(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される接合体を有する単位セルを備え、複数個の前記単位セルを重ね合わせてセルアセンブリを一体的に構成する燃料電池スタックであって、
前記セルアセンブリ内では、複数個の前記単位セルに燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方の反応ガスを電極面に沿って流す反応ガス流路が、中間反応ガス流路を介して少なくとも２つの単位セルにわたって直列的に連通するとともに、
前記各単位セルの積層方向に一体的に連通して未反応の反応ガスを供給する連通路が設けられ、前記連通路の一部により前記中間反応ガス流路が構成されて該中間反応ガス流路から流れ方向下流側の前記反応ガス流路に前記未反応の反応ガスを供給す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、前記セルアセンブリ内には、前記単位セル積層方向に貫通して反応ガス入口通路、反応ガス出口通路および前記中間反応ガス流路が形成されるとともに、
前記中間反応ガス流路には、流れ方向上流側の前記反応ガス流路から供給される反応ガスよりも低加湿の追加反応ガスが前記未反応の反応ガスとして供給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１または２記載の燃料電池スタックにおいて、前記セルアセンブリ内には、前段の単位セルと、前記前段の単位セルよりも多数でかつ前記反応ガス流路が並列的に連なる後段の単位セルとが積層され、
前記前段の単位セルと前記後段の単位セルとは、前記反応ガス流路から前記反応ガス流路に直列的に連なることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項４】
固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される接合体を有する単位セルが、複数個重ね合わされてセルアセンブリを構成するとともに、前記セルアセンブリ内では、複数個の前記単位セルに燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方の反応ガスを電極面に沿って流す反応ガス流路が、中間反応ガス流路を介して少なくとも２つの単位セルにわたって直列的に連通する燃料電池スタックに対し、前記反応ガスを供給するための燃料電池スタックの反応ガス供給方法であって、
流れ方向上流側の単位セルの反応ガス流路に前記反応ガスを供給し、前記反応ガスが前記反応ガス流路を流れて反応に供与された後、前記中間反応ガス流路から流れ方向下流側の単位セルに導入されてさらに反応に供与されるとともに、
前記各単位セルの積層方向に一体的に連通する連通路に未反応の反応ガスが供給されることにより、前記連通路の一部により構成される前記中間反応ガス流路から流れ方向下流側の前記反応ガス流路に前記未反応の反応ガスが供給されることを特徴とする燃料電池スタックの反応ガス供給方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される接合体を有する単位セルを備え、複数個の前記単位セルを重ね合わせてセルアセンブリを一体的に構成する燃料電池スタックおよびその反応ガス供給方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜（固体高分子電解質膜）を採用している。この電解質膜の両側に、それぞれ触媒電極と多孔質カーボンからなるアノード側電極およびカソード側電極を対設して構成される接合体（電解質膜・電極接合体）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る単位セル（単位発電セル）を備え、この単位セルを所定数だけ積層して燃料電池スタックとして使用している。
【０００３】
この種の燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、触媒電極上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、上記の燃料電池スタックでは、電解質膜が乾燥すると、高出力密度運転を維持することができなくなるため、前記電解質膜を適切に加湿する必要がある。一方、特にカソード側電極では、電気化学反応の結果発生した生成水を良好に排水することができないと、結露等によってセル電圧が低下するという不具合がある。
【０００５】
そこで、例えば、特開平１１−３１２５３１号公報に開示されているように、固体高分子電解質膜を挟んで両側に、アノード側電極とカソード側電極とが介装されたセパレータを備えた単位電池を積み重ねて構成した電池スタックをシリーズに接続し、これらシリーズに接続した電池スタックにシリーズに反応ガスを供給してなる燃料電池装置において、前記シリーズに接続した電池スタックの運転温度を前記反応ガスの流れ方向に、順次、相対的に高温化するとともに、前記反応ガスを最初に流す電池スタックの運転温度に対応して予め加湿して供給する燃料電池装置が知られている。
【０００６】
この従来技術では、電池スタックのそれぞれの運転温度を、反応ガスの流れ方向に沿って、順次、高く設定するため、低温運転用電池スタック内で生成される凝縮水が多くなっても、中温運転用電池スタックまたは高温運転用電池スタックで蒸発させることができ、酸化剤ガスの反応を良好に行わせることが可能になる、としている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では、各電池スタックの運転温度を反応ガスの流れ方向に沿って、例えば、５０℃、６０℃および６５℃に設定しなければならない。これにより、この種の温度制御が煩雑なものになるとともに、構成が複雑化するという問題が指摘されている。
【０００８】
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、各単位セルの発電性能を有効に向上させるとともに、加湿量および反応ガス流路の圧損の低減を図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。
【０００９】
また、本発明は、各単位セルを有効に発電させるとともに、排水性等の向上を図ることが可能な燃料電池スタックの反応ガス供給方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池スタックでは、複数個の単位セルに燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方の反応ガスを流す反応ガス流路が、中間反応ガス流路を介して各単位セルにわたって直列的に連通するとともに、前記各単位セルに一体的に連通し、前記中間反応ガス流路に未反応の反応ガスを供給する連通路が設けられている。
【００１１】
そこで、流れ方向上流側の単位セルの反応ガス流路に反応ガスが供給されると、前記反応ガスが前記反応ガス流路を流れて反応に供与された後、前記中間反応ガス流路から流れ方向下流側の単位セルに導入されてさらに反応に供与されるとともに、前記中間反応ガス流路には、各単位セルに一体的に連通する連通路から未反応の反応ガスが供給される。
【００１２】
このため、上流側の単位セルで生成された生成水を利用して連通路から供給される未反応の反応ガスを加湿することが可能になり、下流側の単位セルに加湿された未反応の反応ガスを確実に供給することができる。これにより、燃料電池スタック全体の加湿水量が有効に低減されて加湿構造の小型化を図ることが可能になるとともに、反応ガス流路の圧損を有効に低減することができる。しかも、中間反応ガス流路の湿度を下げることが可能になり、この中間反応ガス流路での結露を確実に阻止することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、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固体高分子型セルアセンブリ１０の要部分解斜視図であり、図２は、複数組の前記セルアセンブリ１０が重ね合わされて（積層されて）構成される燃料電池スタック１２の概略斜視図である。
【００１４】
図１に示すように、セルアセンブリ１０は、第１単位セル１４と第２単位セル１６とを重ね合わせて構成されており、前記第１および第２単位セル１４、１６は、第１および第２接合体１８、２０を備える。
【００１５】
第１および第２接合体１８、２０は、固体高分子電解質膜２２ａ、２２ｂと、前記電解質膜２２ａ、２２ｂを挟んで配設されるカソード側電極２４ａ、２４ｂおよびアノード側電極２６ａ、２６ｂとを有する。カソード側電極２４ａ、２４ｂおよびアノード側電極２６ａ、２６ｂは、それぞれ触媒電極と多孔質カーボンから構成されている。
【００１６】
図１および図３に示すように、第１接合体１８のカソード側電極２４ａ側に第１セパレータ２８が配設され、第２接合体２０のアノード側電極２６ｂ側に第２セパレータ３０が配設されるとともに、前記第１および第２接合体１８、２０間に中間セパレータ３２が配設される。第１および第２セパレータ２８、３０の外側の面側には、薄板状の壁板（隔壁部材）３４が設けられる。第１および第２セパレータ２８、３０並びに中間セパレータ３２としては、例えば、緻密質のカーボン製セパレータが使用可能である。
【００１７】
図１に示すように、第１および第２接合体１８、２０、第１および第２セパレータ２８、３０、並びに中間セパレータ３２の長辺側の一端縁部には、第１および第２単位セル１４、１６の重ね合わせ方向（矢印Ａ方向）に互いに連通して、空気等の酸素含有ガスである酸化剤ガス（反応ガス）を通過させるための酸化剤ガス入口３６ａと、酸化剤ガス出口３６ｂと、ガス流れ方向上流側の第１単位セル１４で反応に供与されて排出された水素含有ガス等の燃料ガス（反応ガス）をガス流れ方向下流側の第２単位セル１６に導入させるとともに、外部より未反応ガスを供給するための燃料ガス連通路３８とが設けられる。
【００１８】
第１および第２接合体１８、２０、第１および第２セパレータ２８、３０、並びに中間セパレータ３２の長辺側の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、ガス流れ方向上流側の第１単位セル１４で反応に供与され排出された酸化剤ガスをガス流れ方向下流側の第２単位セル１６に導入させるとともに、外部より未反応の酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス連通路４０と、燃料ガスを通過させるための燃料ガス入口４２ａと、燃料ガス出口４２ｂと、冷却媒体を通過させるための冷却媒体入口４４ａと、冷却媒体出口４４ｂとが設けられる。
【００１９】
第１セパレータ２８は、金属薄板で構成されるとともに、第１接合体１８の反応面（発電面）に対応する部位が凹凸形状、例えば、波形状に設定される。図３および図４に示すように、第１セパレータ２８は、第１接合体１８のカソード側電極２４ａに対向する側に複数本の酸化剤ガス流路（反応ガス流路）４６を設けるとともに、前記酸化剤ガス流路４６は、長辺方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在してそれぞれの両端が酸化剤ガス入口３６ａと酸化剤ガス連通路４０とに連通する。
【００２０】
図１および図３に示すように、第１セパレータ２８は、壁板３４の一方の面に対向する側に複数本の冷却媒体流路４８を設ける。冷却媒体流路４８は、長辺方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在しており、一端が冷却媒体入口４４ａに連通するとともに、他端側が壁板３４に形成された、あるいは、別部材に形成された中間折り返し部である孔部５０を介して前記壁板３４の他方の面側から冷却媒体出口４４ｂに連通する。
【００２１】
第２セパレータ３０は、上記の第１セパレータ２８と略同様に構成されており、第２接合体２０のアノード側電極２６ｂに対向する側に複数本の燃料ガス流路（反応ガス流路）５２を設けるとともに、前記燃料ガス流路５２は、長辺方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在してそれぞれの両端が燃料ガス連通路３８と燃料ガス出口４２ｂとに連通する。第２セパレータ３０は、壁板３４に対向する側に複数本の冷却媒体流路５４を設ける（図３参照）。冷却媒体流路５４は、長辺方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在しており、終端が冷却媒体出口４４ｂに連通する。
【００２２】
中間セパレータ３２は、上記の第１および第２セパレータ２８、３０と略同様に構成されており、第１接合体１８のアノード側電極２６ａに対向する側に複数本の燃料ガス流路（反応ガス流路）５６を設けるとともに、前記燃料ガス流路５６は、長辺方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在してそれぞれの両端が燃料ガス入口４２ａと燃料ガス連通路３８とに連通する。
【００２３】
図３に示すように、中間セパレータ３２は、第２接合体２０のカソード側電極２４ｂに対向する側に複数本の酸化剤ガス流路（反応ガス流路）５８を設けるとともに、前記酸化剤ガス流路５８は、長辺方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在してそれぞれの両端が酸化剤ガス連通路４０と酸化剤ガス出口３６ｂとに連通する。
【００２４】
第１の実施形態では、第１および第２単位セル１４、１６に直列的に設けられる酸化剤ガス流路４６、５８と、燃料ガス流路５６、５２とは、それぞれの流路断面積が異なっている。図３に示すように、出口側の酸化剤ガス流路５８および燃料ガス流路５２は、入口側の酸化剤ガス流路４６および燃料ガス流路５６よりも小さな流路断面積に設定されている。なお、上記それぞれの流路断面積を同一に設定してもよい。
【００２５】
図５に示すように、第１単位セル１４に設けられた酸化剤ガス流路４６と、第２単位セル１６に設けられた酸化剤ガス流路５８とは、第１接合体１８および中間セパレータ３２の酸化剤ガス連通路４０を繋ぐ中間酸化剤ガス流路（中間反応ガス流路）５７を介して前記第１および第２単位セル１４、１６にわたって直列的に連通する。
【００２６】
第１単位セル１４に設けられた燃料ガス流路５６と、第２単位セル１６に設けられた燃料ガス流路５２とは、中間セパレータ３２および第２接合体２０に設けられた燃料ガス連通路３８を繋ぐ中間燃料ガス流路（中間反応ガス流路）５９を介して前記第１および第２単位セル１４、１６にわたって直列的に連通する。
【００２７】
このように構成されるセルアセンブリ１０は、図示しない固定手段を介して一体的に保持された状態で、図２に示すように、所定の組数だけ矢印Ａ方向に重ね合わされる。セルアセンブリ１０の矢印Ａ方向両端には、集電用電極６０ａ、６０ｂを介してエンドプレート６２ａ、６２ｂが配置され、前記エンドプレート６２ａ、６２ｂが図示しないタイロッド等によって一体的に締め付けられることにより、燃料電池スタック１２が構成される。
【００２８】
エンドプレート６２ａの長辺側の一端縁部には、酸化剤ガス入口３６ａ、酸化剤ガス出口３６ｂおよび燃料ガス連通路３８に連通する酸化剤ガス供給口６４ａ、酸化剤ガス排出口６４ｂおよび中間燃料ガス供給口６５が形成される。エンドプレート６２ａの長辺側の他端縁部には、燃料ガス入口４２ａ、燃料ガス出口４２ｂ、冷却媒体入口４４ａ、冷却媒体出口４４ｂおよび酸化剤ガス連通路４０に連通する燃料ガス供給口６６ａ、燃料ガス排出口６６ｂ、冷却媒体供給口６８ａ、冷却媒体排出口６８ｂおよび中間酸化剤ガス供給口７０が形成される。
【００２９】
このように構成される燃料電池スタック１２の動作について、以下に説明する。
【００３０】
燃料電池スタック１２内には、燃料ガス供給口６６ａから水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給口６４ａから空気等の酸素含有ガスである酸化剤ガスが供給され、さらに冷却媒体供給口６８ａから純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体が供給される。このため、燃料電池スタック１２では、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数組のセルアセンブリ１０に対し、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体が、順次、供給される。
【００３１】
図５に示すように、矢印Ａ方向に連通している酸化剤ガス入口３６ａに供給された酸化剤ガスは、第１セパレータ２８に設けられている複数本の酸化剤ガス流路４６に導入され、第１接合体１８を構成するカソード側電極２４ａに沿って移動する。一方、燃料ガス入口４２ａに供給された燃料ガスは、中間セパレータ３２に設けられている複数本の燃料ガス流路５６に導入され、第１接合体１８を構成するアノード側電極２６ａに沿って移動する。従って、第１接合体１８では、カソード側電極２４ａに供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２６ａに供給される燃料ガスとが、触媒電極内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００３２】
第１接合体１８に一部が消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４６から酸化剤ガス連通路４０に導入され、この酸化剤ガス連通路４０により構成される中間酸化剤ガス流路５７に沿って矢印Ａ方向に移動した後、中間セパレータ３２に設けられている酸化剤ガス流路５８に導入される。この酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路５８を介して第２接合体２０を構成するカソード側電極２４ｂに沿って移動する。
【００３３】
同様に、第１接合体１８を構成するアノード側電極２６ａで一部が消費された燃料ガスは、燃料ガス連通路３８に導入された後、中間燃料ガス流路５９を介して矢印Ａ方向に移動し、第２セパレータ３０に設けられている燃料ガス流路５２に導入され、第２接合体２０を構成するアノード側電極２６ｂに沿って移動する。このため、第２接合体２０では、酸化剤ガスおよび燃料ガスが触媒電極内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。酸素が消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口３６ｂに排出されるとともに、水素が消費された燃料ガスは、燃料ガス出口４２ｂに排出される。
【００３４】
一方、冷却媒体入口４４ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ２８に設けられている冷却媒体流路４８に沿って移動した後、壁板３４に形成された孔部５０で折り返し、第２セパレータ３０に設けられている冷却媒体流路５４に沿って移動し、冷却媒体出口４４ｂに排出される。
【００３５】
この場合、第１単位セル１４を構成するカソード側電極２４ａに沿って酸化剤ガスが移動する際、電気化学反応により生成水が発生し、この生成水が中間酸化剤ガス流路５７に導入される。
【００３６】
そこで、第１の実施形態では、図５および図６に示すように、中間酸化剤ガス流路５７を構成する酸化剤ガス連通路４０に対して、比較的低加湿の酸化剤ガスが供給されている。この低加湿の酸化剤ガスは、未反応の状態で中間酸化剤ガス流路５７に供給され、この中間酸化剤ガス流路５７に導入された生成水によって加湿された後、第１単位セル１４で反応に供与された残余の酸化剤ガスとともに、第２単位セル１６の酸化剤ガス流路５８に供給される。
【００３７】
従って、未反応の酸化剤ガスが生成水を介して良好に加湿された状態で第２単位セル１６に供給されるため、燃料電池スタック１２に供給される酸化剤ガスの加湿量を有効に低減することが可能になる。これにより、加湿構造の小型化を図ることができるとともに、酸化剤ガス連通路４０に未反応の酸化剤ガスを直接供給することによって、酸化剤ガス流路４６、５８の圧損を確実に低減させることが可能になるという効果が得られる。
【００３８】
しかも、生成水を未反応の酸化剤ガスの加湿に利用することによって、中間酸化剤ガス流路５７の湿度を下げることができ、この中間酸化剤ガス流路５７での結露を有効に阻止することが可能になる。このため、セルアセンブリ１０では、第１単位セル１４から第２単位セル１６にそれぞれ所望の加湿状態に維持された酸化剤ガスを確実に供給することができ、前記セルアセンブリ１０全体として所望の発電が有効に遂行されるという利点がある。
【００３９】
一方、燃料ガスは、予め加湿された状態でセルアセンブリ１０に供給されており、第１および第２単位セル１４、１６を通って消費された状態では、水分量の変化はほとんどない。ところが、燃料ガスは、第１単位セル１４を構成するアノード側電極２６ａに沿って移動することにより、一部が消費された後、第２単位セル１６を構成するアノード側電極２６ｂに供給されるため、燃料ガス中の水分量は変わらないが燃料ガスの量が減少して水分濃度が増加することになる。
【００４０】
そこで、第１の実施形態では、中間燃料ガス流路５９に対して比較的低加湿の未反応の燃料ガスが供給される。従って、第１および第２単位セル１４、１６にわたって所定の加湿状態に維持された燃料ガスが確実に供給されるとともに、燃料ガス中の水分濃度を均一に維持することが可能になる。
【００４１】
このように、第１の実施形態では、第１および第２単位セル１４、１６における酸化剤ガス流路４６、５８に供給される酸化剤ガスの湿度の均一化と、燃料ガス流路５６、５２に供給される燃料ガスの湿度の均一化とを図ることができ、前記第１および第２単位セル１４、１６の電流密度分布を均一にして、発電性能を有効に向上させることが可能になるという効果が得られる。
【００４２】
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を構成するセルアセンブリ８０内の酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却媒体の流れ状態を示す分解斜視図であり、図８は前記セルアセンブリ８０内の前記酸化剤ガスおよび前記燃料ガスの流れ図である。なお、第１の実施形態に係るセルアセンブリ１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細の説明は省略する。
【００４３】
セルアセンブリ８０は、第１単位セル８２、第２単位セル８４および第３単位セル８６を重ね合わせて構成されており、前記第１乃至第３単位セル８２、８４および８６は、第１乃至第３接合体１８、２０および２０ａを備える。第１および第２接合体１８、２０間に第１中間セパレータ３２ａが配設されるとともに、前記第２および第３接合体２０、２０ａ間に第２中間セパレータ３２ｂが配設される。
【００４４】
第２中間セパレータ３２ｂは、第２接合体２０のアノード側電極２６ｂに対向する側に複数本の燃料ガス流路（反応ガス流路）８７を設けるとともに、第３接合体２０ａのカソード側電極２４ｂに対向する側に複数本の酸化剤ガス流路（反応ガス流路）８８を設けている。
【００４５】
このように構成される第２の実施形態では、例えば、比較的低湿度の酸化剤ガスが酸化剤ガス連通路４０に供給されると、予め、所定の加湿状態に維持されて第１単位セル８２を構成するカソード側電極２４ａに供給された酸化剤ガスは、反応に供された後に中間酸化剤ガス流路５７で未反応の前記低加湿の酸化剤ガスと混合される。
【００４６】
このため、未反応の酸化剤ガスは、カソード側電極２４ａで反応により生成された生成水を介して加湿され、中間酸化剤ガス流路５７を通って、第２および第３単位セル８４、８６を構成する酸化剤ガス流路５８、８８に並列に供給される。
【００４７】
これにより、第１乃至第３単位セル８２、８４および８６に対して、所望の湿度に維持された酸化剤ガスを確実に供給することができるとともに、圧損の低減が図られる。従って、セルアセンブリ８０全体の発電性能を有効に維持することが可能になる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。しかも、前段の第１単位セル８２の生成水を、この前段よりも多数の後段の第２および第３単位セル８４、８６に並列に分配できるため、湿度を一層下げることが可能になるという効果がある。
【００４８】
なお、第１の実施形態では、第１および第２単位セル１４、１６によりセルアセンブリ１０を構成し、第２の実施形態では、第１乃至第３単位セル８２、８４および８６によりセルアセンブリ８０を構成しているが、これに限定されるものではなく、例えば、図９に示すように、第１単位セル１４を２列にかつ第２単位セル１６を３列に重ね合わせた５段構造のセルアセンブリ９０を用いることができる等、種々の変更が可能である。
【００４９】
図１０は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するセルアセンブリ１００内の流れ説明図である。なお、第２の実施形態に係るセルアセンブリ８０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。
【００５０】
このセルアセンブリ１００は、第１乃至第３単位セル１０２、１０４および１０６を重ね合わせて構成されるとともに、積層方向に沿って酸化剤ガス連通路４０および燃料ガス連通路３８と並行に、外部より未反応の酸化剤ガスおよび燃料ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通路１０８および燃料ガス供給連通路１１０が形成される。
【００５１】
セルアセンブリ１００の反応ガス供給側端部には、エンドプレート１１２が連結されており、このエンドプレート１１２には、酸化剤ガス連通路４０および燃料ガス連通路３８を酸化剤ガス供給連通路１０８および燃料ガス供給連通路１１０に連通するためのリターン通路１１４、１１６が形成されている。
【００５２】
酸化剤ガス供給連通路１０８および燃料ガス供給連通路１１０には、第２および第３単位セル１０４、１０６間に対応して酸化剤ガス連通路４０および燃料ガス連通路３８に連通する供給通路１１８、１２０が連通している。
【００５３】
このように構成される第３の実施形態では、例えば、第１単位セル１０２から排出された残余の酸化剤ガスが、リターン通路１１４を介してエンドプレート１１２に集められた後、酸化剤ガス供給連通路１０８に送られる。そして、残余の酸化剤ガスは、未反応の比較的低加湿の酸化剤ガスと混在して供給通路１１８から第２および第３単位セル１０４、１０６間に導入される。
【００５４】
このため、第２および第３単位セル１０４、１０６には、第１単位セル１０２で消費された残余の酸化剤ガスと、新たに導入される未反応の酸化剤ガスとが混在して供給されるとともに、前記未反応の酸化剤ガスは、生成水により加湿されて前記第２および第３単位セル１０４、１０６に供給される。
【００５５】
これにより、上流側の第１単位セル１０２から下流側の第２および第３単位セル１０４、１０６にわたって、均一な湿度を有しかつ十分な量の酸化剤ガスが供給され、セルアセンブリ１００の加湿量を有効に削減するとともに、圧損を低減した良好な発電性能を有することができる等、第１および第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５６】
図１１は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するセルアセンブリ１３０内の流れ説明図である。なお、第３の実施形態に係るセルアセンブリ１００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。
【００５７】
このセルアセンブリ１３０では、酸化剤ガス連通路４０および燃料ガス連通路３８に並行しかつ独立して酸化剤ガス供給連通路１３２および燃料ガス供給連通路１３４が設けられている。従って、外部より酸化剤ガス供給連通路１３２に未反応の比較的低加湿の酸化剤ガスが供給されると、この酸化剤ガスが第２および第３単位セル１０４、１０６間に供給されて前記第３単位セル１０６側の加湿および酸化剤ガスの補給が行われる。これにより、第４の実施形態では、上記の第３の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５８】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックおよびその反応ガス供給方法では、上流側の単位セルで生成された生成水を利用して、連通路から供給される未反応の反応ガスを加湿することにより、下流側の単位セルに対し加湿された未反応の反応ガスを供給することができる。これにより、燃料電池スタック全体の加湿水量が有効に削減されるとともに、圧損を低減して効率的な発電が容易に遂行可能になる。
【図面の簡単な説明】
【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セルアセンブリの要部分解斜視図である。
【図２】燃料電池スタックの概略斜視図である。
【図３】前記セルアセンブリの一部断面説明図である。
【図４】前記セルアセンブリを構成する第１セパレータの正面図である。
【図５】前記セルアセンブリ内の流れを説明する分解斜視図である。
【図６】前記セルアセンブリ内の流れ説明図である。
【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セルアセンブリの要部分解斜視図である
【図８】前記セルアセンブリ内の流れ説明図である。
【図９】別のセルアセンブリ内の流れ説明図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するセルアセンブリ内の流れ説明図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するセルアセンブリ内の流れ説明図である。
【符号の説明】
１０、８０、９０、１００、１３０…セルアセンブリ
１２…燃料電池スタック
１４、１６、８２、８４、８６、１０２、１０４、１０６…単位セル
１８、２０、２０ａ…接合体        ２２ａ、２２ｂ…電解質膜
２４ａ、２４ｂ…カソード側電極    ２６ａ、２６ｂ…アノード側電極
２８、３０セパレータ              ３２、３２ａ、３２ｂ…中間セパレータ
３６ａ…酸化剤ガス入口            ３６ｂ…酸化剤ガス出口
３８…燃料ガス連通路              ４０…酸化剤ガス連通路
４２ａ…燃料ガス入口              ４２ｂ…燃料ガス出口
４４ａ…冷却媒体入口              ４４ｂ…冷却媒体出口
４６、５８、８８…酸化剤ガス流路  ４８、５４…冷却媒体流路
５２、５６、８７…燃料ガス流路    ５７…中間酸化剤ガス流路
５９…中間燃料ガス流路
１０８、１３２…酸化剤ガス供給連通路
１１０、１３４…燃料ガス供給連通路
１１２…エンドプレート            １１４、１１６…リターン通路
１１８、１２０…供給通路
【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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【図１０】
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【図１１】
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