JP2005108789A - モールドセパレータおよび固体高分子形燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】モールド成形における溝凸部（流路溝間の部位）の欠けやセパレータ自身の割れの発生を抑えて歩留まりを高め、固体高分子形燃料電池に適用した際に、反応ガスの供給の阻害やＭＥＡの膨潤に起因するセル電圧の不安定化やセル電圧の低下速度の増大の発生を抑制でき、さらには固体高分子電解質膜の亀裂の発生を抑制できるモールドセパレータおよびそれを用いた固体高分子形燃料電池を得る。
【解決手段】多数本の流路溝３が酸化剤ガス入口マニホールド６から酸化剤ガス出口マニホールド７に至るようにモールドセパレータ１の一面のほぼ全面に蛇腹状に形成されて、第１反応ガス流路２を構成している。そして、溝方向を平行とする流路溝３の領域において、同一側に位置する溝側面がモールドセパレータ１の一面に対して鋭角な傾斜側面４に形成され、他方の側面はモールドセパレータ１の一面に対して直角な直角側面５に形成されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、カーボン粒子と樹脂との混練物や膨張黒鉛をモールド成形して作製されるモールドセパレータおよびそれを用いた固体高分子形燃料電池に関するものである。

固体高分子形燃料電池に適用されるセパレータは、酸化剤ガス、燃料あるいは冷却水の流路となる断面Ｕ字状の流路溝が矩形板状の表面に形成されている。そして、流路溝がセパレータのほぼ全面に蛇行して細かいピッチで形成され、ガス拡散電極とガスとの接触面積を増加させるようになっている。なお、セパレータの両面を使って、酸化剤ガス流路、燃料流路および冷却水流路のうちの２つの流路を形成したり、１つの流路を形成したりされるが、これは燃料電池スタックの構成に依存する。

従来のセパレータでは、切削加工により黒鉛平板に流路溝を形成していた。この流路溝の両側面は、切削加工により形成されることから、セパレータ表面に対して直角な側面となっている。しかし、切削加工はセパレータ１枚当たり数万円かかり、実用的ではなかった。
このことから、カーボン粉末と合成樹脂とを混練して金型に圧縮もしくは射出してセパレータを成形するモールド成形が経済的な方法として広く用いられていた。しかし、モールド成形により、セパレータ表面に対して直角な両側面を有する流路溝を形成する場合、溝凸部（流路溝間の部位）の一部が欠けたり、金型を抜くときに大きな力を必要とし、セパレータ自身が割れたりして、歩留まりが極めて悪くなる。
そこで、流路溝を形成するための金型凸部を台形断面形状とし、成形されたモールドセパレータを金型から抜き易くする対策が採られている。この従来のモールドセパレータに形成された流路溝の両側面は、セパレータ表面に対して鋭角な傾斜側面となっている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−１４３７２２号公報

固体高分子形燃料電池は、電極・膜接合体（以下、ＭＥＡという）とセパレータとを交互に重ね合わせて構成されている。このＭＥＡは、通常、触媒層が両面に形成された固体高分子電解質膜を酸化剤電極および燃料電極で挟持し、ホットプレスによって一体化されている。そして、この固体高分子形燃料電池は、８０℃程度の温度で運転され、生成水が水蒸気ではなく、主として液体の液滴として排出される。そこで、固体高分子形燃料電池は、液滴が排出されやすいようにＭＥＡとセパレータとの積層方向を水平として、即ちセパレータを鉛直方向として使用されている。
液滴は重力によって電極基材から剥がれ落ちて流路溝の下側の側面を転がって排出される。酸化剤ガス側と燃料側が元々飽和水蒸気に近いレベルまで加湿されているので、生成水によって生じる液滴は、酸化剤ガス側および燃料側の両方に生じる。そして、液滴が流路溝に滞留すると、反応ガスの流れが妨げられ、セル電圧が大きく低下したり、燃料欠乏によってセパレータのカーボンが腐蝕するなどの不具合が生じることになる。

ここで、流路溝の両側面が傾斜側面に形成されている従来のモールドセパレータを採用した固体高分子形燃料電池を運転した場合、セル電圧の変動が大きく、セル電圧の低下率が大きく、さらには固体高分子電解質膜に亀裂ができるなどの不具合が発生しやすいという問題があった。

そこで、本出願人は、鋭意研究した結果、従来のモールドセパレータを採用した固体高分子形燃料電池を運転した場合に発生する上述した問題は、ガス流路を構成する流路溝の側面形状が原因であることを見出し、本発明を発明したものである。

つまり、従来のモールドセパレータを採用した固体高分子形燃料電池の単セル７０においては、図１３に示されるように、液滴２９は、流路溝６３の側面を流れるのではなく、流路溝６３と電極基材３３、３５との間の空間に挟まれて流れていくことになる。この部分は、鋭角になっており、液滴２９を保持しやすい。また、電極基材３３，３５に親水性の部分があると、液滴２９が容易に吸収され、ＭＥＡ３１が膨潤する。そして、応力がこの部分に集中し、亀裂を発生しやすい部分となっていた。また、流路溝６３にも電極基材３３、３５を通じて反応ガスを供給する必要があるが、電極基材３３、３５のかなりの部分を液滴２９が塞いでしまい、反応ガスの拡散を阻害したり、液滴２９からの水蒸気の蒸発が、その周囲の反応ガスの濃度を低くして、セル電圧を不安定にしていた。

この発明は、モールド成形における溝凸部（流路溝間の部位）の欠けやセパレータ自身の割れの発生を抑えて歩留まりを高め、固体高分子形燃料電池に適用した際に、反応ガスの供給の阻害やＭＥＡの膨潤に起因するセル電圧の不安定化やセル電圧の低下速度の増大の発生を抑制でき、さらには固体高分子電解質膜の亀裂の発生を抑制できるモールドセパレータおよびそれを用いた固体高分子形燃料電池を得ることを目的とする。

この発明によるモールドセパレータは、カーボン粒子と樹脂との混練物又は膨張黒鉛の平板をモールド成形してなるモールドセパレータであって、上記モールドセパレータの少なくとも一面に複数本の流路溝が形成され、上記複数本の流路溝のそれぞれは、一方の溝側面が上記モールドセパレータの表面に対して直角になるように形成され、他方の溝側面が上記モールドセパレータの表面に対して鋭角になるように形成されている。
また、この発明による固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に酸化剤電極と燃料電極とが接合一体化された電極・膜接合体と、セパレータとを交互に積層して構成された積層体を有し、酸化剤ガス流路溝が上記セパレータの酸化剤電極に面する有効面積部に酸化剤ガス入口マニホールドから酸化剤ガス出口マニホールドに至るように形成され、燃料流路溝が上記セパレータの燃料電極に面する有効面積部に燃料入口マニホールドから燃料出口マニホールドに至るように形成されており、上記積層体を横積みにして運転される固体高分子形燃料電池であって、鉛直方向に立てて並べられている上記セパレータの上記酸化剤ガス流路溝および上記燃料流路溝の溝方向を水平方向とする領域における鉛直方向下側の溝側面が、上記酸化剤電極および上記燃料電極の面する電極に対して直角に接するように形成され、鉛直方向に立てて並べられている上記セパレータの上記酸化剤ガス流路溝および上記燃料流路溝の溝方向を水平方向とする領域における鉛直方向上側の溝側面が、上記酸化剤電極および上記燃料電極の面する電極に対して鋭角に接するように形成されている。

この発明によれば、流路溝の一方の側面がモールドセパレータの一面に対して傾斜しているので、モールドセパレータを金型から抜き易くなり、溝凸部（流路溝間の部位）の欠けやセパレータ自身の割れの発生が抑えられ、歩留まりが高められる。また、固体高分子形燃料電池の運転時に、生成水によって生じる液滴が速やかに排出されるので、反応ガスが阻害されることなく流れ、セル電圧の安定化やセル電圧の低下の抑制が図られるとともに、電極・膜接合体（ＭＥＡ）の膨潤に起因する固体高分子電解質膜の亀裂の発生を抑制できる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係るモールドセパレータを示す平面図、図２は図１のＩＩ−ＩＩ矢視断面におけるモールドセパレータを金型から抜く状態を説明する断面図である。
図１において、モールドセパレータ１は、フェノール樹脂とカーボン粒子との混練物をモールド成形して矩形平板状に作製されている。そして、各マニホールドがモールドセパレータ１の相対する１対の辺の縁部にそれぞれ形成されている。つまり、第１反応ガス入口マニホールド６、冷却水入口マニホールド１０および第２反応ガス出口マニホールド９がモールドセパレータ１の１辺に穿設され、第２反応ガス入口マニホールド８、冷却水出口マニホールド１１および第１反応ガス出口マニホールド７がモールドセパレータ１の相対する他辺に穿設されている。なお、第１反応ガスが酸化剤ガスに対応し、第２反応ガスが燃料に対応する。

さらに、流路溝３が、第１反応ガス入口マニホールド６からモールドセパレータ１の相対する他の１対の辺と平行に第２反応ガス入口マニホールド８の近傍まで延び、そこで直角に曲げられて冷却水出口マニホールド１１の近傍まで延び、そこで直角に曲げられて冷却水入口マニホールド１０の近傍まで延び、そこで直角に曲げられて第２反応ガス出口マニホールド９の近傍まで延び、さらに直角に曲げられて第１反応ガス出口マニホールド７に至るように形成されている。このように、流路溝３が、第１反応ガス入口マニホールド６から第１反応ガス出口マニホールド７に至るようにモールドセパレータ１の一面のほぼ全面（有効面積部）に蛇腹状に多数本形成されて、第１反応ガス流路２が構成されている。なお、図１では、説明の便宜上２本の流路溝３が示されているが、実際には、多数本の流路溝３が形成されている。
この第１反応ガス流路２の各流路溝３の両側面が、図２に示されるように、モールドセパレータ１の一面に対して鋭角な傾斜側面４と、モールドセパレータ１の一面に対して直角の直角側面５とから構成されている。そして、第１反応ガス流路２を構成する平行に配列されている流路溝３部分においては、溝方向と直交する方向に関して、同一側に位置する各流路溝３の側面がモールドセパレータ１の一面に対して鋭角な傾斜側面４に形成されている。つまり、図１中、左右方向に延びる流路溝３の部分では、上側に位置する側面が傾斜側面４に形成され、上下方向に延びる流路溝３の部分では、左側に位置する側面が傾斜側面４に形成されている。

つぎに、このモールドセパレータ１のモールド成形に適用されるモールド上金型１２について説明する。
モールド上金型１２は、図２に示されるように、金型凸部１３が、モールド上金型１２の一面に、第１反応ガス流路２の流路溝パターンと面対称のパターンに形成されている。そして、金型凸部１３の両側面が、モールド上金型１２の一面に対して傾斜する傾斜側面１４と、直角な直角側面１５となっている。

ついで、モールドセパレータ１のモールド成形について説明する。
まず、モールド上金型１２を下金型（図示せず）にセットし、フェノール樹脂とカーボン粒子との混練物を金型内に充填する。そして、モールド上金型１２を加圧し、モールドセパレータ１が圧縮成形される。ついで、モールド上金型１３が、図２中左斜め方向（図１中左上角方向）に抜かれた後、モールドセパレータ１が下金型から取り外される。

この実施の形態１によれば、第１反応ガス流路２の各流路溝３の両側面が、モールドセパレータ１の一面に対して鋭角な傾斜側面４と直角の直角側面５とから構成され、第１反応ガス流路２を構成する流路溝３の群中、平行に配列されている流路溝部分においては、各流路溝３の同一側に位置する側面が傾斜側面４に形成されているので、モールド上金型１２を流路溝３の傾斜側面４に沿って抜くことができる。そこで、モールド上金型１２を抜くのに大きな力が必要とならず、流路溝３間の部位の欠けやモールドセパレータ１自身の割れの発生を抑えることができ、歩留まりを高めることができる。

ここで、有効面積１００ｃｍ^２級の金型を用いてフェノール樹脂とカーボン粒子との混練物の圧縮成形を２０回にわたって実施し、実施の形態１によるモールドセパレータ１と比較例１によるモールドセパレータ５０とをそれぞれ作製した。
なお、比較例１によるモールドセパレータ５０は、図３および図４に示されるように、第１反応ガス流路５２を構成する各流路溝５３の両側面が、モールドセパレータ５０の一面に対して直角の直角側面５で構成されている点を除いて、モールドセパレータ１と同様に構成されている。そして、このモールドセパレータ５０のモールド成形に適用されるモールド上金型５５の金型凸部５６の両側面が、モールド上金型５５の一面に対して直角な直角側面１５となっている。そして、混練物の圧縮成形後、モールド上金型５５が、図４中上方向に抜かれ、モールドセパレータ５０が下金型から取り外される。

このように作製された２０枚のモールドセパレータ１においては、流路溝３間の部位（溝凸部）の欠けが１枚にだけ発生し、セパレータ自身の割れの発生は全く確認されなかった。一方、比較例１においては、流路溝５３間の部位（溝凸部）の欠けが１６枚のモールドセパレータ５０に発生し、さらにモールド上金型５５を外す際に、５枚のモールドセパレータ５０に割れや亀裂が発生した。
このことから、第１反応ガス流路２の各流路溝３の一方の側面に形成され傾斜側面４が金型からモールドセパレータ１を外し易くするのに役立っていることが明らかである。

実施の形態２．
図５はこの発明の実施の形態２に係るモールドセパレータを示す平面図、図６は図５のＶＩ−ＶＩ矢視断面におけるモールドセパレータを金型から抜く状態を説明する断面図である。
図５において、モールドセパレータ２０では、流路溝２３が、上述の流路溝３と同様に、第１反応ガス入口マニホールド６から第１反応ガス出口マニホールド７に至るようにモールドセパレータ２０の一面のほぼ全面に蛇腹状に多数本形成されて、第１反応ガス流路２２が構成されている。そして、第１反応ガス流路２２の各流路溝２３の両側面が、モールドセパレータ２０の一面に対して鋭角な傾斜側面４と、モールドセパレータ２０の一面に対して直角の直角側面５とから構成されている。そして、第１反応ガス流路２２を構成する平行に配列されている流路溝２３部分においては、各流路溝２３の同一側に位置する側面が傾斜側面４に形成されている。さらに、流路溝２３の直角側面５の９箇所にモールドセパレータ２０の一面に対して鋭角な傾斜側面２４（特定領域）が形成されている。
なお、他の構成は上記実施の形態１によるモールドセパレータ１と同様に構成されている。

図６において、モールド上金型２５の一面には、金型凸部２６が、第１反応ガス流路２２の流路溝パターンと面対称のパターンに形成されている。そして、金型凸部２６の両側面が、モールド上金型２５の一面に対して傾斜する傾斜側面１４と、直角な直角側面１５となっている。さらに、モールド上金型２５の一面に対して傾斜する傾斜側面２７が、流路溝２３の傾斜側面２４と対応するように、金型凸部２６の直角側面１５の９箇所に形成されている。
そして、モールドセパレータ２０のモールド成形では、フェノール樹脂とカーボン粒子との混練物が圧縮成形された後、モールド上金型２５が、図６中左斜め方向（図５中左上角方向）に抜かれる。

この実施の形態２においても、有効面積１００ｃｍ^２級の金型を用いてフェノール樹脂とカーボン粒子との混練物の圧縮成形を２５回にわたって実施し、モールドセパレータ２０を作製したところ、２５枚のモールドセパレータ２０において、流路溝２３間の部位（溝凸部）の欠けの発生や、セパレータ自身の割れの発生は全く確認されなかった。
従って、流路溝２３の直角側面５の一部に形成されている傾斜側面２７が、金型をモールドセパレータ２０から容易に外すように作用することが明らかである。
そこで、この実施の形態２によれば、流路溝２３間の部位の欠けやモールドセパレータ２０自身の割れの発生を確実に抑えることができ、歩留まりを一層高めることができる。

なお、上記実施の形態２では、傾斜側面２４が流路溝２３の直角側面５の９箇所に設けられているものとしているが、傾斜側面２４の形成箇所は９箇所に限定されるものではなく、モールドセパレータ２０の大きさや流路溝２３の配置パターン等を考慮し、適宜設定すればよい。

また、上記実施の形態１、２では、第１反応ガス流路２、２２が一面に形成されたモールドセパレータ１、２０について説明しているが、この発明は、第２反応ガス入口マニホールド８と第２反応ガス出口マニホールド９とを連通する第２反応ガス流路又は冷却水入口マニホールド１０と冷却水出口マニホールド１１とを連通する冷却水流路が一面に形成されるモールドセパレータ、さらには第１反応ガス流路、第２反応ガス流路および冷却水流路のうちの２つの流路が両面に形成されるモールドセパレータに適用しても同様の効果が得られる。

また、上記実施の形態１、２では、フェノール樹脂とカーボン粒子との混練物を圧縮成形して作製されたモールドセパレータについて説明しているが、カーボン粒子と混練される樹脂はフェノール樹脂に限定されるものではなく、熱可塑性樹脂あるいは熱硬化性樹脂から適宜選定される。また、本発明は、膨張黒鉛の平板を金型でプレス加工して流路溝を形成したモールドセパレータに適用しても同様の効果が得られる。

実施の形態３．
図７はこの発明の実施の形態３に係る固体高分子形燃料電池を示す単セルの断面拡大図である。
図７において、単セル３０は、上記実施の形態１による２枚のモールドセパレータ１によりＭＥＡ（電極・膜接合体）３１を挟持して構成されている。ＭＥＡ３１は、酸化剤触媒層３４が設けられた酸化剤電極基材３３と燃料触媒層３６が設けられた燃料電極基材３５とにより固体高分子電解質膜３２を挟み込み、ホットプレスにより一体化されて構成されている。また、モールドセパレータ１の一方は、流路溝３が第２反応ガス入口マニホールド８と第２反応ガス出口マニホールド９とを連通するように蛇腹状に形成されたものである。

なお、固体高分子電解質膜３２には、例えばナフィオン（デュポン社の登録商標）、アシプレックス（旭化成（株）の登録商標）、フレミオン（旭硝子（株）の登録商標）等が用いられる。また、酸化剤電極基材３３および燃料電極基材３５には、例えばカーボン多孔質体が用いられ、酸化剤触媒層３４および燃料触媒層３６には、例えば白金をカーボン表面に担持させたものが用いられる。
また、図示していないが、単セル３０を所定数積層し、冷却水流路が形成されたモールドセパレータを所定数の単セル３０毎に配置して固体高分子形燃料電池が構成される。そして、固体高分子形燃料電池は、単セル３０の積層方向を水平方向として使用される。

このように構成された単セル３０に、燃料（水素７５％、二酸化炭素２５％、一酸化炭素２０ｐｐｍ）と空気とを加湿（燃料：７０℃加湿、空気：７０℃加湿）して供給し、８０℃の温度で２ヶ月にわたって運転試験を実施した。この時、単セル３０は、モールドセパレータ１の相対する他の一対の辺と平行に形成されている流路溝３の領域の溝方向を水平方向とし、かつ、この領域の傾斜側面４を上方に位置させるように、モールドセパレータ１が鉛直に配置されている。同時に、ＭＥＡ３１と比較例２としてのモールドセパレータ６０とを用いて図１３に示す比較例としての単セル７０を構成し、同様に運転試験を実施した。
ここで、比較例２によるモールドセパレータ６０は、図１１および図１２に示されるように、第１反応ガス流路６２を構成する各流路溝６３の両側面が、モールドセパレータ６０の一面に対して鋭角な傾斜側面４で構成されている点を除いて、モールドセパレータ１と同様に構成されている。

この運転試験結果から、この実施の形態３による単セル３０では、およそ１５００時間の連続運転の間、セル電圧の変動は５ｍＶ以内で安定しており、セル電圧の低下率も６ｍＶ／１０００ｈｒと低いことが確認された。一方、比較例２のモールドセパレータ６０を用いた単セル７０では、セル電圧の変動が日増しに大きくなり、７００時間後には２０ｍＶ近く周期的に変動するようになり、セル電圧の低下率も２０ｍＶ／１０００ｈｒと大きいことが確認された。

このように、モールドセパレータ１が鉛直に配置されている単セル３０では、蛇腹状に形成された流路溝３は、溝方向を水平方向とする領域と、溝方向を鉛直方向とする領域とをとる。そこで、溝方向を水平方向とする流路溝３の領域では、生成水によって生じる液滴２９は、図７に示されるように、流路溝３の直角側面５上を転がって流路溝３内を流れる。一方、溝方向を鉛直方向とする流路溝３の領域では、液滴２９は、重力によって流路溝３内を落下する。そこで、液滴２９は、流路溝３内に滞留することなく排出される。
その結果、セル電圧の変動が長期にわたって小さく抑えられ、セル電圧の低下率が小さい固体高分子形燃料電池（単セル３０）が得られる。

一方、比較例としての単セル７０では、溝方向を鉛直方向とする流路溝６３の領域では、液滴２９は、重力によって流路溝６３内を落下するものの、溝方向を水平方向とする流路溝６３の領域では、液滴２９は、図１３に示されるように、傾斜側面４と電極基材３３、３５とで形成される鋭角な領域を流れることになり、液滴２９が滞留しやすい。そこで、過度の液滴２９が、流路溝６３内に滞留して、反応ガスの拡散を阻害し、さらには液滴２９からの水蒸気がその周囲の反応ガスの濃度を低くし、セル電圧を不安定したものと推考される。

実施の形態４．
図８はこの発明の実施の形態４に係る固体高分子形燃料電池を示す単セルの断面拡大図である。
図８において、単セル４０は、上記実施の形態２による２枚のモールドセパレータ２０によりＭＥＡ３１を挟持して構成されている。また、モールドセパレータ２０の一方は、流路溝２３が第２反応ガス入口マニホールド８と第２反応ガス出口マニホールド９とを連通するように蛇腹状に形成されたものである。

このように構成された単セル４０に、燃料（水素７５％、二酸化炭素２５％、一酸化炭素２０ｐｐｍ）と空気とを加湿（燃料：７０℃加湿、空気：７０℃加湿）して供給し、８０℃の温度で２ヶ月にわたって運転試験を実施した。この時、単セル４０は、モールドセパレータ２０の相対する他の一対の辺と平行に形成されている流路溝２３の領域の溝方向を水平方向とし、かつ、この領域の傾斜側面４を上方に位置させるように、モールドセパレータ２０が鉛直に配置されている。

この運転試験結果から、この実施の形態４による単セル４０では、およそ１５００時間の連続運転の間、セル電圧の変動は５ｍＶ以内で安定しており、セル電圧の低下率も５ｍＶ／１０００ｈｒと低いことが確認された。また、セル電圧が、実施の形態３に対して、５ｍＶほど高く、内部抵抗が低いことが確認された。

このように、この実施の形態４によれば、セル電圧の変動が長期にわたって小さく抑えられ、セル電圧の低下率が小さい、さらに高いセル電圧の固体高分子形燃料電池が得られる。

この単セル４０では、溝方向を水平方向とする流路溝２３の領域では、生成水によって生じる液滴２９は、図８に示されるように、流路溝２３の直角側面５上を転がって流路溝２３内を流れる。また、液滴２９の一部が、直角側面５の一部に形成された傾斜側面２４と電極基材３３、３５とで形成される鋭角な領域に滞留される。一方、溝方向を鉛直方向とする流路溝２３の領域では、液滴２９は、重力によって流路溝２３内を落下する。
ここで、傾斜側面２４が形成されている流路溝２３の領域では、流路断面積が他の流路溝２３の領域の流路断面積より大きくなっている。そこで、液滴２９は、傾斜側面２４と電極基材３３、３５とで形成される鋭角な領域に滞留する液滴２９に阻害されることなく、溝方向を水平方向とする流路溝２３の領域を流れることになるので、液滴２９のほとんどが、流路溝２３内に滞留することなく排出される。その結果、流路溝２３内での液滴２９の過度の滞留がなくなり、反応ガスがスムーズに流れ、さらに滞留する液滴２９周囲の反応ガスの濃度の低下が抑えられるので、セル電圧の変動およびセル電圧の低下率が小さくなったものと推考される。
そして、傾斜側面２４と電極基材３３、３５とで形成される鋭角な領域に滞留される液滴２９が、電極基材３３、３５に接触し、固体高分子電解質膜３２の加湿に供せられるので、固体高分子電解質膜３２がセル面内の９箇所で有効に加湿され、高いセル電圧が得られたものと推考される。
さらに、傾斜側面２４がセル面内の９箇所に形成されているので、固体高分子電解質膜３２の加湿に供せられる液滴２９が僅かであり、ＭＥＡ３１の膨潤が抑えられ、ＭＥＡ３１の亀裂の発生が抑制される。

実施の形態５．
図９はこの発明の実施の形態５に係る固体高分子形燃料電池を示す単セルの断面拡大図である。
図９において、単セル４０Ａでは、流路溝２３の直角側面５の一部に形成された傾斜側面２４に相対する電極基材３３、３５の電極基材部４１が、他の部位より撥水性を弱められている。
なお、他の構成は上記実施の形態４と同様に構成されている。

ここで、スクリーン印刷によりポリエチレングリコールの粘液を電極基材３３、３５上の傾斜側面２４と相対する領域に塗布し、該電極基材３３、３５をポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）ディスパージョンの希釈水溶液に浸漬した後乾かし、３８０℃で焼成し、撥水性が弱められた電極基材部４１を形成している。

この単セル４０Ａでは、傾斜側面２４と電極基材３３、３５とで形成される鋭角な領域に滞留される液滴２９は、電極基材３３、３５の撥水性を弱められた電極基材部４１からしみ込み、固体高分子電解質膜３２への加湿がより速やかに行われる。

この単セル４０Ａに、燃料（水素７５％、二酸化炭素２５％、一酸化炭素２０ｐｐｍ）と空気とを加湿（燃料：７０℃加湿、空気：７０℃加湿）して供給し、８０℃の温度で１ヶ月にわたって運転試験を実施した。
この運転試験結果から、この実施の形態５による単セル４０Ａでは、およそ７００時間の連続運転の間、セル電圧の変動は３ｍＶ以内と極めて安定しており、セル電圧の低下率も５ｍＶ／１０００ｈｒと低いことが確認された。また、セル電圧が、実施の形態３に対して、７ｍＶほど高く、内部抵抗が低いことが確認された。

これは、傾斜側面２４と電極基材３３、３５とで形成される鋭角な領域に滞留された液滴２９が、反応ガスの流れを阻害することなく、さらに蒸発することなく速やかに撥水性を弱められた電極基材部４１からしみ込み、反応ガスがスムーズに流れ、さらに滞留する液滴２９周囲の反応ガスの濃度の低下が抑えられるので、セル電圧の変動およびセル電圧の低下率が小さくなったものと推考される。
また、傾斜側面２４と電極基材３３、３５とで形成される鋭角な領域に滞留される液滴２９が、撥水性を弱められた電極基材部４１から固体高分子電解質膜３２の加湿に供せられるので、固体高分子電解質膜３２がセル面内の９箇所で有効に加湿され、高いセル電圧が得られたものと推考される。

実施の形態６．
図１０はこの発明の実施の形態６に係る固体高分子形燃料電池を示す単セルの断面拡大図である。
図１０において、単セル４０Ｂでは、流路溝２３の直角側面５の一部に形成された傾斜側面２４に相対する触媒層３４、３６の領域に触媒層３４、３６の欠落部４２を形成している。そして、欠落部４２において、電極基材３３、３５が固体高分子電解質膜３２に直接接している。
なお、他の構成は上記実施の形態４と同様に構成されている。

ここで、触媒層３４、３６をフィルム上に形成、乾燥させる。そして、このフィルム上の触媒層３４、３６を固定高分子電解質膜３２に転写する際、ストライプ状にカットし、モールドセパレータ２０の流路パターンにあわせて少し隙間を空けて貼り付けて、触媒層３４、３６の欠落部４２を形成している。

この単セル４０Ｂでは、傾斜側面２４と電極基材３３、３５とで形成される鋭角な領域に滞留される液滴２９は、電極基材３３、３５にしみ込み、その後触媒層３４、３６の欠落部４２を通って固体高分子電解質膜３２への加湿がより速やかに行われる。

この単セル４０Ｂに、燃料（水素７５％、二酸化炭素２５％、一酸化炭素２０ｐｐｍ）と空気とを加湿（燃料：７０℃加湿、空気：７０℃加湿）して供給し、８０℃の温度で１ヶ月にわたって運転試験を実施した。
この運転試験結果から、この実施の形態６による単セル４０Ｂでは、およそ７００時間の連続運転の間、セル電圧の変動は４ｍＶ以内と極めて安定しており、セル電圧の低下率も６ｍＶ／１０００ｈｒと低いことが確認された。また、セル電圧が、実施の形態３に対して、３ｍＶほど高く、内部抵抗が低いことが確認された。

これは、傾斜側面２４と電極基材３３、３５とで形成される鋭角な領域に滞留された液滴２９が、反応ガスの流れを阻害することなく、さらに蒸発することなく速やかに触媒層３４、３６の欠落部４２を通って固体高分子電解質膜３２にしみ込み、反応ガスがスムーズに流れ、さらに滞留する液滴２９周囲の反応ガスの濃度の低下が抑えられるので、セル電圧の変動およびセル電圧の低下率が小さくなったものと推考される。
また、傾斜側面２４と電極基材３３、３５とで形成される鋭角な領域に滞留される液滴２９が、触媒層３４、３６の欠落部４２を通って固体高分子電解質膜３２の加湿に供せられるので、固体高分子電解質膜３２がセル面内の９箇所で有効に加湿され、高いセル電圧が得られたものと推考される。

なお、上記各実施の形態では、流路溝がモールドセパレータの表面に蛇腹状に形成されているものとして説明しているが、流路溝の溝パターンは、蛇腹状パターンに限定されるものではなく、溝方向が互いに直交する流路溝部を連結して構成されていればよい。そして、溝方向を同一とする流路溝部の群において、溝方向と直交する方向における同一の側に位置する各流路溝部の側面を傾斜側面に形成すればよい。また、固体高分子形燃料電池においては、互いに直交する溝方向が水平方向と鉛直方向とを向き、かつ、溝方向が水平方向に向く流路溝部の傾斜側面が鉛直方向の上方に位置するように、モールドセパレータを鉛直に立てて組み込まれればよい。
また、本発明は、直線状の流路溝がモールドセパレータの表面に平行に多数本形成されているものにも適用できる。この場合、溝方向と直交する方向における同一の側に位置する各流路溝の側面に傾斜側面を形成すればよい。そして、固体高分子形燃料電池においては、溝方向が水平方向を向き、かつ、流路溝部の傾斜側面が鉛直方向の上方に位置するように、モールドセパレータを鉛直に立てて組み込まれればよい。

この発明の実施の形態１に係るモールドセパレータを示す平面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ矢視断面におけるモールドセパレータを金型から抜く状態を説明する断面図である。 比較例１のモールドセパレータを示す平面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ矢視断面におけるモールドセパレータを金型から抜く状態を説明する断面図である。 この発明の実施の形態２に係るモールドセパレータを示す平面図である。 図５のＶＩ−ＶＩ矢視断面におけるモールドセパレータを金型から抜く状態を説明する断面図である。 この発明の実施の形態３に係る固体高分子形燃料電池を示す単セルの断面拡大図である。 この発明の実施の形態４に係る固体高分子形燃料電池を示す単セルの断面拡大図である。 この発明の実施の形態５に係る固体高分子形燃料電池を示す単セルの断面拡大図である。 この発明の実施の形態６に係る固体高分子形燃料電池を示す単セルの断面拡大図である。 比較例２のモールドセパレータを示す平面図である。 図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ矢視断面図である。 比較例としての固体高分子形燃料電池を示す単セルの断面拡大図である。

符号の説明

１、２０ モールドセパレータ、３、２３ 流路溝、４ 傾斜側面、５ 直角側面、６ 第１反応ガス入口マニホールド、７ 第１反応ガス出口マニホールド、８ 第２反応ガス入口マニホールド、９ 第２反応ガス出口マニホールド、２４ 傾斜側面（特定領域）、３０、４０、４０Ａ、４０Ｂ 単セル、３１ 電極・膜接合体、３２ 固体高分子電解質膜、３３ 酸化剤ガス電極、３４ 酸化剤触媒層、３５ 燃料電極、３６ 燃料触媒層、４１ 撥水性が弱められた電極基材部、４２ 触媒層の欠落部。

Claims (6)

1. カーボン粒子と樹脂との混練物又は膨張黒鉛の平板をモールド成形してなるモールドセパレータであって、
   上記モールドセパレータの少なくとも一面に複数本の流路溝が形成され、
   上記複数本の流路溝のそれぞれは、一方の溝側面が上記モールドセパレータの表面に対して直角になるように形成され、他方の溝側面が上記モールドセパレータの表面に対して鋭角になるように形成されていることを特徴とするモールドセパレータ。
2. 上記モールドセパレータの表面に対して直角になるように形成されている上記流路溝の一方の溝側面の一部を上記モールドセパレータの表面に対して鋭角になるように構成した特定領域が複数箇所設けられていることを特徴とする請求項１記載のモールドセパレータ。
3. 固体高分子電解質膜の両側に酸化剤電極と燃料電極とが接合一体化された電極・膜接合体と、セパレータとを交互に積層して構成された積層体を有し、
   酸化剤ガス流路溝が上記セパレータの酸化剤電極に面する有効面積部に酸化剤ガス入口マニホールドから酸化剤ガス出口マニホールドに至るように形成され、燃料流路溝が上記セパレータの燃料電極に面する有効面積部に燃料入口マニホールドから燃料出口マニホールドに至るように形成されており、
   上記積層体を横積みにして運転される固体高分子形燃料電池において、
   鉛直方向に立てて並べられている上記セパレータの上記酸化剤ガス流路溝および上記燃料流路溝の溝方向を水平方向とする領域における鉛直方向下側の溝側面が、上記酸化剤電極および上記燃料電極の面する電極に対して直角に接するように形成され、
   鉛直方向に立てて並べられている上記セパレータの上記酸化剤ガス流路溝および上記燃料流路溝の溝方向を水平方向とする領域における鉛直方向上側の溝側面が、上記酸化剤電極および上記燃料電極の面する電極に対して鋭角に接するように形成されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
4. 上記酸化剤電極および上記燃料電極の面する電極に対して鋭角に接する特定領域が、上記酸化剤ガス流路溝および上記燃料流路溝の溝方向を水平方向とする領域における鉛直方向下側の溝側面に部分的に複数箇所形成され、該特定領域における流路断面積が他の部分の流路断面積より大きいことを特徴とする請求項３記載の固体高分子形燃料電池。
5. 上記酸化剤電極および上記燃料電極の電極基材の上記特定領域に接する部位の撥水性が、他の部分より弱められていることを特徴とする請求項４記載の固体高分子形燃料電池。
6. 上記特定領域に接する上記酸化剤電極および上記燃料電極の触媒層の部位が欠落され、上記酸化剤電極および上記燃料電極の電極基材が上記固体高分子電解質膜に直接接していることを特徴とする請求項４又は請求項５記載の固体高分子形燃料電池。

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