JP4470033B2

JP4470033B2 - 燃料電池

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Publication number: JP4470033B2
Application number: JP2002278166A
Authority: JP
Inventors: 宗久堀口; 英美加藤
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2002-09-24
Filing date: 2002-09-24
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2022-09-24
Also published as: JP2004119083A

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、従来より種々の方式のものが提案されている。それらのうちの一方式として、空気極に酸化剤としての空気を送り込むための空気マニホールド内に、水を噴射するノズルを設ける構成を採り、ガス流路に送り込む空気に水を噴射して予め混入させ、ガス流路中で水が加熱により蒸発する際の潜熱を利用して冷却するものがある。この方式のものは、本来、単位セルを湿潤状態に保つ必要があることからセルへの供給を必須とする水を、同じく空気極側への供給を必要とする空気の流れに乗せて供給し、この水を冷却にも利用するのが合理的であるとする着想に基づいている。
【０００５】
上記のような方式を採る燃料電池システムにおいて、出願人は、先の出願に係る特願２００２−５４８３９において、空気マニホールド内で水を噴射混入させた空気を、セパレータに形成した冷却空間から連通孔を経て空気流路に供給する方式のものを提案している。この方式では、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が冷却され、蒸気化した水が空気と共に空気流路に供給される。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、空気流路への液体水又は霧状の水の侵入による流路の閉塞が防止される。すなわち、上記のような仕組みの燃料電池装置の場合、冷却空間に供給された空気と水は、燃料電池の発電時に発生する発熱を潜熱冷却するのに使われる。そして、液体の状態で供給された水の一部は冷却空間内で蒸発し、空気と一緒に水蒸気として連通孔から空気流路へ供給され、空気は燃料電池の反応に使われ、水蒸気は加湿に使われる。
【０００６】
上記のような供給方式を採る場合、冷却空間に入った空気をロスなく空気流路に供給することが重要であるとともに、同じく冷却空間に入り水蒸気にならなかった液体水を冷却空間から円滑に排出することもまた重要である。こうしたことから、出願人は、先の出願に係る特願２００２−１９６５９７において、冷却空間の最下部（通常、単位セルへの空気の供給はセル上部に開いた冷却空間の入口側から行なわれることから、空気の排出部はセル最下部となる）に溜まる液体水を排出部に常時適量滞留させることで、これを空気の冷却空間からの直抜けを阻止する閉栓として機能させる構成を提案している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のように冷却空間の液体水を閉栓として機能させる構成の場合、排出部への液体水の滞留量を一定に保つことが、空気流路への水の溢れ出しを防ぎつつ閉栓機能を保つのに重要である。そのためには、排出部から順次排出されるべき水のセルからの滴下を円滑に行なわせることが重要であるが、セル最下部に位置する排出部の周囲に隣接する部材があると、この部材表面に排出水が回り込み、排出部の口部からその隣接部に膜状に広がって水の滴下（セルからの水滴の分離）を阻害する要因となる。
【０００８】
また、セルのコンパクトのためにセパレータを薄手に構成する場合、その中に画成される冷却空間や空気流路も極細の空間となるため、上記のように冷却空間の液体水を閉栓として機能させる構成に限らず、冷却空間の排出部からの排水を的確に行なうことは、隣接する空気流路からの排気を阻害しないようにする面でも重要である。
【０００９】
そこで本発明は、上記のような課題を解決すべく、セパレータにおける冷却空間の排出部からの水の滴下を促進させて、隣接部への排出水の回り込みによる排水や排気の阻害を防ぐことを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記の目的は、互いに隣接する単位セルの間にセパレータが配置され、前記単位セルとセパレータとが接する面が垂直であ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設けられた空気流路と、背面側に設けられて空気と水とを供給される冷却空間とからなり、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冷却手段を備え、前記冷却空間は、上部に空気と水の取入れ部を有し、下部に空気と水の排出部を有し、該排出部に、セパレータの壁を伝って流下した水を滞留させて水滴化する水切り部が形成されていることを特徴とする構成により達成される。この構成における、前記水切り部の下端面は、具体的には、セパレータの壁を伝って流下した水が滞留する面であり、前記排出部以外の下端面と不連続に形成されている。より具体的には、前記水切り部の下端面と前記排出部以外の下端面とは、面位置が上下方向にずれている。
【００１１】
前記の構成において、前記セパレータは、空気流路と冷却空間を画成する空間画成部材と、該空間画成部材に添設された枠体を備え、該枠体は、前記冷却空間の排出部から水が流下しないように、冷却空間の排出部の下端より上部で終端している。この場合の前記水切り部は、冷却空間の排出部を構成する流路の断面積を、所定の長さに渡って狭窄させた流路狭窄部の下端で構成することができる。また、前記冷却空間は、セパレータの連通孔を介して隣接する空気流路に連通され、流路狭窄部は、該流路狭窄部に溜まる液体水により排出部を封止して空気の排出を妨げるものとすることができる。また、前記セパレータの空間画成部材は、導電性金属板材料のプレス成形品からなる一対の板状部材を板面方向に互いに当接させてなり、両板状部材の間に冷却空間を画成するものとすることもできる。
【００１２】
【作用】
前記請求項１記載の構成では、冷却空間に空気と共に供給されて蒸気化されずに、又は蒸気化後に凝縮して水滴となって排出部に達する水が、排出部に一旦液状水として滞留し、その最下部に位置する水が、隔絶された水切り部から周囲に回り込んで水膜となることなく、水滴化して落下することで順次排出される。
【００１３】
次に、請求項２に記載の構成とすると、水切り部の下端面が隣接する他の面に対する不連続により隔絶されることで、水切り部の下端面での排出水の水滴化が促進され、水切り部から滴下しやすくなる。
【００１４】
同様に、請求項３に記載の構成では、水切り部の下端面が隣接する他の面の面位置に対する上下方向のずれにより隔絶されることで、水切り部の下端面での排出水の水滴化が促進され、水切り部から滴下しやすくなる。
【００１５】
次に、請求項４に記載の構成では、冷却空間を囲う空間画成部材により画成される排出部の水切り部が、それに沿う枠体部分より下方に突出することで、枠体部分に対して隔絶されるため、水切り部を構成する面が空間画成部材の下面の極小さな面積に局限され、水切り部の下端面での排出水の水滴化が一層促進される。
【００１６】
更に、請求項５に記載の構成とすると、水切り部が冷却空間に対して絞られた流路狭窄部の下端となることで、水切り部を構成する面がより一層小さな面積に局限され、水切り部の下端面での排出水の水滴化が一層促進される。
【００１７】
また、請求項６に記載の構成とすると、冷却空間の排出部を構成する流路の狭窄部に、液体水が柱状の液滴となって滞留し、これが流路を塞ぎながら徐々に排出部から排水されることで、空気に対する連続的な封止効果が発揮され、しかも、水切り部が冷却空間に対して絞られた流路狭窄部の下端となることで、水切り部を構成する面が、空気流路の排気部に対してより一層小さな面積に局限され、水切り部の下端面での排出水の水滴化が一層促進されるため、空気流路からの排気も促進される。
【００１８】
また、請求項７に記載の構成とすると、薄肉化のためにセパレータをプレス成形品とするものにおいて、前記の各作用を生じさせることができる。
【００１９】
【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は、この発明の適用に係る車両用燃料電池システムの構成例を示す。このシステムは、燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１に燃料としての水素を供給する燃料供給系（図に２点鎖線で示す）２と、同じく燃料電池スタック１に酸化ガスとしての空気を供給する空気供給系（図に１点鎖線で示す）３と、燃料電池スタック１を含むシステムの所要箇所に主として冷却のために水を供給する水供給系（図に実線で示す）４と、発電負荷としての電気負荷系（図に破線で示す）５から構成されている。
【００２０】
燃料電池スタック１は、板状の単電池を板厚方向に多数積層集合させて構成されている。図２に横断面、図３に縦断面を示すように、単電池１０は、単位セル１０Ａとセパレータ１０Ｂとで構成されている。なお、説明の都合上、図２には隣接する単位セルも併せて示し、図３では単位セルの図示は省略されている。単位セル１０Ａは、固体高分子電解質膜１１を空気極１２と燃料極１３とで挟持したものとされており、セパレータ１０Ｂは、その詳細な構造については後に詳記するが、２枚合わせの薄板金属板１４，１５の四囲を絶縁体枠１６，１７で囲った構成とされている。セパレータ１０Ｂには、燃料供給系２の水素供給路２０に連通する水素流路Ｌ１，Ｌ２と、空気供給系３の空気マニホールド３４に冷却空間Ｓ２を介して連通する空気流路Ｓ１が形成されており、燃料電池スタック１は、水素流路Ｌ１，Ｌ２を水平方向、空気流路Ｓ１を垂直方向に向けた姿勢で、空気マニホールド３４に接続された収容筐体内に配置されている。
【００２１】
燃料供給系２は、水素吸蔵合金を燃料としての水素の貯蔵部２１として構成され、該貯蔵部２１と燃料電池スタック１をつなぐ水素供給路２０の途中に、燃料電池スタック１への供給圧を調節する水素調圧弁２３と、供給遮断を制御する水素供給電磁弁２４が直列に介挿されている。燃料供給系２に関連して、燃料電池スタック１にはそれから必要に応じて水素を抜くための水素排気路２７が設けられ、その途中に、排気路開閉のための水素排気電磁弁２９と、外気の吸込みを防ぐ水素排気逆止弁２８とが介挿されている。なお、水素供給路２０には、水素調圧弁２３による調圧前後のガス圧を計測する水素１次圧センサ２２及び２次圧センサ２５が設けられている。
【００２２】
空気供給系３は、外気をフィルタ及びヒータを経て空気マニホールド３４に送り込む空気供給ファン３１を配置したダクトと、燃料電池スタック１と水素吸蔵合金の貯蔵部２１とをつなぐダクトと、貯蔵部２１と水凝縮器４６とをつなぐダクトと、水凝縮器４６からフィルタを経て使用済みの空気を外気に放出する排出路とで構成されている。この空気供給系３には、更に、燃料電池スタック１に供給される空気の温度を必要に応じたヒータ作動のために空気供給ファンの上流側で監視する吸気温度センサ３２と、燃料電池スタック１下流のダクトに付設して燃料電池スタック１から排出される空気の温度を監視する排気温度センサ３７も設けられている。
【００２３】
水供給系４は、水タンク４０を中心として、該水タンク４０から水噴射ポンプ４１により送り出される水を、空気マニホールド３４に水噴射ノズル４５により供給し、かつ、貯蔵部２１の水素吸蔵合金に吸蔵ノズル４６により供給し、燃料電池スタック１で回収及び生成された水と、水凝縮器４６での凝縮により生じた水を直接水タンク４０に戻す循環路で構成されている。循環路の供給側を構成する水噴射ポンプ４１から水噴射ノズル４５に至る水路の途中には、噴射量を調節する直噴水電磁弁４３が介挿され、水噴射ポンプ４１の吸込み側にはノズル４５の詰りを防止するためのフィルタ４２が介挿されている。水噴射ポンプ４１から吸蔵ノズル４６に至る水路の途中にも同様に噴射量を調節する吸蔵電磁弁４７が介挿されている。循環路の回収側は、燃料電池スタック１から水タンク４０に戻る水路と、水凝縮器４６からポンプ４４を経て水タンク４０に戻る水路とで構成されている。この水タンク４０には、水温センサ４７と水位センサ４８が設けられ、タンクの水温と水位の監視が可能とされている。
【００２４】
燃料電池の電気負荷系５は、燃料電池スタック１からリレー５３を経てモータ５２制御のためのインバータ５１につながる導線で構成されている。このシステムでは、燃料電池装置の空気供給ファン３１、水凝縮器４６のファン、水噴射ポンプ４１、水タンク４０の凍結対策ヒータ、各種電磁弁等の付帯設備の駆動電源として、蓄電池からなる２次電池５４が設けられており、２次電池５４は燃料電池に対して並列に接続されている。この２次電池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、出力を補う用途にも用いられる。
【００２５】
こうした構成からなる燃料電池システムでは、水素供給電磁弁２４を閉じ、図示しない充填路からの水素ガスの供給で水素吸蔵合金への水素の吸蔵が行われる。また、水供給系４への水の供給は、給水電磁弁４８を開いて、水タンク４０へ水を供給することにより行われる。そして、発電状態では、水素供給電磁弁２４を開いて、水素調圧弁２３による調圧下で水素吸蔵合金に吸蔵させた水素を燃料電池スタック１に供給する一方、空気供給ファン３１を起動させて、空気マニホールド３４経由で燃料電池スタック１に空気を送り込む操作が行われる。この発電状態で、必要に応じて連続又は間歇的に水供給系４の水直噴ポンプ４１を運転しながら直噴水電磁弁４３を開いて水噴射ノズル４５から空気マニホールド３４内に水を噴射させることで、燃料電池スタック１への供給空気に霧状に水を混入させる操作が行われる。この水は、空気と共に燃料電池スタック１の各セパレータの冷却空間Ｓ２の上部開口から冷却空間Ｓ２に入り、蒸気化されて空気流路Ｓ１を経て各単電池の空気極１２側に供給されるものを除き冷却空間Ｓ２の排出部を構成する下部開口から筐体下部に排出され、水タンク４０に回収される。
【００２６】
上記のようにして燃料電池スタック１に送り込まれ、燃料電池スタック１で加熱された空気と水蒸気状態の水は、筐体の下部からダクトを経て水素吸蔵合金の貯蔵部２１に入り、水素吸蔵合金を加熱した後、ダクトを経て水凝縮器４６に導かれ、乾燥状態の空気と凝縮水とに分けられ、乾燥状態の空気はフィルタ経由で外気に放出され、凝縮水はポンプ４４を経て水タンク４０に戻る。また、液状のまま燃料電池スタック１を抜けた水は、直接水タンク４０に戻る。
【００２７】
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と冷却空間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。
【００２８】
次に、燃料電池スタック１の各単電池１０の単位セル１０Ａ間に介挿されるセパレータ１０Ｂの詳細な構成を説明する。図４に構成部材を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（図２参照）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。
【００２９】
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、下部が板厚方向に押し潰されて偏平化されている。これら凸部１４１の偏平化部分１４１’を除く部分の断面形状は、図２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。
【００３０】
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２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と枠体１５，１６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短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。
【００３１】
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、面状の水素流路が構成され、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。
【００３２】
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３及び図４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と実質上同じ外形形状とされ、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、下方の横枠部１６３は、両側の縦枠部１６１の下辺及び集電部材１４，１５の下辺と面一にならないように、これらの下辺より横枠部１６３の下辺が上方に位置するように全体を若干上方にずらした位置に配置されている。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。
【００３３】
集電部材１５に重ねられる枠体１７は、枠体１６より縦方向寸法の短い枠状に構成され、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では縦枠部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。
【００３４】
更に図面上には表れていない細部構成について説明すると、望ましくは、冷却空間Ｓ２を構成する流路の断面積を上辺側から下辺側に向かうにしたがって順次小さくなる設定とする。こうした構成を採ることで、冷却空間Ｓ１から空気流路Ｓ２に流れる空気の圧力損失を低減することができる。こうした流路構成は、集電部材１４の凸部１４１の高さあるいは幅又はそれら両方を適宜設定することで実現できる。
【００３５】
また、空気流路Ｓ１及び冷却空間Ｓ２の内壁面には、必要に応じて親水性処理が施される。この処理は、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°以下となるような表面処理とされる。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。
【００３６】
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２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。
【００３７】
本発明の主題に係る構成は、この水の排出部に適用されている。図３に示すセパレータの縦断面及び図５に示すセパレータの底面を参照して、冷却空間Ｓ２の排出部に、該排出部に溜まる液体水を緩徐に排出する排出規制手段が設けられている。この排出規制手段は、排出部を液体水により封止して空気の排出を妨げるものである。この形態では、排出規制手段は、冷却空間Ｓ２の排出部を構成する流路の断面積を、所定の長さに渡って狭窄させた流路狭窄部Ｓ２’とされている。図示の流路狭窄部Ｓ２’は、流路構成部材が薄板金属板のプレス品であることから、プレス成形された凸部１４１を、凸部の内側に所定の空間が残る程度に板面方向に押し潰して偏平化部分１４１’を形成することで構成されている。
【００３８】
このように冷却手段の冷却空間Ｓ２の下部に形成された排出部に、セパレータ１０Ｂの他の部分に対して隔絶させて水切り部Ｓ２”が形成されている。この水切り部Ｓ２”とセパレータ１０Ｂの他の部分との隔絶は、概括的には、水切り部Ｓ２”の下端面１４ａ，１５ａとセパレータ１０Ｂの他の部分の下端面１６３ａ，１７０ａとの不連続によりなされている。この形態においては、水切り部Ｓ２”とセパレータ１０Ｂの他の部分との隔絶は、水切り部Ｓ２”の下端面１４ａ，１５ａとセパレータ１０Ｂの他の部分の下端面１６３ａ，１７０ａとの面位置の上下方向のずれによりなされている。
【００３９】
より具体的には、本形態において、セパレータ１０Ｂは、空気流路Ｓ１と冷却空間Ｓ２を画成する空間画成部材としての集電部材１４，１５と、該空間画成部材に添設された枠体１６，１７を備えることから、冷却空間Ｓ２の排出部に沿う枠体部分、すなわち横枠部１６３と枠体１７の下方の横枠部１７０が、冷却空間Ｓ２の排出部の下端より上部で終端して、排出部における水切り部Ｓ２”を枠体１６，１７から下端面１６３ａ，１７０ａ位置をずらす形態で隔絶している。なお、枠体１６の両側の縦枠部１６１の下端面１６１ａは、水切り部Ｓ２”の下端面１４ａ，１５ａと同位置にあるが、冷却空間Ｓ２の各排出部とは離れているため、水切りの支障にはならない。こうして、水切り部Ｓ２”は、冷却空間Ｓ２の排出部を構成する流路の断面積を、所定の長さに渡って狭窄させた流路狭窄部Ｓ２’の下端で構成される。
【００４０】
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６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１８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Ｓ１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、燃料電池スタックの下方の空気流路Ｓ１の下部開口から排出される。
【００４１】
これに対して、空気流路Ｓ１に入らなかった空気と水は、そのままでは燃料電池スタックの下方の冷却空間Ｓ２の下部開口から排出されることになるが、流路狭窄部Ｓ２’の作用で、壁を伝って流下する液体水状態の水が流路狭窄部に至って滞留することで毛細管現象により流路を塞ぐ現象が生じ、この水が冷却空間Ｓ２からの空気の直接の排出を妨げる作用をする。したがって、冷却空間Ｓ２に供給された空気は、実質上全て空気流路Ｓ１に送り込まれてから、空気流路を経て燃料電池スタックから排出されるようになる。また、空気に対する閉栓機能を果たす液体水は、流路狭窄部に滞留する最下部の水が上部の水に押され、水切り部Ｓ２”から離れるときに水滴となって落下することで順次排水される。この際、水切り部Ｓ２”がその周囲部分に対して隔絶されていることで、周囲部分に回り込んで水膜となり、排水の落下を妨げる状態の発生が回避される。
【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２参照）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システムの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、冷却空間Ｓ２の排出部の水切り部Ｓ２”が枠体１６の横枠部下面１６３ａや枠体１７の横枠部下面１７０ａに対して隔絶されていることで、排水が水切り部Ｓ２”から枠体１６の横枠部下面１６３ａや枠体１７の横枠部下面１７０ａに回り込んでセパレータの下面に水膜を形成することがなくなり、各水切り部Ｓ２”から水滴化して落下することで順次排出されるため、冷却空間Ｓ２に隣接する空気流路Ｓ１を水膜で塞ぐことがなくなり、空気流路Ｓ１からの排気を促進することができる。
【００４４】
また、水切り部Ｓ２”の枠体１６，１７に対する隔絶が、流路画成部材としての導電部材１４，１５に対する枠体１６，１７の上下方向寸法設定のみでなされているため、枠体１６，１７に格別の加工を施すことなく、水切り部Ｓ２”の隔絶が単純な構成で実現されている。更に、水切り部Ｓ２”を流路狭窄部Ｓ２’の下端に形成しているため、冷却空間Ｓ２の流路狭窄部Ｓ２’に溜まる液体水による空気封止機能を得ながら、水切り部Ｓ２”を小さな面積のものとすることができ、周囲と隔絶した水切り部Ｓ２”での水切りが一層確実に行なわれるようになる。しかも、このように水切り部Ｓ２”を小さな面積のものとすることで、その分だけ隣接する空気流路Ｓ１の排気部の開口面積を広げることができるため、水切り部Ｓ２”の隔絶と相俟って、空気流路Ｓ１の排気部への液体水の回り込みによる閉鎖を一層確実に防ぐことができる。更に、セパレータの薄肉化に伴い極細長い空間となる冷却空間Ｓ２からの排水が安定的に行なわれ、同様の理由から極細長い流路となる隣接する空気流路Ｓ１からの排気も冷却空間Ｓ２の排出部からの水の回り込みにより阻害されることなく、円滑に行なわれる効果が得られる。この結果、燃料電池の発電性能が向上する。
【００４５】
以上、本発明の理解のために実施形態を例示したが、本発明は例示の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の事項の範囲内で、種々に具体的構成を変更して実施可能なものである。
【００４６】
【発明の効果】
本発明の請求項１に記載の構成によれば、冷却空間の排出部の水切り部が周囲に対して隔絶されていることで、排水が水切り部から周囲に回り込んで水膜となることなく、水滴化して落下することで順次排出されるため、水膜がセパレータの底面に形成されて冷却空間に隣接する空気流路を水膜で塞ぐことがなくなり、空気流路からの排気を阻害するのを防ぐことができる。
【００４７】
また、請求項２に記載の発明によれば、水切り部の下端面とセパレータの他の部分の下端面との不連続によりセパレータ下面の面位置の連続による水膜の形成が阻害されるため、水切り部からセパレータの他の部分への排水の回り込みが少なくなり、排水の水滴化による水切り部からの落下が安定的に生じるようになる。
【００４８】
更に、請求項３に記載の発明によれば、水切り部の下端面とセパレータの他の部分の段差によりセパレータ下面の面位置の一致による水膜の形成が阻害されるため、排水がセパレータの他の部分に多少回り込んだ場合でも、水切り部とつながった水膜の形成が防止される。
【００４９】
また、請求項４に記載の構成によれば、流路画成部材に対する枠体の上下方向寸法設定のみで水切り部の他の隣接部分に対する隔絶が可能となるため、枠体に格別の加工を施すことなく、冷却空間からの排水の水切りを行なうことができる。
【００５０】
次に、請求項５に記載の構成によれば、水切り部を小さな面積のものとすることができるため、周囲と隔絶した水切り部での水切りが一層確実に行なわれるようになる。
【００５１】
また、請求項６に記載の構成によれば、冷却空間の流路狭窄部に溜まる液体水による空気封止機能を得ながら、液体水を安定的に排水することができる。しかも、水切り部を小さな面積のものとすることができ、その分だけ隣接する空気流路の排気部の開口面積を広げることができるため、水切り部の隔絶と相俟って、空気流路の排気部への液体水の回り込みによる閉鎖を一層確実に防ぐことができる。
【００５２】
更に、請求項７に記載の構成によれば、セパレータの薄肉化に伴い極細長い空間となる冷却空間からの排水が安定的に行なわれ、同様の理由から極細長い流路となる隣接する空気流路からの排気も冷却空間の排出部からの水の回り込みにより阻害されることなく、円滑に行なわれる効果が得られる。この結果、燃料電池の発電性能が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の適用に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る単電池の部分横断面図である。
【図３】実施形態の単電池の縦断面図である。
【図４】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５】実施形態に係る単電池を下方から見て水切り部の構成を示す部分底面図である。
【図６】実施形態のセパレータによる冷却と排水のメカニズムを示す模式図である。
【符号の説明】
１０Ａ単位セル
１０Ｂセパレータ
１２空気極
１４，１５導電部材（空間画成部材）
１６，１７枠体
１４３連通孔
Ｓ１空気流路
Ｓ２冷却空間（冷却手段）
Ｓ２’ 流路狭窄部
Ｓ２” 水切り部

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、前記単位セルとセパレータとが接する面が垂直であ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設けられた空気流路と、背面側に設けられて空気と水とを供給される冷却空間とからなり、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冷却手段を備え、
前記冷却空間は、上部に空気と水の取入れ部を有し、下部に空気と水の排出部を有し、
該排出部に、セパレータの壁を伝って流下した水を滞留させて水滴化する水切り部が形成されていることを特徴とする燃料電池。
前記水切り部の下端面は、セパレータの壁を伝って流下した水が滞留する面であり、前記排出部以外の下端面と不連続に形成されている、請求項１に記載の燃料電池。
前記水切り部の下端面と前記排出部以外の下端面とは、面位置が上下方向にずれている、請求項２に記載の燃料電池。
前記セパレータは、空気流路と冷却空間を画成する空間画成部材と、該空間画成部材に添設された枠体を備え、該枠体は、前記冷却空間の排出部から水が流下しないように、冷却空間の排出部の下端より上部で終端している、請求項２又は３に記載の燃料電池。
前記水切り部は、冷却空間の排出部を構成する流路の断面積を、所定の長さに渡って狭窄させた流路狭窄部の下端で構成される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池。
前記冷却空間は、セパレータの連通孔を介して隣接する空気流路に連通され、流路狭窄部は、該流路狭窄部に溜まる液体水により排出部を封止して空気の排出を妨げるものである、請求項５に記載の燃料電池。
前記セパレータの空間画成部材は、導電性金属板材料のプレス成形品からなる一対の板状部材を板面方向に互いに当接させてなり、両板状部材の間に冷却空間を画成する、請求項４、５又は６に記載の燃料電池。