(57)【要約】【課題】多孔（こう）体から成る集電体の開口率を局所的に変化させることによって、燃料電池スタック内における温度分布を解消し、燃料電池の温度を適切に制御することができ、燃料電池内の湿度を適切に維持することができ、発電効率が高く、冷却能力が高く、燃料電池の出力を高めることができるようにする。【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の間に挿入され、前記燃料極に供給される燃料ガスと前記酸素極に供給される酸化ガスとを遮断する板状のセパレータ本体と、前記燃料極又は酸素極に当接させて前記セパレータ本体の一側又は両側に設けられ、前記燃料ガス或いは酸化ガスの流路となる開口が形成された網状の集電体と、を有するセパレータユニットであって、前記セパレータ本体は、内部に冷媒を流通させる冷媒流路が形成されており、かつ前記集電体は、前記燃料極又は酸素極に当接する電極当接部の開口率が電極当接部以外の部分の開口率よりも大きい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池の間に挿入され、前記燃料極に供給される燃料ガスと前記酸素極に供給される酸化ガスとを遮断する板状のセパレータ本体と、
前記燃料極又は酸素極に当接させて前記セパレータ本体の一側又は両側に設けられ、前記燃料ガス或いは酸化ガスの流路となる開口が形成された網状の集電体と、を有するセパレータユニットであって、
前記セパレータ本体は、内部に冷媒を流通させる冷媒流路が形成されており、かつ前記集電体は、前記燃料極又は酸素極に当接する電極当接部の開口率が電極当接部以外の部分の開口率よりも大きいことを特徴とするセパレータユニット。
【請求項２】
前記集電体は、前記セパレータ本体に当接するセパレータ当接部、及び、前記電極当接部と前記セパレータ当接部との間のリブ部を備え、各部の開口率が次の式（１）で示される関係を満足する請求項１に記載のセパレータユニット。
電極当接部の開口率＞リブ部の開口率≧セパレータ当接部の開口率・・・式（１）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セパレータユニットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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、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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。）。
【特許文献１】特開平８−３０６３７１号公報
【特許文献２】特開平１０−３４０７３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記従来の燃料電池システムにおいては、単位セルの積層方向に関して温度分布が発生し、電極の温度が上昇してしまうことがある。この場合、電極を通してＭＥＡの外側に散逸する水分の量が多くなり過ぎ、ＭＥＡ内部の湿度が低下するので、各セルにおける発電効率が低下してしまう。
【０００７】
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局所的に変化させることによって、燃料電池スタック内における温度分布を解消し、燃料電池の温度を適切に制御することができ、燃料電池内の湿度を適切に維持することができ、発電効率が高く、冷却能力が高く、燃料電池の出力を高めることができるセパレータユニットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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の間に挿入され、前記燃料極に供給される燃料ガスと前記酸素極に供給される酸化ガスとを遮断する板状のセパレータ本体と、前記燃料極又は酸素極に当接させて前記セパレータ本体の一側又は両側に設けられ、前記燃料ガス或いは酸化ガスの流路となる開口が形成された網状の集電体と、を有するセパレータユニットであって、前記セパレータ本体は、内部に冷媒を流通させる冷媒流路が形成されており、かつ前記集電体は、前記燃料極又は酸素極に当接する電極当接部の開口率が電極当接部以外の部分の開口率よりも大きい。
【０００９】
本発明の他のセパレータユニットにおいては、さらに、前記集電体は、前記セパレータ本体に当接するセパレータ当接部、及び、前記電極当接部と前記セパレータ当接部との間のリブ部を備え、各部の開口率が次の式（１）で示される関係を満足する。
電極当接部の開口率＞リブ部の開口率≧セパレータ当接部の開口率・・・式（１）
【発明の効果】
【００１０】
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、前記燃料電池を冷却するための冷媒流路が内部に形成され、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、前記燃料極又は酸素極に当接する電極当接部における開口率が電極当接部以外の部分の開口率よりも大きい。
【００１１】
この場合、燃料電池スタック内における温度分布を解消し、燃料電池の温度を適切に制御することができる。そのため、燃料電池内の湿度を適切に維持することができ、発電効率を向上させることができる。また、冷却能力を向上させ、燃料電池の出力を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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。
【００１３】
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、図４は本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す図である。
【００１４】
図２及び４において、２０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２０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。
【００１５】
そして、燃料電池スタック２０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。
【００１６】
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（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（Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）を複数及び直列に結合したスタック（Ｓｔａｃｋ）から成る。
【００１７】
本実施の形態において、燃料電池スタック２０は、図４に示されるように、複数のセルモジュール１０を有する。なお、図４における矢印は、燃料電池スタック２０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における冷媒の流れを示している。そして、セルモジュール１０は、燃料電池としての後述される単位セル（ＭＥＡ）１１と、該単位セル１１同士を電気的に接続するとともに、単位セル１１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後述されるセパレータユニット１２と、単位セル１１及びセパレータユニット１２を支持する図示されないフレームとを１セットとして、板厚方向（図４において左下角と右上角を結ぶ対角線方向）に複数セットを重ねて構成されている。
【００１８】
図２には、燃料電池スタック２０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が示される。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。この場合、前記燃料電池スタック２０の出力インピーダンスは極めて低く、０に近似することが可能である。
【００１９】
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吸蔵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の燃料室に供給される。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２４、水素ガスの圧力を検出する圧力センサとしての水素圧センサ２７及び２８、供給される水素ガスの圧力を調整する水素供給調圧弁２５ａ及び２５ｂ、並びに、燃料供給電磁弁２６が配設される。
【００２０】
ここで、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。なお、図２に示される例においては、燃料貯蔵手段７３が複数、例えば、３つ配設され、また、第１燃料供給管路２１は、各燃料貯蔵手段７３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、燃料貯蔵手段７３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。
【００２１】
そして、燃料電池スタック２０の燃料室から排出される水素ガスは、燃料排出管路３１を通って燃料電池スタック２０の外部に排出される。前記燃料排出管路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とを排出する燃料排出管路３０が接続され、該燃料排出管路３０には燃料強制排出装置としての吸引循環ポンプ３６が配設されている。また、前記燃料排出管路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の外部に導出された水素ガスを回収し、燃料電池スタック２０の燃料室に供給して再利用することができる。
【００２２】
また、前記水回収ドレインタンク６０には、燃料排出管路５６が接続され、該燃料排出管路５６には水素排気弁６２が配設され、燃料電池スタック２０の起動時等に燃料室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、燃料排出管路５６に、必要に応じて水素燃焼器を配設することもできる。該水素燃焼器によって排出される水素ガスを燃焼させ、水にしてから大気中に排出することができる。
【００２３】
ここで、前記水素供給調圧弁２５ａ及び２５ｂ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、前記水素供給調圧弁２５ａ及び２５ｂ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、前記燃料供給電磁弁２６及び水素排気弁６２は、いわゆる、オン−オフ式のものであり、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、前記燃料貯蔵手段元開閉弁２４は手動又は電磁弁を用いて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、水素ガスを強制的に排出し、燃料室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。
【００２４】
一方、酸化剤としての空気は、酸化剤供給源としての空気供給ファン７５から、酸化剤供給管路７６を通って、燃料電池スタック２０の酸素室に供給される。なお、酸化剤供給源としては、空気供給ファン７５に代えて空気ボンベ、空気タンク等を使用することもできる。また、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、酸素室から排出される空気は、排気マニホールド７７を通って大気中へ排出される。
【００２５】
なお、燃料電池スタック２０の空気極側から単位セル１１を湿潤な状態に維持するために、酸素室に供給される空気中に水をスプレーして供給することもできる。この場合、例えば、水を貯留するタンクから供給された水を、酸化剤供給管路７６の途中や燃料電池スタック２０の酸素室の入口に配設された水供給ノズルを通して、空気中にスプレーすることが望ましい。また、排気マニホールド７７の途中等に凝縮器を配設して、酸素室から排出される空気に含まれる水を回収して再利用することが望ましい。
【００２６】
ところで、燃料電池スタック２０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。
【００２７】
また、図２には、燃料電池スタック２０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２０には、該燃料電池スタック２０に供給される冷媒が通過する冷媒供給管路５３、及び、燃料電池スタック２０から排出された冷媒が通過する冷媒排出管路７１が接続されている。そして、前記冷媒供給管路５３及び冷媒排出管路７１の燃料電池スタック２０と反対側の端には冷媒貯留容器５２が接続されている。また、前記冷媒供給管路５３には、冷媒ポンプとしての冷媒供給ポンプ５４及びフィルタ５５が配設されている。さらに、前記冷媒排出管路７１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５１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５１及び冷媒供給ポンプ５４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５５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。
【００２８】
そして、燃料電池スタック２０に供給された冷媒は、各セルモジュール１０において、セパレータユニット１２の後述されるセパレータ本体４１内に形成された冷媒流路４５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５２、冷媒供給管路５３、燃料電池スタック２０及び冷媒排出管路７１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１１に接触することがない。そのため、該単位セル１１を構成する固体高分子電解質膜、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１１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。
【００２９】
また、燃料電池スタック２０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２０を冷却する機能を有する。そのため、燃料電池スタック２０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２０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１１を構成する固体高分子電解質膜、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。
【００３０】
なお、燃料電池スタック２０には、図示されない電気端子の端子電圧を計測する電圧計７８、燃料電池スタック２０内を流通する空気又は燃料電池スタック２０から排出される空気の温度を検出する排出空気温度計７４が取り付けられている。また、冷媒貯留容器５２及び水回収ドレインタンク６０には水位を検出する水位センサ５２ａ及び６０ａが取り付けられている。
【００３１】
また、前記蓄電手段としての二次電池は、いわゆる、バッテリ（蓄電池）であり、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等が一般的である。なお、前記蓄電手段は、必ずしもバッテリでなくてもよく、電気二重層キャパシタのようなキャパシタ（コンデンサ）、フライホイール、超伝導コイル、蓄圧器等のように、エネルギを電気的に蓄積し放出する機能を有するものであれば、いかなる形態のものであってもよい。さらに、これらの中のいずれかを単独で使用してもよいし、複数のものを組み合わせて使用してもよい。
【００３２】
そして、前記燃料電池スタック２０は図示されない負荷に接続され、発生した電流を前記負荷に供給する。ここで、該負荷は、一般的には、駆動制御装置であるインバータ装置であり、前記燃料電池スタック２０又は蓄電手段からの直流電流を交流電流に変換して、車両の車輪を回転させる駆動モータに供給する。ここで、該駆動モータは発電機としても機能するものであり、車両の減速運転時には、いわゆる回生電流を発生する。この場合、前記駆動モータは車輪によって回転させられて発電するので、前記車輪にブレーキをかける、すなわち、車両の制動装置（ブレーキ）として機能する。そして、前記回生電流が蓄電手段に供給されて該蓄電手段が充電される。
【００３３】
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７８、水位センサ５２ａ及び６０ａ、水素圧センサ２７及び２８、排出空気温度計７４、並びに、燃料電池スタック２０の燃料室から排出される水素ガス濃度を検出する水素濃度センサ８３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、前記水素供給調圧弁２５ａ及び２５ｂ、水素排気弁６２、空気供給ファン７５、冷媒ポンプとしての冷媒供給ポンプ５４及び冷媒排出ポンプ５１、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。
【００３４】
次に、前記セパレータユニット１２の構成について詳細に説明する。
【００３５】
図１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セパレータユニットの構成を示す図、図５は本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムのセルモジュールの構成を示す断面図、図６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発電性能を示す図である。
【００３６】
図１及び５に示されるように、セルモジュール１０は、単位セル１１と、該単位セル１１同士を電気的に接続するとともに、単位セル１１に導入される水素ガスの流路としての燃料室と、空気の流路としての酸素室とを分離するセパレータユニット１２とを有し、複数個が積層されている。なお、図１は積層されたセルモジュール１０の一部のみを拡大して示す斜視図であり、図５は積層されたセルモジュール１０の一部のみを拡大して示す断面図であり、説明の都合上、単位セル１１及びセパレータユニット１２を支持するフレームは省略されている。
【００３７】
そして、単位セル１１は、図５に示されるように、イオン交換膜である電解質層としての固体高分子電解質膜１１ａと、該固体高分子電解質膜１１ａの一側に設けられた酸素極としての空気極１１ｂ（カソード極）及び他側に設けられた燃料極１１ｃ（アノード極）とで構成されている。前記空気極１１ｂ及び燃料極１１ｃ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１１ａ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。なお、図１においては、固体高分子電解質膜１１ａ、空気極１１ｂ及び燃料極１１ｃの図示が省略されている。
【００３８】
また、セパレータユニット１２は、単位セル１１間のガス遮断部材としてのセパレータ本体４１と、該セパレータ本体４１の一側に設けられ、単位セル１１の空気極１１ｂ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、セパレータ本体４１の他側に設けられ、単位セル１１の燃料極１１ｃ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。なお、図１においては、説明の都合上、燃料極側コレクタ１５の図示が省略されている。
【００３９】
そして、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５は、導電性の板材、例えば、板厚が０．２〔ｍｍ〕程度の金属薄板で形成されている。また、セパレータ本体４１は、板厚が更に薄い金属薄板で構成された板状の部材であり、例えば、第１板部材４１ａ及び第２板部材４１ｂから成る二重構造を有し、内部に示されるような冷媒流路４５が形成されている。前記空気極側コレクタ１４、燃料極側コレクタ１５及びセパレータ本体４１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。
【００４０】
また、空気極側コレクタ１４は、全体形状が概略横長の矩（く）形であり、多孔体から成る。該多孔体は、例えば、開口率５９〔％〕以上の網目状の開口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であり、プレス加工によって形成された細かい凸条を有する波板とされている。なお、前記凸条は側壁部１４ｂ及び頂部１４ｃを備える。そして、前記凸条は、板材の縦辺方向、すなわち、図５における上下方向に延在し、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。前記凸条の高さは、図示されないフレームの厚さに実質上等しい高さとされ、それにより、積層状態において、単位セル１１の空気極１１ｂ側の電極拡散層とセパレータ本体４１の側面との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。なお、図１において、矢印Ａは、単位セル１１に導入されて酸素室内を流通する空気の流れを示している。ここで、各凸条の頂部１４ｃの平面は、セパレータ本体４１の側面に当接する当接部となっており、各凸条間の谷部１４ａの平面は、単位セル１１の空気極１１ｂ側の電極拡散層に当接する当接部となっている。
【００４１】
また、燃料極側コレクタ１５は、前記空気極側コレクタ１４と同様の寸法の多孔体であり、例えば、網目状の開口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り、プレス加工によって形成された細かい凸条を有する波板とされている。そして、前記凸条は、空気極側コレクタ１４の場合と同様に、側壁部１５ｂ及び頂部１５ｃを備え、図５における上下方向に延在し、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、根元側が若干裾広がりの形状とされている。前記凸条の高さは、図示されないフレームの厚さに実質上等しい高さとされ、それにより、積層状態において、単位セル１１の燃料極１１ｃ側の電極拡散層とセパレータ本体４１の側面との間を縦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。また、各凸条の頂部１５ｃの平面は、セパレータ本体４１の側面に当接する当接部となっており、各凸条の谷部１５ａの平面は、単位セル１１の燃料極１１ｃ側の電極拡散層に当接する当接部となっている。
【００４２】
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、それぞれの谷部１４ａ及び１５ａがともに外側となるように、セパレータ本体４１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のそれぞれの凸条の頂部１４ｃ及び１５ｃは、セパレータ本体４１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をセパレータ本体４１と重ね合わせることによって、該セパレータ本体４１の一方側に空気流路、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、酸素室から単位セル１１の空気極１１ｂに空気が供給され、同様に、燃料室から単位セル１１の燃料極１１ｃに水素ガスが供給される。
【００４３】
なお、単位セル１１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１１ａを透過する。また、前記空気極１１ｂ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１１ａ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１１ａ内に拡散し、該固体高分子電解質膜１１ａ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。
【００４４】
また、セパレータ本体４１は、図示されない冷媒流入管及び冷媒流出管が接続され、冷媒流入管から流入した冷媒がセパレータ本体４１の内部に形成された冷媒流路４５を通って冷却を行い、冷媒流出管から流出する。なお、前記冷媒は閉じた冷却系の装置における冷媒であり、冷媒供給管路５３を通って燃料電池スタック２０に供給され、該燃料電池スタック２０内に形成された図示されない流路を通って冷媒流入管に流入する。また、冷媒流出管から流出された冷媒は、燃料電池スタック２０内に形成された図示されない流路を通って冷媒排出管路７１に流入し、燃料電池スタック２０から排出される。なお、冷媒流路４５の形状は、直線状であってもよいし、蛇（だ）行状、渦巻き状等のような冷媒の流路長が長くなるような形状であってもよい。
【００４５】
図１に示される例において、前記セパレータ本体４１は第１板部材４１ａ及び第２板部材４１ｂを貼（は）り合わせて形成されている。この場合、一方の板材としての第２板部材４１ｂの内側となる面に、例えば、ケミカルエッチング等のフォトリソグラフィ技術を使用して所望の形状の凹溝を形成する。そして、該凹溝が形成された面に他方の板材としての第１板部材４１ａを重ね合わせることによって、冷媒流路４５を備えるセパレータ本体４１を得ることができる。この場合、該セパレータ本体４１の両側の面が各所で結合されているので、前記両側の面の間の電気伝導性を良好なものとすることができる。また、前記セパレータ本体４１の両外側の面は、凹凸のない平面であることが望ましい。これにより、セパレータ本体４１の外側の面と、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５のそれぞれの頂部１４ｃ及び１５ｃとの接触が確実になり、セパレータ本体４１と空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５との間の熱伝導性及び電気伝導性を良好なものとすることができる。
【００４６】
本実施の形態において、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５は、開口率が局所的に変化するように形成されている。例えば、単位セル１１に当接する電極当接部であるＭＥＡ接触部としての谷部１４ａ及び１５ａの開口率が最も高く、セパレータ本体４１に当接するセパレータ当接部であるセパレータ接触部としての頂部１４ｃ及び１５ｃの開口率が最も低く、リブを構成するリブ部としての側壁部１４ｂ及び１５ｂの開口率が谷部１４ａ及び１５ａの開口率と頂部１４ｃ及び１５ｃの開口率との中間となるように形成されている。なお、側壁部１４ｂ及び１５ｂの開口率は、頂部１４ｃ及び１５ｃの開口率と等しくてもよい。すなわち、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５の各所の開口率は、単位セル１１の積層方向（図５における上下方向）に関して傾斜化され、次の式（１）で定義されるように変化する。
ＭＥＡ接触部の開口率＞リブ部の開口率≧セパレータ接触部の開口率  ・・・式（１）
ここで、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１１に接触している谷部１４ａ及び１５ａの開口を通して、単位セル１１の燃料極１１ｃ及び空気極１１ｂ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、側壁部１４ｂ及び１５ｂの開口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。
【００４７】
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１４ａ間の流路を塞（ふさ）いでしまった場合、空気は側壁部１４ｂの開口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。なお、逆拡散水によって燃料室内に水滴が発生した場合も同様である。
【００４８】
そして、単位セル１１は、閉じた冷却系の装置の冷却器として機能するセパレータ本体４１によって冷却される。すなわち、単位セル１１において発生した熱は、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５を通して、セパレータ本体４１に伝達され、該セパレータ本体４１内を流通する冷媒に伝達される。なお、単位セル１１において発生した電気も同様に、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５に良好に伝達される。
【００４９】
前記単位セル１１において発生した熱は、空気極１１ｂ及び燃料極１１ｃの外側の面から谷部１４ａ及び１５ａに伝達され、側壁部１４ｂ及び１５ｂを通って、頂部１４ｃ及び１５ｃからセパレータ本体４１に伝達される。そのため、仮に、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５の開口率がすべての部位で一定であるとすると、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５内における熱伝導率は、すべての部位で一定となる。この場合、谷部１４ａ及び１５ａの面積が頂部１４ｃ及び１５ｃの面積よりも大きいので、谷部１４ａ及び１５ａにおいて伝達する単位面積当たりの熱量よりも、頂部１４ｃ及び１５ｃにおいて伝達する単位面積当たりの熱量の方が大きくなり、谷部１４ａ及び１５ａにおける熱抵抗よりも頂部１４ｃ及び１５ｃにおける熱抵抗の方が大きくなってしまう。また、側壁部１４ｂ及び１５ｂにおいても、開口率が大きいと熱伝導率が低くなり、熱抵抗が大きくなってしまう。特に、空気中に水を供給するようにした場合には側壁部１４ｂ及び１５ｂが冷却器の一種としての冷却フィンとして機能するが、この場合、開口率が大きいと冷却フィンとして機能する面積が減少し、熱抵抗が大きくなってしまう。そして、谷部１４ａ及び１５ａ並びに側壁部１４ｂ及び１５ｂにおける熱抵抗が大きくなると、「発明が解決しようとする課題」の項において説明したように、単位セル１１の積層方向に関して温度分布が発生し、空気極１１ｂ及び燃料極１１ｃの温度が上昇してしまう。そのため、空気極１１ｂ及び燃料極１１ｃを通して単位セル１１の外側に散逸する水分の量が多くなり過ぎ、単位セル１１内部の湿度が低下するので、単位セル１１における発電効率が低下してしまう。
【００５０】
しかし、本実施の形態においては、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５の各所の開口率は、単位セル１１の積層方向に関して傾斜化され、前記式（１）で定義されるように変化する。そのため、頂部１４ｃ及び１５ｃは、開口率が低く、面密度が高いので、単位面積当たりの伝達可能な熱量が増加し、熱抵抗が減少する。また、側壁部１４ｂ及び１５ｂも、開口率が低く、面密度が高いので、単位面積当たりの伝達可能な熱量が増加し、熱抵抗が減少する。これにより、単位セル１１の積層方向に関する温度分布が解消され、空気極１１ｂ及び燃料極１１ｃの温度が上昇することがないので、図５において矢印Ｃで示されるような空気極１１ｂを通して単位セル１１の外側に散逸する水分、及び、図５において矢印Ｄで示されるような燃料極１１ｃを通して単位セル１１の外側に散逸する水分の量が抑制される。したがって、単位セル１１内部の湿度を適正に維持することができ、単位セル１１における発電効率を向上させることができる。
【００５１】
図６は、低加湿条件、すなわち、単位セル１１が比較的乾燥した状態における空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５の開口率による発電性能の比較を示している。図６において、縦軸には単位セル１１における電圧を採り、横軸には電流密度を採っている。そして、▲でプロットされた実験結果を結ぶ線４７は空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５の開口率がすべての部位で一定である場合を示し、◆でプロットされた実験結果を結ぶ線４８は空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５の開口率が単位セル１１の積層方向に関して傾斜化され、前記式（１）で定義されるように変化する場合を示している。図６から、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５の開口率が単位セル１１の積層方向に関して傾斜化され、前記式（１）で定義されるように変化する場合には、単位セル１１における発電効率が向上していることが分かる。
【００５２】
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１１に接触している谷部１４ａ及び１５ａの開口を通して、単位セル１１の燃料極１１ｃ及び空気極１１ｂの電極拡散層に十分に接触することができる。また、燃料室内の水素ガス及び酸素室内の空気は、側壁部１４ｂ及び１５ｂの開口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１４ａ間の流路を塞いでしまった場合、空気は側壁部１４ｂの開口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。なお、逆拡散水によって燃料室内に水滴が発生した場合も同様である。
【００５３】
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。
【００５４】
図７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８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。
【００５５】
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、冷媒供給ポンプ５４及び冷媒排出ポンプ５１、すなわち、冷媒ポンプがオンになり（ステップＳ２）、冷媒の循環が開始され、セパレータ本体４１内の冷媒流路４５を通って冷媒が流通する。続いて、燃料電池スタック２０に酸化剤としての空気を供給する装置、すなわち、空気供給系がオンになる（ステップＳ３）。この場合、燃料電池スタック２０の単位セル１１に異常反応が発生しないようにするため、空気供給ファン７５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２０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Ｓ４）、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２０が発生した電流が負荷や二次電池に供給される。
【００５６】
なお、燃料電池システムが、酸素室に供給される空気中に水をスプレーして供給する装置を有するものである場合には、水素供給系がオンになる前に、酸素室に供給される空気中への水の供給を開始させることが望ましい。これは、起動時においては、空気供給系がオンであるか否かに関わらず、単位セル１１に空気が存在しているので、固体高分子電解質膜１１ａ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１１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１１の空気極１１ｂを濡（ぬ）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１１ａの湿潤を促進して、単位セル１１のダメージを未然に防止することができる。
【００５７】
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、水素供給調圧弁２５ａ及び２５ｂが、爆発限界以下の所定の濃度で水素ガスが燃料極１１ｃ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６２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１１ｃ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、水素供給調圧弁２５ａ及び２５ｂの調節、並びに、水素排気弁６２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６２を運転時に適宜開放するのは、水素排気弁６２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１１ｂより透過するＮ2 、Ｏ2 又は生成水の影響によって、燃料極１１ｃ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２０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。
【００５８】
また、空気供給量制御においては、まず、燃料電池スタック２０から排出された直後の排出空気の温度検出が排出空気温度計７４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１１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、空気供給ファン７５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１１ｂの温度を低下させる。
【００５９】
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２０、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２０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、空気供給ファン７５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。
【００６０】
なお、水素ガス供給量制御においては、水素圧センサ２７及び２８によって燃料貯蔵手段７３側の水素ガスの圧力が検出され、制御装置８１は、水素供給調圧弁２５ａ及び２５ｂを調節することによって、燃料電池スタック２０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、燃料供給電磁弁２６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２０への供給を制御する。なお、水素ガスの燃料電池スタック２０への供給を遮断する場合は、燃料供給電磁弁２６を閉鎖する。
【００６１】
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及び燃料極側コレクタ１５は、開口率が局所的に変化するように形成され、単位セル１１の積層方向に関して傾斜化されている。そのため、単位セル１１の積層方向に関する温度分布が解消され、空気極１１ｂ及び燃料極１１ｃの温度が上昇することがないので、空気極１１ｂ及び燃料極１１ｃを通して単位セル１１の外側に散逸する水分の量が抑制される。これにより、単位セル１１内部の湿度を適正に維持することができ、単位セル１１における発電効率を向上させることができる。
【００６２】
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１１に接触している谷部１４ａ及び１５ａの開口を通して、単位セル１１の燃料極１１ｃ側及び空気極１１ｂ側の電極拡散層に十分に接触することができる。また、燃料室内の水素ガス及び酸素室内の空気は、側壁部１４ｂ及び１５ｂの開口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１４ａ間の流路を塞いでしまった場合、空気は側壁部１４ｂの開口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、逆拡散水によって燃料室内に水滴が発生した場合も同様である。
【００６３】
なお、本実施の形態においては、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５の開口率を単位セル１１の積層方向に関して傾斜化させることによって、単位セル１１の積層方向に関する温度分布を解消させる例についてのみ説明したが、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５を異種材料を組み合わせたものから形成することによって、単位セル１１の積層方向に関する温度分布を解消させることもできる。この場合、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５を形成する材料を局所的に変化させ、単位セル１１に接触するＭＥＡ接触部としての谷部１４ａ及び１５ａを形成する材料の熱伝導率が最も低く、セパレータ本体４１に接触するセパレータ接触部としての頂部１４ｃ及び１５ｃを形成する材料の熱伝導率が最も高く、リブを構成するリブ部としての側壁部１４ｂ及び１５ｂを形成する材料の熱伝導率が谷部１４ａ及び１５ａと頂部１４ｃ及び１５ｃとの中間となるように形成されている。なお、側壁部１４ｂ及び１５ｂを形成する材料の熱伝導率は、頂部１４ｃ及び１５ｃを形成する材料の熱伝導率と等しくてもよい。これにより、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５の各所の熱抵抗は、単位セル１１の積層方向に関して傾斜化され、次の式（２）で定義されるように変化する。
ＭＥＡ接触部の熱抵抗＞リブ部の熱抵抗≧セパレータ接触部の熱抵抗  ・・・式（２）
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。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】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セパレータユニットの構成を示す図である。
【図２】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。
【図３】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４】本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す図である。
【図５】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セルモジュールの構成を示す断面図である。
【図６】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発電性能を示す図である。
【図７】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。
【図８】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。
【符号の説明】
【００６５】
１１    単位セル
１１ａ    固体高分子電解質膜
１１ｂ    空気極
１１ｃ    燃料極
１２    セパレータユニット
１４    空気極側コレクタ
１４ａ、１５ａ    谷部
１４ｂ、１５ｂ    側壁部
１４ｃ、１５ｃ    頂部
１５    燃料極側コレクタ
２０    燃料電池スタック
４１    セパレータ本体
【図１】
2006253105.tif 000003
【図２】
2006253105.tif 000004
【図３】
2006253105.tif 000005
【図４】
2006253105.tif 000006
【図５】
2006253105.tif 000007
【図６】
2006253105.tif 000008
【図７】
2006253105.tif 000009
【図８】
2006253105.tif 000010