(57)【要約】【課題】小型で且つ高出力の直接火炎型燃料電池を可能にするコンパクトな燃料電池モジュールと、そのようなコンパクトな燃料電池モジュールを可能にする新しい部材を提供すること。【解決手段】新しい部材として、メッシュ状金属材料製の集電体であって、１００〜５００メッシュに相当する基本網目構造を有し、且つ、該基本網目構造を形成する１本の線材１１’の１つの山から次の山までの距離として定義される基本ピッチＰoよりも大きく、１つのピークｐから次のピークｐ’までの距離として定義される表面模様ピッチＡを有する表面凹凸模様を有する燃料電池セルスタック用集電体を提供する。このセルスタック用集電体を間に挟んで複数のセルを垂直方向に積層することで、直接火炎型燃料電池モジュールのコンパクト化がなされる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
メッシュ状金属材料製の集電体であって、８０〜５００メッシュに相当する基本網目構造を有し、且つ、該基本網目構造を形成する１本の線材の１つの山から次の山までの距離として定義される基本ピッチよりも大きく、１つのピークから次のピークまでの距離として定義される表面模様ピッチを有する表面凹凸模様を有することを特徴とする燃料電池セルスタック用集電体。
【請求項２】
表面模様ピッチが３００〜２０００μｍである、請求項１記載の燃料電池セルスタック用集電体。
【請求項３】
表面模様ピッチが８００〜１０００μｍである、請求項１記載の燃料電池セルスタック用集電体。
【請求項４】
表面凹凸模様を付与した線材のピーク間の最低の点とピークのうちの高い方の高さとの垂直方向の差が５０〜３００μｍである、請求項１〜３のいずれか一つに記載の燃料電池セルスタック用集電体。
【請求項５】
前記差が１５０〜２００μｍである、請求項４記載の燃料電池セルスタック用集電体。
【請求項６】
白金、ステンレス鋼、ニッケル、又はニッケル系合金製である、請求項１〜５のいずれか一つに記載の燃料電池セルスタック用集電体。
【請求項７】
垂直方向に積層した複数の燃料電池セルを含み、隣接する２つのセルの間に、請求項１〜６までのいずれか一つに記載の燃料電池セルスタック用集電体が位置することを特徴とする直接火炎型燃料電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は直接火炎型燃料電池に関し、より詳しく言えば、直接火炎型燃料電池で使用するための、複数の単一セルを積層したスタック構造のモジュールと、このモジュールで用いられる燃料電池セルスタック用集電体に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の一つのタイプに、固体電解質層を挟んでアノード層とカソード層を形成した構造のセルを火炎中又はその近傍に配置し、アノード側を火炎にさらすことで発電を行う直接火炎型燃料電池がある。このような直接火炎型燃料電池と、それに用いる燃料電池モジュールは、例えば、特許文献１〜３に記載されている。
【０００３】
そのうち、特許文献１には、図６に示したように、固体電解質燃料電池セルのアノード層１０１とカソード層１０２の少なくとも一方に、補強用としてメッシュ状金属１０７を埋設又は固着して得られるセルが開示されている。この図の１０３は固体電解質層、１０６はアノード層１０１又はカソード層１０２に接続するリード線である。
【０００４】
特許文献２には、例えば図７に示したように、複数のセルを横方向に配列し、一つのセルのアノード層１１１とその隣のセルのカソード層１１２をメッシュ状金属１１３で接続した構造の直接火炎型燃料電池モジュールが開示されている。メッシュ状金属１１３は、一つのセルのアノード層１１１と隣のセルのカソード層１１２に固着されている。この図の１１５は固体電解質層である。
【０００５】
特許文献３にも、例えば図８に示したように、複数のセルを横方向に配列し、一つのセルのアノード層１２１とその隣のセルのカソード層１２２をメッシュ状金属１２３で接続した構造の直接火炎型燃料電池モジュールが開示されている。メッシュ状金属１２３は、一つのセルのアノード層１２１と隣のセルのカソード層１２２に埋設されている。この図の１２５は固体電解質層である。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１３９９３６号公報
【特許文献２】特開２００５−３５３５７１号公報
【特許文献３】特開２００６−１９０５９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献２、３に開示された直接火炎型燃料電池モジュールは、個々のセルを横方向（平面方向）に配列した構造である。そのため、このようなモジュールを使用する燃料電池で高出力を得るためには、モジュールが占める面積が大きくなり、燃料電池の設置面積が大きくなるという不利な点があった。
【０００８】
本発明の目的は、小型で且つ高出力の直接火炎型燃料電池を可能にするコンパクトな燃料電池モジュールを提供することである。そのようなコンパクトな燃料電池モジュールを可能にする新しい部材を提供することも、本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明が提供するコンパクトな燃料電池モジュールを可能にする部材は、メッシュ状金属材料製の集電体であって、８０〜５００メッシュに相当する基本網目構造を有し、且つ、該基本網目構造を形成する１本の線材の１つの山から次の山までの距離として定義される基本ピッチよりも大きく、１つのピークから次のピークまでの距離として定義される、表面模様ピッチを有する表面凹凸模様を有することを特徴とする燃料電池セルスタック用集電体である。
【００１０】
表面模様ピッチは、好ましくは３００〜２０００μｍであり、特に好ましくは８００〜１０００μｍである。
【００１１】
好ましくは、表面凹凸模様を付与した線材のピーク間の最低の点とピークのうちの高い方の高さとの垂直方向の差は５０〜３００μｍであり、特に好ましくは１５０〜２００μｍである。
【００１２】
本発明の直接火炎型燃料電池モジュールは、垂直方向（縦方向）に積層した複数の燃料電池セルを含み、隣接する２つのセルの間に、上述の本発明の燃料電池セルスタック用集電体が位置することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の燃料電池セルスタック用集電体を用いて燃料電池セルを縦方向に積層して作製した燃料電池モジュールは、作製時にモジュールを上下から圧縮することで、セルスタック用集電体と隣り合うセルのアノード層及びカソード層との接触効率が向上し、モジュールから安定して電力を取り出すことができる。セルの間に挟まれたセルスタック用集電体は、その基本的なメッシュ構造のために、熱膨張緩衝材としても機能し、これもまたセルの安定動作に寄与する。
【００１４】
更に、本発明の直接火炎型燃料電池モジュールは、その積層構造のために、セルを平面的に配列した従来技術のモジュールに比べて設置面積が小さくてすむ。そのため、取り出す電力が同じ場合、従来技術のモジュールよりもコンパクト化することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１に、本発明の燃料電池セルスタック用集電体を用いた、本発明のスタック構造の直接火炎型燃料電池モジュールを示す。この図のモジュールは、固体電解質層１の片側にアノード層２、反対側にカソード層３を配置して構成した燃料電池セル４を３つ積層したスタック構造を有する。このスタック構造の一番上のアノード層２と、一番下のカソード層３には、モジュールからの電力取り出し用にリード部材５が固着されている。一つのセル４のアノード層２と隣接するセル４のカソード層３の間に、本発明の燃料電池セルスタック用集電体６が位置している。
【００１６】
本発明の燃料電池セルスタック用集電体６は、メッシュ状金属材料製であり、金属としては白金、ステンレス鋼、ニッケル、ニッケル系合金などを用いることができる。本発明の燃料電池セルスタック用集電体の特徴は、８０〜５００メッシュに相当する基本網目構造を有すること、そしてその基本網目構造を持つメッシュ状金属材料に表面凹凸模様の付与加工を施して得られる、該基本網目構造を形成する１本の線材の１つの山から次の山までの距離として定義される基本ピッチよりも大きく、１つのピークから次のピークまでの距離として定義される表面模様ピッチを有する表面凹凸模様を有することである。
【００１７】
本発明では、各種のメッシュを使用できるが、ここでは平織りメッシュの場合を例に、図２を参照して本発明の燃料電池セルスタック用集電体をより詳しく説明する。図２（ａ）は、本発明の燃料電池セルスタック用集電体を作製するための表面凹凸模様付与加工前のメッシュ状金属の断面を模式的に示している。メッシュ状金属の基本網目構造における１つの網目は、１本の曲線で模式的に示した線材１１及びそれと並列のもう１本の線材（図示せず）と、線材１１の山ａとその隣の谷ｂの位置及び並列のもう１本の線材（図示せず）の対応する山と谷の位置で、線材１１及び隣接のもう１本の線材（図示せず）と交差する線材１２ａ、１２ｂにより囲まれた領域に相当する。本発明におけるメッシュ状金属の基本網目構造は、８０〜５００メッシュに相当する目数を有する。
【００１８】
図２（ａ）に示した線材１１の１つの山ａからその次の山ａ’までの距離が、本発明における基本ピッチＰoに相当する。本発明の燃料電池セルスタック用集電体は、上記の如き基本網目構造を持ったメッシュ状金属材料に、基本ピッチＰoよりも大きくて、１つのピークから次のピークまでの距離として定義される表面模様ピッチを有する表面凹凸模様を付与する加工を施して製作される。図２（ｂ）は、そのような表面凹凸模様を付与した本発明のセルスタック用集電体における１本の線材１１’を示している。この線材１１’は、図２（ａ）に示した線材１１が表面凹凸模様の付与加工を受けたものに当たる。但し、図２（ａ）と図２（ｂ）の縮尺は同一ではない。
【００１９】
図２（ｂ）から明らかなように、表面凹凸模様を付与したメッシュ状金属材料における線材１１’は、表面凹凸模様付与前の図２（ａ）の線材１１における基本ピッチＰo（これは、図２（ｂ）の線材１１’と交差し、間に１本挟んで隣り合う線材１２ａ’間の距離に相当する）よりも大きくて、１つのピークｐから次のピークｐ’までの距離Ａとして定義される表面模様ピッチを有する。
【００２０】
このような表面凹凸模様を付与した本発明の燃料電池セルスタック用集電体を用いてセルを縦方向に積層して作製した燃料電池モジュールにおいては、作製時にモジュールを上下から圧縮することで、セルスタック用集電体と隣り合うセルのアノード層及びカソード層との接触をより高めることができ、モジュールから安定して電力を取り出すことができる。セルの間に挟まれた基本的にメッシュ構造のセルスタック用集電体は、熱膨張緩衝材としても機能し、これもまたセルの安定動作に寄与する。
【００２１】
更に、本発明の燃料電池セルスタック用集電体を用いれば、セルを平面的に配列した図７や図８に示したような従来技術のモジュールに比べて小さな設置面積で、従来技術のモジュールと同等の出力を得ることができる。
【００２２】
表面凹凸模様を有する本発明の燃料電池セルスタック用集電体は、加工ワークのメッシュ状金属材料を弾性体（例えばシリコーンゴム等）と、加工ワークより低メッシュ（粗い）の別のメッシュ材料とで挟み、圧力をかけて塑性変形させる方法により、簡単に製作することができる。図３に、この方法で加工したメッシュ状金属の顕微鏡写真を示す。この写真の上の部分に示されているのが表面凹凸模様付与加工を施した部分であり、本発明の燃料電池セルスタック用集電体として使用される。本発明の燃料電池セルスタック用集電体のための材料として先に挙げた白金、ステンレス鋼、ニッケル、ニッケル系合金などのメッシュ状金属はいずれも、この方法で容易に表面凹凸模様付与加工が可能である。写真の下の部分に示されているのは未加工の部分であり、加工部から切り離して燃料電池モジュールからの電力取り出し用のリード部材として使用することができる。
【００２３】
本発明で使用するメッシュ状金属材としては、８０〜５００メッシュの材料を使用することができる。８０メッシュ未満の金属材は、線径が太く、強度が高くなるため、容易に加工できない。また、仮に加工できたとしても、セルスタック時及び動作時にセル破壊の可能性が高くなるため、好ましくない。５００メッシュを超える金属材は、線径が細く、強度が低くなるため、加工は容易であるが、層間の接触不足が生じやすく、安定動作が望めないため、好ましくない。
【００２４】
メッシュ状金属材の織り方は特に限定されず、平織りなどの一般的な織り方のものを使用することができる。
【００２５】
本発明の燃料電池セルスタック用集電体では、図２（ｂ）に示した線材１１’の隣り合うピークｐ、ｐ’間の距離Ａ（すなわち表面模様ピッチ）は、３００〜２０００μｍが好ましい。３００μｍ未満では、層間接触圧力が高まり、セル破壊の危険性が増す。２０００μｍを超えると、層間接触圧力が低下し、安定動作が得られにくい。線材１１’の隣り合うピークｐ−ｐ’間の最適な距離Ａは、８００〜１０００μｍである。
【００２６】
本発明の燃料電池セルスタック用集電体では、図２（ｂ）にＢで示した線材１１’の高さ（ピーク間の最低の点とピークのうちの高い方の高さとの垂直方向の差として定義される）が、５０〜３００μｍであることも好ましい。５０μｍ未満では、上記のピークｐ−ｐ’間距離Ａとの兼ね合いで、層間接触圧力が高まり、セル破壊の危険性が増す。この傾向は、ｐ−ｐ’間距離Ａが短いほど顕著となる。３００μｍを超えると、上記のピークｐ−ｐ’間距離Ａとの兼ね合いで、層間接触圧力が低下し、安定動作が得られにくい。この傾向は、ｐ−ｐ’間距離Ａが長いほど顕著となる。最適な高さＢは１５０〜２００μｍである。
【００２７】
本発明の燃料電池セルスタック用集電体で使用する固体電解質層、アノード層、カソード層は、通常の固体電解質燃料電池セルの同様の部材で用いられる材料を用いて、一般的な方法で製作することができる。
【００２８】
固体電解質層については、例えば、次の（ａ）、（ｂ）あるいは（ｃ）の材料を用いることができる。
（ａ）ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）、又はこれらのジルコニアにさらにＣｅ、Ａｌ等をドープしたジルコニア系セラミックス。
（ｂ）ＳＤＣ（サマリアドープドセリア）、又はＧＤＣ（ガドリアドープドセリア）等のセリア系セラミックス。
（ｃ）ＬＳＧＭ（ランタンガレート）、又は酸化ビスマス系セラミックス。
【００２９】
アノード層については、例えば、次の（ａ）、（ｂ）あるいは（ｃ）の材料を用いることができる。
（ａ）ニッケルと、イットリア安定化ジルコニア系、スカンジア安定化ジルコニア系又はセリア系（ＳＤＣ、ＧＤＣ、ＹＤＣ等）セラミックとのサーメット。
（ｂ）導電性酸化物を主成分（５０〜９９重量％）とする焼結体（導電性酸化物としては、例えば、リチウムが固溶された酸化ニッケルなどを用いることができる）。
（ｃ）上記（ａ）又は（ｂ）の材料に、白金族元素からなる金属又はその酸化物を１〜１０重量％程度配合したもの。
【００３０】
カソード層については、例えば、ストロンチウム（Ｓｒ）が添加されたランタン、サマリウム等の希土類元素のマンガン酸化合物、ガリウム酸化合物又はコバルト酸化合物（例えば、ランタンストロンチウムマンガナイト、ランタンストロンチウムコバルタイト、サマリウムストロンチウムコバルタイト）などの材料を用いることができる。
【００３１】
本発明の燃料電池セルスタック用集電体で使用するリード部材としては、公知のいずれのリード部材を用いることもできる。一例として、セルスタック集電体の金属材料と同様の白金、ステンレス鋼、ニッケル、ニッケル系合金などで作製した、メッシュ状あるいは箔などの導体を挙げることができる。
【００３２】
次に、本発明の燃料電池セルスタック用集電体を用いて直接火炎型燃料電池モジュールを作製する方法として、ここでは、セルスタック用集電体に使用する材料に応じて、２つの方法を説明する。
【００３３】
（１）セルスタック用集電体材料が白金（Ｐｔ）以外の金属の場合
この場合は、集電体材料の金属がセルのグリーンシートを焼成する高温（９００〜１２００℃程度）に加熱されると酸化されてしまうので、予め焼成して各セルを形成してから、それらの間に集電体材料を配置してセルスタックを形成する。次に、図４に示したように、セルスタック１０の上と下に、孔あきの又はフレーム状のプレート１１を配置し、それらを貫通するボルト１２とナット１３を使用して、上下のプレート１１の間にセルスタック１０を固定する。上下のプレートの締め付け作用により、各セルの間の集電体６は片側のアノード層及び反対側のカソード層に密着し、上下のセル間の密接な電気的接続を確保することができる。プレート１１の材料が導電性であれば、プレート１１を完成したモジュールから電力を取り出すのに利用することが可能である。
【００３４】
セルの固定は、耐熱接着剤を使って行うこともできる。この場合は、図５に示したように、各セル４のアノード層２とカソード層３の周囲に配置した耐熱接着剤８でセル４を上下の集電体６に接着する。接着剤８は、スタックの一番上のアノード層２及び一番下のカソード層３をリード部材５に接続するのにも利用することができる。接着剤を使用する場合には、上下のセルの密接な電気的接続のために、接着作業時にスタックを上下から圧縮するようにするのが好ましい。
【００３５】
（２）セルスタック用集電体材料が白金（Ｐｔ）の場合
この場合は、白金が、セルのグリーンシートを焼成する高温に加熱しても酸化されないので、グリーンシート状態の各セルの間に集電体材料を配置してスタックを形成し、これを同時に焼成してセルスタック集電体を作製することができる。上の（１）で説明したボルト・ナットでの固定法、あるいは耐熱接着剤での固定法を利用することも可能である。
【００３６】
本発明の直接火炎型燃料電池モジュールは、所望の数のセルを積層して作製することができる。作製したモジュールは、必要に応じて他のモジュールと組み合わせて使用することが可能である。
【実施例】
【００３７】
次に、実施例により本発明の燃料電池セルスタック用集電体と、それを用いた直接火炎型燃料電池モジュールを更に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００３８】
ＳＳＣ（サマリウムストロンチウムコバルタイト：Ｓｍ0.5Ｓｒ0.5ＣоＯ3）−ＳＤＣ（サマリアドープドセリア：Ｃｅ0.8Ｓｍ0.2Ｏ1.9）混合ペースト（組成比：５０重量％−５０重量％）を使って、１０×１０ｍｍの寸法で乾燥膜厚約１８０μｍのカソードグリーンシートを作製した。その上に、ＳＳＣ（サマリウムストロンチウムコバルタイト：Ｓｍ0.5Ｓｒ0.5ＣоＯ3）−ＳＤＣ（サマリアドープドセリア：Ｃｅ0.8Ｓｍ0.2Ｏ1.9）混合ペースト（組成比：１０重量％−９０重量％）により、同じ寸法で乾燥膜厚約７０μｍの固体電解質グリーンシートを形成した。次いで、電解質グリーンシートの上に、ＮｉＯ−ＳＤＣ混合ペースト（組成比：６０重量％−４０重量％）により、やはり同じ寸法で乾燥膜厚約１８０μｍのアノードグリーンシートを形成して、セル用のグリーンシート積重体を作製した。
【００３９】
４００メッシュのＳＵＳメッシュをシリコーンゴムシートの上に置き、その上に２０メッシュ以下のＳＵＳ（あるいはＮｉ等メッシュを使用してもよい）のメッシュを載せ、１０〜３０ｋｇ／ｃｍ2の荷重をかけてＳＵＳメッシュを圧縮して、ＳＵＳメッシュに表面凹凸加工を施した。こうして加工したＳＵＳメッシュをグリーンシートと同じ１０×１０ｍｍの寸法に切り取って、セルスタック用集電体を作製した。この集電体における基本ピッチは約１２０μｍ、表面模様ピッチは約９００μｍ、ピーク間の最高点と最低点の高さの差は約２００μｍであった。
【００４０】
リード部材として使用する、表面凹凸加工を施していない４００メッシュのＳＵＳメッシュの上に、３つのグリーンシート積重体を、間にセルスタック用集電体を挟んで積み重ねた。次いで、一番上のグリーンシート積重体の上に、もう一つのリード部材となるＳＵＳメッシュを載せた。こうして得た部材の集合体を焼成炉に入れ、９００℃で３時間焼成して、積層した３つのセルを含む燃料電池モジュール（図１に模式的に示したものに相当する）を作製した。
【００４１】
この燃料電池モジュールの一番外側のアノード層をアルコールランプの火炎にさらしたところ、０．８Ｖの開回路電圧で１００ｍＷの出力が観測された。
【００４２】
比較のため、表面凹凸模様を付与していない４００メッシュのＳＵＳメッシュを使って作製した同様の燃料電池モジュールを火炎にさらしたところ、０．８Ｖの開回路電圧で３０ｍＷの出力が観測された。
【００４３】
もう一つの比較のために、先に説明したとおりに作製したセル用のグリーンシート積重体の３つを横方向に配列し、一つの積重体のアノードグリーンシートとその隣の積重体のカソードグリーンシートを、表面凹凸加工を施していない４００メッシュのＳＵＳメッシュで接続して形成した部材の集合体を、９００℃の焼成炉中で３時間焼成して、図７に模式的に示したものに相当する従来技術の燃料電池モジュールを作製した。この燃料電池モジュールのアノード層側をアルコールランプの火炎にさらしたところ、２．４Ｖの開回路電圧で２５０〜３００ｍＷの出力が観測された。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明のスタック構造の直接火炎型燃料電池モジュールを説明する模式図である。
【図２】本発明の燃料電池セルスタック用集電体を説明する模式図である。
【図３】本発明の燃料電池セルスタック用集電体として使用する表面凹凸模様付与加工を施したメッシュ状金属材料の顕微鏡写真である。
【図４】本発明の直接火炎型燃料電池モジュールの作製で利用するモジュールの固定を説明する模式図である。
【図５】本発明のモジュールのもう一つの固定の仕方を説明する模式図である。
【図６】従来技術による直接火炎型燃料電池セルを説明する図である。
【図７】従来技術による直接火炎型燃料電池モジュールを説明する図である。
【図８】従来技術によるもう一つの直接火炎型燃料電池モジュールを説明する図である。
【符号の説明】
【００４５】
１    固体電解質層
２    アノード層
３    カソード層
４    燃料電池セル
５    リード部材
６    燃料電池セルスタック用集電体
【図１】
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【図２】
2008140549.tif 000004
【図４】
2008140549.tif 000005
【図５】
2008140549.tif 000006
【図６】
2008140549.tif 000007
【図７】
2008140549.tif 000008
【図８】
2008140549.tif 000009
【図３】
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