JP6817357B2 - 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、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。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、高精度且つ効率的に作製可能な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。

本発明の一態様は、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、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、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、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も平面寸法が小さい第２導電性多孔質体と、該第２導電性多孔質体よりも平面寸法が小さい第３導電性多孔質体とをこの順に積層して形成され、前記第１導電性多孔質体は、前記第２導電性多孔質体の外周端面よりも外側に延在する第１外周縁部を有し、前記第２導電性多孔質体は、前記第３導電性多孔質体の外周端面よりも外側に延在する第２外周縁部を有し、前記第１外周縁部及び前記第２外周縁部と前記ダミー樹脂枠部材の内周とを接着する接着剤層を介して前記ダミー構造体と前記ダミー樹脂枠部材とが一体化されている。

本発明の別の一態様は、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、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、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小さい第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小さい第３導電性多孔質体とをこの順に積層して、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ダミー構造体形成工程と、前記ダミー構造体と、該ダミー構造体の外周を周回するダミー樹脂枠部材とを一体化する一体化工程と、を有し、前記第１導電性多孔質体は、前記第２導電性多孔質体の外周端面よりも外側に延在する第１外周縁部を有し、前記第２導電性多孔質体は、前記第３導電性多孔質体の外周端面よりも外側に延在する第２外周縁部を有し、前記一体化工程では、前記第１外周縁部及び前記第２外周縁部と前記ダミー樹脂枠部材の内周との間に介在させた接着剤を硬化させることにより、前記第１外周縁部及び前記第２外周縁部と前記ダミー樹脂枠部材とを接着する接着剤層を形成する。

ダミーセルでは、第１外周縁部及び第２外周縁部とダミー樹脂枠部材とを接着する接着剤層を介してダミー構造体とダミー樹脂枠部材とが一体化されている。このようにして得られるダミーセルは、例えば、ダミー樹脂枠部材の一部を溶融させてダミー構造体に含浸させることで、ダミー構造体とダミー樹脂枠部材とを一体化して得られるダミーセルに比して、高精度且つ効率的に作製することが可能である。

すなわち、ダミー樹脂枠部材の一部を溶融させてダミー構造体と一体化する場合、該ダミー樹脂枠部材の一部をその軟化温度以上の高温まで加熱して溶融樹脂とする必要がある。また、ダミー構造体に含浸させた溶融樹脂を上記の高温から固化する温度に達するまで降温させる必要がある。

これに対して、接着剤層を介してダミー構造体及びダミー樹脂枠部材を一体化する場合、ダミー樹脂枠部材を上記の高温まで加熱する必要がない。このため、ダミー樹脂枠部材に温度上昇に伴う反り等が生じることを抑制して、高精度にダミーセルを作製することが可能になる。また、ダミー樹脂枠部材を加熱して溶融樹脂となるまで待つ時間、及び溶融樹脂が上記の高温から降温して固化するまで待つ時間に比して短い時間で接着剤層を形成して、ダミー樹脂枠部材及びダミー構造体を一体化できる。このため、ダミーセルを効率的に作製することが可能になる。

このダミーセルは、発電セルの電解質膜・電極構造体に代えて、ダミー構造体を備える。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。

以上から、本発明の燃料電池スタックによれば、高精度且つ効率的に作製可能な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。また、本発明のダミーセルの製造方法によれば、燃料電池スタックの発電安定性を向上させることが可能なダミーセルを高精度且つ効率的に作製することができる。

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。 図３のＶＩＩ−ＶＩＩ線矢視断面図である。 樹脂枠付きダミー構造体の第１導電性多孔質体側の正面図である。 図８のＩＸ−ＩＸ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セパレータの第２空間側の正面図である。 ダミー構造体形成工程で得られるダミー構造体と、接着剤を設けたダミー樹脂枠部材の内周とを説明する説明図である。 図１２のダミー構造体とダミー樹脂枠部材とを一体化する一体化工程を説明する説明図である。

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及び図７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７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７に示すように、樹脂枠部材８２は、外周端８２ａ（図３参照）からその内側に所定の長さに亘って外周枠部８２ｂが設けられ、該外周枠部８２ｂの内周縁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、外周枠部８２ｂの内周縁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の内周縁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、外周枠部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８４ａの外周縁部が当接する。薄肉部８２ｇの内周縁部には、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を周回するように充填された接着剤９８ａが硬化して形成された接着部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は、例えば、耐熱性に優れることや、硬化が容易であること等から熱硬化性樹脂であることが好ましいが、特にこれに限定されるものではない。接着剤９８ａとして用いることが可能な樹脂の一例として、液体又は固体の、フッ素樹脂系、シリコーン樹脂系、エポキシ樹脂系等が挙げられる。

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接合部１００により一体化される。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７に示すように、接合部１００は、例えば、樹脂枠部材８２に対して、その外周枠部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。この接合部１００は、樹脂含浸部１００ｂと、第１溶融凝固部１００ｃとから形成される。

樹脂含浸部１００ｂは、樹脂突起部１００ａを溶融させた溶融樹脂を、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、樹脂突起部１００ａを溶融させた溶融樹脂を流入させて凝固させることで形成される。

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、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（何れも図８参照）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（図３参照）が設けられる。また、図２に示すように、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。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８及び図９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が一体化されて構成される。図９及び図１０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Ａ２側から矢印Ａ１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９に示すように、第１導電性多孔質体１１２の外周側には、全周に亘って第２導電性多孔質体１１４の外周端面１１４ａよりも外側に延在する第１外周縁部１１２ａが設けられる。第２導電性多孔質体１１４の外周側には、全周に亘って第３導電性多孔質体１１６の外周端面１１６ａよりも外側に延在する第２外周縁部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９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接着層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接着層１１８ｂにより接合される。接着層１１８ａ、１１８ｂは、接着剤１１９ａ、１１９ｂがそれぞれ硬化して形成される。接着剤１１９ａ、１１９ｂの種類としては、接着剤９８ａと同様に種々のものを採用することができる。

ダミー樹脂枠部材１１１は、図３及び図７に示す樹脂枠付きＭＥＡ３４の樹脂枠部材８２と共通の前駆体（不図示）から構成することができる。すなわち、樹脂枠部材８２の樹脂突起部１００ａを上記のように加熱変形させずに機械加工等により除去することで、ダミー樹脂枠部材１１１を構成することができる。このため、ダミー樹脂枠部材１１１及びダミー構造体１１０には、上記の接合部１００が設けられていない。ダミー樹脂枠部材１１１及びダミー構造体１１０が、接合部１００に代えて接着剤層１２０により一体化されることで、樹脂枠付きダミー構造体１０６が形成される。

具体的には、図９に示すように、ダミー樹脂枠部材１１１は、外周枠部８２ｂと、内側膨出部８２ｃと、樹脂突起部１００ａの先端側を除去して残された残部１００ｄとを有する。なお、ダミー樹脂枠部材１１１では、樹脂突起部１００ａの全体が除去されていてもよく、この場合、残部１００ｄは形成されない。

第１導電性多孔質体１１２の第１外周縁部１１２ａと、第２導電性多孔質体１１４の第２外周縁部１１４ｂとは、ダミー樹脂枠部材１１１の内周に臨む。つまり、内側膨出部８２ｃの棚部８２ｅには、第１外周縁部１１２ａの矢印Ａ１側が当接する。薄肉部８２ｇには、第１外周縁部１１２ａの矢印Ａ１側の一部と、第２外周縁部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外周縁部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１導電性多孔質体１１２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、ダミー構造体１１０の面方向において、第２導電性多孔質体１１４の外周端面１１４ａと、第３導電性多孔質体１１６の外周端面１１６ａ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３導電性多孔質体１１６の外周端面１１６ａが間隔を置いて臨む。第２導電性多孔質体１１４の厚さは、第２段差面８２ｆの高さよりも大きい。

ダミー構造体１１０及びダミー樹脂枠部材１１１には、該ダミー構造体１１０の面方向で、第２導電性多孔質体１１４の外周端面１１４ａから内側及び外側に延在するように接着剤層１２０が設けられている。この接着剤層１２０により、第１外周縁部１１２ａ及び第２外周縁部１１４ｂがダミー樹脂枠部材１１１の内周に接着されている。

接着剤層１２０は、ダミー構造体１１０の積層方向（矢印Ａ１、Ａ２方向、厚さ方向）で第２導電性多孔質体１１４の全体と、第１導電性多孔質体１１２の第２導電性多孔質体１１４に臨む側（矢印Ａ１側）の一部との内部に含浸した接着剤１２０ａが硬化して形成されたものである。接着剤層１２０は熱硬化性樹脂硬化物であることが好ましい。すなわち、接着剤１２０ａは熱硬化性樹脂であることが好ましい。しかしながら、特にこれらに限定されるものではなく、接着剤１２０ａの種類としては、接着剤９８ａと同様に種々のものを採用することができる。

接着剤層１２０は、薄肉部８２ｇの面方向で、第２段差面８２ｆと土手部８２ｈとの間に設けられた溝部８２ｈａに、第２段差面８２ｆ及び土手部８２ｈの各々と間隔を置いて設けられる。すなわち、接着剤層１２０は、ダミー構造体１１０の面方向で、第１導電性多孔質体１１２の外周端面１１２ｂよりも内側に設けられる。このため、接着剤層１２０の面方向の外側の端部１２０ｂは、矢印Ａ１、Ａ２方向における第１外周縁部１１２ａと薄肉部８２ｇとの間に形成された隙間１２１に臨む。

接着剤層１２０は、ダミー構造体１１０に対し、外周端面１１４ａの近傍の部分を周回するように設けられてもよいし、周方向に断続的（スポット状）に設けられてもよい。

図１１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（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、ダミー第２セパレータ１０８の他端側（矢印Ａ２側）の面１０８ｂ（図２参照）は、図５に示すように、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に対応する第１空間１０９が設けられる。

図２及び図１１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（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。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１１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。

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、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。

ダミー第３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と同様に構成される。また、図１１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１１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の他端側（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の他端側（矢印Ａ２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の矢印Ａ１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の矢印Ａ１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の矢印Ａ１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の矢印Ａ２側との間に第２空間１２６が形成される。

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、一対の電気導電性を有する断熱プレート１４４間に電気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。

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１０及び図１２に示すように、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とをこの順に積層して、ダミー構造体１１０を得るダミー構造体形成工程を行う。具体的には、図１２に示すように、第１導電性多孔質体１１２と第２導電性多孔質体１１４とを接着剤１１９ａを介して積層し、第２導電性多孔質体１１４と第３導電性多孔質体１１６とを接着剤１１９ｂを介して積層する。そして、接着剤１１９ａ、１１９ｂを硬化させて、接着層１１８ａ、１１８ｂをそれぞれ形成することにより、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とを一体化してダミー構造体１１０を得る。なお、接着層１１８ａ、１１８ｂは、ダミー構造体１１０を周回するように設けられても、周方向に断続的（スポット状）に設けられてもよい。

次に、図１２及び図１３に示すように、第１導電性多孔質体１１２の第１外周縁部１１２ａ及び第２導電性多孔質体１１４の第２外周縁部１１４ｂにダミー樹脂枠部材１１１の内周を臨ませて、ダミー構造体１１０とダミー樹脂枠部材１１１とを一体化する一体化工程を行う。一体化工程では、第１外周縁部１１２ａ及び第２外周縁部１１４ｂと、ダミー樹脂枠部材１１１の内周との間に介在させた接着剤１２０ａを硬化させることで接着剤層１２０を形成する。

このために、先ず、図１２に示すように、ダミー樹脂枠部材１１１の溝部８２ｈａに、第２段差面８２ｆ及び土手部８２ｈの各々と間隔を置いて接着剤１２０ａを配置する。次に、図１３に示すように、接着剤１２０ａを配置したダミー樹脂枠部材１１１の内周に、ダミー構造体１１０の第１外周縁部１１２ａ及び第２外周縁部１１４ｂを重ねる。

具体的には、第１導電性多孔質体１１２の第１外周縁部１１２ａの矢印Ａ１側を、ダミー樹脂枠部材１１１の棚部８２ｅに重ねる。また、第２導電性多孔質体１１４の第２外周縁部１１４ｂの矢印Ａ１側を、ダミー樹脂枠部材１１１の薄肉部８２ｇに臨ませるとともに、土手部８２ｈの突出端面に当接させる。さらに、第３導電性多孔質体１１６の外周端面１１６ａをダミー樹脂枠部材１１１の内周端面８２ｉに対向させる。

これによって、ダミー構造体１１０の積層方向（厚さ方向）で第２導電性多孔質体１１４の全体と、第１導電性多孔質体１１２の第２導電性多孔質体１１４に臨む側の一部との内部に接着剤１２０ａを含浸させる。この際、ダミー構造体１１０の面方向で、第１導電性多孔質体１１２の外周端面１１２ｂよりも内側に接着剤１２０ａが設けられるように、接着剤１２０ａの配置及び量を調整する。このため、積層方向における第１導電性多孔質体１１２とダミー樹脂枠部材１１１との間で、接着剤１２０ａを介在させる部分の面方向の外側、すなわち、薄肉部８２ｇの面方向における第２段差面８２ｆと接着剤１２０ａとの間には隙間１２１が形成される。

次に、上記のようにして接着剤１２０ａを介在させて積層したダミー構造体１１０及びダミー樹脂枠部材１１１を、例えば、接合装置１６０を用いてホットプレスすることにより、接着剤１２０ａを熱硬化させて接着剤層１２０を形成する。接合装置１６０は、固定金型１６２（金型）と、該固定金型１６２に対して進退自在な可動金型１６４（金型）とを備える。

固定金型１６２に、上記のように積層したダミー構造体１１０及びダミー樹脂枠部材１１１を載置した後、可動金型１６４を所定の温度に加熱した状態で固定金型１６２に接近させる。これによって、固定金型１６２と可動金型１６４との間で、ダミー構造体１１０及びダミー樹脂枠部材１１１の少なくとも接着剤１２０ａの周辺部を挟み加熱及び加圧を行う。

その結果、図９に示すように、接着剤１２０ａが熱硬化して接着剤層１２０が形成される。この際、第１導電性多孔質体１１２とダミー樹脂枠部材１１１との間には、上記の隙間１２１が形成された状態で維持される。この接着剤層１２０を介して第１外周縁部１１２ａ及び第２外周縁部１１４ｂと、ダミー樹脂枠部材１１１とが接着されることで、ダミー構造体１１０とダミー樹脂枠部材１１１とが一体化され、樹脂枠付きダミー構造体１０６が得られる。

上記の工程を経て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、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２セパレータ１０８、樹脂枠付きダミー構造体１０６、ダミー第３セパレータ１３０をこの順に積層することで、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をダミー第１セパレータ１０５とダミー第３セパレータ１３０で挟持することにより得ることができる。

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１１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、図１１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、図２に示すように、互いに隣接するダミー第１セパレータ１０５とダミー第３セパレータ１３０との間の冷却媒体流路５２、及び互いに隣接する第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。図３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。

各ダミーセルでは、第１外周縁部１１２ａ及び第２外周縁部１１４ｂとダミー樹脂枠部材１１１とを接着する接着剤層１２０を介してダミー構造体１１０とダミー樹脂枠部材１１１とが一体化されている。このようにして得られる各ダミーセルは、例えば、ダミー樹脂枠部材１１１の一部を溶融させてダミー構造体１１０に含浸させることで、ダミー構造体１１０とダミー樹脂枠部材１１１とを一体化して得られるダミーセル（不図示）に比して、高精度且つ効率的に作製することが可能である。

すなわち、ダミー樹脂枠部材１１１の一部を溶融させてダミー構造体１１０と一体化する場合、該ダミー樹脂枠部材１１１の一部をその軟化温度以上の高温まで加熱して溶融樹脂とする必要がある。また、ダミー構造体１１０に含浸させた溶融樹脂を上記の高温から固化する温度に達するまで降温させる必要がある。

これに対して、接着剤層１２０を介してダミー構造体１１０及びダミー樹脂枠部材１１１を一体化する場合、ダミー樹脂枠部材１１１を上記の高温まで加熱する必要がない。このため、ダミー樹脂枠部材１１１に温度上昇に伴う反り等が生じることを抑制して、高精度に各ダミーセルを作製することが可能になる。また、ダミー樹脂枠部材１１１を加熱して溶融樹脂となるまで待つ時間、及び溶融樹脂が上記の高温から降温して固化するまで待つ時間に比して短い時間で接着剤１２０ａを硬化させて接着剤層１２０を形成することができる。このため、ダミー樹脂枠部材１１１及びダミー構造体１１０を一体化する時間を短縮して、各ダミーセルを効率的に作製することが可能になる。

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、高精度且つ効率的に作製可能な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。また、本実施形態に係るダミーセルの製造方法によれば、燃料電池スタック１０の発電安定性を向上させることが可能な各ダミーセルを高精度且つ効率的に作製することができる。

上記の実施形態に係る燃料電池スタック１０では、接着剤層１２０は、ダミー構造体１１０の面方向で、第２導電性多孔質体１１４の外周端面１１４ａから内側及び外側に延在して設けられることとした。

また、上記の実施形態に係るダミーセルの製造方法の一体化工程では、ダミー構造体１１０の面方向で、第２導電性多孔質体１１４の外周端面１１４ａから内側及び外側に延在する接着剤層１２０を形成することとした。

これらの場合、第１外周縁部１１２ａ及び第２外周縁部１１４ｂの各々とダミー樹脂枠部材１１１の内周とを一体の接着剤層１２０によって接着することができるため、一層容易且つ効率的に各ダミーセルを作製することが可能になる。なお、第１外周縁部１１２ａとダミー樹脂枠部材１１１の内周とを接着する接着剤層１２０と、第２外周縁部１１４ｂとダミー樹脂枠部材１１１の内周とを接着する接着剤層１２０とは互いに分離して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、接着剤層１２０は、ダミー構造体１１０の面方向で、第１導電性多孔質体１１２の外周端面１１２ｂよりも内側に設けられ、接着剤層１２０の面方向の外側の端部１２０ｂは、第１導電性多孔質体１１２とダミー樹脂枠部材１１１との間に形成された隙間１２１に臨むこととした。

また、上記の実施形態に係るダミーセルの製造方法の一体化工程では、ダミー構造体１１０の面方向で、第１導電性多孔質体１１２の外周端面１１２ｂよりも内側に接着剤１２０ａを設け、第１導電性多孔質体１１２とダミー樹脂枠部材１１１との間の接着剤１２０ａを介在させる部分の外側に隙間１２１が形成された状態を維持して接着剤層１２０を形成することとした。

これらの場合、隙間１２１により、接着剤層１２０が、ダミー構造体１１０の面方向の外側にはみ出して形成されることを容易に抑制できるため、一層高精度且つ効率的に各ダミーセルを得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、接着剤層１２０は、ダミー構造体１１０の積層方向で、第２導電性多孔質体１１４の全体と、第１導電性多孔質体１１２の第２導電性多孔質体１１４側の一部との内部に含浸した接着剤１２０ａの硬化物であることとした。

また、上記の実施形態に係るダミーセルの製造方法の一体化工程では、接着剤１２０ａを配置したダミー樹脂枠部材１１１の内周に、第１外周縁部１１２ａ及び第２外周縁部１１４ｂを重ねることにより、ダミー構造体１１０の積層方向で第２導電性多孔質体１１４の全体と、第１導電性多孔質体１１２の第２導電性多孔質体１１４に臨む側の一部との内部に含浸させた接着剤１２０ａを硬化させて接着剤層１２０を形成することとした。

これらの場合、接着剤層１２０を形成するために必要な接着剤１２０ａの量を増大させることなく、ダミー構造体１１０とダミー樹脂枠部材１１１とを十分な強度で効果的に接着することが可能になる。また、可動金型１６４に接着剤１２０ａが付着することを回避できるため、各ダミーセルの製造効率を向上させることができる。なお、第１導電性多孔質体１１２及び第２導電性多孔質体１１４の各々の接着剤１２０ａを含浸させる部分の厚さは特に上記に限定されるものではない。

上記の実施形態に係る燃料電池スタック１０では、ダミー樹脂枠部材１１１は、外周枠部８２ｂと、外周枠部８２ｂの内周縁から第１段差面８２ｄを介して全周に亘って内方に突出した棚部８２ｅと、棚部８２ｅの内周縁から第２段差面８２ｆを介して全周に亘って内方に突出した薄肉部８２ｇとを有し、第１外周縁部１１２ａの外周側は棚部８２ｅに重なり、第２外周縁部１１４ｂは薄肉部８２ｇに臨み、第３導電性多孔質体１１６の外周端面１１６ａは、ダミー樹脂枠部材１１１の内周端面８２ｉに対向することとした。

上記の実施形態に係る燃料電池スタック１０では、薄肉部８２ｇの内周縁部には、第２導電性多孔質体１１４に向かって突出する土手部８２ｈが全周に亘って設けられ、土手部８２ｈの突出端面と第２導電性多孔質体１１４とが当接することとした。この場合、土手部８２ｈにより、接着剤層１２０がダミー構造体１１０の面方向の内側にはみ出して形成されることも容易に抑制することが可能になるため、一層高精度且つ効率的に各ダミーセルを得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、薄肉部８２ｇの面方向で、第２段差面８２ｆと土手部８２ｈとの間に設けられた溝部８２ｈａに、第２段差面８２ｆ及び棚部８２ｅの各々と間隔を置いて接着剤層１２０が配設されることとした。この場合、接着剤層１２０がダミー構造体１１０の面方向の外側及び内側にはみ出して形成されることをより確実に抑制することが可能になるため、一層高精度且つ効率的に各ダミーセルを得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、第２導電性多孔質体１１４の厚さは、第２段差面８２ｆの高さよりも大きいこととした。このように、第２導電性多孔質体１１４の厚さを大きくすることで、十分な量の接着剤１２０ａを含浸させることが可能になるため、ダミー構造体１１０とダミー樹脂枠部材１１１とをより高強度に接着す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、接着剤層１２０は、熱硬化性樹脂硬化物であることとした。

また、上記の実施形態に係るダミーセルの製造方法の一体化工程では、接着剤１２０ａを介在させたダミー構造体１１０とダミー樹脂枠部材１１１とを固定金型１６２及び可動金型１６４（金型）で挟み、熱硬化性樹脂からなる接着剤１２０ａを熱硬化させることで接着剤層１２０を形成することとした。

これらの場合、接着剤１２０ａを簡単且つ速やかに硬化させて、耐熱性や接合強度に優れた接着剤層１２０を得ることができる。

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（酸化剤ガスの入口側）に対して、積層体１４の矢印Ａ２側（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
１１２ａ…第１外周縁部 １１２ｂ、１１４ａ、１１６ａ…外周端面
１１４…第２導電性多孔質体 １１４ｂ…第２外周縁部
１１６…第３導電性多孔質体 １２０…接着剤層
１２０ａ…接着剤 １２０ｂ…端部
１６２…固定金型 １６４…可動金型

Claims (14)

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、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、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も平面寸法が小さい第２導電性多孔質体と、該第２導電性多孔質体よりも平面寸法が小さい第３導電性多孔質体とをこの順に積層して形成され、
   前記第１導電性多孔質体は、前記第２導電性多孔質体の外周端面よりも外側に延在する第１外周縁部を有し、
   前記第２導電性多孔質体は、前記第３導電性多孔質体の外周端面よりも外側に延在する第２外周縁部を有し、
   前記第１外周縁部及び前記第２外周縁部と前記ダミー樹脂枠部材の内周とを接着する接着剤層を介して前記ダミー構造体と前記ダミー樹脂枠部材とが一体化されている、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、
   前記接着剤層は、前記ダミー構造体の面方向で、前記第２導電性多孔質体の外周端面から内側及び外側に延在して設けられる、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、
   前記接着剤層は、前記ダミー構造体の面方向で、前記第１導電性多孔質体の外周端面よりも内側に設けられ、
   前記接着剤層の面方向の外側の端部は、前記第１導電性多孔質体と前記ダミー樹脂枠部材との間に形成された隙間に臨む、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、
   前記接着剤層は、前記ダミー構造体の積層方向で、前記第２導電性多孔質体の全体と、前記第１導電性多孔質体の前記第２導電性多孔質体側の一部との内部に含浸した接着剤の硬化物である、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、
   前記ダミー樹脂枠部材は、外周枠部と、該外周枠部の内周縁から第１段差面を介して全周に亘って内方に突出した棚部と、前記棚部の内周縁から第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１外周縁部の外周側は前記棚部に重なり、
   前記第２外周縁部は前記薄肉部に臨み、
   前記第３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、燃料電池スタック。
6. 請求項５記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記薄肉部の内周縁部には、前記第２導電性多孔質体に向かって突出する土手部が全周に亘って設けられ、前記土手部の突出端面と前記第２導電性多孔質体とが当接する、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、
   前記薄肉部の面方向で、前記第２段差面と前記土手部との間に設けられた溝部に、前記第２段差面及び前記棚部の各々と間隔を置いて前記接着剤層が配設される、燃料電池スタック。
8. 請求項５〜７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、燃料電池スタック。
9. 請求項１〜８の何れか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記接着剤層は、熱硬化性樹脂硬化物である、燃料電池スタック。
10. 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、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小さい第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小さい第３導電性多孔質体とをこの順に積層して、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ダミー構造体形成工程と、
    前記ダミー構造体と、該ダミー構造体の外周を周回するダミー樹脂枠部材とを一体化する一体化工程と、
    を有し、
    前記第１導電性多孔質体は、前記第２導電性多孔質体の外周端面よりも外側に延在する第１外周縁部を有し、前記第２導電性多孔質体は、前記第３導電性多孔質体の外周端面よりも外側に延在する第２外周縁部を有し、
    前記一体化工程では、前記第１外周縁部及び前記第２外周縁部と前記ダミー樹脂枠部材の内周との間に介在させた接着剤を硬化させることにより、前記第１外周縁部及び前記第２外周縁部と前記ダミー樹脂枠部材とを接着する接着剤層を形成する、ダミーセルの製造方法。
11. 請求項１０記載のダミーセルの製造方法において、
    前記一体化工程では、前記ダミー構造体の面方向で、前記第２導電性多孔質体の外周端面から内側及び外側に延在する前記接着剤層を形成する、ダミーセルの製造方法。
12. 請求項１１記載のダミーセルの製造方法において、
    前記一体化工程では、前記ダミー構造体の面方向で、前記第１導電性多孔質体の外周端面よりも内側に前記接着剤を設け、前記第１導電性多孔質体と前記ダミー樹脂枠部材との間の前記接着剤を介在させる部分の外側に隙間が形成された状態を維持して前記接着剤層を形成する、ダミーセルの製造方法。
13. 請求項１０〜１２の何れか１項に記載のダミーセルの製造方法において、
    前記一体化工程では、前記接着剤を配置した前記ダミー樹脂枠部材の内周に、前記第１外周縁部及び前記第２外周縁部を重ねることにより、前記ダミー構造体の積層方向で前記第２導電性多孔質体の全体と、前記第１導電性多孔質体の前記第２導電性多孔質体に臨む側の一部との内部に含浸させた前記接着剤を硬化させて前記接着剤層を形成する、ダミーセルの製造方法。
14. 請求項１０〜１３の何れか１項に記載のダミーセルの製造方法において、
    前記一体化工程では、前記接着剤を介在させた前記ダミー構造体と前記ダミー樹脂枠部材とを金型で挟み、熱硬化性樹脂からなる前記接着剤を熱硬化させることで前記接着剤層を形成する、ダミーセルの製造方法。

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