JP5327712B2 - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて電気化学反応により電気エネルギを発生する固体電解質型燃料電池に関し、特に、単セルと集電体との間に接点材を介在させた構造を有する固体電解質型燃料電池の改良に関するものである。

この種の固体電解質型燃料電池としては、例えば特許文献１に開示されているものがある。特許文献１の固体電解質型燃料電池は、固体電解質を燃料極及び空気極で挟んで単セルを構成すると共に、単セルとセパレータを交互に多段積層し、空気極とセパレータとの間にコンタクト層（接点材）を介在させたものである。このコンタクト層の材料には、銀粉体又は銀合金粉体と、ペロブスカイト型酸化物粉体とを含むものを使用している。

２００５−５０６３６号公報

ところで、上記したような固体電解質型燃料電池では、銀系コンタクト材料から成るコンタクト層を形成した場合、ペロブスカイト酸化物系のコンタクト層よりも抵抗が低く、運転温度で軟化することで応力緩和効果がある上に、比較的安価であるという利点がある。ところが、銀は、燃料電池の運転温度（例えば６００℃以上）で移動し易く、とくに、多孔質の電解質層に対しては毛管現象により浸透移動し易くなる。

このため、従来の固体電解質型燃料電池にあっては、コンタクト層に含まれる銀が電極側へ浸透移動して、単セルを保持する金属フレームと電極とが短絡（ショート）する虞があり、このような問題点を解決することが課題であった。

本発明は、上記従来の課題に着目して成されたものであり、単セルの電極と集電体との間に接点材を介在させた構造を有する固体電解質型燃料電池であって、接点材の主成分である金属の浸透移動による短絡を防ぐことができる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。

本発明の固体電解質型燃料電池は、電解質層を燃料極及び空気極の両電極で挟持して成る単セルと、単セルで発生した電気エネルギを外部へ導くための集電体を備えると共に、単セルの電極と集電体との間に、金属（例えば銀）を主成分とする接点材を介在させた構造を有している。

そして、本発明の固体電解質型燃料電池は、電極と接点材との間に、接点材の主成分である金属の電極側への移動を阻止する導電性パッドを備えた構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。

本発明によれば、単セルの電極と集電体との間に接点材を介在させた固体電解質型燃料電池において、接点材の主成分である金属の浸透移動による短絡を防ぐことができ、長期にわたって安定した電気的接触抵抗や耐久性を維持することができる。

本発明の固体電解質型燃料電池の一実施形態を示す断面図である。 図１中の導電性パッド部分の拡大断面図である。 本発明の固体電解質型燃料電池の他の実施形態を示す断面図である。 本発明の固体電解質型燃料電池のさらに他の実施形態を示す断面図である。 導電性パッドの他の実施形態を示す拡大断面図である。 導電性パッドの形状例を示す各々斜視図（Ａ）（Ｂ）である。 本発明の固体電解質型燃料電池における電極と接点材との接触部分の顕微鏡写真（Ａ）、及び導電性パッドの無い比較例の顕微鏡写真（Ｂ）である。 実施例１〜４及び比較例１による固体電解質型燃料電池の時間経過に伴う抵抗の変化を示すグラフである。

図１に示す固体電解質型燃料電池ＦＣ１は、単セル１と、金属製のフレーム２と、集電体（インターコネクタ）３と、上下のセパレータ板４，５を備えると共に、単セル１の電極と集電体３との間に、金属を主成分とする接点材６を介在させた構造を有している。

単セル１は、図２に示すように、電解質層１Ａを燃料極１Ｂ及び空気極１Ｃの両電極で挟持して成る発電要素であって、図示例では上側に空気極１Ｃを、下側に燃料極１Ｂを有している。この単セル１は、フレーム２により電解質層の部分で保持され、ガラス接着等の手段で同フレーム２に固定してある。フレーム２は、上下のプレート２Ａ，２Ｂ間にガスケット２Ｃを介装した構造になっている。

集電体３は、単セル１で発生した電気エネルギを外部へ導くためのものであって、この実施形態ではメッシュであり、図２に示す如くペースト状の接点材６が塗布してある。接点材６は、融点６００℃以上の遷移金属を主成分とするもので、より具体的には、銀を主成分とするものである。

上下のセパレータ板４，５は、単セル１との間に、一方の反応用ガスである酸化剤ガス（空気）の流路７と、他方の反応用ガスである燃料ガスの流路８を形成する。これらの流路７，８に集電体３が弾発的に収容してある。さらに、図示例では、上側のセパレータ板に、マイカシート９を介して、カソード出力端子１０を有するアルミナ製の端子板１１が設けてある。

そして、固体電解質型燃料電池ＦＣ１は、電極（１Ｂ，１Ｃ）と接点材７との間に、接点材６の主成分である金属（銀）の電極側への移動を阻止する導電性パッドＰを備えている。

導電性パッドＰは、融点６００℃以上の遷移金属から成るものであって、より望ましくは、Ｐｄ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｕ，Ｎｉ及びＣｏから選択される少なくとも１種の金属を含むものとする。

また、導電性パッドＰは、金属箔から成るものとしたり、金属コーティング層から成るものとしたりすることができる。金属箔から成る場合には、取り扱い易くて作業性に優れるなどの利点があり、金属コーティング層から成る場合には、生産性に優れるなどの利点がある。さらに、導電性パッドＰは、スパッタ法などによりパターニングした金属層から成るものでも良い。

さらに、導電性パッドＰは、金属箔、金属コーティング層及び金属層のいずれの場合においても、その厚さを１〜５０μｍとするのが望ましく、これにより、低抵抗性能を良好に維持しつつ、接点材６の主成分である金属（銀）の電極側への移動を確実に阻止することができる。

さらに、導電性パッドＰは、電極全体を覆うのではなく、その大きさが、集電体３が接点材６を介して電極（１Ｂ，１Ｃ）に接する面積に対応したものであれば良い。すなわち、この実施形態では、集電体３がメッシュであって、この集電体３にペースト状の接点材６を塗布しているので、導電性パッドＰは、図２に示すように、集電体３の線材が成す凹凸形状の凸部分に対応した大きさがあれば良い。これにより、燃料極１Ｂ及び空気極１Ｃに対する燃料ガス及び酸化剤ガスの供給は何ら妨げられない。

このように、導電性パッドＰは、電極に対して反応用ガスを供給するために、例えば図６に示す如く反応用ガスを流通させる多数の孔Ｈを有するものや、格子状を成すものとすることができ、その形態がとくに限定されるものではない。また、導電性パッドＰの孔Ｈにあっても、図示例の矩形及び円形などの適宜の形状を選択することができ、集電体３の構成等に応じてパターンを適宜選択することができる。

上記の構成を備えた固体電解質型燃料電池ＦＣは、単セル１の燃料極１Ｂ及び空気極１Ｂに燃料ガス及び酸化剤ガスを夫々供給することで、電気化学反応により電気エネルギを発生する。このとき、固体電解質型燃料電池ＦＣは、接点材６の主成分である銀が運転温度で軟化するものの、導電性パッドＰにより銀の電極側への移動を阻止し、電極（１Ｂ，１Ｃ）と金属製のフレーム２との間で短絡が生じるような事態を未然に防止する。

このように、固体電解質型燃料電池ＦＣは、上記の短絡防止機能により、長期にわたって低抵抗で安定した電気的接触抵抗を維持することができ、耐久性の向上を実現する。また、固体電解質型燃料電池ＦＣは、ＳＵＳ製の集電体及び又はインターコネクタ中に含まれるＣｒの揮発による電極被毒（劣化）も未然に阻止することができ、これによっても耐久性のさらなる向上を実現するほか、比較的低コストで製造できると共に、大量生産も容易である。

また、固体電解質型燃料電池ＦＣでは、導電性パッドＰの材料として、融点６００℃以上の遷移金属を採用したことで、耐熱性が高められ、且つ良好な通電機能を維持しつつ接点材６の金属（銀）の電極側への移動をより確実に阻止することができる。しかも、導電性パッドＰのより望ましい材料として、Ｐｄ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｕ，Ｎｉ及びＣｏから選択される少なくとも１種の金属を採用すれば、耐熱性が高められるうえに、酸化物を生成しても低抵抗を維持して良好な導電性を確保することができる。

図３及び図４は、本発明の固体電解質型燃料電池の他の二つの実施形態を説明する図である。先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図３に示す固体電解質型燃料電池ＦＣは、波板状の集電体１３を備え、単セル１の空気極側（図中で上側）において、集電体１３の凹凸の凸部分に接点材６が塗布してあると共に、空気極と接点材６との間に導電性パッドＰを介装したものである。

また、図４に示す固体電解質型燃料電池ＦＣは、図１に示す実施形態と同様に、メッシュから成る集電体３を備え、単セル１の空気極側（図中で上側）において、空気極と集電体３の接点材６との間に導電性パッドＰを介装したものである。

これらの実施形態の固体電解質型燃料電池ＦＣでは、単セル１の空気極側（図中で上側）において、導電性パッドＰにより、接点材６の主成分である銀の空気極側への移動を阻止し、空気極と金属製のフレーム２との間で短絡が生じるような事態を未然に防止する。

このように、本発明の固体電解質型燃料電池ＦＣは、単セルの両方の電極に導電性パッドを設けた構造だけでなく、いずれか一方の電極と集電体の接点材との間に導電性パッドを介装した構造でも良く、導電性パッドによる同等の効果を得ることができる。

図５は、導電性パッドＰの他の実施形態を示す拡大断面図である。図２に示す実施形態では、空気極１Ｃ上に導電性パッドＰを配置していたのに対して、図５に示す実施形態では、空気極１Ｃと導電性パッドＰの上面が連なるように、空気極１Ｃに導電性パッドＰを埋設状態にしている。

このように、導電性パッドＰを空気極１Ｃさらには単セル１と一体化することで、これらの取り扱いが容易になり、当該燃料電池の組み立て作業性の向上などに貢献することができる。

図７は、本発明例と比較例を示す顕微鏡写真であって、導電性パッドの無い比較例（Ｂ）では、接点材に含まれる銀が軟化して空気極側に浸透移動したことが認められた。これに対して、導電性パッドＰを備えた本発明例（Ａ）では、導電性パッドＰにより、接点材６に含まれる銀の空気極１Ｃ側への移動を阻止していることを確認した。

（実施例及び比較例）
表１に示すように、導電性パッドの材料及び電極への形成方法を異ならせて実施例１〜４の固体電解質型燃料電池を作製すると共に、導電性パッドを具備しない比較例１の固体電解質型燃料電池を作製し、これらの燃料電池を運転して、時間経過に伴う総抵抗の変化を計測した。その結果を表１及び図８に示す。

表１及び図８から明らかなように、比較例１の固体電解質型燃料電池は、時間経過とともに総抵抗が減少し、５００時間後には抵抗が零、すなわち接点材に含まれる銀の電極側への移動による短絡が生じた。これに対して、実施例１〜４の固体電解質型燃料電池は、酸化物の生成により総抵抗がごく僅かに上昇したものの、実質的には総抵抗の変化が殆ど無いものと見なすことができ、導電性パッドによる短絡防止機能が充分に働いていることを確認した。

なお、本発明の固体電解質型燃料電池は、その構成が上記各実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において構成の細部を適宜変更することが可能である。

１ 単セル
１Ａ 電解質層
１Ｂ 燃料極（電極）
１Ｃ 空気極（電極）
３ １３ 集電体
６ 接点材
Ｐ 導電性パッド

Claims (11)

1. 電解質層を燃料極及び空気極の両電極で挟持して成る単セルと、単セルで発生した電気エネルギを外部へ導くための集電体を備えると共に、単セルの電極と集電体との間に、金属を主成分とする接点材を介在させた固体電解質型燃料電池であって、
   電極と接点材との間に、接点材の主成分である金属の電極側への移動を阻止する導電性パッドを備えたことを特徴とする固体電解質型燃料電池。
2. 接点材の主成分である金属が、銀であって、導電性パッドが、融点６００℃以上の遷移金属から成ることを特徴とする請求項１に記載の固体電解質型燃料電池。
3. 導電性パッドが、融点６００℃以上の遷移金属から成ることを特徴とする請求項１に記載の固体電解質型燃料電池。
4. 導電性パッドが、Ｐｄ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｕ，Ｎｉ及びＣｏから選択される少なくとも１種の金属を含むことを特徴とする請求項３に記載の固体電解質型燃料電池。
5. 導電性パッドが、金属箔から成ることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載の固体電解質型燃料電池。
6. 導電性パッドを構成する金属箔の厚さが、１〜５０μｍであることを特徴とする請求項５に記載の固体電解質型燃料電池。
7. 導電性パッドが、金属コーティング層から成ることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に固体電解質型燃料電池。
8. 導電性パッドを構成する金属コーティング層の厚さが、１〜５０μｍであることを特徴とする請求項７に記載の固体電解質型燃料電池。
9. 導電性パッドが、反応用ガスを流通させる孔を有していることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の固体電解質型燃料電池。
10. 導電性パッドが、格子状を成していることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に固体電解質型燃料電池。
11. 導電性パッドの大きさが、集電体が接点材を介して電極に接する面積に対応していることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に固体電解質型燃料電池。

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