(57)【要約】【課題】省スペース化を図れる燃料電池スタックを提供すること。【解決手段】  燃料電池３では、積層部８と濃度調整部９とが一体的に形成される。具体的には、セパレータ本体５０においては、本体積層部５２と本体濃度調整部５３とが一体的に形成される。また、セパレータシール５１においては、シール積層部７０とシール濃度調整部７１とが一体的に形成される。そのため、積層部８と濃度調整部９とを別々に形成する場合に比べて省スペース化を図れる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質膜と前記固体電解質膜を挟んで対向配置される燃料側電極および酸素側電極とを備える複数の膜電極接合体と、互いに隣接する前記膜電極接合体の間に介在される複数のセパレータとを備えるセルスタックと、
前記セルスタックと一体的に形成され、前記セルスタックに供給する液体燃料を貯留する燃料タンクと、を備えることを特徴とする、燃料電池スタック。
【請求項２】
前記セパレータは、
前記膜電極接合体と対向する対向部と、
前記対向部の下方に配置される開口部とを有し、
前記燃料タンクの液体燃料貯留空間は、前記開口部が複数積層されることにより形成されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、詳しくは、液体燃料を使用する燃料電池に備えられる燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料電池に用いられるスタック構造として、電解質層と、電解質層の一方側に配置されたアノードと、電解質層の他方側に配置されたカソードとを有する単位セルが、セパレータを介して複数積層されるスタック構造が知られている。
【０００３】
このようなスタック構造においては、液体燃料がスタック構造内を通過することにより、起電力が生じて発電される。発電に使用された液体燃料は、スタック構造外に排出される。また、このようなスタック構造が用いられる燃料電池が搭載される電動車両は、排出された液体燃料を貯留する濃度調整タンクと、濃度調整タンクに液体燃料を供給する供給タンクとを備えている。そして、濃度調整タンクにおいて液体燃料の濃度が調整され、この濃度調整がされた液体燃料がスタック構造に供給される（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１７４５２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかるに、上記特許文献１に記載のスタック構造では、電動車両において濃度調整タンクおよび供給タンクを別途設ける必要があり、電動車両が大型化してしまうという不具合がある。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、省スペース化を図れる燃料電池スタックを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）上記目的を達成するために、本発明の燃料電池スタックは、固体電解質膜と固体電解質膜を挟んで対向配置される燃料側電極および酸素側電極とを備える複数の膜電極接合体と、互いに隣接する膜電極接合体の間に介在される複数のセパレータとを備えるセルスタックと、セルスタックと一体的に形成され、セルスタックに供給する液体燃料を貯留する燃料タンクと、を備えることを特徴としている。
【０００８】
このような構成によれば、燃料タンクは、セルスタックと一体的に形成される。
【０００９】
そのため、燃料タンクとセルスタックとを別々に形成する場合に比べて省スペース化を図れる。
（２）また、本発明の燃料電池スタックでは、セパレータが、膜電極接合体と対向する対向部と、対向部の下方に配置される開口部とを有し、燃料タンクの液体燃料貯留空間は、開口部が複数積層されることにより形成されることが好適である。
【００１０】
このような構成によれば、燃料タンクの液体燃料貯留空間は、セパレータの開口部が複数積層されることにより形成される。
【００１１】
そのため、燃料タンクを容易に形成できる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の燃料電池スタックによれば、省スペース化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明の一実施形態にかかる燃料電池スタックが搭載された電動車両の概略構成図である。
【図２】図２は、図１に示す燃料電池スタックを前右側から見た斜視図である。
【図３】図３は、図１に示す燃料電池スタックを前右側から見た分解斜視図である。
【図４】図４は、図１に示す燃料電池スタックを左右方向に延びる平面で切断した状態を正面から見た断面図である。
【図５】図５は、図４に示す燃料電池のＡ−Ａ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
１．電動車両の全体構成
図１に示すように、電動車両１は、燃料電池３および動力用バッテリ３０を選択的に動力源とするハイブリッド車両であって、燃料電池システム２を搭載している。
【００１５】
燃料電池システム２は、燃料電池３と、燃料給排部４と、空気給排部５と、制御部６と、動力部７とを備えている。
【００１６】
なお、以下の説明において、電動車両１および燃料電池３に関し、方向について言及する場合には、電動車両１が水平面に配置されたときの方向を基準とし、具体的には、各図に示した矢印方向を基準とする。つまり、前後方向および左右方向が水平方向であり、上下方向が鉛直方向である。
（１）燃料電池
燃料電池３は、詳しくは後述するが、液体燃料が直接供給される直接液体燃料形燃料電池であり、カチオン交換型燃料電池またはアニオン交換型燃料電池として構成されている。燃料電池３は、セルスタックの一例としての積層部８と、燃料タンクの一例としての濃度調整部９とを一体的に備えている。燃料電池３では、濃度調整部９に貯留されている液体燃料が積層部８に供給されるように構成されている。燃料電池３は、電動車両１の中央下側に配置されている。
（２）燃料給排部
燃料給排部４は、燃料電池３に液体燃料を供給するように構成され、電動車両１において燃料電池３の後側に配置されている。
【００１７】
燃料給排部４は、液体燃料を貯蔵するための燃料タンク１０と、燃料タンク１０から供給される液体燃料を濃度調整部９に供給するための第１燃料供給管１１と、濃度調整部９に貯留する液体燃料を積層部８に供給するための第２燃料供給管１２と、積層部８から排出される液体燃料を燃料電池３の濃度調整部９に供給するための還流管１３と、を備えている。
【００１８】
燃料タンク１０は、電動車両１における後端部に配置され、略ボックス形状に形成されている。
【００１９】
燃料タンク１０に貯蔵される液体燃料の燃料化合物としては、例えば、メタノールなどのアルコール類、ジメチルエーテルなどのエーテル類、ヒドラジン類などが挙げられ、好ましくは、アルコール類およびヒドラジン類が挙げられ、さらに好ましくは、ヒドラジン類が挙げられる。
【００２０】
また、上記例示の液体燃料としては、上記の燃料化合物をそのまま用いてもよいが、上記例示の燃料化合物を、例えば、水および／またはアルコール（例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノールなどの低級アルコールなど）などの溶液として用いることができる。この場合、溶液中の燃料化合物の濃度は、燃料化合物の種類によっても異なるが、例えば、１〜９０質量％、好ましくは、１〜３０質量％である。
【００２１】
第１燃料供給管１１は、燃料タンク１０と燃料電池３とに接続するように設けられ、詳しくは、その一端部（後端部）が燃料タンク１０の底壁に接続され、その他端部（前端部）が燃料電池３の濃度調整部９に接続されている。
【００２２】
第２燃料供給管１２は、積層部８と濃度調整部９とに接続するように設けられ、詳しくは、その一端部（上端部）が積層部８に接続され、その他端部（下端部）が燃料電池３の濃度調整部９に接続されている。
【００２３】
還流管１３は、積層部８と濃度調整部９とに接続するように設けられ、詳しくは、その一端部（前端部）が積層部８に接続され、その他端部（下端部）が濃度調整部９に接続されている。
【００２４】
これにより、燃料電池３、第２燃料供給管１２および還流管１３は、クローズドライン（閉流路）を構成する。具体的には、積層部８から排出される液体燃料が、還流管１３を介して濃度調整部９に流れ、その後、濃度調整部９から排出される液体燃料が、第２燃料供給管１２を介して積層部８に流れるように、クローズドライン（閉流路）が構成される。すなわち、燃料電池３では、循環する液体燃料が使用される。
【００２５】
また、燃料給排部４には、液体燃料とガス（気体）とを分離するための気液分離器１４と、気液分離器１４で分離されたガスを排出するためのガス排出管１５と、燃料電池３に液体燃料を輸送するための第１燃料輸送ポンプ１６および第２燃料輸送ポンプ１７とが設けられている。
【００２６】
気液分離器１４は、燃料電池３の後上側において、還流管１３の途中に介在されている。気液分離器１４は、略ボックス形状に形成されており、その底壁に底部流通口１８が２つ形成され、その後壁の上端部に上部流通口１９が１つ形成されている。
【００２７】
そして、気液分離器１４は、２つの底部流通口１８が還流管１３に接続されることにより、還流管１３に介装されている。これにより、気液分離器１４は、その内部空間が、クローズドラインの一部を形成している。
【００２８】
ガス排出管１５は、上部流通口１９と電動車両１の外部空間とを連通するように設けられ、詳しくは、その一端部（前端部）が上部流通口１９に接続され、その他端部（後端部）が大気に開放されている。
【００２９】
第１燃料輸送ポンプ１６は、第１燃料供給管１１に介在されている。
【００３０】
第１燃料輸送ポンプ１６としては、例えば、ロータリーポンプ、ギヤポンプなどの回転式ポンプ、ピストンポンプ、ダイヤフラムポンプなどの往復式ポンプなど、公知の送液ポンプが挙げられる。
【００３１】
第２燃料輸送ポンプ１７は、第２燃料供給管１２に介在されている。
【００３２】
第２燃料輸送ポンプ１７としては、例えば、第１燃料輸送ポンプ１６と同様の公知の送液ポンプが挙げられる。
【００３３】
第１燃料輸送ポンプ１６および第２燃料輸送ポンプ１７のそれぞれは、コントロールユニット２７（後述）に電気的に接続されている（図１の破線参照）。これにより、コントロールユニット２７（後述）からの制御信号が、第１燃料輸送ポンプ１６および第２燃料輸送ポンプ１７のそれぞれに入力され、コントロールユニット２７（後述）が、第１燃料輸送ポンプ１６および第２燃料輸送ポンプ１７のそれぞれの駆動および停止を制御する。
【００３４】
さらに、燃料給排部４には、第１燃料供給管１１を開閉するための燃料供給弁２０と、ガス排出管１５を開放するためのガス排出弁２１とが設けられている。
【００３５】
燃料供給弁２０は、第１燃料供給管１１に介在されており、燃料電池３の濃度調整部９と第１燃料供給管１１の接続部分と、第１燃料輸送ポンプ１６との間に配置されている。燃料供給弁２０としては、例えば、電磁弁など、公知の開閉弁が挙げられる。
【００３６】
そして、燃料供給弁２０が開放されることにより、燃料タンク１０から濃度調整部９への液体燃料の供給が可能となり、燃料供給弁２０が閉鎖されることにより、燃料タンク１０から濃度調整部９への液体燃料の供給が規制される。
【００３７】
ガス排出弁２１は、ガス排出管１５に介在されている。ガス排出弁２１としては、例えば、電磁弁など、公知の開閉弁が挙げられる。
【００３８】
そして、ガス排出弁２１が開放されることにより、気液分離器１４からのガスの排出が可能となり、ガス排出弁２１が閉鎖されることにより、気液分離器１４からのガスの排出が規制される。
【００３９】
燃料供給弁２０およびガス排出弁２１のそれぞれは、コントロールユニット２７（後述）に電気的に接続されている（図１の破線参照）。これにより、コントロールユニット２７（後述）からの制御信号が、燃料供給弁２０およびガス排出弁２１のそれぞれに入力され、コントロールユニット２７（後述）が、燃料供給弁２０およびガス排出弁２１のそれぞれの開閉を制御する。
（３）空気給排部
空気給排部５は、空気を燃料電池３に供給するための空気供給管２２と、燃料電池３から排出される空気を外部に排出するための空気排出管２３とを備えている。
【００４０】
空気供給管２２は、電動車両１の外部空間と燃料電池３とを連通するように設けられ、詳しくは、その一端部（前端部）が大気に開放され、他端部（後端部）が燃料電池３の積層部８に接続されている。
【００４１】
空気排出管２３は、電動車両１の外部空間と燃料電池３とを連通するように設けられ、詳しくは、その一端部（前端部）が大気に開放され（ドレン）、他端部（後端部）が燃料電池３の積層部８に接続されている。
【００４２】
また、空気給排部５には、燃料電池３に空気を送るための空気供給ポンプ２４が設けられている。
【００４３】
空気供給ポンプ２４は、空気供給管２２に介在されている。空気供給ポンプ２４としては、例えば、エアコンプレッサなどの公知の送気ポンプが挙げられる。空気供給ポンプ２４は、コントロールユニット２７（後述）に電気的に接続されている（図１の破線参照）。これにより、コントロールユニット２７（後述）からの制御信号が、空気供給ポンプ２４に入力され、コントロールユニット２７（後述）が、空気供給ポンプ２４の駆動および停止を制御する。
【００４４】
さらに、空気給排部５には、空気供給管２２を開閉するための空気供給弁２５と、空気排出管２３を開閉するための空気排出弁２６とが設けられている。
【００４５】
空気供給弁２５は、空気供給管２２に介在されており、空気供給ポンプ２４と燃料電池３との間に配置されている。空気供給弁２５としては、例えば、電磁弁など、公知の開閉弁が挙げられる。
【００４６】
そして、空気供給弁２５が開放されることにより、燃料電池３への空気の供給が可能となり、空気供給弁２５が閉鎖されることにより、燃料電池３への空気の供給が規制される。
【００４７】
空気排出弁２６は、空気排出管２３に介在されている。空気排出弁２６としては、例えば、電磁弁など、公知の開閉弁が挙げられる。
【００４８】
そして、空気排出弁２６が開放されることにより、燃料電池３からの空気の排出が可能となり、空気排出弁２６が閉鎖されることにより、燃料電池３からの空気の排出が規制される。
【００４９】
空気供給弁２５および空気排出弁２６のそれぞれは、コントロールユニット２７（後述）に電気的に接続されている（図１の破線参照）。これにより、コントロールユニット２７（後述）からの制御信号が、空気供給弁２５および空気排出弁２６のそれぞれに入力され、コントロールユニット２７（後述）が、空気供給弁２５および空気排出弁２６のそれぞれの開閉を制御する。
（４）制御部
制御部６は、燃料電池システム２を制御するためのコントロールユニット２７を備えている。
【００５０】
コントロールユニット２７は、電動車両１における電気的な制御を実行するユニット（例えば、ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）であり、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭなどを備えるマイクロコンピュータから構成されている。
（５）動力部
動力部７は、燃料電池３から出力される電気エネルギーを電動車両１の駆動力として機械エネルギーに変換するためのモータ２８と、モータ２８に電気的に接続されるインバータ２９と、モータ２８による回生エネルギーを蓄電するための動力用バッテリ３０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１とを備えている。
【００５１】
モータ２８は、電動車両１の前端部に配置されており、燃料電池３よりも前側に配置されている。モータ２８としては、例えば、三相誘導電動機、三相同期電動機などの公知の三相電動機などが挙げられる。
【００５２】
インバータ２９は、モータ２８と燃料電池３との間に配置されている。インバータ２９は、燃料電池３で発電された直流電力を交流電力に変換する装置であって、インバータ２９としては、例えば、公知のインバータ回路が組み込まれた電力変換装置などが挙げられる。また、インバータ２９は、配線により、燃料電池３およびモータ２８にそれぞれ電気的に接続されるとともに、図示しないが、コントロールユニット２７と電気的に接続されており、これにより、燃料電池３の発電を制御している。
【００５３】
動力用バッテリ３０としては、例えば、ニッケル水素電池や、リチウムイオン電池などの公知の二次電池などが挙げられる。また、動力用バッテリ３０は、インバータ２９と燃料電池３との間の配線に接続されている。これにより、動力用バッテリ３０は、燃料電池３からの電力を蓄電可能、かつ、モータ２８に電力を供給可能に構成されている。
【００５４】
ＤＣ／ＤＣコンバータ３１は、動力用バッテリ３０と燃料電池３との間に配置されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ３１は、燃料電池３の出力電圧を昇降圧する機能を有し、燃料電池３の電力および動力用バッテリ３０の入出力電力を調整する機能を有している。
【００５５】
そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１は、コントロールユニット２７と電気的に接続されており（図１の破線参照）、これにより、コントロールユニット２７から出力される出力制御信号の入力に応じて、燃料電池３の出力（出力電圧）を制御する。
【００５６】
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１は、配線により、燃料電池３および動力用バッテリ３０にそれぞれ電気的に接続されるとともに、配線の分岐により、インバータ２９に電気的に接続されている。
【００５７】
これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１からモータ２８への電力は、インバータ２９において直流電力から三相交流電力に変換され、三相交流電力としてモータ２８に供給される。
２．燃料電池の詳細
図２に示すように、燃料電池３は、スタック構造部４０と、スタック構造部４０を挟むように設けられる１対のカバー４１とを備えている。スタック構造部４０と１対のカバー４１とが燃料電池スタックの一例を構成している。
【００５８】
図３に示すように、スタック構造部４０は、複数の膜電極接合体４２と、複数のセパレータ４３とを備えている。
【００５９】
膜電極接合体４２は、左右方向に延びる正面視略六角形状の略平板形状に形成されており、固体電解質膜の一例としての電解質層４５と、電解質層４５を挟んで前後方向に対向配置される燃料側電極としてのアノード電極４６、および、酸素側電極としてのカソード電極４７とを一体的に備えている。
【００６０】
電解質層４５は、カチオン交換型の高分子電解質膜、または、アニオン交換型の高分子電解質膜から形成されている。電解質層４５の膜厚は、例えば、１０〜１００μｍである。
【００６１】
アノード電極４６は、電解質層４５の後面すべてにおいて、例えば、触媒を担持した触媒担体により層状に形成されている。なお、触媒担体を用いずに、触媒を、直接、アノード電極４６として形成することもできる。アノード電極４６の厚みは、例えば、１０〜２００μｍ、好ましくは、２０〜１００μｍである。
【００６２】
カソード電極４７は、電解質層４５の前面すべてにおいて、例えば、アノード電極４６と同様に、触媒を担持した触媒担体により層状に形成されている。カソード電極４７の厚みは、例えば、１０〜３００μｍ、好ましくは、２０〜１５０μｍである。
【００６３】
セパレータ４３は、前後方向において互いに隣接する膜電極接合体４２の間に介在している。セパレータ４３は、セパレータ本体５０と、一対のセパレータシール５１とを備えている。
【００６４】
セパレータ本体５０は、膜電極接合体４２よりも大きな正面視略矩形状の略平板形状に形成されている。セパレータ本体５０は、本体積層部５２と、本体濃度調整部５３とを一体的に備えている。
【００６５】
本体積層部５２は、セパレータ本体５０において、下端部からやや上方の部分から上端部までの部分を形成している。すなわち、本体積層部５２は、セパレータ本体５０における下方部分を除いた部分である。本体積層部５２の下端部には、本体側燃料供給口５５と、本体側排気口５６とが形成され、本体積層部５２の上端部には、本体側燃料排出口５７と、本体側酸素供給口５８とが形成されている。
【００６６】
本体側燃料供給口５５は、本体積層部５２の左下側端部に配置されている。本体側燃料供給口５５は、正面視略台形状となるようにセパレータ本体５０の厚み方向に貫通形成されており、右方に向かうについて上下方向の寸法が大きくなっている。
【００６７】
本体側排気口５６は、本体積層部５２の右下側端部に配置されている。本体側排気口５６は、正面視略台形状となるようにセパレータ本体５０の厚み方向に貫通形成されており、左方に向かうについて上下方向の寸法が大きくなっている。
【００６８】
本体側燃料排出口５７は、本体積層部５２の右上側端部に配置されている。本体側燃料排出口５７は、正面視略台形状となるようにセパレータ本体５０の厚み方向に貫通形成されており、右方に向かうについて上下方向の寸法が大きくなっている。
【００６９】
本体側酸素供給口５８は、本体積層部５２の左上側端部に配置されている。本体側酸素供給口５８は、正面視略台形状となるようにセパレータ本体５０の厚み方向に貫通形成されており、左方に向かうについて上下方向の寸法が大きくなっている。
【００７０】
また、本体積層部５２には、その前面に燃料流路形成領域Ａ１が区画され、その後面に酸素流路形成領域Ａ２が区画されている。
【００７１】
燃料流路形成領域Ａ１は、本体積層部５２の前面における中央部分に配置されている。燃料流路形成領域Ａ１は、膜電極接合体４２と略同一の形状およびサイズに区画され、具体的には、正面視略六角形状に区画されている。
【００７２】
燃料流路形成領域Ａ１には、燃料流路５９が形成されている。燃料流路５９は、燃料流路形成領域Ａ１の前面から後方に向かって凹み、左右方向に延びる複数の溝部が左端部または右端部のいずれかにおいてつづら折り状に連続するように形成されている。
【００７３】
図５に示すように、酸素流路形成領域Ａ２は、本体積層部５２の後面における中央部分に配置されている。酸素流路形成領域Ａ２は、膜電極接合体４２と略同一の形状およびサイズに区画され、具体的には、正面視略六角形状に区画されている。
【００７４】
酸素流路形成領域Ａ２には、酸素流路６０が形成されている。酸素流路６０は、酸素流路形成領域Ａ２の後面から前方に向かって凹み、左右方向に延びる複数の溝部が左端部または右端部のいずれかにおいてつづら折り状に連続するように形成されている。
【００７５】
また、セパレータ本体５０には、燃料用貫通穴６１が形成されている。
【００７６】
燃料用貫通穴６１は、前後方向（セパレータ４３の厚み方向）に投影したときに、燃料流路形成領域Ａ１の投影面の上方および下方に位置している。具体的には、下方の燃料用貫通穴６１は、本体側燃料供給口５５と燃料流路５９の下端部とを連通させるように、セパレータ本体５０を貫通して形成されている。また、上方の燃料用貫通穴６１は、本体側燃料排出口５７と燃料流路５９の上端部とを連通させるように、セパレータ本体５０を貫通して形成されている。また、図５では図示されないが、セパレータ本体５０には、酸素流路形成領域Ａ２の投影面の上方および下方に位置し、セパレータ本体５０を貫通する酸素用貫通穴が形成されている。
【００７７】
本体濃度調整部５３は、セパレータ本体５０において、下方部分を形成している。本体濃度調整部５３は、本体積層部５２と一体的に形成されている。本体濃度調整部５３には、本体側開口部６５が形成されている。
【００７８】
本体側開口部６５は、本体濃度調整部５３のほぼ全域にわたって形成されている。本体側開口部６５は、正面視矩形状となるようにセパレータ本体５０の厚み方向に貫通形成されており、左右方向に延びている。
【００７９】
セパレータシール５１は、図５に示すように、セパレータ本体５０の前面および後面に密着固定されている。図３に示すように、セパレータシール５１は、シール積層部７０と、シール濃度調整部７１とを備えている。
【００８０】
シール積層部７０は、セパレータシール５１において、下端部からやや上方の部分から上端部までの部分を形成している。すなわち、シール積層部７０は、セパレータシール５１における下方部分を除いた部分である。シール積層部７０は、拡散層７２と、シール部分７３とを一体的に備えている。
【００８１】
拡散層７２は、例えば、カーボンペーパーあるいはカーボンクロスなどが、必要によりフッ素処理されている硬質のガス透過性材料から形成され、膜電極接合体４２と略同一の形状およびサイズに形成されている。具体的には、拡散層７２は、シール積層部７０の中央部分に配置されており、正面視略六角形状の平板形状に形成されている。また、拡散層７２は、燃料流路形成領域Ａ１の前面、または、酸素流路形成領域Ａ２の後面に対して対向配置されている。
【００８２】
シール部分７３は、例えば、ゴムなどの弾性を有する材料から形成されており、拡散層７２の周囲を囲むように設けられ、拡散層７２の周端部に接合されている。また、拡散層７２は、その前後方向長さ（厚み）が、拡散層７２の前後方向長さ（厚み）よりも長くなるように形成されている。
【００８３】
シール部分７３の下端部には、シール側燃料供給口７５と、シール側排気口７６とが形成され、シール部分７３の上端部には、シール側燃料排出口７７と、シール側酸素供給口７８とが形成されている。
【００８４】
シール側燃料供給口７５は、シール部分７３の左下側端部に配置されている。シール側燃料供給口７５は、正面視略台形状となるようにセパレータシール５１の厚み方向に貫通形成されており、右方に向かうについて上下方向の寸法が大きくなっている。シール側燃料供給口７５は、セパレータ本体５０の本体側燃料供給口５５と前後方向において重複しており、本体側燃料供給口５５と同様の形状およびサイズに形成されている。
【００８５】
シール側排気口７６は、シール部分７３の右下側端部に配置されている。シール側排気口７６は、正面視略台形状となるようにセパレータシール５１の厚み方向に貫通形成されており、左方に向かうについて上下方向の寸法が大きくなっている。シール側排気口７６は、セパレータ本体５０の本体側排気口５６と前後方向において重複しており、本体側排気口５６と同様の形状およびサイズに形成されている。
【００８６】
シール側燃料排出口７７は、シール部分７３の右上側端部に配置されている。シール側燃料排出口７７は、正面視略台形状となるようにセパレータシール５１の厚み方向に貫通形成されており、右方に向かうについて上下方向の寸法が大きくなっている。シール側燃料排出口７７は、セパレータ本体５０の本体側燃料排出口５７と前後方向において重複しており、本体側燃料排出口５７と同様の形状およびサイズに形成されている。
【００８７】
シール側酸素供給口７８は、シール部分７３の左上側端部に配置されている。シール側酸素供給口７８は、正面視略台形状となるようにセパレータシール５１の厚み方向に貫通形成されており、左方に向かうについて上下方向の寸法が大きくなっている。シール側酸素供給口７８は、セパレータ本体５０の本体側酸素供給口５８と前後方向において重複しており、本体側酸素供給口５８と同様の形状およびサイズに形成されている。
【００８８】
シール濃度調整部７１は、セパレータシール５１において、下方部分を形成している。シール濃度調整部７１は、シール積層部７０と一体的に形成されている。シール濃度調整部７１には、シール側開口部８０が形成されている。
【００８９】
シール側開口部８０は、シール濃度調整部７１のほぼ全域にわたって形成されている。シール側開口部８０は、正面視略矩形状となるようにセパレータシール５１の厚み方向に貫通形成されており、左右方向に延びている。シール側開口部８０は、セパレータ本体５０の本体側開口部６５と前後方向において重複しており、本体側開口部６５と同様の形状およびサイズに形成されている。
【００９０】
そして、図５に示すように、膜電極接合体４２とセパレータ４３とが、前後方向に交互に並ぶように積層されることで、スタック構造部４０が構成される。なお、セパレータ本体５０の本体積層部５２と、セパレータシール５１のシール積層部７０とが対向部の一例を構成している。
【００９１】
図２に示すように、１対のカバー４１は、スタック構造部４０における最前のセパレータ４３の前面側、および、スタック構造部４０における最後のセパレータ４３の後面側に設けられている。１対のカバー４１のそれぞれは、正面視略矩形状の略平板形状に形成され、セパレータ４３と同一のサイズに形成されている。
【００９２】
前側のカバー４１には、図２に示すように、第１燃料排出部９１と、第１燃料供給部９２と、排気部９３と、第２燃料排出部９４と、酸素供給部９５とが設けられている。
【００９３】
第１燃料排出部９１は、前側のカバー４１の左下端部に設けられている。第１燃料排出部９１は、前後方向に延びる略円筒形状に形成されている。第１燃料排出部９１は、前側のカバー４１を前後方向に貫通している。第１燃料排出部９１の前端部は、図１に示す第２燃料供給管１２の下端部と連続している。
【００９４】
第１燃料供給部９２は、前側のカバー４１の中央よりやや下方の左端部に設けられている。第１燃料供給部９２は、前後方向に延びる略円筒形状に形成されている。第１燃料供給部９２は、前側のカバー４１を前後方向に貫通している。第１燃料供給部９２の前端部は、図１に示す第２燃料供給管１２の上端部と連続している。
【００９５】
排気部９３は、前側のカバー４１の中央よりやや下方の右端部に設けられている。排気部９３は、前後方向に延びる略円筒形状に形成されている。排気部９３は、前側のカバー４１を前後方向に貫通している。排気部９３の前端部は、図１に示す空気排出管２３の後端部に連続している。
【００９６】
第２燃料排出部９４は、前側のカバー４１の右上端部に設けられている。第２燃料排出部９４は、前後方向に延びる略円筒形状に形成されている。第２燃料排出部９４は、前側のカバー４１を前後方向に貫通している。第２燃料排出部９４の前端部は、図１に示す還流管１３の前端部に連続している。
【００９７】
酸素供給部９５は、前側のカバー４１の左上端部に設けられている。酸素供給部９５は、前後方向に延びる略円筒形状に形成されている。酸素供給部９５は、前側のカバー４１を前後方向に貫通している。酸素供給部９５の前端部は、空気供給管２２の後端部に連続している。
【００９８】
後側のカバー４１の後下端部には、第２燃料供給部１００および第３燃料供給部１０１が形成されている。
【００９９】
第２燃料供給部１００は、前後方向に延びる略円筒形状に形成され、後側のカバー４１を前後方向に貫通している。第２燃料供給部１００の後端部は、図１に示す第１燃料供給管１１の前端部に連続している。
【０１００】
第３燃料供給部１０１は、前後方向に延びる略円筒形状に形成され、後側のカバー４１を前後方向に貫通している。第３燃料供給部１０１の後端部は、図１に示す還流管１３の下端部に連続している。
【０１０１】
図５に示すように、前側のカバー４１とそれに隣接するセパレータ本体５０との間には、セパレータシール５１に代えて前側シール部材９８が介在されており、後側のカバー４１とそれに隣接するセパレータ本体５０との間には、セパレータシール５１に代えて前側後側シール部材９９が介在されている。
【０１０２】
そして、一対のカバー４１が、スタック構造部４０の前面および後面を挟むように配置されることで、燃料電池３において、燃料貯留室９０と、燃料供給路９６と、燃料排出路９７とが形成されている。
【０１０３】
燃料貯留室９０は、燃料電池３の下方部分、すなわち、積層部８の真下において、前後方向に延びるように形成されている。詳しくは、燃料電池３の下方部分において、セパレータ本体５０の本体側開口部６５、および、セパレータシール５１のシール側開口部８０が前後方向に積層して互いに連通することで液体燃料貯留空間が区画されている。そして、液体燃料貯留空間の前方および後方を覆うようにして、前側のカバー４１の下方部分がスタック構造部４０の前方部分を覆い、後側のカバー４１の下方部分がスタック構造部４０の後方部分を覆うことにより燃料貯留室９０が形成されている。燃料貯留室９０は、上下方向に投影したときに、スタック構造部４０の投影面内に収まっている。燃料貯留室９０は、下方側の燃料用貫通穴６１と連続している。また、燃料貯留室９０は、第１燃料排出部９１、第２燃料供給部１００および第３燃料供給部１０１と連続している。
なお、セパレータ本体５０の本体側開口部６５と、セパレータシール５１のシール側開口部８０とが開口部の一例を構成している。
【０１０４】
燃料供給路９６は、燃料電池３の中央部よりやや下方の左端部において、前後方向に延びるように形成されている。詳しくは、燃料供給路９６は、セパレータ本体５０の本体側燃料供給口５５、および、セパレータシール５１のシール側燃料供給口７５が前後方向に積層して互いに連通し、前側のカバー４１の中央部よりやや下方部分が前方部分を覆い、後側のカバー４１の中央部よりやや下方部分が後方部分を覆うことにより形成されている。燃料供給路９６は、下方側の燃料用貫通穴６１と連続している。また、燃料供給路９６は、第１燃料供給部９２と連続している。
【０１０５】
燃料排出路９７は、燃料電池３の右上端部において、前後方向に延びるように形成されている。詳しくは、燃料排出路９７は、セパレータ本体５０の本体側燃料供給口５５、および、セパレータシール５１のシール側燃料供給口７５が前後方向に積層して互いに連通し、前側のカバー４１の上方部分が前方部分を覆い、後側のカバー４１の上方部分が後方部分を覆うことにより形成されている。燃料排出路９７は、上方側の燃料用貫通穴６１と連通している。また、燃料排出路９７は、第２燃料排出部９４と連続している。
【０１０６】
また、図５には図示されないが、スタック構造部４０の左上端部において、セパレータ本体５０の本体側酸素供給口５８、および、セパレータシール５１のシール側酸素供給口７８が前後方向に互いに連通し、前側のカバー４１の上方部分が前方部分を覆い、後側のカバー４１の上方部分が後方部分を覆うことにより、酸素供給路が形成されている。酸素供給路は、図示しない酸素用貫通穴および酸素供給部９５と連通している。また、スタック構造部４０の中央よりやや下方の右端部において、セパレータ本体５０の本体側排気口５６、および、セパレータシール５１のシール側排気口７６が前後方向に互いに連通し、前側のカバー４１の中央部よりやや下方部分が前方部分を覆い、後側のカバー４１の中央部よりやや下方部分が後方部分を覆うことにより、酸素排気路が形成されている。酸素排気路は、図示しない酸素用貫通穴および排気部９３と連通している。
【０１０７】
図２および図３に示すように、燃料電池３において、前側のカバー４１の下方部分を除く部分と、複数の膜電極接合体４２と、複数の本体積層部５２と、複数のシール積層部７０と、後側のカバー４１の下方部分を除く部分とにより、上記した積層部８が形成されている。また、前側のカバー４１の下方部分と、複数の本体濃度調整部５３と、複数のシール濃度調整部７１と、後側のカバー４１の下方部分とにより、上記した濃度調整部９が形成されている。
３．発電動作
次いで、電動車両１における発電について説明する。
【０１０８】
電動車両１では、図１に示すように、発電動作時において、まず、コントロールユニット２７からの制御信号により、燃料供給弁２０、ガス排出弁２１、空気供給弁２５および空気排出弁２６が開放されるとともに、第１燃料輸送ポンプ１６、第２燃料輸送ポンプ１７および空気供給ポンプ２４が駆動される。
【０１０９】
そうすると、燃料タンク１０に貯蔵される液体燃料が、第１燃料輸送ポンプ１６の駆動によって第１燃料供給管１１を通過し、さらに、図５に示すように、第２燃料供給部１００から燃料貯留室９０に供給される。燃料貯留室９０には、後述するように、気液分離器１４で分離された液体成分が供給されている。そして、燃料貯留室９０において、液体燃料の濃度調整が行われる。すなわち、燃料貯留室９０では、濃度調整された液体燃料が貯留される。その後、燃料供給弁２０は閉じられ、燃料貯留室９０内の液体燃料の濃度に応じて適宜開閉される。
【０１１０】
そして、濃度調整された液体燃料は、図１に示すように、第２燃料輸送ポンプ１７の駆動によって、第２燃料供給管１２を通過する。さらに、液体燃料は、図５に示すように、第１燃料供給部９２から燃料供給路９６に供給される。
【０１１１】
燃料供給路９６に供給された液体燃料は、下方側の各燃料用貫通穴６１を通過して、各燃料流路５９（燃料流路形成領域Ａ１）の下端部に供給される。
【０１１２】
燃料流路５９に供給された液体燃料は、拡散層７２の後面と接触しながら、燃料流路５９に沿って左右方向を交互に移動しつつ上方に向かって移動され、上方側の各燃料用貫通穴６１に到達する。
【０１１３】
すると、液体燃料は、上方側の各燃料用貫通穴６１を通過して、燃料排出路９７に供給される。
【０１１４】
燃料排出路９７に供給された液体燃料は、第２燃料排出部９４を通過して燃料電池３から排出される。そして、液体燃料は、図１に示すように、還流管１３を介して、気液分離器１４に供給される。
【０１１５】
気液分離器１４では、燃料電池３から排出された液体燃料に含まれる液体成分と気体成分とが分離される。そして、液体成分は、還流管１３および第３燃料供給部１０１を介して、再度、燃料貯留室９０に供給される。一方、気体成分は、ガス排出管１５を介して電動車両１の外部に排出される。
【０１１６】
また、図１に示すように、空気供給ポンプ２４の駆動により、空気供給管２２に電動車両１の外部から酸素、具体的には、空気が取り込まれ、その空気が、空気供給管２２を通過し、さらに、図２に示す酸素供給部９５から図示しない酸素供給路に供給される。
【０１１７】
酸素供給路に供給された空気は、上方側の酸素用貫通穴を通過して、図５に示すように、各酸素流路６０（酸素流路形成領域Ａ２）の上端部に供給される。
【０１１８】
酸素流路６０に供給された空気は、拡散層７２の前面と接触しながら、酸素流路６０に沿って左右方向を交互に移動しつつ下方に向かって移動され、下方側の酸素用貫通穴に到達する。
【０１１９】
すると、空気は、下方側の各酸素用貫通穴を通過して、酸素排気路に供給される。
【０１２０】
酸素排気路に供給された空気は、図２に示す排気部９３を通過して、図１に示すように、空気排出管２３から電動車両１の外部に排出される。
【０１２１】
このとき、液体燃料がメタノールである場合、スタック構造部４０では、下記のように発電が行なわれる。すなわち、メタノールが供給されたアノード電極４６では、メタノール（ＣＨ３ＯＨ）と、カソード電極４７における反応（後述）で生成した水酸化物イオン（ＯＨ−）とが反応して、二酸化炭素（ＣＯ２）および水（Ｈ２Ｏ）が生成するとともに、電子（ｅ−）が発生する（下記反応式（１）参照。）。
【０１２２】
また、アノード電極４６で発生した電子（ｅ−）は、図示しない外部回路を経由してカソード電極４７へ供給される。また、生成した水（Ｈ２Ｏ）は、電解質層４５を通過して、アノード電極４６からカソード電極４７へ移動する。
【０１２３】
そして、カソード電極４７では、電子（ｅ−）と、水（Ｈ２Ｏ）と、供給された空気中の酸素（Ｏ２）とが反応して、水酸化物イオン（ＯＨ−）が生成する（下記反応式（２）参照。）。生成した水酸化物イオン（ＯＨ−）は、アニオン交換膜からなる電解質層４５を、カソード電極４７からアノード電極４６へ移動する。
【０１２４】
このようなアノード電極４６およびカソード電極４７において、連続的に電気化学的反応が生じ、スタック構造部４０全体として下記反応式（３）で表わされる反応が生じる。これにより、燃料電池３では、起電力が生じ発電される。
（１）  ＣＨ３ＯＨ＋６ＯＨ−→ＣＯ２＋５Ｈ２Ｏ＋６ｅ−  （アノード電極４６での反応）
（２）  Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−  （カソード電極４７での反応）
（３）  ＣＨ３ＯＨ＋３／２Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ  （スタック構造部４０全体での反応）
また、液体燃料がヒドラジンである場合、スタック構造部４０では、下記反応式（４）〜（６）で表される反応が生じ、燃料電池３の発電が行なわれる。
（４）  Ｎ２Ｈ４＋４ＯＨ−→Ｎ２＋４Ｈ２Ｏ＋４ｅ−  （アノード電極４６での反応）
（５）  Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−  （カソード電極４７での反応）
（６）  Ｎ２Ｈ４＋Ｏ２→Ｎ２＋２Ｈ２Ｏ  （スタック構造部４０全体での反応）
４．作用効果
（１）この燃料電池３によれば、図１に示すように、積層部８と濃度調整部９とが一体的に形成される。具体的には、図３に示すように、セパレータ本体５０においては、本体積層部５２と本体濃度調整部５３とが一体的に形成される。また、セパレータシール５１においては、シール積層部７０とシール濃度調整部７１とが一体的に形成される。
【０１２５】
そのため、積層部８と濃度調整部９とを別々に形成する場合に比べて省スペース化を図れる。
【０１２６】
また、濃度調整部９は、積層部８の真下に配置される。
【０１２７】
そのため、濃度調整部９に貯留する液体燃料を積層部８に供給するための第２燃料供給管１２を短くできる。
【０１２８】
さらに、濃度調整部９の温度、すなわち、燃料貯留室９０に貯留される液体燃料の温度と、積層部８の温度との差を小さくできる。
【０１２９】
その結果、積層部８の温度調整を容易に行うことができる。
（２）また、この燃料電池３によれば、図５に示すように、燃料電池３の下方部分において、セパレータ本体５０の本体側開口部６５、および、セパレータシール５１のシール側開口部８０が前後方向に積層して互いに連通することで液体燃料貯留空間が区画される。そして、液体燃料貯留空間の前方および後方を覆うようにして、前側のカバー４１の下方部分がスタック構造部４０の前方部分を覆い、後側のカバー４１の下方部分がスタック構造部４０の後方部分を覆うことにより燃料貯留室９０が形成される。
【０１３０】
そのため、液体燃料貯留空間および燃料貯留室９０を容易に形成できる。
５．変形例
上記実施形態では、燃料電池３において、積層部８の真下に濃度調整部９が配置される構成としたが、燃料電池３において濃度調整部９を燃料タンク１０とすることもできる。この場合、濃度調整部９は別途設けてもよく、また、設けなくてもよい。
【０１３１】
このような構成にすれば、電動車両１において一層省スペース化を図れる。
【符号の説明】
【０１３２】
３      燃料電池
８      積層部
９      濃度調整部
４０    燃料電池スタック
４２    膜電極接合体
４３    セパレータ
４５    電解質層
４６    アノード電極
４７    カソード電極
５２    本体積層部
６５    本体側開口部
７０    シール積層部
８０    シール側開口部
【図１】
2015162400.tif 000003
【図２】
2015162400.tif 000004
【図３】
2015162400.tif 000005
【図４】
2015162400.tif 000006
【図５】
2015162400.tif 000007