(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質層の両面に燃料極層と酸化剤極層を配置し、燃料極層と酸化剤極層の外側にそれぞれ多孔質クッション材よりなる燃料極集電体と酸化剤極集電体を配置し、燃料極集電体と酸化剤極集電体の外側にセパレータを配置し、前記セパレータから前記燃料極集電体及び酸化剤極集電体を介して燃料極層及び酸化剤極層に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するシールレス構造の固体電解質型燃料電池において、
前記燃料極集電体の厚さを０．５５〜０．９５ｍｍの範囲に設定したことを特徴とするシールレス構造の固体電解質型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セパレータと電極層との間に集電体を挟んだシールレス構造の固体電解質型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
酸化物イオン伝導体からなる固体電解質層を空気極層（酸化剤極層）と燃料極層との間に挟んだ積層構造を持つ固体電解質型燃料電池は、第三世代の発電用燃料電池として開発が進んでいる。固体電解質型燃料電池では、空気極側に酸素（空気）が、燃料極側には燃料ガス（Ｈ2 、ＣＯ等）が供給される。空気極と燃料極は、ガスが固体電解質との界面に到達することができるように、いずれも多孔質とされている。
【０００３】
空気極側に供給された酸素は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で、空気極から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極の方向に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ2 Ｏ、ＣＯ2 等）を生じ、燃料極に電子を放出する。
【０００４】
燃料に水素を用いた場合の電極反応は次のようになる。
空気極：  １／２  Ｏ2 ＋          ２ｅ-   →  Ｏ2-
燃料極：          Ｈ2 ＋          Ｏ2-   →  Ｈ2 Ｏ＋２ｅ- 
全体  ：          Ｈ2 ＋  １／２  Ｏ2    →  Ｈ2 Ｏ
【０００５】
固体電解質層は、酸化物イオンの移動媒体であると同時に、燃料ガスと空気を直接接触させないための隔壁としても機能するので、ガス不透過性の緻密な構造となっている。この固体電解質層は、酸化物イオン伝導性が高く、空気極側の酸化性雰囲気から燃料極側の還元性雰囲気までの条件下で化学的に安定で、熱衝撃に強い材料から構成する必要があり、かかる要件を満たす材料として、イットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）が一般的に使用されている。
【０００６】
一方、電極である空気極（カソード）層と燃料極（アノード）層はいずれも電子伝導性の高い材料から構成する必要がある。空気極材料は、７００℃前後の高温の酸化性雰囲気中で化学的に安定でなければならないため、金属は不適当であり、電子伝導性を持つペロブスカイト型酸化物材料、具体的にはＬａＭｎＯ3 もしくはＬａＣｏＯ3 、または、これらのＬａの一部をＳｒ、Ｃａ等に置換した固溶体が一般に使用されている。また、燃料極材料は、Ｎｉ、Ｃｏなどの金属、或いはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺなどのサーメットが一般的である。
【０００７】
固体酸化物型燃料電池には、１０００℃前後の高温で作動させる高温作動型のものと、７００℃前後の低温で作動させる低温作動型のものとがある。低温作動型の固体酸化物型燃料電池は、例えば電解質であるイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）の厚さを１０μｍ程度まで薄膜化して、電解質の抵抗を低くして、低温でも燃料電池として発電するように改良された発電セルを使用する。
【０００８】
高温の固体酸化物型燃料電池では、セパレータには、例えばランタンクロマイト（ＬａＣｒＯ3 ）等の電子伝導性を有するセラミックスが用いられるが、低温作動型の固体酸化物燃料電池では、ステンレス等の金属材料を使用することができる。
【０００９】
また、固体酸化物型燃料電池の構造には、円筒型、モノリス型、及び平板積層型の３種類が提案されている。それらの構造のうち、低温作動型の固体酸化物型燃料電池には、金属のセパレータを使用できることから、金属のセパレータに形状付与しやすい平板積層型の構造が適している。
【００１０】
平板積層型の固体電解質型燃料電池のスタックは、発電セル、集電体、セパレータを交互に積層した構造を持つ。一対のセパレータが発電セルを両面から挟んで、一方は空気極集電体（酸化剤極集電体）を介して空気極と、他方は燃料極集電体を介して燃料極と接している。燃料集電体には、Ｎｉ基合金等のスポンジ状の多孔質体を使用することができ、空気極集電体には、Ａｇ基合金等の同じくスポンジ状の多孔質体を使用することができる。スポンジ状多孔質体は、集電機能、ガス透過機能、均一ガス拡散機能、クッション機能、熱膨脹差吸収機能等を兼ね備えるので、多機能の集電体材料として適している。
【００１１】
セパレータは、発電セル間を電気接続すると共に、発電セルに対してガスを供給する機能を有するもので、燃料ガスをセパレータ外周面から導入してセパレータの燃料極層に対向する面から吐出させる燃料通路と、酸化剤ガスをセパレータ外周面から導入してセパレータの酸化剤極層に対向する面から吐出させる酸化剤通路とをそれぞれ有している。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、燃料電池の開発の過程で種々の試験を行った結果、燃料極集電体の厚さは、特にシールレス構造の場合に重要であることが分かった。例えば、シールレス構造の燃料電池の場合、燃料ガスは燃料極集電体の中を流れて発電セル外部に放出され燃焼することになるが、燃料極集電体の厚さが厚過ぎると、発電セル外周部から酸化剤である空気を巻き込んで、発電セル内部においても燃焼反応が起こり得、このように燃料が内部で燃え出すと、電池反応に使用可能な燃料ガスが減り、発電性能が低下する不具合が発生することが分かった。反対に、燃料極集電体の厚さが薄過ぎると、燃料ガスの発電部分においての滞留時間が短くなり過ぎ、電池反応に使用される前に発電部分から排出されてしまい、やはり発電性能が低下する不具合があることが分かった。
【００１３】
このように、燃料極集電体の厚さによって問題が生じることが分かったが、従来では、燃料極集電体の厚さについての十分な検討がなされていなかったため、最適な厚さの範囲が把握されていなかった。
【００１４】
本発明は、上記事情を考慮し、燃料極集電体の厚さを最適に定めることで、発電効率のアップを図れるようにしたシールレス構造の固体電解質型燃料電池を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、固体電解質層の両面に燃料極層と酸化剤極層を配置し、燃料極層と酸化剤極層の外側にそれぞれ多孔質クッション材よりなる燃料極集電体と酸化剤極集電体を配置し、燃料極集電体と酸化剤極集電体の外側にセパレータを配置し、前記セパレータから前記燃料極集電体及び酸化剤極集電体を介して燃料極層及び酸化剤極層に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するシールレス構造の固体電解質型燃料電池において、前記燃料極集電体の厚さを０．５５〜０．９５ｍｍの範囲に設定したことを特徴とする。
【００１６】
上記のように燃料極集電体の厚さを設定したことにより、発電セル外周部から酸化剤である空気を巻き込んで発電セル内部において燃焼反応が起こり、電池反応に使用可能な燃料ガスが減るという問題を解消できると共に、燃料ガスの発電部分においての滞留時間が短くなり過ぎて、電池反応に使用される前に発電部分から排出されてしまうという問題を共に解消できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１（ａ）は実施形態の固体電解質型燃料電池における固体電解質層と電極層と集電体の積層構造を模式的に示す断面図、（ｂ）は燃料極集電体の厚さと発電セル出力との関係を求めた実験結果を示す図である。また、図２は燃料電池の要部の分解断面図、図３は同要部の分解斜視図である。
【００１８】
まず、実施形態の固体電解質型燃料電池の全体構成を、図２、図３を用いて説明する。図２において、１は燃料電池スタックである。この燃料電池スタック１は、固体電解質層２の両面に燃料極層３及び空気極層（酸化剤極層）４を配した発電セル（発電部）５と、燃料極層３の外側の燃料極集電体６と、空気極層４の外側の空気極集電体（酸化剤極集電体）７と、各集電体６、７の外側のセパレータ８とを所定の順番に積層した構造を持つ。
【００１９】
ここで、固体電解質層２はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層３はＮｉ、Ｃｏ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層４はＬａＭｎＯ3 、ＬａＣｏＯ3 等で構成され、燃料極集電体６はＮｉ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体７はＡｇ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ８はステンレス等で構成されている。
【００２０】
集電体６、７を構成する多孔質金属板は、次の工程を経ることで作製したものである。工程の順番は、スラリー調製工程→成形工程→発泡工程→乾燥工程→脱脂工程→焼結工程である。
【００２１】
まず、スラリー調製工程において、金属粉末、有機溶剤（ｎ−ヘキサン等）、界面活性剤（ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム等）、水溶性樹脂結合剤（ヒドロキシプロピルメチルセルロース等）、可塑剤（グリセリン等）、水、を混ぜて発泡スラリーを調製する。これを成形工程において、ドクターブレード法によりキャリヤシート上に薄板状に成形してグリーンシートを得る。次に発泡工程において、このグリーンシートを高温高湿環境下で、揮発性有機溶剤の蒸気圧及び界面活性剤の起泡性を利用してスポンジ状に発泡させた後、乾燥工程、脱脂工程、焼成工程を経て多孔質金属板を得る。
【００２２】
この場合、発泡工程において、グリーンシートの内部に発生した気泡は、全方向からほぼ等価な圧力を受けて略球状の形状で成長する。気泡が内部から拡散して大気との界面に近づくと、気泡は、気泡と大気の間のスラリーの薄い部分へと成長していき、やがて気泡は破れて、気泡内部の気体は、できた小孔から大気中へ拡散していく。よって、表面に開口した連続気孔を有する多孔質金属板が得られる。
【００２３】
集電体６、７は、このように作製した３次元骨格構造を有する多孔質金属板を円形にカットすることで構成されている。特に、Ｎｉ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成された燃料極集電体６は、集電体材料として気孔率７０％以上のものを使用し、燃料ガスとして水素ガスを使用する場合には、図１（ａ）に示すように、その厚さＳが、０．５５〜０．９５ｍｍ、好ましくは０．６５〜０．８５ｍｍの範囲に設定されている。また、Ａｇ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成された空気極集電体７は、酸化剤に空気を使用し、集電体材料として気孔率６０％以上のものを使用する場合、その厚さＴが、０．５ｍｍ以上、好ましくは０．８ｍｍ以上に設定されている。
【００２４】
また、図２、図３に示すように、セパレータ８は、発電セル５間を電気接続すると共に、発電セル５に対してガスを供給する機能を有するもので、燃料ガスをセパレータ８の外周面から導入してセパレータ８の燃料極集電体６に対向する面から吐出させる燃料通路１１と、酸化剤ガスをセパレータ８の外周面から導入してセパレータ８の空気極集電体７に対向する面から吐出させる酸化剤通路１２とをそれぞれ有している。ただし、両端のセパレータ８（８Ａ、８Ｂ）は、いずれかの通路１１、１２のみを有する。
【００２５】
一方、図２に示すように、燃料電池スタック１の側方には、各セパレータ８の燃料通路１１に接続管１３を通して燃料ガスを供給する燃料用マニホールド１５と、各セパレータ８の酸化剤通路１２に接続管１４を通して酸化剤ガスを供給する酸化剤用マニホールド１６とが、発電セル５の積層方向に延在して設けられている。
【００２６】
以上の構成の燃料電池では、燃料極集電体６の厚さＳを０．５５〜０．９５ｍｍ、好ましくは０．６５〜０．８５ｍｍの範囲に設定したので、発電セル５の外周部から酸化剤である空気を巻き込んで発電セル５内部において燃焼反応が起こり、電池反応に使用可能な燃料ガスが減ってしまうという問題を解消できると共に、燃料ガスの発電部分においての滞留時間が短くなり過ぎて、電池反応に使用される前に発電部分から排出されてしまうという問題を解消できる。従って、適切な反応が促進がされることにより、発電効率がアップする。
【００２７】
但し、燃料極集電体６の厚さは、発電セル５の大きさである直径に多少依存する。また、燃料ガスが炭化水素を改質したガスである場合には、燃料ガス中に二酸化炭素が含まれるため、水素ガスに較べて最適な燃料極集電体の厚さが多少増加する。また、燃料極集電体６の気孔率にも多少の影響を受け、気孔率の低いものほど燃料極集電体の最適な厚さは厚い方へシフトする。
【００２８】
次に、燃料極集電体６の厚さ特定の有効性を証明するための実験結果について説明する。条件は以下の通りである。
【００２９】
（１）有効電極直径：１５０ｍｍ（面積：１７７ｃｍ2 ）
（２）Ｎｉ発泡焼結体の燃料極集電体を使用
（３）燃料極集電体の気孔率は９０〜９５％程度
（４）電解質は（ＬａＳｒ）（ＧａＭｇＣｏ）Ｏ3  を使用
（５）温度６５０℃
（６）供給水素量４００Ｎｍｌ／ｍｉｎ
（７）供給空気量２０００Ｎｍｌ／ｍｉｎ
（８）空気極集電体の厚さ１．１ｍｍ
【００３０】
以上の条件で、燃料極集電体の厚さの変化に対する発電セル出力の変化を求めたところ、下表の結果を得た。
【００３１】
【表１】
0004427929.tif 000002
【００３２】
この表から燃料極集電体と最大セル出力の関係をグラフにしたものが図１（ｂ）である。このグラフから、安定出力である２５Ｗを得るためには、燃料極集電体６の厚さＳを０．５５〜０．９５ｍｍの範囲に設定する必要があることが分かる。また、燃料極集電体６の厚さＳを０．６５〜０．８５ｍｍの範囲に設定すると、更に安定出力が得られることが分かる。
【００３３】
なお、上記実施形態では、空気極集電体７の多孔質構造として発泡焼結体を使用した場合を説明したが、発泡焼結体の他に、メッシュやフェルトなども使用することができる。
【００３４】
また、上述した実施形態では、発電セルの電解質にガレート系電解質を用いる固体酸化物型燃料電池を示したが、本発明は、その他の固体酸化物型燃料電池、例えばセリア系電解質、イットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を用いる固体酸化物型燃料電池にも適用することができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、燃料極集電体の厚さを０．５５〜０．９５ｍｍの範囲に設定したことにより、適正な反応を促進させることができて、発電効率をアップさせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の実施形態の燃料電池における固体電解質層と電極層と集電体の積層構造を模式的に示す拡大断面図、（ｂ）は燃料極集電体の厚さと発電セルの最大出力との関係を求めた実験結果を示す図である。
【図２】同燃料電池の要部構成を示す分解断面図である。
【図３】同燃料電池の要部構成を示す分解斜視図である。
【符号の説明】
２  固体電解質層
３  燃料極層
４  空気極層（酸化剤極層）
６  燃料極集電体
７  空気極集電体（酸化剤極集電体）
８  セパレータ
Ｓ  燃料極集電体の厚さ
【図１】
0004427929.tif 000003
【図２】
0004427929.tif 000004
【図３】
0004427929.tif 000005