(57)【要約】【課題】出力変動運転に伴う高分子電解質形燃料電池の性能低下を抑制ことができる、高分子電解質形燃料電池用セパレータおよび高分子電解質形燃料電池を提供する。【解決手段】電極当接領域面２０、３０の略全面に亘って、反応ガス流路溝２１、３１が形成されている高分子電解質形燃料電池用セパレータ９Ａ、９Ｃであって、平面視において反応ガス流路溝２１、３１の側壁のうち電極当接領域面２０、３０の周縁に直接対向する側壁である直接周縁対向側壁２１Ｓ，３１Ｓにおいて、該直接周縁対向側壁２１Ｓ，３１Ｓの少なくとも一部に凹部２６、３６が形成されている。【選択図】図１
2007115620.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜の両主面に電極面が形成されたＭＥＡの該電極面に当接する電極当接領域面を有し、該電極当接領域面に反応ガスが流通する反応ガス流路溝が形成されている高分子電解質形燃料電池用セパレータであって、
平面視において前記反応ガス流路溝の側壁のうち前記電極当接領域面の周縁に直接対向する側壁である直接周縁対向側壁において、該直接周縁対向側壁の少なくとも一部に凹部が形成されている、高分子電解質形燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
前記凹部は、高分子電解質形燃料電池の設置時における鉛直方向に延在する前記直接周縁対向側壁に形成されている、請求項１記載の高分子電解質形燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
前記凹部は、開口幅よりも内部の幅が広くなる形状を有している、請求項１または２に記載高分子電解質形燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
前記凹部の表面に吸水性樹脂が塗布されている、請求項１乃至３に記載の高分子電解質形燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
一対の請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池用セパレータと、
高分子電解質膜の両主面に電極面が形成されたＭＥＡと、を有し、
前記ＭＥＡが前記一対のセパレータに挟まれて構成されているセルを備えている、高分子電解質形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子電解質形燃料電池用セパレータおよび高分子電解質形燃料電池に関する。特に、高分子電解質形燃料電池のアノードガスあるいはカソードガスが流通する流路溝が形成されている高分子電解質形燃料電池用セパレータおよび該セパレータを用いた高分子電解質形燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質形燃料電池（以下、ＰＥＦＣという）は、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電解質膜−電極接合体）を有し、ＭＥＡの両側主面それぞれを水素を含有するアノードガスと空気など酸素を含有するカソードガスとに曝露して、アノードガスとカソードガスとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを発生させる装置である。以下、アノードガスとカソードガスとを反応ガスと総称する。
【０００３】
ＰＥＦＣは、一般的には基本的発電部材であるセルが積層されて構成されているスタックを本体としている。セルは、ＭＥＡを一対の平板状のセパレータ、具体的にはアノードセパレータ及びカソードセパレータで挟んで構成されている。ＭＥＡは、高分子電解質膜とその両面に積層して構成された一対の電極とを有して構成されており、ＭＥＡの両主面には電極面が形成されている。また、セパレータには、ＭＥＡの電極面に当接する電極当接領域面の略全面に亘って、反応ガスが流通する反応ガス流路溝が形成されている。
【０００４】
ここで、ＰＥＦＣにおける重要な問題の１つに出力変動運転に伴ってＰＥＦＣの性能が低下する問題があり、これは高分子電解質膜の劣化が要因となっているものと考えられている。すなわち、高分子電解質膜は湿潤の状態において水素イオン伝導性が向上するので、ＰＥＦＣの運転動作中にはアノードガスおよびカソードガスの湿分や反応生成水を利用して高分子電解質膜への加湿が行われている。しかしながら、ＰＥＦＣがＤＳＳ（Ｄａｉｌｙ  Ｓｔａｒｔ−ｕｐ  ａｎｄ  Ｓｈｕｔ−ｄｏｗｎ）運転の起動および停止動作時、負荷追従運転時等出力の変動する運転（以下、出力変動運転という）に供されると、出力変動運転時には過渡的に高分子電解質膜への加湿が不十分となり、非飽和湿潤状態になる。その結果、高分子電解質膜が一時的に乾燥状態になり、この高分子電解質膜の一時的な乾燥が高分子電解質膜を劣化させ、出力変動運転に伴うＰＥＦＣの性能低下が出現するものと考えられている。
【０００５】
このような高分子電解質膜の乾燥を抑制する方法としては、ＰＥＦＣの運転を停止した時、直ちにスタックへのガス供給および排出ラインのバルブを閉め、スタック内部を密閉状態にする方法が提案されている。（例えば、特許文献１参照）
【特許文献１】特開２００４−６１６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の方法は、運転停止時のみに対応したものであり、負荷追従運転時のようにアノードガスおよびカソードガスの供給量が変動する出力変動運転時における高分子電解質膜の一時的な乾燥に対応するものではなかった。すなわち、高分子電解質膜の一時的な乾燥状態を抑制する点において、ＰＥＦＣの構造には、改善の余地があった。
【０００７】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、出力変動運転に伴うＰＥＦＣの性能低下を抑制することができる、高分子電解質形燃料電池用セパレータおよび高分子電解質形燃料電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本件発明者は、上記課題を解決するために、まず、ＰＥＦＣにおいて高分子電解質膜が乾燥するメカニズムを鋭意研究した。その結果、発明者は、高分子電解質膜の一時的な乾燥は、出力変動時においてセル内が不均一な湿潤状態となり、ＭＥＡの高分子電解質膜が部分的に乾燥状態となるものと推察した。したがって、ＰＥＦＣにアノードガスおよびカソードガス（以下、本明細書では両者を反応ガスと総称する）を供給するガス供給装置の最適化やＰＥＦＣの運転制御の最適化によっては、ＭＥＡ全体の高分子電解質膜に対して影響が及ぶことから、ＭＥＡの一部の高分子電解質膜に対して好適な措置を施すことは困難であるものと発明者は推察した。次に、発明者はセルの構造に着目して鋭意研究を行った。一般的に、ＰＥＦＣでは反応ガスに含まれる水分によって高分子電解質膜への加湿が行われることから、高分子電解質膜の一時的な乾燥状態は、反応ガスの流量の低下や露点の低下によって生じる。したがって、電極当接領域面の周縁に対向する位置の反応ガス流路溝の側壁（以下、直接周縁対向側壁という）からＭＥＡ周縁部にかけては加湿源がないので、反応ガスによる高分子電解質膜への加湿が不十分となった場合には、他の部分に先駆けて直接周縁対向側壁からＭＥＡ周縁部にかける部分の高分子電解質膜がＭＥＡ周囲に湿分を奪われ、局所的かつ一時的な乾燥状態になりやすいものと推察した。
【０００９】
そこで、発明者は直接周縁対向側壁に貯水機能を持たせることによって高分子電解質膜の局所的かつ一時的な乾燥を好適に抑制することができると考えた。例えば、直接周縁対向側壁表面に吸水性樹脂を塗布したり、直接周縁対向側壁表面に微細な凹凸を設けたり、反応ガス流路溝を蛇行させて直接周縁対向側壁に屈曲部を設けたりすると、ＰＥＦＣの出力変動時に、吸水性樹脂や微細な凹凸や屈曲部に結露が生じ、直接周縁対向側壁に貯水機能を付与することができる。
【００１０】
しかしながら、このような直接周縁対向側壁における結露は、反応ガス流路溝の流路抵抗の増大を招き、反応ガスの流通が阻害されるので、ＰＥＦＣの出力変動時にＰＥＦＣの出力振動、すなわちフラッディング現象を引き起こすおそれがある。
【００１１】
以上の検討結果から、発明者は、反応ガス流路の流路抵抗の増大を抑制しつつ貯水機能を有する反応ガス流路溝の構造を鋭意検討して、本件発明に想到した。すなわち、第1の本発明の高分子電解質形燃料電池用セパレータは、高分子電解質膜の両主面に電極面が形成されたＭＥＡの該電極面に当接する電極当接領域面を有し、該電極当接領域面に、反応ガスが流通する反応ガス流路溝が形成されている高分子電解質形燃料電池用セパレータであって、平面視において前記反応ガス流路溝の側壁のうち前記電極当接領域面の周縁に直接対向する側壁である直接周縁対向側壁において、該直接周縁対向側壁の少なくとも一部に凹部が形成されている。このように構成すると、当該高分子電解質形燃料電池用セパレータを用いた高分子電解質形燃料電池において、出力変動運転に伴う性能低下を抑制することができる。ここで、反応ガスとは、アノードガス及びカソードガスをいう。反応ガス流路溝とは、アノードセパレータに形成されているアノードガス流路溝およびカソードセパレータに形成されているカソードガス流路溝をいう。高分子電解質形燃料電池用セパレータとは、アノードセパレータおよびカソードセパレータをいう。
【００１２】
第２の本発明の高分子電解質形燃料電池用セパレータは、前記凹部は、高分子電解質形燃料電池の設置時における鉛直方向に延在する前記直接周縁対向側壁に形成されているとよい。このように構成すると、高分子電解質形燃料電池用セパレータに形成される凹部の数を減らすことができるので、高分子電解質形燃料電池用セパレータの加工を簡略化することができる。
【００１３】
第３の本発明の高分子電解質形燃料電池用セパレータは、前記凹部は、開口幅よりも内部の幅が広くなる形状を有しているとよい。このように構成すると、直接周縁対向側壁の貯水能力が向上するので、高分子電解質膜の一時的な乾燥がより抑制され、出力変動運転に伴う高分子電解質形燃料電池の性能低下をより確実に抑制することができる。
【００１４】
第４の本発明の高分子電解質形燃料電池用セパレータは、前記凹部の表面に吸水性樹脂が塗布されているとよい。このように構成すると、凹部の吸水性樹脂に水分が吸着されるので、高分子電解質形燃料電池の出力変動時における高分子電解質膜１の一時的な乾燥をより効果的に抑制することができる。
【００１５】
第５の本発明の高分子電解質形燃料電池は、一対の請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池用セパレータと、高分子電解質膜の両主面に電極面が形成されたＭＥＡと、を有し、前記ＭＥＡが前記一対のセパレータに挟まれて構成されているセルを備えている。このように構成すると、出力変動運転に伴う高分子電解質形燃料電池性能低下を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１６】
以上のように、本発明の高分子電解質形燃料電池用セパレータは、高分子電解質形燃料電池に用いられた際に、出力変動運転に伴う高分子電解質形燃料電池の性能低下を抑制することができるという効果を奏する。また、本発明の高分子電解質形燃料電池は、出力変動運転に伴う性能低下を抑制することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１８】
（第１実施形態）
図１は、本発明の実施形態の高分子電解質形燃料電池のスタック要部の構造を示す部分分解斜視図である。図２は図１のスタックに用いられているＭＥＡの側面図であり、図３は図１のスタックに用いられているＭＥＡの平面図である。
【００１９】
図１に示すように、高分子電解質形燃料電池の主要部を形成するスタック１００は、セル１０が積層されて構成されている。
【００２０】
なお、図示しないが、セル１０の両端の最外層には集電板、絶縁板、エンドプレートが取り付けられ、セル１０は両端から、ボルト孔１１、２５，３５を挿通される締結ボルト（図示せず）とナットとで締結されて構成されている。スタック１００は、家庭用コージェネレーションシステム、自動二輪車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、家電製品、携帯用コンピュータ装置、携帯電話、携帯用音響機器、携帯用情報端末などの携帯電気装置等のＰＥＦＣシステムに用いられる。
【００２１】
セル１０は、ＭＥＡ部材７を一対の平板状のアノードセパレータ９Ａ及びカソードセパレータ９Ｃ（両者をセパレータと総称する）で挟んで構成されている。
【００２２】
また、セパレータ９Ａ，９Ｃ及びＭＥＡ部材７の周縁部には、それぞれスタック１００組立時に連なって、供給側アノードガスマニフォルドを形成する供給側アノードガスマニフォルド孔１２Ｉ、２２Ｉ、３２Ｉ、および排出側アノードガスマニフォルドを形成する排出側アノードガスマニフォルド孔１２Ｅ、２２Ｅ、３２Ｅが穿たれている。また、同様にして、それぞれスタック１００組立時に連なって、供給側カソードガスマニフォルドを形成する供給側カソードガスマニフォルド孔１３Ｉ、２３Ｉ、３３Ｉ、および排出側カソードガスマニフォルドを形成する排出側カソードガスマニフォルド孔１３Ｅ、２３Ｅ、３３Ｅが穿たれている。さらに、同様にして、それぞれスタック１００組立時に連なって、供給側伝熱流体マニフォルドを形成する供給側伝熱流体マニフォルド孔１４Ｉ、２４Ｉ、３４Ｉ、および排出側伝熱流体マニフォルドを形成する排出側伝熱流体マニフォルド孔１４Ｅ、２４Ｅ、３４Ｅが穿たれている。
【００２３】
ＭＥＡ部材７は、ＭＥＡ５の周縁部に拡がる高分子電解膜が一対の枠状のフッ素ゴム製のガスケット６で挟まれて構成されている。したがって、ガスケット６の中央開口部の両面にはＭＥＡ５が露出している。また、ガスケット６を貫通して供給側アノードガスマニフォルド孔１２Ｉ、排出側アノードガスマニフォルド孔１２Ｅ、供給側カソードガスマニフォルド孔１３Ｉ、排出側カソードガスマニフォルド孔１３Ｅ、供給側伝熱流体マニフォルド孔１４Ｉ、排出側伝熱流体マニフォルド孔１４Ｅが穿たれている。
【００２４】
図２および図３に示すように、ＭＥＡ５は、水素イオンを選択的に透過するイオン交換膜からなる高分子電解質膜１と、高分子電解質膜１の中央部を挟むように形成された、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする一対のアノード側触媒層２Ａ及びカソード側触媒層２Ｃと、この一対の触媒層２Ａ，２Ｃの外面に配設された一対の及びアノード側ガス拡散層４Ａ及びカソード側ガス拡散層４Ｃとを備えて構成されている。このガス拡散層４Ａ，４Ｃは、通気性と電子伝導性を併せ持つように多孔質構造を有している。高分子電解質膜１には、パーフルオロスルホン酸の市販品（デュポン（株）製のＮａｆｉｏｎ（登録商標）膜）が用いられている。
【００２５】
そして、カソード側触媒層２Ｃおよびカソード側ガス拡散層４Ｃがカソード電極を構成している。また、アノード側触媒層２Ａおよびアノード側ガス拡散層４Ａがアノード電極を構成している。すなわち、ＭＥＡ５は、高分子電解質膜１とその両面に積層して構成された一対の電極とを有して構成されており、ＭＥＡ５の両主面には電極面が構成されている。具体的には、アノード側ガス拡散層４Ａの外面がアノード電極面８Ａを構成し、カソード側ガス拡散層４Ｃの外面がカソード電極面８Ｃを構成している。
【００２６】
次に、アノードセパレータ９Ａおよびカソードセパレータ９Ｃ（以下、両者をセパレータと総称する）を説明する。
【００２７】
セパレータ９Ａ、９Ｃは、導電性材料で構成されている。また、図１に示すように、セパレータ９Ａ，９Ｃは、いずれも１６０ｍｍ角、厚さが５ｍｍの平板状である。アノードセパレータ９Ａの内面にはＭＥＡ部材７のＭＥＡ５のアノード電極面８Ａに当接する位置に高位の平面状のアノード電極当接領域面２０が形成されている。アノード電極当接領域面２０は、ＭＥＡ部材７とアノードセパレータ９Ａとの接合時に、アノード電極面８Ａと当接するようにアノードセパレータ９Ａの内面に段差を有して高位に形成されている。カソードセパレータ９Ｃも同様にして、カソードセパレータ９Ｃの内面にはＭＥＡ部材７のＭＥＡ５のカソード電極面８Ｃに当接する位置に高位の平面状のカソード電極当接領域面３０が形成されている。カソード電極当接領域面３０は、ＭＥＡ部材７とカソードセパレータ９Ｃとの接合時に、カソード電極面８Ｃと当接するようにカソードセパレータ９Ｃの内面に段差を有して高位に形成されている（アノード電極当接領域面２０およびカソード電極当接領域面３０を電極当接領域面２０，３０と総称する）。換言すれば、電極当接領域面２０、３０の周縁２０Ａ、３０Ａには段差が形成されている。これによって、スタック１００構成時には、セパレータ９Ａ、９Ｃはそれぞれアノード電極面８Ａあるいはカソード電極面８Ｃと接合して、電気的に接続されるので、ＭＥＡ５において発生した電気エネルギーをセパレータ９Ａ、９Ｃを経由して外部へ取り出すことができる。
【００２８】
なお、電極当接領域面２０、３０の周縁２０Ａ、３０Ａには段差を省略して構成することもできる。換言すれば、セパレータ９Ａ、９Ｃの内面はそれぞれ段差のない１平面で構成されていて、電極当接領域面２０、３０は、それぞれセパレータ９Ａ、９Ｃの内面上に構成されていてもよい。この場合、ＭＥＡ部材７とセパレータ９Ａ、９Ｃとの接合時あるいはスタック１００の締結時には、ガスケット６が押し潰されて、電極当接領域面２０、３０は、アノード電極面８Ａあるいはカソード電極面８Ｃと当接して、セル１０が構成されている。
【００２９】
図４は、図１のスタックに用いられているアノードセパレータの内面を示す平面図である。図５は、図１のスタックに用いられているカソードセパレータの内面を示す平面図である。
【００３０】
図４に示すように、アノードセパレータ９Ａの内面には、供給側アノードガスマニフォルド孔２２Ｉと排出側アノードガスマニフォルド孔２２Ｅとの間を結ぶようにしてアノードガス流路溝２１が形成されている。アノードガス流路溝２１は、アノード電極当接領域面２０の略全面に亘ってサーペンタイン状に形成されている。
【００３１】
図５に示すように、カソードセパレータ９Ｃの内面には、供給側カソードガスマニフォルド孔３３Ｉと排出側カソードガスマニフォルド孔３３Ｅとの間を結ぶようにしてカソードガス流路溝３１が形成されている。カソードガス流路溝３１は、カソード電極当接領域面３０の略全面に亘ってサーペンタイン状に形成されている。
【００３２】
ここで、本発明の特徴であるアノードガス流路溝２１およびカソードガス流路溝３１の構成を説明する（アノードガス流路溝２１およびカソードガス流路溝３１を反応ガス流路溝２１，３１と総称する）。
【００３３】
図４および図５に示すように、セパレータ９Ａ、９Ｃの平面視において、反応ガス流路溝２１，３１の側壁のうち電極当接領域面２０，３０の周縁２０Ａ，３０Ａに直接対向する側壁をアノードガス流路溝直接周縁対向側壁２１Ｓあるいはカソードガス流路溝直接周縁対向側壁３１Ｓといい、アノードガス流路溝直接周縁対向側壁２１Ｓあるいはカソードガス流路溝直接周縁対向側壁３１Ｓには、任意の間隔をおいて凹部２６、３６が形成されている（アノードガス流路溝直接周縁対向側壁２１Ｓおよびカソードガス流路溝直接周縁対向側壁３１Ｓを直接周縁対向側壁２１Ｓ、３１Ｓと総称する）。これによって、反応ガス流路溝２１、３１を流通するアノードガスあるいはカソードガスの一部が、直接周縁対向側壁２１Ｓ，３１Ｓの凹部２６、３６に侵入して淀むことができるので、反応ガス流路溝２１、３１にアノードガスあるいはカソードガスの水分が結露する際には、凹部２６、３６に結露水が滞留しやすくなる。すなわち、直接周縁対向側壁２１Ｓ、３１Ｓに貯水機能を付与することができる。また、直接周縁対向側壁２１Ｓ、３１Ｓには凹部２６、３６の開口が形成されるが、反応ガス流路溝２１、３１には新たに屈曲部は形成されないので、反応ガス流路溝２１、３１の流路抵抗の増大は抑制される。
【００３４】
ここで、凹部２６，３６は平面形状が楔形状の溝となっている。すなわち、直接周縁対向側壁２１Ｓ、３１Ｓに生じる開口の開口幅よりも凹部２６，３６内部の幅が広くなるように構成されている。これによって、凹部２６，３６内に結露が生じると、あるいは反応ガス流路溝２１、３１の結露水が凹部２６，３６内に侵入すると、結露水は凹部２６，３６の形状効果によって凹部２６，３６外へは移動しにくくなる。つまり、直接周縁対向側壁２１Ｓ、３１Ｓの貯水能力が向上するので、高分子電解質膜の一時的な乾燥がより抑制され、出力変動運転に伴うＰＥＦＣの性能低下をより確実に抑制することができる。
【００３５】
また、図示しないが、セパレータ９Ａ，９Ｃの外面には、反応ガス流路溝２１、３１と同様にして、それぞれに供給側伝熱流体マニフォルド孔２４Ｉ，３４Ｉと排出側伝熱流体マニフォルド孔２４Ｅ，３４Ｅとの間を結ぶ伝熱流体流路溝が形成されている。なお、スタック１００の両端部のセパレータ９Ａ、９Ｃの外面には伝熱流体流路溝は設けられていない。
【００３６】
次に、以上のように構成されたスタック１００の運転動作を説明する。
【００３７】
まず、供給側アノードガスマニフォルド孔１２Ｉ，２２Ｉ、３２Ｉが連なって形成される供給側アノードガスマニフォルドには水および還元剤ガスを含むアノードガスが、供給側カソードガスマニフォルド孔１３Ｉ、２３Ｉ，３３Ｉが連なって形成される供給側カソードガスマニフォルドには水および酸化剤ガスを含むカソードガスが、それぞれ供給される。
【００３８】
アノードガスは各供給側アノードガスマニフォルド孔２２Ｉに接続して形成されているアノード流路溝２１へとそれぞれ分岐して流通する。同様にして、カソードガスは各供給側カソードガスマニフォルド孔３３Ｉに接続して形成されているカソード流路溝３１へとそれぞれ分岐して流通する。
【００３９】
アノードガスがアノード電極当接領域面２０のアノード流路溝２１に到達すると、アノード側ガス拡散層４Ａがアノードガスに曝露される。アノードガスは、アノード側ガス拡散層４Ａを透過し、アノード側触媒層２Ａに到達する。同様にして、カソードガスがカソード電極当接領域面３０のカソード流路溝３１に到達すると、カソード側ガス拡散層４Ｃがカソードガスに曝露される。カソードガスは、カソード側ガス拡散層４Ｃを透過し、カソード側触媒層２Ｃに到達する。
【００４０】
ここで、アノードセパレータ９Ａ、カソードセパレータ９Ｃ、集電板（図示せず）及び外部の電気回路（図示せず）を経由してアノード側触媒層２Ａとカソード側触媒層２Ｃとの電気的な接続回路が構成されると、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応が進行して、アノード側電極およびアノードガス流路溝２１において水が生成されるとともに、熱と電気とが生じる。
【００４１】
この際、反応ガス流路溝２１、３１の直接周縁対向側壁２１Ｓ，３１Ｓにおいては、カソードガスおよびアノードガスあるいはアノードガス中に含まれる反応生成水がそれぞれ凹部２６、３６に侵入するものと推察される。
【００４２】
そして、余剰のアノードガスおよび生成水はそれぞれのアノード流路溝２１に接続されている排出側アノードガスマニフォルド孔２２Ｅに排出されて、排出側アノードガスマニフォルド孔１２Ｅ，２２Ｅ、３２Ｅが連なって形成される排出側アノードガスマニフォルドから外部へと排出される。同様にして、余剰のカソードガスはそれぞれのカソード流路溝３１に接続されている排出側カソードガスマニフォルド孔３３Ｅに排出されて、排出側カソードガスマニフォルド孔１３Ｅ，２３Ｅ、３３Ｅが連なって形成される排出側カソードガスマニフォルドから外部へと排出される。
【００４３】
また、供給側伝熱流体マニフォルド孔１４Ｉ，２４Ｉ，３４Ｉが連なって形成される供給側伝熱流体マニフォルドには伝熱流体が供給される。伝熱流体は、各セパレータ９Ａ、９Ｃの外面に形成された伝熱流体流路（図示せず）に分岐して他方の排出側伝熱流体マニフォルド孔１４Ｅ，２４Ｅ，３４Ｅが連なって形成される供給側伝熱流体マニフォルドへと流通する。図示しないが、伝熱流体は外部において流量調整や予熱あるいは除熱が行われながら循環される。これによって、伝熱流体の伝熱能力によりＭＥＡ５を電気化学反応に適した所定の温度に保つことができる。伝熱流体には、伝熱特性を有し、セパレータ等構造物に対する腐食性が低い流体を用いることができる。例えば、水、シリコンオイルを用いることができる。
【００４４】
以上のように構成されたスタック１００を用いて出力変動運転試験を行った。
【００４５】
［出力変動運転試験］
伝熱流体には水を用いた。
【００４６】
スタック１００の運転動作時には、供給側伝熱流体マニフォルドは７０℃に調整した。すなわち、排出側伝熱流体マニフォルドから排出されてくる水の温度が７０℃到達時点でアノードガスおよびカソードガスの供給を開始した。
【００４７】
また、アノードガスには露点７０℃に加湿され、かつ７０℃に加温された水素ガスを用い、カソードガスには露点７０℃に加湿され、かつ７０℃に加温された空気を用いた。
【００４８】
また、排出側伝熱流体マニフォルドの温度が７８℃になるように伝熱流体の流量を調整した。
【００４９】
スタック１００は、電流密度０．２Ａ／ｃｍ2にて発電を行わせた。この際、アノードガス利用率、すなわち供給される水素のうち電気化学反応に供された水素の割合が７０％、酸化ガス利用率、すなわち供給される酸素のうち電気化学反応に供された酸素の割合が４０％となるように、アノードガスおよびカソードガスの供給量を設定した。
【００５０】
そして、電流密度０．２Ａ／ｃｍ2における発電運転を２時間継続した後、スタック１００の発電運転を停止した。
【００５１】
発電運転停止後は、乾燥窒素ガスを供給側アノードガスマニフォルドおよび供給側カソードガスマニフォルドに供給してスタック１００内のアノードガスおよびカソードガスをパージした。
【００５２】
そして、再び、冷却流体出口マニフォルド排出冷却水温度が７０℃到達した時点で、スタック１００の発電運転を再開した。
【００５３】
以上の発電運転を１サイクルとして、このようなサイクルを３，０００サイクル実施した。
【００５４】
また、比較のため、従来のスタックを用いて、同様の出力変動運転試験を行った。ここで、従来のスタックには、セパレータ９Ａ、９Ｃに替えて反応ガス流路溝２１，３１の直接周縁対向側壁２１Ｓ、３１Ｓに凹部２６，３６が形成されていないセパレータが用いられてスタック１００と同様に構成されたスタックを用いた。
【００５５】
これらの結果、１サイクル運転時のスタック１００の出力電圧を基準として３，０００サイクル運転時のスタック１００の出力電圧の出力電圧の低下率を計測したところ、本発明のスタック１００におけるその出力電圧の低下率は従来のスタックのそれよりも小さくすることができた。
【００５６】
これによって、本発明によって、出力変動運転に伴うＰＥＦＣの性能低下を抑制することができた。そして、高分子電解質膜の一時的な乾燥が抑制されることによって、出力変動運転に伴うＰＥＦＣの性能低下が抑制されているものと推察された。すなわち、スタック１００の発電運転停止期間中には、反応ガス流路溝２１、３１の直接周縁対向側壁２１Ｓ、３１Ｓの凹部２６，３６内では水分が結露して、水が凹部２６，３６内に滞留していたものと推察された。また、凹部２６，３６内に滞留している水分によって高分子電解質膜の一時的な乾燥が抑制されるものと推察された。
【００５７】
また、反応ガス流路溝２１，３１の直接周縁対向側壁２１Ｓ、３１Ｓの凹部２６，３６の構造および配設位置を、以下の変形例のように構成しても、出力変動運転に伴うＰＥＦＣの性能低下を抑制することができる。なお、本発明は以下の変形例に限定されるものではない。
【００５８】
［変形例１］
図６は、変形例１によるカソードガス流路溝の直接周縁対向側壁の凹部の変形例を示す拡大平面図である。図６に示す通り、本変形例ではカソードセパレータ９Ｃのカソードガス流路溝直接周縁対向側壁３１Ｓの凹部３６の平面形状が切り欠け円形状となっている。図は省略するが、アノードセパレータ９Ａのアノードガス流路溝直接周縁対向側壁２１Ｓの凹部２６も同様である。
【００５９】
［変形例２］
図７は、変形例２によるカソードガス流路溝の直接周縁対向側壁の凹部の変形例を示す拡大平面図である。図７に示す通り、本変形例ではカソードセパレータ９Ｃのカソードガス流路溝直接周縁対向側壁３１Ｓの凹部３６の平面形状が五角形状となっている。図示しないが、アノードセパレータ９Ａのアノードガス流路溝直接周縁対向側壁２１Ｓの凹部２６も同様である。
【００６０】
［変形例３］
図８は、変形例３によるカソードガス流路溝の直接周縁対向側壁の凹部の変形例を示す拡大平面図である。図８に示す通り、本変形例ではカソードセパレータ９Ｃのカソードガス流路溝直接周縁対向側壁３１Ｓの凹部３６の平面形状が矩形状となっている。図示しないが、アノードセパレータ９Ａのアノードガス流路溝直接周縁対向側壁２１Ｓの凹部２６も同様である。
【００６１】
［変形例４］
図９は、変形例４によるカソードガス流路溝の直接周縁対向側壁の凹部の変形例を示す拡大平面図である。図９に示す通り、本変形例ではカソードセパレータ９Ｃのカソードガス流路溝直接周縁対向側壁３１Ｓの凹部３６の平面形状が三角形状となっている。図示しないが、アノードセパレータ９Ａのアノードガス流路溝直接周縁対向側壁２１Ｓの凹部２６も同様である。
【００６２】
［変形例５］
本変形例では変形例４の凹部３６表面にはアクリル酸・アクリル酸ソーダの共重合体である吸水性樹脂が塗布されている。アノードセパレータ９Ａのアノードガス流路溝直接周縁対向側壁２１Ｓの凹部２６も同様である。
【００６３】
これによって、凹部２６、３６の吸水性樹脂に水分が吸着されるので、ＰＥＦＣの出力変動時における高分子電解質膜１の一時的な乾燥をより効果的に抑制することができる。
【００６４】
［変形例６］
図１０は、変形例６によるアノードセパレータの内面を示す平面図である。図１１は、変形例６によるカソードセパレータの内面を示す平面図である。
【００６５】
本実施形態において、スタック１００は、図１０及び図１１に示すように、供給側伝熱流体マニフォルド孔１４Ｉ，２４Ｉ，３４Ｉ及び排出側伝熱流体マニフォルド孔１４Ｅ，２４Ｅ，３４Ｅが電極当接領域面２０，３０の左右に位置するように設置される。スタック１００設置時に略鉛直方向に延在する反応ガス流路溝２１，３１の直接周縁対向側壁２１Ｓ、３１Ｓを鉛直方向直接周縁対向側壁２１ＳＶ、３１ＳＶという。また、スタック１００設置時に略水平方向に延在する反応ガス流路溝２１，３１の直接周縁対向側壁２１Ｓ、３１Ｓを水平方向直接周縁対向側壁２１ＳＨ、３１ＳＨという。
【００６６】
ここで、鉛直方向直接周縁対向側壁２１ＳＶ、３１ＳＶでは、重力の影響により、水滴が下方に移動してしまう。これに対し、水平方向直接周縁対向側壁２１ＳＨ、３１ＳＨでは、重力による水滴の移動が生じない。したがって、鉛直方向直接周縁対向側壁２１ＳＶ、３１ＳＶの方が水平方向直接周縁対向側壁２１ＳＨ、３１ＳＨよりも一時的な乾燥が生じやすいものと考えられる。
【００６７】
そこで、図１０および図１１に示す通り、本変形例では、セパレータ９Ａ、９Ｃはそれぞれ、鉛直方向直接周縁対向側壁２１ＳＶ、３１ＳＶに凹部２６，３６が形成されている。換言すると、本変形例では水平方向直接周縁対向側壁２１ＳＨ、３１ＳＨには凹部２６，３６が形成されていない。これによって、セパレータ９Ａ、９Ｃに形成される凹部２６，３６の数を減らすことができるので、セパレータ９Ａ、９Ｃの加工を簡略化することができる。
【００６８】
以上のように、本発明の高分子電解質形燃料電池用セパレータ９Ａ、９Ｃおよび該セパレータ９Ａ、９Ｃを用いたＰＥＦＣは、出力変動運転に伴うＰＥＦＣの性能低下を抑制することができる。
【００６９】
なお、本発明は、上記実施形態に記載の凹部の形状、吸水性樹脂材料に限定されるものではなく、発明の趣旨から容易に置換可能な様々な凹部２６，３６の形状、および吸水性樹脂材料を適用することができる。
【００７０】
また、セル１０において凹部２６，３６はＭＥＡ５の表裏面、さらに正確に言えば高分子電解質膜１の表裏面近傍にそれぞれ構成されているので、どちらか一方側にのみ形成されるように構成してもよい。つまり、凹部２６，３６は、反応ガス流路溝２１，３１のいずれか一方、換言すると、アノードガス流路溝２１あるいはカソードガス流路溝３１のいずれか一方にのみ形成することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明は、出力変動運転に伴うＰＥＦＣの性能低下を抑制することができる高分子電解質形燃料電池用セパレータおよび該セパレータを用いた高分子電解質形燃料電池として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の実施形態の高分子電解質形燃料電池のスタック要部の構造を示す部分分解斜視図である。
【図２】図１のスタックに用いられているＭＥＡの側面図である。
【図３】図１のスタックに用いられているＭＥＡの平面図である。
【図４】図１のスタックに用いられているアノードセパレータの内面を示す平面図である。
【図５】図１のスタックに用いられているカソードセパレータの内面を示す平面図である。
【図６】変形例１によるアノードガス流路溝およびカソードガス流路溝の直接周縁対向側壁の凹部の変形例を示す拡大平面図である。
【図７】変形例２によるアノードガス流路溝およびカソードガス流路溝の直接周縁対向側壁の凹部の変形例を示す拡大平面図である。
【図８】変形例３によるアノードガス流路溝およびカソードガス流路溝の直接周縁対向側壁の凹部の変形例を示す拡大平面図である。
【図９】変形例４によるアノードガス流路溝およびカソードガス流路溝の直接周縁対向側壁の凹部の変形例を示す拡大平面図である。
【図１０】変形例６によるアノードセパレータの内面を示す平面図である。
【図１１】変形例６によるカソードセパレータの内面を示す平面図である。
【符号の説明】
【００７３】
１  高分子電解質膜
２Ａ  アノード側触媒層
２Ｃ  カソード側触媒層
４Ａ  アノード側ガス拡散層
４Ｃ  カソード側ガス拡散層
５  膜−電極接合体（ＭＥＡ）
６  ガスケット
７  ＭＥＡ部材
８Ａ  アノード電極面
８Ｃ  カソード電極面
９Ａ  アノードセパレータ
９Ｃ  カソードセパレータ
１０  セル
１２Ｉ、２２Ｉ、３２Ｉ  供給側アノードガスマニフォルド孔
１２Ｅ、２２Ｅ、３２Ｅ  排出側アノードガスマニフォルド孔
１３Ｉ、２３Ｉ、３３Ｉ  供給側カソードガスマニフォルド孔
１３Ｅ、２３Ｅ、３３Ｅ  排出側カソードガスマニフォルド孔
１４Ｉ、２４Ｉ、３４Ｉ  供給側伝熱流体マニフォルド孔
１４Ｅ、２４Ｅ、３４Ｅ  排出側伝熱流体マニフォルド孔
１５，２５，３５  ボルト孔
２０  アノード電極当接領域面
２０Ａ  周縁
２１  アノードガス流路溝
２１Ｓ  アノードガス流路溝直接周縁対向側壁
２１ＳＨ  水平方向アノードガス流路溝直接周縁対向側壁
２１ＳＶ  鉛直方向アノードガス流路溝直接周縁対向側壁
３０  カソード電極当接領域面
３０Ａ  周縁
３１  カソードガス流路溝
３１Ｓ  カソードガス流路溝直接周縁対向側壁
３１ＳＨ  水平方向カソードガス流路溝直接周縁対向側壁
３１ＳＶ  鉛直方向カソードガス流路溝直接周縁対向側壁
２６，３６  凹部
１００  スタック
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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