JP6289848B2

JP6289848B2 - 燃料電池

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Publication number: JP6289848B2
Application number: JP2013201206A
Authority: JP
Inventors: 豪士加藤; 和彦間所
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2013-09-27
Publication date: 2018-03-07
Anticipated expiration: 2033-09-27
Also published as: JP2015069746A

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、車両などに搭載される燃料電池として、メタノール、ジメチルエーテル、ヒドラジンなどの液体燃料を使用する固体高分子形の燃料電池が知られている。このような燃料電池は、電解質膜と、電解質膜の両側にそれぞれ積層されるアノードおよびカソードとを備える単位セルが複数積層されたスタック構造として構成されている。

そのような燃料電池は、例えば、電解質膜のアノード側に設けられる燃料供給部材と、電解質膜のカソード側に設けられる空気供給部材とを備えている（例えば、下記特許文献１参照。）。

特許文献１の燃料電池の各単位セルでは、電解質膜のアノード側において、燃料供給部材が有する複数の仕切りにより形成される葛折り状の溝の内面と、アノードの表面とによって、燃料供給路が形成されている。また、電解質膜のカソード側において、空気供給部材が有する複数の仕切りにより形成される葛折り状の溝の内面と、カソードの表面とによって、空気供給路が形成されている。さらに、上記した各単位セルでは、燃料供給路および空気供給路は、カソードおよびアノードの積層方向に投影したときには、互いに重なるパターンに形成されている。

特開２０１３−１３４９８１号公報（図１参照）

しかし、特許文献１の燃料電池では、燃料供給路に供給される液体燃料が、電解質膜に浸透して、続いて、空気供給路に容易に至り（クロスリークし）、そのため、発電性能が低減する場合がある。

本発明の目的は、液体燃料のクロスリークを抑制して、優れた発電性能を確保することのできる燃料電池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、電解質膜と、前記電解質膜の一方面に配置されるアノードと、前記電解質膜の他方面に前記アノードに対して対向配置されるカソードと、前記電解質膜、前記アノードおよび前記カソードの積層方向における前記アノードに対して前記電解質膜の反対側に配置される燃料供給部材と、前記積層方向における前記カソードに対して前記電解質膜の反対側に配置される空気供給部材とを備え、前記燃料供給部材には、前記アノードに接触させるために、液体燃料を流通させる燃料流路が形成され、前記空気供給部材には、前記カソードに接触させるために、空気を流通させる空気流路が形成され、前記燃料流路および前記空気流路を前記積層方向に投影したときに、前記燃料流路の投影面と前記空気流路の投影面とが、互いに一致せずにずれている部分があることを特徴としている。

この燃料電池によれば、燃料流路および空気流路を積層方向に投影したときに、燃料流路の投影面と空気流路の投影面とが、互いに一致せずにずれている部分では、液体燃料が、たとえ、電解質膜に浸透しても、空気供給路に容易に至りにくく、そのため、クロスリークを抑制することができる。そのため、この燃料電池は、発電性能に優れる。

また、本発明では、前記ずれている部分の割合が、前記燃料流路の投影面と、前記空気流路の投影面との全投影面積の７０％以上であることが好適である。

この燃料電池によれば、ずれている部分の割合が上記した下限以上であるので、クロスリークを有効に抑制することができる。

本発明の燃料電池によれば、クロスリークを抑制できるので、発電性能に優れる。

図１は、本発明の第１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に示す燃料電池を示し、図２Ａは、燃料電池の斜視図、図２Ｂは、セルの分解斜視図を示す。図３は、図２に示す燃料電池の各セルにおいて、膜電極接合体を挟むセパレータを電解質膜から剥離した分解斜視図を示す。図４は、図３に示すセパレータの平面図を示し、図４Ａは、図３のＡ矢視から見たセパレータの平面図、図４Ｂは、図３のＢ矢視から見たセパレータの平面図を示す。図５は、図４に示すセルの膜電極接合体を積層方向に投影したときの投影図を示す。図６は、燃料電池の図５のＣ−Ｃ線に沿う断面図を示す。図７は、本発明の第２実施形態の燃料電池のセルにおけるセパレータの平面図であって、図４に対応しており、図７Ａは、燃料流路を形成するセパレータの平面図、図４Ｂは、空気流路を形成するセパレータの平面図を示す。図８は、図７に示すセルの膜電極接合体を積層方向に投影したときの投影図を示す。図９は、本発明の第１実施形態の変形例の燃料電池のセルの断面図であり、図６に対応しており、図９Ａは、燃料流路および空気流路を積層方向に投影したときに、燃料分岐流路の投影面と空気分岐流路との投影面とが、連続しない態様、図９Ｂは、燃料分岐流路の投影面と空気分岐流路とが、部分的に重複する態様、図９Ｃは、燃料分岐流路の投影面と空気分岐流路とには、連続しない部分と、部分的に重複しない部分とがある態様を示す。図１０は、従来例の燃料電池セルの断面図を示す。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態としての燃料電池を搭載した電動車両について、図１〜図６を参照して、説明する。
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。
（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、燃料成分を含む液体燃料を貯蔵する。

燃料成分としては、例えば、ヒドラジン類、メタノール、ジメチルエーテルなどが挙げられ、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。これらの燃料成分は、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。これらの燃料成分のうち、好ましくは、炭素を含まない化合物、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。

燃料タンク２１内の液体燃料の温度は、例えば、８０℃以下、好ましくは、６０℃以下、例えば、０℃以上である。

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、燃料タンク２１内の液体燃料を燃料電池３に供給する。第１ポンプ２６は、ＥＣＵ５１（後述）に電気的に接続されている。

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、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８５（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。

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８６（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、ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）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６に示すように、複数の膜電極接合体１３と、複数のセパレータ１４とが交互に積層されることにより構成されている。以下の説明において、複数の膜電極接合体１３と複数のセパレータ（燃料供給部材および空気供給部材の一例）１４との積層方向（図６の上下方向）を、単に積層方向と記載する。

図６に示すように、各膜電極接合体１３は、略矩形平板形状に形成されており、電解質膜１６と、アノード１７と、カソード１８とを備えている。

電解質膜１６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１７は、電解質膜１６の積層方向一方側の表面に、薄層として積層されている。アノード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１８は、電解質膜１６の積層方向他方側の表面に、薄層として積層されている。カソード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。

各セパレータ１４は、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。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）から形成されている。各セパレータ１４には、図３および図４に示すように、枠領域１１と、燃料流路形成領域８と、空気流路形成領域９とが形成されている。

枠領域１１は、セパレータ１４の積層方向両面の周端部において、正面視略枠形状に形成されている。なお、セパレータ１４において、次に説明する燃料流路形成領域８（図４Ａ参照）が形成される表面における枠領域１１では、幅方向（積層方向および上下方向に対する直交方向）一方側の領域は、幅方向他方側の領域に比べて、幅広に形成されている。

燃料流路形成領域８は、セパレータ１４の積層方向他方面（図４Ａ）の中央に配置されている。燃料流路形成領域８は、枠領域１１の内側に仕切られる領域である。詳しくは、燃料流路形成領域８は、セパレータ１４の積層方向他方面における中央であって、やや幅方向他方側にずれて配置されている。燃料流路形成領域８は、セパレータ１４の積層方向他方面から積層方向一方（図４Ａにおける紙面奥側）へ凹むように、膜電極接合体１３（図２Ｂ参照）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８には、第１リブ６２と、燃料供給口６５と、燃料排出口６６とが設けられている。

第１リブ６２は、燃料流路形成領域８において、幅方向に互いに間隔を隔てて複数配置されている。各第１リブ６２は、上下方向に延びる正面視略矩形状をなし、燃料流路形成領域８の底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。また、複数の第１リブ６２は、燃料流路形成領域８の周縁に対して内側に間隔を隔てて設けられている。つまり、複数の第１リブ６２の上下方向両端部は、燃料流路形成領域８の上下方向内端縁に対して上下方向に間隔を隔てて内側に形成されており、これによって、複数の第１リブ６２の上下方向両端部と、枠領域１１の上下方向両端部との間の燃料流路形成領域８には、幅方向に長く延びる１対の第１マージン６３が形成されている。燃料流路形成領域８において、１対の第１マージン６３と、複数の第１リブ６２間と、枠領域１１および幅方向最外側の第１リブ６２の間とは、液体燃料を流すための燃料流路３７を構成する。

燃料流路３７において、１対の第１マージン６３間を接続する流路は、複数の第１リブ６２によって複数に分岐されており、かかる分岐部分が、燃料分岐流路７１を形成する。燃料分岐流路７１は、幅方向に互いに間隔を隔てて複数設けられており、複数の燃料分岐流路７１のそれぞれは、１対の第１マージン６３に連通するように、上下方向に延びる直線形状に形成されている。

燃料供給口６５は、下側の第１マージン６３の幅方向一端部に設けられている。燃料供給口６５は、燃料流路形成領域８の底面から積層方向一方側へ凹み、幅方向に延びる略直線形状（スリット状）に形成されている。

燃料排出口６６は、上側の第１マージン６３の幅方向他端部に設けられている。燃料排出口６６は、燃料流路形成領域８の底面から積層方向一方側へ凹み、幅方向に延びる略直線形状（スリット状）に形成されている。

空気流路形成領域９は、図２Ｂおよび図３に示すように、膜電極接合体１３から、その積層方向両側のセパレータ１４を幅方向他方側または幅方向一方側に展開し、図４に示すように、それらを同一方向から見たときに、燃料流路形成領域８と同一形状に形成されている。換言すれば、図３に示すように、空気流路形成領域９は、膜電極接合体１３の幅方向中心を上下方向に通過する基準線Ｌに対して、燃料流路形成領域８と点対称に形成されている。具体的には、空気流路形成領域９を、基準線Ｌを軸線として１８０度回転させたときに、燃料流路形成領域８と同一パターンに形成されている。

具体的には、空気流路形成領域９は、セパレータ１４の積層方向一方面（図４Ｂにおける紙面手前側の表面）の中央に配置されている。空気流路形成領域９は、枠領域１１の内側に仕切られる領域である。詳しくは、空気流路形成領域９は、セパレータ１４の積層方向一方面における中央であって、やや幅方向一方側にずれて配置されている。空気流路形成領域９は、セパレータ１４の積層方向一方面から積層方向他方（図４Ｂにおける紙面奥側）へ凹むように、膜電極接合体１３（図２Ｂ参照）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９には、第２リブ６４と、空気供給口６９と、空気排出口７０とが設けられている。

第２リブ６４は、空気流路形成領域９において、幅方向に互いに間隔を隔てて複数配置されている。各第２リブ６４は、上下方向に延びる正面視略矩形状をなし、空気流路形成領域９の底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。また、複数の第２リブ６４は、空気流路形成領域９の周縁に対して内側に間隔を隔てて設けられている。つまり、複数の第２リブ６４の上下方向両端部は、空気流路形成領域９の上下方向内端縁に対して上下方向に間隔を隔てて内側に形成されており、複数の第２リブ６４の上下方向両端部と、枠領域１１の上下方向両端部との間には、幅方向に長く延びる１対の第２マージン６７が形成されている。空気流路形成領域９において、１対の第２マージン６７と、複数の第２リブ６４間と、枠領域１１および幅方向最外側の第２リブ６４の間とは、空気を流すための空気流路３９を構成する。

空気流路３９において、１対の第２マージン６７間を接続する流路が、複数の第２リブ６４によって複数に分岐されており、かかる分岐部分が、空気分岐流路７２を形成する。空気分岐流路７２は、幅方向に互いに間隔を隔てて複数設けられており、複数の空気分岐流路７２のそれぞれは、１対の第２マージン６７に連通するように、上下方向に延びる直線形状に形成されている。

空気供給口６９は、上側の第２マージン６７の幅方向一端部に設けられている。空気供給口６９は、空気流路形成領域９の底面から積層方向他方側へ凹み、幅方向に延びる略直線形状（スリット状）に形成されている。

空気排出口７０は、下側の第２マージン６７の幅方向他端部に設けられている。空気排出口７０は、空気流路形成領域９の底面から積層方向他方側へ凹み、幅方向に延びる略直線形状（スリット状）に形成されている。

また、各セパレータ１４の枠領域１１には、燃料供給路３１、燃料排出路３２、空気供給路３５および空気排出路３６が形成されている。

燃料供給路３１は、燃料供給口６５から燃料流路３７に燃料を供給するための開口部であって、セパレータ１４の枠領域１１の下端部の幅方向一端部において、燃料供給口６５の下側に形成されている。燃料供給路３１は、セパレータ１４を略矩形状に貫通するように形成されている。燃料供給路３１は、図４Ａの破線で示すように、燃料供給口６５に連通している。

燃料排出路３２は、燃料排出口６６から燃料を排出するための開口部であって、セパレータ１４の枠領域１１の上端部の幅方向他端部において、燃料排出口６６の上側に形成されている。燃料排出路３２は、セパレータ１４を略矩形状に貫通するように、形成されている。燃料排出路３２は、図４Ａの破線で示すように、燃料排出口６６に連通している。

空気供給路３５は、空気流路３９に空気を供給するための開口部であって、セパレータ１４の枠領域１１の上端部の幅方向一端部に配置されている。空気供給路３５は、セパレータ１４を略矩形状に貫通するように形成されている。空気供給路３５は、図４Ｂに破線で示すように、空気供給口６９に連通している。

空気排出路３６は、空気流路３９から空気を排出するための開口部であって、セパレータ１４の枠領域１１の下端部の幅方向他端部に配置されている。空気排出路３６は、セパレータ１４を略矩形状に貫通するように形成されている。空気排出路３６は、図３Ｂに破線で示すように、空気排出口７０に連通している。

そして、図５および図６に示すように、燃料流路３７および空気流路３９を積層方向に投影したときに、燃料流路３７の投影面（図５において、下方に向かうに従って幅方向一方側に傾斜するハッチング部分）と、空気流路３９の投影面（図４および図５において、下方に向かうに従って幅方向他方側に傾斜するハッチング部分）とには、互いに一致せずにずれている部分８３がある。つまり、空気分岐流路７２は、燃料分岐流路７１に対して、幅方向一方側にずれて設けられている。具体的には、燃料分岐流路７１の投影面と、空気分岐流路７２の投影面とは、重ならず、ずれている部分８３、より具体的には、互いに重ならない非重複部分８３’をなし、幅方向に順次配列される縦縞状のパターンとして形成される。具体的には、燃料流路３７および空気流路３９を積層方向に投影したときに、燃料分岐流路７１の投影面と、空気分岐流路７２の投影面とは、幅方向において隙間なく連続して形成され、かつ、それらの重複部分が形成されないパターンに形成されている。

詳しくは、燃料流路３７および空気流路３９を積層方向に投影したときに、複数の第１リブ６２は、互いに隣接する第２リブ６４の間に充填されるように設けられており、また、複数の第２リブ６４は、互いに隣接する第１リブ６２の間に充填されるように、設けられている。

また、第１マージン６３の幅方向他端部と、第２マージン６７の幅方向一端部とは、互いに重ならない、ずれている部分８３（非重複部分８３’）を構成する。

一方、第１マージン６３の幅方向一端部および幅方向中央部と、第２マージン６７の幅方向他端部および幅方向中央部とは、互いに一致しており、ずれておらず、互いに重なる重複部分８４（交差ハッチング部分）を構成する。

第１リブ６２および第２リブ６４の寸法は、用途および目的に応じて適宜設定されており、第１リブ６２幅Ｗ１および第２リブ６４の幅Ｗ２は、例えば、０．５０ｍｍ以上、好ましくは、０．７５ｍｍ以上であり、また、例えば、２．００ｍｍ以下、好ましくは、１．５０ｍｍ以下である。また、隣接する第１リブ６２間の間隔Ｌ１、および、隣接する第２リブ６４間の間隔Ｌ２は、例えば、第１リブ６２幅Ｗ１および第２リブ６４の幅Ｗ２と同一であり、具体的には、例えば、０．５ｍｍ以上、好ましくは、０．７５ｍｍ以上であり、また、例えば、２．００ｍｍ以下、好ましくは、１．５０ｍｍ以下である。

ずれている部分８３の面積の、ずれている部分８３および重複部分８４の全投影面積（、つまり、積層方向に投影したときの燃料流路３７の投影面および空気流路３９の投影面の全投影面積）に対する割合は、例えば、７０％以上、好ましくは、８０％以上、より好ましくは、９０％であり、また、例えば、９９％以下、好ましくは、９５％以下である。なお、燃料流路３７の投影面および空気流路３９の投影面の全投影面積の算出では、燃料流路３７および空気流路３９の投影面のうち、一方の投影面の面積（投影面積）のみを計算に含め、他方の投影面の面積を計算に含めない。

上記したずれている部分８３の面積の割合が、上記下限以上であれば、クロスリークを有効に抑制することができる。

各セパレータ１４は、図４に示すように、各膜電極接合体１３を挟むように、各膜電極接合体１３の積層方向両側に対向配置されている。膜電極接合体１３の積層方向一方側に配置されたセパレータ１４において、燃料流路３７は、アノード１７に向かい合っている。膜電極接合体１３の積層方向他方側に配置されたセパレータ１４において、空気流路３９は、カソード１８に向かい合っている。なお、膜電極接合体１３とセパレータ１４との間には、図示しないガス拡散層が介在されている。

各エンドプレート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。積層方向一方側のエンドプレート１２には、燃料供給部８１、燃料排出部８２、空気供給部８５および空気排出部８６を備えている。

燃料供給部８１は、エンドプレート１２の下端部の幅方向一端部に配置されている。燃料供給部８１は、エンドプレート１２の積層方向一方面から積層方向一方側へ延びる略円筒形状に形成されている。燃料供給部８１は、その積層方向他端部においてエンドプレート１２を積層方向に貫通し、各セパレータ１４の燃料供給路３１に連通されている。

燃料排出部８２は、エンドプレート１２の上端部の幅方向他端部に配置されている。燃料排出部８２は、エンドプレート１２の積層方向一方面から積層方向一方側へ延びる略円筒形状に形成されている。燃料排出部８２は、その積層方向他端部においてエンドプレート１２を積層方向に貫通し、各セパレータ１４の燃料排出路３２に連通されている。

空気供給部８５は、エンドプレート１２の上端部の幅方向一端部に配置されている。空気供給部８５は、エンドプレート１２の積層方向一方面から積層方向一方側へ延びる略円筒形状に形成されている。空気供給部８５は、その積層方向他端部においてエンドプレート１２を積層方向に貫通し、各セパレータ１４の空気供給路３５に連通されている。

空気排出部８６は、エンドプレート１２の下端部の幅方向他端部に配置されている。空気排出部８６は、エンドプレート１２の積層方向一方面から積層方向一方側へ延びる略円筒形状に形成されている。空気排出部８６は、その積層方向他端部においてエンドプレート１２を積層方向に貫通し、各セパレータ１４の空気排出路３６に連通されている。

そして、この燃料電池３を製造するには、まず、複数の膜電極接合体１３と複数のセパレータ１４とを用意する。セパレータ１４を用意するには、まず、表面（積層方向両面を含む）が平坦状の導電板を用意する。続いて、導電板の積層方向一方面を掘削することによって、燃料流路形成領域８に燃料供給口６５、燃料排出口６６および燃料流路３７を形成するとともに、導電板の積層方向他方面を掘削することによって、空気流路形成領域９に空気供給口６９、空気排出口７０および空気流路３９を形成する。

なお、燃料流路３７および空気流路３９の掘削に代えて、導電板を積層方向両側からプレスすること（プレス成形）によって、燃料流路３７および空気流路３９を成形することもできる。

また、導電板を穿孔することによって、枠領域１１に燃料供給路３１、燃料排出路３２、空気供給路３３および空気排出路３６を形成する。

その後、複数の膜電極接合体１３と複数のセパレータ１４とを交互に積層（スタック）する。具体的には、複数のセパレータ１４における燃料流路形成領域８および空気流路形成領域９が、膜電極接合体１３と積層方向に対向し、かつ、複数のセパレータ１４における燃料供給路３１、燃料排出路３２、空気供給路３３
および空気排出路３６のそれぞれが、複数のセパレータ１４にわたって連通するように、複数の膜電極接合体１３と複数のセパレータ１４とをスタックする。

これによって、セルスタック１０を作製する。

続いて、１対のエンドプレート１２によって、セルスタック１０を挟み込む。具体的には、燃料供給部８１、燃料排出部８２、空気供給部８５および空気排出部８６のそれぞれが、複数のセパレータ１４の燃料供給路３１、燃料排出路３２、空気供給路３３および空気排出路３６のそれぞれに連通するように、１対のエンドプレート１２によってセルスタック１０を挟み込む。

これによって、燃料電池３を製造する。
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、第１ポンプ２６、および、第２ポンプ４３が駆動される。

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を介して燃料電池３の燃料供給部８１（図２参照）に供給される。

燃料供給部８１に供給された液体燃料は、図２および図３に示すように、複数のセパレータ１４における燃料供給路３１内を積層方向他方側へ流れるとともに、各セパレータ１４における燃料供給口６５から燃料流路形成領域８内に流入し、アノード１７の積層方向一方面と接触しながら燃料流路３７内を下側から上側へ流れて、各セパレータ１４における燃料排出口６６および複数のセパレータ１４における燃料排出路３２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。

一方、図１に示すように、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を介して燃料電池３の空気供給部８５（図２参照）に供給される。

空気供給部８５に供給された空気は、図２および図３に示すように、空気供給路３５内を積層方向他方側へ流れるとともに、空気供給口６９から空気流路形成領域９内に流入し、カソード１８の積層方向他方面と接触しながら空気流路３９内を上側から下側へ流れて、空気排出口７０および空気排出路３６を順次介して空気排出部８６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、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１７での反応）
（２）Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻ （カソード１８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。

なお、燃料排出口６６から燃料還流ライン２４に排出された液体燃料は、気液分離器２７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）や、副生するアンモニア（ＮＨ_３）など）と分離されて、燃料タンク２１に還流される。

また、図３が参照されるように、燃料電池３では、燃料流路形成領域８に供給された液体燃料は、アノード１７において反応することなく、電解質膜１６およびカソード１８を浸透圧により透過し、空気流路形成領域９に漏出する可能性がある（クロスリーク）。
４．作用効果
そして、この燃料電池３によれば、燃料流路３７および空気流路３９を積層方向に投影したときに、燃料流路３７の投影面と空気流路３９の投影面とが、互いに一致せずにずれている部分８３では、液体燃料が、たとえ、電解質膜１６に浸透しても、空気流路３９に容易に至りにくく、そのため、クロスリークを抑制することができる。

すなわち、従来例では、図１０に示すように、燃料分岐流路７１および空気分岐流路７２は、積層方向に対向配置されており、それらを積層方向に投影したときに、燃料分岐流路７１の投影面と空気分岐流路７２の投影面とが、互いに一致し、つまり、上記した第１実施形態のような、ずれている部分８３を構成せず、重複部分８４のみを構成する。そのため、重複部分８４において、燃料分岐流路７１に供給される液体燃料が、浸透圧によって、膜電極接合体１３（アノード１７、電解質膜１６およびカソード１８）に浸透して、続いて、空気分岐流路７２に容易に至る（クロスリークする）。すると、カソード１８が電解質膜１６から剥離し、その結果、発電性能が低減するという不具合がある。

一方、第１実施形態の燃料電池３では、図６に示すように、ずれている部分８３の燃料分岐流路７１の積層方向他方側には、空気分岐流路７２がなく、セパレータ１４の第２リブ６４がある。つまり、電解質膜１６の積層方向他方面に積層されるカソード１８は、第２リブ６４によって支持（あるいは押圧）されている。そのため、燃料分岐流路７１から電解質膜１６およびカソード１８を介して、空気分岐流路７２に至るクロスリークを抑制することができる。

同時に、燃料分岐流路７１から膜電極接合体１３を介して空気分岐流路７２に至るパスの距離は、それらの積層方向における投影面がずれていることため、図１０の従来に比べて、長く確保することができる。そのため、クロスリークを生じ得る液体燃料が、燃料分岐流路７１から空気分岐流路７２に至る時間が長くかかる。そのため、クロスリークを抑制することができる。

その結果、この燃料電池３は、発電性能に優れる。

さらに、ずれている部分８３の、ずれている部分８３および重複部分８４の全投影面積に対する割合が上記した下限以上であれば、クロスリークを有効に抑制することができる。

［第２実施形態］
第２実施形態において、第１実施形態で説明した各部に対応する部材については、以降の各図面において同一の参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。

第１実施形態では、図４に示すように、燃料流路３７を、１対の第１マージン６３に連通するように、上下方向に延びる直線形状に形成される複数の燃料分岐流路７１から構成するとともに、空気流路３９を、１対の第２マージン６７に連通するように、上下方向に延びる直線形状に形成される複数の空気分岐流路７２から構成している。これに対して、図７に示すように、第２実施形態では、燃料流路３７および空気流路３９のそれぞれを、正面視において、蛇行形状に形成することもできる。

図７Ａに示すように、第１リブ６２は、燃料流路形成領域８において、枠領域１１の上端部から下方に延びる複数の第１上リブ９１と、枠領域１１の下端部から上方に延びる複数の第１下リブ９２とを備える。第１上リブ９１と第１下リブ９２とは、幅方向他方側から幅方向一方側に向かって、順次配置されている。つまり、枠領域１１の上端部および複数の第１上リブ９１は、下方に開放される正面視略櫛歯形状に形成されるとともに、枠領域１１の下端部および複数の第１下リブ９２は、上方に開放される正面視略櫛歯形状に形成されている。枠領域１１の上端部および複数の第１上リブ９１と、枠領域１１の下端部および複数の第１下リブ９２とは、上下方向に互いに齟齬状に噛み合うように、配置されている。

また、この第２実施形態では、燃料流路形成領域８において、第１マージン６３に代えて、第１上連通路９５および第１下連通路９６が設けられている。第１上連通路９５および第１下連通路９６のそれぞれは、左右方向に互いに間隔を隔てるように分断されている。第１上連通路９５は、第１上リブ９１の上側に形成されており、第１下リブ９２によって左右方向に分割される燃料流路３７（第１縦流路８７）の上端部を連結する。第１下連通路９６は、第１下リブ９２の下側に形成されており、第２下リブ９４によって左右方向に分割される燃料流路３７（第１縦流路８７）の下端部を連結する。

これによって、燃料流路３７は、第１下リブ９２および第２上リブ９３によって仕切られる１本の蛇行流路として形成される。つまり、燃料流路３７は、正面視において、葛折り状の流路として形成されている。具体的には、燃料流路３７では、第１縦流路８７と、第１上連通路９５と、第１縦流路８７と、第１下連通路９６とが、液体燃料の流れ方向下流側に向かって繰り返される連通路として形成されている。

図７Ｂに示すように、第２リブ６４は、空気流路形成領域９において、枠領域１１の上端部から下方に延びる複数の第２上リブ９３と、枠領域１１の下端部から上方に延びる複数の第２下リブ９４とを備える。第２上リブ９３と第２下リブ９４とは、幅方向一方側から幅方向他方側に向かって、順次配置されている。つまり、枠領域１１の上端部および複数の第２上リブ９３は、下方に開放される正面視略櫛歯形状に形成されるとともに、枠領域１１の下端部および複数の第２下リブ９４は、上方に開放される正面視略櫛歯形状に形成されている。枠領域１１の上端部および複数の第２上リブ９３と、枠領域１１の下端部および複数の第２下リブ９４とは、上下方向に互いに齟齬状に噛み合うように、配置されている。

また、この第２実施形態では、空気流路形成領域９において、第２マージン６７に代えて、第２上連通路９７および第２下連通路９８が設けられている。第２上連通路９７および第２下連通路９８のそれぞれは、左右方向に互いに間隔を隔てるように分断されている。第２上連通路９７は、第２上リブ９３の上側に形成されており、第２上リブ９３によって左右方向に分割される空気流路３９（第２縦流路８８）の上端部を連結する。第２下連通路９８は、第２上リブ９３の下側に形成されており、左右方向に分割される空気流路３９（第２縦流路８８）の下端部を連結する。

これによって、空気流路３９は、第２上リブ９３および第２下リブ９４によって仕切られる１本の蛇行経路として形成される。つまり、空気流路３９は、正面視において、葛折り状の流路として形成されている。具体的には、空気流路３９では、幅方向他方側から幅方向一方側に向かって、第２縦流路８８と、第２下連通路９８と、第２縦流路８８と、第２上連通路９７とが、空気の流れ方向下流側に向かって繰り返される連通路として形成されている。

図８に示すように、燃料流路３７および空気流路３９を積層方向に投影したときに、第１リブ６２の投影面と、第２リブ６４の投影面とは、上記したずれている部分８３を構成し、それら以外の投影面は、重複部分８４を構成する。

具体的には、燃料流路形成領域８における第１縦流路８７と、空気流路形成領域９における第２縦流路８８とは、ずれている部分８３を構成する。一方、燃料流路形成領域８における第１上連通路９５および第１下連通路９６のそれぞれの一部と、空気流路形成領域９における第２上連通路９７および第２下連通路９８のそれぞれの一部とが、ずれている部分８３および重複部分８４を構成する。

この第２実施形態によれば、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

［第１実施形態の変形例］
第１実施形態の変形例において、第１実施形態で説明した各部に対応する部材については、以降の各図面において同一の参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。

第１実施形態では、図５および図６が参照されるように、燃料流路３７および空気流路３９を積層方向に投影したときに、燃料分岐流路７１の投影面と、空気分岐流路７２の投影面とを、幅方向に隙間なく連続して形成しているが、例えば、図９Ａに示すように、それらの投影面を、幅方向に隙間をもって形成することもできる。

また、第１実施形態では、図５および図６が参照されるように、燃料流路３７および空気流路３９を積層方向に投影したときに、燃料分岐流路７１の投影面と、空気分岐流路７２の投影面とを、重複部分が形成されないパターンに形成しているが、例えば、図９Ｂに示すように、重複部分８４を部分的に形成することもできる。

燃料分岐流路７１において、幅方向一端部および幅方向他端部のそれぞれに、重複部分８４が形成され、幅方向途中部に、ずれている部分８３が形成されている。また、空気分岐流路７２において、幅方向一端部および幅方向他端部に、重複部分８４が形成され、幅方向途中部に、ずれている部分８３が形成されている。

詳しくは、燃料分岐流路７１および空気分岐流路７２を積層方向に投影したときに、各燃料分岐流路７１の幅方向一端部は、それの積層方向他方斜め幅方向一方側に配置される空気分岐流路７２の幅方向他端部と重複し、各燃料分岐流路７１の幅方向他端部は、それの積層方向他方斜め幅方向他方側に配置される空気分岐流路７２の幅方向一端部と重複する。

さらに、図９Ｃに示すように、例えば、上記した隙間が形成されるとともに、重複部分８４が部分的に形成されるように、燃料分岐流路７１および空気分岐流路７２を設けることもできる。

詳しくは、燃料分岐流路７１および空気分岐流路７２を積層方向に投影したときに、各燃料分岐流路７１の幅方向一端部は、それの積層方向他方斜め幅方向一方側に配置される空気分岐流路７２の幅方向他端部と重複する一方、各燃料分岐流路７１の幅方向他端部は、それの積層方向他方斜め幅方向他方側に配置される空気分岐流路７２の幅方向一端部と、幅方向に間隔を隔てて配置されている。

第１実施形態では、図４が参照されるように、燃料分岐流路７１および空気分岐流路７２を上下方向に延びる直線状にそれぞれ形成しているが、例えば、図示しないが、燃料分岐流路７１および空気分岐流路７２を波形状にそれぞれ形成することもできる。

また、第１実施形態では、第１リブ６２および第２リブ６４をそれぞれ複数設けているが、例えば、図示しないが、単数設けることができる。さらには、第１リブ６２および第２リブ６４を設けず、燃料流路３７および空気流路３９をそれぞれ単数の流路として設けることもできる。

３燃料電池
１４セパレータ
１６電解質膜
１７アノード
１８カソード
３７燃料流路
３９空気流路
８３ずれている部分

Claims

電解質膜と、前記電解質膜の一方面に配置されるアノードと、前記電解質膜の他方面に前記アノードに対して対向配置されるカソードと、前記電解質膜、前記アノードおよび前記カソードの積層方向における前記アノードに対して前記電解質膜の反対側に配置される燃料供給部材と、前記積層方向における前記カソードに対して前記電解質膜の反対側に配置される空気供給部材とを備え、
前記燃料供給部材には、前記アノードに接触させるために、液体燃料を流通させる燃料流路が形成され、
前記空気供給部材には、前記カソードに接触させるために、空気を流通させる空気流路が形成され、
前記燃料流路および前記空気流路を前記積層方向に投影したときに、前記燃料流路の投影面と前記空気流路の投影面とが、互いに一致せずにずれている非重複部分と、互いに重なる重複部分とがあり、
前記非重複部分の割合が、前記燃料流路の投影面と、前記空気流路の投影面との全投影面積の９０％以下であり、
前記非重複部分の割合が、前記燃料流路の投影面と、前記空気流路の投影面との全投影面積の７０％以上であることを特徴とする、燃料電池。
前記燃料流路は、複数の第１リブによって分岐された複数の燃料分岐流路を有し、
前記空気流路は、複数の第２リブによって分岐された複数の空気分岐流路を有し、
前記複数の燃料分岐流路のそれぞれが延びる方向と、前記複数の空気分岐流路のそれぞれが延びる方向とは、同一方向であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。