JP5502615B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体が、セパレータ間に積層される燃料電池に関する。

通常、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いており、この電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体（ＭＥＡ）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。この燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが、交互に所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。

上記の燃料電池では、例えば、板状電解質・電極接合体を構成するアノード電極及びカソード電極に、それぞれアノード集電体及びカソード集電体を介装して板状セパレータが積層される平板型固体酸化物形燃料電池が採用されている。その際、アノード集電体には、Ｎｉ基合金等のスポンジ状の多孔質体が使用される一方、カソード集電体には、Ａｇ基合金等の同じくスポンジ状の多孔質体が使用されている。

そこで、特許文献１に開示されている固体電解質型燃料電池は、図１７に示すように、固体電解質層１ａの両面に燃料極層２ａ及び空気極層３ａが配置されている。燃料極層２ａ及び空気極層３ａの外側には、多孔質クッション材よりなる燃料極集電体４ａ及び空気極集電体５ａが配置されるとともに、前記燃料極集電体４ａ及び前記空気極集電体５ａの外側には、それぞれセパレータ６ａが配置されている。

そして、燃料極集電体４ａ及び空気極集電体５ａは、それぞれ厚さ方向に連続的に密から粗に組成の変化する傾斜組成を有する多孔質体で構成されている。さらに、多孔質体よりなる燃料極集電体４ａ及び空気極集電体５ａは、燃料極層２ａ及び空気極層３ａとの接触面側に気孔の小さな密の層、各セパレータ６ａとの接触面側に気孔の大きな粗の層がくるような向きで、前記燃料極層２ａ及び前記空気極層３ａと前記セパレータ６ａとの間に配置されている。

また、特許文献２に開示されている固体酸化物形燃料電池は、図１８に示すように、固体電解質層１ｂの両面に酸化剤極層２ｂ及び燃料極層３ｂが配置された平板型の発電セル４ｂを備えている。発電セル４ｂの外側には、それぞれ多孔質クッション材よりなる酸化剤極集電体５ｂ及び燃料極集電体６ｂが配置されている。

酸化剤極集電体５ｂ及び燃料極集電体６ｂの外側には、それぞれセパレータ７ｂが配置されるとともに、前記セパレータ７ｂに穿設された噴出口８ｂから前記酸化剤極集電体５ｂ又は前記燃料極集電体６ｂを介して、酸化剤極層２ｂ又は燃料極層３ｂに、各々酸化剤ガス又は燃料ガスが供給されている。そして、酸化剤極層２ｂのセパレータ７ｂに穿設された酸化剤ガスの噴出口８ｂの対向する部分には、穴９ｂが形成されている。

特開２００２−３５８９８０号公報 特開２００８−２５１２３８号公報

上記の特許文献１では、燃料極集電体４ａは、燃料極層２ａとの接触面側に気孔の小さな密の層がくる一方、セパレータ６ａとの接触面側に気孔の大きな粗の層がくるような向きに配置されている。このため、燃料極集電体４ａの内部を流通する燃料ガスは、燃料極層２ａの近傍で移動が妨げられるおそれがあるとともに、前記燃料極集電体４ａとセパレータ６ａとの間から前記燃料ガスが吹き抜ける場合がある。これにより、燃料極集電体４ａと燃料極層２ａとの界面に燃料ガスが良好に供給されず、発電効率が低下するという問題がある。

しかも、燃料極集電体４ａは、燃料極層２ａとの接触面側に気孔の小さな密の層に形成されている。従って、固体電解質型燃料電池全体に積層方向に荷重を付与する際、燃料極集電体４ａと燃料極層２ａ（及び空気極集電体５ａと空気極層３ａ）とを密着させることができないおそれがある。このため、電気抵抗が減少することがなく、発電効率の向上が図られないという問題がある。

また、上記の特許文献２では、酸化剤極集電体５ｂには、酸化剤ガスの噴出口８ｂに対向して穴９ｂが形成されている一方、燃料極集電体６ｂには、穴が形成されていない。これにより、燃料ガスは、燃料極集電体６ｂに流れを遮られて三相界面に良好に供給されず、発電効率が低下するおそれがある。特に、アノード支持型燃料電池、すなわち、ＡＳＣ（Anode Supported Cell）では、燃料極層３ｂの厚さが相当に大きくなり、発電効率が一層低下するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、電解質・電極接合体とセパレータとの密着性を向上させ、電気抵抗の低減を図るとともに、前記電解質・電極接合体に燃料ガスを良好且つ確実に供給することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体が、セパレータ間に積層される燃料電池に関するものである。

この燃料電池は、アノード電極とセパレータとの間に設けられ、電解質・電極接合体に発生する電力を取り出すとともに、前記アノード電極の電極面に燃料ガスを供給するアノード集電体と、前記セパレータに設けられ、前記アノード集電体に前記燃料ガスを供給する少なくとも１つの燃料ガス供給孔とを備えている。

そして、アノード集電体には、燃料ガス供給孔の開口端部に対向して開口し、前記燃料ガス供給孔から導入される燃料ガスを、前記アノード集電体の内部に流通させる少なくとも１つの燃料ガス導入路が設けられるとともに、前記燃料ガス導入路の開口断面積は、前記燃料ガス供給孔の開口断面積よりも大きく設定されている。

このため、燃料ガスは、燃料ガス供給孔の下流開口端部の近傍でアノード集電体に流れを遮られることが抑制されるとともに、前記アノード集電体とセパレータとの間から前記燃料ガスが吹き出すことを抑制することができる。従って、燃料ガスを電解質・電極接合体に良好且つ確実に供給することが可能になり、発電効率の向上が図られる。

さらに、この燃料電池では、アノード集電体は、発泡金属で構成されることが好ましい。これにより、アノード集電体は、集電機能の他に、ガス透過機能、ガス拡散機能、荷重緩和機能及び熱膨張差吸収機能等を備えることができる。しかも、電解質・電極接合体とセパレータとの密着性が向上し、電気抵抗の低減が容易に遂行可能になる。

さらにまた、この燃料電池では、アノード集電体は、燃料ガス導入路を構成する内壁部が、前記内壁部以外の部位に比べて緻密に構成されることが好ましい。このため、燃料ガスは、燃料ガス導入路を流通する際に、前記燃料ガス導入路から吹き抜けることを抑制される。従って、燃料ガスは、燃料ガス導入路を通って電解質・電極接合体に良好且つ確実に供給され、発電効率の向上が図られる。

また、この燃料電池では、電解質・電極接合体は、アノード電極を支持基板とするアノード電極支持型電解質・電極接合体（ＡＳＣ）であることが好ましい。特に、厚さの大きなアノード電極が使用される際、燃料ガスは、吹き抜けを抑制されながら、三相界面（電解質とアノード電極との間）まで良好に供給される。これにより、電解質・電極接合体に燃料ガスを良好且つ確実に供給することが可能になり、発電効率の向上が図られる。

さらに、この燃料電池では、アノード集電体の厚さは、アノード電極の厚さよりも小さく設定されることが好ましい。特に、厚さの大きなアノード電極が使用される際、燃料ガスは、吹き抜けを抑制されながら、三相界面まで良好に供給される。このため、電解質・電極接合体に燃料ガスを良好且つ確実に供給することが可能になり、発電効率の向上が図られる。

さらにまた、この燃料電池では、アノード集電体の周縁部には、緻密化処理が施されることが好ましい。従って、アノード集電体の内部に拡散する燃料ガスは、前記アノード集電体の周縁部から外部に吹き出すことを抑制できる。これにより、電解質・電極接合体に燃料ガスを良好且つ確実に供給することが可能になり、発電効率の向上が図られる。

また、この燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であることが好ましい。特に、ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）のような高温型燃料電池に適用することが好適である。アノード集電体は、集電機能の他に、ガス透過機能、ガス拡散機能、荷重緩和機能及び熱膨張差吸収機能等を備えているからである。しかも、電解質・電極接合体とセパレータとの密着性が向上し、電気抵抗の低減が容易に遂行される。

さらに、この燃料電池は、平板型固体酸化物形燃料電池であることが好ましい。特に、平板型ＳＯＦＣ（平板型固体酸化物形燃料電池）のような高温型燃料電池に適用することが好適である。アノード集電体は、集電機能の他に、ガス透過機能、ガス拡散機能、荷重緩和機能及び熱膨張差吸収機能等を備えているからである。しかも、電解質・電極接合体とセパレータとの密着性が向上し、電気抵抗の低減が容易に遂行される。

本発明によれば、アノード集電体は、集電機能の他に、ガス透過機能、ガス拡散機能、荷重緩和機能及び熱膨張差吸収機能等を備えることができる。しかも、電解質・電極接合体とセパレータとの密着性が向上し、電気抵抗の低減が容易に遂行される。

さらに、燃料ガスは、燃料ガス供給孔の下流開口端部の近傍でアノード集電体に流れを遮られることが抑制されるとともに、前記アノード集電体とセパレータとの間から前記燃料ガスが吹き出すことを抑制することができる。従って、燃料ガスを電解質・電極接合体に燃料ガスを良好且つ確実に供給することが可能になり、発電効率の向上が図られる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池のガス流れ状態を示す一部分解斜視説明図である。 前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。 本発明と比較例との発電性能の比較図である。 アノード集電体の孔径とＩＲ損失との関係図である。 アノード電極の厚さ及びアノード集電体の厚さと非ＩＲ損失との関係図である。 本発明の第２の実施形態を構成するアノード集電体の説明図である。 本発明の第３の実施形態を構成するアノード集電体の説明図である。 本発明の第４の実施形態を構成するアノード集電体の説明図である。 前記アノード集電体の製造方法の説明図である。 本発明の第５の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池のガス流れ状態を示す一部分解斜視説明図である。 前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。 本発明の第６の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池のガス流れ状態を示す一部分解斜視説明図である。 前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。 特許文献１の固体電解質型燃料電池の説明図である。 特許文献２の固体酸化物形燃料電池の説明図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０は、平板型固体酸化物形燃料電池である。この燃料電池１０は、複数積層されるとともに、例えば、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。

燃料電池１０は、図１及び図２に示すように、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される電解質（電解質板）１２の両面に、カソード電極１４及びアノード電極１６が設けられた電解質・電極接合体（ＭＥＡ）１８を備える。電解質・電極接合体１８は、円板状に形成されるとともに、少なくとも外周端面部には、酸化剤ガス及び燃料ガスの進入や排出を阻止するためにバリアー層（図示せず）が設けられている。

図３に示すように、電解質・電極接合体１８は、アノード電極１６を支持基板とするアノード電極支持型電解質・電極接合体、すなわち、ＡＳＣ（Anode Supported Cell）である。アノード電極１６の厚さｔ２は、カソード電極１４及び電解質１２の厚さに比べて相当に大きく設定される。

電解質・電極接合体１８のカソード電極１４には、円板状のカソード集電体２０が積層される一方、前記電解質・電極接合体１８のアノード電極１６には、円板状のアノード集電体２２が積層される。アノード集電体２２は、例えば、ニッケル（Ｎｉ）、ニッケル合金、鋼材（ＳＵＳ材）にニッケルメッキ、銀（Ａｇ）、銀合金又は鋼材に銀メッキ等からなる金属発泡体を使用する。

アノード集電体２２の内部には、アノード電極１６の電極面に燃料ガスを供給する燃料ガス通路２４が形成されるとともに、後述する燃料ガス供給孔４４から導入される前記燃料ガスを、前記アノード集電体２２の内部に流通させる燃料ガス導入路２６が設けられる。

アノード集電体２２は、燃料ガス導入路２６を構成する内壁部２６ａが、前記内壁部２６ａ以外の部位に比べて緻密に構成される。具体的には、燃料ガス導入路２６をパンチ又はレーザにより加工することにより、内壁部２６ａの緻密化が図られる。アノード集電体２２の周縁部には、例えば、レーザによる緻密化処理が施されて緻密層２２ａが設けられる。アノード集電体２２の厚さｔ１は、アノード電極１６の厚さｔ２よりも小さく設定される。

カソード集電体２０は、上記のアノード集電体２２と同様に構成することができる。このカソード集電体２０の内部には、カソード電極１４の電極面に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路２７が形成される。

図１に示すように、燃料電池１０は、一組のセパレータ２８間に、カソード集電体２０及びアノード集電体２２を介装して単一の電解質・電極接合体１８が挟持される。セパレータ２８は、第１プレート３０及び第２プレート３２を備え、前記第１プレート３０及び前記第２プレート３２は、例えば、ステンレス合金等の板金で構成され、ろう付け、拡散接合やレーザ溶接等により互いに接合される。

第１プレート３０は、積層方向（矢印Ａ方向）に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３４及び酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔３６が形成される第１反応ガス供給部３８を備える。この第１反応ガス供給部３８には、幅狭な第１橋架部４０を介して比較的大径な第１挟持部４２が一体に設けられる。

第１挟持部４２は、電解質・電極接合体１８と略同一寸法の円板形状に設定される。第１挟持部４２には、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給孔４４が、例えば、前記第１挟持部４２の中心に対して偏心した位置に設定される。

アノード集電体２２に設けられる燃料ガス導入路２６は、燃料ガス供給孔４４の開口端部に対向して開口するとともに、前記燃料ガス導入路２６の開口断面積は、前記燃料ガス供給孔４４の開口断面積よりも大きく設定される（図３参照）。

第２プレート３２は、燃料ガス供給連通孔３４及び酸化剤ガス供給連通孔３６が形成される第２反応ガス供給部５０を備える。この第２反応ガス供給部５０には、幅狭な第２橋架部５２を介して比較的大径な第２挟持部５４が一体に設けられる。第２挟持部５４には、酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給孔５６が、例えば、前記第２挟持部５４の中心に対して燃料ガス供給孔４４とは逆側に偏心した位置に設定される。

第２橋架部５２には、燃料ガス供給連通孔３４から燃料ガス供給孔４４に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給通路５８と、酸化剤ガス供給連通孔３６から酸化剤ガス供給孔５６に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給通路６０とが設けられる。なお、燃料ガス供給通路５８及び酸化剤ガス供給通路６０は、第１プレート３０側の第１橋架部４０に設けてもよい。

各セパレータ２８間には、燃料ガス供給連通孔３４及び酸化剤ガス供給連通孔３６をシールするための絶縁シール６２が設けられる。絶縁シール６２は、例えば、マイカ材やセラミック材等、地殻成分系素材、硝子系素材、粘土とプラスチックの複合素材で形成されている。燃料電池１０には、第１挟持部４２及び第２挟持部５４の外方に位置して排ガス通路６４が形成される（図１及び図３参照）。

図１に示すように、セパレータ２８は、第１プレート３０の第１挟持部４２と、第２プレート３２の第２挟持部５４とが接合されることにより、円板状の挟持部６６を構成する。挟持部６６には、第１橋架部４０と第２橋架部５２とが接合されて構成される橋架部６８が連結される。橋架部６８には、第１反応ガス供給部３８と第２反応ガス供給部５０とが接合されて形成される反応ガス供給部７０が連結される。

このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。

燃料ガス供給連通孔３４には、燃料ガス（例えば、水素含有ガス）が供給されるとともに、酸化剤ガス供給連通孔３６には、酸化剤ガスである酸素含有ガス（以下、空気ともいう）が供給される。

図２及び図３に示すように、燃料ガスは、各燃料電池１０の燃料ガス供給連通孔３４に沿って積層方向（矢印Ａ方向）に移動しながら、前記燃料電池１０に設けられる燃料ガス供給通路５８に沿ってセパレータ２８の面方向に移動する。

燃料ガスは、燃料ガス供給通路５８から第１挟持部４２に形成された燃料ガス供給孔４４を通ってアノード集電体２２の燃料ガス導入路２６に導入される。燃料ガス導入路２６は、電解質・電極接合体１８のアノード電極１６の略中心位置に設定されている。このため、燃料ガスは、燃料ガス導入路２６を通ってアノード電極１６の略中心に供給され、前記アノード電極１６の外周部に向かって移動するとともに、一部の燃料ガスは、アノード集電体２２の燃料ガス通路２４に沿って前記アノード電極１６側に移動する。

一方、空気は、燃料電池１０の酸化剤ガス供給連通孔３６に沿って積層方向（矢印Ａ方向）に移動しながら、各燃料電池１０に設けられる酸化剤ガス供給通路６０に沿ってセパレータ２８の面方向に移動する。

空気は、酸化剤ガス供給通路６０から第２挟持部５４に形成された酸化剤ガス供給孔５６を通ってカソード集電体２０の酸化剤ガス通路２７に導入される。酸化剤ガス供給孔５６は、電解質・電極接合体１８のカソード電極１４の略中心位置に設定されている。このため、空気は、酸化剤ガス供給孔５６からカソード電極１４の略中心に供給された後、酸化剤ガス通路２７に沿って前記カソード電極１４の外周部に向かって移動する。

従って、電解質・電極接合体１８では、アノード電極１６の電極面の中心側から周端部側に向かって燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極１４の電極面の中心側から周端部側に向かって空気が供給される。その際、酸化物イオンが電解質１２を通ってアノード電極１６に移動し、化学反応により発電が行われる。

なお、電解質・電極接合体１８の外周部に排出される主に発電反応後の空気を含む排ガスは、オフガスとして排ガス通路６４を介して燃料電池１０から排出される（図２参照）。

この場合、第１の実施形態では、燃料電池１０は、アノード電極１６とセパレータ２８との間に設けられ、電解質・電極接合体１８に発生する電力を取り出すとともに、前記アノード電極１６の電極面に燃料ガスを供給するアノード集電体２２と、前記セパレータ２８に設けられ、前記アノード集電体２２に前記燃料ガスを供給する少なくとも１つの燃料ガス供給孔４４とを備えている。そして、アノード集電体２２には、燃料ガス供給孔４４の開口端部に対向して開口し、前記燃料ガス供給孔４４から導入される燃料ガスを、前記アノード集電体２２の内部に流通させる少なくとも１つの燃料ガス導入路２６が設けられている。

このため、アノード集電体２２は、集電機能の他に、ガス透過機能、ガス拡散機能、荷重緩和機能及び熱膨張差吸収機能等を備えることができる。しかも、電解質・電極接合体１８とセパレータ２８との密着性が向上し、電気抵抗の低減が容易に遂行される。

さらに、燃料ガスは、燃料ガス供給孔４４の下流開口端部の近傍でアノード集電体２２に流れを遮られることが抑制されるとともに、前記アノード集電体２２とセパレータ２８との間から前記燃料ガスが吹き出すことを抑制することができる。従って、燃料ガスを電解質・電極接合体１８に良好且つ確実に供給することが可能になり、発電効率の向上が図られるという効果が得られる。

その際、アノード集電体２２に燃料ガス導入路２６が設けられない構成（比較例という）と、前記燃料ガス導入路２６が設けられる構成（本発明という）とにおいて、発電性能を比較したところ、図４に示す結果が得られた。

ここで、図４の中、ＩＲ損失とは、燃料電池１０のオーム損ともいい、前記燃料電池１０の電圧を低下させる。また、非ＩＲ損失とは、活性化過電圧と濃度過電圧との合算値のことであり、実質的に、全損失から前記ＩＲ損失を除いた損失であり、これも、燃料電池１０の電圧を低下させる。

これにより、第１の実施形態（本発明）では、物質移動抵抗が減少して非ＩＲ損失が低減され、セル電圧が改善されるため、比較例に比べて発電性能が良好に向上するという結果が得られた。

また、第１の実施形態では、燃料ガス導入路２６の開口断面積は、燃料ガス供給孔４４の開口断面積よりも大きく設定されている。このため、燃料ガスは、燃料ガス供給孔４４の下流開口端部の近傍でアノード集電体２２に流れを遮られることが抑制されるとともに、前記アノード集電体２２とセパレータ２８との間から前記燃料ガスが吹き出すことを抑制することができる。従って、燃料ガスを電解質・電極接合体１８に良好且つ確実に供給することが可能になり、発電効率の向上が図られる。

図５は、アノード集電体２２に設けられる燃料ガス導入路２６の開口断面積（孔面積）とＩＲ損失との関係が示されている。これにより、アノード集電体２２の面積に対して燃料ガス導入路２６の開口断面積を大きく設定する程、ＩＲ損失が増大するという結果が得られた。

さらに、第１の実施形態では、アノード集電体２２は、例えば、ニッケル（Ｎｉ）、ニッケル合金、鋼材（ＳＵＳ材）にニッケルメッキ、銀（Ａｇ）、銀合金又は鋼材に銀メッキ等からなる金属発泡体を使用している。このため、アノード集電体２２は、集電機能の他に、ガス透過機能、ガス拡散機能、荷重緩和機能及び熱膨張差吸収機能等を備えることができる。しかも、電解質・電極接合体１８とセパレータ２８との密着性が向上し、電気抵抗の低減が容易に遂行可能になる。

さらにまた、第１の実施形態では、アノード集電体２２は、燃料ガス導入路２６を構成する内壁部２６ａが、前記内壁部２６ａ以外の部位に比べて緻密に構成されている。従って、燃料ガスは、燃料ガス導入路２６を流通する際に、前記燃料ガス導入路２６から吹き抜けることを抑制される。これにより、燃料ガスは、燃料ガス導入路２６を通って電解質・電極接合体１８に良好且つ確実に供給され、発電効率の向上が図られる。

また、第１の実施形態では、電解質・電極接合体１８は、アノード電極１６を支持基板とするアノード電極支持型電解質・電極接合体（ＡＳＣ）である。特に、厚さの大きなアノード電極１６が使用される際、燃料ガスは、吹き抜けを抑制されながら、三相界面（電解質１２とアノード電極１６との間）まで良好に供給される。このため、電解質・電極接合体１８に燃料ガスを良好且つ確実に供給することが可能になり、発電効率の向上が図られる。

さらに、第１の実施形態では、アノード集電体２２の厚さｔ１は、アノード電極１６の厚さｔ２よりも小さく設定されている。特に、厚さｔ２の大きなアノード電極１６が使用される際、燃料ガスは、吹き抜けを抑制されながら、三相界面まで良好に供給される。従って、電解質・電極接合体１８に燃料ガスを良好且つ確実に供給することが可能になり、発電効率の向上が図られる。

ここで、図６には、アノード電極１６の厚さとアノード集電体２２の厚さとを調整した際における非ＩＲ損失が示されている。これにより、一定の厚さに設定されるアノード集電体２２に対しては、アノード電極１６の厚さが小さい程、非ＩＲ損失が削減される一方、一定の厚さに設定される前記アノード電極１６に対しては、前記アノード集電体２２の厚さが小さい程、非ＩＲ損失が削減された。

さらにまた、第１の実施形態では、アノード集電体２２の周縁部には、緻密化処理が施されて緻密層２２ａが設けられている。このため、アノード集電体２２の内部に拡散する燃料ガスは、前記アノード集電体２２の周縁部から外部に吹き出すことを抑制できる。従って、電解質・電極接合体１８に燃料ガスを良好且つ確実に供給することが可能になり、発電効率の向上が図られる。

また、第１の実施形態は、燃料電池１０が固体酸化物形燃料電池を構成している。特に、ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）のような高温型燃料電池に適用することが好適である。アノード集電体２２は、集電機能の他に、ガス透過機能、ガス拡散機能、荷重緩和機能及び熱膨張差吸収機能等を備えているからである。しかも、電解質・電極接合体１８とセパレータ２８との密着性が向上し、電気抵抗の低減が容易に遂行される。

さらに、第１の実施形態では、燃料電池１０が平板型固体酸化物形燃料電池を構成している。特に、平板型ＳＯＦＣ（平板型固体酸化物形燃料電池）のような高温型燃料電池に適用することが好適である。アノード集電体２２は、集電機能の他に、ガス透過機能、ガス拡散機能、荷重緩和機能及び熱膨張差吸収機能等を備えているからである。しかも、電解質・電極接合体１８とセパレータ２８との密着性が向上し、電気抵抗の低減が容易に遂行される。

なお、第１の実施形態では、アノード集電体２２は、金属発泡体で構成されているが、これに限定されるものではなく、例えば、金属メッシュ又は金属フェルトにより構成してもよい。

また、第１の実施形態では、アノード集電体２２に設けられる燃料ガス導入路２６は、開口形状円柱状に構成されているが、これに限定されるものではない。例えば、図７に示す第２の実施形態では、アノード集電体２２Ａを備える。アノード集電体２２Ａには、燃料ガス供給孔４４からアノード電極１６に向かって拡径する開口形状円錐状の燃料ガス導入路２６Ａが設けられる。

さらに、図８に示す第３の実施形態では、アノード集電体２２Ｂを備える。アノード集電体２２Ｂには、燃料ガス供給孔４４に開口する一方、アノード電極１６側が閉塞される開口形状円柱穴状の燃料ガス導入路２６Ｂが設けられる。このように構成される第２及び第３の実施形態では、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

さらにまた、第１の実施形態では、アノード集電体２２の周縁部には、レーザによる緻密化処理が施されて緻密層２２ａが設けられているが、これに限定されるものではない。

例えば、図９に示す第４の実施形態では、アノード集電体２２Ｃを備えるとともに、前記アノード集電体２２Ｃの周縁部には、緻密層８０が設けられる。具体的には、図１０に示すように、アノード集電体２２Ｃの周縁部に対応してリング部材８２が配置さる。そして、リング部材８２をアノード集電体２２Ｃの周縁部にプレスすることにより、緻密層８０が形成される。

図１１は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池９０の分解斜視説明図である。

なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第６の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

燃料電池９０は、各セパレータ９２間に複数、例えば、４個の電解質・電極接合体１８が、このセパレータ９２の中心部である燃料ガス供給連通孔３４を中心に同心円上に配列される。一組のセパレータ９２間に、カソード集電体２０及びアノード集電体２２を介装して４個の電解質・電極接合体１８が挟持される。

セパレータ９２は、例えば、ステンレス合金等の板金である金属プレート等の第１プレート９２ａ及び第２プレート９２ｂが接合されて構成される。第１プレート９２ａは、中央部に燃料ガス供給連通孔３４を形成する第１燃料ガス供給部９４を有する。この第１燃料ガス供給部９４から外方に等角度間隔（９０゜間隔）ずつ離間して放射状に延在する４本の第１橋架部９６を介して、比較的大径な第１挟持部９８が一体的に設けられる。第１燃料ガス供給部９４と各第１挟持部９８との中心間距離は、同一距離に設定される。

各第１挟持部９８は、電解質・電極接合体１８と略同一寸法の円板形状に設定されており、互いに分離して構成される。第１挟持部９８には、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給孔４４が、例えば、前記第１挟持部９８の中心又は中心に対して酸化剤ガスの流れ方向上流側に偏心した位置に設定される。

各第１挟持部９８のカソード電極１４側の面側には、第２プレート９２ｂが、例えば、ろう付け、拡散接合やレーザ溶接等により固着される。第２プレート９２ｂは、中央部に燃料ガス供給連通孔３４を形成する第２燃料ガス供給部１００を備える。第２燃料ガス供給部１００には、補強用のボス部１０２が所定数だけ設けられる。

第２燃料ガス供給部１００から放射状に４本の第２橋架部１０４が延在するとともに、前記第２燃料ガス供給部１００から各第２橋架部１０４には、燃料ガス供給連通孔３４から燃料ガス供給孔４４に連通する燃料ガス供給通路５８が形成される。燃料ガス供給通路５８は、例えば、エッチング又はプレスにより形成される。各第２橋架部１０４には、比較的大径な第２挟持部１０８が一体的に設けられる。

各セパレータ９２間には、燃料ガス供給連通孔３４をシールするための絶縁シール６２が設けられる。絶縁シール６２は、燃料ガス供給連通孔３４を電解質・電極接合体１８に対してシールする機能を有する。

燃料電池９０には、第１及び第２挟持部９８、１０８の外方に位置して排ガス通路６４が形成される。この排ガス通路６４は、電解質・電極接合体１８に供給されて反応に使用された燃料ガス及び酸化剤ガスを、排ガスとして積層方向に排出する排ガス排出部を構成する。各第１及び第２挟持部９８、１０８間には、必要に応じて、空気制御板１１０が配設される（図１１参照）。

このように構成される燃料電池９０の動作について、以下に説明する。

図１１及び図１２に示すように、燃料ガス供給連通孔３４には、燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給連通孔３６には、酸素含有ガスである空気が供給される。

図１３に示すように、燃料ガスは、燃料電池９０の燃料ガス供給連通孔３４に沿って積層方向（矢印Ａ方向）に移動しながら、前記燃料電池９０に設けられる燃料ガス供給通路５８に沿ってセパレータ９２の面方向に移動する。

燃料ガスは、燃料ガス供給通路５８から第１挟持部９８に形成された燃料ガス供給孔４４を通ってアノード集電体２２の燃料ガス導入路２６に導入される。このため、燃料ガスは、燃料ガス導入路２６を通ってアノード電極１６の略中心に供給され、前記アノード電極１６の外周部に向かって移動する。

一方、酸化剤ガス供給連通孔３６に供給された空気は、電解質・電極接合体１８の内側周端部と第１及び第２挟持部９８、１０８の内側周端部との間から矢印Ｂ方向に流入し、酸化剤ガス通路２７に送られる。酸化剤ガス通路２７では、電解質・電極接合体１８のカソード電極１４の内側周端部（セパレータ９２の中央部）側から外側周端部（セパレータ９２の外側周端部側）に向かって空気が流動する。

従って、電解質・電極接合体１８では、アノード電極１６の電極面の中心側から周端部側に向かって燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極１４の電極面の一方向（矢印Ｂ方向）に向かって空気が供給される。その際、酸化物イオンが電解質１２を通ってアノード電極１６に移動し、化学反応により発電が行われる。

このように構成される第５の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図１４は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池１２０の分解斜視説明図である。

燃料電池１２０は、各セパレータ１２２間に複数、例えば、８個の電解質・電極接合体１８が、このセパレータ１２２の中心部である燃料ガス供給連通孔３４と同心円上に配列される。一組のセパレータ１２２間に、カソード集電体２０及びアノード集電体２２を介装して８個の電解質・電極接合体１８が挟持される。

セパレータ１２２は、例えば、ステンレス合金等の板金で構成される金属プレート等の第１プレート１２２ａ及び第２プレート１２２ｂが接合されて構成される。第１プレート１２２ａは、中央部に燃料ガス供給連通孔３４を形成する第１燃料ガス供給部１２４を有する。この第１燃料ガス供給部１２４から外方に等角度間隔ずつ離間して放射状に延在する８本の第１橋架部１２６を介して比較的大径な第１挟持部１２８が一体的に設けられる。

各第１挟持部１２８は、電解質・電極接合体１８と略同一寸法に設定される。各第１挟持部１２８には、燃料ガスを電解質・電極接合体１８を構成するアノード電極１６に雨浴状（以下、シャワー状という）に供給するための複数の燃料ガス供給孔１３０ａと、前記アノード電極１６で反応に使用された燃料ガスを、排ガスとしてシャワー状に排出するための複数の排ガス排出孔１３０ｂとが、交互に配列される（図１４及び図１５参照）。

アノード集電体２２には、各燃料ガス供給孔１３０ａに開口する複数の燃料ガス導入路２６が形成される。燃料ガス導入路２６の開口断面積は、燃料ガス供給孔１３０ａの開口断面積よりも大きく設定される（図１６参照）。

図１４に示すように、各第１挟持部１２８のアノード電極１６に接触する面とは反対の面に、第２プレート１２２ｂが、例えば、ろう付け、拡散接合やレーザ溶接等により固着される。第２プレート１２２ｂは、平板状に構成されるとともに、中央部に燃料ガス供給連通孔３４を形成する第２燃料ガス供給部１３２を備える。

第２燃料ガス供給部１３２から放射状に８本の第２橋架部１３４が延在するとともに、各第２橋架部１３４には、第２挟持部１３６が一体に（又は別体部品の接合体として）設けられる。第２燃料ガス供給部１３２から各第２橋架部１３４には、燃料ガス供給連通孔３４に連通してセパレータ面方向に延在する燃料ガス供給通路５８が形成される。

第２挟持部１３６には、燃料ガス供給通路５８と燃料ガス供給孔１３０ａとに連通し、前記燃料ガス供給通路５８を流れる燃料ガスを前記燃料ガス供給孔１３０ａに供給する燃料ガス供給室１３８と、排ガス排出孔１３０ｂに連通し、前記排ガス排出孔１３０ｂから排ガスを排出する排ガス排出室１４０とが設けられる。

燃料ガス供給室１３８は、複数列、例えば、５列に配列される燃料ガス供給孔１３０ａに対応して５本に分岐する一方、排ガス排出室１４０は、例えば、６列に配列される排ガス排出孔１３０ｂに対応して６本に分岐され、前記燃料ガス供給室１３８と前記排ガス排出室１４０とが交互に配置される。排ガス排出室１４０は、第２挟持部１３６の外周外方側端部に設けられた排ガス排出通路１４２を介して排ガス通路６４に連通する。

このように構成される燃料電池１２０の動作について、以下に説明する。

燃料ガス供給連通孔３４には、燃料ガス（水素含有ガス）が供給されるとともに、酸化剤ガス供給連通孔３６には、酸化剤ガスである酸素含有ガス（以下、空気ともいう）が供給される。

燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３４に沿って積層方向（矢印Ａ方向）に移動しながら、燃料電池１２０に設けられる燃料ガス供給通路５８に沿ってセパレータ面方向（矢印Ｂ方向）に移動する。

図１５及び図１６に示すように、燃料ガスは、燃料ガス供給通路５８から燃料ガス供給室１３８に一旦導入される。この燃料ガス供給室１３８は、第１挟持部１２８に設けられている複数且つ５列に配列された燃料ガス供給孔１３０ａに連通している。

このため、燃料ガスは、燃料ガス供給室１３８から各燃料ガス供給孔１３０ａを通って、アノード集電体２２の各燃料ガス導入路２６に導入される。従って、燃料ガスは、各燃料ガス導入路２６を通って電解質・電極接合体１８を構成するアノード電極１６の電極面全面にわたりシャワー状に供給される。

燃料ガス供給孔１３０ａを通ってアノード電極１６に供給された燃料ガスは、燃料ガス通路２４を通り、複数の排ガス排出孔１３０ｂから排ガス排出室１４０にシャワー状に排出される。この排ガス排出室１４０は、複数且つ６列に配列された排ガス排出孔１３０ｂに連通しており、前記排ガス排出孔１３０ｂから前記排ガス排出室１４０に排出された排ガスは、排ガス排出通路１４２に集められて排ガス通路６４に排出される。

一方、酸化剤ガス供給連通孔３６に供給された空気は、電解質・電極接合体１８の内側周端部と第１挟持部１２８及び第２挟持部１３６の内側周端部との間から矢印Ｂ方向に流入し、酸化剤ガス通路２７に送られる。酸化剤ガス通路２７では、電解質・電極接合体１８のカソード電極１４の内側周端部（セパレータ１２２の中央部）側から外側周端部（セパレータ１２２の外側周端部側）に向かって空気が流動する。

従って、電解質・電極接合体１８では、アノード電極１６の電極面全面にわたってシャワー状に燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極１４の電極面の一方向（矢印Ｂ方向）に向かって空気が供給される。その際、酸化物イオンが電解質１２を通ってアノード電極１６に移動し、化学反応により発電が行われる。

なお、各電解質・電極接合体１８の外周部に排出される発電反応後の空気及び発電反応後の燃料ガスは、オフガスとして排ガス通路６４を介して燃料電池１２０から排出される。

このように構成される第６の実施形態では、上記の第１及び第５の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、９０、１２０…燃料電池 １２…電解質
１４…カソード電極 １６…アノード電極
１８…電解質・電極接合体 ２０…カソード集電体
２２、２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ…アノード集電体
２２ａ、８０…緻密層 ２４…燃料ガス通路
２６、２６Ａ、２６Ｂ…燃料ガス導入路
２６ａ…内壁部 ２７…酸化剤ガス通路
２８、９２、１２２…セパレータ ３４…燃料ガス供給連通孔
３６…酸化剤ガス供給連通孔 ３８、５０、７０…反応ガス供給部
４０、５２、６８、９６、１０４、１２６、１３４…橋架部
４２、５４、６６、９８、１０８、１２８、１３６…挟持部
４４、１３０ａ…燃料ガス供給孔 ５６…酸化剤ガス供給孔
５８…燃料ガス供給通路 ６０…酸化剤ガス供給通路
９４、１００、１２４、１３２…燃料ガス供給部
１３０ｂ…排ガス排出孔

Claims (8)

1. 電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体が、セパレータ間に積層される燃料電池であって、
   前記アノード電極と前記セパレータとの間に設けられ、前記電解質・電極接合体に発生する電力を取り出すとともに、前記アノード電極の電極面に燃料ガスを供給するアノード集電体と、
   前記セパレータに設けられ、前記アノード集電体に前記燃料ガスを供給する少なくとも１つの燃料ガス供給孔と、
   を備え、
   前記アノード集電体には、前記燃料ガス供給孔の開口端部に対向して開口し、前記燃料ガス供給孔から導入される前記燃料ガスを、前記アノード集電体の内部に流通させる少なくとも１つの燃料ガス導入路が設けられるとともに、
   前記燃料ガス導入路の開口断面積は、前記燃料ガス供給孔の開口断面積よりも大きく設定されることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池において、前記アノード集電体は、発泡金属で構成されることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池において、前記アノード集電体は、前記燃料ガス導入路を構成する内壁部が、前記内壁部以外の部位に比べて緻密に構成されることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記電解質・電極接合体は、前記アノード電極を支持基板とするアノード電極支持型電解質・電極接合体であることを特徴とする燃料電池。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記アノード集電体の厚さは、前記アノード電極の厚さよりも小さく設定されることを特徴とする燃料電池。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記アノード集電体の周縁部には、緻密化処理が施されることを特徴とする燃料電池。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする燃料電池。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記燃料電池は、平板型固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする燃料電池。

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