JP2005276811A - 燃料電池システム及びこれに用いられるスタック - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料拡散性能を向上させて内部の圧力低下を抑制しながら，内部電力損失も抑制する，燃料電池システム及び燃料電池システム用スタックを提供する。
【解決手段】 水素を含有する燃料を供給する燃料供給部と，酸素を含有する空気を供給する空気供給部と，燃料供給部及び空気供給部から各々供給される水素及び酸素を電気化学的に反応させ，電気エネルギーを発生させるスタックと，を備え，スタックは，膜−電極アセンブリと膜−電極アセンブリの両側面に配置されるセパレータとの積層構造であり，セパレータは，膜−電極アセンブリに密着させられる複数のリブ２５ｂ（２３ｂ）と隣接するリブ２５ｂ（２３ｂ）間に形成されるチャンネル２５ｃ（２３ｃ）を有し，リブの幅Ｗｒに対するチャンネルの幅Ｗｃの比は，０．８〜１．５の範囲内に設定されることを特徴とする。
【選択図】 図５

Description

本発明は，燃料電池システム及びこれに用いられるスタックに関し，より詳しくは，セパレータと膜−電極アセンブリの間に形成される通路の大きさを最適化した燃料電池システム及びこれに用いられるスタックに関する。

一般に，燃料電池は，メタノールや天然ガスのような炭化水素系列の物質内に含まれている水素と酸素，または酸素を含んだ空気の化学反応エネルギーを直接電気エネルギーに変換させる発電システムである。前記燃料電池は，燃焼過程なく，水素と酸素の電気化学的反応によって生成される電気と，その副産物である熱を同時に用いることができる特徴を有する。

前記燃料電池は，用いられる電解質の種類によって，１５０〜２００℃位で作動するリン酸型燃料電池，６００〜７００℃の高温で作動する溶融炭酸塩型燃料電池，１０００℃以上の高温で作動する固体酸化物型燃料電池，及び常温〜１００℃以下で作動する高分子電解質型及びアルカリ型燃料電池などに分類される。これら個々の燃料電池は根本的に同じ原理で作動するが，用いられる燃料の種類，運転温度，触媒，及び電解質などが互いに異なる。

このうち，近年開発されている高分子電解質型燃料電池(Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＰＥＭＦＣ)は他の燃料電池に比べて出力特性が卓越し，作動温度が低くて，迅速な始動と応答の特性を有し，メタノール，エタノール，天然ガスなどを改質して作る水素を燃料に使うので，自動車のような移動体の電源，住宅，公共建造物などの分散使用型電源及び電子機器用小型電源など，その応用範囲が広いという長所を有する。

このようなＰＥＭＦＣは，システムを構成するため，基本的にスタック，燃料タンク，及び燃料ポンプなどを備える。スタックは燃料電池の本体を形成し，燃料ポンプは燃料タンク内の燃料を前記スタックに供給する。また，ＰＥＭＦＣは，燃料タンクに貯蔵された燃料をスタックに供給する過程において，燃料を改質して水素ガスを発生させ，その水素ガスをスタックに供給する改質器をさらに含む。

したがって，このＰＥＭＦＣは燃料ポンプの作動で燃料タンク内の燃料を改質器に供給し，前記改質器にて燃料を改質し水素ガスを発生させ，スタックで前記水素ガスと酸素を電気化学的に反応させ電気エネルギーを発生する。

また，燃料電池の他の方式として，水素を含有する液状の燃料を直接スタックに供給して電気を発生する直接メタノール型燃料電池(Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ)方式を採択することもでき，この方式ではＰＥＭＦＣとは違って，改質器を排除する事も出来る。

図８は，従来技術による燃料電池システムに用いられるスタックにおいて，膜−電極アセンブリと，セパレータが組立てられた状態の部分断面図である。図８を参照すると，前記のような燃料電池において，実質的に電気を発生するスタックは，膜−電極アセンブリ５１を２枚の導電材で作られたセパレータ５３で覆った単位セルを数個〜数十個まで積層した構造である。

膜−電極アセンブリ５１は，電解質膜を間にして両側面に各々付着されるアノード電極とカソード電極からなる。両セパレータ５３は，燃料電池の反応に必要な燃料を供給する水素通路５５及び空気通路５７の外壁としての役割と，各膜−電極アセンブリ５１のアノード電極とカソード電極を固定させる支持体の役割と，電極を延長する導電体の役割を同時に遂行する。

したがって，図８の左側セパレータ５３によって形成されるチャンネル（ガス通路）を通って，図８上では膜−電極アセンブリ５１の左端側に位置するアノード電極に水素ガスが供給され，右側に位置するカソード電極で形成されたチャンネルには，酸素または空気が供給される。この過程で，セパレータに形成したリブ５９を引出し線にして導電体で両電極を接続しておけば，前記アノード電極では，水素ガスから電子を取り出す酸化反応が起こり，前記カソード電極では酸素に電子を付加する還元反応が起こる。この時生じる電子の移動により電気が，また化学反応により熱と水が発生する。

両セパレータ５３は，膜−電極アセンブリ５１の両側面に取付けられ，水素ガスを供給する水素通路５５と，酸素を含んだ空気を供給する空気通路５７とを形成する。水素通路５５及び空気通路５７を形成するために，膜−電極アセンブリ５１に密着する強化材，つまり，リブ５９が，セパレータ５３面上に複数形成され，リブ５９に挟まれて，トンネル状に覆われたチャンネル部６１が形成される。逆に言えば，リブ５９は，チャンネル部６１間に配置される。

通常，セパレータ５３が，膜−電極アセンブリ５１を間にして配置される時，水素通路５５と空気通路５７は互いに直交配置される。図８には，水素通路５５が一つ，空気通路５７は複数個示されている。

一方，燃料電池においては，燃料の拡散機能を向上させることが可能であるが，燃料拡散時に必要な圧力が低下しないためには，燃料電池の効率を向上できるスタックの構造設計が要求される。ここで，水素通路５５と空気通路５７を形成するチャンネル部６１の大きさが重要設計事項の一つである。

つまり，セパレータ５３において，チャンネルとリブの大きさは，膜−電極アセンブリ５１の活性領域に対して燃料である水素及び空気が膜−電極アセンブリ５１の気体拡散層に拡散する性能と，膜−電極アセンブリ５１で発生する電流に対するリブ５９の接触抵抗を左右する重要因子となる。

しかし，例えば，チャンネル幅を広くすると燃料拡散性能を向上させて内部で起こる圧力低下を抑制できるが，リブの幅が狭くなって電極との接触抵抗などにより内部電力損失が増加するという問題があった。

したがって，膜−電極アセンブリ５１の両側面に形成されるチャンネルの大きさ（実質的にこのチャンネルの大きさは，リブの幅Ｗ１に対するチャンネル部の幅Ｗ２の比Ｗ２/Ｗ１で決定される）を最適化することで燃料電池システムの効率を向上させることができる。しかし，いままではこれを具体化するセパレータ５３がなく，燃料電池の効率向上が実現されていなかった。

そこで，本発明は，このような問題に鑑みてなされたもので，その目的とするところは，燃料が供給される通路を形成するセパレータのチャンネルと膜−電極アセンブリに密接するセパレータのリブに関し，リブの幅に対するチャンネルの幅の比率を最適化し，燃料拡散性能を向上させて内部で起こる圧力低下を抑制させながら，内部電力損失の増加も抑制する，燃料電池システム及びこれに用いられる燃料電池システム用スタックを提供することである。

上記課題を解決するために，本発明のある観点によれば，水素を含有する燃料を供給する燃料供給部と，酸素を含有する空気を供給する空気供給部と，燃料供給部及び空気供給部から各々供給される水素及び酸素を電気化学的に反応させ，電気エネルギーを発生させるスタックと，を備え，スタックは，膜−電極アセンブリと，膜−電極アセンブリの両側面に配置されるセパレータとの積層構造であり，
セパレータは，膜−電極アセンブリに密着させられる複数のリブと，隣接するリブ間に形成されたチャンネル部とを有し，リブの幅に対するチャンネル部の幅の比は，０．８〜１．５の範囲内に設定されることを特徴とする燃料電池システムが提供される。

燃料電池システムのスタック内のセパレータにおいて，リブの幅に対するチャンネルの幅の比率を最適化し，０．８〜１．５の範囲内に設定したことにより，燃料拡散性能を向上させながら内部で起こる圧力低下を抑制し，さらに電極との接触抵抗などにより内部電力損失が増加するのを抑制することができる。

燃料電池の効率を高めたければ，スタック内部で発生する電流の接触抵抗を許容範囲内に維持し，膜−電極アセンブリの気体拡散層で水素ガス及び酸素ガスの拡散性能を向上させ，スタック内部で起こる圧力低下を抑制させる必要がある。このため，チャンネルの幅とリブの幅の比率を最適化することが好ましく，スタックで生成される電力とスタックで消耗される電力差を求め，この差をスタック内部の活性領域の総面積で割り算して算出する関連電力密度（ＲＰＤ）を，チャンネルの幅とリブの幅の比率に対して評価し，最適値を求めたものである。

ここで，チャンネル部は，水素ガスを供給するための水素通路及び酸素含有空気を供給するための空気通路を構成することができる。例えば，水素通路は，セパレータのアノード電極側に配置され，空気通路は，セパレータのカソード電極側に配置される。また，水素通路と空気通路とは，互に直交配置することができる。直交配置することにより，水素貯蔵部と空気貯蔵部とを同じ位置に配置されないようにできるなど，設計上の長所があり，水素と空気とが互いの流れを妨害してしまう面積を減少させることも可能となる。

燃料電池性能評価において，チャンネル部の幅に対するＲＰＤを測定したところ，チャンネルの幅が広くなるほど水素ガス及び酸素の拡散が良くなり，燃料電池の性能が向上する。しかし，所定の活性領域でチャンネル部を構成するため，チャンネルの幅が広くなると，必然的にリブの幅が減少し，膜−電極アセンブリとリブとの接触抵抗が増加して内部電力損失も増加してしまう。そのため，評価結果から，膜−電極アセンブリの活性領域の面積は，４０ｃｍ^２以下であり，チャンネル部の幅は，０．８〜１．４ｍｍであることが好ましい。

また，上記構成とするためのリブは，セパレータから突出形成されてもよく，チャンネル部は，リブの間の凹部に形成することができる。

上記課題を解決するために，本発明の別の観点によれば，水素ガスと空気を酸化還元反応させるための膜−電極アセンブリと，膜−電極アセンブリに水素ガスと空気を供給するためのセパレータとを備え，セパレータは，膜−電極アセンブリに密着させられる複数のリブと，隣接するリブ間に形成されたチャンネル部とを有し，
リブの幅に対するチャンネル部の幅の比が０．８〜１．５の範囲内に設定されることを特徴とする燃料電池システム用スタックが提供される。

燃料電池システム用スタックにおいて，燃料拡散性能を向上させながら内部で起こる圧力低下を抑制し，さらに電極との接触抵抗などにより内部電力損失が増加するのを抑制するために，セパレータのリブの幅に対するチャンネルの幅の比率を０．８〜１．５の範囲内に最適化することができた。最適値を求める方法は，上記燃料電池システムと同様である。

上記燃料電池システムと同様に，チャンネル部は，水素ガスを供給するための水素通路及び酸素含有空気を供給するための空気通路を構成することができる。例えば，水素通路は，セパレータのアノード電極側に配置され，空気通路は，セパレータのカソード電極側に配置される。また，水素通路と空気通路とは，互に直交配置することができる。上記と同様に，直交配置することにより設計上の長所があり，また，水素と空気とが互いの流れを妨害してしまう面積を減少させることもできる。

また，膜−電極アセンブリの活性領域の面積は，４０ｃｍ^２以下の時，チャンネル部の幅は，０．８〜１．４ｍｍであることが望ましい。本構造のリブは，セパレータから突出形成されてもよく，チャンネル部は，リブの間の凹部に形成することができる。

以上詳述したように本発明によれば，膜−電極アセンブリに密着させるセパレータのリブ幅に対するチャンネル幅の比の最適値を０．８〜１．５の範囲内に設定することにより，スタック内部で発生する電流の接触抵抗を許容範囲内に維持しながら，水素及び空気のような燃料の拡散性能を向上させることができ，スタック内部で起こる圧力低下を抑制して燃料電池の効率を向上させることができる。

以下に添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書及び図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１は，本実施の形態によるＰＥＭＦＣ燃料電池システムを示す概略図であり，図２は本実施の形態による燃料電池システムに用いられるスタックの分解斜視図である。図面を参照すると，本実施の形態による燃料電池システムは，燃料である水素を供給する燃料供給部１と改質器３，酸素が含まれた空気を供給する空気供給部５，及び燃料供給部１と空気供給部５から供給される水素及び酸素を電気化学的に反応させて電気エネルギーを発生させるスタック７を含んでいる。

燃料供給部１は，燃料タンク９と燃料ポンプ１１とを備える。燃料タンク９内には，メタノール，エタノール，または天然ガスのような液状燃料が入っており，燃料ポンプ１１は，これらの燃料を改質器３に供給する。改質器３によって生成された水素ガスは，スタック７内部に供給される。

この燃料電池システムは，液状燃料を直接スタック７に供給して電気を生産するＤＭＦＣ方式を採用することも出来る。このようなＤＭＦＣは，図１に示されたＰＥＭＦＣとは違って，改質器３を要しない。

便宜上，以下ではＰＥＭＦＣを採用する燃料電池システムを例に説明する。空気供給部５は空気ポンプ１３を備えて，酸素含有空気をスタック７内部に供給する構成になっている。このような空気は，空気通路１７（図４）に供給され，スタック７内の水素通路１５（図４）に供給される水素ガスと分離される。

スタック７は，燃料供給部１及び改質器３を通して水素ガスの供給を，また空気供給部５から空気の供給を受け，水素と酸素の電気化学反応を起こし，電気エネルギーを発生させ，副産物として熱と水を発生させる構成になっている。

本実施の形態に適用されるスタック７は，図２に示すように，複数の単位セル１９を備えて，改質器３を通じて生成された水素ガスと外部空気の酸化還元反応を誘導し，電気エネルギーを発生させる。各単位セル１９は，電気を発生させる最小単位であり，水素ガスと空気を酸化還元反応させる膜−電極アセンブリ２１と，この膜−電極アセンブリ２１の両側面に配置されて，水素ガスと酸素含有空気を囲っているセパレータ２３，２５で構成される。

単位セル１９は，膜−電極アセンブリ２１を中心にして両側にセパレータ２３，２５を配置した単一スタックを形成し，この単一スタックが複数個備えられると本実施の形態のような積層構造のスタック７を形成する。単位セル１９の積層構造の第1層と最後の層，つまり，スタック７の最も外側の単位セル１９はセパレータ２３，２５の変形構造である端板２７を備える。単位セル１９の積層体は，各セパレータの角部を貫通するボルト１９ａと，ボルト１９ａを締結するナット１９ｂにより積層構造のスタック７を強固に締結し形成する。

図３は，本実施の形態による燃料電池システムのスタックを構成する単位セルの分解斜視図であり，図４は，膜−電極アセンブリとセパレータが組立てられた状態の部分断面図である。図面を参照すると，セパレータ２３，２５は，膜−電極アセンブリ２１を間にして密着配置され，膜−電極アセンブリ２１の両側面に各々水素通路１５と空気通路１７を形成する。

セパレータ２３で覆われた水素通路１５は，図４に示すように，膜−電極アセンブリ２１のアノード電極２９の側に配置され，セパレータ２５で覆われた空気通路１７は，膜−電極アセンブリ２１のカソード電極３１の側に配置される。

ここで，図３に示すように，水素通路１５及び空気通路１７は，それぞれセパレータ２３，２５の本体２３ａ，２５ａの各々に形成されたストライプ形態の複数のリブ２３ｂ，２５ｂ（図５）が互いに直交するように配置される。しかし，水素通路１５及び空気通路１７の配置形態はこれに限定されるものではない。

図３に示すように，水素通路１５と空気通路１７は，セパレータ２３，２５の各リブ２３ｂ，２５ｂ（図５）が膜−電極アセンブリ２１表面のアノード電極２９，カソード電極３１に各々密着させられる時，一方のセパレータ２３に形成される水素通路１５は，図面の上下方向に沿って配置され，他方のセパレータ２５に形成された空気通路１７は，図面の左右（水平）方向に沿って配置されるため，互いに直交状態で配置される。

このような一対のセパレータ２３，２５の間に介在する膜−電極アセンブリ２１は，所定の面積を有し，酸化還元反応が起こる活性領域２１ａ（図２）を備え，活性領域２１ａの両面に配置されるアノード電極２９及びカソード電極３１と，アノード電極２９及びカソード電極３１の両電極間に配置された電解質膜３３（図４）とを含んで構成される。

膜−電極アセンブリ２１のアノード電極２９とセパレータ２３との間に形成される水素通路１５を通って供給される水素ガスは，気体拡散層（ＧＤＬ）を通ってアノード触媒層に供給され，前記アノード触媒層で水素ガスを酸化反応させて分離された電子を外部に引き出し，この電子の流れが電流になり，水素イオンは電解質膜３３を通り抜けてカソード電極３１に移動する。

また，膜−電極アセンブリ２１のカソード電極３１とセパレータ２５の間に形成される空気通路１７を通って酸素含有空気が供給され，水素と同様に気体拡散層を通してカソード触媒層に供給し，またカソード電極３１から電子を供給し，前記カソード触媒層で酸素を還元反応させることで，酸素イオンを前記水素イオンと共に水に変換する。

電解質膜３３は，例えば厚さ５０〜２００μｍの固体ポリマー電解質で形成され，アノード電極２９の触媒層で生成される水素イオンをカソード電極３１の触媒層に移動させて，カソード電極３１の酸素イオンと結合させて水を生成させるようなイオン交換を可能にする。

図５は，セパレータを拡大して示す部分断面図である。セパレータ２３，２５は，実質的に同一形状であるため，一つのセパレータ２３または２５だけを示して説明する。図５を参照すると，セパレータ２３，２５は前述のように膜−電極アセンブリ２１のアノード電極２９とカソード電極３１とで酸化還元反応に必要な水素ガス及び空気を供給するための通路，即ち，水素通路１５と空気通路１７とを各々備える。

即ち，水素通路１５及び空気通路１７は，膜−電極アセンブリ２１を間にしてその両面に密着配置されるセパレータ２３，２５によって各々形成される。水素通路１５は，膜−電極アセンブリ２１のアノード電極２９に向かって形成され，空気通路１７は，膜−電極アセンブリ２１のカソード電極３１に向かって形成される。

ここで，水素通路１５及び空気通路１７は，セパレータ２３，２５の本体２３ａ，２５ａの一面から突出形成されるリブ２３ｂ，２５ｂとこれらの間の凹部に形成されるチャネル部（チャンネル２３ｃ，２５ｃ）で形成される。

このような構造によって膜−電極アセンブリ２１の活性領域２１ａの面積が設定された後，チャンネル２３ｃ，２５ｃの大きさが設定されると，リブ２３ｂ，２５ｂの大きさは自動的に設定される。本実施の形態でチャンネル２３ｃ，２５ｃ及びリブ２３ｂ，２５ｂの断面それぞれその長さ方向に対する垂直方向の断面形状は，略四角形であるが，必ずしも四角形には限定されない。

また，セパレータ２３，２５は，塑性変形し易い純銅（または電気銅）で製作し，膜−電極アセンブリ２１の表面に密着させられるリブ２３ｂ，２５ｂの密着面には化学的に安定な金（Ａｕ）をメッキすることが望ましい。更に金メッキは高価であるから，チャンネル２３ｃ，２５ｃの内面にはメッキされないように，非水溶性で除去容易な油膜または樹脂膜を事前に形成することが望ましい。この他，チャンネル内面を研磨，溶解して表面を滑らかにし，ガス流動を容易にすることが望ましい。

水素通路１５を形成するチャンネル２３ｃは，改質器３に連結され，空気通路１７を形成するチャンネル２５ｃは，空気ポンプ１３に連結される。したがって，一方の端板２７から水素通路１５及び空気通路１７を通って改質器３で生成された水素ガスと空気ポンプ１３で圧送される空気が各々供給され，他方の端板２７から電気化学的反応後に，残った残余水素ガス及び空気が排出される。

リブ２３ｂ，２５ｂの幅Ｗｒ（図５参照）とチャンネル２３ｃ，２５ｃの幅Ｗｃは，水素ガス及び空気の通過に影響を与える。即ち，各セパレータのリブ幅Ｗｒ合計値が広いとチャンネル幅Ｗｃ合計値が狭くなって通過性が悪くなるが，チャンネル幅Ｗｃ合計値が広いと通過性が良くなる。

したがって，チャンネル２３ｃ，２５ｃが形成する水素及び空気通路１５，１７の断面積Ａは，チャンネル２３ｃ，２５ｃの幅Ｗｃと高さＨｃによって決定される。チャンネル２３ｃ，２５ｃの幅Ｗｃとリブ２３ｂ，２５ｂの幅Ｗｒの計算が，水素及び空気通路１５，１７の全範囲において一定でない場合，各々チャンネル２３ｃ，２５ｃの幅Ｗｃとリブ２３ｂ，２５ｂの幅Ｗｒの平均値を出して決定することが好ましい。

燃料電池の効率を高めたければ，スタック７内部で発生する電流の接触抵抗を許容範囲内に維持し，膜−電極アセンブリ２１の気体拡散層で水素ガス及び酸素ガスの拡散性能を向上させ，スタック７内部で起こる圧力低下を抑制させる必要がある。

このため，セパレータ２３，２５の通路１５，１７，即ち，チャンネル２３ｃ，２５ｃの断面積Ａを適切に調節する必要がある。したがって，本実施の形態では，セパレータ２３，２５の水素ガス及び空気チャンネル２３ｃ，２５ｃの幅Ｗｃとリブ２３ｂ，２５ｂの幅Ｗｒの比率を最適化する例を示している。

水素ガス及び空気の拡散，水素ガス及び空気供給に必要なエネルギーを改善するための燃料電池性能評価には，関連電力密度（ＲＰＤ）を用いる。このＲＰＤは，スタック７で生成される電力とスタック７で消耗される電力差を求め，この差をスタック７内部の活性領域２１ａの総面積で割り算して算出する。このように算出された結果の一部を，表１及び表２に示し，算出データの全体をグラフにして，図６と図7に示す。
まず表１に，チャンネル２３ｃ，２５ｃの幅ＷｃとＲＰＤ関係を示す。

この例では，アノード電極２９に水素ガスを，カソード電極３１に空気を供給し，非加熱状態でチャンネル２３ｃ，２５ｃの幅Ｗｃを変更しながらＲＰＤを求めた。また，図６は，実験による水素ガス通路及び空気通路であるチャンネル幅とＲＰＤとの関係をグラフで示している。

図６によると，水素及び空気通路１５，１７を形成するチャンネル２３ｃ，２５ｃの幅Ｗｃが広くなるほど水素ガス及び酸素の拡散が良くなり，燃料電池の性能が向上する。しかし，所定の活性領域２１ａでチャンネル２３ｃ，２５ｃを構成するため，チャンネル２３ｃ，２５ｃの幅Ｗｃが広くなると，必然的にリブ２３ｂ，２５ｂの幅Ｗｒが減少する。リブ２３ｂ，２５ｂの幅Ｗｒが一定値以下になれば，膜−電極アセンブリ２１とリブ２３ｂ，２５ｂとの接触部で生じる接触抵抗が増加し，結局，内部電力損失が増加する。

従って，チャンネル２３ｃ，２５ｃの幅Ｗｃを一定水準以上に広くし，リブ２３ｂ，２５ｂの幅Ｗｒを一定水準より狭くすることでは，燃料電池の性能を向上させるのに限界があることが分かる。前記実験から，ＲＰＤは，膜−電極アセンブリ２１の活性領域２１ａの面積が４０ｃｍ²以下の時，チャンネル２３ｃ，２５ｃの幅Ｗｃが０．８〜１．４ｍｍであることが好ましい値である。

次に，表２にリブ２３ｂ，２５ｂの幅Ｗｒに対するチャンネル２３ｃ，２５ｃの幅Ｗｃの比Ｗｃ/Ｗｒと，ＲＰＤ関係を示す。

アノード電極２９に水素ガスを，カソード電極３１に空気を供給し，非加熱状態でリブ２３ｂ，２５ｂの幅Ｗｒに対するチャンネル２３ｃ，２５ｃの幅Ｗｃを変更しながらＲＰＤを求めた。図７は，実験による水素ガス通路及び空気通路を形成するリブ幅に対するチャンネル幅の比と，ＲＰＤとの関係をグラフで示している。

図７を参照すると，ＲＰＤは，リブ２３ｂ，２５ｂの幅Ｗｒに対するチャンネル２３ｃ，２５ｃの幅Ｗｃの比Ｗｃ/Ｗｒが０．８〜１の間及び１．２〜１．５の間である時に好ましく，０．８〜１．５の間の時が好ましいということが分かる。

一層具体的に説明すると，比Ｗｃ/Ｗｒが，０．８未満である場合は，膜−電極アセンブリ２１の活性面積２１ａと気体拡散層との接触面積が小さいため，ＲＰＤが減少する。これは前記接触面積に対する前記水素ガス及び空気の移動速度が増加（ＲＰＤの増加要因）するのに比べ，前記接触面積に対する総接触抵抗が幾何級数的に増加（ＲＰＤの減少要因）し，結果的に全体的にＲＰＤが低下するためである。つまり，水素ガス及び空気の移動速度の増加は，内部圧力低下を意味する。

その反面，比Ｗｃ/Ｗｒが１．５〜１．８である場合には，活性面積２１ａと気体拡散層との接触面積は大きいが，ＲＰＤが増加しないことが分かる。これはチャンネル２３ｃ，２５ｃの幅Ｗｃを，一定以上に増加させると，リブ２３ｂ，２５ｂの幅Ｗｒの減少により，接触抵抗が高くなり，水素ガス及び空気の移動速度も減少するためである。

したがって，比Ｗｃ/Ｗｒが０．８〜１．５である場合には，リブ２３ｂ，２５ｂの幅Ｗｒも増加するため，総接触抵抗が減少し，前記水素ガス及び空気の移動速度が増加するため，水素ガス及び空気の拡散速度も増加し，結果的に全体的なＲＰＤが好ましい値になることが分かる。

こうして，リブの幅に対するチャンネルの幅の比率を０．８〜１．５としたセパレータを用いたスタックとすることにより，スタック内部で発生する電流の接触抵抗を許容範囲内に維持しながら，燃料の拡散性能を向上させることができ，スタック内部で起こる圧力低下を抑制して燃料電池の効率を向上させることができる。

以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は，燃料電池システム及びこれに用いられるスタックに適用可能であり，特に，セパレータのリブの幅に対するチャンネルの幅の比率を最適化し，燃料電池の効率を向上可能とする，燃料電池システム及びこれに用いられるスタックに適用可能である。

本実施の形態による燃料電池システムを示す概略図である。 本実施の形態による燃料電池システムに用いられるスタックの分解斜視図である。 本実施の形態による燃料電池システムのスタックを構成する単位セルの分解斜視図である。 本実施の形態による燃料電池システムに用いられるスタックにおいて，膜−電極アセンブリとセパレータとが組立てられた状態を示す部分断面図である。 セパレータを拡大して示す部分断面図である。 水素通路及び空気通路を形成するチャンネル幅とＲＰＤ関係の実験結果を示すグラフである。 水素通路及び空気通路を形成するリブ幅に対するチャンネル幅の比とＲＰＤ関係の実験結果を示すグラフである。 従来技術による燃料電池システムに用いられるスタックにおいて，膜−電極アセンブリとセパレータとが組立てられた状態を示す部分断面図である。

符号の説明

１ 燃料供給部
３ 改質器
５ 空気供給部
７ スタック
９ 燃料タンク
１１ 燃料ポンプ
１３ 空気ポンプ
１５ 水素通路
１７ 空気通路
１９ 単位セル
２１ 膜−電極アセンブリ
２１ａ 活性領域
２３ セパレータ
２３ａ セパレータの本体
２３ｂ リブ
２３ｃ チャンネル
２５ セパレータ
２５ａ セパレータの本体
２５ｂ リブ
２５ｃ チャンネル
２７ 端板
２９ アノード電極
３１ カソード電極
３３ 電解質膜
Ｈｃ チャンネルの高さ
Ｗｃ チャンネルの幅
Ｗｒ リブの幅

Claims (12)

1. 水素を含有する燃料を供給する燃料供給部と，
   酸素を含有する空気を供給する空気供給部と，
   前記燃料供給部及び前記空気供給部から各々供給される水素及び酸素を電気化学的に反応させ，電気エネルギーを発生させるスタックと，
   を備え，
   前記スタックは，膜−電極アセンブリと，前記膜−電極アセンブリの両側面に配置されるセパレータとの積層構造であり，
   前記セパレータは，前記膜−電極アセンブリに密着させられる複数のリブと，隣接する前記リブ間に形成されたチャンネル部とを有し，
   前記リブの幅に対する前記チャンネル部の幅の比は，０．８〜１．５の範囲内に設定されることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記チャンネル部は，水素ガスを供給するための水素通路及び酸素含有空気を供給するための空気通路を構成することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記水素通路は，前記セパレータのアノード電極側に配置され，前記空気通路は，前記セパレータのカソード電極側に配置されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記水素通路と空気通路とは，互に直交配置されることを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池システム。
5. 前記膜−電極アセンブリの活性領域の面積は，４０ｃｍ^２以下であり，前記チャンネル部の幅は，０．８〜１．４ｍｍであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。
6. 前記リブは，前記セパレータから突出形成され，前記チャンネル部は，前記リブの間の凹部に形成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池システム。
7. 水素ガスと空気を酸化還元反応させるための膜−電極アセンブリと，前記膜−電極アセンブリに水素ガスと空気を供給するためのセパレータとを備え，
   前記セパレータは，前記膜−電極アセンブリに密着させられる複数のリブと，隣接する前記リブ間に形成されたチャンネル部とを有し，
   前記リブの幅に対するチャンネル部の幅の比が０．８〜１．５の範囲内に設定されることを特徴とする燃料電池システム用スタック。
8. 前記チャンネル部は，水素ガスを供給するための水素通路及び酸素含有空気を供給するための空気通路を構成することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム用スタック。
9. 前記水素通路は，前記セパレータのアノード電極側に配置され，前記空気通路は，前記セパレータのカソード電極側に配置されることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム用スタック。
10. 前記水素通路と空気通路とは，互に直交配置されることを特徴とする請求項８または９に記載の燃料電池システム用スタック。
11. 前記膜−電極アセンブリの活性領域の面積は，４０ｃｍ^２以下であり，前記チャンネル部の幅は，０．８〜１．４ｍｍであることを特徴とする請求項７〜１０のいずれかに記載の燃料電池システム用スタック。
12. 前記リブは，前記セパレータから突出形成され，前記チャンネル部は，前記リブの間の凹部に形成されることを特徴とする請求項７〜１１のいずれかに記載の燃料電池システム用スタック。
    

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