(57)【要約】【課題】  低温からの起動性を向上させることができる断熱性ダミーセルと燃料電池スタックの提供。【解決手段】（１）燃料電池スタックのセル積層体の端部に配置され、セパレータ４１間に配置された断熱性を有する導電性の第１の層４２を有する断熱性ダミーセル４０。（２）セパレータ４１と第１の層４２との間に配置された第２の層４３を有し、該第２の層４３は、第１の層に対して垂直方向に延びるピン４４または壁を有する。（３）第２の層４３は、空気またはガスが充填された、または、減圧された、断熱層４５を含む。（４）セル積層体の端部に、断熱性ダミーセル４０を配置した燃料電池スタック２３。（５）端部ダミーセル４０の外周に断熱材４６を配置した。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックのセル積層体の端部に配置され、セパレータ間に配置された断熱性を有する導電性の第１の層を有する断熱性ダミーセル。
【請求項２】
前記セパレータと前記第１の層との間に配置された第２の層を有し、該第２の層は、前記第１の層に対して垂直方向に延びるピンまたは壁を有する請求項１記載の断熱性ダミーセル。
【請求項３】
前記第２の層は、空気またはガスが充填された、または、減圧された、断熱層を含む請求項２記載の断熱性ダミーセル。
【請求項４】
前記断熱性ダミーセルのセパレータは、前記端部以外のセルのセパレータとほぼ同じ形状である請求項１または請求項２記載の断熱性ダミーセル。
【請求項５】
前記第１の層が多孔質層であり、前記第２の層が中実層である請求項２記載の断熱性ダミーセル。
【請求項６】
前記第１の層が中実層であり、前記第２の層が多孔質層である請求項２記載の断熱性ダミーセル。
【請求項７】
セル積層体を含む燃料電池スタックであって、セル積層体の端部に、セパレータ間に配置された断熱性を有する導電性の第１の層を有する断熱性ダミーセルを配置した燃料電池スタック。
【請求項８】
セル積層体を含む燃料電池スタックであって、セル積層体の端部に、ダミーセルを配置し、該ダミーセルの外周に断熱材を配置した燃料電池スタック。
【請求項９】
前記ダミーセルの外周に配置した前記断熱材を樹脂フレームから構成した請求項８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、燃料電池用高断熱性ダミーセル（以下、単に「断熱性ダミーセル」という）と、それをセル積層体端部に配置した燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックは単セルを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置し、セル積層体にセル積層方向の締結荷重を付与したものから構成される。
低温起動の初期状態では、発電による発熱が熱源となってＭＥＡ（膜−電極接合体）中で氷解が進み、プロトン移動、電子移動が可能な、ＭＥＡが湿潤した状態となる。しかし、スタックの端部セルではターミナル、エンドプレートなどへの熱の持ち出し量が大きいため、低温起動の初期状態で、端部セルは電圧低下の発生や、低温起動に時間を要する等の問題がある。
特開２００５−１９２２３号公報は、スタック端部に、導電性金属プレートを一対のセパレータで挟持したダミーセルを設けて、熱の持ち出し量を抑制した燃料電池スタックを開示している。
【特許文献１】特開２００５−１９２２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上記の燃料電池スタックでは、金属プレートからメタルセパレータに容易に熱が伝導してしまい、ダミーセルの断熱性が十分でなく、氷点以下の低温からの起動性がよくないという課題があった。
本発明の目的は、低温からの起動性を、特開２００５−１９２２３号公報等に開示の従来ダミーセルより向上させることができる断熱性ダミーセルと燃料電池スタックを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決する、そして上記目的を達成する、本発明はつぎのとおりである。
（１）  燃料電池スタックのセル積層体の端部に配置され、セパレータ間に配置された断熱性を有する導電性の第１の層を有する断熱性ダミーセル。
（２）  前記セパレータと前記第１の層との間に配置された第２の層を有し、該第２の層は、前記第１の層に対して垂直方向に延びるピンまたは壁を有する（１）記載の断熱性ダミーセル。
（３）  前記第２の層は、空気またはガスが充填された、または、減圧された、断熱層を含む（２）記載の断熱性ダミーセル。
（４）  前記断熱性ダミーセルのセパレータは、前記端部以外のセルのセパレータとほぼ同じ形状である（１）または（２）記載の断熱性ダミーセル。
（５）  前記第１の層が多孔質層であり、前記第２の層が中実層である（２）記載の断熱性ダミーセル。
（６）  前記第１の層が中実層であり、前記第２の層が多孔質層である（２）記載の断熱性ダミーセル。
（７）  セル積層体を含む燃料電池スタックであって、セル積層体の端部に、セパレータ間に配置された断熱性を有する導電性の第１の層を有する断熱性ダミーセルを配置した燃料電池スタック。
（８）  セル積層体を含む燃料電池スタックであって、セル積層体の端部に、ダミーセルを配置し、該ダミーセルの外周に断熱材を配置した燃料電池スタック。
（９）  前記ダミーセルの外周に配置した前記断熱材を樹脂フレームから構成した（８）記載の燃料電池スタック。
【発明の効果】
【０００５】
上記（１）の断熱性ダミーセルによれば、第１の層を断熱性に優れた層としたので、従来（特開２００５−１９２２３号公報）の金属プレートの場合に比べて、ダミーセルが高断熱性となり、端部ダミーセルを通しての熱の持ち出しが抑制され、低温からの燃料電池起動性が向上する。
上記（２）の断熱性ダミーセルによれば、セパレータと第１の層との間に配置された第２の層を有し、該第２の層は、第１の層に対して垂直方向に延びるピンまたは壁を有するので、セパレータと第１の層との接触面積がピンまたは壁の断面積分に減少し、伝熱面積の減少によって、断熱性ダミーセルがより一層高断熱性となる。
上記（３）の断熱性ダミーセルによれば、第２の層が、空気またはガスが充填された、または、減圧された、断熱層を含むので、空気またはガスは淀み、または減圧され、空気またはガスが流れる場合の空気またはガスによる熱の持ち去りと、熱伝達係数の増大がなくなり、断熱性ダミーセルがより一層高断熱性となる。
上記（４）の断熱性ダミーセルによれば、断熱性ダミーセルのセパレータが、端部以外のセルのセパレータとほぼ同じ形状であるので、ダミーセル用のセパレータを特別に作製する必要がない。
上記（５）の断熱性ダミーセルによれば、第１の層を多孔質層としたので、第１の層を容易に高断熱性とすることができる。
上記（６）の断熱性ダミーセルによれば、第２の層を多孔質層としたので、第２の層を容易に高断熱性とすることができる。
上記（７）の燃料電池スタックによれば、第１の層を断熱性に優れた層としたので、従来（特開２００５−１９２２３号公報）の金属プレートの場合に比べて、ダミーセルが高断熱性となり、端部ダミーセルを通しての熱の持ち出しが抑制され、低温からの燃料電池起動性が向上する。
上記（８）の燃料電池スタックによれば、ダミーセルの外周に断熱材を配置したので、セル積層方向と直交方向（沿面方向）の、端部ダミーセルを通しての熱の持ち出しも抑制することができる。
上記（９）の燃料電池スタックによれば、ダミーセルの外周に配置した断熱材を樹脂フレームから構成したので、メタルセパレータの樹脂フレームのシールに関係しない部位に穴を設けるなどして樹脂フレームを高断熱性断熱材として兼用することができ、特別に外周の断熱材を作製する必要がない。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下に、本発明の燃料電池を図１−図７を参照して説明する。
図１は本発明の実施例１の断熱性ダミーセルを示し、図２は本発明の実施例２の断熱性ダミーセルを示し、図３は本発明の実施例３の断熱性ダミーセルを示し、図４は本発明の実施例４の断熱性ダミーセルをもつ燃料電池スタックを示す。図５−図７は本発明の全実施例に適用可能である。本発明の全実施例にわたって共通する構成部分には、本発明の全実施例にわたって同じ符号を付す。
【０００７】
まず、本発明の断熱性ダミーセルと燃料電池スタックの全実施例にわたって共通する部分の構成、作用、効果を、図１、図５−図７を参照して説明する。
本発明が適用される燃料電池（セルともいう）は、たとえば固体高分子電解質型燃料電池１０である。ただし、固体高分子電解質型燃料電池以外の燃料電池であってもよい。燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
【０００８】
図５−図７に示すように、固体高分子電解質型燃料電池１０は、膜−電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）１９とセパレータ１８とを重ね合わせて構成される。
膜−電極接合体１９は、イオン交換膜からなる電解質１１（膜状に構成されているので、以下、電解質膜ともいう）とこの電解質膜１１の一面に配置された触媒層１２からなる電極１４（アノード、燃料極）および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５からなる電極１７（カソード、空気極ともいう）とからなる。膜−電極接合体１９とセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層（ガス拡散層ともいう）１３、１６が設けられる。
【０００９】
膜−電極接合体１９とセパレータ１８を重ねてセル１０を構成し、セル１０を積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端または一端に、断熱性ダミーセル４０、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、エンドプレート２２をセル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）に、ボルト・ナット２５にて固定し、セル積層体にセル積層方向の締結荷重を付与して、燃料電池スタック２３を構成する。
【００１０】
セパレータ１８には、発電領域５１において、アノード１４に燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路２７が形成され、カソード１７に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２８が形成されている。また、セパレータ１８にはガス流路２７、２８と反対側の面に冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６も形成されている。セパレータ１８には、非発電領域５２において、燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１、冷媒マニホールド２９が形成されている。燃料ガスマニホールド３０は燃料ガス流路２７と連通しており、酸化ガスマニホールド３１は酸化ガス流路２８と連通しており、冷媒マニホールド２９は冷媒流路２６と連通している。
セパレータ１８は、カーボンセパレータ、またはメタルセパレータ（メタルセパレータと樹脂フレーム５３との組み合わせである場合を含む）、または導電性樹脂セパレータからなる。
【００１１】
各セル１０の、アノード１４では、水素を水素イオン（プロトン）と電子に変換する電離反応が行われ、水素イオンは電解質膜１１中をカソード１７側に移動し、カソード１７では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水が生成され、次式にしたがって発電が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- 
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
【００１２】
各種流体（燃料ガス、酸化ガス、冷媒）は、互いに、かつ外部から、それぞれシールされる。各セル１０のＭＥＡ１９を挟む２つのセパレータ１８間は、第１のシール部材３２によってシールされており、隣接するセル１０同士の間は、第２のシール部材３３によってシールされている。
第１のシール部材３２は、たとえば接着剤シール（シール接着剤）からなり、第２のシール部材３３は、たとえば、ゴムガスケットからなる。ただし、第１のシール部材３２、第２のシール部材３３とも、接着剤シール剤、またはゴムガスケットから構成されてもよい。
【００１３】
燃料電池スタック２３のセル積層体の端部に、ターミナル２０のすぐセル積層体側に、断熱性ダミーセル４０が配置される。断熱性ダミーセル４０は、セル積層体の端部セルを構成する。断熱性ダミーセル４０は非発電セル（発電しないセル）であり、セル積層体の端部セル以外の各セル１０は発電セル（発電するセル）である。
【００１４】
断熱性ダミーセル４０は、ダミーセル４０の一対のセパレータ４１と、ダミーセル４０の一対のセパレータ４１間に配置された断熱性を有する導電性の第１の層４２を有する。第１の層４２の断熱性は、端部セル以外のセル１０のＭＥＡの断熱性より高い。第１の層４２の断熱性を高くするために、第１の層４２を多孔質フィルムまたは多孔質シートから構成してもよい。
断熱性ダミーセル４０は、一対のセパレータ４１の各セパレータ４１と第１の層４２との間に配置された第２の層４３を有する。第２の層４３も断熱性層であり、第２の層４３の断熱性は、端部セル以外のセル１０の拡散層１３、１６の断熱性より高い。
【００１５】
第２の層４３が高断熱性をもつようにするために、第２の層４３が、第１の層４２の面に対して垂直方向に延びるピン４４または壁を含む。これによって、中実プレートの場合に比べて、熱伝導面積、およびセパレータ４１や第１の層４２との接触面積を、低減することができる。
第２の層４３は、空気またはガス（たとえば、空気より断熱性が高い有機ガス）が充填され淀んだ断熱層４５、または、減圧された断熱層４５を含む。
断熱性ダミーセル４０のセパレータ４１の形状は、端部以外のセル（発電セル）１０のセパレータ１８とほぼ同じ形状（厚さ、平面形状、ガス流路、冷媒流路の各形状に関して同じ）である。断熱性ダミーセル４０のセパレータ４１には、端部以外のセル（発電セル）１０のセパレータ１８を用いてもよい。
【００１６】
本発明の全実施例にわたって共通する部分の作用、効果について説明する。
上記の断熱性ダミーセル４０、および燃料電池スタック２３では、第１の層４２を断熱性に優れた層としたので、従来（特開２００５−１９２２３号公報）の金属プレートの場合に比べて、ダミーセル４０が高断熱性となり、あるいはＭＥＡをもつセル１０（発電セル）の場合に比べて、ダミーセル４０が高断熱性となり、端部のダミーセル４０を通しての熱の持ち出しが抑制され、低温（たとえば、氷点以下の温度）からの燃料電池起動性が向上する。
【００１７】
また、断熱性ダミーセル４０のセパレータ４１と第１の層４２との間に配置された第２の層４３を有し、該第２の層４３が、第１の層４２の面に対して垂直方向に延びるピン４４または壁を有するので、セパレータ４１と第１の層４２との接触面積がピン４４または壁の断面積分に減少し、熱伝導面積の減少によって、断熱性ダミーセル４０がより一層高断熱性となる。その結果、低温（たとえば、氷点以下の温度）からの燃料電池起動性がより一層向上する。
【００１８】
また、第２の層４３が、空気またはガスが充填された断熱層、または、エアまたはガスが減圧された断熱層を含むので、空気またはガスは淀み、または減圧され、空気またはガスが流れる場合の空気またはガスによる熱の持ち去りと、熱伝達係数の増大がなくなり、断熱性ダミーセル４０がより一層高断熱性となる。その結果、低温（たとえば、氷点以下の温度）からの燃料電池起動性がより一層向上する。
また、断熱性ダミーセル４０のセパレータ４１が、端部以外のセル１０のセパレータ１８とほぼ同じ形状であるので、ダミーセル用のセパレータ４１を特別に作製する必要がない。
【００１９】
つぎに、本発明の各実施例に特有な部分の構成、作用、効果を説明する。
〔実施例１〕−−−図１、図５−図７
本発明の実施例１の断熱性ダミーセル４０および燃料電池スタック２３では、図１、図５−図７に示すように、第１の層４２がカーボンを混入することにより導電性を付与した樹脂製の多孔質フィルムであり、第２の層４３が多数のピン４４を立設し、空気を充填したエア断熱層４５を含む。断熱性ダミーセル４０のセパレータ４１には発電セル１０のカーボンセパレータ１８と同じものを用いる。断熱性ダミーセル４０は、セル積層方向にみて、セル積層体の両端でターミナル２０のすぐ内側に配置される。
本発明の実施例１の作用、効果については、断熱性ダミーセル４０および燃料電池スタック２３が第１の層４２を有するので、断熱性ダミーセル４０のセル積層方向の断熱性が高くなり、端部のダミーセル４０を通しての熱の持ち出しが抑制され、低温（たとえば、氷点以下の温度）からの燃料電池起動性が向上する。断熱性ダミーセル４０および燃料電池スタック２３が第２の層４３を有するので、ピン４４による熱伝導面積の低減とエア断熱層４５による熱の持ち出しの抑制とにより、低温からの燃料電池起動性が向上する。
【００２０】
〔実施例２〕−−−図２、図５−図７
本発明の実施例２の断熱性ダミーセル４０および燃料電池スタック２３では、図２、図５−図７に示すように、第１の層４２を金属板（たとえば、ステンレス板）とし、第２の層４３をカーボンを混入して導電性を付与した多孔質樹脂板とする。断熱性ダミーセル４０のセパレータ４１にはメタルセパレータを用いる。非発電領域５２では、メタルセパレータ４１と第１の層４２との間に樹脂フレーム５３（発電セル１０の樹脂フレームと同じでよい）を配置する。ダミーセルセル４０と発電セル１０との間はガスケット３３でシールする。樹脂フレーム５２にはシールに関係しない部位に穴を設けてセル沿面方向（セル積層方向と直交する方向）の断熱性を向上させてもよい。
本発明の実施例２の作用、効果については、断熱性ダミーセル４０および燃料電池スタック２３が金属板の第１の層４２を有するので、ガス遮断性がよく、第２の層４３が多孔質材であっても、水素とエアの混合が防止される。また、第２の層４３を多孔質としたため、ピン４４をもたないにもかかわらず、断熱性ダミーセル４０のセル積層方向の断熱性が高くなり、端部のダミーセル４０を通しての熱の持ち出しが抑制され、低温からの燃料電池起動性が向上する。
樹脂フレーム５３を用いる場合は、樹脂フレーム５３がスタック積層方向にスタック締結荷重を受けることができ、容易に定寸構造を構成できる。
【００２１】
〔実施例３〕−−−図３、図５−図７
本発明の実施例３の断熱性ダミーセル４０および燃料電池スタック２３では、図３、図５−図７に示すように、第１の層４２をカーボンを混入して導電性を付与した多孔質樹脂板とし、第２の層４３を金属板（たとえば、ステンレス板）とする。断熱性ダミーセル４０のセパレータ４１にはメタルセパレータを用いる。非発電領域５２では、メタルセパレータ４１と第１の層４２との間に樹脂フレーム５３（発電セル１０の樹脂フレームと同じでよい）を配置する。ダミーセルセル４０と発電セル１０との間はガスケット３３でシールする。樹脂フレーム５２にはシールに関係しない部位に穴を設けてセル沿面方向（セル積層方向と直交する方向）の断熱性を向上させてもよい。
本発明の実施例３の作用、効果については、断熱性ダミーセル４０および燃料電池スタック２３が金属板の第２の層４３を有するので、ガス遮断性がよく、第１の層４２が多孔質材であっても、水素とエアの混合が防止される。また、第１の層４２を多孔質としたため、ピン４４をもたないにもかかわらず、断熱性ダミーセル４０のセル積層方向の断熱性が高くなり、端部のダミーセル４０を通しての熱の持ち出しが抑制され、低温からの燃料電池起動性が向上する。
樹脂フレーム５３を用いる場合は、樹脂フレーム５３がスタック積層方向にスタック締結荷重を受けることができ、容易に定寸構造を構成できる。
【００２２】
〔実施例４〕−−−図４−図７
本発明の実施例４の燃料電池スタック２３では、図４−図７に示すように、セル積層方向の端部のセル（たとえば、断熱性ダミーセル４０、ただし、実施例４では断熱性４０でなくてもよい）の外周に、該外周の一部または全周に、セル沿面方向（セル積層方向と直交する方向）の、端部ダミーセル４０を通しての、熱の持ち出しを抑制するための断熱材４６が配置されている。
本発明の実施例４の作用、効果については、端部ダミーセル４０の外周に断熱材４６を配置したので、セル積層方向と直交方向（沿面方向）の、端部ダミーセル４０を通しての熱の持ち出しも抑制することができる。
また、端部ダミーセル４０の外周に配置した断熱材４６を樹脂フレーム５３から構成した場合は、メタルセパレータの樹脂フレーム５３のシールに関係しない部位に穴を設けるなどして樹脂フレーム５３を高断熱性断熱材として兼用することができ、特別に外周の断熱材４６を作製する必要がない。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施例１の断熱性ダミーセルの断面図である。
【図２】本発明の実施例２の断熱性ダミーセルの一部の断面図である。
【図３】本発明の実施例３の断熱性ダミーセルの一部の断面図である。
【図４】本発明の実施例４の断熱性ダミーセルを含む燃料電池スタックの断面図である。
【図５】本発明の燃料電池スタックの側面図である。
【図６】図５の燃料電池スタックの発電セルの部位の一部の拡大断面図である。
【図７】図５の燃料電池スタックの発電セルの部位の一部の正面図である。
【符号の説明】
【００２４】
１０  （固体高分子電解質型）燃料電池
１１  電解質
１２、１５  触媒層
１３、１６  拡散層
１４  アノード
１７  カソード
１８  セパレータ
１９  ＭＥＡ
２０  ターミナル
２１  インシュレータ
２２  エンドプレート
２３  燃料電池スタック
２４  締結部材（テンションプレート）
２５  ボルト
２６  冷媒流路（冷却水流路）
２７  燃料ガス流路
２８  酸化ガス流路
２９  冷媒マニホールド
３０  燃料ガスマニホールド
３１  酸化ガスマニホールド
３２  第１のシール部材
３３  第２のシール部材
４０  断熱性ダミーセル
４１  セパレータ
４２  第１の層
４３  第２の層
４４  ピン
４５  断熱層
４６  断熱材
５１  発電領域
５２  非発電領域
５３  樹脂フレーム
【図１】
2007250338.tif 000003
【図２】
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【図３】
2007250338.tif 000005
【図４】
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【図５】
2007250338.tif 000007
【図６】
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【図７】
2007250338.tif 000009