(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層と該電解質層の両側に設けられた燃料極及び酸素極とからなる単位セルが、該酸素極との間に、空気と水の混合流が供給される酸化ガス室を形成するセパレータを挟んで積層された燃料電池スタックであって、
前記セパレータは、前記酸素極に接触する網状の金属製集電部材を有し、
前記酸化ガス室は、上部に混合流の導入口を、下部に混合流の導出口を有し、
該導出口に、前記集電部材が前記酸素極よりも下側に延出して形成され、酸化ガス室の壁面に溜まった水滴を落下させる突出部を有し、
更に、前記突出部は、下端のみに撥水領域を有していることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記突出部は、下端が傾斜した傾斜部を有している請求項１に記載の燃料電池スタック。
【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かかり、より詳細には、供給水を排出するための構成を有する燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高分子電解質膜を使用した燃料電池では、電解質膜を挟んで両側に燃料室及び酸素室が存在し、燃料室における燃料ガスが燃料極を介し、或いは、酸素室における酸化ガス（主として空気中の酸素）が酸素極を介し、イオン化し、そのイオンを、電解質膜を介して取り出して電力を得ている。
【０００３】
上記酸素室からは、電力取得後、酸化ガスが排気室に排出される。また、上記酸素室への酸化ガスの流入の際、酸素室に、水タンクからの冷却水を噴射流入する。このように、酸素室に冷却水が噴射されるので、噴射された水は、酸素室を介して排気室に到達する。また、冷却水は、電解質膜を湿潤状態に維持する作用も有する。燃料電池スタックを構成する電解質膜を全て湿潤状態に維持するには、積層された各電解質膜に酸素及び水を均一に供給する必要がある。
【特許文献１】特開2004-031175号公報(図４中符号９５，９５１)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、酸素室に供給された冷却水は、空気流通路９５から落下する際、開口９５１で水滴を成長させ、滴下し得る大きさに成長してから落下する。この開口９５１に溜まる水滴が、空気流通路９５の空気流を妨げ、冷却作用の低下を招くことが懸念される。
【０００５】
本発明の目的は、上記事実に鑑み成されたもので、冷却水の排出を促して空気の流通を良好とする燃料電池スタックを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以上のような問題を解決する本発明は、以下のような構成を有する。 
（１）電解質層と該電解質層の両側に設けられた燃料極及び酸素極とからなる単位セルが、該酸素極との間に、空気と水の混合流が供給される酸化ガス室を形成するセパレータを挟んで積層された燃料電池スタックであって、
前記セパレータは、前記酸素極に接触する網状の金属製集電部材を有し、
前記酸化ガス室は、上部に混合流の導入口を、下部に混合流の導出口を有し、
該導出口に、前記集電部材が前記酸素極よりも下側に延出して形成され、酸化ガス室の壁面に溜まった水滴を落下させる突出部を有し、
更に、前記突出部は、下端のみに撥水領域を有していることを特徴とする燃料電池スタック。
【００１０】
（２） 前記突出部は、下端が傾斜した傾斜部を有している上記（１）に記載の燃料電池スタック。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１記載の発明によれば、導入口から空気とともに取り入れられた水は、導出口から突出部を伝って落ちるため、導出口を水滴が塞ぐことがなく、空気を滞りなく流通させることがきる。セパレータを構成する酸素極側の集電部材が下方へ突出しているので、酸化ガス室の内壁面に連続した面を有する突出部が設けられることとなり、水滴が酸化ガス室の外側へ伝い落ちることが容易となる。下端に撥水処理が施されているため、下端に到達した水滴が、容易に突出部から離れて落下する。
【００１４】
請求項２記載の発明によれば、突出部の下端が傾斜しているので、傾斜に沿って、水滴が成長しながら伝い落ちることとなり、水滴の落下をさらに促進させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
次にこの発明の好適実施形態について説明する。この実施形態は、電気自動車に搭載される燃料電池システムである。図１は、この発明の燃料電池システム１の構成を示すブロック図である。図１に示されているように、この燃料電池システム１は燃料電池スタック１００、水素貯蔵タンク１１を含む燃料供給系１０、空気供給系１２、水供給系５０、負荷系７とに大略構成される。
【００１６】
この燃料電池スタック１００の構成について説明する。図２は、燃料電池用セパレータ１３を示す全体正面図、図３は、燃料電池セパレータ１３で構成された燃料電池スタック１００の部分断面平面図（図２におけるＡ‐Ａ断面図）、図４は、燃料電池用セパレータ１３の全体背面図、図５は、燃料電池用セパレータ１３の部分拡大側面断面図（図４におけるＢ-Ｂ断面図）、図６は、集電部材３、４及び隔壁７の位置関係を示す部分拡大斜視図である。
【００１７】
燃料電池スタック１００は、燃料電池単位セル１５と燃料電池セパレータ１３とを交互に積層して構成されている。セパレータ１３は、単位セル１５の電極に接触して電流を外部に取り出すための集電部材３、４と、各集電部材３、４の周端部に外装される枠体８、９と、集電部材３、４の間に介挿された隔壁７とを備えている。隔壁７によって、燃料ガスと酸化ガスの直接の接触(混合)が阻止される。集電板である集電部材３、４と隔壁７は、金属で構成されている。集電部材３、４と隔壁７の構成金属は、それぞれ導電性と耐食性を備えた金属で、例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン合金等に耐蝕導電処理を施したもの等が挙げられる。耐食導電処理としては、例えば、金メッキなどか挙げられる。集電部材３は、単位セル１５の燃料極に接触し、集電部材４は酸素極に接触する。集電部材３には、プレス加工によって、突出形成された複数の凸状部３２が形成されている。
【００１８】
凸状部３２は、板材の長辺に沿って短辺方向へ向けて、等間隔で配列されている。長辺に沿って（図２における横方向）配置された凸状部３２の間に形成された溝によって、凸状部３２の間には水素流路３０１が形成され、図３に示されているように、凸状部３２の裏側に形成された溝３３によって、水素流路３０２が形成されている。この凸状部３２の頂点部分の面は、燃料極が接触する当接部３２１となっている。集電部材３が網体であるため、当接部３２１が接触する部分においても、孔３２０を介して、燃料極は燃料ガスを供給することができる。また、図６に示されているように、水素流路３０１と水素流路３０２の間も、孔３２０を介して、水素ガスが相互に流通可能となる。集電部材３の両端部は、セパレータ１３を積層した場合に形成される水素供給路(１７a又は１７b)に及んでいる。
【００１９】
集電部材４は、プレス加工によって、複数の凸状部４２が形成されている。凸状部４２は、板材の短辺に平行(鉛直方向)に直線状に連続して形成されており、等間隔で配置されている。凸状部４２の間には、溝が形成されて、空気が流通する空気流路４０が形成されている。この凸状部４２の頂点部分の面は、酸素極が接触する当接部４２１となっている。図６に示されているように、集電部材４は、網体であるため当接部４２１が接触する部分においても孔４２０を介して酸化ガス(空気中の酸素)を供給することができる。また、凸状部４２の裏側は溝状の中空部４１となっている。
【００２０】
以上のような集電部材３、４は、各凸状部３２と凸状部４２が外側となるように重ね合わされて固定される。このとき、集電部材３の裏側面３４と空気流路４０の裏側面４０３は、それぞれ隔壁７の表裏面に当接した状態となり、相互に通電可能な状態となる。また、空気流路４０は、図３に示されているように、単位セル１５に重ね合わされ、溝の開口部４００を閉鎖することにより、管状の流路が構成され、空気流路４０の内壁の一部が酸素極で構成される。この空気流路４０から、単位セル１５の酸素極に酸素と水が供給される。また、中空部４１からは、集電部材４の網目を介して酸素極に酸素と水が供給される。酸素極に供給される酸素は、空気流路４０、中空部４１を通過する空気中に含有される酸素である。  
このような集電部材４には、後述する枠体９が重ねあわされる。そして、集電部材４の上端は、枠体９の上端に達し、下端は、枠体９から突出し、突出部４８を構成する。
【００２１】
空気流路４０の上端側開口部は、空気と水が流入する導入口４３となり、他端の開口部は、空気と水が流出する導出口４４となる。また、中空部４１の一端側開口部は、空気と水が流入する流入開放口４５となり、他端の開口部は、空気と水が流出する流出開放口４６となっている。以上のような構成において、空気流路４０と中空部４１は、交互に平行に配置され、相互に側壁４７を挟んで隣接した構成となっている。この導入口４３から導出口４４までの空気流路４０及び流入開放口４５から流出開放口４６までの中空部４１、並びにこれらの集合体が、固体電解質膜に酸素を供給する酸素室（酸化ガス室）として機能する。  
隔壁７の両端部には、通気孔７３が形成されており、通気孔７３の長辺は、集電部材３の短辺と同じ長さに形成されており、通気孔７３ａ、７３ｂは、水素供給路(１７a又は１７b)を構成する。
【００２２】
集電部材３、４には、枠体８、９がそれぞれ重ねられる。図２に示されているように、集電部材３に重ねられる枠体８は、隔壁７と同じ大きさに構成され、中央には、集電部材３を収納する窓８１が形成されている。また、両端部近傍には、隔壁７の流通孔７３に合致する位置に孔８３が形成されており、この孔８３ａ、８３ｂと窓８１との間には、集電部材３を収容する凹部が形成され、水素流通経路８４が設けられている。また、集電部材３に接触する面に対して、反対側の平面には、輪郭が窓８１に沿って形成された凹部が形成され、単位セル１５が収納される収納部８２が設けられている。この収納部８２に収納された単位セル１５の燃料極表面と、交互に配された複数の水素流路３０１、３０２と、窓８１とによって、燃料室３０が画成される。このように、燃料室は、燃料極に隣接して設けられ、酸素室は酸素極に隣接して設けられている。  
集電部材４に重ねられる枠体９は、枠体８及び隔壁７と同じ大きさに構成され、中央には、集電部材４を収納する窓９１が形成されている。また、両端部近傍には、隔壁７の流通孔７３に合致する位置に孔９３ａ、９３ｂが形成されている。
【００２３】
図７は、燃料電池スタック１００の部分拡大平面図である。枠体９の集電部材４が重ねられる側の面には、枠体９の対向する一対の長辺に沿って溝９４１、９５１（図５、図７参照）がそれぞれ形成され、溝９４１、９５１内に集電部材４の上下端部が収容される。溝９４１、９５１と集電部材４で構成された通路は、酸素室に連通している。  
また、枠体９の、集電部材４に接触する面に対して、反対側の平面には、輪郭が窓９１に沿って形成された凹部が形成され、単位セル１５が収納される収納部９２が設けられている。上記溝９４１の集電部材４の上端に有する開口部（空気取入部９４２）の集合体によって、燃料電池スタック１００の上面には、矩形状の開口９４０が形成され、この開口９４０に、空気マニホールド５４から空気が流入する。
【００２４】
図８は単位セル１５の拡大断面図である。単位セル１５は、固体高分子電解質膜１５ａと、該固体高分子電解質膜1５ａの両側面にそれぞれ重ねられた酸化剤極である酸素極１５ｂと燃料極１５ｃとを備えていて、固体高分子電解質膜１５ａは、酸素極１５ｂと燃料極１５ｃとで挟持されている。固体高分子電解質膜1５ａは、収納部８２、９２に合致した大きさに形成され、酸素極１５ｂと燃料極１５ｃは、窓９１、８１に合致した大きさに形成されている。単位セル１５の厚さは、枠体８、９や集電部材３、４の厚さに比べると極めて薄いので、図面では、一体の部材として表示している。空気流路４０の内壁には、親水性処理が施されている。内壁表面と水の接触角が４０°以下、好ましくは３０°以下となるように表面処理が施されているとよい。
【００２５】
処理方法としては、親水処理剤を、表面に塗布する方法が取られる。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。図５に示されているように、これら親水処理は、突出部４８の上部にも施され、親水化領域４８１が設けられている。この突出部４８の親水化領域４８１は、集電部材４の親水処理がされている領域に連続して設けられている。この親水処理によって、集電部材４から突出部４８へ容易に水滴を移動させることかできる。また、突出部４８の下端には、撥水処理が施された撥水領域４８２が設けられている。撥水処理としては、テフロン加工、シリコン系又はフッ素系の撥水処理剤のコーティング処理などが挙げられる。この撥水領域４８２によって、突出部４８の下端に到達した水滴は、突出部４８から容易に離脱することができる。
【００２６】
以上のように構成された枠体８、９によって集電部材３、４が保持されてセパレータ１３が構成され、セパレータ１３と単位セル１５を交互に積層して、燃料電池スタック１００が構成される。図７は燃料電池スタック１００の部分平面図である。燃料電池スタック１００の上面には、多数の導入口４３が開口し、この導入口４３に、後述するように、空気マニホールド５４から空気が流入するとともに、空気マニホールド５４内で、ノズル５５aから噴射された水が同時に流入する。このノズル５５aは、水を液滴の状態（霧状）で、燃料電池スタック１００に供給する。導入口４３から流入した空気と液滴状の水は、潜熱冷却により集電部材３、４を冷却する。また、燃料電池スタック１００の底面には、図7に示されている導入口４３に対向する位置に、多数の導出口４４が開口し、この導出口４４から空気と、噴射供給された水が流出する。即ち、導入口４３は、燃料電池スタック１００の上面に、縦横に多数開口し、同様に、導出口４４は、燃料電池スタック１００の底面に、縦横に多数開口する。
【００２７】
導入口４３と流入開放口４５とによって空気取入部９４２が構成される。また、導出口４４と流出開放口４６とによって、空気取入部９４２と同じ形状の空気排出口が構成され、この空気排出口からは、突出部４８が下方へ突出する。図９は、集電部材４の全体形状を示す斜視図である。突出部４８には、酸化ガス室内に位置している中空部４１や空気流路４０を構成する溝が、そのまま延出形成されている。集電部材４を延出させ、突出部４８を集電部材４の一部として構成することによって、集電部材４と突出部４８とを連続させ、水滴の排出を円滑なものとすることができ、また、部品点数の増加を抑制することができる。
【００２８】
図１０〜１５は、突出部の他の構成例を示す図である。図１０に示されているように、集電部材４に設けられた突出部４８は、空気流路４０を構成する溝の底部が延出し、突出部４８を構成するものである。短冊状に細かく分かれているため、１本の部材で保持できる水滴の量を小さくできるため、水滴の滴下をより促進させることが可能となる。また、登り坂、下り坂等によって車両が傾いた場合、発進や停止時に加速度が加わった場合にも、水の滴下を促す作用に対する影響が少ない。なお、この短冊状の部材は、側壁４７や当接部４２１を延出させて構成してもよい。
【００２９】
図１１は、突出部４８の下端に傾斜部４８４Ｓを有する構成を示すものである。
【００３０】
傾斜部４８４Ｓの下端は、鋭角状の頂点４８４Ｐとなっており、傾斜部４８４Ｓが複数個もうけられ、全体として鋸刃状に形成されている。傾斜部４８４Ｓの下端が鋭角状であるため、頂点４８４Ｐからの水滴の落下が容易となる。また、登り坂、下り坂等によって車両が傾いた場合、発進や停止時に加速度が加わった場合にも、水の滴下を促す作用に対する影響が少ない。
【００３１】
図１２は、突出部４８が、中央へ向けて下方へ傾斜する傾斜部４８３Ｒ、４８３Ｌを有し、傾斜部４８３Ｒ、４８３Ｌの接続する頂点部４８３Ｐは鈍角に形成されている。２方向へ傾斜する傾斜部４８３Ｒ、４８３Ｌを有するため、車両がいずれの方向へ傾いた場合であっても、左右いずれかの傾斜部４８３Ｒ、４８３Ｌを伝って水を滴下させることができる。
【００３２】
図１３は、突出部４８に形成された凸状部４２を傾斜させた構成を示すものである。突出部４８において、隣接する凸状部４２を下方へ向けて漸近する傾斜流路４２３が形成されている。傾斜流路４２３の上端は中空部４１に連通し、下端では鋭角状に接続され接続部４２３Ｐを構成する。中空部４１内を流下した水は、傾斜流路４２３に案内されて接続部４２３Ｐに集められる。接続部４２３Ｐに水滴が集められるので、容易に水滴が成長し、滴下による排出が促進される。
【００３３】
図１４は、隔壁７が下方へ延出され、突出部７４を構成するものである。この構成では、隔壁７の縦方向の長さを変更するのみで足りるため、イニシャルコストが安価であるといった利点がある。この突出部７４にも同様に親水化領域及び撥水領域を設けることができる。  
この他、図１５に示されているように、単位セル１５を構成する酸素極１５ｂの拡散層を下方へ延出し、突出部１５１ｂとしてもよい。
【００３４】
次に、図１に示されている燃料電池システムの構成について説明する。燃料供給系１０の構成について説明する。燃料ガスボンベである水素貯蔵タンク１１には、燃料ガス供給流路２０１Ａ、２０１Ｂを介して燃料電池スタック１００のガス取入口に接続されている。燃料ガス供給流路２０１Ａには、水素元バルブ１８、一次圧センサＳ０、レギュレータ１９、二次圧センサＳ１、第１ガス供給弁２０及び水素調圧弁２１、第２ガス供給弁２２、三次圧センサＳ２が順に設けられ、この燃料ガス供給流路２０１Ａは、燃料ガス供給流路２０１Ｂの一端に接続している。燃料ガス供給流路２０１Ｂの他端は、燃料電池スタック１００の上記ガス取入口２０１ＢのＩＮに接続されている。燃料電池スタック１００のガス排出口には、ガス排出流路２０２の一端が接続され、その他端は、燃料ガス供給流路２０１Ｂに接続され、燃料ガスの循環路が構成される。ガス排出流路２０２には、燃料電池スタック１００のガス排出口側から順に、トラップ２４、循環ポンプ２５、循環電磁弁２６が配置されている。トラップ２４には、水レベルセンサＳ１０が取り付けられ、さらに、ガス導出路２０３の一端が接続されている。ガス導出路２０３の他端は、空気ダクト１２４に接続されている。ガス導出路２０３には、排気電磁弁２７が設けられている。
【００３５】
次に空気供給系１２について説明する。空気供給系１２は、空気導入路１２３と、空気マニホールド５４と、空気排出路である空気ダクト１２４とを備えている。空気導入路１２３には、フィルタ１２１、空気ファン１２２、空気マニホールド５４の順で流入方向に沿って設けられている。  
空気導入路１２３内には、空気マニホールド５４内の直前位置に、各々上記開口９４０へ冷却水を霧状に噴射するノズル５５aが設けられている。このノズル５５aは、空気マニホールド５４内に設けられていてもよい。空気マニホールド５４は、燃料電池スタック１００の導入口４３に空気を分割して流入させる。
【００３６】
燃料電池スタック１００の導出口４４には、排気マニホールド５３Ａ１が接続され、導出口４４から排出された空気は、排気マニホールド５３Ａ１によって合流され、空気ダクト１２４へ送られる。なお、排気マニホールド５３Ａ１の導出口４４側には、導出口４４から排出された空気の温度を検出するセンサＳ１１が設けられている。なお、導出口４４から排出された空気は、高分子電解質膜１５ａに接触した後に排出されるので、その温度を検出することは、高分子電解質膜１５ａの温度を推定することに相当する。
【００３７】
空気ダクト１２４は、導出口４４から流出した空気を、凝縮器５１を介して外部へ導流する。空気ダクト１２４の終端部には、ファンが取り付けられた凝縮器５１が設けられ、続いてフィルタ１２５が接続されている。凝縮器５１は、空気から水分を取り出す。また、ノズル５５aから供給された水の内、燃料電池スタック１００内で蒸発した水分も、ここで回収される。空気ダクト１２４には、排気温度センサＳ９が設けられ、燃料電池スタック１００内の温度が間接的に検出される。
【００３８】
次に、水供給系について説明する。水供給系５０は、貯水手段としての水タンク５３１と、凝縮器５１で回収した水を水タンク５３１へ導く導水路５７と、水タンク５３１の水をノズル５５ａへ導く給水路５６とを有する。導水路５７には、回収ポンプ６２が設けられている。回収ポンプ６２は、凝縮器５１で排気ガスから取り出された水を、水タンク５３１へ送り込む。給水路５６には、フィルタ６４が設けられると共に、供給手段であるノズル５５ａに水を供給するポンプ６１ａが順に設けられている。水タンク５３１には、貯水量検出手段であるタンク水位センサＳ７が設けられている。
【００３９】
燃料電池スタック１００には、負荷系７が接続されており、燃料電池スタック１００で出力される電力は、この負荷系７に供給される。燃料電池スタック１００の電極は、配線７１を介してインバータ７３に接続され、インバータ７３からモータなどの負荷に電力が供給される。インバータ７３には、スイッチ手段であるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor／絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）７５を介して補助電源７６が接続されている。補助電源７６は、例えば、バッテリ、キャパシタなどで構成することができる。この負荷系７には、燃料電池スタック１００の出力電圧を検出する電圧センサＳ４と、同じく出力電流を検出する電流センサＳ３が設けられている。
【００４０】
燃料電池システム１の制御装置には、上記高分子電解質膜１５ａの温度を推定するために、導出口４４から排出された空気の温度を検出するセンサS１１の検出値が入力され、他のセンサＳ０〜Ｓ４、Ｓ７、Ｓ９、Ｓ１０や、レギュレータ１９、各電磁弁１８〜１９、２０、２２、２６、２７、他のポンプ２５、６２、空気ファン１２２、凝縮器５１のファン、インバータ７３、ＩＧＢＴ７５が接続されている。なお、この制御装置には、図示しないイグニッションスイッチが接続され、車両を駆動させる駆動モータの駆動や停止の指示信号が入力される。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】この発明の燃料電池システム１を示すブロック図である。
【図２】燃料電池用セパレータを示す全体正面図である。
【図３】燃料電池セパレータで構成された燃料電池スタックの部分断面平面図（Ａ‐Ａ断面図）である。
【図４】燃料電池セパレータの全体背面図である。
【図５】燃料電池セパレータの部分断面側面図（Ｂ−Ｂ断面図）である。
【図６】集電部材及び隔壁の位置関係を示す部分拡大斜視図である。
【図７】燃料電池スタックの上面の構成を示す部分平面図である。
【図８】単位セルの構成を示す拡大側面断面図である。
【図９】集電部材の全体形状を示す斜視図である。
【図１０】他の構成を示す集電部材の全体形状を示す斜視図である。
【図１１】他の構成を示す集電部材の全体形状を示す斜視図である。
【図１２】他の構成を示す集電部材の全体形状を示す斜視図である。
【図１３】他の構成を示す集電部材の部分拡大斜視図である。
【図１４】他の構成を示すセパレータの全体形状を示す斜視図である。
【図１５】他の構成を示すセパレータの全体形状を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００４２】
１      燃料電池システム
１００  燃料電池スタック
３  集電部材
４  集電部材
４８  突出部
７  隔壁
１３  セパレータ
１２３    空気導入路
５３１    水タンク
５３Ａ１    排気マニホールド
５４      空気マニホールド
５５ａ      ノズル
６１      供給ポンプ
【図１】
0005162840.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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