(57)【要約】【課題】電極層と集電体との間での集電ロスを減少すると共に、電極層の破損を防止することができる燃料電池セルを提供する。【解決手段】電解質層１を空気極層２と燃料極層３で挟持した積層構造を有する燃料電池セルＣにおいて、電極層中又は電極層表面に、これらの電極層とは異なる良電子伝導材料から成る集電体４，５を備えた構成とし、空気極層２と燃料極層３と各集電体４，５とを接合することで双方の接合界面での接触電気抵抗を低減し、集電ロスの減少を実現すると共に、電極層の破損を防止し得るものとした。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質を一方の電極層と他方の電極層で挟持した積層構造を有する燃料電池セルにおいて、電極層中又は電極層表面に、電極層とは異なる良導電材料から成る集電体を備えたことを特徴とする燃料電池セル。
【請求項２】
積層断面において、集電体が、電極層から突出していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
【請求項３】
集電体の突出部分に、電極層との間でガス流路を形成するセパレータを接触又は接合したことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池セル。
【請求項４】
セパレータが、良導電材料から成ることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池セル。
【請求項５】
カソード側の集電体が、導電性酸化物から成ることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池セル。
【請求項６】
アノード側の集電体が、Ｎｉ、Ｎｉ合金、ＦｅＣｒＮｉ合金、ＦｅＣｒＡｌ合金及びＦｅＣｒＳｉ合金のうちのいずれかの材料から成ることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池セル。
【請求項７】
請求項２に記載の燃料電池セルとセパレータを交互に積層したことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項８】
電解質を一方の電極層と他方の電極層で挟持した積層構造を有する燃料電池セルを製造するに際し、電解質の表面に、良導電材料から成る集電体を膜状に形成した後、エッチングにより集電体を所定のパターンに形成して電解質を部分的に露出させ、その後、露出した電解質の表面に、集電体とは異なる良導電材料から成る電極層を形成することを特徴とする燃料電池セルの製造方法。
【請求項９】
電極層を形成する際に電極層から集電体を突出状態にし、その後、電極層との間でガス流路を形成するセパレータを集電体の突出部分に接合することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池セルの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質を用いて電気化学反応により電気エネルギーを得る固体電解質型燃料電池において、同燃料電池を構成する発電要素である燃料電池セル及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体電解質型燃料電池は、酸素イオン又はプロトンなどのイオン伝導性を有する電解質層と、多孔質材料から成り且つ電解質層の一方の面に設けた空気極層（一方の電極層）と、同じく多孔質材料から成り且つ電解質層の他方の面に設けた燃料極層（他方の電極層）を備えると共に、電解質層と空気極層と燃料極層とで発電要素である燃料電池セルを構成しており、一般的には、複数の燃料電池セルとセパレータを交互に積層して燃料電池スタックを構成する。
【０００３】
また、セパレータと空気極層及び燃料極層との間には、各電極層から電流を取り出すための集電体が設けてある。そして、固体電解質型燃料電池は、空気極層側に酸素を含む酸化性ガスを供給すると共に、燃料極層側に水素や炭化水素等を含む燃料ガス（還元性ガス）を供給し、これらのガスが電解質層を介して電気化学的に反応することにより起電力を生じるものとなっている。なお、セパレータは、各燃料電池セルを直列に接続するインターコネクタを兼ねる場合もある。
【特許文献１】特開平５−０７４４７０号公報
【特許文献２】特開平７−２４５１１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記したような従来の固体電解質型燃料電池における燃料電池セルは、いずれも各電極層に夫々の集電体を接触させた構造としている。このため、従来の燃料電池セルにあっては、電極層と集電体との接触電気抵抗によって集電ロスが生じるという問題点があり、また、集電体が電極層を擦りもしくは押圧し、損傷させるといった問題点があることから、このような問題点を解決することが課題であった。 
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上記従来の課題に着目して成されたものであって、電極層と集電体との接触電気抵抗を充分に低減させて集電ロスを減少するとともに、電極層の損傷を防止することができる燃料電池セル及びその製造方法を提供することを目的としている。
【０００６】
本発明の燃料電池セルは、電解質を一方の電極層と他方の電極層で挟持した積層構造を有する燃料電池セルにおいて、電極層中又は電極層表面に、電極層とは異なる良導電材料（良電子伝導材料）から成る集電体を備えたことを特徴とし、電極層と集電体とを単に接触させるのではなく互いに接合することで、双方の接合界面での接触電気抵抗を低減する。さらに、集電体を電極層から突出させ電極から集電せずに該集電体から集電することで、電極層の損傷を防止する。
【０００７】
また、本発明の燃料電池セルの製造方法は、電解質層を一方及び他方の電極層で挟持した積層構造を有する燃料電池セルを製造するに際し、以下の方法をとることができる。
（１） 電解質板の表面に、良導電材料から成る集電体を、電解質板が部分的に露出するように所定のパターンに形成する。具体的には、集電体を所定のパターンに印刷する方法、スパッタなどの成膜法で形成する方法、集電体膜を所定のパターンにエッチングする方法、予め所定のパターンに成形した集電体シートを貼り付ける方法がある。露出した集電体を形成した後、電解質の表面に、集電体とは異なる良導電材料から成る電極層を形成する。これにより電極層中に集電体を備えた燃料電池セル、すなわち電極層と集電体とを接合させることで双方の接合界面での接触電気抵抗を低減した燃料電池セルを得る。
（２） 予め良導電材料から成る集電体に電極層を埋没するように形成しておき、その上に電解質層を形成し、さらに（１）の方法で反対側の集電体および電極を形成する。
（３） 予め良導電材料からなる集電体に電極層を埋没するように形成しておき、空気極側及び燃料極側の２つの電極層付き板で電解質板を挟持する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係わる燃料電池セルによれば、電解質を一方及び他方の電極層で挟持した積層構造を有する燃料電池セルにおいて、電極層中又は電極層表面に集電体を備えたことから、電極層と集電体とが単なる接触ではなく互いに接合して一体化した状態となり、これにより電極層と集電体との接合界面での接触電気抵抗を充分に低減させて集電ロスを大幅に減少させることができ、また、集電体による電極層の損傷も防ぐことができる。
【０００９】
本発明に係わる燃料電池セルの製造方法によれば、電解質層を一方及び他方の電極層で挟持した積層構造を有する燃料電池セルを製造するに際し、電極層と集電体とを単なる接触ではなく互いに接合して一体化した状態にすることができ、これにより、電極層と集電体との接合界面での接触電気抵抗を充分に低減させて集電ロスを大幅に減少し、さらに、集電体を電極層から突出させて電極から集電せずに該集電体から集電することで、電極層の損傷を防止し得る燃料電池セルを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１に示す燃料電池セルＣは、図１に示すように、イオン伝導性を有する固体の電解質板１を、一方の電極層である空気極層２と、他方の電極層である燃料極層３とで挟持した積層構造を有するものであって、空気極層２中及び燃料極層３中に、これらの電極層（２，３）とは異なる良導電材料（良電子伝導材料）から成る集電体４，５を備えている。
【００１１】
各集電体４，５は、図１（ａ）に示す積層断面において、電解質板１に接触し且つ空気極層２及び燃料極層３から一部が突出した状態になっており、この実施形態においては、図１（ｂ）及び（ｃ）に平面及び底面を示すように、いずれも直線状のものを所定間隔で平行に配置したパターンに形成してある。
【００１２】
なお、図示例では、等間隔に配置した太い集電体４，５の間に、二本の細い集電体４，５を等間隔で配置したパターンになっているが、集電体４，５のパターンはとくに限定されることはなく、空気極層２及び燃料極層３へのガス供給性を考慮し且つ発電に有効な電極面積を減少させないものであれば良く、曲線状や格子状にしたり開口部を多角形状にしたりすることもできる。
【００１３】
燃料電池セルＣは、図１（ａ）中に仮想線で示すように、空気極層２及び燃料極層３との間で夫々のガス流路６，７を形成するセパレータ８，９を備えたものとすることができる。これらのセパレータ８，９は、良導電材料から成るシート状のものであって、ガスを遮断する機能のほかに、セル間を電気的に接続するコネクタとしての機能も有しており、各集電体４，５の突出部分に電気的に接合もしくは接触している。
【００１４】
上記の燃料電池セルＣは、空気極層２中及び燃料極層３中に集電体４，５を備えた構成とすることで、空気極層２及び燃料極層３と各集電体４，５とが接合して一体化した状態になっており、従来のように双方を単に接触させた構造に比べて、空気極層２及び燃料極層３と各集電体４，５との接合界面での接触電気抵抗を低減することができ、これにより集電ロスが大幅に減少することとなる。
【００１５】
また、燃料電池セルＣは、セパレータ８，９を介して積層することで燃料電池スタックを構成する。この燃料電池スタックは、上述したように燃料電池セルＣが集電ロスの減少を実現していることから、全体として内部抵抗が低減され、出力性能の向上を実現したものとなる。
【００１６】
さらに、上記の如く燃料電池スタックを構成するに際し、当該燃料電池セルＣは、各集電体４，５が、電解質板１に接触し且つ空気極層２及び燃料極層３から夫々突出した状態になっているので、機械的強度が高くて積層に有利なものとなる。すなわち、従来の燃料電池セルは電極層に集電体を接触させていたので、積層状態において、脆性材料から成る電極層が集電体に押圧されて損傷する恐れがあった。これに対して、当該燃料電池セルＣは、積層状態において、空気極層２及び燃料極層３に機械的や熱的な応力が直接加わることがないので、空気極層２や燃料極層３に損傷を与える心配もなく、積層に対する充分な機械的強度及び機械的信頼性を備えたものとなる。
【００１７】
そしてさらに、燃料電池セルＣは、空気極層２及び燃料極層３から集電体４，５を突出状態にし、その突出部分にセパレータ８，９を接合する構成としているので、シート状の単純形状のセパレータ８，９を用いてガス流路６，７を形成することができ、これにより構造の簡略化、小型化及び低コスト化などを図ることが可能であるほか、柔軟性に富むシート状のセパレータ８，９を採用することで、燃料電池スタックを構成した際にセル間に加わる外力を吸収することができ、各接合部の構造上の信頼性が向上する。
【００１８】
ここで、電解質板１の材料としては、公知のＹ２Ｏ３、及びＳｃ２Ｏ３などを固溶した安定化ジルコニア（ＺｒＯ２）や、ＣｅＯ２、Ｂｉ２Ｏ３及びＬａＧａＯ３などを主成分とする固体酸化物を使用することができる。空気極層２の材料としては、公知のＬａＭｎＯ３、ＬａＣｏＯ３及びＳｍＣｏＯ３などを主成分とする固体酸化物、又はＡｇやＰｔなどの金属を使用することができる。他方、燃料極層３の材料としては、例えば、Ｎｉ−ＹＳＺ（Ｙ２Ｏ３添加ＺｒＯ２）のようなＮｉと電解質材料のサーメット、又はＮｉやＰｔなどの金属を使用することができる。なお、電解質板１、空気極層２及び燃料極層３の材料は、上記各例に限定されるものではない。
【００１９】
また、燃料電池セルＣにおいて、各集電体４，５は夫々の電極層とは異なる良導電材料から成るものであるが、より望ましい実施形態として、カソード側（空気極層２側）の集電体４には、導電性酸化物を使用することができ、とく緻密なＬａＭｎＯ３及びＬａＳｒＭｎＯ３のうちのいずれかの材料を用いることができる。また、カソード側のセパレータ８には、ＦｅＣｒ合金、ＦｅＣｒＡｌ合金及びＦｅＣｒＳｉ合金、また、これらの表面を導電性酸化物で被覆した材料を用いることができる。つまり、カソード側の集電体４及びセパレータ８は、酸化雰囲気中で使用するため、上記材料を使用することで耐酸化性に優れたものとなり、長寿命化などに貢献し得るものとなる。
【００２０】
さらに、より望ましい実施形態として、アノード側（燃料極層３側）の集電体５及びセパレータ９には、Ｎｉ、Ｎｉ合金、ＦｅＣｒＮｉ合金、ＦｅＣｒＡｌ合金及びＦｅＣｒＳｉ合金のうちのいずれかの材料を用いることができる。つまり、アノード側の集電体５及びセパレータ９は、還元雰囲気及び水蒸気雰囲気の中で使用するため、上記材料を使用することで耐還元性及び耐水蒸気性に優れたものとなり、長寿命化などに貢献し得るものとなる。
【００２１】
図２は、図１に示す燃料電池セルＣの製造方法を説明する図である。
燃料電池セルＣを製造するには、図２（ａ）に示すように、電解質板１の一方の面に、カソード側（空気極層側）の集電体４を形成すると共に、電解質板１の他方の面に、アノード側（燃料極層側）の集電体５を形成する。各集電体４，５は、材料について先述したように良導電材料から成るものであって、例えば予めフィルム状に形成したものを電解質板１の表面に貼り付けるようにしても良いし、真空蒸着法やスパッタ法等の気相成膜法やスクリーン印刷法等の各種成膜方法を用いることも可能である。
【００２２】
その後、図２（ｂ）に示すように、露出した電解質板１の他方の面に、集電体５とは異なる良導電材料から成る燃料極層３を形成し、また、図２（ｃ）に示すように、露出した電解質板１の一方の面に、集電体４とは異なる良導電材料から成る空気極層２を形成する。
【００２３】
このとき、当該製造方法では、空気極層２及び燃料極層３を形成する際に、夫々の電極層（２，３）から集電体４，５の一部が突出するように形成する。そして、図２（ｄ）に示すように、集電体４，５の突出部分に、望ましくは良導電材料から成るシート状のセパレータ８，９を接合し、空気極層２及び燃料極層３と各セパレータ８，９との間でガス流路６，７を形成する。
【００２４】
このようにして、当該製造方法では、空気極層２中及び燃料極層３中に夫々の集電体４，５を備えた燃料電池セルＣ、すなわち空気極層２及び燃料極層３と夫々の集電体４，５との接合により双方の接合界面での接触電気抵抗を低減した燃料電池セルＣが得られることとなる。
【００２５】
また、当該製造方法では、電解質板１に接触し且つ空気極層２及び燃料極層３から突出している集電体４，５を備えた燃料電池セルＣ、すなわちセパレータ８，９とともに積層した際に充分な機械的強度を確保し得る燃料電池セルＣが得られることとなる。
【００２６】
なお、本発明に係わる燃料電池セルは、詳細な構成が上記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で構成を適宜変更することが可能であり、例えば、電極層から集電体が突出した状態、又は電極層と集電体の表面が同一平面となる状態にすると共に、セパレータ側に集電体に接合する突出部を設けてガス流路を形成することも可能であり、この場合でも集電ロスの減少や機械的強度の確保を実現し得る。
【実施例】
【００２７】
（実施例１）
厚さ２５０μｍのＹＳＺ製電解質板（１）の一方の面に、厚さ１００μｍのＬａＭｎＯ３製の櫛状空気極側集電体層（４）を、電解質板（１）の他方の面に、厚さ１００μｍのＮｉ製の櫛状燃料極側集電体層（５）をそれぞれスクリーン印刷により形成した。その後、電解質板（１）の一方の面において、厚さ５０μｍのＳＳＣ製の空気極層（２）をＬａＭｎＯ３製の櫛状空気極側集電体層（４）内に形成すると共に、電解質板（１）の他方の面において、厚さ５０μｍのＮｉ＋ＹＳＺ製の燃料極層（３）をＮｉ製の櫛状燃料極側集電体層（５）内にそれぞれスクリーン印刷の手法で形成した。この際、各集電体層（４，５）は空気極層（２）及び燃料極層（３）から突出させた状態にした。そして、良導電性を有するセパレータとして、厚さ０．５ｍｍのセパレータ（８，９）を用い、セパレータ（８，９）を集電体層（４，５）の突出部分に接合して図１に示す燃料電池セルを作製した。
【００２８】
（実施例２）
図３に示すように、厚さ０．４ｍｍのＮｉ製集電体板５に厚さ０．３μｍのＮｉ＋ＹＳＺ製の燃料極層３を鋳込み法にて形成して成る燃料極板Ｆに、厚さ２０μmのＹＳＺ製電解質膜１をスパッタ法にて形成した。その後、厚さ５０μｍのＳＳＣ製の空気極層２と、厚さ０．１ｍｍのＬａＭｎＯ３製の櫛状空気極側集電体４を形成した。そして、良導電性を有するセパレータとして、厚さ０．３ｍｍのＳＵＳ４３０＋Ｐｔめっき製のセパレータ８，９を用い、セパレータ８，９を集電体４，５の突出部分に接合して図４に示す燃料電池セルＣを作製した。
【００２９】
（実施例３）
図５に示すように、厚さ０．４ｍｍのＮｉ製集電体板５に厚さ３００μｍのＮｉ＋ＹＳＺ製の燃料極層３を鋳込み法にて形成して成る燃料極板Ｆと、厚さ０．８ｍｍのＬａＳｒＭｎＯ３製集電体板４に厚さ５０μｍのＳＳＣ製の空気極層２を鋳込み法にて形成した空気極板Ａを用意した。その後、厚さ２５０μｍのＹＳＺ製の電解質板１に、燃料極材及び空気極材を夫々介して各電極層２，３を貼り付けた。そして、実施例２と同様にセパレータ８，９を設けて図６に示す燃料電池セルＣを作製した。
【００３０】
（実施例４）
良導電性を有するセパレータとして、厚さ０．３ｍｍのＳＵＳ４３０＋Ｐｔめっき製のセパレータ８，９を用い、実施例３に示したセパレータ設置前の燃料電池セルにおいて、セパレータ８，９を集電体４，５の突出部分に接合して図７に示す燃料電池スタックＳを形成した。
【００３１】
実施例１〜３の燃料電池セルは、いずれも空気極層及び燃料極層に夫々の集電体を備えたものとなり、空気極層及び燃料極層と夫々の集電体との接合により双方の接合界面での接触電気抵抗を低減し得ることを確認した。
【００３２】
また、各燃料電池セルは、集電体が、電解質層に接触し且つ空気極層又は燃料極層から突出している状態となり、その突出部分にセパレータを接合することで、脆性材料から成る電極層に負荷が加わらないものとなり、とくに、燃料電池セルを積層した実施例４の燃料電池スタックＳでは、積層に対する充分な機械的強度を確保し得ることを確認した。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係わる燃料電池セルの一実施例を示す断面図（ａ）、平面図（ｂ）及び底面図（ｃ）である。
【図２】本発明に係わる燃料電池セルの製造方法を工程順に説明する各々断面図（ａ）〜（ｄ）である。
【図３】実施例２における燃料極板の平面図（ａ）及び燃料極板の断面図（ｂ）である。
【図４】実施例２における燃料電池セルの断面図である。
【図５】実施例３における空気極板の断面図（ａ）及び燃料極板の断面図（ｂ）である。
【図６】実施例３における燃料電池セルの断面図である。
【図７】実施例４における燃料電池スタックの断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
Ｃ      燃料電池セル
Ｓ      燃料電池スタック
１      電解質層
２      空気極層（一方の電極：カソード側）
３      燃料極層（他方の電極：アノード側）
４  ５  集電体
６  ７  ガス流路
８  ９  セパレータ
【図１】
2006172906.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2006172906.tif 000008
【図７】
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