(57)【要約】【課題】エンドプレートに最も近接する端部発電セルの燃料ガス流路に、液状水が滞留することを確実に阻止することができ、発電性能の向上を図ることを可能にする。【解決手段】燃料電池スタック１０を構成する各発電セル１６は、第１エンドプレート２４ａに向かって反応用空気流路５６を配置する一方、第２エンドプレート２４ｂに向かって燃料ガス流路５２を配置する。第２エンドプレート２４ｂに最も近接する端部発電セル１６ａと該第２エンドプレート２４ｂとの間には、前記端部発電セル１６ａの燃料ガス流路５２内に凝縮水が滞留することを阻止するために、ヒータ２６が介装される。【選択図】図３
2004327065.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜の両側にアノード側電極とカソード側電極とを設けた電解質膜・電極構造体を、アノード側セパレータとカソード側セパレータとにより挟持するとともに、前記アノード側電極に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記カソード側電極に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路とを設ける発電セルを備え、複数の前記発電セルが第１および第２エンドプレートにより積層方向に締め付けられる燃料電池スタックであって、
各発電セルは、前記第１エンドプレート側に前記酸化剤ガス流路を配置する一方、前記第２エンドプレート側に前記燃料ガス流路を配置し、
前記第２エンドプレートに最も近接する端部発電セルと該第２エンドプレートとの間には、前記燃料ガス流路に対応してヒータが介装されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記アノード側セパレータは、一方の面に前記燃料ガス流路が形成され、他方の面に冷却媒体流路が形成されるとともに、
前記ヒータに隣接する前記端部発電セルは、前記アノード側セパレータの他方の面に、前記冷却媒体流路に代えて接触面が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池スタックにおいて、前記燃料ガス流路は、前記燃料ガスを反重力方向に流通させることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記発電セルの運転温度は、６０℃以下であることを特徴とする燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜の両側にアノード側電極とカソード側電極とを設けた電解質膜・電極構造体を、アノード側セパレータとカソード側セパレータとにより挟持する発電セルを備え、複数の前記発電セルが第１および第２エンドプレートにより積層方向に締め付けられる燃料電池スタックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜を採用している。この電解質膜の両側に、それぞれカーボンを主体とする基材に貴金属系の電極触媒層を接合したアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより燃料電池（発電セル）が構成されている。
【０００３】
この種の燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
通常、所望の発電力を得るために、所定数の燃料電池を積層した燃料電池スタックが使用されている。この燃料電池スタックには、酸化剤ガス、例えば、反応用空気を供給するためのコンプレッサまたはブロアや、反応ガス（反応用空気および燃料ガス）を加湿するための加湿器や、運転温度を最適に維持するための温度調整機器等の周辺補器が組み込まれている。
【０００５】
上記の燃料電池スタックでは、システム全体の小型化および軽量化が望まれており、周辺補器を削減するとともに、前記周辺補器を作動させるための電力消費を最小化する必要がある。このため、例えば、特許文献１には、空気流路チャンネルから生成水の除去に十分な空気流を維持しながら、空気供給用の電力消費を最小限にし、ネット出力を最大にすることを目的とした燃料電池スタックが開示されている。
【０００６】
ところで、上記の特許文献１では、図１０に示すように、ＭＥＡ１をエアフレーム（カソード側セパレータ）２および水素フレーム（アノード側セパレータ）３で挟んで単位セル４が構成されるとともに、各単位セル４間にセパレータ５が介装されている。単位セル４、セパレータ５および冷却セパレータ６により繰り返しユニットが構成されており、この冷却セパレータ６は、左側冷却セパレータ６ａと右側冷却セパレータ６ｂとを有している。
【０００７】
【特許文献１】
米国特許第５，８７９，８２６号明細書（第１３欄第１行〜第１４行、図１１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記の特許文献１では、燃料電池の運転温度が、通常の運転温度である７０℃〜８０℃よりも比較的低い温度、例えば、５０℃程度に設定されている。このため、燃料電池の発電により生成される水は、ガス拡散層と反応ガス流路（酸化剤ガス流路および燃料ガス流路）で凝縮し、液状水として存在する場合が多い。その際、上記の特許文献１では、燃料ガス（水素ガス）の供給圧力および反応用空気の供給圧力が低いため、反応ガス流路に存在する液状水を排水する能力が低く、この液状水が前記反応ガス流路に滞留し易い。
【０００９】
その際、燃料ガスの流量は、反応用空気の流量に比べて少ないため、固体高分子電解質膜を拡散してアノード側電極に移動する液状水は、燃料ガス流路内に滞留するおそれがある。特に、所定数の単位セル４が積層されて一対のエンドプレートにより締め付けられる燃料電池スタックでは、前記エンドプレートに隣接する端部の単位セル４が、他の単位セル４に比べて冷却され易い。これにより、端部の単位セル４の燃料ガス流路が液状水によって閉塞されてしまい、発電性能が低下して安定した発電が遂行されないという問題が指摘されている。
【００１０】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、エンドプレートに近接する燃料ガス流路に液状水が滞留することを確実に阻止することができ、発電性能に優れる燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池スタックでは、固体高分子電解質膜の両側にアノード側電極とカソード側電極とを設けた電解質膜・電極構造体を、アノード側セパレータとカソード側セパレータとにより挟持するとともに、前記アノード側電極に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記カソード側電極に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路とを設ける発電セルを備え、複数の前記発電セルが第１および第２エンドプレートにより積層方向に締め付けられている。
【００１２】
そして、各発電セルは、第１エンドプレート側に酸化剤ガス流路を配置する一方、第２エンドプレート側に燃料ガス流路を配置し、前記第２エンドプレートに最も近接する端部発電セルと該第２エンドプレートとの間には、前記燃料ガス流路に対応してヒータが介装されている。
【００１３】
ここで、互いに積層されている発電セルは、運転による反応を介して互いに温度が上昇する一方、第２エンドプレートに最も近接する端部発電セルは、他の発電セルからの熱量の供給が少なく、比較的低温になり易い。このため、第２エンドプレートに最も近接する端部発電セルは、ヒータの加温作用下に他の発電セルと同等の温度に調整される。特に、ヒータは、端部発電セルの燃料ガス流路に対応して配置されており、この燃料ガス流路を良好に加温することが可能になる。これにより、カソード側電極側からアノード側電極側に移動した生成水の蒸発が促進されるとともに、蒸発した水が燃料ガス流路内で凝縮されることを防止することができる。
【００１４】
従って、端部発電セルの燃料ガス流路内で滞留する生成水（拡散水）の量が、他の発電セルの燃料ガス流路内で滞留する生成水の量よりも多量になることを阻止することができる。これにより、第２エンドプレートに最も近接する端部発電セルの発電状態が、他の発電セルの発電状態よりも不安定になることがなく、燃料電池スタック全体として安定した発電状態を確保することが可能になる。
【００１５】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池スタックでは、アノード側セパレータは、一方の面に燃料ガス流路が形成され、他方の面に冷却媒体流路が形成されるとともに、ヒータに隣接する端部発電セルは、前記アノード側セパレータの他方の面に、前記冷却媒体流路に代えて接触面が設けられる。
【００１６】
このため、第２エンドプレートに最も近接する端部発電セルは、冷却媒体流路を流れる冷却媒体により冷却されることがなく、他の発電セルに比べて前記冷却媒体による温度低下が削減される。これにより、生成水が端部発電セルの燃料ガス流路内で凝縮し難くなるとともに、ヒータを駆動するための電力を有効に削減することができる。
【００１７】
さらに、本発明の請求項３に係る燃料電池スタックでは、燃料ガス流路は、燃料ガスを反重力方向に流通させるため、凝縮水が排出され難くなるものの、該凝縮水の発生を可及的に阻止することが可能になり、安定した発電状態を得ることができる。
【００１８】
さらにまた、本発明の請求項４に係る燃料電池スタックでは、発電セルの運転温度は、６０℃以下である。このため、生成水が液状水として存在し易いが、簡単かつコンパクトな構成で、この液状水が燃料ガス流路に滞留することを阻止し、所望の発電性能を確保することが可能になる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０を組み込む燃料電池システム１２の概略斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０を収容保持するケーシング１４の概略分解斜視図であり、図３は、前記燃料電池スタック１０の一部断面説明図である。
【００２０】
燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１６が矢印Ａ方向に積層された積層体１８を備える。積層体１８の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、集電用第１ターミナルプレート２０ａ、第１絶縁プレート２２ａおよび第１エンドプレート２４ａが外方に向かって、順次、配設される。積層体１８の積層方向他端には、集電用第２ターミナルプレート２０ｂ、シート状のヒータ２６、第２絶縁プレート２２ｂおよび第２エンドプレート２４ｂが外方に向かって、順次、配設される。
【００２１】
図４に示すように、各発電セル１６は、電解質膜・電極構造体３０と、前記電解質膜・電極構造体３０を挟持する第１および第２セパレータ３２、３４とを備える。電解質膜・電極構造体３０と第１および第２セパレータ３２、３４との間には、後述する各種連通孔の周囲および電極面の外周を覆って、シール部材３６ａが介装されるとともに、隣接する発電セル１６間には、シール部材３６ｂが介装される。
【００２２】
発電セル１６の矢印Ｂ方向（水平方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向（積層方向）に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、反応用空気を供給するための反応用空気供給連通孔３８と、冷却用空気を供給するための冷却用空気供給連通孔４０とが設けられる。冷却用空気供給連通孔４０は、反応用空気供給連通孔３８よりも開口面積が大きく設定される。
【００２３】
発電セル１６の矢印Ｃ方向（鉛直方向）の一端縁部（下端縁部）には、矢印Ａ方向に連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔４２が設けられるとともに、前記発電セル１６の矢印Ｃ方向の他端縁部（上端縁部）には、矢印Ａ方向に連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔４４が設けられる。燃料ガス供給連通孔４２および燃料ガス排出連通孔４４は、矢印Ｂ方向に長尺な長円状の開口形状に設定される。
【００２４】
電解質膜・電極構造体３０は、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜４６と、この固体高分子電解質膜４６を挟持するアノード側電極４８およびカソード側電極５０とを備える（図３および図４参照）。
【００２５】
アノード側電極４８およびカソード側電極５０は、多孔質のカーボンペーパ、カーボンクロスまたはカーボン不織布等からなるガス拡散層と、白金系触媒がカーボン担体に担持されて固体高分子電解質膜４６の両面に塗布された電極触媒層とを有する。第１および第２セパレータ３２、３４は、導電性材料、例えば、緻密質のカーボン材料や金属で構成される。
【００２６】
図５に示すように、アノード側セパレータである第１セパレータ３２のアノード側電極４８に向かう面３２ａには、燃料ガス供給連通孔４２と燃料ガス排出連通孔４４とを連通する燃料ガス流路５２が形成される。この燃料ガス流路５２は、例えば、矢印Ｃ方向に延在する複数本の溝部により構成される。
【００２７】
図６に示すように、第１セパレータ３２の面３２ａとは反対の面３２ｂには、冷却用空気流路５４が形成され、この冷却用空気流路５４は、両端が水平方向に延在しかつ中央部が傾斜する複数本の溝部により構成される。冷却用空気流路５４は、冷却用空気供給連通孔４０に連通する冷却用空気入口５４ａと、第１セパレータ３２の側部から外方に開放される冷却用空気出口５４ｂとを有する。
【００２８】
図３に示すように、第２エンドプレート２４ｂに最も近接しヒータ２６に隣接する端部発電セル１６ａは、第１セパレータ３２の面３２ｂに、冷却用空気流路５４に代えて、例えば、第２ターミナルプレート２０ｂに接触する平坦面（接触面）を設けている。
【００２９】
図７に示すように、カソード側セパレータである第２セパレータ３４のカソード側電極５０に向かう面３４ａには、例えば、矢印Ｂ方向に１往復半だけ折り返す蛇行流路である反応用空気流路５６が設けられる。この反応用空気流路５６は、反応用空気供給連通孔３８に連通する反応用空気入口５６ａと、第２セパレータ３４の側部から、すなわち、発電セル１６の側部から外方に開放される反応用空気出口５６ｂとを有する。反応用空気入口５６ａは、第２セパレータ３４の上部側に設けられる一方、反応用空気出口５６ｂは、前記第２セパレータ３４の下部側に設けられる。
【００３０】
図１および図２に示すように、燃料電池スタック１０の積層方向両端には、バックアッププレート５８ａ、５８ｂが配設される。バックアッププレート５８ａには、反応用空気供給連通孔３８に連通する反応用空気供給口６０と、冷却用空気供給連通孔４０に連通する冷却用空気供給口６２と、燃料ガス供給連通孔４２に連通する燃料ガス供給口６４と、燃料ガス排出連通孔４４に連通する燃料ガス排出口６６とが設けられる。
【００３１】
ケーシング１４は、バックアッププレート５８ａ、５８ｂ間に積層される燃料電池スタック１０の角部に対応して配置され、前記燃料電池スタック１０を外部から締め付ける締結部材６８ａ、６８ｂ、６８ｃおよび６８ｄを備える。各締結部材６８ａ〜６８ｄは、燃料電池スタック１０の積層方向両端側からねじ７０を介してバックアッププレート５８ａ、５８ｂに固定される。締結部材６８ａ〜６８ｄは、絶縁層が表面に形成された軽合金で形成される。
【００３２】
締結部材６８ａ〜６８ｄには、下板７２ａ、上板７２ｂおよび両側板７２ｃ、７２ｄがねじ止めにより固定される。下板７２ａ、上板７２ｂおよび側板７２ｃ、７２ｄは、めっき鋼板や樹脂等で構成される。
【００３３】
側板７２ｃの上部側には、各発電セル１６の冷却用空気流路５４を構成する冷却用空気出口５４ｂに対応して、矢印Ａ方向に延在する冷却用空気排気口７４が形成される。この側板７２ｃの下部側には、各発電セル１６の反応用空気出口５６ｂに対応して、反応用空気排気口７６が矢印Ａ方向に延在して形成されるとともに、この反応用空気排気口７６を囲繞してダクト部７８が設けられる。
【００３４】
図１に示すように、バックアッププレート５８ａには、反応用空気供給口６０に反応用空気を供給するための第１ブロア９０と、冷却用空気供給口６２に冷却用空気を供給するための第２ブロア９２とが接続されるとともに、燃料ガス供給口６４に燃料ガスを供給するための水素ボンベ９４が減圧弁９６を介して接続される。
【００３５】
第１および第２ターミナルプレート２０ａ、２０ｂには、モータ等の外部負荷１００が接続されるとともに、この外部負荷１００には、ヒータ２６がリード線１０２ａ、１０２ｂを介して接続可能である。リード線１０２ｂには、ＯＮ／ＯＦＦ切り換え用スイッチ１０４が介装されており、このスイッチ１０４は、制御部１０６により開閉される。
【００３６】
燃料電池スタック１０を構成する任意の数の発電セル１６には、それぞれのセル温度を検出するための、例えば、熱電対を含むセル温度測定系１０８が設けられ、前記セル温度測定系１０８の検出信号が制御部１０６に送られる。端部発電セル１６ａには、セル温度を検出するための、例えば、熱電対を含むセル温度測定系１１０が設けられ、前記セル温度測定系１１０の検出信号が制御部１０６に送られる。
【００３７】
こ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。
【００３８】
まず、燃料電池スタック１０では、作動温度が比較的低温、例えば、６０℃以下、より好ましくは、３０℃〜５０℃の範囲内に設定されている。また、反応ガスの作動圧力は、水素供給圧力が０．１ｋＰａ〜５０ｋＰａであり、空気供給圧力が０．１ｋＰａ〜５０ｋＰａである。
【００３９】
そこで、図１に示すように、燃料電池システム１２では、水素ボンベ９４から減圧弁９６を介して０．１ｋＰａ〜５０ｋＰａ程度に減圧された燃料ガスが、燃料ガス供給口６４から燃料電池スタック１０に供給される。燃料ガスの流量は、電極面積が１５０ｃｍ２程度の発電セル１６当たり１．５ｎｏｒｍａｌ  ｌ／ｍｉｎ程度に設定される。
【００４０】
この燃料電池スタック１０内では、燃料ガスが燃料ガス供給連通孔４２に供給され、この燃料ガス供給連通孔４２から第１セパレータ３２の燃料ガス流路５２に導入される（図３および図５参照）。従って、燃料ガスは、電解質膜・電極構造体３０のアノード側電極４８に沿って鉛直上方向（反重力方向）に移動する。
【００４１】
一方、図１に示すように、反応用空気は、第１ブロア９０を介して０．１ｋＰａ〜５０ｋＰａ程度の導入圧力で反応用空気供給口６０から燃料電池スタック１０に供給される。反応用空気の流量は、電極面積が１５０ｃｍ２程度の発電セル１６当たり２．５ｎｏｒｍａｌ  ｌ／ｍｉｎ程度に設定される。
【００４２】
この燃料電池スタック１０内では、反応用空気が反応用空気供給連通孔３８に供給され、この反応用空気供給連通孔３８から第２セパレータ３４の反応用空気流路５６に導入される（図３および図７参照）。このため、反応用空気は、電解質膜・電極構造体３０のカソード側電極５０に沿って蛇行しながら重力方向に移動する。
【００４３】
従って、各電解質膜・電極構造体３０では、アノード側電極４８に供給される燃料ガスと、カソード側電極５０に供給される反応用空気とが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる（図３参照）。
【００４４】
また、図１に示すように、冷却用空気は、第２ブロア９２を介して冷却用空気供給口６２から燃料電池スタック１０に供給される。この燃料電池スタック１０内では、冷却用空気が冷却用空気供給連通孔４０に供給され、この冷却用空気供給連通孔４０から第１セパレータ３２の冷却用空気流路５４に導入される（図３および図６参照）。このため、冷却用空気は、電解質膜・電極構造体３０に沿って移動し、各発電セル１６の運転温度が６０℃以下、より好ましくは、３０℃〜５０℃になるように冷却する。
【００４５】
これにより、各発電セル１６が比較的低温で運転され、反応用空気および燃料ガスを無加湿、あるいは低加湿で使用しても、固体高分子電解質膜４６が乾燥し難くなり、加湿器等の周辺補器が不要になるという効果がある。
【００４６】
次いで、アノード側電極４８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔４４に排出されて矢印Ａ方向に流動し、バックアッププレート５８ａの燃料ガス排出口６６から外部に排出される（図５参照）。一方、カソード側電極５０に供給されて消費された反応用空気は、反応用空気流路５６の反応用空気出口５６ｂからダクト部７８を介して外部に排出される（図７参照）。
【００４７】
この場合、燃料電池スタック１０の運転温度は、６０℃以下（好ましくは３０℃〜５０℃）と低温であり、発電反応により生成される生成水は、液状水として存在する割合が大きい。この液状水は、低圧の未反応の反応用空気とともに、反応用空気流路５６を流動するとともに、前記液状水の一部は、各電解質膜・電極構造体３０の固体高分子電解質膜４６を拡散してアノード側電極４８に移動し、燃料ガス流路５２に導入される。その際、燃料電池スタック１０が継続して運転されると、この燃料電池スタック１０を構成する発電セル１６は、互いに積層される他の発電セル１６の発電反応に伴って温度が上昇する。
【００４８】
ところが、第２エンドプレート２４ｂに最も近接する端部発電セル１６ａでは、図３に示すように、第２セパレータ３４に隣接して他の発電セル１６が存在しないため、両側に他の発電セル１６が配置されている発電セル１６に比べて温度が低くなり易い。さらに、燃料ガス流路５２を流れる燃料ガスの流量が反応用空気の流量に比べて少なく、しかもこの反応用空気が重力方向に流動するのに対して前記燃料ガスが反重力方向に供給されている。これにより、特に、端部発電セル１６ａを構成する第２セパレータ３４では、燃料ガス流路５２内に生成水が凝縮して滞留し易く、この燃料ガス流路５２が閉塞される場合がある。
【００４９】
そこで、本実施形態では、図１に示すように、互いに積層されている任意の数の発電セル１６毎に、例えば、熱電対を備えたセル温度測定系１０８を介してそれぞれのセル温度が検出され、制御部１０６にその検出信号が送られる。一方、第２エンドプレート２４ｂに最も近接する端部発電セル１６ａのセル温度がセル温度測定系１１０により検出され、その検出信号が制御部１０６に送られる。
【００５０】
制御部１０６は、発電セル１６のセル温度と端部発電セル１６ａのセル温度とをモニタしながら、スイッチ１０４を開閉駆動する。このため、ヒータ２６に電力の供給が行われ、端部発電セル１６ａのセル温度は、発電セル１６のセル温度と略同一温度になるように調整される。従って、端部発電セル１６ａの燃料ガス流路５２内で滞留する生成水の量が、他の発電セル１６の燃料ガス流路５２内で滞留する生成水の量よりも多量になることを、有効に阻止することができる。
【００５１】
特に、ヒータ２６は、端部発電セル１６ａの燃料ガス流路５２に対応して配置されており、この燃料ガス流路５２を良好に加温することが可能になる。これにより、カソード側電極５０側からアノード側電極４８側に移動した生成水の蒸発が促進されるとともに、蒸発した水が燃料ガス流路５２内で凝縮されることを防止することができる。
【００５２】
これにより、第２エンドプレート２４ｂに近接する端部発電セル１６ａの発電状態が、他の発電セル１６の発電状態よりも不安定になることがなく、燃料電池スタック１０全体として安定した発電状態を確保することが可能になるという効果が得られる。
【００５３】
さらに、端部発電セル１６ａを構成する第１セパレータ３２の面３２ｂには、他の発電セル１６の第１セパレータ３２の面３２ｂに設けられている冷却用空気流路５４に代えて、平坦面が設けられている。このため、端部発電セル１６ａは、冷却用空気流路５４を流れる冷却用空気によって冷却されることがなく、他の発電セル１６に比べて前記冷却用空気による温度低下が削減される。これにより、生成水が端部発電セル１６ａの燃料ガス流路５２内で凝縮し難くなるとともに、ヒータ２６を駆動するための電力が有効に削減されるという利点がある。
【００５４】
さらにまた、燃料ガスが燃料ガス流路５２に沿って反重力方向に流通するとともに、燃料電池スタック１０の運転温度を６０℃以下、より好ましくは、３０℃〜５０℃に設定していても、上記のように前記燃料ガス流路５２内に凝縮水が滞留することがない。従って、燃料電池スタック１０全体の発電性能を有効に維持することが可能になる。
【００５５】
実施例
電極面積が１５０ｃｍ２の発電セル１６を１０セル積層するとともに、面積が１５０ｃｍ２で出力が２０Ｗのヒータ２６を用いた燃料電池スタック（以下、実施例という）と、同様の発電セル１６を１０セル積層し、ヒータ２６を用いずに、かつ第２ターミナルプレート２０ｂに接する第１セパレータ３２の面３２ｂに冷却用空気流路５４が設けられた燃料電池スタック（以下、比較例という）とを用意した。すなわち、比較例では、全て同一の発電セル１６を積層しており、端部発電セル１６ａを用いていない。
【００５６】
そこで、実施例では、ヒータ２６を作動させるとともに、各冷却用空気流路５４に冷却用空気を供給してスタック内の最高温度が５０℃となるように維持した。この状態で、燃料ガスを圧力が２．５ｋＰａで、かつ発電セル１６当たりの流量が１．０５ｎｏｒｍａｌ  ｌ／ｍｉｎの条件で供給する一方、反応用空気を圧力が１ｋＰａで、かつ前記発電セル１６当たりの流量が０．８３ｎｏｒｍａｌ  ｌ／ｍｉｎになるように供給した。そして、電流密度が０．２Ａ／ｃｍ２で作動した際の各発電セル１６のセル電圧の時間変化を検出した。その結果が、図８に示されており、全ての発電セル１６のセル電圧は、０．７Ｖ付近に維持されて、安定した発電性能が得られた。
【００５７】
なお、第１ターミナルプレート２０ａに近接する発電セル１６は、第２ターミナルプレート２０ｂに隣接する端部発電セル１６ａとは異なり、他の積層される発電セル１６と同様にヒータ２６を用いずかつ冷却用空気流路５４を設けているが、セル電圧が他の発電セル１６と同等であって、安定した発電状態が得られた。
【００５８】
一方、比較例では、上記の実施例と同一の運転条件で作動され、その際の各発電セル１６のセル電圧の時間変化を検出した。その結果が、図９に示されており、第２ターミナルプレート２０ｂに隣接する端部の発電セル１６のセル電圧は、時間の経過とともに著しく低下し、セル電圧が０．４Ｖまで低下した時点で、発電を中止した。従って、端部発電セル１６ａを用いることにより、燃料電池スタック１０の発電状態が安定化するという結果が得られた。
【００５９】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、第２エンドプレートに最も近接する端部発電セルの燃料ガス流路に対応してヒータが配置されるため、この燃料ガス流路を良好に加温することが可能になる。従って、端部発電セルの燃料ガス流路内で滞留する生成水（拡散水）の量が、他の発電セルの燃料ガス流路内で滞留する生成水の量よりも多量になることを阻止することができる。これにより、第２エンドプレートに最も近接する端部発電セルの発電状態が、他の発電セルの発電状態よりも不安定になることがなく、燃料電池スタック全体として安定した発電状態を確保することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池スタックを組み込む燃料電池システムの概略斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池スタックを収容保持するケーシングの概略分解斜視図である。
【図３】前記燃料電池スタックの一部断面説明図である。
【図４】前記燃料電池スタックの概略一部分解斜視図である。
【図５】前記燃料電池スタックを構成する第１セパレータの一方の面の正面図である。
【図６】前記第１セパレータの他方の面の正面図である。
【図７】前記燃料電池スタックを構成する第２セパレータの一方の面の正面図である。
【図８】実施例を構成する各発電セルのセル電圧の時間変化を示す説明図である。
【図９】比較例を構成する各発電セルのセル電圧の時間変化を示す説明図である。
【図１０】特許文献１の燃料電池の概略分解斜視図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池スタック            １２…燃料電池システム
１４…ケーシング                  １６…発電セル
１８…積層体                      ２０ａ、２０ｂ…ターミナルプレート
２４ａ、２４ｂ…エンドプレート    ２６…ヒータ
３０…電解質膜・電極構造体        ３２、３４…セパレータ
３８…反応用空気供給連通孔        ４０…冷却用空気供給連通孔
４２…燃料ガス供給連通孔          ４４…燃料ガス排出連通孔
４６…固体高分子電解質膜          ４８…アノード側電極
５０…カソード側電極              ５２…燃料ガス流路
５４…冷却用空気流路              ５４ａ…冷却用空気入口
５４ｂ…冷却用空気出口            ５６…反応用空気流路
５６ａ…反応用空気入口            ５６ｂ…反応用空気出口
５８ａ、５８ｂ…バックアッププレート
６０…反応用空気供給口            ６２…冷却用空気供給口
６４…燃料ガス供給口              ６６…燃料ガス排出口
７４…冷却用空気排気口            ７６…反応用空気排気口
９０、９２…ブロア                ９４…水素ボンベ
１００…外部負荷                  １０２ａ、１０２ｂ…リード線
１０４…スイッチ                  １０６…制御部
１０８、１１０…セル温度測定系
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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