JP6583229B2

JP6583229B2 - 燃料電池ユニット

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Publication number: JP6583229B2
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Inventors: 真明松末
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Filing date: 2016-11-29
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Description

本発明は、燃料電池ユニットに関する。

燃料ガス中のアンモニアを低減させるアンモニアポンプが知られており、アンモニアが低減された燃料ガスは、燃料電池の発電セルに供給され、発電セルの発電性能の低下が抑制されている。このようなアンモニアポンプは、膜電極ガス拡散層接合体を両側から一対のセパレータで挟持されたポンプセルを備えており、このポンプセルは発電セルと同様の構造である（例えば特許文献１参照）。

特開２００８−２７７５２号公報

発電セルでは、膜電極ガス拡散層接合体と一方のセパレータとの間で画定される第１ガス流路に酸化剤ガスが流通し、膜電極ガス拡散層接合体と他方のセパレータとの間で画定される第２ガス流路に燃料ガスが流通する。ここで、酸化剤ガスとして空気を使用する場合、酸化剤ガス流路には発電反応に必要な酸化剤ガス量の５倍以上の空気を流通させる必要がある。このため、第１及び第２ガス流路は、同一条件下でガスを第１及び第２ガス流路にそれぞれ流通させた場合には、第１ガス流路の方が第２ガス流路よりもガスの圧力損失が小さくなるように形成されている。このため、発電セルと同様にポンプセルについても、発電セルに供給する燃料ガスを第２ガス流路に流通させると、ポンプセルでの燃料ガスの圧損が増大して、燃料電池の発電セルに十分な圧力の燃料ガスが供給されない可能性がある。

本発明は、燃料電池に供給される燃料ガスのアンモニアポンプでの圧損の増大が抑制された燃料電池ユニットを提供することを目的とする。

上記目的は、燃料ガス中のアンモニアを低減するポンプセルを含むアンモニアポンプと、空気である酸化剤ガスと、前記アンモニアポンプによりアンモニアが低減された前記燃料ガスとが供給される発電セルを含む燃料電池と、を備え、前記ポンプセル及び発電セルのそれぞれは、膜電極ガス拡散層接合体と、前記膜電極ガス拡散層接合体を挟持する第１及び第２セパレータと、前記第１セパレータと前記膜電極ガス拡散層接合体との間で画定される第１ガス流路と、前記第２セパレータと前記膜電極ガス拡散層接合体との間で画定される第２ガス流路と、を有し、前記ポンプセル及び発電セルのそれぞれでの前記第１及び第２ガス流路は、同一条件下でガスを前記第１及び第２ガス流路にそれぞれ流通させた場合での前記ガスの圧力損失が前記第１ガス流路の方が前記第２ガス流路よりも小さくなるように形成され、前記酸化剤ガスは、前記発電セルの前記第１ガス流路を流通し、前記燃料ガスは、前記ポンプセルの前記第１ガス流路を流通し、前記発電セルの前記第２ガス流路を流通し、前記ポンプセルから前記発電セルに前記燃料ガスを案内し、前記ポンプセルと前記発電セルとの間に配置されて積層された案内プレートを備え、前記案内プレートは、前記発電セルから排出された前記燃料ガスを、前記ポンプセル及び前記発電セル以外の前記案内プレートの外部へと排出する、燃料電池ユニットによって達成できる。

上記構成によれば、燃料電池に供給される燃料ガスは、アンモニアポンプにおいて第２ガス流路よりも圧力損失の小さい第１ガス流路を流通する。このため、アンモニアポンプでの圧損の増大が抑制される。

前記ポンプセルは、前記燃料ガスを排出する排出孔を有し、前記発電セルは、前記燃料ガスが供給される供給孔を有し、前記案内プレートは、前記排出孔から前記供給孔へ前記燃料ガスを案内する燃料ガス案内通路を有し、前記燃料ガス案内通路は、前記ポンプセル及び発電セルが積層された積層方向に延びて前記案内プレートを貫通している、構成であってもよい。

前記ポンプセル及び発電セルのそれぞれでの前記第１及び第２ガス流路は、前記第１ガス流路の長さを前記第１ガス流路の流路断面積の総和で除した値が前記第２ガス流路の長さを前記第２ガス流路の流路断面積の総和で除した値よりも小さいことにより、前記圧力損失が前記第１ガス流路の方が前記第２ガス流路よりも小さく形成されている、構成であってもよい。

本発明によれば、燃料電池に供給される燃料ガスのアンモニアポンプでの圧損の増大が抑制された燃料電池ユニットを提供できる。

図１は、燃料電池システムの構成図である。図２は、アンモニアポンプと燃料電池との構成を示した模式図である。図３Ａは、第１変形例の燃料電池システムを車両に搭載した場合の例示図であり、図３Ｂは、第２変形例の燃料電池システムを車両に搭載した場合の例示図である。図４は、第１変形例の燃料電池ユニットの分解斜視図である。図５は、第１変形例の燃料電池ユニットの分解斜視図である。図６は、第２変形例の燃料電池ユニットの分解斜視図である。図７Ａ及び図７Ｂは、積層された案内プレートの断面図である。図８は、第２変形例の燃料電池ユニットの分解斜視図である。

図１は、燃料電池システム１の構成図である。燃料電池システム１には、エアコンプレッサ３、燃料タンク４、改質器５、燃料電池ユニットＵ等を含む。燃料電池ユニットＵは、燃料電池２０とアンモニアポンプ１２０とを含む。燃料電池２０は、酸化剤ガスと燃料ガスの供給を受けて発電する。アンモニアポンプ１２０は、燃料電池２０に供給される燃料ガス中のアンモニアを低減する。改質器５は、原燃料と水とを用いて、水素を含む燃料ガスを生成し、生成された燃料ガスを燃料電池２０に供給する。原燃料は、例えば、都市ガス、プロパンガス、ナフサ、ガソリン、灯油などの炭化水素の原燃料、又はメタノール等のアルコール系の原燃料である。改質器５でこれらの原燃料を改質する際に、副生成物としてアンモニアが生成される場合があり、生成された燃料ガスはアンモニアを含有している。また、原燃料として液体アンモニアを使用する場合があり、この場合にも改質器５で改質された燃料ガスはアンモニアを含有している。

空気は、エアコンプレッサ３により配管３１を介して改質器５に供給されると共に、配管３２を介して燃料電池２０のカソード側に酸化剤ガスとして供給される。燃料電池２０内を流通した酸化剤ガスは、配管３４を介して外部に排出される。

また、原燃料は、燃料タンク４に貯留されており、配管４０を介して改質器５に供給される。改質器５で原燃料が燃料ガスに改質され、配管４１及び４８を介してアンモニアポンプ１２０に供給される。配管４１からアンモニアポンプ１２０内を流通した燃料ガスは、配管４２を介して燃料電池２０のアノード側に供給される。燃料電池２０内を流通した燃料ガスは、配管４３を介して循環ポンプ４５によって適度に加圧され、再び配管４２へ導かれる。また、配管４４は、配管３４と合流して、燃料電池２０から排出された燃料ガスを外部に排気する。配管４４には、燃料ガスの循環量や排出量を調整する排気弁４６が配設されている。配管４８を介してアンモニアポンプ１２０に供給された燃料ガスは、アンモニアポンプ１２０から配管４９を介して再び配管４０に供給される。

アンモニアポンプ１２０では、配管４１から供給された燃料ガス中のアンモニアを抽出して低減し、抽出されたアンモニアを配管４８から供給された燃料ガスに混合する。これにより、アンモニアが低減された燃料ガスが燃料電池２０に供給され、燃料電池２０の発電性能の低下が抑制される。また、アンモニアが混合された燃料ガスは、再び上流側から改質器５に供給される。これにより、アンモニアが混合した燃料ガスは、燃料電池２０には直接供給されないが、改質器５を介してその一部が燃料電池２０に供給されることになり、燃料消費の増大が抑制されている。

次に、アンモニアポンプ１２０と燃料電池２０との具体的な構成について説明する。図２は、アンモニアポンプ１２０と燃料電池２０との構成を示した模式図である。燃料電池２０は、複数の発電セル１０が積層されたスタック構造を有している。図２では、発電セル１０の断面を示している。各発電セル１０には、電解質膜１２の各面にアノード側触媒層１４ａ及びカソード側触媒層１４ｃ（以下、触媒層と称する）が形成された膜電極接合体１１（以下、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と称する）を備える。電解質膜１２は、フッ素系樹脂材料又は炭素系樹脂材料で形成された固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。触媒層１４ａ及び１４ｃは、電気化学反応を進行させる触媒（例えば白金や、白金−コバルト合金）を担持したカーボン粒子（例えばカーボンブラック）と、プロトン伝導性を有するアイオノマーと、を含む。ＭＥＡ１１は、アノード側ガス拡散層１８ａ及びカソード側ガス拡散層１８ｃ（以下、拡散層と称する）により挟持されている。拡散層１８ａ及び１８ｃは、ガス透過性及び電子伝導性を有する部材によって形成されており、例えばカーボンクロスやカーボンペーパなどの多孔質カーボン製部材によって形成されている。拡散層１８ａ及び１８ｃは、上記の構成に限定されず、例えば切り曲げ加工により形成されたエキスパンド部が形成された金属多孔質体であってもよい。膜電極ガス拡散層接合体３０（以下、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly））と称する）は、これらＭＥＡ１１、拡散層１８ａ及び１８ｃから構成される。

ＭＥＧＡ３０は、アノード側セパレータ２１ａ及びカソード側セパレータ２１ｃ（以下、セパレータと称する）に挟持されている。セパレータ２１ａ及び２１ｃは、ガス遮断性及び電子伝導性を有する部材によって形成されており、例えばカーボンを圧縮してガス不透過とした緻密性カーボンなどのカーボン部材やプレス成型したステンレス鋼などの金属部材によって形成されている。セパレータ２１ａ及び２１ｃはそれぞれ、ＭＥＧＡ３０との間でガス流路２２ａ及び２２ｃを画定するために凹凸状に形成されている。ガス流路２２ａ及び２２ｃは、それぞれセパレータ２１ａ及び２１ｃに溝状に形成されている。発電セル１０の発電中においては、ガス流路２２ａを燃料ガスが流通し、ガス流路２２ｃを酸化剤ガスが流通する。

図２に示すように、流路断面積は、ガス流路２２ｃの方がガス流路２２ａよりも大きく形成されている。詳細には、ガス流路２２ｃ及び２２ａは、同一条件下でガスをガス流路２２ｃ及び２２ａにそれぞれ流通させた場合でのガスの圧力損失がガス流路２２ｃの方がガス流路２２ａよりも小さくなるように形成されている。更に詳細には、ガス流路２２ａの長さをガス流路２２ａの流路断面積の総和で除した値は、ガス流路２２ｃの長さをガス流路２２ｃの流路断面積の総和で除した値よりも小さいことにより、ガス流路２２ｃの方が第２ガス流路２２ａよりも圧力損失が小さくなるように形成されている。上述したように、酸化剤ガスとして空気を使用する場合には、発電セル１０での発電反応に必要となる酸化剤ガス量よりも５倍以上多くの空気を発電セル１０に供給する必要があるからである。例えば、圧力損失は、ガス流路の長さが長いほど、及び流路断面積の総和が小さいほど、増大する。尚、同一条件とは、ガスの組成や湿度、温度、密度、圧力、単位時間当たりの流量、その他環境条件が同一の場合である。ガス流路の長さとは、例えば、後述するそのガスがガス流路に供給される供給孔から排出される排出孔までのガスが流通する溝状のガス流路の長さである。流路断面積とは、流路が延びた方向に対して垂直な断面での流路の面積である。流路断面積の総和とは、ガス流路での各断面積の総和であり、容積にも相当する。尚、ガス流路は、並行溝タイプであってもよいし、蛇行溝タイプや櫛歯状タイプであってもよい。並行溝タイプの場合、流路の長さは、供給孔に連通した供給溝の長さと、排出孔に連通した排出溝の長さと、供給溝から略並列に分岐して排出溝に連通した複数の分岐溝の合計の長さと、の合計である。蛇行溝タイプの場合、流路の長さは、供給孔から排出孔にまで蛇行して連通した溝の長さである。ガス流路が櫛歯状タイプの場合、流路の長さは、供給孔に連通した供給溝の長さと、排出孔に連通した排出溝の長さと、供給溝から略並列に分岐し排出溝には連通していない複数の供給分岐溝の合計の長さと、排出溝から略並列に分岐し供給溝には連通せずに供給分岐溝と交互に並んだ複数の排出分岐溝の合計の長さと、の合計である。

燃料電池２０では、このような発電セル１０が複数積層され、一対のターミナルプレート５０及び５２、一対のエンドプレート７０及び７２で挟持されている。ターミナルプレート５０及び５２は、金属製であり、複数の発電セル１０からの電圧及び電流を取り出すために用いられる。尚、ターミナルプレート５０とエンドプレート７０との間、及びターミナルプレート５２とエンドプレート７２との間には、不図示の絶縁性のプレートが介在している。

次にアンモニアポンプ１２０について説明する。アンモニアポンプ１２０は、燃料電池２０と類似のスタック構造を有している。図２では、ポンプセル１１０の断面を示している。各ポンプセル１１０には、電解質膜１１２の各面に触媒層１１４ａ及１１４ｃが形成された膜電極接合体１１１（以下、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と称する）を備える。ＭＥＡ１１１は、拡散層１１８ａ及び拡散層１１８ｃにより挟持されている。膜電極ガス拡散層接合体１３０（以下、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）と称する）は、これらＭＥＡ１１１、拡散層１１８ａ及び１１８ｃから構成される。ＭＥＧＡ１３０は、セパレータ１２１ａ及び１２１ｃに挟持されている。セパレータ１２１ａ及び１２１ｃはそれぞれ、ＭＥＧＡ１３０との間でガス流路１２２ａ及び１２２ｃを画定するために凹凸状に形成されている。アンモニアポンプ１２０では、このようなポンプセル１１０が複数積層され、一対のターミナルプレート１５０及び１５２、一対のエンドプレート１７０及び１７２で挟持されている。尚、ターミナルプレート１５０とエンドプレート１７０との間、及びターミナルプレート１５２とエンドプレート１７２との間には、不図示の絶縁性のプレートが介在している。ターミナルプレート１５０及び１５２は、金属製であり、複数のポンプセル１１０に外部から電圧を印加するためのものである。ターミナルプレート１５０及び１５２には、アンモニアポンプ１２０の電力源であるバッテリ２００の正極及び負極が、それぞれ接続されている。

アンモニアポンプ１２０の電解質膜１１２、触媒層１１４ａ及び１１４ｃ、拡散層１１８ａ及び１１８ｃ、セパレータ１２１ａ及び１２１ｃ、ターミナルプレート１５０及び１５２、エンドプレート１７０及び１７２は、それぞれ、燃料電池２０の電解質膜１２、触媒層１４ａ及び１４ｃ、拡散層１８ａ及び１８ｃ、セパレータ２１ａ及び２１ｃ、ターミナルプレート５０及び５２、エンドプレート７０及び７２と同じ部材である。このため、アンモニアポンプ１２０の製造コストが抑制されている。セパレータ２１ｃ及び２１ａは、それぞれ、ＭＥＧＡ３０を挟持する第１及び第２セパレータの一例である。セパレータ１２１ｃ及び１２１ａは、それぞれ、ＭＥＧＡ１３０を挟持する第１及び第２セパレータの一例である。ガス流路２２ｃは、セパレータ２１ｃとＭＥＧＡ３０との間で画定される第１ガス流路の一例であり、ガス流路２２ａは、セパレータ２１ａとＭＥＧＡ３０との間で画定される第２ガス流路の一例である。ガス流路１２２ｃは、セパレータ１２１ｃとＭＥＧＡ１３０との間で画定される第１ガス流路の一例であり、ガス流路１２２ａは、セパレータ１２１ａとＭＥＧＡ１３０との間で画定される第２ガス流路の一例である。

ポンプセル１１０の枚数は、発電セル１０の枚数よりも少ない。燃料電池２０では発電電力を確保するために発電セル１０の枚数が多く積層されているのに対して、アンモニアポンプ１２０では燃料電池２０に供給される燃料ガス中のアンモニアを低減できれば十分だからである。

次に燃料ガス中のアンモニアの低減について説明する。複数のポンプセル１１０に電圧が印加された状態で、ガス流路１２２ｃには上述した配管４１から燃料ガスが流通し、ガス流路１２２ａには上述した配管４８から燃料ガスが流通する。改質器５により改質されて、ポンプセル１１０に供給される燃料ガスは水分を含んでいるため、ガス流路１２２ｃに燃料ガスが流通することにより、拡散層１１８ｃで結露により発生した液水に燃料ガス中のアンモニアが溶解して、式（１）のようにアンモニウムイオンと水酸化物イオンとが生成される。また、触媒層１１４ｃでは、式（２）のように水素の解離反応が進行する。このため、ＭＥＡ１１１のガス流路１２２ｃ側では、式（３）のように、プロトンと水酸化物イオンとの中和反応が進行する。従って、ＭＥＡ１１１のガス流路１２２ｃ側では、見かけ上、式（４）のように化学反応が進行する。
ＮＨ_３＋Ｈ_２Ｏ→ＮＨ₄ ^＋＋ＯＨ⁻・・・（１）
（１／２）Ｈ_２→Ｈ^＋＋ｅ⁻・・・（２）
Ｈ^＋＋ＯＨ⁻→Ｈ_２Ｏ・・・（３）
ＮＨ^３＋（１／２）Ｈ_２→ＮＨ_４ ^＋＋ｅ⁻・・・（４）

電解質膜１１２は、アンモニウムイオンに対する親和性がプロトンよりも大きいため、ガス流路１２２ｃ側で発生したアンモニウムイオンは、電解質膜１１２に容易に取り込まれてガス流路１２２ａ側に到達する。触媒層１１４ａでは、式（５）のように、アンモニウムイオンの還元反応が進行し、アンモニウムイオンがアンモニアに戻される。
ＮＨ_４ ^＋＋ｅ⁻→ＮＨ_３＋（１／２）Ｈ₂・・・（５）

触媒層１１４ａで生成されたアンモニアは、ガス流路１２２ａを流通する燃料ガスに混合されて、アンモニアポンプ１２０から排出される。このようにして、ガス流路１２２ｃを流通する燃料ガスからアンモニアが低減されて、燃料電池２０に供給される。このため、燃料電池２０に供給される燃料ガス中のアンモニアの含有量を低下させることができ、発電セル１０の発電性能の低下が抑制されている。

上述したように、燃料電池２０に供給される燃料ガスは、アンモニアポンプ１２０のガス流路１２２ｃを流通する。ここで、上述したようにガス流路１２２ｃでの圧力損失は、ガス流路１２２ａの圧力損失よりも小さい。このため、燃料電池２０に供給される燃料ガスを、ガス流路１２２ａではなく圧力損失の小さいガス流路１２２ｃに流通させることにより、アンモニアポンプ１２０での圧損が増大することが抑制されている。これにより、アンモニアポンプ１２０を通過して燃料電池２０に到達した時点での燃料ガスの圧力の低下を抑制でき、燃料電池２０のガス流路２２ａに所望の圧力で燃料ガスを流通させることができる。これにより、燃料電池２０の発電効率の低下も抑制できる。

尚、上記実施例では、発電セル１０とポンプセル１１０とは同じものを用いたが、発電セル１０及びポンプセル１１０のそれぞれにおいて、第１ガス流路での圧力損失が第２ガス流路の圧力損失よりも小さければ、必ずしも全ての部材が同じである必要はない。上記の要件を満たす限り、例えば、セパレータ２１ｃ及び１２１ｃは大きさや形状が異なっていてもよく、セパレータ２１ａ及び１２１ａも大きさや形状が異なっていてもよい。また、拡散層１８ｃ及び１１８ｃについても、大きさや形状が異なっていてもよく、拡散層１８ａ及び１１８ａについても、大きさや形状が異なっていてもよい。また、触媒層１１４ａ及び１１４ｃの各面積は、燃料ガス中のアンモニアを低減できれば十分であるため、触媒層１４ａ及び１４ｃの各面積よりも小さくてもよい。

また、上記実施例では図１に示したように、改質器５を通過した燃料ガスにアンモニアを混合したが、これに限定されずに、例えば燃料電池２０から排出された燃料ガスをアンモニアポンプ１２０のガス流路１２２ａに流通させてアンモニアを混合させてもよい。但し、この場合、燃料電池２０から排出された燃料ガス中に含まれる水分量は、燃料電池２０の運転状態に応じて変化するため、燃料電池２０の運転状態によってはガス流路１２２ａを通過する燃料ガス中の水分量が少なく、アンモニウムイオンを十分に含有できない可能性がある。上記実施例の場合、改質器５からアンモニアポンプ１２０に供給される燃料ガス中の水分量は、燃料電池２０の運転状態によらないため、アンモニアポンプ１２０に略一定の水分量を含有した燃料ガスを供給できる。

次に、燃料電池システムの変形例について説明する。尚、同一の構成については、同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。図３Ａは、第１変形例の燃料電池システム１ａを車両に搭載した場合の例示図である。図３Ａに示すように、供給口２ａから液体の原燃料が配管２ａ１を介して燃料タンク４ａに貯留される。燃料タンク４ａに貯留された原燃料は、配管４０を介して改質器５に供給される。改質器５では、原燃料を燃料ガスに改質する際に生じた不純物は配管５ａを介して車両外部へと排出される。改質器５で改質された燃料ガスは、配管４１及び４８を介してアンモニアポンプ１２０に供給される。配管４１を介してアンモニアポンプ１２０に供給された燃料ガスは、アンモニアポンプ１２０でアンモニアが低減されて、配管４２を介して燃料電池２０に供給される。配管４８を介してアンモニアポンプ１２０に供給された燃料ガスは、アンモニアポンプ１２０でアンモニアが混合され、配管４９ａを介して外部へと排出される。上述したように、燃料タンク４ａでは、液体の原燃料を貯留するため、燃料ガスを蓄えるガスタンクよりも形状の自由度が大きい。以上のように、燃料電池システム１ａを車両に搭載してもよい。

図３Ｂは、第２変形例の燃料電池システム１ｂを車両に搭載した場合の例示図である。供給口２ｂから気体の燃料ガスが配管２ｂ１を介してガスタンク４ｂに貯えられる。ガスタンク４ｂに貯えられた燃料ガスは、配管４１ｂ及び４８ｂを介してアンモニアポンプ１２０に供給される。配管４１ｂを介してアンモニアポンプ１２０に供給された燃料ガスは、アンモニアポンプ１２０でアンモニアが低減されて、配管４２を介して燃料電池２０に供給される。配管４８ｂを介してアンモニアポンプ１２０に供給された燃料ガスは、アンモニアポンプ１２０でアンモニアが混合されて、配管４９ｂを介して外部へと排出される。このように、燃料ガスを直接蓄えるガスタンク４ｂを設けてアンモニアポンプ１２０を介して燃料電池２０に燃料ガスを供給する場合には、改質器は不要である。また、例えば水素ステーションから供給される燃料ガス中にアンモニアが含まれている場合であっても、上記システムによれば適切にアンモニアを低減できる。

次に、第１変形例の燃料電池ユニットＵａについて説明する。図４は、第１変形例の燃料電池ユニットＵａの分解斜視図である。燃料電池ユニットＵａは、アンモニアポンプ１２０ａと燃料電池２０ａとが一体化されている。アンモニアポンプ１２０ａは、エンドプレート１７２、ターミナルプレート１５２、ポンプセル１１０、ターミナルプレート１５０、及び案内プレート１８０を含む。燃料電池２０ａは、案内プレート８０、ターミナルプレート５０、発電セル１０、ターミナルプレート５２、及びエンドプレート７２を含む。燃料電池ユニットＵａでは、ポンプセル１１０や発電セル１０と同様に案内プレート１８０及び８０が、エンドプレート１７２及び７２間で積層されている。案内プレート１８０及び８０は、発電セル１０やポンプセル１１０と厚み以外の形状寸法が略同じであり、単一の発電セル１０やポンプセル１１０よりも厚い。案内プレート１８０及び８０は絶縁性を有しており、例えば合成樹脂製である。尚、図４においては、発電セル１０とポンプセル１１０とを同じ枚数だけ記載しているが、実際には、発電セル１０の方がポンプセル１１０よりも枚数が多い。

最初に燃料電池２０ａについて説明する。発電セル１０とターミナルプレート５０及び５２とのそれぞれには、孔ａ１〜ａ６が形成されている。孔ａ１〜ａ３は、略矩形状に形成された発電セル１０、ターミナルプレート５０及び５２のそれぞれの横側辺の一方に沿うように形成され、孔ａ４〜ａ６は、横側辺の他方に沿うように形成されている。

案内プレート８０は、ターミナルプレート５０の孔ａ１〜ａ６にそれぞれ連通した通路ｄ１〜ｄ６が形成されている。ターミナルプレート５０に対向した案内プレート８０の面を正面とすると、通路ｄ２、ｄ４、及びｄ５は、案内プレート８０の正面から裏面にかけて厚み方向に貫通するように延びている。通路ｄ１及びｄ３は、案内プレート８０の正面から通路ｄ１及びｄ３に近い横側面に湾曲して貫通するように延びている。通路ｄ６は、案内プレート８０の正面から通路ｄ６に近い横側面に湾曲して貫通するように延びている。尚、通路ｄ２、ｄ４、及びｄ５は、詳しくは後述する案内プレート１８０の通路ｃ５、ｃ１、及びｃ２に連通している。尚、エンドプレート７２には孔は形成されておらず、ターミナルプレート５２の孔ａ１〜ａ６を全て塞いでいる。

燃料電池２０ａでは、通路ｄ１及び複数の孔ａ１が連通して、発電セル１０のＭＥＡ１１で発電に供される前の酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス供給マニホールドを画定する。同様に、通路ｄ６及び複数の孔ａ６が連通して、発電セル１０のＭＥＡ１１で発電に供された後の酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス排出マニホールドを画定する。通路ｄ２及び複数の孔ａ２が連通して、発電セル１０を冷却する冷媒が供給される冷媒供給マニホールドを画定する。通路ｄ５及び複数の孔ａ５が連通して、冷媒が排出される冷媒排出マニホールドを画定する。通路ｄ３及び複数の孔ａ３が連通して、発電セル１０のＭＥＡ１１で発電に供された後の燃料ガスが流通する燃料ガス排出マニホールドを画定する。通路ｄ４及び複数の孔ａ４が連通して、発電セル１０のＭＥＡ１１で発電に供される前の燃料ガスが流通する燃料ガス供給マニホールドを画定する。

次にアンモニアポンプ１２０ａについて説明する。上述したように、アンモニアポンプ１２０ａも燃料電池２０ａと同様の部材が用いられているため、ポンプセル１１０とターミナルプレート１５０及び１５２とのそれぞれには、孔ａ１〜ａ６が形成されている。また、発電セル１０の孔ａ１〜ａ３側が積層方向でポンプセル１１０の孔ａ４〜ａ６に対向し、発電セル１０の孔ａ４〜ａ６側が積層方向でポンプセル１１０の孔ａ１〜ａ３側に対向するように、発電セル１０とは反対向きでポンプセル１１０が積層されている。このため、案内プレート１８０及び８０を介して、ターミナルプレート１５０及び５０が対向している。発電セル１０の孔ａ４は、積層方向でポンプセル１１０の孔ａ１と並ぶように燃料電池２０ａ及びアンモニアポンプ１２０ａが配置されている。

エンドプレート１７２には、ターミナルプレート１５２の孔ａ２、及び孔ａ４〜ａ６にそれぞれ連通した孔ｂ２、及び孔ｂ４〜ｂ６が厚み方向に貫通して形成されている。また、エンドプレート１７２は、ターミナルプレート１５２の孔ａ１及びａ３を塞いでいる。

案内プレート１８０は、ターミナルプレート１５０の孔ａ１、ａ２、ａ３、及びａ５にそれぞれ連通した通路ｃ１、ｃ２、ｃ３、及びｃ５を有している。案内プレート８０に対向した案内プレート１８０の面を正面とすると、通路ｃ１、ｃ２、及びｃ５は、案内プレート１８０の正面から裏面にかけて厚み方向に貫通するように延びている。尚、通路ｃ１、ｃ２、及びｃ５は、それぞれ、案内プレート８０の通路ｄ４、ｄ５、及びｄ２に連通するように、滑らかに形状が変化している。通路ｃ３は、ターミナルプレート１５０に対向した案内プレート１８０の面から通路ｃ３に近い横側面に向けて湾曲して貫通するように延びている。案内プレート１８０は、ターミナルプレート１５０の孔ａ４及びａ６を塞いでいる。

次に、燃料電池ユニットＵａを通過する燃料ガス及び酸化剤ガスの経路について説明する。図５は、第１変形例の燃料電池ユニットＵａの分解斜視図であり、一部符号を省略しているが、燃料電池２０ａに供給される燃料ガス及び酸化剤ガス、燃料電池２０ａに供給されない燃料ガスの各経路について説明する。まず、燃料電池２０ａに供給される燃料ガスについて説明する。図５においてこの経路は、実線の矢印で示されている。燃料電池２０ａに供給される燃料ガスは、アンモニアポンプ１２０ａのエンドプレート１７２の孔ｂ６からポンプセル１１０の孔ａ６に供給されてガス流路１２２ｃを流通してアンモニアが低減される。次にこの燃料ガスは、アンモニアポンプ１２０ａの孔ａ１から、案内プレート１８０の通路ｃ１、案内プレート８０の通路ｄ４、燃料電池２０ａの発電セル１０の孔ａ４を順に流通し、ガス流路２２ａを流通して燃料ガス中の水素が発電に供される。この燃料ガスは発電セル１０の孔ａ３を流れて、案内プレート８０の通路ｄ３から外部に排出される。

次に、燃料電池２０ａに供給されない燃料ガスの経路について説明する。図５においては、この経路は一点鎖線の矢印で示されている。燃料電池２０ａに供給されない燃料ガスは、アンモニアポンプ１２０ａのエンドプレート１７２の孔ｂ４からポンプセル１１０の孔ａ４に供給されてガス流路１２２ａを流通してアンモニアが混合される。次にこの燃料ガスは、ポンプセル１１０の孔ａ３を流れて案内プレート１８０の通路ｃ３から外部に排出される。

次に、燃料電池２０ａに供給される酸化剤ガスの経路について説明する。図５では、この経路は点線の矢印で示されている。燃料電池２０ａに供給される酸化剤ガスは、案内プレート８０の通路ｄ１を介して発電セル１０の孔ａ１に供給されてガス流路２２ｃを流通して酸化剤ガス中の酸素が発電に供される。次にこの酸化剤ガスは、発電セル１０の孔ａ６を流れて案内プレート８０の通路ｄ６から外部に排出される。

尚、燃料電池２０ａを冷却する冷媒は、アンモニアポンプ１２０ａのエンドプレート１７２の孔ｂ５から、ポンプセル１１０の孔ａ５、案内プレート１８０の通路ｃ５、案内プレート８０の通路ｄ２を介して発電セル１０の孔ａ２に供給される。ポンプセル１１０の孔ａ５に供給された冷媒は、ポンプセル１１０間に形成された冷媒流路を介してポンプセル１１０の孔ａ２からエンドプレート１７２の孔ｂ２に流れて外部に排出される。発電セル１０の孔ａ２に供給された冷媒は、発電セル１０間に形成された冷媒流路を介して発電セル１０の孔ａ５から案内プレート８０の通路ｄ５、案内プレート１８０の通路ｃ２、ポンプセル１１０の孔ａ２を流れエンドプレート１７２の孔ｂ２から排出される。以上のようにして、アンモニアが低減された燃料ガスの燃料電池２０ａへの供給や、酸化剤ガスの燃料電池２０ａへの供給、アンモニアポンプ１２０ａ及び燃料電池２０ａの冷却が確保されている。

ここで、アンモニアポンプ１２０ａでアンモニアが低減された燃料ガスは、上述したようにポンプセル１１０の孔ａ１、案内プレート１８０の通路ｃ１、案内プレート８０の通路ｄ４、発電セル１０の孔ａ４を順に流れる。案内プレート１８０の通路ｃ１及び案内プレート８０の通路ｄ４は、ポンプセル１１０の孔ａ１と発電セル１０の孔ａ４とを連通するように、これらの積層方向に延びている。このため、アンモニアが低減されてアンモニアポンプ１２０ａから排出された燃料ガスは、案内プレート１８０の通路ｃ１及び案内プレート８０の通路ｄ４により、積層方向に沿った略直線状を流れる。このため、燃料電池２０に供給される燃料ガスの案内プレート１８０及び８０での圧損の増大が抑制されている。ポンプセル１１０の孔ａ１は、燃料ガスを排出する排出孔の一例である。発電セル１０の孔ａ４は、燃料ガスが供給される供給孔の一例である。案内プレート１８０及び８０の通路ｃ１及びｄ４は、ポンプセル１１０の孔ａ１から発電セル１０の孔ａ４へ燃料ガスを案内する燃料ガス案内流路の一例である。

上述したように、燃料電池ユニットＵａは、アンモニアポンプ１２０ａと燃料電池２０ａとが一体化されており、小型化されている。また、案内プレート１８０及び８０は、アンモニアポンプ１２０ａと燃料電池２０ａとの間で積層されてアンモニアポンプ１２０ａと燃料電池２０ａとを接続している。このため、アンモニアポンプ１２０ａと燃料電池２０ａとを配管等で接続した場合と比較して、部品点数が削減されている。また、既存の燃料電池スタックの製造と同様の手法により、案内プレート１８０及び８０を含めて、エンドプレート１７２やポンプセル１１０、発電セル１０、エンドプレート７２等を積層できる。このため、燃料電池ユニットＵａを容易に製造でき、製造コストの増大も抑制されている。

また、冷媒は、燃料電池２０ａのみならずアンモニアポンプ１２０ａをも通過して冷却できるため、アンモニアポンプ１２０ａ内での相対湿度を確保して、アンモニアポンプ１２０ａ内を通過する燃料ガス中の水分の凝縮を確保できる。これにより、燃料ガス中のアンモニウムイオンの凝縮水中への溶解を促進して、燃料電池２０ａに供給される燃料ガスからアンモニアを効率的に低減できる。

燃料電池２０ａに供給される酸化剤ガス、燃料電池２０ａから排出される酸化剤ガス及び燃料ガスは、それぞれ案内プレート８０の側面に開口した通路ｄ１、ｄ６、及びｄ３を流通する。このように、燃料電池２０ａにアンモニアポンプ１２０ａが一体化されていても、燃料電池２０ａへの酸化剤ガスの供給、燃料電池２０ａからの酸化剤ガス及び燃料ガスの排出が確保されている。

案内プレート１８０及び８０は一体に形成されていてもよい。ターミナルプレート５２及び１５２とは必ずしも同じでなくてもよく、例えばターミナルプレート５２には孔ａ１〜ａ６の何れも設けられていなくてもよいし、ターミナルプレート１５２には、孔a１及びａ３が設けられていなくてもよい。

エンドプレート７２に、燃料ガスを排出する孔を設けてもよく、この場合、案内プレート８０の通路ｄ３は不要である。エンドプレート７２に酸化剤を排出する孔を設けてもよく、この場合、案内プレート８０の通路ｄ６は不要である。エンドプレート７２に酸化剤ガスを供給する孔を設けてもよく、この場合、案内プレート８０の通路ｄ１は不要である。エンドプレート７２に冷媒を排出する孔を設けてもよく、この場合、エンドプレート１７２の孔ｂ２は不要である。エンドプレート７２に冷媒を供給する孔を設けてもよく、この場合、エンドプレート１７２の孔ｂ５は不要である。

次に、第２変形例の燃料電池ユニットＵｂについて説明する。図６は、第２変形例の燃料電池ユニットＵｂの分解斜視図である。燃料電池ユニットＵｂでは、燃料電池ユニットＵａと異なり、アンモニアポンプ１２０ｂのポンプセル１１０とターミナルプレート１５０及び１５２とは、燃料電池２０ｂの発電セル１０とターミナルプレート５０及び５２と同じ向きで積層されている。このため、ポンプセル１１０の孔ａ１〜ａ３は、発電セル１０の孔ａ１〜ａ３と同じ側に位置し、ポンプセル１１０の孔ａ４〜ａ６は、発電セル１０の孔ａ４〜ａ６と同じ側に位置する。

エンドプレート１７２ｂは、ポンプセル１１０の孔ａ１、ａ２、ａ４、及びａ５に、それぞれ連通し、厚み方向に延びて貫通した孔ｅ１、ｅ２、ｅ４、及びｅ５が形成されている。

案内プレート１８０ｂは、ポンプセル１１０の孔ａ２、ａ５、及びａ６にそれぞれ連通した通路ｆ２、ｆ５、及びｆ６を有している。通路ｆ２、ｆ５、及びｆ６は、案内プレート８０ｂに対向する案内プレート１８０ｂの面を正面とすると、案内プレート１８０ｂの正面から裏面にかけて貫通するように延びている。また、案内プレート１８０ｂには、ポンプセル１１０の孔ａ３に連通した通路ｆ３を有している。通路ｆ３は、案内プレート１８０ｂの裏面から通路ｆ３に近い横側面に向けて貫通するように湾曲して延びている。また、案内プレート１８０ｂの正面側に溝ｆ６４が形成されている。溝ｆ６４は、案内プレート１８０ｂを正面から見た場合に、通路ｆ５周辺に略コ字状に形成されている。溝ｆ６４は、通路ｆ６と連通している。尚、案内プレート１８０ｂは、孔ａ１を塞いでいる。

案内プレート８０ｂは、発電セル１０の孔ａ１〜ａ６にそれぞれ連通した通路ｇ１〜ｇ６が形成されている。通路ｇ２及びｇ５は、ターミナルプレート５０に対向する案内プレート８０ｂの面を正面とすると、案内プレート８０ｂの正面から裏面にかけて厚み方向に貫通するよう延びて、それぞれ、案内プレート８０ｂの通路ｆ２及びｆ５に連通している。通路ｇ１及びｇ３は、案内プレート８０ｂの正面から通路ｇ１及びｇ３に近い横側面に貫通するように湾曲して延びている。通路ｇ６は、案内プレート８０ｂの正面から通路ｇ６に近い横側面に貫通するように湾曲して延びている。

案内プレート８０ｂの裏面には、溝ｇ６４が形成されている。溝ｇ６４は、案内プレート８０ｂの裏面から見た場合に、通路ｇ５周辺に略コ字状に形成されている。溝ｇ６４は溝ｆ６４とほぼ同一の形状であり、溝ｇ６４及びｆ６４とで協働で単一の通路を画定する。尚、溝ｇ６４は、通路ｇ６とは連通していないが、通路ｇ４と連通している。従って、通路ｆ６及びｇ４は、溝ｇ６４及びｆ６４を介して連通している。図７Ａ及び図７Ｂは、積層された案内プレート１８０ｂ及び８０ｂの断面図である。図７Ａは、通路ｆ６及びｇ４が現れる断面図であり、図７Ｂは、溝ｆ６４及びｇ６４が現れる断面図である。

次に、燃料電池ユニットＵｂを通過する燃料ガス及び酸化剤ガスの経路について説明する。図８は、第２変形例の燃料電池ユニットＵｂの分解斜視図であり、一部符号を省略しているが、燃料ガス及び酸化剤ガスの経路を矢印で示している。まず、燃料電池２０ｂに供給される燃料ガスの経路について説明する。図８では、この経路を実線の矢印で占めている。燃料電池２０ｂに供給される燃料ガスは、エンドプレート１７２ｂの孔ｅ１からポンプセル１１０の孔ａ１に供給されてガス流路１２２ｃを流通してアンモニアが低減される。次にこの燃料ガスは、ポンプセル１１０の孔ａ６、案内プレート１８０ｂの通路ｆ６、案内プレート１８０ｂの溝ｆ６４及び案内プレート８０ｂの溝ｇ６４、案内プレート８０ｂの通路ｇ４、発電セル１０の孔ａ４を順に流通しガス流路２２ａを流通して燃料ガス中の水素が発電に供される。この燃料ガスは発電セル１０の孔ａ３を流れて、案内プレート８０ｂの通路ｇ３から外部に排出される。尚、図７Ａ及び図７Ｂにも、燃料電池２０ｂに供給される燃料ガスが流れる方向を矢印で示している。

燃料電池２０ｂに供給されない燃料ガスは、図８の一点鎖線の矢印で示されているように、エンドプレート１７２ｂの孔ｅ４からポンプセル１１０の孔ａ４に供給されてガス流路１２２ａを流通してアンモニアが混合される。次にこの燃料ガスは、ポンプセル１１０の孔ａ３を流れて案内プレート１８０ｂの通路ｆ３から外部に排出される。

燃料電池２０ｂに供給される酸化剤ガスは、図８の点線の矢印で示されているように、案内プレート８０ｂの通路ｇ１を介して燃料電池２０ｂの孔ａ１に供給されて、発電セル１０のガス流路２２ｃを流通して酸素が発電に供される。次にこの酸化剤ガスは、燃料電池２０ｂの孔ａ６を流れて案内プレート８０ｂの通路ｇ６から外部に排出される。

尚、燃料電池２０ｂを冷却する冷媒は、エンドプレート１７２ｂの孔ｅ２からポンプセル１１０の孔ａ２に供給され、案内プレート１８０ｂの通路ｆ２及び案内プレート８０ｂの通路ｇ２を介して発電セル１０の孔ａ２に供給される。ポンプセル１１０の孔ａ２に供給された冷媒は、ポンプセル１１０間に形成された冷媒流路を介してポンプセル１１０の孔ａ５からエンドプレート１７２ｂの孔ｅ５に流れて外部に排出される。発電セル１０の孔ａ２に供給された冷媒は、発電セル１０間に形成された冷媒流路を介して発電セル１０の孔ａ５から案内プレート８０ｂの通路ｇ５、案内プレート１８０ｂの通路ｆ５、ポンプセル１１０の孔ａ５を流れエンドプレート１７２ｂの孔ｅ５から排出される。

このような燃料電池ユニットＵｂにおいても、アンモニアポンプ１２０ｂと燃料電池２０ｂとが一体化されているため、小型化されており、部品点数の増大も抑制されている。また、ポンプセル１１０と発電セル１０とは、同じ向きで積層されているため、製造工程が容易となる。

エンドプレート７２に、燃料ガスを排出する孔を設けてもよく、この場合、案内プレート８０ｂの通路ｇ３は不要である。エンドプレート７２に酸化剤を排出する孔を設けてもよく、この場合、案内プレート８０ｂの通路ｇ６は不要である。エンドプレート７２に酸化剤ガスを供給する孔を設けてもよく、この場合、案内プレート８０ｂの通路ｇ１は不要である。エンドプレート７２に冷媒を排出する孔を設けてもよく、この場合、エンドプレート１７２ｂの孔ｅ５は不要である。エンドプレート７２に冷媒を供給する孔を設けてもよく、この場合、エンドプレート１７２ｂの孔ｅ２は不要である。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

Ｕ〜Ｕｂ燃料電池ユニット
２０〜２０ｂ燃料電池
２２ａ、１２２ａガス流路（第２ガス流路）
２２ｃ、１２２ｃガス流路（第１ガス流路）
１２０〜１２０ｂアンモニアポンプ
８０、８０ｂ、１８０、１８０ｂ案内プレート
ｃ１、ｄ４通路（燃料ガス案内通路）

Claims

燃料ガス中のアンモニアを低減するポンプセルを含むアンモニアポンプと、
空気である酸化剤ガスと、前記アンモニアポンプによりアンモニアが低減された前記燃料ガスとが供給される発電セルを含む燃料電池と、を備え、
前記ポンプセル及び発電セルのそれぞれは、膜電極ガス拡散層接合体と、前記膜電極ガス拡散層接合体を挟持する第１及び第２セパレータと、前記第１セパレータと前記膜電極ガス拡散層接合体との間で画定される第１ガス流路と、前記第２セパレータと前記膜電極ガス拡散層接合体との間で画定される第２ガス流路と、を有し、
前記ポンプセル及び発電セルのそれぞれでの前記第１及び第２ガス流路は、同一条件下でガスを前記第１及び第２ガス流路にそれぞれ流通させた場合での前記ガスの圧力損失が前記第１ガス流路の方が前記第２ガス流路よりも小さくなるように形成され、
前記酸化剤ガスは、前記発電セルの前記第１ガス流路を流通し、
前記燃料ガスは、前記ポンプセルの前記第１ガス流路を流通し、前記発電セルの前記第２ガス流路を流通し、
前記ポンプセルから前記発電セルに前記燃料ガスを案内し、前記ポンプセルと前記発電セルとの間に配置されて積層された案内プレートを備え、
前記案内プレートは、前記発電セルから排出された前記燃料ガスを、前記ポンプセル及び前記発電セル以外の前記案内プレートの外部へと排出する、請求項１の燃料電池ユニット。
前記ポンプセルは、前記燃料ガスを排出する排出孔を有し、
前記発電セルは、前記燃料ガスが供給される供給孔を有し、
前記案内プレートは、前記排出孔から前記供給孔へ前記燃料ガスを案内する燃料ガス案内通路を有し、
前記燃料ガス案内通路は、前記ポンプセル及び発電セルが積層された積層方向に延びて前記案内プレートを貫通している、請求項１の燃料電池ユニット。
前記ポンプセル及び発電セルのそれぞれでの前記第１及び第２ガス流路は、前記第１ガス流路の長さを前記第１ガス流路の流路断面積の総和で除した値が前記第２ガス流路の長さを前記第２ガス流路の流路断面積の総和で除した値よりも小さいことにより、前記圧力損失が前記第１ガス流路の方が前記第２ガス流路よりも小さく形成されている、請求項１又は２の燃料電池ユニット。