(57)【要約】【課題】複数の冷却系によって燃料電池スタックを冷却するようにして、冷却能力が高く、冷却能力を容易に、かつ、適切に調整することができ、広汎（はん）な温度範囲においても、温度変化の大きい環境においても、燃料電池スタックの温度を適切な温度に維持することができ、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が、セパレータユニット１２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、前記燃料電池で発生した熱を放熱するとともに集電する網目状の集電体とを備える。【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、前記燃料電池で発生した熱を放熱するとともに集電する網目状の集電体とを備えることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
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に設けられ、前記セパレータ本体と対向する面に前記燃料電池を冷却するための冷媒流路を形成する凹溝を備え、前記燃料極と対向する面にガス流路を形成する凸条を備える板状の集電体と、
前記セパレータ本体の他側に設けられ、前記燃料電池で発生した熱を放熱するとともに集電する網目状の集電体とを備えることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項３】
電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、該燃料電池を冷却するための冷媒流路及び前記燃料電池で発生した熱を放熱するとともに集電する網目状の集電体を備える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と、
前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給系と、
前記集電体を通して前記酸素極に空気を供給する酸化剤供給系と、
前記冷媒流路に冷媒を供給する冷却系とを有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
前記空気極から排出される排出空気の温度を検出する温度計と、
該温度計が検出した排出空気の温度が所定値以上の場合、前記酸素極に供給される空気の量又は前記冷媒流路に供給される冷媒の量の少なくとも一方を増加させる制御装置とを更に有する請求項３に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタック及び燃料電池システム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。この場合、一般に、セルスタック中に反応ガスの供給路とは別の冷媒通路を設け、該冷媒通路に冷却水等の冷媒を流すようになっている（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、冷媒通路の形状や配置が適切でなく、燃料電池スタックを十分に冷却することが困難であった。また、冷却能力を適切に調整することができなかったので、燃料電池システムの置かれた環境の温度変化が大きい場合に、燃料電池スタックの温度を適切な温度に維持することができなかった。
【０００７】
本発明は、前記従来の問題点を解決して、複数の冷却系によって燃料電池スタックを冷却するようにして、冷却能力が高く、冷却能力を容易に、かつ、適切に調整することができ、広汎（はん）な温度範囲においても、温度変化の大きい環境においても、燃料電池スタックの温度を適切な温度に維持することができ、燃料電池の出力を高めることができる燃料電池スタック及び燃料電池システム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、前記燃料電池で発生した熱を放熱するとともに集電する網目状の集電体とを備える。
【０００９】
本発明の他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、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に設けられ、前記セパレータ本体と対向する面に前記燃料電池を冷却するための冷媒流路を形成する凹溝を備え、前記燃料極と対向する面にガス流路を形成する凸条を備える板状の集電体と、前記セパレータ本体の他側に設けられ、前記燃料電池で発生した熱を放熱するとともに集電する網目状の集電体とを備える。
【００１０】
本発明の燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、該燃料電池を冷却するための冷媒流路及び前記燃料電池で発生した熱を放熱するとともに集電する網目状の集電体を備える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と、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給系と、前記集電体を通して前記酸素極に空気を供給する酸化剤供給系と、前記冷媒流路に冷媒を供給する冷却系とを有する。
【００１１】
本発明の他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記空気極から排出される排出空気の温度を検出する温度計と、該温度計が検出した排出空気の温度が所定値以上の場合、前記酸素極に供給される空気の量又は前記冷媒流路に供給される冷媒の量の少なくとも一方を増加させる制御装置とを更に有する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、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、前記燃料電池で発生した熱を放熱するとともに集電する網目状の集電体とを備える。
【００１３】
この場合、冷却能力が高く、冷却能力を容易に、かつ、適切に調整することができ、広汎な温度範囲においても、温度変化の大きい環境においても、燃料電池スタックの温度を適切な温度に維持することができ、出力を高めることができる。また、集電体が網目状なので、ガスの流通が集電体によって阻害されることがなく、ガスの圧力損失を低減することができる。
【００１４】
また、他の燃料電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に設けられ、前記セパレータ本体と対向する面に前記燃料電池を冷却するための冷媒流路を形成する凹溝を備え、前記燃料極と対向する面にガス流路を形成する凸条を備える板状の集電体と、前記セパレータ本体の他側に設けられ、前記燃料電池で発生した熱を放熱するとともに集電する網目状の集電体とを備える。
【００１５】
この場合、冷媒と燃料電池との熱交換効率が向上し、冷媒による冷却能力を向上させることができる。そのため、冷却能力が高く、冷却能力を容易に、かつ、適切に調整することができ、広汎な温度範囲においても、温度変化の大きい環境においても、燃料電池スタックの温度を適切な温度に維持することができ、出力を高めることができる。
【００１６】
さらに、燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、該燃料電池を冷却するための冷媒流路及び前記燃料電池で発生した熱を放熱するとともに集電する網目状の集電体を備える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と、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給系と、前記集電体を通して前記酸素極に空気を供給する酸化剤供給系と、前記冷媒流路に冷媒を供給する冷却系とを有する。
【００１７】
この場合、冷却能力が高く、冷却能力を容易に、かつ、適切に調整することができ、広汎な温度範囲においても、温度変化の大きい環境においても、燃料電池スタックの温度を適切な温度に維持することができ、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】
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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一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。
【００２４】
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。
【００２５】
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第１の水素供給調圧弁２５ａ及び第２の水素供給調圧弁２５ｂ、並びに、燃料供給電磁弁２６が配設される。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
ここで、前記第１の水素供給調圧弁２５ａ及び第２の水素供給調圧弁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、前記第１の水素供給調圧弁２５ａ及び第２の水素供給調圧弁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。
【００３０】
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ポンプ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、空気供給ポンプ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。
【００３１】
なお、燃料電池スタック２０の酸素極として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。
【００３２】
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、加圧された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、いわゆる常圧システムでなく、加圧システムであるものとする。
【００３３】
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一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。
【００３４】
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、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。
【００３５】
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一つとして機能する。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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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、前記第１の水素供給調圧弁２５ａ及び第２の水素供給調圧弁２５ｂ、水素排気弁６２、空気供給ポンプ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。
【００４０】
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。
【００４１】
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パレータ本体内に形成された冷媒流路を示す図である。
【００４２】
図１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、説明の都合上、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、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。
【００４３】
そして、単位セル１１は、電解質層としての固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜の一側に設けられた酸素極としての空気極（カソード極）及び他側に設けられた燃料極（アノード極）とで構成されている。前記空気極及び燃料極は、反応ガスを拡散しながら透過する導電性材料から成る拡散層と、該拡散層上に形成され、固体高分子電解質膜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、固体高分子電解質膜、空気極及び燃料極の図示は省略されている。
【００４４】
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。図１においては、説明の都合上、セパレータ本体４１の一側に設けられた空気極側コレクタ１４の図示が省略され、隣接するセパレータユニット１２における空気極側コレクタ１４であって、単位セル１１の空気極側の電極拡散層に接触する空気極側コレクタ１４が図示されている。
【００４５】
そして、該空気極側コレクタ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るが、二重構造を有し、内部に図５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。
【００４６】
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、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１４ｂを有する波板とされている。前記凸条１４ｂは、板材の縦辺方向、すなわち、図１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１４ｂ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１４ｂ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。また、各凸条１４ｂの頂部は、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１４ｂ間の谷部１４ａの平面は、単位セル１１の空気極側の電極拡散層に当接する当接部となっている。
【００４７】
なお、空気極側コレクタ１４の表面には、親水性処理が施されていることが望ましい。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。そ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１１に接触している谷部１４ａの、特に、空気流路側に施されることが望ましい。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と単位セル１１の空気極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。なお、金属の表面は、本質的に、ある程度の親水性を備えているので、親水性処理を省略することもできる。
【００４８】
また、燃料極側コレクタ１５は、前記空気極側コレクタ１４と同様の寸法で網目状の開口を有するエキスパンド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１５ｂを有する波板とされている。そして、前記凸条１５ｂは、空気極側コレクタ１４の場合と同様に、図１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１５ｂ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１５ｂ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。なお、図１において、矢印Ｂは、単位セル１１に導入されて燃料室内を流通する水素ガスの流れを示している。また、各凸条１５ｂの頂部は、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１５ｂ間の谷部１５ａの平面は、単位セル１１の燃料極側の電極拡散層に当接する当接部となっている。なお、燃料極側コレクタ１５にも必要に応じて親水性処理を施すことができる。
【００４９】
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１４ｂ及び１５ｂ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の燃料極に水素ガスが供給される。
【００５０】
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を透過する。また、前記空気極をカソード極とし、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内に拡散し、該固体高分子電解質膜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。
【００５１】
また、セパレータ本体４１は、冷媒流入管４２及び冷媒流出管４３が接続され、冷媒流入管４２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４３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４２に流入する。また、冷媒流出管４３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。ここで、前記冷媒流路４５は、冷却効率を向上させるため、図５に示されるように、蛇行状に形成されている。これにより、冷媒がセパレータ本体４１内を、図１における矢印Ｃで示されるように流通するので、セパレータ本体４１内における冷媒の流路長が長くなり、一定量の冷媒による冷却能力が向上する。さらに、セパレータ本体４１の左右両側で冷却にムラが生じないので、単位セル１１を左右均一に冷却することが可能になる。なお、本実施の形態においては、セパレータ本体４１の上部に冷媒流入管４２を接続し、下部に冷媒流出管４３を接続したが、下部に冷媒流入管４２を接続し、上部に冷媒流出管４３を接続してもよい。これにより、コレクタ１４、１５の上方から下方へ供給される空気による冷却と、セパレータ本体４１の下部から上部へ供給される冷媒による冷却により、単位セル１１の上下をより均一に冷却することが可能になる。また、冷媒流路４５の形状は、冷媒の流路長が長くなるような形状であれば、蛇行状以外の形状であってもよく、例えば、渦巻き状等の他の形状であってもよい。
【００５２】
図１に示される例において、前記セパレータ本体４１は２枚の平板状の金属製板材を貼（は）り合わせて形成されている。この場合、一方の板材の内側となる面に、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、図５に示されるような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のそれぞれの凸条１４ｂ及び１５ｂの頂部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。
【００５３】
前記単位セル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。この場合、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５は、谷部１４ａ及び１５ａが単位セル１１の広い範囲に接触しているので、単位セル１１において発生した熱が良好に伝達される。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。
【００５４】
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の燃料極側及び空気極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、凸条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（ふさ）いでしまった場合、空気は凸条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。
【００５５】
さらに、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５は、開いた冷却系の装置の冷却器として機能する。すなわち、空気及び水素ガスは酸素室内及び燃料室内を流通する際に単位セル１１を冷却するが、この場合、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５が冷却器の一種である冷却フィンとして機能する。そのため、開いた冷却系による冷却能力が向上する。特に、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が、この場合、前述のように酸素室内において水滴が発生しても、空気の流れが阻害されないので、冷却能力が低下してしまうことがない。
【００５６】
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。
【００５７】
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起動動作を示すフローチャート、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空気供給量制御の動作を示すフローチャートである。
【００５８】
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、空気供給ポンプ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。
【００５９】
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。
【００６０】
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、第１の水素供給調圧弁２５ａ及び第２の水素供給調圧弁２５ｂが、爆発限界以下の所定の濃度で水素ガスが燃料極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、第１の水素供給調圧弁２５ａ及び第２の水素供給調圧弁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、空気極より透過するＮ2 、０2 又は生成水の影響によって、燃料極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。
【００６１】
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、空気供給ポンプ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の温度を低下させる。
【００６２】
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、空気供給ポンプ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。
【００６３】
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、第１の水素供給調圧弁２５ａ及び第２の水素供給調圧弁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。
【００６４】
このように、本実施の形態においては、複数の冷却系によって燃料電池スタック２０を冷却するようになっている。すなわち、冷媒供給管路５３、冷媒排出管路７１、冷媒貯留容器５２等を含む閉じた冷却系の装置によって循環させられる冷媒が、セパレータユニット１２のセパレータ本体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。また、燃料電池スタック２０に水素ガス及び空気を供給する装置を含む開いた冷却系の装置によって供給される水素ガス及び空気が、セルモジュール１０内の燃料室及び酸素室を流通してセルモジュール１０を冷却する。そのため、複数の冷却系のうちのいずれかをオンオフさせることによって、冷却能力を広汎な範囲で制御することができる。これにより、冷却能力が高く、冷却能力を容易に、かつ、適切に調整することができ、広汎な温度範囲においても、温度変化の大きい環境においても、燃料電池スタック２０の温度を適切な温度に維持することができ、出力を高めることができる燃料電池システムを得ることができる。
【００６５】
また、閉じた冷却系によって供給される冷媒は、セパレータユニット１２内において、単位セル１１に近接して平行に配設され、燃料室及び酸素室を仕切るためのセパレータ本体４１内を流通するので、単位セル１１を高い効率で冷却することができる。さらに、セパレータユニット１２と単位セル１１とは、金属製の空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５によって接続されているので、熱伝達率が高く、前記冷媒によって単位セル１１を高い効率で冷却することができる。さらに、セパレータ本体４１内に形成された冷媒流路４５が蛇行状であって、冷媒の流路長が長いので、冷媒による冷却能力を向上させることができる。
【００６６】
また、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５は、冷却フィンとして機能し、開いた冷却系の水素ガス及び空気に単位セル１１の熱を伝達するので、水素ガス及び空気によって単位セル１１を高い効率で冷却することができる。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。そのため、燃料室内の水素ガス及び酸素室内の空気の圧力損失を低減することができる。
【００６７】
さらに、燃料電池スタック２０の単位セル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ようになっている場合には、水の気化潜熱等によって、一層の冷却効果を期待することができる。もっとも、この場合には、余剰の水分によって酸素室内に水滴が発生する可能性があるが、該水滴が空気極側コレクタ１４の隣接する谷部１４ａ間の流路を塞いでしまったときでも、空気は凸条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。そのため、酸素室内の空気の圧力損失を低減することができ、スプレーされた水による冷却効果をフルに期待することができる。また、空気中に供給される水の量が過剰になっても、酸素室内の空気の流れが阻害されることがないので、空気中に供給される水の量の制御を容易に行うことができる。そのため、単位セル１１の湿潤状態の管理を容易に行うことができる。
【００６８】
また、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５は、凸条１４ｂ及び１５ｂを有する波板状となっていて、凸条１４ｂ及び１５ｂの頂部がセパレータ本体４１の平坦（たん）な側面に当接し、凸条１４ｂ及び１５ｂ間の谷部１４ａ及び１５ａの平面が単位セル１１の空気極側及び燃料極側の電極拡散層に当接するようになっている。そのため、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。これにより、冷媒による単位セル１１の冷却効果を向上させるとともに、燃料電池スタック２０の集電抵抗を低減することができる。さらに、セパレータ本体４１は、内部に冷媒流路４５が形成されているが、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ので、燃料電池スタック２０の集電抵抗を低減することができる。
【００６９】
さらに、セパレータ本体４１は、２枚の平板状の金属製板材を貼り合わせて形成され、両側の面が各所で結合されているので、剛性が高く変形し難くなっている。そのため、燃料電池スタック２０の酸素室に供給される空気の圧力が大気圧よりも高くなるように加圧された状態となる加圧システムに適用することができる。セパレータ本体４１は、２枚の平板状の金属製板材を貼り合わせて形成された簡素な構造を備えているので、セパレータユニット１２のコストを低減することができる。
【００７０】
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。
【００７１】
図８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セパレータ本体の構成を示す図である。なお、図８（ａ）は平面図、図８（ｂ）は側面図である。
【００７２】
本実施の形態におけるセパレータ本体４１は、前記第１の実施の形態と同様に、２枚の平板状の金属製板材を貼り合わせて形成され、内部に冷媒流路を備えるものであるが、一方の板材４７の内側となる面には、図８に示されるように、複数の突起４８が形成されている。そして、該突起４８が形成された面に他方の板材を重ね合わせ、突起４８の頂部に他方の板材の内側の面を当接させることによって、冷媒流路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、セパレータ本体４１の両側の面が複数の突起４８によって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内の冷媒流路中に複数の突起４８が存在するので、冷媒とセパレータ本体４１との熱交換効率が向上し、冷媒による冷却能力を向上させることができる。
【００７３】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。なお、第１及び第２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及び第２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。
【００７４】
図９は本発明の第３の実施の形態における燃料電池システムの燃料極側コレクタの構成を示す図である。なお、図９（ａ）は平面図、図９（ｂ）は図９（ａ）のＤ−Ｄ矢視断面図、図９（ｃ）は図９（ａ）のＥ−Ｅ矢視断面図である。
【００７５】
本実施の形態において、集電体としての燃料極側コレクタ１７は、開口を有していない金属板から成り、プレス加工によって形成された細かい凸条１７ｄ及び谷部が交互に形成され、凹溝１７ａ及び凹溝１７ｂを有する波板とされている。なお、凹溝１７ａ及び凹溝１７ｂの一方を谷部とすると他方のは凸条１７ｄの裏側に該当する。前記凹溝１７ａ及び凹溝１７ｂは、板材の縦辺方向、すなわち、図９（ａ）における横方向に延在し、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。そして、燃料極側コレクタ１７の凹溝１７ａが形成されている側（図９（ｂ）における右側）の面が単位セル１１の燃料極側の電極拡散層に当接して単位セル１１との間に燃料室を形成し、前記凹溝１７ａ内を水素ガスが流通する。また、燃料極側コレクタ１７の凹溝１７ｂが形成されている側（図９（ｂ）における左側）の面がセパレータ本体４１の側面に当接し、前記凹溝１７ｂ内を冷媒が流通する。なお、本実施の形態において、セパレータ本体４１は、内部に冷媒流路４５を有しておらず、一枚の板材から成るものである。そして、隣接する凹溝１７ａ同士を連結する逃げ溝１７ｃが形成されているので、燃料室内に発生した水滴によって一部の凹溝１７ａが塞がれても、水素ガスは逃げ溝１７ｃを通って隣接する凹溝１７ａに流れ込むことができるので、水素ガスの流れが阻害されることがない。
【００７６】
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】
【００７７】
【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パレータ本体内に形成された冷媒流路を示す図である。
【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起動動作を示すフローチャートである。
【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空気供給量制御の動作を示すフローチャートである。
【図８】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セパレータ本体の構成を示す図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態における燃料電池システムの燃料極側コレクタの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００７８】
１１    単位セル
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、１７ｄ    凸条
１５、１７    燃料極側コレクタ
１７ａ、１７ｂ    凹溝
２０    燃料電池スタック
４１    セパレータ本体
４５    冷却流路
４８    突起
【図１】
2006253035.tif 000003
【図２】
2006253035.tif 000004
【図３】
2006253035.tif 000005
【図４】
2006253035.tif 000006
【図５】
2006253035.tif 000007
【図６】
2006253035.tif 000008
【図７】
2006253035.tif 000009
【図８】
2006253035.tif 000010
【図９】
2006253035.tif 000011