JP2007027055A

JP2007027055A - 燃料電池及び燃料電池システム

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Publication number: JP2007027055A
Application number: JP2005211506A
Authority: JP
Inventors: Chikayuki Takada; 慎之高田; Kenji Kato; 憲二加藤
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2005-07-21
Filing date: 2005-07-21
Publication date: 2007-02-01
Anticipated expiration: 2025-07-21
Also published as: JP4815916B2

Abstract

【課題】空気極側に空気と冷却水とが直接供給される方式の燃料電池であって、空気極に十分な空気を供給することができ、空気極を十分に冷却することができ、膜の湿潤状態を適切に維持することができ、構造を簡素化することができるようにする。
【解決手段】電解質膜の両側に多孔（こう）質の燃料極及び空気極が設けられた単位セルがセパレータを挟んで複数積層された燃料電池であって、前記セパレータは、少なくとも空気極側の表面部分に、前記空気と水との混合流を透過する多数の孔（あな）が形成された多孔質導電体を備え、前記単位セルの両極の少なくとも前記空気極は、空気を拡散する拡散層核部と、該拡散層核部のセパレータ側に形成され前記混合流から空気のみを選択的に透過する撥（はっ）水層とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池及び燃料電池システムに関するものである。

従来、燃料電池の一形式としてのＰＥＭ（ＰｒｏｔｏｎＥｘｃｈａｎｇｅＭｅｍｂｒａｎｅ）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。）との間に固体高分子電解質膜が挟持された構成とされる。燃料極と空気極は、ともに触媒物質を含む触媒層と、該触媒層を支持するとともに反応ガスを透過する機能を果たし、更に、集電体としても機能を有する電極基材から成る。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。該セパレータは、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。

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セルモジュールが構成される。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、単位セル中の固体高分子電解質膜を十分に湿潤状態に保つ必要があり、一般に、電解反応によって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、電解反応によって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。

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うようにしたものがある（例えば、特許文献１参照。）。この技術では、あらかじ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。

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、該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（こう）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（例えば、特許文献２参照。）。
特開平１０−２４７５０５号公報特開平６−３３８３３８号公報

しかしながら、前記従来の燃料電池においては、水詰まりが発生し、空気の供給が阻害されてしまう。すなわち、供給された水が空気極の表面に水膜を作ったり、空気の流路溝に溜（た）まったりして、空気の供給が阻害されてしまう。また、供給された水による冷却が溝内で行われるので、均一に冷却されずに温度分布が発生してしまう。さらに、冷却に必要な空気を流通させると圧力損失が大きくなってしまう。特に、供給された水が空気の流路溝に溜まった場合には、空気の圧力損失が極めて大きくなってしまう。

本発明は、前記従来の問題を解決して、空気極側に空気と冷却水とが直接供給される方式の燃料電池であって、空気極に十分な空気を供給することができ、空気極を十分に冷却することができ、膜の湿潤状態を適切に維持することができ、構造を簡素化することができる燃料電池及び燃料電池システムを提供することを目的とする。

そのために、本発明の燃料電池においては、電解質膜の両側に多孔質の燃料極及び空気極が設けられた単位セルがセパレータを挟んで複数積層された燃料電池であって、前記セパレータは、少なくとも空気極側の表面部分に、前記空気と水との混合流を透過する多数の孔（あな）が形成された多孔質導電体を備え、前記単位セルの両極の少なくとも前記空気極は、空気を拡散する拡散層核部と、該拡散層核部のセパレータ側に形成され前記混合流から空気のみを選択的に透過する撥（はっ）水層とを備えた。

本発明の他の燃料電池においては、さらに、前記多孔質導電体は、少なくとも前記空気極と接する当接部に多数の孔が形成された網状金属板から成る。

本発明の更に他の燃料電池においては、さらに、前記網状金属板は当接部の開口率が２５〔％〕以上、孔径が１〔ｍｍ〕以下である。

本発明の更に他の燃料電池においては、さらに、前記撥水層は孔径が前記拡散層核部よりも小さく形成されている。

本発明の燃料電池システムにおいては、電解質膜の両側に多孔質の燃料極及び空気極が設けられた単位セルがセパレータを挟んで複数積層された燃料電池と、前記空気極に空気を供給する空気供給手段と、前記空気に混合させて霧状の水を供給する水供給手段と、前記単位セルの負荷と前記空気極からの排気温度とに応じて前記空気の供給量を制御する制御手段とを有する燃料電池システムであって、前記セパレータは少なくとも空気極側の表面部分に、前記空気と水との混合流を透過する多数の孔が形成された多孔質導電体を備え、前記単位セルの両極の少なくとも前記空気極は、空気を拡散する拡散層核部と、該拡散層核部のセパレータ側に形成され前記混合流から空気のみを選択的に透過する撥水層とを備えた。

本発明によれば、燃料電池は、電解質膜の両側に多孔質の燃料極及び空気極が設けられた単位セルがセパレータを挟んで複数積層された燃料電池であって、前記セパレータは、少なくとも空気極側の表面部分に、前記空気と水との混合流を透過する多数の孔が形成された多孔質導電体を備え、前記単位セルの両極の少なくとも前記空気極は、空気を拡散する拡散層核部と、該拡散層核部のセパレータ側に形成され前記混合流から空気のみを選択的に透過する撥水層とを備えた。

また、燃料電池システムは、電解質膜の両側に多孔質の燃料極及び空気極が設けられた単位セルがセパレータを挟んで複数積層された燃料電池と、前記空気極に空気を供給する空気供給手段と、前記空気に混合させて霧状の水を供給する水供給手段と、前記単位セルの負荷と前記空気極からの排気温度とに応じて前記空気の供給量を制御する制御手段とを有する燃料電池システムであって、前記セパレータは少なくとも空気極側の表面部分に、前記空気と水との混合流を透過する多数の孔が形成された多孔質導電体を備え、前記単位セルの両極の少なくとも前記空気極は、空気を拡散する拡散層核部と、該拡散層核部のセパレータ側に形成され前記混合流から空気のみを選択的に透過する撥水層とを備えた。

この場合、撥水性が高い空気極の表面が水をはじくために水膜を生成することがなく、空気の供給が阻害されず、燃料電池の性能が向上する。また、空気中の水が網目状の導電体によって落とされ、空気流路中に水が溜まることがなく、空気の供給が行き渡り、燃料電池の性能が向上する。また、空気の流路抵抗が減少する。さらに、網目状の導電体によって空気極の熱交換面積が広がり、空気や水と接触しない部分がなくなるので、冷却効果が向上する。さらに、供給される水の量と空気の量とを低減することができ、補機による動力の損失を減少させることができる。

本発明は、供給空気中に冷却水を直接噴射によって混入させて空気極側に供給する方式の燃料電池に適用して特に有効なものであり、これにより、空気流による冷却と併せて、多孔の放熱板に冷却水が均一に付着しかつ保持されることによって、電極全面にて反応生成熱を利用した均一な潜熱冷却が可能となり、冷却能が一層向上する。

金網部材の開口率は、十分な反応ガスを電極に供給する上で、大きいことが望ましく、機能達成上２５〔％〕以上であることが望ましい。

また、前記金網部材の孔径は、反応ガスの拡散を均一化する上で、１〔ｍｍ〕以下であることが望ましい。

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。

図１は本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図、図２は本発明の第１の実施の形態における燃料電池の制御系のブロック図、図３は本発明の第１の実施の形態における燃料電池の起動制御の動作を示すフローチャート、図４は本発明の第１の実施の形態における燃料電池の空気供給制御の動作を示すフローチャートである。

図１には、本実施の形態におけ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が示されている。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１に実線で示す。）２及び水凝縮器３１を含む空気排出系３とから成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１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１に破線で示す。）６とから構成される。

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、該空気マニホールド２２は、燃料電池スタック１を収容する図示しない筐（きょう）体に接続されている。空気排出系３の水凝縮器３１は、前記筐体に接続された排気マニホールド５３に一端が接続された空気排出路３０の他端に接続されている。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、水素圧センサとしての一次圧センサ４２、水素供給調圧弁としての調圧弁４３Ａ、供給電磁弁４４Ａ、水素供給調圧弁としての調圧弁４３Ｂ、供給電磁弁４４Ｂ、水素圧センサとしての二次圧センサ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及び４６Ｂ、吸引ポンプ４７、逆止弁４８が配置され、該逆止弁４８の下流が水素供給路４０に接続されている。前記水素帰還路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、該水素排出路５０には、逆止弁５１と、水素排気弁５２とが配置されている。そして、水素排出路５０の他端は排気マニホールド５３に接続されている。

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の前記筐体の空気マニホールド２２に配置されたノズル６３へ送るべく設けられている。水供給路６０には水ポンプ６２が配置されている。また、水タンク６１には、水位センサとしてのレベルセンサ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の前記筐体と水タンク６１をつなぐ水帰還路６０ａが設けられ、該水帰還路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１において、７１は燃料電池の起電圧をモニターする電圧計を示す。

図２において、左列に示されるブロックは、制御のための情報を取得する入力手段であり、右列に示されるブロックは、制御対象となる出力手段である。これらの手段をつなぐコンピュータから成る制御装置８は、メモリ８１を備えるものとされ、燃料電池システムのコントロールボックス（図１に示されていない）に収納されている。メモリ８１には制御装置８の動作を規定するコントロールプログラム、各種制御を実行するときのパラメータ及びルックアップテーブルが収納されている。

次に、本実施の形態における燃料電池システムの運転制御を説明する。該運転制御は、水素供給量制御と、空気供給量制御と、水供給量制御とで構成される。まず、燃料電池の起動時は、図３に示すフローを参照して、ステップＳ１で起動スイッチ（図１及び２には図示せず）をオンとすると、ステップＳ２によって、水ポンプ６２がオンとなる。このとき、所定の水噴射量となるように水ポンプ６２の運転状態が調節され、ステップＳ３によって、ノズル６３から空気マニホールド２２内に水が噴射される。このときの水量は、異常反応から燃料電池スタック１を守るために空気極への供給水量が最大量となるようにされる。次のステップＳ４によって、空気供給系２がオンとなる。このとき、空気ファン２１の風量も最大とされ、単位セルの冷却によって、異常反応の防止が図られる。次いで、ステップＳ５によって、水素供給系４がオンとなる。こうして、燃料電池スタック１の空気極と燃料極との間に所望の出力が確認されたら、電力が外部に出力される。

前記のフローにおいて、空気供給系２の稼動（ステップＳ４）は、水供給系６の稼動（ステップＳ２及び３）に先行してなされても良いし、水素供給系４の稼動（ステップＳ５）の後になされても良い。ただし、水供給系６の稼動は、水素供給系４を稼動させる前になされる必要がある。その理由は、単位セルには空気供給系２の稼動の有無にかかわらず空気が存在しているため、電解質膜が乾燥した状態で水素を供給すると、異常燃焼が発生する可能性があるためである。つまり、この燃焼による異常熱が発生した場合でも、単位セルがダメージを被らないように、水素を供給する前に水を噴射してあらかじめ空気極を濡（ぬ）らしておく。こうすることで、異常熱を水の蒸発熱に換え、更には電解質膜の湿潤を促進して、単位セルのダメージを未然に防止することができる。

前記のようにして起動が完了した後は、水素供給量制御と、空気供給量制御と、水供給量制御とが並列に実行される。水素供給量制御においては、調圧弁４３Ａ及び４３Ｂが、爆発限界以下の所定の濃度で水素ガスが燃料極に供給されるように調整される。そして、起動時に閉状態の水素排気弁５２をあらかじめ定められた規則に基づいて開放し、水素分圧の低下したガスを排気し、燃料極の雰囲気ガスをリフレッシュする処理が行われる。この際のあらかじめ定められた規則は、メモリ８１に保存されており、調圧弁４３Ａ及び４３Ｂの調整及び水素排気弁５２の開閉は、制御装置８がこの規則をメモリ８１から読み出して実行される。このように、水素排気弁５２を運転時に適宜開くのは、該水素排気弁５２を閉じた状態で燃料電池システムを運転し続けると、空気極より透過するＮ₂、Ｏ₂あるいは生成水の影響で、燃料極で消費される水素の分圧が徐々に低下するため、これに従って出力電圧も低下し、安定した電圧が得られなくなるためである。

次に、空気供給量制御においては、図４のフローを参照して、ステップＳ１１において燃料電池スタック１から排出された直後の排気空気の温度を排気温度センサ３２によって検出する。その温度がステップＳ１２の判断で８０〔℃〕を超えていると、単位セルが焼き付く恐れがあるため、ステップＳ１３によって空気ファン２１の回転数を増やして風量を増大し、熱発生源である空気極の温度を下げる。このとき、単位セル間の冷却ガス流路には８０〔℃〕を超えた単位セルを冷却するのに必要な量の水が供給されているものとする。ステップＳ１２の判断で検出された温度が８０〔℃〕以下の場合には、ステップＳ１４で単位セルの負荷を検出する。そして、ステップＳ１５で、燃料電池の負荷と、その状態で必要とする風量の関係をメモリ８１にテーブル形式で保存されている関係に照らし合わせる風量最適判断を行い、風量最適判断が不成立のときに、ステップＳ１６によって風量調節を行う。

次に、水供給量制御においては、水タンク６１の水が水ポンプ６２で圧送され、ノズル６３から噴霧される。この噴霧の吐出圧力は、水ポンプ６２に印加される電圧の調整によってなされる。これにより、所望の水量が得られる。この場合の水の供給量は、排気温度に応じてあらかじめ定められている。この量は、水ポンプ６２による動力損をできる限り少なくするため、排気温度を維持するために必要な最小量とされる。なお、排気温度が所定の温度（例えば、３０〔℃〕）以下になれば、水の供給を止めることもできる。排気温度とそのときに供給すべき水量、更には水量とポンプ吐出圧の関係は、メモリ８１に保存されているルックアップテーブルを参照して演算処理される。

前記水供給量制御については、他の方法もある。例えば、所定の時間経過（例えば、５〜１０秒）毎に、一定の水圧で水供給系６を稼動させる方法でもよい。また、水噴出量を一定に保っておいて、排気温度その他の運転状況に応じて、そのオンオフ制御によって水の供給量を制御することもできる。更に、潜熱によるスタックの冷却に必要な水量以上に水を供給してもスタックの冷却能力が低下するものではないので、水ポンプ６２のオン時には、最大風量（最大空気供給量）に対応した最大水供給量が常に供給されるようにしてもよい。また、排気温度が所定の温度（例えば、３０〔℃〕）以下の場合は、最低量の水を間欠的に噴射させるようにして、水供給系６にかかる負荷をできるだけ小さくすることもできる。

前記の制御において、燃料供給系４では、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、調圧弁４３Ａ及び４３Ｂによって、燃料電池スタック１へ供給するのに適した圧力に調整される。そして、供給電磁弁４４Ａ及び４４Ｂの開閉によって、水素の燃料電池スタック１への供給が制御される。水素ガスの供給の遮断は、供給電磁弁４４Ａ及び４４Ｂの閉鎖によってなされる。また、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。

次に、前記燃料電池スタック１の構成について説明する。

図５は本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックのセルモジュールの上面図、図６は本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックのセルモジュールを空気極側から観た正面図、図７は本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックのセルモジュールを燃料極側から観た正面図、図８は本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックのセルモジュールの要部断面図であり図６のＢ−Ｂ矢視要部断面図、図９は本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックのセルモジュールの要部断面図であり図６のＡ−Ａ矢視要部断面図、図１０は本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックのセルモジュールのセパレータの要部斜視図である。

図５において、１０は、燃料電池スタック１を構成する単位ユニットとしてのセルモジュールである。図５に上面（以下、セルモジュール１０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：ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）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及び１８とを１セットとして、板厚方向に複数セット（図５に示される例では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５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（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１０Ｂとが、２種類のフレーム１７及び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５における上端面側）は、図６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５における下端面側）は、図７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８及び９に拡大した断面構造が示されるように、単位セル１０Ａは、固体高分子電解質膜１１、該固体高分子電解質膜１１の一側に設けられた酸化剤極である空気極１２、及び、前記固体高分子電解質膜１１の他側に設けられた燃料極１３で構成されている。前記空気極１２及び燃料極１３は、前述の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、この電極拡散層上に形成され、固体高分子電解質膜１１と接触させて支持される触媒物質を含む反応層とから成る。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、固体高分子電解質膜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、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１２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導電体であり、放熱板として機能する空気極側コレクタ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１３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導電体である燃料極側コレクタ１５とで構成されている。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６参照）を成す。）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。空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５は、図示される例では、金属薄板、例えば、板厚が０．２〔ｍｍ〕程度のもので構成されている。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、適宜の絶縁材料で構成される。

空気極側コレクタ１４は、図６に示すように、全体形状を横長の矩（く）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１０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。これら凸条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（すそ）広がりの形状とされている。これら凸条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を確保している。各凸条１４ａ間の底部１４１の平面は、空気極１２側拡散層が接触する当接部となっており、凸条１４ａの頂部１４２は、セパレータ基板１６との当接部とされている。

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。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１０Ａに接触している凸条１４ａ間の底部１４１、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１２側の拡散層との当接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、これにより、網目の開口部に水が詰まりにくくなるため、水が空気の供給を阻害する可能性も一層低くなる。

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の矩形の板材から成り、プレス加工によって、複数の凸条１５ａが押出形成されている。凸条１５ａは、凸条間の底部１５１が平坦（たん）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、この燃料極側コレクタ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。これら凸条１５ａ間の底部１５１の平面は、燃料極１３が接触する当接部となっており、凸条１５ａの頂部１５２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。これら凸条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。

上記の構成から成る空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５は、各底部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、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５の頂部１４２及び１５２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、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ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の一方側に反応ガス供給流路と冷却空間を兼ねる空気流路（図１０に流れ方向を矢印Ａで示す。）が構成され、他方側に燃料流路（同じく、図１０に流れ方向を矢印Ｈで示す。）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に空気と水とが供給され、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。

前記の構成から成るセパレータ１０Ｂの外側には、フレーム１７及び１８がそれぞれ配置される。図８及び９に示すように、空気極側コレクタ１４を囲むフレーム１７は、外端（図８において最上部、図９において左端）のものを除き、空気極側コレクタ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空気極側コレクタ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が空気極側コレクタ１４に組み合わされた状態では、空気極側コレクタ１４の凸条間の底部１４１は、単位セル１０Ａの空気極１２に接触し、頂部１４２はセパレータ基板１６を介して燃料極側コレクタ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が画定される。

燃料極側コレクタ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８では記載範囲より更に右外側に位置するため示されていないが、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と略同じ枠部）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５において最下部、図７に示す面）のものを除き、左右縦枠部と平行に延び、燃料極側コレクタ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１７１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燃料極側コレクタ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が燃料極側コレクタ１５に組み合わされた状態では、燃料極側コレクタ１５の凸条間の底部１５１は、単位セル１０Ａの燃料極１３に接触し、頂部１５２はセパレータ基板１６を介して空気極側コレクタ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１７１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が形成され、かつ、個々のフレーム１８の内部において、燃料極側コレクタ１５の波形によってセパレータ基板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が画定される。

以上のように、構成されたフレーム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１０Ｂが構成され、該セパレータ１０Ｂと単位セル１０Ａを交互に積層して、セルモジュール１０が構成される。こうして積層されたセルモジュール１０には、図５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１０の上面から縦方向にセルモジュール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。

次に、前記単位セル１０Ａの構成について説明する。

図１１は本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの単位セルの構成を示す模式断面図である。

図１１に示されるように、単位セル１０Ａは、燃料反応層１３１と電極拡散層としての燃料拡散層１３２とを備える燃料極１３と、酸素反応層１２１と電極拡散層としての酸素拡散層１２２とを備える空気極１２と、かかる燃料極１３と空気極１２との間に設けられ、燃料反応層１３１と酸素反応層１２１とに接する固体高分子電解質膜１１とを有する。そして、燃料極１３にはセパレータ１０Ｂの燃料極側コレクタ１５が接し、セパレータ基板１６と燃料極１３との間に燃料流路７３が形成され、空気極１２にはセパレータ１０Ｂの空気極側コレクタ１４が接し、セパレータ基板１６と空気極１２との間に空気流路７２が形成されている。また、燃料拡散層１３２は、燃料拡散層核部１３２ａと燃料極外側撥水性材料含有層１３２ｂと燃料極内側撥水性材料含有層１３２ｃとを有している。さらに、酸素拡散層１２２は、拡散層核部としての酸素拡散層核部１２２ａと撥水層としての酸素極外側撥水性材料含有層１２２ｂと撥水層としての酸素極内側撥水性材料含有層１２２ｃとを有している。

図示される例においては、固体高分子電解質膜１１と、該固体高分子電解質膜１１の一方の面に接合された燃料反応層１３１と、固体高分子電解質膜１１の他方の面に接合された酸素反応層１２１とで、化学反応を起こして電気を発生させる部分である反応部１１１が構成されている。また、燃料極１３と、空気極１２と、かかる燃料極１３と空気極１２との間に設けられた固体高分子電解質膜１１とで、単位セル１０Ａが構成されている。なお、本実施の形態においては、説明の便宜上、単位セル１０Ａにおいて、固体高分子電解質膜１１に相対的に近い位置を「内側」、固体高分子電解質膜１１から相対的に遠い位置を「外側」という。

本実施の形態においては、燃料拡散層１３２の撥水性を、酸素拡散層１２２の撥水性よりも高くした。より具体的には、燃料極内側撥水性材料含有層１３２ｃ及び燃料極外側撥水性材料含有層１３２ｂの撥水性を酸素極内側撥水性材料含有層１２２ｃ及び酸素極外側撥水性材料含有層１２２ｂの撥水性よりも高くすることによって、燃料拡散層１３２の撥水性を、酸素拡散層１２２の撥水性よりも高くした。

これにより、単位セル１０Ａ内の水のバランスを、発電に適した状態に保つことができるようになる。さらに、燃料拡散層１３２及び酸素拡散層１２２の撥水性を調節すると、燃料反応層１３１及び酸素反応層１２１の電気抵抗を増大させずに、単位セル１０Ａ内の水のバランスを、発電に適した状態に保つことができるようになる。

単位セル１０Ａは、燃料反応層１３１で水素を酸化し、酸素反応層１２１で酸素を還元することによって、電気を発生させる。このとき、酸素反応層１２１では、水が発生する。また、燃料反応層１３１では、水素イオンが発生する。この水素イオンは、水分子を引きつれて、固体高分子電解質膜１１を通り、酸素反応層１２１内に移動する。そのため、燃料反応層１３１では水が減少し、酸素反応層１２１では水が増大する傾向にある。ところが、酸素反応層１２１で水が過多になると、酸素は、酸素拡散層１２２から酸素反応層１２１内に移動しにくくなる。すなわち、酸素反応層１２１で水が過多になると、酸素反応層１２１に酸素が供給されにくくなる。また、燃料反応層１３１で水が過少になると、水素イオンの発生効率が低下する。したがって、効率よく電気を発生させるためには、酸素反応層１２１中の水の量が過度に増大するのを防止し、燃料反応層１３１中の水の量が過度に減少するのを防止する必要がある。そこで、本実施の形態においては、燃料拡散層１３２の撥水性が酸素拡散層１２２の撥水性よりも高くなっている。

燃料拡散層１３２の撥水性を酸素拡散層１２２の撥水性よりも高くすると、すなわち、酸素拡散層１２２の撥水性を燃料拡散層１３２の撥水性よりも低くすると、酸素反応層１２１中の水は、酸素拡散層１２２を通って、空気極１２の外に効率よく排出されるようになる。また、燃料反応層１３１中の水は、燃料拡散層１３２内に進入しにくく、さらには、燃料拡散層１３２内を通り抜けにくくなる。このため、燃料反応層１３１内では、水が留まりやすくなる。

したがって、酸素反応層１２１中の水の量が過度に増大することが防止され、しかも、燃料反応層１３１中の水の量が過度に減少することが防止されるようになる。そのため、単位セル１０Ａでは、燃料反応層１３１及び酸素反応層１２１で反応が効率よく進むようになり、電池出力が向上する。しかも、燃料拡散層１３２及び酸素拡散層１２２の撥水性を調整すると、燃料反応層１３１及び酸素反応層１２１の撥水性をあまり調整しなくても、単位セル１０Ａ内の水のバランスを好適に保つことができるようになる。

また、燃料極内側撥水性材料含有層１３２ｃ及び酸素極内側撥水性材料含有層１２２ｃが多孔質の場合、燃料極内側撥水性材料含有層１３２ｃの空孔率を酸素極内側撥水性材料含有層１２２ｃの空孔率よりも低くすることが好ましい。例えば、燃料極内側撥水性材料含有層１３２ｃ及び燃料極外側撥水性材料含有層１３２ｂの空孔率は、２０〜７０〔％〕程度とすることが好ましく、３５〜５５〔％〕程度とすることがより好ましい。さらに、酸素極内側撥水性材料含有層１２２ｃ及び酸素極外側撥水性材料含有層１２２ｂの空孔率は、３０〜８０〔％〕程度とすることが好ましく、４５〜６５〔％〕程度とすることがより好ましい。また、酸素拡散層核部１２２ａの空孔径は数〔μｍ〕〜数１００〔μｍ〕、酸素極内側撥水性材料含有層１２２ｃの空孔径は１０〔ｎｍ〕〜数１０〔μｍ〕であり、酸素拡散層核部１２２ａよりも酸素極内側撥水性材料含有層１２２ｃの空孔径が小さく形成されている。これにより、燃料極１３では、水が燃料反応層１３１内により好適に留まるようになり、空気極１２では、不要な水が好適に酸素反応層１２１から排出されるようになる。この場合、燃料極内側撥水性材料含有層１３２ｃの空孔率を酸素極内側撥水性材料含有層１２２ｃの空孔率よりも５〔％〕以上低くすると、このような効果がより効果的に得られるようになる。なお、燃料極内側撥水性材料含有層１３２ｃの空孔率と酸素極内側撥水性材料含有層１２２ｃの空孔率は、同じものとしてもよい。また、燃料極内側撥水性材料含有層１３２ｃの空孔率を酸素極内側撥水性材料含有層１２２ｃの空孔率よりも高くしてもよい。

こうした構成から成るセルモジュール１０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１（図１参照）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が反応によって発熱しているため、空気流路内の混合流が加熱される。該混合流中の水滴は、親水性処理によって一部が空気極側コレクタ１４の網目状部分と単位セル１０Ａの空気極１２側に付着し、空気極側コレクタ１４の網目状部分に付着しなかった水滴は、大部分は空気極側コレクタ１４と電極拡散層との間の気相中で加熱されることによって、蒸発して空気極側コレクタ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側からの固体高分子電解質膜１１中の水分の蒸発を抑えて保湿させる。また、その気相中で蒸気とならなかった水は、酸素極内側撥水性材料含有層１２２ｃの空孔径が酸素拡散層核部１２２ａよりも小さいため、酸素極内側撥水性材料含有層１２２ｃで遮断されて酸素拡散層核部１２２ａに入り込まない。そして、空気流路に入った余剰の空気と蒸気は、燃料電池スタック１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７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の縦枠部及びバックアッププレート１８ａによって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によって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、反対側の燃料流路に排出され、この燃料流路につながる図１に示す配管によって循環され最終的に排気マニホールド５３に排出される。

かくして、燃料電池スタック１に空気とともに送り込まれた水は、先に説明したように、一部は空気極側コレクタ１４の網目状部分に付着して蒸発し、それ以外は気相中で網目状部分に付着せずに蒸発して潜熱を奪うので、空気極１２側の固体高分子電解質膜１１からの水分の蒸発が防止される。したがって、固体高分子電解質膜１１はその空気極１２側で乾燥することなく、生成水によって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の温度を制御することができる。

燃料電池スタック１内での水素の流れは、先に説明した通りである。燃料供給系４において、燃料電池スタック１の燃料流路から吸引ポンプ４７の吸引によって排出される水素ガスは、水素濃度センサ４６Ａ及び４６Ｂによって濃度を計測され、所定の濃度以上のときは、水素排気弁５２の閉鎖によって逆止弁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、水素排気弁５２の間歇（けつ）的開放によって逆止弁５１及び水素排気弁５２を経て排気マニホールド５３に水素が排出され、排出空気と混合して水素濃度を低下させた後、大気へ放出される。

ここで、本実施の形態における燃料電池のストイキ比について説明する。

図１２は本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの各ストイキ比における電流密度と空気排気温度との関係を示す図である。なお、図１２において、横軸には電流密度〔Ａ／ｃｍ²〕を採ってあり、縦軸には空気排気温度〔℃〕を採ってある。

ここで、ストイキ比とは、燃料電池反応で消費される理論上の酸素量を含むプロセス空気量を基準として空気極１２に供給される空気量を規定したものである。したがって、ストイキ比が１の場合は、理論上必要な最小限の空気量が送られる場合であり、ストイキ比が２になると、空気供給量はストイキ比１のときの２倍となる。図１２から分かるように、ストイキ比が小さいほど、すなわち、空気供給量が少ないほど同じ負荷を得るのに高い温度で燃料電池スタック１を運転することができることがわかる。燃料電池スタック１の運転温度は、これが高ければ高いほど効率が高くなる。また、その高温運転によって排出空気の温度も上がるので水凝縮器３１の容量を小さくすることもできる。したがって、要求される負荷を賄える最も高い温度で燃料電池スタック１を運転することが好ましい。負荷と燃料電池スタック１の温度とはストイキ比によって一義的に決められるので、負荷と温度の一方を検出してストイキ比、すなわち、空気供給量（厳密には空気室入口に供給される量）を決めればよいことになる。

負荷変動の激しい車両用の燃料電池では、要求される負荷に応じて空気供給量を変化させる。そのとき、同時に燃料電池スタック１の温度を検出して、要求された負荷を実現することができる最高温度、すなわち、最小のストイキ比（空気供給量）となるように空気供給量を調整することが好ましい。一方、ほとんど負荷が変動しない環境で使用される燃料電池においては、実質的に燃料電池スタック１の温度のみを監視して、その温度が変動したときのみこれが所望の温度となるように空気供給量を調節すればよい。すなわち、燃料電池スタック１の温度が所望の温度範囲より低くなった場合には、空気供給量を低減させて水の潜熱を利用した冷却効果を下げ、他方、燃料電池スタック１の温度が所望の温度範囲より高くなった場合には、空気供給量を増大して水の潜熱を利用した冷却効果を上げる。

また、ストイキ比を上げるほど水の潜熱だけではなく、空気供給量が増えることによる電極の空冷効果も増大することになり、冷却能力が向上する。図１２を見ると、ストイキ比の値は１０までになっているが、これら縦軸のストイキ比の値や横軸の電流密度の値は、電極の発電能力や面積、更には燃料電池の出力値によって必要な冷却量が変わってくるので、この値に限られるものではなく、燃料電池の設計によって変化する値である。また、冷却性能において水の潜熱を重視するか空気の流れによる空冷効果を重視するかによっても、ストイキ比の値は変化するものと予想することができる。

外部の環境や補機の性能によって燃料電池の運転条件には様々な制限が課せられる。場合によっては、燃料電池スタック１の運転条件が図１２における運転可能条件領域において四角で示した領域に限られることがある。この領域では、燃料電池スタック１の運転温度はストイキ比１のラインを超えることはない（燃料電池スタック１を常に稼動させておくため、常に少なくともストイキ比１に対応した空気量が供給されているものとする。）。したがって、燃料電池スタック１の温度を監視する必要はない。これにより、負荷のみを監視して当該負荷を出力可能な最低量の空気が供給されるようにする。

このように、本実施の形態における燃料電池では、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、かつ、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水ポンプ６２の出力や運転間隔を適宜制御することで、ノズル６３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ともに、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、供給水量と風量とを制御することで、運転温度を制御することができる。なお、燃料電池スタック１から空気とともに排出される水は、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、あるいはそのまま水凝縮器３１を通って同様にポンプ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、レベルセンサ６４でモニターされる。

そして、本実施の形態における燃料電池では、単位セル１０Ａの空気極１２に直接当接する空気極側コレクタ１４が多孔の網目状とされているので、冒頭に挙げた従来技術のように、孔部の重なり合いによって空気極１２への空気の供給が規制されることがない。また、空気極側コレクタ１４と供給空気の接触面とが孔の形成と矩形波波板状の屈曲とによって広くなるため、空気極側コレクタ１４における空気極１２で発生する熱を冷却空間を流れる空気流に伝達する放熱フィンとしての機能が向上する。このため、空気極１２側に供給する空気を利用して単位セル１０Ａを冷却する方式の燃料電池において、単純な構成で空気の拡散性と冷却効率を併せて向上させることができる。

さらに、空気極側コレクタ１４が細かい網目状となっており、電極拡散層との接触面にも開口が形成されていることで、空気と水との混合流がこの開口を通過する際に攪拌（かくはん）されるとともに、電極拡散層の空気極側コレクタ１４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。また、電極と空気極側コレクタ１４との網目状の接触によって、電極全体から均一に集電することができるため、集電抵抗が減少する。さらに、電極全体の触媒を有効に使用することができるため、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。

さらに、空気極１２の酸素極外側撥水性材料含有層１２２ｂ及び酸素極内側撥水性材料含有層１２２ｃの撥水性が高いので、混合流中の水滴が空気極１２に付着しても、単位セル１０Ａに吸収されることがなく、該単位セル１０Ａの冷却に効果的に使用される。そのため、冷却効率が向上し、冷却水等の冷媒を循環させる冷却システムを別途設ける必要がなく、構成を簡素化することができる。また、冷媒を循環させる循環ポンプ等の補機類を駆動する必要がないので、動力損失を低減することができ、効率の高いシステムを得ることができる。

換言すると、本実施の形態における燃料電池は、供給水量と風量とを制御するとともに、空気極１２に直接当接する空気極側コレクタ１４が多孔の網目状とされ、かつ、空気極１２の撥水性が高くなっている。

そのため、水詰まりが発生することがない。すなわち、供給水量及び風量の制御に撥水性が高い空気極１２が組み合わされているので、撥水性が高い空気極１２の表面が水をはじくために水膜を生成することがなく、空気の供給が阻害されず、燃料電池の性能が向上する。また、供給水量及び風量の制御に網目状の空気極側コレクタ１４が組み合わされているので、空気流路中の水が網目状の空気極側コレクタ１４によって落とされ、空気流路中に水が溜まることがなく、空気の供給が行き渡り、燃料電池の性能が向上する。

さらに、温度分布が発生することがない。すなわち、供給水量及び風量の制御に網目状の空気極側コレクタ１４が組み合わされているので、空気極１２の熱交換面積が広がり、空気や水と接触しない部分がなくなるので、冷却効果が向上する。

さらに、圧力損失を小さくすることができる。すなわち、供給水量及び風量の制御に網目状の空気極側コレクタ１４が組み合わされているので、空気極１２の全面が空気流路となり、流路抵抗が減少する。また、空気流路中の水が網目状の空気極側コレクタ１４によって落とされ、空気流路中に水が溜まることがなく、流路抵抗が減少する。

さらに、供給水量及び風量の制御に網目状の空気極側コレクタ１４と撥水性が高い空気極１２とが組み合わされているので、供給水量と風量とを低減することができ、補機による動力の損失が減少する。

なお、本実施の形態においては、セパレータの電極拡散層との接触側、すなわち、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５をエキスパンドメタルで構成した場合について説明したが、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５の素材として、金属繊維や、金属多孔体、二次元金属織布、金属不織布、波状金属体、溝状金属体、金網、パンチングメタルなど、他のものを用いることもできる。そこで、コレクタ素材を変更した例について説明する。

次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。

図１３は本発明の第２の実施の形態における燃料電池スタックのセルモジュールのセパレータの要部斜視図である。

図１３には、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５をパンチングメタルで構成した例が示されている。更にこの例では、両コレクタ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第１の実施の形態における燃料極１３側の燃料極側コレクタ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１２側の流路断面積を確保すべく、セパレータ基板１６にも空気極側コレクタ１４の頂部１４２の配置ピッチに合わせたピッチで空気極側コレクタ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。

この例では、前記第１の実施の形態における空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５と同様の板厚の素材にパンチによる多数の孔を一面に形成している。ちなみに図示の例では、板厚０．２〔ｍｍ〕の板に縦横幅０．ｌ〔ｍｍ〕の孔を０．１〔ｍｍ〕の間隔をおいて形成している。なお、図面では開口１４３及び１５３の形状の向きを縦横平行としているが、この向きは、特に規制されるものではなく、前記第１の実施の形態と同様に斜め向きとすることも含めていかなる向きの配置も可能である。本実施の形態におけるセパレータ基板１６の凸条１６ａの高さは、この高さと空気極側コレクタ１４の凸条１４ａの高さとの和が前記第１の実施の形態における空気極側コレクタ１４の凸条１４ａの高さと等しくなる設定とすることで、空気極１２側の流路断面積を第１の実施の形態と同様とすることができる。

本実施の形態においても、前記第１の実施の形態と同様に、電極拡散層に接する空気極側コレクタ１４が細かい網目状かつ波板状となっているので、前記第１の実施の形態と同様の効果を達成することができる。

次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。なお、第１及び第２の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１及び第２の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。

図１４は本発明の第３の実施の形態における燃料電池スタックのセルモジュールのセパレータの要部斜視図である。

図１４には、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５を前記第２の実施の形態と同様のパンチングメタルで構成しているが、燃料極１３側の燃料極側コレクタ１５を波状を有しない平板で構成した例が示されている。この例の場合は、空気極１２側と燃料極１３側の流路断面積をともに確保すべく、セパレータ基板１６は、該セパレータ基板１６の基準面に対して空気極１２側と燃料極１３側にともに突出する凸条１６ａ及び１６ｂを形成した波板で構成されている。その他の点の構成については、前記第２の実施の形態と同様であるので説明を省略する。

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。

本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。本発明の第１の実施の形態における燃料電池の制御系のブロック図である。本発明の第１の実施の形態における燃料電池の起動制御の動作を示すフローチャートである。本発明の第１の実施の形態における燃料電池の空気供給制御の動作を示すフローチャートである。本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックのセルモジュールの上面図である。本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックのセルモジュールを空気極側から観た正面図である。本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックのセルモジュールを燃料極側から観た正面図である。本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックのセルモジュールの要部断面図であり図６のＢ−Ｂ矢視要部断面図である。本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックのセルモジュールの要部断面図であり図６のＡ−Ａ矢視要部断面図である。本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックのセルモジュールのセパレータの要部斜視図である。本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの単位セルの構成を示す模式断面図である。本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの各ストイキ比における電流密度と空気排気温度との関係を示す図である。本発明の第２の実施の形態における燃料電池スタックのセルモジュールのセパレータの要部斜視図である。本発明の第３の実施の形態における燃料電池スタックのセルモジュールのセパレータの要部斜視図である。

符号の説明

１０Ａ単位セル
１０Ｂセパレータ
１１固体高分子電解質膜
１２空気極
１３燃料極
１４空気極側コレクタ
１２２ａ酸素拡散層核部
１２２ｂ酸素極外側撥水性材料含有層
１２２ｃ酸素極内側撥水性材料含有層
１４１底部

Claims

電解質膜の両側に多孔質の燃料極及び空気極が設けられた単位セルがセパレータを挟んで複数積層された燃料電池であって、
前記セパレータは、少なくとも空気極側の表面部分に、前記空気と水との混合流を透過する多数の孔が形成された多孔質導電体を備え、
前記単位セルの両極の少なくとも前記空気極は、空気を拡散する拡散層核部と、該拡散層核部のセパレータ側に形成され前記混合流から空気のみを選択的に透過する撥水層とを備えたことを特徴とする燃料電池。
前記多孔質導電体は、少なくとも前記空気極と接する当接部に多数の孔が形成された網状金属板から成る請求項１に記載の燃料電池。
前記網状金属板は当接部の開口率が２５〔％〕以上、孔径が１〔ｍｍ〕以下である請求項２に記載の燃料電池。
前記撥水層は孔径が前記拡散層核部よりも小さく形成されている請求項１に記載の燃料電池。
電解質膜の両側に多孔質の燃料極及び空気極が設けられた単位セルがセパレータを挟んで複数積層された燃料電池と、
前記空気極に空気を供給する空気供給手段と、
前記空気に混合させて霧状の水を供給する水供給手段と、
前記単位セルの負荷と前記空気極からの排気温度とに応じて前記空気の供給量を制御する制御手段とを有する燃料電池システムであって、
前記セパレータは少なくとも空気極側の表面部分に、前記空気と水との混合流を透過する多数の孔が形成された多孔質導電体を備え、
前記単位セルの両極の少なくとも前記空気極は、空気を拡散する拡散層核部と、該拡散層核部のセパレータ側に形成され前記混合流から空気のみを選択的に透過する撥水層とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。