JP2021044167A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】低温始動性及び発電安定性を向上させることができる燃料電池スタックを提供する。【解決手段】燃料電池スタック１０では、発電セル１２が複数積層された積層体１４の積層方向の少なくとも一方の端部にダミー構造１５ａ、１５ｂが積層される。ダミー構造１５ａ、１５ｂは、電解質膜・電極構造体に対応するダミー導電体１０６ａ、１０６ｂを、ダミーセパレータ１０５、１０８、１３０で挟んで形成される。積層体１４の積層方向の端部に配設される端部発電セル１２ａ、１２ｂと、該端部発電セル１２ａ、１２ｂに隣接するダミー構造１５ａ、１５ｂとの間には、冷却媒体が流通する冷却媒体流路５２が設けられる。【選択図】図２

Description

本発明は、発電セルを複数積層した積層体の積層方向の少なくとも一方の端部にダミーセルが積層された燃料電池スタックに関する。

一般的に、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（以下、単に電解質膜ともいう）を採用している。燃料電池は、電解質膜の一方の面にアノード電極が配設され、他方の面にカソード電極が配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。

電解質膜・電極構造体をセパレータで挟持することにより、発電セルが構成され、複数個の発電セルを積層することにより、積層体が構成される。この積層体の積層方向両端に、各発電セルによって発電された電荷を集める電力取り出し用のターミナルプレートや、発電セルを積層状態で保持するためのエンドプレート等が設けられて燃料電池スタックが構成される。

ところで、積層体の積層方向の端部側（以下、単に端部側ともいう）は、ターミナルプレート等を介した放熱が促されること等から、該積層体の積層方向の中央側に比べ低温となり易い。外気温等の影響を受けて積層体の端部側が低温となり結露が生じると、燃料ガス及び酸化剤ガス（反応ガス）の拡散性が低下し、燃料電池スタックの発電安定性が低下する懸念がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池スタックでは、積層体の積層方向の少なくとも一方の端部側に、いわゆる、ダミーセルが配設されている。このダミーセルでは、電解質膜の代わりに金属板を用いていることから、発電を行わず、生成水も生じない。このため、ダミーセル自体が、ターミナルプレートと積層体との間で、断熱層として機能する。従って、上記のようにダミーセルを配設することで、積層体の端部側の温度低下を抑制できる。つまり、燃料電池スタックが外気温の影響を受けることを抑制して、発電安定性を向上させることができる。

特許第４７２７９７２号公報

本発明は、この種の技術に関連してなされたものであり、低温始動性を向上させることができるとともに、発電安定性を向上させることができる燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明の一態様は、発電セルが複数積層された積層体と、前記積層体の積層方向の少なくとも一方の端部に積層されたダミー構造と、を備え、各前記発電セルは、第１電解質膜・電極構造体と、第２電解質膜・電極構造体と、第１セパレータと、第２セパレータと、第３セパレータとを有し、前記第１セパレータ、前記第１電解質膜・電極構造体、前記第２セパレータ、前記第２電解質膜・電極構造体及び前記第３セパレータが順に積層されている燃料電池スタックであって、前記ダミー構造は、電解質膜・電極構造体に対応するダミー導電体と、前記ダミー導電体を挟むダミーセパレータと、を有し、前記積層体の前記積層方向の端部に配設される前記発電セルである端部発電セルと、該端部発電セルに隣接する前記ダミー構造との間には、冷却媒体が流通する冷却媒体流路が設けられる。

この燃料電池スタックでは、端部発電セルと、該端部発電セルに隣接するダミー構造との間に冷却媒体が流通する冷却媒体流路が設けられる。例えば、氷点下等の低温環境下で燃料電池スタックを起動（低温始動）する場合、発電等に伴い冷却媒体の温度は端部発電セルよりも高くなる。このため、上記のように冷却媒体流路を設けて、該冷却媒体流路を流通する冷却媒体の熱を端部発電セルに伝え易くすることで、低温環境下であっても端部発電セルを速やかに昇温させることが可能になる。ひいては、燃料電池スタックの低温始動性を向上させることができる。

また、ダミーセルは、発電セルの電解質膜・電極構造体に代えて、ダミー導電体を備える。つまり、ダミーセルは、固体高分子電解質膜や電極触媒層を備えていないため、発電を行うことがなく、発電による生成水も生じない。これによって、ダミーセル自体が断熱層として機能するとともに、ダミーセルで結露が生じることを抑制できる。このようなダミーセルを、積層体の積層方向の少なくとも一方の端部側に積層することで、積層体の端部側の断熱性を高めることができる。このため、積層体の端部側の温度が中央側に比して低温となることを抑制でき、これによって、燃料電池スタックの発電安定性を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの分解斜視図である。 図１の燃料電池スタックのＩＩ−ＩＩ線矢視断面図である。 発電セルの分解斜視図である。 第１セパレータの酸化剤ガス流路側（第１ダミーセパレータ及び第２ダミーセパレータの第１空間側）の正面図である。 第２セパレータの酸化剤ガス流路側の正面図である。 第３セパレータの冷却媒体流路側の正面図である。 第２ダミーセパレータ及び第３ダミーセパレータの第２空間側の正面図である。

本発明に係る燃料電池スタックについて好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の図において、同一又は同様の機能及び効果を奏する構成要素に対しては同一の参照符号を付し、繰り返しの説明を省略する場合がある。

図１及び図２に示すように、本実施形態に係る燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１２が水平方向（矢印Ａ１、Ａ２方向）又は重力方向（矢印Ｃ１、Ｃ２方向）に積層された積層体１４を備える。この燃料電池スタック１０は、例えば、図示しない燃料電池電気自動車等の燃料電池車両に搭載される。

図２に示すように、以下では、積層体１４の積層方向一端側（矢印Ａ１側）に配設される発電セル１２を第１端部発電セル１２ａともいう。また、積層体１４の積層方向他端側（矢印Ａ２側）に配設される発電セル１２を第２端部発電セル１２ｂともいう。本実施形態では、第１端部発電セル１２ａ及び第２端部発電セル１２ｂのそれぞれは、積層体１４の積層方向の最端部に配設されている。

積層体１４の第１端部発電セル１２ａには、ダミー構造１５ａが積層されている。ダミー構造１５ａは、中間ダミーセル１６及び第１端部ダミーセル１８を有する。すなわち、第１端部発電セル１２ａには、中間ダミーセル１６及び第１端部ダミーセル１８が外方に向かってこの順に積層される。

また、積層体１４の第２端部発電セル１２ｂには、ダミー構造１５ｂが積層されている。ダミー構造１５ｂは、第２端部ダミーセル２０を有する。すなわち、第２端部発電セル１２ｂには、第２端部ダミーセル２０が積層される。なお、中間ダミーセル１６、第１端部ダミーセル１８及び第２端部ダミーセル２０を総称して、「ダミーセル」ともいう。

積層体１４の第１端部ダミーセル１８よりも外方側（矢印Ａ１側）には、ターミナルプレート２６ａ、インシュレータ２８ａ及びエンドプレート３０ａがこの順に積層される。積層体１４の第２端部ダミーセル２０よりも外方側（矢印Ａ２側）には、ターミナルプレート２６ｂ、インシュレータ２８ｂ及びエンドプレート３０ｂがこの順に積層される。

図１に示すように、矩形状からなるエンドプレート３０ａ、３０ｂの各辺間には、連結バー（不図示）が配置される。各連結バーは、両端をエンドプレート３０ａ、３０ｂの内面にボルト（不図示）等を介して固定され、複数の積層された発電セル１２に積層方向（矢印Ａ１、Ａ２方向）の締め付け荷重を付与する。なお、不図示ではあるが、燃料電池スタック１０では、エンドプレート３０ａ、３０ｂを端板とする筐体を備え、前記筐体内に積層体１４等を収容するように構成してもよい。

図３に示すように、発電セル１２は、第１セパレータ３２と、第１電解質膜・電極構造体３４ａと、第２セパレータ３６と、第２電解質膜・電極構造体３４ｂと、第３セパレータ３８とがこの順に積層されて構成される。第１セパレータ３２、第２セパレータ３６及び第３セパレータ３８（これらを総称して「セパレータ」ともいう）のそれぞれは、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板等により構成され、平面が矩形状であるとともに、プレス加工等により、断面凹凸形状に成形される。

図３に示すように、セパレータ３２、３６、３８の長辺方向の一端側（矢印Ｂ１側）の縁部には、それぞれ矢印Ａ１、Ａ２方向（積層方向）に個別に連通して、酸化剤ガス入口連通孔４０及び燃料ガス出口連通孔４２が設けられる。酸化剤ガス入口連通孔４０には、例えば、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。燃料ガス出口連通孔４２には、例えば、水素含有ガス等の燃料ガスが排出される。これらの酸化剤ガス及び燃料ガスを総称して反応ガスともいう。

セパレータ３２、３６、３８の長辺方向の他端側（矢印Ｂ２側）の縁部には、それぞれ矢印Ａ１、Ａ２方向に個別に連通して、燃料ガスが供給される燃料ガス入口連通孔４４及び酸化剤ガスが排出される酸化剤ガス出口連通孔４６が設けられる。なお、これらの酸化剤ガス入口連通孔４０、燃料ガス出口連通孔４２、燃料ガス入口連通孔４４、酸化剤ガス出口連通孔４６を総称して「反応ガス連通孔」ともいう。

セパレータ３２、３６、３８の短辺方向（矢印Ｃ１、Ｃ２方向）両端縁部の矢印Ｂ１側には、矢印Ａ１、Ａ２方向に個別に連通して、冷却媒体が供給される一対の冷却媒体入口連通孔４８がそれぞれ設けられる。冷却媒体としては、純水やエチレングリコール、オイル等を用いることができる。セパレータ３２、３６、３８の短辺方向の両端縁部の矢印Ｂ２側には、矢印Ａ１、Ａ２方向に個別に連通して、冷却媒体が排出される一対の冷却媒体出口連通孔５０がそれぞれ設けられる。

図３に示すように、第１セパレータ３２の矢印Ａ１側の面３２ａには、冷却媒体入口連通孔４８と冷却媒体出口連通孔５０とを連通する冷却媒体流路５２が形成される。冷却媒体入口連通孔４８と冷却媒体流路５２との間には、複数本の入口連結溝５４ａが形成される。冷却媒体流路５２と冷却媒体出口連通孔５０との間には、複数本の出口連結溝５４ｂが形成される。また、第１セパレータ３２の面３２ａには、冷却媒体入口連通孔４８、冷却媒体出口連通孔５０、冷却媒体流路５２、入口連結溝５４ａ、出口連結溝５４ｂを一体に囲んで、その内部を面方向の外部とシールするシール部材５５が設けられている。

図４に示すように、第１セパレータ３２の矢印Ａ２側の面３２ｂには、酸化剤ガス入口連通孔４０と酸化剤ガス出口連通孔４６とに連通する酸化剤ガス流路５６が形成される。酸化剤ガス流路５６は、互いに並列する複数本の波状流路溝（又は直線状流路溝）からなる。

酸化剤ガス流路５６の入口側端部には、発電領域外に位置して酸化剤ガス入口バッファ部５８が連なる一方、該酸化剤ガス流路５６の出口側端部には、発電領域外に位置して酸化剤ガス出口バッファ部６０が連なる。

酸化剤ガス入口バッファ部５８と酸化剤ガス入口連通孔４０との間には、複数本の入口連結溝６２ａが形成される。酸化剤ガス出口バッファ部６０と酸化剤ガス出口連通孔４６との間には、複数本の出口連結溝６２ｂが形成される。第１セパレータ３２の面３２ｂには、酸化剤ガス入口連通孔４０、酸化剤ガス出口連通孔４６、酸化剤ガス流路５６、酸化剤ガス入口バッファ部５８、酸化剤ガス出口バッファ部６０、入口連結溝６２ａ、出口連結溝６２ｂを一体に囲んで、その内部を面方向の外部とシールするシール部材６３が設けられている。第１セパレータ３２では、酸化剤ガス流路５６の裏面形状が、冷却媒体流路５２の一部を構成する（図２及び図３参照）。

図３に示すように、第２セパレータ３６の矢印Ａ１側の面３６ａには、燃料ガス入口連通孔４４と燃料ガス出口連通孔４２とに連通する燃料ガス流路６６が形成される。燃料ガス流路６６は、互いに並列する複数本の波状流路溝（又は直線状流路溝）からなる。

燃料ガス流路６６の入口側端部には、発電領域外に位置して燃料ガス入口バッファ部６８が連なる一方、該燃料ガス流路６６の出口側端部には、発電領域外に位置して燃料ガス出口バッファ部７０が連なる。燃料ガス入口バッファ部６８と燃料ガス入口連通孔４４との間には、第２セパレータ３６を厚さ方向に貫通する複数個の燃料ガス供給孔部７２ａが設けられる。燃料ガス出口バッファ部７０と燃料ガス出口連通孔４２との間には、第２セパレータ３６を厚さ方向に貫通する複数個の燃料ガス排出孔部７２ｂが設けられる。

第２セパレータ３６の面３６ａには、燃料ガス流路６６、燃料ガス入口バッファ部６８、燃料ガス出口バッファ部７０、燃料ガス供給孔部７２ａ、燃料ガス排出孔部７２ｂを一体に囲んで、その内部を面方向の外部とシールするシール部材７３が設けられている。

図５に示すように、第２セパレータ３６の矢印Ａ２側の面３６ｂは、シール部材７１で囲われた燃料ガス供給孔部７２ａ及び燃料ガス排出孔部７２ｂが設けられていることを除いて、第１セパレータ３２の矢印Ａ２側の面３２ｂ（図４参照）と同様に構成することができる。すなわち、第２セパレータ３６の面３６ｂには、酸化剤ガス入口連通孔４０と酸化剤ガス出口連通孔４６とに連通する酸化剤ガス流路５６が設けられる。また、第２セパレータ３６の面３６ｂには、酸化剤ガス入口バッファ部５８と、酸化剤ガス出口バッファ部６０と、入口連結溝６２ａと、出口連結溝６２ｂと、シール部材６３とが形成される。

第２セパレータ３６の面３６ｂ側では、燃料ガス供給孔部７２ａ及び燃料ガス排出孔部７２ｂの各々と、酸化剤ガス入口バッファ部５８及び酸化剤ガス出口バッファ部６０とがシール部材６３、７１によって遮断されている。

図３に示すように、第３セパレータ３８の矢印Ａ１側の面３８ａは、第２セパレータ３６の矢印Ａ１側の面３６ａと同様に構成することができる。すなわち、第３セパレータ３８の面３８ａには、燃料ガス入口連通孔４４と燃料ガス出口連通孔４２とに連通する燃料ガス流路６６が設けられる。また、第３セパレータ３８の面３８ａには、燃料ガス入口バッファ部６８と、燃料ガス出口バッファ部７０と、燃料ガス供給孔部７２ａと、燃料ガス排出孔部７２ｂと、シール部材７３とが形成される。

図６に示すように、第３セパレータ３８の矢印Ａ２側の面３８ｂは、シール部材７１で囲われた燃料ガス供給孔部７２ａ及び燃料ガス排出孔部７２ｂが設けられていることを除いて、第１セパレータ３２の矢印Ａ１側の面３２ａ（図３参照）と同様に構成することができる。すなわち、第３セパレータ３８の面３８ｂには、冷却媒体流路５２と、入口連結溝５４ａと、出口連結溝５４ｂと、シール部材５５とが設けられる。第３セパレータ３８の面３８ｂ側では、燃料ガス供給孔部７２ａ及び燃料ガス排出孔部７２ｂの各々と、冷却媒体流路５２、入口連結溝５４ａ及び出口連結溝５４ｂ等とがシール部材５５、７１によって遮断されている。

図２に示すように、積層体１４で互いに隣接する発電セル１２において、第３セパレータ３８の矢印Ａ２側の面３８ｂの冷却媒体流路５２と、第１セパレータ３２の矢印Ａ１側の面３２ａの冷却媒体流路５２とが対向して、その内部を冷却媒体が流通可能となっている。すなわち、積層体１４では隣接する発電セル１２同士の間に冷却媒体が流通する冷却媒体流路５２が設けられる。

図３、図５及び図６に示すように、第２セパレータ３６及び第３セパレータ３８では、上記のようにシール部材７１、７３が設けられるため、燃料ガス入口連通孔４４を矢印Ａ１側から矢印Ａ２側へと流通する燃料ガスは、燃料ガス供給孔部７２ａを、矢印Ａ２側から矢印Ａ１側へと流通して燃料ガス入口バッファ部６８及び燃料ガス流路６６へ流入する。また、燃料ガス流路６６を流通して燃料ガス出口バッファ部７０に流入した燃料ガスは、燃料ガス排出孔部７２ｂを矢印Ａ１側から矢印Ａ２側へと流通した後、燃料ガス出口連通孔４２を矢印Ａ２側から矢印Ａ１側へと流通する。各セパレータ３２、３６、３８の両面には、該セパレータ３２、３６、３８の外周端縁部を周回する不図示の弾性体からなるシール部材がそれぞれ一体成形される。

図３に示すように、第１電解質膜・電極構造体３４ａ及び第２電解質膜・電極構造体３４ｂは、互いに略同様に構成される。これらの第１電解質膜・電極構造体３４ａ及び第２電解質膜・電極構造体３４ｂを総称して「電解質膜・電極構造体」ともいう。電解質膜・電極構造体３４ａ、３４ｂは、その外周に樹脂枠部材８２が接合されている。図２に示すように、電解質膜・電極構造体３４ａ、３４ｂは、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜（以下、単に電解質膜ともいう）８４を備える。なお、電解質膜８４は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用してもよい。電解質膜８４は、カソード電極８６及びアノード電極８８により挟持される。

カソード電極８６は、電解質膜８４の一端側（矢印Ａ１側）の面に接合される不図示の第１電極触媒層と、該第１電極触媒層に積層される第１ガス拡散層９２とを有する。アノード電極８８は、電解質膜８４の他端側（矢印Ａ２側）の面に接合される不図示の第２電極触媒層と、該第２電極触媒層に積層される第２ガス拡散層９６とを有する。

第１電極触媒層は、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、イオン導電性高分子バインダとともに第１ガス拡散層９２の表面に一様に塗布して形成される。第２電極触媒層は、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、イオン導電性高分子バインダとともに第２ガス拡散層９６の表面に一様に塗布して形成される。第１ガス拡散層９２及び第２ガス拡散層９６は、カーボンペーパ又はカーボンクロス等の導電性多孔質体から形成される。

樹脂枠部材８２は、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＰＡ（ポリフタルアミド）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、ＬＣＰ（リキッドクリスタルポリマー）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、ｍ−ＰＰＥ（変性ポリフェニレンエーテル樹脂）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）又は変性ポリオレフィン等の樹脂材から構成される。この樹脂材は、例えば、フィルム等により構成してもよい。

図３に示すように、樹脂枠部材８２は枠形状であり、酸化剤ガス入口連通孔４０を含む連通孔４０、４２、４４、４６、４８、５０からなる連通孔群の内側に配置され、各連通孔４０、４２、４４、４６、４８、５０が形成されない。樹脂枠部材８２のカソード電極８６側（矢印Ａ１側）の面には、酸化剤ガス入口バッファ部１０２ａ及び酸化剤ガス出口バッファ部１０２ｂが設けられる。不図示ではあるが、樹脂枠部材８２のアノード電極８８側（矢印Ａ２側）の面には、燃料ガス入口バッファ部及び燃料ガス出口バッファ部が設けられる。

図２に示すように、積層体１４の第１端部発電セル１２ａの積層方向外側（矢印Ａ１側）に隣接する中間ダミーセル１６は、矢印Ａ１側から矢印Ａ２側に向かって、第１ダミーセパレータ１０５と、第１ダミー導電体１０６ａと、第２ダミーセパレータ１０８と、第２ダミー導電体１０６ｂと、第３ダミーセパレータ１３０とが、この順に積層されて形成される。第１ダミー導電体１０６ａ及び第２ダミー導電体１０６ｂは、互いに略同様に構成される。これらの第１ダミー導電体１０６ａ及び第２ダミー導電体１０６ｂを総称して「ダミー導電体」ともいう。

図２〜図４に示すように、第１ダミーセパレータ１０５（図２、図４）は、第１セパレータ３２と同様に構成されている。すなわち、第１ダミーセパレータ１０５の一端側（矢印Ａ１側）の面１０５ａには冷却媒体流路５２（図３参照）が設けられる。また、図２に示すように、第１ダミーセパレータ１０５の他端側（矢印Ａ２側）の面１０５ｂと第１ダミー導電体１０６ａとの間には、酸化剤ガス流路５６に対応する第１空間１０９が設けられる。

図４に示すように、第１空間１０９は、入口連結溝６２ａ及び出口連結溝６２ｂ内に形成された連通路１２５を介して、酸化剤ガス入口連通孔４０と酸化剤ガス出口連通孔４６とに連通する。このため、酸化剤ガス流路５６と同様に酸化剤ガスが流通可能となっている。

図２に示すように、ダミー導電体１０６ａ、１０６ｂは、平面寸法（表面積／外形寸法）がそれぞれ異なる３枚の導電性多孔質体１０７を積層して構成される。３枚の導電性多孔質体１０７は、例えば、互いに同じ材料からなるとともに、第１ガス拡散層９２又は第２ガス拡散層９６を構成する導電性多孔質体と同一の材料を用いて構成することができる。なお、ダミー導電体１０６ａ、１０６ｂは、上記の構成に限定されるものではなく、導電性を示す部材であればよく、該部材の個数も特に限定されない。

ダミー導電体１０６ａ、１０６ｂの外周には、不図示のダミー樹脂枠部材が一体化されている。ダミー樹脂枠部材は、図３に示す発電セル１２の樹脂枠部材８２と略同様に構成することができる。

図７に示すように、第２ダミーセパレータ１０８は、燃料ガス供給孔部７２ａ（図３参照）に代えて入口遮断部１２２ａが設けられ、燃料ガス排出孔部７２ｂ（図３参照）に代えて出口遮断部１２２ｂが設けられていることを除いて第２セパレータ３６（図３参照）と同様に構成されている。

つまり、第２ダミーセパレータ１０８の他端側（矢印Ａ２側）の面１０８ｂ（図２参照）は、図５のシール部材７１で囲われた燃料ガス供給孔部７２ａ及び燃料ガス排出孔部７２ｂが設けられていないことを除いて、第２セパレータ３６の矢印Ａ２側の面３６ｂと同様に構成される。このため、第２ダミーセパレータ１０８の面１０８ｂは、図４に示す第１セパレータ３２の他端側（矢印Ａ２側）の面３２ｂと同様に構成される。

図２に示すように、第２ダミーセパレータ１０８の他端側（矢印Ａ２側）の面１０８ｂと第２ダミー導電体１０６ｂとの間には、酸化剤ガス流路５６に対応する第１空間１０９が設けられる。図２及び図７に示すように、第２ダミーセパレータ１０８の一端側（矢印Ａ１側）の面１０８ａと第１ダミー導電体１０６ａとの間には、燃料ガス流路６６に対応する第２空間１２６が設けられる。

第２空間１２６は、入口遮断部１２２ａにより、燃料ガス入口連通孔４４と遮断されるとともに、出口遮断部１２２ｂにより、燃料ガス出口連通孔４２とが遮断される。つまり、入口遮断部１２２ａ及び出口遮断部１２２ｂ（以下、これらを総称して遮断部ともいう）により、第２空間１２６に燃料ガスが流れることが規制されるため、該第２空間１２６の内部には断熱空間が形成される。なお、入口遮断部１２２ａ及び出口遮断部１２２ｂの何れか一方のみを設けることによって、第２空間１２６に燃料ガスが流れることを規制し、断熱空間を形成してもよい。

図７に示すように、第２ダミーセパレータ１０８の一端側（矢印Ａ１側）の面１０８ａには、第２空間１２６を囲んで、その内部を面方向の外部とシールするシール部材１２７が設けられている。

図２の第３ダミーセパレータ１３０の他端側（矢印Ａ２側）の面１３０ｂは、図３に示す第１セパレータ３２の一端側（矢印Ａ１側）の面３２ａと略鏡像の関係に構成される。また、図７に示すように、第３ダミーセパレータ１３０の一端側（矢印Ａ１側）の面１３０ａは、第２ダミーセパレータ１０８の一端側（矢印Ａ１側）の面１０８ａと同様に構成される。

図２に示すように、第３ダミーセパレータ１３０の他端側（矢印Ａ２側）の面１３０ｂと第１端部発電セル１２ａの第１セパレータ３２との間に冷却媒体流路５２が設けられる。また、第３ダミーセパレータ１３０の一端側（矢印Ａ１側）の面１３０ａと第２ダミー導電体１０６ｂとの間に、燃料ガス流路６６に対応する第２空間１２６が設けられる。

第１端部ダミーセル１８は、中間ダミーセル１６の積層方向外側（矢印Ａ１側）に隣接して設けられる。すなわち、第１端部発電セル１２ａと第１端部ダミーセル１８との間に中間ダミーセル１６が配設される。第１端部ダミーセル１８は、矢印Ａ１側から矢印Ａ２側に向かって、第２ダミーセパレータ１０８と、第２ダミー導電体１０６ｂと、第３ダミーセパレータ１３０とがこの順に積層されて形成される。

このため、第１端部ダミーセル１８では、積層方向外側（矢印Ａ１側）に配設された第２ダミーセパレータ１０８の矢印Ａ２側の面１０８ｂと第２ダミー導電体１０６ｂとの間に第１空間１０９が設けられる。第２ダミーセパレータ１０８の矢印Ａ１側の面１０８ａと後述する断熱体１４２との間に第２空間１２６が設けられる。

また、第１端部ダミーセル１８では、積層方向内側（矢印Ａ２側）に配設された第３ダミーセパレータ１３０の矢印Ａ１側の面１３０ａと第２ダミー導電体１０６ｂとの間に第２空間１２６が設けられる。第３ダミーセパレータ１３０の矢印Ａ２側の面１３０ｂと、中間ダミーセル１６の第１ダミーセパレータ１０５との間に冷却媒体流路５２が設けられる。

積層体１４の第２端部発電セル１２ｂの積層方向外側（矢印Ａ２側）に隣接する第２端部ダミーセル２０は、矢印Ａ１側から矢印Ａ２側に向かって、第１ダミーセパレータ１０５と、第１ダミー導電体１０６ａと、第２ダミーセパレータ１０８とが、この順に積層されて形成される。

このため、第２端部ダミーセル２０では、積層方向内側（矢印Ａ１側）に配設された第１ダミーセパレータ１０５の矢印Ａ１側の面１０５ａと、第２端部発電セル１２ｂの第３セパレータ３８との間に冷却媒体流路５２が設けられる。第１ダミーセパレータ１０５の矢印Ａ２側の面１０５ｂと第１ダミー導電体１０６ａとの間に第１空間１０９が設けられる。

また、第２端部ダミーセル２０では、積層方向外側（矢印Ａ２側）に配設された第２ダミーセパレータ１０８の矢印Ａ１側の面１０８ａと第１ダミー導電体１０６ａとの間に第２空間１２６が設けられる。この第２ダミーセパレータ１０８の矢印Ａ２側の面１０８ｂと断熱体１４２との間に第１空間１０９が設けられる。

なお、第１端部ダミーセル１８及び第２端部ダミーセル２０を構成可能なセパレータは、上記に限定されるものではない。例えば、第１端部ダミーセル１８は、矢印Ａ１側から矢印Ａ２側に向かって、第２ダミーセパレータ１０８、第１ダミー導電体１０６ａ、第１ダミーセパレータ１０５の順に積層して形成されてもよい。第２端部ダミーセル２０は、矢印Ａ１側から矢印Ａ２側に向かって、第３ダミーセパレータ１３０、第２ダミー導電体１０６ｂ、第２ダミーセパレータ１０８の順に積層して形成されてもよい。

ターミナルプレート２６ａ、２６ｂは、導電性を有する材料から構成され、例えば、銅、アルミニウム又はステンレススチール等の金属で構成される。図１に示すように、ターミナルプレート２６ａ、２６ｂの略中央には、積層方向外方に延在する端子部１３２ａ、１３２ｂがそれぞれ設けられる。

端子部１３２ａは、絶縁性筒体１３４ａに挿入されてインシュレータ２８ａの孔部１３６ａ及びエンドプレート３０ａの孔部１３８ａを貫通し、該エンドプレート３０ａの外部に突出する。端子部１３２ｂは、絶縁性筒体１３４ｂに挿入されてインシュレータ２８ｂの孔部１３６ｂ及びエンドプレート３０ｂの孔部１３８ｂを貫通し、該エンドプレート３０ｂの外部に突出する。

インシュレータ２８ａ、２８ｂは、絶縁性材料、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）やフェノール樹脂等で形成される。インシュレータ２８ａ、２８ｂの中央部には、積層体１４に向かって開口される凹部１４０ａ、１４０ｂが形成され、該凹部１４０ａ、１４０ｂは、孔部１３６ａ、１３６ｂに連通する。

インシュレータ２８ａ及びエンドプレート３０ａには、反応ガス連通孔が設けられる。一方、インシュレータ２８ｂ及びエンドプレート３０ｂには、冷却媒体入口連通孔４８及び冷却媒体出口連通孔５０が設けられる。

凹部１４０ａには、ターミナルプレート２６ａ及び断熱体１４２が収容され、凹部１４０ｂには、ターミナルプレート２６ｂ及び断熱体１４２が収容される。断熱体１４２は、一対の導電性を有する断熱プレート１４４間に導電性を有する断熱部材１４６が挟持されて構成される。断熱プレート１４４は、例えば、平坦な形状を有する多孔性カーボンプレートで構成されるとともに、断熱部材１４６は、断面波板状の金属製のプレートで構成される。

なお、断熱プレート１４４は、断熱部材１４６と同一の材料で構成してもよい。また、断熱体１４２は、１枚の断熱プレート１４４と１枚の断熱部材１４６とを備えてもよい。さらに、ターミナルプレート２６ａ、２６ｂと、インシュレータ２８ａ、２８ｂの凹部１４０ａ、１４０ｂの底部との間に、樹脂製スペーサ（不図示）を介装してもよい。

基本的には、上記のように構成される燃料電池スタック１０の動作について説明する。先ず、図１に示すように、矢印Ａ１側に配設されたエンドプレート３０ａの酸化剤ガス入口連通孔４０に酸化剤ガスが供給され、燃料ガス入口連通孔４４に燃料ガスが供給され、矢印Ａ２側に配設されたエンドプレート３０ｂの冷却媒体入口連通孔４８に冷却媒体が供給される。

酸化剤ガス入口連通孔４０に供給された酸化剤ガスは、図４及び図５に示すように、入口連結溝６２ａの内部に形成された連通路１２５を介して酸化剤ガス流路５６及び第１空間１０９に流入する。これによって、酸化剤ガスが、矢印Ｂ１、Ｂ２方向に移動しながら、各電解質膜・電極構造体３４ａ、３４ｂのカソード電極８６と、ダミー導電体１０６ａ、１０６ｂに供給される。

図３に示すように、燃料ガス入口連通孔４４に供給された燃料ガスは、燃料ガス供給孔部７２ａを介して、第２セパレータ３６及び第３セパレータ３８の燃料ガス流路６６にそれぞれ流入する。これによって、燃料ガスが、矢印Ｂ１、Ｂ２方向に移動しながら、各電解質膜・電極構造体３４ａ、３４ｂのアノード電極８８に供給される。一方、図７に示すように、第２ダミーセパレータ１０８及び第３ダミーセパレータ１３０の第２空間１２６は、入口遮断部１２２ａによって燃料ガスの流入が遮断される。

上記のようにして反応ガスが供給された電解質膜・電極構造体３４ａ、３４ｂでは、各カソード電極８６に供給される酸化剤ガスと、各アノード電極８８に供給される燃料ガスとが、第１電極触媒層及び第２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。

次いで、各カソード電極８６に供給されて一部が消費された酸化剤ガスは、図４及び図５に示すように、酸化剤ガス流路５６及び第１空間１０９のそれぞれから出口連結溝６２ｂの内部に形成された連通路１２５を介して酸化剤ガス出口連通孔４６に排出される。そして、図１のエンドプレート３０ａの酸化剤ガス出口連通孔４６を介して燃料電池スタック１０の外部に排出される。

同様に、各アノード電極８８に供給されて一部が消費された燃料ガスは、図３に示すように、燃料ガス流路６６から燃料ガス排出孔部７２ｂの内部を介して燃料ガス出口連通孔４２に排出される。そして、図１のエンドプレート３０ａの燃料ガス出口連通孔４２を介して燃料電池スタック１０の外部に排出される。

この際、図７に示すように、第２空間１２６は、出口遮断部１２２ｂによって燃料ガス出口連通孔４２とも遮断されている。このため、第２空間１２６には、上記の通り、入口遮断部１２２ａによって燃料ガスの流入が遮断されることに加えて、出口遮断部１２２ｂによって燃料ガス出口連通孔４２から燃料ガスが進入することも回避されている。その結果、第２空間１２６は、遮断部１２２ａ、１２２ｂによって燃料ガスの流通が遮断され、断熱空間として機能する。

各冷却媒体入口連通孔４８に供給された冷却媒体は、図２に示すように、互いに隣接する発電セル１２の第１セパレータ３２と第３セパレータ３８との間の冷却媒体流路５２に導入される。また、第１端部発電セル１２ａの第１セパレータ３２と中間ダミーセル１６の第３ダミーセパレータ１３０との間の冷却媒体流路５２、第２端部発電セル１２ｂの第３セパレータ３８と第２端部ダミーセル２０の第１ダミーセパレータ１０５との間の冷却媒体流路５２、及び中間ダミーセル１６の第１ダミーセパレータ１０５と第１端部ダミーセル１８の第３ダミーセパレータ１３０との間の冷却媒体流路５２のそれぞれに導入される。つまり、第１端部発電セル１２ａ及び第２端部発電セル１２ｂ（これらを総称して端部発電セルともいう）と、該端部発電セル１２ａ、１２ｂに隣接するダミー構造１５ａ、１５ｂとの間には冷却媒体流路５２が設けられ、該冷却媒体流路５２に冷却媒体が流通する。

図３及び図６に示すように、矢印Ｃ１側の各冷却媒体入口連通孔４８から導入された冷却媒体と、矢印Ｃ２側の冷却媒体入口連通孔４８から導入された冷却媒体は、互いに接近するように矢印Ｃ１、Ｃ２方向に沿って流通してから、矢印Ｂ２側に向かって流通し、電解質膜・電極構造体３４ａ、３４ｂを冷却しながら、互いに離間するように矢印Ｃ１、Ｃ２方向に沿って流通し、各冷却媒体出口連通孔５０から排出される。

上記の通り、本実施形態に係る燃料電池スタック１０では、端部発電セル１２ａ、１２ｂと、該端部発電セル１２ａ、１２ｂに隣接するダミー構造１５ａ、１５ｂとの間に冷却媒体が流通する冷却媒体流路５２が設けられる。例えば、氷点下等の低温環境下で燃料電池スタック１０を起動（低温始動）する場合、発電に伴い冷却媒体の温度は端部発電セル１２ａ、１２ｂよりも高くなる。なお、燃料電池スタック１０の外部で不図示のヒータ等により冷却媒体を加熱することで、該冷却媒体の温度を端部発電セル１２ａ、１２ｂの温度より高くしてもよい。このため、上記のように冷却媒体流路５２を設けて、該冷却媒体流路５２を流通する冷却媒体の熱を端部発電セル１２ａ、１２ｂに伝え易くすることで、低温環境下であっても端部発電セル１２ａ、１２ｂを速やかに昇温させることが可能になる。ひいては、燃料電池スタック１０の低温始動性を向上させることができる。

また、燃料電池スタック１０の各ダミーセル１６、１８、２０は、発電セル１２の電解質膜・電極構造体３４ａ、３４ｂに代えてダミー導電体１０６ａ、１０６ｂを備える。つまり、ダミーセル１６、１８、２０は、電解質膜８４や第１電極触媒層及び第２電極触媒層を備えていないため、発電を行うことがなく、発電による生成水も生じない。これによって、ダミーセル１６、１８、２０自体が断熱層として機能するとともに、ダミーセル１６、１８、２０で結露が生じることを抑制できる。

このようなダミーセル１６、１８、２０を有するダミー構造１５ａ、１５ｂを、積層体１４の積層方向の少なくとも一方の端部側に積層することで、積層体１４の端部側の断熱性を高めることができる。このため、積層体１４の端部側の温度が中央側に比して低温となることを抑制でき、低温環境下においても、積層体１４の端部側で生成水等が凍結すること等による電圧低下の発生を抑制することができる。その結果、燃料電池スタック１０の発電安定性を向上させることができる。

さらに、上記のようにダミー構造１５ａ、１５ｂにより積層体１４の端部側の断熱性が高められることによっても、積層体１４の端部を含めた全体を有効に昇温させることが可能となり、低温始動性を向上させることができる。以上から、本実施形態に係る燃料電池スタック１０によれば、低温始動性を向上させることができるとともに、発電安定性を向上させることができる。

上記の実施形態に係る燃料電池スタック１０のダミー構造１５ａ、１５ｂは、積層方向の外側端部に配設される端部ダミーセル１８、２０を有し、端部ダミーセル１８、２０は、ダミー導電体１０６ａ、１０６ｂが２枚のダミーセパレータ１０５、１０８、１３０で挟持されて形成されることとした。この場合、簡素な構成の端部ダミーセル１８、２０により、積層体１４の端部側の断熱性を高めることができる。

上記の実施形態に係る燃料電池スタック１０のダミー構造１５ａ、１５ｂは、端部発電セル１２ａ、１２ｂと端部ダミーセル１８、２０との間に配設される中間ダミーセル１６を有し、中間ダミーセル１６は、第１ダミー導電体１０６ａと、第２ダミー導電体１０６ｂと、第１ダミーセパレータ１０５と、第２ダミーセパレータ１０８と、第３ダミーセパレータ１３０とを有し、第１ダミーセパレータ１０５、第１ダミー導電体１０６ａ、第２ダミーセパレータ１０８、第２ダミー導電体１０６ｂ、第３ダミーセパレータ１３０が順に積層されて形成されることとした。

このような中間ダミーセル１６は、発電セル１２と同様の積層構造を有するため、簡単に製造することができ、しかも、複数のダミー導電体１０６ａ、１０６ｂやダミーセパレータ１０５、１０８、１３０を備える分、積層体１４の端部側の断熱性を効果的に高めることができる。

上記の実施形態に係る燃料電池スタック１０では、端部ダミーセル１８、２０の積層方向の外側端部に配設されるダミーセパレータ１０８は、第２ダミーセパレータ１０８と同様に構成されることとした。この場合、端部ダミーセル１８、２０の製造工程を簡素化しつつ、隣接する端部発電セル１２ａ、１２ｂ又は中間ダミーセル１６との間に容易に冷却媒体流路５２を設けることが可能になる。

上記の実施形態に係る燃料電池スタック１０では、端部ダミーセル１８、２０と中間ダミーセル１６との間には、冷却媒体が流通する冷却媒体流路５２が設けられることとした。この場合、冷却媒体流路５２を流通する冷却媒体の熱によって、低温環境下であっても端部発電セル１２ａ、１２ｂを速やかに昇温させることができ、また、積層体１４の端部側の断熱性を高めることができる。これによって、低温始動性及び発電安定性を一層良好に向上させることができる。

上記の実施形態に係る燃料電池スタック１０では、積層体１４の積層方向の両方の端部にダミー構造１５ａ、１５ｂがそれぞれ積層されることとした。この場合、積層体１４の両端部側の断熱性を高めることができるため、低温始動性及び発電安定性を一層効果的に向上させることができる。

ところで、燃料電池スタック１０では、酸化剤ガス入口連通孔４０には、加湿された状態の酸化剤ガスが供給される。この酸化剤ガス中の水が結露して、液体の結露水が生じ、該結露水が発電セル１２に飛び込むと、燃料ガス及び酸化剤ガスの拡散性が低下する場合がある。

上記の実施形態に係る燃料電池スタック１０では、積層体１４の積層方向端部にダミーセル１６、１８、２０が備えられ、これらのダミーセル１６、１８、２０には、酸化剤ガスが流通する第１空間１０９が設けられている。このため、酸化剤ガスに結露水が含まれていた場合であっても、該結露水を各ダミーセル１６、１８、２０によって捕集することができるため、発電セル１２に結露水が飛び込むことを抑制できる。特に、積層体１４の酸化剤ガスが供給される一端側（矢印Ａ１側）に、他端側（矢印Ａ２側）よりも多数のダミーセル１６、１８を配設することで、発電セル１２に結露水が進入することをより効果的に抑制することができる。その結果、燃料電池スタック１０の発電安定性のさらなる向上を図ることが可能になる。

一方、上記の実施形態では、各ダミーセル１６、１８、２０には、遮断部１２２ａ、１２２ｂにより、燃料ガスが流通しない第２空間１２６（断熱空間）が設けられることで、各ダミーセル１６、１８、２０よる断熱性をさらに高めることができるとともに、発電のための電気化学反応に寄与せずに燃料電池スタック１０から排出される燃料ガスを減らすことができる。

本発明は、上記した実施形態に特に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

上記の実施形態では、ダミー構造１５ａは、第１端部ダミーセル１８及び中間ダミーセル１６を有し、ダミー構造１５ｂは、第２端部ダミーセル２０を備えることとした。しかしながら、特にこれには限定されない。例えば、変形例に係る燃料電池スタック１０では、ダミー構造１５ａ、１５ｂは、上記の中間ダミーセル１６と同様に構成されたダミーセルを少なくとも１個備え、上記の第１端部ダミーセル１８及び第２端部ダミーセル２０を備えていなくてもよい。

また、燃料電池スタック１０は、積層体１４の積層方向の少なくとも一端側にダミー構造１５ａ、１５ｂを備えていればよく、各ダミー構造１５ａ、１５ｂが有するダミーセル１６、１８、２０の個数も特に限定されるものではない。また、ダミーセル１６、１８、２０を構成するダミー導電体１０６ａ、１０６ｂやダミーセパレータ１０５、１０８、１３０の個数や構成等も特に限定されるものではない。ダミーセル１６、１８、２０は発電を行うことなく、隣接する発電セル１２との間に冷却媒体流路５２を形成可能に構成されればよい。

１０…燃料電池スタック １２…発電セル
１２ａ、１２ｂ…端部発電セル １４…積層体
１５ａ、１５ｂ…ダミー構造 １６…中間ダミーセル
１８…第１端部ダミーセル ２０…第２端部ダミーセル
３２…第１セパレータ ３４ａ…第１電解質膜・電極構造体
３４ｂ…第２電解質膜・電極構造体 ３６…第２セパレータ
３８…第３セパレータ １０５…第１ダミーセパレータ
１０６ａ…第１ダミー導電体 １０６ｂ…第２ダミー導電体
１０８…第２ダミーセパレータ １３０…第３ダミーセパレータ

Claims (7)

1. 発電セルが複数積層された積層体と、
   前記積層体の積層方向の少なくとも一方の端部に積層されたダミー構造と、を備え、
   各前記発電セルは、第１電解質膜・電極構造体と、第２電解質膜・電極構造体と、第１セパレータと、第２セパレータと、第３セパレータとを有し、前記第１セパレータ、前記第１電解質膜・電極構造体、前記第２セパレータ、前記第２電解質膜・電極構造体及び前記第３セパレータが順に積層されている燃料電池スタックであって、
   前記ダミー構造は、電解質膜・電極構造体に対応するダミー導電体と、前記ダミー導電体を挟むダミーセパレータと、を有し、
   前記積層体の前記積層方向の端部に配設される前記発電セルである端部発電セルと、該端部発電セルに隣接する前記ダミー構造との間には、冷却媒体が流通する冷却媒体流路が設けられる、燃料電池スタック。
2. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記ダミー構造は、前記積層方向の外側端部に配設される端部ダミーセルを有し、
   前記端部ダミーセルは、前記ダミー導電体が２枚の前記ダミーセパレータで挟持されて形成される、燃料電池スタック。
3. 請求項２記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記ダミー構造は、前記端部発電セルと前記端部ダミーセルとの間に配設される中間ダミーセルを有し、
   前記中間ダミーセルは、第１ダミー導電体と、第２ダミー導電体と、第１ダミーセパレータと、第２ダミーセパレータと、第３ダミーセパレータとを有し、前記第１ダミーセパレータ、前記第１ダミー導電体、前記第２ダミーセパレータ、前記第２ダミー導電体及び前記第３ダミーセパレータが順に積層されている、燃料電池スタック。
4. 請求項３記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記端部ダミーセルの前記積層方向の外側端部に配設される前記ダミーセパレータは、前記第２ダミーセパレータと同様に構成される、燃料電池スタック。
5. 請求項３又は４記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記端部ダミーセルと前記中間ダミーセルとの間には、冷却媒体が流通する冷却媒体流路が設けられる、燃料電池スタック。
6. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記ダミー構造は、ダミーセルを有し、
   前記ダミーセルは、第１ダミー導電体と、第２ダミー導電体と、第１ダミーセパレータと、第２ダミーセパレータと、第３ダミーセパレータとを有し、前記第１ダミーセパレータ、前記第１ダミー導電体、前記第２ダミーセパレータ、前記第２ダミー導電体及び前記第３ダミーセパレータが順に積層されている、燃料電池スタック。
7. 請求項１〜６の何れか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記積層体の前記積層方向の両方の端部に前記ダミー構造がそれぞれ積層される、燃料電池スタック。

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