JP2019169258A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】酸素流路における析出物の発生を抑制でき、燃料電池の出力を十分に確保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１４、アノード電極１５およびカソード電極１６を有する膜電極接合体１２と、アノード電極１５に液体燃料を供給するための燃料流路１７を有するアノード側セパレータ１９と、カソード電極１６に酸素を供給するための空気流路１８を有するカソード側セパレータ２０とを備え、燃料流路１７に、鉛直方向に沿って直線状に延びる複数の直線流路５６を備える。そして、アノード側セパレータ１９に、燃料流路１７の下端部と連通する燃料供給口３５と、燃料流路１７の上端部と連通する燃料排出口３６とを備え、カソード側セパレータ２０に、空気流路１８の下端部と連通する空気供給口３７と、空気流路１８の上端部と連通する空気排出口３８とを備える。【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池、詳しくは、液体燃料が供給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、例えば、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。そのような燃料電池は、一般に、複数の発電セルが積層されて構成されている。発電セルは、例えば、高分子電解質膜、アノード電極およびカソード電極を一体的に有する膜電極接合体と、アノード電極に対向配置されるアノード側セパレータと、カソード電極に対向配置されるカソード側セパレータとを備えている。

このような燃料電池として、例えば、アノード側セパレータが、上下方向に沿って直線状に延びる複数の流路を含む燃料流路と、燃料流路の下端部に連通する燃料供給口と、燃料流路の上端部に連通する燃料排出口とを備え、カソード側セパレータが、葛折り形状を有する流路を含む酸素流路と、酸素流路の上端部に連通する酸素供給口と、酸素流路の下端部に連通する酸素排出口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。）。

そのような燃料電池では、液体燃料が、燃料供給口を介して燃料流路に供給され、アノード電極に接触しながら燃料流路を下側から上側に向かって直線状に通過した後、燃料排出口を介して燃料流路から排出されるとともに、酸素を含む空気が、酸素供給口を介して酸素流路に供給され、カソード電極に接触しながら酸素流路を上側から下側に葛折り状に向かって通過した後、酸素排出口を介して酸素流路から排出される。これによって、電気化学反応が生じて、燃料電池が発電する。

特開２０１４−１０７１１８号公報

しかるに、特許文献１に記載の燃料電池では、燃料流路に供給された液体燃料が、膜電極接合体を透過して酸素流路にリークする場合がある。また、上記の電気化学反応では、アノード電極において液体燃料が分解されて気体が発生し、発生した気体が、燃料流路の上部つまり燃料排出口の近傍に滞留する場合がある。

そして、燃料流路における燃料排出口の近傍からリークする液体燃料（以下、リーク液とする。）は、滞留した気体により阻害されるため、燃料排出口の近傍以外の燃料流路からリークするリーク液よりも少なくなる。

このような燃料排出口近傍からのリーク液は、主に酸素流路における酸素供給口の近傍にリークし、酸素流路に流入直後の空気にさらされる。ここで、液体燃料には、燃料電池の出力向上の観点から電解質を添加することが知られており、リーク液にも電解質が含まれる場合がある。

この場合、比較的量の少ないリーク液が、酸素流路に流入直後の空気にさらされると、リーク液が乾燥して、酸素流路において電解質に由来する析出物が生じるおそれがある。すると、カソード電極に対する酸素の供給が阻害されて、燃料電池の出力が低下するという不具合がある。

本発明は、酸素流路における析出物の発生を抑制でき、燃料電池の出力を十分に確保できる燃料電池を提供する。

本発明［１］は、電解質膜、前記電解質膜の一方面に配置されるアノード電極、前記電解質膜の他方面に配置されるカソード電極を有する膜電極接合体と、前記アノード電極と対向するように前記膜電極接合体の一方側に配置され、アノード電極に電解質を含む液体燃料を供給するための燃料流路を有するアノード側流路形成部と、前記カソード電極と対向するように前記膜電極接合体に対して前記アノード側流路形成部の反対側に配置され、前記カソード電極に酸素を供給するための酸素流路を有するカソード側流路形成部と、を備え、前記燃料流路は、鉛直方向に沿って直線状に延び、互いに間隔を隔てて並列配置される複数の直線流路を含み、前記アノード側流路形成部は、前記燃料流路の下端部と連通し、前記燃料流路に液体燃料を供給する燃料供給口と、前記燃料流路の上端部と連通し、前記燃料流路を通過した液体燃料を排出する燃料排出口と、を備え、前記カソード側流路形成部は、前記酸素流路の下端部と連通し、前記酸素流路に酸素を供給する酸素供給口と、前記酸素流路の上端部と連通し、前記酸素流路を通過した酸素を排出する酸素排出口と、を備える、燃料電池を含む。

本発明の燃料電池では、アノード側流路形成部が、燃料流路の下端部と連通する燃料供給口と、燃料流路の上端部と連通する燃料排出口とを備え、カソード側流路形成部が、酸素流路の下端部と連通する酸素供給口と、酸素流路の上端部と連通する酸素排出口とを備えている。

そのため、燃料電池では、液体燃料は、燃料供給口を介して燃料流路の下端部に流入し、燃料流路を下側から上側に向かって直線流路を通過した後、燃料排出口を介して燃料流路の上端部から排出され、酸素は、酸素供給口を介して酸素流路の下端部に流入し、酸素流路を下側から上側に向かって通過した後、酸素排出口を介して酸素流路の上端部から排出される。

その結果、燃料供給口近傍からの比較的量の多いリーク液は、酸素流路における酸素供給口の近傍にリークして、酸素流路に流入直後の酸素にさらされる。このとき、そのリーク液の量が比較的多いために、電解質に由来する析出物を生じさせることなく、酸素流路に流入直後の酸素を加湿する。

その後、加湿された酸素は、酸素排出口に向かうように酸素流路を通過し、燃料排出口近傍からの比較的量の少ないリーク液と接触する。

しかも、燃料流路は、鉛直方向に沿って直線状に延びる複数の直線流路を有しており、燃料流路における気体の滞留が抑制されている。これによって、燃料排出口近傍からのリーク液量の増加が図られている。

その結果、燃料排出口近傍からのリーク液が酸素と接触しても、その酸素が加湿されており、かつ、リーク液量が増加しているので、リーク液が乾燥することを抑制でき、電解質に由来する析出物が生じることを抑制できる。

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である。 図２は、図１に示す発電セルを積層方向の他方側から見た分解斜視図である。 図３は、図１に示す発電セルを積層方向の一方側から見た分解斜視図である。 図４Ａは、図２に示す発電セルのＡ−Ａ断面図を示す。図４Ｂは、図３に示す発電セルのＢ−Ｂ断面図を示す。

１．電動車両の全体構成
図１に示すように、電動車両１は、モータ４５を動力源とし、燃料電池３およびバッテリ４７を選択的に電源として、モータ４５を駆動させるハイブリッド車両である。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、液体燃料中の燃料成分を消費して発電する。燃料電池３は、カチオン交換型燃料電池およびアニオン交換型燃料電池のいずれとしても構成できるが、好ましくは、アニオン交換型燃料電池として構成される。燃料電池３は、電動車両１の中央下側に配置されている。

燃料電池３は、複数の発電セル１０が積層されて構成されるセルスタック１１を備える。複数の発電セル１０は、鉛直方向と交差する方向（好ましくは、直交する方向）に積層されている。以下の説明において、複数の発電セル１０の積層方向を、積層方向と記載する。また、図２および図３では、便宜的に１つの発電セル１０の分解斜視図を示す。

図２および図３に示すように、発電セル１０は、膜電極接合体１２と、アノード側流路形成部の一例としてのアノード側セパレータ１９と、カソード側流路形成部の一例としてのカソード側セパレータ２０とを備える。

膜電極接合体１２は、上下方向に長手の略八角形の平板形状を有する。膜電極接合体１２は、電解質膜１４と、アノード電極１５と、カソード電極１６とを一体的に備える。

電解質膜１４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、好ましくは、アニオン交換形の高分子電解質膜から形成される。

電解質膜１４の厚みは、例えば、５μｍ以上、好ましくは、１０μｍ以上、例えば、５０μｍ以下、好ましくは、３０μｍ以下である。

アノード電極１５は、電解質膜１４の一方面（積層方向一方側の表面）に配置され、電解質膜１４に薄層として積層されている。アノード電極１５は、アノード触媒を含有し、例えば、アノード触媒を担持した触媒担体により形成されている。

アノード触媒として、例えば、白金族元素（ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ））、鉄族元素（鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ））などの周期表第８〜１０（ＶIII）族元素、例えば、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）などの周期表第１１（ＩＢ）族元素、例えば、亜鉛（Ｚｎ）、および、それら金属元素の合金などが挙げられる。アノード触媒は、単独使用または２種以上併用することができる。

このようなアノード触媒のなかでは、好ましくは、ＰｔＮｉ合金およびＰｔ単体が挙げられ、さらに好ましくは、ＰｔＮｉ合金およびＰｔ単体の併用が挙げられる。

アノード触媒としてＰｔＮｉ合金およびＰｔ単体が併用される場合、ＰｔＮｉ合金は、ヒドラジン類を水素と窒素とに分解するヒドラジン分解触媒として作用し、Ｐｔ単体は、ヒドラジン類の分解により生じた水素を酸化する水素酸化触媒として作用する。

ＰｔＮｉ合金は、白金（Ｐｔ）とニッケル（Ｎｉ）との合金である。

ＰｔＮｉ合金における白金の含有割合は、白金およびニッケルの総ｍｏｌ数に対して、例えば、１ｍｏｌ％以上、好ましくは、５ｍｏｌ％以上、例えば、７０ｍｏｌ％以下、好ましくは、６０ｍｏｌ％以下である。

ＰｔＮｉ合金におけるニッケルの含有割合は、白金およびニッケルの総ｍｏｌ数に対して、例えば、３０ｍｏｌ％以上、好ましくは、４０ｍｏｌ％以上、例えば、９９ｍｏｌ％以下、好ましくは、９５ｍｏｌ％以下である。

Ｐｔ単体は、白金の金属単体である。

Ｐｔ単体の含有割合は、ＰｔＮｉ合金１質量部に対して、例えば、０．１質量部以上、好ましくは、０．５質量部以上、例えば、１０質量部以下、好ましくは、５質量部以下である。

このようなアノード触媒は、例えば、触媒担体に担持される。触媒担体として、例えば、カーボンなどの多孔質物質が挙げられる。なお、アノード電極１５は、触媒担体を用いずに、アノード触媒から直接形成することもできる。

アノード電極１５の厚みは、例えば、１０μｍ以上、好ましくは、２０μｍ以上、例えば、２００μｍ以下、好ましくは、１００μｍ以下である。

カソード電極１６は、電解質膜１４の他方面（積層方向他方側の表面）に配置され、電解質膜１４に薄層として積層されている。カソード電極１６は、カソード触媒を含有し、例えば、カソード触媒を担持した触媒担体により形成されている。

カソード触媒として、例えば、金属単体、遷移金属錯体、遷移金属錯体の焼成体、導電性高分子とカーボンとからなるカーボンコンポジットに遷移金属が担持された複合体などが挙げられる。

金属単体として、例えば、上記した白金族元素、上記した周期表第８〜１０（ＶIII）族元素、上記した周期表第１１（ＩＢ）族元素、亜鉛（Ｚｎ）などが挙げられる。金属単体は、単独使用または２種以上併用することができる。

遷移金属錯体は、遷移金属元素（中心金属）に有機化合物が配位した金属錯体である。遷移金属元素として、例えば、スカンジウム（Ｓｃ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、イットリウム（Ｙ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、テクネチウム（Ｔｃ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、ランタン（Ｌａ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）が挙げられる。遷移金属は、単独使用または２種以上併用することができる。

遷移金属元素に配位する有機化合物として、例えば、ピロール、ポルフィリン、テトラメトキシフェニルポルフィリン、ジベンゾテトラアザアヌレン、フタロシアニン、コリン、クロリン、フェナントロリン、サルコミン、ナイカルバジン、ピペミド酸系化合物、アミノベンズイミダゾール、アミノアンチピリン、またはこれらの重合体が挙げられる。有機化合物は、単独使用または２種以上併用することができる。

導電性高分子として、上記の有機化合物と重複する化合物もあるが、例えば、ポリアミン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリビニルカルバゾール、ポリトリフェニルアミン、ポリピリジン、ポリピリミジン、ポリキノキサリン、ポリフェニルキノキサリン、ポリイソチアナフテン、ポリピリジンジイル、ポリチエニレン、ポリパラフェニレン、ポリフルラン、ポリアセン、ポリフラン、ポリアズレン、ポリインドール、ポリジアミノアントラキノンなどが挙げられる。導電性高分子は、単独使用または２種以上併用することができる。

このようなカソード触媒は、例えば、触媒担体に担持される。触媒担体として、例えば、カーボンなどの多孔質物質が挙げられる。なお、カソード電極１６は、触媒担体を用いずに、カソード触媒から直接形成することもできる。

カソード電極１６の厚みは、例えば、０．１μｍ以上、好ましくは、１μｍ以上、例えば、１００μｍ以下、好ましくは、１０μｍ以下である。

アノード側セパレータ１９は、アノード電極１５と対向するように、膜電極接合体１２に対して一方側（積層方向の一方側）に配置される。アノード側セパレータ１９は、膜電極接合体１２よりも大きな略矩形の平板形状を有し、ガス不透過性の導電性材料から形成されている。アノード側セパレータ１９は、詳しくは後述するが、アノード電極１５に液体燃料を供給するための燃料流路１７と、燃料流路１７の下端部に連通する燃料供給口３５と、燃料流路１７の上端部に連通する燃料排出口３６とを有する。

カソード側セパレータ２０は、カソード電極１６と対向するように、膜電極接合体１２に対してアノード側セパレータ１９の反対側（積層方向の他方側）に配置される。カソード側セパレータ２０は、膜電極接合体１２よりも大きな略矩形の平板形状を有し、ガス不透過性の導電性材料から形成されている。カソード側セパレータ２０は、詳しくは後述するが、カソード電極１６に酸素を供給するための酸素流路の一例としての空気流路１８と、空気流路１８の下端部に連通する酸素供給口の一例としての空気供給口３７と、空気流路１８の上端部に連通する酸素排出口の一例としての空気排出口３８とを有する。

なお、膜電極接合体１２と、アノード側セパレータ１９およびカソード側セパレータ２０のそれぞれとの間には、図示しないガス拡散層が介在されている。

（２）燃料給排部
図１に示すように、燃料給排部４は、供給ユニット８と、排出ライン９と、気液分離器３４と、還流ライン２７とを備える。

供給ユニット８は、燃料成分および電解質を含む液体燃料を燃料電池３（より具体的には、アノード電極１５）に供給する。供給ユニット８は、燃料タンク２１と、電解液タンク２２と、調整タンク２３と、第１燃料供給ライン２４と、電解液供給ライン２５と、第２燃料供給ライン２６と、を備える。

燃料タンク２１は、燃料成分を含む液体燃料を貯蔵する。詳しくは、液体燃料は、燃料成分が水により溶解される水溶液であって、燃料成分と、水とを含有する。

燃料成分として、例えば、アルコール類、ヒドラジン類などが挙げられ、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、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。

ヒドラジン類は、単独または２種類以上併用することができる。ヒドラジン類のなかでは、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、さらに好ましくは、水加ヒドラジンが挙げられる。

燃料タンク２１内における液体燃料のヒドラジン類の濃度は、例えば、５質量％以上、好ましくは、２０質量％以上、例えば、６０質量％以下、好ましくは、４０質量％以下である。

電解液タンク２２は、電解質の水溶液すなわち電解液を貯蔵する。

電解質として、例えば、水酸化カリウム、水酸化ナトリウムなどの金属水酸化物などが挙げられる。電解質は、単独使用または２種以上併用することができる。電解質のなかでは、好ましくは、水酸化カリウムが挙げられる。

電解液タンク２２内における電解液の電解質濃度は、例えば、１０質量％以上、好ましくは、２０質量％以上、例えば、４０質量％以下、好ましくは、３０質量％以下である。

調整タンク２３は、燃料電池３の近傍に配置されている。調整タンク２３には、燃料タンク２１からの液体燃料と、電解液タンク２２からの電解液とが混合された状態で貯蔵されている。つまり、調整タンク２３内の液体燃料は、燃料成分と、電解質と、水とを含む。

調整タンク２３内における液体燃料の燃料成分濃度は、電動車両１の走行状態に応じて調整されるが、例えば、０．１質量％以上、好ましくは、０．５質量％以上、例えば、２０質量％以下、好ましくは、１０質量％以下である。

調整タンク２３内における液体燃料の電解質濃度は、例えば、２．５質量％以上、好ましくは、５．０質量％以上、例えば、２０質量％以下、好ましくは、１０質量％以下である。

第１燃料供給ライン２４は、燃料タンク２１から調整タンク２３へ液体燃料を供給するための配管である。第１燃料供給ライン２４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。第１燃料供給ライン２４の供給方向下流端は、調整タンク２３に接続されている。第１燃料供給ライン２４には、ポンプ２９とバルブ３０とが設けられている。

ポンプ２９は、例えば、公知の送液ポンプであって、燃料タンク２１内の液体燃料を調整タンク２３に輸送する。ポンプ２９は、ＥＣＵ４４（後述）に電気的に接続されている。ポンプ２９の動作は、ＥＣＵ４４（後述）により制御される。

バルブ３０は、第１燃料供給ライン２４において、調整タンク２３とポンプ２９との間に設けられている。バルブ３０は、例えば、公知の開閉弁であって、第１燃料供給ライン２４を開閉する。バルブ３０は、ＥＣＵ４４（後述）に電気的に接続されている。バルブ３０の動作は、ＥＣＵ４４（後述）により制御される。

電解液供給ライン２５は、電解液タンク２２から調整タンク２３へ電解液を供給するための配管である。電解液供給ライン２５の供給方向上流端は、電解液タンク２２の下端部に接続されている。電解液供給ライン２５の供給方向下流端は、調整タンク２３に接続されている。電解液供給ライン２５には、ポンプ３１とバルブ３２とが設けられている。

ポンプ３１は、例えば、公知の送液ポンプであって、電解液タンク２２内の電解液を調整タンク２３に輸送する。ポンプ３１は、ＥＣＵ４４（後述）に電気的に接続されている。ポンプ３１の動作は、ＥＣＵ４４（後述）により制御される。

バルブ３２は、電解液供給ライン２５において、調整タンク２３とポンプ３１との間に設けられている。バルブ３２は、例えば、公知の開閉弁であって、電解液供給ライン２５を開閉する。バルブ３２は、ＥＣＵ４４（後述）に電気的に接続されている。バルブ３０の動作は、ＥＣＵ４４（後述）により制御される。

第２燃料供給ライン２６は、調整タンク２３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。第２燃料供給ライン２６の供給方向上流端は、調整タンク２３に接続されている。第２燃料供給ライン２６の供給方向下流端は、アノード側セパレータ１９の燃料供給口３５（図２参照）に接続されている。第２燃料供給ライン２６には、ポンプ３３が設けられている。

ポンプ３３は、例えば、公知の送液ポンプであって、調整タンク２３内の液体燃料を燃料電池３に輸送する。ポンプ３３は、ＥＣＵ４４（後述）に電気的に接続されている。ポンプ３３の動作は、ＥＣＵ４４（後述）により制御される。

排出ライン９は、燃料電池３から液体燃料を排出液として排出させる。排出ライン９は、排出液を燃料電池３から気液分離器３４へ輸送するための配管である。排出ライン９の排出方向上流端は、アノード側セパレータ１９の燃料排出口３６（図２参照）に接続されている。排出ライン９の排出方向下流端は、気液分離器３４の下端部に接続されている。

気液分離器３４は、排出ライン９と還流ライン２７との間に介在されている。気液分離器３４は、排出液からガス（気体）を分離する。気液分離器３４は、例えば、中空の容器からなる。気液分離器３４の下端部には、排出ライン９の排出方向下流端が接続されている。また、気液分離器３４の上部には、排気ライン２８が接続されている。

排気ライン２８は、気液分離器３４において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２８の排気方向上流端は、気液分離器３４に接続されている。排気ライン２８の排気方向下流端は、大気開放されている。

還流ライン２７は、気液分離器３４においてガスが分離された排出液を、気液分離器３４から調整タンク２３に還流するための配管である。還流ライン２７の還流方向上流端は、気液分離器３４の下端部に接続されている。還流ライン２７の還流方向下流端は、調整タンク２３に接続されている。これにより、調整タンク２３から、第２燃料供給ライン２６、燃料流路１７、排出ライン９、気液分離器３４および還流ライン２７を順次介して調整タンク２３に戻る循環ラインが形成される。

（３）空気給排部
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、酸素を含む空気を燃料電池３（より具体的には、カソード電極１６）に供給する。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、カソード側セパレータ２０の空気供給口３７（図３参照）に接続されている。空気供給ライン４１には、ポンプ４３が設けられている。

ポンプ４３は、例えば、エアコンプレッサなどの公知の送気ポンプである。ポンプ４３は、ＥＣＵ４４（後述）に電気的に接続されている。ポンプ４３の動作は、ＥＣＵ４４（後述）により制御される。

なお、空気供給ライン４１には、空気を加湿するための加湿器が設けられていない。

空気排出ライン４２は、燃料電池３から空気を排出させる。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、カソード側セパレータ２０の空気排出口３８（図３参照）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、ＥＣＵ４４を備える。

ＥＣＵ４４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、モータ４５と、インバータ４６と、バッテリ４７と、ＤＣ／ＤＣコンバータ４８とを備える。

モータ４５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。モータ４５は、燃料電池３に電気的に接続されている。モータ４５は、燃料電池３またはバッテリ４７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４５として、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。

インバータ４６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。インバータ４６は、配線により、燃料電池３とモータ４５との間に電気的に接続されている。インバータ４６として、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。

バッテリ４７は、燃料電池３が発電した電力を蓄電可能である。バッテリ４７は、燃料電池３とモータ４５との間の配線に電気的に接続されている。バッテリ４７として、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。バッテリ４７は、燃料電池３からの電力を蓄電可能、かつ、モータ４５に電力を供給可能である。

ＤＣ／ＤＣコンバータ４８は、配線により、燃料電池３とインバータ４６との間に電気的に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ４８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の電力およびバッテリ４７の入出力電力を調整する。ＤＣ／ＤＣコンバータ４８は、ＥＣＵ４４に電気的に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ４８の動作は、ＥＣＵ４４により制御される。

２．アノード側セパレータ
次に、図２および図３を参照して、アノード側セパレータ１９の詳細について説明する。

図２に示すように、アノード側セパレータ１９は、燃料流路１７と、燃料供給口３５と、燃料排出口３６と、供給空気通過口５０と、排出空気通過口５１とを備える。

燃料流路１７は、アノード側セパレータ１９の積層方向の他方面に区画される燃料流路形成領域Ａ１に形成される。

燃料流路形成領域Ａ１は、アノード側セパレータ１９の積層方向の他方面の中央に位置する。燃料流路形成領域Ａ１は、膜電極接合体１２と略同じ形状およびサイズを有し、具体的には、上下方向に長手の略八角形状を有している。燃料流路形成領域Ａ１は、アノード側セパレータ１９の積層方向の他方面から一方側に凹んでいる。燃料流路形成領域Ａ１には、複数の整流リブ５５が設けられる。

複数の整流リブ５５は、燃料流路形成領域Ａ１の鉛直方向中央部に配置されている。複数の整流リブ５５のそれぞれは、燃料流路形成領域Ａ１の積層方向の他方面から他方側へ向かって突出しており、鉛直方向に沿って直線状に延びている。複数の整流リブ５５は、鉛直方向および積層方向の両方向と交差（好ましくは直交）する幅方向に、互いに間隔を隔てて並列配置されている。

そして、複数の整流リブ５５のうち互いに隣り合う整流リブ５５の間が、直線流路５６として区画されている。つまり、複数の直線流路５６は、鉛直方向に沿って直線状に延び、互いに間隔（整流リブ５５）を隔てて並列配置されている。また、燃料流路１７は、複数の直線流路５６を含んでいる。

なお、複数の整流リブ５５は、鉛直方向において、燃料流路形成領域Ａ１の全体にわたって延びてもよく、燃料流路形成領域Ａ１の一部に形成されない領域を有してもよい。つまり、燃料流路形成領域Ａ１は、複数の整流リブ５５に対して、上側および／または下側に、複数の整流リブ５５が形成されない領域を有してもよい。

整流リブ５５の鉛直方向の寸法は、燃料流路形成領域Ａ１の鉛直方向の最大寸法以下であって、電極面積確保の観点から大きいほど好ましく、燃料流路形成領域Ａ１の鉛直方向の最大寸法を１００としたときに、例えば、６０以上、好ましくは、８０以上である。

燃料供給口３５は、燃料流路１７に液体燃料を供給する。燃料供給口３５は、燃料流路１７（燃料流路形成領域Ａ１）に対して下側に間隔を空けて位置しており、アノード側セパレータ１９の下端部における幅方向一方側部分に配置されている。燃料供給口３５は、略矩形状を有しており、アノード側セパレータ１９を厚み方向（積層方向）に貫通している。また、燃料供給口３５は、第１燃料用貫通孔５３（後述）を介して、燃料流路１７の下端部と連通している。

燃料排出口３６は、燃料流路１７を通過した液体燃料を排出する。燃料排出口３６は、燃料流路１７（燃料流路形成領域Ａ１）に対して上側に間隔を空けて位置しており、アノード側セパレータ１９の上端部における幅方向他方側部分に配置されている。燃料排出口３６は、略矩形状を有しており、アノード側セパレータ１９を厚み方向（積層方向）に貫通している。また、燃料排出口３６は、第２燃料用貫通孔５４（後述）を介して、燃料流路１７の上端部と連通している。

供給空気通過口５０は、アノード側セパレータ１９の下端部における幅方向他方側部分に配置されており、燃料供給口３５に対して幅方向に間隔を空けて配置されている。供給空気通過口５０は、略矩形状を有しており、アノード側セパレータ１９を厚み方向（積層方向）に貫通している。

排出空気通過口５１は、アノード側セパレータ１９の上端部における幅方向一方側部分に配置されており、燃料排出口３６に対して幅方向に間隔を空けて配置されている。排出空気通過口５１は、略矩形状を有しており、アノード側セパレータ１９を厚み方向（積層方向）に貫通している。なお、供給空気通過口５０および排出空気通過口５１は、燃料流路１７と連通していない。

また、図３に示すように、アノード側セパレータ１９は、第１薄肉部５２と、第１燃料用貫通孔５３と、第２薄肉部５７と、第２燃料用貫通孔５４と、をさらに備える。

第１薄肉部５２は、燃料流路形成領域Ａ１（図２参照）を積層方向に投影した投影面の下端縁と、燃料供給口３５を積層方向に投影した投影面の上端縁との間の領域に形成されている。第１薄肉部５２は、アノード側セパレータ１９の積層方向の一方面から他方側に向かって凹むように、厚みが薄肉化されている。第１薄肉部５２は、燃料供給口３５に臨んでいる。

第１燃料用貫通孔５３は、燃料供給口３５により供給される液体燃料を、燃料流路１７に向かって通過させる。第１燃料用貫通孔５３は、第１薄肉部５２に形成されている。より具体的には、第１燃料用貫通孔５３は、第１薄肉部５２を積層方向に投影した投影面の上端縁と、燃料流路形成領域Ａ１（図２参照）を積層方向に投影した投影面の下端縁との境界に形成されており、燃料供給口３５と燃料流路１７とを連通している。

第２薄肉部５７は、燃料流路形成領域Ａ１（図２参照）を積層方向に投影した投影面の上端縁と、燃料排出口３６を積層方向に投影した投影面の下端縁との間の領域に形成されている。第２薄肉部５７は、アノード側セパレータ１９の積層方向の一方面から他方側に向かって凹むように、厚みが薄肉化されている。第２薄肉部５７は、燃料排出口３６に臨んでいる。

第２燃料用貫通孔５４は、燃料流路１７を通過した液体燃料を、燃料排出口３６に向かって通過させる。第２燃料用貫通孔５４は、第２薄肉部５７に形成されている。より具体的には、第２燃料用貫通孔５４は、第２薄肉部５７を積層方向に投影した投影面の下端縁と、燃料流路形成領域Ａ１（図２参照）を積層方向に投影した投影面の上端縁との境界に形成されており、燃料流路１７と燃料排出口３６とを連通するように貫通している。

また、図２に示すように、アノード側セパレータ１９には、ガスケット３９が設けられている。

ガスケット３９は、柔軟性を有する樹脂などから形成されており、アノード側セパレータ１９において燃料流路１７をシールしている。言い換えれば、ガスケット３９は、燃料流路１７が形成される燃料流路形成領域Ａ１の周囲を囲んでいる。

具体的には、ガスケット３９は、アノード側セパレータ１９の積層方向の他方面に密着固定されており、燃料流路１７（燃料流路形成領域Ａ１）と、燃料供給口３５と、燃料排出口３６と、供給空気通過口５０と、排出空気通過口５１とのそれぞれを隔てるように設けられている。

３．カソード側セパレータ
次に、図２および図３を参照して、カソード側セパレータ２０の詳細について説明する。

図３に示すように、カソード側セパレータ２０は、空気流路１８と、空気供給口３７と、空気排出口３８と、供給燃料通過口６０と、排出燃料通過口６１と、を備える。

空気流路１８は、カソード側セパレータ２０の積層方向の一方面に区画される空気流路形成領域Ａ２に形成される。

空気流路形成領域Ａ２は、カソード側セパレータ２０の積層方向の一方面の中央に配置されている。空気流路形成領域Ａ２は、膜電極接合体１２と略同じ形状およびサイズを有し、具体的には、上下方向に長手の略八角形状を有している。空気流路形成領域Ａ２は、カソード側セパレータ２０の積層方向の一方面から他方側に凹んでいる。空気流路形成領域Ａ２には、複数の整流リブ６５が設けられる。

複数の整流リブ６５は、空気流路形成領域Ａ２の全体にわたって形成されている。複数の整流リブ６５のそれぞれは、空気流路形成領域Ａ２の積層方向の一方面から一方側へ向かって突出している。複数の整流リブ６５は、互いに間隔を隔てて並列配置されており、幅方向に折り返されながら、鉛直方向に延びる葛折り形状に延びている。

そして、複数の整流リブ６５のうち互いに隣り合う整流リブ６５の間が、葛折状流路６６として区画されている。つまり、空気流路１８は、複数の葛折状流路６６を含んでいる。

なお、複数の整流リブ６５は、空気流路形成領域Ａ２の全体にわたって設けられてもよく、空気流路形成領域Ａ２の一部に形成されない領域を有してもよい。

空気供給口３７は、空気流路１８に空気（酸素）を供給する。空気供給口３７は、空気流路１８（空気流路形成領域Ａ２）に対して下側に間隔を空けて位置しており、カソード側セパレータ２０の下端部における幅方向他方側部分に配置されている。空気供給口３７は、略矩形状を有しており、カソード側セパレータ２０を厚み方向（積層方向）に貫通している。また、空気供給口３７は、第１空気用貫通孔６３（後述）を介して、空気流路１８の下端部と連通している。

空気排出口３８は、空気流路１８を通過した空気（酸素）を排出する。空気排出口３８は、空気流路１８（空気流路形成領域Ａ２）に対して上側に間隔を空けて位置しており、カソード側セパレータ２０の上端部における幅方向一方側部分に配置されている。空気排出口３８は、略矩形状を有しており、カソード側セパレータ２０を厚み方向（積層方向）に貫通している。また、空気排出口３８は、第２空気用貫通孔６４（後述）を介して、空気流路１８の上端部と連通している。

供給燃料通過口６０は、カソード側セパレータ２０の下端部における幅方向一方側部分に配置されており、空気供給口３７に対して幅方向に間隔を空けて配置されている。供給燃料通過口６０は、略矩形状を有しており、カソード側セパレータ２０を厚み方向（積層方向）に貫通している。

排出燃料通過口６１は、カソード側セパレータ２０の上端部における幅方向他方側部分に配置されており、空気排出口３８に対して幅方向に間隔を空けて配置されている。排出燃料通過口６１は、略矩形状を有しており、カソード側セパレータ２０を厚み方向（積層方向）に貫通している。なお、供給燃料通過口６０および排出燃料通過口６１は、空気流路１８と連通していない。

また、図２に示すように、カソード側セパレータ２０は、第１薄肉部６２と、第１空気用貫通孔６３と、第２薄肉部６７と、第２空気用貫通孔６４と、をさらに備える。

第１薄肉部６２は、空気流路形成領域Ａ２（図３参照）を積層方向に投影した投影面の下端縁と、空気供給口３７を積層方向に投影した投影面の上端縁との間の領域に形成されている。第１薄肉部６２は、カソード側セパレータ２０の積層方向の他方面から一方側に向かって凹むように、厚みが薄肉化されている。第１薄肉部６２は、空気供給口３７に臨んでいる。

第１空気用貫通孔６３は、空気供給口３７により供給される空気を、空気流路１８（図３参照）に向かって通過させる。第１空気用貫通孔６３は、第１薄肉部６２に形成されている。より具体的には、第１空気用貫通孔６３は、第１薄肉部６２を積層方向に投影した投影面の上端縁と、空気流路形成領域Ａ２（図３参照）を積層方向に投影した投影面の下端縁との境界に形成されており、空気供給口３７と空気流路１８とを連通している。

第２薄肉部６７は、空気流路形成領域Ａ２（図３参照）を積層方向に投影した投影面の上端縁と、空気排出口３８を積層方向に投影した投影面の下端縁との間の領域に形成されている。第２薄肉部６７は、カソード側セパレータ２０の積層方向の他方面から一方側に向かって凹むように、厚みが薄肉化されている。第２薄肉部６７は、空気排出口３８に臨んでいる。

第２空気用貫通孔６４は、空気流路１８（図３参照）を通過した空気を、空気排出口３８に向かって通過させる。第２空気用貫通孔６４は、第２薄肉部６７に形成されている。より具体的には、第２薄肉部６７を積層方向に投影した投影面の下端縁と、空気流路形成領域Ａ２（図３参照）を積層方向に投影した投影面の上端縁との境界に形成されており、空気流路１８と空気排出口３８とを連通している。

また、図３に示すように、カソード側セパレータ２０には、ガスケット４０が設けられている。

ガスケット４０は、柔軟性を有する樹脂などから形成されており、カソード側セパレータ２０において空気流路１８をシールしている。言い換えれば、ガスケット４０は、空気流路１８が形成される空気流路形成領域Ａ２の周囲を囲んでいる。

具体的には、ガスケット４０は、カソード側セパレータ２０の積層方向の一方面に密着固定されており、空気流路１８（空気流路形成領域Ａ２）と、空気供給口３７と、空気排出口３８と、供給燃料通過口６０と、排出燃料通過口６１とのそれぞれを隔てるように設けられている。

４．発電セル
このような発電セル１０では、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、膜電極接合体１２と、アノード側セパレータ１９と、カソード側セパレータ２０とが組み合わされた状態において、アノード側セパレータ１９のガスケット３９とカソード側セパレータ２０のガスケット４０とが積層方向に密着しており、膜電極接合体１２の周囲を囲んでいる。

そして、アノード側セパレータ１９の燃料流路１７における複数の直線流路５６が、アノード電極１５と積層方向に対向するとともに、カソード側セパレータ２０の空気流路１８における複数の葛折状流路６６が、カソード電極１６と積層方向に対向する。

また、アノード側セパレータ１９の燃料供給口３５と、カソード側セパレータ２０の供給燃料通過口６０とが、ガスケット３９およびガスケット４０を介して、積層方向に連通するとともに、アノード側セパレータ１９の燃料排出口３６と、カソード側セパレータ２０の排出燃料通過口６１とが、ガスケット３９およびガスケット４０を介して、積層方向に連通する。

また、カソード側セパレータ２０の空気供給口３７と、アノード側セパレータ１９の供給空気通過口５０とが、ガスケット３９およびガスケット４０を介して、積層方向に連通するとともに、カソード側セパレータ２０の空気排出口３８と、アノード側セパレータ１９の排出空気通過口５１とが、ガスケット３９およびガスケット４０を介して、積層方向に連通する。

５．発電動作
次に、電動車両１における発電について説明する。

電動車両１が起動されると、図１に示すように、ＥＣＵ４４の制御により、バルブ３０が開放され、第１燃料供給ライン２４のポンプ２９、第２燃料供給ライン２６のポンプ３３、および、空気供給ライン４１のポンプ４３が駆動される。すると、調整タンク２３内の液体燃料は、第２燃料供給ライン２６を介して、燃料電池３に供給される。

なお、燃料タンク２１内の液体燃料は、第１燃料供給ライン２４を介して、逐次、バルブ３０の開閉動作、および、ポンプ２９の駆動および停止により、調整タンク２３に供給される。また、電解液タンク２２内の電解液は、電解液供給ライン２５を介して、逐次、バルブ３２の開閉動作、および、ポンプ３１の駆動および停止により、調整タンク２３に供給される。

より詳しくは、図４Ａに示すように、液体燃料は、燃料電池３の燃料供給口３５に供給され、第１燃料用貫通孔５３を介して、燃料流路１７に流入する。そして、液体燃料は、アノード電極１５に供給され、複数の直線流路５６を下側から上側へ向かって流れた後、第２燃料用貫通孔５４を介して、燃料排出口３６に排出される。その後、図１に示すように、燃料排出口３６に排出された液体燃料は、排出液として、燃料電池３から排出ライン９へ排出される。

また、電動車両１の外部から空気は、空気供給ライン４１を介して、燃料電池３に供給される。より詳しくは、図４Ｂに示すように、空気は、燃料電池３の空気供給口３７に供給され、第１空気用貫通孔６３を介して、空気流路１８に流入する。そして、空気は、カソード電極１６に供給され、複数の葛折状流路６６を下側から上側へ向かって流れた後、第２空気用貫通孔６４を介して、空気排出口３８に排出される。その後、図１に示すように、空気排出口３８に排出された空気は、燃料電池３から空気排出ライン４２へ排出される。

このとき、燃料電池３では、ヒドラジン類がヒドラジンであり、アノード触媒が、ＰｔＮｉ合金およびＰｔ単体を含む場合、アノード電極１５において、下記（Ａ）および（Ｂ）に示す電気化学反応が生じ、カソード電極１６において、下記（Ｃ）に示す電気化学反応が生じる。そして、燃料電池３全体として下記式（Ｄ）に示す反応が連続的に生じて発電される。

（Ａ）Ｎ_２Ｈ_４→Ｎ_２＋２Ｈ_２（アノード電極１５での反応）
（Ｂ）２Ｈ_２＋４ＯＨ⁻→４Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻（アノード電極１５での反応）
（Ｃ）Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻（カソード電極１６での反応）
（Ｄ）Ｎ_２Ｈ_４＋Ｏ_２→Ｎ_２＋２Ｈ_２Ｏ（燃料電池３全体での反応）
つまり、アノード電極１５では、ヒドラジンが窒素と水素とに分解されて、窒素および水素が生成した後（Ａ）、その水素が酸化される（Ｂ）。また、カソード電極１６では、酸素が還元される（Ｃ）。

これら反応により、ヒドラジン類（Ｎ_２Ｈ_４）が消費されるとともに、水（Ｈ_２Ｏ）および窒素（Ｎ_２）が生成され、起電力（ｅ⁻）が発生する。発生した起電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４８によって変圧され、インバータ４６により三相交流電力に変換された後、モータ４５に供給されて、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４７に蓄電される。

そして、燃料電池３から排出ライン９に排出された排出液は、気液分離器３４に流入し、ガス成分（例えば、水素ガス、窒素ガスなど）と、液体成分（例えば、ヒドラジン類が溶解する水溶液など）とに分離される。ガス成分は、排気ライン２８を介して電動車両１の外部に排出される。液体成分は、還流ライン２７を介して、調整タンク２３に供給される。

６．作用効果
図４Ａおよび図４Ｂに示すように、燃料電池３では、アノード側セパレータ１９が、燃料流路１７の下端部と連通する燃料供給口３５と、燃料流路１７の上端部と連通する燃料排出口３６とを備え、カソード側セパレータ２０が、空気流路１８の下端部と連通する空気供給口３７と、空気流路１８の上端部と連通する空気排出口３８とを備えている。

そのため、燃料電池３では、液体燃料は、燃料供給口３５を介して燃料流路１７の下端部に流入し、燃料流路１７を下側から上側に向かって通過し、酸素は、空気供給口３７を介して空気流路１８の下端部に流入し、空気流路１８を下側から上側に向かって通過する。

その結果、燃料流路１７の下端部からリークする液体燃料（以下、リーク液とする。）は、空気流路１８の下端部にリークして、空気流路１８に流入直後の空気にさらされる。このとき、そのリーク液の量が比較的多いために、電解質に由来する析出物（例えば、水酸化カリウム、炭酸カリウムなど）を生じさせることなく、空気流路１８に流入直後の空気を加湿する。

その後、加湿された酸素は、空気排出口３８に向かうように空気流路１８を通過し、燃料流路１７の上端部からの比較的量の少ないリーク液と接触する。

また、アノード電極１５では、上記した電気化学反応において、窒素や水素などの気体が生成する。これら気体は、燃料流路１７が葛折り状など屈曲する場合、燃料流路１７から円滑に排出されず、燃料流路１７に滞留する場合がある。

一方、燃料電池３の燃料流路１７は、鉛直方向に沿って直線状に延びる複数の直線流路５６を有している。そのため、電気化学反応において生成した気体は、直線流路５６に沿って上昇し、アノード側セパレータ１９の上端部に配置される燃料排出口３６から円滑に排出される。その結果、燃料流路１７における気体の滞留は抑制されており、燃料流路１７の上端部からのリーク液量の増加が図られている。

その結果、燃料流路１７の上端部からのリーク液が空気と接触しても、その空気が加湿されており、かつ、リーク液量が増加しているので、リーク液が乾燥することを抑制でき、電解質に由来する析出物が生じることを抑制できる。

また、燃料流路１７における気体の滞留が抑制され、リーク液量の増加が図られているので、別途加湿器を設けることなく、カソード電極１６に供給される空気を十分に加湿することができる。そのため、燃料電池システム２の小型化を図ることができながら、カソード電極１６に酸素および水を円滑に供給することができる。

７．変形例
上記した実施形態では、カソード側セパレータ２０の空気流路１８が複数の葛折状流路６６を有するが、空気流路１８の構成はこれに限定されない。空気流路１８は、燃料流路１７と同様に、複数の葛折状流路６６に代えて複数の直線流路５６を有していてもよい。

このような変形例によっても、上記した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
１２ 膜電極接合体
１４ 電解質膜
１７ 燃料流路
１８ 空気流路
１９ アノード側セパレータ
２０ カソード側セパレータ
３５ 燃料供給口
３６ 燃料排出口
３７ 空気供給口
３８ 空気排出口
５６ 直線流路

Claims (1)

1. 電解質膜、前記電解質膜の一方面に配置されるアノード電極、前記電解質膜の他方面に配置されるカソード電極を有する膜電極接合体と、
   前記アノード電極と対向するように前記膜電極接合体の一方側に配置され、アノード電極に、電解質を含む液体燃料を供給するための燃料流路を有するアノード側流路形成部と、
   前記カソード電極と対向するように前記膜電極接合体に対して前記アノード側流路形成部の反対側に配置され、前記カソード電極に酸素を供給するための酸素流路を有するカソード側流路形成部と、を備え、
   前記燃料流路は、鉛直方向に沿って直線状に延び、互いに間隔を隔てて並列配置される複数の直線流路を含み、
   前記アノード側流路形成部は、
   前記燃料流路の下端部と連通し、前記燃料流路に前記液体燃料を供給する燃料供給口と、
   前記燃料流路の上端部と連通し、前記燃料流路を通過した前記液体燃料を排出する燃料排出口と、を備え、
   前記カソード側流路形成部は、
   前記酸素流路の下端部と連通し、前記酸素流路に酸素を供給する酸素供給口と、
   前記酸素流路の上端部と連通し、前記酸素流路を通過した酸素を排出する酸素排出口と、を備えることを特徴とする、燃料電池。