JP5470232B2 - 平板型固体電解質燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、平板型固体電解質燃料電池に関するものである。

従来から、燃料電池の電解質にセラミックス系の平板型固体電解質膜を用い、この電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟んでセルを形成した固体酸化物型燃料電池（以下、ＳＯＦＣという）が知られている。このＳＯＦＣは、ダイレクト・メタノール型燃料電池等の固体高分子型燃料電池に比べ発電効率が高く、また燃料ガスとして水素ガス以外に一酸化炭素やメタン等、炭化水素系燃料全般をそのまま利用できる。さらに、作動温度が高いため、反応にＰｔ（白金）のように高価な触媒を利用せずに済む、等のメリットがある。

上述したＳＯＦＣは、隣接するセル間に中間部材を挟んだ状態で積層されることで、燃料電池スタックを構成している。中間部材は、セルのアノード及びカソード上に配置された集電材と、集電材を取り囲むように収容するガスケットと、集電材を介してセルで発電された電力を取り出すとともに、セルのアノードに燃料ガス、カソードに酸化剤ガスをそれぞれ分配するインターコネクタと、を備えている。

ところで、上述した集電材には耐熱ＳＵＳ材や貴金属性の線材を編み込んだメッシュが採用され、セル面内を反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）が流通しうるように構成されている。また、発泡金属や、多孔質導電性セラミックそのもの、またはそれらに金属棒を埋め込んで集電材として採用する例もある。

しかしながら、上述した従来の構成では、燃料電池スタックの作動時等におけるセルの反りや歪みに追従することができず、集電材とセル表面との接触が不十分になるという問題がある。さらに、従来の集電材は、セル表面との接触が点接触となるため接触面積が少なく、電気抵抗が大きい。これに対して、電気抵抗を低下させるためにはばね等により集電材に大きな圧力を負荷して、セルとの接触面積を向上させる必要があるが、この場合にはセルに局所的に応力が作用したり、圧力を負荷するためのばねとして耐熱性に優れた材料を採用する必要があるため、製造コストが増加したりする。

そこで、特許文献１，２に示されるように、金属薄板の表面にプレス加工等により凹凸を形成することで集電材を構成するとともに、その凹凸の先端をセルの表面に接触させる構成が知られている。この構成によれば、燃料電池作動時等における温度変化により各部が膨張、収縮しても凹凸の弾性変形により熱応力を吸収できるので、セルとの接触を保ち、各セル間の通電が遮断されることなく、また熱応力によるセルの破損を抑制できるとされている。

特開２００１−３５５１４号公報 特開２００１−６８１３２号公報

しかしながら、上述した特許文献１，２の構成では、ＳＯＦＣに供給される反応ガスが集電材の凹凸間を通過するため、流路抵抗が比較的少なく、反応ガスがカソードまたはアノード上で反応せずに素通りしてしまう場合が多い。そのため、発電効率の向上を図るためには限界があった。

そこで、本発明は、このような事情に考慮してなされたもので、その目的は、集電部材と燃料電池との接触面積を向上させた上で、発電効率の更なる向上を図ることができる平板型固体電解質燃料電池を提供するものである。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、平板型固体電解質の表裏面のうち、一方の面に燃料極、他方の面に酸化剤極を設けた燃料電池（例えば、実施形態におけるセル１１）と、前記燃料極または前記酸化剤極に接触して前記燃料電池からの電力を集電する集電部材（例えば、実施形態におけるメッシュ部３２）と、を備えた平板型固体電解質燃料電池において、前記集電部材は波状に形成された金属薄板で構成され、前記集電部材の山部（例えば、実施形態における山部３４）または谷部（例えば、実施形態における谷部３５）を前記燃料極または前記酸化剤極に接触する接触面とし、前記山部と前記谷部とを接続する接続部（例えば、実施形態における接続部３６）に燃料ガスまたは酸化剤ガスが通流するガス流路用の第１の孔（例えば、実施形態における貫通孔３８）を設け、前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスは、前記第１の孔を介して前記集電部材の前記山部の延長方向に交差する方向に沿って流通可能に構成され、前記山部及び前記谷部には、前記延長方向に交差する方向に沿って延在する枝葉部が形成されていることを特徴とする。

請求項２に記載した発明では、前記金属薄板における前記接触面に前記燃料極及び前記酸化剤極を露出させる第２の孔（例えば、実施形態における貫通孔３７）を設け、前記第２の孔を前記燃料極及び前記酸化剤極の反応部とすることを特徴とする。

請求項３に記載した発明では、前記燃料極及び前記酸化剤極のそれぞれに前記集電部材を設けるとともに、前記集電部材の接触面が前記燃料電池の表裏面の面内位置で少なくとも部分的に重なっていることを特徴とする。

請求項４に記載した発明では、前記燃料極及び前記酸化剤極のそれぞれに前記集電部材を設けるとともに、前記集電部材は前記延長方向が交差するように配置されていることを特徴とする。

請求項５に記載した発明では、前記燃料電池と前記集電部材とが交互に複数積層され、前記集電部材を間に挟んで隣接する前記燃料電池は、前記燃料極同士及び前記酸化剤極同士がそれぞれ対向配置されるとともに、前記燃料極同士の間に燃料ガス流路（例えば、実施形態における燃料ガス流路５７）が形成される一方、前記酸化剤極同士の間に酸化剤ガス流路（例えば、実施形態における酸化剤ガス流路５６）が形成されていることを特徴とする。

請求項１に記載した発明によれば、従来のように線材を編み込んで形成されたメッシュや発泡金属により集電部材を形成する場合と異なり、燃料電池との接触が点接触ではなく線接触または面接触となるため、燃料電池との接触面積を向上させることができる。そのため、集電部材の電気抵抗を低減させ、燃料電池で発電された電力を効率的に集電できる。この場合、燃料電池との接触面積を向上させるために、燃料電池の積層方向に沿って大きな圧力を負荷する必要もないので、燃料電池の要求強度を低下させて薄型化及び軽量化を実現できる。そして、燃料電池を薄型化することで、燃料電池の電気抵抗を低下させ、発電効率を向上させることができる。さらに、燃料電池を薄型化することで、熱容量を低下させることができるので、加熱時間を短縮させ、燃料電池の起動を速やかに行うことができる。

また、集電部材を波状に形成することで、集電部材自体が弾性を有することになるので、燃料電池の温度変動等により生じる反りや歪み、また寸法バラツキ等を効果的に吸収して、集電部材と燃料電池との全面において良好な接触状態を維持することができる。この場合、従来のように燃料電池と集電部材との接触面積を向上させるために、高価なセラミックバネ等を用いる必要もなく、例えばボルトによりエンドプレートを固定するだけで、集電部材と燃料電池との良好な接触状態を維持できる。これにより、低コスト化を図ることができる。
さらに、燃料電池の全面に対して圧力が均一に分散されるため、燃料電池の耐久性を向上させることができる。

しかも、集電部材の接続部に燃料ガスまたは酸化剤ガスが流通する反応ガス流通用の第１の孔を形成することで、反応ガスの流路内において反応ガスのガス流れに適度な抵抗を与えることができる。すなわち、メッシュや発泡金属等に反応ガスを流通させる場合に比べて流路抵抗を少なく、また例えば山部及び谷部の延長方向に沿って反応ガスを流通させる場合に比べて流路抵抗を多くすることができる。よって、反応ガスの素通りを少なくして、燃料電池の全域に亘って反応ガスを行渡らせることができる。したがって、反応ガスの利用率を向上させ、燃料電池の発電効率を向上させることができる。
さらに、山部及び谷部に枝葉部を形成することで、燃料電池との接触面積を向上させるとともに、燃料電池に作用する圧力を分散して支持することができる。

請求項２に記載した発明によれば、山部及び谷部に燃料電池の燃料極及び酸化剤極を露出させる第２の孔を形成することで、反応ガスと燃料電池との接触面積を向上させることができる。そのため、反応ガスの利用率を確実に向上させ、燃料電池の発電効率を向上させることができる。

請求項３に記載した発明によれば、燃料電池を間に挟んで一方側の集電部材と、他方側の集電部材と、を燃料電池の面内位置において部分的に一致させることで、この一致部分により燃料電池を確実に挟み込むことができる。これにより、燃料電池の曲げ剛性を向上させ、燃料電池の破損を抑制できる。そのため、燃料電池の要求強度を低下させて薄型化及び軽量化を実現できる。そして、燃料電池を薄型化することで、燃料電池の電気抵抗を低下させ、発電効率を向上させることができる。さらに、燃料電池を薄型化することで、熱容量を低下させることができるので、加熱時間を短縮させ、燃料電池の起動を速やかに行うことができる。

請求項４に記載した発明によれば、各集電部材を山部の延長方向が交差するように配置することで、燃料電池を間に挟んで一方側の集電部材の山部と、他方側の集電部材の谷部と、の交差部分により燃料電池を確実に挟み込むことができる。これにより、燃料電池の曲げ剛性を向上させ、燃料電池の破損を抑制できる。そのため、燃料電池の要求強度を低下させて薄型化及び軽量化を実現できる。そして、燃料電池を薄型化することで、燃料電池の電気抵抗を低下させ、発電効率を向上させることができる。さらに、燃料電池を薄型化することで、熱容量を低下させることができるので、加熱時間を短縮させ、燃料電池の起動を速やかに行うことができる。

請求項５に記載した発明によれば、隣り合う燃料電池において、同極を対向させた状態で積層することで、これら燃料電池間で囲まれた領域を反応ガスの流路とすることができる。そのため、異なる電極を対向させた状態で燃料電池を積層させる場合と異なり、電極間を区画する必要がないので、各流路を拡大できる。さらに、反応ガスの流路の両面で発電を行うことができるので、通路断面積に対する反応面積を増加させることができる。また、隣り合う燃料電池に対して、同様の条件で反応ガスを供給することができるため、セル間での発電効率の均一化を図ることができる。これにより、燃料利用率を向上させ、高効率な燃料電池スタックを提供できる。

本発明の第１実施形態における燃料電池スタックの分解斜視図である。 本図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 セルがセパレータに挟持された状態を示す斜視図である。 セパレータの接触領域を説明するためのセルの斜視図である。 反応ガスの流通方向を説明するためのセル及びセパレータの斜視図である。 本発明の変形例におけるメッシュ部の斜視図である。 本発明の第２実施形態におけるメッシュ部の斜視図である。

次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
（燃料電池スタック）
図１は実施形態における燃料電池の分解斜視図であり、図２は図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
本実施形態の燃料電池スタック１０（以下、燃料電池１０という）は、セラミックス系の平板型固体電解質膜（以下、電解質膜という）をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセル１１と、隣り合うセル１１の間に配置される中間部材２１と、を備えている。これらセル１１及び中間部材２１が厚さ方向に沿って交互に積層されて、平面視矩形状の燃料電池１０が構成されている。

燃料電池１０には、図示しない燃料ガス供給手段からアノードに向けて燃料ガス（例えば、ＨＣ系ガス燃料）が供給され、図示しない酸化剤ガス供給手段からカソードに向けて酸化剤ガス（例えば、空気）が供給されるようになっている。

セル１１の電解質膜は、例えばＹＳＺ（Ｙｔｔｒｉａ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ）等の材料で構成されている。アノードは例えばニッケルとＹＳＺとの焼結体で構成され、カソードは例えばランタン、ストロンチウム、マンガンの焼結体で構成されている。また、セル１１の外周部分には、酸化剤ガス供給手段から供給される酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス連通孔１２と、セル１１で発電に供された酸化剤排ガスが流通する酸化剤排ガス連通孔１３と、燃料ガス供給手段から供給される燃料ガスが流通する燃料ガス連通孔１４と、セル１１で発電に供された燃料排ガスが流通する燃料排ガス連通孔１５と、が各辺に対応して形成されている。各連通孔１２〜１５のうち、酸化剤ガス連通孔１２及び酸化剤排ガス連通孔１３と、燃料ガス連通孔１４及び燃料排ガス連通孔１５と、はセル１１における各辺の外周部分でそれぞれ対向するように配置されている。

（中間部材）
中間部材２１は、セル１１のカソード側に配置されるカソード中間部材２１ａと、アノード側に配置されるアノード中間部材２１ｂと、を備えている。

まず、カソード中間部材２１ａは、セパレータ２２と、セパレータ２２を厚さ方向両側から挟み込み、セル１１及びセパレータ２２の間をシールする一対のガスケット２３と、を備えている。
ガスケット２３は、マイカ等により構成された矩形平板状のものであり、その中央部には厚さ方向に沿って貫通する矩形状の貫通孔２４が形成されている。すなわち、ガスケット２３は、矩形の額縁形状に形成されたシール部２９を有している。ものである。

また、ガスケット２３のシール部２９の各辺には、セル１１の各連通孔１２〜１５に重なるようにシール部２９を厚さ方向に貫通する酸化剤ガス連通孔２５、酸化剤排ガス連通孔２６、燃料ガス連通孔２７、及び燃料排ガス連通孔２８がそれぞれ形成されている。酸化剤ガス連通孔２５及び酸化剤排ガス連通孔２６と、燃料ガス連通孔２７及び燃料排ガス連通孔２８は、それぞれシール部２９の対向する辺に形成されている。また、シール部２９において、酸化剤ガス連通孔２５及び酸化剤排ガス連通孔２６が形成された辺には、貫通孔２４と酸化剤ガス連通孔２５及び酸化剤排ガス連通孔２６とをそれぞれ連通させる切欠き部３１が形成されている。これにより、ガスケット２３における各連通孔２５〜２９のうち、酸化剤ガス連通孔２５及び酸化剤排ガス連通孔２６は、貫通孔２４内に向けて開放されている。

（セパレータ）
セパレータ２２は、矩形平板状の部材であり、面内方向中央部に形成されたメッシュ部３２と、メッシュ部３２の外側を取り囲む金属部材３３とが一体的に形成されたものである。

図３は、セルがセパレータに挟持された状態を示す斜視図である。なお、図３では説明を分かりやすくするため、金属部材３３及びセル１１とセパレータ２２との間のガスケット２３の記載を省略している。
図１〜図３に示すように、まず金属部材３３は、ガスケット２３に挟み込まれるシール面を有している。そして、金属部材３３の各辺には、セル１１の各連通孔１２〜１５に重なるように金属部材３３を厚さ方向に貫通する酸化剤ガス連通孔４１、酸化剤排ガス連通孔４２、燃料ガス連通孔４３、及び燃料排ガス連通孔４４がそれぞれ形成されている。
また、金属部材３３における酸化剤ガス連通孔４１から酸化剤排ガス連通孔４２に向かう方向（以下、酸化剤ガスの流通方向Ｃａという）に対向する辺には、外側に向けて突出する端子部３９が形成されている。

なお、上述した酸化剤ガス連通孔１２，２５，４１は、燃料電池１０の積層方向に沿って酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス連通路５２を構成し、酸化剤排ガス連通孔１３，２６，４２は燃料電池１０の積層方向に沿って酸化剤排ガスが流通する酸化剤排ガス連通路５３を構成している。

メッシュ部３２は、薄板状の部材が矩形波状に屈曲形成されてなるものであり、その頂面を構成する複数の山部３４及び谷部３５と、これら山部３４及び谷部３５を接続する接続部３６と、を有している。山部３４は金属部材３３に対して厚さ方向一方側に向けて突出し、谷部３５は金属部材３３に対して厚さ方向他方側に向けて突出している。この場合、山部３４及び谷部３５は、金属部材３３を間に挟んで厚さ方向に沿って対称位置に配置され、酸化剤ガスの流通方向Ｃａに沿って交互に配列されている。
また、山部３４及び谷部３５は、その延長方向（稜線方向）を後述する燃料ガス連通孔４３から燃料排ガス連通孔４４に向かう方向（以下、燃料ガスの流通方向Ａｎという）と一致させた状態で、互いに平行に延在している。

そして、山部３４及び谷部３５には、それぞれの厚さ方向に向けて貫通する複数の貫通孔（第２の孔）３７が形成されている。各貫通孔３７は、山部３４及び谷部３５の延長方向に沿って等間隔に形成されている。

接続部３６は、山部３４の一端側と谷部３５の他端側、及び山部３４の他端側と谷部３５の一端側同士をそれぞれ接続する傾斜面とされている。そして、この接続部３６には、その厚さ方向に沿って貫通する複数の貫通孔（第１の孔）３８が形成されている。各貫通孔３８は、山部３４及び谷部３５の延長方向に沿って上述した貫通孔３７と同ピッチで形成されている。なお、メッシュ部３２は、機械加工や、打ち抜き加工、エッチング加工等で貫通孔３７，３８を形成した後、曲げ加工を行うことで作製できる。

各中間部材２１のうち、アノード中間部材２１ｂは、上述したカソード中間部材２１ａと略同一の構成であり、カソード中間部材２１ａに対して燃料電池１０の積層方向回りに９０度回転させた状態で配置されている。なお、以下の説明では、上述したカソード中間部材２１ａと同一の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

アノード中間部材２１ｂのガスケット２３は、燃料ガス連通孔２７及び燃料排ガス連通孔２８が形成された辺には、貫通孔２４と燃料ガス連通孔２７及び燃料排ガス連通孔２８をそれぞれ連通させる切欠き部５１が形成されている。これにより、各連通孔２５〜２８のうち、燃料ガス連通孔２７及び燃料排ガス連通孔２８は、貫通孔２４内に向けて開放されている。なお、上述した燃料ガス連通孔１４，２７，４３は、燃料電池１０の積層方向に沿って燃料ガスが流通する燃料ガス連通路５４を構成し、燃料排ガス連通孔１５，２８，４４は、燃料電池１０の積層方向に沿って燃料排ガスが流通する燃料排ガス連通路５５を構成している。

図４はセパレータの接触領域を説明するためのセルの斜視図である。
図１〜図４に示すように、アノード中間部材２１ｂにおけるメッシュ部３２は、その頂面を構成する複数の山部３４及び谷部３５と、これら山部３４及び谷部３５を接続する接続部３６と、を有している。山部３４及び谷部３５は、燃料ガスの流通方向Ａｎに沿って交互に配列されている。また、山部３４及び谷部３５は、その延長方向（稜線方向）を酸化剤ガスの流通方向Ｃａと一致させた状態で、互いに平行に延在している。すなわち、本実施形態では、カソード中間部材２１ａのセパレータ２２と、アノード中間部材２１ｂのセパレータ２２と、の山部３４及び谷部３５の延長方向がセル１１を間に挟んで直交するように配置されている。そして、一方の中間部材２１のセパレータ２２における山部３４と、他方の中間部材２１のセパレータ２２における谷部３５と、によりセル１１が厚さ方向両側から挟持されている。この場合、セル１１を間に挟んで山部３４と谷部３５との接触領域（重なる部分）を交差領域Ｋとしている。

そして、図１に示すように、セル１１のカソード側にカソード中間部材２１ａを配置する一方、アノード側にアノード中間部材２１ｂを配置し、これら中間部材２１を間に挟んで、カソード同士、アノード同士がそれぞれ対向するように隣接するセル１１を積層することで本実施形態の燃料電池１０が構成されている。この場合、セパレータ２２は、山部３４及び谷部３５が隣接するセル１１の同極に面接触した状態で、挟み込まれている。

具体的に、カソード同士が対向する隣接するセル１１間において、一方のセル１１のカソードには、カソード中間部材２１ａのセパレータ２２の山部３４が、ガスケット２３の貫通孔２４を通して面接触している。また、他方のセル１１のカソードには谷部３５が、ガスケット２３の貫通孔２４を通して面接触している。アノード同士が対向する隣接するセル１１間において、一方のセル１１のアノードには、アノード中間部材２１ｂのセパレータ２２の山部３４が、ガスケット２３の貫通孔２４を通して面接触している。また、他方のセル１１のアノードには谷部３５が、ガスケット２３の貫通孔２４を通して面接触している。これにより、セル１１で発電された電力は、メッシュ部３２を介して金属部材３３に集電され、端子部３９から電流として取り出される。

また、各カソード中間部材２１ａにおけるセパレータ２２の端子部３９同士、アノード中間部材２１ｂにおけるセパレータ２２の端子部３９同士は、それぞれ配線（不図示）により並列接続され、燃料電池１０で出力される電力を取り出している。なお、取り出した後の電力は、図示しないＤＣ−ＤＣコンバータにより昇圧して使用する。

そして、燃料電池１０の積層方向の両端部には、それぞれエンドプレート（不図示）が配置され、これらエンドプレートが締結手段によって締結されることで、エンドプレート間に燃料電池１０が挟持されている。燃料電池１０の積層方向一端側には、コンプレッサ等の図示しない酸化剤ガス供給手段が配置され、酸化剤ガス供給手段から供給される酸化剤ガスが酸化剤ガス連通路５２を通ってカソード中間部材２１ａと対向するセル１１のカソードとで囲まれた空間に供給される。すなわち、カソード中間部材２１ａと対向するセル１１のカソードとで囲まれた空間は、酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流路５６を構成している。
一方、燃料電池１０の積層方向一端側には、図示しない燃料ガスの燃料ガス供給手段が配置され、燃料ガス供給手段から供給される燃料ガスが燃料ガス連通路５４を通ってアノード中間部材２１ｂと対向するセル１１のアノードとで囲まれた空間に供給される。すなわち、アノード中間部材２１ｂと対向するセル１１のアノードとで囲まれた空間は、アノードの面内に沿って燃料ガスが流通する燃料ガス流路５７を構成している。

ところで、中間部材２１に用いる材料としては、燃料電池１０の作動温度（例えば、６００℃以上）に耐えうる温度であって、熱伝導率が高く、セル１１と熱膨張係数が近い材料であることが好ましい。
これは本実施形態で用いるセラミック系のセル１１は、機械的に弱く、セル１１面内における温度不均一による応力によって破壊され易いためである。さらにセル１１の熱伝導率は２（Ｗ／ｍ・Ｋ）程度と比較的低く、温度不均一になり易い特性を有している。この場合、中間部材２１に耐熱ステンレス（使用可能温度７５０℃程度）を用いると、熱伝導率がセラミックよりも大きいため温度不均一を緩和する効果がある。ところが、耐熱ステンレスの熱伝導率は２６（Ｗ／ｍ・Ｋ）と金属材料の中では小さいため、燃料電池１０を運転可能温度に予熱する際に温度不均一が生じないように長い時間をかけて加熱しなければならない。

このようなことから、本実施形態の中間部材２１に採用する材料として、耐熱ステンレスの他に、銅−炭素の複合材料や、銅、銅合金、さらにはこれらの材料の表面にメッキ処理を施したもの等が挙げられる。
具体的に、複合材料は、熱伝導率が約２０００（Ｗ／ｍ・Ｋ）である高熱伝導率材料として、黒鉛の結晶を銅の中に配合したものであり、その配合割合によって熱膨張係数は７〜１７×１０^−６となるため、セル１１（セラミッ）の１１×１０^−６と一致させることが可能である。この場合、複合材料の熱伝導率は５００（Ｗ／ｍ・Ｋ）と耐熱ステンレスに比べて約２０倍であり、温度差の減少作用によりセル１１の破壊を抑制できるので、加熱時間を大幅に短縮することができる。
また、銅または銅合金は、その熱伝導率がステンレスに比べて１５倍の３９０（Ｗ／ｍ・Ｋ）であるため、温度差減少効果で加熱時間を短縮することができる。ただし、熱膨張係数が１７．７程度とセル１１に比べて大きいため、熱膨張差を吸収するためにセル１１と中間部材２１との間に平面シール構造及び位置決め構造が必要となる。
なお、銅合金の使用可能温度は燃料電池１０の作動温度よりも高い（７００℃程度）ため、中間部材２１としてそのまま使用可能である。一方で、銅及び複合材料の使用可能温度は燃料電池１０の作動温度よりも低い（４７０℃程度）ため、表面に銀やニッケル、金等のメッキや、ニッケルによるクラッド等の耐酸化処理を施す必要がある。

（作用）
次に、本実施形態の作用を説明する。
まず、図１に示す燃料電池１０を所定温度に加熱しつつ、酸化剤ガス供給手段から酸化剤ガスを供給し、燃料ガス供給手段から燃料ガスを供給する。

図５は反応ガスの流通方向を説明するためのセル及びセパレータの斜視図である。
酸化剤ガス供給手段から供給された酸化剤ガスは、燃料電池１０に形成された酸化剤ガス連通路５２を流通し、切欠き部３１から酸化剤ガス流路５６内に流入する。図５に示すように、酸化剤ガス流路５６に流入した酸化剤ガスは、カソードの面内を酸化剤排ガス連通孔２６に向けて流通する。すなわち、酸化剤ガスは、接続部３６に形成された貫通孔３８を通って、メッシュ部３２の山部３４及び谷部３５の配列方向（山部３４及び谷部３５の延長方向に直交する方向）に沿って流通する。この際に、酸化剤ガスは、山部３４及び谷部３５の貫通孔３７を通って対向するセル１１のカソードに到達する。

一方で、燃料ガス供給手段から供給された燃料ガスは、燃料電池１０に形成された燃料ガス連通路５４を流通し、切欠き部５１から燃料ガス流路５７内に流入する。燃料ガス流路５７に流入した燃料ガスは、アノードの面内を燃料排ガス連通孔４４に向けて流通する。すなわち、燃料ガスは、接続部３６に形成された貫通孔３８を通って、メッシュ部３２の山部３４及び谷部３５の配列方向（山部３４及び谷部３５の延長方向に直交する方向）に沿って流通する。この際、カソード中間部材２１ａのセパレータ２２と、アノード中間部材２１ｂのセパレータ２２と、の山部３４及び谷部３５同士はセル１１を間に挟んで直交するように配置されているため、燃料ガスの流通方向Ａｎと上述した酸化剤ガスの流通方向Ｃａに直交する方向とが直交することになる。そして、燃料ガスは、山部３４、及び谷部３５の貫通孔３７を通って対向するセル１１のアノードに到達する。

ここで、酸化剤ガス流路５６内を流通する酸化剤ガスがカソードに到達すると、カソードにおいて触媒反応により酸化物イオンとなる。すると、カソードで発生した酸化物イオンが、電解質膜を透過してアノードまで移動する。
一方、燃料ガス流路５７内を流通する燃料ガスがアノードに到達すると、アノードに到達した燃料ガスと、アノードまで移動した酸化物イオンとが結合する。この反応過程において、電子を放出することで発電が行われる（Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻）。

そして、酸化剤ガス流路５６内において発電に供された酸化剤排ガスは、切欠き部３１から酸化剤排ガス連通孔２６に流入し、酸化剤排ガス連通路５３を通って燃料電池１０から排出される。一方で、燃料ガス流路５７内において発電に供された燃料排ガスは、切欠き部５１から燃料排ガス連通孔４４内に流入し、燃料排ガス連通路５５を通って燃料電池１０から排出される。

このように、本実施形態では、薄板状の部材を矩形波状に屈曲形成してメッシュ部３２を構成した。
この構成によれば、従来のようにメッシュや発泡金属により集電部材を形成する場合と異なり、セル１１との接触が点接触ではなく線接触または面接触となるため、セル１１との接触面積を向上させることができる。そのため、セパレータ２２の電気抵抗を低減させ、燃料電池１０で発電された電力を効率的に集電できる。この場合、セル１１との接触面積を向上させるために、燃料電池１０の積層方向に沿って大きな圧力を負荷する必要もないので、セル１１の要求強度を低下させて薄型化及び軽量化を実現できる。そして、セル１１を薄型化することで、セル１１の電気抵抗を低下させ、発電効率を向上させることができる。さらに、セル１１を薄型化することで、熱容量を低下させることができるので、加熱時間を短縮させ、燃料電池１０の起動を速やかに行うことができる。

また、メッシュ部３２を矩形波状に屈曲形成することで、メッシュ部３２自体が弾性を有することになるので、セル１１の温度変動等により生じる反りや歪み、また寸法バラツキ等を効果的に吸収して、セパレータ２２とセル１１との全面において良好な接触状態を維持することができる。この場合、従来のようにセル１１と集電部材との接触面積を向上させるために、高価なセラミックバネ等を用いる必要もなく、ボルトによりエンドプレートを固定するだけで、セパレータ２２とセル１１との良好な接触状態を維持できる。これにより、低コスト化を図ることができる。
さらに、セル１１の全面に対して圧力が均一に分散されるため、燃料電池１０の耐久性を向上させることができる。

しかも、本実施形態ではメッシュ部３２の接続部３６に燃料ガスまたは酸化剤ガスが流通する反応ガス流通用の貫通孔３８を形成する構成とした。
この構成によれば、反応ガスの流路内において反応ガスのガス流れに適度な抵抗を与えることができる。すなわち、メッシュや発泡金属等に反応ガスを流通させる場合に比べて流路抵抗を少なく、また山部３４及び谷部３５の延長方向に沿って反応ガスを流通させる場合に比べて流路抵抗を多くすることができる。よって、反応ガスの素通りを少なくして、セル１１の全域に亘って反応ガスを行渡らせることができる。したがって、反応ガスの利用率を向上させ、燃料電池１０の発電効率を向上させることができる。

また、山部３４及び谷部３５にセル１１のカソード及びアノードを露出させる貫通孔３７を形成することで、各流路を流通する反応ガスとセル１１との接触面積を向上させることができる。そのため、反応ガスの利用率を確実に向上させ、燃料電池１０の発電効率を向上させることができる。

さらに、各中間部材２１ａ，２１ｂのセパレータ２２において、山部３４（谷部３５）の配列方向を直交させて配置することで、セル１１を間に挟んで一方側のセパレータ２２の山部３４と、他方側のセパレータ２２の谷部３５と、の交差部分Ｋによりセル１１を確実に挟み込むことができる。これにより、セル１１の曲げ剛性を向上させ、セル１１の破損を抑制できる。そのため、セル１１の要求強度を低下させて薄型化を実現し、セル１１の発電効率を向上させることができる。
また、酸化剤ガスと燃料ガスの出入口（連通孔１２〜１４，２５〜２８，４１〜４４）、及びカソード中間部材２１ａとアノード中間部材２１ｂとの端子部３９を、燃料電池１０の積層方向回りに９０度異ならせることができるので、レイアウト性を向上させることができ、構成の簡素化を図ることができる。

また、メッシュ部３２の貫通孔３７，３８の間隔や大きさを変更することで、流路内の抵抗等を容易に変更できるので、設計の自由度を向上させることができる。
さらに、本実施形態の燃料電池１０では、隣り合うセル１１において、同極を対向させた状態で積層することで、これセル１１間で囲まれた領域を反応ガスの流路５６，５７とすることができる。そのため、異なる電極を対向させた状態でセル１１を積層させる場合と異なり、電極間を区画する必要がないので、各流路を拡大できる。さらに、反応ガスの流路５６，５７の両面で発電を行うことができるので、通路断面積に対する反応面積を増加させることができる。また、隣り合うセルに対して、同様の条件で反応ガスを供給することができるため、セル１１間での発電効率の均一化を図ることができる。これにより、燃料利用率を向上させ、高効率な燃料電池１０を提供できる。

（変形例）
図６は、本発明の変形例におけるメッシュ部の斜視図である。なお、図６では、説明を分かりやすくするため、上述した中間部材２１のうち、メッシュ部３２のみを示している。
上述した実施形態では、メッシュ部３２を矩形波状に屈曲形成した場合について説明したが、これに限らず、図６に示すような湾曲面が連続してなる波状等、適宜設計変更が可能である。具体的に、図６に示すメッシュ部３２は、薄板状の部材が波状に屈曲形成されてなるものであり、山部３４及び谷部３５と、これら山部３４及び谷部３５を接続する接続部３６と、を有している。山部３４及び谷部３５は、その延長方向（稜線方向）に沿って延在する梁状に形成され、波状に形成されたメッシュ部３２の頂面を構成している。すなわち、山部３４及び谷部３５が、ガスケット２３を間に挟んで配置されるセル１１の電極同士（カソード同士またはアノード同士）に線接触している。

接続部３６は、山部３４及び谷部３５間を接続する湾曲面とされ、その厚さ方向に沿って貫通する複数の貫通孔３８が形成されている。各貫通孔３８は、山部３４及び谷部３５の延長方向に沿って等間隔で形成されている。
この構成によれば、上述した第１実施形態と同様の効果を奏することに加え、第１実施形態の矩形波状のメッシュ部３２に比べてバネ定数を低くすることができる。そのため、セル１１の温度変動等により生じる反りや歪み、また寸法バラツキ等をより効果的に吸収して、セパレータ２２とセル１１との全面において良好な接触状態を維持することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図７は、第２実施形態におけるメッシュ部の斜視図である。
図７に示すように、本実施形態のメッシュ部３２は、山部３４及び谷部３５に枝葉部６１が形成されている。これら枝葉部６１は、山部３４及び谷部３５の延長方向に直交する方向に向けてそれぞれ延在し、山部３４及び谷部３５とともに、セパレータ２２及びガスケット２３を間に挟んで配置されるセル１１の電極同士（カソード同士またはアノード同士）に接触可能に構成されている。なお、メッシュ部３２は、機械加工や、打ち抜き加工、エッチング加工等で貫通孔３８を形成する際に、貫通孔３８を横断するように枝葉部６１に相当する部分を残存させ、その後山部３４及び谷部３５の曲げ加工時にこれら山部及び３５と平行になるように曲げ加工を行うことで作製できる。

この構成によれば、山部３４及び谷部３５に枝葉部６１を形成することで、セル１１との接触面積を向上させるとともに、セル１１に作用する圧力を分散して支持することができる。

なお、本発明の技術範囲は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、上述した実施形態で挙げた構成等はほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
例えば、上述した実施形態では、メッシュ部３２と金属部材３３とをセパレータ２２として一体的に形成する場合について説明したが、これに限らず、メッシュ部３２と金属部材３３とを別体で形成しても構わない。この場合、金属部材３３をガスケット２３と同様に矩形枠状に形成し、その内側にメッシュ部３２を配置する構成が可能である。
また、上述した実施形態では、本発明の燃料電池をセル１１と中間部材２１とを交互に積層した燃料電池スタック１０を例にして説明したが、単層の燃料電池にも適用可能である。すなわち、セル１１の両側に中間部材２１を配置し、その積層体をエンドプレートにより挟み込むことで、単層の燃料電池を作製できる。
さらに、上述した実施形態では、各中間部材２１のセパレータ２２を直交させて配置する構成について説明したが、これに限らず、同方向に沿って配置しても構わない。

１１…セル（燃料電池） ３２…メッシュ部（集電部材） ３４…山部 ３５…谷部 ３６…接続部 ３７…貫通孔（第２の孔） ３８…貫通孔（第１の孔） ５６…酸化剤ガス流路 ５７…燃料ガス流路 ６１…枝葉部

Claims (5)

1. 平板型固体電解質の表裏面のうち、一方の面に燃料極、他方の面に酸化剤極を設けた燃料電池と、
   前記燃料極または前記酸化剤極に接触して前記燃料電池からの電力を集電する集電部材と、を備えた平板型固体電解質燃料電池において、
   前記集電部材は波状に形成された金属薄板で構成され、
   前記集電部材の山部または谷部を前記燃料極または前記酸化剤極に接触する接触面とし、
   前記山部と前記谷部とを接続する接続部に燃料ガスまたは酸化剤ガスが通流するガス流路用の第１の孔を設け、
   前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスは、前記第１の孔を介して前記集電部材の前記山部の延長方向に交差する方向に沿って流通可能に構成され、
   前記山部及び前記谷部には、前記延長方向に交差する方向に沿って延在する枝葉部が形成されていることを特徴とする平板型固体電解質燃料電池。
2. 前記金属薄板における前記接触面に前記燃料極及び前記酸化剤極を露出させる第２の孔を設け、前記第２の孔を前記燃料極及び前記酸化剤極の反応部とすることを特徴とする請求項１記載の平板型固体電解質燃料電池。
3. 前記燃料極及び前記酸化剤極のそれぞれに前記集電部材を設けるとともに、前記集電部材の接触面が前記燃料電池の表裏面の面内位置で少なくとも部分的に重なっていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の平板型固体電解質燃料電池。
4. 前記燃料極及び前記酸化剤極のそれぞれに前記集電部材を設けるとともに、前記集電部材は前記延長方向が交差するように配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の平板型固体電解質燃料電池。
5. 前記燃料電池と前記集電部材とが交互に複数積層され、
   前記集電部材を間に挟んで隣接する前記燃料電池は、前記燃料極同士及び前記酸化剤極同士がそれぞれ対向配置されるとともに、前記燃料極同士の間に燃料ガス流路が形成される一方、前記酸化剤極同士の間に酸化剤ガス流路が形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４の何れか１項に記載の平板型固体電解質燃料電池。

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