(57)【要約】【課題】電極の機械的損傷を阻止して機械的信頼性の向上を実現し、電気的損失を少なく抑えつつ集電できるようにする。【解決手段】多孔質部２ａを有する電気伝導性金属基板２に一対の電極層３ａ，３ｂ間に電解質層３ｃを挟持した電池要素３を積層して成る単セル４と、電気伝導性のパッド部５ａを有するコネクタ５を備え、電気伝導性金属基板２の多孔質部２ａからそれ以外の部分にかけて電池要素３を積層し、多孔質部２ａ以外の部分の表裏を電気絶縁性皮膜６で部分的に被覆して、電気伝導性金属基板２の電池要素３を積層した側の電気絶縁性皮膜６から電池要素３の電極層３ｂにかけて集電体７を配置し、隣接する一方の単セル４の集電体７の集電端子７ａと、他方の単セル４の電気伝導性金属基板２の露出部分２ｂとをコネクタ５のパッド部５ａを介して接合した。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔質の部分を有する電気伝導性金属基板に一対の電極層間に電解質層を挟み込んで形成した電池要素を積層して成る単セルを備えると共に、電気伝導性のパッド部を有するコネクタを備え、同一平面内で隣接させた単セルの各電池要素以外の部分同士又は互いに積層させた単セルの各電池要素以外の部分同士を上記コネクタのパッド部を介して接合したことを特徴とする固体電解質型燃料電池。
【請求項２】
多孔質の部分を有する電気伝導性金属基板に一対の電極層間に電解質層を挟み込んで形成した電池要素を積層して成る単セルを備えると共に、電気伝導性のパッド部を有するコネクタを備え、上記単セルにおける電気伝導性金属基板の多孔質の部分から多孔質以外の部分の一部にかけて上記電池要素を積層すると共に、上記電気伝導性金属基板の多孔質以外の部分の表裏を電気絶縁性皮膜でそれぞれ部分的に被覆して、電気伝導性金属基板の電池要素を積層した側の電気絶縁性皮膜から上記電池要素の電気伝導性金属基板とは反対側に位置する電極層にかけて集電体を配置し、同一平面内で隣接させた単セルのうちの一方の単セルにおける集電体の電気絶縁性皮膜上に位置する集電端子と、他方の単セルにおける電気伝導性金属基板の露出部分とを上記コネクタのパッド部を介して接合したことを特徴とする固体電解質型燃料電池。
【請求項３】
多孔質の部分を有する電気伝導性金属基板に一対の電極層間に電解質層を挟み込んで形成した電池要素を積層して成る単セルを備えると共に、電気伝導性のパッド部を有するコネクタを備え、上記単セルにおける電気伝導性金属基板の多孔質の部分から多孔質以外の部分の一部にかけて上記電池要素を積層すると共に、上記電気伝導性金属基板の多孔質以外の部分の表裏を電気絶縁性皮膜でそれぞれ部分的に被覆して、電気伝導性金属基板の電池要素を積層した側の電気絶縁性皮膜から上記電池要素の電気伝導性金属基板とは反対側に位置する電極層にかけて集電体を配置し、互いに積層させた単セルのうちの一方の単セルにおける集電体の電気絶縁性皮膜上に位置する集電端子と、他方の単セルにおける電気伝導性金属基板の露出部分とを上記コネクタのパッド部を介して接合したことを特徴とする固体電解質型燃料電池。
【請求項４】
コネクタは電気絶縁性を有するシート部を具備し、電気伝導性のパッド部は上記シート部の表裏にそれぞれ設けてある請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項５】
コネクタは電気伝導性を有するシート部を具備し、電気伝導性のパッド部は上記シート部の表裏にそれぞれ一体で設けてある請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項６】
多孔質の部分を有する電気伝導性金属基板と、一対の電極層間に電解質層を挟み込んで積層して成る電池要素と、集電体を備え、上記電気伝導性金属基板の多孔質の部分から多孔質以外の部分の一部にかけて上記電池要素を積層すると共に、上記電気伝導性金属基板の多孔質以外の部分の表裏を電気絶縁性皮膜でそれぞれ部分的に被覆し、電気伝導性金属基板の電池要素を積層した側の電気絶縁性皮膜から上記電池要素の電気伝導性金属基板とは反対側に位置する電極層にかけて上記集電体を配置したことを特徴とする燃料電池用単セル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一対の電極で固体電解質を挟持する構成を電池要素として有する固体電解質型燃料電池及び燃料電池用単セルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の固体電解質型燃料電池としては、セルと、プレス加工により形成した突起を有する集電体と、スペーサと、セル支持突起部を有する金属板とを順次積層した構成を成すものがあり、この固体電解質型燃料電池では、集電体の突起を電極面に接触させて集電するようにしている（例えば特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−３５５１４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した固体電解質型燃料電池では、集電体の突起を電極に押し付けて集電するようにしているため、電極が損傷してしまう可能性があるという問題を有しているほか、電極に対して集電体の突起を接触させているだけなので、集電ロスが生じてしまうと言う問題があり、これらの問題を解決することが従来の課題となっていた。
【０００５】
【発明の目的】
本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、電極の機械的損傷を阻止して機械的信頼性の向上を実現すると共に、電気的損失を少なく抑えつつ集電することが可能である固体電解質型燃料電池及び燃料電池用単セルを提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らが鋭意検討した結果、機械的に弱い電池要素を避けて、単セルの電池要素以外の個所同士を接合することで、集電時における電極の機械的損傷を阻止し得ると共に、電気的損失を少なく抑え得ることを見出すに至った。
【０００７】
すなわち、本発明の固体電解質型燃料電池は、多孔質の部分を有する電気伝導性金属基板に一対の電極層間に電解質層を挟み込んで形成した電池要素を積層して成る単セルを備えると共に、電気伝導性のパッド部を有するコネクタを備え、同一平面内で隣接させた単セルの各電池要素以外の部分同士又は互いに積層させた単セルの各電池要素以外の部分同士を上記コネクタのパッド部を介して接合した構成としたことを特徴としており、この固体電解質型燃料電池の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【０００８】
本発明の固体電解質型燃料電池では、脆性材料である電池要素に直接、機械的力が加わらないので、集電時における電極の機械的損傷が回避されることとなり、加えて、複数の単セルを集積する際には、良好な電気的接合状態が得られることとなって、電気的損失が少なく抑えられることとなる。
【０００９】
【発明の効果】
本発明の固体電解質型燃料電池によれば、上記した構成としているので、機械的応力及び熱的応力が直接電池要素に印加されることがなく、その結果、電極が損傷するなどといった事態が生じることがなくなって、機械的信頼性の向上を実現することができ、加えて、単セルの集電部分同士を接合させて集電するようになすことで、単セル間の電気的損失を少なく抑えることが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の固体電解質型燃料電池において、機械的に弱い電池要素を避け、単セルの電池要素以外の部分同士をコネクタのパッド部で機械的に接合するが、この際、単セルの電池要素以外の接合部分を正極端子又は負極端子とすることで、これらの端子同士はコネクタのパッド部により電気的に接合される。
【００１１】
また、本発明の固体電解質型燃料電池において、単セルにおける電気伝導性金属基板の多孔質の部分から多孔質以外の部分の一部にかけて上記電池要素を積層すると共に、上記電気伝導性金属基板の多孔質以外の部分の表裏を電気絶縁性皮膜でそれぞれ部分的に被覆して、電気伝導性金属基板の電池要素を積層した側の電気絶縁性皮膜から上記電池要素の電気伝導性金属基板とは反対側に位置する電極層にかけて上記集電体を配置することとし、この構成の単セルを同一平面内で複数並べて、互いに隣接する単セルのうちの一方の単セルにおける集電体の電気絶縁性皮膜上に位置する集電端子と、他方の単セルにおける電気伝導性金属基板の電池要素を積層した側の露出部分とをコネクタのパッド部を介して接合すれば、単セル間の電気的直列接合がなされることとなり、高電圧出力が得られることとなる。
【００１２】
さらに、本発明の固体電解質型燃料電池において、上記と同じ単セル構造とし、この構成の単セルを積層して、互いに積層する単セルのうちの下方の単セルにおける集電体の電気絶縁性皮膜上に位置する集電端子と、上方の単セルにおける電気伝導性金属基板の電池要素を積層していない側の露出部分とをコネクタのパッド部を介して接合すれば、この場合も上記と同様に単セル間の電気的直列接合がなされることとなって、高電圧出力が得られることとなる。
【００１３】
さらにまた、本発明の固体電解質型燃料電池において、コネクタには電気絶縁性を有するシート部又は電気伝導性を有するシート部を具備したものとすることが望ましい。
【００１４】
つまり、コネクタがシート部を具備するようになせば、柔軟性に富んだものとなってガスセパレータとしても機能させ得るほか、単セル同士を接続した際に各セルに加わる外力を吸収できることから、接合部分の信頼性が向上すると共に、単セル同士を互いに積層した際に単セルの間隔を狭くできるので、燃料電池の小型化に寄与し得ることとなる。
【００１５】
そして、コネクタのシート部が電気絶縁性を有する場合において、電気伝導性のパッド部をシート部の表裏にそれぞれ設けると、同一平面内で複数並べた単セル間の電気的直列接合を行いつつ、互いに積層させた単セル間の絶縁を確保し得ることとなり、一方、コネクタのシート部が電気伝導性を有する場合において、電気伝導性のパッド部をシート部の表裏にそれぞれ一体で設けると、同一平面内で複数並べた単セル間の電気的直列接合を行いつつ、互いに積層させた単セル間の電気的接合及び機械的接合を行い得ることとなる。
【００１６】
本発明の燃料電池用単セルは、電気伝導性金属基板の表裏で且つ非多孔質部分の一部に電気絶縁性皮膜を形成し、この電気絶縁皮膜から電池要素の電極にかけて集電体を積層させて成る正極端子及び負極端子付きの単セルであって、金属薄板で薄膜電池要素を支持する構造を成す薄型軽量の単セルである。
【００１７】
すなわち、従来のセラミックス焼結体より成る単セルと比較して薄型且つ軽量であり、したがって、本発明の燃料電池用単セルを複数接合して成る燃料電池は小型でしかも軽量なものとなる。加えて、従来のように電極に集電体を接触させる必要がないため、集電体による電極の機械的損傷がなく信頼性が向上する。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明を図面に基づいて説明する。
【００１９】
［実施例１］
図１〜図３は本発明の固体電解質型燃料電池の一実施例を示している。
【００２０】
図１に示すように、この固体電解質型燃料電池１は、多孔質部２ａを有する電気伝導性金属基板２に一対の電極層３ａ，３ｂ（燃料極層３ａ及び空気極層３ｂ）間に電解質層３ｃを挟み込んで形成した電池要素３を積層して成る単セル４を備えると共に、電気伝導性のパッド部５ａを有するコネクタ５を備えている。
【００２１】
単セル４は、図２にも示すように、電池要素３を電気伝導性金属基板２の多孔質部２ａから多孔質部２ａ以外の部分の一部にかけて積層していると共に、上記電気伝導性金属基板２の多孔質部２ａ以外の部分の表裏において電気絶縁性皮膜６でほぼ反面ずつを被覆しており、電気伝導性金属基板２の電池要素３を積層した側の電気絶縁性皮膜６から電池要素３の電気伝導性金属基板２とは反対側に位置する空気極層３ｂにかけて集電体７を配置している。
【００２２】
一方、コネクタ５は、図３にも示すように、電気絶縁性を有するシート部５ｂを具備しており、電気伝導性のパッド部５ａはこのシート部５ｂの表裏にそれぞれ設けてある。
【００２３】
そして、この固体電解質型燃料電池１では、同一平面内に複数の単セル４を配置し、互いに隣接する単セル４，４のうちの一方の単セル４における集電体７の電気絶縁性皮膜６上に位置する集電端子７ａと、他方の単セル４における電気伝導性金属基板２の電池要素３を積層した側の露出部分２ｂとをコネクタ５のパッド部５ａを介して接合するようにしている。
【００２４】
この実施例において、単セル４の電気伝導性金属基板２を膜厚１００ｕｍ（０．１ｍｍポア）のＳＵＳ４３０、電池要素３を構成する燃料極層３ａを膜厚５０ｕｍのＮｉ＋ＹＳＺ、電解質層３ｃを膜厚５ｕｍのＹＳＺ、空気極層３ｂを膜厚１ｕｍのＳＳＣとし、コネクタ５のパッド部５ａを大きさφ０．２ｍｍ×Ｈ０．５ｍｍのＡｕ、シート部５ｂを膜厚０．５ｍｍのアルミナとしている。
【００２５】
上記した固体電解質型燃料電池１では、互いに隣接する単セル４，４のうちの一方の単セル４における集電体７の電気絶縁性皮膜６上に位置する集電端子７ａと、他方の単セル４における電気伝導性金属基板２の露出部分２ｂとをコネクタ５のパッド部５ａを介して接合するようにしているので、脆性材料である電池要素３には、直接機械的力が加わることがなく、その結果、集電時における電池要素３の機械的損傷が回避されるうえ、複数の単セル４を集積する際において、良好な電気的接合状態が得られることとなって、電気的損失が少なく抑えられることとなる。
【００２６】
また、上記した固体電解質型燃料電池１では、単セル４，４間の電気的直列接合がなされるので、高電圧出力が得られることとなり、加えて、コネクタ５がシート部５ｂを有しているので、コネクタ５が柔軟性に富んだものとなってガスセパレータとしても機能させ得るほか、単セル４，４同士を接続した際に各セル４，４に加わる外力を吸収できることから、接合部分の信頼性が向上する。
【００２７】
さらに、上記した固体電解質型燃料電池１の単セル４は、電気伝導性金属基板２で薄膜状の電池要素３を支持する構造を成しているため、従来のセラミックス焼結体より成る単セルと比較して薄型且つ軽量であり、したがって、この燃料電池用単セル４を複数接合して成る固体電解質型燃料電池１は小型でしかも軽量なものとなる。
【００２８】
［実施例２］
図４は本発明の固体電解質型燃料電池の他の実施例を示している。
【００２９】
図４に示すように、この固体電解質型燃料電池１１が先の実施例における固体電解質型燃料電池１と相違するところは、コネクタ１５が電気伝導性を有するシート部１５ｂを具備していて、電気伝導性のパッド部１５ａをこのシート部１５ｂの表裏にそれぞれ一体で設けた点にあり、他の構成は先の実施例における固体電解質型燃料電池１と同じである。
【００３０】
この実施例では、単セル４の電気伝導性金属基板２を膜厚１００ｕｍ（０．１ｍｍポア）のインコネル６００、電池要素３を構成する燃料極層３ａを膜厚３０ｕｍのＮｉ＋ＳＤＣ、電解質層３ｃを膜厚５ｕｍのＹＳＺ、空気極層３ｂを膜厚５ｕｍのＳＳＣとし、コネクタ１５のパッド部１５ａを大きさφ０．２ｍｍ×Ｈ０．５ｍｍのＰｔ、シート部１５ｂを膜厚０．３ｍｍのＳＵＳ４３０＋Ｐｔメッキとしている。
【００３１】
上記した固体電解質型燃料電池１１においても、集電時における電池要素３の機械的損傷が回避されるうえ、複数の単セル４を集積する際において、電気的損失が少なく抑えられることとなる。
【００３２】
また、上記した固体電解質型燃料電池１１においても、高電圧出力が得られることとなり、加えて、コネクタ１５がシート部１５ｂを有しているので、コネクタ１５が柔軟性に富んだものとなってガスセパレータとしても機能させ得るほか、単セル４，４同士を接続した際に各セル４，４に加わる外力を吸収できることから、接合部分の信頼性が向上する。
【００３３】
さらに、上記した固体電解質型燃料電池１１の単セル４も、従来のセラミックス焼結体より成る単セルと比較して薄型且つ軽量であるため、この燃料電池用単セル４を複数接合して成る固体電解質型燃料電池１１を小型且つ軽量なものとすることが可能となる。
【００３４】
［実施例３］
図５は本発明の固体電解質型燃料電池のさらに他の実施例を示している。
【００３５】
図５に示すように、この固体電解質型燃料電池２１は、同一平面内において隣接させた単セル４，４のうちの一方の単セル４における集電体７の電気絶縁性皮膜６上に位置する集電端子７ａと、他方の単セル４における電気伝導性金属基板２の電池要素３を積層した側の露出部分２ｂとをコネクタ２５のパッド部２５ａを介して接合することでセル板４Ａを形成し、このセル板４Ａに他のセル板４Ａを積層して、図示下方のセル板４Ａの単セル４における集電体７の電気絶縁性皮膜６上に位置する集電端子７ａと、図示上方のセル板４Ａの単セル４における電気伝導性金属基板２の下側露出部分２ｂ’とを上記コネクタ２５のパッド部２５ａを介して接合した構成をなしている。
【００３６】
この実施例において、単セル４の電気伝導性金属基板２を膜厚７５ｕｍ（０．１ｍｍポア）のＳＵＳ４３０、電池要素３を構成する燃料極層３ａを膜厚３０ｕｍのＮｉ＋ＹＳＺ、電解質層３ｃを膜厚５ｕｍのＹＳＺ、空気極層３ｂを膜厚５ｕｍのＳＳＣとし、コネクタ２５のパッド部２５ａを大きさφ０．５ｍｍ×Ｈ０．５ｍｍのＳＵＳ４３０＋Ａｕメッキ、電気絶縁性を有するシート部２５ｂを膜厚０．５ｍｍのアルミナとしている。
【００３７】
上記した固体電解質型燃料電池２１においても、集電時における電池要素３の機械的損傷が回避されるうえ、複数の単セル４を集積する際において、電気的損失が少なく抑えられることとなる。
【００３８】
また、上記した固体電解質型燃料電池２１では、コネクタ２５が電気絶縁性を有するシート部２５ｂを具備しているので、互いに積層させたセル板４Ａ，４Ａ間の絶縁を確保しつつ、単セル４，４間の電気的直列接合がなされることとなって高電圧出力が得られることとなり、加えて、コネクタ２５が柔軟性に富んだものとなってガスセパレータとしても機能させ得るほか、単セル４，４同士を接続した際に各セル４，４に加わる外力を吸収できることから、接合部分の信頼性が向上すると共に、互いに積層させたセル板４Ａ，４Ａの間隔を狭くできるので、燃料電池の小型化に寄与し得ることとなる。得ることとなる。
【００３９】
さらに、上記した固体電解質型燃料電池２１の単セル４も、従来のセラミックス焼結体より成る単セルと比較して薄型且つ軽量であるため、この燃料電池用単セル４を複数接合して成る固体電解質型燃料電池２１を小型且つ軽量なものとすることが可能となる。
【００４０】
［実施例４］
図６は本発明の固体電解質型燃料電池のさらに他の実施例を示している。
【００４１】
図６に示すように、この固体電解質型燃料電池３１は、単セル４（あるいは上記実施例におけるセル板４Ａ）を積層して、互いに積層する図示下方の単セル４における集電体７の電気絶縁性皮膜６上に位置する集電端子７ａと、図示上方の単セル４における電気伝導性金属基板２の下側露出部分２ｂ’とを電気伝導性を有するシート部３５ｂを具備したコネクタ３５のパッド部３５ａを介して接合した構成をなしている。
【００４２】
この実施例では、単セル４の電気伝導性金属基板２を膜厚７５ｕｍ（０．１ｍｍポア）のＳＵＳ４３０、電池要素３を構成する燃料極層３ａを膜厚３０ｕｍのＮｉ＋ＹＳＺ、電解質層３ｃを膜厚５ｕｍのＹＳＺ、空気極層３ｂを膜厚５ｕｍのＳＳＣとし、コネクタ３５のパッド部３５ａを大きさφ０．５ｍｍ×Ｈ０．５ｍｍのＰｔ、シート部３５ｂを膜厚０．３ｍｍのＳＵＳ４３０＋Ｐｔメッキとしている。
【００４３】
上記した固体電解質型燃料電池３１においても、集電時における電池要素３の機械的損傷が回避されるうえ、複数の単セル４を集積する際において、電気的損失が少なく抑えられることとなる。
【００４４】
また、上記した固体電解質型燃料電池３１では、コネクタ３５が電気伝導性を有するシート部３５ｂを具備しているので、互いに積層させた単セル４，４間の電気的直列接合がなされるので、すなわち、燃料電池を構成するすべての単セル４の電気的直列接合がなされるので、高電圧出力が得られることとなり、加えて、コネクタ３５が柔軟性に富んだものとなってガスセパレータとしても機能させ得るほか、単セル４，４同士を接続した際に各セル４，４に加わる外力を吸収できることから、接合部分の信頼性が向上すると共に、互いに積層させた単セル４，４の間隔を狭くできるので、燃料電池の小型化に寄与し得ることとなる。
【００４５】
さらに、上記した固体電解質型燃料電池３１の単セル４も、従来のセラミックス焼結体より成る単セルと比較して薄型且つ軽量であるため、この燃料電池用単セル４を複数接合して成る固体電解質型燃料電池３１を小型且つ軽量なものとすることが可能となる。
【００４６】
本発明の固体電解質型燃料電池及び燃料電池用単セルの詳細な構成は、上記した実施例に限定されるものではなく、例えば、上記した実施例４において、実施例３のセル板４Ａを積層するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体電解質型燃料電池の一実施例を示す部分断面説明図である。
【図２】図１に示した固体電解質型燃料電池の単セルの平面説明図である。
【図３】図１に示した固体電解質型燃料電池のコネクタの断面説明図である。
【図４】本発明の固体電解質型燃料電池の他の実施例を示す部分断面説明図である。
【図５】本発明の固体電解質型燃料電池のさらに他の実施例を示す部分断面説明図である。
【図６】本発明の固体電解質型燃料電池のさらに他の実施例を示す部分断面説明図である。
【符号の説明】
１，１１，２１，３１  固体電解質型燃料電池
２  電気伝導性金属基板
２ａ  多孔質部
２ｂ，２ｂ’露出部分
３  電池要素
３ａ  燃料極層（電極層）
３ｂ  空気極層（電極層）
３ｃ  電解質層
４  単セル
５，１５，２５，３５  コネクタ
５ａ，１５ａ，２５ａ，３５ａ  パッド部
５ｂ，１５ｂ，２５ｂ，３５ｂ  シート部
６  電気絶縁性皮膜
７  集電体
７ａ  集電端子
【図１】
2004273341.tif 000003
【図２】
2004273341.tif 000004
【図３】
2004273341.tif 000005
【図４】
2004273341.tif 000006
【図５】
2004273341.tif 000007
【図６】
2004273341.tif 000008