JP2018098052A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】特定の発電セルの発電領域に液水が集中して浸入することを抑制する。
【解決手段】燃料電池スタックは、積層された複数の発電セルと、複数の発電セルの両端部のうち、反応ガスの上流側の端部に設けられ、発電を行わないダミーセルと、を備え、発電セルは、発電領域へ反応ガスを導入する重力方向に沿って配列された複数の発電セル用反応ガス導入流路を有し、ダミーセルは、中央領域へ反応ガスを導入する重力方向に沿って配列された複数のダミーセル用反応ガス導入流路を有し、燃料電池スタックは、重力方向の最下端のダミーセル用反応ガス導入流路の流路幅が、複数のダミーセル用反応ガス導入流路の平均流路幅よりも狭い第１構成と、重力方向の最下端の発電セル用反応ガス導入流路の流路幅が、複数の発電セル用反応ガス導入流路の平均流路幅よりも広い第２構成と、のうちの少なくとも一方を有する。
【選択図】図７

Description

本発明は、燃料電池スタックに関する。

燃料電池スタックにおいて、複数の発電セルを積層し、その積層方向の両側に発電しないダミーセルを設けることが記載されている（例えば特許文献１）。

特開２０１５−６９７３７号公報

燃料電池への反応ガスの供給マニホールドに液水が流入した場合、供給マニホールドの重力方向下側を流れる。このとき、ダミーセルを超えて特定の発電セルに液水が集中して浸入することがあり、反応ガスが供給できずにその発電セルで十分な発電を行うことができないという問題があった。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池スタックが提供される。この燃料電池スタックは、積層された複数の発電セルと、前記複数の発電セルの両端部のうちの前記燃料電池スタックに供給される反応ガスの流れ方向における上流側の端部に設けられ、発電を行わないダミーセルと、を備え、前記燃料電池スタックは、前記複数の発電セルと、前記ダミーセルとを貫通する反応ガス供給マニホールドを有しており、前記発電セルは、前記反応ガス供給マニホールドから前記発電セルの発電領域へ反応ガスを導入するために重力方向に沿って配列された複数の発電セル用反応ガス導入流路を有し、前記ダミーセルは、前記反応ガス供給マニホールドから前記ダミーセルの中央領域へ反応ガスを導入するために重力方向に沿って配列された複数のダミーセル用反応ガス導入流路を有し、前記燃料電池スタックは、前記複数のダミーセル用反応ガス導入流路のうちの重力方向の最下端のダミーセル用反応ガス導入流路の流路幅が、前記複数のダミーセル用反応ガス導入流路の平均流路幅よりも狭い第１構成と、前記ダミーセルに隣接する１つ以上の発電セルにおいて、前記複数の発電セル用反応ガス導入流路のうちの重力方向の最下端の発電セル用反応ガス導入流路の流路幅が、前記複数の発電セル用反応ガス導入流路の平均流路幅よりも広い第２構成と、のうちの少なくとも一方を有する。
反応ガス供給マニホールドに液水が侵入した場合、その液水は、反応ガス供給マニホールドの重力方向下側の下面に沿って流れる。ここで、反応ガス導入流路が液水により閉塞されると、反応ガス導入流路の上流と下流の差圧により液水が発電セルやダミーセルに流入する。この形態によれば、第１構成を採用した場合、複数のダミーセル用反応ガス導入流路のうちの重力方向の最下端のダミーセル用反応ガス導入流路の流路幅が、複数のダミーセル用反応ガス導入流路の平均流路幅よりも狭いので、ダミーセルの中央領域に液水が移動し易く、ダミーセルの中央領域に移動した分だけ発電セルに移動する液水の量が少なくなり、発電セル、特にダミーセルに隣接する１以上の特定の発電セルの発電領域への液水の移動量が少なくなる。また、第２構成を採用した場合、複数の発電セル用反応ガス導入流路のうちの重力方向の最下端の発電セル用反応ガス導入流路の流路幅が、複数の発電セル用反応ガス導入流路の平均流路幅よりも広いので、同じ量の液水がダミーセルから移動してきた場合、重力方向の最下端の発電セル用反応ガス導入流路がより閉塞し難く、反応ガス導入流路の上流と下流の差圧が小さいので、特に、発電セルの発電領域への液水の移動量を少なく出来る。すなわち、特定の発電セルの発電領域に液水が集中して浸入することを抑制できる。

（２）上記形態において、前記第１構成と前記第２構成の両方を有してもよい。
この形態によれば、第１構成でダミーセルの中央領域への液水の移動をされ易くし、第２構成で特定の発電セルの発電領域への液水の移動を抑制するので、より、特定の発電セルの発電領域に液水が集中して浸入することを抑制できる。

（３）上記形態において、前記重力方向の最下端のダミーセル用反応ガス導入流路の流路幅は、前記重力方向の最下端の発電セル用反応ガス導入流路の流路幅よりも狭くてもよい。
この形態によれば、重力方向の最下端のダミーセル用反応ガス導入流路は閉塞し易く、重力方向の最下端の発電セル用反応ガス導入流路は閉塞し難いので、ダミーセルの中央領域に液水が移動し易く、特定の発電セルの発電領域への液水の移動を抑制するので、より、特定の発電セルの発電領域に液水が集中して浸入することを抑制できる。

本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池スタック、の他、燃料電池システム、発電セル及びダミーセル等の種々の形態で実現することができる。

燃料電池スタックの斜視図。 発電セルを模式的に示す平面図。 発電セル用アノードガス導入流路を拡大して示す模式的な説明図。 図３のＩＶ−ＩＶ断面で切ったときの発電セル用アノードガス導入流路の断面図。 図３及び図４のＶ−Ｖ断面で切ったときの発電セル用反応ガス導入流路の断面図。 ダミーセルを模式的に示す平面図。 ダミーセルのダミーセル用アノードガス導入流路を拡大して示す模式的な説明図。 図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ断面で切ったときのダミーセル用アノードガス導入流路の断面図。 第１実施形態における発電セルとダミーセルの中央領域への液水の移動量を示す説明図。 比較例における発電セルとダミーセルの中央領域への液水の移動量を示す説明図。 第２実施形態の発電セルを示す説明図。 第２実施形態の発電セルの発電セル用アノードガス導入流路を拡大して示す模式的な説明図。 第３実施形態の発電セルのアノードガス導入流路の図４に対応する断面図。 第３実施形態の発電セルのフレームの平面図である。

・第１実施形態：
図１は、燃料電池スタック１０の斜視図である。燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１００と、ダミーセル２００と、集電板３００、３１０と、絶縁板３２０、３３０と、エンドプレート３４０、３５０と、を備える。複数の発電セル１００は、ｙ方向（水平方向）に積層されて積層体を形成している。ここで、第１実施形態では、水平方向をｘ方向、ｙ方向とし、鉛直方向をｚ方向としている。鉛直方向の下向きが重力方向である。ダミーセル２００は、複数の発電セル１００を挟むように、複数の発電セル１００の積層体のｙ方向の両側に配置されている。但し、ダミーセル２００は、複数の発電セル１００の両端部のうちの燃料電池スタック１０に供給される反応ガスの流れ方向における上流側の端部に設けられていればよい。集電板３００、３１０は、複数の発電セル１００とダミーセル２００を挟むように、ダミーセル２００のｙ方向の外側に配置されている。絶縁板３２０、３３０は、複数の発電セル１００と、ダミーセル２００と、集電板３００、３１０とを挟むように、集電板３００のｙ方向の外側に配置されている。エンドプレート３４０、３５０は、複数の発電セル１００と、ダミーセル２００と、集電板３００、３１０と、絶縁板３２０、３３０と、を挟むように、絶縁板３２０、３３０のｙ方向の外側に配置されている。

燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１００と、ダミーセル２００と、集電板３００、３１０と、絶縁板３２０、３３０と、エンドプレート３４０とを貫通するカソードガス供給マニホールド４１０と、カソードガス排出マニホールド４１５と、アノードガス供給マニホールド４２０と、アノードガス排出マニホールド４２５と、冷媒供給マニホールド４３０と、冷媒排出マニホールド４３５を有する。マニホールドのうち、反応ガスを供給するためのマニホールド（「反応ガス供給マニホールド」とも呼ぶ。具体的にはカソードガス供給マニホールド４１０、アノードガス供給マニホールド４２０）は、反応ガスを排出するためのマニホールド（「反応ガス排出マニホールド」とも呼ぶ。具体的にはカソードガス排出マニホールド４１５、アノードガス排出マニホールド４２５）よりも重力方向の高い位置に形成されている。

図２は、発電セル１００を模式的に示す平面図である。発電セル１００の中央領域１５０は、発電領域であり、膜電極接合体１５４が設けられている。発電セル１００は、カソードガス供給マニホールド４１０から中央領域１５０へカソードガスを導入するための発電セル用カソードガス導入流路１１０（「発電セル用反応ガス導入流路１１０」とも呼ぶ。）と、中央領域１５０からカソードガス排出マニホールド４１５へカソードガスを導出するための発電セル用カソードガス導出流路１１５と、アノードガス供給マニホールド４２０から中央領域１５０へアノードガスを導入するための発電セル用アノードガス導入流路１２０（「発電セル用反応ガス導入流路１２０」とも呼ぶ。）と、中央領域１５０からアノードガス排出マニホールド４２５へカソードガスを導出するための発電セル用アノードガス導出流路１２５と、を備える。発電セル用アノードガス導入流路１２０等の構造については、後述する。

図３は、発電セル用アノードガス導入流路１２０を拡大して示す模式的な説明図である。発電セル用アノードガス導入流路１２０は、重力方向に沿って配列された複数の発電セル用アノードガス導入流路１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄ、１２０ｅを含んでおり、それらの流路幅Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５は、同じである。ここで、流路幅は、重力方向に測ったときの幅である。また、流路の幅がｘ方向の位置で異なる場合には、その平均値をその流路の流路幅として用いる。なお、発電セル用アノードガス導入流路１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄ、１２０ｅの高さ（ｙ方向の幅）はほぼ等しく、断面積と流路幅とは比例しているので、発電セル用アノードガス導入流路１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄ、１２０ｅを比較する場合、流路幅ではなく、断面積を用いてもよい。図３に示す例では、発電セル用アノードガス導入流路１２０の数は、５つであるが、５つには限られず複数であればよい。アノードガス供給マニホールド４２０に液水が浸入すると、重力方向の最下端の発電セル用アノードガス導入流路１２０ａが閉塞される可能性がある。図３の例では、重力方向の最下端の発電セル用アノードガス導入流路１２０ａの大部分が液水で閉塞されているが、それよりも重力方向の上にある発電セル用アノードガス導入流路１２０ｂ〜１２０ｅは液水で閉塞されていない。

図４は、図３のＩＶ−ＩＶ断面で切ったときの発電セル用アノードガス導入流路の断面図である。発電セル１００は、フレーム１６０と、アノードセパレータプレート１７０と、カソードセパレータプレート１８０を備える。フレーム１６０は、例えば樹脂により形成されており、膜電極接合体１５４を保持している。膜電極接合体１５４は、電解質膜１５１と、アノード触媒層１５２と、カソード触媒層１５３とを備える。電解質膜１５１は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示すイオン交換樹脂膜によって構成される。より具体的には、電解質膜１５１は、ナフィオン（登録商標）など、イオン交換基としてスルホン酸基を有するフッ素樹脂系のイオン交換樹脂膜によって構成される。アノード触媒層１５２と、カソード触媒層１５３は、それぞれ、触媒（例えば白金）を担持したカーボン、及び例えばスルホン酸基（−ＳＯ_３Ｈ）を有するアイオノマを有している。アノード触媒層１５２とカソード触媒層１５３の上には、アノードガス拡散層１５５とカソードガス拡散層１５６がそれぞれ配置されている。アノードガス拡散層１５５とカソードガス拡散層１５６は、例えば、カーボンペーパーやカーボン不織布で形成されている。また、アノードガス拡散層１５５とカソードガス拡散層１５６は、カーボンペーパーやカーボン不織布の他、エキスパンドメタルや金属多孔体で形成されていてもよい。

カソードセパレータプレート１８０は、隣接するセル（発電セル１００またはダミーセル２００）のアノードセパレータプレート１７０方向に突出する突出部１８１を備える。アノードセパレータプレート１７０は、突出部１８１に対向する位置に受け部１７１を備える。突出部１８１が受け部１７１に押圧されることで、セル間（発電セル１００と発電セル１００の間、または、発電セル１００とダミーセル２００の間）のシールが形成される。なお、突出部１８１と受け部１７１との間には、接着剤やシール部材（図示せず）が配置されている。

アノードセパレータプレート１７０は、アノードガス供給マニホールド４２０に連通する発電セル用アノードガス導入流路１２０を形成するためのアノードガス導入流路形成部１７３を備える。構造が同じため図示を省略するが、アノードセパレータプレート１７０は、アノードガス排出マニホールド４２５に連通する発電セル用アノードガス導出流路１２５を形成するためのアノードガス導入流路形成部を備える。また、カソードセパレータプレート１８０は、発電セル用カソードガス導入流路１１０、発電セル用カソードガス導出流路１１５を形成するためのカソードガス導入流路形成部及びカソードガス導出流路形成部を備える。

図５は、図３及び図４のＶ−Ｖ断面で切ったときの発電セル用反応ガス導入流路の断面図である。アノードガス導入流路形成部１７３は、フレーム１６０からカソードセパレータプレート１８０方向に突出する凸形状を有しており、アノードセパレータプレート１７０の凸形状のフレーム１６０側に形成される凹形状と、フレーム１６０との間に発電セル用アノードガス導入流路１２０ａ〜１２０ｅが形成される。第１実施形態では、発電セル用アノードガス導入流路１２０ａ〜１２０ｅの流路幅Ｗ１〜Ｗ５は同じ幅である。また、発電セル用アノードガス導入流路１２０ａ〜１２０ｅの高さ（ｙ方向の幅）も同じである。

図６は、ダミーセル２００を模式的に示す平面図である。ダミーセル２００と発電セル１００との違いは、ダミーセル２００は、中央領域２５０に膜電極接合体１５４を備えない点、及びダミーセル用カソードガス導入流路２１０とダミーセル用アノードガス導入流路２２０の各流路幅が発電セル用カソードガス導入流路１１０と発電セル用アノードガス導入流路１２０の各流路幅が異なる点である。なお、ダミーセル２００の中央領域２５０では、アノードガスとカソードガスとが混じらないように、フレーム１６０を構成する樹脂によってアノードガスが流れる領域とカソードガスが流れる領域とが分離されている。ダミーセル２００のダミーセル用カソードガス導出流路２１５とダミーセル用アノードガス導出流路２２５の各流路幅は、発電セル１００の発電セル用カソードガス導出流路１１５と発電セル用アノードガス導出流路１２５の各流路幅と同じである。

図７は、ダミーセル２００のダミーセル用アノードガス導入流路２２０を拡大して示す模式的な説明図である。ダミーセル用アノードガス導入流路２２０は、重力方向に沿って配列された複数のダミーセル用アノードガス導入流路２２０ａ、２２０ｂ、２２０ｃ、２２０ｄ、２２０ｅを含んでいる。重力方向の最下端のダミーセル用アノードガス導入流路２２０ａの流路幅Ｗ６は、ダミーセル用アノードガス導入流路２２０ａ、２２０ｂ、２２０ｃ、２２０ｄ、２２０ｅの平均流路幅よりも狭く設定されている。図７に示す例では、ダミーセル用アノードガス導入流路２２０ａ、２２０ｂ、２２０ｃ、２２０ｄ、２２０ｅの流路幅Ｗ６、Ｗ７、Ｗ８、Ｗ９、Ｗ１０は、Ｗ６＜Ｗ７＜Ｗ８＜Ｗ９＜Ｗ１０である。すなわち、ダミーセル用アノードガス導入流路２２０（ダミーセル用反応ガス導入流路）のうちの重力方向の最下端のダミーセル用アノードガス導入流路２２０ａの流路幅Ｗ６は、重力方向の最上端のダミーセル用アノードガス導入流路２２０ｅの流路幅Ｗ１０よりも狭い。なお、ダミーセル用アノードガス導入流路２２０ａ、２２０ｂ、２２０ｃ、２２０ｄ、２２０ｅが２種以上の流路幅を有する場合、重力方向の最下端のダミーセル用アノードガス導入流路２２０ａは、ダミーセル用アノードガス導入流路２２０ａ、２２０ｂ、２２０ｃ、２２０ｄ、２２０ｅの中で最小の流路幅を有していてもよい。したがって、例えば、ダミーセル用アノードガス導入流路２２０ａ、２２０ｂの流路幅Ｗ６、Ｗ７が等しく（この流路幅をＷａとする）、ダミーセル用アノードガス導入流路２２０ｃ、２２０ｄ、２２０ｅの流路幅Ｗ８、Ｗ９、１０が等しく（この流路幅をＷｂとする）、Ｗａ＜Ｗｂを満たす場合でもよい。なお、図７に示す例では、ダミーセル用アノードガス導入流路２２０の数は、５つであるが、５つには限られず複数であればよい。

アノードガス供給マニホールド４２０に液水が浸入すると、重力方向の最下端のダミーセル用アノードガス導入流路２２０ａから閉塞されていく。図７の例では、重力方向の最下端のダミーセル用アノードガス導入流路２２０ａは完全に液水で閉塞されているが、それよりも重力方向の上にあるダミーセル用アノードガス導入流路２２０ｂ〜２２０ｅは液水で閉塞されていない。

図８は、図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ断面で切ったときのダミーセル用アノードガス導入流路２２０の断面図である。ダミーセル用アノードガス導入流路２２０ａ、２２０ｂ、２２０ｃ、２２０ｄ、２２０ｅの流路幅Ｗ６、Ｗ７、Ｗ８、Ｗ９、Ｗ１０の大きさが、Ｗ６＜Ｗ７＜Ｗ８＜Ｗ９＜Ｗ１０であることがわかる。なお、ダミーセル２００は、膜電極接合体１５４及びアノードガス拡散層１５５とカソードガス拡散層１５６を備えない点を除き、発電セル１００と同じ構成であるため、図４に対応するダミーセル用アノードガス導入流路２２０の断面図については図示を省略する。

図９は、第１実施形態における発電セル１００とダミーセル２００の中央領域１５０、２５０への液水の移動量を示す説明図である。図９では、集電板３００、３１０、絶縁板３２０、３３０、エンドプレート３４０、３５０の図示を省略している。アノードガスは、燃料電池スタック１０の重力方向の上方の右からアノードガス供給マニホールド４２０に入り、燃料電池スタック１０の重力方向の下方の右から排出される。アノードガス供給マニホールド４２０から発電セル１００の中央領域１５０（発電領域）、ダミーセル２００の中央領域２５０への液水の移動量は、それぞれＶ１、Ｖ２（Ｖ１＜Ｖ２）であり、ダミーセル２００に多量（Ｖ２）の液水が中央領域２５０に移動するが、発電セル１００には、少量（Ｖ１）の液水しか中央領域１５０に移動しない。

図１０は、比較例における発電セル１００とダミーセル２００への中央領域１５０、２５０への液水の移動量を示す説明図である。比較例では、発電セル１００とダミーセル２００の反応ガス導入流路の流路幅を同じにしたもの、すなわち、Ｗ１＝Ｗ２＝Ｗ３＝Ｗ４＝Ｗ５＝Ｗ６＝Ｗ７＝Ｗ８＝Ｗ９＝Ｗ１０としたものである。比較例では、アノードガス供給マニホールド４２０から発電セル１００の中央領域１５０、ダミーセル２００の中央領域２５０への液水の体積量（「移動量」とも呼ぶ。）は、それぞれＶ３、Ｖ４である。発電セル１００の中央領域１５０へ移動する液水の移動量を比較すると、Ｖ１＜Ｖ３である。この理由は、以下のように考えられる。

図３と図７とを比較すると、第１実施形態では、アノードガス供給マニホールド４２０に体積Ｖの量の液水が浸入したとき、重力方向の最下端にあるダミーセル用アノードガス導入流路２２０ａが狭いため、重力方向の最下端にあるダミーセル用アノードガス導入流路２２０ａが液水で閉塞し易い。ダミーセル用アノードガス導入流路２２０ａが液水により閉塞されると、アノードガス供給マニホールド４２０内の反応ガスの圧力が上昇するので、ダミーセル用アノードガス導入流路２２０ａの出入口の間の差圧が上昇し、ダミーセル２００の中央領域２５０に液水が移動しやすい。この移動量をＶ２とする。この結果、ダミーセル２００の中央領域２５０への液水の移動により、ダミーセル２００に隣接する特定の発電セル１００のアノードガス供給マニホールド４２０に対応する領域への液水の移動量は（Ｖ−Ｖ２）と少なくなる。さらに、ダミーセル２００に隣接する発電セル１００の重力方向の最下端にある発電セル用アノードガス導入流路１２０ａは狭くなく閉塞し難いため、発電セル用アノードガス導入流路１２０ａの出入口の間の差圧が小さいため、特定の発電セル１００の中央領域１５０には移動量（Ｖ−Ｖ２）のうちの少量の液水（移動量Ｖ１）しか移動しない。その結果、ダミーセル２００の中央領域２５０に液水が移動し易くなり、発電セル１００の中央領域１５０への液水の移動量が少なくなり、特定の発電セル、特にダミーセル２００に隣接する発電セル１００の中央領域１５０に液水が集中して浸入することを抑制できる。

これに対し、比較例では、アノードガス供給マニホールド４２０に体積Ｖの液水が浸入したとき、重力方向の最下端にあるダミーセル用アノードガス導入流路２２０ａが狭くなっていないため、重力方向の最下端にあるダミーセル用アノードガス導入流路２２０ａが閉塞し難い。この場合、ダミーセル用アノードガス導入流路２２０ａの出入口の間の差圧が大きくないため、ダミーセル２００への液水の移動量Ｖ４は第１実施形態の移動量Ｖ２よりも少ない。したがって、ダミーセル２００に隣接する発電セル１００のアノードガス供給マニホールド４２０への水の移動量（Ｖ−Ｖ４）は、第１実施形態の液水の移動量（Ｖ−Ｖ２）よりも大きい。そのため、その発電セル１００の中央領域１５０への液水の移動量Ｖ３は、第１実施形態における液水の移動量Ｖ１よりも多くなる。すなわち、第１実施形態における特定の発電セル１００の中央領域１５０への液水の移動量Ｖ１は、比較例における液水の移動量Ｖ３よりも少ない。

以上、第１実施形態によれば、重力方向の最下端のダミーセル用アノードガス導入流路２２０ａの流路幅Ｗ６は、ダミーセル用アノードガス導入流路２２０ａ、２２０ｂ、２２０ｃ、２２０ｄ、２２０ｅの平均流路幅よりも狭い構成（第１構成）を有するので、ダミーセル２００の中央領域２５０への液水の移動量Ｖ２を多くし、特定の発電セル１００の中央領域１５０への液水の移動量Ｖ１を少なくできるので、特定の発電セル１００の中央領域１５０に液水が集中して浸入することを抑制できる。

・第２実施形態：
図１１は、第２実施形態の発電セル１００を示す説明図である。図１２は、第２実施形態の発電セル１００の発電セル用アノードガス導入流路１２０を拡大して示す模式的な説明図である。第１実施形態との相違点は、第１実施形態では、複数の発電セル用アノードガス導入流路１２０ａ〜１２０ｅの流路幅Ｗ１〜Ｗ５は同じ幅であったが、第２実施形態では、重力方向の最下端の発電セル用アノードガス導入流路１２０ａの流路幅Ｗ１１は、発電セル用アノードガス導入流路１２０ａ〜１２０ｅの平均流路幅よりも広く設定されている。図１２の例では、複数の発電セル用アノードガス導入流路１２０ａ〜１２０ｅの流路幅Ｗ１１〜Ｗ１５は、Ｗ１１＞Ｗ１２＞Ｗ１３＞Ｗ１４＞Ｗ１５である点である。すなわち、重力方向の最下端の発電セル用アノードガス導入流路１２０ａの流路幅Ｗ１１は、重力方向の最上端の発電セル用アノードガス導入流路１２０ｅの流路幅Ｗ１６よりも広い。また、重力方向の最下端の発電セル用アノードガス導入流路１２０ａは、発電セル用アノードガス導入流路１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄ、１２０ｅが２種以上の流路幅を有する場合、発電セル用アノードガス導入流路１２０ａは、発電セル用アノードガス導入流路１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄ、１２０ｅの中で最大の流路幅を有していてもよい。アノードガス供給マニホールド４２０に液水が浸入し、発電セル１００まで達すると、重力方向の最下端の発電セル用アノードガス導入流路１２０ａから閉塞されていく。図１２の例では、重力方向の最下端の発電セル用アノードガス導入流路１２０ａは完全には液水で閉塞されていない。

第２実施形態によれば、重力方向の最下端の発電セル用アノードガス導入流路１２０ａの流路幅Ｗ１１は、発電セル用アノードガス導入流路１２０ａ〜１２０ｅの平均流路幅よりも広いので、重力方向の最下端の発電セル用アノードガス導入流路１２０ａが液水により閉塞しにくい。その結果、発電セル用アノードガス導入流路１２０ａの出入口の間の差圧が小さく、発電セル１００の中央領域１５０に液水が移動し難くなる。すなわち、第２実施形態によれば、ダミーセル２００に隣接する１以上の発電セル１００において、重力方向の最下端の発電セル用アノードガス導入流路１２０ａの流路幅Ｗ６は、発電セル用アノードガス導入流路１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄ、１２０ｅの平均流路幅よりも広い構成（第２構成）を有するので、特定の発電セル１００の中央領域１５０への液水の移動量Ｖ１を少なくして、特定の発電セル１００の中央領域１５０に液水が集中して浸入することを抑制できる。なお、反応ガスの下流に行くほどアノードガス供給マニホールド４２０を流れる液水の量が少なくなる。したがって、ダミーセル２００に隣接する１以上の発電セル１００が第２構成を有すればよい。

燃料電池スタック１０は、上記第１実施形態、第２実施形態の構成のうちのいずれか一方を備えていてもよく、両方を備えていてもよい。

・第３実施形態：
図１３は、第３実施形態の発電セル１００のアノードガス導入流路の図４に対応する断面図である。第１実施形態、第２実施形態では、アノードセパレータプレート１７０のアノードガス導入流路形成部１７３（図４）を用いて、発電セル用アノードガス導入流路１２０（１２０ａ〜１２０ｅ）を形成していた。これに対し、第３実施形態では、フレーム１６０にアノードガス供給マニホールド４２０に連通する溝１６１を形成し、溝１６１を用いて、発電セル用アノードガス導入流路１２０を形成している。アノードガス導出流路、カソードガス導入流路、カソードガス導出流路についても同様であり、ダミーセル２００についても、これらの流路は、同様に溝１６１により形成される。

図１４は、第３実施形態の発電セル１００のフレーム１６０の平面図である。フレーム１６０は、アノードガス供給マニホールド４２０の膜電極接合体１５４側に櫛歯形状の溝１６１を備える。アノードガス排出マニホールド４２５、カソードガス供給マニホールド４１０、カソードガス排出マニホールド４１５についても同様に櫛歯形状の溝１６１が形成されている。ダミーセル２００のフレーム１６０についても同様に各マニホールド４１０、４１５、４２０、４２５に櫛歯形状の溝１６１が形成されている。ここで、第３実施形態では、溝１６１により形成される発電セル用アノードガス導入流路１２０ａ〜１２０ｅの流路幅やダミーセル用アノードガス導入流路２２０ａ〜２２０ｅの流路幅については、例えば、第１実施形態と同様の流路幅、あるは、第２実施形態と同様の流路幅に設定される。

第３実施形態によれば、発電セル用アノードガス導入流路１２０ａ〜１２０ｅの流路幅やダミーセル用アノードガス導入流路２２０ａ〜２２０ｅの流路幅が、第１実施形態、第２実施形態と同様なので、第１実施形態、第２実施形態と同様の効果を有する。

さらに、第３実施形態によれば、反応ガスの導入流路や導出流路をフレーム１６０に形成された溝１６１を用いて形成するので、発電セル１００とダミーセル２００で、アノードセパレータプレート１７０と、カソードセパレータプレート１８０を別個に準備する必要が無く、共用できる。すなわち、アノードセパレータプレート１７０と、カソードセパレータプレート１８０を製造するための金型を、発電セル１００用とダミーセル２００用とで変える必要が無い。

上記第１〜第３実施形態では、アノードガス導入流路１２０、２２０を例にとって説明したが、カソードガス導入流路１１０、２１０についても同様の構成を採用可能である。

・変形例：
上記各実施形態では、重力方向の最下端のダミーセル用アノードガス導入流路２２０ａの流路幅Ｗ６と、重力方向の最下端の発電セル用アノードガス導入流路１２０ａの流路幅Ｗ１と、の大小関係については、説明していないが、ダミーセル用アノードガス導入流路２２０ａの流路幅Ｗ６は、発電セル用アノードガス導入流路１２０ａの流路幅Ｗ１よりも狭いことが好ましい。こうすれば、ダミーセル用アノードガス導入流路２２０ａは閉塞し易いので、ダミーセル２００の中央領域２５０に液水が移動し易く、発電セル用アノードガス導入流路１２０ａをより閉塞し難くできる。その結果、特定の発電セル１００の中央領域１５０に液水が集中して浸入することを抑制できる。

本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…燃料電池スタック
１００…発電セル
１１０…発電セル用カソードガス導入流路
１１５…発電セル用カソードガス導出流路
１２０、１２０ａ〜１２０ｅ…発電セル用アノードガス導入流路
１２５…発電セル用アノードガス導出流路
１５０…中央領域
１５１…電解質膜
１５２…アノード触媒層
１５３…カソード触媒層
１５４…膜電極接合体
１５５…アノードガス拡散層
１５６…カソードガス拡散層
１６０…フレーム
１６１…溝
１７０…アノードセパレータプレート
１７１…受け部
１７３…アノードガス導入流路形成部
１８０…カソードセパレータプレート
１８１…突出部
２００…ダミーセル
２１０…ダミーセル用カソードガス導入流路
２１５…ダミーセル用カソードガス導出流路
２２０、２２０ａ〜２２０ｅ…ダミーセル用アノードガス導入流路
２２５…ダミーセル用アノードガス導出流路
２５０…中央領域
３００、３１０…集電板
３２０、３３０…絶縁板
３４０、３５０…エンドプレート
４１０…カソードガス供給マニホールド
４１５…カソードガス排出マニホールド
４２０…アノードガス供給マニホールド
４２５…アノードガス排出マニホールド
４３０…冷媒供給マニホールド
４３５…冷媒排出マニホールド
Ｖ１〜Ｖ４…移動量
Ｗ１〜Ｗ１５…流路幅

Claims (3)

1. 燃料電池スタックであって、
   積層された複数の発電セルと、
   前記複数の発電セルの両端部のうちの前記燃料電池スタックに供給される反応ガスの流れ方向における上流側の端部に設けられ、発電を行わないダミーセルと、
   を備え、
   前記燃料電池スタックは、前記複数の発電セルと、前記ダミーセルとを貫通する反応ガス供給マニホールドを有しており、
   前記発電セルは、前記反応ガス供給マニホールドから前記発電セルの発電領域へ反応ガスを導入するために重力方向に沿って配列された複数の発電セル用反応ガス導入流路を有し、
   前記ダミーセルは、前記反応ガス供給マニホールドから前記ダミーセルの中央領域へ反応ガスを導入するために重力方向に沿って配列された複数のダミーセル用反応ガス導入流路を有し、
   前記燃料電池スタックは、
   前記複数のダミーセル用反応ガス導入流路のうちの重力方向の最下端のダミーセル用反応ガス導入流路の流路幅が、前記複数のダミーセル用反応ガス導入流路の平均流路幅よりも狭い第１構成と、
   前記ダミーセルに隣接する１つ以上の発電セルにおいて、前記複数の発電セル用反応ガス導入流路のうちの重力方向の最下端の発電セル用反応ガス導入流路の流路幅が、前記複数の発電セル用反応ガス導入流路の平均流路幅よりも広い第２構成と、
   のうちの少なくとも一方を有する、燃料電池スタック。
2. 請求項１に記載の燃料電池スタックであって、
   前記第１構成と前記第２構成の両方を有する燃料電池スタック。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池スタックであって、
   前記重力方向の最下端のダミーセル用反応ガス導入流路の流路幅は、前記重力方向の最下端の発電セル用反応ガス導入流路の流路幅よりも狭い、燃料電池スタック。

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