JP7076350B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、複数の発電セルを積層した燃料電池スタックに関する。

燃料電池スタックは、燃料ガス及び酸化剤ガスにより発電を行う発電セルを複数積層して構成される。各発電セルは、アノード電極、電解質膜、カソード電極を積層した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）と、ＭＥＡを挟持するバイポーラ板である一対のセパレータと、を備える。

また、特許文献１には、ＭＥＡを構成する電解質膜、アノード電極及びカソード電極の触媒層の耐久性を向上することを目的とした技術が開示されている。この燃料電池では、ヒドロキシラジカルの酸化還元電位よりも低い電位で水素供与体となると共に、過酸化水素が水素供与体となる酸化還元電位よりも高い電位で水素受容体となる化合物を、触媒層に固定化している。

特開２００６－１７２８１７号公報

ところで、燃料電池スタックでは、スタック内の水（発電に伴う生成水、供給配管からの飛び込み水等）が、積層方向の端部側に配置された発電セルに溜まる傾向がある。そのため、発電セルを構成するセパレータが鉄を多く含む金属材料であると、セパレータから水に鉄イオンが溶出し過酸化水素とフェントン反応（鉄の還元反応）を起こし反応性の高いＯＨラジカルを発生させる。このＯＨラジカルにより、燃料電池スタックは、端部側の発電セルの電解質膜に劣化が生じ、寿命が短くなるという不都合が生じる。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、簡単な構成によって、積層方向の端部側に配置される発電セルの長寿命化を図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。

前記の目的を達成するために、本発明の一態様は、電解質膜・電極構造体とセパレータとを積層して構成される発電セルが、複数積層された積層体を有する燃料電池スタックであって、前記積層体の積層方向の中央部に配置される前記発電セルのセパレータは、金属材料からなり、前記積層方向の端部側に配置される発電セルのセパレータが、前記積層方向の中央部に配置される前記発電セルのセパレータよりも鉄イオンの溶出が少ない端部セパレータとして構成されている。

燃料電池スタックは、積層体の積層方向の端部側において、発電セルのセパレータが鉄イオンの溶出が少ない端部セパレータとして構成されていることで、端部側に溜まり易い水（液水）に鉄イオンが溶出することを抑制することができる。これにより、端部側に配置される発電セルは、鉄イオンによる電解質膜の劣化が抑制される。その一方で、積層体の積層方向の中央部の発電セルは、例えば、金属材料からなるので、安価且つ加工がし易い。このため、燃料電池スタックは、長寿命化を実現しつつ、製造コストの低廉化を図ることが可能となる。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池スタックを示す一部分解斜視図である。 燃料電池スタックの積層体を構成する発電セルの分解斜視図である。 積層体の積層構造を示す部分側面断面図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池スタックの積層体の積層構造を示す部分側面断面図である。

以下、本発明について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

〔第１実施形態〕
図１に示すように、本発明の第１実施形態に係る燃料電池スタック１０は、単位燃料電池である発電セル１２を水平方向（矢印Ａ方向）に複数積層した積層体１４を備える。燃料電池スタック１０は、例えば、図示しない燃料電池車両（燃料電池自動車）に搭載される。なお、積層体１４は、複数の発電セル１２が重力方向（矢印Ｃ方向）に積層されたものでもよい。

積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、ターミナルプレート１６ａ、インシュレータ１８ａ及びエンドプレート２０ａが外方に向かって順に配置される。積層体１４の積層方向他端には、ターミナルプレート１６ｂ、インシュレータ１８ｂ及びエンドプレート２０ｂが外方に向かって順に配置される。また、エンドプレート２０ａ、２０ｂの各辺間には、ボルト２５により連結バー２４が締結されている。各連結バー２４は、エンドプレート２０ａ、２０ｂを介して、積層方向（矢印Ａ方向）の締め付け荷重を積層体１４に付与する。

また、燃料電池スタック１０は、積層体１４を覆うケース２６を備える。ケース２６は、上記のエンドプレート２０ａ、２０ｂが２面（端面）を構成すると共に、エンドプレート２０ａ、２０ｂの短辺方向（矢印Ｃ方向）の両辺に固定される一対のサイドパネル２６ａ、２６ｂと、エンドプレート２０ａ、２０ｂの長辺方向（矢印Ｂ方向）の両辺に固定される一対のサイドパネル２６ｃ、２６ｄとを含む。各サイドパネル２６ａ～２６ｄは、ボルト２７によりエンドプレート２０ａ、２０ｂの側面に固定される。なお、燃料電池スタック１０は、ケース２６を備えていなくてもよい。

図２に示すように、発電セル１２は、樹脂枠付きＭＥＡ２８と、樹脂枠付きＭＥＡ２８の一方面側に配置された第１セパレータ３０と、樹脂枠付きＭＥＡ２８の他方面側に配置された第２セパレータ３２とを備える。

発電セル１２の樹脂枠付きＭＥＡ２８は、電解質膜・電極構造体２８ａ（以下、「ＭＥＡ２８ａ」という）と、ＭＥＡ２８ａの外周部に接合され当該外周部を周回する樹脂枠部材４６とを備える。さらに、ＭＥＡ２８ａは、電解質膜４０と、電解質膜４０の一方の面に設けられたアノード電極４２と、電解質膜４０の他方の面に設けられたカソード電極４４とを有する。なお、ＭＥＡ２８ａは、樹脂枠部材４６を用いることなく、電解質膜４０を外方に突出させてもよい。樹脂枠部材４６には枠状のフィルム部材を用いてもよい。

電解質膜４０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（陽イオン交換膜）が適用される。なお、電解質膜４０は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用することができる。また図示は省略するが、アノード電極４２及びカソード電極４４は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子をガス拡散層の表面に一様に塗布して形成され電解質膜４０に接合される電極触媒層とを有する。

樹脂枠部材４６は、ＭＥＡ２８ａの周囲に設けられることで、コストの低減を促すと共に、ＭＥＡ２８ａと第１及び第２セパレータ３０、３２の接触圧を適切に調整する。この樹脂枠部材４６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、又は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で構成される。

第１セパレータ３０は、反応ガスの一方である酸化剤ガス（例えば、酸素含有ガス）を流動させる酸化剤ガス流路４８を、樹脂枠付きＭＥＡ２８のカソード電極４４に対向する面３０ａに備える。酸化剤ガス流路４８は、第１セパレータ３０の矢印Ｂ方向に延在する複数本の突条部４８ａ間に形成された直線状流路溝（又は波状流路溝）によって構成される。

第２セパレータ３２は、反応ガスの他方である燃料ガス（例えば、水素含有ガス）を流動させる燃料ガス流路５８を、樹脂枠付きＭＥＡ２８のアノード電極４２に対向する面３２ａに備える（図２中では、便宜的に、ＭＥＡ２８ａのアノード電極４２上に燃料ガスの流動方向を示す）。燃料ガス流路５８は、第２セパレータ３２の矢印Ｂ方向に延在する複数本の突条部５８ａ間に形成された直線状流路溝（又は波状流路溝）によって構成される。

また、互いに積層される第１セパレータ３０の面３０ｂと第２セパレータ３２の面３２ｂとの間には、冷媒（例えば、水）を流動させる冷媒流路６８が形成される。冷媒流路６８は、第１セパレータ３０の酸化剤ガス流路４８の裏面形状と、第２セパレータ３２の燃料ガス流路５８の裏面形状とが重なり合って形成される。

第１及び第２セパレータ３０、３２、樹脂枠部材４６の長辺方向（矢印Ｂ方向）の一端部には、積層方向（矢印Ａ方向）に連通する酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、冷媒入口連通孔３６ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂがそれぞれ設けられる。酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、冷媒入口連通孔３６ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂは、短辺方向（矢印Ｃ方向）に配列されている。酸化剤ガス入口連通孔３４ａは酸化剤ガスを酸化剤ガス流路４８に供給する。冷媒入口連通孔３６ａは冷媒を冷媒流路６８に供給する。燃料ガス出口連通孔３８ｂは燃料ガスを燃料ガス流路５８から排出する。

第１及び第２セパレータ３０、３２、樹脂枠部材４６の長辺方向（矢印Ｂ方向）の他端部には、積層方向に連通する燃料ガス入口連通孔３８ａ、冷媒出口連通孔３６ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂがそれぞれ設けられる。燃料ガス入口連通孔３８ａ、冷媒出口連通孔３６ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂは、短辺方向（矢印Ｃ方向）に配列されている。燃料ガス入口連通孔３８ａは燃料ガス流路５８に燃料ガスを供給する。冷媒出口連通孔３６ｂは冷媒流路６８から冷媒を排出する。酸化剤ガス出口連通孔３４ｂは酸化剤ガス流路４８から酸化剤ガスを排出する。

酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ、燃料ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス出口連通孔３８ｂ、冷媒入口連通孔３６ａ及び冷媒出口連通孔３６ｂは、積層体１４の積層方向一端側の端部構造１４ａ（ターミナルプレート１６ａ、インシュレータ１８ａ及びエンドプレート２０ａ）を貫通している。なお、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ、燃料ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス出口連通孔３８ｂ、冷媒入口連通孔３６ａ、冷媒出口連通孔３６ｂの配置や形状は、図示例に限定されず、要求される仕様に応じて適宜設計してよい。

また、第１セパレータ３０の面３０ａには、樹脂枠付きＭＥＡ２８に向かって突出し、樹脂枠部材４６に接触してシールを形成する第１ビード部５１がプレス成形されている。第１ビード部５１は、酸化剤ガス流路４８の外周側を周回すると共に、燃料ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス出口連通孔３８ｂ、冷媒入口連通孔３６ａ及び冷媒出口連通孔３６ｂの周囲をそれぞれ囲み、酸化剤ガス流路４８への燃料ガスや冷媒の流入を防止する。

第２セパレータ３２の面３２ａには、樹脂枠付きＭＥＡ２８に向かって突出し、樹脂枠部材４６に接触してシールを形成する第２ビード部６１がプレス成形されている。第２ビード部６１は、燃料ガス流路５８の外周側を周回すると共に、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ、冷媒入口連通孔３６ａ及び冷媒出口連通孔３６ｂの周囲をそれぞれ囲み、燃料ガス流路５８への酸化剤ガスや冷媒の流入を防止する。

第１セパレータ３０と第２セパレータ３２は、溶接、ろう付け、かしめ等の接合方法により、相互に接合されて接合セパレータ３３に構成される。例えば、接合セパレータ３３は、第１セパレータ３０の第１ビード部５１及び第２セパレータ３２の第２ビード部６１よりも外周側、及び各反応ガス連通孔（酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ、燃料ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス出口連通孔３８ｂ）の周囲等にセパレータ同士を接合した接合ラインを有する。

図３に示すように、燃料電池スタック１０の積層体１４は、上記の発電セル１２を複数積層することで、第１セパレータ３０、樹脂枠付きＭＥＡ２８、第２セパレータ３２が交互に並ぶ発電セル積層部７０を有する。換言すれば、発電セル積層部７０は、第１セパレータ３０と樹脂枠付きＭＥＡ２８間の酸化剤ガス流路４８、樹脂枠付きＭＥＡ２８と第２セパレータ３２間の燃料ガス流路５８、及び第１セパレータ３０と第２セパレータ３２間の冷媒流路６８を順に繰り返した構造を呈する。発電セル積層部７０は、端部側セル領域７８ａ、中間セル領域７６、端部側セル領域７８ｂから構成される。

なお、発電セル積層部７０は、部分的に、一の樹脂枠付きＭＥＡ２８と、隣接する他の樹脂枠付きＭＥＡ２８との間に冷媒流路６８を備えない間引き構造を採用してもよい。例えば、間引き構造は、一の樹脂枠付きＭＥＡ２８と他の樹脂枠付きＭＥＡ２８の間に接合セパレータ３３を配置せずにセパレータを１枚配置して、このセパレータの一方面に酸化剤ガス流路４８を形成し、他方面に燃料ガス流路５８を形成することで構成され得る。

また、積層体１４は、発電セル積層部７０の一端に端部構造１４ａを備えると共に、発電セル積層部７０の他端に端部構造１４ｂを備える。端部構造１４ａは、ターミナルプレート１６ａ、インシュレータ１８ａ及びエンドプレート２０ａを含み、端部構造１４ｂは、ターミナルプレート１６ｂ、インシュレータ１８ｂ及びエンドプレート２０ｂを含む。

エンドプレート２０ａ、２０ｂは、所定の板厚を有する横長の長方形状に形成されている（図１も参照）。エンドプレート２０ａ、２０ｂは、連結バー２４を連結するために、インシュレータ１８ａ、１８ｂよりも外側（矢印Ｂ方向且つ矢印Ｃ方向）に突出している。なお、エンドプレート２０ａ、２０ｂとインシュレータ１８ａ、１８ｂの間には、内部に冷媒が流通する図示しない温調用プレートが設けられてもよい。

インシュレータ１８ａ、１８ｂ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構成されている。インシュレータ１８ａ、１８ａの積層方向内側の面（発電セル１２に対向する面）の中央部には、矩形状の凹部１９ａ、１９ｂが設けられている。ターミナルプレート１６ａ、１６ｂは、この凹部１９ａ、１９ｂに収容される。

ターミナルプレート１６ａ、１６ｂは、導電性材料により構成され、板面の中央部に積層方向外側（エンドプレート２０ａ、２０ｂ）に向かって突出する電力取り出し端子２２ａ、２２ｂをそれぞれ備える（図１参照）。電力取り出し端子２２ａ、２２ｂは、インシュレータ１８ａ、１８ｂ及びエンドプレート２０ａ、２０ｂに貫通形成された図示しない孔部を介して、燃料電池スタック１０の外部に露出している。

また、インシュレータ１８ａ、１８ｂの凹部１９ａ、１９ｂには、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの積層方向内側に導電性断熱部材２１ａ、２１ｂが収容される。

導電性断熱部材２１ａ、２１ｂは、２枚の第１断熱部材２１ａ１、２１ｂ１間に１枚の第２断熱部材２１ａ２、２１ｂ２を挟持して構成される。第１断熱部材２１ａ１、２１ｂ１は、例えば、カーボンプレートで構成され、第２断熱部材２１ａ２、２１ｂ２は、例えば、金属プレートの断面を凹凸状に形成して間に空気室を有するように構成される。

なお、導電性断熱部材２１ａ、２１ｂは、電気導電性を有する部材であればよく、電気導電性を有する発泡金属、ハニカム形状金属（ハニカム部材）、又は多孔質カーボン（例えば、カーボンペーパ）のいずれかにより構成してもよい。また、燃料電池スタック１０は、導電性断熱部材２１ａ、２１ｂを備えていなくてもよい。

複数の発電セル１２（発電セル積層部７０）は、上記の端部構造１４ａ、１４ｂの内側で、この端部構造１４ａ、１４ｂから適度な締付荷重を受けることで、相互の積層状態が維持される。そして、発電セル積層部７０は、積層方向の端部側の複数（図３中では４つ）の発電セル１２について、積層方向端部側以外（積層方向の中央部）の発電セル１２とは異なる構造としている。以下、積層方向の端部側以外の発電セル１２をメインセル７２ともいい、また積層方向の端部側の発電セル１２を端部セル８０ともいう。

メインセル７２と端部セル８０は、基本的に、上述した樹脂枠付きＭＥＡ２８を第１及び第２セパレータ３０、３２で挟持した形態を呈しているが、第１及び第２セパレータ３０、３２自体の構造が相互に異なっている。

具体的には、メインセル７２の第１及び第２セパレータ３０、３２は、導電性を有し、加工し易く、また安価である材料を適用した金属セパレータ（以下、メインセパレータ７４という）により構成されている。例えば、メインセパレータ７４を構成する材料としては、ステンレス、銅合金、又は他の金属材料があげられる。なお、ステンレス、銅合金、他の金属材料は、適宜の表面処理が施されていてもよい。本実施形態では、コストの低廉化のため、ステンレスにより構成したメインセパレータ７４を適用している。メインセパレータ７４は、上記であげた材料の薄板をプレス成形することで、上述の突条部４８ａ、５８ａや第１、第２ビード部５１、６１を有する金属波板状に加工され得る。

これに対し、端部セル８０の第１及び第２セパレータ３０、３２は、上記のメインセパレータ７４よりもＭＥＡ２８ａに対向する表面からの鉄イオンの溶出が少ないセパレータ（以下、端部セパレータ８２という）により構成される。例えば、端部セパレータ８２を構成する材料としては、チタン、ニオブ、タンタル、アルミニウム、又はこれらを主成分とする合金のうち、いずれかの材料を適用することがあげられる。つまり、端部セパレータ８２も、金属材料で構成されるものの、メインセル７２のメインセパレータ７４よりも鉄イオンの溶出が少ない金属で構成される。本実施形態では、チタン合金により構成した端部セパレータ８２を適用している。

また、端部セパレータ８２（鉄イオンの溶出が少ない構造）は、上記の材料により構成されることに限定されない。例えば、端部セパレータ８２は、グラファイト（すなわち、カーボン）のプレートに流路溝を切削加工したものを適用してもよい。あるいは、端部セパレータ８２は、カーボンと樹脂（例えば、フェノール樹脂）を混合した材料を射出することで断面を波板状に成形したもの（所謂、カーボンセパレータ）を適用してもよい。なお、カーボンセパレータは、カーボンと樹脂を混合したシートを、加熱しプレスして成形することもできる。

さらに、端部セパレータ８２は、メインセパレータ７４と同様に、ステンレス、銅合金又は他の金属材料によって構成され、且つ鉄イオンの溶出を阻む耐食性の被覆部８２ａを表面に有する構造でもよい。被覆部８２ａは、発電時の化学反応から生じる過酸化水素水をステンレス、銅合金又は他の金属材料に到達させない材料をコーティングすることにより形成されることが好ましい。この種の被覆部８２ａとしては、カーボンコーティング、酸化チタン（ＴｉＯ₂）コーティング、パラジウムメッキ、金メッキ、セラミックコーティング、窒化処理を施したもの等があげられる。

またさらに、端部セル８０は、電解質膜４０（端部電解質膜８４）の膜厚ＦＴ１を、メインセル７２の電解質膜４０（メイン電解質膜７５）の膜厚ＦＴ２よりも厚く形成されていてもよい。このように端部電解質膜８４の膜厚ＦＴ１が厚く形成されていれば、端部セル８０自体の内部抵抗が上昇し発熱量が増加して、端部セル８０の放熱に伴う水の結露（凝縮水）を抑制することができる。よって、端部セル８０及びその周辺に水が溜まり難くなり、鉄イオンの溶出をより良好に抑制することができる。なお、端部電解質膜８４は、図３中において、積層方向両側の最端部の端部セル８０にのみ設けられ、他の端部セル８０の電解質膜４０は、メインセル７２のメイン電解質膜７５と同じ膜厚ＦＴ２に設定されている。燃料電池スタック１０は、このような構成に限定されず、例えば、複数の端部セル８０全てに端部電解質膜８４が設けられてもよい。

また、発電セル積層部７０は、図３中に示すように、積層方向両端部に複数の端部セル８０を設けた構成に限定されるものではない。例えば、端部セパレータ８２を有する端部セル８０は、発電セル積層部７０の積層方向のいずれか一端側（酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ等が設けられたエンドプレート２０ａ側）にだけ設けられてもよい。

また、端部セパレータ８２を有する端部セル８０は、発電セル積層部７０の積層方向両端部に少なくとも１つ配置された構成であればよい。例えば、端部セル８０は、発電セル積層部７０の積層方向両端部の最端部に１つずつ配置されてもよい。あるいは、端部セル８０は、最端部よりも多少内側に配置されてもよい。例えば、発電セル積層部７０は、積層方向の中間に中間セル領域７６が設定されると共に、積層方向の両側に端部側セル領域７８（一端側の端部側セル領域７８ａ、他端側の端部側セル領域７８ｂ）が設定される。中間セル領域７６は、発電セル積層部７０を構成する複数の発電セル１２のうち８０％～９０％の数からなる発電セル１２であり、これに対し端部側セル領域７８ａ（７８ｂ）は、複数の発電セル１２のうち５％～１０％の数からなる複数の発電セル１２である。

中間セル領域７６の発電セル１２は、全てメインセル７２が適用される。その一方で、端部セパレータ８２を有する端部セル８０は、端部側セル領域７８ａ、７８ｂの複数の発電セル１２のうち少なくとも１つの発電セル１２に適用されればよい。端部側セル領域７８は、発電時に生成される水（液水）が溜まり易い範囲であり、１つでも端部セパレータ８２を有する端部セル８０が存在すれば鉄イオンの溶出を低減することができるからである。

あるいは、各端部側セル領域７８ａ、７８ｂは、複数の発電セル１２の一部分がメインセル７２で構成され、その他の部分が複数の端部セル８０で構成されてもよい。この場合、複数の端部セル８０は、積層方向外側に配置されるだけでなく、各端部側セル領域７８ａ、７８ｂ内の適宜の位置に（例えば、積層方向の最端部よりも内側又はメインセル７２を間に挟んだ形態で）配置されることも可能である。

また図３中に示すように、各端部側セル領域７８ａ、７８ｂは、全ての発電セル１２を端部セル８０にすることで、端部側セル領域７８ａ、７８ｂ全体において、鉄イオンの溶出をより一層低減することができる。

本実施形態に係る燃料電池スタック１０は、基本的には、以上のように構成され、以下その作用について説明する。

図１に示すように、燃料電池スタック１０は、エンドプレート２０ａに連結された配管（不図示）を介して、酸化剤ガス入口連通孔３４ａに酸化剤ガスが供給され、燃料ガス入口連通孔３８ａに燃料ガスが供給され、冷媒入口連通孔３６ａに冷媒が供給される。

図２に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３４ａから第１セパレータ３０の酸化剤ガス流路４８に導入される。そして、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、ＭＥＡ２８ａのカソード電極４４に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３８ａから第２セパレータ３２の燃料ガス流路５８に導入される。そして、燃料ガスは、燃料ガス流路５８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、ＭＥＡ２８ａのアノード電極４２に供給される。

従って、各ＭＥＡ２８ａは、カソード電極４４に供給される酸化剤ガスと、アノード電極４２に供給される燃料ガスとの電気化学反応により発電を行う。

カソード電極４４に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４８から酸化剤ガス出口連通孔３４ｂへと流動し、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード電極４２に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス流路５８から燃料ガス出口連通孔３８ｂへと流動し、燃料ガス出口連通孔３８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷媒入口連通孔３６ａに供給された冷媒は、第１セパレータ３０と第２セパレータ３２との間に形成された冷媒流路６８に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷媒は、ＭＥＡ２８ａを冷却した後、冷媒出口連通孔３６ｂから排出される。

ここで、燃料電池スタック１０は、燃料ガスと酸化剤ガスの反応に伴って水を生成する。この水は、基本的には、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ又は燃料ガス出口連通孔３８ｂ（あるいは図示しないドレン連通孔）を介して燃料電池スタック１０の外部に排出される。しかしながら、積層体１４の積層方向両端部は、放熱の影響により水の凝縮が起こり易い。また、連通孔に接続された配管から燃料電池スタック１０内に水が飛び込むこともある。

これに対応して、燃料電池スタック１０は、上述したようにメインセパレータ７４よりも鉄イオンの溶出が少ない端部セパレータ８２（端部セル８０）を積層方向両端部に配置している。このため、積層方向両端部に水が溜まったとしても、端部セパレータ８２から水への鉄イオンの溶出を抑制することができる。そして、鉄イオンの溶出が少ないことで、端部セル８０及びその周辺の発電セル１２は、電解質膜４０の劣化が抑制される。

また上述したように、発電セル積層部７０の積層方向両端側の最端部の端部セル８０は、メインセル７２のメイン電解質膜７５の膜厚ＦＴ２よりも厚い膜厚ＦＴ１の端部電解質膜８４を有する。このように端部電解質膜８４の膜厚ＦＴ１が厚いことで、発電時の発熱量が大きくなって水の凝縮が抑制されることになり、積層体１４の積層方向両端部に溜まる液水自体の量を低下させることができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されず、発明の要旨に沿って種々の改変が可能である。例えば、燃料電池スタック１０は、発電セル１２の積層方向一端（酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ等を有するエンドプレート２０ａ）側が低く、積層方向他端側が高い傾斜姿勢で燃料電池自動車に搭載されてもよい。この場合、燃料電池スタック１０は、液水が溜まり易い積層方向一端側（エンドプレート２０ａ）側付近の発電セル１２に端部セル８０を適用する一方で、積層方向他端側（エンドプレート２０ｂ）側付近の発電セル１２にメインセル７２を適用してもよい。

〔第２実施形態〕
第２実施形態に係る燃料電池スタック１０Ａは、図４に示すように発電セル積層部７０の積層方向両端部（端部側セル領域７８）に、ダミーセル９０を配置している点で、燃料電池スタック１０と異なる。なお、以降の説明において、上述の実施形態と同じ構成又は同じ機能を有する要素には、同じ符号を付してその詳細な説明を省略する。

例えば、ダミーセル９０は、樹脂枠付きダミー構造体９２と、この樹脂枠付きダミー構造体９２を挟持する一対のダミーセパレータ（第１ダミーセパレータ９４及び第２ダミーセパレータ９６）とを有する。第１及び第２ダミーセパレータ９４、９６は、上述したメインセパレータ７４と同一に構成されている。なお、第１及び第２ダミーセパレータ９１、９６は、平面中央部の直線状流路溝と各反応ガス連通孔との連通を遮断することで、断熱空間を備えた構成でもよい。

一方、樹脂枠付きダミー構造体９２は、ダミー構造体９２ａと、ダミー構造体９２ａの外周に接合されてこの外周を周回する樹脂枠部材４６とを備える。ダミー構造体９２ａは、互いに接合した２枚の導電性多孔質シートを有する。２枚の導電性多孔質シートは、ＭＥＡ２８ａに設けられるカソードガス拡散層とアノードガス拡散層と同一に構成され得る。このように構成されたダミー構造体９２ａは、電解質膜４０や電極触媒層を備えていないため、発電が行われず、生成水も生じない。このため、ダミー構造体９２ａ自体が断熱層として機能する。また、ダミーセル９０は、ダミーセル９０に設けた反応ガス入口連通孔から反応ガス出口連通孔に液水を直接通過させることにより、マニホールドからの飛び込み水が発電セル１２に至ることも低減する。

発電セル積層部７０は、積層方向両端部において、以上のダミーセル９０を複数配置してダミーセル積層群９９を構成し、さらにダミーセル積層群９９の内側の端部側セル領域７８ａ、７８ｂに複数の端部セル８０を配置している。端部セル８０は、第１実施形態と同様に、第１及び第２セパレータ３０、３２に端部セパレータ８２を適用したものであり、鉄イオンの溶出を抑制する構造となっている。

なお、図４中では、端部側セル領域７８ａ、７８ｂの全ての複数の発電セル１２を端部セル８０で構成しているが、燃料電池スタック１０Ａはこのような構成に限定されるものではない。例えば、燃料電池スタック１０Ａは、ダミーセル積層群９９に隣接又は近接する位置の１つの発電セル１２を端部セル８０としてもよい。また、端部側セル領域７８ａ、７８ｂは、一部分（複数）の発電セル１２を端部セル８０とし、複数の端部セル８０は相互隣接している構成や間にメインセル７２が存在する構成を採用し得る。

上記の燃料電池スタック１０、１０Ａの実施形態から把握し得る技術的思想及び効果について、以下に記載する。

燃料電池スタック１０、１０Ａは、積層方向の端部側に配置される発電セル１２（端部セル８０）のセパレータが、積層方向の中央部に配置される発電セル１２（メインセル７２）のセパレータよりも鉄イオンの溶出が少ない端部セパレータ８２として構成されているので、端部側に溜まり易い水（液水）に鉄イオンが溶出することを抑制することができる。これにより、端部側に配置される端部セル８０は、鉄イオンによる電解質膜４０の劣化が抑制される。その一方で、積層方向の中央部のメインセル７２のセパレータ（メインセパレータ７４）は、金属セパレータで構成され、安価且つ加工がし易い。このため、燃料電池スタック１０、１０Ａは長寿命化を実現しつつ、製造コストの低廉化を図ることが可能となる。

また、端部セパレータ８２は、チタン、ニオブ、タンタル、アルミニウム、又はこれらを主成分とする合金のうち、いずれかの材料により構成されている。これらの材料により構成された端部セパレータ８２は、鉄イオンが水に溶出することを一層抑制することができる。

また、端部セパレータ８２は、カーボン、又はカーボンを混合した樹脂材料により構成されていてもよい。このように、カーボン、又はカーボンを混合した樹脂材料により構成された端部セパレータ８２は、鉄イオンを溶出することがないため、電解質膜４０の劣化をより確実に抑制することができる。

また、端部セパレータ８２は、ステンレス又は銅合金を含む金属材料により構成され、且つ耐食性の被覆部８２ａを表面に有する構成でもよい。ステンレス又は銅合金に構成される端部セパレータ８２は、加工性に優れ、また耐食性の被覆部８２ａを表面に有することで、鉄イオンの溶出を抑制することができる。

また、電解質膜・電極構造体２８ａは、電解質膜４０と、電解質膜４０の一方面に配置されたアノード電極４２と、電解質膜４０の他方面に配置されたカソード電極４４と、を有し、端部セパレータ８２が積層された発電セル１２（端部セル８０）の電解質膜４０（端部電解質膜８４）の膜厚ＦＴ１は、積層方向の中央部に配置される発電セル１２（メインセル７２）の電解質膜４０（メイン電解質膜７５）の膜厚ＦＴ２よりも厚い。これにより端部セル８０の電解質膜４０自体の内部抵抗が上昇し発熱量が増加して、端部セル８０の放熱に伴う水の結露（凝縮水）を抑制することができる。このため、鉄イオンの溶出が一層抑制される。また凝縮水が減少することで、反応ガスの活性ガス拡散性が向上し濃度過電圧が低下する。氷点下起動時には、凍結エリアが少なくなり発電エリアが増える等の効果が得られる。さらに電解質膜４０の膜厚ＦＴ１が厚い端部セル８０は、電解質膜４０自体の寿命を向上させ、これに加えて電解質膜４０内での酸化剤ガスと燃料ガスの混在を低減させるので、電解質膜４０の劣化をより一層抑制させる。

また、燃料電池スタック１０Ａは、端部セパレータ８２を有する発電セル（端部セル８０）の外側に発電を行わないダミーセル９０を備える。このようにダミーセル９０を備えることで、燃料電池スタック１０Ａは、積層体１４の積層方向の端部側の放熱を低減することができ、水が溜まることをより抑制することが可能となる。しかも、燃料電池スタック１０Ａは、ダミーセル９０の内側に端部セル８０が配置されるので、水が溜まった場合でも鉄イオンの溶出を良好に抑制することができる。

１０、１０Ａ…燃料電池スタック １２…発電セル
１４…積層体 ２８…樹脂枠付きＭＥＡ
２８ａ…ＭＥＡ ３０…第１セパレータ
３２…第２セパレータ ４０…電解質膜
４２…アノード電極 ４４…カソード電極
４６…樹脂枠部材 ７０…発電セル積層部
７２…メインセル ７４…メインセパレータ
８０…端部セル ８２…端部セパレータ
９０…ダミーセル

Claims (6)

1. 電解質膜・電極構造体とセパレータとを積層して構成される発電セルが、複数積層された積層体を有する燃料電池スタックであって、
   前記積層体の積層方向の中央部に配置される前記発電セルのセパレータは、金属材料からなり、
   前記積層方向の両端部側に配置される前記発電セルのセパレータが、前記積層方向の中央部に配置される前記発電セルのセパレータよりも鉄イオンの溶出が少ない端部セパレータとして構成されている
   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、
   前記端部セパレータは、チタン、ニオブ、タンタル、アルミニウム、又はこれらを主成分とする合金のうち、いずれかの材料により構成されている
   燃料電池スタック。
3. 電解質膜・電極構造体とセパレータとを積層して構成される発電セルが、複数積層された積層体を有する燃料電池スタックであって、
   前記積層体の積層方向の中央部に配置される前記発電セルのセパレータは、金属材料からなり、
   前記積層方向の端部側に配置される前記発電セルのセパレータが、前記積層方向の中央部に配置される前記発電セルのセパレータよりも鉄イオンの溶出が少ない端部セパレータとして構成されており、
   前記端部セパレータは、カーボン、又はカーボンを混合した樹脂材料により構成されている
   燃料電池スタック。
4. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記端部セパレータは、ステンレス又は銅合金を含む金属材料により構成され、且つ耐食性の被覆部を表面に有する
   燃料電池スタック。
5. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、
   電解質膜・電極構造体は、電解質膜と、前記電解質膜の一方面に配置されたアノード電極と、前記電解質膜の他方面に配置されたカソード電極と、を有し、
   前記端部セパレータが積層された発電セルの前記電解質膜の膜厚は、前記積層方向の中央部に配置される発電セルの前記電解質膜の膜厚よりも厚い
   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、
   当該燃料電池スタックは、前記端部セパレータを有する発電セルの外側に発電を行わないダミーセルを備える
   燃料電池スタック。

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