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JP2018160431A - 燃料電池スタック - Google Patents

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Abstract

【課題】特定の発電ユニットの発電領域に浸入する液水を抑制できる燃料電池スタックの提供。【解決手段】燃料電池スタックは、複数の発電ユニットを積層し、ダミーユニットを、複数の発電ユニットの積層端部であって少なくともいずれか一方側の積層端部に設け、複数の発電ユニットとダミーユニット２００との中央領域２５０の外側であって中央領域の中央よりも鉛直方向上方に、反応ガス供給マニホールドを形成するための開口を夫々設け、発電ユニットは、開口から中央領域に至る１以上の第１供給流路備え、ダミーユニットは、開口２４２から中央領域に至る１以上の第２供給流路２２０を備え、第２供給流路が開口と接続される第２供給流路口のうち鉛直方向で最も高い位置の第２供給流路口２２０ａｏは、第１供給流路が開口と接続される第１供給流路口のうち鉛直方向で最も高い位置の第１供給流路口よりも鉛直直方向下側に配置の燃料電池スタック。【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（本明細書では「発電ユニット」）を積層し、その積層方向の両側に発電しないダミーセル（本明細書では「ダミーユニット」）を設けることが行われている（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、液水は、供給マニホールドの底面（重力方向下側）に沿って流れる。ダミーユニットには、こうした液水が発電ユニットに流れ込まないように、すみやかに液水をダミーユニット内に取り込んで、排出することが求められる。
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、前記反応ガスが流れる中央領域が発電用の領域である複数の発電ユニットを積層し、前記反応ガスが流れる中央領域が発電を目的としない領域であるダミーユニットを、積層された前記複数の発電ユニットの積層端部であって、少なくともいずれか一方側の積層端部に設け、前記複数の発電ユニットと前記ダミーユニットとの前記中央領域の外側であって、前記中央領域の中央よりも鉛直方向で上方に、前記複数の発電ユニットと前記ダミーユニットとが積層された状態で反応ガス供給マニホールドを形成する開口をそれぞれ設け、前記発電ユニットは、前記開口から前記中央領域に至る１つ以上の第１供給流路を備え、前記ダミーユニットは、前記開口から前記中央領域に至る１つ以上の第２供給流路を備え、前記ダミーユニットにおいて前記第２供給流路が前記開口と接続される第２供給流路口のうち鉛直方向で最も高い位置の第２供給流路口は、前記発電ユニットにおいて前記第１供給流路が前記開口と接続される第１供給流路口のうち鉛直方向で最も高い位置の第１供給流路口に対して鉛直方向下側に配置されている。
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。この形態によれば、ダミーユニットにおいて第２供給流路が開口と接続される第２供給流路口のうち鉛直方向で最も高い位置の第２供給流路口は、発電ユニットにおいて第１供給流路が開口と接続される第１供給流路口のうち鉛直方向で最も高い位置の第１供給流路口に対して鉛直方向下側に配置されているので、液水は、第１供給流路よりも第２供給流路に流れやすく、その結果、液水は、発電ユニットの中央領域よりもダミーユニットの中央領域に移動し易く、ダミーユニットを越えて隣接する発電ユニットの中央領域へ移動する液水の移動量が少なくなり、特定の発電ユニットに液水が浸入することを抑制できる。
（２）上記形態において、前記第２供給流路口の全ては、前記開口の鉛直方向下側の底面から前記開口の鉛直方向の予め定められた高さよりも低い位置で前記開口に接続されており、前記第１供給流路口のうちの少なくとも１つは、前記予め定められた高さよりも高い位置で前記開口に接続されていてもよい。
この形態によれば、第２供給流路口の全ては、少なくとも１つの第１供給流路口よりも下に存在するので、より確実に液水をダミーユニットの中央領域に移動し易く、発電ユニットの中央領域へ液水が浸入することを抑制できる。
（３）上記形態において、前記第２供給流路の流路断面積の和は、前記第１供給流路の流路断面積の和よりも小さくてもよい。
この形態によれば、第２供給流路の流路断面積の和は、第１供給流路の流路断面積の和よりも小さいので、ダミーユニットへ反応ガスが流れるときの圧力損失が発電ユニットに流れるときの圧力損失よりも大きく、ダミーユニットに反応ガスが流れるのを抑制できる。
（４）上記形態において、前記第２供給流路の数は、前記第１供給流路の数よりも少なくてもよい。
この形態によれば、第２供給流路の数は、第１供給流路の数よりも少ないので、ダミーユニットへ反応ガスが流れるときの圧力損失が発電ユニットに流れるときの圧力損失よりも大きく、ダミーユニットに反応ガスが流れるのを抑制できる。
（５）上記形態において、前記発電ユニットは、前記第１供給流路を２つ以上有し、
前記第２供給流路は、前記発電ユニットにおける前記第１供給流路の鉛直方向の上側から前記第１供給流路の一部を除いた形状に対応する構成を備えてもよい。
この形態によれば、ダミーユニットの第２供給流路の構成を、発電ユニットにおける第１供給流路の鉛直方向の上側から一部の第１供給流路を除いた形状に対応する構成を備えることで、上記（１）〜（４）の構成および効果を有する第２供給流路を容易に実現できる。
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、ダミーユニット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である。 発電ユニットを模式的に示す平面図である。 発電ユニットの第２流路に沿った断面を示す説明図である。 ダミーユニットを模式的に示す平面図である。 ダミーユニットの第２流路に沿った断面を示す説明図である。 発電ユニットの第２開口近傍を拡大して示す説明図である。 ダミーユニットの第２開口近傍を拡大して示す説明図である。 第２実施形態のダミーユニットを模式的に示す平面図である。 他の実施形態のダミーユニットの第２流路に沿った断面図である。 図９のＤ−Ｄ断面を示す説明図である。
・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、複数の発電ユニット１００と、ダミーユニット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。複数の発電ユニット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。ダミーユニット２００は、発電を目的としないユニットであり、複数の発電ユニット１００を挟むように、積層された複数の発電ユニット１００のｙ方向の両側の積層端部に配置されている。なお、ダミーユニット２００は、複数の発電ユニット１００の両端部のうちの少なくともいずれか一方の積層端部に設けられていればよい。また、ダミーユニット２００は、積層された発電ユニット１００の途中に設けられていてもよい。集電板３００，３１０は、複数の発電ユニット１００とダミーユニット２００を挟むように、ダミーユニット２００のｙ方向の外側に配置されている。絶縁板３２０，３３０は、複数の発電ユニット１００と、ダミーユニット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、複数の発電ユニット１００と、ダミーユニット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、第１〜第６マニホールド４１〜４６を有する。これらのマニホールド４１〜４６は、複数の発電ユニット１００と、ダミーユニット２００と、集電板３００，３１０と、絶縁板３２０，３３０と、エンドプレート３４０とを貫通しているが、エンドプレート３５０は貫通していない。なお、これらのマニホールド４１〜４６が集電板３１０と、絶縁板３３０を貫通しないように構成されていてもよい。これらのマニホールド４１〜４６のうち、第１マニホールド４１、第２マニホールド４２は、反応ガスを供給するためのマニホールドであり「反応ガス供給マニホールド」とも呼ぶ。また、第３マニホールド４３、第４マニホールド４４は、反応ガスを排出するためのマニホールドであり、「反応ガス排出マニホールド」とも呼ぶ。反応ガス供給マニホールドは、反応ガス排出マニホールドよりも鉛直方向の高い位置に形成されている。第５マニホールド４５は、冷媒供給用マニホールドであり、第６マニホールド４６は冷媒排出用マニホールドである。
図２は、発電ユニット１００を模式的に示す平面図である。実際の発電ユニット１００は、後述する図３に示すように、膜電極接合体１５４を支持した樹脂フレーム１６０を２枚のセパレータプレート１７０，１８０で挟んだ構造を備える。図２は、力ソードガス，アノードガスの流れを説明するために、模式的に各部を示している。発電ユニット１００の中央領域１５０は、詳しい図示は省略するが、発電領域であり、樹脂フレーム１６０に支持された状態で膜電極接合体１５４が設けられている。また、この中央領域１５０には、膜電極接合体１５４を挟んでy方向向こう側（紙面奥側）には力ソードガスが流れる力ソードガス流路が、y方向手前側（紙面手前側）にはアノードガスが流れるアノードガス流路が、それぞれ形成されている。なお、反応ガスが流れる領域を入れ替えて、y方向手前側に力ソードガスが流れる力ソードガス流路が、y方向向こう側にアノードガスが流れるアノードガス流路が、それぞれ形成される構成であってもよい。この中央領域１５０を取り囲む発電ユニット１００の四隅には、発電ユニット１００が積層されることで図１の第１〜第４マニホールド４１〜４４をそれぞれ形成する第１〜第４開口１４１〜１４４が形成されている。ここで、第１、第２開口１４１，１４２は、中央領域１５０の中央１５０ｏよりも鉛直方向で上方に形成されている。ここで、中央領域１５０の中央１５０ｏよりも鉛直方向で上方とは、中央１５０ｏの真上を意味するものではなく、中央１５０ｏを通る水平線よりも上方の意味である。また、第５マニホールド４５を形成する第５開口１４５が、第１開口１４１と第４開口１４４の間に形成され、第６マニホールド４６を形成する第６開口１４６が、第２開口１４２と第３開口１４３の間に形成されている。
第１，第３開口１４１，１４３のそれぞれの周辺には第１，第３開口１４１，１４３のそれぞれと中央領域１５０の力ソードガス流路とを接続する第１，第３流路１１０，１３０が設けられ、第２，第４開口１４２，１４４のそれぞれの周辺には第２，第４開口１４２，１４４のそれぞれと中央領域１５０のアノード流路とを接続する第２，第４流路１２０，１４０がそれぞれ設けられている。これらの第１〜第４流路１１０，１２０，１３０，１４０は、いずれも、樹脂フレーム１６０に形成された溝および発電ユニット１００を構成するセバレータプレート１７０あるいは１８０の表面に設けられた溝(凹み〉により実現されている。従って、本来、各開口１４１〜１４４と各流路１１０，１２０，１３０，１４０の境目には、境界線が存在するが、図２では、理解の便を図って、こうした境界線の図示を省略している。
第２流路１２０は重力方向に沿って配列される複数の第２流路１２０ａ〜１２０ｆから構成される。第１流路１１０についても同様の構成を有する。また、第３流路１３０、第４流路１４０についても、ほぼ同様の構成を有する。
図３は、発電ユニット１００の第２流路１２０ｃに沿った断面（図２の３−３断面）を示す説明図である。図３では、第２流路１２０ｃに沿った断面を図示しているが、他の第２流路１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｄ〜１２０ｆについても、ほぼ同様の構成である。発電ユニット１００は、樹脂フレーム１６０と、２つのセパレータプレート１７０と、セパレータプレート１８０を備える。樹脂フレーム１６０は、樹脂により形成されており、膜電極接合体１５４を取り囲むように保持している。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（−ＳＯ３Ｈ）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。
セパレータプレート１８０は、隣接する発電ユニット１００の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。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、隣り合う発電ユニット１００と発電ユニット１００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。隣接するユニットがダミーユニット２００の場合にも同様の構成によりシールが形成される。なお、セパレータプレート１７０に、突出部を設け、セパレータプレート１８０に受け部を設ける構成でもよい。本実施形態では、突出部１８１と受け部１７１との間に、接着剤やシール部材を配置してシールを形成する構成を採用したが、ガスケットを用いてシールを形成しても良い。
樹脂フレーム１６０は、第２開口１４２に接続する溝１６１を有し、溝１６１の第２開口１４２と反対側は、セパレータプレート１７０の表面に設けられた溝である受け部１７１と樹脂フレーム１６０との間を通り、中央領域１５０の膜電極接合体１５４のアノード側のアノードガス拡散層１５５に接続している。溝１６１と、セパレータプレート１７０の表面に設けられた溝(凹み〉により第２流路１２０ｃが形成されている。他の第２流路１２０ａ，１２０ｂ、１２０ｄ〜１２０ｆや、第１流路１１０、第３流路１３０、第４流路１４０についても同様に、樹脂フレーム１６０に形成された溝１６１および発電ユニット１００を構成するセバレータプレート１７０あるいは１８０の表面に設けられた溝(凹み〉により形成されている。
図４は、ダミーユニット２００を模式的に示す平面図である。図５は、ダミーユニットの第２流路に沿った断面（図４の５−５断面）を示す説明図である。ここで、図４，図５に示すダミーユニット２００の各部材等の符号は、図２，図３に示した発電ユニット１００の各部材等の符号に１００を加えた符号を用いている。発電ユニット１００の各部材等の符号に１００を加えた部材については、発電ユニット１００の部材と同様であるため、説明を省略する。発電ユニット１００とダミーユニット２００は、以下の点が異なる。
発電ユニット１００は、中央領域１５０に膜電極接合体１５４を備えるが、ダミーユニット２００は、中央領域２５０に膜電極接合体を備えておらず、その代わりに、金属板２９０を備える。この金属板２９０は、ダミーユニット２００の中央領域２５０において、アノードガスとカソードガスとが交わらないようにする機能を有する。金属板２９０を用いることにより、ダミーユニット２００のアノードガス拡散層２５５とカソードガス拡散層２５６とを電気的に導通できる。なお、金属板２９０の代わりに、ガス透過性で導電性を有する材料、例えばカーボンを用いてもよい。本実施形態では、１つのダミーセルにアノードガスとカソードガスとを流す構成を採用した。この代わりに、第１流路２１０と第３流路２３０を備え、第２流路２２０と第４流路２４０を備えないアノードガス用ダミーセルと、第２流路２２０と第４流路２４０を備え、第１流路２１０と第３流路２３０を備えないカソードガス用ダミーセルの２つダミーセルを配置する構成を採用しても良い。この場合、アノードガス用ダミーセルの中央領域にはカソードガスが流れず、カソードガス用ダミーセルの中央領域にはアノードガスが流れないため、２つのダミーセルは、金属板２９０を備えなくても良い。この場合、アノードガス用ダミーセルとカソードガス用ダミーセルとは、互いに隣り合うように並べられていても良い。
発電ユニット１００は、第２流路１２０として、重力方向に沿って配列された複数の第２流路１２０ａ〜１２０ｆを備える。一方、ダミーユニット２００は、第２流路２２０として、重力方向に沿って配列された複数の第２流路２２０ａ〜２２０ｃを備えるが、第２流路１２０ｄ〜１２０ｆに対応する第２流路を備えていない。第１流路２１０についても同様である。なお、本実施形態では、特許請求の範囲の第１供給流路は、発電ユニット１００の第２流路１２０ａ〜１２０ｆに対応し、特許請求の範囲の第２供給流路は、ダミーユニット２００の第２流路２２０ａ〜２２０ｃに対応する。
図６は、発電ユニット１００の第２開口１４２近傍を拡大して示す説明図である。図７は、ダミーユニット２００の第２開口２４２近傍を拡大して示す説明図である。以下、発電ユニット１００の第２流路１２０とダミーユニット２００の第２流路２２０の違いを説明する。
（ｉ）ダミーユニット２００において第２流路２２０ａ〜２２０ｃが第２開口２４２と接続される第２流路口２２０ａｏ〜２２０ｃｏのうち最も高い位置の第２流路口２２０ｃｏは、発電ユニット１００において第２流路１２０ａ〜１２０ｆが第２開口１４２と接続される第２流路口１２０ａｏ〜１２０ｆｏのうち最も高い位置の第２流路口１２０ｆｏに対して鉛直方向下側に配置されている。なお、特許請求の範囲の第１供給流路口は、発電ユニット１００の第２流路口１２０ａｏ〜１２０ｆｏに対応し、特許請求の範囲の第２供給流路口は、ダミーユニット２００の第２流路口２２０ａｏ〜２２０ｃｏに対応する。
（ｉｉ）ダミーユニット２００の第２流路口２２０ａｏ〜２２０ａｃの全ては、第２開口２４２の鉛直方向下側の底面２４２ｂから第２開口２４２の鉛直方向の高さＨ０の１／２よりも低い位置で第２開口２４２に接続されており、発電ユニット１００の第２流路口１２０ａｏ〜１２０ｆｏのうちの少なくとも１つ、例えば第２流路口１２０ｅｏは、第２開口１４２の鉛直方向下側の底面１４２ｂから開口１４２の鉛直方向の高さＨ０の１／２よりも高い位置で第２開口１４２に接続されている。
（ｉｉｉ）本実施形態では、ダミーユニット２００の第２流路２２０ａ〜２２０ｃは、発電ユニット１００の第２流路１２０ａ〜１２０ｆの鉛直方向の上側から３つの第２流路１２０ｄ〜１２０ｆを除いた形状に対応する構成を有している。
（ｉｖ）ダミーユニット２００の第２流路２２０ａ〜２２０ｃの流路断面積の和（Ｓｄａ＋Ｓｄｂ＋Ｓｄｃ）は、発電ユニット１００の第２流路１２０ａ〜１２０ｆの流路断面積の和（Ｓｇａ＋Ｓｇｂ＋Ｓｇｃ＋Ｓｇｄ＋Ｓｇｅ＋Ｓｇｆ）よりも小さい。ここで、流路断面積は、各流路を横断する断面でそれぞれ切ったときに、各流路においてその断面の面積が最も狭くなるときの断面の面積である。言い換えれば、各流路において、最も狭い断面の断面積である。
（ｖ）ダミーユニット２００の第２流路２２０ａ〜２２０ｃの数（３個）は、発電ユニット１００の第２流路１２０ａ〜１２０ｆの数（６個）よりも少ない。
上記（ｉ）〜（ｖ）の違いにより、発電ユニット１００とダミーユニット２００において、液水や反応ガスの流れに、以下の違いが生じる。
図１に示す第２マニホールド４２に液水が浸入すると、液水は、第２マニホールド４２の重力方向の下側の底面（図６の底面１４２ｂあるいは図７の底面２４２ｂ）に沿って流れる。（ｉ）に示すように、第２流路口２２０ａｏ〜２２０ｃｏのうち最も高い位置の第２流路口１２０ｃｏが、第２流路口１２０ａｏ〜１２０ｆｏのうち最も高い位置の第２流路口１２０ｆｏに対して鉛直方向下側に配置されていると、液水は、発電ユニット１００の第２流路１２０ａ〜１２０ｆよりもダミーユニット２００の第２流路２２０ａ〜２２０ｃに流れやすくなる。その結果、液水は、発電ユニット１００の中央領域１５０よりもダミーユニット２００の中央領域２５０に移動し易く、ダミーユニット２００を越えて隣接する発電ユニット１００の中央領域１５０へ移動する液水の移動量が少なくなり、特定の発電ユニットに浸入する液水を抑制できる。
（ｉ）の構成によれば、第２マニホールド４２に液水が浸入すると、ダミーユニット２００の第２流路口２２０ａｏ〜２２０ｃｏが、発電ユニット１００の第２流路口１２０ｄｏ〜１２０ｆｏよりも鉛直方向のより低い位置に設けられているので、先に閉塞される。その結果、第２マニホールド４２と中央領域２５０との圧力差によって、液水が第２流路２２０ａから２２０ｃを通りダミーユニット２００の中央領域２５０に移動し易くなる。
なお、（ｉ）を満たすためには、以下のいずれかを満たせばよい。
（ａ）ダミーユニット２００の第２開口２４２の底面２４２ｂから、第２流路口２２０ｃｏの鉛直方向の最も高い位置Ｐ３までの高さＨ３が、発電ユニット１００の第２開口１４２の底面１４２ｂから第２流路口１２０ｆの鉛直方向の最も高い位置Ｐ１までの高さＨ１よりも低い。
（ｂ）ダミーユニット２００の第２開口２４２の底面２４２ｂから、第２流路口２２０ｃｏの鉛直方向の最も高い位置Ｐ３までの高さＨ３が、発電ユニット１００の第２開口１４２の底面１４２ｂから第２流路口１２０ｆの鉛直方向の最も低い位置Ｐ２までの高さＨ２よりも低い。
なお、（ｂ）を満たせば、必然的に（ａ）も満たす。
（ｉｉ）に示すように、ダミーユニット２００の第２流路口２２０ａｏ〜２２０ｃｏの全てが、第２開口２４２の鉛直方向の高さＨ０の１／２よりも低い位置で第２開口２４２に接続されており、発電ユニット１００の第２流路口１２０ａｏ〜１２０ｆｏのうちの少なくとも１つが、第２開口１４２の鉛直方向の高さＨ０の１／２よりも高い位置で第２開口１４２に接続されていると、（ｉ）と同様に、第２マニホールド４２と中央領域２５０との圧力差によって、液水は、発電ユニット１００の第２流路１２０ａ〜１２０ｆよりもダミーユニット２００の第２流路２２０ａ〜２２０ｃに流れやすくなる。その結果、液水は、発電ユニット１００の中央領域１５０よりもダミーユニット２００の中央領域２５０に移動し易く、ダミーユニット２００を越えて隣接する発電ユニット１００の中央領域１５０へ移動する液水の移動量が少なくなり、特定の発電ユニットに浸入する液水を抑制できる。
さらに（ｉｉ）を満たすと、第２開口２４２の鉛直方向の高さＨ０の１／２よりも高い位置からダミーユニット２００の中央領域２５０に至る流路が存在しないため、反応ガスが、ダミーユニット２００の中央領域２５０に流れにくく、反応ガスの無駄を抑制できる。
なお、（ｉｉ）を満たせば、必然的に（ｉ）も満たし、さらに、反応ガスの無駄を抑制できる点で好ましい。だたし、液水の移動を考慮すれば、（ｉ）を満たせば十分であり（ｉｉ）を満たすことは、より好ましいが必須ではない。また、（ｉｉ）において、第２開口２４２の鉛直方向の高さＨ０の１／２としたのは、例示であり、高さＨ０の１／３でも、２／３でも、１／４でもよい。任意の０以上の高さを基準にできる。すなわち、ダミーユニット２００の第２供給流路口２２０ａｏ〜２２０ｃｏの全ては、第２開口２４２の鉛直方向下側の底面から予め定められた高さよりも低い位置で第２開口２４２に接続され、発電ユニット１００の第１供給流路口１２０ａｏ〜１２０ｆｏのうちの少なくとも１つは、予め定められた高さよりも高い位置で第２開口１４２に接続されていればよい。例えば、この予め定められた高さは、ダミーユニット２００の第２供給流路口２２０ａｏ〜２２０ｃｏの最も高い位置点Ｐ３の高さＨ３とすればよい。なお、高さＨ３は、小さいほど好ましい。高さＨ３が小さいほど、ダミーユニット２００の第２流路２２０が、発電ユニット１００の第２流路１２０よりも先に閉塞される。その結果、第２マニホールド４２と中央領域２５０との圧力差によって、液水が第２流路２２０ｇを通りダミーユニット２００の中央領域２５０に移動し易くなる。
（ｉｉｉ）に示すように、ダミーユニット２００の第２流路２２０ａ〜２２０ｃが、発電ユニット１００の第２流路１２０ａ〜１２０ｆの鉛直方向の上側から３つの第２流路１２０ｄ〜１２０ｆを除いた形状に対応する構成を有していると、必然的に（ｉ）の要件を満たす。従って、（ｉ）と同様に、液水は、発電ユニット１００の第２流路１２０ａ〜１２０ｆよりもダミーユニット２００の第２流路２２０ａ〜２２０ｃに流れやすくなる。その結果、液水は、発電ユニット１００の中央領域１５０よりもダミーユニット２００の中央領域２５０に移動し易く、ダミーユニット２００に隣接する発電ユニット１００の中央領域１５０へ移動する液水の移動量が少なくなり、特定の発電ユニットに浸入する液水を抑制できる。なお、本実施形態では、発電ユニット１００の第２流路の数は６であり、ダミーユニット２００の第２流路２２０の数は３であるが、発電ユニット１００の第２流路の数が２以上有れば、（ｉｉｉ）を満たすようにできる。また、発電ユニット１００を設計した後、第２流路１２０ｄ〜１２０ｆに対応する構成を除けばダミーユニット２００を設計できるので、設計コストを低減できる。
なお、（ｉｉｉ）を満たすと、ダミーユニット２００は、発電ユニット１００と比較すると、第２開口２４２の鉛直方向の上位において、ダミーユニット２００の中央領域２５０に至る流路が存在しないため、反応ガスが、ダミーユニット２００の中央領域２５０に流れにくく、反応ガスの無駄を抑制できる。また、上述したように、（ｉｉｉ）を満たせば、必然的に（ｉ）も満たし、反応ガスの無駄を抑制できる点でより好ましいが、液水の移動を考慮すれば、（ｉ）を満たせば十分であり（ｉｉｉ）まで満たすことは必須ではない。
（ｉｖ）に示すように、ダミーユニット２００の第２流路２２０ａ〜２２０ｃの流路断面積の和（Ｓｄａ＋Ｓｄｂ＋Ｓｄｃ）は、発電ユニット１００の第２流路１２０ａ〜１２０ｆの流路断面積の和（Ｓｇａ＋Ｓｇｂ＋Ｓｇｃ＋Ｓｇｄ＋Ｓｇｅ＋Ｓｇｆ）よりも小さくすると、ダミーユニット２００の中央領域２５０へ反応ガスが流れるときの圧力損失を発電ユニット１００の中央領域１５０へ反応ガスが流れるときの圧力損失よりも大きくできる。その結果、ダミーユニットに反応ガスが流れるのを抑制できる。なお、第２流路２２０ａ〜２２０ｃの流路断面積の和が、第２流路１２０ａ〜１２０ｆの流路断面積の和よりも小さければよく、対応する流路の流路断面積、例えばＳｄａとＳｇａ、ＳｄｂとＳｇｂ、ＳｄｃとＳｇｃは、それぞれ等しくなくてもよい。なお、（ｉ）を満たせば、（ｉｖ）を満たさなくてもよい。
ダミーユニット２００の第２流路２２０ａ〜２２０ｃの各々の流路断面積や発電ユニット１００の第２流路１２０ａ〜１２０ｆの各々の流路断面積がほぼ等しいとすると、流路断面積の和は、第２流路の数に比例する。（ｖ）に示すように、ダミーユニット２００の第２流路２２０ａ〜２２０ｃの数（３個）を、発電ユニット１００の第２流路１２０ａ〜１２０ｆの数（６個）よりも少なくすると、ダミーユニット２００の第２流路２２０ａ〜２２０ｃの数の流路断面積の和も、発電ユニット１００の第２流路１２０ａ〜１２０ｆの流路断面積の和よりも少なくなる。その結果、（ｉｖ）と同様に、ダミーユニット２００の中央領域２５０へ反応ガスが流れるときの圧力損失が発電ユニット１００の中央領域１５０へ反応ガスが流れるときの圧力損失よりも大きく、ダミーユニットに反応ガスが流れるのを抑制できる。（ｉ）を満たせば、（ｖ）を満たさなくてもよい。
・第２実施形態：
図８は、第２実施形態のダミーユニット２００を模式的に示す平面図である。第１実施形態との違いは、第２実施形態では、ダミーユニット２００は、第２流路２２０として、1つの第２流路２２０ｇが第２開口２４２の重力方向の下方の底面２４２ｂに接続されている点である。なお、第２流路２２０ｇは、図８に示す例では折れ曲がっているが、第１実施形態の図４の第２流路２２０ａのような真っ直ぐな形状であってもよい。この場合、発電ユニット１００から第２流路１２０ａ以外の他の第２流路１２０ｂ〜１２０ｆを除いた構成となる。
第２実施形態では、第２流路２２０ｇの第２流路口２２０ｇｏは、第２開口２４２の底面２４２ｂと同一高さであり、Ｈ３＝０である。よって、第１実施形態で説明した（ｉ）を満たす。したがって、第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、液水をダミーユニット２００の中央領域２５０に移動させ易くなり、発電ユニット１００の中央領域１５０への水の浸入を抑制できる。また、１つしかない第２流路２２０ｇの第２流路口２２０ｇｏを閉塞する。その結果、第２マニホールド４２と中央領域２５０との圧力差によって、液水が第２流路２２０ｇを通りダミーユニット２００の中央領域２５０に移動し易くなる。従って、第１実施形態よりもさらに液水がダミーユニット２００の中央領域２５０に移動し易い。その結果、ダミーユニット２００に隣接する発電ユニット１００の中央領域１５０へ液水の移動量がさらに少なくなり、特定の発電ユニット１００に浸入する液水を抑制できる。
底面２４２ｂには、１つの第２流路２２０ｇのみが接続されているので、ダミーユニット２００へ反応ガスが流れるルートがなく、第２流路２２０の合計の流路断面積がさらに小さくなっているので、反応ガスは、ダミーユニット２００の中央領域２５０に入り難くなり、反応ガスの無駄をさらに省くことができる。
なお、第１、第２実施形態では、アノードガスを供給する第２流路１２０、２２０を例にとって、説明したが、カソードガスを供給する第１流路１１０、２１０についても同様の構成を採用できる。この場合、特許請求の範囲の第１供給流路が発電ユニット１００の第１流路１１０に対応し、第２供給流路がダミーユニット２００の第１流路２１０に対応する。
・他の実施形態１：
図９は、他の実施形態１のダミーユニット２００の第２流路２２０ｃに沿った断面図である。図１０は、図９のＤ−Ｄ断面を示す説明図である。第１、第２実施形態との違いは、第１、第２実施形態では、第２流路２２０は、樹脂フレーム２６０に形成された溝２６１により形成されているが、変形例では、セパレータプレート２７０に形成された流路形成部２７３により形成されている点である。なお、図示しないが、ダミーユニット２００の第１流路２１０は、セパレータプレート２８０に形成された流路形成部により形成されている。ダミーユニット２００の第３流路２３０、第４流路２４０についても同様である。発電ユニット１００についても同様である。このように、樹脂フレーム２６０、１６０の溝２６１、１６１ではなく、セパレータプレートを用いて、第１〜第４流路を形成してもよい。但し、第１、第２実施形態のように、樹脂フレーム２６０，１６０の溝２６１，１６１を用いて第１〜第４流路を形成すると、発電ユニット１００のセパレータプレート１７０，１８０と、ダミーユニット２００のセパレータプレート２７０，２８０を共用でき、別個に準備する必要が無い。その結果、セパレータプレート１７０，２７０の金型を共用でき、セパレータプレート１８０、２８０の金型を共用できるので、製造コストを下げることができるというメリットがある。
・他の実施形態２：
上記第１、第２実施形態では、樹脂フレーム２６０に溝２６１を形成して反応ガスの導入流路や導出流路を形成した。樹脂フレームは、射出成型により成型されてもよく、基材とその両面に接着された接着シートを用いて形成されてもよい。
・他の実施形態３：
上記説明した各実施形態では、鉛直方向の最上位の第２流路口１２０ｆｏ，２２０ｃｏの位置について説明し、鉛直方向の最下位の第２流路口１２０ａｏ，２２０ａｏの位置については特に説明していなかったが、ダミーユニット２００の第２流路口２２０ａｏを、発電ユニット１００の第２流路口１２０ａｏよりも鉛直方向下方に設けてもよい。ここで、ダミーユニット２００の第２流路口２２０ａｏを、発電ユニット１００の第２流路口１２０ａｏよりも鉛直方向下方に設けるとは、ダミーユニット２００の第２流路口２２０ａ０の最も低い位置が、発電ユニット１００の第２流路口１２０ａｏの最も低い位置よりも鉛直方向下方に存在すればよい。なお、ダミーユニット２００の第２流路口２２０ａ０の最も低い位置が、発電ユニット１００の第２流路口１２０ａｏの最も高い位置よりも鉛直方向下方に存在すれば、より好ましい。この実施形態では、液水は、重力により、より低い位置にあるダミーユニット２００の第２流路口２２０ａ０から中央領域２５０に流れやすいので、ダミーユニット２００に隣接する発電ユニット１００の中央領域１５０へ液水の移動量がさらに少なくなり、特定の発電ユニット１００に浸入する液水を抑制できる。なお、ダミーユニット２００の鉛直方向最上位に存在する第２流路口が、発電ユニット１００の鉛直方向の最下位の第２流路口１２０ａｏよりも鉛直方向下方に存在すると、より好ましい。液水が、発電ユニット１００の鉛直方向の最下位の第２流路口１２０ａｏに達するときには、ダミーユニット２００の第２流路口は、確実に液水で閉塞されるので、液水をダミーユニット２００の中央領域２５０に移動させ易い。その結果、ダミーユニット２００に隣接する発電ユニット１００の中央領域１５０へ液水の移動量をさらに少なくでき、特定の発電ユニット１００に浸入する液水を抑制できる。
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。
３…断面を示す符号
５…断面を示す符号
１０…燃料電池スタック
４１〜４６…マニホールド
１００…発電ユニット
１１０…第１流路
１２０，１２０ａ〜１２０ｆ…第２流路
１２０ａｏ〜１２０ｆｏ…第２流路口
１３０…第３流路
１４０…第４流路
１４１〜１４６…第１から第６開口
１４２ｂ…底面
１５０…中央領域
１５０ｏ…中央
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…樹脂フレーム
１６１…溝
１７０…セパレータプレート
１７１…受け部
１８０…セパレータプレート
１８１…突出部
２００…ダミーユニット
２１０…第１流路
２２０，２２０ａ〜２２０ｃ，２２０ｇ…第２流路
２２０ａｏ〜２２０ｃｏ，２２０ｇｏ…第２流路口
２３０…第３流路
２４０…第４流路
２４１〜２４６…第１から第６開口
２４２ｂ…底面
２５０…中央領域
２５０ｏ…中央
２５５…アノードガス拡散層
２５６…カソードガス拡散層
２６０…樹脂フレーム
２６１…溝
２７０…セパレータプレート
２７１…受け部
２７３…流路形成部
２８０…セパレータプレート
２８１…突出部
２９０…金属板
３００，３１０…集電板
３２０，３３０…絶縁板
３４０，３５０…エンドプレート
Ｈ０,Ｈ１,Ｈ２,Ｈ３…高さ
Ｐ１,Ｐ２,Ｐ３…位置
Ｓｄａ、Ｓｄｂ、Ｓｄｃ、Ｓｇａ、Ｓｇｂ、Ｓｇｃ、Ｓｇｄ、Ｓｇｅ、Ｓｇｆ…流路断面積

Claims (5)

  1. 反応ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックであって、
    前記反応ガスが流れる中央領域が発電用の領域である複数の発電ユニットを積層し、
    前記反応ガスが流れる中央領域が発電を目的としない領域であるダミーユニットを、積層された前記複数の発電ユニットの積層端部であって、少なくともいずれか一方側の積層端部に設け、
    前記複数の発電ユニットと前記ダミーユニットとの前記中央領域の外側であって、前記中央領域の中央よりも鉛直方向で上方に、前記複数の発電ユニットと前記ダミーユニットとが積層された状態で反応ガス供給マニホールドを形成する開口をそれぞれ設け、
    前記発電ユニットは、前記開口から前記中央領域に至る１つ以上の第１供給流路を備え、
    前記ダミーユニットは、前記開口から前記中央領域に至る１つ以上の第２供給流路を備え、
    前記ダミーユニットにおいて前記第２供給流路が前記開口と接続される第２供給流路口のうち鉛直方向で最も高い位置の第２供給流路口は、前記発電ユニットにおいて前記第１供給流路が前記開口と接続される第１供給流路口のうち鉛直方向で最も高い位置の第１供給流路口に対して鉛直方向下側に配置されている、
    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２供給流路口の全ては、前記開口の鉛直方向下側の底面から前記開口の鉛直方向の予め定められた高さよりも低い位置で前記開口に接続されており、
    前記第１供給流路口のうちの少なくとも１つは、前記予め定められた高さよりも高い位置で前記開口に接続されている、
    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、
    前記第２供給流路の流路断面積の和は、前記第１供給流路の流路断面積の和よりも小さい、
    燃料電池スタック。
  4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池スタックであって、
    前記第２供給流路の数は、前記第１供給流路の数よりも少ない、
    燃料電池スタック。
  5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池スタックであって、
    前記発電ユニットは、前記第１供給流路を２つ以上有し、
    前記第２供給流路は、前記発電ユニットにおける前記第１供給流路の鉛直方向の上側から前記第１供給流路の一部を除いた形状に対応する構成を備える、
    燃料電池スタック。
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