JP6805528B2 - 燃料電池単セル及び燃料電池スタック - Google Patents
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Description
そして、上記スラリーを焼結して形成した接着層によれば、上記カソード電極と集電体との接着不良による発電性能の低下を抑制できる旨が開示されている。
そして、上記燃料電池ユニットのカソード電極側に、接点材層、集電補助層、集電体を順に積層したものであり、上記集電補助層が、上記燃料電池ユニットの積層方向に貫通するガス流通孔と導電部とを有し、上記ガス流通孔の大きさが、上記空気流路の幅よりも小さいものであり、 上記接点材層が、上記カソード電極を構成する材料を含み、上記集電補助層の導電部とカソード電極との間に形成された多孔質体であり、上記接点材層の厚さが、上記集電補助層の導電部の幅の1/5〜1/1倍であることを特徴とする。
上記燃料電池単セルCは、燃料電池ユニット1と 接点材層2と、集電補助層3と、集電体4とを備えるものである。上記燃料電池ユニット1は、図2に示すように、アノード電極11、電解質層12、カソード電極13を順に積層したものであり、上記アノード電極側から多孔質金属支持体14で支持されたものである。
上記燃料電池ユニット1は、図1中、点線で示す位置に上記多孔質金属支持体14、アノード電極11、電解質層12、及びカソード電極13が順に積層されて成る。そして、上記多孔質金属支持体14の外縁にフレーム5を備える。
これにより、集電体4の波形状の凸部分、すなわち、リブ部が集電補助層3又は隣接する燃料電池単セルの多孔質金属支持体14に接合し、波形状における各凹部分にガス流路が形成される。
上記燃料電池ユニット1は、アノード電極11、電解質層12、カソード電極13、多孔質金属支持体14を順に積層したものであり、電気化学反応により発電するものである。
上記アノード電極11としては、水素酸化活性を有し、還元性雰囲気中で安定な金属及び/又は合金から成る金属触媒を使用できる。
上記電解質層12としては、酸素イオン伝導性を備え、固体電解質として機能する金属酸化物を使用できる。
上記カソード電極13の構成材料としてはペロブスカイト型酸化物を挙げることができる。
上記ペロブスカイト型酸化物としては、例えば、ペロブスカイト系酸化物(例えば、LSCF(ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物)、LSM(ランタンストロンチウムマンガン酸化物)等を挙げることができる。
上記多孔質金属支持体14は上記燃料電池ユニット1を支持するものである。
上記多孔質金属支持体14は連続孔を多数有する金属多孔質体を使用できる。
上記接点材層2は、上記カソード電極13と後述する集電補助層3の導電部とを接合すると共に、カソード電極13に空気を流通させる連続孔を有する多孔質体である。
上記接点材層2は、図3、図4に示すように、集電補助層3の導電部31とカソード電極13との間に、集電補助層3の導電部31に沿って、該導電部31の形状とほぼ同一の形状に形成される。
接点材層2の幅がその接合箇所の導電部31の幅の1倍以上であることで、カソード電極13と集電補助層3とを確実に接合することができ、1.5倍を超えるとカソード電極13への空気供給効率が低下することがある。
集電補助層3は、カソード電極13の電荷の移動を容易にして燃料電池単セル全体の電気抵抗を低下させるものであり、金属材料から成る導電部31と積層方向に貫通するガス流通孔32とを有するものである。
したがって、カソード電極内や接点材層内を電荷が移動する距離が短くなるため電気抵抗を低下させることができる。
SOFCは、運転温度が高く酸化被膜が形成され易いものであり、特に酸素ガス供給するカソード側で酸化被膜が形成されて電気抵抗が増大しやすい。
30%未満ではカソード電極に空気を供給し難くなり、80%を超えるとカソード電極内や接点材層内を電荷が移動する距離が長くなる。
上記導電部31の一部が接点材層2に埋没していることで、集電補助層3と接点材層2との接触抵抗が低減すると共に、集電補助層3と接点材層2とを強固に接合できる。
上記集電体4は、上記集電補助層3と隣接する燃料電池単セルの多孔質金属支持体14とを電気的に接合すると共に、空気流路CG及び燃料ガス流路AGを区画形成するものである。
集電体4を構成する金属材料としては、上記金属多孔質体を構成する金属材料と同様なものを使用できる。
本発明の上記燃料電池単セルは、複数積層して燃料電池スタックとすることができる。
多孔質金属支持体としてのステンレス鋼(Fe−Cr)からなる粉末焼結板上に、ニッケル(Ni)とイットリア安定化ジルコニア(YSZ)とのサーメットからなるアノード電極、YSZからなる固体電解質層、ランタンストロンチウムコバルトフェライト(LSCF)からなるカソード電極をこの順に積層し、燃料電池ユニットを形成した。
接点材層の厚さを集電補助層の導電部の幅の1/7倍に替える他は実施例1と同様にして燃料電池スタックを形成した。
なお、実施例2は参考例である。
接点材層を形成しない他は実施例1と同様にして燃料電池スタックを形成した。
評価結果を図12に示す。
11 アノード電極
12 電解質層
13 カソード電極
14 多孔質金属支持体
2 接点材層
3 集電補助層
31 導電部
32 ガス流通孔
4 集電体
5 フレーム
6 シール
CG 空気流路
AG 燃料ガス流路
H マニホールド部
C 燃料電池単セル
Claims (9)
- アノード電極、電解質層、カソード電極を順に積層した燃料電池ユニットと、接点材層と集電補助層と、上記集電補助層に接合して空気流路を区画形成する集電体とを備える燃料電池単セルであって、
上記燃料電池ユニットのカソード電極側に、接点材層、集電補助層、集電体を順に積層したものであり、
上記集電補助層が、上記燃料電池ユニットの積層方向に貫通するガス流通孔と導電部とを有し、上記ガス流通孔の大きさが、上記空気流路の幅よりも小さいものであり、
上記接点材層が、上記カソード電極を構成する材料を含み、上記集電補助層の導電部とカソード電極との間に形成された多孔質体であり、
上記接点材層の厚さが、上記集電補助層の導電部の幅の1/5〜1/1倍であることを特徴とする燃料電池単セル。 - 上記接点材層と上記カソード電極とが一体の焼結体であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池単セル。
- 上記接点材層の幅が、上記集電補助層の導電部の幅の1〜1.5倍であるであることを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池単セル。
- 上記集電補助層の導電部の上記燃料電池ユニットの積層方向の一部が、上記接点材層に埋没して接合したものであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つの項に記載の燃料電池単セル。
- 上記接点材層の空隙率が、30〜40%であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つの項に記載の燃料電池単セル。
- 上記集電補助層の導電部の幅が、0.05mm〜0.15mmであることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つの項に記載の燃料電池単セル。
- 上記集電補助層の空隙率が30%〜80%であることを特徴とする1〜6のいずれか1つの項に記載の燃料電池単セル。
- 燃料電池単セルを複数積層して成る燃料電池スタックであって、
上記燃料電池単セルが請求項1〜7のいずれか1つの項に記載の燃料電池単セルであることを特徴とする燃料電池スタック。 - 上記燃料電池単セルの燃料電池ユニットが多孔質金属支持体で支持されたものであり、
上記集電補助層と上記集電体、及び該集電体と隣接する燃料電池単セルの多孔質金属支持体を、溶接又はろう付けで接合したものであることを特徴とする請求項8に記載の燃料電池スタック。
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