(57)【要約】【課題】  薄型軽量であると共に、燃料電池セルから安定して集電を行うことができる固体酸化物型燃料電池を得ること。【解決手段】  固体電解質層１を燃料極層２と空気極層３との電極層により挟持した固体酸化物型燃料電池セル１０と、固体酸化物型燃料電池セル１０の厚さ方向に貫通する複数のガス透過孔４ａを有する集電部材４とを備え、燃料極層２又は空気極層３もしくは双方に、集電部材４を埋め込んで成る。係る構成により、集電部材４を電極層３に押付ける部材を設ける必要がなく、また、集電部材４と電極層３との間の摩擦の発生を防止することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質層を燃料極層と空気極層との電極層により挟持した固体酸化物型燃料電池セルと、前記固体酸化物型燃料電池セルの厚さ方向に貫通する複数のガス透過孔を有する集電部材とを備え、
前記燃料極層又は前記空気極層もしくは双方に、前記集電部材を埋め込んで成ることを特徴とする固体酸化物型燃料電池。
【請求項２】
前記集電部材における前記電極層との接続部が、当該電極層に埋め込まれて成ることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項３】
前記集電部材がメッシュ状部材であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項４】
前記メッシュ状部材は、固体酸化物型燃料電池セルに対峙する面が平滑に形成されたスルーホール基板であることを特徴とする請求項３に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項５】
上記集電部材の厚さ方向の寸法ｄが、０．０２ｍｍ＜ｄ＜０．５ｍｍの範囲に設定されることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項６】
前記固体酸化物型燃料電池セルが自立膜式である場合には、前記燃料極層と前記空気極層との双方に前記集電部材を埋め込んで成ることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項７】
前記固体酸化物型燃料電池セルが支持膜式である場合には、前記燃料極層と前記空気極層のうち前記固体電解質層を支持しない一方に前記集電部材を埋め込んで成ることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか一に記載の固体酸化物型燃料電池を複数積層して成ることを特徴とする固体酸化物型燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物型燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池において、電極層とセパレータとの間に集電部材を配置した構造のものがある。特許文献１には、電極層とセパレータとの間に多孔質クッション材よりなる集電部材が配置された燃料電池が記載されている。
【特許文献１】特開２００２−３５８９８０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記公報記載のような構造の燃料電池では、集電部材と電極層との接触状態が不良の場合には、燃料電池の性能に悪影響を及ぼすため、集電部材を電極層に押付けるための部材を設けるのが一般的である。しかし、このような押付け部材を設ける場合には、燃料電池スタック全体が厚くなり、重量も増えてしまう。
【０００４】
また、集電部材を電極層に押付けた状態で燃料電池を車載すると、車両の振動により集電部材と電極層との接触部に摩擦が発生し、集電部材が電極層を削ってしまう場合もある。電極層が磨耗した場合には、安定した集電を行うことができない。
【０００５】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、薄型軽量であると共に、燃料電池セルから安定して集電を行うことができる固体酸化物型燃料電池を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る固体酸化物型燃料電池は、固体電解質層を燃料極層と空気極層との電極層により挟持した固体酸化物型燃料電池セルと、固体酸化物型燃料電池セルの厚さ方向に貫通する複数のガス透過孔を有する集電部材とを備え、燃料極層又は空気極層もしくは双方に、集電部材を埋め込んで成る。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、集電部材を電極層に埋め込むため、集電部材を電極層に押付ける部材を設ける必要がなく、また、集電部材と電極層との間の摩擦の発生を防止することができる。したがって、薄型軽量であると共に、燃料電池セルから安定して集電を行うことができる固体酸化物型燃料電池を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【０００９】
図１、２を参照して実施の形態に係る固体酸化物型燃料電池１００について説明する。図１（ａ）は燃料電池１００を示す平面図、図１（ｂ）は燃料電池１００を示す正面図、図１（ｃ）は図１(ａ)におけるｃ−ｃ断面を示す断面図、図２は集電部材を示す平面図である。
【００１０】
固体酸化物型燃料電池（以下、「燃料電池」と称する。）１００は、燃料極支持型の支持膜式であり、固体電解質層１を燃料極層２と空気極層３との電極層により挟持した固体酸化物型燃料電池セル（以下、「燃料電池セル」と称する。）１０と、燃料電池セル１０の厚さ方向に貫通する複数のガス透過孔４ａを有する集電部材としてのスルーホール基板４とを備える。
【００１１】
燃料電池セル１０は、固体電解質層１及び空気極層３と比較して厚さ方向の寸法が大きい燃料極層２が燃料電池１０を支持する支持体として機能し、その燃料極層２の表面上に、薄膜層である固体電解質層１と空気極層３とを順番に積層したものである。なお、固体電解質層１、燃料極層２、及び空気極層３は円板形状である。また、固体電解質層１と燃料極層２との外径はほぼ同一であり、空気極層３の外径は、固体電解質層１及び燃料極層２の外径と比較して小さい。
【００１２】
固体電解質膜１の材料としては、例えば、ＹＳＺ等の安定化ジルコニア、ＳＤＣ等のセリア系固溶体、ＬＳＧＭ等のペロブスカイト型酸化物が用いられる。また、燃料極層２の材料としては、例えば、Ｎｉ−ＹＳＺ等のサーメット材料が用いられる。また、空気極層３の材料としては、例えば、ランタンコバルト系酸化物（Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｏＯ3など）、ランタンマンガン系酸化物（Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ3など）、サマリウムコバルト系酸化物、ランタン鉄系酸化物等のペロブスカイト型酸化物を用いる。
【００１３】
スルーホール基板４は、図２に示すように、導電性とガス透過性とを有するメッシュ状部材であり、本体部４ｂと、その本体部４ｂの厚さ方向に貫通するガス透過孔４ａとからなる。スルーホール基板４は、燃料電池セル１０の厚さ方向とガス透過孔４ａの軸方向とが一致する態様にて、薄膜層である空気極層３に埋め込まれている。したがって、スルーホール基板４のガス透過孔４ａ内には、空気極層３が充填された状態となっている。なお、空気極層３の外径は、スルーホール基板４の奥行方向及び幅方向の寸法よりも小さいため、スルーホール基板４には、空気極層３に埋め込まれていない剥き出しの部分が存在し、その部分から燃料電池セル１０によって発電された電気が取り出される。
【００１４】
スルーホール基板４の厚さ方向の寸法ｄは、薄膜層である空気極層３に埋め込むことを考慮し、０．０２ｍｍ＜ｄ＜０．５ｍｍの範囲に設定されるのが好ましい。スルーホール基板４の寸法ｄが０．０２ｍｍ以下の場合には、スルーホール基板４を空気極層３に埋め込む際の扱いが困難であり、０．５ｍｍ以上の場合には、燃料電池１００が厚くなり薄型軽量の燃料電池を得ることができない。このように、スルーホール基板４も薄膜に形成される。
【００１５】
空気極層３の厚さ方向の寸法が、スルーホール基板４の厚さ方向の寸法ｄよりも大きい場合には、図１（ｃ）に示すように、スルーホール基板４の厚さ方向の断面は、空気極層３に包囲された状態となる。これに対して、空気極層３の厚さ方向の寸法が、スルーホール基板４の厚さ方向の寸法ｄよりも小さい場合には、図３（ｃ）に示すように、スルーホール基板４のガス透過孔４ａ内の一部に空気極層３が充填された状態となり、スルーホール基板４の厚さ方向の断面は、一部が空気極層３に包囲された状態となる。このように、スルーホール基板４は、空気極層３との接触部が、空気極層３に埋め込まれた状態となっている。
【００１６】
スルーホール基板４の材料としては、耐熱性及び導電性を有する金属又は酸化物である。金属材料としては、例えば、ステンレス鋼やインコネルの耐熱金属、又はＮｉ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｆｅを少なくとも１種含む導電性部材が用いられる。
【００１７】
スルーホール基板４は、金属箔をケミカルエッチングしてガス透過孔４ａを形成することによって作製するか、電鋳法にて本体４ｂを成長させガス透過孔４ａを形成することによって作製する。このように、スルーホール基板４を作成することによって、スルーホール基板４における燃料電池セル１０に対峙する面４ｃ、及び面４ｃに対向する面４ｄを平滑な面とすることができる。面４ｃ、４ｄを平滑な面に形成することによって、スルーホール基板４を空気極層３に埋め込み易くなると共に、燃料電池１００を薄くすることができる。
【００１８】
なお、集電部材は、導電性とガス透過性を有するメッシュ状部材であれば、スルーホール基板４以外のどのようなものでもよく、例えば、図４(ａ)に示す金属繊維を圧縮して形成した金属不織布や、図４（ｂ）に示す金属線を織った金網や、図４（ｃ）に示す金属粉体を圧粉して焼成した多孔質の発泡金属等を用いることができる。
【００１９】
以下に、燃料電池１００の製造方法について説明する。まず、支持体として機能する燃料極層２の表面上に固体電解質層１を形成する。次に、固体電解質層１の表面上に、空気極層３の原料である電極微粒子のスラリーを、スクリーン印刷法、グリーンシート法、ディッピング法、ゾルゲル法、ＳＰＤ（スプレー熱分解）法等によって塗布する。
【００２０】
そして、その表面上にスルーホール基板４を載置し、スルーホール基板４の表面上に再度、空気極層３の原料である電極微粒子のスラリーを塗布する。
【００２１】
この状態で、真空、Ｎ2、Ａｒ等の不活性雰囲気中、又はＨ2等の還元性雰囲気中にて焼成する。以上のようにして、空気極層３にスルーホール基板４が埋め込まれた燃料電池１００を得ることができる。
【００２２】
以上の実施の形態に係る燃料電池１００によれば、スルーホール基板４を空気極層３に埋め込むため、スルーホール基板４を空気極層３に押付ける部材を設ける必要がない。また、その空気極層３は、支持体としては用いない薄膜の電極層であり、スルーホール基板４及び空気極層３の双方が薄膜であるため、薄型軽量の燃料電池を得ることができる。
【００２３】
また、スルーホール基板４を空気極層３に埋め込むことで、スルーホール基板４と空気極層３との間の摩擦の発生を防止することができ、また、スルーホール基板４と空気極層３とが接触し易く、かつ両者の接触面積が大きいため、燃料電池セル１０によって発電した電気を安定に効率良く集電することができる。さらに、このように、燃料電池性能が向上するため、燃料電池の低温作動、小型化が可能となる。
【００２４】
なお、図５に示すように、複数の燃料電池１００を、セパレータ５を介して積層することによって燃料電池スタック１０１を得ることができる。燃料電池スタック１０１は、集電部材４を押付ける部材を設ける必要がないため、全体として薄型軽量なものとなる。
【００２５】
本発明の実施の形態の他の態様について説明する。本実施の形態に係る燃料電池１００は、燃料極支持型の支持膜式として説明したが、空気極支持型の支持膜式とすることもできる。その場合には、固体電解質層１を支持しない燃料極層２は薄膜に形成され、その燃料極層２にスルーホール基板４が埋め込まれる。さらに、図６に示すように、電解質支持型の自立膜式とすることもできる。その場合には、燃料極層２と空気極層３とは薄膜に形成され、燃料極層２と空気極層３との双方にスルーホール基板４が埋め込まれる。このように、本発明は、支持体としては用いない電極層、つまり薄膜に形成された電極層に集電部材が埋め込まれるものである。
【実施例】
【００２６】
以下に、本発明の実施例について示す。しかし、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００２７】
（実施例１）
厚さ５０μｍのＳＵＳ４３０泊にケミカルエッチングにて多数のガス透過孔を形成し、スルーホール基板を作製した。そして、そのスルーホール基板を燃料極層の原料であるＮｉ−８ＹＳＺペーストにて、厚さ５００μｍのランタンガレート系電解質（ＬＳＧＭ）基板の一方の面に貼付け、不活性雰囲気中１１００℃にて焼成した。次に、電解質基板の他方の面に、Ｐｔからなるメッシュ状の金網を、空気極層の原料であるＳＳＣ（Ｓｍ、Ｓｒ添加コバルト酸化物）ペーストにて貼付け、大気中８００℃にて焼成した。これにより、両電極層に集電部材を埋め込んだ自立膜式の燃料電池を得ることができた。
【００２８】
（実施例２）
Ｎｉ−８ＹＳＺからなる厚さ５００μｍの燃料極基板表面上に、ＳＰＤ法にて８ＹＳＺ（安定化ジルコニア）／ＳＤＣ（サマリアドープセリア）／ＳＳＣの各層を順番に形成した。そして、電鋳法にて作製したＮｉ―Ｃｏ合金からなる厚さ２０μｍのメッシュ状の金網を空気極層に貼付け、さらに、その金網上にＳＳＣをＳＰＤ法にて塗布した。これにより、空気極層に集電部材が埋め込まれた燃料極支持型の燃料電池を得ることができた。
【００２９】
このように、以上の実施例においては、電極層に集電部材が埋め込まれた薄型軽量の燃料電池を得ることができた。
【００３０】
本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明に係る固体酸化物型燃料電池は、分散電源等、産業用の電源装置に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態に係る燃料電池１００を示す平面図である。（ｂ）同じく燃料電池１００を示す正面図である。（ｃ）図１(ａ)におけるｃ−ｃ断面を示す断面図である。
【図２】集電部材を示す平面図である。
【図３】本発明の実施の形態の他の態様を示す平面図、正面図、及び断面図である。
【図４】集電部材の他の態様を示す平面図である。
【図５】燃料電池１００を積層した状態を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態の他の態様を示す平面図、正面図、及び断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１００  燃料電池
１０１  燃料電池スタック
１  固体電解質層
２  燃料極層
３  空気極層
４  スルーホール基板
４ａ  ガス透過孔
４ｂ  本体部
５  セパレータ
１０  燃料電池セル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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