CN101064366B - 隔板单元以及燃料电池堆 - Google Patents

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Abstract

一种隔板单元，具有：板状的气体阻挡部件，为了将用燃料极和氧气极夹持电解质层而成的燃料电池进行叠层，被插入相邻的燃料电池之间，并将气体进行阻挡；集电体，被插入该气体阻挡部件和上述燃料极或氧气极之间，并具有使上述气体扩散的多个开口。上述集电体包括：电极抵接部，由与上述燃料极或氧气极抵接进行集电的平板状的多孔板形成；气体阻挡部件抵接部，由与上述气体阻挡部件抵接形成气体流路，且保持上述电极抵接部的线状体形成，该气体阻挡部件抵接部的高度尺寸比上述电极抵接部的开口的等效直径小。由此，可以向燃料电池的电极提供充分量的气体，使集电电阻降低，在叠层方向具有充分的强度，并可以充分地冷却电极，且制造容易、成本低。

Description

隔板单元以及燃料电池堆
技术领域
本发明涉及燃料电池的隔板单元以及燃料电池堆。
背景技术
以往，由于燃料电池发电效率高、不排出有害物质，已经作为产业用、家庭用的发电装置，或作为人造卫星和宇宙飞船等的动力源而被实用化，但是，近年来正在推进作为乘用车、公共汽车、卡车、乘用轻型车、货用轻型车等的车辆用的动力源的开发。而且，上述燃料电池也可以是碱性水溶液型(AFC)、磷酸型(PAFC)、熔融碳酸盐型(MCFC)、固体氧化物型(SOFC)、直接甲醇型(DMFC)等的燃料电池，但是，由于以纯氢气为燃料气体的固体高分子型燃料电池(PEMFC)可以使其单位输出的系统体积、重量较小，所以正在被积极地利用。
这种情况下，使用将固体高分子电解质膜用两片气体扩散电极夹持并进行一体化接合的MEA(Membrane Electrode Assembly：膜电极接合体)。而且，若将该气体扩散电极的一方作为燃料极(阳极)，并向其表面提供作为燃料的氢气，则氢气被分解成氢离子(质子)和电子，且氢离子在固体高分子电解质膜中移动。另外，若将上述气体扩散电极的另一方作为氧气极(阴极)，并向其表面提供作为氧化剂的空气，则空气中的氧气与上述氢离子以及电子结合并生成水。通过这样的电化学反应产生电动势。
而且，固体高分子型燃料电池具有在MEA的外侧配设了形成氢气和空气那样的反应气体流路的隔板的叠层构造。上述隔板，在防止反应气体向在叠层方向相邻的MEA透过的同时，进行为了将在MEA中产生的电流向外部取出的集电。这样，通过将MEA和隔板进行多层叠层来构成燃料电池堆。而且，为了反应气体向MEA的提供、集电电阻的降低、固体高分子电解质膜的湿润状态的维持等，提案有将膨胀合金等具有网眼的金属板作为隔板的集电体而使用的技术(例如参照专利文献1)。
专利文献1：日本特开2005-285685号公报
但是，在上述以往的隔板中，使用将具有网眼的金属板弯曲成截面成为矩形波状的隔板。因此，不只针对叠层方向的热电阻变高、电极的冷却变得不充分，而且还存在在加强筋形成部充塞水并阻碍气体提供的可能性。进而，存在具有网眼的金属板其自身容易变形并产生表面压力分布的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制造容易、成本较低的隔板单元以及燃料电池堆，能够解决上述以往的隔板的问题点，并通过在与具有多个开口的平板状的多孔板的电极抵接面相反侧的面，将高度尺寸比开口的等效直径还小的线状体进行接合，可以向燃料电池的电极提供充分量的气体，可以使集电电阻降低、针对叠层方向具有充分的强度，并可以使电极充分地进行冷却。
为此，本发明的隔板单元，具有：板状的气体阻挡部件，为了将用燃料极和氧气极夹持电解质层而成的燃料电池进行叠层，被插入相邻的燃料电池之间，并将气体进行阻挡；集电体，被插入该气体阻挡部件和上述燃料极或氧气极之间，并具有使上述气体扩散的多个开口。上述集电体，包括：电极抵接部，由与上述燃料极或氧气极抵接并进行集电的平板状的多孔板形成；气体阻挡部件抵接部，由与上述气体阻挡部件抵接并形成气体流路，且保持上述电极抵接部的线状体形成。该气体阻挡部件抵接部的在上述叠层方向上的高度尺寸比上述电极抵接部的开口的等效直径小。
本发明其他的隔板单元，进而，上述电极抵接部的开口率是30～50％。
本发明的另外的其他的隔板单元，进而，上述电极抵接部的开口的形状是菱形，较短一方的对角尺寸是大于等于0.7mm小于1.3mm，较长一方的对角尺寸是大于等于0.8mm小于2.8mm。
本发明的燃料电池堆，将用燃料极和氧气极夹持电解质层而成的燃料电池隔着隔板单元进行叠层。上述的隔板单元，具有：板状的气体阻挡部件，被插入相邻的燃料电池之间，并将气体进行阻挡；集电体，被插入该气体阻挡部件和上述燃料极或氧气极之间，并具有使上述气体扩散的多个开口。上述集电体，包括：电极抵接部，由与上述燃料极或氧气极抵接并进行集电的平板状的多孔板形成；气体阻挡部件抵接部，由与上述气体阻挡部件抵接并形成气体流路，且保持上述电极抵接部的线状体形成。该气体阻挡部件抵接部的在上述叠层方向上的高度尺寸比上述电极抵接部的开口的等效直径小。
根据本发明，隔板单元，具有：板状的气体阻挡部件，为了将用燃料极和氧气极夹持电解质层而成的燃料电池进行叠层，被插入相邻的燃料电池之间，并将气体进行阻挡；集电体，被插入该气体阻挡部件和上述燃料极或氧气极之间，并具有使上述气体扩散的多个开口。上述集电体，包括：电极抵接部，由与上述燃料极或氧气极抵接并进行集电的平板状的多孔板形成；气体阻挡部件抵接部，由与上述气体阻挡部件抵接并形成气体流路，且保持上述电极抵接部的线状体形成。该气体阻挡部件抵接部的高度尺寸比上述电极抵接部的开口的等效直径小。
这种情况下，可以向燃料电池的电极提供充分量的气体的同时，可以降低集电电阻。另外，由于将平板状的电极抵接部用由线状体形成的阻挡部件抵接部支撑，所以电极抵接部的变形变小、叠层负荷所对应的表面压力分布减少的同时，可以将电极充分地进行冷却。进而，由于制造容易，可以降低隔板单元的成本。
其他的隔板单元，进而，上述电极抵接部的开口率是30～50％。
这种情况下，即使在高电流范围也可以抑制燃料电池的电压下降。
另外的其他的隔板单元，进而，上述电极抵接部的开口，形状是方形，较短一方的对角尺寸是大于等于0.7mm小于1.3mm，较长一方的对角尺寸是大于等于0.8mm小于2.8mm。
这种情况下，可以得到燃料电池良好的V-I特性。
燃料电池堆，将用燃料极和氧气极夹持电解质层而成的燃料电池隔着隔板单元进行叠层。上述的隔板单元，具有：板状的气体阻挡部件，被插入相邻的燃料电池之间，并将气体进行阻挡；集电体，被插入该气体阻挡部件和上述燃料极或氧气极之间，并具有使上述气体扩散的多个开口。上述集电体，包括：电极抵接部，由与上述燃料极或氧气极抵接而进行集电的平板状的多孔板形成；气体阻挡部件抵接部，由与上述气体阻挡部件抵接而形成气体流路，且保持上述电极抵接部的线状体形成。该气体阻挡部件抵接部的高度尺寸比上述电极抵接部的开口的等效直径小。
这种情况下，可以向燃料电池的电极提供充分量的气体的同时，可以降低集电电阻。另外，由于将平板状的电极抵接部用由线状体形成的阻挡部件抵接部支撑，所以使电极抵接部的变形变小、叠层负荷所对应的表面压力分布减少的同时，可以将电极充分地进行冷却。进而，由于制造容易，故可以降低燃料电池堆的成本。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式中的燃料电池系统的构成的图。
图2是本发明的实施方式中的燃料电池堆的单体组件的俯视图。
图3是将本发明的实施方式中的燃料电池堆的单体组件从空气极侧看的正视图。
图4是将本发明的实施方式中的燃料电池堆的单体组件从燃料极侧看的正视图。
图5是本发明的实施方式中的燃料电池堆的单体组件的主要部分剖面图、是图3的B-B向视主要部分剖面图。
图6是本发明的实施方式中的燃料电池堆的单体组件的主要部分剖面图、是图3的A-A向视主要部分剖面图。
图7是表示本发明的实施方式中的空气极侧集电器的构成的二面图。
图8是表示本发明的实施方式中的空气极侧集电器的构成的主要部分放大图、即图7的C部放大图。
图9是表示本发明的实施方式中的空气极侧集电器的开口形状的例子的图。
图10是表示本发明的实施方式中的空气极侧集电器的实验例的尺寸的表格。
图11是表示本发明的实施方式中的空气极侧集电器的电极接触面的形状给单体性能带来的影响的图。
图12是表示本发明的实施方式中的空气极侧集电器的开口率给单体性能带来的影响的图。
图中：10A-单元电池；11-固体高分子电解质膜；12-空气极；13-燃料极；14-空气极侧集电器；14a-基体集电器材料；14b-加强筋部件；14c-开口；15-燃料极侧集电器；16-隔板基板。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行详细地说明。
图1是表示本发明的实施方式中的燃料电池系统的构成的图。
在图中，20是作为本实施方式中的燃料电池系统的燃料电池(FC)的燃料电池堆，作为乘用车、公共汽车、卡车、乘用轻型车、货用轻型车等的车辆用的动力源而被使用。在这里，上述车辆具有照明装置、无线电设备、自动开闭式车窗等即使在车辆停车当中也被使用的多个耗电的辅助设备，另外，由于行驶模式多样、动力源所要求的输出范围极宽，所以同时使用作为动力源的燃料电池堆20和二次电池、电容器等的蓄电单元。
而且，燃料电池堆20也可以是碱性水溶液型、磷酸型、熔融碳酸盐型、固体氧化物型、直接甲醇型等的燃料电池，但是，最好是固体高分子型燃料电池。
此外，更优选是以氢气为燃料气体、即阳极气体，以氧气或空气为氧化剂、即阴极气体的被称为PEMFC(Proton Exchange Membrane FuelCell)型燃料电池，或PEM(Proton Exchange Membrane)型燃料电池。这里，该PEM型燃料电池，一般由将多个作为燃料电池的单体(Fuel Cell)串联地结合而成的电堆(Stack)形成，其中各个单体在作为使质子等的离子进行移动的电解质层的固体高分子电解质膜的两侧结合有催化剂、电极以及隔板。
在本实施方式中，燃料电池堆20具有后述的多个单体组件10。该单体组件10，将作为燃料电池的单元电池(MEA：Membrane ElectrodeAssembly)10A，和将该单元电池彼此之间进行电气连接的同时把被导入单元电池的、作为阳极气体的氢气的流路和作为阴极气体的空气的流路分离的隔板10B作为1组，并在板厚方向进行多组重叠而构成。此外，单体组件10，以将单元电池10A彼此之间隔开规定的间隙进行配置的方式，将单元电池10A和隔板10B进行多级重叠来进行叠层。
而且，单元电池10A，如后所述，由在作为电解质层的固体高分子电解质膜11的一侧所设置的作为氧气极的空气极12以及在另一侧所设置的燃料极13构成。上述空气极12，由电极扩散层和催化剂层形成，该电极扩散层由使反应气体扩散并透过的导电性材料形成，该催化剂层形成于该电极扩散层上，并与固体高分子电解质膜11接触而被支撑。另外，单元电池10A具有：空气极侧集电器14，其与单元电池10A的空气极12侧的电极扩散层接触进行集电的同时，作为网状的集电体形成有使空气和水的混合流透过的多个开口；燃料极侧集电器15，其与单元电池10A的燃料极侧的电极扩散层接触，并同样作为网状的集电体而用于将电流向外部导出。
水在上述单元电池10A中进行移动。这种情况下，若向燃料极侧集电器15的燃料室内提供燃料气体、即作为阳极气体的氢气，则氢气被分解成氢离子和电子，氢离子伴随质子连带水(proton-carrying water)在固体高分子电解质膜11中移动。另外，将上述空气极12作为阴极，若向作为空气流路的氧气室内提供氧化剂、即作为阴极气体的空气，则空气中的氧气和上述氢离子以及电子结合并生成水。此外，水分作为逆扩散水透过固体高分子电解质膜11，向燃料极侧集电器15的燃料室内移动。在这里，所谓逆扩散水，是在氧气室中生成的水在固体高分子电解质膜11内扩散，并向与上述氢离子相反的方向在该固体高分子电解质膜11内进行透过并渗透到燃料室的水。
在图1中，表示了向燃料电池堆20提供作为燃料气体的氢气的装置，以及提供作为氧化剂的空气的装置。此外，也可以将利用未图示的改性装置将甲醇、汽油等进行改性而取出的燃料、即氢气，直接提供给燃料电池堆20，但是，为了即使在车辆的高负荷行驶时也能稳定地提供足够量的氢气，最好提供储存在燃料储藏单元73中的氢气。由此，由于始终以几乎一定的压力充分地提供该氢气，所以上述燃料电池堆20可以无延迟地跟踪车辆的负荷的变动，提供需要的电流。
将氢气从容纳了氢气吸藏合金的容器、容纳了萘烷那样的氢气生成液体的容器、氢气高压储气瓶等的燃料储藏单元73，通过作为燃料供给管路的第1燃料供给管路21、以及作为与该第1燃料供给管路21连接的燃料供给管路的第2燃料供给管路33，向燃料电池堆20的燃料气体流路的入口提供。而且，在上述第1燃料供给管路21中，配设了作为燃料储藏单元源开闭阀的氢气源阀24、压力传感器27、燃料压力调整阀25以及作为燃料供给电磁阀的氢气供给阀26。另外，在将燃料压力调整阀25进行旁路的旁路管路中配设了作为旁路阀的氢气高压供给阀29。进而，在上述第2燃料供给管路33中配设有安全阀33a。此外，可以任意地设定上述压力传感器27、燃料压力调整阀25以及氢气供给阀26的数量。另外，上述燃料储藏单元73是具有充分大的容量、具有始终可以提供充分高压力的氢气的能力的装置。
而且，通过第1燃料排出管路31，将从燃料电池堆20的燃料气体流路的出口以未反应的状态被排出的氢气，向燃料电池堆20的外部排出。在上述第1燃料排出管路31中，配设了作为回收容器的水回收排水箱60。而且，排出与水分离后的氢气的第2燃料排出管路30与该水回收排水箱60连接，并在该第2燃料排出管路30中配设了作为泵的抽吸循环泵36。另外，在上述第2燃料排出管路30中配设了氢气循环电磁阀34。而且，上述第2燃料排出管路30的水回收排水箱60的相反侧的端部与第2燃料供给管路33连接。由此，可以将被排出到燃料电池堆20外部的氢气进行回收，并提供给燃料电池堆20的燃料气体流路进行再利用。
另外，第3燃料排出管路56与上述水回收排水箱60连接，在该第3燃料排出管路56中配设有氢气排气电磁阀62，可以在燃料电池堆20的起动时将从燃料气体流路被排出的氢气向大气中排出。此外，第3燃料排出管路56的出口端与排气岐管71连接，用空气将所排出的氢气进稀释。
进而，在上述第2燃料排出管路30中的抽吸循环泵36和氢气循环电磁阀34之间，连接了另一端与上述第3燃料排出管路56连接的第4燃料排出管路56a。而且，在该第4燃料排出管路56a中，配设了在使燃料电池堆20内进行减压时变成开的减压氢气排出阀62a。另外，外气导入电磁阀35以及空气过滤器37与上述第2燃料排出管路30连接，在燃料电池堆20停止时可以将外气导入。
在这里，上述燃料压力调整阀25，是碟阀、调节器阀、隔膜式阀、质量流量控制器、顺序动作阀等的阀，但是，如果是可以将从上述燃料压力调整阀25的出口流出的氢气的压力调整到预先设定的压力的阀，是任何种类的阀都可以。此外，也可以用手动完成上述压力的调整，但是，最好是利用由电机、脉冲电机、电磁铁等形成的调节器(actuator)来完成。
另外，上述氢气供给阀26、氢气循环电磁阀34、氢气排气电磁阀62、减压氢气排出阀62a以及外气导入电磁阀35是所谓的ON-OFF式的阀，利用由电机、脉冲电机、电磁铁等形成的调节器使其动作。此外，利用手动或自动地使上述氢气源阀24进行动作。进而，上述抽吸循环泵36，如果是可以与氢气一同强制地将逆扩散水排出，并使燃料气体流路内为负压状态的泵，是任何种类的泵都可以。
另一方面，作为氧化剂的空气，经过空气过滤器75a，由作为氧化剂供给源的空气供给风扇75抽吸，并从空气供给风扇75经过空气供给管路77以及吸气岐管74，提供给燃料电池堆20的氧气室、即空气流路中。这种情况下，被提供的空气的压力是大气压左右的常压。此外，上述空气供给风扇75，如果是可以将空气抽吸并喷出的装置，是任何种类的装置都可以。另外，上述空气过滤器75a，如果是可以将空气中含有的尘埃、杂质等除去的装置，是任何种类的装置都可以。此外，作为氧化剂，也可以代替空气使用氧气。而且，将从空气流路排出的空气，经过作为岐管的排气岐管71、凝结器72、出口侧排气岐管22以及排气口22a向大气中排出。此外，在排气岐管71中配设有检测刚从燃料电池堆20被排出的空气的温度的电堆排气温度检测器23b，并在出口侧排气岐管22中配设了检测刚从凝结器72被排出的空气的温度的凝结器排气温度检测器23a。进而，在燃料电池堆20中配设有计测燃料电池电压的电压计59。
另外，在上述空气供给管路77中配设有水供给喷嘴76，其用于向提供给空气流路的空气中喷射提供水，将作为燃料电池堆20的氧气极的空气极维持在湿润状态。此外，利用被喷射的水也可以使上述空气极12以及燃料极13冷却。进而，在上述排气岐管71的端部配设的凝结器72，是用于将从上述燃料电池堆20被排出的空气中的水分凝结并除去的装置，利用上述凝结器72凝结的水经过凝结水排出管路79被回收到水箱52中。此外，在上述凝结水排出管路79中配设有排水泵51，在上述水箱52中配设了水准仪(水位计)52a。
而且，上述水箱52内的水，经过给水管路53被提供给水供给喷嘴76。此外，在上述给水管路53中配设了给水泵54以及水过滤器55。在这里，上述排水泵51以及给水泵54，如果是可以将水抽吸并喷出的泵，是任何种类的装置都可以。另外，上述水过滤器55，如果是可以将水中含有的尘埃、杂质等除去的装置，是任何种类的装置都可以。上述凝结水排出管路79、排水泵51、水箱52、给水泵54、水过滤器55以及给水管路53，作为水循环系统而起作用。
此外，在本实施方式中，燃料电池系统，作为控制单元具有未图示的FC控制器。该FC控制器，包括：CPU、MPU等的运算单元、磁盘、半导体存储器等的存储单元、输入输出接口等。根据各种传感器检测出向燃料电池堆20的燃料气体流路以及空气流路提供的氢气、氧气、空气等的流量、温度、输出电压等，来控制用于驱动上述氢气源阀24、燃料压力调整阀25、氢气供给阀26、氢气高压供给阀29、氢气循环电磁阀34、氢气排气电磁阀62、减压氢气排出阀62a、外气导入电磁阀35等的各种阀、抽吸循环泵36、排水泵51、给水泵54、空气供给风扇75等的各种电机等的动作。
下面，对上述燃料电池堆20的构成进行详细说明。
图2是本发明的实施方式中的燃料电池堆的单体组件的俯视图，图3是将本发明的实施方式中的燃料电池堆的单体组件从空气极侧看的正视图，图4是将本发明的实施方式中的燃料电池堆的单体组件从燃料极侧看的正视图，图5是本发明的实施方式中的燃料电池堆的单体组件的主要部分剖面图、是图3的B-B向视主要部分剖面图，图6是本发明的实施方式中的燃料电池堆的单体组件的主要部分剖面图、是图3的A-A向视主要部分剖面图。
如图2表示的上面(以下，与单体组件10的配置形态一致来说明上下以及纵横的关系)，将单元电池10A，和将该单元电池10A彼此之间进行电气连接的同时把导入单元电池10A中的氢气的流路和空气的流路分离的隔板10B，以及支撑单元电池10A和隔板10B的两种框架17以及18设为1组，并在板厚方向进行多组(图2所示的例子为10组)重叠来构成单体组件10。此外，由于单元电池10A位于框架18的内侧，故在图2中没有明确表示。单体组件10中，以将单元电池10A彼此之间隔开规定的间隙进行配置的方式，交替地以两种框架17以及18为衬垫将单元电池10A和隔板10B进行多级重叠来进行叠层。叠层方向的一端(图2中的上端面一侧)，如图3所示，以隔板10B的纵向凸条形成面和一方的框架17的端面为终端；另一端(图2中的下端面一侧)，如图4所示，以隔板10B的横向凸条形成面和另一方的框架18的端面为终端。
如在图5以及图6中放大的剖面构造所示，单元电池10A，包括：固体高分子电解质膜11；在该固体高分子电解质膜11的一侧所设置的作为氧气极的空气极12；以及在上述固体高分子电解质膜11的另一侧所设置的燃料极13。上述空气极12以及燃料极13，由电极扩散层和反应层形成，该电极扩散层用导电性材料形成并使氢气、空气等的反应气体进行扩散并透过；该反应层形成于该电极扩散层上，含有催化剂物质并使其与固体高分子电解质膜11接触并被支撑。这些部件当中，空气极12以及燃料极13，构成为具有比作为其支撑部件的框架18的开口部的宽度稍微长的横向尺寸，和比开口部的高度稍微短的纵向尺寸。而且，固体高分子电解质膜11，构成为纵横尺寸比开口部的纵横方向尺寸大一圈。
隔板10B，由以下部件构成：隔板基板16，作为单元电池10A之间的气体阻挡部件；空气极侧集电器14，是网孔状的导电体并作为散热板起作用，被设置在该隔板基板16的一侧，与单元电池10A的空气极12侧的电极扩散层接触进行集电，并且形成有使空气和水的混合流透过的多个开口；燃料极侧集电器15，是网眼状的导电体，被设置在隔板基板16的另一侧，与单元电池10A的燃料极13侧的电极扩散层接触并同样地用于将电流向外部导出。而且，为了将这些连同单元电池10A一起保持于规定的位置关系，设置了配置于空气极侧集电器14左右两侧的框架17(只将其最外侧上下端相互间用挡板17a以及17b连结而形成框状(参照图3))，和配置于燃料极侧集电器15以及单元电池10A的周边部的框架18。另外，隔板基板16用板厚更薄的金属板构成。作为其构成金属，是具有导电性和耐腐蚀性的金属，例如可以例举对不锈钢、镍合金、钛合金等实施了金属电镀等的耐腐蚀导电处理后的金属。另外，框架17以及18由适当的绝缘性材料构成。
而且，在隔板10B的外侧，分别配置了框架17以及18。如图5以及图6所示，将包围空气极侧集电器14的框架17，设计成除了外端(图5中最上部、图6中左端)，只具有沿着空气极侧集电器14的短边的包围两侧的纵框架部171，为了形成燃料流路而设置了在板厚方向贯通这些纵框架部171的长孔172。将框架17的板厚，设计成如上述那样与空气极侧集电器14的厚度匹敌的厚度。此外，将隔板基板16设计成与框架17的高度和整体宽度相当的外形尺寸，并设计成在与框架17的上述长孔172重合的位置具有同样的长孔162的构成。由此，在框架17的两纵框架部171之间，划定有用单元电池10A的空气极12和隔板基板16所包围的在纵方向全通的空气流路。
将包围燃料极侧集电器15和单元电池10A的框架18，构成为与框架17大小相同，但是，与该框架17不同，设计成具有左右纵框架部(在图5中位于比记载范围更靠外侧处，故未表示，但是，在与框架17的两纵框架部171的左右两侧端相同的位置具有两侧端的、横向宽度与上下横框架部大致相同的框架部)和上下横框架部182的完整的框状。而且，将框架18设计成，除了外端(图2中是最下部，图4所示的面)，具有与左右纵框架部平行地延伸，在燃料极侧集电器15的左右端重叠的薄板状的挡板18a和厚板状的挡板18b，用这些挡板18a和纵框架部171包围的空间构成了与在板厚方向贯通上述框架17的长孔172对准的用于形成燃料流路的空间。将框架18的板厚设计成，与如上述那样成为波板状的燃料极侧集电器15的厚度和单元电池10A的厚度几乎匹敌的厚度。由此，在框架17的两纵框架部171和挡板18a之间，形成有与框架17的纵框架部171的长孔172对准的框架叠层方向的燃料流路，且，在各个框架18的内部，利用燃料极侧集电器15的波形，划定被隔板基板16和挡板18a夹着的作为横向流路的燃料流路。
利用如上构成的框架17以及18将空气极侧集电器14和燃料极侧集电器15以及隔板基板16保持来构成隔板10B，并将该隔板10B和单元电池10A交替地叠层来构成单体组件10。在这样叠层的单体组件10中，如图2所示，在用框架18所夹持的之间的部分，形成有在纵方向从单体组件10的上面到单体组件10的下面全通的槽状的空气流路。
下面，对上述空气极侧集电器14的构成进行详细说明。
图7是表示本发明的实施方式中的空气极侧集电器的构成的二面图，图8是表示本发明的实施方式中的空气极侧集电器的构成的主要部分放大图、即图7的C部放大图，图9是表示本发明的实施方式中的空气极侧集电器的开口形状的例子的图，此外，图7(a)是平面图，图7(b)是侧面图，图8(a)是平面图，图8(b)是图8(a)的D-D向视剖面图。
本实施方式中的空气极侧集电器14，包括：基体集电器材料14a，其作为电极抵接部与作为电极的空气极12抵接；加强筋部件14b，其作为导电性的流路形成阻挡部件，与作为气体阻挡部件的隔板基板16抵接，并形成空气供给路。而且，上述基体集电器材料14a，是由具有多个开口14c的膨胀合金、冲压合金等的合金板材形成的平板状的多孔板，一面是与空气极12抵接的电极抵接面。另外，上述加强筋部件14b，是与基体集电器材料14a的电极抵接面的相反侧的面接合的线状体。此外，上述开口14c的形状，是例如图9(a)～(d)所示的菱形、正方形、六边形、圆形等，但可以任意地设定。但是，在这里，为了便于说明，以上述开口14c的形状是图9(a)所示那样的菱形来进行说明。
这里，基体集电器材料14a，是具有导电性和耐腐蚀性的金属，是由对例如不锈钢、镍合金、钛合金等实施了金属电镀等的耐腐蚀导电处理后的金属形成。另一方面，加强筋部件14b，例如是具有截面矩形的实心的钢丝状或棒状的没有开口的部件，以多根相互平行的方式被排列。此外，上述加强筋部件14b，也可以是与基体集电器材料14a的材质相同的部件，或是不同材质的部件。另外，上述加强筋部件14b的截面形状，也可以是矩形以外的形状，例如圆形、椭圆形、三角形等，可以任意地设定。进而，上述加强筋部件14b也可以是中空的管状的部件。
而且，加强筋部件14b，利用扩散接合与基体集电器材料14a的表面接合。扩散接合是如下所述的技术：使接合材料的金属表面彼此之间相互以原子级程度的距离接近，不用使基体材料熔解，而通过控制加热、加压、真空度、时间等的条件，来控制接合材料之间的相互扩散，使接合材料彼此的金属结合的形成和接合成为可能。这种情况下，使用真空高温炉，使炉内的温度保持在接合材料的融点的60～70％的温度。例如，在接合材料是不锈钢的情况下，使炉内温度保持在大约1000℃。而且，利用夹具进行固定，并将施加了规定载荷的基体集电器材料14a以及加强筋部件14b、即接合材料在上述炉内放置规定时间，例如12小时。由此，可以使基体集电器材料14a和加强筋部件14b利用扩散接合进行接合。
由此，可以得到具有多个凸条的空气极侧集电器14。这种情况下，基体集电器材料14a的与加强筋部件14b相反侧的面、即图7(b)和图8(b)中的下侧的面作为与空气极12抵接的电极抵接面起作用，加强筋部件14b的与基体集电器材料14a相反侧的面、即图7(b)和图8(b)中的上侧的面作为与隔板基板16接触的阻挡部件抵接面起作用。
在燃料电池中，隔板10B，作为其功能兼有：形成发电所需的反应气体的供给流路的功能；集电功能；作为支撑由于单元电池10A和隔板10B的叠层而引起的负荷的强度部件的功能，以及，使空气极12和燃料极13冷却来进行温度调整的功能。为了实现这些功能，在本实施方式中，将隔板10B的集电体设计成具有以下部分：基体集电器材料14a，其作为电极抵接部是多孔板，具有多开口14c；加强筋部件14b，其作为阻挡部件抵接部是线状体，和与上述多孔板的电极抵接面相反侧的面接合。且，使该加强筋部件14b的高度尺寸H比电极接触面的开口14c的对角尺寸SW(等效直径)还小。
在燃料电池中，为了实现高效率发电，抑制辅助设备的动力损耗，特别地，希望尽可能地使空气供给压力降低。为此，需要确保向单元电池10A提供空气的流路的高度(有效截面积)为适当的大小。另一方面，为了使单体组件10小型化，希望尽可能地减小加强筋部件14b的高度尺寸H。所以，加强筋部件14b的高度尺寸H最好是0.5～0.9mm。
另外，为了充分地确保提供作为反应气体的空气的能力、即气体供给能力，需要以能够顺利地使在氧气室中生成的水排出的方式来设定基体集电器材料14a的电极接触面的开口14c的形状和尺寸。但是，上述开口14c的尺寸，也是从作为电极的空气极12的面到作为集电体的空气极侧集电器14的距离，所以，若过大则电阻变大。另外，若上述开口14c的尺寸和加强筋14b的高度尺寸过大，在空气极12吸湿而膨润的情况下，不能在加强筋之间维持需要的压接状态。因此，有时也会发生固体高分子电解质膜11和空气极12之间的脱离，或在层间产生空隙，并在该部分滞留在氧气室中生成的水。
因而，上述开口14c的尺寸，最好是SW大于等于0.7mm小于1.3mm，LW大于等于0.8mm小于2.8mm。另外，开口率最好是30～50％。此外，如图8(a)所示，在开口14c的形状是菱形的情况下，SW是纵向的尺寸(开口14c的较短一方的对角尺寸)，LW是横向的尺寸(开口14c的较长一方的对角尺寸)。另外，在图8(a)中，W是相邻的开口14c之间的尺寸、即间隔宽度，在图8(b)中，H是加强筋部件14b的高度尺寸。而且，H和SW以及LW之间的关系如下式(1)所示，加强筋部件14b的高度尺寸小于等于开口14c的较短方的对角尺寸。
H≤SW＜LW...式(1)
例如，如图9(a)所示，可以设成，W＝0.2mm，SW＝0.7mm，LW＝1.3mm。此外，H≤0.7mm。
另外，在这里，只对空气极侧集电器14进行了说明，但是，燃料极侧集电器15也可以是相同的构成。
下面，对成为决定上述各种数值的范围的根据的实验结果进行说明。
图10是表示本发明的实施方式中的空气极侧集电器的实验例的尺寸的表格，图11是表示本发明的实施方式中的空气极侧集电器的电极接触面的形状给单体性能带来的影响的图，图12是表示本发明的实施方式中的空气极侧集电器的开口率给单体性能带来的影响的图。
本发明的发明者，制作了具有各个不同数值的多种集电体、并使用安装有该集电体的燃料电池来进行了实验。用于实验所制作的集电体，属于具有如图10的表格所示的数值的三种类型。此外，这些集电体，任何一种其基体板部件的开口部都具有菱形的形状。
而且，将属于上述三种类型、即第1～第3的类型的集电体安装在各个实际的燃料电池中，并将该燃料电池的V-I特性的测定结果表示于图11中。此外，图11中的纵轴表示燃料电池的端子电压(单位：V)，横轴表示电流密度(单位：A/cm2)。另外，图11中的线41表示安装了属于第1类型的集电体的燃料电池的测定结果，线42表示安装了属于第2类型的集电体的燃料电池的测定结果，线43表示安装了属于第3类型的集电体的燃料电池的测定结果。此外，■表示画出了根据实验得到的测定值的点，线41～43是通过连接■而得到的。
根据图11可知，安装了属于第1类型的集电体的燃料电池和安装了属于第3类型的集电体的燃料电池，若进入高电流范围，则电压急剧地下降，与此相对，安装了属于第2类型的集电体的燃料电池，即使进入高电流范围，也维持比较高的电压。因此可知，与安装了属于第1类型的集电体的燃料电池和安装了属于第3类型的集电体的燃料电池相比，希望是安装了属于第2类型的集电体的燃料电池。
另外，本发明的发明者，制作了具有各个不同开口率的多种集电体、并使用安装有该集电体的燃料电池来进行了实验。而且，将安装了开口率不同的集电体的燃料电池的V-I特性的测定结果表示于图12中。此外，在图12中，纵轴表示燃料电池的端子电压(单位：V)，横轴表示集电体的开口率(单位：％)。另外，图12中的线44表示电流密度是0.1(A/cm2)的情况，线45表示电流密度是0.4(A/cm2)的情况，线46表示电流密度是0.7(A/cm2)的情况，线47表示电流密度是1.0(A/cm2)的情况。此外，◆、■、△和□是画出了根据实验所得到的测定值的点，线44～47是通过将与各电流密度对应的点进行连接而得到的。
根据图12可知，安装了开口率较低的集电体的燃料电池和安装了开口率较高的集电体的燃料电池，若进入高电流范围，则电压急剧地下降，与此相对，安装了开口率是30～50％的集电体的燃料电池，即使进入高电流范围也维持比较高的电压。因此可知，集电体的开口率最好是30～50％。
根据以上那样的实验结果，本发明的发明者看出，如上述，开口14c的尺寸最好是：SW是大于等于0.7mm小于1.3mm，LW是大于等于0.8mm小于2.8mm。另外，开口率最好是30～50％。进而，加强筋部件14b的高度尺寸H最好是小于等于开口14c的较短一方的对角尺寸。
这样，在本实施方式中，空气极侧集电器14，具有：基体集电器材料14a，其与空气极12抵接；加强筋部件14b，与将提供给燃料极13的氢气和提供给氧气极12的空气阻挡的隔板基板16抵接。基体集电器材料14a，是平板状的多孔板，具有多开口14c，并在一方具有与空气极12抵接的电极抵接面。加强筋部件14b，是线状体，高度尺寸H比开口14c的等效直径还小，和与基体集电器材料14a的电极抵接面相反侧的面接合。此外，燃料极侧集电器15也可以是与空气极侧集电器14相同的构成。
由此，可以将充分量的氢气或空气向燃料极13或空气极12提供，可以使集电电阻降低、针对叠层方向具有充分的强度，并可以使电极充分地冷却，可以得到制造容易、成本较低的燃料极侧集电器15或空气极侧集电器14。
此外，本发明不限定于上述实施方式，基于本发明的主旨可以进行种种变形，并不能将这些从本发明的范围中排除。

Claims (4)

1.一种隔板单元，具有：板状的气体阻挡部件，为了将用燃料极和氧气极夹持电解质层而成的燃料电池进行叠层，被插入相邻的燃料电池之间，并将气体进行阻挡；集电体，被插入该气体阻挡部件和上述燃料极或氧气极之间，并具有使上述气体扩散的多个开口，其特征在于，
上述集电体，包括：电极抵接部，由与上述燃料极或氧气极抵接并进行集电的平板状的多孔板形成；气体阻挡部件抵接部，由与上述气体阻挡部件抵接并形成气体流路，且保持上述电极抵接部的线状体形成，该气体阻挡部件抵接部的在上述叠层方向上的高度尺寸比上述电极抵接部的开口的等效直径小。
2.如权利要求1所述的隔板单元，其特征在于，上述电极抵接部的开口率是30～50％。
3.如权利要求1所述的隔板单元，其特征在于，上述电极抵接部的开口的形状是菱形，较短一方的对角尺寸大于等于0.7mm小于1.3mm，较长一方的对角尺寸大于等于0.8mm小于2.8mm。
4.一种燃料电池堆，将用燃料极和氧气极夹持电解质层而成的燃料电池隔着隔板单元进行叠层，其特征在于，
上述隔板单元，具有：板状的气体阻挡部件，被插入相邻的燃料电池之间，并将气体进行阻挡；集电体，被插入该气体阻挡部件和上述燃料极或氧气极之间，并具有使上述气体扩散的多个开口，
上述集电体，包括：电极抵接部，由与上述燃料极或氧气极抵接并进行集电的平板状的多孔板形成；气体阻挡部件抵接部，由与上述气体阻挡部件抵接并形成气体流路，且保持上述电极抵接部的线状体形成，该气体阻挡部件抵接部的在上述叠层方向上的高度尺寸比上述电极抵接部的开口的等效直径小。
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