JP2010170720A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つ経済的な構成で、反応ガス流路内の生成水を良好に排出するとともに、効率的な発電を確実に行うことを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック１０を構成する発電ユニット１２は、第１セパレータ１４、第１電解質膜・電極構造体１６ａ、第２セパレータ１８、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ及び第３セパレータ２０を設ける。第１セパレータ１４では、第１燃料ガス流路３６と燃料ガス入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂとが、第１入口側連通路部３８ａ及び第１出口側連通路部３８ｂを介して連通する。第１出口側連通路部３８ｂの流路断面積は、第１入口側連通路部３８ａの流路断面積よりも大きく設定される。第２セパレータ１８では、第２燃料ガス流路４８と燃料ガス入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂとが、第２入口側連通路部５０ａ及び第２出口側連通路部５０ｂを介して連通する。第２出口側連通路部５０ｂの流路断面積は、第２入口側連通路部５０ａの流路断面積よりも小さく設定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、各電解質の両側に電極が配設される２つの電解質・電極構造体と、前記電解質・電極構造体と交互に積層される３枚のセパレータとを有する発電ユニットを備え、前記発電ユニット内には、発電面に沿って所定の反応ガスを流す第１〜第４反応ガス流路と、前記反応ガスを積層方向に流通させる反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔とが形成されるとともに、各発電ユニット間には、冷却媒体を流す冷却媒体流路が形成される燃料電池スタックに関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路（反応ガス流路）と、カソード側電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路（反応ガス流路）とが設けられている。また、セパレータ間には、冷却媒体を流すための冷却媒体流路が、前記セパレータの面方向に沿って設けられている。

ところで、燃料電池スタックでは、所定数の単位セル間に冷却媒体流路が形成される、所謂、間引き冷却構造を採用する場合がある。この種の間引き冷却構造を有する燃料電池は、例えば、図１４に示す特許文献１に開示されているように、セパレータ１、セル２、セパレータ３、セル２及びセパレータ４が積層されている。

セル２は、固体高分子電解質膜２ａの両面に燃料極２ｂ及び空気極２ｃが配設されている。セパレータ１と一方のセル２との間には、燃料ガス通路５ａが形成され、セパレータ３と前記一方のセル２との間には、酸化剤ガス通路６ａが形成されている。セパレータ３と他方のセル２との間には、燃料ガス通路５ｂが形成されるとともに、セパレータ４と前記他方のセル２との間には、酸化剤ガス通路６ｂが形成されている。互いに隣接するセパレータ１、４間には、冷却水通路７が形成されている。

特開２００２−２８９２２３号公報

上記の燃料電池では、燃料ガス通路５ａに隣接して冷却水通路７が設けられるとともに、酸化剤ガス通路６ｂに隣接して前記冷却水通路７が設けられている。一方、燃料ガス通路５ｂ及び酸化剤ガス通路６ａは、互いに隣接して設けられるとともに、冷却水通路７から離間している。

このため、燃料ガス通路５ａは、燃料ガス通路５ｂよりも低温になり、酸化剤ガス通路６ｂは、酸化剤ガス通路６ａよりも低温になっている。従って、燃料電池の発電時に生成される水は、温度の低い燃料ガス通路５ａ及び酸化剤ガス通路６ｂで結露し易い。これにより、燃料ガス通路５ａ及び酸化剤ガス通路６ｂでは、生成水によって燃料ガス及び酸化剤ガスの流れが阻害され、安定した発電が行われないという問題がある。

本発明はこの種の間引き冷却構造の燃料電池において、簡単且つ経済的な構成で、反応ガス流路内の生成水を良好に排出するとともに、効率的な発電を確実に行うことが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明は、各電解質の両側に電極が配設される２つの電解質・電極構造体と、前記電解質・電極構造体と交互に積層される３枚のセパレータとを有する発電ユニットを備え、前記発電ユニット内には、発電面に沿って所定の反応ガスを流す第１〜第４反応ガス流路と、前記反応ガスを積層方向に流通させる反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔とが形成されるとともに、各発電ユニット間には、冷却媒体を流す冷却媒体流路が形成される燃料電池スタックに関するものである。

燃料電池スタックは、第１〜第４反応ガス流路と各反応ガス入口連通孔とを連通する入口側連通路部と、前記第１〜第４反応ガス流路と各反応ガス出口連通孔とを連通する出口側連通路部とを備え、前記第１及び第３反応ガス流路と、前記第２及び第４反応ガス流路とは、それぞれ同一の反応ガスを流している。

そして、少なくとも冷却媒体流路に隣接する第１反応ガス流路は、出口側連通路部の流路断面積が入口側連通路部の流路断面積よりも大きく設定される一方、前記第１反応ガス流路に対し冷却媒体流路から離間する第３反応ガス流路は、前記出口側連通路部の流路断面積が前記入口側連通路部の流路断面積よりも小さく設定されている。

また、入口側連通路部及び出口側連通路部は、セパレータを貫通する孔部を有し、第１反応ガス流路は、前記出口側連通路部の前記孔部が、前記入口側連通路部の前記孔部よりも大きな開口形状に設定される一方、第３反応ガス流路は、前記出口側連通路部の前記孔部が、前記入口側連通路部の前記孔部よりも小さな開口形状に設定されることが好ましい。

さらに、入口側連通路部及び出口側連通路部は、セパレータに設けられる連結路を有し、第１反応ガス流路は、前記出口側連通路部の前記連結路が、前記入口側連通路部の前記連結路よりも少なくとも幅方向又は深さ方向に大きな寸法に設定される一方、第３反応ガス流路は、前記出口側連通路部の前記連結路が、前記入口側連通路部の前記連結路よりも少なくとも幅方向又は深さ方向に小さな寸法に設定されることが好ましい。

さらにまた、入口側連通路部及び出口側連通路部は、セパレータに設けられる連結路を有し、第１反応ガス流路は、前記出口側連通路部の前記連結路が、前記入口側連通路部の前記連結路よりも大きな断面積又は短尺に設定される一方、第３反応ガス流路は、前記出口側連通路部の前記連結路が、前記入口側連通路部の前記連結路よりも小さな断面積又は長尺に設定されることが好ましい。

本発明によれば、冷却媒体流路に隣接する低温側の第１反応ガス流路は、出口側連通路部の流路断面積が入口側連通路部の流路断面積よりも大きく設定されている。このため、出口側連通路部の圧損が小さくなり、低温側の第１反応ガス流路内で結露した生成水を良好且つ確実に排出することができる。

一方、冷却媒体流路から離間する高温側の第３反応ガス流路は、出口側連通路部の流路断面積が入口側連通路部の流路断面積よりも小さく設定されている。従って、入口側連通路部の圧損が小さくなり、第３反応ガス流路と第１反応ガス流路とは、圧損が一定に維持され、ガス分配性が向上する。

しかも、第３反応ガス流路の圧力は、第１反応ガス流路の圧力よりも高くなるとともに、前記第３反応ガス流路の温度は、前記第１反応ガス流路の温度よりも高くなる。すなわち、第３反応ガス流路では、温度が高くなって第１反応ガス流路よりも乾燥し易くなる一方、圧力が高くなって前記第１反応ガス流路よりも湿度が高くなり易い。これにより、第３反応ガス流路と第１反応ガス流路とは、湿度環境の差が抑制され、発電ユニットの発電効率が良好に向上するとともに、安定した発電を確実に行うことが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する発電ユニットの要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。 前記燃料電池スタックの断面説明図である。 前記発電ユニットを構成する第１セパレータの正面説明図である。 前記発電ユニットを構成する第２セパレータの正面説明図である。 第１燃料ガス流路と第２燃料ガス流路の内部温度の説明図である。 前記第１燃料ガス流路と前記第２燃料ガス流路の内部圧力の説明図である。 前記第１燃料ガス流路と前記第２燃料ガス流路の内部湿度の説明図である。 未発電状態での前記第１燃料ガス流路と前記第２燃料ガス流路の圧力と流量との関係説明図である。 発電状態での前記第１燃料ガス流路と前記第２燃料ガス流路の圧力と流量との関係説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する発電ユニットの要部分解斜視説明図である。 前記発電ユニットを構成する第１セパレータの正面説明図である。 前記発電ユニットを構成する第２セパレータの正面説明図である。 従来の間引き冷却構造を有する燃料電池の説明図である。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０を構成する発電ユニット１２の要部分解斜視説明図である。

燃料電池スタック１０は、図２及び図３に示すように、複数の発電ユニット１２を水平方向（矢印Ａ方向）に沿って互いに積層して構成される。発電ユニット１２は、第１セパレータ１４、第１電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）（ＭＥＡ）１６ａ、第２セパレータ１８、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ及び第３セパレータ２０を設ける。

第１セパレータ１４、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板により構成される。第１セパレータ１４、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０は、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状を有する。なお、第１セパレータ１４、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０は、例えば、カーボンセパレータにより構成してもよい。

図１及び図２に示すように、第１電解質膜・電極構造体１６ａは、第２電解質膜・電極構造体１６ｂよりも小さな表面積に設定される。第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂは、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２２と、前記固体高分子電解質膜２２を挟持するアノード側電極２４及びカソード側電極２６とを備える。アノード側電極２４は、カソード側電極２６よりも小さな表面積を有する、所謂、段差型ＭＥＡを構成している。

アノード側電極２４及びカソード側電極２６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２２の両面に形成される。

図１に示すように、発電ユニット１２の長辺方向の（矢印Ｃ方向）上端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔（反応ガス入口連通孔）３０ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔（反応ガス入口連通孔）３２ａが設けられる。

発電ユニット１２の長辺方向の（矢印Ｃ方向）下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔（反応ガス出口連通孔）３２ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔（反応ガス出口連通孔）３０ｂが設けられる。

発電ユニット１２の短辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３４ａが設けられるとともに、前記発電ユニット１２の短辺方向の他端縁部には、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３４ｂが設けられる。

第１セパレータ１４の第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１４ａには、例えば、矢印Ｃ方向に延在する複数の溝部を有する第１燃料ガス流路（第１反応ガス流路）３６が設けられる。第１燃料ガス流路３６と燃料ガス入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂとは、第１入口側連通路部３８ａ及び第１出口側連通路部３８ｂを介して連通する。

図１及び図４に示すように、第１入口側連通路部３８ａは、面１４ａとは反対の面１４ｂに設けられて燃料ガス入口連通孔３２ａに連通する複数の連結路４０ａと、第１セパレータ１４を積層方向に貫通して前記連結路４０ａ及び第１燃料ガス流路３６に連通する複数の貫通孔４２ａとを有する。第１出口側連通路部３８ｂは、同様に、面１４ｂに設けられて燃料ガス出口連通孔３２ｂに連通する複数の連結路４０ｂと、第１セパレータ１４を積層方向に貫通して前記連結路４０ｂ及び第１燃料ガス流路３６に連通する複数の貫通孔４２ｂとを有する。

第１出口側連通路部３８ｂの流路断面積は、第１入口側連通路部３８ａの流路断面積よりも大きく設定される。第１の実施形態では、第１出口側連通路部３８ｂの貫通孔４２ｂの開口径Ｄ１は、第１入口側連通路部３８ａの貫通孔４２ａの開口径Ｄ２よりも大径に設定される。第１出口側連通路部３８ｂの連結路４０ｂは、第１入口側連通路部３８ａの連結路４０ａよりも幅方向に大きな寸法に設定される。連結路４０ａ、４０ｂの幅寸法は、それぞれ貫通孔４２ａ、４２ｂの開口径Ｄ１、Ｄ２に対応して設定される。

第１セパレータ１４の面１４ｂには、冷却媒体入口連通孔３４ａと冷却媒体出口連通孔３４ｂとを連通する冷却媒体流路４４の一部が形成される。

図１に示すように、第２セパレータ１８の第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１８ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとを連通する第１酸化剤ガス流路（第２反応ガス流路）４６が形成される。第１酸化剤ガス流路４６は、矢印Ｃ方向に延在する複数の溝部を有する。

第２セパレータ１８の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面１８ｂには、例えば、矢印Ｃ方向に延在する複数の溝部を有する第２燃料ガス流路（第３反応ガス流路）４８が設けられる。第２燃料ガス流路４８と燃料ガス入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂとは、第２入口側連通路部５０ａ及び第２出口側連通路部５０ｂを介して連通する。

図１及び図５に示すように、第２入口側連通路部５０ａは、面１８ａに設けられて燃料ガス入口連通孔３２ａに連通する複数の連結路５２ａと、第２セパレータ１８を積層方向に貫通して前記連結路５２ａ及び第２燃料ガス流路４８に連通する複数の貫通孔５４ａとを有する。第２出口側連通路部５０ｂは、同様に、面１８ａに設けられて燃料ガス出口連通孔３２ｂに連通する複数の連結路５２ｂと、第２セパレータ１８を積層方向に貫通して前記連結路５２ｂ及び第２燃料ガス流路４８に連通する複数の貫通孔５４ｂとを有する。

第１燃料ガス流路３６に対し、冷却媒体流路４４から離間する高温側の第２燃料ガス流路４８は、第２出口側連通路部５０ｂの流路断面積が第２入口側連通路部５０ａの流路断面積よりも小さく設定される。

具体的には、第２出口側連通路部５０ｂの貫通孔５４ｂの開口径Ｄ４は、第２入口側連通路部５０ａの貫通孔５４ａの開口径Ｄ３よりも小径に設定される。第２出口側連通路部５０ｂの連結路５２ｂは、第２入口側連通路部５０ａの連結路５２ａよりも幅方向に小さな寸法に設定される。

図１に示すように、第３セパレータ２０の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面２０ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとを連通する第２酸化剤ガス流路（第４反応ガス流路）５６が形成される。第２酸化剤ガス流路５６は、矢印Ｃ方向に延在する複数の溝部を有する。第３セパレータ２０の面２０ｂには、冷却媒体流路４４の一部が形成される。

図１、図２及び図４に示すように、第１セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１セパレータ１４の外周端縁部を周回して第１シール部材６０が一体成形される。図１、図２及び図５に示すように、第２セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、この第２セパレータ１８の外周端縁部を周回して第２シール部材６２が一体成形されるとともに、第３セパレータ２０の面２０ａ、２０ｂには、この第３セパレータ２０の外周端縁部を周回して第３シール部材６４が一体成形される（図１及び図２参照）。

発電ユニット１２同士が互いに積層されることにより、一方の発電ユニット１２を構成する第１セパレータ１４と、他方の発電ユニット１２を構成する第３セパレータ２０との間には、矢印Ｂ方向に延在する冷却媒体流路４４が形成される（図１及び図３参照）。

このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。

先ず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔３２ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔３４ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから第２セパレータ１８の第１酸化剤ガス流路４６及び第３セパレータ２０の第２酸化剤ガス流路５６に導入される。この酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス流路４６に沿って矢印Ｃ方向（重力方向）に移動し、第１電解質膜・電極構造体１６ａのカソード側電極２６に供給されるとともに、第２酸化剤ガス流路５６に沿って矢印Ｃ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのカソード側電極２６に供給される。

一方、燃料ガスは、図２及び図４に示すように、燃料ガス入口連通孔３２ａから第１セパレータ１４の第１入口側連通路部３８ａを構成する連結路４０ａに供給され、貫通孔４２ａを通って面１４ａ側に移動する。このため、燃料ガスは、貫通孔４２ａに連通する第１燃料ガス流路３６に沿って重力方向（矢印Ｃ方向）に移動し、第１電解質膜・電極構造体１６ａのアノード側電極２４に供給される。

また、燃料ガスは、図２及び図５に示すように、燃料ガス入口連通孔３２ａから第２セパレータ１８の第２入口側連通路部５０ａを構成する連結路５２ａに供給され、貫通孔５４ａを通って面１８ｂ側に移動する。従って、燃料ガスは、貫通孔５４ａに連通する第２燃料ガス流路４８に沿って重力方向（矢印Ｃ方向）に移動し、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのアノード側電極２４に供給される。

これにより、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂでは、カソード側電極２６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２４に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。

次いで、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂの各カソード側電極２６に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

第１電解質膜・電極構造体１６ａのアノード側電極２４に供給されて消費された燃料ガスは、図４に示すように、第１出口側連通路部３８ｂを構成する貫通孔４２ｂを通って第１セパレータ１４の面１４ｂ側に導出される。面１４ｂ側に導出された燃料ガスは、連結路４０ｂを通って燃料ガス出口連通孔３２ｂに排出される。

また、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのアノード側電極２４に供給されて消費された燃料ガスは、図５に示すように、第２出口側連通路部５０ｂを構成する貫通孔５４ｂを通って第２セパレータ１８の面１８ａ側に導出される。面１８ａ側に導出された燃料ガスは、連結路５２ｂを通って燃料ガス出口連通孔３２ｂに排出される。

一方、冷却媒体入口連通孔３４ａに供給された冷却媒体は、一方の発電ユニット１２を構成する第１セパレータ１４と、他方の発電ユニット１２を構成する第３セパレータ２０との間に形成された冷却媒体流路４４に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂを冷却した後、冷却媒体出口連通孔３４ｂに排出される。

この場合、第１の実施形態では、図３に示すように、第１燃料ガス流路３６が、冷却媒体流路４４に隣接する一方、第２燃料ガス流路４８が、第１酸化剤ガス流路４６に隣接し且つ前記冷却媒体流路４４から離間している。これにより、第１燃料ガス流路３６は、第２燃料ガス流路４８よりも低温になり易く、生成水の排水性が低下する。

そこで、図４に示すように、第１出口側連通路部３８ｂの貫通孔４２ｂは、第１入口側連通路部３８ａの貫通孔４２ａよりも大きな開口形状に設定されるとともに、前記第１出口側連通路部３８ｂの連結路４０ｂは、前記第１入口側連通路部３８ａの連結路４０ａよりも幅方向の寸法が大きく設定されている。このため、第１出口側連通路部３８ｂの圧損は、第１入口側連通路部３８ａの圧損よりも小さく設定され、低温側の第１燃料ガス流路３６内で結露した生成水を良好且つ確実に排出することができる。

一方、冷却媒体流路４４から離間する第２燃料ガス流路４８は、図５に示すように、第２出口側連通路部５０ｂの流路断面積が第２入口側連通路部５０ａの流路断面積よりも小さく設定されている。具体的には、第２出口側連通路部５０ｂの貫通孔５４ｂは、第２入口側連通路部５０ａの貫通孔５４ａよりも小さな開口形状に設定されるとともに、前記第２出口側連通路部５０ｂの連結路５２ｂは、前記第２入口側連通路部５０ａの連結路５２ａよりも幅方向の寸法が小さく設定されている。

従って、第２燃料ガス流路４８では、第２入口側連通路部５０ａの圧損が小さくなり、前記第２燃料ガス流路４８と第１燃料ガス流路３６とは圧損が一定に維持され、燃料ガスの分配性が低下することを阻止することができる。

さらに、図６に示すように、冷却媒体流路４４に隣接する第１燃料ガス流路３６に比べて、前記冷却媒体流路４４から離間する第２燃料ガス流路４８の温度が高くなり、前記第２燃料ガス流路４８は、比較的乾燥し易くなる。

一方、図７に示すように、第１燃料ガス流路３６は、入口側の圧損が大きくなるとともに、第２燃料ガス流路４８は、出口側の圧損が大きくなっている。このため、第２燃料ガス流路４８は、第１燃料ガス流路３６に比べて高圧となり、湿度が高くなり易い。

これにより、図８に示すように、第１燃料ガス流路３６と第２燃料ガス流路４８とでは、温度と圧力とがバランスすることによって、それぞれの湿度環境の差が抑制される。従って、発電ユニット１２の発電効率が良好に向上するとともに、安定した発電を確実に行うことが可能になるという効果が得られる。

特に、第１の実施形態では、各発電ユニット１２の発電時における第１燃料ガス流路３６と第２燃料ガス流路４８との湿度は、同等に維持される。このため、図９に示すように、冷却媒体流路４４に隣接する第１燃料ガス流路３６の流量は、発電しない状態では、第２燃料ガス流路４８の流量よりも多くなるものの、前記発電ユニット１２が発電した状態では、図１０に示すように、低温側となる第１燃料ガス流路３６と高温側となる第２燃料ガス流路４８とに、均一な燃料ガスの分配が図られる。

なお、第１の実施形態では、第１燃料ガス流路３６において、第１出口側連通路部３８ｂの貫通孔４２ｂは、第１入口側連通路部３８ａの貫通孔４２ａよりも大きな開口形状に設定されるとともに、前記第１出口側連通路部３８ｂの連結路４０ｂは、前記第１入口側連通路部３８ａの連結路４０ａよりも幅方向の寸法が大きく設定されているが、これに限定されるものではない。例えば、貫通孔４２ｂの数を貫通孔４２ａの数よりも多数に設定することにより、第１出口側連通路部３８ｂの流路断面積が第１入口側連通路部３８ａの流路断面積よりも大きく設定することができる。また、第２燃料ガス流路４８においても、同様である。

図１１は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック７０を構成する発電ユニット７２の要部分解斜視説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

発電ユニット７２は、第１セパレータ７４、第１電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）７６ａ、第２セパレータ７８、第２電解質膜・電極構造体７６ｂ及び第３セパレータ８０を設ける。

図１１及び図１２に示すように、第１セパレータ７４の面１４ａ側には、第１燃料ガス流路３６が設けられるとともに、前記第１燃料ガス流路３６と燃料ガス入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂとは、第１入口側連通路部８２ａ及び第１出口側連通路部８２ｂを介して連通する。第１入口側連通路部８２ａは、面１４ａに設けられる複数の連結路８４ａを有し、第１出口側連通路部８２ｂは、前記面１４ａに設けられる複数の連結路８４ｂを有する。連結路８４ａ、８４ｂは、第１シール部材６０と一体成形される突起部間に形成される。

第１出口側連通路部８２ｂの連結路８４ｂの幅寸法ｈ１は、第１入口側連通路部８２ａの連結路８４ａの幅寸法ｈ２よりも幅広に設定される。すなわち、第１出口側連通路部８２ｂの流路断面積は、第１入口側連通路部８２ａの流路断面積よりも大きく設定される。

図１１及び図１３に示すように、第２セパレータ７８の面１８ｂ側には、第２燃料ガス流路４８が設けられるとともに、前記第２燃料ガス流路４８と燃料ガス入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂとは、第２入口側連通路部８６ａ及び第２出口側連通路部８６ｂを介して連通する。第２入口側連通路部８６ａは、面１８ｂに設けられる複数の連結路８８ａを有する一方、第２出口側連通路部８６ｂは、前記面１８ｂに設けられる複数の連結路８８ｂを有する。連結路８８ａ、８８ｂは、第２シール部材６２と一体成形される突起部間に形成される。

第２出口側連通路部８６ｂの連結路８８ｂの幅寸法ｈ２は、第２入口側連通路部８６ａの連結路８８ａの幅寸法ｈ１よりも幅狭に設定される。すなわち、第２出口側連通路部８６ｂの流路断面積は、第２入口側連通路部８６ａの流路断面積よりも小さく設定される。

このように構成される第２の実施形態では、冷却媒体流路４４に隣接する低温側の第１燃料ガス流路３６は、第１出口側連通路部８２ｂの流路断面積が第１入口側連通路部８２ａの流路断面積よりも大きく設定されている。このため、第１出口側連通路部８２ｂの圧損が小さくなり、低温側の第１燃料ガス流路３６内で結露した生成水を良好且つ確実に排出することができる。

一方、冷却媒体流路４４から離間する高温側の第２燃料ガス流路４８は、第２出口側連通路部８６ｂの流路断面積が第２入口側連通路部８６ａの流路断面積よりも小さく設定されている（図１３参照）。従って、第１燃料ガス流路３６と第２燃料ガス流路４８とは、圧損が一定に維持され、ガス分配性が向上する等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、第２の実施形態では、第１出口側連通路部８２ｂの連結路８４ｂの幅寸法を第１入口側連通路部８２ａの連結路８４ａの幅寸法よりも大きく設定しているが、これに限定されるものではない。例えば、第１出口側連通路部８２ｂの連結路８４ｂは、第１入口側連通路部８２ａの連結路８４ａよりも深さ方向に大きな寸法に設定されてもよく、あるいは、大きな断面積且つ短尺に設定されていてもよい。同様に、第２出口側連通路部８６ｂの連結路８８ｂは、第２入口側連通路部８６ａの連結路８８ａよりも深さ方向に小さな寸法に設定してもよく、あるいは、小さな断面積又は長尺に設定してもよい。

１０、７０…燃料電池スタック １２、７２…発電ユニット
１４、１８、２０、７４、７８、８０…セパレータ
１６ａ、１６ｂ、７６ａ、７６ｂ…電解質膜・電極構造体
２２…固体高分子電解質膜 ２４…アノード側電極
２６…カソード側電極 ３０ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ３２ａ…燃料ガス入口連通孔
３２ｂ…燃料ガス出口連通孔 ３４ａ…冷却媒体入口連通孔
３４ｂ…冷却媒体出口連通孔 ３６、４８…燃料ガス流路
３８ａ、３８ｂ、５０ａ、５０ｂ、８２ａ、８２ｂ、８６ａ、８６ｂ…連通路部
４０ａ、４０ｂ、５２ａ、５２ｂ、８４ａ、８４ｂ、８８ａ、８８ｂ…連結路
４２ａ、４２ｂ、５４ａ、５４ｂ…貫通孔
４４…冷却媒体流路 ４６、５６…酸化剤ガス流路

Claims (4)

1. 各電解質の両側に電極が配設される２つの電解質・電極構造体と、前記電解質・電極構造体と交互に積層される３枚のセパレータとを有する発電ユニットを備え、前記発電ユニット内には、発電面に沿って所定の反応ガスを流す第１〜第４反応ガス流路と、前記反応ガスを積層方向に流通させる反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔とが形成されるとともに、各発電ユニット間には、冷却媒体を流す冷却媒体流路が形成される燃料電池スタックであって、
   前記第１〜第４反応ガス流路と各反応ガス入口連通孔とを連通する入口側連通路部と、
   前記第１〜第４反応ガス流路と各反応ガス出口連通孔とを連通する出口側連通路部と、
   を備え、
   前記第１及び第３反応ガス流路と、前記第２及び第４反応ガス流路とは、それぞれ同一の反応ガスを流すとともに、
   少なくとも前記冷却媒体流路に隣接する前記第１反応ガス流路は、前記出口側連通路部の流路断面積が前記入口側連通路部の流路断面積よりも大きく設定される一方、
   前記第１反応ガス流路に対し前記冷却媒体流路から離間する前記第３反応ガス流路は、前記出口側連通路部の流路断面積が前記入口側連通路部の流路断面積よりも小さく設定されることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記入口側連通路部及び前記出口側連通路部は、前記セパレータを貫通する孔部を有し、
   前記第１反応ガス流路は、前記出口側連通路部の前記孔部が、前記入口側連通路部の前記孔部よりも大きな開口形状に設定される一方、
   前記第３反応ガス流路は、前記出口側連通路部の前記孔部が、前記入口側連通路部の前記孔部よりも小さな開口形状に設定されることを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池スタックにおいて、前記入口側連通路部及び前記出口側連通路部は、前記セパレータに設けられる連結路を有し、
   前記第１反応ガス流路は、前記出口側連通路部の前記連結路が、前記入口側連通路部の前記連結路よりも少なくとも幅方向又は深さ方向に大きな寸法に設定される一方、
   前記第３反応ガス流路は、前記出口側連通路部の前記連結路が、前記入口側連通路部の前記連結路よりも少なくとも幅方向又は深さ方向に小さな寸法に設定されることを特徴とする燃料電池スタック。
4. 請求項１又は２記載の燃料電池スタックにおいて、前記入口側連通路部及び前記出口側連通路部は、前記セパレータに設けられる連結路を有し、
   前記第１反応ガス流路は、前記出口側連通路部の前記連結路が、前記入口側連通路部の前記連結路よりも大きな断面積又は短尺に設定される一方、
   前記第３反応ガス流路は、前記出口側連通路部の前記連結路が、前記入口側連通路部の前記連結路よりも小さな断面積又は長尺に設定されることを特徴とする燃料電池スタック。

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