(57)【要約】【課題】酸素極とセパレータ本体との間隔が酸化剤流路の下流側ほど広くなるようにして、酸化剤流路の下流側ほど流路断面積が広く、水詰まりが発生せず、水分を適切に排出することができ、酸素極の表面が水によって覆われる可能性が低く、濃度過電圧を低減することができ、燃料電池の性能低下を確実に防止す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を積層するために挟まれるセパレータユニットであって、前記燃料極に供給される燃料ガスと前記酸素極に供給される酸化剤ガスとを遮断する板状のセパレータ本体と、該セパレータ本体の一側に前記酸素極に当接させて設けられ、前記酸素極とセパレータ本体との間隔が前記酸化剤ガスの下流側ほど広くなるように変化する酸化剤流路を形成する酸素極側集電体とを備えた。【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を積層するために挟まれるセパレータユニットであって、
前記燃料極に供給される燃料ガスと前記酸素極に供給される酸化剤ガスとを遮断する板状のセパレータ本体と、
該セパレータ本体の一側に前記酸素極に当接させて設けられ、前記酸素極とセパレータ本体との間隔が前記酸化剤ガスの下流側ほど広くなるように変化する酸化剤流路を形成する酸素極側集電体とを備えたことを特徴とするセパレータユニット。
【請求項２】
前記酸素極側集電体は、酸化剤流路の方向に延在する凸条部と谷部が、酸化剤流路と垂直な方向に交互に形成されている請求項１に記載のセパレータユニット。
【請求項３】
前記凸条部と谷部は幅が一定である請求項２に記載のセパレータユニット。
【請求項４】
電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、セパレータユニットを挟んで積層されている燃料電池装置であって、
前記セパレータユニットは、前記燃料極に供給される燃料ガスと前記酸素極に供給される酸化剤ガスとを遮断する板状のセパレータ本体と、
該セパレータ本体の一側に前記酸素極に当接させて設けられ、前記酸素極とセパレータ本体との間隔が前記酸化剤ガスの下流側ほど広くなるように変化する酸化剤流路を形成する酸素極側集電体とを備えたことを特徴とする燃料電池装置。
【請求項５】
前記酸素極側集電体は、酸化剤流路の方向に延在する凸条部と谷部が、酸化剤流路と垂直な方向に交互に形成されている請求項４に記載の燃料電池装置。
【請求項６】
前記凸条部と谷部は幅が一定である請求項５に記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セパレータユニット及び燃料電池装置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、乗用カート、荷物用カート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（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）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、一体化させて接合する。そして、該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（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）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生成される水、すなわち、生成水の量が多くなると、酸素極側において局所的に空気流路が水分によって塞（ふさ）がれてしまい、燃料電池の性能が低下したりしてしまうことが知られている。そこで、流路の断面積を変化させ、流路内の水分を吹き飛ばす技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００４−２４７１５４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装置においては、空気の流速を高くするために下流側ほど流路の断面積が小さくなるようにしているので、下流においては流路内の壁面の面積が減少し、酸素極の電極面が水の膜によって覆われる確率が高くなり、燃料電池の性能が低下してしまう。
【０００７】
本発明は、前記従来の燃料電池装置の問題点を解決して、酸素極とセパレータ本体との間隔が酸化剤流路の下流側ほど広くなるようにして、酸化剤流路の下流側ほど流路断面積が広く、水詰まりが発生せず、水分を適切に排出することができ、酸素極の表面が水によって覆われる可能性が低く、濃度過電圧を低減することができ、燃料電池の性能低下を確実に防止することができるセパレータユニット及び燃料電池装置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、本発明のセパレータユニットにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池を積層するために挟まれるセパレータユニットであって、前記燃料極に供給される燃料ガスと前記酸素極に供給される酸化剤ガスとを遮断する板状のセパレータ本体と、該セパレータ本体の一側に前記酸素極に当接させて設けられ、前記酸素極とセパレータ本体との間隔が前記酸化剤ガスの下流側ほど広くなるように変化する酸化剤流路を形成する酸素極側集電体とを備えた。
【０００９】
本発明の他のセパレータユニットにおいては、さらに、前記酸素極側集電体は、酸化剤流路の方向に延在する凸条部と谷部が、酸化剤流路と垂直な方向に交互に形成されている。
【００１０】
本発明の更に他のセパレータユニットにおいては、さらに、前記凸条部と谷部は幅が一定である。
【００１１】
本発明の燃料電池装置においては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、セパレータユニットを挟んで積層されている燃料電池装置であって、前記セパレータユニットは、前記燃料極に供給される燃料ガスと前記酸素極に供給される酸化剤ガスとを遮断する板状のセパレータ本体と、該セパレータ本体の一側に前記酸素極に当接させて設けられ、前記酸素極とセパレータ本体との間隔が前記酸化剤ガスの下流側ほど広くなるように変化する酸化剤流路を形成する酸素極側集電体とを備えた。
【００１２】
本発明の他の燃料電池装置においては、さらに、前記酸素極側集電体は、酸化剤流路の方向に延在する凸条部と谷部が、酸化剤流路と垂直な方向に交互に形成されている。
【００１３】
本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記凸条部と谷部は幅が一定である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、セパレータユニットにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池を積層するために挟まれるセパレータユニットであって、前記燃料極に供給される燃料ガスと前記酸素極に供給される酸化剤ガスとを遮断する板状のセパレータ本体と、該セパレータ本体の一側に前記酸素極に当接させて設けられ、前記酸素極とセパレータ本体との間隔が前記酸化剤ガスの下流側ほど広くなるように変化する酸化剤流路を形成する酸素極側集電体とを備えた。また、燃料電池装置においては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、セパレータユニットを挟んで積層されている燃料電池装置であって、前記セパレータユニットは、前記燃料極に供給される燃料ガスと前記酸素極に供給される酸化剤ガスとを遮断する板状のセパレータ本体と、該セパレータ本体の一側に前記酸素極に当接させて設けられ、前記酸素極とセパレータ本体との間隔が前記酸化剤ガスの下流側ほど広くなるように変化する酸化剤流路を形成する酸素極側集電体とを備えた。
【００１５】
この場合、酸化剤流路の下流側ほど流路断面積が広くなるので、水詰まりが発生せず、水分を適切に排出することができ、酸素極の表面が水によって覆われる可能性が低く、濃度過電圧を低減することができ、燃料電池の性能低下を確実に防止することができる。また、酸化剤流路が水分によって塞がれてしまうことがなく、酸化剤の流れが阻害されることがない。さらに、冷却能力が向上するので、酸化剤流路内の温度を均一化することができる。
【００１６】
他のセパレータユニット及び燃料電池装置においては、さらに、前記酸素極側集電体は、酸化剤流路の方向に延在する凸条部と谷部が、酸化剤流路と垂直な方向に交互に形成されている。
【００１７】
この場合、酸素極側集電体の表面積が大きく、冷却能力が向上する。
【００１８】
更に他のセパレータユニット及び燃料電池装置においては、さらに、前記凸条部と谷部は幅が一定である。
【００１９】
この場合、酸素極側集電体の構造を簡素化することができ、かつ、酸素極側集電体の製造が容易なので、セパレータユニット及び燃料電池装置の製造コストを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
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。
【００２１】
図２は本発明の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す模式斜視図、図３は本発明の実施の形態における燃料電池のセルモジュールの構成を示す図である。
【００２２】
図において、１１は燃料電池（ＦＣ）装置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１１と図示されない蓄電手段としての二次電池又はキャパシタとを併用して使用することが望ましい。
【００２３】
そして、燃料電池スタック１１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、固体高分子型燃料電池であることが望ましい。
【００２４】
なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料ガス、すなわち、アノードガスとし、酸素又は空気を酸化剤、すなわち、カソードガスとする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電解質層の両側に触媒、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。
【００２５】
本実施の形態において、燃料電池スタック１１は、複数のセルモジュール１０を有する。該セルモジュール１０は、燃料電池としての単位セル（ＭＥＡ）１０Ａと、該単位セル１０Ａ同士を電気的に接続するとともに、単位セル１０Ａに導入される、アノードガスとしての水素ガスの流路とカソードガスとしての空気の流路とを分離するセパレータユニット１０Ｂを１セットとして、板厚方向に複数のセットを重ねて構成されている。なお、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とセパレータユニット１０Ｂとが、２種類のフレーム１７及び１８とともに、多段に重ねられて積層されている。この場合、セルモジュール１０は、導電可能に、かつ、燃料ガス流路、すなわち、水素ガス流路が連続するように相互に接続されている。
【００２６】
そして、単位セル１０Ａは、電解質層としての固体高分子電解質膜、並びに、該固体高分子電解質膜の一側に設けられた酸素極としての空気極（カソード極）及び他側に設けられた燃料極（アノード極）から成る。前記空気極及び燃料極は、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と接触させて支持される触媒層とから成る。
【００２７】
前記単位セル１０Ａにおいては水が移動する。この場合、セパレータユニット１０Ｂの燃料極側に形成された燃料室内に燃料ガス、すなわち、アノードガスとしての水素ガスを供給すると、水素が水素イオ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を透過する。また、前記空気極をカソード極とし、セパレータユニット１０Ｂの空気極側に形成された空気流路としての酸素室内に酸化剤、すなわち、カソードガス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。なお、水分が逆拡散水として固体高分子電解質膜を透過し、燃料室内に移動する。ここで、逆拡散水とは、空気流路としての酸素室において生成される水が固体高分子電解質膜内に拡散し、該固体高分子電解質膜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。
【００２８】
また、燃料電池スタック１１に酸化剤としての空気を供給する図示されない装置が示されている。この場合、空気は、エアフィルタを通って、酸化剤供給源としての空気供給ファンに吸引され、該空気供給ファンから、空気供給管路、吸気マニホールド等を通って、燃料電池スタック１１の酸素室、すなわち、空気流路に供給される。この場合、供給される空気の圧力は、大気圧程度の常圧であってもよいし、より高い圧力であってもよい。なお、前記空気供給ファンは、空気を吸引して吐出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く、高圧の空気を供給するためのポンプであってもよい。また、前記エアフィルタは、空気に含まれる塵埃（じんあい）、不純物等を除去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、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、空気流路から排出される空気は、図示されない排気マニホールドを通って大気中へ排出される。図に示される例において、空気は燃料電池スタック１１内を流通する。
【００２９】
また、前記空気供給管路には、必要に応じて、空気流路に供給される空気中に水をスプレーして供給し、燃料電池スタック１１の空気極を湿潤な状態に維持するための水供給ノズルを配設することもできる。さらに、前記排気マニホールドの端部に、前記燃料電池スタック１１から排出される空気中の水分を凝縮して除去するための凝縮器を配設することもできる。この場合、該凝縮器によって凝縮された水は図示されない水タンクに回収されることが望ましい。そして、該水タンク内の水を前記水供給ノズルに供給することによって水を無駄に廃棄することなく、循環させて再利用することができる。
【００３０】
一方、燃料ガスとしての水素ガスは、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、水素ガスボンベ等から成る図示されない燃料貯蔵手段から燃料供給管路を通って、燃料電池スタック１１の燃料ガス流路の入口に供給される。図に示される例において、水素ガスは燃料電池スタック１１内を流通する。そして、燃料電池スタック１１の燃料ガス流路の出口から未反応成分として排出される水素ガスは、図示されない燃料排出管路を通って燃料電池スタック１１外に排出される。なお、前記燃料排出管路には、排出された水素ガスが含まれる水分を分離して回収するための水回収ドレインタンクが配設されていることが望ましい。これにより、水分が分離されて水回収ドレインタンクから排出された水素ガスを回収し、燃料電池スタック１１の燃料ガス流路に供給して再利用することができる。
【００３１】
この場合、燃料電池スタック１１は、全体として扁（へん）平な直方体状の形状を有し、内部における空気の流れは、図２において矢印Ａで示されるように、重力方向、すなわち、上から下に直線状になっている。また、水素ガスの流れは、矢印Ｂで示されるように、重力方向、すなわち、前記矢印Ａで示される方向とほぼ直交する水平面内において、セルモジュール１０毎に折り返すサーペンタイン状に、すなわち、蛇行状になっている。
【００３２】
また、前記燃料電池スタック１１は、水素ガスの入口側及び出口側に配設された図示されないエンドプレートによって積層方向に締め付けられている。なお、前記エンドプレートは締付用シャフトによって、セルモジュール１０を締め付ける力が付与された状態で、相互に接続されている。
【００３３】
次に、前記燃料電池スタック１１の構成を詳細に説明する。
【００３４】
図４は本発明の実施の形態における燃料電池のセパレータユニットの構成を示す第１の図、図５は本発明の実施の形態における燃料電池のセパレータユニットの構成を示す第２の図、図６は本発明の実施の形態における燃料電池のセパレータユニットの構成を示す拡大斜視図である。
【００３５】
図４に示されるように、セパレータユニット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、セルモジュール１０の他端（図３における下側端）は、図５に示されるように、セパレータユニット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。
【００３６】
そして、各セルモジュール１０は、全体として直方体状の形状を有し、セパレータユニット１０Ｂを備える。なお、該セパレータユニット１０Ｂは、長方形状の開口の周囲を取り囲む枠状のフレーム１７及び１８を有し、各フレーム１７及び１８は、長手方向両端近傍に形成された長孔（あな）を備える。各セパレータユニット１０Ｂは、相互に密着し、かつ、前記長孔同士が相互に整列するように積層され、これにより、長孔はセパレータユニット１０Ｂの積層方向に貫通する水素ガス流路を形成する。
【００３７】
また、前述のように、単位セル１０Ａは、電解質層としての固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜の一側に設けられた空気極及び他側に設けられた燃料極とから成る。そして、前記空気極及び燃料極は、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。これらの部材のうち、空気極及び燃料極は、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とを有するものとされている。また、固体高分子電解質膜は、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。
【００３８】
そして、セパレータユニット１０Ｂは、単位セル１０Ａ間のガス遮断部材でありセパレータ本体としてのセパレータ基板１６と、該セパレータ基板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酸素極側集電体としての空気極側コレクタ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燃料極側集電体としての燃料極側コレクタ１５とを有する。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（最外側のもののみが上下端を相互にバックアッププレート１７ａ及び１７ｂで連結されて枠状（（図４参照）をなす。）と、燃料極側コレクタ１５及び単位セル１０Ａの周縁部に配置されたフレーム１８とが設けられている。空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５は、本実施の形態においては、導電性の板材、例えば、板厚が０．２〔ｍｍ〕程度の金属薄板で構成されている。また、セパレータ基板１６は、板厚が更に薄い導電性の板材、例えば、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（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。また、フレーム１７及び１８は、適宜の絶縁材料から成る。
【００３９】
また、空気極側コレクタ１４は、図５に示されるように、全体形状を横長の矩（く）形の多孔（こう）体から成る。例えば、図６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）エキスパンドメタル、パンチングメタル等の板材から成り、プレス加工によって形成された細かい凸条部１４１を有する波板とされている。前記凸条部１４１は、板材の縦辺（図６に示される例における短辺）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。前記凸条部１４１の断面形状は、概略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。前記凸条部１４１の高さは、後述されるように下流側ほど高くなるように変化し、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の断面積が下流側ほど大きくなるように変化している。各凸条部１４１の頂部１４２の平面は、空気極側の電極拡散層が接触する当接部となっており、凸条部１４１間の谷部１４４は、セパレータ基板１６との当接部とされている。
【００４０】
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ことが望ましい。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一例である。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に接触している凸条部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って、空気極側コレクタ１４と空気極側の電極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、すなわち、開口１４３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。
【００４１】
また、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）エキスパンドメタル、パンチングメタル等の矩形の板材から成り、プレス加工によって、複数の凸条部１５１が形成されている。該凸条部１５１は、頂部１５２が平坦（たん）で、断面形状も、前記凸条部１４１の場合と同様に実質上矩形波状とされているが、この燃料極側コレクタ１５の場合の凸条部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。これら凸条部１５１の頂部１５２の平面は、燃料極が接触する当接部となっており、凸条部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。これら凸条部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。これら凸条部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ガス流路を確保している。
【００４２】
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、それぞれの凸条部１４１及び１５１がとも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、前記空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５のそれぞれの谷部１４４及び１５４は、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、前記空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５をセパレータ基板１６と重ね合わせることによって、該セパレータ基板１６の一方側に酸化剤流路としての空気流路、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、この縦方向の空気流路から、単位セル１０Ａの空気極に空気が供給され、同様に、横方向の燃料ガス流路から単位セル１０Ａの燃料極に水素が供給される。
【００４３】
前記フレーム１７及び１８によって、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５並びにセパレータ基板１６を保持してセパレータユニット１０Ｂが構成される。そして、該セパレータユニット１０Ｂと単位セル１０Ａとを交互に積層して、セルモジュール１０が構成される。このように積層されたセルモジュール１０には、図３に示される、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該セルモジュール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。
【００４４】
なお、単位セル１０Ａ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を透過する。また、前記空気極をカソード極とし、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内に拡散し、該固体高分子電解質膜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。
【００４５】
次に、前記空気極側コレクタ１４の構成について詳細に説明する。
【００４６】
図１は本発明の実施の形態における空気極側コレクタの構成を示す図、図７は本発明の実施の形態における空気極側コレクタの機能を従来の空気極側コレクタと比較した図である。なお、図１（ａ）は空気の入口側端面を示し、図１（ｂ）は上面を示し、図１（ｃ）は空気の出口側端面を示し、図７（ａ−１）〜（ａ−３）は従来の空気極側コレクタの機能を示し、図７（ｂ−１）〜（ｂ−３）は本実施の形態の空気極側コレクタの機能を示している。
【００４７】
本実施の形態において、空気極側コレクタ１４は、図１に示されるように、頂部１４２と谷部１４４との距離が空気流路の下流側ほど大きくなるように、すなわち、凸条部１４１の高さが空気流路の下流側ほど高くなるように形成されている。これにより、空気極とセパレータ基板１６との間隔が空気流路の下流側ほど広くなるように変化する。なお、図１において、Ｘ1 は空気極側コレクタ１４における空気流路の最上流側、すなわち、空気の入口側での凸条部１４１の高さを示し、Ｘ2 は空気極側コレクタ１４における空気流路の最下流側、すなわち、空気の出口側での凸条部１４１の高さを示している。この場合、次の式（１）の関係が成り立つ。
Ｘ１＜Ｘ２  ・・・式（１）
そのため、図７（ｂ−２）に示されるように、空気流路の下流側ほど空気極とセパレータ基板１６との間隔が広くなるので、空気流路の断面積は下流側ほど広くなる。なお、図７（ａ−２）は、比較のために従来の空気極側コレクタを使用した場合を示している。これにより、空気の流れがスムーズになる。また、生成水や空気中に供給された水分の量は、下流側に行くほど増加するが、空気流路の断面積が下流側ほど広くなっているので、空気流路が水分によって塞がれてしまうことがなく、空気の流れが阻害されることがない。したがって、フラッディングが発生することがない。
【００４８】
なお、凸条部１４１及び谷部１４４の幅は一定である。そのため、プレス加工によって、前記凸条部１４１及び谷部１４４を容易に成形することができる。
【００４９】
また、空気流路の断面積が下流側ほど広いので、空気流路を取り囲む壁面の面積が下流側に行くほど増加し、発熱拡散による冷却能力が向上する。図７（ａ−２）及び（ｂ−２）に示されるように、本実施の形態における冷却能力Ｑ２は従来の空気極側コレクタを使用した場合の冷却能力Ｑ１より大きくなっている。すなわち、次の式（２）の関係が成り立つ。
Ｑ１＜Ｑ２  ・・・式（２）
そのため、空気流路内の温度は、従来の空気極側コレクタを使用した場合には、図７（ａ−３）に示されるように、空気流路の下流側ほど高いのに対し、本実施の形態においてはほぼ均一となる。すなわち、空気流路内の温度を均一化することができる。
【００５０】
また、空気流路を取り囲む壁面の面積が増加すると、水の膜が空気極の表面に付着する確率が小さくなり、空気極の表面が水によって覆われる可能性が低くなる。そのため、空気流路の下流側において水分の量が増えても、空気極の表面が水によって覆われる可能性が低いので、空気が空気極と接触して電気化学反応が発生するための面積が減少することを防止することができる。したがって、燃料電池の性能の低下を防止することができ、濃度過電圧を低減することができる。
【００５１】
このように、本実施の形態において、空気極とセパレータ基板１６との間隔が空気流路の下流側ほど広くなるように変化している。そのため、空気流路の下流側ほど空気流路の断面積が広くなるので、水詰まりが発生せず、水分を適切に排出することができ、空気の流れがスムーズになる。そして、空気流路内の水分の量は、下流側に行くほど増加するが、空気流路の断面積が下流側ほど広くなっているので、空気流路が水分によって塞がれてしまうことがなく、空気の流れが阻害されることがない。
【００５２】
また、空気流路を取り囲む壁面の面積が下流側に行くほど増加し、冷却能力が向上するので、空気流路内の温度を均一化することができる。さらに、空気が空気極と接触して電気化学反応が発生するための面積が減少することを防止することができので、燃料電池の性能の低下を防止することができ、濃度過電圧を低減することができる。
【００５３】
なお、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】
【００５４】
【図１】本発明の実施の形態における空気極側コレクタの構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す模式斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態における燃料電池のセルモジュールの構成を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態における燃料電池のセパレータユニットの構成を示す第１の図である。
【図５】本発明の実施の形態における燃料電池のセパレータユニットの構成を示す第２の図である。
【図６】本発明の実施の形態における燃料電池のセパレータユニットの構成を示す拡大斜視図である。
【図７】本発明の実施の形態における空気極側コレクタの機能を従来の空気極側コレクタと比較した図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０Ｂ    セパレータユニット
１１    燃料電池スタック
１４    空気極側コレクタ
１６    セパレータ基板
１４４    谷部
１４１    凸条部
【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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