(57)【要約】【課題】簡単且つ経済的な構成で、互いに隣接する燃料電池間で、発電中の温度環境を一定に維持し、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を構成する燃料電池ユニット１２は、アノード側セパレータ１４、第１電解質膜・電極構造体１６ａ、中間セパレータ１８、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ及びカソード側セパレータ２０を設ける。第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂ間には、前記第１電解質膜・電極構造体１６ａに酸化剤ガスを供給する第１酸化剤ガス流路４４と、前記第２電解質膜・電極構造体１６ｂに燃料ガスを供給する第２燃料ガス流路４６とが、電極面方向に沿って交互に設けられるとともに、前記第２燃料ガス流路４６と前記第１電解質膜・電極構造体１６ａとの間には、第２冷却媒体流路４８が形成される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の両側に電極が配設される第１及び第２電解質・電極構造体を備え、第１セパレータ、前記第１電解質・電極構造体、中間セパレータ、前記第２電解質・電極構造体及び第２セパレータの順に積層される燃料電池ユニットが複数積層される燃料電池スタックであって、
前記第１及び第２電解質・電極構造体間には、前記第１電解質・電極構造体に一方の反応ガスを供給する第１反応ガス流路と、前記第２電解質・電極構造体に他方の反応ガスを供給する第２反応ガス流路とが、電極面方向に沿って交互に設けられるとともに、
前記第２反応ガス流路と前記第１電解質・電極構造体との間には、冷却媒体流路が形成されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記中間セパレータは、第１及び第２金属プレートを備え、
前記第１金属プレートは、前記第１電解質・電極構造体から離間して前記第１反応ガス流路を形成する第１凹部と前記第１電解質・電極構造体側に突出する第１凸部とを交互に設ける一方、
前記第２金属プレートは、前記第２電解質・電極構造体から離間して前記第２反応ガス流路を形成する第２凹部と前記第２電解質・電極構造体側に突出する第２凸部とを交互に設け、且つ前記第２凹部の裏面側が前記第１金属プレートの前記第１凸部の裏面側に間隙を有して配置されることにより、前記冷却媒体流路が形成されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池スタックにおいて、前記第１金属プレートは、前記第１凸部が前記第１電解質・電極構造体に接する一方、前記第１凹部の裏面が、前記第２電解質・電極構造体に接する前記第２金属プレートの前記第２凸部の裏面に接することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池スタックにおいて、前記冷却媒体流路は、前記第１金属プレートの前記第１電解質・電極構造体に接する前記第１凸部の冷却媒体接触面積が、前記第２金属プレートの前記第２電解質・電極構造体に接する前記第２凸部の裏面の冷却媒体接触面積とは異なることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池スタックにおいて、前記第１反応ガス流路は、酸化剤ガス流路である一方、前記第２反応ガス流路は、燃料ガス流路であり、
前記第１電解質・電極構造体に接する前記第１凸部の冷却媒体接触面積は、前記第２電解質・電極構造体に接する前記第２凸部の裏面の冷却媒体接触面積より大きく設定されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項６】
請求項２〜５のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記中間セパレータは、前記第１金属プレート及び前記第２金属プレートにシール部材が一体成形されて構成されることを特徴とする燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質の両側に電極が配設される第１及び第２電解質・電極構造体を備え、第１セパレータ、前記第１電解質・電極構造体、中間セパレータ、前記第２電解質・電極構造体及び第２セパレータの順に積層される燃料電池ユニットが複数積層される燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。積層方向の寸法が有効に短尺化され、特に多数の単位セルが積層される燃料電池スタックでは、容易に小型化されるからである。
【０００５】
この種の間引き冷却構造を有する燃料電池は、例えば、図１１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。
【０００６】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−２８９２２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の燃料電池では、特に、冷却水通路７に接する酸化剤ガス通路６ｂが、前記冷却水通路７に接する燃料ガス通路５ａよりも高温になっている。一方、冷却水通路７に接しない酸化剤ガス通路６ａは、前記冷却水通路７に接しない燃料ガス通路５ｂよりも高温になっている。このため、セル２間では、発電中の温度環境が異なってしまい、前記発電中に発生する結露水量が均一化されず、安定した発電が行われないという問題がある。
【０００９】
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、互いに隣接する燃料電池間で、発電中の温度環境を一定に維持し、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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、電解質の両側に電極が配設される第１及び第２電解質・電極構造体を備え、第１セパレータ、前記第１電解質・電極構造体、中間セパレータ、前記第２電解質・電極構造体及び第２セパレータの順に積層される燃料電池ユニットが複数積層される燃料電池スタックに関するものである。
【００１１】
この燃料電池スタックは、第１及び第２電解質・電極構造体間には、前記第１電解質・電極構造体に一方の反応ガスを供給する第１反応ガス流路と、前記第２電解質・電極構造体に他方の反応ガスを供給する第２反応ガス流路とが、電極面方向に沿って交互に設けられるとともに、前記第２反応ガス流路と前記第１電解質・電極構造体との間には、冷却媒体流路が形成されている。
【００１２】
また、中間セパレータは、第１及び第２金属プレートを備え、前記第１金属プレートは、第１電解質・電極構造体から離間して第１反応ガス流路を形成する第１凹部と前記第１電解質・電極構造体側に突出する第１凸部とを交互に設ける一方、前記第２金属プレートは、第２電解質・電極構造体から離間して第２反応ガス流路を形成する第２凹部と前記第２電解質・電極構造体側に突出する第２凸部とを交互に設け、且つ前記第２凹部の裏面側が前記第１金属プレートの前記第１凸部の裏面側に間隙を有して配置されることにより、前記冷却媒体流路が形成されることが好ましい。
【００１３】
さらに、第１金属プレートは、第１凸部が第１電解質・電極構造体に接する一方、第１凹部の裏面が、第２電解質・電極構造体に接する第２金属プレートの第２凸部の裏面に接することが好ましい。
【００１４】
さらにまた、冷却媒体流路は、第１金属プレートの第１電解質・電極構造体に接する第１凸部の冷却媒体接触面積が、第２金属プレートの第２電解質・電極構造体に接する第２凸部の裏面の冷却媒体接触面積とは異なることが好ましい。
【００１５】
また、第１反応ガス流路は、酸化剤ガス流路である一方、第２反応ガス流路は、燃料ガス流路であり、第１電解質・電極構造体に接する第１凸部の冷却媒体接触面積は、第２電解質・電極構造体に接する第２凸部の裏面の冷却媒体接触面積より大きく設定されることが好ましい。
【００１６】
さらに、中間セパレータは、第１金属プレート及び第２金属プレートにシール部材が一体成形されて構成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、第１及び第２電解質・電極構造体間には、前記第１電解質・電極構造体に一方の反応ガスを供給する第１反応ガス流路と、前記第２電解質・電極構造体に他方の反応ガスを供給する第２反応ガス流路とが、電極面方向に沿って交互に設けられるとともに、前記第２反応ガス流路と前記第１電解質・電極構造体との間には、冷却媒体流路が形成されている。
【００１８】
このため、第１反応ガス流路と第２反応ガス流路とが、積層方向に重なり合う構成に比べて、前記積層方向の寸法が良好に短尺化される。これにより、間引き冷却構造と同様に、積層方向の寸法が有効に短尺化され、特に多数の単位セルが積層される燃料電池スタックでは、小型化が容易に図られる。
【００１９】
しかも、第１電解質・電極構造体と第２電解質・電極構造体との間には、冷却媒体流路が形成されている。従って、間引き冷却構造に比べて冷却性能が良好に向上する。これにより、簡単且つ経済的な構成で、互いに隣接する燃料電池ユニット間で、発電中の温度環境を一定に維持し、効率的な発電を確実に行うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】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燃料電池ユニットの要部分解斜視説明図である。
【図２】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。
【図３】前記燃料電池ユニットを構成する中間セパレータの正面説明図である。
【図４】前記燃料電池スタックの、図１中、ＩＶ−ＩＶ線断面説明図である。
【図５】前記燃料電池スタックの、図１中、Ｖ−Ｖ線断面説明図である。
【図６】前記燃料電池スタックの、図１中、ＶＩ−ＶＩ線断面説明図である。
【図７】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燃料電池ユニットの要部分解斜視説明図である。
【図８】前記燃料電池スタックの、図７中、ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面説明図である。
【図９】前記燃料電池ユニットを構成する中間セパレータの正面説明図である。
【図１０】前記燃料電池スタックの、図７中、Ｘ−Ｘ線断面説明図である。
【図１１】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。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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、複数の燃料電池ユニット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。燃料電池ユニット１２は、アノード側セパレータ（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、中間セパレータ１８、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ及びカソード側セパレータ（第２セパレータ）２０を設ける。
【００２２】
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及びカソード側電極２６は、固体高分子電解質膜２２よりも小さな表面積を有する。
【００２３】
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。
【００２４】
図１に示すように、燃料電池ユニット１２の水平方向（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、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３２ｂ、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３４ｂが設けられる。
【００２５】
燃料電池ユニット１２の水平方向（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３４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔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が設けられる。
【００２６】
アノード側セパレータ１４、中間セパレータ（後述するように、２枚の金属プレートからなる）１８及びカソード側セパレータ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。アノード側セパレータ１４、中間セパレータ１８及びカソード側セパレータ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、アノード側セパレータ１４、中間セパレータ１８及びカソード側セパレータ２０は、例えば、カーボンセパレータにより構成してもよい。
【００２７】
アノード側セパレータ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Ｂ方向に延在する第１燃料ガス流路３６が設けられる。第１燃料ガス流路３６は、凹部（流路溝）３６ａと凸部３６ｂとを、矢印Ｃ方向に交互に設けることにより形成される（図２参照）。第１燃料ガス流路３６は、燃料ガス入口連通孔３４ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂと連通する。
【００２８】
アノード側セパレータ１４の面１４ｂには、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとを連通する第１冷却媒体流路３８の一部が形成される。
【００２９】
中間セパレータ１８は、図２に示すように、第１金属プレート４０及び第２金属プレート４２を接合して構成される。第１金属プレート４０は、第１電解質膜・電極構造体１６ａ側に配置される一方、第２金属プレート４２は、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ側に配置され、互いに溶接等によって一体化される。
【００３０】
図２及び図３に示すように、第１金属プレート４０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４４が形成される。第１酸化剤ガス流路４４は、第１電解質膜・電極構造体１６ａから離間する第１凹部（流路溝）４４ａと、前記第１電解質膜・電極構造体１６ａに接する第１凸部４４ｂとを、矢印Ｃ方向に交互に設ける。
【００３１】
第２金属プレート４２は、図１及び図２に示すように、燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス出口連通孔３４ｂとに連通する第２燃料ガス流路４６を設ける。第２燃料ガス流路４６は、第２電解質膜・電極構造体１６ｂから離間する第２凹部（流路溝）４６ａと、前記第２電解質膜・電極構造体１６ｂに接する第２凸部４６ｂとを、矢印Ｃ方向に交互に設ける。
【００３２】
図２に示すように、第２燃料ガス流路４６を構成する第２凹部４６ａは、第１酸化剤ガス流路４４を構成する第１凹部４４ａよりも積層方向（矢印Ａ方向）の深さが小さく設定される。この第２凹部４６ａの裏面側は、第１金属プレート４０の第１凸部４４ｂの裏面側に所定の隙間Ｓを設けて配置される。
【００３３】
第１金属プレート４０の第１凹部４４ａの裏面は、第２電解質膜・電極構造体１６ｂに接する第２金属プレート４２の第２凸部４６ｂの裏面に接触している。第１凸部４４ｂの裏面側と第２凹部４６ａの裏面側との間には、第２冷却媒体流路４８が形成される。
【００３４】
第２冷却媒体流路４８では、第１金属プレート４０の第１電解質膜・電極構造体１６ａに接する第１凸部４４ｂの冷却媒体接触面積（範囲Ｈ２の接触面積）は、第２金属プレート４２の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに接する第２凸部４６ｂの冷却媒体接触面積（範囲Ｈ１×２に対応する接触面積）より大きく設定される。
【００３５】
図１及び図４に示すように、冷却媒体入口連通孔３２ａと第２冷却媒体流路４８の入口側との間には、第１金属プレート４０と第２金属プレート４２とを互いに所定の間隔だけ離間させることにより、入口側連通路５０ａが設けられる。同様に、冷却媒体出口連通孔３２ｂと第２冷却媒体流路４８の出口側との間には、第１金属プレート４０と第２金属プレート４２とを互いに所定の間隔だけ離間させることにより、出口側連通路５０ｂが設けられる（図３参照）。
【００３６】
図１に示すように、カソード側セパレータ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５２が形成される。第２酸化剤ガス流路５２は、凹部（流路溝）５２ａと凸部５２ｂとを、矢印Ｃ方向に交互に設けることにより形成される。
【００３７】
図１及び図２に示すように、アノード側セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、このアノード側セパレータ１４の外周端縁部を周回して第１シール部材５４が一体成形される。図１〜図４に示すように、中間セパレータ１８を構成する第１金属プレート４０及び第２金属プレート４２には、これらの外周端縁部を周回して第２シール部材５６が一体成形される。カソード側セパレータ２０の面２０ａ、２０ｂには、このカソード側セパレータ２０の外周端縁部を周回して第３シール部材５８が一体成形される（図１及び図２参照）。
【００３８】
燃料電池ユニット１２同士が互いに積層されることにより、一方の燃料電池ユニット１２を構成するアノード側セパレータ１４と、他方の燃料電池ユニット１２を構成するカソード側セパレータ２０との間には、矢印Ｂ方向に延在する第１冷却媒体流路３８が形成される（図１及び図２参照）。
【００３９】
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。
【００４０】
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３４ａ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３２ａ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。
【００４１】
このため、酸化剤ガスは、図１及び図５に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから中間セパレータ１８の第１酸化剤ガス流路４４及びカソード側セパレータ２０の第２酸化剤ガス流路５２に導入される。この酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス流路４４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のカソード側電極２６に供給されるとともに、第２酸化剤ガス流路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のカソード側電極２６に供給される。
【００４２】
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３４ａからアノード側セパレータ１４の第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のアノード側電極２４に供給される。同様に、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３４ａから中間セパレータ１８の第２燃料ガス流路４６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のアノード側電極２４に供給される。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂでは、アノード側電極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３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００４６】
一方、冷却媒体入口連通孔３２ａに供給された冷却媒体の一部は、一方の燃料電池ユニット１２を構成するアノード側セパレータ１４と、他方の燃料電池ユニット１２を構成するカソード側セパレータ２０との間に形成された第１冷却媒体流路３８に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。
【００４７】
冷却媒体入口連通孔３２ａに供給された冷却媒体の他の一部は、中間セパレータ１８を構成する第１金属プレート４０と第２金属プレート４２との間に形成された入口側連通路５０ａに導入される。
【００４８】
図４に示すように、入口側連通路５０ａは、中間セパレータ１８内に形成された第２冷却媒体流路４８に連通しており、冷却媒体は、前記第２冷却媒体流路４８に沿って矢印Ｂ方向に流通する。従って、第１及び第２冷却媒体流路３８、４８に沿って移動する冷却媒体により、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂが冷却される。
【００４９】
第１冷却媒体流路３８を流動した冷却媒体は、冷却媒体出口連通孔３２ｂに排出されるとともに、第２冷却媒体流路４８を流動した冷却媒体は、出口側連通路５０ｂを通って前記冷却媒体出口連通孔３２ｂに排出される。
【００５０】
この場合、第１の実施形態では、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂ間には、前記第１電解質膜・電極構造体１６ａに酸化剤ガスを供給する第１酸化剤ガス流路４４と、前記第２電解質膜・電極構造体１６ｂに燃料ガスを供給する第２燃料ガス流路４６とが、電極面方向に沿って交互に設けられるとともに、前記第２燃料ガス流路４６と前記第１電解質膜・電極構造体１６ａとの間には、第２冷却媒体流路４８が形成されている。
【００５１】
このため、各燃料電池ユニット１２間のように、第２酸化剤ガス流路５２と第１燃料ガス流路３６とが積層方向（矢印Ａ方向）に重なり合う構成に比べ、前記積層方向の寸法が良好に短尺化される。
【００５２】
これにより、燃料電池ユニット１２では、所謂、間引き冷却構造と同様に、積層方向の寸法が有効に短尺化される。特に、多数の燃料電池ユニット１２が積層される燃料電池スタック１０では、小型化が容易に図られるという効果が得られる。
【００５３】
しかも、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との間には、第２冷却媒体流路４８が形成されている。従って、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂ間に間引き冷却構造を用いる場合に比べ、冷却性能が有効に向上する。
【００５４】
さらに、第２冷却媒体流路４８では、第１電解質膜・電極構造体１６ａを構成するカソード側電極２６に接する第１凸部４４ｂの冷却媒体接触面積が、第２電解質膜・電極構造体１６ｂを構成するアノード側電極２４に接する第２凸部４６ｂの冷却媒体接触面積よりも大きく設定されている。
【００５５】
ここで、燃料電池スタック１０の発電時に、カソード側電極２６は、アノード側電極２４よりも高温になり易い。従って、第２冷却媒体流路４８において、カソード側電極２６に接する冷却媒体接触面積を、アノード側電極２４に接する冷却媒体接触面積よりも大きく設定することにより、前記カソード側電極２６の冷却が促進される。
【００５６】
これにより、各燃料電池ユニット１２内及び各燃料電池ユニット１２間で、発電中の温度環境を一定に維持することができ、安定的且つ効率的な発電を確実に遂行することが可能になるという効果が得られる。
【００５７】
なお、第１の実施形態では、中間セパレータ１８に設けられる入口側連通路５０ａ及び出口側連通路５０ｂが、隣接する燃料電池ユニット１２の前記入口側連通路５０ａ及び前記出口側連通路５０ｂと積層方向に千鳥状に配置されてもよい。このため、積層方向の寸法の短尺化が一層容易に図られる。
【００５８】
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６０を構成する燃料電池ユニット６２の要部分解斜視説明図である。
【００５９】
なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０及び燃料電池ユニット１２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。
【００６０】
燃料電池ユニット６２は、アノード側セパレータ（第１セパレータ）６４、第１電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）（ＭＥＡ）６６ａ、中間セパレータ（後述するように、２枚のプレートからなる）６８、第２電解質膜・電極構造体６６ｂ及びカソード側セパレータ（第２セパレータ）７０を設ける。
【００６１】
第１及び第２電解質膜・電極構造体６６ａ、６６ｂ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。
【００６２】
燃料電池ユニット６２の長辺方向（矢印Ｃ方向）の上端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ及び燃料ガス入口連通孔３４ａが設けられる。燃料電池ユニット６２の長辺方向下端縁部には、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ、冷却媒体出口連通孔３２ｂ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂが設けられる。
【００６３】
アノード側セパレータ６４は、第１燃料ガス流路３６と燃料ガス入口連通孔３４ａとを連通する第１入口側連通路部７２ａ、及び前記第１燃料ガス流路３６と燃料ガス出口連通孔３４ｂとを連通する第１出口側連通路部７２ｂとを設ける。
【００６４】
図７及び図８に示すように、第１入口側連通路部７２ａは、面１４ｂに設けられて燃料ガス入口連通孔３４ａに連通する複数の連結路７４ａと、前記アノード側セパレータ６４を貫通して前記連結路７４ａ及び第１燃料ガス流路３６に連通する複数の貫通孔７６ａとを有する。
【００６５】
第１出口側連通路部７２ｂは、同様に、面１４ｂに設けられて燃料ガス出口連通孔３４ｂに連通する複数の連結路７４ｂと、アノード側セパレータ６４を貫通して前記連結路７４ｂ及び第１燃料ガス流路３６に連通する複数の貫通孔７６ｂとを有する（図７参照）。
【００６６】
中間セパレータ６８は、第１金属プレート７８と第２金属プレート８０とを接合するとともに、前記第１及び第２金属プレート７８、８０の外周縁部を第２シール部材５６で一体成形して構成される。
【００６７】
中間セパレータ６８は、第２燃料ガス流路４６と燃料ガス入口連通孔３４ａとを連通する第２入口側連通路部８２ａ、及び前記第２燃料ガス流路４６と燃料ガス出口連通孔３４ｂとを連通する第２出口側連通路部８２ｂを設ける。
【００６８】
図９に示すように、第２入口側連通路部８２ａは、第１金属プレート７８に設けられて燃料ガス入口連通孔３４ａに連通する複数の連結路８４ａと、中間セパレータ１８を貫通して前記連結路８４ａ及び第２燃料ガス流路４６に連通する複数の貫通孔８６ａとを有する。
【００６９】
第２出口側連通路部８２ｂは、同様に、第１金属プレート７８に設けられて燃料ガス出口連通孔３４ｂに連通する複数の連結路８４ｂと、中間セパレータ６８を貫通して前記連結路８４ｂ及び第２燃料ガス流路４６に連通する複数の貫通孔８６ｂとを有する。
【００７０】
第１金属プレート７８には、冷却媒体入口連通孔３２ａと第２冷却媒体流路４８とを連通する複数の貫通孔８８ａ、及び冷却媒体出口連通孔３２ｂと前記第２冷却媒体流路４８とを連通する複数の貫通孔８８ｂが設けられる（図９及び図１０参照）。
【００７１】
このように構成される燃料電池スタック６０では、酸化剤ガス入口連通孔３０ａに供給された酸化剤ガスは、中間セパレータ６８の第１酸化剤ガス流路４４及びカソード側セパレータ７０の第２酸化剤ガス流路５２に沿って矢印Ｃ方向（重力方向）に移動する。
【００７２】
一方、燃料ガス入口連通孔３４ａに供給された燃料ガスは、アノード側セパレータ６４の第１入口側連通路部７２ａを構成する連結路７４ａに供給され、貫通孔７６ａを通って面１４ａ側に移動する。このため、燃料ガスは、第１燃料ガス流路３６に沿って（矢印Ｃ方向）に移動する。
【００７３】
また、燃料ガスは、中間セパレータ６８の第２入口側連通路部８２ａを構成する連結路８４ａに供給され、貫通孔８６ａを通って第２金属プレート８０側に移動する。従って、燃料ガスは、第２燃料ガス流路４６に沿って重力方向（矢印Ｃ方向）に移動する。
【００７４】
これにより、第１及び第２電解質膜・電極構造体６６ａ、６６ｂ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。反応に使用された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに沿って排出される。反応に使用された燃料ガスは、第１及び第２出口側連通路部７２ｂ、８２ｂを構成する貫通孔７６ｂ、８６ｂを通って連結路７４ｂ、８４ｂから燃料ガス出口連通孔３４ｂに排出される。
【００７５】
一方、冷却媒体入口連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、各燃料電池ユニット６２間に形成された第１冷却媒体流路３８に沿って矢印Ｃ方向に流通する。また、冷却媒体の一部は、中間セパレータ６８を構成する第１金属プレート７８に形成された貫通孔８８ａを通って第１及び第２金属プレート７８、８０間に形成された第２冷却媒体流路４８に供給される（図９及び図１０参照）。このため、冷却媒体は、第２冷却媒体流路４８に沿って矢印Ｃ方向に流動する。
【００７６】
第１冷却媒体流路３８を流動した冷却媒体は、冷却媒体出口連通孔３２ｂに排出される一方、第２冷却媒体流路４８に沿って流動した冷却媒体は、図９に示すように、第１金属プレート７８に形成された貫通孔８８ｂを通って冷却媒体出口連通孔３２ｂに排出される。
【００７７】
このように、構成される第２の実施形態では、中間セパレータ６８が第１及び第２金属プレート７８、８０を接合して構成されるとともに、前記第１及び第２金属プレート７８、８０内に第２冷却媒体流路４８が形成されており、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００７８】
１０、６０…燃料電池スタック        １２、６２…燃料電池ユニット
１４、６４…アノード側セパレータ
１６ａ、１６ｂ、６６ａ、６６ｂ…電解質膜・電極構造体
２０、７０…カソード側セパレータ    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…冷却媒体入口連通孔          ３２ｂ…冷却媒体出口連通孔
３４ａ…燃料ガス入口連通孔          ３４ｂ…燃料ガス出口連通孔
３６、４６…燃料ガス流路            ３６ａ、４４ａ、４６ａ、５２ａ…凹部
３６ｂ、４４ｂ、４６ｂ、５２ｂ…凸部
３８、４８…冷却媒体流路            ４０、４２…金属プレート
４４、５２…酸化剤ガス流路          ５０ａ…入口側連通路
５０ｂ…出口側連通路                ６８…中間セパレータ
７２ａ、８２ａ…入口側連通路部      ７２ｂ、８２ｂ…出口側連通路部
８８ａ、８８ｂ…貫通孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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