JP5008265B2 - Separator unit and fuel cell stack - Google Patents

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Description

本発明は、セパレータユニット及び燃料電池スタックに関するものである。   The present invention relates to a separator unit and a fuel cell stack.

従来、燃料電池は、発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は、人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック等の車両用の動力源として開発が進んでいる。そして、前記燃料電池は、アルカリ水溶液型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、直接型メタノール等のものであってもよいが、反応温度が低く、小型化に有利な固体高分子型燃料電池が一般的である。   Conventionally, since fuel cells have high power generation efficiency and do not emit harmful substances, they have been put to practical use as power generators for industrial and household use, or as power sources for artificial satellites and spacecrafts. Development is progressing as a power source for vehicles such as passenger cars, buses and trucks. The fuel cell may be of an alkaline aqueous solution type, a phosphoric acid type, a molten carbonate type, a solid oxide type, a direct type methanol or the like, but has a low reaction temperature and is advantageous for miniaturization. Molecular fuel cells are common.

この場合、固体高分子電解質膜を2枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合したMEA(Membrane Electrode Assembly:膜電極接合体)が使用される。そして、前記ガス拡散電極の一方を燃料極(アノード極)とし、その表面に燃料としての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン(プロトン)と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極(カソード極)とし、その表面に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。   In this case, a MEA (Membrane Electrode Assembly) in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between two gas diffusion electrodes and joined together is used. When one of the gas diffusion electrodes is used as a fuel electrode (anode electrode) and hydrogen gas as a fuel is supplied to the surface of the gas diffusion electrode, hydrogen is decomposed into hydrogen ions (protons) and electrons, and the hydrogen ions are converted into a solid polymer electrolyte. Permeates the membrane. Further, when the other of the gas diffusion electrodes is an oxygen electrode (cathode electrode) and air as an oxidant is supplied to the surface, oxygen in the air is combined with the hydrogen ions and electrons to generate water. The An electromotive force is generated by such an electrochemical reaction.

そして、固体高分子型燃料電池は、MEAの外側に燃料ガスとしての水素ガスや酸素等の酸化剤ガスのような反応ガスの供給通路を形成するセパレータを配した積層構造を有する。前記セパレータは、積層方向に隣り合うMEAへの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。このように、MEAとセパレータとから成る単位セルを多数積層して燃料電池スタックが構成される。   The polymer electrolyte fuel cell has a laminated structure in which a separator that forms a supply passage for a reactive gas such as hydrogen gas as a fuel gas or an oxidant gas such as oxygen is disposed outside the MEA. The separator prevents current gas from passing through the MEAs adjacent to each other in the stacking direction, and collects current to extract the generated current to the outside. In this way, a fuel cell stack is configured by laminating a large number of unit cells composed of MEAs and separators.

ところで、燃料電池システムでは、電気化学反応によって、各セルにおいて発生電力にほぼ相当する熱量の熱が発生するため、特に、低温で作動する高分子型燃料電池においては、各セルが過度にヒートアップすることを防止する冷却手段を備える。この場合、一般に、セルスタック中に反応ガスの供給路とは別の冷媒通路を設け、該冷媒通路に冷却水等の冷媒を流すようになっている(例えば、特許文献1及び2参照。)。
特開平8−306371号公報 特開平10−340734号公報
By the way, in a fuel cell system, an amount of heat corresponding to the generated electric power is generated in each cell due to an electrochemical reaction. In particular, in a polymer type fuel cell operating at a low temperature, each cell heats up excessively. The cooling means which prevents it is provided. In this case, generally, a refrigerant path different from the reaction gas supply path is provided in the cell stack, and a refrigerant such as cooling water flows through the refrigerant path (see, for example, Patent Documents 1 and 2). .
JP-A-8-306371 JP 10-340734 A

しかしながら、前記従来の燃料電池システムにおいては、冷媒通路の形状や配置が適切でなく、燃料電池スタックを十分に冷却することが困難であった。また、生成水等の水分によって水素ガスや空気の流路が塞(ふさ)がれてしまう現象であるフラッディングが発生し易いので、水素ガスや空気の流路を適切な形状とすることができなかった。そのため、各セルにおける発電効率や冷却効率を向上させることができなかった。   However, in the conventional fuel cell system, the shape and arrangement of the refrigerant passage are not appropriate, and it is difficult to sufficiently cool the fuel cell stack. In addition, flooding, which is a phenomenon in which the flow path of hydrogen gas and air is blocked by moisture such as generated water, is likely to occur, so that the flow path of hydrogen gas and air can be appropriately shaped. There wasn't. Therefore, the power generation efficiency and cooling efficiency in each cell could not be improved.

本発明は、前記従来の問題点を解決して、多孔(こう)体から成る集電体を使用することによって、燃料電池内におけるガスの流路に屈曲箇所を設けてもフラッディングが発生することがなく、発電効率が高く、冷却能力が高く、燃料電池の出力を高めることができるセパレータユニット及び燃料電池スタックを提供することを目的とする。   The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and by using a current collector made of a porous body, flooding occurs even if a bent portion is provided in the gas flow path in the fuel cell. It is an object of the present invention to provide a separator unit and a fuel cell stack that have high power generation efficiency, high cooling capacity, and can increase the output of the fuel cell.

そのために、本発明のセパレータユニットにおいては、固体高分子電解質膜を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池であって生成水が生じる燃料電池に挟まれるセパレータユニットであって、前記燃料極に供給される燃料ガスと前記酸素極に供給される酸化剤ガスとを遮断する板状のセパレータ本体と、該セパレータ本体の一側又は両側に設けられ、網目状の開口を備え、前記燃料極又は酸素極に当接するとともに、前記ガスを蛇行状に流通させる集電体とを有し、少なくとも前記酸素極に当接する集電体は、網目状の開口を備えるメタル板材から成るとともに、該メタル板材にプレス加工によって形成された複数の並行する凸条を備える波板であり、前記凸条間の谷部の平面は前記酸素極の電極拡散層に当接する電極当接部であり、前記凸条の頂部は前記セパレータ本体の側面に当接するセパレータ当接部であり、前記凸条の幅は前記凸条間の谷部の幅より狭いTherefore, in the separator unit of the present invention, the separator unit is a fuel cell in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode, and is sandwiched between fuel cells in which produced water is generated. A plate-like separator body that cuts off the supplied fuel gas and the oxidant gas supplied to the oxygen electrode, provided on one or both sides of the separator body, and provided with a mesh-like opening; A current collector that abuts the oxygen electrode and circulates the gas in a meandering manner, and the current collector that abuts at least the oxygen electrode is made of a metal plate material having a mesh-like opening, and the metal plate material The corrugated plate is provided with a plurality of parallel protrusions formed by pressing, and the plane of the valley between the protrusions is an electrode contact portion that contacts the electrode diffusion layer of the oxygen electrode. The top Ri abutting separator abutment der on the side surface of the separator body, the width of the ridges narrower than the width of the valley between the convex.

本発明の他のセパレータユニットにおいては、さらに、前記集電体は、重力方向に延在する電極当接部が重力方向に延在する前記酸素極の電極拡散層の面に当接し、前記電極当接部における開口の少なくとも重力方向側の面が、前記酸素極の電極拡散層の面から重力方向に延在するセパレータ本体の側面に向かい、かつ、重力方向に傾斜している。 In another separator unit of the present invention, the current collector further has an electrode contact portion extending in a gravitational direction in contact with a surface of an electrode diffusion layer of the oxygen electrode extending in the gravitational direction, at least the gravity direction side surface of the opening in the abutting portion, not suited from the viewpoint of the electrode diffusion layer before hexane Motokyoku the side surface of the separator body extending in the direction of gravity, and are inclined in the direction of gravity .

本発明の燃料電池スタックにおいては、固体高分子電解質膜を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池であって生成水が生じる燃料電池が、セパレータユニットを挟んで積層されている燃料電池スタックであって、前記セパレータユニットは、前記燃料極に供給される燃料ガスと前記酸素極に供給される酸化剤ガスとを遮断する板状のセパレータ本体と、該セパレータ本体の一側又は両側に設けられ、網目状の開口を備え、前記燃料極又は酸素極に当接するとともに、前記ガスを蛇行状に流通させる集電体とを備え、少なくとも前記酸素極に当接する集電体は、網目状の開口を備えるメタル板材から成るとともに、該メタル板材にプレス加工によって形成された複数の並行する凸条を備える波板であり、前記凸条間の谷部の平面は前記酸素極の電極拡散層に当接する電極当接部であり、前記凸条の頂部は前記セパレータ本体の側面に当接するセパレータ当接部であり、前記凸条の幅は前記凸条間の谷部の幅より狭いThe fuel cell stack of the present invention is a fuel cell stack in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode, and a fuel cell in which generated water is produced is stacked with a separator unit interposed therebetween. The separator unit is provided on one side or both sides of a plate-shaped separator body that cuts off a fuel gas supplied to the fuel electrode and an oxidant gas supplied to the oxygen electrode. A current collector provided with a mesh-like opening, contacting the fuel electrode or the oxygen electrode and flowing the gas in a meandering manner, and at least the current collector contacting the oxygen electrode is a mesh-like opening The corrugated plate is provided with a plurality of parallel protrusions formed by pressing the metal plate material, and the plane of the valley between the protrusions is the oxygen electrode. An abutting electrode contact portion electrode diffusion layer, the top of the ridges the abutting separator abutment der on the side surface of the separator body is, the width of the ridges width of the valley between the convex Narrower .

本発明の他の燃料電池スタックにおいては、さらに、前記集電体は、重力方向に延在する電極当接部が重力方向に延在する前記酸素極の電極拡散層の面に当接し、前記電極当接部における開口の少なくとも重力方向側の面が、前記酸素極の電極拡散層の面から重力方向に延在するセパレータ本体の側面に向かい、かつ、重力方向に傾斜している。 In another fuel cell stack of the present invention, the current collector further has an electrode contact portion extending in the gravitational direction in contact with a surface of the electrode diffusion layer of the oxygen electrode extending in the gravitational direction, at least the gravity direction side of the opening in the electrode contact portion, the surface of the electrode diffusion layer before hexane Motokyoku not suited to the side surface of the separator body extending in the direction of gravity, and inclined in the direction of gravity Yes.

本発明によれば、セパレータユニットにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池に挟まれるセパレータユニットであって、前記燃料極に供給されるガスと前記酸素極に供給されるガスとを遮断する板状のセパレータ本体と、該セパレータ本体の一側又は両側に設けられ、網目状の開口を備え、前記ガスを蛇行状に流通させる集電体とを有する。   According to the present invention, in the separator unit, the separator unit is sandwiched between the fuel cells in which the electrolyte layer is sandwiched between the fuel electrode and the oxygen electrode, and is supplied to the gas supplied to the fuel electrode and the oxygen electrode. A plate-like separator main body that blocks gas, and a current collector that is provided on one or both sides of the separator main body and that has a mesh-like opening and distributes the gas in a meandering manner.

この場合、燃料極や酸素極に供給されるガスを蛇行させても、ガス流路内に発生した水滴によってガスの流れが遮断されることがない。これにより、ガスの流路長が長くなり、一定量のガスによる冷却能力が向上する。また、ガスは、燃料電池の燃料極又は酸素極に十分に接触することができる。   In this case, even if the gas supplied to the fuel electrode and the oxygen electrode is meandered, the gas flow is not blocked by the water droplets generated in the gas flow path. Thereby, the flow path length of gas becomes long and the cooling capability by a fixed amount of gas improves. Further, the gas can sufficiently come into contact with the fuel electrode or the oxygen electrode of the fuel cell.

また、他のセパレータユニットにおいては、さらに、前記集電体は、前記燃料極又は酸素極に当接する部分における開口の少なくとも重力方向側の面が、前記燃料極又は酸素極からセパレータ本体に向かって重力方向に傾斜している。   Further, in another separator unit, the current collector has at least a surface in a gravitational direction side of an opening in a portion in contact with the fuel electrode or the oxygen electrode from the fuel electrode or the oxygen electrode toward the separator body. Inclined in the direction of gravity.

この場合、燃料電池の酸素極側における生成水や燃料極側における逆拡散水を速やかに除去することができる。そのため、燃料電池の酸素極側及び燃料極側の電極拡散層は、水滴によって覆われることがなく、酸化剤及び燃料ガスと十分に接触することができる。   In this case, the generated water on the oxygen electrode side of the fuel cell and the reverse diffusion water on the fuel electrode side can be removed quickly. Therefore, the electrode diffusion layer on the oxygen electrode side and the fuel electrode side of the fuel cell is not covered with water droplets, and can sufficiently contact the oxidant and the fuel gas.

また、燃料電池スタックにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、セパレータユニットを挟んで積層されている燃料電池スタックであって、前記セパレータユニットは、前記燃料極に供給されるガスと前記酸素極に供給されるガスとを遮断する板状のセパレータ本体と、該セパレータ本体の一側又は両側に設けられ、網目状の開口を備え、前記ガスを蛇行状に流通させる集電体とを備える。   In the fuel cell stack, a fuel cell in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode is stacked with a separator unit interposed therebetween, and the separator unit is supplied to the fuel electrode. Plate-like separator main body that cuts off the gas to be supplied and the gas supplied to the oxygen electrode, provided on one or both sides of the separator main body, and provided with a mesh-like opening, and the gas is circulated in a meandering manner And a current collector.

この場合、燃料極や酸素極に供給されるガスを蛇行させても、ガス流路内に発生した水滴によってガスの流れが遮断されることがない。これにより、ガスの流路長が長くなり、一定量のガスによる冷却能力が向上する。また、ガスは、燃料電池の燃料極又は酸素極に十分に接触することができる。   In this case, even if the gas supplied to the fuel electrode and the oxygen electrode is meandered, the gas flow is not blocked by the water droplets generated in the gas flow path. Thereby, the flow path length of gas becomes long and the cooling capability by a fixed amount of gas improves. Further, the gas can sufficiently come into contact with the fuel electrode or the oxygen electrode of the fuel cell.

また、他の燃料電池スタックにおいては、さらに、前記集電体は、前記燃料極又は酸素極に当接する部分における開口の少なくとも重力方向側の面が、前記燃料極又は酸素極からセパレータ本体に向かって重力方向に傾斜している。   In another fuel cell stack, the current collector further has at least a surface in a gravitational direction side of an opening in a portion in contact with the fuel electrode or the oxygen electrode facing the separator body from the fuel electrode or the oxygen electrode. And tilted in the direction of gravity.

この場合、燃料電池の酸素極側における生成水や燃料極側における逆拡散水を速やかに除去することができる。そのため、燃料電池の酸素極側及び燃料極側の電極拡散層は、水滴によって覆われることがなく、酸化剤及び燃料ガスと十分に接触することができる。   In this case, the generated water on the oxygen electrode side of the fuel cell and the reverse diffusion water on the fuel electrode side can be removed quickly. Therefore, the electrode diffusion layer on the oxygen electrode side and the fuel electrode side of the fuel cell is not covered with water droplets, and can sufficiently contact the oxidant and the fuel gas.

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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図2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3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制御システムの構成を示す図、図4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構成を示す図である。   FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention, FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the control system for the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention, and FIG. It is a figure which shows the structure of the fuel cell stack in the 1st Embodiment of this invention.

図2及び4において、20は燃料電池(FC)としての燃料電池スタックであり、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として使用される。ここで、前記車両は、照明装置、ラジオ、パワーウィンドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えており、また、走行パターンが多様であり、動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源としての燃料電池スタック20と図示されない蓄電手段としての二次電池とを併用して使用することが望ましい。   2 and 4, reference numeral 20 denotes a fuel cell stack as a fuel cell (FC), which is used as a power source for vehicles such as passenger cars, buses, trucks, passenger carts, and luggage carts. Here, the vehicle includes a large number of auxiliary devices that consume electricity, such as a lighting device, a radio, and a power window, which are used even when the vehicle is stopped. Since the required output range is extremely wide, it is desirable to use a fuel cell stack 20 as a power source in combination with a secondary battery as a power storage means (not shown).

そして、燃料電池スタック20は、アルカリ水溶液型(AFC)、リン酸型(PAFC)、溶融炭酸塩型(MCFC)、固体酸化物型(SOFC)、直接型メタノール(DMFC)等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池(PEMFC)であることが望ましい。   The fuel cell stack 20 is of an alkaline aqueous solution type (AFC), phosphoric acid type (PAFC), molten carbonate type (MCFC), solid oxide type (SOFC), direct methanol (DMFC), or the like. However, a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) is desirable.

なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料とし、酸素又は空気を酸化剤とするPEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)型燃料電池、又は、PEM(Proton Exchange Membrane)型燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該PEM型燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを透過する固体高分子電解質膜の両側に触媒、電極及びセパレータを結合したセル(Fuel Cell)を複数及び直列に結合したスタック(Stack)から成る。   More preferably, it is called a PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) type fuel cell or PEM (Proton Exchange Membrane) type fuel cell using hydrogen gas as fuel and oxygen or air as oxidant. Here, the PEM type fuel cell is generally a stack in which a plurality of cells (Fuel Cell) in which a catalyst, an electrode and a separator are combined on both sides of a solid polymer electrolyte membrane that transmits ions such as protons are connected in series. (Stack).

本実施の形態において、燃料電池スタック20は、図4に示されるように、複数のセルモジュール10を有する。なお、図4における矢印は、燃料電池スタック20を冷却するための複数の冷却系の1つである閉じた冷却系における冷媒の流れを示している。そして、セルモジュール10は、燃料電池としての後述される単位セル(MEA)11と、該単位セル11同士を電気的に接続するとともに、単位セル11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後述されるセパレータユニット12と、単位セル11及びセパレータユニット12を支持する図示されないフレームとを1セットとして、板厚方向(図4において左下角と右上角を結ぶ対角線方向)に複数セットを重ねて構成されている。   In the present embodiment, the fuel cell stack 20 includes a plurality of cell modules 10 as shown in FIG. Note that the arrows in FIG. 4 indicate the flow of refrigerant in a closed cooling system that is one of a plurality of cooling systems for cooling the fuel cell stack 20. The cell module 10 is a unit cell (MEA) 11 to be described later as a fuel cell, electrically connects the unit cells 11 to each other, and the flow path of hydrogen gas introduced into the unit cell 11 and air Thickness direction (diagonal direction connecting the lower left corner and the upper right corner in FIG. 4) as a set of a separator unit 12 to be described later for separating the flow path and a frame (not shown) that supports the unit cell 11 and the separator unit 12. It is configured by overlapping multiple sets.

図2には、燃料電池スタック20に燃料ガスとしての水素ガス及び酸化剤としての空気を供給する装置が示される。なお、図示されない改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して取り出した燃料である水素ガスを燃料電池スタック20に直接供給することもできるが、車両の高負荷運転時にも安定して十分な量の水素ガスを供給することができるようにするためには、燃料貯蔵手段73に貯蔵した水素ガスを供給することが望ましい。これにより、該水素ガスがほぼ一定の圧力で、常に、十分に供給されるので、前記燃料電池スタック20は車両の負荷の変動に遅れることなく追随して、必要な電流を供給することができる。この場合、前記燃料電池スタック20の出力インピーダンスは極めて低く、0に近似することが可能である。   FIG. 2 shows an apparatus for supplying hydrogen gas as fuel gas and air as oxidant to the fuel cell stack 20. Although hydrogen gas, which is fuel taken out by reforming methanol, gasoline, or the like by a reformer (not shown), can be directly supplied to the fuel cell stack 20, it is stable and sufficient even during high-load operation of the vehicle. In order to be able to supply an amount of hydrogen gas, it is desirable to supply the hydrogen gas stored in the fuel storage means 73. Thereby, the hydrogen gas is always sufficiently supplied at a substantially constant pressure, so that the fuel cell stack 20 can follow the fluctuation of the load of the vehicle and supply a necessary current. . In this case, the output impedance of the fuel cell stack 20 is extremely low and can be approximated to zero.

水素ガスは、水素吸蔵合金を収納した容器、デカリンのような水素吸蔵液体を収納した容器、水素ガスボンベ等の燃料貯蔵手段73から、燃料供給管路としての第1燃料供給管路21、及び、該第1燃料供給管路21に接続された燃料供給管路としての第2燃料供給管路33を通って、燃料電池スタック20の燃料室に供給される。そして、前記第1燃料供給管路21には、燃料貯蔵手段元開閉弁24、水素ガスの圧力を検出する圧力センサとしての水素圧センサ27及び28、供給される水素ガスの圧力を調整する第1の水素供給調圧弁25a及び第2の水素供給調圧弁25b、並びに、燃料供給電磁弁26が配設される。   Hydrogen gas is stored in a container containing a hydrogen storage alloy, a container containing a hydrogen storage liquid such as decalin, a fuel storage means 73 such as a hydrogen gas cylinder, a first fuel supply line 21 as a fuel supply line, and The fuel is supplied to the fuel chamber of the fuel cell stack 20 through a second fuel supply line 33 as a fuel supply line connected to the first fuel supply line 21. The first fuel supply line 21 is provided with a fuel storage means on-off valve 24, hydrogen pressure sensors 27 and 28 as pressure sensors for detecting the pressure of hydrogen gas, and a first pressure for adjusting the pressure of supplied hydrogen gas. One hydrogen supply pressure regulating valve 25a, a second hydrogen supply pressure regulating valve 25b, and a fuel supply electromagnetic valve 26 are disposed.

ここで、前記燃料貯蔵手段73は、十分に大きな容量を有し、常に、十分に高い圧力の水素ガスを供給することができる能力を有するものである。なお、図2に示される例においては、燃料貯蔵手段73が複数、例えば、3つ配設され、また、第1燃料供給管路21は、各燃料貯蔵手段73に接続される部分で複数本に分岐され、途中で合流して1本になっている。しかし、燃料貯蔵手段73は、単数であってもよいし、また、複数であってもよいし、複数の場合にはいくつであってもよい。   Here, the fuel storage means 73 has a sufficiently large capacity and is capable of always supplying a sufficiently high pressure of hydrogen gas. In the example shown in FIG. 2, a plurality of, for example, three fuel storage means 73 are provided, and a plurality of first fuel supply pipes 21 are connected to each fuel storage means 73. It is branched and is merged on the way to become one. However, the number of the fuel storage means 73 may be singular, plural, or any number in the case of plural.

そして、燃料電池スタック20の燃料室から排出される水素ガスは、燃料排出管路31を通って燃料電池スタック20の外部に排出される。前記燃料排出管路31には、回収容器としての水回収ドレインタンク60が配設されている。そして、該水回収ドレインタンク60には水と分離された水素ガスとを排出する燃料排出管路30が接続され、該燃料排出管路30には燃料強制排出装置としての吸引循環ポンプ36が配設されている。また、前記燃料排出管路30における水回収ドレインタンク60と反対側の端部は、第2燃料供給管路33に接続されている。これにより、燃料電池スタック20の外部に導出された水素ガスを回収し、燃料電池スタック20の燃料室に供給して再利用することができる。   The hydrogen gas discharged from the fuel chamber of the fuel cell stack 20 is discharged to the outside of the fuel cell stack 20 through the fuel discharge pipe 31. A water recovery drain tank 60 as a recovery container is disposed in the fuel discharge line 31. The water recovery drain tank 60 is connected to a fuel discharge line 30 for discharging water and separated hydrogen gas. The fuel discharge line 30 is provided with a suction circulation pump 36 as a fuel forced discharge device. It is installed. The end of the fuel discharge line 30 opposite to the water recovery drain tank 60 is connected to the second fuel supply line 33. Thereby, the hydrogen gas led out of the fuel cell stack 20 can be recovered, supplied to the fuel chamber of the fuel cell stack 20, and reused.

また、前記水回収ドレインタンク60には、燃料排出管路56が接続され、該燃料排出管路56には水素排気弁62が配設され、燃料電池スタック20の起動時等に燃料室から排出される水素ガスを大気中に排出することができるようになっている。なお、燃料排出管路56に、必要に応じて水素燃焼器を配設することもできる。該水素燃焼器によって排出される水素ガスを燃焼させ、水にしてから大気中に排出することができる。   Further, a fuel discharge line 56 is connected to the water recovery drain tank 60, and a hydrogen exhaust valve 62 is disposed in the fuel discharge line 56, and is discharged from the fuel chamber when the fuel cell stack 20 is started up. The hydrogen gas to be discharged can be discharged into the atmosphere. Note that a hydrogen combustor may be provided in the fuel discharge line 56 as necessary. The hydrogen gas discharged by the hydrogen combustor can be combusted to form water, and then discharged into the atmosphere.

ここで、前記第1の水素供給調圧弁25a及び第2の水素供給調圧弁25bは、バタフライバルブ、レギュレータバルブ、ダイヤフラム式バルブ、マスフローコントローラ、シーケンスバルブ等のものであるが、前記第1の水素供給調圧弁25a及び第2の水素供給調圧弁25bの出口から流出する水素ガスの圧力をあらかじめ設定した圧力に調整することができるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。なお、前記圧力の調整は、手動によってなされてもよいが、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによってなされることが望ましい。また、前記燃料供給電磁弁26及び水素排気弁62は、いわゆる、オン−オフ式のものであり、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによって作動させられる。なお、前記燃料貯蔵手段元開閉弁24は手動又は電磁弁を用いて自動的に作動させられる。さらに、前記吸引循環ポンプ36は、水素ガスを強制的に排出し、燃料室内を負圧の状態にすることができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。   Here, the first hydrogen supply pressure regulating valve 25a and the second hydrogen supply pressure regulating valve 25b are a butterfly valve, a regulator valve, a diaphragm valve, a mass flow controller, a sequence valve, and the like. Any type may be used as long as the pressure of the hydrogen gas flowing out from the outlets of the supply pressure regulating valve 25a and the second hydrogen supply pressure regulating valve 25b can be adjusted to a preset pressure. The pressure adjustment may be performed manually, but is preferably performed by an actuator including an electric motor, a pulse motor, an electromagnet, or the like. The fuel supply electromagnetic valve 26 and the hydrogen exhaust valve 62 are so-called on-off types, and are actuated by actuators such as an electric motor, a pulse motor, and an electromagnet. The fuel storage means original opening / closing valve 24 is operated manually or automatically using an electromagnetic valve. Further, the suction circulation pump 36 may be of any kind as long as it is capable of forcibly discharging hydrogen gas and bringing the fuel chamber into a negative pressure state.

一方、酸化剤としての空気は、酸化剤供給源としての空気供給ポンプ75から、酸化剤供給管路76を通って、燃料電池スタック20の酸素室に供給される。なお、酸化剤供給源としては、空気供給ポンプ75に代えて空気ボンベ、空気タンク等を使用することもできる。また、酸化剤として、空気に代えて酸素を使用することもできる。そして、酸素室から排出される空気は、排気マニホールド77を通って大気中へ排出される。   On the other hand, air as an oxidant is supplied from an air supply pump 75 as an oxidant supply source through an oxidant supply line 76 to the oxygen chamber of the fuel cell stack 20. As the oxidant supply source, an air cylinder, an air tank or the like can be used instead of the air supply pump 75. Further, oxygen can be used as the oxidant instead of air. The air discharged from the oxygen chamber is discharged into the atmosphere through the exhaust manifold 77.

なお、燃料電池スタック20の酸素極としての空気極側から単位セル11を湿潤な状態に維持するために、酸素室に供給される空気中に水をスプレーして供給することもできる。この場合、例えば、水を貯留するタンクから供給された水を、酸化剤供給管路76の途中や燃料電池スタック20の酸素室の入口に配設された水供給ノズルを通して、空気中にスプレーすることが望ましい。また、排気マニホールド77の途中等に凝縮器を配設して、酸素室から排出される空気に含まれる水を回収して再利用することが望ましい。   In addition, in order to maintain the unit cell 11 in a wet state from the air electrode side as the oxygen electrode of the fuel cell stack 20, water can be sprayed and supplied to the air supplied to the oxygen chamber. In this case, for example, water supplied from a tank for storing water is sprayed into the air through a water supply nozzle disposed in the middle of the oxidant supply pipe 76 or at the inlet of the oxygen chamber of the fuel cell stack 20. It is desirable. Further, it is desirable to arrange a condenser in the middle of the exhaust manifold 77 to collect and reuse water contained in the air discharged from the oxygen chamber.

ところで、燃料電池スタック20の酸素室に供給される空気は、圧力が大気圧程度の常圧の状態であってもよいし、圧力が大気圧よりも高くなるように加圧された状態であってもよいが、本実施の形態においては、加圧された状態であるものとして説明する。すなわち、本実施の形態における燃料電池システムは、いわゆる常圧システムでなく、加圧システムであるものとする。   Incidentally, the air supplied to the oxygen chamber of the fuel cell stack 20 may be in a normal pressure state where the pressure is about atmospheric pressure, or in a state where the pressure is increased so as to be higher than the atmospheric pressure. However, in the present embodiment, the description will be made assuming that the pressure is applied. That is, the fuel cell system in the present embodiment is not a so-called normal pressure system but a pressurization system.

また、図2には、燃料電池スタック20を冷却するための複数の冷却系の1つである閉じた冷却系の装置が示されている。前記燃料電池スタック20には、該燃料電池スタック20に供給される冷媒が通過する冷媒供給管路53、及び、燃料電池スタック20から排出された冷媒が通過する冷媒排出管路71が接続されている。そして、前記冷媒供給管路53及び冷媒排出管路71の燃料電池スタック20と反対側の端には冷媒貯留容器52が接続されている。また、前記冷媒供給管路53には、冷媒ポンプとしての冷媒供給ポンプ54及びフィルタ55が配設されている。さらに、前記冷媒排出管路71には、冷媒を冷却する冷却装置としてのラジエータ72及び冷媒ポンプとしての冷媒排出ポンプ51が配設されている。ここで、前記冷媒は、例えば、水であるが、不凍液であってもよいし、いかなる種類の流体であってもよい。そして、前記冷媒排出ポンプ51及び冷媒供給ポンプ54は、水等の冷媒を吸引して吐出することができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。また、前記フィルタ55は、水等の冷媒に含まれる塵埃(じんあい)、不純物等を除去するものであれば、いかなる種類のものであってもよい。   FIG. 2 shows a closed cooling system device that is one of a plurality of cooling systems for cooling the fuel cell stack 20. Connected to the fuel cell stack 20 are a refrigerant supply line 53 through which refrigerant supplied to the fuel cell stack 20 passes and a refrigerant discharge pipe 71 through which refrigerant discharged from the fuel cell stack 20 passes. Yes. A refrigerant storage container 52 is connected to the ends of the refrigerant supply pipe 53 and the refrigerant discharge pipe 71 opposite to the fuel cell stack 20. The refrigerant supply pipe 53 is provided with a refrigerant supply pump 54 as a refrigerant pump and a filter 55. Further, a radiator 72 as a cooling device for cooling the refrigerant and a refrigerant discharge pump 51 as a refrigerant pump are disposed in the refrigerant discharge pipe 71. Here, the refrigerant is, for example, water, but may be antifreeze or any kind of fluid. The refrigerant discharge pump 51 and the refrigerant supply pump 54 may be of any type as long as they can suck and discharge a refrigerant such as water. The filter 55 may be of any type as long as it removes dust, impurities, etc. contained in a coolant such as water.

そして、燃料電池スタック20に供給された冷媒は、各セルモジュール10において、セパレータユニット12の後述されるセパレータ本体41内に形成された冷媒流路45内を流通して各セルモジュール10を冷却する。この場合、冷媒は、冷媒貯留容器52、冷媒供給管路53、燃料電池スタック20及び冷媒排出管路71を接続することによって形成された実質的に閉じた冷却系内を循環し、単位セル11に接触することがない。そのため、単位セル11を構成する固体高分子電解質膜、触媒、電極等の部材に冷媒が接触することがないので、不凍液等のように、単位セル11を構成する部材に影響を及ぼす可能性のある成分を含有する冷媒であっても使用することができる。   And the refrigerant | coolant supplied to the fuel cell stack 20 distribute | circulates in the refrigerant | coolant flow path 45 formed in the separator main body 41 mentioned later of the separator unit 12 in each cell module 10, and cools each cell module 10. FIG. . In this case, the refrigerant circulates in the substantially closed cooling system formed by connecting the refrigerant storage container 52, the refrigerant supply pipe 53, the fuel cell stack 20, and the refrigerant discharge pipe 71, and the unit cell 11. There is no contact. Therefore, since the refrigerant does not come into contact with members such as the solid polymer electrolyte membrane, the catalyst, and the electrode constituting the unit cell 11, there is a possibility of affecting the members constituting the unit cell 11 such as an antifreeze liquid. Even a refrigerant containing a certain component can be used.

また、燃料電池スタック20の燃料室に供給される水素ガス及び酸素室に供給される空気も、燃料電池スタック20を冷却する機能を有する。そのため、燃料電池スタック20に燃料ガスとしての水素ガス及び酸化剤としての空気を供給する装置は、燃料電池スタック20を冷却するための冷却系の1つとして機能する。そして、水素ガス及び空気は、消費されたり外部に排出されたりするものであるから、水素ガス及び空気を供給する装置は開いた冷却系と言える。この場合、水素ガス及び空気は、単位セル11を構成する固体高分子電解質膜、触媒、電極等の部材に接触しながらセルモジュール10内を流通して、該セルモジュール10を冷却する。なお、前述のように、酸素室に供給される空気中に水を供給するようにした場合には、冷却能力が向上する。   The hydrogen gas supplied to the fuel chamber of the fuel cell stack 20 and the air supplied to the oxygen chamber also have a function of cooling the fuel cell stack 20. Therefore, an apparatus for supplying hydrogen gas as a fuel gas and air as an oxidant to the fuel cell stack 20 functions as one of the cooling systems for cooling the fuel cell stack 20. And since hydrogen gas and air are consumed or discharged | emitted outside, it can be said that the apparatus which supplies hydrogen gas and air is an open cooling system. In this case, the hydrogen gas and air flow through the cell module 10 while being in contact with members such as a solid polymer electrolyte membrane, a catalyst, and an electrode constituting the unit cell 11, thereby cooling the cell module 10. As described above, when water is supplied into the air supplied to the oxygen chamber, the cooling capacity is improved.

なお、燃料電池スタック20には、図示されない電気端子の端子電圧を計測する電圧計78、燃料電池スタック20内を流通する空気又は燃料電池スタック20から排出される空気の温度を検出する排出空気温度計74が取り付けられている。また、冷媒貯留容器52及び水回収ドレインタンク60には水位を検出する水位センサ52a及び60aが取り付けられている。   The fuel cell stack 20 includes a voltmeter 78 that measures a terminal voltage of an electric terminal (not shown), and an exhaust air temperature that detects the temperature of air flowing through the fuel cell stack 20 or air discharged from the fuel cell stack 20. A total of 74 is attached. Water level sensors 52 a and 60 a for detecting the water level are attached to the refrigerant storage container 52 and the water recovery drain tank 60.

また、前記蓄電手段としての二次電池は、いわゆる、バッテリ(蓄電池)であり、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等が一般的である。なお、前記蓄電手段は、必ずしもバッテリでなくてもよく、電気二重層キャパシタのようなキャパシタ(コンデンサ)、フライホイール、超伝導コイル、蓄圧器等のように、エネルギを電気的に蓄積し放出する機能を有するものであれば、いかなる形態のものであってもよい。さらに、これらの中のいずれかを単独で使用してもよいし、複数のものを組み合わせて使用してもよい。   The secondary battery as the power storage means is a so-called battery (storage battery), and a lead storage battery, a nickel cadmium battery, a nickel hydrogen battery, a lithium ion battery, a sodium sulfur battery, and the like are common. The power storage means does not necessarily have to be a battery, and electrically stores and discharges energy, such as a capacitor (capacitor) such as an electric double layer capacitor, a flywheel, a superconducting coil, and a pressure accumulator. Any form may be used as long as it has a function. Furthermore, any of these may be used alone, or a plurality of them may be used in combination.

そして、前記燃料電池スタック20は図示されない負荷に接続され、発生した電流を前記負荷に供給する。ここで、該負荷は、一般的には、駆動制御装置であるインバータ装置であり、前記燃料電池スタック20又は蓄電手段からの直流電流を交流電流に変換して、車両の車輪を回転させる駆動モータに供給する。ここで、該駆動モータは発電機としても機能するものであり、車両の減速運転時には、いわゆる回生電流を発生する。この場合、前記駆動モータは車輪によって回転させられて発電するので、前記車輪にブレーキをかける、すなわち、車両の制動装置(ブレーキ)として機能する。そして、前記回生電流が蓄電手段に供給されて該蓄電手段が充電される。   The fuel cell stack 20 is connected to a load (not shown) and supplies the generated current to the load. Here, the load is generally an inverter device that is a drive control device, and converts a direct current from the fuel cell stack 20 or the power storage means into an alternating current to rotate a vehicle wheel. To supply. Here, the drive motor also functions as a generator, and generates a so-called regenerative current when the vehicle is decelerated. In this case, since the drive motor is rotated by the wheel to generate electric power, the wheel is braked, that is, functions as a vehicle braking device (brake). Then, the regenerative current is supplied to the power storage means, and the power storage means is charged.

また、本実施の形態において、燃料電池システムは、図3に示されるような制御システムを有する。図3において、81は、CPU、MPU等の演算手段、入出力インターフェイス等を備える一種のコンピュータであり、燃料電池システムの動作を制御する制御装置である。該制御装置81には、磁気ディスク、半導体メモリ等の記憶手段としてのメモリ82が接続されている。また、前記制御装置81には、前記電圧計78、水位センサ52a及び60a、水素圧センサ27及び28、排出空気温度計74、並びに、燃料電池スタック20の燃料室から排出される水素ガス濃度を検出する水素濃度センサ83が接続され、これら各種のセンサの出力が前記制御装置81に入力される。さらに、該制御装置81には、前記第1の水素供給調圧弁25a及び第2の水素供給調圧弁25b、水素排気弁62、空気供給ポンプ75、冷媒ポンプとしての冷媒供給ポンプ54及び冷媒排出ポンプ51、並びに、燃料電池システムに故障、事故等が発生した場合に警報を出力する装置としてのアラーム86が接続され、これらの装置は前記制御装置81によって動作が制御される。   In the present embodiment, the fuel cell system has a control system as shown in FIG. In FIG. 3, reference numeral 81 denotes a type of computer that includes an arithmetic means such as a CPU and MPU, an input / output interface, and the like, and is a control device that controls the operation of the fuel cell system. The control device 81 is connected to a memory 82 as storage means such as a magnetic disk or a semiconductor memory. The control device 81 includes the voltmeter 78, the water level sensors 52a and 60a, the hydrogen pressure sensors 27 and 28, the exhaust air thermometer 74, and the hydrogen gas concentration discharged from the fuel chamber of the fuel cell stack 20. A hydrogen concentration sensor 83 to be detected is connected, and outputs of these various sensors are input to the control device 81. Further, the control device 81 includes the first hydrogen supply pressure regulating valve 25a and the second hydrogen supply pressure regulating valve 25b, a hydrogen exhaust valve 62, an air supply pump 75, a refrigerant supply pump 54 as a refrigerant pump, and a refrigerant discharge pump. 51, and an alarm 86 as a device for outputting an alarm when a failure, an accident, or the like occurs in the fuel cell system, and the operation of these devices is controlled by the control device 81.

次に、前記セパレータユニット12の構成について詳細に説明する。   Next, the configuration of the separator unit 12 will be described in detail.

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セパレータユニットの酸素室の構成を示す図、図5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セパレータユニットの構成を示す図、図6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セパレータ本体内に形成された冷媒流路を示す図、図7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空気極側コレクタの第1の部分拡大図、図8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空気極側コレクタの第2の部分拡大図である。   FIG. 1 is a diagram showing the configuration of the oxygen chamber of the separator unit of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 5 is the configuration of the separator unit of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention. FIG. 6 is a diagram showing refrigerant flow paths formed in the separator body of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a fuel cell system according to the first embodiment of the present invention. FIG. 8 is a second partial enlarged view of the air electrode side collector of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention.

図5に示されるように、セルモジュール10は、単位セル11と、該単位セル11同士を電気的に接続するとともに、単位セル11に導入される水素ガスの流路としての燃料室と、空気の流路としての酸素室とを分離するセパレータユニット12とを有し、複数個が積層されている。なお、図5は、説明の都合上、積層されたセルモジュール10の一部のみを拡大して示す斜視図であり、単位セル11及びセパレータユニット12を支持するフレームは省略されている。   As shown in FIG. 5, the cell module 10 includes a unit cell 11, an electrical connection between the unit cells 11, a fuel chamber as a flow path of hydrogen gas introduced into the unit cell 11, an air And a separator unit 12 that separates the oxygen chamber as a flow path, and a plurality of them are stacked. FIG. 5 is an enlarged perspective view showing only a part of the stacked cell modules 10 for convenience of explanation, and a frame for supporting the unit cell 11 and the separator unit 12 is omitted.

そして、単位セル11は、電解質層としての固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜の一側に設けられた酸素極としての空気極(カソード極)及び他側に設けられた燃料極(アノード極)とで構成されている。前記空気極及び燃料極は、反応ガスを拡散しながら透過する導電性材料から成る拡散層と、該拡散層上に形成され、固体高分子電解質膜と接触させて支持される触媒物質を含む触媒層とから成る。なお、図5において、固体高分子電解質膜、空気極及び燃料極の図示は省略されている。   The unit cell 11 includes a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte layer, an air electrode (cathode electrode) as an oxygen electrode provided on one side of the solid polymer electrolyte membrane, and a fuel electrode provided on the other side. (Anode electrode). The air electrode and the fuel electrode include a diffusion layer made of a conductive material that permeates while diffusing the reaction gas, and a catalyst that is formed on the diffusion layer and is supported in contact with the solid polymer electrolyte membrane. Consisting of layers. In FIG. 5, the solid polymer electrolyte membrane, the air electrode, and the fuel electrode are not shown.

また、セパレータユニット12は、単位セル11間のガス遮断部材としてのセパレータ本体41と、該セパレータ本体41の一側に設けられ、単位セル11の空気極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集電体としての空気極側コレクタ14と、セパレータ本体41の他側に設けられ、単位セル11の燃料極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集電体としての燃料極側コレクタ15とで構成されている。図5においては、説明の都合上、セパレータ本体41の一側に設けられた空気極側コレクタ14の図示が省略され、隣接するセパレータユニット12における空気極側コレクタ14であって、単位セル11の空気極側の電極拡散層に接触する空気極側コレクタ14が図示されている。   In addition, the separator unit 12 is provided on one side of the separator body 41 as a gas blocking member between the unit cells 11 and the electrode diffusion layer on the air electrode side of the unit cell 11 to collect current. In addition, an air electrode side collector 14 as a mesh-like current collector in which a large number of openings that allow a mixed flow of air and water to pass therethrough, and a fuel electrode of the unit cell 11 are provided on the other side of the separator body 41. And a fuel electrode side collector 15 as a mesh-like current collector for contacting the electrode diffusion layer on the side and leading out current to the outside. In FIG. 5, for convenience of explanation, the illustration of the air electrode side collector 14 provided on one side of the separator body 41 is omitted, and the air electrode side collector 14 in the adjacent separator unit 12, An air electrode side collector 14 is shown in contact with the electrode diffusion layer on the air electrode side.

そして、該空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15は、導電性の板材、例えば、板厚が0.2〔mm〕程度の金属薄板で形成されている。また、セパレータ本体41は、板厚が更に薄い金属薄板で構成された板状の部材であるが、二重構造を有し、内部に図6に示されるような冷媒流路45が形成されている。前記空気極側コレクタ14、燃料極側コレクタ15及びセパレータ本体41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。   The air electrode side collector 14 and the fuel electrode side collector 15 are formed of a conductive plate material, for example, a metal thin plate having a thickness of about 0.2 [mm]. Further, the separator body 41 is a plate-like member made of a thin metal plate having a thin plate thickness, but has a double structure and has a coolant channel 45 as shown in FIG. 6 formed therein. Yes. As the constituent metal of the air electrode side collector 14, the fuel electrode side collector 15 and the separator body 41, a metal having conductivity and corrosion resistance (for example, stainless steel, nickel alloy, titanium alloy, etc., such as gold plating). The thing which gave the corrosion-resistant electroconductive process is mentioned.

また、空気極側コレクタ14は、全体形状が概略横長の矩(く)形であり、多孔体から成る。該多孔体は、例えば、開口率59〔%〕以上の網目状の開口を有するエキスパンドメタル等のメタル板材であり、プレス加工によって形成された細かい凸条14bを有する波板とされている。前記凸条14bは、板材の縦辺方向、すなわち、図5における上下方向に延在し、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。前記凸条14b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。前記凸条14bの高さは、図示されないフレームの厚さに実質上等しい高さとされ、それにより、積層状態において、単位セル11の空気極側の電極拡散層とセパレータ本体41の側面との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。なお、図5において、矢印Aは、単位セル11に導入されて酸素室内を流通する空気の流れを示している。また、各凸条14bの頂部は、セパレータ本体41の側面に当接する当接部となっており、各凸条14b間の谷部14aの平面は、単位セル11の空気極側の電極拡散層に当接する当接部となっている。   Further, the air electrode side collector 14 has a generally horizontally long rectangular shape and is made of a porous body. The porous body is, for example, a metal plate material such as an expanded metal having a mesh-like opening having an opening ratio of 59% or more, and is a corrugated plate having fine ridges 14b formed by pressing. The ridges 14b extend in the longitudinal direction of the plate material, that is, the vertical direction in FIG. 5, and are arranged so as to completely cut the plate surface in parallel at equal intervals. The cross-sectional shape of the ridges 14b is roughly a rectangular wave-shaped cross-section, and the base side has a slightly flared shape due to the punching of the press work. The height of the ridges 14b is substantially equal to the thickness of a frame (not shown), so that, in the stacked state, between the electrode diffusion layer on the air electrode side of the unit cell 11 and the side surface of the separator body 41. An air flow path having a predetermined opening area penetrating in the vertical direction is secured. In FIG. 5, an arrow A indicates the flow of air introduced into the unit cell 11 and flowing through the oxygen chamber. Moreover, the top part of each protruding item | line 14b becomes a contact part which contacts the side surface of the separator main body 41, and the plane of the trough part 14a between each protruding item | line 14b is the electrode diffusion layer by the side of the air electrode of the unit cell 11 It is the contact part which contacts.

なお、空気極側コレクタ14の表面の必要な部分には、撥水処理が施されていることが望ましい。該撥水処理は、単位セル11に接触している谷部14aの、特に、空気流路側に施されることが望ましい。このように、撥水処理を施すことによって、単位セル11の空気極側において生成された生成水を速やかに除去することができ、単位セル11の空気極側の電極拡散層は、水滴によって覆われることがなく、酸素室内の空気と十分に接触することができる。   It is desirable that a necessary portion of the surface of the air electrode side collector 14 is subjected to water repellent treatment. The water repellent treatment is desirably performed on the valley portion 14a in contact with the unit cell 11, particularly on the air flow path side. In this way, by performing the water repellent treatment, the generated water generated on the air electrode side of the unit cell 11 can be quickly removed, and the electrode diffusion layer on the air electrode side of the unit cell 11 is covered with water droplets. It can be sufficiently in contact with the air in the oxygen chamber.

また、燃料極側コレクタ15は、前記空気極側コレクタ14と同様の寸法で網目状の開口を有するエキスパンドメタル等の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15bを有する波板とされている。そして、前記凸条15bは、空気極側コレクタ14の場合と同様に、図5における上下方向に延在し、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。前記凸条15b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。前記凸条15bの高さは、図示されないフレームの厚さに実質上等しい高さとされ、それにより、積層状態において、単位セル11の燃料極側の電極拡散層とセパレータ本体41の側面との間を縦方向に貫通する所定の開口面積の燃料ガス流路を確保している。なお、図5において、矢印Bは、単位セル11に導入されて燃料室内を流通する水素ガスの流れを示している。また、各凸条15bの頂部は、セパレータ本体41の側面に当接する当接部となっており、各凸条15b間の谷部15aの平面は、単位セル11の燃料極側の電極拡散層に当接する当接部となっている。なお、燃料極側コレクタ15にも必要に応じて撥水処理を施すことができる。   The fuel electrode side collector 15 is made of a metal plate material such as an expanded metal having a mesh-like opening with the same dimensions as the air electrode side collector 14, and a corrugated plate having fine ridges 15b formed by pressing. Has been. And the said protruding item | line 15b is the arrangement | positioning which extends in the up-down direction in FIG. 5 like the case of the air electrode side collector 14, and completely cuts a plate | board surface at equal intervals in parallel. The cross-sectional shape of the ridges 15b is roughly a rectangular wave-shaped cross-section, and the base side has a slightly flared shape due to press-cutting. The height of the ridges 15b is substantially equal to the thickness of a frame (not shown), so that in the stacked state, the gap between the electrode diffusion layer on the fuel electrode side of the unit cell 11 and the side surface of the separator body 41 is increased. A fuel gas flow path having a predetermined opening area penetrating in the vertical direction is secured. In FIG. 5, an arrow B indicates the flow of hydrogen gas introduced into the unit cell 11 and flowing through the fuel chamber. Moreover, the top of each protrusion 15b is an abutting part that contacts the side surface of the separator body 41, and the plane of the valley 15a between each protrusion 15b is the electrode diffusion layer on the fuel electrode side of the unit cell 11. It is the contact part which contacts. The fuel electrode side collector 15 can be subjected to water repellent treatment as necessary.

そして、前記空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15は、それぞれの谷部14a及び15aがともに外側となるように、セパレータ本体41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のそれぞれの凸条14b及び15bは、セパレータ本体41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をセパレータ本体41と重ね合わせることによって、該セパレータ本体41の一方側に酸化剤流路としての空気流路、すなわち、酸素室が構成され、他方側に燃料ガス流路、すなわち、燃料室が構成されることになる。そして、酸素室から単位セル11の空気極に空気が供給され、同様に、燃料室から単位セル11の燃料極に水素ガスが供給される。   The air electrode side collector 14 and the fuel electrode side collector 15 are arranged with the separator body 41 interposed therebetween so that the valley portions 14a and 15a are both outside. At this time, the ridges 14b and 15b of the air electrode side collector 14 and the fuel electrode side collector 15 are in contact with the separator body 41, and are in a state where they can be energized with each other. Further, by superposing the air electrode side collector 14 and the fuel electrode side collector 15 on the separator body 41, an air flow path as an oxidant flow path, that is, an oxygen chamber is formed on one side of the separator body 41, and the other side. A fuel gas flow path, that is, a fuel chamber is formed on the side. Then, air is supplied from the oxygen chamber to the air electrode of the unit cell 11, and similarly, hydrogen gas is supplied from the fuel chamber to the fuel electrode of the unit cell 11.

なお、単位セル11においては水が移動する。すなわち、燃料極側コレクタ15が配設されている燃料室内に燃料ガスとして水素ガスを供給すると、水素が水素イオン(プロトン)と電子とに分解され、水素イオンがプロトン同伴水を伴って、固体高分子電解質膜を透過する。また、前記空気極をカソード極とし、酸素室内に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子が結合して、水が生成される。さらに、水分が逆拡散水として固体高分子電解質膜を透過し、燃料室内に移動する。ここで、逆拡散水とは、酸素室において生成される水が固体高分子電解質膜内に拡散し、該固体高分子電解質膜内を前記水素イオンと逆方向に透過して燃料室にまで浸透したものである。   In the unit cell 11, water moves. That is, when hydrogen gas is supplied as a fuel gas into the fuel chamber in which the fuel electrode side collector 15 is disposed, hydrogen is decomposed into hydrogen ions (protons) and electrons, and the hydrogen ions are accompanied by proton-entrained water and become solid. Permeates the polymer electrolyte membrane. Further, when the air electrode is used as a cathode electrode and air as an oxidant is supplied into the oxygen chamber, oxygen in the air is combined with the hydrogen ions and electrons to generate water. Furthermore, moisture permeates through the solid polymer electrolyte membrane as reverse diffusion water and moves into the fuel chamber. Here, the reverse diffusion water means that water generated in the oxygen chamber diffuses into the solid polymer electrolyte membrane and permeates into the fuel chamber through the solid polymer electrolyte membrane in the direction opposite to the hydrogen ions. It is a thing.

また、セパレータ本体41は、冷媒流入管42及び冷媒流出管43が接続され、冷媒流入管42から流入した冷媒がセパレータ本体41の内部に形成された冷媒流路45を通って冷却を行い、冷媒流出管43から流出する。なお、前記冷媒は閉じた冷却系の装置における冷媒であり、冷媒供給管路53を通って燃料電池スタック20に供給され、該燃料電池スタック20内に形成された図示されない流路を通って冷媒流入管42に流入する。また、冷媒流出管43から流出された冷媒は、燃料電池スタック20内に形成された図示されない流路を通って冷媒排出管路71に流入し、燃料電池スタック20から排出される。ここで、前記冷媒流路45は、冷却効率を向上させるため、図6に示されるように、蛇行状に形成されている。これにより、冷媒がセパレータ本体41内を、図5における矢印Cで示されるように流通するので、セパレータ本体41内における冷媒の流路長が長くなり、一定量の冷媒による冷却能力が向上する。なお、冷媒流路45の形状は、冷媒の流路長が長くなるような形状であれば、蛇行状以外の形状であってもよく、例えば、渦巻き状等の他の形状であってもよい。   The separator body 41 is connected to the refrigerant inflow pipe 42 and the refrigerant outflow pipe 43, and the refrigerant flowing from the refrigerant inflow pipe 42 is cooled through the refrigerant flow path 45 formed inside the separator body 41. It flows out from the outflow pipe 43. The refrigerant is a refrigerant in a closed cooling system device, and is supplied to the fuel cell stack 20 through the refrigerant supply pipe 53 and passes through a flow path (not shown) formed in the fuel cell stack 20. It flows into the inflow pipe 42. Further, the refrigerant flowing out from the refrigerant outflow pipe 43 flows into the refrigerant discharge pipe 71 through a flow path (not shown) formed in the fuel cell stack 20 and is discharged from the fuel cell stack 20. Here, the coolant channel 45 is formed in a meandering shape as shown in FIG. 6 in order to improve the cooling efficiency. As a result, the refrigerant flows through the separator main body 41 as shown by the arrow C in FIG. 5, so that the flow path length of the refrigerant in the separator main body 41 is increased, and the cooling capacity by a certain amount of refrigerant is improved. The shape of the coolant channel 45 may be a shape other than a meandering shape as long as the length of the coolant channel is long, and may be other shapes such as a spiral shape, for example. .

図5に示される例において、前記セパレータ本体41は2枚の平板状の金属製板材を貼(は)り合わせて形成されている。この場合、一方の板材の内側となる面に、例えば、ケミカルエッチング等のフォトリソグラフィ技術を使用して、図6に示されるような形状の凹溝を形成する。そして、該凹溝が形成された面に他方の板材を重ね合わせることによって、冷媒流路45を備えるセパレータ本体41を得ることができる。この場合、該セパレータ本体41の両側の面が各所で結合されているので、前記両側の面の間の電気伝導性を良好なものとすることができる。また、前記セパレータ本体41の両外側の面は、凹凸のない平面であることが望ましい。これにより、セパレータ本体41の外側の面と、空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15のそれぞれの凸条14b及び15bの頂部との接触が確実になり、セパレータ本体41と空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15との間の熱伝導性及び電気伝導性を良好なものとすることができる。   In the example shown in FIG. 5, the separator main body 41 is formed by pasting (sticking) two flat metal plates. In this case, a concave groove having a shape as shown in FIG. 6 is formed on the inner surface of one plate material by using, for example, a photolithography technique such as chemical etching. And the separator main body 41 provided with the refrigerant | coolant flow path 45 can be obtained by superimposing the other board | plate material on the surface in which this groove was formed. In this case, since the surfaces on both sides of the separator body 41 are joined at various places, the electrical conductivity between the surfaces on both sides can be improved. Further, it is desirable that both outer surfaces of the separator main body 41 are flat surfaces having no irregularities. This ensures contact between the outer surface of the separator body 41 and the tops of the protrusions 14b and 15b of the air electrode side collector 14 and the fuel electrode side collector 15, respectively. In addition, the thermal conductivity and electrical conductivity between the fuel electrode side collector 15 and the fuel electrode side collector 15 can be improved.

本実施の形態においては、酸素室内の空気も、図1における矢印Dで示されるように、蛇行状に流通するようになっている。この場合、凸条14bと平行に延在する仕切り部材としての仕切り板16が配設され、空気の流路に屈曲箇所を設けるようになっている。なお、図1においては、説明の都合上、谷部14a及び凸条14bが横方向に延在するように示されているが、谷部14a及び凸条14bは横方向に延在するものであってもよいし、縦方向に延在するものであってもよい。また、仕切り板16の数は、図1に示される例では2つであるが、1つであってもよいし、3つ以上であってもよいし、任意に設定することができる。これにより、燃料電池スタック20の空気流入部17aから単位セル11とセパレータ本体41との間の酸素室内に流入した空気は、矢印Dで示されるように流通して、空気流出部17bから流出する。   In the present embodiment, the air in the oxygen chamber also circulates in a meandering manner as indicated by an arrow D in FIG. In this case, a partition plate 16 serving as a partition member extending in parallel with the ridges 14b is provided, and a bent portion is provided in the air flow path. In FIG. 1, for convenience of explanation, the valleys 14a and the ridges 14b are shown to extend in the horizontal direction, but the valleys 14a and the ridges 14b extend in the horizontal direction. It may be present or may extend in the vertical direction. Further, the number of partition plates 16 is two in the example shown in FIG. 1, but may be one, three or more, and can be arbitrarily set. Thereby, the air that has flowed into the oxygen chamber between the unit cell 11 and the separator body 41 from the air inflow portion 17a of the fuel cell stack 20 circulates as shown by the arrow D and flows out from the air outflow portion 17b. .

ここで、仕切り板16は、両側の流路間の空気の通過を完全に遮断するものであってもよいし、両側の流路間の空気が仕切り板16をある程度通過するものであってもよい。すなわち、図1に示される例において、仕切り板16の両側を流れる空気が仕切り板16の部分を通過して上下方向に移動することができないようになっていてもよいし、仕切り板16に開口が形成されていたり、仕切り板16の両側端に隙(すき)間が形成されていたりすることによって、仕切り板16の両側を流れる空気の一部が仕切り板16の部分を通過して上下方向に移動することができるようになっていてもよい。また、仕切り板16の図1における横方向の長さは適宜決定することができる。なお、燃料室にも同様に、仕切り板16が設けられ、燃料室内に流入した水素ガスは蛇行状に流通するようにしてもよい。   Here, the partition plate 16 may completely block the passage of air between the flow paths on both sides, or the air between the flow paths on both sides may pass through the partition plate 16 to some extent. Good. That is, in the example shown in FIG. 1, the air flowing on both sides of the partition plate 16 may not be able to move in the vertical direction through the part of the partition plate 16, and the partition plate 16 may be opened. Or gaps are formed on both side ends of the partition plate 16, so that a part of the air flowing on both sides of the partition plate 16 passes through the partition plate 16 portion in the vertical direction. You may be able to move to. Moreover, the horizontal length in FIG. 1 of the partition plate 16 can be determined as appropriate. Similarly, a partition plate 16 may be provided in the fuel chamber, and the hydrogen gas flowing into the fuel chamber may circulate in a meandering manner.

ここで、空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15は、網目状の開口を有するので、燃料室内の水素ガス及び酸素室内の空気の流通が空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15によって阻害されることがない。すなわち、燃料室内の水素ガス及び酸素室内の空気は、単位セル11に接触している谷部14a及び15aの開口を通して、単位セル11の燃料極側及び空気極側の電極拡散層に十分に接触することができる。さらに、燃料室内の水素ガス及び酸素室内の空気は、凸条14b及び15bの開口を通しても移動することができるので、燃料室内の水素ガスの流れ及び酸素室内の空気の流れがスムーズになる。   Here, since the air electrode side collector 14 and the fuel electrode side collector 15 have mesh openings, the flow of hydrogen gas in the fuel chamber and air in the oxygen chamber is hindered by the air electrode side collector 14 and the fuel electrode side collector 15. It will not be done. That is, the hydrogen gas in the fuel chamber and the air in the oxygen chamber are sufficiently in contact with the electrode diffusion layers on the fuel electrode side and the air electrode side of the unit cell 11 through the openings of the valley portions 14a and 15a that are in contact with the unit cell 11. can do. Furthermore, since the hydrogen gas in the fuel chamber and the air in the oxygen chamber can also move through the openings of the ridges 14b and 15b, the flow of hydrogen gas in the fuel chamber and the flow of air in the oxygen chamber are smooth.

特に、生成水や空気中に供給された水によって、酸素室内において水滴が発生し、該水滴が隣接する谷部14a間の流路を塞いでしまった場合、空気は凸条14bの開口を通して隣接する流路に流れ込むことができるので、空気の流れが阻害されることがない。なお、逆拡散水によって燃料室内に水滴が発生した場合も同様である。そのため、仕切り板16を設けることによって、燃料室内の水素ガスの流れ及び酸素室内の空気の流れを蛇行させても、水分によって水素ガスや空気の流れが塞がれてしまう現象であるフラッディングが発生することがない。これにより、燃料室内及び酸素室内における水素ガス及び空気の流路長が長くなり、一定量の水素ガス及び空気による冷却能力が向上する。また、水素ガス及び空気は、単位セル11の燃料極側及び空気極側の電極拡散層に十分に接触することができる。   In particular, when water droplets are generated in the oxygen chamber by generated water or water supplied to the air and the water droplets block the flow path between the adjacent valley portions 14a, the air is adjacent through the openings of the ridges 14b. Therefore, the air flow is not hindered. The same applies when water droplets are generated in the fuel chamber due to the reverse diffusion water. Therefore, by providing the partition plate 16, even if the flow of hydrogen gas in the fuel chamber and the flow of air in the oxygen chamber meander, flooding, which is a phenomenon that the flow of hydrogen gas and air is blocked by moisture, occurs. There is nothing to do. As a result, the flow lengths of the hydrogen gas and air in the fuel chamber and the oxygen chamber are increased, and the cooling capacity by a certain amount of hydrogen gas and air is improved. Further, the hydrogen gas and air can sufficiently come into contact with the electrode diffusion layers on the fuel electrode side and the air electrode side of the unit cell 11.

また、空気極側コレクタ14の谷部14aにおける当接部の開口は、図7及び8に示されるように、少なくとも重力方向側の面が空気極からセパレータ本体に向かって重力方向に傾斜する形状を有している。なお、図7(a)及び8(a)は前記当接部の開口の拡大図、図7(b)及び8(b)は図7(a)及び8(a)のA−A及びB−B矢視断面図である。すなわち、前記当接部の上面及び下面は、当接部における単位セル11の空気極側に当接する当接面から離れるにつれて、下になるような傾斜面となっている。そのため、単位セル11の空気極側において生成された生成水は、前記当接部が下向きに傾斜しているので、重力によって、前記当接部の上面に沿って落下する。これにより、生成水を速やかに除去することができ、単位セル11の空気極側の電極拡散層は、水滴によって覆われることがなく、酸素室内の空気と十分に接触することができる。   Further, as shown in FIGS. 7 and 8, the opening of the contact portion in the valley portion 14a of the air electrode side collector 14 has a shape in which at least the surface on the gravity direction side is inclined in the gravity direction from the air electrode toward the separator body. have. 7 (a) and 8 (a) are enlarged views of the opening of the contact portion, and FIGS. 7 (b) and 8 (b) are AA and B in FIGS. 7 (a) and 8 (a). It is -B arrow sectional drawing. That is, the upper surface and the lower surface of the contact portion are inclined surfaces that become lower as the distance from the contact surface that contacts the air electrode side of the unit cell 11 in the contact portion increases. Therefore, the generated water generated on the air electrode side of the unit cell 11 falls along the upper surface of the contact portion due to gravity because the contact portion is inclined downward. As a result, the generated water can be quickly removed, and the electrode diffusion layer on the air electrode side of the unit cell 11 is not covered with water droplets, and can sufficiently contact the air in the oxygen chamber.

なお、燃料極側コレクタ15の谷部15aにおける当接部も、同様に、下向きに傾斜する断面形状を有していることが望ましい。これにより、逆拡散水を速やかに除去することができ、単位セル11の燃料極側の電極拡散層は、水滴によって覆われることがなく、燃料室内の水素ガスと十分に接触することができる。   In addition, it is desirable that the contact portion in the valley portion 15a of the fuel electrode side collector 15 similarly has a cross-sectional shape inclined downward. Thereby, the reverse diffusion water can be quickly removed, and the electrode diffusion layer on the fuel electrode side of the unit cell 11 is not covered with water droplets, and can sufficiently contact with the hydrogen gas in the fuel chamber.

このように、前記単位セル11は、閉じた冷却系の装置の冷却器として機能するセパレータ本体41によって冷却される。すなわち、単位セル11において発生した熱は、空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15を通して、セパレータ本体41に伝達され、該セパレータ本体41内を流通する冷媒に伝達される。この場合、空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15は、谷部14a及び15aが単位セル11の広い範囲に接触しているので、単位セル11において発生した熱が良好に伝達される。なお、単位セル11において発生した電気も同様に、空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15に良好に伝達される。   Thus, the unit cell 11 is cooled by the separator body 41 that functions as a cooler of a closed cooling system device. That is, the heat generated in the unit cell 11 is transmitted to the separator body 41 through the air electrode side collector 14 and the fuel electrode side collector 15, and is transmitted to the refrigerant flowing through the separator body 41. In this case, since the trough portions 14a and 15a are in contact with the wide area of the unit cell 11 in the air electrode side collector 14 and the fuel electrode side collector 15, the heat generated in the unit cell 11 is transmitted well. Similarly, the electricity generated in the unit cell 11 is also well transmitted to the air electrode side collector 14 and the fuel electrode side collector 15.

また、空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15は、開いた冷却系の装置の冷却器として機能する。すなわち、空気及び水素ガスは酸素室内及び燃料室内を流通する際に単位セル11を冷却するが、この場合、空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15が冷却器の一種である冷却フィンとして機能する。そのため、開いた冷却系による冷却能力が向上する。さらに、仕切り板16を設けることによって、燃料室内の水素ガスの流れ及び酸素室内の空気の流れを蛇行させているので、冷却能力が向上する。特に、空気中に水を供給するようにした場合には冷却能力が向上するが、この場合、前述のように酸素室内において水滴が発生しても、フラッディングが発生することがないので、冷却能力が低下してしまうことがない。   The air electrode side collector 14 and the fuel electrode side collector 15 function as a cooler for an open cooling system device. That is, air and hydrogen gas cool the unit cell 11 when flowing through the oxygen chamber and the fuel chamber. In this case, the air electrode side collector 14 and the fuel electrode side collector 15 function as cooling fins that are a kind of cooler. To do. Therefore, the cooling capacity by the open cooling system is improved. Furthermore, by providing the partition plate 16, the flow of hydrogen gas in the fuel chamber and the flow of air in the oxygen chamber are meandered, so that the cooling capacity is improved. In particular, when water is supplied to the air, the cooling capacity is improved. In this case, even if water droplets are generated in the oxygen chamber as described above, no flooding occurs. Will not drop.

次に、前記構成の燃料電池システムの動作について説明する。   Next, the operation of the fuel cell system having the above configuration will be described.

図9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起動動作を示すフローチャート、図10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空気供給量制御の動作を示すフローチャートである。   FIG. 9 is a flowchart showing the start-up operation of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention. FIG. 10 is a flowchart showing the air supply amount control operation of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention. is there.

まず、起動時における動作について説明する。燃料電池システムを起動するためには、オペレータは、図示されない起動用のスイッチをオンする(ステップS1)。すると、冷媒供給ポンプ54及び冷媒排出ポンプ51、すなわち、冷媒ポンプがオンになり(ステップS2)、冷媒の循環が開始され、セパレータ本体41内の冷媒流路45を通って冷媒が流通する。続いて、燃料電池スタック20に酸化剤としての空気を供給する装置、すなわち、空気供給系がオンになる(ステップS3)。この場合、燃料電池スタック20の単位セル11に異常反応が発生しないようにするため、空気供給ポンプ75が供給する空気の量が最大となるように制御される。続いて、燃料電池スタック20に燃料ガスとしての水素ガスを供給する装置、すなわち、水素供給系がオンになり(ステップS4)、起動動作が終了する。これにより、定常運転に移行し、燃料電池スタック20が発生した電流が負荷や二次電池に供給される。   First, the operation at startup will be described. In order to start the fuel cell system, the operator turns on a start switch (not shown) (step S1). Then, the refrigerant supply pump 54 and the refrigerant discharge pump 51, that is, the refrigerant pump is turned on (step S2), the refrigerant circulation is started, and the refrigerant flows through the refrigerant channel 45 in the separator body 41. Subsequently, an apparatus for supplying air as an oxidant to the fuel cell stack 20, that is, an air supply system is turned on (step S3). In this case, in order to prevent an abnormal reaction from occurring in the unit cell 11 of the fuel cell stack 20, the amount of air supplied by the air supply pump 75 is controlled to be maximum. Subsequently, an apparatus for supplying hydrogen gas as fuel gas to the fuel cell stack 20, that is, a hydrogen supply system is turned on (step S4), and the start-up operation ends. As a result, the operation shifts to a steady operation, and the current generated by the fuel cell stack 20 is supplied to the load and the secondary battery.

なお、燃料電池システムが、酸素室に供給される空気中に水をスプレーして供給する装置を有するものである場合には、水素供給系がオンになる前に、酸素室に供給される空気中への水の供給を開始させることが望ましい。これは、起動時においては、空気供給系がオンであるか否かに関わらず、単位セル11に空気が存在しているので、固体高分子電解質膜が乾燥した状態で水素ガスを供給すると、異常燃焼が発生する可能性があるからである。そのため、異常燃焼によって異常熱が発生した場合であっても、単位セル11がダメージを被らないように、水素ガスを供給する前に水を供給し、あらかじめ単位セル11の空気極を濡(ぬ)らしておく必要がある。これにより、異常熱を水の蒸発熱に変換し、更には、固体高分子電解質膜の湿潤を促進して、単位セル11のダメージを未然に防止することができる。   In the case where the fuel cell system has an apparatus for spraying and supplying water into the air supplied to the oxygen chamber, the air supplied to the oxygen chamber before the hydrogen supply system is turned on. It is desirable to start supplying water into it. This is because, at the time of startup, air is present in the unit cell 11 regardless of whether the air supply system is on or not, so when hydrogen gas is supplied in a state where the solid polymer electrolyte membrane is dry, This is because abnormal combustion may occur. Therefore, even when abnormal heat is generated due to abnormal combustion, water is supplied before supplying hydrogen gas so that the unit cell 11 is not damaged, and the air electrode of the unit cell 11 is wetted in advance ( It is necessary to leave. Thereby, abnormal heat can be converted into water evaporation heat, and further, wetting of the solid polymer electrolyte membrane can be promoted to prevent damage to the unit cell 11 in advance.

なお、起動動作が終了した後は、水素ガス供給量制御、空気供給量制御及び水供給量制御とが並列に実行される。水素ガス供給量制御においては、第1の水素供給調圧弁25a及び第2の水素供給調圧弁25b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節される。そして、起動時に閉状態の水素排気弁62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燃料ガスを排気し、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82に保存されており、第1の水素供給調圧弁25a及び第2の水素供給調圧弁25bの調節、並びに、水素排気弁62の開閉は、制御装置81が前記規則をメモリ82から読み出すことによって実行される。なお、水素排気弁62を運転時に適宜開放するのは、水素排気弁62を閉じた状態で燃料電池システムの運転を続けると、空気極より透過するN2 、O2 又は生成水の影響によって、燃料極で消費される水素の分圧が徐々に低下し、これに従って燃料電池スタック20の出力電圧も低下し、安定した電圧が得られなくなるためである。 In addition, after starting operation is complete | finished, hydrogen gas supply amount control, air supply amount control, and water supply amount control are performed in parallel. In the hydrogen gas supply amount control, the first hydrogen supply pressure regulating valve 25a and the second hydrogen supply pressure regulating valve 25b are adjusted so that hydrogen gas is supplied to the fuel electrode at a predetermined concentration below the explosion limit. Then, the hydrogen exhaust valve 62 that is closed at the time of startup is opened based on a predetermined rule, the fuel gas having a reduced hydrogen partial pressure is exhausted, and the atmosphere gas at the fuel electrode is refreshed. The predetermined rule at this time is stored in the memory 82, and the control of the first hydrogen supply pressure regulating valve 25a and the second hydrogen supply pressure regulating valve 25b and the opening and closing of the hydrogen exhaust valve 62 are performed by the control device. 81 is executed by reading the rule from the memory 82. The reason why the hydrogen exhaust valve 62 is appropriately opened during operation is that when the operation of the fuel cell system is continued with the hydrogen exhaust valve 62 closed, the influence of N 2 , O 2 or generated water that permeates from the air electrode, This is because the partial pressure of hydrogen consumed at the fuel electrode gradually decreases, the output voltage of the fuel cell stack 20 also decreases accordingly, and a stable voltage cannot be obtained.

また、空気供給量制御においては、まず、燃料電池スタック20から排出された直後の排出空気の温度検出が排出空気温度計74によって行われる(ステップS11)。そして、制御装置81は、検出された排出空気の温度が80〔℃〕以下であるか否かを判断する(ステップS12)。ここで、排出空気の温度が80〔℃〕以下でない、すなわち、80〔℃〕を超えている場合、単位セル11が焼き付く可能性があるので、制御装置81は風量アップを行う(ステップS13)。具体的には、空気供給ポンプ75の回転数を上げて空気の供給量を増加させ、熱発生源である空気極の温度を低下させる。   In the air supply amount control, first, the temperature of the discharged air immediately after being discharged from the fuel cell stack 20 is detected by the discharged air thermometer 74 (step S11). Then, the control device 81 determines whether or not the detected temperature of the exhaust air is 80 [° C.] or less (step S12). Here, if the temperature of the discharged air is not 80 [deg.] C. or lower, i.e., exceeds 80 [[deg.] C.], the unit cell 11 may be seized, so the control device 81 increases the air volume (step S13). . Specifically, the amount of air supply is increased by increasing the number of revolutions of the air supply pump 75, and the temperature of the air electrode that is a heat generation source is decreased.

一方、排出空気の温度が80〔℃〕以下である場合、制御装置81は燃料電池スタック20、すなわち、FC本体の負荷を検出する(ステップS14)。そして、制御装置81は空気の供給量、すなわち、風量が最適であるか否かを判断する(ステップS15)。この場合、燃料電池スタック20の負荷とその状態で必要とする風量との関係を、メモリ82内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ことによって、風量が最適であるか否かを判断する。そして、風量が最適でない場合、制御装置81は風量調節を行う(ステップS16)。具体的には、空気供給ポンプ75の回転数を調節して風量を調節する。また、風量が最適である場合には処理を終了する。   On the other hand, when the temperature of the exhaust air is 80 [° C.] or less, the control device 81 detects the load of the fuel cell stack 20, that is, the FC main body (step S14). Then, the control device 81 determines whether or not the supply amount of air, that is, the air volume is optimal (step S15). In this case, the relationship between the load of the fuel cell stack 20 and the air volume required in that state is compared with the relationship stored in the table format in the memory 82 to determine whether the air volume is optimal. To do. If the air volume is not optimal, the control device 81 adjusts the air volume (step S16). Specifically, the air volume is adjusted by adjusting the rotation speed of the air supply pump 75. If the air volume is optimal, the process is terminated.

なお、水素ガス供給量制御においては、水素圧センサ27及び28によって燃料貯蔵手段73側の水素ガスの圧力が検出され、制御装置81は、第1の水素供給調圧弁25a及び第2の水素供給調圧弁25bを調節することによって、燃料電池スタック20に供給される水素ガスの圧力が所定の値となるように調節する。また、制御装置81は、燃料供給電磁弁26の開閉を制御することによって、水素ガスの燃料電池スタック20への供給を制御する。なお、水素ガスの燃料電池スタック20への供給を遮断する場合は、燃料供給電磁弁26を閉鎖する。   In the hydrogen gas supply amount control, the hydrogen pressure sensors 27 and 28 detect the pressure of the hydrogen gas on the fuel storage means 73 side, and the controller 81 controls the first hydrogen supply pressure regulating valve 25a and the second hydrogen supply. By adjusting the pressure regulating valve 25b, the pressure of the hydrogen gas supplied to the fuel cell stack 20 is adjusted to a predetermined value. The control device 81 controls the supply of hydrogen gas to the fuel cell stack 20 by controlling the opening and closing of the fuel supply electromagnetic valve 26. Note that when the supply of hydrogen gas to the fuel cell stack 20 is shut off, the fuel supply electromagnetic valve 26 is closed.

このように、本実施の形態においては、燃料電池スタック20における酸素室内の空気及び燃料室内の水素ガスは蛇行状の流路を流通し、前記酸素室内に配設された空気極側コレクタ14及び燃料室内に配設された燃料極側コレクタ15が網目状の開口を有する。そのため、燃料室内の水素ガスの流れ及び酸素室内の空気の流れを蛇行させても、酸素室内や燃料室内に発生した水滴によって空気や水素ガスの流れが遮断されることがない。これにより、燃料室内及び酸素室内における水素ガス及び空気の流路長が長くなり、一定量の水素ガス及び空気による冷却能力が向上する。また、水素ガス及び空気は、単位セル11の燃料極側及び空気極側の電極拡散層に十分に接触することができる。   Thus, in the present embodiment, the air in the oxygen chamber and the hydrogen gas in the fuel chamber in the fuel cell stack 20 circulate through the meandering flow path, and the air electrode side collector 14 disposed in the oxygen chamber and The fuel electrode side collector 15 disposed in the fuel chamber has a mesh-like opening. Therefore, even if the flow of hydrogen gas in the fuel chamber and the flow of air in the oxygen chamber are meandered, the flow of air or hydrogen gas is not blocked by water droplets generated in the oxygen chamber or the fuel chamber. As a result, the flow lengths of the hydrogen gas and air in the fuel chamber and the oxygen chamber are increased, and the cooling capacity by a certain amount of hydrogen gas and air is improved. Further, the hydrogen gas and air can sufficiently come into contact with the electrode diffusion layers on the fuel electrode side and the air electrode side of the unit cell 11.

さらに、空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15は、冷却フィンとして機能し、開いた冷却系の空気及び水素ガスに単位セル11の熱を伝達するので、空気及び水素ガスによって単位セル11を高い効率で冷却することができる。この場合、燃料室内及び酸素室内における水素ガス及び空気の流路が蛇行状であって、流路長が長いので、空気及び水素ガスによる冷却能力を向上させることができる。また、空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15が網目状の開口を有するので、空気及び水素ガスの流通が空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15によって阻害されることがない。そのため、酸素室内の空気及び燃料室内の水素ガスの圧力損失を低減することができる。   Further, the air electrode side collector 14 and the fuel electrode side collector 15 function as cooling fins, and transfer the heat of the unit cell 11 to the air and hydrogen gas of the open cooling system. It can be cooled with high efficiency. In this case, since the flow paths of the hydrogen gas and air in the fuel chamber and the oxygen chamber are meandering and the flow path length is long, the cooling capacity by the air and hydrogen gas can be improved. Further, since the air electrode side collector 14 and the fuel electrode side collector 15 have a mesh-like opening, the air and hydrogen gas flow is not hindered by the air electrode side collector 14 and the fuel electrode side collector 15. Therefore, the pressure loss of the air in the oxygen chamber and the hydrogen gas in the fuel chamber can be reduced.

さらに、燃料電池スタック20の単位セル11を湿潤な状態に維持するために、酸素室に供給される空気中に水をスプレーして供給するようになっている場合には、水の気化潜熱等によって、一層の冷却効果を期待することができる。もっとも、この場合には、余剰の水分によって酸素室内に水滴が発生する可能性があるが、該水滴が空気極側コレクタ14の隣接する谷部14a間の流路を塞いでしまったときでも、空気は凸条14bの開口を通して隣接する流路に流れ込むことができるので、空気の流れが阻害されることがない。そのため、酸素室内の空気の圧力損失を低減することができ、スプレーされた水による冷却効果をフルに期待することができる。また、空気中に供給される水の量が過剰になっても、酸素室内の空気の流れが阻害されることがないので、空気中に供給される水の量の制御を容易に行うことができる。そのため、単位セル11の湿潤状態の管理を容易に行うことができる。   Further, in order to maintain the unit cell 11 of the fuel cell stack 20 in a wet state, when water is sprayed into the air supplied to the oxygen chamber, the latent heat of vaporization of water, etc. Therefore, a further cooling effect can be expected. However, in this case, water droplets may be generated in the oxygen chamber due to excess moisture, but even when the water droplets block the flow path between the adjacent valley portions 14a of the air electrode side collector 14, Since air can flow into the adjacent flow path through the opening of the ridge 14b, the air flow is not hindered. Therefore, the pressure loss of the air in the oxygen chamber can be reduced, and the cooling effect by the sprayed water can be fully expected. In addition, even if the amount of water supplied to the air becomes excessive, the flow of air in the oxygen chamber is not hindered, so the amount of water supplied to the air can be easily controlled. it can. Therefore, the wet state of the unit cell 11 can be easily managed.

さらに、空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15の単位セル11に接触している谷部14a及び15aに撥水処理が施されているので、単位セル11の空気極側における生成水や燃料極側における逆拡散水を速やかに除去することができる。そのため、単位セル11の空気極側及び燃料極側の電極拡散層は、水滴によって覆われることがなく、空気及び水素ガスと十分に接触することができる。   Further, since the water repellent treatment is applied to the valley portions 14a and 15a that are in contact with the unit cell 11 of the air electrode side collector 14 and the fuel electrode side collector 15, the generated water and fuel on the air electrode side of the unit cell 11 are treated. The reverse diffusion water on the pole side can be quickly removed. Therefore, the electrode diffusion layers on the air electrode side and the fuel electrode side of the unit cell 11 are not covered with water droplets and can sufficiently come into contact with air and hydrogen gas.

さらに、空気極側コレクタ14の谷部14aにおける当接部及び燃料極側コレクタ15の谷部15aにおける当接部が下向きに傾斜しているので、単位セル11の空気極側における生成水や燃料極側における逆拡散水は、重力によって落下し、速やかに除去される。そのため、単位セル11の空気極側及び燃料極側の電極拡散層は、水滴によって覆われることがなく、空気及び水素ガスと十分に接触することができる。   Furthermore, since the contact part in the trough part 14a of the air electrode side collector 14 and the contact part in the trough part 15a of the fuel electrode side collector 15 are inclined downward, the generated water and fuel on the air electrode side of the unit cell 11 are inclined. The reverse diffusion water on the pole side falls by gravity and is quickly removed. Therefore, the electrode diffusion layers on the air electrode side and the fuel electrode side of the unit cell 11 are not covered with water droplets and can sufficiently come into contact with air and hydrogen gas.

また、空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15は、凸条14b及び15bを有する波板状となっていて、凸条14b及び15bの頂部がセパレータ本体41の平坦(たん)な側面に当接し、凸条14b及び15b間の谷部14a及び15aの平面が単位セル11の空気極側及び燃料極側の電極拡散層に当接するようになっている。そのため、セパレータ本体41と空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15との間の熱伝導性及び電気伝導性を良好なものとすることができる。これにより、冷媒による単位セル11の冷却効果を向上させるとともに、燃料電池スタック20の集電抵抗を低減することができる。さらに、セパレータ本体41は、内部に冷媒流路45が形成されているが、両側の面が各所で結合されているので、前記両側の面の間の電気伝導性を良好なものとすることができるので、燃料電池スタック20の集電抵抗を低減することができる。   Further, the air electrode side collector 14 and the fuel electrode side collector 15 have corrugated shapes having ridges 14b and 15b, and the tops of the ridges 14b and 15b contact the flat side surface of the separator body 41. The planes of the valleys 14a and 15a between the ridges 14b and 15b are in contact with the electrode diffusion layers of the unit cell 11 on the air electrode side and the fuel electrode side. Therefore, the thermal conductivity and electrical conductivity between the separator body 41 and the air electrode side collector 14 and the fuel electrode side collector 15 can be improved. Thereby, while improving the cooling effect of the unit cell 11 with a refrigerant | coolant, the current collection resistance of the fuel cell stack 20 can be reduced. Furthermore, the separator main body 41 has the refrigerant flow path 45 formed therein, but since the surfaces on both sides are joined at various places, the electrical conductivity between the surfaces on both sides may be improved. Therefore, the current collection resistance of the fuel cell stack 20 can be reduced.

さらに、セパレータ本体41は、2枚の平板状の金属製板材を貼り合わせて形成され、両側の面が各所で結合されているので、剛性が高く変形し難くなっている。そのため、燃料電池スタック20の酸素室に供給される空気の圧力が大気圧よりも高くなるように加圧された状態となる加圧システムに適用することができる。セパレータ本体41は、2枚の平板状の金属製板材を貼り合わせて形成された簡素な構造を備えているので、セパレータユニット12のコストを低減することができる。   Furthermore, the separator main body 41 is formed by bonding two flat metal plate materials, and the surfaces on both sides are joined at various places. Therefore, the separator main body 41 is highly rigid and difficult to deform. Therefore, the present invention can be applied to a pressurization system that is pressurized so that the pressure of the air supplied to the oxygen chamber of the fuel cell stack 20 is higher than the atmospheric pressure. Since the separator main body 41 has a simple structure formed by bonding two flat metal plate members, the cost of the separator unit 12 can be reduced.

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。   Next, a second embodiment of the present invention will be described. In addition, about the thing which has the same structure as 1st Embodiment, the description is abbreviate | omitted by providing the same code | symbol. The description of the same operation and the same effect as those of the first embodiment is also omitted.

図11は本発明の第2の実施の形態における燃料電池システムのセパレータ本体の構成を示す図である。なお、図11(a)は平面図、図11(b)は側面図である。   FIG. 11 is a diagram showing the configuration of the separator body of the fuel cell system according to the second embodiment of the present invention. FIG. 11A is a plan view, and FIG. 11B is a side view.

本実施の形態におけるセパレータ本体41は、前記第1の実施の形態と同様に、2枚の平板状の金属製板材を貼り合わせて形成され、内部に冷媒流路を備えるものであるが、一方の板材47の内側となる面には、図11に示されるように、複数の突起48が形成されている。そして、該突起48が形成された面に他方の板材を重ね合わせ、突起48の頂部に他方の板材の内側の面を当接させることによって、冷媒流路を備えるセパレータ本体41を得ることができる。この場合、セパレータ本体41の両側の面が複数の突起48によって結合されているので、前記両側の面の間の電気伝導性を良好なものとすることができる。また、前記セパレータ本体41内の冷媒流路中に複数の突起48が存在するので、冷媒とセパレータ本体41との熱交換効率が向上し、冷媒による冷却能力を向上させることができる。   As in the first embodiment, the separator body 41 in the present embodiment is formed by laminating two flat metal plate materials and includes a coolant channel therein. A plurality of protrusions 48 are formed on the inner surface of the plate member 47 as shown in FIG. Then, the other plate member is overlaid on the surface on which the protrusion 48 is formed, and the inner surface of the other plate member is brought into contact with the top of the protrusion 48, whereby the separator main body 41 having the coolant channel can be obtained. . In this case, since the surfaces on both sides of the separator body 41 are coupled by the plurality of protrusions 48, the electrical conductivity between the surfaces on both sides can be improved. Moreover, since the some protrusion 48 exists in the refrigerant | coolant flow path in the said separator main body 41, the heat exchange efficiency of a refrigerant | coolant and the separator main body 41 can improve, and the cooling capability by a refrigerant | coolant can be improved.

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。   In addition, this invention is not limited to the said embodiment, It can change variously based on the meaning of this invention, and does not exclude them from the scope of the present invention.

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セパレータユニットの酸素室の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the oxygen chamber of the separator unit of the fuel cell system in the 1st Embodiment of this invention. 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。It is a figure which shows the structure of the fuel cell system in the 1st Embodiment of this invention. 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制御システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the control system of the fuel cell system in the 1st Embodiment of this invention. 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構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fuel cell stack in the 1st Embodiment of this invention. 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セパレータユニットの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the separator unit of the fuel cell system in the 1st Embodiment of this invention. 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セパレータ本体内に形成された冷媒流路を示す図である。It is a figure which shows the refrigerant | coolant flow path formed in the separator main body of the fuel cell system in the 1st Embodiment of this invention. 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空気極側コレクタの第1の部分拡大図である。FIG. 3 is a first partial enlarged view of an air electrode side collector of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention. 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空気極側コレクタの第2の部分拡大図である。It is the 2nd partial enlarged view of the air electrode side collector of the fuel cell system in the 1st Embodiment of this invention. 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起動動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the starting operation | movement of the fuel cell system in the 1st Embodiment of this invention. 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空気供給量制御の動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the operation | movement of air supply amount control of the fuel cell system in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態における燃料電池システムのセパレータ本体の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the separator main body of the fuel cell system in the 2nd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

11 単位セル
12 セパレータユニット
14 空気極側コレクタ
14a、15a 谷部
14b、15b 凸条
15 燃料極側コレクタ
20 燃料電池スタック
41 セパレータ本体
11 Unit cell 12 Separator unit 14 Air electrode side collector 14a, 15a Valley part 14b, 15b Convex strip 15 Fuel electrode side collector 20 Fuel cell stack 41 Separator body

Claims (4)

固体高分子電解質膜を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池であって生成水が生じる燃料電池に挟まれるセパレータユニットであって、
前記燃料極に供給される燃料ガスと前記酸素極に供給される酸化剤ガスとを遮断する板状のセパレータ本体と、
該セパレータ本体の一側又は両側に設けられ、網目状の開口を備え、前記燃料極又は酸素極に当接するとともに、前記ガスを蛇行状に流通させる集電体とを有し、
少なくとも前記酸素極に当接する集電体は、網目状の開口を備えるメタル板材から成るとともに、該メタル板材にプレス加工によって形成された複数の並行する凸条を備える波板であり、
前記凸条間の谷部の平面は前記酸素極の電極拡散層に当接する電極当接部であり、前記凸条の頂部は前記セパレータ本体の側面に当接するセパレータ当接部であり、前記凸条の幅は前記凸条間の谷部の幅より狭いことを特徴とするセパレータユニット。
A separator unit sandwiched between a fuel cell in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode, and generated water is generated,
A plate-like separator body that blocks the fuel gas supplied to the fuel electrode and the oxidant gas supplied to the oxygen electrode;
A separator provided on one or both sides of the separator body, provided with a mesh-like opening, in contact with the fuel electrode or the oxygen electrode, and having a current flowing in a meandering manner;
At least the current collector in contact with the oxygen electrode is a corrugated plate made of a metal plate having a mesh-like opening, and a plurality of parallel ridges formed by pressing the metal plate.
The plane of the valleys between the ridges is in contact with the electrode contact portion to the electrode diffusion layer of the oxygen electrode, the top of the ridges Ri abuts separator abutment der on the side surface of the separator body, the A separator unit, wherein the width of the ridge is narrower than the width of the valley between the ridges .
前記集電体は、重力方向に延在する電極当接部が重力方向に延在する前記酸素極の電極拡散層の面に当接し、前記電極当接部における開口の少なくとも重力方向側の面が、前記酸素極の電極拡散層の面から重力方向に延在するセパレータ本体の側面に向かい、かつ、重力方向に傾斜している請求項1に記載のセパレータユニット。   In the current collector, an electrode contact portion extending in the direction of gravity contacts the surface of the electrode diffusion layer of the oxygen electrode extending in the direction of gravity, and at least the surface in the gravity direction side of the opening in the electrode contact portion 2. The separator unit according to claim 1, wherein the separator unit is inclined toward the side surface of the separator body extending in the gravitational direction from the surface of the electrode diffusion layer of the oxygen electrode and inclined in the gravitational direction. 固体高分子電解質膜を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池であって生成水が生じる燃料電池が、セパレータユニットを挟んで積層されている燃料電池スタックであって、
前記セパレータユニットは、前記燃料極に供給される燃料ガスと前記酸素極に供給される酸化剤ガスとを遮断する板状のセパレータ本体と、
該セパレータ本体の一側又は両側に設けられ、網目状の開口を備え、前記燃料極又は酸素極に当接するとともに、前記ガスを蛇行状に流通させる集電体とを備え、
少なくとも前記酸素極に当接する集電体は、網目状の開口を備えるメタル板材から成るとともに、該メタル板材にプレス加工によって形成された複数の並行する凸条を備える波板であり、
前記凸条間の谷部の平面は前記酸素極の電極拡散層に当接する電極当接部であり、前記凸条の頂部は前記セパレータ本体の側面に当接するセパレータ当接部であり、前記凸条の幅は前記凸条間の谷部の幅より狭いことを特徴とする燃料電池スタック。
A fuel cell in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode, and a fuel cell in which produced water is produced is a fuel cell stack in which separator units are sandwiched,
The separator unit is a plate-shaped separator body that blocks the fuel gas supplied to the fuel electrode and the oxidant gas supplied to the oxygen electrode;
A separator provided on one or both sides of the separator body, provided with a mesh-like opening, and in contact with the fuel electrode or the oxygen electrode, and a current collector that circulates the gas in a serpentine shape;
At least the current collector in contact with the oxygen electrode is a corrugated plate made of a metal plate having a mesh-like opening, and a plurality of parallel ridges formed by pressing the metal plate.
The plane of the valleys between the ridges is in contact with the electrode contact portion to the electrode diffusion layer of the oxygen electrode, the top of the ridges Ri abuts separator abutment der on the side surface of the separator body, the The fuel cell stack, wherein the width of the ridge is narrower than the width of the valley between the ridges .
前記集電体は、重力方向に延在する電極当接部が重力方向に延在する前記酸素極の電極拡散層の面に当接し、前記電極当接部における開口の少なくとも重力方向側の面が、前記酸素極の電極拡散層の面から重力方向に延在するセパレータ本体の側面に向かい、かつ、重力方向に傾斜している請求項3に記載の燃料電池スタック。   In the current collector, an electrode contact portion extending in the direction of gravity contacts the surface of the electrode diffusion layer of the oxygen electrode extending in the direction of gravity, and at least the surface in the gravity direction side of the opening in the electrode contact portion 4. The fuel cell stack according to claim 3, wherein the fuel cell stack is inclined toward the side surface of the separator body extending in the gravity direction from the surface of the electrode diffusion layer of the oxygen electrode and inclined in the gravity direction.
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