(57)【要約】【課題】燃料電池システムから気液分離器を不要にすることができる、燃料電池のセパレータ構造を提供する。【解決手段】燃料電池のセパレータ１６には、アノードと対向する面に、液体燃料が流通する燃料流路２５が形成され、カソードと対向する面に、空気が流通する空気流路が形成されている。燃料電池２の発電時には、燃料流路２５内で気体が発生する。燃料流路２５の上方には、燃料流路２５と連通する気体排出部３３が形成されている。これにより、燃料流路２５内で発生した気体は、燃料流路２５を上方に移動し、燃料流路２５から気体排出部３３に排出される。また、空気流路の下方には、空気流路と連通する液体排出部３５が形成されている。クロスリークにより空気流路に流入した液体は、重力により、空気流路を流下し、空気流路から液体排出部３５に排出される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜／電極接合体のアノード側およびカソード側にそれぞれセパレータを配置した構成を有する燃料電池のセパレータ構造であって、
前記セパレータは、上下方向に延びるとともに、上下方向および前記膜／電極接合体と前記セパレータとの積層方向の両方向に直交する幅方向に延び、
前記セパレータにおける前記アノードと対向する面には、凹部からなる燃料流路が形成され、
前記セパレータにおける前記カソードと対向する面には、凹部からなるガス流路が形成され、
前記セパレータには、上部かつ前記幅方向の一端部に、前記燃料流路と連通し、前記燃料流路に液体燃料を導入するための燃料導入口が形成され、下部かつ前記幅方向の他端部に、前記燃料流路と連通し、前記燃料流路から液体燃料を排出するための燃料排出口が形成され、下部かつ前記幅方向の一端部に、前記ガス流路と連通し、前記ガス流路に酸素を含むガスを導入するためのガス導入口が形成され、上部かつ前記幅方向の他端部に、前記ガス流路と連通し、前記ガス流路からガスを排出するためのガス排出口が形成され、前記燃料流路の上方に、前記燃料流路と連通し、前記燃料流路で発電反応により生成された気体を排出するための気体排出部が形成され、前記ガス流路の下方に、前記ガス流路と連通し、前記ガス流路から液体を排出するための液体排出部が形成されている、燃料電池のセパレータ構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のセパレータ構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヒドラジンなどの液体燃料を使用する燃料電池システムでは、燃料電池のアノードに液体燃料が供給され、燃料電池のカソードに空気が供給される。アノードおよびカソードにそれぞれ液体燃料および空気が供給されると、アノードとカソードとの間に、発電反応（電気化学反応）による起電力が発生する。
【０００３】
燃料電池には、燃料排出路が接続されており、燃料排出路には、燃料電池から未反応の液体燃料とともに、発電反応により発生した気体が排出される。この排出された液体燃料および気体は、燃料排出路から気液分離器に流入し、気液分離器において、互いに分離される。そして、液体燃料は、気液分離器から燃料循環タンクに排出され、気体は、気液分離器から排気処理部を経由して大気に放出される。燃料循環タンク内の液体燃料は、燃料電池に再び供給される。
【０００４】
燃料電池では、液体燃料などの液体がアノードからカソードにそれらの間に介在される電解質膜を透過して移動する、いわゆるクロスリークが発生する。そのため、燃料電池から排出される空気には、液体が含まれる。この液体を含む空気は、気液分離器に流入し、気液分離器において、液体と空気とに分離される。そして、液体は、気液分離器から燃料循環タンクに排出され、空気は、気液分離器から排気処理部を経由して大気に放出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−５４４２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の燃料電池システムでは、燃料園地のアノード側およびカソード側にそれぞれ気液分離器が必要なため、燃料電池システム全体のサイズ（体積）、重量およびコストが嵩むという問題がある。
【０００７】
本発明の目的は、燃料電池システムから気液分離器を不要にすることができる、燃料電池のセパレータ構造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のセパレータ構造は、膜／電極接合体のアノード側およびカソード側にそれぞれセパレータを配置した構成を有する燃料電池のセパレータ構造であって、セパレータは、上下方向に延びるとともに、下方向および膜／電極接合体とセパレータとの積層方向の両方向に直交する幅方向に延び、セパレータにおけるアノードと対向する面には、凹部からなる燃料流路が形成され、セパレータにおけるカソードと対向する面には、凹部からなるガス流路が形成され、セパレータには、上部かつ幅方向の一端部に、燃料流路と連通し、燃料流路に液体燃料を導入するための燃料導入口が形成され、下部かつ幅方向の他端部に、燃料流路と連通し、燃料流路から液体燃料を排出するための燃料排出口が形成され、下部かつ幅方向の一端部に、ガス流路と連通し、ガス流路に酸素を含むガスを導入するためのガス導入口が形成され、上部かつ幅方向の他端部に、ガス流路と連通し、ガス流路からガスを排出するためのガス排出口が形成され、燃料流路の上方に、燃料流路と連通し、燃料流路で発電反応により生成された気体を排出するための気体排出部が形成され、ガス流路の下方に、ガス流路と連通し、ガス流路から液体を排出するための液体排出部が形成されている。
【０００９】
この構成によれば、膜／電極接合体のアノード側およびカソード側には、それぞれセパレータが配置されている。セパレータには、上部かつ幅方向の一端部に、燃料導入口が形成され、下部かつ幅方向の他端部に、燃料排出口が形成されている。また、セパレータには、下部かつ幅方向の一端部に、ガス導入口が形成され、上部かつ幅方向の他端部に、ガス排出口が形成されている。そして、セパレータにおけるアノードと対向する面には、燃料導入口および燃料排出口と連通する燃料流路が形成されている。また、セパレータにおけるカソードと対向する面には、ガス導入口およびガス排出口と連通するガス流路が形成されている。
【００１０】
液体燃料が燃料流路を燃料導入口から燃料排出口に向けて流れ、酸素を含むガスがガス流路をガス導入口からガス排出口に向けて流れることにより、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。
【００１１】
発電時には、燃料流路内で気体が発生する。燃料流路の上方には、燃料流路と連通する気体排出部が形成されている。これにより、燃料流路内で発生した気体は、燃料流路を上方に移動し、燃料流路から気体排出部に排出される。その結果、燃料流路を流れる液体燃料から気体を排除することができる。
【００１２】
また、燃料電池では、液体燃料などの液体がアノードからカソードに電解質膜を透過して移動する、いわゆるクロスリークが生じる。ガス流路の下方には、ガス流路と連通する液体排出部が形成されている。クロスリークによりガス流路に流入した液体は、重力により、ガス流路を流下し、ガス流路から液体排出部に排出される。その結果、ガス流路を流れるガスから液体を排除することができる。
【００１３】
よって、この構成が燃料電池に採用されることにより、燃料電池を含む燃料電池システムから気液分離器を不要にすることができる。その結果、燃料電池システムのサイズ、重量およびコストを低減することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、燃料電池を含む燃料電池システムから気液分離器が不要となり、燃料電池システムのサイズ、重量およびコストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係るセパレータ構造が適用された燃料電池を含む燃料電池システムの構成図である。
【図２】燃料電池のセルの構成を図解的に示す側面図である。
【図３】セパレータにおけるアノードと対向する面を示す図である。
【図４】セパレータにおけるカソードと対向する面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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。
【００１７】
図１は、本発明の一実施形態に係るセパレータ構造が適用された燃料電池２を含む燃料電池システム１の構成図である。図２は、燃料電池２のセルの構成を図解的に示す側面図である。
【００１８】
燃料電池システム１は、燃料電池（ＦＣ：Fuel Cell）２を備えている。燃料電池２は、所定数（たとえば、１００〜２００）のセルが一方向に積層された、いわゆるセルスタックを有している。このセルスタックは、セルの積層方向の両側から出力端子付の集電板によって挟まれ、さらにその両外側からエンドプレートに挟まれている。
【００１９】
燃料電池２のセルは、図２に示されるように、膜／電極接合体（ＭＥＡ：Membrane
Electrode Assembly）１１を備えている。膜／電極接合体１１は、電解質膜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。また、燃料電池２のセルは、ガス拡散層（ＧＤＬ：Gas Diffusion Layer）一体型ガスケット１５およびセパレータ１６を備えている。ガス拡散層一体型ガスケット１５は、膜／電極接合体１１の両側に配置されている。セパレータ１６は、各ガス拡散層一体型ガスケット１５の外側に配置されている。
【００２０】
また、燃料電池システム１は、燃料循環路３、燃料循環タンク４、燃料循環ポンプ５、エアコンプレッサ６、給気路７および排気路８を備えている。
【００２１】
燃料循環路３の一端は、燃料電池２の燃料入口に接続され、その他端は、燃料電池２の燃料出口に接続されている。
【００２２】
燃料循環タンク４は、燃料循環路３の一部として、燃料循環路３の途中部に介装されている。燃料循環タンク４には、液体燃料（たとえば、ヒドラジン）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。
【００２３】
なお、以下では、電解液と混合された状態の液体燃料を「液体燃料」という。
【００２４】
燃料循環ポンプ５は、燃料循環路３の途中部であって、燃料循環タンク４と燃料電池２の燃料入口との間に介装されている。
【００２５】
燃料循環ポンプ５が駆動されると、燃料循環タンク４に貯留されている液体燃料が燃料循環路３を燃料電池２の燃料入口に向けて送られ、燃料入口に液体燃料が供給される。そして、液体燃料は、燃料電池２内を流通して、燃料電池２の燃料出口から燃料循環路３に排出され、燃料循環路３を流通して、燃料循環タンク４に戻される。
【００２６】
エアコンプレッサ６の吐出口には、給気路７の一端が接続されている。
【００２７】
給気路７の他端は、燃料電池２の空気入口に接続されている。
【００２８】
排気路８の一端は、燃料電池２の空気出口に接続されている。
【００２９】
エアコンプレッサ６が駆動されると、エアコンプレッサ６に吸込口から酸素を含むガスとしての空気（大気）が取り込まれる。エアコンプレッサ６に取り込まれた空気は、エアコンプレッサ６で圧縮されて、圧縮空気となり、エアコンプレッサ６から給気路７に送り出され、燃料電池２の空気入口に供給される。そして、圧縮空気は、燃料電池２内を流通して、燃料電池２の空気出口から排気路８に排出される。排気路８に排出された空気は、排気処理器（図示せず）を介して、大気に放出される。
【００３０】
燃料電池２内を液体燃料および空気が流通すると、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。
【００３１】
図３は、セパレータ１６におけるアノード１３と対向する面を示す図である。図４は、セパレータ１６におけるカソード１４と対向する面を示す図である。
【００３２】
燃料電池２は、セルの積層方向が水平方向となるように配置されている。
【００３３】
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１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。
【００３４】
セパレータ１６は、略矩形板状をなしている。セパレータ１６には、セパレータ１６をアノード１３と対向する面側から見て、左上部、右下部、左下部および右上部に、それぞれ燃料導入口２１、燃料排出口２２、空気導入口２３および空気排出口２４が厚さ方向（セルの積層方向）に貫通して形成されている。
【００３５】
セルの積層により、各セパレータ１６の燃料導入口２１、燃料排出口２２、空気導入口２３および空気排出口２４は、積層方向に連続して、それぞれ積層方向に延びる管状の燃料導入路、燃料排出路、空気導入路および空気排出路を形成する。燃料導入路、燃料排出路、空気導入路および空気排出路は、それぞれ燃料電池２の燃料入口、燃料出口、空気入口および空気出口と連通する。
【００３６】
セパレータ１６のアノード１３と対向する面の中央部には、図３に示されるように、矩形状の凹部からなる燃料流路２５が形成されている。燃料流路２５は、燃料導入口２１と連通部２６を介して連通し、燃料排出口２２と連通部２７を介して連通している。燃料流路２５内には、複数の障壁２８が設けられている。
【００３７】
セパレータ１６のカソード１４と対向する面の中央部には、図４に示されるように、矩形状の凹部からなる空気流路２９が形成されている。空気流路２９は、空気導入口２３と連通部３０を介して連通し、空気排出口２４と連通部３１を介して連通している。空気流路２９内には、複数の障壁３２が設けられている。
【００３８】
そして、セパレータ１６の上部には、気体排出部３３が厚さ方向に貫通して形成されている。気体排出部３３は、たとえば、燃料流路２５と左右方向に同じ幅を有し、セパレータ１６をアノード１３と対向する面側から見て、燃料導入口２１から右側に離れるにつれて（燃料排出口２２に左側から近づくにつれて）開口幅が大きくなる直角三角形状をなしている。燃料流路２５は、気体排出部３３と連通部３４を介して連通している。セルの積層により、各セパレータ１６の気体排出部３３は、積層方向に連続して、積層方向に延びる管状の気体排出路を形成する。気体排出路は、大気に開放されている。
【００３９】
また、セパレータ１６の下部には、液体排出部３５が厚さ方向に貫通して形成されている。液体排出部３５は、たとえば、空気流路２９と左右方向に同じ幅を有し、セパレータ１６をアノード１３と対向する面側から見て、空気導入口２３から右側に離れるにつれて（空気排出口２４に左側から近づくにつれて）開口幅が大きくなる直角三角形状をなしている。空気流路２９は、液体排出部３５と連通部３６を介して連通している。セルの積層により、各セパレータ１６の液体排出部３５は、積層方向に連続して、積層方向に延びる管状の液体排出路を形成する。液体排出路には、図１に示されるように、接続路９の一端が接続される。接続路９の他端は、エアコンプレッサ６からの圧縮空気を加湿するための加湿器１０に接続されている。
【００４０】
以上の構成により、燃料循環路３から燃料電池２の燃料入口に供給される液体燃料は、燃料導入路を流通し、各セルにおいて、セパレータ１６の燃料導入口２１から連通部２６を介して燃料流路２５に流入する。燃料流路２５に流入した液体燃料は、重力により、燃料流路２５内の障壁２８の間を通って流下する。そして、液体燃料は、連通部２７を介して、燃料排出口２２に流出し、燃料排出路を流通して、燃料電池２の燃料出口から燃料循環路３に流出する。
【００４１】
燃料電池２における発電反応により、燃料流路２５内で気体（たとえば、窒素ガス）が発生する。燃料流路２５内で発生した気体は、燃料流路２５を上方に移動し、連通部３４を介して、気体排出部３３に排出される。気体排出部３３に排出された気体は、気体排出路を流通し、燃料電池２の空気出口から排気路８に流出する。その結果、燃料流路２５を流れる液体燃料から気体を排除することができる。
【００４２】
燃料流路２５を流通する液体燃料に含まれる気体の量は、燃料排出口２２に近づくにつれて増加する。気体排出部３３が直角三角形状に形成され、その開口幅が燃料排出口２２に近づくにつれて大きくなるので、燃料排出口２２の近傍においても、液体燃料に含まれる気体を燃料流路２５から気体排出部３３に良好に排出される。
【００４３】
また、給気路７から燃料電池２の空気入口に供給される圧縮空気は、空気導入路を流通し、各セルにおいて、セパレータ１６の空気導入口２３から連通部３０を介して空気流路２９に流入する。空気流路２９に流入した空気は、空気流路２９内の障壁３２の間を流れる。そして、空気は、連通部３１を介して、空気排出口２４に流出し、空気排出路を流通して、大気に放出される。
【００４４】
燃料電池２では、液体燃料などの液体がアノード１３からカソード１４に電解質膜１２を透過して移動する、いわゆるクロスリークが生じる。このクロスリークにより空気流路２９に流入した液体は、重力により、空気流路２９を障壁３２の間を通って流下し、空気流路２９から連通部３６を介して液体排出部３５に排出される。その結果、空気流路２９を流れる空気から液体を排除することができる。
【００４５】
空気流路２９を流通する液体の量は、空気排出口２４に近づくにつれて増加する。液体排出部３５が直角三角形状に形成され、その開口幅が空気排出口２４に近づくにつれて大きくなるので、空気排出口２４の近傍においても、液体を空気流路２９から液体排出部３５に良好に排出される。
【００４６】
このように、燃料電池２内において、液体燃料と気体とを分離することができ、空気と液体とを分離することができるので、燃料電池システム１から気液分離器を不要にすることができる。その結果、燃料電池システム１のサイズ、重量およびコストを低減することができる。
【００４７】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。
【００４８】
たとえば、気体排出部３３の形状は、その開口幅が燃料排出口２２に近づくにつれて大きくなる形状であれば、直角三角形状に限らない。また、気体排出部３３は、その開口幅が略一定である形状に形成されていてもよい。
【００４９】
液体排出部３５についても、その形状は、その開口幅が空気排出口２４に近づくにつれて大きくなる形状であれば、直角三角形状に限らない。また、液体排出部３５は、その開口幅が略一定である形状に形成されていてもよい。
【００５０】
燃料電池システム１は、モータを走行用駆動源として搭載した車両（自動車）に搭載されてもよいし、家屋などに非常用電源として設置されてもよい。燃料電池システム１は、気液分離器を別途設ける必要がなく、小型かつ軽量に構成できるので、車両への搭載に適している。燃料電池システム１が車両に搭載される場合、従来の燃料電池システムが搭載された車両と比較して、車両全体の重量を低減することができ、車両の走行燃費を向上することができる。
【００５１】
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】
【００５２】
２    燃料電池
１１  膜／電極接合体
１３  アノード
１４  カソード
１６  セパレータ
２１  燃料導入口
２２  燃料排出口
２３  空気導入口（ガス導入口）
２４  空気排出口（ガス排出口）
２５  燃料流路
２９  空気流路
３３  気体排出部
３５  液体排出部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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