(57)【要約】【課題】  セパレータと単セルとの間の接続抵抗を低減させ品質の向上を図るとともに、製造コストの低減を図る。【解決手段】  平板型単セル２は、平板型固体電解質層５と、この電解質層５の表裏面に設けた空気極６および燃料極７とによって形成されている。正極側セパレータ３のガス通路９から空気極６に空気が供給され、負極側セパレータ４のガス通路１２から燃料極７に水素が供給される。平板型単セル２とセパレータ３，４とが交互に積層され、複数の平板型単セル２の各空気極６と各燃料極７とのそれぞれに酸化剤ガスと燃料ガスが分配されることにより発電が行われる。空気極６および燃料極７とセパレータ３，４との間のそれぞれに、多数の繊維状の導体が互いに接合されシート状に形成された集電体１６Ａ，１６Ｂが介装されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板型固体電解質層の表裏面に空気極および燃料極のそれぞれを設けた固体酸化物形燃料電池の平板型単セルと、前記空気極および燃料極に酸化剤ガスおよび燃料ガスのそれぞれを給気するガス通路を有するセパレータとを備え、前記平板型単セルと前記セパレータとを交互に積層し、前記セパレータのガス通路から複数の前記平板型単セルの各空気極と各燃料極とのそれぞれに酸化剤ガスと燃料ガスとのそれぞれを分配することにより発電を行う平板型固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、
前記空気極および前記燃料極と前記セパレータとの間のそれぞれに、多数の繊維状の導体が互いに接合されシート状に形成された集電体を介装したことを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項２】
前記集電体は前記導体が互いに不規則な方向に延在するように重なり合う不織布であることを特徴とする請求項１記載の平板型固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項３】
前記導体をフェライト系ステンレス製耐熱合金によって形成したことを特徴とする請求項１または２記載の平板型固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項４】
前記導体をオーステナイト系ステンレス製耐熱合金、インコネル系耐熱合金、金、銀、ニッケルのいずれかにより形成したことを特徴とする請求項１または２記載の平板型固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項５】
前記集電体の空隙率を４０％以上で９０％以下としたことを特徴とする請求項１または２記載の平板型固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項６】
前記導体を前記セパレータと同一の材料によって形成したことを特徴とする請求項１または２記載の平板型固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項７】
前記燃料極と前記セパレータとの間に介装する集電体の導体を、ニッケルによって形成したことを特徴とする請求項１または２記載の平板型固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項８】
前記導体の径を１０μｍ以上で５０μｍ以下としたことを特徴とする請求項１または２記載の平板型固体酸化物形燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平板型単セルとセパレータとを交互に積層して形成する平板型固体酸化物形燃料電池スタックに関するものであり、より詳しくは、平板型単セルとセパレータとの間の電気的接続構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料極と空気極とをセラミックスの電解質を介して配置し、燃料としての水素を燃料極に供給するとともに、酸化剤としての酸素や空気を空気極に供給することにより、水の電気分解の逆の反応を利用して発電する固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cells：SOFC）が知られている。この固体酸化物形燃料電池は、円筒型と平板型とに大別され、このうち、平板型のものは、平板型の固体電解質層の表裏面に燃料極と空気極とが設けられている。この平板型固体酸化物形燃料電池においては、実用上充分な発電量を得るために、電解質層および燃料極ならびに空気極とによって構成される単位構成要素としての平板型単セルとセパレータとを交合に積層して平板型固体酸化物形燃料電池スタックを形成している。この平板型固体酸化物形燃料電池スタックにおいては、隣接する平板型単セル間を電気的に接続するセパレータと、平板型単セルを構成する燃料極または空気極との間を電気的に良好な接続構造とすることが要求されている。
【０００３】
従来は、平板型単セルを構成する燃料極および空気極とに直接セパレータを接触させて電気的に接続したものがある（例えば、非特許文献１参照）。
【非特許文献１】第９回SOFC研究発表会講演要旨集  2000年  東京ガスにおける平板型SOFCの研究開発  （４２〜４３頁および図４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した従来の平板型固体酸化物形燃料電池スタックにおいては、セパレータと燃料極または空気極との面どうしを直接接触させることにより電気的に接続させる構造としているため、平板型単セルの表面にそりやゆがみがあると、互いの接触面積が小さくなり接続抵抗が増大するので品質が低下するという問題があった。この問題を解消するためには、平板型単セルの表面のそりやゆがみを取り除き限りなく平坦状に形成する必要があるが、セラミックスによって形成された平板型単セルの表面を平坦状に形成するには高度の技術が必要であり、また歩留まりも低下することにより製造コストが嵩むという問題もあった。
【０００５】
本発明は上記した従来の問題に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、セパレータと平板型単セルとの間の接続抵抗を低減させ品質の向上を図るとともに製造コストの低減を図るところにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この目的を達成するために、請求項１に係る発明は、平板型固体電解質層の表裏面に空気極および燃料極のそれぞれを設けた固体酸化物形燃料電池の平板型単セルと、前記空気極および燃料極に酸化剤ガスおよび燃料ガスのそれぞれを給気するガス通路を有するセパレータとを備え、前記平板型単セルと前記セパレータとを交互に積層し、前記セパレータのガス通路から複数の前記平板型単セルの各空気極と各燃料極とのそれぞれに酸化剤ガスと燃料ガスとのそれぞれを分配することにより発電を行う平板型固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、前記空気極および前記燃料極と前記セパレータとの間のそれぞれに、多数の繊維状の導体が互いに接合されシート状に形成された集電体を介装したものである。
【０００７】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記集電体は前記導体が互いに不規則な方向に延在するように重なり合う不織布である。
【０００８】
請求項３に係る発明は、請求項１または２に係る発明において、前記導体をフェライト系ステンレス製耐熱合金によって形成したものである。
【０００９】
請求項４に係る発明は、請求項１または２に係る発明において、前記導体をオーステナイト系ステンレス製耐熱合金、インコネル系耐熱合金、金、銀、ニッケルのいずれかにより形成したものである。
【００１０】
請求項５に係る発明は、請求項１または２に係る発明において、前記集電体の空隙率を４０％以上で９０％以下としたものである。
【００１１】
請求項６に係る発明は、請求項１または２に係る発明において、前記導体を前記セパレータと同一の材料によって形成したものである。
【００１２】
請求項７に係る発明は、請求項１または２に係る発明において、前記燃料極と前記セパレータとの間に介装する集電体の導体を、ニッケルによって形成したものである。
【００１３】
請求項８に係る発明は、請求項１または２に係る発明において、前記導体の径を１０μｍ以上で５０μｍ以下とする。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に係る発明によれば、集電体が多数の繊維状の導体によって形成されていることにより、集電体の表面全体に多数の微細な凹凸が形成されているとともに多数の繊維状導体間に多数の微小な空間が形成されている。このため、仮に平板型単セルの表面またはセパレータの表面にそりやゆがみが発生していたとしても、これらそりやゆがみに沿って集電体が弾性変形するとともに多数の微細な凹凸が平板型単セルの表面に接触する。したがって、集電体と平板型単セルの間で平板型単セルの平面方向に多数の接触点が形成されるから平板型単セルとセパレータとの間での接触不良を低減することができる。また、平板型単セルの表面を必ずしも平坦状に形成する必要がないから製造コストを低減することができる。
【００１５】
請求項２に係る発明によれば、導体の延在方向が不規則なため、導体間の接合部が増加するから集電体自体の接続抵抗を低減することができる。
【００１６】
請求項３に係る発明によれば、集電体の耐熱性および耐食性ならびに対酸化性を向上させることができる。また、集電体を構成する部材の熱膨張率を、平板型単セルを構成する部材の熱膨張率に近づけることができるため、燃料電池の発電−停止に付随する温度の上昇・降下の繰り返しに対しても、集電体と平板型単セルとの間に相対的な移動が発生しないから、これらの間の電気的接続が良好に保持される。
【００１７】
請求項４に係る発明によれば、集電体の耐熱性および耐食性ならびに対酸化性を向上させることができる。
【００１８】
請求項５に係る発明によれば、集電体の空隙を通して酸化剤ガスや燃料ガスを効率よく空気極または燃料極に供給することができる。
【００１９】
請求項６に係る発明によれば、セパレータと集電体とを熱膨張率が同一の材料によって形成することができることにより、燃料電池の発電−停止に付随する温度の上昇・降下の繰り返しに対しても、集電体のセパレータからの剥離を規制することができる。このため、集電体のセパレータに対する密着性が向上するとともに、燃料電池の発電−停止を繰り返すにしたがって、集電体とセパレータとの界面間どうしが融合し一体化することにより導通不良をより防止することができる。
【００２０】
請求項７に係る発明によれば、還元雰囲気で反応が行われる燃料極において、酸化を考慮する必要のないニッケルによって集電体を形成したことにより、燃料極雰囲気においても酸化されてしまうフェライト系ステンレス製耐熱合金やオーステナイト系ステンレス耐熱合金、インコネル系耐熱合金等を用いる場合と比較して高い電気伝導性を維持することが可能になる。
【００２１】
請求項８に係る発明によれば、導体の径を１０μｍ以上としたことにより、仮に導体に酸化膜が形成されたとしも、酸化膜の膜厚が高々５μｍであるから、導体が断線するようなことがなく導通不良を防止できる。また、導体の径を高々５０μｍとしたことにより加工性が良好になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。図１は本発明に係る平板型固体酸化物形燃料電池スタックの断面図、図２（Ａ）は同じく集電体の製造方法を説明するための平面図、同図（Ｂ）は側面図、図３は同じく集電体を示し、同図（Ａ）は平面図、同図（Ｂ）は側面図である。
【００２３】
図１に全体を符号１で示す平板型固体酸化物形燃料電池スタックは、単位構成要素である複数個の積層される平板型単セル２と、隣接する平板型単セル２，２間を電気的に接続するセパレータ３とによって概ね構成されている。平板型単セル２は、平板状に形成された平板型固体電解質層５と、この平板型固体電解質層５の一面に設けられ平板状に形成された空気極６と、平板型固体電解質層５の他面に設けられ、平板状に形成された燃料極７とから構成されている。セパレータ３は、耐食性および耐熱性を有するとともに、電子伝導性が高く、かつ密閉性および加工性が良好なフェライト系ステンレス耐熱合金によって形成されている。
【００２４】
電解質層５は、高温で酸素イオン（Ｏ2-）の高い導伝性を有する例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）やスカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）によって形成されている。空気極６は、高温酸化雰囲気下のもとで安定で、触媒能が高く、かつ電子導電性が高いＳｒドープＬａＭｎＯ3やＬａ（ＮｉＦｅ）Ｏ3等の酸化物導電体の多孔体によって形成されている。燃料極７は、還元雰囲気下のもとで安定で、触媒能が高く、かつ電子導電性が高い酸化ニッケル（ＮｉＯ2）と、酸化ニッケル（ＮｉＯ2）が電解質層５と熱膨張率差が大きいためにこれを補うためにイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）やスカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）等の電解質材料との混合物の多孔体とによって形成されている。
【００２５】
セパレータ３の内部には、図示を省略したガスマニホールドから細管８を介して送給される空気を導入するガス通路９と、このガス通路９から空気極６に空気を供給するために空気極６に対向する側が開口した多数の供給口１０とが設けられている。なお、空気極６に供給された空気は、排気口１０ａから大気へ自然排気されている。
【００２６】
また、このセパレータ３の内部には、図示を省略したガスマニホールドから細管１１を介して送給される燃料としての水素を導入するガス通路１２と、このガス通路１２から燃料極７に水素を供給するために燃料極７に対向する側が開口した多数の供給口１３とが設けられている。なお、燃料極７に供給された水素は、セパレータ３内に設けた導出路から細管を介して排気用のガスマニホールド（いずれにも図示せず）に排気されるように構成されている。
【００２７】
１４は平板型単セル２を覆う一対のセパレータ３，３間に介装されリング状に形成された絶縁体である。平板型固体酸化物形燃料電池スタック１は、平板型単セル２とセパレータ３とが交互に積層された構造を呈している。
【００２８】
１５は空気極６に供給された空気と燃料極７に供給された水素とが混合しないように空気極６と燃料極７との間をシールするシール材である。１６Ａ，１６Ｂは空気極６または燃料極７とセパレータ３との間を電気的に接続するために、これらの間に介装された本発明の特徴であり後述する集電体である。
【００２９】
このような構成において、図示を省略したガスマニホールドから細管８，１１を介して各平板型単セル２の空気極６と燃料極７とに空気と水素とを適正に分配供給する。燃料極７に供給された水素（Ｈ2）は燃料極７と電解質５との界面で電子（ｅ-）を放出すると同時に、空気極６側から電解質５中を移動してくる酸素イオン（Ｏ2-）と反応して、水（Ｈ2Ｏ） を生成する。放出された電子（ｅ-） は、図示を省略した外部電気回路を通って電気的に仕事をした後、空気極６に送られ、空気極６では、供給された空気中の酸素（Ｏ2）が電子（ｅ-）と反応して酸素イオン（Ｏ2-）になり、この酸素イオン（Ｏ2-） は電解質５中に取り込まれて燃料極７側に移動する。すなわち、電子が外部電気回路を燃料極７から空気極６へと移動するので、電流の流れはこの逆となり、空気極６が正極、燃料極７が負極を形成する。
【００３０】
次に、図２および図３を用いて、本発明の特徴である集電体について説明する。先ず、図２を用いて集電体の製造方法について説明する。１７はフェライト系ステンレス製耐熱合金により径が３０μｍに形成された金属細線であって、これら金属細線１７を多数用意し、これら多数の金属細線１７を各々不規則な方向に延在させるように互いに重なり合わせ、塊とし一つの金属細線の集合体１８を形成する。次に、この集合体１８を電気炉内において加熱し、同図（Ｂ）に示すように加熱させた状態で互いに対向する２枚の加圧板１９，１９によって挟み、これら加圧板１９，１９を互いに近接する方向に移動させることにより集合体１８を加圧して、図３（Ｂ）に示すようにシート状の集電体１６Ａ，１６Ｂを形成する。
【００３１】
このように形成された集電体１６Ａ，１６Ｂは、多数の金属細線１７が互いに不規則な方向に延在するように重なり合って接合され、多数の繊維状の導体（金属細線１７）によって不織布が形成される。したがって、この集合体１６Ａ，１６Ｂは、多数の金属細線１７がネットワーク状に交叉し合い、互いに多数の交叉部において接合されている。また、集合体１６Ａ，１６Ｂは、表面全体に多数の微細な凹凸が形成されているとともに、互いの金属細線１７，１７間に多数の微小な空隙が形成されている。
【００３２】
このように形成されていることにより、この集電体１６Ａ，１６Ｂを、平板型単セル２の空気極５とセパレータ３との間および平板型単セル２の燃料極７とセパレータ３との間に介装する。上述したように、集合体１６Ａ，１６Ｂは、表面全体に多数の微細な凹凸が形成されているため、仮に平板型単セル２の空気極６または燃料極７あるいはセパレータ３の表面にそりやゆがみが発生していたとしても、これらそりやゆがみに沿って集電体１６Ａ，１６Ｂが弾性変形するとともに、集合体１６Ａ，１６Ｂの表面全体に多数の微細な凹凸が形成されているため、この多数の微細な凹凸が平板型単セル２の表面に接触する。したがって、集電体１６Ａと空気極６または集電体１６Ｂと燃料極７とは、これら空気極６および燃料極７の平面方向において多数の接触点が形成されるから、集電体１６Ａと空気極６または集電体１６Ｂと燃料極７との間での接触不良を低減することができる。また、平板型単セル２の表面を必ずしも平坦状に形成する必要がないから製造コストを低減することができる。
【００３３】
また、集電体１６Ａ，１６Ｂは、厚み方向が予め加圧されてシート状に形成されているため、複数の平板型単セル２を積層して平板型固体酸化物形燃料電池スタックを形成する際に、積層方向にばね等で加圧しても集電体１６Ａ，１６Ｂの厚み方向の寸法が変わることがない。このため、平板型固体酸化物形燃料電池スタック１の積層方向の寸法が変化することがないから、マニフォールドとセパレータとの間に設けられガスを供給する細管８，１１が、マニフォールドまたはセパレータから外れたり破損したりするようなことがない。
【００３４】
また、集電体１６Ａ，１６Ｂには多数の微小な空隙が設けられているため、セパレータ３から供給される空気や水素等のガスを、この空隙を通して効率よく空気極６または燃料極７に供給することができる。ここで、集電体１６Ａ，１６Ｂの全体積に占める空隙の割合である空隙率を、４０％以上とすることにより、空気や水素を効率よく空気極６または燃料極７に供給することができるとともに、９０％以下とすることにより、集電体１６Ａ，１６Ｂの耐久性を確保することが可能になる。
【００３５】
また、集電体１６Ａ，１６Ｂをフェライト系ステンレス製耐熱合金により形成したことにより、集電体の耐熱性および耐食性ならびに対酸化性を向上させることができる。また、フェライト系ステンレス製耐熱合金の熱膨張係数１０〜１２×１０-6℃-1が、平板型単セル２を形成しているイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）やスカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）の熱膨張係数１１×１０-6℃-1に近い。このため、燃料電池の発電−停止に付随する温度の上昇・降下の繰り返しに対しても、集電体１６Ａ，１６Ｂと平板型単セル２との間に相対的な移動が発生しないから、これらの間の電気的接続が良好に保持される。
【００３６】
また、集電体１６Ａ，１６Ｂをフェライト系ステンレス製耐熱合金により形成したが、オーステナイト系ステンレス製耐熱合金、インコネル系耐熱合金、金、銀、ニッケルのいずれかにより形成しても、集電体の耐熱性および耐食性ならびに対酸化性を向上させることができる。
【００３７】
集電体１６Ａ，１６Ｂを構成している金属細線１７の径は、１０μｍ以上で５０μｍ以下であることが望ましい。これは、酸化雰囲気下において金属細線１７が酸化する場合の酸化膜の膜厚が高々５μｍであるから、径を１０μｍ以上とすることにより、酸化膜による導体の断線を防止し導通不良を防止できるからである。また、金属細線１７の径が５０μｍを越えると、金属細線１７の剛性が高くなり、金属細線１７を加圧板１９により加圧したとき、金属細線１７を切断してしまうおそれがあるからである。
【００３８】
なお、還元雰囲気下では、金属細線１７が酸化されるおそれがないため、燃料極７とセパレータ３との間に介装する集電体１６Ｂは、フェライト系ステンレス製耐熱合金よりも導電性が高く、かつ燃料極７と同じ材料であるニッケルによって形成してもよい。この場合、酸化を考慮する必要のないニッケルによって集電体を形成したことにより、燃料極雰囲気においても酸化されてしまうフェライト系ステンレス製耐熱合金やオーステナイト系ステンレス耐熱合金、インコネル系耐熱合金等を用いる場合と比較して高い電気伝導性を維持することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明に係る平板型固体酸化物形燃料電池スタックの断面図である。
【図２】同図（Ａ）は本発明に係る平板型固体酸化物形燃料電池スタックにおける集電体の製造方法を説明するための平面図、同図（Ｂ）は側面図である。
【図３】本発明に係る平板型固体酸化物形燃料電池スタックにおける集電体を示し、同図（Ａ）は平面図、同図（Ｂ）は側面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１…平板型固体酸化物形燃料電池スタック、２…平板型単セル、３…セパレータ、５…平板型固体電解質層、６…空気極、７…燃料極、１５…シール材、１６Ａ，１６Ｂ…集電体、１７…金属細線（繊維状の導体）、１８…集合体。
【図１】
2006324025.tif 000003
【図２】
2006324025.tif 000004
【図３】
2006324025.tif 000005