特許 6805528 燃料電池単セル及び燃料電池スタック

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6805528

(24)【登録日】2020年12月8日

(45)【発行日】2020年12月23日

(54)【発明の名称】燃料電池単セル及び燃料電池スタック

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0254 20160101AFI20201214BHJP

   H01M 8/023 20160101ALI20201214BHJP

   H01M 8/1213 20160101ALI20201214BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20201214BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/0254

   H01M8/023

   H01M8/1213

   !H01M8/12 101

   !H01M8/12 102A

【請求項の数】9

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2016-77004(P2016-77004)

(22)【出願日】2016年4月7日

(65)【公開番号】特開2017-188342(P2017-188342A)

(43)【公開日】2017年10月12日

【審査請求日】2019年2月12日

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000003997

【氏名又は名称】日産自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100102141

【弁理士】

【氏名又は名称】的場 基憲

(72)【発明者】

【氏名】奥井 武彦

【審査官】 高木 康晴

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−０３５８２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−０１２４５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−００９６４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０８０１５１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／０２

Ｈ０１Ｍ ８／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

アノード電極、電解質層、カソード電極を順に積層した燃料電池ユニットと、接点材層と集電補助層と、上記集電補助層に接合して空気流路を区画形成する集電体とを備える燃料電池単セルであって、
上記燃料電池ユニットのカソード電極側に、接点材層、集電補助層、集電体を順に積層したものであり、
上記集電補助層が、上記燃料電池ユニットの積層方向に貫通するガス流通孔と導電部とを有し、上記ガス流通孔の大きさが、上記空気流路の幅よりも小さいものであり、
上記接点材層が、上記カソード電極を構成する材料を含み、上記集電補助層の導電部とカソード電極との間に形成された多孔質体であり、
上記接点材層の厚さが、上記集電補助層の導電部の幅の１／５〜１／１倍であることを特徴とする燃料電池単セル。

【請求項2】

上記接点材層と上記カソード電極とが一体の焼結体であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池単セル。

【請求項3】

上記接点材層の幅が、上記集電補助層の導電部の幅の１〜１．５倍であるであることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池単セル。

【請求項4】

上記集電補助層の導電部の上記燃料電池ユニットの積層方向の一部が、上記接点材層に埋没して接合したものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の燃料電池単セル。

【請求項5】

上記接点材層の空隙率が、３０〜４０％であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の燃料電池単セル。

【請求項6】

上記集電補助層の導電部の幅が、０．０５ｍｍ〜０．１５ｍｍであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の燃料電池単セル。

【請求項7】

上記集電補助層の空隙率が３０％〜８０％であることを特徴とする１〜６のいずれか１つの項に記載の燃料電池単セル。

【請求項8】

燃料電池単セルを複数積層して成る燃料電池スタックであって、
上記燃料電池単セルが請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の燃料電池単セルであることを特徴とする燃料電池スタック。

【請求項9】

上記燃料電池単セルの燃料電池ユニットが多孔質金属支持体で支持されたものであり、
上記集電補助層と上記集電体、及び該集電体と隣接する燃料電池単セルの多孔質金属支持体を、溶接又はろう付けで接合したものであることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池スタック。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池単セル及び該燃料電池単セルを複数積層した燃料電池スタックに係り、更に詳細には、燃料電池内の電気抵抗を低下させると共に、カソード電極への空気の供給効率を向上させて、発電効率を向上させた燃料電池単セル、及び該燃料電池単セルを複数積層した燃料電池スタックに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、発電効率が高く、しかも有害な排ガスをほとんど発生せず、地球環境に優しいクリーンなエネルギー源として燃料電池が注目されている。

【0003】

各種燃料電池のうち、固体酸化物型燃料電池（以下、単に「ＳＯＦＣ」ということがある。）は、固体酸物電解質層とガスを透過する電極であるカソード電極（空気極）とガスを透過するアノード電極（燃料極）とから構成される燃料電池ユニットと集電体とを備える。

【0004】

そして、上記固体酸化物電解質層を隔壁として、燃料極に水素や炭化水素などの燃料ガスを供給し、他方の空気極に酸素を含有する空気などを供給して発電する燃料電池である。

【0005】

上記集電体は、燃料電池ユニットに接合して上記燃料電池ユニットの電荷を集電すると共に、燃料ガス流路又は空気流路を区画形成するものである。

【0006】

上記燃料電池ユニットは硬質の部材から成るものであるため、上記空気極や上記集電体のリブ部に歪みがあると全面で接合することが困難であり、上記集電体と上記空気極とが充分接合していないと接触抵抗が増加して発電性能が低下してしまう。

【0007】

特許文献１の特開２０１４−３８７３２号公報には、酸化硼素等の焼結促進剤を含むスラリーをカソード電極の全面に塗布し、上記塗布したスラリーに集電体を重ね焼結することによりカソード電極と集電体と接着することが開示されている。
そして、上記スラリーを焼結して形成した接着層によれば、上記カソード電極と集電体との接着不良による発電性能の低下を抑制できる旨が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２０１４−３８７３２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

しかし、ＳＯＦＣのカソード電極や上記スラリーは、金属酸化物で構成されるものであり、上記金属酸化物は金属に比して電気抵抗が高いものである。したがって、電荷が集電体まで移動する際、上記カソード電極や接着層を移動する距離が長くなると発電効率が低下する。

【0010】

また、特許文献１の接着層はカソード電極の全面を覆ったものであり、加えて、カソード電極の集電体が接合する箇所には、空気が接着層を介して周囲から廻り込まなければならず、上記接合箇所への空気供給効率が低下するため、カソード電極を充分活用した発電を行うことができない。

【0011】

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電気抵抗を低減させると共に、カソード電極への空気の供給効率を高め、発電効率を向上させた燃料電池単セルを提供することにある。

【0012】

また、本発明は、上記燃料電池単セルを用いた発電効率の高い燃料電池スタックを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0013】

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、カソード電極と集電体との間に導電パスを形成する集電補助層を設け、カソード電極と集電補助層とを該集電補助層の導電パス沿って形成した多孔質の接点材層によって接合することで、電気抵抗の低減と空気の供給効率向上とを両立できることを見出し、本発明を完成するに至った。

【0014】

即ち、本発明の燃料電池単セルは、アノード電極、電解質層、カソード電極を順に積層した燃料電池ユニットと、接点材層と集電補助層と、上記集電補助層に接合して空気流路を区画形成する集電体とを備える。
そして、上記燃料電池ユニットのカソード電極側に、接点材層、集電補助層、集電体を順に積層したものであり、上記集電補助層が、上記燃料電池ユニットの積層方向に貫通するガス流通孔と導電部とを有し、上記ガス流通孔の大きさが、上記空気流路の幅よりも小さいものであり、 上記接点材層が、上記カソード電極を構成する材料を含み、上記集電補助層の導電部とカソード電極との間に形成された多孔質体であり、上記接点材層の厚さが、上記集電補助層の導電部の幅の１／５〜１／１倍であることを特徴とする。

【0015】

また、本発明の燃料電池スタックは、上記燃料電池単セルを複数積層して成ることを特徴とする。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、集電補助層の導電部とカソード電極との間に設けた多孔質の接点材層によって、集電補助層とカソード電極とを接合することとしたため、導電パスが形成されて電気抵抗が低減すると共に、カソード電極への空気の供給効率が向上し、発電効率の高い燃料電池単セル及び燃料電池スタックを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】燃料電池単セルの構成を説明する分解状態の平面図である。

【図2】燃料電池ユニットの一例を示す要部断面図である。

【図3】本発明の燃料電池スタックの一例の要部断面図である。

【図4】本発明の燃料電池スタックの他の一例の要部断面図である。

【図5】本発明の燃料電池単セルの空気の流れを説明する概略図である。

【図6】接点材層を設けない場合の空気の流れを説明する概略図である。

【図7】接点材層の厚さ及び幅、集電補助層の線幅を説明する図である。

【図8】エキスパンドメタルの一例を示す図である。

【図9】パンチングメタルの一例を示す図である。

【図10】金属メッシュの一例を示す図である。

【図11】片持ちバネの一例を示す図である。

【図12】実施例及び比較例のセル電圧−電流密度のグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0018】

本発明の燃料電池単セルＣについて詳細に説明する。本発明の燃料電池単セルの一例を図１に示す。
上記燃料電池単セルＣは、燃料電池ユニット１と 接点材層２と、集電補助層３と、集電体４とを備えるものである。上記燃料電池ユニット１は、図２に示すように、アノード電極１１、電解質層１２、カソード電極１３を順に積層したものであり、上記アノード電極側から多孔質金属支持体１４で支持されたものである。

【0019】

以下、アノード電極、電解質層、及びカソード電極が多孔質金属支持体１４で支持されたメタルサポート型（Ｍｅｔａｌ−Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ Ｃｅｌｌ：ＭＳＣ）の燃料電池ユニットを例に説明するが、本発明の燃料電池単セルは、電解質を厚くした電解質支持型（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ−Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ Ｃｅｌｌ：ＥＳＣ）、アノードを厚くしたアノード支持型（Ａｎｏｄｅ−Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ Ｃｅｌｌ：ＡＳＣ）、カソードを厚くしたカソード支持型（Ｃａｔｈｏｄｅ−Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ Ｃｅｌｌ：ＣＳＣ）のいずれであってもよい。

【0020】

図１に燃料電池単セルの構成を説明する分解状態の図を示す。
上記燃料電池ユニット１は、図１中、点線で示す位置に上記多孔質金属支持体１４、アノード電極１１、電解質層１２、及びカソード電極１３が順に積層されて成る。そして、上記多孔質金属支持体１４の外縁にフレーム５を備える。

【0021】

また、上記燃料電池ユニット１のカソード電極側には、接点材層２、集電補助層３、集電体４が順に積層され、さらに上記集電体４は、隣接する燃料電池単セルの多孔質金属支持体１４と接合した構造を有する。

【0022】

上記フレーム５及び上記集電体４は、外形がほぼ同じ縦横寸法を有する略長方形状であり、燃料電池ユニット１およびフレームと集電体とを重ね合わせ接合して燃料電池単セルＣを構成する。

【0023】

上記集電体４は、上記燃料電池ユニット１に対応する中央部分に、短辺方向の断面が波形状を有する。この波形状は図１に示すように長辺方向に連続している。
これにより、集電体４の波形状の凸部分、すなわち、リブ部が集電補助層３又は隣接する燃料電池単セルの多孔質金属支持体１４に接合し、波形状における各凹部分にガス流路が形成される。

【0024】

また、燃料電池単セルＣは、フレーム及び集電体を積層方向に連通するマニホールド部Ｈ１〜Ｈ４を有する。そして、図１に示す燃料電池ユニット１の表面側のカソード電極１３には酸素を含有する空気が供給され、裏面側のアノード電極１１には燃料ガスが供給される。

【0025】

上記燃料電池単セルＣを複数積層した状態では、燃料電池単セル同士の間にシール６が設けられ、上記シール６は、個々の層間において、空気及び燃料ガスの流通域を気密的に分離する。

【0026】

ここで、上記燃料電池単セルを構成する各部材について説明する。

【0027】

＜燃料電池ユニット＞
上記燃料電池ユニット１は、アノード電極１１、電解質層１２、カソード電極１３、多孔質金属支持体１４を順に積層したものであり、電気化学反応により発電するものである。

【0028】

（アノード電極）
上記アノード電極１１としては、水素酸化活性を有し、還元性雰囲気中で安定な金属及び／又は合金から成る金属触媒を使用できる。

【0029】

上記金属触媒としては、例えば、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、Ｎｉ−Ｆｅ合金、Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｆｅ−Ｃｏ合金、Ｎｉ−Ｃｕ合金、Ｐｄ−Ｐｔ合金等を挙げることができる。

【0030】

（電解質層）
上記電解質層１２としては、酸素イオン伝導性を備え、固体電解質として機能する金属酸化物を使用できる。

【0031】

例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア：Ｚｒ_１−ｘＹ_ｘＯ_２）、ＳＳＺ（スカンジウム安定化ジルコニア：Ｚｒ_１−ｘＳｃ_ｘＯ_２）、ＳＤＣ（サマリウムドープトセリア：Ｃｅ_１−ｘＳｍ_ｘＯ_２）、ＧＤＣ（ガドリウムドープトセリア：Ｃｅ_１−ｘＧｄ_ｘＯ_２）、ＬＳＧＭ（ランタンストロンチウムマグネシウムガレート：Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＧａ_１−ｙＭｇ_ｙＯ_３）等を挙げることができる。

【0032】

（カソード電極）
上記カソード電極１３の構成材料としてはペロブスカイト型酸化物を挙げることができる。
上記ペロブスカイト型酸化物としては、例えば、ペロブスカイト系酸化物（例えば、ＬＳＣＦ（ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物）、ＬＳＭ（ランタンストロンチウムマンガン酸化物）等を挙げることができる。

【0033】

（多孔質金属支持体）
上記多孔質金属支持体１４は上記燃料電池ユニット１を支持するものである。
上記多孔質金属支持体１４は連続孔を多数有する金属多孔質体を使用できる。

【0034】

上記金属多孔質体としては、例えば、金属粒子や金属繊維を焼結又はプレス加工等によって固めたものや、金属板をエッチング処理や機械的処理により穴を開けて多孔質体としたもの等を使用することができる。

【0035】

上記金属多孔質体を構成する金属材料としては、例えば、ステンレス鋼、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）及び銀（Ａｇ）などの金属材料を挙げることができる。

【0036】

上記燃料電池ユニット１は、上記多孔質金属支持体１４の一方の面に積層することで形成できる。燃料電池ユニット１の積層方法は、乾式法、湿式法のいずれであってもよい。

【0037】

乾式法としては、例えば、直流加熱蒸着法、イオンビーム蒸着法、反応性イオンビーム蒸着法、２極スパッタ法、マグネトロンスパッタ法、反応性スパッタ法、３極スパッタ法、イオンビームスパッタ法、イオンプレーティング法、ホローカソードビーム法、イオンビーム注入法又はプラズマＣＶＤ法、及びこれらの方法を任意に組み合わせた方法を挙げることができる。

【0038】

また、湿式方法として、インクジェット、ディスペンサ、ロールコータ又はスクリーン印刷、及びこれらを任意に組み合わせた方法を挙げることができ、スラリー材料やペースト材料などを用いて成膜をすることで形成できる。

【0039】

＜接点材層＞
上記接点材層２は、上記カソード電極１３と後述する集電補助層３の導電部とを接合すると共に、カソード電極１３に空気を流通させる連続孔を有する多孔質体である。

【0040】

集電補助層３を構成する部材は、凹凸や反りがある場合が多く、集電補助層３とセパレータとを溶接して接合すると皺を生じ易い。

【0041】

そして、ＳＯＦＣに用いられる固体酸化物電解質を含む燃料電池ユニットと集電補助層３は共に硬い部材であるため、上記カソード電極１３と集電補助層３とを直接当接させる場合は、カソード電極１３と集電補助層３との間に間隙が生じ、接触抵抗が増加してしまう。

【0042】

そこで、上記カソード電極１３と集電補助層３との間に間隙が生じないように、集電補助層３をカソード電極１３に強く押し付けて圧縮すると、押圧力によって燃料電池ユニット１が損傷してしまう。

【0043】

上記カソード電極１３と集電補助層３との間に接点材層２を設けることで、集電補助層３の凹凸や反りを接点材層２が吸収してカソード電極１３との接合面を平坦にできるため、カソード電極と集電補助層との間に間隙が生じず、これらを良好に接合することができ、電気抵抗を低減できる。

【0044】

図１中、Ａ−Ａ’で切ったときの断面図を図３、図４に示す。また、図３中黒丸で囲った部分の拡大図を図５に示す。
上記接点材層２は、図３、図４に示すように、集電補助層３の導電部３１とカソード電極１３との間に、集電補助層３の導電部３１に沿って、該導電部３１の形状とほぼ同一の形状に形成される。

【0045】

上記接点材層２が、集電補助層３の導電部３１に沿って形成され、集電補助層３のガス流通孔３２に対応する箇所には接点材層２を付与しないことで、上記ガス流通孔３２を流通する空気が接点材層２を介さずに直接カソード電極１３に到達するため、発電効率を向上させることができる。

【0046】

また、接点材層が連続孔を有する多孔質体であることで、図５に示すように、カソード電極１３の集電補助層３との接合箇所に、カソード電極内だけでなく接点材層２を介して空気が供給され、カソード電極１３を充分活用した発電が可能である。

【0047】

なお、接点材層を設けない場合は、図６に示すように、カソード電極１３の集電補助層３との接合箇所にはカソード電極内を通った空気した供給されないため、カソード電極１３の図６中白抜き半円で示す領域で発電を行うことが困難である。

【0048】

上記多孔質の接点材層２の空隙率は３０〜４０％であることが好ましい。空隙率が上記範囲内であることで、空気の流通性と接合性とを両立できる。

【0049】

上記接点材層の空隙率の測定は、接点材層の任意の断面を撮影し、撮影画像をコントラストのよって２値化処理し、金属酸化物粒子と空隙を区別して単位面積当たりの空隙が占める面積割合を求めることで行うことができる。

【0050】

上記接点材層２を構成する材料としては、上記カソード電極１３と共に焼結することで、カソード電極１３との接触抵抗を小さくできるものを使用できる。

【0051】

具体的には、酸化硼素（Ｂ_２Ｏ_３）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化バナジウム（Ｖ_２Ｏ_５）、酸化モリブデン（ＭｏＯ_３）の他、上記固体電解質として機能する金属酸化物の粒子を使用でき、これらは一種又は二種以上を混合して使用できる。

【0052】

上記接点材層２が上記カソード電極１３の金属酸化物と同じ金属酸化物を含むことで、接点材層２がカソード電極として機能すると共に、カソード電極と一体化した焼結体となってカソード電極１３と接点材層２との接触抵抗が小さくなる。さらに、剥離が生じ難く長期に亘り電気抵抗低下させることができる。

【0053】

上記接点材層２は、上記金属酸化物粒子に有機バインダや有機機溶媒等を混合してインク状・ペースト状にして塗布し、焼結することで上記有機バインダ等が失われて多孔質の接点材層を形成できる。

【0054】

具体的には、上記接点材層２は、上記集電補助層３の導電部３１の形状に合わせたスクリーンを用いた印刷等により、インク状・ペースト状の接点材層塗工液を集電補助層の導電部３１に付与する。そして、カソード電極１３に重ねて上記接点材層塗工液を集電補助層３とカソード電極１３とで挟んだ状態で焼結することで形成できる。

【0055】

また、上記接点材層塗工液をカソード電極と接合する面を平坦になるように塗布することで、上記集電補助層の導電部３１が接点材層２を突き抜けてカソード電極１３との接合面に突出することが防止される。

【0056】

上記接点材層２の厚さは、集電補助層３の凹凸や反りを吸収して集電補助層３とカソード電極１３との間に間隙が生じなければ特に制限はないが、上記集電補助層３の導電部３１の幅の１／７〜１／１倍であることが好ましく、１／５〜１／１倍であることがより好ましい。

【0057】

接点材層２の厚さが上記集電補助層の導電部３１の幅の１／７以上であることで、カソード電極１３の集電補助層の導電部３１が接合する箇所にも、接点材層２を介して充分な空気が流通し、カソード電極１３を有効に利用でき発電効率が向上する。

【0058】

接点材層２の厚さが上記集電補助層の導電部３１の幅の１倍を超えると、燃料電池単セル全体の厚さが厚くなり、単位体積当たりの発電効率が低下することがある。

【0059】

本発明において接点材層２の厚さとは、カソード電極面（平坦面）から集電補助層の導電部までの距離をいい、接点材層中に集電補助層の導電部が埋没した深さ分の厚さは含まない。

【0060】

上記接点材層２の幅は、該接点材層が接合する箇所の上記集電補助層の導電部の幅の１〜１．５倍であるであることが好ましい。
接点材層２の幅がその接合箇所の導電部３１の幅の１倍以上であることで、カソード電極１３と集電補助層３とを確実に接合することができ、１．５倍を超えるとカソード電極１３への空気供給効率が低下することがある。

【0061】

本発明において接点材層２の厚さ又は幅の基準となる集電補助層の導電部の幅とは、燃料電池ユニットを積層方向に切ったときの断面の導電部の幅をいう。

【0062】

＜集電補助層＞
集電補助層３は、カソード電極１３の電荷の移動を容易にして燃料電池単セル全体の電気抵抗を低下させるものであり、金属材料から成る導電部３１と積層方向に貫通するガス流通孔３２とを有するものである。

【0063】

上記集電補助層３を構成する部材としては、例えば、図８に示すエキスパンドメタル、図９に示すパンチングメタル、図１０に示す金属メッシュ、図１１に示すような平板の一部を切り起こした片持ちバネ等、積層方向に貫通するガス流通孔を多数有するものを使用できる。

【0064】

集電補助層３を構成する金属材料としては、上記金属多孔質体を構成する金属材料と同様なものを使用できる。

【0065】

上記集電補助層３のガス流通孔３２の大きさは、後述する集電体４で区画形成されるガス流路の幅、すなわち、集電補助層３に接合する集電体４の波形状の凸部と凸部との間隔よりも小さい。

【0066】

上記カソード電極１３及び接点材層２は、金属に比して電気抵抗が高い金属酸化物で構成されるため、電荷がカソード電極内や接点材層内を移動する距離が長いと燃料電池スタックの発電効率が低下してしまう。

【0067】

上記ガス流路の幅よりも小さいガス流通孔を有する集電補助層３を設けることで、カソード電極１３の電荷は、集電補助層３の導電部３１を通って上記集電体４まで移動する。
したがって、カソード電極内や接点材層内を電荷が移動する距離が短くなるため電気抵抗を低下させることができる。

【0068】

上記集電補助層の導電部３１、すなわち線幅は、０．０５ｍｍ〜０．１５ｍｍであることが好ましく、０．１ｍｍ〜０．１５ｍｍであることがより好ましい。
ＳＯＦＣは、運転温度が高く酸化被膜が形成され易いものであり、特に酸素ガス供給するカソード側で酸化被膜が形成されて電気抵抗が増大しやすい。

【0069】

上記導電部の幅が０．０５ｍｍ未満では、表面積が大きく空気との接触面積が大きくなるため、集電補助層が酸化されて電気抵抗が増加し易くなる。

【0070】

また、上記導電部の幅が０．１５ｍｍを超えると、カソード電極１３の上記集電補助層の導電部３１と接合する部分に酸素含有ガスが廻り込む距離が長くなってカソード電極中に利用され難い箇所が生じ、発電効率が低下することがある。

【0071】

また、上記集電補助層３のガス流通孔３２の空隙率は、３０％〜８０％であることが好ましく、３０％〜５０％であることがより好ましい。
３０％未満ではカソード電極に空気を供給し難くなり、８０％を超えるとカソード電極内や接点材層内を電荷が移動する距離が長くなる。

【0072】

上記集電補助層の導電部３１は、図４に示すように、燃料電池ユニットの積層方向の一部が、上記接点材層２に埋没して接合したものであることが好ましい。
上記導電部３１の一部が接点材層２に埋没していることで、集電補助層３と接点材層２との接触抵抗が低減すると共に、集電補助層３と接点材層２とを強固に接合できる。

【0073】

接合面積が小さい箇所の接触抵抗や酸化被膜によって抵抗が増加すると、系全体の電気抵抗が著しく増大するが、上記導電部３１が接点材層２に入り込んで接合することで電気抵抗の増加を防止できる。

【0074】

上記導電部の一部を接点材層に埋没させた接合の形成方法としては、インク状・ペースト状の接点材層塗工液を集電補助層の導電部に付与した後に、該接点材層塗工液をガス流通孔に流れ込ませることや、集電補助層の導電部に付与した接点材層塗工液をカソード電極に押し付けることで形成できる。

【0075】

＜集電体＞
上記集電体４は、上記集電補助層３と隣接する燃料電池単セルの多孔質金属支持体１４とを電気的に接合すると共に、空気流路ＣＧ及び燃料ガス流路ＡＧを区画形成するものである。

【0076】

上記集電体４と上記集電補助層３、及び、上記集電体４と隣接する燃料電池単セルの多孔質金属支持体１４とは、溶接又はろう付けよって接合される。

【0077】

溶接又はろう付けよって接合された金属接合部は、上記集電補助層、上記集電体、上記多孔質金属支持体を構成するそれぞれの金属材料同士を、直接及び／又は他の金属材料を介して連続させて一体化するものであり、内部に酸化被膜を有さないものである。

【0078】

上記金属材料同士を一体化し連続させることで、金属接合部の内部に空気が入り込むことがなく、金属接合部の内部に酸化被膜が形成されることを防止できる。

【0079】

したがって、上記集電補助層３と上記集電体４、及び上記集電体４と隣接する燃料電池単セルの多孔質金属支持体１４との間の電気抵抗を低く保つことができ、発電効率を向上させることができる。

【0080】

上記集電体４は、金属材料から成る平板を波形にプレス加工することで形成できる。
集電体４を構成する金属材料としては、上記金属多孔質体を構成する金属材料と同様なものを使用できる。

【0081】

＜燃料電池スタック＞
本発明の上記燃料電池単セルは、複数積層して燃料電池スタックとすることができる。

【実施例】

【0082】

以下、本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明は下記実施例に限定されるものではない。

【0083】

［実施例１］
多孔質金属支持体としてのステンレス鋼（Ｆｅ−Ｃｒ）からなる粉末焼結板上に、ニッケル（Ｎｉ）とイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）とのサーメットからなるアノード電極、ＹＳＺからなる固体電解質層、ランタンストロンチウムコバルトフェライト（ＬＳＣＦ）からなるカソード電極をこの順に積層し、燃料電池ユニットを形成した。

【0084】

上記燃料電池ユニットの多孔質金属支持体に、ステンレス鋼からなる集電体を溶接し、さらに該集電体上に集電補助層としてのステンレス鋼からなるエキスパンドメタルを積層して溶接した。

【0085】

次に、ランタンストロンチウムコバルトフェライト（ＬＳＣＦ）と、バインダとしてのエチルセルロースと、粘度調整剤としての酢酸ブチルとを混合して、粘度が２００Ｐａ・ｓである接点材層スクリーン印刷用ペーストを作製した。

【0086】

上記エキスパンドメタルの集電体とは反対側の線材上に、上記接点材層スクリーン印刷用ペーストをスクリーン印刷により塗布した。

【0087】

上記エキスパンドメタルのペーストを付与した面を、別に形成した他の燃料電池ユニットのカソード電極の電極面に押し付け、エキスパンドメタルの線材の一部をペーストに埋没させて積層した。

【0088】

上記積層体を焼成して上記ペーストを焼結させ、接点材層によりカソード電極とエキスパンドメタル（集電補助層）とが接合された燃料電池スタックを形成した。

【0089】

上記燃料電池スタックの接点材層は、厚さが集電補助層の導電部の幅の１／５倍、幅が集電補助層の導電部の幅の１．２倍、空隙率が３５％であった。

【0090】

［実施例２］
接点材層の厚さを集電補助層の導電部の幅の１／７倍に替える他は実施例１と同様にして燃料電池スタックを形成した。
なお、実施例２は参考例である。

【0091】

［比較例１］
接点材層を形成しない他は実施例１と同様にして燃料電池スタックを形成した。

【0092】

上記実施例１，２及び比較例１の燃料電池スタック発電試験評価を行った。
評価結果を図１２に示す。

【0093】

図１２のセル電圧−電流密度のグラフから本発明の接点材層を設けることで発電効率が向上することがわかる。

【符号の説明】

【0094】

１ 燃料電池ユニット
１１ アノード電極
１２ 電解質層
１３ カソード電極
１４ 多孔質金属支持体
２ 接点材層
３ 集電補助層
３１ 導電部
３２ ガス流通孔
４ 集電体
５ フレーム
６ シール
ＣＧ 空気流路
ＡＧ 燃料ガス流路
Ｈ マニホールド部
Ｃ 燃料電池単セル

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】