(57)【要約】【課題】柔軟性に富み、インターコネクタとセル電極面間の導電性を良好に維持し、安定した集電特性を長期間に亘って発揮することができる燃料電池用集電部材を提供すること。【解決手段】燃料電池の電極１１、１２とインターコネクタ１５の間に介在して両者を電気的に接続する集電部材１の構造として、導電性を備えた複数個の接点体２と、これら接点体２を支持する支持体３から成るものとし、柔軟性のある支持体３に接点体２を貫通させた状態に支持する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池における電極とインターコネクタ間に介在して、両者を電気的に接続する集電部材であって、導電性を備えた接点体と、上記接点体を支持する支持体から成り、これら接点体が上記支持体を貫通した状態に支持されていることを特徴とする燃料電池用集電部材。
【請求項２】
上記接点体が略球形をなし、その短径が支持体の厚さよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用集電部材。
【請求項３】
上記接点体が金属から成ることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池用集電部材。
【請求項４】
上記接点体が多孔質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用集電部材。
【請求項５】
上記接点体が中空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用集電部材。
【請求項６】
上記接点体の表面に、導電性を有する皮膜を備えてい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用集電部材。
【請求項７】
上記支持体が網状をなしていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つの項に記載の燃料電池用集電部材。
【請求項８】
上記支持体が線材から成るものであって、その線径が上記接点体の寸法よりも小さいことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の燃料電池用集電部材。
【請求項９】
上記支持体が金属から成ることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つの項に記載の燃料電池用集電部材。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかの項に記載された少なくとも１種の集電部材を複数枚積層して成ることを特徴とする燃料電池用集電部材。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１つの項に記載の燃料電池用集電部材を備えたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物燃料電池において、燃料極及び空気極とインターコネクタ（セパレータ）との間に介在して、セル電極とインターコネクタ間を電気的に導通させるために用いる燃料電池用集電部材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、発電効率が高く、しかも有害な排ガスをほとんど発生せず、地球環境に優しいクリーンなエネルギー源として注目されており、自動車などの移動体用電源としての実用化が始まっている。
このような燃料電池の中で、電解質材料として固体酸化物を用いた固体酸化物燃料電池は、発電効率が高く、廃熱を有効に利用できるなど多くの利点を有するため研究、開発が進んでいる。
【０００３】
固体酸化物燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」と略称する）は、例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）のような固体酸化物から成る電解質と、この固体電解質を間に挟んで互いに対向する状態に配置された燃料極と空気極から基本的に構成されている。
そして、例えば６００℃を超えるような高温において作動し、燃料極側に水素などの燃料ガスを供給すると共に、空気極側に空気などの酸化性ガスを供給することによって電気化学反応に基づく直流電力を得ることができる。
【０００４】
上記のような燃料電池は、通常、複数個の単セルをインターコネクタと交互に積層することによって、複層構造のスタックとした状態で運転される。
なお、インターコネクタは、隣接する単セル同士を電気的に接続すると共に、各単セルのそれぞれの電極面に燃料ガスと酸化性ガスを配分する機能を有し、各電極面との間には、その間の電気的導通性を確保するために集電体が配置される。
【０００５】
このような集電体には、優れた集電効率を長期に亘って維持する観点から、材料自体の導電性はもとより、耐熱性や、各ガスに対する耐性、各電極へのガス供給を妨げないだけのガス透過性などが要求される。また、インターコネクタの寸法精度のばらつきや熱変形を吸収して、セル電極との接触状態を常時保持するに足る弾性・柔軟性も要求され、これらに対処するための種々の提案がなされている。
【０００６】
例えば、特許文献１には、セパレータと燃料極との間に、複数層から成る耐熱性金属メッシュを弾力圧縮状態に介在させ、燃料極に近い層のメッシュほど線径を細くすることによって、燃料極との密着性を高め、集電効率を向上させることが開示されている。
【０００７】
また、特許文献２には、積層された平板型単電池間に、金属平板と、該平板の表裏両面に接触状態に設けられ、単電池の空気極や燃料極に弾性をもって接触する金属薄板から成る集電板を設けることが記載されている。
すなわち、上記金属平板によって燃料ガス流路と酸化性ガス流路を分離する（セパレータ機能）と共に、上記金属薄板に波状やディンプル状、矩形状の突部、あるいは短冊状に切り起こした突部を設けて、単電池の空気極や燃料極に弾性をもって電気的に接触させる（集電体機能）ようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平０８−４５５１６号公報
【特許文献２】特開２００１−６８１３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記引用文献１に記載の集電体においては、耐熱性金属メッシュの線径が細いと、柔軟性は向上するものの、セル電極との接点面積が小さいために、接触抵抗が増大して良効な導電性が得られず、集電性能に劣化やばらつきが生じることがある。
一方、耐熱性金属メッシュの線径が太いと、電極との接点面積は大きくなるものの、柔軟性が悪化するため、電極との接点数が少なくなることから、良効な導電性が得られず、同様に、集電性能に劣化やばらつきが生じるという問題がある。
【００１０】
また、上記引用文献２に記載の集電板構造においては、電極との接点面積は大きいものの、柔軟性が悪化するため、電極に接触する接点数が少なくなるため、良効な導電性が得られず、やはり集電性能に劣化やばらつきが生じるという問題がある。
【００１１】
本発明は、従来の燃料電池の集電構造における上記のような問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、柔軟性に富み、長期間に亘ってインターコネクタとセル電極面間の導電性を良好に維持することができる燃料電池用集電部材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者らは、上記目的の達成に向けて鋭意検討を重ねた結果、導電性を有する複数の接点体と、これら接点体を繋ぎ止める支持体から成るものとすることにより、上記課題が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１３】
すなわち、本発明は上記知見に基づくものであって、本発明の燃料電池用集電部材は、燃料電池の電極とインターコネクタ間に介在して両者を電気的に接続するものであって、導電性を備えた接点体と、上記接点体を支持する支持体から成り、これら接点体が上記支持体を貫通した状態に支持されていることを特徴とする。
また、本発明の固体酸化物形燃料電池においては、本発明の上記燃料電池用集電部材を備えたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、導電性を有する接点体と、これらを支持する支持体から成り、上記接点体が支持体に貫通状態に支持されたものとしため、インターコネクタとセル電極面間の導電性を良好に維持することができ、安定した集電性能を長期に亘って得られることになる。なお、ここで貫通とは接点体が支持体を貫いてインターコネクタとセル電極面間の導電性を確保することを言い、必ずしも接点体と支持体が一体不可分であることだけに限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の燃料電池用集電部材の一実施形態を示す斜視図（ａ）及びこれを用いた燃料電池の構造を示す断面説明図（ｂ）である。
【図２】図１（ａ）に示した集電部材をインターコネクタとセル電極面間に組み付けた状態を示す断面図である。
【図３】本発明の他の実施形態による集電部材を用いた燃料電池の構造を示す断面説明図である。
【図４】本発明の集電部材を用いた燃料電池におけるインターコネクタ間の接触抵抗値の時間的変化を本発明の集電部材を用いない場合に比較して示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明の燃料電池用集電部材について、さらに詳細、かつ具体的に説明する。
【００１７】
本発明の燃料電池用集電部材は、上記したように、導電性を備えた接点体と、これら接点体を支持する支持体から成り、支持体を貫通した状態に接点体が支持された構造を備えている。
したがって、インターコネクタやセルの形状に、精度的なばらつきや、組み立て時の機械的応力や熱応力等による変形があったとしても、接点体が支持体と共にこれに追従し、多数の接点体がインターコネクタとセル電極面とに常時接触することになる。すなわち、これら接点体によって、インターコネクタとセル電極面との導電性パスが確保され、両者間の導電性が良好に維持され、安定した集電性能を長期に亘って得ることができる。
【００１８】
図１は、本発明の燃料電池用集電部材の一実施形態を示すものであって、図１（ａ）に示す燃料電池用集電部材１は、複数の接点体２と、これら接点体２を支持する支持体３から主に構成され、この例では、球状をなす接点体２がメッシュ構造をなす支持体３の網目を貫通した状態に支持されている。
【００１９】
このような集電部材１は、図１（ｂ）に示すように、セル（燃料電池）１０の電極、すなわち燃料極１１及び空気極１３とインターコネクタ１５，１５との間にそれぞれ配置される。
このとき、集電部材１の支持体３は、柔軟性を備えており、図２に示すように、セル電極１３の表面形状に応じて、あるいはインターコネクタ１５やセル１０の変形などに応じて自在に変形し、当接面に追従した接点体２の変位が生じることから、接点体２による導電パスが確保される。
【００２０】
本発明の燃料電池用集電部材１における接点体２は、上記のようにセル電極１１，１３とインターコネクタ１５との間の導電性パスとして機能するものであるからして、燃料電池の作動温度域における耐熱性と導電性を要すること以外、材料や形状面での限定はない。  しかし、インターコネクタ１５やセル電極１１、１３との点接触を避け、接触面積を大きくする観点からは、ほぼ球状なものを用いることが望ましい。このとき、その大きさとしては、支持体３を貫通して導電パスを形成するためには支持体３の厚みよりも、当該接点体２の短径が大きいことが必要となる。
【００２１】
また、接点体２の材質としては、上記のように導電性と耐熱性が要求されることから、代表的には金属を用いることが望ましく、具体的には、耐熱鋼やステンレス鋼の他、Ｎｉ基、Ｃｏ基などの耐熱合金、超合金などを用いることができる。
【００２２】
さらに、上記接点体２は、接点体自体の変形能が大きく、組み立て時の機械的応力や熱応力等による変形があったとしても、これに追従し、多数の接点体がインターコネクタとセル電極面とに好適に接触することになるという観点から、多孔質であることが望ましい。また、支持体と共にこれに追従し、多数の接点体がインターコネクタとセル電極面とに好適に接触することを維持しつつ、スタックの軽量化を可能とする観点からは中空体であることが望ましい。
【００２３】
そして、インターコネクタ１５やセル電極１１、１３との間の接触抵抗をより低いものとし、もって当該集電部材による集電効率をさらに高いものとするために、図３に示すように、上記接点体２の表面に、導電性を備えた皮膜２ｆを形成しておくことが望ましい。
このような導電性皮膜２ｆとしては、空気極側には、例えばＡｇ−Ｃｕ、Ａｇ−Ｔｉ、Ａｇ−Ａｌ−Ｔｉ、ＬＳＭ、ＬＳＣ、ＬＳＣＭペースト等が好適に使用できる。燃料極の側には、ＮｉＯ、Ｎｉ、Ｎｉ−ＹＳＺ、Ｎｉ−ＳＤＣ、Ｎｉ−ＳＳＣペースト等を用いることができる。
【００２４】
当該接点体２のサイズとしては、特に限定はないが、燃料電池の大きさを考慮すると、略球状の場合、概ね０．６〜２．０ｍｍの範囲内であることが好ましい。
また、接点体２の支持体３に対する分布密度としては、０．５〜４．０個／ｃｍ２ 程度の範囲とすることが望ましい。すなわち、単位面積当たりの接点体２の個数が０．５個に満たない場合は、十分な通電性が得られない可能性があり、４．０個を超えると、サイズにもよるが、集電部材としての柔軟性が損なわれることがある。
【００２５】
一方、上記支持体３は、多数の接点体２がばらばらにならないように、接点体同士を繋ぎ止めるためのものであって、接点体２と同様に燃料電池の作動温度域における耐熱性と、適度な柔軟性を備え、その厚みが接点体２のサイズよりも小さいものでありさえすればよい。
すなわち、複数の接点体２を当該支持体３を貫通した状態に繋ぎ止める機能のものであるからして、必ずしも導電性を必要とせず、例えば、アルミナやシリカなどのセラミックファイバーから成る織物や、不織布なども用いることができる。さらに、これらの材料は適度な柔軟性と耐熱性を備えているので好適に用いることができる。
【００２６】
ここで、上記支持体３に好適な柔軟性としては、セル１０やインターコネクタ１５の寸法や表面形状、スタック組み立て時の機械的応力や昇温・降温時の熱応力等によるこれらの変形に追随して変形するだけの柔軟性を備えていることである。言い換えれば、手で曲げようとしてもほとんど変形しなかったり、僅かな変形で破断したりするような剛体でさえなければよい。
【００２７】
なお、支持体３の材質としては、上記したように導電性を必ずしも必要としないが、柔軟性と耐熱性を有することが好ましく、代表的には金属を用いることができ、例えば、耐熱鋼やステンレス鋼、Ｎｉ基、Ｃｏ基などの耐熱合金、超合金などを用いることが望ましい。
支持体３をこのような金属材料から成るものとした場合には、支持体自体も導電パスとして機能するようになることから、集電部材としての導電性能がさらに向上することになる。
【００２８】
支持体３の形状としては、上記したようなセラミックスや金属ファイバーから成る不織布やフエルトの他、網状のものを用いることができ、網状支持対の網目に接点体２を貫通させて保持することができる。
なお、ここで言う「網状」とは、例えば、薄板から形成したパンチングメタルやエキスパンドメタル状のもの、線材を織ったり、編んだりして形成するメッシュ（平織金網状）や、ひし形金網状、亀甲金網状のものなどが考えられる。このような「網状」であると上記のような好適な柔軟性を確保できるため好ましい形状であると言える。なお線材を用いて「網状」の支持体を形成させる場合には貫通状態を形成させるために線材の線径が接点体の寸法よりも小さいことが必要となるが、線材は貫通状態を確保できる限りにおいて各種組み合わせて用いてもよく、同じ線径の線材どうしを用いることに限定されない。
【００２９】
本発明の燃料電池用集電部材１において、上記接点体２は、支持体３から分離しない程度に付着した状態に支持されていればよいが、接点体２は、溶接やろう接、接着などの手段によって、支持体３に接合されていることが望ましい。
具体的には、銀ろう（Ａｇ−Ｃｕ系、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系など）やＢＣＡＳガラス（ＢａＯ−ＣａＯ−ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３）系接着剤を用いることができる。また、接点体２及び支持体３が共に金属である場合には、通電接合を適用することも可能である。
【００３０】
本発明の燃料電池用集電部材１は、上記した種々の構造を備えたものであるが、これら集電部材を複数枚重ねた状態で使用することもできる。複数枚重ねた状態で使用することにより、組み立て時の機械的応力や熱応力等による変形、及び又はセルの反りがより大きい場合に好適である。
【実施例】
【００３１】
以下、本発明を実施例及び比較例に基づいて、さらに具体的に説明するが、本発明は、これら実施例に限定されるものではない。
【００３２】
〔燃料電池の作製〕
粒径０．８μｍのＮｉＯ粉末と、粒径０．５μｍのイットリア安定化ジルコニア粉（８ＹＳＺ）を５：５の質量比で混合した混合粉末１００重量部に対して、エチルセルロースを１５重量部、テレピン油を８０重量部を混練して燃料極スラリーとした。
そして、これを大気中７００℃で２時間焼成し、Ｎｉ−８ＹＳＺサーメットから成る厚さ０．６ｍｍの燃料極基板を得た。
【００３３】
次に、粒径０．８μｍと０．５μｍのイットリア安定化ジルコニア粉（８ＹＳＺ）を３：７の質量比で混合した混合粉末１００重量部に対して、エチルセルロースを１５重量部、テレピン油を８０重量部を混練して電解質スラリーとした。
これを上記で得られた燃料極基板の上に塗布し、大気中１４００℃で５時間焼成することによって、燃料極基板上に８ＹＳＺから成る厚さ８μｍの電解質層を形成した。
【００３４】
次いで、粒径０．５μｍのランタン・ストロンチウム・マンガン酸化物粉末（Ｌａ０．２Ｓｒ０．８ＭｎＯ３）１００重量部に対して、エチルセルロースを１５重量部、テレピン油を８０重量部を混練して空気極スラリーを得た。
そして、これを上記で得られた電解質層の上に塗布し、大気中１１５０℃で２時間焼成することによって、上記電解質層上にＬＳＭから成る厚さ４０μｍの空気極を形成し、燃料電池単セルを得た。
【００３５】
（実施例１）
（１）空気極側集電部材
支持体として、線径０．１ｍｍ、メッシュサイズ＃２３のフェライト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４３０）製メッシュを用い、０．８ｍｍ径のＳＵＳ４３０製球体を接点体として、上記メッシュの空隙（網目）位置に、１．０個／ｃｍ２の密度で挿入した。
次に、通電焼結によって上記支持体と接点体を互いに接合することによって、一体型の集電部材とした。そして、上記接点体の表面に、導電性の接点膜としてＡｇ−４ａｔ％Ｃｕペーストを１０μｍの厚さとなるように塗布し、生乾きの状態で、厚さ０．５ｍｍのＳＵＳ４３０材から成るインターコネクタと、上記により作製したセルの空気極との間に組み付けた。
【００３６】
（２）燃料極側集電部材
まず、０．６ｍｍ径のスチレンボールに無電解めっきを施すことによって膜厚２０μｍのＮｉＢ膜を形成した後、加熱によってスチレンボールを焼失させ、０．６ｍｍ径のＮｉＢ製中空体を得て、これを接点体として用いることとした。
一方、支持体としては線径０．１ｍｍ、メッシュサイズ＃１０のニッケル製メッシュを用い、その空隙位置に、上記中空体から成る接点体を０．５個／ｃｍ２の密度で挿入した後、同様の通電焼結によって一体型の集電部材を得た。そして、上記接点体の表面に、導電性の接点膜としてＮｉＯペーストを１０μｍの厚さとなるように塗布し、生乾きの状態で、上記材料から成るインターコネクタと、上記セルの燃料極との間に組み付け、焼成することによって、図３に示したような燃料電池単セルを得た。
【００３７】
（実施例２）
空気極側の集電部材に用いる接点体として、１．２ｍｍ径のＳＵＳ４３０製発泡体を用いた。これ以外は、上記実施例と同様の操作を繰り返すことによって、本例の燃料電池単セルを得た。
【００３８】
（実施例３）
上記支持体に対する支持体の挿入密度を０．５個／ｃｍ２としたこと以外は上記実施例１と同様の操作を繰り返すことによって作製した空気極側集電部材を２枚重ねて拡散接合し、得られた２層構造の集電部材を空気極側集電部材として用いた。
これ以外は、上記実施例と同様の操作を繰り返すことによって、本例の燃料電池単セルを得た。
【００３９】
（実施例４）
支持体として、線径０．０３ｍｍのシリカとアルミナファイバーから成る厚さ０．２ｍｍの不織布を用い、これに０．８ｍｍ径のＳＵＳ４３０製球体を接点体として不織布の空隙位置に１．０個／ｃｍ２の密度で挿入し、通電接合することなく、空気極側の集電部材として用いた。
これ以外は、上記実施例と同様の操作を繰り返すことによって、本例の燃料電池単セルを得た。
【００４０】
（実施例５）
線径０．１ｍｍ、メッシュサイズ＃１０のニッケル製メッシュを支持体として用い、当該支持体のメッシュクロス点に、溶射によって１．０ｍｍ径のニッケルポイントを接点体として、０．５個／ｃｍ２の密度となるように形成したものを燃料極側の集電部材として用いた。
これ以外は、上記実施例と同様の操作を繰り返すことによって、本例の燃料電池単セルを得た。
【００４１】
（実施例６）
上記実施例１と同様に作製した空気極側集電部材にＡｇ−Ｃｕペーストを塗布することなく、インターコネクタとセル空気極の間に組み付けると共に、同様に作製した燃料極側集電部材にＮｉＯペーストを塗布することなく、インターコネクタとセル燃料極の間に組み付け、本例の燃料電池単セルを得た。
【００４２】
（比較例１）
（１）空気極側集電部材
板厚１．５ｍｍのＳＵＳ４３０製の板材に、幅２ｍｍ、深さ０．８ｍｍのＵ字形溝を加工して、集電部材一体型のインターコネクタとし、これを燃料電池単セルの空気極側に組み付けた。
（２）燃料極側集電部材
線径０．１ｍｍ、メッシュサイズ＃１０のニッケル製メッシュを集電部材として用い、その表面に接点膜としてＮｉＯペーストを塗布し、生乾きの状態で、インターコネクタとセルの燃料極との間に組み付け、焼成することによって、本例の燃料電池単セルを得た。
【００４３】
〈評価試験〉
上記実施例及び比較例により得られた各単セルの空気極及び燃料極側インターコネクタに白金メッシュをそれぞれスポット溶接し、空気極側を大気雰囲気、燃料極側をＡｒ＋３％Ｈ２雰囲気として、７００℃に保持し、両インターコネクタ間の接触抵抗値を測定した。
そして、上記実施例及び比較例により得られた各電池における集電部材の仕様を表１に、上記評価試験の結果を表２にそれぞれ示す。また、両インターコネクタ間の接触抵抗値の時間的変化を図４に示す。
【００４４】
【表１】
2010199017.tif 000003
【００４５】
【表２】
2010199017.tif 000004
【００４６】
これらの表及び図から明らかなように、柔軟性を備えた支持体と、導電性の接点体から成る本発明の集電部材を用いた実施例１〜５の電池においては、０．７Ω・ｃｍ２前後の低い接触抵抗値を示し、２００時間経過後においても抵抗値の増加がほとんどないことが確認された。
これに対し、比較例の電池においては、試験開始時においては、上記実施例と同等の接触抵抗値を示したものの、２００時間経過後には、抵抗値が大幅に増加する結果となった。これは、空気極側の集電部材としてインターコネクタを兼用し、空気極側の集電部材には、太径線材から成るメッシュを用いたことから、セルやインターコネクタの熱応力による変形に対する追従性に劣ることが原因と考えられる。
【００４７】
なお、接点体の表面に導電性皮膜を塗布することなく組み付けた実施例６の電池においては、上記実施例に較べて、やや高い接触抵抗値を示すものの、セルやインターコネクタの熱変形に対する追従性に優れるために、２００時間経過後においても抵抗値の増加はほとんど認められないことが判った。
【符号の説明】
【００４８】
１  燃料電池用集電部材
２  接点体
３  支持体
２ｆ  導電性皮膜
１０  セル
１１  燃料極（電極）
１３  空気極（電極）
１５  インターコネクタ
【図１】
2010199017.tif 000005
【図２】
2010199017.tif 000006
【図３】
2010199017.tif 000007
【図４】
2010199017.tif 000008