(57)【要約】【課題】セパレータやカソード側エンドプレートに形成された流路の、液体生成物による閉塞を抑制した燃料電池スタックを提供することを目的とする。【解決手段】本発明による燃料電池スタックに用いるセパレータ３４は、複数の隔壁３４Ｅと出口室３４６とを有する。複数の隔壁３４Ｅは、同じ長さで等間隔に形成され、複数の直線状流路３４Ｄを形成する。出口室３４６は隔壁３４Ｅの終端側で形成され、出口３４４へ向かって広がっている。【選択図】図３
2012038484.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用セパレータであって、
カソード電極に対向するための第１面と、
前記第１面の裏側に設けられ、アノード電極に対向するための第２面と、を備え、
前記セパレータは、第１辺と、前記第１辺に隣接する第２辺と、前記第１辺に対向し前記第２辺に隣接する第３辺とを有し、
前記第１面には、
前記第１辺側に設けられた入口と、
前記入口に繋がった入口室と、
前記第２辺側に設けられた出口と、
前記出口に繋がった出口室と、
前記第１辺から前記第３辺に向かう方向に沿って前記入口室から前記出口室に繋がる、同じ幅の複数の直線状流路を形成する複数の直線状の隔壁と、が設けられ、
前記複数の隔壁の長さは同じであり、
前記出口室が前記出口に向かって徐々に大きくなるように、前記複数の隔壁が前記第１辺から前記第３辺に向かう方向においてずれて配置されている、
燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
前記複数の隔壁のうちの隣接する２つの隔壁が前記第１辺から前記第３辺に向かう方向においてずれている距離は一定である、
請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
前記入口は複数の入口の１つであり、前記複数の入口が前記第１辺に設けられ、前記入口室に繋がっている、
請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
カソード側エンドプレートと、
前記カソード側エンドプレートに対向するカソード電極と、前記カソード電極の裏側に設けられたアノード電極と、前記カソード電極と前記アノード電極との間に介在する電解質膜とを積層した膜電極接合体と、
前記アノード電極に対向するアノード側エンドプレートと、を備え、
前記カソード側エンドプレートは、第１辺と前記第１辺に隣接する第２辺と、前記第１辺に対向し前記第２辺に隣接する第３辺とを有するとともに、前記カソード電極に対向するカソード対向面を有し、
前記カソード対向面には、
前記第１辺側に設けられ、外部から酸化剤を含むガスを取り込むガス入口と、
前記ガス入口に繋がった入口室と、
前記第２辺側に設けられたガス出口と、
前記ガス出口に繋がった出口室と、
前記第１辺から前記第３辺に向かう方向に沿って前記入口室から前記出口室に繋がる、同じ幅の複数の直線状流路を形成する複数の直線状の隔壁と、が設けられ、
前記複数の隔壁の長さは同じであり、
前記出口室が前記ガス出口に向かって徐々に大きくなるように、前記複数の隔壁が前記第１辺から前記第３辺に向かう方向においてずれて配置されている、
燃料電池スタック。
【請求項５】
前記膜電極接合体は第１、第２の膜電極接合体の１つであり、
前記燃料電池スタックは前記第１、第２の膜電極接合体と、前記第１、第２の膜電極接合体の間に挿入されたセパレータとを備え、
前記セパレータは、
前記第１の膜電極接合体のカソード電極に対向するための第１面と、
前記第１面の裏側に設けられ、前記第２の膜電極接合体のアノード電極に対向するための第２面と、を有し、
前記セパレータは、前記カソード側エンドプレートの前記第１辺、第２辺、第３辺に相当する位置にそれぞれ、第１辺と前記第１辺に隣接する第２辺と、前記第１辺に対向し前記第２辺に隣接する第３辺とを有し、
前記第１面には、
前記第１辺側に設けられ、外部から酸化剤を含むガスを取り込むガス入口と、
前記ガス入口に繋がった入口室と、
前記第２辺側に設けられたガス出口と、
前記ガス出口に繋がった出口室と、
前記第１辺から前記第３辺に向かう方向に沿って前記入口室から前記出口室に繋がる、同じ幅の複数の直線状流路を形成する複数の直線状の隔壁と、が設けられ、
前記複数の隔壁の長さは同じであり、
前記出口室が前記ガス出口に向かって徐々に大きくなるように、前記複数の隔壁が前記第１辺から前記第３辺に向かう方向においてずれて配置されている、
請求項４記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
請求項４記載の燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの、前記カソード側エンドプレートの前記第３辺を含む面側に配置された燃料供給部と、
前記カソード側エンドプレートの前記ガス入口に前記酸化剤を含むガスを供給するガス供給部と、を備え、
前記アノード側エンドプレートの、前記アノード電極に対向するアノード対向面に燃料流路が設けられ、
前記アノード側エンドプレートの、前記カソード側エンドプレートの前記第３辺に相当する辺側に、前記燃料流路に繋がる燃料入口が設けられ、前記燃料供給部は前記燃料入口へ燃料を供給する、
燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池スタックにおいて前記膜電極接合体は第１、第２の膜電極接合体の１つであり、
前記燃料電池スタックは前記第１、第２の膜電極接合体と、前記第１、第２の膜電極接合体の間に挿入されたセパレータとを有し、
前記セパレータは、
前記第１の膜電極接合体のカソード電極に対向する第１面と、
前記第１面の裏側に設けられ、前記第２の膜電極接合体のアノード電極に対向する第２面と、を有し、
前記セパレータは、前記カソード側エンドプレートの前記第１辺、第２辺、第３辺に相当する位置にそれぞれ、第１辺と前記第１辺に隣接する第２辺と、前記第１辺に対向し前記第２辺に隣接する第３辺とを有し、
前記第１面には、
前記第１辺側に設けられ、外部から酸化剤を含むガスを取り込むガス入口と、
前記ガス入口に繋がった入口室と、
前記第２辺側に設けられたガス出口と、
前記ガス出口に繋がった出口室と、
前記第１辺から前記第３辺に向かう方向に沿って前記入口室から前記出口室に繋がる、同じ幅の複数の直線状流路を形成する複数の直線状の隔壁と、が設けられ、
前記複数の隔壁の長さは同じであり、
前記出口室が前記ガス出口に向かって徐々に大きくなるように、前記複数の隔壁が前記第１辺から前記第３辺に向かう方向においてずれて配置されており、
前記第２面にも燃料流路が設けられ、前記セパレータの前記第３辺側にも、前記燃料流路に繋がる燃料入口が設けられ、前記燃料供給部は前記アノード側エンドプレートと前記セパレータに設けられた前記燃料入口へ燃料を供給する、
請求項６記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用セパレータとそれを用いた燃料電池スタック、燃料電池システムに関し、特にセパレータのカソード側の流路構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器のポータブル化、コードレス化が急速に進んでおり、これらの駆動用電源として、小型かつ軽量で、高エネルギー密度を有する二次電池への要望も高まっている。また、小型民生用途のみならず、電力貯蔵用や電気自動車用などの長期に渡る耐久性や安全性が要求される大型の二次電池に対する技術開発も加速してきている。さらに、充電の必要な二次電池よりも燃料供給によって長時間連続使用が可能な燃料電池が注目されている。
【０００３】
燃料電池システムは、セルスタックを含む燃料電池スタックと、このセルスタックに燃料を供給する燃料供給部と、酸化剤を含むガスを供給する酸化剤供給部とを有する。セルスタックはアノード電極とカソード電極とこれらの電極の間に介在する電解質膜とからなる膜電極接合体と、セパレータとを積層し、積層方向両端にエンドプレートを配して構成されている。
【０００４】
アノード側エンドプレートとセパレータのアノード電極に対向する面には、燃料をアノード電極の全面に供給するためにサーペンタイン状の溝が設けられている。同様に、カソード側エンドプレートとセパレータのカソード電極に対向する面には、酸化剤を含むガスをカソード電極の全面に供給するためにサーペンタイン状の溝が設けられている。一般に、この両方の溝は互いに直交する方向に伸びて折り返すように形成されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１０／０１６２４７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、運転状態における条件で、カソード側の生成物として水などの液体が生じると、サーペンタイン状の溝で構成された流路がこの液体生成物で詰まってしまう可能性がある。また、このような流路形状の場合、カソード電極の面積が大きく、流路長が長くなるほど、流路内での圧力損失が大きくなる。したがって、下流側まで酸化剤を含むガスを供給するためには酸化剤供給部であるポンプの吐出圧力を上げる必要がある。そのため、燃料電池システムを小型化することが困難になるとともにポンプの消費電力が増加し、燃料電池システムのエネルギー変換効率が低下する。
【０００７】
本発明は、このような問題点を解決し、セパレータのカソード側において液体生成物をスムーズに排出することで圧力損失を低減しつつ、カソード電極の全面に対し、均一に酸化剤を含むガスを供給することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明による燃料電池用セパレータはカソード電極に対向するための第１面と、この第１面の裏側に設けられ、アノード電極に対向するための第２面と有する。そしてこのセパレータは、第１辺と、この第１辺に隣接する第２辺と、第１辺に対向し第２辺に隣接する第３辺とを有する。第１面には、第１辺側に設けられた入口（ガス入口）と、この入口に繋がった入口室と、第２辺側に設けられた出口（ガス出口）と、この出口に繋がった出口室と、複数の直線状の隔壁とが設けられている。隔壁は第１辺から第３辺に向かう方向に沿って入口室から出口室に繋がる、同じ幅の複数の直線状流路を形成している。複数の隔壁の長さは同じであり、出口室が出口に向かって徐々に大きくなるように、複数の隔壁が第１辺から第３辺に向かう方向においてずれて配置されている。
【０００９】
本発明の燃料電池スタックは、カソード側エンドプレートと、膜電極接合体と、アノード側エンドプレートとを有する。膜電極接合体はカソード側エンドプレートに対向するカソード電極と、カソード電極の裏側に設けられたアノード電極と、カソード電極とアノード電極との間に介在する電解質膜とを積層して構成されている。アノード側エンドプレートはアノード電極に対向している。そしてカソード側エンドプレートは、カソード電極に対向するカソード対向面に上記セパレータの第１面と同様の構造を有する。
【００１０】
さらに本発明の燃料電池システムは、上記燃料電池スタックと、燃料供給部と、ガス供給部とを有する。アノード側エンドプレートの、アノード電極に対向する面には燃料流路が設けられるとともに、カソード側エンドプレートの第３辺に相当する辺側には、燃料流路に繋がる燃料入口が設けられている。燃料供給部は燃料電池スタックのカソード側エンドプレートの第３辺を含む面側に配置され、アノード側エンドプレートの燃料入口へ燃料を供給する。ガス供給部はカソード側エンドプレートのガス入口に酸化剤を含むガスを供給する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、セパレータの第１面やカソード側エンドプレートのカソード対向面に、入口室から出口室に繋がる複数の直線状流路を形成し、出口室が出口に向かって徐々に大きくなっていることにより、小さな送風圧力でも生成物を流路内からスムーズに排出することができる。また燃料供給部を燃料電池スタックのカソード側エンドプレートの第３辺を含む面に配置することによって燃料電池システムを小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示すブロック図
【図２】本発明の実施の形態における燃料電池スタックの斜視図
【図３】図２に示す燃料電池スタックのセパレータの、カソード電極に対向する面の平面図
【図４】図２に示す燃料電池スタックのセパレータの、アノード電極に対向する面の平面図
【図５】図２に示す燃料電池スタックの要部の概略構成を示す概念断面図
【図６】図２に示す燃料電池スタックと図１に示す燃料ポンプとの接続を説明するための斜視図
【図７】図２に示す燃料電池スタックと図１に示す空気ポンプとの接続を説明するための斜視図
【図８】図２に示す燃料電池スタックの第１側面の正面図
【図９】図２に示す燃料電池スタックの第１側面に取り付ける一体部材の断面図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について、直接メタノール型燃料電池（以下、ＤＭＦＣ）を例に、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は、本明細書に記載された基本的な特徴に基づく限り、以下に記載の内容に限定されるものではない。
【００１４】
図１は、本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図２は、本発明の実施の形態における燃料電池スタックの斜視図であり、図２（ａ）は第１側面側、図２（ｂ）は第１側面の反対側の第３側面側から見た斜視図である。図３は、図２に示す燃料電池スタックのセパレータの、カソード電極に対向する面（第１面）の平面図である。図４は、同燃料電池スタックのセパレータの、アノード電極に対向する面（第２面）の平面図である。図５は、同燃料電池スタックの要部の概略構成を示す概念断面図である。
【００１５】
図１に示すように、この燃料電池システムは、燃料電池スタック１と、燃料タンク４と、燃料ポンプ５と、空気ポンプ６と、制御部７と、蓄電部８と、ＤＣ／ＤＣコンバータ９とを有する。燃料電池スタック１は起電部を有し、発電された電力は正極端子２と負極端子３から出力される。出力された電力はＤＣ／ＤＣコンバータ９に入力される。燃料ポンプ５は燃料タンク４の中の燃料を燃料電池スタック１のアノード電極３１に供給する。空気ポンプ６は酸化剤である空気を燃料電池スタック１のカソード電極３２に供給する。制御部７は燃料ポンプ５と空気ポンプ６の駆動を制御するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ９を制御して外部への出力と蓄電部８への充放電を制御する。燃料タンク４と燃料ポンプ５と制御部７は、燃料電池スタック１内のアノード電極３１に燃料を供給する燃料供給部を構成している。一方、空気ポンプ６と制御部７は、燃料電池スタック１内のカソード電極３２に酸化剤を含むガスを供給するガス供給部を構成している。なお、燃料供給部、ガス供給部はこの構成に限定されない。
【００１６】
図２に示すように、燃料電池スタック１は、セルスタック１６と、バッキングプレート１４、１５と、第１板ばね１１と第２板ばね１２とを有する。セルスタック１６は、図５に示す起電部である膜電極接合体（以下、ＭＥＡ）３５と、ＭＥＡ３５を挟むように配置されたセパレータ３４と、アノード側エンドプレート１７と、カソード側エンドプレート１８（以下、いずれもエンドプレート）とを有する。アノード側エンドプレート１７とカソード側エンドプレート１８はＭＥＡ３５の積層方向両端、すなわちＭＥＡ３５とセパレータ３４との積層方向両端からＭＥＡ３５とセパレータ３４を挟んでいる。
【００１７】
図５に示すようにＭＥＡ３５は、アノード電極３１と、カソード電極３２と、アノード電極３１とカソード電極３２との間に介在する電解質膜３３とを積層して構成されている。アノード電極３１には燃料であるメタノール水溶液が供給され、カソード電極３２には空気が供給される。
【００１８】
アノード電極３１はセパレータ３４の側から順に、拡散層３１Ａ、微多孔層（以下、ＭＰＬ）３１Ｂ、触媒層３１Ｃを積層して構成されている。カソード電極３２もまた、セパレータ３４の側から順に、拡散層３２Ａ、微多孔層（以下、ＭＰＬ）３２Ｂ、触媒層３２Ｃを積層して構成されている。正極端子２はカソード電極３２に、負極端子３はアノード電極３１に、それぞれ電気的に接続されている。拡散層３１Ａ、３２Ａは、例えばカーボンペーパー、カーボンフェルト、カーボンクロスなどからなる。ＭＰＬ３１Ｂ、３２Ｂは、例えばポリテトラフルオロエチレンまたはテトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体とカーボンとから構成されている。触媒層３１Ｃ、３２Ｃは白金やルテニウムなど、各電極反応に適した触媒を炭素表面に高分散させ、この触媒体をバインダーで結着させることで形成されている。電解質膜３３は水素イオンを透過するイオン交換膜、例えばパーフルオロスルホン酸・テトラフルオロエチレン共重合体で構成されている。
【００１９】
エンドプレート１７、１８およびセパレータ３４は、カーボン材やステンレス鋼で構成されている。図５に示すように、セパレータ３４はカソード電極３２に対向する面（第１面）と、その裏側にアノード電極３１に対向する面（第２面）とを有する。また図３、図４に示すように、セパレータ３４は矩形状であり、第１辺１３４と、第１辺１３４に隣接する第２辺２３４と、第１辺１３４に対向し第２辺２３４に隣接する第３辺３３４とを有する。
【００２０】
図３に示すようにセパレータ３４の第１面には、ガス入口（以下、入口）３４３Ａ、３４３Ｂと、入口室３４５と、ガス出口（以下、出口）３４４と、出口室３４６と、複数の直線状の隔壁３４Ｅとが設けられている。酸化剤である酸素を含むガスである空気を取り込む入口３４３Ａ、３４３Ｂは第１辺１３４側に設けられている。入口室３４５は入口３４３Ａ、３４３Ｂに繋がっている。出口３４４は第２辺２３４側に設けられ、出口室３４６は出口３４４に繋がっている。隔壁３４Ｅはそれぞれ、第１辺１３４から第３辺３３４に向かう方向に沿って入口室３４５から出口室３４６に繋がる、実質的に同じ幅の複数の直線状流路３４Ｄを形成している。複数の隔壁３４Ｅの長さは実質的に同じである。そして複数の隔壁３４Ｅは、出口室３４６が出口３４４に向かって徐々に大きくなるように、第１辺１３４から第３辺３３４に向かう方向においてずれて配置されている。すなわち、複数の隔壁３４Ｅは、実質的に同じ長さで等間隔に形成され、複数の直線状流路３４Ｄを形成する。出口室３４６は隔壁３４Ｅの終端側で形成され、出口３４４へ向かって広がっている。
【００２１】
同様にカソード側エンドプレート１８のカソード対向面には、ガス入口（以下、入口）１８３Ａ、１８３Ｂと、入口室１８５と、ガス出口（以下、出口）１８４と、出口室１８６と、複数の直線状の隔壁１８Ｅとが設けられている。入口１８３Ａ、１８３Ｂは第１辺１１８側に設けられ、入口室１８５は入口１８３Ａ、１８３Ｂに繋がっている。出口１８４は第２辺２１８側に設けられ、出口室１８６は出口１８４に繋がっている。隔壁１８Ｅはそれぞれ、第１辺１１８から第３辺３１８に向かう方向に沿って入口室１８５から出口室１８６に繋がる、実質的に同じ幅の複数の直線状流路１８Ｄを形成している。複数の隔壁１８Ｅの長さは実質的に同じである。そして複数の隔壁１８Ｅは、出口室１８６が出口１８４に向かって徐々に大きくなるように、第１辺１１８から第３辺３１８に向かう方向においてずれて配置されている。
【００２２】
図２に示すように、入口３４３Ａと入口１８３Ａ、入口３４３Ｂと入口１８３Ｂ、出口３４４と出口１８４はそれぞれ対応する位置に形成されている。すなわち、第１辺１３４と第１辺１１８、第２辺２３４と第２辺２１８、第３辺３３４と第３辺３１８はそれぞれ相当する位置に配置されている。
【００２３】
入口３４３Ａ、３４３Ｂ、１８３Ａ、１８３Ｂは積層方向に平行で、第１板ばね１１と第２板ばね１２から開放された、セルスタック１６の第１側面上に設けられている。第１側面は第１辺１３４、１１８を含んでいる。一方、出口３４４、１８４は第１板ばね１１が装着された第２側面上に設けられている。第２側面は第２辺２３４、２１８を含んでいる。
【００２４】
一方、図４に示すように、セパレータ３４の第２面にはアノード電極３１へ燃料を供給するための燃料流路３４Ｂが溝状に形成されている。燃料流路３４Ｂは、第１端において、貫通孔３４Ｃを介して平面部３４Ａ上に形成された燃料入口３４１に繋がっている。一方、燃料流路３４Ｂは、第２端において、第１辺１３４上の燃料出口３４２に繋がっている。燃料出口３４２からは燃料の反応生成物と燃料の反応残分との少なくともいずれかが排出される。
【００２５】
なおアノード側エンドプレート１７のアノード対向面にも図４と同様に、アノード電極３１へ燃料を供給するための燃料流路１７Ｂが溝状に形成されている。燃料流路１７Ｂは、第１端において、貫通孔１７Ｃを介して平面部１７Ａ上に形成された燃料入口１７１に繋がっている。一方、燃料流路１７Ｂは、第２端において、第１辺１３４上の燃料出口１７２に繋がっている。燃料出口１７２は燃料の反応生成物と燃料の反応残分との少なくともいずれかを排出する。
【００２６】
図２（ａ）に示すように、平面部１７Ａ、３４Ａは積層方向に平行で、第１板ばね１１と第２板ばね１２から開放され、入口３４３Ａ、３４３Ｂ、１８３Ａ、１８３Ｂが設けられた第１側面に対向する第３側面上に設けられている。第３側面は第３辺３３４、３１８を含んでいる。
【００２７】
積層方向における平面部３４Ａ、１７Ａの寸法は、セパレータ３４同士、あるいはセパレータ３４とアノード側エンドプレート１７とがＭＥＡ３５を挟持する部分のセパレータ３４の厚さよりも大きい。
【００２８】
バッキングプレート１４はセルスタック１６におけるアノード電極３１の側に配置され、バッキングプレート１５はカソード電極３２側に配置されている。バッキングプレート１４、１５は絶縁性の樹脂やセラミック、あるいはガラス繊維を含む樹脂、絶縁膜をコーティングされた金属板などで構成されている。
【００２９】
第１板ばね１１、第２板ばね１２は、バッキングプレート１４、１５を介してセルスタック１６をそのばね弾性力によって締め付けている。第２板ばね１２は第１板ばね１１に対向するように配置されている。第１板ばね１１、第２板ばね１２は、ばね鋼材などで構成されている。
【００３０】
次に、燃料電池スタック１における動作について簡単に説明する。図１、図５に示すように、アノード電極３１にはメタノールを含む水溶液が燃料ポンプ５によって供給される。一方、カソード電極３２には空気ポンプ６によって加圧された空気が供給される。アノード電極３１に供給された燃料であるメタノール水溶液とこれに由来するメタノールと水蒸気は拡散層３１ＡにてＭＰＬ３１Ｂの全面に拡散する。これらはさらにＭＰＬ３１Ｂを通過して触媒層３１Ｃに達する。
【００３１】
一方、カソード電極３２に供給された空気に含まれる酸素は、拡散層３２ＡにてＭＰＬ３２Ｂの全面に拡散する。酸素はさらにＭＰＬ３２Ｂを通過して触媒層３２Ｃに達する。触媒層３１Ｃに達したメタノールは（１）式のように反応し、触媒層３２Ｃに達した酸素は（２）式のように反応する。
【００３２】
【化１】
2012038484.tif 000003
【００３３】
【化２】
2012038484.tif 000004
【００３４】
その結果、電力が発生するとともに、アノード電極３１側には二酸化炭素が、カソード電極３２側には水が、それぞれ反応生成物として生成する。二酸化炭素は、燃料出口１７２、３４２から燃料電池スタック１の外へと排気される。またカソード電極３２で反応しない窒素などの気体や未反応の酸素もまた燃料電池スタック１の外へと排気される。なお、アノード電極３１側では水溶液中のメタノールが全て反応するわけではないので、図１に示すように排出された水溶液を燃料ポンプ５へ戻すのが一般的である。またアノード電極３１の反応では水が消費されるため、図１に示すようにカソード電極３２で生成した水をアノード電極３１側へ戻してもよい。
【００３５】
本実施の形態では、第１板ばね１１と第２板ばね１２とを用い、バッキングプレート１４、１５を介してセルスタック１６を締結している。第１板ばね１１、第２板ばね１２は図２に示すように、セルスタック１６の外形に沿うように極めてコンパクトにセルスタック１６を締結している。すなわち、セルスタック１６の側面においてデッドスペースが極めて小さくなり、従来のボルトとナットで締結する場合に比べ燃料電池スタック１を小さくすることができる。
【００３６】
また、ボルトとナットで締結する場合にはセルスタック１６の外側に押圧点があるが、第１板ばね１１、第２板ばね１２は、セルスタック１６の比較的中央寄りを押圧点としている。このため、バッキングプレート１４、１５の面方向においてセルスタック１６に均等に押圧力が作用する。このような押圧力によりセルスタック１６全体を均等に締結することができ、（１）式、（２）式に示す電気化学反応がＭＥＡ３５の面方向において均等に進行する。その結果、燃料電池スタック１の電流電圧特性が向上する。
【００３７】
次に、セパレータ３４の第２面およびカソード側エンドプレート１８のカソード対向面に設けられた流路構造の効果について説明する。なおここでは、代表してセパレータ３４について説明する。前述のように、隔壁３４Ｅはそれぞれ、第１辺１３４から第３辺３３４に向かう方向に沿って入口室３４５から出口室３４６に繋がる、実質的に同じ幅の複数の直線状流路３４Ｄを形成している。そのため空気の流れの主方向が直線状の一方向となる。すなわちサーペンタイン状の流路に比べて屈曲部が少なく総断面積が増加するため、圧力損失が小さくなる。しかも反応生成物である水が直線状流路３４Ｄ内に生成しても入口室３４５から供給される空気により出口室３４６に向かって移動しやすい。
【００３８】
また複数の隔壁３４Ｅの長さは実質的に同じである。そのため、直線状流路３４Ｄの長さは実質的に同じであり、その空気抵抗も実質的に同じである。したがって、各直線状流路３４Ｄにはほぼ同量の空気が流れる。その結果、第１辺１３４に平行な方向において均等に空気を供給することができる。
【００３９】
しかも複数の隔壁３４Ｅは、出口室３４６が出口３４４に向かって徐々に大きくなるように、第１辺１３４から第３辺３３４に向かう方向においてずれて配置されている。そのため、出口室３４６では第２辺２３４に遠い側から出口３４４に向かって空気抵抗が小さくなるとともに、出口３４４に向かう方向が各直線状流路３４Ｄにおいて同方向になるため、スムーズな空気の流れが形成される。そのため、小さな送風圧力で、生成水を出口３４４へ流し出すことができる。
【００４０】
なお、複数の隔壁３４Ｅのうちの隣接する２つの隔壁３４Ｅが第１辺１３４から第３辺３３４に向かう方向においてずれている距離は一定であることが好ましい。これにより隔壁３４Ｅの、出口室３４６側の端部が直線状となる。そのため、出口室３４６の断面積が出口３４４に向かって進む距離に比例する。上述のように、各直線状流路３４Ｄにはほぼ同風量で空気が流れている。したがってこれらの排出ガスを出口室３４６がスムーズに受け入れることができる。
【００４１】
なお、図３に示すように第１辺１３４には入口３４３Ａと入口３４３Ｂが分割して設けられている。そのため燃料出口３４２と入口３４３Ａ、３４３Ｂとが重ならず、セルスタック１６への空気の導入とセルスタック１６からの燃料側排気の流出とを容易に分離することができる。しかも複数のガス入口を設けることにより、入口室３４５での圧力損失を低減することができる。ただし、燃料電池スタック１の規模によっては、ガス入口は１つでもよい。
【００４２】
また、入口室３４５内には突起３４Ｆが設けられている。突起３４Ｆは入口３４３Ａ、３４３Ｂから進入した空気が入口室３４５内で拡散することを促進する。そのため、確実に各直線状流路３４Ｄにはほぼ同量の空気を流すことができる。
【００４３】
また、出口室３４６内には突起３４Ｇが設けられている。突起３４Ｇは直線状流路３４Ｄ内で生成し直線状流路３４Ｄから押し出された水が出口室３４６内で出口３４４に向かって流れることを促進する。すなわち、１つの突起３４Ｇに付着した水滴が送風圧力で下流（出口３４４側）へ膨らむ（伸びる）と次の突起３４Ｇに接触して容易に次の突起３４Ｇに移動する。
【００４４】
また、突起３４Ｆ、３４Ｇが隔壁３４Ｅと同様に、カソード電極３２に接触する高さに形成されていればＭＥＡ３５間の導通面積が大きくなるため、集電の面でも有利である。
【００４５】
なおカソード側エンドプレート１８においても同様に、入口室１８５内には突起１８Ｆが、出口室１８６内には突起１８Ｇが設けられている。
【００４６】
また突起３４Ｇ、１８Ｇや隔壁３４Ｅの表面を親水処理することが好ましい。これにより生成水が球状の水滴になりにくく、より排出しやすくなる。
【００４７】
次に、燃料電池スタック１と燃料ポンプ５との接続について、図２（ｂ）と図６を用いて説明する。図６は図２に示す燃料電池スタック１と図１に示す燃料ポンプ５との接続を説明するための斜視図である。
【００４８】
図２（ｂ）に示すように、平面部１７Ａ、３４Ａは燃料ポンプ５と接続される第３側面に形成されている。そして燃料ポンプ５の、平面部１７Ａに対応する位置には燃料吐出部５１Ａが設けられ、平面部３４Ａに対応する位置には燃料吐出部５１Ｂが設けられている。燃料吐出部５１Ａにはシール材５２Ａが配置されている。同様に、燃料吐出部５１Ｂにはシール材５２Ｂが配置されている。シール材５２Ａ、５２Ｂはそれぞれ平面部１７Ａ、３４Ａより小さく形成されている。そして、燃料入口１７１と燃料吐出部５１Ａとを対向させ、燃料入口３４１と燃料吐出部５１Ｂとを対向させる。さらにシール材５２Ａ、５２Ｂが平面部１７Ａ、３４Ａにより圧縮されるように燃料ポンプ５と燃料電池スタック１とをボルトなどで締結することで燃料経路がシールされる。
【００４９】
この構造によれば、薄いアノード側エンドプレート１７やセパレータ３４を用いた場合でも平面部１７Ａ、３４Ａを用いて、確実にシールして燃料ポンプ５と接続することができる。これにより、接続部分での燃料漏れを防ぐことができる。
【００５０】
なお図２（ｂ）に示すように、平面部１７Ａと平面部３４Ａ、あるいは平面部３４Ａ同士を、積層方向と垂直な方向において位置をずらして設けることが好ましい。図２（ｂ）では積層順に互い違いになる位置に平面部１７Ａ、３４Ａを設けている。このような位置関係により平面部１７Ａと平面部３４Ａ、あるいは平面部３４Ａ同士が接触しない。したがってセルスタック１６内のショートを防止することができる。また燃料吐出部５１Ａ、５１Ｂの配置に自由度が与えられる。
【００５１】
また平面部１７Ａと平面部３４Ａ、あるいは平面部３４Ａ同士を、同一平面上に設けることがさらに好ましい。平面部１７Ａと平面部３４Ａとを、積層方向と垂直な方向において位置をずらしつつ同一平面上に設けることによって、燃料吐出部５１Ａ、５１Ｂも同一平面上に設ければよい。これにより燃料吐出部５１Ａ、５１Ｂのそれぞれのシールを確実にすることができる。
【００５２】
また燃料ポンプ５は、燃料吐出部５１Ａと燃料吐出部５１Ｂのそれぞれから吐出する燃料流量を個別に制御可能であることが好ましい。このような燃料ポンプ５を用いることにより、各単位セルに最適な流量で燃料を供給することができる。単位セルには起電力や流路圧損にバラツキがあるため、単位セル毎に燃料流量を制御することが好ましい。
【００５３】
このように、燃料供給部を構成する燃料ポンプ５はカソード側エンドプレート１８の第３辺３１８やセパレータ３４の第３辺３３４を含む第３側面に取り付けられている。そのため、燃料電池システムを小型に構成することができる。なお、以上の説明では平面部３４Ａ、１７Ａに燃料入口３４１、１７１が設けられた例を説明したが、これ以外の構成で燃料ポンプを燃料流路に接続してもよい。例えば、燃料流路３４Ｂに接続された貫通孔３４Ｃから、セパレータ３４の厚み方向に貫通孔を設け、これらの貫通孔をセルスタック１６の積層方向に連通させる。そしてこのようにして形成した連通管に燃料ポンプから燃料を供給してもよい。第３辺３３４側にはガス入口もガス出口も設けられていないためこのような構成も可能である。いずれの場合も、燃料入口を第３側面側に設け、燃料ポンプ５を第３側面側に配置することで、燃料電池システムを小型に構成することができる。
【００５４】
次に、燃料電池スタック１と空気ポンプ６との接続について、図２（ａ）と図７〜図９を用いて説明する。図７は図２に示す燃料電池スタック１と図１に示す空気ポンプ６との接続を説明するための斜視図である。図８は燃料電池スタック１の第１側面の正面図である。図９は第１側面に取り付ける一体部材６１の断面図である。
【００５５】
ガス供給部を構成する空気ポンプ６は、図９に示すようにガス吐出部６Ａを有し、図７に示すようにボルト６６によって一体部材６１に取り付けられている。一体部材６１はガス吐出部７３Ａ、７３Ｂと受け部７４を有する。ガス吐出部６Ａは一体部材６１のガス吐出部７３Ａに連通し、ガス吐出部７３Ａはガス吐出部７３Ｂに連通している。受け部７４は燃料出口１７２、３４２からの排出ガスを受け取るように構成されている。受け部７４は空洞であり、下方に設けられた排出管（図示せず）に連通している。このように一体部材６１は、空気ポンプ６から送られた空気を入口１８３Ａ、１８３Ｂ、３４３Ａ、３４３Ｂに供給するためのガス吐出部７３Ａ、７３Ｂと、燃料出口１７２、３４２からの排出ガスを受け取る受け部７４とを一体化して構成されている。
【００５６】
一方、セルスタック１６の、入口１８３Ａ、１８３Ｂ、３４３Ａ、３４３Ｂおよび燃料出口１７２、３４２が形成された第１側面には、図７、図８に示すようにシール材６２が取り付けられている。シール材６２には、入口１８３Ａ、３４３Ａに対応する位置に開口６３Ａが設けられ、入口１８３Ｂ、３４３Ｂに対応する位置に開口６３Ｂが設けられている。一方、燃料出口１７２、３４２に対応する位置に開口６４が設けられている。
【００５７】
一体部材６１はバッキングプレート１４、１５に設けられたねじ孔６７にねじ６５を締め込むことで、シール材６２を間に挟みながら燃料電池スタック１に取り付けられる。この状態で、シール材６２は入口１８３Ａ、１８３Ｂ、３４３Ａ、３４３Ｂと、燃料出口１７２、３４２とを隔離する。またシール材６２はガス吐出部７３Ａと入口１８３Ａ、３４３Ａ、ガス吐出部７３Ｂと入口１８３Ｂ、３４３Ｂをそれぞれ結合する。したがって空気ポンプ６から送られた空気は入口１８３Ａ、１８３Ｂ、３４３Ａ、３４３Ｂへ供給される。さらに、シール材６２は受け部７４と燃料出口１７２、３４２とを結合している。
【００５８】
このように一体部材６１とシール材６２を用いることにより空気の導入路と燃料側の排出路とを第３側面上でコンパクトに構成することができる。その結果、燃料電池システムを小型にすることができる。
【００５９】
なお、以上の説明では、複数のＭＥＡ３５を用い、ＭＥＡ３５同士の間にセパレータ３４を配し、積層方向両端にエンドプレート１７、１８を配してセルスタック１６を構成し、さらにその外側にバッキングプレート１４、１５を配した場合について説明した。しかしながら、本発明はこの構成に限定されない。単一のＭＥＡ３５を、ＭＥＡ３５の積層方向両側からエンドプレート１７、１８で挟み、ＭＥＡ３５とエンドプレート１７、１８とを積層方向に第１板ばね１１だけで締め付けてもよい。この場合、第１板ばね１１はエンドプレート１７、１８の中央付近を押圧するように構成することが好ましい。もちろんこの構成にさらに第２板ばね１２を用いてもよい。また図２では第１板ばね１１、第２板ばね１２をそれぞれ複数個用いているが、セルスタック１６の大きさに応じて１個ずつ用いてもよい。このように押圧する対象は単セルでもセルスタックでもよい。板ばねは１個でも複数個でも、また１組でも複数組でもよい。
【００６０】
またバッキングプレート１４、１５を用いずに、第１板ばね１１および第２板ばね１２で直接、エンドプレート１７、１８を挟んでもよい。この場合、第１板ばね１１および第２板ばね１２の断面Ｃ字型の内側に絶縁膜を形成し第１板ばね１１によって短絡が発生しないようにする。また、燃料ポンプ５や一体部材６１との締結部（ねじ孔６７など）をエンドプレート１７、１８に設ける。すなわちバッキングプレート１４、１５は必須ではない。
【００６１】
しかしながらバッキングプレート１４、１５を設け、エンドプレート１７、１８と異なる材料でバッキングプレート１４、１５を構成することが好ましい。これにより、第１板ばね１１の押圧力を直接受けるバッキングプレート１４、１５と燃料や空気の流路を兼ねるエンドプレート１７、１８とを最適化することができる。例えばエンドプレート１７、１８より硬い材料でバッキングプレート１４、１５を構成することで第１板ばね１１の押圧力によるバッキングプレート１４、１５の変形を抑制することができる。その結果、ＭＥＡ３５の面方向において燃料電池セルまたはセルスタックをより均等に締結することができる。またバッキングプレート１４、１５を絶縁材料で構成することにより第１板ばね１１の腕部による短絡を考慮する必要がなくなる。
【００６２】
なお、本実施の形態では第１板ばね１１、第２板ばね１２を用いてセルスタック１６を締結し、第１板ばね１１、第２板ばね１２から開放された、対向する側面から燃料や空気を供給している。しかしながら、本発明はこの構成に限定されない。第２板ばね１２を用いない場合には第２板ばね１２で覆われた側面を燃料や空気の供給に利用してもよい。さらに第１板ばね１１、第２板ばね１２を用いずに、一対のバッキングプレートをボルトなどで締結する場合にはどの側面を用いてもよい。
【００６３】
本実施の形態ではＤＭＦＣを例に説明したが、セルスタック１６と同様の発電素子を用いる燃料電池であれば本発明の構成は適用可能である。例えば、水素を燃料とする、いわゆる高分子固体電解質燃料電池やメタノール改質型の燃料電池などにも適用できる。しかしながら、ＤＭＦＣは作動温度が比較的低く、生成水が流路内で凝集しやすい。したがって本発明はＤＭＦＣにおいて特に有効である。
【００６４】
以上のように、セパレータ３４はカソード電極３２に対向するための第１面と、第１面の裏側に設けられ、アノード電極３１に対向するための第２面とを有する。またセパレータ３４は、第１辺１３４と、第１辺１３４に隣接する第２辺２３４と、第１辺１３４に対向し第２辺２３４に隣接する第３辺３３４とを有する。第１面には、第１辺１３４側に設けられた入口３４３Ａ、３４３Ｂと、入口室３４５と、第２辺２３４側に設けられた出口３４４と、出口室３４６と、複数の直線状の隔壁３４Ｅとが設けられている。入口室３４５は入口３４３Ａ、３４３Ｂに繋がり、出口室３４６は出口３４４に繋がっている。隔壁３４Ｅは第１辺１３４から第３辺３３４に向かう方向に沿って入口室３４５から出口室３４６に繋がり、実質的に同じ幅の複数の直線状流路３４Ｄを形成している。複数の隔壁３４Ｅの長さは実質的に同じであり、出口室３４６が出口３４４に向かって徐々に大きくなるように、複数の隔壁３４Ｅが第１辺１３４から第３辺３３４に向かう方向においてずれて配置されている。この流路構成により小さな送風圧力でも生成水を空気の流れによって直線状流路３４Ｄ内からスムーズに排出することができる。そのため、流路が生成水に閉塞されることによる出力低下の発生が抑制される。あるいは、小さな送風圧力で運転することができる。
【００６５】
また複数の隔壁３４Ｅのうちの隣接する２つの隔壁３４Ｅが第１辺１３４から第３辺３３４に向かう方向においてずれている距離が一定であることが好ましい。これにより空気の流れがさらにスムーズになる。
【００６６】
また複数の入口３４３Ａ、３４３Ｂが第１辺１３４に設けられ、入口室３４５に繋がっていることが好ましい。これにより各直線状流路３４Ｄにより均等に送風されやすくなる。
【００６７】
また燃料電池スタックはカソード側エンドプレート１８と、膜電極接合体３５と、アノード側エンドプレート１７とを有する。膜電極接合体３５はカソード電極３２と電解質膜３３とアノード電極３１とを積層して構成されている。カソード電極３２はカソード側エンドプレート１８に対向し、アノード電極３１はカソード電極３２に対し裏側に設けられている。電解質膜３３はカソード電極３２とアノード電極３１との間に介在している。カソード側エンドプレート１８は上述のセパレータ３４の第１面と同様の流路構成をカソード電極３２に対向するカソード面に有する。この構成ではカソード側エンドプレート１８に形成された空気流路構造によって生成水をスムーズに排出することができる。
【００６８】
また本実施の形態による燃料電池システムは上述の燃料電池スタックと、燃料ポンプ５を含む燃料供給部と、空気ポンプ６を含むガス供給部とを有する。アノード側エンドプレート１７の、アノード電極３１に対向する面には燃料流路１７Ｂが設けられるとともに、カソード側エンドプレート１８の第３辺３１８に相当する辺には、燃料流路１７Ｂに繋がる燃料入口１７１が設けられている。燃料供給部は燃料電池スタックのカソード側エンドプレート１８の第３辺３１８を含む面側に配置され、アノード側エンドプレート１７の燃料入口１７１へ燃料を供給する。ガス供給部はカソード側エンドプレート１８の入口３４３Ａ、３４３Ｂに酸化剤を含むガスを供給する。この構成では上述の燃料電池スタックの効果に加え、燃料電池システムを小型化することができる。
【００６９】
あるいは、燃料電池スタック１は上述の構成に加え、第１、第２の膜電極接合体３５と、第１、第２の膜電極接合体３５の間に挿入されたセパレータ３４とを有する。セパレータ３４の構成は上述のとおりである。すなわちセパレータ３４は、カソード側エンドプレート１８の第１辺１１８、第２辺２１８、第３辺３１８に相当する位置にそれぞれ、第１辺１３４と第２辺２３４と第３辺３３４とを有する。この構成でもセパレータ３４やカソード側エンドプレート１８に形成された空気流路構造によって生成水をスムーズに排出することができる。
【００７０】
また燃料電池スタック１を用いた燃料電池システムにおいても上述の燃料電池スタック１の効果に加え、燃料電池システムを小型化することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明の燃料電池用セパレータを用いた燃料電池スタック、燃料電池システムでは、カソード電極側の液体生成物をスムーズに排出することができる。そのため、流路が生成水に閉塞されることによる出力低下の発生が抑制される。あるいは、小さな送風圧力で運転することができる。このような燃料電池スタックおよびそれを用いた燃料電池システムは、特に小型電子機器の電源として有用である。
【符号の説明】
【００７２】
１    燃料電池スタック
２    正極端子
３    負極端子
４    燃料タンク
５    燃料ポンプ
６    空気ポンプ
６Ａ，７３Ａ，７３Ｂ    ガス吐出部
７    制御部
８    蓄電部
９    ＤＣ／ＤＣコンバータ
１１    第１板ばね
１２    第２板ばね
１４，１５    バッキングプレート
１６    セルスタック
１７    アノード側エンドプレート（エンドプレート）
１７Ａ，３４Ａ    平面部
１７Ｂ，３４Ｂ    燃料流路
１７Ｃ，３４Ｃ    貫通孔
１８    カソード側エンドプレート（エンドプレート）
１８Ｄ，３４Ｄ    直線状流路
１８Ｅ，３４Ｅ    隔壁
１８Ｆ，１８Ｇ，３４Ｆ，３４Ｇ    突起
３１    アノード電極
３１Ａ，３２Ａ    拡散層
３１Ｂ，３２Ｂ    微多孔層（ＭＰＬ）
３１Ｃ，３２Ｃ    触媒層
３２    カソード電極
３３    電解質膜
３４    セパレータ
３５    膜電極接合体（ＭＥＡ）
５１Ａ，５１Ｂ    燃料吐出部
５２Ａ，５２Ｂ，６２    シール材
６１    一体部材
６３Ａ，６３Ｂ，６４    開口
６５    ねじ
６６    ボルト
６７    ねじ孔
７４    受け部
１３４，１１８    第１辺
１７１，３４１    燃料入口
１７２，３４２    燃料出口
１８３Ａ，１８３Ｂ，３４３Ａ，３４３Ｂ    ガス入口
１８４，３４４    ガス出口
２１８，２３４    第２辺
３１８，３３４    第３辺
【図１】
2012038484.tif 000005
【図２】
2012038484.tif 000006
【図３】
2012038484.tif 000007
【図４】
2012038484.tif 000008
【図５】
2012038484.tif 000009
【図６】
2012038484.tif 000010
【図７】
2012038484.tif 000011
【図８】
2012038484.tif 000012
【図９】
2012038484.tif 000013