JP2011009204A - 燃料電池システム及びそのスタック - Google Patents

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Abstract

【課題】積層された単位セルのそれぞれで燃料供給量を均一にする手段を提供する。
【解決手段】燃料電池システム１００は、燃料供給部１０、空気供給部２０、及び電力と熱を生産するスタック３０を含む。スタック３０は、ＭＥＡと、セパレータとを含んで形成され、複数に積層される単位セル、燃料供給部１０に連結して単位セルに燃料を流入する燃料流入口５１、燃料流入口５１とスタック３０の同一側に形成されて単位セルから未反応燃料を排出する未反応燃料排出口５２、スタック３０の燃料流入口５１から燃料流入口５１の反対側まで連通する燃料バイパス通路５３、燃料流入口５１の反対側で燃料バイパス通路５３に連結して燃料流入口側まで連通し、単位セルに燃料を分配する燃料分配通路５４、及び燃料流入口５１の反対側で未反応燃料排出口５２まで連通し、未反応燃料を未反応燃料排出口５２に誘導する未反応燃料誘導通路５５を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システム及びそのスタックに関し、より詳しくは、燃料の流入口及び排出口がスタックの同一側に形成される場合、燃料供給量を均一にする燃料電池システム及びそのスタックに関する。
燃料電池システム、例えば、高分子電解質燃料電池（ＰＥＭＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）システムは、水素イオン交換特性を有する高分子電解質膜を用い、メタノールや天然ガスなどのような炭化水素系の燃料を改質して生成された水素と、空気中に含まれている酸素とを、高分子電解質膜に選択的に輸送して電気化学反応を起こすことによって電力と熱を発生させる。燃料電池システムは、実質的に電力と熱を発生させる単位セルを複数に積層して形成されるスタックを含む。
スタックにおいて、単位セルは、高分子電解質膜の両面にアノード電極とカソード電極を形成する膜/電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）、アノード電極に水素を含有する燃料を供給する燃料通路、及びカソード電極に酸素を含有する空気を供給する空気通路を有するセパレータを含む。セパレータは、燃料通路及び空気通路を形成し、ＭＥＡのアノード電極とカソード電極とを直列に接続させる。
したがって、スタックは、燃料及び空気を供給し、未反応燃料及び空気を排出するための流入口と排出口を有する。つまり、燃料の流入口と排出口はそれらの間で燃料の流れの長さを形成し、空気の流入口と排出口はそれらの間で空気の流れの長さを形成する。
流入口と排出口がスタックの両側にそれぞれ形成される場合、単位セルのそれぞれに形成される燃料の流れの長さが互いに同一になり、また、空気の流れの長さが互いに同一になる。
しかし、スタックにおいて内部空間の活用度を高めるために、流入口と排出口をスタックの同一側に形成する場合、単位セルのそれぞれに形成される燃料の流れの長さが互いに異なるようになり、また、空気の流れの長さも互いに異なるようになる。したがって、流入口及び排出口の近方に位置する単位セルと遠方に位置する単位セルとの間で燃料供給量が不均一になり、また、空気供給量も不均一になる。
なお、最近公開された燃料電池システムとしては下記特許文献１に示すようなものが例示できる。
特開２００９−１２９８１３号公報
本発明の一実施形態は、燃料の流入口と排出口がスタックの同一側に形成される場合、単位セルの燃料の流れの長さを互いに同一にすることで、単位セルのそれぞれで燃料供給量を均一にする燃料電池システム及びそのスタックを提供する。
また、本発明の他の実施形態は、燃料及び空気の流入口と排出口がスタックの同一側に形成される場合、単位セルの燃料の流れの長さを互いに同一にすることで、単位セルのそれぞれで燃料供給量を均一にし、かつ、単位セルの空気の流れの長さを互いに同一にすることで、空気供給量を均一にする燃料電池システム及びそのスタックを提供する。
本発明の一実施形態による燃料電池システムは、水素を含有する燃料を供給する燃料供給部、酸素を含有する空気を供給する空気供給部、及び前記水素と前記酸素の電気化学反応によって電力と熱を発生させるスタックを含む。前記スタックは、ＭＥＡ（ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）と、前記ＭＥＡの両面に配置されるセパレータとを含んで形成され、複数に積層される単位セル、前記燃料供給部に連結して前記単位セルに燃料を流入する燃料流入口、前記燃料流入口と前記スタックの同一側に形成されて前記単位セルから未反応燃料を排出する未反応燃料排出口、前記スタックの前記燃料流入口から前記燃料流入口の反対側まで連通する燃料バイパス通路、前記燃料流入口の反対側で前記燃料バイパス通路に連結して前記燃料流入口側まで連通し、前記単位セルに燃料を分配する燃料分配通路、及び前記燃料流入口の反対側で前記未反応燃料排出口まで連通し、前記未反応燃料を前記未反応燃料排出口に誘導する未反応燃料誘導通路を含む。
前記燃料バイパス通路は、前記ＭＥＡの外郭に対応して前記セパレータに形成される燃料バイパス口の連結によって形成できる。
前記燃料分配通路は、前記ＭＥＡの外郭に対応して前記セパレータに形成される燃料供給口の連結によって形成され、前記燃料供給口は、前記セパレータに形成される燃料通路の一側に連結できる。
前記未反応燃料誘導通路は、前記ＭＥＡの外郭に対応して前記セパレータに形成される燃料排出口の連結によって形成され、前記燃料排出口は、前記セパレータに形成される前記燃料通路の他の一側に連結できる。
前記燃料バイパス通路と前記燃料分配通路は、前記燃料流入口の反対側を形成するエンドプレート、インシュレータ、集電板、及び最後の単位セルのセパレータのうちの少なくとも一つに形成される第１連通溝によって連結できる。
前記スタックは、前記空気供給部から前記単位セルに空気を流入する空気流入口、前記空気流入口の反対側に形成される未反応空気排出口、及び前記空気流入口から前記空気流入口の反対側まで連通して、前記単位セルに反応用空気を分配し、前記単位セルに放熱用空気の流れを形成する反応冷却空気通路を含むことができる。
前記反応冷却空気通路は、前記燃料バイパス通路に対して直交方向に形成できる。
前記反応冷却空気通路は、前記セパレータの前記空気通路の反対側に形成できる。
前記単位セルにおいて、一対のセパレータのうち、いずれか一つのセパレータは前記ＭＥＡの一面に前記燃料通路に対応し、他の一つのセパレータは前記ＭＥＡの他面に前記反応冷却空気通路に対応することができる。
前記空気バイパス通路と前記空気分配通路は、前記エンドプレート、前記インシュレータ、前記集電板、及び前記最後の単位セルのセパレータのいずれか一つに形成される第２連通溝によって連結できる。
本発明の他の実施形態による燃料電池システムは、水素を含有する燃料を供給する燃料供給部、酸素を含有する空気を供給する空気供給部、及び前記水素と前記酸素の電気化学反応によって電力と熱を生産するスタックを含む。前記スタックは、ＭＥＡと、前記ＭＥＡの両面に配置されるセパレータと、を含んで形成され、複数に積層される単位セル、前記燃料供給部に連結して前記単位セルに燃料を流入する燃料流入口、前記単位セルから未反応燃料を排出する未反応燃料排出口、前記空気供給部に連結して前記単位セルに空気を流入する空気流入口、及び前記単位セルから未反応空気を排出する未反応空気排出口を含み、前記燃料流入口、前記未反応燃料排出口、前記空気流入口、及び前記未反応空気排出口を前記スタックの同一側に形成する。前記スタックは、前記スタックの前記燃料流入口から前記燃料流入口の反対側まで連通する燃料バイパス通路、前記燃料流入口の反対側で前記燃料バイパス通路に連結して前記燃料流入口側まで連通し、前記単位セルに燃料を分配する燃料分配通路、及び前記燃料流入口の反対側で前記未反応燃料排出口まで連通して、前記未反応燃料を前記未反応燃料排出口に誘導する未反応燃料誘導通路をさらに含む。
前記スタックは、前記スタックの前記空気流入口から前記空気流入口の反対側まで連通する空気バイパス通路、前記空気流入口の反対側で前記空気バイパス通路に連結して前記空気流入口側まで連通し、前記単位セルに空気を分配する空気分配通路、及び前記空気流入口の反対側で前記未反応空気排出口まで連通して、前記未反応空気を前記未反応空気排出口に誘導する未反応空気誘導通路を含むことができる。
前記燃料バイパス通路及び前記空気バイパス通路は、前記ＭＥＡの外郭に対応して前記セパレータに形成される燃料バイパス口の連結及び空気バイパス口の連結によってそれぞれ形成できる。
前記燃料分配通路は、前記ＭＥＡの外郭に対応して前記セパレータに形成される燃料供給口の連結によって形成され、前記燃料供給口は、前記セパレータに形成される燃料通路の一側に連結できる。
前記未反応燃料誘導通路は、前記ＭＥＡの外郭に対応して前記セパレータに形成される燃料排出口の連結によって形成され、前記燃料排出口は、前記セパレータに形成される前記燃料通路の他の一側に連結できる。
前記空気分配通路は、前記ＭＥＡの外郭に対応して前記セパレータに形成される空気供給口の連結によって形成され、前記空気供給口は、前記セパレータに形成される空気通路の一側に連結できる。
前記未反応空気誘導通路は、前記ＭＥＡの外郭に対応して前記セパレータに形成される空気排出口の連結によって形成され、前記空気排出口は、前記セパレータに形成される前記空気通路の他の一側に連結できる。
本発明の一実施形態による燃料電池システムのスタックは、ＭＥＡと、前記ＭＥＡの両面に配置されるセパレータと、を含んで形成され、複数に積層される単位セル、前記単位セルに水素を含む燃料を流入する燃料流入口、前記燃料流入口と同一側に形成されて前記単位セルから未反応燃料を排出する未反応燃料排出口、前記燃料流入口から前記燃料流入口の反対側まで連通する燃料バイパス通路、前記燃料流入口の反対側で前記燃料バイパス通路に連結して前記燃料流入口側まで連通し、前記単位セルに燃料を分配する燃料分配通路、及び前記燃料流入口の反対側で前記未反応燃料排出口まで連通して、前記未反応燃料を前記未反応燃料排出口に誘導する未反応燃料誘導通路を含むことができる。
前記燃料バイパス通路は、前記ＭＥＡの外郭に対応して前記セパレータに形成される燃料バイパス口の連結によって形成できる。
前記燃料分配通路は、前記ＭＥＡの外郭に対応して前記セパレータに形成される燃料供給口の連結によって形成され、前記燃料供給口は、前記セパレータに形成される燃料通路の一側に連結できる。
前記未反応燃料誘導通路は、前記ＭＥＡの外郭に対応して前記セパレータに形成される燃料排出口の連結によって形成され、前記燃料排出口は、前記セパレータに形成される前記燃料通路の他の一側に連結できる。
前記燃料バイパス通路と前記燃料分配通路は、前記燃料流入口の反対側を形成するエンドプレート、インシュレータ、集電板、及び最後の単位セルのセパレータのいずれか一つに形成される第１連通溝によって連結できる。
前記スタックは、前記単位セルに空気を流入する空気流入口、前記空気流入口の反対側に形成される未反応空気排出口、及び前記空気流入口から前記空気流入口の反対側まで連通して、前記単位セルに反応用空気を分配し、前記単位セルに放熱用空気の流れを形成する反応冷却空気通路をさらに含み、前記反応冷却空気通路は前記燃料バイパス通路に対して直交方向に形成できる。
本発明の他の実施形態による燃料電池システムのスタックは、ＭＥＡと、前記ＭＥＡの両面に配置されるセパレータと、を含んで形成され、複数に積層される単位セル、前記単位セルに燃料を流入する燃料流入口、前記単位セルから未反応燃料を排出する未反応燃料排出口、前記単位セルに空気を流入する空気流入口、及び前記単位セルから未反応空気を排出する未反応空気排出口を含み、前記燃料流入口、前記未反応燃料排出口、前記空気流入口、及び前記未反応空気排出口を同一側に形成する。前記スタックは、前記燃料流入口から前記燃料流入口の反対側まで連通する燃料バイパス通路、前記燃料流入口の反対側で前記燃料バイパス通路に連結して前記燃料流入口側まで連通し、前記単位セルに燃料を分配する燃料分配通路、及び前記燃料流入口の反対側で前記未反応燃料排出口まで連通して、前記未反応燃料を前記未反応燃料排出口に誘導する未反応燃料誘導通路をさらに含む。
本発明の他の実施形態による燃料電池システムのスタックは、前記空気流入口から前記空気流入口の反対側まで連通する空気バイパス通路、前記空気流入口の反対側で前記空気バイパス通路に連結して前記空気流入口側まで連通し、前記単位セルに空気を分配する空気分配通路、及び前記空気流入口の反対側で前記未反応空気排出口まで連通して、前記未反応空気を前記未反応空気排出口に誘導する未反応空気誘導通路をさらに含む。
前記燃料バイパス通路及び前記空気バイパス通路は、前記ＭＥＡの外郭に対応して前記セパレータに形成される燃料バイパス口の連結及び空気バイパス口の連結によってそれぞれ形成できる。
前記燃料分配通路は、前記ＭＥＡの外郭に対応して前記セパレータに形成される燃料供給口の連結によって形成され、前記燃料供給口は、前記セパレータに形成される燃料通路の一側に連結し、前記未反応燃料誘導通路は、前記ＭＥＡの外郭に対応して前記セパレータに形成される燃料排出口の連結によって形成され、前記燃料排出口は、前記セパレータに形成される前記燃料通路の他の一側に連結できる。
前記空気分配通路は、前記ＭＥＡの外郭に対応して前記セパレータに形成される空気供給口の連結によって形成され、前記空気供給口は、前記セパレータに形成される空気通路の一側に連結し、前記未反応空気誘導通路は、前記ＭＥＡの外郭に対応して前記セパレータに形成される空気排出口の連結によって形成され、前記空気排出口は、前記セパレータに形成される前記空気通路の他の一側に連結できる。
前記空気バイパス通路と前記空気分配通路は、前記エンドプレート、前記インシュレータ、前記集電板、及び前記最後の単位セルのセパレータのいずれか一つに形成される第２連通溝によって連結できる。
本発明の一実施形態によれば、燃料バイパス通路を通じてバイパス供給される燃料を燃料通路で各単位セルに分配し、各単位セルで未反応燃料を未反応燃料誘導通路に誘導して排出するので、燃料流入口と未反応燃料排出口がスタックの同一側に形成される場合でも、各単位セルに形成される燃料の流れの長さが同一になる。したがって、単位セルのそれぞれに供給される燃料供給量を均一にする効果がある。
本発明の第１実施形態による燃料電池システムを概略的に示した構成図である。 図１のスタックを示した斜視図である。 図２のスタックを分解して示した斜視図である。 図２のスタックにおいて単位セルを分解して示した斜視図である。 図４の単位セルのセパレータにおいてＭＥＡ対応面を示した平面図である。 図２のスタックにおいてエンドプレート、インシュレータ、及び集電板を分解して示した斜視図である。 本発明の第２実施形態による燃料電池システムを概略的に示した構成図である。 図７のスタックを示した斜視図である。 図８のスタックを分解して示した斜視図である。 図８のスタックにおいて単位セルを分解して示した斜視図である。 図１０の単位セルのアノード側セパレータにおいてＭＥＡ対応面を示した平面図である。 図１０の単位セルのカソード側セパレータにおいてＭＥＡ対応面を示した平面図である。 図８のスタックにおいてエンドプレート、インシュレータ、及び集電板を分解して示した斜視図である。
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態について本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。しかし、本発明は種々の相異なる形態に実現でき、ここで説明する実施形態には限られない。図面において、本発明を明確に説明するために説明上不必要な部分は省略し、明細書の全体にわたって同一または類似する構成要素については同一の参照符号を付けた。
図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池システムを概略的に示した構成図である。図１を参照すれば、第１実施形態の燃料電池システム１００（以下、“システム”という）は、水素を含有する燃料を供給する燃料供給部１０、酸素を含有する空気を供給する空気供給部２０、及び水素と酸素の電気化学反応によって電力と熱を発生させるスタック３０を含む。
一例を挙げれば、燃料供給部１０は、燃料ポンプ（図示せず）の駆動によって燃料タンクから供給されるメタノール、エタンオール、または天然ガスのように水素を含む液状の燃料と、水及び空気を利用して、つまり、改質装置１１で液状の燃料を改質して水素ガスを生産し、生産された水素ガスをスタック３０に供給する。
燃料供給部１０は、水素を含む液状の燃料を直接スタック３０に供給する。この場合には改質装置を必要としない（図示せず）。便宜上、燃料供給部１０からスタック３０に供給される水素ガスを燃料という。したがって、以下の燃料供給部１０はスタック３０に水素ガスを供給する。
空気供給部２０は、空気ポンプ２１の駆動によって酸素が含まれている空気をスタック３０に供給する。空気供給部２０から供給される空気と燃料供給部１０から供給される燃料とは、スタック３０に独立的に供給され、スタック３０内で独立的に循環しながら酸化反応及び還元反応をする。
図２は、図１のスタックを示した斜視図であり、図３は、図２のスタックを分解して示した斜視図である。図２及び図３を参照すれば、スタック３０は、単位セルＣＵを複数に積層して配置し、その外郭を締結部材４１で締結して形成することができる。
単位セルＣＵのそれぞれは、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）３１と、ＭＥＡ３１の両面に配置されて、ＭＥＡ３１の一面と他面に燃料と空気をそれぞれ供給するアノード電極（図示せず）側のセパレータ３２及びカソード電極（図示せず）側のセパレータ３３（以下、“アノード側セパレータ”、“カソード側セパレータ”という）とを含む。つまり、アノード側セパレータ３２はＭＥＡ３１のアノード電極側に燃料を供給し、カソード側セパレータ３３はアノード電極の反対側のＭＥＡ３１のカソード電極側に空気を供給する。
スタック３０は、積層された両側それぞれの最後の単位セルＣＵの外側に、集電板４２、インシュレータ４３、及びエンドプレート４４を順次に備える。締結部材４１は、単位セルＣＵ、集電板４２、インシュレータ４３、及びエンドプレート４４を一体に締結する。また、スタック３０は、単位セルＣＵで電力と熱を発生させるために、供給される燃料と空気をそれぞれ流入し、反応後、未反応燃料と未反応空気をそれぞれ排出する。
例えば、スタック３０は、図１に示したように、燃料流入口５１、未反応燃料排出口５２、燃料バイパス通路５３、燃料分配通路５４、及び未反応燃料誘導通路５５を備えて単位セルＣＵで燃料の流れを形成し、空気流入口６１、未反応空気排出口６２、及び反応冷却空気通路６３を備えて単位セルＣＵで空気の流れを形成する。
まず、燃料の流れについて説明すると、燃料流入口５１は、燃料供給部１０に連結されてスタック３０内部、つまり、単位セルＣＵに燃料を流入させる。未反応燃料排出口５２は、スタック３０の積層方向に対して燃料流入口５１と同一側に連結されてスタック３０内部、つまり、単位セルＣＵから未反応燃料を排出する。
つまり、燃料流入口５１と未反応燃料排出口５２は、スタック３０の一側（例えば、図２のスタックの下方）のエンドプレート４４に連結されて単位セルＣＵに燃料を流入させ、未反応燃料を単位セルＣＵから排出する。したがって、スタック３０の外部に連結する配管構造を単純化することができる。
これに加えて、燃料バイパス通路５３、燃料分配通路５４、及び未反応燃料誘導通路５５は、燃料流入口５１と未反応燃料排出口５２をスタック３０の同一側のエンドプレート４４に形成する場合にも、単位セルＣＵのそれぞれで形成される燃料の流れの長さを互いに同一にすることにより、単位セルＣＵのそれぞれの燃料供給量を均一にする。
図１及び図３を参照すれば、燃料バイパス通路５３は、スタック３０の燃料流入口５１から燃料流入口の反対側まで連通し、積層された単位セルＣＵの全体を貫く構造に形成される。燃料分配通路５４は、スタック３０の燃料流入口の反対側から燃料バイパス通路５３に連結され（図６参照）、燃料流入口側まで連通し、積層された単位セルＣＵの全体を貫く構造に形成される。また、未反応燃料誘導通路５５は、燃料流入口の反対側から未反応燃料排出口５２まで連通し、積層された単位セルＣＵの全体を貫く構造に形成される。
したがって、燃料バイパス通路５３は、燃料流入口５１に流入する燃料を燃料流入口の反対側までバイパスさせ、燃料分配通路５４は、燃料流入口の反対側から燃料流入口５１側に再び単位セルＣＵに燃料をそれぞれ分配し、これと同時に未反応燃料誘導通路５５は燃料流入口の反対側から未反応燃料排出口５２側に各単位セルＣＵから出る未反応燃料を未反応燃料排出口５２に誘導することにより、単位セルＣＵの燃料の流れの長さを互いに同一にする。
次に、空気の流れについて説明すると、第１実施形態のスタック３０は、単位セルＣＵで燃料と反応する反応用空気をカソード側セパレータ３３に供給し、また、スタック３０を放熱する放熱用空気の流れを形成する。したがって、スタック３０は放熱のための冷却装置を別途に備えないので、システム１００の構造を単純化することができる。
空気流入口６１は、空気供給部２０に連結されてスタック３０内部、つまり、単位セルＣＵに空気を流入する。未反応空気排出口６２は、スタック３０の積層垂直方向に対して空気流入口６１の反対側に形成されてスタック３０内部、つまり、単位セルＣＵから未反応空気を排出する。つまり、反応冷却空気通路６３は、互いに平行に形成される燃料バイパス通路５３、燃料分配通路５４、及び未反応燃料誘導通路５５と直交方向に形成される。
この時、反応冷却空気通路６３は、空気流入口６１から未反応空気排出口６２まで連通して、単位セルＣＵに反応用空気を分配し、放熱用空気の流れを形成する。この場合、単位セルＣＵのそれぞれで形成される空気の流れの長さは互いに同一に形成されるので、単位セルＣＵのそれぞれで空気供給量を均一にする。
図４は、図２のスタックにおいて単位セルを分解して示した斜視図であり、図５は、図４の単位セルのセパレータにおいてＭＥＡ対応面を示した平面図であり、図６は、図２のスタックにおいてエンドプレート、インシュレータ、及び集電板を分解して示した斜視図である。
図４乃至図６を参照すれば、燃料バイパス通路５３は、ＭＥＡ３１の外郭に対応してアノード側セパレータ３２及びカソード側セパレータ３３に形成される燃料バイパス口５３１の連結によって形成される。ＭＥＡ３１は、アノード側セパレータ３２及びカソード側セパレータ３３の厚さに比べて無視するほど薄く形成され、アノード側セパレータ３２とカソード側セパレータ３３との間にガスケット３４（図５参照）が介在するので、単位セルＣＵの形成及び積層時、アノード側セパレータ３２とカソード側セパレータ３３との間に気密構造が形成される。
燃料分配通路５４は、ＭＥＡ３１の外郭に対応してアノード側セパレータ３２及びカソード側セパレータ３３に形成される燃料供給口５４１の連結によって形成される。燃料供給口５４１はアノード側セパレータ３２に形成される燃料通路３２１の一側に連結される。燃料供給口５４１と燃料通路３２１との連結部３２２（図５で隠線で示す）は、アノード側セパレータ３２とカソード側セパレータ３３とを気密するガスケット３４のラインを横切り、気密構造を維持する構造に形成される。
燃料バイパス通路５３と燃料分配通路５４は、燃料バイパス通路５３にバイパスされる燃料を燃料分配通路５４に伝達するように、燃料流入口の反対側で第１連通溝７１（図６参照）に連結される。第１連通溝７１は、燃料流入口の反対側に配置されるエンドプレート４４、インシュレータ４３、集電板４２、または最後の単位セルＣＵのセパレータ３２、３３に形成できる。便宜上、第１実施形態は、図６に示したように、エンドプレート４４に第１連通溝７１を形成した構造を例示する。
反応冷却空気通路６３は、燃料通路３２１の反対側で、燃料通路３２１に対応してカソード側セパレータ３３に形成される。つまり、単位セルＣＵで、アノード側セパレータ３２はＭＥＡ３１の一面の燃料通路３２１に対応し、カソード側セパレータ３３はＭＥＡ３１の他面の反応冷却空気通路６３に対応する。したがって、燃料通路３２１に供給される燃料は、空気と反応冷却空気通路６３に供給される空気と、ＭＥＡ３１で電気化学反応を起こして電力と熱を発生させる。
未反応燃料誘導通路５５は、ＭＥＡ３１の外郭に対応してアノード側セパレータ３２及びカソード側セパレータ３３に形成される燃料排出口５５１の連結によって形成される。燃料排出口５５１は、アノード側セパレータ３２に形成される燃料通路３２１の燃料供給口５４１の反対側に連結される。燃料排出口５５１と燃料通路３２１との連結部３２３、（図５において隠線で示す）は、アノード側セパレータ３２とカソード側セパレータ３３とを気密するガスケット３４のラインを横切り、気密構造を維持する構造に形成される。
この場合、燃料バイパス通路５３は、集電板４２及びインシュレータ４３に連結される燃料バイパス口４２１、４３１を通じ、アノード側セパレータ３２及びカソード側セパレータ３３に形成された燃料バイパス口５３１にさらに連結される。また、燃料分配通路５４は、集電板４２及びインシュレータ４３に連結される燃料バイパス口４２２、４３２を通じ、アノード側セパレータ３２及びカソード側セパレータ３３に形成された燃料供給口５４１にさらに連結される。
以下、第２実施形態について説明する。第２実施形態では、第１実施形態と類似するか、または同一の構成に対する説明は省略する。まず、概略的に比較すると、第１実施形態のシステム１００は、燃料流入口５１と未反応燃料排出口５２をスタック３０の同一側に形成することで、単位セルＣＵで燃料の流れの長さを同一にする。
これに比べて、第２実施形態のシステム２００は、第１実施形態における燃料の流れに対する構成を適用し、空気の流れの構成を変えている。第２実施形態で空気の流れに対する構成は、空気入口２６１と未反応空気排出口２６２をスタック２３０の同一側に形成することで、単位セルＣＵで空気の流れの長さを同一にする。
図７は、本発明の第２実施形態による燃料電池システムを概略的に示した構成図である。第２実施形態で、スタック２３０は、燃料流入口２５１、未反応燃料排出口２５２、空気流入口２６１、及び未反応空気排出口２６２を同一側に形成する。
例えば、スタック２３０は、空気バイパス通路２６３、空気分配通路２６４、及び未反応空気誘導通路２６５をさらに備え、単位セルＣＵで空気の流れを形成する。第２実施形態のスタック２３０は、第１実施形態の燃料流入口５１、未反応燃料排出口５２、燃料バイパス通路５３、燃料分配通路５４、及び未反応燃料誘導通路５５をそのまま適用可能である。
したがって、第２実施形態の説明では燃料の流れは省略し、空気の流れについて説明する。第２実施形態の空気の流れは、第１実施形態の燃料の流れと類似する流れに形成される。
空気流入口２６１は、空気供給部２０に連結されてスタック２３０の内部、つまり、単位セルＣＵに燃料を流入する。未反応空気排出口２６２は、スタック２３０の積層方向に対して空気流入口２６１と同一側に連結されてスタック２３０内部、つまり、単位セルＣＵから未反応空気を排出する。スタック２３０の積層方向で、空気の流れと燃料の流れは同一方向に形成される。
つまり、空気流入口２６１と未反応空気排出口２６２は、スタック２３０の一側（例えば、図８のスタックの下方）に備えるエンドプレート２４４に連結して、単位セルＣＵに燃料を流入し、未反応空気を単位セルＣＵから排出する。したがって、スタック２３０の外部に連結する配管構造を単純化することができる。
これに加えて、空気バイパス通路２６３、空気分配通路２６４、及び未反応空気誘導通路２６５は、空気流入口２６１と未反応空気排出口２６２をスタック２３０の同一側のエンドプレート２４４に形成する場合にも、単位セルＣＵのそれぞれで形成される空気の流れの長さを互いに同一にすることにより、単位セルＣＵのそれぞれの空気供給量を均一にする。
図７及び図９を参照すれば、空気バイパス通路２６３は、スタック２３０の空気流入口２６１から空気流入口の反対側まで連通し、積層された単位セルＣＵの全体を貫く構造に形成される。空気分配通路２６４は、スタック２３０の空気流入口の反対側で空気バイパス通路２６３に連結し（図１３参照）、空気流入口側まで連通し、積層された単位セルＣＵの全体を貫く構造に形成される。また、未反応空気誘導通路２６５は、空気流入口の反対側で未反応空気排出口２６２まで連通し、積層された単位セルＣＵの全体を貫く構造に形成される。
したがって、空気バイパス通路２６３は、空気流入口２６１に流入する空気を空気流入口の反対側までバイパスさせ、空気分配通路２６４は、空気流入口の反対側で空気流入口２６１側に再び単位セルＣＵのそれぞれに空気を分配し、これと同時に未反応空気誘導通路２６５は、空気流入口の反対側で未反応空気排出口２６２側に各単位セルＣＵから出る未反応空気を未反応空気排出口２６２に誘導することにより、単位セルＣＵの空気の流れの長さを互いに同一にする。
図１０は、図８のスタックで単位セルを分解して示した斜視図であり、図１１は、図１０で単位セルのアノード側セパレータでＭＥＡ対応面を示した平面図であり、図１２は、図１０で単位セルのカソード側セパレータでＭＥＡ対応面を示した平面図であり、図１３は、図８のスタックでエンドプレート、インシュレータ、及び集電板を分解して示した斜視図である。
図１０乃至図１３を参照すれば、空気バイパス通路２６３は、ＭＥＡ３１の外郭に対応してアノード側セパレータ２３２及びカソード側セパレータ２３３に形成される空気バイパス口２６３１の連結によって形成される。ＭＥＡ３１は、アノード側セパレータ２３２及びカソード側セパレータ２３３の厚さに比べて無視するほど薄く形成され、アノード側セパレータ２３２とカソード側セパレータ２３３との間にガスケット２３４（図１１、図１２参照）が介在するので、単位セルＣＵの形成及び積層時、アノード側セパレータ２３２とカソード側セパレータ２３３との間に気密構造が形成される。
空気分配通路２６４は、ＭＥＡ３１の外郭に対応してアノード側セパレータ２３２及びカソード側セパレータ２３３に形成される空気供給口２６４１の連結によって形成される。空気供給口２６４１は、カソード側セパレータ２３３に形成される空気通路２３３１の一側に連結される。空気供給口２６４１と空気通路２３３１との連結部２３３３（図１２において隠線で示す）は、アノード側セパレータ２３２とカソード側セパレータ２３３とを気密するガスケット２３４のラインを横切り、気密構造を維持する構造に形成される。
空気バイパス通路２６３と空気分配通路２６４は、空気バイパス通路２６３にバイパスされる空気を空気分配通路２６４に伝達するように、空気流入口の反対側で第２連通溝７２（図１３参照）に連結される。第２連通溝７２は、空気流入口の反対側に配置されるエンドプレート２４４、インシュレータ２４３、集電板２４２、または最後の単位セルＣＵのセパレータ２３２、２３３に形成できる。便宜上、第２実施形態は、図１３に示したように、エンドプレート２４４に第１連通溝７１と第２連通溝７２を形成した構造を例示する。
未反応空気誘導通路２６５は、ＭＥＡ３１の外郭に対応してアノード側セパレータ２３２及びカソード側セパレータ２３３に形成される空気排出口２６５１の連結によって形成される。空気排出口２６５１は、カソード側セパレータ２３３に形成される空気通路２３３１の空気供給口２６４１の反対側に連結される。空気排出口２６５１と空気通路２３３１との連結部２３３２（図１２において隠線で示す）は、アノード側セパレータ２３２とカソード側セパレータ２３３とを気密するガスケット２３４のラインを横切り、気密構造を維持する構造に形成される。
この場合、空気バイパス通路２６３は、集電板２４２及びインシュレータ２４３に連結する空気バイパス口２４２１、２４３１を通じ、アノード側セパレータ２３２とカソード側セパレータ２３３に形成された空気バイパス口２６３１にさらに連結される。また、空気分配通路２６４は、集電板２４２及びインシュレータ２４３に連結する空気バイパス口２４２１、２４３１を通じ、アノード側セパレータ２３２とカソード側セパレータ２３３に形成された空気供給口２６４１にさらに連結される。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されず、特許請求の範囲、発明の詳細な説明、及び添付した図面の範囲内で多様に変形して実施でき、これも本発明の範囲に属することは当然のことである。
１０ 燃料供給部、
１１ 改質装置、
２０ 空気供給部、
２１ 空気ポンプ、
３０、２３０ スタック、
３１ ＭＥＡ、
３２、２３２ アノード側セパレータ、
３３、２３３ カソード側セパレータ、
３４、２３４ ガスケット、
４１ 締結部材、
４２、２４２ 集電板、
４３、２４３ インシュレータ、
４４、２４４ エンドプレート、
５１、２５１ 燃料流入口、
５２、２５２ 未反応燃料排出口、
５３、２５３ 燃料バイパス通路、
５４ 燃料分配通路、
５５ 未反応燃料誘導通路、
６１、２６１ 空気流入口、
６２、２６２ 未反応空気排出口、
６３ 反応冷却空気通路、
７１ 第１連通溝、
７２ 第２連通溝、
１００、２００ 燃料電池システム、
２６３ 空気バイパス通路、
２６４ 空気分配通路、
２６５ 未反応空気誘導通路、
３２１ 燃料通路、
３２２、３２３、２３３２、２３３３ 連結部、
４２１、４３１、４２２、４３２ 燃料バイパス口、
５４１ 燃料供給口、
５５１ 燃料排出口、
２３３１ 空気通路、
２４２１、２４３１ 空気バイパス口、
２６３１ 燃料バイパス口、
２６４１ 空気供給口、
２６５１ 空気排出口。

Claims (29)

  1. 水素を含有する燃料を供給する燃料供給部、
    酸素を含有する空気を供給する空気供給部、及び
    前記水素と前記酸素の電気化学反応によって電力と熱を発生させるスタックを含み、
    前記スタックは、
    ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、前記ＭＥＡの両面に配置されるセパレータと、を含んで形成され、
    複数に積層される単位セル、
    前記燃料供給部に連結されて前記単位セルに燃料を流入する燃料流入口、
    前記燃料流入口と前記スタックの同一側に形成され、前記単位セルから未反応燃料を排出する未反応燃料排出口、
    前記スタックの前記燃料流入口から前記燃料流入口の反対側まで連通する燃料バイパス通路、
    前記燃料流入口の反対側で前記燃料バイパス通路に連結されて前記燃料流入口側まで連通し、前記単位セルに燃料を分配する燃料分配通路、及び
    前記燃料流入口の反対側から前記未反応燃料排出口まで連通し、前記未反応燃料を前記未反応燃料排出口に誘導する未反応燃料誘導通路を含む燃料電池システム。
  2. 前記燃料バイパス通路は、
    前記ＭＥＡの外郭に対応して前記セパレータに形成される燃料バイパス口の連結によって形成される、請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記燃料分配通路は、前記ＭＥＡの外郭に対応して前記セパレータに形成される燃料供給口の連結によって形成され、
    前記燃料供給口は、前記セパレータに形成される燃料通路の一側に連結される、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記未反応燃料誘導通路は、前記ＭＥＡの外郭に対応して前記セパレータに形成される燃料排出口の連結によって形成され、
    前記燃料排出口は、前記セパレータに形成される前記燃料通路の他の一側に連結される、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。
  5. 前記燃料バイパス通路と前記燃料分配通路は、
    前記燃料流入口の反対側を形成するエンドプレート、インシュレータ、集電板、及び最後の単位セルのセパレータのうちの少なくとも一つに形成される第１連通溝によって連結する、請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池システム。
  6. 前記スタックは、
    前記空気供給部から前記単位セルに空気を流入する空気流入口、
    前記空気流入口の反対側に形成される未反応空気排出口、
    前記空気流入口から前記空気流入口の反対側まで連通して、前記単位セルに反応用空気を分配し、前記単位セルに放熱用空気の流れを形成する反応冷却空気通路を含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
  7. 前記反応冷却空気通路は、前記燃料バイパス通路に対して直交方向に形成される、請求項６に記載の燃料電池システム。
  8. 前記反応冷却空気通路は、前記セパレータの前記空気通路の反対側に形成される、請求項６に記載の燃料電池システム。
  9. 前記単位セルで一対のセパレータのうち、
    いずれか一つのセパレータは前記ＭＥＡの一面の前記燃料通路に対応し、
    他の一つのセパレータは前記ＭＥＡの他面の前記反応冷却空気通路に対応する、請求項８に記載の燃料電池システム。
  10. 前記空気バイパス通路と前記空気分配通路は、
    エンドプレート、インシュレータ、集電板、及び最後の単位セルのセパレータのいずれか一つに形成される第２連通溝によって連結する、請求項６から９のいずれかに記載の燃料電池システム。
  11. 水素を含有する燃料を供給する燃料供給部、
    酸素を含有する空気を供給する空気供給部、及び
    前記水素と前記酸素の電気化学反応によって電力と熱を発生させるスタックを含み、
    前記スタックは、
    ＭＥＡと、前記ＭＥＡの両面に配置されるセパレータと、を含んで形成され、複数に積層される単位セル、
    前記燃料供給部に連結して前記単位セルに燃料を流入する燃料流入口、
    前記単位セルから未反応燃料を排出する未反応燃料排出口、
    前記空気供給部に連結して前記単位セルに空気を流入する空気流入口、及び
    前記単位セルから未反応空気を排出する未反応空気排出口を含み、
    前記燃料流入口、前記未反応燃料排出口、前記空気流入口、及び前記未反応空気排出口を前記スタックの同一側に形成し、
    前記スタックの前記燃料流入口から前記燃料流入口の反対側まで連通する燃料バイパス通路、
    前記燃料流入口の反対側から前記燃料バイパス通路に連結して前記燃料流入口側まで連通し、前記単位セルに燃料を分配する燃料分配通路、及び
    前記燃料流入口の反対側から前記未反応燃料排出口まで連通して、前記未反応燃料を前記未反応燃料排出口に誘導する未反応燃料誘導通路を含む燃料電池システム。
  12. 前記スタックは、
    前記スタックの前記空気流入口から前記空気流入口の反対側まで連通する空気バイパス通路、
    前記空気流入口の反対側で前記空気バイパス通路に連結して前記空気流入口側まで連通し、前記単位セルに空気を分配する空気分配通路、及び
    前記空気流入口の反対側で前記未反応空気排出口まで連通して、前記未反応空気を前記未反応空気排出口に誘導する未反応空気誘導通路を含む、請求項１１に記載の燃料電池システム。
  13. 前記燃料バイパス通路及び前記空気バイパス通路は、
    前記ＭＥＡの外郭に対応して前記セパレータに形成される燃料バイパス口の連結及び空気バイパス口の連結によってそれぞれ形成される、請求項１２に記載の燃料電池システム。
  14. 前記燃料分配通路は、前記ＭＥＡの外郭に対応して前記セパレータに形成される燃料供給口の連結によって形成され、
    前記燃料供給口は、前記セパレータに形成される燃料通路の一側に連結する、請求項１２または１３に記載の燃料電池システム。
  15. 前記未反応燃料誘導通路は、前記ＭＥＡの外郭に対応して前記セパレータに形成される燃料排出口の連結によって形成され、
    前記燃料排出口は、前記セパレータに形成される前記燃料通路の他の一側に連結する、請求項１２から１４のいずれかに記載の燃料電池システム。
  16. 前記空気分配通路は、
    前記ＭＥＡの外郭に対応して前記セパレータに形成される空気供給口の連結によって形成され、
    前記空気供給口は、前記セパレータに形成される空気通路の一側に連結する、請求項１２から１５のいずれかに記載の燃料電池システム。
  17. 前記未反応空気誘導通路は、
    前記ＭＥＡの外郭に対応して前記セパレータに形成される空気排出口の連結によって形成され、
    前記空気排出口は、前記セパレータに形成される前記空気通路の他の一側に連結する、請求項１２から１６のいずれかに記載の燃料電池システム。
  18. ＭＥＡと、前記ＭＥＡの両面に配置されるセパレータと、を含んで形成され、複数に積層される単位セル、
    前記単位セルに水素を含む燃料を流入する燃料流入口、
    前記燃料流入口と同一側に形成され、前記単位セルから未反応燃料を排出する未反応燃料排出口、
    前記燃料流入口から前記燃料流入口の反対側まで連通する燃料バイパス通路、
    前記燃料流入口の反対側で前記燃料バイパス通路に連結して前記燃料流入口側まで連通し、前記単位セルに燃料を分配する燃料分配通路、及び
    前記燃料流入口の反対側で前記未反応燃料排出口まで連通して、前記未反応燃料を前記未反応燃料排出口に誘導する未反応燃料誘導通路を含む燃料電池システムのスタック。
  19. 前記燃料バイパス通路は、
    前記ＭＥＡの外郭に対応して前記セパレータに形成される燃料バイパス口の連結によって形成される、請求項１８に記載の燃料電池システムのスタック。
  20. 前記燃料分配通路は、前記ＭＥＡの外郭に対応して前記セパレータに形成される燃料供給口の連結によって形成され、
    前記燃料供給口は、前記セパレータに形成される燃料通路の一側に連結する、請求項１８または１９に記載の燃料電池システムのスタック。
  21. 前記未反応燃料誘導通路は、前記ＭＥＡの外郭に対応して前記セパレータに形成される燃料排出口の連結によって形成され、
    前記燃料排出口は、前記セパレータに形成される前記燃料通路の他の一側に連結する、請求項１８から２０のいずれかに記載の燃料電池システムのスタック。
  22. 前記燃料バイパス通路と前記燃料分配通路は、
    前記燃料流入口の反対側を形成するエンドプレート、インシュレータ、集電板、及び最後の単位セルのセパレータのいずれか一つに形成される第１連通溝によって連結する、請求項１８から２１のいずれかに記載の燃料電池システムのスタック。
  23. 前記スタックは、
    前記単位セルに空気を流入する空気流入口、
    前記空気流入口の反対側に形成される未反応空気排出口、及び
    前記空気流入口から前記空気流入口の反対側まで連通して、前記単位セルに反応用空気を分配し、前記単位セルに放熱用空気の流れを形成する反応冷却空気通路をさらに含み、
    前記反応冷却空気通路は前記燃料バイパス通路に対して直交方向に形成される、請求項１８に記載の燃料電池システムのスタック。
  24. ＭＥＡと、前記ＭＥＡの両面に配置されるセパレータとを含んで形成され、複数に積層される単位セル；
    前記単位セルに燃料を流入する燃料流入口；
    前記単位セルから未反応燃料を排出する未反応燃料排出口；
    前記単位セルに空気を流入する空気流入口；及び
    前記単位セルから未反応空気を排出する未反応空気排出口を含み、
    前記燃料流入口、前記未反応燃料排出口、前記空気流入口、及び前記未反応空気排出口を同一側に形成し、
    前記燃料流入口から前記燃料流入口の反対側まで連通する燃料バイパス通路；
    前記燃料流入口の反対側で前記燃料バイパス通路に連結して前記燃料流入口側まで連通し、前記単位セルに燃料を分配する燃料分配通路；及び
    前記燃料流入口の反対側で前記未反応燃料排出口まで連通し、前記未反応燃料を前記未反応燃料排出口に誘導する未反応燃料誘導通路をさらに含む燃料電池システムスタック。
  25. 前記空気流入口から前記空気流入口の反対側まで連通する空気バイパス通路、
    前記空気流入口の反対側で前記空気バイパス通路に連結して前記空気流入口側まで連通し、前記単位セルに空気を分配する空気分配通路、及び
    前記空気流入口の反対側で前記未反応空気排出口まで連通し、前記未反応空気を前記未反応空気排出口に誘導する未反応空気誘導通路をさらに含む、請求項２４に記載の燃料電池システムのスタック。
  26. 前記燃料バイパス通路及び前記空気バイパス通路は、
    前記ＭＥＡの外郭に対応して前記セパレータに形成される燃料バイパス口の連結及び空気バイパス口の連結によってそれぞれ形成される、請求項２５に記載の燃料電池システムのスタック。
  27. 前記燃料分配通路は、前記ＭＥＡの外郭に対応して前記セパレータに形成される燃料供給口の連結によって形成され、
    前記燃料供給口は、前記セパレータに形成される燃料通路の一側に連結し、
    前記未反応燃料誘導通路は、前記ＭＥＡの外郭に対応して前記セパレータに形成される燃料排出口の連結によって形成され、
    前記燃料排出口は、前記セパレータに形成される前記燃料通路の他の一側に連結する、請求項２５または２６に記載の燃料電池システムのスタック。
  28. 前記空気分配通路は、前記ＭＥＡの外郭に対応して前記セパレータに形成される空気供給口の連結によって形成され、
    前記空気供給口は、前記セパレータに形成される空気通路の一側に連結し、
    前記未反応空気誘導通路は、前記ＭＥＡの外郭に対応して前記セパレータに形成される空気排出口の連結によって形成され、
    前記空気排出口は、前記セパレータに形成される前記空気通路の他の一側に連結する、請求項２５から２７のいずれかに記載の燃料電池システムのスタック。
  29. 前記空気バイパス通路と前記空気分配通路は、
    前記エンドプレート、前記インシュレータ、前記集電板、及び前記最後の単位セルのセパレータのいずれか一つに形成される第２連通溝によって連結する、請求項２５から２８のいずれかに記載の燃料電池システムのスタック。
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