JP2009181805A - 燃料電池用セパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】電極へのガス供給性と電極から排出される水の排出性とを好適に両立させることによって燃料電池の発電効率を向上させることができるコレクタを有する燃料電池用セパレータを提供すること。
【解決手段】本発明の燃料電池用セパレータによれば、隣接する燃料電池間に配置されるときに、カソード極及びアノード極にそれぞれに当接されるコレクタのうち、カソード極に当接するコレクタには、多数の大径孔と、大径孔の相当直径より小さい相当直径を有する多数の小径孔とが開口されている。その結果、大径孔を空気流通孔として機能させ、小径孔を水流通孔として機能させることができる。その結果、カソード極へのガス供給性とカソード極から排出される水の排出性とを好適に両立させることができ、燃料電池の発電効率を向上させることができる。
【選択図】図７

Description

本発明は、燃料電池用セパレータに関し、特に、燃料電池の発電効率を向上させることができるコレクタを有する燃料電池用セパレータに関するものである。

一般的に、固体高分子型燃料電池の単位セルは、膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、その両面にそれぞれ積層されるセパレータとから構成される。

膜電極接合体は、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標：デュポン社製）などの固体高分子電解質膜からなる電解質膜と、この電解質膜の一面に配置された触媒層及び拡散層から構成され酸化剤ガス（例えば、空気）が供給される酸素極（空気極、カソード極）と、電解質膜の他面に配置された触媒層及び拡散層とから構成され燃料ガス（例えば、水素ガス）が供給される燃料極（水素極、アノード極）とを有している。

セパレータは、導電性の材料から気密に成型され、膜電極接合体を間に挟んで積層された場合に、膜電極接合体における酸素極側に酸素室（空気室）を形成し、燃料極側に燃料室を形成する。

燃料電池スタックが構成される場合には、隣り合う単位セルはセパレータが共通とされている。そのため、セパレータは、各単位セルで発電された電気を集電する一方で、隣接する単位セルへのガスの移動を遮断する機能を有する。

近年、効率的な集電機能と膜電極接合体へのガスの効率的な供給機能と膜電極接合体の湿潤状態の維持等を達成するべく、単位セルの両電極の少なくとも空気極側の表面部分に、空気と水との混合流を透過する網目状の導電体を集電体（コレクタ）として採用したセパレータが提案されている（例えば、特許文献１）。
特開２００５−２０９４７０号公報

しかしながら、特許文献１などに記載される従来のセパレータは、特に、電極反応によって水が生成する空気極側のコレクタにおいて、生成水による網目の詰まりが生じ、空気極への酸化剤ガスの供給性が悪化し、発電効率を低下させるという問題点があった。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、電極へのガス供給性と電極から排出される水の排出性とを好適に両立させることによって燃料電池の発電効率を向上させることができるコレクタを有する燃料電池用セパレータを提供することを目的としている。

この目的を達成するために、請求項１記載の燃料電池用セパレータは、固体高分子電解質膜とその固体高分子電解質膜を両側から挟持する酸素極及び燃料極とを含んで構成される燃料電池を積層するときに、隣接する燃料電池間に配置されるものであって、導電性及びガス遮断性を有する板状のセパレータ本体と、前記隣接する燃料電池間に配置されるときに、前記酸素極及び前記燃料極にそれぞれ当接すると共に、多数の孔が開口されている導電性の板状のコレクタと、前記セパレータ本体と前記板状のコレクタとの間に介挿され、その配置によって前記酸素極又は前記燃料極へ供給するガスの流路を形成する複数本の導電性のリブ部材と、を備え、前記酸素極に当接するコレクタに開口される孔は、多数の大径孔と、前記大径孔の相当直径より小さい相当直径を有する多数の小径孔とから構成されている。

請求項２記載の燃料電池用セパレータは、請求項１記載の燃料電池用セパレータにおいて、前記小径孔の相当直径は、生成水によって前記酸素極における前記ガス流路側の表面に形成される水膜厚さの２倍以下である。

請求項３記載の燃料電池用セパレータは、請求項１又は２に記載の燃料電池用セパレータにおいて、前記小径孔は、その内壁に親水性処理が施されている。

請求項４記載の燃料電池用セパレータは、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池用セパレータにおいて、前記小径孔は、前記ガスの流路を臨む側の周囲に形成された第１の突起部を有している。

請求項５記載の燃料電池用セパレータは、請求項４記載の燃料電池用セパレータにおいて、前記第１の突起部は、その表面に撥水性処理が施されている。

請求項６記載の燃料電池用セパレータは、請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池用セパレータにおいて、前記大径孔の相当直径は、生成水によって前記酸素極における前記ガス流路側の表面に形成される水膜厚さの３倍以上である。

請求項７記載の燃料電池用セパレータは、請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池用セパレータにおいて、前記小径孔以外の孔の少なくとも一部は、前記酸素極又は前記燃料極に当接する側の周囲に形成された第２の突起部を有している。

請求項８記載の燃料電池用セパレータは、請求項１から７のいずれかに記載の燃料電池用セパレータにおいて、前記酸素極へ供給する酸化剤ガスを常圧で供給する燃料電池システムにて使用される。

請求項１記載の燃料電池用セパレータによれば、隣接する燃料電池間に配置されるときに、酸素極（空気極、カソード極）及び燃料極（水素極、アノード極）にそれぞれに当接されるコレクタのうち、酸素極に当接するコレクタには、多数の大径孔と、大径孔の相当直径より小さい相当直径を有する多数の小径孔とが開口されている。

一般的に、孔の径が小さい程、孔内に水が溜まり易く、孔の径が大きい程、孔内に水は溜まり難い。よって、大きさ（相当直径）の異なる孔をコレクタに設けたことにより、電極から排出される水による孔の選択性をコントロールすることが可能となる。

即ち、相当直径の小さい孔は、電極から排出された水が孔内に溜まり易く、小径孔へ水が選択的に流入されるので、水を排出し易い孔として機能する。その一方で、相当直径の大きい孔は、電極から排出された水による水膜が形成し難いので、水による閉塞が生じ難く、ガスの供給が阻害され難い。

従って、請求項１記載の燃料電池用セパレータによれば、酸素極側のコレクタにおいて、大径孔と小径孔とを開口したことにより、大径孔を空気流通孔として機能させ、小径孔を水流通孔として機能させることができる。その結果、酸素極へのガス供給性と酸素極から排出される水の排出性とを好適に両立させることができ、燃料電池の発電効率を向上させることができるという効果がある。

請求項２記載の燃料電池用セパレータによれば、請求項１記載の燃料電池用セパレータが奏する効果に加えて、次の効果を奏する。小径孔の相当直径が、生成水によって酸素極におけるガス流路側の表面に形成される水膜厚さの２倍以下である。

よって、小径孔の孔内に水が溜まり易くなって小径孔から水を選択的に排出させ易くすることができる。その一方で、小径孔から水を選択的に排出させ易くなったことにより、大径孔では相対的に水による閉塞が防止されて、酸素極へ供給されるガスの流路を確保することができる。従って、燃料電池の発電効率をより好適に向上させることができるという効果がある。

請求項３記載の燃料電池用セパレータによれば、請求項１又は２に記載の燃料電池用セパレータの奏する効果に加えて、次の効果を奏する。小径孔の内壁に親水性処理が施されているので、小径孔の内壁の濡れ性が高まり、小径孔への流入に対する水の選択性を増すことができる。よって、電極から排出される水を優先的に小径孔に流入させることができ、その結果として、水による大径孔の閉塞をより有効に防止できる。従って、酸素極へ供給されるガスの流路が確保され、燃料電池の発電効率をより好適に向上させることができるという効果がある。

請求項４記載の燃料電池用セパレータによれば、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池用セパレータの奏する効果に加えて、次の効果を奏する。小径孔におけるガスの流路を臨む側の周囲には、第１の突起部が形成されているので、かかる小径孔から排出される水の界面を、ガス流路を流通するガスに触れ易くすることができる。よって、ガス流によって水が小径孔から飛散され易くなり、小径孔からの水の排出が促進されるという効果がある。

請求項５記載の燃料電池用セパレータによれば、請求項４記載の燃料電池用セパレータの奏する効果に加えて、次の効果を奏する。ガスの流路を臨む側の周囲に形成された突起部（第１の突起部）の表面に撥水性処理が施されているので、出口側における水の表面張力が大きくなり、かかる小径孔から排出される水の界面がガス流路側へ迫り出す。

よって、小径孔から排出される水がガス流に触れ易くなると共に、ガス流との接触面積が増えるので、水がガス流によって小径孔から飛散され易くなり、小径孔からの水の排出を促進することができるという効果がある。

請求項６記載の燃料電池用セパレータによれば、請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池用セパレータの奏する効果に加えて、次の効果を奏する。大径孔の相当直径が、生成水によって酸素極におけるガス流路側の表面に形成される水膜厚さの３倍以上である。よって、大径孔において生成水による閉塞を防止することができるので、酸素極へ供給されるガスの流路を確保することができる。従って、燃料電池の発電効率をより好適に向上させることができるという効果がある。

請求項７記載の燃料電池用セパレータによれば、請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池用セパレータの奏する効果に加えて、次の効果を奏する。小径孔以外の孔の少なくとも一部には、酸素極又は燃料極に当接する側の周囲に第２の突起部が形成されているので、燃料電池用セパレータを介挿しつつ燃料電池を積層して燃料電池スタックを構成した場合に、かかる第２の突起部が酸素極又は燃料極に食い込み、燃料電池（単位セル）の横ずれを防止できるという効果がある。

請求項８記載の燃料電池用セパレータによれば、請求項１から７のいずれかに記載の燃料電池用セパレータの奏する効果に加えて、次の効果を奏する。酸素極へ供給する酸化剤ガスを常圧で供給する燃料電池システムにて使用されるので、小径孔を介して酸素極から排出される水は、常圧の酸化剤ガス流によって飛散される。よって、酸化剤ガスの圧力によって小径孔からの水の排出が抑制されず、水の飛散を効率的に行い得るので、小径孔からの水の排出を促進することができ、酸素極のフラッディングを抑制できるという効果がある。

以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の燃料電池用セパレータであるセパレータ２０（図４など参照）を含んで構成される燃料電池システム１００の一実施形態を示す系統図である。

この燃料電池システム１００は、燃料電池スタック４０と、燃料ガスとしての水素ガスを、燃料電池スタック４０を構成する各単位セル１０（図４など参照）の燃料極（水素極、アノード極）１３（図４参照）へ供給するための水素ガス供給系５０と、酸化剤ガスとしての空気を、燃料電池スタック４０を構成する各単位セル１０の空気極（酸素極、カソード極）１２（図４参照）へ供給するための空気供給系６０と、燃料電池スタック４０の空気極１２を湿潤させるための水供給系８０とを備えている。

燃料電池スタック４０は、燃料電池としての単位セル１０（図４など参照）と、隣接する単位セル１０の間に介装されて隣接する単位セル１０を電気的に接続するセパレータ２０（図４など参照）とを、単位セル１０及びセパレータ２０の厚み方向に積層した構成とされている。

燃料電池スタック４０における図示されない空気流路の上流側には、空気を燃料電池スタック４０の空気流路内に導入するための空気マニホールド４１が設けられている。一方、空気流路の下流側には、排気マニホールド４２及び凝縮器４３が設けられており、過剰空気は、排気マニホールド４２を経て、凝縮器４３において水分を凝縮して除去した後、図示されない排気口から大気中へ排気される。

水素ガス供給系５０は、水素源となる水素ボンベ５１と、水素ボンベ５１から供給される水素ガスの流量を調整する調整弁５２〜５６とを含んで構成され、燃料電池スタック４０における図示されない水素ガス流路に接続されて、かかる水素ガス流路に水素ガスを供給する。また、水素ガス供給系５０は、さらに、ポンプ５８と、循環弁５７とを含んでおり、燃料電池スタック４０から排出された未反応水素ガスを、水素ガス供給流路に戻して循環できるように構成されている。

空気供給系６０は、シロッコファンやターボファンなどの送風機６１と、空気マニホールド４１に接続される供給管６２とを含んで構成され、送風機６１により取り入れた外気を、供給管６２及び空気マニホールド４１を介して、燃料電池スタック４０の空気流路へ供給する。よって、本実施形態の燃料電池システム１００は、常圧の空気（酸化剤ガス）を燃料電池スタック４０に供給するシステムである。

水供給系８０は、水を貯留する水タンク８１と、空気マニホールド４１に配置されたノズル８２と、水タンク８１からノズル８２へ水を圧送するポンプ８３とを備えており、水タンク８１に貯留されている水をノズル８２から空気マニホールド４１へ噴射させる。空気マニホールド４１に噴射された水は、空気供給系６０を流通する空気流によって霧状となって燃料電池スタック４０へ送り込まれる。

なお、水タンク８１と凝縮器４３との間には、ポンプ８４が設けられており、凝縮器４３において凝縮した水分を、水タンク８１へ送り、燃料電池スタック４０を湿潤するための水分として再利用するように構成されている。

以上のように構成された燃料電池システム１００を運転する場合には、空気供給系６０の送風機６１を駆動して、空気を空気マニホールド４１から燃料電池スタック４０の空気流路内へ供給すると共に、水供給系８０のポンプ８３を駆動により水を供給する。一方で、水素ガス供給系５０の調整弁５２〜５６を調整して所定の圧力として燃料電池スタック４０の水素ガス流路内へ供給する。

その結果、燃料電池スタック４０を構成する各燃料電池１０にて水素と酸素とによる水生成反応（電極反応）が行われ、生じた電流が負荷９０へ流れる。かかる燃料電池システム１００の運転中は、霧状となって供給される水によって各燃料電池１０が冷却及び加湿される。

なお、本実施形態の燃料電池システム１００は、図示されない制御装置を有している。この制御装置は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを含んで構成され、各種センサにより検出される燃料電池スタック４０へ供給されるガス（水素ガス及び空気）の流量や温度、又は、燃料電池スタック４０からの出力電圧などに基づいて、空気供給系６０における送風機６１などの制御や、水素ガス供給系５０における調整弁５２〜５６、ポンプ５８、及び循環弁５７などの制御や、水供給系８０におけるポンプ８３などの制御を行うものである。

次に、図２〜図４を参照して、本実施形態における燃料電池スタック４０の構成について説明する。

図２（ａ）は、本実施形態における燃料電池スタック４０を模式的に示す上面図であり、図２（ｂ）は、燃料電池スタック４０を構成するセルモジュール３０を模式的に示す上面図である。なお、図２（ａ）では、２つのセルモジュール３０を代表として図示し、その他のセルモジュール３０の図示を省略している。また、図２（ｂ）では、理解を容易にする目的で、単位セル１０とセパレータ２０との位置関係のみ図示し、具体的構成は省略している。

また、図３（ａ）は、セルモジュール３０を空気極側から見た正面図であり、図３（ｂ）は、セルモジュール３０を燃料極側から見た正面図である。図４（ａ）は、図３（ａ）のＩＶａ−ＩＶａ矢視要部断面図であり、図４（ｂ）は、図３（ａ）の矢視要部断面図である。

図２（ａ）に示すように、本実施形態における燃料電池スタック４０は、セルモジュール３０を複数積層して構成される。

セルモジュール３０は、図２（ｂ）に示すように、単位セル１０と、隣接する単位セル１０の間に介装されて隣接する単位セル１０を電気的に接続するセパレータ２０とを、単位セル１０及びセパレータ２０を支持するフレーム１７，１８を１セットとして、厚み方向に複数セット積層して構成される。なお、図２（ｂ）に例示されるセルモジュール３０は、単位セル１０及びセパレータ２０などを含む１セットが１０セット積層されたものである。

セルモジュール３０は、隣接する単位セル１０が所定の間隔に離間されて配置されるように、単位セル１０とセパレータ２０とが、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いる。

セルモジュール３０における積層方向の一端（図２（ａ）における上端面側）は、図３（ａ）に示すように、セパレータ２０の空気極側コレクタ２２の端面とフレーム１７の端面とで終端している。一方で、セルモジュール３０における積層方向の他端（図２（ａ）における下端面側）は、図３（ｂ）に示すように、セパレータ２０の燃料極側コレクタ２３の端面とフレーム１８の端面とで終端している。

図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、単位セル１０は、固体高分子電解質膜１１と、その固体高分子電解質膜１１の一方の面に当接する空気極１２と、固体高分子電解質膜１１の他方の面に当接する燃料極１３とから構成されている。

固体高分子電解質膜１１としては、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標：デュポン社製）やＡｃｉｐｌｅｘ（登録商標：旭化成（株）製）など、固体高分子型燃料電池に適用可能な固体高分子電解質膜を使用することができる。

空気極１２は、空気（酸化剤ガス）を拡散しながら透過する導電性材料からなる拡散層１２ａ（図７参照）と、その拡散層１２ａ上に形成され、固体高分子電解質膜１１に当接される反応層（図示せず）とから構成されている。

燃料極１３は、水素ガス（燃料ガス）を拡散しながら透過する導電性材料からなる拡散層（図示せず）と、その拡散層上に形成され、固体高分子電解質膜１１に当接される反応層（図示せず）とから構成されている。

なお、空気極１２及び燃料極１３を構成する拡散層は、ガス拡散が可能なカーボン製の織物やカーボン製の紙等から構成されるものであり、例えば、カーボンクロス、カーボンペーパー、カーボン繊維からなる不織布等を用いることができる。また、空気極１２及び燃料極１３を構成する反応層しては、例えば、白金触媒が担持されたカーボンとＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）とを含んで構成された反応層（触媒層）を採用することができる。

単位セル１０を構成する部材のうち、空気極１２及び燃料極１３は、それらの支持部材とされるフレーム１８開口部の横方向寸法（短手方向寸法）より若干長い横方向寸法と、開口部の縦方向寸法（長手方向寸法）より若干長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方向寸法を有するものとされている。

セパレータ２０は、セパレータ本体２１と、そのセパレータ本体２１の一側に設けられ、単位セル１０の空気極１２の拡散層１２ａ（図７参照）に当接される空気極側コレクタ２２と、セパレータ本体２１の他側に設けられ、単位セル１０の燃料極１３の拡散層（図示せず）に当接される燃料極側コレクタ２３とから構成される。なお、このセパレータ２０は、本発明の燃料電池用セパレータに該当する。

セパレータ本体２１は、本発明におけるセパレータ本体に該当するものであり、隣接する単位セル１０間のガス遮断部材として機能する板厚の薄い金属薄板である。セパレータ本体２１を構成する金属としては、導電性と耐蝕性とを有する金属、例えば、ステンレス鋼、ニッケル合金、チタン合金などに金メッキなどの耐蝕導電処理を施したものが挙げられる。

空気極側コレクタ２２は、空気極１２と接触して集電すると共に、空気極１２への空気の供給と空気極１２からの生成水の排出とを可能にする多数の孔を有する導電性部材である。また、空気極側コレクタ２２は、放熱板としても機能し、水供給系８０のノズル８２（図１参照）から噴射される水によって冷却される。なお、この空気極側コレクタ２２の詳細構成については、図５などを参照して後述する。

燃料極側コレクタ２３は、燃料極１３と接触して集電すると共に、燃料極１３への水素ガスの供給を可能にする多数の孔を有する導電性部材である。なお、この燃料極側コレクタ２３は、空気極側コレクタ２２と同様に構成できるので、詳細な説明は省略する。

セパレータ２０の外側には、単位セル１０を含めて所定の位置関係に保持できるよう、フレーム１７，１８が配置される。これらのフレーム１７，１８は、絶縁性材料から構成される。

より具体的には、空気極側コレクタ２２の左右両側にフレーム１７が配置され、燃料極側コレクタ２３の周縁部にフレーム１８が設けられている。なお、最も外端に配置されるフレーム１７は、図３に示すように、その上下端が相互にバックアッププレート１７ａ及び１７ｂによって連結されて枠状に構成されている。

図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、空気極側コレクタ２２側に配置されるフレーム１７は、外端（図４（ａ）における最上端、図４（ｂ）における左端）に配置されるものを除き、空気極側コレクタ２２の短辺に沿う両側に配置される縦枠部１７１から構成されている。このフレーム１７の板厚は、空気極側コレクタ２２の厚みに匹敵する厚さとされている。

縦枠部１７１には、板厚方向に貫通する長孔１７２が水素ガス流路形成のために設けられている。なお、セパレータ本体２１の面における縦横方向寸法は、フレーム１７の面における縦横方向寸法に匹敵する大きさとされ、フレーム１７の長孔１７２に重なる位置に、同様の長孔２１２を備える構成とされている。

かかるフレーム１７の配置により、左右両側の縦枠部１７１の間には、単位セル１０の空気極１２とセパレータ本体２１とで囲まれた空気室が形成される。なお、詳細は後述するが、かかる空気室内には、図４（ａ）における紙面垂直方向に延びる線状のリブ部材２２２（空気極側コレクタ２２の一部）が、複数本、平行に立設されており、かかるリブ部材２２２の設置により、一方向（図４（ａ）における紙面垂直方向）に全通する空気流路が形成される。

一方、図４（ｂ）に示すように、燃料極側コレクタ２３及び単位セル１０を囲むフレーム１８は、左右縦枠部と上下横枠部１８２とを有する枠状部材であり、枠状に構成されたフレーム１７（図３（ａ））と同じ大きさに構成されている。なお、フレーム１８における左右縦枠部は、図４（ａ）の記載範囲よりさらに右側に位置するために図示されていないが、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し、短手方向長さ（幅）が上下横枠部１８２の短手方向長さと略同じに構成されている。

図４（ａ）に示すように、かかるフレーム１８は、外端（図２（ｂ）における最下端、図３（ｂ）示す面）に配置されるものを除き、左右縦枠部と平行に延び、燃料極側コレクタ２３の左右端（図４（ａ）における左右方向の端部）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とから構成されている。なお、フレーム１８の板厚は、燃料極側コレクタ２３の厚みに匹敵する厚さとされている。

バックアッププレート１８ａと縦枠部１７１とにより囲まれる空間が、上述したフレーム１７を板厚方向に貫通する長孔１７２と共に、水素ガス流路形成のための空間を構成している。また、各フレーム１８の内周側に、単位セル１０の燃料極１３とセパレータ本体２１とで囲まれた燃料室が形成される。

なお、かかる燃料室内には、リブ部材２２２と直交する方向（即ち、図４（ｂ）における紙面垂直方向、図４（ａ）における左右方向）に延びる線状のリブ部材２３２（燃料極側コレクタ２３の一部）が、複数本、平行に立設されている。かかるリブ部材２３２の設置により、上述した空気流路に直交する方向に（図４（ｂ）における紙面垂直方向）に全通する水素ガス流路が形成される。

次に、図５〜図７を参照して、本実施形態における空気極側コレクタ２２の詳細構成について説明する。図５（ａ）は、空気極側コレクタ２２をセパレータ本体２１側から見た正面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）におけるＶｂ方向から見た側面図である。なお、図５（ａ）及び図５（ｂ）では、ベースコレクタ２２１に開口される孔２２１ａ，２２１ｂの図示を省略している。

また、図６は、図５（ａ）におけるＶＩ部分の拡大図である。なお、理解を容易にするために、図６では、ベースコレクタ２２１に開口される孔２２１ａ，２２１ｂの配置間隔や配置個数などを模式的に示している。

また、図７（ａ）は、図６のＶＩＩ−ＶＩＩ矢視要部断面図であり、図７（ｂ）は、空気極側コレクタ２２を介する空気の供給及び水の排出を示す模式図である。なお、理解を容易にするために、図７（ａ）及び図７（ｂ）では、空気極側コレクタ２２に当接する空気極１２の拡散層１２ａを合わせて図示している。

図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、本実施形態の空気極側コレクタ２２は、ベースコレクタ２２１と、複数本のリブ部材２２２とから構成される。なお、ベースコレクタ２２１は、本発明におけるコレクタに該当し、リブ部材２２２は、本発明におけるリブ部材に該当する。

複数本のリブ部材２２２は、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、各々、矩形状の断面を有する線状体であり、これらのリブ部材２２２は、ベースコレクタ２２１における空気極１２との当接面とは反対側の面に、互いに略平行に配列された状態で立設される。リブ部材２２２は、例えば、拡散接合によってベースコレクタ２２１の表面に接合される。

このように、ベースコレクタ２２１上に立設されたリブ部材２２２は、空気極側コレクタ２２において、ベースコレクタ２２１とセパレータ本体２１との間に介挿されて、空気流路（空気室）となる空間を形成する。

燃料電池における高効率発電を実現すると共に、補機の動力損失を抑えるためには、空気流路の空気流れ抵抗を極力低くすることが好ましい。よって、単位セル１０に空気を供給する流路の高さ、即ち、リブ部材２２２の高さ寸法を適切に確保する必要がある一方で、燃料電池スタック４０の小型化、即ち、セルモジュール３０の小型化を図るためには、リブ部材２２２の高さ寸法は低ければ低いほど好ましい。従って、リブ部材２２２の高さ寸法は、これらの条件を両立する高さに設定され、例えば、約０．５ｍｍ〜約０．９ｍｍ程度に設定される。

このリブ部材２２２は、導電性と耐蝕性とを有する金属から構成されている。なお、リブ部材２２２を構成する材料（材質）は、後述するベースコレクタ２２１と同材料であっても、相違する材料であってもよい。また、リブ部材２２２の断面形状は、図５（ｂ）に示した矩形状に限らず、例えば、三角形や円形など、他の形状であってもよい。

一方、ベースコレクタ２２１は、単位セル１０の空気極１２に当接され、空気極１２から集電する導電性の板状体である。かかるベースコレクタ２２１は、導電性と耐蝕性とを有する金属、例えば、ステンレス鋼、ニッケル合金、チタン合金などに金メッキなどの耐蝕導電処理を施したものから作製される。

また、ベースコレクタ２２１は、図６に示すように、多数の孔が開口された多孔体として構成される。より詳細には、本実施形態のベースコレクタ２２１は、多数の大径孔２２１ａと、大径孔２２１ａの相当直径より小さい相当直径を有する多数の小径孔２２１ｂとを有するパンチングメタルとして構成されている。

ここで、「相当直径」とは、孔の周長（外周の長さ）を円周とみなし、その円周に対応する直径である。即ち、相当直径をＲとし、孔の周長をＬとした場合、Ｒ＝Ｌ／πである。なお、大径孔２２１ａは、本発明における大径孔に該当し、小径孔２２１ｂは、本発明における小径孔に該当する。

このように、空気極１２に当接されるベースコレクタ２２１には、多数の孔２２１ａ，２２１ｂが開口されているので、空気極１２へ空気を供給できると共に、電極反応によって生成される水を空気極１２から排出することができる。

一般的に、孔の径が小さい程、孔内に水が溜まり易く、径が大きい程、孔内に水は溜まり難い。よって、大きさ（相当直径）の異なる孔（大径孔２２１ａ，小径孔２２１ｂ）をベースコレクタ２２１に形成したことにより、空気極１２から排出される水による孔の選択性をコントロールすることが可能となる。

即ち、相当直径の小さい小径孔２２１ｂは、空気極１２から排出された水が溜まり易いので、水が小径孔２２１ｂへ選択的に流入して排出され易い孔として機能する。その一方で、相当直径の大きい大径孔２２１ａは、空気極から排出された水による水膜が形成し難いので、水による閉塞が生じ難く、空気の供給が阻害され難い。

従って、本実施形態のセパレータ２０は、大径孔２２１ａが空気流通孔として機能し、小径孔２２１ｂが水流通孔として機能する。よって、空気極１２への空気の供給性（ガス供給性）と、空気極１２から排出される水（生成水）の排出性とを好適に両立させることができる。

特に、小孔径２２１ｂの相当直径Ｒ２は、空気極１２における空気流路側の表面（本実施形態では、拡散層１２ａ（図６参照）の表面）に、空気極１２から排出された生成水によって形成される水膜の厚さの２倍以下に設計することが好ましい。なお、空気極１２における空気流路側の表面に形成される水膜の厚さは、ベースコレクタ２２１の材質などにより制御できるので、例えば、空気極１２における空気流路側の表面に形成される水膜の厚さが約２００μｍである場合には、ベースコレクタ２２１に穿孔する小径孔２２１ｂの相当直径を約４００μｍ以下に設計することが好ましい。

小孔径２２１ｂの相当直径Ｒ２を、空気極１２における空気流路側の表面に、空気極１２から排出された生成水によって形成される水膜の厚さの２倍以下とすることにより、かかる小径孔２２１ｂの孔内に水が溜まり易く（即ち、水が流入され易く）なるので、空気極１２から排出される水（電極反応による生成水）は、小径孔２２１ｂから選択的に排出させ易くなる。

また、小径孔２２１ｂから水を選択的に排出させ易くなったことにより、大径孔２２１ａでは相対的に水による閉塞が防止されて、空気極１２へ供給される空気の流路が確保される。よって、単位セル１０（燃料電池スタック４０）の発電効率をより好適に向上させることができる。

一方、小孔径２２１ａの相当直径Ｒ１は、空気極１２における空気流路側の表面に、空気極１２から排出された生成水によって形成される水膜の厚さの３倍以上に設計することが好ましい。例えば、空気極１２における空気流路側の表面に形成される水膜の厚さが約２００μｍである場合には、ベースコレクタ２２１に穿孔する大径孔２２１ａの相当直径を約６００μｍ以上に設計することが好ましい。

大孔径２２１ａの相当直径Ｒ１を、空気極１２における空気流路側の表面に、空気極１２から排出された生成水によって形成される水膜の厚さの３倍以上とすることにより、大径孔２２１ａが、空気極１２から排出される水（電極反応による生成水）によって閉塞されることを防止でき、空気極１２へ供給される空気の流路が確保される。よって、単位セル１０（燃料電池スタック４０）の発電効率をより好適に向上させることができる。

また、小径孔２２１ｂは、その内壁に親水的処理を施しておくことが好ましい。小径孔２２１ｂの内壁に親水的処理を施すことにより、小径孔２２１ｂの内壁の濡れ性が高まり、小径孔２２１ｂへの流入に対する水の選択性を増すことができる。その結果、空気極１２から排出される水を、優先的に、小径孔２２１ｂへ流入させることができる。一方で、相対的に、大径孔２２１ａは水により閉塞され難くなるので、空気極１２へ供給される空気の流路が確保される。従って、単位セル１０（燃料電池スタック４０）の発電効率をより好適に向上させることができる。

小径孔２２１ｂの内壁に施す親水性処理としては、例えば、親水性処理剤（親水性材料）を内壁に塗布して親水性被膜を形成する方法を採用することができる。親水性処理剤としては、例えば、ポリアクリルアミド、ポリウレタン系樹脂、ポリメチルメタクリレート、又はポリビニルアルコール等の親水性ポリマーや、固体高分子電解質（例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標：デュポン社製））や、酸化チタン（ＴｉＯ_２）などが挙げられる。あるいは、親水性処理として、小径孔２２１ｂの内壁の粗面化する処理（例えば、プラズマ処理）を採用してもよい。

図７（ａ）に示すように、本実施形態では、小径孔２２１ｂにおける空気流路を臨む側の周囲には、本発明における第１の突起部に該当する突起部２２３が形成されている。よって、図７（ｂ）に示すように、小径孔２２１ｂから排出される水Ｗの界面を、空気流路を流通する空気に触れ易くすることができる。その結果、水Ｗが空気流によって小径孔２２１ｂから飛散され易くなるので、小径孔２２１ｂからの水Ｗの排出を促進することができる。なお、図７（ｂ）では、空気は紙面奥側から手前側の方向（図６における上側から下側の方向）に流通している。

突起部２２３は、例えば、ベースコレクタ２２１を構成するパンチングメタルのバリを利用することができる。即ち、板材に小径孔２２１ｂを穿孔する際に、空気極１２との当接面となる側から空気流路側の面へ向けて（図７（ａ）では、下側から上側へ向けて）小径孔２２１ｂを打ち抜いた場合に生じるバリを利用することができる。あるいは、凸材の接合や、鋳造や、プレス加工などによって突起部２２３を形成してもよい。

なお、図７（ａ）及び図７（ｂ）では、半円形の断面を有する突起部２２３を例示したが、突起部２２３の断面形状は、半円形に限らず、三角形や台形や矩形などの他の形状であってもよい。ここで、突起部２２３の断面形状は、小径孔２２１ｂの径より、水Ｗの出口となる部分の径を広げるテーパー部分を有していると、水Ｗが排出され易くなり、好ましい。また、突起部２２３の高さ（小径孔２２１ｂの出口から空気流路側へ向かう高さ）は極力高く設定する方が、空気流と接触し易くなるので好ましい。

突起部２２３の表面（特に、小径孔２２１ｂに連設して水Ｗの排出経路上となる表面）には、撥水性処理を施しておくことが好ましい。突起部２２３の表面に撥水性処理を施すことにより、出口側における水Ｗの表面張力が大きくなり、小径孔２２１ｂから排出される水Ｗの界面が空気流路側へ迫り出す。よって、小径孔２２１ｂから排出される水Ｗが空気流に触れ易くなると共に、空気流との接触面積が増えるので、水Ｗが空気流によって小径孔２２１ｂから飛散され易くなり、かかる水Ｗの排出を促進することができる。

突起部２２３の表面に施す撥水性処理としては、例えば、撥水性処理剤（撥水性材料）を当該表面に塗布して撥水性被膜を形成する方法を採用することができる。撥水性処理剤としては、例えば、ＰＴＦＥなどのフッ素系樹脂や、シリコーン樹脂などが挙げられる。

また、図７（ａ）に示すように、大径孔２２１ａにおける空気極１２に当接する側の周囲には、本発明における第２の突起部に該当する突起部２２４が形成されている。よって、かかる突起部２２４を有するセパレータ２０を介挿しつつ燃料電池スタック４０を構成した場合には、図７（ａ）に示すように、突起部２２４が空気極１２の拡散層１２ａに食い込み、単位セル１０の横ずれを防止することができる。

かかる突起部２２４は、上述した突起部２２３と同様に、ベースコレクタ２２１を構成するパンチングメタルのバリを利用することができる。なお、突起部２２４を形成する場合には、突起部２２３を形成する場合とは逆に、空気流路側の面から空気極１２との当接面となる側へ向けて（図７（ａ）では、上側から下側へ向けて）小径孔２２１ｂを打ち抜いた場合に生じるバリを利用する。また、凸材の接合や、鋳造や、プレス加工などによって突起部２２４を形成してもよい。

ベースコレクタ２２１に開口される孔（大径孔２２１ａ及び小径孔２２１ｂ）の開口率は、約３０〜約５０％程度であることが好ましい。また、ベースコレクタ２２１に開口される大径孔２２１ａ及び小径孔２２１ｂは、図６に示すように、空気の流れに沿った方向に略平行に配列されることが好ましい。かかる配列によって、小径孔２２１ｂから排出された水が大径孔２２１ａに戻されることを抑制できる。

以上説明したように、本発明の燃料電池用セパレータであるセパレータ２０によれば、空気極側コレクタ２２のベースコレクタ２２１に、相当直径の異なる孔（大径孔２２１ａ，小径孔２２１ｂ）を開口したことにより、大径孔２２１ａを空気排出孔として機能させ、小径孔２２１ｂを水排出孔として機能させることができる。

このように、相当直径の大きさに応じて空気排出孔としての機能と水排出孔としての機能を分離することができるので、空気極１２への空気の供給性（ガス供給性）と、空気極１２から排出される水（生成水）の排出性とを好適に両立させることができ、単位セル１０及び燃料電池スタック４０の発電効率を向上させることができる。

また、本発明の燃料電池用セパレータであるセパレータ２０は、常圧の空気（酸化剤ガス）を燃料電池スタック４０に供給する燃料電池システム１００において使用されるので、小径孔２２１ｂを介して空気極１２から排出される水は、常圧の空気流によって飛散される。よって、空気の圧力によって小径孔２２１ｂからの水の排出が抑制されず、水の飛散を効率的に行い得るので、小径孔２２１ｂからの水の排出が促進され、空気極１２のフラッディングを抑制することができる。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。

例えば、上記実施形態では、空気極側コレクタ２２についてのみ説明したが、燃料極側コレクタ２３も、空気極側コレクタ２２と同様に構成することができる。即ち、燃料極側コレクタ２３を、ベースコレクタ２２１に相当するベースコレクタ２３１（図４（ｂ）参照）と、リブ部材２２２に相当するリブ部材２３２（図４（ｂ）参照）とから構成すればよい。燃料極側コレクタ２３を空気極側コレクタ２２と同様に構成し、大径孔２２１ａに相当する多数の大径孔と小径孔２２１ｂに相当する多数の小径孔とをベースコレクタ２３２に開口することにより、空気極側コレクタ２２と同様の効果を得ることができる。

特に、燃料極側コレクタ２３のベースコレクタ２３２に開口される大径孔２２１に相当する孔における燃料極１３に当接する側の周囲に突起部２２４に相当する突起部を形成することにより、燃料電池スタック４０が構成された場合に、かかる突起部を燃料極１３の表面に食い込ませることができるので、単位セル１０の横ずれ防止に有効である。

なお、燃料極側コレクタ２３のベースコレクタ２３２に開口される孔は、全て同径の孔としてもよい。ベースコレクタ２３２に開口される孔を全て同径の孔とした場合には、少なくとも一部の孔における燃料極１３に当接する側の周囲には突起部２２４に相当する突起部を形成することにより、燃料電池スタック４０における単位セル１０の横ずれ防止に有効となる。

また、燃料極側コレクタ２３のベースコレクタ２３２をパンチングメタルから構成することなく、他の多孔性の板材（例えば、エキスパンドメタル）から構成するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、大径孔２２１ａの内壁に対する処理を未処理としたが、大径孔２２１ａの内壁に撥水性処理を施すように構成してもよい。かかる撥水性処理は、突起部２２３の表面に施す撥水性処理として例示した方法によって行うことができる。大径孔２２１ａの内壁に撥水性処理を施すことにより、水を優先的に小径孔２２１ｂへ流入させることができ、大径孔２２１ａにおける水による閉塞を防止できる。

また、上記実施形態では、ベースコレクタ２２１へ開口する孔を大径孔２２１ａ及び小径孔２２１ｂの２種類としたが、相当直径の異なる３種類以上の孔を設ける構成としてもよい。しかし、ベースコレクタ２２１へ開口する孔は、大径孔２２１ａ及び小径孔２２１ｂの２種類とすることが好ましい。

また、上記実施形態では、常圧の空気（酸化剤ガス）を燃料電池スタック４０に供給する燃料電池システム１００としたが、加圧された空気燃料電池スタック４０に供給する燃料電池システムに対して、本発明の燃料電池用セパレータであるセパレータ２０を用いることも可能である。しかし、空気流路を加圧空気が流通させた場合には、空気の圧力によって小径孔２２１ｂから水が排出され難くなる傾向があるので、上記実施形態において例示した燃料電池システム１００にて、本発明の燃料電池用セパレータであるセパレータ２０は最もその有効性を発揮させることができる。

本発明の燃料電池用セパレータを含んで構成される燃料電池システムの一実施形態を示す系統図である。 （ａ）は、本実施形態における燃料電池スタックを模式的に示す上面図であり、（ｂ）は、燃料電池スタックを構成するセルモジュールを模式的に示す上面図である。 （ａ）は、セルモジュールを空気極側から見た正面図であり、（ｂ）は、セルモジュールを燃料極側から見た正面図である。 （ａ）は、図３（ａ）のＩＶａ−ＩＶａ矢視要部断面図であり、（ｂ）は、図３（ａ）の矢視要部断面図である。 （ａ）は、空気極側コレクタをセパレータ本体側から見た正面図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるＶｂ方向から見た側面図である。 図５（ａ）におけるＶＩ部分の拡大図である。 （ａ）は、図６のＶＩＩ−ＶＩＩ矢視要部断面図であり、（ｂ）は、空気極側コレクタを介する空気の供給及び水の排出を示す模式図である。

符号の説明

１０ 単位セル（燃料電池）
１１ 固体高分子電解質膜
１２ 空気極（酸素極）
１３ 燃料極
２０ セパレータ（燃料電池用セパレータ）
２１ セパレータ本体
２２１ ベースコレクタ（コレクタ）
２２１ａ 大径孔
２２１ｂ 小径孔
２２２ リブ部材
２２３ 突起部（第１の突起部）
２２４ 突起部（第２の突起部）
４０ 燃料電池スタック
１００ 燃料電池システム

Claims (8)

1. 固体高分子電解質膜とその固体高分子電解質膜を両側から挟持する酸素極及び燃料極とを含んで構成される燃料電池を積層するときに、隣接する燃料電池間に配置される燃料電池用セパレータであって、
   導電性及びガス遮断性を有する板状のセパレータ本体と、
   前記隣接する燃料電池間に配置されるときに、前記酸素極及び前記燃料極にそれぞれ当接すると共に、多数の孔が開口されている導電性の板状のコレクタと、
   前記セパレータ本体と前記板状のコレクタとの間に介挿され、その配置によって前記酸素極又は前記燃料極へ供給するガスの流路を形成する複数本の導電性のリブ部材と、を備え、
   前記酸素極に当接するコレクタに開口される孔は、多数の大径孔と、前記大径孔の相当直径より小さい相当直径を有する多数の小径孔とから構成されていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
2. 前記小径孔の相当直径は、生成水によって前記酸素極における前記ガス流路側の表面に形成される水膜厚さの２倍以下であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
3. 前記小径孔は、その内壁に親水性処理が施されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池用セパレータ。
4. 前記小径孔は、前記ガスの流路を臨む側の周囲に形成された第１の突起部を有していることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ。
5. 前記第１の突起部は、その表面に撥水性処理が施されていることを特徴とする請求項４記載の燃料電池用セパレータ。
6. 前記大径孔の相当直径は、生成水によって前記酸素極における前記ガス流路側の表面に形成される水膜厚さの３倍以上であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ。
7. 前記小径孔以外の孔の少なくとも一部は、前記酸素極又は前記燃料極に当接する側の周囲に形成された第２の突起部を有していることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ。
8. 前記酸素極へ供給する酸化剤ガスを常圧で供給する燃料電池システムにて使用される請求項１から７のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ。
   
   
   
   

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