JP2019212579A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】凍結が抑制されたダミーセルにより、発電安定性を向上させることが可能な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は、電解質膜・電極構造体８０を有する発電セル１２を複数積層した積層体１４と、積層体１４の積層方向の一端側に配設される第１ダミーセル１８を少なくとも備える。第１ダミーセル１８のダミー構造体１１０は、積層方向の一端側に酸化剤ガス流路５６に対応する第１空間１０９が設けられ、他端側に燃料ガス流路６６に対応する第２空間１２６が設けられる。酸化剤ガス入口連通孔４０及び酸化剤ガス出口連通孔４６と第１空間１０９との間には、酸化剤ガスを流通可能とする連通路１２５が設けられる。ダミー構造体１１０には、第１空間１０９と第２空間１２６を鉛直方向下部で連通する貫通孔１１７が設けられる。【選択図】図９

Description

本発明は、電解質膜・電極構造体と、電解質膜・電極構造体の外周を周回する樹脂枠部材と、セパレータとを有する発電セルを複数積層した積層体、及び積層体の積層方向の少なくとも一方の端部に配設されるダミーセル備える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、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。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、凍結が抑制されたダミーセルにより、発電安定性を向上させ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。

上記の目的を達成するため、本発明は、電解質膜の両側に導電性多孔質体からなるガス拡散層を有する電極がそれぞれ配設された電解質膜・電極構造体と、電解質膜・電極構造体の外周を周回する樹脂枠部材と、電解質膜・電極構造体を挟むセパレータとを有する発電セルを複数積層した積層体、及び積層体の積層方向の少なくとも一方の端部に配設されるダミーセルを備える燃料電池スタックであって、ダミーセルは、電解質膜・電極構造体に対応するダミー構造体と、ダミー構造体の外周を周回するダミー樹脂枠部材と、ダミー構造体を挟むダミーセパレータと、を備え、ダミー構造体は、平面寸法がそれぞれ異なる３枚の導電性多孔質体を積層して形成され、セパレータ及びダミーセパレータのそれぞれには、積層体の積層方向に酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス連通孔と、積層体の積層方向に燃料ガスを流通させる燃料ガス連通孔とが形成され、電解質膜・電極構造体の一方の電極に対向するセパレータには、酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流路が設けられ、電解質膜・電極構造体の他方の電極に対向するセパレータには、燃料ガスが流通する燃料ガス流路が設けられ、ダミー構造体の積層方向の一端側に対向するダミーセパレータとダミー構造体の一端側との間には、酸化剤ガス流路に対応する第１空間が設けられ、ダミー構造体の積層方向の他端側に対向するダミーセパレータとダミー構造体の他端側との間には、燃料ガス流路に対応する第２空間が設けられ、酸化剤ガス連通孔と第１空間との間には、酸化剤ガスを流通可能とする連通路が設けられ、ダミー構造体には、第１空間と第２空間を、鉛直方向下部で連通する貫通孔が設けられることを特徴とする。

この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に、発電セルの電解質膜・電極構造体に代えて、ダミー構造体を備えるダミーセルが配設される。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。このダミーセルを、上記のように、積層体の積層方向の少なくとも一方の端部側に設けることで、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、低温環境下においても、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る。つまり、発電安定性を向上させることができる。

また、積層体の端部側の断熱性を高めることができるため、燃料電池スタックを氷点下環境で始動する場合であっても、積層体の全体を有効に昇温させることができる。これによって、積層体の端部側で生成水等が凍結して、電圧低下が生じることを抑制できる。

燃料電池スタックの酸化剤ガス連通孔の入口側には、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に飛び込むと、反応ガスの拡散性が低下する場合がある。そこで、この燃料電池スタックでは、酸化剤ガス連通孔とダミー構造体の積層方向の一端側に臨む第１空間とを連通路を介して連通させる。これによって、第１空間に酸化剤ガスを流通させることができるため、酸化剤ガスに結露水が含まれていた場合であっても、該結露水をダミーセルによって捕集して、発電セルに結露水が飛び込むことを抑制できる。

ダミーセルによって捕集された結露水等の液水は、燃料電池スタックの高負荷発電時や、停止中の乾燥処理により第１空間を流通する酸化剤ガスの流量を増大させたとき、もしくは、ダミーセルが乾燥状態になったときに、ダミーセルからの排出が促される。ダミー構造体には、第１空間と第２空間を鉛直方向下部で連通する貫通孔が設けられているため、液水が第２空間に進入した場合であっても、該液水は、重力により貫通孔に向かい、該貫通孔を介して第１空間側に導かれる。

その結果、第１空間を流れる酸化剤ガスによって、ダミーセルからの排水を一層良好に促すことが可能になり、ダミーセルの内部に液水が滞留することを抑制できるため、低温環境下においても、ダミーセルが凍結することを回避できる。従って、この燃料電池スタックによれば、凍結が抑制されたダミーセルにより、発電安定性を向上させることができる。

上記の燃料電池スタックにおいて、ダミー構造体の貫通孔は、第１空間を流通した酸化剤ガスの出口側の酸化剤ガス連通孔の近傍に設けられることが好ましい。この場合、貫通孔を介して第２空間から第１空間に導かれた液水を、ダミーセルの外部（出口側の酸化剤ガス連通孔）に効果的に排出することが可能になる。

上記の燃料電池スタックにおいて、セパレータ及びダミーセパレータは、長手方向が水平方向に沿う矩形状であり、セパレータ及びダミーセパレータの鉛直方向上部には、酸化剤ガス流路及び第１空間に酸化剤ガスを供給する入口側の酸化剤ガス連通孔が設けられ、セパレータ及びダミーセパレータの鉛直方向下部には、酸化剤ガス流路及び第１空間から酸化剤ガスが排出される出口側の酸化剤ガス連通孔が設けられることが好ましい。この場合、重力によりダミーセル内の液水を出口側の酸化剤ガス連通孔に効果的に導いて、良好に排水することが可能になる。

上記の燃料電池スタックにおいて、第１空間は、ダミーセパレータの長手方向に沿う一方向に酸化剤ガスを流通させることが好ましい。この場合、ダミーセル内の液水を、第１空間を介して容易に出口側の酸化剤ガス連通孔に導いて排水することが可能になる。

上記の燃料電池スタックにおいて、燃料ガス連通孔と第２空間との間には、燃料ガスの流通を遮断する遮断部が設けられることが好ましい。この場合、燃料ガスが流通しないことで断熱性が高められた第２空間が、断熱空間として機能するため、ダミーセルによる断熱性を一層向上させることができる。また、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から排出される燃料ガスを減らすことができる。

上記の燃料電池スタックにおいて、３枚の導電性多孔質体は、第１導電性多孔質体と、第１導電性多孔質体よりも平面寸法が大きい第２導電性多孔質体と、第２導電性多孔質体よりも平面寸法が大きい第３導電性多孔質体とを有し、ダミー樹脂枠部材は、外周縁部と、外周縁部の内周端から第１段差面を介して全周に亘って内方に突出した棚部と、棚部の内周端から第２段差面を介して全周に亘って内方に突出した薄肉部とを有し、第３導電性多孔質体の外周縁部は、ダミー樹脂枠部材の棚部に重なり、第２導電性多孔質体の外周縁部は、ダミー樹脂枠部材の薄肉部に臨み、第１導電性多孔質体の外周端面は、ダミー樹脂枠部材の内周端面に対向することが好ましい。

上記の燃料電池スタックにおいて、第２導電性多孔質体の厚みは、第２段差面の高さよりも大きいことが好ましい。

上記の燃料電池スタックにおいて、ダミー樹脂枠部材の薄肉部と、第３導電性多孔質体との間には、空間が形成されることが好ましい。

本発明によれば、凍結が抑制されたダミーセルにより、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。 樹脂枠付きＭＥＡのアノード電極側の正面図である。 図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線矢視断面図である。 樹脂枠付きダミー構造体の第３導電性多孔質体側の正面図である。 図９のＸ−Ｘ線矢視断面図である。 ダミー構造体の分解斜視図である。 ダミー第２セパレータ及びダミー第３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）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、積層体１４の積層方向一端側（矢印Ａ１側）には、第１端部発電ユニット１６、第１ダミーセル１８及び第２ダミーセル２０が外方に向かって配置される。また、積層体１４の積層方向他端側（矢印Ａ２側）には、第２端部発電ユニット２２及び第３ダミーセル２４が外方に向かって配置される。積層体１４の第２ダミーセル２０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３ダミーセル２４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、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、樹脂枠付きＭＥＡ３４と、第２セパレータ３６と、樹脂枠付きＭＥＡ３４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（各セパレータ）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１及び図３に示すように、各セパレータの長辺方向（水平方向、矢印Ｂ１、Ｂ２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（酸化剤ガス連通孔）及び燃料ガス出口連通孔４２（燃料ガス連通孔）が設けられる。酸化剤ガス入口連通孔４０は、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する。燃料ガス出口連通孔４２は、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。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。

各セパレータ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、燃料ガスを供給する燃料ガス入口連通孔４４（燃料ガス連通孔）及び酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔４６（酸化剤ガス連通孔）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。

各セパレータの鉛直方向の上部（矢印Ｃ１側）に酸化剤ガス入口連通孔４０及び燃料ガス入口連通孔４４が設けられ、鉛直方向の下部（矢印Ｃ２側）に燃料ガス出口連通孔４２及び酸化剤ガス出口連通孔４６が設けられる。ここでの鉛直方向は、燃料電池スタック１０を運転する際の鉛直方向である。

各セパレータの短辺方向（鉛直方向、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、冷却媒体を供給するための一対の冷却媒体入口連通孔４８がそれぞれ設けられる。各セパレータ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、冷却媒体を排出するための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。すなわち、本実施家形態では、酸化剤ガス流路５６及び燃料ガス流路６６は何れも、いわゆる、サーペンタインタイプではなく、ストレートタイプである。

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等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等によって遮断されている。

図２に示すように、互いに隣接する第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。

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。

各セパレータの両面には、該各セパレータ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、図７及び図８に示すように、樹脂枠付きＭＥＡ３４は、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）８０の外周に樹脂枠部材８２が接合されて構成される。図８に示すように、電解質膜・電極構造体８０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。

電解質膜・電極構造体８０は、カソード電極８６の平面寸法がアノード電極８８及び電解質膜８４の平面寸法よりも小さい段差型ＭＥＡを構成している。なお、カソード電極８６、アノード電極８８及び電解質膜８４は、同一の平面寸法に設定してもよい。また、アノード電極８８は、カソード電極８６及び電解質膜８４よりも小さな平面寸法を有してもよい。

カソード電極８６は、電解質膜８４の一端側（矢印Ａ１側）の面８４ａに接合される第１電極触媒層９０と、該第１電極触媒層９０に積層される第１ガス拡散層９２とを有する。第１電極触媒層９０は、第１ガス拡散層９２よりも大きな平面寸法であり、第１ガス拡散層９２の外周端面９２ａから外方に突出する外周露呈部９０ａを有する。また、第１電極触媒層９０は、電解質膜８４よりも小さな平面寸法である。

アノード電極８８は、電解質膜８４の他端側（矢印Ａ２側）の面８４ｂに接合される第２電極触媒層９４と、該第２電極触媒層９４に積層される第２ガス拡散層９６とを有する。第２電極触媒層９４及び第２ガス拡散層９６は、同一の平面寸法を有するとともに、電解質膜８４と同一（又は同一未満）の平面寸法に設定される。

第１電極触媒層９０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９４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。第２ガス拡散層９６の平面寸法は、第１ガス拡散層９２の平面寸法よりも大きく設定される。

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。また、図８に示すように、樹脂枠部材８２は、外周端８２ａ（図７参照）からその内側に所定の長さに亘って外周縁部８２ｂが設けられ、該外周縁部８２ｂからさらに内側に内側膨出部８２ｃが設けられる。

内側膨出部８２ｃは、外周縁部８２ｂの内周端から内側に向かって第１段差面８２ｄを介して延在する棚部８２ｅと、該棚部８２ｅの内周端から内側に向かって第２段差面８２ｆを介して延在する薄肉部８２ｇとが設けられる。棚部８２ｅは、外周縁部８２ｂより薄肉であり、薄肉部８２ｇは、棚部８２ｅより薄肉である。また、第１段差面８２ｄ、棚部８２ｅ、第２段差面８２ｆ及び薄肉部８２ｇは、樹脂枠部材８２の全周に亘って設けられている。棚部８２ｅの矢印Ａ２側の面８２ｅａには、電解質膜８４の面８４ｂの外周縁部が当接する。薄肉部８２ｇの内側端部には、第１電極触媒層９０の外周露呈部９０ａに対向する土手部８２ｈが全周に亘って設けられる。また、薄肉部８２ｇの、土手部８２ｈと第２段差面８２ｆとの間には溝部８２ｈａが設けられる。

電解質膜８４の面８４ａの溝部８２ｈａに臨む部分及び第１電極触媒層９０の外周露呈部９０ａには、該外周露呈部９０ａを周回するように接着剤９８ａが充填されて接着部９８が設けられる。この接着部９８は、樹脂枠部材８２の内周端面８２ｉと第１ガス拡散層９２の外周端面９２ａとの間にも満たされる。接着剤９８ａとしては、例えば、フッ素樹脂系、シリコーン樹脂系、エポキシ樹脂系等を好適に用いることができるが、特にこれに限定されるものではない。また、接着剤９８ａは、液体や固体、熱可塑性や熱硬化性等に制限されるものではない。

樹脂枠部材８２と第２ガス拡散層９６の外周縁部とは、接着用樹脂を用いた第１接合部１００により一体化される。図７に示すように、第１接合部１００は、第２ガス拡散層９６の外周縁部を周回するように設けられる。図８に示すように、第１接合部１００は、例えば、樹脂枠部材８２に対して、その外周縁部８２ｂの内側端部を周回し且つ矢印Ａ２側に突出するように一体成形された樹脂突起部１００ａを加熱変形させて構成することができる。この第１接合部１００は、第１樹脂含浸部１００ｂと、第１溶融凝固部１００ｃとから形成される。

第１樹脂含浸部１００ｂは、溶融した樹脂突起部１００ａを、第２ガス拡散層９６の外周縁部に含浸させることで形成される。第１溶融凝固部１００ｃは、互いに離間して配置された樹脂枠部材８２の第１段差面８２ｄと、電解質膜８４及びアノード電極８８の外周端面１０１との間に、溶融させた樹脂突起部１００ａを流入させて凝固させることで形成される。図８では、第１溶融凝固部１００ｃと一体化した棚部８２ｅの表面及び第１段差面８２ｄを二点鎖線で示す。

第１電極触媒層９０の外周露呈部９０ａ及び第１ガス拡散層９２の外周端面９２ａを周回するように接着部９８が設けられることや、第２ガス拡散層９６の外周縁部を周回するように第１接合部１００が設けられることにより、カソード電極８６及びアノード電極８８間のクロスリーク等が防止されている。

図３に示すように、樹脂枠部材８２のカソード電極８６側（矢印Ａ１側）の面８２ｊ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。樹脂枠部材８２のアノード電極８８側（矢印Ａ２側）の面８２ｋには、図７に示すように、燃料ガス入口バッファ部１０４ａ及び燃料ガス出口バッファ部１０４ｂが設けられる。

図２に示すように、第１端部発電ユニット１６は、矢印Ａ１側から矢印Ａ２側に向かって、ダミー第１セパレータ１０５と、樹脂枠付きダミー構造体１０６と、ダミー第２セパレータ１０８と、樹脂枠付きＭＥＡ３４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。

図２〜図４に示すように、ダミー第１セパレータ１０５は、第１セパレータ３２と同様に構成されている。ダミー第１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が設けられる。また、ダミー第１セパレータ１０５の他端側（矢印Ａ２側）の面１０５ｂと樹脂枠付きダミー構造体１０６の一端側（矢印Ａ１側）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。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９及び図１０に示すように、樹脂枠付きダミー構造体１０６は、ダミー構造体１１０の外周にダミー樹脂枠部材１１１が接合されて構成される。図１０及び図１１に示すように、ダミー構造体１１０は、平面寸法（表面積／外形寸法）がそれぞれ異なる３枚の第１導電性多孔質体１１２と、第２導電性多孔質体１１４と、第３導電性多孔質体１１６とを、矢印Ａ１側から矢印Ａ２側に向かってこの順に積層して構成される。

平面寸法の大きさの関係は、第１導電性多孔質体１１２＜第２導電性多孔質体１１４＜第３導電性多孔質体１１６となっている。このため、図１０に示すように、第３導電性多孔質体１１６の外周縁部には、全周に亘って第２導電性多孔質体１１４の外周端面１１４ａよりも外方に突出する外周露呈部１１６ａが設けられる。第２導電性多孔質体１１４の外周縁部には、全周に亘って第１導電性多孔質体１１２の外周端面１１２ａよりも外方に突出する外周露呈部１１４ｂが設けられる。

第１導電性多孔質体１１２と第２導電性多孔質体１１４と第３導電性多孔質体１１６は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。

また、本実施形態では、第１導電性多孔質体１１２、第２導電性多孔質体１１４、第３導電性多孔質体１１６のそれぞれの厚さを、第２ガス拡散層９６を構成する導電性多孔質体と同一の厚さに設定した。これによって、該導電性多孔質体の平面寸法を上記のように調整することで、ダミー構造体１１０をさらに容易に得ることができる。

ダミー構造体１１０の鉛直方向下部（矢印Ｃ２側）の矢印Ｂ２側の端部には、第１導電性多孔質体１１２と第２導電性多孔質体１１４と第３導電性多孔質体１１６とを積層方向に貫通する貫通孔１１７が設けられている。本実施形態では、貫通孔１１７の軸方向に直交する断面は円形状であることとするが、特にこれに限定されるものではない。また、第１導電性多孔質体１１２と第２導電性多孔質体１１４と第３導電性多孔質体１１６とのそれぞれに形成される貫通孔１１７は互いに同じ寸法であってもよいし、互いに異なる寸法であってもよい。

図１０に示すように、積層された第１導電性多孔質体１１２と第２導電性多孔質体１１４は接着剤層１１８ａにより接合され、第２導電性多孔質体１１４と第３導電性多孔質体１１６は接着剤層１１８ｂにより接合されている。接着剤層１１８ａ、１１８ｂは、接着部９８と同様に、接着剤９８ａを使用してもよい。

図９及び図１０に示すように、ダミー樹脂枠部材１１１は、図７及び図８の樹脂枠付きＭＥＡ３４を構成する樹脂枠部材８２と同一の構成からなり、外周縁部８２ｂと、内側膨出部８２ｃとを有する。図１０に示すように、内側膨出部８２ｃの棚部８２ｅには、第３導電性多孔質体１１６の外周露呈部１１６ａの矢印Ａ１側が当接する。薄肉部８２ｇには、第３導電性多孔質体１１６の外周露呈部１１６ａの矢印Ａ１側の一部と、第２導電性多孔質体１１４の外周露呈部１１４ｂの矢印Ａ１側の一部が臨む。土手部８２ｈの突出端面には、第２導電性多孔質体１１４の外周露呈部１１４ｂの矢印Ａ１側が当接する。

矢印Ａ１、Ａ２方向において、第２導電性多孔質体１１４の外周端面１１４ａは、第３導電性多孔質体１１６と薄肉部８２ｇとの間に配置される。ダミー樹脂枠部材１１１の内周端面８２ｉは、積層方向（矢印Ａ１、Ａ２方向）と垂直な方向において、第２導電性多孔質体１１４の外周端面１１４ａと、第１導電性多孔質体１１２の外周端面１１２ａとの間に位置する。ダミー樹脂枠部材１１１の内周端面８２ｉに、第１導電性多孔質体１１２の外周端面１１２ａが間隔を置いて臨む。第２段差面８２ｆの高さは、第２導電性多孔質体１１４の厚さよりも小さい。

第３導電性多孔質体１１６の外周露呈部１１６ａと、ダミー樹脂枠部材１１１の棚部８２ｅの矢印Ａ２側の面８２ｅａとが第２接合部１２０を介して接合されることで、樹脂枠付きダミー構造体１０６が構成される。図９に示すように、第２接合部１２０は、第３導電性多孔質体１１６の外周縁部に対して、周方向に断続的に（スポット状に）設けられる。なお、第２接合部１２０は、ダミー構造体１１０を周回するように形成されてもよい。

図１０に示すように、第２接合部１２０は、例えば、ダミー樹脂枠部材１１１に一体成形される樹脂突起部１２０ａを部分的に加熱変形させて構成することができる。この場合、第２接合部１２０は、第２樹脂含浸部１２０ｂと、第２溶融凝固部１２０ｃとから形成される。なお、樹脂突起部１２０ａのうち、第２接合部１２０を構成しない部分、換言すると、加熱変形させずに残存した部分は、機械加工等により除去してもよい。

第２樹脂含浸部１２０ｂは、溶融した樹脂突起部１２０ａを、第３導電性多孔質体１１６の外周縁部に含浸させることで形成される。第２溶融凝固部１２０ｃは、互いに離間して配置されたダミー樹脂枠部材１１１の第１段差面８２ｄと、第３導電性多孔質体１１６の外周端面１１６ｂとの間に、溶融させた樹脂突起部１２０ａを流入させて凝固させることで形成される。図１０では、第２溶融凝固部１２０ｃと一体化した棚部８２ｅの表面及び第１段差面８２ｄを二点鎖線で示す。なお、第１接合部１００及び第２接合部１２０は、接着部９８と同様に、接着剤９８ａを使用してもよい。

図２、図３及び図１２に示すように、ダミー第２セパレータ１０８は、燃料ガス供給孔部７２ａに代えて入口遮断部１２２ａが設けられ、燃料ガス排出孔部７２ｂ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と同様に構成されている。つまり、ダミー第２セパレータ１０８の他端側（矢印Ａ２側）の面１０８ｂ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、ダミー第２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及び図４に示すように、ダミー第２セパレータ１０８の他端側（矢印Ａ２側）の面１０８ｂと樹脂枠付きＭＥＡ３４のカソード電極８６側（矢印Ａ１側）との間には、酸化剤ガス流路５６が設けられる。

図２及び図１２に示すように、ダミー第２セパレータ１０８の一端側（矢印Ａ１側）の面１０８ａと樹脂枠付きダミー構造体１０６の他端側（第３導電性多孔質体１１６側、矢印Ａ２側）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とを遮断される。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。また、本実施形態では、遮断部は、ダミー第２セパレータ１０８に燃料ガス供給孔部７２ａ及び燃料ガス排出孔部７２ｂ（図３参照）を貫通形成しないことで構成される。しかしながら、特にこれに限定されるものではなく、例えば、遮断部は、ダミー第２セパレータ１０８に貫通形成された燃料ガス供給孔部７２ａ及び燃料ガス排出孔部７２ｂを閉塞して構成することも可能である。図１２に示すように、ダミー第２セパレータ１０８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。

ダミー構造体１１０の第１導電性多孔質体１１２側に設けられた第１空間１０９と、第３導電性多孔質体１１６側に設けられた第２空間１２６は、貫通孔１１７によって、酸化剤ガス出口連通孔４６の近傍で連通している。

図２に示すように、第１ダミーセル１８は、矢印Ａ１側から矢印Ａ２側に向かって、ダミー第１セパレータ１０５（ダミーセパレータ）と、樹脂枠付きダミー構造体１０６と、ダミー第２セパレータ１０８（ダミーセパレータ）と、樹脂枠付きダミー構造体１０６と、ダミー第３セパレータ１３０（ダミーセパレータ）とが、この順に積層されて構成される。

図２及び図３に示すように、ダミー第３セパレータ１３０の他端側（矢印Ａ２側）の面１３０ｂは、第１セパレータ３２の一端側（矢印Ａ１側）の面３２ａと同様に構成される。また、図２及び図１２に示すように、ダミー第３セパレータ１３０の矢印Ａ１側の面１３０ａは、ダミー第２セパレータ１０８の矢印Ａ１側の面１０８ａと同様に構成される。

図２に示すように、ダミー第３セパレータ１３０の矢印Ａ２側の面１３０ｂと第１端部発電ユニット１６のダミー第１セパレータ１０５との間に、冷却媒体流路５２が設けられる。図２及び図１２に示すように、ダミー第３セパレータ１３０の矢印Ａ１側の面１３０ａと樹脂枠付きダミー構造体１０６の第３導電性多孔質体１１６側（矢印Ａ２側）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。さらに、第１ダミーセル１８では、ダミー第２セパレータ１０８の矢印Ａ１側の面１０８ａと樹脂枠付きダミー構造体１０６の第３導電性多孔質体１１６側との間にも第２空間１２６が設けられている。

また、第１ダミーセル１８では、ダミー第１セパレータ１０５の矢印Ａ２側の面１０５ｂと樹脂枠付きダミー構造体１０６の第１導電性多孔質体１１２側との間、及びダミー第２セパレータ１０８の矢印Ａ２側の面１０８ｂと樹脂枠付きダミー構造体１０６の第１導電性多孔質体１１２側との間にそれぞれ第１空間１０９が形成されている。

第２ダミーセル２０は、矢印Ａ１側から矢印Ａ２側に向かって、ダミー第１セパレータ１０５、樹脂枠付きダミー構造体１０６、ダミー第３セパレータ１３０の順に積層される。このため、第２ダミーセル２０では、ダミー第１セパレータ１０５の矢印Ａ２側の面１０５ｂと樹脂枠付きダミー構造体１０６の第１導電性多孔質体１１２側（矢印Ａ１側）との間に第１空間１０９が設けられる。また、ダミー第３セパレータ１３０の矢印Ａ１側の面１３０ａと樹脂枠付きダミー構造体１０６の第３導電性多孔質体１１６側（矢印Ａ２側）との間に第２空間１２６が設けられる。第３ダミーセル２４は、第２ダミーセル２０と同様に構成される。

なお、第２ダミーセル２０及び第３ダミーセル２４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２ダミーセル２０は、矢印Ａ１側から矢印Ａ２側に向かって、ダミー第２セパレータ１０８、樹脂枠付きダミー構造体１０６、第１セパレータ３２の順に積層して構成してもよい。第３ダミーセル２４は、矢印Ａ１側から矢印Ａ２側に向かって、第１セパレータ３２、樹脂枠付きダミー構造体１０６、ダミー第２セパレータ１０８の順に積層して構成してもよい。

第１ダミーセル１８、第２ダミーセル２０、第３ダミーセル２４（各ダミーセル）では、ダミー構造体１１０を介して対向する第１空間１０９と第２空間１２６が、貫通孔１１７により、酸化剤ガス出口連通孔４６の近傍で連通している。

第２端部発電ユニット２２は、矢印Ａ１側からＡ２側に向かって、第１セパレータ３２と、樹脂枠付きＭＥＡ３４と、ダミー第２セパレータ１０８と、樹脂枠付きダミー構造体１０６と、ダミー第３セパレータ１３０とが、この順に積層されて構成される。このため、第２端部発電ユニット２２では、ダミー第２セパレータ１０８の矢印Ａ２側の面１０８ｂと樹脂枠付きダミー構造体１０６の第１導電性多孔質体１１２側との間に第１空間１０９が形成される。

また、ダミー第３セパレータ１３０の矢印Ａ１側の面１３０ａと樹脂枠付きダミー構造体１０６の第３導電性多孔質体１１６側との間に第２空間１２６が形成される。これらの第１空間１０９及び第２空間１２６も、貫通孔１１７により、酸化剤ガス出口連通孔４６の近傍で連通している。

ターミナルプレート２６ａ、２６ｂは、電気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、一対の電気伝導性を有する断熱プレート１４４間に電気伝導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、以下に説明する。まず、図１に示すように、酸素含有ガス等の酸化剤ガスは、エンドプレート３０ａの酸化剤ガス入口連通孔４０に供給される。水素含有ガス等の燃料ガスは、エンドプレート３０ａの燃料ガス入口連通孔４４に供給される。純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体は、エンドプレート３０ｂの冷却媒体入口連通孔４８にそれぞれ供給される。

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、各セパレータ及び各ダミーセパレータ（ダミー第１セパレータ１０５、ダミー第２セパレータ１０８、ダミー第３セパレータ１３０）の長手方向の矢印Ｂ１側からＢ２側に向かって移動しながら、電解質膜・電極構造体８０のカソード電極８６と、ダミー構造体１１０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の内部を介して、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、各セパレータの長手方向の矢印Ｂ２側から１側に向かって移動しながら、電解質膜・電極構造体８０のアノード電極８８に供給される。一方、図１２に示すように、ダミー第２セパレータ１０８及びダミー第３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８０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９０及び第２電極触媒層９４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、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、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、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、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、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。

また、各冷却媒体入口連通孔４８に供給された冷却媒体は、互いに隣接するダミー第３セパレータ１３０と第１セパレータ３２間の冷却媒体流路５２、及び互いに隣接する第３セパレータ３８と第１セパレータ３２との間の冷却媒体流路５２に導入される。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８０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の各ダミーセルは、発電セル１２の電解質膜・電極構造体８０に対応してダミー構造体１１０を備える。つまり、各ダミーセルは、電解質膜８４や第１電極触媒層９０及び第２電極触媒層９４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、各ダミーセル自体が断熱層として機能するとともに、各ダミーセルで結露が生じることを抑制できる。

このような第１ダミーセル１８及び第２ダミーセル２０を積層体１４の矢印Ａ１側の端部に配設し、第３ダミーセル２４を積層体１４の矢印Ａ２側の端部に配設することで、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、低温環境下においても、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る。

さらに、積層体１４の端部側の断熱性を高めることができるため、燃料電池スタック１０を氷点下環境で始動する場合であっても、積層体１４の全体を有効に昇温させることができる。これによって、積層体１４の端部側で生成水等が凍結して、電圧低下が生じることを抑制できる。

ところで、特に、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔４０に、その矢印Ａ１側から、加湿された状態で供給される。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、反応ガスの拡散性が低下する場合がある。

そこで、燃料電池スタック１０では、上記の通り、樹脂枠付きダミー構造体１０６の積層方向の一端端側（第１導電性多孔質体１１２側、矢印Ａ１側）と、ダミー第１セパレータ１０５及びダミー第２セパレータ１０８との間に連通路１２５を設けることとした。これによって、各ダミーセルの酸化剤ガス入口連通孔４０に供給された酸化剤ガスは、連通路１２５を介して第１空間１０９を流通する。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によって捕集して、発電セル１２に結露水が飛び込むことを抑制できる。

各ダミーセルに捕集された結露水等の液水は、燃料電池スタック１０の高負荷発電時や、停止中の乾燥処理により第１空間１０９を流通する酸化剤ガスの流量を増大させたとき、もしくは、各ダミーセルが乾燥状態になったときに、該各ダミーセルからの排出が促される。ダミー構造体１１０には、第１空間１０９と第２空間１２６を鉛直方向下部で連通する貫通孔１１７が設けられているため、液水が第２空間１２６に進入した場合であっても、該液水は、重力により貫通孔１１７に向かい、該貫通孔１１７を介して第１空間１０９側に導かれる。

その結果、第１空間１０９を流れる酸化剤ガスによって、各ダミーセルからの排水を一層良好に促すことが可能になり、各ダミーセルの内部に液水が滞留することを抑制できる。このため、低温環境下においても、各ダミーセルが凍結することを回避できる。以上から、燃料電池スタック１０によれば、凍結が抑制された各ダミーセルにより、発電安定性を向上させることができる。

上記の通り、燃料電池スタック１０では、ダミー構造体１１０の貫通孔１１７が、酸化剤ガス出口連通孔４６の近傍に設けられることとした。これによって、貫通孔１１７を介して第２空間１２６から第１空間１０９に導かれた液水を、各ダミーセルの外部（酸化剤ガス出口連通孔４６）に効果的に排出することが可能になる。

上記の通り、燃料電池スタック１０では、各セパレータ及び各ダミーセパレータが、長手方向が水平方向に沿う矩形状であることとした。また、各セパレータ及び各ダミーセパレータの鉛直方向上部（矢印Ｃ１側）に、酸化剤ガス入口連通孔４０が設けられ、各セパレータ及び各ダミーセパレータの鉛直方向下部（矢印Ｃ２側）に、酸化剤ガス出口連通孔４６が設けられることとした。これによって、重力により各発電セル１２や、各ダミーセル内の液水を酸化剤ガス出口連通孔４６に効果的に導いて、良好に排水することが可能になる。

上記の通り、燃料電池スタック１０では、第１空間１０９が各ダミーセパレータの長手方向に沿う一方向に酸化剤ガスを流通させることとした。これによって、各ダミーセル内の液水を、第１空間１０９を介して容易に酸化剤ガス出口連通孔４６に導いて排水することが可能になる。

上記の通り、燃料電池スタック１０では、樹脂枠付きダミー構造体１０６の積層方向の他端側（第３導電性多孔質体１１６側、矢印Ａ２側）と、ダミー第２セパレータ１０８及びダミー第３セパレータ１３０の各々との間に、入口遮断部１２２ａ及び出口遮断部１２２ｂが設けられることとした。これによって、上記の通り、第２空間１２６が断熱空間として機能するため、各ダミーセルによる断熱性を一層向上させることができる。また、第２空間１２６への燃料ガスの流通が遮断されることで、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。

例えば、上記の実施形態では、ダミー構造体１１０の、酸化剤ガス出口連通孔４６の近傍に対して、平面視で円形状の貫通孔１１７が１個設けられることとしたが、特にこれらに限定されるものではない。貫通孔１１７は、ダミー構造体１１０の鉛直方向下部であれば、何れの箇所に設けられてもよい。また、貫通孔１１７は、第１空間１０９と第２空間１２６と連通可能な形状であればよい。さらに、ダミー構造体１１０に対して、複数個の貫通孔１１７が設けられてもよい。

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の矢印Ａ１側に第１端部発電ユニット１６と、第１ダミーセル１８と、第２ダミーセル２０とを積層し、積層体１４の矢印Ａ２側に第２端部発電ユニット２２と、第３ダミーセル２４とを積層することとした。

このように、積層体１４の矢印Ａ１側、換言すると、酸化剤ガスの入口側に対して、積層体１４の矢印Ａ２側、換言すると、酸化剤ガスの出口側よりも多数のダミーセルを配設することで、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を可能とした。しかしながら、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セルを備えていればよく、該ダミーセルの個数も特に限定されるものではない。

また、発電セル１２と第１ダミーセル１８又は第３ダミーセル２４との間に第１端部発電ユニット１６又は第２端部発電ユニット２２を介在させることで、積層体１４の積層方向の両端部で発電を行う第１端部発電ユニット１６及び第２端部発電ユニット２２内の電解質膜・電極構造体８０を、他の電解質膜・電極構造体８０と同様の条件で冷却することを可能とした。その結果、積層体１４全体における発熱と冷却のバランスを同等とすることができるため、発電性能及び発電安定性のさらなる向上を図ることができる。

しかしながら、第１端部発電ユニット１６及び第２端部発電ユニット２２は必須の構成要素ではなく、燃料電池スタック１０は、第１端部発電ユニット１６及び第２端部発電ユニット２２の何れか一方のみを備えてもよいし、何れも備えていなくてもよい。

１０…燃料電池スタック １２…発電セル
１４…積層体 １８…第１ダミーセル
２０…第２ダミーセル ２４…第３ダミーセル
４６…酸化剤ガス出口連通孔 ５６…酸化剤ガス流路
６６…燃料ガス流路 １０６…樹脂枠付きダミー構造体
１０９…第１空間 １１０…ダミー構造体
１１１…ダミー樹脂枠部材 １１７…貫通孔
１２５…連通路 １２６…第２空間

Claims (8)

1. 電解質膜の両側に導電性多孔質体からなるガス拡散層を有する電極がそれぞれ配設された電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の外周を周回する樹脂枠部材と、前記電解質膜・電極構造体を挟むセパレータとを有する発電セルを複数積層した積層体、及び前記積層体の積層方向の少なくとも一方の端部に配設されるダミーセルを備える燃料電池スタックであって、
   前記ダミーセルは、前記電解質膜・電極構造体に対応するダミー構造体と、前記ダミー構造体の外周を周回するダミー樹脂枠部材と、前記ダミー構造体を挟むダミーセパレータと、を備え、
   前記ダミー構造体は、平面寸法がそれぞれ異なる３枚の導電性多孔質体を積層して形成され、
   前記セパレータ及び前記ダミーセパレータのそれぞれには、前記積層体の積層方向に酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス連通孔と、前記積層体の積層方向に燃料ガスを流通させる燃料ガス連通孔とが形成され、
   前記電解質膜・電極構造体の一方の前記電極に対向する前記セパレータには、酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流路が設けられ、
   前記電解質膜・電極構造体の他方の前記電極に対向する前記セパレータには、燃料ガスが流通する燃料ガス流路が設けられ、
   前記ダミー構造体の積層方向の一端側に対向する前記ダミーセパレータと前記ダミー構造体の一端側との間には、前記酸化剤ガス流路に対応する第１空間が設けられ、
   前記ダミー構造体の積層方向の他端側に対向する前記ダミーセパレータと前記ダミー構造体の他端側との間には、前記燃料ガス流路に対応する第２空間が設けられ、
   前記酸化剤ガス連通孔と前記第１空間との間には、前記酸化剤ガスを流通可能とする連通路が設けられ、
   前記ダミー構造体には、前記第１空間と前記第２空間を、鉛直方向下部で連通する貫通孔が設けられることを特徴とす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、
   前記ダミー構造体の前記貫通孔は、前記第１空間を流通した前記酸化剤ガスの出口側の前記酸化剤ガス連通孔の近傍に設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記セパレータ及び前記ダミーセパレータは、長手方向が水平方向に沿う矩形状であり、
   前記セパレータ及び前記ダミーセパレータの鉛直方向上部には、前記酸化剤ガス流路及び前記第１空間に前記酸化剤ガスを供給する入口側の前記酸化剤ガス連通孔が設けられ、
   前記セパレータ及び前記ダミーセパレータの鉛直方向下部には、前記酸化剤ガス流路及び前記第１空間から前記酸化剤ガスが排出される出口側の前記酸化剤ガス連通孔が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記第１空間は、前記ダミーセパレータの長手方向に沿う一方向に前記酸化剤ガスを流通させることを特徴とする燃料電池スタック。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記燃料ガス連通孔と前記第２空間との間には、前記燃料ガスの流通を遮断する遮断部が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記３枚の導電性多孔質体は、第１導電性多孔質体と、前記第１導電性多孔質体よりも平面寸法が大きい第２導電性多孔質体と、前記第２導電性多孔質体よりも平面寸法が大きい第３導電性多孔質体とを有し、
   前記ダミー樹脂枠部材は、外周縁部と、前記外周縁部の内周端から第１段差面を介して全周に亘って内方に突出した棚部と、前記棚部の内周端から第２段差面を介して全周に亘って内方に突出した薄肉部とを有し、
   前記第３導電性多孔質体の外周縁部は、前記ダミー樹脂枠部材の前記棚部に重なり、
   前記第２導電性多孔質体の外周縁部は、前記ダミー樹脂枠部材の前記薄肉部に臨み、
   前記第１導電性多孔質体の外周端面は、前記ダミー樹脂枠部材の内周端面に対向することを特徴とする燃料電池スタック。
7. 請求項６記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記第２導電性多孔質体の厚みは、前記第２段差面の高さよりも大きいことを特徴とする燃料電池スタック。
8. 請求項６又は７記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記ダミー樹脂枠部材の前記薄肉部と、前記第３導電性多孔質体との間には、空間が形成されることを特徴とする燃料電池スタック。

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