JP2010092877A - 燃料電池用集電構造及び固体酸化物形燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】集電体の緻密化やズレによる燃料電池セル、集電体、セパレータ相互の電気的な接続不良を防止するとともに、良好な導通性をもつようにする。
【解決手段】燃料電池用集電構造は、平板型の固体電解質を燃料極及び空気極で挟持して成る燃料電池セルに、集電体及びセパレータを積層したものであり、集電体は表面に複数の開口を有する多孔質導電体であり、燃料電池セル及び／又はセパレータは表面に複数の導電性の突起を有し、その導電性突起が、メッキにて形成され、開口と突起が対向し係着している。また、固体酸化物形燃料電池スタックは、燃料電池用集電構造を採用している。
【選択図】図２

Description

本発明は、平板型単セル間の通電を確実にし、温度変化等に起因する熱応力による変形等による通電特性の低下を防止した燃料電池用集電構造及び固体酸化物形燃料電池スタックに関する。

最近、例えば空気と水素をそれぞれ、酸化剤ガスおよび燃料ガスとして、燃料が本来持っている化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電池が、省資源、環境保護の観点から注目されており、特に固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は発電効率が高く、廃熱を有効に利用できるなど多くの利点を有するため研究、開発が進んでいる。

例えば、従来例として、図１に示すような、内部マニホールド方式の平板型固体電解質燃料電池１００がある。なお、「内部マニホールド方式」とは、固体電解質燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスとを供給するため、固体電解質燃料電池のセパレータ等にそれぞれのガスの給排気孔を設け、これらの孔から各平板型単電池の各電極面に各ガスを給排気するようにしたものを称している。
平板型固体電解質燃料電池１００は、イットリアなどをドープしたジルコニア焼結体（ＹＳＺ）からなる平板型固体電解質層１０２の両面に、それぞれ（Ｌａ、Ｓｒ）ＭｎＯ３の空気極１０４と、ＮｉＯ−ＹＳＺサーメットの燃料極１０６とを配置した平板型単電池１０８と、隣接する平板型単電池１０８同士を電気的に直列に接続し、且つ平板型単電池１０８に燃料ガスと酸化剤ガスとを分配するセパレータ１１０を有する。また、メッシュ状の金属１１５をセパレータ１１０と燃料極１０６との間に配置し、セパレータ１１０と空気極１０４との間に接続層１１７を配置し、セパレータ１１０と燃料極１０６及び空気極１０４とを導通させ、また、側面にシール材１１９を設け閉鎖させている。
そして、平板型固体電解質燃料電池１００を交互に積層し、通路１１４からそれぞれ酸化剤ガスと燃料ガスを導入し、各平板型単電池１０８の空気極１０４及び燃料極１０６の面にこれら酸化剤ガスと燃料ガスを接触させることにより起電力を発生させ、直列に積層した固体電解質燃料電池１００から出力するようにしている。

しかし、従来から、セパレータ１１０の集電面は、機械加工等により平面に形成しているが、平板型単電池１０８は、製作時に生じた反りや歪みを有し、その歪みは平板型単電池１０８の材質等の関係から機械的な加工を行なって完全な平面に修正することが困難であった。そのため、セパレータ１１０を平板型単電池１０８に取り付けた場合、平板型単電池１０８がセパレータ１１０の集電面と面全体で接触するのではなく、多くとも３点の点接触となって良好な電気的な接続状態が得られないことがあった。
また、平板型単電池１０８を複数積層した際、締め付けの荷重がセラミック製のセパレータ１１０を介して平板型単電池１０８にかかる構造であり、温度変動により締め付け力が変化し荷重が過大になったときセパレータ１１０や平板型単電池１０８が破壊してしまうこともあった。更に、変形に対処するため平板型単電池１０８を電気的に接続させる導通用の金属１１５を強固にしなければならず、これによっても平板型単電池１０８に荷重がかかってしまい、熱応力等により平板型単電池１０８の破損等を引き起こすことが考えられる。このように、導電性セラミック等を用いたリジッドな集電方法では、スタックの熱分布による応力によりセルが破損するという問題点があった。

このような問題点を解決するため、例えば、凸部を持つ金属板を弾性的に空気極及び燃料極に接触させ、集電と同時にセルにかかる応力を緩和する燃料電池の集電構造が提案されている（特許文献１参照）。また、集電体として、導電性フェルトを用いる方法が提案されている（特許文献２参照）。更に、導電性フェルトを弾性接触により押し付けて設置することも提案されている（特許文献３参照）。

特開２００１−６８１３２号公報 特開平１−０１２４６９号公報 特開平６−２０３８５７号公報

しかし、特許文献１の技術は、セルが破損しないようその強度を確保するためセルを厚くする等の対策が必要となりスタックが重く、大きくなる。これでは、車両用として要求される軽い、小さいという要件に反する。
また、特許文献２の技術は、使用時に導電性フェルトの熱による緻密化が進行しクッション性の低下、変形による接触不良が発生する。車両用として用いると、振動、衝撃が激しくクッション性の低下、変形はより進行しやすい。
更に、特許文献３の技術は、弾性接触、即ち弾性体を挿入して導電性フェルトを押し付ける方法であるが、ＳＯＦＣの温度環境下で安定に弾性を保持できる弾性体は非常に高価であり、またスタックの大型化、重量増になる。

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り、その目的とするところは、集電体の緻密化やズレによる燃料電池セル、集電体、セパレータ相互の電気的な接続不良を防止でき、良好な導通性を有する燃料電池用集電構造及び固体酸化物形燃料電池スタックを提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、燃料電池セルやセパレータにメッキにて形成された導電性突起を設け、この突起を多孔質導電体の開口に係着させることにより、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。

本発明によれば、燃料電池セルやセパレータにメッキにて形成された導電性突起を設け、多孔質導電体と組み合わせることとしたため、燃料電池セル〜多孔質導電体間又はセパレータ〜多孔質導電体間が３次元的に電気的に接続され、集電体の緻密化やズレの影響を防止でき、良好な導通性を有する燃料電池用集電構造及び固体酸化物形燃料電池スタックを提供できる。

従来の集電構造の一例を示す概略図である。 本発明の燃料電池用集電体の仕様例を示す概略図である。 突起の一例を示す概略図である。 おろし金状の突起の一例を示す概略図である。 金属細線群の一例を示す概略図である。 発泡金属の内部を示す断面概略図である。 多孔質導電材及び突起に被覆を施した様子を示す概略図である。 金属基板の突起先端部のみが多孔質集電体の開口部に入り込んでいる様子を示す概略図である。 固体電解質形燃料電池スタックの一例を示す概略図である。 （ａ），（ｂ）は、本例の燃料電池用集電構造を構成する燃料電池セルを示す図、（ｃ）は、その燃料電池セルに配設する集電体を示す図である。実施例１で用いた燃料電池セル及び集電構造（セパレータを除く）を示す概略図である。 実施例１で用いた燃料電池セルの作製プロセスを示す概略図である。 実施例１で用いたセパレータ及び燃料電池スタックを示す概略図である。 燃料電池セルの作製プロセスの一例を示す概略図である。 実施例２の集電構造を示す概略図である。 実施例３の集電構造を示す概略図である。 燃料電池セルの作製プロセスの他の例を示す概略図である。 実施例４の集電構造を示す概略図である。 燃料電池セルの作製プロセスの更に他の例を示す概略図である。

以下、本発明の燃料電池用集電構造について詳細に説明する。なお、本願特許請求の範囲及び本明細書において、「％」は特記しない限り質量百分率を示す。

上述の如く、本発明の燃料電池用集電構造は、平板型の固体電解質を燃料極及び空気極で挟持して成る燃料電池セル（単セル）に、集電体及びセパレータを積層した固体酸化物形燃料電池に採用される。具体的には、上記集電体として表面に複数の開口を有する多孔質導電体を用い、上記燃料電池セル、上記セパレータのいずれか一方又は双方の表面に複数の導電性の突起を設ける。そして、燃料電池セル、集電体及びセパレータは、当該開口に当該突起が入り込み、接触するように配設される。例えば、図２に示すような構成となる。
このように、多孔質導電体と導電性突起の表面（側面又は頭部）を接触させることで、相互間の導電性が良好になる。また、従来品の金属薄板や導電性フェルト等の集電体をセルに強く押し付ける方法（弾性接触）に比べて、燃料電池セルにかかる応力負担が軽減される。更に、燃料電池セルを薄く軽く設計でき、スタックの軽量化、小型化が可能となる。更にまた、燃料電池セルやセパレータ等のスタック構成部品の歪みや、多孔質導電体（例えば上述の導電性フェルト）の緻密化、変形により燃料電池セルと集電体がずれたとしても導電性突起と集電体が３次元的に接触しているため電気的導通が保持される。また、燃料電池セルの電極部に電子伝導性材料より成る導電性突起を埋設できるので電極の電気抵抗が低下しセルの出力が向上する。

ここで、上記導電性突起を有する燃料電池セルやセパレータと上記多孔質導電体とは、面方向に動かないように固定することがよい。例えば、上記突起の短径の平均径を、上記開口の平均径（太さ）よりも小さくすることができる。これより、多孔質導電体の凹部内に突起先端が入り込んでストッパーとなり相互に固定されるので、集電体及び燃料電池セル（単セル）の電気的接続の長寿命化が図れる。また、本構造は、燃料電池セルの上下面や燃料電池セル同士の間に採用できる。即ち、スタック化すると各燃料電池セルの応力負担が軽減されるので良好な導通を得られる。代表的には、突起の平均径が０．１μｍ〜１ｍｍであり、開口の平均径が１μｍ〜１ｍｍであることがよい。

また、上記導電性突起は、多孔質導電体の凹部の中に容易に入り込める構造であることが好ましく、例えば針状又は柱状とすることができる。具体的には、図３に示すように、針を金属板に突き刺す、表面を削っておろし金のようにする、ボンディング（バンプを使った接合）、エッチングなどにより形成できる。これより、導電性突起と多孔質導電体との接触効率が高くなり、接触抵抗がより改善され得る。
更に、導電性突起の根元部分よりも先端部を太くすることもできる。このときは、より多孔質導電体から外れにくい構造となるので有効である。
更にまた、導電性突起の先端を鍵状に湾曲させることもできる。このときは、柱状や針状の場合よりも先端部が多孔質導電体とよく接触し（多孔質導電体の凹部内に引っ掛かる）、接触抵抗を低減できる。例えば、図４に示すようなおろし金構造にすると突起の先端部が鍵状となる。
また、上記導電性突起は屈曲点を少なくとも１つ有する形状であることが好ましい。これより、多孔質導電体の開口内部での接触密度が向上し易く、また多孔質導電体により絡まり易い構造となる。
上述した導電性突起は、代表的には、金属ファイバーや金属フィラーなどの一部を燃料電池セルやセパレータに埋設して形成したり、導電性突起材を電極材料と同時焼成して形成したり、メッキ処理により形成できる。また、構成材料としては、例えばニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、チタン（Ｔｉ）、マンガン（Ｍｎ）、コバルト（Ｃｏ）、タングステン（Ｗ）、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）及びバナジウム（Ｖ）などの金属又はこれらを含む耐熱性合金、白金（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ）などの貴金属又はこれらを含む合金、上記耐熱性合金にこれら貴金属を被覆したものなど、高温酸化雰囲気において表面に酸化皮膜を形成しにくい材料、高温酸化雰囲気において導電性酸化皮膜を形成する材料などが挙げられる。

一方、上記多孔質導電体としては、例えば、金属細線から成るものを使用できる（図５の（１））。この場合は、燃料電池セル同士を相互に傷つけることなく電気的に接触できる。例えば、弾力性を有する金属細線を複雑に絡み合わせたもの、具体的には、太さ１００μｍ以下の金属細線で形成された、いわゆる金属フェルトなどの形態で使用できる。なお、多孔質導電体は多くの隙間を含み比重の軽いものが望ましい。
また、上記多孔質導電体としては、材質の異なる複数の金属細線を混紡したものを使用できる（図５の（２））。このときは、複数種の金属又は合金から成る金属細線を適宜組合せて混紡することにより、固溶したり収縮して多孔性が低下する（へたる）ことを防止できる。例えば、かかる金属細線の太さを１００μｍ以下とし、これを複雑に入り組ませ、複数の材料を均一に混紡して、気孔率２０〜９８％である多孔質導電体を形成できる。
更に、上記多孔質導電体としては、材質の異なる複数の金属細線を接合したものを使用できる（図５の（３））。このときは、複数種の金属又は合金から成る金属細線を適宜組合せ、互いを接合することにより、金属細線がバラけにくくなり、また、多孔質導電体が解けてやせるのを防止できる。
更にまた、上記多孔質導電体としては、連続空孔を有する発泡金属を使用できる。このときは、燃料電池セル同士を相互に傷つけることなく電気的に接触できる。例えば、図６に示すように、気孔率２０〜９８％のものを使用できる。

また、上記多孔質導電体、上記導電性突起のいずれか一方又は双方は、図７に示すように、耐熱性、耐酸化性を有する導電性材料、例えば上記導電体や突起を構成する材料を含む合金、当該材料とは異なる材料又は導電性セラミックス、及びこれらを任意に組み合わせたもので被覆されていることが好ましい。これより、空気極側の集電が（貴金属製のときなどに比べて）低コストになり得る。また、部分的に被覆することで効率良く接触抵抗を低減できる。例えば、空気極側には、ペロブスカイト型ランタン系酸化物材料又はそれらを含む複合材料を被覆できる。また、両電極には、白金（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ）などの貴金属又はこれらを含む合金を被覆できる。
代表的な被覆方法としては、無電解メッキによりＰｔなどの貴金属又はその化合物を被覆する方法、スパッタなどの真空成膜により貴金属やペロブスカイト型ランタン系酸化物層を設ける方法、電解メッキにより導電性金属を成膜する方法（例えばＳＵＳ金属上にＮｉ成膜など）が挙げられる。

更に、上記セパレータとしては、例えばフェライト系ステンレス、もしくはニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、チタン（Ｔｉ）、マンガン（Ｍｎ）、コバルト（Ｃｏ）、タングステン（Ｗ）、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）及びバナジウム（Ｖ）などの金属又はこれらを含む耐熱性合金、白金（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ）などの貴金属又はこれらを含む合金、上記耐熱性合金にこれら貴金属を被覆したものなど、高温酸化雰囲気において表面に酸化皮膜を形成しにくい材料、高温酸化雰囲気において導電性酸化皮膜を形成する材料などが挙げられる。

次に、本発明の固体酸化物形燃料電池スタックについて詳細に説明する。
本発明の固体酸化物型燃料電池スタックは、上述の燃料電池用集電構造を有する。この集電構造は、燃料電池セルを連結してスタック化する際に、各燃料電池セル間に採用される。なお、燃料電池セルは燃料極層及び空気極層で固体電解質層を挟持して成る。
このように、多孔質導電体と導電性突起を組み合わせた集電構造を採用することで、燃料電池セルの強度が小さくてもスタック化可能となる。また、固体電解質層を薄く設計でき、更には出力を向上しつつ、従来の燃料電池スタックよりも軽量化できる。更に、各燃料電池セルの両面（各電極層の表面）に、上述の集電構造を形成することで燃料電池セルを強く押さえつけることなく（弾性接触させずに）集電できる。言い換えれば、燃料電池セルに負担をかけずに良好な導通が得られるので、燃料電池セルに歪みが生じたときの接触不良を防止できる。また、導電性突起が多孔質導電体の凹部内に入り込むことで、多孔質集電体が面方向にズレない（中で踊ってしまわない）ようになり、また双方が接触していることで良好な電導性が保持される。この際、針状のように先細りの構造である突起を、針の断面直径より小さい平均開口径の多孔質集電体とを組合せ、突起の先端部のみ（全体ではなく）が多孔質集電体の開口部に入り込んで接触する形態でも良い。この形態の一例を図８に示す。
なお、上記「スタック」とは、ガス導入機構を有する発電要素をいい、例えば図９に示すような構成が挙げられる。また、上記「多孔質導電体」について、開口の大きさや凹部の形状は、ガス透過性及びガス拡散性を発揮できれば特に制限はなく、例えば、電気伝導性に優れる金属フェルトや発泡金属などで形成できる。

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が、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
図１０に、本例の燃料電池用集電構造を構成する燃料電池セル（ａ、ｂ）及びこれに配設する集電体（ｃ）を示す。なお、このセルは電解質層を支持基板とする電解質支持型である。
この燃料電池セル１は、電解質層３の両面を空気極層２と燃料極層４で挟持して成る。
電解質層３は、１２ｃｍ角程度の大きさで厚さ１００μｍの８ｍｏｌ％イットリアを添加した安定化ジルコニア（以下「８ＹＳＺ」という）から成る。また、電解質層３は、電極が形成され他の燃料電池セルとスタック化した際に当該セルを支えるとともにガスシール部やガス流路が形成されている支持部３ａを含む。
空気極層２と燃料極層４は１０ｃｍ角程度であり、厚さ１００μｍ程度の厚さに焼き付けられている。燃料極層４はＮｉＯ−ＹＳＺを主成分とし、空気極層２はＬＳＭを主成分として成る。また、両電極層の表面には導電性突起５として、耐熱性、耐酸化雰囲気及び耐還元雰囲気に優れるＰｔファイバーが５％程度、電極層の形成とともに焼き付けられている。このファイバー５は太さ５０μｍ程度、長さ２〜４ｍｍ前後の針状である。なお、望ましくは、複数の屈曲、カール、らせん状の形状を有し、更には先端と末端（根元）とで大きさや重量が異なる形状であり、電極層表面から突起状に張り出した構造をとり易いものがよい。
一方、かかる燃料電池セル１には、集電体として耐熱金属からなる数十μｍ太さの金属繊維を編みこんだ金属フェルト６が重ねられ、３次元的な接触が図られている。

ここで、図１１（ａ）に燃料電池セル１の作製フローを示す。
まず電解質材料として、８ＹＳＺのスラリーを用いドクターブレード法によりグリーンシートを作製し、所定の大きさに切り出すとともに、穴あけ加工を行い電解質層の仮成型体を作製した。また、燃料極材料として、ＮｉＯ−ＹＳＺのスラリーにＰｔファイバーを５％加え、撹拌した後スリップキャスト法により燃料極のグリーンシートを作製し、所定の大きさに切り出して燃料極シートを作製した。
次いで、電解質、燃料極のシートをそれぞれ重ね１４００℃程度の熱処理を行い焼結し、半燃料電池セルとした。
更に、空気極材料として、ＬＳＭのスラリーに再び５％のＰｔファイバーを加え、燃料極と同様に空気極シートを作製した。
最後に半燃料電池セルに空気極シートを貼り付け１０００℃程度で熱処理を行い燃料電池セルを完成させた。

図１２に、図１０で示した燃料電池セル及び集電体に配設するセパレータ（ａ）、並びにこれらを用いた集電構造を有する燃料電池スタック（ｂ、ｃ）を示す。
セパレータ（ａ）は耐熱金属から成る。厚さ４．５ｍｍで、一方の面上に深さ２ｍｍの空気流路、他方の面上に同様に２ｍｍ深さの燃料流路が形成され、外周部の燃料電池セル支持部３ａと重なる部分にはガス供給・排気の４つのマニホールド７、８が形成されている。このセパレータと燃料電池セルを集電体を介して交互に積層することにより燃料電池スタックが形成される。
また、図１２の（ｂ）、（ｃ）に示すように、空気極層側には空気、燃料極層側には空気が供給、排気される。また、各燃料電池セルは、この集電構造及びセパレータを介して直列に接続される。

なお、集電体として用いる金属フェルトは、金属繊維の絡み方が面方向は密であるが、厚さ方向では面方向に比較すると疎である。このため、電気抵抗は面方向では低いか、電流を流す厚さ方向では高くなってしまう。しかし、本例では金属ファイバーが厚さ方向に挿入されるため、金属フェルトの厚さ方向の抵抗が低減されている。
また、本例では電解質支持型セルを用いたが、これに限定されるものではなく、例えば、図１１（ｂ）に示すように電極支持型においても適用は可能である。この場合、燃料極基板上に電解質膜をスクリーン印刷法にて成膜、焼成した後、電解質支持型とともにスリップキャスト法にて作製したＰｔファイバー入り空気極シートを重ね合わせ焼成すればよい。更に、本例では電極材料にＰｔファイバーを混ぜ込んだ電極シートを電解質層に張り合わせて作製しているが、これに限定されるものではなく、例えば、図１３の（ｃ）、（ｄ）に示すように、電解質層にＰｔフィラーを分散後電極材スラリーを塗布する方法や、電極材を成膜後にＰｔファイバーを分散し、再度スラリーを塗布した後に焼成する方法などでも作製できる。

（実施例２）
図９に示す構造の燃料電池スタックを作製し、その出力の経時変化を測定した。
燃料電池セル１には１２ｃｍ角、厚み５０μｍの８モル％Ｙ_２Ｏ_３添加ＺｒＯ_２（８ＹＳＺ）電解質板に１０ｃｍ角でＮｉＯ−８ＹＳＺの燃料極１０μｍ、及びＬａ_０．８Ｓｒ_０．２ＭｎＯ_３の空気極１０μｍを公知の手法により印刷・焼成したものを用いた。また、両電極の表面には導電性突起５として、耐熱性、耐酸化雰囲気及び耐還元雰囲気に優れるＰｔファイバーが５％程度、電極層の形成と同時に焼き付けられている。
また、燃料極層側の集電体６としてニッケルの２０μｍの金属細線より成る金属フェルト、空気極層側の集電体として同形状のＳＵＳ３１６の表面をＰｔメッキでコーティングした金属細線より成る多孔質導電体を用いた。
更に、セパレータ９として表面を加工し長さ１０００μｍ、平均径１００μｍの突起を両面に形成したおろし金状ＳＵＳ基板を用い、図９のように積層し２０枚セル板を含むスタックとした。なお、図１４に、本例の集電構造の拡大図を示す。
燃料極層側に水素、空気極層側に空気を導入し、７００℃で発電させた出力の経時変化は、評価開始時には２００Ｗ、１０００時間経過後には１９３Ｗ、２０００時間経過後には１８８Ｗであった。このように、本例の集電構造を有する燃料電池スタックは、導電性突起と多孔質導電体が３次元的に接触しているため電気的導通に優れる。また、緻密化、変形に対するマージンが向上した燃料電池スタックとなる。更に、集電体の縦方向の電気抵抗もより改善されている。

（実施例３）
燃料電池セル上の導電性突起をメッキにて形成した以外は、実施例１と同様の手順を繰り返して、本例の集電構造を得た。図１５に集電構造の拡大図、図１６にその作製プロセスを示す。
図１６の（ａ）に示すように、まず、８ＹＳＺの電解質層のそれぞれの面に燃料極層、空気極層を焼付けした燃料電池セルを作製した。
次いで、燃料電池セルの両面にＰｔ等の電解メッキの起点となる導電性材料を１００ｎｍ程度成膜した後、両面にフィルムレジストを被覆し、フォトリソグラフィ技術により所定の位置にＰｔ層の露出した開口部を形成した（ｂ）。
更に、電解メッキを施し電極表面上にＰｔから成る導電性突起を形成した（ｃ）。
更にまた、レジストを薬液処理で除去した（ｄ）。

本例の集電構造は、実施例１の集電構造の効果に加え、燃料電池セル作製後の追加処理で導電性突起を形成でき、これまでと同様のセル作製プロセスを手を加えることなく利用できる。また、メッキ時間の調整により導電性突起の先端部を大きくでき、これより金属フェルトから外れにくい形状となり得る。

（実施例４）
燃料電池セルの電極層内に導電性突起として耐熱金属から成るフィラーを埋め込んだ以外は、実施例３と同様の手順を繰り返して、本例の集電構造を得た。図１７に集電構造の拡大図を示す。なお、上記導電性突起は、電解質層上に電極層を形成する際、電極材料に数百ｎｍ〜数十μｍの金属ファイバー材料（実施例１で使用したもの）と同様の材料から成るフィラーを混ぜ込み、焼成して得た。
本例の集電構造は、電極層内に金属フィラーが埋め込まれていることから、メッキにより形成された導電性突起の電極層への接着性が一層強化される。

（実施例５）
燃料電池セルにおいて各電極を多層構造とした以外は、実施例１と同様の手順を繰り返して、本例の集電構造を得た。図１８に集電構造の作製プロセスを示す。なお、各電極は、一旦電解質層上に電極層を焼き付け、形成した後に耐熱金属から成るフィラーを含む第２の電極層を形成して得た。

一般的に、電極層は燃料極１４００℃、空気極は１０００℃といった高温での焼成プロセスにより形成される。そのため導電性材料は当然この温度で導電性等を失わない程度の耐熱性が必要であった。
本例によれば、電極の焼付けと導電性突起の形成が別工程となるため、導電性突起の構成材料の耐熱性はＳＯＦＣの動作温度程度で十分となり、より多くの導電性材料が適用可能になる。また、第２の電極層は、導電性とガス透過性を有していれば触媒作用は特に必要なく、ＳＯＦＣ動作温度程度の耐熱性を有する金属のペーストやＺｎ、Ｓｎ等の酸化物を用いた導電性材料のペーストなどからも作製できる。

（比較例）
燃料電池セルには１２ｃｍ角、厚み５０μｍの８モル％Ｙ_２Ｏ_３添加ＺｒＯ_２（８ＹＳＺ）電解質板に１０ｃｍ角でＮｉＯ−８ＹＳＺの燃料極１０μｍ、及びＬａ_０．８Ｓｒ_０．２ＭｎＯ_３の空気極１０μｍを公知の手法により印刷・焼成したものを用いた。燃料極層側の集電体としてニッケルの２０μｍの金属細線より成る多孔質導電体、空気極層側の集電体として形状の同じＳＵＳ３１６の表面をＰｔメッキでコーティングした金属細線より成る多孔質導電体を用いた。燃料極層側の集電体と空気極層側の集電体の間にはセパレータ及び集電材としてＳＵＳ３１６板を用い、これらを積層し２０枚のセル板を含むスタックとした。
燃料極層側に水素、空気極層側に空気を導入し、７００℃で発電させた出力の経時変化は、評価開始時には１９８Ｗ、１０００時間経過後には１５７Ｗ、２０００時間経過後には１２３Ｗであった。

１ 燃料電池セル
２ 空気極層
３ 電解質層
４ 燃料極層
５ 導電性突起（Ｐｔファイバー）
６ 集電体（金属フェルト）
７ 空気排気マニホールド
８ 燃料ガス供給マニホールド
９ セパレータ
１０ セパレータ突起部
１１ 金属ファイバー材料

Claims (11)

1. 平板型の固体電解質を燃料極及び空気極で挟持して成る燃料電池セルに、集電体及びセパレータを積層した固体酸化物形燃料電池の集電構造であって、
   上記集電体は表面に複数の開口を有する多孔質導電体であり、
   上記燃料電池セル及び／又は上記セパレータは表面に複数の導電性の突起を有し、
   上記導電性突起が、メッキにて形成され、
   当該開口と当該突起が対向し係着していることを特徴とする燃料電池用集電構造。
2. 上記導電性突起の短径の平均径が、上記開口の平均径より小さいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用集電構造。
3. 上記導電性突起が針状又は柱状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池用集電構造。
4. 上記導電性突起の根元部分よりも先端部が太いことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池用集電構造。
5. 上記導電性突起が、導電性突起材及び電極材料を同時焼成して形成されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の燃料電池用集電構造。
6. 上記多孔質導電体が金属細線から成ることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の燃料電池用集電構造。
7. 上記金属細線は材質の異なる複数種類の金属細線を混紡して成ることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池用集電構造。
8. 上記金属細線は材質の異なる複数種類の金属細線を接合して成ることを特徴とする請求項６又は７に記載の燃料電池用集電構造。
9. 上記多孔質導電体が発泡金属であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の燃料電池用集電構造。
10. 上記多孔質導電体及び／又は上記導電性突起が、当該導電体又は当該突起を構成する材料を含む合金、当該導電体又は当該突起を構成する材料とは異なる材料、及び導電性セラミックスから成る群より選ばれた少なくとも１種のもの、で被覆されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つの項に記載の燃料電池用集電構造。
11. 請求項１〜１０のいずれか１つの項に記載の燃料電池用集電構造を有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池スタック。

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