JP6477870B2 - 固体酸化物型燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、固体酸化物型燃料電池に関する。

燃料電池は、化学エネルギーを電気化学的な反応により電気エネルギーに変換する装置である（例えば、特許文献１参照）。このような燃料電池の一種である固体酸化物型燃料電池では、燃料極、固体電解質および空気極の各層を積層し、これを燃料電池の発電部として外部から水素や炭化水素などの燃料ガスを燃料極に供給し、かつ、空気極には空気などの酸化剤ガスを供給して電気を発生させる仕組みとなっている。

一般的に、燃料電池の発電部であるセルは、燃料極および空気極から電子を集電する集電体で挟み込まれており、さらに、この集電体は、燃料流路および空気流路を区画形成するセパレータとして機能する。また、セルは、強度を確保するために金属支持体によって保持されて、金属支持体と燃料極と固体電解質と空気極との積層構造となっているものもある。

特開２００１−３５５１４号公報

前述のような固体酸化物型燃料電池では、特に急速起動時にセルの外縁部（筐体近傍の部分）と外縁部よりも内側の領域とで温度差が生じ得る。その際、セルは熱膨張によって伸長するところ、周囲を筐体により保持されているため、板状のセルが膜厚方向に大きく湾曲変形する可能性がある。このセルの膜厚方向への湾曲変形は接触していたセルと集電体とが離れ、集電抵抗（ＡＳＲ）が増加し、燃料電池の出力を低下させる虞がある。

そこで、本発明は、急速起動時におけるセルと集電体との接触性がよく、集電抵抗の増加および燃料電池の出力の低下を抑制することができる固体酸化物型燃料電池を提供することを目的とする。

本発明に係る固体酸化物型燃料電池では、セルと、集電体とが積層される。セルにセルの他の部分よりも変形し易い変形誘導部が設けられる。

熱膨張に伴いセルが変形する際に、セルが変形誘導部を基点として変形し易くなるため、集電体とセルとが離れるのを抑制することが可能になる。これにより、急速起動時におけるセルと集電体との接触性がよくなり、集電抵抗の増加および燃料電池の出力の低下を抑制することができる。

図１は、本発明の第一実施形態に係る固体酸化物型燃料電池の部分断面図である。 図２は、第一実施形態に係るセルが変形した状態を示す説明図である。 図３は、第一実施形態に係るセルを製造する方法の一例を示す説明図である。 図４は、集電抵抗改善度の評価結果を示すグラフである。 図５は、本発明の第二実施形態に係る固体酸化物型燃料電池の部分断面図である。 図６は、本発明の第三実施形態に係る固体酸化物型燃料電池の部分断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面とともに詳述する。

［第一実施形態］
本発明の第一実施形態に係る固体酸化物型燃料電池を図１から図４に基づいて説明する。

固体酸化物型燃料電池は、化学エネルギーを電気化学的な反応により電気エネルギーに変換する装置である燃料電池の一種である。本実施形態に係る固体酸化物型燃料電池は、図１に示すように、燃料電池の発電部としてのセル１と、セル１の燃料極４および空気極６から電子を集電する集電体２と、これらのセル１および集電体２を収容する筐体（図示せず）と、を備えている。

セル１は、燃料極（アノード極）４と空気極（カソード極）６との間に固体電解質５を挟み込んだ三層の積層構造を有しており、さらに、これらの燃料極４と固体電解質５と空気極６とが、強度を確保するための金属支持体（メタルサポート）３に積層されている。すなわち、セル（金属支持型セル）１は、金属支持体３と燃料極４と固体電解質５と空気極６との積層体として板状に形成されている。

金属支持体３は、燃料電池の単位面積当たりの出力向上を目的として、導電性を有する材料により形成されるが、電極に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給するためにガス透過性も要求される。この金属支持体３は、高Crステンレス鋼の微粒子を焼結してなる多孔質金属基板により形成される。

燃料極４としては、例えば、ニッケル（Ni）、コバルト（Co）および白金（Pt）などの貴金属を用いることができる。また、燃料極４として、ニッケル（Ni）と固体電解質とのサーメットを用いることもできる。この燃料極４に要求される特性としては、還元雰囲気に強いこと、燃料ガスを透過すること、電気伝導度が高いこと、水素分子をプロトンに変換する触媒作用に優れていることなどが挙げられる。

その一方で、空気極６としては、例えば、銀（Ag）や白金（Pt）などの金属系粉末粒子を用いることができる。また、空気極６として、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ：LaSrMnO）やランタンストロンチウムコバルタイト（ＬＳＣ：LaSrCoO）に代表されるペロブスカイト構造の酸化物粉末粒子を用いることもできる。この空気極６に要求される特性としては、酸化に強いこと、酸化剤ガスを透過すること、電気伝導度が高いこと、酸素分子を酸素イオンに変換する触媒作用に優れていることなどが挙げられる。

空気極６では活性点となる三相界面において酸素ガス分子が酸素イオンと電子とに分解し、酸素イオンは固体電解質５を通り燃料極４に伝導する。さらに、燃料極４では、同じく活性点となる三相界面において、固体電解質５より伝導してきた酸素イオンと燃料ガス分子とが反応し、その際に電子が放出される。

前記固体電解質５としては、例えば、例えば、イットリア（Y2O3）、酸化ネオジム（Nd2O3）、サマリア（Sm2O3）、ガドリア（Gd2O3）やスカンジア（Sc2O3）などを固溶した安定化ジルコニアを用いることができる。また、固体電解質５として、酸化セリウム（CeO2）系固溶体、酸化ビスマス（Bi2O3）やランタンガリウム酸化物（LaGaO3）などの酸化物粉末粒子を用いることもできる。

集電体２は、セル１の両面を挟み込むように積層されて、セル１の両面にそれぞれ接触している。この集電体２は、さらに、セル１との間に燃料流路および空気流路を区画形成するセパレータとして機能する。集電体２は、耐酸化性に優れ、かつ、導電性を有する材料（例えば、Fe合金やSUS）により形成される。

集電体２は、セル１のうち発電に寄与するアクティブ領域に対応する部分が波板状に形成されており、金属支持体３と接触する接触部７と、空気極６と接触する接触部８とが交互に並ぶように形成される。また、集電体２の積層は、金属支持体３との接触部７と、空気極６との接触部８とがセル１を間に挟んで同位置である対称積層とされている。そして、集電体２の金属支持体３との接触部７を溶接することにより、集電体２がセル１に対して固定される。溶接部９を、楕円形で示す。

このような固体酸化物型燃料電池においては、水素や炭化水素などの燃料ガスを燃料極４に供給し、その一方で、空気や酸素などの酸化剤ガスを空気極６に供給して、電気を発生させる仕組みとなっている。前述のセル１および集電体２を多層に積層したものを、スタック構造を有する固体酸化物型燃料電池としている。

そして、本実施形態に係る固体酸化物型燃料電池では、セル１に変形誘導部１０が設けられており、この変形誘導部１０は、セル１の他の部分よりも変形し易いような構成とされ、熱膨張に伴いセル１が変形する際に、セル１が変形誘導部１０を基点として変形し易くなる。

変形誘導部１０は、金属支持体３上に集電体２のセル１との接触部７，８に沿って、すなわち燃料流路または空気流路の流れ方向（図１の紙面に直交する方向）に沿って線状に延在している。変形誘導部１０は、セル１を折り紙に例えると予め折り皺を付けておくことなどのように、変形誘導部１０を基点としてセル１を変形し易くするための構造である。この変形誘導部１０は、燃料極４、固体電解質５および空気極６に設けることが一般的に難しいため、金属支持体３に設けている。

変形誘導部１０は、金属支持体３上に集電体２の金属支持体３との接触部７を間に挟んで一対に配設されている。さらに、変形誘導部１０は、金属支持体３上において互いに隣接する接触部７，７間の中間部位に配設されている。第一実施形態の変形誘導部１０は、金属支持体３の膜厚が他の部分よりも薄い薄膜部１１である。この薄膜部１１は、図示はしないが、燃料流路または空気流路の流れ方向（図１の紙面に直交する方向）に断続的に配設されている。

次に、第一実施形態に係るセル１を製造する方法の一例を図３に基づいて説明する。

まず、高Crステンレス鋼の微粒子を焼結させて板状の金属支持体３を作成する（図３（ａ））。

次いで、金属支持体３の両面のうち、いずれか一方の面に、薄膜部１１を研削加工やエッチング加工などを用いて形成する（図３（ｂ））。この際、薄膜部１１を、集電体２と接触する接触部位の外側部位に形成し、さらに、別の薄膜部１１を、集電体２と接触する接触部位と隣接する接触部位間の中間部位に形成した。

次いで、金属支持体３の両面のうち、薄膜部１１を形成した面とは反対側の面に、燃料極４と固体電解質５と空気極６とを成膜する（図３（ｃ））。この際、固体電解質５はスパッタ法を用いて成膜し、空気極６は塗布法を用いて成膜した。

次いで、集電体２の金属支持体３との接触部７と、集電体２の空気極６との接触部８とが、金属支持体３を間に挟んで同位置で対向するように、集電体２を積層する（図３（ｄ））。

そして、最後に、集電体２の金属支持体３との接触部７を溶接する（図３（ｅ））。

以下、本実施形態の効果を確認するために行った集電抵抗測定試験について説明する。

［供試体］
供試体のセパレータピッチは４ｍｍ、セルの膜厚は３００μｍである。また、当然のことながら、供試体は、図１に示すような、セルおよび集電体が多層に積層されたスタック構造を有しており、セルの外縁面は筐体によって保持される。実施例の供試体は、金属支持体に変形誘導部（薄膜部）を設けたものとし、比較例の供試体は、金属支持体に変形誘導部（薄膜部）を設けないものとした。

［集電抵抗測定試験］
急速昇温によって筐体とセルとの温度差が３００℃になった時点で、集電抵抗の測定を開始した。急速昇温は、空気流路に加熱ガスを流すことにより行った。

［比較結果］
実施例に係る供試体の集電抵抗値と、比較例に係る供試体の集電抵抗値との比較によって効果を確認した。図４に示すように、実施例に係る供試体の集電抵抗値は、比較例に係る供試体の集電抵抗値に対して１５％低減したことが分かった。

［考察］
集電抵抗測定試験後に、比較例に係る供試体を観察した結果、集電体の空気極との接触部が空気極から離れていることが確認され、最大２５０μｍの隙間があることが分かった。これに対して、同様に、集電抵抗測定試験後に、実施例に係る供試体を観察した結果、集電体の空気極との接触部が空気極から離れることは確認されなかった（図２参照）。すなわち、集電体とセルとが離れるのを抑制することによって、集電抵抗の増加を抑制することが可能になった。

以下に、本実施形態による作用効果を説明する。

（１）本実施形態に係る固体酸化物型燃料電池は、金属支持体３に燃料極４と固体電解質５と空気極６とを積層した構造を有する板状のセル１と、セル１の両面を挟み込むように積層された集電体２と、を備える。集電体２は、セル１の両面にそれぞれ接触している。セル１は、セル１の他の部分よりも変形し易い変形誘導部１０を有する。

熱膨張に伴いセル１が変形する際に、セル１が変形誘導部１０を基点として変形し易くなるため、集電体２とセル１とが離れるのを抑制することが可能になる。これにより、急速起動時におけるセル１と集電体２との接触性がよくなり、集電抵抗の増加および燃料電池の出力の低下を抑制することができる。

（２）変形誘導部１０は、線状に延在している。

変形誘導部１０が、線状に延在していることにより、熱膨張に伴いセル１が変形する際に、図２に示されるように、セル１が変形誘導部１０を基点として変形し易くなる。よって、熱膨張に伴いセル１が変形する際に、集電体２とセル１とが離れるのをより確実に抑制することが可能になる。

（３）変形誘導部１０は、集電体２のセル１（金属支持体３）との接触部７を間に挟んで一対に配設されている。

変形誘導部１０は、接触部７を間に挟んで一対に配設されていることにより、熱膨張に伴いセル１が変形する際に、図２に示されるように、集電体２のセル１との接触部７，８を支点として撓み易くなる。よって、熱膨張に伴いセル１が変形する際に、集電体２とセル１とが離れるのをより確実に抑制することが可能になる。

（４）変形誘導部１０は、互いに隣接する接触部７，７間の中間部位に配設されている。

変形誘導部１０が、互いに隣接する接触部７，７間の中間部位に配設されていることにより、熱膨張に伴いセル１が変形する際に、図２に示されるように、集電体２のセル１との接触部７，８を支点として撓み易くなる。よって、熱膨張に伴いセル１が変形する際に、集電体２とセル１とが離れるのをより確実に抑制することが可能になる。

（５）変形誘導部１０は、金属支持体３の膜厚が他の部分よりも薄い薄膜部１１である。

変形誘導部１０は、金属支持体３の膜厚が他の部分よりも薄い薄膜部１１であることにより、図２に示されるように、セル１が薄膜部１１を基点として変形し易くなる。よって、熱膨張に伴いセル１が変形する際に、集電体２とセル１とが離れるのをより確実に抑制することが可能になる。

［第二実施形態］
本発明の第二実施形態に係る固体酸化物型燃料電池を図５に基づいて説明する。なお、前述の第一実施形態と同一の部分は同一符号を付することによってその説明を省略する。

図５に示すように、第二実施形態に係る固体酸化物型燃料電池においては、セル１に変形誘導部２０が設けられており、この変形誘導部２０は、セル１の他の部分よりも変形し易いような構成とされ、熱膨張に伴いセル１が変形する際に、セル１が変形誘導部２０を基点として変形し易くなる。

変形誘導部２０は、金属支持体３上に集電体２のセル１との接触部７，８に沿って、すなわち燃料流路または空気流路の流れ方向（図５の紙面に直交する方向）に沿って線状に延在している。変形誘導部２０は、セル１を折り紙に例えると予め折り皺を付けておくことなどのように、変形誘導部２０を基点としてセル１を変形し易くするための構造である。この変形誘導部２０は、燃料極４、固体電解質５および空気極６に設けることが一般的に難しいため、金属支持体３に設けている。

変形誘導部２０は、金属支持体３上に集電体２の金属支持体３との接触部７を間に挟んで一対に配設されている。さらに、変形誘導部２０は、金属支持体３上において互いに隣接する接触部７，７間の中間部位に配設されている。第二実施形態の変形誘導部２０は、金属支持体３を構成する多孔質金属基板の気孔率が他の部分よりも高い疎構造部２１である。この疎構造部２１は、図示はしないが、燃料流路または空気流路の流れ方向（図５の紙面に直交する方向）に断続的に配設されている。前記疎構造部２１は、燃料流路または空気流路の流れ方向（図５の紙面に直交する方向）に連続的に配設するようにしてもよい。

次に、第二実施形態に係るセル１を製造する方法の一例を説明する。なお、第二実施形態に係るセル１を製造する方法は、第一実施形態とは途中の工程が異なるのみであるので図示は省略する。

まず、高Crステンレス鋼の微粒子を焼結させて板状の金属支持体３を作成する。

次いで、金属支持体３の両面のうち、いずれか一方の面に、溝を研削加工やエッチング加工を用いて形成する。この際、溝を、集電体２と接触する接触部位の外側部位に形成し、さらに、別の溝を、集電体２と接触する接触部位と隣接する接触部位間の中間部位に形成した。

さらに、金属支持体３よりも粒子径が大きい高Crステンレス鋼の粒子を粘性がある有機バインダー溶液中に分散させて、粘性があるスラリーをとしたもの前記溝に充填した後に、焼結処理を行う。このような工程によって、疎構造部２１を金属支持体３上に形成した。

次いで、金属支持体３の両面のうち、疎構造部２１を形成した面とは反対側の面に、燃料極４と固体電解質５と空気極６とを成膜する。この際、固体電解質５はスパッタ法を用いて成膜し、空気極６は塗布法を用いて成膜した。

次いで、集電体２の金属支持体３との接触部７と、集電体２の空気極６との接触部８とが、金属支持体３を間に挟んで同位置で対向するように、集電体２を積層する。

そして、最後に、集電体２の金属支持体３との接触部７を溶接する。

以下に、第二実施形態による作用効果を説明する。

第二実施形態の変形誘導部２０は、金属支持体３を構成する多孔質金属基板の気孔率が他の部分よりも高い疎構造部２１である。

変形誘導部２０が、金属支持体３を構成する多孔質金属基板の気孔率が他の部分よりも高い疎構造部２１であることにより、セル１が疎構造部２１を基点として変形し易くなる。よって、熱膨張に伴いセル１が変形する際に、集電体２とセル１とが離れるのを抑制することが可能になる。また、変形誘導部２０が疎構造部２１であることにより、変形誘導部２０が切欠きや溝などである場合と比較して、電極面内方向の電子パスを向上することができる。

［第三実施形態］
本発明の第三実施形態に係る固体酸化物型燃料電池を図６に基づいて説明する。なお、前述の第一実施形態と同一の部分は同一符号を付することによってその説明を省略する。

図６に示すように、第三実施形態に係る固体酸化物型燃料電池においては、セル１に変形誘導部３０が設けられており、この変形誘導部３０は、セル１の他の部分よりも変形し易いような構成とされ、熱膨張に伴いセル１が変形する際に、セル１が変形誘導部３０を基点として変形し易くなる。

変形誘導部３０は、金属支持体３上に集電体２のセル１との接触部７，８に沿って、すなわち燃料流路または空気流路の流れ方向（図６の紙面に直交する方向）に沿って線状に延在している。変形誘導部３０は、セル１を折り紙に例えると予め折り皺を付けておくことなどのように、変形誘導部３０を基点としてセル１を変形し易くするための構造である。この変形誘導部３０は、燃料極４、固体電解質５および空気極６に設けることが一般的に難しいため、金属支持体３に設けている。

変形誘導部３０は、金属支持体３上に集電体２の金属支持体３との接触部７を間に挟んで一対に配設されている。さらに、変形誘導部３０は、金属支持体３上において互いに隣接する接触部７，７間の中間部位に配設されている。第三実施形態の変形誘導部３０は、金属支持体３の表面に設けられた溝部３１である。この溝部３１は、図示はしないが、燃料流路または空気流路の流れ方向（図６の紙面に直交する方向）に連続的に延在している。

第三実施形態に係るセル１を製造する方法は、第一実施形態とほぼ同様であるので説明は省略する。

以下に、第三実施形態による作用効果を説明する。

第三実施形態の変形誘導部３０は、金属支持体３の表面に設けられた溝部３１である。

変形誘導部３０が、金属支持体３の表面に設けられた溝部３１であることにより、セル１が溝部３１を基点として変形し易くなる。よって、熱膨張に伴いセル１が変形する際に、集電体２とセル１とが離れるのを抑制することが可能になる。

以上、実施形態に沿って本発明の内容を説明したが、本発明はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変形及び改良が可能であることは、当業者には自明である。

例えば、前述の実施形態では、燃料極４と固体電解質５と空気極６との三層の積層構造のうち、燃料極４が金属支持体３と接するように積層されているが、これに限定されず、空気極６が金属支持体３と接するように積層されていてもよい。また、第一実施形態の変形誘導部１０（薄膜部１１）、第二実施形態の変形誘導部２０（疎構造部２１）および第三実施形態の変形誘導部３０（溝部３１）は、相互に組み合わせて用いることが可能である。

１ セル
２ 集電体
３ 金属支持体
４ 燃料極
５ 固体電解質
６ 空気極
７ 接触部
８ 接触部
１０ 変形誘導部
１１ 薄膜部
２０ 変形誘導部
２１ 疎構造部
３０ 変形誘導部
３１ 溝部

Claims (8)

1. 金属支持体に燃料極と固体電解質と空気極とを積層した構造を有する板状のセルと、
   前記セルの積層方向と直交する方向に前記セルに接触する複数の第一接触部を有する第一集電体と、
   前記セルを挟んで前記第一集電体と反対側に位置し、前記セルの積層方向と直交する方向に前記セルに接触する複数の第二接触部を有する第二集電体と、を備え、
   前記複数の第一接触部と前記複数の第二接触部とは、全て前記セルの積層方向で重なる領域を有し、
   前記金属支持体は、前記金属支持体の他の部分よりも変形し易い変形誘導部を有する
   ことを特徴とする固体酸化物型燃料電池。
2. 前記変形誘導部は、線状に延在していることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池。
3. 前記変形誘導部は、前記第一接触部を間に挟んで一対に配設されていることを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物型燃料電池。
4. 前記変形誘導部は、互いに隣接する前記第一接触部間の中間部位に配設されていることを特徴とする請求項３に記載の固体酸化物型燃料電池。
5. 前記変形誘導部は、前記金属支持体の膜厚が他の部分よりも薄い薄膜部を有する請求項１から４のいずれか一項に記載の固体酸化物型燃料電池。
6. 前記金属支持体は、多孔質金属基板により形成されており、
   前記変形誘導部は、前記多孔質金属基板の気孔率が他の部分よりも高い疎構造部を有する請求項１から４のいずれか一項に記載の固体酸化物型燃料電池。
7. 前記変形誘導部は、前記金属支持体の表面に設けられた溝部を有する請求項１から４のいずれか一項に記載の固体酸化物型燃料電池。
8. 前記金属支持体は、多孔質金属基板により形成されており、
   前記変形誘導部は、前記多孔質金属基板の気孔率が他の部分よりも高い疎構造部を有し、
   前記金属支持体の両面のうち、前記燃料極と前記固体電解質と前記空気極とが積層された面とは反対側の面において、前記疎構造部が、隣接する前記第一接触部の間に配設される請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池。

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