(57)【要約】    【課題】染み出しによるリン酸保持量の不足するセルの発生を防止し、長期にわたり安定して運転できるリン酸形燃料電池を得る。    【解決手段】燃料極側の電極部４Ａとこれに接する多孔質カーボン板３のガス通路の延伸方向に平行な側面、および、空気極側の電極部４Ｂとこれに接する多孔質カーボン板３のガス通路の延伸方向に平行な側面に、それぞれガス不透過性の端部シール材２Ａを配し、さらにこれらをリン酸に対して耐食性を有するガス不透過性のカーボンセパレータ材１の間に配することによって単位セルが構成されるものにおいて、端部シール材２Ａの外側面に、この端部シール材２Ａを形成する多孔質体よりも細孔径が大きい多孔質体よりなるリン酸吸収部材５を組込む。【選択図】          図１
2009070753.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リン酸を保持するマトリックス層の両面に平板状の燃料極側電極部と空気極側電極部とを配置し、さらに前記各電極部の外側にガス通路を備えた２枚の多孔質カーボン板を前記ガス通路の延伸方向が直交するように配置し、さらに、燃料極側の前記電極部とこれに接する前記多孔質カーボン板の前記ガス通路の延伸方向に平行な側面、および、空気極側の前記電極部とこれに接する前記多孔質カーボン板の前記ガス通路の延伸方向に平行な側面に、それぞれガス不透過性の端部シール材を配し、さらにこれらをリン酸に対して耐食性を有するガス不透過性のカーボンセパレータ材の間に配することによって単位セルが構成されるリン酸形燃料電池において、
前記端部シール材の外側面に、該端部シール材を形成する多孔質体よりも細孔径が大きい多孔質体よりなるリン酸吸収部材が配されていることを特徴とするリン酸形燃料電池。
【請求項２】
前記リン酸吸収部材が多孔質カーボン材よりなることを特徴とする請求項１記載のリン酸形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リン酸形燃料電池のスタックを構成するセルの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
図２は、従来のリン酸形燃料電池のスタックの構成例を模式的に示す斜視図で、２個の単位セルを積層した状態が示されている。図において、各単位セルは、表面に SiC を主成分とするマトリックス層を形成した２枚の平板状の電極部４をマトリックス層が互いに相対するように配置し、さらに、これらを２枚の多孔質カーボン板３によって挟持し、電解質のリン酸に対して耐食性を有するガス不透過性のカーボンセパレータ材１の間に配することによって構成されている。上記の多孔質カーボン板３には、電極部４に接して一端から相対する他端へと延びるガス通路６が形成されており、さらにこの多孔質カーボン板３と電極部４の、ガス通路６方向と直交する方向の外側面には、反応ガスの対極への漏洩を防止する端部シール材２が配されている。この端部シール材２にはガス不透過性とともに電解質に対する耐食性が要求されるので、通常、高温で焼成したカーボン材が使用される。このように構成された単位セルにおいて、電極部４に形成されたマトリックスにリン酸を保持させ、この電極部４を挟む２枚の多孔質カーボン板３のガス通路６に、それぞれ燃料ガスと酸化剤ガスを供給すれば、燃料ガスが供給された側の電極部４は陰極として、酸化剤ガスが供給された側の電極部４は陽極として作用し、発電が行われることとなる。
このように構成された従来の単位セルにおいて、上記の端部シール材２は、ガス不透過性を確保するために緻密なカーボン材で形成されているが、少量ではあるが空隙が残存しているので、隣接する多孔質カーボン板３や電極部４から、その内部に滞留するリン酸を吸収する。このように隣接部分からリン酸を吸収すると、空隙がリン酸で満たされ、ガスの透過が防止されるので、ガス不透過性がさらに向上する。しかしながら、このような構成のセルにおいても、例えば電池の起動停止時に改質器に供給する水量を増大させた場合など、セルに供給するガス中の水蒸気濃度が上昇した場合には、端部シール材２に吸収されたリン酸は希釈されて体積が増大するので、端部シール材２からリン酸が染み出すこととなる。このため、染み出したリン酸がカーボンセパレータ材１を乗り越えて下層のセルへと移動し、その結果、上層のセルのリン酸の保持量が低下して、安定した運転が損なわれる危険性がある。
【０００３】
この難点を解消する方策は種々検討されており、例えば特許文献１には、多孔質カーボン板に親水部を備え、この親水部を介して上側の電極から染み出したリン酸を下側の電極に吸収させる方式のセルが提案されている。
【特許文献１】特開平８−８３６１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述のように、リン酸を保持したマトリックスを電極部と多孔質カーボン板とによって挟持した単位セルをガス不透過性のカーボンセパレータ材の間に配して積層することによってスタックが構成されるリン酸形燃料電池においては、セルに供給するガス中の水蒸気濃度が上昇したとき、端部シール材に吸収されたリン酸は、希釈されて体積が増大するため、端部シール材からリン酸が染み出すこととなる。このため、染み出したリン酸がカーボンセパレータ材を乗り越えて下層のセルへと移動する事態が生じるので、上層のセルのリン酸の保持量が低下して、安定した運転が損なわれる恐れがある。特許文献１には、この難点を解消するための方策として、多孔質カーボン板に親水部を備える方式のものが提案されているが、この方式では、下側の電極から染み出したリン酸は下側のセルの上側の電極へ吸収され、上下のセル間のリン酸の移動を阻止することはできない。
本発明は、このような技術の現状を顧慮してなされたもので、本発明の目的は、端部シール材に浸透したリン酸の染み出しが生じても、リン酸の移動が同一セルの内部に限定され、リン酸保持量の不足するセルの発生が回避されて、長期にわたり安定して運転できるリン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】
【０００５】
本発明によれば、上記の目的は、
リン酸を保持するマトリックス層の両面に平板状の燃料極側電極部と空気極側電極部とを配置し、さらに前記各電極部の外側にガス通路を備えた２枚の多孔質カーボン板を前記ガス通路の延伸方向が直交するように配置し、さらに、燃料極側の前記電極部とこれに接する前記多孔質カーボン板の前記ガス通路の延伸方向に平行な側面、および、空気極側の前記電極部とこれに接する前記多孔質カーボン板の前記ガス通路の延伸方向に平行な側面に、それぞれガス不透過性の端部シール材を配し、さらにこれらをリン酸に対して耐食性を有するガス不透過性のカーボンセパレータ材の間に配することによって単位セルが構成されるリン酸形燃料電池において、
端部シール材の外側面に、端部シール材を形成する多孔質体よりも細孔径が大きい多孔質体よりなるリン酸吸収部材、特に多孔質カーボン材よりなるリン酸吸収部材を配することにより達成される。
【発明の効果】
【０００６】
上記のごとく、燃料極側の電極部とこれに接する多孔質カーボン板のガス通路の延伸方向に平行な側面、および、空気極側の電極部とこれに接する多孔質カーボン板のガス通路の延伸方向に平行な側面に、それぞれガス不透過性の端部シール材を配して単位セルが構成されるリン酸形燃料電池において、前記の端部シール材の外側面に、この端部シール材を形成する多孔質体よりも細孔径が大きい多孔質体よりなるリン酸吸収部材を配すれば、リン酸が端部シール材に吸収されても、リン酸吸収部材の細孔径が端部シール材の細孔径よりも大きいので、端部シール材に吸われたリン酸が毛管力によってリン酸吸収部材に吸われることはない。
一方、端部シール材が接するガス中の水蒸気分圧が上昇し、吸収されたリン酸が希釈されて体積膨張することにより端部シール材からの染み出しが生じた場合には、リン酸吸収部材が染み出したリン酸を吸収する。その後、ガス中の水蒸気分圧が以前の低いレベルに復帰すれば、端部シール材に吸収されたリン酸は収縮し、リン酸吸収部材に吸収されたリン酸は毛管力により端部シール材に戻る。したがって、本構成のごとくとすれば、端部シール材に吸収されたリン酸の染み出しが生じても、セル間での移動を生じることがなく、リン酸の不足を生じる恐れがないので、長期にわたり安定に運転することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明のリン酸形燃料電池の最良の実施形態は、
リン酸を保持するマトリックス層の両面に平板状の燃料極側電極部と空気極側電極部とを配置し、さらにこれらの電極部の外側にガス通路を備えた２枚の多孔質カーボン板をガス通路の延伸方向が直交するように配置し、さらに、燃料極側の電極部とこれに接する多孔質カーボン板の前記ガス通路の延伸方向に平行な側面、および、空気極側の電極部とこれに接する多孔質カーボン板の前記ガス通路の延伸方向に平行な側面に、それぞれガス不透過性の端部シール材を配し、さらにこれらをリン酸に対して耐食性を有するガス不透過性のカーボンセパレータ材の間に配することによって単位セルが構成されるリン酸形燃料電池において、端部シール材の外側面に、この端部シール材を形成する多孔質体よりも細孔径が大きい多孔質体よりなるリン酸吸収部材、特に多孔質カーボン材よりなるリン酸吸収部材を配した形態にある。
【実施例】
【０００８】
図１は、本発明のリン酸形燃料電池の実施例のスタックの構成を模式的に示す斜視図である。図１に示されたスタックの構成要素のうち、図２の従来例のスタックの構成要素と同一機能を持つ構成要素には同一符号を付して重複する説明は省略する。本発明の実施例のスタックの従来例のスタックとの差は、燃料極４Ａおよび空気極４Ｂとこれに接する多孔質カーボン板３の外側面に配された端部シール材２の外面に、端部シール材２を形成する多孔質体よりも細孔径が大きい多孔質体により形成されたリン酸吸収部材５が配置されていることにある。
本実施例においては、図１の構成よりなる２セル積層セル（セルＡ）と図２の構成よりなる２セル積層セル（セルＢ）を試作し、その特性を調べた。いずれのセルにも、表面に SiC を主成分とするマトリックス層を形成した 100mm × 100mm の平板状の電極部４Ａ，４Ｂを使用し、平均細孔径 30μｍ、かさ密度 0.8 ｇ／cc の多孔質カーボン材より製作したガス通路６付きの100mm × 100mm の多孔質カーボン板３を用いた。また、昭和電工（株）製のガラス状カーボン板ＳＧ−３（厚さ 0.6 mm ）を130mm × 130mmに切断してセパレーター１とした。端部シール材には、日本カーボン（株）製ニカフィルムＦＬ４００（厚さ 2 mm、かさ密度 1 g／cc ）を用い、セルＢの端部シール材２では15mm × 130mmの寸法とし、セルＡの端部シール材２Ａでは10mm × 130mmの寸法とした。また、セルＡの端部シール材２Ａの外側に配置するリン酸吸収部材５は、前述の多孔質カーボン板３に用いた平均細孔径 30μｍ の多孔質カーボン材を5mm × 130mmの寸法に加工して製作した。以上のごとく製作した部材によりセルＡおよびセルＢの２セル積層セルを組み立て、多孔質カーボン板３の気孔の 50 ％分に相当する量のリン酸を注入して燃料電池を完成した。
上記のごとく試作した電池、セルＡ、およびセルＢに、予めバブリングによって加湿した水素ガスと空気を供給してセルを運転し、水素ガスの加湿度を 12 hr おきに相対湿度 90 ％と 0 ％に変えて 10 日間運転した。10 日間運転後、セルを解体し、各セルの重量変化を測定した。その結果、従来例の構成よりなるセルＢでは、２セル積層セルの上側のセルのリン酸の重量が５％減少し、下側のセルのリン酸の重量が５％増加しており、５％相当量のリン酸が上側のセルから下側のセルへ移動したことが確認された。一方、本実施例の構成よりなるセルＡでは、上側のセル、下側のセルとも10 日間運転後のリン酸の重量は初期重量と変わらず、リン酸吸収部材５の組み込みにより、リン酸の移動が防止されたことが確認された。
【産業上の利用可能性】
【０００９】
リン酸形燃料電池を本発明のごとく形成されたスタックを用いて構成すれば、低コストで製作できるとともに、上下のセル間のリン酸の移動が防止され、長期にわたり安定した発電運転が可能となるので、各種のリン酸形燃料電池に有効に利用される。  
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明のリン酸形燃料電池の実施例のスタックの構成を模式的に示す斜視図
【図２】従来のリン酸形燃料電池のスタックの構成例を模式的に示す斜視図
【符号の説明】
【００１１】
１    セパレーター
２Ａ    端部シール材
３    多孔質カーボン板
４Ａ，４Ｂ    電極部
５    リン酸吸収部材
６    ガス通路
【図１】
2009070753.tif 000003
【図２】
2009070753.tif 000004