(57)【要約】【課題】簡単な構成で、冷却媒体流路における冷却媒体の流れを調整することができ、発電面内の温度分布を均一化することを可能にする。【解決手段】冷却媒体流路４２と冷却媒体入口連通孔２２ａとは、２つの入口バッファ部４４、６２を介して連通する。入口バッファ部４４、６２の中、少なくとも燃料ガス出口連通孔２４ｂに近接する前記入口バッファ部４４には、冷却媒体の流れを抑制する圧損発生部８０ａが設けられる。この圧損発生部８０ａは、入口バッファ部４４に着脱可能な圧損要素８２ａを備える。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質を一対の電極で挟持した電解質・電極構造体を備え、前記電解質・電極構造体を第１及び第２セパレータで挟持するとともに、積層方向に貫通して反応ガス入口連通孔、反応ガス出口連通孔、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔が形成され、互いに積層される前記第１及び第２セパレータ間には、前記冷却媒体入口連通孔と前記冷却媒体出口連通孔とに連通する冷却媒体流路が形成される燃料電池であって、
前記冷却媒体流路は、前記冷却媒体入口連通孔に少なくとも２つの入口バッファ部を介して連通するとともに、
前記２つの入口バッファ部の中、少なくとも前記反応ガス出口連通孔に近接する入口バッファ部には、前記冷却媒体の流れを抑制する圧損発生部が設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、前記入口バッファ部は、エンボスを有しており、
前記圧損発生部は、前記エンボスに着脱自在な圧損要素を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池において、前記圧損発生部は、少なくとも２種類の大きさの異なる圧損要素を備え、前記入口バッファ部に応じて前記圧損要素の大きさを選択することを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
電解質を一対の電極で挟持した電解質・電極構造体を備え、前記電解質・電極構造体を第１及び第２セパレータで挟持するとともに、積層方向に貫通して反応ガス入口連通孔、反応ガス出口連通孔、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔が形成され、互いに積層される前記第１及び第２セパレータ間には、前記冷却媒体入口連通孔と前記冷却媒体出口連通孔とに連通する冷却媒体流路が形成される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池を積層する燃料電池スタックであって、
前記冷却媒体流路は、前記冷却媒体入口連通孔に少なくとも２つの入口バッファ部を介して連通するとともに、
前記２つの入口バッファ部の中、少なくとも前記反応ガス出口連通孔に近接する入口バッファ部には、前記冷却媒体の流れを抑制する圧損発生部が設けられ、
積層方向端部側の燃料電池の圧損発生部は、積層方向中央部側の燃料電池の圧損発生部よりも大きな寸法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５】
請求項４記載の燃料電池スタックにおいて、前記入口バッファ部は、エンボスを有しており、
前記圧損発生部は、前記エンボスに着脱自在な少なくとも２種類の大きさの異なる圧損要素を備え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、電解質を一組の電極で挟んで構成される電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体とセパレータとを交互に積層する燃料電池及び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固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒と多孔質カーボンからなるアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持することにより構成されている。通常、この燃料電池を所定数だけ積層した燃料電池スタックが使用されている。
【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（反応ガス流路）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（反応ガス流路）とが設けられている。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】
この種のセパレータとしては、通常、カーボン系材料で構成されるカーボンセパレータや、金属プレートで構成される金属セパレータが用いられている。この場合、特に金属セパレータでは、プレス加工によって反応ガス流路の流路形状が設定されると、前記反応ガス流路の裏面側には、必然的に流路形状が決定された冷却媒体流路が形成されることになる。
【０００５】
このため、例えば、反応ガス流路をサーペンタイン流路で構成すると、冷却媒体流路の流路形状が著しく制限されてしまい、電極面を均一に冷却して安定した発電性能を得ることが困難になるという問題がある。
【０００６】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池では、冷却媒体流路が冷却媒体入口連通孔に入口連結流路を介して連通する２以上の入口バッファ部と、冷却媒体出口連通孔に出口連結流路を介して連通する２以上の出口バッファ部とを設けている。そして、第１及び第２の入口バッファ部を冷却媒体入口連通孔に連通する第１及び第２の入口連結流路は、それぞれの流路本数が異なる一方、第１及び第２の出口バッファ部を冷却媒体出口連通孔に連通する第１及び第２の出口連結流路は、それぞれの流路本数が異なるように設定されている。
【０００７】
これにより、冷却媒体は、冷却媒体流路内で圧力を打ち消し合うことがなく、所望の流速及び所望の流れ状態を確保することができ、セパレータ面内を均一に流れることが可能になる。このため、電極面全体を均一に冷却し、安定した発電性能を得ることができる。
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−１７１８２４号公報（図４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、燃料電池内において、反応ガス流路の入口側では、高濃度の酸化剤ガスや燃料ガス（以下、反応ガスともいう）が供給されるため、反応が集中して発生し易く、発熱量が大きくなる一方、前記反応ガス流路の出口側では、反応ガス濃度の低下によって発電能力が低くなり、凝縮水が発生し易い。
【００１０】
このため、反応ガス流路の上流側では、電解質膜・電極構造体が高温となって、電気抵抗の増加が発生し易くなるとともに、前記反応ガス流路の下流側では、凝縮水が滞留して排水処理が確実に行われないという問題がある。
【００１１】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、冷却媒体流路における冷却媒体の流れを調整することができ、発電面内の温度分布を均一化することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【００１２】
また、本発明は、複数の燃料電池が積層されたスタックにおいて、簡単な構成で、積層方向端部側の燃料電池と積層方向中央部側の燃料電池とで冷却媒体の流量を良好に調整することが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、電解質を一対の電極で挟持した電解質・電極構造体を備え、前記電解質・電極構造体を第１及び第２セパレータで挟持するとともに、積層方向に貫通して反応ガス入口連通孔、反応ガス出口連通孔、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔が形成され、互いに積層される前記第１及び第２セパレータ間には、前記冷却媒体入口連通孔と前記冷却媒体出口連通孔とに連通する冷却媒体流路が形成される燃料電池である。
【００１４】
冷却媒体流路は、冷却媒体入口連通孔に少なくとも２つの入口バッファ部を介して連通するとともに、前記２つの入口バッファ部の中、少なくとも反応ガス出口連通孔に近接する入口バッファ部には、冷却媒体の流れを抑制する圧損発生部が設けられている。
【００１５】
また、入口バッファ部は、エンボスを有しており、圧損発生部は、前記エンボスに着脱自在な圧損要素を備えることが好ましい。さらに、圧損発生部は、少なくとも２種類の大きさの異なる圧損要素を備え、入口バッファ部に応じて前記圧損要素の大きさを選択することが好ましい。
【００１６】
さらにまた、本発明に係る燃料電池スタックでは、冷却媒体流路が、冷却媒体入口連通孔に少なくとも２つの入口バッファ部を介して連通するとともに、前記２つの入口バッファ部の中、少なくとも反応ガス出口連通孔に近接する入口バッファ部には、冷却媒体の流れを抑制する圧損発生部が設けられ、積層方向端部側の燃料電池の圧損発生部は、積層方向中央部側の燃料電池の圧損発生部よりも大きな寸法に設定されている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る燃料電池では、反応ガス出口連通孔に近接する入口バッファ部は、圧損発生部を介して冷却媒体の流れが抑制される。このため、反応ガス流路では、発電能力が低下し易い、すなわち、凝縮水が発生し易い下流側（反応ガス出口連通孔の近傍）の温度が上昇して反応ガスが温められるため、前記反応ガス流路中の凝縮水等が水蒸気化して前記反応ガス中に取り込まれる。これにより、反応ガス流路に凝縮水が滞留することを抑制し、良好な排水処理が確実に遂行可能になる。
【００１８】
一方、他の入口バッファ部は、反応ガス入口連通孔に近接しており、前記他の入口バッファ部では、冷却媒体の流量が増加する。従って、反応ガス流路では、反応が集中し易い上流側（反応ガス入口連通孔の近傍）に供給される冷却媒体が増量され、前記上流側を効果的に冷却することができる。このため、電解質が高温になることを阻止し、安定した発電が遂行可能になる。
【００１９】
また、本発明に係る燃料電池スタックでは、積層方向端部側の燃料電池の圧損発生部は、積層方向中央部側の燃料電池の圧損発生部よりも大きな寸法に設定されている。ここで、積層方向端部側の燃料電池は、放熱等によって積層方向中央部側の燃料電池よりも低温になり易い。
【００２０】
その際、本発明では、圧損発生部の大きさを選択するだけで、積層方向端部側の燃料電池に供給される冷却媒体の流量を、積層方向中央部側の燃料電池に供給される冷却媒体の流量よりも少なく設定することができる。これにより、積層方向端部側の燃料電池は、結露による濃度過電圧の増加や触媒活性の低下等を阻止することが可能になり、燃料電池スタック全体として効率的な発電が行われる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の要部分解斜視図であり、図２は、前記燃料電池１０を積層した燃料電池スタック１１の一部断面説明図である。
【００２２】
燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１２とセパレータ１３とを交互に積層して構成されるとともに、このセパレータ１３は、互いに積層される第１及び第２金属プレート（第１及び第２セパレータ）１４、１６を備える。
【００２３】
図１に示すように、燃料電池１０の矢印Ｂ方向の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス（反応ガス）、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（反応ガス入口連通孔）２０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２２ａ、及び燃料ガス（反応ガス）、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（反応ガス出口連通孔）２４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２４】
燃料電池１０の矢印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（反応ガス入口連通孔）２４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２２ｂ、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（反応ガス出口連通孔）２０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２５】
図１及び図２に示すように、電解質膜・電極構造体１２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（電解質）２６と、該固体高分子電解質膜２６を挟持するアノード側電極２８及びカソード側電極３０とを備える。アノード側電極２８は、カソード側電極３０よりも小さな表面積に設定されるとともに、前記カソード側電極３０は、固体高分子電解質膜２６の全面を覆って設けられる（所謂、段差ＭＥＡ）。
【００２６】
アノード側電極２８及びカソード側電極３０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を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成された電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２６の両面に形成されている。
【００２７】
図１及び図３に示すように、第１金属プレート１４の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、酸化剤ガス流路３２が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路３２は、酸化剤ガス入口連通孔２０ａと酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとに連通する。酸化剤ガス流路３２は、酸化剤ガス入口連通孔２０ａに近接して設けられる略直角三角形状の入口バッファ部３４と、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに近接して設けられる略直角三角形状の出口バッファ部３６とを備える。
【００２８】
入口バッファ部３４と出口バッファ部３６とは、複数のエンボス３４ａ、３６ａを有しており、酸化剤ガス流路３２を構成する複数の酸化剤ガス流路溝３２ａを介して連通している。酸化剤ガス流路３２は、第１金属プレート１４の面１４ａ内に偶数回、例えば、２回の折り返し部位を有するサーペンタイン流路を構成する。
【００２９】
第１金属プレート１４の面１４ａには、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂ及び酸化剤ガス流路３２を周回して酸化剤ガスのシールを行う平面状シール４０ａが設けられる。
【００３０】
第１金属プレート１４と第２金属プレート１６との互いに対向する面１４ｂ、１６ｂ間には、後述する冷却媒体流路４２が一体的に形成される。図４に示すように、第１金属プレート１４の面１４ｂには、面１４ａ側に形成される酸化剤ガス流路３２の裏側形状として、冷却媒体流路４２の一部である流路部４２ａがサーペンタイン形状に形成される。
【００３１】
面１４ｂには、冷却媒体入口連通孔２２ａに、例えば、２本の入口連絡流路４３を介して連通する略直角三角形状の入口バッファ部４４と、冷却媒体出口連通孔２２ｂに、例えば、２本の出口連絡流路４８を介して連通する略直角三角形状の出口バッファ部５０とが設けられる。入口バッファ部４４及び出口バッファ部５０は、複数のエンボス４４ａ、５０ａを有する。
【００３２】
第１金属プレート１４の面１４ｂには、冷却媒体入口連通孔２２ａ、冷却媒体出口連通孔２２ｂ及び冷却媒体流路４２を周回して冷却媒体のシールを行う平面状シール４０ｂが設けられる。平面状シール４０ａ、４０ｂは、第１金属プレート１４の外周端部を覆って一体的に設けられる第１シール部材４０を構成している（図２参照）。
【００３３】
図５に示すように、第２金属プレート１６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、燃料ガス流路５２が設けられる。燃料ガス流路５２は、燃料ガス入口連通孔２４ａに近接して設けられる略直角三角形状の入口バッファ部５４と、燃料ガス出口連通孔２４ｂに近接して設けられる略直角三角形状の出口バッファ部５６とを備える。
【００３４】
入口バッファ部５４及び出口バッファ部５６は、複数のエンボス５４ａ、５６ａを有し、互いに略対称形状に構成されるとともに、前記入口バッファ部５４及び前記出口バッファ部５６の近傍には、複数の燃料ガス入口孔部５８ａ及び燃料ガス出口孔部５８ｂが形成される。
【００３５】
入口バッファ部５４と出口バッファ部５６とは、燃料ガス流路５２を構成する複数の燃料ガス流路溝５２ａを介して連通している。燃料ガス流路５２は、第２金属セパレータ１６の面１６ｂ内に偶数回、例えば、２回の折り返し部位を有するサーペンタイン流路を構成する。
【００３６】
図６に示すように、第２金属プレート１６の面１６ｂには、面１６ａに形成される燃料ガス流路５２の裏側形状として、冷却媒体流路４２の一部である流路部４２ｂがサーペンタイン形状に形成される。面１６ｂには、冷却媒体入口連通孔２２ａに、例えば、４本の入口連絡流路６０を介して連通する略直角三角形状の入口バッファ部６２と、冷却媒体出口連通孔２２ｂに、例えば、４本の出口連絡流路６４を介して連通する略直角三角形状の出口バッファ部６６とが設けられる。入口バッファ部６２及び出口バッファ部６６は、複数のエンボス６２ａ、６６ａを有する。
【００３７】
図７に示すように、冷却媒体流路４２は、第１金属プレート１４と第２金属プレート１６とが積層される際、酸化剤ガス流路３２の裏側と燃料ガス流路５２の裏側とが重なり合って一体的に形成される。
【００３８】
図５に示すように、第２金属プレート１６の外周端部を覆って第２シール部材７０が一体成形される。第２シール部材７０は、面１６ａに設けられる外側線状シール７２と、この外側線状シール７２から内方に所定の距離だけ離間する内側線状シール７４とを有する。
【００３９】
外側線状シール７２は、電解質膜・電極構造体１２の外周を周回しており、図２に示すように、第１金属プレート１４に設けられている平面状シール４０ａに重合する。内側線状シール７４は、アノード側電極２８を周回して固体高分子電解質膜２６の外周縁部に接して燃料ガス流路５２を閉塞する（図２参照）。
【００４０】
第２シール部材７０は、図６に示すように、面１６ｂに設けられる線状シール７６と、この線状シール７６の内側に所定の距離だけ離間して設けられる裏受け用凸状部７８とを有する。線状シール７６は、冷却媒体流路４２を覆って冷却媒体をシールする冷媒シールを構成する。一方、凸状部７８は、面１６ａに設けられた内側線状シール７４と積層方向に重なり合う位置に設けられ、前記内側線状シール７４の積層方向のシール圧を受ける裏受けとして機能する。
【００４１】
図７に示すように、冷却媒体入口連通孔２２ａには、２つの入口バッファ部４４、６２が連通するとともに、少なくとも燃料ガス出口連通孔２４ｂに近接する入口バッファ部４４には、冷却媒体の流れを抑制する圧損発生部８０ａが設けられる。この圧損発生部８０ａは、エンボス４４ａに着脱自在な圧損要素８２ａを備える。
【００４２】
圧損要素８２ａは、入口バッファ部４４の形状に対応して略直角三角形状を有するとともに、エンボス４４ａに対応するエンボス８４ａを設ける。圧損要素８２ａは、入口バッファ部４４に装着されてそれぞれのエンボス４４ａ、８４ａが重なり合う。これにより、圧損要素８２ａの面方向に沿って冷却媒体の流れが阻止され、入口バッファ部４４の開口面積が実質的に減少される。
【００４３】
入口バッファ部６２には、必要に応じて圧損発生部８０ｂが設けられる。この圧損発生部８０ｂは、略直角三角形状の圧損要素８２ｂを備え、前記圧損要素８２ｂには、入口バッファ部６２のエンボス６２ａに対応するエンボス８４ｂが形成される。圧損要素８２ｂは、圧損要素８２ａよりも小さな寸法に設定される。なお、入口バッファ部６２は、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ側に供給される冷却媒体の流量を所望の流量に維持し得る開口断面積を有することが必要であり、圧損要素８２ｂの寸法は、この要請に対応して設定される。従って、圧損要素８２ｂを用いない場合もある。
【００４４】
冷却媒体出口連通孔２２ｂには、２つの出口バッファ部５０、６６が連通しており、この出口バッファ部５０、６６には、必要に応じて同様の圧損発生部８０ｃ、８０ｄが設けられる。圧損発生部８０ｃ、８０ｄは、略直角三角形状の圧損要素８２ｃ、８２ｄを備えるとともに、前記圧損要素８２ｃ、８２ｄには、エンボス５０ａ、６６ａに対応してエンボス８４ｃ、８４ｄが形成される。
【００４５】
このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００４６】
図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ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２２ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。
【００４７】
酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２０ａから第１金属プレート１４の酸化剤ガス流路３２に導入される。酸化剤ガス流路３２では、酸化剤ガスが一旦入口バッファ部３４に導入された後、複数の酸化剤ガス流路溝３２ａに分散される。このため、酸化剤ガスは、各酸化剤ガス流路溝３８を介して蛇行しながら、電解質膜・電極構造体１２のカソード側電極３０に沿って移動する。
【００４８】
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２４ａから第２金属プレート１６の燃料ガス入口孔部５８ａを通って燃料ガス流路５２に導入される。この燃料ガス流路５２では、図５に示すように、燃料ガスが一旦入口バッファ部５４に導入された後、複数の燃料ガス流路溝５２ａに分散される。さらに、燃料ガスは、各燃料ガス流路溝５２ａを介して蛇行し、電解質膜・電極構造体１２のアノード側電極２８に沿って移動する。
【００４９】
従って、電解質膜・電極構造体１２では、カソード側電極３０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２８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、発電が行われる。
【００５０】
次いで、カソード側電極３０に供給されて消費された酸化剤ガスは、出口バッファ部３６から酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに排出される（図１参照）。同様に、アノード側電極２８に供給されて消費された燃料ガスは、出口バッファ部５６から燃料ガス出口孔部５８ｂを通って燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される（図５参照）。
【００５１】
一方、冷却媒体入口連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２金属プレート１４、１６間に形成された冷却媒体流路４２に導入される。この冷却媒体流路４２では、図７に示すように、冷却媒体入口連通孔２２ａから矢印Ｃ方向に延在する入口連絡流路４３、６０を介して入口バッファ部４４、６２に冷却媒体が一旦導入される。
【００５２】
入口バッファ部４４、６２に導入された冷却媒体は、複数の流路部４２ａ、４２ｂに分散されて水平方向（矢印Ｂ方向）及び鉛直方向（矢印Ｃ方向）に移動する。従って、冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２の電極面全面にわたって供給された後、出口バッファ部５０、６６に一旦導入され、さらに出口連絡流路４８、６４を介して冷却媒体出口連通孔２２ｂに排出される。
【００５３】
この場合、第１の実施形態では、図７に示すように、冷却媒体入口連通孔２２ａに連通する２つの入口バッファ部４４、６２の中、少なくとも燃料ガス出口連通孔２４ｂに近接する前記入口バッファ部４４は、圧損発生部８０ａを介して冷却媒体の流れが抑制される。
【００５４】
このため、冷却媒体入口連通孔２２ａから入口バッファ部４４を介して冷却媒体流路４２に供給される冷却媒体の流量が減少する。その際、燃料ガス流路５２及び酸化剤ガス流路３２では、それぞれ下流側の発電能力が低下し易く、凝縮水が発生するおそれがある。
【００５５】
そこで、燃料ガス流路５２及び酸化剤ガス流路３２の下流側に対応して冷却媒体の流量が減少されることにより、前記下流側の温度が上昇し、燃料ガス及び酸化剤ガスが温められて燃料ガス流路５２及び酸化剤ガス流路３２中の凝縮水が水蒸気化し、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガス中に取り込まれる。これにより、燃料ガス流路５２及び酸化剤ガス流路３２に凝縮水が滞留することを抑制し、良好な排水処理が確実に遂行可能になるという効果が得られる。
【００５６】
一方、他の入口バッファ部６２は、酸化剤ガス入口連通孔２０ａに近接しており、酸化剤ガス流路３２の入口側に対応して冷却媒体流路４２に供給される冷却媒体の流量が増加する。従って、酸化剤ガス流路３２及び燃料ガス流路５２では、反応が集中し易い上流側に冷却媒体が増量され、前記上流側を効果的に冷却することができる。このため、電解質膜・電極構造体１２が高温になることを阻止し、安定した発電が遂行可能になる。
【００５７】
また、入口バッファ部６２及び出口バッファ部５０、６６には、必要に応じて圧損発生部８０ｂ〜８０ｄが設けられている。これにより、冷却媒体流路４２内における冷却媒体の流量の調整が良好に行われ、発電面全面の電流密度分布を均一化することが可能になる。
【００５８】
しかも、圧損発生部８０ａ〜８０ｄを構成する圧損要素８２ａ〜８２ｄは、それぞれエンボス４４ａ、６２ａ、５０ａ及び６６ａに着脱自在である。従って、圧損要素８２ａ〜８２ｄの寸法を設定するだけで、種々の燃料電池１０に適用することができ、汎用性に優れるという利点がある。
【００５９】
図８は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック１００の概略斜視図である。
【００６０】
燃料電池スタック１００は、積層方向中央側に所定数の燃料電池１０が積層された第１積層体１０２ａを設けるとともに、この第１積層体１０２ａの両側には、同様に所定数の燃料電池１０が積層された第２積層体１０２ｂが積層される。さらに、第２積層体１０２ｂの両側には、所定数の燃料電池１０が積層された第３積層体１０２ｃが積層される。
【００６１】
積層方向両端の第３積層体１０２ｃには、ターミナルプレート１０４ａ、１０４ｂ、インシュレータプレート１０６ａ、１０６ｂ及びエンドプレート１０８ａ、１０８ｂが積層され、これらが図示しないタイロッド等によって一体的に締め付け保持される。
【００６２】
第１積層体１０２ａに配置される燃料電池１０は、冷却媒体入口連通孔２２ａに連通して燃料ガス出口連通孔２４ｂに近接する入口バッファ部（図７中、入口バッファ部４４参照）に圧損発生部１１０ａが設けられる。同様に、第２及び第３積層体１０２ｂ、１０２ｃを構成するそれぞれの燃料電池１０には、図示しない入口バッファ部に圧損発生部１１０ｂ、１１０ｃが設けられる。
【００６３】
圧損発生部１１０ａ〜１１０ｃは、それぞれ着脱自在で且つ大きさの異なる圧損要素１１２ａ〜１１２ｃを備える。圧損要素１１２ａが最小寸法に設定される一方、圧損要素１１２ｃが最大寸法に設定されており、前記圧損要素１１２ａ〜１１２ｃには、エンボス１１４ａ〜１１４ｃが設けられる。
【００６４】
このように構成される燃料電池スタック１００では、第１〜第３積層体１０２ａ〜１０２ｃにそれぞれ大きさの異なる圧損要素１１２ａ〜１１２ｃが設けられており、図９に示すように、前記第１〜第３積層体１０２ａ〜１０２ｃにおける冷却媒体流量が変更される。
【００６５】
このため、特に燃料電池スタック１００の積層方向端部に設けられる第３積層体１０２ｃでは、放熱によって低温になり易いが、この第３積層体１０２ｃに供給される冷却媒体の流量は、中央部側の第１積層体１０２ａ及びこの第１積層体１０２ａの両側の第２積層体１０２ｂに供給される冷却媒体の流量よりも小さく設定することができる。
【００６６】
これにより、第３積層体１０２ｃを構成する燃料電池１０は、結露による濃度過電圧の増加や触媒活性の低下等を阻止することが可能になり、燃料電池スタック１００全体として効率的な発電が行われるという効果が得られる。しかも、第１〜第３積層体１０２ａ〜１０２ｃでは、同一の燃料電池１０を用いることができ、汎用性に優れるとともに、経済的であるという利点が得られる。
【００６７】
なお、図７に示すように、他の入口バッファ部６２及び出口バッファ部５０、６６においても同様に、第１〜第３積層体１０２ａ〜１０２ｃに対してそれぞれ大きさの異なる圧損要素（図示せず）を設けることにより、燃料電池スタック１００の積層方向に対する冷却媒体の供給流量を調整してもよい。
【００６８】
また、第１及び第２の実施形態では、冷却媒体流路４２は、それぞれ矢印Ｂ方向に一往復半するサーペンタイン流路の酸化剤ガス流路３２及び燃料ガス流路５２の裏面側が重なり合って一体的に設けられているが、これに限定されるものではない。例えば、酸化剤ガス流路３２及び燃料ガス流路５２は、略Ｕ字状流路であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。
【図２】前記燃料電池が積層された燃料電池スタックの一部断面説明図である。
【図３】第１金属プレートの一方の面の説明図である。
【図４】前記第１金属プレートの他方の面の説明図である。
【図５】第２金属プレートの一方の面の説明図である。
【図６】前記第２金属プレートの他方の面の説明図である。
【図７】金属セパレータ内に形成される冷却媒体流路の斜視説明図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視図である。
【図９】前記燃料電池スタックの積層方向に対する冷却媒体の供給量の説明図である。
【符号の説明】
【００７０】
１０…燃料電池                  １１、１００…燃料電池スタック
１２…電解質膜・電極構造体      １３…セパレータ
１４、１６…金属プレート        １４ａ、１４ｂ、１６ａ、１６ｂ…面
２０ａ…酸化剤ガス入口連通孔    ２０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２２ａ…冷却媒体入口連通孔      ２２ｂ…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…固体高分子電解質膜        ２８…アノード側電極
３０…カソード側電極            ３２…酸化剤ガス流路
３４、４４、５４、６２…入口バッファ部
３４ａ、３６ａ、４４ａ、５０ａ、５４ａ、５６ａ、６２ａ、６６ａ、８４ａ〜８４ｄ、１１４ａ〜１１４ｃ…エンボス
３６、５０、５６、６６…出口バッファ部
４２…冷却媒体流路              ５２…燃料ガス流路
８０ａ〜８０ｄ、１１０ａ〜１１０ｃ…圧損発生部
８２ａ〜８２ｄ、１１２ａ〜１１２ｃ…圧損要素
１０２ａ〜１０２ｃ…積層体
【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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