(57)【要約】【課題】電極へのガス透過性に優れ効率的な発電を可能にし、機械的強度も優れた燃料電池用ガス拡散供給部材、及びこれを用いた燃料電池を提供すること。【解決手段】ガス流路板１００は、一端が閉塞された四角筒状ガス流路１０を複数個並設して形成され、隣接するガス流路１０が交互に反転して配置される。各ガス流路１０の上面には切欠１０ｓが形成され、切欠１０ｓが形成されている壁部である上面は多孔質層２０と接している。  燃料電池において、電解質層３０を空気極層３２と燃料極層３４で挟持して成る発電要素Ｐは、発泡銀層２１を備える空気極用のガス拡散供給部材１００Ａと、空気極層３２と発泡銀層２１とが接触するように接合され、且つ燃料極用のガス拡散供給部材１００Ｆと、燃料極層３４と発泡ニッケル層２３とが接触するように接合される。【選択図】図１
2006049105.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の有底筒状ガス流路を並設して成り、相互に反転して配置された少なくとも一対の有底筒状ガス流路を有するガス流路板と、
このガス流路板の表面又は裏面に積層された多孔質層と、を備える燃料電池用のガス拡散供給部材であって、
上記有底筒状ガス流路の上記多孔質層と接する壁部に切欠が形成されていることを特徴とする燃料電池用ガス拡散供給部材。
【請求項２】
上記有底筒状ガス流路の全てが、それぞれ相互に反転して並設されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用ガス拡散供給部材。
【請求項３】
上記ガス流路板の表面又は裏面において、上記有底筒状ガス流路の切欠が市松模様状に配置されてい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ガス拡散供給部材。
【請求項４】
上記有底筒状ガス流路の開放端がガス流入口又はガス流出口として機能し、ガス流入口として機能する開放端からは当該有底筒状ガス流路の長手方向に延在する仕切板が設けられて、この開放端を閉塞部とガスが流入する開放部とに区画しており、この開放部が上記仕切板に対して上記切欠の反対側に位置してい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ガス拡散供給部材。
【請求項５】
上記有底筒状ガス流路の開放端がガス流入口又はガス流出口として機能し、ガス流入口として機能する開放端を有する有底筒状ガス流路の内部には、流入したガスを上記切欠側に案内する斜行ガイド板が設けられてい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ガス拡散供給部材。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の燃料電池用ガス拡散供給部材を備えた燃料電池であって、
上記燃料電池用ガス拡散供給部材の多孔質層と、燃料電池要素の燃料極及び／又は空気極とを接触させて成ることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の燃料電池用ガス拡散供給部材を備えた燃料電池であって、
上記燃料電池用ガス拡散供給部材の多孔質層が、燃料電池要素の燃料極又は空気極を兼ねることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用ガス拡散供給部材に係り、更に詳細には、燃料電池の発電要素へのガス流供給を増大し、効率的な発電を実現し得るガス拡散供給部材、及びこれを用いた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、厚み方向において気孔径及び気孔率を異ならせることにより、三層界面を増大させた固体電解質型燃料電池用の電極基板が知られている（例えば、特許文献１参照）。かかる電極基板は、内部に多数のガス流路を有する中空平板状をなしており、中空のガス流路を形成したことにより、電極へのガス透過性が良好な基板である。
【特許文献１】特開平９−５０８１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、かかる従来の電極基板にあっては、中空のガス流路を流れるガス流の方向は、この基板に積層される燃料電池における電極の面方向と平行であり、電極に十分なガスが透過せず、発電効率が必ずしも十分とは言えなかった。
また、基板自体が多孔質体から構成されているため、これに中空のガス流路を設けると、基板の機械的強度が低下するおそれがあり、自動車などの振動を伴う装置・機械に搭載する場合には破損を生ずるおそれがある。
【０００４】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電極へのガス透過性に優れ効率的な発電を可能にし、機械的強度にも優れた燃料電池用ガス拡散供給部材、及びこれを用いた燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、所定の切欠を有し一端が閉塞されたガス流路を適切に配置することなどにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００６】
即ち、本発明の燃料電池用ガス拡散供給部材は、一端が閉塞された複数個の有底筒状ガス流路を並設して成り、相互に反転して配置された少なくとも一対の有底筒状ガス流路を有するガス流路板と、このガス流路板の表面又は裏面に積層された多孔質層と、を備える燃料電池用のガス拡散供給部材であり、
上記有底筒状ガス流路の上記多孔質層と接する壁部に切欠が形成されていることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の燃料電池は、上述の如き燃料電池用ガス拡散供給部材を備えることを特徴とするものであり、上記燃料電池用ガス拡散供給部材の多孔質層と、燃料電池要素の燃料極及び／又は空気極とを接触させて構成されている。
また、本発明の他の燃料電池は、上記多孔質層が燃料電池要素の燃料極又は空気極を兼ねるものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、所定の切欠を有し一端が閉塞されたガス流路を適切に配置することなどとしたため、電極へのガス透過性に優れ、特に反応が拡散律速となる状況で効率的な発電を可能にし、機械的強度にも優れた燃料電池用ガス拡散供給部材、及びこれを用いた燃料電池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】
【０００９】
以下、本発明の燃料電池用ガス拡散供給部材につき詳細に説明する。なお、本明細書において、「％」は特記しない限り質量百分率を表すものとする。
上述の如く、本発明の燃料電池用ガス拡散供給部材は、ガス流路板と、このガス流路板の表面又は裏面に積層された多孔質層とを有する。
本発明において、このガス流路板は、複数の有底筒状ガス流路を並設、即ちこのガス流路の流路方向にほぼ垂直な方向に並列に配置して構成されるが、これらのガス流路のうちには、相互に反転して配置された有底筒状ガス流路同士が少なくとも一対存在するように構成されている。
そして、本発明のガス拡散供給部材においては、上記有底筒状ガス流路の上記多孔質層と接する壁部には、切欠が形成されている。
【００１０】
本発明のガス拡散供給部材は、電解質層を電極層で挟持した構造を有する燃料電池の発電要素の電極層、具体的には燃料極層又は空気極層に、その多孔質層が接触するように配設される。典型的には、このガス拡散供給部材の多孔質層上に、燃料電池の燃料極層又は空気極層が積層されることになる。
よって、このガス拡散供給部材において、上記有底筒状ガス流路を流れる燃料ガス又は空気は、上記切欠を介して多孔質層に侵入して拡散し、この多孔質層を介して電極層の方向に向けて供給されることなり、電極層、ひいては燃料電池の発電要素へのガスの十分な供給を実現することができる。
【００１１】
また、ガス流路自体を有底筒状とし、隣接するガス流路へのガス伝搬を上記切欠を経由させることにしたので、単なる管状のガス流路よりもガス滞留時間が長時間化されているが、上述の如く、少なくとも一対の相互反転ガス流路を設置することにより、ガス滞留時間が更に長時間化されており、この構成によっても、発電要素への十分なガス供給が図られている。
本発明のガス拡散供給部材において、かかる相互反転ガス流路は、少なくとも一対あればよいが、全ての有底筒状ガス流路を交互に反転させて並設すれば、ガス滞留時間を更に長期化できる。
【００１２】
なお、有底筒状ガス流路の形状については、一端が閉塞されている筒状をなしていれば特に限定されるものではなく、一端閉じの三角筒、四角筒や円筒形などの各種形状を採用することができる。
また、本発明においては、かかるガス流路の内部に、所定の仕切板や斜行ガイド板を設けることが可能であり、これらの設置によって、電極へのガス供給の配向性を向上させることができる。
【００１３】
一方、切欠については、上記ガス流路において多孔質層と接する壁部に形成されていればよいが、上述のガス流路板の表面又は裏面（上面又は下面）において、偏在することなく均一に分布して配置されていることが、電極や発電要素への均一なガス供給を行う上で好ましく、代表的には、切欠がいわゆる市松模様状に配置されていることが望ましい。
【００１４】
なお、有底筒状ガス流路の材質については、ガスを流通されることができる限り特に限定されるものではないが、ＳＵＳなどの金属製、アルミナ又は多孔質アルミナなどのセラミックス製とすることができ、ＳＵＳは電子伝導性があるので集電体としても使用可能であり、アルミナはコスト低減に資することができ好ましい。更に、ＳＵＳなどは加工性が良好なので、上述した仕切板や斜行ガイド板を形成し易いという利点もある。
また、本発明のガス拡散供給部材は、ガス流路を多孔質体に孔を穿設して形成する必要がないので、機械的強度に優れており、例えば、繰り返しの振動などに曝される自動車に搭載するのに好適である。
【００１５】
次に、本発明の燃料電池について説明する。
本発明の燃料電池は、上述した本発明のガス拡散供給部材を備えるものであり、このガス拡散供給部材の多孔質層と、燃料電池の発電要素における電極層、即ち燃料極層若しくは空気極層、又は燃料極と空気極の双方とを接合させた構造を有するものである。
本発明の燃料電池は、上記ガス拡散供給部材の優れたガス供給性により、優れた発電効率や振動耐久性を発揮する。
なお、燃料電池の電極層が有意なガス拡散性を実現し得る多孔性を有する場合には、上記ガス拡散供給部材の多孔質層を省略し、これらの電極層を多孔質層兼電極層として用いることが可能である。
【実施例】
【００１６】
以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００１７】
（実施例１）
図１は、本発明のガス拡散供給部材におけるガス流路板の一例を示す斜視図である。
同図において、このガス流路板１００は、一端が閉塞された有底筒状ガス流路の一例である四角筒状のガス流路１０を複数個並設して形成されており、本例では、隣接するガス流路１０が交互に反転して配置されている。
また、各ガス流路１０の上面には切欠１０ｓが形成されているが、図２に示すように、本例のガス拡散供給部材においては、切欠１０ｓが形成されている壁部である上面は多孔質層２０と接している。
【００１８】
図１及び図２に示す本例のガス拡散供給部材において、燃料ガス又は空気であるガスは、矢印Ａで示すようにガス流入口１０ａからガス流路１０に流入するが、このガス流路の他端が閉塞されているため、切欠１０ｓと多孔質層２０を介して隣接するガス流路に流れ込み、隣接するガス流路の開放端であるガス流出口１０ｂから矢印Ｂで示すように流出する。
よって、このガス拡散供給部材を流れるガスは、ガス流入方向に対して上向きの方向である切欠１０ｓの方向へ流れざるを得ず、しかも多孔質層２０を通過することにより、拡散・均一化されることになる（図２参照）。
【００１９】
図３は、本例のガス拡散供給部材を用いて形成した燃料電池の一例を示す断面図である。
同図において、電解質層３０を空気極層３２と燃料極層３４で挟持して成る発電要素Ｐは、多孔質層の一例である発泡銀層２１を備える空気極用のガス拡散供給部材１００Ａと、空気極層３２と発泡銀層２１とが接触するように接合され、且つ燃料極用のガス拡散供給部材１００Ｆと、燃料極層３４と発泡ニッケル層２３とが接触するように接合されて構成されている。
また、発泡銀層２１と発泡ニッケル層２３との間、発電要素Ｐの縁部には、ガラスシール４０が施されており、空気と燃料ガスの混合が回避されている。
【００２０】
図３に示す燃料電池においては、上述のように、空気又は燃料ガスは、切欠方向、即ち発電要素が配置されている方向に均一性をもって拡散供給されることになる。
よって、従来の燃料電池に比し、空気極又は燃料極、電解質に十分なガスが供給されることになり、この結果、発電効率が向上する。
また、一端が閉塞された四角筒状ガス流路を交互に反転させて隣接させることにより、ガス流路ひいては電極や電解質に接するガスの滞留時間を増大させることができ、この点からも発電効率が向上することになる。
【００２１】
［燃料電池の製造］
端部形状が内辺５ｍｍ×５ｍｍ（外辺６ｍｍ×６ｍｍ）の正方形で長さが６ｍｍのＳＵＳ  ４３０製の四角パイプの一端を閉塞させてガス流路パイプを作成し、その１０本を交互に反転させて並列に配置し、溶接してガス流路板１００を作成した。
なお、各ガス流路パイプの上面には４ｍｍ×４ｍｍの切欠１０ｓを３個設けてあり、切欠の端部がガス流入口１０ａから、それぞれ８ｍｍ、２８ｍｍ及び４８ｍｍの位置になるように配置した。
得られたガス流路板１００の上面に、発泡銀層又は発泡ニッケル層を積層し、空気極層側のガス拡散供給部材１００Ａと、燃料極層側のガス拡散供給部材１００Ｆを作成した。
固体電解質としてＹＳＺ（部分安定化ジルコニア）、空気極としてＬＳＭ（ストロンチウムドープランタンマンガナイト）、燃料極としてＮｉＯ−ＹＳＺを用いて発電要素Ｐを作成し、この発電要素Ｐをガス拡散供給部材１００Ａと１００Ｆで挟み込み、更にガラスフリットでガスシールを施し、本例の固体酸化物形燃料電池を得た。
得られた固体酸化物形燃料電池を運転し、燃料利用率や最高面積出力密度を測定した。
【００２２】
（比較例１）
上述のＳＵＳ  ４３０製の四角パイプの一端を閉塞しなかった以外は、実施例１と同様の構成を採用し、本例の燃料電池を得た。
【００２３】
図４は、本発明のガス拡散供給部材におけるガス流路板の他の例を示す斜視図である。
本例では、ガス流路１２が有底円筒状をなしているが、それ以外の構成は実施例１のガス拡散供給部材やガス流路板と基本的に同じである（図５参照）。
また、図６は、本例のガス拡散供給部材を用いて形成した固体酸化物形燃料電池の断面図であるが、多孔質アルミナ、白金線及び白金メッシュ２５で多孔質層２０を形成した以外は、実施例１の燃料電池の基本構成を採用している。
本例のガス拡散供給部材や燃料電池おいても、切欠１２ｓによるガス配向作用が得られ、且つ優れた燃料利用効率が得られる。
【００２４】
［燃料電池の製造］
外径φ５ｍｍ（内径φ３ｍｍ）×長さ６ｃｍのアルミナ製パイプを用い、パイプの上部壁に１ｍｍ×４ｍｍの切欠１２ｓを形成した。セラミックスボンドを用い、このアルミナ製パイプの一端にφ５ｍｍの円板を接合し、２５０℃で４時間焼成し、一端が閉塞されたガス流路パイプ１２を形成した。なお、使用したアルミナ製パイプのアルミナ純度は９９．７％であり、切欠１２ｓの設置位置は実施例１と同様にした。
得られた１０本のガス流路パイプ１２をセラミックスボンドで接着して２４０℃で４時間焼成し、ガス流路パイプが交互に反転して並設されたガス流路板１１０を得た。
粒径０．８μｍのアルミナ６０％とエチルセルロース４０％を混合して多孔質アルミナペーストを作成した。上述のようにして得られたガス流路板の一方の面側に、多孔質アルミナペーストをロールコータで１００μｍ厚に被覆し、更に白金メッシュをこの被覆層に埋設した後、大気中１４００℃で５時間焼成し、本例のガス拡散供給部材を得た。
このガス拡散供給部材の多孔質アルミナ層上にＮｉＯ−ＹＳＺペーストをスクリーン印刷法で被覆し、大気中１２００℃で１時間仮焼成し、次いで、ＹＳＺを同方法で被覆し大気中１４００℃で５時間共焼結させた。更に、ＬＳＭを同様に被覆して１０００℃で２時間焼成し、しかる後、他のガス拡散供給部材の多孔質アルミナ層とＬＳＭを接合し、実施例１と同様にガラスフリットでガスシールを施し、本例の固体酸化物形燃料電池を得た。
なお、形成し空気極層、電解質層及び燃料極層の厚さは、それぞれ２０μｍ、１０μｍ及び２０μｍである。
実施例１と同様に、発電出力を測定し、燃料利用率を算出した。
【００２５】
（実施例３）
図７は、本発明のガス拡散供給部材における有底筒状ガス流路の他の例を示す斜視及び断面図である。
同図において、このガス流路１４は一端（開放端）にガス流入口１０ａ’を有し、他端は閉塞されている。このガス流入口１０ａ’は開放端の端面の一部に穿設されており、開放端端面を閉塞部１０ｘと開放部１０ｙとに区画している。
また、このガス流路１４には、開放端から延在する仕切板１０ｃが設けられているが、上記開放部１０ｙは仕切板１０ｃに対して切欠１０ｓの反対側、即ち本例では上面に存在する切欠１０ｓに対して下面側に配置されている。
本例では、このような仕切板１０ｃを設けたため、各切欠１０ｓから流出するガス圧（ガス量）が均一化される。よって、図示しない多孔質層全面に亘ってガスを均一に供給することができ、従って、燃料電池の電極全面に亘ってガスを均一に供給でき、ガスの利用効率を向上することができる。
【００２６】
（実施例４）
図８は、本発明のガス拡散供給部材における有底筒状ガス流路の更に他の例を示す斜視及び断面図である。
同図において、このガス流路１６は、その内部に斜行ガイド板１０ｄを有しており、流入したガスは、この斜行ガイド板１０ｄによって切欠１０ｓに案内される。
設置された複数の斜行ガイド板間では、ガス流入口１０ａから離間するに従って斜行長が増大していることが好ましい。換言すれば、それぞれの斜行ガイド板のガス流路断面に対する射影面積は、ガス流入口１０ａから離間するほど増大していることが好ましく、これにより、各切欠から流出するガス量をいっそう均一にすることができる。
【００２７】
（実施例５）
図９は、本発明のガス拡散供給部材におけるガス流路板の他の例を示す斜視及び上面図である。
本例は、実施例１と切欠１０ｓの配置のみが異なる例であって、切欠１０ｓがいわゆる市松模様状に配置されており、ガスの滞留時間が長期化されている。これによって、燃料電池におけるガスの利用効率を増大することができる。
【００２８】
（性能評価）
実施例１の燃料電池は、比較例１の燃料電池に対し０．７Ｖの取り出し電圧において燃料利用率が約１．２倍であった。また、ガスの滞留時間を増大した実施例５の燃料電池は、実施例１の燃料電池に対して０．７Ｖの取り出し電圧において燃料利用率が約１．０５倍であった。
更に、実施例２の燃料電池は、実施例１の燃料電池に対して最高面積出力密度が約１．１５倍となった。これは、実施例２の燃料電池には、実施例１の燃料電池のような空気極（ＬＳＭ）とパイプ壁に形成された発泡銀とＬＳＭ間の接触抵抗や、ＳＵＳ  ４３０の酸化被膜による抵抗増大などが存在しないためと思われる。
【００２９】
以上、本発明を実施例及び比較例により詳細に説明したが、本発明はこれら実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形が可能である。
例えば、ガス流路は全てが交互に反転配置されている必要はなく、反転は位置されている少なくとも一対のガス流路があればよい。よって、全ての有底筒状ガス流路の開放端が常にガス流入口として機能する訳ではなく、あるガス流路においてはガス流出口として機能する。
また、実施例３及び実施例４に示したガス流路構造は、開放端がガス流出口として機能する場合に有効である。
更に、ガスの滞留時間を増大しうる切欠の配置態様は、必ずしも市松模様に限定されるものではなく、ガス滞留時間を増大するような均一な散点配置を実現できるようなものであれば十分である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明のガス拡散供給部材におけるガス流路板の一例を示す斜視図である。
【図２】本発明のガス拡散供給部材の一例を示す断面図である。
【図３】本発明の燃料電池の一例を示す断面図である。
【図４】本発明のガス拡散供給部材におけるガス流路板の他の例を示す斜視図である。
【図５】本発明のガス拡散供給部材の他の例を示す断面図である。
【図６】本発明の燃料電池の他の例を示す断面図である。
【図７】本発明のガス拡散供給部材における有底筒状ガス流路の他の例を示す斜視及び断面図である。
【図８】本発明のガス拡散供給部材における有底筒状ガス流路の更に他の例を示す斜視及び断面図である。
【図９】本発明のガス拡散供給部材におけるガス流路板の他の例を示す斜視及び上面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０    ガス流路
１０ａ  ガス流入口
１０ａ’ガス流入口
１０ｂ  ガス流出口
１０ｃ  仕切板
１０ｄ  斜行ガイド板
１０ｓ  切欠
１０ｘ  閉塞部
１０ｙ  開放部
１２    ガス流路
１２ｓ  切欠
１４    ガス流路
１６    ガス流路
２０    多孔質層
２１    発泡銀層
２３    発泡ニッケル層
２５    白金メッシュ
３０    電解質層
３２    空気極層
３４    燃料極層
１００    ガス流路板
１１０    ガス流路板
Ｐ    発電要素
【図１】
2006049105.tif 000003
【図２】
2006049105.tif 000004
【図３】
2006049105.tif 000005
【図４】
2006049105.tif 000006
【図５】
2006049105.tif 000007
【図６】
2006049105.tif 000008
【図７】
2006049105.tif 000009
【図８】
2006049105.tif 000010
【図９】
2006049105.tif 000011