JP2018120747A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】電解質膜−電極接合体を挟む２枚のセパレータの少なくとも一方が、冷却媒体流路が形成されていないセパレータである構成の燃料電池スタックの発電性能低下を抑制する。【解決手段】間に第一電解質膜−電極接合体１２と第二電解質膜−電極接合体１４が介在する２つの冷却セパレータ（第一冷却セパレータ１１及び第二冷却セパレータ１５）のうちの第二冷却セパレータ１５は、酸化剤ガスを第二カソード２７に供給するための第一酸化剤ガス流路３２を有し、中間セパレータ１３ａは、酸化剤ガスを第一カソード２１に供給するための第二酸化剤ガス流路３０を有し、中間セパレータ１３ａの第二酸化剤ガス流路３０の流路断面積を、第二冷却セパレータ１５の第一酸化剤ガス流路３２の流路断面積よりも大きくしたので、第一酸化剤ガス流路３２と第二酸化剤ガス流路３０へ均一に酸化剤ガスを供給することができ、発電性能低下を抑制できる。【選択図】図２

Description

本発明は、電解質膜−電極接合体を挟む２枚のセパレータの少なくとも一方が、冷却媒体流路が形成されていない中間セパレータであり、冷却媒体を供給するための冷却媒体流路が形成された２枚の冷却セパレータの間に複数の電解質膜−電極接合体が介在する燃料電池スタックに関するものである。

固体高分子形燃料電池は、電解質膜の両主面に、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒反応層を配置し、さらにその外側にガス通気性と導電性を兼ね備えた一対のガス拡散層を配置してアノードおよびカソードを構成した電解質膜−電極接合体を有する。

そして、上記構成を有する燃料電池のアノードに水素を含む燃料ガスを供給し、カソードに酸素を含む酸化剤ガスを供給することで、電気エネルギーを継続的に取り出すことができる。

また、燃料ガスと酸化剤ガスとが混ざらないようにするため、セパレータが各電解質膜−電極接合体の間に配置される。電解質膜−電極接合体を一対のセパレータで挟持したものをセルと呼ぶ。また、セルが２つ以上で構成された単位構造をセルモジュールと呼ぶ。セルまたはセルモジュールを電気的に直列になるように複数積層することで、必要な電力を確保することが可能となる。

燃料電池スタックは、複数積層されたセルまたはセルモジュールの外両端に外部回路と接続して電力を取り出すための端子を具備した一対の集電板が配置され、さらに集電板の外両端には一対の端板が配置されて構成される。

また、燃料電池は発電反応により発熱するため、冷却媒体を供給して冷却する必要がある。燃料電池スタックは一般的に、セパレータのアノードまたはカソードと接する面の反対の面に冷却媒体を供給するための冷却媒体流路が形成されて冷却される。

さらに、燃料ガス流路または酸化剤ガス流路と冷却媒体流路が形成された冷却セパレータと、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路が形成され冷却媒体流路が形成されていない中間セパレータとで構成された燃料電池スタックが提案されている。この燃料電池スタックによれば、冷却セパレータの枚数を減らすことができるため、燃料電池スタックの省スペース化と低コスト化が可能となる。

また、冷却セパレータと中間セパレータを有して構成される燃料電池スタックとして、冷却セパレータの燃料ガス流路の流路断面積よりも中間セパレータの燃料ガス流路の流路断面積の方を大きくする構成が提案されている（例えば、特許文献１参照)。

図５は、特許文献１に記載された従来の燃料電池スタックのセルモジュールの主要断面を示すものである。

図５に示すように、セルモジュール２０１は、第一冷却セパレータ２０２、第一電解質膜−電極接合体２０３、中間セパレータ２０４、第二電解質膜−電極接合体２０５、第二冷却セパレータ２０６の順に積層されて構成される。

第一電解質膜−電極接合体２０３は、第一電解質膜２０７と、第一電解質膜２０７の両面に形成される第一アノード触媒層２０８及び第一カソード触媒層２０９と、第一アノード触媒層２０８と第一カソード触媒層２０９の外両端に設けられた第一ガス拡散層２１０と、で構成されている。

また、第一電解質膜−電極接合体２０３は、第一アノード触媒層２０８及び第一アノード触媒層２０８の外側に設けられた第一ガス拡散層２１０とで形成された第一アノード２１１が、第一冷却セパレータ２０２に接するように設けられ、さらに、第一カソード触媒層２０９及び第一カソード触媒層２０９の外側に設けられた第一ガス拡散層２１０とで形成された第一カソード２１２が、中間セパレータ２０４に接するように設けられる。

第二電解質膜−電極接合体２０５は、第二電解質膜２１３と、第二電解質膜２１３の両面に形成される第二アノード触媒層２１４及び第二カソード触媒層２１５と、第二アノード触媒層２１４と第二カソード触媒層２１５の外両端に設けられた第二ガス拡散層２１６と、で構成されている。

また、第二電解質膜−電極接合体２０５は、第二アノード触媒層２１４及び第二アノード触媒層２１４の外側に設けられた第二ガス拡散層２１６とで形成された第二アノード２１７が、中間セパレータ２０４に接するように設けられ、さらに、第二カソード触媒層２１５及び第二カソード触媒層２１５の外側に設けられた第二ガス拡散層２１６とで形成された第二カソード２１８が、第二冷却セパレータ２０６に接するように設けられている。

第一冷却セパレータ２０２は、第一アノード２１１に接する面に第一燃料ガス流路２１９が形成され、第一アノード２１１と接する面と反対の面に第一冷却媒体流路２２０が形成されている。

また、中間セパレータ２０４は、第一カソード２１２に接する面に第二酸化剤ガス流路２２１が形成され、第二アノード２１７に接する面に第二燃料ガス流路２２２が形成されている。また、第一燃料ガス流路２１９の流路断面積よりも第二燃料ガス流路２２２の流路断面積の方が大きくなっている。

また、第二冷却セパレータ２０６は、第二カソード２１８に接する面に第一酸化剤ガス流路２２３が形成され、第二カソード２１８に接する面と反対の面に第二冷却媒体流路２２４が形成されている。

なお、図示しないが、従来の燃料電池スタックは、セルモジュール２０１が複数積層されて構成されており、第一冷却セパレータ２０２と第二冷却セパレータ２０６が表裏の関係となることで、第一冷却媒体流路２２０と第二冷却媒体流路２２４とで冷却媒体流路が形成されている。

特開２０１０−２１２２１６号公報

第一冷却セパレータ２０２と第二冷却セパレータ２０６は冷却媒体流路を流れる冷却媒体により冷却されるが、中間セパレータ２０４は、冷却媒体との間に第一冷却セパレータ２０２と第一電解質膜−電極接合体２０３と第二冷却セパレータ２０６と第二電解質膜−電極接合体２０５を介して冷却されるため、第一冷却セパレータ２０２及び第二冷却セパ
レータ２０６の温度よりも中間セパレータ２０４の温度の方が高くなる。

第一冷却セパレータ２０２及び第二冷却セパレータ２０６の温度よりも中間セパレータ２０４の温度の方が高くなると、第一冷却セパレータ２０２に形成された第一燃料ガス流路２１９を流れる水素の温度よりも中間セパレータ２０４に形成された第二燃料ガス流路２２２を流れる水素の温度の方が高くなる。

また、第二冷却セパレータ２０６に形成された第一酸化剤ガス流路２２３を流れる空気の温度よりも中間セパレータ２０４に形成された第二酸化剤ガス流路２２１を流れる空気の温度の方が高くなる。

ここで、気体温度と気体粘度の関係について述べる。図６は、気体温度と気体粘度の相関を示す特性図である。

図６に示すように、水素と空気の粘度は温度上昇により増加する特性を持ち、さらに、水素の温度に対する粘度変化量よりも空気の温度に対する粘度変化量の方が大きくなる。

また、圧損は粘度に比例するため、第一燃料ガス流路２１９の圧損を基準としたときの第二燃料ガス流路２２２の圧損の増加率よりも、第一酸化剤ガス流路２２３の圧損を基準としたときの第二酸化剤ガス流路２２１の圧損の増加率の方が大きくなる。

圧損が高くなると流体は流れにくくなるため、第一燃料ガス流路２１９に供給される水素量を基準としたときの第二燃料ガス流路２２２に供給される水素量の低下率よりも、第一酸化剤ガス流路２２３に供給される空気量を基準としたときの第二酸化剤ガス流路２２１に供給される空気量の低下率の方が大きくなる。

このことから特許文献１の構成では、第一酸化剤ガス流路２２３の流路断面積と第二酸化剤ガス流路２２１の流路断面積が同じため、第一酸化剤ガス流路２２３に供給される空気量よりも第二酸化剤ガス流路２２１に供給される空気量の方が少なくなり、発電性能が低下するという課題を有する。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、電解質膜−電極接合体を挟む２枚のセパレータの少なくとも一方が、冷却媒体流路が形成されていない中間セパレータであっても発電性能低下を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。

前記従来の課題を解決するために本発明の燃料電池スタックは、アノードとカソードとで電解質膜を挟んだ電解質膜−電極接合体と、冷却媒体が流れる冷却媒体流路が形成された冷却セパレータと、冷却媒体流路が形成されていない中間セパレータと、を備え、電解質膜−電極接合体を挟む２枚のセパレータの少なくとも一方が中間セパレータであり、２枚の冷却セパレータの間に複数の電解質膜−電極接合体が介在する燃料電池スタックであって、間に複数の電解質膜−電極接合体が介在する２枚の冷却セパレータのうちの一方の冷却セパレータは、酸化剤ガスをカソードに供給するための第一酸化剤ガス流路を有し、中間セパレータは、酸化剤ガスをカソードに供給するための第二酸化剤ガス流路を有し、第二酸化剤ガス流路の流路断面積が、第一酸化剤ガス流路の流路断面積よりも大きいものである。

こうすることによって、第一酸化剤ガス流路を流れる酸化剤ガスの温度よりも第二酸化剤ガス流路を流れる酸化剤ガスの温度の方が高くなっても、第二酸化剤ガス流路の圧損の増加を防止して第一酸化剤ガス流路の圧損と等しくできるため、第一酸化剤ガス流路と第
二酸化剤ガス流路へ均一に酸化剤ガスを供給することが可能となる。

本発明の燃料電池スタックは、電解質膜−電極接合体を挟む２枚のセパレータの少なくとも一方が中間セパレータであり、２枚の冷却セパレータの間に複数の電解質膜−電極接合体が介在する燃料電池スタックであっても、発電性能低下を抑制して良好な発電性能を維持することが可能となる。

本発明の実施の形態１における燃料電池スタックの斜視図 本発明の実施の形態１における燃料電池スタックを、図１のＩ−Ｉ線で切断したときのセルモジュール断面図 本発明の実施の形態２における燃料電池スタックの斜視図 本発明の実施の形態２における燃料電池スタックを、図３のＩＩ−ＩＩ線で切断したときのセルモジュール断面図 従来の燃料電池スタックのセルモジュールの主要断面図 気体温度と気体粘度の相関を示す特性図

第１の発明は、アノードとカソードとで電解質膜を挟んだ電解質膜−電極接合体と、冷却媒体が流れる冷却媒体流路が形成された冷却セパレータと、冷却媒体流路が形成されていない中間セパレータと、を備え、電解質膜−電極接合体を挟む２枚のセパレータの少なくとも一方が中間セパレータであり、２枚の冷却セパレータの間に複数の電解質膜−電極接合体が介在する燃料電池スタックであって、間に複数の電解質膜−電極接合体が介在する２枚の冷却セパレータのうちの一方の冷却セパレータが、酸化剤ガスをカソードに供給するための第一酸化剤ガス流路を有し、中間セパレータが、酸化剤ガスをカソードに供給するための第二酸化剤ガス流路を有し、第二酸化剤ガス流路の流路断面積が、第一酸化剤ガス流路の流路断面積よりも大きい燃料電池スタックである。

上記構成により、第一酸化剤ガス流路を流れる酸化剤ガスの温度よりも第二酸化剤ガス流路を流れる酸化剤ガスの温度の方が高くなっても、第一酸化剤ガス流路の流路断面積よりも第二酸化剤ガス流路の流路断面積の方が大きいため、第二酸化剤ガス流路の圧損の増加を防止して第一酸化剤ガス流路の圧損と等しくできる。

こうすることによって、第一酸化剤ガス流路と第二酸化剤ガス流路へ均一に酸化剤ガスを供給することが可能となり、電解質膜−電極接合体を挟む２枚のセパレータの少なくとも一方が中間セパレータであり、２枚の冷却セパレータの間に複数の電解質膜−電極接合体が介在する燃料電池スタックであっても、発電性能低下を抑制して良好な発電性能を維持することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、間に複数の電解質膜−電極接合体が介在する２枚の冷却セパレータのうちの他方の冷却セパレータが、燃料ガスをアノードに供給するための第一燃料ガス流路を有し、中間セパレータが、燃料ガスをアノードに供給するための第二燃料ガス流路を有し、第二燃料ガス流路の流路断面積が、第一燃料ガス流路の流路断面積よりも大きいものである。

上記構成により、第一酸化剤ガス流路を流れる酸化剤ガスの温度よりも第二酸化剤ガス流路を流れる酸化剤ガスの温度の方が高くなっても、第一酸化剤ガス流路の流路断面積よりも第二酸化剤ガス流路の流路断面積の方が大きいため、第二酸化剤ガス流路の圧損の増加を防止して第一酸化剤ガス流路の圧損と等しくできる。

さらに、第一燃料ガス流路を流れる燃料ガスの温度よりも第二燃料ガス流路を流れる燃料ガスの温度の方が高くなっても、第一燃料ガス流路の流路断面積よりも第二燃料ガス流路の流路断面積の方が大きいため、第二燃料ガス流路の圧損の増加を防止して第一燃料ガス流路の圧損と等しくできる。

こうすることによって、第一酸化剤ガス流路と第二酸化剤ガス流路へ均一に酸化剤ガスを供給することが可能となると共に、第一燃料ガス流路と第二燃料ガス流路へ均一に燃料ガスを供給することが可能となり、電解質膜−電極接合体を挟む２枚のセパレータの少なくとも一方が中間セパレータであり、２枚の冷却セパレータの間に複数の電解質膜−電極接合体が介在する燃料電池スタックであっても、発電性能低下を確実に抑制して良好な発電性能を維持することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池スタックの斜視図を示すものである。また、図２は、本発明の実施の形態１における燃料電池スタックを、図１のＩ−Ｉ線で切断したときのセルモジュール断面図である。

図１に示すように、実施の形態１における燃料電池スタック１０１Ａは、複数積層されたセルモジュール１ａの外両端に、外部電流ケーブルと接続するための取り出し端子３を備えた集電板２ａ、集電板２ｂと、集電板２ａ、集電板２ｂの外両脇に設けられた絶縁性を備える端板４ａ、端板４ｂと、端板４ａに接続された燃料ガス供給配管５と、冷却媒体供給配管６と、酸化剤ガス供給配管７と、燃料ガス排出配管８と、冷却媒体排出配管９及び酸化剤ガス排出配管１０とで、構成される。

図２に示すように、実施の形態１におけるセルモジュール１ａは、第一冷却セパレータ１１、第一電解質膜−電極接合体１２、中間セパレータ１３ａ、第二電解質膜−電極接合体１４、第二冷却セパレータ１５の順に積層されて構成される。

第一電解質膜−電極接合体１２は、第一電解質膜１６と、第一電解質膜１６の両面に形成される第一アノード触媒層１７及び第一カソード触媒層１８と、第一アノード触媒層１７と第一カソード触媒層１８の外両端に設けられた第一ガス拡散層１９と、で構成されている。

また、第一電解質膜−電極接合体１２は、第一アノード触媒層１７及び第一アノード触媒層１７の外側に設けられた第一ガス拡散層１９とで形成された第一アノード２０が、第一冷却セパレータ１１に接するように設けられ、さらに、第一カソード触媒層１８及び第一カソード触媒層１８の外側に設けられた第一ガス拡散層１９とで形成された第一カソード２１が、中間セパレータ１３ａに接するように設けられる。

第二電解質膜−電極接合体１４は、第二電解質膜２２と、第二電解質膜２２に形成される第二アノード触媒層２３及び第二カソード触媒層２４と、第二アノード触媒層２３と第二カソード触媒層２４の外両端に設けられた第二ガス拡散層２５と、で構成される。

また、第二電解質膜−電極接合体１４は、第二アノード触媒層２３及び第二アノード触媒層２３の外側に設けられた第二ガス拡散層２５とで形成された第二アノード２６が、中間セパレータ１３ａに接するように設けられ、さらに、第二カソード触媒層２４及び第二
カソード触媒層２４の外側に設けられた第二ガス拡散層２５とで形成された第二カソード２７が、第二冷却セパレータ１５に接するように設けられている。

第一冷却セパレータ１１は、第一アノード２０に接する面に第一燃料ガス流路２８が形成され、第一アノード２０と接する面と反対の面に第一冷却媒体流路２９が形成される。第二冷却セパレータ１５は、第二カソード２７に接する面に第一酸化剤ガス流路３２が形成され、第二カソード２７と接する面と反対の面に第二冷却媒体流路３４が形成される。

中間セパレータ１３ａは、第一カソード２１に接する面に第二酸化剤ガス流路３０が形成され、第二アノード２６に接する面に第二燃料ガス流路３１ａが形成される。

また、第二酸化剤ガス流路３０の流路断面積は第一酸化剤ガス流路３２の流路断面積よりも大きく構成されており、第二酸化剤ガス流路３０の流路断面積は第一酸化剤ガス流路３２の流路断面積の１．２倍とする。

また、ガスシール性を有するガスケット３３が、第一冷却セパレータ１１と中間セパレータ１３ａと第一電解質膜−電極接合体１２間に配置され、さらに、第二冷却セパレータ１５と中間セパレータ１３ａと第二電解質膜−電極接合体１４間に配置されている。

また、図示しないが、燃料電池スタック１０１Ａはセルモジュール１ａが複数積層されて構成されているため、第一冷却セパレータ１１と第二冷却セパレータ１５が表裏の関係となり、第一冷却媒体流路２９と第二冷却媒体流路３４とで冷却媒体流路が形成されている。

集電板２ａ及び集電板２ｂは、適度な機械的強度と導電性を有する部材である。本実施の形態では、銅に金メッキを施したものを用いる。端板４ａ及び端板４ｂは、電気的絶縁性と適度な機械的強度を有する部材である。本実施の形態では、熱可塑性樹脂であるポリフェニレンサルファイド樹脂を用いる。

第一冷却セパレータ１１及び第二冷却セパレータ１５及び中間セパレータ１３ａは、適度な機械的強度と導電性を有する部材である。本実施の形態では、黒鉛粉末と熱硬化性樹脂の混練物を加熱成型して形成された部材を用いる。

第一電解質膜１６及び第二電解質膜２２は、水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜である。本実施の形態では、パーフルオロカーボンスルホン酸からなるフッ素系高分子電解質膜（米国ＤｕＰｏｎｔ社製のＮａｆｉｏｎ（登録商標））を用いる。

第一ガス拡散層１９及び第二ガス拡散層２５は、導電性及び撥水性を有する多孔質の部材である。本実施の形態では、カーボンペーパーを用いて作製された多孔質構造を有する導電性基材に、フッ素樹脂を代表とする撥水性高分子樹脂である、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）を分散させて構成された部材を用いる。

第一アノード２０及び第二アノード２６は、水素の酸化反応に対する触媒を含む層である。また、第一カソード２１及び第二カソード２７は、酸素の還元反応に対する触媒を含む層である。本実施の形態では、白金系金属触媒を坦持したカーボン粉末とプロトン導電性を有する高分子材料を主成分とした多孔質部材を用いる。

ガスケット３３は、適度な機械的強度と柔軟性を有する合成樹脂である。本実施の形態では、フッ素ゴムを用いる。

以上のように構成された燃料電池スタック１０１Ａについて、以下その動作、作用を説明する。

まず、第二冷却セパレータ１５の温度よりも中間セパレータ１３ａの温度の方が高いため、第一酸化剤ガス流路３２を流れる酸化剤ガスの温度よりも第二酸化剤ガス流路３０を流れる酸化剤ガスの温度の方が高くなる。

ここで、セルモジュール１ａは、第一酸化剤ガス流路３２の流路断面積よりも第二酸化剤ガス流路３０の流路断面積の方が大きいため、第二酸化剤ガス流路３０の圧損の増加を防止して第一酸化剤ガス流路３２の圧損と等しくできる。

こうすることによって、第一酸化剤ガス流路３２と第二酸化剤ガス流路３０へ均一に酸化剤ガスを供給することが可能となり、電解質膜−電極接合体（第一電解質膜−電極接合体１２と第二電解質膜−電極接合体１４）を挟む２枚のセパレータの少なくとも一方が中間セパレータ１３ａであり、２枚の冷却セパレータ（第一冷却セパレータ１１及び第二冷却セパレータ１５）の間に複数の電解質膜−電極接合体（第一電解質膜−電極接合体１２と第二電解質膜−電極接合体１４）が介在する燃料電池スタック１０１Ａであっても、発電性能低下を抑制して良好な発電性能を維持することができる。

なお、本実施の形態では、第一冷却セパレータ１１に形成された第一冷却媒体流路２９と、第二冷却セパレータ１５に形成された第二冷却媒体流路３４とで冷却媒体流路を形成したが、第一冷却セパレータ１１と第二冷却セパレータ１５が一体成型されたセパレータとし、さらに、一体成型されたセパレータの内部に冷却媒体流路が形成されても良い。

また、第一冷却セパレータ１１及び第二冷却セパレータ１５及び中間セパレータ１３ａには黒鉛粉末と熱硬化性樹脂の混練物を加熱成型して形成された部材を用いたが、これ以外にも、カーボン粉末と熱過疎性樹脂の混練物を加熱成型して形成された部材や、チタンやステンレス鋼製の板の表面に金メッキを施し金属材料を使用することができる。

第一電解質膜１６及び第二電解質膜２２には、水素イオン伝導性を有する、パーフルオロカーボンスルホン酸からなるフッ素系高分子電解質膜を用いたが、これ以外にも、旭化成（株）製のＡｃｉｐｌｅｘ（登録商標）、旭硝子（株）製のＦｌｅｍｉｏｎ（登録商標）など）や各種炭化水素系電解質膜を使用することができる。

第一ガス拡散層１９及び第二ガス拡散層２５には、カーボンペーパーを用いて作製された多孔質構造を有する導電性基材に、フッ素樹脂を代表とする撥水性高分子樹脂である、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）を分散させて構成された部材を用いたが、これ以外にも、導電性基材としては、カーボン微粉末、カーボンクロスなどを使用することができる。

また、第一アノード２０及び第二アノード２６と第一カソード２１及び第二カソード２７には、白金系金属触媒を坦持したカーボン粉末とプロトン導電性を有する高分子材料を主成分とした多孔質部材を用いたが、これ以外にも、第一アノード２０及び第二アノード２６は、導電性を有し、且つ水素の酸化反応に対する触媒能を有するものであれば使用することができ、第一カソード２１及び第二カソード２７は導電性を有し、且つ酸素の還元反応に対する触媒能を有するものであれば使用することができる。

ガスケット３３にフッ素ゴムを用いたが、これ以外にも、シリコーンゴム、天然ゴム、ＥＰＤＭ、ブチルゴム、塩化ブチルゴム、ポリスチレン系、ポリオレフィン系、ポリエステル系及びポリアミド系等の熱可塑性エラストマーを使用することができる。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２における燃料電池スタックの斜視図を示すものである。また、図４は、本発明の実施の形態２における燃料電池スタックを、図３のＩＩ−ＩＩ線で切断したときのセルモジュール断面図である。図３及び図４に示す実施の形態２における燃料電池スタックにおいて、図１及び図２に示す実施の形態１における燃料電池スタックと同一構成要素については同一符号を用いて、その重複する説明は省略する。

図３に示すように、実施の形態２における燃料電池スタック１０１Ｂは、セルモジュール１ｂが複数積層されて構成される。

図４に示すように、実施の形態２におけるセルモジュール１ｂは、第一冷却セパレータ１１、第一電解質膜−電極接合体１２、中間セパレータ１３ｂ、第二電解質膜−電極接合体１４、第二冷却セパレータ１５の順に積層されて構成される。

第一電解質膜−電極接合体１２は、第一アノード触媒層１７及び第一アノード触媒層１７の外側に設けられた第一ガス拡散層１９とで形成された第一アノード２０が、第一冷却セパレータ１１に接するように設けられ、さらに、第一カソード触媒層１８及び第一カソード触媒層１８の外側に設けられた第一ガス拡散層１９とで形成された第一カソード２１が、中間セパレータ１３ｂに接するように設けられる。

また、第二電解質膜−電極接合体１４は、第二アノード触媒層２３及び第二アノード触媒層２３の外側に設けられた第二ガス拡散層２５とで形成された第二アノード２６が、中間セパレータ１３ｂに接するように設けられている。

中間セパレータ１３ｂは、第二アノード２６に接する面に第二燃料ガス流路３１ｂが形成される。また、第二燃料ガス流路３１ｂの流路断面積は、第一燃料ガス流路２８の流路断面積よりも大きく構成されており、第二燃料ガス流路３１ｂの流路断面積は第一燃料ガス流路２８の流路断面積の１．１倍とする。

以上のように構成された燃料電池スタック１０１Ｂについて、以下その動作、作用を説明する。

まず、第二冷却セパレータ１５の温度よりも中間セパレータ１３ｂの温度の方が高いため、第一酸化剤ガス流路３２を流れる酸化剤ガスの温度よりも第二酸化剤ガス流路３０を流れる酸化剤ガスの温度の方が高くなる。

ここで、セルモジュール１ｂは、第一酸化剤ガス流路３２の流路断面積よりも第二酸化剤ガス流路３０の流路断面積の方が大きいため、第二酸化剤ガス流路３０の圧損の増加を防止して第一酸化剤ガス流路３２の圧損と等しくできる。

さらに、第一冷却セパレータ１１の温度よりも中間セパレータ１３ｂの温度の方が高いため、第一燃料ガス流路２８を流れる燃料ガスの温度よりも第二燃料ガス流路３１ｂを流れる燃料ガスの温度の方が高くなる。

ここで、セルモジュール１ｂは、第一燃料ガス流路２８の流路断面積よりも第二燃料ガス流路３１ｂの流路断面積の方が大きいため、第二燃料ガス流路３１ｂの圧損の増加を防止して第一燃料ガス流路２８の圧損と等しくできる。

こうすることによって、第一酸化剤ガス流路３２と第二酸化剤ガス流路３０へ均一に酸
化剤ガスを供給することが可能となると共に、第一燃料ガス流路２８と第二燃料ガス流路３１ｂへ均一に燃料ガスを供給することが可能となり、電解質膜−電極接合体（第一電解質膜−電極接合体１２と第二電解質膜−電極接合体１４）を挟む２枚のセパレータの少なくとも一方が中間セパレータ１３ｂであり、２枚の冷却セパレータ（第一冷却セパレータ１１及び第二冷却セパレータ１５）の間に複数の電解質膜−電極接合体（第一電解質膜−電極接合体１２と第二電解質膜−電極接合体１４）が介在する燃料電池スタック１０１Ｂであっても、発電性能低下を確実に抑制して良好な発電性能を維持することができる。

以上のように、本発明にかかる燃料電池用スタックは、電解質膜−電極接合体を挟む２枚のセパレータの少なくとも一方が中間セパレータであり、２枚の冷却セパレータの間に複数の電解質膜−電極接合体が介在する構成であっても、発電性能低下を抑制して良好な発電性能を維持することが可能となるため、ポータブル電源、携帯機器用電源、電気自動車用電源、家庭用コージェネレーションシステム等の用途にも適用できる。

１ａ、１ｂ セルモジュール
２ａ、２ｂ 集電板
３ 取り出し端子
４ａ、４ｂ 端板
５ 燃料ガス供給配管
６ 冷却媒体供給配管
７ 酸化剤ガス供給配管
８ 燃料ガス排出配管
９ 冷却媒体排出配管
１０ 酸化剤ガス排出配管
１１ 第一冷却セパレータ
１２ 第一電解質膜−電極接合体
１３ａ、１３ｂ 中間セパレータ
１４ 第二電解質膜−電極接合体
１５ 第二冷却セパレータ
１６ 第一電解質膜
１７ 第一アノード触媒層
１８ 第一カソード触媒層
１９ 第一ガス拡散層
２０ 第一アノード
２１ 第一カソード
２２ 第二電解質膜
２３ 第二アノード触媒層
２４ 第二カソード触媒層
２５ 第二ガス拡散層
２６ 第二アノード
２７ 第二カソード
２８ 第一燃料ガス流路
２９ 第一冷却媒体流路
３０ 第二酸化剤ガス流路
３１ａ、３１ｂ 第二燃料ガス流路
３２ 第一酸化剤ガス流路
３３ ガスケット
３４ 第二冷却媒体流路
１０１Ａ、１０１Ｂ 燃料電池スタック

Claims (2)

1. アノードとカソードとで電解質膜を挟んだ電解質膜−電極接合体と、冷却媒体が流れる冷却媒体流路が形成された冷却セパレータと、前記冷却媒体流路が形成されていない中間セパレータと、を備え、
   前記電解質膜−電極接合体を挟む２枚のセパレータの少なくとも一方が前記中間セパレータであり、２枚の前記冷却セパレータの間に複数の前記電解質膜−電極接合体が介在する燃料電池スタックであって、
   間に複数の前記電解質膜−電極接合体が介在する前記２枚の前記冷却セパレータのうちの一方の前記冷却セパレータは、酸化剤ガスを前記カソードに供給するための第一酸化剤ガス流路を有し、前記中間セパレータは、酸化剤ガスを前記カソードに供給するための第二酸化剤ガス流路を有し、前記第二酸化剤ガス流路の流路断面積が、前記第一酸化剤ガス流路の流路断面積よりも大きい、燃料電池スタック。
2. 間に複数の前記電解質膜−電極接合体が介在する前記２枚の前記冷却セパレータのうちの他方の前記冷却セパレータは、燃料ガスを前記アノードに供給するための第一燃料ガス流路を有し、前記中間セパレータは、燃料ガスを前記アノードに供給するための第二燃料ガス流路を有し、前記第二燃料ガス流路の流路断面積が、前記第一燃料ガス流路の流路断面積よりも大きいことを特徴とする、請求項１記載の燃料電池スタック。

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