JP6125941B2 - 燃料電池セル及び燃料電池セルスタック - Google Patents

Description

本発明は、燃料極、空気極及び電解質層を有する平板状部材として構成される燃料電池セル、及びその燃料電池セルを備えた燃料電池セルスタックに関するものである。

従来より、発電装置の一種である燃料電池として、例えば固体電解質層（固体酸化物層）を備えた固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell ；ＳＯＦＣ）が知られている。固体酸化物形燃料電池は、エネルギー変換効率が５０％以上と非常に高く、かつ、小型化が可能であるため、家庭用コジェネレーションシステムや自動車の動力源として開発が行われている。

具体的には、固体酸化物形燃料電池は、燃料ガスに接する燃料極と酸化剤ガスに接する空気極とが固体電解質層の両側に配置された平板状の燃料電池セルを備えている（例えば、特許文献１参照）。なお、燃料ガスは水素を生成するためのものであり、酸化剤ガスは酸素を生成するためのものである。そして、水素と酸素とが固体電解質層を介して反応（発電反応）することにより、空気極を正極、燃料極を負極とする直流の電力が発生するようになっている。

また、特許文献１に開示されている固体酸化物形燃料電池では、燃料極及び空気極の各電極の表面において、導電性細条が連続して設けられている。この燃料電池では、導電性細条を通って電子が電極と平行に流れる。つまり、導電性細条が集電体として機能して平面方向の抵抗が低くなる。このため、各電極で発生した電流は、電極と平行な方向に電圧ロスなく流れるようになっている。

特開平４−２９８９６３号公報

ところで、上述した固体酸化物形燃料電池において良好な発電特性を引き出すためには、高温で作動させる必要がある。この場合、発電時の発熱によって燃料電池セルを構成する金属部材やセラミック部材などが膨張し、それら部材の熱膨張差によって部材が反ってしまうことが考えられる。そして、その反りによって、例えば電極と集電体との間の一部、特に電極のコーナー部において剥離が発生してしまうことがある。この結果、集電体と電極とを通じて三相界面（反応ガスと電極と固体電解質層との界面）に至るまでの電気抵抗（以下集電抵抗という）が大きくなり、また接触している部分にて電流集中が起こることでセル電圧が大きく低下してしまうといった問題が生じる。

また、特許文献１のように、電極の全体に格子状の導電層（導電性細条）を設置すると、ガス拡散性の低下によって抵抗が増大し、電圧ロスが大きくなってしまうといった問題が生じる場合がある。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、電極と集電体との一部が離間した場合でも、セル特性の悪化を回避することができる燃料電池セルを提供することにある。また、別の目的は、上記燃料電池セルを用い、電圧ロスがなく効率よく発電することができる燃料電池セルスタックを提供することにある。

そして上記課題を解決するための手段（手段１）としては、集電のための複数の突起を有する集電体に隣接して配置され、燃料極、空気極及び電解質層を有する平板状部材として構成され、前記燃料極及び前記空気極のうちの少なくとも一方の電極の表面上に、前記集電体の複数の突起が接触しうる集電体接触部位が散点状に設定された燃料電池セルであって、前記電極の表面上に設けられた導電層を備え、前記導電層は、複数の前記集電体接触部位の内部領域に各々設けられ、前記集電体の突起が当接する当接パッド部と、隣接する前記集電体接触部位の当接パッド部間を繋げるように設けられる結線部とを有し、前記当接パッド部の幅よりも前記結線部の幅が狭くなっていることを特徴とする燃料電池セル。

手段１に記載の発明によると、燃料極、空気極及び電解質層によって平板状部材として燃料電池セルが構成されている。このため、燃料電池セルの発電時には、構成部材の熱膨張差に基づいて燃料電池セルが変形し、そのセルの熱変形によって電極の特定部分に反りが生じることがある。そして、電極の反りによって特定部位に位置する集電体接触部位から集電体の突起が離間し、それらの接触がとれなくなる場合がある。本発明の燃料電池セルでは、電極の表面上における複数の集電体接触部位の内部領域に当接パッド部が各々設けられるとともに、隣接する集電体接触部位の当接パッド部間を繋げるように結線部が設けられている。従って、電極の反りによって特定部位の集電体接触部位と集電体の突起との接触がとれなくなった場合でも、それと隣接する集電体接触部位の当接パッド部や結線部を通じて十分な集電能力を確保することができる。また、導電層における結線部は、集電体接触部位の内部領域に設けられる当接パッド部よりも幅が狭いため、ガス拡散性の低下によるセル特性の低下を抑制することができる。このため、本発明の燃料電池セルを用いて燃料電池を構成すると、電圧ロスがなく効率よく発電することができる。

導電層を構成する結線部は、電極における特定部位に位置する集電体接触部位の当接パッド部と、それに隣接する集電体接触部位の当接パッド部とを繋ぐように形成されている。

電極は平面視で四角形状であり、結線部は、電極のコーナー部に位置する集電体接触部位の当接パッド部と、それに隣接する集電体接触部位の当接パッド部とを繋ぐように形成されていてもよい。燃料電池セルの電極が四角形状である場合、電極のコーナー部の反りが大きくなると、コーナー部に位置する集電体接触部位が集電体の突起から離間し易くなる。本発明の燃料電池セルでは、コーナー部の集電体接触部位とそれに隣接する集電体接触部位とが導電層の当接パッド部及び結線部を介して接続されている。このため、集電体は、コーナー部の集電体接触部位から離間した場合でも、コーナー部に隣接する集電体接触部位の当接パッド部及び結線部を介して、離間したコーナー部の集電体接触部位から集電することができる。従って、燃料電池セルにおける発電効率の悪化を回避することができる。

燃料電池セルにおいて、電極の外縁部や中央部の反りが大きくなる場合もある。この場合には、結線部は、電極の外縁部に位置する複数の集電体接触部位の当接パッド部を繋ぐように設けられるとともに、電極の対角線上に位置する複数の集電体接触部位の当接パッド部を繋ぐように設けられていてもよい。このように当接パッド部及び結線部を形成すると、集電体は、外縁部や中央部の集電体接触部位から離間した場合でも、隣接する集電体接触部位の当接パッド部及び結線部を介して外縁部や中央部の集電体接触部位から確実に集電することができる。従って、燃料電池セルにおける発電効率の悪化を回避することができる。

また、電極が平面視で円形状である場合もある。この場合、結線部は、同一円周上に位置する複数の集電体接触部位の当接パッド部を繋ぐように設けられていてもよい。このようにすると、集電体は、円周上にあるいずれかの集電体接触部位から離間した場合でも、隣接する集電体接触部位の当接パッド部及び結線部を介してその離間した集電体接触部位から集電することができる。従って、燃料電池セルにおける発電効率の悪化を回避することができる。

結線部の個々の太さ（幅）は、電極の平面方向に沿って供給される反応ガスの流入側よりも反応ガスの流出側のほうが太く（広く）なっていてもよい。電極の平面内において、結線部の太さを均一に形成すると、電極に供給される反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）の流れに応じて、反応ガスの流入側と流出側とで発電量が不均一となる（即ち、発電量ばらつきが発生する）場合がある。これに対して、反応ガスの流れに応じて、流入側よりも流出側のほうの結線部を太く形成することで、面内の電流密度を均一に近づけることが可能となり、電極の平面内においてガス流入側とガス流出側とで発電量ばらつきを抑えることができる。

導電層において集電体接触部位の当接パッド部を除く部分（集電体接触部位からはみ出る結線部などの部分）の面積割合は、集電体接触部位の面積を除いた電極の表面積に対して、１％以上１０％以下である。ここで、導電層において当接パッド部を除く部分の面積割合が１％未満である場合、隣接する集電体接触部位の当接パッド部間を接続する結線部の幅が狭くなるため、結線部の集電抵抗が大きくなり、セル特性が低下してしまう。また、導電層において当接パッド部を除く部分の面積割合が１０％を越える場合、結線部の面積が大きくなりすぎることで、電極におけるガス拡散性が低下し、セル特性が低下してしまう。従って、燃料電池セルにおいて、当接パッド部を除く部分の面積割合を１％以上１０％以下とすることにより、セル特性の低下を回避しつつ、十分な集電能力を確保することができるため、効率よく発電することができる。因みに、特許文献１に開示されている従来の燃料電池では、格子状の導電性細条が集電体として機能するものであり、電極表面には、導電性細条（集電体）の接触部位からはみ出る導電層は設けられていない。

結線部は、集電体接触部位の当接パッド部間を最短距離で直線的に繋いでいてもよい。この場合、結線部の表面積が小さくなることから、導電層の設置に起因したガス拡散性の低下による電圧ロスを抑えることができる。

複数の集電体接触部位は、同一の形状及び面積を有し、電極の表面上において縦横に格子状に規則正しく設定されていてもよい。このようにすると、燃料電池セルにおいて集電体の突起と電極表面との間に反応ガスの流路を確保しつつ、本目的の達成が可能となる。

導電層は、電極の形成材料よりも低い抵抗値を有する導電材料を用いて形成される。具体的には、導電層は、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、ランタン（Ｌａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、マンガン（Ｍｎ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）の少なくとも１つを含む導電材料を用いて形成される。このような導電材料を用いて導電層を形成すると、導電層を介して電荷移動が容易となり、集電効率を高めることができる。

燃料電池セルは固体酸化物形燃料電池に用いられ、導電層が形成される電極は燃料極でも空気極でも良い。空気極である場合を例として挙げると、空気極及び集電体間での電子の授受が導電層を介して効率よく行われ、発電効率を十分に高めることができる。

燃料電池セルを構成する電解質層が固体酸化物層である場合、その形成材料としては、例えばＺｒＯ_２系セラミック、ＬａＧａＯ_３系セラミックなどがある。

空気極は、酸化剤となる酸化剤ガスと接触し、燃料電池セルにおける正電極として機能する。ここで、空気極の形成材料としては、例えば、金属材料、金属の酸化物、金属の複合酸化物などを挙げることができる。金属材料の好適例としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ等やそれらの合金などがある。金属の酸化物の好適例としては、例えば、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｆｅの酸化物（Ｌａ_２Ｏ_３、ＳｒＯ、ＣｅＯ_２、Ｃｏ_２Ｏ_３、ＭｎＯ_２、ＦｅＯ）などがある。金属の複合酸化物の好適例としては、例えば、Ｌａ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎを含有する複合酸化物（Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏＯ_３系複合酸化物、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＦｅＯ_３系複合酸化物、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏ_１−ｙＦｅ_ｙＯ_３系複合酸化物、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３系複合酸化物、Ｐｒ_１−ｘＢａ_ｘＣｏＯ_３系複合酸化物、Ｓｍ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏＯ_３系複合酸化物）などがある。

燃料極は、還元剤となる燃料ガスと接触し、燃料電池セルにおける負電極として機能する。ここで、燃料極の形成材料としては、例えば、希土類元素（Ｓｃ、Ｙなど）により安定化されたＺｒＯ_２系セラミック、及び、希土類元素（Ｓｍ、Ｇｄなど）をドープしたＣｅＯ_２系セラミック等のうち、少なくとも１つのセラミック材料と、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｆｅ等の金属材料及びそれら金属材料の合金のうちの少なくとも１つと、を混合した金属セラミック材料の混合物（サーメット）を使用することができる。

また、上記課題を解決するための別の手段（手段２）としては、手段１に記載の燃料電池セルと、集電のための複数の突起を有し、前記複数の突起の先端面が前記電極の表面上に設定された前記集電体接触部位に接触するように配置される集電体とを備え、前記燃料電池セルと前記集電体とが複数個ずつ積層されていることを特徴とする燃料電池セルスタックがある。

手段２に記載の発明によると、手段１の燃料電池セルと集電体とが複数個ずつ積層されることで燃料電池セルスタックが構成されている。この燃料電池セルスタックでは、発電時の熱変形によって燃料電池セルにおける電極の特定部位の集電体接触部位と集電体の突起との接触がとれなくなった場合であっても、隣接する集電体接触部位の当接パッド部や結線部を通じて十分な集電能力を確保することができる。従って、本発明の燃料電池セルスタックでは、電圧ロスがなく効率よく発電することができる。

燃料電池セルスタックにおいて、集電体接触部位の内側領域に設けられた当接パッド部を介して突起の先端面が電極の表面上に接合されていてもよい。このようにすると、集電体の各突起と電極との間の接触抵抗を低く抑えることができ、集電効率を高めることができる。

また、上記の燃料電池セルスタックを用いて構成される燃料電池としては、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）が挙げられる。本発明の燃料電池セルとしては、固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）などの固体酸化物形電気化学セルを含むものとする。

本実施の形態の燃料電池を示す概略構成図。 燃料電池セルスタックを示す概略断面図。 集電体の突起の配置を示す平面図。 導電層（当接パッド部及び結線部）を示す平面図。 電極における反り発生時の状態を示す要部断面図。 対角線状の結線部を有する別の実施の形態の導電層を示す平面図。 円形状の結線部を有する別の実施の形態の導電層を示す平面図。 結線部の幅が面内で異なる別の実施の形態の導電層を示す平面図。 結線部及びパッド拡張部の幅が面内で異なる別の実施の形態の導電層を示す平面図。

以下、本発明を燃料電池に具体化した一実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。

本実施の形態の燃料電池３００は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。図１に示されるように、燃料電池３００は、発電の最小単位である燃料電池セル３１１を複数積層してなる燃料電池セルスタック３１２を備えている。

燃料電池セルスタック３１２は、例えば縦１８０ｍｍ×横１８０ｍｍ×高さ８０ｍｍの略直方体形状をなしている。本実施の形態において、燃料電池セルスタック３１２を構成する燃料電池セル３１１の積層数は、２０枚程度となっている。また、燃料電池セルスタック３１２には、燃料電池セル３１１の積層方向における両端部（図１では上端部と下端部）に、エンドプレート１４，１５が配置されている。さらに、セルスタック３１２の周縁部には、同スタック３１２を厚さ方向に貫通する複数の貫通穴が形成されている。そして、各貫通穴に締結ボルト１８を挿通させ、セルスタック３１２の下面から突出するボルト１８の下端部分にナット１９が螺着されている。このように締結ボルト１８及びナット１９を用いて各エンドプレート１４，１５を各燃料電池セル３１１の積層方向に締め付けることで、複数の燃料電池セル３１１が固定されるようになっている。また、セルスタック３１２の両端部に配置されるエンドプレート１４，１５が、セルスタック３１２から出力される電流の出力端子となっている。

図２に示されるように、セルスタック３１２を構成する燃料電池セル３１１は、空気極２１、燃料極２２及び固体電解質層２３を有する平板状部材として構成され、発電反応により電力を発生する。また、セルスタック３１２には、燃料電池セル３１１に加えて、コネクタプレート２４、セパレータ２５、空気極側集電体２７及び燃料極側集電体２８等が設けられ、それらが複数個ずつ積層されている。

より詳しくは、コネクタプレート２４は、ステンレスなどの導電性材料によって形成されており、燃料電池セル３１１の厚み方向の両側に一対配置される。各コネクタプレート２４により板厚方向での燃料電池セル３１１間の導通が確保される。隣り合う燃料電池セル３１１の間に配置されるコネクタプレート２４は、インターコネクタとなり、隣り合う燃料電池セル３１１を区分する。

セパレータ２５は、ステンレスなどの導電性材料によって形成されており、矩形状の開口部２９を中央部に有する略矩形枠状をなしている。セパレータ２５は、燃料電池セル３１１間の仕切り板として機能する。

固体電解質層２３は、例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などのセラミック材料（酸化物）によって矩形板状に形成されている。固体電解質層２３は、セパレータ２５の下面に固定されるとともに、セパレータ２５の開口部２９を塞ぐように配置されている。固体電解質層２３は、酸素イオン伝導性固体電解質体として機能するようになっている。

また、固体電解質層２３の上面には、セルスタック３１２に供給された酸化剤ガスに接する空気極２１が貼付され、固体電解質層２３の下面には、同じくセルスタック３１２に供給された燃料ガスに接する燃料極２２が貼付されている。即ち、空気極２１及び燃料極２２は、固体電解質層２３の両側に配置されている。また、空気極２１は、セパレータ２５の開口部２９内に配置され、セパレータ２５と接触しないようになっている。なお、本実施の形態の燃料電池セル３１１では、セパレータ２５の下方に燃料室３１が形成されるとともに、セパレータ２５の上方に空気室３２が形成されている。

本実施の形態の燃料電池セル３１１において、空気極２１は、金属の複合酸化物であるＬＳＣＦ（Ｌａ_０．６Ｓｒ_０．４Ｃｏ_０．２Ｆｅ_０．８Ｏ_３）によって矩形板状に形成されている。また、燃料極２２は、ニッケルとイットリア安定化ジルコニアとの混合物（Ｎｉ−ＹＳＺ）によって矩形板状に形成されている。燃料電池セル３１１において、空気極２１はカソード層として機能し、燃料極２２はアノード層として機能する。

空気極２１は、空気極側集電体２７によってコネクタプレート２４に電気的に接続され、燃料極２２は、燃料極側集電体２８によってコネクタプレート２４に電気的に接続されている。空気極側集電体２７は、例えばＬａ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｃ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｚｒ等を微量添加したＳＵＳ４３０系フェライト合金等の緻密な金属板からなる。一方、燃料極側集電体２８は、燃料ガスの通過が可能なように、例えばニッケル製の多孔体からなる。

図２〜図４に示されるように、空気極側集電体２７は、集電のための複数の突起３５を有しており、それら突起３５の先端面が空気極２１の表面上にて散点状に設定された集電体接触部位３７に接触するよう燃料電池セル３１１に隣接して配置されている。本実施の形態において、複数の集電体接触部位３７は、例えば四角形状の領域であり、同一の形状及び面積を有し、空気極２１の表面上において縦横に格子状に規則正しく設定されている。空気極側集電体２７における複数の突起３５は、同一の形状及びサイズを有する四角形状の突起であり、縦横に格子状に規則正しく配置されている。

図４に示されるように、本実施の形態の燃料電池セル３１１は、空気極２１の表面上において、導電層３３８が設けられている。導電層３３８は、集電体接触部位３７の内側領域に各々設けられ、空気極側集電体２７の突起３５が当接する当接パッド部３３９と、隣接する集電体接触部位３７の当接パッド部３３９間を繋ぐように形成された結線部３４０とを有する。具体的には、空気極２１は平面視で四角形状である。導電層３３８は、空気極２１における特定部位としてのコーナー部４１に位置する集電体接触部位３７の当接パッド部３３９とそれに隣接する２つの集電体接触部位３７の当接パッド部３３９とをそれぞれ繋ぐように、平面視Ｌ字状に形成されている。導電層３３８は、銀パラジウム合金（パラジウムの含有量が１〜１０ｍｏｌ％の合金）からなり、その厚さは、例えば数十μｍ程度である。なお、空気極２１の各コーナー部４１以外に位置する集電体接触部位３７の当接パッド部３３９間には、それら内側領域を繋ぐ結線部３４０は設けられていない。ここで、集電体接触部位３７の内側領域とは、空気極側集電体２７における四角形状の突起３５が接触する領域であって、集電体接触部位３７の中央部の領域、つまり四角形状の内側に位置する領域のことを言う。

燃料電池セル３１１において、空気極２１の表面上にて散点状に設定された複数の集電体接触部位３７の内部領域には、それら領域全体を覆うように当接パッド部３３９が形成されており、当接パッド部３３９を介して空気極２１と空気極側集電体２７とが接合されている（図２参照）。本実施の形態の燃料電池セル３１１では、各集電体接触部位３７の内部領域に設けられる当接パッド部３３９の幅よりも結線部３４０の幅が狭くなっている。また、燃料電池セル３１１では、導電層３３８において集電体接触部位３７の当接パッド部３３９を除く部分（集電体接触部位３７の内側領域からはみ出ている結線部３４０）の面積割合は、集電体接触部位３７の面積を除いた空気極２１の表面積に対して５％程度となっている。なお、本実施の形態では、導電層３３８の結線部３４０は、集電体接触部位３７の内側領域（当接パッド部３３９）から外側領域に延展する展開パターンであり、隣り合う集電体接触部位３７の間に形成されている。つまり、結線部３４０は、各集電体接触部位３７の当接パッド部３３９間を繋ぐ導線として機能する部分である。

そして、燃料電池３００の発電時には、上記のように形成した導電層３３８（当接パッド部３３９及び結線部３４０）を介して空気極２１と空気極側集電体２７との間で発電反応に伴う電子の授受が行われるようになっている。

本実施の形態の燃料電池セルスタック３１２には、各燃料電池セル３１１の燃料室３１に燃料ガスを供給する燃料供給経路（図示略）と、燃料室３１から燃料ガスを排出する燃料排出経路（図示略）とが設けられている。また、セルスタック３１２には、各燃料電池セル３１１の空気室３２に空気を供給する空気供給経路（図示略）と、空気室３２から空気を排出する空気排出経路（図示略）とが設けられている。各供給経路及び各排出経路は、燃料電池セルスタック３１２の側面に設けられたジョイント部（図示略）を介して外部配管（図示略）に接続されている。

次に、本実施の形態における燃料電池セルスタック３１２の製造方法について説明する。

まず、例えばＳＵＳ４３０からなる板材を打ち抜いて、コネクタプレート２４やセパレータ２５を製造する。また、燃料極２２のグリーンシート上に、固体電解質層２３の材料を印刷し、その上に空気極２１の材料を印刷した後焼成する。この焼成によって、空気極２１、燃料極２２及び固体電解質層２３を有する平板状の燃料電池セル３１１が製造される。

その後、燃料電池セル３１１とセパレータ２５とをロウ付けにて固定する。さらに、空気極側集電体２７と燃料極側集電体２８とを、それぞれ隣接する上部のコネクタプレート２４と下部のコネクタプレート２４とにロウ付けによって固定する。

また、Ａｇ−Ｐｄ粉末（Ｐｄ：１ｍｏｌ％）とエチルセルロースと有機溶剤とを三本ロール混合することで、Ａｇ−Ｐｄ導電性ペーストを作製する。次に、空気極２１の表面に、その導電性ペーストをスクリーン印刷し、その後乾燥する。ここでは、各集電体接触部位３７に対応する当接パッド部３３９のパターンとコーナー部４１の集電体接触部位３７を繋ぐ結線部３４０のパターンとを導電性ペーストによって形成する。

そして、上述したコネクタプレート２４、セパレータ２５をロウ付けした燃料電池セル３１１、空気極側集電体２７、燃料極側集電体２８などを一体に組み付けるとともに、燃料電池セル３１１を含むそれら部材を複数積層することで燃料電池セルスタック３１２を構成する。またこのとき、燃料電池セルスタック３１２において、貫通孔に締結ボルト１８を嵌め込むとともにその先端にナット１９を螺合させる。この結果、各燃料電池セル３１１をその積層方向に押圧した状態で一体化させることにより、燃料電池セルスタック３１２が組み付けられる。

上述した導電性ペーストは、燃料電池３００の運転温度（例えば７００℃）において、エチルセルロースなどが除去されることで導電層３３８（銀パラジウム合金）となる。また、燃料電池３００の運転温度には、導電層３３８の銀パラジウム合金が軟化して空気極２１と空気極側集電体２７とが密着する。なお、運転停止時において、集電体接触部位３７の当接パッド部３３９は、空気極２１と空気極側集電体２７とを接合して一体化している。

次に、本実施の形態の燃料電池３００における燃料電池セル３１１の作用について説明する。

燃料電池３００において、例えば、その燃料電池３００を稼働温度に加熱した状態で、燃料供給経路から燃料室３１に燃料ガスを供給するとともに、空気供給経路から空気室３２に酸化剤ガスを供給する。このとき、燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素とが固体電解質層２３を介して反応（発電反応）し、空気極２１を正極、燃料極２２を負極とする直流の電力が発生する。

燃料電池３００の稼動時には、各燃料電池セル３１１における発電反応によって温度が上昇し７００℃の高温となる。このとき、空気極２１、燃料極２２及び電解質層２３のセル部材やコネクタプレート２４やセパレータ２５等の金属部材が熱によって膨張する。そして、それら部材の熱膨張差に基づいて燃料電池セル３１１が変形し、空気極２１のコーナー部４１に反りが生じることがある。図５に示されるように、空気極２１においてコーナー部４１の反りが大きくなる場合、コーナー部４１に位置する集電体接触部位３７から空気極側集電体２７の突起３５が離間し、それらの接触がとれなくなる場合がある。本実施の形態の燃料電池セル３１１では、空気極２１の表面上に導電層３３８（当接パッド部３３９及び結線部３４０）が設けられており、結線部３４０によってコーナー部４１に位置する集電体接触部位３７の当接パッド部３３９とそれに隣接する集電体接触部位３７の当接パッド部３３９とが電気的に接続されている。このため、空気極側集電体２７はコーナー部４１の集電体接触部位３７から離間した場合であっても、コーナー部４１に隣接する集電体接触部位３７の当接パッド部３３９及び結線部３４０を介してコーナー部４１の集電体接触部位３７から集電される。

本実施の形態のセルスタック３１２は、燃料電池セル３１１を複数積層して直列に接続している。このため、燃料電池３００では、空気極２１に電気的に接続される上側エンドプレート１４（正極）と、燃料極２２に電気的に接続される下側エンドプレート１５（負極）とから直流電力が出力される。

従って、本実施の形態によれば以下の効果を得ることができる。

（１）本実施の形態の燃料電池セル３１１では、空気極２１の表面において、各コーナー部４１に位置する集電体接触部位３７と、それに隣接する２つの集電体接触部位３７とをそれぞれ繋ぐように、平面視Ｌ字状の導電層３３８（当接パッド部３３９及び結線部３４０）が形成されている。このようにすると、燃料電池３００の稼動時に、コーナー部４１に位置する集電体接触部位３７から空気極側集電体２７の突起３５が離間した場合でも、コーナー部４１に隣接する集電体接触部位３７の当接パッド部３３９及び結線部３４０を介してコーナー部４１の集電体接触部位３７の当接パッド部３３９から集電することができる。また、導電層３３８における結線部３４０は、集電体接触部位の内部領域に設けられる当接パッド部３３９よりも幅が狭いため、ガス拡散性の低下によるセル特性の低下を抑制することができる。従って、燃料電池セル３１１における発電効率の悪化を回避することができ、電圧ロスがなく効率よく発電することができる。

（２）本実施の形態の燃料電池セル３１１では、導電層３３８の結線部３４０（当接パッド部３３９を除く部分）の面積割合は、集電体接触部位３７の面積を除いた空気極２１の表面積に対して５％程度となっている。ここで、結線部３４０の面積割合が１％未満である場合、隣接する集電体接触部位３７間を接続する結線部３４０の幅が狭くなるため、結線部３４０の集電抵抗が大きくなり、セル特性が低下してしまう。また、結線部３４０の面積割合が１０％を越える場合、導電層３３８の面積が大きくなりすぎることで、空気極２１におけるガス拡散性が悪化し、セル特性が低下してしまう。従って、本実施の形態の燃料電池セル３１１のように、導電層３３８における結線部３４０の面積割合を５％とすることにより、セル特性の低下を回避しつつ、十分な集電能力を確保することができ、効率よく発電することができる。

（３）本実施の形態の燃料電池セル３１１では、複数の集電体接触部位３７の内部領域に当接パッド部３３９が設けられており、当接パッド部３３９を介して空気極２１と空気極側集電体２７とが接合されている。このように構成すると、空気極側集電体２７の各突起３５と空気極２１との間の接触抵抗を低く抑えることができ、集電効率を十分に高めることができる。

（４）本実施の形態の燃料電池セル３１１において、結線部３４０は、集電体接触部位３７の当接パッド部３３９間を最短距離で直線的に繋いでいる。この場合、結線部３４０の表面積が小さくなり、結線部３４０を設置することによるガス拡散性の低下を抑えることができる。

（５）本実施の形態の燃料電池セル３１１において、複数の集電体接触部位３７は、同一の形状及び面積を有し、空気極２１の表面上において縦横に格子状に規則正しく設定されている。このようにすると、燃料電池セル３１１において空気極側集電体２７の突起３５と空気極２１の表面との間に酸化剤ガスの流路を確保しつつ、空気極側集電体２７によって確実に集電することができる。

（６）本実施の形態の燃料電池セル３１１において、導電層３３８は、空気極２１の形成材料よりも低い抵抗値を有する導電材料（具体的には銀パラジウム合金）を用いて形成される。このような導電材料を用いて導電層３３８を形成すると、導電層３３８を介して電荷移動が容易となり、燃料電池セル３１１の集電効率をより高めることができる。

なお、本発明の実施の形態は以下のように変更してもよい。

・上記実施の形態では、空気極２１の電極平面におけるコーナー部４１にＬ字状の導電層３３８（当接パッド部３３９及び結線部３４０）を形成し、コーナー部４１に位置する集電体接触部位３７と、それに隣接する集電体接触部位３７とを接続するようにしていたが、これに限定されるものではない。例えば、電極中央部２１ａ及び電極外縁部２１ｂのいずれかに位置する集電体接触部位３７から空気極側集電体２７の突起３５から剥離する可能性がある場合には、図６に示されるような導電層３４３（当接パッド部３４４及び結線部３４５）を形成してもよい。図６においては、電極外縁部２１ｂに配置している複数の集電体接触部位３７の当接パッド部３４４間、及び空気極２１の対角線上に配置している複数の集電体接触部位３７の当接パッド部３４４間を繋げるように結線部３４５が形成されている。このように導電層３４３を形成すると、電極中央部２１ａまたは電極外縁部２１ｂにある集電体接触部位３７から空気極側集電体２７の突起３５が離間した場合でも、隣接する集電体接触部位３７の当接パッド部３４４及び結線部３４５を介してその離間した集電体接触部位３７の当接パッド部３４４から集電することができる。また、導電層３４３においても各集電体接触部位３７の内部領域に設けられる当接パッド部３４４の幅よりも結線部３４５の幅が狭いため、ガス拡散性の低下によるセル特性の低下を抑制することができる。従って、導電層３４３を形成した場合でも、燃料電池セル３１１における発電効率の悪化を回避することが可能となる。

・上記実施の形態では、四角形状の空気極２１（電極）に導電層３３８，３４３を形成するものであったが、電極形状は四角形状に限定されるものではなく、円形状や四角形以外の多角形状の空気極に導電層を形成してもよい。図７には、円形状の空気極３５１の電極表面に導電層３５２（当接パッド部３５３及び結線部３５４，３５５）を形成した具体例を示している。図７の空気極３５１においても、空気極側集電体が接触する複数の集電体接触部位３５６が散点状に設けられている。また、空気極３５１において、直径の異なる２つの円周上となる位置に複数の集電体接触部位３５６がそれぞれ配設されている。そして、空気極３５１において、同一円周上に位置する各集電体接触部位３５６について隣接する集電体接触部位３５６の当接パッド部３５３間をそれぞれ繋げるように結線部３５４が設けられている。さらに、空気極３５１において、電極外縁部側における右端、左端、上端及び下端の４つの箇所にある集電体接触部位３５６の当接パッド部３５３とその集電体接触部位３５６に対して内側に隣接する集電体接触部位３５６の当接パッド部３５３とをそれぞれ繋げるように結線部３５５が形成されている。このように導電層３５２を形成すると、特定部位の集電体接触部位３５６から空気極側集電体の突起が剥離した場合でも、それに隣接する集電体接触部位３５６の当接パッド部３５３及び結線部３５４，３５５を介して集電することができる。また、導電層３５２においても各集電体接触部位３５６の内部領域に設けられる当接パッド部３５３の幅よりも結線部３５４，３５５の幅が狭いため、ガス拡散性の低下によるセル特性の低下を抑制することができる。従って、円形状の空気極３５１の電極表面に導電層３５２を形成した場合でも、燃料電池セル３１１における発電効率の悪化を回避することができる。

・上記実施の形態の燃料電池セル３１１では、空気極２１の表面において、各コーナー部４１に位置する集電体接触部位３７の当接パッド部３３９と、それに隣接する２つの集電体接触部位３７の当接パッド部３３９とをそれぞれ繋ぐように、結線部３４０が形成されていたが、これに限定されるものではない。例えば、空気極２１の表面上における全て集電体接触部位３７の当接パッド部３３９を繋げるように結線部３４０を形成してもよい。また、結線部３４０の太さは、集電体接触部位３７の内部領域における当接パッド部３３９の幅よりも狭く形成されるものであれば、それぞれ太さが異なっていてもよい。図８には、その導電層３６０（当接パッド部３６１及び結線部３６２）の具体例を示している。より詳しくは、図８の導電層３６０において、隣接する集電体接触部位３７の当接パッド部３６１間を繋げる結線部３６２の個々の太さ（幅）は、電極の平面方向に沿って供給される反応ガス（燃料ガスＦ１及び酸化剤ガスＡ１）の流入側よりも反応ガスＦ１，Ａ１の流出側のほうが太く（広く）なっている。なお、空気極２１には、図８の右側から左側に向けて酸化剤ガスＡ１が供給される。また、空気極２１の裏側に設けられた燃料極２２には、図８の上側から下側に向けて燃料ガスＦ１が供給される。従って、導電層３６０では、右上にある結線部３６２が最も細く形成され、左下にある結線部３６２が最も太く形成されている。このように、電極の平面方向に沿って供給される反応ガスＦ１，Ａ１の流れに応じて、結線部３６２の太さを変えて導電層３６０を形成すると、電極平面内における発電量ばらつきを抑えることができ、発電を効率よく行うことができる。

また、図８に示す導電層３６０は、空気極２１の表面内において、電極に供給される反応ガスＦ１，Ａ１の流れに応じて、結線部３６２に粗密を有するように形成されていたが、図９に示されるような導電層３６５を形成してもよい。図９に示されるように、導電層３６５は、集電体接触部位３７の内部領域に各々設けられる当接パッド部３６６を有するとともに、各コーナー部４１において隣接する２つの集電体接触部位３７の当接パッド部３６６間を繋ぐように形成された結線部３６７を有している。さらに、導電層３６５は、当接パッド部３６６から集電体接触部位３７の外側にはみ出るように設けられるパッド拡張部３６８を有している。

空気極２１には、図９の右側から左側に向けて酸化剤ガスＡ１が供給される。また、空気極２１の裏側に設けられた燃料極２２には、上側から下側に向けて燃料ガスＦ１が供給される。導電層３６５は、酸化剤ガスＡ１及び燃料ガスＦ１の流れに応じて、流入側よりも流出側のほうが結線部３６７及びパッド拡張部３６８の面積が大きくなるよう形成されている。具体的には、コーナー部４１において隣接する各集電体接触部位３７の当接パッド部３６６間を繋ぐ結線部３６７の太さ（幅）は、流入側よりも流出側のほうが太く（広く）なっている。また、集電体接触部位３７からはみ出ているパッド拡張部３６８の面積（幅）は、流入側よりも流出側のほうが大きく（広く）なっている。ここで、空気極２１の表面内において導電層（結線部やパッド拡張部）を均一に形成すると、電極の平面方向に沿って供給される反応ガスＦ１，Ａ１の向きに応じて、反応ガスＦ１，Ａ１の流入側と流出側とで発電量が不均一となる場合がある。これに対して、図９に示されるように、電極の平面方向に沿って供給される反応ガスＦ１，Ａ１の流れに応じて、結線部３６７及びパッド拡張部３６８の粗密が不均一となるよう導電層３６５を形成すると、電極平面内において発電量を均一にすることができる。なお、図９の導電層３６５においても、当接パッド部３６６を除く部分（結線部３６７及びパッド拡張部３６８）の面積割合を、集電体接触部位３７の面積を除いた空気極２１の表面積に対して、１％以上１０％以下としている。このようにすると、ガス拡散性の低下を抑えつつ、効率よく発電することができる。

・上記実施の形態では、空気極２１，３５１の表面に導電層３３８，３４３，３５２，３６０,３６５を形成するものであったが、燃料極２２の表面に導電層を形成してもよい。なおこの場合でも、燃料極側集電体２８は複数の突起を有し、燃料極２２には燃料極側集電体２８の突起が接触しうる集電体接触部位が散点状に設定される。そして、燃料極２２の表面には、燃料極側集電体２８が剥離し易い集電体接触部位と、それに隣接する集電体接触部位と繋げるように導電層（当接パッド部及び結線部）を形成する。このように燃料電池セル３１１を構成しても、発電効率の悪化を回避することができるため、電圧ロスがなく効率よく発電することができる。

・上記実施の形態では、集電体接触部位３７（空気極側集電体２７の各突起３５）の形状は正四角形状であったが、長方形、円形や楕円形などの形状に変更してもよい。

・上記実施の形態では、固体酸化物形燃料電池３００の運転温度によって、導電性ペーストを焼成して導電層３３８，３４３，３５２，３６０,３６５を形成していたが、導電層３３８，３４３，３５２，３６０,３６５を形成するための焼成工程を別途行うことで燃料電池セルスタック３１２を製造してもよい。また、燃料電池セル３１１における空気極２１、燃料極２２及び固体電解質層２３の焼成工程と同時に導電層３３８，３４３，３５２，３６０,３６５を形成してもよい。

次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施の形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。

（１）手段１において、前記結線部は、前記電極における特定部位に位置する前記集電体接触部位の前記当接パッド部と、それに隣接する前記集電体接触部位の前記当接パッド部とを繋ぐように形成されていることを特徴とする燃料電池セル。

（２）手段１において、前記結線部は、前記集電体接触部位の前記当接パッド部間を最短距離で直線的に繋いでいることを特徴とする燃料電池セル。

（３）手段１において、前記複数の集電体接触部位は、同一の形状及び面積を有し、前記電極の表面上において縦横に格子状に規則正しく設定されていることを特徴とする燃料電池セル。

（４）手段１において、前記導電層は、前記電極の形成材料よりも低い抵抗値を有する導電材料を用いて形成されることを特徴とする燃料電池セル。

（５）手段１において、前記導電層は、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、ランタン（Ｌａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、マンガン（Ｍｎ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）の少なくとも１つを含む導電材料を用いて形成されることを特徴とする燃料電池セル。

（６）手段１において、固体酸化物形燃料電池に用いられ、前記導電層が形成される前記電極が前記空気極であることを特徴とする燃料電池セル。

２１，３５１…空気極
２２…燃料極
２３…固体電解質層
２７…集電体としての空気極側集電体
３５…突起
３７,３５６…集電体接触部位
４１…コーナー部
３００…燃料電池
３１１…燃料電池セル
３１２…燃料電池セルスタック
３３８，３４３，３５２，３６０,３６５…導電層
３３９，３４４，３５３，３６１,３６６…当接パッド部
３４０，３４５，３５４，３５５，３６２,３６７…結線部
Ａ１…反応ガスとしての酸化剤ガス
Ｆ１…反応ガスとしての燃料ガス

Claims (8)

1. 集電のための複数の突起を有する集電体に隣接して配置され、燃料極、空気極及び電解質層を有する平板状部材として構成され、前記燃料極及び前記空気極のうちの少なくとも一方の電極の表面上に、前記集電体の複数の突起が接触しうる集電体接触部位が散点状に設定された燃料電池セルであって、
   前記電極の表面上に設けられた導電層を備え、
   前記導電層は、複数の前記集電体接触部位の内部領域に各々設けられ、前記集電体の突起が当接する当接パッド部と、隣接する前記集電体接触部位の前記当接パッド部間を繋げるように設けられる結線部とを有し、
   前記当接パッド部の幅よりも前記結線部の幅が狭くなっている
   ことを特徴とする燃料電池セル。
2. 前記電極は平面視で四角形状であり、前記結線部は、前記電極のコーナー部に位置する前記集電体接触部位の前記当接パッド部と、それに隣接する前記集電体接触部位の前記当接パッド部とを繋ぐように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
3. 前記電極は平面視で四角形状であり、前記結線部は、前記電極の外縁部に位置する複数の前記集電体接触部位の前記当接パッド部を繋ぐように設けられるとともに、前記電極の対角線上に位置する複数の前記集電体接触部位の前記当接パッド部を繋ぐように設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
4. 前記電極は平面視で円形状であり、前記結線部は、同一円周上に位置する複数の前記集電体接触部位の前記当接パッド部を繋ぐように設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
5. 前記結線部の個々の太さは、前記電極の平面方向に沿って供給される反応ガスの流入側よりも前記反応ガスの流出側のほうが太くなっていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
6. 前記導電層において前記集電体接触部位の前記当接パッド部を除く部分の面積割合は、前記集電体接触部位の面積を除いた前記電極の表面積に対して、１％以上１０％以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池セル。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の燃料電池セルと、
   集電のための複数の突起を有し、前記複数の突起の先端面が前記電極の表面上に設定された前記集電体接触部位に接触するように配置される集電体と
   を備え、前記燃料電池セルと前記集電体とが複数個ずつ積層されている
   ことを特徴とする燃料電池セルスタック。
8. 前記集電体接触部位の内側領域に設けられた前記当接パッド部を介して前記突起の先端面が前記電極の表面上に接合されていることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池セルスタック。

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