(57)【要約】【課題】耐久性の低下を避けつつ、適切に低温起動を行うことができる燃料電池スタックを提供する。【解決手段】電解質膜１６を備えたＭＥＡ２３を有するセル１５を複数積層することにより構成した燃料電池スタック２において、セル１５の積層方向両端部に、積層方向中央部に配置した中央セル１５ｉに比較して、少なくとも低温起動時に発熱量が多い端部セル１５ｅを備える。【選択図】      図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜を備えた膜電極複合体を有するセルを複数積層することにより構成し、
積層方向中央部分近傍に配置した中央セルに比較して、前記積層方向両端部に配置した端部セルを、少なくとも低温起動時に発熱量が多くなるように構成することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記端部セルの膜電極複合体を、前記固体高分子電解質膜への吸水速度が、前記中央セルに比較して小さくなるように構成する請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記端部セルの固体高分子電解質膜の吸水速度が、前記中央セルに比較して小さくなるように構成する請求項２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記端部セルの固体高分子電解質膜として、芳香族を含む膜を用いる請求項３に記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記端部セルの固体高分子電解質膜として、イオン交換容量の小さな膜を用いる請求項３に記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記膜電極複合体は、前記固体高分子電解質膜の両主面に触媒層を備え、
前記中央セルに比較して、前記端部セルの触媒層を、撥水・膜厚化させる、または気孔率を増加させる請求項２に記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
前記膜電極複合体は、前記固体高分子電解質膜の両主面に触媒層を備え、さらにその外側にガス拡散層を備え、
前記中央セルに比較して、前記端部セルのガス拡散層の水透過性が低くなるように構成する請求項２に記載の燃料電池スタック。
【請求項８】
停止時に、少なくともカソード側を乾燥ガスで置換する請求項１から７のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
【請求項９】
前記中央セルに比較して、前記端部セルの膜電極複合体を、少なくとも低温起動時に抵抗が高くなるように構成する請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項１０】
前記端部セルの固体高分子電解質膜は、高温で抵抗がより低く、低温で抵抗がより高くなる温度依存性を有する請求項９に記載の燃料電池スタック。
【請求項１１】
前記膜電極複合体は、前記固体高分子電解質膜の主面に触媒層を備え、さらにその外側にガス拡散層を備え、
前記端部セルのガス拡散層は、高温で抵抗がより低く、低温で抵抗がより高くなる温度依存性を有する請求項９に記載の燃料電池スタック。
【請求項１２】
前記膜電極複合体を狭持する一対のセパレータを備え、
前記端部セルのセパレータは、高温で抵抗がより低く、低温で抵抗がより高くなる温度依存性を有する請求項９に記載の燃料電池スタック。
【請求項１３】
前記端部セルの固体高分子電解質膜の厚みを、前記中央セルに比較して大きくする請求項９に記載の燃料電池スタック。
【請求項１４】
前記膜電極複合体は、前記固体高分子電解質膜の主面に触媒層を備え、さらにその外側にガス拡散層を備え、
前記端部セルのガス拡散層の厚みを、前記中央セルに比較して大きくする請求項９に記載の燃料電池スタック。
【請求項１５】
前記膜電極複合体を狭持する一対のセパレータを備え、
前記端部セルの前記膜電極複合体と前記セパレータとの接触抵抗を、前記中央セルに比較して大きくする請求項９に記載の燃料電池スタック。
【請求項１６】
前記端部セルの前記膜電極複合体の発電面積を、前記中央セルに比較して小さくする請求項９に記載の燃料電池スタック。
【請求項１７】
前記膜電極複合体に反応ガスを供給するガス流路を備え、
前記端部セルの前記ガス流路を比較的水の溜まり難い構成とする、または、前記ガス流路へ供給する反応ガスのストイキ比を比較的高くする請求項１６に記載の燃料電池スタック。
【請求項１８】
前記セルに沿って冷却水を流通する冷却水流路を備え、
通常運転時に、前記端部セルに沿って流通する冷却水流量を、前記中央セルに沿って流れる冷却水流量に比較して大きくする請求項１３から１７のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
【請求項１９】
前記膜電極複合体に反応ガスを供給するガス流路を備え、
前記中央セルに比較して、前記端部セルの前記ガス流路を、入口断面または流路溝を狭くする、または、流路長を長くする、ことにより、通常運転時の前記端部セルからの排水を抑制する請求項１３から１６のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックに関する。特に、低温起動時に、自己発熱により暖機を行う燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、燃料電池スタックは、複数のセルを積層して構成される。燃料電池スタックの端部に配置されたセルは、停止時に、他のセルよりも外気への放熱量が多く、温度が低下しやすいことから、結露が生じて排水性が悪化しやすい。特に、外気温度が０℃以下の低温環境下で起動を行うと、端部に配置されたセルで凍結が生じるといった問題があった。
【０００３】
起動から時間が経つにつれ、反応ガスの含有する水分や生成水が、膜電極複合体（ＭＥＡ：Membrane  Electrode  Assembly）上に増加しながら発熱していく。水がＭＥＡに保持可能な容量を越えた時点で、セル温度が０℃より高くなっていれば凍結を防ぐことができる。しかしながら、端部に配置したセルが０℃を超えるまでには他のセルより多くの熱量が必要なため、凍結を防ぐために、中心に近いＭＥＡに比べて単位時間あたりの発熱量を大きくするか、長時間水を保持可能な構成とする必要がある。
【０００４】
そこで、従来の燃料電池スタックでは、積層方向端部のガス流路幅を大きく設定することで、セパレータとＭＥＡの接触面が他のセルに比較して小さくなるように構成している。これにより、端部セルのＭＥＡからの、端部側に配置されたセパレータへの熱の移動を抑制し、端部セルの温度低下によりＭＥＡ内に凍結が生じるの防止している（例えば、特許文献１、参照。）。
【特許文献１】特開２００４−１１１１１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記燃料電池スタックで、端部セルのガス流路のうち端部側のみの流路幅を大きく設定した場合には、燃料ガスと酸化剤ガスとの圧力差によりＭＥＡに撓みが発生してしまうという問題があった。また、端部セルの両方のガス流路幅を大きくした場合には、セパレータの耐久性が低下するといった問題があった。
【０００６】
そこで本発明は、上記問題を鑑みて、耐久性の低下を避けつつ、適切に低温起動を行う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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、固体高分子電解質膜を備えた膜電極複合体を有するセルを複数積層することにより構成し、積層方向中央部分近傍に配置した中央セルに比較して、前記積層方向両端部に配置した端部セルを、少なくとも低温起動時に発熱量が多くなるように構成する。
【発明の効果】
【０００８】
このように、低温起動時に端部セルでの発熱量が大きくなるように構成することで、温度が下がり易く上がり難い端部セルの温度を比較的速やかに上げることができる。その結果、特に燃料電池スタックの耐久性を低下させることなく、適切に低温起動を行うことができる燃料電池スタックを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。
【００１０】
まず、第１の実施形態について説明する。図１に、燃料電池スタック２を用いる燃料電池システムの概略構成を示す。
【００１１】
燃料電池システムには、燃料電池スタック２に燃料ガスを供給する燃料供給ライン６と、燃料電池スタック２から排出された燃料排ガスを流通する燃料排気ライン７を備える。燃料供給ライン６には、燃料ガスとしての水素を供給する水素供給源８を備え、燃料排気ライン７には、燃焼器等の水素含有ガス処理装置９を備える。なお、燃料ガスは水素含有ガスであればよく、例えば改質反応により生成した改質ガス等を用いても良い。
【００１２】
また、燃料電池システムには、燃料電池スタック２に酸化剤ガス、ここでは空気を供給する酸化剤供給ライン１０と、燃料電池スタック２から排出された酸化剤排ガスを流通する酸化剤排気ライン１１を備える。酸化剤供給ライン１０には、酸化剤を供給する酸化剤供給源１２を備える。なお、酸化剤ガスは酸素含有ガスであれば良く、例えば酸素を用いても良い。
【００１３】
また、燃料電池スタック２の上流側に、燃料供給ライン６と酸化剤供給ライン１０との間を接続するバイパスライン２６を備える。バイパスライン２６には、燃料供給ライン６と酸化剤供給ライン１０を選択的に連通させるバルブ２７を備える。さらに、空気供給ライン１０の、空気供給源１２と、バイパスライン２６との接続部と、の間に、逆止弁２８を備える。
【００１４】
また、燃料電池スタック２の燃料極３と酸化剤極４に接続する電気配線１４を備える。電気配線１４には電気制御装置１３を備え、燃料電池スタック２から取り出す電力を制御する。
【００１５】
また、ここでは図示しないが、燃料電池システムには、発電に伴って発生した熱を取り除くために、発電中に燃料電池スタック２に冷却水を循環させる冷却システムを備える。
【００１６】
なお、図１では、燃料電池スタック２の発電時の水素と空気の流れを、それぞれ実線の矢印で示し、電流の流れを破線矢印で示している。
【００１７】
次に燃料電池スタック２の構成について、図２の斜視図、および図３の断面図を用いて説明する。
【００１８】
図２および図３に示すように、燃料電池スタック２には、単位燃料電池としてのセル１５を複数積層して構成された積層体２９を備える。積層体２９の両端部には、端末部材としてエンドプレート２２を備える。ここで、端末部材とは、それ自体では発電しないものであり、燃料電池スタック２で発電される電力を外部へ取り出す集電機能、積層体２９に積層方向の圧力をかける加圧機能の少なくとも一方の機能を有する。エンドプレート２２に集電機能を持たせる場合には、これに電気配線１４を接続することで、出力を取り出す。なお、エンドプレート２２と積層体２９間を絶縁し、積層体２９とエンドプレート２２の間に集電板を設けても良い。また、加圧機能を持たせる場合には、例えば、積層体２９を貫通し、セル１５間の面厚を維持するタイロッドを備える。
【００１９】
また、セル１５の積層方向について連続し、各セル１５に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給するガスマニホールド２５を備える。図２では、ガスマニホールド２５を積層体２９の外部に設けたが、積層体２９内部を貫通する孔により構成してもよい。なお、燃料電池スタック２には、燃料ガス供給用のガスマニホールド２５ａｉ、燃料排ガス排出用のガスマニホールド２５ａｏ、酸化剤ガス供給用のガスマニホールド２５ｃｉ、酸化剤排ガス排出用のガスマニホールド２５ｃｏの四つのガスマニホールド２５を備える。
【００２０】
次に、単位電池であるセル１５の構成について図３を用いて説明する。
【００２１】
セル１５には、燃料極３０と酸化剤極４０を備え、これらの間に固体高分子電解質膜（以下、電解質膜）１６を備える。燃料極３０、酸化剤極４０は、それぞれ電解質膜１６に接する触媒層１８と、その外側に配置されたガス拡散層（ＧＤＬ：Gas  Diffusion  Layer）１７から構成される。電解質膜１６、触媒層１８、ＧＤＬ１７からなる集合体を膜電極複合体（ＭＥＡ：Membrane  Electrode  Assembly）２３と呼ぶ。
【００２２】
ＭＥＡ２３の両側には、セパレータ２１を備える。燃料極３０とセパレータ２１との間には燃料ガス流路１９を、酸化剤極４０とセパレータ２１との間には酸化剤ガス流路２０を備える。ここでは、ガス流路１９、２０を、それぞれのセパレータ２１の表面に設けた溝により構成する。燃料ガス流路１９の端部はガスマニホールド２５ａｉ、２５ａｏに接続し、酸化剤ガス流路２０の端部はガスマニホールド２５ｃｉ、２５ｃｏに接続する。なお、セパレータ２１は、燃料ガスと酸化剤ガスとを分離する役割を担う。
【００２３】
さらにセパレータ２１のガス流路１９、２０を設けた面の裏面には、冷却水を流通する冷却水流路２４を構成する溝を備える。ここでは、二つのセパレータ２１を組み合わせることにより冷却水流路２４を構成する。但し、冷却水流路２４は、一方のセパレータ２１に設けた溝により構成しても良い。また、冷却水流路２４を複数のセル１５毎に設けても良い。
【００２４】
発電時は、水素供給源８から燃料電池スタック２のガスマニホールド２５ａｉに水素が供給され、各セル１５の燃料ガス流路１９に分配されることにより、燃料極３０に水素が供給される。また、酸化剤供給源１２から燃料電池スタック２のガスマニホールド２５ｃｉに空気が供給され、各セル１５の酸化剤ガス流路２０に分配されることにより、酸化剤極４０に空気が供給される。燃料極３０に拡散した水素と、酸化剤極４０に拡散した空気中の酸素との間で電気化学反応が生じることにより起電力を生じる。
【００２５】
また停止時には、少なくとも酸化剤極４０側を乾燥ガスにより置換し、次回の起動時の初期含水量を抑制する。なお、この乾燥ガスの置換は、燃料電池温度が０℃以下となる場合に限って行っても良い。ここでは、停止時に、バルブ２７を開き、燃料供給ライン６と酸化剤供給ライン１０に水素供給源８から乾燥した水素を供給して、各セル１５の燃料極３０、酸化剤極４０を水素に置換する。これにより、乾燥ガスに接触する電解質膜１６、触媒層１８、ＧＤＬ１７の含水量を抑制することができる。
【００２６】
この状態で、外気温度が０℃以下となったとき、電解質膜１６、ＧＤＬ１７、触媒層１８に僅かに残っていた水分は粒子径が十分に小さいため、凍結はしないで触媒担持体内の細孔や担持体間の隙間に残される（図４、参照）。この状態で起動を開始して反応ガスを供給すると、ＭＥＡ２３上で生成水と熱を生じながら徐々に反応が開始される。起動から時間が経つにつれて、ＭＥＡ２３上の熱量と水量とが増加していく。燃料電池温度が０℃を超えるまでに生じる凝縮水をＭＥＡ２３が保持できるように構成することで、水がＭＥＡ２３から溢れて凍結するのを避けることができ、ひいては燃料電池スタック２の劣化を避けることができる。
【００２７】
特に、燃料電池スタック２の積層体２９の両端に配置されたセル１５ｅ（図５、参照）は、外気の影響を受けて停止時に温度が下がり易く、また、外気への放熱量が多いため起動時に温度が上がり難い。そのため、セル１５ｅが０℃を越えるまでには多くの熱量が必要となり、セル１５ｅでの凍結を防ぐためには、中央に位置するセル１５ｉに比較して単位時間当たりの発熱量を多くするか、長時間水を保持可能な構成にする必要がある。
【００２８】
そこで、積層体２９の両端に配置したセル１５ｅが、他の中央部分に位置するセル１５ｉに比較して、以下のような性質を有するように構成する。
【００２９】
セル１５ｅのＭＥＡ２３ｅを、セル１５ｉのＭＥＡ２３ｉに比較して、少なくとも低温起動時に単位時間当たりの発熱量が多くなるように構成する。ここでは、電解質膜１６ｅへの吸水速度が比較的小さくなるように構成する。これにより、電解質膜１６ｅの含水量を抑制して抵抗が高い状態を継続し、発熱量を増大する。
【００３０】
例えば、セル１５ｅに、比較的吸水速度の低い電解質膜１６ｅを用いることで、電解質膜１６ｅへの吸水速度を小さくする。中央近傍に配置されたセル１５ｉの電解質膜１６ｉとしてNafion（登録商標）膜を用い、端部に配置されたセル１５ｅの電解質膜１６ｅとして芳香族系の膜を用いる。または、電解質膜１６ｅとして、比較的イオン交換容量の小さな膜を用いても良い。
【００３１】
また、燃料極３０ｅ、酸化剤極４０ｅから電解質膜１６ｅへの水の移動を抑制する。
【００３２】
例えば、燃料極３０ｅと酸化剤極４０ｅが保持できる水量を比較的大きくする。ここでは、セル１５ｅに、「撥水性を有し比較的膜厚である」または「比較的気孔率が大きい」の少なくとも一方の性質を有する触媒層１８ｅを備える。これにより、触媒層１８ｅのガス拡散性を維持しつつ、触媒層１８ｅから電解質膜１６ｅへの水の移動を抑制することができ、電解質膜１６ｅの抵抗を高いまま維持して発熱量を増大することができる。
【００３３】
または、セル１５ｅに、比較的水透過性が低いＧＤＬ１７ｅを用いる。例えば、毛細管現象が生じ難い構成を有する材料を用いてＧＤＬ１７ｅを構成する。これにより、ＧＤＬ１７ｅ内での水の移動速度が抑制されて、ガス流路１９、２０内などに残留していた水が電解質膜１６ｅへ移動するのを抑制することができる。
【００３４】
このように、電解質膜１６ｅへの吸水速度を抑制して発熱量を増大することで、低温起動時のセル１５ｅにおける凍結を抑制することができる。
【００３５】
なお、通常運転に移行した後は、両端に位置するセル１５ｅの電解質膜１６ｅは十分水を含んでおり、その他のセル１５ｉとの発電量の差はほぼ無くなる。
【００３６】
上述したような性質を有する端部セル１５ｅを、エンドプレート２２から１セルのみとして、その他を中央セル１５ｉとしても良いし、端部セル１５ｅをエンドプレート２２から積層方向に２〜５セルとしてもよい。また、内部から端部に向かって上述したような性質が徐々に顕著となるように構成してもよい。但し、基本的には両端が対称となるように配置するのが好ましい。
【００３７】
また、セル１５ｅの上述した電解質膜１６ｅへの吸水速度を抑えるため構成は、一つのみを用いてもよいし、複数組み合わせて用いてもよい。
【００３８】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【００３９】
電解質膜１６を備えたＭＥＡ２３を有するセル１５を複数積層することにより構成し、積層方向中央部分近傍に配置した中央セル１５ｉに比較して、積層方向両端部に配置した端部セル１５ｅを、少なくとも低温起動時に発熱量が多くなるように構成する。このように、セル１５ｅの低温起動時の発熱量が多くなるように構成することで、停止時に温度が下がり易く、起動時に温度が上がり難い積層方向両端部のセル１５ｅの起動遅れや起動不可を防止することができ、全体としては、速やかな起動が可能となる。
【００４０】
端部セル１５ｅのＭＥＡ２３ｅを、電解質膜１６ｅへの吸水速度が、中央セル１５ｉに比較して小さくなるように構成する。これにより、起動時に電解質膜１６ｅが十分に含水するまでの時間を長くすることができ、電解質膜１６ｅの抵抗が高い状態を維持して発熱量を増大することができる。特に、起動時は電流密度が小さいため、生成水が少なく、この効果が高まるため、低温起動時のセル１５ｅの起動遅れや起動不可を防止することができる。
【００４１】
また、セル１５ｅの電解質膜１６ｅの吸水速度が、セル１５ｉに比較して小さくなるように構成する。電解質膜１６ｅの吸水速度が遅いため、電解質膜１６ｅの抵抗が高い状態が維持されて、発熱量を大きくすることができる。そのため、低温起動時のセル１５ｅの起動遅れや起動不可を防止することができる。
【００４２】
セル１５ｅの電解質膜１６ｅとして、芳香族を含む膜を用いる。芳香族系の膜であるため、電解質膜１６ｅはNafion膜等に比べて吸水速度が遅く、起動時に膜の抵抗を高く維持することができる。または、セル１５ｅの電解質膜１６ｅとして、イオン交換容量の小さな膜を用いる。イオン交換容量が低いため、電解質膜１６ｅは、起動時の吸水速度が遅く、膜の抵抗を高く維持することができる。
【００４３】
ＭＥＡ２３は、電解質膜１６の両主面に触媒層１８を備え、セル１５ｉに比較して、セル１５ｅの触媒層１８ｅを、撥水・膜厚化させる、または気孔率を増加させる。ガス拡散性を維持しつつ、触媒層１８ｅに含水できる容量が中央セル１５ｉに比較して多くなるため、電解質膜１６ｅへの水の移動を抑制することができる。
【００４４】
ＭＥＡ２３は、電解質膜１６の両主面に触媒層１８を備え、さらにその外側にＧＤＬ１７を備え、セル１５ｉに比較して、セル１５ｅのＧＤＬ１７ｅの水透過性を低くする。これにより、セパレータ２１周辺に残留していた凝縮水がＭＥＡ２３ｅに到着するまでに時間がかかる。そのため、低温起動時のＭＥＡ２３ｅ内は、他に比較して含水量が少なくなり、発熱量が多くなる。なお、通常時は、ガス温度が十分に高く水蒸気圧が高いので、生成水や加湿ガスは凝縮水よりも水蒸気という気体でいることが多く、この状態ではＧＤＬ１７ｅのガス透過性は通常並みであり、排水性には問題がない。
【００４５】
また、停止時に、少なくとも酸化剤極４０側を乾燥ガスで置換する。これにより、次に起動する際の含水量を下げることができる。そのため、電解質膜１６ｅの吸水速度の遅さによる発熱効果を高めることができる。特に酸化剤極４０側に適用することにより、適切な効果を得ることができる。
【００４６】
次に、第２の実施形態について説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００４７】
積層体２９の端部に配置されたセル１５ｅを、他のセル１５ｉに比較して、少なくとも低温起動時に電気抵抗が大きくなるように構成する。
【００４８】
ここでは、ＭＥＡ２３ｅの電解質膜１６ｅ、ＧＤＬ１７ｅ、セパレータ２１ｅが、ＭＥＡ２３ｉに比較して、高温で電気抵抗がより低く、低温で電気抵抗がより高くなる温度依存性を有するように構成する。これにより、低温環境下において、ＭＥＡ２３ｅで発生する熱量を増大することができる。また、高温環境下では電気抵抗が小さいため、ＭＥＡ２３ｉと略同様の運転を行うことができる。この性質は、電解質膜１６ｅ、ＧＤＬ１７ｅ、セパレータ２１ｅのうち一つに適応してもよいし、二つまたは三つに適応してもよい。
【００４９】
または、ＭＥＡ２３ｅの電解質膜１６ｅ、ＧＤＬ１７ｅの少なくとも一方において、積層方向の厚さが、ＭＥＡ２３ｉの電解質膜１６ｉ、ＧＤＬ１７ｉに比較して厚くなるように構成することで、低温起動時の電気抵抗を大きく設定してもよい。
【００５０】
または、セル１５の接触抵抗が比較的大きくなるように構成することで、低温起動時の電気抵抗を大きく設定してもよい。ＭＥＡ２３ｅとセパレータ２１ｅとの間の面圧が小さくなるように構成したり、ＭＥＡ２３ｅの表面の材料特性や表面粗さ、絶縁状態などを変化させることにより、接触抵抗が大きくなるように構成する。
【００５１】
なお、上述したように電解質膜１６ｅやＧＤＬ１７の厚さが比較的厚くなるように構成したり、セル１５ｅの接触抵抗が大きくなるように構成する場合には、通常運転時にもセル１５ｅの発熱量が大きくなってしまう。
【００５２】
そこで、セル１５ｅのセパレータ２１ｅに沿って流れる冷却水流量が、他のセル１５ｉに比較して多くなるように構成する。ここでは、図６に示すように、セル１５ｅの冷却水流路２４ｅの断面（図６（ｂ））を、他のセル１５ｉの冷却水流路２４ｉの断面（図６（ａ））に比較して大きくなるように構成する。冷却水流路２４ｅを構成する溝の幅、または、深さの少なくとも一方が、他のセル１５ｉに設けた冷却水流路２４ｉに比較して大きくなるように構成する。但し、図６（ｂ）に示すように、セパレータ２１ｅの強度を維持するために、冷却水流路２４とガス流路１９、２０を構成する溝が、互いに積層方向に重ならないように構成する。
【００５３】
なお、この場合には、停止時に冷却水を抜いておく、起動時に冷却水の流れを止めておく、などの方法により、低温起動時にセル１５ｅから冷却水へ熱が奪われるのを抑制する。
【００５４】
また、通常運転時にセル１５ｅの温度が過剰となるのを防ぐ構成として、セル１５ｅの酸化剤ガス流路２０ｅが、「入口断面積または流路溝を狭くする」、「流路長を長くする」の少なくとも一方の特徴を有するように構成する。これにより、セル１５ｅからの排水が抑制され、通常運転時に電解質膜１６ｅの抵抗を抑えることができ、発熱を抑えることができる。なお、流路の形状の違いから低温起動時に供給される反応ガス流量は、通常時に比較して少なく設定されるので、酸化剤ガス流路２０を上記のように構成した場合にも、電解質膜１６ｅの含水量が増大するのを抑制することができる。
【００５５】
このように、セル１５ｅを他のセル１５ｉに比較して、少なくとも低温起動時に抵抗が大きくなるように構成することで、発熱量を増大して起動時間を短縮することができる。このとき、通常運転時にも、セル１５ｅの発熱量が多くなる場合には、冷却水流路２４ｅ、酸化剤ガス流路２０を上述したように構成することで、セル１５ｅの温度上昇を抑制する。
【００５６】
なお、セル１５ｅは、上述した抵抗を大きくするための特徴のうち、一つの特徴を有するように構成してもよいし、複数の特徴を組み合わせて有するように構成してもよい。同様に、通常運転時のセル１５ｅの温度を抑えるための特徴も、一つまたは二つの特徴を有するように構成すればよい。
【００５７】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００５８】
セル１５ｉに比較して、セル１５ｅのＭＥＡ２３ｅを、少なくとも低温起動時に抵抗が高くなるように構成する。これにより、ＭＥＡ２３ｅでの低温起動時の発熱量を増大することができ、起動遅れや起動不可を抑制することができる。
【００５９】
セル１５ｅの電解質膜１６ｅは、高温で抵抗がより低く、低温で抵抗がより高くなる温度依存性を有する。これにより、起動時にはＭＥＡ２３ｅでの発電量を増大することができるとともに、通常運転時にも適切な温度を維持することができる。
【００６０】
また、ＭＥＡ２３は、電解質膜１６の主面に触媒層１８を備え、さらにその外側にＧＤＬ１７を備え、セル１５ｅのＧＤＬｅを、高温で抵抗がより低く、低温で抵抗がより高くなる温度依存性を有するように構成する。これにより、起動時にはＭＥＡ２３ｅでの発電量を増大することができるとともに、通常運転時にも適切な温度を維持することができる。
【００６１】
また、ＭＥＡ２３を狭持する一対のセパレータ２１を備え、セル１５ｅのセパレータ２１ｅは、高温で抵抗がより低く、低温で抵抗がより高くなる温度依存性を有する。これにより、起動時にはＭＥＡ２３ｅでの発電量を増大することができるとともに、通常運転時にも適切な温度を維持することができる。
【００６２】
セル１５ｉに比較して、セル１５ｅの電解質膜１６ｅの厚みを大きくする。これにより、電解質膜１６ｅの抵抗が比較的大きくなるので、発熱量を増大することができる。
【００６３】
また、ＭＥＡ２３は、電解質膜１６の主面に触媒層１８を備え、さらにその外側にＧＤＬ１７を備え、セル１５ｉに比較して、セル１５ｅのＧＤＬ１７ｅの厚みを大きくする。これにより、ＧＤＬ１７ｅの抵抗が比較的大きくなるので、発熱量を増大することができる。
【００６４】
また、ＭＥＡ２３を狭持する一対のセパレータ２１を備え、セル１５ｉに比較して、セル１５ｅのＭＥＡ２３ｅとセパレータ２１ｅとの接触抵抗を大きくする。これにより、ＭＥＡ２３ｅとセパレータ２１間の抵抗を大きくすることができ、発熱量を増大することができる。
【００６５】
また、セル１５に沿って冷却水を流通する冷却水流路２４を備え、通常運転時に、セル１５ｅに沿って流通する冷却水流量を、セル１５ｉに沿って流れる冷却水流量に比較して大きくする。これにより、通常運転時に、セル１５ｅの温度が異常に高くなるのを抑制することができる。
【００６６】
また、ＭＥＡ２３に反応ガスを導入するガス流路１９、２０を備え、セル１５ｉに比較して、セル１５ｅのガス流路１９、２０を、入口断面または流路溝を狭くする、または、流路長を長くする、ことにより、通常運転時のセル１５ｅからの排水を抑制する。これにより、通常運転時に、セル１５ｅの温度が過剰に高くなるのを抑制することができる。
【００６７】
次に、第３の実施形態について説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００６８】
ここでは、セル１５ｅに用いるＭＥＡ２３ｅの発電面積を、他のＭＥＡ２３ｉに比較して小さくなるように構成する。ここでは、図７に示すように、セル１５ｅのガス流路１９ｅ、２０ｅをストレート形状に構成し、ＭＥＡ２３ｅがガス流路１９ｅ、２０ｅの上流側のみに重なるように構成する。これにより、セル１５ｅの電流密度が、他のセル１５ｉに比較して高くなるので、発熱量が多くなる。
【００６９】
このとき、セル１５ｅではセル１５ｉに比較して、発電反応が狭い範囲で生じるので、フラッディングが発生し易い。そこで、セル１５ｅの有するガス流路１９ｅ、２０ｅが、他のガス流路１９ｉ、２０ｉに比較して、生成水が溜まり難いように構成する。例えば、ガス流路１９ｅ、２０ｅの溝深さを比較的大きくして流路断面を大きくしたり、流路長さを短くする。高いストイキ比ＳＲを示すように反応ガスを供給することにより、生成水の滞留を防ぐように構成してもよい。
【００７０】
なお、このように構成すると、セル１５ｅの通常運転時の発熱量が、セル１５ｉに比較して多くなる。そこで、第２の実施形態と同様に、セル１５ｅのセパレータ２１ｅに沿って流れる冷却水流量が、他のセル１５ｉに比較して多くなるように構成する。
【００７１】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第２の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００７２】
セル１５ｉに比較して、セル１５ｅのＭＥＡ２３ｅの発電面積を小さくする。これにより、電流密度が比較的高くなるので、発熱量を増大することができる。
【００７３】
ＭＥＡ２３に反応ガスを導入するガス流路１９、２０を備え、セル１５ｅのガス流路１９ｅ、２０ｅを水の溜まりにくい構成とする、または、ガス流路１９ｅ、２０ｅへ供給する反応ガスのストイキ比ＳＲを比較的高くする。ここでは、ガス流路１９ｅ、２０ｅをストレート形状に構成し、比較的溝深さを大きくしたり、比較的流路長が短くなるように構成したり、反応ガスのストイキ比ＳＲが高くなるように構成する。これにより、上述したように、発電領域を比較的小さく設定した場合にも、ガス流路１９ｅ、２０ｅのフラッディングを抑制することができる。
【００７４】
ここでは、セル１５ｅのガス流路１９ｅ、２０ｅを水の溜まりにくい構成としているが、フラッディングの生じ易い酸化剤ガス流路２０側のみに適用することもできる。
【００７５】
このように、本発明は、上記発明を実施するための最良の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で、様々な変更を為し得ることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明は、固体高分子型燃料電池スタックの電極構成に関する。特に、移動体に搭載する燃料電池スタック等、低温環境下に晒される可能性のある燃料電池スタックに適用することで、適切な効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】第１の実施形態に用いる燃料電池システムの構成を示す概略図である。
【図２】第１の実施形態に用いる燃料電池スタックの斜視図である。
【図３】第１の実施形態に用いる燃料電池スタックの断面図である。
【図４】ＭＥＡにおける水の含有状態を示す図である。
【図５】セル１５ｅとセル１５ｉの位置関係を示す図である。
【図６】第２の実施形態にけるセパレータの断面図である。
【図７】第３の実施形態に用いるセル１５ｅの発電領域を示す図である。
【符号の説明】
【００７８】
２    燃料電池スタック
１５ｅ  （端部）単位セル
１５ｉ  （中央）単位セル
１６  電解質膜
１７  ＧＤＬ
１８  触媒層
１９  燃料ガス流路
２０  酸化剤ガス流路
２１  セパレータ
２３  ＭＥＡ
２４  冷却水流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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