(57)【要約】【課題】リン酸に対する耐食性に加えてガス遮断性を良好に発揮できるようにすること。【解決手段】本発明のりん酸形燃料電池用セパレータ（７）は、黒鉛と、パーフルオロアルコキシアルカン（ＰＦＡ）とにより成形される。パーフルオロアルコキシアルカンは、流動性となるメルトフローレートが１０以上２０以下の範囲に設定され、セパレータを緻密な成形材として必要なガス遮断性を確保することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板状のマトリックスを燃料電極と空気電極とで挟持した電池本体の両外面にガス流通板を配置して構成した単セルにおける両外面にそれぞれ配置されるりん酸形燃料電池用セパレータにおいて、
黒鉛と、メルトフローレートが１０以上２０以下のパーフルオロアルコキシアルカンとにより成形したことを特徴とするりん酸形燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
密度を２．１ｇ／ｃｍ３以上に設定したことを特徴とする請求項１に記載のりん酸形燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
前記黒鉛及び前記パーフルオロアルコキシアルカンで成形された後、２００〜３１５℃で所定時間加熱処理されたことを特徴とする請求項１または２に記載のりん酸形燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
平板状のマトリックスを燃料電極と空気電極とで挟持した電池本体の両外面にガス流通板を配置して構成した単セルの両外面に前記請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のセパレータを配置して複数の前記単セルを積層したスタック構造を有することを特徴とするりん酸形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リン酸に対する耐食性を有するりん酸形燃料電池用セパレータ及びこれを有するりん酸形燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
りん酸形燃料電池（Ｐｈｏｓｐｈｏｒｉｃ  Ａｃｉｄ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ；ＰＡＦＣ）は、燃料電極側で水素の酸化反応を、空気電極側で酸素の還元反応を起こすことにより、水のみを生成するクリーンエネルギーデバイスとして知られている。りん酸形燃料電池にあっては、燃料電極及び空気電極を含む単セルを構成し、かかる単セルの両外面にセパレータを配置して単セルを複数積層したスタック構造が採用される。かかるセパレータは、ガス遮断性に加え、約２００℃でのリン酸溶液下での耐食性が必要となる。このため、炭素を含有した材料を焼成、黒鉛化した黒鉛板を使用する他、特許文献１に開示されるように、黒鉛粉と疎水性を有する樹脂の成形材が使用される場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００８−５２５９８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１のような成形材をセパレータに使用する場合、セパレータ内部にてガスの透過経路となりうる黒鉛粒子間の空隙を埋める役割が樹脂にて発揮されるようになる。本発明者は、セパレータに使用する樹脂だけでなく、その樹脂の流動性に着目し、更には様々な検討及び実験を行うことで、かかる流動性が所定範囲にある場合に良好なガス遮断性を発揮するセパレータが得られることを知見した。
【０００５】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、リン酸に対する耐食性に加えてガス遮断性を良好に発揮することができるりん酸形燃料電池用セパレータ及びこれを有するりん酸形燃料電池を提供することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明における一態様のりん酸形燃料電池用セパレータは、平板状のマトリックスを燃料電極と空気電極とで挟持した電池本体の両外面にガス流通板を配置して構成した単セルにおける両外面にそれぞれ配置されるりん酸形燃料電池用セパレータにおいて、黒鉛と、メルトフローレートが１０以上２０以下のパーフルオロアルコキシアルカンとにより成形したことを特徴とする。
【０００７】
本発明における一態様のりん酸形燃料電池は、平板状のマトリックスを燃料電極と空気電極とで挟持した電池本体の両外面にガス流通板を配置して構成した単セルの両外面に前記セパレータを配置して複数の前記単セルを積層したスタック構造を有することを特徴とする。
【０００８】
このような構成によれば、黒鉛とフッ素樹脂としてパーフルオロアルコキシアルカンとによりセパレータを成形したので、高温リン酸環境下で十分に使用可能な耐食性を発揮することができる。また、流動性としてメルトフローレートを上述した範囲に設定することで、セパレータを緻密な成形材として必要なガス遮断性を確保することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、パーフルオロアルコキシアルカンのメルトフローレートを上述した範囲に設定したので、リン酸に対する耐食性に加えてガス遮断性を良好に発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態のりん酸形燃料電池における発電部分の基本構成例を示す図である。
【図２】熱処理温度と密度及びガス透過量との関係を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明は、下記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形して実施できるものである。
【００１２】
実施の形態に係るりん酸形燃料電池用セパレータ（以下、単に「セパレータ」という）は、水素と酸素を供給することで、電気化学反応により直接電気を取り出し可能なりん酸形燃料電池の一構成部材とされる。
【００１３】
りん酸形燃料電池の発電部分の基本構成例を図１に示す。ここで、りん酸形燃料電池は、単セル１が複数積層されて構成される。図１に示すように、単セル１は、平板状のマトリックス２を燃料電極３と空気電極（酸化剤電極）４とで挟持した電池本体の両外面に燃料ガス流通板５と酸化剤ガス流通板６を配置して構成される。マトリックス２は、基材となる多孔質板に電解質となるリン酸を含む水溶液を含浸保持させたものである。燃料ガス流通板５または酸化剤ガス流通板６として、多孔質カーボン板を用いてもよい。りん酸形燃料電池は、単セル１の両外面にセパレータ７を配置して複数の単セル１を積層したスタック構造が採用される。なお、単セル１の積層数は適宜変更される。
【００１４】
セパレータ７にあっては、黒鉛粉末と、フッ素樹脂であるパーフルオロアルコキシアルカン樹脂（以下、「ＰＦＡ樹脂」という）の粉末とを圧縮成形したものとされる。成形に用いるＰＦＡ樹脂は、メルトフローレート（以下、「ＭＦＲ」という）が１０以上２０以下の範囲に設定される。ＭＦＲをかかる範囲内に設定すると、後述する成形にて黒鉛骨格の隙間にＰＦＡ樹脂が入った緻密なセパレータを得ることができ、後述のように良好なガス遮断性を発揮することができる。ＭＦＲが１０未満の場合、ＰＦＡ樹脂の流動性の低下によって成形時に黒鉛粉末の粒子間にＰＦＡ樹脂が入らなくなり、緻密な成形材にならずにガス遮断性が不足する。ＭＦＲが２０より大きい場合、ＰＦＡ樹脂の流動性が高くなり過ぎ、成形時にＰＦＡ樹脂が流れ過ぎて黒鉛骨格から外側にＰＦＡ樹脂が流れ出易くなる。
【００１５】
なお、ＭＦＲは樹脂の流動性を示す尺度であり、本明細書及び特許請求の範囲では、３７２℃、荷重５０００ｇで１０分間に押し出される樹脂量とする。
【００１６】
ここで、りん酸形燃料電池のセパレータは、腐食性の高い高温りん酸環境で使用されるため、黒鉛に混合して成形及び使用できる材料が限定されることとなる。ＰＦＡ樹脂以外のフッ素樹脂として、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を用いることを検討したがＰＦＡ樹脂に比べてＭＦＲが相当低いために使用不可であった。また、パーフルオロエチレンプロペンコポリマー（ＦＥＰ）、エチレンテトラフルオロエチレンコポリマー（ＥＴＦＥ）を用いた場合は、耐熱性が低いために使用不可であった。
【００１７】
この点、上記実施の形態のように、ＰＦＡ樹脂と黒鉛とでセパレータ７を成形した場合、りん酸形燃料電池で充分に使用可能な耐食性及び耐熱性を発揮することができる。
【００１８】
セパレータ７の成形は以下に述べる手順で実施される。先ず、黒鉛粉末及びＰＦＡ樹脂の粉末を用意し、全体に対するＰＦＡ樹脂の粉末の体積比率を２０〜３０％としてミキサーで撹拌混合し、黒鉛粉末及びＰＦＡ樹脂の粉末が混合した混合粉末を製造する。次に、かかる混合粉末を所定の治具に充填し、その治具ごと３２０℃〜３９０℃まで昇温するよう加熱する。かかる温度まで治具が充分に加熱した後、該加熱を停止する。その後、常温のプレス板により治具に充填された混合粉末に１０ＭＰａ以上（例えば１７ＭＰａ）の圧力を加え、その圧力を維持したまま混合粉末による粉体層の温度が２７０℃以下になるまで冷間プレスする。そして、所定のキープ時間経過後、治具から圧縮成形されたセパレータ７を取り出して加圧解放して成形が完了する。
【００１９】
更に、セパレータ７のガス遮断性を高めるため、冷間圧縮成形後のセパレータ７を所定時間、加熱処理を行うとよい。加熱処理は、加圧を解除した状態で、電気炉内で加熱してもよく、ヒータを取り付けて加熱してもよい。加熱処理温度は、好ましくは２００〜３１５℃、更に好ましくは２５０〜３１０℃、また更に好ましくは２７０〜３００℃である。かかる温度にて、所定時間加熱処理を行うことで、ガス遮断性の高いセパレータ７を得ることができる。
【００２０】
図２は、熱処理温度と密度及びガス透過量との関係を示す概念図である。図２に示すグラフにて、横軸はセパレータを加熱処理する際の熱処理温度、縦軸はセパレータの密度及びガス透過量を示す。セパレータ７の加熱処理にて、加熱処理上限温度付近にて熱処理温度が高くなる程、密度が次第に小さくなり、ガス透過量が次第に多くなる。そして、加熱処理上限温度でのガス透過量が、燃料電池の運転上、許容し得る最大ガス透過量としてガス透過量基準値となり、また、加熱処理上限温度での密度が、燃料電池の運転上、許容し得る最低密度となる。
【００２１】
上記加熱処理にて、加熱処理温度が３１５℃を超えると、加熱処理温度を２００〜３１５℃とした場合に比べてガス遮断性が低下する。一方、加熱処理温度が２００℃より低くなると、冷間圧縮成型後のセパレータの残留応力が緩和され難くなって、燃料電池の運転中の温度変化によりセパレータの内部で剥離を生じる可能性がある。
【実施例】
【００２２】
セパレータのガス遮断性を検証するため、実施例１、２としてＰＦＡ樹脂のＭＦＲが１５、１０のセパレータを上記実施の形態で述べた手順（冷間圧縮成形後の加熱処理を除く）により製作した。また、比較例１〜９として、実施例１、２に対し、ＰＦＡ樹脂のＭＦＲを１〜９の範囲で変更したセパレータを製作した。また、実施例３は、実施例２のセパレータに対して冷間圧縮成形後に３００℃で加熱処理を所定時間行ってセパレータを製作した。比較例１０では、実施例３に対し、ＰＦＡ樹脂のＭＦＲを９とし、加熱処理の温度を３２０℃に変更してセパレータを製作した。
【００２３】
実施例１〜３及び比較例１〜１０それぞれのセパレータの実験として、セパレータで仕切られた２つの空間を形成し、セパレータの一方の面側の空間にヘリウムを投入し、他方の面側の空間にてヘリウムの透過量を測定した。結果を表１に示す。表１の評価「○」は、ヘリウムのガス透過量が０．１ｃｃ／ｍｉｎ以下でりん酸形燃料電池で使用可能なガス遮断性を有し、評価「×」は、ヘリウムのガス透過量が多くなるためにりん酸形燃料電池で使用不能なガス遮断性となる。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
表１から理解できるように、ＰＦＡ樹脂のＭＦＲが１０以上である実施例１〜３ではガス遮断性が良好となり、りん酸形燃料電池のセパレータとして使用することが可能となる。ＭＦＲを１０以上としたことで、セパレータ内部でガスの透過経路となりうる黒鉛粒子間の空隙にＰＦＡ樹脂が入り込み易くなって緻密な材質となり、ガス遮断性を良好に発揮可能となる。一方、ＰＦＡ樹脂のＭＦＲが９以下であると、セパレータを透過するガス量が多くなり、複数の単セルでの電極間にてガスを十分に遮断できずにりん酸形燃料電池の発電運転に支障が生じるようになる。
【００２６】
また、セパレータの密度を測定したところ、実施例１では２．１５ｇ／ｃｍ３、実施例２では２．１ｇ／ｃｍ３以上になる一方、比較例１では１．９５ｇ／ｃｍ３となった。これにより、ＰＦＡ樹脂の流動性が高くなる実施例１、２の方が、密度が高くなって黒鉛粒子間の隙間にＰＦＡ樹脂がより多く入り込む緻密な材質となり、ガス遮断性を高めることに寄与していることが理解できる。
【００２７】
実施例３にて、セパレータの密度を測定したところ２．１２ｇ／ｃｍ３となり、また、上述のようにガス透過量が０．１ｃｃ／ｍｉｎ以下となった。実施例３のセパレータを搭載したりん酸形燃料電池の連続運転実施後、セパレータの密度とガス透過量を再度測定したところ、運転前後で変化していなかった。
【００２８】
比較例１０にて、セパレータの密度を測定したところ２．０５ｇ／ｃｍ３となり、また、上述のようにガス透過量が多くなってりん酸形燃料電池で使用不能となった。実施例３と比較例１０との比較において、冷間圧縮成形後の加熱処理の温度を２００〜３１５℃の範囲内とすることで十分なガス遮断性を発揮することが理解できる。なお、実施例１及び２のように加熱処理を行わないセパレータでは、りん酸形燃料電池に搭載して連続運転すると、該運転後に、実施例２は密度及びガス透過性が僅かに低下したものの支障なく運転を継続できた。実施例１は、試運転後に、密度及びガス透過性は低下しなかった。実施例３のようにＭＦＲ１０前後の試料の場合、加熱処理することで、りん酸形燃料電池の連続運転しても、セパレータの密度及びガス透過性を良好に維持して運転を継続することができる。
【００２９】
なお、本発明の実施の形態は上記の各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の趣旨を逸脱しない範囲において様々に変更、置換、変形されてもよい。さらには、技術の進歩又は派生する別技術によって、本発明の技術的思想を別の仕方で実現することができれば、その方法を用いて実施されてもよい。従って、特許請求の範囲は、本発明の技術的思想の範囲内に含まれ得る全ての実施態様をカバーしている。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明のりん酸形燃料電池用セパレータは、家庭用、業務用、その他のあらゆる産業分野のりん酸形燃料電池に対して好適に適用することができる。
【符号の説明】
【００３１】
１  単セル
２  マトリックス
３  燃料電極
４  空気電極
５  燃料ガス流通板
６  酸化剤ガス流通板
７  セパレータ
【図１】
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【図２】
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