JP2012079488A - 固体酸化物型燃料電池セル集合体 - Google Patents

Abstract

【課題】固体酸化物型燃料電池セル間に配置され、集電体の表層に銀が配置され、配置されている銀に沿って電流が流れるように構成される集電体であり、集電体の表層が固体酸化物型燃料電池セルに挟まれず空気又は酸化剤ガスにさらされている集電体を備えた固体酸化物型燃料電池集合体における集電体の銀の剥がれを生ずる。
【解決手段】本発明における集電体は、基材と、前記基材に配置される銀の層と、前記基材と前記銀の層との間に配置される金の層を備えることにより、銀の層の剥がれを防止できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体酸化物型燃料電池セル集合体に関する。

固体酸化物型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：以下「ＳＯＦＣ」とも言う）は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガスを供給し、他方の側に空気を供給して、比較的高温で発電反応を生じさせて発電を行う燃料電池である。

この種の燃料電池では、単一の燃料電池セル（単セル）では、得られる電力が少ないので、特許文献１に示すように、複数の燃料電池セルを平行に並べて、集電体により電気的に直列に接続して必要な電力を得るようにしている。

特許文献１には、円筒状に形成された固体電解質の内周面に空気電極（＋極）が、また外周面には燃料電極（−極）が形成され、内周側の空気電極が端部において固体電解質から筒状に延出されている燃料電池セル（単セル）が開示されている。この特許文献１の燃料電池では、複数の燃料電池セル（単セル）をハウジング内に平行に並べ、ハウジング内部に供給する燃料ガスが外部に漏れないように、ハウジングの開放された部分をガスで気密にシールしている。各単セルの外周面には集電体が取り付けられ、この集電体の端部が、一方の空気電極側でガラスから気密に延出して、接続用集電部材を介して隣接する単セルの空気電極に接続されている。特許文献１の燃料電池では、このようにして複数の単セルを直列に接続してスタック化して固体電解質型燃料電池を構成している。

このような構造の集電体に、導電性を向上させるために銀メッキを施すことがある。この場合、銀メッキに沿って、すなわち銀メッキの膜厚断面方向に対して電流が流れる。

特許文献２には、燃料電池セル（単セル）と集電体を積層させることによって、複数の単セルを接続してスタック化し固体電解質型燃料電池を構成する際に用いる集電体が開示されている。耐熱合金材料からなる集電体の表面に、Ｃｒ_２Ｏ_３−ｘからなる組成のクロム酸化物層を介して銀メッキ層が形成されている集電体を用いることにより、燃料電池の運転温度における耐熱性と導電性を実現することができる。
なおここで、耐熱合金材料の表面にNiメッキ層を形成し、このNiメッキ層の上に銀メッキ層を形成することにより、銀メッキ層と耐熱合金材料の密着性を向上させる効果も得ることができることは知られている。

特開平９−２７４９２７号公報 特開２００６−１０７９３６号公報

本発明者らが実験を行った。具体的には固体酸化物型燃料電池セル間に配置され、集電体の表層に銀が配置され、配置されている銀に沿って電流が流れるように構成される集電体を用いて、集電体の基材と銀の間に従来から知られるNiを配置させ発電運転を行った。そうしたところ表層の銀が剥離される事象が起こることを初めて発見した。
これはこれまでNiで銀の剥離問題が解消されていたのに対して、新たな課題を生じたために起こった不具合である。
鋭意研究したところ、次のような課題があることを初めて見出した。
1つ目は集電体の中での電流の流れ方に起因する。すなわち、表層の銀に沿って電流が流れるため、表層のみにある銀だけでは電流の通路断面積が小さく電気抵抗が大きいため、発熱量が大幅にアップし大幅に体積膨張の変化率がアップしたたことによると思われる。
さらに2つ目は、集電体の銀の部分が特許文献２にあるように燃料電池セルと接していないため固体酸化物型燃料電池の運転中に直接高温の空気にさらされる面積が大きく、基材と銀の間に配置されるNiが酸化したためだと思われる。酸化すると体積膨張が起こり、より銀がはがれやすい状態となったと思われる。
そこで今回、固体酸化物型燃料電池セル間に配置され、集電体の表層に銀が配置され、配置されている銀に沿って電流が流れるように構成される集電体であり、集電体の表層が固体酸化物型燃料電池セルに挟まれず空気又は酸化剤ガスにさらされている集電体を備えた固体酸化物型燃料電池集合体における集電体の銀の剥がれを防止することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、複数の固体酸化物型燃料電池セルと、
前記複数の固体酸化物型燃料電池セルを電気的に接続する集電体と、を有し、
前記集電体は表層に銀の層が配置されるとともに、
前記銀の層に沿って電流が流れるように構成され、
さらに前記銀の層に前記固体酸化物型燃料電池セルの発電のために用いられる空気または酸化剤ガスが触れるように構成される集電体である固体酸化物型燃料電池セル集合体において、
前記固体酸化物型燃料電池セル集合体の運転温度が６００度から８００度の際に、
前記集電体の基材と、
前記銀の層と、
の間に
Niよりも酸化しにくい金属を有する酸化抑制層を備えることを特徴と特徴としている。
このように構成された本発明においては、基材に設けられた銀メッキ層が剥がれることがなく、燃料電池セルの信頼性を向上させることができる。

本発明によれば、固体酸化物型燃料電池セル間に配置され、集電体の表層に銀が配置され、配置されている銀に沿って電流が流れるように構成される集電体であり、集電体の表層が固体酸化物型燃料電池セルに挟まれず空気又は酸化剤ガスにさらされている集電体を備えた固体酸化物型燃料電池集合体における集電体の銀の剥がれを防止することにより、燃料電池セルの信頼性を向上させることができる。

本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池セル集合体を示す斜視図である。 本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池セル集合体を示す部分断面図である。

次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池セル集合体を説明する。図１は、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池セル集合体を示す斜視図である。

図１に示すように、固体酸化物型燃料電池セル集合体１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６を備え、これらの燃料電池セルユニット１６の下端側及び上端側が、それぞれ、セラミック製の下支持板６８及び上支持板１００により支持されている。これらの下支持板６８及び上支持板１００には、内側電極端子８６が貫通可能な貫通穴６８a及び１００ａがそれぞれ形成されている。

燃料電池セルユニット１６には、集電体１０２及び外部端子９９が取り付けられている。この集電体１０２は、燃料電池セルユニット１６の両端部にある内側電極端子８６と外側電極層９２を電気的に接続するためのものである。
集電体の組成は後で詳述するが、基材上に酸化抑制層である金の層を介して銀の層が表層に位置している。
銀の層は固体酸化物型燃料電池セルと接していない部分を有し、従来あったようにセルどうしで挟まれる形ではなく、セルを把持する部分を有し、セルの発電のために用いられる空気または酸化剤ガスにさらされる部分を有している。

次に図２により燃料電池セルユニット１６について説明する。図２は、本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
図２に示すように、燃料電池セルユニット１６は、燃料電池セル８４と、この燃料電池セル８４の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子８６とを備えている。
燃料電池セル８４は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路８８を形成する円筒形の第２の電極である内側電極層９０と、円筒形の第１の電極である外側電極層９２と、第２の電極である内側電極層９０と第１の電極である外側電極層９２との間にある電解層９４とを備えている。この内側電極層９０は、燃料ガスが通過する燃料極であり、（−）極となり、一方、外側電極層９２は、空気と接触する空気極であり、（＋）極となっている。

燃料電池セル１６の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子８６は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子８６について具体的に説明する。内側電極層９０の上部９０ａは、電解層９４と外側電極層９２に対して露出された外周面９０ｂと上端面９０ｃとを備えている。内側電極端子８６は、導電性のシール材９６を介して内側電極層９０の外周面９０ｂと接続され、さらに、内側電極層９０の上端面９０ｃとは直接接触することにより、内側電極層９０と電気的に接続されている。また、内側電極端子８６は、突出した筒状部分８６ａと平坦面８６ｂを備え、筒状部分８６ａの内部には、内側電極層９０の燃料ガス流路８８と連通する燃料ガス流路９８が形成されている。

内側電極層９０は、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。

電解層９４は、例えば、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレートを用いることができる。

外側電極層９２は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。

電解層９４に、例えばＳｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレートを用いることにより、固体電解質型燃料電池を８００℃以下で作動させることができる。その結果、銀の揮発を抑制することが可能となり、電子導電性の高い銀を集電体に用いることができる。

次に、本発明を実施例を基に詳細に説明するが、本発明が以下の実施例に限定されないことはもちろんである。

（実施例：集電体の作製）
厚さ０．３ｍｍの耐熱合金製の基材に０．５μｍの金メッキ層を形成し、その金メッキ層の上に２５μｍの銀メッキ層を形成し、集電体を作製し固体酸化物型燃料電池と組み合わせ固体酸化物型燃料電池セル集合体を作成した。なお、ここで金は６００度から８００度において、酸素ガス１モルあたりの酸化物の標準生成ギブズエネルギーがNiよりも大きく、Niに比べ酸化しにくい金属である。

耐熱合金の組成は以下の通りである。Ｃｒ＝１８．３（重量％、以下同じ）、Ａｌ＝３．１、Ｓｉ＝０．３、Ｍｎ＝０．２、Ｎｉ＝０．１、Ｔｉ＝０．１、Ｆｅ＝バランスからなる合金。

（比較例：集電体の作製）
厚さ０．３ｍｍの耐熱合金製の基材に０．５μｍのニッケルメッキ層を形成し、そのニッケルメッキ層の上に２５μｍの銀メッキ層を形成し、集電体を作製し、実施例同様に固体酸化物型燃料電池セル集合体を作成した。耐熱合金の組成は以下の通りである。Ｃｒ＝１８．３（重量％、以下同じ）、Ａｌ＝３．１、Ｓｉ＝０．３、Ｍｎ＝０．２、Ｎｉ＝０．１、Ｔｉ＝０．１、Ｆｅ＝バランスからなる合金。

（密着性評価１）
以上のようにして作製した実施例及び、比較例の固体酸化物型燃料電池セル集合体の各集電体を大気雰囲気、８５０℃で１時間熱処理した。加速試験のため熱処理後、各集電体を９０度に折り曲げて、銀メッキの剥がれを確認した。実施例は剥がれが認められなかった。比較例では銀メッキの剥がれが見られた。

（密着性評価２）
以上のようにして作製した実施例の固体酸化物型燃料電池セル集合体を、７００℃、電流７Aの条件で８８００時間発電試験を行った。発電試験中は、燃料電池セルの外側には空気を、内側には水素と窒素の混合ガスを流したため、集電体は空気にさらされていた。発電試験後の集電体を目視で確認したところ、銀メッキの剥がれは認められなかった。

１４ 固体酸化物型燃料電池セル集合体
１６ 燃料電池セルユニット
６８ 上支持板
６８ａ 上支持板貫通穴
８４ 燃料電池セル
８６ 内側電極端子
８６ａ 内側電極端子の筒状部分
８６ｂ 内側電極端子の平坦面
８８ 内側電極層の燃料ガス流路
９０ 内側電極層
９０ａ 内側電極層の上部
９０ｂ 外周面
９２ 外側電極層
９４ 電解層
９６ 導電性のシール材
９８ 燃料ガス流路
９９ 外部端子
１００ 下支持板
１００ａ 下支持板貫通穴
１０２ 集電体

Claims (2)

1. 複数の固体酸化物型燃料電池セルと、
   前記複数の固体酸化物型燃料電池セルを電気的に接続する集電体と、を有し、
   前記集電体は表層に銀の層が配置されるとともに、
   前記銀の層に沿って電流が流れるように構成され、
   さらに前記銀の層に前記固体酸化物型燃料電池セルの発電のために用いられる空気または酸化剤ガスが触れるように構成される集電体である固体酸化物型燃料電池セル集合体において、
   前記固体酸化物型燃料電池セル集合体の運転温度が６００度から８００度の際に、
   前記集電体の基材と、
   前記銀の層と、
   の間に
   Niよりも酸化しにくい金属を有する酸化抑制層を備えることを特徴とする固体酸化物型燃料電池セル集合体。
   
2. 前記金属が金であることを特徴とする請求項1記載の固体酸化物型燃料電池セル集合体。

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