(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の単位セル間を区画するとともに該単位セルを電気的に直列に接続する燃料電池の耐蝕導電処理を施した金属製板状セパレータであって、
前記セパレータの一端面に形成され、前記単位セルの酸化剤極と接触する凸部により形成された酸化剤ガス供給溝と、
前記セパレータの前記凸部内に、前記酸化剤ガス供給溝と平行に形成され、前記セパレータの側縁部の一端から他端へ冷却水を流通する冷却流路と、
前記酸化剤ガス供給溝の側壁面に形成され、前記酸化剤ガス供給溝と前記冷却流路とを貫通し、前記冷却流路の冷却水を前記酸化剤ガス供給溝に供給する貫通孔とを備えている燃料電池のセパレータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池のセパレータに係り、詳しくは冷却水を流通させる流域を備えたセパレータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＰＥＭ型の燃料電池の単位セルは、燃料極と空気極（酸化剤極）との間に高分子固体電解質膜が挟持された構成である。燃料極及び空気極はともに触媒物質を含む触媒層と、前記触媒層を支持すると共に反応ガスを供給しさらに集電体としての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、反応ガスを外部より電極内に均一に供給するとともに、余剰ガスを外部に排出するためのガス流通溝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。
【０００３】
上記燃料電池本体とセパレータとで単電池が構成される。実際の燃料電池システムでは、かかる単電池の多数個が直列に積層されてスタックが構成される。燃料電池本体では、一般的に発生電力にほぼ相当する熱量の熱が発生する。従って、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ために、冷却手段が講じられる。
冷却手段としては、空気極に空気を送り込むための空気マニホールド内に、水を噴射するノズルを設け、空気極に送り込む空気とともに噴射された水が蒸発する際の潜熱を利用して冷却する構成や、スタック内に冷却板を内蔵させるなどの構成が挙げられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、噴射ノズルから水を噴射する構成のものでは、空気極の表面に供給された水が空気極自体から熱を奪いこれを冷却する構成であり、燃料電池本体で蒸発させる水の量を微妙にコントロールして冷却能力を変化させることが困難である。また、燃料電池スタックには、横断面積の小さい空気供給路が多数設けられており、各空気供給路へ均一に噴射された水を供給することは、極めて難しいものである。
【０００５】
また、燃料電池空気極内部におてい、一時的に水過多の状態が発生し、空気の供給不足に陥り、電圧の安定性を損なう恐れがある。また、従来の水直噴方式では、水を間欠供給しているため、水供給開始時に一時的に燃料電池の状態（温度・空気流量等）が大きく変化し、電圧の安定性を損なう可能性がある。その為、運転温度を高く設定することができなかった。
さらに、冷却板を内蔵する構成では、部品点数が増加し、燃料電池スタック自体の大きさも大型化してしまう。
この発明の目的は、燃料電池の温度制御がより精密に可能となり、かつ燃料電池スタックの大きさを小型化することが可能な燃料電池のセパレータを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
以上のような目的を達成する本発明は以下の構成を有する。
（１）  燃料電池の単位セル間を区画するとともに該単位セルを電気的に直列に接続する燃料電池の耐蝕導電処理を施した金属製板状セパレータであって、
前記セパレータの一端面に形成され、前記単位セルの酸化剤極と接触する凸部により形成された酸化剤ガス供給溝と、
前記セパレータの前記凸部内に、前記酸化剤ガス供給溝と平行に形成され、前記セパレータの側縁部の一端から他端へ冷却水を流通する冷却流路と、
前記酸化剤ガス供給溝の側壁面に形成され、前記酸化剤ガス供給溝と前記冷却流路とを貫通し、前記冷却流路の冷却水を前記酸化剤ガス供給溝に供給する貫通孔とを備えている燃料電池のセパレータ。
【０００７】
【発明の実施の形態】
次にこの発明の好適実施形態について説明する。図１は、この発明の第１の参考実施形態における燃料電池のセパレータ６を用いた燃料電池の単位ユニットの構成を示す側面断面図、図２は、セパレータ６の断面平面図、図３のセパレータ６の全体正面図である。燃料電池の単位ユニットは、固体高分子電解質膜５と、該固体高分子電解質膜５の両側面にそれぞれ重ねられた酸化剤極である空気極３と燃料極４とを備えた単位セルと、単位セルの空気極３に重ねられたセパレータ６と、燃料極４に重ねられたセパレータ７とを備えている。つまり、固体高分子電解質膜５を空気極３と燃料極４とで挟持して単位セルを構成し、さらにセパレータ６、７でその単体を挟持した構成となっている。
【０００８】
セパレータ６、７は、導電性を有し、かつ耐蝕性を備えた材料で構成され、例えば、導電性と耐食性を備えた金属、グラファイトなどが用いられる。導電性と耐食性を備えた金属としては、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。
【０００９】
セパレータ６には、空気極３と接触する側の面（一方の端面）に、略等間隔で複数の酸化剤ガス供給溝が平行に形成され、空気極３に重ねられた状態で空気供給路８０が形成される構成となっている。空気供給路８０は、セパレータ６の一方の長辺から他方の長辺へ向けて形成され、両端は各長辺部で開口している。空気供給路８０の間には凸部により隔壁８１が形成され、その上端部８１２は、空気極３に接触している。
【００１０】
セパレータ６は、空気供給路８０と隔壁８１が設けられる板状の本体部６０を備え、本体部６０内には、酸化剤ガス供給溝である空気供給路８０に沿って形成された冷却流路８２が設けられている。冷却流路８２には、燃料電池を冷却する冷却媒体として水が流通する。冷却流路８２は、セパレータ６に形成された複数の空気供給路８０に沿って、それぞれ形成されており、図４に示されているように、冷却流路８２の一端は供給路８４に、他端は排出路８５にそれぞれ接続されている。供給路８４は、燃料電池スタック２の外部に設けられている水供給系５０の供給ライン５２に接続され、排出路８５は、返還ライン５４に接続され、空気供給路８０に供給されなかった水は、水タンク５３へ返還され、燃料電池スタック２と水タンク５３の間で冷却水が循環する構成となっている。このようにして、冷却水は、セパレータ６の側縁部の一端から他端へ流通する。
【００１１】
空気供給路８０と冷却流路８２との間には、水を空気供給路８０へ供給する供給手段である通路として貫通孔８３が連通している。貫通孔８３は、等間隔で複数設けられ、冷却流路８２内を流れる冷却水が、貫通孔８３を介して空気供給路８０内へ流入する。
貫通孔８３から空気供給路８０へ供給された水は、蒸発する際の潜熱による冷却効果を発揮するとともに、空気極３の乾燥を防止し、常に湿潤状態を維持させることができる。
【００１２】
ここで、冷却流路８２内を流れる冷却水は、必ずしも冷却流路８２内に隙間無く満たされている必要はなく、冷却流路８２の内壁を伝って流れる程度の流量であってもよい。従って、例えば、貫通孔８３が形成されている側面８２１を伝って流れる場合には、貫通孔８３から水が空気供給路８０へ流出するが、違う側面を伝って流れる場合には、水が空気供給路８０へ流出しない場合もある。しかし、水が、冷却流路８２の内壁を伝って流れれば、セパレータ６は冷却され、充分な冷却効果を得ることができる。
【００１３】
燃料極４側のセパレータ７には、燃料ガスを流通させるガス供給路９が形成されている。ガス供給路９は、単位ユニットを構成した状態で、空気供給路８０に対して直交する方向へ形成されている。セパレータ６に設けられている冷却媒体が流通する冷却流路８２と同様の流路は、セパレータ７に設けることもできる。
【００１４】
この実施形態では、燃料電池単位ユニットを使用状態にセットした状態で、空気供給路８０が上下方向に沿って位置するように構成されている。このように構成することで、空気供給路８０に供給された冷却水を下方に滴下させて、空気供給路８０から容易に排出することができる。
【００１５】
図５に示されているように、以上のように構成された燃料電池単位ユニットを複数積層して、即ち直列に接続して、燃料電池スタック２を構成する。上記セパレータ６の構成において、空気供給路８０における空気の流通方向と逆方向に冷却水が流れる構成としてもよい。以上説明した燃料電池のセパレータ６の構成としては、以下に説明するような他の構成とすることもできる。第２の参考実施形態としては、排出路８５を設けず、冷却流路８２に供給された冷却水は、貫通孔８３を介して全て空気供給路８０へ流出させる構成としてもよい。この場合には、例えば、図６に示されているように、セパレータ６の平行な対向する端辺（上辺側と下辺側）に沿って、それぞれ供給路８４ａ、８４ｂを設け、各供給路８４ａ、８４ｂから一つおきに交互に冷却流路８２ａ、８２ｂを接続した構成とすることができる。この構成では、冷却流路８２ａ内では、上方から下方へ向けて冷却水が流れ、冷却流路８２ｂ内では、下方から上方へ向けて冷却水が流れる。つまり、それぞれ逆方向に冷却水が流通する。
【００１６】
冷却水は、熱交換をしながら流路内を流れるので、下流側へ向けて冷却水の温度が上昇し冷却効果が低下する。しかし、この実施形態のように、冷却水の流通方向を交互に逆向きとすることによって、セパレータ６をより均一に冷却することができる。
あるいは、排出路８５を設けず、冷却流路８２の下端は全てセパレータ６の下端辺に開口し、セパレータ６の下端辺から外部に冷却水を排出される構成としてもよい。この場合には、燃料電池スタック２の下側に設けられている集水トレーに排水は回収され、後述するタンク５３へ返還される構成とすることができる。
【００１７】
第３の参考実施形態としては、図７に示されているように、冷却流路８２ｃを、空気供給路８０に対して交差する方向に形成してもよい。
本発明の実施形態としては、図８に示されているように、隔壁８１内に冷却流路８２を形成することもできる。隔壁８１は、空気極３に接触するので、隔壁８１内に冷却流路８２を形成すると、冷媒の位置が空気極３に接近し、冷却効果が向上する。また、この場合に、空気供給路８０と連通する貫通孔８３は、空気供給路８０の側壁面８１１に形成されることとなる。側壁面８１１に貫通孔８３を設けることによって、空気供給路８０に供給された冷却水が空気極３に接触し易くなり、極を湿潤状態に維持する効果を確実に発揮させることができる。
【００１８】
第４の参考実施形態としては、図９に示されているように、隔壁８１内に冷却流路８２を形成し、隔壁８１の空気極３との上端部（接触面）８１２に貫通孔８３を構成してもよい。この構成では、直接空気極３に貫通孔８３から冷却水を供給し、空気極３の乾燥が防止できる。第５の参考実施形態としては、図１０に示されているように、セパレータ６を、平断面が波形となるように形成された空気供給路構成部材６２と、その背面側に重ねられた平板状の背面部材６１とを備えた構成とすることもできる。背面部材６１と空気供給路構成部材６２との間の隙間には、平面状の冷却流路８２ｄが構成され、隔壁８１内には溝状の流路８２ｅが形成される。このような構成とすることで、冷却水が充填される範囲が増大し、冷却効果が向上する。また、貫通孔８３は、空気供給路８０内の底面８０１と、空気供給路８０の側壁面８１１のいずれにも形成することがでる。
【００１９】
次に、以上のように構成された燃料電池スタック２を用いた燃料電池システムの構成について説明する。
図１１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２、水素吸蔵合金１１を含む燃料供給系１０、空気供給系４０、水供給系５０及び負荷系７０から大略構成される。
燃料供給系１０では、水素供給路２０を介して水素吸蔵合金１１から放出された水素を燃料スタック２の各単位ユニットの水素ガス流路９へ送る。水素供給路２０には、水素調圧弁２１が配設され、水素吸蔵合金１１から放出された水素ガスを調圧している。符号２３は水素供給電磁弁２３であって、水素供給路２０の開閉を制御している。燃料電池スタック２へ供給される直前の水素ガス圧は水素元圧センサ２５でモニタされている。
【００２０】
燃料供給系１０において、燃料電池スタック２から排出される水素ガスは水素排気路３０を介して大気へ放出される。水素排気路３０には逆止弁３１と電磁弁３３が設けられている。逆止弁３１は水素排気路３０を介して空気が燃料電池スタック２の燃料極に進入することを防止する。電磁弁３３は間欠的に駆動されて水素の完全燃焼を図る。
【００２１】
空気供給系４０は大気から空気を燃料電池スタック２の空気流路８に供給し、燃料電池スタック２から排出された空気を水凝縮器５１を通過させて排気する。空気供給路４１にはファン４３が備えられ、大気から空気を空気マニホールド４５へ送る。空気はマニホールド４５から燃料電池スタック２の空気供給路８へ流入して空気極３へ酸素を供給する。燃料電池スタック２から排出された空気は水凝縮器５１で水分が凝縮・回収されて大気へ放出される。燃料電池スタック２から排出される温度は排気温度センサ４７によりモニタされている。
【００２２】
冷却水の冷却流路８２から空気供給路８０へ送られた冷却水の大部分は液体の状態を維持したまま水凝縮器５１に到達し、そのままタンク５３へ送られて回収される。供給された水の一部は蒸発し、水凝縮器５１において凝縮されて回収される。なお、排出空気に含まれる水蒸気には燃料電池スタック２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。
【００２３】
水供給系５０はタンク５３の水を、ポンプ６４により、各燃料電池単位ユニットの冷却水供給路８４へ配管５２を介して圧送し、供給された冷却水の一部を、各燃料電池単位ユニットの排出路８５から配管５４を介してタンク５３に回収する。各燃料電池単位ユニット内で、貫通孔８３から空気供給路８０へ供給された水は、水凝縮器５１で回収され、タンク５３に戻される。勿論、水供給系５０を完全に閉じることは不可能であるので、タンク５３の水位を水位センサ５６でモニタしてこの水位が所定の閾値を超えたら外部より水を補給する。冬季にタンク５３中の水が凍結しないようにタンク５３にはヒータ５７と凍結防止電磁バルブ５８が取り付けられている。水凝縮器５１とタンク５３を連結する配管には電磁バルブ６５が取り付けられてタンク５３内の水が蒸発するのを防止している。
【００２４】
排気温度センサ４７で検出された排出空気の温度に対応してポンプ６４の出力を制御し、循環する冷却水の量を調整し燃料電池スタック２の温度を所望の温度に維持することができる。
負荷系７０は燃料電池スタック２の出力を外部に取り出して、モータ７７等の負荷を駆動させる。この負荷系７０にはスイッチのためのリレー７１と補助出力源となる２次電池７５が設けられ、２次電池７５とリレー７１との間に整流用のダイオード７３が介在されている。なお、燃料電池スタック２自体の出力は電圧センサ７５で常にモニタされている。このモニタ結果に基づき、図示しない制御回路で水素排気電磁弁３３の開閉が制御される。
【００２５】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、セパレータ内に冷却水が流通する冷却流路が設けられているので、燃料電池の構造を大型化することなく、冷却効率を上げることができる。また、セパレータの各部をより均一に冷却することができ、温度制御がより精密にできる。
ガス供給路に平行に冷却流路を形成することにより、反応熱の発生する電極に沿って冷却水を流通させることとなり、冷却効率がより向上する。
【００２６】
凸部である隔壁内に冷却水の流路を形成することにより、電極により近接した位置に冷却水が流通することとなり、冷却効率が向上する。
貫通孔が酸化剤ガス供給溝の側壁面に形成されているので、電極に対して一層確実に水を接触させることができ、電極の湿潤状態を維持し易くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池を構成する燃料電池単位ユニットの側面断面図である。
【図２】参考実施形態の燃料電池のセパレータの部分断面平面図である。
【図３】参考実施形態の燃料電池のセパレータの全体正面図である。
【図４】参考実施形態の燃料電池のセパレータの部分拡大正面図である。
【図５】燃料電池スタックの部分拡大斜視図である。
【図６】参考実施形態における燃料電池のセパレータの全体正面図である。
【図７】参考実施形態における燃料電池のセパレータの部分断面平面図である。
【図８】本発明の実施形態における燃料電池のセパレータの部分断面平面図である。
【図９】参考実施形態における燃料電池のセパレータの部分断面平面図である。
【図１０】参考実施形態における燃料電池のセパレータの部分断面平面図である。
【図１１】燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【符号の説明】
１  燃料電池システム
２  燃料電池スタック
３  空気極
４  燃料極
５  固体高分子電解質膜
６  セパレータ
７  セパレータ
８０  空気供給路（酸化剤ガス供給溝）
８１  隔壁（凸部）
８２  冷却流路
８３  貫通孔
１０  燃料供給系
４０  空気供給系
５０  水供給系
７０  負荷系
【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】
0004934938.tif 000010
【図１０】
0004934938.tif 000011
【図１１】
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