JP2012119333A

JP2012119333A - 燃料電池の集電構造

Info

Publication number: JP2012119333A
Application number: JP2012025810A
Authority: JP
Inventors: Kenji Shimazu; 健児島津; Masahiko Azuma; 昌彦東; Tatsu Miyaji; 達宮地
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2012-02-09
Filing date: 2012-02-09
Publication date: 2012-06-21
Anticipated expiration: 2026-04-28
Also published as: JP5016145B2

Abstract

【課題】従来よりもＣｒの拡散を抑制することが可能な燃料電池の集電構造を提供する。
【解決手段】Ｃｒを含有する集電部材２０を介装して複数の燃料電池セルから集電する燃料電池の集電構造であって、集電部材２０のエッジ部分が丸められている構成を有し
ている。また、燃料電池セル側の集電部材２０の表面が導電性を有するＣｒ拡散防止層で被覆され、集電部材２０のエッジ部分等のその他の集電部材の表面が、Ａｌ_２Ｏ_３等の絶縁性を有するＣｒ拡散防止層で被覆されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｃｒを含有する集電部材を用いて集電する燃料電池の集電構造に関する。

次世代エネルギーとして、近年、例えば、燃料電池セルのスタックを収納容器内に収容した燃料電池が種々提案されている。固体電解質形燃料電池は、複数の燃料電池セルを電気的に接続したセルスタックを収納容器内に収容して構成され、燃料電池セルの燃料極側に燃料ガス（水素）を流し、空気極（酸素極ともいう。）側に空気（酸素）を流して５５０〜９００℃の高温で発電する。燃料電池セル間を電気的に接続するためには、従来からフェルト状や板状の集電部材が用いられている。

このような集電部材としては、導電率の高い合金が採用され、さらに高温下で使用されることから、耐熱合金が望ましく採用され、このような導電率の高い耐熱合金として、Ｃｒを１０〜３０質量％含有する合金が一般的に用いられる。しかしながら、Ｃｒを含有する合金からなる集電部材を燃料電池セル間に介装し、複数の燃料電池セルを電気的に接続した場合、燃料電池を長期間発電させると、集電部材中のＣｒが集電部材の外部に拡散してしまい、拡散したＣｒは空気極と固体電解質との界面に達し、活性を劣化させてしまう。この現象は、いわゆるＣｒ被毒といわれ、燃料電池セルの発電能力の低下を招くこととなる。

このようなＣｒ被毒を防止するため、従来、Ｃｒを含有する合金の表面をＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉで被覆することが行われている（特許文献１参照）。

特開平１１−３３４７８６号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載されているようにＣｒ含有合金の表面をＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉで被覆した場合、Ｃｒ含有合金中のＣｒが外部に拡散することをある程度抑制することができるものの、未だＣｒの拡散量が多いという問題があった。特に、集電部材のエッジ部周辺では露出面積が広いため、異常酸化によるＣｒの拡散（蒸発）が進み易く、これによって集電部材の劣化及びＣｒ被毒が生じやすいという問題があった。

以上の現状に鑑み、本発明の目的は、従来よりもＣｒの拡散を抑制することが可能な燃料電池の集電構造を提供する。

上記の課題を解決すべく、本発明は以下の構成を提供する。
請求項１に係る発明は、Ｃｒを含有する集電部材を介装して複数の燃料電池セルから集電する燃料電池の集電構造であって、前記集電部材のエッジ部分が絶縁性を有するＣｒ拡散防止層で覆われていることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１記載の燃料電池の集電構造において、前記燃料電池セル側の集電部材の表面が導電性を有するＣｒ拡散防止層で被覆され、前記エッジ部分を含むその他の集電部材の表面が、絶縁性を有するＣｒ拡散防止層で被覆されていることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１記載の燃料電池の集電構造において、前記燃料電池セルの電極と前記集電部材とが間に導電性接合材を介して電気的に接合され、前記導電性接合材に接合される部分の集電部材表面が、導電性を有するＣｒ拡散防止層で被覆され、前記エッジ部分を含む前記導電性接合材に接合されない部分の集電部材表面が、絶縁性を有するＣｒ拡散防止層で被覆されていることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１乃至３のうちいずれかに記載の燃料電池の集電構造において、前記絶縁性を有するＣｒ拡散防止層がＡｌ_２Ｏ_３からなることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項２又は３記載の燃料電池の集電構造において、前記導電性を有するＣｒ拡散防止層がＦｅを含有するＺｎＯからなることを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、集電部材のエッジ部分が絶縁性を有するＣｒ拡散防止層で覆われているため、エッジ部分で顕著な異常酸化を抑制することができ、Ｃｒの拡散を抑制可能な燃料電池の集電構造を実現することができる。即ち、導電性を有するＣｒ拡散防止層としては、従来、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、ＮｉからなるＣｒ拡散防止層が知られていたが、このような従来のＣｒ拡散防止層では、上記したように、Ｃｒ拡散を十分に抑制できないが、絶縁性の、例えば、アルミナはＣｒの異常酸化を抑制し、Ｃｒ拡散を十分に抑制できることから、エッジ部分からのＣｒの拡散を有効に抑制できる。

請求項２に係る発明によれば、燃料電池セル側の集電部材の表面が導電性を有するＣｒ拡散防止層で被覆され、エッジ部分を含むその他の集電部材の表面が、絶縁性を有するＣｒ拡散防止層で被覆されているため、燃料電池セルと集電部材とが導電性のＣｒ拡散防止層を介して電気的に接続されるとともに、その部分においてもＣｒの拡散を有効に抑制でき、さらに、燃料電池セルと集電部材とが電気的に接続される部分以外は、集電部材の表面が、絶縁性を有するＣｒ拡散防止層で覆われ、Ｃｒの拡散を有効に抑制できる。

請求項３に係る発明によれば、燃料電池セルが、導電性接合材、導電性を有するＣｒ拡散防止層を介して集電部材と電気的に接続されるとともに、その部分においてもＣｒの拡散を有効に抑制でき、さらに、エッジ部分を含む導電性接合材に接合されない部分の集電部材表面には、絶縁性を有するＣｒ拡散防止層が形成されているため、Ｃｒの拡散を有効に抑制できる。

請求項４に係る発明によれば、絶縁性を有するＣｒ拡散防止層がＡｌ_２Ｏ_３からなるため、Ｃｒが酸化して外部に拡散することを抑制することが可能な燃料電池の集電構造を実現することができる。

請求項５に係る発明によれば、導電性を有するＣｒ拡散防止層がＦｅを含有するＺｎＯからなるため、高温で高い導電性を有するとともに、Ｃｒの拡散を有効に防止することが可能な燃料電池の集電構造を実現することができる。

本発明による燃料電池用集電部材の一実施例を示す斜視図である。図１に示す燃料電池用集電部材２０のエッジ部分の状態を示す説明図である。エッジ部分での異常酸化を防止する他の構成例についての説明図である。燃料電池セル間に燃料電池用集電部材を介装し、燃料電池セル同士を電気的に接続した状態を示す平面図である。導電性と絶縁性のＣｒ拡散防止層を形成した集電部材を用いて、燃料電池セル同士を電気的に接続した状態を示す断面図である。本発明による燃料電池セルの斜視図である。燃料電池セルを集電部材により電気的に接続してなるセルスタックの断面図である。

以下、実施例を示した図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明による燃料電池用集電部材の一実施例を示し、図２は図１に示す燃料電池用集電部材２０のエッジ部分の状態を示している。図１（ａ）は燃料電池用集電部材２０の平面図であり、図１（ｂ）は側面図である。図２（ａ）は図１（ａ）に示すＡ−Ａ’線断面図であり、図２（ｂ）は図１（ｂ）に示す破線で囲まれた部分の拡大図である。

燃料電池用集電部材２０は、Ｃｒを含有する耐熱性合金からなり、図１に示すように、左右の平板２０１間に渡された複数のストライプ状の橋２０２を、交互に反対側に折り曲げてなる構成を有する。燃料電池用集電部材２０は、図２に示すように、エッジ部分が例えば強酸系のエッチング液を用いたエッチング等が施され、丸められている。他の方法により面取りされて丸められても良い。図２（ａ）は、橋２０２の４隅のエッジ部分２０２ｅが丸められ、図２（ｂ）は、平板２０１の外側のエッジ部分２０１ｅが丸められている様子を示す。さらに、平板２０１の内側の角等、その他のエッジ部分がさらに丸められていることが望ましい。このように構成することによって、エッジ部分で発生しやすい異常酸化を抑えることができ、Ｃｒの外部への拡散を抑制することができる。

図３は、エッジ部分での異常酸化を防止する集電部材２０ａの他の構成例についての説明図である。図３（ａ）は、絶縁性を有するＣｒ拡散防止層２０３が橋２０２及び平板２０１の全てのエッジ部分を覆う構成の一例を示す図であり、絶縁性のＣｒ拡散防止層２０３で覆われた部分を太線で記載した。このように構成することによって、エッジ部分で発生しやすい異常酸化及びそれによるＣｒの外部への拡散をさらに抑制することができる。尚、図３（ａ）は、エッジ部が絶縁性を有するＣｒ拡散防止層２０３で被覆された状態を示す橋２０２の断面図である。

また、燃料電池用集電部材２０ｂのエッジ部分のみならず、エッジ部分以外の所定の領域をさらに絶縁性を有するＣｒ拡散防止層で覆うのでもよい。図３（ｂ）は、燃料電池用集電部材２０ｂの平板２０１の部分及び橋２０２の一部を、絶縁性を有するＣｒ拡散防止層２０４で覆った構成の一例を示す説明図である。図３（ｂ）において、黒く塗りつぶした部分が絶縁性を有するＣｒ拡散防止層２０４で覆われた部分であり、Ｃｒの外部への拡散をさらに防止しようとする部分である。このように構成することによって、エッジ部分以外の広い面積を有する部分からのＣｒの外部への拡散をも効果的に抑制することができる。
図３（ｂ）に示す燃料電池用集電部材２０ｂは、図４に示すように、燃料電池セル１間に配置され、導電性接合材２５により接合されるが、絶縁性を有するＣｒ拡散防止層２０４が形成された平板２０１以外の橋２０２の部分が、導電性接合材２５により両隣の燃料電池セル１に電気的に接続されるため、絶縁性のＣｒ拡散防止層２０４が形成されているとしても、燃料電池用集電部材２０による集電が妨げられることがない。尚、図４においては、燃料電池セル１を簡略化して示した。
絶縁性のＣｒ拡散防止層２０３、２０４が形成されている部分以外は、導電性のＣｒ拡散防止層を形成することが望ましい。言い換えれば、燃料電池セル１と電気的に接続する必要がある部分は、導電性のＣｒ拡散防止層が形成され、それ以外の部分には、絶縁性のＣｒ拡散防止層が形成されていることが望ましい。これは、絶縁性のＣｒ拡散防止層については、Ｃｒの拡散をほぼ確実に防止できるものの、従来の導電性のＣｒ拡散防止層については、Ｃｒの拡散を有効に防止でき
なかったため、導電性が要求される必要最小限の不可欠な部分にのみ、導電性のＣｒ拡散防止層を用いたものである。特に、エッジ部（角部）では、Ｃｒの拡散が進行し易いため、このエッジ部には、絶縁性のＣｒ拡散防止層を形成し、十分にＣｒの拡散を防止することができる。また、上記したように、エッジ部では異常酸化が生じやすいため、この部分の絶縁性のＣｒ拡散防止層は、平坦な部分に形成されたＣｒ拡散防止層よりも厚く形成することが望ましい。
図５は、このような導電性と絶縁性のＣｒ拡散防止層を形成した燃料電池用集電部材２０の燃料電池セル１への接合構造を示すもので、集電部材２０ｃの橋２０２は、燃料電池セル１に導電性接合材２５により接合されている。集電部材２０ｃの橋２０２には、燃料電池セル１側に導電性のＣｒ拡散防止層２０６が形成され、その他の橋２０２の表面には、絶縁性のＣｒ拡散防止層２０５が形成されており、導電性のＣｒ拡散防止層２０６側が導電性接合材２５中に埋設され、電気的に接合されている。
導電性接合材２５は、例えば、導電性の多孔質セラミック材料を用いることができ、特に空気極材料を用いることができる。導電性のＣｒ拡散防止層は、ＺｎとＦｅを含有するペーストを塗布して一定温度で熱処理することにより、形成することができる（特願２００６−１０１４２１号参照）。
Ｃｒ拡散防止層については、特願２００６−１０１４２１号に詳述されるが、例えば、燃料電池用集電部材２０をＺｎＯとＦｅ_２Ｏ_３を含有するペースト中に浸漬し、熱処理することにより、Ｚｎ−Ｍｎ系スピネルからなる実質的にＣｒの拡散を防止する層と、その表面に形成されたＺｎＯ中にＦｅを含有する導電性の層からなるＣｒ拡散防止層を形成することができる。

ここで、上記の絶縁性を有するＣｒ拡散防止層としては、内部でのＣｒの酸化防止に寄与し、耐熱性を有する材料、例えばＡｌ_２Ｏ_３等のセラミックを用いることが望ましい。これによって、Ｃｒの異常酸化をさらに効果的に抑えることが可能となる。さらに、上記のセラミックとしては、被覆対象の集電部材よりも弾性率の高いものが好ましい。セラミックの弾性率が被覆対象の集電部材の弾性率よりも高いため、高温で集電部材の弾性率が低下し、集電部材が変形してしまうことを抑制することができる。尚、Ｃｒ拡散防止層、導電性接合材を形成する材料については、上記形態に限定されるものではない。

上記の絶縁性を有するＣｒ拡散防止層の被覆は、例えばスパッタ法、電子ビーム蒸着法等の成膜方法を用いて行うことができる。成膜に用いるマスクとしては、例えばポリイミド樹脂等の機械的強度が優れた材料からなるものを用い、絶縁性を有するＣｒ拡散防止層の膜厚としては、例えば１μｍ程度以下とし、動作温度下での熱膨張率の差による歪を緩和する。
例えば、図５に示す燃料電池用集電部材２０ｃは、ＺｎとＦｅを含有するペーストを塗布して一定温度で熱処理し、導電性のＣｒ拡散防止層２０６を形成し、この後、導電性のＣｒ拡散防止層２０６上に上記マスクをして、導電性のＣｒ拡散防止層２０６が形成された部分以外の集電部材２０ｃに、Ａｌ_２Ｏ_３をスパッタ法等で形成し、絶縁性を有するＣｒ拡散防止層を形成することができる。
尚、エッジ部が丸められ、その部分に絶縁性のＣｒ拡散防止層を形成することにより、さらにＣｒの拡散を防止できる。

図６は本発明による燃料電池セルの斜視図であり、図７は燃料電池セルを集電部材により電気的に接続してなるセルスタックの断面図である。本発明によるセルスタックは、図７に示すように、燃料電池用集電部材２０が、図６に示す燃料電池セル１間に配置されて複数の燃料電池セル１を電気的に接続する構成を有する。

燃料電池セル１は、図６に示すように、平板状の支持基板１０と、平板状の支持基板１０の周囲に設けられた燃料極層２、固体電解質層３、空気極層４、インターコネクタ５、及び空気極材料層１４とを備え、支持基板１０は、さらに内部に、燃料電池セル１の積層方向に交わる方向（セル長さ方向）に伸びた複数の燃料ガス通路１６を有するように構成される。

支持基板１０は、例えば、多孔質かつ導電性の材料からなり、図６に
示すように横断面が平坦部と平坦部の両端の弧状部とからなっている。平坦部の対向する面の一方とその両端の弧状部を覆うように多孔質の燃料極層２が設けられており、この燃料極層２を覆うように、緻密質な固体電解質層３が積層されており、さらに、この固体電解質層３の上には、燃料極層２に対向するように、多孔質の導電性セラミックからなる空気極層４が積層されている。また、支持基板１０の電極層２、４が設けられた支持基板１０の面に対向する面には、緻密なインターコネクタ５が形成されている。このインターコネクタ５の表面には、空気極材料からなる空気極材料層１４が形成されている。ここで、空気極材料は、例えばペロブスカイト構造のＬａ（Ｆｅ，Ｍｎ）Ｏ_３、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３等の酸化物からなる。ただし、この空気極材料層１４については、必ずしも形成する必要はない。図６に示すように、燃料極層２及び固体電解質層３は、インターコネクタ５の両サイドまで延び、支持基板１０の表面が外部に露出しないように構成されている。

このような構造の燃料電池セル１は、燃料極層２の空気極層４と対面している部分が燃料極として作動して発電する。即ち、空気極層４の外側に空気等の酸素含有ガスを流し、且つ支持基板１０内のガス通路１６に燃料ガス（水素）を流し、所定の作動温度まで加熱することにより、空気極層４で下記の式（１）の電極反応が生じ、また燃料極層２の燃料極となる部分では例えば下記の式（２）の電極反応が生じることによって発電する。
空気極：１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻ → Ｏ^２− （固体電解質）（１）
燃料極：Ｏ^２− （固体電解質）＋Ｈ_２→ Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ （２）
かかる電極反応によって発生した電流は、支持基板１０に取り付けられているインターコネクタ５を介して集電される。

このような複数の燃料電池セルの間には、図７に示すように、本発明による燃料電池用集電部材２０が介装されて電気的に接続され、これによりセルスタックが構成されている。即ち、燃料電池用集電部材２０が、一方の燃料電池セル１の空気極層４に多孔質の導電性セラミックからなる導電性接合材２５により接合されると共に、隣設する他方の燃料電池セル１の空気極材料層１４に導電性接合材２５により接合され、これにより、複数の燃料電池セル１が電気的に直列に接続され、セルスタックが構成されている。導電性接合材２５としては、例えば、ペロブスカイト構造のＬａ（Ｆｅ，Ｍｎ）Ｏ_３、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３等から形成することができる。このように構成することによって、燃料電池用集電部材２０と燃料電池セル１との電気的接触を高くすることができる。尚、燃料電池セル１を燃料電池用集電部材２０により電気的に接続した形態について説明したが、燃料電池用集電部材２０ａ、２０ｂ、２０ｃにより電気的に接続する場合も同様である。

このようなセルスタックは、図示しないが燃料ガスが供給されるマニホールドに配置され、マニホールド内に供給された燃料ガスが燃料電池セル１のガス通路１６内を通過していくことになる。

燃料電池は、上記のセルスタックを収納容器内に収容し、この収納容器に、都市ガス等の燃料ガスを供給する燃料ガス導入管及び空気を供給するための空気導入管を配設することにより構成される。

１燃料電池セル
２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ集電部材
２５導電性接合材
２０１平板
２０１ｅ、２０２ｅエッジ部分
２０２橋
２０３、２０４、２０５絶縁性を有するＣｒ拡散防止層
２０６導電性を有するＣｒ拡散防止層

Claims

Ｃｒを含有する集電部材を介装して複数の燃料電池セルから集電する燃料電池の集電構造であって、前記集電部材のエッジ部分が絶縁性を有するＣｒ拡散防止層で覆われていることを特徴とする燃料電池の集電構造。
前記燃料電池セル側の集電部材の表面が導電性を有するＣｒ拡散防止層で被覆され、前記エッジ部分を含むその他の集電部材の表面が、絶縁性を有するＣｒ拡散防止層で被覆されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池の集電構造。
前記燃料電池セルの電極と前記集電部材とが間に導電性接合材を介して電気的に接合され、前記導電性接合材に接合される部分の集電部材表面が、導電性を有するＣｒ拡散防止層で被覆され、前記エッジ部分を含む前記導電性接合材に接合されない部分の集電部材表面が、絶縁性を有するＣｒ拡散防止層で被覆されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池の集電構造。
前記絶縁性を有するＣｒ拡散防止層がＡｌ_２Ｏ_３からなることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の燃料電池の集電構造。
前記導電性を有するＣｒ拡散防止層がＦｅを含有するＺｎＯからなることを特徴とする請求項２又は３記載の燃料電池の集電構造。