JP2015115304A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、各電解質膜の含水量の差を可及的に小さくすることができ、スタック全体の性能を良好に向上させることを可能にする。
【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では、第１酸化剤ガス流路２６の端部には、酸化剤ガス入口連通孔２２ａに連結される第１入口バッファ部８２ａが設けられる。第２酸化剤ガス流路４８の端部には、酸化剤ガス入口連通孔２２ａに連結される第２入口バッファ部９４ａが設けられる。第２入口バッファ部９４ａの圧損は、第１入口バッファ部８２ａの圧損よりも小さく設定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、第１セパレータ、第１電解質膜・電極構造体、第２セパレータ、第２電解質膜・電極構造体及び第３セパレータの順に積層される複数の発電ユニットを設け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固体高分子電解質膜の一方の側にアノード電極が、前記固体高分子電解質膜の他方の側にカソード電極が配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータ間に挟持されることにより、発電セル（単位セル）が構成されている。燃料電池では、通常、数十〜数百の発電セルが積層されて、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

燃料電池スタックでは、複数の発電セル（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。具体的には、燃料電池スタックは、第１セパレータ、第１電解質膜・電極構造体、第２セパレータ、第２電解質膜・電極構造体及び第３セパレータの順に積層される発電ユニットを備えている。そして、複数の発電ユニットが積層されるとともに、隣接する前記発電ユニット間に冷却媒体流路が形成されている。

上記の間引き冷却型燃料電池スタックでは、発電ユニット内には、第１電解質膜・電極構造体の各電極に沿って酸化剤ガスと燃料ガスとを流通させる第１酸化剤ガス流路と第１燃料ガス流路とが形成されている。さらに、発電ユニット内には、第２電解質膜・電極構造体の各電極に沿って酸化剤ガスと燃料ガスとを流通させる第２酸化剤ガス流路と第２燃料ガス流路とが形成されている。

その際、例えば、第１燃料ガス流路と第２燃料ガス流路とは、冷却媒体流路からの距離がそれぞれ異なっている。このため、第１燃料ガス流路と第２燃料ガス流路とは、温度や湿度等の環境が異なり、各固体高分子電解質膜の含水量の差が大きくなるおそれがある。従って、冷却媒体流路に近接する流路、例えば、第１燃料ガス流路が結露により閉塞されるとともに、固体高分子電解質膜の劣化が惹起されるという問題がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池が知られている。この燃料電池では、第１のセパレータを貫通して反応ガス連通孔と第１の反応ガス流路とを連通する第１孔部が設けられている。一方、第２のセパレータを貫通して反応ガス連通孔と第２の反応ガス流路とを連通する第２孔部が設けられている。そして、第１孔部と第２孔部とは、互いに異なる使用本数に設定されている。

このため、圧力損失の差を吸収して第１反応ガス流路の流量と第２反応ガス流路の流量との均一化を図ることができ、スタック全体の性能を良好に向上させることが可能になる、としている。

特開２００９−１３４９９６号公報

本発明は、この種の間引き冷却構造に関連してなされたものであり、簡単な構成で、各電解質膜の含水量の差を可及的に小さくすることができ、スタック全体の性能を良好に向上させる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。

本発明に係る燃料電池スタックは、複数の発電ユニットを設け、前記発電ユニットは、電解質膜の両側に電極が配設される第１電解質膜・電極構造体及び第２電解質膜・電極構造体を有している。各発電ユニットは、第１セパレータ、第１電解質膜・電極構造体、第２セパレータ、第２電解質膜・電極構造体及び第３セパレータの順に積層されている。

第１セパレータと第１電解質膜・電極構造体との間には、発電面に沿って酸化剤ガスを流す第１酸化剤ガス流路が形成されている。第１電解質膜・電極構造体と第２セパレータとの間には、発電面に沿って燃料ガスを流す第１燃料ガス流路が形成されている。第２セパレータと第２電解質膜・電極構造体との間には、発電面に沿って酸化剤ガスを流す第２酸化剤ガス流路が形成されている。第２電解質膜・電極構造体と第３セパレータとの間には、発電面に沿って燃料ガスを流す第２燃料ガス流路が形成されている。そして、各発電ユニット間には、互いに隣接する第１セパレータと第３セパレータとの間に、冷却媒体を流す冷却媒体流路が形成されている。

この燃料電池スタックでは、発電ユニットの積層方向に酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス連通孔を有し、第１酸化剤ガス流路の端部には、前記酸化剤ガス連通孔に連結される第１バッファ部が設けられている。一方、第２酸化剤ガス流路の端部には、酸化剤ガス連通孔に連結される第２バッファ部が設けられるとともに、前記第２バッファ部の圧損は、第１バッファ部の圧損よりも小さく設定されている。

また、この燃料電池スタックでは、第１バッファ部は、複数本の第１ガイド流路を有する一方、第２バッファ部は、複数本の第２ガイド流路を有することが好ましい。その際、第２ガイド流路の流路断面積は、第１ガイド流路の流路断面積よりも大きく設定されることが好ましい。

さらに、この燃料電池スタックでは、第１ガイド流路と第２ガイド流路とは、それぞれの流路長さ及び流路深さが同一に設定されるとともに、前記第２ガイド流路の流路幅は、前記第１ガイド流路の流路幅よりも大きく設定されることが好ましい。

本発明によれば、第２バッファ部の圧損は、第１バッファ部の圧損よりも小さく設定されるため、第２酸化剤ガス流路に流通する酸化剤ガス流量が増加されている。第２酸化剤ガス流路は、第２燃料ガス流路に対向しており、酸化剤ガス流量が増量されることで、前記第２酸化剤ガス流路から前記第２燃料ガス流路に電解質膜を介して透過する水量を低減させることができる。

ここで、第１燃料ガス流路よりも冷却媒体流路に近接する第２燃料ガス流路の燃料ガス温度は、前記第１燃料ガス流路の燃料ガス温度よりも低下し易い。従って、第２燃料ガス流路の水量が低減されることにより、第２電解質膜・電極構造体の電解質膜の含水量を、第１電解質膜・電極構造体の電解質膜の含水量と同等に調整することが可能になる。

これにより、簡単な構成で、各電解質膜の含水量の差を可及的に小さくすることができ、第１電解質膜・電極構造体と第２電解質膜・電極構造体との発電性能差が小さくなり、スタック全体の性能及び耐久性を良好に向上させることが可能になる。

本発明の実施形態に係る燃料電池を構成する発電ユニットの要部分解斜視説明図である。 前記発電ユニットの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。 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。 前記発電ユニットを構成する第１電解質膜・電極構造体の一方の面の説明図である。 前記第１電解質膜・電極構造体の他方の面の説明図である。 前記発電ユニットを構成する第２電解質膜・電極構造体の一方の面の説明図である。 前記第２電解質膜・電極構造体の他方の面の説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０は、発電ユニット１２を備える。複数の発電ユニット１２は、水平方向（矢印Ａ方向）又は鉛直方向（矢印Ｃ方向）に沿って互いに積層されることにより、例えば、燃料電池電気自動車に搭載される燃料電池スタックを構成する。

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（ＭＥＡ）１６ａ、第２セパレータ１８、第２電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１６ｂ及び第３セパレータ２０を有する。

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横長形状の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、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。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、金属セパレータに代えて、カーボンセパレータ等を使用してもよい。

図１に示すように、発電ユニット１２の長辺方向（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、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂが設けられる。具体的には、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の長辺方向の一端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔２２ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する一方、燃料ガス出口連通孔２４ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。

発電ユニット１２の長辺方向（矢印Ｂ方向）の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔２４ａ、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２２ｂが設けられる。

発電ユニット１２の短辺方向（矢印Ｃ方向）の両端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ側に近接し、矢印Ａ方向に互いに連通して冷却媒体を供給する一対の冷却媒体入口連通孔２５ａが設けられる。発電ユニット１２の短辺方向（矢印Ｃ方向）の両端縁部には、燃料ガス入口連通孔２４ａ側に近接し、冷却媒体を排出する一対の冷却媒体出口連通孔２５ｂが設けられる。

図３に示すように、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、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとに連通する第１酸化剤ガス流路２６が形成される。

第１酸化剤ガス流路２６は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の波状流路溝（直線状流路溝でもよい）２６ａを有する。第１酸化剤ガス流路２６の酸化剤ガス入口流路端部と酸化剤ガス出口流路端部とには、直線状流路溝２６ａｓと直線状流路溝２６ｂｓとが形成される。

直線状流路溝２６ａｓの外方と直線状流路溝２６ｂｓの外方とには、入口平坦部３２ａと出口平坦部３２ｂとが設けられる。入口平坦部３２ａと酸化剤ガス入口連通孔２２ａとの間には、複数本の入口連結溝３４ａが形成される。出口平坦部３２ｂと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとの間には、複数本の出口連結溝３４ｂが形成される。

図１に示すように、第１セパレータ１４の面１４ｂには、一対の冷却媒体入口連通孔２５ａと一対の冷却媒体出口連通孔２５ｂとを連通する冷却媒体流路３６の一部が形成される。冷却媒体流路３６は、第１酸化剤ガス流路２６を形成する第１セパレータ１４の裏面形状と、後述する第２燃料ガス流路５８を形成する第３セパレータ２０の裏面形状とが重なり合って形成される。

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、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとを連通する第１燃料ガス流路３８が形成される。第１燃料ガス流路３８は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝（直線状流路溝でもよい）３８ａを有する。

第１燃料ガス流路３８の燃料ガス入口流路端部と燃料ガス出口流路端部とには、直線状流路溝３８ａｓと直線状流路溝３８ｂｓとが形成される。直線状流路溝３８ａｓの外方と直線状流路溝３８ｂｓの外方とには、入口平坦部４４ａと出口平坦部４４ｂとが設けられる。入口平坦部４４ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａの近傍に位置して複数の供給孔部４６ａが形成される。出口平坦部４４ｂには、燃料ガス出口連通孔２４ｂの近傍に位置して複数の排出孔部４６ｂが形成される。

図４に示すように、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、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとを連通する第２酸化剤ガス流路４８が形成される。第２酸化剤ガス流路４８は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝（直線状流路溝でもよい）４８ａを有する。

第２酸化剤ガス流路４８の酸化剤ガス入口流路端部と酸化剤ガス出口流路端部とには、直線状流路溝４８ａｓと直線状流路溝４８ｂｓとが形成される。直線状流路溝４８ａｓの外方と直線状流路溝４８ｂｓの外方とには、入口平坦部５４ａと出口平坦部５４ｂとが設けられる。入口平坦部５４ａと酸化剤ガス入口連通孔２２ａとの間には、複数本の入口連結溝５６ａが形成される。出口平坦部５４ｂと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとの間には、複数本の出口連結溝５６ｂが形成される。

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、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂに連通する第２燃料ガス流路５８が形成される。第２燃料ガス流路５８は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝（直線状流路溝でもよい）５８ａを有する。第２燃料ガス流路５８の燃料ガス入口流路端部と燃料ガス出口流路端部とには、直線状流路溝５８ａｓと直線状流路溝５８ｂｓとが設けられる。

直線状流路溝５８ａｓの外方と直線状流路溝５８ｂｓの外方とには、入口平坦部６４ａと出口平坦部６４ｂとが設けられる。入口平坦部６４ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａの近傍に位置して複数の供給孔部６６ａが形成される。出口平坦部６４ｂには、燃料ガス出口連通孔２４ｂの近傍に位置して複数の排出孔部６６ｂが形成される。

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６８が一体成形される。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７０が一体成形される。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７１が一体成形される。

第１シール部材６８、第２シール部材７０及び第３シール部材７１は、セパレータ面に沿って均一な厚さで延在する平面シール部と、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体を気密及び液密にシールする凸状シール部とを一体に有する。

第１シール部材６８、第２シール部材７０及び第３シール部材７１としては、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール材が用いられる。

図２に示すように、第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体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（陽イオン交換膜）７２を備える。固体高分子電解質膜７２は、カソード電極７４及びアノード電極７６により挟持される。カソード電極７４は、アノード電極７６及び固体高分子電解質膜７２の平面寸法よりも小さな平面寸法を有する、所謂、段差型ＭＥＡを構成している。

なお、カソード電極７４、アノード電極７６及び固体高分子電解質膜７２は、同一の平面寸法に設定してもよい。また、アノード電極７６は、カソード電極７４及び固体高分子電解質膜７２の平面寸法よりも小さな平面寸法を有してもよい。

カソード電極７４及びアノード電極７６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７２の両面に形成される。

第１電解質膜・電極構造体１６ａは、カソード電極７４の終端部外方に位置して固体高分子電解質膜７２の外周縁部に第１樹脂枠部材（樹脂製枠部材）７８が、例えば、射出成形等により一体成形される。なお、予め製造された樹脂製枠部材を接合してもよい。

第２電解質膜・電極構造体１６ｂは、カソード電極７４の終端部外方に位置して固体高分子電解質膜７２の外周縁部に第２樹脂枠部材（樹脂製枠部材）８０が、例えば、射出成形等により一体成形される。なお、予め製造された樹脂製枠部材を接合してもよい。

第１樹脂枠部材７８及び第２樹脂枠部材８０を構成する樹脂材としては、例えば、汎用プラスチックの他、エンジニアリングプラスチックやスーパーエンジニアリングプラスチック等が採用される。

図１及び図５に示すように、第１樹脂枠部材７８のカソード電極７４側の面には、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと第１酸化剤ガス流路２６の入口側との間に位置して第１入口バッファ部（第１バッファ部）８２ａが設けられる。第１樹脂枠部材７８には、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと第１酸化剤ガス流路２６の出口側との間に位置して、第１出口バッファ部（第１バッファ部）８２ｂが設けられる。

第１入口バッファ部８２ａは、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ側に位置する複数個の突出するエンボス部８４ａと、第１酸化剤ガス流路２６の入口側に位置する複数本の直線状の第１入口ガイド流路（第１ガイド流路）８６ａとを有する。第１入口ガイド流路８６ａは、複数本の直線状の突起部８６ａｔ間に形成され、各突起部８６ａｔは、所定のピッチＰ１に設定される。

第１出口バッファ部８２ｂは、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂ側に位置する複数個の突出するエンボス部８４ｂと、第１酸化剤ガス流路２６の出口側に位置する複数本の直線状の第１出口ガイド流路（第１ガイド流路）８６ｂとを有する。第１出口ガイド流路８６ｂは、複数本の直線状の突起部８６ｂｔ間に形成され、各突起部８６ｂｔは、所定のピッチＰ２に設定される。

図６に示すように、第１樹脂枠部材７８のアノード電極７６側の面には、燃料ガス入口連通孔２４ａと第１燃料ガス流路３８との間に位置して第１入口バッファ部８８ａが設けられる。第１樹脂枠部材７８には、燃料ガス出口連通孔２４ｂと第１燃料ガス流路３８との間に位置して、第１出口バッファ部８８ｂが設けられる。

第１入口バッファ部８８ａは、燃料ガス入口連通孔２４ａ側に位置する複数個の突出するエンボス部９０ａと、第１燃料ガス流路３８の入口側に位置する複数本の直線状の第１入口ガイド流路９２ａとを有する。第１入口ガイド流路９２ａは、複数本の直線状の突起部９２ａｔ間に形成される。

第１出口バッファ部８８ｂは、燃料ガス出口連通孔２４ｂ側に位置する複数個の突出するエンボス部９０ｂと、第１燃料ガス流路３８の出口側に位置する複数本の直線状の第１出口ガイド流路９２ｂとを有する。第１出口ガイド流路９２ｂは、複数本の直線状の突起部９２ｂｔ間に形成される。

図１及び図７に示すように、第２樹脂枠部材８０のカソード電極７４側の面には、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと第２酸化剤ガス流路４８との間に位置して第２入口バッファ部（第２バッファ部）９４ａが設けられる。第２入口バッファ部９４ａの圧損は、第１入口バッファ部８２ａの圧損よりも小さく設定される。

第２樹脂枠部材８０には、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと第２酸化剤ガス流路４８との間に位置して、第２出口バッファ部（第２バッファ部）９４ｂが形成される。第２出口バッファ部９４ｂの圧損は、第１出口バッファ部８２ｂの圧損よりも小さく設定される。

第２入口バッファ部９４ａは、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ側に位置する複数個の突出するエンボス部９６ａと、第２酸化剤ガス流路４８の入口側に位置する複数本の直線状の第２入口ガイド流路（第２ガイド流路）９８ａとを有する。第２入口ガイド流路９８ａは、複数本の直線状の突起部９８ａｔ間に形成され、各突起部９８ａｔは、所定のピッチＰ３に設定される。

第１入口ガイド流路８６ａと第２入口ガイド流路９８ａとは、それぞれの流路長さ及び流路深さが同一に設定される。突起部９８ａｔの幅寸法ｈ１は同一で、前記突起部９８ａｔ同士のピッチ（間隔）Ｐ３は、突起部８６ａｔ同士のピッチ（間隔）Ｐ１よりも大きく設定される（Ｐ１＜Ｐ３）。

第２入口ガイド流路９８ａの流路幅は、第１入口ガイド流路８６ａの流路幅よりも大きく設定される。すなわち、第２入口ガイド流路９８ａの流路断面積は、第１入口ガイド流路８６ａの流路断面積よりも大きく設定される。

第２出口バッファ部９４ｂは、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂ側に位置する複数個の突出するエンボス部９６ｂと、第２酸化剤ガス流路４８の出口側に位置する複数本の直線状の第２出口ガイド流路（第２ガイド流路）９８ｂとを有する。第２出口ガイド流路９８ｂは、複数本の直線状の突起部９８ｂｔ間に形成され、各突起部９８ｂｔは、所定のピッチＰ４に設定される。

第１出口ガイド流路８６ｂと第２出口ガイド流路９８ｂとは、それぞれの流路長さ及び流路深さが同一に設定される。突起部９８ｂｔの幅寸法ｈ２は同一で、前記突起部９８ｂｔ同士のピッチ（間隔）Ｐ４は、突起部８６ｂｔ同士のピッチ（間隔）Ｐ２よりも大きく設定される（Ｐ２＜Ｐ４）。第２出口ガイド流路９８ｂの流路幅は、第１出口ガイド流路８６ｂの流路幅よりも大きく設定される。

図８に示すように、第２樹脂枠部材８０のアノード電極７６側の面には、燃料ガス入口連通孔２４ａと第２燃料ガス流路５８との間に位置して第２入口バッファ部１００ａが設けられる。燃料ガス出口連通孔２４ｂと第２燃料ガス流路５８との間に位置して、第２出口バッファ部１００ｂが設けられる。

第２入口バッファ部１００ａは、燃料ガス入口連通孔２４ａ側に位置する複数個の突出するエンボス部１０２ａと、第２燃料ガス流路５８の入口側に位置する複数本の直線状の第２入口ガイド流路１０４ａとを有する。第２入口ガイド流路１０４ａは、複数本の直線状の突起部１０４ａｔ間に形成される。

第２出口バッファ部１００ｂは、燃料ガス出口連通孔２４ｂ側に位置する複数個の突出するエンボス部１０２ｂと、第２燃料ガス流路５８の出口側に位置する複数本の直線状の第２出口ガイド流路１０４ｂとを有する。第２出口ガイド流路１０４ｂは、複数本の直線状の突起部１０４ｂｔ間に形成される。

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、冷却媒体流路３６が形成される。

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２２ａ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２４ａ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２５ａ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２２ａから第１入口バッファ部８２ａを通って第１セパレータ１４の第１酸化剤ガス流路２６に供給される。残余の酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２２ａから第２入口バッファ部９４ａを通って第２セパレータ１８の第２酸化剤ガス流路４８に導入される。

酸化剤ガスは、図１及び図３に示すように、第１酸化剤ガス流路２６に沿って矢印Ｂ方向（水平方向）に移動し、第１電解質膜・電極構造体１６ａのカソード電極７４に供給される。残余の酸化剤ガスは、図１及び図４に示すように、第２酸化剤ガス流路４８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのカソード電極７４に供給される。

一方、燃料ガスは、図１及び図６に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａから第２セパレータ１８の供給孔部４６ａを通って第１入口バッファ部８８ａに供給される。燃料ガスは、第１入口バッファ部８８ａを通って第２セパレータ１８の第１燃料ガス流路３８に供給される。

残余の燃料ガスは、図１及び図８に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａから第３セパレータ２０の供給孔部６６ａを通って第２入口バッファ部１００ａに供給される。燃料ガスは、第２入口バッファ部１００ａを通って第３セパレータ２０の第２燃料ガス流路５８に供給される。

燃料ガスは、図１に示すように、第１燃料ガス流路３８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、第１電解質膜・電極構造体１６ａのアノード電極７６に供給される。残余の燃料ガスは、第２燃料ガス流路５８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのアノード電極７６に供給される。

従って、第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂでは、各カソード電極７４に供給される酸化剤ガスと、各アノード電極７６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電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂの各カソード電極７４に供給されて消費された酸化剤ガスは、第１出口バッファ部８２ｂ及び第２出口バッファ部９４ｂから酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに排出される。

第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂのアノード電極７６に供給されて消費された燃料ガスは、図６及び図８に示すように、第１出口バッファ部８８ｂ及び第２出口バッファ部１００ｂに導入される。燃料ガスは、排出孔部４６ｂ、６６ｂを通って燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される（図１参照）。

一方、一対の冷却媒体入口連通孔２５ａに供給された冷却媒体は、図１に示すように、冷却媒体流路３６に導入される。冷却媒体は、一旦、矢印Ｃ方向内方に沿って流動した後、矢印Ｂ方向に移動して第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂを冷却する。この冷却媒体は、矢印Ｃ方向外方に移動した後、一対の冷却媒体出口連通孔２５ｂに排出される。

この場合、本実施形態では、第２酸化剤ガス流路４８の入口に連結される第２入口バッファ部９４ａの圧損は、第１酸化剤ガス流路２６の入口に連結される第１入口バッファ部８２ａの圧損よりも小さく設定されている。

具体的には、図５及び図７に示すように、第２入口バッファ部９４ａを構成する第２入口ガイド流路９８ａの突起部９８ａｔ同士のピッチＰ３は、第１入口バッファ部８２ａを構成する第１入口ガイド流路８６ａの突起部８６ａｔ同士のピッチＰ１よりも大きく設定されている（Ｐ１＜Ｐ３）。このため、第２酸化剤ガス流路４８に流通する酸化剤ガス流量は、第１酸化剤ガス流路２６に流通する酸化剤ガス流量よりも増加されている。

ここで、第２酸化剤ガス流路４８は、第２燃料ガス流路５８に対向している。従って、第２酸化剤ガス流路４８の酸化剤ガス流量が増加されることにより、前記第２酸化剤ガス流路４８から第２燃料ガス流路５８に透過する水量を低減させることができる。

第２燃料ガス流路５８は、第１燃料ガス流路３８よりも冷却媒体流路３６に近接している。このため、第２燃料ガス流路５８の燃料ガス温度は、第１燃料ガス流路３８の燃料ガス温度よりも低下し易い。従って、第２電解質膜・電極構造体１６ｂの固体高分子電解質膜７２は、第１電解質膜・電極構造体１６ａの前記固体高分子電解質膜７２よりも含水量が多くなっている。

これにより、第２燃料ガス流路５８の水量が低減されることによって、第２電解質膜・電極構造体１６ｂの固体高分子電解質膜７２の含水量を、第１電解質膜・電極構造体１６ａの前記固体高分子電解質膜７２の含水量と同等に調整することが可能になる。

一方、第２酸化剤ガス流路４８の出口に連結される第２出口バッファ部９４ｂの圧損は、第１酸化剤ガス流路２６の出口に連結される第１出口バッファ部８２ｂの圧損よりも小さく設定されている。

具体的には、第２出口バッファ部９４ｂを構成する第２出口ガイド流路９８ｂの突起部９８ｂｔ同士のピッチＰ４は、第１出口バッファ部８２ｂを構成する第１出口ガイド流路８６ｂの突起部８６ｂｔ同士のピッチＰ２よりも大きく設定されている（Ｐ２＜Ｐ４）。このため、第２酸化剤ガス流路４８に流通する酸化剤ガス流量は、第１酸化剤ガス流路２６に流通する酸化剤ガス流量よりも増加されている。従って、第２燃料ガス流路５８の水量を低減させることができる。

これにより、簡単な構成で、各固体高分子電解質膜７２の含水量の差を可及的に小さくすることができ、第１電解質膜・電極構造体１６ａと第２電解質膜・電極構造体１６ｂとの発電性能差が小さくなり、燃料電池スタック１０全体の性能及び耐久性を良好に向上させることが可能になるという効果が得られる。

なお、エンボス部８４ａ、８４ｂ、９６ａ、９６ｂは、必ずしも設けなくてもよい。また、バッファ部の圧損は、ガイド流路の溝深さや流路長さを調整することにより、設定してもよい。

１０…燃料電池スタック １２…発電ユニット
１４、１８、２０…セパレータ １６ａ、１６ｂ…電解質膜・電極構造体
２２ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ２２ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２４ａ…燃料ガス入口連通孔 ２４ｂ…燃料ガス出口連通孔
２５ａ…冷却媒体入口連通孔 ２５ｂ…冷却媒体出口連通孔
２６、４８…酸化剤ガス流路
２６ａ、３８ａ、４８ａ、５８ａ…波状流路溝
３６…冷却媒体流路 ３８、５８…燃料ガス流路
６８、７０、７１…シール部材 ７２…固体高分子電解質膜
７４…カソード電極 ７６…アノード電極
７８、８０…樹脂枠部材
８２ａ、８８ａ、９４ａ、１００ａ…入口バッファ部
８２ｂ、８８ｂ、９４ｂ、１００ｂ…出口バッファ部
８４ａ、８４ｂ、９０ａ、９０ｂ、９６ａ、９６ｂ、１０２ａ、１０２ｂ…エンボス部
８６ａ、９２ａ、９８ａ、１０４ａ…入口ガイド流路
８６ｂ、９２ｂ、９８ｂ、１０４ｂ…出口ガイド流路
８６ａｔ、８６ｂｔ、９２ａｔ、９２ｂｔ、９８ａｔ、９８ｂｔ、１０４ａｔ、１０４ｂｔ…突起部

Claims (3)

1. 電解質膜の両側に電極が配設される第１電解質膜・電極構造体及び第２電解質膜・電極構造体を有し、第１セパレータ、前記第１電解質膜・電極構造体、第２セパレータ、前記第２電解質膜・電極構造体及び第３セパレータの順に積層される複数の発電ユニットを設け、前記第１セパレータと前記第１電解質膜・電極構造体との間には、発電面に沿って酸化剤ガスを流す第１酸化剤ガス流路が形成され、前記第１電解質膜・電極構造体と前記第２セパレータとの間には、前記発電面に沿って燃料ガスを流す第１燃料ガス流路が形成され、前記第２セパレータと前記第２電解質膜・電極構造体との間には、前記発電面に沿って前記酸化剤ガスを流す第２酸化剤ガス流路が形成され、前記第２電解質膜・電極構造体と前記第３セパレータとの間には、前記発電面に沿って前記燃料ガスを流す第２燃料ガス流路が形成されるとともに、各発電ユニット間には、互いに隣接する前記第１セパレータと前記第３セパレータとの間に、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、
   前記発電ユニットの積層方向に前記酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス連通孔を有し、前記第１酸化剤ガス流路の端部には、前記酸化剤ガス連通孔に連結される第１バッファ部が設けられる一方、前記第２酸化剤ガス流路の端部には、前記酸化剤ガス連通孔に連結される第２バッファ部が設けられるとともに、
   前記第２バッファ部の圧損は、前記第１バッファ部の圧損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、前記第１バッファ部は、複数本の第１ガイド流路を有する一方、前記第２バッファ部は、複数本の第２ガイド流路を有するとともに、
   前記第２ガイド流路の流路断面積は、前記第１ガイド流路の流路断面積よりも大きく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２記載の燃料電池スタックにおいて、前記第１ガイド流路と前記第２ガイド流路とは、それぞれの流路長さ及び流路深さが同一に設定されるとともに、
   前記第２ガイド流路の流路幅は、前記第１ガイド流路の流路幅よりも大きく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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