(57)【要約】【課題】電池スタックが空冷される空冷式の燃料電池システムにおいて、二組の電池集合体の組み合わせによって構成される電池スタックにおける温度分布を、各電池集合体を構成する各単位電池セルのアノード内のガス雰囲気の温度がカソード内のガス雰囲気の温度より高くなるように確実に維持して、アノードの触媒表面での結露の発生を抑える。【解決手段】電池スタック３０は二組の電池集合体３１、３２よりなる。各電池集合体３１、３２は、アノード側の端面同士を対向させて配設されている。単位電池セル２０の積層方向に延在し電池スタック３０に対して積層方向において均一に冷却用空気を供給する、少なくとも一つのクロスフローファン４０を備える。【選択図】図１
2010055832.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一組の電池集合体が導電性セパレータを介して複数の単位電池セルを積層してなる、二組の該電池集合体よりなる電池スタックと、該電池スタックを空冷するための冷却手段と、を備え、
各前記単位電池セルが、固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜の一面に隣接されたアノードと、該固体高分子電解質膜の他面に隣接されたカソードとからなり、
二組の前記電池集合体が、各該電池集合体における前記アノード側の端面同士を対向させて配設され、
前記冷却手段が、前記単位電池セルの積層方向に延在し前記電池スタックに対して該積層方向において均一に冷却用空気を供給する、少なくとも一つのクロスフローファンを備え、
前記導電性セパレータが、前記単位電池セルを構成する前記アノード及び前記カソードに対向して配置される反応部を有するセパレータ本体部と、該セパレータ本体部の周縁の少なくとも一部に一体に形成されたヒートシンク部とを有し、
前記クロスフローファンが前記ヒートシンク部に対向して配置されていることを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。
【請求項２】
前記冷却手段が、前記単位電池セルの積層方向に延在し前記電池スタックに対して該積層方向において均一に冷却用空気を供給する第１クロスフローファンと、該単位電池セルの積層方向に延在するとともに該電池スタックを挟んで該第１クロスフローファンと対向する第２クロスフローファンと、を備えている請求項１に記載の固体高分子型燃料電池システム。
【請求項３】
前記第２クロスフローファンが、前記電池スタックに対して前記該積層方向において均一に冷却用空気を供給する請求項２に記載の固体高分子型燃料電池システム。
【請求項４】
前記冷却手段が、前記単位電池セルの積層方向に延在し前記電池スタックに対して該積層方向において均一に冷却用空気を供給する一つの前記クロスフローファンと、該単位電池セルの積層方向に並列するとともに該電池スタックを挟んで該クロスフローファンと対向する複数個の軸流ファンと、を備えている請求項１に記載の固体高分子型燃料電池システム。
【請求項５】
前記導電性セパレータが、前記セパレータ本体部と、該セパレータ本体部の周縁の対向する両側に一体に形成された一対の前記ヒートシンク部とを有する請求項１〜４のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池システム。
【請求項６】
前記導電性セパレータが、アルミニウム系金属よりなるセパレータ基板と、該セパレータ基板の表面に形成されたニッケル層と、該ニッケル層の表面に形成された導電性樹脂層と、該導電性樹脂層の表面に形成された撥水層と、を備えている請求項１〜５のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小型、軽量でシンプルな構造の空冷式の固体高分子型燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、クリーンな排気と高エネルギー効率を実現可能な燃料電池が注目されている。特に固体高分子型燃料電池は、出力密度が高い、作動温度が低い等の特性を有する。このため、固体高分子型燃料電池を用いた燃料電池システムを、移動体用や家庭用等の小型・軽量電源として利用することが現実化している。
【０００３】
固定高分子型燃料電池システムは、一般に、電池スタックと、この電池スタックに燃料を供給する燃料ボンベと、電池スタックを冷却するための冷却手段とを備える。
【０００４】
電池スタックは、単位電池セルを導電性セパレータで挟み込んだものを複数積層してなる。単位電池セルは膜・電極接合体（ＭＥＡ）よりなる。この膜・電極接合体は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜の一面に隣接された触媒層及び燃料ガス拡散層よりなるアノード（燃料極）と、固体高分子電解質膜の他面に隣接された触媒層及び酸化剤ガス拡散層よりなるカソード（酸素極）とから構成されている。
【０００５】
この固体高分子型燃料電池では、燃料ガスとして、少なくとも水素ガスを含むガスを使用するとともに、酸化剤ガスとして、空気などの少なくとも酸素ガスを含むガスを使用し、水素と酸素との酸化還元反応により生じる起電力を利用して直流の電気エネルギーを取り出す。
【０００６】
具体的には、固体高分子型燃料電池では、アノードに供給された燃料ガス中の水素ガスがガス拡散層において拡散して触媒層においてプロトン化され、生じたプロトンが適度に加湿された電解質膜を介してカソード側へ移動するとともに、その間に生じた電子が外部回路を介してカソード側へ移動する。カソード側へ移動したプロトンは、カソードの触媒層において、そのカソードに供給された酸化剤ガス中の酸素ガスと、外部回路を介してアノード側からカソード側へ流れてきた電子と反応し、水を生成する。固体高分子型燃料電池では、そのように水素と酸素とから水が生成される酸化還元反応の際に生じる起電力を利用して直流の電気エネルギーを取り出す。
【０００７】
ところで、固体高分子型燃料電池では、発電過程において、上記のようにカソードにおいて水が生成される。そのため、単位電池セル内における水蒸気分圧は、カソード側の方がアノード側に比べて高く、その水蒸気分圧差に起因して、カソード側から電解質膜を介してアノード側へ水分（水蒸気）が移動する。その一方で、発電過程におけるアノードからカソードへのプロトン移動に伴う電気浸透現象に起因して、アノード側から電解質膜を介してカソード側へ向かう水分（水蒸気）の移動も存在する。ここで、電気浸透現象に伴うアノード側からカソード側への水分の移動量の方が、上記した水蒸気分圧差によって生じるカソード側からアノード側への水分の移動量より少ない場合には、見かけ上、水分はカソード側からアノード側へ移動することになる。
【０００８】
このようなカソード側からアノード側への水分の移動によって、アノードが結露することがある。アノードに結露が生じると、水滴がアノードの触媒層を覆い、それによって触媒層の反応面積が減少するために、結果として、発電効率が急激に低下し、時には発電不能になるという事態が生じる。
【０００９】
特に、積層型の電池スタックの場合には、その積層体の積層方向の端部より中央の方が放熱性が悪いために、積層方向の端部より中央の方が温度が高いという温度分布を生じる。そのために、積層型電池スタックにおけるマイナス極側、即ち、積層された単位電池セルにおけるアノード側の端面の側から数個の単位電池セルでは、アノード側の温度がカソード側の温度より低い状況が生じる。よって、積層型電池スタックにおけるマイナス極側におけるいくつかの単位電池セルは、カソード側より温度の低いアノード側において先に飽和水蒸気圧に達しやすく、その結果として、アノードの結露による発電効率の急激な低下が生じやすい。実際、積層型電池スタックのマイナス極側から１，２番目の単位電池セルは、他の単位電池セルに比べて破損しやすい傾向にある。
【００１０】
そこで、電池集合体の二組を、各電池集合体におけるアノード側の端面を対向させて配置してなる、電池スタックが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【００１１】
この電池スタックでは、各電池集合体において結露の生じやすいアノード側の端面を電池スタックにおける内側に配置することができる。その結果として、二組の電池集合体の組み合わせによって構成される電池スタックにおける温度分布を、各電池集合体を構成する各単位電池セルのアノード内のガス雰囲気の温度がカソード内のガス雰囲気の温度より高くなるように維持できる。よって、アノード内のガス雰囲気が飽和蒸気圧に達し難くなり、アノードの触媒表面に結露が生じ難くなる。
【００１２】
一方、冷却ファンを備え、電池スタックを空気によって冷却する燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献２参照）。
【００１３】
積層型の電池スタックを空冷するための冷却ファンとしては、一般に、電池スタックの積層方向に並列、配置された複数個の軸流ファンが用いられている。
【００１４】
ところが、複数個の軸流ファンを電池スタックの積層方向に均等間隔で並列、配置すると、電池スタックの積層方向において電池スタックを均等に冷却することができない。例えば、２個の軸流ファンを電池スタックの積層方向に均等間隔で並列、配置すると、２個の軸流ファンの間に対応する電池スタックの部分（電池スタックの積層方向における中央部）には他の部分より多くの冷却用空気が当たる。また、各軸流ファンの軸部に対応する電池スタックの部分には、他の部分より少ない冷却用空気が当たる。このため、電池スタックの積層方向における中央部での温度が、中央部の両側での温度よりも低くなることがある。
【００１５】
そうすると、各電池集合体におけるアノード側端面を対向させた二組の電池集合体よりなる前記従来の電池スタックを、電池スタックの積層方向に均等間隔で並列、配置された２個の軸流ファンで冷却する場合、もはやこの電池スタックにおける効果を達成できなくなる。すなわち、電池スタックの積層方向における中央部での温度がその両側での温度よりも低くなってしまっては、電池スタックにおける温度分布を、各電池集合体を構成する各単位電池セルのアノード内のガス雰囲気の温度がカソード内のガス雰囲気の温度より高くなるように維持できなくなってしまい、アノードの触媒表面での結露の発生を抑える効果を奏し得ない。
【特許文献１】特開２００６−３３１６８６号公報
【特許文献２】特開２００７−２６５９３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、電池スタックが空冷される空冷式の燃料電池システムにおいて、二組の電池集合体の組み合わせによって構成される電池スタックにおける温度分布を、各電池集合体を構成する各単位電池セルのアノード内のガス雰囲気の温度がカソード内のガス雰囲気の温度より確実に高くなるように維持して、アノードの触媒表面での結露の発生を抑えることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決する本発明の固体高分子型燃料電池システムは、一組の電池集合体が導電性セパレータを介して複数の単位電池セルを積層してなる、二組の該電池集合体よりなる電池スタックと、該電池スタックを空冷するための冷却手段と、を備え、各前記単位電池セルが、固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜の一面に隣接されたアノードと、該固体高分子電解質膜の他面に隣接されたカソードとからなり、二組の前記電池集合体が、各該電池集合体における前記アノード側の端面同士を対向させて配設され、前記冷却手段が、前記単位電池セルの積層方向に延在し前記電池スタックに対して該積層方向において均一に冷却用空気を供給する、少なくとも一つのクロスフローファンを備え、前記導電性セパレータが、前記単位電池セルを構成する前記アノード及び前記カソードに対向して配置される反応部を有するセパレータ本体部と、該セパレータ本体部の周縁の少なくとも一部に一体に形成されたヒートシンク部とを有し、前記クロスフローファンが前記ヒートシンク部に対向して配置されていることを特徴とする。
【００１８】
本発明の固体高分子型燃料電池システムでは、単位電池セルの積層方向に延在するクロスフローファンにより、電池スタックに対して積層方向において均一に冷却用空気を供給することができる。このため、電池スタックを積層方向において均等に冷却することができる。したがって、電池スタックにおける温度分布を、各電池集合体を構成する各単位電池セルのアノード内のガス雰囲気の温度がカソード内のガス雰囲気の温度より確実に高くなるように維持することができ、アノードの触媒表面での結露の発生を抑えることが可能になる。
【００１９】
本発明の固体高分子型燃料電池システムは、下記（１）〜（５）項に示される構成のうちの少なくとも一つを有していることが好ましい。本発明の燃料電池用金属セパレータは、下記（１）〜（５）の各項に示される構成をそれぞれ単独で有してもよいし、（１）〜（５）の各項に示される構成を二つ以上組み合わせて有してもよい。
【００２０】
（１）前記冷却手段が、前記単位電池セルの積層方向に延在し前記電池スタックに対して該積層方向において均一に冷却用空気を供給する第１クロスフローファンと、該単位電池セルの積層方向に延在するとともに該電池スタックを挟んで該第１クロスフローファンと対向する第２クロスフローファンと、を備えている。
【００２１】
（２）前記第２クロスフローファンが、前記電池スタックに対して前記該積層方向において均一に冷却用空気を供給する。
【００２２】
（３）前記冷却手段が、前記単位電池セルの積層方向に延在し前記電池スタックに対して該積層方向において均一に冷却用空気を供給する一つの前記クロスフローファンと、該単位電池セルの積層方向に並列するとともに該電池スタックを挟んで該クロスフローファンと対向する複数個の軸流ファンと、を備えている。
【００２３】
（４）前記導電性セパレータが、前記セパレータ本体部と、該セパレータ本体部の周縁の対向する両側に一体に形成された一対の前記ヒートシンク部とを有する。
【００２４】
（５）前記導電性セパレータが、アルミニウム系金属よりなるセパレータ基板と、該セパレータ基板の表面に形成されたニッケル層と、該ニッケル層の表面に形成された導電性樹脂層と、該導電性樹脂層の表面に形成された撥水層と、を備えている。
【００２５】
ここに、前記アルミニウム系金属とは、アルミニウム又はアルミニウム合金のことである。
【発明の効果】
【００２６】
したがって、本発明の固体高分子型燃料電池システムによれば、アノードの触媒表面での結露の発生を抑えることができるので、発電効率の低下を防止できるとともに、単位電池セルの寿命を長くすることが可能になる。
【００２７】
また、アノードの結露防止のために行う燃料ガスおパージ回数やパージ量を低減でき、場合によっては全く必要としないので、経済的であるとともに、機器の運転時間をより長くすることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の固体高分子型燃料電池システムの実施形態について詳しく説明する。なお、説明する実施形態は一実施形態にすぎず、本発明の固体高分子型燃料電池システムは、下記実施形態に限定されるものではない。本発明の固体高分子型燃料電池システムは、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施することができる。
【００２９】
（実施形態１）
図１は、実施形態１の固定高分子型燃料電池システムの全体構成を概略的に示す平面図である。
【００３０】
この固体高分子型燃料電池システムは、ケース７０と、ケース７０内に配設された積層型の電池スタック３０と、ケース７０内に配設された一つのクロスフローファン４０と、ケース７０内に配設された２つの軸流ファン５０、５０と、ケース７０の外に配設された燃料ボンベ６０とを備えている。
【００３１】
ケース７０は金属（アルミ、鉄又はステンレス）製で、筺状を呈している。燃料ボンベ６０は水素吸蔵合金ボンベよりなる。
【００３２】
電池スタック３０は、二組の電池集合体３１、３２よりなる。各電池集合体３１、３２は基本的には同じ構成を有しているため、図１の左側に配置された電池集合体３１の構成についてのみ説明し、図１の右側に配置された電池集合体３２の構成についての説明を省略する。
【００３３】
電池集合体３１においては、金属セパレータ１０を介して複数の単位電池セル２０が積層されている。単位電池セル２０は、従来と同様、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜の一面に隣接された触媒層及び燃料ガス拡散層よりなるアノード（燃料極）と、固体高分子電解質膜の他面に隣接された触媒層及び酸化剤ガス拡散層よりなるカソード（酸素極）とからなる膜・電極接合体（ＭＥＡ）により構成することができる。
【００３４】
導電性セパレータとしての金属セパレータ１０は、ヒートシンク部が一体に形成されたヒートシンク一体型のセパレータである。
【００３５】
この金属セパレータ１０は、図２の模式断面図に示されるように、セパレータ基板１と、セパレータ基板１の表面に形成されたニッケル層２と、ニッケル層２の表面に形成された導電性樹脂層３と、導電性樹脂層３の表面に形成された撥水層４とから構成されている。
【００３６】
セパレータ基板１は、アルミニウム系金属、すなわちアルミニウム又はアルミニウム合金よりなる。
【００３７】
セパレータ基板１は、図３の平面図に示されるように、正方形状のセパレータ本体部１１と、セパレータ本体部１１の両端（対向する二辺の周縁）に一体に形成された長方形状の一対のヒートシンク部１２、１２とを有している。
【００３８】
セパレータ本体部１１は、セパレータ本体部１１のほぼ中央部に長方形状の反応部１１１を有している。反応部１１１は、この金属セパレータ１０が電池スタック３０に組み込まれたときに、単位電池セル２０を構成するアノード及びカソードに対向して配置される。反応部１１１の表裏両面には、アノードには燃料ガスを、カソードには酸化剤ガスをそれぞれ供給するためのガス流路形成用の溝１１１ａが多数形成されている。また、セパレータ本体部１１は、複数（この実施形態では４個）の円形孔１１ａを四隅に有するとともに、複数（この実施形態では６個）の矩形孔１１ｂを周縁の辺部に有している。矩形孔１１ｂには、この金属セパレータ１０が電池スタック３０に組み込まれたときに、図示しない多岐管が配設される。この多岐管は、燃料ガス供給用のガス流路、酸化剤ガス供給用のガス流路、電池反応で生成した水を排出する排水路を形成する。円形孔１１ａは、金属セパレータ１０等を積層、固定して電池スタック３０にするためのボルト用の挿通孔である。
【００３９】
実施形態１におけるセパレータ基板１では、一対の矩形状（又は帯状）のヒートシンク部１２、１２が、正方形状のセパレータ本体部１１の両端（対向する二辺）に一体に形成されている。このヒートシンク部１２は、この金属セパレータ１０が電池スタック３０に組み込まれたときに、単位電池セル２０を構成するアノード及びカソードには対向しない。すなわち、金属セパレータ１０が電池スタック３０に組み込まれたときに、隣り合う金属セパレータ１０のヒートシンク部１２同士が所定の間隔をおいて対向する。
【００４０】
セパレータ基板１の形成方法は特に限定されないが、ダイカスト等の鋳造やプレス加工等を利用することができる。セパレータ基板１の厚さも特に限定されず、２〜５ｍｍ程度とすることができる。
【００４１】
ニッケル層２、導電性樹脂層３及び撥水コート層４は、セパレータ基板１のヒートシンク部１２の部分には形成されていない。すなわち、ニッケル層２、導電性樹脂層３及び撥水層４は、セパレータ基板１のうちセパレータ本体部１１の部分のみに形成されている。また、ニッケル層２、導電性樹脂層３及び撥水層４は、セパレータ基板１のセパレータ本体部１１の部分の表裏両面に形成されている。
【００４２】
ニッケル層２、導電性樹脂層３及び撥水層４をセパレータ本体部１１の部分のみに形成するには、例えば、マスキング用テープでヒートシンク部１２の部分を覆った状態で、ニッケル層２、導電性樹脂層３及び撥水層４の各層の形成工程を実施し、その後マスキング用テープを剥がせばよい。
【００４３】
ニッケル層２の形成方法は特に限定されないが、好適には、電気めっきや無電解めっきによりニッケル層２を形成することができる。
【００４４】
アルミニウム系金属よりなるセパレータ基板１の表面には酸化膜が形成されやすい。セパレータ基板１の表面に酸化膜が形成されると、金属セパレータ１０の電気抵抗が大きくなる。ニッケル層２は、アルミニウム系金属よりなるセパレータ基板１の表面に酸化膜が形成されることを防止する。したがって、セパレータ基板１の表面にニッケル層２を形成することで、酸化膜形成による電気抵抗の増大を防止することができる。
【００４５】
ニッケル層２の厚さが薄すぎると、このニッケル層２を形成することによる効果が不十分になる。一方、ニッケル層２を厚くしすぎても、ニッケル層２を形成することによるそれ以上の効果が期待できないため、コスト面で不利になる。したがって、ニッケル層２の厚さは１〜１０μｍとすることが好ましく、５〜１０μｍとすることがより好ましい。
【００４６】
導電性樹脂層３の種類としては特に限定されず、例えば、樹脂バインダ中に導電性物質としての金属粒子を含む金属系導電性樹脂層であっても、樹脂バインダ中に導電性物質としてのカーボン系粒子を含むカーボン系導電性樹脂層であってもよい。樹脂バインダの種類は特に限定されないが、耐熱性の高いフェノール樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂やフッ素樹脂を好適に用いることができる。
【００４７】
導電性樹脂層３の形成方法は特に限定されないが、例えば、ディッピング、スプレー、刷毛塗りや電着等により、金属系導電性塗料やカーボン系導電性塗料をニッケル層２の表面に塗装してから焼き付けることができる。焼付け条件としては、温度：１２０〜１８０℃程度、時間：３０〜６０分程度とすることができる。なお、導電性塗料の塗装及び焼付を繰り返すことにより、導電性樹脂層３の膜厚を厚くすることができる。
【００４８】
導電性樹脂層３は、金属セパレータ１０の導電性及び集電性の低下を抑えつつ金属セパレータ１０の耐食性を向上させる。導電性樹脂層３の厚さが薄すぎると、この導電性樹脂層３を形成することによる効果が不十分になる。一方、導電性樹脂層３を厚くしすぎると、金属セパレータ１０の面積抵抗（接触抵抗）が増大するので、金属セパレータ１０の導電性及び集電性が低下する。したがって、導電性樹脂層３の厚さは１０〜３０μｍとすることが好ましく、１５〜２５μｍとすることがより好ましい。
【００４９】
撥水層４の種類及び形成方法としては特に限定されず、例えば、ディッピング、スプレー、刷毛塗りや電着等により、シリコーン系、フッ素系等の撥水性塗料を導電性樹脂層３の表面に塗装してから焼き付けることができる。焼付け条件としては、温度：１５０〜２００℃程度、時間：３０〜６０分程度とすることができる。なお、撥水性塗料の塗装及び焼付を繰り返すことにより、撥水層４の膜厚を厚くすることができる。
【００５０】
導電性樹脂層３には、導電性樹脂層３の形成時（焼付け時）にクラックが発生し易い。導電性樹脂層３の表面に撥水層４を形成すると、導電性樹脂層３内のクラックが撥水性塗料で埋められるため、導電性樹脂層３のクラックを介して外部からニッケル層２に水分が到達することを防止することができる。また、仮に導電性樹脂層３にクラックによる隙間が存在しても、撥水層４における撥水効果により、外部から導電性樹脂層３のクラック内に水分が浸入することを抑えることができる。したがって、導電性樹脂層３の表面に形成された撥水層４は、金属セパレータ１０の耐食性を高める。
【００５１】
撥水層４の厚さが薄すぎると、この撥水層４を形成することによる効果が不十分になる。一方、撥水層４を厚くしすぎると、金属セパレータ１０の面積抵抗（接触抵抗）が増大するので、金属セパレータ１０の導電性及び集電性が低下する。したがって、撥水層４の厚さは１〜３μｍとすることが好ましく、１〜２μｍとすることがより好ましい。
【００５２】
ここに、導電性樹脂層３の表面に撥水層４を形成する際に導電性樹脂層３のクラック内に撥水性塗料をより浸入させ易くする観点より、導電性樹脂層３の表面に塗布する撥水性塗料の粘度をある程度低くすることが好ましい。
【００５３】
ここに、二組の電池集合体３１、３２は、各電池集合体３１、３２におけるアノード側の端面同士を対向させて配設されている。すなわち、図１の左側に配置された電池集合体３１における単位電池セル２０のアノード側の電池集合体３１の端面（右側の端面）と、図１の右側に配置された電池集合体３２における単位電池セル２０のアノード側の電池集合体３２の端面（左側の端面）とが互いに対向するように配置されている。
【００５４】
一つのクロスフローファン４０と、二つの軸流ファン５０、５０とは、電池スタック３０に冷却用空気を供給して電池スタック３０を空冷する冷却手段を構成する。
【００５５】
クロスフローファン４０は、電池スタック３０における単位電池セル２０の積層方向（図１の左右方向）に、電池スタック３０の長さ（単位電池セル２０の積層方向における長さで、図１の左右方向長さ）よりも長く延在している。また、クロスフローファン４０は、各金属セパレータ１０における一方のヒートシンク部（図１の下側のヒートシンク部）１２に対向して配置されている。クロスフローファン４０は、電池スタック３０に対して積層方向において均一に冷却用空気を供給する。また、クロスフローファン４０からの冷却用空気は、各金属セパレータ１０の一方の各ヒートシンク部１２の部分に直接当たる。
【００５６】
二つの軸流ファン５０、５０は、電池スタック３０における単位電池セル２０の積層方向に並列するとともに電池スタック３０を挟んでクロスフローファン４０と対向するように配置されている。すなわち、二つの軸流ファン５０、５０は、各金属セパレータ１０における他方のヒートシンク部（図１の上側のヒートシンク部）１２に対向して配置されている。二つの軸流ファン５０、５０は、電池スタック３０側から空気を吸い込んで、ケース７０の外に排気する。
【００５７】
なお、ケース７０には、クロスフローファン４０が外部から空気を吸入可能な吸気口と、二つの軸流ファン５０、５０が外部に空気を排出可能な排気口とが設けられている。
【００５８】
実施形態１の固体高分子型燃料電池システムでは、ケース７０の外で、二つの軸流ファン５０、５０の近傍に燃料ボンベ６０が配設されている。このため、二つの軸流ファン５０、５０により、電池スタック３０側からケース７０の外に排気された熱風を燃料ボンベ６０に当てて、燃料ボンベ６０を加熱することができる。また、本実施形態１の固体高分子型燃料電池システムでは、燃料ボンベ６０が水素吸蔵合金ボンベよりなるため、電池スタック３０側からの熱風により加熱されることで、燃料である水素の放出が容易となる。
【００５９】
積層型の電池スタック３０の温度分布は、積層方向の端部と中央との放熱性に差があるために、中央付近が最も温度が高く、積層方向の端部の温度が最も低い。一方、実施形態１の固体高分子型燃料電池システムでは、電池スタック３０において、二組の電池集合体３１、３２が、各電池集合体３１、３２におけるアノード側の端面同士を対向させて配設されている。このため、電池スタック３０における全ての単位電池セル２０において、アノード内のガス雰囲気（水素ガス雰囲気）の温度が、カソード内のガス雰囲気（空気雰囲気）の温度よりも高くなる。アノード内のガス雰囲気の温度を、カソード内のガス雰囲気の温度よりも高くすることによって、アノードにおける結露の発生を防止できる。その結果、電池スタック３０における発電効率の突然の低下を防止でき、安定した電気エネルギーを提供することができる。また、発電効率の低下に伴う単位電池セル２０の電気抵抗化が抑制され、単位電池セル２０の破損を防止できるので、電池スタック３０の寿命を向上することができる。
【００６０】
そして、実施形態１の固体高分子型燃料電池システムでは、燃料スタック３０における単位電池セル２０の積層方向に延在するクロスフローファン４０により、電池スタック３０に対して積層方向において均一に冷却用空気を供給することができる。このため、電池スタック３０を積層方向において均等に冷却することができる。したがって、電池スタック３０における温度分布を、アノード内のガス雰囲気の温度がカソード内のガス雰囲気の温度より確実に高くなるように維持することができる。よって、電池スタック３０を空冷する場合であっても、アノードの触媒表面での結露の発生を確実に抑えることが可能になる。
【００６１】
上記実施形態１の電池スタック３０における温度分布を調べた。その結果を図４に示す。また、比較のため、二つの軸流ファンのみによって、電池スタック３０を冷却した場合の、電池スタック３０における温度分布を調べた。その結果を図５に示す。なお、図４及び図５において、縦軸は温度を示し、横軸は電池スタック３０の積層方向における位置（測定ポイント）を示す。
【００６２】
図４及び図５から明らかなように、クロスフローファン４０により電池スタック３０を空冷する実施形態１では、クロスフローファン４０により電池スタック３０を空冷しても、積層方向の中央付近が最も温度が高く、積層方向の端部の温度が最も低いという温度分布を維持していた。一方、二つの軸流ファンにより電池スタック３０を冷却する比較例では、２個の軸流ファンの間に対応する電池スタック３０の部分（電池スタック３０の積層方向における中央部）の温度が、その両側の温度よりも低くなった。
【００６３】
さらに、実施形態１における金属セパレータ１０では、セパレータ基板１がアルミニウム系金属よりなり、かつ単位電池セル２０のアノード及びカソードに対向して配置されるセパレータ本体部１１の周縁に、ヒートシンク部１２を有する。アルミニウム系金属の熱伝導率は比較的高い。このため、アノード及びカソードの熱がセパレータ本体部１１の反応部１１１からヒートシンク部１２に効率的に伝わる。このヒートシンク部１２にはクロスフローファン４０からの空気が直接当たる。このため、アノード及びカソードの熱が反応部１１１から伝わって熱くなったヒートシンク部１２をクロスフローファン４０で効率的に冷やすことができる。したがって、クロスフローファン４０からの空気がヒートシンク部１２に直接当たるように電池スタック３０を冷却すれば、金属セパレータ１０を介してアノード及びカソードをより確実に冷却することができる。
【００６４】
また、実施形態１の金属セパレータ１０では、セパレータ基板１の表面に、ニッケル層２、導電性樹脂層３及び撥水層４が形成されている。このため、この金属セパレータ１０は、これら三層の働きにより、高い耐食性と集電性とを発揮する。
【００６５】
さらに、この金属セパレータ１０では、ニッケル層２、導電性樹脂層３及び撥水層４が、基本的に耐食性が不要なヒートシンク部１２の部分には形成されていない。すなわち、ヒートシンク部１２の部分においては、熱伝導率の高いアルミニウム系金属よりなりセパレータ基板１が剥き出しになっている。このため、ヒートシンク部１２からの放熱がニッケル層２、導電性樹脂層３及び撥水層４によって妨げられることはない。したがって、ヒートシンク部１２からより効率的に放熱することができる。さらに、ニッケル層２、導電性樹脂層３及び撥水層４をヒートシンク部１２に形成することによる材料費の無駄使いを無くすことができ、コスト面でも有利となる。
【００６６】
よって、実施形態１における金属セパレータ１０によると、金属セパレータ１０を介するアノード及びカソードの冷却をより確実に行うことができ、しかも金属セパレータ１０の耐食性をさらに向上させることができる。このため、アノード及びカソードの熱劣化を抑えて電極寿命を長くすることが可能になる。また、金属セパレータ１０の寿命も長くすることが可能になる。
【００６７】
（実施形態２）
図６に模式的に示される実施形態２の固体高分子型燃料電池システムでは、二つの軸流ファン５０、５０の代わりに第２のクロスフローファンを用いた。
【００６８】
すなわち、第１クロスフローファン４０が、電池スタック３０における各金属セパレータ１０の一方のヒートシンク部（図６の左側のヒートシンク部）１２に対向して配置されている。この第１クロスフローファン４０は、電池スタック３０に対して積層方向において均一に冷却用空気を供給する。また、第１クロスフローファン４０からの冷却用空気は、各金属セパレータ１０の一方の各ヒートシンク部１２の部分に直接当たる。
【００６９】
また、第２クロスフローファン４１が、電池スタック３０における各金属セパレータ１０の他方のヒートシンク部（図６の右側のヒートシンク部）１２に対向して配置されている。この第２クロスフローファン４１は、電池スタック３０から積層方向において均一に冷却用空気を吸い込む。このため、二つの軸流ファン５０、５０により電池スタック３０から冷却用空気を吸い込む実施形態１と比較して、冷却用空気の流れが円滑になる。
【００７０】
その他の構成及び作用効果は実施形態１と同様であるため、その説明を省略する。
【００７１】
（実施形態３）
図７に模式的に実施形態２の固体高分子型燃料電池システムでは、第１クロスフローファン４０が、電池スタック３０における各金属セパレータ１０の一方のヒートシンク部（図６の左側のヒートシンク部）１２に対向して配置されている。この第１クロスフローファン４０は、電池スタック３０に対して積層方向において均一に冷却用空気を供給する。また、第１クロスフローファン４０からの冷却用空気は、各金属セパレータ１０の一方の各ヒートシンク部１２の部分に直接当たる。
【００７２】
また、第２クロスフローファン４２が、電池スタック３０における各金属セパレータ１０の他方のヒートシンク部（図６の右側のヒートシンク部）１２に対向して配置されている。この第２クロスフローファン４２は、電池スタック３０に対して積層方向において均一に冷却用空気を供給する。また、第２クロスフローファン４２からの冷却用空気は、各金属セパレータ１０の他方の各ヒートシンク部１２の部分に直接当たる。
【００７３】
このため、二つの軸流ファン５０、５０により電池スタック３０から冷却用空気を吸い込む実施形態１や、第２クロスフローファン４０により電池スタック３０から冷却用空気を吸い込む実施形態２と比較して、ヒートシンク部１２を効果的に冷却することができる。
【００７４】
その他の構成及び作用効果は実施形態１と同様であるため、その説明を省略する。
【００７５】
（実施形態４）
実施形態４の固体高分子型燃料電池システムにおける金属セパレータ１０では、図８の平面図に示されるように、一つの矩形状（又は帯状）のヒートシンク部１２が、正方形状のセパレータ本体部１１の一端（一辺）に一体に形成されている。このヒートシンク部１２は、この金属セパレータ１０が電池スタック３０に組み込まれたときに、単位電池セル２０を構成するアノード及びカソードには対向しない。すなわち、金属セパレータ１０が電池スタック３０に組み込まれたときに、隣り合う金属セパレータ１０のヒートシンク部１２同士が所定の間隔をおいて対向する。
【００７６】
また、図９に模式的に示されるように、クロスフローファン４０が、電池スタック３０における各金属セパレータ１０のヒートシンク部１２に対向して配置されている。このクロスフローファン４０は、電池スタック３０に対して積層方向において均一に冷却用空気を供給する。また、クロスフローファン４０からの冷却用空気は、各金属セパレータ１０の各ヒートシンク部１２の部分に直接当たる。
【００７７】
また、二つの軸流ファン５０、５０が、電池スタック３０における単位電池セル２０の積層方向に並列するとともに、電池スタック３０を挟んでクロスフローファン４０と対向するように配設されている。二つの軸流ファン５０、５０は、電池スタック３０から冷却用空気を吸い込む。
【００７８】
したがって、実施形態４では、クロスフローファン４０が、金属セパレータ１０の片側のヒートシンク部１２に対して、積層方向において均一に冷却用空気を当てる。
【００７９】
その他の構成及び作用効果は実施形態１と同様であるため、その説明を省略する。
【００８０】
（その他の実施形態）
実施形態１、２、４において、吸い込み側の軸流ファン５０又は第２クロスフローファン４１をなくしてもよい。
【００８１】
また、実施形態３において、第２クロスフローファン４２をなくしてもよい。
【００８２】
実施形態４において、２つの軸流ファン５０、５０の代わりに、吸い込み用又は空気供給用の第２クロスフローファンを採用してもよい。
【００８３】
実施形態１〜４では、ニッケル層２、導電性樹脂層３及び撥水層４が、ヒートシンク部１２の部分には形成されていない例について説明したが、セパレータ基板１の全体、すなわちセパレータ本体部１１及びヒートシンク部１２の全体にニッケル層２、導電性樹脂層３及び撥水層４が形成されていてもよい。セパレータ基板１の全体にニッケル層２、導電性樹脂層３及び撥水層４を形成する場合は、ヒートシンク部１２にニッケル層２、導電性樹脂層３及び撥水層４を形成させないためのマスキング処理等が不要になり、製造工程の削減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】実施形態１の固体高分子型燃料電池システムを模式的に示す平面図である。
【図２】実施形態１に係る金属セパレータの模式断面図である。
【図３】実施形態１に係る金属セパレータの平面図である。
【図４】実施形態１の固体高分子型燃料電池システムにおいて、電池スタックにおける温度分布を測定した図である。
【図５】比較例の固体高分子型燃料電池システムにおいて、電池スタックにおける温度分布を測定した図である。
【図６】実施形態２の固体高分子型燃料電池システムを模式的に示す平面図である。
【図７】実施形態３の固体高分子型燃料電池システムを模式的に示す平面図である。
【図８】実施形態４に係る金属セパレータの平面図である。
【図９】実施形態４の固体高分子型燃料電池システムを模式的に示す平面図である。
【符号の説明】
【００８５】
１…セパレータ基板                  ２…ニッケル層
３…導電性樹脂層                    ４…撥水層
１０…金属セパレータ                １１…セパレータ本体部
１２…ヒートシンク部                ２０…単位電池セル
３０…電池スタック                  ４０…クロスフローファン
４１、４２…第２クロスフローファン
５０…軸流ファン                    ６０…燃料ボンベ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010055832.tif 000009
【図８】
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【図９】
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