JP2013004516A

JP2013004516A - 燃料電池用集電体及びこれを用いた燃料電池

Info

Publication number: JP2013004516A
Application number: JP2012028304A
Authority: JP
Inventors: Sang-Gong Kim; サン−ドンキム; Do-Won Seo; ド−ウォンソ; In-Sab Han; イン−サブハン; Se Young Kim; セ−ヨンキム; Ji-Hang Yoo; ジ−ハングユ; Sang-Guk Woo; サン−グクウー
Original assignee: Korea Institute of Energy Research KIER
Current assignee: Korea Institute of Energy Research KIER
Priority date: 2011-06-10
Filing date: 2012-02-13
Publication date: 2013-01-07
Anticipated expiration: 2032-02-13
Also published as: KR101121110B1; JP5509230B2; US20120315570A1

Abstract

【課題】燃料電池の作動効率を向上させ、揮発したクロムなどによる性能低下を最小化することが可能な燃料電池用集電体及びこれを用いる燃料電池を提供する。
【解決手段】本発明の燃料電池用集電体は、伝導性物質及び炭化珪素を含み、前記伝導性物質は前記炭化珪素の内部に位置することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池用集電体及びこれを用いた燃料電池に関する。

固体酸化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell、ＳＯＦＣ）は、６００〜１，０００℃の高温で作動し、都市ガスなどの多様な炭化水素(hydrocarbon)系を燃料として用いることができる。固体酸化物燃料電池がガスタービン(gas turbine)などと連係した混合型構造であれば、高温で燃料電池の効率が非常に高いうえ、環境汚染物質を殆ど放出しない。よって、固体酸化物燃料電池は次世代の清浄エネルギー源として注目を浴びている。

一方、燃料電池から発生した電気を集電するために、例えば、ＳＵＳ４００系集電体、クロファ(Crofer)系集電体、インコネル(Inconel)系集電体又は貴金属系（白金、金、銀など）集電体のように金属性集電体が用いられている。具体的に、ＳＵＳ４００系集電体又はインコネル系集電体は燃料電池の作動温度領域に応じて７００℃以下で用いられ、耐酸化膜をコートしたクロファ材質を含むクロファ系集電体は７００〜８００℃で用いられる。

ところが、前記金属性集電体は、高温で腐食現象及びクロム（Ｃｒ）被毒現象が発生し、作動温度を高めるのには多くの制限がある。特に、前記ＳＵＳ４００系集電体又はクロファ系集電体を高温で長時間作動させると、集電体の表面が酸化して酸化膜が形成され、これによりセル全体のオーム抵抗(ohmic resistance)が増加し、この抵抗増加により電気伝導度が低下するという問題が発生する。また、前記ＳＵＳ４００系集電体又はクロファ系集電体は、揮発及び拡散したクロム（Ｃｒ）成分により燃料電池の性能が低下するという問題が発生する。

前記貴金属系集電体は、実験室規模で試験評価用燃料電池セルの貴金属メッシュ又はワイヤーとして用いられているが、経済的な問題により量産が困難である。

一方、炭化珪素（ＳｉＣ）系素材は、高温で構造材料として利用可能な素材であって、高温の酸化雰囲気中で腐食せず、他の素材との反応性が非常に低い。前記炭化珪素系素材の抵抗は温度が高くなるほど低くなり、これにより電気伝導度が向上する。よって、前記炭化珪素系素材は高温で燃料電池の集電体用材料として用いることができる。

ところが、前記炭化珪素系素材は常温で電気伝導度が非常に低いため、炭化珪素系素材を用いた集電体は燃料電池システム外部の常温領域まで延長して一体型として使用することができない。かかる問題点を克服するために、集電板に別途の金属性バスバー(Bus Bar)を連結して使用することができるが、金属性バスバーが腐食するためその使用が難しい。

特開平０９−１２９２５０号公報韓国特許公開第１０−２００５−００１９０８３号明細書特開２００５−１９０５８号公報

そこで、本発明の目的は、８５０℃以上の高温と常温の両方ともで電気伝導度に優れるうえ、腐食も生じない燃料電池を提供することにある。

本発明の他の目的は、燃料電池の作動効率を向上させ、揮発したクロムなどによる性能低下を最小化することが可能な燃料電池用集電体及びこれを用いる燃料電池を提供することにある。

本発明の別の目的は、製造コストが低く、重量が軽い燃料電池用集電体及びこれを用いる燃料電池を提供することにある。

本発明の別の目的は、長期間使用しても集電効率が低下せず、寿命が長く、耐久性にも優れた燃料電池用集電体及びこれを用いる燃料電池を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明のある観点によれば、伝導性物質及び炭化珪素を含み、前記伝導性物質は炭化珪素の内部に位置する、燃料電池用集電体を提供する。

また、本発明の他の観点によれば、前記燃料電池用集電体を含む燃料電池を提供する。

本発明に係る燃料電池用集電体は、８５０℃以上の高温でのみ電気伝導度に優れ且つ常温では電気が流れない炭化珪素系集電体とは異なり、炭化珪素と伝導性物質を含んで８５０℃以上の高温と常温の両方ともで電気伝導度に優れる。また、本発明に係る燃料電池用集電体は、８５０℃以上の高温で腐食する金属集電体とは異なり、炭化珪素及び伝導性物質を含んで８５０℃以上の高温と常温の両方ともで腐食しない。

本発明に係る燃料電池用集電体は燃料電池の作動効率を向上させることができ、これを含む燃料電池は製造コストが低く、重量が軽い。また、前記燃料電池用集電体は、長期間使用しても集電効率が低下しないので、寿命が長く、耐久性にも優れる。

本発明の燃料電池用集電体の断面構造を示す概念図である。本発明の一例に係る伝導性物質と炭化珪素がコア・シェル構造になっている燃料電池用集電体を示す図である。本発明の他の一例に係る伝導性物質と炭化珪素がコア・シェル構造になっている燃料電池用集電体を示す図である。本発明の別の一例に係る燃料電池用集電体を示す図である。

以下、本発明について詳細に説明する。
本発明の燃料電池用集電体は、燃料電池に含まれた単位セルの分離板、燃料電池の単位セル同士の間に位置する連結材、又は燃料電池におけるスタックの電気を集電する集電体を意味する。

本発明の燃料電池用集電体は、伝導性物質及び炭化珪素を含み、前記伝導性物質は炭化珪素内に位置する燃料電池用集電体を提供する。すなわち、伝導性物質の表面が炭化珪素ですべて保護されることが好ましい。

前記燃料電池用集電体は、８５０℃以上の高温でのみ電気伝導度に優れ且つ常温では電気が流れない炭化珪素系集電体とは異なり、伝導性物質と炭化珪素を含んで８５０℃以上の高温と常温の両方ともで電気伝導度に優れる。また、前記燃料電池用集電体は、８５０℃以上の高温で腐食する金属集電体とは異なり、炭化珪素及び伝導性物質を含んで８５０℃以上の高温と常温の両方ともで腐食しない。また、前記燃料電池用集電体は、金属のみ含む金属性集電体とは異なり、炭化珪素を含むので、製造コストが低く、重量が軽い。

また、前記伝導性物質は炭化珪素の内部に位置している。すなわち、伝導性物質の表面が炭化珪素で全て保護されて前記伝導性物質が外部に露出されず、伝導性物質の表面が酸化せず、これにより抵抗による電流の損失が最小化されて電気伝導度が高くなる。

図１は本発明の燃料電池用集電体の断面構造を示す概念図である。

図１に示すように、燃料電池用集電体は伝導性物質及び炭化珪素を含んでおり、前記伝導性物質は前記炭化珪素の内部に位置して炭化珪素によって保護されることが好ましい。

前記燃料電池用集電体の構造は、上述したように、前記伝導性物質が外部に露出されなければ特に限定しないが、前記炭化珪素が伝導性物質を取り囲む形態であって、前記伝導性物質及び前記炭化珪素のコア・シェル構造、前記伝導性物質と前記炭化珪素が積層された構造、又は前記伝導性物質が前記炭化珪素内に染み込んだ構造(percolation structure)であることが好ましい。前記伝導性物質と前記炭化珪素が積層された構造は、伝導性物質の上部及び下部に炭化珪素が積層されて伝導性物質が炭化珪素によって保護される構造であることが好ましい。

一方、集電部位の電流が集電体の内部から常温領域の外部まで伝達できるように、前記伝導性物質は互いに連結されていることが好ましい。

図２は本発明の一例に係る伝導性物質と炭化珪素がコア・シェル構造になっている燃料電池用集電体を示す図である。図３は本発明の他の一例に係る伝導性物質と炭化珪素がコア・シェル構造になっている燃料電池用集電体を示す図である。図２及び図３に示すように、伝導性物質を炭化珪素が取り囲んだコア・シェル構造であることが分かる。

図４は本発明の別の一例に係る燃料電池用集電体を示す図である。図４に示すように、伝導性物質が繊維状に編まれており、炭化珪素が前記伝導性物質を全て取り囲んでいることが分かる。

前記伝導性物質は、当業界で用いられる物質であれば特に限定しないが、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、シリコン（Ｓｉ）及び炭素（Ｃ）よりなる群から選ばれる少なくとも１種の伝導性物質を含むことが好ましい。前記伝導性物質は、電気伝導度に影響を及ぼさなければ形態は特に限定しないが、パーティクル又は繊維状の構造であってもよい。

前記燃料電池用集電体において、前記伝導性物質と炭化珪素の重量比は１：９〜９：１、好ましくは重量比が４：６〜６：４である。前記伝導性物質と炭化珪素の重量比が１：９〜９：１を満足する場合、高温酸化雰囲気と常温雰囲気中で燃料電池用集電体が腐食せず、電気伝導度にも優れる。

本発明は、前記伝導性物質及び炭化珪素を含む燃料電池用集電体を含む燃料電池を提供する。前記燃料電池は固体酸化物燃料電池であることが好ましいが、これに限定されない。

本発明に係る燃料電池用集電体を含む燃料電池は、燃料電池の作動効率を向上させることができ、製造コストが低く、重量が軽い。その上、長期間使用しても集電効率が低下しないので、寿命が長く、耐久性にも優れる。

以下、実施例によって本発明をより詳細に説明する。しかし、下記の実施例は本発明をさらに具体的に説明するためのものであって、本発明の範囲を限定するものではない。下記の実施例は本発明の範囲内で当業者によって適切に修正、変更できる。

<実施例１及び比較例１：燃料電池用集電体の製造>
硬化したフェノール樹脂が充填された炭素繊維を９００℃で炭化させて多孔性炭素複合体を形成させた。前記多孔性炭素複合体上にシリコンを位置させ、これを１６２０℃で熱処理した。前記熱処理の結果、一部のシリコンは炭素繊維と反応して炭化珪素を形成し、一部のシリコンはそのまま炭化珪素に染み込み、一部の炭素繊維はシリコンと反応せずにそのまま残っている。これにより、表面が炭化珪素であり、内部にはシリコンと炭素繊維が位置する炭化珪素複合体を形成した。

前記実施例１の炭化珪素複合体における炭化珪素、シリコン及び炭素繊維の体積％は、下記表１に示すとおりである。その後、前記実施例１の炭化珪素複合体を燃料電池用集電体として用いた。

比較例１は、下記表１のように炭化珪素のみからなる燃料電池用集電体を使用した。

<試験例：燃料電池用集電体の特性評価>
常温でデジタルマルチメーター（製造社：ｆｌｕｋｅ、モデル名：２３３）を用いて前記実施例１及び比較例１の燃料電池用集電体の抵抗を測定した。

抵抗測定の結果、前記表２に示すように、本発明に係る実施例１の燃料電池用集電体の抵抗は常温で１．１Ωと測定された。よって、電気伝導度に優れることが分かった。

これに対し、炭化珪素のみからなる比較例１の燃料電池用集電体の場合、抵抗測定の結果、常温で電気が流れないため、常温で集電体として用いることができないことが分かった。

１炭化珪素（ＳｉＣ）
２伝導性物質

Claims

伝導性物質及び炭化珪素を含み、前記伝導性物質は前記炭化珪素の内部に位置する、燃料電池用集電体。
前記炭化珪素が前記伝導性物質を取り囲んでおり、前記伝導性物質と前記炭化珪素がコア・シェルの構造であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用集電体。
前記伝導性物質の上部及び下部に前記炭化珪素が積層された構造であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用集電体。
前記伝導性物質が前記炭化珪素内に染み込んだ構造であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用集電体。
前記伝導性物質は銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、シリコン（Ｓｉ）及び炭素（Ｃ）よりなる群から選ばれる少なくとも１種の伝導性物質を含むことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用集電体。
前記伝導性物質と前記炭化珪素の重量比が１：９〜９：１であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用集電体。
請求項１の燃料電池用集電体を含む燃料電池。