(57)【要約】【課題】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を可能にする。【解決手段】燃料電池スタック１０では、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に供給される前記酸化剤ガスの流量で除した酸化剤ガス流量比Ｇ２とは、１＜Ｇ１＜Ｇ２の関係に設定される。【選択図】図１
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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とは、１＜Ｇ１＜Ｇ２の関係に設定されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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及びその運転方法に関する。
【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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【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】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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及びその運転方法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】
【００１１】
本発明に係る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。
【００１２】
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。
【００１３】
この燃料電池スタックでは、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とは、１＜Ｇ１＜Ｇ２の関係に設定されている。
【００１４】
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。
【発明の効果】
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【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発電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。
【図４】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。
【図５】前記第２セパレータの他方の面の説明図である。
【図６】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。
【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発電ユニットの要部分解斜視説明図である。
【図８】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。
【図９】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】
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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）。
【００４５】
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）。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【符号の説明】
【００８０】
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
【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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