JP3838403B2 - リン酸型燃料電池 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、リン酸型型燃料電池、特に単電池の端部シールの構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のとおり、リン酸型燃料電池は、電解質層にリン酸を保持し、反応ガスとしての燃料ガス（例えば、水素）および酸化剤ガス（例えば、空気）を燃料極および酸化剤極に連続的に供給して、燃料のもつエネルギーを電気化学的に電気エネルギーに変換するものである。図３は、従来のリン酸型燃料電池の電池積層体の概略構成を示す。
【０００３】
図３において単電池１は、電極触媒層を備えた燃料電極１２と酸化剤電極１３と、リン酸を保持した電解質層１１と、さらに各電極に反応ガスを供給するためのガス流路（溝）を設けた多孔質のリブ付き基材１４および１５とからなる。この単電池１にガス遮蔽板であるセパレータ２を重ねて積層し、さらに、所定数の単電池毎に反応熱を除去するための冷却板３を介挿して燃料電池積層体を構成する。
【０００４】
上記リン酸型燃料電池は、一般に、前記単電池１の燃料ガス流路と平行な相対する二辺のリブ付基材の端部部分と前記酸化剤ガス流路と平行な相対する二辺のリブ付基材の端部部分とに、燃料ガスと酸化剤ガスとが混合しないようにするために、ガス不透過性の端部シール部材を備えている。
【０００５】
図１は、上記端部シール部材に着目した燃料電池単位セルの概略構成を示し、２セル積層した状態を示したものである。図１の単位セルにおいては、セルロース繊維からなる紙に熱硬化性樹脂を含浸し、乾燥後積層してプレスし、更に焼成して作成したガス不透過性及び電解質に対する耐食性を満たしたセパレータ材２の間に、ガス通路を形成する多孔質のリブ付基材１４および１５と電池部１０が挟持されている。電池部１０は、図３における燃料電極１２，酸化剤電極１３および電解質層１１とからなる。リブ付基材１４および１５のガス通路に平行な外延部にはそれぞれのガスが対極に漏洩しないように端部シール部材２０が配置されている。
【０００６】
端部シール部材２０には、ガス不透過性と共に電解質に対する耐食性が求められる。また、ガス流路の高さを確保する必要性から２mm程度の厚さが必要である。更に、電解質を多く含んでしまうと端部シール端面５において上下セル間で電解質が液絡し、上下セル間での電解質の移動や絶縁抵抗が低下する等の問題が発生する可能性があるため端部シール部材の端面で電解質が液絡しないようにする必要がある。
【０００７】
これらの条件を満足する端部シール部材として従来は、黒鉛化された緻密な炭素材や、セパレータ材を端部シールの幅に切断してフッ素樹脂フィルムを介して積層したものを使用し、また、端部シール部材２０とセパレータとの間にシール材やクッション材を入れる等して、リブ付基材１４および１５と端部シール部材２０の高さ方向の寸法誤差を調整するものが使用されている。
【０００８】
前記寸法誤差の調整の必要性について詳述すると、以下のとおりである。ガス通路を形成するリブ付基材１４および１５と端部シール部材２０はそれぞれの材料の製作誤差により寸法差が生じる。リブ付基材１４および１５と電池部１０の高さ寸法の合計が上下の端部シール部材２０の合計より大きい場合には、端部シール部材２０に掛かる圧力が弱くなり、シール性が悪くなる。逆に端部シール部材２０の合計の方が大きい場合には、電池部１０に掛かる圧力が弱くなり、電池内部の接触抵抗が大きくなる。そのために、高さ方向の寸法誤差の調整が必要となる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような従来の燃料電池の端部シール構成においては、部品点数が多く、また端部シール部材および寸法調整に必要な部材のそれぞれの加工工数も多く、組み立て工程を含めて全体としてコストが高くなる問題があった。
【００１０】
この発明は、上記問題点を解消するためになされたもので、この発明の課題は、ガス不透過性，耐食性および端部シール部材の端面での液絡が生じない等の端部シール部材に必要な要件を備え、かつリブ付基材と端部シール部材などの材料の製作寸法誤差を吸収して十分なシール性能が確保でき、さらに安価な燃料電池を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、この発明は、リン酸電解質を保持した電解質層を挟んで配設した，触媒層を有する燃料電極および酸化剤電極と、前記燃料電極に水素を含む燃料ガスを供給・排出するための燃料ガス流路を有する多孔質のリブ付基材と、前記酸化剤電極に酸化剤ガスを供給・排出するための酸化剤ガス流路を有する多孔質のリブ付基材と、ガス不透過性のセパレータとを積層してなり、燃料ガスと酸化剤ガスとが混合しないようにするために，隣接するセパレータ間であって，前記燃料ガス流路と平行な相対する二辺のリブ付基材の端部部分と前記酸化剤ガス流路と平行な相対する二辺のリブ付基材の端部部分とにそれぞれ，シート状ガス不透過性の端部シール部材を配設したリン酸型燃料電池において、前記端部シール部材を膨張黒鉛シートとし、この膨張黒鉛シート材の平均かさ密度を０．５〜１．７ｇ／ｃｃとする（請求項１）。また、前記請求項１に記載のものにおいて、前記端部シール部材と、端部シール部材と隣接するセパレータとを、フッ素樹脂材を介して熱融着してなるものとする（請求項２）。さらに、前記請求項１または２に記載のものにおいて、前記端部シール部材の表面をフッ素樹脂により、はっ水処理してなるものとする（請求項３）。
【００１２】
上記のように、膨張黒鉛シートを端部シール部材として使用すればガス不透過性、耐食性を満足することができ、また部品点数が少ないので安価となる。さらに、膨張黒鉛シート材の平均かさ密度を上記の範囲に選定することにより、リブ付基材と端部シール部材などの材料の製作寸法誤差を吸収して十分なシール性能が確保できる。その理由について以下に述べる。
【００１３】
図２は、かさ密度と圧縮歪率との関係、およびかさ密度とガス透過率との関係を示したものである。ここで、圧縮歪率とは、１kgf / cm²加圧時の圧縮率を示す。図２に示すように、平均かさ密度が高くなるほど圧縮歪率は小さくなり、またガス透過量は少なくなる。燃料電池の端部シール部材として使用するにはガス透過量が0.005cc.mm/min.mmAq.cm²以下であることが必要で、そのためにはかさ密度が0.5 g/cc以上である必要がある。
【００１４】
また、ガス通路を形成するとリブ付基材と端部シール部材などは、それぞれの材料の製作誤差により高さ寸法差が生じる。この寸法差を吸収するためには端部シール部材２０の圧縮歪率が1．0×10^-2 cm² / kgf以上である必要が有り、そのためにはかさ密度が1．７ g/cc以下である必要がある。
【００１５】
従って、膨張黒鉛シート材の平均かさ密度を０．５〜１．７ｇ／ｃｃとすることにより、製作寸法誤差を吸収して十分なシール性能が確保できる。
【００１６】
さらに請求項２の発明のように、端部シール部材をフッ素樹脂等によりセパレータに熱融着すればシール性、作業性が良くなる。また、請求項３の発明のように、端部シール部材端面にフッ素樹脂によってはっ水処理を施すことにより、端部シール部材が電解質を含む危険がなくなり、端部シール端面における上下セル間の液絡をより確実に防止できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例について以下にのべる。
【００１８】
（実施例１）
図１に示すような２セル積層燃料電池を製作した。昭和電工(株)製ガラス状カーボン板(ＳＧ−３、厚さ０．６mm)を130×130mmに切断してセパレータとし、東洋炭素(株)製膨張黒鉛シート(ＰＦ２５０、厚さ２．５mm、かさ密度０．６５g/cc)を１８×１３０mmに切断し端部シール部材とした。
【００１９】
（実施例２）
実施例１と同様に、昭和電工(株)製ガラス状カーボン板(ＳＧ−３、厚さ０．６mm)を130×130mmに切断してセパレータとし、東洋炭素(株)製膨張黒鉛シート(ＰＦ２５０、厚さ２．５mm、かさ密度０．６５g/cc)を１８×１３０mmに切断し端部シール材として、セパレータと端部シール材との間に端部シールと同寸法に切断した厚さ５０μmのデュポン社製四フッ化エチレン−六フッ化プロピレン共重合樹脂(略称ＦＥＰ、融点２５０〜２８０℃)シートを挿入し、温度約２９０℃で1．0kg/cm²の圧力を掛けて圧力保持時間１０分の条件で熱融着し、セパレータと端部シール部材を一体化した。実施例１に比較して作業性が向上した。
【００２０】
熱融着用のフッ素樹脂としては、上記以外に、例えば四フッ化エチレン樹脂(略称ＰＴＦＥ、融点３２７℃)、フッ化アルキコキシエチレン樹脂(略称ＰＦＡ、融点３００〜３１０℃)、フッ化エチレンプロピレン樹脂(略称ＴＦＰ、融点２９０〜３００℃)などが採用でき、例えば厚さ５０μmのシート状やディスパージョンの状態で使用し得る。
【００２１】
（実施例３）
端部シール部材のセパレータに接する面と端面に三井フロロケミカル製四フッ化エチレン−六フッ化プロピレン共重合樹脂ディスパージョン「テフロン120J」を塗付し、セパレータに図１の如く貼り付けた。次いで、２９０℃、１kg/cm²、圧力保持時間１０分の条件で熱融着した。
昭和電工(株)製多孔質カーボン板(ＳＲ−２００Ｅ、厚さ１．８mm)にガス溝加工を施し、電極を挟持して前述した端部シール材付きのセパレータを上下に配置して単セルとし、それを２セル積層した。
【００２２】
（実施例４）
実施例１において端部シール材を予め三井フロロケミカル製四フッ化エチレン−六フッ化プロピレン共重合樹脂ディスパージョン「テフロン120J」中にディップし、２９０℃の電気炉中で１時間焼成してはっ水処理を施す。その後、セパレータ上に端部シール部材を配置し、約２９０℃で1．0kg/cm²の圧力を掛けて圧力保持時間１０分の条件で熱融着し、セパレータと端部シールを一体化した。
【００２３】
上記実施例により製作した燃料電池は、端部シール材を透過してのガス洩れ量が３００ mmAqの差圧下で０．１ml/min以下で、電流密度３００mA/cm²で２０００時間運転後も洩れの増加は無く、製造誤差に起因する接触抵抗の異常も確認されなかった。また分解調査の結果端部シール部材の腐食や端部シール端面での電解質の液絡も発生しなかった。総じて、上記実施例によりいずれも、前述のような好適な端部シール構成を備えた燃料電池が得られることが確認された。
【００２４】
【発明の効果】
上記のとおり、この発明によれば、端部シール部材を膨張黒鉛シートとし、その平均かさ密度を０．５〜１．７ｇ／ｃｃとすることにより、ガス不透過性，耐食性および端部シール部材の端面での液絡が生じない等の端部シール部材に必要な要件を備え、かつリブ付基材と端部シール部材などの材料の製作寸法誤差を吸収して十分なシール性能が確保でき、さらに安価な燃料電池を提供することができる。
【００２５】
さらに、端部シール部材をフッ素樹脂等によりセパレータに熱融着すればシール性、作業性が良くなる。また、端部シール部材端面にフッ素樹脂によってはっ水処理を施すことにより、端部シール部材が電解質を含む危険がなくなり、端部シール端面における上下セル間の液絡をより確実に防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】端部シール部材に着目した燃料電池単位セルの概略構成を示す図
【図２】かさ密度と、圧縮歪率およびガス透過率との関係を示す図
【図３】リン酸型燃料電池の電池積層体の概略構成を示す図
【符号の説明】
２：セパレータ、１０：電池部、１４：リブ付基材（燃料側）、１５：リブ付基材（酸化剤側）、２０：端部シール部材。

Claims (3)

1. リン酸電解質を保持した電解質層を挟んで配設した，触媒層を有する燃料電極および酸化剤電極と、前記燃料電極に水素を含む燃料ガスを供給・排出するための燃料ガス流路を有する多孔質のリブ付基材と、前記酸化剤電極に酸化剤ガスを供給・排出するための酸化剤ガス流路を有する多孔質のリブ付基材と、ガス不透過性のセパレータとを積層してなり、燃料ガスと酸化剤ガスとが混合しないようにするために，隣接するセパレータ間であって，前記燃料ガス流路と平行な相対する二辺のリブ付基材の端部部分と前記酸化剤ガス流路と平行な相対する二辺のリブ付基材の端部部分とにそれぞれ，シート状ガス不透過性の端部シール部材を配設したリン酸型燃料電池において、前記端部シール部材を膨張黒鉛シートとし、この膨張黒鉛シート材の平均かさ密度を０．５〜１．７ｇ／ｃｃとしたことを特徴とするリン酸型燃料電池。
2. 請求項１に記載のものにおいて、前記端部シール部材と、端部シール部材と隣接するセパレータとを、フッ素樹脂材を介して熱融着してなることを特徴とするリン酸型燃料電池。
3. 請求項１または２に記載のものにおいて、前記端部シール部材の表面をフッ素樹脂により、はっ水処理してなることを特徴とするリン酸型燃料電池。

Images