JP2017062981A

JP2017062981A - 燃料電池スタック

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Publication number: JP2017062981A
Application number: JP2015188387A
Authority: JP
Inventors: 健司南雲; Kenji Nagumo; 義人木村; Yoshito Kimura; 亮神馬; Akira Jinba
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2015-09-25
Filing date: 2015-09-25
Publication date: 2017-03-30
Anticipated expiration: 2035-09-25
Also published as: JP6401684B2

Abstract

【課題】簡単且つ経済的な構成で、端部発電セルの性能低下を可及的に抑制することを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１２が積層される積層体１４を備える。積層体１４の積層方向一端に配置される第１端部発電セル１２end.（ｃ）は、積層方向最外部にカソードセパレータ３４を有する。積層体１４の積層方向他端に配置される第２端部発電セル１２end.（ａ）は、積層方向最外部にアノードセパレータ３０を有する。第１端部発電セル１２end.（ｃ）を流通する酸化剤ガスの流量は、第２端部発電セル１２end.（ａ）を流通する前記酸化剤ガスの流量よりも多い。
【選択図】図２

Description

本発明は、電解質膜の両面に電極が配設される電解質膜・電極構造体を、カソードセパレータとアノードセパレータとにより挟持する発電セルを有し、複数の前記発電セルが積層される積層体を備える燃料電池スタックに関する。

一般的に、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を採用している。燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード電極が、前記固体高分子電解質膜の他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。アノード電極及びカソード電極は、それぞれ触媒層（電極触媒層）とガス拡散層（多孔質カーボン）とを有している。

電解質膜・電極構造体は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されることにより、発電セル（単位燃料電池）を構成している。この発電セルは、所定の数だけ積層されることにより、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、外部への放熱により他の発電セルに比べて温度低下が惹起され易い発電セルが存在している。例えば、積層方向端部に配置されている発電セル（以下、端部発電セルともいう）は、例えば、電力取り出し用ターミナルプレート（集電板）や、エンドプレート等からの放熱が多く、上記の温度低下が顕著になっている。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている固体高分子型燃料電池スタックが提案されている。この固体高分子型燃料電池スタックでは、積層方向の少なくとも一方の端部に位置する単セルと、その外側に配設されるターミナルプレートとの間に断熱層を介在させたことを特徴としている。これによれば、積層方向端部に位置する単セルからターミナルプレートへの伝熱は、断熱層によって阻害されるため、前記ターミナルプレートから外部への放熱量が減少して当該単セルの温度低下を抑制できる、としている。

特開２００２−１８４４４９号公報

ところで、上記のように、端部単位セルとターミナルプレートとの間に断熱層を介在させるだけでは、十分な断熱性能が得られない場合がある。しかも、構造が複雑化してしまい、経済的に製造することができないおそれがある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、端部発電セルの性能低下を可及的に抑制す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。

本発明は、複数の発電セルが積層される積層体を備える燃料電池スタックに関する。発電セルは、電解質膜の両面に電極が配設される電解質膜・電極構造体を、カソードセパレータとアノードセパレータとにより挟持している。カソードセパレータには、酸化剤ガスが電極面に沿って流通される一方、アノードセパレータには、燃料ガスが前記電極面に沿って流通されている。

燃料電池スタックでは、積層体の積層方向一端に配置される第１端部発電セルは、積層方向最外部にカソードセパレータを有する一方、前記積層体の積層方向他端に配置される第２端部発電セルは、積層方向最外部にアノードセパレータを有している。そして、第１端部発電セルを流通する酸化剤ガスの流量は、第２端部発電セルを流通する前記酸化剤ガスの流量よりも多くなっている。

また、この燃料電池スタックでは、第１端部発電セルの積層方向外方には、冷却媒体を流通させる第１冷却媒体通路が設けられ、第２端部発電セルの積層方向外方には、前記冷却媒体を流通させる第２冷却媒体通路が設けられることが好ましい。その際、第１冷却媒体通路を流通する冷却媒体流量は、第２冷却媒体通路を流通する冷却媒体流量よりも多くなることが好ましい。

本発明によれば、第１端部発電セルは、積層方向最外部にカソードセパレータを有する一方、第２端部発電セルは、積層方向最外部にアノードセパレータを有している。そして、第１端部発電セルを流通する酸化剤ガスの流量は、第２端部発電セルを流通する前記酸化剤ガスの流量よりも多くなっている。

特に、端部構造等に起因して、積層方向最外部に酸化剤ガスを流通させる第１端部発電セルでは、積層方向最外部に燃料ガスを流通させる第２端部発電セルよりも放熱が大きく、温度低下によるフラッディングが発生するおそれがある。一方、燃料電池スタックの高負荷運転時において、大電流により、積層方向最外部に酸化剤ガスを流通させる第１端部発電セルでは、積層方向最外部に燃料ガスを流通させる第２端部発電セルよりも発熱量が大きくなり易い。このため、第１端部発電セルには、過度な温度上昇が惹起されるおそれがある。

そこで、第１端部発電セルに対し、第２端部発電セルよりも多量の酸化剤ガスを流通させることにより、前記第１端部発電セルの湿度を適正化してフラッディングの発生を抑制するとともに、該第１端部発電セルの温度上昇を抑制することができる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、第１端部発電セルの性能低下を可及的に抑制することが可能になる。

本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの分解概略斜視図である。前記燃料電池スタックの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。前記燃料電池スタックを構成する発電セルの分解斜視説明図である。

図１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、複数の発電セル１２が水平方向（矢印Ａ方向）、又は垂直方向（矢印Ｃ方向）に積層された積層体１４を備える。燃料電池スタック１０は、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池電気自動車（図示せず）に搭載される。

図１及び図２に示すように、積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、第１端部発電セル１２end.（ｃ）が配設されるとともに、前記積層体１４の積層方向他端には、第２端部発電セル１２end.（ａ）が配設される。第１端部発電セル１２end.（ｃ）は、後述するように、積層方向最外部にカソードセパレータ３４を有する一方、第２端部発電セル１２end.（ａ）は、積層方向最外部にアノードセパレータ３０を有する。

第１端部発電セル１２end.（ｃ）には、積層方向外方に向かって、ターミナルプレート１６ａ、絶縁部材１８ａ、流路プレート２０ａ及びエンドプレート２２ａが、順次、配設される。第２端部発電セル１２end.（ａ）には、積層方向外方に向かって、ターミナルプレート１６ｂ、絶縁部材１８ｂ、流路プレート２０ｂ、積層調整プレート２４及びエンドプレート２２ｂが、順次、配設される。

燃料電池スタック１０は、例えば、長方形に構成されるエンドプレート２２ａ、２２ｂを端板として含む箱状ケーシング（図示せず）により一体的に保持される。なお、燃料電池スタック１０は、例えば、矢印Ａ方向に延在する複数のタイロッド（図示せず）により一体的に締め付け保持されてもよい。

発電セル１２は、図２及び図３に示すように、アノードセパレータ３０、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）（ＭＥＡ）３２及びカソードセパレータ３４を設ける。アノードセパレータ３０及びカソードセパレータ３４は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板等の縦長形状の金属板により構成される。

なお、アノードセパレータ３０及びカソードセパレータ３４は、金属セパレータに代えて、カーボンセパレータを用いてもよい。また、発電セル１２は、第１セパレータ、第１のＭＥＡ、第２セパレータ、第２のＭＥＡ及び第３セパレータを積層して構成してもよい。さらに、発電セル１２は、３枚以上のＭＥＡと５枚以上のセパレータとを有してもよい。

図３に示すように、発電セル１２の長辺方向（矢印Ｂ方向）（水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔３６ａ及び燃料ガス入口連通孔３８ａが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔３６ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する。燃料ガス入口連通孔３８ａは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給する。

発電セル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、燃料ガスを排出する燃料ガス出口連通孔３８ｂ及び酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔３６ｂが設けられる。なお、酸化剤ガス入口連通孔３６ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３６ｂと燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂとは、酸化剤ガスと燃料ガスとが対向流になるように配置してもよい。

発電セル１２の短辺方向（矢印Ｃ方向）（鉛直方向）の両端縁部一方（酸化剤ガス入口連通孔３６ａ側）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するそれぞれ一対の冷却媒体入口連通孔４０ａ１、４０ａ２が設けられる。冷却媒体入口連通孔４０ａ１、４０ａ２は、水平方向に長尺な長方形開口部の長手方向の中間部位にリブ部４１ａを設けることにより、互いに独立して分割形成される。

発電セル１２の短辺方向の他方（酸化剤ガス出口連通孔３６ｂ側）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体を排出するそれぞれ一対の冷却媒体出口連通孔４０ｂ１、４０ｂ２が設けられる。冷却媒体出口連通孔４０ｂ１、４０ｂ２は、水平方向に長尺な長方形開口部の長手方向の中間部位にリブ部４１ｂを設けることにより、互いに独立して分割形成される。

なお、リブ部４１ａを除去して冷却媒体入口連通孔４０ａ１、４０ａ２を単一の冷却媒体入口連通孔とする一方、リブ部４１ｂを除去して冷却媒体出口連通孔４０ｂ１、４０ｂ２を単一の冷却媒体出口連通孔としてもよい。また、燃料ガス入口連通孔３８ａと燃料ガス出口連通孔３８ｂとは、互いに入れ替えて構成してもよい。

アノードセパレータ３０の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３０ａには、燃料ガス入口連通孔３８ａと燃料ガス出口連通孔３８ｂとを連通する燃料ガス流路４２が形成される。燃料ガス流路４２は、複数本の波状流路溝（又は直線状流路溝）を有する。

燃料ガス入口連通孔３８ａと燃料ガス流路４２とは、複数の入口連結流路４４ａを介して連通する一方、燃料ガス出口連通孔３８ｂと前記燃料ガス流路４２とは、複数の出口連結流路４４ｂを介して連通する。入口連結流路４４ａ及び出口連結流路４４ｂは、蓋体４６ａ及び蓋体４６ｂにより覆われる。

アノードセパレータ３０の面３０ｂには、それぞれ一対の冷却媒体入口連通孔４０ａ１、４０ａ２と一対の冷却媒体出口連通孔４０ｂ１、４０ｂ２とを連通する冷却媒体流路４８の一部が形成される。

カソードセパレータ３４の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３４ａには、酸化剤ガス入口連通孔３６ａと酸化剤ガス出口連通孔３６ｂとを連通する酸化剤ガス流路５０が形成される。酸化剤ガス流路５０は、複数本の波状流路溝（又は直線状流路溝）を有する。カソードセパレータ３４の面３４ｂには、冷却媒体流路４８の一部が形成される。

アノードセパレータ３０の面３０ａ、３０ｂには、このアノードセパレータ３０の外周端縁部を周回して第１シール部材５２が一体成形される。カソードセパレータ３４の面３４ａ、３４ｂには、このカソードセパレータ３４の外周端縁部を周回して第２シール部材５４が一体成形される。

第１シール部材５２及び第２シール部材５４には、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部材が用いられる。

図２及び図３に示すように、電解質膜・電極構造体３２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６０を備える。固体高分子電解質膜６０は、アノード電極６２及びカソード電極６４により挟持される。アノード電極６２は、カソード電極６４よりも小さな平面寸法を有する段差ＭＥＡを構成しているが、これとは逆に、前記カソード電極６４よりも大きな平面寸法を有することもできる。また、アノード電極６２とカソード電極６４とは、同一の平面寸法に設定されてもよい。

アノード電極６２及びカソード電極６４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を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布し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６０の両面に形成される。

図１に示すように、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの面内中央から離間した位置（面内中央でもよい）には、積層方向外方に延在する電力取り出し端子６６ａ、６６ｂが設けられる。電力取り出し端子６６ａ、６６ｂは、好ましくは、冷却媒体流路４８の冷却媒体入口連通孔４０ａ１、４０ａ２よりも冷却媒体出口連通孔４０ｂ１、４０ｂ２に近い位置に設定される。

絶縁部材１８ａ、１８ｂは、絶縁性材料、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）やフェノール樹脂等で形成されている。図１及び図２に示すように、絶縁部材１８ａのターミナルプレート１６ａに対向する面には、中央部に矩形状の凹部６８ａが設けられるとともに、この凹部６８ａに孔部７０ａが連通する。ターミナルプレート１６ａの電力取り出し端子６６ａは、絶縁部材１８ａの孔部７０ａ、流路プレート２０ａの孔部７２ａ及びエンドプレート２２ａの孔部７４ａを介して外部に露出する。

絶縁部材１８ｂのターミナルプレート１６ｂに対向する面には、中央部に矩形状の凹部６８ｂが設けられるとともに、前記凹部６８ｂに孔部７０ｂが連通する。ターミナルプレート１６ｂの電力取り出し端子６６ｂは、絶縁部材１８ｂの凹部６８ｂの底面に配置されたスペース７７の孔部７７ｈに挿入される。電力取り出し端子６６ｂは、さらに絶縁部材１８ｂの孔部７０ｂから流路プレート２０ｂの孔部７２ｂ、積層調整プレート２４の孔部７６及びエンドプレート２２ｂの孔部７４ｂを介して外部に露呈する。

図１に示すように、絶縁部材１８ａ、１８ｂ、流路プレート２０ａ、２０ｂ及びエンドプレート２２ｂには、それぞれ一対の冷却媒体入口連通孔４０ａ１、４０ａ２及びそれぞれ一対の冷却媒体出口連通孔４０ｂ１、４０ｂ２が形成される。絶縁部材１８ａ、流路プレート２０ａ及びエンドプレート２２ａには、酸化剤ガス入口連通孔３６ａ、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂ、燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂが形成される。

流路プレート２０ａの絶縁部材１８ａに対向する面２０ａｓには、エンドプレート２２ａのプレート面方向に沿って冷却媒体を流通させる冷却媒体通路が形成される。

冷却媒体通路は、下方に配置される冷却媒体入口連通孔４０ａ１と上方に配置される冷却媒体出口連通孔４０ｂ１とに連通するとともに、蛇行する複数本（例えば、７本）の第１冷却媒体通路７８ａを有する。冷却媒体通路は、下方に配置される冷却媒体入口連通孔４０ａ２と上方に配置される冷却媒体出口連通孔４０ｂ２とに連通するとともに、蛇行する複数本（例えば、４本）の第１冷却媒体通路８０ａを有する。

流路プレート２０ｂの絶縁部材１８ｂに対向する面２０ｂｓには、エンドプレート２２ｂのプレート面方向に沿って冷却媒体を流通させる冷却媒体通路が形成される。

冷却媒体通路は、下方に配置される冷却媒体入口連通孔４０ａ１と上方に配置される冷却媒体出口連通孔４０ｂ１とに連通するとともに、蛇行する複数本（例えば、７本）の第２冷却媒体通路７８ｂを有する。冷却媒体通路は、下方に配置される冷却媒体入口連通孔４０ａ２と上方に配置される冷却媒体出口連通孔４０ｂ２とに連通するとともに、蛇行する複数本（例えば、４本）の第２冷却媒体通路８０ｂを有する。

図２に示すように、第１冷却媒体通路７８ａ、８０ａを流通する冷却媒体流量Ｑ１は、第２冷却媒体通路７８ｂ、８０ｂを流通する冷却媒体流量Ｑ２よりも多く設定される（Ｑ１＞Ｑ２）。例えば、第１冷却媒体通路７８ａ、８０ａの通路断面積は、第２冷却媒体通路７８ｂ、８０ｂの通路断面積よりも大きく設定される。また、第１冷却媒体通路７８ａ、８０ａの圧損を第２冷却媒体通路７８ｂ、８０ｂの圧損よりも小さく設定すればよく、種々の構成、例えば、流路長やバッファ部等を採用することができる。

図１及び図２に示すように、絶縁部材１８ａの凹部６８ａには、導電性断熱部材８２ａ及びターミナルプレート１６ａが収容される。導電性断熱部材８２ａは、例えば、２枚の第１断熱部材８４ａ間に１枚の第２断熱部材８６ａが挟持される。第１断熱部材８４ａは、例えば、カーボンプレートで構成される一方、第２断熱部材８６ａは、例えば、金属プレートの断面を凹凸状に形成して間に空気室が形成される。

絶縁部材１８ｂの凹部６８ｂには、導電性断熱部材８２ｂ、ターミナルプレート１６ｂ及びスペース７７が収容される。導電性断熱部材８２ｂは、例えば、１枚の第１断熱部材８４ｂと１枚の第２断熱部材８６ｂとを備える。

なお、導電性断熱部材８２ａ、８２ｂは、空孔を保持し且つ電気導電性を有する部材であればよく、電気導電性を有する発泡金属、ハニカム形状金属（ハニカム部材）、又は多孔質カーボン（例えば、カーボンペーパ）のいずれかにより構成してもよい。

図２に示すように、積層体１４は、ターミナルプレート１６ａ側の端部に第１端部発電セル１２end.（ｃ）が配置され、ターミナルプレート１６ｂ側の端部に第２端部発電セル１２end.（ａ）が配置される。第１端部発電セル１２end.（ｃ）と第２端部発電セル１２end.（ａ）との間には、複数の発電セル１２が積層された積層体が介装される。

第１端部発電セル１２end.（ｃ）の酸化剤ガス流路５０を流通する酸化剤ガスの流量Ｑｃは、第２端部発電セル１２end.（ａ）の酸化剤ガス流路５０を流通する前記酸化剤ガスの流量Ｑａよりも多く設定される（Ｑｃ＞Ｑａ）。発電セル１２の酸化剤ガス流路５０を流通する酸化剤ガスの流量Ｑｍは、流量Ｑｃよりも少なく且つ流量Ｑａよりも多い（Ｑｃ＞Ｑｍ＞Ｑａ）。

例えば、第１端部発電セル１２end.（ｃ）を構成する酸化剤ガス流路５０の流路断面積は、第２端部発電セル１２end.（ａ）を構成する酸化剤ガス流路５０の流路断面積よりも大きく設定される。

また、第１端部発電セル１２end.（ｃ）を構成する酸化剤ガス流路５０の圧損を、第２端部発電セル１２end.（ａ）を構成する酸化剤ガス流路５０の圧損よりも小さく設定すればよい。例えば、酸化剤ガス流路５０と酸化剤ガス入口連通孔３６ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３６ｂとを連結する連通路の圧損を調整してもよい。その他、バッファ部の圧損の調整等、種々の圧損調整を採用することができる。

エンドプレート２２ａには、ケーシング８８が取り付けられる。ケーシング８８内には、例えば、燃料ガスを循環供給するためのイジェクタ９０及びポンプ９２等が収容される。エンドプレート２２ｂには、冷却媒体を循環供給するための冷却媒体マニホールド９４が取り付けられる。

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、酸素含有ガス等の酸化剤ガスは、エンドプレート２２ａの酸化剤ガス入口連通孔３６ａに供給される。水素含有ガス等の燃料ガスは、エンドプレート２２ａの燃料ガス入口連通孔３８ａに供給される。一方、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体は、エンドプレート２２ｂのそれぞれ一対の冷却媒体入口連通孔４０ａ１、４０ａ２に供給される。

酸化剤ガスは、図３に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３６ａからカソードセパレータ３４の酸化剤ガス流路５０に導入される。酸化剤ガスは、矢印Ｂ方向に移動して電解質膜・電極構造体３２のカソード電極６４に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３８ａからアノードセパレータ３０の燃料ガス流路４２に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路４２に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体３２のアノード電極６２に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体３２では、カソード電極６４に供給される酸化剤ガスと、アノード電極６２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、カソード電極６４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３６ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード電極６２に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、図３に示すように、各冷却媒体入口連通孔４０ａ１、４０ａ２に供給された冷却媒体は、互いに隣接するアノードセパレータ３０とカソードセパレータ３４との間の冷却媒体流路４８に導入される。冷却媒体は、互いに近接するように、矢印Ｃ方向に流通する。冷却媒体は、さらに矢印Ｂ方向（セパレータ長辺方向）に流通して電解質膜・電極構造体３２を冷却する。次いで、冷却媒体は、互いに離間するように、矢印Ｃ方向に流通して各冷却媒体出口連通孔４０ｂ１、４０ｂ２から排出される。

ところで、図１に示すように、流路プレート２０ａには、第１冷却媒体通路７８ａ、８０ａが設けられる一方、流路プレート２０ｂには、第２冷却媒体通路７８ｂ、８０ｂが設けられている。

このため、流路プレート２０ａでは、冷却媒体は、下方の冷却媒体入口連通孔４０ａ１、４０ａ２から第１冷却媒体通路７８ａ、８０ａに導入される。冷却媒体は、第１冷却媒体通路７８ａ、８０ａに沿って蛇行しながら上方に流通した後、下方の冷却媒体出口連通孔４０ｂ１、４０ｂ２に排出される。

流路プレート２０ｂでは、冷却媒体は、下方の冷却媒体入口連通孔４０ａ１、４０ａ２から第２冷却媒体通路７８ｂ、８０ｂに導入される。冷却媒体は、第２冷却媒体通路７８ｂ、８０ｂに沿って蛇行しながら上方に流通した後、上方の冷却媒体出口連通孔４０ｂ１、４０ｂ２に排出される。このように、冷却媒体が下方から上方に流通することにより、前記冷却媒体中の空気を円滑に排出することができる。

上記のように、燃料電池スタック１０の運転が行われている。その際、高負荷運転時には、大電流により、積層方向最外部に酸化剤ガスを流通させる第１端部発電セル１２end.（ｃ）では、積層方向最外部に燃料ガスを流通させる第２端部発電セル１２end.（ａ）よりも発熱量が大きくなり易い。従って、第１端部発電セル１２end.（ｃ）には、過度な温度上昇が惹起されるおそれがある。発電時、カソード電極６４側の発熱は、アノード電極６２側の発熱よりも大きいからである。

さらに、特に、端部構造等に起因して、第１端部発電セル１２end.（ｃ）では、第２端部発電セル１２end.（ａ）よりも放熱が大きくなり易い。これにより、第１端部発電セル１２end.（ｃ）には、温度低下及び生成水によりフラッディングが発生するおそれがある。

具体的には、第１端部発電セル１２end.（ｃ）が配置されるエンドプレート２２ａには、イジェクタ９０及びポンプ９２等が収容されているケーシング８８が取り付けられており、前記ケーシング８８からの放熱が大きくなっている。一方、第２端部発電セル１２end.（ａ）が配置されるエンドプレート２２ｂには、積層調整プレート２４及び冷却媒体マニホールド９４が取り付けられており、放熱が小さくなっている。

そこで、本実施形態では、第１端部発電セル１２end.（ｃ）の酸化剤ガス流路５０を流通する酸化剤ガスの流量Ｑｃは、第２端部発電セル１２end.（ａ）の酸化剤ガス流路５０を流通する前記酸化剤ガスの流量Ｑａよりも多く設定されている（Ｑｃ＞Ｑａ）。このため、第１端部発電セル１２end.（ｃ）の湿度を適正化してフラッディングの発生を防止するとともに、温度上昇を抑制することができる。従って、簡単且つ経済的な構成で、第１端部発電セル１２end.（ｃ）の性能低下を可及的に抑制することが可能になるという効果が得られる。

さらに、本実施形態では、第１冷却媒体通路７８ａ、８０ａを流通する冷却媒体流量Ｑ１は、第２冷却媒体通路７８ｂ、８０ｂを流通する冷却媒体流量Ｑ２よりも多く設定されている（Ｑ１＞Ｑ２）。これにより、温調媒体である冷却媒体の流量増加が図られ、流路プレート２０ａによる保温機能が向上して第１端部発電セル１２end.（ｃ）からの放熱を良好に抑制することができる。このため、フラッディングを防止することが可能になり、第１端部発電セル１２end.（ｃ）による発電を安定して行うことができる。

なお、第１端部発電セル１２end.（ｃ）及び第２端部発電セル１２end.（ａ）は、１個に限定されるものではなく、それぞれ複数個ずつ積層して構成してもよい。

１０…燃料電池スタック１２…発電セル
１２end.（ｃ）、１２end.（ａ）…端部発電セル
１４…積層体１６ａ、１６ｂ…ターミナルプレート
１８ａ、１８ｂ…絶縁部材２０ａ、２０ｂ…流路プレート
２２ａ、２２ｂ…エンドプレート３０…アノードセパレータ
３２…電解質膜・電極構造体３４…カソードセパレータ
３６ａ…酸化剤ガス入口連通孔３６ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
３８ａ…燃料ガス入口連通孔３８ｂ…燃料ガス出口連通孔
４０ａ１、４０ａ２…冷却媒体入口連通孔
４０ｂ１、４０ｂ２…冷却媒体出口連通孔
４２…燃料ガス流路４８…冷却媒体流路
５０…酸化剤ガス流路５２、５４…シール部材
６０…固体高分子電解質膜６２…アノード電極
６４…カソード電極
７８ａ、７８ｂ、８０ａ、８０ｂ…冷却媒体通路
８２ａ、８２ｂ…断熱部材８８…ケーシング
９４…冷却媒体マニホールド

Claims

電解質膜の両面に電極が配設される電解質膜・電極構造体を、カソードセパレータとアノードセパレータとにより挟持するとともに、前記カソードセパレータには、酸化剤ガスが電極面に沿って流通される一方、前記アノードセパレータには、燃料ガスが前記電極面に沿って流通される発電セルを有し、複数の前記発電セルが積層される積層体を備える燃料電池スタックであって、
前記積層体の積層方向一端に配置される第１端部発電セルは、積層方向最外部に前記カソードセパレータを有する一方、
前記積層体の積層方向他端に配置される第２端部発電セルは、積層方向最外部に前記アノードセパレータを有するとともに、
前記第１端部発電セルを流通する前記酸化剤ガスの流量は、前記第２端部発電セルを流通する前記酸化剤ガスの流量よりも多いことを特徴とする燃料電池スタック。
請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記第１端部発電セルの積層方向外方には、冷却媒体を流通させる第１冷却媒体通路が設けられ、
前記第２端部発電セルの積層方向外方には、前記冷却媒体を流通させる第２冷却媒体通路が設けられるとともに、
前記第１冷却媒体通路を流通する冷却媒体流量は、前記第２冷却媒体通路を流通する冷却媒体流量よりも多いことを特徴とする燃料電池スタック。