(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスが供給されることにより発電反応が生じる厚板状の発電セルと、上記反応ガス
の流路が形成された板状のセパレータとにより挟まれて、板状に形成されるとともに、上
記セパレータによって板面中央部に反応ガスが供給され、かつ、この反応ガスを上記発電
セルに供給する燃料電池用の多孔質集電体における圧力損失の測定方法において、
上記多孔質集電体の両板面を一対の平板状の測定板によって鋏み、一方の測定板側から
上記多孔質集電体の板面中央部に測定ガスを供給して、上記多孔質集電体の側部から排出
された測定ガスによる排気圧と上記供給圧との差圧を測定することを特徴とする燃料電池
用の多孔質集電体における圧力損失の測定方法。
【請求項２】
上記多孔質集電体の上面に配設される測定板は、上記セパレータを含む上記多孔質集電
体上に積層される燃料電池の積層部材に対応する重量を有し、かつ上記多孔質集電体の下
面に配設される測定板には、上記測定ガスの供給口が形成されていることを特徴とする請
求項１に記載の燃料電池用の多孔質集電体における圧力損失の測定方法。
【請求項３】
上記多孔質集電体の側部が大気に開放されており、かつ、一定流量の上記測定ガスを上
記多孔質集電体の板面中央部に供給して、上記供給圧を測定することにより、上記多孔質
集電体の圧力損失の相対値を測定することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池
用の多孔質集電体における圧力損失の測定方法。
【請求項４】
厚板状の発電セルの両面に、上記発電セルに反応ガスを供給する板状の多孔質集電体を
形成するとともに、上記多孔質集電体の外面に、それぞれ上記多孔質集電体の中央部に反
応ガスを供給するセパレータを配設した複数の単セルユニットが上記板厚方向に向けて積
層された燃料電池の製造方法において、
上記複数の単セルユニットに組み込む多孔質集電体として、請求項１ないし請求項３の
いずれか１項に記載の燃料電池用の多孔質集電体における圧力損失の測定方法によって測
定した圧力損失が±１０％以内になるものを選択して用いることを特徴とする燃料電池の
製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池における多孔質集電体の圧力損失の測定方法及びこの測定方法を用いた燃料電池の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在の燃料電池は、特許文献１に示すように、反応ガスが供給されることにより発電反応する固体電解質層と、その両面に形成された電極とにより厚板状の発電セルが形成されている。この発電セルの両面に、それぞれ上記電極の全面に反応ガスを供給する板状の多孔質集電体が形成されるとともに、この多孔質集電体の外側に、それぞれ上記多孔質集電体の中央部に反応ガスを供給する板状のセパレータが配設されることにより単セルユニットが構成されている。この単セルユニットを上記板厚方向に複数積層するとともに、各単セルユニットをそれぞれ直列的に接続することにより燃料電池スタックが構成されている。そして、この燃料電池スタックの外周部に上記反応ガスの供給管が配設されることにより概略構成されており、この反応ガスの供給管は、各単セルユニットのセパレータにそれぞれ並列的に接続されている。
【０００３】
上述の燃料電池においては、単セルユニット同士が直列的に接続されていることにより、発電効率の一番低い単セルユニットによって全体の発電効率が拘束されるため、上記反応ガスを各単セルユニットに均等に供給する必要がある。このため、燃料電池スタックに組み込まれている各多孔質集電体によって、発電セルに供給される反応ガスの流量差を少なくする必要があり、その結果、各多孔質集電体による圧力損失の差を一定の範囲内に収めることが要求される。
【０００４】
ところで、上記圧力損失の測定方法としては、図４に示すように、筺体９０に被測定物Ｗを配設するとともに、測定ガスを上記筺体９０の側部に接続された供給管９１から供給する。すると、測定ガスは、被測定物Ｗ内を流れ、上記供給管９１の延長線上であって、上記筺体９０の側部に接続された排出管９２から排出される。その際、上記供給管９１内の供給圧と上記排出管９２内の排気圧との差圧を、上記供給管９１と上記排出管９２とに接続された差圧計９３により計測する方法が用いられていた。
【０００５】
しかしながら、この圧力損失の測定方法をそのまま適用して、上記被測定物Ｗとして上記多孔質集電体を用いた場合には、上記測定ガスが多孔質集電体の板面方向の全長に沿って流通するため、上記セパレータによって板面中央部に供給された反応ガスを上記発電セルに供給する際の多孔質集電体による反応ガスの実質的な圧力損失を測定することができないといった問題がある。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１０３５５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、燃料電池用の多孔質集電体について、より実質的な圧力損失を測定する測定方法を提供するとともに、この測定方法を利用して、発電効率の優れた燃料電池を製造することを課題とするものである。
【０００８】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明に係る多孔質集電体の圧力損失の測定方法は、図１に示すように、多孔質集電体Ｗの両板面を一対の平板状の測定板によって鋏み、一方の測定板側から多孔質集電体の板面中央部に測定ガスを供給して、上記多孔質集電体の側部から排出された測定ガスによる排気圧Ｐ２と上記供給圧Ｐ１との差圧Ｐ３を測定することによって行われる。
【０００９】
この多孔質集電体Ｗは、板状に形成されるとともに、反応ガスが供給されることにより発電反応が生じる厚板状の発電セルと、反応ガスの流路が形成された板状のセパレータとにより鋏まれて、燃料電池を構成する部材であり、上記セパレータによって板面中央部に反応ガスが供給され、かつ、この反応ガスを上記発電セルに供給するようになっている。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載された燃料電池用の多孔質集電体における圧力損失の測定方法において、上記多孔質集電体の上面に配設される測定板は、上記セパレータその他の燃料電池における上記多孔質集電体上の積層部材に対応する重量を有し、かつ上記多孔質集電体の下面に配設される測定板には、上記測定ガスの供給口が形成されていることを特徴とするものである。
ここで、上記セパレータその他の燃料電池における上記多孔質集電体上の積層部材とは、セパレータの他に、発電セル、多孔質集電体およびセパレータからなる単セルユニット等を含むものであって、複数の上記単セルユニットを積層して構成された燃料電池スタックの積層部材のうち、測定対象となっている多孔質集電体の上に積層された積層部材を意味する。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載された燃料電池用の多孔質集電体における圧力損失の測定方法において、上記多孔質集電体の側部が大気に開放されており、かつ、一定流量の上記測定ガスを上記多孔質集電体の板面中央部に供給して、上記供給圧を測定することにより、上記多孔質集電体の圧力損失の相対値を測定することを特徴とするものである。
【００１２】
さらに、請求項４に記載の発明に係る燃料電池の製造方法は、厚板状の発電セルの両面に、上記発電セルに反応ガスを供給する板状の多孔質集電体を形成するとともに、上記多孔質集電体の外面に、それぞれ上記多孔質集電体の中央部に反応ガスを供給するセパレータを配設した複数の単セルユニットが上記板厚方向に向けて積層された燃料電池の製造方法において、上記複数の単セルユニットに組み込む多孔質集電体として、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池用の多孔質集電体における圧力損失の測定方法によって測定した圧力損失が±１０％以内になるものを選択して用いることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１又は２に記載の発明によれば、圧力損失を測定するための測定ガスを多孔質集電体の板面中央部から供給するとともに、測定ガスが上記多孔質集電体の流路抵抗を受けながら多孔質集電体の側部から排出される際の排気圧Ｐ２と上記供給圧Ｐ１との差圧Ｐ３を測定することによって、板面中央部に供給された反応ガスを発電セル側の表面外周部に供給する場合（すなわち、反応ガスが最長の流路を流れた場合）と略同等の流路抵抗を測定することができる。このため、燃料電池用の多孔質集電体について、より実質的な圧力損失を測定することができる。
【００１５】
特に、請求項２に記載の発明によれば、測定ガスを多孔質集電体の下面に配設された測定板から供給するとともに、上面に配設される測定板によって、セパレータを含む多孔質集電体上に積層される燃料電池の積層部材に対応する重量が多孔質集電体に作用するため、実際の使用状態と同等の条件で圧力損失を測定することができる。
【００１６】
さらに、請求項３に記載の発明によれば、多孔質集電体Ｗの側部を大気に開放したため、各多孔質集電体の上記排気圧Ｐ２が一定であると仮定することができる。また、一定流量の測定ガスを多孔質集電体の板面中央部に供給したため、多孔質集電体における上記供給圧Ｐ１を各々測定することにより、多孔質集電体について、上記供給圧Ｐ１から上記排気圧Ｐ２を差し引いた差圧Ｐ３の相対値を測定することができる。
それ故に、供給圧Ｐ１のみを計測することによって、多孔質集電体の相対的な圧力損失を容易に把握することができる。
【００１７】
そして、請求項４に記載の発明によれば、請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧力損失の測定方法による測定値が±１０％以内の多孔質集電体を選択して、燃料電池を製造することにより、各単セルユニットによる発電効率の差が拡大することを抑制して、発電効率の低い単セルユニットに拘束される燃料電池全体の発電効率が低下することを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明に係る燃料電池用の多孔質集電体における圧力損失の測定方法を説明するに際し、燃料電池用の多孔質集電体および上記測定方法を実施するための測定装置について、それぞれ説明する。次いで、本発明に係る上記測定方法を用いた燃料電池の製造方法について、説明する。
【００１９】
まず、本発明を説明する前提として、燃料電池用の多孔質集電体について、図２を用いて説明する。
本実施形態の燃料電池用の多孔質集電体Ｗは、板状に形成されるとともに、反応ガスが供給されることにより発電反応が生じる厚板状の発電セル７と、上記反応ガスの流路が形成された板状のセパレータ８とにより鋏まれている。
この発電セル７は、図２に示すように、安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成された固体電解質層７１の一方の面にＬａＭｎＯ3、ＬａＣｏＯ3等からなる空気極７２ａが形成されるとともに、他方の面にＮｉ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ等のサーメット材料からなる燃料極７２ｂが形成されている。
【００２０】
そして、上記発電セルの空気極７２ａと上記セパレータ８とにより鋏まれた多孔質集電体Ｗは、反応ガスとして酸素が流通する空気極集電体Ｗａとして作用して、上記空気極７２ａの全面に酸素を供給するようになっている。また、燃料極７２ｂと上記セパレータ８とにより鋏まれた多孔質集電体Ｗは、反応ガスとして水素が流通する燃料極集電体Ｗｂとして作用して、上記燃料極７２ｂの全面に水素を供給するようになっている。
この空気極集電体Ｗａは、例えば、Ａｇ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板が用いられており、燃料極集電体Ｗｂは、例えば、Ｎｉ基合金等の多孔質焼結金属板が用いられている。
【００２１】
他方、上記セパレータ８は、ステンレス等により構成されており、上記空気極集電体Ｗａの外側および燃料極集電体Ｗｂの外側にそれぞれ配設されて、上記空気極集電体Ｗａに酸素を供給する機能を有するとともに、上記燃料極集電体Ｗｂに水素等の燃料を供給する機能を有している。また、上記発電セル７と上記多孔質集電体Ｗと上記セパレータ８とにより構成される複数の単セルユニット９を電気的に接続しており、これらの複数の単セルユニット９は、板厚方向に積層されて、燃料電池スタックを構成している。
【００２２】
次いで、上記多孔質集電体の圧力損失の測定装置について、説明する。
本実施形態の圧力損失の測定装置は、図３に示すように、上面が水平に設けられるとともに、円板状の多孔質集電体Ｗが載置可能である方形状の基盤（測定板）２と、この基盤２上の上記多孔質集電体Ｗの上に載置可能な扁平柱状の載置板（測定板）３とから概略構成されており、基盤２上に載置された多孔質集電体Ｗの側部が大気に開放されるようになっている。
【００２３】
この基盤２は、その中央部に多孔質集電体Ｗの中心が位置するように多孔質集電体Ｗを載置した際に、多孔質集電体Ｗの側部に沿うようにして位置決めピン４が３本設けられている。その下部には床上に立設する厚板状の脚台２０が基盤２の外周辺に沿って３本設けられており、その盤面の中央部２ａに供給口が形成され、この供給口に一定量の空気（測定ガス）を供給するガス供給管５が接続されている。
このガス供給管５は、上記盤面の中央部２ａから上記脚台２０に支持されていない外周辺に向けて配設されており、上流側に圧力計６を設置したティー５ａが介装されている。
【００２４】
他方、上記載置板３は、多孔質集電体Ｗの板面と略同一の表面積を有し、側部には上記位置決めピン４に対応する位置に凹部３ａが形成されるとともに、上部にはハンドル３０が取り付けられている。また、測定対象となっている多孔質集電体Ｗの上に載置される燃料電池の積層部材に対応する重量（約４〜５ｋｇ）を有しており、異なる重量を有するものを複数用意してもよい。
【００２５】
次いで、上述の装置を用いて圧力損失を測定する方法について、説明する。
まず、多孔質集電体Ｗを、中心が基盤２の中央部に位置するように載置する。
次いで、載置板３を、凹部３ａが位置決めピン４に係合するように、多孔質集電体Ｗの上に載置した後、ガス供給管５から空気を供給する。
【００２６】
すると、空気は、基盤２の供給口から多孔質集電体Ｗに供給され、多孔質集電体Ｗ内の流路抵抗を受けながら、多孔質集電体Ｗの側部から大気開放下へ放出される。その際、圧力計６は、除々に高い数値を示すようになり、一定の数値（供給圧）を示した段階で安定する。次いで、この数値を記録して、空気の供給を停止する。
【００２７】
次に、載置板３を持ち上げて、計測が終了した多孔質集電体Ｗを取り出し、新たな多孔質集電体Ｗを載置して、上述と同様に、繰り返し供給圧を計測する。
【００２８】
以上の圧力損失の測定方法によれば、基盤２の面中央部から空気が供給されることにより、空気が多孔質集電体Ｗの中心部から多孔質集電体Ｗ内に供給される。そして、空気は、多孔質集電体Ｗの上に載置板３が載置されることにより、例えば、多孔質集電体Ｗが押圧されて、流路抵抗が大きくなる等の多孔質集電体上に積層される燃料電池の積層部材の重量による作用と同等の影響を受けつつ、孔質集電体Ｗ内を流通するとともに、多孔質集電体Ｗの側部から大気開放下へ放出される。その結果、反応ガスをセパレータ８から板面中央部に供給し、かつこの反応ガスが上記発電セル側の表面外周部に供給される場合と略同等の流路を流れるため、より実質的な圧力損失を測定することができるとともに、燃料電池において多孔質集電体上に積層される積層部材の重量による作用を考慮した圧力損失を測定することができる。
【００２９】
さらに、排気圧Ｐ２は、上記多孔質集電体Ｗの側部が大気に開放されているため、各多孔質集電体Ｗとも同一であると仮定することができる。このため、圧力計６に表示される供給圧を計測することにより、各多孔質集電体Ｗの圧力損失の相対値を計測することができる。その結果、供給圧Ｐ１を計測することのみによって、各多孔質集電体Ｗにおける相対的な圧力損失を容易に把握することができる。
【００３０】
次に、上述の測定方法を用いた燃料電池の製造方法と、この方法によって製造される燃料電池とについて、説明する。
本実施形態における燃料電池の製造方法は、空気極集電体Ｗａおよび燃料極集電体Ｗｂの圧力損失の相対値を、それぞれ上述の圧力損失の測定方法によって測定して、測定値が±１０％以内のものをそれぞれ必要な枚数だけ選択する。
【００３１】
次いで、発電セル７の空気極７２ａの表面に上記空気極集電体Ｗａを配設するとともに、燃料極７２ｂの表面に上記燃料極集電体Ｗｂを配設した後、集電体Ｗａ、Ｗｂの外側にそれぞれセパレータ８を配設することにより単セルユニット９を構成する。
【００３２】
次に、流路抵抗の大きい集電体Ｗａ、Ｗｂが組み込まれた単セルユニット９を上段に、流路抵抗の小さい集電体Ｗａ、Ｗｂが組み込まれた単セルユニット９を下段に配設するように、複数の単セルユニット９を積層して、発電反応に使用されなかった酸素等の反応ガスや発電反応によって生成された水蒸気を排ガスとして発電セル７の外周から外部へと放出するシールレス構造の燃料電池スタックを製造する。
【００３３】
これにより得られた燃料電池スタックの外周部に、上記セパレータ８を介して上記空気極集電体Ｗａに上記酸素を供給する配管を配設するとともに、上記セパレータ８を介して上記燃料極集電体Ｗｂに水素等の燃料を供給する配管を配設し、かつ、これらの燃料電池スタック及び配管を缶体内に収容することによって、固体酸化物形燃料電池を構成する。
【００３４】
上述の方法によって製造された燃料電池は、燃料電池スタックの上段から下段に向けて、荷重による作用が大きくなるものの、上記測定方法による圧力損失の相対値が小さくなるように多孔質集電体Ｗを配設しているため、上段ないし下段に組み込まれた集電体は、流路抵抗が略同一になるように配設されている。
このため、各単セルユニット９における発電効率を略均一にすることができ、その結果、燃料電池全体の発電効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係る多孔質集電体の圧力損失の測定方法の概念説明図である。
【図２】燃料電池の構成部材である単セルユニット９を示す断面模式図である。
【図３】本発明に係る多孔質集電体の圧力損失の測定方法を実施するための測定装置を示す図であり、（ａ）は正面図であり、（ｂ）Ａ−Ａ線において切断した場合の断面図である。
【図４】従来の圧力損失の測定方法を用いて、多孔質集電体の圧力損失を測定する場合の概念説明図である。
【符号の説明】
【００３６】
Ｗ    多孔質集電体
Ｗａ  空気極集電体
Ｗｂ  燃料極集電体
Ｐ１  供給圧
Ｐ２  排気圧
Ｐ３  差圧
２    基盤（測定板）
３    載置板（測定板）
７    発電セル
８  セパレータ
【図１】
0005200401.tif 000002
【図２】
0005200401.tif 000003
【図３】
0005200401.tif 000004
【図４】
0005200401.tif 000005