(57)【要約】【課題】空気極側に空気と冷却水が直接供給される方式の燃料電池において、冷却と膜湿潤の維持の両立を単純な構成で実現する。【解決手段】  燃料電池は、互いに隣接する単位セルの間にセパレータ（１０Ｂ）が配置され、該セパレータを通して単位セルの空気極側に空気と水の混合流が供給される。セパレータは、単位セルの少なくとも空気極側の表面部分に、混合流を透過する網目状の導電体１４を備える。導電体は網目部分に水を保持し、目詰まりにより電極と空気の接触を妨げることなく単位セルの熱により蒸発する水の潜熱により単位セルを冷却する。【選択図】図７
2005268233.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜（１１）と該電解質膜（１１）の両側に設けられた燃料極（１３）及び空気極（１２）とからなる単位セル（１０Ａ）がセパレータ（１０Ｂ）を挟んで積層され、該セパレータ（１０Ｂ）を通して単位セル（１０Ａ）の空気極（１２）側に空気と水の混合流が供給される燃料電池において、
前記セパレータ（１０Ｂ）は、単位セル（１０Ａ）の両極の少なくとも空気極（１２）側の表面部分に、前記混合流を透過する網目状の導電体（１４）を備え、
該網目状の導電体（１４）は、金属薄板に前記混合流を透過する菱形スリットが形成されたランスカットメタルで構成されることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、特にその単位セル間に介挿されるセパレータを利用した燃料電池の冷却技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の一形式としてのＰＥＭ型燃料電池の単位セルは、燃料極（一般に燃料として水素ガスが用いられることから、水素極ともいう）と酸化剤極（同様に酸化剤として酸素を含むガスである空気が用いられることから、以下これを空気極という）との間に高分子固体電解質膜が挟持された構成とされる。燃料極と空気極は、共に触媒物質を含む触媒層と、触媒層を支持するとともに反応ガスを透過する機能を果たし、更に集電体としても機能を有する電極基材からなる。燃料極と空気極の更に外側には、反応ガスとしての水素と空気をセル外部から電極面に均一に供給するとともに、反応ガスの余剰分をセル外部に排出するためのガス流路（一般に電極面側が開いた溝で構成される）を設けたセパレータ（コネクタ板）が積層される。このセパレータは、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。上記のような単位セルとセパレータとで１ユニットの単電池が構成される。
【０００３】
実際の燃料電池では、かかる単電池の多数個が直列に積層されてセルモジュールが構成される。このような、燃料電池では、十分な発電効率を維持するために、単位セル中の高分子固体電解質膜を十分に湿潤状態に保つ必要があり、一般に、電解反応により生成する水のみでは水分が不足することから、各単位セルに加湿水を供給する手段を必要とする。また、電解反応により発生電力にほぼ相当する熱量の熱が発生するため、燃料電池本体が過度にヒートアップすることを防止する冷却手段が講じられる。
【０００４】
燃料電池の冷却手段としては、種々のものが提案されており、冷却とともに電解質膜の湿潤を行なうようにしたものがある（例えば、特許文献１参照。）。この技術では、予め水を添加した空気を供給して、冷却ガス流路で水を蒸発させて冷却を行なった後、その蒸発した水分を含んだ空気を空気流路に循環させるようにした構成が採用されている。
【０００５】
また、セパレータ内にガス流路とは分離した中空部を形成し、中空部に冷却水を流通させるとともに、この冷却水が多孔（こう）質の壁面を通して空気流路に水蒸気を供給させるようにしたものも提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【特許文献１】特開平１０−２４７５０５号公報
【特許文献２】特開平６−３３８３３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、従来技術によれば、冷却と膜の湿潤の維持の両立は困難で、例えば、特許文献１に記載のものによると、一旦（たん）冷却ガス流路で液体水を蒸発させた水蒸気を含む空気を、再び空気流路に循環させるために、その循環経路において、冷却ガス流路の温度を維持することが難しく、例えば、循環経路において温度が低下した後、空気流路において温度が上昇した場合、空気流路においては、電解質膜中から水分を奪うことになり、膜湿潤の維持は困難である。
【０００７】
また、特許文献２に記載のものでは、多孔質の壁面を通じて水蒸気を供給するものの、多孔質から染み出る水分により十分な水蒸気の供給が可能であるとは必ずしも言い難いし、冷却水路では、顕熱による冷却が行なわれるだけであるので、十分な冷却を行なうためには、冷却水の循環のための機械的設備やエネルギーが膨大になる可能性がある。
【０００８】
本発明は、上記の事情に鑑みて案出されたものであり、空気極側に空気と冷却水が直接供給される方式の燃料電池において、冷却と膜湿潤の維持の両立を単純な構成で実現することを目的とする。更に、本発明は、効率的な冷却が可能な燃料電池を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するため、本発明は、電解質膜（１１）と該電解質膜の両側に設けられた燃料極（１３）及び空気極（１２）とからなる単位セル（１０Ａ）がセパレータ（１０Ｂ）を挟んで積層され、該セパレータを通して単位セルの空気極側に空気と水の混合流が供給される燃料電池において、前記セパレータは、単位セルの両極の少なくとも空気極側の表面部分に、前記混合流を透過する網目状の導電体（１４）を備えることを主たる特徴とする。
【００１０】
前記の構成において、前記網目状の導電体は、網目の開口率が２５％以上であるのが望ましい。また、前記網目状の導電体は、前記水を付着させるべく親水性処理が施されていることが望ましい。この場合の前記網目状の導電体は、断面形状が矩（く）形波状となるように屈曲されており、前記ガス遮断用の基板は、薄平板状に形成されている。より具体的には、前記セパレータは、前記網目状の導電体とガス遮断用の基板（１６）とを重ね合せた層構造とされる。また、前記網目状の導電体は、網線の間に前記混合流を透過する金網又は金属薄板に前記混合流を透過するパンチ孔が形成されたパンチングメタル若しくは金属薄板に前記混合流を透過する菱（ひし）形スリットが形成されたランスカットメタルで構成される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、網目状の導電体に空気とともに供給される冷却水が均一に付着、保持されることにより、電極全面にて均一な潜熱冷却が可能となり、冷却能が向上する。また、従来技術のようにセパレータの背面を冷却することにより間接的に電極を冷却する方式に対して、電極により近い部分で冷却することが可能となり、冷却能が向上する。更に、網目状の導電体が、送り込まれる空気に接する冷却のフィンの役目を果たし、冷却能が向上する。
【００１２】
また、網目状の導電体の開口率を２５％以上とすることで、酸化剤ガスとしての空気と電極の接触面積を十分に確保することができる。また、導電体を親水性にすることで、水を網目に付着、滞留させることができ、それにより冷却効率が向上する。また、網目状の導電体を金網、パンチングメタルあるいはランスカットメタルで構成した場合、細密且つ均一な開口分布と十分な開口率を得ることができ、更に電極拡散層との接触面の開口にも混合流が通り、攪拌（かくはん）されるため、上記の効果をより一層確実に達成することができる。更にランスカットメタルにあっては、厚さに対する剛性が他の材料よりも高いので、接触抵抗を小さくできる。また、導電体を波板状とした場合、平板状と比較して、拡散層との接触面積に対する表面積の割合を大きくすることができると共に、水との接触機会が大幅に増えるので、効率良く冷却できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明は、供給空気中に冷却水を直接噴射により混入させて空気極側に供給する方式の燃料電池に適用して特に有効なものであり、これにより網目状の導電体に冷却水が均一に付着し且つ保持されることにより、電極全面にて反応生成熱を利用した均一な潜熱冷却が可能となり、冷却能が向上する。
【実施例１】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明の実施例を説明する。先ず、図１〜図７は本発明の第１実施例を示す。図１は、この発明の適用に係る燃料電池スタック１を用いた車両用燃料電池システムの構成例を示す。この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（図に実線で示す）２及び水凝縮器３１を含む空気排出系３とからなる燃料電池主体部と、水素供給手段としての水素タンク４１を含む燃料供給系（図に２点鎖線で示す）４と、反応部の湿潤と冷却のための水供給系（図に破線で示す）６から構成される。
【００１５】
燃料電池の主体部に配置された空気ファン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、空気マニホールド２２は、燃料電池スタック１を収容する図示しない筐（きょう）体に接続されている。水凝縮器３１は、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。
【００１６】
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、一次圧センサ４２、調圧弁４３Ａ、供給電磁弁４４Ａ、調圧弁４３Ｂ、供給電磁弁４４Ｂ、二次圧センサ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、４６Ｂ、吸引ポンプ４７、逆止弁４８が配置され、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、水素排出路５０には、逆止弁５１と、排出電磁弁５２と、燃焼器５３が配置されている。
【００１７】
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の空気マニホールド２２に配置された多数のノズル６３へ送るべく設けられている。水供給路６０にはポンプ６２が配置されている。また、水タンク６１には、レベルセンサ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と水タンク６１をつなぐ水帰還路６０ａが設けられ、水帰還路６０ａにはポンプ６５と逆止弁６６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、図において、符号７１は燃料電池の起電圧をモニターする電圧計を示す。
【００１８】
前記のように構成された燃料電池システムは、運転時には、空気ファン２１の稼動により空気マニホールド２２に空気が供給されると共に、水供給系からポンプ６２の稼動により水が供給され、続いて燃料供給系４から供給電磁弁４４Ａ、４４Ｂの稼動により水素が供給される。この際、燃料供給系４では、一次圧センサ４２によって水素タンク４１側の水素圧がモニターされ、調圧弁４３Ａ、４３Ｂによって、燃料電池スタック１へ供給するのに適した圧力に調整される。そして、供給電磁弁４４Ａ、４４Ｂの開閉によって、水素の燃料電池スタック１への供給が電気的に制御される。水素ガスの供給の遮断は、供給電磁弁４４Ａ、４４Ｂの閉鎖によりなされる。また、二次圧センサ４５によって、燃料電池スタック１に供給される直前の水素ガス圧がモニターされる。また、水供給系６では、水タンク６１の水はポンプ６２により空気マニホールド２２内に配設されたノズル６３へ圧送され、ここから空気マニホールド２２内で連続的若しくは間欠的に噴出され、空気流に霧状に混入されて燃料電池スタック１に送り込まれる。
【００１９】
前記の構成からなる燃料電池システムにおいて燃料電池スタック１を構成するユニットとしてのセルモジュール１０の構成を図２〜図７に示す。図２に上面（以下、セルモジュールの配置姿勢に即して上下及び縦横の関係を説明する）を示すように、セルモジュール１０は、単位セル（ＭＥＡ）１０Ａと、単位セル同士を電気的に接続すると共に単位セル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１０Ｂと、単位セル１０Ａとセパレータ１０Ｂを支持する２種類のフレーム１７、１８とを１セットとして、板厚方向に複数セット（図示の例では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２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が、２種類のフレーム１７、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おり、積層方向の一端（図２における上端面側）は、図３に示すように、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、他端（図２における下端面側）は、図４に示すように、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。
【００２０】
図５及び図６に拡大して断面構造を示すように、単位セル１０Ａは、固体高分子電解質膜１１と、この固体高分子電解質膜１１の一側に設けられた酸化剤極である空気極１２及び他側に設けられた燃料極１３とで構成されている。これら空気極１２と燃料極１３は、上述した反応ガスを拡散しながら透過する導電性材料からなる拡散層と、この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なる。これらの部材のうち、空気極１２と燃料極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。
【００２１】
セパレータ１０Ｂは、単位セル１０Ａ間のガス遮断部材としてのセパレータ基板１６と、セパレータ基板１６の一側に設けられ、単位セル１０Ａの空気極側の電極拡散層に接触して集電すると共に空気と水の混合流を透過する多数の開口が形成された網目状の導電体（以下「空気極側コレクタ」と称する）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導電体（以下「燃料極側コレクタ」と称する）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（最外側のもののみ上下端を相互にバックアッププレート１７ａ、１７ｂで連結されて枠状（図３参照）をなす）と、燃料極側コレクタ１５及び単位セル１０Ａの周縁部にフレーム１８が設けられている。コレクタ１４、１５は、この例では金属薄板、例えば板厚が０．２ｍｍ程度のもので構成されている。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（しょく）導電処理を施したものが挙げられる。また、フレーム１７、１８は、適宜の絶縁材料で構成される。
【００２２】
空気極側コレクタ１４は、図３に示すように、全体形状を横長の矩形（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）とされ、図７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）ランスカットメタル板材からなり、プレス加工により形成された細かい凸条１４１を有する波板とされている。これら凸条１４１は、板材の縦辺（図示の形態における短辺）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。これら凸条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。これら凸条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、基板１６との当接部とされている。
【００２３】
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り、コレクタ１４と空気極側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、これにより網目の開口部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。
【００２４】
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）ランスカットメタルの矩形の板材からなり、プレス加工によって、複数の凸条１５１が押出し形成されている。凸条１５１は、頂部１５２が平坦で、断面形状も、先の凸条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流路を確保している。
【００２５】
上記の構成からなる両コレクタ１４、１５は、各凸条１４１、１５１が共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、両コレクタ１４、１５の谷部１４４、１５４がセパレータ基板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、コレクタ１４、１５がセパレータ基板１６と重ね合わせることによって、セパレータ基板１６の一方側に空気流路が構成され、他方側に燃料流路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に空気と水が供給され、同様に、横方向の燃料流路から単位セル１０Ａの燃料極１３に水素が供給される。
【００２６】
前記の構成からなるセパレータ１０Ｂの外側には、フレーム１７、１８がそれぞれ配置される。図５及び図６に示すように、コレクタ１４を囲むフレーム１７は、外端（図５において最上部、図６において左端）のものを除き、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、これら縦枠部１７１を板厚方向に貫通する長孔（あな）１７２が燃料流路形成のために設けられている。フレーム１７の板厚は、前記のように波板状とされたコレクタ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がコレクタ１４に組み合わされた状態では、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。かくして、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。
【００２７】
コレクタ１５と単位セル１０Ａ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、フレーム１７とは異なり、左右縦枠部（図５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）と上下横枠部１８２を備える完全な枠状とされている。そして、フレーム１８は、外端（図２において最下部、図４に示す面）のものを除き、左右縦枠部と平行に延び、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を備えるものとされ、これらバックアッププレート１８ａと縦枠部１７１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、前記のように波板状とされたコレクタ１５の厚みと単位セル１０Ａの厚み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がコレクタ１５に組み合わされた状態では、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を介してコレクタ１４に接触する位置関係となる。かくして、フレーム１８の両縦枠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流路が形成され、かつ個々のフレーム１８の内部において、コレクタ１５の波形によりセパレータ基板１６とバックアッププレート１８ａに挟まれる横方向流路としての燃料流路が画定される。
【００２８】
以上のように構成されたフレーム１７、１８によりコレクタ１４、１５及びセパレータ基板１６を保持してセパレータ１０Ｂが構成され、セパレータ１０Ｂと単位セル１０Ａを交互に積層して、セルモジュール１０が構成される。こうして積層されたセルモジュール１０には、図２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。
【００２９】
こうした構成からなるセルモジュール１０を筐体内に複数個並べて配置することで構成される燃料電池スタック（図１参照）１は、その上部から空気マニホールド２２で混合された空気と水を供給し、側方から水素を供給することで、発電作動する。空気流路に供給される空気と水は、空気流中に水滴が霧状に混入した状態（以下この状態を混合流という）で空気流路の上部に入る。燃料電池の定常運転状態では、単位セル１０Ａが反応により発熱しているため、空気流路内の混合流が加熱される。混合流中の水滴は、親水性処理により一部が空気極側コレクタ１４の網目状部分と単位セル１０Ａの空気極１２側に付着し、空気極側コレクタ１４の網目状部分に付着しなかった水滴は、空気極側コレクタ１４と電極拡散層との間の気相中で加熱されることにより、蒸発して空気極側コレクタ１４から熱を奪う潜熱冷却作用が生じる。こうして蒸気となった水は、空気極１２側からの固体高分子電解質膜１１中の水分の蒸発を抑えて保湿させる。そして、空気流路に入った余剰の空気と蒸気は、セルスタックの下方の空気流路開口から排出される。
【００３０】
一方、燃料流路への水素の供給は、図４に示す最外側のフレーム１８の縦枠部の長孔から、順次積層されたセパレータ基板１６の長孔１６２、フレーム１７の縦枠部１７１の長孔１７２を経て各フレーム１８の縦枠部及びバックアッププレート１８ａにより囲まれる空間に流入し、セパレータ基板１６とバックアッププレート１８ａにより挟まれる空間を経て単位セル１０Ａの燃料極１３側に供給される。これにより単位セル１０Ａの燃料極１３への水素の供給が行なわれる。そして燃料極１３に沿って横方向に流れる水素のうち、反応に関与しなかった余剰分が、反対側の水素流路に排出され、この水素流路につながる図１に示す配管により循環され最終的に燃焼器５３に排出される。
【００３１】
かくして燃料電池スタックに空気と共に送り込まれた水は、先に説明したように、一部は空気極側コレクタ１４の網目に付着して蒸発し、それ以外は気相中で網目に付着せずに蒸発して潜熱を奪うので、空気極１２側の固体高分子電解質膜１１からの水分の蒸発が防止される。したがって、固体高分子電解質膜１１はその空気極１２側で乾燥することなく、生成水により常に均一な湿潤状態を維持する。また、空気極１２の表面に供給された水は、空気極１２自体からも熱を奪いこれを冷却する。これにより燃料電池スタック１の温度を制御できる。
【００３２】
燃料電池スタック１内での水素の流れは、先に説明した通りである。燃料供給系４において、燃料電池スタック１の水素通路から吸引ポンプ４７の吸引により排出される水素ガスは、水素濃度センサ４６Ａ、４６Ｂにより濃度を計測され、所定の濃度以上のときは、排出電磁弁５２の閉鎖により逆止弁４８を経て水素供給路４０に還流される。また、所定の濃度に満たないときは、排出電磁弁５２の間歇的開放により逆止弁５１及び排出電磁弁５２を経て燃焼器５３に水素が排出され、燃焼器５３で完全燃焼させた排気が大気へ放出される。
【００３３】
こうしてこのシステムでは、燃料電池スタック１へ特に冷却水系を付設しなくても、空気流に乗せて水を供給することで、燃料電池スタック１を十分に湿潤し、且つ冷却することができる。この際、燃料電池スタック１の温度は、排気温度センサ３２で検出された排出空気の温度に対応してポンプ６２の出力や運転間隔を適宜制御することで、ノズル６３から空気マニホールド２２内に噴出させる水の噴射量が制御され、所望の温度に維持される。具体的には、燃料電池スタック１内に供給する水量を増やせば蒸発量が増え、水量を減らせば蒸発量が減ると共に、風量を増やせば温度が下がり、風量を減らせば温度が上がるので、供給水量と風量を制御することで、運転温度を制御できる。なお、燃料電池スタック１から空気と共に排出される水は、大部分が液体の状態を維持したまま排出されるため、水帰還路６０ａに流れポンプ６５に吸引されて逆止弁６６経由で水タンク６１に戻され、蒸発して水蒸気状になったものや水帰還路６０ａに回収されなかったものについては、水凝縮器３１で凝縮されて液状とされ、あるいはそのまま水凝縮器３１を通って同様にポンプ６５による吸引で水タンク６１に戻される。なお、排気空気に含まれる水蒸気には燃料電池スタック１の発電反応に伴う反応水に起因するものもあると考えられる。この水タンク６１の水位は、レベルセンサ６４でモニターされる。
【００３４】
このシステムの特徴は、コレクタ１４、１５が細かい網目状となっており、電極拡散層との接触面にも開口が形成されていることで、空気と水の混合流がこの開口を通過する際に攪拌されると共に、電極拡散層のコレクタ１４、１５との接触面にも混合ガスが供給されるので、燃料電池スタック１における電極全面に均一に空気を供給することができ、それにより濃度分極を少なくすることができる点にある。また、電極とコレクタとの網目状の接触により、電極全体から均一に集電できるため、集電抵抗が減少する。更に、電極全体の触媒を有効に使用できるため、活性化分極が少なくなる点にある。また、電極の有効面積を大きくすることができる利点も得られる。
【００３５】
以上説明した実施例１では、セパレータの電極拡散層との接触側、すなわちコレクタ１４、１５をランスカットメタルで構成したものを例示したが、このコレクタ１４、１５の素材として、金属繊維や、金属多孔体、二次元金属織布、金属不織布、波状金属体、溝状金属体、金網、パンチングメタルなど、他のものを用いることもできる。次にコレクタ素材を変更した他の実施例について説明する。
【実施例２】
【００３６】
次の図８に示す実施例２は、両コレクタ１４、１５をパンチングメタルで構成した例である。更にこの例では、両コレクタ素材を共通化すべく波状寸法、すなわち波の高さ及びピッチを実施例１における燃料極側のコレクタ１５と同一のものとしている。そしてこの構成の採用に伴い、波高が低くなった空気極側の流路断面積を確保すべく、セパレータ基板１６にもコレクタ１４の谷部１４４の配置ピッチに合わせたピッチでコレクタ１４側に突出する凸条１６１を形成して、セパレータ基板１６も波板状としている。以下、この実施例における実施例１との共通部分については同様の参照符号を付して説明に代え、以下相違点のみ説明する。
【００３７】
この例では、実施例１のコレクタ１４、１５と同様の板厚の素材にパンチによる多数の孔を一面に形成している。ちなみに図示の例では、板厚０．２ｍｍの板に縦横幅０．１ｍｍの孔を０．１ｍｍの間隔をおいて形成している。なお、図面では孔１４３、１５３の開口形状の向きを縦横平行としているが、この向きは、特に規制されるものではなく、実施例１と同様に斜め向きとすることも含めていかなる向きの配置も可能である。この実施例におけるセパレータ基板１６の凸条１６１の高さは、この高さとコレクタ１４の凸条１４１の高さとの和が実施例１におけるコレクタ１４の凸条の高さと等しくなる設定とすることで、空気極側の流路断面積を実施例１と同様とすることができる。
【００３８】
この実施例２によっても、実施例１と同様に拡散層に接するコレクタ１４、１５が細かい網目状となっていることで、燃料電池スタック１における電極全面に均一に空気を供給することができ、それにより濃度分極を少なくすることができる。また、電極とコレクタとの網目状の接触により、電極全体から均一に集電できるため、集電抵抗が減少する。更に、電極全体の触媒を有効に使用できるため、活性化分極が少なくなる。また、電極の有効面積を大きくすることができる利点も得られる。
【実施例３】
【００３９】
次の図９に示す例は、両コレクタ１４、１５を実施例２と同様のパンチングメタルで構成しているが、燃料極側のコレクタ１５を波状を有しない平板で構成した例である。この例の場合は、空気極側と燃料極側の流路断面積を共に確保すべく、セパレータ基板１６は、該基板の基準面に対して空気極側と燃料極側にともに突出する凸条１６１、１６２を形成した波板で構成されている。その他の構成については全て実施例２と同様であるので、相当する部材に同様の参照符号を付して説明に代える。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】燃料電池システムの構成図である。
【図２】本発明の実施例１に係る燃料電池スタックを構成するセルモジュールの上面図である。
【図３】セルモジュールを空気極側から見た正面図である。
【図４】セルモジュールを燃料極側から見た正面図である。
【図５】図３のＢ−Ｂ部分横断面を上から見た図である。
【図６】図３のＡ−Ａ部分縦断面を横から見た図である。
【図７】セルモジュールのセパレータの分解部分斜視図である。
【図８】本発明の実施例２に係るセパレータの分解部分斜視図である。
【図９】本発明の実施例３に係るセパレータの分解部分斜視図である。
【符号の説明】
【００４１】
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（網目状の導電体）
１６    基板
【図１】
2005268233.tif 000003
【図２】
2005268233.tif 000004
【図３】
2005268233.tif 000005
【図４】
2005268233.tif 000006
【図５】
2005268233.tif 000007
【図６】
2005268233.tif 000008
【図７】
2005268233.tif 000009
【図８】
2005268233.tif 000010
【図９】
2005268233.tif 000011