(57)【要約】【課題】開口率の異なる複数の部材を接合することによって集電体を製造することにより、開口率を局所的に変化させた多孔（こう）体から成る集電体を低いコストで容易に製造することができ、燃料電池内におけるガスの流路にフラッディングが発生することがなく、発電効率が高く、冷却能力が高く、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に挟まれるセパレータユニット１２の集電体であって、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４１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、開口率の異なる複数の部材を接合して成る。【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に挟まれるセパレータユニットの集電体であって、
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、
開口率の異なる複数の部材を接合して成ることを特徴とする集電体。
【請求項２】
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請求項１に記載の集電体。
【請求項３】
前記セパレータ当接部及びリブ部は、第１の開口率を備える波板状多孔板の谷部を削除した部材から成り、前記電極当接部は、前記第１の開口率より大きな第２の開口率を備える平板状多孔板であって、削除された谷部を塞ぐように前記波板状多孔板に接合された部材から成る請求項１又は２に記載の集電体。
【請求項４】
前記第１の開口率は０である請求項３に記載の集電体。
【請求項５】
前記電極当接部は、所定の開口率を備える平板状多孔板から成り、前記セパレータ当接部及びリブ部は、前記平板状多孔板の一方の面に接合された開口を備えない線状体から成る請求項１又は２に記載の集電体。
【請求項６】
電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池に挟まれるセパレータユニットの集電体の製造方法であって、
第１の開口率を備える波板状多孔板の所定範囲の谷部を削除し、
前記第１の開口率より大きな第２の開口率を備え、前記所定範囲に対応する平板状多孔板を、削除された谷部を塞ぐようにして前記波板状多孔板に接合することを特徴とする集電体の製造方法。
【請求項７】
拡散接合によって前記平板状多孔板を波板状多孔板に接合する請求項６に記載の集電体の製造方法。
【請求項８】
電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池に挟まれるセパレータユニットの集電体の製造方法であって、
所定の開口率を備える平板状多孔板の一方の面に、開口を備えない線状体を接合することを特徴とする集電体の製造方法。
【請求項９】
拡散接合によって前記線状体を平板状多孔板に接合する請求項８に記載の集電体の製造方法。
【請求項１０】
前記線状体は、複数本平行に配列される請求項８又は９に記載の集電体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集電体及びその製造方法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。
【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、低温で作動する固体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（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、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、開口率を局所的に変化させた多孔（こう）体から成る集電体を使用する技術が提案されている。しかし、開口率を局所的に変化させた多孔体から成る集電体を製造することは困難であり、製造コストが高くなってしまう。
【０００７】
本発明は、前記従来の問題点を解決して、開口率の異なる複数の部材を接合することによって集電体を製造することにより、開口率を局所的に変化させた多孔体から成る集電体を低いコストで容易に製造することができ、燃料電池内におけるガスの流路にフラッディングが発生することがなく、発電効率が高く、冷却能力が高く、燃料電池の出力を高めることができる集電体及びその製造方法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、本発明の集電体においては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池に挟まれるセパレータユニットの集電体であって、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、開口率の異なる複数の部材を接合して成る。
【０００９】
本発明の他の集電体においては、さらに、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。
【００１０】
本発明の更に他の集電体においては、さらに、前記セパレータ当接部及びリブ部は、第１の開口率を備える波板状多孔板の谷部を削除した部材から成り、前記電極当接部は、前記第１の開口率より大きな第２の開口率を備える平板状多孔板であって、削除された谷部を塞（ふさ）ぐように前記波板状多孔板に接合された部材から成る。
【００１１】
本発明の更に他の集電体においては、さらに、前記第１の開口率は０である。
【００１２】
本発明の更に他の集電体においては、さらに、前記電極当接部は、所定の開口率を備える平板状多孔板から成り、前記セパレータ当接部及びリブ部は、前記平板状多孔板の一方の面に接合された開口を備えない線状体から成る。
【００１３】
本発明の集電体の製造方法においては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池に挟まれるセパレータユニットの集電体の製造方法であって、第１の開口率を備える波板状多孔板の所定範囲の谷部を削除し、前記第１の開口率より大きな第２の開口率を備え、前記所定範囲に対応する平板状多孔板を、削除された谷部を塞ぐようにして前記波板状多孔板に接合する。
【００１４】
本発明の他の集電体の製造方法においては、さらに、拡散接合によって前記平板状多孔板を波板状多孔板に接合する。
【００１５】
本発明の更に他の集電体の製造方法においては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池に挟まれるセパレータユニットの集電体の製造方法であって、所定の開口率を備える平板状多孔板の一方の面に、開口を備えない線状体を接合する。
【００１６】
本発明の更に他の集電体の製造方法においては、さらに、拡散接合によって前記線状体を平板状多孔板に接合する。
【００１７】
本発明の更に他の集電体の製造方法においては、さらに、前記線状体は、複数本平行に配列される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、集電体においては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池に挟まれるセパレータユニットの集電体であって、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、開口率の異なる複数の部材を接合して成る。
【００１９】
この場合、開口率を局所的に変化させた多孔体から成る集電体を得ることができる。そして、燃料電池スタック内における温度分布を解消し、燃料電池の温度を適切に制御することができる。そのため、燃料電池内の湿度を適切に維持することができ、発電効率を向上させることができる。また、冷却能力を向上させ、燃料電池の出力を高めることができる。
【００２０】
また、本発明によれば、集電体の製造方法においては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池に挟まれるセパレータユニットの集電体の製造方法であって、第１の開口率を備える波板状多孔板の所定範囲の谷部を削除し、前記第１の開口率より大きな第２の開口率を備え、前記所定範囲に対応する平板状多孔板を、削除された谷部を塞ぐようにして前記波板状多孔板に接合する。
【００２１】
この場合、開口率を局所的に変化させた多孔体から成る集電体を低いコストで容易に製造することができる。
【００２２】
さらに、本発明によれば、他の集電体の製造方法においては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池に挟まれるセパレータユニットの集電体の製造方法であって、所定の開口率を備える平板状多孔板の一方の面に、開口を備えない線状体を接合する。
【００２３】
この場合、開口率を局所的に変化させた多孔体から成る集電体を低いコストで容易に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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１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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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１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。
【００４０】
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、該単位セル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。
【００４１】
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、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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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、空気供給ファン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。
【００４６】
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。
【００４７】
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ルモジュールの構成を示す断面図、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発電性能を示す図である。
【００４８】
図１及び５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、図５は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断面図であり、説明の都合上、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。
【００４９】
そして、単位セル１１は、図５に示されるように、イオン交換膜である電解質層としての固体高分子電解質膜１１ａと、該固体高分子電解質膜１１ａの一側に設けられた酸素極としての空気極（カソード極）１１ｂ及び他側に設けられた燃料極（アノード極）１１ｃとで構成されている。前記空気極１１ｂ及び燃料極１１ｃ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電極拡散層と、該電極拡散層上に形成され、固体高分子電解質膜１１ａ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においては、固体高分子電解質膜１１ａ、空気極１１ｂ及び燃料極１１ｃの図示が省略されている。
【００５０】
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１１ｂ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１１ｃ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。なお、図１においては、説明の都合上、燃料極側コレクタ１５の図示が省略されている。
【００５１】
そして、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り、例えば、第１板部材４１ａ及び第２板部材４１ｂから成る二重構造を有し、内部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。
【００５２】
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、多孔体から成る。該多孔体は、例えば、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、パンチングメタル等のメタル板材であり、プレス加工によって形成された細かい凸条を有する波板とされている。なお、前記凸条は側壁部１４ｂ及び頂部１４ｃを備える。そして、前記凸条は、板材の縦辺方向、すなわち、図５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１１ｂ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。ここで、各凸条の頂部１４ｃの平面は、セパレータ本体４１の側面に当接するセパレータ当接部となっており、各凸条間の谷部１４ａの平面は、単位セル１１の空気極１１ｂ側の電極拡散層に当接する電極当接部となっている。
【００５３】
また、燃料極側コレクタ１５は、前記空気極側コレクタ１４と同様の寸法の多孔体であり、例えば、網目状の開口を有するエキスパンドメタル、パンチング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を有する波板とされている。そして、前記凸条は、空気極側コレクタ１４の場合と同様に、側壁部１５ｂ及び頂部１５ｃを備え、図５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１１ｃ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。また、各凸条の頂部１５ｃの平面は、セパレータ本体４１の側面に当接するセパレータ当接部となっており、各凸条の谷部１５ａの平面は、単位セル１１の燃料極１１ｃ側の電極拡散層に当接する電極当接部となっている。
【００５４】
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のそれぞれの凸条の頂部１４ｃ及び１５ｃ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１１ｂ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１１ｃに水素ガスが供給される。
【００５５】
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１１ａを透過する。また、前記空気極１１ｂ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とが結合して、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１１ａ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１１ａ内に拡散し、該固体高分子電解質膜１１ａ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。
【００５６】
また、セパレータ本体４１は、図示されない冷媒流入管及び冷媒流出管が接続され、冷媒流入管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を矢印Ｂで示されるように通って冷却を行い、冷媒流出管から流出する。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に流入する。また、冷媒流出管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。なお、冷媒流路４５の形状は、直線状であってもよいし、蛇（だ）行状、渦巻き状等のような冷媒の流路長が長くなるような形状であってもよい。
【００５７】
図１に示される例において、前記セパレータ本体４１は第１板部材４１ａ及び第２板部材４１ｂを貼（は）り合わせて形成されている。この場合、一方の板材としての第２板部材４１ｂ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所望の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としての第１板部材４１ａ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のそれぞれの頂部１４ｃ及び１５ｃ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。
【００５８】
本実施の形態において、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５は、開口率が局所的に変化するように形成されている。例えば、単位セル１１に当接する電極当接部であるＭＥＡ接触部としての谷部１４ａ及び１５ａの開口率が最も高く、セパレータ本体４１に当接するセパレータ当接部であるセパレータ接触部としての頂部１４ｃ及び１５ｃの開口率が最も低く、リブを構成するリブ部としての側壁部１４ｂ及び１５ｂの開口率が谷部１４ａ及び１５ａの開口率と頂部１４ｃ及び１５ｃの開口率との中間となるように形成されている。なお、側壁部１４ｂ及び１５ｂの開口率は、頂部１４ｃ及び１５ｃの開口率と等しくてもよい。すなわち、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５の各所の開口率は、単位セル１１の積層方向（図５における上下方向）に関して傾斜化され、次の式（１）で定義されるように変化する。
ＭＥＡ接触部の開口率＞リブ部の開口率≧セパレータ接触部の開口率  ・・・式（１）
ここで、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５は、網目状の開口を有するので、酸素室内の空気及び燃料室内の水素ガス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、酸素室内の空気及び燃料室内の水素ガスは、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の空気極１１ｂ及び燃料極１１ｃの電極拡散層に十分に接触することができる。さらに、酸素室内の空気及び燃料室内の水素ガスは、側壁部１４ｂ及び１５ｂの開口を通しても移動することができるので、酸素室内の空気の流れ及び燃料室内の水素ガスの流れがスムーズになる。
【００５９】
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間の流路を塞いでしまった場合、空気は側壁部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。
【００６０】
そして、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。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。
【００６１】
前記単位セル１１において発生した熱は、空気極１１ｂ及び燃料極１１ｃの外側の面から谷部１４ａ及び１５ａに伝達され、側壁部１４ｂ及び１５ｂを通って、頂部１４ｃ及び１５ｃからセパレータ本体４１に伝達される。そのため、仮に、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５の開口率がすべての部位で一定であるとすると、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５内における熱伝導率は、すべての部位で一定となる。この場合、谷部１４ａ及び１５ａの面積が頂部１４ｃ及び１５ｃの面積よりも大きいので、谷部１４ａ及び１５ａにおいて伝達する単位面積当たりの熱量よりも、頂部１４ｃ及び１５ｃにおいて伝達する単位面積当たりの熱量の方が大きくなり、谷部１４ａ及び１５ａにおける熱抵抗よりも頂部１４ｃ及び１５ｃにおける熱抵抗の方が大きくなってしまう。また、側壁部１４ｂ及び１５ｂにおいても、開口率が大きいと熱伝導率が低くなり、熱抵抗が大きくなってしまう。特に、空気中に水を供給するようにした場合には側壁部１４ｂ及び１５ｂが冷却器の一種としての冷却フィンとして機能するが、この場合、開口率が大きいと冷却フィンとして機能する面積が減少し、熱抵抗が大きくなってしまう。そして、谷部１４ａ及び１５ａ並びに側壁部１４ｂ及び１５ｂにおける熱抵抗が大きくなると、「発明が解決しようとする課題」の項において説明したように、単位セル１１の積層方向に関して温度分布が発生し、空気極１１ｂ及び燃料極１１ｃの温度が上昇してしまう。そのため、空気極１１ｂ及び燃料極１１ｃを通して単位セル１１の外側に散逸する水分の量が多くなり過ぎ、単位セル１１内部の湿度が低下するので、単位セル１１における発電効率が低下してしまう。
【００６２】
しかし、本実施の形態においては、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５の各所の開口率は、単位セル１１の積層方向に関して傾斜化され、前記式（１）で定義されるように変化する。そのため、頂部１４ｃ及び１５ｃは、開口率が低く、面密度が高いので、単位面積当たりの伝達可能な熱量が増加し、熱抵抗が減少する。また、側壁部１４ｂ及び１５ｂも、開口率が低く、面密度が高いので、単位面積当たりの伝達可能な熱量が増加し、熱抵抗が減少する。これにより、単位セル１１の積層方向に関する温度分布が解消され、空気極１１ｂ及び燃料極１１ｃの温度が上昇することがないので、図５において矢印Ｃで示されるような空気極１１ｂを通して単位セル１１の外側に散逸する水分、及び、図５において矢印Ｄで示されるような燃料極１１ｃを通して単位セル１１の外側に散逸する水分の量が抑制される。したがって、単位セル１１内部の湿度を適正に維持することができ、単位セル１１における発電効率を向上させることができる。
【００６３】
図６は、低加湿条件、すなわち、単位セル１１が比較的乾燥した状態における空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５の開口率による発電性能の比較を示している。図６において、縦軸には単位セル１１における電圧を採り、横軸には電流密度を採っている。そして、▲でプロットされた実験結果を結ぶ線４７は空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５の開口率がすべての部位で一定である場合を示し、◆でプロットされた実験結果を結ぶ線４８は空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５の開口率が単位セル１１の積層方向に関して傾斜化され、前記式（１）で定義されるように変化する場合を示している。図６から、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５の開口率が単位セル１１の積層方向に関して傾斜化され、前記式（１）で定義されるように変化する場合には、単位セル１１における発電効率が向上していることが分かる。
【００６４】
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、酸素室内の空気及び燃料室内の水素ガス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、酸素室内の空気及び燃料室内の水素ガスは、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の空気極１１ｂ及び燃料極１１ｃの電極拡散層に十分に接触することができる。また、酸素室内の空気及び燃料室内の水素ガスは、側壁部１４ｂ及び１５ｂの開口を通しても移動することができるので、酸素室内の空気の流れ及び燃料室内の水素ガス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間の流路を塞いでしまった場合、空気は側壁部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。
【００６５】
次に、前記構成の空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５を製造する方法について説明する。なお、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５を製造する方法は実質的に同一であるので、ここでは、空気極側コレクタ１４を製造する方法についてのみ説明し、燃料極側コレクタ１５を製造する方法については説明を省略する。
【００６６】
図７は本発明の第１の実施の形態における空気極側コレクタを製造する方法の第１段階を示す平面図、図８は本発明の第１の実施の形態における空気極側コレクタを製造する方法の第１段階を示す断面図であり図７のＥ−Ｅ矢視断面図、図９は本発明の第１の実施の形態における空気極側コレクタを製造する方法の第２段階を示す平面図、図１０は本発明の第１の実施の形態における空気極側コレクタを製造する方法の第２段階を示す断面図であり図９のＦ−Ｆ矢視断面図である。
【００６７】
まず、図７及び８に示されるようなコレクタ母材１４１を用意する。該コレクタ母材１４１は、開口率が比較的小さな網目状の開口を有するエキスパンドメタル、パンチングメタル等のメタル板材であり、細かい凸条を有する波板状多孔板とされている。ここで、前記凸条は、コレクタ母材１４１の縦辺方向、すなわち、図７における上下方向に延在し、平行に等間隔で、コレクタ母材１４１の面を完全に縦断する配置とされている。そして、図８に示されるような凸条の谷部１４１ａは前述された空気極側コレクタ１４の谷部１４ａに対応し、凸条の側壁部１４１ｂは前述された空気極側コレクタ１４の側壁部１４ｂに対応し、凸条の頂部１４１ｃは前述された空気極側コレクタ１４の頂部１４ｃに対応する。なお、図８においては、図示の都合上、谷部１４１ａが上側に位置し、頂部１４１ｃが下側に位置している。
【００６８】
ここで、前記コレクタ母材１４１は次のようにして得ることができる。
【００６９】
まず、表面に複数の平行な筋状の凹部が形成された載置用治具上に、平らな帯板状のコレクタ母材１４１、すなわち、網目状の開口を有する帯板から成るベースコレクタ材を載置する。続いて、表面に複数の平行な筋状の凸部が形成された押圧用治具を、載置用治具上のベースコレクタ材に上方から押し付けて、該ベースコレクタ材を押圧する。このとき、載置用治具の凹部に押圧用治具の凸部が嵌（かん）合するようにする。これにより、載置用治具の凹部と押圧用治具の凸部とに挟み込まれた範囲のベースコレクタ材は、凹凸状に成形される。
【００７０】
続いて、押圧用治具を上昇させた後、前記ベースコレクタ材を長手方向に移動させる。このときの移動距離は、載置用治具の凹部と押圧用治具の凸部とに挟み込まれた範囲の長さに相当する距離である。そして、押圧用治具を、載置用治具上のベースコレクタ材に上方から押し付けて、該ベースコレクタ材を押圧する。以降、前述の動作を順次繰り返して行うことによって、帯板から成るベースコレクタ材は全範囲に亘（わた）って凹凸状に成形される。これにより、細かい凸条を有する波板状多孔板としてのコレクタ母材１４１を得ることができる。
【００７１】
次に、図７に示されるように、所定範囲としての点線で囲まれた削除範囲１４２の谷部１４１ａを削除する。なお、前記範囲１４２は任意に設定することができる。この場合、図８に示されるように、削除範囲１４２には、谷部１４１ａのみが含まれ、側壁部１４１ｂ及び頂部１４１ｃは含まれないようになっている。すなわち、図７に示されるように、平面において削除範囲１４２に含まれていても、側壁部１４１ｂ及び頂部１４１ｃは削除されない。
【００７２】
ここで、前記谷部１４１ａは、微細放電加工によって削除することができる。
【００７３】
一般に、微細放電加工機は、Ｘ−Ｙテーブル上に取り付けられた加工槽と該加工槽上に配設された電極とを有する。そして、前記加工槽内に絶縁体である加工液を満たした状態で、コレクタ母材１４１、すなわち、被加工物が前記加工槽内に保持される。加工の際には、Ｘ−Ｙテーブルを作動させて被加工物を移動させることによって、該被加工物の所望部位の加工が行われる。また、前記電極は、所定の電圧が印加された状態で、Ｚ軸周りに回転しながら上下動させられる。そして、加工液中において被加工物と電極との間隔が所定距離となると絶縁破壊が起こり、放電が発生する。該放電によるエネルギーによって被加工物の所望部位が切断される。
【００７４】
次に、前記削除範囲１４２に対応する形状及び大きさの接合部材１４３を用意する。該接合部材１４３は、開口率が比較的大きな網目状の開口を有するエキスパンドメタル、パンチングメタル等のメタル板材であり、平板である。なお、前記接合部材１４３は、コレクタ母材１４１と同一の材質のものであってもよいし、相違する材質のものであってもよい。また、前記接合部材１４３の形状は、例えば、微細放電加工によって形成することができる。そして、図９に示されるように、前記接合部材１４３は削除範囲１４２を塞ぐように配設される。すなわち、削除された谷部１４１ａは、接合部材１４３によって置き換えられる。
【００７５】
次に、拡散接合によって接合部材１４３をコレクタ母材１４１に接合させる。この場合、図１０に示されるように、接合部材１４３の頂部１４１ｃ側の面と側壁部１４１ｂとが接合される。そして、接合された接合部材１４３は、開口率が大きな空気極側コレクタ１４の谷部１４ａとして機能する。これにより、ＭＥＡ接触部としての谷部１４ａの開口率が、リブ部としての側壁部１４ｂ及びセパレータ接触部としての頂部１４ｃの開口率よりも大きな空気極側コレクタ１４を得ることができる。
【００７６】
この場合、接合部材１４３とコレクタ母材１４１とが拡散接合によって接合されているので、接合部近傍の開口が塞がれてしまうことがない。そのため、得られた空気極側コレクタ１４は所定の開口率を備えたものとなる。また、接合部の肉厚が他の部分より肉厚になることがない。そのため、得られた空気極側コレクタ１４は所定の寸法を備えたものとなり、単位セル１１とセパレータ本体４１との距離を所定の数値に維持することができる。さらに、他の金属成分が混入することがない。そのため、想定外の金属成分によって単位セル１１の機能が影響を受けることがない。これに対し、例えば、接合部材１４３とコレクタ母材１４１とを溶接によって接合すると、接合部近傍の開口が塞がれてしまい、得られた空気極側コレクタ１４は所定の開口率を備えたものとならない。また、接合部の肉厚が他の部分より肉厚になるので、単位セル１１とセパレータ本体４１との距離を所定の数値に維持することができない。さらに、溶接材等に含まれる他の金属成分が混入するので、単位セル１１の機能が影響を受けることがある。
【００７７】
ここで、接合部材１４３とコレクタ母材１４１との拡散接合は、次のようにして行うことができる。
【００７８】
拡散接合は、接合材料の金属表面同士を相互に原子レベル程度の距離にまで接近させ、母材を溶解させることなく、加熱、加圧、真空度、時間等の条件をコントロールすることによって、接合材料間の相互拡散を制御し、接合材料同士の金属結合の形成及び接合を可能とする技術である。この場合、真空高温炉を使用し、炉内温度を接合材料の融点の６０〜７０〔％〕の温度に保持する。例えば、接合材料がステンレス鋼である場合には、炉内温度を約１０００〔℃〕に保持する。そして、治具によって固定し、所定の加重を付与した接合部材１４３及びコレクタ母材１４１、すなわち、接合材料を前記炉内に所定時間、例えば、１２時間載置する。これにより、接合部材１４３とコレクタ母材１４１とを拡散接合によって接合することができる。
【００７９】
なお、ここでは、空気極側コレクタ１４を製造する方法についてのみ説明したが、燃料極側コレクタ１５も同様の方法で製造される。
【００８０】
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。
【００８１】
図１１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１２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。
【００８２】
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にする（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、空気供給ファン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。
【００８３】
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１１ａ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１１ｂを濡（ぬ）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１１ａ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。
【００８４】
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１１ｂより透過するＮ2 、Ｏ2 又は生成水の影響によって、燃料極１１ｃ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。
【００８５】
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、空気供給ファン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１１ｂの温度を低下させる。
【００８６】
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、空気供給ファン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。
【００８７】
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。
【００８８】
このように、本実施の形態において、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５は、開口率が局所的に変化するように形成され、単位セル１１の積層方向に関して傾斜化されている。そのため、単位セル１１の積層方向に関する温度分布が解消され、空気極１１ｂ及び燃料極１１ｃの温度が上昇することがないので、空気極１１ｂ及び燃料極１１ｃを通して単位セル１１の外側に散逸する水分の量が抑制される。これにより、単位セル１１内部の湿度を適正に維持することができ、単位セル１１における発電効率を向上させることができる。この場合、開口率の異なる複数の部材、すなわち、コレクタ母材１４１と接合部材１４３とを接合することによって集電体としての空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５を製造するので、開口率を局所的に変化させた多孔体から成る空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５を低いコストで容易に製造することができる。
【００８９】
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、酸素室内の空気及び燃料室内の水素ガス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、酸素室内の空気及び燃料室内の水素ガスは、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の空気極側及び燃料極側の電極拡散層に十分に接触することができる。
【００９０】
なお、本実施の形態においては、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５の側壁部１４ｂ及び１５ｂ並びに頂部１４ｃ及び１５ｃが開口を有する場合について説明したが、側壁部１４ｂ及び１５ｂ並びに頂部１４ｃ及び１５ｃは開口を有していなくてもよい。
【００９１】
側壁部１４ｂ及び頂部１４ｃが開口を有していない空気極側コレクタ１４は、コレクタ母材１４１として開口を有していないブランク材から成るメタル板材を使用することによって製造することができる。なお、接合部材１４３は、網目状の開口を有するエキスパンドメタル、パンチングメタル等のメタル板材を使用する。そして、開口を有していないコレクタ母材１４１と、該コレクタ母材１４１の削除範囲１４２を塞ぐように載置された網目状の開口を有する接合部材１４３とを拡散接合によって接合することにより、谷部１４ａには開口を有しているが側壁部１４ｂ及び頂部１４ｃが開口を有していない空気極側コレクタ１４を得ることができる。なお、谷部１５ａには開口を有しているが側壁部１５ｂ及び頂部１５ｃが開口を有していない燃料極側コレクタ１５も同様にして得ることができる。
【００９２】
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。
【００９３】
図１３は本発明の第２の実施の形態における空気極側コレクタの構成を示す二面図、図１４は本発明の第２の実施の形態における空気極側コレクタの構成を示す要部拡大図であり図１３のＧ部拡大図である。なお、図１３（ａ）は平面図、図１３（ｂ）は側面図である。
【００９４】
図１３及び１４において、１４５は本実施の形態における空気極側コレクタである。なお、燃料極側コレクタは、空気極側コレクタ１４５と実質的に同一の構成を有し、製造方法も実質的に同一であるので、ここでは、空気極側コレクタ１４５の構成及び製造方法についてのみ説明し、燃料極側コレクタについては説明を省略する。
【００９５】
本実施の形態における空気極側コレクタ１４５は、網目状の開口を有するエキスパンドメタル、パンチングメタル等のメタル板材から成る平板状多孔板としてのベースコレクタ材１４６と、該ベースコレクタ材１４６の一方の面に接合された線状体としての線状材１４７とを備える。
【００９６】
ここで、ベースコレクタ材１４６は、前記第１の実施の形態における空気極側コレクタ１４と同様に、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導電処理を施したものから成る。また、開口率は、例えば、５９〔％〕以上であるが任意に設定することができる。
【００９７】
一方、線状材１４７は、例えば、断面矩形の中実のワイヤ状又は棒状の開口を有していない部材であり、複数本が互いに平行になるように配列されている。なお、前記線状材１４７は、ベースコレクタ材１４６と同一の材質のものであってもよいし、相違する材質のものであってもよい。また、前記線状材１４７の断面形状は、矩形以外の形状、例えば、円形、楕（だ）円形、三角形等であってもよく、任意に設定することができる。さらに、前記線状材１４７は、中空のパイプ状のものであってもよい。
【００９８】
そして、線状材１４７は、拡散接合によってベースコレクタ材１４６の表面に接合されている。なお、拡散接合の方法は、前記第１の実施の形態と同様である。
【００９９】
これにより、複数の凸条を備える空気極側コレクタ１４５を得ることができる。この場合、ベースコレクタ材１４６がＭＥＡ接触部としての谷部１４５ａとして機能し、線状材１４７の両側部がリブ部としての側壁部１４５ｂとして機能し、線状材１４７の頂部がセパレータ接触部としての頂部１４５ｃとして機能する。そして、谷部１４５ａは開口を有し、側壁部１４５ｂ及び頂部１４５ｃは開口を有していないのであるから、空気極側コレクタ１４５は、前記第１の実施の形態における空気極側コレクタ１４と同様に、前記式（１）の定義に該当する。
【０１００】
なお、ここでは、空気極側コレクタ１４５についてのみ説明したが、燃料極側コレクタも同様の構成を有し、同様の方法で製造される。また、その他の点については、前記第１の実施と同様であるので、説明を省略する。
【０１０１】
このように、本実施の形態において、空気極側コレクタ１４５は、開口を有する平板状多孔板としてのベースコレクタ材１４６に線状材１４７を接合することによって製造されている。そのため、低いコストで容易に製造することができる。なお、燃料極側コレクタについても同様である。
【０１０２】
また、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】
【０１０３】
【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ルモジュールの構成を示す断面図である。
【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発電性能を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態における空気極側コレクタを製造する方法の第１段階を示す平面図である。
【図８】本発明の第１の実施の形態における空気極側コレクタを製造する方法の第１段階を示す断面図であり図７のＥ−Ｅ矢視断面図である。
【図９】本発明の第１の実施の形態における空気極側コレクタを製造する方法の第２段階を示す平面図である。
【図１０】本発明の第１の実施の形態における空気極側コレクタを製造する方法の第２段階を示す断面図であり図９のＦ−Ｆ矢視断面図である。
【図１１】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１２】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１３】本発明の第２の実施の形態における空気極側コレクタの構成を示す二面図である。
【図１４】本発明の第２の実施の形態における空気極側コレクタの構成を示す要部拡大図であり図１３のＧ部拡大図である。
【符号の説明】
【０１０４】
１１    単位セル
１１ａ    固体高分子電解質膜
１１ｂ    空気極
１１ｃ    燃料極
１２    セパレータユニット
１４、１４５    空気極側コレクタ
１４ａ、１５ａ、１４１ａ、１４５ａ    谷部
１４ｂ、１５ｂ、１４１ｂ、１４５ｂ    側壁部
１４ｃ、１５ｃ、１４１ｃ、１４５ｃ    頂部
１５    燃料極側コレクタ
２０    燃料電池スタック
４１    セパレータ本体
１４１    コレクタ母材
１４２    削除範囲
１４６    ベースコレクタ材
１４７    線状材
【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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【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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