JP4876363B2 - Current collector, method for producing the same, and solid oxide fuel cell - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体酸化物型燃料電池の集電体とその製造方法及びその集電体を用いた固体酸化物型燃料電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
酸化物イオン伝導体からなる固体電解質層を空気極層と燃料極層との間に挟んだ積層構造を持つ固体電解質型燃料電池は、第三世代の発電用燃料電池として開発が進んでいる。固体電解質型燃料電池では、空気極側に酸素(空気)が、燃料極側には燃料ガス(H2 、CO等)が供給される。空気極と燃料極は、ガスが固体電解質との界面に到達することができるように、いずれも多孔質とされている。
【0003】
空気極側に供給された酸素は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で、空気極から電子を受け取って酸化物イオン(O2-)にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極の方向に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物(H2 O、CO2 等)を生じ、燃料極に電子を放出する。
【0004】
燃料に水素を用いた場合の電極反応は次のようになる。
空気極: 1/2 O2 + 2e- → O2-
燃料極: H2 + O2- → H2 O+2e−
全体 : H2 + 1/2 O2 → H2 O
【0005】
固体電解質層は、酸化物イオンの移動媒体であると同時に、燃料ガスと空気を直接接触させないための隔壁としても機能するので、ガス不透過性の緻密な構造となっている。この固体電解質層は、酸化物イオン伝導性が高く、空気極側の酸化性雰囲気から燃料極側の還元性雰囲気までの条件下で化学的に安定で、熱衝撃に強い材料から構成する必要があり、かかる要件を満たす材料として、イットリアを添加した安定化ジルコニア(YSZ)が一般的に使用されている。
【0006】
一方、電極である空気極(カソード)層と燃料極(アノード)層はいずれも電子伝導性の高い材料から構成する必要がある。空気極材料は、700℃前後の高温の酸化性雰囲気中で化学的に安定でなければならないため、金属は不適当であり、電子伝導性を持つペロブスカイト型酸化物材料、具体的にはLaMnO3 もしくはLaCoO3 、または、これらのLaの一部をSr、Ca等に置換した固溶体が一般に使用されている。また、燃料極材料は、Ni、Coなどの金属、或いはNi−YSZ、Co−YSZなどのサーメットが一般的である。
【0007】
固体酸化物型燃料電池には、1000℃前後の高温で作動させる高温作動型のものと、700℃前後の低温で作動させる低温作動型のものとがある。低温作動型の固体酸化物型燃料電池は、例えば電解質であるイットリアを添加した安定化ジルコニア(YSZ)の厚さを10μm程度まで薄膜化して、電解質の抵抗を低くして、低温でも燃料電池として発電するように改良された発電セルを使用する。
【0008】
高温の固体酸化物型燃料電池では、セパレータには、例えばランタンクロマイト(LaCrO3 )等の電子伝導性を有するセラミックスが用いられるが、低温作動型の固体酸化物燃料電池では、ステンレス等の金属材料を使用することができる。
【0009】
また、固体酸化物型燃料電池の構造には、円筒型、モノリス型、及び平板積層型の3種類が提案されている。それらの構造のうち、低温作動型の固体酸化物型燃料電池には、金属のセパレータを使用できることから、金属のセパレータに形状付与しやすい平板積層型の構造が適している。
【0010】
平板積層型の固体酸化物型燃料電池のスタックは、発電セル、集電体、セパレータを交互に積層した構造を持つ。一対のセパレータが発電セルを両面から挟んで、一方は空気極集電体を介して空気極と、他方は燃料極集電体を介して燃料極と接している。燃料極集電体には、Ni基合金等のスポンジ状の多孔質体を使用することができ、空気極集電体には、Ag基合金等の同じくスポンジ状の多孔質体を使用することができる。スポンジ状多孔質体は、集電機能、ガス透過機能、均一ガス拡散機能、クッション機能、熱膨脹差吸収機能等を兼ね備えるので、多機能の集電体材料として適している。
【0011】
セパレータは、発電セル間を電気接続すると共に、発電セルに対してガスを供給する機能を有するもので、燃料ガスをセパレータ外周面から導入してセパレータの燃料極層に対向する面から吐出させる燃料通路と、酸化剤ガスをセパレータ外周面から導入してセパレータの酸化剤極層に対向する面から吐出させる酸化剤通路とをそれぞれ有している。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の燃料電池では、電極層とセパレータの間に多孔質クッション材よりなる集電体を配置し、この集電体を通してセパレータから電極層にガスを分配供給しているが、特に、セパレータの中央部から集電体を介して電極層にガスを供給する場合に、電極層の周辺部にまで十分な濃度のガスが行き渡らないことが原因で、中央部と周辺部で発電量に差が出てしまうことがあり、発電効率をアップするため、集電体の一層の性能向上が要求されるようになってきた。
【0013】
本発明は、上記事情を考慮し、発電効率のアップを図れるようにした集電体とその製造方法及びその集電体を用いた固体酸化物型燃料電池を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明は、固体酸化物型燃料電池のセパレータと電極層との間に配される集電体において、3次元骨格構造を有する金属多孔質体より構成され、且つ、外周縁部が中央部より気孔率が低く形成されていることを特徴とする。
【0015】
この集電体は、外周縁部の気孔率を中央部より低く設定しているので、集電体の外周端に作用する背圧を大きくすることができる。従って、発電セルの外周部にガスシール部材を設けないタイプの燃料電池に適用した場合でも、集電体の外周部からのガスの抜けを抑制することができ、セパレータの中央部から供給されるガスを、集電体の周辺部にまで十分な濃度で行き渡らせることができる。その結果、集電体の中央部から周辺部までの広い面でガスを電極層に均一に分配供給することができ、中央部と周辺部での発電量の差を無くして、全体の発電効率のアップが図れる。
【0016】
請求項2の発明は、固体酸化物型燃料電池のセパレータと電極層との間に配される集電体の製造方法において、全体に均質な3次元骨格構造を有する金属多孔質体よりなる円板を形成する工程と、その円板の外周縁部を圧縮することで当該部分の気孔率を中央部よりも低く形成する工程とを有することを特徴とする。
【0017】
金属多孔質体よりなる円板の外周縁部の気孔率を低くする方法としては、その金属多孔質体を成形する段階で気孔率を調整する方法も採り得るが、請求項2の発明では、材料の成形段階では全体を均質な3次元骨格構造を有する金属多孔質体として形成しておき、その後の工程で、当該金属多孔質体の潰しやすい性質を利用して、円板の外周縁部を圧縮して潰すことにより、当該部分の気孔率を他より低めるようにしている。その際、予め圧縮して潰す部分の厚さを大きく成形しておき、後から潰した状態で全体の厚さが均等になるようにすることもできる。なお、集電体の微細構造としては、メッシュ、フェルト、発泡体などが考えられるが、3次元骨格構造を有する金属の発泡体で構成した場合には、潰しやすいので加工が極めて簡単にできる。
【0018】
請求項3の発明は、固体酸化物型燃料電池のセパレータと電極層との間に配される集電体の製造方法において、全体に均質な3次元骨格構造を有する金属多孔質体よりなる円板を形成する工程と、その円板の外周縁部を全周に亘って折り曲げることで環状の起立壁を形成する工程と、その起立壁を円板の厚さ方向に圧縮することで当該部分の気孔率を中央部よりも低く形成すると共に全体を均等な厚さに形成する工程とを有することを特徴とする。
【0019】
この発明では、円板の外周縁部を圧縮して潰す前に予め、円板の外周縁部を折り曲げて起立壁を形成しておき、その状態で起立壁の高さ分を圧縮して潰すことにより、全体の厚さを均等にしながら、外周縁部の気孔率を中央部よりも低くなるよう形成している。従って、金属多孔質体の成形段階で特別な工夫(外周縁部だけ厚くなるように成形する等の工夫)をしなくても、全体の厚さを均等にしながら気孔率の調整ができる。その場合、気孔率の大きさは、起立壁の折り曲げ高さに応じて設定することも可能となる。
【0020】
請求項4の発明は、固体電解質層の両面に燃料極層と酸化剤極層を積層し、燃料極層と酸化剤極層の外側にそれぞれ多孔質体よりなる燃料極集電体と酸化剤極集電体を積層し、燃料極集電体と酸化剤極集電体の外側にセパレータを積層して燃料電池スタックを構成し、前記セパレータの中央部から前記燃料極集電体及び酸化剤極集電体を介して燃料極層及び酸化剤極層に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給する固体酸化物型燃料電池において、少なくとも前記燃料極集電体として、請求項1記載の集電体を用いたことを特徴とする。
【0021】
集電体を通してのガスの分配供給量の偏りによる問題は、主に燃料ガスの供給側で起きる。これは、燃料ガスは空気(酸化剤ガス)のように大量に流せず、規定された量だけしか流せないからである。そこで、請求項3の発明では、少なくとも燃料極集電体として、請求項1記載の外周縁部の気孔率を低くした集電体を用いることにしている。この集電体を用いることにより、燃料極層の全面に対して均一な分布で燃料ガスを分配供給することができるようになるため、発電効率がアップする。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図1は集電体の構成図で、(a)は平面図、(b)は断面図である。図2は集電体の製造方法の工程説明図である。また、図3は固体酸化物型燃料電池の分解断面図、図4は同要部の分解斜視図である。
【0023】
まず、実施形態の固体酸化物型燃料電池の全体構成を、図3、図4を用いて説明する。図3において、1は積層方向を縦にして置かれた燃料電池スタックである。この燃料電池スタック1は、固体電解質層2の両面に燃料極層3及び空気極層(酸化剤極層)4を配した発電セル(発電部)5と、燃料極層3の外側の燃料極集電体6と、空気極層4の外側の空気極集電体(酸化剤極集電体)7と、各集電体6、7の外側のセパレータ8とを順番に積層した構造を持つ。
【0024】
ここで、固体電解質層2はイットリアを添加した安定化ジルコニア(YSZ)等で構成され、燃料極層3はNi、Co等の金属あるいはNi−YSZ、Co−YSZ等のサーメットで構成され、空気極層4はLaMnO3 、LaCoO3 等で構成され、燃料極集電体6はNi基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体7はAg基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ8はステンレス等で構成されている。
【0025】
集電体6、7を構成する多孔質金属板は、次の工程を経ることで作製したものである。工程の順番は、スラリー調製工程→成形工程→発泡工程→乾燥工程→脱脂工程→焼結工程である。
【0026】
まず、スラリー調製工程において、金属粉末、有機溶剤(n−ヘキサン等)、界面活性剤(ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム等)、水溶性樹脂結合剤(ヒドロキシプロピルメチルセルロース等)、可塑剤(グリセリン等)、水、を混ぜて発泡スラリーを調製する。これを成形工程において、ドクターブレード法によりキャリヤシート上に薄板状に成形してグリーンシートを得る。次に発泡工程において、このグリーンシートを高温高湿環境下で、揮発性有機溶剤の蒸気圧及び界面活性剤の起泡性を利用してスポンジ状に発泡させた後、乾燥工程、脱脂工程、焼成工程を経て多孔質金属板を得る。
【0027】
この場合、発泡工程において、グリーンシートの内部に発生した気泡は、全方向からほぼ等価な圧力を受けて略球状の形状で成長する。気泡が内部から拡散して大気との界面に近づくと、気泡は、気泡と大気の間のスラリーの薄い部分へと成長していき、やがて気泡は破れて、気泡内部の気体は、できた小孔から大気中へ拡散していく。よって、表面に開口した連続気孔を有する多孔質金属板が得られる。
【0028】
集電体6、7は、このように作製した3次元骨格構造を有する多孔質金属板(金属多孔質体)を円形にカットすることで構成されている。特に、Ni基合金等の多孔質焼結金属板で構成された燃料極集電体6は、図1(a)、(b)に詳細を示すように、外周縁部6Aが中央部6Bよりも気孔率を低く形成したもので構成されている。
【0029】
金属多孔質体よりなる円板の外周縁部6Aの気孔率だけを中央部6Bよりも低く設定する方法としては、その金属多孔質体を成形する段階で気孔率を調整する方法も採ることが可能であるが、ここでは、材料の成形段階では全体を均質な3次元骨格構造を有する多孔質金属板として形成しておき、それを円形にカットした後の工程で、当該多孔質金属板の潰しやすい性質を利用して、円板の外周縁部6Aを圧縮して潰すことにより、当該部分の気孔率を他より低めるようにしている。
【0030】
その具体的な製造方法について図2を参照ながら説明する。
この方法では、まず、第1の工程で、全体に均質な3次元骨格構造を有する金属多孔質体よりなる円板21を形成し、それを、(a)に示すようにプレス機30にセットする。プレス機30は、コア31とその外周のリング32とからなる上型33と、コア34とその外周のリング35かとらなる下型36とを備えるものである。
【0031】
下型36の上に円板21をセットした後、第2の工程では、(b)に示すように、上下のコア31、34を、上下のリング32、35に対して相対的に下動させることで、円板21の外周縁部を全周に亘って折り曲げ、環状の起立壁22を形成する。
【0032】
次に第3の工程では、(c)に示すように、上型33のリング32を下動させて、前記起立壁22を円板21の厚さ方向に圧縮することで、全体を均等な厚さに形成する。そうすることで、外周縁部(起立壁22のあった部分)6Aの気孔率を中央部6Bよりも低く形成した集電体6が得られる。後は、(d)に示すように上型33と下型36を開いて成形品(集電体6)を取り出せばよい。
【0033】
このような工程を経て集電体6を形成することにより、金属多孔質体の成形段階で特別な工夫(外周縁部だけを厚くなるように成形する等の工夫)をしなくても、全体の厚さを均等にしながら、外周縁部6Aの気孔率を低く設定することができる。
【0034】
また、図3、図4に戻って全体の構成を説明すると、セパレータ8は、発電セル5間を電気接続すると共に、発電セル5に対してガスを供給する機能を有するもので、燃料ガスをセパレータ8の外周面から導入してセパレータ8の燃料極集電体6に対向する面のほぼ中央部から吐出させる燃料通路11と、酸化剤ガスをセパレータ8の外周面から導入してセパレータ8の空気極集電体7に対向する面から吐出させる酸化剤通路12とをそれぞれ有している。ただし、両端のセパレータ8(8A、8B)は、いずれかの通路11、12のみを有する。
【0035】
一方、図3に示すように、燃料電池スタック1の側方には、各セパレータ8の燃料通路11に接続管13を通して燃料ガスを供給する燃料用マニホールド15と、各セパレータ8の酸化剤通路12に接続管14を通して酸化剤ガスを供給する酸化剤用マニホールド16とが、発電セル5の積層方向に延在して設けられている。
【0036】
以上の構成の燃料電池では、燃料極集電体6として、図1に示す外周縁部6Aの気孔率を中央部6Bよりも低く設定したものを用いているので、セパレータ8の中心部から供給する燃料ガスを、燃料極集電体6を通して燃料極層3の全面に良好な分布で行き渡らせることができる。
【0037】
即ち、従来の集電体は全体の気孔率が均一化されていたので、外周端からガスが抜けてしまい、そのため中央部から周辺部にいくほどガスの濃度が低くなり、周辺部にまで十分な濃度のガスに行き渡らない可能性があったが、この燃料極集電体6は、外周縁部6Aの気孔率を中央部6Bのそれよりも低く設定しているので、集電体6の外周端に作用する背圧を大きくすることができる。従って、発電セルの外周部にガスシール部材を設けないタイプ(シールレスタイプ)の燃料電池に適用した場合でも、集電体6の外周端からのガスの抜けを抑制することができ、セパレータ8の中央部から供給される燃料ガスを、集電体6の周辺部にまで十分な濃度で行き渡らせることができる。その結果、集電体6の中央部から周辺部までの広い面で、燃料ガスを燃料極層3の全面に均一に分配供給することができ、中央部と周辺部での発電量の差を無くして、全体の発電効率のアップが図れる。
【0038】
なお、空気極集電体7にも、外周縁部の気孔率を中央部より低めた燃料極集電体6と同様の集電体を使用することができる。また、集電体6、7の多孔質構造としては、発泡体の他に、メッシュやフェルトなども使用することができる。
【0039】
また、上述した実施形態では、発電セルの電解質にイットリアを添加した安定化ジルコニア(YSZ)を用いる固体酸化物型燃料電池を示したが、本発明は、その他の固体酸化物型燃料電池、例えばセリア系電解質、ガレート型電解質を用いる固体酸化物型燃料電池にも適用することができる。
【0040】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1の発明の集電体は、外周縁部の気孔率を中央部のそれより低く形成しているので、集電体の外周端に作用する背圧を大きくすることができ、セパレータの中央部から供給されるガスを、集電体の周辺部にまで十分な濃度で行き渡らせることができる。従って、集電体の中央部から周辺部までの広い面でガスを電極層に均一に分配供給することができ、中央部と周辺部での発電量の差を無くして、全体の発電効率をアップすることができる。
【0041】
請求項2の発明の製造方法によれば、材料の成形段階では全体を均質な3次元骨格構造を有する金属多孔質体として形成しておき、その後の工程で、円板の外周縁部を圧縮して潰すことにより、当該部分の気孔率を他より低めるようにしているので、気孔率の調整が簡単にできる。また、請求項3のようにすれば、金属多孔質体の成形段階で特別な工夫をしなくても、全体の厚さを均等にしながら気孔率の調整が簡単にできる。
【0042】
請求項4の発明によれば、前記の集電体を少なくとも燃料極集電体として使用しているので、燃料極層の全面に均一な分布で燃料ガスを分配供給することができ、発電効率がアップする。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施形態の集電体の構成図で、(a)は平面図、(b)は断面図である。
【図2】 (a)〜(d)は集電体の製造方法を説明するための工程図である。
【図3】 本発明の実施形態の固体酸化物型燃料電池の要部構成を示す分解断面図である。
【図4】 同燃料電池の要部構成を示す分解斜視図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a current collector for a solid oxide fuel cell, a method for producing the current collector, and a solid oxide fuel cell using the current collector.
[0002]
[Prior art]
Solid oxide fuel cells having a laminated structure in which a solid electrolyte layer made of an oxide ion conductor is sandwiched between an air electrode layer and a fuel electrode layer are being developed as a third-generation fuel cell for power generation. In a solid oxide fuel cell, oxygen (air) is supplied to the air electrode side, and fuel gas (H 2 , CO, etc.) is supplied to the fuel electrode side. The air electrode and the fuel electrode are both porous so that the gas can reach the interface with the solid electrolyte.
[0003]
Oxygen supplied to the air electrode side passes through the pores in the air electrode layer and reaches the vicinity of the interface with the solid electrolyte layer. At this part, it receives electrons from the air electrode and converts them into oxide ions (O 2− ). Ionized. The oxide ions diffuse and move in the solid electrolyte layer toward the fuel electrode. Oxide ions that have reached the vicinity of the interface with the fuel electrode react with the fuel gas at this portion to generate reaction products (H 2 O, CO 2, etc.), and emit electrons to the fuel electrode.
[0004]
The electrode reaction when hydrogen is used as the fuel is as follows.
Air electrode: 1/2 O 2 + 2e − → O 2−
Fuel electrode: H 2 + O 2− → H 2 O + 2e −
Overall: H 2 +1/2 O 2 → H 2 O
[0005]
The solid electrolyte layer is a moving medium for oxide ions and at the same time functions as a partition for preventing direct contact between the fuel gas and air, and thus has a dense structure that is impermeable to gas. This solid electrolyte layer should have a high oxide ion conductivity, be chemically stable under conditions from the oxidizing atmosphere on the air electrode side to the reducing atmosphere on the fuel electrode side, and be made of a material that is resistant to thermal shock. There is generally used stabilized zirconia (YSZ) to which yttria is added as a material satisfying such requirements.
[0006]
On the other hand, both the air electrode (cathode) layer and the fuel electrode (anode) layer, which are electrodes, must be made of a material having high electron conductivity. Since the air electrode material must be chemically stable in a high-temperature oxidizing atmosphere around 700 ° C., the metal is inappropriate, and a perovskite-type oxide material having electron conductivity, specifically LaMnO 3 Alternatively, LaCoO 3 or a solid solution in which a part of these La is substituted with Sr, Ca or the like is generally used. The fuel electrode material is generally a metal such as Ni or Co, or a cermet such as Ni—YSZ or Co—YSZ.
[0007]
Solid oxide fuel cells include a high temperature operation type that operates at a high temperature of about 1000 ° C. and a low temperature operation type that operates at a low temperature of about 700 ° C. A low temperature operation type solid oxide fuel cell is a fuel cell even at low temperatures, for example, by reducing the thickness of stabilized zirconia (YSZ) to which the electrolyte yttria is added to about 10 μm to reduce the resistance of the electrolyte. Use power generation cells modified to generate electricity.
[0008]
In a high-temperature solid oxide fuel cell, ceramics having electronic conductivity such as lanthanum chromite (LaCrO 3 ) is used as a separator. In a low-temperature solid oxide fuel cell, a metal material such as stainless steel is used. Can be used.
[0009]
Three types of solid oxide fuel cell structures have been proposed: a cylindrical type, a monolith type, and a flat plate type. Among these structures, a metal separator can be used for a low temperature operation type solid oxide fuel cell. Therefore, a flat plate type structure that is easy to give a shape to the metal separator is suitable.
[0010]
A stack of flat plate type solid oxide fuel cells has a structure in which power generation cells, current collectors, and separators are alternately stacked. A pair of separators sandwich the power generation cell from both sides, one being in contact with the air electrode via the air electrode current collector and the other being in contact with the fuel electrode via the fuel electrode current collector. A sponge-like porous body such as a Ni-based alloy can be used for the fuel electrode current collector, and a sponge-like porous body such as an Ag-based alloy can be used for the air electrode current collector. Can do. The sponge-like porous body has a current collecting function, a gas permeation function, a uniform gas diffusion function, a cushion function, a thermal expansion difference absorption function, and the like, and is therefore suitable as a multifunctional current collector material.
[0011]
The separator has a function of electrically connecting the power generation cells and supplying gas to the power generation cells. The fuel is introduced from the outer peripheral surface of the separator and discharged from the surface facing the separator fuel electrode layer. Each has a passage and an oxidant passage through which oxidant gas is introduced from the outer peripheral surface of the separator and discharged from the surface facing the oxidant electrode layer of the separator.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the conventional fuel cell, a current collector made of a porous cushion material is disposed between the electrode layer and the separator, and gas is distributed and supplied from the separator to the electrode layer through the current collector. When supplying gas to the electrode layer from the central part of the electrode via the current collector, there is a difference in power generation between the central part and the peripheral part because the gas of sufficient concentration does not reach the peripheral part of the electrode layer. In order to improve the power generation efficiency, further improvement in the performance of the current collector has been demanded.
[0013]
In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a current collector capable of improving power generation efficiency, a method for manufacturing the current collector, and a solid oxide fuel cell using the current collector.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention, a current collector disposed between a separator and an electrode layer of a solid oxide fuel cell is composed of a porous metal body having a three-dimensional skeleton structure, and an outer peripheral edge portion is formed. It is characterized in that the porosity is lower than that in the center.
[0015]
In this current collector, the porosity of the outer peripheral edge portion is set lower than that in the central portion, so that the back pressure acting on the outer peripheral end of the current collector can be increased. Therefore, even when applied to a fuel cell of a type in which a gas seal member is not provided on the outer peripheral portion of the power generation cell, gas escape from the outer peripheral portion of the current collector can be suppressed and supplied from the central portion of the separator. The gas can be distributed at a sufficient concentration to the periphery of the current collector. As a result, gas can be uniformly distributed and supplied to the electrode layer over a wide area from the center to the periphery of the current collector, eliminating the difference in power generation between the center and the periphery, and improving the overall power generation efficiency. Can be improved.
[0016]
According to a second aspect of the present invention, there is provided a method for producing a current collector disposed between a separator and an electrode layer of a solid oxide fuel cell, wherein a circle made of a metal porous body having a homogeneous three-dimensional skeleton structure as a whole. A step of forming a plate, and a step of compressing the outer peripheral edge of the disc to form a porosity of the portion lower than that of the central portion.
[0017]
As a method of lowering the porosity of the outer peripheral edge of a disk made of a metal porous body, a method of adjusting the porosity at the stage of molding the metal porous body can be adopted, but in the invention of
[0018]
According to a third aspect of the present invention, there is provided a method for producing a current collector disposed between a separator and an electrode layer of a solid oxide fuel cell, wherein a circle made of a metal porous body having a homogeneous three-dimensional skeleton structure as a whole. A step of forming a plate, a step of forming an annular upright wall by bending the outer peripheral edge of the disc over the entire circumference, and the portion by compressing the upright wall in the thickness direction of the disc And a step of forming the whole with a uniform thickness while forming a lower porosity than the central portion.
[0019]
In this invention, before compressing and crushing the outer peripheral edge of the disk, the outer peripheral edge of the disk is bent in advance to form a standing wall, and the height of the standing wall is compressed and crushed in that state. Thus, the porosity of the outer peripheral edge portion is formed to be lower than that of the central portion while making the entire thickness uniform. Therefore, the porosity can be adjusted while making the entire thickness uniform without special measures (such as forming the outer peripheral edge to be thicker) in the metal porous body forming step. In that case, the size of the porosity can be set according to the bending height of the standing wall.
[0020]
According to a fourth aspect of the present invention, a fuel electrode layer and an oxidant electrode layer are laminated on both sides of a solid electrolyte layer, and a fuel electrode current collector and an oxidant comprising a porous body outside the fuel electrode layer and the oxidant electrode layer, respectively. A fuel cell stack is formed by laminating an electrode current collector and laminating a separator on the outside of the fuel electrode current collector and the oxidant electrode current collector, and the fuel electrode current collector and the oxidant are formed from the center of the separator. 2. The current collector according to
[0021]
The problem caused by the uneven distribution and supply of gas through the current collector occurs mainly on the fuel gas supply side. This is because the fuel gas cannot flow in a large amount like air (oxidant gas) and can flow only in a prescribed amount. Therefore, in the invention of claim 3, the current collector having a lower porosity in the outer peripheral edge portion of
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1A and 1B are configuration diagrams of a current collector, where FIG. 1A is a plan view and FIG. 1B is a cross-sectional view. FIG. 2 is a process explanatory diagram of a method of manufacturing a current collector. 3 is an exploded sectional view of the solid oxide fuel cell, and FIG. 4 is an exploded perspective view of the main part.
[0023]
First, the whole structure of the solid oxide fuel cell of embodiment is demonstrated using FIG. 3, FIG. In FIG. 3,
[0024]
Here, the
[0025]
The porous metal plate which comprises the
[0026]
First, in the slurry preparation step, a metal powder, an organic solvent (such as n-hexane), a surfactant (such as sodium dodecylbenzenesulfonate), a water-soluble resin binder (such as hydroxypropylmethylcellulose), a plasticizer (such as glycerin), A foam slurry is prepared by mixing water. This is formed into a thin plate shape on a carrier sheet by a doctor blade method in a forming step to obtain a green sheet. Next, in the foaming process, the green sheet is foamed in a sponge shape using the vapor pressure of the volatile organic solvent and the foaming property of the surfactant in a high-temperature and high-humidity environment, followed by a drying process, a degreasing process, A porous metal plate is obtained through a firing step.
[0027]
In this case, in the foaming process, the bubbles generated inside the green sheet receive a substantially equivalent pressure from all directions and grow in a substantially spherical shape. When the bubbles diffuse from the inside and approach the interface with the atmosphere, the bubbles grow into a thin portion of the slurry between the bubbles and the atmosphere, eventually breaking the bubbles, and the gas inside the bubbles is made small It diffuses from the hole into the atmosphere. Therefore, a porous metal plate having continuous pores opened on the surface is obtained.
[0028]
The
[0029]
As a method of setting only the porosity of the outer
[0030]
The specific manufacturing method will be described with reference to FIG.
In this method, first, in a first step, a
[0031]
After setting the
[0032]
Next, in the third step, as shown in (c), the
[0033]
By forming the
[0034]
3 and 4, the overall configuration will be described. The
[0035]
On the other hand, as shown in FIG. 3, on the side of the
[0036]
In the fuel cell having the above-described configuration, the anode
[0037]
In other words, since the conventional current collector has a uniform porosity, the gas escapes from the outer peripheral edge, so that the gas concentration decreases from the central part to the peripheral part. However, the anode
[0038]
Note that the current collector similar to the fuel electrode
[0039]
In the above-described embodiment, the solid oxide fuel cell using stabilized zirconia (YSZ) in which yttria is added to the electrolyte of the power generation cell has been shown. However, the present invention is not limited to other solid oxide fuel cells, for example, The present invention can also be applied to a solid oxide fuel cell using a ceria-based electrolyte and a gallate electrolyte.
[0040]
【Effect of the invention】
As described above, the current collector of the first aspect of the invention has a lower porosity at the outer peripheral edge portion than that at the central portion, so that the back pressure acting on the outer peripheral end of the current collector is increased. The gas supplied from the central portion of the separator can be spread to the peripheral portion of the current collector at a sufficient concentration. Therefore, gas can be uniformly distributed and supplied to the electrode layer over a wide area from the center to the periphery of the current collector, eliminating the difference in power generation between the center and the periphery, and improving the overall power generation efficiency. Can be up.
[0041]
According to the manufacturing method of the invention of
[0042]
According to the invention of
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a current collector according to an embodiment of the present invention, where (a) is a plan view and (b) is a cross-sectional view.
FIGS. 2A to 2D are process diagrams for explaining a method of manufacturing a current collector.
FIG. 3 is an exploded cross-sectional view showing a main configuration of a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an exploded perspective view showing a main configuration of the fuel cell.
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