JP5312830B2 - 燃料電池および燃料電池車両 - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池およびその燃料電池を搭載した燃料電池車両に関する。
従来、車両に搭載する燃料電池として、液体燃料を直接供給する直接液体燃料形燃料電池の開発が進められており、例えば、直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）や直接ジメチルエーテル形燃料電池（ＤＤＦＣ：Direct Dimethyl ether Fuel Cell）が知られている。
直接液体燃料形燃料電池は、液体燃料から水素ガスを生成するための改質器を必要としないので、システムとしての構造の簡略化が期待される燃料電池として注目されている。
直接液体燃料形燃料電池は、液体燃料から水素ガスを生成するための改質器を必要としないので、システムとしての構造の簡略化が期待される燃料電池として注目されている。
直接液体燃料形燃料電池が備えられる燃料電池システムは、例えば、液体燃料を燃料とする燃料電池と、燃料電池に液体燃料を供給するための燃料供給ポンプと、燃料電池に空気を供給するためのエアコンプレッサとを備えている。
このような燃料電池システムでは、液体燃料が水とともに燃料電池のアノード（燃料極）に供給され、また、空気が燃料電池のカソード（空気極）に供給されることによって、電気化学反応が生じ、起電力が発生する。
このような燃料電池システムでは、液体燃料が水とともに燃料電池のアノード（燃料極）に供給され、また、空気が燃料電池のカソード（空気極）に供給されることによって、電気化学反応が生じ、起電力が発生する。
具体的には、液体燃料としてメタノールが供給される場合、アノードおよびカソードでは、下記式（１）および（２）で示される電気化学反応が生じる。
（１）ＣＨ3ＯＨ＋６ＯＨ-→ＣＯ2＋５Ｈ2Ｏ＋６ｅ- （アノードでの反応）
（２）Ｏ2＋Ｈ2Ｏ＋４ｅ-→４ＯＨ- （カソードでの反応）
式（１）で示されるように、アノードでは、反応によりＣＯ2ガスが発生して、液体燃料中に気泡として滞留する。そのため、アノード電極における液体燃料との接触面がＣＯ2ガスに覆われて、燃料電池の出力が低下するおそれがある。
（１）ＣＨ3ＯＨ＋６ＯＨ-→ＣＯ2＋５Ｈ2Ｏ＋６ｅ- （アノードでの反応）
（２）Ｏ2＋Ｈ2Ｏ＋４ｅ-→４ＯＨ- （カソードでの反応）
式（１）で示されるように、アノードでは、反応によりＣＯ2ガスが発生して、液体燃料中に気泡として滞留する。そのため、アノード電極における液体燃料との接触面がＣＯ2ガスに覆われて、燃料電池の出力が低下するおそれがある。
そこで、例えば、液体燃料を水で希釈した希釈燃料を通常流量で供給する通常モード中に、燃料供給ポンプの出力を増加させて、上記通常流量を超える気泡除去流量で希釈燃料を供給する気泡除去モードをパルス的に実行することにより、アノード部に滞留しているＣＯ2ガスを効果的に回収することができる燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００５−１００８８６号公報
しかるに、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、気泡による出力低下を抑制するために、燃料供給ポンプの出力を増加させるので、エネルギー消費が大きくなるという不具合がある。
その一方で、燃料電池を搭載する車両では、エアコンディショナなどの補機に供給されるエネルギー消費が多いため、エネルギー消費の低減が望まれている。
その一方で、燃料電池を搭載する車両では、エアコンディショナなどの補機に供給されるエネルギー消費が多いため、エネルギー消費の低減が望まれている。
本発明の目的は、エネルギー消費を抑制しながら効率よく発電することのできる燃料電池およびその燃料電池を搭載する燃料電池車両を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池は、液体燃料を燃料として発電する単位セルを備え、前記単位セルは、電解質膜と、前記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、前記燃料側電極に対して、下側から上側に向けて液体燃料を供給する燃料供給部材と、前記酸素側電極に酸素を供給する酸素供給部材とを備え、前記燃料側電極が上方向に向くように、かつ、前記酸素側電極が下方向に向くように、鉛直方向に対して傾斜していることを特徴としている。
この構成によれば、燃料側電極が上方向に向くように、かつ、酸素側電極が下方向に向くように、単位セルが鉛直方向に対して傾斜している。
発電により発生する液体燃料中の気泡には、鉛直方向上向きの浮力が働くので、燃料側電極が上方向に向くように単位セルが鉛直方向に対して傾斜していれば、浮力の向きが燃料側電極から離れる方向となる。
発電により発生する液体燃料中の気泡には、鉛直方向上向きの浮力が働くので、燃料側電極が上方向に向くように単位セルが鉛直方向に対して傾斜していれば、浮力の向きが燃料側電極から離れる方向となる。
そして、単位セルの発電時には、液体燃料が下側から上側に向けて燃料側電極に供給されるので、燃料側電極から離れる方向に浮力のかかる気泡を、液体燃料の流れとともに上昇させて燃料側電極から離すことができる。そのため、燃料側電極への気泡の付着を抑制することができる。
このように、気泡に働く浮力と、発電のために単位セルに供給される液体燃料の流れとを利用して気泡の付着を抑制できるので、エネルギー消費を抑制しながら出力低下を抑制し、効率よく発電することができる。
このように、気泡に働く浮力と、発電のために単位セルに供給される液体燃料の流れとを利用して気泡の付着を抑制できるので、エネルギー消費を抑制しながら出力低下を抑制し、効率よく発電することができる。
また、本発明の燃料電池では、水平方向に前記単位セルが複数積層されて形成される積層構造体を備え、前記積層構造体は、その下側端部において積層方向に複数の前記単位セルを通過し、各前記単位セルに燃料を供給するための１つの燃料供給路と、その上側端部において積層方向に複数の前記単位セルを通過し、各前記単位セルから燃料を排出するための１つの燃料排出路と各前記単位セルの前記燃料供給部材に形成され、前記燃料供給路と前記燃料排出路とを連通させる複数の直線状の燃料用流路とを備えていることが好適である。
この構成によれば、積層構造体の積層方向、つまり、水平方向に液体燃料を流す場合、液体燃料は、１つの燃料供給路および１つの燃料排出路を利用して、一括して流される。一方、燃料供給路と燃料排出路との間において、液体燃料を上下方向に流す場合、液体燃料は、複数の直線状の燃料用流路を利用して、燃料側電極が上方向に向くように鉛直方向に対して傾斜した燃料側電極、つまり、水平軸に対して９０°よりも大きい鈍角で傾斜した燃料側電極に沿って流される。
そのため、液体燃料の乱流を抑制することができ、燃料供給路→燃料用流路→燃料排出路の順に液体燃料を滑らかに流すことができるので、液体燃料中の気泡を効率よく燃料排出路へ流して、燃料側電極から遠ざけることできる。その結果、燃料側電極への気泡の付着を一層抑制することができる。
また、本発明の燃料電池車両は、上記燃料電池を搭載していることを特徴としている。
また、本発明の燃料電池車両は、上記燃料電池を搭載していることを特徴としている。
上記燃料電池を搭載しているので、エネルギー消費を抑制しながら出力低下を抑制し、効率よく発電することができる燃料電池車両を実現することができる。
さらに、本発明の燃料電池車両では、前記燃料電池に供給する液体燃料を溜めるための燃料タンクと、液体燃料を前記燃料電池と前記燃料タンクとの間に循環させる循環路と、前記循環路に介在される循環ポンプとをさらに備え、前記燃料タンクは、その上端が前記燃料電池の上端よりも上方に位置するように配置され、前記循環ポンプは、その上端が前記燃料電池の上端よりも下方に位置するように配置されていることが好適である。
さらに、本発明の燃料電池車両では、前記燃料電池に供給する液体燃料を溜めるための燃料タンクと、液体燃料を前記燃料電池と前記燃料タンクとの間に循環させる循環路と、前記循環路に介在される循環ポンプとをさらに備え、前記燃料タンクは、その上端が前記燃料電池の上端よりも上方に位置するように配置され、前記循環ポンプは、その上端が前記燃料電池の上端よりも下方に位置するように配置されていることが好適である。
この構成によれば、循環ポンプの上端が燃料電池の上端よりも下方に位置しており、燃料タンクの上端が燃料電池の上端よりも上方に位置している。
そのため、燃料タンク、循環路、燃料電池および循環ポンプにより形成される循環系統を循環する液体燃料の液面を、燃料タンク内に位置させることができる。
液体燃料中の気泡は、浮力により上昇するので、上記循環系統における各部の位置関係が上記のようであれば、液体燃料中に気泡を、燃料タンク内に位置する液体燃料の液面から上方に気体成分として放出させて回収することができる。
そのため、燃料タンク、循環路、燃料電池および循環ポンプにより形成される循環系統を循環する液体燃料の液面を、燃料タンク内に位置させることができる。
液体燃料中の気泡は、浮力により上昇するので、上記循環系統における各部の位置関係が上記のようであれば、液体燃料中に気泡を、燃料タンク内に位置する液体燃料の液面から上方に気体成分として放出させて回収することができる。
その結果、循環ポンプの駆動機構に気泡が入り込むことによる、いわゆるエア噛みなどの運転不良を抑制することができる。また、このような循環ポンプの運転不良の抑制を、上記循環系統における各部の上下方向の位置関係を調節し、気泡に働く浮力を利用するだけで行なえるので、エネルギー消費を抑制することもできる。
本発明の燃料電池によれば、気泡に働く浮力と、発電のために単位セルに供給される液体燃料の流れとを利用して気泡の付着を抑制できるので、エネルギー消費を抑制しながら出力低下を抑制し、効率よく発電することができる。
また、本発明の燃料電池車両によれば、上記燃料電池を搭載しているので、エネルギー消費を抑制しながら出力低下を抑制し、効率よく発電することができる燃料電池車両を実現することができる。
また、本発明の燃料電池車両によれば、上記燃料電池を搭載しているので、エネルギー消費を抑制しながら出力低下を抑制し、効率よく発電することができる燃料電池車両を実現することができる。
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池１の構造を説明するための一方向の斜視図である。図２は、本発明の一実施形態に係る燃料電池１の構造を説明するための他方向の斜視図である。
図１および図２において、燃料電池１は、液体燃料を燃料とする、例えば、固体高分子型燃料電池であって、積層構造体としてのセルスタック２と、セルスタック２の積層方向（以下、この方向を単に「積層方向」と記述することがある。）において、セルスタック２を挟んでそれぞれ対向する、１対の集電板３、１対の絶縁板４および１対のエンドプレート５とを備えている。すなわち、燃料電池１は、セルスタック２の積層方向一方側および他方側（正面側および背面側）に、集電板３、絶縁板４およびエンドプレート５が順次積層されることによって、全体としてスタック構造に形成され、その積層方向が水平方向とされる。
図１および図２において、燃料電池１は、液体燃料を燃料とする、例えば、固体高分子型燃料電池であって、積層構造体としてのセルスタック２と、セルスタック２の積層方向（以下、この方向を単に「積層方向」と記述することがある。）において、セルスタック２を挟んでそれぞれ対向する、１対の集電板３、１対の絶縁板４および１対のエンドプレート５とを備えている。すなわち、燃料電池１は、セルスタック２の積層方向一方側および他方側（正面側および背面側）に、集電板３、絶縁板４およびエンドプレート５が順次積層されることによって、全体としてスタック構造に形成され、その積層方向が水平方向とされる。
セルスタック２は、水素と酸素との電気化学反応により発電する単位セル６を複数備えている。
各単位セル６は、それぞれ正面視略矩形状に形成されている。そして、これら複数の単位セル６がスタック（積層）されることにより、セルスタック２は、スタック構造に形成されている。
各単位セル６は、それぞれ正面視略矩形状に形成されている。そして、これら複数の単位セル６がスタック（積層）されることにより、セルスタック２は、スタック構造に形成されている。
集電板３は、例えば、銅などの導電性材料からなり、セルスタック２における積層方向正面側に積層された一方の集電板３と、セルスタック２における積層方向背面側に積層された他方の集電板３とからなる。各集電板３は、それぞれセルスタック２と正面視略同一形状に形成されている。各集電板３の上側周縁には、それぞれ端子７が設けられている。
端子７は、集電板３と一体的に形成され、集電板３の上側周縁から上方に向けて突出する略直方体形状に形成されている。燃料電池１では、セルスタック２で発生した起電力は、集電板３によって外部に取り出される。
端子７は、集電板３と一体的に形成され、集電板３の上側周縁から上方に向けて突出する略直方体形状に形成されている。燃料電池１では、セルスタック２で発生した起電力は、集電板３によって外部に取り出される。
絶縁板４は、例えば、ゴムや樹脂などの絶縁性材料からなり、一方の集電板３における正面側に積層された一方の絶縁板４と、他方の集電板３における背面側に積層された他方の絶縁板４とからなる。各絶縁板４は、それぞれセルスタック２と正面視略同一形状に形成されている。絶縁板４は、セルスタック２と、燃料電池１を収容するケーシング（図示せず）やエンドプレート５との間を絶縁している。
エンドプレート５は、例えば、鋼などの剛性の高い材料からなり、一方の絶縁板４における正面側に積層された一方のエンドプレート５と、他方の絶縁板４における背面側に積層された他方のエンドプレート５とからなる。各エンドプレート５は、それぞれセルスタック２と正面視略同一形状に形成されている。
そして、一方のエンドプレート５、一方の絶縁板４および一方の集電板３には、正面視上下方向に直交する幅方向（以下、この方向を単に「幅方向」と記述することがある。）の一方側端部における下角部に、セルスタック２に液体燃料を供給するための燃料供給口８が形成されている（図１参照。）。なお、以下において、上下方向という場合には、特に記述しない限り、鉛直方向および鉛直方向に対して傾斜した上下の方向のいずれも含むものとする。
そして、一方のエンドプレート５、一方の絶縁板４および一方の集電板３には、正面視上下方向に直交する幅方向（以下、この方向を単に「幅方向」と記述することがある。）の一方側端部における下角部に、セルスタック２に液体燃料を供給するための燃料供給口８が形成されている（図１参照。）。なお、以下において、上下方向という場合には、特に記述しない限り、鉛直方向および鉛直方向に対して傾斜した上下の方向のいずれも含むものとする。
燃料供給口８は、一方のエンドプレート５、一方の絶縁板４および一方の集電板３を厚さ方向に貫通する正面視略円形に形成されている。燃料供給口８には、燃料供給管９が接続されている。具体的には、燃料供給管９は、その一方側端部が、図示しない燃料タンクなどに接続され、その他方側端部が燃料供給口８に接続されている。
また、一方のエンドプレート５、一方の絶縁板４および一方の集電板３には、正面視幅方向他方側端部における下角部に、セルスタック２から酸素を含む空気（以下では、酸素を含む空気を、単に、「酸素」ということがある。）を排出するための酸素排出口１０が形成されている（図１参照。）。酸素排出口１０は、一方のエンドプレート５、一方の絶縁板４および一方の集電板３を厚さ方向に貫通する正面視略円形に形成されている。
また、一方のエンドプレート５、一方の絶縁板４および一方の集電板３には、正面視幅方向他方側端部における下角部に、セルスタック２から酸素を含む空気（以下では、酸素を含む空気を、単に、「酸素」ということがある。）を排出するための酸素排出口１０が形成されている（図１参照。）。酸素排出口１０は、一方のエンドプレート５、一方の絶縁板４および一方の集電板３を厚さ方向に貫通する正面視略円形に形成されている。
酸素排出口１０には、酸素排出管１１が接続されている。具体的には、酸素排出管１１は、その一方側端部が排気とされ、その他方側端部が酸素排出口１０に接続されている。
他方のエンドプレート５、他方の絶縁板４および他方の集電板３には、背面視幅方向一方側端部における上角部に、セルスタック２に酸素を供給するための酸素供給口１２が形成されている（図２参照。）。酸素供給口１２は、他方のエンドプレート５、他方の絶縁板４および他方の集電板３を厚さ方向に貫通する背面視略円形に形成されている。
他方のエンドプレート５、他方の絶縁板４および他方の集電板３には、背面視幅方向一方側端部における上角部に、セルスタック２に酸素を供給するための酸素供給口１２が形成されている（図２参照。）。酸素供給口１２は、他方のエンドプレート５、他方の絶縁板４および他方の集電板３を厚さ方向に貫通する背面視略円形に形成されている。
酸素供給口１２には、酸素供給管１３が接続されている。具体的には、酸素供給管１３は、その一方側端部が酸素供給口１２に接続され、その他方側端部が、例えば、コンプレッサ（図示せず）などに接続されている。
また、他方のエンドプレート５、他方の絶縁板４および他方の集電板３には、背面視幅方向他方側端部における上角部に、セルスタック２から液体燃料を排出するための燃料排出口１４が形成されている（図２参照。）。燃料排出口１４は、他方のエンドプレート５、他方の絶縁板４および他方の集電板３を厚さ方向に貫通する背面視略円形に形成されている。
また、他方のエンドプレート５、他方の絶縁板４および他方の集電板３には、背面視幅方向他方側端部における上角部に、セルスタック２から液体燃料を排出するための燃料排出口１４が形成されている（図２参照。）。燃料排出口１４は、他方のエンドプレート５、他方の絶縁板４および他方の集電板３を厚さ方向に貫通する背面視略円形に形成されている。
燃料排出口１４には、燃料排出管１５が接続されている。具体的には、燃料排出管１５は、その一方側端部が燃料排出口１４に接続され、その他方側端部が、例えば、液体燃料などを処理するための処理タンク（図示せず）に接続される。
図３は、図１に示すセルスタック２を、III−IIIで示される切断線で切断したときの要部断面図である。図４は、図１に示すセルスタック２の正面側要部分解図である。図５は、図１に示すセルスタック２の背面側要部分解図である。図６は、図３〜５に示すセパレータ１７の一方面の拡大図である。図７は、図３〜５に示すセパレータ１７の他方面の拡大図である。
図３は、図１に示すセルスタック２を、III−IIIで示される切断線で切断したときの要部断面図である。図４は、図１に示すセルスタック２の正面側要部分解図である。図５は、図１に示すセルスタック２の背面側要部分解図である。図６は、図３〜５に示すセパレータ１７の一方面の拡大図である。図７は、図３〜５に示すセパレータ１７の他方面の拡大図である。
次に、主として図３を参照して、セルスタック２の要部について説明する。
セルスタック２は、上記したように、複数の単位セル６が積層されたスタック構造に形成されている。
各単位セル６は、電解質膜１８と、電解質膜１８を挟んで対向配置される燃料側電極１９および酸素側電極２０と、電解質膜１８、燃料側電極１９および酸素側電極２０を挟んで対向配置される１対のセパレータ１７（セパレータ１７は、後述するように、燃料供給部材と酸素供給部材とを兼ねている。）とを備えている。
セルスタック２は、上記したように、複数の単位セル６が積層されたスタック構造に形成されている。
各単位セル６は、電解質膜１８と、電解質膜１８を挟んで対向配置される燃料側電極１９および酸素側電極２０と、電解質膜１８、燃料側電極１９および酸素側電極２０を挟んで対向配置される１対のセパレータ１７（セパレータ１７は、後述するように、燃料供給部材と酸素供給部材とを兼ねている。）とを備えている。
電解質膜１８は、断面視略平行四辺形状に形成されており、かつ、正面視略矩形状に形成されている（図４および図５参照。）。電解質膜１８の積層方向の厚みは、例えば、１０〜１００μｍである。電解質膜１８としては、例えば、プロトン交換膜やアニオン交換膜などの固体高分子膜が挙げられる。
プロトン交換膜としては、その内部をプロトンが移動できる膜であれば、特に制限され
ず、例えば、パーフルオロスルホン酸膜が挙げられる。
プロトン交換膜としては、その内部をプロトンが移動できる膜であれば、特に制限され
ず、例えば、パーフルオロスルホン酸膜が挙げられる。
一方、アニオン交換膜としては、その内部をアニオン（とりわけ、水酸化物イオン（ＯＨ-））が移動できる膜であれば、特に制限されず、例えば、４級アンモニウム基、ピリジニウム基などのアニオン交換基を有する固体高分子膜（アニオン交換樹脂）が挙げられる。
燃料側電極１９は、正面視において、電解質膜１８よりも面積の小さい相似形の略矩形状に形成されている（図４および図５参照。）。
燃料側電極１９は、正面視において、電解質膜１８よりも面積の小さい相似形の略矩形状に形成されている（図４および図５参照。）。
燃料側電極１９の材料としては、特に制限されず、例えば、触媒が担持された多孔質担体などが挙げられる。
多孔質担体としては、特に制限されず、例えば、カーボンなどの撥水性担体が挙げられる。
触媒としては、特に制限されず、例えば、白金族元素（Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ）、鉄族元素（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ）などの周期表第８〜１０（ＶIII）族元素や、例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕなどの周期表第１１（ＩＢ）族元素など、さらには、これらの組み合わせなどが挙げられる。
多孔質担体としては、特に制限されず、例えば、カーボンなどの撥水性担体が挙げられる。
触媒としては、特に制限されず、例えば、白金族元素（Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ）、鉄族元素（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ）などの周期表第８〜１０（ＶIII）族元素や、例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕなどの周期表第１１（ＩＢ）族元素など、さらには、これらの組み合わせなどが挙げられる。
酸素側電極２０は、背面視において、燃料側電極１９と幅方向略同じ幅の略矩形状に形成されており（図４および図５参照。）、その上下方向の長さが燃料側電極１９よりも小さい。
酸素側電極２０の材料としては、特に制限されず、例えば、燃料側電極１９の材料として例示した、触媒が担持された多孔質担体などが挙げられる。
酸素側電極２０の材料としては、特に制限されず、例えば、燃料側電極１９の材料として例示した、触媒が担持された多孔質担体などが挙げられる。
そして、電解質膜１８の一方面および他方面に、燃料側電極１９および酸素側電極２０が圧着形成されることにより、これらは膜・電極接合体を形成している。
１対のセパレータ１７は、断面視略平行四辺形状に形成されており、かつ、正面視において電解質膜１８と略同一形状に形成されている（図４および図５参照。）。１対のセパレータ１７は、例えば、ガス不透過性の導電性部材を用いて形成されている。
１対のセパレータ１７は、断面視略平行四辺形状に形成されており、かつ、正面視において電解質膜１８と略同一形状に形成されている（図４および図５参照。）。１対のセパレータ１７は、例えば、ガス不透過性の導電性部材を用いて形成されている。
１対のセパレータ１７のうち、正面側の一方のセパレータ１７には、燃料側電極１９と接触する背面側の他方面に、凹部２１が形成されている。凹部２１は、燃料側電極１９と幅方向略同じ幅の略矩形状に形成されており（図５参照。）、その上下方向の長さが燃料側電極１９よりも大きい。
凹部２１内には、燃料側電極１９に向かって開口される燃料側溝２２が形成されており、この燃料側溝２２と燃料側電極１９との間に、液体燃料を流すための燃料用流路２３が形成される。
凹部２１内には、燃料側電極１９に向かって開口される燃料側溝２２が形成されており、この燃料側溝２２と燃料側電極１９との間に、液体燃料を流すための燃料用流路２３が形成される。
１対のセパレータ１７のうち、背面側の他方のセパレータ１７には、酸素側電極２０と接触する正面側の一方面に、凹部２４が形成されている。凹部２４は、酸素側電極２０と略同一形状の略矩形状に形成されている。
凹部２４内には、酸素側電極２０に向かって開口される酸素側溝２５が形成されており、この酸素側溝２５と酸素側電極２０との間に、酸素を流すための酸素用流路２６が形成される。
凹部２４内には、酸素側電極２０に向かって開口される酸素側溝２５が形成されており、この酸素側溝２５と酸素側電極２０との間に、酸素を流すための酸素用流路２６が形成される。
そして、各単位セル６は、凹部２１に燃料側電極１９を嵌め込むように、かつ、凹部２４に酸素側電極２０を嵌め込むように、電解質膜１８を厚さ方向両側から１対のセパレータ１７で挟みこむことにより形成される。
なお、各単位セル６において、一方のセパレータ１７の正面側の一方面には、他方のセパレータ１７と同様に、凹部２４および酸素側溝２５が形成されており、他方のセパレータ１７の背面側の他方面には、一方のセパレータ１７と同様に、凹部２１および燃料側溝２２が形成されている。そのため、一方のセパレータ１７は、正面側に隣接する単位セル６に対しては、他方のセパレータ１７とされ、他方のセパレータ１７は、背面側に隣接する単位セル６に対しては、一方のセパレータ１７とされる。つまり、１対のセパレータ１７は、正面側および背面側に隣接する単位セル６と共有されており、１つの単位セル６に着目したときには、一方のセパレータ１７が、燃料側電極１９に液体燃料を供給するための燃料供給部材とされ、他方のセパレータ１７が、酸素側電極２０に酸素を供給するための酸素供給部材とされる。
なお、各単位セル６において、一方のセパレータ１７の正面側の一方面には、他方のセパレータ１７と同様に、凹部２４および酸素側溝２５が形成されており、他方のセパレータ１７の背面側の他方面には、一方のセパレータ１７と同様に、凹部２１および燃料側溝２２が形成されている。そのため、一方のセパレータ１７は、正面側に隣接する単位セル６に対しては、他方のセパレータ１７とされ、他方のセパレータ１７は、背面側に隣接する単位セル６に対しては、一方のセパレータ１７とされる。つまり、１対のセパレータ１７は、正面側および背面側に隣接する単位セル６と共有されており、１つの単位セル６に着目したときには、一方のセパレータ１７が、燃料側電極１９に液体燃料を供給するための燃料供給部材とされ、他方のセパレータ１７が、酸素側電極２０に酸素を供給するための酸素供給部材とされる。
このように形成される各単位セル６は、燃料側電極１９の正面側の一方面２７が上方向に向くように、かつ、酸素側電極２０の背面側の他方面２８が下方向に向くように、鉛直方向に対して傾斜している。具体的には、各単位セル６は、例えば、燃料側電極１９の一方面２７の下端部と鉛直軸Ｇとにより形成される挟角θ1が、３〜８７°、好ましくは、１５〜４５°となるように、鉛直方向に対して傾斜している。これにより、燃料側電極１９の一方面２７の下端部と水平軸Ｌとにより形成される挟角θ2が、９０°よりも大きい鈍角、具体的には、９３〜１７７°、好ましくは、１０５〜１３５°となる。
各単位セル６の上面、つまり、断面視平行四辺形状の電解質膜１８の外周上端と断面視平行四辺形状の１対のセパレータ１７の上面とにより形成される面は、各単位セル６が上記したような角度で傾斜することにより、水平方向に対して平行である。また、各単位セル６の下面も、上面と同様に、水平方向に対して平行である。そのため、各単位セル６が水平方向に積層されて形成されるセルスタック２は、その上面５５および下面５６が水平方向に対して平行な面となる。
セルスタック２には、その上側端部に上側の燃料孔２９が、その下側端部に下側の燃料孔３０が形成されている。
これら上側の燃料孔２９と下側の燃料孔３０とは、燃料側電極１９の上下方向の長さと略同じ間隔をあけて上下方向に対向し、セルスタック２を積層方向（水平方向）に貫通する１対の孔を形成している。
これら上側の燃料孔２９と下側の燃料孔３０とは、燃料側電極１９の上下方向の長さと略同じ間隔をあけて上下方向に対向し、セルスタック２を積層方向（水平方向）に貫通する１対の孔を形成している。
上側の燃料孔２９は、セルスタック２の上側端部において、積層方向（水平方向）に複数の単位セル６を貫通する燃料排出路３１を形成しており、また、下側の燃料孔３０は、セルスタック２の下側端部において、積層方向（水平方向）に複数の単位セル６を貫通する燃料供給路３２を形成している。
燃料供給路３２は、燃料供給口８（図１参照。）に連通しており、燃料排出路３１は、燃料排出口１４（図２参照。）に連通している。また、燃料供給路３２と燃料排出路３１とは、各単位セル６における燃料用流路２３を介して互いに連通している。
燃料供給路３２は、燃料供給口８（図１参照。）に連通しており、燃料排出路３１は、燃料排出口１４（図２参照。）に連通している。また、燃料供給路３２と燃料排出路３１とは、各単位セル６における燃料用流路２３を介して互いに連通している。
セルスタック２には、図４および図５に示すように、正面視幅方向の一方側端部における下角部に、一方の酸素孔３５が、正面視幅方向の他方側端部における上角部に、他方の酸素孔３６が形成されている。
これら一方の酸素孔３５と他方の酸素孔３６とは、燃料側電極１９および酸素側電極２０の幅方向の幅と略同じ間隔をあけて対角に対向し、セルスタック２を積層方向（水平方向）に貫通する１対の孔を形成している。
これら一方の酸素孔３５と他方の酸素孔３６とは、燃料側電極１９および酸素側電極２０の幅方向の幅と略同じ間隔をあけて対角に対向し、セルスタック２を積層方向（水平方向）に貫通する１対の孔を形成している。
一方の酸素孔３５は、セルスタック２の正面視幅方向の一方側端部において、積層方向（水平方向）に複数の単位セル６を貫通する酸素排出路３７を形成しており、また、他方の酸素孔３６は、セルスタック２の正面視幅方向の他方側端部において、積層方向（水平方向）に複数の単位セル６を貫通する酸素供給路３８を形成している。
酸素供給路３８は、酸素供給口１２（図２参照。）に連通しており、酸素排出路３７は、酸素排出口１０（図１参照。）に連通している。また、酸素供給路３８と酸素排出路３７とは、各単位セル６における酸素用流路２６を介して互いに連通している。
酸素供給路３８は、酸素供給口１２（図２参照。）に連通しており、酸素排出路３７は、酸素排出口１０（図１参照。）に連通している。また、酸素供給路３８と酸素排出路３７とは、各単位セル６における酸素用流路２６を介して互いに連通している。
次に、主として図５および図６を参照して、セパレータ１７の一方面の構成を具体的に説明する。
セパレータ１７の一方面において、上側の燃料孔２９および下側の燃料孔３０は、それぞれ凹部２１内の上端および下端に配置されている。
上側の燃料孔２９および下側の燃料孔３０は、その幅が、凹部２１と同じ幅になるように、幅広の長孔形状に形成されている。
セパレータ１７の一方面において、上側の燃料孔２９および下側の燃料孔３０は、それぞれ凹部２１内の上端および下端に配置されている。
上側の燃料孔２９および下側の燃料孔３０は、その幅が、凹部２１と同じ幅になるように、幅広の長孔形状に形成されている。
また、セパレータ１７の一方面において、凹部２１内には、幅方向に互いに間隔をあけて上下方向に直線状に延びるリブ４６が５つ立設されている。
各リブ４６は、上下方向に対向する上側の燃料孔２９と下側の燃料孔３０との間隔よりも小さい長さで形成されている。これにより、燃料側溝２２は、６つの直線溝３３に分割され、各直線溝３３は、それぞれ上下方向に直線状に延び、上側の燃料孔２９および下側の燃料孔３０において合流している。
各リブ４６は、上下方向に対向する上側の燃料孔２９と下側の燃料孔３０との間隔よりも小さい長さで形成されている。これにより、燃料側溝２２は、６つの直線溝３３に分割され、各直線溝３３は、それぞれ上下方向に直線状に延び、上側の燃料孔２９および下側の燃料孔３０において合流している。
そして、この燃料側溝２２（直線溝３３）は、各単位セル６の積層状態において、上記したように、燃料側電極１９との間において、下側の燃料孔３０と上側の燃料孔２９とを連絡する６つの直線状の燃料用流路２３を形成する。
また、セパレータ１７の一方面において、一方の酸素孔３５は、その下端が下側の燃料孔３０の上下方向中間に位置するように配置され、上下方向に細長の長孔形状に形成されている。また、他方の酸素孔３６は、その上端が上側の燃料孔２９の上端とほぼ同じ高さに位置するように配置され、上下方向に細長の長孔形状に形成されている。そして、これら一方の酸素孔３５と他方の酸素孔３６とは、セパレータ１７の一方面においては、凹部２１を挟むように配置されており、それらの連通が遮断されている。
また、セパレータ１７の一方面において、一方の酸素孔３５は、その下端が下側の燃料孔３０の上下方向中間に位置するように配置され、上下方向に細長の長孔形状に形成されている。また、他方の酸素孔３６は、その上端が上側の燃料孔２９の上端とほぼ同じ高さに位置するように配置され、上下方向に細長の長孔形状に形成されている。そして、これら一方の酸素孔３５と他方の酸素孔３６とは、セパレータ１７の一方面においては、凹部２１を挟むように配置されており、それらの連通が遮断されている。
次に、主として図４および図７を参照して、セパレータ１７の他方面の構成を具体的に説明する。
セパレータ１７の他方面において、凹部２４内には、その上端と所定の第１間隔をあけて配置され、幅方向他方端において気体の上下方向の流通を遮断するように凹部２４の内壁に当接し、幅方向一方側に延びる上側のリブ３９と、上側のリブ３９と上記第１間隔よりも小さい所定の第２間隔をあけて、かつ、凹部２４の下端と上記第２間隔よりも小さい所定の第３間隔をあけて配置され、幅方向一方端において気体の上下方向の流通を遮断するように凹部２４の内壁に当接し、幅方向他方側に延びる下側のリブ４０とが立設されている。
セパレータ１７の他方面において、凹部２４内には、その上端と所定の第１間隔をあけて配置され、幅方向他方端において気体の上下方向の流通を遮断するように凹部２４の内壁に当接し、幅方向一方側に延びる上側のリブ３９と、上側のリブ３９と上記第１間隔よりも小さい所定の第２間隔をあけて、かつ、凹部２４の下端と上記第２間隔よりも小さい所定の第３間隔をあけて配置され、幅方向一方端において気体の上下方向の流通を遮断するように凹部２４の内壁に当接し、幅方向他方側に延びる下側のリブ４０とが立設されている。
これにより、酸素側溝２５は、上側に配置される上流側の上側溝４１と、下側に配置される下流側の下側溝４３と、上側溝４１と下側溝４３との間に配置される中間溝４２とに区画され、上流側から下流側へ向かうにしたがってその溝幅（上下方向の間隔）が狭くなるように形成されている。また、酸素側溝２５は、上側溝４１が、凹部２４の幅方向他方端において他方の酸素孔３６に連通するとともに凹部２４の幅方向一方端において中間溝４２に連通し、下側溝４３が、凹部２４の幅方向他方端において中間溝４２に連通するとともに凹部２４の幅方向一方端において一方の酸素孔３５に連通することから、幅方向対角に対向する他方側の他方の酸素孔３６と一方側の一方の酸素孔３５とを連絡する、略Ｓ字状に形成される。
また、上側溝４１の幅方向途中には、上下方向に互いに間隔をあけて、幅方向に延びるリブ４４が３つ立設されている。これにより、上側溝４１は、上下方向４つに分割されている。
また、中間溝４２の幅方向途中には、幅方向に延びるリブ４５が１つ立設されている。これにより、中間溝４２は、上下方向２つに分割されている。
また、中間溝４２の幅方向途中には、幅方向に延びるリブ４５が１つ立設されている。これにより、中間溝４２は、上下方向２つに分割されている。
そして、この酸素側溝２５（上側溝４１、中間溝４２および下側溝４３）は、各単位セル６の積層状態において、上記したように、酸素側電極２０との間において、上流側から下流側に向かうにしたがってその流路幅が狭まる略Ｓ字状の酸素用流路２６を形成する。
以上、図３〜図７を参照して要部を説明したセルスタック２の積層方向両側に、集電板３、絶縁板４およびエンドプレート５が順次積層されることによって燃料電池１が構成される。
以上、図３〜図７を参照して要部を説明したセルスタック２の積層方向両側に、集電板３、絶縁板４およびエンドプレート５が順次積層されることによって燃料電池１が構成される。
燃料電池１は、図示しないケーシングに納められ、例えば、燃料供給管９に燃料タンク（図示せず）が接続され、酸素供給管１３にコンプレッサ（図示せず）が接続され、燃料排出管１５に処理タンク（図示せず）が接続されることにより、燃料電池システムとして使用される。
燃料電池１において、燃料供給口８には、燃料タンク（図示せず）からの液体燃料が供給されるとともに、酸素供給口１２には、コンプレッサからの酸素が供給される。
燃料電池１において、燃料供給口８には、燃料タンク（図示せず）からの液体燃料が供給されるとともに、酸素供給口１２には、コンプレッサからの酸素が供給される。
供給される液体燃料としては、例えば、ヒドラジン、メタノールなどが挙げられる。また、供給される液体燃料の流量は、例えば、０〜４１．４ｍＬ／ｓであり、好ましくは、１．１〜８．２８ｍＬ／ｓである。また、酸素の供給圧力は、例えば、０〜２００ｋＰａ・Ｇ（ゲージ圧）であり、好ましくは、５０〜１５０ｋＰａ・Ｇ（ゲージ圧）である
そして、液体燃料は、燃料供給口８から、スタック構造とされたセルスタック２内に供給され、燃料供給路３２を正面側から背面側へと水平方向に各単位セル６を一括して通過する。各単位セル６では、通過する液体燃料の一部が、鉛直方向に対して傾斜した燃料側電極１９の一方面２７に接触しながら下側から上側に向かって、６つの直線状の燃料用流路２３を流れた後（図６の実線矢印参照。）、燃料排出路３１に流出する。そして、燃料排出路３１を正面側から背面側へと水平方向に各単位セル６を一括して通過した後、燃料排出口１４から排出される。
そして、液体燃料は、燃料供給口８から、スタック構造とされたセルスタック２内に供給され、燃料供給路３２を正面側から背面側へと水平方向に各単位セル６を一括して通過する。各単位セル６では、通過する液体燃料の一部が、鉛直方向に対して傾斜した燃料側電極１９の一方面２７に接触しながら下側から上側に向かって、６つの直線状の燃料用流路２３を流れた後（図６の実線矢印参照。）、燃料排出路３１に流出する。そして、燃料排出路３１を正面側から背面側へと水平方向に各単位セル６を一括して通過した後、燃料排出口１４から排出される。
一方、酸素は、酸素供給口１２から、スタック構造とされたセルスタック２内に供給され、酸素供給路３８を背面側から正面側へと水平方向に各単位セル６を通過する。各単位セル６では、通過する酸素の一部が、上流側から下流側に向かうにしたがってその流路幅が狭まる略Ｓ字状の酸素用流路２６を、酸素側電極２０の他方面２８に接触しながら上側から下側に向かって流れた後（図７の実線矢印参照。）、酸素排出路３７に流出する。そして、酸素排出路３７を背面側から正面側へと水平方向に各単位セル６を通過した後、酸素排出口１０から排出される。
液体燃料がメタノールである場合、各単位セル６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燃料側電極１９では、メタノール（ＣＨ3ＯＨ）と酸素側電極２０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。）。
燃料側電極１９で発生した電子（ｅ-）は、図示しない外部回路を経由して酸素側電極２０に到達する。つまり、この外部回路を通過する電子（ｅ-）が、電流となる。
一方、酸素側電極２０では、電子（ｅ-）と、外部からの供給もしくは各単位セル６における反応で生成した水（Ｈ2Ｏ）と、酸素用流路２６から供給された酸素（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。）。
一方、酸素側電極２０では、電子（ｅ-）と、外部からの供給もしくは各単位セル６における反応で生成した水（Ｈ2Ｏ）と、酸素用流路２６から供給された酸素（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。）。
そして、生成した水酸化物イオン（ＯＨ-）が、電解質膜１８を通過して燃料側電極１９に到達し、上記と同様の反応（下記反応式（１）参照。）が行なわれる。
このような燃料側電極１９および酸素側電極２０における電気化学的反応が連続的に行なわれることによって、各単位セル６全体として下記反応式（３）で表わされる反応が行なわれて、燃料電池１の発電が行なわれる。
（１） ＣＨ3ＯＨ＋６ＯＨ-→ＣＯ2＋５Ｈ2Ｏ＋６ｅ-（燃料側電極１９での反応）
（２） Ｏ2＋２Ｈ2Ｏ＋４ｅ-→４ＯＨ- （酸素側電極２０での反応）
（３） ＣＨ3ＯＨ＋３／２Ｏ2→ＣＯ2＋２Ｈ2Ｏ （単位セル６全体での反応）
また、液体燃料がヒドラジンである場合、各単位セル６では、下記反応式（４）〜（６）で表される反応が行なわれて、燃料電池１の発電が行なわれる。
（４） Ｎ2Ｈ4＋４ＯＨ-→Ｎ2＋４Ｈ2Ｏ＋４ｅ- （燃料側電極１９での反応）
（５） Ｏ2＋２Ｈ2Ｏ＋４ｅ-→４ＯＨ- （酸素側電極２０での反応）
（６） Ｎ2Ｈ4＋Ｏ2→Ｎ2＋２Ｈ2Ｏ （単位セル６全体での反応）
上記した発電では、燃料側電極１９において、ＣＯ2ガスまたはＮ2ガスが発生して、液体燃料中に気泡として滞留する。そのため、燃料側電極１９における液体燃料との接触面、つまり、燃料側電極１９の一方面２７が気泡（ＣＯ2ガスまたはＮ2ガス）に覆われて（一方面２７に気泡が接触して）、燃料電池１の発電が阻害されるおそれがある。
このような燃料側電極１９および酸素側電極２０における電気化学的反応が連続的に行なわれることによって、各単位セル６全体として下記反応式（３）で表わされる反応が行なわれて、燃料電池１の発電が行なわれる。
（１） ＣＨ3ＯＨ＋６ＯＨ-→ＣＯ2＋５Ｈ2Ｏ＋６ｅ-（燃料側電極１９での反応）
（２） Ｏ2＋２Ｈ2Ｏ＋４ｅ-→４ＯＨ- （酸素側電極２０での反応）
（３） ＣＨ3ＯＨ＋３／２Ｏ2→ＣＯ2＋２Ｈ2Ｏ （単位セル６全体での反応）
また、液体燃料がヒドラジンである場合、各単位セル６では、下記反応式（４）〜（６）で表される反応が行なわれて、燃料電池１の発電が行なわれる。
（４） Ｎ2Ｈ4＋４ＯＨ-→Ｎ2＋４Ｈ2Ｏ＋４ｅ- （燃料側電極１９での反応）
（５） Ｏ2＋２Ｈ2Ｏ＋４ｅ-→４ＯＨ- （酸素側電極２０での反応）
（６） Ｎ2Ｈ4＋Ｏ2→Ｎ2＋２Ｈ2Ｏ （単位セル６全体での反応）
上記した発電では、燃料側電極１９において、ＣＯ2ガスまたはＮ2ガスが発生して、液体燃料中に気泡として滞留する。そのため、燃料側電極１９における液体燃料との接触面、つまり、燃料側電極１９の一方面２７が気泡（ＣＯ2ガスまたはＮ2ガス）に覆われて（一方面２７に気泡が接触して）、燃料電池１の発電が阻害されるおそれがある。
しかし、この燃料電池１によると、液体燃料と接触する燃料側電極１９の一方面２７が上方向に向くように、かつ、酸素側電極２０の他方面２８が下方向に向くように、単位セル６が鉛直方向に対して、燃料側電極１９の一方面２７の下端部と鉛直軸Ｇとにより形成される挟角θ1が、例えば、３〜８７°、好ましくは、１５〜４５°となるように傾斜している。
発電により発生する液体燃料中の気泡には、鉛直方向上向きの浮力が働くので、単位セル６が鉛直方向に対して挟角θ1の角度で傾斜していれば、燃料側電極１９の一方面２７と浮力の向き（鉛直方向上向き）とにより形成される挟角がθ1となる。つまり、液体燃料中の気泡にかかる浮力の向きが燃料側電極１９の一方面２７から離れる方向となる。
そして、単位セル６の発電時には、液体燃料が、燃料側電極１９の一方面２７に接触しながら下側の燃料孔３０から上側の燃料孔２９に向けて供給されるので（図６の実線矢印参照。）、燃料側電極１９の一方面２７から離れる方向に浮力のかかる気泡を、液体燃料の流れとともに燃料側電極１９の一方面２７に沿って上昇させて、燃料排出路３１に排出することができる。そのため、燃料側電極１９の一方面２７への気泡の付着を抑制することができる。
そして、単位セル６の発電時には、液体燃料が、燃料側電極１９の一方面２７に接触しながら下側の燃料孔３０から上側の燃料孔２９に向けて供給されるので（図６の実線矢印参照。）、燃料側電極１９の一方面２７から離れる方向に浮力のかかる気泡を、液体燃料の流れとともに燃料側電極１９の一方面２７に沿って上昇させて、燃料排出路３１に排出することができる。そのため、燃料側電極１９の一方面２７への気泡の付着を抑制することができる。
このように、気泡に働く浮力と、発電のために単位セル６に供給される液体燃料の流れとを利用して気泡の付着を抑制できるので、液体燃料と燃料側電極１９との接触を最大限確保できる。その結果、そのような接触を図るためのエネルギー消費を抑制しながら出力低下を抑制し、効率よく発電することができる。
また、単位セル６の発電時に液体燃料を水平方向に流す場合、液体燃料は、凹部２１と同じ幅の幅広の長孔形状に形成された１つの燃料供給路３２および１つの燃料排出路３１を利用して、一括して流される。一方、燃料供給路３２と燃料排出路３１との間において、液体燃料を上下方向に流す場合、液体燃料は、６つの直線状の燃料用流路２３を利用して、水平軸Ｌに対して９０°よりも大きい鈍角で傾斜した燃料側電極１９の一方面２７に沿って分割して流される。
また、単位セル６の発電時に液体燃料を水平方向に流す場合、液体燃料は、凹部２１と同じ幅の幅広の長孔形状に形成された１つの燃料供給路３２および１つの燃料排出路３１を利用して、一括して流される。一方、燃料供給路３２と燃料排出路３１との間において、液体燃料を上下方向に流す場合、液体燃料は、６つの直線状の燃料用流路２３を利用して、水平軸Ｌに対して９０°よりも大きい鈍角で傾斜した燃料側電極１９の一方面２７に沿って分割して流される。
そのため、液体燃料の乱流を抑制することができ、燃料供給路３２→燃料用流路２３→燃料排出路３１の順に液体燃料を滑らかに流すことができるので、液体燃料中の気泡を効率よく燃料排出路３１へ流して、燃料側電極１９から遠ざけることできる。その結果、燃料側電極１９の一方面２７への気泡の付着を一層抑制することができる。
また、燃料用流路２３を、上下方向下側と上側とを連絡する直線状に形成するとともに、酸素用流路２６を、幅方向一方側と他方側とを連絡する略Ｓ字状に形成することにより、上側の燃料孔２９と下側の燃料孔３０とを、上下方向に対向する１対の孔とすることができるとともに、一方の酸素孔３５と他方の酸素孔３６とを、幅方向対角に対向する１対の孔とすることができる。
また、燃料用流路２３を、上下方向下側と上側とを連絡する直線状に形成するとともに、酸素用流路２６を、幅方向一方側と他方側とを連絡する略Ｓ字状に形成することにより、上側の燃料孔２９と下側の燃料孔３０とを、上下方向に対向する１対の孔とすることができるとともに、一方の酸素孔３５と他方の酸素孔３６とを、幅方向対角に対向する１対の孔とすることができる。
そのため、セパレータ１７および電解質膜１８におけるこれらの外周４辺の端部すべてを２対の孔の形成に利用することができる。その結果、セパレータ１７および電解質膜１８の面積の有効利用を図ることができる。
さらに、酸素側溝２５が、各単位セル６の積層状態において、酸素側電極２０との間において、上流側から下流側に向かうにしたがってその流路幅が狭まる略Ｓ字状の酸素用流路２６を形成するため、酸素と酸素側電極２０との接触を十分に確保することができる。
さらに、酸素側溝２５が、各単位セル６の積層状態において、酸素側電極２０との間において、上流側から下流側に向かうにしたがってその流路幅が狭まる略Ｓ字状の酸素用流路２６を形成するため、酸素と酸素側電極２０との接触を十分に確保することができる。
図８は、図１に示す燃料電池１を搭載した本発明の一実施形態に係る燃料電池車両４７の概略構成図である。
燃料電池車両４７は、燃料電池をその動力源とする車両であって、燃料電池システム８０を搭載している。
燃料電池システム８０は、図１および図２に示す燃料電池１と、燃料給排部４８と、酸素給排部４９と、制御部５０と、動力部５１とを備えている。
（Ａ）燃料電池
燃料電池１は、図１および図２に示す燃料電池であって、燃料電池車両４７の略中央下側において、その上端５８および下端５９、つまり、セルスタック２の上面５５および下面５６（図８では図示せず）が水平方向に対して平行な面となるように配置されている。また、燃料電池１は、各単位セル６における燃料側電極１９が燃料電池車両４７の前側になるように配置されている。
（Ｂ）燃料給排部
燃料給排部４８は、液体燃料を貯めるための燃料タンク５２と、燃料タンク５２からの液体燃料を燃料電池１に供給するための燃料供給管５３と、燃料電池１からの液体燃料を燃料タンク５２に還流させるための還流管５４とを備えている。
燃料電池車両４７は、燃料電池をその動力源とする車両であって、燃料電池システム８０を搭載している。
燃料電池システム８０は、図１および図２に示す燃料電池１と、燃料給排部４８と、酸素給排部４９と、制御部５０と、動力部５１とを備えている。
（Ａ）燃料電池
燃料電池１は、図１および図２に示す燃料電池であって、燃料電池車両４７の略中央下側において、その上端５８および下端５９、つまり、セルスタック２の上面５５および下面５６（図８では図示せず）が水平方向に対して平行な面となるように配置されている。また、燃料電池１は、各単位セル６における燃料側電極１９が燃料電池車両４７の前側になるように配置されている。
（Ｂ）燃料給排部
燃料給排部４８は、液体燃料を貯めるための燃料タンク５２と、燃料タンク５２からの液体燃料を燃料電池１に供給するための燃料供給管５３と、燃料電池１からの液体燃料を燃料タンク５２に還流させるための還流管５４とを備えている。
燃料タンク５２は、燃料電池１よりも後方、燃料電池車両４７の後側において、その上端５７が燃料電池１の上端５８（セルスタック２の上面５５）よりも上方に位置し、その下端６０が燃料電池１の上端５８（セルスタック２の上面５５）とほぼ同じ高さに位置するように配置されている。また、燃料タンク５２には、液体燃料を充填するための供給管６８が接続されている。
供給管６８は、その上流側の一端が燃料電池車両４７の車体ボディなどに形成された充填口（図示せず）とされ、下流側の他端が燃料タンク５２の下側に接続されている。供給管６８の途中には、供給バルブ６９が設けられている。
供給バルブ６９は、供給管６８を開閉するための弁であって、例えば、電磁弁などの公知の開閉弁が用いられる。また、供給バルブ６９は、制御部５０と電気的に接続されており（図８の破線参照。）、制御部５０からの入力信号により、その開閉が制御される。供給バルブ６９が開かれ、充填口（図示せず）から液体燃料が供給されることにより、燃料タンク５２に液体燃料が貯蔵される。
供給バルブ６９は、供給管６８を開閉するための弁であって、例えば、電磁弁などの公知の開閉弁が用いられる。また、供給バルブ６９は、制御部５０と電気的に接続されており（図８の破線参照。）、制御部５０からの入力信号により、その開閉が制御される。供給バルブ６９が開かれ、充填口（図示せず）から液体燃料が供給されることにより、燃料タンク５２に液体燃料が貯蔵される。
また、燃料タンク５２には、供給管６８との接続位置よりも上側の位置において、排気管７０が接続されている。
排気管７０は、燃料タンク５２内の気体成分を排出するための管であって、その上流側の一端が燃料タンク５２に接続され、下流側の他端が排気とされる。また、排気管７０の途中には、排気バルブ７１が設けられている。
排気管７０は、燃料タンク５２内の気体成分を排出するための管であって、その上流側の一端が燃料タンク５２に接続され、下流側の他端が排気とされる。また、排気管７０の途中には、排気バルブ７１が設けられている。
排気バルブ７１は、排気管７０を開閉するための弁であって、例えば、電磁弁などの公知の開閉弁が用いられる。また、排気バルブ７１は、制御部５０と電気的に接続されており（図８の破線参照。）、制御部５０からの入力信号により、その開閉が制御される。排気バルブ７１が開かれることにより、燃料タンク５２内の気体成分が排出される。
燃料供給管５３は、上流側の一端が、燃料タンク５２の下側に配置される燃料流出口（図示せず）に接続され、下流側の他端が、燃料タンク５２の上端５７よりも下方位置を保持しながら前方に延び、燃料電池車両４７の前部において、さらに下向きにＵターンして、燃料電池１の燃料供給口８に接続される。また、燃料供給管５３の途中には、燃料供給管５３と還流管５４とにより形成される循環路に液体燃料を循環させるための循環ポンプ６１が介在されている。
燃料供給管５３は、上流側の一端が、燃料タンク５２の下側に配置される燃料流出口（図示せず）に接続され、下流側の他端が、燃料タンク５２の上端５７よりも下方位置を保持しながら前方に延び、燃料電池車両４７の前部において、さらに下向きにＵターンして、燃料電池１の燃料供給口８に接続される。また、燃料供給管５３の途中には、燃料供給管５３と還流管５４とにより形成される循環路に液体燃料を循環させるための循環ポンプ６１が介在されている。
循環ポンプ６１は、燃料電池１よりも前方、燃料電池車両４７の前側において、その上端７５が、燃料電池１の上端５８（セルスタック２の上面５５）と下端５９（セルスタック２の下面５６）との間、つまり燃料電池１の上端５８よりも下方に位置し、その下端７６が、燃料電池１の下端５９（セルスタック２の下面５６）よりも下方に位置するように配置されている。循環ポンプ６１としては、例えば、公知の送液ポンプなどが用いられる。
還流管５４は、上流側の一端が、燃料電池１の燃料排出口１４に接続され、下流側の他端が、燃料タンク５２の上端５７よりも下方位置を保持しながら後方に延び、燃料電池車両４７の後側において上向きに屈曲して、燃料供給管５３が接続される燃料タンク５２の燃料流出口（図示せず）の下方下側に配置される燃料タンク５２の燃料流入口（図示せず）に接続される。還流管５４の途中には、切替バルブ６２が設けられている。
切替バルブ６２は、還流管５４を開閉するための弁であって、例えば、電磁弁などの公知の開閉弁が用いられる。また、切替バルブ６２は、制御部５０と電気的に接続されており（図８の破線参照。）、制御部５０からの入力信号により、その開閉が制御される。また、切替バルブ６２には、分岐管６３が接続されている。
分岐管６３は、その上流側の一端が切替バルブ６２に接続され、下流側の他端が、液体燃料を処理するための処理タンク６４に接続されている。
分岐管６３は、その上流側の一端が切替バルブ６２に接続され、下流側の他端が、液体燃料を処理するための処理タンク６４に接続されている。
処理タンク６４は、液体燃料を処理するためのタンクであって、その内部には、貯留された液体燃料を処理するための燃料処理装置（図示せず）が設けられている。燃料処理装置としては、使用される液体燃料に応じて適切な処理装置が選択され、例えば、液体燃料がヒドラジンの場合、ヒドラジンを分解して、環境負荷の少ないＮ2ガスおよび水などの環境負荷の少ない物質を生成させるための分解装置が選択される。また、処理タンク６４には、処理タンク６４での処理で生成するＮ2ガスなどの気体成分を排出するための排気管６５が接続されている。
排気管６５は、その上流側の一端が処理タンク６４に接続され、その下流側の他端が排気とされる。
また、処理タンク６４には、処理タンク６４での処理で生成する水などの液体成分を排出するための排液管６６が接続されている。
排液管６６は、その上流側の一端が処理タンク６４に接続され、その下流側の他端がドレンとされる。また、排液管６６の途中には、排液バルブ６７が設けられている。
また、処理タンク６４には、処理タンク６４での処理で生成する水などの液体成分を排出するための排液管６６が接続されている。
排液管６６は、その上流側の一端が処理タンク６４に接続され、その下流側の他端がドレンとされる。また、排液管６６の途中には、排液バルブ６７が設けられている。
排液バルブ６７は、排液管６６を開閉するための弁であって、例えば、電磁弁などの公知の開閉弁が用いられる。また、排液バルブ６７は、制御部５０と電気的に接続されており（図８の破線参照。）、制御部５０からの入力信号により、その開閉が制御される。
（Ｃ）酸素給排部
酸素給排部４９は、燃料電池１に酸素を供給する酸素供給管７２と、燃料電池１から排出される酸素を排出するための酸素排出管７３とを備えている。
（Ｃ）酸素給排部
酸素給排部４９は、燃料電池１に酸素を供給する酸素供給管７２と、燃料電池１から排出される酸素を排出するための酸素排出管７３とを備えている。
酸素供給管７２は、上流側の一端が大気中に開放され、下流側の他端が燃料電池１の酸素供給口１２に接続されている。酸素供給管７２の途中には、酸素供給ポンプ７４が介在されている。
酸素供給ポンプ７４は、大気中の酸素を酸素供給管７２に流すためのポンプであって、例えば、エアコンプレッサなどの公知の送気ポンプが用いられる。また、酸素供給ポンプ７４は、制御部５０と電気的に接続されており（図８の破線参照。）、制御部５０からの入力信号により稼動するとともに、その出力が制御される。酸素供給ポンプ７４の出力が制御されることによって、酸素供給管７２を流れる酸素の流量が制御される。
酸素供給ポンプ７４は、大気中の酸素を酸素供給管７２に流すためのポンプであって、例えば、エアコンプレッサなどの公知の送気ポンプが用いられる。また、酸素供給ポンプ７４は、制御部５０と電気的に接続されており（図８の破線参照。）、制御部５０からの入力信号により稼動するとともに、その出力が制御される。酸素供給ポンプ７４の出力が制御されることによって、酸素供給管７２を流れる酸素の流量が制御される。
酸素排出管７３は、その上流側の一端が燃料電池１の酸素排出口１０に接続され、その下流側の他端が排気とされる。
（Ｄ）制御部
制御部５０は、燃料電池車両４７の略中央において、燃料電池１よりも上方に配置されている。制御部５０は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭなどを備えるマイクロコンピュータで構成されている。制御部５０には、制御対象として、循環ポンプ６１、切替バルブ６２、排液バルブ６７、供給バルブ６９、排気バルブ７１、酸素供給ポンプ７４、モータ７７（後述）およびインバータ７８（後述）がそれぞれ電気的に接続されている（図８の破線参照。）
（Ｅ）動力部
動力部５１は、モータ７７と、インバータ７８とを備えている。
（Ｄ）制御部
制御部５０は、燃料電池車両４７の略中央において、燃料電池１よりも上方に配置されている。制御部５０は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭなどを備えるマイクロコンピュータで構成されている。制御部５０には、制御対象として、循環ポンプ６１、切替バルブ６２、排液バルブ６７、供給バルブ６９、排気バルブ７１、酸素供給ポンプ７４、モータ７７（後述）およびインバータ７８（後述）がそれぞれ電気的に接続されている（図８の破線参照。）
（Ｅ）動力部
動力部５１は、モータ７７と、インバータ７８とを備えている。
モータ７７は、燃料電池車両４７における循環ポンプ６１よりも前方、燃料電池車両４７の最前側に配置されている。モータ７７は、例えば、三相誘導電動機、三相同期電動機など、公知の電動機を用いて構成されており、インバータ７８を介して、燃料電池１に電気的に接続されている（図８の破線参照。）。
インバータ７８は、モータ７７の上側に配置されている。インバータ７８は、燃料電池１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、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を用いて構成されている。また、インバータ７８は、燃料電池１およびモータ７７にそれぞれ電気的に接続されている（図８の破線参照。）。
（Ｆ）燃料電池車両での発電
以上説明した燃料電池車両４７では、循環ポンプ６１および酸素供給ポンプ７４が稼動されることにより、燃料供給管５３に液体燃料が供給され、酸素供給管７２に酸素が供給される。
インバータ７８は、モータ７７の上側に配置されている。インバータ７８は、燃料電池１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、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を用いて構成されている。また、インバータ７８は、燃料電池１およびモータ７７にそれぞれ電気的に接続されている（図８の破線参照。）。
（Ｆ）燃料電池車両での発電
以上説明した燃料電池車両４７では、循環ポンプ６１および酸素供給ポンプ７４が稼動されることにより、燃料供給管５３に液体燃料が供給され、酸素供給管７２に酸素が供給される。
液体燃料は、燃料電池１の燃料供給口８から燃料電池１に流入した後、その一部が燃料電池１での発電に消費され、その残りが燃料排出口１４から還流管５４に流出して、燃料タンク５２に還流される。なお、液体燃料の一部および／または全部は、必要により、切替バルブ６２が切り替えられることにより、処理タンク６４に溜められ、環境負荷の少ない物質に分解される。一方、酸素は、燃料電池１の酸素供給口１２から燃料電池１に流入した後、その一部が燃料電池１での発電に消費され、その残りが酸素排出口１０から酸素排出管７３に流出して、外部に排出される。
そして、燃料電池１では、上記した電気化学的反応が行なわれて発電が行なわれ、上記したように、ＣＯ2ガスまたはＮ2ガスが発生する。
この燃料電池車両４７では、燃料タンク５２の上端５７が燃料電池１の上端５８（セルスタック２の上面５５）よりも上方に位置し、かつ、その下端６０が燃料電池１の上端５８とほぼ同じ高さに位置している。また、循環ポンプ６１の上端７５が、燃料電池１の上端５８よりも下方に位置しており、さらに、これらを連通させる燃料供給管５３および還流管５４は、いずれも燃料タンク５２の上端５７よりも下方位置を保持するように配設されている。
この燃料電池車両４７では、燃料タンク５２の上端５７が燃料電池１の上端５８（セルスタック２の上面５５）よりも上方に位置し、かつ、その下端６０が燃料電池１の上端５８とほぼ同じ高さに位置している。また、循環ポンプ６１の上端７５が、燃料電池１の上端５８よりも下方に位置しており、さらに、これらを連通させる燃料供給管５３および還流管５４は、いずれも燃料タンク５２の上端５７よりも下方位置を保持するように配設されている。
そのため、燃料タンク５２、燃料供給管５３、循環ポンプ６１、燃料電池１および還流管５４により形成される循環系統を循環する液体燃料の液面を、燃料タンク５２内に位置させることができる。
液体燃料中の気泡は、浮力により上昇するので、上記循環系統における各部の位置関係が上記のようであれば、液体燃料中に気泡として含有される気体成分（ＣＯ2ガスまたはＮ2ガス）を、燃料タンク５２内に位置する液体燃料の液面から上方に放出させ、排気バルブ７１を開くことにより、外部に排出することができる。
液体燃料中の気泡は、浮力により上昇するので、上記循環系統における各部の位置関係が上記のようであれば、液体燃料中に気泡として含有される気体成分（ＣＯ2ガスまたはＮ2ガス）を、燃料タンク５２内に位置する液体燃料の液面から上方に放出させ、排気バルブ７１を開くことにより、外部に排出することができる。
その結果、循環ポンプ６１の駆動機構に気泡が入り込むことによる、いわゆるエア噛みなどの運転不良を抑制することができる。また、このような循環ポンプ６１の運転不良の抑制を、上記循環系統における各部の上下方向の位置関係を調節し、気泡に働く浮力を利用するだけで行なえるので、エネルギー消費を抑制することもできる。
また、燃料電池車両４７において、各単位セル６における燃料側電極１９が燃料電池車両４７の前側になるように、燃料電池１が配置されているため、例えば、勾配のある斜面に燃料電池車両４７を走行させるときには、燃料側電極１９の一方面２７の下端部と鉛直軸Ｇとにより形成される挟角θ1の角度を、より大きくすることができる。つまり、燃料側電極１９の一方面２７と気泡に対する浮力の向き（鉛直方向上向き）とにより形成される挟角をより大きくすることができる。そのため、液体燃料中の気泡を効率よく還流管５４へ流すことができる。その結果、燃料側電極１９の一方面２７への気泡の付着を一層抑制することができ、燃料電池１の発電効率の低下を一層抑制することができる。
また、燃料電池車両４７において、各単位セル６における燃料側電極１９が燃料電池車両４７の前側になるように、燃料電池１が配置されているため、例えば、勾配のある斜面に燃料電池車両４７を走行させるときには、燃料側電極１９の一方面２７の下端部と鉛直軸Ｇとにより形成される挟角θ1の角度を、より大きくすることができる。つまり、燃料側電極１９の一方面２７と気泡に対する浮力の向き（鉛直方向上向き）とにより形成される挟角をより大きくすることができる。そのため、液体燃料中の気泡を効率よく還流管５４へ流すことができる。その結果、燃料側電極１９の一方面２７への気泡の付着を一層抑制することができ、燃料電池１の発電効率の低下を一層抑制することができる。
さらに、同様の理由により、燃料電池１を高出力で発電させて燃料電池車両４７を加速させるときにも、燃料側電極１９の一方面２７と気泡に対する浮力の向き（鉛直方向上向き）とにより形成される挟角をより大きくすることができる。そのため、液体燃料中の気泡を効率よく還流管５４へ流すことができる。その結果、燃料側電極１９の一方面２７への気泡の付着を一層抑制することができ、燃料電池１の発電効率の低下を一層抑制することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の実施形態は、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で、適宜設計を変形することができる。
例えば、前述の実施形態では、本発明の燃料電池の用途として、燃料電池車両を一例として挙げたが、本発明の燃料電池は、例えば、鉄道、船舶、航空機などに搭載することもできる。
例えば、前述の実施形態では、本発明の燃料電池の用途として、燃料電池車両を一例として挙げたが、本発明の燃料電池は、例えば、鉄道、船舶、航空機などに搭載することもできる。
また、前述の燃料電池車両４７では、燃料タンク５２、燃料供給管５３、循環ポンプ６１、燃料電池１および還流管５４により形成される循環系統を設け、液体燃料をこの循環系統に循環させて使用したが、上記した循環系統を設けずに、燃料電池１で消費されずに残る液体燃料を、処理タンク６４で処理して、そのまま廃棄する構成であってよい。
１ 燃料電池
２ セルスタック
６ 単位セル
１７ セパレータ
１８ 電解質膜
１９ 燃料側電極
２０ 酸素側電極
２３ 燃料用流路
２７ 一方面
２８ 他方面
２９ 上側の燃料孔
３０ 下側の燃料孔
３１ 燃料排出路
３２ 燃料供給路
３３ 直線溝
４７ 燃料電池車両
５２ 燃料タンク
５３ 燃料供給管
５４ 還流管
５５ 上面
５７ 上端
５８ 上端
６１ 循環ポンプ
７５ 上端
２ セルスタック
６ 単位セル
１７ セパレータ
１８ 電解質膜
１９ 燃料側電極
２０ 酸素側電極
２３ 燃料用流路
２７ 一方面
２８ 他方面
２９ 上側の燃料孔
３０ 下側の燃料孔
３１ 燃料排出路
３２ 燃料供給路
３３ 直線溝
４７ 燃料電池車両
５２ 燃料タンク
５３ 燃料供給管
５４ 還流管
５５ 上面
５７ 上端
５８ 上端
６１ 循環ポンプ
７５ 上端
Claims (3)
- 液体燃料を燃料として発電する単位セルを備え、
前記単位セルは、
電解質膜と、
前記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、
前記燃料側電極に対して、下側から上側に向けて液体燃料を供給する燃料供給部材と、
前記酸素側電極に酸素を供給する酸素供給部材とを備え、
前記燃料側電極の前記電解質膜が配置された面とは反対側の面が上方向に向くように、かつ、前記酸素側電極の前記電解質膜が配置された面とは反対側の面が下方向に向くように、鉛直方向に対して傾斜しており、かつ、
水平方向に前記単位セルが複数積層されて形成される積層構造体を備え、
前記積層構造体は、
その下側端部において積層方向に複数の前記単位セルを通過し、各前記単位セルに燃料を供給するための１つの燃料供給路と、
その上側端部において積層方向に複数の前記単位セルを通過し、各前記単位セルから燃料を排出するための１つの燃料排出路と
各前記単位セルの前記燃料供給部材に形成され、前記燃料供給路と前記燃料排出路とを連通させる複数の直線状の燃料用流路と
を備え、
前記燃料用流路は、前記積層構造体の上下方向および積層方向に直交する幅方向において、間隔を隔てて複数形成されており、
前記燃料供給路および前記燃料排出路は、前記燃料用流路を挟んで対向配置されるとともに、すべての前記燃料用流路と連通するように、幅方向に沿う長孔形状に形成されている
ことを特徴とする、燃料電池。 - 請求項１に記載の燃料電池を搭載していることを特徴とする、燃料電池車両。
- 前記燃料電池に供給する液体燃料を溜めるための燃料タンクと、
液体燃料を前記燃料電池と前記燃料タンクとの間に循環させる循環路と、
前記循環路に介在される循環ポンプとをさらに備え、
前記燃料タンクは、その上端が前記燃料電池の上端よりも上方に位置するように配置され、
前記循環ポンプは、その上端が前記燃料電池の上端よりも下方に位置するように配置されていることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池車両。
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