JP2008123729A

JP2008123729A - リン酸型燃料電池

Info

Publication number: JP2008123729A
Application number: JP2006303503A
Authority: JP
Inventors: Norio Sasaki; 規雄佐々木
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2006-11-09
Filing date: 2006-11-09
Publication date: 2008-05-29

Abstract

【課題】リン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み、これらの触媒層に接して電極基材を配し、さらにその外面に多孔質基材を配して単位セルを構成するものにおいて、多孔質基材のリン酸保持量が非破壊で適正に推計され、長寿命化が容易となるものを得る。
【解決手段】ガス透過量を測定し、その測定値が予め決められた範囲の100 mm・ml/h/cm²/mmAq以上、500 mm・ml/h/cm²/mmAq以下にある多孔質基材のみを組み込んで単位セルを作成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、リン酸型燃料電池に係り、特に、リン酸型燃料電池スタックの単位セルに組み込まれる多孔質基材に関する。

リン酸型燃料電池は、電解質としてのリン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み、これらの触媒層に接して多孔質炭素板からなる電極基材を配し、さらにその外面にリン酸を保持させた多孔質基材を配して構成した単位セルを、複数個積層して形成された燃料電池スタックからなる。単位セルの外面に配された上記の多孔質基材にはそれぞれ反応ガス通路が設けられており、燃料極触媒層側の多孔質基材の反応ガス通路に燃料ガスを供給し、空気極触媒層側の多孔質基材の反応ガス通路に酸化剤ガスを供給すると、各反応ガスは多孔質基材中と電極基材中を拡散して触媒層へと到達し、電気化学反応を生じて発電することとなる。一方、マトリックス中に保持されたリン酸の一部は、反応を終えて排出されるオフガスとともに外部へ排出されるので、電極基材中に保持されたリン酸がマトリックス中へと送られ、不足するリン酸を補充することとなる。電極基材からのリン酸の補充が進み、補充量が不足すると発電反応が低下し、充分なセル特性が得られなくなって、セル寿命となる。

本構成の単位セルのリン酸保持性能およびガス拡散性能を見ると、単位セルを構成する上記の多孔質基材と電極基材の細孔径の分布は、図２に示したごとく、リン酸を保持するマトリックス（図中、分布Ａで表示）を平均細孔径の最も小さなものに選定し、次いで多孔質基材（図中、分布Ｃで表示）を平均細孔径のよりおおきなものとし、さらに電極基材（図中、分布Ｂで表示）を最も細孔径の大きなものに選定して構成するのが良いとされている（特許文献１参照のこと）。

電極基材の一定割合以上の細孔がリン酸で満たされると、ガス通路が少なくなり、触媒層にガスが供給されにくくなってセル特性が低下してしまうので、電極基材の細孔径分布と多孔質基材の細孔径分布はできるだけ重なる部分のないものであることが望ましい。したがって、同じ気孔率ならば、多孔質基材の細孔径分布ができるだけ小径側にシフトしたほうが、リン酸保持に使用できる細孔の割合が増大することとなる。ただし、小径側へのシフトが大きくなり過ぎると、気孔体積が小さくなり、逆にリン酸保持量が少なくなってしまうので、多孔質基材の細孔径分布は最適な範囲に入っている必要がある。

多孔質基材のリン酸保持量は、多孔質基材の気孔体積と気孔径（細孔径分布）で決定される。気孔体積と細孔径分布は、水銀ポロシメーター等による測定によって求めることができるが、いずれもサンプルを切り出して測定する必要があり、破壊検査となる。このように多孔質基材のリン酸保持量は非破壊では測定できないため、サンプルを切り出しての測定結果に基づいてリン酸保持量を推定し、この推定値からリン酸保持時間を算出し、セル寿命を定めている。なお、特許文献２には、多孔質基材のかさ密度とリン酸保持量の関係を求めて非破壊で多孔質基材のリン酸保持量を算出する方法が提案されているが、多孔質基材の素材の密度のバラツキがかさ密度に影響を与え、想定したかさ密度とリン酸保持量の関係から外れてしまうケースが稀に生じている。
特開平９−180738号公報特開2005―122914号公報

上記のように、リン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み、これらの触媒層に接して電極基材を配し、さらにその外面にリン酸を保持させた多孔質基材を配して単位セルを構成したリン酸型燃料電池においては、多孔質基材に保持されるリン酸量が電池寿命を決める重要な因子となるが、このリン酸保持量を直接非破壊で測定することができないので、前述のごとく、サンプルを切り出してリン酸保持量を測定し、この測定値のバラツキの範囲の下限値をリン酸型燃料電池のリン酸保持量と想定して使用しているため、設計上のリン酸保持時間が短くなり、リン酸型燃料電池の単位セルを長寿命化する上で障害となっている。

本発明の解決すべき課題は、リン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み、これらの触媒層に接して電極基材を配し、さらにその外面にリン酸を保持させた多孔質基材を配して単位セルを構成したリン酸型燃料電池において、上記多孔質基材のリン酸保持量が非破壊で適正に推計され、単位セルの長寿命化が容易となるリン酸型燃料電池を提供することにある。

本発明によれば、上記の課題は以下の手段を講じることによって解決される。
（１）多孔質基材のガス透過量を測定し、その測定値が予め決められた範囲内にある多孔質基材のみを組み込んでリン酸型燃料電池を作成することとする。
（２）上記（１）のリン酸型燃料電池において、多孔質基材のガス透過量の前記の予め決められた範囲を、100 mm・ml/h/cm²/mmAq以上、 500 mm・ml/h/cm²/mmAq以下とする。

多孔質基材のガス透過量は、多孔質基材の細孔径分布、気孔率、厚さ等により決まるが、これらの項目はリン酸保持量を決定する項目でもある。多孔質基材のガス透過量を測定するとともに、水銀ポロシメーターにより細孔径分布を測定して求めたガス透過量とリン酸保持量との関係は図１に示した通りである。なお、ガス透過量は、パッキングを取り付けた 100 mmの管にガス供給ノズルと圧力計を取り付け、測定対象の多孔質カーボン板にガスが横漏れしないようにパッキング部を押し付け、ガス供給ノズルから空気を供給して、流量と圧力を測定する。測定した空気流量と圧力、管の多孔質カーボン板にガスを供給している部分の面積からガス透過量を算出する。図１から知られるように、多孔質基材のガス透過量が100 mm・ml/h/cm²/mmAq以下であれば、気孔率が小さく、リン酸保持量が不十分であるのに対して、多孔質基材のガス透過量が100 mm・ml/h/cm²/mmAq以上で、500 mm・ml/h/cm²/mmAq以下の範囲にあれば、リン酸保持量がセル運転に支障のない最適な保持量に保たれる。また、ガス透過量が500 mm・ml/h/cm²/mmAq以上になると、気孔径が過大となってリン酸保持力が低下してしまう。

図１に見られるごとく、多孔質基材のガス透過量がわかればリン酸保持量が知られるので、上記（１）のごとく、多孔質基材のガス透過量を測定し、その測定値が予め決められた範囲内にある多孔質基材のみを組み込むこととすれば、多孔質基材のリン酸保持量を非破壊で適正に選定することができ、特に上記（２）のごとく、ガス透過量が100 mm・ml/h/cm²/mmAq以上で、500 mm・ml/h/cm²/mmAq以下の範囲にある多孔質基材を組み込むこととすれば、リン酸保持量がセル運転に支障のない最適な保持量に保たれるので、長寿命のリン酸型燃料電池が得られることとなる。

本発明のリン酸型燃料電池の最良の実施形態は、リン酸型燃料電池、例えば、リン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み、これらの触媒層に接して電極基材を配し、さらにその外面にリン酸を保持させた多孔質基材を配して単位セルを構成したリン酸型燃料電池において、多孔質基材のガス透過量を測定し、その測定値が予め決められた範囲内、例えば、100 mm・ml/h/cm²/mmAq以上、500 mm・ml/h/cm²/mmAq以下の範囲内にある多孔質基材のみを組み込んで作成した形態にある。

ガス透過量が、それぞれ50, 100, 500, 550 mm・ml/h/cm²/mmAqの４種の反応ガス流路形成用の多孔質基材を用意し、多孔質基材のガス透過量とリン酸保持量との関係（図１参照）より、リン酸保持量を決定した。次に、各多孔質基材を使用して単位セルを製作し、規定時間運転できる量のリン酸を注入して発電試験を行った。試験の結果によれば、ガス透過量が50 mm・ml/h/cm²/mmAqの多孔質基材を使用した単位セルと、ガス透過量が550 mm・ml/h/cm²/mmAqの多孔質基材を使用した単位セルでは、リン酸過多によるガス拡散不良のためにセル特性が低下したが、ガス透過量が100 mm・ml/h/cm²/mmAqの多孔質基材を使用した単位セルと、ガス透過量が500 mm・ml/h/cm²/mmAqの多孔質基材を使用した単位セルでは、リン酸過多によるセル特性の低下は見られず、良好な特性が得られた。この結果より、ガス透過量が100 mm・ml/h/cm²/mmAq以上、500 mm・ml/h/cm²/mmAq以下の範囲内にある多孔質基材のみを組み込めば、適正なリン酸保持量で運転できることがわかった。

実施例１の結果に基づいて、ガス透過量が100 mm・ml/h/cm²/mmAq以上、500 mm・ml/h/cm²/mmAq以下の範囲内にある多孔質基材のみを用いて複数の単位セルを製作し、これらの単位セルを積層した燃料電池スタックの発電運転を実施しているが、全セルとも初期的な特性不良を生じることなく順調に運転されており、ガス透過量を規定した多孔質基材を使用することにより、リン酸保持量の不足による電極基材のガス拡散不良を生じることなく運転できることが確認された。

以上述べたように、リン酸型燃料電池を本発明のごとく構成すれば、セルを構成する多孔質基材のリン酸保持量が適正に推計できることとなるので、従来のリン酸型燃料電池に見られたリン酸保持量のバラツキによるセル特性の不良発生が回避されるとともに、セル寿命の長寿命化が容易となる。また、リン酸保持量が適正に推計できるので多孔質基材を無駄なく使用し、歩留まりを上げることができ、リン酸型燃料電池のコストを下げることができる。したがって、本発明は、各種用途のリン酸型燃料電池に有効に適用される。

多孔質基材のガス透過量とリン酸保持量の関係を示す特性図多孔質基材と電極基材の細孔径分布を比較して示した特性図

符号の説明

Ａマトリックスの細孔径分布
Ｂ電極基材の細孔径分布
Ｃ多孔質基材の細孔径分布

Claims

多孔質基材のガス透過量を測定し、その測定値が予め決められた範囲内にある多孔質基材のみを組み込んで作成されたリン酸型燃料電池。
多孔質基材のガス透過量の前記の決められた範囲が、100 mm・ml/h/cm²/mmAq以上、500 mm・ml/h/cm²/mmAq以下であることを特徴とする請求項１に記載のリン酸型燃料電池。