(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質膜と、固体電解質膜の一方の面上に設けられており、燃料ガスに接触する燃料極基板と、前記固体電解質膜の他方の面上に設けられており、酸化性ガスに接触する空気極とを備える固体酸化物形燃料電池セル、
前記燃料極基板との間にガス通路を形成するセパレータ、および
前記ガス通路に収容され、前記固体酸化物形燃料電池セルに加圧下に接触させ、電気的導通を図るための導電性接続部材を備えており、前記固体酸化物形燃料電池セル、前記セパレータおよび前記導電性接続部材を積層し、加圧およびスタックしてなる固体酸化物形燃料電池であって、
前記導電性接続部材が、前記セパレータに接触する板状の本体部分と、この本体部分から突出し、前記燃料極基板に接触する舌片とを備えており、前記舌片が、前記本体部分から隆起する立ち上がり部分と、前記燃料極基板に対して接触する平坦部分とを備えており、前記舌片の一辺が前記本体部分に連結されており、前記舌片が前記本体部分の切り欠きによって形成されており、前記燃料極基板がニッケル−ジルコニアサーメットまたはニッケル−酸化セリウムサーメットからなり、前記導電性接続部材が白金、銀、金、パラジウム、ニッケル、ニッケル基合金、コバルト基合金または鉄基合金からなることを特徴とする、固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
前記舌片に複数箇所の折れ曲がり部分が設けられていることを特徴とする、請求項１記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項３】
前記導電性接続部材が通気性材料からなることを特徴とする、請求項１または２記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項４】
前記通気性材料が網であることを特徴とする、請求項３記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項５】
前記通気性材料が、通気孔の形成された板状体であることを特徴とする、請求項３記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項６】
前記通気性材料がエキスパンドメタルであることを特徴とする、請求項３記載の固体酸化物形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導電性接続部材および固体酸化物形燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
セパレータと固体酸化物形燃料電池セルを積層し、スタック構造の集合電池を形成するためには、セパレータと単電池との間にガスを通し、単電池の電極に対して燃料や酸化剤を供給する必要がある。これと同時に、セパレータと単電池との間に導電性部材を介在させることによって、単電池とセパレータとを電気的に直列接続する必要がある。このような導電性部材は、例えば燃料ガス通路に設置する場合には、還元性の燃料ガスに対して単電池の動作温度で安定でなければならない。また、燃料ガスが通過可能な隙間がなければならない。このような理由から、燃料ガス通路においては、いわゆるニッケルフェルトが一般的に使用されている。
【０００３】
しかし、ニッケルフェルトを加圧した状態では通気性が低下し、発電効率が低下する傾向がある。このため、本出願人は、特許文献１において、金属メッシュをエンボス加工して突起を形成し、このメッシュを導電性接続部材として使用することを開示した。このような導電性接続部材であれば、セルを加圧して導通をとったときにも、通気性を確保でき、またセルへの押しつけ荷重を均等にできる。
【特許文献１】特開２００３−１６３０１６
【０００４】
図８は、特許文献１記載の、網からなる導電性接続部材３１を示す平面図であり、網３１は、多数の導電線３２を編組することによって得られるものであり、多数の導電線３２の間には多数の網目（隙間）３３、３３Ａが形成されている。網３１は、エンボス形状付与前には平坦な形状をしている。網３１には、所定個所にエンボス形状付与部分３１ｂが形成されている。３１ａは非エンボス形状付与部分であり、エンボス形状付与前の形態を保持している。３３Ａは、エンボス形状付与部分３１ｂ内の網目である。網目３３Ａの形状は、網目３３の形状と比べて若干湾曲している。
【０００５】
エンボス形状付与部分３１ｂは、エンボス形状付与前の中心面から見て、網３１の一方の面側に突出しているので、エンボス形状付与部分３１ｂの裏側に空間が生成する。空間の形状および深さは、エンボス形状付与部分の形状および高さによって決定される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、本発明者が更に大型のセルをスタック化する研究を進めていくうちに、未だ次の問題点が残っていることを見いだした。すなわち、実際の大型セルでは、組立時のセルの反り量が１ｍｍに達することがある。この反りはエンボス形状が変形することにより吸収されるため、セルの平面度が悪くても電気的な接続を良好に保つことができる。しかし、エンボス形状部分は、その形状から変形に対するバネ定数が大きいため、エンボス形状が潰れた場所と潰れていない場所での発生応力の差が大きくなる。従って、セルの反りが大きく、この反りにエンボス形状が追従した場合には、エンボス形状部分からセルに加わる応力が大きくかつ不均一になり、セルが破壊しやすくなるので、セルの大型化に限界がある。
【０００７】
また、スタックの稼働時において、セルが変形することがある。例えば、NiOを含む燃料極に水素ガスを流して還元処理をすることで、セルの反り量が数百μm大きくなることがある。この場合、エンボス形状のメッシュでは反り量の変化に追従できず、電気的な接触点が減少し、発電性能を低下させる原因となる。
【０００８】
本発明の課題は、固体酸化物形燃料電池セルの電気的導通をとるための導電性接続部材において、セルの比較的に大きな反り、変位にも追従して電気的導通を確保することができ、かつ反り、変位に追従したときのセルへの応力が過大になることを防止できるようにすることである。
【０００９】
本発明は、固体電解質膜と、固体電解質膜の一方の面上に設けられており、燃料ガスに接触する燃料極基板と、前記固体電解質膜の他方の面上に設けられており、酸化性ガスに接触する空気極とを備える固体酸化物形燃料電池セル、
前記燃料極基板との間にガス通路を形成するセパレータ、および
前記ガス通路に収容され、前記固体酸化物形燃料電池セルに加圧下に接触させ、電気的導通を図るための導電性接続部材を備えており、固体酸化物形燃料電池セル、前記セパレータおよび前記導電性接続部材を積層し、加圧およびスタックしてなる固体酸化物形燃料電池に係るものである。
【００１０】
ここで、導電性接続部材が、前記セパレータに接触する板状の本体部分と、この本体部分から突出し、前記燃料極基板に接触する舌片とを備えており、前記舌片が、前記本体部分から隆起する立ち上がり部分と、前記燃料極基板に対して接触する平坦部分とを備えており、前記舌片の一辺が前記本体部分に連結されており、前記舌片が前記本体部分の切り欠きによって形成されており、前記燃料極基板がニッケル−ジルコニアサーメットまたはニッケル−酸化セリウムサーメットからなり、前記導電性接続部材が白金、銀、金、パラジウム、ニッケル、ニッケル基合金、コバルト基合金または鉄基合金からなる。
【００１１】
本発明によれば、導電性接続部材が、板状の本体部分から突出する舌片を備えており、舌片の平坦部分を燃料極基板に接触させることによって電気的導通を確保する。こうした舌片は、エンボス加工部分とは異なり、より大きな反り、変位にも追従しやすい。すなわち、セルを大型化したときに、セルの比較的に大きな反り、変位が生じても十分に追従できる。しかも、変形に対するバネ定数を小さくできるので、セルへと過大な応力が加わりにくく、従ってセルの破損を防止できる。
【００１２】
舌片とは、本体から突出している片を意味しており、好ましくは細長い片である。また、舌片の一端が本体部分に連結されており、他端は本体部分から分離されている必要がある。
【００１３】
本発明においては、舌片が本体部分の切り欠きによって形成されている。
【００１４】
このような舌辺は以下のようにして形成できる。
（１）  本体部分に、一辺を除いて切断加工を施す。この切断加工の方法は特に限定されず、レーザー加工、プレス加工、切削刃等による機械的切断加工を例示できる。
（２）  本体部分に舌片を形成した後、舌片に応力を加えて本体部分から突出させる。この応力印加方法は特に限定されない。例えば所定形状、例えばピン状の押圧手段を舌片の下側の対応する位置に設置し、押圧手段に舌片を接触させ舌片をプレスすることによって、各舌片を本体部分から立ち上がらせることができる。
(1)、(2)をプレス加工で同時に行うことも可能である。
【００１５】
本発明においては、舌片が、本体部分から隆起する立ち上がり部分と、セルに対して接触するべき平坦部分とを備えている。このような平坦部分を設けることによって、平坦部分はセルへの接触面積が大きいことから、舌片とセルとの接触面積を大きくし、これによって接触部分の電気抵抗を低減することができる。
【００１６】
また、本発明においては、舌片の一辺が本体部分に連結されている。すなわち、舌片の細長い１片を本体部分に連結させる。この場合には、舌片の立ち上がりに対して比較的に小さい応力しか必要ではないし、また舌片の変形に対するバネ定数を低くできるので、セルが大きく変位するような場合でもセルの破壊を防止しやすい。
【００１７】
好適な実施形態においては、舌片に複数箇所の折れ曲がり部分が設けられている。これによって、セルの変形による荷重を一層少なくし、セルに加わる応力を低減できる。この実施形態においては、好ましくは、複数の隣接する折れ曲がり部分が、逆方向に折れ曲がっている。
【００１８】
好適な実施形態においては、本体部分が通気性材料からなる。これは通気性を有していれば特に限定されないが、好ましくは加圧時に塑性変形可能な材質である。好ましくは、通気性材料が次のいずれかである。
（１）  網（平織り、綾織、畳織、クランプ織り、ネット織り等の任意の編織方法であってよい）
（２）  通気孔の形成された板状体。例えばパンチングメタル、エッチングメタル、エキスパンドメタル（エキスパンド）
（３）  多孔質の金属焼結体
【００１９】
以下、適宜図面を参照しつつ、本発明を更に詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る導電性接合部材１を示す斜視図である。導電性接合部材１は、平板形状の本体部分２を備えている。本体部分２から図面において上方に向かって、複数の舌片３が規則的に配列されている。各舌片３は、本体部分２からの立ち上がり部分３ａと、立ち上がり部分３ａから横方向に突出する平坦部分３ｂとを備えている。各舌片３は、その付け根にある一片２０で本体部分２に連結されている。
【００２０】
本例では、舌片３は、本体部分２の切断加工によって形成しているので、舌片３とほぼ同じ形状および寸法の貫通孔４が形成されている。平坦部分３ｂが上方のセルに向かって接触する。
【００２１】
図２は、本発明の他の実施形態に係る導電性接合部材１Ａを示す斜視図である。導電性接合部材１Ａは、平板形状の本体部分２を備えている。本体部分２から図面において上方に向かって、複数の舌片１３が規則的に配列されている。各舌片１３は、本体部分２からの立ち上がり部分１３ａと、立ち上がり部分１３ａから横方向に突出する平坦部分１３ｂと、平坦部分１３ｂから貫通孔４側へと向かって伸びる下降部１３ｃとを備えている。平坦部分１３ｂが上方のセルに向かって接触する。各舌片１３は、その付け根にある一片２０で本体部分２に連結されている。
【００２２】
図３は、本発明の更に他の実施形態に係る導電性接合部材１Ｂを示す斜視図である。導電性接合部材１Ｂは、平板形状の本体部分２を備えている。本体部分２から図面において上方に向かって、複数の舌片２３が規則的に配列されている。各舌片２３は、本体部分２からの立ち上がり部分２３ａと、これに連続する複数の折れ曲がり部分２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅおよび平坦部分２３ｆを備えている。平坦部分２３ｆが上方のセルに向かって接触する。各舌片２３は、その付け根にある一片２０で本体部分２に連結されている。
【００２３】
図４は、本発明の更に他の実施形態に係る導電性接合部材１Ｃを示す斜視図である。導電性接合部材１Ｃは、平板形状の本体部分２を備えている。本体部分２から図面において上方に向かって、複数の舌片３３が規則的に配列されている。各舌片１３は、本体部分２からの立ち上がり部分３３ａと、これに連続する湾曲部分３３ｂ、湾曲部分３３ｂに連続する平坦部分３３ｃとを備えている。平坦部分３３ｃが上方のセルに向かって接触する。各舌片３３は、その付け根にある一片２０で本体部分２に連結されている。
【００２４】
舌片の平面的形状は特に限定されない。例えば、図５（ａ）、図５（ｂ）に示すように、舌片７Ａ、７Ｂは矩形であってよい。また、図５（ｃ）に示すように、舌片７Ｃは円弧状を呈していてよい。図５（ｄ）に示すように、舌片７Ｄは長円形状を呈していてよい。
【００２５】
また、図６（ａ）に示すように、舌片７Ｅは多角形形状３をしていてよい。また、図６（ｂ）に示すように、舌片７Ｆは台形形状をていしていてよい。更に、図６（ｃ）に示すように、舌片７Ｇは星型を呈していてよい。舌片は、その他の種々の異形形状を呈していてよい。
【００２６】
舌片の寸法は特に限定されない。通気性および変形の余地を大きくするためには、舌片の高さは0.3mm以上が好ましく、1.0mm以上が更に好ましい。一方、舌片が高すぎると、ガスの利用効率が低下するので、舌片の高さは5.0mm以下であることが好ましい。
【００２７】
本発明の導電性接続部材の材質は、白金、銀、金、パラジウムやインコネル、ニクロムなどのニッケル基合金、ヘンズアロイなどのコバルト基合金、ステンレスなどの鉄基合金、ニッケルがある。
【００２８】
本発明は、固体酸化物形燃料電池を対象とする。
【００２９】
燃料極基板には酸化性ガスが接触し、空気極には酸化性ガスが接触する。
【００３０】
固体電解質層の材料は特に限定されず、イットリア安定化ジルコニア又はイットリア部分安定化ジルコニアであってよい。また、ＮＯｘ分解セルの場合には、酸化セリウムも好ましい。
【００３１】
空気極の材質は、ランタンを含有するペロブスカイト型複合酸化物であることが好ましく、ランタンマンガナイト又はランタンコバルタイトであることが更に好ましく、ランタンマンガナイトが一層好ましい。ランタンコバルタイト及びランタンマンガナイトは、ストロンチウム、カルシウム、クロム、コバルト、鉄、ニッケル、アルミニウム等をドープしたものであってよい。また、パラジウム、白金、ルテニウム、白金−ジルコニアサーメット、パラジウム−ジルコニアサーメット、ルテニウム−ジルコニアサーメット、白金−酸化セリウムサーメット、パラジウム−酸化セリウムサーメット、ルテニウム−酸化セリウムサーメットであってもよい。
【００３２】
燃料極基板の材質としては、ニッケル−ジルコニアサーメット、ニッケル−酸化セリウムサーメットである。
【００３３】
セパレータの材質は、一方のガスおよび他方のガスに対して安定な材質で有れば良いが、例えば、ランタンを含有するペロブスカイト型複合酸化物であることが好ましく、ランタンクロマイトであることが更に好ましい。また金属セパレータの場合は、インコネル、ニクロムなどのニッケル基合金、ヘンズアロイなどのコバルト基合金、ステンレスなどの鉄基合金がある。還元性ガスに対して安定な材質としては、ニッケルおよびニッケル基合金がある。
【００３４】
好適な実施形態においては、複数のセパレータ、固体酸化物形燃料電池セルおよび導電性保持部材によって集合電池を構成し、集合電池を加圧しながら保持する導電性接合部材をもうける。この加圧機構は特に限定されない。例えば、ボルト等の締結部材、バネ等の付勢機構であってよい。
【実施例】
【００３５】
以下のようにして、燃料極を基板とする固体酸化物形セルを作製した。  
（燃料極基板の作製）
平均粒径1μｍの酸化ニッケル粉末50重量部とイットリア安定化ジルコニア（8ＹＳＺ、ＴＺ-８Ｙ：東ソー)50重量部を混合し、バインダーとしてポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を添加してスラリーを作製した。このスラリーをスプレードライヤーで乾燥および造粒し、燃料極基板用粉末を得た。この造粒粉末を金型プレス成形法により成形し、直径120mm、厚さ1.5ｍｍの円板を得た。その後、電気炉で空気中1400℃で円板を３時間焼成し、燃料極基板６ａを得た。  
【００３６】
（固体電解質膜の形成）
８ｍｏｌ％イットリア安定化ジルコニア粉末に水とバインダーを加え、ボールミルで16時間混合した。得られたスラリーを、前記の燃料極基板上に塗布、乾燥し、電気炉で空気中1400℃で2時間共焼結して電解質厚さ10μmの燃料極／固体電解質焼結体を作製した。
【００３７】
（空気極の形成）
空気極として、平均粒径1μｍのLa0.9Ca0.1MnO3
(LCM)粉末にバインダーとしてエチルセルロース、溶剤としてターピネオールを加え、ペースト状にした。このペーストをスクリーン印刷で成膜・乾燥後1200℃で1時間で焼き付け、燃料極６ａ／固体電解質６ｂ／空気極６ｃのセル６を作製した（図７参照）。
【００３８】
（反り量の測定）
三次元測定器を用い、上記のようにして製造したセルの反り量（平面度）を測定した。この結果、空気極焼き付け後のセルは、空気極６ｃ側を凸としてドーム形に反っており、反り量は約1.0ｍｍであった。
【００３９】
（本発明例の導電性接続部材の作製）
通気性を有する導電性接続部材１として、燃料極側にはNiメッシュ、空気極側にはPtメッシュを用いた。これらの各メッシュをレーザー加工することによって、舌状の切り目４を入れ、その後、舌片をプレス加工することによって突起形状を付与した。舌片３の本体部分２からの飛び出し高さは、セルの反りを吸収するため1.0mmとした。
【００４０】
（比較例の導電性接合部材の作製）
図８に示す構造であるエンボス形状を付与したNi, Ptメッシュ３１を作製した。凸部の飛び出し高さは、セルの反りを吸収するために1.0mmとした。
【００４１】
（性能評価）
前記のようにして得られたセル６と導電性接続部材１とを、図７に示すように、金属製の空気極インターコネクタ５Ａ、燃料極インターコネクタ５Ｂによって挟み、スタックを作製した。この時、空気極インターコネクタとセルとの間、燃料極インターコネクタとセルとの間に、それぞれ、図１に示す、通気性を有する導電性接続部材１を挿入した。また、各導電性接続部材の舌片（凸部）が、セルの各電極面に接触するようにした。さらに、セルとインターコネクタの接触を良好に保つために、メッシュの凸部の飛び出し高さ分だけ導電性接続部材１を押し縮めるように、スタックに荷重をかけた。
【００４２】
性能評価をするため電気炉に前記スタックをセットし、燃料極６ａ側に窒素ガス，空気極６ｃ側にエアーを流しながら、800℃まで昇温し、800℃に達した時点で燃料極６ａ側に水素ガスを流して還元処理を行った。３時間の還元処理後、スタックの電流−電圧特性評価と内部抵抗解析を実施した。本発明例および比較例による性能評価結果を表1に示す。
【００４３】
【表１】
0005224649.tif 000002
【００４４】
本発明例では、最大出力密度が比較例に比べて３０％高くなっている。また、内部抵抗解析の結果、本発明例では、オーミック抵抗、電極反応抵抗ともに低下していることが分かった。
【００４５】
発電評価後、スタックを解体して導電性接続部材を観察した。本発明においては、セル電極(空気極、燃料極)と導電性接続部材の舌片が良好に接触している。これに対し、従来例においては、空気極側ではセル外周部で、燃料極側ではセル中心部で導電性接続部材とセル電極に剥離が生じていた。発電評価後のセルの反り量を測定した結果、発電前では1.0mmであったのが、発電試験後には1.1mmに増加しており、従来例では、導電性接続部材がこの変化量に追従できず、剥離が生じてしまったことが分かった。一方、本発明では舌片に変形に追従する伸びしろが確保されているため、発電試験時に発生するセルの変形にも柔軟に変形追従して剥離が生じなかったことが明らかとなった。このように、セルの形状の変化に対して柔軟に追従して電極との剥離が起こらなかったことで、セルの接触面積を維持することができ、性能が向上したことが分かった。
【００４６】
また、比較例においては、組立時の破損や・発電試験途中にセルに割れが発生し易いことが分かった。５回の発電試験を行った結果を表２に示す。
【００４７】
【表２】
0005224649.tif 000003
【００４８】
本発明例では、組立時・発電時のセルの破損がないのに対し、比較例においては8割のセルで組立時・発電時のセルの破損が発生し、発電が不可能な状態になった。なお、表1で示した発電結果は、本発明例および比較例の双方において、セル割れが観察されなかったものである。
【００４９】
このように、本発明によれば、セルの比較的に大きな反りが生じても十分に追従でき、かつ、固体酸化物形燃料電池セルへと過大な応力が加わりにくくセル破壊を引き起こすこともなく、セルとインターコネクタの接触を良好に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の一実施形態による導電性接合部材１を示す斜視図である。
【図２】本発明の他の実施形態による導電性接合部材１Ａを示す斜視図である。
【図３】本発明の更に他の実施形態に係る導電性接合部材１Ｂを示す斜視図である。
【図４】本発明の更に他の実施形態に係る導電性接合部材１Ｃを示す斜視図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）は、それぞれ、各導電性接合部材７Ａ、７Ｂ、７Ｃおよび７Ｄの平面的形態を示す図である。
【図６】（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ、各導電性接合部材７Ｅ、７Ｆおよび７Ｇの平面的形態を示す図である。
【図７】固体酸化物形燃料電池セル、導電性接合部材およびセパレータからなるスタックを示す模式図である。
【図８】比較例のエンボス形状部分を有する導電性接合部材３１を示す平面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄ、７Ｅ、７Ｆ、７Ｇ  導電性接合部材            ２  本体部分            ３、１３、２３、３３  舌片            ３ａ、１３ａ、２３ａ、３３ａ  立ち上がり部分            ３ｂ、１３ｂ、２３ｆ、３３ｃ  平坦部分            ４  貫通孔            ５Ａ、５Ｂ  セパレータ            ６  固体酸化物形燃料電池セル            ２０  一片
【図１】
0005224649.tif 000004
【図２】
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【図３】
0005224649.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
0005224649.tif 000009
【図７】
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【図８】
0005224649.tif 000011