JP2007265799A - セパレータおよび燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】生成した水分によるガス流路の閉塞を抑制する。
【解決手段】貯水部１３を有する第１の供給ガスマニホールド１２ａを備える燃料電池スタック１００であって、貯水部１３は、水分を貯留するとともに、貯留した水分の飛散を抑制する飛散抑制部材１５を有する。また、飛散抑制部材１５に替えて、水吸収体を使用することも好適である。また、傾斜部や放熱部を設けることにより、貯水部１３への水分の貯留を促進させることも好適である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガス流路を有するセパレータおよび燃料電池スタックに関する。

燃料電池は、電解質膜の一方の面に燃料極（アノード触媒層）と、もう一方の面に空気極（カソード触媒層）とを電解質膜を挟んで対向するように設け、電解質膜を挟持した各触媒層の外側に拡散層をさらに設け、これらを原料供給用の通路を設けたセパレータで挟んで電池（単セル）が構成され、各触媒層に水素、酸素等の原料（以下、原料ガスまたは反応ガスとも称する）を供給して発電する。この単セルを複数積層させることにより、いわゆるセルスタックが形成される。

図８は、従来の燃料電池セルスタック（以下、燃料電池スタックとも称する）の構成の概略を示す模式図である。なお、図８に示した燃料電池スタックは、特にセパレータと拡散層との間に形成された反応ガス流路に着目して示したものであり、冷却水流路や、電解質膜、触媒層などを含む一部の構成については省略し、または簡略な記載にとどめた。

図８において、セパレータ８０と、図示しないＭＥＡ（電解質膜、触媒層および拡散層を接合し、一体化したもの）とを順に水平方向に積層させて燃料電池スタック８００が形成されている。つまり、図８に示した燃料電池スタック８００は、セパレータ８０が、矢印方向を鉛直方向とする鉛直線Ｌにほぼ沿うように備えられている。なお、図８においては、燃料電池スタック８００の例示としてセパレータ８０を４枚積層させた構成を示しているが、この積層枚数は任意である。

セパレータ８０には、それぞれ開口８２ａ，８２ｂ，８４ａ，８４ｂが設けられており、積層された他のセパレータに設けられた対応する開口と、それぞれが個別に連通した４つのガスマニホールドを形成している。開口８２ａには、燃料電池システム外部から供給された第１の反応ガスが流通している一方、開口８２ｂには、開口８２ａを介して供給された第１の反応ガスが、燃料電池スタック内部を、反応を伴って通過した後に排出されたいわゆるオフガスが流通している。このことから、以下、開口８２ａを第１の供給ガスマニホールド８２ａ、開口８２ｂを第１の排出ガスマニホールド８２ｂとも記す。

同様に、開口８４ａには、燃料電池システム外部から供給された第２の反応ガスが流通している一方、開口８４ｂには、開口８４ａを介して供給された第２の反応ガスが、燃料電池スタック内部を、反応を伴って通過した後に排出されたいわゆるオフガスが流通している。そこで以下、開口８４ａを第２の供給ガスマニホールド８４ａ、開口８４ｂを第２の排出ガスマニホールド８４ｂとも記す。

セパレータ８０にはまた、その一方面（図８においては表面）に第１の反応ガス導入部８６ａ、第１の反応ガス流路８６および第１の反応ガス排出部８６ｂがそれぞれ形成されている。反応ガスの流れを矢印８８として模式的に示したように、第１の供給ガスマニホールド８２ａを介して供給された第１の反応ガスは、第１の反応ガス導入部８６ａを介して燃料電池スタック８００内部の、ＭＥＡを介しての反応部分に相当する第１の反応ガス流路８６に流入した後に、第１の反応ガス排出部８６ｂを経由して第１の排出ガスマニホールド８２ｂに流通し、燃料電池セル内部から排出される。

同様に、セパレータ８０の他方面（図８においては裏面）には、図示しない第２の反応ガス導入部、第２の反応ガス流路および第２の反応ガス排出部がそれぞれ形成されている。反応ガスの流れを矢印９０として模式的に示したように、第２の供給ガスマニホールド８４ａを介して供給された第２の反応ガスは、第２の反応ガス導入部を介して燃料電池スタック８００内部の、ＭＥＡを介しての反応部分に相当する第２の反応ガス流路に流入した後に、第２の反応ガス排出部を経由して第２の排出ガスマニホールド８４ｂに流通し、燃料電池セル内部から排出される。

前述したように、燃料電池スタックに用いられる電解質膜は、適度な水分量を維持することにより所望のプロトン導電性が確保されるものである。このため、一般に原料ガス、特に被酸化ガスである水素ガスなどの燃料ガスを加湿させたものを供給し、電解質膜に対する水分の供給が行なわれている。

一方、燃料電池スタックに対する水分の供給が所定の量を超えてしまうと、ガス流路内においてガス中の水分が凝縮し、液体の水を生成する。この凝縮により生成した凝縮水がガス流路や拡散層を塞いでしまうと、反応に必要な原料ガスの、触媒層への供給が不十分となってしまう、いわゆるフラッディングと呼ばれる現象が発生し、発電効率が低下するばかりでなく、運転状態が不安定となり、場合によってはシステムの停止に繋がるおそれもある。さらに空気極側、つまり酸化ガスが流通しているガス流路においては、ガス由来の凝縮水のほか、プロトンと酸素との反応によっても水を生成するため、フラッディングさせないよう、特に水分量の制御に注意が必要である。

ところで、凝縮水の生成には、ガスに含まれる水分量の多寡のほかに、その温度条件が密接に関わっている。つまり、６０℃から１００℃程度にもなる燃料電池スタックの運転時においては、飽和水蒸気圧が高く、ガス中に含有し得る水分量が多いために凝縮する水分量はわずかであるが、飽和水蒸気圧は温度の低下とともに低下するため、出力を低下させた時や運転停止時において、電池内部が低温になる場合には、凝縮水の生成が顕著になる。そこで従来、運転停止後に乾燥した不活性ガスを所定の時間流通させることにより加湿ガスを外部に排出させる、いわゆるパージを行ない、水分によるガス流路の閉塞に伴う、次の始動時における燃料電池セルの不具合の発生を抑制する方法が採られていた。

しかしながら、パージが十分でないと、やはりフラッディングが起こる可能性は残されたままであり、逆にパージが長すぎると、水分が不足してしまい、起動時における起電力が不十分となってしまうおそれもある。

さらに、パージは通常、運転停止時に行なわれるため、使用されるガス（窒素ガス、乾燥空気などの不活性ガス）は一般に反応には使用されないものであり、使用したガスが無駄となってしまうおそれがあるばかりでなく、運転停止時においても所定の時間ガス供給を継続させる必要があるため、電力消費にも繋がり、好ましくない。

そこで、例えば、特許文献１，２に記載されたような燃料電池システムが提案されている。

特許文献１には、凝縮した水を外部に排出する排水手段をガス流路の下流側に設けた燃料電池について記載されている。この燃料電池によれば、運転中の凝縮水の除去は可能であるとも考えられるが、運転停止後にガス流路の上流部において生成した凝縮水の除去を行なうことは困難であると考えられ、再起動時の電池性能の低下や不安定な運転状態が懸念される。

特許文献２には、凝縮水または生成水を一時溜める水溜まり部が設けられ、電磁弁を開放して溜まった水を排出することが可能な燃料電池システムについて記載されている。

特開２００３−７７４９５号公報 特開２００３−１７８７９１号公報

しかしながら、システムが複雑となってしまうため、燃料電池システムの作動により得られた電力の一部を、上記手段を作動させるために使用せざるを得ず、本来の目的のために供給する電力量が低下してしまうおそれがある。

また仮に、電磁弁の開閉頻度を少なくし、水溜まり部に水を溜めたままの状態にしておいた場合には、ガスの流れに乗って再びガス流路内に水分が流入してしまい、フラッディングを起こしてしまうおそれがある。

本発明は、水分の滞留による燃料電池の性能低下を、電力消費を伴わずに抑制する燃料電池スタックを提供する。

また、本発明の他の目的は、水分の滞留によるガス流路の閉塞を抑制または防止することにある。

本発明の構成は以下のとおりである。

（１）ガス流路を有するセパレータを備える燃料電池スタックであって、前記ガス流路に配置され、ガス中の水分を貯留する貯水部と、貯留した水分の流出を抑制する流出抑制手段と、を有する、燃料電池スタック。

（２）上記（１）に記載の燃料電池スタックにおいて、前記ガス流路の一部がマニホールドであり、前記貯水部は、前記マニホールドに配置される、燃料電池スタック。

（３）上記（１）または（２）に記載の燃料電池スタックにおいて、前記流出抑制手段は、前記貯水部に貯留した水分の飛散を抑制する飛散抑制部材である、燃料電池スタック。

（４）上記（１）または（２）に記載の燃料電池スタックにおいて、前記流出抑制手段は、水吸収体である、燃料電池スタック。

（５）上記（１）から（４）のいずれか１つに記載の燃料電池スタックにおいて、前記ガス中の水分を前記貯水部に誘導する誘導部を有する、燃料電池スタック。

（６）上記（５）に記載の燃料電池スタックにおいて、前記誘導部は、傾斜部を含む、燃料電池スタック。

（７）上記（５）または（６）に記載の燃料電池スタックにおいて、前記誘導部の近傍に、放熱部を有する、燃料電池スタック。

（８）上記（１）から（７）のいずれか１つに記載の燃料電池スタックにおいて、前記貯水部の近傍に、放熱部を有する、燃料電池スタック。

（９）上記（２）から（８）のいずれか１つに記載の燃料電池スタックにおいて、前記マニホールドの近傍に、放熱部を有する、燃料電池スタック。

（１０）上記（２）から（９）のいずれか１つに記載の燃料電池スタックにおいて、前記マニホールドは、燃料ガスマニホールドである、燃料電池スタック。

（１１）上記（２）から（９）のいずれか１つに記載の燃料電池スタックにおいて、前記マニホールドは、酸化ガスマニホールドである、燃料電池スタック。

（１２）ガス流路を有するセパレータであって、前記ガス流路に配置され、流通するガス中の水分を貯留する貯水部と、貯留した水分の流出を抑制する流出抑制手段と、を有する、セパレータ。

（１３）上記（１２）に記載のセパレータにおいて、前記流出抑制手段は、前記貯水部に貯留した水分の飛散を抑制する飛散抑制部材である、セパレータ。

（１４）上記（１２）に記載のセパレータにおいて、前記流出抑制手段は、水吸収体である、セパレータ。

本発明によれば、水分の滞留によるガス流路の閉塞を抑制または防止することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態における燃料電池スタック１００の構成の概略を示す模式図である。図１に示す燃料電池スタック１００は、図８におけるセパレータ８０に替えてセパレータ１０を用いることを除き、図８に示した従来の燃料電池スタック８００の構成と同様であるため、積層構造については省略し、単にセパレータ１０の構成のみを示した。なお、後述する図２〜７についても、図１と同様にセパレータ２０〜７０の構成のみをそれぞれ示し、燃料電池スタックとした。

図１に示すセパレータ１０は、第１の供給ガスマニホールド８２ａに替えて第１の供給ガスマニホールド１２ａを使用したことを除き、図８に示すセパレータ８０の構成とほぼ同様である。

図１において、第１の供給ガスマニホールド１２ａは、貯水部１３と、飛散抑制部材１５とを有している。原料ガスに含まれる水分は、例えば燃料電池の運転停止時などに過飽和となったことにより少なくともその一部が凝縮する。貯水部１３は、このようにして生成した水分を貯留し、ガス流路内、特に第１の反応ガス流路１６への水の流出を抑制するために設けられたものであり、第１の供給ガスマニホールド１２ａのガス流通部分に対して所定の高さＨを有する段差が設けられている。

貯水部１３の形状は、水分が貯留してもガス流路が常に確保できるものであれば、図１に示した形状に必ずしも限らない。同様に、貯水部１３の高さＨおよび幅Ｗについては、使用する燃料電池スタック１００およびこれを用いた燃料電池システムにおける運転条件や加湿条件等により適宜設定することができる。また、第１の供給ガスマニホールド１２ａは、その全体にわたり貫通していてもよく、また、貯水部１３の一部をセパレータ１０の積層方向に切り欠いた形状であってもよい。

一方、飛散抑制部材１５は、セパレータ１０と一体または別体として設けられ、一旦貯水部１３に貯留した水分が飛散により第１の供給ガスマニホールド１２ａのガス流通部分に流出することを抑制または防止する部材である。飛散抑制部材１５は、例えばスリットまたはメッシュその他の形状を有する細孔が設けられた仕切り部材であり、これにより第１の供給ガスマニホールド１２ａにおける貯水部１３の位置が規定される。水蒸気は飛散抑制部材１５の細孔を容易に通過することが可能であるが、液体となった水分については、特に飛散抑制部材１５の貯水部１３側からの通過が抑制される。飛散抑制部材１５の材料はいかなるものでもよいが、少なくとも隣接するセルとの間は絶縁させておく必要がある。

本実施の形態によれば、ガス流路を閉塞させてフラッディングを発生させる要因ともなる貯水部に滞留した水分を、飛散抑制部材の仕切りの存在によってガスマニホールドおよびガス流路内に飛散し、流出させることを抑制することが可能となる。

図４は、本実施の形態の変形例における燃料電池スタック４００の構成の概略を示す模式図である。図４に示すセパレータ４０は、第２の供給ガスマニホールド８４ａ、第２の排出ガスマニホールド８４ｂに替えて第２の供給ガスマニホールド４４ａ、第２の排出ガスマニホールド４４ｂをそれぞれ使用したことを除いて、図８に示すセパレータ８０の構成とほぼ同様である。

図４において、第２の供給ガスマニホールド４４ａの下部には貯水部４３ａを有しており、第２の排出ガスマニホールド４４ｂの下部には貯水部４３ｂを有している。貯水部４３ａ，４３ｂについては、少なくともいずれか１つを有していればよく、必ずしも両方を有することを要しないが、両方を有することにより、それぞれの形状を小さくすることも可能となる。

貯水部４３ａ，４３ｂはまた、第２の反応ガス導入部４６ａ、第２の反応ガス流路４６および第２の反応ガス排出部４６ｂのうち最下端４９よりも下部に有することが好ましく、本実施の形態においては、最下端４９の近傍に、貯水部４３ａ，４３ｂを規定する飛散抑制部材４５を設ける。このような構成により、貯水部４３ａ，４３ｂに水分が滞留した場合においても常に反応ガスの流れ４８を確保することが可能となる。

図７は、本実施の形態の他の変形例における燃料電池スタック７００の構成の概略を示す模式図である。図７に示すセパレータ７０は、第１の供給ガスマニホールド８２ａ、第１の排出ガスマニホールド８２ｂに替えて第１の排出ガスマニホールド７２ｂ、第１の供給ガスマニホールド７２ａをそれぞれ使用したことを除いて、図８に示すセパレータ８０の構成とほぼ同様である。また、矢印で示す第１の反応ガスの流れ７８は、図８に示す第１の反応ガスの流れ８８とその流通方向が異なり、鉛直方向に逆行するようにして流通している。

図７において、第１の供給ガスマニホールド７２ａは、貯水部７３と飛散防止部材７５とを有しており、その形状および構成については、それぞれ図１に示した貯水部１３および飛散抑制部材１５とほぼ同様である。このようにして、ガスの流通方向が重力と逆らうような方向である場合においても、原料ガスから得られた余剰な水分を貯水部に貯留させ、常にガス流路を閉塞させることなく確保するとともに、飛散抑制部材の仕切りの存在によってガスマニホールドおよびガス流路内に飛散し、流出させることを抑制することが可能となる。

このように、本実施の形態においては、ガスの流通方向がいかなる場合においても水分を貯水部に貯留し、飛散抑制部材によってガスマニホールドおよびガス流路内に貯留した水分が飛散し、流出することを抑制することが可能となる。

［実施の形態２］
図２は、本発明の他の実施の形態における燃料電池スタック２００の構成の概略を示す模式図である。図２に示すセパレータ２０は、第１の供給ガスマニホールド１２ａに替えて第１の供給ガスマニホールド２２ａを使用したことを除き、図１に示すセパレータ１０の構成とほぼ同様である。

図２において、第１の供給ガスマニホールド２２ａは、貯水部１３を有しており、貯水部１３に、水吸収体２５を有している。つまり、第１の供給ガスマニホールド２２ａは、第１の供給ガスマニホールド１２ａにおける飛散抑制部材１５に替えて水吸収体２５を有することを除いて、図１に示す第１の供給ガスマニホールド１２ａの構成とほぼ同様である。

水吸収体２５は、物理吸着または化学吸着により水分を吸収または吸着するものであればいかなるものを使用してもよい。貯水部１３に貯留した水分を吸収することが可能であれば水吸収体２５としていかなるものを使用してもよく、また例えば貯水部１３付近を流通している水蒸気を直接吸収することが可能なものであってもよい。水吸収体２５はまた、燃料電池の運転条件に耐え得る程度の耐熱性を有していることが好ましく、また燃料電池の運転時には、吸収した水分を放出するものであることが好ましい。これにより、水吸収体２５の交換や再生を不要とするまたは、交換頻度を少なくすることが可能となり、コストの上昇を抑制することが可能となる。

このような水吸収体２５として好適な物質の例としては、発泡メタルなどの金属製の多孔体、ウレタン、ナイロン、セルロースなどの樹脂または繊維、または塩化カルシウム、シリカゲルやゼオライトなどの吸湿性を有する無機固形物、活性炭などの炭素材料、などを挙げることができるが、これらに限定されない。また、液状のものや粉状、粒状のもの、さらに潮解性を有するもの、などを使用する場合には、貯水部１３における自由な移動を制限し、またセパレータ２０との反応を防止するために、必要に応じてカートリッジなどの、セパレータ２０とは別体の収納容器内に収容したものを配置させたり、防錆性を付与したりしてもよい。

本実施の形態によれば、ガス流路を閉塞させてフラッディングを発生させる要因ともなる貯水部に滞留した水分を、水吸収体の存在によってその移動を制限し、ガスマニホールドおよびガス流路内に流出させることを抑制することが可能となる。

［実施の形態３］
図３は、本発明の他の実施の形態における燃料電池スタック３００の構成の概略を示す模式図である。図３に示すセパレータ３０は、第１の供給ガスマニホールド１２ａに替えて第１の供給ガスマニホールド３２ａを使用したことを除き、図１に示すセパレータ１０の構成とほぼ同様である。

図３において、第１の供給ガスマニホールド３２ａは、貯水部１３と、傾斜部３５とを有している。まず傾斜部３５の内表面３５ａの一部でわずかに凝縮した複数の水滴は、傾斜部３５を伝わりながら次第に成長し、内表面３５ａから落下または壁面３５ｂを伝い、貯水部１３へと流入する。

傾斜部３５は、図３に示すようにセパレータ３０の第１の供給ガスマニホールド３２ａの上部を単に傾斜させた形状としたものでもよく、また傾斜部３５の内表面３５ａを親水化または疎水化処理を施したものでもよく、さらに内表面３５ａを粗面化処理したものであってもよい。傾斜部３５の傾きは内表面３５ａの濡れ性や燃料電池の運転条件によって適宜設定することが可能である。また、傾斜部３５の形状は、図３に例示したものに限らず、中央付近を頂点として山形に折れ曲がったものや、湾曲したものなど、付着または生成した水分を直接または間接に貯水部に誘導することが可能であればいかなる形状のものであってもよい。

本実施の形態によれば、傾斜部の存在により、ガスマニホールド内で過飽和となった水分を速やかに凝縮させて貯水部に貯留することが可能となる。さらに、図１または図２に示した実施の形態と組み合わせることにより、一旦貯水部に滞留させた水分を、水吸収体の存在によってガスマニホールドおよびガス流路内に流出させることを抑制することが可能となる。

［実施の形態４］
図５は、本発明の他の実施の形態における燃料電池スタック５００の構成の概略を示す模式図である。図５に示すセパレータ５０は、第１の供給ガスマニホールド５２ａと、放熱部材５５とを有している。

図５において、第１の供給ガスマニホールド５２ａは、貯水部１３を有しており、必要に応じて図１または図２に示した実施の形態を組み合わせることが可能である。

一方、放熱部材５５は、セパレータ５０における他の部位と比較して熱伝導性が高い部材により構成されている。このため、燃料電池の運転停止時においては放熱部材５５およびその近傍は速やかに冷却される。このことから、放熱部材５５を第１の供給ガスマニホールド５２ａの近傍に設けることにより、ガス中の、過飽和となった水分を速やかに凝縮させ、貯水部１３に貯留させることが可能となる。放熱部材５５として適当な材料は、セパレータ５０の材質に応じて適宜選択することが可能であるが、例えば炭素材料を含むカーボンセパレータの場合には、ステンレス鋼を含む金属が好適であり、一方セパレータ５０がステンレス鋼の場合には、アルミなどが好適である。必要に応じて、表面の絶縁処理や接触抵抗の軽減のためにメッキ処理などの適切な処理を講じてもよい。

また、放熱部材５５の位置は、第１の供給ガスマニホールド５２ａまたは貯水部１３の近傍であればよく、図５に示したように隣接する必要はない。また放熱部材５５の形状は、必ずしも図５に示す形状に限らず、例えば、第１の供給ガスマニホールド５２ａまたは貯水部１３の近傍に貼付または接着させてもよく、また熱伝導性の良好な複数の部材または粒子を包埋させてもよく、その他いかなる方法を用いてもよい。さらに放熱部材５５は、セパレータ５０と一体成形されていてもよく、例えば、肉厚を薄くすることにより、他の部位と比較して放熱性を向上させてもよい。

図６は、本実施の形態の変形例である燃料電池スタック６００の構成の概略を示す模式図である。図６に示すセパレータ６０は、第１の排出ガスマニホールド８２ｂに替えて第１の排出ガスマニホールド６２ｂを有することを除いて、図８に示すセパレータ８０の構成とほぼ同様である。

第１の排出ガスマニホールド６２ｂの底面６５は、凹部６５ａと凸部６５ｂとを交互に有するように成形されており、例えば図８に示したセパレータ８０における第１の排出ガスマニホールド８２ｂと第１の排出ガスマニホールド６２ｂとを比較すると、マニホールド内の容積はほぼ同程度である一方、表面積が大きくなっている。このため、燃料電池スタック６００の運転条件を従来の燃料電池スタック８００と同様とした場合においては、運転停止時においては第１の排出ガスマニホールド６２ｂの方が放熱により速やかに冷却され、これにより第１の排出ガスマニホールド６２ｂ内における水分の生成が促進される。

本実施の形態においては、第１の排出ガスマニホールド６２ｂ内で生成した水分は凹部６５ａに優先して貯留されるため、凹部６５ａが貯水部としての役割を担うことも可能であるが、必要に応じて、図示しない貯水部を別に設けても良い。また、底面６５の形状は、第１の排出ガスマニホールド６２ｂ内の表面積を増大させる形状であればいかなるものでもよく、図６に示すような断面矩形状である必要はない。

以上説明したように、本発明によれば、ガスマニホールド内に水分を貯留する貯水部を設けることにより、運転停止に伴い燃料電池セル内部において凝縮する水分による、反応ガス流路の閉塞を抑制することが可能となる。また、本発明によれば、貯水部に飛散抑制部材や水吸収体のような流出抑制手段をさらに有することにより、貯水部に貯留させた水分がガス流路内に流出してしまい、ガス流路を閉塞させることを抑制または防止することが可能となる。また、本発明の実施の形態として、運転停止時に、生成する水分を燃料電池スタック内からは排出せず、ガスマニホールド内の貯水部に貯留しておく構成とすることにより、この燃料電池システムの次の運転時に貯留部に貯留した水分を再利用することが可能であり、始動時における水分の速やかな供給を可能にする。

また、本発明によれば、水分を凝縮させて貯水部に誘導する誘導部を設けることにより、ガスマニホールド内を流通するガス中の水分を確実に貯水部に誘導することが可能となる。

さらに、本発明によれば、ガスマニホールドまたは貯水部の近傍に放熱部材を設けた、またはガスマニホールド内の表面積を増大させた放熱部を有することにより、運転停止時の温度低下を早め、水分の凝縮を促進することが可能となる。

本発明の実施の形態において、水分を貯留する貯水部は、少なくとも供給ガスマニホールドまたは排出ガスマニホールドのいずれか一方に有していればよいが、その両方に有していてもよい。この貯水部はまた、少なくとも第１または第２のガス流路におけるそれぞれのガスマニホールドのいずれかに有していればよく、この構成については適宜設定することが可能である。特に、酸素を含む酸化ガス流路におけるマニホールドに貯水部を備える場合には、貯留される水には一般に、燃料電池の運転により得られる生成水も含まれる。

また、上述した各本発明の実施の形態において説明した傾斜部および放熱部についても同様であり、いかなるガスが流通するどのマニホールドに有していてもよい。

さらに、各ガスマニホールド、ガス導入部および排出部、ガス流路の形状を含む燃料電池セルおよび燃料電池スタックの形状は、燃料電池として使用し得る形状であればいかなるものでもよく、本発明の実施の形態に限らないことはいうまでもない。

本発明におけるセパレータは、いわゆる金属セパレータやカーボンセパレータを含むが、これに限らず、例えば金属セパレータを被覆する、ガス流路が形成された樹脂フレームなども含まれる。さらに燃料電池スタックの内部に水分が滞留することを抑制することが可能であれば、例えばガスケット（図示せず）の形状を、貯水部に相当する形状にすることも可能である。つまり貯水部は、燃料電池スタックの内部であって、水分を貯留した状態においてガス流路の閉塞を防止または抑制し得る構成であれば、いかなる場所に存在していてもよい。

なお、本発明におけるセパレータとは反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）を流通させるガス流路や、ガス流路に接続するマニホールドを有する部材であって、燃料電池スタックを構成する単セルのセパレータの場合には導電性を有する部材であることが好ましい。また本発明のセパレータが燃料電池システムの加湿器または加湿装置に利用される場合には導電性を有しなくてもよい。また、本発明のセパレータは所定の厚みを有する板状部材や曲面を有する部材であってもよい。

なお、本発明の実施の形態において、特に断りのない限り、「水分」とはガス流路内を流通する反応ガス中に含まれる水蒸気、燃料電池の運転により生成される生成水、および凝縮水のうち、少なくとも１つを含む。

本発明は、高分子電解質型燃料電池スタックに限らず、加湿ガスの供給を必要とし、運転時に水を生成する燃料電池スタックにおいて好適に利用することが可能である。

また、本発明のガス流路を有するセパレータは、燃料電池スタックに限らず、加湿ガスを流通させるあらゆるガス流通装置において利用することが可能である。例えば、プロトン導電性の電解質膜に替えて透湿膜を使用することにより、透湿膜の一方面と他方面において湿潤度（湿度または水分量ともいう）の異なるガスを流通させ、水蒸気交換を行なう、加湿装置においても好適に使用することが可能である。さらに、このような加湿装置においては、温度の異なるガスを流通させることにより、温湿度交換装置として使用することも可能である。このような加湿装置または温湿度交換装置に本発明を適用した場合には、流通させるガスが加湿不足状態の時には貯留された水分の再蒸発によって水蒸気を補う加湿調整効果が得られる。特に、貯水部がガスマニホールドを貫通している場合には、セル間を水分が移動してセル間の加湿状態を平準化する効果も得られるため、より好ましい。

本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの構成の概略を示す模式図である。 本発明の第２の実施の形態における燃料電池スタックの構成の概略を示す模式図である。 本発明の第３の実施の形態における燃料電池スタックの構成の概略を示す模式図である。 図１に示す燃料電池スタックの変形例を示す模式図である。 本発明の第４の実施の形態における燃料電池スタックの構成の概略を示す模式図である。 図５に示す燃料電池スタックの変形例を示す模式図である。 図１に示す燃料電池スタックの他の変形例を示す模式図である。 従来の燃料電池スタックの構成の概略を示す模式図である。

符号の説明

１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０，８０ セパレータ、１２ａ，２２ａ，３２ａ，５２ａ，６２ａ，７２ａ，８２ａ 第１の供給ガスマニホールド、５２ｂ，６２ｂ，７２ｂ，８２ｂ 第１の排出ガスマニホールド、１３，４３ａ，４３ｂ，７３ 貯水部、１５，４５，７５ 飛散抑制部材、１６，４６，８６ 反応ガス流路、２５ 水吸収体、３５ 傾斜部、３５ａ 内表面、３５ｂ 壁面、４４ａ，８４ａ 第２の供給ガスマニホールド、４４ｂ，８４ｂ 第２の排出ガスマニホールド、４６ａ，８６ａ 反応ガス導入部、４６ｂ，８６ｂ 反応ガス排出部、 ４８，８８，９０ 反応ガスの流れ、４９ 最下端、１００，２００，３００，４００，５００，６００，７００，８００ 燃料電池スタック。

Claims (14)

1. ガス流路を有するセパレータを備える燃料電池スタックであって、
   前記ガス流路に配置され、ガス中の水分を貯留する貯水部と、
   貯留した水分の流出を抑制する流出抑制手段と、
   を有することを特徴と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において、
   前記ガス流路の一部がマニホールドであり、前記貯水部は、前記マニホールドに配置されることを特徴と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において、
   前記流出抑制手段は、前記貯水部に貯留した水分の飛散を抑制する飛散抑制部材であることを特徴とする燃料電池スタック。
4. 請求項１または２に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記流出抑制手段は、水吸収体であることを特徴とする燃料電池スタック。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記ガス中の水分を前記貯水部に誘導する誘導部を有することを特徴とする燃料電池スタック。
6. 請求項５に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記誘導部は、傾斜部を含むことを特徴とする燃料電池スタック。
7. 請求項５または６に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記誘導部の近傍に、放熱部を有することを特徴とする燃料電池スタック。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記貯水部の近傍に、放熱部を有することを特徴とする燃料電池スタック。
9. 請求項２から８のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記マニホールドの近傍に、放熱部を有することを特徴とする燃料電池スタック。
10. 請求項２から９のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、
    前記マニホールドは、燃料ガスマニホールドであることを特徴とする燃料電池スタック。
11. 請求項２から９のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、
    前記マニホールドは、酸化ガスマニホールドであることを特徴とする燃料電池スタック。
12. ガス流路を有するセパレータであって、
    前記ガス流路に配置され、流通するガス中の水分を貯留する貯水部と、
    貯留した水分の流出を抑制する流出抑制手段と、
    を有することを特徴とするセパレータ。
13. 請求項１２に記載のセパレータにおいて、
    前記流出抑制手段は、前記貯水部に貯留した水分の飛散を抑制する飛散抑制部材であることを特徴とするセパレータ。
14. 請求項１２に記載のセパレータにおいて、
    前記流出抑制手段は、水吸収体であることを特徴とするセパレータ。

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