(57)【要約】【課題】燃料電池を小型化することができる、燃料電池システムを提供する。【解決手段】各セパレータ１６の上端部２０は、膜／電極接合体１１、ガス拡散層一体型ガスケット１５およびエンドプレート１９の各上端よりも上方に突出している。送風機４が各セパレータ１６の上端部２０に送風を供給可能に設けられている。送風機４からの送風が各セパレータ１６の上端部２０に供給されることにより、各セパレータ１６の上端部２０が冷却される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池を冷却する冷却手段とを含み、
前記燃料電池は、複数の膜／電極接合体と、前記膜／電極接合体の個々の両側に配置されたセパレータとを備え、
前記セパレータの少なくとも一端部は、前記膜／電極接合体よりも外側にはみ出しており、
前記冷却手段は、前記セパレータにおける前記膜／電極接合体から外側にはみ出した部分を冷却する、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、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、複数の単位セルが積み重ねられたセルスタック構造を有している。各単位セルは、電解質膜の一方面および他方面にそれぞれアノード（燃料極）およびカソード（酸素極）を接合してなる膜／電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）をセパレータで挟み込むことにより構成されている。
【０００３】
アノード側の各セパレータには、膜／電極接合体と対向する面に、燃料流路が形成されている。カソード側の各セパレータには、膜／電極接合体と対向する面に、空気流路が形成されている。各単位セルにおいて、燃料流路および空気流路にそれぞれ液体燃料および空気が流れることにより、膜／電極接合体に燃料および空気が供給されて、発電反応が生じ、アノードとカソードとの間に起電力が発生する。
【０００４】
発電反応に伴って、反応熱が発生するので、燃料電池を冷却する必要がある。そのため、膜／電極接合体を挟まずに対向するセパレータ間には、冷却水流路が形成されている。そして、燃料電池システムには、冷却水をセパレータ間の冷却水流路を経由して循環させるための冷却水循環システムが備えられている。冷却水循環システムには、冷却水流路に接続される冷却水循環路が含まれる。冷却水循環路の途中部には、冷却水を循環させるためのウォータポンプと、ラジエータファンからの送風で冷却水を冷却するためのラジエータとが介装されている。ラジエータの働きにより、冷却水が冷却され、この冷却された冷却水が燃料電池に供給されることにより、燃料電池が冷却される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３４６８６６号公報
【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、かかる構成では、燃料電池の各セパレータ間に冷却水流路が設けられているため、燃料電池のスタック方向のサイズが大きい。
【０００７】
本発明の目的は、燃料電池を小型化することができる、燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記の目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池を冷却する冷却手段とを含み、燃料電池は、複数の膜／電極接合体と、膜／電極接合体の個々の両側に配置されたセパレータとを備え、セパレータの少なくとも一端部は、前記膜／電極接合体よりも外側にはみ出しており、冷却手段は、セパレータにおける膜／電極接合体から外側にはみ出した部分を冷却する。
【０００９】
この構成によれば、複数の膜／電極接合体を含む燃料電池において、膜／電極接合体の両側の配置されたセパレータの少なくとも一端部が膜／電極接合体よりも外側にはみ出している。そして、冷却手段により、そのセパレータにおける膜／電極接合体よりも外側にはみ出した部分が冷却される。
【００１０】
そのため、セパレータ間に、燃料電池を冷却するための冷却水を流通させる冷却水流路を設ける必要がない。よって、膜／電極接合体間に介在されるセパレータの一方面に形成されている流路をセパレータの一方側に配置された膜／電極接合体に燃料を供給するための燃料流路とし、その他方面に形成されている流路をセパレータの他方側に配置された膜／電極接合体に空気を供給するための空気流路とすることができる。その結果、膜／電極接合体間に介在されるセパレータが１個で済むので、膜／電極接合体間の厚さを小さくすることができ、燃料電池を小型化することができる。
【００１１】
冷却手段は、空冷手段であることが好ましい。
【００１２】
空冷手段であれば、冷却水循環システムが不要であるので、燃料電池システム全体としてのサイズを小さくすることができる。また、燃料電池システムに含まれる部品点数を大幅に削減することができ、燃料電池システムのコストを下げることができる。
【００１３】
燃料電池システムが車両に搭載される場合、空冷手段は、セパレータにおける膜／電極接合体よりも外側にはみ出した部分に風を供給するファンであってもよいし、そのはみ出した部分に走行風を供給する手段であってもよい。
【００１４】
また、膜／電極接合体の積層方向が水平方向となるように、燃料電池が設置され、燃料流路の入口が燃料電池の下端部に設けられ、燃料流路の出口が燃料電池の上端部に設けられて、セパレータの上端部が膜／電極接合体の上端よりも上方に突出していることが好ましい。
【００１５】
燃料電池で発生した熱がセパレータの上端部に伝播して集まるので、セパレータの上端部が冷却されることにより、燃料電池を効果的に冷却することができる。また、燃料流路内で気体が発生する場合、その発生した気体を燃料流路の出口から排出させることができ、燃料流路内に気体が滞留することを防止できる。その結果、燃料電池の発電性能を向上させることができる。燃料としてヒドラジンが使用される構成では、燃料流路内で窒素ガスが発生するので、この構成がとくに有効である。
【００１６】
なお、水平方向の概念には、水平に対して多少傾斜している場合も含まれる。また、燃料電池システムが車両に搭載される場合には、車両が水平面で停車している状態において、水平方向を規定する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、燃料電池を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】燃料電池の構成を図解的に示す断面図である。
【図３】本発明の他の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２０】
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１の構成図である。図２は、燃料電池２の構成を図解的に示す断面図である。
【００２１】
燃料電池システム１は、たとえば、モータを走行用駆動源として搭載した車両（自動車）に搭載される。燃料電池システム１は、燃料電池２、燃料供給機構３および送風機（ファン）４を含む。
【００２２】
燃料電池２は、図２に示されるように、複数（たとえば、１００〜２００個）の膜／電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１１が水平方向に積層された構造を有している。
【００２３】
膜／電極接合体１１は、固体高分子膜１２の両側にアノード（燃料極）１３およびカソード（酸素極）１４を貼り合わせて一体化したものである。固体高分子膜１２は、たとえば、アニオン（ＯＨ−）を透過させる性質を有する。複数の膜／電極接合体１１は、アノード１３およびカソード１４が交互に並ぶように積層されている。
【００２４】
膜／電極接合体１１の両側には、ガス拡散層（ＧＤＬ：Gas Diffusion
Layer）一体型ガスケット１５が配置されている。
【００２５】
膜／電極接合体１１を挟まずに対向するガス拡散層一体型ガスケット１５間には、１個のセパレータ１６が介在されている。セパレータ１６は、たとえば、金属からなる。セパレータ１６におけるガス拡散層一体型ガスケット１５を挟んでアノード１３と対向する一方面には、たとえば、葛折り状に屈曲した凹溝からなる燃料流路１７が形成されている。燃料流路１７は、ガス拡散層一体型ガスケット１５の中央部に設けられているガス拡散層により積層方向（水平方向）から閉塞されている。また、セパレータ１６の他方面、つまりセパレータ１６におけるガス拡散層一体型ガスケット１５を挟んでカソード１４と対向する面には、たとえば、葛折り状に屈曲した凹溝からなるエア流路１８が形成されている。エア流路１８は、ガス拡散層一体型ガスケット１５のガス拡散層により積層方向から閉塞されている。
【００２６】
膜／電極接合体１１、ガス拡散層一体型ガスケット１５およびセパレータ１６が積層されてなる構造体は、積層方向の両側から出力端子付の集電板（図示せず）によって挟まれ、さらにその両外側からエンドプレート１９によって挟まれている。
【００２７】
そして、各セパレータ１６の上端部２０は、膜／電極接合体１１、ガス拡散層一体型ガスケット１５およびエンドプレート１９の各上端よりも上方に突出している。
【００２８】
また、燃料電池２には、図１に示されるように、燃料入口２１、燃料出口２２、エア入口２３およびエア出口２４が設けられている。燃料入口２１は、燃料電池２の下端部に配置され、各燃料流路１７の入口と連通している。燃料出口２２は、燃料電池２の上端部に配置され、各燃料流路１７の出口と連通している。エア入口２３は、燃料電池２の上端部に配置され、各エア流路１８の入口と連通している。エア出口２４は、燃料電池２の下端部に配置され、各エア流路１８の出口と連通している。
【００２９】
燃料供給機構３は、燃料補給タンク３１、燃料循環タンク３２および気液分離器３３が含まれる。
【００３０】
燃料補給タンク３１には、電解液と混合されていない液体燃料、たとえば、水加ヒドラジンが貯留されている。燃料補給タンク３１には、燃料補給管３４の一端が接続されている。燃料補給管３４の他端は、燃料循環タンク３２に接続されている。燃料補給管３４の途中部には、燃料補給ポンプ３５が介装されている。
【００３１】
燃料循環タンク３２には、液体燃料が電解液（たとえば、水酸化カリウム水溶液）と混合された状態で貯留されている。燃料循環タンク３２には、燃料供給管３６の一端が接続されている。燃料供給管３６の他端は、燃料電池２の燃料入口２１に接続されている。燃料供給管３６の途中部には、燃料循環ポンプ３７が介装されている。
【００３２】
なお、以下では、特に言及がない限り、電解液と混合された状態の液体燃料を「液体燃料」という。
【００３３】
燃料電池２の燃料出口２２には、燃料排出管３８の一端が接続されている。燃料排出管３８の他端は、気液分離器３３に接続されている。
【００３４】
気液分離器３３の底部には、燃料帰還管３９の一端が接続されている。燃料帰還管３９の他端は、燃料循環タンク３２に接続されている。
【００３５】
燃料電池２による発電のために、燃料循環ポンプ３７が駆動される。燃料循環ポンプ３７が駆動されると、燃料循環タンク３２に貯留されている液体燃料を含む液体が燃料供給管３６に吸い出される。液体燃料を含む液体は、燃料供給管３６を流通し、燃料電池２の燃料入口２１から燃料電池２の燃料流路１７に供給される。
【００３６】
その一方で、エアコンプレッサ（図示せず）が駆動されて、エア供給管４１にエア（空気）が送り込まれる。エア供給管４１に送り込まれたエアは、エア供給管４１を流通し、燃料電池２のエア入口２３から燃料電池２のエア流路１８に供給される。
【００３７】
燃料電池２の燃料流路１７を液体燃料が流通し、エア流路１８をエアが流通すると、燃料電池２において、発電反応（電気化学反応）が生じ、その発電反応による起電力が発生する。
【００３８】
具体的には、アノード１３において、反応式（１）で示される反応が生じ、窒素ガス（Ｎ２）、水（Ｈ２Ｏ）および電子（ｅ−）が生成される。電子は、外部回路（図示せず）を介して、カソード１４に移動する。窒素ガスおよび水は、未反応の液体燃料とともに、燃料流路１７から燃料出口２２を通して燃料排出管３８に流出する。一方、カソード１４では、反応式（２）で示される反応が生じ、アニオン（ＯＨ−）が生成される。アニオンは、固体高分子膜１２を透過して、アノード１３に移動する。
【００３９】
Ｎ２Ｈ４＋４ＯＨ−→Ｎ２＋４Ｈ２Ｏ＋４ｅ−    ・・・（１）
【００４０】
Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−    ・・・（２）
【００４１】
この結果、アノード１３とカソード１４との間に、発電反応（電気化学反応）による起電力が発生する。
【００４２】
燃料排出管３８に排出された液体燃料および気体は、燃料排出管３８を流通し、気液分離器３３に流入する。気液分離器３３では、燃料排出管３８から流入する液体燃料と気体とが分離される。液体燃料は、気液分離器３３の底部に集まり、気体は、排ガス処理器（図示せず）を経由して、大気に放出される。
【００４３】
気液分離器３３の底部に集まった液体は、燃料帰還管３９を流通して、燃料循環タンク３２に流入する。これにより、液体燃料を含む液体は、燃料循環タンク３２、燃料供給管３６、燃料排出管３８、気液分離器３３および燃料帰還管３９を含む燃料循環路を循環する。
【００４４】
燃料電池２のエア流路１８を流通したエアは、エア入口２３からエア排出管４２に排出される。
【００４５】
送風機４は、各セパレータ１６の上端部２０に送風を供給可能に設けられている。送風機４からの送風が各セパレータ１６の上端部２０に供給されることにより、各セパレータ１６の上端部２０が冷却される。燃料電池２で発電反応に伴って発生した熱が各セパレータ１６の上端部２０に伝播して集まるので、各セパレータ１６の上端部２０が冷却されることにより、燃料電池２を効果的に冷却することができる。
【００４６】
そのため、セパレータ１６間に、燃料電池２を冷却するための冷却水を流通させる冷却水流路を設ける必要がない。よって、セパレータ１６の一方面に形成されている流路をセパレータ１６の一方側に配置された膜／電極接合体１１に燃料を供給するための燃料流路１７とし、その他方面に形成されている流路をセパレータ１６の他方側に配置された膜／電極接合体１１にエアを供給するためのエア流路１８とすることができる。その結果、膜／電極接合体１１間に介在されるセパレータ１６が１個で済むので、膜／電極接合体１１間の厚さを小さくすることができ、燃料電池２を小型化することができる。
【００４７】
また、燃料電池２に冷却水を循環させるためのシステムが不要であるので、燃料電池システム１全体としてのサイズを小さくすることができる。さらに、各セパレータ１６の上端部２０を冷却する手段が送風機４であるので、燃料電池システム１に含まれる部品点数を大幅に削減することができ、燃料電池システム１のコストを下げることができる。
【００４８】
また、膜／電極接合体１１の積層方向が水平方向となるように、燃料電池２が設置され、燃料流路１７の入口と連通する燃料入口２１が燃料電池２の下端部に設けられ、燃料流路１７の出口と連通する燃料出口２２が燃料電池２の上端部に設けられている。そのため、燃料流路１７内で発生した窒素ガスなどの気体を燃料流路１７の出口から排出させることができ、燃料流路１７内に気体が滞留することを防止できる。その結果、燃料電池２の発電性能を向上させることができる。
【００４９】
図３は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池システム１０１の構成図である。図３では、図１に示される各部に相当する部分に、それらの各部と同一の参照符号が付されている。また、以下では、その同一の参照符号が付された部分の説明を省略する。
【００５０】
燃料電池システム１０１では、各セパレータ１６の上端部２０を冷却するために、送風機４に代えて、水冷システム１０２が設けられている。
【００５１】
水冷システム１０２は、水冷ヒートシンク１０３、冷却水循環路１０４、冷却水ポンプ１０５およびラジエータ１０６を含む。
【００５２】
水冷ヒートシンク１０３は、熱伝導性および電気絶縁性を有する樹脂材料からなる。水冷ヒートシンク１０３は、各セパレータ１６の上端部２０と熱交換可能に接続されている。水冷ヒートシンク１０３には、冷却水流路が形成されている。
【００５３】
冷却水循環路１０４は、水冷ヒートシンク１０３の冷却水流路に接続されている。
【００５４】
冷却水ポンプ１０５およびラジエータ１０６は、冷却水循環路１０４の途中部に介裝されている。ラジエータ１０６は、ラジエータファン（図示せず）からの送風または車両の走行による走行風により冷却される。
【００５５】
燃料電池２で発電反応に伴って発生した熱は、各セパレータ１６の上端部２０に伝播し、その上端部２０から水冷ヒートシンク１０３に伝播する。冷却水ポンプ１０５が駆動されると、冷却水循環路１０４を冷却水が循環する。冷却水循環路１０４を循環する冷却水が水冷ヒートシンク１０３の冷却水流路を流れることにより、水冷ヒートシンク１０３が冷却される。水冷ヒートシンク１０３の冷却水流路を通過した冷却水は、冷却水循環路１０４をラジエータ１０６に向けて流れる。冷却水がラジエータ１０６を流れることにより、冷却水が冷却される。
【００５６】
この構成によっても、燃料電池２のセパレータ１６間に、燃料電池２を冷却するための冷却水を流通させる冷却水流路を設ける必要がないので、膜／電極接合体１１間の厚さを小さくすることができ、燃料電池２を小型化することができる。
【００５７】
以上、本発明の２つの実施形態について説明したが、本発明は、さらに他の形態で実施することもできる。
【００５８】
たとえば、図１に示される構成において、ヒートシンクが各セパレータ１６の上端部２０と熱交換可能に接続されて、送風機４からの送風により、ヒートシンクが冷却されてもよい。この場合、ヒートシンクは、たとえば、熱伝導性および電気絶縁性を有する樹脂材料からなり、多数のフィンを有するものであることが好ましい。ヒートシンクが設けられることにより、各セパレータ１６の上端部２０をより効果的に冷却することができる。
【００５９】
燃料電池システム１が車両などの移動体に搭載される場合には、送風機４に代えて、その移動体の移動によって受ける風（走行風）を各セパレータ１６の上端部２０に供給する構成（たとえば、導風路など）が採用されてもよい。
【００６０】
また、各セパレータ１６の上端部２０が膜／電極接合体１１、ガス拡散層一体型ガスケット１５およびエンドプレート１９の各上端よりも上方に突出した構成を取り上げたが、上端部２０に限らず、各セパレータ１６の周縁部の全周またはその少なくとも一部が膜／電極接合体１１、ガス拡散層一体型ガスケット１５およびエンドプレート１９の外周よりも外側にはみ出た構成が採用されてもよい。
【００６１】
その他、前述の構成には、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【符号の説明】
【００６２】
１      燃料電池システム
２      燃料電池
４      送風機（冷却手段）
１１    膜／電極接合体
１６    セパレータ
２０    上端部（一端部）
１０１  燃料電池システム
１０２  水冷システム（冷却手段）
【図１】
2015065121.tif 000003
【図２】
2015065121.tif 000004
【図３】
2015065121.tif 000005