JP2008108656A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電解質・電極接合体に加わる偏った荷重を良好に緩和して電解質・電極接合体の損傷を可及的に阻止するとともに、効率的な発電反応を遂行し且つ集電性を高めることを可能にする。
【解決手段】燃料電池１０は、電解質・電極接合体２６とセパレータ２８とを積層して構成される。燃料電池１０は、カソード電極２２と前記カソード電極２２に対向するセパレータ２８との間に配設される複合電極８４を備える。複合電極８４は、セパレータ２８に接して電解質・電極接合体２６に対する局所的な応力緩和機能を有する金属フェルト８４ａと、カソード電極２２に接して酸化剤ガス通路８６を設けるとともに、荷重に対抗する剛性を備える金属メッシュ８４ｂとを有する。
【選択図】図７

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・電極接合体と、セパレータとが積層される燃料電池に関する。

通常、固体電解質型燃料電池（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、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、それぞれ燃料ガス（例えば、水素ガス）及び酸化剤ガス（例えば、空気）を供給するとともに、積層方向の集電効率を確保する必要がある。

このため、例えば、特許文献１に開示されている平板型固体電解質燃料電池が知られている。この燃料電池では、平板型単電池とセパレータとが交互に積層されるとともに、前記単電池の燃料極側に対面する前記セパレータの表面と前記燃料極との間に、複数層の耐熱性金属メッシュを弾力圧縮状態に維持しており、前記耐熱性金属メッシュの線径を前記燃料極に近い層で細くしている。

特開平８−４５５１６号公報（図２）

しかしながら、上記の耐熱性金属メッシュは、金属繊維を網目状に構成するため、網目の節同士が重なる部分で応力が集中し易くなる。このため、特に積層方向の荷重が大きい場合には、電解質・電極接合体が応力の集中により破損するという問題がある。しかも、網目では、燃料ガスが吹き抜けてしまい、効率的な発電反応を維持することができないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、電解質・電極接合体に加わる偏った荷重を良好に緩和して電解質・電極接合体の損傷を可及的に阻止するとともに、効率的な発電反応を遂行し且つ集電性を高め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・電極接合体と、セパレータとが積層される燃料電池に関するものである。

そして、燃料電池は、カソード電極と該カソード電極に対向するセパレータとの間に配設される複合電極を備えるとともに、前記複合電極は、前記セパレータに接する金属フェルトと、前記カソード電極に接する金属メッシュとを有している。

また、複合電極は、金属フェルトと金属メッシュとを互いに隣接して配置するとともに、セパレータに接するフェルト面とカソード電極に接するメッシュ面とが互いに反対側に設けられることが好ましい。

さらに、複合電極は、金属フェルトと金属メッシュとを、前記金属メッシュよりも剛性の高い中間金属メッシュを介装して積層するとともに、セパレータに接するフェルト面とカソード電極に接するメッシュ面とが互いに反対側に設けられることが好ましい。

さらにまた、セパレータは、カソード電極の略中心部に向かって酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給孔を設けるとともに、複合電極内には、前記カソード電極の略中心部に供給された前記酸化剤ガスを前記カソード電極の外周部に向かって流動させる酸化剤ガス通路が形成されることが好ましい。

また、金属フェルトは、中央部に凹部が形成される有底円筒形状を有する一方、金属メッシュは、前記凹部に収容される円板形状を有し、複合電極は、前記金属フェルトの底部に対応してセパレータに接触するフェルト面と、前記金属フェルトのリング状フェルト面及び前記金属メッシュのメッシュ面を有しカソード電極に接触する複合面とを構成することが好ましい。

さらに、複合面を構成するリング状フェルト面が囲繞する領域は、電解質・電極接合体の外周部に排出される排ガス中の酸化剤ガスに曝されるアノード電極の外周縁部に対応する範囲に設定されることが好ましい。

本発明では、複合電極が、セパレータに接する金属フェルトと、カソード電極に接する金属メッシュとを有するため、電解質・電極接合体に加わる偏った荷重を前記金属フェルト自体の変形によって緩和することができる一方、剛性の高い前記金属メッシュによって積層方向の荷重を伝達することが可能になる。従って、電解質・電極接合体の破損を良好に阻止するとともに、金属フェルトとセパレータとを確実に密着保持することができ、接触抵抗が減少して集電性の向上を図ることが可能になる。

しかも、金属メッシュとカソード電極との間には、酸化剤ガスを前記カソード電極に沿って供給するための酸化剤ガス通路が形成される一方、前記金属フェルトにより前記酸化剤ガスの吹き抜けを防止することができる。これにより、発電反応を良好且つ効率的に進行させることが可能になる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０が矢印Ａ方向に複数積層された燃料電池スタック１２の概略斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池スタック１２の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。

燃料電池１０は、固体電解質型燃料電池であり、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３及び図４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）２０の両面に、カソード電極２２及びアノード電極２４が設けられた電解質・電極接合体２６を備える。電解質・電極接合体２６は、円板状に形成される。

燃料電池１０は、図３に示すように、一対のセパレータ２８間に複数（例えば、４個）の電解質・電極接合体２６を挟んで構成される。セパレータ２８間には、このセパレータ２８の中心部である燃料ガス供給連通孔３０を中心にして等角度間隔ずつ離間し且つ前記燃料ガス供給連通孔３０と同心円上に４個の電解質・電極接合体２６が配置される。

セパレータ２８は、例えば、ステンレス合金等の板金で構成される第１プレート３２及び第２プレート３４を有する。第１プレート３２及び第２プレート３４は、互いに拡散接合、レーザ溶接又はろう付け等により接合される。第１プレート３２及び第２プレート３４は、金属プレートに代えて、例えば、カーボンプレート等（接合方法は省略する）で構成してもよい。

図３及び図５に示すように、第１プレート３２は、中央部に積層方向（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３０が形成される第１燃料ガス供給部３６を有する。この第１燃料ガス供給部３６から外方に等角度間隔ずつ離間して放射状に延在する４つの第１橋架部３８を介し、比較的大径な第１挟持部４０が一体に設けられる。第１挟持部４０は、電解質・電極接合体２６と略同一寸法に設定されるとともに、各第１挟持部４０には、短尺な第２橋架部４２を介して環状の第１筐体部４４が一体に設けられる。

第１挟持部４０のアノード電極２４に接触する面には、前記アノード電極２４の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス通路４６を形成する複数の突起部４８が設けられる。突起部４８は、集電部を構成する。第１挟持部４０の略中央には、燃料ガス供給連通孔３０側に偏心しアノード電極２４の略中央部に向かって燃料ガスを供給するための燃料ガス供給孔５２が形成される。

第１筐体部４４は、酸化剤ガスを後述する酸化剤ガス供給通路７８に供給するための酸化剤ガス供給連通孔５４が積層方向に形成される酸化剤ガス供給部５６を有する。第１筐体部４４には、複数のボルト挿入用孔部５８が所定角度間隔ずつ離間して設けられる。燃料ガス供給連通孔３０、第１橋架部３８、第１挟持部４０、第２橋架部４２及び酸化剤ガス供給連通孔５４は、セパレータ面方向に沿って直線上に配置される。

図３及び図６に示すように、第２プレート３４は、中央部に燃料ガス供給連通孔３０が形成される第２燃料ガス供給部６０を有する。この第２燃料ガス供給部６０から外方に等角度間隔ずつ離間して放射状に延在する４つの第１橋架部６２を介して比較的大径な第２挟持部６４が一体に設けられる。第２挟持部６４は、第１挟持部４０と同様に、電解質・電極接合体２６と略同一寸法に設定されるとともに、各第２挟持部６４には、短尺な第２橋架部（他の橋架部）６６を介して環状の第２筐体部６８が一体に設けられる。

第２燃料ガス供給部６０の第１燃料ガス供給部３６と接合される面には、燃料ガス供給連通孔３０に連通する複数の溝部７０が、前記燃料ガス供給連通孔３０を中心にして放射状に形成される。各溝部７０は、周溝７２に一体に連通するとともに、前記周溝７２には、４本の燃料ガス供給通路７４が連通する。各燃料ガス供給通路７４は、各第１橋架部６２から各第２挟持部６４の中央部近傍に延在し、第１プレート３２の燃料ガス供給孔５２に対応して終端する。

第２筐体部６８には、酸化剤ガス供給連通孔５４が積層方向に形成される酸化剤ガス供給部５６と、ボルト挿入用孔部５８とが設けられる。この第２筐体部６８の第１筐体部４４に接合される面には、酸化剤ガス供給連通孔５４から供給される酸化剤ガスを充填するための充填室７６が形成される。

充填室７６は、各第２橋架部６６から各第２挟持部６４の中央部近傍まで延在する酸化剤ガス供給通路７８に連通する。酸化剤ガス供給通路７８の先端には、第２挟持部６４を貫通する酸化剤ガス供給孔８０が連通する。

第１プレート３２には、複数の突起部４８が、例えば、エッチングにより形成されるとともに、第２プレート３４には、溝部７０、周溝７２、燃料ガス供給通路７４、充填室７６及び酸化剤ガス供給通路７８が、例えば、エッチングにより形成される。

図３及び図７に示すように、第２プレート３４のカソード電極２２に向かう面とセパレータ２８との間には、複合電極８４が配設される。複合電極８４は、セパレータ２８に接する耐熱性金属フェルト（金属フェルト等の導電性不織布）８４ａと、カソード電極２２に接する耐熱性金属メッシュ（金属メッシュ等の導電性織布）８４ｂとを有する。

金属フェルト８４ａと金属メッシュ８４ｂとは、円板状を有し互いに隣接して配置されるとともに、セパレータ２８に接するフェルト面８４ａａとカソード電極２２に接するメッシュ面８４ｂｂとは、互いに反対側に設けられる。第２挟持部６４とカソード電極２２との間には、複合電極８４により酸化剤ガス通路８６が形成される一方、前記複合電極８４の外方には、排ガス通路８８が形成される。

金属フェルト８４ａは、線径が０．０１ｍｍ〜０．０３ｍｍのステンレス合金等で構成され、ヤング率が１００ＭＰａ以下で、且つ、空隙率が１０％〜４０％に設定される。金属メッシュ８４ｂは、線径が０．１ｍｍ〜０．２ｍｍのステンレス合金等で構成され、ヤング率が１００ＭＰａ〜３００ＭＰａで、且つ、空隙率が７０％〜８０％に設定される。

図７に示すように、各セパレータ２８間には、燃料ガス供給連通孔３０をシールするための第１絶縁シール９０と、酸化剤ガス供給連通孔５４をシールするための第２絶縁シール９２とが設けられる。第１絶縁シール９０及び第２絶縁シール９２は、シール性が高く、硬質で潰れ難い、例えば、マイカ材等の地殻成分系素材、硝子系素材やセラミック系素材、粘土とプラスチックの複合素材等が使用される。また、第２絶縁シール９２は、熱エネルギの拡散を阻止する断熱部材であることが好ましい。

図１及び図２に示すように、燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池１０の積層方向一端に、略円板状の第１エンドプレート９４ａが配置されるとともに、積層方向他端に、隔壁９５を介装して小径且つ略円板状の複数の第２エンドプレート９４ｂと、大径且つ略リング状の固定リング９４ｃとが配置される。隔壁９５は、排ガスが燃料電池１０の外部に拡散することを阻止する機能を有する一方、第２エンドプレート９４ｂは、各電解質・電極接合体２６の積層位置に対応して４つ配設される。

第１エンドプレート９４ａ及び固定リング９４ｃは、セパレータ２８のボルト挿入用孔部５８に連通する複数の孔部９６を有する。孔部９６からボルト挿入用孔部５８に挿入されるボルト９８及び前記ボルト９８に螺合するナット１００を介し、セパレータ２８の第１筐体部４４及び第２筐体部６８が第１エンドプレート９４ａに締め付け固定される。

第１エンドプレート９４ａには、燃料ガス供給連通孔３０に連通する単一の燃料ガス供給パイプ１０２と、各酸化剤ガス供給連通孔５４に連通する４本の酸化剤ガス供給パイプ１０４と、排ガス通路８８に連通する４本の排ガス排出パイプ１０５とが設けられる。

第１エンドプレート９４ａは、複数のボルト９８、ナット１０８ａ、１０８ｂ及び板状カラー部材１１０を介して支持プレート１１２が固定される。支持プレート１１２と第１エンドプレート９４ａとの間には、第１燃料ガス供給部３６及び第２燃料ガス供給部６０に締め付け荷重を付与する第１荷重付与部１１４と、酸化剤ガス供給部５６に締め付け荷重を付与する第２荷重付与部１１６と、各電解質・電極接合体２６に締め付け荷重を付与する第３荷重付与部１１８とが設けられる。

第１荷重付与部１１４は、燃料ガス供給連通孔３０から燃料ガスが漏れることを阻止するために燃料電池１０の中央部（第１燃料ガス供給部３６及び第２燃料ガス供給部６０の中央部）に配置される押圧部材１２０を備え、この押圧部材１２０は、４つの第２エンドプレート９４ｂの配列中心近傍に位置して前記燃料電池１０に隔壁９５を介して押圧する。押圧部材１２０には、第１受け部材１２２ａ及び第２受け部材１２２ｂを介して第１スプリング１２４が配置される。第２受け部材１２２ｂには、第１押圧ボルト１２６の先端が当接する。第１押圧ボルト１２６は、支持プレート１１２に形成された第１ねじ孔１２８に螺合するとともに、第１ナット１３０を介して位置調整可能に固定される。

第２荷重付与部１１６は、孔部９６からボルト挿入用孔部５８に挿入されるボルト９８と、前記ボルト９８に螺合するナット１００とを備え、酸化剤ガス供給部５６から酸化剤ガスが漏れることを阻止する機能を有する。

第３荷重付与部１１８は、第２エンドプレート９４ｂに各電解質・電極接合体２６に対応して配置される第３受け部材１３２ａを備える。第３受け部材１３２ａは、ピン１３４を介して第２エンドプレート９４ｂに位置決め支持される。第３受け部材１３２ａに第２スプリング１３６の一端が当接する一方、前記第２スプリング１３６の他端が第４受け部材１３２ｂに当接する。第４受け部材１３２ｂには、第２押圧ボルト１３８の先端が当接する。第２押圧ボルト１３８は、支持プレート１１２に形成された第２ねじ孔１４０に螺合するとともに、第２ナット１４２を介して位置調整可能に固定される。

このように構成される燃料電池スタック１２の動作について、以下に説明する。

図１に示すように、第１エンドプレート９４ａに接続されている燃料ガス供給パイプ１０２から燃料ガス供給連通孔３０には、燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給パイプ１０４から酸化剤ガス供給部５６には、酸素含有ガスである空気が供給される。

燃料ガス供給連通孔３０に供給された燃料ガスは、図４及び図７に示すように、積層方向（矢印Ａ方向）に移動しながら、各燃料電池１０を構成するセパレータ２８の第２プレート３４に形成された溝部７０から周溝７２を介して各燃料ガス供給通路７４に供給される。燃料ガスは、燃料ガス供給通路７４に沿って移動した後、第１プレート３２に形成された燃料ガス供給孔５２から燃料ガス通路４６に導入される。

燃料ガス供給孔５２は、各電解質・電極接合体２６のアノード電極２４の略中心位置に対応して設けられている。従って、燃料ガスは、燃料ガス供給孔５２からアノード電極２４に供給され、このアノード電極２４の略中心部から外周部に向かって燃料ガス通路４６を流動する。

一方、酸化剤ガス供給部５６に供給される空気は、第１プレート３２の第１筐体部４４と第２プレート３４の第２筐体部６８との間に設けられる充填室７６に一旦充填される。この充填室７６には、酸化剤ガス供給通路７８が連通しており、酸化剤ガスは、各酸化剤ガス供給通路７８に沿って第１挟持部４０及び第２挟持部６４の中心側に移動する。

第２挟持部６４の中心近傍には、酸化剤ガス供給孔８０が連通するとともに、前記酸化剤ガス供給孔８０は、電解質・電極接合体２６のカソード電極２２の略中心位置に対応して設けられている。これにより、空気は、図７に示すように、酸化剤ガス供給孔８０からカソード電極２２に供給され、このカソード電極２２の略中心部から外周部に向かって複合電極８４に形成された酸化剤ガス通路８６を流動する。

従って、各電解質・電極接合体２６では、アノード電極２４の略中心部から外周部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２２の略中心部から外周部に向かって空気が供給され、発電が行われる。そして、発電に使用された燃料ガス及び空気は、排ガスとして各電解質・電極接合体２６の外周部から排ガス通路８８に排気される。

この場合、第１の実施形態では、第２プレート３４のカソード電極２２に向かう面とセパレータ２８との間に配設される複合電極８４が、前記セパレータ２８に接する金属フェルト８４ａと、前記カソード電極２２に接する金属メッシュ８４ｂとを有している（図７参照）。

このため、燃料電池１０全体に積層方向に荷重が付与される際、この荷重を金属フェルト８４ａ自体の変形によって緩和することができる一方、剛性の高い金属メッシュ８４ｂによって電解質・電極接合体に加わる偏った荷重を伝達することが可能になる。従って、電解質・電極接合体２６に加わる偏った荷重を緩和することによって前記電解質・電極接合体２６の破損を良好に阻止するとともに、セパレータ２８と金属フェルト８４ａとを確実に密着保持することができ、接触抵抗が削減されて集電性の向上を図ることが可能になるという効果が得られる。

さらに、電解質・電極接合体２６に加わる偏った荷重を減らすことができることから、積層方向の荷重を無理やりかける必要がなくなる。このため、第１スプリング１２４や第２スプリング１３６のスプリング本数を減少させたり、バネ定数を低減させたりすることによって、積層方向の荷重を伝達するための荷重付与機構の簡素化や低コスト化も図ることができる。

しかも、金属メッシュ８４ｂとカソード電極２２との間には、酸化剤ガスを前記カソード電極２２に沿って供給するための酸化剤ガス通路８６が形成される一方、金属フェルト８４ａにより前記酸化剤ガスの吹き抜けを防止することができる。これにより、燃料電池１０全体の発電反応を良好且つ効率的に進行させることが可能になる。

ここで、金属メッシュ８４ｂは、ヤング率が１００ＭＰａ〜３００ＭＰａに設定されている。金属メッシュ８４ｂのヤング率が１００ＭＰａ未満では、積層方向の荷重を受けるために十分の剛性を維持することができず、前記金属メッシュ８４ｂが前記積層方向の荷重によって圧縮変形し、カソード電極２２と電解質・電極接合体２６との間に発電反応後の酸化剤ガスが滞留することによって、十分な酸化剤ガスをカソード電極２２に供給することができず、発電効率が低下してしまう。

一方、金属メッシュ８４ｂのヤング率が３００ＭＰａを越えると、剛性が高過ぎるため、前記金属メッシュ８４ｂに偏った荷重がかかり過ぎて電解質・電極接合体２６を傷つけるおそれがある。しかも、金属メッシュ８４ｂの線径も、実際上、０．２ｍｍを越えてしまい、電解質・電極接合体２６に損傷を与え易くなるとともに、酸化剤ガスが簡単に吹き抜けてしまい発電反応の効率が低下する。

さらに、金属メッシュ８４ｂは、空隙率が７０％〜８０％に設定されている。金属メッシュ８４ｂの空隙率が８０％を越えると、酸化剤ガスが電解質・電極接合体２６上で良好に滞留せずに流れてしまい、発電反応が進行しないおそれがある。一方、金属メッシュ８４ｂの空隙率が７０％未満では、酸化剤ガスが滞留し過ぎて発電反応が非効率的となり、酸化剤ガス通路８６としての機能が発揮されない。しかも、実際上、金属メッシュ８４ｂの線径も０．１ｍｍ以下と細くなってしまい、前記金属メッシュ８４ｂ自体の剛性が低くなり、積層方向の荷重に対して変形し易くなる。

また、金属フェルト８４ａは、ヤング率が１００ＭＰａ以下で、且つ、空隙率が１０％〜４０％に設定されている。金属フェルト８４ａのヤング率が１００ＭＰａを越えると、剛性が高くなり過ぎて、前記金属フェルト８４ａによる応力緩和機能がなくなり、電解質・電極接合体２６を破損し易くなる。

さらに、金属フェルト８４ａの空隙率が４０％を越えると、酸化剤ガスがこの金属フェルト８４ａを通過して簡単に排出されてしまい、前記酸化剤ガスを電解質・電極接合体２６上に良好に滞留させる機能が発揮されず、発電反応の効率が低下する。しかも、排ガスが金属フェルト８４ａを通して逆流し、電解質・電極接合体２６のカソード電極２２が酸化されるおそれがある。一方、金属フェルト８４ａの空隙率が１０％未満であると、反応後の酸化剤ガスが排出され難くなるとともに、前記金属フェルト８４ａ自体の剛性が高くなり過ぎて、積層方向の荷重を緩和することができなくなる。

図８は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１６０の概略断面説明図である。

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３及び第４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１６０は、第２プレート３４のカソード電極２２に向かう面とセパレータ２８との間に配設される複合電極１６２を備える。複合電極１６２は、セパレータ２８に接する耐熱性金属フェルト（金属フェルト等の導電性不織布）１６４と、カソード電極２２に接する耐熱性金属メッシュ（金属メッシュ等の導電性織布）１６６と、前記金属フェルト１６４と前記金属メッシュ１６６との間に介装される耐熱性中間金属メッシュ１６８とを有する。

中間金属メッシュ１６８は、金属メッシュ１６６よりも剛性の高い、例えば、パンチングメタルで構成される。なお、中間金属メッシュ１６８は、パンチングメタルに代えて、発泡金属、エキスパンドメタル等を採用してもよい。

この第２の実施形態では、複合電極１６２が、セパレータ２８に接する金属フェルト１６４と、カソード電極２２に接する金属メッシュ１６６とを有しており、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。しかも、金属フェルト１６４と金属メッシュ１６６との間に介装される中間金属メッシュ１６８は、剛性支持体として機能しており、複合電極１６２全体の剛性を有効に維持することが可能になる。

図９は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１８０の概略断面説明図である。

燃料電池１８０は、第２プレート３４のカソード電極２２に向かう面とセパレータ２８との間に配設される複合電極１８２を備える。複合電極１８２は、セパレータ２８に接する耐熱性金属フェルト（金属フェルト等の導電性不織布）１８４と、カソード電極２２に接する耐熱性金属メッシュ（金属メッシュ等の導電性織布）１８６とを有する。

金属フェルト１８４は、中央部に凹部１８８が形成される有底円筒形状を有する一方、金属メッシュ１８６は、前記凹部１８８に収容される円板形状を有する。複合電極１８２は、金属フェルト１８４の底部に対応してセパレータ２８に接触するフェルト面１８４ａと、前記金属フェルト１８４のリング状フェルト面１８４ｂ及び金属メッシュ１８６のメッシュ面１８６ａを有しカソード電極２２に接触する複合面１９０とを構成する。

複合面１９０を構成するリング状フェルト面１８４ｂが囲繞する領域は、電解質・電極接合体２６の外周部に排出される排ガス中の酸化剤ガスに曝されるアノード電極２４の外周縁部に対応する範囲に設定される。

この第３の実施形態では、電解質・電極接合体２６の略中央部から供給される酸化剤ガスが、金属メッシュ１８６の略中央部から外周部に向かって流動することによりカソード電極２２に良好に供給される。

その際、金属メッシュ１８６の外周部は、金属フェルト１８４の外周縁部（リング状部）に覆われている。このため、酸化剤ガスは、圧損が低い金属メッシュ１８６内を均一に分散された後、圧損が高い金属フェルト１８４によって複合電極１８２からの吹き抜けを有効に抑制される。

しかも、リング状フェルト面１８４ｂが囲繞する領域は、電解質・電極接合体２６の外周部に排出される排ガス中の酸化剤ガスに曝されるアノード電極２４の外周縁部に対応する範囲に設定されている。これにより、排ガス中の酸化剤ガスがアノード電極２４側に回り込んで、前記アノード電極２４の外周部が酸化されても、カソード電極２２内で電位が変動することがない。従って、電流の逆流等、不要な電流の流れを阻止することができ、高い起電力を容易に取り出すことが可能になる。しかも、不要な電流の流れによる燃料ガスの消費を抑制することができ、燃料消費率（燃費）の向上を図ることが可能になる。

図１０は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池２００が矢印Ａ方向に積層された燃料電池スタック２０２の概略斜視説明図である。

燃料電池２００は、図１１及び図１２に示すように、各セパレータ２０４間に複数、例えば、８個の電解質・電極接合体２６が、このセパレータ２０４の中心部である燃料ガス供給連通孔３０と同心円上に配列される。

セパレータ２０４は、例えば、ステンレス合金等の板金で構成される１枚の金属プレートやカーボンプレート等で構成される。セパレータ２０４は、中央部に燃料ガス供給連通孔３０を形成する燃料ガス供給部２０６を有する。この燃料ガス供給部２０６から外方に等角度間隔ずつ離間して放射状に延在する複数の第１橋架部２０８を介して比較的大径な挟持部２１０が一体的に設けられる。燃料ガス供給部２０６と各挟持部２１０との中心間距離は、同一距離に設定される。

各挟持部２１０は、電解質・電極接合体２６と略同一寸法に設定されており、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給孔５２が、例えば、前記挟持部２１０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。

各挟持部２１０のアノード電極２４に接触する面２１０ａには、前記アノード電極２４の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス通路４６が形成される。この燃料ガス通路４６は、各挟持部２１０の面２１０ａに形成される複数の突起部２１２により構成される。

突起部２１２は、面２１０ａに、例えば、エッチングにより形成される中実部、又はプレスにより形成される中空部で構成される。突起部２１２の断面形状は、矩形状、円形状、長円形状、楕円形状、三角形状又は長方形状等、種々の形状に設定可能であるとともに、位置や密度は、燃料ガスの流れ状態等によって任意に変更される。以下に説明する他の突起部は、上記の突起部２１２と同様に構成される。

各挟持部２１０のカソード電極２２に接触する面２１０ｂは、略平坦面に形成されるとともに、この面２１０ｂ側には、通路部材２１４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。

通路部材２１４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３０を形成する燃料ガス供給部２１６を備える。燃料ガス供給部２１６から放射状に８本の第２橋架部２１８が延在するとともに、各第２橋架部２１８は、セパレータ２０４の第１橋架部２０８から挟持部２１０の面２１０ｂに燃料ガス供給孔５２を覆って固着される（図１３参照）。燃料ガス供給部２１６から第２橋架部２１８には、燃料ガス供給連通孔３０から燃料ガス供給孔５２に連通する燃料ガス供給通路７４が形成される。燃料ガス供給通路７４は、例えば、エッチング又はプレスにより形成される。

挟持部２１０の面２１０ｂには、カソード電極２２の電極面に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路８６を形成し且つ前記カソード電極２２に密着する複合電極２２０が配設される。

複合電極２２０は、第１の実施形態に使用されている複合電極８４と同様に構成されており、セパレータ２０４に接する金属フェルト８４ａと、カソード電極２２に接する金属メッシュ８４ｂとを有する。なお、複合電極２２０は、複合電極１６２又は１８２と同様に構成されていてもよい。

複合電極２２０は、金属フェルト８４ａが挟持部２１０の面２１０ｂに直接接触するとともに、通路部材２１４を避けるために切り欠き部２２０ａを設ける（図１１及び図１３参照）。複合電極２２０に設けられる酸化剤ガス通路８６は、電解質・電極接合体２６の内側周端部と挟持部２１０の内側周端部との間から矢印Ｂ方向に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給連通孔５４に連通する。この酸化剤ガス供給連通孔５４は、各挟持部２１０の内方と第１橋架部２０８との間に位置して積層方向（矢印Ａ方向）に延在している。燃料電池２００には、挟持部２１０の外方に位置して排ガス通路８８が形成される。

各セパレータ２８間には、燃料ガス供給連通孔３０をシールするための絶縁シール２２２が配設される。絶縁シール２２２は、例えば、マイカ材、ガラス材やセラミック材で形成される。

図１０に示すように、燃料電池スタック２０２は、複数の燃料電池２００の積層方向両端に略円板状のエンドプレート２３０ａ、２３０ｂを配置する。エンドプレート２３０ａの中央部には、燃料ガス供給連通孔３０に対応して孔部２３２が設けられるとともに、前記孔部２３２の周囲には、酸化剤ガス供給連通孔５４に対応して複数の孔部２３４が設けられる。エンドプレート２３０ａ、２３０ｂ間は、ねじ孔２３６に螺合する図示しないボルトにより矢印Ａ方向に締め付けられている。

このように構成される燃料電池スタック２０２では、図１０に示すように、エンドプレート２３０ａの孔部２３２から燃料ガス供給連通孔３０に燃料ガスが供給されるとともに、孔部２３４から酸化剤ガス供給連通孔５４に空気が供給される。

燃料ガスは、燃料電池スタック２０２の燃料ガス供給連通孔３０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２００に設けられる燃料ガス供給通路７４に送られる。このため、燃料ガスは、燃料ガス供給通路７４に沿ってセパレータ面方向（矢印Ｂ方向）に移動する。

図１３に示すように、燃料ガスは、燃料ガス供給通路７４から挟持部２１０に形成された燃料ガス供給孔５２を通って燃料ガス通路４６に導入される。燃料ガス供給孔５２は、各電解質・電極接合体２６のアノード電極２４の略中心位置に設定されている。従って、燃料ガスは、燃料ガス供給孔５２からアノード電極２４の略中心に供給され、燃料ガス通路４６に沿って前記アノード電極２４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５４に供給された空気は、電解質・電極接合体２６の内側周端部と挟持部２１０の内側周端部との間から矢印Ｂ方向に流入し、複合電極２２０に形成された酸化剤ガス通路８６に送られる。酸化剤ガス通路８６では、電解質・電極接合体２６のカソード電極２２の内側周端部（セパレータ２０４の中央部）側から外側周端部（セパレータ２０４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２６では、アノード電極２４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２２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２０を通ってアノード電極２４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２６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８８を介して燃料電池スタック２０２から排出される（図１０参照）。

このように構成される第４の実施形態では、セパレータ２０４と電解質・電極接合体２６のカソード電極２２との間に複合電極２２０が配置されている。従って、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果を得ることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池が矢印Ａ方向に複数積層された燃料電池スタックの概略斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。 前記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。 セパレータを構成する第１プレートの説明図である。 前記セパレータを構成する第２プレートの説明図である。 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２の実施形態に係る燃料電池の概略断面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の概略断面説明図である。 本発明の第４の実施の形態に係る燃料電池が矢印Ａ方向に複数積層された燃料電池スタックの概略斜視説明図である。 前記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。

符号の説明

１０、１６０、１８０、２００…燃料電池
１２、２０２…燃料電池スタック ２０…電解質
２２…カソード電極 ２４…アノード電極
２６…電解質・電極接合体 ２８、２０４…セパレータ
３０…燃料ガス供給連通孔 ３２、３４…プレート
３６、６０、２０６、２１６…燃料ガス供給部
３８、４２、６２、６６、２０８、２１８…橋架部
４０、６４、２１０…挟持部 ４４、６８…筐体部
４６…燃料ガス通路 ４８、２１２…突起部
５２…燃料ガス供給孔 ５４…酸化剤ガス供給連通孔
５６…酸化剤ガス供給部 ７４…燃料ガス供給通路
７６…充填室 ７８…酸化剤ガス供給通路
８０…酸化剤ガス供給孔
８４、１６２、１８２、２２０…複合電極
８４ａ、１６４、１８４…金属フェルト
８４ｂ、１６６、１８６…金属メッシュ
８４ａａ、１８４ａ…フェルト面 ８４ｂｂ、１８６ａ…メッシュ面
８６…酸化剤ガス通路 ８８…排ガス通路
９０、９２…絶縁シール
９４ａ、９４ｂ、２３０ａ、２３０ｂ…エンドプレート
１１２…支持プレート １１４、１１６、１１８…荷重付与部
１６８…中間金属メッシュ １８４ｂ…リング状フェルト面
１８８…凹部 １９０…複合面
２１４…通路部材

Claims (6)

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・電極接合体と、セパレータとが積層される燃料電池であって、
   前記カソード電極と該カソード電極に対向する前記セパレータとの間に配設される複合電極を備え、
   前記複合電極は、前記セパレータに接する金属フェルトと、
   前記カソード電極に接する金属メッシュと、
   を有す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、前記複合電極は、前記金属フェルトと前記金属メッシュとを互いに隣接して配置するとともに、
   前記セパレータに接するフェルト面と前記カソード電極に接するメッシュ面とが互いに反対側に設けられることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１記載の燃料電池において、前記複合電極は、前記金属フェルトと前記金属メッシュとを、前記金属メッシュよりも剛性の高い中間金属メッシュを介装して積層するとともに、
   前記セパレータに接するフェルト面と前記カソード電極に接するメッシュ面とが互いに反対側に設けられることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記セパレータは、前記カソード電極の略中心部に向かって酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給孔を設けるとともに、
   前記複合電極内には、前記カソード電極の略中心部に供給された前記酸化剤ガスを前記カソード電極の外周部に向かって流動させる酸化剤ガス通路が形成されることを特徴とする燃料電池。
5. 請求項４記載の燃料電池において、前記金属フェルトは、中央部に凹部が形成される有底円筒形状を有する一方、
   前記金属メッシュは、前記凹部に収容される円板形状を有し、
   複合電極は、前記金属フェルトの底部に対応して前記セパレータに接触するフェルト面と、
   前記金属フェルトのリング状フェルト面及び前記金属メッシュのメッシュ面を有し前記カソード電極に接触する複合面と、
   を構成することを特徴とする燃料電池。
6. 請求項５記載の燃料電池において、前記複合面を構成する前記リング状フェルト面が囲繞する領域は、前記電解質・電極接合体の外周部に排出される排ガス中の酸化剤ガスに曝される前記アノード電極の外周縁部に対応する範囲に設定されることを特徴とする燃料電池。

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