JP6722718B2 - 燃料電池スタック及びダミーセルの製造方法 - Google Patents

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及びダミーセルの製造方法に関する。

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、局所的な面圧上昇を抑制しつつ発電セルに積層することが可能なダミーセルにより、電解質膜の耐久性を低下させることなく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及びダミーセルの製造方法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、第１導電性多孔質体と、第１導電性多孔質体より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平面寸法が大きい第３導電性多孔質体とを積層方向にこの順に積層して形成され、第３導電性多孔質体の外周縁部に樹脂枠部材が接合され、第１導電性多孔質体と第２導電性多孔質体の間に介在して互いを接合する第１接着剤層を硬化させた第１接合層と、第２導電性多孔質体と第３導電性多孔質体の間に介在して互いを接合する第２接着剤層を硬化させた第２接合層との積層方向の位置が互いに異な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。ダミー構造体では、第１導電性多孔質体及び第２導電性多孔質体を接合する第１接合層と、第２導電性多孔質体及び第３導電性多孔質体とを接合する第２接合層との積層方向の位置が互いに異なる。このため、例えば、第１接合層及び第２接合層が積層方向に同位置に設けられる場合に比して、ダミーセルの厚さが部分的に増大することを抑制できる。このようなダミーセルによれば、発電セルに積層しても、該発電セルに局所的な面圧上昇が生じることを抑制できるため、電解質膜にクリープ等が生じて該電解質膜の耐久性が低下することを抑制できる。

また、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。

さらに、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。

以上から、この燃料電池スタックによれば、局所的な面圧上昇を抑制しつつ発電セルに積層することが可能なダミーセルにより、電解質膜の耐久性を低下させることなく発電安定性を向上させ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接合層は、第１導電性多孔質体及び第２導電性多孔質体の積層部である第１積層部の縁部に断続的に設けられるスポット状であり、第２接合層は、第２導電性多孔質体及び第３導電性多孔質体の積層部である第２積層部の縁部に断続的に設けられるスポット状である。この場合、第１積層部及び第２積層部の外周に連続して第１接合層及び第２接合層を設けるよりも、簡素な工程でダミー構造体を得ることができるため、燃料電池スタックの製造効率を向上させ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積層部及び第２積層部の周方向に、第１接合層と第２接合層とが交互に配置されることが好ましい。この場合、第１導電性多孔質体と、第２導電性多孔質体と、第３導電性多孔質体とを、簡素な接合工程により十分な強度で接合することができ、しかも、ダミーセルに積層された発電セルに局所的な面圧上昇が生じることを効果的に抑制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導電性多孔質体と第２導電性多孔質体と第３導電性多孔質体とのそれぞれの平面寸法は矩形状であり、該矩形状の短辺を除く長辺に第１接合層及び第２接合層が設けられることが好ましい。この場合、発電セルにダミーセルを積層することによる内部抵抗の増加を抑制できるため、発電性能に影響を及ぼすことなくダミーセルを設け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２導電性多孔質体は、第１導電性多孔質体より平面寸法が大きく、第３導電性多孔質体は、第２導電性多孔質体より平面寸法が大きく、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さは、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。

また、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を備える燃料電池スタックの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の製造方法であって、第１導電性多孔質体と、第１導電性多孔質体より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平面寸法が大きい第３導電性多孔質体とを、第１導電性多孔質体と第２導電性多孔質体の間に第１接着剤層を介在させ、且つ第２導電性多孔質体と第３導電性多孔質体との間に第２接着剤層を介在させて積層方向にこの順に積層する第１積層工程と、第１接着剤層及び第２接着剤層を硬化させて、第１導電性多孔質体と第２導電性多孔質体とを接合する第１接合層、及び第２導電性多孔質体と第３導電性多孔質体とを接合する第２接合層をそれぞれ形成することで、電解質膜・電極構造体に対応するダミー構造体を得る硬化工程と、ダミー構造体の第３導電性多孔質体の外周縁部に、該ダミー構造体の外周を周回するダミー樹脂枠部材を接合して樹脂枠付きダミー構造体を得る樹脂枠接合工程と、樹脂枠付きダミー構造体をダミーセパレータで挟んでダミーセルを得る第２積層工程と、を有し、第１積層工程により、積層方向の位置が互いに異なるように第１接着剤層及び第２接着剤層を設けることで、硬化工程により、積層方向の位置が互いに異なる第１接合層と第２接合層とを形成すること、を特徴とする。

このダミーセルの製造方法によれば、積層方向における位置が互いに異なる第１接合層及び第２接合層が設けられたダミー構造体を備えるダミーセルを得ることができる。このようなダミーセルでは、第１接合層及び第２接合層が互いに同位置に設けられた場合に比して、厚さが部分的に増大することを抑制できるため、発電セルに積層しても、該発電セルに局所的な面圧上昇が生じることを抑制できる。これによって、発電セルの電解質膜にクリープ等が生じて耐久性が低下することを抑制できる。

また、ダミーセルは、発電を行うことがなく、生成水も生じないため、断熱層として機能する。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に設けた燃料電池スタックでは、該積層体の端部側の断熱性を高めることができるため、発電安定性を向上させることができる。

以上から、このダミーセルの製造方法によれば、局所的な面圧上昇を抑制しつつ発電セルに積層することが可能なダミーセルを得ることができ、このダミーセルを備える燃料電池スタックの電解質膜の耐久性を低下させることなく発電安定性を向上させることが可能になる。

上記のダミーセルの製造方法において、硬化工程では、第１積層工程で積層した第１導電性多孔質体と第２導電性多孔質体と第３導電性多孔質体とに、燃料電池スタックの発電動作時に付与される面圧と同じ大きさの面圧を付与した状態で、第１接着剤層及び第２接着剤層を硬化させることが好ましい。このようにして面圧を付与した状態で第１接合層及び第２接合層を形成したダミーセルでは、燃料電池スタックに組み込まれた際に、発電セルに局所的な面圧上昇が生じることを一層効果的に抑制できる。

上記のダミーセルの製造方法において、第１積層工程では、第１導電性多孔質体と第２導電性多孔質体の積層部である第１積層部の縁部に断続的にスポット状の第１接着剤層を設け、第２導電性多孔質体と第３導電性多孔質体の積層部である第２積層部の縁部に断続的にスポット状の第２接着剤層を設ける。この場合、例えば、第１積層部及び第２積層部の縁部に連続して第１接合層及び第２接合層を設ける場合より、簡素な工程で効率的にダミーセルを得ることができる。

上記のダミーセルの製造方法において、第１積層工程では、第１積層部及び第２積層部の周方向に、第１接着剤層と第２接着剤層とを交互に配置することが好ましい。この場合、第１導電性多孔質体と、第２導電性多孔質体と、第３導電性多孔質体とを、簡素な接合工程により十分な強度で接合することができ、しかも、発電セルに積層した際に局所的な面圧上昇が生じることを効果的に抑制可能なダミーセルを得ることができる。

上記のダミーセルの製造方法において、第１積層工程では、平面寸法がそれぞれ矩形状である第１導電性多孔質体と第２導電性多孔質体と第３導電性多孔質体との短辺を除く長辺に第１接着剤層及び第２接着剤層を設けることが好ましい。この場合、発電セルにダミーセルを積層することによる内部抵抗の増加を抑制でき、発電性能に影響を及ぼすことなく燃料電池スタックに組み込むことが可能なダミーセルを得ることが可能になる。

本発明によれば、局所的な面圧上昇を抑制しつつ発電セルに積層することが可能なダミーセルにより、電解質膜の耐久性を低下させることなく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。 ダミー構造体の第１導電性多孔質体側の平面図である。 図１２のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線矢視断面図である。 ダミー第１セパレータ及びダミー第２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及びダミーセルの製造方法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、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及び酸化剤ガスを排出す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。

各セパレータの短辺方向（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。

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、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。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１０５ａ及び燃料ガス出口バッファ部１０５ｂ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、第１セパレータ３２と、樹脂枠付きダミー構造体１０６と、ダミー第１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、図１１及び図１２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及び図１２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。

図１２及び図１３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、互いに間に介在する第１接合層１１８ａにより接合される。第２導電性多孔質体１１４と第３導電性多孔質体１１６は、互いの間に介在する第２接合層１１８ｂにより接合される。第１接合層１１８ａ及び第２接合層１１８ｂは、後述するように、第１接着剤層１１９ａ及び第２接着剤層１１９ｂをそれぞれ硬化させることで形成される。第１接着剤層１１９ａ及び第２接着剤層１１９ｂの材料としては、接着剤９８ａを用いることができる。

図１２に示すように、第１接合層１１８ａは、第１導電性多孔質体１１２と第２導電性多孔質体１１４の積層部である第１積層部１１２ｂの長辺に断続的に（スポット状に）設けられる。また、第２接合層１１８ｂは、第２導電性多孔質体１１４と第３導電性多孔質体１１６の積層部である第２積層部１１４ｃの長辺に断続的に（スポット状に）設けられる。また、第１積層部１１２ｂ及び第２積層部１１４ｃの長辺の延在方向（矢印Ｂ１、Ｂ２方向）に、第１接合層１１８ａと第２接合層１１８ｂとが交互に配置される。

図１３に示すように、第１接合層１１８ａのそれぞれと、第２接合層１１８ｂのそれぞれとは、積層方向（矢印Ａ１、Ａ２方向）の位置が互いに異なるように配設される。

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１４に示すように、ダミー第１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１セパレータ１０８の他端側（矢印Ａ２側）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１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に対応する第１空間１２４が設けられる。第１空間１２４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及び図１４に示すように、ダミー第１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１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１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１４に示すように、ダミー第１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。

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、第１セパレータ３２（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１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２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、図３及び図１４に示すように、ダミー第２セパレータ１３０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３セパレータ３８と同様に構成されている。

つまり、図２及び図３及び図６に示すように、ダミー第２セパレータ１３０の他端側（矢印Ａ２側）の面１３０ｂ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３セパレータ３８の矢印Ａ２側の面３８ｂと同様に構成される。このため、ダミー第２セパレータ１３０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と同様に構成することができる。また、図２及び図１４に示すように、ダミー第２セパレータ１３０の矢印Ａ１側の面１３０ａは、ダミー第１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、第１ダミーセル１８では、ダミー第２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。図２及び図１１に示すように、第１ダミーセル１８では、ダミー第２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。

第２ダミーセル２０は、矢印Ａ１側から矢印Ａ２側に向かって、第１セパレータ３２（ダミーセパレータ）、樹脂枠付きダミー構造体１０６、ダミー第２セパレータ１３０（ダミーセパレータ）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２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。

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、第２セパレータ３６と、樹脂枠付きダミー構造体１０６と、ダミー第２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。

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。

燃料電池スタック１０は、基本的には上記のように構成される。以下、本実施形態に係るダミーセルの製造方法について、燃料電池スタック１０の第１ダミーセル１８を得る場合を例に挙げて説明する。

先ず、図１１〜図１３に示すように、第３導電性多孔質体１１６に、第２接着剤層１１９ｂを介して第２導電性多孔質体１１４を積層した後、該第２導電性多孔質体１１４に第１接着剤層１１９ａを介して第１導電性多孔質体１１２を積層する第１積層工程を行う。

例えば、第１積層工程では、第３導電性多孔質体１１６及び第２導電性多孔質体１１４の少なくとも何れか一方に対して、第２接着剤層１１９ｂを設ける。具体的には、第３導電性多孔質体１１６と第２導電性多孔質体１１４とを積層した場合に第２積層部１１４ｃを形成することになる矩形状の部分の長辺に沿って断続的に第２接着剤層１１９ｂを設ける。その後、第３導電性多孔質体１１６と第２導電性多孔質体１１４を積層して第２積層部１１４ｃを形成する。

また、第２導電性多孔質体１１４及び第１導電性多孔質体１１２の少なくとも何れか一方に対して、第１接着剤層１１９ａを設ける。具体的には、第２導電性多孔質体１１４と第１導電性多孔質体１１２とを積層した場合に第１積層部１１２ｂを形成することになる矩形状の部分の長辺に沿って断続的に第１接着剤層１１９ａを設ける。この際、第１接着剤層１１９ａと第２接着剤層１１９ｂとは、積層方向（矢印Ａ１、Ａ２方向）における位置が互いに重ならないように配設される。その後、第２導電性多孔質体１１４に第１導電性多孔質体１１２を積層して第１積層部１１２ｂを形成する。

次に、第１接着剤層１１９ａ及び第２接着剤層１１９ｂを硬化させて、第１接合層１１８ａ及び第２接合層１１８ｂをそれぞれ形成することでダミー構造体１１０を得る硬化工程を行う。この硬化工程では、第１積層工程で積層した第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とに、燃料電池スタック１０の発電動作時に付与される面圧と同じ大きさ（例えば、１．０〜１０．０ＭＰａ程度）の面圧を付与した状態で、第１接着剤層１１９ａ及び第２接着剤層１１９ｂを硬化させて、第１接合層１１８ａ及び第２接合層１１８ｂをそれぞれ形成する。

次に、図９及び図１０に示す通り、硬化工程で得られたダミー構造体１１０の外周を周回するようにダミー樹脂枠部材１１１を設けて、樹脂枠付きダミー構造体１０６を得る樹脂枠接合工程を行う。

具体的には、第３導電性多孔質体１１６の外周露呈部１１６ａの矢印Ａ１側を、ダミー樹脂枠部材１１１の棚部８２ｅに重ね、第２導電性多孔質体１１４の外周露呈部１１４ｂをダミー樹脂枠部材１１１の薄肉部８２ｇに臨ませ、第１導電性多孔質体１１２の外周端面１１２ａをダミー樹脂枠部材１１１の内周端面８２ｉに対向させる。この際、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。

そして、ダミー樹脂枠部材１１１に設けられた樹脂突起部１２０ａを不図示の加熱装置により加熱しつつ荷重を付与して溶融変形させることで、第２樹脂含浸部１２０ｂ及び第２溶融凝固部１２０ｃからなる第２接合部１２０を形成する。これによって、ダミー樹脂枠部材１１１の棚部８２ｅと、第３導電性多孔質体１１６の外周縁部とを接合して樹脂枠付きダミー構造体１０６を得ることができる。

上記のようにして２個の樹脂枠付きダミー構造体１０６を得た後、図２に示すように、第１セパレータ３２、樹脂枠付きダミー構造体１０６、ダミー第１セパレータ１０８、樹脂枠付きダミー構造体１０６、ダミー第２セパレータ１３０をこの順に積層する第２積層工程を行う。これによって、第１ダミーセル１８を得ることができる。

第２ダミーセル２０及び第３ダミーセル２４は、樹脂枠付きダミー構造体１０６を第１セパレータ３２とダミー第２セパレータ１３０で挟持することにより得ることができる。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、樹脂枠付きダミー構造体１０６の矢印Ａ１側にダミー第１セパレータ１０８を積層し、且つ樹脂枠付きダミー構造体１０６の矢印Ａ２側に第１セパレータ３２を積層して構成してもよい。また、第３ダミーセル２４は、樹脂枠付きダミー構造体１０６の矢印Ａ１側に第１セパレータ３２を積層し、樹脂枠付きダミー構造体１０６の矢印Ａ２側にダミー第１セパレータ１０８を積層して構成してもよい。

上記のようにして得られる第１ダミーセル１８、第２ダミーセル２０及び第３ダミーセル２４を備える燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。先ず、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１２４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８０のアノード電極８８に供給される。一方、図１４に示すように、ダミー第１セパレータ１０８及びダミー第２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１２４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２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（第１ダミーセル１８、第２ダミーセル２０、第３ダミーセル２４）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。

各ダミーセルのダミー構造体１１０では、第１導電性多孔質体１１２及び第２導電性多孔質体１１４を接合する第１接合層１１８ａと、第２導電性多孔質体１１４及び第３導電性多孔質体１１６とを接合する第２接合層１１８ｂとの積層方向の位置が互いに異なる。このため、例えば、第１接合層１１８ａ及び第２接合層１１８ｂが積層方向に同位置に設けられる場合に比して、各ダミーセルの厚さが部分的に増大することを抑制できる。このような各ダミーセルによれば、発電セル１２に積層しても、該発電セル１２に局所的な面圧上昇が生じることを抑制できるため、電解質膜８４にクリープ等が生じて該電解質膜８４の耐久性が低下することを抑制できる。

以上から、この燃料電池スタック１０によれば、局所的な面圧上昇を抑制しつつ発電セル１２に積層することが可能な各ダミーセルにより、電解質膜８４の耐久性を低下させることなく発電安定性を向上させることが可能になる。

上記のように、燃料電池スタック１０では、第１接合層１１８ａは、第１積層部１１２ｂの縁部に断続的に設けられ、第２接合層１１８ｂは、第２積層部１１４ｃの縁部に断続的に設けられることとした。この場合、第１積層部１１２ｂ及び第２積層部１１４ｃの縁部に連続して第１接合層１１８ａ及び第２接合層１１８ｂを設けるよりも、簡素な工程でダミー構造体１１０を得ることができるため、燃料電池スタック１０の製造効率を向上させることが可能になる。

上記のように、燃料電池スタック１０では、第１積層部１１２ｂ及び第２積層部１１４ｃの周方向に、第１接合層１１８ａと第２接合層１１８ｂとが交互に配置されることとした。この場合、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、簡素な接合工程により十分な強度で接合することでき、しかも、各ダミーセルに積層された発電セル１２に局所的な面圧上昇が生じることを効果的に抑制することが可能になる。

上記のように、燃料電池スタック１０では、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とのそれぞれの平面寸法が矩形状であり、該矩形状の短辺を除く長辺に第１接合層１１８ａ及び第２接合層１１８ｂが設けられることとした。この場合、発電セル１２に各ダミーセルを積層することによる内部抵抗の増加を抑制できるため、発電性能に影響を及ぼすことなく燃料電池スタック１０に各ダミーセルを組み込むことが可能になる。

上記の硬化工程では、第１積層工程で積層した第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とに、燃料電池スタック１０の発電動作時に付与される面圧と同じ大きさの面圧を付与した状態で、第１接着剤層１１９ａ及び第２接着剤層１１９ｂを硬化させた。このようにして面圧を付与した状態で第１接合層１１８ａ及び第２接合層１１８ｂを形成した各ダミーセルでは、燃料電池スタック１０に組み込まれた際に、発電セル１２に局所的な面圧上昇が生じることを一層効果的に抑制できる。

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、第１接合層１１８ａ及び第２接合層１１８ｂは、積層方向における互いの位置が異なっていれば、各々の形状や個数、第１積層部１１２ｂ及び第２積層部１１４ｃに対するその他の配置等は、上記した実施形態に特に限定されるものではない。例えば、第１接合層１１８ａ及び第２接合層１１８ｂは、第１積層部１１２ｂ及び第２積層部１１４ｃの長辺及び短辺の両方に設けられていてもよいし、短辺にのみ設けられていてもよい。第１接合層１１８ａ及び第２接合層１１８ｂは、第１積層部１１２ｂ及び第２積層部１１４ｃの外周縁部に設けられることに限定されず、中央部に設けられてもよいし、外周縁部及び中央部の両方に設けられてもよい。

また、第１接合層１１８ａ及び第２接合層１１８ｂは、第１積層部１１２ｂ及び第２積層部１１４ｃに対して、交互に設けられていなくてもよいし、それぞれ連続的に設けられていてもよい。

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
１０６…樹脂枠付きダミー構造体 １１０…ダミー構造体
１１１…ダミー樹脂枠部材 １１２…第１導電性多孔質体
１１２ｂ…第１積層部 １１４…第２導電性多孔質体
１１４ｃ…第２積層部 １１６…第３導電性多孔質体
１１８ａ…第１接合層 １１８ｂ…第２接合層
１１９ａ…第１接着剤層 １１９ｂ…第２接着剤層

Claims (10)

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、第１導電性多孔質体と、該第１導電性多孔質体より平面寸法が大きい第２導電性多孔質体と、該第２導電性多孔質体より平面寸法が大きい第３導電性多孔質体とを積層方向にこの順に積層して形成され、
   前記第３導電性多孔質体の外周縁部に前記樹脂枠部材が接合され、
   前記第１導電性多孔質体と前記第２導電性多孔質体の間に介在して互いを接合する第１接着剤層を硬化させた第１接合層と、前記第２導電性多孔質体と前記第３導電性多孔質体の間に介在して互いを接合する第２接着剤層を硬化させた第２接合層との前記積層方向の位置が互いに異なり、
   前記第１接合層は、前記第１導電性多孔質体及び前記第２導電性多孔質体の積層部である第１積層部の縁部に断続的に設けられるスポット状であり、
   前記第２接合層は、前記第２導電性多孔質体及び前記第３導電性多孔質体の積層部である第２積層部の縁部に断続的に設けられるスポット状であ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、
   前記第１積層部及び前記第２積層部の周方向に、前記第１接合層と前記第２接合層とが交互に配置さ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、
   前記第１導電性多孔質体と前記第２導電性多孔質体と前記第３導電性多孔質体とのそれぞれの平面寸法は矩形状であり、該矩形状の短辺を除く長辺に前記第１接合層及び前記第２接合層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、
   前記ダミー樹脂枠部材は、外周縁部と、該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。
5. 請求項４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さは、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。
6. 請求項４又は５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。
7. 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を備える燃料電池スタックの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の製造方法であって、
   第１導電性多孔質体と、該第１導電性多孔質体より平面寸法が大きい第２導電性多孔質体と、該第２導電性多孔質体より平面寸法が大きい第３導電性多孔質体とを、前記第１導電性多孔質体と前記第２導電性多孔質体の間に第１接着剤層を介在させ、且つ前記第２導電性多孔質体と前記第３導電性多孔質体との間に第２接着剤層を介在させて積層方向にこの順に積層する第１積層工程と、
   前記第１接着剤層及び前記第２接着剤層を硬化させて、前記第１導電性多孔質体と前記第２導電性多孔質体とを接合する第１接合層、及び前記第２導電性多孔質体と前記第３導電性多孔質体とを接合する第２接合層をそれぞれ形成することで、前記電解質膜・電極構造体に対応するダミー構造体を得る硬化工程と、
   前記ダミー構造体の前記第３導電性多孔質体の外周縁部に、該ダミー構造体の外周を周回するダミー樹脂枠部材を接合して樹脂枠付きダミー構造体を得る樹脂枠接合工程と、
   前記樹脂枠付きダミー構造体をダミーセパレータで挟んで前記ダミーセルを得る第２積層工程と、
   を有し、
   前記第１積層工程により、前記積層方向の位置が互いに異なるように前記第１接着剤層及び前記第２接着剤層を設けることで、前記硬化工程により、前記積層方向の位置が互いに異なる前記第１接合層と前記第２接合層とを形成し、
   前記第１積層工程では、前記第１導電性多孔質体と前記第２導電性多孔質体の積層部である第１積層部の縁部に断続的にスポット状の前記第１接着剤層を設け、前記第２導電性多孔質体と前記第３導電性多孔質体の積層部である第２積層部の縁部に断続的にスポット状の前記第２接着剤層を設けること、を特徴とするダミーセルの製造方法。
8. 請求項７記載のダミーセルの製造方法において、
   前記硬化工程では、前記第１積層工程で積層した前記第１導電性多孔質体と前記第２導電性多孔質体と前記第３導電性多孔質体とに、前記燃料電池スタックの発電動作時に付与される面圧と同じ大きさの面圧を付与した状態で、前記第１接着剤層及び前記第２接着剤層を硬化させることを特徴とするダミーセルの製造方法。
9. 請求項７又は８記載のダミーセルの製造方法において、
   前記第１積層工程では、前記第１積層部及び前記第２積層部の周方向に、前記第１接着剤層と前記第２接着剤層とを交互に配置することを特徴とするダミーセルの製造方法。
10. 請求項７〜９の何れか１項に記載のダミーセルの製造方法において、
    前記第１積層工程では、平面寸法がそれぞれ矩形状である前記第１導電性多孔質体と前記第２導電性多孔質体と前記第３導電性多孔質体との短辺を除く長辺に前記第１接着剤層及び前記第２接着剤層を設けることを特徴とするダミーセルの製造方法。
    

Images