(57)【要約】【課題】従来に比べて、リン酸回収量を増やすことができ、その結果、リン酸を長時間、保持可能となり、長期にわたり安定した発電運転が可能なりん酸形燃料電池を提供すること。【解決手段】本発明のりん酸形燃料電池は、リン酸を担持した電解質層と、アノード触媒層と、カソード触媒層と、アノード触媒層及びカソード触媒層の外側に配置された多孔質カーボン基材と、多孔質カーボン基材の外側に配置され、燃料ガスまたは空気からなる反応ガスを流通させるガス溝（２０）を備えるカーボンプレート（１７）と、を有し、ガス溝は、多孔質カーボン基材の基材表面積に対する、基材表面積において反応ガスが直接接触する表面積の割合で定まる開口割合が、多孔質カーボン基材を介して反応ガスからリン酸を回収するリン酸回収部（Ｂ）での開口割合の方が、リン酸回収部以外の開口割合より大きくなるように形成されていることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リン酸を担持した電解質層と、
前記電解質層の一方の面に配置されたアノード触媒層と、
前記電解質層の他方の面に配置されたカソード触媒層と、
前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層の外側にそれぞれ配置された多孔質カーボン基材と、
前記多孔質カーボン基材の外側にそれぞれ配置され、燃料ガスまたは空気からなる反応ガスを流通させるガス溝を備えるカーボンプレートと、
を有し、
前記ガス溝は、前記多孔質カーボン基材の基材表面積に対する、前記基材表面積において前記反応ガスが直接接触する表面積の割合で定まる開口割合が、前記多孔質カーボン基材を介して前記反応ガスからリン酸を回収するリン酸回収部での前記開口割合の方が、前記リン酸回収部以外の前記開口割合より大きくなるように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】
前記リン酸回収部での前記開口割合をＳｒとし、前記リン酸回収部以外での前記開口割合をＳａとしたとき、１．０＜Ｓｒ／Ｓａ≦２．０の範囲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】
前記多孔質カーボン基材と、前記カーボンプレートとの接触面積を変えることで、前記開口割合を変えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のりん酸形燃料電池。
【請求項４】
前記リン酸回収部での前記ガス溝の幅寸法は、前記リン酸回収部以外での前記ガス溝の幅寸法よりも広く形成されており、前記リン酸回収部での前記ガス溝の幅寸法は一定幅で形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のりん酸形燃料電池。
【請求項５】
前記リン酸回収部での前記ガス溝の幅寸法は、前記リン酸回収部以外での前記ガス溝の幅寸法よりも広く形成されており、前記リン酸回収部での前記ガス溝の幅寸法は、前記ガス出口側に向けて徐々に広がって形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のりん酸形燃料電池。
【請求項６】
前記ガス溝は複数設けられ、各ガス溝は前記リン酸回収部で繋がるとともに、前記リン酸回収部の前記ガス溝内には、前記多孔質カーボン基材に接触する凸部が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか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、りん酸形燃料電池のリン酸の回収構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
りん酸形燃料電池は、水素と酸素を供給し、電気化学反応により直接電気を取り出す発電装置である。
【０００３】
りん酸形燃料電池（Ｐｈｏｓｐｈｏｒｉｃ  Ａｃｉｄ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ；ＰＡＦＣ）は、アノード側で水素の酸化反応を、カソード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。
【０００４】
りん酸形燃料電池では、電池全体に水素イオン電導体として液体のリン酸が含有されている。電解質であるリン酸は、吸湿による容積変化や電気浸透作用などにより、燃料電池の運転に伴い局在化して電解質層から電極（触媒層）へ移動するとともに、その一部は電池反応（発熱反応）に伴う発熱により蒸発し、未反応ガスに随伴される形で電池外に飛散消失することが知られている。
【０００５】
しかしながら、リン酸の消失により電解質層のリン酸保持量が不足するような事態になると、電解質層を通じて燃料ガスと空気とが直接反応（ガスクロス）して正常な発電が維持できなくなる問題があった。
【０００６】
図５及び図６は、りん酸形燃料電池の単セル構造を示す縦断面図である。図５の縦断面図は、Ｘ方向に沿って高さ方向（Ｚ）に切断した断面図であり、図６の縦断面図は、Ｘ方向に対して直交するＹ方向に沿って高さ方向（Ｚ）に切断した断面図である。
【０００７】
図５、図６に示すように、りん酸形燃料電池１０は、電解質層１１と、その両側に配置されたアノード触媒層１２及びカソード触媒層１３と、アノード触媒層１２及びカソード触媒層１３の外側に配置された多孔質カーボン基材１４、１５と、多孔質カーボン基材１４、１５の外側に配置されたガス溝を備えるリブ付きカーボンプレート１６、１７とを有して構成される。また図示していないが、リブ付きカーボンプレート１７の外側には冷却用プレートが組み込まれている。
【０００８】
図５に示すように、リブ付きカーボンプレート１７に設けられたガス溝１７ａには空気Ｇ１が通され、図６に示すように、リブ付きカーボンプレート１６に設けられたガス溝１６ａには燃料ガスＧ２が通される。
【０００９】
図５に示すように、りん酸形燃料電池１０では、ガス出口部１９の温度を下げることで、ガス入口部１８側で飛散したリン酸Ｐ１を含む空気Ｇ３中のリン酸を凝集させ、この凝集したリン酸Ｐ２を、多孔質カーボン基材１５を介して電池内に回収する構造となっている。
【００１０】
このように図５、図６に示すりん酸形燃料電池１０では、ガス入口部１８側に、リン酸飛散部Ａが構成され、ガス出口部１９側に、冷却されたリン酸回収部Ｂが構成される。リン酸回収部Ｂでは、リブ付きカーボンプレート１７のガス溝１７ａ間に位置するリブ部（凸部）１７ｂと接触していないカーボン基材開口部Ｃで回収が進行する。
【００１１】
リブ付きカーボンプレート１７に形成された従来のガス溝の形状を図７に示す。図７は、リブ付きカーボンプレート１７の表面を図６に示す真上方向Ｄから見たものである。
【００１２】
図７に示すように、ガス溝１７ａは、ガス入口部１８側からガス出口部１９側にかけて一定幅で形成されている。すなわち図７に示すガス溝１７ａは、リン酸飛散部Ａとリン酸回収部Ｂとで、同じ形状で形成されている。一方、特許文献１に記載された発明には、カーボンプレートのガス出口部側のガス溝幅を広げる構造が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開平１０―３０２８１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら図７に示すガス溝１７ａを設けたリブ付きカーボンプレート１７を用いて図５に示す回収構造に適用しても、回収しきれなかったリン酸は、未反応の空気共に電池外に排出される。このため、長時間、りん酸形燃料電池１０を運転させると、上記した燃料ガスＧ２と空気Ｇ１との直接反応（ガスクロス）が生じやすくなり、正常な発電が維持できないことがあった。特許文献１では、ガス出口部側のガス溝の幅を広げているが、リン酸回収にはある程度の面積が必要とされ、溝幅を単に広げただけでは十分にリン酸を回収できないという問題があった。
【００１５】
そこで本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、特に、従来に比べて、リン酸回収量を増やすことができ、その結果、リン酸を長時間、保持可能となり、長期にわたり安定した発電運転が可能なりん酸形燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明のりん酸形燃料電池は、リン酸を担持した電解質層と、前記電解質層の一方の面に配置されたアノード触媒層と、前記電解質層の他方の面に配置されたカソード触媒層と、前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層の外側にそれぞれ配置された多孔質カーボン基材と、前記多孔質カーボン基材の外側にそれぞれ配置され、燃料ガスまたは空気からなる反応ガスを流通させるガス溝を備えるカーボンプレートと、を有し、前記ガス溝は、前記多孔質カーボン基材の基材表面積に対する、前記基材表面積において前記反応ガスが直接接触する表面積の割合で定まる開口割合が、前記多孔質カーボン基材を介して前記反応ガスからリン酸を回収するリン酸回収部での前記開口割合の方が、前記リン酸回収部以外の前記開口割合より大きくなるように形成されていることを特徴とする。
【００１７】
本発明では、前記リン酸回収部での前記開口割合をＳｒとし、前記リン酸回収部以外での前記開口割合をＳａとしたとき、１．０＜Ｓｒ／Ｓａ≦２．０の範囲であることが好ましい。
【００１８】
また、本発明では、前記多孔質カーボン基材と、前記カーボンプレートとの接触面積を変えることで、前記開口割合を変えることが好ましい。
【００１９】
また、本発明では、前記リン酸回収部での前記ガス溝の幅寸法は、前記リン酸回収部以外での前記ガス溝の幅寸法よりも広く形成されており、前記リン酸回収部での前記ガス溝の幅寸法は一定幅で形成されている構成にできる。
【００２０】
あるいは、本発明では、前記リン酸回収部での前記ガス溝の幅寸法は、前記リン酸回収部以外での前記ガス溝の幅寸法よりも広く形成されており、前記リン酸回収部での前記ガス溝の幅寸法は、前記ガス出口側に向けて徐々に広がって形成されている構成にできる。
【００２１】
あるいは、本発明では、前記ガス溝は複数設けられ、各ガス溝は前記リン酸回収部で繋がるとともに、前記リン酸回収部の前記ガス溝内には、前記多孔質カーボン基材に接触する凸部が形成されている構成にできる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、リン酸回収部の多孔質カーボン基材の開口割合を高くすることで、リン酸回収量を増やすことができ、リン酸を長時間、保持可能となり、長期にわたり安定した発電運転が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】りん酸形燃料電池の単セル構造を示す分解斜視図である。
【図２】第１の実施の形態におけるカーボンプレートのガス溝構造を説明するための平面図である。
【図３】第２の実施の形態におけるカーボンプレートのガス溝構造を説明するための平面図である。
【図４】第３の実施の形態におけるカーボンプレートのガス溝構造を説明するための平面図である。
【図５】りん酸形燃料電池の単セル構造をＸＺ面と平行な方向から切断した縦断面図である。
【図６】りん酸形燃料電池の単セル構造をＹＺ面と平行な方向から切断した縦断面図である。
【図７】従来におけるカーボンプレートのガス溝構造を説明するための平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の一実施の形態（以下、「実施の形態」と略記する。）について、詳細に説明する。
【００２５】
図１は、りん酸形燃料電池の単セル構造を示す分解斜視図である。図１に示すように、りん酸形燃料電池１は、電解質層１１と、アノード触媒層１２と、カソード触媒層１３と、多孔質カーボン基材１４、１５と、リブ付きカーボンプレート１６、１７とを有して構成される。なお、図１における各層の符号は、図５、図６と同じとし、層構造は図５、図６と変わりないものの、図５、図６と異なる箇所については異なる符号を付して対応した。特に本実施の形態では従来に対してガス溝形状が異なるので、その点については後で詳述する。
【００２６】
電解質層１１は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）などの電解質保持材にリン酸を担持したマトリックスにて構成される。アノード触媒層１２及びカソード触媒層１３は、電解質層１１の両側に配置されて電池が構成される。なお、アノード触媒層１２及びカソード触媒層１３は、多孔質カーボン基材１４、１５の表面に担持されて、一体的に構成することができる。カソード側の触媒としては、カーボンブラック担体に白金微粒子を高分散担持させた白金担持カーボン触媒（Ｐｔ／Ｃ触媒）が一般的に用いられている。アノード触媒層１２と多孔質カーボン基材１４にて燃料極を構成し、カソード触媒層１３と多孔質カーボン基材１５にて酸素極（空気極）を構成する。
【００２７】
リブ付きカーボンプレート１６は、ガス溝１６ａを内側に向けた状態で、多孔質カーボン基材１４の外面に配置され、また、リブ付きカーボンプレート１７は、ガス溝２０を内側に向けた状態で、多孔質カーボン基材１５の外面に配置される。なお、リブ付きカーボンプレート１７のガス溝形状は、図７とは異なるため、ガス溝の符号を変えた。リブ付きカーボンプレート１６、１７は、多孔質カーボンより構成される。図１に示すように、リブ付きカーボンプレート１６に形成される複数本のガス溝１６ａは、Ｘ方向にリブ部（凸部）を介してＹ方向に延出して形成されている。また、リブ付きカーボンプレート１７に形成される複数本のガス溝２０は、Ｙ方向にリブ部（凸部）を介してＸ方向に延出して形成されている。したがってガス溝１６ａとガス溝２０とは直交した関係にある。
【００２８】
ガス溝１６ａには、燃料ガスＧ２が通され、ガス溝２０には、空気Ｇ１が通される。燃料ガスＧ２としては、例えば、天然ガス、メタノール等を改質して得られる水素に富む改質ガスを用いることができる。
【００２９】
また図１には図示していないが、リブ付きカーボンプレート１７の外側には冷却用プレートが組み込まれている。
【００３０】
従来では、長時間にわたって、りん酸形燃料電池を運転させると、リン酸の飛散消失を原因として、燃料ガスＧ２と空気Ｇ１との直接反応（ガスクロス）が生じる問題があった。これを解決するために、例えば、従来では、電極基板の一部に電解液を溜める窪み（リザーバ）を設けたり、あるいは、電極を挟んでマトリックスと反対側にリザーブプレートを組み込むなどして電池内部にリン酸を貯えておき、外部からのリン酸補給なしに燃料電池を長時間、連続運転できるようにした対策を取ってきた。しかしながら、電池内部にリザーバを設けた構成でもリン酸の貯蔵量には限界があり、運転経過とともに電池反応の発熱で蒸発したリン酸が未反応ガスに随伴して電池から逸出するために、リザーバのリン酸貯蔵量も次第に減少することが避けられない問題が生じていた。
【００３１】
これに対して本実施の形態では、ガス出口部１９の温度を下げることで、カソード側で飛散したリン酸を含む空気中のリン酸を凝集させて、電池内にリン酸を回収する構造としている。よって本実施の形態は、図５と同様に、ガス出口部１９側の冷却されたリン酸回収部Ｂにおいて、多孔質カーボン基材１５を介してリン酸Ｐ２を回収する構成であるが、リン酸回収量をより効果的に増やすべく、リン酸回収部Ｂでの多孔質カーボン基材１５の開口割合を調節している。
【００３２】
すなわち、本実施の形態では、ガス出口部（反応ガス出口；カソード出口）１９側におけるリン酸回収部Ｂでの多孔質カーボン基材１５の開口割合が、リン酸回収部Ｂ以外での多孔質カーボン基材１５の開口割合よりも大きい。「リン酸回収部Ｂ以外」とは、本実施の形態では、リン酸飛散部Ａが該当する。
【００３３】
ここで、リン酸回収部Ｂの多孔質カーボン基材１５の開口割合Ｓｒと、リン酸飛散部Ａの多孔質カーボン基材１５の開口割合Ｓａは、下記のように定義される。
Ｓｒ＝（リン酸回収部Ｂの多孔質カーボン基材の開口部面積／リン酸回収部Ｂの面積）
Ｓａ＝（リン酸飛散部Ａの多孔質カーボン基材の開口部面積／リン酸飛散部Ａの面積）
【００３４】
上記のリン酸回収部Ｂのカーボン基材開口部面積と、リン酸飛散部Ａのカーボン基材の開口部面積は、反応ガス（空気、あるいは空気とリン酸との混合ガス）と多孔質カーボン基材１５が直接接触する面積、換言すれば、ガス溝２０と対向する多孔質カーボン基材１５の表面積である。ガス溝の部分は、ガスが直接、多孔質カーボン基材１５と接触するため、未反応の空気中に含まれる、凝集されたリン酸Ｐ２（図５参照）が、ガス出口部１９側のガス溝部上に位置する多孔質カーボン基材１５から電池内に回収されることになる。なお、リン酸回収部Ｂの面積及び、リン酸飛散部Ａの面積は、夫々、カーボン基材開口部面積と、多孔質カーボン基材１５とリブ付きカーボンプレート１７のリブ部とが接触する接触面積とを含めた合計面積（基材表面積）である。以上により、本実施の形態では、開口割合は、多孔質カーボン基材１５の基材表面積に対する、前記基材表面積において反応ガスが直接接触する表面積の割合で求めることができる。
【００３５】
従来の構造では、概ね、Ｓａ＝Ｓｒ＝０．５であり、したがってＳｒ／Ｓａ＝１．０であったが、本実施の形態では、１．０＜Ｓｒ／Ｓａとした。また、ＳｒがＳａに比して大きくなりすぎると、ガス溝２０内で酸素極（空気極）が撓んで、ガス溝２０が閉塞されやすくなるため、好ましくは、Ｓｒ／Ｓａ≦２．０とした。
【００３６】
次に、具体的なカーボンプレートのガス溝形状について説明する。図２は、第１の実施の形態におけるカーボンプレートのガス溝構造を説明するための平面図である。
【００３７】
図２に示すように、カーボンプレート１７の表面にはＹ方向に間隔を空けてＸ方向に延出する複数本のガス溝２０が形成されている。図２に示すように、各ガス溝２０は、リン酸飛散部Ａに形成された一定幅の幅細部２０ｂと、リン酸回収部Ｂに形成された、幅細部２０ｂよりも幅の広い幅広部２０ａとが連結して形成されている。この実施の形態では、幅広部２０ａは、一定幅で形成される。
【００３８】
例えば、カーボンプレート１７は、厚さ数ｍｍ程度であり、カーボンとポリテトラフルオロエチレン（ＰｏｌｙＴｅｔｒａＦｌｕｏｒｏＥｔｈｙｌｅｎｅ；ＰＴＦＥ）からなるモールド樹脂にて形成される。また、リン酸飛散部Ａに形成された幅細部２０ｂは、例えば、幅寸法が１ｍｍで、深さ寸法が１ｍｍのガス溝であり、各幅細部２０ｂが等間隔で形成される。一方、リン酸回収部Ｂに形成された幅広部２０ａは、例えば、幅寸法が２ｍｍで、深さ寸法が１ｍｍのガス溝で、各幅広部２０ａが幅細部２０ｂよりも狭い等間隔で形成されている。
【００３９】
ここで、図２に示す幅広部２０ａ（同じ方向に傾く斜線を付した）では、ガスと多孔質カーボン基材１５とが接触する部分であり、したがって幅広部２０ａの平面積は、リン酸回収部Ｂのカーボン基材開口部面積と同じである。また図２に示す幅広部２０ａの間に位置する凸状のリブ部２０ｃ（幅広部２０ａに示した斜線とは逆方向に傾く斜線を付した）は、多孔質カーボン基材１５と直接接触する部分である。リン酸回収部Ｂの面積は、図２に示す幅広部２０ａの平面積と、リブ部２０ｃの平面積とを足した合計面積となる。多孔質カーボン基材１５とカーボンプレート１７との接触面積、すなわち、多孔質カーボン基材１５が直接接触するリブ部２０ｃの面積を変えることで、多孔質カーボン基材１５の開口割合を変えることができる。リン酸飛散部Ａのカーボン基材の開口部面積及びリン酸飛散部Ａの面積も上記に準じて求めることができる。以上により、図２に示すカーボンプレート１７の表面形状から、上記した、Ｓｒ及び、Ｓａを求めることができる。なお図２ではＳｒ／Ｓａ＝１．３であった。このように、Ｓｒ／Ｓａ＝１．０を超えるとリン酸回収が有効となり、従来よりもリン酸回収量を増加させることができる。換言すれば、本実施の形態では、図５のリン酸を含む空気Ｇ４に含まれるリン酸量を従来よりも少なくできる構造である。この結果、リン酸を長時間、保持可能となり、長期にわたり安定した発電運転が可能なりん酸形燃料電池とすることができる。また、Ｓｒ／Ｓａ＝２．０までの範囲とした場合、従来よりもリン酸回収量を増加させることができるとともに、ガス溝内での電極撓みを抑制でき、適切にガス溝空間を保つことができる。
【００４０】
図３は、第２の実施の形態におけるカーボンプレートのガス溝構造を説明するための平面図である。図３に示すように、カーボンプレート１７に形成された複数のガス溝２０は、リン酸飛散部Ａに形成された幅細部２０ｂと、幅細部２０ｂに連通し、ガス出口部１９に向けて徐々にガス溝の幅寸法が広がる、リン酸回収部Ｂに設けられた幅広部２０ｄとで構成される。
【００４１】
図３の構成において、１．０＜Ｓａ／Ｓｒ≦２．０の範囲となるように、幅広部２０ｄの、リン酸回収部Ｂに占める面積を調整することで、従来よりもリン酸回収量を増加させることができるとともに、ガス溝内での電極撓みを抑制でき、適切にガス溝空間を保つことができる。この結果、リン酸を長時間、保持可能となり、長期にわたり安定した発電運転が可能となる。
【００４２】
また図４は、第３の実施の形態におけるカーボンプレートのガス溝構造を説明するための平面図である。
【００４３】
図４に示すように、カーボンプレート１７に形成された複数のガス溝２０は、リン酸飛散部Ａに形成された幅細部２０ｂと、リン酸回収部Ｂ側で、各幅細部２０ｂが一体的に繋がって形成される連通部２０ｅとで構成される。連通部２０ｅ内には、複数のドット状の凸部２０ｆが形成されており、各凸部２０ｆの表面は、多孔質カーボン基材１５と接触する接触面である。
【００４４】
図４の構成において、１．０＜Ｓａ／Ｓｒ≦２．０の範囲となるように、連通部２０ｅ及び、凸部２０ｆの面積を調整することで、従来よりもリン酸回収量を増加させることができるとともに、ガス溝内での電極撓みを抑制でき、適切にガス溝空間を保つことができる。この結果、リン酸を長時間、保持可能となり、長期にわたり安定した発電運転が可能となる。
【００４５】
また、上記した実施の形態では空気極側のガス溝２０の形状を例に記載したが、燃料極側のガス溝１６ａの形状を、ガス溝２０と同様の形状（１．０＜Ｓｒ／Ｓａ）で形成しても、リン酸回収量を増やす効果が得られ、安定した発電運転に貢献できる。このとき、燃料極側のガス溝１６ａは、１．０＜Ｓｒ／Ｓａ≦２．０の関係を満たすことが好ましい。また本実施の形態では、１．０＜Ｓｒ／Ｓａの関係を満たすガス溝は、空気極側のガス溝２０及び燃料極側のガス溝１６ａの一方であってもよいし両方であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明のりん酸形燃料電池によれば、リン酸を長時間、保持可能となり、長期にわたり安定した発電運転が可能である。よって信頼性の高いりん酸形燃料電池を提供することができる。
【符号の説明】
【００４７】
１  りん酸形燃料電池
１１  電解質層
１２  アノード触媒層
１３  カソード触媒層
１４、１５  多孔質カーボン基材
１６、１７  リブ付きカーボンプレート
１８  ガス入口部
１９  ガス出口部
１６ａ、２０ガス溝
２０ａ、２０ｄ  幅広部
２０ｂ  幅細部
２０ｃ  リブ部
２０ｅ  連通部
２０ｆ  凸部
Ａ  リン酸飛散部（リン酸回収部以外）
Ｂ  リン酸回収部
Ｇ１  空気
Ｇ２  燃料ガス
Ｇ３、Ｇ４  リン酸を含む空気
Ｐ１、Ｐ２  リン酸
【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】
2017059340.tif 000007
【図６】
2017059340.tif 000008
【図７】
2017059340.tif 000009