JP4992188B2

JP4992188B2 - セパレータユニット及び燃料電池スタック

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Publication number: JP4992188B2
Application number: JP2005070050A
Authority: JP
Inventors: 慎之高田; 憲二加藤; 義宏田村; 利彦野々部
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2005-03-11
Filing date: 2005-03-11
Publication date: 2012-08-08
Anticipated expiration: 2025-03-11
Also published as: JP2006253038A; US7776491B2; US20060204806A1; DE102006000113A1

Description

本発明は、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、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、反応温度が低く、小型化に有利な固体高分子型燃料電池が一般的である。

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（ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ：膜電極接合体）が使用される。そして、前記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）と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。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の外側に燃料ガスとしての水素ガスや酸素等の酸化剤ガスのような反応ガスの供給通路を形成するセパレータを配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、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とセパレータとから成る単位セルを多数積層して燃料電池スタックが構成される。

ところで、燃料電池システムでは、電気化学反応によって、各セルにおいて発生電力にほぼ相当する熱量の熱が発生するため、特に、低温で作動する高分子型燃料電池においては、各セルが過度にヒートアップすることを防止する冷却手段を備える（例えば、特許文献１及び２参照。）。
特開平８−３０６３７１号公報特開平１０−３４０７３４号公報

しかしながら、前記従来の燃料電池システムにおいては、生成水等の水分によって水素ガスや空気の流路が塞（ふさ）がれ易いので、水素ガスや空気がスムーズに流れず、十分な量の水素ガスや空気をＭＥＡに供給することができなくなることがある。特に、ＭＥＡを湿潤な状態に維持するために空気中に水を供給するようにした場合には、空気の流路が塞がれ易くなり、湿度が高い環境において、燃料電池システムの動作が不安定になってしまう。

本発明は、前記従来の問題点を解決して、多孔（こう）体から成る集電体の開口率を変化させることによって、燃料電池スタックにおける酸化剤流路内の水の拡散を助長し、酸化剤流路の水詰まりを防止し、発電効率が高く、冷却能力が高く、動作が安定した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、固体高分子電解質膜を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池であって生成水が生じる燃料電池に挟まれるセパレータユニットであって、重力方向に延在し、前記燃料極に供給される燃料ガスと前記酸素極に大気圧程度の常圧で供給される酸化剤ガスとを遮断する板状のセパレータ本体と、該セパレータ本体の酸素極側に設けられ、網目状の開口を備え、前記酸素極に当接して前記燃料電池で発生した熱を放熱する集電体とを有し、該集電体は、網目状の開口を備えるメタル板材から成るとともに、該メタル板材にプレス加工によって形成された重力方向に延在し、かつ、重力方向と直交する方向に並べられた複数の凸条を備える波板であり、前記凸条の頂部の平面は前記酸素極に当接し、前記凸条間の谷部の平面は前記セパレータ本体に当接し、前記集電体の開口率は、重力方向の下方に行くに従って大きくなるように変化する。

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に挟まれるセパレータユニットであって、前記燃料極に供給されるガスと前記酸素極に供給されるガスとを遮断する板状のセパレータ本体と、該セパレータ本体の一側又は両側に設けられ、網目状の開口を備え、前記燃料極又は酸素極に当接して前記燃料電池で発生した熱を放熱する集電体とを有し、該集電体は、開口率が重力方向に変化する。

この場合、ガスの流路内での水の拡散が助長され、流路内で水が停滞することが防止され、ガスの流れが水によって阻害されることがない。そのため、湿度が高い環境であっても、燃料電池を効果的に冷却することができ、燃料電池の冷却能力及び発電効率を向上させ、動作を安定させることができる。

また、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、前記燃料極に供給されるガスと前記酸素極に供給されるガスとを遮断する板状のセパレータ本体と、該セパレータ本体の一側又は両側に設けられ、網目状の開口を備え、前記燃料極又は酸素極に当接して前記燃料電池で発生した熱を放熱する集電体とを備え、該集電体は、開口率が燃料電池の積層方向と直交する方向に変化する。

この場合、燃料電池スタックにおけるガスの流路内での水の拡散が助長され、流路内で水が停滞することが防止され、ガスの流れが水によって阻害されることがない。そのため、湿度が高い環境であっても、燃料電池を効果的に冷却することができ、燃料電池スタックの冷却能力及び発電効率を向上させ、動作を安定させることができる。

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２は本発明の第１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、図３は本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの制御システムの構成を示す図である。

図２において、１は燃料電池（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類を多数備えており、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１と図示されない蓄電手段としての二次電池とを併用して使用することが望ましい。

そして、燃料電池スタック１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、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であることが望ましい。

なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料とし、酸素又は空気を酸化剤とするＰＥＭＦＣ（ＰｒｏｔｏｎＥｘｃｈａｎｇｅＭｅｍｂｒａｎｅＦｕｅｌＣｅｌｌ）型燃料電池、又は、ＰＥＭ（ＰｒｏｔｏｎＥｘｃｈａｎｇｅＭｅｍｂｒａｎｅ）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透過する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セル（ＦｕｅｌＣｅｌｌ）を複数及び直列に結合したスタック（Ｓｔａｃｋ）から成る。

本実施の形態における燃料電池システムは、燃料電池スタック１を主体とし、それに酸化剤と冷媒とを兼ねる空気を供給する空気供給手段としての空気ファン２１を含む空気供給系（図２において実線で示される）２及び水凝縮器３１を含む空気排出系３とから成る燃料電池主体部と、燃料としての水素を供給する水素供給手段としての水素タンク４１を含む燃料供給系（図２において２点鎖線で示される）４と、反応部の湿潤と冷却のための水を供給する水供給系（図２において破線で示される）６とを有する。

そして、空気ファン２１は、空気供給路２０を介して空気マニホールド２２に接続され、該空気マニホールド２２は、燃料電池スタック１を収容する図示されない筐（きょう）体に接続されている。また、空気排出系３の水凝縮器３１は、前記筐体の空気排出路３０中に介挿して燃料電池スタック１に接続されている。空気排出路３０には排気温度センサ３２が配置されている。

燃料供給系４は、水素タンク４１に貯蔵された水素を水素供給路４０を介して燃料電池スタック１の水素通路へ送るべく設けられている。水素供給路４０には、水素タンク４１側から燃料電池スタック１側に向けて、水素圧センサ４２、調圧弁４３Ａ、供給電磁弁４４Ａ、調圧弁４３Ｂ、供給電磁弁４４Ｂ、水素圧センサ４５が設けられている。また、水素供給路４０には付随的に水素帰還路４０ａと水素排出路５０が設けられている。水素帰還路４０ａには、燃料電池スタック１側から順に、水素濃度センサ４６Ａ及び４６Ｂ、吸引ポンプ４７、逆止弁４８が配置され、該逆止弁４８の下流が水素供給路４０に接続されている。水素帰還路４０ａにおける吸引ポンプ４７と逆止弁４８との間には、水素排出路５０が接続されており、該水素排出路５０には、逆止弁５１、水素排気弁５２及び燃焼器５３が配置されている。

水供給系６は、水タンク６１に貯蔵された水を水供給路６０を介して燃料電池スタック１の前記筐体の空気マニホールド２２に配置されたノズル６３へ送るべく設けられている。水供給路６０には水ポンプ６２が配置されている。また、水タンク６１には、水位センサ６４が配置されている。水供給系６には更に燃料電池スタック１の前記筐体と水タンク６１とをつなぐ水帰還路６０ａが設けられ、該水帰還路６０ａにはポンプ６５と逆止弁６６とが配置されている。水帰還路６０ａは、ポンプ６５の上流側で水凝縮器３１に接続されている。なお、図２において、７１は燃料電池の起電圧をモニターする電圧計を示す。

ところで、燃料電池スタック１の酸素室に供給される空気は、圧力が大気圧程度の常圧の状態であってもよいし、圧力が大気圧よりも高くなるように加圧された状態であってもよいが、本実施の形態においては、大気圧程度の常圧の状態であるものとして説明する。すなわち、本実施の形態における燃料電池システムは、いわゆる加圧システムでなく、常圧システムであるものとする。

また、本実施の形態において、燃料電池システムは、図３に示されるような制御システムを有する。図３において、８１は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、入出力インターフェイス等を備える一種のコンピュータであり、燃料電池システムの動作を制御する制御装置である。該制御装置８１には、磁気ディスク、半導体メモリ等の記憶手段としてのメモリ８２が接続されている。また、前記制御装置８１には、前記電圧計７１、水位センサ６４、水素圧センサ４２及び４５、水素濃度センサ４６Ａ及び４６Ｂ、並びに、排気温度センサ３２が接続され、これら各種のセンサの出力が前記制御装置８１に入力される。さらに、該制御装置８１には、前記調圧弁４３Ａ及び４３Ｂ、水素排気弁５２、水ポンプ６２、空気ファン２１、並びに、燃料電池システムに故障、事故等が発生した場合に警報を出力する装置としてのアラーム８６が接続され、これらの装置は前記制御装置８１によって動作が制御される。

次に、前記燃料電池スタック１の構成について説明する。

図４は本発明の第１の実施の形態における燃料電池のセルモジュールの構成を示す図、図５は本発明の第１の実施の形態における燃料電池のセパレータの構成を示す第１の図、図６は本発明の第１の実施の形態における燃料電池のセパレータの構成を示す第２の図、図７は本発明の第１の実施の形態における燃料電池のセルモジュールの構成を示す第１の拡大断面図、図８は本発明の第１の実施の形態における燃料電池のセルモジュールの構成を示す第２の拡大断面図、図９は本発明の第１の実施の形態における燃料電池の単位セルの構成を示す拡大斜視図である。

本実施の形態において、燃料電池スタック１は複数のセルモジュール１０を有する。そして、図４に示されるように、セルモジュール１０は、燃料電池としての単位セル（ＭＥＡ）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ユニットとしてのセパレータ１０Ｂと、単位セル１０Ａ及びセパレータ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、板厚方向に複数セット（図４に示される例では１０セット）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４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（げき）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いる。そして、セルモジュール１０の積層方向の一端（図４における上側端）は、図５に示されるように、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、セルモジュール１０の他端（図４における下側端）は、図６に示されるように、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７及び８に拡大して断面構造を示すように、単位セル１０Ａは、電解質層としての固体高分子電解質膜１１と、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（カソード極）１２及び他側に設けられた燃料極（アノード極）１３とで構成されている。なお、図７は、図５におけるＢ−Ｂ断面の一部を拡大した図であり、図８は、図５におけるＡ−Ａ断面の一部を拡大した図である。前記空気極１２及び燃料極１３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物質を含む触媒層とから成る。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と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。

そして、セパレータ１０Ｂは、単位セル１０Ａ間のガス遮断部材でありセパレータ本体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集電体としての空気極側コレクタ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集電体としての燃料極側コレクタ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（最外側のもののみが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５参照）をなす。）と、燃料極側コレクタ１５及び単位セル１０Ａの周縁部に配置されたフレーム１８とが設けられている。空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５は、本実施の形態においては、導電性の板材、例えば、板厚が０．２〔ｍｍ〕程度の金属薄板で構成されている。また、セパレータ基板１６は、板厚が更に薄い導電性の板材、例えば、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、適宜の絶縁材料で構成される。

また、空気極側コレクタ１４は、図５に示されるように、全体形状を横長の矩（く）形（ただし、底辺だけが水切り効果の向上のために傾斜辺とされている。）の多孔体から成る。例えば、図９に一部を拡大して詳細を示すように、開口率５９〔％〕の網目状の開口１４３を有する（板面形状の参照を容易にすべく、一部のみに網目形状を表記）エキスパンドメタル、パンチングメタル等の板材から成り、プレス加工によって形成された細かい凸条１４１を有する波板とされている。前記凸条１４１は、板材の縦辺（図９に示される例における短辺）に平行に等間隔で、板面を完全に縦断する配置とされている。前記凸条１４１の断面形状は、大まかには矩形波状断面とされ、プレス加工の型抜きの関係から、根元側が若干裾（すそ）広がりの形状とされている。前記凸条１４１の高さは、フレーム１７の厚さに実質上等しい高さとされ、それにより、積層状態で両側のフレーム１７間を縦方向に貫通する所定の開口面積の空気流路を確保している。各凸条１４１の頂部１４２の平面は、空気極１２側の電極拡散層が接触する当接部となっており、凸条１４１間の谷部１４４は、セパレータ基板１６との当接部とされている。

なお、空気極側コレクタ１４には、親水性処理が施されている。処理方法としては、親水処理剤を、表面に塗布する方法が採られる。塗布される処理剤としては、ポリアクリルアミド、ポリウレタン系樹脂、酸化チタン（ＴｉＯ₂）等が挙げられる。この他の親水性処理としては、金属表面の粗さを粗化する処理が挙げられる。例えば、プラズマ処理などがその一例である。親水性処理は、最も温度が高くなる部位に施すことが好ましく、例えば、単位セル１０Ａに接触している凸部１４１の頂部１４２、特に、空気流路側に施される。このように、親水性処理を施すことによって、空気極側コレクタ１４と空気極１２側の電極拡散層との当接面の濡（ぬ）れが促進され、水の潜熱冷却による効果が向上する。また、これにより、網目、すなわち、開口１４３に水が詰まり難くなるため、水が空気の供給を阻害する可能性も一層低くなる。

また、燃料極側コレクタ１５は、空気極側コレクタ１４と同様の寸法で網目状の開口１５３を有する（板面形状の参照を容易にすべく、一部のみに網目形状を表記）エキスパンドメタル、パンチングメタル等の矩形の板材から成り、プレス加工によって、複数の凸条１５１が押し出し形成されている。該凸条１５１は、頂部１５２が平坦（たん）で、断面形状も、前記凸条１４１の場合と同様に実質上矩形波状とされているが、この燃料極側コレクタ１５の場合の凸条１５１は、横方向に板面を完全に横断して延びるものとして縦方向に一定のピッチで設けられている。これら凸条１５１の頂部１５２の平面は、燃料極１３が接触する当接部となっており、凸条１５１間の谷部１５４がセパレータ基板１６との当接部とされている。これら凸条１５１の断面形状も、大まかには矩形波状断面とされ、プレス加工の型抜きの関係から、根元側が若干裾広がりの形状とされている。これら凸条１５１の高さは、単位セル１０Ａの厚さと合わせてフレーム１８の厚さに実質上相当する高さとされ、それにより、積層状態でフレーム１８の内側を横方向に貫通する所定の開口面積の燃料ガス流路を確保している。

そして、前記空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５は、それぞれの凸条１４１及び１５１がともに外側となるように、セパレータ基板１６を間に挟んで配置される。このとき、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５のそれぞれの谷部１４４及び１５４は、セパレータ基板１６と当接した状態となり、相互に通電可能な状態となる。また、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５をセパレータ基板１６と重ね合わせることによって、該セパレータ基板１６の一方側に酸化剤流路としての空気流路、すなわち、酸素室が構成され、他方側に燃料ガス流路、すなわち、燃料室が構成されることになる。そして、この縦方向の空気流路から、単位セル１０Ａの空気極１２に空気と水とが供給され、同様に、横方向の燃料ガス流路から単位セル１０Ａの燃料極１３に水素が供給される。

また、前記セパレータ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７及び８に示されるように、空気極側コレクタ１４を囲むフレーム１７は、外端（図７において最上部、図８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、該縦枠部１７１を板厚方向に貫通する長孔（あな）１７２が燃料ガス流路形成のために設けられている。フレーム１７の板厚は、波板状とされた空気極側コレクタ１４の厚みに匹敵する厚さとされている。したがって、フレーム１７が空気極側コレクタ１４に組み合わされた状態では、該空気極側コレクタ１４の凸条１４１は、単位セル１０Ａの空気極１２に接触し、谷部１４４はセパレータ基板１６を介して燃料極側コレクタ１５に接触する位置関係となる。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面とセパレータ基板１６とで囲わ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とを囲むフレーム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７では記載範囲より更に右外側に位置するため現れていないが、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の略同じ枠部）と上下横棒部１８２を備える完全な棒状とされている。そして、フレーム１８は、外端（図４において最下部、図６に示す面）のものを除き、左右縦棒部と平行に延び、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とを備えるものとされ、前記バックアッププレート１８ａと縦棒部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と整列する燃料ガス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、前述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の厚みとにほぼ匹敵する厚さとされている。したがって、フレーム１８が燃料極側コレクタ１５に組み合わされた状態では、該燃料極側コレクタ１５の凸条１５１は、単位セル１０Ａの燃料極１３に接触し、谷部１５４はセパレータ基板１６を介して空気極側コレクタ１４に接触する位置関係となる。これにより、フレーム１８の両縦棒部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ガス流路が形成され、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とに挟まれる横方向流路としての燃料ガス流路が画定される。

こ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が構成される。そして、該セパレータ１０Ｂと単位セル１０Ａとを交互に積層して、セルモジュール１０が構成される。このように積層されたセルモジュール１０には、図４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該セルモジュール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。

なお、単位セル１０Ａにおいては水が移動する。すなわち、燃料極側コレクタ１５が配設されている燃料室内に燃料ガスとして水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子とに分解され、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を透過する。また、前記空気極１２をカソード極とし、酸素室内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が結合して、水が生成される。さらに、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。

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１は本発明の第１の実施の形態における燃料電池の空気極側コレクタの構成を示す図である。なお、図１（ａ）は空気極側コレクタの斜視図、図１（ｂ）は空気極側コレクタ構成する網目状の開口を有する板材の斜視図である。

本実施の形態において、空気極側コレクタ１４は、開口率が局所的に変化するように形成されている。具体的には、空気極側コレクタ１４の各所の開口率は、図１（ａ）において矢印Ｃで示される重力方向に関して、傾斜化され、重力方向の下流、すなわち、下方に行くに従って、開口率が大きくなるように変化する。図１（ａ）に示される例においては、空気極側コレクタ１４の開口率が重力方向に関して３段階に変化し、最上方の部分では開口率が最も小さく、中間の部分では開口率が中程度であり、最下方の部分では開口率が最も大きくなっている。図１（ａ）に示されるような空気極側コレクタ１４は、図１（ｂ）に示されるように、開口率が３段階に変化する板材１４ａをプレス加工することによって形成することができる。なお、前記開口率は、２段階に変化するものであってもよいし、４段階以上の段階に変化するものであってもよいし、無段階に連続的に変化するものであってもよい。また、燃料極側コレクタ１５も、空気極側コレクタ１４と同様に、開口率が変化するものとしてもよい。

前記空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５は、網目状の開口１４３及び１５３を有するので、燃料室内の水素ガス及び酸素室内の空気の流通が空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５によって阻害されることがない。すなわち、燃料室内の水素ガス及び酸素室内の空気は、単位セル１０Ａに接触している頂部１４２及び１５２の開口１４３及び１５３を通して、単位セル１０Ａの燃料極１３及び空気極１２の電極拡散層に十分に接触することができる。さらに、燃料室内の水素ガス及び酸素室内の空気は、凸条１４１及び１５１の開口１４３及び１５３を通しても移動することができるので、燃料室内の水素ガスの流れ及び酸素室内の空気の流れがスムーズになる。

特に、生成水や空気中に供給された水によって、酸素室内において水滴が発生し、該水滴が隣接する谷部１４４の流路を塞いでしまった場合、空気は凸条１４１の側壁部の開口１４３を通して隣接する流路に流れ込むことができるので、空気の流れが阻害されることがない。また、空気極側コレクタ１４の開口率は、重力方向に関して変化し、下方に行くに従って大きくなるように変化するので、水の拡散が助長され、水が流路内で停滞することが防止される。そのため、空気の流れが水によって阻害されることがない。すなわち、酸化剤流路の水詰まりを確実に防止することができる。なお、燃料極側コレクタ１５も、空気極側コレクタ１４と同様に、開口率が変化するものとしている場合には、逆拡散水によって燃料室内に水滴が発生したときも同様である。

次に、前記構成の燃料電池システムの動作について説明する。

図１０は本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの起動動作を示すフローチャート、図１１は本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの空気供給量制御の動作を示すフローチャートである。

まず、起動時における動作について説明する。燃料電池システムを起動するためには、オペレータは、図示されない起動用のスイッチをオンする（ステップＳ１）。すると、水ポンプ６２がオンになり（ステップＳ２）、ノズル６３からの水噴射が行われる（ステップＳ３）。このとき、所定量の水が噴射されるように水ポンプ６２の運転が調整される。これは、起動時においては、空気供給系２がオンであるか否かに関わらず、単位セル１０Ａに空気が存在しているので、固体高分子電解質膜１１が乾燥した状態で水素ガスを供給すると、異常燃焼が発生する可能性があるからである。そのため、異常燃焼によって異常熱が発生した場合であっても、単位セル１０Ａがダメージを被らないように、水素ガスを供給する前に水を供給し、あらかじめ単位セル１０Ａの空気極１２を濡らしておく必要がある。これにより、異常熱を水の蒸発熱に変換し、更には、固体高分子電解質膜１１の湿潤を促進して、単位セル１０Ａのダメージを未然に防止することができる。

続いて、燃料電池スタック１に酸化剤としての空気を供給する装置、すなわち、空気供給系２がオンになる（ステップＳ４）。この場合、燃料電池スタック１の単位セル１０Ａに異常反応が発生しないようにするため、空気ファン２１が供給する空気の量が最大となるように制御される。続いて、燃料電池スタック１に燃料ガスとしての水素ガスを供給する装置、すなわち、水素供給系がオンになり（ステップＳ５）、起動動作が終了する。これにより、定常運転に移行し、燃料電池スタック１が発生した電流が負荷や二次電池に供給される。

なお、起動動作が終了した後は、水素ガス供給量制御、空気供給量制御及び水供給量制御とが並列に実行される。水素ガス供給量制御においては、調圧弁４３Ａ及び４３Ｂが、爆発限界以下の所定の濃度で水素ガスが燃料極１３に供給されるように調節される。そして、起動時に閉状態の水素排気弁５２をあらかじめ定められた規則に基づいて開放し、水素分圧の低下した燃料ガスを排気し、燃料極１３の雰囲気ガスをリフレッシュする処理が行われる。この際のあらかじめ定められた規則は、メモリ８２に保存されており、調圧弁４３Ａ及び４３Ｂの調節、並びに、水素排気弁５２の開閉は、制御装置８１が前記規則をメモリ８２から読み出すことによって実行される。なお、水素排気弁５２を運転時に適宜開放するのは、水素排気弁５２を閉じた状態で燃料電池システムの運転を続けると、空気極１２より透過するＮ₂、Ｏ₂又は生成水の影響によって、燃料極１３で消費される水素の分圧が徐々に低下し、これに従って燃料電池スタック１の出力電圧も低下し、安定した電圧が得られなくなるためである。

また、空気供給量制御においては、まず、燃料電池スタック１から排出された直後の排出空気の温度検出が排気温度センサ３２によって行われる（ステップＳ１１）。そして、制御装置８１は、検出された排出空気の温度が８０〔℃〕以下であるか否かを判断する（ステップＳ１２）。ここで、排出空気の温度が８０〔℃〕以下でない、すなわち、８０〔℃〕を超えている場合、単位セル１０Ａが焼き付く可能性があるので、制御装置８１は風量アップを行う（ステップＳ１３）。具体的には、空気ファン２１の回転数を上げて空気の供給量を増加させ、熱発生源である空気極１２の温度を低下させる。

一方、排出空気の温度が８０〔℃〕以下である場合、制御装置８１は燃料電池スタック１、すなわち、ＦＣ本体の負荷を検出する（ステップＳ１４）。そして、制御装置８１は空気の供給量、すなわち、風量が最適であるか否かを判断する（ステップＳ１５）。この場合、燃料電池スタック１の負荷とその状態で必要とする風量との関係を、メモリ８２内にテーブル形式で保存されている関係に照らし合わせることによって、風量が最適であるか否かを判断する。そして、風量が最適でない場合、制御装置８１は風量調節を行う（ステップＳ１６）。具体的には、空気ファン２１の回転数を調節して風量を調節する。また、風量が最適である場合には処理を終了する。

なお、水素ガス供給量制御においては、水素圧センサ４２及び４５によって水素タンク４１側の水素ガスの圧力が検出され、制御装置８１は、調圧弁４３Ａ及び４３Ｂを調節することによって、燃料電池スタック１に供給される水素ガスの圧力が所定の値となるように調節する。また、制御装置８１は、供給電磁弁４４Ａ及び４４Ｂの開閉を制御することによって、水素ガスの燃料電池スタック１への供給を制御する。なお、水素ガスの燃料電池スタック１への供給を遮断する場合は、供給電磁弁４４Ａ及び４４Ｂを閉鎖する。

このように、本実施の形態においては、空気極側コレクタ１４は、開口率が局所的に変化するように形成され、重力方向に関して傾斜化されている。この場合、空気極側コレクタ１４の開口率は、重力方向に関して変化し、下方に行くに従って大きくなるように変化する。そのため、水の拡散が助長され、水が流路内で停滞することが防止され、空気の流れが水によって阻害されることがない。これにより、湿度が高い環境であっても、単位セル１０Ａを効果的に冷却することができ、燃料電池スタック１の冷却能力及び発電効率を向上させ、動作を安定させることができる。

特に、生成水や空気中に供給された水によって、酸素室内において水滴が発生し易く、該水滴が隣接する谷部１４４の流路を塞ぎ易い場合であっても、水の拡散が助長され、水が流路内で停滞することが防止されるので、空気の流れが阻害されることがない。

なお、燃料極側コレクタ１５も、空気極側コレクタ１４と同様に、開口率が局所的に変化するように形成し、重力方向に関して傾斜化されるようにすることができる。この場合、水素ガスの流路内においても、水の停滞が防止されるので、水素ガスの流れが水によって阻害されることがない。

また、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５が網目状の開口を有するので、燃料室内の水素ガス及び酸素室内の空気の流通が空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５によって阻害されることがない。すなわち、燃料室内の水素ガス及び酸素室内の空気は、単位セル１０Ａに接触している頂部１４２及び１５２の開口１４３及び１５３を通して、単位セル１０Ａの燃料極１３及び空気極１２の電極拡散層に十分に接触することができる。さらに、燃料室内の水素ガス及び酸素室内の空気は、凸条１４１及び１５１の開口１４３及び１５３を通しても移動することができるので、燃料室内の水素ガスの流れ及び酸素室内の空気の流れがスムーズになる。

次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。

図１２は本発明の第２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。

本実施の形態においては、図１２に示されるように、水素タンク４１が複数、例えば、３つ配設され、また、水素供給路４０は、各水素タンク４１に接続される部分で複数本に分岐され、途中で合流して１本になっている。しかし、水素タンク４１は、単数であってもよいし、また、複数であってもよいし、複数の場合にはいくつであってもよい。

また、図１２には、燃料電池スタック１を冷却するための複数の冷却系の１つである閉じた冷却系の装置が示されている。前記燃料電池スタック１には、該燃料電池スタック１に供給される冷媒が通過する冷媒供給管路７７、及び、燃料電池スタック１から排出された冷媒が通過する冷媒排出管路７８が接続されている。そして、前記冷媒供給管路７７及び冷媒排出管路７８の燃料電池スタック１と反対側の端には冷媒貯留容器７４が接続されている。また、前記冷媒供給管路７７には、冷媒ポンプとしての冷媒供給ポンプ７６及びフィルタ７５が配設されている。さらに、前記冷媒排出管路７８には、冷媒を冷却する冷却装置としてのラジエータ７２及び冷媒ポンプとしての冷媒排出ポンプ７３が配設されている。ここで、前記冷媒は、例えば、水であるが、不凍液であってもよいし、いかなる種類の流体であってもよい。そして、前記冷媒排出ポンプ７３及び冷媒供給ポンプ７６は、水等の冷媒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、前記フィルタ７５は、水等の冷媒に含まれる塵埃（じんあい）、不純物等を除去するものであれば、いかなる種類のものであってもよい。

そして、燃料電池スタック１に供給された冷媒は、各セルモジュール１０において、セパレータ１０Ｂ内に形成された図示されない冷媒流路内を流通して各セルモジュール１０を冷却する。この場合、冷媒は、冷媒貯留容器７４、冷媒供給管路７７、燃料電池スタック１及び冷媒排出管路７８を接続することによって形成された実質的に閉じた冷却系内を循環し、単位セル１０Ａに接触することがない。そのため、単位セル１０Ａを構成する固体高分子電解質膜１１、触媒、電極等の部材に冷媒が接触することがないので、不凍液等のように、単位セル１０Ａを構成する部材に影響を及ぼす可能性のある成分を含有する冷媒であっても使用することができる。

また、燃料電池スタック１の燃料室に供給される水素ガス及び酸素室に供給される空気も、燃料電池スタック１を冷却する機能を有する。そのため、燃料電池スタック１に燃料ガスとしての水素ガス及び酸化剤としての空気を供給する装置は、燃料電池スタック１を冷却するための冷却系の１つとして機能する。そして、水素ガス及び空気は、消費されたり外部に排出されたりするものであるから、水素ガス及び空気を供給する装置は開いた冷却系と言える。この場合、水素ガス及び空気は、単位セル１０Ａを構成する固体高分子電解質膜１１、触媒、電極等の部材に接触しながらセルモジュール１０内を流通して、該セルモジュール１０を冷却する。なお、前述のように、酸素室に供給される空気中に水を供給するようにした場合には、冷却能力が向上する。

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。

本発明の第１の実施の形態における燃料電池の空気極側コレクタの構成を示す図である。本発明の第１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。本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの制御システムの構成を示す図である。本発明の第１の実施の形態における燃料電池のセルモジュールの構成を示す図である。本発明の第１の実施の形態における燃料電池のセパレータの構成を示す第１の図である。本発明の第１の実施の形態における燃料電池のセパレータの構成を示す第２の図である。本発明の第１の実施の形態における燃料電池のセルモジュールの構成を示す第１の拡大断面図である。本発明の第１の実施の形態における燃料電池のセルモジュールの構成を示す第２の拡大断面図である。本発明の第１の実施の形態における燃料電池の単位セルの構成を示す拡大斜視図である。本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの起動動作を示すフローチャートである。本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの空気供給量制御の動作を示すフローチャートである。本発明の第２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。

符号の説明

１燃料電池スタック
１０Ａ単位セル
１０Ｂセパレータ
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板材
１５燃料極側コレクタ
１６セパレータ基板
１４１、１５１凸条
１４２、１５２頂部
１４３、１５３開口
１４４、１５４谷部

Claims

固体高分子電解質膜を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池であって生成水が生じる燃料電池に挟まれるセパレータユニットであって、
重力方向に延在し、前記燃料極に供給される燃料ガスと前記酸素極に大気圧程度の常圧で供給される酸化剤ガスとを遮断する板状のセパレータ本体と、
該セパレータ本体の酸素極側に設けられ、網目状の開口を備え、前記酸素極に当接して前記燃料電池で発生した熱を放熱する集電体とを有し、
該集電体は、網目状の開口を備えるメタル板材から成るとともに、該メタル板材にプレス加工によって形成された重力方向に延在し、かつ、重力方向と直交する方向に並べられた複数の凸条を備える波板であり、
前記凸条の頂部の平面は前記酸素極に当接し、前記凸条間の谷部の平面は前記セパレータ本体に当接し、
前記集電体の開口率は、重力方向の下方に行くに従って大きくなるように変化することを特徴とするセパレータユニット。