(57)【要約】【課題】空気極集電体や燃料極集電体が変形することを阻止できる固体電解質型燃料電池を提供する。【解決手段】固体電解質型燃料電池１０は、燃料極集電体１６に積層され、膜電極接合体１２に燃料ガスを供給する第１セパレータ１７に複数の突部２５を設け、第１セパレータおよび膜電極接合体間に介在された燃料極集電体に、第１セパレータの突部が嵌合可能な複数の貫通孔２６を設け、空気極集電体２１に積層され、膜電極接合体に空気を供給する第２セパレータ２２に複数の突部３２を設け、第２セパレータおよび膜電極接合体間に介在された空気極集電体に、第２セパレータの突部が嵌合可能な複数の貫通孔３３を設けた。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体に燃料極集電体を経て燃料ガスを供給するとともに、前記膜電極接合体に空気極集電体を経て空気を供給することにより電力を発生させる固体電解質型燃料電池において、
前記燃料極集電体に積層され、前記膜電極接合体に前記燃料ガスを供給する第１セパレータに突部を設け、
前記第１セパレータおよび前記膜電極接合体間に介在された前記燃料極集電体に、前記第１セパレータの突部が嵌合可能な貫通孔を設け、
前記空気極集電体に積層され、前記膜電極接合体に前記空気を供給する第２セパレータに突部を設け、
前記第２セパレータおよび前記膜電極接合体間に介在された前記空気極集電体に、前記第２セパレータの突部が嵌合可能な貫通孔を設けたことを特徴とする固体電解質型燃料電池。
【請求項２】
前記燃料極集電体および前記空気極集電体は、導電性金属からなる発泡体、あるいは導電性金属からなるメッシュ部材で形成されたことを特徴とする請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜電極接合体に燃料極集電体を経て燃料ガスを供給するとともに、前記膜電極接合体に空気極集電体を経て空気を供給することにより電力を発生させる固体電解質型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体電解質型燃料電池は、固体電解質の両側に空気極（カソード）および燃料極（アノード）を積層して膜電極接合体（ＭＥＡ）が形成され、膜電極接合体の両側に空気極集電体（カソード集電体）および燃料極集電体（アノード集電体）が積層され、空気極集電体および燃料極集電体にセパレータがそれぞれ積層されて単セルが構成されている。
【０００３】
この単セルによれば、空気極集電体側のセパレータから空気極集電体に空気（酸素）が供給されるとともに、燃料極集電体のセパレータから燃料極集電体に燃料ガス（水素など）が供給される。
空気極集電体に供給された空気は、空気極集電体の気孔を経て空気極側に到達する。
一方、燃料極集電体に供給された燃料ガスは、燃料極集電体の気孔を経て燃料極側に到達する。
【０００４】
空気極側に到達した酸素は、空気極内の気孔を経て固体電解質との界面近傍に到達し、燃料極側に到達した燃料ガスは、燃料極内の気孔を経て固体電解質との界面近傍に到達する。
空気極との界面近傍に到達した空気（酸素）は空気極から電子を受け取って酸化物イオンにイオン化される。この酸化物イオンは、固体電解質内を燃料極に向かって拡散移動することにより燃料極との界面近傍に到達する。
【０００５】
燃料極との界面近傍に到達した酸化物イオンが、この界面近傍で燃料ガスと反応して電子を放出し、この電子を外部に起電力として単セルから取り出すことで電力を発生させる（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２８００２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ここで、単セルから発生する電力は比較的小さいので、所望の電力を得るために複数個の単セルを積層する必要がある。
加えて、複数個の単セル間の電気抵抗を小さく抑え、かつ、空気や燃料ガスの拡散を防ぐために複数個の単セルは荷重をかけた状態で積層されている。
【０００８】
一方、空気極集電体に供給された空気を空気極側に到達させるために、空気極集電体の全域に空気を通す複数（多数）の気孔が形成されている。
また、燃料極集電体に供給された燃料ガスを燃料極側に到達させるために、燃料極集電体の全域に燃料ガスを通す複数（多数）の気孔が形成されている。
すなわち、空気極集電体や燃料極集電体は、荷重に対してある程度変形が許容された部材で形成されている。
【０００９】
一方、固体電解質型燃料電池は、前述したように、複数個の単セルに荷重をかけた状態で積層されている。
このため、固体電解質型燃料電池で電力を発生する際の熱で空気極集電体や燃料極集電体が経時的に変形する（潰れが発生する）ことが考えられる。
このように、空気極集電体や燃料極集電体が変形することで、複数個の単セルに所望の荷重をかけた状態に保つことが難しくなる。
【００１０】
本発明は、空気極集電体や燃料極集電体が変形することを阻止できる固体電解質型燃料電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１に係る発明は、膜電極接合体に燃料極集電体を経て燃料ガスを供給するとともに、前記膜電極接合体に空気極集電体を経て空気を供給することにより電力を発生させる固体電解質型燃料電池において、前記燃料極集電体に積層され、前記膜電極接合体に前記燃料ガスを供給する第１セパレータに突部を設け、前記第１セパレータおよび前記膜電極接合体間に介在された前記燃料極集電体に、前記第１セパレータの突部が嵌合可能な貫通孔を設け、前記空気極集電体に積層され、前記膜電極接合体に前記空気を供給する第２セパレータに突部を設け、前記第２セパレータおよび前記膜電極接合体間に介在された前記空気極集電体に、前記第２セパレータの突部が嵌合可能な貫通孔を設けたことを特徴とする。
【００１２】
請求項２に係る発明は、前記燃料極集電体および前記空気極集電体は、導電性金属からなる発泡体、あるいは導電性金属からなるメッシュ部材で形成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に係る発明では、第１セパレータに突部を設け、第１セパレータの突部が嵌合可能に燃料極集電体に貫通孔を設けた。
また、第２セパレータに突部を設け、第２セパレータの突部が嵌合可能に空気極集電体に貫通孔を設けた。
【００１４】
よって、第１セパレータの突部を燃料極集電体の貫通孔に嵌合するとともに、第２セパレータの突部を空気極集電体の貫通孔に嵌合することができる。
さらに、積層した複数個の単セルに荷重をかけた状態で、第１セパレータの突部を膜電極接合体に当接（接触）させ、第２セパレータの突部を膜電極接合体に当接（接触）させることができる。
【００１５】
これにより、複数個の単セルにかけた荷重を、第１、第２のセパレータに設けた突部で受けることが可能になり、燃料極集電体や空気極集電体に荷重が作用することを防止できる。
燃料極集電体や空気極集電体に荷重が作用することを防止することで、燃料極集電体や空気極集電体が荷重で変形する（潰れが発生する）ことを阻止できる。
【００１６】
したがって、単セル間の電気抵抗を小さく抑えることができ、接触抵抗増加による通電性の低下を防ぐことができる。
加えて、単セル間に隙間が発生することを抑えることができ、単セル間の隙間から空気や燃料ガスが拡散することを阻止できる。
この結果、単セル間の電気抵抗を小さく抑えるとともに、単セル間から空気や燃料ガスが拡散することを阻止でき、固体電解質型燃料電池の発電効率を高めることができる。
【００１７】
さらに、燃料極集電体や空気極集電体が荷重で変形する（潰れが発生する）ことを防ぐことで、膜電極接合体および燃料極集電体間に隙間が発生することや、膜電極接合体および空気極集電体間に隙間が発生することを防止できる。
よって、膜電極接合体の両面を燃料極集電体や空気極集電体で覆うことができる。
【００１８】
請求項２に係る発明では、燃料極集電体および空気極集電体を発泡体やメッシュ部材で形成した。
すなわち、前述したように、複数個の単セルにかけた荷重を、第１、第２のセパレータに設けた突部で受けることで、燃料極集電体や空気極集電体に荷重が作用することを防止できる。
【００１９】
よって、燃料極集電体および空気極集電体の強度（剛性）を必要以上に高める必要がない。
これにより、燃料極集電体および空気極集電体を、比較的剛性を考慮する必要のない発泡体やメッシュ部材で容易に形成でき、燃料極集電体および空気極集電体のコストを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る固体電解質型燃料電池を示す断面図である。
【図２】図１の単セルを分解した状態で示す断面図である。
【図３】図３（ａ）は図２の３ａ−３ａ線断面図、図３（ｂ）は図２の３ｂ−３ｂ線断面図である。
【図４】本発明に係る第１、第２のセパレータの突起で荷重を支える例を説明する図である。
【図５】本発明に係る固体電解質型燃料電池で電力を発生させる例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
【実施例】
【００２２】
実施例に係る固体電解質型燃料電池１０について説明する。
図１に示すように、固体電解質型燃料電池１０は、複数の単セル１１を荷重Ｆ１をかけた状態で積層することで、所望の電力を得ることができるように構成されている。
【００２３】
単セル１１は、膜電極接合体（ＭＥＡ）１２と、膜電極接合体（ＭＥＡ）１２の下面（後述する燃料極１４の下面）１４ａに積層された燃料極集電体（アノード集電体）１６と、燃料極集電体１６の下面１６ａに積層された第１セパレータ１７と、膜電極接合体１２の上面（後述する空気極１５の上面）１５ａに積層された空気極集電体（カソード集電体）２１と、空気極集電体２１の上面２１ａに積層された第２セパレータ２２とを備えている。
【００２４】
膜電極接合体１２は、固体電解質１３と、固体電解質１３の下面１３ａに積層された燃料極（アノード）１４と、固体電解質１３の上面１３ｂに積層された空気極（カソード）１５とを備えている。
【００２５】
図２、図３に示すように、第１セパレータ１７は、燃料極集電体１６に燃料ガス（水素など）を供給するための燃料ガス供給流路２４が設けられ、燃料ガス供給流路２４の供給口２４ａが中央１７ａに設けられている。
この第１セパレータ１７は、燃料極集電体１６に対向する面１７ｂに複数の突部２５が設けられている。
第１セパレータ１７の複数の突部２５は、一例として、エンボス加工で形成されている。
【００２６】
燃料極集電体１６は、導電性金属からなる発泡体、あるいは導電性金属からなるメッシュ部材で形成されることにより、燃料ガス供給流路２４の供給口２４ａから供給された燃料ガスを膜電極接合体１２の燃料極１４に導く複数の気孔（図示せず）を備えている。
発泡体は、連続した固体物質の中に複数（多数）の気孔を有する部材である。
メッシュ部材は、線材を網目状に編むことにより複数（多数）の気孔を有する部材である。
この燃料極集電体１６は、第１セパレータ１７に対向する下面１６ａから燃料極１４に対向する上面１６ｂまで貫通するように複数の貫通孔２６が形成されている。
【００２７】
燃料極集電体１６に第１セパレータ１７を積層した状態において、複数の貫通孔２６に複数の突部２５が嵌入され、複数の突部２５の先端２５ａが膜電極接合体１２の燃料極１４に当接（接触）する（図１参照）。
よって、複数の単セル１１を荷重Ｆ１をかけて積層した状態において、第１セパレータ１７に作用する荷重Ｆ１が複数の突部２５を経て燃料極１４に伝えられ、燃料極集電体１６に荷重Ｆ１が作用することを防止できる。
【００２８】
これにより、燃料極集電体１６の強度（剛性）を必要以上に高める必要がない。
したがって、燃料極集電体１６を、比較的剛性を考慮する必要のない発泡体やメッシュ部材で容易に形成でき、燃料極集電体１６のコストを抑えることができる。
【００２９】
また、第２セパレータ２２は、空気極集電体２１に空気（酸素）を供給するための空気供給流路３１が設けられ、空気供給流路３１の供給口３１ａが中央２２ａに設けられている。
この第２セパレータ２２は、空気極集電体２１に対向する面２２ｂに複数の突部３２が設けられている。
第２セパレータ２２の複数の突部３２は、第１セパレータ１７の複数の突部２５と同様に、一例として、エンボス加工で形成されている。
【００３０】
空気極集電体２１は、導電性金属からなる発泡体、あるいは導電性金属からなるメッシュ部材で形成されることにより、空気供給流路３１の供給口３１ａから供給された空気を膜電極接合体１２の空気極１５に導く複数の気孔（図示せず）を備えている。
発泡体は、連続した固体物質の中に複数（多数）の気孔を有する部材である。
メッシュ部材は、線材を網目状に編むことにより複数（多数）の気孔を有する部材である。
この空気極集電体２１は、第２セパレータ２２に対向する上面２１ａから空気極１５に対向する下面２１ｂまで貫通するように複数の貫通孔３３が形成されている。
【００３１】
空気極集電体２１に第２セパレータ２２を積層した状態において、複数の貫通孔３３に複数の突部３２が嵌入され、複数の突部３２の先端３２ａが膜電極接合体１２の空気極１５に当接（接触）する（図１参照）。
よって、複数の単セル１１を荷重Ｆ１をかけて積層した状態において、第２セパレータ２２に作用する荷重Ｆ１が複数の突部３２を経て空気極１５に伝えられ、空気極集電体２１に荷重Ｆ１が作用することを防止できる。
【００３２】
これにより、空気極集電体２１の強度（剛性）を必要以上に高める必要がない。
したがって、空気極集電体２１を、比較的剛性を考慮する必要のない発泡体やメッシュ部材で容易に形成でき、空気極集電体２１のコストを抑えることができる。
【００３３】
つぎに、第１、第２のセパレータ１７，２２の突起２５，３２で荷重Ｆ１を支える例を図４に基づいて説明する。
図４に示すように、燃料極集電体１６に第１セパレータ１７を積層した状態において、複数の突部２５の先端２５ａが膜電極接合体１２の燃料極１４に当接する。
同様に、空気極集電体２１に第２セパレータ２２を積層した状態において、複数の突部３２の先端３２ａが膜電極接合体１２の空気極１５に当接する。
【００３４】
よって、複数の単セル１１を荷重Ｆ１をかけて積層した状態において、第１セパレータ１７に作用する荷重Ｆ１は複数の突部３２を経て燃料極１４に伝えられる。
これにより、燃料極集電体１６に荷重Ｆ１が作用することを防ぐことができる。
同様に、複数の単セル１１を荷重Ｆ１をかけて積層した状態において、第２セパレータ２２に作用する荷重Ｆ１は複数の突部３２を経て空気極１５に伝えられる。
したがって、空気極集電体２１に荷重Ｆ１が作用することを防ぐことができる。
【００３５】
ついで、固体電解質型燃料電池１０に燃料ガス（水素など）や空気（酸素）を供給して電力を発生させる例を図５に基づいて説明する。
図５に示すように、第１セパレータ１７の燃料ガス供給流路２４の供給口２４ａから燃料極集電体１６に燃料ガス（水素など）を矢印Ａの如く供給する。
さらに、第２セパレータ２２の空気供給流路３１の供給口３１ａから空気極集電体２１に空気（酸素）を矢印Ｂの如く供給する。
【００３６】
燃料極集電体１６に供給された燃料ガスは、燃料極集電体１６の気孔を経て燃料極１４に矢印Ｃの如く到達する。燃料極１４に到達した燃料ガスは、燃料極１４内の気孔を経て燃料極１４および固体電解質１３との界面３２近傍に到達する。
【００３７】
一方、空気極集電体２１に供給された空気は、空気極集電体２１の気孔を経て空気極１５に矢印Ｄの如く到達する。空気極１５側に到達した空気は、空気極１５内の気孔を経て空気極１５および固体電解質１３との界面３１近傍に到達する。
【００３８】
空気極１５および固体電解質１３の界面３１近傍に到達した空気（酸素）は空気極１５から電子を受け取って酸化物イオンにイオン化される。この酸化物イオンは、固体電解質１３内を燃料極１４に向かって拡散移動する。
燃料極１４および固体電解質１３の界面３２近傍に到達した酸化物イオンが、この界面３２近傍で燃料ガスと反応して電子を放出し、この電子を外部に起電力として取り出すことで電力が発生する。
【００３９】
ここで、従来の固体電解質型燃料電池は、第１セパレータ１７に作用する荷重Ｆ１が燃料極集電体１６に伝わり、かつ、第２セパレータ２２に作用する荷重Ｆ１が空気極集電体２１に伝わる。
このように、燃料極集電体１６や空気極集電体２１に荷重Ｆ１が作用する場合、燃料極集電体１６や空気極集電体２１が電力を発生する際の熱で経時的に変形する（潰れが発生する）ことが考えられる。
【００４０】
これに対して、固体電解質型燃料電池１０は、図４に示すように、第１セパレータ１７に作用する荷重Ｆ１が複数の突部２５を経て燃料極１４に荷重Ｆ２として伝えられ、燃料極集電体１６に荷重Ｆ１が作用することを防止できる。
同様に、第２セパレータ２２に作用する荷重Ｆ１が複数の突部３２を経て空気極１５に荷重Ｆ２として伝えられ、空気極集電体２１に荷重Ｆ１が作用することを防止できる。
【００４１】
よって、燃料極集電体１６や空気極集電体２１が荷重Ｆ１で経時的に変形する（潰れが発生する）ことを阻止できる。
これにより、単セル１１間の電気抵抗を小さく抑えることができ、接触抵抗増加による通電性の低下を防ぐことができる。
加えて、単セル１１間に隙間が発生することを抑えることができ、単セル１１間の隙間から空気や燃料ガスが拡散することを阻止できる。
【００４２】
このように、単セル１１間の電気抵抗を小さく抑えるとともに、単セル１１間から空気や燃料ガスが拡散することを阻止することで、固体電解質型燃料電池１０の発電効率を高めることができる。
【００４３】
さらに、燃料極集電体１６や空気極集電体２１が荷重Ｆ１で変形する（潰れが発生する）ことを防ぐことで、膜電極接合体１２および燃料極集電体１６間に隙間が発生することや、膜電極接合体１２および空気極集電体２１間に隙間が発生することを防止できる。
よって、膜電極接合体１２の上面（すなわち、空気極１５の上面）１５ａを空気極集電体２１で覆うことができる。
同様に、膜電極接合体１２の下面（すなわち、燃料極１４の下面）１４ａを燃料極集電体１６で覆うことができる。
【００４４】
なお、本発明に係る固体電解質型燃料電池１０は、前述した実施例に限定されるものではなく適宜変更、改良などが可能である。
例えば、前記実施例では、第１、第２のセパレータ１７，２２の突部２５，３２をエンボス加工で形成する例について説明したが、これに限らないで、その他の方法で形成することも可能である。
【００４５】
また、前記実施例で示した固体電解質型燃料電池１０、単セル１１、膜電極接合体１２、燃料極集電体１６、第１セパレータ１７、空気極集電体２１、第２セパレータ２２、突起２５，３２および貫通孔２６，３３などの形状や構成は例示したものに限定するものではなく適宜変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は、膜電極接合体に燃料極集電体を経て燃料ガスを供給するとともに空気極集電体を経て空気を供給することにより電力を発生させる固体電解質型燃料電池への適用に好適である。
【符号の説明】
【００４７】
１０…固体電解質型燃料電池、１１…単セル、１２…膜電極接合体、１６…燃料極集電体、１７…第１セパレータ、２１…空気極集電体、２２…第２セパレータ、２５，３２…突起、２６，３３…貫通孔。
【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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