(57)【要約】    【目的】単位セルの多孔質基材に保持されたりん酸がマトリックスに均一に補充され、セル電圧の低下を生じることなく安定して運転できるものを得る。    【構成】多孔質基材第１層２１と多孔質基材第２層との間に、これらの層を構成するカーボン繊維より長尺のカーボン繊維を、繊維の方向を面内の一方向に配列して加圧成型したりん酸移動層２３を備えて多孔質基材を形成する。【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、りん酸を保持したマトリックスを燃料極触媒層と空気極触媒層とで挟持し、さらにその外面に接してガス拡散層を配置し、さらにその外面に接して補充用のりん酸を保持するガス流路付の多孔質基材を配置して形成されるものにおいて、前記の多孔質基材の一部に、多孔質基材の他の部分を構成するカーボン繊維より長尺の繊維を用いて製作された面内方向に広がるりん酸移動層が備えられていることを特徴とするりん酸形燃料電池。
【請求項２】
前記のりん酸移動層が、多孔質基材の他の部分を構成するカーボン繊維より長尺のカーボン繊維を繊維の方向を面内の一方向に配列して加圧成形することにより形成された層であ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。
【請求項３】
前記のりん酸移動層が、面内方向に配列された、多孔質基材の他の部分を構成するカーボン繊維より長尺の有機樹脂の繊維とカーボン繊維を混合し、加圧成形したのち熱処理を行って前記の有機樹脂の繊維を除去することにより形成された層であ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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はりん酸を電解質に用いるりん酸形燃料電池に係り、特に単位セルに組込まれる多孔質基材の構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
りん酸形燃料電池は、所望の電気出力に対応して所定の個数の単位セルを積層し、スタックを構成して使用される。図３は、基本単位となる単位セルの一般的な構成を示す分解断面図である。図に見られるように、りん酸を保持したマトリックス５を、酸化剤ガス拡散層３の一面に形成した空気極触媒層４と、燃料ガス拡散層８の一面に形成した燃料極触媒層７とにより挟持し、その外面に酸化剤ガス流路付の多孔質基材２と燃料ガス流路付の多孔質基材９を配し、さらにその外側にガス不透過性の良導電性材料よりなる空気極セパレータ１と燃料極セパレータ１０を配して単位セルが形成されている。なお、図中の６は端面方向をシールする電極シール材である。
本構成において、多孔質基材２のガス流路に酸化剤ガスを通流し、多孔質基材９のガス流路に燃料ガスを通流すると、酸化剤ガスは酸化剤ガス拡散層３の内部を拡散して空気極触媒層４に、また、燃料ガスは燃料ガス拡散層８の内部を拡散して燃料極触媒層７に達し、電気化学反応が生じて電気エネルギーが外部に取出し可能となる。りん酸形燃料電池は約200℃の高温で運転されるので、運転の経過とともにマトリックス５中に保持されたりん酸の蒸発、飛散が生じて保持量の不足を生じる恐れがある。このため、多孔質基材２、９に予めりん酸を保持させ、このりん酸をマトリックス５中に補充することによりりん酸の不足を回避する方法が一般に採られている。
【０００３】
したがって、上記の酸化剤ガス拡散層３および燃料ガス拡散層８には、ガス拡散性、良導電性、耐食性とともにりん酸の拡散性が要求され、上記の多孔質基材２、９には、良導電性、耐食性に加えてりん酸を保持し、かつ拡散させる性能を持つことが要求される。このため、酸化剤ガス拡散層３および燃料ガス拡散層８にはカーボンペーパーが使用され、多孔質基材２、９には多孔質カーボン板が用いられている。
【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、りん酸形燃料電池の各単位セルに組込まれている多孔質基材は、付設のガス流路に酸化剤ガスあるいは燃料ガスを通流させる機能の他に、補充用のりん酸を保持して補給する機能をもつ部材であり、従来のりん酸形燃料電池では、通常、カーボン繊維を加熱加圧成形し、研磨、裁断、ガス流路加工して得られた多孔質カーボン板が使用されている。このようにして製作された多孔質カーボン板は内部に数多の気孔を備えており、この気孔に保持されたりん酸が、気孔を通して移動し、マトリックスへと補充されることとなる。
しかしながら、図３に示したごとく、多孔質基材は厚さが薄く、面方向に広がった薄肉の略平板形状であるが故に、上記のごとく製作した多孔質基材においては、りん酸を面方向に均一に保持させることは容易でなく、りん酸保持量が面内で偏りを生じるのを回避するのは困難である。このようにりん酸保持量が面内で偏りを生じると、マトリックスへの補充量が過大となる部位や不足する部位が生じるので、得られるセル電圧が低下するという事態が生ずる。
【０００５】
本発明は上記のごとき従来技術の難点を考慮してなされたもので、本発明の目的は、補充用のりん酸が単位セルに組込まれる多孔質基材に面方向に均一に保持され、マトリックスに均一に補充されて、セル電圧の低下を生じることなく安定して運転できるりん酸形燃料電池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、
複数個の単位セルを積層して構成されるりん酸形燃料電池で、単位セルが、りん酸を保持したマトリックスを燃料極触媒層と空気極触媒層とで挟持し、その外面に接してガス拡散層を配置し、さらにその外面に接して補充用のりん酸を保持するガス流路付の多孔質基材を配置して形成されるものにおいて、上記の多孔質基材の一部に、多孔質基材の他の部分を構成するカーボン繊維より長尺の繊維を用いて製作された面内方向に広がるりん酸移動層を備えることとし、
上記のりん酸移動層を、例えば、（１）多孔質基材の他の部分を構成するカーボン繊維より長尺のカーボン繊維を、その繊維の方向を面内の一方向に配列し、加圧成型して形成することとする。あるいは、（２）面内方向に配列された、多孔質基材の他の部分を構成するカーボン繊維より長尺の有機樹脂の繊維と、カーボン繊維とを混合し、加圧成型したのち熱処理を行って有機樹脂の繊維を除去することにより形成することとする。
【発明の効果】
【０００７】
上記の（１）のごとくりん酸移動層を形成すれば、この層内のカーボン繊維は長尺で面内の一方向に配列しているので、層内にはこの配列方向に貫通する多数の長尺の気孔が形成されることとなる。この層にりん酸を保持させれば、りん酸はこの長尺の気孔の内部を長さ方向に極めて容易に移動できるので、例えば多孔質基材の一端から相対する一端までの長さに対応する長さを有するカーボン繊維を用いてこの層を形成すれば、りん酸はカーボン繊維に配列された両端を結ぶ長尺の気孔の内部を容易に移動することとなる。また、上記の（２）のごとくりん酸移動層を形成すれば、長尺の有機樹脂の繊維の除去によって層内には、面内方向に配列された多数の長尺の繊維状の気孔が形成されることとなり、この層にりん酸を保持させれば、多数の長尺の繊維状の気孔の内部を、面内方向に容易に移動することとなる。
【０００８】
したがって、りん酸形燃料電池の単位セルに組込む多孔質基材に、（１）あるいは（２）のごとく形成したりん酸移動層を備えれば、保持されたりん酸は面内方向に容易に移動することができるので、りん酸は面内に均一に保持され、保持量に偏りを生じる恐れがない。それゆえ、マトリックス中のりん酸の蒸発、飛散が生じても、多孔質基材に保持されたりん酸が偏りを生じることなく適正に補充され、発電運転が安定に維持されることとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明においては、りん酸を保持したマトリックスを燃料極触媒層と空気極触媒層とで挟持し、その外面に接してガス拡散層を配置し、さらにその外面に接して補充用のりん酸を保持するガス流路付の多孔質基材を配置して単位セルを形成するりん酸形燃料電池において、上記の多孔質基材の内部に、多孔質基材の他の部分を構成するカーボン繊維より長尺の繊維を用いて製作された面内方向に広がるりん酸移動層を備えた形態を最良とする。
【実施例１】
【００１０】
図１は、本発明のりん酸形燃料電池の第１の実施例に用いた多孔質基材の構成を示す縦断面図である。本図において、２１は多孔質基材第１層、２２は多孔質基材第２層であり、２３は、多孔質基材第１層２１および多孔質基材第２層２２を構成するカーボン繊維より長尺のカーボン繊維を用い、その繊維の方向を面内の一方向に配列し、加圧成型して形成したりん酸移動層Ａである。また、２５はガス流路である。本多孔質基材は以下のごとき工程を経て製造される。
まず、原材料として用いる長さ約5 mmのカーボン繊維40 ％、フェノール樹脂60 ％、および黒鉛粉を、それぞれ乾燥し、所定の粒度にするための篩い分けを行ったのち、ミキサーに投入して混合する。次いで、多孔質基材第１層２１を形成するために、得られた原材料の混合物を、熱板上で約160 ℃に加熱された金型中に所定量投入する。次いでりん酸移動層Ａ２３を形成するために、上記の投入された原材料の混合物の上に、長さ約1 mmの長尺のカーボン繊維をその繊維方向を面内の一方向に配列して敷き詰める。最後に多孔質基材第２層２２を形成するために、長尺のカーボン繊維層の上に上記の原材料の混合物を所定量投入する。つづいて、材料の投入が完了した金型を成型プレス内へと持ち込んで加圧，成型すると、フェノール樹脂が硬化して成形板が得られる。得られた成形板を、反りの発生を防止するために押さえ板の上で冷却し、約600 ℃で仮焼成してフェノール樹脂分を炭化させるとともにタール等の成分を除去したのち、2500 〜 3000 ℃に加熱して黒鉛化する。このようにして得られた黒鉛化品を研磨、裁断し、研磨粉を除去したのち所要のガス流路の加工をすることによって、多孔質基材第１層２１とりん酸移動層Ａ２３と多孔質基材第２層２２との三層構造からなる多孔質基材が得られる。
【実施例２】
【００１１】
図２は、本発明のりん酸形燃料電池の第２の実施例に用いた多孔質基材の構成を示す縦断面図である。本実施例の第１の実施例との相違点は、第１の実施例のりん酸移動層Ａ２３に替わって、多孔質基材の他の部分を構成するカーボン繊維より長尺の有機樹脂の繊維とカーボン繊維とを混合して加圧成型したのち、熱処理により有機樹脂の繊維を除去して形成したりん酸移動層Ｂ２４が組込まれていることにある。このりん酸移動層Ｂ２４を備えた多孔質基材は以下のごとき方法にとり形成される。
まず、第１の実施例と同様に、多孔質基材第１層２１および多孔質基材第２層２２を形成するための原材料として、長さ約5 mmのカーボン繊維40 ％とフェノール樹脂60 ％、および黒鉛粉からなる混合物を得る。また、りん酸移動層Ｂ２４を形成するための原材料として、上記の混合物に十分に乾燥させた繊維状のポリエチレン樹脂（繊維径：約5μｍ、長さ：約10 mm）を重量比で5〜20 ％加え、温度が上がらないよう冷却しながら混合して第２の混合物を得る。次いで、熱板上で約160 ℃に加熱された金型中に、多孔質基材第１層２１を形成するための第１の原材料の混合物を所定量投入し、その上にりん酸移動層Ｂ２４を形成するための第２の原材料の混合物を所定量投入し、さらにその上に多孔質基材第２層２２を形成するための第１の原材料の混合物を所定量投入して加圧成型を行い、成形板を作製する。得られた成形板は、フェノール樹脂分を炭化させるとともにタール等の成分を除去するために約600 ℃で仮焼成される。この仮焼成の際、200℃ 〜 400℃の温度領域での昇温速度を所定の速度に制御する。このように昇温速度を所定の速度に制御すれば、成形板中の繊維状樹脂が昇華に類似の形態で除去され、成形板の内部に繊維状樹脂の残痕の長尺の空孔が形成される。成形板は、仮焼成ののち、第１の実施例と同様に、2500 〜 3000 ℃に加熱して黒鉛化され、得られた黒鉛化品を研磨、裁断し、研磨粉を除去したのち所要のガス流路の加工をすることによって、多孔質基材第１層２１とりん酸移動層Ｂ２４と多孔質基材第２層２２との三層構造からなる多孔質基材が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００１２】
上記のごとくりん酸形燃料電池を構成すれば、補充用のりん酸が単位セルに組込まれる多孔質基材に面方向に均一に保持され、マトリックスに均一に補充されて、セル電圧の低下を生じることなく安定して運転できることとなるので、各種電源用途のりん酸形燃料電池として効果的に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明のりん酸形燃料電池の第１の実施例に用いた多孔質基材の構成を示す縦断面図
【図２】本発明のりん酸形燃料電池の第２の実施例に用いた多孔質基材の構成を示す縦断面図
【図３】りん酸形燃料電池の単位セルの一般的な構成を示す分解断面図
【符号の説明】
【００１４】
２    多孔質基材（酸化剤ガス流路付）
５    マトリックス
９    多孔質基材（燃料ガス流路付）
２１    多孔質基材第１層
２２    多孔質基材第２層
２３    りん酸移動層Ａ
２４    りん酸移動層Ｂ
【図１】
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【図２】
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【図３】
2005166372.tif 000005