(57)【要約】    【目的】各単位セルの多孔質基材に保持されるりん酸が効果的に使用され、長期にわたり安定して運転できるものを得る。    【構成】複数の単位セル１を適宜冷却板２を介装しつつ積層して構成されるものにおいて、補充用のりん酸を保持させる多孔質基材を種々の嵩密度を有する多孔質材料を用いて製作し、最も嵩密度の小さい多孔質基材を冷却板２より最も隔たった位置にあるNo.3セルに、また、最も嵩密度の大きい多孔質基材を冷却板２に隣接するNo.1セルおよびNo.5セルに組込み、中間の嵩密度を有する多孔質基材を中間領域に配設されるNo.2セルおよびNo.4セルに組込む。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個の単位セルを適宜冷却板を介装しつつ積層して構成されるりん酸形燃料電池で、前記単位セルが、りん酸を保持するマトリックスと、その両面に配された燃料極触媒層および空気極触媒層と、これらの触媒層の外面に接して配された補給用のりん酸を保持する多孔質基材とを備えてなるものにおいて、冷却板からより隔たった位置に積層された単位セルの多孔質基材が、冷却板により近い位置に積層された単位セルの多孔質基材に比べて嵩密度のより小さい多孔質材料によって形成されていることを特徴とするりん酸形燃料電池。
【請求項２】
嵩密度の異なる多孔質基材を製作し、その嵩密度を測定し、その測定結果から該多孔質基材を組込んだ単位セルの積層位置を決定してりん酸形燃料電池を構成することを特徴とする請求項１に記載のりん酸形燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は複数の単位セルを積層して構成されるりん酸形燃料電池とその製造方法に係り、特に単位セルに組込まれるりん酸保持用の多孔質基材に関する。
【背景技術】
【０００２】
りん酸形燃料電池は、多数の単位セルを積層したスタックにより構成されており、基本単位である単位セルは、電解質として用いるりん酸を含有するマトリックスを燃料極触媒層と空気極触媒層とで挟み、さらにその外側に各触媒層に反応ガスを供給するためのガス通路を備えた多孔質基材を配して構成されている。この多孔質基材は、反応ガスを供給すると同時に、飛散するマトリックス中のりん酸を補給するためのりん酸リザーバーの役割を果しており、発電運転の経過とともに多孔質基材に保持されたりん酸がマトリックスへと補給される。
多孔質基材のりん酸保持容量は、多孔質基材の気孔体積と気孔径とによって定まり、多孔質基材の製作精度のばらつきに伴ってりん酸保持容量にばらつきが生じる。製作された多孔質基材の気孔体積は嵩密度を測定することによって非破壊で知ることができるが、気孔径を求めるにはサンプルを取出して水銀ポロシメーター等によって測定する必要があり、破壊検査を行う必要がある。このように多孔質基材のりん酸保持容量を非破壊に知ることが困難なため、従来のりん酸形燃料電池では、多孔質基材の製作精度のばらつきからりん酸保持容量のばらつきを推定し、りん酸保持容量がそのばらつきの範囲の最低値にあると想定して使用している。
【０００３】
また、複数の単位セルを積層したスタックにより構成されるりん酸形燃料電池では、積層位置、すなわち介装される冷却板からの距離に応じて単位セルの運転温度に差が生じ、冷却板から離れた単位セルは冷却板に隣接する単位セルに比べて除熱量が少なくなるので運転温度が高くなる。このように運転温度が高くなるとマトリックスや多孔質基材に保持されたりん酸が蒸発、飛散しやすくなるので、長期間の運転を保証するには運転温度の高い単位セルには補充用のりん酸をより多量に保持させる必要がある。このため、特許文献１および特許文献２には、冷却板から離れた運転温度の高い単位セルほど厚さの厚い多孔質材料よりなるりん酸リザーバー用プレートを組込んだ燃料電池が開示されている。
【特許文献１】特開平６−２９０３３号公報
【特許文献２】特開平６−１０４００４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のように、りん酸形燃料電池ではマトリックスや多孔質基材に補充用のりん酸を保持して使用されているが、多孔質基材のりん酸保持容量を正確に把握することができないので、保持容量をばらつきの範囲の最低値に想定して単位セルに使用する際の設計上のりん酸保持時間を設定している。したがって、りん酸形燃料電池はこの下限に設定されたりん酸保持時間に則って運転寿命が設定され、運転の安全が確保されている。しかしながらこのようにりん酸保持時間を下限に設定すると、最も運転条件が厳しく、りん酸の蒸発、飛散が生じ易い単位セル、すなわち冷却板から離れた運転温度が最も高くなる単位セルにおけるりん酸保持時間によって運転寿命が定まることとなるので、他の運転温度が低い位置にある単位セルが未だ運転可能な状態にあるにも関らず運転続行ができないという問題点がある。既に述べた特許文献１や特許文献２に開示された燃料電池のごとく、冷却板から離れた運転温度の高い単位セルほど厚さの厚い多孔質材料よりなるりん酸リザーバー用プレートを組込んで燃料電池を構成することとすれば、それぞれの単位セルの多孔質基材のりん酸保持時間をほぼ同等に設定して構成することが可能である。しかしながら、このように構成すれば、単位セルの積層位置に対応して少なくとも数種類の厚さの多孔質基材が必要となり、製作コストが上昇するという難点がある。
【０００５】
本発明はこのような従来技術の現状を顧慮してなされたもので、本発明の目的は、複数の単位セルを適宜冷却板を介装しつつ積層して構成されるりん酸形燃料電池において、各単位セルの多孔質基材に保持されたりん酸が効果的に使用され、長期にわたり安定して運転することのできるりん酸形燃料電池、ならびにその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するために、本発明においては、
りん酸を保持するマトリックスと、その両面に配された燃料極触媒層および空気極触媒層と、これらの触媒層の外面に接して配された補給用のりん酸を保持する多孔質基材とを備える複数個の単位セルを適宜冷却板を介装しつつ積層して構成されるりん酸形燃料電池において、冷却板からより隔たった位置に積層された単位セルの多孔質基材を、冷却板により近い位置に積層された単位セルの多孔質基材に比べて嵩密度のより小さい多孔質材料により形成することとする。
また、このりん酸形燃料電池を製作する際、嵩密度の異なる多孔質基材を製作し、その嵩密度を測定し、その測定結果からその多孔質基材を組込んだ単位セルの積層位置を決定してりん酸形燃料電池を構成する製造方法を用いることとする。
【発明の効果】
【０００７】
既に述べたように、多孔質基材のりん酸保持容量は多孔質基材の気孔体積と気孔径とによって定まる。図２は、多孔質基材の嵩密度とりん酸保持容量との関係の一例を示す特性図である。本図において、特性Ａは最小りん酸保持容量、特性Ｂは最大りん酸保持容量である。図に見られるように嵩密度の上昇、すなわち気孔体積の減少とともにりん酸保持容量が減少している。同一嵩密度におけるりん酸保持容量の特性Ａと特性Ｂとの差（図中のδ）は多孔質基材の気孔径のばらつきによるものであり、嵩密度を測定し、特性Ａに則ってその嵩密度でのりん酸保持容量を求めれば、使用可能なりん酸保持容量の最低値を知ることができる。図３は、単位セルにおけるりん酸保持時間と多孔質基材のりん酸保持量との関係の一例を示した特性図で、特性Ｃは、冷却板に近接して配置された最低運転温度180 ℃にある単位セルの特性、特性Ｅは、冷却板から最も離れた位置に配置された最高運転温度200 ℃にある単位セルの特性、特性Ｄは、それらの中間に配置された運転温度190 ℃にある単位セルの特性である。当然のことながら、多孔質基材のりん酸保持量が多ければ単位セルにおけるりん酸保持時間も増大するが、セル温度が高くなるとりん酸の蒸発、飛散量が増大するため、りん酸保持時間が減少する。図３に示した例の場合、セル温度が最高の200 ℃のセルでは、最低の180 ℃のセルに比べてりん酸保持時間が約2×104時間短くなっている。
【０００８】
従来のりん酸形燃料電池においては、既に述べたごとく、多孔質基材のりん酸保持容量をばらつきの範囲の最低値に想定し、かつ、運転温度が最も高く、りん酸の蒸発、飛散が最も生じ易い条件下にある単位セルの運転条件を考慮してりん酸保持時間が設定されている。したがって、図２、および図３に示された特性の多孔質基材を用いる場合には、図２の特性からりん酸保持容量は図中の最低値である60 ％と想定される。また、図３に示した最高温度200 ℃の単位セルでの特性（Ｅ）のりん酸保持容量60 ％における値よりこのりん酸形燃料電池のりん酸保持時間は４×104時間と想定される。
これに対して、本発明のりん酸形燃料電池では、冷却板からより隔たった位置に積層された単位セルの多孔質基材を、冷却板により近い位置に積層された単位セルの多孔質基材に比べて嵩密度のより小さい多孔質材料により形成することとしているので、例えば、図２、および図３に示された特性の多孔質基材を用いる場合、嵩密度が0.6 (g/cm3)と小さく、りん酸保持容量が 80 ％と大きい多孔質基材を、冷却板から隔たった位置に配置された運転温度が最高の200 ℃の単位セルに組込み、嵩密度が0.8 (g/cm3)と大きく、りん酸保持容量が60 ％と相対的に小さい多孔質基材を、冷却板に近接して配置される運転温度が最低の180 ℃の単位セルに組込み、嵩密度が0.7(g/cm3)、したがってりん酸保持容量が70 ％の多孔質基材を中間領域の運転温度が190 ℃の単位セルに組込めば、冷却板から隔たった位置に配置された単位セル、冷却板に近接して配置された単位セル、その中間に配置された単位セルは、いずれも６×104時間のりん酸保持時間を有することとなるので、本発明の構成のりん酸形燃料電池のりん酸保持時間は約６×104時間と見込まれ、セル寿命は、従来例の構成のりん酸形燃料電池の約1.5倍に増大することとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明は、りん酸を保持するマトリックスの両面に触媒層および多孔質基材を備えた複数個の単位セルを適宜冷却板を介装しつつ積層して構成されるりん酸形燃料電池において、冷却板からより隔たった位置に配される単位セルの多孔質基材に、嵩密度のより小さい多孔質材料よりなる多孔質基材を配置した構成を最良の形態とする。このように構成すれば、より高い温度条件において運転され、りん酸の蒸発、飛散が生じやすい単位セルに補充用のりん酸をより多量に保持することができるので、この単位セルの運転寿命が相対的に長くなり、りん酸形燃料電池の寿命が延長される。
【実施例１】
【００１０】
図１は、本発明の第１の実施例のりん酸形燃料電池に積層されたセルの温度分布を示す積層方向の要部構成図である。本実施例のりん酸形燃料電池は、りん酸を保持するマトリックスの両面に触媒層および多孔質基材を備えた単位セル１を５個積層する毎に冷却板２を介装して構成されており、図に見られるように、冷却板２と冷却板２との間にはNo.1セル、NO.2セル〜No.5セルの５個の単位セル１が配置されている。本構成のりん酸形燃料電池では、発電反応に伴って生じる発熱は冷却配管３を通して冷却板２に供給される冷却水により除去されるので、積層された各単位セル１の運転温度に差が生じ、図中に示したように、冷却板２に隣接するNo.1セルおよび No.5セルの運転温度は最も低い180℃に、また、冷却板２より最も隔たった位置にあるNo.3セルの運転温度は最も高い200℃に保持され、これらの中間に位置するNo.2セルおよび No.4セルの運転温度は中間の180℃に保持される。
【００１１】
上記の各単位セル１の運転温度を考慮して、以下のごとく各単位セル１に組込まれる図示しない多孔質基材の材質を選定する。すなわち、嵩密度の異なる多孔質材料を用いて多孔質基材を製作し、相対的に嵩密度の小さい多孔質基材を運転温度の最も高いNo.3セルの多孔質基材に、また、相対的に嵩密度の大きい多孔質基材を運転温度の低いNo.1セルおよび No.5セルの多孔質基材に選定し、嵩密度が中間領域にある多孔質基材をNo.2セルおよび No.4セルの多孔質基材に選定する。このように多孔質基材を選定すれば、運転温度のより高い単位セルほど補充用のりん酸がより多量に保持されるので、運転寿命が長くなる。特に、嵩密度が0.6 (g/cm3)と小さい多孔質基材をNo.3セルの多孔質基材に、嵩密度が0.8 (g/cm3)と大きい多孔質基材をNo.1セルおよび No.5セルの多孔質基材に、また、嵩密度が0.7 (g/cm3)と中間の多孔質基材をNo.2セルおよび No.4セルの多孔質基材に用いれば、図２および図３を用いて既に述べたごとく、各層の単位セル１がいずれも６×104時間のりん酸保持時間を有することとなり、運転寿命が大幅に伸長する。
【００１２】
なお、本実施例では単位セル１を５個積層する毎に冷却板２を介装して構成されたりん酸形燃料電池を例示しているが、本発明はこの実施例に限定されるものではなく、同一理念に基づいて構成されるりん酸形燃料電池に広く適用されるものである。
【産業上の利用可能性】
【００１３】
上記のごとくりん酸形燃料電池を構成すれば、複数の単位セルを適宜冷却板を介装しつつ積層して構成されるりん酸形燃料電池において、各単位セルの多孔質基材に保持されたりん酸が効果的に使用され、長期にわたり安定して運転することのできるので、各種電源用途のりん酸形燃料電池として利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の実施例のりん酸形燃料電池の要部構成図
【図２】多孔質基材の嵩密度とりん酸保持容量との関係の一例を示す特性図
【図３】単位セルにおけるりん酸保持時間と多孔質基材のりん酸保持量との関係の一例を示す特性図
【符号の説明】
【００１５】
１    単位セル
２    冷却板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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