JP5473729B2 - 燃料電池、セパレータ及び燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池、セパレータ及び燃料電池システムに関する。

一般的に、燃料電池は、電解質膜を電極層で挟むことによって形成されたMembrane Electrode Assembly（ＭＥＡ）と、ＭＥＡを挟む一対のセパレータによって構成される電池セルを、複数積層する構成となっている。従来、このような燃料電池の電圧は積層させる電池セルの枚数に依存していた。一方、家庭用の燃料電池システムにおいては、電力を交流に変換して活用するため、直流である燃料電池の電力を交流に変換する必要がある。このとき、直流を交流に変換するためには交流電源の最大電圧以上の直流電圧が必要であるため、電圧を昇圧させる必要がある。このように電圧を昇圧することは、例えば特許文献１や特許文献２においても要求されている。例えば、燃料電池の電池セルの枚数が少なくて電圧が低い場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ等で昇圧する必要があった。

特開２００２−３２９５０６号公報 特開平８−１７４５１号公報

ＤＣ／ＤＣコンバータを用いて昇圧する場合、スイッチング技術により一度直流を高い周波数の交流に変換し、トランスを用いて昇圧し、再び直流に整流する方法が一般的に用いられる。このような方法によれば、スイッチング時、トランスによる昇圧時に変換ロス（例えば熱ロス、トランス内の鉄損、銅損など）が生じることによって、効率が悪化するという問題が生じる。更に、上述のような回路がインバータ内に必要となるため、燃料電池システムの大型化という問題が生じる。

そこで、本発明は、昇圧時における変換ロスを抑制しつつ、燃料電池システムの小型化を図ることができる燃料電池、セパレータ及び燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池は、膜電極接合体と、アノードガスが流通する流路を有するアノード側セパレータと、カソードガスが流通する流路を有するカソード側セパレータとを積層してなるスタックを備える燃料電池であって、各セパレータは、スタックの積層方向と交差する方向において、電気的に絶縁された複数のセパレータ分割領域に分割するためのセパレータ絶縁部を有し、スタックは、セパレータ絶縁部によって分割された各セパレータ分割領域に対応する複数の電力発生部を有することを特徴とする。

また、本発明に係るセパレータは、電解質膜を電極層で挟むことによって形成された膜電極接合体に積層され、アノードガスあるいはカソードガスを通過させる流路を有する燃料電池のセパレータであって、積層方向と交差する方向において、電気的に絶縁された複数のセパレータ分割領域に分割するためのセパレータ絶縁部を有することを特徴とする。

本発明に係る燃料電池におけるセパレータ、及び本発明に係るセパレータは、セパレータ絶縁部が形成されることによって、互いに電気的に絶縁された複数のセパレータ分割領域に分割される。このようなセパレータを積層させることによって、燃料電池スタックは、互いに電気的に絶縁された複数の電力発生部に分割される構成となる。分割された電力発生部は、他の電力発生部とは絶縁され、独立した一つの電池として機能する。従って、本発明に係る燃料電池は、互いに独立した複数の電池が一つの燃料電池スタック内に並列に配置されたような構成となる。更に、各電力発生部が有する電池セルの枚数は、分割されていない場合における燃料電池スタックの電池セルの枚数と同じになる。すなわち、分割前の燃料電池スタックの電圧と、分割された後の一つあたりの電力発生部の電圧は同じになる。以上より、各電力発生部を直列接続した場合に得られる電圧は、従来の分割されていない燃料電池によって得られる電圧よりも高くなる。これによって、本発明に係る燃料電池は、電圧を容易に昇圧することが可能となる。以上によって、セパレータ内で複数の電気的に絶縁された領域に分割することにより、一つの燃料電池スタックでありながら複数の燃料電池スタックを直列配置したのと同様の効果を従来と同じスタックサイズで達成可能となる。すなわち、昇圧時の変換ロスを抑制しつつ、燃料電池及び燃料電池システムの大型化を抑制する（小型化を図る）ことができる。

また、本発明に係る燃料電池において、複数の電力発生部は、互いに直列接続されることが好ましい。例えば、電池セル一枚あたりの電圧をＡ（Ｖ）とし、燃料電池スタックの電池セルの枚数をｎとし、燃料電池スタックの分割数をＮとした場合、各電力発生部における電圧は、Ａ×ｎ（Ｖ）となる。これらの電力発生部を直列接続した場合、燃料電池スタックとして得られる電圧は、Ａ×ｎ×Ｎ（Ｖ）となる。このように、各電力発生部を互いに直列接続することで、一つの燃料電池で高い電圧を得ることができる。

また、本発明に係る燃料電池において、膜電極接合体は、スタックの積層方向と交差する方向において、各電力発生部に対応し且つ電気的に絶縁された複数の接合体分割領域に分割するための接合体絶縁部を有することが好ましい。セパレータと共に膜電極接合体も分割することによって、各電力発生部同士をより確実に絶縁することができる。

また、本発明に係る燃料電池において、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータは、積層方向から見て、中央側に配置されるものに比して面積が大きいセパレータ分割領域を外縁側に有することが好ましい。各電力発生部において発生させることのできる電力は、積層方向から見た各セパレータ分割領域の面積に依存する。一方、セパレータの中央付近におけるセパレータ分割領域よりも外縁側の領域ほど電圧が不安定になる傾向にある。従って、セパレータの外縁側に配置されるセパレータ分割領域の面積を大きくすることによって、各電力発生部における電圧をより均一にすることができる。これによって、電力発生部を複数有する燃料電池の活用範囲を広げることができる。また、燃料電池全体としての電圧の安定性を向上させることができる。

また、本発明に係る燃料電池において、アノード側セパレータの流路をアノードガスが通過する方向と、カソード側セパレータの流路をカソードガスが通過する方向とが一致する場合、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータは、積層方向から見て、アノードガス及びカソードガスの上流側に配置されるものに比して面積が大きいセパレータ分割領域を下流側に有することが好ましい。各電力発生部において発生させることのできる電力は、積層方向から見た各セパレータ分割領域の面積に依存する。一方、アノードガス及びカソードガスの下流側におけるセパレータ分割領域ほど電圧が不安定になる傾向にある。従って、アノードガス及びカソードガスの下流側のセパレータ分割領域の面積を大きくすることによって、各電力発生部における電圧をより均一にすることができる。これによって、電力発生部を複数有する燃料電池の活用範囲を広げることができる。また、燃料電池全体としての電圧の安定性を向上させることができる。

また、本発明に係る燃料電池において、アノード側セパレータの流路をアノードガスが通過する方向と、カソード側セパレータの流路をカソードガスが通過する方向とが異なる場合、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータは、積層方向から見て、カソードガスの上流側に配置されるものに比して面積が大きいセパレータ分割領域を下流側に有することが好ましい。アノードガスの通過する方向とカソードガスの通過する方向が一致している場合は、アノード側及びカソード側の両方における上流・下流が一致するため、アノード側及びカソード側の両方のガスの流れに応じてセパレータ分割領域の面積の調整を行うことができる。しかし、アノードガスの通過する方向とカソードガスの通過する方向が異なる場合は、アノード側及びカソード側の両方のガスの流れに応じたセパレータ分割領域の面積の調整をすることができない。このような場合は、電圧の安定性に及ぼす影響が大きいカソード側のガスの流れを優先してセパレータ分割領域の面積の調整を行うことが好ましい。

本発明によれば、昇圧時における変換ロスを抑制しつつ、燃料電池システムの小型化を図ることができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池の斜視図である。 電池セルを積層方向に切断した断面図である。 本発明の実施形態に係るカソード側セパレータを積層方向から見た図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムのブロック構成図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池の等価回路図である。 変形例に係る燃料電池の燃料電池スタック及びセパレータを示す図である。 変形例に係る燃料電池の燃料電池スタック及びセパレータを示す図である。 変形例に係る燃料電池の燃料電池スタック及びセパレータを示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池１の斜視図である。燃料電池１は、アノードガスとしての水素含有ガス中の水素と、カソードガスとしての酸素含有ガス中の酸素とを用いて電力を発生させるものである。燃料電池１としては、例えば固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、および溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）が挙げられる。また、アノードガスとしては、図示されないFuel Processor System（ＦＰＳ）から供給される改質ガスを用いることができる。カソードガスとしては、例えば純酸素ガス、酸素富化空気、および空気が挙げられるが、中でも取扱容易性およびコストの観点から空気が好ましい。カソードガスは、図示されないカソードガス供給装置から供給される。

図１に示すように、燃料電池１は、複数の電池セル２が積層され直列に接続された燃料電池スタック３を備えている。複数の電池セル２は、積層方向の両端に配置されたエンドプレート４によって両側から挟まれて固定されている。そして、燃料電池スタック３の両端部には一対の集電体６，７が配置され、具体的には、積層方向の端部における電池セル２とエンドプレート４との間に配置されている。集電体６，７は、例えば銅製であり、隣接する電池セル２と電気的に接続されている。また、集電体６，７には、外方に張り出す接続端子６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，７Ａ，７Ｂ，７Ｃが設けられており、図示されないPower Conditioning System（ＰＣＳ）と電気的に接続されている。接続端子６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，７Ａ，７Ｂ，７Ｃの構成及び接続関係の詳細な説明は後述する。そして、集電体６，７間に配置された複数の電池セル２によって発電された電力は、ＰＣＳに供給される。エンドプレート４には、各電池セル２に対してアノードガス、カソードガス、及び冷却水を供給及び排出するための管が設けられている。

図２は、電池セル２を積層方向に切断した断面図である。図２に示すように、電池セル２は、Membrane Electrode Assembly（ＭＥＡ）１０をアノード側セパレータ２０とカソード側セパレータ３０とで挟むことによって構成されている。ＭＥＡ１０は、電解質膜１１をアノード１２とカソード１３で挟むことによって形成された膜電極接合体である。アノード１２は、電気化学的酸化反応が起きる状態にある電極層であり、カソード１３は、電気化学的還元反応が起きる状態にある電極層である。アノード側セパレータ２０は、カーボンや金属によって形成されており、複数の溝部２１によって、アノードガスが通過するガス流路２２が形成されている。溝部２１は、ＭＥＡ１０のアノード１２との接触面２０ｂに形成されている。従って、ガス流路２２は、通過するアノードガスをアノード１２に供給することができる。カソード側セパレータ３０は、カーボンによって形成されており、複数の溝部３１によって、カソードガスが通過するガス流路３２が形成されている。溝部３１は、ＭＥＡ１０のカソード１３との接触面３０ｂに形成されている。従って、ガス流路３２は、通過するカソードガスをカソード１３に供給することができる。

次に、本発明の実施形態に係る燃料電池１の特徴部分、及び本発明の実施形態に係るセパレータの構成について、詳細に説明する。図３は、本発明の実施形態に係るカソード側セパレータ３０を積層方向から見た図である。本実施形態におけるカソード側セパレータ３０は、長方形板状部材である。従って、カソード側セパレータ３０の長手方向を「長さ方向」とし、短手方向を「幅方向」として以下の説明を行う。「長さ方向」及び「幅方向」はいずれも請求項における「積層方向と交わる方向」に該当する。

まず、図１に示すように、燃料電池１の燃料電池スタック３は、スタック絶縁部５０及びスタック絶縁部６０が形成されることによって、長さ方向（積層方向と交わる方向）において、互いに電気的に絶縁された第一電力発生部３Ａ、第二電力発生部３Ｂ、第三電力発生部３Ｃに分割される。本実施形態では、スタック絶縁部５０及びスタック絶縁部６０は、燃料電池スタック３のみならず、集電体６，７及びエンドプレート４も三つの領域に分割するように形成されている。スタック絶縁部５０及びスタック絶縁部６０は、燃料電池１がセパレータの長さ方向において三等分されるように配置される。上端側に配置される第一電力発生部３Ａは、他の電力発生部３Ｂ，３Ｃから電気的に絶縁されているため、独立した一つの電池として機能する。中央位置に配置される第二電力発生部３Ｂは、他の電力発生部３Ａ，３Ｃから電気的に絶縁されているため、独立した一つの電池として機能する。下端側に配置される第三電力発生部３Ｃは、他の電力発生部３Ａ，３Ｂから電気的に絶縁されているため、独立した一つの電池として機能する。集電体６，７における第一電力発生部３Ａに対応する位置には、第一接続端子６Ａ，７Ａが設けられている。集電体６，７における第二電力発生部３Ｂに対応する位置には、第二接続端子６Ｂ，７Ｂが設けられている。集電体６，７における第三電力発生部３Ｃに対応する位置には、第三接続端子６Ｃ，７Ｃが設けられている。

本実施形態に係るカソード側セパレータ３０の構成について、図３を参照して説明する。図３に示すように、カソード側セパレータ３０の長さ方向における上端側には三つの貫通孔が形成されることによって、カソードガス入口３３、冷却水入口３４、アノードガス入口３６が形成されている。カソードガス入口３３、冷却水入口３４、アノードガス入口３６は、燃料電池スタック３の積層方向全長に渡って連通されており、エンドプレート４に設けられている管と連通されている。また、カソード側セパレータ３０の長さ方向における下端側には貫通孔が形成されることによって、冷却水出口３７、アノードガス出口３８、カソードガス出口３９が形成されている。冷却水出口３７、アノードガス出口３８、カソードガス出口３９は、燃料電池スタック３の積層方向全長に渡って連通されており、エンドプレート４に設けられている管と連通されている。

カソード側セパレータ３０には、カソードガス入口３３、冷却水入口３４、アノードガス入口３６と、冷却水出口３７、アノードガス出口３８、カソードガス出口３９との間に、複数の溝部３１が形成される。溝部３１は、長さ方向に沿って延びると共に、幅方向に複数並設されている。また、各溝部３１の上端部とカソードガス入口３３との間には、カソードガス入口３３から供給されたカソードガスを各溝部３１へ導くための連通用溝部４１が形成されている。各溝部３１の下端部とカソードガス出口３９との間には、各溝部３１を通過したカソードガスをカソードガス出口３９へ導くための連通用溝部４２が形成されている。以上によって、カソードガス入口３３から供給されたカソードガスは、連通用溝部４１を介して各溝部３１を通過し、連通用溝部４２を介してカソードガス出口３９へ排出される。これによって、各溝部３１は、カソードガスを所定の方向へ通過させてカソード１３に供給するガス流路３２として機能する。ガス流路３２は、カソードガス入口３３側が「上流側」となり、カソードガス出口３９側が「下流側」となる。

カソード側セパレータ３０は、セパレータ絶縁部５１及びセパレータ絶縁部６１が形成されることによって、長さ方向（積層方向と交わる方向）において、互いに電気的に絶縁された第一セパレータ分割領域３０Ａ、第二セパレータ分割領域３０Ｂ、第三セパレータ分割領域３０Ｃに分割される。セパレータ絶縁部５１及びセパレータ絶縁部６１は、カソード側セパレータ３０が長さ方向において三等分されるように配置される。第一セパレータ分割領域３０Ａは燃料電池スタック３の第一電力発生部３Ａを構成し、第二セパレータ分割領域３０Ｂは燃料電池スタック３の第二電力発生部３Ｂを構成し、第三セパレータ分割領域３０Ｃは燃料電池スタック３の第三電力発生部３Ｃを構成する。また、セパレータ絶縁部５１は燃料電池スタック３のスタック絶縁部５０を構成し、セパレータ絶縁部６１は燃料電池スタック３のスタック絶縁部６０を構成する。

セパレータ絶縁部５１及びセパレータ絶縁部６１は、カソード側セパレータ３０の第一セパレータ分割領域３０Ａ、第二セパレータ分割領域３０Ｂ、第三セパレータ分割領域３０Ｃを構成するカーボンの板状部材同士の間に、絶縁材料からなる層を形成することによって構成されている。セパレータ絶縁部５１及びセパレータ絶縁部６１は、例えば、シリコン酸化物、シリコン窒化物、燐珪酸ガラス（ＰＳＧ）、燐硼珪酸ガラス（ＢＰＳＧ）、アルミナ、チタニア、ジルコニア、マグネシアからなる群から選ばれた少なくとも一種の材料を含有することで構成される。なお、セパレータ絶縁部５１及びセパレータ絶縁部６１にも溝部３１は形成されており、ガス流路３２はセパレータ絶縁部５１及びセパレータ絶縁部６１で途切れることなく上流側から下流側まで連通している。

このような構成を有するカソード側セパレータ３０は、成形時において、第一セパレータ分割領域３０Ａを形成するカーボン材料と第二セパレータ分割領域３０Ｂを形成するカーボン材料との間にセパレータ絶縁部５１を形成する絶縁材料を配置すると共に、第二セパレータ分割領域３０Ｂを形成するカーボン材料と第三セパレータ分割領域３０Ｃを形成するカーボン材料との間にセパレータ絶縁部６１を形成する絶縁材料を配置し、各材料を一体に成形することで得られる。

図１に示すように、アノード側セパレータ２０、ＭＥＡ１０、集電体６，７、及びエンドプレート４にも、積層方向から見てカソード側セパレータ３０のセパレータ絶縁部５１及びセパレータ絶縁部６１に対応する位置に、絶縁部がそれぞれ形成されている。すなわち、アノード側セパレータ２０は、セパレータ絶縁部５１，６１を有しており、このセパレータ絶縁部５１，６１によって分割されたセパレータ分割領域２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを有している。また、ＭＥＡ１０は、接合体絶縁部５２，６２を有しており、この接合体絶縁部５２，６２によって分割された接合体分割領域１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃを有している。各部材を積層させることによって、第一電力発生部３Ａ、第二電力発生部３Ｂ、第三電力発生部３Ｃ、スタック絶縁部５０、及びスタック絶縁部６０を有する燃料電池スタック３を備える燃料電池１が構成される。なお、スタック絶縁部５０，６０の厚みは０．５〜３ｍｍ程度とすることが好ましい。

次に、上述のような燃料電池１を利用した本実施形態に係る燃料電池システムＦＳ１について説明する。図４は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック構成図である。図１に示すように、燃料電池システムＦＳ１は、燃料電池１、原料供給装置６５、Fuel Processor System（ＦＰＳ）７０、システム制御機構８０、Power Conditioning System（ＰＣＳ）９０、カソードガス供給装置９５を備えている。なお、図４に示す燃料電池システムは、一例に過ぎず、システム構成は特に限定されず種々の燃料電池システムに適用可能である。

原料供給装置６５は、ＦＰＳ７０において処理される原料を供給するためのものである。原料としては、炭素および水素を含んでなる化合物（例えば、メタンおよびプロパンなどの炭化水素類、メタノールおよびエタノールなどのアルコール類、ジメチルエーテルなどのエーテル類など）が挙げられる。中でも、入手容易性の観点からは、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、メタン、天然ガス、都市ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油などが好ましく、特に、取扱い性にも優れた灯油はより好ましい。

ＦＰＳ７０は、原料供給装置６５から供給される原料を処理してアノードガスを生成するものであり、本実施形態においては改質部７１、シフト部７２、および選択酸化部７３を含んで構成されている。

改質部７１は、改質触媒を用いて原料供給装置６５から供給される原料を改質し、アノードガスである改質ガスを生成する部位である。改質触媒は、担体と、該担体に担持される金属を含んで構成される。担体の構成材料としては、例えば酸化アルミニウム（アルミナ）および二酸化ジルコニウム（ジルコニア）が挙げられる。担持される金属としては、例えばニッケル、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、パラジウム、白金、レニウム、およびコバルトが挙げられる。なお、改質手法としては、水蒸気改質および自己熱交換改質などが挙げられるが、本実施形態では水蒸気改質を採用して説明する。

改質部７１は、熱供給装置７１ａを有している。熱供給装置７１ａは、改質部７１における改質反応に要する熱を供給するためのものである。本実施形態では、燃料電池１から排出されるアノードガス（いわゆるオフガス）を有効利用する観点から、熱供給装置７１ａとして供給された燃料を燃焼して熱を発生するバーナを採用しているが、バーナに代えて電力供給により熱を発生するヒータを採用してもよい。また、本実施形態では、特に燃料電池システムＦＳ１の起動時における安定性を考慮して、熱供給装置７１ａへの燃料供給を燃料供給装置Ｆによって行う構成を採用しているが、燃料電池システムＦＳ１の駆動時におけるオフガスの有効利用を考慮して、熱供給装置７１ａへの燃料供給を燃料電池１から排出されるオフガスの供給によって行う構成を採用してもよい。

シフト部７２は、シフト触媒を用いて改質部７１から供給される改質ガスに含まれる一酸化炭素を除去する部位である。シフト触媒は、Ｆｅ−Ｃｒの混合酸化物、Ｚｎ−Ｃｕの混合酸化物、白金、ルテニウム、イリジウムなど貴金属を含有する触媒で構成される。なお、シフト部７２を経た改質ガス中の一酸化炭素濃度は、例えば１００００ｐｐｍ以下である。

選択酸化部７３は、選択酸化触媒を用いてシフト部７２から供給される改質ガスに含まれる一酸化炭素を除去する部位である。選択酸化触媒は、担体と、該担体に担持される金属を含んで構成される。担体の構成材料としては、例えば酸化アルミニウム（アルミナ）および二酸化ジルコニウム（ジルコニア）が挙げられる。担持される金属としては、例えば白金およびルテニウムが挙げられる。なお、選択酸化部７３を経た改質ガス中の一酸化炭素濃度は、例えば１００ｐｐｍ以下である。選択酸化部７３で一酸化炭素除去が行われた改質ガスは、アノードガスとして燃料電池１のアノード１２へ供給される。

システム制御機構８０は、燃料電池システムＦＳ１などの駆動を制御する駆動制御機構としての機能を有するものである。システム制御機構８０としては、例えば電子制御を行うデバイス（例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、および入出力インターフェイスを含んで構成されたデバイス）が挙げられる。システム制御機構８０は、原料供給装置６５、燃料供給装置Ｆ、カソードガス供給装置９５と電気的に接続されており、各装置に制御信号を出力する。また、システム制御機構８０は、燃料電池システムＦＳ１における図示されない各種センサや各種装置に対しても必要に応じて電気的に接続されている。

ＰＣＳ９０は、燃料電池１で発生した電力の調整を行う電力調整機構としての役割をになうものであり、電圧変換器９１、直交変換器９２を有して言いる（また、図示されない制御部を有してもよい）。電圧変換器９１は、燃料電池１から出力された直流電力の電圧を変換するものであり、例えばＤＣ／ＤＣコンバータが挙げられる。直交変換器９２は、電圧変換器９１により変圧された電力を直流から交流へ変換するものであり、例えばＤＣ／ＡＣインバータが挙げられる。外部電力負荷ＥＩは、燃料電池システムＦＳ１から供給される電力を消費するものであり、該燃料電池システムＦＳ１および外部電力系統ＣＥに対して電気的に接続されている。

カソードガス供給装置９５は、燃料電池１のカソード１３にカソードガスを供給するためのものである。カソードガス供給装置９５は、投入される電力に応じてカソードガスの供給量を変化させることができ、例えば流量可変式電動ポンプを備えている。

次に、本実施形態に係る燃料電池１及びセパレータの作用・効果について説明する。

本実施形態に係る燃料電池１では、カソード側セパレータ３０にセパレータ絶縁部５１，６１が形成されることによって、互いに電気的に絶縁された複数のセパレータ分割領域３０Ａ〜３０Ｃに分割される。アノード側セパレータ２０も同様に分割される。このようなセパレータ２０，３０を積層させることによって、燃料電池スタック３は、スタック絶縁部５０，６０によって互いに電気的に絶縁された複数の電力発生部３Ａ〜３Ｃに分割される構成となる。分割された電力発生部３Ａ〜３Ｃは、他の電力発生部とは絶縁され、独立した一つの電池として機能する。従って、燃料電池１は、互いに独立した複数の電池が一つの燃料電池スタック３内に並列に配置されたような構成となる。具体的には、図５に示すように、一つの電池として機能する第一電力発生部３Ａ、一つの電池として機能する第二電力発生部３Ｂ、一つの電池として機能する第三電力発生部３Ｃが並列に配置される構成となる。

更に、各電力発生部３Ａ〜３Ｃが有する電池セル２の枚数は、分割されていない場合における燃料電池スタック３の電池セル２の枚数と同じになる。すなわち、分割前の燃料電池スタック３の電圧と、一つの電力発生部３Ａ〜３Ｃの電圧は同じになる。具体的には、電池セル２一枚あたりの電圧をＡ（Ｖ）とし、燃料電池スタック３の電池セル２の枚数をｎとし、燃料電池スタック３の分割数をＮ（本実施形態ではＮ＝３）とした場合、各電力発生部３Ａ〜３Ｃにおける電圧は、Ａ×ｎ（Ｖ）となる。図５に示すように、接続端子６Ｃと接続端子７Ｂとを電気的に接続し、接続端子６Ｂと接続端子７Ａとを電気的に接続することによって、各電力発生部３Ａ〜３Ｃを直列接続した場合、燃料電池１全体として得られる電圧は、Ａ×ｎ×Ｎ（Ｖ）となる。一方、従来の分割されていない燃料電池によって得られる電圧は、Ａ×ｎ（Ｖ）であるため、本実施形態に係る燃料電池１では、従来の分割されていない燃料電池よりも高い電圧を得ることができる。これによって、本実施形態に係る燃料電池１は、電圧を容易に昇圧することが可能となる。

本実施形態においては、一例として三つに分割した場合について説明したが、分割数を更に増やすことで、例えば、燃料電池１の電圧をインバータに求められている電圧にまで昇圧すれば、ＤＣ／ＤＣコンバータを不要とすることが可能となり、燃料電池システム全体としての小型化を図ることができると共に、昇圧時のロスを低減することができる。更に、ＤＣ／ＤＣコンバータを不要とするまでに昇圧できなかった場合であっても、従来の燃料電池による電圧よりも昇圧することで、ＤＣ／ＤＣコンバータへの負荷を低減することが可能となり、昇圧時のロスを低減することができる。以上によって、セパレータ内で複数の電気的に絶縁された領域に分割することにより、一つの燃料電池スタック３でありながら複数の燃料電池スタックを直列配置したのと同様の効果を従来と同じスタックサイズで達成可能となる。すなわち、昇圧時の変換ロスを抑制しつつ、燃料電池１及び燃料電池システムＦＳ１の大型化を抑制する（小型化を図る）ことができる。

また、本実施形態に係る燃料電池１において、ＭＥＡ１０は、接合体分割領域１０Ａ,１０Ｂ,１０Ｃに分割するための接合体絶縁部５２，６２を有している。セパレータ２０，３０と共にＭＥＡ１０も分割することによって、各電力発生部３Ａ〜３Ｃ同士をより確実に絶縁することができる。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。上述の実施形態では、本発明に係る燃料電池の一例として三分割されたものについて説明したが、二つに分割されたものであってもよく、あるいは四つ以上に分割されたものでもよい。また、積層方向から見て絶縁部が幅方向に水平になっているが、斜めになっていてもよい。また、燃料電池を幅方向から見たときに、積層方向に対して水平に分割されているが、積層方向に対して斜め方向に分割されていてもよい。また、図６に示すように、セパレータの幅方向にも分割されたものであってもよい。図６（ａ）に示す例では、アノード側及びカソード側のセパレータ１１０は、長さ方向に分割するセパレータ絶縁部１５０と幅方向に分割するセパレータ絶縁部１６０によって、互いに電気的に絶縁された四つのセパレータ分割領域１１０Ａ，１１０Ｂ，１１０Ｃ，１１０Ｄに分割される。ＭＥＡ、集電体、及びエンドプレートにも、積層方向から見てセパレータ１１０のセパレータ絶縁部１５０，１６０に対応する位置に、絶縁部がそれぞれ形成され、各絶縁部によって分割された分割領域を有する。これによって、燃料電池スタック１００は、スタック絶縁部によって互いに電気的に絶縁された四つの電力発生部１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄに分割される。図６（ｂ）に示す例では、アノード側及びカソード側のセパレータ２１０は、長さ方向に分割するセパレータ絶縁部２５０，２６０と幅方向に分割するセパレータ絶縁部２７０によって、互いに電気的に絶縁された六つのセパレータ分割領域２１０Ａ〜２１０Ｆに分割される。ＭＥＡ、集電体、及びエンドプレートにも、積層方向から見てセパレータ２１０のセパレータ絶縁部２５０，２６０，２７０に対応する位置に、絶縁部がそれぞれ形成され、各絶縁部によって分割された分割領域を有する。これによって、燃料電池スタック２００は、スタック絶縁部によって互いに電気的に絶縁された六つの電力発生部２００Ａ〜２００Ｆに分割される。

また、本発明に係る燃料電池においては、電力発生部の位置に応じて、積層方向から見た場合の領域の面積を変更してもよい。各電力発生部において発生させることのできる電力は、積層方向から見た各領域の面積に依存する。一方、セパレータの中央付近における領域よりも外縁側の領域ほど電圧が不安定になる傾向にある。従って、本発明に係る燃料電池において、図７に示すように、積層方向から見て、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータの外縁側に配置される領域の面積を、中央側の領域の面積に比して大きくしてもよい。図７（ａ）に示す例では、アノード側及びカソード側のセパレータ３１０は、長さ方向に分割するセパレータ絶縁部３５０，３６０によって、互いに電気的に絶縁された三つのセパレータ分割領域３１０Ａ，３１０Ｂ，３１０Ｃに分割される。ＭＥＡ、集電体、及びエンドプレートにも、積層方向から見てセパレータ３１０のセパレータ絶縁部３５０，３６０に対応する位置に、絶縁部がそれぞれ形成され、各絶縁部によって分割された分割領域を有する。これによって、燃料電池スタック３００は、スタック絶縁部によって互いに電気的に絶縁された三つの電力発生部３００Ａ，３００Ｂ，３００Ｃに分割される。このとき、セパレータ３１０の長さ方向における上端側の外縁３１０ａ側に配置されるセパレータ分割領域３１０Ａ、及び下端側の外縁３１０ｂ側に配置されるセパレータ分割領域３１０Ｃは、中央側に配置されるセパレータ分割領域３１０Ｂの面積よりも大きくなる。図７（ｂ）に示す例では、アノード側及びカソード側のセパレータ４１０は、長さ方向に分割するセパレータ絶縁部４５０，４６０及び幅方向に分割するセパレータ絶縁部４７０，４８０によって、互いに電気的に絶縁された九つのセパレータ分割領域４１０Ａ〜４１０Ｉに分割される。ＭＥＡ、集電体、及びエンドプレートにも、積層方向から見てセパレータ４１０のセパレータ絶縁部４５０〜４８０に対応する位置に、絶縁部がそれぞれ形成され、各絶縁部によって分割された分割領域を有する。これによって、燃料電池スタック４００は、スタック絶縁部によって互いに電気的に絶縁された九つの電力発生部４００Ａ〜４００Ｉに分割される。このとき、セパレータ４１０の長さ方向における上端側の外縁４１０ａ側に配置されるセパレータ分割領域４１０Ａ，４１０Ｂ，４１０Ｃ及び下端側の外縁４１０ｂ側に配置されるセパレータ分割領域４１０Ｇ，４１０Ｈ，４１０Ｉは、中央側に配置されるセパレータ分割領域４１０Ｄ，４１０Ｅ，４１０Ｆの面積よりもそれぞれ大きくなる。また、セパレータ４１０の幅方向における一端側の外縁４１０ｃ側に配置されるセパレータ分割領域４１０Ａ，４１０Ｄ，４１０Ｇ及び他端側の外縁４１０ｄ側に配置されるセパレータ分割領域４１０Ｃ，４１０Ｆ，４１０Ｉは、中央側に配置されるセパレータ分割領域４１０Ｂ，４１０Ｅ，４１０Ｈの面積よりもそれぞれ大きくなる。以上のように、セパレータの外縁側に配置される領域の面積を、中央側に配置される領域の面積に比して大きくすることによって、各電力発生部における電圧をより均一にすることができる。これによって、電力発生部を複数有する燃料電池の活用範囲を広げることができる。また、燃料電池全体としての電圧の安定性を向上させることができる。

また、本発明に係る燃料電池においては、アノードガスやカソードガスの流れる方向に応じて、積層方向から見た場合の領域の面積を変更してもよい。各電力発生部において発生することのできる電力は、積層方向から見た各領域の面積に依存する。一方、アノードガス及びカソードガスの下流側における領域ほど電圧が不安定になる傾向にある。従って、本発明に係る燃料電池において、図８に示すように、積層方向から見て、ガスの下流側に配置される領域の面積を、上流側に配置される領域の面積に比して大きくしてもよい。図８（ａ）に示す例では、アノード側及びカソード側のセパレータ５１０は、長さ方向に分割するセパレータ絶縁部５５０，５６０，５７０によって、互いに電気的に絶縁された四つのセパレータ分割領域５１０Ａ，５１０Ｂ，５１０Ｃ，５１０Ｄに分割される。ＭＥＡ、集電体、及びエンドプレートにも、積層方向から見てセパレータ５１０のセパレータ絶縁部５５０〜５７０に対応する位置に、絶縁部がそれぞれ形成され、各絶縁部によって分割された分割領域を有する。これによって、燃料電池スタック５００は、スタック絶縁部によって互いに電気的に絶縁された四つの電力発生部５００Ａ，５００Ｂ，５００Ｃ，５００Ｄに分割される。図８（ａ）に示す例では、アノードガスが通過する方向とカソードガスが通過する方向は一致しており（図中において矢印ＡＧ，ＣＧで示す方向）、上端側が上流となり、下端側が下流となる。このとき、上流側から下流側へ向かって、セパレータ分割領域５１０Ａ、セパレータ分割領域５１０Ｂ、セパレータ分割領域５１０Ｃ、セパレータ分割領域５１０Ｄの順で面積が大きくなる。以上のように、アノードガス及びカソードガスの下流側の領域ほど面積を大きくすることによって、各電力発生部における電圧をより均一にすることができる。これによって、電力発生部を複数有する燃料電池の活用範囲を広げることができる。また、燃料電池全体としての電圧の安定性を向上させることができる。

図８（ａ）に示す例のように、アノードガスの通過する方向とカソードガスの通過する方向が一致している場合は、アノード側及びカソード側の両方における上流・下流が一致するため、アノード側及びカソード側の両方のガスの流れに応じて領域の面積の調整を行うことができる。しかし、図８（ｂ）に示す例のように、アノード側セパレータ６２０内をアノードガスＡＧが通過する方向と、カソード側セパレータ６３０内をカソードガスＣＧが通過する方向が異なる場合は、アノード側及びカソード側の両方のガスの流れに応じた領域の面積の調整をすることができない。このような場合は、電圧の安定性に及ぼす影響が大きいカソード側のカソードガスＣＧの流れを優先して領域の面積の調整を行うことが好ましい。具体的には、アノード側セパレータ６２０及びカソード側セパレータ６３０（更に、ＭＥＡ６１０）は、長さ方向に分割するセパレータ絶縁部６５０，６６０，６７０によって、互いに電気的に絶縁された四つのセパレータ分割領域に分割される。ＭＥＡ、集電体、及びエンドプレートにも、積層方向から見てセパレータ６１０のセパレータ絶縁部６５０〜６７０に対応する位置に、絶縁部がそれぞれ形成され、各絶縁部によって分割された分割領域を有する。これによって、燃料電池スタック６００は、スタック絶縁部によって互いに電気的に絶縁された四つの電力発生部６００Ａ，６００Ｂ，６００Ｃ，６００Ｄに分割される。このとき、積層方向から見て、カソード側のカソードガスＣＧの上流側から下流側へ向かって、電力発生部６００Ａの領域、電力発生部６００Ｂの領域、電力発生部６００Ｃの領域、電力発生部６００Ｄの領域の順で面積が大きくなる。

１…燃料電池、２…電池セル、３，１００，２００，３００，４００，５００，６００…燃料電池スタック、３Ａ，３Ｂ，３Ｃ…電力発生部、４…エンドプレート、６…集電体、６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，７Ａ，７Ｂ，７Ｃ…接続端子、１０…ＭＥＡ（膜電極接合体）、１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…接合体分割領域、１１…電解質膜、１２…アノード、１３…カソード、２０，６２０…アノード側セパレータ、２１，３１…溝部、２２，３２…ガス流路（流路）、３０，６３０…カソード側セパレータ、２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ…セパレータ分割領域、５０，６０…スタック絶縁部、５１，６１，１５０，１６０，２５０，２６０，２７０，３５０，３６０，４５０，４６０，４７０，４８０，５５０，５６０，５７０，６５０，６６０，６７０…セパレータ絶縁部、５２，６２…接合体絶縁部、１１０，２１０，３１０，４１０，５１０…セパレータ。

Claims (5)

1. 膜電極接合体と、アノードガスが流通する流路を有するアノード側セパレータと、カソードガスが流通する流路を有するカソード側セパレータとを積層してなるスタックを備える燃料電池であって、
   前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータは、前記スタックの積層方向から見て矩形であって、前記スタックの積層方向と交差する一方の方向において電気的に絶縁された少なくとも三つのセパレータ分割領域に分割するための第１のセパレータ絶縁部と、前記スタックの積層方向及び前記一方の方向と交差する他方の方向において電気的に絶縁された少なくとも三つのセパレータ分割領域に分割するための第２のセパレータ絶縁部と、を有し、
   前記膜電極接合体は、前記スタックの積層方向から見て矩形であって、前記一方の方向において前記第１のセパレータ絶縁部によって分割される前記セパレータ分割領域に対応し且つ電気的に絶縁された複数の接合体分割領域に分割するための第１の接合体絶縁部と、前記他方の方向において前記第２のセパレータ絶縁部によって分割される前記セパレータ分割領域に対応し且つ電気的に絶縁された複数の接合体分割領域に分割するための第２の接合体絶縁部と、を有し、
   前記スタックは、前記第１のセパレータ絶縁部及び前記第２のセパレータ絶縁部によって分割された前記セパレータ分割領域と、前記第１の接合体絶縁部及び前記第２の接合体絶縁部によって分割された前記接合体分割領域と、に対応する複数の電力発生部を有し、
   前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータの前記一方の方向に一列に並べられた前記セパレータ分割領域のうち、前記一方の方向における一端及び他端に配置される前記セパレータ分割領域の前記スタックの積層方向から見た面積は、前記一方の方向における前記一端及び前記他端に配置される前記セパレータ分割領域と同列に並べられ、前記一方の方向における前記一端及び前記他端に比して中央側に配置される前記セパレータ分割領域の前記スタックの積層方向から見た面積よりもそれぞれ大きく、
   前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータの前記他方の方向に一列に並べられた前記セパレータ分割領域のうち、前記他方の方向における一端及び他端に配置される前記セパレータ分割領域の前記スタックの積層方向から見た面積は、前記他方の方向における前記一端及び前記他端に配置される前記セパレータ分割領域と同列に並べられ、前記他方の方向における前記一端及び前記他端に比して中央側に配置される前記セパレータ分割領域の前記スタックの積層方向から見た面積よりもそれぞれ大きいことを特徴とする、燃料電池。
2. 膜電極接合体と、アノードガスが流通する流路を有するアノード側セパレータと、カソードガスが流通する流路を有するカソード側セパレータとを積層してなるスタックを備える燃料電池であって、
   前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータは、前記スタックの積層方向から見て矩形であって、前記スタックの積層方向と交差する一方の方向において電気的に絶縁された少なくとも三つのセパレータ分割領域に分割するための第１のセパレータ絶縁部と、前記スタックの積層方向及び前記一方の方向と交差する他方の方向において電気的に絶縁された少なくとも三つのセパレータ分割領域に分割するための第２のセパレータ絶縁部と、を有し、
   前記膜電極接合体は、前記スタックの積層方向から見て矩形であって、前記一方の方向において前記第１のセパレータ絶縁部によって分割される前記セパレータ分割領域に対応し且つ電気的に絶縁された複数の接合体分割領域に分割するための第１の接合体絶縁部と、前記他方の方向において前記第２のセパレータ絶縁部によって分割される前記セパレータ分割領域に対応し且つ電気的に絶縁された複数の接合体分割領域に分割するための第２の接合体絶縁部と、を有し、
   前記スタックは、前記第１のセパレータ絶縁部及び前記第２のセパレータ絶縁部によって分割された前記セパレータ分割領域と、前記第１の接合体絶縁部及び前記第２の接合体絶縁部によって分割された前記接合体分割領域と、に対応する複数の電力発生部を有し、
   前記アノード側セパレータの前記流路を前記アノードガスが通過する方向と、前記カソード側セパレータの前記流路を前記カソードガスが通過する方向とが一致し、
   前記セパレータ分割領域は、前記スタックの積層方向から見て、前記アノードガス及び前記カソードガスの入口から前記アノードガス及び前記カソードガスの出口へ向かって前記アノードガス及び前記カソードガスが通過する方向に沿って順次面積が大きくなるように配置されていることを特徴とする、燃料電池。
3. 膜電極接合体と、アノードガスが流通する流路を有するアノード側セパレータと、カソードガスが流通する流路を有するカソード側セパレータとを積層してなるスタックを備える燃料電池であって、
   前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータは、前記スタックの積層方向から見て矩形であって、前記スタックの積層方向と交差する一方の方向において電気的に絶縁された少なくとも三つのセパレータ分割領域に分割するための第１のセパレータ絶縁部と、前記スタックの積層方向及び前記一方の方向と交差する他方の方向において電気的に絶縁された少なくとも三つのセパレータ分割領域に分割するための第２のセパレータ絶縁部と、を有し、
   前記膜電極接合体は、前記スタックの積層方向から見て矩形であって、前記一方の方向において前記第１のセパレータ絶縁部によって分割される前記セパレータ分割領域に対応し且つ電気的に絶縁された複数の接合体分割領域に分割するための第１の接合体絶縁部と、前記他方の方向において前記第２のセパレータ絶縁部によって分割される前記セパレータ分割領域に対応し且つ電気的に絶縁された複数の接合体分割領域に分割するための第２の接合体絶縁部と、を有し、
   前記スタックは、前記第１のセパレータ絶縁部及び前記第２のセパレータ絶縁部によって分割された前記セパレータ分割領域と、前記第１の接合体絶縁部及び前記第２の接合体絶縁部によって分割された前記接合体分割領域と、に対応する複数の電力発生部を有し、
   前記アノード側セパレータの前記流路を前記アノードガスが通過する方向と、前記カソード側セパレータの前記流路を前記カソードガスが通過する方向とが異なり、
   前記カソード側セパレータの前記流路は、前記カソード側セパレータの前記一方の方向における一端から前記一方の方向における他端に向かって一方向に形成され、
   前記セパレータ分割領域は、前記スタックの積層方向から見て、前記カソードガスの入口から前記カソードガスの出口へ向かって前記カソードガスが通過する方向に沿って順次面積が大きくなるように配置されていることを特徴とする、燃料電池。
4. 複数の前記電力発生部は、互いに直列接続されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の燃料電池。
5. 請求項１から４のいずれか一項記載の燃料電池を備えることを特徴とする、燃料電池システム。

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