(57)【要約】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、各セパレータ（５Ａ）の一方の板面に形成する複数の燃料ガス流路（１１）はそれぞれ鉛直方向でほぼ直線状とし、燃料ガス流路（１１）に水を供給可能にする構成は、各セパレータ（５Ａ）を貫通して設けた水マニホールド（１７）と、前記水マニホールド（１７）から分岐して酸化剤ガス流路（１９）の形成されている面に水平方向に設けた水供給路（１８）と、前記水供給路（１８）と燃料ガス流路（１１）を連通し燃料ガス流路導入部（１５）に水平方向に設けられ、かつ水マニホールド（１７）の鉛直方向最下部よりも上部に存在する連通孔（１４）からなるものである。このようにすることにより、スタック設置角度や振動等の影響を受けずに安定した発電を行うことができる。
2003009411.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一方向に並設されると共に、電気的に直列に接続された複数個の単位電池主構成からなる固体高分子型燃料電池スタックにおいて、
前記各単位電池主構成が、
固体高分子膜（１）と、前記固体高分子膜（１）の対向する板面にそれぞれ配設された燃料極（２ａ）及び酸化剤極（１ｂ）とを備えた膜電極複合体（２３）と、
前記並設方向の終端部に配設されたものを除き、前記燃料極（２ａ）に当接される板面にそれぞれ鉛直方向でほぼ直線状に形成され、燃料ガスを供給するための複数の燃料ガス流路（１１）と、前記所定の膜電極複合体（２３）とは異なる隣接の膜電極複合体（２３）の酸化剤極（１ｂ）に当接される板面に形成され、酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路（１９）とを備えたセパレータ（５Ａ）と、
前記各燃料ガス流路（１１）に水を供給して前記単位電池主構成を潜熱方式により冷却するためのものであって、前記セパレータ（５Ａ）を貫通して鉛直方向に配設された水マニホールド（１７）と、前記酸化剤ガス流路（１９）の形成されている面であって前記水マニホールド（１７）の鉛直方向最下部よりも上方に位置し、かつ水平方向に連続して形成された水供給路（１８）と、前記水供給路（１８）と前記各燃料ガス流路（１１）を連通するように前記水供給路（１８）内に複数個形成された連通孔（１４）とを備えた水供給手段と、
を具備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】
同一方向に並設されると共に、電気的に直列に接続された複数個の単位電池主構成からなる固体高分子型燃料電池スタックにおいて、
前記各単位電池主構成が、
固体高分子膜（１）と、前記固体高分子膜（１）の対向する板面にそれぞれ配設された燃料極（２ａ）及び酸化剤極（１ｂ）とを備えた膜電極複合体（２３）と、
前記並設方向の終端部に配設されたものを除き、前記燃料極（２ａ）に当接される板面にそれぞれ鉛直方向でほぼ直線状に形成され、燃料ガスを供給するための複数の燃料ガス流路（１１）と、前記各燃料ガス流路（１１）が前記所定の膜電極複合体（２３）とは異なる隣接の膜電極複合体（２３）の酸化剤極（１ｂ）に当接される板面に形成された酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路（１９）とを備えたセパレータ（５Ａ）と、
前記各燃料ガス流路（１１）に水を供給して前記単位電池主構成を潜熱方式により冷却するためのものであって、前記セパレータ（５Ａ）を貫通して鉛直方向に配設された水マニホールド（１７）と、前記酸化剤ガス流路（１９）の形成されている面であって前記水マニホールド（１７）の鉛直方向最下部よりも上方に位置し、かつ水平方向に連続して形成された第１の水供給路（１８ａ）と、前記燃料ガス流路（１１）と連通するように前記第１の水供給路（１８ａ）とは所定間隔を存して複数個形成された連通孔（１４）と、前記各連通孔（１４）と前記第１の水供給路（１８ａ）の間であって前記各連通孔（１４）と前記第１の水供給路（１８ａ）の間をそれぞれ連通するように形成され、前記第１の水供給路（１８ａ）内の水を前記各連通孔（１４）に導く複数の第２の水供給流路（２４）とを備えた水供給手段と、
を具備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３】
同一方向に並設されると共に、電気的に直列に接続された複数個の単位電池主構成からなる固体高分子型燃料電池スタックにおいて、
前記各単位電池主構成が、
固体高分子膜（１）と、前記固体高分子膜（１）の対向する板面にそれぞれ配設された燃料極（２ａ）及び酸化剤極（１ｂ）とを備えた膜電極複合体（２３）と、
前記並設方向の終端部に配設されるものを除き、前記燃料極（２ａ）に当接される板面にそれぞれ鉛直方向でほぼ直線状に形成され、燃料ガスを供給するための複数の燃料ガス流路（１１）と、前記所定の膜電極複合体（２３）とは異なる隣接の膜電極複合体（２３）の酸化剤極（１ｂ）に当接される板面に形成され、酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路（１９）とを備えたセパレータ（５Ａ）と、
前記各燃料ガス流路（１１）に水を供給して前記単位電池主構成を潜熱方式により冷却するためのものであって、前記セパレータ（５Ａ）を貫通して鉛直方向に配設された水マニホールド（１７）と、前記酸化剤ガス流路（１９）の形成されている面であって前記水マニホールド（１７）の鉛直方向最下部よりも上方に位置し、かつ水平方向に連続して形成された第３の水供給路（１８ｂ）と、前記第３の水供給路（１８ｂ）と前記燃料ガス流路（１１）を連通するように前記第２の水供給路（１８ｂ）内に複数個形成された連通孔（１４）と、前記セパレータ（５Ａ）であって前記燃料ガス流路（１１）の形成されている面に形成され、前記各連通孔（１４）と前記各燃料ガス流路（１１）を連通する複数の第４の水供給路（２５）とを備えた水供給手段と、
を具備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４】
前記水供給路（１８，１８ａ，１８ｂ）内の水が前記各連通孔（１４）に流れる際の駆動力を発生する毛細管現象発生手段を具備したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池スタック。
【請求項５】
前記各第４の水供給路（２５）に、前記各連通孔（１４）から前記各燃料ガス流路（１１）に水が流れる際の駆動力を発生する毛細管現象発生手段を具備したことを特徴とする請求項３に記載の固体高分子型燃料電池スタック。
【請求項６】
前記セパレータ（５Ａ）は、前記燃料ガス流路（１１）が形成されている面側に形成され各連通孔（１４）と前記各燃料ガス流路（１１）との間に、格子状又は千鳥状に形成された複数の凸部を具備したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池スタック。
【請求項７】
前記水マニホールド（１７）から分岐した第１の水供給路（１８）の断面積を、前記水マニホールド（１７）から離れるにつれて小さくしたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池スタック。
【請求項８】
前記隣接する連通孔（１４）のピッチは前記隣接する燃料ガス流路（１１）のピッチの倍数としたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに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】
技術分野
本発明は、イオン伝導性を有する固体高分子を電解質とする固体高分子型燃料電池スタックに関する。
背景技術
図６は、日本で公開された固体高分子型燃料電池スタックの公知例（特開平１−１４０５６２号公報）の一例を説明するための垂直方向の断面図である。
この固体高分子型燃料電池スタックは、複数個の単位電池主構成７を上下方向に機械的に積層すると共に、各単位電池主構成７を電気的に直列に接続するものである。
各単位電池主構成７は、膜電極複合体３と、セパレータ５を備えている。膜電極複合体３は、固体高分子膜１の対向する板面にそれぞれ燃料極２ａ及び酸化剤極２ｂを配設してなる。
膜電極複合体３には固体高分子膜１の左右の上下方向周縁部には複数のマニホールドを形成するための幾つかの貫通孔が形成されている。セパレータ５は、燃料側集電体及び酸化剤側集電体を兼ねると共に、燃料ガス流路９ａ及び酸化剤ガス流路９ｂが夫々形成されている。高分子膜１の周縁部であって電極２ａ，２ｂに近接し、且つセパレータ５の周縁部との間にパッキン６が配設されている。
高分子膜１は電極２ａ、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の面積より大きい。
複数の単位電池主構成７を積層したスタックは、その上下両端部に電流取出し板３１、絶縁板３２、締付け板３３、締付け治具（締付けスタッド３４、スプリング３５）、及び燃料ガス入口配管３６、燃料ガス出口配管３７、酸化剤ガス入口配管３８、酸化剤ガス出口配管３９、水入口配管４０、水出口配管４１がそれぞれ配置される。
電流取出し板３１には電流取出しケーブルが配線され、外部負荷に接続される。また、スタック全体をより均等に締付けるために、締付け板３３には剛性が要求される。
スタックには、積層された全ての単位電池７において積層方向の反応ガス配流や水配流、温度、湿度等の様々な条件を限りなく均等にすることが要求される。
前述の公知例より以前の従来の固体高分子型燃料電池スタックにあっては、発電時に発生する熱を回収するための冷却手段としては、一般的には純水や不凍液等の冷媒を流した冷却板を単位電池主構成間に挿入する方式が一般的である。
ところが、前述した公知例では、燃料ガス流路９ａに予め水（純水）を供給して燃料極２ａに供給することにより、高分子膜１の加湿作用に加えて、高分子膜１を通って燃料極２ａから酸化剤極２ｂに移動した水と、酸化剤極２ｂにて生成した水とを蒸発させることにより、冷却板を省略することができる。
しかしながら、以上述べた固体高分子型燃料電池スタックの公知例にあっては、次のような問題点があった。
（１）燃料ガス流路に水が滞留した場合、水だけでなく燃料ガスや酸化剤ガスの配流不均一を招いて、スタック内の単位電池電圧に大きな分布が生じて安定した発電ができないことがあった。また、スタックの起動、停止時にも同様に燃料ガス流路内に水が滞留しやすくなり、同様の問題が生じることがあった。
（２）スタック設置条件、例えば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り、各単位電池の加湿条件や潜熱冷却量に分布が生じて安定した発電ができないといった問題が生じることがあった。
そこで本発明は、ガス流路内の水の滞留がなく、スタックの設置角度や振動等の影響を受けずに安定した発電を行うことができる固体高分子型燃料電池スタックを提供することを目的としている。
発明の開示
第１の局面に対応する発明は、同一方向に並設されると共に、電気的に直列に接続された複数個の単位電池主構成からなる固体高分子型燃料電池スタックにおいて、
前記各単位電池主構成が、
固体高分子膜と、前記固体高分子膜の対向する板面にそれぞれ配設された燃料極及び酸化剤極とを備えた膜電極複合体と、
前記並設方向の終端部に配設されたものを除き、前記燃料極に当接される板面にそれぞれ鉛直方向でほぼ直線状に形成され、燃料ガスを供給するための複数の燃料ガス流路と、前記所定の膜電極複合体とは異なる隣接の膜電極複合体の酸化剤極に当接される板面に形成され、酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路とを備えたセパレータと、
前記各燃料ガス流路に水を供給して前記単位電池主構成を潜熱方式により冷却するためのものであって、前記セパレータを貫通して鉛直方向に配設された水マニホールドと、前記酸化剤ガス流路の形成されている面であって前記水マニホールドの鉛直方向最下部よりも上方に位置し、かつ水平方向に連続して形成された水供給路と、前記水供給路と前記各燃料ガス流路を連通するように前記水供給路内に複数個形成された連通孔とを備えた水供給手段と、
を具備した固体高分子型燃料電池スタックである。
第２の局面に対応する発明は、同一方向に並設されると共に、電気的に直列に接続された複数個の単位電池主構成からなる固体高分子型燃料電池スタックにおいて、
前記各単位電池主構成が、
固体高分子膜と、前記固体高分子膜の対向する板面にそれぞれ配設された燃料極及び酸化剤極とを備えた膜電極複合体と、
前記並設方向の終端部に配設されたものを除き、前記燃料極に当接される板面にそれぞれ鉛直方向でほぼ直線状に形成され、燃料ガスを供給するための複数の燃料ガス流路と、前記各燃料ガス流路が前記所定の膜電極複合体とは異なる隣接の膜電極複合体の酸化剤極に当接される板面に形成された酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路とを備えたセパレータと、
前記各燃料ガス流路に水を供給して前記単位電池主構成を潜熱方式により冷却するためのものであって、前記セパレータを貫通して鉛直方向に配設された水マニホールドと、前記酸化剤ガス流路の形成されている面であって前記水マニホールドの鉛直方向最下部よりも上方に位置し、かつ水平方向に連続して形成された第１の水供給路と、前記燃料ガス流路と連通するように前記第１の水供給路とは所定間隔を存して複数個形成された連通孔と、前記各連通孔と前記第１の水供給路の間であって前記各連通孔と前記第１の水供給路の間をそれぞれ連通するように形成され、前記第１の水供給路内の水を前記各連通孔に導く複数の第２の水供給流路とを備えた水供給手段と、
を具備した固体高分子型燃料電池スタックである。
第３の局面に対応する発明は、同一方向に並設されると共に、電気的に直列に接続された複数個の単位電池主構成からなる固体高分子型燃料電池スタックにおいて、
前記各単位電池主構成が、
固体高分子膜と、前記固体高分子膜の対向する板面にそれぞれ配設された燃料極及び酸化剤極とを備えた膜電極複合体と、
前記並設方向の終端部に配設されるものを除き、前記燃料極に当接される板面にそれぞれ鉛直方向でほぼ直線状に形成され、燃料ガスを供給するための複数の燃料ガス流路と、前記所定の膜電極複合体とは異なる隣接の膜電極複合体の酸化剤極に当接される板面に形成され、酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路とを備えたセパレータと、
前記各燃料ガス流路に水を供給して前記単位電池主構成を潜熱方式により冷却するためのものであって、前記セパレータを貫通して鉛直方向に配設された水マニホールドと、前記酸化剤ガス流路の形成されている面であって前記水マニホールドの鉛直方向最下部よりも上方に位置し、かつ水平方向に連続して形成された第３の水供給路と、前記第３の水供給路と前記燃料ガス流路を連通するように前記第２の水供給路内に複数個形成された連通孔と、前記セパレータであって前記燃料ガス流路の形成されている面に形成され、前記各連通孔と前記各燃料ガス流路を連通する複数の第４の水供給路とを備えた水供給手段と、
を具備した固体高分子型燃料電池スタックである。
第１〜第３の局面に対応する発明によれば、水平方向に形成されている水供給路に供給されている水は、水供給路に形成されている複数の連通孔を介して複数の燃料ガス流路に水供給が可能になり、かつ燃料ガス流路内の水の滞留がなくなるので、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として、燃料ガスに供給した水が均一に配流され、各単位電池の電圧分布や温度分布が均一となり、起動・停止操作やスタックの設置角度（傾き）や振動等の設置条件に影響されることなく、安定した発電が可能である。
第４の局面に対応する発明は、前記水供給路内の水が前記各連通孔に流れる際の駆動力を発生する毛細管現象発生手段を具備した請求項１〜３のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池スタックである。
第５の局面に対応する発明は、前記各第４の水供給路に、前記各連通孔から前記各燃料ガス流路に水が流れる際の駆動力を発生する毛細管現象発生手段を具備した請求項３に記載の固体高分子型燃料電池スタックである。
第４又は第５の局面に対応する発明によれば、毛細管現象発生手段を設けたことにより、第１〜第３の局面に対応する発明に加えて、更にはスタックの設置角度に影響を受けることがなく、更に安定した発電が可能である。
第６の局面に対応する発明は、前記セパレータは、前記燃料ガス流路が形成されている面側に形成され各連通孔と前記各燃料ガス流路との間に、格子状又は千鳥状に形成された複数の凸部を具備した請求項１〜５のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池スタックである。
第６の局面に対応する発明によれば、凸部により燃料ガスに供給された水が均一に混合されやすくなり、更に安定した発電が可能なスタックとなる。
第７の局面に対応する発明は、前記水マニホールドから分岐した第１の水供給路の断面積を、前記水マニホールドから離れるにつれて小さくした請求項１〜６のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池スタックである。
第８の局面に対応する発明は、前記隣接する連通孔のピッチは前記隣接する燃料ガス流路のピッチの倍数とした請求項１〜７のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池スタックである。
第７又は第８の局面に対応する発明も、第１〜第３の局面に対応する発明と同様な作用効果が得られる。
発明を実施するための最良の形態
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態における固体高分子型燃料電池スタックの概略構成を示す分解斜視図である。本実施形態は、同一方向に並設すると共に、電気的に直列に接続する複数個の単位電池主構成７（図６と類似）からなり、各単位電池主構成７は、膜電極複合体２３と、セパレータ５Ａと、水供給手段とを備えている。
膜電極複合体２３は、図６と同様に固体高分子膜１の対向する板面にそれぞれ燃料極２ａ及び酸化剤極１ｂを配設したものである。
セパレータ５Ａは、図２Ａ及び図２Ｂに示すように構成されている。図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれ一枚のセパレータ５Ａの一方の板面（図６の燃料極２ａが当接する面）及び他方の板面（図６の酸化剤極２ｂが当接する面）を示す正面図である。
セパレータ５Ａは、並設方向の終端部に配設されるものを除き、燃料極２ａに当接される板面に、燃料ガスを供給するための鉛直方向でほぼ直線状に形成された複数の燃料ガス流路１１が形成されている。
又、セパレータ５Ａは、膜電極複合体２３とは異なる隣接の膜電極複合体２３の酸化剤極１ｂに当接される板面に、酸化剤ガスを供給するための複数の酸化剤ガス流路１９が形成されている。
前記水供給手段は、各燃料ガス流路１１に水を供給して各単位電池主構成７を潜熱方式により冷却するためのものであって、各セパレータ５Ａを貫通して鉛直方向に配設した水マニホールド１７と、酸化剤ガス流路１９の形成されている面であって水マニホールド１７の鉛直方向最下部よりも上方に位置し、かつ水平方向に連続して形成された水供給路（本実施形態では例えば直線状の複数の溝）１８と、水供給路１８と燃料ガス流路１１を連通するように水供給路１８内に複数個形成された連通孔１４からなっている。
ここで、各燃料ガス流路１１は、セパレータ５Ａの一方の板面の周縁部を除く中央部に形成され、例えば鉛直方向で直線状に形成した溝であって各々の配列ピッチを例えば３ｍｍとしたものである。また、各酸化剤ガス流路１９は、セパレータ５Ａの他方の板面の周縁部を除く中央部に形成され、例えば鉛直方向でほぼＺ字状に形成した溝である。
セパレータ５Ａの他方の板面であって酸化剤ガス流路１９の上方には、水平方向の水供給路１８を形成し、さらに水供給路１８に燃料ガス流路１１の上部側である燃料ガス流路導入部１５と連通するように複数の連通孔１４を等間隔に形成する。この場合、各連通孔１４は後述する水マニホールド１７の鉛直方向最下部よりも上方に存在するようにする。
連通孔１４は、その一つの直径が例えば０．５ｍｍ以下（０を除く）のものを、複数個例えば２０個で、配列ピッチが燃料ガス流路１１の配列ピッチの倍数例えば６ｍｍの配列ピッチに形成する。
各セパレータ５Ａの燃料ガス流路１１が形成されている板面であって、各連通孔１４と燃料ガス流路１１の間に、複数の凸部（リブ）１６を格子状又は千鳥状で等間隔に形成する。
各セパレータ５Ａの周縁部の水平方向の一方側及び他方側に、それぞれ肉厚方向を貫通するように、燃料ガス入口ガスマニホールド１２及び燃料ガス出口ガスマニホールド１３を形成する。
各セパレータ５Ａの周縁部の垂直方向の一方側に、水マニホールド１７及び酸化剤ガス出口ガスマニホールド２１を形成する。また各セパレータ５Ａの周縁部の垂直方向の他方側の上下部に、酸化剤ガス入口ガスマニホールド２０をそれぞれ形成する。
セパレータ５Ａの対向する板面には、マニホールド１２、１３、１７、２０、２１並びに燃料ガス流路１１及び酸化剤ガス流路１９の周囲には、シール用のパッキン２２が設けてある。
このように構成することにより、酸化剤ガスは酸化剤ガス入口ガスマニホールド２０から平面方向に分岐し、続いて平面内の酸化剤ガス流路１９を流れ、酸化剤ガス出口ガスマニホールド２１に至る。酸化剤ガス流路１９の有効断面積、すなわち、膜電極複合体と電気的に接する部分の面積は例えば２８８ｃｍ２である。
以上述べた第１の実施形態によれば、水マニホールド１７からの水（純水）は、セパレータ５Ａに水平方向に形成されている水供給路１８に供給され、水供給路１８に供給された水は水供給路１８に形成されている複数の連通孔１４を介して燃料ガス流路導入部１５に導かれ、燃料ガス流路導入部１５に導かれた水は複数の燃料ガス流路１１の上側から下側に落下供給される。
このようなことから、各燃料ガス流路１１には同一水平位置（同一水平レベル）での水供給が可能になり、かつ燃料ガス流路内の水の滞留がなくなる。
従って、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として、燃料ガスに供給した水が均一に配流され、各単位電池の加湿条件、電圧分布や温度分布が均一となり、起動・停止操作やスタックの設置角度（傾き）や振動等の設置条件に影響されることなく、安定した発電が可能である。このことは、以下のような実験結果からも明らかである。
このように高分子膜（図６の１）の対向する板面にそれぞれ燃料極２ａ及び酸化剤極２ｂを配設してなる膜電極複合体２３と、膜電極複合体２３の前記燃料極２ａに当接される板面に燃料ガス流路１１が形成され、前記膜電極複合体２３とは異なる隣接の膜電極複合体の酸化剤極２ｂに当接される板面に酸化剤ガス流路１９が形成されたセパレータ５Ａとからなる単位電池主構成７を、複数個例えば２００個準備し、各単位電池主構成７を同一方向に機械的に並設すると共に、各単位電池主構成７を、電気的に直列に接続して構成される固体高分子型燃料電池スタックについて試作し、スタックを水平方向に設置し、発電試験を行った。
この場合の標準運転条件として、反応ガスに水素ガス／空気、反応ガス圧力１ａｔａ、電流密度０．２Ａ／ｃｍ２、燃料ガス利用率（Ｕｆ）７０％、酸化剤ガス利用率（Ｕｏｘ）４０％と設定した。そして合わせて、スタックの起動・停止操作を２時間毎に３度繰り返すこととした。
この時、２００の単位電池の電圧は平均電圧±１％以下であった。
また、Ｎｏ．１、１０、２０、３０、・・・１９０、２００の酸化剤極側の膜電極複合体２３の中心部に、熱電対を挿入して温度を測定したところ、全ての単位電池において温度は平均温度±１％以下であった。また、起動・停止操作を繰り返しても、スタック電圧は再現性があり、安定していた。
又、燃料ガスへの水供給に関しても、同一水平レベルでの水供給が可能になり、スタックの起動・停止操作を繰り返しても燃料ガス流路内の水の滞留がなくなり、燃料ガス流路内における燃料ガスと水が均一に混合されるようになった。
さらに、スタックの起動・停止操作を繰り返しても燃料ガスに供給した水が均一に配流され、各単位電池の電圧分布や温度分布が均一となり、電圧に再現性があり安定していた。
また、各連通孔１４の直径を０．５ｍｍ以下（０を含まず）とすることにより、各連通孔１４への水の均一配流を実現するために必要な圧力損失を各連通孔１４にて得ることができるので、燃料ガスに供給される水の量が更に均一化され、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として、燃料ガスに供給した水が均一に配流され、各単位電池の加湿条件、電圧分布や温度分布が均一となり、起動、停止操作やスタックの設置角度（傾き）や振動等の設置条件に影響されることなく、安定した発電が可能である。
さらに、燃料ガス流路１１の側面の連通孔１４の鉛直方向下部に、格子状又は千鳥状に配置された凸部１６を形成することにより、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、燃料ガスに供給される水が均一に混合される。
また、連通孔１４の配列ピッチは、燃料ガス流路１１の配列ピッチの倍数になっているので、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、燃料ガス流路内における燃料ガスと水の配流バランスが良好となる。
（第２の実施の形態）
図３は本発明の第２の実施の形態における固体高分子型燃料電池スタックを説明するためのセパレータを示す図であり、図３Ａ及び図３Ｂは、図２Ａ，図２Ｂと同様にそれぞれ一枚のセパレータ５Ａの一方の板面（燃料ガス流路１１の形成されている面）及び他方の板面（酸化剤ガス流路１９の形成されている面）を示す正面図である。
本実施の形態は、図２の実施の形態と同様に、各セパレータ５Ａの一方の板面に形成する複数の燃料ガス流路１１をそれぞれ鉛直方向でほぼ直線状とし、図２の実施の形態とは次の点が異なる。
すなわち、燃料ガス流路１１に水を供給可能にする構成は、各セパレータ５Ａを貫通して設けた水マニホールド１７と、酸化剤ガス流路１９の形成されている面であって水マニホールド１７の鉛直方向最下部よりも上方に位置し、かつ水平方向に形成された第１の水供給路１８ａと、燃料ガス流路１１と連通するように水供給路１８ａとは所定間隔を存して複数個等間隔に形成された連通孔１４と、前記各連通孔１４と前記水供給路１８ａの間であって前記各連通孔１４と前記水供給路１８ａの間をそれぞれ連通するように形成され、前記水供給路１８ａ内の水を前記各連通孔１４に導く複数の第２の水供給流路２４とからなる。
この場合、水供給路１８ａの断面積、例えば溝幅を、水マニホールド１７から離れるにつれて狭くするようにしたものであり、これ以外の構成は図２と同一である。
このように構成することにより、水供給路１８ａ内の圧力分布が、図２の実施の形態に比べて均一化し、各連通孔１４からの燃料ガスへの水の配流が更に均一となる。
具体的には燃料ガス流路１１は、例えば配列ピッチを３ｍｍ、燃料ガス流路１１の本数を４０本とし、各々を鉛直方向の直線状（ストレートフロー）であり、上方の燃料ガス入口ガスマニホールド１２から下方の燃料ガス出口ガスマニホールド１３に至っている。
そして、連通孔１４の配列ピッチを、燃料ガス流路１１の配列ピッチの倍数例えば６ｍｍ、配列個数２０個、孔の直径を０．５ｍｍで、燃料ガス流路導入部１５に水平に並んでいる。
各水供給流路２４は、それぞれ毛細管現象により毛細管力が発生するように、水供給流路２４の代表直径は０．２ｍｍとなっており、各水供給流路２４により発生する毛細管力は水供給路１８ａに満たされた水を各連通孔１４に駆動するように作用するようになっている。
各連通孔１４の下方であって燃料ガス流路１１の間に、燃料ガスに供給される水が均一に混合されるように、複数の凸部１６が格子状又は千鳥状に形成されている。
水マニホールド１７の上部から水平に分岐した水供給路１８ａが酸化剤ガス流路１９と同一平面に成型され、連通孔１４に２０本の水供給流路２４を介して繋がっている。水供給流路２４の代表直径は０．２ｍｍであり、水供給路１８ａに満たされた水が毛細管力によりそれぞれ連通孔１４に至る。水供給路１８ａは、水マニホールド１７から離れるにつれて幅が狭くなっている。また、酸化剤ガスは酸化剤ガス入口ガスマニホールド２０から平面方向に分岐し、平面内の各酸化剤ガス流路１９をＺ字状に鉛直方向に流れ、酸化剤ガス出口ガスマニホールド２１に至る。ガス流路が成型されており膜電極複合体と電気的に接する部分である有効断面積は２８８ｃｍ２である。また、マニホールドや有効部分、外形部分の周囲部にはシール用のパッキン２２が設けてあり、セパレータと一体化されている。
このセパレータと膜電極複合体２３（電極面積２８８ｃｍ２、図示せず）が隣接した形の繰り返し構造で、膜電極複合体２３の数（単位電池数）が２００の固体高分子型燃料電池スタックを試作し、スタックの設置角度を水平方向から１０°程度に傾けて設置し、発電試験を行った。標準運転条件として、反応ガスに水素ガス／空気、反応ガス圧力１ａｔａ、電流密度０．２Ａ／ｃｍ２、燃料ガス利用率（Ｕｆ）７０％、酸化剤ガス利用率（Ｕｏｘ）４０％と設定した。
このとき、各単位電池の電圧は平均電圧±１％以下であった。また、Ｎｏ．１、１０、２０、３０、・・・１９０、２００の酸化剤極側の膜電極複合体中心部に熱電対を挿入して温度を測定したところ、全ての単位電池において温度は平均温度±１％以下であった。また、スタック設置角度に影響を受けることなく、安定した電圧を示していた。
このように燃料ガスへの水供給に関して、水供給流路２４における毛細管現象を有効利用できるようになり、スタック設置角度に影響を受けず、燃料ガス流路内の水の滞留も生じなかった。また、燃料ガス流路内における燃料ガスと水が均一に混合されるようになり、更に水供給路１８内の圧力分布が均一化した。この結果、各単位電池の加湿条件、電圧分布や温度分布が均一となり、安定した発電が可能であった。
以上述べた第２の実施の形態（図３の構成）は、前述した第１の実施の形態の全てに適用できる。
（第３の実施の形態）
図４は本発明の第３の実施の形態における固体高分子型燃料電池スタックを説明するためのセパレータを示す図であり、図４Ａ及び図４Ｂは、図２Ａ及び図２Ｂと同様にそれぞれ一枚のセパレータ５Ａの一方の板面（燃料ガス流路１１の形成されている面）及び他方の板面（酸化剤ガス流路１９の形成されている面）を示す正面図である。また、図５は図４Ａの一部を拡大して示す正面図である。
本実施の形態は、図２の実施の形態と同様に、各セパレータ５Ａの一方の板面に形成する複数の燃料ガス流路１１をそれぞれ鉛直方向でほぼ直線状とし、図２の実施の形態とは次の点が異なる。
すなわち、燃料ガス流路１１に水を供給可能にする構成は、図２の実施の形態において、各セパレータ５Ａを貫通して設けた水マニホールド１７と、各セパレータ５Ａの酸化剤ガス流路１９の形成されている面であって水マニホールド１７の鉛直方向最下部よりも上方に位置し、かつ水平方向に形成された第３の水供給路１８ｂと、水供給路１８ｂと燃料ガス流路１１を連通するように水供給路１８ｂ内に複数個等間隔に形成された連通孔１４と、セパレータ５Ａであって燃料ガス流路１１の形成されている面に形成され各連通孔１４と各燃料ガス流路１１を連通する複数の第４の水供給路２５とからなっている。この場合、第４の水供給路２５は、例えば断面凸部を変形Ｕ字状に形成し、これによりセパレータ５Ａの板面に溝加工したと同様にしたものである。
各連通孔１４より例えばおよそ２ｃｍ下がった位置と燃料ガス流路１１の間であって、各連通孔１４燃料ガスに供給される水が均一に混合されるように、複数の凸部１６が格子状又は千鳥状に形成されている。これ以外の点は、図２と同一である。
具体的には、燃料ガス流路１１の配列ピッチは３ｍｍ、流路本数４０本、鉛直方向のストレートフローであり、上方の燃料ガス入口ガスマニホールド１２から下方の燃料ガス出口マニホールド１３に至っている。
連通孔１４は配列ピッチが６ｍｍ、個数が２０個、連通孔１４の直径が０．５ｍｍで、燃料ガス流路導入部１５に水平に並んでいる。
このような構成のセパレータ５Ａと膜電極複合体２３（電極面積２８８ｃｍ２図示せず）が隣接した単位電池主構成の繰り返し構造で、図１のような膜電極複合体２３の数（単位電池数）が２００個の固体高分子型燃料電池スタックを試作し、スタックを水平方向に設置し、発電試験を行った。標準運転条件として、反応ガスに水素ガス／空気、反応ガス圧力１ａｔａ、電流密度０．２Ａ／ｃｍ２、燃料ガス利用率（Ｕｆ）７０％、酸化剤ガス利用率（Ｕｏｘ）４０％と設定した。また、スタックに間欠的に振動を与え、その時の電圧の挙動をモニターした。
このとき、２００個の単位電池の電圧は平均電圧±１％以下であった。また、Ｎｏ．１、１０、２０、３０、・・・１９０、２００の酸化剤極側の膜電極複合体中心部に熱電対を挿入して温度を測定したところ、全ての単位電池において温度は平均温度±１％以下であった。また、間欠的な振動を繰り返しても、スタック電圧は常に安定していた。
以上述べた第３の実施の形態によれば、燃料ガスへの水供給に関して、第４の水供給路２５での圧力損失が増え、スタックに間欠的に振動を与えても影響を受けず、燃料ガス流路１１内の水の滞留も生じず、また、燃料ガス流路１１内における燃料ガスと水が混合されるようになった。
この結果、スタックに間欠的に振動を与えても、燃料ガスに供給した水が均一に配流され、各単位電池の加湿条件、電圧分布や温度分布が均一となり、安定した発電が可能となる。
（第４の実施の形態）
第４の実施の形態は、前述した図２の前記水供給路１８に、例えば親水性の多孔質材料からなる毛細管現象発生手段を充填配置したものであり、これ以外の構成は図１，図２と同一である。
このように構成することにより、水供給路１８に供給される水が各連通孔１４に導かれる際に、毛細管現象発生手段の毛細管現象により水の流れを加速するように作用する。この結果、スタック設置角度に影響を受けず、燃料ガス流路内の水の滞留も生じず、また、燃料ガス流路内における燃料ガスと水がより均一に混合されるようになり、更に水供給路１８内の圧力分布がより均一化し、より安定した発電が可能となる。
前述の毛細管現象発生手段を図３の第１の水供給路１８ａに充填配置したり、また図３の第２の各水供給路２４に夫々充填配置したり、あるいは図３の第２の各水供給路２４にまたがって各水供給路２４を覆うように配置したり、第１の水供給路１８ａに充填配置したり、さらに図４の第３の水供給路１８ｂに充填配置したり、さらにまた第４及び図５の第４の各水供給路２５に夫々充填配置することにより、毛細管現象発生手段の毛細管力を有効に利用でき、前述したと同様な効果が期待できる。
（変形例）
本発明は、前述した実施形態に限定されず、次のように変形して実施できる。
前述の実施形態のセパレータ５Ａは、燃料ガス供給路１１を形成した面と反対の面に酸化剤ガス供給路１９を形成した一体ものについて説明したが、これを燃料ガス供給路１１を形成した部分と、酸化剤ガス供給路１９を形成した部分を夫々準備し、これらを接合又は単に当接するようにしてもよい。
また、セパレータ５Ａは、膜電極複合体３相互間に、配設するものは、図１に示すように燃料ガス供給路１１と酸化剤ガス供給路１９を形成したものであるが、単位電池の容器側のように端部に配設するセパレータ５Ａは、燃料ガス供給路１１のみを形成したもの又は酸化剤ガス供給路１９のみを形成したものいずれかを使用することは言うまでもない。
さらに、前述の実施形態のセパレータ５Ａに設けた燃料ガス供給路１１及び酸化剤ガス供給路１９として溝を形成した例をあげ、さらには水供給路１８，１８ａ，１８ｂ，２４，２５として溝を例にあげて説明したが、これらはいずれも孔、孔に圧損要素としての多孔質体を設けたもの、管、管内に圧損要素としての多孔質体を設けた燃料ガス供給路、酸化剤ガス供給路のいずれかの構成であってもよい。
図３の構成のうち、水供給路１８は、水マニホールド１７から離れるにつれて断面積、例えば幅が狭くなっている構成については、第１及び第３の実施の形態のいずれにも適用できる。
また、前述の実施形態では、燃料ガス供給路１１であって燃料ガス導入部１５に水を供給するものを例にあげて説明したが、前記水の供給する位置は、燃料ガス供給路１１の途中であってもよい。
さらに、前述の実施形態では、ベストモードとしてセパレータ５Ａに形成した複数の連通孔１４は等間隔にした場合について説明したが、必ずしも等間隔でなくてもよい。
産業上の利用可能性
本発明の固体高分子型燃料電池本体及び固体高分子型燃料電池発電システムは、各種電源例えば車載用電源や定置用電源としても利用が可能である。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明の第１の実施の形態における固体高分子型燃料電池スタックを示す分解斜視図。
図２Ａ及び図２Ｂは図１のセパレータを説明するための図。
図３Ａ及び図３Ｂは本発明の第２の実施の形態における固体高分子型燃料電池スタックのセパレータを説明するための図。
図４Ａ及び図４Ｂは本発明の第３の実施の形態における固体高分子型燃料電池スタックのセパレータを説明するための図。
図５は図４Ａの一部を拡大して示す図。
図６は公知例の固体高分子型燃料電池スタックを説明するための縦断面図。
【図１】
2003009411.tif 000003
【図２Ａ】
2003009411.tif 000004
【図２Ｂ】
2003009411.tif 000005
【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
2003009411.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成14年9月9日(2002.9.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一方向に並設されると共に、電気的に直列に接続された複数個の単位電池主構成からなる固体高分子型燃料電池スタックにおいて、
前記各単位電池主構成が、
固体高分子膜（１）と、前記固体高分子膜（１）の対向する板面にそれぞれ配設された燃料極（２ａ）及び酸化剤極（１ｂ）とを備えた膜電極複合体（２３）と、
前記並設方向の終端部に配設されたものを除き、前記燃料極（２ａ）及び前記酸化剤極（１ｂ）のいずれか一方の極に当接する板面に鉛直方向にほぼ直線状に形成した第１の反応ガスを供給するための複数の第１反応ガス流路と前記板面の裏側の板面に形成した第２の反応ガスを供給するための複数の第２反応ガス流路とを備えたセパレータ（５Ａ）と、
前記第１反応ガス流路に水を供給して前記単位電池主構成を潜熱方式により冷却するものであって、前記セパレータ（５Ａ）を貫通して鉛直方向に配設されたマニホールド（１７）と、前記第２反応ガス流路の形成されている面であって前記マニホールド（１７）の鉛直方向最下部よりも上方に位置し、かつ平行方向に連続して形成された第１の水供給路（１８ａ）と、前記第１反応ガス流路と連通するように前記第１の水供給路（１８ａ）とは所定間隔を存して複数個数形成された貫通孔（１４）と、前記各貫通孔（１４）と前記第１の水供給路（１８ａ）の間であって前記貫通孔（１４）と前記第１の水供給路（１８ａ）の間をそれぞれ連通するように形成され、前記第１の水供給路（１８ａ）内の水を前記各貫通孔（１４）に導く複数の第２の水供給路（２４）とを備えた水供給手段と、
を具備したことを特徴とする固体高分子形燃料電池スタック。
【請求項２】
同一方向に並設されると共に、電気的に直列に接続された複数個の単位電池主構成からなる固体高分子型燃料電池スタックにおいて、
前記各単位電池主構成が、
固体高分子膜（１）と、前記固体高分子膜（１）の対向する板面にそれぞれ配設された燃料極（２ａ）及び酸化剤極（１ｂ）とを備えた膜電極複合体（２３）と、
前記並設方向の終端部に配設されたものを除き、前記燃料極（２ａ）に当接される板面にそれぞれ鉛直方向でほぼ直線状に形成され、燃料ガスを供給するための複数の燃料ガス流路（１１）と、前記所定の膜電極複合体（２３）とは異なる隣接の膜電極複合体（２３）の酸化剤極（１ｂ）に当接される板面に形成された酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路（１９）とを備えたセパレータ（５Ａ）と、
前記各燃料ガス流路（１１）に水を供給して前記単位電池主構成を潜熱方式により冷却するためのものであって、前記セパレータ（５Ａ）を貫通して鉛直方向に配設された水マニホールド（１７）と、前記酸化剤ガス流路（１９）の形成されている面であって前記水マニホールド（１７）の鉛直方向最下部よりも上方に位置し、かつ水平方向に連続して形成された第１の水供給路（１８ａ）と、前記燃料ガス流路（１１）と連通するように前記第１の水供給路（１８ａ）とは所定間隔を存して複数個形成された貫通孔（１４）と、前記各貫通孔（１４）と前記第１の水供給路（１８ａ）の間であって前記各貫通孔（１４）と前記第１の水供給路（１８ａ）の間をそれぞれ連通するように形成され、前記第１の水供給路（１８ａ）内の水を前記各貫通孔（１４）に導く複数の第２の水供給流路（２４）とを備えた水供給手段と、
を具備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３】
同一方向に並設されると共に、電気的に直列に接続された複数個の単位電池主構成からなる固体高分子型燃料電池スタックにおいて、
前記各単位電池主構成が、
固体高分子膜（１）と、前記固体高分子膜（１）の対向する板面にそれぞれ配置された燃料極（２ａ）及び酸化剤極（１ｂ）とを備えた膜電極複合体（２３）と、
前記並設方向の終端部に配設されたものを除き、前記燃料極（２ａ）に当接する板面に鉛直方向にほぼ直線状に形成した燃料ガスを供給するための複数の燃料ガス流路（１１）と、前記所定の膜電極複合体（２３）とは異なる隣接の膜電極複合体（２３）の酸化剤極（１ｂ）と板面に当接する板面に形成した酸化剤ガスを供給するための複数の酸化剤ガス流路（１９）とを備えたセパレータ（５Ａ）と、
前記燃料ガス流路に水を供給して前記単位電池主構成を潜熱方式により冷却するものであって、前記セパレータ（５Ａ）を貫通して鉛直方向に配設されたマニホールド（１７）と、前記酸化剤ガス流路の形成されている面であって前記マニホールド（１７）の鉛直方向最下部よりも上方に位置し、かつ平行方向に連続して形成された第３の水供給路（１８ａ）と、前記第３の水供給路（１８ａ）と前記燃料ガス流路を連通するように前記第３の水供給路（１８ａ）内に複数個形成された貫通孔（１４）と、前記セパレータ（５Ａ）であって前記燃料ガス流路の形成されている面に形成され、前記各貫通孔（１４）からそれぞれ供給される水を前記燃料ガス流路にそれぞれ導くための連続した複数の第４の水供給路（２６）を備えた水供給手段と、
を具備したことを特徴とする固体高分子形燃料電池スタック。
【請求項４】
同一方向に並設されると共に、電気的に直列に接続された複数個の単位電池主構成からなる固体高分子型燃料電池スタックにおいて、
前記各単位電池主構成が、
固体高分子膜（１）と、前記固体高分子膜（１）の対向する板面にそれぞれ配置された燃料極（２ａ）及び酸化剤極（１ｂ）とを備えた膜電極複合体（２３）と、
前記並設方向の終端部に配設されたものを除き、前記燃料極（２ａ）及び前記酸化剤極（１ｂ）のいずれか一方の極に当接する板面に鉛直方向にほぼ直線状に形成した第１の反応ガスを供給するための複数の第１反応ガス流路と前記板面の裏側の板面に形成した第２の反応ガスを供給するための複数の第２反応ガス流路とを備えたセパレータ（５Ａ）と、
前記第１反応ガス流路に水を供給して前記単位電池主構成を潜熱方式により冷却するものであって、前記セパレータ（５Ａ）を貫通して鉛直方向に配設されたマニホールド（１７）と、前記第２反応ガス流路の形成されている面であって前記マニホールド（１７）の鉛直方向最下部よりも上方に位置し、かつ平行方向に連続して形成された第３の水供給路（１８ａ）と、前記第３の水供給路（１８ａ）と前記第１反応ガス流路を連通するように前記第３の水供給路（１８ａ）内に複数個形成された貫通孔（１４）と、前記セパレータ（５Ａ）であって前記第１反応ガス流路の形成されている面に形成され、前記各貫通孔（１４）からそれぞれ供給される水を前記第１反応ガス流路にそれぞれ導くための連続した複数の第４の水供給路（２６）を備えた水供給手段と、
を具備したことを特徴とする固体高分子形燃料電池スタック。
【請求項５】
削除
【請求項６】
削除
【請求項７】
前記水マニホールド（１７）から分岐した第１の水供給路（１８）の断面積を、前記水マニホールド（１７）から離れるにつれて小さくしたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池スタック。
【請求項８】
前記隣接する貫通孔（１４）のピッチは前記隣接する燃料ガス流路（１１）のピッチの倍数としたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池スタック。
【国際調査報告】
2003009411.tif 000012
2003009411.tif 000013
2003009411.tif 000014
2003009411.tif 000015