JP2006156048A

JP2006156048A - 燃料電池およびその製造方法

Info

Publication number: JP2006156048A
Application number: JP2004342770A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Izawa; 康浩伊澤; Daigoro Mori; 大五郎森
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-11-26
Filing date: 2004-11-26
Publication date: 2006-06-15

Abstract

【課題】電極の破損を防止でき、かつ、発生した電力を効率良く集電することができる燃料電池およびその製造方法を提供する。
【解決手段】セパレータ２１とカソード１５との間に集電体２２を備え、セパレータ２１およびカソード１５のいずれか一方もしくは両方と集電体２２との接触面積は、セパレータ２１とカソード１５との間に供給されるガスの流動圧力によって増大する。それにより、セパレータ２１およびカソード１５のいずれか一方もしくは両方と集電体２２との接触抵抗が低減される。その結果、本発明に係る燃料電池の発電効率が向上する。また、集電体２２からカソード１５に必要以上の圧力がかからない。それにより、カソード１５の破損を防止することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、電極とセパレータとの間に集電体を備えた燃料電池およびその製造方法に関する。

燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率が実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。この燃料電池においては、発生した電力を効率良く集電することにより燃料電池全体の発電効率が向上する。そのため、発生した電力を効率良く集電する技術が開発されている。

例えば、複数の接触フィンガを打出した金属シートを電流コレクタとして用いる技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。この技術によれば、接触フィンガと電極との電気的接触が確実になる。
特開平３−１１９６６２号公報

しかしながら、特許文献１の技術を用いる場合、接触フィンガと電極との接触面積を増大させようとすれば、燃料電池の締結時に接触フィンガと電極との接触面圧を大きくする必要がある。したがって、接触フィンガと電極との接触圧力のばらつき等により電極が破損するおそれがある。

本発明は、電極の破損を防止でき、かつ、発生した電力を効率良く集電することができる燃料電池およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池は、セパレータと電極との間に集電体を備え、セパレータおよび電極のいずれか一方もしくは両方と集電体との接触面積は、セパレータと電極との間に供給されるガスの流動圧力によって増大するものである。

本発明に係る燃料電池においては、セパレータと電極との間にガスが供給されることにより、セパレータおよび電極のいずれか一方もしくは両方と集電体との接触面積が増大する。それにより、セパレータおよび電極のいずれか一方もしくは両方と集電体との接触抵抗が低減される。その結果、本発明に係る燃料電池の発電効率が向上する。また、集電体から電極に必要以上の圧力がかからない。それにより、電極の破損を防止することができる。

セパレータおよび電極のいずれか一方もしくは両方と集電体との接触面積は、ガスのセパレータと電極との間への供給が停止している場合に比較して、ガスのセパレータと電極との間への供給がなされる場合に増大してもよい。この場合、ガスのセパレータと電極との間への供給が停止している場合には集電体から電極に必要以上の圧力がかからない。それにより、本発明に係る燃料電池の耐久性が向上する。

セパレータおよび電極のいずれか一方もしくは両方と集電体との接触面積は、ガスの流動圧力によって集電体の形状が変化することにより増大してもよい。この場合、電極およびセパレータの形状変化を伴わずにセパレータおよび電極のいずれか一方もしくは両方と集電体との接触面積が増大する。それにより、セパレータおよび電極の破損を防止することができる。

集電体は、１または複数のフィンを備え、電極は、フィンを介して集電体と接触してもよい。

集電体は、導電性プレートから矩形の押切りフィンを片持ち式に折り曲げた構造を有していてもよい。この場合、フィンの製造工程が簡略化される。それにより、本発明に係る燃料電池の製造工程が簡略化するとともに、製造コストを低減させることができる。

集電体は、１枚の導電性プレートから複数の矩形の押切りフィンを片持ち式に折り曲げた構造を有していてもよい。この場合、１枚の導電性プレートから複数のフィンを一括して形成することができる。それにより、本発明に係る燃料電池の製造工程が簡略化するとともに、製造コストを低減させることができる。

集電体は、セパレータに接合されていてもよい。この場合、ガスの流動圧力による集電体およびセパレータの位置ずれの発生が防止される。

セパレータと電極との間に供給されるガスの流動方向をフィンに対して垂直になるように変化させるガス流動方向変更手段をさらに備えていてもよい。この場合、セパレータと電極との間に供給されるガスの流動圧力がフィンに対して垂直にかかる。それにより、ガスからフィンにかかる圧力が増大する。その結果、ガス量が少なくてもフィンと電極との接触面積を増大させることができる。

ガス流動方向変更手段は、集電体に設けられた整流板であってもよい。この場合、複雑な製造工程を経なくても集電体にガス流動方向変更手段を設けることができる。

流動圧力による集電体の形状変化を抑制する変形抑制手段をさらに備えていてもよい。この場合、集電体の過度の形状変化により集電体と電極との接触不良が発生することが防止される。それにより、本発明に係る燃料電池の発電効率を確実に向上させることができる。

変形抑制手段は、フィンが引掛るフィン引掛り部であり、フィン引掛り部は、電極に設けられていてもよい。この場合、フィンがフィン引掛り部により、集電体と電極との接触不良の発生を確実に防止することができる。

本発明に係る燃料電池の製造方法は、集電体にロウ材を塗布する工程と、集電体とセパレータおよび電極とが接触するようにセパレータと電極との間に集電体を配置する工程と、セパレータと電極との間にロウ材の融点以上の温度を有するガスを供給し、セパレータおよび電極のいずれか一方もしくは両方と集電体との接触面積を増大させ、セパレータおよび電極のいずれか一方もしくは両方と集電体とをロウ材により接合する工程とを備えるものである。

本発明に係る燃料電池の製造方法においては、集電体にロウ材が塗布され、集電体とセパレータおよび電極とが接触するようにセパレータと電極との間に集電体が配置され、セパレータと電極との間にロウ材の融点以上の温度を有するガスが供給され、セパレータおよび電極のいずれか一方もしくは両方と集電体との接触面積が増大し、セパレータおよび電極のいずれか一方もしくは両方と集電体とがロウ材により接合される。

この場合、セパレータおよび電極のいずれか一方もしくは両方と集電体との接触抵抗が低減される。それにより、本発明に係る製造方法により製造された燃料電池の発電効率が向上する。また、セパレータ、集電体および電極の締結する際に集電体から電極に必要以上の圧力がかからない。それにより、電極の破損を防止することができる。

本発明によれば、セパレータおよび電極のいずれか一方もしくは両方と集電体との接触抵抗が低減される。その結果、本発明に係る燃料電池の発電効率が向上する。また、集電体から電極に必要以上の圧力がかからない。それにより、電極の破損を防止することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、本発明に係る燃料電池１００の一部省略模式的断面図である。図１に示すように、燃料電池１００は、発電セル１がセパレータ部２を介して順に積層された構造を有する。発電セル１は、アノード１１、水素透過性金属１２、固体電解質１３およびカソード１５が順に積層された構造を有する。セパレータ部２は、セパレータ２１の両面に集電体２２が設けられた構造を有する。アノード１１、カソード１５およびセパレータ２１は、カーボン等の電気伝導性材料から構成される。水素透過性金属層１２は、水素透過性の緻密な金属からなる。水素透過性金属としては、例えば、パラジウム、バナジウム、チタン、タンタル等を用いることができる。固体電解質１３は、水素イオン伝導性を有する固体高分子、金属酸化物等からなる。集電体２２は、金属等の電気伝導性を有する材料から形成されている。例えば、集電体２２として、ステンレス等を用いることができる。また、集電体２２の厚さは、例えば、数十μｍ程度に設定することができる。

次に、燃料電池１００の動作について説明する。アノード１１には、水素含有ガスが供給される。アノード１１に供給された水素含有ガスに含まれる水素は、水素イオンに変換される。変換された水素イオンは、水素透過性金属１２および固体電解質１３を伝導し、カソード１５に到達する。

カソード１５には、酸素含有ガスが供給される。カソード１５に供給された酸素含有ガスに含まれる酸素とカソード１５に到達した水素イオンとが反応し、水が発生するとともに電力が発生する。発生した電力は、集電体２２によって集電される。以上の行程により、燃料電池１００の発電が行われる。

図２は、集電体２２の詳細を説明する図である。図２（ａ）は集電体２２の正面図であり、図２（ｂ）および図２（ｃ）は集電体２２の側面図である。図２（ａ）に示すように、集電体２２は、集電本体部２３および複数の矩形の板状の接触フィン２４を備える。接触フィン２４は、集電本体部２３からカソード１５に対して突出し、カソード１５に接触している。それにより、図１の発電セル１によって発生する電力は、接触フィン２４によって集電される。

また、集電本体部２３は、セパレータ２１に接合されている。それにより、集電体２２の位置ずれが防止される。

接触フィン２４は、後述するように、集電本体部２３と一体的な構造を有し、カソード１５に固定されていない。また、接触フィン２４は、カソード１５に対して必要以上の圧力がかからないように接触している。それにより、燃料電池１００の作製時におけるカソード１５の破損を防止することができる。

また、図２（ｂ）に示すように、各接触フィン２４は、カソード１５に対して傾斜するように設けられている。接触フィン２４とカソード１５とのなす角度は特に限定されないが、本実施例においては接触フィン２４とカソード１５とがなす角度は４５度程度である。また、各接触フィン２４は、酸素含有ガスの流動方向と逆側に向かって傾斜している。

次に、カソード１５と集電体２２との間に酸素含有ガスが供給される場合における集電体２２の形状について説明する。図２（ｃ）に示すように、カソード１５と集電体２２との間に酸素含有ガスが供給されると、接触フィン２４は、酸素含有ガスの流動圧力を受ける。この場合、酸素含有ガスの流動圧力によって接触フィン２４が酸素含有ガスの流動方向に張出して湾曲する。それにより、接触フィン２４とカソード１５との接触面積が増大する。したがって、接触フィン２４とカソード１５との接触抵抗が低減される。その結果、燃料電池１００の発電効率が向上する。

一方、酸素含有ガスが供給されない間は接触フィン２４からカソード１５に必要以上の圧力がかからない。それにより、燃料電池１００の耐久性が向上する。

なお、接触フィン２４の中央部に酸素含有ガスが通過するための孔を設けてもよい。この場合、酸素含有ガスの流動圧力が接触フィン２４に過度にかかることが防止できるとともに、酸素含有ガスの流動抵抗が低減される。

図３は、燃料電池１００の製造方法を説明するフロー図である。まず、図３（ａ）に示すように、板状の集電体２２を準備する。次に、図３（ｂ）に示すように、集電体２２から接触フィン２４を片持ち式に押切って折り曲げる。それにより、集電体２２が完成する。この場合、接触フィン２４を一括して形成することができる。それにより、燃料電池１００の製造工程を簡略化することができるとともに製造コストを低減させることができる。また、集電体２２を１枚のプレートから形成すると、さらに燃料電池１００の製造工程を簡略化することができる。

次いで、図３（ｃ）および図３（ｄ）に示すように、集電体２２をセパレータ２１に接合する。次に、図３（ｅ）に示すように、接触フィン２４がカソード１５に接触するように集電体２２およびカソード１５を締結する。以上のことから、カソード１５に対して接触フィン２４から必要以上の圧力がかからない。それにより、カソード１５の破損を防止することができる。

図４は、集電体２２の他の例である集電体２２ａを説明する図である。図４（ａ）は集電体２２ａの正面図であり、図４（ｂ）および図４（ｃ）は集電体２２ａの側面図である。

図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、集電体２２ａは、図２の集電体２２と同様に、集電本体部２３ａおよび複数の接触フィン２４ａを備える。集電本体部２３ａは、セパレータ２１に接合されている。接触フィン２４ａは、集電本体部２３ａからカソード１５に対して突出し、カソード１５に接触している。接触フィン２４ａは、集電本体部２３ａと一体的な構造を有し、カソード１５に固定されていない。

接触フィン２４ａが図２の接触フィン２４と異なる点は、供給される酸素含有ガスの流動方向に接触フィン２４ａが張出して湾曲している点である。それにより、接触フィン２４ａは、酸素含有ガスによる圧力を受けやすくなる。したがって、カソード１５と集電体２２ａとの間に酸素含有ガスが供給されることにより、接触フィン２４ａとカソード１５との接触面積が大幅に増大する。その結果、燃料電池１００の発電効率がさらに向上する。

一方、酸素含有ガスが供給されない間は接触フィン２４ａからカソード１５に必要以上の圧力がかからない。それにより、燃料電池１００の耐久性が向上する。

図５は、燃料電池１００の製造方法の他の例を説明するフロー図である。まず、図５（ａ）に示すように、板状の集電体２２ａを準備する。次に、図５（ｂ）に示すように、集電体２２ａから接触フィン２４ａを片持ち式に押切って折り曲げる。この場合、接触フィン２４ａが湾曲するように折り曲げる。次いで、図５（ｃ）および図５（ｄ）に示すように、集電体２２ａをセパレータ２１に接合する。次に、図５（ｅ）に示すように、接触フィン２４ａがカソード１５に接触するように集電体２２ａおよびカソード１５を締結する。以上のことから、カソード１５に対して接触フィン２４ａから必要以上の圧力がかからない。それにより、カソード１５の破損を防止することができる。

図６は、集電体２２の他の例である集電体２２ｂを説明する図である。図６（ａ）は集電体２２ｂの正面図であり、図６（ｂ）および図６（ｃ）は集電体２２ｂの側面図である。

集電体２２ｂは、図２の集電体２２と同様に、集電本体部２３ｂおよび複数の接触フィン２４ｂを備える。集電本体部２３ｂは、セパレータ２１に接合されている。接触フィン２４ｂは、集電本体部２３ｂからカソード１５に対して突出し、カソード１５に接触している。接触フィン２４ｂは、集電本体部２３ｂと一体的な構造を有し、カソード１５に固定されていない。

図６（ｂ）に示すように、接触フィン２４ｂが図２の接触フィン２４と異なる点は、接触フィン２４ｂが１または複数の折り目で酸素含有ガスが供給されてくる方向に折り曲げられている点である。それにより、接触フィン２４ｂは、酸素含有ガスによる圧力を受けやすくなる。

また、図６（ｃ）に示すように、酸素含有ガスの供給時に接触フィン２４ｂがカソード１５と接触する接触面は平面となる。したがって、接触フィン２４ｂの集電効率が向上する。その結果、燃料電池１００の発電効率がさらに向上する。

一方、酸素含有ガスが供給されない間は接触フィン２４ｂからカソード１５に必要以上の圧力がかからない。それにより、燃料電池１００の耐久性が向上する。

図７は、燃料電池１００の製造方法の他の例について説明するフロー図である。まず、図７（ａ）に示すように、板状の集電体２２ｂを準備する。次に、図７（ｂ）に示すように、集電体２２ｂから接触フィン２４ｂを片持ち式に押切って折り曲げる。この場合、接触フィン２４ｂに１または複数の折り目が形成されるように折り曲げる。次いで、図７（ｃ）および図７（ｄ）に示すように、集電体２２ｂをセパレータ２１に接合する。次に、図７（ｅ）に示すように、接触フィン２４ｂがカソード１５に接触するように集電体２２ｂおよびカソード１５を締結する。以上のことから、カソード１５に対して接触フィン２４ｂから必要以上の圧力がかからない。それにより、カソード１５が破損することが防止できる。

図８は、集電体２２およびカソード１５の他の例である集電体２２ｃおよびカソード１５ａを説明する図である。図８（ａ）は集電体２２ｃおよびカソード１５ａの正面図であり、図８（ｂ）および図８（ｃ）は集電体２２ｃおよびカソード１５ａの側面図である。

図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、カソード１５ａは、本体部１５１上に金属多孔体１５２が積層された構造を有する。金属多孔体１５２上には、複数の略直方体状の突起部１５３が設けられている。突起部１５３は、酸素含有ガスの流動方向に対して垂直になるようにストライプ状に形成されている。

集電体２２ｃは、図２の集電体２２と同様に、集電本体部２３ｃおよび複数の接触フィン２４ｃを備える。集電本体部２３ｃは、セパレータ２１に接合されている。接触フィン２４ｃの先端には、掛り部２５が設けられている。接触フィン２４ｃは、金属多孔体１５２に対して突出し、供給される酸素含有ガスの流動方向に張出して湾曲している。また、掛り部２５は、突起部１５３に引掛けられている。それにより、掛り部２５と突起部１５３とが接触している。接触フィン２４ｃは、集電本体部２３ｃと一体構造を有しており、カソード１５ａには固定されていない。

カソード１５ａと集電体２２ｃとの間に酸素含有ガスが供給されると、図８（ｃ）に示すように、酸素含有ガスの流動圧力によって接触フィン２４ｃがさらに湾曲する。それにより、接触フィン２４ｃと突起部１５３との接触面積が増大する。したがって、接触フィン２４ｃと突起部１５３との接触抵抗が低減される。その結果、燃料電池１００の発電効率が向上する。

この場合、酸素含有ガスの流動圧力は金属多孔体１５２表面に対して水平方向にかかることから、接触フィン２４ｃが変形する際に接触フィン２４ｃから金属多孔体１５２に対して過度の圧力がかかることが防止される。その結果、接触フィン２４ｃが変形してもカソード１５ａが破損することが防止される。また、酸素含有ガスが供給されない間は接触フィン２４ｃからカソード１５ａに必要以上の圧力がかからない。それにより、燃料電池１００の耐久性が向上する。

図９は、燃料電池１００の製造方法の他の例について説明するフロー図である。まず、図９（ａ）に示すように、板状の集電体２２ｃを準備する。次に、図９（ｂ）に示すように、集電体２２ｃから接触フィン２４ｃを片持ち式に押切って折り曲げる。この場合、接触フィン２４ｃの先端部を折り曲げて掛り部２５を形成する。次いで、図９（ｃ）に示すように、集電体２２ｃをセパレータ２１に接合する。次に、図９（ｄ）に示すように、ストライプ状に突起部１５３が設けられた金属多孔体１５２を準備する。次いで、図９（ｅ）に示すように、各掛り部２５が突起部１５３に引掛かるように集電体２２ｃと金属多孔体１５２とを締結し、金属多孔体１５２と本体部１５１とを接合する。以上のことから、カソード１５ａに対して接触フィン２４ｃから必要以上の圧力がかからない。それにより、カソード１５ａの破損を防止することができる。

図１０は、集電体２２およびカソード１５の他の例である集電体２２ｄおよびカソード１５ｂを説明する図である。図１０（ａ）は集電体２２ｄおよびカソード１５ｂの正面図であり、図１０（ｂ）および図１０（ｃ）は集電体２２ｄおよびカソード１５ｂの側面図である。

図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示すように、カソード１５ｂは、本体部１５１ａ上に金属多孔体１５２ａが積層された構造を有する。金属多孔体１５２ａ上には、複数の突起１５４が設けられている。

集電体２２ｄは、図２の集電体２２と同様に、集電本体部２３ｄおよび複数の接触フィン２４ｄを備える。集電本体部２３ｄは、セパレータ２１に接合されている。接触フィン２４ｄは、先端に向かってＴ字状となるように形成されている。接触フィン２４ｄの先端部には、掛り部２６が形成されている。また、接触フィン２４ｄは、集電本体部２３ｄから金属多孔体１５２ａに対して突出し、金属多孔体１５２ａに接触している。接触フィン２４ｄは、集電本体部２３ｄと一体構造を有し、カソード１５ｂには固定されていない。

図１０（ｃ）に示すように、カソード１５ｂと集電体２２ｄとの間に酸素含有ガスが供給されると、酸素含有ガスの流動圧力によって接触フィン２４ｄが酸素含有ガスの流動方向に張出して湾曲する。それにより、接触フィン２４ｄと金属多孔体１５２ａとの接触面積が増大するとともに、掛り部２６が突起１５４に引掛る。したがって、接触フィン２４ｄが逆向きに湾曲することが防止される。その結果、接触フィン２４ｄとカソード１５ｂとの接触面積を確実に増大させることができる。

一方、酸素含有ガスが供給されない間は接触フィン２４ｄから金属多孔体１５２ａに必要以上の圧力がかからない。それにより、燃料電池１００の耐久性が向上する。

図１１は、燃料電池１００の製造方法の他の例について説明するフロー図である。まず、図１１（ａ）に示すように、板状の集電体２２ｄを準備する。次に、図１１（ｂ）に示すように、集電体２２ｄから接触フィン２４ｄを片持ち式に押切って折り曲げる。次いで、図１１（ｃ）に示すように、集電体２２ｄをセパレータ２１に接合する。次に、図１１（ｄ）に示すように、複数の突起１５４が設けられた金属多孔体１５２ａを準備する。次に、図１１（ｅ）に示すように、接触フィン２４ｄが金属多孔体１５２ａに接触するように集電体２２ｄおよび金属多孔体１５２ａを締結し、金属多孔体１５２ａと本体部１５１ａとを接合する。以上のことから、カソード１５ｂに対して接触フィン２４ｄから必要以上の圧力がかからない。それにより、カソード１５ｂの破損を防止することができる。

図１２は、集電体２２およびカソード１５の他の例である集電体２２ｅおよびカソード１５ｃを説明する図である。図１２（ａ）は集電体２２ｅおよびカソード１５ｃの正面図であり、図１２（ｂ）および図１２（ｃ）は集電体２２ｅおよびカソード１５ｃの側面図である。

図１２（ａ）および図１２（ｂ）に示すように、カソード１５ｃは、本体部１５１ｂ上に金属多孔体１５２ｂが積層された構造を有する。金属多孔体１５２ｂ上には、複数の突起１５５が設けられている。

集電体２２ｅは、図２の集電体２２と同様に、集電本体部２３ｅおよび複数の板状の接触フィン２４ｅを備える。各接触フィン２４ｅの中央部には孔２７が形成されている。集電本体部２３ｅは、セパレータ２１に接合されている。接触フィン２４ｅは、集電本体部２３ｅから金属多孔体１５２ｂに対して突出し、金属多孔体１５２ｂに接触している。接触フィン２４ｅは、集電本体部２３ｅと一体構造を有し、金属多孔体１５２ｂには固定されていない。

図１２（ｃ）に示すように、カソード１５ｃと集電体２２ｅとの間に酸素含有ガスが供給されると、酸素含有ガスの流動圧力によって接触フィン２４ｅが酸素ガス含有ガスの流動方向に張出して湾曲する。それにより、接触フィン２４ｅと金属多孔体１５２ｂとの接触面積が増大するとともに、接触フィン２４ｄの孔２７が突起１５５に引掛る。したがって、接触フィン２４ｅが逆向きに湾曲することが防止される。その結果、接触フィン２４ｅと金属多孔体１５２ｂとの接触面積を確実に増大させることができる。

この場合、酸素含有ガスの流動圧力は金属多孔体１５２ｂ表面に対して水平方向にかかることから、接触フィン２４ｅが変形する際に接触フィン２４ｅから金属多孔体１５２ｂに対して過度の圧力がかかることが防止される。その結果、接触フィン２４ｅが変形してもカソード１５ｃが破損することが防止される。また、酸素含有ガスが供給されない間は接触フィン２４ｅから金属多孔体１５２ｂに必要以上の圧力がかからない。それにより、燃料電池１００の耐久性が向上する。

図１３は、燃料電池１００の製造方法の他の例について説明するフロー図である。まず、図１３（ａ）に示すように、板状の集電体２２ｅを準備する。次に、集電体２２ｅに打ち抜き加工を施して、孔２７を形成する。次いで、図１３（ｂ）に示すように、集電体２２ｅから接触フィン２４ｅを片持ち式に押切って折り曲げる。次に、図１３（ｃ）に示すように、集電体２２ｅをセパレータ２１に接合する。次いで、図１３（ｄ）に示すように、複数の突起１５５が形成された金属多孔体１５２ｂを準備する。次に、図１３（ｅ）に示すように、接触フィン２４ｅが金属多孔体１５２ｂに接触するように集電体２２ｅおよび金属多孔体１５２ｂを締結し、金属多孔体１５２ｂと本体部１５１ｂとを接合する。以上のことから、カソードに対して接触フィン２４ｅから必要以上の圧力がかからない。それにより、カソード１５ｃの破損を防止することができる。

図１４は、集電体２２の他の例である集電体２２ｆを説明する図である。図１４（ａ）および図１４（ｂ）は集電体２２ｆの側面図である。集電体２２ｆは、図２の集電体２２に、さらに整流板２８を備えた構造を有する。整流板２８は、集電本体部２３から接触フィン２４に対して直角に突出している。それにより、整流板２８に到達した酸素含有ガスの流動方向は、接触フィン２４に対して直角に変化する。したがって、酸素含有ガスから接触フィン２４にかかる圧力が増大する。その結果、酸素含有ガスの量が少ない場合であっても、接触フィン２４は確実に湾曲する。

なお、整流板２８は、図４の集電体２２ａ、図６の集電体２２ｂ、図８の集電体２２ｃ、図１０の集電体２２ｄおよび図１２の集電体２２ｅに設けることもできる。

図１５は、集電体２２およびカソード１５の他の例である集電体２２ｇおよびカソード１５ｄを説明する図である。図１５（ａ）は集電体２２ｇおよびカソード１５ｄの正面図であり、図１５（ｂ）および図１５（ｃ）は集電体２２ｇおよびカソード１５ｄの側面図である。

図１５（ａ）および図１５（ｂ）に示すように、カソード１５ｄは、本体部１５１ｃ上に金属多孔体１５２ｃが積層された構造を有する。金属多孔体１５２ｃ上には、複数の凸部１５６が設けられている。凸部１５６は、酸素含有ガスの流動方向に対して垂直になるようにストライプ状に形成されている。

集電体２２ｇは、図２の集電体２２と同様に、集電本体部２３ｇおよび複数の接触フィン２４ｇを備える。接触フィン２４ｇは、金属多孔体１５２ｃに対して直角に突出している。また、酸素含有ガスが供給される側の凸部１５６の面と酸素含有ガスが排出される側の接触フィン２４ｇの面とが接触するように、集電体２２ｇおよび金属多孔体１５２ｃが締結されている。それにより、図１の発電セル１によって発生する電力は、接触フィン２４ｇによって集電される。また、接触フィン２４ｇから金属多孔体１５２ｃに対して必要以上の圧力がかからない。したがって、カソード１５ｄの破損が防止される。

図１５（ｃ）に示すように、カソード１５ｄと集電体２２ｇとの間に酸素含有ガスが供給されると、酸素含有ガスの流動圧力によって接触フィン２４ｇと凸部１５６との接触圧力が増大する。それにより、接触フィン２４ｇとカソード１５ｄとの接触面積が増大する。したがって、接触フィン２４ｇとカソード１５ｄとの接触抵抗が低減される。その結果、燃料電池１００の発電効率が向上する。

図１６は、燃料電池１００の製造方法の他の例について説明するフロー図である。まず、図１６（ａ）に示すように、板状の集電体２２ｇを準備する。次に、図１６（ｂ）に示すように、集電体２２ｇから接触フィン２４ｇを片持ち式に押切って折り曲げる。この場合、集電本体部２３ｇと接触フィン２４ｇとが直角をなすように接触フィン２４ｇを折り曲げる。

次いで、図１６（ｃ）に示すように、集電体２２ｇをセパレータ２１に接合する。次に、図１６（ｄ）に示すように、ストライプ状に凸部１５６が形成された金属多孔体１５２ｃを準備する。次いで、図１６（ｅ）に示すように、酸素含有ガスが供給される側の凸部１５６の面と酸素含有ガスが排出される側の接触フィン２４ｇの面とが接触するように、集電体２２ｇおよび金属多孔体１５２ｃを締結する。以上のことから、金属多孔体１５２ｃに対して接触フィン２４ｇから必要以上の圧力がかからない。それにより、カソード１５ｄの破損を防止することができる。

図１７は、集電体２２およびカソード１５の他の例である集電体２２ｈおよびカソード１５ｅを説明する図である。図１７（ａ）は集電体２２ｈおよびカソード１５ｅの正面図であり、図１７（ｂ）および図１７（ｃ）は集電体２２ｈおよびカソード１５ｅの側面図である。

図１７（ａ）および図１７（ｂ）に示すように、カソード１５ｅは、本体部１５１ｄ上に不織布１５８が積層された構造を有する。不織布１５８表面には、電気伝導性を有しかつ密に毛羽立った繊毛１５７が形成されている。

集電体２２ｈは、集電本体部２３ｈおよび複数の接触フィン２４ｈを備える。接触フィン２４ｈは、集電本体部２３ｈからカソード１５ｅに対して突出し、繊毛１５７に接触している。それにより、図１の発電セルによって発生する電力は、接触フィン２４ｈにより集電される。また、接触フィン２４ｈからカソード１５ｅに対して必要以上の圧力がかからない。したがって、カソード１５ｅの破損が防止される。

図１７（ｃ）に示すように、カソード１５ｅと集電体２２ｈとの間に酸素含有ガスが供給されると、酸素含有ガスの流動圧力によって繊毛１５７が酸素含有ガスの流動方向に傾斜する。それにより、接触フィン２４ｈと接触する繊毛１５７の数が増大する。したがって、繊毛１５７と接触フィン２４ｈとの接触抵抗が低減される。その結果、燃料電池１００の発電効率が向上する。

図１８は、燃料電池１００の製造方法の他の例について説明するフロー図である。まず、図１８（ａ）に示すように、板状の集電体２２ｈを準備する。次に、図１８（ｂ）に示すように、集電体２２ｈから接触フィン２４ｈを片持ち式に押切って折り曲げる。この場合、集電本体部２３ｈと接触フィン２４ｈとが直角をなすように接触フィン２４ｈを折り曲げる。

次いで、図１８（ｃ）に示すように、集電体２２ｈをセパレータ２１に接合する。次に、図１８（ｄ）に示すように、表面に電気伝導性を有しかつ密に毛羽立った繊毛１５７を有する不織布１５８が設けられているカソード１５ｅを準備する。次いで、図１８（ｅ）に示すように、接触フィン２４ｈと繊毛１５７とが接触するように集電体２２ｈおよびカソード１５ｅを締結する。以上のことから、カソード１５ｅに対して接触フィン２４ｈから必要以上の圧力がかからない。それにより、カソード１５ｅの破損を防止することができる。

図１９は、セパレータ２１および集電体２２の他の例であるセパレータ２１ａおよび集電体２２ｉを説明する図である。図１９（ａ）および図１９（ｂ）は、燃料電池１００の一部省略断面図である。

図１９（ａ）に示すように、セパレータ２１ａには酸素含有ガスの流動方向に対して垂直にストライプ状に複数の凹部２１１が形成されている。集電体２２ｉは、円柱形状を有し、凹部２１１とカソード１５との間に配置されている。それにより、図１の発電セル１によって発生する電力は、集電体２２ｉによって集電される。

図１９（ｂ）に示すように、セパレータ２１ａとカソード１５との間に酸素含有ガスが供給されると、集電体２２ｉとセパレータ２１ａとの接触圧力が増大する。それにより、集電体２２ｉとセパレータ２１ａとの接触面積が増大する。したがって、集電体２２ｉとセパレータ２１ａとの接触抵抗が低減される。その結果、燃料電池１００の発電効率が向上する。

図２０は、本発明に係る燃料電池の製造方法について説明する図である。まず、図２０（ａ）に示すように、板状の集電体２２ｊを準備する。次に、図２０（ｂ）に示すように、集電体２２ｊから接触フィン２４ｊを片持ち式に押切って折り曲げる。次いで、図２０（ｃ）および図２０（ｄ）に示すように、集電体２２ｊをセパレータ２１に接合する。次に、図２０（ｅ）に示すように、接触フィン２４ｊの先端部にロウ材２９を塗布する。次いで、図２０（ｆ）に示すように、接触フィン２４ｊの先端がカソード１５に接触するように集電体２２ｊおよびカソード１５を締結する。次に、図２０（ｇ）に示すように、ロウ材２９の融点以上の温度を有する窒素ガスをセパレータ２１とカソード１５との間に供給する。それにより、図２０（ｈ）に示すように、供給される窒素ガスから受ける圧力方向に接触フィン２４ｊが湾曲し、ロウ材２９が融解し、接触フィン２４ｊとカソード１５とが接合される。

なお、セパレータ２１とカソード１５との間に供給するガスは窒素に限られず、その他の不活性ガスを用いることもできる。また、図２の接触フィン２４の先端部、図４の接触フィンの２４ａの先端部、図６の接触フィン２４ｂの先端部、図８の接触フィン２４ｃの先端部、図１０の接触フィン２４ｄの先端部、図１２の接触フィン２４ｅの先端部、図１５の接触フィン２４ｇの凸部１５６と接している面、図１７の接触フィン２４ｈの先端部および図１９の集電体２２ｊにロウ材を塗布し、ロウ材の融点以上の温度を有する窒素ガスを供給することにより、カソードに過度の圧力を加えることなくカソードと集電体との接触抵抗を低減させることもできる。

また、本実施例においては集電体とカソードとの接触抵抗について説明しているが、集電体とアノードとの接触抵抗に本発明を適用することもできる。さらに、本実施例においては、燃料電池１００として固体電解質に緻密な水素透過性金属を積層させた構造を有する燃料電池を用いているが、セパレータと電極との間に集電体を備えた燃料電池であればどのようなものに対しても本発明を適用することができる。

本実施例においては、アノード１１およびカソード１５が電極に相当し、接触フィン２４および接触フィン２４ａ〜２４ｊがフィンに相当し、整流板２８がガス流動方向変更手段に相当し、突起部１５３、突起１５４，１５５および凸部１５６が変形抑制手段およびフィン引掛り部相当する。

本発明に係る燃料電池の一部省略模式的断面図である。集電体の詳細を説明する図である。燃料電池の製造方法を説明するフロー図である。集電体の他の例を説明する図である。燃料電池の製造方法の他の例について説明するフロー図である。集電体の他の例を説明する図である。燃料電池の製造方法の他の例について説明するフロー図である。集電体およびカソードの他の例を説明する図である。燃料電池の製造方法の他の例について説明するフロー図である集電体およびカソードの他の例を説明する図である。燃料電池の製造方法の他の例について説明するフロー図である。集電体およびカソードの他の例を説明する図である。燃料電池の製造方法の他の例について説明するフロー図である。集電体の他の例を説明する図である。集電体およびカソードの他の例を説明する図である。燃料電池の製造方法の他の例について説明するフロー図である。集電体およびカソードの他の例を説明する図である。燃料電池の製造方法の他の例について説明するフロー図である。セパレータおよび集電体の他の例を説明する図である。本発明に係る燃料電池の製造方法について説明する図である。

符号の説明

１発電セル
２セパレータ部
１５，１５ａ〜１５ｅカソード
２１セパレータ
２２，２２ａ〜２２ｊ集電体
２４，２４ａ〜２４ｊ接触フィン
２５，２６掛り部
２７孔
２８整流板
１００燃料電池
１５２，１５２ａ，１５２ｂ，１５２ｃ金属多孔体
１５３突起部
１５４，１５５突起
１５６凸部
１５７繊毛
１５８不織布

Claims

セパレータと電極との間に集電体を備え、
前記セパレータおよび前記電極のいずれか一方もしくは両方と前記集電体との接触面積は、前記セパレータと前記電極との間に供給されるガスの流動圧力によって増大することを特徴とする燃料電池。
前記セパレータおよび前記電極のいずれか一方もしくは両方と前記集電体との接触面積は、前記ガスの前記セパレータと前記電極との間への供給が停止している場合に比較して、前記ガスの前記セパレータと前記電極との間への供給がなされる場合に増大することを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
前記セパレータおよび前記電極のいずれか一方もしくは両方と前記集電体との接触面積は、前記ガスの流動圧力によって前記集電体の形状が変化することにより増大することを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
前記集電体は、１または複数のフィンを備え、
前記電極は、前記フィンを介して前記集電体と接触することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
前記集電体は、導電性プレートから矩形の押切りフィンを片持ち式に折り曲げた構造を有することを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
前記集電体は、１枚の導電性プレートから複数の矩形の押切りフィンを片持ち式に折り曲げた構造を有することを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
前記集電体は、前記セパレータに接合されていることを特徴とする請求項５または６記載の燃料電池。
前記セパレータと前記電極との間に供給されるガスの流動方向を前記フィンに対して垂直になるように変化させるガス流動方向変更手段をさらに備えることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の燃料電池。
前記ガス流動方向変更手段は、前記集電体に設けられた整流板であることを特徴とする請求項８記載の燃料電池。
前記流動圧力による前記集電体の形状変化を抑制する変形抑制手段をさらに備えることを特徴とする請求項３〜９のいずれかに記載の燃料電池。
前記変形抑制手段は、前記フィンが引掛るフィン引掛り部であり、
前記フィン引掛り部は、前記電極に設けられていることを特徴とする請求項１０記載の燃料電池。
集電体にロウ材を塗布する工程と、
前記集電体とセパレータおよび電極とが接触するように前記セパレータと前記電極との間に前記集電体を配置する工程と、
前記セパレータと前記電極との間に前記ロウ材の融点以上の温度を有するガスを供給し、前記セパレータおよび前記電極のいずれか一方もしくは両方と前記集電体との接触面積を増大させ、前記セパレータおよび前記電極のいずれか一方もしくは両方と前記集電体とを前記ロウ材により接合する工程とを備えることを特徴とする燃料電池の製造方法。