(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状の固体電解質の片面に空気極を、他面に燃料極を形成してなり、前記空気極または前記燃料極に電気的に接続されるインターコネクタを有する複数の燃料電池セルと、一方の前記燃料電池セルの前記インターコネクタと他方の前記燃料電池セルの前記空気極または前記燃料極とを電気的に接続する導電部材とを具備してなる燃料電池において、前記導電部材が密度の異なる二層以上からなるとともに、前記インターコネクタに当接する第１導電部材の密度が、前記空気極または前記燃料極に当接する第２導電部材の密度よりも高く、前記第１導電部材と前記第２導電部材との間には、Ｎｉを主成分とする金属板が配置されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記第１導電部材および前記第２導電部材は、Ｎｉを主成分とする金属繊維の集合体からなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
複数の前記燃料電池セルの前記空気極同士または前記燃料極同士が導電部材で電気的に接続されており、該導電部材が、前記空気極同士または前記燃料極同士に当接する一対の低密度導電部材と、これらの低密度導電部材の間に配置された高密度導電部材とから構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
【請求項４】
燃料電池セルの外径は１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に係わり、特に、複数の固体電解質燃料電池セルを電気的に接続する際の導電部材を改良した燃料電池に関する。
【０００２】
【従来技術】
図１は、円筒型の固体電解質型燃料電池セルを示すもので、円筒型燃料電池セル１は、例えば、ＬａＭｎＯ3系空気極２の支持管に、Ｙ2Ｏ3安定化ＺｒＯ2からなる固体電解質３と、ＬａＣｒＯ3系よりなるインターコネクタ５の緻密質な膜を形成し、固体電解質３の上面にＮｉ−ジルコニア系の燃料極４を設けて形成されている。
【０００３】
そして、燃料電池セル１は、図２に示すように、上下方向の燃料電池セル１同士が導電部材１０を介することにより接続され、図２における左右方向に隣接する燃料電池セル１の燃料極４同士が導電部材１3を介することにより電気的に接続されている。
【０００４】
即ち、図２における上下方向の燃料電池セル１同士は、上に位置する燃料電池セル１の燃料極４と、下に位置する燃料電池セル１のインターコネクタ５との間に、Ｎｉを主成分とする金属繊維の集合体からなる導電部材１０が配置され、この導電部材１０により、上に位置する燃料電池セル１の燃料極４と、下に位置する燃料電池セル１のインターコネクタ５とが電気的に導通している。
【０００５】
導電部材１０、１３は、燃料電池セル１相互間の電気的な導通と、燃料電池セル１相互間の機械的な応力緩和にある。このため、導電部材１０、１３は、ガスの透過性があり、弾力性のある金属繊維の集合体が用いられている。また導電部材１０、１３の金属繊維の材料としては、雰囲気が水素雰囲気から発電によって生じた水蒸気を含む雰囲気まで安定であるという理由から、Ｎｉ金属が利用されている。
【０００６】
燃料電池は、図２に示すような燃料電池セル１同士が電気的に接続されたスタックを作製し、これらを複数組み合わせるとともに、その集合体の両端（正極側および負極側）に集電部材（図示せず）を配置して構成される。燃料電池は、燃料電池セル１の空気極２側に酸素を含有するガス、たとえば空気を流し、燃料極４側に燃料、例えば水素を流しながら、１０００℃近傍の温度で発電する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
導電部材１０、１３は、セル間の電気的な導通を行うことが一つの役割であるため、導電部材１０、１３の電気抵抗による損失は小さい方がよく、本来なら緻密質であることが望まれる。一方、発電時においては燃料極に十分な水素ガスを効率よく供給しなければならず、導電部材１０、１３は水素ガスが十分に透過できるように、ポーラスであることが望まれる。このように相反する要求のため、スタック化した場合には、燃料電池セルの性能を十分に発揮できないという問題があった。
【０００８】
また、導電部材１０、１３は金属繊維を主成分としているため変形しやすく、インターコネクタ５と当接している導電部材１０が変形し、変形した導電部材１０が同一セルの燃料極と接触し、インターコネクタ５と燃料極４とが電気的にショートするという問題があった。
【０００９】
本発明は、導電部材の電気抵抗を小さくできるとともに、導電部材の燃料ガスの透過率を大きくでき、さらにはインターコネクタと燃料極等との電気的なショートを防止できる燃料電池を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池は、円筒状の固体電解質の片面に空気極を、他面に燃料極を形成してなり、前記空気極または前記燃料極に電気的に接続されるインターコネクタを有する複数の燃料電池セルと、一方の前記燃料電池セルの前記インターコネクタと他方の前記燃料電池セルの前記空気極または前記燃料極とを電気的に接続する導電部材とを具備してなる燃料電池において、前記導電部材が密度の異なる二層以上からなるとともに、前記インターコネクタに当接する第１導電部材の密度が、前記空気極または前記燃料極に当接する第２導電部材の密度よりも高く、前記第１導電部材と前記第２導電部材との間には、Ｎｉを主成分とする金属板が配置されていることを特徴とする。
【００１１】
燃料電池セルをスタック化する上で最も重要なことは、セル間を電気的な損失がなく接続することである。そのために導電部材にはそれ自身の電気抵抗が小さいことと、セル間の接続界面において接触抵抗が小さいことが要求される。導電部材の電気抵抗を小さくするためには、抵抗率の小さい緻密質な部材を用いるべきである。
【００１２】
しかしながら、燃料電池セルでは燃料ガスの固体電解質への供給がその性能を大きく左右するので、空気極や燃料極を介して固体電解質に供給される燃料ガスの透過を遮断してはならない。また、燃料電池セル間の応力緩和のために、導電部材は弾力性を有していなければならない。
【００１３】
本発明では、導電部材が密度の異なる二層以上からなり、インターコネクタに当接する第１導電部材の密度を、空気極または燃料極に当接する第２導電部材の密度よりも高くしたので、導電部材の電気抵抗による出力低下と燃料ガスの不透過による出力低下を最小限に抑制できる。
【００１４】
即ち、密度の低い第２導電部材を空気極または燃料極に当接させたので、燃料ガス（空気または水素ガス）が第２導電部材を透過して空気極または燃料極内に十分に侵入することができ、これにより、この第２導電部材に当接する空気極または燃料極を介して十分な燃料ガスを供給できる。また、空気極または燃料極側の第２導電部材の密度が低いために変形しやすく、空気極または燃料極との接触面積が大きくなり電気抵抗による出力低下を抑えることができる。
【００１５】
また、第２導電部材よりも密度の高い第１導電部材をインターコネクタに当接させたので、第１導電部材の変形を抑制でき、この第１導電部材が変形して同一セルの燃料極に接触することを抑制できるとともに、密度が小さい導電部材のみを用いた場合と比較して、導電部材の電気抵抗による損失を小さくできる。また、本発明では、第１導電部材と第２導電部材の間には、Ｎｉを主成分とする金属板が配置されている。これにより、燃料ガスの不透過による出力低下を最小限に抑制できるとともに、電気抵抗の小さい金属板が介装されているため導電部材全体の電気抵抗を抑えて、導電部材の電気抵抗による出力低下をさらに抑制できる。さらに、第１導電部材、第２導電部材、金属板が一体となっているため、インターコネクタ側の第１導電部材の変形をさらに抑制でき、第１導電部材が同一セルの燃料極とショートすることもない。
【００１６】
また、本発明では、第１導電部材および第２導電部材は、Ｎｉを主成分とする金属繊維の集合体からなることが望ましい。弾力性のある金属繊維の集合体を用いることにより、燃料電池セル相互間の機械的な応力を緩和できるとともに、ガスの透過性を向上でき、また、Ｎｉを用いることにより、雰囲気が水素雰囲気から発電によって生じた水蒸気を含む雰囲気まで安定であるため、高温という環境下でも耐久性に優れる。
【００１８】
また、本発明では、複数の燃料電池セルの空気極同士または燃料極同士を電気的に接続する導電部材が、空気極同士または燃料極同士に当接する一対の低密度導電部材と、これらの低密度導電部材の間に配置された高密度導電部材とから構成されていることが望ましい。
【００１９】
空気極同士または燃料極同士に当接する一対の低密度導電部材により、燃料ガス（空気または水素ガス）が低密度導電部材を透過し、空気極または燃料極を介して十分に侵入することができ、これにより、この低密度導電部材に当接する空気極または燃料極を介して十分な燃料ガスを供給できる。また、低密度導電部材は密度が低いために変形しやすく、空気極または燃料極との接触面積が大きくなり電気抵抗による出力低下を抑えることができる。
【００２０】
また、一対の低密度導電部材の間に高密度導電部材を配置したので、密度が小さい低密度導電部材のみを用いた場合と比較して、導電部材の電気抵抗による損失を小さくできる。
【００２１】
さらに、本発明では、燃料電池セルの外径は１０ｍｍ以下であることが望ましい。このような外径が１０ｍｍ以下の燃料電池セルでは、特に、燃料極側の導電部材は変形量が大きくなりやすいため、インターコネクタと燃料極がショートしやすいが、本発明では、インターコネクタに密度の高い第１導電部材を設けたので、第１導電部材が変形しにくくなり、外径が１０ｍｍ以下の燃料電池セルの場合であっても同一セルのインターコネクタと燃料極のショートを抑制できる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の燃料電池は、図１に示すような複数の燃料電池セル１を、図２に示すように電気的に接続して構成されている。燃料電池セル１は、図１に示すように、円筒状の固体電解質３の内面に空気極２が、外面に燃料極４が形成されており、空気極２に電気的に接続されたインターコネクタ５が、燃料極４と導通せずに、外部に露出して構成されている。
【００２３】
図２における上下方向の燃料電池セル１同士は、上側の燃料電池セル１の燃料極４と、下側の燃料電池セル１のインターコネクタ５との間に、導電部材１０が配置され、この導電部材１０により、上側の燃料電池セル１の燃料極４と、下側の燃料電池セル１のインターコネクタ５とが電気的に導通している。
【００２４】
また、図２における左右方向の隣接する燃料電池セル１同士は、その燃料極４同士が導電部材１３により電気的に接続されている。
【００２５】
そして、図３に示すように、下側の燃料電池セル１ｂのインターコネクタ５と、上側の燃料電池セル１ａの燃料極４とを電気的に接続する導電部材１０が、インターコネクタ５に当接する第１導電部材１０ａと燃料極４に当接する第２導電部材１０ｂの２層構造とされ、第１導電部材１０ａの密度が第２導電部材１０ｂの密度よりも高く設定されている。
【００２６】
第１導電部材１０ａ、第２導電部材１０ｂは、Ｎｉを主成分とする金属繊維の集合体から構成されている。Ｎｉを主成分とする金属繊維の集合体は嵩密度０．４４〜２．２１ｇ／ｃｍ3が望ましい。嵩密度が０．４４ｇ／ｃｍ3よりも小さい場合には導電部材１０ａ、１０ｂの電気抵抗が大きくなる傾向があり、燃料電池セルをスタック化した場合に出力が低下する傾向がある。嵩密度が２．２１ｇ／ｃｍ3を越えると燃料ガスの透過性が悪くなり、接触している燃料極４に燃料ガスを供給しにくく、発電性能が低下する傾向がある。また、弾力性も低下し易く、セル間の応力を吸収できなくなる傾向がある。
【００２７】
導電部材１０ａ、１０ｂの嵩密度は、導電部材１０ａ、１０ｂの電気抵抗を小さくし、燃料ガスの透過性を向上するという観点から、導電部材１０ａ、１０ｂの嵩密度は０．４４〜１．３３ｇ／ｃｍ3であることが望ましい。ここで、導電部材１０ａ、１０ｂの嵩密度は０．４４〜２．２１ｇ／ｃｍ3である場合には、導電部材１０ａ、１０ｂがＮｉ金属である場合の比重の５〜２５％である。つまり、導電部材１０ａ、１０ｂがＮｉ金属の塊からなる場合の比重をρ1、導電部材１０ａ、１０ｂが金属繊維の集合体からなる場合の嵩密度をρ2とした時、ρ2／ρ1が５〜２５％であることを意味する。
【００２８】
導電部材１０ａ、１０ｂの嵩密度を高くするためには、Ｎｉ金属繊維の集合体（フェルト等）をプレス機により所定圧力により押圧することにより達成できる。ちなみに、Ｎｉ金属である場合の比重は８．８４５であり、通常のＮｉフェルトの嵩密度は０．３５ｇ／ｃｍ3であり、導電部材１０ａ、１０ｂの嵩密度は、導電部材１０ａ、１０ｂがＮｉ金属である場合の比重の４％程度である。金属繊維は、Ｎｉを主成分とし、Ｆｅ、ＣｏおよびＣｒのうち少なくとも一種を含有しても良い。
【００２９】
第１導電部材１０ａの嵩密度は１．５〜２．０ｇ／ｃｍ3、第２導電部材１０ｂの嵩密度は０．５〜１．５ｇ／ｃｍ3であることが望ましい。
【００３０】
なお、導電部材１０ａ、１０ｂは、上述した導電部材１０ａ、１０ｂ自身の電気的な問題以外に、インターコネクタ５や燃料極４、集電部材との接触界面の抵抗を減少させるため、Ｎｉからなる金属繊維の線径が５〜８０μｍであることが望ましい。Ｎｉを主成分とする金属繊維の線径が５μｍより小さいと導電部材１０ａ、１０ｂ自身が発電時に収縮し、接触界面から剥離し易く、電気抵抗が増大する傾向にある。この値が８０μｍより大きいと界面での接触面積が小さいことや表面エネルギーの減少によって界面での接触が悪くなる。Ｎｉからなる金属繊維の線径は、接触抵抗の低下という観点から２０〜３０μｍの範囲が良い。
【００３１】
また、上述した導電部材１０ａ、１０ｂと他の部材との接触界面の電気抵抗を減少させる別の方法として、Ｎｉを主成分とする金属繊維中に平均粒径１０μｍ以下のＮｉ金属を主成分とする金属粒子を重量比４０％以下含むこともできる。Ｎｉ金属粒子の平均粒径が１０μｍより大きいと界面の接触抵抗を低減する効果がなく、４０％より多いと導電部材１０自身が収縮し、接触抵抗が増大し、電気抵抗が増大する傾向がある。
【００３２】
Ｎｉを主成分とする金属繊維の平均粒径、重量比は、接触抵抗を低下し電気抵抗を低下するという観点から、平均粒径が１〜３μｍであり、重量比は５〜３０％であることが望ましい。ここで、重量比とは、導電部材１０ａ、１０ｂ全体の重量に対する金属粒子の重量比である。金属粒子としては、Ｎｉあるいは、Ｎｉと他のＦｅ、Ｃｏ、Ｃｒとの合金の粒子、あるいは金属粒子のコンポジットがある。
【００３３】
本発明では、図４に示すように、第１導電部材１０ａと第２導電部材１０ｂの間には、Ｎｉを主成分とする金属板１５が配置されている。このような構成を採用することにより、図３に示す燃料電池と同様の効果を得ることができるとともに、電気抵抗の小さい金属板１５が介装されているため導電部材１０ａ、１０ｂ全体の電気抵抗を抑えて、導電部材１０ａ、１０ｂの電気抵抗による出力低下をさらに抑制できる。さらに、第１導電部材１０ａ、第２導電部材１０ｂ、金属板１５が一体となっているため、インターコネクタ５側の第１導電部材１０ａの変形をさらに抑制でき、第１導電部材１０ａが同一セルの燃料極４とショートすることもない。
【００３４】
さらに本発明では、図３に示すように、左右方向の隣接する燃料電池セル１同士は、その燃料極４同士が導電部材１３により電気的に接続されており、この導電部材１３が、燃料極４同士に当接する一対の低密度導電部材１３ａと、これらの低密度導電部材１３ａの間に配置された高密度導電部材１３ｂとから構成されている。
【００３５】
低密度導電部材１３ａ、高密度導電部材１３ｂは、Ｎｉ金属繊維の集合体とされている。高密度導電部材１３ｂはＮｉ金属板であってもよい。このような構成を採用することにより、燃料ガスが燃料極を十分に透過することができ、これにより、この低密度導電部材１３ａに当接する燃料極４に十分な燃料ガスを供給できる。また、低密度導電部材１３ａは密度が低いために変形しやすく、燃料極４との接触面積が大きくなり電気抵抗を小さくできる。さらに、一対の低密度導電部材１３ａの間に高密度導電部材１３ｂを配置したので、密度が小さい低密度導電部材のみを用いた場合と比較して、導電部材１３の電気抵抗による損失を小さくできる。
【００３６】
以上のように構成された本発明の燃料電池では、インターコネクタ５と接する第１導電部材１０ａは密度が高く変形しにくいが、燃料極４と接する第２導電部材１０ｂは密度が低く、変形しやすいため、燃料極４の曲面に沿って変形して接触する。このため燃料極４への導電部材１０の接触面積が増え、性能の低下が小さい。また、燃料ガスである水素ガスが燃料極４を十分に透過することができ、第２導電部材１０ｂが当接する燃料極４に十分な燃料ガスを供給できる。
【００３７】
また、第１導電部材１０ａは密度が高く変形しにくいため、燃料電池セル１ｂの燃料極４との接触を防止できるとともに、導電部材１０全体の電気抵抗を小さくすることができる。
【００３８】
本発明の燃料電池は、セルの外径が１０ｍｍ以下である場合に好適に用いることができる。即ち、セルの外径が１０ｍｍ以下である場合には、特に、燃料極側の導電部材は変形量が大きくなりやすいため、インターコネクタと燃料極がショートしやすいが、本発明では、インターコネクタに当接した密度の高い第１導電部材が変形しにくいため、外径が１０ｍｍ以下の燃料電池セルの場合であっても同一セルのインターコネクタと燃料極のショートを抑制できる。
【００３９】
また、第２導電部材１０ｂの変形によって燃料極を覆う面積が増加するので、セルの集電性が向上し発電性能を向上できる。導電部材の変形量の観点から８ｍｍ以下が望ましい。
【００４０】
【発明の効果】
本発明の燃料電池では、密度の低い第２導電部材を空気極または燃料極に当接させたので、燃料ガス（空気または水素ガス）が空気極または燃料極を十分に透過することができ、これにより、この第２導電部材に当接する空気極または燃料極に十分な燃料ガスを供給できる。また、空気極または燃料極側の第２導電部材の密度が低いために変形しやすく、空気極または燃料極との接触面積が大きくなり電気抵抗による出力低下を抑えることができる。
【００４１】
また、第２導電部材よりも密度の高い第１導電部材をインターコネクタに当接させたので、第１導電部材の変形を抑制でき、この第１導電部材が変形して同一セルの燃料極に接触することを抑制できるとともに、密度が小さい導電部材のみを用いた場合と比較して、導電部材の電気抵抗による損失を小さくできる。また、本発明では、第１導電部材と第２導電部材の間には、Ｎｉを主成分とする金属板が配置されている。これにより、燃料ガスの不透過による出力低下を最小限に抑制できるとともに、電気抵抗の小さい金属板が介装されているため導電部材全体の電気抵抗を抑えて、導電部材の電気抵抗による出力低下をさらに抑制できる。さらに、第１導電部材、第２導電部材、金属板が一体となっているため、インターコネクタ側の第１導電部材の変形をさらに抑制でき、第１導電部材が同一セルの燃料極とショートすることもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】円筒型燃料電池セルを説明するための横断面図である。
【図２】燃料電池セルを９個接続したスタックを示す説明図である。
【図３】図２の一部を拡大して示す断面図である。
【図４】第１導電部材と第２導電部材の間に、金属板を介装した状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１、１ａ、１ｂ・・・燃料電池セル
２・・・空気極
３・・・固体電解質
４・・・燃料極
５・・・インイターコネクタ
１０、１３・・・導電部材
１０ａ・・・第１導電部材
１０ｂ・・・第２導電部材
１３ａ・・・低密度導電部材
１３ｂ・・・高密度導電部材
１５・・・金属板
【図１】
0004663137.tif 000002
【図２】
0004663137.tif 000003
【図３】
0004663137.tif 000004
【図４】
0004663137.tif 000005