JP2007299619A - セパレータユニット及び燃料電池スタック - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料電池の電極に十分な量のガスを供給することができ、集電抵抗が低く、積層方向に対して十分な強度を備え、電極を十分に冷却することができ、製造が容易でコストを低くすることができる。
【解決手段】電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池を積層すべく、隣接する燃料電池間に挿入され、ガスを遮断する板状のガス遮断部材と、該ガス遮断部材と前記燃料極又は酸素極との間に挿入され、前記ガスを拡散させる複数の開口を備えた集電体とを有するセパレータユニットであって、前記集電体は、前記燃料極又は酸素極に当接して集電する平板状の多孔板から成る電極当接部と、前記ガス遮断部材に当接してガス流路を形成するとともに前記電極当接部を保持する線状体から成るガス遮断部材当接部とを備え、該ガス遮断部材当接部の高さ寸法が前記電極当接部の開口の相当直径よりも小さい。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池のセパレータユニット及び燃料電池スタックに関するものである。
従来、燃料電池は発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は、人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として開発が進んでいる。そして、前記燃料電池は、アルカリ水溶液型（ＡＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）、直接型メタノール（ＤＭＦＣ）等のものであってもよいが、純水素を燃料ガスとした固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は、出力当たりのシステム体積・重量を小さくすることができることから、積極的に用いられている。
この場合、固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合したＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜電極接合体）が使用される。そして、該ガス拡散電極の一方を燃料極（アノード極）とし、その表面に燃料としての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子とに解離され、水素イオンが固体高分子電解質膜を移動する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極（カソード極）とし、その表面に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。
そして、固体高分子型燃料電池は、ＭＥＡの外側に水素ガスや空気のような反応ガス流路を形成するセパレータを配設した積層構造を有する。前記セパレータは、積層方向に隣り合うＭＥＡへの反応ガスの透過を防止するとともに、ＭＥＡで発生した電流を外部へ取り出すための集電を行う。このように、ＭＥＡとセパレータとを多数積層して燃料電池スタックが構成される。そして、ＭＥＡへの反応ガスの供給、集電抵抗の低減、固体高分子電解質膜の湿潤状態の維持等のために、エキスパンドメタル等の網目を備えた金属板をセパレータの集電体として使用する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００５−２８５６８５号公報
しかしながら、前記従来のセパレータにおいては、網目を備えた金属板を断面が矩（く）形波状となるように折り曲げたものを使用するようになっている。そのため、積層方向に対する熱抵抗が高くなってしまい、電極の冷却が不十分になるだけでなく、リブ形成部に水が詰まり、ガス供給が阻害されるおそれがあった。さらに、網目を備えた金属板は、それ自体が変形しやすく、面圧に分布が生じてしまう問題があった。
本発明は、前記従来のセパレータの問題点を解決して、複数の開口を備える平板状の多孔（こう）板の電極当接面と反対側の面に、高さ寸法が開口の相当直径よりも小さい線状体を接合することによって、燃料電池の電極に十分な量のガスを供給することができ、集電抵抗を低く、積層方向に対して十分な強度を備え、電極を十分に冷却することができ、製造が容易でコストの低いセパレータユニット及び燃料電池スタックを提供することを目的とする。
そのために、本発明のセパレータユニットにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池を積層すべく、隣接する燃料電池間に挿入され、ガスを遮断する板状のガス遮断部材と、該ガス遮断部材と前記燃料極又は酸素極との間に挿入され、前記ガスを拡散させる複数の開口を備えた集電体とを有するセパレータユニットであって、前記集電体は、前記燃料極又は酸素極に当接して集電する平板状の多孔板から成る電極当接部と、前記ガス遮断部材に当接してガス流路を形成するとともに前記電極当接部を保持する線状体から成るガス遮断部材当接部とを備え、該ガス遮断部材当接部の高さ寸法が前記電極当接部の開口の相当直径よりも小さい。
本発明の他のセパレータユニットにおいては、さらに、前記電極当接部の開口率は３０〜５０〔％〕である。
本発明の更に他のセパレータユニットにおいては、さらに、前記電極当接部の開口は、形状が方形であり、短い方の対角寸法が０．７〔ｍｍ〕以上１．３〔ｍｍ〕未満であり、長い方の対角寸法が０．８〔ｍｍ〕以上２．８〔ｍｍ〕未満である。
本発明の燃料電池スタックにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、セパレータユニットを挟んで積層されている燃料電池スタックであって、前記セパレータユニットは、隣接する燃料電池間に挿入され、ガスを遮断する板状のガス遮断部材と、該ガス遮断部材と前記燃料極又は酸素極との間に挿入され、前記ガスを拡散させる複数の開口を備えた集電体とを有し、前記集電体は、前記燃料極又は酸素極に当接して集電する平板状の多孔板から成る電極当接部と、前記ガス遮断部材に当接してガス流路を形成するとともに前記電極当接部を保持する線状体から成るガス遮断部材当接部とを備え、該ガス遮断部材当接部の高さ寸法が前記電極当接部の開口の相当直径よりも小さい。
本発明によれば、セパレータユニットにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池を積層すべく、隣接する燃料電池間に挿入され、ガスを遮断する板状のガス遮断部材と、該ガス遮断部材と前記燃料極又は酸素極との間に挿入され、前記ガスを拡散させる複数の開口を備えた集電体とを有するセパレータユニットであって、前記集電体は、前記燃料極又は酸素極に当接して集電する平板状の多孔板から成る電極当接部と、前記ガス遮断部材に当接してガス流路を形成するとともに前記電極当接部を保持する線状体から成るガス遮断部材当接部とを備え、該ガス遮断部材当接部の高さ寸法が前記電極当接部の開口の相当直径よりも小さい。
この場合、燃料電池の電極に十分な量のガスを供給することができるとともに、集電抵抗が低くすることができる。また、平板状の電極当接部を線状体から成る遮断部材当接部で支持するので、電極当接部の変形が小さくなり、積層荷重の対する面圧の分布が減少するとともに、電極を十分に冷却することができる。さらに、製造が容易なので、セパレータユニットのコストを低くすることができる。
他のセパレータユニットにおいては、さらに、前記電極当接部の開口率は３０〜５０〔％〕である。
この場合、高電流領域になっても燃料電池の電圧低下を抑制することができる。
更に他のセパレータユニットにおいては、さらに、前記電極当接部の開口は、形状が方形であり、短い方の対角寸法が０．７〔ｍｍ〕以上１．３〔ｍｍ〕未満であり、長い方の対角寸法が０．８〔ｍｍ〕以上２．８〔ｍｍ〕未満である。
この場合、燃料電池の良好なＶ−Ｉ特性を得ることができる。
燃料電池スタックにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、セパレータユニットを挟んで積層されている燃料電池スタックであって、前記セパレータユニットは、隣接する燃料電池間に挿入され、ガスを遮断する板状のガス遮断部材と、該ガス遮断部材と前記燃料極又は酸素極との間に挿入され、前記ガスを拡散させる複数の開口を備えた集電体とを有し、前記集電体は、前記燃料極又は酸素極に当接して集電する平板状の多孔板から成る電極当接部と、前記ガス遮断部材に当接してガス流路を形成するとともに前記電極当接部を保持する線状体から成るガス遮断部材当接部とを備え、該ガス遮断部材当接部の高さ寸法が前記電極当接部の開口の相当直径よりも小さい。
この場合、燃料電池の電極に十分な量のガスを供給することができるとともに、集電抵抗が低くすることができる。また、平板状の電極当接部を線状体から成る遮断部材当接部で支持するので、電極当接部の変形が小さくなり、積層荷重の対する面圧の分布が減少するとともに、電極を十分に冷却することができる。さらに、製造が容易なので、燃料電池スタックのコストを低くすることができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。
図において、２０は、本実施の形態における燃料電池システムの燃料電池（ＦＣ）としての燃料電池スタックであり、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として使用される。ここで、前記車両は、照明装置、ラジオ、パワーウィンドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機を多数備えており、また、走行パターンが多様であり動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源としての燃料電池スタック２０と２次電池、キャパシタ等の蓄電手段とを併用して使用する。
そして、燃料電池スタック２０は、アルカリ水溶液型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、直接型メタノール等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池であることが望ましい。
なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料ガス、すなわち、アノードガスとし、酸素又は空気を酸化剤、すなわち、カソードガスとするＰＥＭＦＣ（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）型燃料電池、又は、ＰＥＭ（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）型燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該ＰＥＭ型燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを移動する電解質層としての固体高分子電解質膜の両側に触媒、電極及びセパレータを結合した燃料電池としてのセル（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）を複数及び直列に結合したスタック（Ｓｔａｃｋ）から成る。
本実施の形態において、燃料電池スタック２０は、後述される複数のセルモジュール１０を有する。該セルモジュール１０は、燃料電池としての単位セル（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）１０Ａと、該単位セル同士を電気的に接続するとともに、単位セルに導入される、アノードガスとしての水素ガスの流路とカソードガスとしての空気の流路とを分離するセパレータ１０Ｂを１セットとして、板厚方向に複数のセットを重ねて構成されている。なお、セルモジュール１０は、単位セル１０Ａ同士が所定の間隙（げき）を隔てて配設されるように、単位セル１０Ａとセパレータ１０Ｂとが、多段に重ねられて積層されている。
そして、単位セル１０Ａは、後述されるように、電解質層としての固体高分子電解質膜１１の側に設けられた酸素極としての空気極１２及び他側に設けられた燃料極１３とで構成されている。前記空気極１２は、反応ガスを拡散しながら透過する導電性材料から成る電極拡散層と、該電極拡散層上に形成され、固体高分子電解質膜１１と接触させて支持される触媒層とから成る。また、単位セル１０Ａの空気極１２側の電極拡散層に接触して集電するとともに、空気と水との混合流を透過する多数の開口が形成された網状の集電体としての空気極側コレクタ１４と、単位セル１０Ａの燃料極側の電極拡散層に接触して、同じく電流を外部に導出するための網状の集電体としての燃料極側コレクタ１５とを有する。
前記単位セル１０Ａにおいては、水が移動する。この場合、燃料極側コレクタ１５の燃料室内に燃料ガス、すなわち、アノードガスとしての水素ガスを供給すると、水素が水素イオンと電子とに解離され、水素イオンがプロトン同伴水を伴って、固体高分子電解質膜１１を移動する。また、前記空気極１２をカソード極とし、空気流路としての酸素室内に酸化剤、すなわち、カソードガスとしての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。なお、水分が逆拡散水として固体高分子電解質膜１１を透過し、燃料極側コレクタ１５の燃料室内に移動する。ここで、逆拡散水とは、酸素室において生成される水が固体高分子電解質膜１１内に拡散し、該固体高分子電解質膜１１内を前記水素イオンと逆方向に透過して燃料室にまで浸透したものである。
図１には、燃料電池スタック２０に燃料ガスとしての水素ガスを供給する装置、及び、酸化剤としての空気を供給する装置が示されている。なお、図示されない改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して取り出した燃料である水素ガスを燃料電池スタック２０に直接供給することもできるが、車両の高負荷運転時にも安定して十分な量の水素ガスを供給することができるようにするためには、燃料貯蔵手段７３に貯蔵した水素ガスを供給することが望ましい。これにより、該水素ガスがほぼ一定の圧力で、常に、十分に供給されるので、前記燃料電池スタック２０は車両の負荷の変動に遅れることなく追随して、必要な電流を供給することができる。
水素ガスは、水素吸蔵合金を収納した容器、デカリンのような水素生成液体を収納した容器、水素ガスボンベ等の燃料貯蔵手段７３から、燃料供給管路としての第１燃料供給管路２１、及び、該第１燃料供給管路２１に接続された燃料供給管路としての第２燃料供給管路３３を通って、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路の入口に供給される。そして、前記第１燃料供給管路２１には、燃料貯蔵手段元開閉弁としての水素元弁２４、圧力センサ２７、燃料圧力調整弁２５及び燃料供給電磁弁としての水素供給弁２６が配設される。また、燃料圧力調整弁２５をバイパスするバイパス管路には、バイパス弁としての水素高圧供給弁２９が配設されている。さらに、前記第２燃料供給管路３３には安全弁３３ａが配設される。なお、前記圧力センサ２７、燃料圧力調整弁２５及び水素供給弁２６の数は任意に設定することができる。また、前記燃料貯蔵手段７３は、十分に大きな容量を有し、常に、十分に高い圧力の水素ガスを供給することができる能力を有するものである。
そして、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路の出口から未反応の状態で排出される水素ガスは、第１燃料排出管路３１を通って燃料電池スタック２０外に排出される。前記第１燃料排出管路３１には、回収容器としての水回収ドレインタンク６０が配設されている。そして、該水回収ドレインタンク６０には水と分離された水素ガスを排出する第２燃料排出管路３０が接続され、該第２燃料排出管路３０にはポンプとしての吸引循環ポンプ３６が配設されている。また、前記第２燃料排出管路３０には水素循環電磁弁３４が配設されている。また、前記第２燃料排出管路３０における水回収ドレインタンク６０と反対側の端部は、第２燃料供給管路３３に接続されている。これにより、燃料電池スタック２０外に排出された水素ガスを回収し、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路に供給して再利用することができる。
また、前記水回収ドレインタンク６０には、第３燃料排出管路５６が接続され、該第３燃料排出管路５６には水素排気電磁弁６２が配設され、燃料電池スタック２０の起動時に燃料ガス流路から排出される水素ガスを大気中に排出することができるようになっている。なお、第３燃料排出管路５６の出口端は排気マニホールド７１に接続され、排出された水素を空気で希釈させる。
さらに、前記第２燃料排出管路３０における吸引循環ポンプ３６と水素循環電磁弁３４との間には、他端が前記第３燃料排出管路５６に接続された第４燃料排出管路５６ａが接続されている。そして、該第４燃料排出管路５６ａには、燃料電池スタック２０内を減圧する際に開となる減圧水素排出弁６２ａが配設されている。また、前記第２燃料排出管路３０には、外気導入電磁弁３５及びエアフィルタ３７が接続され、燃料電池スタック２０の停止時に外気を導入することができるようになっている。
ここで、前記燃料圧力調整弁２５は、バタフライバルブ、レギュレータバルブ、ダイヤフラム式バルブ、マスフローコントローラ、シーケンスバルブ等のものであるが、前記燃料圧力調整弁２５の出口から流出する水素ガスの圧力をあらかじめ設定した圧力に調整することができるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。なお、前記圧力の調整は、手動によってなされてもよいが、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによってなされることが望ましい。
また、前記水素供給弁２６、水素循環電磁弁３４、水素排気電磁弁６２、減圧水素排出弁６２ａ及び外気導入電磁弁３５は、いわゆる、ＯＮ−ＯＦＦ式のものであり、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによって作動させられる。なお、前記水素元弁２４は手動によって、又は、自動的に作動させられる。さらに、前記吸引循環ポンプ３６は、水素ガスとともに逆拡散水を強制的に排出し、燃料ガス流路内を負圧の状態にすることができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。
一方、酸化剤としての空気は、エアフィルタ７５ａを通って、酸化剤供給源としての空気供給ファン７５に吸引され、該空気供給ファン７５から、空気供給管路７７及び吸気マニホールド７４を通って、燃料電池スタック２０の酸素室、すなわち、空気流路に供給される。この場合、供給される空気の圧力は大気圧程度の常圧である。なお、前記空気供給ファン７５は、空気を吸引して吐出することができるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。また、前記エアフィルタ７５ａは、空気に含まれる塵埃（じんあい）、不純物等を除去することができるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。なお、酸化剤として、空気に代えて酸素を使用することもできる。そして、空気流路から排出される空気は、マニホールドとしての排気マニホールド７１、凝縮器７２、出口側排気マニホールド２２及び排気口２２ａを通って大気中へ排出される。なお、排気マニホールド７１には燃料電池スタック２０から排出された直後の空気の温度を検出するスタック排気温度検出器２３ｂが配設され、出口側排気マニホールド２２には凝縮器７２から排出された直後の空気の温度を検出する凝縮器排気温度検出器２３ａが配設されている。さらに、燃料電池スタック２０には燃料電池電圧を計測する電圧計５９が配設されている。
また、前記空気供給管路７７には、空気流路に供給される空気中に水をスプレーして供給し、燃料電池スタック２０の酸素極としての空気極を湿潤な状態に維持するための水供給ノズル７６が配設される。なお、スプレーされた水によって前記空気極１２及び燃料極１３を冷却することもできる。さらに、前記排気マニホールド７１の端部に配設された凝縮器７２は、前記燃料電池スタック２０から排出される空気中の水分を凝縮して除去するためのものであり、前記凝縮器７２によって凝縮された水は凝縮水排出管路７９を通って水タンク５２に回収される。なお、前記凝縮水排出管路７９には排水ポンプ５１が配設され、前記水タンク５２にはレベルゲージ（水位計）５２ａが配設されている。
そして、前記水タンク５２内の水は、給水管路５３を通って水供給ノズル７６に供給される。なお、前記給水管路５３には、給水ポンプ５４及び水フィルタ５５が配設されている。ここで、前記排水ポンプ５１及び給水ポンプ５４は、水を吸引して吐出することができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。また、前記水フィルタ５５は、水に含まれる塵埃、不純物等を除去することができるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。前記凝縮水排出管路７９、排水ポンプ５１、水タンク５２、給水ポンプ５４、水フィルタ５５及び給水管路５３は、水循環システムとして機能する。
なお、本実施の形態において、燃料電池システムは制御手段として、図示されないＦＣコントローラを有する。該ＦＣコントローラは、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、磁気ディスク、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、各種のセンサから燃料電池スタック２０の燃料ガス流路及び空気流路に供給される水素、酸素、空気等の流量、温度、出力電圧等を検出して、前記水素元弁２４、燃料圧力調整弁２５、水素供給弁２６、水素高圧供給弁２９、水素循環電磁弁３４、水素排気電磁弁６２、減圧水素排出弁６２ａ、外気導入電磁弁３５等の各種の弁、吸引循環ポンプ３６、排水ポンプ５１、給水ポンプ５４、空気供給ファン７５等を駆動するための各種モータ等の動作を制御する。
次に、前記燃料電池スタック２０の構成について詳細に説明する。
図２は本発明の実施の形態における燃料電池スタックのセルモジュールの上面図、図３は本発明の実施の形態における燃料電池スタックのセルモジュールを空気極側から観た正面図、図４は本発明の実施の形態における燃料電池スタックのセルモジュールを燃料極側から観た正面図、図５は本発明の実施の形態における燃料電池スタックのセルモジュールの要部断面図であり図３のＢ−Ｂ矢視要部断面図、図６は本発明の実施の形態における燃料電池スタックのセルモジュールの要部断面図であり図３のＡ−Ａ矢視要部断面図である。
図２に上面（以下、セルモジュール１０の配置姿勢に即して上下及び縦横の関係を説明する。）を示すように、セルモジュール１０は、単位セル１０Ａと、該単位セル１０Ａ同士を電気的に接続するとともに単位セル１０Ａに導入される水素ガスの流路と空気の流路とを分離するセパレータ１０Ｂと、単位セル１０Ａとセパレータ１０Ｂを支持する２種類のフレーム１７及び１８とを１セットとして、板厚方向に複数のセット（図２に示される例では１０セット）を重ねて構成されている。なお、単位セル１０Ａは、フレーム１８の内側に位置するため、図２には明確に表されていない。セルモジュール１０は、単位セル１０Ａ同士が所定の間隙を隔てて配置されるように、単位セル１０Ａとセパレータ１０Ｂとが、２種類のフレーム１７及び１８を交互にスペーサとして多段に重ねられて積層されており、積層方向の一端（図２における上端面側）は、図３に示すように、セパレータ１０Ｂの縦方向凸条形成面と一方のフレーム１７の端面とで終端し、他端（図２における下端面側）は、図４に示すように、セパレータ１０Ｂの横方向凸条形成面と他方のフレーム１８の端面とで終端している。
図５及び６に拡大した断面構造が示されるように、単位セル１０Ａは、固体高分子電解質膜１１、該固体高分子電解質膜１１の一側に設けられた酸素極としての空気極１２、及び、前記固体高分子電解質膜１１の他側に設けられた燃料極１３で構成されている。前記空気極１２及び燃料極１３は、水素ガス、空気等の反応ガスを拡散しながら透過する導電性材料から成る電極拡散層と、該電極拡散層上に形成され、固体高分子電解質膜１１と接触させて支持される触媒物質を含む反応層とから成る。これらの部材のうち、空気極１２及び燃料極１３は、それらの支持部材としてのフレーム１８の開口部の幅より若干長い横方向寸法と、開口部の高さより若干短い縦方向寸法を有するものとされている。また、固体高分子電解質膜１１は、開口部の縦横方向寸法より一回り大きな縦横寸法とされている。
セパレータ１０Ｂは、単位セル１０Ａ間のガス遮断部材としてのセパレータ基板１６と、該セパレータ基板１６の一側に設けられ、単位セル１０Ａの空気極１２側の電極拡散層に接触して集電するとともに空気と水との混合流を透過する多数の開口が形成された網目状の導電体であり、放熱板として機能する空気極側コレクタ１４と、セパレータ基板１６の他側に設けられ、単位セル１０Ａの燃料極１３側の電極拡散層に接触して同じく電流を外部に導出するための網目状の導電体である燃料極側コレクタ１５とで構成されている。そして、これらを単位セル１０Ａも含めて所定の位置関係に保持すべく、空気極側コレクタ１４の左右両側に配置されたフレーム１７（最外側のもののみ上下端を相互にバックアッププレート１７ａ及び１７ｂで連結されて枠状（図３参照）を成す。）と、燃料極側コレクタ１５及び単位セル１０Ａの周縁部にフレーム１８が設けられている。また、セパレータ基板１６は、板厚が更に薄い金属薄板で構成される。この構成金属としては、導電性と耐蝕（しょく）性を備えた金属、例えば、ステンレス鋼、ニッケル合金、チタン合金等に金メッキ等の耐蝕導電処理を施したものが挙げられる。また、フレーム１７及び１８は、適宜の絶縁性材料で構成される。
そして、セパレータ１０Ｂの外側には、フレーム１７及び１８がそれぞれ配置される。図５及び６に示すように、空気極側コレクタ１４を囲むフレーム１７は、外端（図５において最上部、図６において左端）のものを除き、空気極側コレクタ１４の短辺に沿う両側を囲う縦枠部１７１のみを備えるものとされ、これら縦枠部１７１を板厚方向に貫通する長孔（あな）１７２が燃料流路形成のために設けられている。フレーム１７の板厚は、前記のように空気極側コレクタ１４の厚みに匹敵する厚さとされている。なお、セパレータ基板１６は、フレーム１７の高さと全体幅に相当する外形寸法とされ、フレーム１７の前記長孔１７２と重なる位置に同様の長孔１６２を備える構成とされている。これにより、フレーム１７の両縦枠部１７１の間には、単位セル１０Ａの空気極１２とセパレータ基板１６とで囲まれた縦方向に全通する空気流路が画定される。
燃料極側コレクタ１５と単位セル１０Ａを囲むフレーム１８は、フレーム１７と同じ大きさに構成されているが、該フレーム１７とは異なり、左右縦枠部（図５では記載範囲より更に右外側に位置するため示されていないが、フレーム１７の両縦枠部１７１の左右両側端と同じ位置に両側端を有する横方向幅が上下横枠部と略同じ枠部）と上下横枠部１８２を備える完全な枠状とされている。そして、フレーム１８は、外端（図２において最下部、図４に示す面）のものを除き、左右縦枠部と平行に延び、燃料極側コレクタ１５の左右端に重なる薄板状のバックアッププレート１８ａと厚板状のバックアッププレート１８ｂを備えるものとされ、これらバックアッププレート１８ａと縦枠部１７１とで囲われる空間が前記フレーム１７を板厚方向に貫通する長孔１７２と整列する燃料流路形成のための空間を構成している。フレーム１８の板厚は、前記のように波板状とされた燃料極側コレクタ１５の厚みと単位セル１０Ａの厚みにほぼ匹敵する厚さとされている。これにより、フレーム１８の両縦枠部１７１とバックアッププレート１８ａとの間には、フレーム１７の縦枠部１７１の長孔１７２と整列するフレーム積層方向の燃料流路が形成され、かつ、個々のフレーム１８の内部において、燃料極側コレクタ１５の波形によってセパレータ基板１６とバックアッププレート１８ａに挟まれる横方向流路としての燃料流路が画定される。
以上のように、構成されたフレーム１７及び１８によって空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５並びにセパレータ基板１６を保持してセパレータ１０Ｂが構成され、該セパレータ１０Ｂと単位セル１０Ａを交互に積層して、セルモジュール１０が構成される。こうして積層されたセルモジュール１０には、図２に示すように、フレーム１８で挟まれる間の部分に、セルモジュール１０の上面から縦方向にセルモジュール１０の下面まで全通するスリット状の空気流路が形成される。
次に、前記空気極側コレクタ１４の構成について詳細に説明する。
図７は本発明の実施の形態における空気極側コレクタの構成を示す二面図、図８は本発明の実施の形態における空気極側コレクタの構成を示す要部拡大図であり図７のＣ部拡大図、図９は本発明の実施の形態における空気極側コレクタの開口の形状の例を示す図である。なお、図７（ａ）は平面図、図７（ｂ）は側面図、図８（ａ）は平面図、図８（ｂ）は図８（ａ）のＤ−Ｄ矢視断面図である。
本実施の形態における空気極側コレクタ１４は、電極としての空気極１２に当接する電極当接部としてのベースコレクタ材１４ａと、ガス遮断部材としてのセパレータ基板１６に当接し、空気供給路を形成する導電性の流路形成遮断部材としてのリブ部材１４ｂとを備える。そして、前記ベースコレクタ材１４ａは、複数の開口１４ｃを有するエキスパンドメタル、パンチングメタル等のメタル板材から成る平板状の多孔板であり、一方の面が空気極１２に当接する電極当接面である。また、前記リブ部材１４ｂは、ベースコレクタ材１４ａにおける電極当接面と反対側の面に接合された線状体である。なお、前記開口１４ｃの形状は、例えば、図９（ａ）〜（ｄ）に示されるような菱形、正方形、六角形、円形等であるが、任意に設定することができる。しかし、ここでは、説明の都合上、前記開口１４ｃの形状が図９（ａ）に示されるような菱形であるものとして説明する。
ここで、ベースコレクタ材１４ａは、導電性と耐蝕性を備えた金属、例えば、ステンレス鋼、ニッケル合金、チタン合金等に金メッキ等の耐蝕導電処理を施したものから成る。一方、リブ部材１４ｂは、例えば、断面矩形の中実のワイヤ状又は棒状の開口を有していない部材であり、複数本が互いに平行になるように配列されている。なお、前記リブ部材１４ｂは、ベースコレクタ材１４ａと同一の材質のものであってもよいし、相違する材質のものであってもよい。また、前記リブ部材１４ｂの断面形状は、矩形以外の形状、例えば、円形、楕（だ）円形、三角形等であってもよく、任意に設定することができる。さらに、前記リブ部材１４ｂは、中空のパイプ状のものであってもよい。
そして、リブ部材１４ｂは、拡散接合によってベースコレクタ材１４ａの表面に接合されている。拡散接合は、接合材料の金属表面同士を相互に原子レベル程度の距離にまで接近させ、母材を溶解させることなく、加熱、加圧、真空度、時間等の条件をコントロールすることによって、接合材料間の相互拡散を制御し、接合材料同士の金属結合の形成及び接合を可能とする技術である。この場合、真空高温炉を使用し、炉内温度を接合材料の融点の６０〜７０〔％〕の温度に保持する。例えば、接合材料がステンレス鋼である場合には、炉内温度を約１０００〔℃〕に保持する。そして、治具によって固定し、所定の加重を付与したベースコレクタ材１４ａ及びリブ部材１４ｂ、すなわち、接合材料を前記炉内に所定時間、例えば、１２時間載置する。これにより、ベースコレクタ材１４ａとリブ部材１４ｂとを拡散接合によって接合することができる。
これにより、複数の凸条を備える空気極側コレクタ１４を得ることができる。この場合、ベースコレクタ材１４ａにおけるリブ部材１４ｂと反対側の面、すなわち、図７（ｂ）及び８（ｂ）における下側の面が空気極１２に当接する電極当接面として機能し、リブ部材１４ｂにおけるベースコレクタ材１４ａと反対側の面、すなわち、図７（ｂ）及び８（ｂ）における上側の面がセパレータ基板１６に接触する遮断部材当接面として機能する。
燃料電池において、セパレータ１０Ｂは、その機能として、発電に要する反応ガスの供給流路を形成する機能、集電機能、単位セル１０Ａ及びセパレータ１０Ｂの積層による荷重を支持する強度部材としての機能、並びに、空気極１２及び燃料極１３を冷却して温度調整を行う機能を併せ持っている。これらの機能を実現するために、本実施の形態においては、セパレータ１０Ｂの集電体を、複数の開口１４ｃを備える多孔板である電極当接部としてのベースコレクタ材１４ａと、前記多孔板の電極当接面と反対側の面に接合された線状体である遮断部材当接部としてのリブ部材１４ｂとを備えるものとし、かつ、該リブ部材１４ｂの高さ寸法Ｈを電極接触面における開口１４ｃの対角寸法ＳＷ（相当直径）よりも小さくするようになっている。
燃料電池では、高効率発電を実現し、補機の動力損失を抑えるために、特に、空気供給圧力を極力低くすることが望ましい。そのためには、単位セル１０Ａに空気を供給する流路の高さ（有効断面積）が適切な大きさとなるように確保する必要がある。一方、セルモジュール１０を小型化するためには、リブ部材１４ｂの高さ寸法Ｈを極力低くすることが望ましい。そのため、リブ部材１４ｂの高さ寸法Ｈは、０．５〜０．９〔ｍｍ〕であることが望ましい。
また、ベースコレクタ材１４ａの電極接触面における開口１４ｃの形状及び寸法は、反応ガスとしての空気を供給する能力、すなわち、ガス供給能を十分に確保するために、酸素室において生成される水の排出を円滑に行うことができるように設定される必要がある。但し、前記開口１４ｃの寸法は、電極としての空気極１２の面から集電体としての空気極側コレクタ１４までの距離でもあるので、大き過ぎると電気抵抗が大きくなってしまう。また、前記開口１４ｃの寸法及びリブ１４ｂの高さ寸法が大き過ぎると、空気極１２が吸湿して膨潤した場合、必要な圧接状態をリブ間において維持することができなくなってしまう。そのため、固体高分子電解質膜１１と空気極１２との間での剥（はく）離が発生したり、層間でボイドが発生したりして、その部分に酸素室において生成される水が滞留してしまうこともある。
そこで、前記開口１４ｃの寸法は、ＳＷが０．７〔ｍｍ〕以上１．３〔ｍｍ〕未満であり、ＬＷが０．８〔ｍｍ〕以上２．８〔ｍｍ〕未満であることが望ましい。また、開口率は３０〜５０〔％〕であることが望ましい。なお、図８（ａ）に示されるように、開口１４ｃの形状が菱（ひし）形である場合、ＳＷは縦方向の寸法（開口１４ｃの短い方の対角寸法）であり、ＬＷは横方向の寸法（開口１４ｃ長い方の対角寸法）である。また、図８（ａ）において、Ｗは隣接する開口１４ｃ間の寸法、すなわち、刻み幅であり、図８（ｂ）において、Ｈはリブ部材１４ｂの高さ寸法である。そして、ＨとＳＷ及びＬＷとの関係が次の式（１）で示されるように、リブ部材１４ｂの高さ寸法は、開口１４ｃの短い方の対角寸法以下となっている。
Ｈ≦ＳＷ＜ＬＷ ・・・式（１）
例えば、図９（ａ）に示されるように、Ｗ＝０．２〔ｍｍ〕、ＳＷ＝０．７〔ｍｍ〕、ＬＷ＝１．３〔ｍｍ〕とすることができる。なお、Ｈ≦０．７〔ｍｍ〕である。
なお、ここでは、空気極側コレクタ１４についてのみ説明したが、燃料極側コレクタ１５も同様の構成のものとすることができる。
次に、前記各種数値の範囲を決定する根拠となった実験結果について説明する。
図１０は本発明の実施の形態における空気極側コレクタの実験例の寸法を示すテーブル、図１１は本発明の実施の形態における空気極側コレクタの電極接触面の形状がセル性能に及ぼす影響を示す図、図１２は本発明の実施の形態における空気極側コレクタの開口率がセル性能に及ぼす影響を示す図である。
本発明の発明者は、各々異なる数値を備える複数種類の集電体を製作し、該集電体を装着した燃料電池を使用して実験を行った。実験用に製作した集電体は、図１０のテーブルに示されるような数値を備える３つのタイプに属する。なお、これらの集電体は、いずれもベース板部材の開口部が菱形の形状を備えるものである。
そして、前記３つのタイプ、すなわち、第１〜第３のタイプに属する集電体を各々実際の燃料電池に装着し、該燃料電池のＶ−Ｉ特性を測定した結果が図１１に示されている。なお、図１１における縦軸は燃料電池の端子電圧（単位：Ｖ）を示し、横軸は電流密度（単位：Ａ／ｃｍ2 ）を示している。また、図１１における線４１は第１のタイプに属する集電体を装着した燃料電池の測定結果を示し、線４２は第２のタイプに属する集電体を装着した燃料電池の測定結果を示し、線４３は第３のタイプに属する集電体を装着した燃料電池の測定結果を示している。なお、■は、実験によって得られた測定値をプロットした点を示しており、線４１〜４３は■を結ぶことによって得られたものである。
図１１から分かるように、第１のタイプに属する集電体を装着した燃料電池及び第３のタイプに属する集電体を装着した燃料電池では、高電流領域になると急激に電圧が低下するのに対し、第２のタイプに属する集電体を装着した燃料電池は、高電流領域になっても比較的高い電圧を維持している。このことから、第１のタイプに属する集電体を装着した燃料電池及び第３のタイプに属する集電体を装着した燃料電池よりも、第２のタイプに属する集電体を装着した燃料電池の方が望ましいことが分かる。
また、本発明の発明者は、各々異なる開口率を備える複数種類の集電体を製作し、該集電体を装着した燃料電池を使用して実験を行った。そして、開口率の異なる集電体を装着した燃料電池のＶ−Ｉ特性を測定した結果が図１２に示されている。なお、図１２における縦軸は燃料電池の端子電圧（単位：Ｖ）を示し、横軸は集電体の開口率（単位：％）を示している。また、図１２における線４４は電流密度が０．１〔Ａ／ｃｍ2 〕の場合を示し、線４５は電流密度が０．４〔Ａ／ｃｍ2 〕の場合を示し、線４６は電流密度が０．７〔Ａ／ｃｍ2 〕の場合を示し、線４７は電流密度が１．０〔Ａ／ｃｍ2 〕の場合を示している。なお、◆、■、△及び□は、実験によって得られた測定値をプロットした点を示しており、線４４〜４７は各電流密度に対応する点を結ぶことによって得られたものである。
図１２から分かるように、開口率の低い集電体を装着した燃料電池及び開口率の高い集電体を装着した燃料電池では、高電流領域になると急激に電圧が低下するのに対し、開口率が３０〜５０〔％〕の集電体を装着した燃料電池は、高電流領域になっても比較的高い電圧を維持している。このことから、集電体の開口率は、３０〜５０〔％〕であることが望ましいことが分かる。
以上のような実験結果に基づいて、本発明の発明者は、前述のように、開口１４ｃの寸法は、ＳＷが０．７〔ｍｍ〕以上１．３〔ｍｍ〕未満であり、ＬＷが０．８〔ｍｍ〕以上２．８〔ｍｍ〕未満であることが望ましく、また、開口率は３０〜５０〔％〕であることが望ましく、さらに、リブ部材１４ｂの高さ寸法Ｈは開口１４ｃの短い方の対角寸法以下であることが望ましいことを見出したものである。
このように、本実施の形態において、空気極側コレクタ１４は、空気極１２に当接するベースコレクタ材１４ａと、燃料極１３に供給される水素ガスと酸素極１２に供給される空気とを遮断するセパレータ基板１６に当接するリブ部材１４ｂとを有し、ベースコレクタ材１４ａは、複数の開口１４ｃを備え、空気極１２に当接する電極当接面を一方に備える平板状の多孔板であり、リブ部材１４ｂは、高さ寸法Ｈが開口１４ｃの相当直径よりも小さく、ベースコレクタ材１４ａの電極当接面と反対側の面に接合された線状体である。なお、燃料極側コレクタ１５も、空気極側コレクタ１４と同様の構成のものとすることができる。
これにより、燃料極１３又は空気極１２に十分な量の水素ガス又は空気を供給することができ、集電抵抗が低く、積層方向に対して十分な強度を備え、電極を十分に冷却することができ、製造が容易でコストの低い燃料極側コレクタ１５又は空気極側コレクタ１４を得ることができる。
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の実施の形態における燃料電池スタックのセルモジュールの上面図である。 本発明の実施の形態における燃料電池スタックのセルモジュールを空気極側から観た正面図である。 本発明の実施の形態における燃料電池スタックのセルモジュールを燃料極側から観た正面図である。 本発明の実施の形態における燃料電池スタックのセルモジュールの要部断面図であり図３のＢ−Ｂ矢視要部断面図である。 本発明の実施の形態における燃料電池スタックのセルモジュールの要部断面図であり図３のＡ−Ａ矢視要部断面図である。 本発明の実施の形態における空気極側コレクタの構成を示す二面図である。 本発明の実施の形態における空気極側コレクタの構成を示す要部拡大図であり図７のＣ部拡大図である。 本発明の実施の形態における空気極側コレクタの開口の形状の例を示す図である。 本発明の実施の形態における空気極側コレクタの実験例の寸法を示すテーブルである。 本発明の実施の形態における空気極側コレクタの電極接触面の形状がセル性能に及ぼす影響を示す図である。 本発明の実施の形態における空気極側コレクタの開口率がセル性能に及ぼす影響を示す図である。
符号の説明
１０Ａ 単位セル
１１ 固体高分子電解質膜
１２ 空気極
１３ 燃料極
１４ 空気極側コレクタ
１４ａ ベースコレクタ材
１４ｂ リブ部材
１４ｃ 開口
１５ 燃料極側コレクタ
１６ セパレータ基板

Claims (4)

  1. 電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池を積層すべく、隣接する燃料電池間に挿入され、ガスを遮断する板状のガス遮断部材と、該ガス遮断部材と前記燃料極又は酸素極との間に挿入され、前記ガスを拡散させる複数の開口を備えた集電体とを有するセパレータユニットであって、
    前記集電体は、前記燃料極又は酸素極に当接して集電する平板状の多孔板から成る電極当接部と、前記ガス遮断部材に当接してガス流路を形成するとともに前記電極当接部を保持する線状体から成るガス遮断部材当接部とを備え、該ガス遮断部材当接部の高さ寸法が前記電極当接部の開口の相当直径よりも小さいことを特徴とするセパレータユニット。
  2. 前記電極当接部の開口率は３０〜５０〔％〕である請求項１に記載のセパレータユニット。
  3. 前記電極当接部の開口は、形状が方形であり、短い方の対角寸法が０．７〔ｍｍ〕以上１．３〔ｍｍ〕未満であり、長い方の対角寸法が０．８〔ｍｍ〕以上２．８〔ｍｍ〕未満である請求項１に記載のセパレータユニット。
  4. 電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、セパレータユニットを挟んで積層されている燃料電池スタックであって、
    前記セパレータユニットは、隣接する燃料電池間に挿入され、ガスを遮断する板状のガス遮断部材と、該ガス遮断部材と前記燃料極又は酸素極との間に挿入され、前記ガスを拡散させる複数の開口を備えた集電体とを有し、
    前記集電体は、前記燃料極又は酸素極に当接して集電する平板状の多孔板から成る電極当接部と、前記ガス遮断部材に当接してガス流路を形成するとともに前記電極当接部を保持する線状体から成るガス遮断部材当接部とを備え、該ガス遮断部材当接部の高さ寸法が前記電極当接部の開口の相当直径よりも小さいことを特徴とする燃料電池スタック。
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