JP2005129281A - Solid electrolyte fuel battery cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体電解質を用い、電気化学反応により電気エネルギーを得る固体電解質型燃料電池セルに関わり、とくに、電極層から電流を取り出すために用いる集電体と電極層との接触電気抵抗を低減した固体電解質型燃料電池セルに関するものである。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell that uses a solid electrolyte and obtains electric energy by an electrochemical reaction, and in particular, reduces the contact electrical resistance between the current collector and the electrode layer used to extract current from the electrode layer. The present invention relates to a solid oxide fuel cell.
固体電解質型燃料電池は、酸素イオン又はプロトンなどのイオン導電性を有する固体電解質層と、多孔質材料から成り且つ固体電解質層の一方の面に設けた空気極層と、同じく多孔質材料から成り且つ固体電解質層の他方の面に設けた燃料極層を備えると共に、固体電解質層と空気極層と燃料極層で燃料電池セルを構成し、さらに、燃料電池セルとセパレータを交互に積層して燃料電池スタックを構成している。 A solid oxide fuel cell is composed of a solid electrolyte layer having ionic conductivity such as oxygen ions or protons, an air electrode layer formed on one surface of the solid electrolyte layer, and a porous material. And a fuel electrode layer provided on the other surface of the solid electrolyte layer, a fuel cell formed of the solid electrolyte layer, the air electrode layer, and the fuel electrode layer, and the fuel cell and the separator are alternately stacked. It constitutes a fuel cell stack.
セパレータは、酸化性ガスと燃料ガスを分離するものであるが、空気極層と燃料極層を電気的に接続して各燃料電池セルを直列に接続するインターコネクタを兼ねる場合もある。また、空気極層及び燃料極層との間には、各電極層から電流を取り出すための集電体が配置してある。そして、固体電解質型燃料電池は、空気極層側に酸素を含む酸化性ガスを供給すると共に、燃料極層側に水素や炭化水素等を含む燃料ガス(還元性ガス)を供給し、これらのガスが固体電解質層を介して電気化学的に反応することにより起電力を生じるものとなっている。 The separator separates the oxidizing gas and the fuel gas, but may also serve as an interconnector that electrically connects the air electrode layer and the fuel electrode layer to connect the fuel battery cells in series. A current collector for taking out current from each electrode layer is disposed between the air electrode layer and the fuel electrode layer. The solid oxide fuel cell supplies an oxidizing gas containing oxygen to the air electrode layer side and a fuel gas (reducing gas) containing hydrogen or hydrocarbons to the fuel electrode layer side. An electromotive force is generated by the electrochemical reaction of the gas through the solid electrolyte layer.
上記の固体電解質型燃料電池は、例えば家庭用や自動車用の電源としての実用化が図られているが、とくに自動車の電源に用いる場合には、搭載可能な容積が限られていることから、高出力化とともに小型化が要求されている。このような要求に応じるには、出力性能そのものを高めるための手段を追求するだけでなく、出力性能の低下を引き起こす要因をなくすことが重要である。 The above solid oxide fuel cell has been put into practical use as a power source for homes and automobiles, for example, but particularly when used as a power source for automobiles, the volume that can be mounted is limited. Miniaturization is required with high output. In order to meet such demands, it is important not only to pursue means for improving the output performance itself, but also to eliminate factors that cause a decrease in output performance.
ここで、燃料電池の出力性能に影響する要因としては、燃料電池スタックの内部電気抵抗が大きな割合を占めており、この内部電気抵抗の一つとして、電極層から電流を取り出すための集電体と電極層との接触電気抵抗が挙げられる。つまり、燃料電池セルにおける接触電気抵抗が高ければ、燃料電池スタックの内部電気抵抗が高くなり、結果として燃料電池の出力性能が低下する。このため、燃料電池の出力性能の向上には、燃料電池セルにおける集電体と電極層との接触電気抵抗を低減することが必要になっている。 Here, as a factor affecting the output performance of the fuel cell, the internal electrical resistance of the fuel cell stack occupies a large proportion, and as one of the internal electrical resistance, a current collector for taking out current from the electrode layer Contact electric resistance between the electrode layer and the electrode layer. That is, if the contact electrical resistance in the fuel cell is high, the internal electrical resistance of the fuel cell stack is increased, and as a result, the output performance of the fuel cell is lowered. For this reason, in order to improve the output performance of the fuel cell, it is necessary to reduce the contact electric resistance between the current collector and the electrode layer in the fuel cell.
これに対して、従来においては、図8に示すように、固体電解質層101を空気極層102と燃料極層103で挟んで燃料電池セル100を構成し、空気極層102及び燃料極層103の夫々の外側に集電体104,105を配置し、少なくとも空気極層102における集電体104との接触表面に、燃料電池の運転雰囲気において非酸化性を有する金属粉106を点在状態で付着させることにより、空気極層102と集電体104との接触界面における交換電流密度を上昇させ、同界面での接触電気抵抗を低減して出力性能を向上させるものがあった。
しかしながら、上記したような従来の固体電解質型燃料電池にあっては、空気極層と集電体との接触部が点在しているため、双方の有効接触面積が小さく、空気極層と集電体との接触電気抵抗を出力性能に影響を与えない程度まで充分に低減することができないという問題点があり、このような問題点を解決することが課題であった。 However, in the conventional solid oxide fuel cell as described above, since the contact portions between the air electrode layer and the current collector are scattered, the effective contact area of both is small, and the air electrode layer and the current collector are scattered. There is a problem that the contact electrical resistance with the electric body cannot be sufficiently reduced to the extent that the output performance is not affected, and it has been a problem to solve such a problem.
本発明の固体電解質型燃料電池セルは、固体電解質層と、固体電解質層の一方の面に形成した第一の電極層と、固体電解質層の他方の面に形成した第二の電極層を備えた固体電解質型燃料電池セルにおいて、第一及び第二の電極層のうちの少なくとも一方の電極層に集電体を形成した構成としており、電極層と集電体を接合することにより、その接合界面での接触電気抵抗を低減する。 The solid electrolyte fuel cell of the present invention includes a solid electrolyte layer, a first electrode layer formed on one surface of the solid electrolyte layer, and a second electrode layer formed on the other surface of the solid electrolyte layer. In the solid oxide fuel cell, the current collector is formed on at least one of the first and second electrode layers, and the electrode layer and the current collector are joined to each other. Reduce contact electrical resistance at the interface.
また、本発明の燃料電池スタックは、上記の固体電解質型燃料電池セルと、燃料ガスと酸化性ガスを分離するセパレータを交互に積層した構成としており、電極層と集電体との接触電気抵抗を低減した燃料電池セルを採用することにより、当該燃料電池スタックの内部電気抵抗を低減する。 The fuel cell stack of the present invention has a structure in which the solid oxide fuel cell and the separator for separating the fuel gas and the oxidizing gas are alternately stacked, and the contact electric resistance between the electrode layer and the current collector. By adopting the fuel battery cell with reduced, the internal electrical resistance of the fuel cell stack is reduced.
本発明の固体電解質型燃料電池セルによれば、電極層と集電体との間の電気的接合を充分に確保して、その接合界面での接触電気抵抗を低減することができ、この際、接触電気抵抗を出力性能に影響を与えない程度まで充分に低減することができ、これにより当該燃料電池セルを積層して成る燃料電池スタックの内部電気抵抗の低減を実現し、さらには、その燃料電池スタックを構成要素とする燃料電池の出力性能の向上を実現する。また、当該燃料電池セルは、電極層と集電体との接触電気抵抗の低減、すなわち出力性能の低下要因の解消により出力性能の向上をもたらすものであって、構造上の変更はきわめて少ないことから、とくに容積が制限される自動車用電源に用いる場合に、燃料電池全体を小型化することに有効である。 According to the solid oxide fuel cell of the present invention, a sufficient electrical connection between the electrode layer and the current collector can be secured, and the contact electrical resistance at the bonded interface can be reduced. The contact electrical resistance can be sufficiently reduced to the extent that it does not affect the output performance, thereby realizing a reduction in the internal electrical resistance of the fuel cell stack formed by stacking the fuel cells, and further The output performance of the fuel cell having the fuel cell stack as a component is improved. In addition, the fuel cell provides improved output performance by reducing the contact electrical resistance between the electrode layer and the current collector, that is, eliminating the cause of the decrease in output performance, and there are very few structural changes. Therefore, it is effective for reducing the size of the entire fuel cell, particularly when used for an automobile power source whose volume is limited.
本発明の燃料電池スタックによれば、接触電気抵抗を低減した燃料電池セルを用いることにより、内部電気抵抗を充分に低減することができ、当該燃料電池スタックを構成要素とする燃料電池の出力性能の向上を実現することができる。また、当該燃料電池スタックは、内部電気抵抗の低減、すなわち出力性能の低下要因の解消により出力性能の向上をもたらすものであって、構造上の変更はきわめて少ないことから、とくに容積が制限される自動車用電源に用いる場合に、燃料電池を小型化することに有効である。 According to the fuel cell stack of the present invention, by using a fuel cell having a reduced contact electric resistance, the internal electric resistance can be sufficiently reduced, and the output performance of the fuel cell having the fuel cell stack as a constituent element Improvement can be realized. In addition, the fuel cell stack is designed to improve output performance by reducing internal electrical resistance, that is, eliminating the cause of lowering output performance, and the volume of the fuel cell stack is particularly limited because there are very few structural changes. When used for a power source for automobiles, it is effective for downsizing the fuel cell.
本発明の固体電解質型燃料電池セルは、固体電解質層と、固体電解質層の一方の面に形成した第一の電極層と、固体電解質層の他方の面に形成した第二の電極層を備えた固体電解質型燃料電池セルにおいて、第一及び第二の電極層のうちの少なくとも一方の電極層に集電体を形成したものとなっており、より望ましい実施形態としては、集電体に、電極層を露出させる開口部が設けてある構成とし、さらに具体的には、集電体を線状や格子状にパターン形成したり、集電体の開口部を多角形状にしたりすることができる。 The solid electrolyte fuel cell of the present invention includes a solid electrolyte layer, a first electrode layer formed on one surface of the solid electrolyte layer, and a second electrode layer formed on the other surface of the solid electrolyte layer. In the solid oxide fuel cell, the current collector is formed on at least one of the first and second electrode layers, and as a more preferable embodiment, An opening for exposing the electrode layer is provided. More specifically, the current collector can be patterned in a linear or lattice shape, or the current collector can be formed in a polygonal shape. .
そして、当該燃料電池セルは、電極層と集電体を接合することにより、その接合界面での接触電気抵抗を低減することができ、とくに、集電体を線状にパターン形成した場合には、当該燃料電池セルとセパレータを積層した際に集電体同士の間をガス流路として用いることができる。 And the said fuel battery cell can reduce the contact electrical resistance in the joining interface by joining an electrode layer and a collector, especially when the collector is pattern-formed linearly. The current collectors can be used as gas flow paths when the fuel cell and the separator are stacked.
また、集電体を格子状にパターン形成した場合や、集電体の開口部を多角形状にした場合には、集電体を電気的に並列接続した電流経路にして、電流の取り出しに対する電気抵抗をより低減することができ、とくに、集電体の開口部を多角形状にした場合には、各開口部での集電体への距離を等方的にすることが可能となって、より均一な集電機能を発揮することができ、電流の取り出しに対する電気抵抗をより一層低減し得ることとなる。 In addition, when the current collector is patterned in a grid pattern or the current collector has a polygonal opening, a current path is formed by electrically connecting the current collectors in parallel to The resistance can be further reduced, especially when the current collector opening has a polygonal shape, the distance to the current collector at each opening can be made isotropic, A more uniform current collecting function can be exhibited, and the electric resistance against current extraction can be further reduced.
さらに、本発明の燃料電池スタックは、上記の固体電解質型燃料電池セルと、燃料ガスと酸化性ガスを分離するセパレータを積層したものであって、より望ましい実施形態として、線状にパターン形成した集電体を有する固体電解質型燃料電池セルと、セパレータを積層した構成にすることができる。これにより、当該燃料電池スタックは、内部電気抵抗を低減し得るほか、集電体同士の間がガス流路の機能を果たすこととなるので、ガス流路を形成していない平板状のセパレータを用いることができ、これによりセパレータの加工が容易になるとともに構造の簡略化を実現し得ることとなる。 Furthermore, the fuel cell stack of the present invention is a stack of the above solid oxide fuel cell and a separator that separates the fuel gas and the oxidizing gas, and as a more preferred embodiment, a linear pattern is formed. A solid oxide fuel cell having a current collector and a separator can be stacked. As a result, the fuel cell stack can reduce the internal electrical resistance, and the current collector functions as a gas flow path. Therefore, a flat separator having no gas flow path is used. Thus, the separator can be easily processed and the structure can be simplified.
このように、本発明の燃料電池セル及び燃料電池スタックは、電極層と集電体との接触電気抵抗及びスタックの内部電気抵抗の低減を実現し、これらを構成要素とする燃料電池の出力性能の向上を実現し得るものとなる。 As described above, the fuel cell and the fuel cell stack of the present invention realize reduction of the contact electric resistance between the electrode layer and the current collector and the internal electric resistance of the stack, and the output performance of the fuel cell using these as constituent elements. It is possible to realize the improvement.
上記の固体電解質層の材料としては、公知のNd2O3、Sm2O3、Y2O3、Gd2O3及びSc2O3などを固溶した安定化ジルコニア(ZrO2)や、CeO2、Bi2O3及びLaGaO3などを主成分とする固体酸化物を使用することができる。各電極層のうちの燃料極層の材料としては、例えば、Ni−YSZ(Y2O3添加ZrO2)のようなNiと固体電解質材料のサーメット、又はNiやPtなどの金属を使用することができる。他方、空気極層の材料としては、公知のLaMnO3、LaCoO3及びSmCoO3などを主成分とする固体酸化物、又はAgやPtなどの金属を使用することができる。なお、固体電解質層、燃料極層及び空気極層の材料は、上記各例に限定されるものではない。 As a material of the solid electrolyte layer, a stabilized zirconia (ZrO 2 ) in which a known Nd 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Y 2 O 3 , Gd 2 O 3, Sc 2 O 3 or the like is dissolved, A solid oxide containing CeO 2 , Bi 2 O 3, LaGaO 3 or the like as a main component can be used. As the material of the fuel electrode layer of each electrode layer, for example, Ni and solid electrolyte material cermet such as Ni—YSZ (Y 2 O 3 added ZrO 2 ), or metal such as Ni or Pt should be used. Can do. On the other hand, as a material for the air electrode layer, a known solid oxide mainly composed of LaMnO 3 , LaCoO 3 and SmCoO 3 , or a metal such as Ag or Pt can be used. The materials for the solid electrolyte layer, the fuel electrode layer, and the air electrode layer are not limited to the above examples.
燃料極層側の集電体の材料としては、ガス透過性を抑制した、電気抵抗のより低い緻密なものが望ましく、例えばNiと固体電解質材料のサーメットのような燃料極層材料と同じ材料を用いることができる。また、Ni、Pt及びCuなどの低抵抗な金属材料を用いることもでき、且つこれらに限定されるものではない。他方、空気極層側の集電体の材料としては、ガス透過性を抑制した、電気抵抗のより低い緻密なものが望ましく、例えばLaMnO3、LaCoO3及びSmCoO3などを主成分とする固体酸化物のような空気極層材料と同じ材料を用いることができる。また、Ag、Pt及びAuなどの低抵抗で耐酸化性の金属材料を用いることもでき、且つこれらに限定されるものではない。 As the material of the current collector on the fuel electrode layer side, a dense material with suppressed gas permeability and lower electric resistance is desirable. For example, the same material as the fuel electrode layer material such as cermet of Ni and solid electrolyte material is used. Can be used. Moreover, low resistance metal materials, such as Ni, Pt, and Cu, can also be used and it is not limited to these. On the other hand, the material of the current collector on the air electrode layer side is preferably a dense material with suppressed gas permeability and lower electrical resistance. For example, solid oxide mainly composed of LaMnO 3 , LaCoO 3, SmCoO 3, etc. The same material as the air electrode layer material such as an object can be used. Further, a low-resistance and oxidation-resistant metal material such as Ag, Pt, and Au can be used, but is not limited thereto.
集電体の形成方法としては、真空蒸着法やスパッタ法等の気相成膜法やスクリーン印刷法などの各種成膜方法を用いることができる。また、予め作成した集電体と燃料電池セルを貼り合わせる方法を用いることもでき、且つこれらに限定されるものではない。 As a method for forming the current collector, various film forming methods such as a vapor phase film forming method such as a vacuum deposition method and a sputtering method, and a screen printing method can be used. Moreover, the method of bonding together the current collector and the fuel battery cell created in advance can also be used, and is not limited to these.
さらに、各電極層において集電体に被覆された部分へのガス供給は、電極層内でのガス拡散によって行なわれる。この電極層へのガス供給性を考慮して、発電に有効な電極面積を減少させないために、線状、格子状又は開口部が多角形状にパターン形成される集電体の幅は、電極層の厚さの2倍程度を超えないことが望ましい。 Further, the gas supply to the portion of each electrode layer covered with the current collector is performed by gas diffusion in the electrode layer. In consideration of the gas supply capability to this electrode layer, in order not to reduce the electrode area effective for power generation, the width of the current collector in which the linear, grid, or opening is patterned in a polygonal shape is It is desirable not to exceed about twice the thickness.
(実施例1)
図1に示す燃料電池セルC1は、固体電解質層1の一方の面(図中において下面)に、第一電極層である燃料極層2を設けると共に、固体電解質層1の他方の面に、第二電極層である空気極層3を設けたものである。より具体的には、厚さ0.5mmのNi−YSZ製の燃料極層2の上面に、YSZ製の固体電解質層2を厚さ0.01mm程度に形成し、さらに、固体電解質層2の上面に、LSM(Srを添加したLaMnO3)製の空気極層3を厚さ0.05mm程度に形成したものである。そして、空気極層3の上面に、Agを主成分とする集電体4が形成してあり、この実施例では、線状の集電体4が一定間隔で平行にパターン形成してある。
(Example 1)
A fuel cell C1 shown in FIG. 1 is provided with a
燃料極層2の製造方法としては、ガス透過性を確保するための造孔剤としてのカーボン粉とNiO粉とYSZ粉を公知のセラミックス焼成方法に基づいて混合焼成する方法がある。このとき、カーボン粉は燃焼により除去されるため、ガスの透過性は造孔剤の割合によって制御することができ、粒径0.003〜0.01mm程度のカーボン粉を5〜30質量%添加し、大気中において1100℃で仮焼成することにより、発電に必要なガス透過性が確保された燃料極層2を得ることができる。
As a manufacturing method of the
上記の方法で作製した燃料極層2上に、公知のスクリーン印刷法によりYSZ製の固体電解質層1を形成する。すなわち、YSZ原料粉を例えばポリビニルブチラールのような有機材料を用いてペースト化し、これを燃料極層2にスクリーン印刷し、大気中において1400℃で5時間程度焼成して固体電解質層1を形成する。なお、固体電解質層1の焼成と同時に燃料極層2も本焼成される。この際、ペーストの粘度や印刷時の圧力などにより、固体電解質層1の膜厚を制御することができる。
A
次に、固体電解質層1の形成方法と同様に、LSM原料粉をペースト化し、これを固体電解質層1にスクリーン印刷後、例えば大気中において1100℃で2時間程度焼成して多孔性の空気極層3を形成する。これにより、燃料極支持型の燃料電池セルC1を得ることができる。そして、上記のように作製した燃料電池セルC1の空気極層3上に、スクリーン印刷法によってAgペーストをパターン印刷し、大気中において850℃で30分間程度焼成することにより線状の集電体4を形成する。
Next, similarly to the method for forming the
上記の燃料電池セルC1は、空気極層3と集電体4との間の電気的接合が充分に確保されたものとなっていて、その接合界面での接触電気抵抗を出力性能に影響を与えない程度まで充分に低減することができる。また、燃料電池セルC1は、図示しないセパレータと交互に積層することで燃料電池スタックを構成することとなり、これにより燃料電池スタックの内部電気抵抗を低減し、さらに燃料電池の出力性能の向上を実現すると共に、とくに線状にパターン形成した集電体4を採用したため、集電体4同士の間をガス流路として用いることができ、ガス流路を形成していない平板状のセパレータを採用することが可能となって、構造の簡略化にも貢献し得るものとなる。
In the fuel cell C1, the electrical junction between the
(実施例2)
図2に示す燃料電池セルC2は、実施例1と同様の方法で、Ni−YSZ製の燃料極層2、YSZ製n固体電解質層1、及びLSM製の空気極層3を形成した後、Ag製の集電体4をスクリーン印刷法により形成したものであって、とくに、集電体4が、所定間隔で平行配置した横線部分とこれらに交差する少なくとも一本の縦線部分を有する線状にパターン形成してある。このように集電体4を縦横に交差する線状にパターン形成することで、集電体4が電気的に並列接続された電流経路となり、電流の取り出しに対する電気抵抗をより低減し得るものとなる。
(Example 2)
The fuel cell C2 shown in FIG. 2 is formed in the same manner as in Example 1, after forming the
(実施例3)
図3に示す燃料電池セルC3は、実施例1と同様の方法で、Ni−YSZ製の燃料極層2、YSZ製の固体電解質層1、及びLSM製の空気極層3を形成した後、Ag製の集電体4をスクリーン印刷法により形成したものであって、とくに、集電体4が、格子状にパターン形成してある。このように集電体4を格子状にパターン形成することで、集電体4が電気的に並列接続された電流経路となり、実施例2と同様に、電流の取り出しに対する電気抵抗をより一層低減し得るものとなる。
(Example 3)
The fuel cell C3 shown in FIG. 3 was formed in the same manner as in Example 1, after forming the
(実施例4)
図4に示す燃料電池セルC4は、実施例1と同様の方法で、Ni−YSZ製の燃料極層2、YSZ製の固体電解質層1、及びLSM製の空気極層3を形成した後、Ag製の集電体4をスクリーン印刷法により形成したものであって、とくに、集電体4が、その開口部が正六角形となるようにパターン形成してある。このように、集電体4の開口部を正六角形にパターン形成することで、各開口部での集電体4への距離がより等方的となり、より均一な集電機能を発揮できるため、電流の取り出しに対する電気抵抗をより低減し得るものとなる。
Example 4
After the fuel cell C4 shown in FIG. 4 is formed in the same manner as in Example 1, the
(実施例5)
実施例1と同様の方法で、Ni−YSZ製の燃料極層、YSZ製の固体電解質層、及びLSM製の空気極層を形成した後、集電体として、公知のテープキャスト法によって空気極層と同様のLSMから成るグリーンシートを形成し、このグリーンシートを積層し且つ焼成することで所定のパターンに形成した。なお、集電体は、実施例1〜4と同様に、線状、縦横に交差する線状、格子状及び開口部が正六角形を成す形状や、それ以外の多角形状を成すように形成することができる。この実施例においても、先の実施例と同様の効果を得ることができる。
(Example 5)
After forming the fuel electrode layer made of Ni-YSZ, the solid electrolyte layer made of YSZ, and the air electrode layer made of LSM in the same manner as in Example 1, the current collector was used as a current collector by a known tape casting method. A green sheet made of LSM similar to the layer was formed, and this green sheet was laminated and fired to form a predetermined pattern. The current collector is formed so as to form a line, a line intersecting vertically and horizontally, a lattice, and a shape in which the opening forms a regular hexagon, and other polygonal shapes, as in Examples 1 to 4. be able to. Also in this embodiment, the same effect as in the previous embodiment can be obtained.
(実施例6)
図5に示す燃料電池セルC5は、厚さ0.5mmのLSGM(Sr、Mg添加LaGaO3)製の固体電解質層1における一方の面に、Ni−SDC(Sm添加CeO2)製の燃料極層2を厚さ0.05mm程度に形成し、他方の面に、SSC(Sr添加SmCoO3)製の空気極層3を厚さ0.05mm程度に形成したものである。そして、燃料極層2の表面に、緻密なNi−SDCから成る集電体4Aが線状にパターン形成してあると共に、空気極層3の表面に、緻密なSSCから成る集電体4Bが線状にパターン形成してある。
(Example 6)
The fuel cell C5 shown in FIG. 5 has a fuel electrode made of Ni-SDC (Sm-added CeO 2 ) on one surface of the
この実施例では、公知のセラミックス技術を用いて作製したLSGM製の固体電解質層1の一方の面に、スクリーン印刷法によりNi−SDC層を形成し、且つ焼成して厚さ0.05mm程度の燃料極層2を形成した。同様に、固体電解質層1の他方の面に、スクリーン印刷法によりSSC層を形成し、且つ焼成して厚さ0.05mm程度の空気極層3を形成した。
In this embodiment, a Ni-SDC layer is formed by screen printing on one surface of a
また、燃料極層2の集電体4Aは、テープキャスト法によって燃料極層2と同様のNi−SDCから成る厚さ0.5mmのグリーンシートを形成し、これを所定のパターンに形成し、さらに上記グリーンシートを積層して焼成することでパターン形成してある。空気極層3側の集電体4Bは、同様に、テープキャスト法によって空気極層3と同様のSSCから成る厚さ0.5mmのグリーンシートを形成し、これを所定のパターンに形成し、さらに上記グリーンシートを積層して焼成することでパターン形成してある。このようにして、燃料極層2と空気極層3の両方に集電体4A,4Bを形成した。この実施例においても、燃料極層2と空気極層3の両方において、集電体4A,4Bとの充分な電気的接合が得られ、その接合界面での接触電気抵抗を充分に低減することができる。
Further, the
(実施例7)
図6に示す燃料電池スタックS1は、実施例1〜5(図1〜図4参照)のいずれかにおいて作製した燃料電池セルCと、燃料ガスと酸化性ガスを分離するセパレータ5とを交互に積層したものである。セパレータ5は、インコネル等の耐熱性金属製であって、一方の面に、上段の燃料電池セルCの燃料極層2に当接する突部5aが形成してあると共に、他方の面に、下段の燃料電池セルCの集電体4に当接する突部5bが形成してあり、上下の燃料極層2及び空気極層3との間にガス流路6A,6Bを形成する。なお、最上段及び最下椴のセパレータ5は、スタック内部側のみに突部を有するものでよい。セパレータ5の突部5a,5bは、ガス流路を形成し得るように所定の方向に連続しており、例えば機械加工により形成することができる。
(Example 7)
A fuel cell stack S1 shown in FIG. 6 has fuel cells C produced in any of Examples 1 to 5 (see FIGS. 1 to 4) and
この実施例においては、五枚の燃料電池セルCを備えた燃料電池スタックS1を600℃に保持した電気炉内に設置し、酸化性ガスとして空気を供給すると共に、燃料として水素ガスを供給して発電特性を評価した。また、比較例として、従来の多孔質集電体を用いて、本発明の集電体を具備しない燃料電池セルから成る燃料電池スタックを作成し、本実施例の燃料電池スタックS1と比較例の燃料電池スタックの出力特性を比較した。 In this embodiment, a fuel cell stack S1 having five fuel cells C is installed in an electric furnace maintained at 600 ° C., and air is supplied as an oxidizing gas and hydrogen gas is supplied as a fuel. The power generation characteristics were evaluated. In addition, as a comparative example, a conventional porous current collector was used to create a fuel cell stack composed of fuel cells not equipped with the current collector of the present invention, and the fuel cell stack S1 of this example and the comparative example were compared. The output characteristics of the fuel cell stack were compared.
その結果、0.2A/cm2の電流密度において、実施例の燃料電池スタックS1の出力電圧はセル当たり0.65Vであり、他方、比較例の燃料電池スタックの出力電圧はセル当たり0.60Vであって、実施例の燃料電池スタックS1の方が高い出力電圧となった。すなわち、この実施例においては、電流密度0.2A/cm2での出力密度が、0.12W/cm2から0.13W/cm2に10%弱向上した。この効果は、より電流密度の高い運転条件で顕著であって、高性能の燃料電池スタックS1を提供できることが確認できた。 As a result, at a current density of 0.2 A / cm 2 , the output voltage of the fuel cell stack S1 of the example is 0.65 V per cell, while the output voltage of the fuel cell stack of the comparative example is 0.60 V per cell. The fuel cell stack S1 of the example had a higher output voltage. That is, in this embodiment, the current output density at a density 0.2 A / cm 2 was increased nearly 10% from 0.12 W / cm 2 to 0.13 W / cm 2. This effect is remarkable under operating conditions with higher current density, and it was confirmed that a high-performance fuel cell stack S1 can be provided.
(実施例8)
図7に示す燃料電池スタックS2は、実施例6(図5参照)において作成した燃料電池セルC5と、燃料ガスと酸化性ガスを分離するセパレータ5とを交互に積層したものである。セパレータ5は、ガス流路を形成していない平板状の耐熱性金属板である。つまり、この実施例では、燃料電池セルC5の両側にパターン形成した集電体4A,4Bが線状を成すものであることから、集電体4A,4Bがガス流路6A,6Bを形成する機能を有している。この実施例にあっても、実施例7の場合と同様に比較例とともに発電特性を評価した結果、高性能の燃料電池スタックS2を提供できることが確認できた。
(Example 8)
The fuel cell stack S2 shown in FIG. 7 is obtained by alternately stacking the fuel cell C5 prepared in Example 6 (see FIG. 5) and the
1 固体電解質層
2 燃料極層(第一の電極層)
3 空気極層(第二の電極層)
4 4A 4B 集電体
5 セパレータ
C C1〜C5 燃料電池セル
S1 S2 燃料電池スタック
1
3 Air electrode layer (second electrode layer)
4
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