JP6565784B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に関するものである。

特許文献１に、セパレータのうち電極に対向する領域を、複数の導電性領域に分割した燃料電池が開示されている。特許文献１の燃料電池では、複数の導電性領域を導電性材料で構成し、複数の導電性領域を区画する部分を非導電性材料で構成し、導電性材料と非導電性材料の２つの部材を接合して一体化している。

これによれば、セパレータのうち電極に対向する領域を、複数の導電性領域に分割しているので、複数の導電性領域のそれぞれを流れる電流を測定することで、燃料電池の発電面内の電流分布を測定できる。

特開２０１３−３０４７１号公報

しかし、上記した従来の燃料電池では、導電性材料と非導電性材料の２つの部材を一体化してセパレータを形成するので、冷熱サイクル時に、２つの部材の接合面に熱応力がかかり、接合面にクラックが生じるおそれがある。２つの部材の接合面にクラックが生じると、そこから反応ガス（燃料ガスや酸化剤ガス）の漏れが生じてしまう。このように、従来の燃料電池では、熱応力によってセパレータにクラックが生じる可能性が高く、セパレータの耐久性が低いという課題がある。

本発明は上記点に鑑みて、上記した従来の燃料電池と比較して、セパレータの耐久性が高い燃料電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、
電解質（１１０）と、
電解質の両側に設けられたカソード側電極（１２０）およびアノード側電極（１３０）と、
カソード側電極の電解質側とは反対側に設けられ、カソード側電極に供給される酸化剤ガスの流路（１４１ｃ）を有するカソード側セパレータ（１４０、１８０）と、
アノード側電極の電解質側とは反対側に設けられ、アノード側電極に供給される燃料ガスの流路（１５３ｃ）を有するアノード側セパレータ（１５０）と、
アノード側セパレータとカソード側セパレータの少なくとも一方のセパレータは、アノード側電極またはカソード側電極に対向する電極対向領域（１４４、１５４）において、複数の導電部（１４５）と、複数の導電部よりも高抵抗であって、複数の導電部のそれぞれを分け隔てる高抵抗部（１４６）とを有し、
少なくとも一方のセパレータは、金属材料からなる母材で構成されており、
複数の導電部は、母材で構成され、
高抵抗部は、母材の酸化物で構成されていることを特徴としている。

また、請求項２に記載の発明では、
電解質（１１０）と、電解質の両側に設けられたカソード側電極（１２０）およびアノード側電極（１３０）と、カソード側電極の電解質側とは反対側に設けられ、カソード側電極に供給される酸化剤ガスの流路（１４１ｃ）を有するカソード側セパレータ（１４０）と、アノード側電極の電解質側とは反対側に設けられ、アノード側電極に供給される燃料ガスの流路（１５３ｃ）を有するアノード側セパレータ（１５０）とを有するとともに、互いに積層された複数のセル（１０ａ）と、
複数のセルとともに積層され、複数のセルと電気的に直列に接続された少なくとも１つ以上の電流センサ（１３）とを備え、
１つの電流センサは、隣接するセルと接触する複数の電流測定部（１３ａ）を有し、
複数のセルのそれぞれのアノード側セパレータとカソード側セパレータのうち電流センサに隣接するセパレータは、アノード側電極またはカソード側電極に対向する電極対向領域（１４４、１５４）において、複数の導電部（１４５）と、複数の導電部よりも高抵抗であって、複数の導電部のそれぞれを分け隔てる高抵抗部（１４６）とを有し、
複数の導電部のそれぞれは、複数の電流測定部のいずれか１つの電流測定部と電気的に接続されており、
電流センサに隣接するセパレータは、金属材料からなる母材で構成されており、
複数の導電部は、母材で構成され、
高抵抗部は、母材の酸化物で構成されていることを特徴としている。

請求項１、２に記載の発明によれば、セパレータの電極対向領域を複数の導電部に分割しているで、複数の導電部のそれぞれを流れる電流を測定することで、燃料電池の発電面内の電流分布を測定することができる。さらに、セパレータを構成する１つの部材の一部を酸化（化学変化）させて高抵抗部を形成しているので、２つの部材を接合して一体化してセパレータを形成する場合と比較して、熱応力によるクラックの発生を抑制できる。

よって、請求項１、２に記載の発明によれば、セパレータの耐久性が高い燃料電池を提供できる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

第１実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す図である。 第１実施形態における燃料電池の斜視図である。 図２中の電流センサの平面図である。 第１実施形態における第１セルと電流センサの断面図である。 第１実施形態における第１セルのカソード側セパレータの平面図である。 第１実施形態における第２セルと電流センサの断面図である。 第２実施形態における第１セルと電流センサの断面図である。 第３実施形態における第１セルと電流センサの断面図である。 第４実施形態における第１セルと電流センサの断面図である。 第４実施形態における電流センサの製造工程を示す断面図である。 第４実施形態における電流センサの製造工程を示す断面図である。 他の実施形態における第１セルのカソード側セパレータの平面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
まず、図１に示す本実施形態の燃料電池１０を備える燃料電池システムについて説明する。この燃料電池システムは、電気自動車の一種である、いわゆる燃料電池車両に適用されており、図示しない車両走行用電動モータ、二次電池、車両用各種補機類等電気負荷に電力を供給するものである。

燃料電池１０は、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生するものである。本実施形態では、燃料電池１０として、固体高分子電解質型のものを採用している。

燃料電池１０は、基本単位となる燃料電池セル１０ａ（以下、単にセル１０ａと記載する。）が複数個、電気的に直列に接続されて構成されている。各セル１０ａでは、以下に示すように、水素と酸素とを電気化学反応させて、電気エネルギを出力する。

（負極側）Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
（正極側）２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
燃料電池１０から出力される電気エネルギは、燃料電池１０の各セル１０ａから出力される電圧を検出するセルモニタ１１、および、燃料電池１０全体として出力される電流を検出する電流センサ１２によって計測される。なお、セルモニタ１１および電流センサ１２の検出信号は、後述する制御装置５０に入力されている。

また、燃料電池１０の空気極（正極、カソード側電極）側には、酸化剤ガスである空気（酸素）を燃料電池１０に供給するための空気供給配管２０ａ、並びに、燃料電池１０にて電気化学反応を終えた余剰空気および空気極で生成された生成水を燃料電池１０から外気へ排出するための空気排出配管２０ｂが接続されている。

空気供給配管２０ａの最上流部には、大気中から吸入した空気を燃料電池１０に圧送するための空気ポンプ２１が設けられ、空気排出配管２０ｂには、燃料電池１０内の空気の圧力を調整するための空気調圧弁２３が設けられている。

さらに、空気供給配管２０ａおよび空気排出配管２０ｂには、空気調圧弁２３から流出した空気の有する湿度（水蒸気）を空気ポンプ２１から圧送された空気へ移動させるための加湿器２２が設けられている。この加湿器２２は、燃料電池１０へ供給される空気を加湿する機能を果たす。

燃料電池１０の水素極（負極、アノード側電極）側には、燃料ガスである水素を燃料電池１０に供給するための水素供給配管３０ａ、水素極側に溜まった生成水を微量な水素とともに燃料電池１０から外気へ排出するための水素排出配管３０ｂが接続されている。さらに、水素供給配管３０ａおよび水素排出配管３０ｂは、水素循環配管３０ｃを介して接続されている。

水素供給配管３０ａの最上流部には、高圧水素が充填された高圧水素タンク３１が設けられ、水素供給配管３０ａにおける高圧水素タンク３１と燃料電池１０との間には、燃料電池１０に供給される水素の圧力を調整する水素調圧弁３２が設けられている。

水素排出配管３０ｂには、生成水を微量な水素とともに外気へ排出するために所定の時間間隔で開閉する電磁弁３４が設けられている。なお、上述の電気化学反応では、水素極側において生成水は発生しないものの、水素極側には、酸素極側から各セル１０ａの電解質膜を透過した生成水が溜まるおそれがある。そこで、本実施形態では、水素排出配管３０ｂおよび電磁弁３４を設けている。

水素循環配管３０ｃは、水素供給配管３０ａの水素調圧弁３２下流側と水素排出配管３０ｂの電磁弁３４上流側とを接続するように設けられている。これにより、燃料電池１０から流出した未反応の水素を、燃料電池１０に循環させて再供給している。また、水素循環配管３０ｃには、水素流路３０内で水素を循環させるための水素ポンプ３３が配置されている。

ところで、燃料電池１０は発電効率を確保するために運転中一定温度（例えば８０℃程度）に維持する必要がある。このため、燃料電池１０には、燃料電池１０を冷却するための冷却水回路４０が接続されている。この冷却水回路４０には、燃料電池１０に冷却水（熱媒体）を循環させるウォータポンプ４１、電動ファン４２を備えたラジエータ（放熱器）４３が設けられている。

さらに、冷却水回路４０には、冷却水を、ラジエータ４３を迂回するように流すバイパス流路４４が設けられている。冷却水回路４０とバイパス流路４４との合流点には、バイパス流路４４に流れる冷却水流量を調整するための流路切替弁４５が設けられている。この流路切替弁４５の弁開度が調整されることによって、冷却水回路４０の冷却能力が調整される。

また、冷却水回路４０の燃料電池１０の出口側近傍には、燃料電池１０から流出した冷却水の温度を検出する温度検出手段としての温度センサ４６が設けられている。この温度センサ４６により冷却水温度を検出することで、燃料電池１０の温度を間接的に検出することができる。なお、この温度センサ４６の検出信号も、制御装置５０に入力される。

制御装置５０は、入力信号に基づいて、燃料電池システムを構成する各種電気式アクチュエータの作動を制御するもので、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。

具体的には、制御装置５０の入力側には、上述のセルモニタ１１、電流センサ１２および温度センサ４６の検出信号等の他に、後述する電流検出回路５１から出力される電流信号が入力される。一方、出力側には、上述の空気ポンプ２１、空気調圧弁２３、水素調圧弁３２、水素ポンプ３３、電磁弁３４、ウォータポンプ４１、流路切替弁４５等の各種電気式アクチュエータが接続されている。

図２に示すように、燃料電池１０は、複数の電流センサ１３を備えている。複数の電流センサ１３は、燃料電池１０の内部を流れる電流を測定するものであり、図１に示すように、電流検出回路５１を介して、制御装置５０に電気的に接続されている。

電流センサ１３は、セル１０ａに隣接して配置されている。本実施形態では、複数の電流センサ１３が複数のセル１０ａとともに積層されており、複数の電流センサ１３および複数のセル１０ａは、電気的に直列に接続されている。複数の電流センサ１３は、隣り合うセル１０ａの間に配置されているものと、積層された複数のセル１０ａのうち積層方向端部に位置するセル１０ａに隣接して配置されているものとがある。

図３に示すように、電流センサ１３は、複数の電流測定部１３ａが一体に形成された板状部材１３ｂによって構成されている。電流測定部１３ａは、複数のセル１０ａの積層方向に流れる電流を測定するためのものである。

電流測定部１３ａは、特開２０１２−２４８３０５号公報に記載のものと同様の構成である。すなわち、図４に示すように、電流測定部１３ａは、板状部材１３ｂの両面に配置された一対の電極部１３ｃ、１３ｄと、板状部材１３ｂの内部に形成された図示しない抵抗体とを備えている。板状部材１３ｂは絶縁体で構成され、一対の電極部１３ｃ、１３ｄは導体で構成されている。抵抗体は、一対の電極部１３ｃ、１３ｄと電気的に接続されている。なお、複数のセル１０ａの積層方向に流れる電流を測定できれば、電流測定部１３ａの構造は、上記した構造に限られず、他の構造であってもよい。

図３に示すように、複数の電流測定部１３ａは、電流センサ１３の面方向にマトリックス状に配置されている。すなわち、複数の電流測定部１３ａは、電流センサ１３の平面において、直交する二方向に格子状に並んで配置されている。これにより、電流センサ１３をセル１０ａに隣接して配置したとき、複数の電流測定部１３ａがセル１０ａの面方向に複数配置されるので、電流センサ１３によってセル１０ａの面内における電流分布を測定することができる。

電流センサ１３の外周部には、複数のセル１０ａの積層方向に貫通する貫通孔が形成されている。これらの貫通孔は、複数のセル１０ａを積層した際に、複数のセル１０ａの積層方向に空気（Ａｉｒ）、冷却水（Ｈ２Ｏ）、水素（Ｈ２）が流れるマニホールド部を構成する。本実施形態では、電流センサ１３の長手方向一端側の外周部に、空気供給マニホールド部１４ａと、冷却水供給マニホールド部１５ａと、水素供給マニホールド部１６ａが形成されている。電流センサ１３の長手方向他端側の外周部に、空気排出マニホールド部１４ｂと、冷却水排出マニホールド部１５ｂと、水素排出マニホールド部１６ｂが形成されている。

電流検出回路５１は、複数の電流測定部１３ａの出力信号からセル１０ａの積層方向に流れる電流を演算処理して、電流信号を制御装置５０へ出力する信号処理回路である。具体的には、図示しない電圧センサで検出した各電流測定部１３ａの一対の電極部１３ｃ、１３ｄの電位差と、各電流測定部１３ａの一対の電極部１３ｃ、１３ｄの間の電流経路の抵抗値とを用いて演算処理する。これにより、セル１０ａの各電流測定部１３ａに対応する部位あたりのセル１０ａの積層方向に流れる電流値を演算する。

制御装置５０では、電流検出回路５１によって得た各電流測定部１３ａの電流値に基づいて、各セル１０ａの面内における電流分布を検出する。そして、制御装置５０は、検出された電流分布に基づいて燃料電池１０の発電状態を推定し、空気供給量および供給圧、水素供給圧、冷却水循環量の制御等を行う。これにより、燃料電池システムの効率および信頼性を向上させている。

なお、ここでは、セル１０ａの面内における直流電流の分布を検出したが、セル１０ａの面内における交流電流の分布を検出して、セル１０ａの面内におけるインピーダンス分布を検出するようにしてもよい。この場合、交流電圧印加手段を用いて、交流電圧を燃料電池１０に印加する。燃料電池１０に交流電圧を印加している際に、セルモニタ１１と電流検出回路５１から入力された電流分布を測定する。そして、セルモニタ１１で測定した電圧値の変化と電流検出回路５１から入力された電流分布の変化に基づいて、演算により各セル１０ａの交流インピーダンスを測定することができる。

図２に示すように、複数のセル１０ａは、カソード側セパレータが電流センサ１３に隣接する第１セル１０ａ１と、アノード側セパレータが電流センサ１３に隣接する第２セル１０ａ２と、電流センサ１３に隣接しない（すなわち、電流センサ１３から離れている）第３セル１０ａ３とを有している。以下、第１セル１０ａ１について、図４、５を用いて説明する。なお、図４は、図５中のＡ−Ａ線断面位置に相当する第１セル１０ａ１の断面図である。

図４に示すように、第１セル１０ａ１は、電解質膜１１０と、カソード側電極１２０（酸素極または酸化剤極ともいう）と、アノード側電極１３０（水素極または燃料極ともいう）と、カソード側セパレータ１４０と、アノード側セパレータ１５０とを備える。カソード側電極１２０は、図示しないが、電解質膜側の触媒層と、ガス拡散層とを有する。アノード側電極１３０は、図示しないが、電解質膜側の触媒層と、ガス拡散層とを有する。本実施形態では、電解質膜１１０と両電極１２０、１３０の構造体として、電解質膜と触媒層、ガス拡散層が一体化された膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）を用いている。

カソード側セパレータ１４０およびアノード側セパレータ１５０は、隣り合うセル１０ａ同士を電気的に接続するとともに、隣り合うセル１０ａの一方のセル１０ａを流れる反応ガス（水素または空気）が他方のセル１０ａへ流入することを遮断するものである。

図５に示すように、カソード側セパレータ１４０の外周部には、複数のセル１０ａの積層方向に貫通する貫通孔が形成されている。これらの貫通孔は、複数のセル１０ａを積層した際に、複数のセル１０ａの積層方向に空気（Ａｉｒ）、冷却水（Ｈ２Ｏ）、水素（Ｈ２）が流れるマニホールド部を構成する。本実施形態では、カソード側セパレータ１４０の長手方向一端側の外周部に、空気供給マニホールド部１４１ａと、冷却水供給マニホールド部１４２ａと、水素供給マニホールド部１４３ａが形成されている。カソード側セパレータ１４０の長手方向他端側の外周部に、空気排出マニホールド部１４１ｂと、冷却水排出マニホールド部１４２ｂと、水素排出マニホールド部１４３ｂが形成されている。

カソード側セパレータ１４０のカソード側電極１２０に対向する面であって、カソード側電極１２０に対向する電極対向領域１４４には、複数のセル１０ａの積層方向に対して直交する方向に空気が流れる空気流路（酸化剤ガス流路）１４１ｃが設けられている。空気流路１４１ｃは、空気供給マニホールド部１４１ａから空気排出マニホールド部１４１ｂの間において、複数の直線状の流路形状となっている。

また、図４に示すように、カソード側セパレータ１４０のカソード側電極１２０側とは反対側の面には、冷却水が流れる冷却水流路１４２ｃが設けられている。

図示しないが、アノード側セパレータ１５０の外周部にも、カソード側セパレータ１４０と同様に、各マニホールド部が形成されている。図４に示すように、アノード側セパレータ１５０のアノード側電極１３０に対向する面には、水素が流れる水素流路（燃料ガス流路）１５３ｃが設けられている。水素流路１５３ｃは、空気流路１４１ｃと同様に、水素供給マニホールド部から水素排出マニホールド部の間において、複数の直線状の流路形状となっている。また、アノード側セパレータ１５０のアノード側電極１３０側とは反対側の面には、カソード側セパレータ１４０の冷却水流路１４２ｃと同様に、冷却水流路１５２ｃが設けられている。

図４に示すように、第１セル１０ａ１のカソード側セパレータ１４０の電極対向領域１４４と、電流センサ１３の複数の電極部１３ｃとが接触している。カソード側セパレータ１４０の電極対向領域１４４は、複数の導電部１４５と、複数の導電部１４５よりも高抵抗であって、複数の導電部１４５のそれぞれを区画する高抵抗部１４６とを有している。高抵抗部１４６は、隣り合う２つの電極部１３ｃ同士を構造的につなげる部位に形成されている。

本実施形態では、図５に示すように、複数の導電部１４５の数は、電流センサ１３の一面側に配置された複数の電極部１３ｃの数と同じであり、複数の導電部１４５は、電流センサ１３の複数の電極部１３ｃと同様に、マトリックス状に配置されている。すなわち、複数の導電部１４５は、複数の直線状の空気流路１４１ｃに平行な方向と垂直な方向のそれぞれに並んで配置されている。そして、複数の導電部１４５のそれぞれは、電流センサ１３の複数の電極部１３ｃのうち複数の導電部１４５のそれぞれと対向する電極部１３ｃと接触している。すなわち、複数の導電部１４５のいずれか１つは、電流センサ１３の複数の電極部１３ｃのいずれか１つと電気的に接続されている。このため、複数のセル１０ａの積層方向に電流が流れるとき、１つの導電部１４５を流れる電流が、対向する１つの電極部１３ｃに流入するようになっている。

これにより、セル１０ａ１の局所的な各領域のそれぞれから複数の電流測定部１３ａへ電流が流れるときの電流の回り込みを抑制できる。すなわち、セル１０ａの積層方向に電流が流れるときに、セル１０ａ１の一部の局所的な領域から流出の電流が、１つの電流測定部１３ａに向かう流れと、セパレータ１４０内をセル１０ａ１の積層方向に直交する方向に流れて隣りの電流測定部１３ａに向かう流れに分かれることを抑制できる。

本実施形態では、図４に示すように、カソード側セパレータ１４０の電極対向領域１４４は、断面が波形状であり、カソード側セパレータ１４０の両面のそれぞれに凹凸形状を有している。このため、カソード側セパレータ１４０の電極対向領域１４４は、カソード側電極１２０に接触する第１接触部１４４ａと、電流センサ１３の電極部１３ｃに接触する第２接触部１４４ｂと、カソード側電極１２０と電極部１３ｃのどちらにも接触せず、第１接触部１４４ａと第２接触部１４４ｂとを連結する連結部１４４ｃとを有している。高抵抗部１４６は、複数の直線状の空気流路１４１ｃに平行な方向に延びている高抵抗部１４６ａと、複数の直線状の空気流路１４１ｃに垂直な方向に延びている高抵抗部１４６ｂとを有している（図５参照）。複数の直線状の空気流路１４１ｃに平行な方向に延びている高抵抗部１４６ａは、連結部１４４ｃに形成されている。また、高抵抗部１４６は、図５に示すように、複数の直線状の空気流路１４１ｃの全てを囲む枠状の高抵抗部１４６ｃを有している。なお、各形状の高抵抗部１４６ａ、１４６ｂ、１４６ｃは、本実施形態では、つながっているが、つながっていなくてもよい。要するに、高抵抗部１４６は、１つであっても複数に分けられていてもよい。

カソード側セパレータ１４０は、一枚の板状の金属材料からなる母材をプレス成型して製造されるものである。プレス成型によってカソード側セパレータ１４０の両面に凹凸形状が形成されている。カソード側セパレータ１４０の一方の片面に形成された凹凸形状によって空気流路１４１ｃが構成されている。カソード側セパレータ１４０の他方の片面に形成された凹凸形状によって冷却水流路１４２ｃが構成されている。

そして、高抵抗部１４６は、プレス成型された母材の一部を酸化処理して形成されたものであり、母材の酸化物、すなわち、母材に含まれる金属元素の酸化物で構成されている。このため、高抵抗部１４６は、導電部１４５との間に接合面がなく、導電部１４５と連続した一体構造を有する。高抵抗部１４６を形成するための酸化処理としては、酸素雰囲気下で加熱する熱酸化処理を採用することができる。

本実施形態では、Ｔｉからなる金属板をプレス成型してセパレータ１４０を製造する。そして、プレス成型した金属板のうち高抵抗部１４６の形成予定領域に対して、酸素雰囲気下で半導体レーザを用いて局所的に加熱する。このとき、金属板の厚さ方向全域が酸化されるように、加熱条件を設定する。これにより、セパレータ１４０にＴｉＯ_２で構成された高抵抗部１４６を形成する。

なお、高抵抗部１４６を形成するための酸化処理としては、電解液中で電解をかける陽極酸化処理を採用してもよい。ただし、金属板に対して陽極酸化処理を行った場合、金属板の表面に酸化被膜が形成される。このため、陽極酸化処理を採用する場合では、隣り合う導電部１４５の間の電流流れを抑制できるように、カソード側電極１２０に接触する第１接触部１４４ａの表面や、電流センサ１３の電極部１３ｃに接触する第２接触部１４４ｂの表面に、高抵抗部１４６を形成する。このようにしても、セル１０ａ１の局所的な各領域のそれぞれから複数の電流測定部１３ａへ電流が流れるときの電流の回り込みを抑制できる。この場合も、図５に示すように、高抵抗部１４６は、カソード側セパレータ１４０の平面レイアウト上で、複数の導電部１４５のそれぞれを分け隔てる位置に形成されることになる。

アノード側セパレータ１５０も、高抵抗部１４６の形成を除き、カソード側セパレータ１４０と同様に、一枚の板状の金属材料からなる母材をプレス成型して製造される。

次に、第２セル１０ａ２について、図６を用いて説明する。なお、図６は、第２セル１０ａ２の断面図であり、図４に対応している。

第２セル１０ａ２は、電流センサ１３に隣接するアノード側セパレータ１５０に高抵抗部１５６が形成され、カソード側セパレータ１４０に高抵抗部１４６が形成されていない点が、第１セル１０ａ１と異なるものであり、その他の構成は、第１セル１０ａ１と同じである。

すなわち、第２セル１０ａ２のアノード側セパレータ１５０は、アノード側電極１３０に対向する電極対向領域１５４において、複数の導電部１５５と、高抵抗部１５６とを有している。電極対向領域１５４、導電部１５５および高抵抗部１５６は、それぞれ、第１セル１０ａ１のカソード側セパレータ１４０における電極対向領域１４４、導電部１４５および高抵抗部１４６に対応するものである。

第２セル１０ａ２は、複数のセル１０ａの積層方向の電流流れにおいて、電流センサ１３の下流側に位置している。このため、第２セル１０ａ２においては、電流センサ１３から第２セル１０ａ２に流れる電流におけるセルの面方向への電流の回り込みを抑制できる。

複数のセル１０ａのうち第３セル１０ａ３は、基本的に、第１セル１０ａ１と同じ構造である。ただし、第３セル１０ａ３のカソード側セパレータ１４０は、第１セル１０ａ１のカソード側セパレータ１４０と同じ形状であるが、高抵抗部１４６を有していない点が相違する。

上述の通り、本実施形態では、第１セル１０ａ１において、カソード側セパレータ１４０の電極対向領域１４４は、複数の導電部１４５と、複数の導電部１４５のそれぞれを分け隔てる高抵抗部１４６とを有している。これによれば、カソード側セパレータ１４０の電極対向領域１４４を複数の導電部１４５に分割しているので、セル１０ａの面内における電流分布を測定することができる。なお、「複数の導電部１４５のそれぞれを分け隔てる」とは、少なくとも隣り合う導電部１４５の間の電流流れを抑制できる程度に、複数の導電部１４５が分け隔てられていることを意味し、複数の導電部１４５のそれぞれが完全に絶縁分離されていることを意味するものではない。

さらに、本実施形態では、第１セル１０ａ１のカソード側セパレータ１４０を、一枚の板状の金属材料からなる母材を用いて形成するとともに、高抵抗部１４６を、母材の一部に対する酸化処理によって形成している。このため、高抵抗部１４６は、母材に含まれる金属元素の酸化物で構成されている。これによれば、カソード側セパレータ１４０を構成する１つの部材の一部を酸化（化学変化）させて高抵抗部１４６を形成しているので、２つの部材を接合して一体化してセパレータを形成する場合と比較して、熱応力によるクラックの発生を抑制できる。

また、本実施形態では、第２セル１０ａ２のアノード側セパレータ１５０においても、電極対向領域１５４を高抵抗部１５６によって複数の導電部１５５に分割している。そして、第２セル１０ａ２の高抵抗部１５６も、アノード側セパレータ１５０を構成する母材の一部を酸化処理して形成されるものである。したがって、第２セル１０ａ２のアノード側セパレータ１５０においても、第１セル１０ａ１のカソード側セパレータ１４０と同様のことが言える。

よって、本実施形態によれば、上記した特許文献１の燃料電池と比較して、第１セル１０ａ１のカソード側セパレータ１４０および第２セル１０ａ２のアノード側セパレータ１５０の耐久性を向上させることができる。

また、本実施形態では、一枚の板状の金属材料からなる母材をプレス成型するとともに、母材の一部を酸化処理することによって、第１セル１０ａ１の高抵抗部１４６を有するカソード側セパレータ１４０を製造している。第２セル１０ａ２のアノード側セパレータ１５０についても同様である。このため、本実施形態によれば、導電性材料と非導電性材料の２つの部材を一体化して、高抵抗部を有するセパレータを形成する場合における２つの部材を一体化するという工程の複雑さを解消することができる。

また、本実施形態では、第１セル１０ａ１のカソード側セパレータ１４０は、第３セル１０ａ３のカソード側セパレータと同じ形状のセパレータを用いて構成されている。第２セル１０ａ２のアノード側セパレータ１５０についても同様である。これにより、第１セル１０ａ１のカソード側セパレータ１４０および第２セル１０ａ２のアノード側セパレータ１５０を、第３セル１０ａ３のセパレータとは異なる形状のもので構成する場合と比較して、燃料電池１０の生産性を高めることができる。

（第２実施形態）
第１実施形態では、セパレータが表面に張り付けられていない電流センサ１３を、複数のセル１０ａと積層していたが、本実施形態では、図７に示すように、セパレータ１６０、１７０が表面に予め張り付けられた電流センサ１３を、複数のセル１０ａと積層している。セパレータ１６０は、第１実施形態のカソード側セパレータ１４０と同じ形状であり、セパレータ１７０は、第１実施形態のアノード側セパレータ１５０と同じ形状である。

本実施形態では、セパレータ１４０とセパレータ１７０の２枚のセパレータが、重ね合わされており、第１セル１０ａ１のカソード側セパレータ１８０を構成している。

本実施形態においても、第１セル１０ａ１のカソード側セパレータ１８０は、電極対向領域１４４が、第１実施形態のカソード側セパレータ１４０と同様に、高抵抗部１４６によって、複数の導電部１４５に区画されている。このため、第１実施形態と同様の効果を奏する。

また、本実施形態においても、第１実施形態と同様に、第１セル１０ａ１のカソード側セパレータ１８０は、電流センサ１３に隣接していないセパレータと同一形状のセパレータを用いて構成されている。これにより、燃料電池１０の生産性を高めることができる。なお、本実施形態では、第１セル１０ａ１のカソード側セパレータについて説明したが、同様のことが、第２セル１０ａ２のアノード側セパレータについても言える。

また、本実施形態では、電流センサ１３のうち電極部１３ｃ、１３ｄは、対向するセパレータ１７０、１６０に対して、接合されておらず、単に接触している。電流センサ１３のうち電極部１３ｃ、１３ｄ以外の部分は、接着剤を介して、対向するセパレータ１７０、１６０に接合されている。特に、電流センサ１３のうち各マニホールド部１４ａ、１４ｂ、１５ａ、１５ｂ、１６ａ、１６ｂの周囲の部分が、接着剤を介して、対向するセパレータ１７０、１６０に接合されている。これにより、ガス漏れが防止されている。

（第３実施形態）
図８に示すように、本実施形態では、第２実施形態と同様に、セパレータ１６０、１７０が表面に予め張り付けられた電流センサ１３を、複数のセル１０ａと積層している。このため、セパレータ１４０とセパレータ１７０の２枚のセパレータが、重ね合わされており、電流センサ１３に隣接するカソード側セパレータ１８０を構成している。セパレータ１７０が第１セパレータを構成しており、セパレータ１４０が第１セパレータよりも電流センサから離れた側に位置する第２セパレータを構成している。

さらに、本実施形態では、下記の通り、セパレータ１７０のうちガス流路として使用されない空間に、導電性材料が配置されている。

セパレータ１７０は、アノード側セパレータ１５０と同様に、凹凸形状を有している。セパレータ１７０は、セパレータ１４０との間に冷却水流路１４２ｃを形成している。セパレータ１７０は、電流センサ１３との間に複数の空間１７１を形成している。したがって、セパレータ１７０は、冷却水流路１４２ｃを流れる冷却水と、セパレータ１７０と電流センサ１３の間の複数の空間１７１とを隔てている。複数の空間１７１には、１つの電極部１３ｃのみに面する空間１７２と、２つの電極部１３ｃに面する空間１７３とが含まれる。空間１７２は、セパレータ１７０と１つの電極部１３ｃとによって囲まれた空間である。この空間１７２は、水素流路１５３ｃと同じ形状の空間であるが、水素流路として使用されない空間である。

そこで、本実施形態では、この空間１７２に、導電性材料として、導電性ペーストが固化された固化物１７４が配置されている。導電性ペーストは、導電性粉末が溶媒に溶解または分散されたものである。したがって、導電性ペーストの固化物１７４は、導電性粉末の集合体である。導電性粉末としては、銅や銀などの金属粉末が挙げられる。導電性粉末の形状は、球状、棒状等のいずれであってもよい。導電性粉末の大きさは、いずれの大きさであってもよい。溶媒としては、有機溶媒、合成樹脂、水などが挙げられる。セパレータ１６０、１７０が一体化された電流センサ１３の製造の際に、空間１７２に導電性ペーストを流し込んだ後、導電性ペーストを固化させる。これにより、導電性ペーストの固化物１７４が形成される。

本実施形態によれば、空間１７２に導電性材料が配置されているので、カソード側セパレータ１８０における電流測定部１３ａにつながる電流経路を拡大できる。これにより、電流測定部１３ａにつながる電流経路の抵抗を低減でき、電流センサ１３による電流測定の精度を向上できる。

なお、本実施形態では、導電性ペーストを固化させたが、導電性を有していれば、導電性ペーストを固化させなくてもよい。また、導電性材料としては、導電性ペースト以外のものを用いてもよい。導電性材料は、セパレータのうち１つの電極部１３ｃに対して空間１７２を挟んで対向する部分と、１つの電極部１３ｃとを電気的に接続した構造となっていればよい。

また、空間１７２に導電性材料が密な状態で配置されている場合、空間１７２の内部の熱容量が大きくなる。一方、空間１７２に導電性材料が疎な状態で配置されている場合、空間１７２の内部の電気抵抗が大きくなる。このため、空間１７２の内部の熱容量および電気抵抗が所望の大きさとなるように、導電性材料を選択することが好ましい。例えば、熱容量を小さく抑えたい場合、導電性材料として、導電性発泡体や導電性クッション材と呼ばれる空隙を有する構造体を用いることが好ましい。

また、本実施形態では、電流センサ１３に貼り付けられたセパレータ１６０、１７０のうちセパレータ１７０において、セパレータ１７０と１つの電極部１３ｃとによって囲まれた空間１７２に導電性材料を配置したが、セパレータ１６０と１つの電極部１３ｄとによって囲まれた空間に導電性材料を配置してもよい。

（第４実施形態）
図９に示すように、本実施形態では、セパレータ１６０、１７０が表面に予め張り付けられた電流センサ１３において、セパレータ１７０と複数の電極部１３ｃとが、低融点金属材料１９１を介して接合されている。換言すると、電流センサ１３に隣接するカソード側セパレータ１８０と複数の電極部１３ｃとが、低融点金属材料１９１を介して接合されている。また、セパレータ１６０、１７０が表面に予め張り付けられた電流センサ１３において、セパレータ１６０と複数の電極部１３ｄとが、低融点金属材料１９２を介して接合されている。

低融点金属材料１９１、１９２は、セパレータ１６０、１７０を構成する母材および電極部１３ｃ、１３ｄを構成する金属材料よりも融点が低い金属材料である。例えば、母材としてはチタンが用いられ、電極部１３ｃ、１３ｄを構成する金属材料としては銅が用いられ、低融点金属材料１９１、１９２としては半田が用いられる。

次に、セパレータ１６０、１７０と複数の電極部１３ｃ、１３ｄとの接合方法について説明する。

図１０に示すように、ペースト状または溶融された低融点金属材料１９１、１９２を、複数の電極部１３ｃ、１３ｄの表面に塗布する。これにより、複数の電極部１３ｃ、１３ｄの表面に低融点金属材料１９１、１９２を設置する。

続いて、図１１に示すように、複数の電極部１３ｃ、１３ｄの表面に低融点金属材料１９１、１９２を設置した状態で、電流センサ１３にセパレータ１６０、１７０を組み付ける。このとき、図示しないが、電流センサ１３のうち少なくとも各マニホールド部１４ａ、１４ｂ、１５ａ、１５ｂ、１６ａ、１６ｂの周囲の部分は、対向するセパレータ１７０、１６０と接着剤で接着される。

そして、電流センサ１３とセパレータ１６０、１７０との間の空間に熱風を流すことで、低融点金属材料１９１、１９２を加熱して溶融させる。その後、低融点金属材料１９１、１９２を冷却して固化させる。これにより、セパレータ１６０、１７０と複数の電極部１３ｃ、１３ｄとが、低融点金属材料１９１、１９２を介して接合される。その後、図２、９に示すように、複数のセル１０と、電流センサ１３とが積層される。

本実施形態では、電極部１３ｃ、１３ｄの表面に設置された低融点金属材料１９１、１９２が溶融されることにより、セパレータ１６０、１７０と電極部１３ｃ、１３ｄとが低融点金属材料１９１、１９２を介して金属的に接合されている。これによれば、セパレータ１６０、１７０と電極部１３ｃ、１３ｄとが単に接触している場合と比較して、１つの電極部１３ｃ、１３ｄにおけるセパレータ１６０、１７０との接触抵抗を下げることができる。また、複数の電極部１３ｃ、１３ｄのそれぞれにおけるセパレータ１６０、１７０との接触抵抗のばらつきを低減できる。

なお、本実施形態では、電流センサ１３とセパレータ１６０、１７０との間の空間に熱風を流すことで、低融点金属材料１９１、１９２を加熱したが、他の加熱方法を採用してもよい。例えば、セパレータ１６０、１７０の電流センサ１３側とは反対側の面に、熱風を当ててもよい。また、セパレータ１６０、１７０の電流センサ１３側とは反対側の面に、平板形状の加熱板を当てて、加熱プレスしてもよい。また、セパレータ１６０、１７０の電流センサ１３側とは反対側の面に、セパレータ１６０、１７０の電流センサ１３側とは反対側の面に沿う凹凸形状を有する加熱板を当てて、加熱プレスしてもよい。

また、本実施形態では、セパレータ１７０とセパレータ１６０の両方が、低融点金属材料を介して複数の電極部に接合されていたが、セパレータ１７０とセパレータ１６０のうちセパレータ１７０のみが低融点金属材料を介して複数の電極部に接合されていてもよい。

また、本実施形態のセパレータ１６０、１７０と複数の電極部１３ｃ、１３ｄとの接触構造を、第１実施形態のセパレータ１４０と複数の電極部１３ｃとの接触構造に適用してもよい。すなわち、第１実施形態のセパレータ１４０と複数の電極部１３ｃとを、低融点金属材料を介して接合してもよい。

（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、下記のように、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

（１）第１実施形態では、カソード側セパレータ１４０の空気流路１４１ｃは、空気供給マニホールド部１４１ａから空気排出マニホールド部１４１ｂの間において、複数の直線状の流路形状となっていたが、図１２に示すように、サーペンタイン状の流路形状となっていてもよい。アノード側セパレータ１５０の水素流路１５３ｃについても同様である。

（２）第１セル１０ａ１のカソード側セパレータ１４０、１８０の断面形状は、図４、７に示す形状に限られず、他の形状であってもよい。第２セル１０ａ２のアノード側セパレータ１５０の断面形状についても同様である。

（３）第１実施形態では、第１セル１０ａ１、第２セル１０ａ２のように、１つのセル１０ａにおいて、カソード側セパレータ１４０とアノード側セパレータ１５０の一方に、高抵抗部１４６、１５６を形成したが、１つのセル１０ａの両側に電流センサ１３が配置される場合では、１つのセル１０ａにおいて、カソード側セパレータ１４０とアノード側セパレータ１５０の両方に、高抵抗部１４６、１５６を形成してもよい。

（４）第１実施形態の燃料電池１０は、電流センサ１３を複数備えていたが、電流センサ１３の数は１つでもよい。本発明の燃料電池においては、少なくとも１つ以上の電流センサ１３を備えていればよい。

（５）上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

１０ 燃料電池
１０ａ セル
１０ａ１ 第１セル
１０ａ２ 第２セル
１１０ 電解質膜
１２０ カソード側電極
１３０ アノード側電極
１４０ カソード側セパレータ
１４４ 電極対向領域
１４５ 導電部
１４６ 高抵抗部
１５０ アノード側セパレータ
１８０ カソード側セパレータ

Claims (5)

1. 電解質（１１０）と、
   前記電解質の両側に設けられたカソード側電極（１２０）およびアノード側電極（１３０）と、
   前記カソード側電極の前記電解質側とは反対側に設けられ、前記カソード側電極に供給される酸化剤ガスの流路（１４１ｃ）を有するカソード側セパレータ（１４０、１８０）と、
   前記アノード側電極の前記電解質側とは反対側に設けられ、前記アノード側電極に供給される燃料ガスの流路（１５３ｃ）を有するアノード側セパレータ（１５０）と、
   前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータの少なくとも一方のセパレータは、前記アノード側電極または前記カソード側電極に対向する電極対向領域（１４４、１５４）において、複数の導電部（１４５）と、前記複数の導電部よりも高抵抗であって、前記複数の導電部のそれぞれを分け隔てる高抵抗部（１４６）とを有し、
   前記少なくとも一方のセパレータは、金属材料からなる母材で構成されており、
   前記複数の導電部は、前記母材で構成され、
   前記高抵抗部は、前記母材の酸化物で構成されていることを特徴とする燃料電池。
2. 電解質（１１０）と、前記電解質の両側に設けられたカソード側電極（１２０）およびアノード側電極（１３０）と、前記カソード側電極の前記電解質側とは反対側に設けられ、前記カソード側電極に供給される酸化剤ガスの流路（１４１ｃ）を有するカソード側セパレータ（１４０、１８０）と、前記アノード側電極の前記電解質側とは反対側に設けられ、前記アノード側電極に供給される燃料ガスの流路（１５３ｃ）を有するアノード側セパレータ（１５０）とを有するとともに、互いに積層された複数のセル（１０ａ）と、
   前記複数のセルとともに積層され、前記複数のセルと電気的に直列に接続された少なくとも１つ以上の電流センサ（１３）とを備え、
   １つの前記電流センサは、隣接する前記セルと接触する複数の電流測定部（１３ａ）を有し、
   前記複数のセルのそれぞれの前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータのうち前記電流センサに隣接するセパレータは、前記アノード側電極または前記カソード側電極に対向する電極対向領域（１４４、１５４）において、複数の導電部（１４５）と、前記複数の導電部よりも高抵抗であって、前記複数の導電部のそれぞれを分け隔てる高抵抗部（１４６）とを有し、
   前記複数の導電部のそれぞれは、前記複数の電流測定部のいずれか１つの前記電流測定部と電気的に接続されており、
   前記電流センサに隣接するセパレータは、金属材料からなる母材で構成されており、
   前記複数の導電部は、前記母材で構成され、
   前記高抵抗部は、前記母材の酸化物で構成されていることを特徴とする燃料電池。
3. 前記電流センサに隣接する前記セパレータは、前記複数のセルのそれぞれの前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータのうち前記電流センサに隣接していないセパレータと同一形状のセパレータを用いて構成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記電流センサに隣接するセパレータ（１８０）は、第１セパレータ（１７０）と、前記第１セパレータよりも前記電流センサから離れた側に位置する第２セパレータ（１４０）とが、重ね合わされており、
   前記第１セパレータと１つの前記電流測定部とによって囲まれた空間（１７２）が形成されており、
   前記空間に、導電性材料（１７４）が配置されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
5. 前記電流測定部は、金属材料で構成された電極部（１３ｃ）を有し、
   前記電流センサに隣接する前記セパレータ（１８０）は、前記電極部を構成する金属材料および前記母材よりも融点が低い低融点金属材料（１９１）を介して、前記電極部と接合されていることを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池。

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