JP2003263994A

JP2003263994A - 固体電解質型燃料電池

Info

Publication number: JP2003263994A
Application number: JP2002065141A
Authority: JP
Inventors: Jun Akikusa; 順秋草; Koji Hoshino; 孝二星野; Takashi Hosoi; 敬細井
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2002-03-11
Filing date: 2002-03-11
Publication date: 2003-09-19
Anticipated expiration: 2022-03-11
Also published as: JP4552371B2

Abstract

(57)【要約】【課題】固体電解質型燃料電池のコストダウンを図
る。【解決手段】固体電解質層の両面に燃料極層と酸化剤
極層を配置し、燃料極層と酸化剤極層の外側にそれぞれ
多孔質クッション材よりなる燃料極集電体と酸化剤極集
電体７を配置し、燃料極集電体と酸化剤極集電体７の外
側にセパレータ８を配置し、これらを密着積層した固体
電解質型燃料電池において、前記集電体７とセパレータ
８を燃料電池の運転雰囲気において非酸化性を有する金
属にて複数箇所で接合する。接合はスポット溶接２０で
行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、セパレータと電極
層との間に集電体を挟んだ構造の固体電解質型燃料電池
に関するものである。

【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（酸化剤極層）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。

【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
（Ｏ^2-）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、ＣＯ₂
等）を生じ、燃料極に電子を放出する。

【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：１／２Ｏ₂ ＋２ｅ^- → Ｏ^2- 燃料極：Ｈ₂ ＋Ｏ^2- → Ｈ₂ Ｏ＋２ｅ^- 全体：Ｈ₂ ＋１／２Ｏ₂ → Ｈ₂ 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。

【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。

【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
することにより、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。

【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。

【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易い平板積層型の
構造が適している。

【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。ま
た、空気極集電体においては、補強のため、前記多孔質
体にＡｇ基合金やＮｉ-Ａｇメッキ等によるエキスパン
ドメタルを併用する場合もある。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。そし
て、従来では、この積層体に圧力をかけて密着した構造
のものを、電池スタックとして使用している。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来よりセ
パレータの全面に酸化防止のための銀メッキが施されて
いた。燃料側は還元雰囲気であるため銀メッキは不要で
あるが、酸化剤側（空気側）は高温酸化雰囲気にあるこ
とから、耐酸化性を向上するために銀メッキは必須であ
り、これが、コストアップの一要因となっていた。

【００１２】本発明は、上記事情に鑑みて成されたもの
で、セパレータの銀メッキ処理を無くすことによりコス
トダウンを図った固体電解質型燃料電池を提供すること
を目的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】すなわち、請求項１に記
載の本発明は、固体電解質層の両面に燃料極層と酸化剤
極層を配置し、酸化剤極層側に多孔質クッション材より
なる空気極集電体を配置し、空気極集電体の外側にセパ
レータを配置した固体電解質型燃料電池において、前記
空気極集電体と前記セパレータとが複数箇所接合され、
高温酸化雰囲気における電気的導通を確保することを特
徴としている。

【００１４】また、請求項２に記載の本発明は、請求項
１において、前記空気極集電体がスポンジ状の多孔質層
とメッシュ状の多孔質層の２層からなり、メッシュ状の
多孔質層を金属より形成されるセパレータに複数箇所接
合され、空気極集電体の機械的強度を向上したことを特
徴としている。

【００１５】また、請求項３に記載の本発明は、固体電
解質層の両面に燃料極層と酸化剤極層を配置し、燃料極
層側に多孔質クッション材よりなる燃料極集電体を配置
し、燃料極集電体の外側にセパレータを配置した固体電
解質型燃料電池において、前記燃料極集電体と前記セパ
レータとが複数箇所接合され、還元雰囲気ではあるが、
高温、高多湿における電気的導通を確保することを特徴
としている。

【００１６】また、請求項４に記載の本発明は、請求項
３において、前記燃料極集電体がスポンジ状の多孔質層
とメッシュ状の多孔質層の２層からなり、メッシュ状の
多孔質層が金属より形成されるセパレータに複数箇所接
合され、燃料極集電体の機械的強度を向上したことを特
徴としている。

【００１７】また、請求項５に記載の本発明は、請求項
１から請求項４に記載の固体電解質型燃料電池におい
て、前記接合がスポット溶接にて成されていることを特
徴としている。

【００１８】空気側集電体には銀メッキ（Ｎｉ下地メッ
キ）や銀発泡体等が使用されている。この集電体とセパ
レータを非酸化性の金属を用いて接合すると、従来のよ
うにセパレータ表面に銀メッキ等の酸化防止処理を施さ
なくともセパレータの酸化が防止できる。これにより、
セパレータのコストダウンが図れる。尚、スポット溶接
はセパレータ全面に亘って均一に満遍なく行うことが好
ましい。

【００１９】

【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。先ず、図１、図２に基づいて本実施
形態に係る固体電解質型燃料電池の構成を説明する。こ
こで、図１は固体電解質型燃料電池の分解断面を示し、
図２は同要部の分解斜視を示している。図１中、符号１
は燃料電池スタックを示し、固体電解質層２の両面に燃
料極層３と空気極層（酸化剤極層）４を配した発電セル
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を順番に積層した構造
を有する。

【００２０】前記固体電解質層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、前記燃料
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、前記空気極層４
はＬａＭｎＯ₃、ＬａＣｏＯ ₃等で構成され、前記燃料
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、前記空気極集電体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、前記セパレ
ータ８はステンレス等で構成されている。

【００２１】ここで、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。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。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。集電体
６、７はこのようにして作製した３次元骨格構造を有す
る多孔質金属板を円形にカットしたものである。

【００２２】一方、セパレータ８は、図１、図２に示す
ように、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。

【００２３】また燃料電池スタック１の側方には、図
１に示すように、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。

【００２４】ここで、従来、集電体６、７とセパレータ
８は圧力によって密着させた積層構造とされていたが、
本実施形態の燃料電池スタック１１では、各々を燃料電
池の運転雰囲気において非酸化性を有する金属（例え
ば、銀）によるスポット溶接にて接合される構造となっ
ている。このスポット溶接は、集電体６、７の上面から
下側のセパレータ８に直接行われる。

【００２５】図３は集電体面上より見たスポット溶接２
０の状態を示し、円形状の集電体全面に亘って均一に満
遍なく溶接されており、例えば、直径１５０ｍｍ程度
（面積約１７７ｃｍ² ）のセパレータでは１００カ所程
度の溶接２０が行われている。また、既述したように、
集電体６、７はスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成さ
れていて強度的に劣るため、特に空気極集電体７にあっ
ては、補強用としてＡｇ基合金やＮｉ-Ａｇメッキ等に
よるエキスパンドメタルを併用した集電体が用いられる
場合が多い。

【００２６】図４は、セパレータ８とこのエキスパンド
メタルを用いた空気極集電体７の積層構造を示してお
り、図中、符号７ａは多孔質焼結金属板、７ｂはエキス
パンドメタルである。係る構造の空気極集電体７では、
先ず、エキスパンドメタル７ｂとセパレータ８をスポッ
ト溶接し、次いで、その表面に多孔質結晶金属板７ａを
圧力により密着させて積層体を構成する。この場合も前
記同様に、セパレータ全面に亘って均一に満遍なくスポ
ット溶接されることが望ましい。

【００２７】また、集電体としては、前記発泡金属の
他、銀メッシュ、銀メッキしたメッシュ、フェルト等が
用いられる。

【００２８】このように、集電体６、７とセパレータ８
を銀等の非酸化性金属を用いて接合すると接合間におい
ても酸化現象が防止されるため、セパレータの全面に銀
メッキ等の酸化防止処理を施さなくとも性能を低下させ
ることなく発電できるようになる。これにより、従来の
ような高価な銀メッキ処理を省くことができ、よって、
セパレータ８のコストダウンが図れる。

【００２９】以上、本実施形態では、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（ＹＳＺ）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。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
集電体とセパレータを非酸化性の金属にてスポット溶接
等により接合したので、従来のようにセパレータの表面
に銀メッキ等の酸化防止処理を施さなくともセパレータ
の酸化現象が防止されるようになり、性能を低下させる
ことなく発電できるようになる。これにより、高価な銀
メッキ処理が不要となり、セパレータのコストダウンが
図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る固体電解質型燃料電池の分解断面
図。

【図２】同、要部の分解斜視図。

【図３】集電体とセパレータのスポット溶接の状態を示
す平面図。

【図４】セパレータと空気極集電体の密着積層構造を示
す断面図。

【符号の説明】

２固体電解質層３燃料極層４酸化剤極層（空気極層）６燃料極集電体７酸化剤極集電体（空気極集電体）８セパレータ２０スポット溶接

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者星野孝二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 (72)発明者細井敬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 CC06 CX01 EE02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体電解質層の両面に燃料極層と酸化剤
極層を配置し、空気極層と金属より形成されるセパレー
タとの間に多孔質クッション材よりなる空気極集電体を
配置し、これらを密着した固体電解質型燃料電池におい
て、前記空気極集電体とセパレータが燃料電池の運転雰囲気
において非酸化性を有する金属にて複数箇所で接合され
ていることを特徴とする固体電解質型燃料電池。
【請求項２】前記多孔質クッション材よりなる空気極
集電体はスポンジ状の多孔質層とメッシュ状の多孔質層
の２層からなり、メッシュ状の多孔質層を金属より形成
されるセパレータに複数箇所接合されたことを特徴とす
る請求項１に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項３】固体電解質層の両面に燃料極層と酸化剤
極層を配置し、燃料極層と金属より形成されるセパレー
タとの間に多孔質クッション材よりなる燃料極集電体を
配置し、これらを密着した固体電解質型燃料電池におい
て、前記燃料極集電体とセパレータが燃料電池の運転雰囲気
において非酸化性を有する金属にて複数箇所で接合され
ていることを特徴とする請求項１または請求項２の何れ
かに記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項４】前記多孔質クッション材よりなる燃料極
集電体はスポンジ状の多孔質層とメッシュ状の多孔質層
の２層からなり、メッシュ状の多孔質層を金属より形成
されるセパレータに複数箇所接合されたことを特徴とす
る請求項３に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項５】前記接合がスポット溶接にて成されてい
ることを特徴とする請求項１から請求項４までの何れか
に記載の固体電解質型燃料電池