JP2016012509A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】耐久性の向上を図ることができながら、出力の向上を図ることができる燃料電池を提供すること。【解決手段】燃料電池３に、電解質膜１６と、電解質膜１６の積層方向の一方に隣接配置されるアノード電極１７と、積層方向の他方に隣接配置されるカソード電極１８と、アノード電極１７に対して積層方向の一方に隣接配置されるアノード側拡散層１５Ａと、アノード側拡散層１５Ａに対して積層方向の一方に隣接配置され、アノード側拡散層１５Ａに液体燃料を供給するための燃料流路６８が形成されるセパレータ１４とを備える。そして、アノード側拡散層１５Ａを、カーボンペーパーまたはカーボンフェルトから形成し、アノード側拡散層１５Ａに、積層方向に貫通する複数の開口部２０を備える。【選択図】図５

Description

本発明は、車両などに搭載される燃料電池に関する。

従来、固体高分子形の燃料電池として、メタノール、ジメチルエーテルまたはヒドラジンなどの液体燃料を使用する燃料電池が知られている。

例えば、膜・電極接合体と、膜・電極接合体の一方側に積層されるアノード側ＧＤＬ一体型シールと、アノード側ＧＤＬ一体型シールにおける膜・電極接合体の他方側に積層される第１セパレータと、膜・電極接合体の他方側に積層されるカソード側ＧＤＬ一体型シールと、カソード側ＧＤＬ一体型シールにおける膜・電極接合体の他方側に積層される第２セパレータとを備える燃料電池が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

このような燃料電池では、アノード側ＧＤＬ一体型シールが、アノード側拡散層を備え、カソード側ＧＤＬ一体型シールが、カソード側拡散層を備え、アノード側拡散層およびカソード側拡散層のそれぞれが、カーボンペーパーあるいはカーボンクロスなどから形成されている。

特開２０１３−５１０３６号公報

しかるに、特許文献１に記載の燃料電池において、拡散層（アノード側拡散層およびカソード側拡散層）をカーボン繊維の織物であるカーボンクロスから形成すると、カーボン繊維が毛羽立ち、膜・電極接合体を傷つける場合がある。そのため、燃料電池の耐久性の向上を図るには限度がある。

一方、特許文献１に記載の燃料電池において、拡散層（アノード側拡散層およびカソード側拡散層）をカーボン繊維の不織布であるカーボンペーパーやカーボンフェルトから形成すると、膜・電極接合体を傷つけることを抑制できるが、アノード側拡散層において、液体燃料の透過性が不十分となり、膜・電極接合体のアノード電極に液体燃料を十分に供給できない場合がある。

また、アノード電極では発電反応においてガスが生じる場合があるが、アノード側拡散層がカーボンペーパーやカーボンフェルトから形成されていると、ガスがアノード側拡散層を十分に透過できずに、アノード側拡散層とアノード電極との間に滞留してしまう。

これらの場合、アノード電極と液体燃料との接触が阻害され、燃料電池の出力が低下するという不具合がある。

そこで、本発明の目的は、耐久性の向上を図ることができながら、出力の向上を図ることができる燃料電池を提供することにある。

本発明の燃料電池は、電解質層と、前記電解質層に対して、前記電解質層の厚み方向の一方に隣接配置される燃料側電極と、前記電解質層に対して、前記厚み方向の他方に隣接配置される酸素側電極と、前記燃料側電極に対して前記厚み方向の一方に隣接配置されるガス拡散層と、前記ガス拡散層に対して前記厚み方向の一方に隣接配置され、前記ガス拡散層に液体燃料を供給するための燃料流路が形成される燃料供給部材と、を備え、前記ガス拡散層は、カーボンペーパーまたはカーボンフェルトからなり、前記厚み方向に貫通する複数の開口部を有していることを特徴としている。

このような構成によれば、ガス拡散層がカーボンペーパーまたはカーボンフェルトからなるので、燃料側電極が傷つくことを抑制でき、ひいては、燃料電池の耐久性の向上を図ることができる。

また、ガス拡散層が複数の開口部を有しているので、ガス拡散層がカーボンペーパーまたはカーボンフェルトから形成されていても、液体燃料が、複数の開口部を介して、燃料側電極に確実に供給される。

また、発電反応において燃料側電極の表面にガスが発生しても、そのガスは、複数の開口部を介して、ガス拡散層と燃料側電極との間から円滑に排出される。

そのため、液体燃料と燃料側電極との接触を確実に確保することができ、燃料電池の出力の向上を図ることができる。その結果、燃料電池の耐久性の向上を図ることができながら、燃料電池の出力の向上を図ることができる。

また、前記燃料供給部材は、前記厚み方向と直交する方向に延び、互いに間隔を空けて並列配置され、前記燃料流路を区画する複数の突条を備え、前記複数の開口部は、前記厚み方向に投影したときに、前記複数の突条のそれぞれの延びる方向に沿う端縁と重なるように、互いに間隔を空けて配置されていることが好適である。

しかるに、燃料電池の発電反応は、燃料側電極の表面、とりわけ、複数の突条のそれぞれと拡散層を挟んで向かい合う燃料側電極の部分において円滑に進行する。

この点、上記の構成によれば、複数の開口部が、厚み方向に投影したときに、複数の突条のそれぞれの延びる方向に沿う端縁と重なるように配置されているので、複数の突条のそれぞれと向かい合う燃料側電極の部分に、複数の開口部を介して、液体燃料をより一層確実に供給できる。

また、複数の突条のそれぞれと向かい合う燃料側電極の部分において、ガスが発生しても、複数の開口部を介して、ガス拡散層と燃料側電極との間から、ガスを確実に排出できる。

そのため、液体燃料と燃料側電極との接触をより一層確実に確保することができ、燃料電池の出力の向上を確実に図ることができる。

本発明の燃料電池によれば、耐久性の向上を図ることができながら、出力の向上を図ることができる。

図１は、本発明の燃料電池の一実施形態を搭載した電動車両の概略構成図を示す。 図２は、図１に示す燃料電池の斜視図を示す。 図３は、図２に示す単位セルの分解斜視図を示す。 図４は、図３に示すアノード側拡散層およびセパレータを積層方向の他方側から見た図を示す。 図５は、図４に示すアノード側拡散層およびセパレータのＡ−Ａ断面である。

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およびバッテリー５３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。

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。
（１）燃料電池
燃料電池３は、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、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、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。燃料給排部４は、燃料タンク２１と、燃料供給ライン２３と、燃料還流ライン２４と、排気ライン２５とを備えている。

燃料タンク２１は、燃料電池３の後側に間隔を隔てて配置されている。燃料タンク２１は、略ボックス形状を有し、燃料成分を含む液体燃料を貯蔵するように構成されている。

燃料成分としては、例えば、分子中に水素原子を含有する含水素液体燃料が挙げられ、具体的には、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アルキル基を有するエーテル類、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。

ヒドラジン類としては、例えば、ヒドラジン（ＮＨ_２ＮＨ_２）、水加ヒドラジン（ＮＨ_２ＮＨ_２・Ｈ_２Ｏ）、炭酸ヒドラジン（（ＮＨ_２ＮＨ_２）_２ＣＯ_２）、塩酸ヒドラジン（ＮＨ_２ＮＨ_２・ＨＣｌ）、硫酸ヒドラジン（ＮＨ_２ＮＨ_２・Ｈ_２ＳＯ_４）、モノメチルヒドラジン（ＣＨ_３ＮＨＮＨ_２）、ジメチルヒドラジン（（ＣＨ_３）_２ＮＮＨ_２、ＣＨ_３ＮＨＮＨＣＨ_３）、カルボンヒドラジド（（ＮＨＮＨ_２）_２ＣＯ）などが挙げられる。

このようなヒドラジン類のうち、好ましくは、炭素を含まないヒドラジン類、すなわち、ヒドラジン、水加ヒドラジン、硫酸ヒドラジンなどが挙げられる。ヒドラジン、水加ヒドラジン、硫酸ヒドラジンなどは、ＣＯおよびＣＯ_２の生成がなく、触媒の被毒が生じないことから、耐久性の向上を図ることができ、実質的なゼロエミッションを実現することができる。

このような燃料成分は、単独または２種類以上組み合わせて用いることができる。

燃料供給ライン２３は、燃料タンク２１から燃料電池３へ液体燃料を供給するための配管である。燃料供給ライン２３の供給方向上流端は、燃料タンク２１の下端部に接続されている。燃料供給ライン２３の供給方向下流端は、燃料電池３の燃料供給部８１（後述、図２参照）に接続されている。燃料供給ライン２３は、第１ポンプ２６を備えている。

第１ポンプ２６は、燃料供給ライン２３の途中に介在されている。第１ポンプ２６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。第１ポンプ２６は、駆動することにより、燃料タンク２１内の液体燃料を燃料電池３に供給する。

燃料還流ライン２４は、燃料電池３から燃料タンク２１へ液体燃料を還流するための配管である。燃料還流ライン２４の還流方向上流端は、燃料電池３の燃料排出部８２（後述、図２参照）に接続されている。燃料還流ライン２４の還流方向下流端は、燃料タンク２１の上端部に接続されている。燃料還流ライン２４は、気液分離器２７を備えている。

気液分離器２７は、燃料還流ライン２４の途中に介在されている。気液分離器２７は、液体燃料とガス（気体）とを分離する。

排気ライン２５は、気液分離器２７で分離されたガスを電動車両１から外へ排気するための配管である。排気ライン２５の排気方向上流端は、気液分離器２７に接続されている。排気ライン２５の排気方向下流端は、大気開放されている。なお、排気ライン２５の途中には、ガスを無害化および無臭化するための図示しない浄化装置が介在されている。
（３）空気給排部
空気給排部５は、電動車両１において燃料電池３の前側に配置されている。空気給排部５は、空気供給ライン４１と、空気排出ライン４２とを備えている。

空気供給ライン４１は、電動車両１の外から燃料電池３へ空気を供給するための配管である。空気供給ライン４１の供給方向上流端は、大気開放されている。空気供給ライン４１の供給方向下流端は、燃料電池３の空気供給部８３（後述、図２参照）に接続されている。空気供給ライン４１は、第２ポンプ４３を備えている。

第２ポンプ４３は、空気供給ライン４１の途中に介在されている。第２ポンプ４３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。第２ポンプ４３は、駆動することにより、電動車両１外からの空気を燃料電池３に供給する。

空気排出ライン４２は、燃料電池３から電動車両１の外へ空気を排出するための配管である。空気排出ライン４２の排出方向上流端は、燃料電池３の空気排出部８４（後述、図２参照）に接続されている。空気排出ライン４２の排出方向下流端は、大気開放されている。
（４）制御部
制御部６は、ＥＣＵ５１を備えている。

ＥＣＵ５１は、電動車両１における電気的な制御を実行するコントロールユニット（すなわち、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。

ＥＣＵ５１は、第１ポンプ２６および第２ポンプ４３のそれぞれと電気的に接続されている。
（５）動力部
動力部７は、電動車両１の前端部において、いわゆるエンジンルーム内に配置されている。動力部７は、モータ５２と、バッテリー５３とを備えている。

モータ５２は、燃料電池３に電気的に接続されている。モータ５２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。モータ５２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。

バッテリー５３は、燃料電池３とモータ５２との間の配線に電気的に接続されている。バッテリー５３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。
２．燃料電池の詳細
燃料電池３は、図２に示すように、セルスタック１０と、１対のエンドプレート１２とを備えている。

セルスタック１０は、図２および図３に示すように、複数の単位セル１１が積層されることにより構成されている。

なお、以下の説明において、複数の単位セル１１の積層方向（図５における紙面上下方向）を、単に積層方向とし、積層方向および上下方向の両方向と直交する方向を幅方向とする。また、積層方向は、厚み方向の一例であり、積層方向の一方が、厚み方向の一方、積層方向の他方が、厚み方向の他方の一例である。

複数の単位セル１１のそれぞれは、図３に示すように、膜電極接合体１３と、１対のガス拡散層１５と、燃料供給部材の一例としての１対のセパレータ１４とを備えている。なお、複数の単位セル１１のそれぞれは、図２および図５に示すように、互いに隣り合う単位セル１１とセパレータ１４を共有している。

膜電極接合体１３は、図３に示すように、積層方向から見て、略矩形の平板形状に形成されている。膜電極接合体１３は、電解質層の一例としての電解質膜１６と、燃料側電極の一例としてのアノード電極１７と、酸素側電極の一例としてのカソード電極１８とを備えている。

電解質膜１６は、アニオン交換形またはカチオン交換形の高分子電解質膜から形成されている。

アノード電極１７は、電解質膜１６の積層方向一方側（図５の紙面上側）の表面に、薄層として積層されている。つまり、アノード電極１７は、電解質膜１６に対して、積層方向の一方側に隣接配置されている。アノード電極１７は、例えば、触媒を担持した触媒担体により形成されている。なお、アノード電極１７は、触媒担体を用いずに、触媒から、直接形成することもできる。

カソード電極１８は、電解質膜１６の積層方向他方側（図５の紙面下側）の表面に、薄層として積層されている。つまり、カソード電極１８は、電解質膜１６に対して、積層方向の他方側に隣接配置されている。カソード電極１８は、例えば、触媒を担持した触媒担体により形成されている。なお、カソード電極１８は、触媒担体を用いずに、触媒から、直接形成することもできる。

１対のガス拡散層１５は、膜電極接合体１３を積層方向の両側から挟むように配置されており、アノード側拡散層１５Ａと、カソード側拡散層１５Ｂとを備えている。

アノード側拡散層１５Ａおよびカソード側拡散層１５Ｂのそれぞれは、カーボンペーパーまたはカーボンフェルトからなり、好ましくは、カーボンペーパーからなる。

カーボンペーパーは、カーボン繊維が２次元に配向された不織布であり、カーボンフェルトは、カーボン繊維が３次元に配向された不織布である。

アノード側拡散層１５Ａおよびカソード側拡散層１５Ｂのそれぞれは、積層方向から見て、膜電極接合体１３とほぼ同一の形状およびサイズを有する略平板形状に形成されている。

アノード側拡散層１５Ａは、図５に示すように、アノード電極１７に対して、積層方向の一方側に隣接配置されている。アノード側拡散層１５Ａは、図３に示すように、複数の開口部２０を有している。

複数の開口部２０は、図４に示すように、１対の開口列２０Ａが、幅方向に間隔Ｌ１を空けて複数（複数対）配置されることにより構成されている。

幅方向に互いに隣り合う１対の開口列２０Ａの間の間隔Ｌ１は、例えば、０．２５ｍｍ以上、好ましくは、０．５５ｍｍ以上、例えば、１．４５ｍｍ以下、好ましくは、１．１５ｍｍ以下である。

１対の開口列２０Ａは、図５に示すように、後述する複数の第１リブ６６のそれぞれに対応して設けられており、幅方向に互いに間隔Ｌ２を隔てて配置されている。

１対の開口列２０Ａの間の間隔Ｌ２は、例えば、０．２５ｍｍ以上、好ましくは、０．５５ｍｍ以上、例えば、１．４５ｍｍ以下、好ましくは、１．１５ｍｍ以下である。

また、各開口列２０Ａは、図４に示すように、上下方向に互いに間隔を隔てて並ぶ複数の開口部２０から構成されている。

各開口列２０Ａにおける上下方向に互いに隣り合う開口部２０の間の間隔Ｌ３は、例えば、０．２５ｍｍ以上、好ましくは、０．５５ｍｍ以上、例えば、１．４５ｍｍ以下、好ましくは、１．１５ｍｍ以下である。

なお、本実施形態では、間隔Ｌ１〜間隔Ｌ３は、互いに略同一である。そのため、複数の開口部２０は、上下方向および幅方向のそれぞれにおいて、互いに等間隔を隔てて配置されている。

複数の開口部２０のそれぞれは、積層方向から見て略円形状に形成されており、アノード側拡散層１５Ａを積層方向に貫通している。

各開口部２０の径は、例えば、０．０５ｍｍ以上、好ましくは、０．１０ｍｍ以上、例えば、０．２５ｍｍ以下、好ましくは、０．２０ｍｍ以下である。

また、複数の開口部２０の開口面積の総和は、アノード側拡散層１５Ａの面積に対して、例えば、０．０８％以上、好ましくは、１．０％以上、例えば、２０％以下、好ましくは、７．０％以下である。

複数の開口部２０の開口面積の総和が、上記下限値以上であれば、後述する発電動作において、液体燃料をアノード電極１７に円滑に供給できるとともに、発生するガスを後述する燃料流路６８に確実に排出でき、上記上限値以下であれば、アノード側拡散層１５Ａの耐久性を確実に確保することができる。

アノード側拡散層１５Ａに複数の開口部２０を形成する方法としては、特に制限されず、例えば、放電加工、打ち抜き加工などの公知の加工方法が挙げられる。

また、アノード側拡散層１５Ａの厚み（積層方向の寸法）は、例えば、０．０５ｍｍ以上、好ましくは、０．１０ｍｍ以上、例えば、０．５０ｍｍ以下、好ましくは、０．２５ｍｍ以下である。

カソード側拡散層１５Ｂは、図５に示すように、カソード電極１８に対して、積層方向の他方側に隣接配置されている。

また、カソード側拡散層１５Ｂの厚み（積層方向の寸法）は、例えば、０．０５ｍｍ以上、好ましくは、０．１０ｍｍ以上、例えば、０．５０ｍｍ以下、好ましくは、０．４０ｍｍ以下である。

１対のセパレータ１４は、１対のガス拡散層１５を積層方向の外側から挟むように配置されている。各セパレータ１４は、ガス不透過性の導電性材料（メタルセパレータなどの導電板を含む）からなり、図３に示すように、積層方向に投影したときに、膜電極接合体１３を含む略平板形状に形成されている。

また、各セパレータ１４には、燃料供給口６０と、燃料排出口６１と、空気供給口６２と、空気排出口６３と、燃料流路形成領域６４と、空気流路形成領域６５（図５参照）とが形成されている。

燃料供給口６０は、セパレータ１４の下端部における幅方向他方側部分に形成されている。燃料供給口６０は、積層方向から見て矩形状に形成され、セパレータ１４を積層方向に貫通している。

燃料排出口６１は、セパレータ１４の上端部における幅方向一方側部分に形成されている。燃料排出口６１は、積層方向から見て矩形状に形成され、セパレータ１４を積層方向に貫通している。

空気供給口６２は、各セパレータ１４の上端部における幅方向他方側部分に形成されており、燃料排出口６１に対して、幅方向の他方に間隔を隔てて配置されている。空気供給口６２は、積層方向から見て矩形状に形成され、セパレータ１４を積層方向に貫通している。

空気排出口６３は、各セパレータ１４の下端部における幅方向一方側部分に形成されており、燃料供給口６０に対して、幅方向の一方に間隔を隔てて配置されている。空気排出口６３は、積層方向から見て矩形状に形成され、セパレータ１４を積層方向に貫通している。

燃料流路形成領域６４は、セパレータ１４の積層方向他方面の略中央に配置されており、燃料供給口６０および空気排出口６３と、燃料排出口６１および空気供給口６２との上下方向の間に、それらと間隔を隔てて配置されている。

燃料流路形成領域６４は、セパレータ１４の積層方向他方面から積層方向一方へ凹むように、膜電極接合体１３とほぼ同じ大きさの略矩形状に形成されている。燃料流路形成領域６４には、複数の突条の一例としての複数の第１リブ６６と、第１燃料通過口６７と、第２燃料通過口６９とが設けられている。

複数の第１リブ６６のそれぞれは、積層方向から見て、上下方向に延びる略矩形状を有しており、図５に示すように、燃料流路形成領域６４の底面（積層方向の他方面）から積層方向他方側へ突出するように形成されている。そして、複数の第１リブ６６は、図３に示すように、燃料流路形成領域６４において、幅方向に互いに間隔を隔てて複数並列配置されている。また、複数の第１リブ６６のうち、幅方向の両端部に配置される第１リブ６６のそれぞれは、燃料流路形成領域６４の幅方向周縁６４Ａに対して内側に間隔を隔てて配置されている。

また、各第１リブ６６の上端部は、燃料流路形成領域６４の上側周縁６４Ｂに対して下側に間隔を隔てて配置され、各第１リブ６６の下端部は、燃料流路形成領域６４の下側周縁６４Ｃに対して上側に間隔を隔てて配置されている。

第１リブ６６の幅方向の寸法Ｌ４は、図５に示すように、１対の開口列２０Ａの間の間隔Ｌ２よりも大きく、例えば、０．５０ｍｍ以上、好ましくは、０．７５ｍｍ以上、例えば、１．５０ｍｍ以下、好ましくは、１．２５ｍｍ以下である。

また、複数の第１リブ６６のうち、互いに隣り合う第１リブ６６の幅方向の間隔Ｌ５は、幅方向に互いに隣り合う１対の開口列２０Ａの間の間隔Ｌ１よりも大きく、例えば、０．５０ｍｍ以上、好ましくは、０．７５ｍｍ以上、例えば、１．５０ｍｍ以下、好ましくは、１．２５ｍｍ以下である。また、第１リブ６６の積層方向の寸法は、例えば、０．２５ｍｍ以上、好ましくは、０．５０ｍｍ以上、例えば、１．５０ｍｍ以下、好ましくは、１．２５ｍｍ以下である。

また、複数の第１リブ６６は、図３に示すように、燃料流路形成領域６４において、アノード側拡散層１５Ａに液体燃料を供給するための燃料流路６８を区画している。燃料流路６８は、複数の分岐流路６８Ａと、上側合流部分６８Ｂと、下側合流部分６８Ｃとを有している。

複数の分岐流路６８Ａは、互いに隣り合う第１リブ６６の間、および、幅方向の両端部に配置される第１リブ６６と、燃料流路形成領域６４の幅方向周縁６４Ａとの間に区画されている。つまり、複数の分岐流路６８Ａは、上下方向に延びており、幅方向に互いに間隔を空けて並列配置されている。

上側合流部分６８Ｂは、複数の第１リブ６６の上端部と、燃料流路形成領域６４の上側周縁６４Ｂとの間に区画されている。上側合流部分６８Ｂは、複数の分岐流路６８Ａのそれぞれの上端部と連通しており、複数の分岐流路６８Ａの上端部を合流させている。

下側合流部分６８Ｃは、複数の第１リブ６６の下端部と、燃料流路形成領域６４の下側周縁６４Ｃとの間に区画されている。下側合流部分６８Ｃは、複数の分岐流路６８Ａのそれぞれの下端部と連通しており、複数の分岐流路６８Ａの下端部を合流させている。

第１燃料通過口６７は、燃料流路形成領域６４の下側周縁６４Ｃの幅方向他方側に形成されている。第１燃料通過口６７は、平面視略矩形状に形成されており、下側周縁６４Ｃを上下方向に貫通している。これにより、第１燃料通過口６７は、燃料供給口６０と、燃料流路形成領域６４（燃料流路６８の下側合流部分６８Ｃ）とを上下方向に連通している。

第２燃料通過口６９は、燃料流路形成領域６４の上側周縁６４Ｂの幅方向一方側に形成されている。第２燃料通過口６９は、平面視略矩形状に形成されており、上側周縁６４Ｂを上下方向に貫通している。これにより、第２燃料通過口６９は、燃料排出口６１と、燃料流路形成領域６４（燃料流路６８の上側合流部分６８Ｂ）とを上下方向に連通している。

空気流路形成領域６５は、図５に示すように、各セパレータ１４の積層方向一方面の略中央に配置されており、積層方向に投影したときに、燃料流路形成領域６４と一致するように形成されている。

空気流路形成領域６５は、セパレータ１４の積層方向一方面から積層方向他方へ凹むように、膜電極接合体１３とほぼ同じ大きさの略矩形状に形成されている。空気流路形成領域６５には、複数の第２リブ７０と、第１空気通過口（図示せず）と、第２空気通過口（図示せず）とが設けられている。

複数の第２リブ７０のそれぞれは、積層方向から見て、上下方向に延びる略矩形状を有しており、空気流路形成領域６５の底面（積層方向の一方面）から積層方向一方側へ突出するように形成されている。そして、複数の第２リブ７０は、空気流路形成領域６５において、幅方向に互いに間隔を隔てて複数並列配置されており、積層方向に投影したときに、複数の第１リブ６６と一致している。

第２リブ７０の幅方向の寸法は、第１リブ６６の幅方向の寸法Ｌ４と略同一である。複数の第２リブ７０のうち、互いに隣り合う第２リブ７０の幅方向の間隔は、互いに隣り合う第１リブ６６の幅方向の間隔Ｌ５と略同一である。

また、複数の第２リブ７０は、空気流路形成領域６５において、カソード側拡散層１５Ｂに空気（酸素）を供給するための空気流路７１を区画している。空気流路７１は、複数の分岐流路７１Ａと、上側合流部分（図示せず）と、下側合流部分（図示せず）とを有している。

複数の分岐流路７１Ａは、互いに隣り合う第２リブ７０の間、および、幅方向の両端部に配置される第２リブ７０と、空気流路形成領域６５の幅方向周縁との間に区画されている。つまり、複数の分岐流路７１Ａは、上下方向に延びており、幅方向に互いに間隔を空けて並列配置されている。

上側合流部分（図示せず）は、複数の第２リブ７０の上端部と、空気流路形成領域６５の上側周縁との間に区画されており、複数の分岐流路７１Ａの上端部を合流させている。

下側合流部分（図示せず）は、複数の第２リブ７０の下端部と、空気流路形成領域６５の下側周縁との間に区画されており、複数の分岐流路７１Ａの下端部を合流させている。

第１空気通過口（図示せず）は、空気流路形成領域６５の上側端縁の幅方向他方側に形成され、空気供給口６２と空気流路形成領域６５（空気流路７１の上側合流部分（図示せず））とを上下方向に連通している。

第２空気通過口（図示せず）は、空気流路形成領域６５の下側端縁の幅方向一方側に形成され、空気排出口６３と空気流路形成領域６５（空気流路７１の下側合流部分（図示せず））とを上下方向に連通している。

そして、１対のセパレータ１４のうち、積層方向一方側のセパレータ１４の燃料流路形成領域６４は、図５に示すように、アノード側拡散層１５Ａおよび膜電極接合体１３の積層方向一方側部分を収容している。

また、燃料流路形成領域６４の複数の第１リブ６６は、アノード側拡散層１５Ａ、より具体的には、アノード側拡散層１５Ａにおける１対の開口列２０Ａの間の部分に接触しており、アノード側拡散層１５Ａは、複数の第１リブ６６と、アノード電極１７との間に挟まれている。

また、第１リブ６６の幅方向端縁６６Ａは、図４に示すように、積層方向に投影したときに、対応する開口列２０Ａのすべての開口部２０の中心を通過するように配置されている。

つまり、各開口列２０Ａのすべての開口部２０は、対応する第１リブ６６の幅方向端縁６６Ａ（第１リブ６６の延びる方向に沿う端縁）と重なるように配置されており、それら開口部２０の少なくとも一部（幅方向内側半分）は、積層方向に投影したときに、対応する第１リブ６６と重なり、それら開口部２０の他の部分（幅方向外側半分）は、互いに隣り合う第１リブ６６の間（燃料流路６８の複数の分岐流路６８Ａ）に配置されている。

また、１対のセパレータ１４のうち、積層方向他方側のセパレータ１４の空気流路形成領域６５は、図５に示すように、カソード側拡散層１５Ｂおよび膜電極接合体１３の積層方向他方部分を収容している。

これによって、１対のセパレータ１４は、１対のガス拡散層１５および膜電極接合体１３を、燃料流路形成領域６４および空気流路形成領域６５に収容するように、積層されている。なお、１対のセパレータ１４の周縁部分間には、図示しないシール部材が介在されている。シール部材（図示せず）は、少なくとも、燃料供給口６０、燃料排出口６１、空気供給口６２および空気排出口６３を囲むように設けられている。

また、空気流路形成領域６５の複数の第２リブ７０は、カソード側拡散層１５Ｂに接触しており、カソード側拡散層１５Ｂは、複数の第２リブ７０と、カソード電極１８との間に挟まれている。

１対のエンドプレート１２は、図２に示すように、セルスタック１０を積層方向の外側から挟むように、燃料電池３の積層方向両端部に配置されている。各エンドプレート１２は、絶縁性の樹脂などから略平板形状に形成されている。積層方向他方側のエンドプレート１２には、燃料供給部８１と、燃料排出部８２と、空気供給部８３と、空気排出部８４とが設けられている。

燃料供給部８１は、エンドプレート１２の下端部における幅方向他方側部分に配置されている。燃料供給部８１は、燃料供給開口８１Ａと、燃料供給筒部８１Ｂとを有している。

燃料供給開口８１Ａは、積層方向に投影したときに、セパレータ１４の燃料供給口６０（図３参照）と重なるように配置されており、エンドプレート１２を積層方向に貫通している。

燃料供給筒部８１Ｂは、積層方向に延びる略円筒形状に形成されている。そして、燃料供給筒部８１Ｂの積層方向一端部は、図示しないガスケットを介して、燃料供給開口８１Ａに挿通されている。これによって、燃料供給筒部８１Ｂと、各セパレータ１４の燃料供給口６０（図３参照）とが連通している。また、燃料供給筒部８１Ｂの積層方向他端部は、燃料供給ライン２３（図１参照）に接続されている。

燃料排出部８２は、エンドプレート１２の上端部における幅方向一方側部分に配置されている。燃料排出部８２は、燃料排出開口８２Ａと、燃料排出筒部８２Ｂとを有している。

燃料排出開口８２Ａは、積層方向に投影したときに、セパレータ１４の燃料排出口６１（図３参照）と重なるように配置されており、エンドプレート１２を積層方向に貫通している。

燃料排出筒部８２Ｂは、積層方向に延びる略円筒形状に形成されている。そして、燃料排出筒部８２Ｂの積層方向一端部は、図示しないガスケットを介して、燃料排出開口８２Ａに挿通されている。これによって、燃料排出筒部８２Ｂと、各セパレータ１４の燃料排出口６１（図３参照）とが連通している。また、燃料排出筒部８２Ｂの積層方向他端部は、燃料還流ライン２４（図１参照）に接続されている。

空気供給部８３は、エンドプレート１２の上端部における幅方向他方側部分に配置されており、燃料排出部８２に対して、幅方向他方側に間隔を空けて配置されている。空気供給部８３は、空気供給開口８３Ａと、空気供給筒部８３Ｂとを有している。

空気供給開口８３Ａは、積層方向に投影したときに、セパレータ１４の空気供給口６２と重なるように配置されており、エンドプレート１２を積層方向に貫通している。

空気供給筒部８３Ｂは、積層方向に延びる略円筒形状に形成されている。そして、空気供給筒部８３Ｂの積層方向一端部は、図示しないガスケットを介して、空気供給開口８３Ａに挿通されている。これによって、空気供給筒部８３Ｂと、各セパレータ１４の空気供給口６２とが連通している。また、空気供給筒部８３Ｂの積層方向他端部は、空気供給ライン４１（図１参照）に接続されている。

空気排出部８４は、エンドプレート１２の下端部における幅方向一方側部分に配置されており、燃料供給部８１に対して、幅方向一方側に間隔を空けて配置されている。空気排出部８４は、空気排出開口８４Ａと、空気排出筒部８４Ｂとを有している。

空気排出開口８４Ａは、積層方向に投影したときに、セパレータ１４の空気排出口６３と重なるように配置されており、エンドプレート１２を積層方向に貫通している。

空気排出筒部８４Ｂは、積層方向に延びる略円筒形状に形成されている。そして、空気排出筒部８４Ｂの積層方向一端部は、図示しないガスケットを介して、空気排出開口８４Ａに挿通されている。これによって、空気排出筒部８４Ｂと、各セパレータ１４の空気排出口６３とが連通している。また、空気排出筒部８４Ｂの積層方向他端部は、空気排出ライン４２（図１参照）に接続されている。
３．発電動作
次いで、燃料電池３の発電動作について説明する。

電動車両１が作動されると、図１に示すように、ＥＣＵ５１の制御により、燃料供給ライン２３の第１ポンプ２６、および、空気供給ライン４１の第２ポンプ４３が駆動される。

燃料供給ライン２３の第１ポンプ２６が駆動すると、燃料タンク２１内の液体燃料は、燃料供給ライン２３を介して、図２に示すように、燃料電池３の燃料供給部８１に供給される。

燃料供給部８１に供給された液体燃料は、燃料供給筒部８１Ｂを介して、図３に示すように、セパレータ１４の燃料供給口６０に流入した後、第１燃料通過口６７から、燃料流路６８の下側合流部分６８Ｃに流入する。そして、液体燃料は、アノード側拡散層１５Ａの積層方向一方面（図５参照）と接触しながら、燃料流路６８の複数の分岐流路６８Ａを下側から上側へ向かって流れる。

このとき、液体燃料は、アノード側拡散層１５Ａに浸透するとともに、アノード側拡散層１５Ａの複数の開口部２０を通過して、アノード電極１７に供給される。とりわけ、液体燃料は、第１リブ６６とアノード電極１７との間に挟まれる、アノード側拡散層１５Ａの部分に円滑に浸透する。

その後、液体燃料は、燃料流路６８の上側合流部分６８Ｂ、第２燃料通過口６９、および燃料排出口６１を順次通過して、図２に示すように、燃料排出部８２から燃料還流ライン２４（図１参照）へ排出される。

また、図１に示すように、空気供給ライン４１の第２ポンプ４３が駆動すると、電動車両１の外部から空気が取り込まれ、空気供給ライン４１を介して、図２に示すように、燃料電池３の空気供給部８３に供給される。

空気供給部８３に供給された空気は、空気供給筒部８３Ｂを介して、図３に示すように、セパレータ１４の空気供給口６２に流入した後、第１空気通過口（図示せず）から、図５に示すように、空気流路７１の下側合流部分（図示せず）に流入する。そして、空気は、カソード側拡散層１５Ｂの積層方向他方面（図５参照）と接触しながら、空気流路７１の複数の分岐流路７１Ａを上側から下側へ向かって流れる。このとき、空気は、カソード側拡散層１５Ｂに浸透して、カソード電極１８に供給される。

その後、空気は、空気流路７１の上側合流部分（図示せず）、第２空気通過口（図示せず）および空気排出口６３を順次通過して、図２に示すように、空気排出部８４から空気排出ライン４２（図１参照）へ排出される。

すると、燃料電池３では、燃料成分がヒドラジンである場合には、下記反応式（１）〜（３）で表される反応が生じ、発電が行なわれる。
（１） Ｎ_２Ｈ_４＋４ＯＨ⁻→Ｎ_２＋４Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻ （アノード電極１７での反応）
（２） Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻ （カソード電極１８での反応）
（３） Ｎ_２Ｈ_４＋Ｏ_２→Ｎ_２＋２Ｈ_２Ｏ （単位セル１１全体での反応）
これらの反応により、ヒドラジン（Ｎ_２Ｈ_４）が消費されるとともに、水（Ｈ_２Ｏ）および窒素ガス（Ｎ_２）が生成され、起電力が発生される。

また、燃料電池３では、燃料成分がメタノールである場合には、下記反応式（４）〜（６）で表される反応が生じ、発電が行なわれる。
（４） ＣＨ_３ＯＨ＋６ＯＨ⁻→ＣＯ_２＋５Ｈ_２Ｏ＋６ｅ⁻ （アノード電極１７での反応）
（５） Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻ （カソード電極１８での反応）
（６） ＣＨ_３ＯＨ＋３／２Ｏ_２→ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ （単位セル１１全体での反応）
これらの反応により、メタノール（ＣＨ_３ＯＨ）が消費されるとともに、水（Ｈ_２Ｏ）および二酸化炭素ガス（ＣＯ_２）が生成され、起電力が発生される。

発生した起電力は、図１に示すように、セルスタック１０から取り出され、図示しないインバータにより三相交流電力に変換された後、モータ５２に供給され、電動車両１の車輪を駆動させる機械エネルギーに変換される。なお、機械エネルギーに変換されなかった余剰の電力は、バッテリー５３に蓄電される。

このように上記の発電では、アノード電極１７において、ガス（反応式（１）において生成する窒素ガス（Ｎ_２）や、反応式（４）において生成する二酸化炭素ガス（ＣＯ_２））が発生する。

このようなガスは、図５に示すように、アノード電極１７の表面から、複数の開口部２０を介して、燃料流路６８に排出され、ガスの浮力および液体燃料の流れにより、図２および図３に示すように、第２燃料通過口６９および燃料排出口６１を順次介して、燃料排出部８２から燃料還流ライン２４（図１参照）へ排出される。
４．作用効果
このような燃料電池３では、図５に示すように、アノード側拡散層１５Ａがカーボンペーパーまたはカーボンフェルトから形成されている。そのため、膜電極接合体１３のアノード電極１７が傷つくことを抑制でき、ひいては、燃料電池３の耐久性の向上を図ることができる。

また、アノード側拡散層１５Ａは、複数の開口部２０を有している。そのため、アノード側拡散層１５Ａがカーボンペーパーまたはカーボンフェルトから形成されていても、液体燃料が、複数の開口部２０を介して、アノード電極１７に確実に供給される。

また、発電反応においてアノード電極１７の表面にガスが発生しても、そのガスは、複数の開口部２０を介して、アノード側拡散層１５Ａとアノード電極１７との間から円滑に排出される。

その結果、液体燃料とアノード電極１７との接触を確実に確保することができ、燃料電池３の出力の向上を図ることができる。

複数の開口部２０は、図４に示すように、積層方向に投影したときに、複数の第１リブ６６のそれぞれの幅方向両端縁６６Ａ（第１リブ６６の延びる方向に沿う端縁）と重なるように配置されている。そのため、図５に示すように、複数の第１リブ６６のそれぞれと、アノード側拡散層１５Ａを挟んで向かい合うアノード電極１７の部分に、液体燃料を、複数の開口部２０を介して、より一層確実に供給できる。

また、複数の第１リブ６６のそれぞれと向かい合うアノード電極１７の部分において、ガスが発生しても、複数の開口部２０を介して、アノード側拡散層１５Ａとアノード電極１７との間から、ガスを確実に排出できる。

その結果、液体燃料とアノード電極１７との接触をより一層確実に確保することができ、燃料電池３の出力の向上を確実に図ることができる。

また、各開口列２０Ａのすべての開口部２０は、図４に示すように、積層方向に投影したときに、それら開口部２０の少なくとも一部が対応する第１リブ６６と重なり、それら開口部２０の他の部分が互いに隣り合う第１リブ６６の間（燃料流路６８の複数の分岐流路６８Ａ）に配置されている。

しかるに、開口部２０の全体が、積層方向に投影したときに、対応する第１リブ６６と重なるように配置された場合、第１リブ６６とアノード電極１７との間の電気抵抗が大きくなり、起電力のセルスタック１０からの取り出しが阻害される場合がある。

この点、上記の構成によれば、開口部２０の少なくとも一部が、積層方向に投影したときに、対応する第１リブ６６と重なり、開口部２０の他の部分が、互いに隣り合う第１リブ６６の間、つまり、対応する第１リブ６６と重ならないように配置されているので、第１リブ６６とアノード電極１７との間の電気抵抗が大きくなることを抑制できる。そのため、起電力のセルスタック１０からの円滑な取り出しを確保することができる。
５．変形例
上記実施形態では、複数の開口部２０は、積層方向に投影したときに、対応する第１リブ６６の幅方向端縁６６Ａと重なるように配置されているが、複数の開口部２０の配置は特に制限されず、アノード側拡散層１５Ａにおいて、ランダムに配置されてもよい。

また、上記実施形態では、複数の第１リブ６６のそれぞれは、上下方向に延びるように形成されているが、これに限定されず、複数の第１リブ６６のそれぞれは、上下方向と交差する方向に延びていてもよい。

また、上記実施形態では、複数の開口部２０のそれぞれは、積層方向から見て、略円形状に形成されるが、開口部２０の形状は特に制限されず、例えば、矩形状などであってもよい。

このような変形例においても、上記の実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

３ 燃料電池
１４ セパレータ
１５ ガス拡散層
１６ 電解質膜
１７ アノード電極
１８ カソード電極
２０ 開口部
６６ 第１リブ
６６Ａ 第１リブの幅方向端縁
６８ 燃料流路

Claims (2)

1. 電解質層と、
   前記電解質層に対して、前記電解質層の厚み方向の一方に隣接配置される燃料側電極と、
   前記電解質層に対して、前記厚み方向の他方に隣接配置される酸素側電極と、
   前記燃料側電極に対して前記厚み方向の一方に隣接配置されるガス拡散層と、
   前記ガス拡散層に対して前記厚み方向の一方に隣接配置され、前記ガス拡散層に液体燃料を供給するための燃料流路が形成される燃料供給部材と、を備え、
   前記ガス拡散層は、
   カーボンペーパーまたはカーボンフェルトからなり、
   前記厚み方向に貫通する複数の開口部を有していることを特徴とする、燃料電池。
2. 前記燃料供給部材は、前記厚み方向と直交する方向に延び、互いに間隔を空けて並列配置され、前記燃料流路を区画する複数の突条を備え、
   前記複数の開口部は、前記厚み方向に投影したときに、前記複数の突条のそれぞれの延びる方向に沿う端縁と重なるように、互いに間隔を空けて配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。

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