(57)【要約】【課題】  本発明の課題は、発電反応により発生する二酸化炭素及び水の排出性の向上と薄肉化を図ったセパレータの提供、及び、薄肉化を図ったセパレータを備えた燃料電池スタックを提供することにある。【解決手段】  本発明のセパレータは、徐々に流路を深くすることで、発生する二酸化炭素及び水の排出性を向上させることができる。また、２つの流路を上流側の領域に下流側の領域を組み合わせ形成することで、セパレータを薄くすることができる。そして、このセパレータを搭載した燃料電池スタックは、発電反応の効率の低下を防ぐことができ、燃料電池スタックを薄くすることができる。【選択図】図３
2006066092.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の電極で電解質を挟む接合体と交互に積層されるセパレータであって、
燃料を流すために平板状部材の一方の面に上流から下流に向かって深さを徐々に深くするように形成された燃料流路と、
酸化剤ガス流路を流すために上記燃料流路を有する面の反対側の面に上流から下流に向かって深さを徐々に深くするように形成された酸化剤ガス流路とを有し、
上記燃料流路の上流側は、上記酸化剤ガス流路の下流側を形成する領域に対応する反対側の面の領域に形成され、
上記燃料流路の下流側は、上記酸化剤ガス流路の上流側を形成する領域に対応する反対側の面の領域に形成されること
を特徴とするセパレータ。
【請求項２】
上記燃料流路は、上流から下流に向かって流路幅を広くすることを特徴とする請求項１記載のセパレータ。
【請求項３】
上記酸化剤ガス流路は、上流から下流に向かって流路幅を広くすることを特徴とする請求項１記載のセパレータ。
【請求項４】
上記燃料流路は、上流から下流に向かって流路幅を狭くすることを特徴とする請求項１記載のセパレータ。
【請求項５】
上記酸化剤ガス流路は、上流から下流に向かって流路幅を狭くすることを特徴とする請求項１記載のセパレータ。
【請求項６】
上記燃料流路及び酸化剤ガス流路は、蛇行していることを特徴とする請求項１記載のセパレータ。
【請求項７】
燃料を流すために平板状部材の一方の面に上流から下流に向かって深さを徐々に深くするように形成された燃料流路、及び、酸化剤ガス流路を流すために上記燃料流路を有する面の反対側の面に上流から下流に向かって深さを徐々に深くするように形成された酸化剤ガス流路とを有し、上記燃料流路の上流側は、上記酸化剤ガス流路の下流側を形成する領域に対応する反対側の面の領域に形成され、上記燃料流路の下流側は、上記酸化剤ガス流路の上流側を形成する領域に対応する反対側の面の領域に形成されるセパレータにより、
一対の電極で電解質を挟む接合体を挟むこと
を特徴とする燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に搭載されるセパレータに関するものであり、また、そのセパレータを搭載した燃料電池スタックに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素やメタノール等の燃料と酸素等の酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより発電を行う発電素子である。燃料電池は、発電により生成される生成物が水であることから環境を汚染することがない発電素子として注目されており、例えば、自動車を駆動するための駆動電源として使用する試みが行われている。
【０００３】
燃料電池は、電解質の違い等により様々なタイプのものに分類されるが、代表的なものに、電解質に固体高分子電解質を用いた燃料電池が知られている。固体高分子電解質型燃料電池は、低コスト化が可能で、小型化、薄型化、軽量化も容易であり、電池性能の点でも高い出力密度を有することから、電子機器の駆動電源として有望である。この固体高分子電解質型燃料電池は、水素の他にメタノールや天然ガスを改質して水素を生成させて燃料とするものも開発されている。近年では、メタノールを燃料として直接燃料電池に供給し発電を行う直接メタノール型燃料電池も開発されている。
【０００４】
直接メタノール型燃料電池は、ベースプレート上に電解質膜と一対の電極とを一体化した電極電解質接合体と、一方の面に燃料流路、他方の面に酸化剤ガス流路を有する平板状セパレータとを交互に積層させ、燃料流路にメタノール水溶液を供給し、酸化剤ガス流路に空気を供給することにより電解質膜上で発電反応が行われる。
【０００５】
図１は、従来のセパレータの酸化剤ガス流路側を示す平面図である。図１のように、従来使用されているセパレータ９は、平板状の部材に酸化剤ガス流路９０が設けられている。この酸化剤ガス流路９０の端部に酸化剤ガスである空気を供給する酸化剤ガス流路入口９１が設けられ、もう一方の端部に流路を流れた空気が排出される酸化剤ガス流路出口９２が設けられている。
【０００６】
また、酸化剤ガス流路９０の反対側の面には、酸化剤ガス流路９０と同様に蛇行した燃料流路が設けられている。この燃料流路の端部に燃料であるメタノール水溶液を燃料流路に供給する燃料流路入口９３が設けられ、もう一方の端部にメタノール水溶液を排出する燃料流路出口９４が設けられている。尚、酸化剤ガス流路入口９１、酸化剤ガス流路出口９２、燃料流路入口９３、燃料流路出口９４は、セパレータ９を貫通している。そして、メタノール水溶液や空気が外部に漏れないようにシールされている。
【０００７】
図２は、図１で示されたセパレータのＡ−Ａ'断面の形状を示す断面図である。図２のように、従来のセパレータ９の酸化剤ガス流路及び燃料流路は、一定の流路深さを有し、図１に示されるように一定の流路幅を有している。しかしながら、このセパレータ９では、発電反応によって二酸化炭素や水の発生により流路内に水や二酸化炭素が留まり、発電反応の効率低下を招くといった問題を有していた。
【０００８】
一方、流路の上流から下流に向かって流路深さを深くするセパレータが報告されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
【特許文献１】特開平１０−３０２８１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１のセパレータでは、流路下流に行くに従って流路深さが深くなるため、セパレータの厚さが流路深さの最も深いところで決まってしまい、セパレータの厚さが厚くなるという問題点を有している。
【００１１】
そこで、本発明は、そのような従来の実情に鑑み、発電反応により発生する二酸化炭素及び水の排出性の向上と薄肉化を図ったセパレータの提供を目的とし、さらに、薄肉化を図ったセパレータを備えた燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明のセパレータは、一対の電極で電解質を挟む接合体と交互に積層されるセパレータであって、燃料を流すために平板状部材の一方の面に上流から下流に向かって深さを徐々に深くするように形成された燃料流路と、酸化剤ガス流路を流すために上記燃料流路を有する面の反対側の面に上流から下流に向かって深さを徐々に深くするように形成された酸化剤ガス流路とを有し、上記燃料流路の上流側は、上記酸化剤ガス流路の下流側を形成する領域に対応する反対側の面の領域に形成され、上記燃料流路の下流側は、上記酸化剤ガス流路の上流側を形成する領域に対応する反対側の面の領域に形成されることを特徴とする。
【００１３】
本発明のセパレータによれば、燃料流路と酸化剤ガス流路との両流路深さを上流から下流に向かって徐々に深くすることで、発生する二酸化炭素及び水の排出性を向上させることができる。また、酸化剤ガス流路の下流側を形成する領域に対応する反対側の面の領域に燃料流路の上流側を形成し、酸化剤ガス流路の上流側を形成する領域に対応する反対側の面の領域に燃料流路の下流側を形成することで、両流路の最も深いところを避けて流路が形成され、セパレータを薄くすることができる。
【００１４】
本発明の燃料電池スタックは、燃料を流すために平板状部材の一方の面に上流から下流に向かって深さを徐々に深くするように形成された燃料流路、及び、酸化剤ガス流路を流すために上記燃料流路を有する面の反対側の面に上流から下流に向かって深さを徐々に深くするように形成された酸化剤ガス流路とを有し、上記燃料流路の上流側は、上記酸化剤ガス流路の下流側を形成する領域に対応する反対側の面の領域に形成され、上記燃料流路の下流側は、上記酸化剤ガス流路の上流側を形成する領域に対応する反対側の面の領域に形成されるセパレータにより、一対の電極で電解質を挟む接合体を挟むことを特徴とする。
【００１５】
本発明の燃料電池スタックによれば、上述のセパレータを搭載することにより、発電反応で発生する二酸化炭素及び水による発電反応の効率の低下を防ぐことができる。また、薄肉化されたセパレータにより、形成される燃料電池スタックを薄くすることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のセパレータは、燃料流路と酸化剤ガス流路との両流路深さを上流から下流に向かって徐々に深くすることで、発生する二酸化炭素及び水の排出性を向上させることができる。また、両流路の最も深いところを避けて流路が形成されることで、セパレータを薄くすることができる。
【００１７】
本発明の燃料電池スタックは、上述のセパレータを搭載することにより、発電反応で発生する二酸化炭素及び水による発電反応の効率の低下を防ぐことができる。また、薄肉化されたセパレータにより、形成される燃料電池スタックを薄くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明のセパレータ及び燃料電池スタックについて、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明においては、以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
【００１９】
図３は、本発明のセパレータの一例を示す平面図である。図３（ａ）のように、本発明のセパレータ１は、燃料であるメタノール水溶液を流すために平板状部材の一方の面に蛇行した燃料流路１０を有している。この燃料流路１０の端部には、燃料流路１０にメタノール水溶液を供給するための燃料供給口１００と、燃料流路１０を流れたメタノール水溶液を排出するための燃料排出口１０１とがセパレータ１を貫通するように設けられている。そして、燃料流路１０は、流路上流である燃料供給口１００から流路下流である燃料排出口１０１に向かって徐々に流路深さを深くするように形成されている。
【００２０】
図３（ｂ）のように、本発明のセパレータ１は、上記燃料流路１０と同様に、酸化剤ガスである空気を流すために燃料流路１０を有する面の反対側の面に蛇行した酸化剤ガス流路１１を有している。この酸化剤ガス流路１１の端部には、酸化剤ガス流路１１に空気を供給する酸化剤ガス供給口１１０と、酸化剤ガス流路１１を流れた空気を排出するための酸化剤ガス排出口１１１とがセパレータ１を貫通するように設けられている。そして、酸化剤ガス流路１１は、流路上流である酸化剤ガス流路供給口１１０から流路下流である燃料ガス排出口１１１に向かって徐々に流路深さを深くするように形成されている。
【００２１】
そして、本発明のセパレータ１は、燃料流路１０の上流側を酸化剤ガス流路１１の下流側を形成する領域に対応する反対側の面の領域に形成し、燃料流路１０の下流側を酸化剤ガス流路１１の上流側を形成する領域に対応する反対側の面の領域に形成している。
【００２２】
本発明のセパレータ１は、電解質を一対の電極で挟んだ接合体を挟み、メタノール水溶液と空気により接合体で発生した電力を外部回路に伝達する。そのため、本発明のセパレータ１を形成する板状部材の材質としては、電気伝導性が良好で、空気をはじめとする酸化剤ガスやメタノール水溶液をはじめとする燃料によって腐食せず、メタノール水溶液と空気との混合を防止するような気密性の高い材質のものが挙げられる。例えば、カーボンや金属材料等を使用してもよく、その表面に防錆のためのめっき処理等を施したものでもよい。
【００２３】
燃料流路１０は、略平板状部材であるセパレータ１の一方の面に形成されている。燃料流路１０は、燃料であるメタノール水溶液を流す流路であり、この燃料流路１０にメタノール水溶液を供給することにより、接合体にメタノール水溶液を供給することができる。燃料流路１０の上流には、メタノール水溶液を燃料流路１０に供給する燃料供給口１００を有している。また、燃料流路１１の下流には、燃料流路１０を流れてきたメタノール水溶液をセパレータ１外に排出する燃料排出口１０１が接続されるように設けられている。
【００２４】
この燃料流路１０は、燃料供給口１００側の上流から燃料排出口１０１側の下流に向かって徐々に深くなるように形成されている。燃料流路１０は、発電反応で発生する二酸化炭素によってメタノール水溶液の流れが悪くなり、発電反応の効率低下を招く。したがって、流路を徐々に深くすることにより、流路の傾斜を利用して流路内の二酸化炭素を燃料排出口１０１の方向に移動させやすくすることができる。したがって、二酸化炭素の排出性を向上させることができる。
【００２５】
燃料流路１０の一端に接続されている燃料供給口１００は、セパレータ１を貫通するように形成されている。そのため、セパレータ１と電解質を一対の電極で挟んだ接合体とを交互に積層させる際、各セパレータ１の燃料供給口１００を連通させることができる。例えば、セパレータ１と接合体とを積層した積層体の最下面のセパレータ１の燃料供給口１００にメタノール水溶液を供給することで、連通している燃料供給口１００を経由して、各セパレータ１の燃料流路１０にメタノール水溶液を供給することができる。この燃料供給口１００の形状大きさ等は、セパレータ１の形状や大きさ、セパレータ１に形成される燃料流路１０の形状や数等により適宜変更することができる。
【００２６】
燃料排出口１０１は、燃料供給口１００が接続された燃料流路１０の他方の一端に接続され、セパレータ１を貫通するように形成されている。そのため、セパレータ１と電解質を一対の電極で挟んだ接合体とを交互に積層させる際、各セパレータ１の燃料排出口１０１を連通させることができる。したがって、この燃料排出口１０１からメタノール水溶液を排出することができる。この燃料排出口１０１の形状や大きさ等は、セパレータ１の形状や大きさ、セパレータ１に形成される燃料流路１０の形状や数等により適宜変更することができる。
【００２７】
酸化剤ガス流路１１は、セパレータ１の上記燃料流路１０が形成された面の反対側の面に形成されている。酸化剤ガス流路１１は、酸化剤ガスである空気を流す流路であり、この酸化剤ガス流路１１に空気を供給することにより、接合体に空気を供給することができる。酸化剤ガス流路１１の上流には、空気を酸化剤ガス流路１１に供給する酸化剤ガス供給口１１０を有している。また、酸化剤ガス流路１１の下流には、酸化剤ガス流路１１を流れてきた空気をセパレータ１外に排出する酸化剤ガス排出口１１１が接続されるように設けられている。
【００２８】
この酸化剤ガス流路１１は、酸化剤ガス供給口１１０側の上流から酸化剤ガス排出口１１１側の下流に向かって徐々に深くなるように形成されている。酸化剤ガス流路１１は、発電反応で発生する水によって、流路に供給される空気の流れが悪くなり、発電反応の効率低下を招く。したがって、流路を徐々に深くすることにより、流路の傾斜を利用して流路内の水を酸化剤ガス排出口１１１の方向に移動させやすくすることができる。したがって、水の排出性を向上させることができる。
【００２９】
酸化剤ガス流路１１の一端に接続されている酸化剤ガス供給口１１０は、セパレータ１を貫通するように形成されている。そのため、セパレータ１と電解質を一対の電極で挟んだ接合体とを交互に積層させる際、各セパレータ１の酸化剤ガス供給口１１０を連通させることができる。例えば、セパレータ１と接合体とを積層した積層体の最下面のセパレータ１の酸化剤ガス供給口１１０に空気を供給することで、連通している酸化剤ガス供給口１１０を経由して、各セパレータ１の酸化剤ガス流路１１に空気を供給することができる。
【００３０】
酸化剤ガス排出口１１１は、酸化剤ガス供給口１１０が接続された酸化剤ガス流路１１の他方の一端に接続され、セパレータ１を貫通するように形成されている。そのため、セパレータ１と電解質を一対の電極で挟んだ接合体とを交互に積層させる際、各セパレータ１の酸化剤ガス排出口１１１を連通させることができる。したがって、この酸化剤ガス排出口１１１から空気を排出することができる。この酸化剤ガス排出口１１１の形状や大きさ等は、セパレータ１の形状や大きさ、セパレータ１に形成される酸化剤ガス流路１１の形状や数等により適宜変更することができる。
【００３１】
図４は、本発明のセパレータの燃料流路と酸化剤ガス流路との関係を示す図である。本発明のセパレータ１は、燃料流路１０の上流側を、酸化剤ガス流路１１の下流側を形成する領域に対応するセパレータ１の反対側の面の領域に形成し、燃料流路１０の下流側を、酸化剤ガス流路１１の上流側を形成する領域に対応するセパレータ１の反対側の面の領域に形成している。燃料流路１０と酸化剤ガス流路１１は略同じで一様な流路幅を有している。そのため、図４のように、燃料流路１０と酸化剤ガス流路１１の陰影が概ね重なるように両流路が形成されている。これにより、接合体を介して本発明のセパレータ１を積層させても、燃料流路１０の近くに別のセパレータ１の酸化剤ガス流路１１を備えることができる。
【００３２】
図５は、図３で示された本発明のセパレータのＢ−Ｂ'断面形状を示す断面図である。本発明のセパレータ１は、図５のように、流路上流側の流路深さが比較的浅い部分と、流路下流側の流路深さが比較的深い部分を組み合わせられるように形成されている。したがって、流路の一方のみを徐々に深くする場合や、両流路の深い部分同士を組み合わせて形成する場合に比べてセパレータを薄くすることができる。
【００３３】
図６は、従来のセパレータと本発明のセパレータとの流路深さに関する模式図である。すなわち、両流路を直線状にした場合の両流路と両流路の供給口を示す図である。従来の流路深さに変化のない流路を有するセパレータでは、流路深さに変化がないため、セパレータの厚さは流路の深さに依存する。したがって、流路深さを深くしようとする場合、流路の深さの分だけセパレータが厚くなってしまう。
【００３４】
一方、図６のように、本発明のセパレータ１は、一方の流路の流路深さの深い部分と他方の流路の浅い部分とを組み合わせることで、お互いの流路が補完され、流路深さの増加に伴うセパレータ１の厚さの増加を抑制することができる。すなわち、本発明のセパレータ１は、流路深さを深くすることができるとともにセパレータの厚さを比較的薄くすることができる。
【００３５】
上述のように、本発明のセパレータ１は、流路深さを徐々に深くする燃料流路１０と、酸化剤ガス流路１１を備えており、燃料流路１０の上流側を酸化剤ガス流路１１の下流側の領域に対応する反対側の面の領域に形成し、燃料流路１１の下流側を酸化剤ガス流路１１の上流側の領域に対応する反対側の面の領域に形成されている。
【００３６】
燃料であるメノタール水溶液は、燃料供給口１００から供給される。燃料供給口１００は、各セパレータ１に連通しているため、燃料供給口１００に供給されたメタノール水溶液は、接続されている各セパレータ１の燃料流路１０に流入する。
【００３７】
燃料流路１０に流入したメタノール水溶液は、燃料流路１０の下流側に移動しながら、上記の発電反応を起こす。そして、メタノール水溶液は、混入した二酸化炭素とともに燃料排出口１０１を介してセパレータ１外に排出される。
【００３８】
一方、酸化剤ガスである酸素は、酸化剤ガス供給口１１０から供給される。酸化剤ガス供給口１１０も燃料供給口１００と同様に各セパレータ１で連通しているため、酸化剤ガス供給口１１０に供給された空気は、各セパレータ１の酸化剤ガス供給口１１０に接続された酸化剤ガス流路１１に流入する。
【００３９】
酸化剤ガス流路１１に流入した空気は、酸化剤ガス流路１１の下流側に移動しながら、上記の発電反応を起こす。そして、空気は、混入した水とともに酸化剤ガス排出口１１１を介してセパレータ１外に排出される。
【００４０】
燃料流路１０にメタノール水溶液、酸化剤ガス流路１１に空気が供給されることにより、接合体で発電反応が起こる。発電反応により、メタノール水溶液中のメタノールの一部及び空気中の酸素の一部が使用され、二酸化炭素と水が発生する。二酸化炭素は、燃料流路１０側で発生するため、燃料流路１０に混入し、水は、酸化剤ガス流路１１側で発生するため、酸化剤ガス流路１１に混入する。
【００４１】
燃料流路１０側で発生した二酸化炭素は、メタノール水溶液の流れる燃料流路１０に混入する。このとき、本発明のセパレータ１は、燃料流路１０を上流から下流に向かって徐々に深くすることで、燃料流路１０に混入した二酸化炭素の排出性を向上させることができる。
【００４２】
気体である二酸化炭素は、一般にメタノール水溶液よりもより上方に移動し、メタノール水溶液は、二酸化炭素よりも下方に移動する。したがって、接合体に対して上方に燃料流路１０を形成することによって、上流から下流に向かって徐々に深くした流路深さを利用して、二酸化炭素を下流の方に移動させやすくすることができる。これにより、燃料流路１０に混入する二酸化炭素の排出性を向上させることができる。
【００４３】
また、酸化剤ガス流路１１側で発生した水は、空気が流れる酸化剤ガス流路１１に混入する。このとき、酸化剤ガス流路１１は、上流から下流に向かって徐々に深くするように形成されている。そのため、酸化剤ガス流路１１に混入した水の排出性を向上させることができる。
【００４４】
液体である水は、一般に空気よりも下方に移動し、空気は、水よりも上方に移動する。酸化剤ガス流路１１は、上流から下流に向かって流路深さを徐々に深くするため、酸化剤ガス流路１１の底面は、上流から下流に向かって傾斜している。したがって、酸化剤ガス流路１１に混入した水は、下流に向かって移動しやすくなる。これにより、酸化剤ガス流路１１に混入する水の排出性を向上させることができる。
【００４５】
本発明のセパレータ１は、上述のように、一定の流路幅を有する流路を有するものに限られるものではない。例えば、流路の幅を徐々に広くするように形成されていてもよく、流路の幅を徐々に狭くするように形成されていてもよい。
【００４６】
図７は、燃料流路及び酸化剤ガス流路の幅を徐々に広くした本発明のセパレータの平面図である。図中の点線は、裏面側の流路を示す図である。セパレータ３は、図７に示されるように、一方の面に燃料流路３０を有し、他方の面に酸化剤ガス流路３１を備えている。そして、燃料流路３０は、燃料供給口３００から燃料排出口３０１に向かって、徐々に流路深さを深くするように形成されている。一方、酸化剤ガス流路３１は、図示されてない酸化剤ガス供給口から酸化剤ガス排出口３１１に向かって徐々に流路深さを深くするように形成されている。
【００４７】
図７のように、燃料流路３０と酸化剤ガス流路３１との陰影は、概ね重なった状態となっており、このセパレータ３を電解質を一対の電極で挟んだ接合体を介して積層しても、上述のように、燃料流路３０と別のセパレータ３の酸化剤ガス流路３１を備えることができる。
【００４８】
図８は、図７で示された本発明のセパレータのＣ−Ｃ'断面形状を示す断面図である。本発明のセパレータ３は、図８のように、流路上流側の流路深さが比較的浅い部分と、流路下流側の流路深さが比較的深い部分を組み合わせられるように形成されている。したがって、流路の一方のみを徐々に深くする場合や、両流路の深い部分同士を組み合わせて形成する場合に比べてセパレータを薄くすることができる。
【００４９】
このように、流路幅を広くすることにより、水及び二酸化炭素の排出性をより向上させることができる。このとき、接合体を介して燃料流路と酸化剤ガス流路とを極力対向させるように形成することで、流路中のメタノールと酸素とを極力近接させることができ、発電反応の効率を向上させることができる。
【００５０】
図９は、燃料流路及び酸化剤ガス流路の幅を徐々に狭くした本発明のセパレータの平面図である。図中の点線は、裏面側の流路を示す図である。セパレータ４は、図９に示されるように、一方の面に燃料流路４０を有し、他方の面に酸化剤ガス流路４１を備えている。そして、燃料流路４０は、燃料供給口４００から燃料排出口４０１に向かって、徐々に流路深さを深くするように形成されている。一方、酸化剤ガス流路４１は、図示されてない酸化剤ガス供給口から酸化剤ガス排出口４１１に向かって徐々に流路深さを深くするように形成されている。
【００５１】
図９のように、燃料流路４０と酸化剤ガス流路４１との陰影は、概ね重なった状態となっており、このセパレータ４を電解質を一対の電極で挟んだ接合体を介して積層しても、上述のように、燃料流路４０と別のセパレータ３の酸化剤ガス流路４１を備えることができる。
【００５２】
図１０は、図９で示された本発明のセパレータのＤ−Ｄ'断面形状を示す断面図である。本発明のセパレータ４は、図１０のように、流路上流側の流路深さが比較的浅い部分と、流路下流側の流路深さが比較的深い部分を組み合わせられるように形成されている。したがって、流路の一方のみを徐々に深くする場合や、両流路の深い部分同士を組み合わせて形成する場合に比べてセパレータを薄くすることができる。
【００５３】
このように、流路深さを徐々に深くするとともに流路幅を徐々に狭くすることにより、流路の断面積の変化を大きくしないようにすることができ、流速の現象を防ぐことができる。このとき、接合体を介して燃料流路と酸化剤ガス流路とを極力対向させるように形成することで、流路中のメタノールと酸素とを極力近接させることができ、発電反応の効率を向上させることができる。
【００５４】
また、例えば、燃料流路の流路幅を上流から下流に向かって徐々に広くし、酸化剤ガス流路の流路幅を上流から下流に向かって徐々に狭くするように形成されていてもよく、またその逆でもよい。メタノール水溶液や空気の流入量や、接合体での発電反応の効率等に応じて適宜変更することができる。
【００５５】
次に、本発明の燃料電池スタックについて説明する。本発明の燃料電池スタック５は、図１１のように、ベースプレート５０上に、電解質２０を電極２１及び電極２２で挟んだ接合体２と、接合体２を挟む上記で説明したセパレータ１とを交互に積層させ、最上に平板状のエンドプレート５１を備え、図示されていない締結ボルトなどで加圧締結されたものである。
【００５６】
接合体２は、プロトンを透過させる略長方形膜状の電解質２０、発電反応における触媒を有する電極２１及び電極２２からなり、電解質２０を電極２１及び電極２２により挟み、張り合わせて形成される。プロトンを透過させる電解質２０は、透過性と耐酸化性と耐熱性とを兼ね備えた材質で形成され、その材質の一例として、パーフルオロスルホン酸ポリマー等の固体高分子が挙げられる。電極２１及び電極２２は、金属材料や炭素材料、導電性を有する不繊布などを用いて構成され、例えば、炭素材料を用いる場合、炭素材料の多孔質表面に白金などの触媒を担持させても良い。また、接合体２の電極２１及び電極２２とセパレータ１との接触面には、カーボンペーパー等からなるガス透過性と電気伝導性とを兼ね備えた拡散層を配してもよい。電解質２０、電極２１及び電極２２の大きさ及び形状は、要求される発電能力や後述するセパレータ１の大きさ及び形状等により適宜変更される。
【００５７】
ベースプレート５０は、上述したセパレータ１の燃料供給口、燃料排出口、酸化剤ガス供給口、及び、酸化剤ガス排出口が設けられ、燃料流路を流れるメタノールス溶液や酸化剤ガス流路を流れる空気をセパレータ１に供給及び排出させることができる。
【００５８】
平板状のエンドプレート５１は、積層させたセパレータ１と接合体２とを締結ボルト等によって加圧締結することができる。加圧締結されることにより、セパレータ１のシール剤等でセパレータ１と接合体２及びセパレータ１同士が密着し、空気とメタノールの漏洩を防止することができる。
【００５９】
上記の燃料電池スタック５は、メタノール水溶液を燃料供給口を介して燃料流路１０に供給するとともに、酸化剤ガス供給口を介して酸化剤ガス流路１１に空気を供給することにより、発電セル２０で以下のような反応を行うことができる。メタノール水溶液は、接合体２の電極２１において、メタノール水溶液中の水とメタノールによってＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−という反応が起こる。この反応で発生するプロトン（Ｈ＋）は、接合体２の電解質膜２０を透過し接合体２の電極２２に移動する。また、発生した電子（ｅ−）は、電極２１から外部回路を通り電極２２に移動する。移動してきたプロトンと電子は、電極２２において、供給される空気中の酸素と、３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏという反応を起こす。したがって、本発明の燃料電池スタック５は、メタノール水溶液と空気を供給することにより発電反応を行うことができる。
【００６０】
このように、メタノール水溶液と空気を供給することで発電反応を起こすことができるが、発電反応により、燃料流路には、二酸化炭素が発生し、酸化剤ガス流路には、水が発生する。この二酸化炭素と水は、発電反応の妨げとなってしまう。本発明の燃料電池スタック５は、上記のセパレータ１を用いることで、二酸化炭素と水の排出性を高めることができる。すなわち、効率的な発電を行うことができる。
【００６１】
以上、本発明にかかるセパレータ１と燃料電池スタック５について説明したが、本発明に使用される燃料としては、メタノールだけに限られるものではなく、通常の燃料電池で使用されている燃料を利用することもできる。例えば、エタノールやジメチルエーテルなどを使用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】従来のセパレータの酸化剤ガス流路側を示す平面図である。
【図２】従来のセパレータのＡ−Ａ'断面図である。
【図３】本発明のセパレータの一例を示す平面図である。（ａ）は、燃料流路側を示す平面図であり、（ｂ）は、酸化剤ガス流路側を示す平面図である。
【図４】本発明のセパレータの燃料流路と酸化剤ガス流路の関係を示す平面図である。
【図５】図３に示された本発明のセパレータのＢ−Ｂ'断面図である。
【図６】本発明のセパレータの流路深さに関する模式図である。
【図７】本発明の徐々に流路幅を広くするセパレータの燃料流路と酸化剤ガス流路の関係を示す平面図である。
【図８】図７で示された本発明の徐々に流路幅を広くするセパレータのＣ−Ｃ'断面図である。
【図９】本発明の徐々に流路幅を狭くするセパレータの燃料流路と酸化剤ガス流路の関係を示す平面図である。
【図１０】図９で示された本発明の狭くに流路幅を広くするセパレータのＤ−Ｄ'断面図である。
【図１１】本発明の燃料電池スタックの一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００６３】
１、３、４、９  セパレータ
１０、３０、４０  燃料流路
１００、３００、４００  燃料供給口
１０１、３０１、４０１  燃料排出口
１１、３１、４１、９０  酸化剤ガス流路
１１０、３１０、４１０  酸化剤ガス供給口
１１１、３１１、４１１  酸化剤ガス排出口
２  接合体
２０  電解質
２１、２２  電極
５  燃料電池
５０  ベースプレート
５１  エンドプレート
９１  酸化剤ガス流路入口
９２  酸化剤ガス流路出口
９３  燃料流路入口
９４  燃料流路出口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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