(57)【要約】【課題】電気抵抗が小さく、熱伝導性及び耐食性が高く、安価な集電体及び当該集電体が組み込まれた燃料電池システムを提供する。【解決手段】電解質層が燃料極１１ｂ及び酸素極１１ａで挟持された膜−電極接合体の両側に配設され、前記燃料極１１ｂに燃料ガス、前記酸素極１１ａに酸化ガスを供給するためのガス流路を形成すると共に、前記燃料ガスと酸化ガスとの反応により発生した電流を取り出す集電体を、前記燃料極１１ｂに供給されるガス又は前記酸素極１１ａに供給されるガスを遮断する板状セパレータ１２ａと、該板状セパレータ１２ａと前記燃料極１１ｂ又は酸素極１１ａの少なくとも一方との間に設けられた巻線体１２１を有するコレクタを有するようにする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層が燃料極及び酸素極で挟持された膜−電極接合体の両側に配設され、前記燃料極に燃料ガス、前記酸素極に酸化ガスを供給するためのガス流路を形成すると共に、前記燃料ガスと酸化ガスとの反応により発生した電流を取り出す集電体であって、
前記燃料極に供給されるガス又は前記酸素極に供給されるガスを遮断する板状セパレータと、
該板状セパレータと前記燃料極又は酸素極の少なくとも一方との間に設けられた巻線体を有するコレクタを有する集電体。
【請求項２】
前記コレクタは、前記膜−電極接合体に接する多孔体と、該多孔体と前記板状セパレータとを接続する巻線体からなるリブとで構成され、前記多孔体は、発泡金属、金属繊維焼結体、エキスパンドメタル又はパンチングメタルである、請求項１に記載された集電体。
【請求項３】
前記集電体は、金属で形成されているか、あるいは表面に導電性コーティングが施されている、請求項１又は２に記載された集電体。
【請求項４】
前記巻線体は、ガス流の上流部よりも下流部の開口率が大きい、請求項１〜３のいずれかに記載された集電体。
【請求項５】
電解質層が燃料極及び酸素極で挟持された膜−電極接合体が集電体を挟んで複数積層された燃料電池であって、
前記集電体は、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を遮断する板状セパレータと、
該板状セパレータと前記燃料極又は酸素極の少なくとも一方との間に設けられた巻線体を有するコレクタとからなる、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質層が燃料極及び酸素極で挟持された膜−電極接合体の両側に配設され、前記燃料極に燃料ガス、前記酸素極に酸化ガスを供給するためのガス流路を形成すると共に、前記燃料ガスと酸化ガスとの反応により発生した電流を取り出す集電体に関する。更に、本発明は、当該集電体が組み込まれた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用発電装置、家庭用発電装置、人工衛星の動力源、宇宙船の動力源として実用化されてきた。近年、乗用車、バス、トラック等の車両用の動力源としての燃料電池の開発が進んでいる。そして、燃料電池は、アルカリ水溶液形、リン酸形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形、直接形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形燃料電池が一般的である。
【０００３】
固体高分子形燃料電池では、固体高分子電解質層が２枚のガス拡散電極で挟まれ、一体化されて接合された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層を移動する。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、固体高分子形燃料電池は、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、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。
【０００４】
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、各単位セルにおける発電効率が低下してしまう。そこで、電解質層が燃料極と酸素極とで挟持された燃料電池に挟まれるセパレータユニットの集電体であって、燃料極に供給されるガスと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に当接するセパレータ当接部と、前記燃料極又は酸素極に当接する電極当接部と、前記セパレータ当接部及び電極当接部を接続するリブ部とを有し、前記電極当接部は、前記セパレータ当接部及びリブ部の部材よりも開口率の大きな部材から成る集電体が検討された（例えば、特許文献１参照）。
ところで、水が燃料電池スタック下部のガス流路に貯まりやすく、貯まった水がガス流を遮断する可能性がある。電極当節部単位面積当たりのリブとの非接触部の面積（開口率）が、燃料電池スタックの下方向ほど大きくされれば、貯まった水によるガス流の遮断が防止されると予想される。しかしながら、開口率が変化する金属製集電体の費用は高かった。
【特許文献１】特開２００７−３５５２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、電気抵抗が小さく、熱伝導性及び耐食性が高く、安価な集電体及び当該集電体が組み込まれた燃料電池の提供である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に係る発明は、電解質層が燃料極及び酸素極で挟持された膜−電極接合体の両側に配設され、前記燃料極に燃料ガス、前記酸素極に酸化ガスを供給するためのガス流路を形成すると共に、前記燃料ガスと酸化ガスとの反応により発生した電流を取り出す集電体であって、前記燃料極に供給されるガス又は前記酸素極に供給されるガスを遮断する板状セパレータと、該板状セパレータと前記燃料極又は酸素極の少なくとも一方との間に設けられた巻線体を有するコレクタを有する集電体である。
請求項２に係る発明では、前記コレクタは、前記膜−電極接合体に接する多孔体と、該多孔体と前記板状セパレータとを接続する巻線体からなるリブとで構成され、前記多孔体は、発泡金属、金属繊維焼結体、エキスパンドメタル又はパンチングメタルである。
請求項３に係る発明では、前記集電体は、金属で形成されているか、あるいは表面に導電性コーティングが施されている。
請求項４に係る発明では、前記巻線体は、ガス流の上流部よりも下流部の開口率が大きい。
請求項５に係る発明は、電解質層が燃料極及び酸素極で挟持された膜−電極接合体が集電体を挟んで複数積層された燃料電池であって、前記集電体は、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を遮断する板状セパレータと、該板状セパレータと前記燃料極又は酸素極の少なくとも一方との間に設けられた巻線体を有するコレクタとからなる、燃料電池である。
【発明の効果】
【０００７】
請求項１に係る発明の集電体は、設計自由度が高い巻線体を有するから、設計変更が容易であり、従って、安価である。更に、請求項２及び３に係る発明の集電体は、上記効果に加え、小さい電気抵抗、高い熱伝導性及び耐食性を有しているという効果を奏する。
請求項４に係る発明の集電体と膜−電極接合体が積層された燃料電池スタックの内部における温度分布は解消され、燃料電池スタックの温度が適切に制御される。
請求項５に係る発明の集電体が組み込まれた本発明の燃料電池システムの発電効率及び出力は高い。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１は、本発明の燃料電池システムの１実施形態を示す図である。図１において、２０は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。そして、燃料電池スタック２０は、アルカリ水溶液形（ＡＦＣ）、リン酸形（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形（ＭＣＦＣ）、固体酸化物形（ＳＯＦＣ）、直接形メタノール（ＤＭＦＣ）等のものであってもよいが、固体高分子形燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であることが望ましい。
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）形燃料電池、又は、ＰＥＭ（Proton Exchange Membrane）形燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該ＰＥＭ形燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンが移動する固体高分子電解質層の両側に触媒層、ガス拡散層及び集電体が順次積層されたセル（Fuel Cell）を複数及び直列に結合したスタック（Stack）から成る。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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１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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
燃料電池スタック２０の酸素極としての空気極側から膜−電極接合体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。
【００１７】
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。
【００１８】
燃料電池スタック２０と熱交換した冷媒が通過する冷媒管路７１が、燃料電池スタック２０に接続されている。そして、冷媒を冷却する冷却装置としてのラジエータ７２が、冷媒管路７１に配設されている。
【００１９】
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は、燃料電池スタック２０を冷却する機能を有する。従って、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、膜−電極接合体を構成する固体高分子電解質膜、触媒層、ガス拡散層等の部材に接触しながら燃料電池スタック２０内を流通して、燃料電池スタック２０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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
本実施の形態において、燃料電池システムは、図２に示されるような制御システムを有する。図２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、空気供給ファン７５、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。
【００２４】
次に、本発明の集電体の実施態様を説明する。図３は、本発明の集電体と膜−電極接合体の積層構成を示している。固体高分子電解質層が酸素極１１ａ及び燃料極１１ｂで挟持され、膜−電極接合体が形成される。集電体は、膜−電極接合体に接する金属多孔体１２ｂと、燃料極１１ｂに供給される水素と酸素極１１ａに供給される空気を遮断する板状金属セパレータ１２ａと、金属多孔体１２ｂと板状金属セパレータ１２ａを接続するリブ１２１を有している。図示されていないが、板状金属セパレータ１２ａの内部には、上記した冷媒管路７１に通じる冷媒流路が形成されている。金属多孔体１２ｂは、酸素極１１ａ及び／又は燃料極１１ｂに当接される。
【００２５】
金属多孔体１２ｂの具体例は、発泡金属、金属繊維焼結体、金網、エキスパンドメタル、パンチングメタルである。好ましくは、Ｔｉ合金にステンレス鋼などの耐食性に優れた金属に、カーボンや金などの導電材料が表面にコーティングされる。また、銅やアルミニウムなどの卑金属に耐食金属を貼り合わせたクラッド材や、表面に導電性耐食コーティングが施された金属材料を適用できる。
【００２６】
板状金属セパレータ１２ａと金属多孔体１２ｂで仕切られた空間に形成されるガス流の向きは限定されない。当該ガス流の向きの具体例が、図３の矢印Ａ方向、矢印Ｂ方向である。
【００２７】
図４ａは、図３に示されるリブを構成する巻線体の形状を示す。巻線体の形状は、図４ａに示される形状に限定されない。図４ｂ及びｃは、リブを構成する巻線体形状の別の実施形態を示す。
【００２８】
１ピッチの巻線体で形成される面が板状金属セパレータ１２ａと金属多孔体１２ｂに対して斜めである巻線体図（４ｄ）の復元力は、１ピッチの巻線体で形成される面が板状金属セパレータ１２ａと金属多孔体１２ｂに対して垂直である巻線体図（４ｅ）の復元力より大きい。復元力の大きな巻線体からなるリブは、板状金属セパレータ１２ａと金属多孔体１２ｂに対する密着性が高くなる。
【００２９】
金属多孔体１２ｂ単位面積に対する、金属多孔体１２ｂと巻線体の非接触部分の面積（開口率）は、巻線体の単位長さ当たりの巻数と線径により調節される。巻線体の単位長さ当たりの巻数が大きくなるほど、集電体の開口率は小さくなる。巻線体の線径が大きくなるほど、集電体の開口率は小さくなる。
集電体の開口率は、部位により変化し得る。図５は、部位により開口率が変化する集電体の実施形態を示している。図５では、ガス流の下流における巻線体の単位長さ当たりの巻数が、ガス流の上流における巻線体の単位長さ当たりの巻数より大きい。つまり、ガス流の下流における集電体の開口率が、ガス流の上流における集電体の開口率より大きい。当該集電体が組み込まれた燃料電池システムの燃料電池スタックは、下部のガス流路における水の滞留が防止され、ガス流の水による遮断の危険性が低下されている。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明の集電体は、水素燃料固形高分子形燃料電池、直接形メタノール燃料電池、アルカリ水溶液形燃料電池、リン酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、固体酸化物形燃料電池等の燃料電池に組み込まれる。そして、本発明の集電体が組み込まれた燃料電池は、車載用電源、家庭用電源、その他の電源として使用される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】燃料電池システムを示す図
【図２】燃料電池システムの制御システムを示す図
【図３】集電体と膜−電極接合体の積層構成を示す図
【図４】巻線体の形状を示す図
【図５】部位により開口率が変化する集電体
【符号の説明】
【００３２】
１１ａ…酸素極、１１ｂ…燃料極、１２ａ…板状セパレータ、１２ｂ…多孔体、１２１…リブ
【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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