(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子膜の両面にガス拡散電極をそれぞれ配置した膜電極複合体と、燃料ガスおよび酸化剤ガスを前記ガス拡散電極にそれぞれ供給する複数の燃料ガス供給溝および複数の酸化剤ガス供給溝を両面に設けた反応ガス供給セパレータとを交互に複数積層した構造であり、前記燃料ガスに水を供給する水供給手段を設けた固体高分子型燃料電池スタックにおいて、
前記水供給手段は、
内部に水が流通する水供給マニホールドと連結され、
前記反応ガス供給セパレータにおける燃料ガス供給溝の裏面側に形成されて前記水供給マニホールドと連通する水供給溝と、
前記反応ガス供給セパレータにおける燃料ガス供給溝の裏面側に形成されて前記水供給溝に連通するバッファ部と、
前記反応ガス供給セパレータを貫通して、前記バッファ部と前記各燃料ガス供給溝の燃料ガス導入部をつなぐ連通孔と、
前記バッファ部内に配置され、前記連通孔に対応した位置に配置した板状またはシート状の多孔質体とからなり、
前記水供給溝から前記バッファ部に供給した水を前記多孔質体の平面方向に流通させた後に前記連通孔を通過させて前記燃料ガス供給溝に供給するように構成したことを特徴とする固体高分子型燃料電池スタック。
【請求項２】
前記多孔質体は親水性の材料からなることを特徴とする請求項１記載の固体高分子型燃料電池スタック。
【請求項３】
前記バッファ部に前記多孔質体を固定する係止部を設けたことを特徴とする請求項１または２記載の固体高分子型燃料電池スタック。
【請求項４】
前記水供給溝および前記バッファ部には前記多孔質体に接して水不透過性の蓋を設けたことを特徴とする請求項１、２または３記載の固体高分子型燃料電池スタック。
【請求項５】
前記水不透過性の蓋は、電池スタック締め付け状態において水供給溝およびバッファ部でたわみを生じない程度の剛性を有した板からなり、前記多孔質体に接する面と反対側の面に電池スタック締め付け状態において圧縮変形する弾性シートを配置したことを特徴とする請求項４記載の固体高分子型燃料電池スタック。
【請求項６】
前記水不透過性の蓋と前記弾性シートとを予め接着したことを特徴とする請求項５記載の固体高分子型燃料電池スタック。
【請求項７】
前記膜電極複合体および前記反応ガス供給セパレータを鉛直方向に立てて配置し、
前記連通孔を前記反応ガス供給セパレータに複数形成し、
前記連通孔はすべて水平方向にほぼ同一高さに設けたことを特徴とする請求項１、２、３、４、５または６記載の固体高分子型燃料電池スタック。
【請求項８】
前記反応ガス供給セパレータには前記バッファ部よりも低い位置に前記水供給溝に水を供給する水供給マニホールドを配置したことを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６または７記載の固体高分子型燃料電池スタック。
【請求項９】
前記燃料ガス供給溝の燃料ガス導入部には前記連通孔を通過した水を前記燃料ガス供給溝まで導くガイド溝を、前記燃料ガス供給溝とずらして設けたことを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７または８記載の固体高分子型燃料電池スタック。
【請求項１０】
前記バッファ部に連結して気抜き孔を設け、この気抜き孔を選択的に大気開放または閉塞する孔開閉手段を設けたことを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８または９記載の固体高分子型燃料電池スタック。
【請求項１１】
前記孔開閉手段は管の内部に気抜きする液体よりも比重が小さいフロートを設け、
前記管における前記フロートの上方に、該フロートが直接的または間接的に接して閉じる開口部を形成した気抜きバルブであることを特徴とする請求項１０記載の固体高分子型燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子膜を電解質として用いた固体高分子型燃料電池スタックに係り、特に、燃料ガスに水を供給することによる潜熱冷却方式を採用した固体高分子型燃料電池スタックにおいて各単位電池へ燃料ガスと水の混合流体を均等に配流する電池スタック構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、固体高分子型燃料電池は電解質としてプロトン伝導性を有する固体高分子膜を用いた燃料電池であり、コンパクトな構造で高出力密度が得られ、かつ簡略なシステムで運転が可能なことから、定置用分散電源だけでなく宇宙用や移動用などの電源としても注目を集めている。従来の固体高分子型燃料電池では、例えば図１８の分解断面図に示すように、固体高分子膜１の両面にガス拡散電極２ａ，２ｂをそれぞれ配置した膜電極複合体３と、燃料ガスおよび酸化剤ガスを前記ガス拡散電極２ａ，２ｂにそれぞれ供給する反応ガス供給セパレータ５と、該セパレータ５の周縁部に配置されたパッキン６とからなる単位電池７が、図１９の断面図に示すように複数積層されて燃料電池スタック１０が構成されている。
【０００３】
固体高分子膜１としては、プロトン交換膜であるパーフルオロカーボンスルホン酸が一般的に用いられる。また、ガス拡散電極２ａ，２ｂとしては白金等を触媒とする触媒層を形成したカーボン多孔質板が一般的に用いられている。ガス拡散電極２ａ，２ｂのうち、水素などの燃料ガスが供給される側が燃料極（アノード）２ａ、空気などの酸化剤ガスが供給される側が酸化剤極（カソード）２ｂである。燃料極２ａに水素を主成分する燃料ガスを、酸化剤極２ｂに空気などの酸化剤ガスをそれぞれ供給すると、膜電極複合体３における一対の電極２ａ，２ｂで下記の電気化学反応が進行し、電極２ａ，２ｂ間で１Ｖ程度の起電力が生じることになる。
【化１】
燃料極      ：  ２Ｈ２ →４Ｈ+ ＋４ｅ-                  （式１）
【化２】
酸化剤極    ：  Ｏ２ ＋４Ｈ+＋４ｅ- →２Ｈ２ Ｏ        （式２）
【０００４】
燃料極２ａの触媒層では（式１）に示すように、供給した水素は水素イオンと電子に解離する。水素イオンは固体高分子膜１を通って、電子は外部回路を通ってそれぞれ酸化剤極２ｂに移動する。一方、酸化剤極２ｂの触媒層では（式２）に示すように、供給した酸化剤ガス中の酸素と上記の水素イオンおよび電子が反応して水を生成する。このとき、外部回路を通った電子は電流となり電力を供給することができる。なお、（式１）、（式２）の反応により生成した水は、電池で消費されなかったガス（既反応ガス）と共に電池外に排出される。
【０００５】
また、固体高分子膜１は燃料極２ａと酸化剤極２ｂに供給される反応ガスの混合を防ぐ役割もあるため、その面積は通常電極２ａ，２ｂの面積よりも大きく設定されている。また、膜電極複合体３および反応ガス供給セパレータ５には反応ガスが単位電池７の積層方向に流れるように、マニホールド８ａ，８ｂと呼ばれる貫通孔が設けられている。このうち８ａが反応ガスを各単位電池７に供給するための反応ガス供給マニホールド、８ｂが各単位電池７から既反応ガスを排出するための反応ガス排出マニホールドとなっている。
【０００６】
膜電極複合体３から電流を取り出すためには、反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスを各電極２ａ，２ｂにそれぞれ供給する必要があると同時に、集電体としての機能を持った部品が各電極２ａ，２ｂに隣接した状態で存在しなければならない。そこで膜電極複合体３に隣接して配置される反応ガス供給セパレータ５は、各電極２ａ，２ｂに反応ガスを供給するだけではなく、集電体としての機能を兼ねている。
【０００７】
各電極２ａ，２ｂに反応ガスを供給する構成としては、反応ガス供給セパレータ５において燃料極２ａと向い合う面には燃料極２ａに燃料ガスを供給する燃料ガス供給溝９ａが形成され、酸化剤極２ｂと向い合う面には酸化剤極２ｂに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給溝９ｂが形成されている。これらの供給溝９ａ，９ｂの一端部には前記反応ガス供給マニホールド８ａが、他端部には前記反応ガス排出マニホールド８ｂがそれぞれ連通されている。
【０００８】
燃料電池スタック１０により発電を行うと、上記（式１）、（式２）の反応に伴い単位電池７において反応熱が発生する。単位電池７を複数積層してなる燃料電池スタック１０では発熱量が大きくなるので、安定に発電を継続するためには冷却手段の設置が不可欠である。従来では単位電池７間に冷却板を挿入し、これに純水や不凍液等の冷媒を流通することにより燃料電池スタック１０の冷却を行っている。
【０００９】
一方近年では、反応ガス供給セパレータ５の燃料ガス供給溝９ａに燃料ガスと水の混合流体を流すことにより、固体高分子膜１を通して燃料極２ａから酸化剤極２ｂに移動した水と、酸化剤極２ｂにて電池反応により生成した水とを蒸発させて単位電池７を冷却する、いわゆる潜熱冷却方式が検討されている。潜熱冷却方式を採用した燃料電池スタック１０では、燃料極２ａに燃料ガスと水の混合流体を、酸化剤極２ｂに水蒸気未飽和の空気をそれぞれ供給して発電する。その際、燃料ガス中の水量は酸化剤極２ｂ側で蒸発する量よりも過剰とする。
【００１０】
このような酸化剤極２ｂでは、発電による生成水だけでなく、燃料極２ａ側から高分子膜１を通過して酸化剤極２ｂ側に移動した水も蒸発する。酸化剤極２ｂで蒸発する水は多量の蒸発潜熱を吸収できることから単位電池７の冷却が可能となる。以上の潜熱冷却方式の燃料電池スタック１０によれば、冷却板を省略でき、多量の冷却水を循環する必要がない。したがって、燃料電池スタック１０の冷却を確保しつつ、スタック１０自体およびこれを用いた発電システムをコンパクト化・軽量化できるといったメリットがある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
複数の単位電池７を積層してなる燃料電池スタック１０においては、反応ガス供給セパレータ５が各電極２ａ，２ｂに反応ガスを均一に供給することが重要となる。特に、潜熱冷却方式を採用した電池スタック１０では、反応ガス供給セパレータ５の燃料ガス供給溝９ａが燃料極２ａに燃料ガスと水の混合流体を供給する必要があることから、燃料ガスおよび水の均一配流が重要となる。すなわち、燃料極２ａに対する燃料ガスおよび水の配流が不均一になると、この燃料極２ａを含む単位電池７の電池特性が低下するおそれがある。
【００１２】
具体的には、燃料ガスの配流ばらつきが大きくなり十分な燃料ガスが供給されない単位電池７があれば、その電池特性は低下し、場合によっては燃料極２ａに電食が発生して発電が不可能となる。また、水の配流ばらつきが大きくなり十分な水が供給されない単位電池７があれば、潜熱冷却の能力が低下してその単位電池７の冷却が不十分となり、温度が上昇することになる。この結果、電池特性は低下し、場合によっては発電が不可能となる。
【００１３】
燃料ガスおよび水の配流のばらつきは燃料ガスへの水の供給方法に大きく依存する。これまでに、水の供給方法に関していくつかの技術が公開されているが、燃料電池スタック１０の各単位電池７への均一配流が考慮されていない点が問題となっている。例えば、特開平１−１４０５６２号公報ではアスピレータ効果により噴霧器にて霧状の水を燃料極に供給しているが、配管中または反応ガス供給セパレータの中で霧状の水は凝集し液滴となり二相流となる。したがって、各単位電池に燃料ガスと水の混合流体を均一に配流することは困難である。特に発熱量が大きくなる高負荷電流ほど均一配流は難しくなる。
【００１４】
特公平７−９５４４７号公報では、燃料極に多孔質性のプレートを配置し、このプレートに水を圧入することにより燃料極から固体高分子膜に水を供給すると共に、過剰の水を燃料ガス中に蒸発させその蒸発潜熱により電池スタックを冷却する方法が開示されている。しかしながらこの技術では、燃料ガスと供給水の微細な圧力差を制御しなくてはならない。そのため、水量の供給調整が難しく、各単位電池に水を均一に配流することは困難である。
【００１５】
特開平５−４１２３０号公報では、燃料ガスが流通する溝を形成した燃料極（リブ付き電極）のリブ部に水を供給することにより固体高分子膜に水を供給する方法が開示されている。この方法ではリブ付き電極の気孔部への水のウイッキング現象を利用しているため、単位電池に比較的均一に水を配流することができる。しかしながら、電池スタック全体の発熱を潜熱冷却できる程度の量の水をリブ部に供給する場合は、リブ付き電極の多くの気孔部は水で満たされることになる。本来、燃料ガスはリブ付き電極の気孔部を通じて燃料極の触媒層に拡散する必要があるが、気孔部に水が満たされている場合には、燃料ガスの拡散が阻害されること（フラッディング現象）により電池電圧は低下する。このため、供給する水量を多くすると、燃料電池スタックを安定して運転することが困難となる。よって上記の方法では燃料電池スタックの潜熱冷却は期待できない。
【００１６】
特開平７−２２０７４６号公報では、反応ガス供給溝を設けたセパレータに加湿水供給用ヘッダと加湿水注入管を設けることにより、反応ガスに水を供給する方法が開示されている。この方式ではガス供給溝に直接水を供給することからセパレータ面内では比較的均一に水を配流することができる。しかし、多数の単位電池を積層した燃料電池スタックにおける各単位電池への均一配流に関する技術は開示されていない。
【００１７】
また、マニホールドに加湿水供給用ヘッダと加湿水注入管を設け、この注入管と反応ガス供給溝を連結するには高い位置合わせ精度が要求される。したがって、製造コストが高くなるという欠点がある。しかも、燃料電池スタックは多数の膜電極複合体や反応ガス供給セパレータ等を積層して構成するので、積層時の位置合わせにばらつきがあると、反応ガスや水の配流ばらつきに大きな影響を与える。それゆえ、高い積層位置精度が要求されており、積層に要する作業コストは高い。このような作業コストの高騰は上記の方式に限らず燃料電池スタック全般で問題となっている。
【００１８】
さらに、上記の方式では燃料電池スタックを固定して発電する場合には均一配流が可能でも、燃料電池スタックの設置角度に傾きが生じた場合や振動が生じた場合等に、燃料ガスに供給する水の配流が不均一となる。この結果、各単位電池の潜熱冷却量に分布が生じて各単位電池の電池特性が低下する。特に、燃料電池を車移動用として使用する場合には、燃料電池スタックの傾きおよび振動を避けることができないため、安定した発電が困難になる。
【００１９】
また、燃料ガスに供給する水の中に気泡が入ると、水の配流が不均一となり、各単位電池の電池特性が低下する。したがって、燃料ガスに供給する水の気抜き作業を行うことが重要である。このため、気抜き装置は不可欠であり、構成の簡略化が求められている。なお、気抜き装置は燃料電池スタックに限らず、広く用いられており、その改良は常に要請されている。
【００２０】
本発明は以上の従来技術の持つ課題を解決するために提案されたものであり、その目的は、単位電池を複数積層してなる潜熱冷却方式の燃料電池スタックにおいて各単位電池に燃料ガスと水の混合流体を均等に配流して電池特性の安定化を図ると共に製作コストおよび積層作業のコストを抑えて安価な固体高分子型燃料電池スタックを提供することである。
また、本発明の他の目的は、燃料電池スタックの設置角度に傾きが生じた場合や振動が生じた場合でも、各単位電池への燃料ガスと水の混合流体の均等配流を確実に実施できる信頼性の高い固体高分子型燃料電池スタックを提供することである。
さらに、本発明の他の目的は、簡単な構成で確実に気抜き作業を実施できる気抜きバルブを提供し、さらには、これを燃料電池スタックに適用して発電システムの簡略化や製造コストの削減を図ることにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、固体高分子膜の両面にガス拡散電極をそれぞれ配置した膜電極複合体と、燃料ガスおよび酸化剤ガスを前記ガス拡散電極にそれぞれ供給する燃料ガス供給溝および酸化剤ガス供給溝を両面に設けた反応ガス供給セパレータとを交互に複数積層した構造であり、前記燃料ガスに水を供給する水供給手段を設けた固体高分子型燃料電池スタックにおいて、次のような技術的な特徴を有している。以下に請求項毎にその構成と作用を説明する。
【００２２】
請求項１の発明では、前記水供給手段は、内部に水が流通する水供給マニホールドと連結され、前記反応ガス供給セパレータにおける燃料ガス供給溝の裏面側に形成されて前記水供給マニホールドと連通する水供給溝と、前記反応ガス供給セパレータにおける燃料ガス供給溝の裏面側に形成されて前記水供給溝に連通するバッファ部と、前記反応ガス供給セパレータを貫通して、前記バッファ部と前記各燃料ガス供給溝の燃料ガス導入部をつなぐ連通孔と、前記バッファ部内に配置され、前記連通孔に対応した位置に配置した板状またはシート状の多孔質体とからなり、前記水供給溝から前記バッファ部に供給した水を前記多孔質体の平面方向に流通させた後に前記連通孔を通過させて前記燃料ガス供給溝に供給するように構成したことを特徴とする。
【００２３】
以上の構成を有する請求項１の発明においては、燃料ガスが燃料ガス供給溝に配流された後、燃料ガス供給溝の燃料ガス導入部に対し連通孔を通して裏面側から水が供給されることになる。すなわち、燃料ガスと水は個別に燃料ガス供給溝に配流され、配流後に二相流となる。したがって、燃料ガスと水を二相流として燃料ガス供給溝に配流する場合と異なり、燃料ガスと水の混合比や流量に関係無く、燃料ガス供給溝に燃料ガスと水の混合流体を均一に配流することが可能となる。
【００２４】
また、水を連通孔に通過させる際、バッファ部に配置した多孔質体が水供給溝からの水を受け止め、平面方向に水を流通させてから連通孔へ水を導くので、少量の水を燃料ガス供給溝に供給する場合であっも連通孔の圧損を高くすることができる。したがって、各単位電池への水の均一配流が可能となる。なお、水供給溝は多孔質体平面方向に水を均等に供給するべく、水の流通方向の圧損を低下させる働きをしている。
【００２５】
上記の水供給手段を用いる請求項１の発明によれば、燃料電池スタックに傾きが生じたり、振動が加わったりしても、常に安定して燃料ガス供給溝に水を均一配流することができる。さらに、水供給手段を反応ガス供給セパレータに設けているため、反応ガス供給セパレータの成形時に水供給手段を同時成形できる。したがって、水供給手段を別途設ける必要が無く、製作コストが安価となる。また、膜電極複合体と反応ガス供給セパレータとの積層時の位置合わせのばらつきによる反応ガスや水の配流ばらつきへの影響が小さくなることから、積層位置精度の要求は低くなり、積層に要する作業コストを大幅に低減できる。
【００２６】
請求項２の発明は、請求項１記載の固体高分子型燃料電池スタックにおいて、前記多孔質体は親水性の材料からなることを特徴としている。
このような請求項２では、親水性材料の多孔質体を使用することにより、多孔質体中のガスを容易に水と置換することができる。そのため、均一流通の障害となる残留ガスを抜くガス抜き操作をあえて実施しなくても、水を供給した直後から多孔質体中の水の流れは均一となる。以上のことから、水供給直後にすばやく連通孔から燃料ガス供給溝へと水を均一に供給することができる。
【００２７】
請求項３の発明は、請求項１または２の固体高分子型燃料電池スタックにおいて、前記バッファ部に前記多孔質体を固定する係止部を設けたことを特徴とするものである。
以上の請求項３の発明では、係止部が多孔質体をバッファ部に固定するため、特別な位置決め治具を必要とすることなく、積層時の位置ずれを防止することができる。したがって、積層時間を短縮でき、積層作業コストの低減化が可能となる。
【００２８】
請求項４の発明は、請求項１、２または３記載の固体高分子型燃料電池スタックにおいて、前記水供給溝および前記バッファ部には前記多孔質体に接して水不透過性の蓋を設けたことを特徴とする。
以上の構成を有する請求項４の発明では、水不透過性の蓋は水供給溝およびバッファ部に供給した水が外部に漏れることを防止すると共に、多孔質体をバッファ部に保持することができる。このため、燃料電池スタックに振動が加わっても水を均等に連通孔から燃料ガス供給溝に配流することができる。
【００２９】
請求項５の発明は、請求項４記載の固体高分子型燃料電池スタックにおいて、前記水不透過性の蓋は、電池スタック締め付け状態において水供給溝およびバッファ部でたわみを生じない程度の剛性を有した板からなり、前記多孔質体に接する面と反対側の面に電池スタック締め付け状態において圧縮変形する弾性シートを配置したことを特徴とする。
【００３０】
以上の構成を有する請求項５の発明では、電池スタックを締め付けても水不透過性の蓋はその剛性により、たわみが生じることがなく、水供給溝またはバッファ部の空間が狭くなって水の配流に悪影響を与えるおそれがない。一方、剛性の高い水不透過性の蓋に対して強い締め付け力が加わっても、弾性シートが圧縮変形することによりその力を吸収する。そのため、前記蓋による反応ガス供給セパレータの割れを防ぐことができる。
【００３１】
請求項６の発明は、請求項５記載の固体高分子型燃料電池スタックにおいて、前記水不透過性の蓋と前記弾性シートとを予め接着したことを特徴とする。
このような請求項６の発明では、水不透過性の蓋と弾性シートとを予め接着するため、それらの位置ずれを防止できる。したがって、積層作業の効率が向上し、積層作業コストを低減することができる。
【００３２】
請求項７の発明は、請求項１、２、３、４、５または６記載の固体高分子型燃料電池スタックにおいて、前記膜電極複合体および前記反応ガス供給セパレータを鉛直方向に立てて配置し、前記連通孔を前記反応ガス供給セパレータに複数形成し、前記連通孔はすべてほぼ水平方向に同一高さに設けたことを特徴とする。以上の請求項７の発明では、反応ガス供給セパレータを鉛直方向に立てた状態で複数の連通孔を水平方向にほぼ同一高さとしているため、連通孔の高さによる圧損差をなくすことができる。したがって、連通孔を通過する水量のばらつきをなくして燃料ガス供給溝に水を均一に配流することができる。
【００３３】
請求項８の発明は、請求項１、２、３、４、５、６または７記載の固体高分子型燃料電池スタックにおいて、前記反応ガス供給セパレータには前記バッファ部よりも低い位置に前記水供給溝に水を供給する水供給マニホールドを配置したことを特徴とする。
【００３４】
上記の請求項８の発明では、水供給マニホールドがバッファ部よりも低い場所に位置するため、運転開始時に水供給マニホールドから水供給溝、さらにバッファ部へと水を供給すると、水はまず下部に位置する水供給マニホールドに満たされ、水供給溝、バッファ部と順次満たされていく。したがって、水供給マニホールドから連通孔に至る水の流路内を完全に水で満たすことができる。すなわち、水の配流を乱す要因となる気泡を、水の流路から完全に除去することができる。その結果、水の流路から気泡を抜く必要がなくなり、燃料ガス供給溝に水を均一配流する操作が容易となる。また、水供給マニホールドとバッファ部の高さ差分だけ水供給圧力を高くでき、燃料ガス供給溝への水配流が良好となる。
【００３５】
請求項９の発明は、請求項１、２、３、４、５、６、７または８記載の固体高分子型燃料電池スタックにおいて、前記燃料ガス供給溝の燃料ガス導入部には前記連通孔を通過した水を前記燃料ガス供給溝まで導くガイド溝を、前記燃料ガス供給溝とずらして設けたことを特徴としている。
【００３６】
以上のような請求項９の発明では、ガイド溝が燃料ガス供給溝とずれているので、ガイド溝により導かれた水は燃料ガス供給溝を形成する山部にぶつかり、山部の両側の溝に分流される。すなわち、１つの連通孔から出た水はガイド溝を通って隣接する２つの燃料ガス供給溝に流れることになる。このことにより、何らかの原因で１つの連通孔からの水供給が停止しても隣接する連通孔から水が供給されることにより、水供給が停止した連通孔の下流に位置する燃料ガス供給溝における供給水量の不足を補うことができ、より安定して発電することができる。
【００３７】
請求項１０の発明は、請求項１、２、３、４、５、６、７、８または９記載の固体高分子型燃料電池スタックにおいて、前記バッファ部に連結して気抜き孔を設け、この気抜き孔を選択的に大気開放または閉塞する孔開閉手段を設けたことを特徴とする。
【００３８】
以上の構成を有する請求項１０の発明では、燃料電池スタックへの水供給開始時に孔開閉手段が気抜き孔を大気開放して、バッファ部に残留する気体を抜くことができる。通常、燃料電池スタックの発電を停止したときには水の供給も停止する。この時に連通孔よりも下方にある水はそのまま保持されるが、それよりも上方にある水は連通孔を通して燃料ガス供給溝に排出される。上記の請求項１０の発明によれば、気抜き孔からバッファ部の残留気体を抜くので、連通孔よりも上方に存在する可能性のある気泡も確実に短時間で除去することができ、水均一配流の信頼性を向上することができる。
【００３９】
請求項１１の発明は、請求項１０記載の固体高分子型燃料電池スタックにおいて、前記孔開閉手段は管の内部に気抜きする液体よりも比重が小さいフロートを設け、前記管における前記フロートの上方に、該フロートが直接的にまたは間接的に接して閉じる開口部を形成した気抜きバルブであることを特徴とする。
【００４０】
このような請求項１１の発明において、燃料電池スタック内に水を供給すると、気抜き孔中の気泡は気抜き管を通って気抜きバルブまで到達し、開口部から電池スタック外に排出される。そして、気抜きバルブの管内部に水（気抜きする液体）が増えていくと、水がフロートを押し上げられていく。つまり、フロートは管内部を上昇していき、該フロートが直接的にまたは間接的に接して開口部を閉じる。したがって、開口部から水が溢れる心配がない。このことから、燃料電池スタックに上記の気抜きバルブを設置するだけで、燃料電池スタック内の気泡を抜くための特別な制御装置は必要なく、無操作にて燃料電池スタック内の気泡を自動的に抜くことができる。よって、燃料電池スタックを用いた発電システムの簡略化や、製造コストの削減に寄与することができる。
【００４３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の一例について図面を参照して具体的に説明する。なお、図１８および図１９に示した従来例と同一の部材に関しては同一符合を付し、説明は省略する。
【００４４】
（１）第１の実施の形態（請求項１、請求項３、請求項７、請求項８対応）
［構成］
第１の実施の形態における反応ガス供給セパレータ５の酸化剤ガス供給面を図１に示す。反応ガス供給セパレータ５はカーボン材料をモールド成形してなる。反応ガス供給セパレータ５の中央部には酸化剤ガスが流通するための酸化剤ガス供給溝９ｂを形成している。本実施の形態は電池スタック１０発電時に反応ガスセパレータ５を鉛直に立てて配置するようになっている。
【００４５】
反応ガス供給セパレータ５の周縁部において、上縁部に燃料ガス供給マニホールド１１ａおよび酸化剤ガス供給マニホールド１２ａ、下縁部に燃料ガス排出マニホールド１１ｂおよび酸化剤ガス排出マニホールド１２ｂ、図中の左縁部に水供給マニホールド１４をそれぞれ配置している。燃料ガス供給マニホールド１１ａに供給した燃料ガスは、酸化剤ガス供給面の裏面に形成した燃料ガス供給溝９ａを流通し、燃料ガス排出マニホールド１１ｂを通過して排出される。一方、酸化剤ガス供給マニホールド１２ａに供給した酸化剤ガスは酸化剤ガス供給溝９ｂを流通し、酸化剤ガス排出マニホールド１２ｂを通過して排出される。
【００４６】
また、反応ガス供給セパレータ５には燃料ガス供給溝９ａに水を供給するための水供給手段１３を設けている。第１の実施の形態の特徴はこの水供給手段１３の構成にある。水供給手段１３を説明する拡大図を図２に示す。水供給手段１３は、前記水供給マニホールド１４と水供給溝１５とバッファ部１７と１０個の連通孔１６と板状またはシート状の多孔質体２０とからなる。水供給手段１３は、図２中の点線矢印に示すように水供給マニホールド１４から水供給溝１５を経由してバッファ部１７に水を導き、多孔質体２０の平面方向に流通させた後に連通孔１６を通過させて、酸化剤ガス供給面裏側の燃料ガス供給溝９ａに供給するようになっている。
【００４７】
水供給溝１５は反応ガス供給セパレータ５の左縁部にてジクザグ形状をとり、反応ガス供給セパレータ５の角部分で上縁部側に延びている。バッファ部１７は水供給溝１５の端部から燃料ガス供給マニホールド１１ａ側に凸型となっている。反応ガスセパレータ５を鉛直に立てた際、バッファ部１７は水供給マニホールド１４よりも高い位置にある。バッファ部１７の両端部には多孔質体２０を固定する係止部１７ａを設けている。
【００４８】
連通孔１６は１０個が一直線上に並んでおり、バッファ部１７と燃料ガス供給溝９ａをつなぐように反応ガス供給セパレータ５を貫通している。多孔質体２０はすべての連通孔１６を覆うようにしてバッファ部１７に嵌め込んでいる。なお、バッファ部１７の形状は本実施の形態に限られるものではなく、多孔質体２０を固定できる形状なら良い。また、酸化剤ガスおよび水が反応ガス供給セパレータ５面内で混合するのを防止するために、酸化剤ガス供給溝９ｂと水供給手段１３との間にはパッキン６を配置している。
【００４９】
次に、反応ガス供給セパレータ５の燃料ガス供給面を図３を用いて説明する。反応ガス供給セパレータ５の中央部には燃料ガスが流通するための燃料ガス供給溝９ａを形成している。なお、図３に示す反応ガス供給セパレータ５は図１に示す反応ガス供給セパレータ５の裏面であるため、その周縁部に設けられた燃料ガスが流れるマニホールド１１ａ，１１ｂおよび酸化剤ガスが流れるマニホールド１２ａ，１２ｂならびに水供給マニホールド１４の位置は、図１と図３とでは左右が逆となっている。
【００５０】
反応ガス導入部１８の拡大図を図４に示す。燃料ガス導入部１８では燃料ガス供給溝９ａの溝底部に、酸化剤ガス供給面に設けられたバッファ部１７とつながる１０個の連通孔１６を設けている。また、前述したように本実施の形態は電池スタック１０発電時に反応ガスセパレータ５を垂直に立てて配置するので、連通孔１６はすべて水平方向に同一高さになるように設定している。燃料ガス供給マニホールド１１ａから分岐供給された燃料ガスと、水マニホールド１４から分岐供給された水は燃料ガス導入部１８で混合され、下流の燃料ガス供給溝９ａを二相流として流通する。なお、本実施の形態では連通孔１６をひと溝おきに１つ設けているが、連通孔の数、位置は制限されるものではない。
【００５１】
続いて、上記水供給手段１３の構造をさらに説明するため、図２におけるａ−ｂ断面図を図５に示す。バッファ部１７にはそれを埋めるように多孔質体２０を配置している。多孔質体２０としては気孔率６０％の多孔質カーボンを用いている。１９ａおよび１９ｂは膜電極複合体３の電極部材である燃料極サブストレートおよび酸化剤極サブストレートである。本実施の形態では、酸化剤極サブストレート１９ｂの一部および固体高分子膜１を延長し、水供給溝１５およびバッファ部１７を覆うようにしている。なお、酸化剤極サブストレート１９ｂの延長部ついては気孔率を低減してシール性を向上させている。図中の点線矢印に示すように水供給溝１５を流通する水はバッファ部１７に供給され、バッファ部１７に設置した多孔質体２０を面方向に通過した後、連通孔１６から裏面の燃料ガス供給溝９ａに供給される。
【００５２】
図６は上記の反応ガス供給セパレータ５および膜電極複合体３から構成される固体高分子型燃料電池スタックの分解斜視図である。反応ガス供給セパレータ５と膜電極複合体３を交互に積層し、端部には締め付け端板２１を配置して燃料電池スタック１０とする。締め付け端板２１には反応ガスまたは水を供給または排出するための給排口２２を設けている。なお、図中には端板の締め付け構造は記載していない。また、図では２枚の膜電極複合体を積層した構造であるが、本実施の形態では５０枚を積層して燃料電池スタックとしている。
【００５３】
［作用効果］
以上の第１の実施の形態では、水供給手段１３を反応ガス供給セパレータ５に設けているため、カーボン材料をモールド成形した反応ガス供給セパレータ５において、その成形時に反応ガスの供給溝と同時に水供給手段を成形できる。そのため、別途水供給手段を設ける必要が無く、従来の燃料電池スタック１０と比較して１／２程度の材料費にて水供給手段を含む燃料電池スタック１０の製作が可能となり、経済的に有利である。また、積層時の位置ばらつきの特別な品質管理を必要とせず、積層に要する時間を従来の３／４程度に削減でき、積層作業コストを大幅に低減できる。
【００５４】
上記の構成を有する第１の実施の形態において、供給水はまず締め付け端板２１より水供給マニホールド１４に供給され、水供給マニホールド１４から水供給溝１５、バッファ部１７と順次満たされていく。このとき、水供給マニホールド１４はバッファ部１７よりも下方に位置しているため、水供給マニホールド１４から連通孔１６に至るまでの水の流路内を完全に水で満たすことができる。
【００５５】
すなわち、水供給マニホールド１４をバッファ部１７よりも低い位置に配置することにより水供給溝１５およびバッファ部１７がすべて水に満たすことができる。このため、水の均一配流に悪影響を及ぼす気泡を完全に除去することができる。その結果、水の流路から気泡を抜く必要がなくなり、燃料ガス供給溝９ａに水を均一配流する操作が容易となる。また、水供給マニホールド１４とバッファ部１７の高さ差分だけ水供給圧力を高くでき、燃料ガス供給溝９ａへの水配流の均一性が良好となる。
【００５６】
バッファ部１７に供給された水は、多孔質体２０を面方向に通過した後に連通孔１６より燃料ガス供給溝９ａに供給される。連通孔１６は反応ガス供給セパレータ５を垂直に立てた時に水平方向に同一高さになるよう設定していることから、連通孔１６の高さによる圧損差をなく、連通孔１６に均等に水を配流できる。さらに、水が多孔質体２０を通過する時に圧力損失を生じるため、供給水の圧力を高くすることができ、連通孔１６の孔径や、孔位置に少しのばらつきが生じてもそれぞれの連通孔１６に均等に水を配流できる。なお、水供給溝１５は多孔質体２０の面方向に水を均等に供給するべく、水の流通方向の圧損を低下させる働きをしている。
【００５７】
第１の実施の形態によれば、このようにして供給水を燃料ガス供給溝９ａに均等に配流が可能となる。上記の燃料電池スタック１０を負荷電流密度０．５Ａ／ｃｍ２ の条件で運転し、供給水量は２０ｍｇ／ｃｍ２ 程度とした場合、水供給量のばらつきは±２０％以内に抑えることができた。これは電池スタック１０の各単位電池７を均等に潜熱冷却するために充分に小さなばらつきである。
【００５８】
一方、燃料ガスは締め付け端板２１より燃料ガスマニホールド１１ａに供給する。燃料ガスには水蒸気などが含まれる場合があるが、気体の単相であるため容易に燃料ガス供給溝９ａに均等に配流することができる。燃料ガス供給溝９ａにそれぞれ個別に配流された水および燃料ガスが、燃料ガス導入部１８で混合され二相流となり、燃料ガス供給溝９ａを流通する。
【００５９】
以上のことから、電池スタックに積層した膜電極複合体３の燃料極２ａに必要充分な水と燃料ガスの混合流体を供給することができる。なお、燃料ガスと水を二相流として燃料ガス供給溝９ａに配流する場合と異なり、負荷電流の増加などにより燃料ガスと水の混合比や流量が変化した場合でも、同様に均一な配流が可能である。
【００６０】
上記の条件（負荷電流密度０．５Ａ／ｃｍ２ 、供給水量２０ｍｇ／ｃｍ２ 程度）で燃料電池スタック１０を運転した場合、その運転温度は７６℃となった。このとき、５０セルの電池電圧ばらつきは±１％程度入以内であり、安定して発電することができた。また、燃料電池スタック１０を積層方向と反応ガス供給セパレータ５面方向にそれぞれ３０°の角度を設定したが、電池電圧のばらつきに影響は与えず、安定して運転が可能であった。しかも、自動車の振動を模擬した加振条件においても安定して運転が可能であった。このことは、燃料電池スタック１０に傾きが生じたり、振動が加わっても水と燃料ガスの混合流体を燃料ガス供給溝９ａに均一に配流できていることを示している。以上のことから、本実施の形態は移動用の燃料電池発電システムにも適用可能である。
【００６１】
（２）第２の実施の形態（請求項２対応）
［構成］
第２の実施の形態は、前記第１の実施の形態に示す構成と同様の固体高分子型燃料電池スタックにおいて、バッファ部１７に配置する多孔質体２０として親水性の高いカーボン材からなる不織布を用いたことを特徴としている。
【００６２】
［作用効果］
以上の構成を有する第２の実施の形態では、固体高分子型燃料電池スタック１０の起動においてスタック１０への水供給直後から燃料ガス供給溝９ａへの水供給が均一になり、安定して運転が可能である。比較例として、多孔質体２０として比較的親水性の低いカーボン材を使用した燃料電池スタック１０では、一時的に燃料電池スタック１０に供給する水量を増加させる等の操作が必要となり、操作後でも水配流のアンバランスと思われる電池特性のばらつきが多少見られる。これは、多孔質体２０の気孔内に残留した気泡が水の均一配流を阻害しているためであると思われる。
【００６３】
第２の本実施の形態で使用した多孔質体２０では、カーボン材からなる不織布はカーボン繊維が面方向に揃っていることから、面方向の親水性に優れている。面方向の親水性が優れた多孔質体２０に水を供給すると、多孔質体２０内部の空気を置換しながら水が多孔質体２０内部を浸透することができる。このことから、多孔質体２０中のガス抜き操作を実施しなくても、多孔質体２０中の水の流れは均一となる。したがって、水供給直後から供給水の均一配流が可能となり、安定した運転ができる。
【００６４】
なお、第２の実施の形態では多孔質体２０にカーボン材からなる不織布を使用したが、多孔質体２０の材料は、燃料電池スタック１０の運転条件における耐水性があればカーボンに限らない。また、多孔質体２０は不織布に限るものではなく、材料内に連通した親水性の気孔があればよく、メッシュ、フェルト、繊維材などでも同様の効果が得られる。さらに、前記の多孔質材料を界面活性剤などにより親水処理してもよい。
【００６５】
（３）第３の実施の形態（請求項４対応）
［構成］
第３の実施の形態は、前記第１の実施の形態に示す構成と同様の固体高分子型燃料電池スタックにおいて、水供給手段１３を図７に示す構造としている。図７は、第３の実施の形態に係る水供給手段１３の断面図を示したものである。第３の実施の形態では、水供給溝１５およびバッファ部１７にそれらを覆うようにして水不透過性の蓋２３を配置したことを特徴としている。
【００６６】
水不透過性の蓋２３としては厚さ２５０μｍのポリエチレンサルフォン樹脂シートを使用している。膜電極複合体３の電極部材である酸化剤極サブストレート１９ｂはパッキン６により隔離するようにし、膜電極複合体３の固体高分子膜１は、前記のポリエチレンサルフォン樹脂シートの上部まで延長している。供給水は図中の点線矢印に示すように水供給溝１５を流通し、バッファ部１７に供給され、バッファ部１７に設置した多孔質体カ−ボン２０を面方向に通過した後、連通孔１６から裏面の燃料ガス供給溝９ｂに供給される。
【００６７】
［作用効果］
上記構成を有する第３の実施の形態では、水不透過性の蓋２３は水供給溝１５およびバッファ部１７に供給した水を外部に漏れることを防止する機能があるとともに、多孔質体をバッファ部に保持する機能がある。このことにより、燃料電池スタック１０に振動が加っても水を均等に連通孔１６に配流する効果は低下しない。具体的には第３の実施の形態を自動車の振動を模擬した加振条件にて発電試験を実施したが、水供給手段１３からの水漏れは発生せず、安定した発電が可能であった。
【００６８】
（４）第４の実施の形態（請求項５、請求項６対応）
［構成］
第４の実施の形態は、前記第３の実施の形態における水不透過性の蓋２３を改良した例であり、前記第１の実施の形態に示す構成と同様の固体高分子型燃料電池スタックにおいて、水供給手段１３を図８に示す構造としている。図８は第４の実施の形態に係る水供給手段１３の断面図を示したものである。
【００６９】
水不透過性の蓋２３としては、厚さ２００μｍのステンレス板２３ｂと厚さ１５０μｍの発泡ゴム２３ａの複合板を使用し、多孔質体２０側にステンレス板２３ｂが接するように配置している。電池スタック締め付け時に発泡ゴム２３ａは１００μｍ程度圧縮変形可能になっている。なお、ステンレス板２３ｂと発泡ゴム２３ａは耐水性の接着材にて予め接着している。膜電極複合体３の電極部材である酸化剤極サブストレート１９ｂはパッキン６により隔離するようにし、膜電極複合体３の固体高分子膜１は、酸化剤極サブストレート１９ｂと水不透過性の蓋２３の間にあるパッキン６にかかるようにしている。供給水は図中の点線矢印に示すように水供給溝１５を流通し、バッファ部１７に供給され、バッファ部１７に設置した多孔質体２０を面方向に通過した後、連通孔１６から裏面の燃料ガス供給溝９ｂに供給される。
【００７０】
［作用効果］
上記のような第４の実施の形態では、水不透過性の蓋２３は多孔質体２０側に剛性の高いステンレス板２３ｂを配置するため、電池スタック１０を締め付けた状態においてもたわみが生じることがない。したがって、水供給溝１５またはバッファ部１７の空間を狭くすることがなく、水の配流に影響を与えることがない。また、多孔質体２０と反対側に発泡ゴム２３ａを配置することにより、電池スタック１０を締め付け時に生じる圧縮変形量を吸収でき、反応ガス供給セパレータ５の割れを防止できる。
【００７１】
さらに、発泡ゴム２３ａの反力が多孔質体２０をバッファ部１７に押さえつけており、燃料電池スタック１０に振動が加っても多孔質体２０はずれることなく水を均等に連通孔１６に配流する効果は低下しない。このことにより、第４の実施の形態を自動車の振動を模擬した加振条件にて発電試験を実施したが、水供給手段１３からの水漏れは発生せず、安定した発電が可能であった。しかも、第４の実施の形態ではステンレス板２３ｂと発泡ゴム２３ａを予め接着することにより、それらの位置合わせのずれが防止でき、積層作業性が向上して積層に要する作業コストを低減することができる。
【００７２】
（５）第５の実施の形態（請求項９対応）
［構成］
第５の実施の形態は、第１の実施の形態に示す構成と同様の固体高分子型燃料電池スタックにおいて、反応ガス供給セパレータ５に設けた燃料ガス導入部１８を図９に示すような構造としている。第５の実施の形態の特徴は、燃料ガス導入部１８に連通孔１６を通過した水を燃料ガス供給溝９ａまで導くガイド溝９ｃを、燃料ガス供給溝９ａと１／２ピッチずらして設けたことにある。図９は第５の実施の形態の燃料ガス導入部１８の平面図である。
【００７３】
［作用効果］
上記の構成を有する第５の実施の形態では、連通孔１６を通過して燃料ガス導入部１８に供給された水は、ガイド溝９ｃにより燃料ガス供給溝９ａまで導かれるが、燃料ガス供給溝９ａを形成する山部に衝突し、山部の両側の溝に分流される。それゆえ、燃料ガス供給溝９ａでは上流の隣接する連通孔１６から供給された水が分岐流通することになる。このことにより、何らかの原因で１つの連通孔１６からの水供給が停止しても、隣接する連通孔１６から水が供給されることになる。したがって、連通孔１６が閉塞した燃料ガス供給溝９ａにおける供給水量の不足を補うことができ、より安定して発電することが可能となる。
【００７４】
このような第５の実施の形態を用いて、連通孔１６からの水供給が局部的に停止することを想定し、各単位電池７において２０個の連通孔１６のうち５個を無作為に閉塞して発電評価を行った。その結果、供給水量の不足などは見られず、各単位電池７の電池特性は比較的均一であり、安定していた。これは、閉塞した連通孔１６に隣接する連通孔１６から供給された水が分岐して燃料ガス供給溝９ａに供給されたことによると考えられる。
【００７５】
（６）第６の実施の形態（請求項１０対応）
［構成］
第６の実施の形態は、第１の実施の形態に示す構成と同様の固体高分子型燃料電池スタックにおいて、反応ガス供給セパレータ５に気抜き孔２４を設けたことを特徴としている。反応ガス供給セパレータ５を燃料ガス供給面から見た気抜き孔２４および水供給マニホールド１４の位置を図１０の平面図に示す。気抜き孔２４は燃料ガス導入部１８に設けた連通孔１６よりも高くなる位置（反応ガス供給セパレータ５の上縁部）に、水供給マニホールド１４は連通孔１６よりも低くなる位置にそれぞれ設けている。
【００７６】
図１１の平面図には反応ガス供給セパレータ５を酸化剤ガス供給面から見た気抜き孔２４を示している。気抜き孔２４はバッファ部１７と連結している。また、図１２に示すように、上記の反応ガス供給セパレータ５を使用して製作した電池スタック１０の締め付け端板２１には前記気抜き孔２４に連通して気抜き管２５を設置している。この気抜き管２５には前記気抜き孔２４を選択的に大気開放または閉塞するバルブ２６を接続している。
【００７７】
［作用効果］
上記第６の実施の形態においては、燃料電池スタック１０運転起動の水供給時にはバルブ２６を操作して気抜き孔２４を大気開放とし、バッファ部１７に残留する気体を抜くことができる。通常、燃料電池スタック１０の発電を停止したときには水の供給も停止する。この時に連通孔１６よりも下方にある水はそのまま保持されるが、水供給マニホールド１４をバッファ部１７よりも低い場所に位置するので、連結孔１６に至る水流路の気泡は除去することができる。
【００７８】
一方、連通孔１６よりも上方にある水は連通孔１６を通して燃料ガス供給溝９ａに排出される。第６の実施の形態では気抜き孔２４からバッファ部１７の残留気体を抜くことで、連通孔１６よりも上方に存在する可能性のある気泡も確実に短時間で除去することができる。これにより、水均一配流の信頼性を向上することができる。
【００７９】
気抜き孔２４および気抜き管２５が水で満たされた後、バルブ２６を操作してに気抜き孔２４を閉塞し反応ガスを供給し発電を開始する。この結果、発電直後より各単位電池７の電池特性は均一となる。比較例として、運転起動の水供給時に大気開放せずに発電を開始した場合、電池電圧が他の単位電池７よりも比較的低い単位電池が見られた。また、電池電圧が比較的低い単位電池７は、起動の度に異なっていた。これは、バッファ部１７に残留する気泡が水の均一配流を阻害しているためである。
【００８０】
（７）第７の実施の形態（請求項１１対応）
［構成］
第７の実施の形態は前記第６の実施の形態におけるバルブ２６に代えて、図１３に示すような気抜きバルブ３５を気抜き管２５に接続したことを特徴としている。気抜きバルブ３５の詳しい構成について図１４の（ａ）、（ｂ）および図１５を参照して説明する。図１４（ａ）は気抜きバルブ３５の平面図、図１４の（ｂ）は気抜きバルブ３５の気抜き状態の縦断面図、図１５は気抜きバルブ３５の気抜きが完了した水封状態の縦断面図である。
【００８１】
第７の実施の形態における気抜きバルブ３５は内径１０ｍｍの円筒管３３の内部に、水３１よりも比重が小さい直径８ｍｍのプラスチック樹脂製ボールからなるフロート２７を入れている。円筒管３３上部にはフロート２７の直径よりも小さい径の開口部２８を設けた蓋３４を設置している。蓋３４にはフロート２７と接してシール機能を発揮するパッキン２９を設けている。このような気抜きバルブ３５は下端を気抜き管２５の先端部に接続し、鉛直方向に直立して設置している。
【００８２】
［作用効果］
以上の第７の実施の形態の気抜きバルブ３５では、次のようにして気抜きを行う。すなわち、気抜きバルブ３２の円筒管３３内に水が供給されると、円筒管３３内の気体３１は開口部２８を通って円筒管３３の外部に排出される。その時の気抜き管の状態を図１４（ｂ）に示している。気抜きバルブ３５の円筒管３３の気体３１が抜け、円筒管３３内に水３０が増えることにより、円筒管３３内部の水位が上昇してフロート２７を押し上げる。そして、フロート２７がパッキン２９と接触した時点で水封することができる（図１５の状態）。このようにして、開口部２８から水３０が溢れ出ることなしに円筒管３３中の気体３１のみを除去することができる。
【００８３】
上記のようにして抜きバルブ３５により気抜きを行うことで、前記第６の実施の形態と同様、気抜き孔２４からバッファ部１７の残留気体を抜くことができ、連通孔１６よりも上方に存在する可能性のある気泡を除去して水均一配流の信頼性を向上する。しかも、第７の実施の形態では、燃料電池スタック１０に上記の気抜きバルブ３５を設置するだけで、燃料電池スタック１０内の気泡を抜くための特別な制御装置は必要なく、無操作にて燃料電池スタック１０内の気泡を自動的に抜くことができる。よって、燃料電池スタック１０を用いた発電システムの簡略化や、製造コストの削減に寄与することができる。
【００８４】
なお、本実施の形態の気抜きバルブ３５は円筒管３３を使用したが、矩形の管でも同様の効果が得られる。また、気抜きバルブ３５上部でフロート２７と接してシール機能を発揮する構造は、必ずしも開口部２８を有した蓋３４を設ける必要はない。例えば、気抜きバルブ３５の内径を徐々に絞り、円錐状としても同様のシール構造が得られる。
【００８５】
さらに、上記のような作用効果を持つ気抜きバルブは、燃料電池スタック１０に用いるだけではなく、請求項１２に対応する実施の形態では、気体が含まれる液体を溜めた容器または配管に接続する気抜きバルブとしており、適用範囲を燃料電池スタック１０に限定することなく、広く用いることができる。
【００８６】
また、気抜きバルブの他の構成としては、例えば、図１６の（ａ）、（ｂ）および図１７に示す例がある。図１６（ａ）は気抜きバルブ３６の平面図、図１６の（ｂ）は気抜きバルブ３６の気抜き状態の縦断面図、図１７は気抜きバルブ３６の気抜きが完了した水封状態の縦断面図である。この実施の形態では、円筒状のフロート２７ａにパッキン２９を設置している。また、フロート２７ａの位置を気抜きバルブ３６の円筒管３３中央部付近に保持するために、フロート２７ａに位置決め突起３２を取りつけている。このような実施の形態によっても、開口部２８から水が溢れ出ることなしに、気体３１のみを除去することが可能である。
【００８７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の固体高分子型燃料電池スタックによれば、水供給溝からバッファ部に供給した水を多孔質体の平面方向に流通させた後に連通孔を通過させて裏面側から燃料ガス供給溝に供給するように構成したことにより、単位電池を複数積層してなる潜熱冷却方式の燃料電池スタックにおいて各単位電池に燃料ガスと水の混合流体を均等に配流でき、電池特性の安定化ならびに製作コストおよび積層作業のコストの低減化を図ることができた。
また、本発明の気抜きバルブによれば、簡単な構成で、液体が溢れることなく自動的に気抜き作業を実施することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の反応ガス供給セパレータ（酸化剤ガス供給面）の平面図。
【図２】第１の実施の形態の水供給手段の平面図。
【図３】第１の実施の形態の反応ガス供給セパレータ（燃料ガス供給面）の平面図。
【図４】第１の実施の形態の燃料ガス導入部の平面図。
【図５】図２のａ−ｂ断面図。
【図６】第１の実施の形態の分解斜視図。
【図７】本発明の第３の実施の形態の水供給手段の断面図。
【図８】本発明の第４の実施の形態の水供給手段の断面図。
【図９】本発明の第５の実施の形態の燃料ガス導入部の平面図。
【図１０】本発明の第６の実施の形態の反応ガス供給セパレータ（燃料ガス供給面）の平面図。
【図１１】第６の実施の形態の水供給手段の平面図。
【図１２】第６の実施の形態の断面図。
【図１３】第７の実施の形態の断面図。
【図１４】本発明の第７の実施の形態における気抜きバルブを示しており、（ａ）は平面図、（ｂ）は気抜き状態の縦断面図。
【図１５】第７の実施の形態における気抜きバルブの水封状態の縦断面図。
【図１６】本発明の他の実施の形態における気抜きバルブを示しており、（ａ）は平面図、（ｂ）は気抜き状態の縦断面図。
【図１７】本発明の他の実施の形態における気抜きバルブの水封状態の縦断面図。
【図１８】単位電池の構成を示す分解断面図。
【図１９】単位電池を複数積層した固体高分子型燃料電池スタックの断面図。
【符号の説明】
９ａ…燃料ガス供給溝
９ｂ…酸化剤ガス供給溝
１０…固体高分子型燃料電池スタック
１１ａ…燃料ガス供給マニホールド
１１ｂ…燃料ガス排出マニホールド
１２ａ…酸化剤ガス供給マニホールド
１２ｂ…酸化剤ガス排出マニホールド
１３…水供給手段
１４…水供給マニホールド
１５…水供給溝
１６…連通孔
１７…バッファ部
１８…燃料ガス導入部
１９ａ…燃料極サブストレート
１９ｂ…酸化剤極サブストレート
２０…多孔質体
２１…締め付け端板
２２…反応ガスまたは水の給排口
２３…水不透過性の蓋
２４…気抜き孔
２５…気抜き管
２６…バルブ
２７，２７ａ…フロート
２８…開口部
２９…パッキン
３０…水
３１…気体
３２…位置決め突起
３３…円筒管
３４…蓋
３５，３６…気抜きバルブ
【図１】
0004439076.tif 000002
【図２】
0004439076.tif 000003
【図３】
0004439076.tif 000004
【図４】
0004439076.tif 000005
【図５】
0004439076.tif 000006
【図６】
0004439076.tif 000007
【図７】
0004439076.tif 000008
【図８】
0004439076.tif 000009
【図９】
0004439076.tif 000010
【図１０】
0004439076.tif 000011
【図１１】
0004439076.tif 000012
【図１２】
0004439076.tif 000013
【図１３】
0004439076.tif 000014
【図１４】
0004439076.tif 000015
【図１５】
0004439076.tif 000016
【図１６】
0004439076.tif 000017
【図１７】
0004439076.tif 000018
【図１８】
0004439076.tif 000019
【図１９】
0004439076.tif 000020