(57)【要約】      （修正有）【課題】  燃料電池スタック内部の隣接する２つのセルの間に設けられるセパレータの導電率を向上させることのできる技術を提供する。【解決手段】  セパレータ１３２は、多孔質領域１３４と、多孔質領域の内側に設けられた緻密質領域１３６と、を備える。緻密質領域は、多孔質領域よりも高い導電率を有する。緻密質領域は、セパレータの第１の側から第２の側まで連続しており、セパレータの少なくとも一方の側で多孔質領域よりも突出している。【選択図】  図１１
2005203295.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタック内部の隣接する２つのセルの間に設けられるセパレータであって、
多孔質領域と、
前記多孔質領域の内側に設けられ、前記多孔質領域よりも高い導電率を有する導電領域と、
を備え、
前記導電領域は、前記セパレータの第１の側から第２の側まで連続しており、前記セパレータの少なくとも一方の側で前記多孔質領域よりも突出していることを特徴とするセパレータ。
【請求項２】
請求項１記載のセパレータであって、
前記多孔質領域は、前記セパレータの前記第１の側から前記第２の側まで連続している、セパレータ。
【請求項３】
請求項１または２記載のセパレータであって、
前記導電領域は、緻密質領域である、セパレータ。
【請求項４】
請求項１または２記載のセパレータであって、
前記導電領域は、前記多孔質領域よりも小さな気孔率を有する、セパレータ。
【請求項５】
燃料電池スタック内部の隣接する２つのセルの間に設けられるセパレータを製造する方法であって、
（ａ）複数の貫通孔を有する略板状の多孔質部材を準備する工程と、
（ｂ）前記多孔質部材よりも高い導電率を有する複数の柱状の導電部材を準備する工程と、
（ｃ）前記多孔質部材に設けられた前記複数の貫通孔に前記複数の導電部材を挿入する工程と、
を備え、
前記工程（ｃ）は、前記セパレータの少なくとも一方の面で、前記導電部材が前記多孔質部材よりも突出するように、前記導電部材を挿入する工程を含むことを特徴とするセパレータの製造方法。
【請求項６】
請求項５記載のセパレータの製造方法であって、
前記導電部材は、緻密質部材である、セパレータの製造方法。
【請求項７】
請求項５記載のセパレータの製造方法であって、
前記導電部材は、前記多孔質部材よりも小さな気孔率を有する、セパレータの製造方法。
【請求項８】
複数のセルが積層された燃料電池スタックであって、
前記複数のセルのうちの注目セルは、
電解質層と、
前記電解質層に隣接する電極層と、
前記電極層に隣接するセパレータと、
を備え、
前記セパレータは、
多孔質領域と、
前記多孔質領域の内側に設けられ、前記多孔質領域よりも高い導電率を有する導電領域と、
を備え、
前記導電領域は、前記セパレータの第１の側から第２の側まで連続しており、前記セパレータの少なくとも一方の側で前記多孔質領域よりも突出しており、
前記導電領域の突出した端部は、前記電極層に接触していることを特徴とする燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックに関し、特に、隣接する２つのセルの間に設けられるセパレータの技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックは、複数のセルを含んでおり、隣接する２つのセルの間には、導電性を有するセパレータが設けられている。特許文献１では、隣接する２つのセルの間には、２つのセパレータが設けられている。各セパレータは、黒鉛粉末をモールド成形することによって得られた多孔質部材である。各セパレータは、双方の面に複数の凸部を有しており、凹部によって流路が形成されている。
【０００３】
第１のセパレータは、第１の面側に形成された複数の凸部において第１のＭＥＡ（イオン交換膜電解質／電極組立体）と接触しており、第１のセパレータと第１のＭＥＡとの間には、凹部によって水素ガスが通る水素ガス流路が形成されている。同様に、第２のセパレータは、第１の面側に形成された複数の凸部において第２のＭＥＡと接触しており、第２のセパレータと第２のＭＥＡとの間には、凹部によって空気（酸素ガス）が通る酸素ガス流路が形成されている。また、第１のセパレータの第２の面側に形成された複数の凸部は、第２のセパレータの第２の面側に形成された複数の凸部と接触しており、２つのセパレータの間には、対向する凹部によって冷却水が通る冷却水流路が形成される。
【０００４】
カソードで生成された水（生成水）は、多孔質部材で構成されたセパレータを透過して、酸素ガス流路から冷却水流路へ移動する。これにより、酸素ガス流路内の水分が低減され、フラッディング状態の発生を抑制することができる。
【０００５】
【特許文献１】特表平１１−５０８７２６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、従来の技術では、燃料電池スタックの発電性能が低いという問題があった。これは、セパレータの導電率が低いことに起因する。
【０００７】
この発明は、従来技術における上述の課題を解決するためになされたものであり、セパレータの導電率を向上させることのできる技術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】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の第１の装置は、燃料電池スタック内部の隣接する２つのセルの間に設けられるセパレータであって、
多孔質領域と、
前記多孔質領域の内側に設けられ、前記多孔質領域よりも高い導電率を有する導電領域と、
を備え、
前記導電領域は、前記セパレータの第１の側から第２の側まで連続しており、前記セパレータの少なくとも一方の側で前記多孔質領域よりも突出していることを特徴とする。
【０００９】
このセパレータは、多孔質領域を備えているため、このセパレータを燃料電池スタックで利用すれば、多孔質領域内で水分を移動させることができるため、フラッディング状態の発生を抑制することができる。また、このセパレータは、多孔質領域の内側に導電領域を備えているため、このセパレータを燃料電池スタックで利用すれば、導電領域の突出した端部をセル内の電極層と接触させることにより、導電領域を介して、電子を容易に移動させることができる。すなわち、セパレータの導電率を向上させることができる。
【００１０】
上記の装置において、
前記多孔質領域は、前記セパレータの前記第１の側から前記第２の側まで連続していることが好ましい。
【００１１】
こうすれば、多孔質領域を介して水分を移動させることができる。
【００１２】
上記の装置において、
前記導電領域は、緻密質領域であることが好ましい。
【００１３】
あるいは、上記の装置において、
前記導電領域は、前記多孔質領域よりも小さな気孔率を有することが好ましい。
【００１４】
こうすれば、導電領域の導電率を多孔質領域の導電率よりも容易に高く設定することができる。
【００１５】
本発明の方法は、燃料電池スタック内部の隣接する２つのセルの間に設けられるセパレータを製造する方法であって、
（ａ）複数の貫通孔を有する略板状の多孔質部材を準備する工程と、
（ｂ）前記多孔質部材よりも高い導電率を有する複数の柱状の導電部材を準備する工程と、
（ｃ）前記多孔質部材に設けられた前記複数の貫通孔に前記複数の導電部材を挿入する工程と、
を備え、
前記工程（ｃ）は、前記セパレータの少なくとも一方の面で、前記導電部材が前記多孔質部材よりも突出するように、前記導電部材を挿入する工程を含むことを特徴とする。
【００１６】
この方法を採用すれば、上記の第１の装置であるセパレータを容易に製造することができる。
【００１７】
本発明の第２の装置は、複数のセルが積層された燃料電池スタックであって、
前記複数のセルのうちの注目セルは、
電解質層と、
前記電解質層に隣接する電極層と、
前記電極層に隣接するセパレータと、
を備え、
前記セパレータは、
多孔質領域と、
前記多孔質領域の内側に設けられ、前記多孔質領域よりも高い導電率を有する導電領域と、
を備え、
前記導電領域は、前記セパレータの第１の側から第２の側まで連続しており、前記セパレータの少なくとも一方の側で前記多孔質領域よりも突出しており、
前記導電領域の突出した端部は、前記電極層に接触していることを特徴とする。
【００１８】
第２の装置は、上記の第１の装置であるセパレータを備えているため、多孔質領域内で水分を移動させ、フラッディング状態の発生を抑制することができる。また、導電領域を介して、電子を容易に移動させることができる。すなわち、セパレータの導電率を向上させることができることができ、この結果、燃料電池スタックの発電性能を向上させることができる。
【００１９】
なお、この発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、セパレータ、セパレータの製造方法、該セパレータを備える燃料電池スタック、該燃料電池スタックを備える燃料電池システム、該燃料電池システムを搭載した移動体などの装置等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池システムの全体構成：
Ａ−２．セルの構成：
Ａ−３．セパレータの製造方法：
Ａ−４．セパレータ材料の変形例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
【００２１】
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池システムの全体構成：
図１は、第１実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。なお、この燃料電池システムは、車両に搭載されている。
【００２２】
燃料電池システムは、燃料電池スタック１００と、燃料電池スタックに燃料ガス（水素ガス）を供給するための燃料ガス供給系と、燃料電池スタックに空気を供給するための空気供給系と、燃料電池スタックに冷却液を供給するための冷却液供給系と、を備えている。なお、本実施例では、空気は、酸化ガスおよび冷却ガスとして機能する。また、燃料電池システムは、システム全体の動作を制御するためのコントローラ６００を備えている。
【００２３】
燃料電池スタック（以下、単に「スタック」とも呼ぶ）１００は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池である。スタック１００は、積層された複数のセルを含んでいる。また、スタック１００内部には、複数の内部通路が設けられている。具体的には、スタック内部には、燃料ガスが通る内部燃料ガス通路２１０と、酸化ガス（空気）が通る内部酸化ガス通路２２０と、冷却液が通る内部冷却液通路２３０と、冷却ガス（空気）が通る内部冷却ガス通路２４０と、が設けられている。
【００２４】
燃料ガス供給系は、水素タンク３０２と、減圧弁３０４と、流量制御弁３０６と、を備えている。水素タンク３０２は、水素ガス（燃料ガス）を比較的高い圧力で貯蔵している。減圧弁３０４は、水素タンク３０２から供給された燃料ガスを所定の圧力に減圧する。流量制御弁３０６は、燃料ガスの流量を調整する。燃料ガスは、燃料ガス通路３１０を介してスタック１００に供給される。燃料ガスは、内部燃料ガス通路２１０を通る際に、スタック内部での電気化学反応に利用される。内部燃料ガス通路２１０を通過した使用済みの燃料オフガスは、燃料オフガス通路３９０を介して外部に排出される。燃料オフガス通路３９０には、遮断弁３９２が設けられている。遮断弁３９２は、間欠的に開状態に設定され、これにより、使用済みの燃料オフガスがスタック１００から排出される。
【００２５】
空気供給系は、空気ブロワ４０２を備えている。空気は、空気通路を介してスタック１００に供給される。ここで、空気通路は、スタック外部に設けられた第１および第２の外部空気通路４１０，４２０と、内部冷却ガス通路２４０と、を含んでいる。空気は、内部冷却ガス通路２４０を通る際には、冷却ガスとして機能し、スタック１００を冷却する。また、空気は、内部酸化ガス通路２２０を通る際には、酸化ガスとして機能し、スタック内部での電気化学反応に利用される。内部酸化ガス通路２２０を通過した使用済みの空気（酸化オフガス）は、酸化オフガス通路４９０を介して外部に排出される。
【００２６】
冷却液供給系は、循環ポンプ５０２と、熱交換器５０４と、を備えている。循環ポンプ５０２は、スタック外部に設けられた循環通路５１０と、内部冷却液通路２３０と、の間で冷却液（例えば水）を循環させる。冷却液は、内部冷却液通路２３０を通る際に、スタック１００を冷却する。熱交換器５０４は、スタック１００から排出された比較的温度の高い冷却液を冷却する。
【００２７】
なお、本実施例では、内部冷却ガス通路２４０を経由した空気が、内部酸化ガス通路２２０に供給されているが、これに代えて、内部酸化ガス通路２２０と内部冷却ガス通路２４０とには、独立して、空気が供給されるようにしてもよい。
【００２８】
Ａ−２．セルの構成：
図２は、燃料電池スタック１００内部のセルの構成を模式的に示す説明図である。図示するように、セル１１０は、膜−電極アセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）１２０と、２つのセパレータ１３０，１４０と、を備えている。ＭＥＡ１２０は、２つのセパレータ１３０，１４０によって挟まれている。前述のように、スタック１００は、図２に示すセル１１０が複数積層されて構成されている。
【００２９】
ＭＥＡ１２０は、電解質膜１２２と、アノード（水素極）１２４と、カソード（酸素極）１２６と、を含んでおり、電解質膜１２２は、２つの電極１２４，１２６によって挟まれている。なお、各電極１２４，１２６上には、ガスを拡散させるための図示しない拡散層が形成されている。
【００３０】
アノード側セパレータ１３０とカソード側セパレータ１４０とには、複数の孔や凹部が形成されている。複数の孔や凹部は、スタック内部の内部通路２１０，２２０，２３０，２４０（図１）を形成する。具体的には、各セパレータの一対の孔は、複数のセルを積層したときに、複数のセルを貫くように設けられている。すなわち、各セパレータの一対の孔は、上流側のセル間通路と下流側のセル間通路とを形成する。また、各セパレータの凹部は、一対の孔間を接続するように設けられている。すなわち、各セパレータの凹部は、上流側のセル間通路と下流側のセル間通路との間で流体を流通可能とするセル内通路を形成する。
【００３１】
より具体的には、各セパレータ１３０，１４０には、上流側および下流側のセル間燃料ガス通路２１０ａ，２１０ｃを構成する一対の孔と、上流側および下流側のセル間酸化ガス通路２２０ａ，２２０ｃを構成する一対の孔と、が形成されている。また、各セパレータ１３０，１４０には、上流側および下流側のセル間冷却液通路２３０ａ，２３０ｃを構成する一対の孔と、上流側および下流側のセル間冷却ガス通路２４０ａ，２４０ｃを構成する一対の孔と、が形成されている。
【００３２】
図３は、カソード側セパレータ１４０を模式的に示す説明図である。図３（Ａ），（Ｂ）は、それぞれ、図２に示すカソード側セパレータ１４０の第１の面Ｓｃ１と第２の面Ｓｃ２とを示している。図示するように、カソード側セパレータの第１の面Ｓｃ１には、セル内酸化ガス通路（カソード側通路）２２０ｂを構成する凹部が形成されている。また、第２の面Ｓｃ２には、セル内冷却液通路２３０ｂを構成する凹部と、セル内冷却ガス通路２４０ｂを構成する凹部と、が形成されている。
【００３３】
なお、図３に示すように、セル内冷却液通路２３０ｂを構成する凹部は、セル内酸化ガス通路２２０ｂを構成する凹部の上流側部分の背面に形成されており、セル内冷却ガス通路２４０ｂを構成する凹部は、セル内酸化ガス通路２２０ｂを構成する凹部の下流側部分の背面に形成されている。
【００３４】
アノード側セパレータ１３０は、カソード側セパレータ１４０と同様である。ただし、図２に示すアノード側セパレータの第１の面Ｓａ１には、セル内燃料ガス通路（アノード側通路）を構成する凹部が形成されている。また、第２の面Ｓａ２には、セル内冷却液通路２３０ｂを構成する凹部と、セル内冷却ガス通路２４０ｂを構成する凹部と、が形成されている。
【００３５】
なお、実際には、セル内ガス通路２１０ｂ，２２０ｂ，２４０ｂを構成する各凹部には、複数の凸部が設けられている。
【００３６】
図４は、セル１１０の断面を模式的に示す説明図である。アノード側セパレータ１３０は、緻密質部材（緻密質領域）である。カソード側セパレータ１４０は、第１の部分セパレータ１４１と第２の部分セパレータ１４２とを備えている。第１の部分セパレータ１４１は、緻密質部材（緻密質領域）である。第２の部分セパレータ１４２は、多孔質部材（多孔質領域）１４４と緻密質部材（緻密質領域）１４６とで構成されている。
【００３７】
多孔質領域１４４は、カソード側セパレータ１４０（より具体的には、第２の部分セパレータ１４２）の第１の面Ｓｃ１側から第２の面Ｓｃ２側まで連続している。また、緻密質領域１４６は、カソード側セパレータ１４０（より具体的には、第２の部分セパレータ１４２）の第１の面Ｓｃ１側から第２の面Ｓｃ２側まで連続しており、カソード側セパレータ１４０の双方の面側で、多孔質領域１４４よりも突出している。緻密質領域１４６の突出した一方の端部は、カソード１２６に接触しており、突出した他方の端部は、アノード側セパレータ１３０の凸部に接触している。
【００３８】
ここで、２つのセパレータ１３０，１４０に含まれる緻密質領域は、比較的小さな気孔率を有しており、水およびガスを透過させない性質を有している。また、緻密質領域は、比較的高い導電率を有している。一方、カソード側セパレータ１４０に含まれる多孔質領域は、比較的大きな気孔率を有しており、水およびガスが透過可能な性質を有している。また、多孔質領域は、比較的低い導電率を有している。なお、第２の部分セパレータ１４２は、図２，図３に示す領域Ｐに設けられている。
【００３９】
図４に示すように、セル内燃料ガス通路（アノード側通路）２１０ｂは、アノード側セパレータ１３０の第１の面Ｓａ１に設けられた凹部とＭＥＡ１２０との間に形成されており、セル内酸化ガス通路（カソード側通路）２２０ｂは、カソード側セパレータ１４０の第１の面Ｓｃ１に設けられた凹部とＭＥＡ１２０との間に形成されている。また、セル内冷却液通路２３０ｂとセル内冷却ガス通路２４０ｂとは、２つのセパレータ１３０，１４０の第２の面Ｓａ２，Ｓｃ２に設けられた凹部が組み合わされて形成されている。換言すれば、セル内冷却液通路２３０ｂとセル内冷却ガス通路２４０ｂとは、２つのセパレータ１３０，１４０の間に形成されている。特に、セル内酸化ガス通路２２０ｂは、第２の部分セパレータ１４２の第１の面Ｓｃ１側に設けられており、セル内冷却ガス通路２４０ｂは、第２の部分セパレータ１４２の第２の面Ｓｃ２側に設けられている。なお、上流側および下流側のセル間酸化ガス通路２２０ａ，２２０ｃは、各セパレータ１３０，１４０に設けられた一対の孔によって形成されている。
【００４０】
上記のようなカソード側セパレータ１４０を用いれば、セル内冷却ガス通路２４０ｂに冷却ガス（空気）を供給することによって、スタック１００を冷却することができる。また、セル内冷却ガス通路２４０ｂを通る冷却ガスは、多孔質領域１４４を介して、セル内酸化ガス通路２２０ｂの水分を持ち去ることができる。具体的には、セル内酸化ガス通路２２０ｂ内の水は、毛管吸引力によって、多孔質領域１４４内部に容易に取り込まれる。そして、多孔質領域１４４に取り込まれた水分は、多孔質領域１４４内部を移動して、セル内冷却ガス通路２４０ｂを流れる冷却ガス（空気）中に排出される。多孔質領域１４４が水分を取り込むと、多孔質領域１４４は、シール機能を獲得する。このため、セル内酸化ガス通路２２０ｂとセル内冷却ガス通路２４０ｂとの間のガスの移動は、抑制される。
【００４１】
なお、本実施例では、多孔質領域１４４による水分の取り込みと、多孔質領域１４４を介した水分の移動と、を促進させるために、多孔質領域１４４に親水性が付与されている。親水性は、例えば、多孔質部材１４４を過酸化水素水中で煮沸処理して、または、多孔質部材１４４に紫外線照射処理やプラズマ処理を行って、多孔質部材の表面に水酸基（−ＯＨ基）を導入することによって、付与される。
【００４２】
本実施例では、図４に示すように、多孔質領域１４４を含む第２の部分セパレータ１４２は、セル内冷却ガス通路２４０ｂとセル内酸化ガス通路２２０ｂの下流側部分との間に、設けられている。これは、通常、セル内酸化ガス通路２２０ｂでは、下流側部分の水分量が比較的多く、上流側部分の水分量が比較的少ないためである。すなわち、スタック内部の電気化学反応の進行に伴って生じた生成水は、セル内酸化ガス通路２２０ｂを通る酸化ガス中に気化して、該酸化ガスと共に下流に向かう。このため、セル内酸化ガス通路２２０ｂの下流側ほど、水分量が多くなる。そこで、本実施例では、セル内酸化ガス通路２２０ｂの下流側部分に、多孔質領域１４４を含む第２の部分セパレータ１４２が設けられている。なお、本実施例では、セル内冷却ガス通路２４０ｂを経由して加湿された酸化ガスが、セル内酸化ガス通路２２０ｂに供給されている。このため、加湿された酸化ガスは、水分量が比較的少ないセル内酸化ガス通路２２０ｂの上流側部分に、水分を与えることができる。
【００４３】
Ａ−３．セパレータの製造方法：
図５は、カソード側セパレータ１４０の製造手順を示すフローチャートである。図６は、カソード側セパレータ１４０の製造過程を模式的に示す説明図である。
【００４４】
ステップＳ１００（図５）では、図６（Ａ）に示すように、第１の部分セパレータ１４１が準備される。図示するように、第１の部分セパレータ１４１には、双方の面Ｓｃ１，Ｓｃ２側に凸部が形成されている。また、第１の部分セパレータ１４１には、略矩形の開口部１４１ｈが設けられている。なお、開口部１４１ｈは、図２，図３に示す領域Ｐに対応する。
【００４５】
前述のように、第１の部分セパレータ１４１は、緻密質部材である。第１の部分セパレータ１４１は、カーボン粉末（例えば黒鉛）と樹脂バインダとを混合し、型を利用して混合物を圧縮成形することによって得られる。圧縮の際には、加熱されてもよい。あるいは、第１の部分セパレータ１４１は、略板状の緻密質部材を加工することによって作製されてもよい。
【００４６】
ステップＳ２００では、図６（Ｂ）に示すように、第２の部分セパレータ１４２が準備される。第２の部分セパレータ１４２は、略矩形の外形形状を有しており、双方の面Ｓｃ１，Ｓｃ２側に凸部を有している。前述のように、第２の部分セパレータ１４２は、多孔質領域１４４と緻密質領域１４６とを含んでいる。第２の部分セパレータ１４２の製造手順については、後述する。
【００４７】
ステップＳ３００では、図６（Ｃ）に示すように、第１の部分セパレータ１４１の開口部１４１ｈに、第２の部分セパレータ１４２が挿入（圧入）される。
【００４８】
上記のステップＳ１００〜Ｓ３００の処理によって、カソード側セパレータ１４０が得られる。なお、緻密質のアノード側セパレータ１３０は、緻密質の第１の部分セパレータ１４１と同様に作製可能である。
【００４９】
図７は、第２の部分セパレータ１４２の製造手順を示すフローチャートである。図８は、第２の部分セパレータ１４２の製造過程を模式的に示す説明図である。
【００５０】
図７のステップＳ２１０では、図８（Ａ）に示すように、板状の多孔質部材（多孔質基板）１４４が準備される。多孔質基板１４４は、その内側に複数の略円柱状の貫通孔１４５を有している。
【００５１】
多孔質基板１４４は、略板状の多孔質部材を準備し、該多孔質部材に穴開け加工を施すことによって作製可能である。多孔質部材は、カーボン粉末（例えば黒鉛）と樹脂バインダとを混合し、型を利用して混合物を圧縮成形することによって作製可能である。圧縮の際には、加熱されてもよい。多孔質部材の気孔率は、カーボン粉末の形状や、サイズ、カーボン粉末と樹脂バインダとの混合比率などを変更することによって、調整可能である。なお、多孔質基板１４４は、型を利用して、複数の貫通孔を有する状態で一体的に成形されるようにしてもよい。
【００５２】
ステップＳ２２０では、図８（Ｂ）に示すように、複数の緻密質部材１４６が準備される。緻密質部材１４６は、略円柱状の部材であり、その直径は、多孔質基板１４４に設けられた貫通孔１４５の直径とほぼ等しく設定されている。また、緻密質部材１４６の母線の長さは、多孔質基板１４４の厚みよりも大きく設定されている。
【００５３】
緻密質部材１４６は、第１の部分セパレータと同様に、カーボン粉末と樹脂バインダとを混合し、型を利用して混合物を圧縮成形することによって得られる。あるいは、緻密質部材１４６は、緻密質のバルクを加工することによって作製されてもよい。
【００５４】
ステップＳ２３０（図７）では、図８（Ｃ）に示すように、多孔質基板１４４に設けられた複数の貫通孔１４５に、複数の緻密質部材１４６が挿入（圧入）される。図８（Ｃ）では、緻密質部材１４６は、多孔質基板１４４の双方の面側において、多孔質基板１４４よりも突出している。
【００５５】
上記のステップＳ２１０〜Ｓ２３０の処理によって、第２の部分セパレータ１４２が得られる。
【００５６】
本実施例では、ステップＳ２３０において、多孔質基板１４４に設けられた複数の貫通孔１４５に、複数の緻密質部材１４６が圧入されることによって、複数の緻密質部材１４６が多孔質基板１４４に固定されている。しかしながら、これに代えて、あるいは、これと共に、複数の緻密質部材１４６が複数の貫通孔１４５に挿入された状態で、樹脂バインダの溶融温度以上に加熱するようにしてもよい。このようにしても、緻密質部材１４６を多孔質基板１４４に固定することができる。
【００５７】
また、本実施例では、多孔質基板１４４と緻密質部材１４６とが個別に準備されるている。このため、多孔質領域１４４を比較的精度良く、かつ、薄く作製することが容易である。これにより、カソード側セパレータ１４０の厚みを小さくすることができ、この結果、スタック１００のサイズを小さくすることができる。
【００５８】
上記のような構造を有するカソード側セパレータ１４０を用いれば、多孔質領域１４４を介して水分を移動させることができるため、セル内酸化ガス通路２２０ｂ内でのフラッディング状態の発生を抑制することができる。より具体的には、多孔質領域１４４を介して、セル内酸化ガス通路２２０ｂ内の水分をセル内冷却ガス通路２４０ｂへ移動させることができる。また、緻密質領域１４６は、多孔質領域１４４よりも導電率が高いため、燃料電池スタックの発電性能（出力電圧）を向上させることができる。より具体的には、図４に示すように、緻密質のアノード側セパレータ１３０と緻密質領域１４６とを介して、第１のセル内のアノード１２４で発生した電子を、隣接する第２のセル内のカソード１２６へ容易に移動させることができる。
【００５９】
Ａ−４．セパレータ材料の変形例：
本実施例では、多孔質部材（多孔質基板）は、カーボン粉末と樹脂バインダとを用いて作製されているが、これに代えて、他の材料を用いても作製されてもよい。
【００６０】
例えば、多孔質部材は、発泡成形によって作製可能である。具体的には、樹脂材料に発泡剤を混合し、型内で発泡剤を発泡させることによって、多孔質部材を得ることができる。なお、樹脂材料としては、例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）や、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、液晶ポリマ（ＬＣＰ）、またはこれらと親水性を示す物質（例えばシリカや、ビニルアルコールなどの親水性樹脂）との混合物などを利用可能である。また、発泡剤に代えて、ガスを混合させるようにしてもよい。多孔質部材の気孔率は、樹脂材料の粒径を変更したり、樹脂材料と発泡剤（またはガス）との混合比率を変更したりすることによって、調整可能である。
【００６１】
また、多孔質部材は、粉末成形によって作製可能である。具体的には、樹脂粉末を加圧しつつ、樹脂粉末の融点よりも低い温度で加熱することによって、多孔質部材を得ることができる。なお、樹脂粉末としては、例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）や、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、液晶ポリマ（ＬＣＰ）、またはこれらと親水性を示す物質（例えばシリカや、ビニルアルコールなどの親水性樹脂）との混合物などの粉末を利用可能である。多孔質部材の気孔率は、樹脂粉末の粒径を変更したり印加する圧力を変更したりすることによって、調整可能である。
【００６２】
さらに、多孔質部材は、織布（または不織布）と、熱硬化樹脂材料と、を用いて作製可能である。具体的には、織布に熱硬化性樹脂材料を少量含浸させて加熱し、熱硬化樹脂材料を硬化させることによって、多孔質部材を得ることができる。熱硬化性樹脂材料としては、例えば、エポキシやフェノールなどを利用可能である。加熱の際に、圧力を印加するようにしてもよい。多孔質部材の気孔率は、熱硬化性樹脂材料の粒径を変更したり、印加する圧力を変更したりすることによって、調整可能である。
【００６３】
なお、多孔質部材は、焼結金属などの金属多孔質体を用いて作製されてもよい。
【００６４】
また、本実施例では、緻密質部材は、多孔質部材と同種の材料、すなわち、カーボン粉末と樹脂バインダとを用いて作製されているが、これに代えて、他の材料を用いても作製されてもよい。例えば、カーボン粉末に代えて、導電性を維持したまま防食処理が施された金属粉末や導電性セラミックが用いられてもよい。
【００６５】
Ｂ．第２実施例：
図９は、第２実施例における第２の部分セパレータ１４２Ｂを示す説明図であり、図８（Ｃ）に対応する。図９は、図８（Ｃ）とほぼ同じであるが、多孔質基板１４４Ｂと緻密質部材１４６Ｂとの関係が変更されている。具体的には、図８（Ｃ）では、緻密質部材１４６Ｂは、多孔質基板１４４Ｂの双方の面側に突出しているが、図９では、緻密質部材１４６Ｂは、多孔質基板１４４Ｂの一方の面側のみに突出している。
【００６６】
図１０は、第２実施例におけるセル１１０Ｂの断面を模式的に示す説明図である。図１０は、図４とほぼ同じであるが、第２の部分セパレータ１４２Ｂの変更に伴って、アノード側セパレータ１３０Ｂと、カソード側セパレータ１４０Ｂを構成する第１の部分セパレータ１４１Ｂと、の形状が変更されている。
【００６７】
具体的には、アノード側セパレータ１３０Ｂの第２の面Ｓａ２側の凸部の高さが変更されている。また、カソード側セパレータ１４０Ｂを構成する第１の部分セパレータ１４１Ｂの第１の面Ｓｃ１側には、凸部が形成されているが、第２の面Ｓｃ２側には、凸部は形成されていない。
【００６８】
そして、セル内冷却液通路２３０ｂは、アノード側セパレータ１３０Ｂの第２の面Ｓａ２に設けられた凹部と第１の部分セパレータ１４１Ｂの平坦な第２の面Ｓｃ２との間に形成されており、セル内冷却ガス通路２４０ｂは、アノード側セパレータ１３０Ｂの第２の面Ｓａ２に設けられた凹部と第２の部分セパレータ１４２Ｂの平坦な第２の面Ｓｃ２との間に形成されている。
【００６９】
本実施例においても、緻密質領域１４６Ｂは、カソード側セパレータ１４０Ｂ（より具体的には、第２の部分セパレータ１４２Ｂ）の第１の面Ｓｃ１側から第２の面Ｓｃ２側まで連続している。そして、緻密質領域１４６Ｂの突出した一方の端部は、カソード１２６に接触しており、他方の端部は、アノード側セパレータ１３０Ｂの第２の面Ｓａ２側に設けられた凸部に接触している。
【００７０】
上記のような構造を有するカソード側セパレータ１４０Ｂを利用する場合にも、第１実施例と同様に、多孔質領域１４４Ｂを介して、セル内酸化ガス通路２２０ｂ内の水分をセル内冷却ガス通路２４０ｂへ移動させることができると共に、緻密質領域１４６Ｂを介して、第１のセル内のアノード１２４で発生した電子を、隣接する第２のセル内のカソード１２６へ容易に移動させることができる。
【００７１】
Ｃ．第３実施例：
図１１は、第３実施例におけるセル１１０Ｃの断面を模式的に示す説明図である。図１１は、図４とほぼ同じであるが、アノード側セパレータ１３０Ｃが変更されている。
【００７２】
具体的には、アノード側セパレータ１３０Ｃは、第１の部分セパレータ１３１と第２の部分セパレータ１３２とを備えている。第１の部分セパレータ１３１は、緻密質部材（緻密質領域）である。第２の部分セパレータ１３２は、多孔質部材（多孔質領域）１３４と緻密質部材（緻密質領域）１３６とで構成されている。
【００７３】
図１２は、第３実施例におけるアノード側セパレータ１３０Ｃの製造過程を模式的に示す説明図である。なお、このアノード側セパレータ１３０Ｃは、第１実施例（図５，図７）のカソード側セパレータ１４０と同様の手順で作製される。
【００７４】
図１２（Ａ）では、第１の部分セパレータ１３１が準備されている。図示するように、第１の部分セパレータ１３１の第１の面Ｓａ１側には、比較的深い凹部１３１ｃが形成されており、凸部は形成されていない。なお、第２の面Ｓａ２側には、凸部が形成されている。
【００７５】
図１２（Ｂ）では、第２の部分セパレータ１３２が準備されている。図示するように、第２の部分セパレータ１３２は、多孔質領域１３４と緻密質領域１３６とを含んでいる。なお、第２の部分セパレータ１３２は、第１実施例（図７，図８）の第２の部分セパレータ１４２と同様の手順で作製される。ただし、本実施例では、第２の部分セパレータ１３２は、図９と同様の構造を有している。具体的には、緻密質部材１３６は、多孔質基板１３４の第１の面Ｓａ１側のみに突出しており、第２の面Ｓａ２側には突出していない。
【００７６】
図１２（Ｃ）では、第１の部分セパレータ１３１の凹部１３１ｃに、第２の部分セパレータ１３２が挿入（圧入）される。これにより、アノード側セパレータ１３０Ｃが得られる。
【００７７】
本実施例では、緻密質領域１３６は、第２の部分セパレータ１３２の第１の面Ｓａ１側から第２の面Ｓａ２側まで連続している。そして、緻密質領域１３６の突出した一方の端部は、アノード１２４に接触しており、他方の端部は、第１の部分セパレータ１３１に接触している。
【００７８】
上記のような構造を有するアノード側セパレータ１３０Ｃを用いれば、多孔質領域１３４内で水分を移動させることができるため、セル内燃料ガス通路２１０ｂ内でのフラッディング状態の発生を抑制することができる。より具体的には、セル内酸化ガス通路２２０ｂ中の水分は、電解質膜１２２を介して、セル内燃料ガス通路２１０ｂ内に侵入し得る。なお、水分は、特に、水分の比較的多いセル内酸化ガス通路２２０ｂの下流側部分から侵入し易い。しかしながら、セル内燃料ガス通路２１０ｂ内に侵入した水を、多孔質領域１３４の全体に移動させることができる。このため、セル内燃料ガス通路２１０ｂ内での局所的なフラッディング状態の発生を抑制することができる。また、緻密質領域１３６は、多孔質領域１３４よりも導電率が高いため、第１のセル内のアノード１２４で発生した電子を、隣接する第２のセル内のカソード１２６へ容易に移動させることができる。
【００７９】
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００８０】
（１）上記実施例では、部分セパレータ１４２，１４２Ｂ，１３２は、多孔質基板と、多孔質基板の内側に設けられた緻密質の柱状部材と、を備えているが、柱状部材は、緻密質でなくてもよい。例えば、柱状部材は、気孔を有しておらず、導電性を維持したまま防食処理が施された金属部材であってもよい。あるいは、柱状部材は、緻密質ではないが多孔質基板よりも小さな気孔率を有する部材（すなわち多孔質部材）であってもよい。多孔質基板と柱状部材とが同種の材料（例えば、カーボン粉末と樹脂バインダ）を用いて作製される場合には、通常、柱状部材の気孔率を多孔質基板の気孔率よりも小さくすれば、柱状部材の導電率を多孔質基板の導電率よりも容易に高く設定することができる。ただし、多孔質基板と柱状部材とが異なる種類の材料を用いて作製される場合には、柱状部材の気孔率が多孔質基板の気孔率より大きい場合にも、柱状部材の導電率を多孔質基板の導電率よりも高く設定し得る。
【００８１】
一般には、セパレータ（部分セパレータ）は、多孔質領域と、多孔質領域の内側に設けられた導電領域と、を含んでいればよい。そして、導電領域は、多孔質領域よりも高い導電率を有していればよい。
【００８２】
（２）第１および第２実施例では、多孔質領域の一方の面側に酸化ガス（空気）が供給され、他方の面側に冷却ガス（空気）が供給されている。すなわち、第１および第２実施例では、多孔質領域の双方の面側には、同種の流体が供給されている。しかしながら、これに代えて、異なる種類の流体が供給されるようにしてもよい。例えば、多孔質領域の一方の面側に酸化ガス（空気）が供給され、他方の面側に冷却液（水）が供給されるようにしてもよい。この場合にも、セル内酸化ガス通路内の圧力を、セル内冷却液通路内の圧力よりも大きく設定すれば、多孔質領域を介して、セル内酸化ガス通路内の水分をセル内冷却液通路へ移動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】第１実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池スタック１００内部のセルの構成を模式的に示す説明図である。
【図３】カソード側セパレータ１４０を模式的に示す説明図である。
【図４】セル１１０の断面を模式的に示す説明図である。
【図５】カソード側セパレータ１４０の製造手順を示すフローチャートである。
【図６】カソード側セパレータ１４０の製造過程を模式的に示す説明図である。
【図７】第２の部分セパレータ１４２の製造手順を示すフローチャートである。
【図８】第２の部分セパレータ１４２の製造過程を模式的に示す説明図である。
【図９】第２実施例における第２の部分セパレータ１４２Ｂを示す説明図である。
【図１０】第２実施例におけるセル１１０Ｂの断面を模式的に示す説明図である。
【図１１】第３実施例におけるセル１１０Ｃの断面を模式的に示す説明図である。
【図１２】第３実施例におけるアノード側セパレータ１３０Ｃの製造過程を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
【００８４】
１００…燃料電池スタック
１１０，Ｂ，Ｃ…セル
１２０…膜−電極アセンブリ（ＭＥＡ）
１２２…電解質膜
１２４…アノード
１２６…カソード
１３０，Ｂ，Ｃ…アノード側セパレータ
１３１…第１の部分セパレータ
１３１ｃ…凹部
１３２…第２の部分セパレータ
１３４…多孔質領域（多孔質基板）
１３６…緻密質領域（緻密質部材）
１４０，Ｂ…カソード側セパレータ
１４１，Ｂ…第１の部分セパレータ
１４１ｈ…開口部
１４２，Ｂ…第２の部分セパレータ
１４４，Ｂ…多孔質領域（多孔質基板）
１４５…貫通孔
１４６，Ｂ…緻密質領域（緻密質部材）
２１０…内部燃料ガス通路
２１０ａ，２１０ｃ…セル間燃料ガス通路
２１０ｂ…セル内燃料ガス通路（アノード側通路）
２２０…内部酸化ガス通路
２２０ａ，２２０ｃ…セル間酸化ガス通路
２２０ｂ…セル内酸化ガス通路（カソード側通路）
２３０…内部冷却液通路
２３０ａ，２３０ｃ…セル間冷却液通路
２３０ｂ…セル内冷却液通路
２４０…内部冷却ガス通路
２４０Ｂ…内部冷却ガス通路
２４０ａ，２４０ｃ…セル間冷却ガス通路
２４０ｂ…セル内冷却ガス通路
３０２…水素タンク
３０４…減圧弁
３０６…流量制御弁
３１０…燃料ガス通路
３９０…燃料オフガス通路
３９２…遮断弁
４０２…空気ブロワ
４１０，４２０…外部空気通路
４９０…酸化オフガス通路
５０２…循環ポンプ
５０４…熱交換器
５１０…循環通路
６００…コントローラ
【図１】
2005203295.tif 000003
【図２】
2005203295.tif 000004
【図３】
2005203295.tif 000005
【図４】
2005203295.tif 000006
【図５】
2005203295.tif 000007
【図６】
2005203295.tif 000008
【図７】
2005203295.tif 000009
【図８】
2005203295.tif 000010
【図９】
2005203295.tif 000011
【図１０】
2005203295.tif 000012
【図１１】
2005203295.tif 000013
【図１２】
2005203295.tif 000014