JP4085652B2

JP4085652B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP4085652B2
Application number: JP2002054839A
Authority: JP
Inventors: 宗久堀口; 英美加藤; 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: 2008-05-14
Anticipated expiration: 2022-02-28
Also published as: US7153605B2; US20030039875A1; DE60226819D1; EP1286404A2; ATE397294T1; JP2003197217A; EP1286404B1; EP1286404A3

Description

【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１０−２４７５０５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】
次に、本発明は、請求項２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、空気と水とを供給される冷却空間をセパレータに内包させて備え、前記空気流路と冷却空間は、隣接させて配置され、かつ、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。
【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、金属製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。
【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１０Ａ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１０Ａ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１０Ｂ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１４，１５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１４，１５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Ｌ１，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１０Ａ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Ｓ３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１６２，１６３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１４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１２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１７０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１７２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１７３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１０Ａ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１２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Ｌ１，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Ｓ３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１０Ａ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Ｓ２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２４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４０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１３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１０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１７１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１４１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１６５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Ｓ１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Ｌ５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Ｐ３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１０Ａ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Ｓ１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Ｓ２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１４３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１４３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１４Ａ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１４３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１２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Ｓ２’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４６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４１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４０ｂ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、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

Claims

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。
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、空気と水とを供給される冷却空間をセパレータに内包させて備え、前記空気流路と冷却空間は、隣接させて配置され、かつ、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、金属製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。
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、当接部間に生じる隙間により構成される、請求項８記載の燃料電池。
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。
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。