(57)【要約】【課題】  燃料を供給するに当たり、セパレ−タとＭＥＡの間に形成される通路の深さに対する幅の比を最適化して、燃料拡散性能を向上させて内部で起こる圧力低下を減少させるようにすること。【解決手段】  燃料を供給する燃料供給部と空気を供給する空気供給部及び燃料供給部と空気供給部から各々供給される水素と酸素を電気化学的に反応させて電気エネルギ−を発生させるスタックと、を含む。スタックは、膜−電極アセンブリ−とこの膜−電極アセンブリ−の側面に配置されるセパレ−タを含む。前記セパレ−タは、水素または空気が移動する通路で、前記通路の深さに対する幅の比が０．７〜１．３範囲内にある。【選択図】  図５
2005243625.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を供給する燃料供給部;
空気を供給する空気供給部;及び
前記燃料供給部と空気供給部から各々供給される水素と酸素を電気化学反応させて電気エネルギ−を発生させるスタックを含み、
前記スタックは、
第１及び第２の膜−電極アセンブリ−と、
この両膜−電極アセンブリ−間に配置されるセパレ−タと、を含み、
前記セパレ−タは、
水素または空気が移動する通路を有し、
前記通路の深さに対する幅の比が、０．７〜１．３範囲内にあることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記セパレ−タは、前記膜−電極アセンブリ−の両電極面に密着し、
前記通路は、
前記膜−電極アセンブリ−が有するアノ−ド電極側に形成された水素通路と、
前記膜−電極アセンブリ−が有するカソ−ド電極側に形成された空気通路と、を備え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。
【請求項３】
前記水素通路と前記空気通路は、互いに直交する方向に形成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。
【請求項４】
前記通路は、
水が移動する第１領域と、
水素ガスまたは空気が移動する第２領域と、を含むことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記第１領域を除いた第２領域は実質的に正方形に形成されることを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
燃料電池システムの燃料供給部と空気供給部と、から各々供給される水素と酸素を電気化学反応させて電気エネルギ−を発生させるよう、膜−電極アセンブリ−と、この膜−電極アセンブリ−の電極面に配置されるセパレ−タと、を含み、
前記セパレ−タは、水素または空気が移動する通路で、前記通路の深さに対する幅の比が０．７〜１．３範囲内にあることを特徴とする燃料電池システム用スタックスタック。
【請求項７】
前記通路は、
水が移動する第１領域と、
水素ガスまたは空気が移動する第２領域と、を含むことを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池システム用スタック。
【請求項８】
前記第１領域を除いた第２領域は実質的に正方形に形成され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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムに関し、より詳しくは燃料電池システムのスタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池はメタノ−ルや天然ガスなど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−を、直接、電気エネルギ−に変換させる発電システムである。この燃料電池は、燃焼過程を必要とせず、水素と酸素の電気化学反応によって生成される電気と、その副産物である熱と、を同時に用いることができるという特徴を有する。
【０００３】
この燃料電池は、用いられる電解質の種類によって、約１５０乃至２００℃で作動するリン酸型燃料電池、６００乃至７００℃の高温で作動する溶融炭酸塩型燃料電池、約１、０００℃以上の高温で作動する固体酸化物型燃料電池、常温乃至１００℃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。それぞれの燃料電池は、根本的に同じ原理によって作動するが、燃料の種類、運転温度、触媒及び電解質が互いに異なる。
【０００４】
この中で、近来に開発されている高分子電解質型燃料電池（以下では、便宜上ＰＥＭＦＣという）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、速い始動及び応答特性を有しており、メタノ−ル、エタノ−ル、天然ガスなどを改質して作る水素を燃料として使用するため、自動車のような移動体用電源はもちろん、住宅、公共建物のような分散用電源及び電子機器用のような小型電源など、その応用範囲が広いという長所を有する。
【０００５】
前記のようなＰＥＭＦＣは、基本的なシステムを構成するため、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スタックで供給する。また、燃料電池は、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で、燃料を改質し、水素ガスを発生させ、水素ガスをスタックに供給する改質器をさらに含む。従って、ＰＥＭＦＣは燃料ポンプの作動により燃料タンク内の燃料を改質器に供給して、改質器が燃料を改質して水素ガスを発生させ、スタックが水素ガスと酸素を電気化学的に反応させて電気エネルギ−を発生させる。
【０００６】
一方、燃料電池は水素を含有した液状の燃料を直接スタックに供給して電気を発生させる直接メタノ−ル型燃料電池（以下、ＤＭＦＣという）方式を採用することができ、この方式ではＰＥＭＦＣとは違い、改質器を排除することができる。
【０００７】
図７は、従来の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−（以下、便宜上ＭＥＡという）とセパレ−タが組立てられた状態の部分断面図である。
【０００８】
図面を参照すると、前記のような燃料電池において、実質的に電気を発生させるスタックはＭＥＡの集合体であって、ＭＥＡ５１とセパレ−タ５３からなる電気発生部を数個乃至数十個ほど積層した構造を持つ。ＭＥＡ５１は、電解質膜と、電解質膜の両面に各々付着したアノ−ド電極とカソ−ド電極と、を備える構造を有する。セパレ−タ５３は、ＭＥＡ５１の両電極に配置されて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の役割と、 第１ＭＥＡのアノ−ド電極と第２ＭＥＡのカソ−ド電極を直列に連結させる導電体の役割を同時に遂行する。従って、セパレ−タ５３によってアノ−ド電極には水素ガスが供給され、カソ−ド電極には酸素または空気が供給される。この過程でアノ−ド電極では水素ガスの酸化反応が起こって、カソ−ド電極では酸素の還元反応が起こる。この時生成される電子の移動によりスタックでは電気と熱そして水が発生する。
【０００９】
セパレ−タ５３は、ＭＥＡ５１の両側に備えて、このように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を形成する。この水素通路５５及び空気通路５７によってセパレ−タ５３は、ＭＥＡ５１との間に相互密着されるリブ部分５９と水素通路５５及び空気通路５７を隔てて離隔する部分６１を交互的に形成する。実質的に密着されるリブ部分５９は離隔する部分６１を形成するチャンネルを隔てて配置されるリブによって形成される。
【００１０】
通常、セパレ−タ５３がＭＥＡ５１を隔てて配置される時、水素通路５５と空気通路５７は、互いに直交状態に配置されるので、部分断面図である図７には、図面と平行な水素通路５５を一つ、図面を垂直に貫く空気通路５７を多数示している。
【００１１】
一方、燃料電池において、スタックは、燃料電池の効率を向上させるため、燃料拡散機能が向上可能で、燃料拡散時に必要な圧力が低下しないための構造を有する形状構成を要求されるが、その重要な形状構成の一つが水素通路１５と空気通路５７を形成するチャンネルの形状である。
【００１２】
つまり、セパレ−タ５３において、チャンネルの形状は、ＭＥＡ５１の活性領域に対して燃料である水素及び空気がＭＥＡ５１の気体拡散層に拡散する性能と、ＭＥＡ５１で発生した電流に対する接触抵抗を左右する重要な因子となる。
【００１３】
従って、燃料電池システムの効率を向上させるため、ＭＥＡ５１の両側に形成されるチャンネルの形状（実質的にこのチャンネルの形状は、四角形であり、チャンネルの深さＤｃに対するチャンネルの幅Ｗｃの比（Ｗｃ/Ｄｃ）によって決定される）を最適化することが重要であるが、いままでのセパレ−タ５３はこれを具体化したものはなく、燃料電池の効率向上に役立たないのが実情である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は前記のような点を勘案して発明されたもので、その目的は、燃料を供給するセパレ−タとＭＥＡの間に形成される通路の深さに対する幅の比を最適化して、燃料拡散性能を向上させ、通路内部で起こる圧力低下を減少させる燃料電池システム及びこれに用いられるスタックを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
従って、本発明による燃料電池システムは、燃料を供給する燃料供給部と空気を供給する空気供給部及び燃料供給部と空気供給部から各々供給される水素と酸素を電気化学反応させて電気エネルギ−を発生させるスタックを含む。スタックは、膜−電極アセンブリ−とこの膜−電極アセンブリ−の電極面に配置されるセパレ−タを含む。セパレ−タは、水素または空気が移動する通路を有し、前記通路の深さに対する幅の比が０．７〜１．３範囲内にある。
【００１６】
セパレ−タは、膜−電極アセンブリ−の両電極面に密着され、前記通路は前記膜−電極アセンブリ−が有するアノ−ド電極側に形成された水素通路と前記膜−電極アセンブリ−が有するカソ−ド電極側に形成された空気通路を含む。
【００１７】
水素通路と前記空気通路は、互いに垂直交差方向に配置される。
【００１８】
通路は、水が移動する第１領域と、水素ガスまたは空気が移動する第２領域を含み、第１領域を除いた第２領域が実質的に正方形で形成されることが良い。また、本発明による燃料電池システム用スタックは、燃料電池システムの燃料供給部と空気供給部から各々供給される水素と酸素を電気化学反応させて電気エネルギ−を発生させるよう、膜−電極アセンブリ−とこの膜−電極アセンブリ−の電極面に配置されるセパレ−タを含み、セパレ−タは、水素または空気が移動する通路で、通路の深さに対する幅の比が０．７〜１．３範囲内にある。
【発明の効果】
【００１９】
本発明による燃料電池システム及びこれに用いられるスタックによると、ＭＥＡ（膜−電極アセンブリ）とこれに密着させられるセパレ−タの間に形成される通路の深さに対する幅の比率を最適に選定することによって、スタック内部で発生した電流の接触抵抗低減と、水素及び空気のような燃料の拡散性能を向上させ、ＭＥＡ内部への送気圧力低下をバランスさせて燃料電池の総合効率を向上させる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下では、本発明を明確にするための実施形態を、添付図を参照にして詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明による燃料電池システムを示した概略図であり、図２は、本発明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。
【００２２】
図面を参照すれば、本実施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、及びこの燃料供給部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反応させて電気エネルギ−を発生させるスタック７を含んでいる。
【００２３】
燃料供給部１は、燃料タンク９とポンプ１１を備えて、燃料タンク９内のメタノ−ル、エタノ−ル、または天然ガスのような液状燃料をポンプ１１の駆動により改質器３に供給して、この改質器３を通して改質された水素ガスをスタック７内部に供給する構成になっている。
【００２４】
この燃料電池システムは、液状の燃料を直接スタック７に供給して電気を生産するＤＭＦＣ方式を用いる事も出来る。ＤＭＦＣ方式は図１に示されたＰＥＭＦＣ方式とは違い、改質器３を要しない。便宜上以下では、ＰＥＭＦＣを用いた燃料電池システムを例に説明する。
【００２５】
空気供給部５は、ポンプ１３を備えて酸素が含まれた空気をスタック７内部に供給する構成となっている。
【００２６】
燃料供給部１及び改質器３から水素ガスの供給を受け、空気供給部５からは空気の供給を受けるスタック７は、水素と酸素を電気化学反応させて電気エネルギ−を発生させてから副産物として熱と水を発生させるように構成されている。
【００２７】
本実施形態に適用されるスタック７は、改質器３を通して改質された水素ガスと外部空気の酸化/還元反応を誘導して、電気エネルギ−を発生させるよう、複数の電気発生部１９からなる。
【００２８】
各々の電気発生部１９は、電気を発生させる最少単位であり、水素ガスと空気中の酸素を酸化/還元反応させるＭＥＡ２１と、このＭＥＡ２１の両電極からＭＥＡ２１に水素と、酸素を含有した空気（以下、酸素含有空気という）と、を各通路経由で供給するセパレ−タ２３、２５で構成される。
【００２９】
ここで通路とは、固体の表面に掘り込まれた通常の溝を意味するほかに、ガスを流通させる通路であって、この通路と反応容器との間で、流通ガスを放出し、または、受け入れる構造の通路を含む。
【００３０】
また、セパレ−タは、１枚の板の両面に通路を直交方向に形成したものと、この１枚型セパレ−タを２枚に分離した構造に製作して、使用時に圧着、ねじ止めなどにより実質的に一体化して使うものが考えられる。このような分離型に関しては、更に、セパレ−タの形状が正方形であって、通路出入り口およびセパレ−タ固定機構の各配置状況が両対角線に対して対称であれば、両電極に配置する分離構造のセパレ−タを同一形状に製作でき、量産経費を低減できる。また、電気的接触を良好にするため、セパレ−タの素材を軟銅材にするとともに、接触面には金、銀などの貴金属を鍍金することが望ましい。この外、通路内のガス流通を最適化するために、通路の天井を粗面化したり、このために粗面を型押しで形成する、または、溝形成と粗面化を１度の型押しで形成することも経費節減のために望ましい。
【００３１】
この電気発生部１９は、ＭＥＡ２１を中心に、両電極にセパレ−タ２３、２５を配置して一つのユニットを形成し、このユニットを複数個備えて本実施形態のような積層構造のスタック７を形成する。
【００３２】
この電気発生部１９の中で、スタック７の両端の最外郭に形成された電気発生部１９はセパレ−タ２３、２５の変形構造である端板２７を備える。この電気発生部１９は、その角部を貫通するボルト１９ａと、ボルト１９ａに締結されるナット１９ｂによって互いに締結されることによって積層構造のスタック７を形成する。
【００３３】
図３は、本発明による燃料電池システムのスタックに用いられる複数のセパレ−タの中で、あるひと組のセパレ−タを展開して旋回させた状態を示した分解斜視図であり、中心のＭＥＡ２１を淡色で示す。図４は、本発明によるＭＥＡとセパレ−タが結合された状態を示す部分断面図である。
【００３４】
図面を参照すると、セパレ−タ２３、２５は、ＭＥＡ２１を中心に、このＭＥＡ２１の両電極面に密着配置されて、ＭＥＡ２１の両電極に密着して各々水素通路１５と空気通路１７を形成する。水素通路１５は、ＭＥＡ２１のアノ−ド電極２９側に配置され、酸素通路１７はＭＥＡ２１のカソ−ド電極３１側に配置される。
【００３５】
ここで水素通路１５及び空気通路１７は、それぞれセパレ−タ２３、２５の本体２３ａ、２５ａに任意の間隔をおいて直線状態に配置され、その両端を交互的に連結して形成されている。もちろん、水素通路１５及び空気通路１７の配置構造がこれに限られるわけではない。
【００３６】
このような水素通路１５及び空気通路１７は、両セパレ−タ２３、２５がＭＥＡ２１で隔てられながら、このＭＥＡ２１に密着される時、図３で分かるように、一方のセパレ−タ２３に形成された水素通路１５は、図面を基準に上下方向に沿って配置され、他方のセパレ−タ２５に形成された空気通路１７は図面基準に左右方向に沿って配置されることによって互いに直交状態に配置された構造を有する。
【００３７】
また、図３及び図４に示すように、ＭＥＡ２１は、所定の面積を有して酸化/還元反応が起こる活性領域２１ａを備え、この活性領域２１ａの両面にアノ−ド電極２９とカソ−ド電極３１を備えて、二つの電極２９、３１の間に電解質膜３３を備えている。
【００３８】
ＭＥＡ２１の一面を形成するアノ−ド電極２９は、セパレ−タ２３とＭＥＡ２１の間に形成される水素通路１５を通して水素ガスの供給を受ける部分であり、それに含まれる気体拡散層ＧＤＬを通して水素ガスをアノ−ド触媒層に供給して、このアノ−ド触媒層で水素ガスを酸化反応させて、変換された電子を外部に引き出してこの電子の流れで電流を発生させ、水素イオンを、電解質膜３３を通してカソ−ド電極３１に移動させる。
【００３９】
また、カソ−ド電極３１は、セパレ−タ２５とＭＥＡ２１の間に形成される空気通路１７を通して酸素が含まれている空気の供給を受ける部分で、それに含まれる気体拡散層を通して空気をカソ−ド触媒層に供給して、このカソ−ド触媒層で酸素を還元反応させて、酸素イオンを水素イオンと共に水に変換させる。
【００４０】
電解質膜３３は厚さが約５０〜２００μｍである固体ポリマ−電解質で形成されて、アノ−ド電極２９の触媒層で生成された水素イオンをカソ−ド電極３１の触媒層に移動させて、カソ−ド電極３１の酸素イオンと結合させて水を生成するイオン交換を可能にする。
【００４１】
図５は、本発明によるセパレ−タを拡大して示した部分詳細図である。前記で両セパレ−タ２３、２５は、実質的に同一形状になっているため、便宜上図５では一つのセパレ−タ２３だけを代表に示して、以下では、これによって２つのセパレ−タ２３、２５を共に説明する。
【００４２】
図面を参照すると、このセパレ−タ２３、２５は、前記のようにＭＥＡ２１のアノ−ド電極２９とカソ−ド電極３１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、つまり、水素通路１５と空気通路１７を各々備える。つまり、この水素通路１５及び空気通路１７は、ＭＥＡ２１を間にしてその両電極面に密着配置されるセパレ−タ２３、２５によって各々形成され、この時、水素通路１５は、ＭＥＡ２１のアノ−ド電極２９側に形成され、空気通路１７は、ＭＥＡ２１のカソ−ド電極３１側に形成される。
【００４３】
ここで、水素通路１５及び空気通路１７は、セパレ−タら２３、２５の本体２３ａ、２５ａの一面に任意の間隔をおいて突出形成されたリブ２３ｂ、２５ｂの間の空間であるチャンネル２３ｃ、２５ｃによって形成される。このような構造によってＭＥＡ２１の活性領域２１ａの面積が設定されてチャンネル２３ｃ、２５ｃの大きさ及び形状が確定すれば、リブ２３ｂ、２５ｂの大きさ及び形状は自動的に決定できる。
【００４４】
本実施形態でチャンネル２３ｃ、２５ｃ及びリブ２３ｂ、２５ｂの横断面（夫々その長さ方向に対する垂直方向の断面）形状は大体四角形になるが、必ずその形状に限られるわけではない。例えば半円型や梯形型などに形成することができる。
【００４５】
前記で水素通路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はポンプ１３に連結される。
【００４６】
従って、一側端板２７には、改質器３で生成された水素ガスとポンプ１３で圧送される空気が、水素通路１５及び空気通路１７に各々供給され、他方端板２７には、ＭＥＡ２１で電気化学反応を起こして残った残余水素ガス及び空気が排出される。
【００４７】
通路１５、１７で、リブ２３ｂ、２５ｂの幅（Ｗｒ）は、水素ガス及び空気が流れない部分の形成に影響を与えて、チャンネル２３ｃ、２５ｃの幅（Ｗｃ及びチャンネル２３ｃ、２５ｃの深さ（Ｄｃ）は、水素ガス及び空気が流れる部分の形成に影響を与える。従って、チャンネル２３ｃ、２５ｃが形成する通路１５、１７の断面積（Ａ）は、チャンネル２３ｃ、２５ｃの幅（Ｗｃ）と深さ（Ｄｃ）によって決定される。
【００４８】
前記でチャンネル２３ｃ、２５ｃの幅（Ｗｃ）（またはリブ２３ｂ、２５ｂの幅（Ｗｒ））と深さ（Ｄｃ）が、通路１５、１７の全範囲にわたり一定でない場合、チャンネル２３ｃ、２５ｃの幅（Ｗｃ）（またはリブ２３ｂ、２５ｂの幅（Ｗｒ））と深さ（Ｄｃ）は、それぞれの平均値を取る方が好ましい。
【００４９】
また、チャンネル２３ｃ、２５ｃの深さ（Ｄｃ）は、チャンネル２３ｃ、２５ｃの下部が平らでない場合には、その深さ（Ｄｃ）の平均値またはチャンネル２３ｃ、２５ｃの中間部分で測定した値を取る方が好ましい。
【００５０】
このような通路１５、１７は、第１領域１５ａ、１７ａと第２領域１５ｂ、１７ｂに区分して命名できる。第１領域１５ａ、１７ａは、水素ガス及び酸素によってスタック７内部で生成されて結露した水を移動させる通路であり、第２領域１５ｂ、１７ｂは水蒸気の通路であるとともに、ＭＥＡ２１の活性領域２１ａに供給される水素及び酸素ガスの通路を構成する。従って、実情としては、水素通路１５及び空気通路１７から第１領域１５ａ、１７ａに該当する断面積を除いた第２領域１５ｂ、１７ｂの断面積で水素及び空気を供給する。
【００５１】
このような構造を持つセパレ−タ２３、２５は、燃料電池の効率を高めるため、スタック７内部で発生した電流の接触抵抗を許容範囲以内に維持しながら、ＭＥＡ２１の気体拡散層で燃料である水素及び酸素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低減させる必要がある。このため、セパレ−タ２３、２５で、第１領域１５ａ、１７ａと第２領域１５ｂ、１７ｂに区分される通路１５、１７、つまり、チャンネル２３ｃ、２５ｃの形状を適切に調節する必要がある。
【００５２】
このため本実施形態では、セパレ−タ２３、２５で、水素ガス及び空気が流れる通路１５、１７を形成するチャンネル２３ｃ、２５ｃの幅（Ｗｃ）と深さ（Ｄｃ）の比を最適化できることを、下記に表１として例示した。
【００５３】
水素ガス及び空気の拡散と供給に必要な自己消費エネルギ−を全体的に改善する場合に、燃料電池の性能評価指数として、関連電力密度（以下、ＲＰＤという）を利用する。このＲＰＤは、スタック７で生成される電力と、スタック７で燃料である水素ガス及び空気を供給するため消耗される電力との差を求め、この差をスタック７内部の活性領域２１ａの総合面積で割り算して算出する。いくつかの構造例から、このように算出した結果は表１のようである。
【００５４】
表１には、チャンネル２３ｃ、２５ｃの深さ（Ｄｃ）に対するチャンネル２３ｃ、２５ｃの幅（Ｗｃ）の比（Ｗｃ/Ｄｃ）とＲＰＤの関係を示した。
【００５５】
【表１】
2005243625.tif 000003
【００５６】
燃料電池の性能を評価するため、アノ−ド電極２９に水素ガスを、カソ−ド電極３１に空気を供給して、非加熱状態でチャンネル２３ｃ、２５ｃの深さ（Ｄｃに対するチャンネル２３ｃ、２５ｃの幅（Ｗｃ）の比（Ｗｃ/Ｄｃ）を可変させながらＲＰＤを得た実験結果である。この結果をグラフに示すと図６のようになる。
【００５７】
図６は、水素通路及び空気通路であるチャンネルの深さに対するチャンネル幅の比とＲＰＤ関係を実験して得たグラフである。
【００５８】
グラフを参照すると、深さに対する幅の比率（Ｗｃ/Ｄｃ）が０．７〜１．３の区間でＲＰＤが高く、つまり、燃料電池の効率が良好になると理解できて、この比（Ｗｃ/Ｄｃ）が０．７未満または１．３超過区間ではＲＰＤが低く、つまり、燃料電池の効率が悪いと分かる。
【００５９】
比率（Ｗｃ/Ｄｃ）が０．７未満の場合にはチャンネル２３ｃ、２５ｃの深さ（Ｄｃ）に比して幅（Ｗｃ）が過度に小さく形成されて、結局、チャンネル２３ｃ、２５ｃの横断面形状が同一断面積であっても狭く、深い長方形形状に形成されて（図５参照）、スタック７内部の圧力低下が深刻になるので、スタック７で生成される電力に比べて燃料である水素ガス及び空気を供給するのに多くの電力を消耗してＲＰＤが低くなることを分かる。
【００６０】
この比率（Ｗｃ/Ｄｃ）が１．３を超過すると、チャンネル２３ｃ、２５ｃの幅（Ｗｃ）に比して深さＤｃが過度に小さく形成されて、結局、前記のようにチャンネル２３ｃ、２５ｃを有する通路１５、１７の形状が同一面積に対して広く、浅い長方形に形成されて（図５参照）、スタック７内部の圧力低下が深刻になるので、スタック７で生成される電力に比べて燃料である水素ガス及び空気を多く供給するために多くの電力を消耗してＲＰＤが低くなると分かる。
【００６１】
これらに反し、比率（Ｗｃ/Ｄｃ）が０．７〜１．３の区間では、チャンネル２３ｃ、２５ｃの深さ（Ｈｃ）に対して幅（Ｗｃ）が適切に設定されて、通路１５、１７の形状が、同一面積に対して適切に選ばれて、スタック７内部の圧力低下を防止するのでスタック７で生成される電力に比べて燃料である水素ガス及び空気を供給するのに必要な電力消耗少なくてＲＰＤが高くなると理解できる。
【００６２】
以上の結果から、同一面積の通路１５、１７を形成するに当たり、チャンネル２３ｃ、２５ｃの形状は、通路１５、１７を通過する水素ガス及び空気のような流体が、通路１５、１７の内壁との間で発生させる摩擦要因によって圧力低下値が決定されるのであろうと推測できる。
【００６３】
この摩擦要因は、水素ガス及び空気が流れる通路１５、１７、チャンネル２３ｃ、２５ｃの断面形状と密接な関係がある。結局、これら通路１５、１７は、電気エネルギ−発生時、スタック７内部で発生する水の量を算出して、この水の量によって形成される第１領域１５ａ、１７ａを除いた第２領域１５ｂ、１７ｂが正方形を形成するように設定されることが最も理想的であることが分かる。また、他のＲＰＤ低下要因として水分の結露状況があり、適切な結露になるように、供給ガスを予熱しておくことが望ましい。更に、結露粒径を最適化するために、通路の天井面に適度の粗面化を施すことも必要である。
【００６４】
以上、発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明及び添付図の範囲内で多様に変形して実施することが可能で、これらも本発明の範囲に属するものとみなす。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明による燃料電池システムを示した概略図である。
【図２】本発明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３】本発明による燃料電池システムのスタックに用いられるセパレ−タの中の一側セパレ−タを旋回させて置いた状態を示した分解斜視図である。
【図４】本発明による膜−電極アセンブリ−とセパレ−タが結合された状態の部分断面図である。
【図５】本発明によるセパレ−タを拡大示した部分詳細図である。
【図６】本発明によるセパレ−タと電力密度関係を示すグラフである。
【図７】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−タが組立てられた状態の部分断面図である。
【符号の説明】
【００６６】
Ｄｃ  チャンネルの深さ
ＧＤＬ  気体拡散層
ＲＰＤ  関連電力密度
Ｗｃ  チャンネルの幅
Ｗｒ  リブの幅
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  燃料供給用ポンプ
１３  酸素含有空気供給用ポンプ
１５  水素通路
１７  空気通路
１９  電気発生部
１９ａ  ボルト
１９ｂ  ナット
２１  膜−電極アセンブリ−（ＭＥＡ）
２１ａ  活性領域
２３  セパレ−タ
２３ａ  セパレ−タの本体
２３ｂ  リブ
２３ｃ  チャンネル
２５  セパレ−タ
２５ａ  セパレ−タの本体
２５ｂ  リブ
２５ｃ  チャンネル
２７  端板
２９  アノ−ド電極
３１  カソ−ド電極
３３  電解質膜
５１  膜−電極アセンブリ−（ＭＥＡ）
５３  セパレ−タ
５５  水素通路
５７  空気通路
【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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