JP6071680B2 - Operation method of fuel cell stack - Google Patents

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Description

本発明は、第1セパレータ、第1電解質・電極構造体、第2セパレータ、第2電解質・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の運転方法に関する。
The present invention, the first separator, a first electrolyte electrode assembly, the second separator, to a method of operating a fuel cell stack to provide a plurality of power generating units being laminated in this order of the second electrolyte electrode assembly and the third separator .

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一方側にアノード電極が、他方側にカソード電極が、それぞれ設けられた電解質膜・電極構造体(MEA)を、一対のセパレータによって挟持している。燃料電池は、通常、複数積層されて燃料電池スタックを構成するとともに、前記燃料電池スタックは、例えば、燃料電池電気自動車に搭載されている。   For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) provided with an anode electrode on one side and a cathode electrode on the other side of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane is provided as a pair. It is pinched by the separator. A plurality of fuel cells are usually stacked to form a fuel cell stack, and the fuel cell stack is mounted on, for example, a fuel cell electric vehicle.

上記の燃料電池では、一方のセパレータの面内に、アノード電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路が設けられるとともに、他方のセパレータの面内に、カソード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が設けられている。さらに、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。   In the fuel cell described above, a fuel gas flow path is provided in the surface of one separator so as to flow the fuel gas so as to face the anode electrode, and oxidation is performed in the surface of the other separator so as to face the cathode electrode. An oxidant gas flow path for flowing the agent gas is provided. Furthermore, between the separators, a cooling medium flow path for flowing the cooling medium is provided along the surface direction of the separator.

ところで、燃料電池スタックでは、所定数の発電セル(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。この種の間引き冷却構造を有する燃料電池は、例えば、図9に示す特許文献1に開示されているように、第1セパレータ1、第1セル2、第2セパレータ3、第2セル4及び第3セパレータ5が積層されている。   By the way, the fuel cell stack may adopt a so-called thinning cooling structure in which a cooling medium flow path is formed between a predetermined number of power generation cells (unit cells). For example, as disclosed in Patent Document 1 shown in FIG. 9, the fuel cell having this type of thinning cooling structure includes a first separator 1, a first cell 2, a second separator 3, a second cell 4, and a first cell. Three separators 5 are stacked.

第1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。第2セル4は、第1セル2と同様に構成されている。第1セパレータ1と第1セル2との間には、第1燃料ガス通路6aが形成され、第2セパレータ3と前記第1セル2との間には、第1酸化剤ガス通路7aが形成されている。第2セパレータ3と第2セル4との間には、第2燃料ガス通路6bが形成されるとともに、第3セパレータ5と前記第2セル4との間には、第2酸化剤ガス通路7bが形成されている。互いに隣接する第1セパレータ1と第3セパレータ5との間には、冷却水通路8が形成されている。   In the first cell 2, the fuel electrode 2b and the air electrode 2c are disposed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 2a. The second cell 4 is configured in the same manner as the first cell 2. A first fuel gas passage 6 a is formed between the first separator 1 and the first cell 2, and a first oxidant gas passage 7 a is formed between the second separator 3 and the first cell 2. Has been. A second fuel gas passage 6b is formed between the second separator 3 and the second cell 4, and a second oxidant gas passage 7b is formed between the third separator 5 and the second cell 4. Is formed. A cooling water passage 8 is formed between the first separator 1 and the third separator 5 adjacent to each other.

特開2002−289223号公報JP 2002-289223 A

上記の燃料電池では、第1燃料ガス通路6aに隣接して冷却水通路8が設けられるとともに、第2酸化剤ガス通路7bに隣接して前記冷却水通路8が設けられている。一方、第2燃料ガス通路6b及び第1酸化剤ガス通路7aは、互いに隣接して設けられるとともに、冷却水通路8から離間している。   In the fuel cell, the cooling water passage 8 is provided adjacent to the first fuel gas passage 6a, and the cooling water passage 8 is provided adjacent to the second oxidant gas passage 7b. On the other hand, the second fuel gas passage 6 b and the first oxidant gas passage 7 a are provided adjacent to each other and are separated from the cooling water passage 8.

このため、第1燃料ガス通路6aは、第2燃料ガス通路6bよりも低温になり易く、第2酸化剤ガス通路7bは、第1酸化剤ガス通路7aよりも低温になり易い。従って、燃料電池の発電時に生成される水やガス加湿水は、温度の低い第1燃料ガス通路6a及び第2酸化剤ガス通路7bで結露する場合が多い。   For this reason, the first fuel gas passage 6a is likely to be cooler than the second fuel gas passage 6b, and the second oxidant gas passage 7b is likely to be cooler than the first oxidant gas passage 7a. Accordingly, water or gas humidified water generated during power generation of the fuel cell often condenses in the first fuel gas passage 6a and the second oxidant gas passage 7b having a low temperature.

これにより、第1燃料ガス通路6a及び第2酸化剤ガス通路7b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。特に、水が生成される第2酸化剤ガス通路7bでは、第1燃料ガス通路6aに比べて多くの結露水が存在し易く、上記の問題が顕著になっている。   Thereby, in the first fuel gas passage 6a and the second oxidant gas passage 7b, there is a problem that the flow of the fuel gas and the oxidant gas is hindered by the generated water, and stable power generation is not performed. In particular, in the second oxidant gas passage 7b where water is generated, a larger amount of condensed water is likely to be present than in the first fuel gas passage 6a, and the above-described problem is remarkable.

本発明は、この種の間引き冷却構造の燃料電池において、冷却媒体流路に相対的に近接する燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路に、それぞれ生成水が滞留することを良好に抑制し、安定した発電を確実に行うことが可能な燃料電池スタックの運転方法を提供することを目的とする。
In the fuel cell having this type of thinning cooling structure, the present invention satisfactorily suppresses the generation water from staying in the fuel gas flow channel and the oxidant gas flow channel that are relatively close to the cooling medium flow channel, and to provide a stable method of operating a fuel cell stack capable of reliably performing power generation.

本発明に係る燃料電池スタックの運転方法において、燃料電池スタックは、電解質の両側に電極が配設される第1電解質・電極構造体及び第2電解質・電極構造体を有し、第1セパレータ、前記第1電解質・電極構造体、第2セパレータ、前記第2電解質・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ている。
In the fuel cell stack operating method according to the present invention , the fuel cell stack has a first electrolyte / electrode structure and a second electrolyte / electrode structure in which electrodes are disposed on both sides of the electrolyte, and the first separator, A plurality of power generation units are provided in the order of the first electrolyte / electrode structure, the second separator, the second electrolyte / electrode structure, and the third separator.

第1セパレータと第1電解質・電極構造体との間には、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、前記第1電解質・電極構造体と第2セパレータとの間には、前記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2セパレータと第2電解質・電極構造体との間には、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、前記第2電解質・電極構造体と第3セパレータとの間には、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ている。そして、各発電ユニット間に、冷却媒体を流す冷却媒体流路が形成されている。   A first fuel gas flow path is formed between the first separator and the first electrolyte / electrode structure along the power generation surface. The first fuel gas flow path is formed between the first electrolyte / electrode structure and the second separator. A first oxidant gas flow path for flowing an oxidant gas along the power generation surface is formed between the second separator and the second electrolyte / electrode structure along the power generation surface. A second fuel gas flow path for flowing the fuel gas is formed, and a second oxidant gas for flowing the oxidant gas along the power generation surface between the second electrolyte / electrode structure and the third separator. A flow path is formed. And the cooling medium flow path through which a cooling medium flows is formed between each electric power generation unit.

また、この燃料電池スタックの運転方法では、第1燃料ガス流路に供給される燃料ガスの流量を、第2燃料ガス流路に供給される前記燃料ガスの流量で除した燃料ガス流量比G1と、第2酸化剤ガス流路に供給される酸化剤ガスの流量を、第1酸化剤ガス流路に供給される前記酸化剤ガスの流量で除した酸化剤ガス流量比G2とが、1<G1<G2の関係に設定されて、発電運転を行っている。   In this fuel cell stack operation method, the fuel gas flow rate ratio G1 is obtained by dividing the flow rate of the fuel gas supplied to the first fuel gas flow path by the flow rate of the fuel gas supplied to the second fuel gas flow path. And an oxidant gas flow rate ratio G2 obtained by dividing the flow rate of the oxidant gas supplied to the second oxidant gas flow channel by the flow rate of the oxidant gas supplied to the first oxidant gas flow channel is 1. The relationship of <G1 <G2 is set and the power generation operation is performed.

本発明によれば、燃料ガス流量比G1及び酸化剤ガス流量比G2は、1<G1<G2の関係に設定されている。このため、冷却媒体流路に近接する第1燃料ガス流路には、前記冷却媒体流路から離間する第2燃料ガス流路よりも多くの燃料ガスが供給され、前記第1燃料ガス流路に生成水が滞留することを抑制することができる。   According to the present invention, the fuel gas flow rate ratio G1 and the oxidant gas flow rate ratio G2 are set to satisfy the relationship 1 <G1 <G2. Therefore, more fuel gas is supplied to the first fuel gas channel close to the cooling medium channel than to the second fuel gas channel spaced from the cooling medium channel, and the first fuel gas channel It is possible to prevent the generated water from staying in the tank.

同様に、冷却媒体流路に近接する第2酸化剤ガス流路には、前記冷却媒体流路から離間する第1酸化剤ガス流路よりも多くの酸化剤ガスが供給され、前記第2酸化剤ガス流路に生成水が滞留することを抑制することが可能になる。   Similarly, more oxidant gas is supplied to the second oxidant gas flow channel adjacent to the cooling medium flow channel than the first oxidant gas flow channel separated from the cooling medium flow channel, and the second oxidation gas flow channel is supplied. It is possible to prevent the generated water from staying in the agent gas flow path.

しかも、第1燃料ガス流路よりも生成水が滞留し易い第2酸化剤ガス流路は、燃料ガス流量比G1よりも大きな酸化剤ガス流量比G2に設定されるため、前記第2酸化剤ガス流路からの生成水の排出が一層確実に遂行され、前記生成水の滞留が良好に抑制される。これにより、冷却媒体流路に相対的に近接する第1燃料ガス流路及び第2酸化剤ガス流路に、それぞれ生成水が滞留することを良好に抑制することができ、安定した発電を確実に行うことが可能になる。   In addition, since the second oxidant gas flow path in which the generated water is more likely to stay than the first fuel gas flow path is set to an oxidant gas flow rate ratio G2 larger than the fuel gas flow rate ratio G1, the second oxidant The discharge of the generated water from the gas flow path is more reliably performed, and the retention of the generated water is satisfactorily suppressed. Thereby, it is possible to satisfactorily prevent the generated water from staying in the first fuel gas flow channel and the second oxidant gas flow channel that are relatively close to the cooling medium flow channel, thereby ensuring stable power generation. It becomes possible to do.

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。It is a principal part disassembled perspective explanatory drawing of the electric power generation unit which comprises the fuel cell stack which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 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。FIG. 2 is a sectional view of the fuel cell stack taken along line II-II in FIG. 1. 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。It is front explanatory drawing of the 1st separator which comprises the said electric power generation unit. 前記発電ユニットを構成する第2セパレータの一方の面の説明図である。It is explanatory drawing of one surface of the 2nd separator which comprises the said electric power generation unit. 前記第2セパレータの他方の面の説明図である。It is explanatory drawing of the other surface of the said 2nd separator. 前記発電ユニットを構成する第3セパレータの正面説明図である。It is front explanatory drawing of the 3rd separator which comprises the said electric power generation unit. 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。It is a principal part disassembled perspective explanatory drawing of the electric power generation unit which comprises the fuel cell stack concerning the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係る燃料電池スタックの要部断面説明図である。It is principal part cross-sectional explanatory drawing of the fuel cell stack concerning the 3rd Embodiment of this invention. 特許文献1に開示されている間引き冷却構造を有する燃料電池の説明図である。It is explanatory drawing of the fuel cell which has the thinning | cooling cooling structure currently disclosed by patent document 1. FIG.

図1及び図2に示すように、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池スタック10は、複数の発電ユニット12を水平方向(矢印A方向)又は重力方向(矢印C方向)に沿って互いに積層する。   As shown in FIGS. 1 and 2, the fuel cell stack 10 according to the first embodiment of the present invention moves a plurality of power generation units 12 along the horizontal direction (arrow A direction) or the gravity direction (arrow C direction). Laminate each other.

各発電ユニット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。   Each power generation unit 12 includes a first separator 14, a first electrolyte membrane / electrode structure (electrolyte / electrode structure) (MEA) 16 a, a second separator 18, a second electrolyte membrane / electrode structure 16 b, and a third separator 20. Is provided.

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。   The 1st separator 14, the 2nd separator 18, and the 3rd separator 20 are comprised, for example with the steel plate, the stainless steel plate, the aluminum plate, the plating treatment steel plate, or the metal plate which gave the surface treatment for anticorrosion to the metal surface. The 1st separator 14, the 2nd separator 18, and the 3rd separator 20 have cross-sectional uneven | corrugated shape by pressing a metal thin plate into a waveform. In addition, you may comprise the 1st separator 14, the 2nd separator 18, and the 3rd separator 20 with a carbon separator, for example.

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22と、前記固体高分子電解質膜22を挟持するアノード電極24及びカソード電極26とを備える。固体高分子電解質膜22は、アノード電極24及びカソード電極26の平面寸法よりも大きな平面寸法を有する。   The first electrolyte membrane / electrode structure 16a and the second electrolyte membrane / electrode structure 16b include, for example, a solid polymer electrolyte membrane 22 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and the solid polymer electrolyte membrane 22. An anode electrode 24 and a cathode electrode 26 are provided. The solid polymer electrolyte membrane 22 has a larger planar dimension than the planar dimension of the anode electrode 24 and the cathode electrode 26.

なお、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、アノード電極24及びカソード電極26が固体高分子電解質膜22と同一の平面寸法に設定されてもよく、前記アノード電極24又は前記カソード電極26の一方が前記固体高分子電解質膜22よりも小さな平面寸法を有する、所謂、段差MEAを構成してもよい。   In the first electrolyte membrane / electrode structure 16a and the second electrolyte membrane / electrode structure 16b, the anode electrode 24 and the cathode electrode 26 may be set to the same planar dimensions as the solid polymer electrolyte membrane 22, One of the anode electrode 24 and the cathode electrode 26 may constitute a so-called step MEA having a smaller planar dimension than the solid polymer electrolyte membrane 22.

アノード電極24及びカソード電極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、例えば、固体高分子電解質膜22の両面に形成される。   The anode electrode 24 and the cathode electrode 26 are formed by uniformly applying a gas diffusion layer (not shown) made of carbon paper or the like and porous carbon particles carrying a platinum alloy on the surface thereof to the surface of the gas diffusion layer. And an electrode catalyst layer (not shown) to be formed. The electrode catalyst layers are formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 22, for example.

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、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30a、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔32bが、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔34aを上下に挟んで設けられる。   As shown in FIG. 1, an oxidation for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas, communicates with each other in the arrow A direction at one end edge in the long side direction (arrow B direction) of the power generation unit 12. An agent gas inlet communication hole 30a and a fuel gas outlet communication hole 32b for discharging a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas, are provided with a cooling medium inlet communication hole 34a for supplying a cooling medium interposed therebetween.

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32a、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30bが、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔34bを上下に挟んで設けられる。   The other end edge in the long side direction (arrow B direction) of the power generation unit 12 communicates with each other in the arrow A direction, and discharges the fuel gas inlet communication hole 32a for supplying fuel gas and the oxidant gas. An oxidant gas outlet communication hole 30b is provided to sandwich the cooling medium outlet communication hole 34b for discharging the cooling medium.

図1及び図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、燃料ガス入口連通孔32aと燃料ガス出口連通孔32bとを連通する第1燃料ガス流路36が設けられる。第1燃料ガス流路36は、例えば、矢印B方向に延在する複数の直線状溝部を有する。なお、第1燃料ガス流路36は、湾曲部や屈曲部を有していてもよく、また、波状流路やサーペンタイン流路でもよい。以下に説明する他の燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路でも、同様である。   As shown in FIGS. 1 and 3, the surface 14a of the first separator 14 facing the first electrolyte membrane / electrode structure 16a is connected to the fuel gas inlet communication hole 32a and the fuel gas outlet communication hole 32b. A fuel gas flow path 36 is provided. The first fuel gas channel 36 has, for example, a plurality of linear grooves extending in the arrow B direction. The first fuel gas passage 36 may have a curved portion or a bent portion, and may be a wave-like passage or a serpentine passage. The same applies to other fuel gas passages and oxidant gas passages described below.

第1燃料ガス流路36と燃料ガス入口連通孔32aとは、複数の凸状部38a間に形成される第1入口連通路(所謂、ブリッジ部)40aを介して連通する。第1入口連通路40aの通路数Na1は、例えば、5本に設定されるとともに、各第1入口連通路40aは、ガス流れ方向に交差する幅方向(矢印C方向)に沿って幅寸法h1に設定される。   The first fuel gas flow path 36 and the fuel gas inlet communication hole 32a communicate with each other via a first inlet communication path (so-called bridge portion) 40a formed between the plurality of convex portions 38a. The passage number Na1 of the first inlet communication passage 40a is set to, for example, five, and each first inlet communication passage 40a has a width dimension h1 along the width direction (arrow C direction) intersecting the gas flow direction. Set to

第1燃料ガス流路36と燃料ガス出口連通孔32bとは、複数の凸状部38b間に形成される第1出口連通路(所謂、ブリッジ部)40bを介して連通する。第1出口連通路40bの通路数Na1は、例えば、5本に設定されるとともに、各第1出口連通路40bは、幅寸法h1に設定される。なお、第1入口連通路40aと第1出口連通路40bは、通路数及び断面積が互いに異なっていてもよい。以下、同様である。   The first fuel gas flow path 36 and the fuel gas outlet communication hole 32b communicate with each other via a first outlet communication path (so-called bridge portion) 40b formed between the plurality of convex portions 38b. The number of passages Na1 of the first outlet communication passages 40b is set to 5, for example, and each first outlet communication passage 40b is set to the width dimension h1. The first inlet communication path 40a and the first outlet communication path 40b may have different numbers of paths and cross-sectional areas. The same applies hereinafter.

凸状部38a、38bは、後述する第1シール部材60と一体に成形されてもよく、又は、別体を前記第1シール部材60に接合してもよい。なお、以下に説明する各凸状部は、同様に構成される。   The convex portions 38 a and 38 b may be formed integrally with a first seal member 60 described later, or a separate body may be joined to the first seal member 60. In addition, each convex-shaped part demonstrated below is comprised similarly.

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。   A part of the cooling medium flow path 44 that connects the cooling medium inlet communication hole 34 a and the cooling medium outlet communication hole 34 b is formed on the surface 14 b of the first separator 14.

図4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46が形成される。第1酸化剤ガス流路46は、矢印B方向に延在する複数の溝部を有する。   As shown in FIG. 4, the surface 18a of the second separator 18 facing the first electrolyte membrane / electrode structure 16a is connected to the oxidant gas inlet communication hole 30a and the oxidant gas outlet communication hole 30b. An agent gas channel 46 is formed. The first oxidizing gas channel 46 has a plurality of grooves extending in the direction of arrow B.

第1酸化剤ガス流路46と酸化剤ガス入口連通孔30aとは、複数の凸状部48a間に形成される第1入口連通路(所謂、ブリッジ部)50aを介して連通する。第1入口連通路50aの通路数Nc1は、例えば、4本に設定されるとともに、各第1入口連通路50aは、幅寸法h2に設定される。   The first oxidant gas flow path 46 and the oxidant gas inlet communication hole 30a communicate with each other via a first inlet communication path (so-called bridge portion) 50a formed between the plurality of convex portions 48a. The number of passages Nc1 of the first inlet communication passages 50a is set to, for example, four, and each first inlet communication passage 50a is set to the width dimension h2.

第1酸化剤ガス流路46と酸化剤ガス出口連通孔30bとは、複数の凸状部48b間に形成される第1出口連通路(所謂、ブリッジ部)50bを介して連通する。第1出口連通路50bの通路数Nc1は、例えば、4本に設定されるとともに、各第1出口連通路50bは、幅寸法h2に設定される。   The first oxidant gas flow path 46 and the oxidant gas outlet communication hole 30b communicate with each other via a first outlet communication path (so-called bridge portion) 50b formed between the plurality of convex portions 48b. The number of passages Nc1 of the first outlet communication passages 50b is set to, for example, four, and each first outlet communication passage 50b is set to the width dimension h2.

図1及び図5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、燃料ガス入口連通孔32aと燃料ガス出口連通孔32bとを連通する第2燃料ガス流路52が設けられる。第2燃料ガス流路52は、例えば、矢印B方向に延在する複数の溝部を有する。   As shown in FIGS. 1 and 5, the second separator 18 has a second surface 18b that faces the second electrolyte membrane / electrode structure 16b, and the fuel gas inlet communication hole 32a and the fuel gas outlet communication hole 32b communicate with each other. A fuel gas channel 52 is provided. The second fuel gas flow path 52 has, for example, a plurality of grooves extending in the direction of arrow B.

第2燃料ガス流路52と燃料ガス入口連通孔32aとは、複数の凸状部54a間に形成される第2入口連通路(所謂、ブリッジ部)56aを介して連通する。第2入口連通路56aの通路数Na2は、例えば、4本に設定されるとともに、各第2入口連通路56aは、幅寸法h1に設定される。   The second fuel gas flow path 52 and the fuel gas inlet communication hole 32a communicate with each other via a second inlet communication path (so-called bridge portion) 56a formed between the plurality of convex portions 54a. The number of passages Na2 of the second inlet communication passages 56a is set to, for example, four, and each second inlet communication passage 56a is set to the width dimension h1.

第1燃料ガス流路36と燃料ガス出口連通孔32bとは、複数の凸状部54b間に形成される第2出口連通路(所謂、ブリッジ部)56bを介して連通する。第2出口連通路56bの通路数Na2は、例えば、4本に設定されるとともに、各第2出口連通路56bは、幅寸法h1に設定される。なお、第2出口連通路56bの通路数は、第1出口連通路40bの通路数と同数に設定してもよい。   The first fuel gas flow path 36 and the fuel gas outlet communication hole 32b communicate with each other via a second outlet communication path (so-called bridge portion) 56b formed between the plurality of convex portions 54b. The number of passages Na2 of the second outlet communication passages 56b is set to, for example, four, and each second outlet communication passage 56b is set to the width dimension h1. The number of passages of the second outlet communication passage 56b may be set to be the same as the number of passages of the first outlet communication passage 40b.

図3及び図5に示すように、第1入口連通路40aの通路数Na1と、第2入口連通路56aの通路数Na2とは、Na1/Na2=1.25の関係に設定される。同様に、第1出口連通路40bの通路数Na1と、第2出口連通路56bの通路数Na2とは、Na1/Na2=1.25の関係に設定される。これにより、第1燃料ガス流路36に供給される燃料ガスの流量を、第2燃料ガス流路52に供給される燃料ガスの流量で除した燃料ガス流量比G1(>1)が設定される。第1の実施形態では、第1燃料ガス流路36と第2燃料ガス流路52は、流路本数が同一又は±1本に設定されるとともに、それぞれの流路長及び流路断面積は等しい。   As shown in FIGS. 3 and 5, the passage number Na1 of the first inlet communication passage 40a and the passage number Na2 of the second inlet communication passage 56a are set to a relationship of Na1 / Na2 = 1.25. Similarly, the passage number Na1 of the first outlet communication passage 40b and the passage number Na2 of the second outlet communication passage 56b are set to have a relationship of Na1 / Na2 = 1.25. Thereby, a fuel gas flow rate ratio G1 (> 1) is set by dividing the flow rate of the fuel gas supplied to the first fuel gas flow channel 36 by the flow rate of the fuel gas supplied to the second fuel gas flow channel 52. The In the first embodiment, the first fuel gas channel 36 and the second fuel gas channel 52 are set to have the same number of channels or ± 1 and the channel length and the channel cross-sectional area are equal.

図6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58が形成される。第2酸化剤ガス流路58は、矢印C方向に延在する複数の溝部を有する。   As shown in FIG. 6, the surface 20a of the third separator 20 facing the second electrolyte membrane / electrode structure 16b is connected to the oxidant gas inlet communication hole 30a and the oxidant gas outlet communication hole 30b. An agent gas flow path 58 is formed. The second oxidizing gas channel 58 has a plurality of grooves extending in the direction of arrow C.

第2酸化剤ガス流路58と酸化剤ガス入口連通孔30aとは、複数の凸状部60a間に形成される第2入口連通路(所謂、ブリッジ部)62aを介して連通する。第2入口連通路62aの通路数Nc2は、例えば、6本に設定されるとともに、各第2入口連通路62aは、幅寸法h2に設定される。   The second oxidant gas flow path 58 and the oxidant gas inlet communication hole 30a communicate with each other via a second inlet communication path (so-called bridge portion) 62a formed between the plurality of convex portions 60a. The number of passages Nc2 of the second inlet communication passages 62a is set to, for example, six, and each second inlet communication passage 62a is set to the width dimension h2.

第2酸化剤ガス流路58と酸化剤ガス出口連通孔30bとは、複数の凸状部60b間に形成される第2出口連通路(所謂、ブリッジ部)62bを介して連通する。第2出口連通路62bの通路数Nc2は、例えば、6本に設定されるとともに、各第2出口連通路62bは、幅寸法h2に設定される。なお、第2出口連通路62bの通路数は、第1出口連通路50bの通路数と同数に設定してもよい。   The second oxidant gas flow path 58 and the oxidant gas outlet communication hole 30b communicate with each other via a second outlet communication path (so-called bridge portion) 62b formed between the plurality of convex portions 60b. The number Nc2 of passages of the second outlet communication passages 62b is set to, for example, six, and each second outlet communication passage 62b is set to the width dimension h2. The number of passages of the second outlet communication passage 62b may be set to be the same as the number of passages of the first outlet communication passage 50b.

図4及び図6に示すように、第2入口連通路62aの通路数Nc2と、第1入口連通路50aの通路数Nc1とは、Nc2/Nc1=1.5の関係に設定される。同様に、第2出口連通路62bの通路数Nc2と、第1出口連通路50bの通路数Nc1とは、Nc2/Nc1=1.5の関係に設定される。これにより、第2酸化剤ガス流路58に供給される燃料ガスの流量を、第1酸化剤ガス流路46に供給される酸化剤ガスの流量で除した酸化剤ガス流量比G2(>1)が設定される。燃料ガス流量比G1と酸化剤ガス流量比G2とは、1<G1<G2の関係に設定される。   As shown in FIGS. 4 and 6, the passage number Nc2 of the second inlet communication passage 62a and the passage number Nc1 of the first inlet communication passage 50a are set to a relationship of Nc2 / Nc1 = 1.5. Similarly, the passage number Nc2 of the second outlet communication passage 62b and the passage number Nc1 of the first outlet communication passage 50b are set to a relationship of Nc2 / Nc1 = 1.5. Thereby, the flow rate of the fuel gas supplied to the second oxidant gas flow path 58 is divided by the flow rate of the oxidant gas supplied to the first oxidant gas flow path 46, and the oxidant gas flow rate ratio G2 (> 1). ) Is set. The fuel gas flow rate ratio G1 and the oxidant gas flow rate ratio G2 are set to satisfy the relationship 1 <G1 <G2.

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。第1セパレータ14の面14bと第3セパレータ20の面20bとが互いに重なり合うことにより、冷却媒体流路44が形成される。   A part of the cooling medium flow path 44 is formed on the surface 20 b of the third separator 20. The surface 14b of the first separator 14 and the surface 20b of the third separator 20 overlap each other, whereby the cooling medium flow path 44 is formed.

図1〜図3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、図4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。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、図2及び図6参照)。   As shown in FIGS. 1 to 3, the first seal member 60 is integrally formed on the surfaces 14 a and 14 b of the first separator 14 around the outer peripheral edge of the first separator 14. As shown in FIGS. 1, 2, 4, and 5, the second seal member 62 is integrally formed on the surfaces 18 a and 18 b of the second separator 18 around the outer peripheral edge of the second separator 18. Is done. A third seal member 64 is integrally formed on the surfaces 20a and 20b of the third separator 20 around the outer peripheral edge of the third separator 20 (see FIGS. 1, 2 and 6).

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44が形成される(図1及び図2参照)。   When the power generation units 12 are stacked on each other, a cooling medium flow path 44 is formed between the first separator 14 constituting one power generation unit 12 and the third separator 20 constituting the other power generation unit 12. Formed (see FIG. 1 and FIG. 2).

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。   The operation of the fuel cell stack 10 configured as described above will be described below.

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。   First, as shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas inlet communication hole 30a, and a fuel gas such as a hydrogen-containing gas is supplied to the fuel gas inlet communication hole 32a. Further, a cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil is supplied to the cooling medium inlet communication hole 34a.

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58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26に供給される。同様に、酸化剤ガスは、第2酸化剤ガス流路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のカソード電極26に供給される。   For this reason, the oxidant gas is introduced from the oxidant gas inlet communication hole 30 a into the first oxidant gas flow path 46 of the second separator 18 and the second oxidant gas flow path 58 of the third separator 20. The oxidant gas moves in the direction of arrow B (horizontal direction) along the first oxidant gas flow path 46 and is supplied to the cathode electrode 26 of the first electrolyte membrane / electrode structure 16a. Similarly, the oxidant gas moves in the direction of arrow B along the second oxidant gas flow path 58 and is supplied to the cathode electrode 26 of the second electrolyte membrane / electrode structure 16b.

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔32aから第1セパレータ14の第1燃料ガス流路36及び第2セパレータ18の第2燃料ガス流路52に導入される。この燃料ガスは、第1燃料ガス流路36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24に供給される。同様に、燃料ガスは、第2燃料ガス流路52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26に供給される。   On the other hand, the fuel gas is introduced into the first fuel gas channel 36 of the first separator 14 and the second fuel gas channel 52 of the second separator 18 from the fuel gas inlet communication hole 32a. The fuel gas moves in the direction of arrow B along the first fuel gas flow path 36 and is supplied to the anode electrode 24 of the first electrolyte membrane / electrode structure 16a. Similarly, the fuel gas moves in the direction of arrow B along the second fuel gas channel 52 and is supplied to the cathode electrode 26 of the second electrolyte membrane / electrode structure 16b.

これにより、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、カソード電極26に供給される酸化剤ガスと、アノード電極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。   Thus, in the first electrolyte membrane / electrode structure 16a and the second electrolyte membrane / electrode structure 16b, the oxidant gas supplied to the cathode electrode 26 and the fuel gas supplied to the anode electrode 24 are converted into an electrode catalyst. Electricity is generated by being consumed by electrochemical reaction in the layer.

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。   Subsequently, the oxidant gas consumed by being supplied to the cathode electrodes 26 of the first electrolyte membrane / electrode structure 16a and the second electrolyte membrane / electrode structure 16b is moved along the arrow A along the oxidant gas outlet communication hole 30b. Discharged in the direction.

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の各アノード電極24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32bに排出される。   The fuel gas supplied to and consumed by the anode electrodes 24 of the first electrolyte membrane / electrode structure 16a and the second electrolyte membrane / electrode structure 16b is discharged to the fuel gas outlet communication hole 32b.

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に導入される。この冷却媒体は、矢印B方向に流通して第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を冷却した後、冷却媒体出口連通孔34bに排出される。   On the other hand, the cooling medium supplied to the cooling medium inlet communication hole 34 a is the cooling formed between the first separator 14 constituting one power generation unit 12 and the third separator 20 constituting the other power generation unit 12. It is introduced into the medium flow path 44. This cooling medium flows in the direction of arrow B, cools the first electrolyte membrane / electrode structure 16a and the second electrolyte membrane / electrode structure 16b, and then is discharged to the cooling medium outlet communication hole 34b.

この場合、第1の実施形態では、図3及び図5に示すように、第1入口連通路40aの通路数Na1は、第2入口連通路56aの通路数Na2よりも多数に設定されている。すなわち、第1燃料ガス流路36に供給される燃料ガスの流量を、第2燃料ガス流路52に供給される燃料ガスの流量で除した燃料ガス流量比G1(>1)が設定されている。   In this case, in the first embodiment, as shown in FIGS. 3 and 5, the passage number Na1 of the first inlet communication passage 40a is set to be larger than the passage number Na2 of the second inlet communication passage 56a. . That is, a fuel gas flow rate ratio G1 (> 1) is set by dividing the flow rate of the fuel gas supplied to the first fuel gas flow channel 36 by the flow rate of the fuel gas supplied to the second fuel gas flow channel 52. Yes.

従って、図2に示すように、冷却媒体流路44に近接する第1燃料ガス流路36には、前記冷却媒体流路44から離間する第2燃料ガス流路52よりも多くの燃料ガスが供給されている。これにより、第1燃料ガス流路36に、第2燃料ガス流路52に比べて多量の生成水が滞留することを、確実に抑制することができる。   Therefore, as shown in FIG. 2, more fuel gas is contained in the first fuel gas passage 36 adjacent to the cooling medium passage 44 than in the second fuel gas passage 52 spaced from the cooling medium passage 44. Have been supplied. As a result, it is possible to reliably suppress a large amount of generated water from staying in the first fuel gas channel 36 as compared to the second fuel gas channel 52.

一方、図4及び図6に示すように、第1入口連通路50aの通路数Nc1は、第2入口連通路62aの通路数Nc2よりも少数に設定されている。すなわち、第2酸化剤ガス流路58に供給される酸化剤ガスの流量を、第1酸化剤ガス流路46に供給される酸化剤ガスの流量で除した酸化剤ガス流量比G2(>1)が設定されている。   On the other hand, as shown in FIGS. 4 and 6, the passage number Nc1 of the first inlet communication passage 50a is set to be smaller than the passage number Nc2 of the second inlet communication passage 62a. That is, an oxidant gas flow rate ratio G2 (> 1) obtained by dividing the flow rate of the oxidant gas supplied to the second oxidant gas flow channel 58 by the flow rate of the oxidant gas supplied to the first oxidant gas flow channel 46. ) Is set.

このため、図2に示すように、冷却媒体流路44に近接する第2酸化剤ガス流路58には、前記冷却媒体流路44から離間する第1酸化剤ガス流路46よりも多くの酸化剤ガスが供給されている。従って、第2酸化剤ガス流路58に、第1酸化剤ガス流路46に比べて多量の生成水が滞留することを、確実に抑制することが可能になる。   For this reason, as shown in FIG. 2, the second oxidant gas flow path 58 adjacent to the cooling medium flow path 44 has more in the second oxidant gas flow path 46 than the first oxidant gas flow path 46 separated from the cooling medium flow path 44. Oxidant gas is supplied. Therefore, it is possible to reliably suppress a large amount of generated water from staying in the second oxidant gas flow path 58 as compared with the first oxidant gas flow path 46.

しかも、燃料ガス流量比G1と酸化剤ガス流量比G2とは、G1<G2の関係に設定されている。これにより、第1燃料ガス流路36よりも生成水が滞留し易い第2酸化剤ガス流路58は、前記第2酸化剤ガス流路58からの生成水の排出が一層確実に遂行され、前記生成水の滞留が良好に抑制される。このため、冷却媒体流路44に相対的に近接する第1燃料ガス流路36及び第2酸化剤ガス流路58に、それぞれ生成水が滞留することを良好に抑制することができ、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。   Moreover, the fuel gas flow rate ratio G1 and the oxidant gas flow rate ratio G2 are set to have a relationship of G1 <G2. Thereby, the second oxidant gas flow path 58 in which the generated water is more likely to stay than the first fuel gas flow path 36 is more reliably discharged of the generated water from the second oxidant gas flow path 58, The retention of the generated water is suppressed satisfactorily. For this reason, it is possible to satisfactorily suppress the generation water from being retained in the first fuel gas flow path 36 and the second oxidant gas flow path 58 that are relatively close to the cooling medium flow path 44, respectively. An effect is obtained that power generation can be performed reliably.

なお、第1の実施形態では、例えば、図3及び図5に示すように、第1入口連通路40aと第2入口連通路56aとは、それぞれ同一の幅寸法(通路幅)h1に設定され、且つ、それぞれ異なる通路数Na1と通路数Na2とに設定されている。これに代えて、第1入口連通路40aと第2入口連通路56aとは、同一の通路数を有し、それぞれの幅寸法又はそれぞれの通路深さを異なる値に設定してもよい。   In the first embodiment, for example, as shown in FIGS. 3 and 5, the first inlet communication passage 40a and the second inlet communication passage 56a are set to the same width dimension (passage width) h1. In addition, the number of passages Na1 and the number of passages Na2 are different from each other. Instead, the first inlet communication passage 40a and the second inlet communication passage 56a may have the same number of passages, and the width dimension or the passage depth may be set to different values.

また、第2入口連通路56aは、第1入口連通路40aと同一の複数の凸状部38aを用い、前記凸状部38a間の1本の溝部を閉塞して4本の前記第2入口連通路56aを構成してもよい。一方、酸化剤ガス側では、上記の燃料ガス側と同様に構成することができる。   The second inlet communication passage 56a uses a plurality of convex portions 38a identical to the first inlet communication passage 40a, and closes one groove portion between the convex portions 38a to provide the four second inlet passages. You may comprise the communicating path 56a. On the other hand, the oxidant gas side can be configured similarly to the fuel gas side described above.

さらにまた、反応ガス流路には、発電領域の外部に位置して反応ガス整流用のバッファ部が設けられている場合がある。その際、冷却媒体流路44に近接する側の反応ガス流路では、前記冷却媒体流路44から離間する側の反応ガス流路に対して、バッファ部の面積比や流量比を設定することができる。これにより、各反応ガス流路での生成水の滞留状態が均一化され、発電性能の低下を抑制することが可能になる。   Furthermore, the reactive gas flow path may be provided with a reactive gas rectifying buffer located outside the power generation region. At this time, in the reaction gas flow channel on the side close to the cooling medium flow channel 44, the area ratio and flow rate ratio of the buffer portion are set with respect to the reaction gas flow channel on the side separated from the cooling medium flow channel 44. Can do. Thereby, the staying state of the generated water in each reaction gas channel is made uniform, and it becomes possible to suppress a decrease in power generation performance.

図7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。また、以下に説明する第3の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。   FIG. 7 is an exploded perspective view of a main part of the power generation unit 72 constituting the fuel cell stack 70 according to the second embodiment of the present invention. The same components as those of the fuel cell stack 10 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. Similarly, in the third embodiment described below, detailed description thereof is omitted.

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16a、第2セパレータ76、第2電解質膜・電極構造体16b及び第3セパレータ78を設ける。   The power generation unit 72 includes a first separator 74, a first electrolyte membrane / electrode structure 16 a, a second separator 76, a second electrolyte membrane / electrode structure 16 b, and a third separator 78.

第1セパレータ74の第1電解質膜・電極構造体16aに向かう面74a側には、第1燃料ガス流路36aが設けられる。第1燃料ガス流路36aと燃料ガス入口連通孔32aとは、複数の凸状部80a間に形成される入口連通路(所謂、ブリッジ部)82aを介して連通する。第1燃料ガス流路36aと燃料ガス出口連通孔32bとは、複数の凸状部80b間に形成される出口連通路(所謂、ブリッジ部)82bを介して連通する。   A first fuel gas flow path 36a is provided on the surface 74a side of the first separator 74 facing the first electrolyte membrane / electrode structure 16a. The first fuel gas flow path 36a and the fuel gas inlet communication hole 32a communicate with each other via an inlet communication path (so-called bridge portion) 82a formed between the plurality of convex portions 80a. The first fuel gas flow path 36a and the fuel gas outlet communication hole 32b communicate with each other via an outlet communication path (so-called bridge portion) 82b formed between the plurality of convex portions 80b.

第2セパレータ76の第2電解質膜・電極構造体16bに向かう面76b側には、第2燃料ガス流路52aが設けられる。第2燃料ガス流路52aと燃料ガス入口連通孔32aとは、複数の凸状部80a間に形成される入口連通路82aを介して連通する。第2燃料ガス流路52aと燃料ガス出口連通孔32bとは、複数の凸状部80b間に形成される出口連通路82bを介して連通する。   A second fuel gas passage 52a is provided on the surface 76b side of the second separator 76 facing the second electrolyte membrane / electrode structure 16b. The second fuel gas flow path 52a and the fuel gas inlet communication hole 32a communicate with each other via an inlet communication path 82a formed between the plurality of convex portions 80a. The second fuel gas flow path 52a and the fuel gas outlet communication hole 32b communicate with each other via an outlet communication passage 82b formed between the plurality of convex portions 80b.

第1燃料ガス流路36aの流路溝本数Na3は、第2燃料ガス流路52aの流路溝本数Na4よりも多数、例えば、Na3=Na4+1に設定される。このため、第1燃料ガス流路36aに供給される燃料ガスの流量を、第2燃料ガス流路52aに供給される燃料ガスの流量で除した燃料ガス流量比G1(>1)が設定される。   The number of channel grooves Na3 of the first fuel gas channel 36a is set to be larger than the number of channel grooves Na4 of the second fuel gas channel 52a, for example, Na3 = Na4 + 1. Therefore, a fuel gas flow rate ratio G1 (> 1) is set by dividing the flow rate of the fuel gas supplied to the first fuel gas flow channel 36a by the flow rate of the fuel gas supplied to the second fuel gas flow channel 52a. The

第2セパレータ76の第1電解質膜・電極構造体16aに向かう面76aには、第1酸化剤ガス流路46aが設けられる。第1酸化剤ガス流路46aと酸化剤ガス入口連通孔30aとは、複数の凸状部84a間に形成される入口連通路(所謂、ブリッジ部)86aを介して連通する。第1酸化剤ガス流路46aと酸化剤ガス出口連通孔30bとは、複数の凸状部84b間に形成される出口連通路(所謂、ブリッジ部)86bを介して連通する。   A first oxidant gas flow path 46a is provided on a surface 76a of the second separator 76 facing the first electrolyte membrane / electrode structure 16a. The first oxidant gas flow path 46a and the oxidant gas inlet communication hole 30a communicate with each other via an inlet communication path (so-called bridge portion) 86a formed between the plurality of convex portions 84a. The first oxidant gas passage 46a and the oxidant gas outlet communication hole 30b communicate with each other via an outlet communication path (so-called bridge portion) 86b formed between the plurality of convex portions 84b.

第3セパレータ78の第2電解質膜・電極構造体16bに向かう面78a側には、第2酸化剤ガス流路58aが設けられる。第2酸化剤ガス流路58aと酸化剤ガス入口連通孔30aとは、複数の凸状部84a間に形成される入口連通路86aを介して連通する。第2酸化剤ガス流路58aと酸化剤ガス出口連通孔30bとは、複数の凸状部84b間に形成される出口連通路86bを介して連通する。   On the surface 78a side of the third separator 78 facing the second electrolyte membrane / electrode structure 16b, a second oxidizing gas channel 58a is provided. The second oxidant gas flow path 58a and the oxidant gas inlet communication hole 30a communicate with each other via an inlet communication path 86a formed between the plurality of convex portions 84a. The second oxidant gas flow path 58a and the oxidant gas outlet communication hole 30b communicate with each other via an outlet communication path 86b formed between the plurality of convex portions 84b.

第1酸化剤ガス流路46aの流路溝本数Nc3は、第2酸化剤ガス流路58aの流路溝本数Nc4よりも少数、例えば、Nc3=Nc4−3に設定される。従って、第1酸化剤ガス流路46aに供給される酸化剤ガスの流量を、第2酸化剤ガス流路58aに供給される酸化剤ガスの流量で除した酸化剤ガス流量比G2(>1)が設定される。さらに、燃料ガス流量比G1と酸化剤ガス流量比G2とは、1<G1<G2の関係に設定される。   The channel groove number Nc3 of the first oxidant gas channel 46a is set to a smaller number than the channel groove number Nc4 of the second oxidant gas channel 58a, for example, Nc3 = Nc4-3. Therefore, the oxidant gas flow rate ratio G2 (> 1) obtained by dividing the flow rate of the oxidant gas supplied to the first oxidant gas flow channel 46a by the flow rate of the oxidant gas supplied to the second oxidant gas flow channel 58a. ) Is set. Further, the fuel gas flow rate ratio G1 and the oxidant gas flow rate ratio G2 are set to have a relationship of 1 <G1 <G2.

このように構成される第2の実施形態では、第1燃料ガス流路36aの流路溝本数Na3は、第2燃料ガス流路52aの流路溝本数Na4よりも多数に設定されることにより、燃料ガス流量比G1(>1)が設定されている。同様に、第1酸化剤ガス流路46aの流路溝本数Nc3は、第2酸化剤ガス流路58aの流路溝本数Nc4よりも少数に設定されることにより、酸化剤ガス流量比G2(>1)が設定されている。さらに、燃料ガス流量比G1と酸化剤ガス流量比G2とは、1<G1<G2の関係に設定されている。   In the second embodiment configured as described above, the number of flow channel grooves Na3 of the first fuel gas flow channel 36a is set to be larger than the number of flow channel grooves Na4 of the second fuel gas flow channel 52a. The fuel gas flow ratio G1 (> 1) is set. Similarly, the number of channel grooves Nc3 of the first oxidant gas channel 46a is set to be smaller than the number of channel grooves Nc4 of the second oxidant gas channel 58a, so that the oxidant gas flow ratio G2 ( > 1) is set. Further, the fuel gas flow rate ratio G1 and the oxidant gas flow rate ratio G2 are set to satisfy the relationship 1 <G1 <G2.

これにより、特に生成水が滞留し易い第1燃料ガス流路36a及び第2酸化剤ガス流路58aの流量が増量され、前記生成水の滞留を抑制することができる。しかも、第1燃料ガス流路36a及び第2酸化剤ガス流路58aは、それぞれ生成水が滞留することを良好に抑制することができ、安定した発電を確実に行うことが可能になる等、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。   As a result, the flow rates of the first fuel gas flow path 36a and the second oxidant gas flow path 58a, in which the generated water tends to stay, are increased, and the stay of the generated water can be suppressed. Moreover, the first fuel gas flow path 36a and the second oxidant gas flow path 58a can satisfactorily suppress the retention of the generated water, and can stably perform power generation. The same effect as the first embodiment is obtained.

図8は、本発明の第3の実施形態に燃料電池スタック100の要部断面説明図である。   FIG. 8 is an explanatory cross-sectional view of a main part of the fuel cell stack 100 according to the third embodiment of the present invention.

燃料電池スタック100を構成する発電ユニット102は、第1セパレータ104、第1電解質膜・電極構造体16a、第2セパレータ106、第2電解質膜・電極構造体16b及び第3セパレータ108を設ける。   The power generation unit 102 constituting the fuel cell stack 100 includes a first separator 104, a first electrolyte membrane / electrode structure 16a, a second separator 106, a second electrolyte membrane / electrode structure 16b, and a third separator 108.

第1セパレータ104の第1電解質膜・電極構造体16aに向かう面104a側には、第1燃料ガス流路36bが設けられる。第1燃料ガス流路36bと燃料ガス入口連通孔、及び前記第1燃料ガス流路36bと燃料ガス出口連通孔とは、例えば、第2の実施形態と同様の入口連通路(図示せず)及び出口連通路を介して連通する。   A first fuel gas flow path 36b is provided on the surface 104a side of the first separator 104 facing the first electrolyte membrane / electrode structure 16a. The first fuel gas channel 36b and the fuel gas inlet communication hole, and the first fuel gas channel 36b and the fuel gas outlet communication hole are, for example, the same inlet communication channel (not shown) as in the second embodiment. And it communicates via an exit communicating path.

第2セパレータ106の第2電解質膜・電極構造体16bに向かう面106b側には、第2燃料ガス流路52bが設けられる。第2燃料ガス流路52bと燃料ガス入口連通孔、及び前記第2燃料ガス流路52bと燃料ガス出口連通孔とは、例えば、第2の実施形態と同様の入口連通路(図示せず)及び出口連通路を介して連通する。   A second fuel gas channel 52b is provided on the surface 106b side of the second separator 106 facing the second electrolyte membrane / electrode structure 16b. The second fuel gas channel 52b and the fuel gas inlet communication hole, and the second fuel gas channel 52b and the fuel gas outlet communication hole are, for example, the same inlet communication channel (not shown) as in the second embodiment. And it communicates via an exit communicating path.

第2セパレータ106の第1電解質膜・電極構造体16aに向かう面106aには、第1酸化剤ガス流路46bが設けられる。第1酸化剤ガス流路46bと酸化剤ガス入口連通孔、及び前記第1酸化剤ガス流路46bと酸化剤ガス出口連通孔とは、例えば、第2の実施形態と同様の入口連通路(図示せず)及び出口連通路を介して連通する。   A first oxidant gas flow path 46b is provided on the surface 106a of the second separator 106 facing the first electrolyte membrane / electrode structure 16a. The first oxidant gas flow path 46b and the oxidant gas inlet communication hole, and the first oxidant gas flow path 46b and the oxidant gas outlet communication hole are, for example, the same inlet communication path as in the second embodiment ( (Not shown) and the outlet communication passage.

第3セパレータ108の第2電解質膜・電極構造体16bに向かう面108a側には、第2酸化剤ガス流路58bが設けられる。第2酸化剤ガス流路58bと酸化剤ガス入口連通孔、及び前記第2酸化剤ガス流路58bと酸化剤ガス出口連通孔とは、例えば、第2の実施形態と同様の入口連通路(図示せず)及び出口連通路を介して連通する。   A second oxidant gas flow path 58b is provided on the surface 108a side of the third separator 108 facing the second electrolyte membrane / electrode structure 16b. The second oxidant gas flow path 58b and the oxidant gas inlet communication hole, and the second oxidant gas flow path 58b and the oxidant gas outlet communication hole are, for example, the same inlet communication path as in the second embodiment ( (Not shown) and the outlet communication passage.

第2セパレータ106は、第1セパレータ104及び第3セパレータ108の流路高さよりも低い流路高さに設定される。第1セパレータ104は、積層方向(矢印A方向)に流路高さD1を有し、第3セパレータ108は、前記積層方向に流路高さD2を有する一方、第2セパレータ106は、前記積層方向に流路高さD3を有する。流路高さD1≒流路高さD2>流路高さD3の関係に、より好ましくは、流路高さD2>流路高さD1>流路高さD3の関係に設定される。このため、燃料ガス流量比G1と酸化剤ガス流量比G2とは、1<G1<G2の関係に設定される。上記の関係に設定されるように、連通孔間の圧損を調整すればよい。   The second separator 106 is set to a flow path height lower than the flow path height of the first separator 104 and the third separator 108. The first separator 104 has a flow path height D1 in the stacking direction (arrow A direction), the third separator 108 has a flow path height D2 in the stacking direction, while the second separator 106 has the stacking direction. It has a channel height D3 in the direction. The relationship of channel height D1≈channel height D2> channel height D3 is set, and more preferably, the relationship of channel height D2> channel height D1> channel height D3 is set. For this reason, the fuel gas flow rate ratio G1 and the oxidant gas flow rate ratio G2 are set to satisfy the relationship 1 <G1 <G2. What is necessary is just to adjust the pressure loss between communicating holes so that it may be set to said relationship.

このように構成される第3の実施形態では、生成水が滞留し易い第1燃料ガス流路36b及び第2酸化剤ガス流路58bの流量が増量され、前記生成水の滞留を抑制することができる。しかも、第1燃料ガス流路36b及び第2酸化剤ガス流路58bは、それぞれ生成水が滞留することを良好に抑制することができ、安定した発電を確実に行うことが可能になる等、上記の第1及び第2の実施形態と同様の効果が得られる。   In the third embodiment configured as described above, the flow rates of the first fuel gas flow path 36b and the second oxidant gas flow path 58b in which the generated water is likely to stay are increased to suppress the retention of the generated water. Can do. In addition, the first fuel gas flow path 36b and the second oxidant gas flow path 58b can satisfactorily suppress the retention of the generated water, and stable power generation can be reliably performed. The same effects as those of the first and second embodiments are obtained.

10、70、100…燃料電池スタック
12、72、102…発電ユニット
14、18、20、74、76、78、104、106、108…セパレータ
16a、16b…電解質膜・電極構造体
22…固体高分子電解質膜 24…アノード電極
26…カソード電極 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、36a、36b、52、52a、52b…燃料ガス流路
38a、38b、48a、48b、54a、54b、60a、60b、80a、80b、84a、84b…凸状部
40a、50a、56a、62a、82a、86a…入口連通路
40b、50b、56b、62b、82b、86b…出口連通路
44…冷却媒体流路
46、46a、46b、58、58a、58b…酸化剤ガス流路
10, 70, 100 ... Fuel cell stacks 12, 72, 102 ... Power generation units 14, 18, 20, 74, 76, 78, 104, 106, 108 ... Separator 16a, 16b ... Electrolyte membrane / electrode structure 22 ... Solid height Molecular electrolyte membrane 24 ... Anode electrode 26 ... Cathode electrode 30a ... Oxidant gas inlet communication hole 30b ... Oxidant gas outlet communication hole 32a ... Fuel gas inlet communication hole 32b ... Fuel gas outlet communication hole 34a ... Cooling medium inlet communication hole 34b ... Cooling medium outlet communication holes 36, 36a, 36b, 52, 52a, 52b ... fuel gas flow paths 38a, 38b, 48a, 48b, 54a, 54b, 60a, 60b, 80a, 80b, 84a, 84b ... convex portions 40a, 50a, 56a, 62a, 82a, 86a ... Inlet communication passages 40b, 50b, 56b, 62b, 82b, 86b ... Outlet communication Passage 44: Cooling medium flow path 46, 46a, 46b, 58, 58a, 58b ... Oxidant gas flow path

Claims (1)

電解質の両側に電極が配設される第1電解質・電極構造体及び第2電解質・電極構造体を有し、第1セパレータ、前記第1電解質・電極構造体、第2セパレータ、前記第2電解質・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・電極構造体との間には、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、前記第1電解質・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2セパレータと前記第2電解質・電極構造体との間には、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、前記第2電解質・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酸化剤ガスを流す第2酸化剤ガス流路が形成されるとともに、各発電ユニット間に、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の運転方法であって、
前記第1燃料ガス流路に供給される前記燃料ガスの流量を、前記第2燃料ガス流路に供給される前記燃料ガスの流量で除した燃料ガス流量比G1と、前記第2酸化剤ガス流路に供給される前記酸化剤ガスの流量を、前記第1酸化剤ガス流路に供給される前記酸化剤ガスの流量で除した酸化剤ガス流量比G2とが、1<G1<G2の関係に設定されて、発電運転を行うことを特徴とする燃料電池スタックの運転方法。
A first separator / electrode structure and a second electrolyte / electrode structure having electrodes disposed on both sides of the electrolyte, the first separator, the first electrolyte / electrode structure, the second separator, and the second electrolyte A plurality of power generation units stacked in the order of an electrode structure and a third separator are provided, and a first fuel gas flows between the first separator and the first electrolyte / electrode structure along the power generation surface. A fuel gas flow path is formed, and a first oxidant gas flow path for flowing an oxidant gas along the power generation surface is formed between the first electrolyte / electrode structure and the second separator, Between the second separator and the second electrolyte / electrode structure, there is formed a second fuel gas flow path for flowing the fuel gas along the power generation surface, and the second electrolyte / electrode structure and the second 3 separators along the power generation surface Together with the second oxidant gas passage for flowing a serial oxidant gas is formed, between each of the power generation unit, a method of operating a fuel cell stack cooling medium flow path is formed to flow a cooling medium,
A fuel gas flow ratio G1 obtained by dividing a flow rate of the fuel gas supplied to the first fuel gas flow path by a flow rate of the fuel gas supplied to the second fuel gas flow path, and the second oxidant gas An oxidant gas flow rate ratio G2 obtained by dividing the flow rate of the oxidant gas supplied to the flow path by the flow rate of the oxidant gas supplied to the first oxidant gas flow path satisfies 1 <G1 <G2. An operation method of a fuel cell stack, characterized in that the power generation operation is set in the relationship.
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