JP5401438B2 - 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の集電材では、金属薄板にプレス加工を施すことで上述した凹凸が形成されるが、金属薄板は非常に薄い材料であるため、プレス加工により金属薄板が引き延ばされることで金属薄板（例えば、凹凸の基端部分等）が薄くなり、破断してしまう虞がある。

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、集電部材の破断を抑制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の燃料電池において、前記燃料電池の周囲を囲むように配置されてシール面を有する金属部材（例えば、実施形態における金属部材３３）と、前記金属部材の内側に配置された前記集電部材と、前記金属部材及び前記集電部材間を接続する帯状部（例えば、実施形態における帯状部４０）と、を一体で成形し、前記集電部材は、前記帯状部から延在する板材が、波状に屈曲成形されてなることを特徴とする。

請求項２に記載した発明では、前記帯状部は、前記燃料電池の面内方向中央部に配置されていることを特徴とする。

請求項３に記載した発明では、前記集電部材には、前記帯状部の延在方向に直交する方向に向けて前記集電部材を伸張させるスリット（例えば、実施形態におけるスリット１０１〜１０３）が形成され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、金属部材と集電部材とを帯状部により一体的に接続することで、金属部材と集電部材とを別体で構成する場合に比べて部品点数を削減できる。また、燃料電池の組立時（積層時）において、金属部材と集電部材との相対位置がずれないので、作業効率を向上できる。
特に、帯状部から延在する板材を波状に折り返すことで集電部材を形成できるので、板材をプレス成形して集電部材を形成する場合と異なり、加工により板材が薄くなることがないので、板材の破断等を抑制して、歩留まりを向上できる。

請求項２に記載した発明によれば、帯状部が金属部材における燃料電池の面内方向中央部に配置されているため、集電部材に厚さ方向に沿って圧力が付与された場合や、燃料電池の作動時における燃料電池の反りや歪みに追従する場合等に生じる集電部材の伸びを帯状部の両側に分散できる。そのため、集電部材の伸びによる影響を抑制できる。

請求項３に記載した発明によれば、スリットが開くことで集電部材の伸張を許容することができる。そして、伸張した金属部材を波状に屈曲成形することで、上述した集電部材を形成できる。この場合、板材を伸張させてから屈曲成形するので、板材を単に屈曲成形する場合と異なり、成形後の集電部材の長さを確保できる。

請求項４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。 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。 カソード中間部材のセパレータの斜視図である。 アノード中間部材のセパレータの斜視図である。 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。 セパレータの製造方法を説明するための図であって、セパレータの平面図である。 セパレータの製造方法を説明するための図であって、セパレータの側面図である。

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。

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、例えば耐熱ＳＵＳや、銅−炭素の複合材料、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からなる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（集電部材）３２と、メッシュ部３２の外側を取り囲む金属部材３３と、が帯状部４０を介して一体的に形成されている。

図３は、セルがカソード中間部材のセパレータに挟持された状態を示す斜視図であり、図４はカソード中間部材のセパレータの斜視図である。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４に示すように、まず金属部材３３は、矩形の額縁形状に形成され、その額縁領域はガスケット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における額縁領域の各辺には、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。

ここで、図４に示すように、金属部材３３における酸化剤ガスの流通方向Ｃａ中央部には、帯状部４０が形成されている。帯状部４０は、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）に沿って延在する薄板状の部材であり、金属部材３３における燃料ガスの流通方向Ａｎで対向する辺同士を連結している。

メッシュ部３２は、帯状部４０における酸化剤ガスの流通方向Ｃａ両縁部から、それぞれ酸化剤ガスの流通方向Ｃａに向けて片持ち状で延在する一対の薄板状の部材が、それぞれ厚さ方向に沿って矩形波状に屈曲形成されて構成されている。したがって、メッシュ部３２と金属部材３３とは、帯状部４０のみで連結され、メッシュ部３２の外側と金属部材３３の内側との間には、それぞれ開口３０が形成されている。また、金属部材３３において、酸化剤ガス連通孔４１、及び酸化剤排ガス連通孔４２が形成された辺には、開口３０と酸化剤ガス連通孔４１、及び酸化剤排ガス連通孔４２とをそれぞれ連通させる切欠き部４５が形成されている。これにより、各連通孔４１〜４４のうち、酸化剤ガス連通孔４１及び酸化剤排ガス連通孔４２は、開口３０に向けて開放されている。

図１〜図４に示すように、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）を燃料ガスの流通方向Ａｎと一致させた状態で、互いに平行に延在している。

そして、上述した帯状部４０、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。

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には、燃料ガス連通孔２７及び燃料排ガス連通孔２８と、貫通孔２４と、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５はアノード中間部材のセパレータの斜視図である。
ここで、図５に示すように、金属部材３３における燃料ガスの流通方向Ａｎ中央部には、帯状部４０が形成されている。帯状部４０は、酸化剤ガスの流通方向Ｃａに沿って延在する薄板状の部材であり、金属部材３３における酸化剤ガスの流通方向Ｃａで対向する辺同士を連結している。

メッシュ部３２は、帯状部４０における燃料ガスの流通方向Ａｎ両縁部から、それぞれ燃料ガスの流通方向Ａｎに向けて片持ち状で延在する一対の薄板状の部材により構成されている。そして、これら薄板状の部材がそれぞれ厚さ方向に沿って矩形波状に屈曲形成されて構成されている。また、金属部材３３において、燃料ガス連通孔４３、及び燃料排ガス連通孔４４が形成された辺には、開口３０と燃料ガス連通孔４３、及び燃料排ガス連通孔４４とをそれぞれ連通させる切欠き部４６が形成されている。これにより、各連通孔４１〜４４のうち、燃料ガス連通孔４３及び燃料排ガス連通孔４４は、開口３０に向けて開放されている。

図６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３，図５，図６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、コンプレッサ等の上述した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、上述した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。

（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７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。
図１に示すように、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４５，３１から酸化剤ガス流路５６内に流入する。図７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１３，２６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４６，５１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２８，４４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４５，３１から酸化剤排ガス連通孔１３，２６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４６，５１から燃料排ガス連通孔２８，４４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。

（セパレータの製造方法）
次に、上述した各中間部材２１ａ，２１ｂにおけるセパレータ２２の製造方法について説明する。なお、各中間部材２１ａ，２１ｂのセパレータ２２は、それぞれ同様の方法で作製できるため、以下の説明ではカソード中間部材２１ａのセパレータ２２を例にして説明する。

図８，９は、セパレータの製造方法を説明するための図であって、図８はセパレータの平面図、図９は側面図である。なお、図８ではセパレータにおけるメッシュ部のみを示しており、以下の説明では、主としてメッシュ部の製造方法について説明する。また、各中間部材２１ａ，２１ｂのメッシュ部３２は、ともに同様の方法により作製できるため、以下の説明ではカソード中間部材２１ａのメッシュ部３２の製造方法について説明する。

まず、図８（ａ）に示すように、セパレータ２２の母材となる板材１００を用意し、板材１００における貫通孔３７，３８の形成領域にスリットを形成する。具体的には、マスクパターンを介してエッチングを行い、平面視Ｈ形状の第１スリット１０１を酸化剤ガス及び燃料ガスの流通方向に沿って複数形成するとともに、燃料ガスの流通方向Ａｎにおける第１スリット１０１間に矩形の第２スリット１０２を形成する。第１スリット１０１は、燃料ガスの流通方向Ａｎに沿って延在する一対の第３スリット１０１ａが酸化剤ガスの流通方向Ｃａに沿って間隔を空けて配置されるとともに、これら第３スリット１０１ａ同士を連通させる第４スリット１０１ｂが酸化剤ガスの流通方向Ｃａに沿って延在して形成されている。同時に、第２スリット１０２に連通するとともに、第２スリット１０２から第４スリット１０１ｂに向けて延在する第５スリット１０３も形成する。なお、セパレータ２２の各連通孔４１〜４４、切欠き部４５、及び開口３０は、この工程の前に形成してもよく、この工程と同時に形成しても良い。これにより、矩形枠型の金属部材３３における酸化剤ガスの流通方向Ｃａ中央部に、帯状部４０が形成され、この帯状部４０から片持ち状にメッシュ部３２の形成領域が形成されることになる。

次に、図８（ｂ）に示すように、スリット１０１〜１０３が形成された板材１００を酸化剤ガスの流通方向Ｃａに沿って引き延ばすと、スリット１０１〜１０３が開くとともに、板材１００が酸化剤ガスの流通方向Ｃａに沿って伸長する。これにより、図８（ｃ）に示すように、酸化剤ガス及び燃料ガスの流通方向に沿って貫通孔３７，３８を形成することができる。

次に、図９（ａ）に示すように、板材１００におけるメッシュ部３２の形成領域（貫通孔３７，３８が形成された領域）を、帯状部４０を起点にして開口３０内から切り起こす。そして、図９（ｂ）に示すように、切り起こしたメッシュ部３２を矩形波状に折り曲げた後、再び開口３０内に戻す。
これにより、図９（ｃ）に示すように、上述したように金属部材３３とメッシュ部３２とが、帯状部４０により一体的に連結されたセパレータ２２を形成することができる。

ところで、上述した従来技術における集電材は、金属薄板にプレス加工を施すことで凹凸が形成されるが、金属薄板は非常に薄い材料であるため、プレス加工により金属薄板が引き延ばされることで金属箔版（例えば、凹凸の基端部分等）が薄くなり、破断してしまう虞がある。そのため、歩留まりが低下するという問題がある。

これに対して、本実施形態では、金属部材３３と、メッシュ部３２と、金属部材３３及びメッシュ部３２を接続する帯状部４０と、によりセパレータ２２を一体的に形成する構成とした。
この構成によれば、セパレータ２２を一体的に形成することで、金属部材３３とメッシュ部３２とを別体で構成する場合に比べて部品点数を削減できる。また、燃料電池１０の組立時（積層時）において、金属部材３３とメッシュ部３２との相対位置がずれることなく積層できるので、作業効率を向上できる。

特に、帯状部４０から延在する領域を矩形波状に折り返すことでメッシュ部３２を形成できるので、プレス成形を行う場合と異なり、加工により板材１００が薄くなることがない。そのため、板材１００の破断等を抑制して、歩留まりを向上できる。またセル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。

また、帯状部４０が金属部材３３における中央部に形成され、そこから両側にメッシュ部３２が形成されているため、メッシュ部３２に厚さ方向に沿って圧力が付与された場合や、燃料電池１０の作動時におけるセル１１の反りや歪みに追従する場合等におけるメッシュ部３２の伸びを帯状部４０の両側に分散できる。そのため、メッシュ部３２の伸びによる影響を抑制できる。

ところで、メッシュ部３２の製造工程において、例えば打ち抜き加工により貫通孔３７，３８を形成した後、板材１００に対して曲げ加工を施すことで矩形波状のメッシュ部３２を形成すると、メッシュ部３２の反応ガスの流通方向における長さが縮小してしまう。
そこで、本実施形態では、スリット１０１〜１０３が開くことで、メッシュ部３２の伸張を許容できる。そして、エッチング等によりスリット１０１〜１０３が形成された板材１００を引き延ばした後に、曲げ加工を施すことで上述したメッシュ部３２を形成できる。この場合、板材１００を引き延ばしてから曲げ加工を施すので、反応ガスの流通方向におけるメッシュ部３２の長さを確保できる。

しかも、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。

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、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。
また、帯状部４０の形成位置は、適宜変更が可能である。
また、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、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。

１１…セル（燃料電池） ３２…メッシュ部（集電部材） ３３…金属部材 ４０…帯状部 ５６…酸化剤ガス流路 ５７…燃料ガス流路 １０１〜１０３…スリット

Claims (4)

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の燃料電池において、
   前記燃料電池の周囲を囲むように配置されてシール面を有する金属部材と、前記金属部材の内側に配置された前記集電部材と、前記金属部材及び前記集電部材間を接続する帯状部と、を一体で成形し、
   前記集電部材は、前記帯状部から延在する板材が、波状に屈曲成形されてなることを特徴とする平板型固体電解質燃料電池。
2. 前記帯状部は、前記燃料電池の面内方向中央部に配置されてい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. 前記集電部材には、前記帯状部の延在方向に直交する方向に向けて前記集電部材を伸張させるスリットが形成され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３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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