(57)【要約】【課題】還元後も燃料側電極とインターコネクタとの間の接合強度が低下しない、あるいは接合抵抗の上昇が少ないセル構造を有する固体電解質型燃料電池を提供することを目的とする。【解決手段】固体電解質型燃料電池は、固体電解質１と該固体電解質１の一側に設けられた空気側電極３と他の側に設けられた燃料側電極２とを有する発電膜１０と、インターコネクタ６，７とを備える固体電解質型燃料電池であって、前記発電膜１０が、一のインターコネクタ６と別のインターコネクタ７との間に配置され、前記一のインターコネクタ６と前記燃料側電極２とが金属フェルト４を介して電気的に接続される構造を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質と、該固体電解質の一側に設けられた空気側電極と、他の側に設けられた燃料側電極と、を有する発電膜と、
インターコネクタと、を備える固体電解質型燃料電池であって、
前記発電膜が、一のインターコネクタと別のインターコネクタとの間に配置され、
前記一のインターコネクタと前記燃料側電極とが金属フェルトを介して電気的に接続される固体電解質型燃料電池。
【請求項２】
前記一のインターコネクタと前記金属フェルトとの間に、金属またはサーメットを含む接合層が設けられる請求項１に記載の固体電解質型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の一般的な構成としては、図４に示すものが知られている。発電膜１０は、固体電解質１とその両面に形成された燃料側電極２、空気側電極３から構成される。燃料側電極２側には導電性接合材１４、インターコネクタ６が形成され、空気側電極３側には導電性接合材５、インターコネクタ７が形成されている。
【０００３】
燃料側電極２側の導電性接合材１４として、特許文献１に、ＮｉＯと、Ｆｅ２Ｏ３と、ＴｉＯ２とを含み、更に、焼結時の熱収縮及びＮｉＯの還元による収縮を抑制する目的でＡｌ２Ｏ３が添加されるサーメット系の導電性接合材が開示されている。
【０００４】
上記ＮｉＯ、Ｆｅ２Ｏ３およびＴｉＯ２をベース材料として含む接合材を用いてＳＯＦＣを構成した場合、ＳＯＦＣの運転中にＮｉＯおよびＦｅ２Ｏ３がそれぞれＮｉおよびＦｅに還元されることで、燃料側電極２側に設けられた導電性接合材１４の導電性を確保している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１７４５８５号公報（請求項８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
燃料側電極やインターコネクタなどに用いられる材料は、それぞれ熱膨張係数が異なる。上記のようなサーメット系の導電性接合材を用いた場合、ＮｉＯおよびＦｅ２Ｏ３が還元される際に体積収縮を伴う。そのため、ＳＯＦＣセルの運転停止などによる熱サイクル時の熱膨張差によって、燃料側電極と導電性接合材とが剥離したりするなど、燃料側電極／導電性接合材／インターコネクタの界面での接合状態を変化させて、接合強度や接合抵抗に悪影響を及ぼすことがある。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、還元後も燃料側電極とインターコネクタとの間の接合強度が低下しない、あるいは接合抵抗の上昇が少ないセル構造を有する固体電解質型燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は、固体電解質と、該固体電解質の一側に設けられた空気側電極と、他の側に設けられた燃料側電極と、を有する発電膜と、インターコネクタと、を備える固体電解質型燃料電池であって、前記発電膜が、一のインターコネクタと別のインターコネクタとの間に配置され、前記一のインターコネクタと前記燃料側電極とが金属フェルトを介して電気的に接続される固体電解質型燃料電池を提供する。
【０００９】
本発明によれば、金属フェルトを介することで、インターコネクタと燃料側電極との接合抵抗を低下させることができる。金属フェルトは、従来のように燃料側電極に焼きついていないため、熱サイクル時の熱膨張差によって剥離する心配がなく、接合強度も低下しない。従って、熱サイクルによる接合抵抗の増加を抑制することができるようになる。
【００１０】
上記発明において、前記一のインターコネクタと前記金属フェルトとの間に、金属またはサーメットを含む接合層が設けられることが好ましい。
これによって、インターコネクタと金属フェルトとの密着性が向上し、インターコネクタと燃料側電極との接合抵抗を更に低下させることができる。
インターコネクタと燃料側電極とは、金属フェルトを介して電気的に接続されている。そのため、サーメットを含む接合層は、特許文献１に開示されているような厚さを必要とせず、金属フェルトとインターコネクタとの密着性を向上させる効果を奏する。サーメット系材料を用いることで、金属ペーストを用いるよりも低コストで、インターコネクタと燃料側電極との接合抵抗を低下させることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、インターコネクタと燃料側電極との間に金属フェルトを設けることで、還元後も接合強度の低下のない、あるいは接合抵抗の上昇が少ない導電性接合構造を得ることができる。また、金属フェルトとインターコネクタとの間に接合層を設けることで、金属フェルトとインターコネクタとの密着性が向上し、インターコネクタと燃料側電極との間の接合抵抗を低下させることができる。それによって、固体電解質型燃料電池の発電特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る固体電解質型燃料電池の要部概略図である。
【図２】本発明の一実施形態の変形例に係る固体電解質型燃料電池の要部概略図である。
【図３】接合抵抗測定における白金端子の位置を示す試験片の概略図である。
【図４】固体電解質型燃料電池の一般的な構成を示す部分概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本実施形態に係る固体電解質型燃料電池について、図１を用いて説明する。
発電膜１０は、固体電解質１、燃料側電極２、及び空気側電極３とから構成されている。固体電解質１は、イットリア安定化ジルコニアなどを用いることができる。固体電解質１の一側には燃料側電極２、別の一側には空気側電極が設けられている。
燃料側電極２材料：ＮｉＯ−ＹＳＺサーメットなど、空気側電極３材料：ランタンマンガナイトなどを固体電解質１にそれぞれ厚さ２０μｍ〜５０μｍで塗布し、焼成させたものを発電膜１０とする。
【００１４】
インターコネクタ６，７は、ランタンクロマイトなどを用いることができる。インターコネクタ６，７は、上記発電膜１０を挟むよう配置されている。
【００１５】
インターコネクタ６と燃料側電極２との間には、金属フェルト４が設けられている。金属フェルトは、適当な弾性を得るために、厚さ０．１ｍｍ〜１ｍｍであることが好ましい。金属フェルトの材質は、還元雰囲気下で導電性を有する金属であれば良く、好適にはＮｉを用いる。
【００１６】
図２に示すように、インターコネクタ６と金属フェルト４との間には、接合層８が設けられても良い。
例えば、接合層８として、インターコネクタ６と金属フェルト４との間に、金属を含む接合層が設けられていても良い。この場合、金属を含む接合層の形成には、金属ペーストを用いる。金属ペーストは、還元雰囲気下で導電性を有する金属をペースト状にしたものであり、Ｐｔ、Ｎｉなどのペーストを用いることができる。適当な濃度に調製した金属ペーストを筆などで塗布し、乾燥させ、金属を含む接合層を形成させる。金属を含む接合層は、厚さ５μｍ〜２０μｍであることが好ましい。接合層が薄すぎると効果がなく、厚すぎると熱膨張差などが問題となる。
【００１７】
例えば、接合層８として、インターコネクタ６と金属フェルト４との間には、サーメットを含む接合層が設けられていても良い。この場合、サーメットを含む接合層の形成にはサーメットペーストを用いる。サーメットペーストとしては、還元されて金属となって導電性を担い、且つ、熱膨張制御や焼結収縮や還元収縮を抑制する材料を用いる。例えば、還元されて金属となり導電性を担う材料としてＮｉＯ、Ｆｅ２Ｏ３またはＣｏＯから選択される少なくとも１以上の酸化物を含み、且つ、熱膨張制御、焼結収縮や還元収縮を抑制する材料としてＹＳＺ、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＨｆＴｉＯ４、希土類ドープＳｒＴｉＯ３，Ｓｒ又はＣａドープＬａＣｒＯ３から選択される１以上の酸化物を含む導電性材料を用いることができる。適当な濃度に調整したサーメットペーストを印毛もしくはスクリーン印刷などにより厚さ５μｍ〜２０μｍで塗布する。その後、１２５０℃で１時間（大気中）、焼付処理をしたのち炉冷し、サーメットを含む接合層を形成させる。
【００１８】
インターコネクタ７と空気側電極３との間には、導電性接合材５が設けられている。導電性接合材５には、酸化ニッケル粉末、酸化鉄粉末、酸化チタン粉末及び酸化アルミニウム粉末をビヒクル（ブチルカルビトール、テレピン油、ブタノール等）を用いてペースト化したものなどを使用することができる。
【００１９】
本実施形態では、固体電解質型燃料電池の要部を説明するために、１枚の発電膜１０を挟んで、２枚のインターコネクタ６，７が積層されている電池セル単位で記載したが、インターコネクタ７の導電性接合材５が設けられた面の裏面に金属フェルトが配置され、その上に発電膜１０が積層されたスタックセル構造であっても良い。
【００２０】
（実施例１）
インターコネクタ６（厚さ：１ｍ、大きさ：３０ｍｍ角）上にＮｉフェルト４（厚さ：０．２ｍｍ、大きさ：２０ｍｍ角）を載置した。その上にディンプル形状の発電膜１０（大きさ：３０ｍｍ、燃料側電極２厚さ：５０μｍ）を燃料側電極２が金属フェルトと接触するよう載置した。その後、図３に示すように、インターコネクタと発電膜の両端にセラミックス系シール材９を塗布して埋め込んだ後に室温で一晩乾燥させた。上記手順によって発電膜１０とインターコネクタ６とを接合させたものを試験片とした。
【００２１】
（実施例２）
インターコネクタ６（厚さ：１ｍｍ、大きさ：３０ｍｍ角）上に、５質量％に希釈したＰｔペーストを筆で塗布し、乾燥させ、厚さ：約１０μｍのＰｔペースト層８を形成させた。Ｐｔペースト層８上に、Ｎｉフェルト４（厚さ：０．２ｍｍ、大きさ：２０ｍｍ角）を載置した。その上に発電膜１０（大きさ：３０ｍｍ、燃料側電極２厚さ：５０μｍ）を載置した。その後、実施例１と同様に、インターコネクタと発電膜の両端にセラミックス系シール材を埋め込んだ後に室温で一晩乾燥させ、発電膜とインターコネクタとを接合させたものを試験片とした。
【００２２】
（実施例３）
サーメットを含む接合層の材料として、酸化ニッケル粉末、酸化鉄粉末、酸化チタン粉末及び酸化アルミニウム粉末を８０：１０：１０：１５の割合で混合し、ビヒクル（ブチルカルビトール）を用いてペースト化した。上記ペーストを、印毛を用いてインターコネクタ６の表面に、１０〜２０μｍの厚さで均一に塗布した。その後、１２５０℃で１時間（大気中）、焼付処理をしたのち炉冷し、サーメットを含む接合層を形成させた。サーメットを含む接合層上に、Ｎｉフェルト４（厚さ：０．２ｍｍ、大きさ：２０ｍｍ角）を載置した。その上に発電膜１０（大きさ：３０ｍｍ、燃料側電極２厚さ：５０μｍ）を載置した。その後、実施例１と同様に、インターコネクタと発電膜の両端にセラミックス系シール材を埋め込んだ後に室温で一晩乾燥させ、発電膜とインターコネクタとを接合させたものを試験片とした。
【００２３】
（比較例）
接合材として、酸化ニッケル粉末、酸化鉄粉末、酸化チタン粉末及び酸化アルミニウム粉末を８０：１０：１０：１５の割合で混合し、ビヒクル（ブチルカルビトール）を用いてペースト化した。上記ペーストをスクリーンプリント法によりインターコネクタ６の表面に、１００〜２００μｍの厚さで均一に塗布した。その後、ディンプル形状の発電膜１０の燃料側電極２をインターコネクタ６のペーストを塗布した側に乗せ、１２５０℃で１時間（大気中）、焼付処理をしたのち炉冷させた。上記手順によって発電膜１０とインターコネクタ６とを接合させたものを試験片とした。
【００２４】
（熱サイクルが接合抵抗に及ぼす影響）
実施例１及び比較例の試験片において、図３に示すように、燃料側電極２及びインターコネクタ６に白金ペーストと白金線を用いて端子１１を取り付けた。燃料側電極２側の白金端子１１は、燃料側電極２がＮｉフェルト４に接していない部分または燃料側電極２に接合材が塗布されていない部分に配置した。インターコネクタ６側の白金端子１１は、インターコネクタ６のＮｉフェルト４または接合材が設けられた面と反対の面に、燃料側電極２の白金端子１１と対角位置となるように配置した。その後、大気雰囲気中１０００℃にて、白金端子１１を発電膜及びインターコネクタに焼き付けた。
【００２５】
各端子に定電流発生装置及び電圧計を接続した。試験片を電気炉内で空気中にて８００℃に昇温した。昇温後、１００体積％Ｈ２を電気炉内に導入して還元処理を行い、直流４端子法により、導電性接合材の接合抵抗を測定した。
接合抵抗測定後、一度室温まで降温し、再度８００℃まで昇温して接合抵抗を測定することで、熱サイクルが接合抵抗に及ぼす影響を評価した。
【００２６】
上記結果を表１に示す。
【表１】
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【００２７】
実施例１〜実施例３の熱サイクル前の接合抵抗は、いずれも比較例と比べて低い値となった。これは、Ｎｉの導電性が高く、Ｎｉフェルト４と燃料側電極２とが金属同士であるため、接合抵抗が低下したものと考えられる。
実施例１〜実施例３の熱サイクル後の接合抵抗は、いずれも熱サイクル前と比べて増加しなかった。一方、比較例１では、熱サイクル後に接合抵抗が増加していた。比較例では、接合材と燃料側電極２が焼き付いているため、熱サイクルによって生じる基材の膨張・収縮などの影響を受けたものと考えられる。一方、Ｎｉフェルト４は、燃料側電極２と直接焼き付いておらず、熱サイクルをかけても再度高温に保持すると接合状態が元に戻るため、接合抵抗が増加しなかったと推定される。熱サイクルが試験片に与える影響は、熱サイクル１回目が最も大きいため、繰り返し熱サイクルをかけた場合でも、接合抵抗の増加を抑制する効果が得られものと考えられる。
【００２８】
実施例２及び実施例３の熱サイクル前の接合抵抗は、実施例１と比べて低い値となった。これは、Ｎｉフェルト４を設けたことに加えて、接合層８を設けたことで、Ｎｉフェルト４とインターコネクタ６との界面の密着性が向上し、接合抵抗が更に低下したものと考えられる。上記結果によれば、接合層８を、サーメットを含む接合層とすることで、白金ペーストなどを用いるよりも低コストで、インターコネクタ６と燃料側電極２との接合抵抗を低下させることが可能となる。
【００２９】
上記結果によれば、８００℃という低温でも接合抵抗が低く、熱サイクルをかけても接合抵抗が増加しない導電性接合構造を得ることができ、低温での発電特性を向上させた固体電解質型燃料電池とすることができる。
【符号の説明】
【００３０】
１  固体電解質
２  燃料側電極
３  空気側電極
４  金属フェルト
５  導電性接合材
６，７  インターコネクタ
８  接合層
９  シール材
１０  発電膜
１１  端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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