JP5019719B2

JP5019719B2 - Separator unit

Info

Publication number: JP5019719B2
Application number: JP2005139237A
Authority: JP
Inventors: 慎之高田; 憲二加藤; 義宏田村; 利彦野々部
Original assignee: Equos Research Co Ltd; Toyota Auto Body Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd; Toyota Auto Body Co Ltd
Priority date: 2005-05-12
Filing date: 2005-05-12
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2025-03-11
Also published as: JP2006253105A

Description

本発明は、セパレータユニットに関するものである。 The present invention relates to a separator unit.

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（ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ：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（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. Cooling means for preventing this is provided (for example, see 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、単位セルの積層方向に関して温度分布が発生し、電極の温度が上昇してしまうことがある。この場合、電極を通してＭＥＡの外側に散逸する水分の量が多くなり過ぎ、ＭＥＡ内部の湿度が低下するので、各セルにおける発電効率が低下してしまう。 However, in the conventional fuel cell system, a temperature distribution may occur in the stacking direction of the unit cells, and the electrode temperature may increase. In this case, the amount of moisture dissipated to the outside of the MEA through the electrode is excessively increased, and the humidity inside the MEA is lowered, so that the power generation efficiency in each cell is lowered.

本発明は、前記従来の問題点を解決して、多孔（こう）体から成る集電体の開口率を局所的に変化させることによって、燃料電池スタック内における温度分布を解消し、燃料電池の温度を適切に制御することができ、燃料電池内の湿度を適切に維持することができ、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を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and locally changes the aperture ratio of the current collector made of a porous body, thereby eliminating the temperature distribution in the fuel cell stack, and To provide a separator unit that can appropriately control the temperature, appropriately maintain the humidity in the fuel cell, have high power generation efficiency, high cooling capacity, and increase the output of the fuel cell. Objective.

そのために、本発明の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の間に挿入され、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ガスとを遮断する板状のセパレータ本体と、前記燃料極又は酸素極に当接させて前記セパレータ本体の一側又は両側に設けられ、前記燃料ガス或いは酸化ガスの流路となる網目状の開口が形成された集電体と、を有するセパレータユニットであって、前記セパレータ本体は、内部に冷媒を流通させる冷媒流路が形成されており、かつ前記集電体は、前記網目状の開口を形成したエキスパンドメタル又はパンチングメタルから成るメタル板材にプレス加工を施して、前記燃料極又は酸素極に当接する電極当接部、前記セパレータ本体に当接するセパレータ当接部、及び、前記電極当接部と前記セパレータ当接部との間の側壁部が形成されており、かつ、前記電極当接部の開口率が前記電極当接部以外の部分の開口率よりも大きい。 Therefore, in the separator unit of the present invention, the fuel gas supplied to the fuel electrode and the oxidizing gas supplied to the oxygen electrode are inserted between the fuel cells in which the electrolyte layer is sandwiched between the fuel electrode and the oxygen electrode. A plate-shaped separator body that is in contact with the fuel electrode or the oxygen electrode, and is provided on one or both sides of the separator body, and has a mesh-shaped opening that serves as a flow path for the fuel gas or oxidizing gas A separator unit having a current collector formed therein, wherein the separator main body is formed with a refrigerant flow path through which a refrigerant flows, and the current collector forms the mesh-shaped opening It was a metal plate made of expanded metal or punched metal by applying a pressing process, contacting the electrode contact portion to the fuel electrode or oxygen electrode, in contact with the separator against the said separator body Parts, and the electrode and the side wall portion is formed between the contact portion and the separator contact portion, and the opening pre-Symbol conductive Gokuto contact opening ratio of the portion other than the electrode contact portion Greater than rate.

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、前記電極当接部、前記セパレータ当接部、及び、前記側壁部の各々の開口率が次の式（１）で示される関係を満足する。
電極当接部の開口率＞側壁部の開口率≧セパレータ当接部の開口率・・・式（１） In another separator unit of the present invention, furthermore, the current collector, the electrode contact portion, before xenon separator abutting portion, and wherein front SL side wall portion of each of the opening ratio of the following (1 ) Is satisfied.
Opening ratio of electrode contact portion> opening ratio of side wall portion ≧ opening ratio of separator contact portion (1)

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、前記燃料電池を冷却するための冷媒流路が内部に形成され、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、前記燃料極又は酸素極に当接して前記燃料電池で発生した熱を放熱する集電体とを有し、該集電体は、前記燃料極又は酸素極に当接する電極当接部における開口率が電極当接部以外の部分の開口率よりも大きい。 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 the coolant channel for cooling the fuel cell is formed inside. A fuel cell having a plate-like separator body that cuts off a gas supplied to the fuel electrode and a gas supplied to the oxygen electrode; and a mesh-like opening provided on one side or both sides of the separator body. A current collector that contacts the electrode or the oxygen electrode and dissipates heat generated in the fuel cell, and the current collector has an electrode with an aperture ratio at the electrode contact portion that contacts the fuel electrode or the oxygen electrode. It is larger than the aperture ratio of parts other than the contact part.

この場合、燃料電池スタック内における温度分布を解消し、燃料電池の温度を適切に制御することができる。そのため、燃料電池内の湿度を適切に維持することができ、発電効率を向上させることができる。また、冷却能力を向上させ、燃料電池の出力を高めることができる。 In this case, the temperature distribution in the fuel cell stack can be eliminated and the temperature of the fuel cell can be controlled appropriately. Therefore, the humidity in the fuel cell can be properly maintained, and the power generation efficiency can be improved. Further, the cooling capacity can be improved and the output of the fuel cell can be increased.

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（ＰｒｏｔｏｎＥｘｃｈａｎｇｅＭｅｍｂｒａｎｅＦｕｅｌＣｅｌｌ）型燃料電池、又は、ＰＥＭ（ＰｒｏｔｏｎＥｘｃｈａｎｇｅＭｅｍｂｒａｎｅ）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（ＦｕｅｌＣｅｌｌ）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水素供給調圧弁２５ａ及び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 includes 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 hydrogen for adjusting the pressure of the supplied hydrogen gas. Supply pressure regulating valves 25a and 25b and a fuel supply electromagnetic valve 26 are provided.

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、前記水素供給調圧弁２５ａ及び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、前記水素供給調圧弁２５ａ及び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 hydrogen supply pressure regulating valves 25a and 25b are butterfly valves, regulator valves, diaphragm type valves, mass flow controllers, sequence valves, etc., but hydrogen gas flowing out from the outlets of the hydrogen supply pressure regulating valves 25a and 25b. Any type may be used as long as the pressure 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ファン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、空気供給ファン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 fan 75 as an oxidant supply source through an oxidant supply pipe 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 fan 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 of the fuel cell stack 20, water can be sprayed into 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、大気圧程度の常圧の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、いわゆる加圧システムでなく、常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, it is assumed that the atmospheric pressure is about atmospheric pressure. That is, the fuel cell system in the present embodiment is not a so-called pressurization system but an atmospheric pressure 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、該単位セル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, catalyst, and 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、前記水素供給調圧弁２５ａ及び２５ｂ、水素排気弁６２、空気供給ファン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 a failure in the hydrogen supply pressure regulating valves 25a and 25b, a hydrogen exhaust valve 62, an air supply fan 75, a refrigerant supply pump 54 and a refrigerant discharge pump 51 as a refrigerant pump, and a fuel cell system. An alarm 86 is connected as a device for outputting an alarm when an accident or the like occurs, 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ルモジュールの構成を示す断面図、図６は本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの発電性能を示す図である。 FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a separator unit of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a sectional view showing a configuration of a cell module of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention. FIG. 6 is a diagram showing the power generation performance of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention.

図１及び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１は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、図５は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断面図であり、説明の都合上、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 FIGS. 1 and 5, the cell module 10 includes a unit cell 11, a fuel chamber as a flow path for hydrogen gas introduced into the unit cell 11, while electrically connecting the unit cells 11 to each other. And a separator unit 12 that separates the oxygen chamber as an air flow path, and a plurality of them are stacked. 1 is an enlarged perspective view showing only a part of the stacked cell modules 10, and FIG. 5 is an enlarged sectional view showing only a part of the stacked cell modules 10. For convenience, the frame supporting the unit cell 11 and the separator unit 12 is omitted.

そして、単位セル１１は、図５に示されるように、イオン交換膜である電解質層としての固体高分子電解質膜１１ａと、該固体高分子電解質膜１１ａの一側に設けられた酸素極としての空気極１１ｂ（カソード極）及び他側に設けられた燃料極１１ｃ（アノード極）とで構成されている。前記空気極１１ｂ及び燃料極１１ｃ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電極拡散層と、該電極拡散層上に形成され、固体高分子電解質膜１１ａ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１においては、固体高分子電解質膜１１ａ、空気極１１ｂ及び燃料極１１ｃの図示が省略されている。 As shown in FIG. 5, the unit cell 11 includes a solid polymer electrolyte membrane 11a as an electrolyte layer that is an ion exchange membrane, and an oxygen electrode provided on one side of the solid polymer electrolyte membrane 11a. It consists of an air electrode 11b (cathode electrode) and a fuel electrode 11c (anode electrode) provided on the other side. The air electrode 11b and the fuel electrode 11c are formed on the electrode diffusion layer made of a conductive material that permeates while diffusing the reaction gas, and are supported in contact with the solid polymer electrolyte membrane 11a. And a catalyst layer containing a catalyst material. In FIG. 1, the solid polymer electrolyte membrane 11a, the air electrode 11b, and the fuel electrode 11c 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１１ｂ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１１ｃ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。なお、図１においては、説明の都合上、燃料極側コレクタ１５の図示が省略されている。 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 11b side of the unit cell 11 and is collected. The air electrode side collector 14 as a mesh-like current collector in which a large number of openings that allow electricity and permeate the mixed flow of air and water are formed, and the fuel of the unit cell 11 provided on the other side of the separator body 41 A fuel electrode side collector 15 as a mesh current collector for contacting the electrode diffusion layer on the electrode 11c side and leading out current to the outside. In FIG. 1, the illustration of the fuel electrode side collector 15 is omitted for convenience of explanation.

そして、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り、例えば、第１板部材４１ａ及び第２板部材４１ｂから成る二重構造を有し、内部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 plate thickness of about 0.2 mm. The separator body 41 is a plate-like member made of a thin metal plate having a thinner plate thickness. For example, the separator body 41 has a double structure including a first plate member 41a and a second plate member 41b and is shown inside. Such a refrigerant flow path 45 is formed. 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、パンチング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を有する波板とされている。なお、前記凸条は側壁部１４ｂ及び頂部１４ｃを備える。そして、前記凸条は、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１１ｂ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１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。ここで、各凸条の頂部１４ｃの平面は、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、各凸条間の谷部１４ａの平面は、単位セル１１の空気極１１ｂ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 expanded metal or punching metal having a mesh-like opening having an opening ratio of 59% or more, and is a corrugated plate having fine ridges formed by pressing. . In addition, the said protruding item | line is provided with the side wall part 14b and the top part 14c. And the said protruding item | line is the arrangement | positioning which extends in the vertical direction of a board | plate material, ie, the up-down direction in FIG. The cross-sectional shape of the ridges 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 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 11b 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. 1, an arrow A indicates the flow of air introduced into the unit cell 11 and flowing through the oxygen chamber. Here, the flat surface of the top portion 14c of each protrusion is a contact portion that contacts the side surface of the separator body 41, and the flat surface of the valley portion 14a between the protrusions is on the air electrode 11b side of the unit cell 11. The contact portion is in contact with the electrode diffusion layer.

また、燃料極側コレクタ１５は、前記空気極側コレクタ１４と同様の寸法の多孔体であり、例えば、網目状の開口を有するエキスパンドメタル、パンチング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を有する波板とされている。そして、前記凸条は、空気極側コレクタ１４の場合と同様に、側壁部１５ｂ及び頂部１５ｃを備え、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１１ｃ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。また、各凸条の頂部１５ｃの平面は、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、各凸条の谷部１５ａの平面は、単位セル１１の燃料極１１ｃ側の電極拡散層に当接する当接部となっている。 The fuel electrode side collector 15 is a porous body having the same dimensions as the air electrode side collector 14, and is made of a metal plate material such as an expanded metal or a punching metal having a mesh-like opening, and is formed by pressing. The corrugated sheet has fine ridges. And the said protruding item | line is provided with the side wall part 15b and the top part 15c similarly to the case of the air electrode side collector 14, is extended in the up-down direction in FIG. 5, and cuts a plate | board surface completely at equal intervals in parallel. It is supposed to be arranged. The cross-sectional shape of the ridges is roughly a rectangular wave-shaped cross-section, and the base side has a slightly flared shape due to die cutting in press working. The height of the ridges 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 11c side of the unit cell 11 and the side surface of the separator body 41. A fuel gas flow path having a predetermined opening area penetrating in the vertical direction is secured. Further, the flat surface of the top 15 c of each protrusion is a contact portion that contacts the side surface of the separator body 41, and the flat surface of each trough 15 a is the electrode diffusion on the fuel electrode 11 c side of the unit cell 11. It is the contact part which contacts a layer.

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のそれぞれの凸条の頂部１４ｃ及び１５ｃ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１１ｂ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１１ｃ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 top portions 14c and 15c of the ridges of the air electrode side collector 14 and the fuel electrode side collector 15 are in contact with the separator main body 41, and 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, that is, an oxygen chamber is formed on one side of the separator body 41, and a fuel gas flow path on the other side. That is, a fuel chamber is formed. Then, air is supplied from the oxygen chamber to the air electrode 11b of the unit cell 11, and similarly, hydrogen gas is supplied from the fuel chamber to the fuel electrode 11c 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１１ａを透過する。また、前記空気極１１ｂ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１１ａ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１１ａ内に拡散し、該固体高分子電解質膜１１ａ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. It penetrates the polymer electrolyte membrane 11a. Further, when the air electrode 11b 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 11a 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 11a and permeates through the solid polymer electrolyte membrane 11a in the direction opposite to the hydrogen ions to enter the fuel chamber. It has penetrated until.

また、セパレータ本体４１は、図示されない冷媒流入管及び冷媒流出管が接続され、冷媒流入管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に流入する。また、冷媒流出管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。なお、冷媒流路４５の形状は、直線状であってもよいし、蛇（だ）行状、渦巻き状等のような冷媒の流路長が長くなるような形状であってもよい。 The separator main body 41 is connected to a refrigerant inflow pipe and a refrigerant outflow pipe (not shown), and the refrigerant flowing in from the refrigerant inflow pipe cools through the refrigerant flow path 45 formed inside the separator main body 41, so that the refrigerant outflow Flows out of the tube. 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. Further, the refrigerant flowing out from the refrigerant outflow pipe 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. The shape of the refrigerant flow path 45 may be a straight line, or may be a shape such as a serpentine shape, a spiral shape, or the like in which the refrigerant flow path length is long.

図１に示される例において、前記セパレータ本体４１は第１板部材４１ａ及び第２板部材４１ｂを貼（は）り合わせて形成されている。この場合、一方の板材としての第２板部材４１ｂ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所望の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としての第１板部材４１ａ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のそれぞれの頂部１４ｃ及び１５ｃ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. 1, the separator body 41 is formed by pasting together a first plate member 41 a and a second plate member 41 b. In this case, a concave groove having a desired shape is formed on the inner surface of the second plate member 41b as one plate material 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 1st board member 41a as the other board | plate material on the surface in which this concave 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. Thereby, the contact between the outer surface of the separator body 41 and the top portions 14c and 15c of the air electrode side collector 14 and the fuel electrode side collector 15 is ensured, and the separator body 41, the air electrode side collector 14 and the fuel electrode are secured. The thermal conductivity and electrical conductivity with the side collector 15 can be improved.

本実施の形態において、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５は、開口率が局所的に変化するように形成されている。例えば、単位セル１１に当接する電極当接部であるＭＥＡ接触部としての谷部１４ａ及び１５ａの開口率が最も高く、セパレータ本体４１に当接するセパレータ当接部であるセパレータ接触部としての頂部１４ｃ及び１５ｃの開口率が最も低く、リブを構成するリブ部としての側壁部１４ｂ及び１５ｂの開口率が谷部１４ａ及び１５ａの開口率と頂部１４ｃ及び１５ｃの開口率との中間となるように形成されている。なお、側壁部１４ｂ及び１５ｂの開口率は、頂部１４ｃ及び１５ｃの開口率と等しくてもよい。すなわち、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５の各所の開口率は、単位セル１１の積層方向（図５における上下方向）に関して傾斜化され、次の式（１）で定義されるように変化する。
ＭＥＡ接触部の開口率＞リブ部の開口率≧セパレータ接触部の開口率・・・式（１）
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１１ｃ及び空気極１１ｂ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、側壁部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。 In the present embodiment, the air electrode side collector 14 and the fuel electrode side collector 15 are formed so that the aperture ratio changes locally. For example, the valley portions 14a and 15a as MEA contact portions that are electrode contact portions that contact the unit cell 11 have the highest opening ratio, and the top portion 14c as a separator contact portion that is a separator contact portion that contacts the separator body 41. And 15c have the lowest opening ratio, and the opening ratios of the side wall parts 14b and 15b as ribs constituting the ribs are intermediate between the opening ratios of the valley parts 14a and 15a and the opening ratios of the top parts 14c and 15c. Has been. Note that the opening ratios of the side wall portions 14b and 15b may be equal to the opening ratios of the top portions 14c and 15c. That is, the aperture ratios of the air electrode side collector 14 and the fuel electrode side collector 15 are inclined with respect to the stacking direction of the unit cells 11 (the vertical direction in FIG. 5), and are defined by the following equation (1). Change.
Opening ratio of MEA contact part> Opening ratio of rib part ≧ Opening ratio of separator contact part (1)
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 of the fuel electrode 11c and the air electrode 11b of the unit cell 11 through the openings of the valleys 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 side wall portions 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（ふさ）いでしまった場合、空気は側壁部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。 In particular, when water droplets are generated in the oxygen chamber due to generated water or water supplied to the air, and the water droplets block the flow path between the adjacent valley portions 14a, the air passes through the side wall portion 14b. Since it can flow into the adjacent flow path through the opening, the air flow is not hindered. The same applies when water droplets are generated in the fuel chamber due to the reverse diffusion water.

そして、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。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。 The unit cell 11 is cooled by a separator body 41 that functions as a cooler for a closed cooling system. 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. 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.

前記単位セル１１において発生した熱は、空気極１１ｂ及び燃料極１１ｃの外側の面から谷部１４ａ及び１５ａに伝達され、側壁部１４ｂ及び１５ｂを通って、頂部１４ｃ及び１５ｃからセパレータ本体４１に伝達される。そのため、仮に、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５の開口率がすべての部位で一定であるとすると、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５内における熱伝導率は、すべての部位で一定となる。この場合、谷部１４ａ及び１５ａの面積が頂部１４ｃ及び１５ｃの面積よりも大きいので、谷部１４ａ及び１５ａにおいて伝達する単位面積当たりの熱量よりも、頂部１４ｃ及び１５ｃにおいて伝達する単位面積当たりの熱量の方が大きくなり、谷部１４ａ及び１５ａにおける熱抵抗よりも頂部１４ｃ及び１５ｃにおける熱抵抗の方が大きくなってしまう。また、側壁部１４ｂ及び１５ｂにおいても、開口率が大きいと熱伝導率が低くなり、熱抵抗が大きくなってしまう。特に、空気中に水を供給するようにした場合には側壁部１４ｂ及び１５ｂが冷却器の一種としての冷却フィンとして機能するが、この場合、開口率が大きいと冷却フィンとして機能する面積が減少し、熱抵抗が大きくなってしまう。そして、谷部１４ａ及び１５ａ並びに側壁部１４ｂ及び１５ｂにおける熱抵抗が大きくなると、「発明が解決しようとする課題」の項において説明したように、単位セル１１の積層方向に関して温度分布が発生し、空気極１１ｂ及び燃料極１１ｃの温度が上昇してしまう。そのため、空気極１１ｂ及び燃料極１１ｃを通して単位セル１１の外側に散逸する水分の量が多くなり過ぎ、単位セル１１内部の湿度が低下するので、単位セル１１における発電効率が低下してしまう。 The heat generated in the unit cell 11 is transmitted to the valley portions 14a and 15a from the outer surfaces of the air electrode 11b and the fuel electrode 11c, and is transmitted from the top portions 14c and 15c to the separator body 41 through the side wall portions 14b and 15b. Is done. Therefore, if the aperture ratios of the air electrode side collector 14 and the fuel electrode side collector 15 are constant in all parts, the thermal conductivity in the air electrode side collector 14 and the fuel electrode side collector 15 is It becomes constant at. In this case, since the areas of the valleys 14a and 15a are larger than the areas of the tops 14c and 15c, the amount of heat per unit area transferred in the tops 14c and 15c is larger than the amount of heat per unit area transferred in the valleys 14a and 15a. Becomes larger, and the thermal resistance at the tops 14c and 15c becomes larger than the thermal resistance at the valleys 14a and 15a. Moreover, also in the side wall parts 14b and 15b, when an aperture ratio is large, thermal conductivity will become low and thermal resistance will become large. In particular, when water is supplied into the air, the side walls 14b and 15b function as cooling fins as a kind of cooler. In this case, if the aperture ratio is large, the area functioning as the cooling fins decreases. In addition, the thermal resistance increases. Then, when the thermal resistance in the valley portions 14a and 15a and the side wall portions 14b and 15b increases, as described in the section “Problems to be solved by the invention”, a temperature distribution occurs in the stacking direction of the unit cells 11, The temperature of the air electrode 11b and the fuel electrode 11c will rise. Therefore, the amount of moisture dissipated to the outside of the unit cell 11 through the air electrode 11b and the fuel electrode 11c is excessively increased, and the humidity inside the unit cell 11 is lowered, so that the power generation efficiency in the unit cell 11 is lowered.

しかし、本実施の形態においては、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５の各所の開口率は、単位セル１１の積層方向に関して傾斜化され、前記式（１）で定義されるように変化する。そのため、頂部１４ｃ及び１５ｃは、開口率が低く、面密度が高いので、単位面積当たりの伝達可能な熱量が増加し、熱抵抗が減少する。また、側壁部１４ｂ及び１５ｂも、開口率が低く、面密度が高いので、単位面積当たりの伝達可能な熱量が増加し、熱抵抗が減少する。これにより、単位セル１１の積層方向に関する温度分布が解消され、空気極１１ｂ及び燃料極１１ｃの温度が上昇することがないので、図５において矢印Ｃで示されるような空気極１１ｂを通して単位セル１１の外側に散逸する水分、及び、図５において矢印Ｄで示されるような燃料極１１ｃを通して単位セル１１の外側に散逸する水分の量が抑制される。したがって、単位セル１１内部の湿度を適正に維持することができ、単位セル１１における発電効率を向上させることができる。 However, in the present embodiment, the aperture ratios of the air electrode side collector 14 and the fuel electrode side collector 15 are inclined with respect to the stacking direction of the unit cells 11 and change as defined by the above formula (1). To do. Therefore, since the top portions 14c and 15c have a low aperture ratio and a high surface density, the amount of heat that can be transmitted per unit area increases, and the thermal resistance decreases. Further, since the side wall portions 14b and 15b also have a low aperture ratio and a high surface density, the amount of heat that can be transferred per unit area increases, and the thermal resistance decreases. As a result, the temperature distribution in the stacking direction of the unit cells 11 is eliminated, and the temperature of the air electrode 11b and the fuel electrode 11c does not rise. Therefore, the unit cell 11 passes through the air electrode 11b as shown by the arrow C in FIG. And the amount of moisture dissipated to the outside of the unit cell 11 through the fuel electrode 11c as indicated by the arrow D in FIG. Therefore, the humidity inside the unit cell 11 can be properly maintained, and the power generation efficiency in the unit cell 11 can be improved.

図６は、低加湿条件、すなわち、単位セル１１が比較的乾燥した状態における空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５の開口率による発電性能の比較を示している。図６において、縦軸には単位セル１１における電圧を採り、横軸には電流密度を採っている。そして、▲でプロットされた実験結果を結ぶ線４７は空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５の開口率がすべての部位で一定である場合を示し、◆でプロットされた実験結果を結ぶ線４８は空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５の開口率が単位セル１１の積層方向に関して傾斜化され、前記式（１）で定義されるように変化する場合を示している。図６から、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５の開口率が単位セル１１の積層方向に関して傾斜化され、前記式（１）で定義されるように変化する場合には、単位セル１１における発電効率が向上していることが分かる。 FIG. 6 shows a comparison of power generation performance depending on the aperture ratio of the air electrode side collector 14 and the fuel electrode side collector 15 in a low humidification condition, that is, in a state where the unit cell 11 is relatively dry. In FIG. 6, the vertical axis represents the voltage in the unit cell 11 and the horizontal axis represents the current density. A line 47 connecting the experimental results plotted with ▲ indicates a case where the aperture ratios of the air electrode side collector 14 and the fuel electrode side collector 15 are constant in all parts, and a line connecting the experimental results plotted with ◆. Reference numeral 48 denotes a case where the aperture ratios of the air electrode side collector 14 and the fuel electrode side collector 15 are inclined with respect to the stacking direction of the unit cells 11 and change as defined by the above formula (1). From FIG. 6, when the aperture ratios of the air electrode side collector 14 and the fuel electrode side collector 15 are inclined with respect to the stacking direction of the unit cells 11 and change as defined by the above formula (1), the unit cell 11 It can be seen that the power generation efficiency is improved.

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、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１１ｃ及び空気極１１ｂの電極拡散層に十分に接触することができる。また、燃料室内の水素ガス及び酸素室内の空気は、側壁部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。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、空気は側壁部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。 Further, since the air electrode side collector 14 and the fuel electrode side collector 15 have a mesh-like opening, 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. There is nothing. 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 of the fuel electrode 11c and the air electrode 11b of the unit cell 11 through the openings of the valleys 14a and 15a that are in contact with the unit cell 11. can do. Further, since the hydrogen gas in the fuel chamber and the air in the oxygen chamber can also move through the openings in the side wall portions 14b and 15b, the flow of hydrogen gas in the fuel chamber and the flow of air in the oxygen chamber become smooth. In particular, when water droplets are generated in the oxygen chamber due to 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 opening of the side wall portion 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.

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起動動作を示すフローチャート、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供給量制御の動作を示すフローチャートである。 FIG. 7 is a flowchart showing the start-up operation of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention. FIG. 8 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、空気供給ファン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 from the air supply fan 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１１ａ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１１ｂ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１１ａ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 start-up, air is present in the unit cell 11 regardless of whether the air supply system is on or not, so that hydrogen gas is supplied in a state where the solid polymer electrolyte membrane 11a 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 11b of the unit cell 11 is wetted in advance. (Nu) needs to be kept. Thereby, abnormal heat can be converted into the heat of water evaporation, and further, wetting of the solid polymer electrolyte membrane 11a can be promoted to prevent damage to the unit cell 11 beforehand.

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、水素供給調圧弁２５ａ及び２５ｂが、爆発限界以下の所定の濃度で水素ガスが燃料極１１ｃ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１１ｃ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、水素供給調圧弁２５ａ及び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１１ｂより透過するＮ₂、Ｏ₂又は生成水の影響によって、燃料極１１ｃ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 hydrogen supply pressure regulating valves 25a and 25b are adjusted so that hydrogen gas is supplied to the fuel electrode 11c at a predetermined concentration below the explosion limit. Then, the hydrogen exhaust valve 62 closed at the time of startup is opened based on a predetermined rule, the fuel gas whose hydrogen partial pressure is reduced is exhausted, and the atmosphere gas of the fuel electrode 11c is refreshed. The predetermined rule at this time is stored in the memory 82, and the control device 81 reads out the rule from the memory 82 for adjusting the hydrogen supply pressure regulating valves 25 a and 25 b and opening and closing the hydrogen exhaust valve 62. Executed by. The reason why the hydrogen exhaust valve 62 is appropriately opened during operation is that the operation of the fuel cell system is continued with the hydrogen exhaust valve 62 closed, due to the influence of N ₂ , O ₂ or the generated water that passes through the air electrode 11b. This is because the partial pressure of hydrogen consumed at the fuel electrode 11c gradually decreases, and 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、空気供給ファン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１１ｂ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 air supply amount is increased by increasing the rotation speed of the air supply fan 75, and the temperature of the air electrode 11b, which 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、空気供給ファン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 fan 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、水素供給調圧弁２５ａ及び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 control, the hydrogen pressure sensors 27 and 28 detect the pressure of the hydrogen gas on the fuel storage means 73 side, and the control device 81 adjusts the hydrogen supply pressure regulating valves 25a and 25b to control the fuel. The pressure of the hydrogen gas supplied to the battery 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、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５は、開口率が局所的に変化するように形成され、単位セル１１の積層方向に関して傾斜化されている。そのため、単位セル１１の積層方向に関する温度分布が解消され、空気極１１ｂ及び燃料極１１ｃの温度が上昇することがないので、空気極１１ｂ及び燃料極１１ｃを通して単位セル１１の外側に散逸する水分の量が抑制される。これにより、単位セル１１内部の湿度を適正に維持することができ、単位セル１１における発電効率を向上させることができる。 Thus, in the present embodiment, the air electrode side collector 14 and the fuel electrode side collector 15 are formed so that the aperture ratio changes locally, and are inclined with respect to the stacking direction of the unit cells 11. Therefore, the temperature distribution in the stacking direction of the unit cells 11 is eliminated, and the temperature of the air electrode 11b and the fuel electrode 11c does not increase. Therefore, the moisture dissipated to the outside of the unit cell 11 through the air electrode 11b and the fuel electrode 11c. The amount is suppressed. Thereby, the humidity inside the unit cell 11 can be properly maintained, and the power generation efficiency in the unit cell 11 can be improved.

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、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１１ｃ側及び空気極１１ｂ側の電極拡散層に十分に接触することができる。また、燃料室内の水素ガス及び酸素室内の空気は、側壁部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。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、空気は側壁部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。また、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。 Further, since the air electrode side collector 14 and the fuel electrode side collector 15 have a mesh-like opening, 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. There is nothing. That is, the hydrogen gas in the fuel chamber and the air in the oxygen chamber are sufficiently supplied to the electrode diffusion layers on the fuel electrode 11c side and the air electrode 11b side of the unit cell 11 through the openings of the valley portions 14a and 15a contacting the unit cell 11. Can contact. Further, since the hydrogen gas in the fuel chamber and the air in the oxygen chamber can also move through the openings in the side wall portions 14b and 15b, the flow of hydrogen gas in the fuel chamber and the flow of air in the oxygen chamber become smooth. In particular, when water droplets are generated in the oxygen chamber due to 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 opening of the side wall portion 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.

なお、本実施の形態においては、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５の開口率を単位セル１１の積層方向に関して傾斜化させることによって、単位セル１１の積層方向に関する温度分布を解消させる例についてのみ説明したが、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５を異種材料を組み合わせたものから形成することによって、単位セル１１の積層方向に関する温度分布を解消させることもできる。この場合、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５を形成する材料を局所的に変化させ、単位セル１１に接触するＭＥＡ接触部としての谷部１４ａ及び１５ａを形成する材料の熱伝導率が最も低く、セパレータ本体４１に接触するセパレータ接触部としての頂部１４ｃ及び１５ｃを形成する材料の熱伝導率が最も高く、リブを構成するリブ部としての側壁部１４ｂ及び１５ｂを形成する材料の熱伝導率が谷部１４ａ及び１５ａと頂部１４ｃ及び１５ｃとの中間となるように形成されている。なお、側壁部１４ｂ及び１５ｂを形成する材料の熱伝導率は、頂部１４ｃ及び１５ｃを形成する材料の熱伝導率と等しくてもよい。これにより、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５の各所の熱抵抗は、単位セル１１の積層方向に関して傾斜化され、次の式（２）で定義されるように変化する。
ＭＥＡ接触部の熱抵抗＞リブ部の熱抵抗≧セパレータ接触部の熱抵抗・・・式（２）
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 the present embodiment, the temperature distribution in the stacking direction of the unit cells 11 is eliminated by inclining the aperture ratios of the air electrode side collector 14 and the fuel electrode side collector 15 with respect to the stacking direction of the unit cells 11. However, the temperature distribution in the stacking direction of the unit cells 11 can also be eliminated by forming the air electrode side collector 14 and the fuel electrode side collector 15 from a combination of different materials. In this case, the material forming the air electrode side collector 14 and the fuel electrode side collector 15 is locally changed, and the thermal conductivity of the material forming the valley portions 14a and 15a as the MEA contact portions contacting the unit cell 11 is increased. The lowest thermal conductivity of the material forming the top portions 14c and 15c as the separator contact portions contacting the separator body 41 is the highest, and the thermal conductivity of the material forming the side walls 14b and 15b as the rib portions constituting the ribs. It is formed so that the rate is intermediate between the valley portions 14a and 15a and the top portions 14c and 15c. Note that the thermal conductivity of the material forming the side wall portions 14b and 15b may be equal to the thermal conductivity of the material forming the top portions 14c and 15c. Thereby, the thermal resistance of each part of the air electrode side collector 14 and the fuel electrode side collector 15 is inclined with respect to the stacking direction of the unit cells 11 and changes as defined by the following equation (2).
Thermal resistance of MEA contact portion> Rib portion thermal resistance ≧ Separator contact portion thermal resistance (2)
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ルモジュールの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the cell module 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発電性能を示す図である。It is a figure which shows the electric power generation performance 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.

Explanation of symbols

１１単位セル
１１ａ固体高分子電解質膜
１１ｂ空気極
１１ｃ燃料極
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側壁部
１４ｃ、１５ｃ頂部
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 11a Solid polymer electrolyte membrane 11b Air electrode 11c Fuel electrode 12 Separator unit 14 Air electrode side collector 14a, 15a Valley part 14b, 15b Side wall part 14c, 15c Top 15 Fuel electrode side collector 20 Fuel cell stack 41 Separator body

Claims

A plate-shaped separator body inserted between the fuel cell sandwiching the electrolyte layer between the fuel electrode and the oxygen electrode, and blocking the fuel gas supplied to the fuel electrode and the oxidizing gas supplied to the oxygen electrode;
A separator provided on one side or both sides of the separator main body in contact with the fuel electrode or the oxygen electrode, and having a mesh-like opening serving as a flow path for the fuel gas or oxidizing gas. A unit,
The separator body, inside which is a refrigerant passage for flowing refrigerant formed, and the current collector is subjected to press working to the metal plate material made of expanded metal or punched metal to form the mesh-like openings An electrode contact portion that contacts the fuel electrode or oxygen electrode, a separator contact portion that contacts the separator body, and a side wall portion between the electrode contact portion and the separator contact portion. and a separator unit before Symbol conductive Gokuto contact opening rate of being larger than the aperture ratio of the portion other than the electrode contact portion.

The current collector, the electrode contact portion, before xenon separator abutting portion, and, to claim 1, front SL side wall portion of each of the opening ratio of satisfies the relationship represented by the following formula (1) The separator unit described.
Opening ratio of electrode contact portion> opening ratio of side wall portion ≧ opening ratio of separator contact portion (1)