JP4370784B2

JP4370784B2 - 固体電解質型燃料電池

Info

Publication number: JP4370784B2
Application number: JP2003026684A
Authority: JP
Inventors: 東宋; 格柴田; 正治秦野
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-02-04
Filing date: 2003-02-04
Publication date: 2009-11-25
Anticipated expiration: 2023-02-04
Also published as: JP2004241168A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２つの電極、すなわち、燃料極（アノード）と空気極（カソード）とで固体酸化物電解質を挟持する構成を発電要素として有し、燃料極側に水素やメタンなどの炭化水素系燃料ガスを流すと共に、空気極側に酸素や空気などの酸化性ガスを流して発電する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】
従来の固体電解質型燃料電池としては、電解質の表裏にスクリーン印刷などで燃料極及び空気極を形成し、これらの燃料極及び空気極の各々の電解質とは反対側に集電体をそれぞれ積層する構成をなす平板型固体電解質燃料電池があり、このような固体電解質型燃料電池では、集電体として、ニッケルフェルト（金属不織布）にセラミックス繊維及び／又は加熱膨張性セラミックス微粒子を混合して成るものを用いるようにしている（例えば特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平６−３６７８３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した固体電解質型燃料電池では、集電体が金属不織布としてのニッケルフェルトを主体としている都合上、電解質を燃料極及び空気極で挟持すると共にこれらの電極に集電体をそれぞれ重ね合わせてなる単セルを積層してスタックを形成する場合において、集電体が変形することによって、ガスを通すのに十分なガス流路を確保することができなくなる恐れがあるという問題を有しており、この問題を解決することが従来の課題となっていた。
【０００５】
【発明の目的】
本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、スタック形成時において集電体が変形するようなことがなく、すなわち、ガス流路が確保されて、ガス透過性が良好な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。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らが鋭意検討した結果、集電体を構成する金属不織布又は金属繊維中に、電気伝導性を有する支持部材を隣接する電極に対する接触面積率が０．５〜２０％となるように混合することで、スタック時における集電体の変形を回避し得ることを見出すに至った。
【０００７】
すなわち、本発明の固体電解質型燃料電池は、電解質と、この電解質の一方の面に積層される燃料極と、電解質の他方の面に積層される空気極と、金属不織布又は金属繊維を母材として成り燃料極及び空気極の各々の電解質とは反対側にそれぞれ積層される集電体を備えた固体電解質型燃料電池において、上記集電体の母材としての金属不織布又は金属繊維中に、電気伝導性を有する支持部材を隣接する電極に対する接触面積率が０．５〜２０％となるように混合した構成としたことを特徴としており、この固体電解質型燃料電池の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【０００８】
本発明の固体電解質型燃料電池では、集電体の母材としての金属不織布又は金属繊維中に混合する支持部材がスペーサの機能を発揮することから、スタック時における集電体の変形が阻止されることとなる。
【０００９】
【発明の効果】
本発明の固体電解質型燃料電池によれば、電解質を燃料極及び空気極で挟持すると共にこれらの電極に集電体をそれぞれ重ね合わせてなる単セルを積層してスタックを形成する場合において、集電体に混合する支持部材がスペーサとして機能して、集電体が変形するのを防ぐことができ、その結果、ガス流路が確保されて、良好なガス透過性を維持することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の固体電解質型燃料電池において、集電体の母材には、ニッケルフェルトを用いることが特に望ましいが、インコネルのような合金フェルトを用いてもよい。
【００１１】
また、本発明の固体電解質型燃料電池において、集電体の一部となる支持部材には電気伝導性を有する材料を用いる必要がある。電極材料は一般的に混合導電性を有する物質であるため、この電極材料と同じ材料からなる支持部材を集電体の母材中に混合すれば、集電体の電気伝導性が低下しないのは言うまでもなく、電極の反応場が集電体にまで増加して電極の反応速度が上昇し、その結果、スタックの出力密度が向上する。加えて、集電体の母材中に電極材料と同じ材料を支持部材として混合すると、集電体の材料と電極材料との熱膨張係数の差が縮まることから、高温運転の場合に熱応力差が生じにくくなって、スタックの耐熱衝撃性が向上する。
【００１２】
さらに、本発明の固体電解質型燃料電池において、集電体の一部となる支持部材の形状を球状又は円柱状とすると、集電体の母材、例えば、金属フェルトと混合する際に混ぜやすいうえ、電極との接触面積が小さくなって熱応力緩和効果が大きいことから、支持部材の形状を球状又は円柱状とすることが望ましい。そして、このような形状の支持部材は高温焼成によって得られる焼結体であることが望ましく、ある程度の機械的強度及び気孔率を有していることが望ましい。
【００１３】
上記支持部材の形状を球状とした場合、その直径が５００μｍに満たないと、支持部材としての効果が低下し、直径が５ｍｍを超えると、集電体の母材との混合が困難になることから、球状を成す支持部材の直径を５００μｍ〜５ｍｍとすることが望ましく、直径がこの範囲にある場合には、集電体の母材と混合しやすく、そして、支持部材としての耐機械的衝撃性が高いものとなる。
【００１４】
一方、支持部材の形状を円柱状とした場合、その直径が５００μｍに満たないと、球状を成す場合と同様に支持部材としての効果が低下し、直径が５ｍｍを超えると、集電体の母材との混合が困難になる。加えて、円柱状を成す支持部材の長さが１ｍｍに満たないと、電極との接触面積が小さくなって接触抵抗が大きくなってしまい、長さが５ｍｍを超えてしまうと、ガス透過性が悪くなって拡散抵抗の増加によるスタックの出力低下を招いてしまうことから、円柱状を成す支持部材の直径を５００μｍ〜５ｍｍとし且つ長さを１〜５ｍｍとすることが望ましく、この場合には、集電体の母材と混合しやすくなると共に支持部材としての耐機械的衝撃性が高いものとなるうえ、接触抵抗が小さく且つガス透過性が良好になる。
【００１５】
さらにまた、本発明の固体電解質型燃料電池において、電極の面積に対してこの電極に接触している支持部材の面積が占める割合、すなわち、集電体の支持部材の隣接する電極に対する接触面積率が２０％を超える場合には、ガス（Ｈ_２又はＯ_２）が集電体から電極上に拡散できずに電極の拡散抵抗が増加することによって、単セルの出力が減少してしまい、一方、接触面積率が０．５％に満たない場合には、接触抵抗によって出力が低下してしまうことから、接触面積率を０．５〜２０％とすることが望ましい。このように、集電体の支持部材の隣接する電極に対する接触面積率を０．５〜２０％とすると、ガス透過性が良好なものになると共に、熱応力緩和機能を発揮することとなる。
【００１６】
さらにまた、本発明の固体電解質型燃料電池において、集電体の支持部材の設置間隔が２ｍｍに満たない場合には、熱応力緩和機能を十分に発揮することができないことから、集電体の支持部材の隣接する電極上における設置間隔を２ｍｍ以上とすることが望ましい。この際、支持部材が球状を成す場合は、隣接する支持部材の各中心間距離を設置間隔とし、支持部材が円柱状を成す場合は、支持部材の電極との接触面中心から、これに隣接する支持部材の電極との接触面中心までの距離を設置間隔としている。こにように、支持部材の設置間隔を２ｍｍ以上とすると、熱応力緩和機能が十分に発揮され、ガス透過性も良好なものになる。
【００１７】
さらにまた、本発明の固体電解質型燃料電池において、集電体の支持部材を隣接する電極に一体化させると、電極と集電体との接合性が良好なものとなって接触抵抗が低減し、これにより電極の反応場が増えてスタック出力が向上することから、集電体の支持部材を隣接する電極に対して直接接合させることが望ましい。
【００１８】
そして、このような構造の固体電解質型燃料電池を製造するに際しては、支持部材と電極との接合を簡単に行うべく、電極、例えば、空気極の電解質とは反対側面に集電体の支持部材と同じ材料を塗布又はスプレーし、この空気極の電解質とは反対側面に集電体を積層した後、高温で焼成させることにより支持部材を隣接する空気極に対して直接接合させる構成を採用することが望ましい。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明を図面に基づいて説明する。
【００２０】
［実施例１］
図１及び図２は本発明の固体電解質型燃料電池の一実施例を示している。
【００２１】
図１に部分的に示すように、この固体電解質型燃料電池１は、電解質支持型のものであって、ＬＳＧＭ（ＬａＳｒＧａＭｇＯ）から成る電解質２と、この電解質２の一方の面（図１下面）に積層される燃料極３と、電解質２の他方の面（図１上面）に積層される空気極４と、燃料極３及び空気極４の各々の電解質２とは反対側にそれぞれ積層される集電体５，５を備えている。
【００２２】
集電体５は厚み１．５ｍｍのニッケルフェルトを母材として成っており、この集電体５の母材としてのニッケルフェルト中には、直径１ｍｍの球状を成す支持部材６が混合してある。
【００２３】
この場合、燃料極３はＮｉ−ＳＤＣから成っていると共に、空気極４はＬＳＭ（ＬａＳｒＭｎＯ）から成っており、空気極４に隣接する集電体５の球状を成す支持部材６は、空気極４に用いた電極用材料から成っている、すなわち、ＬＳＭから成っている。
【００２４】
また、集電体５の球状を成す支持部材６の隣接する電極３，４に対する接触面積率を１５％としていると共に、集電体５の支持部材６の設置間隔（隣接する支持部材６の各中心間距離）を３ｍｍとしており、空気極４に隣接する集電体５の支持部材６は、空気極４に直接接合させてある。
【００２５】
上記した固体電解質型燃料電池１を製造するに際しては、空気極４の電解質２とは反対側面に集電体５の支持部材６と同じ材料（ＬＳＭ）をスプレーし、空気極４の電解質２とは反対側面に集電体５を積層した後、１２００℃の高温で焼成させることにより支持部材６を隣接する空気極４に対して直接接合させる。このとき、図２に示すように、あらかじめ空気極４の電解質２とは反対側面に支持部材６と同じ材料の点７を形成しておいて、集電体５の母材としてのニッケルフェルト中に混合した球状の支持部材６と上記点７とを高温で点接合させれば、集電体５と空気極４との接触抵抗を大幅に低減することができ、両者間の熱膨張差による熱応力が緩和される。
【００２６】
そして、上記のようにして得た単セル、すなわち、電解質２を燃料極３及び空気極４で挟持すると共にこれらの電極３，４に集電体５をそれぞれ重ね合わせてなる単セルを５つ積層してスタックを形成する。
【００２７】
上記した固体電解質型燃料電池１では、スタックの形成時において、集電体５に混合した支持部材６がスペーサとして機能して、集電体５が変形するのを防ぐので、ガス流路が確保されて、良好なガス透過性が維持されることとなる。
【００２８】
また、上記した固体電解質型燃料電池１では、空気極４の材料と同じ材料（ＬＳＭ）からなる支持部材６を集電体５の母材中に混合しているので、集電体５の電気伝導性が低下しないのは勿論のこと、電極の反応場が集電体５にまで増加して電極の反応速度が上昇することとなり、スタックの出力密度が向上する。加えて、集電体５の材料と空気極４の材料との熱膨張係数の差が縮まることから、高温運転の場合に熱応力差が生じにくくなって、スタックの耐熱衝撃性が向上する。
【００２９】
さらに、上記した固体電解質型燃料電池１において、集電体５の一部となる支持部材６の形状を球状としているので、集電体５の母材としてのニッケルフェルトと混合する際に混ぜやすいうえ、空気極４との接触面積が小さくなって熱応力緩和効果が大きくなり、この実施例では、球状を成す支持部材６の直径を１．５ｍｍとしているので、集電体５の母材であるニッケルフェルトとより一層混合しやすくなると共に、支持部材６としての耐機械的衝撃性が高いものとなる。
【００３０】
さらにまた、上記した固体電解質型燃料電池１において、集電体５の支持部材６の隣接する空気極４に対する接触面積率を１５％としているので、ガス透過性が良好なものになるのに加えて、熱応力緩和機能を発揮することとなる。
【００３１】
さらにまた、上記した固体電解質型燃料電池１において、集電体５の支持部材６の設置間隔を３ｍｍとしているので、熱応力緩和機能が十分に発揮され、ガス透過性も良好なものになる。
【００３２】
さらにまた、上記した固体電解質型燃料電池１において、集電体５の支持部材６を隣接する空気極４に一体化させているので、空気極４と集電体５との接合性が良好なものとなって接触抵抗が低減し、これにより電極の反応場が増えてスタック出力が向上することとなる。
【００３３】
［実施例２］
図３は本発明の固体電解質型燃料電池の他の実施例を示している。
【００３４】
図３に部分的に示すように、この固体電解質型燃料電池１１が先の実施例の固体電解質型燃料電池１と相違するところは、集電体１５の母材を厚み１．５ｍｍのインコネル合金フェルトとし、この集電体１５の母材としてのインコネル合金フェルト中に、直径２ｍｍ、長さ３ｍｍの円柱状を成す支持部材１６を接触面積率１７％、設置間隔を３ｍｍとして混合した点にあり、他の構成及び空気極４に対する集電体１５の積層方法は先の実施例と同じである。
【００３５】
上記した固体電解質型燃料電池１１においても、スタックの形成時において、集電体１５に混合した円柱状を成す支持部材１６がスペーサとして機能して、集電体１５が変形するのを阻止することから、ガス流路が確保されて、良好なガス透過性が維持されることとなる。
【００３６】
また、上記した固体電解質型燃料電池１１では、空気極４の材料と同じ材料（ＬＳＭ）からなる支持部材１６を集電体１５の母材中に混合しているので、集電体１５の電気伝導性が低下しないばかりか、電極の反応場が集電体１５にまで増加して電極の反応速度が上昇することとなり、スタックの出力密度が向上するうえ、集電体１５の材料と空気極４の材料との熱膨張係数の差が縮まるため、高温運転の場合に熱応力差が生じにくくなって、スタックの耐熱衝撃性が向上する。
【００３７】
さらに、上記した固体電解質型燃料電池１１において、集電体１５の支持部材１６の形状を円柱状としているので、集電体１５の母材としてのインコネル合金フェルトと混合する際に混ぜやすいうえ、空気極４との接触面積が小さくなって熱応力緩和効果が大きくなり、この実施例では、支持部材１６の直径を２ｍｍとし且つ長さを３ｍｍとしているので、接触抵抗が小さく且つガス透過性が良好になる。
【００３８】
さらにまた、上記した固体電解質型燃料電池１１では、集電体１５の支持部材１６の隣接する空気極４に対する接触面積率を１７％としていると共に、集電体１５の支持部材１６の設置間隔を３ｍｍとしているので、熱応力緩和機能が十分に発揮され、ガス透過性も良好なものになる。
【００３９】
さらにまた、上記した固体電解質型燃料電池１１においても、集電体１５の支持部材１６を隣接する空気極４に一体化させているので、空気極４と集電体１５との接合性が良好なものとなって接触抵抗が低減し、これにより電極の反応場が増えてスタック出力が向上することとなる。
【００４０】
［実施例３］
この実施例の固体電解質型燃料電池では、集電体（５）の母材としてのニッケルフェルト中に、直径０．５ｍｍの球状を成す支持部材（６）を混合しており、この集電体（５）の支持部材（６）は、空気極４に用いた電極用材料（ＬＳＭ）にＡｇ粒を加えた材料から成っている。他の構成及び空気極４に対する集電体（５）の積層方法は先の実施例と同じである。
【００４１】
この固体電解質型燃料電池においても、スタックの形成時において、集電体（５）に混合した円柱状を成す支持部材（６）がスペーサとして機能して、集電体（５）が変形するのを阻止することから、ガス流路が確保されて、良好なガス透過性が維持されることとなる。
【００４２】
［比較例］
ＬＳＧＭ（ＬａＳｒＧａＭｇＯ）から成る電解質をＮｉ−ＳＤＣから成る燃料極及びＬＳＭ（ＬａＳｒＭｎＯ）から成る空気極で挟持し、燃料極及び空気極の各々の電解質とは反対側に、厚み１．５ｍｍのニッケルフェルトを母材とする集電体をそれぞれ接触させたのみの構成を成す比較例の固体電解質型燃料電池を作成した。
【００４３】
そこで、上記した各実施例の固体電解質型燃料電池１，１１を評価するべく、比較例の固体電解質型燃料電池とともに５０回の運転を行った後、Ｈ_２（１０％加湿）／Ａｉｒ中、６５０℃において、スタック出力をそれぞれ測定したところ、表１に示す結果を得た（初回のスタック出力は７８０ｍＷ／ｃｍ^２）。
【００４４】
【表１】

【００４５】
表１に示すように、上記した各実施例の固体電解質型燃料電池１，１１のスタック出力がそれぞれ７５０ｍＷ／ｃｍ^２，７６０Ｗ／ｃｍ^２，７６５Ｗ／ｃｍ^２であったのに対して、比較例の固体電解質型燃料電池のスタック出力は５００Ｗ／ｃｍ^２と大きく低下しており、これにより、上記した各実施例の固体電解質型燃料電池１，１１では、スタック出力の低下が少なく抑えられることが実証できた。
【００４６】
本発明の固体電解質型燃料電池の詳細な構成は、上記した実施例に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体電解質型燃料電池の一実施例を示す部分断面説明図である。
【図２】図１に示した固体電解質型燃料電池の集電体の平面説明図である。
【図３】本発明の固体電解質型燃料電池の他の実施例を示す部分断面説明図である。
【符号の説明】
１，１１固体電解質型燃料電池
２電解質
３燃料極（電極）
４空気極（電極）
５集電体
６支持部材

Claims

電解質と、この電解質の一方の面に積層される燃料極と、電解質の他方の面に積層される空気極と、金属不織布又は金属繊維を母材として成り燃料極及び空気極の各々の電解質とは反対側にそれぞれ積層される集電体を備えた固体電解質型燃料電池において、上記集電体は、母材としての金属不織布又は金属繊維中に、電気伝導性を有する支持部材を混合して成り、
上記支持部材の隣接する電極に対する接触面積率が０．５〜２０％であることを特徴とする固体電解質型燃料電池。
集電体の支持部材が電極用材料から成っている請求項１に記載の固体電解質型燃料電池。
集電体の支持部材は球状を成している請求項１又は２に記載の固体電解質型燃料電池。
球状を成す支持部材の直径を５００μｍ〜５ｍｍとした請求項３に記載の固体電解質型燃料電池。
集電体の支持部材は円柱状を成している請求項１又は２に記載の固体電解質型燃料電池。
円柱状を成す支持部材の直径を５００μｍ〜５ｍｍとすると共に長さを１〜５ｍｍとした請求項５に記載の固体電解質型燃料電池。
集電体の支持部材の隣接する電極上における設置間隔を２ｍｍ以上とした請求項１〜６のいずれか１つの項に記載の固体電解質型燃料電池。
集電体の支持部材を隣接する電極に対して直接接合させた請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の固体電解質型燃料電池。
請求項８に記載の固体電解質型燃料電池を製造するに際して、電極の電解質とは反対側面に集電体の支持部材と同じ材料を塗布又はスプレーし、この電極の電解質とは反対側面に集電体を積層した後、高温で焼成させることにより支持部材を隣接する電極に対して直接接合させることを特徴とする固体電解質型燃料電池の製造方法。