JP2005285685A - セパレータ及びそれを用いた燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】均一なガス供給集電抵抗の低減を、加工性の高い単純なセパレータ構成で実現する。
【解決手段】電解質を電極で挟んだ単位セルを互いに積層すべく、単位セル間に挿入される燃料電池のセパレータは、電極の表面を覆うように配置され、多数のガス拡散用の通気孔１４３，１５３が形成されたガス拡散部１４１，１５１と、ガス拡散部の電極の表面を覆う部分の裏側に、平行に分割されたガス通路Ａ，Ｈを形成するスペーサ部１４２，１５２とを備える。ガス拡散部とスペーサ部は、金網状部材を断面矩形波板状に折り曲げることで一体に形成されている。これにより、電極とセパレータとの間に均一な通気孔が形成され、幅の狭い線状の網目の接触による高い接触圧が確保され、それによりガス拡散の均一化と集電抵抗の軽減がともに可能となる。
【選択図】図７

Description

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に関する。

燃料電池には種々の形式のものがあるが、それらのうち、特に反応温度が低いことで小形に構成可能なため、車両への搭載に適するものとして高分子電解質形燃料電池がある。この形式の燃料電池は、高分子電解質膜をガス拡散電極（触媒層と多孔質支持層（ガス拡散層）からなる）で挟んだ膜・電極接合体（ＭＥＡ）を単位とし、その外側に水素（燃料ガス）や酸素（酸化剤ガス）等の反応ガスの供給通路を兼ねるセパレータを配した構造とされている。このセパレータは、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。上記のようなＭＥＡとセパレータとで１ユニットの単電池が構成される。実際の高分子電解質形燃料電池では、かかる単電池を多数個直列に積層してセルモジュールが構成される。

高分子電解質形燃料電池では、十分な発電効率を維持するために、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ＭＥＡ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。

出願人は、先に前記冷却手段として、加湿水を空気極への反応ガス中に霧状に混在させて反応ガスと共にガス拡散電極に供給する技術を提案している。この技術では、前記セパレータの加工性の向上と、燃料電池の薄肉化を狙って、セパレータを波板状の薄板金属板とし、波板の波山と波山裾との中間部分に通気孔を設け、該通気孔を経て反応ガスとセパレータからの加熱により蒸気化した加湿水を、ガス拡散電極に供給する構成を採っている。この構成によれば、加湿水のガス供給通路内での蒸発を潜熱冷却にも利用することができる。

ところで、高分子電解質形燃料電池のセパレータを薄板金属板で構成する技術として、従来、特許文献１記載の技術がある。この技術は、ガス拡散電極のへたりに追従して接触圧を維持することを狙ったもので、セパレータを構成する金属板に平行なスリットを断続的に設け、隣り合うスリット間を湾曲させることで、金属板を位相をずらした波形として弾性を持たせ、位相のずれで波形状間に生じる切れ目部分を通気孔とする構成が採られている。

また、前記形式とは異なる溶融炭酸塩形燃料電池において、その集電板（セパレータ）を波板状の薄板から形成して、アノード又はカソードと密着する側の頂部に、薄板を貫通させて複数の孔を設けたものが提案されている（特許文献２参照。）。
特開２００２−１８４４２２号公報 特開平７−２５４４２４号公報

前記特許文献１に記載の技術では、接触面積を確保すべく波形のピッチを小さくするほど通気性が低下し、反対に通気性を確保すべく波形のピッチを大きくするほど接触面積が減少する構造であり、接触面積の確保と通気性の確保の両立が困難と考えられる。また、通路面積を確保するには、ある程度波の高さを高くしなければならず、接触圧の確保との兼ね合いで波形のピッチは粗いものとせざるを得ない。

次に、前記特許文献２に記載の従来技術では、アノード又はカソードに密着する薄板集電板の頂部にのみガス供給のための孔を設ける構成であるため、集電板への孔開け加工は、幅数ｍｍ程度の波形の頂部に施されることになり、高度の技術を要する困難な作業になると考えられる。

また、前記のように波形の頂部のみに孔を設ける構成では、電極に拡散層のない溶融炭酸塩形燃料電池への適用に限っては支障がないとしても、電極に拡散層を備える高分子電解質形燃料電池への適用を考えた場合、問題がある。すなわち、この構成では、波形の屈曲部に対して孔の位置をある程度頂部幅の内側に離す必要があるため、アノード又はカソードへの密着面の特に屈曲部に沿う位置の部分的な開口率が制約され、密着面全体でみたときのガス供給の拡散の不均一が生じる可能性が懸念される。更に、この技術を出願人の先の提案に係る技術（反応ガスと冷却水の混在供給）への適用を考えた場合、冷却の不均一や膜湿潤の不均一、更には冷却水の目詰まりによるガス供給の不均一も懸念される。このように特許文献２に記載の技術は、異なる形式の燃料電池への適用の汎用性において問題がある。

更に、前記のように開口率の小さな面（面積的に広い面）で接触させる構成では、接触面の平面度を極めて高くしないと、局部的な接触により実際の集電面は小さくなり、かえって集電抵抗が増加することになる。

本発明は、上記の事情に鑑みて案出されたものであり、燃料電池において、ガス供給、冷却、膜湿潤の維持及び集電抵抗の低減を、加工性の高い単純なセパレータ構成で実現することを主要な目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、電解質（１１）を電極（１２，１３）で挟んだ単位セル（１０Ａ）を互いに積層すべく、前記単位セル間に挿入される燃料電池のセパレータ（１０Ｂ）において、前記電極の表面を覆うように配置され、多数のガス拡散用の通気孔（１４３，１５３）が形成されたガス拡散部（１４１，１５１）と、該ガス拡散部の前記電極の表面を覆う部分の裏側に、平行に分割されたガス通路（Ａ，Ｈ）を形成するスペーサ部（１４２，１５２）とを備え、前記ガス拡散部とスペーサ部は、金網状部材を断面矩形波板状に折り曲げることで一体に形成されていることを特徴とする。
次に、発明は、電解質（１１）を電極（１２，１３）で挟んだ単位セル（１０Ａ）を互いに積層すべく、前記単位セル間にセパレータ（１０Ｂ）が挿入された燃料電池において、前記セパレータは、前記電極の表面を覆うように配置され、多数のガス拡散用の通気孔（１４３，１５３）が形成されたガス拡散部（１４１，１５１）と、該ガス拡散部の前記電極の表面を覆う部分の裏側に、平行に分割されたガス通路（Ａ，Ｈ）を形成するスペーサ部（１４２，１５２）とを備え、前記ガス拡散部とスペーサ部は、金網状部材を断面矩形波板状に折り曲げることで一体に形成されていることを特徴とする。
前記の構成において、前記金網状部材は、前記ガス拡散部の幅を４として、ガス拡散部同士の間隔を１以下とする矩形波板状に繰り返し折り曲げられている構成が有効である。
また、前記金網状部材は、開口率が２５％以上であり、かつ前記通気孔の孔径が０．５ｍｍ〜１．０ｍｍであることが望ましい。
更に、前記金網状部材は、前記通気孔同士の縁間の間隔が略一定であることが望ましい。
また、前記金網状部材は、前記通気孔の形状が円形、矩形、菱形あるいは６角形であることが望ましい。
次に、本発明は、高分子電解質膜（１１）を電極（１２，１３）で挟んだ単位セル（１０Ａ）を互いに積層すべく、前記単位セル間にセパレータ（１０Ｂ）が挿入された燃料電池において、前記セパレータは、前記電極の表面を覆うように配置され、多数のガス拡散用の通気孔（１４３，１５３）が形成されたガス拡散部（１４１，１５１）と、該ガス拡散部の前記電極の表面を覆う部分の裏側に、平行に分割されたガス通路（Ａ，Ｈ）を形成するスペーサ部（１４２，１５２）とを備え、前記ガス拡散部とスペーサ部は、金網を断面矩形波板状に折り曲げることで一体に形成されていることを特徴とする。
この構成における前記単位セルは、前記高分子電解質膜を触媒層を介してカーボンクロスで挟んで構成されており、前記ガス拡散部は、カーボンクロスへの圧力を全面に分散すると共に単位セルで生成した水の付着面積を減少すべく、前記通気孔同士の縁間の間隔が０．３ｍｍ以下とされるのが有効である。

本発明によれば、セパレータを構成するガス拡散部とスペーサ部が、金網状部材を波板状に折り曲げることで一体に形成されているため、供給ガス通路面積は、金網状部材の波形の波高により設定され、通気性や拡散性は、金網状部材の網目の粗密により波高とは関係なく設定される。したがって、この構成によれば、ガス通路面積を十分に確保しながら、ガス拡散電極の表面を覆う部分の開口率の均一化が可能となる。
また、ガス拡散電極とセパレータの接触面の面積を、十分なガス拡散のために小さくしつつ、ガス拡散部全体にわたって部分的な偏りがなく、幅の狭い線状の網目の接触による接触圧の高い均一な接触面を確保することができ、それにより集電抵抗の軽減も可能となる。
更に、セパレータを網状部材の折り曲げ加工により形成しているため、高度の技術を要しない単純な加工によりセパレータ延いては燃料電池の生産性を向上させることができる。
特に、金網状部材がガス拡散部の幅を４として、ガス拡散部同士の間隔を１とする矩形波板状に繰り返し折り曲げられている構成では、供給ガス通路における圧損が低減され、ガス拡散電極への効率のよりガス供給が可能となる。

本発明は、燃料ガスと酸化ガスとの反応に伴って水が生成する高分子電解質形燃料電池に適用して特に有効なものであり、特に、生成水が排出される空気極側のガス拡散層に接触して設けられるセパレータに適用することで有効なものである。すなわち、ガス拡散層で生成した水が金網の通気孔を通して排出された後、金網の網状部材の細く且つ一定幅の網目部を伝って下方に排出される。これにより、生成水によるガス拡散層及び金網の網目の目詰まりを生じさせることが無く、また供給されるガスの通過・拡散を妨げることも無いため、ガス拡散の不均一による効率の低下が防止される。

以下、図面を参照して、本発明の実施例を説明する。先ず、図１〜図７は本発明の第１実施例を示す。図１は、この発明の適用に係る燃料電池スタック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を主体とし、それに空気を供給する空気供給手段としての空気ファン２１を含む空気供給系（図に実線で示す）２及び水凝縮器３１を含む空気排出系３とからなる燃料電池主体部と、水素供給手段としての水素タンク４１を含む燃料供給系（図に２点鎖線で示す）４と、反応部の湿潤と冷却のための水供給系（図に破線で示す）６から構成される。

燃料電池の主体部に配置された空気ファン２１は、空気供給路２０を介して空気マニホールド２２に接続され、空気マニホールド２２は、燃料電池スタックを収容する図示しない筐体に接続されている。水凝縮器３１は、筐体の空気排出路３０中に介挿して燃料電池スタック１に接続されている。空気排出路３０には排気温度センサ３２が配置されている。

燃料供給系４は、水素タンク４１に貯蔵された水素を水素供給路４０を介して燃料電池スタック１の水素通路へ送るべく設けられている。水素供給路４０には、水素タンク４１側から燃料電池スタック１側に向けて、一次圧センサ４２、調圧弁４３Ａ、供給電磁弁４４Ａ、調圧弁４３Ｂ、供給電磁弁４４Ｂ、二次圧センサ４５が設けられている。また、水素供給路４０には付随的に水素帰還路４０ａと水素排出路５０が設けられている。水素帰還路４０ａには、燃料電池スタック１側から順に、水素濃度センサ４６Ａ，４６Ｂ、吸引ポンプ４７、逆止弁４８が配置され、逆止弁４８の下流が水素供給路４０に接続されている。水素帰還路４０ａにおける吸引ポンプ４７と逆止弁４８との間には、水素排出路５０が接続されており、水素排出路５０には、逆止弁５１と、排出電磁弁５２と、燃焼器５３が配置されている。

水供給系６は、水タンク６１に貯蔵された水を水供給路６０を介して燃料電池スタック１の空気マニホールド２２に配置された多数のノズル６３へ送るべく設けられている。水供給路６０にはポンプ６２が配置されている。また、水タンク６１には、レベルセンサ６４が配置されている。水供給系６には更に燃料電池スタック１と水タンク６１をつなぐ水帰還路６０ａが設けられ、水帰還路６０ａにはポンプ６５と逆止弁６６が配置されている。水帰還路６０ａはポンプ６５の上流側で水凝縮器３１に接続されている。なお、図において、符号７１は燃料電池の起電圧をモニターする電圧計を示す。

前記のように構成された燃料電池システムは、運転時には、空気供給ファン２１の稼動により空気マニホールド２２に空気が供給されると共に、水供給系からポンプ６２の稼動により水が供給され、続いて燃料供給系４から供給電磁弁４４Ａ，４４Ｂの稼動により水素が供給される。

この際、燃料供給系４では、水素一次圧センサ４２によって水素タンク４１側の水素圧がモニターされ、水素調圧弁４３Ａ、４３Ｂによって、燃料電池スタック１へ供給するに適した圧力に調整される。そして、供給電磁弁４４Ａ，４４Ｂ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る。水素ガスの供給の遮断は、供給電磁弁４４Ａ，４４Ｂの閉鎖によりなされる。また、水素二次圧センサ４５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。また、水供給系６では、水タンク６１の水はポンプ６２により空気マニホールド２２内に配設されたノズル６３へ圧送され、ここから空気マニホールド２２内で連続的若しくは間欠的に噴出され、空気流に霧状に混入されて燃料電池スタック１に送り込まれる。

前記の構成からなる燃料電池システムにおいて燃料電池スタック１を構成するユニットとしてのセルモジュール１０の構成を図２〜図７に示す。図２に上面（以下、セルモジュールの配置姿勢に即して上下及び縦横の関係を説明する）を示すように、セルモジュール１０は、単位セル（ＭＥＡ）１０Ａと、単位セル同士を電気的に接続すると共に単位セル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セパレータ１０Ｂと、単位セル１０Ａとセパレータ１０Ｂを支持する２種類のフレーム１７，１８とを１セットとして、板厚方向に複数セット（図示の例では１０セット）重ねて構成されている。

なお、単位セル１０Ａは、フレーム１８の内側に位置するため、図２には明確に表されていない。セルモジュール１０は、単位セル１０Ａ同士が所定の間隙を隔てて配置されるように、単位セル１０Ａとセパレータ１０Ｂが、２種類のフレーム１７，１８を交互にスペーサとして多段に重ねられて積層されており、積層方向の一端（図２における上端面側）は、図３に示すように、セパレータ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、他端（図２における下端面側）は、図４に示すように、セパレータ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。

図５及び図６に拡大して断面構造を示すように、単位セル１０Ａは、高分子電解質膜１１と、この高分子電解質膜１１の一側に設けられた酸化剤極である空気極１２及び他側に設けられた燃料極１３とで構成されている。これら空気極１２と燃料極１３は、上述した反応ガスを拡散しながら透過するカーボンクロス等の導電性材料からなるガス拡散層と、この拡散層と高分子電解質膜１１との間に挟み込まれた触媒物質を含む触媒層とからなる。これらの部材のうち、空気極１２と燃料極１３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を有するものとされている。また、高分子電解質膜１１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。

セパレータ１０Ｂは、単位セル１０Ａ間のガス遮断部材としてのセパレータ基板１６と、セパレータ基板１６の一側に設けられ、単位セル１０Ａの空気極側のガス拡散層に接触して集電すると共に空気と水の混合流を透過する多数の通気孔が形成された網状部材からなる集電体（以下「空気極側コレクタ」と称する）１４と、セパレータ基板１６の他側に設けられ、単位セル１０Ａの燃料極側のガス拡散層に接触して、同じく電流を外部に導出するための網状部材からなる導電体（以下「燃料極側コレクタ」と称する）１５とで構成されている。

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（最外側のもののみ上下端を相互にバックアッププレート１７ａ，１７ｂで連結されて枠状（図３参照）をなす）と、燃料極側コレクタ１５及び単位セル１０Ａの周縁部にフレーム１８が設けられている。

本発明におけるガス拡散部とスペーサ部を構成する網状部材からなるコレクタ１４，１５は、この例では金属薄板、例えば板厚が０．２ｍｍ程度のエキスパンドメタルで構成されている。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、導電性と耐食性を備えた金属、例えば、ステンレス鋼、ニッケル合金、チタン合金等やそれらの金属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１７，１８は、適宜の絶縁材料で構成される。

空気極側コレクタ１４は、図３に示すように、全体形状を横長の矩形（ただし、底辺だけが水切り効果の向上のために傾斜辺とされている）とされ、図７に一部を拡大して詳細を示すように、開口率５９％の網目状の菱形の通気孔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）網状板材からなり、プレス加工により形成された細かい凸条１４ａを有する波板とされている。

これら凸条１４ａは、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。これにより凸条の背後に、平行に分割されることで部分ごとの流量の不均一をなくしたガス流路が形成される。凸条１４ａ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。凸条１４ａの高さは、フレーム１７の厚さに実質上等しい高さとされ、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Ａを確保している。また、凸条１４ａと裾部の幅の比は、凸条１４ａに対して裾部の幅が大きいほど接触面積が減少して集電抵抗が増加するので、４：１以下の比とされている。

各凸条１４ａの頂部１４１の平面は、空気極１２側拡散層が接触する当接部すなわちガス拡散部となっており、凸条１４ａ間でガス拡散電極の表面に対して交差する方向に延びる部分と、それらの部分を繋ぐ裾部は、ガス通路Ａの通路断面積を確保するためのスペーサ部１４２を構成しており、前記裾部は、コレクタ１４とセパレータ基板１６との導電のための当接部とされている。

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菱形の通気孔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）矩形の網状板材からなり、プレス加工によって、複数の凸条１５ａが押出し形成されている。凸条１５ａは、頂部１５１が平坦で、断面形状も、先の凸条１４ａの場合と同様に実質上矩形波状とされているが、このコレクタ１５の場合の凸条１５ａ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。この場合も、凸条の背後に、平行に分割されることで部分ごとの流量の不均一をなくしたガス流路が形成される。また、凸条１５ａと裾部の幅の比は、凸条１４ａに対して裾部の幅が大きいほど接触面積が減少して集電抵抗が増加するので、４：１以下の比とされている。

これら凸条１５ａの頂部１５１の平面は、燃料極１３が接触する当接部すなわちガス拡散部となっており、凸条１５ａ間でガス拡散電極の表面に対して交差する方向に延びる部分と、それらの部分を繋ぐ裾部は、ガス通路Ｈの通路断面積を確保するためのスペーサ部１５２を構成しており、前記裾部は、コレクタ１５とセパレータ基板１６との導電のための当接部とされている。これら凸条１５ａ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。凸条１５ａ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流路を確保している。

上記の構成からなる両コレクタ１４，１５は、各凸条１４ａ，１５ａが共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、両コレクタ１４，１５の凸条の裾部がセパレータ基板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、コレクタ１４，１５がセパレータ基板１６と重ね合わせることによって、セパレータ基板１６の一方側でコレクタ１４がガス拡散電極の表面を覆う部分の裏側に空気流路Ａが構成され、他方側に同様の位置関係で燃料流路Ｈが構成されることになる。そしてこの縦方向の空気流路Ａから、単位セル１０Ａの空気極１２に空気と水が供給され、同様に、横方向の燃料流路Ｈから単位セル１０Ａの燃料極１３に水素が供給される。

前記の構成からなるセパレータ１０Ｂの外側には、フレーム１７，１８がそれぞれ配置される。図５及び図６に示すように、コレクタ１４を囲むフレーム１７は、外端（図５において最上部、図６において左端）のものを除き、コレクタ１４の短辺に沿う両側を囲う縦枠部１７１のみを備えるものとされ、これら縦枠部１７１を板厚方向に貫通する長孔１７２が燃料流路形成のために設けられている。フレーム１７の板厚は、前記のように波板状とされたコレクタ１４の厚みに匹敵する厚さとされている。したがって、フレーム１７がコレクタ１４に組み合わされた状態では、コレクタ１４の凸条１４ａは、単位セル１０Ａの空気極１２に接触し、裾部はセパレータ基板１６を介してコレクタ１５に接触する位置関係となる。なお、セパレータ基板１６は、フレーム１７の高さと全体幅に相当する外形寸法とされ、フレーム１７の前記長孔１７２と重なる位置に同様の長孔１６２を備える構成とされている。かくして、フレーム１７の両縦枠部１７１の間には、単位セル１０Ａの空気極１２面とセパレータ基板１６とで囲われた縦方向に全通する空気流路Ａが画定される。

コレクタ１５と単位セル１０Ａを囲むフレーム１８は、フレーム１７と同じ大きさに構成されているが、フレーム１７とは異なり、左右縦枠部（図５では記載範囲より更に右外側に位置するため現れていないが、フレーム１７の両縦枠部１７１の左右両側端と同じ位置に両側端を有する横方向幅が上下横枠部の略同じ枠部）と上下横枠部１８２を備える完全な枠状とされている。そして、フレーム１８は、外端（図２において最下部、図４に示す面）のものを除き、左右縦枠部と平行に延び、コレクタ１５の左右端に重なる薄板状のバックアッププレート１８ａと厚板状のバックアッププレート１８ｂを備えるものとされ、これらバックアッププレート１８ａと縦枠部で囲われる空間が前記フレーム１７を板厚方向に貫通する長孔１７２と整列する燃料流路形成のための空間を構成している。

フレーム１８の板厚は、前記のように波板状とされたコレクタ１５の厚みと単位セル１０Ａの厚みにほぼ匹敵する厚さとされている。したがって、フレーム１８がコレクタ１５に組み合わされた状態では、コレクタ１５の凸条１５ａは、単位セル１０Ａの燃料極１３に接触し、裾部はセパレータ基板１６を介してコレクタ１４に接触する位置関係となる。かくして、フレーム１８の両縦枠部とバックアッププレート１８ａとの間には、フレーム１７の縦枠部１７１の長孔１７２と整列するフレーム積層方向の燃料流路Ｈが形成され、かつ個々のフレーム１８の内部において、コレクタ１５の波形によりセパレータ基板１６とバックアッププレート１８ａに挟まれる横方向流路としての燃料流路Ｈが画定される。

以上のように構成されたフレーム１７，１８によりコレクタ１４，１５及びセパレータ基板１６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、セルモジュールが構成される。こうして積層されたセルモジュールには、図２に示すように、フレーム１８で挟まれる間の部分に、セルモジュールの上面から縦方向にセルモジュール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。

こうした構成からなるセルモジュールを筐体内に複数個並べて配置することで構成される燃料電池スタック（図１参照）１は、その上部から空気マニホールド２２で混合された空気と水を供給し、側方から水素を供給することで、発電作動する。空気流路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）で空気流路の上部に入る。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、空気流路内の混合流が加熱される。混合流中の水滴は、一部がコレクタ１４の網目に付着し、コレクタ１４の網目に付着しなかった水滴は、コレクタ１４とガス拡散層との間の気相中で加熱されることにより、蒸発してコネクタ１４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、空気極１２側からの高分子電解質膜１１中の水分の蒸発を抑えて保湿させる。そして、空気流路に入った余剰の空気と蒸気及び水は、セルスタックの下方の空気流路開口から排出される。

一方、燃料流路への水素の供給は、図４に示す最外側のフレーム１８の縦枠部の長孔から、順次積層されたセパレータ基板１６の長孔１６２、フレーム１７の縦枠部１７１の長孔１７２を経て各フレーム１８の縦横枠部及びバックアッププレート１８ａにより囲まれる空間に流入し、セパレータ基板１６とバックアッププレート１８ａにより挟まれる空間を経て単位セル１０Ａの燃料極１３側に供給される。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。そして燃料極１３に沿って横方向に流れる水素のうち、反応に関与しなかった余剰分が、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１に示す配管により循環され最終的に燃焼器に排出される。

かくして燃料電池スタックに空気と共に送り込まれた水は、先に説明したように、一部はコレクタ１４の網目に付着して蒸発し、それ以外は気相中で網目に付着せずに蒸発して潜熱を奪うので、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水は、空気極１２自体からも熱を奪いこれを冷却する。これにより燃料電池スタック１の温度を制御できる。

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４において、燃料電池スタック１の水素通路からポンプ４７の吸引により排出される水素ガスは、濃度センサ４５Ａ，４５Ｂにより濃度を計測され、所定の濃度以上のときは、電磁弁５２の閉鎖により還流逆止弁４８を経て水素供給路４０に還流される。また、所定の濃度に満たないときは、排出電磁弁５２の間歇的開放により逆止弁５１及び電磁弁５２を経て燃焼器５３に水素が排出され、燃焼器５３で完全燃焼させた排気が大気へ放出される。

こうしてこのシステムでは、燃料電池スタック１へ特に冷却水系を付設しなくても、空気流に乗せて水を供給することで、燃料電池スタック１を十分に湿潤し、且つ冷却することができる。この際、燃料電池スタック１の温度は、排気温度センサ３２で検出された排出空気の温度に対応してポンプ６２の出力や運転間隔を適宜制御することで、ノズル２２から空気マニホールド２２内に噴出させる水の噴射量が制御され、所望の温度に維持される。

具体的には、燃料電池スタック１内に供給する水量を増やせば蒸発量が増え、水量を減らせば蒸発量が減ると共に、風量を増やせば温度が下がり、風量を減らせば温度が上がるので、供給水量と風量を制御することで、運転温度を制御できる。なお、燃料電池スタック１から空気と共に排出される水は、大部分が液体の状態を維持したまま排出されるため、水帰還路６０ａに流れポンプ６５に吸引されて逆止弁６６経由で水タンク６１に戻され、蒸発して水蒸気状になったものや水帰還路６０ａに回収されなかったものについては、水凝縮器３１で凝縮されて液状とされ、ポンプ６５による吸引で水タンク６１に戻される。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。この水タンク６１の水位は、水位センサ６４でモニターされる。

このシステムの特徴は、コレクタ１４，１５が細かい網状となっており、ガス拡散層との接触面全域にも通気孔が形成されていることで、空気と水の混合流がこの通気孔を通過する際に攪拌されると共に、ガス拡散層のコレクタ１４，１５との接触面にも混合ガスが供給されるので、燃料電池スタック１における電極全面に均一に空気を供給することができ、それにより濃度分極を少なくすることができる点にある。また、電極とコレクタとの網目での接触により、電極全体から均一に集電できるため、集電抵抗が減少する。更に、電極全体の触媒を有効に使用できるため、活性化分極が少なくなる点にある。また、電極の有効面積を大きくすることができる利点も得られる。

以上説明した実施例１では、セパレータのコレクタ１４，１５の網目を菱形としたものを例示したが、このコレクタ１４，１５の網目は、菱形に限らず、種々の形状とすることができる。次の図８に通気孔形状の代表例を示す。これらいずれの形状を採る場合も、以下に例示するように、通気孔同士の間隔が一定であることがガス拡散を均一にするために有効である。また、隣り合う通気孔の縁間の間隔も、略一定であることが、特にコレクタ１４において、水の付着による通気孔の目詰まりを防ぐ上で望ましい。

図８（Ａ）に示す例は、実施例１に適用したエキスパンドメタルの菱形の網目形状を示す。この形状場合、例えば通気孔となる開口１４３（以下、コレクタ１４の符号のみ付記する）の横方向寸法を１ｍｍ、縦方向寸法を０．５ｍｍ、開口間の縁部の幅を０．１ｍｍとすると、開口率は６８．４％となる。この開口形状は、線材を編んだ金網によっても実現できる。

図８（Ｂ）に示す例は、矩形の開口の一例としての正方形の通気孔１４３を開けたパンチングメタルの網目を示す。図示の例の場合、通気孔１４３の開設ピッチを縦方向又は横方向とも合わせて、縦横格子状の網目を形成しているが、開口位置を縦方向又は横方向に半ピッチずらした配置によっても同様の開口率を得ることができる。この開口形状も、線材を編んだ金網によっても実現できる。

図８（Ｃ）に示す例は、多角形開口の一例を示すもので、６角形の通気孔１４３を開けたパンチングメタルの網目を示す。この場合の網目の形状は、ハニカム状となる。この開口形状も、線材を編んだ金網によっても実現できる。

図８（Ｄ）に示す例は、丸形の開口のうちの最も単純な例としての円形の通気孔１４３を開けたパンチングメタルの網目を示す。この場合、通気孔１４３の開設ピッチを相互の中心位置間の距離を等しくした配置により、大きな開口率の、概ね格子状の網目が形成されている。この形状の場合、開口率が２５％以上で、孔径が０．５〜１．０ｍｍのものにおいて、良好な効果が得られる。

前記実施例１では、通路面積を専らコレクタ１４，１５の折り曲げ形状で確保する構成を採ったが、通路面積は、セパレータ基板１６との協働で確保する構成とすることもできる。次にコレクタ１４，１５の折り曲げ形状を変更した他の実施例について説明する。

次の図９に示す実施例２は、両コレクタ１４，１５の素材を共通化すべく波状寸法、すなわち波の高さ及びピッチを実施例１における燃料極側のコレクタ１５と同一のものとしている。そしてこの構成の採用に伴い、波高が低くなった空気極側の流路断面積を確保すべく、セパレータ基板１６にもコレクタ１４の裾部の配置ピッチに合わせたピッチでコレクタ１４側に突出する凸条１６ａを形成して、セパレータ基板１６も波板状としている。以下、この実施例における実施例１との共通部分については同様の参照符号を付して説明に代え、以下相違点のみ説明する。

この実施例におけるセパレータ基板１６の凸条１６ａの高さは、この高さとコレクタ１４の凸条１４ａの高さとの和が実施例１におけるコレクタ１４の凸条の高さと等しくなる設定とすることで、空気極側の流路断面積を実施例１と同様とすることができる。

この実施例においても、コレクタ１４，１５の網目形状については、先に例示した任意の形状を用いることができる。網目の向きは、先の実施例１も含めてガス拡散性や保水性には影響しないため任意である。なお、図９において、網目形状の表記は省略されている。

この実施例２によっても、実施例１と同様に拡散層に接するコレクタ１４，１５が細かい網目状となっていることで、燃料電池スタック１における電極全面に均一に空気を供給することができ、それにより濃度分極を少なくすることができる。また、電極とコレクタとの網目状の接触により、電極全体から均一に集電できるため、集電抵抗が減少する。更に、電極全体の触媒を有効に使用できるため、活性化分極が少なくなる。また、電極の有効面積を大きくすることができる利点も得られる。

次の図１０に示す例は、燃料極側のコレクタ１５を本発明の適用外の波状を有しない平板の網状部材で構成した例である。この例の場合は、空気極側と燃料極側の流路断面積を共に確保すべく、セパレータ基板１６は、該基板の基準面に対して空気極側と燃料極側にともに突出する断続的な凸条１６ａ，１６ｂを形成した波板で構成されている。その他の構成については全て実施例２と同様であるので、相当する部材に同様の参照符号を付して説明に代える。

燃料電池システムの構成図である。 本発明の実施例１に係る燃料電池スタックを構成するセルモジュールの上面図である。 セルモジュールを空気極側から見た正面図である。 セルモジュールを燃料極側から見た正面図である。 図３のＡ−Ａ部分横断面である。 図３のＢ−Ｂ部分縦断面である。 セルモジュールのセパレータを分解して示す部分斜視図である。 セパレータの網目形状の代表例を示す平面図である。 本発明の実施例２に係るセパレータを分解して示す部分斜視図である。 本発明の実施例３に係るセパレータを分解して示す部分斜視図である。

符号の説明

１０Ａ 単位セル
１０Ｂ セパレータ
１１ 電解質
１２，１３ ガス拡散電極
１４１，１５１ ガス拡散部
１４２，１５２ スペーサ部
１４３，１５３ 通気孔
Ａ，Ｈ ガス通路

Claims (8)

1. 電解質（１１）を電極（１２，１３）で挟んだ単位セル（１０Ａ）を互いに積層すべく、前記単位セル間に挿入される燃料電池のセパレータ（１０Ｂ）において、
   前記電極の表面を覆うように配置され、多数のガス拡散用の通気孔（１４３，１５３）が形成されたガス拡散部（１４１，１５１）と、
   該ガス拡散部の電極の表面を覆う部分の裏側に、平行に分割されたガス通路（Ａ，Ｈ）を形成するスペーサ部（１４２，１５２）とを備え、
   前記ガス拡散部とスペーサ部は、金網状部材を断面矩形波板状に折り曲げることで一体に形成されていることを特徴とするセパレータ。
2. 電解質（１１）を電極（１２，１３）で挟んだ単位セル（１０Ａ）を互いに積層すべく、前記単位セル間にセパレータ（１０Ｂ）が挿入された燃料電池において、
   前記セパレータは、前記電極の表面を覆うように配置され、多数のガス拡散用の通気孔（１４３，１５３）が形成されたガス拡散部（１４１，１５１）と、
   該ガス拡散部の前記電極の表面を覆う部分の裏側に、平行に分割されたガス通路（Ａ，Ｈ）を形成するスペーサ部（１４２，１５２）とを備え、
   前記ガス拡散部とスペーサ部は、金網状部材を断面矩形波板状に折り曲げることで一体に形成されていることを特徴とする燃料電池。
3. 前記金網状部材は、前記ガス拡散部の幅を４として、ガス拡散部同士の間隔を１以下とする矩形波板状に繰り返し折り曲げられている、請求項２記載の燃料電池。
4. 前記金網状部材は、開口率が２５％以上であり、かつ前記通気孔の孔径が０．５ｍｍ〜１．０ｍｍである、請求項２又は３記載の燃料電池。
5. 前記金網状部材は、前記通気孔同士の縁間の間隔が略一定である、請求項２、３又は４記載の燃料電池。
6. 前記金網状部材は、前記通気孔の形状が円形、矩形、菱形あるいは６角形である、請求項２〜５のいずれか１項記載の燃料電池。
7. 高分子電解質膜（１１）を電極（１２，１３）で挟んだ単位セル（１０Ａ）を互いに積層すべく、前記単位セル間にセパレータ（１０Ｂ）が挿入された燃料電池において、
   前記セパレータは、前記電極の表面を覆うように配置され、多数のガス拡散用の通気孔（１４３，１５３）が形成されたガス拡散部（１４１，１５１）と、
   該ガス拡散部の前記電極の表面を覆う部分の裏側に、平行に分割されたガス通路（Ａ，Ｈ）を形成するスペーサ部（１４２，１５２）とを備え、
   前記ガス拡散部とスペーサ部は、金網を断面矩形波板状に折り曲げることで一体に形成されていることを特徴とする燃料電池。
8. 前記単位セルは、前記高分子電解質膜を触媒層を介してカーボンクロスで挟んで構成されており、前記ガス拡散部は、カーボンクロスへの圧力を全面に分散すると共に単位セルで生成した水の付着面積を減少すべく、前記通気孔同士の縁間の間隔が０．３ｍｍ以下とされた、請求項７記載の燃料電池。

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