JP2003197217A

JP2003197217A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2003197217A
Application number: JP2002054839A
Authority: JP
Inventors: Munehisa Horiguchi; 宗久堀口; Hidemi Kato; 英美加藤; Masataka Ueno; 正隆上野
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2001-08-21
Filing date: 2002-02-28
Publication date: 2003-07-11
Anticipated expiration: 2022-02-28
Also published as: EP1286404A2; ATE397294T1; EP1286404B1; EP1286404A3; US7153605B2; DE60226819D1; US20030039875A1; JP4085652B2

Abstract

(57)【要約】【課題】空気と冷却水の同時供給により、冷却と膜湿
潤の維持の両立を図りながら、燃料電池セルの大型化を
招くことなく、効率的な冷却を行なう。【解決手段】燃料電池は、互いに隣接する単位セル１
０Ａの間にセパレータ１０Ｂを備える。セパレータは、
単位セルの少なくとも空気極に接する表面側に空気流路
Ｓ１を備えるとともに、背面側に空気と水とを供給され
る冷却空間Ｓ２を備え、該冷却空間に伝わる単位セルの
熱により蒸発する水の潜熱により単位セルを冷却する。
これによりセパレータを介して単位セルを冷却しなが
ら、空気流路への水の侵入による閉塞が防止される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池に関し、
特にその単位セル間に介挿されるセパレータを利用した
燃料電池の冷却技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池の一形式としてのＰＥＭ型燃料
電池の単位セルは、燃料極（一般に燃料として水素ガス
が用いられることから、水素極ともいう）と酸化剤極
（同様に酸化剤として酸素を含むガスである空気が用い
られることから、以下これを空気極という）との間に高
分子固体電解質膜が挟持された構成とされる。燃料極と
空気極は、共に触媒物質を含む触媒層と、触媒層を支持
するとともに反応ガスを透過される機能を果たし、更に
集電体としても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、反応ガスとしての水素と空気
をセル外部から電極面に均一に供給するとともに、反応
ガスの余剰分をセル外部に排出するためのガス流路（一
般に電極面側が開いた溝で構成される）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。上記のような単位セルとセ
パレータとで１ユニットの単電池が構成される。

【０００３】実際の燃料電池では、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。このよう
な、燃料電池では、十分な発電効率を維持するために、
単位セル中の高分子固体電解質膜を十分に湿潤状態に保
つ必要があり、一般に、電解反応により生成する水のみ
では水分が不足することから、各単位セルに加湿水を供
給する手段を必要とする。また、電解反応により発生電
力にほぼ相当する熱量の熱が発生するため、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冷却手段が
講じられる。

【０００４】燃料電池の冷却手段としては、種々のもの
が提案されており、冷却とともに電解質膜の湿潤を行な
うようにしたものがある。例えば、特開平１０−２４７
５０５号公報に記載のものでは、予め水を添加した空気
を供給して、冷却ガス流路で水を蒸発させて冷却を行な
った後、その蒸発した水分を含んだ空気を空気流路に循
環させるようにした構成が採用されている。

【０００５】また、セパレータ内にガス流路とは分離し
た中空部を形成し、中空部に冷却水を流通させるととも
に、この冷却水が多孔質の壁面を通して空気流路に水蒸
気を供給させるようにしたものも提案されている（特開
平６−３３８３３８号公報参照）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来技術に
よれば、冷却と膜の湿潤の維持の両立は困難で、例え
ば、特開平１０−２４７５０５号公報のものによると、
一旦冷却ガス流路で液体水を蒸発させた水蒸気を含む空
気を、再び空気流路に循環させるために、その循環経路
において、冷却ガス流路の温度を維持することが難し
く、例えば、循環経路において温度が低下した後、空気
流路において温度が上昇した場合、空気流路において
は、電解質膜中から水分を奪うことになり、膜湿潤の維
持は困難である。

【０００７】また、特開平６−３３８３３８号公報のも
のでは、多孔質の壁面を通じて水蒸気を供給するもの
の、多孔質から染み出る水分により十分な水蒸気の供給
が可能であるとは必ずしも言い難いし、冷却水路では、
顕熱による冷却が行なわれるだけであるので、十分な冷
却を行なうためには、冷却水の循環のための機械的設備
やエネルギーが膨大になる可能性がある。

【０００８】本発明は、上記の事情に鑑みて案出された
ものであり、冷却と膜湿潤の維持の両立を図ることを目
的とする。また、更に、本発明は、燃料電池セルの大型
化を招くことなく、効率的な冷却が可能な燃料電池を提
供するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的は、請求項１
に記載のように、互いに隣接する単位セルの間にセパレ
ータが配置される燃料電池において、前記セパレータ
は、単位セルの少なくとも空気極に接する表面側に空気
流路を備えるとともに、背面側に空気と水とを供給され
る冷却空間を備え、前記空気流路と冷却空間は、セパレ
ータを貫通する通孔により連通され、前記冷却空間に伝
わる単位セルの熱により蒸発する水の潜熱により単位セ
ルを冷却することを特徴とする構成により達成される。

【００１０】前記の構成において、請求項２に記載のよ
うに、前記冷却空間は、セパレータに内包させて、空気
流路に隣接させて配置された構成とするのが有効であ
る。

【００１１】また、前記の構成において、請求項３に記
載のように、前記セパレータは、板材のプレス加工品か
らなり、板面から押出し形成された凸部間の空間を空気
流路とし、凸部の背後の空間を冷却空間とされた構成と
すると更に有効である。

【００１２】前記の構成において、請求項４に記載のよ
うに、前記セパレータの冷却空間を囲む壁面は、少なく
ともその一部に親水性処理を施された構成を採ると一層
有効である。

【００１３】前記の構成において、請求項５に記載のよ
うに、前記空気流路は、その一端側が閉鎖された流路と
され、閉鎖端から開放端に至る途中の部分で通孔により
冷却空間に連通された構成とすることができる。

【００１４】前記の構成において、請求項６に記載のよ
うに、前記セパレータは、その空気流路に冷却空間より
少ない量の液体水が供給される構造とすることもでき
る。

【００１５】前記の構成において、請求項７に記載のよ
うに、前記冷却空間は、その入口側を空気と水とを供給
するマニホールドに接続され、出口側を開放された流路
とされた構成とすることができる。

【００１６】次に、本発明は、請求項８に記載のよう
に、互いに隣接する単位セルの間に金属製セパレータが
配置される燃料電池において、前記金属製セパレータ
は、単位セルの少なくとも空気極に接する表面側に空気
流路を備えるとともに、背面側に冷却空間を備え、前記
空気流路と冷却空間に空気と水とを供給して水の潜熱に
より単位セルを冷却することを特徴とする。

【００１７】前記の構成において、請求項９に記載のよ
うに、前記金属製セパレータは、複数の板材を少なくと
も一部で互いに当接させて構成され、前記冷却空間は、
当接部間に生じる間隙により構成されるのが有効であ
る。

【００１８】前記の構成において、請求項１０に記載の
ように、前記空気流路及び冷却空間は、それらの入口を
共通のマニホールドに連通され、該マニホールドから空
気と水を供給される構成とするのが有効である。

【００１９】前記の構成において、請求項１１に記載の
ように、前記金属製セパレータは、ステンレス製である
のが有効である。

【００２０】

【作用】前記請求項１記載の構成では、電解反応により
発熱する単位セルからセパレータに伝わる熱が、冷却空
間内の水を蒸発させ、その潜熱によりセパレータの冷却
でセパレータを介して単位セルを冷却する。この作用に
より、空気流路に水を水滴状態で供給することなく単位
セルを冷却することができる。また、冷却空間内で蒸発
により生じた蒸気が通孔から空気流路に噴出し、空気流
路に接する単位セルに供給されて吸収され、単位セルを
加水する。

【００２１】次に、請求項２に記載の構成では、冷却空
間内で蒸発する水の気化潜熱で、冷却空間に隣接する空
気流路も冷却されるため、空気流路を流れる流体が冷却
され、この冷却作用が間接的に単位セルを冷却する作用
となって、単位セルが冷却空間に接する部分のみなら
ず、空気流路に接する部分についても冷却効果が発揮さ
れ、単位セルが均等に冷却される。

【００２２】次に、請求項３に記載の構成では、冷却空
間を囲う壁と、空気流路と冷却空間を隔てる壁が共に薄
肉化され、セパレータの壁を介する単位セルの冷却によ
っても、冷却空間内での水の蒸発による潜熱冷却が単位
セルの冷却に有効に作用する。

【００２３】更に、請求項４に記載の構成とすると、冷
却空間を囲うセパレータの壁への水滴の付着が促進され
るため、壁から水滴への直接の熱伝達が広い面でなされ
るようになり、冷却空間内の水の蒸発が一層生じやすく
なる。

【００２４】また、請求項５に記載の構成とすると、空
気流路に水が水滴状態で侵入することがなく、空気流路
へは蒸気状態で水が供給されるのみとなる。したがっ
て、空気流路への空気の供給も、水滴に邪魔されること
なく円滑に行なわれる。

【００２５】また、請求項６に記載の構成とすると、空
気流路に入る液体水の量が少ないことで、水が水滴状態
で侵入する可能性が低くなる。したがって、空気流路へ
の空気の供給が、水滴に邪魔されることなく円滑に行な
われる。

【００２６】そして、請求項７に記載の構成とすると、
冷却空間に連続して空気と水を供給し、加熱された空気
と水を連続的に排出することができるため、冷却空間に
よる冷却効果が一層向上する。

【００２７】次に、請求項８に記載の構成とすると、電
解反応により発熱する単位セルから金属製セパレータに
伝わる熱が、冷却空間内の水を蒸発させ、その潜熱によ
るセパレータの冷却で、金属製セパレータを介して単位
セルを冷却する。この作用により、単位セルを冷却する
ことができる。

【００２８】また、請求項９に記載の構成とすると、金
属製板材の間に、それらが相互に当接する部分をぬう形
で、無効なスペースを生じることなく冷却空間が構成さ
れる。

【００２９】また、請求項１０に記載の構成とすると、
共通のマニホールドから空気流路と冷却空間に必要な空
気と水が供給される。

【００３０】また、請求項１１に記載の構成とすると、
薄肉で耐食性の高いセパレータが構成される。

【００３１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施形態を説明する。先ず、図１〜図６は本発明の第１
実施形態を示す。図１に燃料電池のスタックを構成する
ユニットとしての単電池１０の構成を横断面図（以下、
単電池の配置姿勢に即して縦横の関係を説明する）で示
すように、この単電池は、互いに隣接する単位セル１０
Ａの間に、集電部材１４，１５と枠体１６，１７からな
るセパレータ１０Ｂが配置された構成とされている。

【００３２】図２に拡大して断面構造を示すように、単
位セル１０Ａは、固体高分子電解質膜１１を挟んで、そ
の一側に酸化剤極である空気極１２が重ねられ、他側に
燃料極１３が重ねられた構成とされている。これらのう
ち、空気極１２と燃料極１３は、図１に示すセパレータ
１０Ｂに形成された収納部Ｒ１，Ｒ２に合致する大きさ
とされ、固体高分子電解質膜１１は、収納部Ｒ１，Ｒ２
より一回り大きな大きさとされている。なお、単位セル
１０Ａの特に固体高分子電解質膜１１の厚さは、セパレ
ータ１０Ｂを構成する集電部材１４，１５や枠体１６，
１７の厚さに比べて極めて薄いので、図２を除く他の図
では、空気極１２と燃料極１３の大きさで単位セル１０
Ａの外形を表し、単位セル１０Ａを一体の部材として表
示している。

【００３３】図３に分解して示すように、セパレータ１
０Ｂは、単位セル１０Ａの空気極１２と燃料極１３に接
触して電流を外部に取り出すための対を成す集電部材１
４，１５と、それらに重ね合わされて単位セル１０Ａを
支持する枠体１６，１７とを備えている。集電部材１
４，１５は、この形態では、薄板金属板、例えば板厚が
０．１ｍｍ程度のもので構成されている。この構成金属
は、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。

【００３４】一方の集電部材１４は、横長の矩形の板材
からなり、プレス加工によって、複数の凸部１４１が押
出し形成されている。これら凸部１４１は、連続する直
線状で、板材の縦辺（図示の形態における短辺）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。
これら凸部１４１の断面形状は、図１では、便宜上大ま
かに矩形波状断面で示されているが、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するのが
より実際的である。これら凸部１４１の間に画定され、
単位セル１０Ａの空気極１２（図２参照）に面する側が
開いた溝状の空間Ｓ１は、後に詳記するように、空気極
１２側に空気を流通させる空気流路として使用される。
各凸部１４１の頂部１４２の平面は、空気極１２が接触
する当接部となっている。また、凸部１４１の裏側に画
定される溝状の空間Ｓ２は、同じく後に詳記する冷却空
間（本形態では流路）として使用される。そして、これ
ら空気流路Ｓ１と冷却空間Ｓ２を部分的に連通させるべ
く、集電部材１４を貫通する多数の通孔１４３が形成さ
れている。これら通孔１４３の開設位置は任意である
が、凸部１４１の両側面が常識的である。更に、集電部
材１４の横辺（図示の形態における長辺）方向の両端部
近傍には、縦方向に長い長円孔１４４が形成されてい
る。この長円孔１４４は、集電部材１４を集電部材１５
と枠体１６，１７とに重ねてセパレータ１０Ｂを積層し
た場合に、これら各部材を整合して貫通する水素流路Ｌ
１，Ｌ２を構成する。

【００３５】他方の集電部材１５は、集電部材１４と合
致する矩形の板材からなり、プレス加工によって、複数
の凸部１５１が押出し形成されている。凸部１５１は、
頂部１５２が平坦で、断面形状も、先の凸部１４１の場
合と同様に実質上矩形波状とされているが、この形態の
場合の凸部１５１は、縦方向に間欠的に設けられてい
る。すなわち、凸部１５１は、横方向（長辺方向）の配
設ピッチを集電部材１４の凸部１４１の配設ピッチに合
わせ、縦方向（短辺方向）の配設ピッチを適宜の間隔と
した円形又は矩形の突起とされている。図１における左
半分の断面は、これら凸部１５１の配列部分での截断面
を表し、右半分の断面は、配列部分間での截断面を表
す。これら凸部１５１の間に形成される縦横の空間Ｓ３
は、単位セル１０の燃料極１３（図２参照）に面する側
が開いた面状の空間を構成し、燃料である水素が流通す
る水素流路とされる。これら凸部１５１の頂部１５２の
平面は、燃料極１３が接触する当接部となっている。ま
た、凸部１５１の裏側は、集電部材１４に面する側が開
いた短筒状の空間Ｓ４となっていて、集電部材１４の空
間Ｓ２に合わさっており、結果的に冷却空間Ｓ２を介し
て、両端が板材の長辺部に開口する開口部を備える構成
となる。この集電部材１５にも、集電部材１４と同様に
長辺方向の両端部近傍に、短辺方向に長い長円孔１５３
が形成され、集電部材１４，１５と枠体１６，１７とに
重ねてセパレータ１０Ｂを積層した場合に、これら各部
材を整合して貫通する水素流路Ｌ１，Ｌ２を構成する。
この形態において、凸部１５１を燃料極１３に対して小
面積で間欠的に当接する柱状としているのは、これによ
り柱状の凸部１５１の間をぬう水素流路Ｓ３が縦横に形
成され、水素ガスの流れの滞留やよどみを抑制できるこ
とを狙ったものである。また、こうすることで、燃料極
１３に対する水素ガスの接触面積が大きくなるので、発
電効率の向上も期待できる。

【００３６】上記の構成からなる集電部材１４，１５
は、各凸部１４１，１５１が共に外側となるように重ね
合わされて固定される。このとき、凸部１４１，１５１
を形成していない板面部分、すなわち水素流路Ｓ３の裏
側面と空気流路Ｓ１の裏側面が当接した状態となり、相
互に通電可能な状態となる。また、集電部材１４，１５
を重ね合わせることによって、それらの間に、空間Ｓ２
と空間Ｓ４が合わさった冷却空間が形成される。また、
単位セル１０Ａが集電部材１４に合わさることで、空間
Ｓ１の開放面側が閉鎖され、管状の空気流路が構成さ
れ、この流路を囲む壁の一部が空気極１２で構成される
ことになる。そしてこの空気流路Ｓ１から、単位セル１
０Ａの空気極１２に空気と水が供給される。同様に、単
位セル１０Ａが集電部材１５に合わさることで、空間Ｓ
３の開放面側が閉鎖され、面状の燃料流路が構成され、
この流路を囲む壁の一部が燃料極１３で構成されること
になる。そしてこの燃料流路Ｓ３から、単位セル１０Ａ
の燃料極１３に水素が供給される。

【００３７】前記の構成からなる集電部材１４，１５に
は、枠体１６，１７がそれぞれ重ねられる。図１及び図
３に示すように、集電部材１４に重ねられる枠体１６
は、集電部材１４より縦方向が若干大きな形状とされ、
両側の縦枠部１６１を上下の横枠部１６２，１６３で連
結した構造とされ、これらの枠で囲まれる中央には、集
電部材１４の凸部１４１を収納する窓１６４が画定され
ている。また、この枠体１６にも、その両端部近傍に、
集電部材１４の長円孔１４４に合致する位置及び形状の
長円孔１６５が形成されている。枠体１６の横枠部１６
２，１６３と、これらが連結される部分の縦枠部１６１
は、縦枠部１６１全体の厚さより薄肉とされ、これらの
肉厚の関係から、集電部材１４が重ねられる側の面の横
枠部１６２，１６３は、集電部材１４の凸部形成範囲に
対応する位置で、短辺方向全体に渡って集電部材１４と
の当接面より後退した面を形成している。したがって、
枠体１６が集電部材１４に重ねられた状態では、集電部
材１４の凸部１４１は、窓１６４内では単位セル１０Ａ
の空気極１２に接触し、横枠部１６２，１６３に対峙す
る部分では、それらに当接する関係となる。かくして、
集電部材１４と枠体１６との間には、上部で集電部材１
４の凸部１４１と横枠部１６２の内側面、窓１６４部で
集電部材１４の凸部１４１と単位セル１０Ａの空気極１
２面、下部で集電部材１４の凸部１４１と横枠部１６３
の内側面で囲われた多数の管状空間として、縦方向に全
通する空気流路が画定される。

【００３８】集電部材１５に重ねられる枠体１７も、枠
体１６と同じ大きさに構成され、この場合、本体部分１
７０には、窓１７１より横方向に大きな開口が形成され
ている。この開口の高さは、窓１７１の高さを画定する
が、開口の幅は、集電部材１５の両端の長円孔１５３の
外端間の幅に合致する幅とされている。そして、この開
口の幅方向両端の近傍に、一対の縦枠部１７２が設けら
れている。この両縦枠部１７２に挟まれる幅が窓１７１
の横幅を画定し、両縦枠部１７２と本体部分１７０の開
口の幅とで画定される幅が、集電部材１５の両端の長円
孔１５３の横幅に合致する寸法とされ、実質的に長円孔
１５３の位置と形状に合致する長孔１７３が構成されて
いる。縦枠部１７２は、本体部分１７０より薄肉とさ
れ、これらの肉厚の関係から、集電部材１５が重ねられ
る側の面の縦枠部１７２が設けられた位置で、集電部材
１５の凸部１５１の高さに相当する分だけ、当接面より
後退した面を形成している。したがって、枠体１７が集
電部材１５に重ねられた状態では、集電部材１５の凸部
１５１は、縦枠部１７２に面する部分のものは縦枠部１
７２に当接し、窓１７１内では単位セル１０Ａの燃料極
１３に接触する当接関係となる。このようにして長孔１
７３に挟まれる部分には、凸部１５１をぬうように一様
に形成された面状の水素流路Ｓ３が構成される。

【００３９】また、空気流路Ｓ１及び冷却空間Ｓ２の内
壁面には、親水性処理が施されている。具体的には、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。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１０
Ａに接触している凸部１４１の頂部１４２の裏側の冷却
空間内壁表面Ｆ１、凸部１４１表側の空気流路側壁表面
Ｆ２と裏側の冷却空間側壁表面Ｆ３、空気流路底面Ｆ４
の順で、優先的に処理されていることが望ましい。さら
に、冷却空間Ｓ２の一部を構成する凸部１５１の内壁表
面Ｆ５にも親水性処理を施してもよい。親水性処理を施
すことにより、内壁面の濡れが促進され、水の潜熱冷却
による効果が向上する。また、水が詰まらなくなるの
で、空気の供給を阻害しない。

【００４０】以上のように構成された枠体１６，１７に
よって集電部材１４，１５を保持してセパレータ１０Ｂ
が構成され、セパレータ１０Ｂと単位セル１０Ａを交互
に積層して、燃料電池スタック１が構成される。こうし
て積層された燃料電池スタック１の上面には、図４に示
すように、多数の空気流路Ｓ１の開口と、冷却空間Ｓ２
の開口が交互に隣接して横方向に並び、枠体１７と枠体
１６の横枠部１６２の厚さを合わせた分の間隔を置い
て、同配列の開口が積層方向に並んだ空気と水の取入れ
部が構成される。また、燃料電池スタック１の下面に
も、同様の配列の空気と水の排出部が構成される。

【００４１】こうした構成からなる燃料電池スタック
は、その各単電池に空気と水及び水素を供給すること
で、図５に模式化して示すように作動する。この形態の
場合、空気と水は、スタックの上面から一様に供給され
ることから、空気流路Ｓ１には直接水が入らないよう
に、空気流路Ｓ１の開口部は蓋で閉栓されているものと
する。なお、空気流路Ｓ１と冷却空間Ｓ２に分離した供
給を行なう形式では、空気流路Ｓ１側には空気のみが供
給されるようにすれば、必ずしも空気流路Ｓ２の閉栓は
必要としない。図示のように、冷却空間Ｓ２に供給され
る空気と水は、空気流中に水滴が霧状に混入した状態
（以下この状態を混合流という）で冷却空間の上部に入
る。燃料電池の定常運転状態では、単位セル１０Ａが反
応により発熱しているため、冷却空間Ｓ２内の混合流が
加熱される。混合流中の水滴は、親水性処理により冷却
空間Ｓ２壁面に付着し、加熱により蒸発して壁面から熱
を奪う潜熱冷却作用が生じる。こうして蒸気となった水
は、図に網掛けの矢印で示すように、通孔１４３から図
に白抜き矢印で流れを示す空気と共に空気流路Ｓ１に入
り、単位セル１０Ａの空気極１２側に付着し、空気極１
２を湿潤させる。そして、空気流路Ｓ１に入った余剰の
空気と蒸気は、セルスタックの下方の空気流路開口から
排出される。また、空気流路Ｓ１に入らなかった空気と
水はセルスタックの下方の冷却空間Ｓ２開口から排出さ
れる。

【００４２】一方、燃料流路Ｓ３への水素の供給は、各
単電池１０の両側をそれらの積層方向に貫く水素流路Ｌ
１，Ｌ２（図１参照）の一方から、縦枠部１７２と凸部
１５１の間の空間を通して、それにつながる燃料流路Ｓ
３から行なわれる。これにより単位セル１０Ａの燃料極
１３への水素の供給が行なわれる。この燃料極１３側で
は、燃料流路Ｓ３に入った余剰の水素は、反対側の水素
流路に排出され、この水素流路につながる図示しない配
管により排出又は回収される。

【００４３】前記のような作用から、この形態の場合、
空気流路Ｓ１には、霧状の水滴がそのまま空気流に乗っ
て入り込むことがないので、プレス加工により形成され
るような極細い空気流路Ｓ１によっても、水滴により空
気流の流れが閉塞される恐れがなくなる利点が得られ
る。

【００４４】また、空気流路Ｓ１と冷却空間Ｓ２は、電
極面に沿って交互に平行に配置され、相互に凸部１４１
の側壁を挟んで隣接した構成となっており、空気と水
は、側壁に沿って流れるため、側壁は、冷却フィンとし
ての作用も発揮する。このように空気流路Ｓ１と冷却空
間Ｓ２が交互に、かつ平行に配置されることで、燃料電
池の冷却効率が向上し、均一な冷却が可能となる。

【００４５】ところで、セパレータ１０Ｂを薄く構成
し、凸状部１４１の内側に空間を設けると、発熱してい
る単位セル１０Ａに接触している部分と、単位セル１０
Ａから離れた部分との間の温度差が大きくなる。このた
め、空気流路Ｓ１内においても、飽和状態となるために
必要な水蒸気量について、部分的に差が生じる。例え
ば、温度の高い電極側の部分が、電極から離れた部分よ
りも、飽和状態となるための水蒸気量を、より多く必要
とする。このような温度差は、空気極１２の乾燥を招く
恐れがある。これに対して、本形態によると、前記空間
を冷却空間Ｓ２とすることによって、セパレータ１０Ｂ
全体を均一に冷却することにより、部分的な温度差の発
生を抑制し、空気流路Ｓ１内を均一に飽和状態に保つこ
とができ、結果として、空気極１２を湿潤状態に維持す
ることができる。

【００４６】また、この形態では、セパレータ１０Ｂの
上部開口から流入した空気と水は、冷却空間Ｓ２側で主
として潜熱冷却により集電部材１４，１５を冷却する
が、この潜熱冷却が生じる部分は、空気流路Ｓ１により
隔てられるものではなく、集電部材１４，１５が直接電
極に接する部分の裏側となる。したがって、冷却空間Ｓ
２では、両凸部１４１，１５１の頂部１４２，１５２が
電極に最も近く、熱を受けるところであるのに対して、
その部分が直接冷却されるため、この部分を効率よく冷
却することができる。また、凸部１５１は冷却空間Ｓ２
の一部を構成しているので、燃料極１３に接触している
当接面についても、同じ冷却空間である凸部１５１の裏
側から直接冷却することができ、燃料極１３を冷却する
ための格別の流路を別途設ける必要をなくす冷却流路の
単純化も実現している。

【００４７】以上説明した、集電部材１４，１５の凸部
１４１，１５１は、いずれかも等間隔に設けられ、した
がって、空気流路Ｓ１、冷却空間Ｓ２や燃料流路Ｓ３と
もに均一な等間隔配置となっているが、このような構成
に限らず、空気や水素の流れる分布等に応じて適宜配置
間隔を変更してもよい。また、これら空気流路Ｓ１や燃
料流路Ｓ３の配置方向も、気体の流れる向きに沿って、
放射方向配置するなど、任意の方向に変更してもよい。
例えば、噴射ノズルから水を供給する場合には、噴射ノ
ズルの噴出し口を中心として、放射方向に水が噴射され
るから、その噴射方向に沿って、ノズルの先端を放射の
中心とした場合の放射方向に沿って凸部１４１を配置し
てもよい。あるいは、噴射ノズルに近い位置では、凸部
１４１の間隔を狭く（空気流路の幅を狭く）、噴射ノズ
ルから離れた位置の間隔を広く（空気流路の幅を広く）
した構成としてもよい。

【００４８】次に示す図６は、この発明の適用に係る前
記燃料電池スタック１を用いた車両用燃料電池システム
の構成例を示す。この燃料電池システムは、燃料電池ス
タック１、水素供給手段としての水素吸蔵合金２１を含
む燃料供給系２、空気供給系３、水供給系４及び負荷系
５から大略構成される。

【００４９】燃料供給系２では、水素供給路２０を介し
て水素吸蔵合金２１から放出された水素を燃料電池の燃
料電池スタック１の水素通路へ送る。水素供給路２０に
は、水素吸蔵合金２１側から燃料電池スタック１側へ向
けて、水素一次圧センサ２２、水素調圧弁２３、水素供
給電磁弁２４、水素二次圧センサ２５が設けられてい
る。水素一次圧センサ２２によって水素吸蔵合金２１側
の水素圧がモニターされている。水素調圧弁２３によっ
て、燃料電池スタック１へ供給するために適した圧力に
調整される。また水素供給電磁弁２４の開閉によって、
水素の燃料電池スタック１への供給が電気的に制御さ
れ、水素ガスの供給を行わない場合には、この電磁弁２
４が閉じられ、水素ガスの供給が止められる。また、水
素二次圧センサ２５によって、燃料電池スタック１に供
給される直前の水素ガス圧がモニターされる。

【００５０】燃料電池スタック１内での水素の流れは、
先に説明したとおりである。燃料供給系２において、燃
料電池スタック１の水素通路から排出される水素ガス
は、水素排気路２７を介して大気へ放出される。水素排
気路２７には逆止弁２８と電磁弁２９が設けられてい
る。逆止弁２８は水素排気路２７を介して空気が燃料電
池スタック１の燃料極に進入することを防止する。電磁
弁２９は間欠的に駆動されて水素の完全燃焼を図る。

【００５１】水供給系４においては、タンク４０の水は
ポンプ４１により空気マニホールド３４内に配設された
ノズル４５へ圧送され、ここから空気マニホールド３４
内で連続的若しくは間欠的に噴出される。この水は、先
に説明したように、燃料電池スタック１の上部開口を介
して空気流路Ｓ１と冷却空間Ｓ２に送られる。ここにお
いて優先的に水分から潜熱を奪うので、空気極１２側の
電解質膜１１からの水分の蒸発が防止される。したがっ
て、電解質膜１１はその空気極１２側で乾燥することな
く、生成水により常に均一な湿潤状態を維持する。ま
た、空気極１２の表面に供給された蒸気は、空気極１２
自体からも熱を奪いこれを冷却し、更に冷却空間Ｓ２に
流入する水も熱を奪う。これにより燃料電池スタック１
の温度を制御できる。

【００５２】すなわち、燃料電池スタック１へ特に冷却
水系を付加しなくても、燃料電池スタック１を十分に冷
却することができる。なお、排気温度センサ３７で検出
された排出空気の温度に対応してポンプ４１の出力を制
御し、燃料電池スタック１の温度を所望の温度に維持す
る。ポンプ４１の吸込み側にはフィルタ４２が設けら
れ、ノズル４５とポンプ４１の間には電磁弁４３が設け
られており、電磁弁４３によって、ノズル４５からの噴
射量が制御される。タンク４０の水は、空気マニホール
ド３４内に配設されたノズル４５から燃料電池スタック
１の表面に供給され、この水は、水凝縮器４６で回収さ
れ、ポンプ４４によりタンク４０に戻される。タンク４
０の水温は、水温センサ４７でモニタされ、水位は水位
センサ４８でモニタされている。

【００５３】負荷系５は燃料電池スタック１の出力を、
インバータ５１を介して外部に取り出し、モータ５２等
の負荷を駆動させる。この負荷系５にはスイッチのため
のリレー５３が設けられている。また、負荷系５には、
リレー５３とインバータ５１の間に、バッテリ５４が接
続されている。このバッテリ５４は、モータ５２の回生
電流を蓄積し、また、燃料電池の出力が不足している場
合には、出力を補う。

【００５４】このシステムの特徴は、燃料電池スタック
１における空気流路Ｓ１と冷却流路Ｓ２とを一本化した
流通経路に配置でき、同時に空気と水を流通させること
ができるので、冷却のための装置を別に設ける必要がな
い点にある。

【００５５】以上説明した第１実施形態では、燃料極１
３側の流路を面状とすべく、燃料極１３に接続される集
電部材１５の凸部１５１を間歇配置の柱状としたが、こ
の流路を、空気流路Ｓ１と同様に溝状の流路とする場
合、凸部１５１を連続する突条とすることもできる。次
の図７〜図１２に示す第２実施形態は、こうした構成を
採るものである。図７は燃料電池セパレータを燃料極が
重ねられる側から見た正面図、図８はこのセパレータを
用いた燃料電池スタックの部分横断面図（図１における
Ａ−Ａ断面図）、図９は同じく燃料電池スタックの部分
縦断面図（図１及び図２におけるＢ−Ｂ断面図）、図１
０は燃料電池スタックの他の部分の部分縦断面図（図１
及び図２におけるＣ−Ｃ断面図）、図１１は燃料電池用
セパレータを空気極が重ねられる側から見た背面図、図
１２は燃料電池スタックの部分上面図である。

【００５６】この形態の場合も、図８に示すように、セ
パレータ１０Ｂは、単位セル１０Ａ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１４，１５と、各集
電部材１４，１５の周端部に外装される枠体１６，１７
とを備えている。集電部材１４，１５は金属板で構成さ
れている。構成金属は、先の第１実施形態と同様であ
る。集電部材１５は、単位セル１０Ａの燃料極に接触
し、集電部材１４は空気極に接触する。集電部材１５
は、図７に示すように、矩形の板材からなり、プレス加
工によって、複数の凸状部１５１が構成されている。凸
状部１５１は、板材の短辺に直線状に連続して形成され
ていて、等間隔で配置されている。凸状部１５１の間に
は、溝が形成されて、燃料である水素が流通する水素流
路Ｓ１が形成されている。この凸状部１５１の頂点部分
の面は、燃料極が接触する当接部１５２となっている。
また、凸状部１５１の裏側は、溝１５ａとなっていて、
この溝１５ａの両端は、図９に示されているように、板
材の端辺部まで及ばず、閉塞された状態となっている。
集電部材１５の両端部には、孔１５３が形成され、セパ
レータ１０Ｂを積層した場合に、この孔１５３によって
水素供給路が構成される。

【００５７】図１１に示すように、集電部材１４は、矩
形の板材からなり、プレス加工によって、複数の凸状部
１４１が形成されている。凸状部１４１は、板材の短辺
に平行に直線状に連続して形成されていて、等間隔で配
置されている。凸状部１４１の間には、溝が形成され
て、空気が流通する空気流路Ｓ１が形成されている。こ
の凸状部１４１の頂点部分の面は、空気極が接触する当
接部１４２となっている。また、凸状部１４１の裏側は
溝状の中空部となっていて、この中空部によって冷却流
路Ｓ２が形成されている。空気流路Ｓ１と冷却流路Ｓ２
は、板材の端部まで達し、両端は、板材の端辺部で開口
する開口部を備えている。集電部材１４の両端部には、
孔１４４が形成され、セパレータ１０Ｂを積層した場合
に、この孔１４４によって水素供給路が構成される。

【００５８】以上のような集電部材１４，１５は、各凸
状部１４１，１５１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、水素流路Ｓ３の裏側面１５ｂと
空気流路Ｓ１の裏側面１４ａが当接した状態となり、相
互に通電可能な状態となる。また、集電部材１４，１５
を重ね合わせることによって、図９に示されているよう
に、冷却流路Ｓ２が形成され、溝１５ａは冷却流路Ｓ２
の一部を構成する。また、空気流路Ｓ１は、図８及び図
１０に示されているように、単位セル１０Ａに重ね合わ
され、溝の開口部１４ｂを閉鎖することにより、管状の
流路が構成され、内壁の一部が空気極で構成される。こ
の空気流路Ｓ１から、単位セル１０Ａの空気極に酸素と
水が供給される。

【００５９】空気流路Ｓ１の一端側開口部は、空気と水
が流入する導入口Ｐ１となり、他端の開口部は、空気と
水が流出する導出口Ｐ２となっている。また、冷却流路
Ｓ２の一端側開口部は、空気と水が流入する流入開放口
Ｐ３となり、他端の開口部は、空気と水が流出する流出
開放口Ｐ４となっている。以上のような構成において、
空気流路Ｓ１と冷却流路Ｓ２は、交互に平行に配置さ
れ、相互に側壁１４ｃを挟んで隣接した構成となってい
る。このため、導入口Ｐ１と流入開放口Ｐ３も交互に配
置され、導出口Ｐ２と流出開放口Ｐ４も交互に配置され
る。また、空気と水は、側壁１４ｃに沿って流れるた
め、側壁１４ｃは、冷却フィンとしての作用も発揮す
る。空気流路Ｓ１と冷却流路Ｓ２が交互に、かつ平行に
配置されることで、燃料電池の冷却効率が向上し、均一
な冷却が可能となる。

【００６０】集電部材１４，１５には、枠体１６，１７
がそれぞれ重ねられる。図７に示されているように、集
電部材１５に重ねられる枠体１７は、集電部材１５と同
じ大きさに構成され、中央には、凸状部１５１を収納す
る窓１７１が形成されている。また、両端部近傍には、
集電部材１５の孔１５３に合致する位置に孔１７３が形
成されており、この孔１７３と窓１７１との間には、集
電部材１５に接触する側の平面に凹部が形成され、水素
流通経路Ｌ３が設けられている。また、集電部材１５に
接触する面に対して、反対側の平面には、輪郭が窓１７
１に沿って形成された凹部が形成され、単位セル１０Ａ
が収納される収納部Ｒ２が設けられている。

【００６１】図７、図９及び図１０に示されているよう
に、凸状部１５１の端部と、枠体１７の窓１７１の端辺
内壁との間には隙間があり、この隙間によって、集電部
材１５の長辺方向に沿った水素流路Ｓ３’が構成されて
いる。この水素流路Ｓ３’によって、各水素流路Ｓ３へ
水素が供給される。また、水素流路Ｓ３’においても、
燃料極へ水素の供給が行われる。

【００６２】集電部材１４に重ねられる枠体１６は、枠
体１７と同じ大きさに構成され、中央には、凸状部１４
１を収納する窓１６４が形成されている。また、両端部
近傍には、枠体１７の孔１７３に合致する位置に孔１６
５が形成されている。枠体１７の集電部材１４が重ねら
れる側の面には、枠体１７の対向する一対の長辺に沿っ
て溝が形成され、集電部材１４，１５に重ねることによ
って、空気流通路Ｌ４，Ｌ５が構成される構造となって
いる。空気流通路Ｌ４の一端は、枠体１７の長辺側の端
面に形成された開口Ｐ５に接続され、他端は空気流路Ｓ
１の導入口Ｐ１と冷却流路Ｓ２の流入開放口Ｐ３とに接
続されている。

【００６３】上流部の空気流通路Ｌ４は、開口Ｐ５側か
ら空気流路Ｓ１側へ向けて横断面積が漸減するように、
端部内壁がテーパー面１６ａとなっており、先述の空気
マニホールド３４から噴射される霧状水の取り入れを容
易としている。一方、下流側の空気流通路Ｌ５の一端
は、空気流路Ｓ１の導出口Ｐ２と冷却流路Ｓ２の流入開
放口Ｐ３とに接続され、他端は、枠体１７の長辺側端面
に形成された開口Ｐ６に接続されている。空気流通路Ｌ
５は、開口Ｐ６側から空気流路Ｓ１側へ向けて横断面積
が漸減するように、端部内壁がテーパー面１６ｂとなっ
ている。燃料電池スタック１が傾いた際にも、このテー
パー面１６ｂによって、水の排出が維持される。また、
枠体１６の、集電部材１４に接触する面に対して、反対
側の平面には、輪郭が窓１６４に沿って形成された凹部
が形成され、単位セル１０Ａが収納される収納部Ｒ１が
設けられている。

【００６４】この形態の場合の単位セル１０Ａの構成
は、先の第１実施形態において図２を参照して説明した
構成と同様である。また、流路の各部に施される親水性
処理の手法とその処理部位についても、第１実施形態の
場合と同様である。

【００６５】以上のように構成された枠体１６，１７に
よって集電部材１４，１５を保持してセパレータ１０Ｂ
が構成され、セパレータ１０Ｂと単位セル１０Ａを交互
に積層して、燃料電池スタック１が構成される。図１２
は燃料電池スタック１の部分平面図である。燃料電池ス
タック１の上面には、多数の導入口Ｐ１と流入開放口Ｐ
３が交互に開口し、この導入口Ｐ１と流入開放口Ｐ３
に、先述のように、空気マニホールド３４から空気が流
入するとともに、ノズル４５から噴射された水が同時に
流入する。側壁１４ｃは、空気の流通経路に配置され冷
却フィンとしても作用する。

【００６６】セパレータを薄く構成し凸状部１４１の内
側に空間（Ｓ２）を設けると、発熱している単位セル１
０Ａに接触している部分と、単位セル１０Ａから離れた
部分との間に温度差が大きくなる。このため、空気流路
内においても、飽和状態となるために必要な水蒸気量に
ついて、部分的に差が生じる。例えば、温度の高い電極
側の部分が、電極から離れた部分よりも、飽和状態とな
るための水蒸気量を、より多く必要とする。このような
温度差は、空気極の乾燥を招く恐れがあるが、冷却流路
Ｓ２によって、セパレータ全体を均一に冷却することに
より、部分的な温度差の発生を抑制し、空気流路Ｓ１内
を均一に飽和状態に保つことができ、結果として、空気
極を湿潤状態に維持することができる。

【００６７】導入口Ｐ１と流入開放口Ｐ３から流入した
空気と水は、空気流路Ｓ１内で空気極に酸素を提供する
とともに、潜熱冷却により集電部材１４，１５を冷却す
る。また、流入開放口Ｐ３から流入した空気と水は、同
様に潜熱冷却により集電部材１４，１５を冷却する。こ
こで、冷却流路Ｓ２では、内壁１４ｄが最も電極に近
く、熱を発するところであるが、冷却流路Ｓ２に空気と
水を流すことにより、この部分を効率よく冷却すること
ができる。また、溝１５ａが冷却流路Ｓ２の一部を構成
しているので、水素極に接触している当接面１５２につ
いても、裏側から直接冷却することができ、水素極側か
らも冷却できるので、一層冷却効率が向上する。

【００６８】以上説明した集電部材１４，１５の凸状部
１４１，１５１は、いずれかも等間隔に設けられ、した
がって、空気流路Ｓ１、冷却流路Ｓ２や水素流路Ｓ３も
等間隔に設けられているが、このような構成に限らず、
空気の流れる分布等に応じて適宜配置間隔を変更しても
よい。また、これら空気流路Ｓ１や水素流路Ｓ３の配置
方向も、必ずしも平行に設ける必要もなく、気体の流れ
る向きに沿って、放射方向配置するなど、任意の方向に
変更してもよい。例えば、噴射ノズルから水を供給する
場合には、噴射ノズルの噴出し口を中心として、放射方
向に水が噴射されるから、その噴射方向に沿って、ノズ
ルの先端を放射の中心とした場合の放射方向に沿って凸
状部１４１を配置してもよい。あるいは、噴射ノズルに
近い位置では、凸状部１４１の間隔を狭く（空気流路の
幅を狭く）、噴射ノズルから離れた位置の間隔を広く
（空気流路の幅を広く）した構成としてもよい。

【００６９】以上説明した第２実施形態の場合、空気流
路Ｓ１と冷却流路Ｓ２とを空気の同じ流通経路に配置で
き、同時に空気と水を流通させることができるので、冷
却のための装置を別に設ける必要がない点が特徴であ
る。

【００７０】この第２実施形態の変形例として、燃料極
側の流路については、更に他の構成を採ることもでき
る。図１３に示す変形例は、燃料極に接続される集電部
材１５の凸状部１５１を、集電部材１５の長辺に沿って
直線的に形成したものである。こうした構成を採ると、
水素流路Ｓ３は、水素ガスの流れる方向に沿って配置さ
れており、水素ガスの流れによどみや滞留が少なくなる
といった利点が得られる。

【００７１】以上の各実施形態は、セパレータをプレス
成形品を主体として構成するものであるが、セパレータ
をカーボンブラック等の削り出し加工品とするような場
合についても、本発明は適用可能である。以下に示す第
３実施形態は、こうした構成を採るものである。図１３
に示すように、この第３実施形態の場合、燃料電池の単
位ユニットは、固体高分子電解質膜１１と、該固体高分
子電解質膜１１の両側面にそれぞれ重ねられた酸化剤極
である空気極１２と燃料極１３とを備えた単位セルと、
単位セルの空気極１２に重ねられたセパレータ１４Ａ
と、燃料極１３に重ねられたセパレータ１５Ａとを備え
ている。つまり、固体高分子電解質膜１１を空気極１２
と燃料極１５とで狭持して単位セルを構成し、さらにセ
パレータ１４Ａ，１５Ａでその単体を狭持した構成とな
っている。

【００７２】セパレータ１４Ａ，１５Ａ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
性と耐蝕性を備えた金属、グラファイトなどが用いられ
る。導電性と耐蝕性と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。

【００７３】セパレータ１４Ａには、空気極１２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１２に重ねられた
状態で空気供給路Ｓ１が形成される構成となっている。
空気供給路Ｓ１は、セパレータ１４Ａ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Ｓ１の間には凸部１４１により隔壁
が形成され、その上端部１４２は、空気極１２に接触し
ている。

【００７４】セパレータ１４Ａは、空気供給路Ｓ１と隔
壁１４１が設けられる板状の本体部１４０を備え、本体
部１４０内には、酸化剤ガス供給溝である空気供給路Ｓ
１に沿って形成された冷却流路Ｓ２が設けられている。
冷却流路Ｓ２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Ｓ２は、セパレータ１４Ａに形
成された複数の空気供給路Ｓ１に沿って、それぞれ形成
されており、図１６に示されているように、冷却流路Ｓ
２の一端は供給路Ｌ６に、他端は排出路Ｌ７にそれぞれ
接続されている。供給路Ｌ６は、燃料電池スタック１の
外部に設けられている後記する水供給系４の供給ライン
４０ａに接続され、排出路Ｌ７は、変換ライン４０ｂに
接続され、空気供給路Ｓ１に供給されなかった水は、水
タンク４０へ返還され、燃料電池スタック１と水タンク
４０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１４Ａの側縁部の一端
から他端へ流通する。

【００７５】空気供給路Ｓ１と冷却流路Ｓ２との間に
は、水を空気供給路Ｓ１へ供給する供給手段である通路
として貫通孔１４３が連通している。貫通孔１４３は、
等間隔で複数設けられ、冷却流路Ｓ２内を流れる冷却水
が、貫通孔１４３を介して空気供給路Ｓ１内へ流入す
る。貫通孔１４３から空気供給路Ｓ１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１３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。

【００７６】ここで、冷却流路Ｓ２内を流れる冷却水
は、必ずしも冷却流路Ｓ２内に隙間なく満たされている
必要はなく、冷却流路Ｓ２の内壁を伝って流れる程度の
流量であってもよい。したがって、例えば、貫通孔１４
３が形成されている側面１４ｅを伝って流れる場合に
は、貫通孔１４３から水が空気供給路Ｓ１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
Ｓ１へ流出しない場合もある。しかし、水が、冷却流路
Ｓ２の内壁を伝って流れれば、セパレータ１４Ａは冷却
され、十分な冷却効果を得ることができる。

【００７７】燃料極１３側のセパレータ１５Ａには、燃
料ガスを流通させるガス供給路Ｓ３が形成されている。
ガス供給路Ｓ３は、単位ユニットを構成した状態で、空
気供給路Ｓ１に対して直交する方向へ形成されている。
セパレータ１４Ａに設けられている冷却媒体が流通する
冷却流路Ｓ２と同様の流路は、セパレータ１５Ａに設け
ることもできる。

【００７８】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Ｓ１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Ｓ１に供給された冷却水
を下方に滴下させて、空気供給路Ｓ１から容易に排出す
ることができる。

【００７９】図１７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１を構成する。な
お、上記セパレータ１４Ａの構成において、空気供給路
Ｓ１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。

【００８０】以上説明した燃料電池セパレータ１４Ａの
構成としては、以下に例示するような他の構成とするこ
ともできる。第１の変形形態としては、排出路Ｌ７を設
けず、冷却流路Ｓ２に供給された冷却水は、貫通孔１４
３を介して全て空気供給路Ｓ１へ流出させる構成として
もよい。この場合には、例えば、図１９に示されている
ように、セパレータ１４Ａ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Ｌ６ａ，Ｌ６ｂ
を設け、各供給路Ｌ６ａ，Ｌ６ｂから一つおきに交互に
冷却流路Ｓ２ａ，Ｓ２ｂ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Ｓ２ａ内では、上方から
下方へ向けて冷却水が流れ、冷却流路Ｓ２ｂ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。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１４Ａをより均一に冷却することがで
きる。

【００８１】あるいは、第２の変形形態として、排出路
Ｌ７を設けず、冷却流路Ｓ２の下端は全てセパレータ１
４Ａの下端辺から外部に冷却水を排出させる構成として
もよい。この場合には、燃料電池スタック１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４０へ返還される構成とすることができる。

【００８２】第３の変形形態としては、図２０に示され
ているように、冷却流路Ｓ２ｃを、空気供給路Ｓ１に対
して交差する方向に形成してもよい。

【００８３】第４の変形形態としては、図２１に示され
ているように、隔壁１４１内に冷却流路Ｓ２を形成する
こともできる。隔壁１４１は、空気極１２に接触するの
で、隔壁１４１内に冷却流路Ｓ２を形成すると、冷媒の
位置が空気極１２に接近し、冷却効果が向上する。ま
た、この場合は、空気供給路Ｓ１と連通する貫通孔１４
３は、空気供給路Ｓ１の側壁面１４ｃに形成されること
となる。側壁面１４ｃに貫通孔１４３を設けることによ
って、空気供給路Ｓ１に供給された冷却水が空気極１２
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。

【００８４】第５の変形形態としては、図２２に示され
ているように、隔壁１４１内に冷却流路Ｓ２を形成し、
隔壁１４１の空気極１２との上端部（接触面）１４２に
貫通孔１４３を構成してもよい。この構成では、直接空
気極１２に貫通孔１４３から冷却水を供給し、空気極１
２の乾燥が防止できる。

【００８５】第６の変形形態としては、図２３に示され
ているように、セパレータ１４Ａ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１４Ａａと、そ
の背面側に重ねられた平板状の背面部材１４Ａｂとを備
えた構成とすることもできる。背面部材１４Ａｂと空気
供給路構成部材１４Ａａとの間の隙間には、平面状の冷
却流路Ｓ２が構成され、隔壁１４１内には溝状の流路Ｓ
２’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１４３は、空気供給路Ｓ１内の底面１４ｆ
と、空気供給路Ｓ１の側壁面１４ｃのいずれにも形成す
ることができる。

【００８６】次に、以上のように構成された燃料電池ス
タック１を用いた燃料電池システムの構成について説明
する。図２４に示されているように、この燃料電池シス
テムは燃料電池スタック１、水素吸蔵合金２１を含む燃
料供給系２、空気供給系３、水供給系４及び負荷系５か
ら大略構成される。

【００８７】燃料供給系２では、水素供給路２０を介し
て水素吸蔵合金２１から放出された水素を燃料電池スタ
ック１の各単位ユニットの水素ガス流路Ｓ３へ送る。水
素供給路２０には、水素調圧弁２３が配設され、水素吸
蔵合金２１から放出された水素ガスを調圧している。符
号２４は水素供給電磁弁であって、水素供給路２０の開
閉を制御している。燃料電池スタック１へ供給される直
前の水素ガス圧は水素圧センサ２５でモニタされてい
る。

【００８８】燃料供給系２において、燃料電池スタック
１から排出される水素ガスは、水素排出路２７を介して
大気へ放出される。水素排出路２７には逆止弁２８と電
磁弁２９が設けられている。逆止弁２８は水素排気路２
７を介して空気が燃料電池スタック１の燃料極に進入す
ることを防止できる。電磁弁２９は間欠的に駆動されて
水素の完全燃焼を図る。

【００８９】空気供給系３は大気から空気を燃料電池ス
タック１の空気流路Ｓ１に供給し、燃料電池スタック１
から排出された空気を水凝縮器４６を通過させて排気す
る。空気供給路３０にはファン３１が備えられ、大気か
ら空気を空気マニホールド３４へ送る。空気はマニホー
ルド３４から燃料電池スタック１の空気供給路Ｓ１へ流
入して空気極１２へ酸素を供給する。燃料電池スタック
１から排出された空気は水凝縮器４６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１から排
出される温度は排気温度センサ３７によりモニタされて
いる。

【００９０】冷却水の冷却流路Ｓ２から空気供給路Ｓ１
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４６に到達し、そのままタンク４０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４
６において凝縮されて回収される。なお、排気空気に含
まれる水蒸気には燃料電池スタック１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。

【００９１】水供給系４はタンク４０の水を、ポンプ４
１により、各燃料電池単位ユニットの冷却水供給路Ｌ６
へ配管４０ａ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Ｌ７から配管４０
ｂを介してタンク４０に回収する。各燃料電池単位ユニ
ット内で、貫通孔１４３から空気供給路Ｓ１へ供給され
た水は、水凝縮器４６で回収され、タンク４０に戻され
る。勿論、水供給系４を完全に閉じることは不可能であ
るので、タンク４０の水位を水位センサ４８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４０中の水が凍結しないようにタンク
４０にはヒータ４９と凍結防止電磁バルブ４０ｃが取り
付けられている。水凝縮器４６とタンク４０を連結する
配管には電磁バルブ４０ｄが取り付けられてタンク４０
内の水が蒸発するのを防止している。排気温度センサ３
７で検出された排出空気の温度に対応してポンプ４１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１の温度を所望の温度に維持することができる。

【００９２】負荷系５は燃料電池スタック１の出力を外
部に取り出して、モータ５２等の負荷を駆動させる。こ
の負荷系５にはスイッチのためのリレー５３と補助出力
源となる二次電池５４が設けられ、二次電池５４とリレ
ー５３との間には整流用のダイオード５５が介在されて
いる。なお、燃料電池スタック１自体の出力は電圧セン
サ５６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２９の開閉が
制御される。

【００９３】

【発明の効果】本発明の請求項１に記載の構成によれ
ば、セパレータの表裏で空気流路と冷却空間が分離され
るため、セパレータ内に格別の分離手段や冷却板を設け
ることによるセパレータの厚肉化が防止される。また、
セパレータが冷却空間側で直接潜熱冷却されることによ
って、冷却板によって冷却する場合より冷却効率がよ
く、均一に冷却することができる。また、従来、空気と
冷却水を同時供給するシステムの場合に、空気極面に冷
却水の水滴が付着したり、空気流路に水が詰まることが
が懸念されることから、空気流路の断面積を広くし、特
に空気流路を構成する溝の高さを高くしており、これが
燃料電池の小型、軽量化の障害となっていたのに対し
て、空気流路には、水蒸気状態で水が供給されるように
なるため、電極への空気の供給が、小さな断面積の空気
流路によっても水滴により阻害されなくなる。したがっ
て、この構成によりセパレータの薄肉化が可能となり、
更には、燃料電池スタックの小型、軽量化が達成され
る。

【００９４】更に、請求項２に記載の発明によれば、空
気流路と冷却空間を隣接して配置することによって、冷
却効果を均一化することができる。また、セパレータ内
で空気流路と冷却空間が積層方向に重なることがないた
め、セパレータが薄肉化され、単電池を積層した燃料電
池スタックの小型、軽量化が達成される。

【００９５】また、請求項３に記載の構成によれば、セ
パレータを金属板のプレス加工品とすることにより、製
造が容易となり、また材料コストの低減も図ることがで
きる。セパレータの一層の薄型化を図ることができる。
更に、セパレータの薄肉化により熱容量を小さくできる
ため、潜熱冷却の効果をより直接的に単位セルに伝え
て、効率のよい冷却を行なうことができる。しかも、同
様の理由から、暖機のための時間短縮や、暖機のための
エネルギーの省力化を図ることもできる。

【００９６】次に、請求項４に記載の構成によれば、冷
却空間を囲う壁面に親水性処理を施すことにより、冷却
空間内の高温部となる壁表面の濡れを促進でき、潜熱冷
却による冷却効果を一層高めることができる。また、流
路内で水詰りが起こり難くなるので、空気の供給を阻害
しない。

【００９７】また、請求項５に記載の構成によれば、冷
却空間内に供給され、潜熱冷却により水蒸気飽和状態に
なった空気が、通孔を介して空気流路に供給されるの
で、空気流路内において、空気極から液体水を持ち去る
ことを抑制でき、電極の湿潤を十分に保つことができ
る。

【００９８】また、請求項６に記載の構成によれば、冷
却空間よりも空気流路に供給される液体水の量が少ない
ので、冷却のために多量の液体水が燃料電池に供給され
ても、空気極を液体水が覆い、空気の供給を阻害するこ
とがない。

【００９９】更に、請求項７に記載の発明によれば、燃
料電池に供給する空気に冷却用の水を混入させる方式で
冷却システムを単純化することができるため、燃料電池
システム全体の小型、軽量化を達成できる。

【０１００】また、請求項８に記載の構成によれば、冷
却空間と空気流路の両方で潜熱冷却が行なわれるので、
単位セルで発生する熱を十分に冷却することができ、更
に空気極から液体水を持ち去ることがない。

【０１０１】また、請求項９に記載の構成によれば、セ
パレータを金属板のプレス加工品とすることにより、製
造が容易となり、また材料コストの低減も図ることがで
きる。セパレータの一層の薄型化を図ることができる。
更に、セパレータの薄肉化により熱容量を小さくできる
ため、潜熱冷却の効果をより直接的に単位セルに伝え
て、効率のよい冷却を行なうことができる。

【０１０２】また、請求項１０に記載の構成によれば、
空気流路と冷却空間とに供給する空気と水が同時に供給
されることによって、冷却システムを単純化でき、燃料
電池システムの小型、軽量化が達成される。

【０１０３】また、請求項１１に記載の構成によれば、
熱伝導率が低い金属製セパレータであっても、空気流路
と冷却空間の両方に空気と水を供給する構成とすること
によって、十分な冷却効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池を構成す
る単電池の部分横断面図である。

【図２】単電池を構成する単位セルの断面図である。

【図３】第１実施形態の単電池を構成するセパレータの
分解斜視図である。

【図４】第１実施形態の単電池を積層した燃料電池スタ
ックの部分上面図である。

【図５】第１実施形態のセパレータによる冷却メカニズ
ムを示す模式図である。

【図６】燃料電池システムの構成図である。

【図７】本発明の第２実施形態に係る燃料電池を構成す
るセパレータの全体正面図である。

【図８】第２実施形態の燃料電池スタックの部分横断面
図である。

【図９】図８のＢ−Ｂ縦断面図である。

【図１０】図８のＣ−Ｃ縦断面図である。

【図１１】第２実施形態のセパレータの全体背面図であ
る。

【図１２】第２実施形態の燃料電池スタックの部分上面
図である。

【図１３】第２実施形態のセパレータの変形形態を示す
正面図である。

【図１４】本発明の第３実施形態の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１５】第３実施形態の燃料電池のセパレータの部分
横断面図である。

【図１６】第３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１７】第３実施形態の燃料電池のセパレータの部分
拡大図である。

【図１８】第３実施形態の燃料電池スタックの部分拡大
斜視図である。

【図１９】第３実施形態における変形形態の燃料電池セ
パレータの全体正面図である。

【図２０】他の変形形態における燃料電池セパレータの
部分横断面図である。

【図２１】他の変形形態における燃料電池セパレータの
部分横断面図である。

【図２２】他の変形形態における燃料電池セパレータの
部分横断面図である。

【図２３】他の変形形態における燃料電池セパレータの
部分横断面図である。

【図２４】第３実施形態の燃料電池システムの構成図で
ある。

【符号の説明】

１０Ａ単位セル１０Ｂセパレータ１２空気極１４１凸部１４３通孔３４マニホールド

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者上野正隆東京都千代田区外神田２丁目19番12号株式会社エクォス・リサーチ内Ｆターム(参考） 5H026 AA06 BB02 CC03 CC05 CC08 EE02 EE08 HH03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに隣接する単位セルの間にセパレー
タが配置される燃料電池において、前記セパレータは、単位セルの少なくとも空気極に接す
る表面側に空気流路を備えるとともに、背面側に空気と
水とを供給される冷却空間を備え、前記空気流路と冷却
空間は、セパレータを貫通する通孔により連通され、前
記冷却空間に伝わる単位セルの熱により蒸発する水の潜
熱により単位セルを冷却することを特徴とする燃料電
池。
【請求項２】前記冷却空間は、セパレータに内包させ
て、空気流路に隣接させて配置された、請求項１記載の
燃料電池。
【請求項３】前記セパレータは、板材のプレス加工品
からなり、板面から押出し形成された凸部間の空間を空
気流路とし、凸部の背後の空間を冷却空間とされた、請
求項１又は２記載の燃料電池。
【請求項４】前記セパレータの冷却空間を囲む壁面
は、少なくともその一部に親水性処理を施された、請求
項１、２又は３記載の燃料電池。
【請求項５】前記空気流路は、その一端側が閉鎖され
た流路とされ、閉鎖端から開放端に至る途中の部分で通
孔により冷却空間に連通された、請求項１〜４のいずれ
か１項記載の燃料電池。
【請求項６】前記セパレータは、その空気流路に冷却
空間より少ない量の液体水が供給される構造である、請
求項１〜４のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項７】前記冷却空間は、その入口側を空気と水
とを供給するマニホールドに接続され、出口側を開放さ
れた流路とされた、請求項１〜６のいずれか１項記載の
燃料電池装置。
【請求項８】互いに隣接する単位セルの間に金属製セ
パレータが配置される燃料電池において、前記金属製セパレータは、単位セルの少なくとも空気極
に接する表面側に空気流路を備えるとともに、背面側に
冷却空間を備え、前記空気流路と冷却空間に空気と水と
を供給して水の潜熱により単位セルを冷却することを特
徴とする燃料電池。
【請求項９】前記金属製セパレータは、複数の板材を
少なくとも一部で互いに当接させて構成され、前記冷却
空間は、当接部間に生じる間隙により構成される、請求
項８記載の燃料電池。
【請求項１０】前記空気流路及び冷却空間は、それら
の入口を共通のマニホールドに連通され、該マニホール
ドから空気と水を供給される、請求項８又は９記載の燃
料電池。
【請求項１１】前記金属製セパレータは、ステンレス
製である、請求項８、９又は１０記載の燃料電池。