(57)【要約】【課題】燃料流路が形成されたセパレータの面内の温度分布の偏りを小さくできる、燃料電池を提供する。【解決手段】複数の膜／電極接合体１１は、アノード１３を上側に向けて、水平方向に延びるように配置されて、上下方向に積層されている。膜／電極接合体１１の上下両側には、セパレータ１６が配置されている。セパレータ１６のアノード１３側の面には、燃料流路１７が形成されている。燃料流路１７が形成されたセパレータ１６において、上下方向の一方側から奇数番目のセパレータ１６には、水平方向の一方側端部および他方側端部にそれぞれ燃料流路１７の入口である燃料導入口５１および出口である燃料導出口５２が形成され、偶数番目のセパレータ１６には、水平方向の一方側端部および他方側端部にそれぞれ出口である燃料導出口６２および燃料流路１７の入口である燃料導入口６１が形成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の一方面および他方面にそれぞれアノードおよびカソードを接合してなる複数の膜／電極接合体と、
前記膜／電極接合体の両側に配置され、前記アノードとの対向面に燃料流路が形成され、前記カソードとの対向面に空気流路が形成されたセパレータとを含み、
前記膜／電極接合体は、前記アノードを上側に向けて、水平方向に延びるように配置されて、上下方向に積層されており、
前記燃料流路が形成されたセパレータにおいて、
上下方向の一方側から奇数番目の前記セパレータには、水平方向の一方側端部に、前記燃料流路に燃料を供給するための入口が形成され、水平方向の他方側端部に、前記燃料流路から燃料を排出するための出口が形成され、
上下方向の一方側から偶数番目の前記セパレータには、水平方向の一方側端部に、前記燃料流路から燃料を排出するための出口が形成され、水平方向の他方側端部に、前記燃料流路に燃料を供給するための入口が形成されている、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【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。燃料電池が高温になると、発電効率の低下や過熱による電解質膜の劣化などを生じるので、燃料電池を冷却する必要がある。燃料電池を冷却する構成として、燃料循環路を循環する燃料を冷却し、その冷却された燃料により燃料電池を冷却する構成が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１−１１２６７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
膜／電極接合体およびセパレータは、上下方向に延びる状態に設けられ、単位セルは、水平方向に積層されている。そして、燃料流路内での気体の発生を考慮して、燃料流路の入口は、セパレータの下端部に形成され、燃料流路の出口は、セパレータの上端部に形成されている。これにより、燃料流路内で発生した気体が燃料流路の出口から排出されるので、燃料流路内に気体が滞留することを防止できる。
【０００７】
しかしながら、燃料流路の入口には、冷却された燃料が供給されるのに対し、燃料流路の出口からは、燃料流路内で昇温した燃料が排出される。そのため、燃料流路の入口付近が相対的に低温となり、燃料流路の出口付近が相対的に高温となって、セパレータの面内に温度分布の偏りが生じる。その結果、膜／電極接合体の面内で発電効率に分布が生じたり、電解質膜に加熱による部分的な劣化を生じたりする。
【０００８】
本発明の目的は、燃料流路が形成されたセパレータの面内の温度分布の偏りを小さくできる、燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記の目的を達成するため、本発明に係る燃料電池は、電解質膜の一方面および他方面にそれぞれアノードおよびカソードを接合してなる複数の膜／電極接合体と、膜／電極接合体の両側に配置され、アノードとの対向面に燃料流路が形成され、カソードとの対向面に空気流路が形成されたセパレータとを含み、膜／電極接合体は、アノードを上側に向けて、水平方向に延びるように配置されて、上下方向に積層されており、燃料流路が形成されたセパレータにおいて、上下方向の一方側から奇数番目のセパレータには、水平方向の一方側端部に、燃料流路に燃料を供給するための入口が形成され、水平方向の他方側端部に、燃料流路から燃料を排出するための出口が形成され、上下方向の一方側から偶数番目の前記セパレータには、水平方向の一方側端部に、燃料流路から燃料を排出するための出口が形成され、水平方向の他方側端部に、燃料流路に燃料を供給するための入口が形成されている。
【００１０】
この構成によれば、複数の膜／電極接合体は、アノードを上側に向けて、水平方向に延びるように配置されて、上下方向に積層されている。膜／電極接合体の上下両側には、セパレータが配置されている。セパレータのアノード側の面には、燃料流路が形成されている。
【００１１】
燃料流路が形成されたセパレータにおいて、上下方向の一方側から奇数番目のセパレータには、水平方向の一方側端部および他方側端部にそれぞれ燃料流路の入口および出口が形成され、偶数番目のセパレータには、水平方向の一方側端部および他方側端部にそれぞれ燃料流路の出口および入口が形成されている。そのため、奇数番目のセパレータでは、水平方向の一方側端部が相対的に低温となり、他方側端部が相対的に高温となる。一方、偶数番目のセパレータでは、水平方向の一方側端部が相対的に高温となり、他方側端部が相対的に低温となる。そして、奇数番目のセパレータと偶数番目のセパレータとが上下方向に交互に並ぶので、奇数番目のセパレータと偶数番目のセパレータとの間で熱交換が行われ、燃料流路が形成された各セパレータの水平方向の一方側端部と他方側端部との温度差が小さくなる。その結果、燃料流路が形成されたセパレータの面内の温度分布の偏りを小さくすることができる。よって、燃料電池の発電効率を向上させることができ、電解質膜の劣化を抑制することができる。
【００１２】
また、膜／電極接合体は、アノードを上側に向けて配置されている。そのため、燃料流路内で気体が発生し、その気体が燃料流路内に滞留したとしても、燃料流路内の上部に気体が集まる。したがって、燃料流路の下部、つまり膜／電極接合体側に気体が滞留しないので、たとえ燃料流路内に気体が滞留しても、燃料電池の発電性能が低下せず、良好な発電性能を発揮することができる。
【００１３】
さらに、この燃料電池を用いる燃料電池システムにおいて、燃料流路に供給される燃料を冷却する構成が備えられている場合、その冷却された燃料で燃料電池を冷却することができるので、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下面に燃料流路を形成し、その上面に空気流路を形成することができる。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。
【００１４】
なお、水平方向の概念には、完全に水平な方向はもちろん、その完全に水平な方向に対して傾斜した方向も含まれる。すなわち、上下方向に交差する方向を「水平方向」と表記している。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、燃料流路が形成されたセパレータの面内の温度分布の偏りを小さくすることができる。その結果、燃料電池の発電効率を向上させることができ、電解質膜の劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池を含む燃料電池システムの構成図である。
【図２】燃料電池の構成を図解的に示す断面図である。
【図３】奇数番目のセパレータにおける燃料流路が形成されている面の平面図である。
【図４】偶数番目のセパレータにおける燃料流路が形成されている面の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
【００１８】
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池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の構成を図解的に示す断面図である。
【００１９】
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および燃料供給機構３を含む。
【００２０】
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を備えている。
【００２１】
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。各膜／電極接合体１１は、アノード１３を上側に向けて、水平方向に延びるように設けられている。そして、複数の膜／電極接合体１１は、上下方向に積層されている。
【００２２】
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。
【００２３】
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、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、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。
【００２４】
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、積層方向である上下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。
【００２５】
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および燃料出口２２は、各燃料流路１７と連通している。エア入口２３およびエア出口２４は、各エア流路１８と連通している。
【００２６】
燃料供給機構３は、燃料循環路３１、燃料循環タンク３２、燃料循環ポンプ３３、ラジエータ３４およびラジエータファン３５を含む。
【００２７】
燃料循環路３１の一端は、燃料電池２の燃料入口２１に接続され、その他端は、燃料電池２の燃料出口２２に接続されている。
【００２８】
燃料循環タンク３２は、燃料循環路３１の一部として、燃料循環路３１の途中部に介裝されている。燃料循環タンク３２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。
【００２９】
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。
【００３０】
燃料循環ポンプ３３およびラジエータ３４は、燃料循環路３１の途中部であって、燃料循環タンク３２と燃料電池２の燃料入口２１との間に、燃料循環タンク３２側からその順に介裝されている。燃料循環ポンプ３３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が燃料循環路３１を燃料入口２１に向けて送られ、燃料入口２１に液体燃料が供給される。そして、液体燃料は、燃料電池２の燃料流路１７を流通して、燃料電池２の燃料出口２２から燃料循環路３１に排出され、燃料循環路３１を流通して、燃料循環タンク３２に戻される。
【００３１】
燃料流路１７を液体燃料が流通する一方、エアコンプレッサ（図示せず）が駆動されて、エア供給路４１から燃料電池２のエア入口２３を介してエア流路１８にエア（空気）が供給され、エア流路１８をエアが流通する。エア流路１８を流通したエアは、エア出口２４からエア排出路４２に排出される。
【００３２】
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、反応熱の生成を伴った発電反応（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。
【００３３】
たとえば、液体燃料が水加ヒドラジンである場合、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を通して燃料循環路３１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、電解質膜１２を透過して、アノード１３に移動する。
【００３４】
Ｎ２Ｈ４＋４ＯＨ−→Ｎ２＋４Ｈ２Ｏ＋４ｅ−    ・・・（１）
Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−    ・・・（２）
【００３５】
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。また、その発電反応に伴って、反応熱が発生し、この反応熱により、燃料電池２および液体燃料が昇温する。
【００３６】
ラジエータファン３５は、たとえば、ラジエータ３４に対向して配置されている。ラジエータファン３５が駆動されると、ラジエータファン３５による送風がラジエータ３４に供給され、ラジエータ３４において、燃料循環路３１を燃料循環タンク３２から燃料電池２に向けて流通する液体燃料が冷却される。そして、ラジエータ３４で冷却された液体燃料が燃料電池２に供給されることにより、燃料電池２が冷却される。
【００３７】
図３は、奇数番目のセパレータ１６における燃料流路１７が形成されている面の平面図である。図４は、偶数番目のセパレータ１６における燃料流路１７が形成されている面の平面図である。
【００３８】
セパレータ１６は、たとえば、外周縁に長辺および短辺を有する略矩形板状をなしている。
【００３９】
なお、便宜上、セパレータ１６の燃料流路１７が形成されている面を上側に向けて、セパレータ１６を水平面上に載置し、そのセパレータ１６を上方から垂直に見下ろしたときに、セパレータ１６の長辺および短辺が沿う方向をそれぞれ左右方向および前後方向と規定し、前後方向の一方側である前側を基準に左側および右側を規定して、以下の説明では、その規定した方向を使用する。
【００４０】
上下方向の一方側（たとえば、下側）から奇数番目のセパレータ１６には、図３に示されるように、燃料導入口５１および燃料導出口５２がそれぞれ右前端部および左後端部に形成されている。燃料流路１７は、積層状態におけるセパレータ１６の下面（アノード１３と対向する面）において、燃料導入口５１と燃料導出口５２との間に形成されている。燃料流路１７の右端部は、燃料導入口５１に接続され、燃料流路１７の左端部は、燃料導出口５２に接続されている。
【００４１】
上下方向の一方側から偶数番目のセパレータ１６には、図４に示されるように、燃料導入口６１および燃料導出口６２がそれぞれ左前端部および右後端部に形成されている。燃料流路１７は、積層状態におけるセパレータ１６の下面（アノード１３と対向する面）において、燃料導入口６１と燃料導出口６２との間に形成されている。燃料流路１７の左端部は、燃料導入口６１に接続され、燃料流路１７の右端部は、燃料導出口６２に接続されている。
【００４２】
そして、燃料導入口５１，６１は、燃料電池２の燃料入口２１（図１参照）と連通している。また、燃料導出口５２，６２は、燃料電池２の燃料出口２２と連通している。これにより、奇数番目のセパレータ１６では、燃料入口２１から燃料導入口５１に供給される液体燃料は、図３に矢印で示されるように、燃料流路１７を燃料導入口５１からその左後側に位置する燃料導出口５２に向けて流れる。一方、偶数番目のセパレータ１６では、燃料入口２１から燃料導入口５１に供給される液体燃料は、図４に矢印で示されるように、燃料流路１７を燃料導入口６１からその右後側に位置する燃料導出口６２に向けて流れる。そのため、燃料電池２では、上下方向において、セパレータ１６における液体燃料の流通方向が右前端部から左後端部に向かう方向と左前端部から右後端部に向かう方向とに交互に切り替わる。
【００４３】
以上のように、複数の膜／電極接合体１１は、アノード１３を上側に向けて、水平方向に延びるように配置されて、上下方向に積層されている。膜／電極接合体１１の上下両側には、セパレータ１６が配置されている。セパレータ１６のアノード１３側の面には、燃料流路１７が形成されている。
【００４４】
燃料流路１７が形成されたセパレータ１６において、上下方向の一方側から奇数番目のセパレータ１６には、右前端部および左後端部にそれぞれ燃料流路１７の入口である燃料導入口５１および出口である燃料導出口５２が形成され、偶数番目のセパレータ１６には、左前端部および右後端部にそれぞれ燃料流路１７の入口である燃料導入口６１および出口である燃料導出口６２が形成されている。そのため、奇数番目のセパレータ１６では、右前端部が相対的に低温となり、左後端部が相対的に高温となる。一方、偶数番目のセパレータ１６では、右後端部が相対的に高温となり、左前端部が相対的に低温となる。そして、奇数番目のセパレータ１６と偶数番目のセパレータ１６とが上下方向に交互に並ぶので、奇数番目のセパレータ１６と偶数番目のセパレータ１６との間で熱交換が行われ、燃料流路１７が形成された各セパレータ１６の左端部と右端部との温度差が小さくなる。その結果、セパレータ１６の面内の温度分布の偏りを小さくすることができる。よって、燃料電池２の発電効率を向上させることができ、電解質膜の劣化を抑制することができる。
【００４５】
また、膜／電極接合体１１は、アノード１３を上側に向けて配置されている。そのため、燃料流路１７内で気体が発生し、その気体が燃料流路１７内に滞留したとしても、燃料流路１７内の上部に気体が集まる。したがって、燃料流路１７の下部、つまり膜／電極接合体１１側に気体が滞留しないので、たとえ燃料流路１７内に気体が滞留しても、燃料電池２の発電性能が低下せず、良好な発電性能を発揮することができる。
【００４６】
さらに、燃料電池システム１では、燃料流路１７に供給される燃料を冷却するためのラジエータ３４およびラジエータファン３５が備えられ、ラジエータ３４で冷却された液体燃料が燃料電池２に供給されることにより、燃料電池２が冷却される。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、膜／電極接合体１１間に介在されるセパレータ１６の下面に燃料流路１７を形成し、その上面にエア流路１８を形成することができる。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】
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、前述の実施形態では、液体燃料を使用する燃料電池２を取り上げたが、水素ガスを使用する燃料電池など、他の種類の燃料電池に本発明が適用されてもよい。
【００４９】
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】
【００５０】
２    燃料電池
１１  膜／電極接合体
１２  電解質膜
１３  アノード
１４  カソード
１６  セパレータ
１７  燃料流路
１８  空気流路（エア流路）
５１  燃料導入口（入口）
５２  燃料導出口（出口）
６１  燃料導入口（入口）
６２  燃料導出口（出口）
【図１】
2015069929.tif 000003
【図２】
2015069929.tif 000004
【図３】
2015069929.tif 000005
【図４】
2015069929.tif 000006