrolyte layer 3 Fuel pole layer 4 Air electrode layer (oxidizer electrode layer) 6 Fuel electrode current collector 6A outer peripheral edge 6B central part 7 Air electrode current collector 8 separators 21 discs 22 Standing wall

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山田 喬 茨城県那珂郡那珂町向山1002−14 三菱マ テリアル株式会社総合研究所那珂研究セン ター内 Fターム(参考) 5H026 AA06 BB02 CC03 CC10 EE02 HH04    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (72) Inventor Takashi Yamada             1002-14 Mukoyama, Naka-machi, Naka-gun, Ibaraki Prefecture             Terari Co., Ltd.             Inside F-term (reference) 5H026 AA06 BB02 CC03 CC10 EE02                       HH04

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 固体電解質型燃料電池のセパレータと電
極層との間に配される集電体において、3次元骨格構造
を有する金属多孔体より構成され、且つ、外周縁部が中
央部より気孔率が低く形成されていることを特徴とする
固体電解質型燃料電池の集電体。
1. A current collector disposed between a separator and an electrode layer of a solid oxide fuel cell, which is composed of a metal porous body having a three-dimensional skeleton structure and whose outer peripheral edge portion has pores more than a central portion. A collector for a solid oxide fuel cell, which is characterized by being formed with a low rate.
【請求項2】 固体電解質型燃料電池のセパレータと電
極層との間に配される集電体の製造方法において、全体
に均質な3次元骨格構造を有する金属多孔質体よりなる
円板を形成する工程と、その円板の外周縁部を圧縮する
ことで当該部分の気孔率を中央部よりも低く形成する工
程とを有することを特徴とする固体電解質型燃料電池の
集電体の製造方法。
2. A method of manufacturing a current collector disposed between a separator of a solid oxide fuel cell and an electrode layer, wherein a disk made of a metal porous body having a homogeneous three-dimensional skeleton structure is formed throughout. And a step of compressing the outer peripheral edge portion of the disk to form the porosity of the portion lower than that of the central portion, the method for producing a current collector for a solid oxide fuel cell. .
【請求項3】 固体電解質型燃料電池のセパレータと電
極層との間に配される集電体の製造方法において、全体
に均質な3次元骨格構造を有する金属多孔質体よりなる
円板を形成する工程と、その円板の外周縁部を全周に亘
って折り曲げることで環状の起立壁を形成する工程と、
その起立壁を円板の厚さ方向に圧縮することで当該部分
の気孔率を中央部よりも低く形成すると共に全体を均等
な厚さに形成する工程とを有することを特徴とする固体
電解質型燃料電池の集電体の製造方法。
3. A method of manufacturing a current collector disposed between a separator of a solid oxide fuel cell and an electrode layer, wherein a disk made of a metal porous body having a uniform three-dimensional skeleton structure is formed throughout. And a step of forming an annular standing wall by bending the outer peripheral edge of the disc over the entire circumference,
Solid electrolyte type, characterized in that the standing wall is compressed in the thickness direction of the disk to form the porosity of the portion lower than that of the central portion and to form the entire portion to a uniform thickness. Manufacturing method of current collector of fuel cell.
【請求項4】 固体電解質層の両面に燃料極層と酸化剤
極層を積層し、燃料極層と酸化剤極層の外側にそれぞれ
多孔質体よりなる燃料極集電体と酸化剤極集電体を積層
し、燃料極集電体と酸化剤極集電体の外側にセパレータ
を積層して燃料電池スタックを構成し、前記セパレータ
の中央部から前記燃料極集電体及び酸化剤極集電体を介
して燃料極層及び酸化剤極層に燃料ガス及び酸化剤ガス
を供給する固体電解質型燃料電池において、少なくとも
前記燃料極集電体として、請求項1記載の集電体を用い
たことを特徴とする固体電解質型燃料電池。
4. A fuel electrode layer and an oxidant electrode layer are laminated on both surfaces of a solid electrolyte layer, and a fuel electrode current collector and an oxidant electrode current collector made of a porous body are provided outside the fuel electrode layer and the oxidant electrode layer, respectively. A fuel cell stack is formed by stacking current collectors and a separator on the outside of the fuel electrode current collector and the oxidant electrode current collector, and forming the fuel electrode current collector and the oxidant electrode current collector from the center of the separator. In a solid oxide fuel cell for supplying a fuel gas and an oxidant gas to a fuel electrode layer and an oxidant electrode layer via an electric body, the current collector according to claim 1 is used as at least the fuel electrode current collector. A solid oxide fuel cell characterized by the above.
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