(57)【要約】【課題】隣接して同一の反応ガスを流通させる各反応ガス流路の圧力損失を均一に調整することができ、良好な発電性能を確保することを可能にする。【解決手段】燃料電池モジュール１０は、発電ユニット１２を備える。燃料ガス入口連通孔２４ａと第１燃料ガス流路３４の入口とは、第１入口側連結流路５８により連通する。燃料ガス入口連通孔２４ａと第２燃料ガス流路４２の入口とは、第２入口側連結流路６０により連通する。第２燃料ガス流路４２の入口に連通する第２入口側連結流路６０には、圧損調整部材６６が設けられる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側に一対の電極が設けられる複数の電解質膜・電極構造体と、複数のセパレータとを備え、前記セパレータと前記電解質膜・電極構造体とが交互に積層され、且つ、積層方向両端に前記セパレータが配置される燃料電池モジュールであって、
一方の反応ガスを各電解質膜・電極構造体の一方の電極に沿って流通させる複数の第１反応ガス流路と、
他方の反応ガスを各電解質膜・電極構造体の他方の電極に沿って流通させる複数の第２反応ガス流路と、
を有し、各燃料電池モジュール間にのみ冷却媒体を流通させる冷却媒体流路が形成されるとともに、
少なくとも１つの前記第１反応ガス流路の入口に連通する入口側連結流路又は出口に連通する出口側連結流路のいずれか一方に、前記一方の反応ガスの圧損を調整する圧損調整部材が設けられることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池モジュールにおいて、少なくとも１つの前記第１反応ガス流路の前記入口側連結流路にのみ前記圧損調整部材が設けられることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池モジュールにおいて、前記セパレータには、積層方向に貫通して前記一方の反応ガスを流通させる反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔が設けられ、
前記入口側連結流路又は前記出口側連結流路は、前記反応ガス入口連通孔又は前記反応ガス出口連通孔に連通し、前記セパレータの面方向に延在する第１通路部と、
前記第１通路部に連通し、前記セパレータを貫通する貫通孔部と、
前記貫通孔部に連通し、前記セパレータの面方向に延在して前記第１反応ガス流路に連通する第２通路部と、
を有するとともに、
一方の前記入口側連結流路又は一方の前記出口側連結流路の前記貫通孔部と、他方の前記入口側連結流路又は他方の前記出口側連結流路の前記貫通孔部とは、積層方向に対してそれぞれの位置がオフセットして配置され、
いずれかの前記第１通路部には、前記圧損調整部材が設けられることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池モジュールにおいて、前記圧損調整部材は、前記貫通孔部に対向するセパレータ面に設けられることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項５】
請求項３又は４記載の燃料電池モジュールにおいて、前記圧損調整部材は、前記セパレータ面にシール部材と一体に設けられることを特徴とする燃料電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜の両側に一対の電極が設けられる複数の電解質膜・電極構造体と、複数のセパレータとを備え、前記セパレータと前記電解質膜・電極構造体とが交互に積層され、且つ、積層方向両端に前記セパレータが配置される燃料電池モジュールに関する。
【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固体高分子電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した発電セル（単位セル）を備えている。燃料電池では、通常、数十〜数百の発電セルが積層されて、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
燃料電池では、積層されている各発電セルのアノード電極及びカソード電極に、それぞれ反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するため、所謂、内部マニホールドを構成する場合が多い。
【０００４】
内部マニホールドは、発電セルの積層方向に貫通して設けられる反応ガス連通孔（燃料ガス連通孔及び酸化剤ガス連通孔）及び冷却媒体連通孔を備えている。反応ガス連通孔は、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路（燃料ガス流路、酸化剤ガス流路）に連通する一方、冷却媒体連通孔は、セパレータ間に電極面方向に沿って冷却媒体を供給する冷却媒体流路に連通している。
【０００５】
この場合、２以上の複数の発電セル毎に冷却媒体流路を形成することにより、前記複数の発電セル毎に冷却を行う、所謂、間引き冷却構造が採用されている。セパレータ数を削減することができるとともに、構成が簡素化し、燃料電池スタック全体の小型化及び簡素化を図ることが可能になるからである。
【０００６】
この種の間引き冷却構造の燃料電池スタックとして、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池が知られている。図１４に示すように、燃料電池１は、複数の燃料電池セル２を積層して構成されている。燃料電池セル２は、電極構造体３ａ、３ｂを複数のセパレータ４ａ、４ｂ及び４ｃ間に交互に挟持して構成されている。セパレータ４ａ、４ｂ間及びセパレータ４ｂ、４ｃ間には、シール部材５ａ、５ｂが配置されて燃料ガス流路６と酸化剤ガス流路（図示せず）とを密封状態に遮断している。
【０００７】
セパレータ４ａ、４ｂ間には、燃料ガス供給口７に連通する連結通路８ａが形成されるとともに、セパレータ４ｃ、４ａ間には、前記燃料ガス供給口７に連通する連結通路８ｂが設けられている。セパレータ４ｂ、４ａには、それぞれ積層方向に対して互いにオフセットした位置に貫通路９ａ、９ｂが形成されている。連結通路８ａは、貫通路９ａを通って一方の燃料ガス流路６に連通するとともに、連結通路８ｂは、貫通路９ｂを通って他方の燃料ガス流路６に連通している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−１９７２２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、上記の燃料電池１では、貫通路９ａ、９ｂが積層方向に対して互いにオフセットしているため、燃料ガス供給口７から各貫通路９ａ、９ｂまでの連結通路８ａ、８ｂの通路長さが異なっている。すなわち、連結通路８ａは、連結通路８ｂよりも通路長さが短尺になっている。一方、貫通路９ａ、９ｂから各発電部までの通路長さも異なっている。特に、この間は、通路断面積が他の部位に比べて小さく、圧損が高くなっている。このため、通路長さが異なることにより、貫通路９ａ側の圧損が相当に高くなってしまう。これにより、電極構造体３ｂに供給される燃料ガスの流量が相対的に少なくなり、発電性能が低下するという問題がある。
【００１０】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、隣接して同一の反応ガスを流通させる各反応ガス流路の圧力損失を均一に調整することができ、良好な発電性能を確保することが可能な燃料電池モジュール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】
本発明は、電解質膜の両側に一対の電極が設けられる複数の電解質膜・電極構造体と、複数のセパレータとを備え、前記セパレータと前記電解質膜・電極構造体とが交互に積層され、且つ、積層方向両端に前記セパレータが配置される燃料電池モジュールに関するものである。
【００１２】
この燃料電池モジュールでは、一方の反応ガスを各電解質膜・電極構造体の一方の電極に沿って流通させる複数の第１反応ガス流路と、他方の反応ガスを各電解質膜・電極構造体の他方の電極に沿って流通させる複数の第２反応ガス流路と、を有し、各燃料電池モジュール間にのみ冷却媒体を流通させる冷却媒体流路が形成されている。
【００１３】
そして、少なくとも１つの第１反応ガス流路の入口に連通する入口側連結流路又は出口に連通する出口側連結流路のいずれか一方に、一方の反応ガスの圧損を調整する圧損調整部材が設けられている。
【００１４】
また、この燃料電池モジュールでは、少なくとも１つの第１反応ガス流路の入口側連結流路にのみ圧損調整部材が設けられることが好ましい。
【００１５】
さらに、この燃料電池モジュールでは、セパレータには、積層方向に貫通して一方の反応ガスを流通させる反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔が設けられ、入口側連結流路又は出口側連結流路は、前記反応ガス入口連通孔又は前記反応ガス出口連通孔に連通し、前記セパレータの面方向に延在する第１通路部と、前記第１通路部に連通し、前記セパレータを貫通する貫通孔部と、前記貫通孔部に連通し、前記セパレータの面方向に延在して前記第１反応ガス流路に連通する第２通路部と、を有するとともに、一方の前記入口側連結流路又は一方の前記出口側連結流路の前記貫通孔部と、他方の前記入口側連結流路又は他方の前記出口側連結流路の前記貫通孔部とは、積層方向に対してそれぞれの位置がオフセットして配置され、いずれかの前記第１通路部には、圧損調整部材が設けられることが好ましい。
【００１６】
さらにまた、この燃料電池モジュールでは、貫通孔部に対向するセパレータ面に圧損調整部材が設けられることが好ましい。
【００１７】
また、この燃料電池モジュールでは、圧損調整部材は、セパレータ面にシール部材と一体に設けられることが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、少なくとも１つの第１反応ガス流路の入口又は出口の圧損が調整されている。このため、少なくとも１つの第１反応ガス流路における圧損は、他の第１反応ガス流路における圧損と均一化することができ、複数の前記第１反応ガス流路に供給される反応ガスの流量が同等に調整される。従って、隣接して同一の反応ガスを流通させる各第１反応ガス流路の圧力損失を均一に調整することができ、良好な発電性能を確保することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池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】前記発電ユニットの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。
【図３】前記発電ユニットの、図１中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面説明図である。
【図４】前記発電ユニットを構成する第１金属セパレータの正面説明図である。
【図５】前記発電ユニットを構成する第２金属セパレータの一方の面の説明図である。
【図６】前記第２金属セパレータの他方の面の説明図である。
【図７】前記発電ユニットを構成する第３金属セパレータの一方の面の説明図である。
【図８】前記第３金属セパレータの他方の面の説明図である。
【図９】前記発電ユニットを構成する第１燃料ガス流路の第１入口側連結流路及び第２燃料ガス流路の第２入口側連結流路の寸法を示す断面説明図である。
【図１０】前記第１入口側連結流路及び前記第２入口側連結流路の通路高さと通路長さとの関係説明図である。
【図１１】前記第１燃料ガス流路と前記第２燃料ガス流路の圧損の説明図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池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１３】前記発電ユニットの、図１２中、ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線断面説明図である。
【図１４】特許文献１に開示されている燃料電池の断面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１〜図３に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池モジュール１０は、発電ユニット１２を備え、複数の前記発電ユニット１２が水平方向（矢印Ａ方向）又は鉛直方向（矢印Ｃ方向）に沿って互いに積層される。発電ユニット１２は、第１金属セパレータ１４、第１電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１６ａ、第２金属セパレータ１８、第２電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１６ｂ及び第３金属セパレータ２０を設ける。
【００２１】
なお、第１の実施形態では、燃料電池モジュール１０は、２枚のＭＥＡと３枚のセパレータとを備えているが、これに限定されるものではない。燃料電池モジュール１０は、例えば、３枚のＭＥＡと４枚のセパレータ、又は、４枚のＭＥＡと５枚のセパレータとを備えていてもよい。
【００２２】
第１金属セパレータ１４、第２金属セパレータ１８及び第３金属セパレータ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横長形状の金属板により構成される。第１金属セパレータ１４、第２金属セパレータ１８及び第３金属セパレータ２０は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。なお、第１金属セパレータ１４、第２金属セパレータ１８及び第３金属セパレータ２０は、例えば、カーボンセパレータにより構成することができる。
【００２３】
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、具体的には、第１金属セパレータ１４、第２金属セパレータ１８及び第３金属セパレータ２０の長辺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２２ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２３ａ、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２４ｂが設けられる。
【００２４】
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２４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２３ｂ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２２ｂが設けられる。
【００２５】
図４に示すように、第１金属セパレータ１４の第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１４ａには、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとに連通する第１酸化剤ガス流路（第２反応ガス流路）２６が形成される。
【００２６】
第１酸化剤ガス流路２６は、矢印Ｂ方向に延在する複数の直線状流路溝部（波状流路溝部でもよい）２６ａを有するとともに、前記第１酸化剤ガス流路２６の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ酸化剤ガス入口バッファ部２８ａ及び酸化剤ガス出口バッファ部２８ｂが設けられる。酸化剤ガス入口バッファ部２８ａ及び酸化剤ガス出口バッファ部２８ｂは、それぞれ複数のエンボスにより構成しているが、例えば、複数本の流路溝により構成してもよい。なお、以下に説明する各バッファ部でも、同様である。
【００２７】
酸化剤ガス入口バッファ部２８ａと酸化剤ガス入口連通孔２２ａとの間には、ブリッジ部を構成する複数本の入口連結溝３０ａが形成される一方、酸化剤ガス出口バッファ部２８ｂと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとの間には、ブリッジ部を構成する複数本の出口連結溝３０ｂが形成される。入口連結溝３０ａ及び出口連結溝３０ｂには、蓋部材３１ａ、３１ｂが配設される。
【００２８】
図１に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ｂには、冷却媒体入口連通孔２３ａと冷却媒体出口連通孔２３ｂとを連通する冷却媒体流路３２の一部が形成される。冷却媒体流路３２の一部は、直線状流路溝部２６ａの裏面形状であり、矢印Ｂ方向に延在する複数の直線状流路溝部３２ａを有する。冷却媒体流路３２の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ冷却媒体入口バッファ部３３ａ及び冷却媒体出口バッファ部３３ｂが設けられる。冷却媒体入口バッファ部３３ａ及び冷却媒体出口バッファ部３３ｂは、酸化剤ガス入口バッファ部２８ａ及び酸化剤ガス出口バッファ部２８ｂの裏面形状である。
【００２９】
図５に示すように、第２金属セパレータ１８の第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１８ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとを連通する第１燃料ガス流路（第１反応ガス流路）３４が形成される。第１燃料ガス流路３４は、矢印Ｂ方向に延在する複数の直線状流路溝部（波状流路溝部でもよい）３４ａを有する。
【００３０】
第１燃料ガス流路３４の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ燃料ガス入口バッファ部３５ａ及び燃料ガス出口バッファ部３５ｂが設けられる。燃料ガス入口連通孔２４ａの近傍には、複数の供給孔部（貫通孔部）３６ａが形成されるとともに、燃料ガス出口連通孔２４ｂの近傍には、複数の排出孔部（貫通孔部）３６ｂが形成される。
【００３１】
図６に示すように、第２金属セパレータ１８の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面１８ｂには、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとを連通する第２酸化剤ガス流路（第２反応ガス流路）３８が形成される。第２酸化剤ガス流路３８は、矢印Ｂ方向に延在する複数の直線状流路溝部（波状流路溝部でもよい）３８ａを有する。
【００３２】
第２酸化剤ガス流路３８の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ酸化剤ガス入口バッファ部３９ａ及び酸化剤ガス出口バッファ部３９ｂが設けられる。酸化剤ガス入口バッファ部３９ａ及び酸化剤ガス出口バッファ部３９ｂは、燃料ガス出口バッファ部３５ｂ及び燃料ガス入口バッファ部３５ａの裏面形状である。
【００３３】
酸化剤ガス入口バッファ部３９ａと酸化剤ガス入口連通孔２２ａとの間には、ブリッジ部を構成する複数本の入口連結溝４０ａが形成される一方、酸化剤ガス出口バッファ部３９ｂと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとの間には、ブリッジ部を構成する複数本の出口連結溝４０ｂが形成される。入口連結溝４０ａ及び出口連結溝４０ｂには、蓋部材４１ａ、４１ｂが配設される。
【００３４】
図７に示すように、第３金属セパレータ２０の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面２０ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂに連通する第２燃料ガス流路（第１反応ガス流路）４２が形成される。第２燃料ガス流路４２は、矢印Ｂ方向に延在する複数の直線状流路溝部（波状流路溝部でもよい）４２ａを有する。第２燃料ガス流路４２の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ燃料ガス入口バッファ部４３ａ及び燃料ガス出口バッファ部４３ｂが設けられる。
【００３５】
燃料ガス入口連通孔２４ａの近傍には、複数の供給孔部（貫通孔部）４４ａが形成されるとともに、燃料ガス出口連通孔２４ｂの近傍には、複数の排出孔部（貫通孔部）４４ｂが形成される。図２に示すように、供給孔部４４ａは、第２金属セパレータ１８の供給孔部３６ａよりも内側（燃料ガス流路側）に配置される一方、図３に示すように、排出孔部４４ｂは、前記第２金属セパレータ１８の排出孔部３６ｂよりも内側（燃料ガス流路側）に配置される。
【００３６】
図８に示すように、第３金属セパレータ２０の面２０ｂには、第２燃料ガス流路４２の裏面形状である冷却媒体流路３２の一部が形成される。冷却媒体流路３２の一部は、直線状流路溝部４２ａの裏面形状であり、矢印Ｂ方向に延在する複数の直線状流路溝部３２ｂを有する。
【００３７】
冷却媒体流路３２の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ冷却媒体入口バッファ部４５ａ及び冷却媒体出口バッファ部４５ｂが設けられる。冷却媒体出口バッファ部４５ｂ及び冷却媒体入口バッファ部４５ａは、燃料ガス入口バッファ部４３ａ及び燃料ガス出口バッファ部４３ｂの裏面形状である。
【００３８】
図１に示すように、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金属セパレータ１４と、他方の発電ユニット１２を構成する第３金属セパレータ２０との間には、冷却媒体流路３２が形成される。
【００３９】
第１金属セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１金属セパレータ１４の外周端縁部を周回して第１シール部材４６が一体成形される。第２金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、この第２金属セパレータ１８の外周端縁部を周回して第２シール部材４８が一体成形されるとともに、第３金属セパレータ２０の面２０ａ、２０ｂには、この第３金属セパレータ２０の外周端縁部を周回して第３シール部材５０が一体成形される。
【００４０】
第１シール部材４６、第２シール部材４８及び第３シール部材５０としては、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール材が用いられる。
【００４１】
図４に示すように、第１シール部材４６は、第１金属セパレータ１４の面１４ａにおいて、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと第１酸化剤ガス流路２６との外周を連通する第１凸状シール部４６ａを有する。
【００４２】
図５に示すように、第２シール部材４８は、第２金属セパレータ１８の面１８ａにおいて、供給孔部３６ａ及び排出孔部３６ｂと第１燃料ガス流路３４とを囲繞してこれらを連通させる第１凸状シール部４８ａを有する。
【００４３】
図６に示すように、第２シール部材４８は、面１８ｂにおいて、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと第２酸化剤ガス流路３８との外周を連通する第２凸状シール部４８ｂを有する。
【００４４】
図７に示すように、第３シール部材５０は、第３金属セパレータ２０の面２０ａにおいて、供給孔部４４ａ及び排出孔部４４ｂと第２燃料ガス流路４２とを囲繞してこれらを連通する第１凸状シール部５０ａを有する。
【００４５】
図８に示すように、第３シール部材５０は、第３金属セパレータ２０の面２０ｂにおいて、冷却媒体入口連通孔２３ａ及び冷却媒体出口連通孔２３ｂと冷却媒体流路３２との外周を連通する第２凸状シール部５０ｂを有する。
【００４６】
図２に示すように、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５２と、前記固体高分子電解質膜５２を挟持するカソード電極５４及びアノード電極５６とを備える。固体高分子電解質膜５２は、カソード電極５４及びアノード電極５６の平面寸法（表面積）よりも大きな平面寸法（表面積）を有する。第１電解質膜・電極構造体１６ａは、第２電解質膜・電極構造体１６ｂよりも大きな平面寸法に設定される。
【００４７】
カソード電極５４及びアノード電極５６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層５４ａ、５６ａ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５４ａ、５６ａの表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層５４ｂ、５６ｂとを有する。電極触媒層５４ｂ、５６ｂは、固体高分子電解質膜５２の両面に形成される。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、それぞれの発電領域が同一の領域内に設定される（図１参照）。
【００４８】
図２に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａと第１燃料ガス流路３４の入口とは、第１入口側連結流路５８により連通する。燃料ガス入口連通孔２４ａと第２燃料ガス流路４２の入口とは、第２入口側連結流路６０により連通する。図３に示すように、燃料ガス出口連通孔２４ｂと第１燃料ガス流路３４の出口とは、第１出口側連結流路６２により連通する。燃料ガス出口連通孔２４ｂと第２燃料ガス流路４２の出口とは、第２出口側連結流路６４により連通する。
【００４９】
図２に示すように、第１入口側連結流路５８は、燃料ガス入口連通孔２４ａに連通し、第２金属セパレータ１８と第３金属セパレータ２０との間でセパレータ面方向（矢印Ｂ方向）に延在する第１通路部５８ａと、前記第１通路部５８ａに連通する供給孔部３６ａと、前記供給孔部３６ａに連通し、前記第２金属セパレータ１８と第１電解質膜・電極構造体１６ａとの間でセパレータ面方向に延在して前記第１燃料ガス流路３４に連通する第２通路部５８ｂとを有する。
【００５０】
第２入口側連結流路６０は、燃料ガス入口連通孔２４ａに連通し、第３金属セパレータ２０と隣接する発電ユニット１２の第１金属セパレータ１４との間でセパレータ面方向に延在する第１通路部６０ａと、前記第１通路部６０ａに連通する供給孔部４４ａと、前記供給孔部４４ａに連通し、前記第３金属セパレータ２０と第２電解質膜・電極構造体１６ｂとの間でセパレータ面方向に延在して前記第２燃料ガス流路４２に連通する第２通路部６０ｂとを有する。
【００５１】
第１の実施形態では、第２燃料ガス流路４２の入口に連通する第２入口側連結流路６０に、燃料ガスの圧損を調整する圧損調整部材６６を備える。圧損調整部材６６は、第１通路部６０ａに供給孔部４４ａに対向するセパレータ面、すなわち、第１金属セパレータ１４の面１４ｂに第１シール部材４６と一体に設けられる。圧損調整部材６６は、燃料ガス入口連通孔２４ａの近傍から供給孔部４４ａの上方を覆う位置まで延在している。なお、圧損調整部材６６は、第１シール部材４６とは異なる材質で構成してもよい。
【００５２】
図３に示すように、第１出口側連結流路６２は、燃料ガス出口連通孔２４ｂに連通し、第２金属セパレータ１８と第３金属セパレータ２０との間でセパレータ面方向（矢印Ｂ方向）に延在する第１通路部６２ａと、前記第１通路部６２ａに連通する排出孔部３６ｂと、前記排出孔部３６ｂに連通し、前記第２金属セパレータ１８と第１電解質膜・電極構造体１６ａとの間でセパレータ面方向に延在して前記第１燃料ガス流路３４に連通する第２通路部６２ｂとを有する。
【００５３】
第２出口側連結流路６４は、燃料ガス出口連通孔２４ｂに連通し、第３金属セパレータ２０と隣接する発電ユニット１２の第１金属セパレータ１４との間でセパレータ面方向に延在する第１通路部６４ａと、前記第１通路部６４ａに連通する排出孔部４４ｂと、前記排出孔部４４ｂに連通し、前記第３金属セパレータ２０と第２電解質膜・電極構造体１６ｂとの間でセパレータ面方向に延在して前記第２燃料ガス流路４２に連通する第２通路部６４ｂとを有する。
【００５４】
このように構成される燃料電池モジュール１０の動作について、以下に説明する。
【００５５】
先ず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ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２４ａ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２３ａ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。
【００５６】
このため、酸化剤ガスは、図４に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２２ａから入口連結溝３０ａ及び酸化剤ガス入口バッファ部２８ａを通って第１金属セパレータ１４の第１酸化剤ガス流路２６に供給される。また、酸化剤ガスは、図６に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２２ａから入口連結溝４０ａ及び酸化剤ガス入口バッファ部３９ａを通って第２金属セパレータ１８の第２酸化剤ガス流路３８に導入される。
【００５７】
酸化剤ガスは、図１、図４及び図６に示すように、第１酸化剤ガス流路２６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５４に供給されるとともに、第２酸化剤ガス流路３８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５４に供給される。
【００５８】
一方、燃料ガスは、図２及び図５に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａから第２金属セパレータ１８の供給孔部３６ａを通って燃料ガス入口バッファ部３５ａに供給される。燃料ガスは、燃料ガス入口バッファ部３５ａを通って第２金属セパレータ１８の第１燃料ガス流路３４に供給される。
【００５９】
燃料ガスは、図２及び図７に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａから第３金属セパレータ２０の供給孔部４４ａを通って燃料ガス入口バッファ部４３ａに供給される。燃料ガスは、燃料ガス入口バッファ部４３ａを通って第３金属セパレータ２０の第２燃料ガス流路４２に供給される。
【００６０】
燃料ガスは、図１、図５及び図７に示すように、第１燃料ガス流路３４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５６に供給されるとともに、第２燃料ガス流路４２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のアノード電極５６に供給される。
【００６１】
従って、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では、各カソード電極５４に供給される酸化剤ガスと、各アノード電極５６に供給される燃料ガスとが、電極触媒層５４ｂ、５６ｂ内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。
【００６２】
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５４に供給されて消費された酸化剤ガスは、図４及び図６に示すように、酸化剤ガス出口バッファ部２８ｂ、３９ｂから酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに排出される。
【００６３】
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のアノード電極５６に供給されて消費された燃料ガスは、図５及び図７に示すように、燃料ガス出口バッファ部３５ｂ、４３ｂに導入される。燃料ガスは、図３に示すように、排出孔部３６ｂ、４４ｂを通って燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される。
【００６４】
一方、左右一対の冷却媒体入口連通孔２３ａに供給された冷却媒体は、図１に示すように、冷却媒体流路３２に導入される。冷却媒体は、矢印Ｂ方向に移動して第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を冷却する。この冷却媒体は、冷却媒体出口連通孔２３ｂに排出される。
【００６５】
この場合、図９に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａと第１燃料ガス流路３４の入口（発電部端部）とを連通する第１入口側連結流路５８は、通路長さＬ１を有する第１通路部５８ａ、供給孔部３６ａ及び通路長さＬ２を有する第２通路部５８ｂを設けている。ここで、通路長さＬ１＋通路長さＬ２＝全通路長さＬ０となる。
【００６６】
一方、燃料ガス入口連通孔２４ａと第２燃料ガス流路４２の入口（発電部端部）とを連通する第２入口側連結流路６０は、通路長さＬ３を有する第１通路部６０ａ、供給孔部４４ａ及び通路長さＬ４を有する第２通路部６０ｂを設けている。ここで、通路長さＬ３＋通路長さＬ４＝全通路長さＬ０となる。
【００６７】
そして、供給孔部３６ａと供給孔部４４ａとは、積層方向（矢印Ａ方向）に対して矢印Ｂ方向にオフセットしている。このため、通路長さＬ１＜通路長さＬ３及び通路長さＬ４＜通路長さＬ２の関係に設定されている。従って、特に第２通路部５８ｂ、６０ｂでは、断面積が小さいため、前記第２通路部５８ｂの圧損は、前記第２通路部６０ｂの圧損よりも高くなる。
【００６８】
そこで、第１の実施形態では、第１通路部６０ａに燃料ガスの圧損を調整する圧損調整部材６６が設けられている。すなわち、第１通路部５８ａの通路高さａに対して、第１通路部６０ａの通路高さｂを小さく設定している（通路高さａ＞通路高さｂ）。第２通路部５８ｂ、６０ｂは、それぞれ小さな通路高さｃに設定されている。各通路高さａ、ｂ及びｃは、図１０に示す関係を有している。
【００６９】
これにより、第１通路部６０ａの断面積は、第１通路部５８ａの断面積よりも小さく設定され、前記第１通路部６０ａの圧損は、前記第１通路部５８ａの圧損よりも大きく調整される。このため、図１１に示すように、第１燃料ガス流路３４全体の圧損は、第２燃料ガス流路４２全体の圧損と同等に調整されている。
【００７０】
従って、第１燃料ガス流路３４における圧損は、第２燃料ガス流路４２における圧損と均一化することができ、前記第１燃料ガス流路３４及び前記第２燃料ガス流路４２に供給される燃料ガスの流量が同等に調整される。これにより、隣接して同一の燃料ガスを流通させる第１燃料ガス流路３４及び第２燃料ガス流路４２の圧力損失を均一に調整することができ、良好な発電性能を確保することが可能になるという効果が得られる。
【００７１】
さらに、第１の実施形態では、圧損調整部材６６は、第１通路部６０ａに供給孔部４４ａに対向して第１金属セパレータ１４の面１４ｂに設けられている。このため、第１通路部６０ａ内に段差が形成されることがなく、燃料ガスを前記第１通路部６０ａに沿って円滑に流通させることができる。
【００７２】
しかも、圧損調整部材６６は、第１シール部材４６と一体に設けられている。従って、圧損調整部材６６の製造作業が有効に簡素化される。また、圧損調整部材６６を設けることにより、燃料ガス入口連通孔２４ａから第１通路部６０ａに水が導入されることを抑制することが可能になる。
【００７３】
さらに、第１出口側連結流路６２及び第２出口側連結流路６４には、圧損調整部材６６が設けられていない。これにより、排出水による圧損調整部材６６の膨潤、劣化又は剥離による通路閉塞を有効に回避することができる。
【００７４】
なお、第１の実施形態では、第２入口側連結流路６０に、燃料ガスの圧損を調整する圧損調整部材６６を備えているが、必要に応じて、前記第２入口側連結流路６０に代えて第２出口側連結流路６４に前記圧損調整部材６６を設けてもよい。
【００７５】
図１２は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池モジュール８０を構成する発電ユニット８２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モジュール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。
【００７６】
燃料電池モジュール８０は、複数の発電ユニット８２を積層して構成される。発電ユニット８２では、第３金属セパレータ２０の面２０ｂに、第２燃料ガス流路４２の入口と燃料ガス入口連通孔２４ａとの間に位置して圧損調整部材８４が設けられる。
【００７７】
図１３に示すように、圧損調整部材８４は、第２燃料ガス流路４２の入口に連通する第２入口側連結流路６０に配設される。この圧損調整部材８４は、例えば、第３シール部材５０と一体に設けられるが、前記第３シール部材５０とは異なる材料で形成されてもよい。
【００７８】
このように構成される第２の実施形態では、第２燃料ガス流路４２の入口に連通する第２入口側連結流路６０の第１通路部６０ａに、燃料ガスの圧損を調整する圧損調整部材８４が設けられている。このため、第１通路部６０ａの圧損は、第１通路部５８ａの圧損よりも大きく調整され、第１燃料ガス流路３４及び第２燃料ガス流路４２の圧力損失を均一に調整することができ、良好な発電性能を確保する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。
【００７９】
なお、第１及び第２の実施形態では、第２燃料ガス流路４２の入口に連通する第２入口側連結流路６０の第１通路部６０ａに、圧損調整部材６６、８４が設けられている。これに代えて、又は、これに加えて、第１酸化剤ガス流路２６又は第２酸化剤ガス流路３８のいずれか一方の入口又は出口の圧損を調整するために、圧損調整部材（図示せず）を設けてもよい。
【００８０】
また、第１酸化剤ガス流路２６及び第２酸化剤ガス流路３８では、第１燃料ガス流路３４及び第２燃料ガス流路４２に設けられている供給孔部３６ａ、４４ａと排出孔部３６ｂ、４４ｂとを設ける構成を採用することができる。その際、第１酸化剤ガス流路２６又は第２酸化剤ガス流路３８の入口に、圧損調整部材６６又は圧損調整部材８４を配設することが可能である。
【符号の説明】
【００８１】
１０、８０…燃料電池モジュール    １２、８２…発電ユニット
１４、１８、２０…金属セパレータ
１６ａ、１６ｂ…電解質膜・電極構造体
２２ａ…酸化剤ガス入口連通孔      ２２ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２３ａ…冷却媒体入口連通孔        ２３ｂ…冷却媒体出口連通孔
２４ａ…燃料ガス入口連通孔        ２４ｂ…燃料ガス出口連通孔
２６、３８…酸化剤ガス流路        ３２…冷却媒体流路
３４、４２…燃料ガス流路          ３６ａ、４４ａ…供給孔部
３６ｂ、４４ｂ…排出孔部          ４６、４８、５０…シール部材
５２…固体高分子電解質膜          ５４…カソード電極
５６…アノード電極                ５８、６０…入口側連結流路
５８ａ、５８ｂ、６０ａ、６０ｂ…通路部
６２、６４…出口側連結流路        ６６、８４…圧損調整部材
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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