(57)【要約】【課題】  積層方向端部の発電セルのセル電圧低下を防止する。【解決手段】  電解質の両側に電極を設けた電解質・電極構造体１が、セパレータ３，５，７により挟持された発電セルを複数積層し、この複数積層した各発電セルに反応ガスを分配・供給する酸化剤ガス供給内部連通孔３ａ，５ａ，７ａ，９ａと燃料ガス供給内部連通孔３ｄ，５ｄ，７ｄ，９ｄおよび、発電後の反応ガスを集合・排出する酸化剤ガス排出内部連通孔３ｅ，５ｅ，７ｅ，９ｅと燃料ガス排出内部連通孔３ｂ，５ｂ，７ｂ，９ｂを、前記積層方向に沿ってそれぞれ形成する。反応ガス入口，同出口と反対側の端部のセパレータ７と集電板１１との間に、発電に寄与しないが、酸化剤ガスが流れる酸化剤ガスダミー流路７ｇを形成する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を有し、この電解質・電極構造体がセパレータにより挟持された発電セルを複数積層し、この複数積層した各発電セルに反応ガスを分配・供給する供給内部連通路および、前記各発電セルから発電後の反応ガスを集合・排出する排出内部連通路を、前記積層方向に沿ってそれぞれ形成した燃料電池スタックにおいて、前記発電セルの積層方向一方の端部に、前記供給内部連通路の反応ガス入口および前記排出内部連通路の反応ガス出口をそれぞれ設け、これら反応ガス入口および反応ガス出口側から最も遠い前記発電セルの積層方向他方の端部における前記セパレータとその外側の集電板との間に、発電に寄与しないが、反応ガスが流れる反応ガスダミー流路を設け、この反応ガスダミー流路により前記供給内部連通路と前記排出内部連通路とを互いに連通させたことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池スタックにおいて、前記反応ガスダミー流路は、前記供給内部連通路から前記排出内部連通路に向けて重力方向の下方に向かってい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に記載の燃料電池スタックにおいて、前記反応ガスダミー流路を流れるガスの圧力損失と、前記電解質・電極構造体と前記セパレータとの間に設けた反応ガス流路を流れるガスの圧力損失とを互いに等しくしたことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項１または２に記載の燃料電池スタックにおいて、前記反応ガスダミー流路の表面を、前記電解質・電極構造体と前記セパレータとの間に設けた反応ガス流路の表面の撥水性に比して、親水性としたことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、所定負荷電流以下での連続運転が所定時間を超過した場合に、反応ガス流量を増大させることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記反応ガスダミー流路を流れる反応ガスが酸素を主成分とする酸化剤ガス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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を有し、この電解質・電極構造体がセパレータにより挟持された発電セルを複数積層してなる燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば下記特許文献１には、燃料電池スタックにおける複数の発電セルの積層方向端部に、導電性プレートと、その導電性プレートを挟持する２枚の金属セパレータとによって構成されるダミーセルを設け、このダミーセルにより、積層方向端部に断熱閉塞空間部を形成して低温起動時に放熱を抑制する技術が記載されている。
【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】
しかしながら、上記した従来の燃料電池スタックにおいては、ダミーセルにより形成した断熱閉塞空間部によって、低温起動時の放熱抑制や燃料電池スタックを車載する際の車両駐車時に行われるような低負荷での連続運転がなされた場合の積層方向端部での放熱抑制には効果があるものの、各発電セルに反応ガスを供給すべく積層方向に沿って形成してある供給内部連通路に結露水が発生し、この結露水が供給内部連通路内で次第に反応ガス入口から遠い端部に押し寄せられて滞留水量が増大することで、積層端部の発電セルに結露水が流れ込んで水詰まりが発生し、端部発電セルでのセル電圧の低下を招いてしまう。
【０００４】
そこで、本発明は、積層方向端部の発電セルのセル電圧低下を防止することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を有し、この電解質・電極構造体がセパレータにより挟持された発電セルを複数積層し、この複数積層した各発電セルに反応ガスを分配・供給する供給内部連通路および、前記各発電セルから発電後の反応ガスを集合・排出する排出内部連通路を、前記積層方向に沿ってそれぞれ形成した燃料電池スタックにおいて、前記発電セルの積層方向一方の端部に、前記供給内部連通路の反応ガス入口および前記排出内部連通路の反応ガス出口をそれぞれ設け、これら反応ガス入口および反応ガス出口側から最も遠い前記発電セルの積層方向他方の端部における前記セパレータとその外側の集電板との間に、発電に寄与しないが、反応ガスが流れる反応ガスダミー流路を設け、この反応ガスダミー流路により前記供給内部連通路と前記排出内部連通路とを互いに連通させたことを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、供給内部連通路内の、反応ガス入口側から最も遠い端部発電セル付近に滞留した結露水は、発電に寄与しない反応ガスダミー流路を通して排出内部連通路に流れやすくなるので、発電セルにおける反応ガス流路への結露水の流入を抑えることができ、端部発電セルでのセル電圧低下を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【０００８】
一般に燃料電池は、電解質として例えば固体高分子電解質の両側に、一対の電極（燃料極および酸化剤極）をそれぞれ配置して電解質・電極構造体を構成するとともに、この電解質・電極構造体の両側に、セパレータをそれぞれ配置して一つの発電セルを構成し、この発電セルを複数積層して燃料電池スタックとして使用する。
【０００９】
図１は、本発明の一実施形態に係わる燃料電池スタックの一部を示す簡略化した分解斜視図であり、ここでは、電解質・電極構造体１の両側にセパレータ３，５（５，７）をそれぞれ配置して発電セルを構成している。  
上記した発電セルを複数積層した積層体の積層方向両端には、電流取出部となる集電板９，１１を配置する。集電板９，１１のさらに外側には、図示しない絶縁板およびエンドプレートをそれぞれ配置し、この両端のエンドプレート相互間にて積層体に対して所定の荷重を付与した状態で固定する。
【００１０】
上記した燃料電池スタックの集電板９およびセパレータ３，５，７には、図１中で右側部の上端部付近に、供給内部連通路としての酸化剤ガス供給内部連通孔９ａ，３ａ，５ａ，７ａを、同下端部付近に、燃料ガス排出内部連通孔９ｂ，３ｂ，５ｂ，７ｂを、これら各酸化剤ガス供給内部連通孔９ａ，３ａ，５ａ，７ａと燃料ガス排出内部連通孔９ｂ，３ｂ，５ｂ，７ｂとの間に、冷却水排出内部連通孔９ｃ，３ｃ，５ｃ，７ｃを、それぞれ設けている。
【００１１】
また、燃料電池スタックの集電板９およびセパレータ３，５，７には、図１中の左側部の上端部付近に、燃料ガス供給内部連通孔９ｄ，３ｄ，５ｄ，７ｄを、同下端部付近に、排出内部連通路としての酸化剤ガス排出内部連通孔９ｅ，３ｅ，５ｅ，７ｅを、これら各燃料ガス供給内部連通孔９ｄ，３ｄ，５ｄ，７ｄと酸化剤ガス排出内部連通孔９ｅ，３ｅ，５ｅ，７ｅとの間には、冷却水供給内部連通孔９ｆ，３ｆ，５ｆ，７ｆを、それぞれ設けている。
【００１２】
なお、上記した酸化剤ガス供給内部連通孔９ａ，３ａ，５ａ，７ａなどの各連通孔は、電解質・電極構造体１の電解質部分にも設けてある。
【００１３】
上記したセパレータ３，５，７の電解質・電極構造体１に対向する面には、反応ガス流路を形成している。例えばセパレータ３，５の集電板１１側の面には、図２に正面図として示すように、上記した反応ガス流路として酸化剤ガス流路３ｇ，５ｇを設けている。
【００１４】
この酸化剤ガス流路３ｇ，５ｇは、図２中で右側上部にある酸化剤ガス供給内部連通孔３ａ，５ａと、同左側下部にある酸化剤ガス排出内部連通孔３ｅ，５ｅとを連通しており、酸化剤ガス供給内部連通孔３ａ，５ａ側の拡散流路部３ｇｉ，５ｇｉと、酸化剤ガス排出内部連通孔３ｅ，５ｅ側の集合流路部３ｇｏ，５ｇｏと、これら各拡散流路部３ｇｉ，５ｇｉと集合流路部３ｇｏ，５ｇｏとを連通する発電流路部３ｇｍ，５ｇｍとから構成している。この酸化剤ガス流路３ｇ，５ｇの発電流路部３ｇｍ，５ｇｍには、前記した電解質・電極構造体１の電極が接触する。
【００１５】
また、セパレータ５，７の集電板９側の面、例えばセパレータ５について見れば、上記した酸化剤ガス流路５ｇを形成した面と反対側の面には、図２に示した酸化剤ガス流路３ｇ，５ｇと同様な形状の燃料ガス流路を形成している。すなわち、この燃料ガス流路も、燃料ガス供給内部連通孔５ｄ，７ｄと燃料ガス排出内部連通孔５ｂ，７ｂとをそれぞれ連通しており、両側の拡散流路部および集合流路部と、中央の発電流路部とから構成して、中央の発電流路部に、前記した電解質・電極構造体１の電極が接触する。
【００１６】
そして、セパレータ７の集電板１１に対向する面には、図３に示すように、反応ガスとして酸化剤ガスが流れるが、発電に寄与しない、反応ガスダミー流路としての酸化剤ガスダミー流路７ｇを設けている。この酸化剤ガスダミー流路７ｇは、酸化剤ガス供給内部連通孔７ａと酸化剤ガス排出内部連通孔７ｅとを互いに連通し、酸化剤ガス供給内部連通孔７ａから酸化剤ガス排出内部連通孔７ｅに向けて、図３中で左下方の重力方向下方に向かっている。
【００１７】
なお、セパレータ５は、酸化剤ガス流路５ｇを有する酸化剤極セパレータと、図示しない燃料ガス流路を有する燃料極セパレータとを互いに接着したもので、その相互の接着面に、図４に示すような冷却水流路１３を設けている。冷却水流路１３は、冷却水供給内部連通孔５ｆと冷却水排出連通孔５ｃとを連通している。
【００１８】
また、セパレータ３は、酸化剤ガス流路３ｇを有する酸化剤極セパレータと、導電性の冷却水板とを互いに接着したもので、その相互の接着面に、図４に示した冷却水流路１３と同様の冷却水流路を設けている。同様にしてセパレータ７は、図示しない燃料ガス流路を有する燃料極セパレータと、導電性の冷却水板とを互いに接着したもので、その相互の接着面に、図４に示した冷却水流路１３と同様の冷却水流路を設けている。したがって、図１におけるセパレータ７の酸化剤ガスダミー流路７ｇは、燃料極セパレータに接着した冷却水板に設けていることになる。
【００１９】
なお、特に図示していないが、酸化剤ガス流路３ｇ，５ｇ、図示しない燃料ガス流路、冷却水流路１３、酸化剤ガスダミー流路７ｇのそれぞれの周囲や、酸化剤ガス供給内部連通孔９ａ，３ａ，５ａ，７ａ、燃料ガス排出内部連通孔９ｂ，３ｂ，５ｂ，７ｂ、冷却水排出内部連通孔９ｃ，３ｃ，５ｃ，７ｃ、燃料ガス供給内部連通孔９ｄ，３ｄ，５ｄ，７ｄ、酸化剤ガス排出内部連通孔９ｅ，３ｅ，５ｅ，７ｅ、冷却水供給内部連通孔９ｆ，３ｆ，５ｆ，７ｆのそれぞれ周囲には、シール材を設けて反応ガスや冷却水の漏れを防止している。
【００２０】
次に、作用を説明する。燃料電池の運転時には、酸化剤ガスとして例えば空気が、図１における集電板９より外側の図示しないエンドプレートに形成した、反応ガス入口としての酸化剤ガス入口から酸化剤ガス供給内部連通孔９ａ，３ａ，５ａを通り、図２に示すセパレータ３，５の酸化剤ガス流路３ｇ，５ｇに供給される。このとき、集電板１１に対向するセパレータ７の酸化剤ガスダミー流路７ｇにも、酸化剤ガス供給内部連通孔７ａから空気が流入する。
【００２１】
一方、燃料ガスとして例えば水素ガスが、図１における集電板９より外側の図示しないエンドプレートに形成した燃料ガス入口から燃料ガス供給内部連通孔９ｄ，３ｄ，５ｄ，７ｄを通り、セパレータ５，７の図示しない燃料ガス流路に供給される。
【００２２】
このように電解質・電極構造体１の両側の電極面に酸化剤ガスと燃料ガスとをそれぞれ供給することで、発電セルが発電し、発電セルの積層方向両端に位置する集電板９，１１から電力が取り出される。
【００２３】
発電後の酸化剤排出ガス（酸化剤ガスダミー流路７ｇを流れた空気も含む）は、酸化剤ガス排出内部連通孔７ｅ，５ｅ，３ｅ，９ｅを通り、図１における集電板９より外側の図示しないエンドプレートに形成した、反応ガス出口としての酸化剤ガス出口から外部に排出される。同様にして、発電後の燃料排出ガスは、燃料ガス排出内部連通孔５ｂ，３ｂ，９ｂを通り、図１における集電板９より外側の図示しないエンドプレートに形成した燃料ガス出口から外部に排出される。
【００２４】
上記した燃料電池の発電時には、冷却水が、図１における集電板９より外側の図示しないエンドプレートに形成した冷却水入口から  冷却水供給内部連通孔９ｆ，３ｆ，５ｆ，７ｆに流入し、冷却水流路１３を流通して発電セルを冷却し、冷却水排出内部連通孔７ｃ，５ｃ，３ｃ，９ｃを通って、図１における集電板９より外側の図示しないエンドプレートに形成した冷却水出口から外部に排出される。
【００２５】
ここで、酸化剤ガスである空気中に含有する水分が、酸化剤ガス供給内部連通孔９ａ，３ａ，５ａ，７ａ内で結露水となって溜まった場合には、この滞留結露水は、酸化剤ガス供給内部連通孔９ａ，３ａ，５ａ，７ａを流れて主に最下流の集電板１１とセパレータ７との間の酸化剤ガスダミー流路７ｇを通り、酸化剤ガス排出内部連通孔７ｅに流れ込みやすくなる。酸化剤ガス排出内部連通孔７ｅに流入した結露水は、その下流の酸化剤ガス排出内部連通孔５ｅ，３ｅ，９ｅを通って酸化剤排出ガスとともに、図１における集電板９より外側の図示しないエンドプレートに形成した酸化剤ガス出口から外部に排出される。
【００２６】
このため、酸化剤ガス供給内部連通孔３ａ，５ａから、電解質・電極構造体１に対向する酸化剤ガス流路３ｇ，５ｇへの結露水の流入を抑制でき、酸化剤ガス入口側から最も遠い位置にある集電板１１側の端部発電セルでのセル電圧低下を防止することができる。
【００２７】
また、集電板１１とセパレータ７との間に設けた酸化剤ガスダミー流路７ｇが断熱層として機能するので、低温始動時での集電板１１側の端部発電セルの昇温遅れおよび電圧降下を阻止することができる。  
また、酸化剤ガスダミー流路７ｇは、酸化剤ガス供給内部連通孔７ａから酸化剤ガス排出内部連通孔７ｅに向けて重力方向の下方に向かっているので、結露水が酸化剤ガスダミー流路７ｇを効率よく流れ、酸化剤ガス排出内部連通孔７ｅに向けて排出されやすくなる。
【００２８】
なお、発電に寄与しない酸化剤ガスダミー流路７ｇと、発電に寄与する酸化剤ガス流路３ｇ，５ｇを、これら各流路を流れるそれぞれの流体の圧力損失が互いに等しくなるようにすることで、酸化剤ガス流路３ｇ，５ｇにも酸化剤ガスを規定量流し、酸化剤ガスダミー流路７ｇに多量の酸化剤ガスが流れることを防ぐことができる。
【００２９】
上記のように酸化剤ガスダミー流路７ｇと酸化剤ガス流路３ｇ，５ｇとの圧力損失を同等にするには、酸化剤ガスダミー流路７ｇと酸化剤ガス流路３ｇ，５ｇのそれぞれの流路幅を調整することで達成できる。  
また、酸化剤ガスダミー流路７ｇの表面を、酸化剤ガス流路３ｇ，５ｇの表面の撥水性に比して、親水性とすることで、酸化剤ガス供給内部連通孔９ａ，３ａ，５ａ，７ａに滞留した結露水が、酸化剤ガス流路３ｇ，５ｇよりも酸化剤ガスダミー流路７ｇに流れ込みやすくなり、酸化剤ガス流路３ｇ，５ｇへの結露水の侵入をより確実に抑制することができる。
【００３０】
酸化剤ガス流路３ｇ，５ｇの表面を撥水性とする際の撥水材の一例としては、ポリテトラフルオロエチレン溶液で、酸化剤ガスダミー流路７ｇの表面を親水性とする際の親水剤の一例としては、酸化スズ溶液がある。
【００３１】
なお、酸化剤ガスダミー流路７ｇの表面を、酸化剤ガス流路３ｇ，５ｇの表面の撥水性に比して、親水性とする際に、酸化剤ガス流路３ｇ，５ｇの表面を撥水処理せずに酸化剤ガスダミー流路７ｇの表面のみを親水処理したり、酸化剤ガスダミー流路７ｇの表面を親水処理せずに酸化剤ガス流路３ｇ，５ｇの表面のみを撥水処理してもよく、また撥水剤の塗布量を、酸化剤ガスダミー流路７ｇに比して酸化剤ガス流路３ｇ，５ｇで多くしたり、親水剤の塗布量を、酸化剤ガス流路３ｇ，５ｇに比して酸化剤ガスダミー流路７ｇで多くしてもよい。  
また、燃料電池の発電時、所定負荷電流以下での連続運転が所定時間を超過した場合に、酸化剤ガス供給内部連通孔９ａ，３ａ，５ａ，７ａに流す酸化剤ガス流量を増大させるようにすることで、結露水が酸化剤ガスダミー流路７ｇに多量に滞留しても、大流量の酸化剤ガスにより、多量の滞留結露水を酸化剤ガス排出内部連通孔７ｅ，５ｅ，３ｅ，９ｅに排出させ、酸化剤ガスダミー流路７ｇの結露水による閉塞を回避し、その後の結露水排出流路としての機能を維持することができる。
【００３２】
さらに、上記した実施形態では、反応ガスダミー流路として酸化剤ガスダミー流路７ｇを設けたが、酸化剤ガスダミー流路７ｇに代えて、燃料ガスダミー流路を、燃料ガス供給内部連通孔７ｄと燃料ガス排出内部連通孔７ｂとを連通するよう設けてもよい。
【００３３】
しかしながら、酸化剤ガスは燃料ガスに比して反応ガス中の含有水量が多いことから、酸化剤ガス供給内部連通孔９ａ，３ａ，５ａ，７ａは、燃料ガス供給内部連通孔９ｄ，３ｄ，５ｄ，７ｄに比して結露水が発生しやすいので、反応ガスダミー流路として酸化剤ガスダミー流路７ｇを設けた方が、本発明の効果をより大きく得ることができる。
【００３４】
図５は、上記した実施形態による燃料電池スタックにおいて、一定低負荷連続運転を行った場合に、集電板１１近傍の端部発電セルの電圧が、運転開始から何時間で低下し始めるのかを、従来のものと比較して示している。実線が本実施形態、破線が従来の燃料電池スタックであり、これによれば、本実施形態の燃料電池スタックの電圧低下が発生するまでに要する時間が、大幅に長くなっていることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施形態を示す燃料電池スタックの簡略化した分解斜視図である。
【図２】図１の燃料電池スタックに使用するセパレータの酸化剤ガス流路側から見た正面図である。
【図３】図１の燃料電池スタックに使用するセパレータの酸化剤ガスダミー流路側から見た正面図である。
【図４】図１の燃料電池スタックに使用するセパレータの冷却水流路側から見た正面図である。
【図５】図１の燃料電池スタックにおける端部発電セルの電圧が、運転開始から何時間で低下し始めるのかを、従来のものと比較して示した説明図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  電解質・電極構造体
３，５，７  セパレータ
３ａ，５ａ，７ａ，９ａ  酸化剤ガス供給内部連通孔（供給内部連通路）
３ｂ，５ｂ，７ｂ，９ｂ  燃料ガス排出内部連通孔（排出内部連通路）
３ｄ，５ｄ，７ｄ，９ｄ  燃料ガス供給内部連通孔（供給内部連通路）
３ｅ，５ｅ，７ｅ，９ｅ  酸化剤ガス排出内部連通孔（排出内部連通路）
３ｇ，５ｇ  酸化剤ガスダミー流路（反応ガスダミー流路）
１１  反応ガス入口および同出口側から最も遠い発電セルの積層方向他方の端部におけるセパレータの外側の集電板
【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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