JP2016091704A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】中間プレートを用いて、簡易な構成により、圧力損失を低減することができながら、小型化を図ることのできる燃料電池を提供すること。
【解決手段】
燃料電池３において、単位セル２８は、膜電極接合体３１、アノード側セパレータ３２、カソード側セパレータ３３、および、中間プレート３４を備え、アノード側セパレータ３２は、膜電極接合体３１のアノード電極３７に液体燃料を供給するための燃料流路５７に連通される第１貫通穴５５を備え、中間プレート３４は、その厚み方向他方面において、第１貫通穴５５に向けて燃料を供給する燃料供給流路８０と、その厚み方向一方面において、燃料供給流路８０と並行して燃料が流れる第１サブ燃料流路８１と、燃料供給流路８０の下流側端部と、第１サブ燃料流路８１の下流側端部と連通する第１連通穴７８とを備えている。
【選択図】図６

Description

本発明は、車両または定置システムなどに搭載される燃料電池に関する。

従来より、車両または定置システムなどに搭載される燃料電池として、燃料が供給されるアノード電極と、酸素が供給されるカソード電極とを備えており、これらの電極が、固体高分子膜からなる電解質層を挟んで対向配置されるように構成される膜電極接合体を備える燃料電池が知られている。

このような燃料電池として、膜電極接合体を、燃料が給排されるアノード側セパレータと、空気が給排されるカソード側セパレータとで挟むようにして構成される発電セルが複数積層されることにより構成される燃料電池が知られている。

そして、燃料として、ヒドラジン類などの液体燃料が供給されることにより発電する燃料電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、このような燃料電池において、アノード側セパレータと、カソード側セパレータとの間に、燃料電池を冷却するための冷却媒体が循環される中間プレートとを備える構成が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１４−１０７１２０号公報 特開２００８−２８２５９０号公報

しかるに、燃料電池に供給する燃料として、ヒドラジン類などの液体燃料を使用する場合には、発電中の反応でガスを発生する場合があり、圧力損失が増大する不具合がある。

また、近年、燃料電池のますますの小型化が望まれているが、小型化することにより、液体燃料が通過する流路の断面積が小さくなり、さらに圧力損失が増大する不具合がある。

そこで、本発明の目的は、中間プレートを用いて、簡易な構成により、圧力損失を低減することができながら、小型化を図ることの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、電解質層の厚み方向一方側に配置される燃料側電極、および、電解質層の厚み方向他方側に配置される酸素側電極を備える膜電極接合体と、膜電極接合体の厚み方向一方側に隣接配置され、その厚み方向他方面には燃料側電極に液体燃料を供給する燃料流路が形成されるアノード側セパレータと、膜電極接合体の厚み方向他方側に隣接配置され、その厚み方向一方面には酸素側電極に酸素を供給する酸素流路が形成されるカソード側セパレータと、アノード側セパレータの厚み方向一方側に隣接配置される中間プレートとを備える単位セルを少なくとも１つ備える燃料電池であって、単位セルは、膜電極接合体、アノード側セパレータ、カソード側セパレータ、および、中間プレートの全てを厚み方向に貫通し、液体燃料が供給される燃料供給口と、膜電極接合体、アノード側セパレータ、カソード側セパレータ、および、中間プレートの全てを厚み方向に貫通し、液体燃料が排出される燃料排出口とを備え、アノード側セパレータは、燃料流路の上流側端部において、厚み方向に貫通する第１貫通穴と、燃料流路の下流側端部において、厚み方向に貫通する第２貫通穴とを備え、中間プレートは、その厚み方向他方面において、燃料供給口から第１貫通穴に向けて燃料を供給する燃料供給流路が形成される燃料供給流路形成領域と、その厚み方向他方面において、第２貫通穴から燃料排出口に向けて液体燃料を排出する燃料排出流路が形成される燃料排出流路形成領域と、その厚み方向一方面において、厚み方向に投影したときに、燃料供給流路形成領域、および、燃料排出流路形成領域の少なくとも一方と重なる位置に形成され、液体燃料が流通可能なサブ流路と、連通穴とを備え、サブ流路は、燃料供給流路形成領域と重なる場合には、燃料供給口から液体燃料が供給され、燃料排出経路形成領域と重なる場合には、燃料排出口に燃料を排出し、連通穴は、サブ流路が燃料供給流路形成領域と重なる場合には、燃料供給流路の下流側端部と、サブ流路の下流側端部とを厚み方向に連通し、サブ流路が燃料排出流路形成領域と重なる場合には、燃料排出流路の上流側端部と、サブ流路の上流側端部とを厚み方向に連通することを特徴としている。

このような構成によれば、燃料供給口を流れる液体燃料は、中間プレートの燃料供給流路、および、アノード側セパレータの第１貫通穴を流れて、燃料流路に供給される。

また、燃料流路を流れた液体燃料は、アノード側セパレータの第２貫通穴、および、燃料排出流路を流れて、燃料排出口に排出される。

そして、サブ流路が燃料供給流路形成領域と重なる場合には、燃料供給口を通過する燃料は、燃料供給流路だけでなく、サブ流路にも流入して、アノード側セパレータの燃料流路に対して供給される。

そのため、液体燃料が燃料供給口から燃料流路に到達するまでの流路において、燃料供給流路と、サブ流路とを並行して通過することで、液体燃料が流れる流路の断面積の増大を図ることができ、圧力損失の低減を図ることができる。

また、サブ流路が燃料排出流路形成領域と重なる場合には、燃料流路から排出される液体燃料は、燃料排出流路だけでなく、サブ流路にも流入して、燃料排出口に排出される。

そのため、液体燃料が燃料流路から燃料排出口に到達するまでの流路において、燃料排出流路と、サブ流路とを並列して通過することで、液体燃料が流れる流路の断面積の増大を図ることができ、圧力損失の低減を図ることができる。

その結果、中間プレートにサブ流路、および、連通穴を形成するという簡易な構成により、液体燃料を円滑に供給することができ、膜電極接合体への負荷を低減することができる。

また、液体燃料が流れる流路の断面積の増大を図ることができるので、燃料電池を小型化することができながら、圧力損失の低減を図ることができる。

さらに、アノード側セパレータにおいて、液体燃料による圧力損失が低減することで、カソード側セパレータの酸素流路に対して空気（酸素）を容易に供給することができる。

本発明の燃料電池によれば、中間プレートを用いて、簡易な構成により、圧力損失を低減することのできながら、燃料電池の小型化を図ることができる。

図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池を搭載した電動車両の概略構成図である。 図２は、図１に示す燃料電池を左上側から見た分解斜視図を示す。 図３は、図１に示す燃料電池を右上側から見た分間斜視図を示す。 図４Ａは、図２に示すアノード側セパレータの正面図であり、図４Ｂは、図３に示すカソード側セパレータの背面図である。 図５Ａは、図２に示す中間プレートの正面図であり、図５Ｂは、図３に示す中間プレートの背面図である。 図６は、図２に示す燃料電池における燃料の流れを説明するための要部拡大斜視図である。 図７は、図１に示す燃料電池における燃料の流れを説明するための概略を示す断面図である。

１．電動車両の全体構成
図１に示すように、電動車両１は、燃料電池を動力源とする車両である。電動車両１は、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アニオン交換形燃料電池である。燃料電池３は、電動車両１の中央下側に配置されている。また、燃料電池３は、後述する発電動作により温度が上昇することを抑制するために、図示しない冷却ジャケットを備えている。
（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１１と、燃料供給ライン１２と、燃料還流ライン１３と、排気ライン１４とを備えている。

燃料タンク１１は、燃料成分を含む液体燃料を貯蔵する。液体燃料としては、例えば、メタノール、ジメチルエーテル、ヒドラジン類（例えば、無水ヒドラジンや、ヒドラジン１水和物などの水加ヒドラジンなどを含む）などが挙げられる。

燃料供給ライン１２は、燃料タンク１１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１２の供給方向上流端は、燃料タンク１１の下端部に接続されている。燃料供給ライン１２の供給方向下流端は、燃料電池３の燃料供給部１０７（後述、図２参照）に接続されている。燃料供給ライン１２は、燃料輸送ポンプ１５を備えている。

燃料輸送ポンプ１５は、燃料供給ライン１２の途中に介在されている。燃料輸送ポンプ１５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。燃料輸送ポンプ１５は、燃料タンク１１内の液体燃料を燃料電池３に供給する。燃料輸送ポンプ１５は、ＥＣＵ２２（後述）に電気的に接続されている。

燃料還流ライン１３は、燃料電池３から燃料タンク１１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１３の還流方向上流端は、燃料電池３の燃料排出部１０８（後述、図２参照）に接続されている。燃料還流ライン１３の還流方向下流端は、燃料タンク１１の上端部に接続されている。燃料還流ライン１３は、気液分離器１６を備えている。

気液分離器１６は、燃料還流ライン１３の途中に介在されている。気液分離器１６は、液体燃料とガス（気体）とを分離する。

排気ライン１４は、気液分離器１６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１４の排気方向上流端は、気液分離器１６に接続されている。排気ライン１４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１４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、空気供給ライン１８と、空気排出ライン１９とを備えている。

空気供給ライン１８は、電動車両１の外から燃料電池３へ空気（酸素）を供給するための配管である。空気供給ライン１８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１８の供給方向下流端は、燃料電池３の空気供給部１０９（後述、図２参照）に接続されている。空気供給ライン１８は、空気供給ポンプ２０を備えている。

空気供給ポンプ２０は、空気供給ライン１８の途中に介在されている。空気供給ポンプ２０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。

空気排出ライン１９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１９の排出方向上流端は、燃料電池３の空気排出部１１０（後述、図２参照）に接続されている。空気排出ライン１９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、ＥＣＵ２２を備えている。

ＥＣＵ２２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。
（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２３と、バッテリー２４とを備えている。

モータ２３は、燃料電池３に電気的に接続されている。モータ２３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２３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２４は、燃料電池３とモータ２３との間の配線に電気的に接続されている。バッテリー２４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および図３に示すように、セルスタック２７と、１対のエンドプレート２９とを備えている。

セルスタック２７は、図２および図７に示すように、複数の単位セル２８が前後方向（厚み方向）に積層されることにより構成されている。

単位セル２８は、膜電極接合体３１と、アノード側セパレータ３２と、カソード側セパレータ３３と、中間プレート３４とを備えている。

膜電極接合体３１は、図２および図３に示すように、略矩形平板形状に形成されており、電解質層の一例としての電解質膜３６と、燃料側電極の一例としてのアノード電極３７と、酸素側電極の一例としてのカソード電極３８とを備えている。

電解質膜３６は、アニ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３７は、電解質膜３６の後側（厚み方向一方側）の表面の中央において、薄層として積層されている。アノード電極３７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３７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３８は、電解質膜３６の前側（厚み方向他方側）の表面の中央において、薄層として積層されている。カソード電極３８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３８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。

また、膜電極接合体３１は、第１燃料供給口４１と、第１燃料排出口４２と、第１空気供給口４３と、第１空気排出口４４とを備えている。

第１燃料供給口４１は、膜電極接合体３１の右下端部に配置されている。第１燃料供給口４１は、略矩形状に貫通形成されている。

第１燃料排出口４２は、膜電極接合体３１の左上端部に配置されている。第１燃料排出口４２は、略矩形状に貫通形成されている。

第１空気供給口４３は、膜電極接合体３１の右上端部に配置されている。第１空気供給口４３は、略矩形状に貫通形成されている。

第１空気排出口４４は、膜電極接合体３１の左下端部に配置されている。第１空気排出口４４は、略矩形状に貫通形成されている。

アノード側セパレータ３２は、膜電極接合体３１の後側に隣接配置されている。アノード側セパレータ３２は、金属材料から略平板形状に形成されている。アノード側セパレータ３２は、第２燃料供給口４８と、第２燃料排出口４９と、第２空気供給口５０と、第２空気排出口５１とを備えている。

第２燃料供給口４８は、アノード側セパレータ３２の右下端部に配置されている。第２燃料供給口４８は、略矩形状に貫通形成されている。

第２燃料排出口４９は、アノード側セパレータ３２の左上端部に配置されている。第２燃料排出口４９は、略矩形状に貫通形成されている。

第２空気供給口５０は、アノード側セパレータ３２の右上端部に配置されている。第２空気供給口５０は、略矩形状に貫通形成されている。

第２空気排出口５１は、アノード側セパレータ３２の左下端部に配置されている。第２空気排出口５１は、略矩形状に貫通形成されている。

また、アノード側セパレータ３２には、図２および図４Ａに示すように、燃料流路形成領域Ａ１が区画されている。

燃料流路形成領域Ａ１は、図４Ａに示すように、アノード側セパレータ３２の前面中央に配置されている。燃料流路形成領域Ａ１には、複数の第１整流リブ５４と、第１貫通穴５５と、第２貫通穴５６とが形成されている。

複数の第１整流リブ５４は、燃料流路形成領域Ａ１において、上下方向、および、左右方向に互いに間隔を隔てて並列配置されている。複数の第１整流リブ５４のそれぞれは、燃料流路形成領域Ａ１において、前側へ突出し、上下方向に延びるように形成されている。複数の第１整流リブ５４のそれぞれの間が、それぞれ、液体燃料を流すための燃料流路５７である。

第１貫通穴５５は、燃料流路形成領域Ａ１の右下端部であって、複数の第１整流リブ５４の右下側に配置されている。第１貫通穴５５は、左下側と右上側とを結ぶ方向に略直線形状に延び、アノード側セパレータ３２を厚み方向に貫通している。言い換えると、第１貫通穴５５は、燃料流路５７の上流側端部において、アノード側セパレータ３２を厚み方向に貫通している。

第２貫通穴５６は、燃料流路形成領域Ａ１の左上端部であって、複数の第１整流リブ５４の左上側に配置されている。第２貫通穴５６は、左下側と右上側とを結ぶ方向に略直性形状に延び、アノード側セパレータ３２を厚み方向に貫通している。言い換えると、第２貫通穴５６は、燃料流路５７の下流側端部において、アノード側セパレータ３２を厚み方向に貫通している。

カソード側セパレータ３３は、図２および図３に示すように、膜電極接合体３１の前側に隣接配置されている。カソード側セパレータ３３は、金属材料から略平板形状に形成されている。なお、カソード側セパレータ３３は、アノード側セパレータ３２を平面視において１８０度回転させたものであり、アノード側セパレータ３２と、同一形状を有しているが、燃料電池３における作用が異なるため、各図に示す方向矢印を基準として、新たに各部を説明する。

カソード側セパレータ３３は、第３燃料供給口６０と、第３燃料排出口６１と、第３空気供給口６２と、第３空気排出口６３とを備えている。

第３燃料供給口６０は、カソード側セパレータ３３の右下端部に配置されている。第３燃料供給口６０は、略矩形状に貫通形成されている。

第３燃料排出口６１は、カソード側セパレータ３３の左上端部に配置されている。第３燃料排出口６１は、略矩形状に貫通形成されている。

第３空気供給口６２は、カソード側セパレータ３３の右上端部に配置されている。第３空気供給口６２は、略矩形状に貫通形成されている。

第３空気排出口６３は、カソード側セパレータ３３の左下端部に配置されている。第３空気排出口６３は、略矩形状に貫通形成されている。

また、カソード側セパレータ３３には、図３および図４Ｂに示すように、空気流路形成領域Ａ２が区画されている。

空気流路形成領域Ａ２は、図４Ｂに示すように、カソード側セパレータ３３の後面中央に配置されている。空気流路形成領域Ａ２には、複数の第２整流リブ６６と、第３貫通穴６７と、第４貫通穴６８とが形成されている。

複数の第２整流リブ６６は、空気流路形成領域Ａ２において、上下方向、および、左右方向に互いに間隔を隔てて並列配置されている。複数の第２整流リブ６６のそれぞれは、空気流路形成領域Ａ２において、後側へ突出し、上下方向に延びるように形成されている。複数の第２整流リブ６６のそれぞれの間が、それぞれ、空気を流すための酸素流路の一例としての空気流路６９である。

第３貫通穴６７は、空気流路形成領域Ａ２の右上端部であって、複数の第２整流リブ６６の右上側に配置されている。第３貫通穴６７は、右下側と左上側とを結ぶ方向に略直線形状に延び、カソード側セパレータ３３を厚み方向に貫通している。言い換えると、第３貫通穴６７は、空気流路６９の上流側端部において、カソード側セパレータ３３を厚み方向に貫通している。

第４貫通穴６８は、空気流路形成領域Ａ２の左下端部であって、複数の第２整流リブ６６の左下側に配置されている。第２貫通穴５６は、右下側と左上側とを結ぶ方向に略直線形状に延び、カソード側セパレータ３３を厚み方向に貫通している。言い換えると、第３貫通穴６７は、空気流路６９の下流側端部において、カソード側セパレータ３３を厚み方向に貫通している。

中間プレート３４は、図２および図３に示すように、アノード側セパレータ３２の後側に隣接配置されている。中間プレート３４は、金属材料から略平板形状に形成されている。中間プレート３４は、第４燃料供給口７２と、第４燃料排出口７３と、第４空気供給口７４と、第４空気排出口７５とを備えている。

第４燃料供給口７２は、中間プレート３４の右下端部に配置されている。第４燃料供給口７２は、略矩形状に貫通形成されている。

第４燃料排出口７３は、中間プレート３４の左上端部に配置されている。第４燃料排出口７３は、略矩形状に貫通形成されている。

第４空気供給口７４は、中間プレート３４の右上端部に配置されている。第４空気供給口７４は、略矩形状に貫通形成されている。

第４空気排出口７５は、中間プレート３４の左下端部に配置されている。第４空気排出口７５は、略矩形状に貫通形成されている。

また、中間プレート３４には、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、燃料供給流路形成領域Ｂ１と、燃料排出流路形成領域Ｂ２と、空気供給流路形成領域Ｃ１と、空気排出流路形成領域Ｃ２とが区画されている。

燃料供給流路形成領域Ｂ１は、図２および図５Ａに示すように、中間プレート３４の前面右下側であって、第４燃料供給口７２の上側に配置されている。燃料供給流路形成領域Ｂ１には、連通穴の一例としての第１連通穴７８と、複数の第３整流リブ７９とが形成されている。

第１連通穴７８は、燃料供給流路形成領域Ｂ１の上端部に配置されている。第１連通穴７８は、左下側と右上側とを結ぶ方向に略直線状に延び、中間プレート３４を厚み方向に貫通している。第１連通穴７８は、図２および図３に示すように、前後方向に投影したときに、アノード側セパレータ３２の第１貫通穴５５と重なっている。

複数の第３整流リブ７９は、図５Ａに示すように、燃料供給流路形成領域Ｂ１において、左右方向に互いに間隔を隔てて並列配置されている。複数の第３整流リブ７９のそれぞれは、燃料供給流路形成領域Ｂ１において、前側へ突出し、第４燃料供給口７２の上縁から、第１連通穴７８の下縁にわたって上下方向に延びるように形成されている。図５Ａおよび図５Ｂに示すように、複数の第３整流リブ７９のそれぞれの間が、それぞれ、燃料供給流路８０であり、複数の第３整流リブ７９の裏面が、それぞれ、サブ流路の一例としての第１サブ燃料流路８１である。

燃料供給流路８０は、液体燃料を流すために設けられており、第４燃料供給口７２の上縁から、第１連通穴７８の下縁にわたって上下方向に延びている。

第１サブ燃料流路８１は、中間プレート３４の後面において、液体燃料を流すために設けられており、第４燃料供給口７２の上縁から、第１連通穴７８の下縁にわたって上下方向に延びている。すなわち、第１サブ燃料流路８１は、前後方向に投影したときに、燃料供給流路形成領域Ｂ１と重なっている。

燃料排出流路形成領域Ｂ２は、図２および図５Ａに示すように、中間プレート３４の前面左上側であって、第４燃料排出口７３の下側に配置されている。燃料排出流路形成領域Ｂ２には、連通穴の一例としての第２連通穴８３と、複数の第４整流リブ８４とが形成されている。

第２連通穴８３は、燃料排出流路形成領域Ｂ２の下端部に配置されている。第２連通穴８３は、左下側と右上側とを結ぶ方向に略直線状に延び、中間プレート３４を厚み方向に貫通している。第２連通穴８３は、図２および図３に示すように、前後方向に投影したときに、アノード側セパレータ３２の第２貫通穴５６と重なっている。

複数の第４整流リブ８４は、図５Ａに示すように、燃料排出流路形成領域Ｂ２において、左右方向に互いに間隔を隔てて並列配置されている。複数の第４整流リブ８４のそれぞれは、燃料排出流路形成領域Ｂ２において、前側へ突出し、第４燃料排出口７３の下縁から、第２連通穴８３の上縁にわたって上下方向に延びるように形成されている。図５Ａおよび図５Ｂに示すように、複数の第４整流リブ８４のそれぞれの間が、それぞれ、燃料排出流路８５であり、複数の第４整流リブ８４の裏面が、それぞれ、サブ流路の一例としての第２サブ燃料流路８６である。

燃料排出流路８５は、液体燃料を流すために設けられており、第４燃料排出口７３の下縁から、第２連通穴８３の上縁にわたって上下方向に延びている。

第２サブ燃料流路８６は、中間プレート３４の後面において、液体燃料を流すために設けられており、第４燃料排出口７３の下縁から、第２連通穴８３の上縁にわたって上下方向に延びている。すなわち、第２サブ燃料流路８６は、前後方向に投影したときに、燃料排出流路形成領域Ｂ２と重っている。

空気供給流路形成領域Ｃ１は、図３および図５Ｂに示すように、中間プレート３４の後面右上側であって、第４空気供給口７４の下側に配置されている。空気供給流路形成領域Ｃ１には、第３連通穴８８と、複数の第５整流リブ８９とが形成されている。

第３連通穴８８は、空気供給流路形成領域Ｃ１の下端部に配置されている。第３連通穴８８は、右下側と左上側とを結ぶ方向に略直線状に延び、中間プレート３４を厚み方向に貫通している。第３連通穴８８は、図２および図３に示すように、前後方向に投影したときに、カソード側セパレータ３３の第３貫通穴６７と重なっている。

複数の第５整流リブ８９は、図５Ｂに示すように、空気供給流路形成領域Ｃ１において、左右方向に互いに間隔を隔てて並列配置されている。複数の第５整流リブ８９のそれぞれは、空気供給流路形成領域Ｃ１において、後側へ突出し、第４空気供給口７４の下縁から、第３連通穴８８の上縁にわたって上下方向に延びるように形成されている。図５Ａおよび図５Ｂに示すように、複数の第５整流リブ８９のそれぞれの間が、それぞれ、空気供給流路９０であり、複数の第５整流リブ８９の裏面が、それぞれ、第１サブ空気流路９１である。

空気供給流路９０は、空気を流すために設けられており、第４空気供給口７４の下縁から、第３連通穴８８の上縁にわたって上下方向に延びている。

第１サブ空気流路９１は、中間プレート３４の後面において、空気を流すために設けられており、第４空気供給口７４の下縁から、第３連通穴８８の上縁にわたって上下方向に延びている。すなわち、第１サブ空気流路９１は、前後方向に投影したときに、空気供給流路形成領域Ｃ１と重なっている。

空気排出流路形成領域Ｃ２は、図３および図５Ｂに示すように、中間プレート３４の後面左下側であって、第４空気排出口７５の上側に配置されている。空気排出流路形成領域Ｃ２には、第４連通穴９３と、複数の第６整流リブ９４とが形成されている。

第４連通穴９３は、空気排出流路形成領域Ｃ２の上端部に配置されている。第４連通穴９３は、右下側と左上側とを結ぶ方向に略直線状に延び、中間プレート３４を厚み方向に貫通している。第４連通穴９３は、図２および図３に示すように、前後方向に投影したときに、カソード側セパレータ３３の第４貫通穴６８と重なっている。

複数の第６整流リブ９４は、図５Ｂに示すように、空気排出流路形成領域Ｃ２において、左右方向に互いに間隔を隔てて並列配置されている。複数の第６整流リブ９４のそれぞれは、空気排出流路形成領域Ｃ２において、後側へ突出し、第４空気排出口７５の上縁から、第４連通穴９３の下縁にわたって上下方向に延びるように形成されている。図５Ａおよび図５Ｂに示すように、複数の第６整流リブ９４のそれぞれの間が、それぞれ、空気排出流路９５であり、複数の第６整流リブ９４の裏面が、それぞれ、第２サブ空気流路９６である。

空気排出流路９５は、空気を流すために設けられており、第４空気排出口７５の上縁から、第４連通穴９３の下縁にわたって上下方向に延びている。

第２サブ空気流路９６は、中間プレート３４の後面において、空気を流すために設けられており、第４空気排出口７５の上縁から、第４連通穴９３の下縁にわたって上下方向に延びている。すなわち、第２サブ空気流路９６は、前後方向に投影したときに、空気排出流路形成領域Ｃ２と重なっている。

そして、単位セル２８は、図２および図３に示すように、前側から、カソード側セパレータ３３、膜電極接合体３１、アノード側セパレータ３２、中間プレート３４の順に、それらの間に図示しないシール部材が配置され、積層されることによって、構成されている。なお、複数の単位セル２８は、それらの間に図示しないシール部材が配置され、前後方向に積層されることによって、セルスタック２７を構成している。また、積層される複数の単位セル２８の間には、適宜、集電プレートが介在されている。

単位セル２８は、燃料供給口１００と、燃料排出口１０１と、空気供給口１０２と、空気排出口１０３とを備えている。

燃料供給口１００は、膜電極接合体３１の第１燃料供給口４１と、アノード側セパレータ３２の第２燃料供給口４８と、カソード側セパレータ３３の第３燃料供給口６０と、中間プレート３４の第４燃料供給口７２とから構成されている。言い換えると、燃料供給口１００は、膜電極接合体３１、アノード側セパレータ３２、カソード側セパレータ３３、および、中間プレート３４の全てを厚み方向に貫通している。

燃料排出口１０１は、膜電極接合体３１の第１燃料排出口４２と、アノード側セパレータ３２の第２燃料排出口４９と、カソード側セパレータ３３の第３燃料排出口６１と、中間プレート３４の第４燃料排出口７３とから構成されている。言い換えると、燃料排出口１０１は、膜電極接合体３１、アノード側セパレータ３２、カソード側セパレータ３３、および、中間プレート３４の全てを厚み方向に貫通している。

空気供給口１０２は、膜電極接合体３１の第１空気供給口４３と、アノード側セパレータ３２の第２空気供給口５０と、カソード側セパレータ３３の第３空気供給口６２と、中間プレート３４の第４空気供給口７４とから構成されている。言い換えると、空気供給口１０２は、膜電極接合体３１、アノード側セパレータ３２、カソード側セパレータ３３、および、中間プレート３４の全てを厚み方向に貫通している。

空気排出口１０３は、膜電極接合体３１の第１空気排出口４４と、アノード側セパレータ３２の第２空気排出口５１と、カソード側セパレータ３３の第３空気排出口６３と、中間プレート３４の第４空気排出口７５とから構成されている。言い換えると、空気排出口１０３は、膜電極接合体３１、アノード側セパレータ３２、カソード側セパレータ３３、および、中間プレート３４の全てを厚み方向に貫通している。

また、単位セル２８において、アノード側セパレータ３２の第１貫通穴５５と、中間プレート３４の第１連通穴７８とが前後方向に重なり連通し、アノード側セパレータ３２の第２貫通穴５６と、中間プレート３４の第２連通穴８３とが前後方向に重なり連通している。

また、積層され隣接する単位セル２８において、後側の単位セル２８のカソード側セパレータ３３の第３貫通穴６７と、前側の単位セル２８の中間プレート３４の第３連通穴８８とが前後方向に重なり連通し、後側の単位セル２８のカソード側セパレータ３３の第４貫通穴６８と、前側の単位セル２８の中間プレート３４の第４連通穴９３とが前後方向に重なり連通している。

１対のエンドプレート２９は、図２および図３に示すように、セルスタック２７を挟むように、燃料電池３の前後方向両端部に配置されている。各エンドプレート２９は、絶縁性の樹脂などから略平板形状に形成されている。前側のエンドプレート２９は、燃料供給部１０７と、燃料排出部１０８と、空気供給部１０９と、空気排出部１１０とを備えている。

燃料供給部１０７は、前側のエンドプレート２９の右下端部に配置されている。燃料供給部１０７は、エンドプレート２９の前面から前側へ延びる略円筒形状に形成されている。燃料供給部１０７は、その後端部においてエンドプレート２９を前後方向に貫通し、単位セル２８の燃料供給口１００に連通されている。

燃料排出部１０８は、前側のエンドプレート２９の左上端部に配置されている。燃料排出部１０８は、エンドプレート２９の前面から前側へ延びる略円筒形状に形成されている。燃料排出部１０８は、その後端部においてエンドプレート２９を前後方向に貫通し、単位セル２８の燃料排出口１０１に連通されている。

空気供給部１０９は、前側のエンドプレート２９の右上端部に配置されている。空気供給部１０９は、エンドプレート２９の前面から前側へ延びる略円筒形状に形成されている。空気供給部１０９は、その後端部においてエンドプレート２９を前後方向に貫通し、単位セル２８の空気供給口１０２に連通されている。

空気排出部１１０は、前側のエンドプレート２９の左下端部に配置されている。空気排出部１１０は、エンドプレート２９の前面から前側へ延びる略円筒形状に形成されている。空気排出部１１０は、その後端部においてエンドプレート２９を前後方向に貫通し、単位セル２８の空気排出口１０３に連通されている。
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、ＥＣＵ２２の制御により、燃料供給ライン１２の燃料輸送ポンプ１５、および、空気供給ライン１８の空気供給ポンプ２０が駆動される。

燃料供給ライン１２の燃料輸送ポンプ１５が駆動すると、燃料タンク１１内の液体燃料は、燃料供給ライン１２を介して燃料電池３の燃料供給部１０７（図２参照）に供給される。

燃料供給部１０７に供給された液体燃料は、図６および図７に示すように、セルスタック２７の複数の単位セル２８のそれぞれの燃料供給口１００をすべて通過するように後側へ流れる。

なお、以下において、複数の単位セル２８の内の１つの単位セル２８についての液体燃料の流れについて説明する。

燃料供給口１００を通過する液体燃料は、中間プレート３４の第４燃料供給口７２を通過するときに、その一部が燃料供給流路８０に流入する。燃料供給流路８０に流入した液体燃料は、中間プレート３４と、アノード側セパレータ３２との間を、上側に向かって流れる。

また、液体燃料は、中間プレート３４の第４燃料供給口７２を通過するときに、その一部が第１サブ燃料流路８１にも流入する。第１サブ燃料流路８１に流入した液体燃料は、中間プレート３４と、後側の単位セル２８のカソード側セパレータ３３との間を、上側に向かって流れる。

そして、第１サブ燃料流路８１に流入した液体燃料は、第１連通穴７８内を前側に向かって流れ、燃料供給流路８０に流入した液体燃料と合流し、アノード側セパレータ３２の第１貫通穴５５を介して、燃料流路形成領域Ａ１の下端部に供給される。

燃料流路形成領域Ａ１の下端部に供給された液体燃料は、図７に示すように、アノード電極３７の後面と接触しながら、燃料流路５７内を下側から上側へ、燃料流路形成領域Ａ１の上端部に向かって流れる。

そして、燃料流路形成領域Ａ１の上端部に到達した液体燃料は、第２貫通穴５６内を後側に向かって流れ、その一部が燃料排出流路８５に流入し、それ以外が第２連通穴８３を介して第２サブ燃料流路８６に流入する。

燃料排出流路８５に流入した液体燃料は、中間プレート３４と、アノード側セパレータ３２との間を、上側に向かって流れる。

また、第２サブ燃料流路８６に流入した液体燃料は、中間プレート３４と、後側の単位セル２８のカソード側セパレータ３３との間を、上側に向かって流れる。

そして、燃料排出流路８５、および、第１サブ燃料流路８１に流入した液体燃料は、燃料排出口１０１に排出されることで合流し、燃料排出口１０１内を前側へ流れ、燃料排出部１０８（図２参照）から、燃料還流ライン１３（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１８の空気供給ポンプ２０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１８を介して、図３に示すように、燃料電池３の空気供給部１０９に供給される。

空気供給部１０９に供給された空気は、図示しないが、セルスタック２７の複数の単位セル２８のそれぞれの空気供給口１０２をすべて通過するように後側へ流れる。

空気供給口１０２を通過する空気は、中間プレート３４の第４空気供給口７４を通過するときに、その一部が空気供給流路９０に流入する。空気供給流路９０に流入した空気は、中間プレート３４と、後側の単位セル２８のカソード側セパレータ３３との間を、下側に向かって流れる。

また、空気は、中間プレート３４の第４空気供給口７４を通過するときに、その一部が第１サブ空気流路９１にも流入する。第１サブ空気流路９１に流入した液体燃料は、中間プレート３４と、アノード側セパレータ３２との間を、下側に向かって流れる。

そして、第１サブ空気流路９１に流入した空気は、第３連通穴８８内を後側に向かって流れ、空気供給流路９０に流入した空気と合流し、後側の単位セル２８のカソード側セパレータ３３の第３貫通穴６７を介して、空気流路形成領域Ａ２の上端部に供給される。

空気流路形成領域Ａ２の上端部に供給された空気は、カソード電極３８の前面と接触しながら、空気流路６９内を上側から下側へ、空気流路形成領域Ａ２の下端部に向かって流れる。

そして、空気流路形成領域Ａ２の下端部に到達した空気は、第４貫通穴６８内を前側に向かって流れ、その一部が空気排出流路９５に流入し、それ以外が第４連通穴９３を介して第２サブ空気流路９６に流入する。

空気排出流路９５に流入した空気は、中間プレート３４と、カソード側セパレータ３３との間を、下側に向かって流れる。

また、第２サブ空気流路９６に流入した空気は、中間プレート３４と、アノード側セパレータ３２との間を、下側に向かって流れる。

そして、空気排出流路９５、および、第２サブ空気流路９６に流入した空気は、空気排出口１０３に排出されることで合流し、空気排出口１０３内を前側へ流れ、空気排出部１１０から、空気供給ライン１８（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、例えば、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３７での反応）
（２） Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻ （カソード電極３８での反応）
（３） Ｎ_２Ｈ_４＋Ｏ_２→Ｎ_２＋２Ｈ_２Ｏ （燃料電池３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（４ｅ⁻）が発生される。発生した起電力は、セルスタック２７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２３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２４に蓄電される。

また、燃料排出部１０８から燃料還流ライン１３に排出された液体燃料は、気液分離器１６において、ガス（上記式（１）の反応において生成する窒素ガス（Ｎ_２）など）と分離されて、燃料タンク１１に還流される。
４．作用効果
上記のような燃料電池３によれば、図７に示すように、燃料供給口１００を流れる液体燃料は、中間プレート３４の燃料供給流路８０、および、アノード側セパレータ３２の第１貫通穴５５を流れて、燃料流路５７に供給される。

また、燃料流路５７を流れた液体燃料は、アノード側セパレータ３２の第２貫通穴５６、および、燃料供給流路８０を流れて、燃料排出口１０１に排出される。

そして、燃料供給口１００を通過する燃料は、燃料供給流路８０だけでなく、第１サブ燃料流路８１にも流入して、アノード側セパレータ３２の燃料流路５７に対して供給される。

そのため、液体燃料が燃料供給口１００から燃料流路５７に到達するまでの流路において、燃料供給流路８０と、第１サブ燃料流路８１とを並行して通過することで、液体燃料が流れる流路の断面積の増大を図ることができ、圧力損失の低減を図ることができる。

また、燃料流路５７から排出される液体燃料は、燃料供給流路８０だけでなく、第２サブ燃料流路８６にも流入して、燃料排出口１０１に排出される。

そのため、液体燃料が燃料流路５７から燃料排出口１０１に到達するまでの流路において、燃料供給流路８０と、第２サブ燃料流路８６とを並列して通過することで、液体燃料が流れる流路の断面積の増大を図ることができ、圧力損失の低減を図ることができる。

その結果、中間プレート３４に、第１サブ燃料流路８１、第２サブ燃料流路８６、第１連通穴７８、および、第２連通穴８３を形成するという簡易な構成により、液体燃料を円滑に供給することができ、膜電極接合体３１への負荷を低減することができる。

なお、アノード側セパレータ３２、カソード側セパレータ３３、および、中間プレート３４は、金属材料（メタルプレート）からなるので、プレス加工により、容易に成形することができる。

これにより得られるアノード側セパレータ３２、カソード側セパレータ３３、および、中間プレート３４のそれぞれの板厚は、例えば、０．０５ｍｍ以上、好ましくは、０．１ｍｍ以上であり、例えば、０．５ｍｍ以下、好ましくは、０．３ｍｍ以下である。

また、そのそれぞれに形成される各整流リブ（第１整流リブ５４、第２整流リブ６６、第３整流リブ７９など）の前後方向寸法、すなわち、溝深さは、例えば、０．１ｍｍ以上、好ましくは、０．３ｍｍ以上であり、例えば、１．０ｍｍ以下、好ましくは、０．８ｍｍ以下である。

このように小型化の図られたアノード側セパレータ３２、カソード側セパレータ３３、中間プレート３４を備える燃料電池３においても、液体燃料が流れる流路の断面積の増大を図ることができるので、燃料電池３を小型化することができながら、圧力損失の低減を図ることができる。

さらに、アノード側セパレータ３２において、液体燃料による圧力損失が低減することで、カソード側セパレータ３３の空気流路６９に対して空気（酸素）を容易に供給することができる。
５．変形例
上記した実施形態では、中間プレート３４には、サブ流路として、第１サブ燃料流路８１、および、第２サブ燃料流路８６の両方が形成されているが、サブ流路として形成されるのは、第１サブ燃料流路８１、および、第２サブ燃料流路８６のいずれか一方でよく、そのような場合であっても、上記した実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、図示しない冷却ジャケットに代えて、中間プレート３４の中央部分に冷却媒体が流通可能な流路を形成し、冷却媒体を流通させて、燃料電池３を冷却することもできる。

このような変形例によれば、圧力損失を低減するためのサブ流路を備える中間プレート３４を利用して、冷却媒体の流通させることができるので、燃料電池３を大型化させることなく、効率良く燃料電池３を冷却することができる。

また、上記した実施形態では、燃料電池３を電動車両１のような車両の動力源として用いているが、その用途は車両の動力源だけに限定されず、例えば、家庭用や工業用の発電機などの定置システムに用いることもできる。

３ 燃料電池
２８ 単位セル
３１ 膜電極接合体
３２ アノード側セパレータ
３３ カソード側セパレータ
３４ 中間プレート
３６ 電解質膜
３７ アノード電極
３８ カソード電極
５５ 第１貫通穴
５６ 第２貫通穴
５７ 燃料流路
６９ 空気流路
７８ 第１連通穴
８０ 燃料供給流路
８１ 第１サブ燃料流路
８３ 第２連通穴
８５ 燃料排出流路
８６ 第２サブ燃料流路
１００ 燃料供給口
１０１ 燃料排出口
Ｂ１ 燃料供給流路形成領域
Ｂ２ 燃料排出流路形成領域

Claims (1)

1. 電解質層、前記電解質層の厚み方向一方側に配置される燃料側電極、および、前記電解質層の前記厚み方向他方側に配置される酸素側電極を備える膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体の前記厚み方向一方側に隣接配置され、その前記厚み方向他方面には前記燃料側電極に液体燃料を供給する燃料流路が形成されるアノード側セパレータと、
   前記膜電極接合体の前記厚み方向他方側に隣接配置され、その前記厚み方向一方面には前記酸素側電極に酸素を供給する酸素流路が形成されるカソード側セパレータと、
   前記アノード側セパレータの前記厚み方向一方側に隣接配置される中間プレートと
   を備える単位セルを少なくとも１つ備える燃料電池であって、
   前記単位セルは、
   前記膜電極接合体、前記アノード側セパレータ、前記カソード側セパレータ、および、前記中間プレートの全てを前記厚み方向に貫通し、液体燃料が供給される燃料供給口と、
   前記膜電極接合体、前記アノード側セパレータ、前記カソード側セパレータ、および、前記中間プレートの全てを前記厚み方向に貫通し、液体燃料が排出される燃料排出口と、
   を備え、
   前記アノード側セパレータは、
   前記燃料流路の上流側端部において、前記厚み方向に貫通する第１貫通穴と、
   前記燃料流路の下流側端部において、前記厚み方向に貫通する第２貫通穴と
   を備え、
   前記中間プレートは、
   その前記厚み方向他方面において、前記燃料供給口から前記第１貫通穴に向けて液体燃料を供給する燃料供給流路が形成される燃料供給流路形成領域と、
   その前記厚み方向他方面において、前記第２貫通穴から前記燃料排出口に向けて液体燃料を排出する燃料排出流路が形成される燃料排出流路形成領域と、
   その前記厚み方向一方面において、前記厚み方向に投影したときに、前記燃料供給流路形成領域、および、前記燃料排出流路形成領域の少なくとも一方と重なる位置に形成され、液体燃料が流通可能なサブ流路と、
   連通穴と
   を備え、
   前記サブ流路は、
   前記燃料供給流路形成領域と重なる場合には、前記燃料供給口から液体燃料が供給され、
   前記燃料排出流路形成領域と重なる場合には、前記燃料排出口に液体燃料を排出し、
   前記連通穴は、
   前記サブ流路が前記燃料供給流路形成領域と重なる場合には、前記燃料供給流路の下流側端部と、前記サブ流路の下流側端部とを前記厚み方向に連通し、
   前記サブ流路が前記燃料排出流路形成領域と重なる場合には、前記燃料排出流路の上流側端部と、前記サブ流路の上流側端部とを前記厚み方向に連通する
   ことを特徴とする、燃料電池。

Images