JP2001202974A - 固体高分子型燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ガス流路内に水の滞留がなく、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固体高
分子型燃料電池スタックを得ること。 【解決手段】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、該水マニホールド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
た水供給溝１８と、該水供給溝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からなる固体高分子型燃料電池
スタック。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】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。

【０００２】

【従来の技術】近年、高効率のエネルギー変換装置とし
て、燃料電池が注目を集めている。燃料電池のうち電解
質としてプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を
用いた燃料電池は、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車両用などの電源とし
て注目されている。

【０００３】以下、従来の技術である固体高分子型燃料
電池スタックについて、図５〜図９を参照して説明す
る。図５は、全体の構成を示す上下方向の断面図であ
り、概略図８に示すように構成された単位電池（単位燃
料電池）７を複数個準備し、図９に示すように該各単位
電池を電気的に直列に接続し、且つ機械的に積層して構
成されたものである。

【０００４】単位電池７は、図６〜図８に示す高分子膜
１と、高分子膜１の対向する面に配設した燃料極（アノ
ード：陽極：電極）２ａと酸化剤極（カソード：陰極：
電極）２ｂとからなり、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４と呼ばれる幾つかの貫通
孔が形成された膜電極複合体３と、図８に示すように膜
電極複合体３の電極２ａ，２ｂに夫々当設され、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が夫々形成されたセパレ
ータ５と、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の周縁部との間に配設され
たパッキン６からなっている。

【０００５】高分子膜１としては、パーフルオロカーボ
ンスルホン酸膜(例えばナフィオン：商品名、デュポン
社製)などが用いられる。このような高分子膜１を白金
などの触媒を有する一対の多孔質電極（例えば東レ製カ
ーボンペーパーの片面に田中貴金属製の白金触媒を塗布
したもの）２ａ、２ｂとで高分子膜１を狭持し、膜電極
複合体３を構成する。この膜電極複合体３の厚みは概略
１ｍｍ以下（０を含まず）である。

【０００６】図７は膜電極複合体３を拡大した平面図で
ある。高分子膜１及び電極２ａ、２ｂのシートの形状は
通常長方形又は正方形であり、電極２ａ、２ｂの面積は
発電に必要な電流値および単位面積当たりの電流値すな
わち電流密度により決まり、概略１００ｃｍ²以上例え
ば１辺が１０ｃｍ以上の正方形の大きさである。

【０００７】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。また、反応ガスが高分子膜１を
垂直方向に通過するために、高分子膜１の周縁部にマニ
ホールド４と呼ばれる幾つかの貫通孔が設けてある。

【０００８】又、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。さらに、
同時に集電体としての機能を持った部品が各電極に隣接
した状態で存在しなければならない。この反応ガスを各
電極２ａ、２ｂに混合しないように供給し、かつ集電体
としての機能を持った部品を通常セパレータ５と呼び、
セパレータ５は電極２ａ側と電極２ｂ側に配設され、こ
れらは通常一体化されている。このセパレータ５と反応
ガスシール用のパッキン６が設置され、単位電池７を形
成する。

【０００９】セパレータ５には、反応ガスを各単位電池
７に供給するための供給マニホールド８ａ、又は各単位
電池７から排出するための排出マニホールド８ｂ、及び
それらを結ぶ多数の燃料ガス流路９ａ及び酸化剤ガス流
路９ｂが形成され、電極２ａ、２ｂに電池反応に必要な
燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するガス流路を形成す
る。1つの膜電極複合体３が生じる起電力は１Ｖ以下と
小さいため、複数の単位電池７を積層し電気的直列に接
続して繰り返し構造として図５のように固体高分子型燃
料電池スタック１０を構成し、起電力を高くする。

【００１０】複数の単位電池７を積層したスタック１０
は、図５のように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３
６、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。

【００１１】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。更に、高効率化を図るためにスタック１
０の周囲部に断熱材を巻く場合もある。

【００１２】スタック１０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。

【００１３】単位電池７において生じた熱を回収するた
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間に挿入する方式が一般的
であるが、近年では、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
により冷却するいわゆる潜熱冷却方式によって、冷却板
を省略することができる構造のスタックが出願公開され
ている（例えば、特開平１−１４０５６２号公報）。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】以上述べた従来の潜熱
冷却方式を採用した固体高分子型燃料電池スタックにあ
っては、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。

【００１５】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。更に、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。

【００１６】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。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、請求項１に対応する発明は、高分子膜の対向する
板面にそれぞれ燃料極及び酸化剤極を配設してなる膜電
極複合体と、該膜電極複合体の該燃料極に当設される板
面に燃料ガスを供給するための複数の燃料ガス流路が形
成され、該膜電極複合体とは異なる隣接の膜電極複合体
の酸化剤極に当設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が形成されたセパレータとか
らなる単位電池主構成を、複数個準備し、該各単位電池
主構成を同一方向に機械的に積層すると共に、各単位電
池主構成を、電気的に直列に接続して構成され、前記燃
料ガス流路に水を供給して該各単位電池主構成を潜熱方
式により冷却可能に構成した固体高分子型燃料電池スタ
ックにおいて、前記各セパレータの一方の板面に形成す
る複数の燃料ガス流路はそれぞれ鉛直方向でほぼ直線状
とし、前記燃料ガス流路に水を供給可能にする構成は、
前記各セパレータを貫通して設け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
つ水平方向に形成された水供給溝と、該水供給溝と前記
燃料ガス流路を連通するように前記水供給溝内に複数個
等間隔に形成された連通孔からなる固体高分子型燃料電
池スタックである。

【００１８】請求項１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溝に供給されている水は、水
供給溝に形成されている複数の連通孔１４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。

【００１９】上記の課題を解決するために、請求項２に
対応する発明は、請求項１に記載の連通孔の孔径を０．
１ｍｍ以下（０を含まず）とする固体高分子型燃料電池
スタックである。

【００２０】請求項２に対応する発明によれば、前記連
通孔の直径を０．１ｍｍ以下とすることにより、各連通
孔への水の均一配流を実現するために必要な圧力損失を
前記連通孔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。

【００２１】上記の課題を解決するために、請求項３に
対応する発明は、前記燃料ガス流路に水を供給可能にす
る構成として、前記各セパレータを貫通して設けた水マ
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、かつ水平方向に形成された水供給溝と、前
記燃料ガス流路と連通するように前記水供給溝とは所定
間隔を存して複数個等間隔に形成された連通孔と、該各
連通孔と該水供給溝の間であって該各連通孔と該水供給
溝の間をそれぞれ連通するように形成され、該水供給溝
内の水を該各連通孔に導く複数の水供給流路を備えた固
体高分子型燃料電池スタックである。

【００２２】請求項３に対応する発明によれば、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、請求項１に対応する発明における作用に加えて前記
水供給流路における圧力損失が生じるといった作用をも
たらす。

【００２３】上記の課題を解決するために、請求項４に
対応する発明は、請求項３に記載のセパレータであって
前記水供給溝から鉛直方向上方に分岐した酸化剤ガス流
路の形成されている面に設けた水供給流路に水が流れる
駆動力に毛細管力を用いることを特徴とする固体高分子
型燃料電池スタックである。

【００２４】請求項４に対応する発明によれば、水供給
流路における圧力損失が生じるために供給する水の配流
が均一化し、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。

【００２５】上記の課題を解決するために、請求項５に
記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一つに記載の記
燃料ガスに水を供給可能にする構成として、前記各セパ
レータを貫通して設け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
に形成された水供給溝と、該水供給溝と前記燃料ガス流
路を連通するように前記水供給溝内に複数個等間隔に形
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水供給パスとからな
ることを特徴とする固体高分子型燃料電池スタックであ
る。

【００２６】請求項５に対応する発明によれば、水供給
パスにおける圧力損失が生じるために供給する水の配流
が均一化し、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。

【００２７】上記の課題を解決するために、請求項６に
対応する発明は、請求項１〜５のいずれか一つに記載の
セパレータであって前記燃料ガス流路が形成されている
面の各連通孔と該燃料ガス流路との間に、複数の凸部を
格子状又は千鳥状に形成した固体高分子型燃料電池スタ
ックである。

【００２８】請求項６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。

【００２９】上記の課題を解決するために、請求項７に
対応する発明は、請求項１〜６のいずれか一つに記載の
水マニホールドから分岐した水供給溝の溝幅を、該水マ
ニホールドから離れるにつれて狭くした固体高分子型燃
料電池スタックである。

【００３０】上記の課題を解決するために、請求項８に
対応する発明は、請求項１〜７のいずれか一つに記載の
連通孔のピッチを前記燃料ガス流路のピッチの倍数とし
た固体高分子型燃料電池スタックである。

【００３１】請求項８に対応する発明によれば、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。

【００３２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の固体高分子型燃料
電池スタックの実施の形態について、図面を参照して説
明する。

【００３３】（第１の実施の形態）図１に本発明の第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り、本実施形態の前提構
成は、従来の技術で述べた固体高分子型燃料電池スタッ
クと類似している。すなわち、高分子膜の対向する板面
にそれぞれ燃料極及び酸化剤極を配設してなる膜電極複
合体と、該膜電極複合体の該燃料極に当設される板面に
燃料ガスを供給するための複数の燃料ガス流路が形成さ
れ、該膜電極複合体とは異なる隣接の膜電極複合体の酸
化剤極に当設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が形成されたセパレータとからな
る単位電池主構成を、複数個準備し、該各単位電池主構
成を同一方向に機械的に積層すると共に、各単位電池主
構成を、電気的に直列に接続して構成され、前記燃料ガ
ス流路に水を供給して該各単位電池主構成を潜熱方式に
より冷却可能に構成した固体高分子型燃料電池スタック
である。

【００３４】本実施の形態は、概略以下に述べる点が従
来の技術とは異なる構成であり、図２はこれを説明する
ためのもので、（ａ）及び（ｂ）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が当設する
面）及び他方の板面（図６の酸化剤極２ｂが当設する
面）を示す正面図である。

【００３５】セパレータ５Ａの一方の板面の周縁部を除
く中央部には、図２（ａ）に示すように、複数の燃料ガ
ス流路１１を形成する。この場合、各燃料ガス流路１１
は、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。

【００３６】また、セパレータ５Ａの他方の板面の周縁
部を除く中央部には、図２（ｂ）に示すように、複数の
酸化剤ガス流路１９を形成する。この場合、各酸化剤ガ
ス流路１９は、例えば鉛直方向でほぼＺ字状に形成した
溝である。

【００３７】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、水平方向の水供給溝１８を
形成し、さらに水供給溝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。

【００３８】連通孔１４は、その一つの直径が例えば
０．１ｍｍ以下（０を除く）のものを、複数個例えば２
０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。

【００３９】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。

【００４０】各セパレータ５Ａの周縁部の水平方向の一
方側［図２（ａ）の上側］及び他方側［図２（ａ）の下
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。

【００４１】各セパレータ５Ａの周縁部の垂直方向の一
方側［図２（ａ）の左側］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を形成し、また各
セパレータ５Ａの周縁部の垂直方向の他方側［図２
（ａ）の右側］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。

【００４２】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。

【００４３】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、すなわちは膜電極複合体と電
気的に接する部分の面積は例えば２８８ｃｍ²である。

【００４４】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溝１８に供給され、水
供給溝１８に供給された水は水供給溝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。

【００４５】このように高分子膜（図５〜図９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３と、該膜電極複合体３の該
燃料極２ａに当設される板面に燃料ガスを供給するため
の燃料ガス流路１１が形成され、該膜電極複合体３とは
異なる隣接の膜電極複合体の酸化剤極２ｂに当設される
板面に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路１９
が形成されたセパレータとからなる単位電池主構成を、
複数個例えば２００個準備し、該各単位電池主構成を同
一方向に機械的に積層すると共に、各単位電池主構成
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。

【００４６】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。

【００４７】この時、２００の単位電池の電圧は平均電
圧±１％以下であった。

【００４８】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、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。

【００４９】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。

【００５０】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。

【００５１】また、各連通孔１４の直径を０．１ｍｍ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。

【００５２】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。

【００５３】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。

【００５４】（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、（ａ）及び
（ｂ）は、図２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。

【００５５】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。

【００５６】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水供給溝
１８と、燃料ガス流路１１と連通するように水供給溝１
８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、該各連通孔１４と該水供給溝１８の間であっ
て該各連通孔１４と該水供給溝１８の間をそれぞれ連通
するように形成され、該水供給溝１８内の水を該各連通
孔１４に導く複数の水供給流路２４とからなる。

【００５７】この場合、水供給溝１８の溝幅を、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。

【００５８】このように構成することにより、水供給溝
１８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。

【００５９】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。

【００６０】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０．１ｍｍで、燃料ガス流路導入部
１５に水平に並んでいる。

【００６１】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溝１８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。

【００６２】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。

【００６３】水マニホールド１７の上部から水平に分岐
した水供給溝１８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、水供給溝１８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。水供給溝１８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。

【００６４】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、図２のような膜電極複合体数（単位電池数）が２０
０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。

【００６５】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、・・・19
0、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。

【００６６】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、更に水供給溝１８内の圧力分布が均一化した。

【００６７】この結果、スタック設置角度に影響を受け
ることなく、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、安定し
た発電が可能であった。

【００６８】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。

【００６９】（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、（ａ）及び
（ｂ）は、図２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。

【００７０】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。

【００７１】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本実施の形態は、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水供給溝１８と、該水供給溝１８と
燃料ガス流路１１を連通するように水供給溝１８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を連通する例えば
複数の溝からなる複数の水供給パス２５とからなってい
る。

【００７２】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１
４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。

【００７３】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。

【００７４】連通孔１４は配列ピッチが６ｍｍ、個数が
２０個、孔の直径が０．５ｍｍで、燃料ガス流路導入部
１５に水平に並んでいる。

【００７５】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２８８ｃｍ^２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/cm
²、燃料ガス利用率（Uf）70%、酸化剤ガス利用率（Uo
x）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。

【００７６】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。

【００７７】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、水供給パス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。

【００７８】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。

【００７９】（変形例）図３の構成のうち、水供給溝１
８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。

【００８０】

【発明の効果】以上説明した本発明によれば、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ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】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２】図１のセパレータを説明するための正面図。

【図３】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示す正面図。

【図４】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示す正面図。

【図５】従来の固体高分子型燃料電池スタックの概略構
成を示す断面図。

【図６】図５の膜電極複合体を示す断面図。

【図７】図５の膜電極複合体を拡大して示す平面図。

【図８】図５の固体高分子型燃料電池スタックの単位電
池の概略構成を示す断面図。

【図９】図５の固体高分子型燃料電池スタックの要部を
示す断面図。

【符号の説明】

１…高分子膜 ２ａ…燃料極（電極） ２ｂ…酸化剤極（電極） ２ａ，２ｂ…電極 ３…膜電極複合体 ４…マニホールド ５…セパレータ ５Ａ…セパレータ ６…パッキン ７…単位電池 ８ａ…供給マニホールド ８ｂ…排出マニホールド ９ａ…燃料ガス流路 ９ｂ…酸化剤ガス流路 １０…固体高分子型燃料電池スタック １１…燃料ガス流路 １２…燃料ガス入口ガスマニホールド １３…燃料ガス出口ガスマニホールド １４…連通孔 １５…燃料ガス流路導入部 １６…凸部 １７…水マニホールド １８…水供給溝 １９…酸化剤ガス流路 ２０…酸化剤ガス入口ガスマニホールド ２０…酸化剤ガス入口ガスマニホールド ２１…酸化剤ガス出口ガスマニホールド ２２…パッキン ２３…膜電極複合体 ２４…水供給流路 ２５…水供給パス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 知沢 洋 神奈川県川崎市川崎区浮島町４番１号 株 式会社東芝電力・産業システム技術開発セ ンター内 (72)発明者 堀 美知郎 神奈川県川崎市川崎区浮島町４番１号 株 式会社東芝電力・産業システム技術開発セ ンター内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC03 CC08 CC10 HH04

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高分子膜の対向する板面にそれぞれ燃料
   極及び酸化剤極を配設してなる膜電極複合体と、該膜電
   極複合体の該燃料極に当設される板面に燃料ガスを供給
   するための複数の燃料ガス流路が形成され、該膜電極複
   合体とは異なる隣接の膜電極複合体の酸化剤極に当設さ
   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
   ス流路が形成されたセパレータとからなる単位電池主構
   成を、複数個準備し、該各単位電池主構成を同一方向に
   機械的に積層すると共に、各単位電池主構成を、電気的
   に直列に接続して構成され、前記燃料ガス流路に水を供
   給して該各単位電池主構成を潜熱方式により冷却可能に
   構成した固体高分子型燃料電池スタックにおいて、 前記各セパレータの一方の板面に形成する複数の燃料ガ
   ス流路はそれぞれ鉛直方向でほぼ直線状とし、 前記燃料ガス流路に水を供給可能にする構成は、前記各
   セパレータを貫通して設け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
   方向に形成された水供給溝と、該水供給溝と前記燃料ガ
   ス流路を連通するように前記水供給溝内に複数個等間隔
   に形成された連通孔からなることを特徴とする固体高分
   子型燃料電池スタック。
2. 【請求項２】 前記連通孔の直径を０．１ｍｍ以下（０
   を含まず）とすることを特徴とする請求項１に記載の固
   体高分子型燃料電池スタック。
3. 【請求項３】 高分子膜の対向する板面にそれぞれ燃料
   極及び酸化剤極を配設してなる膜電極複合体と、該膜電
   極複合体の該燃料極に当設される板面に燃料ガスを供給
   するための複数の燃料ガス流路が形成され、該膜電極複
   合体とは異なる隣接の膜電極複合体の酸化剤極に当設さ
   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
   ス流路が形成されたセパレータとからなる単位電池主構
   成を、複数個準備し、該各単位電池主構成を同一方向に
   機械的に積層すると共に、各単位電池主構成を、電気的
   に直列に接続して構成され、前記燃料ガス流路に水を供
   給して該各単位電池主構成を潜熱方式により冷却可能に
   構成した固体高分子型燃料電池スタックにおいて、 前記各セパレータの一方の板面に形成する複数の燃料ガ
   ス流路はそれぞれ鉛直方向でほぼ直線状とし、 前記燃料ガス流路に水を供給可能にする構成は、前記各
   セパレータを貫通して設け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
   方向に形成された水供給溝と、前記燃料ガス流路と連通
   するように前記水供給溝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と、該各連通孔と該水供給溝の
   間であって該各連通孔と該水供給溝の間をそれぞれ連通
   するように形成され、該水供給溝内の水を該各連通孔に
   導く複数の水供給流路とからなることを特徴とする固体
   高分子型燃料電池スタック。
4. 【請求項４】 前記各水供給流路は、前記水供給溝内の
   水が前記各連通孔に流れる際の駆動力となる毛細管力を
   発生するものである請求項３に記載の固体高分子型燃料
   電池スタック。
5. 【請求項５】 高分子膜の対向する板面にそれぞれ燃料
   極及び酸化剤極を配設してなる膜電極複合体と、該膜電
   極複合体の該燃料極に当設される板面に燃料ガスを供給
   するための複数の燃料ガス流路が形成され、該膜電極複
   合体とは異なる隣接の膜電極複合体の酸化剤極に当設さ
   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
   ス流路が形成されたセパレータとからなる単位電池主構
   成を、複数個準備し、該各単位電池主構成を同一方向に
   機械的に積層すると共に、各単位電池主構成を、電気的
   に直列に接続して構成され、前記燃料ガス流路に水を供
   給して該各単位電池主構成を潜熱方式により冷却可能に
   構成した固体高分子型燃料電池スタックにおいて、 前記各セパレータの一方の板面に形成する複数の燃料ガ
   ス流路はそれぞれ鉛直方向でほぼ直線状とし、 前記燃料ガス流路に水を供給可能にする構成は、前記各
   セパレータを貫通して設け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
   方向に形成された水供給溝と、該水供給溝と前記燃料ガ
   ス流路を連通するように前記水供給溝内に複数個等間隔
   に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水供給パスとか
   らなることを特徴とする固体高分子型燃料電池スタッ
   ク。
6. 【請求項６】 前記セパレータであって前記燃料ガス流
   路が形成されている面の各連通孔と該燃料ガス流路との
   間に、複数の凸部を格子状又は千鳥状に形成したことを
   特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の固体高
   分子型燃料電池スタック。
7. 【請求項７】 前記水マニホールドから分岐した水供給
   溝の溝幅を、該水マニホールドから離れるにつれて狭く
   したことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記
   載の固体高分子型燃料電池スタック。
8. 【請求項８】 前記連通孔のピッチは前記燃料ガス流路
   のピッチの倍数としたことを特徴とする請求項１〜７の
   いずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池スタック。