JP6340977B2

JP6340977B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP6340977B2
Application number: JP2014147086A
Authority: JP
Inventors: 豪今村; 杉原　真一; 真一杉原; 佑輝向原
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-07-17
Filing date: 2014-07-17
Publication date: 2018-06-13
Anticipated expiration: 2034-07-17
Also published as: JP2016024908A

Description

本発明は、固体酸化物で構成された電解質を用いた固体酸化物型の燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）に関するものである。

特許文献１には、固体酸化物で構成された電解質、燃料極および酸化剤極を有する単セルと、単セルの燃料極の表面に接して配置され、単セルから電力を集電する集電体とを備え、この集電体として、Ｎｉで構成されたメッシュを用いた燃料電池が記載されている。

この従来技術の燃料電池では、燃料極は、ＮｉとＹＳＺのサーメット（複合材料）で構成されている。したがって、集電体は、燃料極中の金属成分と同じ金属材料で構成されている。

特開平８−４５５１６号公報

上記した従来技術は、集電体として、線材と線材との間に空隙を有するメッシュを採用することで、反応ガスの透過性機能を持たせている。

また、上記した従来技術では、集電体を構成する材料として、燃料極を構成する複合材料中の金属材料と同じ金属材料を用いているので、長期間にわたって、集電体と単セルとの間の良好な導電性を維持でき、安定な集電を維持できる。

ここで、集電体を構成する材料が、燃料極を構成する複合材料中の金属材料と異なる金属材料である場合、集電体と燃料極とが長期間接触した状態となるため、集電体と燃料極との間で金属間化合物が生成したり、イオン化傾向が異なることで腐食が生じたりする等により、集電体と燃料極との間の接触抵抗が大きくなってしまう可能性が高い。

これに対して、集電体を構成する材料が、燃料極を構成する複合材料中の金属材料と同じ金属材料であれば、集電体と燃料極との間で金属間化合物が生成したり、腐食が生じたりする等がなく、燃料極に対する化学的安定性が高くなる。このため、長期間にわたって、集電体と燃料極との間の接触抵抗を小さな状態に維持でき、集電体と単セルとの間の良好な導電性を維持できる。

しかし、一般的に、燃料極を構成する複合材料中のＮｉ等の金属材料は、熱伝導性が悪い（熱伝導率が低い）。このため、単セルでの発電反応に伴って単セルに温度分布が生じたときに、この温度分布が大きくなり、すなわち、最大温度と最小温度の差が大きくなり、熱応力によってセル破損が生じてしまうおそれがある。

本発明は上記点に鑑みて、集電体と単セルとの間の良好な導電性を維持しつつ、単セルに生じる温度分布を小さくできる燃料電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、
固体酸化物で構成された電解質（２１）、電解質の一方の側に配置された酸化剤極（２２）および電解質の他方の側に配置された燃料極（２３）を有する単セル（２）と、
燃料極の表面に接して配置され、単セルから電力を集電する集電体（６）とを備え、
燃料極は、金属材料と固体酸化物の複合材料で構成され、
集電体は、複合材料中の金属材料と同じ金属材料で構成された第１線材（６１）と、第１線材よりも熱伝導性が高い材料で構成された第２線材（６２）とを用いて、空隙を有するように成形された成形体（６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ、６Ｅ）によって構成されており、
成形体は、第１線材と第２線材の両方を用いて網目状に織られた１層のメッシュ（６Ａ）もしくは１層のメッシュが複数積層されたものであることを特徴としている。

このように、本発明では、集電体として、第１線材と第２線材とを用いて成形した成形体を採用している。第１線材は、燃料極を構成する複合材料中の金属材料と同じ金属材料で構成されており、燃料極に対する化学的安定性が高いので、第１線材が燃料極に接触することで、集電体とセルとの間の接触抵抗を小さな状態に長期間維持できる。さらに、第２線材は、第１線材よりも熱伝導性が高いので、集電体のうち第２線材が存在する領域にわたって、熱を拡散させることができる。

よって、本発明によれば、集電体と単セルとの間の良好な導電性を維持しつつ、単セルに生じる温度分布を小さくできる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

第１実施形態における単セル、集電体およびセパレータの断面図である。第１実施形態における集電体の平面図である。第２実施形態における集電体の断面図である。図３の集電体の分解斜視図である。図３中の第１メッシュの平面図である。図３中の第２メッシュの平面図である。第３実施形態における集電体の断面図である。図７の集電体の分解斜視図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
図１に示す本実施形態の燃料電池１は、固体酸化物型の燃料電池（ＳＯＦＣ）である。この燃料電池１は、燃料ガスと酸化剤ガス（本実施形態では空気）との電気化学反応により電気エネルギを出力する平板状の単セル２を、セパレータ３を介して、複数積層した平板積層型のスタック構造で構成されている。なお、図１では、１つの単セル２と、それを挟んで配置された２つのセパレータ３とを示している。

単セル２は、一面（本実施形態では上面）２１ａと他面（本実施形態では下面）２１ｂを有する平板状の電解質２１と、電解質２１の一面２１ａ側に設けられた平板状の酸化剤極（本実施形態では空気極）２２と、電解質２１の他面２１ｂ側に設けられた平板状の燃料極２３とを備えている。このように、単セル２は、電解質２１の両側に空気極２２と燃料極２３とが配置されている。なお、空気極２２がカソード電極であり、燃料極２３がアノード電極である。

電解質２１は、酸化物イオンを空気極２２側から燃料極２３側へ伝導する機能を有する酸化物イオン伝導体である固体酸化物（セラミックス）で構成されており、具体的には、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）で構成されている。電解質２１の一面２１ａおよび他面２１ｂが、電解質２１の平行な２つの主表面である。

空気極２２は、反応ガス（酸化剤ガス）を電解質２１まで通すことが可能な導電性を有する多孔質体で構成されており、具体的には、ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物（ＬＳＣＦ）で構成されている。空気極２２は、電解質側とは反対側に、電解質２１の一面２１ａに平行な電極表面（空気極表面）２２ａを有している。

燃料極２３は、反応ガス（燃料ガス）を電解質２１まで通すことが可能な導電性を有する多孔質体で構成されており、金属材料と固体酸化物の複合材料で構成されている。具体的には、本実施形態の燃料極２３は、ニッケル（Ｎｉ）とイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）のサーメット（Ｎｉ−ＹＳＺ）で構成されている。燃料極２３は、電解質側とは反対側に、電解質２１の他面２１ｂに平行な電極表面（燃料極表面）２３ａを有している。

セパレータ３は、隣り合う単セル２の間に配置されている。セパレータ３は、単セル２へ反応ガスを供給するためのガス流路４、５を有するとともに、隣り合う単セル２同士を電気的に接続するものである。空気極２２側に位置するガス流路が空気流路４であり、燃料極２３側に位置するガス流路が燃料ガス流路５である。セパレータ３は、ステンレス等の金属材料で構成されており、隣り合う単セル２の電極同士を電気的に接続している。セパレータ３は、導電性セラミックス等の金属材料以外の導電性材料で構成されていてもよい。

また、単セル２の燃料極表面２３ａには、集電体６が燃料極表面２３ａに接して配置されている。集電体６は、単セル２から電力（電圧、電流）を集電するものである。本実施形態では、集電体６は、燃料極２３とセパレータ３との間に位置しており、両者を電気的に接続している。集電体６は、セパレータ３の燃料ガス流路５から燃料極２３へ燃料ガスを供給するためにガス透過性機能を有している。

図２に示すように、集電体６は、第１線材６１と第２線材６２とを用いて、空隙を有するように成形された成形体６Ａによって構成されている。この成形体６Ａは、第１線材６１と第２線材６２の一方を縦線とし他方を横線として用いて、網目状に織られた１層のメッシュである。より具体的には、この成形体６Ａは、第１線材６１を図２における縦線とし、第２線材６２を図２における横線として用い、一本ずつ相互に交わらせた平織のメッシュである。

第１線材６１は、燃料極２３を構成する複合材料中の金属材料と同じ金属材料であるＮｉで構成されている。第２線材６２は、第１線材６１よりも熱伝導性が高い材料であるＣｕで構成されている。なお、Ｃｕの３００Ｋでの熱伝導率は、４０１Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１であり、Ｎｉの３００Ｋでの熱伝導率は、９０．９Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１である。第１線材６１と第２線材６２は、どちらも、断面円形状であり、第１線材６１の線径（平均径）と第２線材６２の線径（平均径）は同じである。本実施形態では、第１線材６１と第２線材６２の両方が、燃料極２３とセパレータ３に接触している。

集電体６は、線材と線材との間に空隙を有するメッシュ６Ａであるので、反応ガスの透過性機能を有している。また、この集電体６は、熱膨張率が異なる第１、第２線材６１、６２を用いて織られたメッシュ６Ａであるので、第１、第２線材６１、６２のそれぞれが膨張、収縮の際に、第１、第２線材６１、６２の一方が他方を締め付けるように作用する。このため、第１、第２線材６１、６２同士は常に接触した状態となり、集電体６内部の導電性を良好にできる。

このように構成される本実施形態の燃料電池１では、セパレータ３の空気流路４を空気が流れることで単セル２の空気極２２に空気中の酸素が供給され、燃料ガス流路５を燃料ガスが流れることで単セル２の燃料極２３に燃料ガスが供給される。

燃料ガスとして水素が供給されることで、以下の反応式（１）、（２）に示す電気化学反応により、電気エネルギが出力される。
〈燃料極（アノード）〉
２Ｈ_２＋２Ｏ_２ ⁻→２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻・・・（１）
〈空気極（カソード）〉
Ｏ_２＋４ｅ⁻→２Ｏ^２−・・・（２）
また、燃料ガスとして一酸化炭素（ＣＯ）が供給されることで、以下の反応式（３）、（４）に示す電気化学反応により、電気エネルギが出力される。
〈燃料極（アノード）〉
２ＣＯ＋２Ｏ^２−→２ＣＯ_２＋４ｅ⁻・・・（３）
〈空気極（カソード）〉
Ｏ_２＋４ｅ⁻→２Ｏ^２−・・・（４）
以上の説明の通り、本実施形態では、集電体６として、第１線材６１を縦線に用い、第２線材６２を横線に用いて、網目状に織られた１層のメッシュ６Ａを採用している。第１線材６１は、燃料極２３を構成する複合材料中の金属材料と同じ金属材料で構成されているので、燃料極２３に対する化学的安定性が高い。このため、第１線材６１が燃料極２３に接触することで、集電体６と単セル２との間の接触抵抗を小さな状態に長期間維持できる。さらに、第２線材６２は、第１線材６１よりも熱伝導性が高いので、第２線材６２によって、集電体６のうち第２線材６２が存在する領域にわたって、単セル２の熱を拡散させることができる。

よって、本実施形態によれば、集電体６と単セル２との間の良好な導電性を維持しつつ、単セル２に生じる温度分布を小さくできる。

さらに、本実施形態のメッシュ６Ａは、第１線材６１を縦線のみに用い、第２線材６２を横線のみに用いて織られたものである。このため、本実施形態の集電体６における熱の拡散方向を、横線の延伸方向に規定することができる。

なお、メッシュ６Ａは、第１線材６１を縦線と横線の両方に用い、第２線材６２を横線のみに用いて織られたものであってもよい。また、上記した縦線と横線を入れ替えてもよい。すなわち、第１線材６１を縦線と横線の一方のみもしくは両方に用い、第２線材６２を縦線と横線の他方のみに用いればよい。第２線材６２を縦線と横線の片方のみに用いることで、集電体６における熱の拡散方向を一方向に規定することができる。

また、本実施形態と異なり、集電体６をＣｕで構成された第２線材６２のみで成形した１層のメッシュで構成した場合、Ｃｕはクリープ強度が低いため、発電によって単セル２が高温になると、第２線材６２が変形して第２線材６２と燃料極２３との間に隙間が生じ、燃料極２３と集電体６との接触面積が小さくってしまう。このため、単セル２と集電体６との間の導電性が悪化してしまう。

これに対して、本実施形態では、集電体６を、Ｃｕで構成された第２線材６２と、Ｃｕよりもクリープ強度が高いＮｉで構成された第１線材６１とを用いて織られた１層のメッシュ６Ａで構成している。これにより、本実施形態によれば、集電体６を第２線材６２のみで成形した１層のメッシュで構成した場合と比較して、燃料極２３と集電体６との接触面積の減少を抑制でき、単セル２と集電体６との間の導電性の悪化を抑制できる。

なお、本実施形態では、第１線材６１の線径と第２線材６２の線径は同じであったが、Ｎｉで構成された第１線材６１の線径を太くし、Ｃｕで構成された第２線材６２の線径を細くしてもよい。この場合、第２線材６２が曲がりやすいので、メッシュ６Ａの燃料極２３側の最表面位置に主として第１線材６１が位置するように、メッシュ６Ａを織ることが可能となる。すなわち、集電体６における燃料極２３との接触面を、主として第１線材６１に規定することが可能となる。

（第２実施形態）
本実施形態は、第１実施形態の燃料電池１に対して、集電体６の構造を変更したものであり、その他の構成は、第１実施形態と同じである。

図３、４に示すように、本実施形態の集電体６は、平板状の第１メッシュ６Ｂと平板状の第２メッシュ６Ｃとが１層ずつ積層されたものである。

図５に示すように、第１メッシュ６Ｂは、第１線材６１と第２線材６２のうち第１線材６１のみを用いて網目状に織られたメッシュである。第１メッシュ６Ｂは、第１実施形態のメッシュ６Ａと同じ平織である。

図６に示すように、第２メッシュ６Ｃは、第１線材６１と第２線材６２のうち第２線材６２のみを用いて網目状に織られたメッシュである。第２メッシュ６Ｃは、第１実施形態のメッシュ６Ａと同じ平織である。

本実施形態の集電体６は、第１メッシュ６Ｂが、集電体６の燃料極２３側に配置されて、燃料極２３と接触する。また、第２メッシュ６Ｃが、集電体６のセパレータ３側に配置されて、セパレータ３と接触する。

このように、本実施形態では、Ｎｉで構成された第１メッシュ６Ｂを燃料極２３に接触させるので、集電体６と単セル２との間の接触抵抗を小さな状態に長期間維持できる。また、Ｃｕで構成された第２メッシュ６Ｃによって、第２メッシュ６Ｃの全域にわたって、単セル２の熱を拡散させることができる。

よって、本実施形態においても、集電体６と単セル２との間の良好な導電性を維持しつつ、単セル２に生じる温度分布を小さくできる。

特に、本実施形態では、燃料極２３に対する化学的安定性が高く、Ｃｕよりもクリープ強度が高いＮｉで構成された第１線材６１のみを燃料極２３に接触させるので、Ｃｕで構成された第２線材６２が燃料極２３と接触する場合よりも、集電体６と単セル２との間の接触抵抗を小さな状態に長期間維持できるという効果が高い。

また、本実施形態では、第２メッシュ６Ｃの大きさを任意に変更することが可能である。このため、燃料極２３の一部の領域のみと対向させて、第２メッシュ６Ｃを配置することも可能である。

なお、本実施形態では、第１メッシュ６Ｂと第２メッシュ６Ｃの２層構造としたが、第１メッシュ６Ｂ、第２メッシュ６Ｃ、第１メッシュ６Ｂの順に積層した３層構造としてもよく、第１メッシュ６Ｂと第２メッシュ６Ｃの積層数をさらに増やしても良い。

（第３実施形態）
本実施形態は、第１実施形態の集電体６の構造を変更したものであり、その他の構成は、第１実施形態と同じである。

図７、８に示すように、本実施形態の集電体６は、扁平な筒状とされた第１メッシュ６Ｄの内部に、平板状の第２メッシュ６Ｅが挿入されたものである。第１メッシュ６Ｄ、第２メッシュ６Ｅは、それぞれ、第２実施形態の第１メッシュ６Ｂ、第２メッシュ６Ｃに対応するものである。

図７に示すように、集電体６は、第２メッシュ６Ｅが存在する部位では、第１メッシュ６Ｄ、第２メッシュ６Ｅ、第１メッシュ６Ｄが順に積層された構造であり、第１メッシュ６Ｄが集電体６の外側に配置され、第２メッシュ６Ｅが集電体６の内部に配置されている。このため、集電体６は、第１メッシュ６Ｄが燃料極２３と接触する。このように、第２実施形態と同様に、集電体６が第１メッシュ６Ｄと第２メッシュ６Ｅの積層構造を有しているので、本実施形態においても、第２実施形態と同様の効果を奏する。

（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、下記のように、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

（１）第１実施形態では、集電体６を１層のメッシュ６Ａで構成したが、集電体６を同じ構造のメッシュ６Ａを複数積層した構成としてもよい。

（２）第１実施形態では、第２線材６２をメッシュ６Ａの縦線と横線の片方のみに用いたが、縦線と横線の両方に用いてもよい。この場合、集電体６における熱の拡散方向を一方向および一方向に交差する他方向とすることができる。

（３）上記各実施形態では、集電体６として、第１線材６１と第２線材６２とを用いて網目状に織ったメッシュ６Ａ〜６Ｅを採用したが、第１線材６１および第２線材６２の線材を織らずに、線材同士を接合したり、絡み合わせたりすることで、空隙を有するように固定して集電体６の形状に成形したものを採用してもよい。例えば、１本もしくは複数本の第１線材６１と１本もしくは複数本の第２線材６２とを、くしゃくしゃに折り曲げて、交差する線材同士を接合させたり、絡み合わせたりして、成形した成形体を採用しても良い。この場合、空隙は、第１線材と第２線材に囲まれて形成されたり、第１線材のみに囲まれて形成されたり、第２線材のみに囲まれて形成されたりする。要するに、空隙は、第１線材と第２線材とを包含する複数の線材における線材同士の間に形成される。

（４）上記各実施形態では、単セル２の形状が平板である平板型の単セル２を備える燃料電池１に対して、本発明を適用したが、円筒型等の他の形状の単セルを備える燃料電池においても、本発明の適用が可能である。要するに、本発明は、単セルの燃料極の表面に接して配置された集電体を備える燃料電池に適用可能である。

（５）上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

１燃料電池
２単セル
２１電解質
２２空気極
２３燃料極
６集電体
６１第１線材
６２第２線材

Claims

固体酸化物で構成された電解質（２１）、前記電解質の一方の側に配置された酸化剤極（２２）および前記電解質の他方の側に配置された燃料極（２３）を有する単セル（２）と、
前記燃料極の表面（２３ａ）に接して配置され、前記単セルから電力を集電する集電体（６）とを備え、
前記燃料極は、金属材料と固体酸化物の複合材料で構成され、
前記集電体は、前記複合材料中の金属材料と同じ金属材料で構成された第１線材（６１）と、前記第１線材よりも熱伝導性が高い材料で構成された第２線材（６２）とを用いて、空隙を有するように成形された成形体（６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ、６Ｅ）によって構成されており、
前記成形体は、前記第１線材と前記第２線材の両方を用いて網目状に織られた１層のメッシュ（６Ａ）もしくは前記１層のメッシュが複数積層されたものであることを特徴とする燃料電池。
前記成形体は、前記第１線材と前記第２線材とを包含する複数の線材における前記線材同士の間に、前記空隙を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記１層のメッシュは、前記第２線材を縦線と横線の片方のみに用いたものであることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
前記燃料極を構成する複合材料は、ＮｉとＹＳＺであり、
前記第１線材を構成する金属材料は、Ｎｉであり、
前記第２線材を構成する材料は、Ｃｕであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池。