JP5924444B1 - りん酸形燃料電池及びりん酸形燃料電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造工数を低減できると共にガス漏れ等の不具合の発生を抑制することができるりん酸形燃料電池及びその製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】りん酸形燃料電池１０は、リン酸を保持した平板状のマトリックス１４を燃料電極１６と空気電極１７とで挟持し、その両外面にガス流路３０，３１を有する多孔質カーボン板１８，１９をそれぞれ配置して構成した単セル２０と、単セル２０の両外面にそれぞれ配置されたガス不透過性のセパレータ２２とを備え、多孔質カーボン板１８，１９のガス流路３０，３１の開口部３０ａ，３１ａが形成されていない側面１８ｂ，１９ｂに端部シール部２４，２５を配置した構成において、端部シール部２４，２５及びセパレータ２２が同一材料で一体成形された構造である。【選択図】図１

Description

本発明は、単セルの外面にセパレータ及び端部シール部を設けたりん酸形燃料電池及びその製造方法に関する。

りん酸形燃料電池は、電解質となるリン酸を保持した平板状のマトリックスを燃料電極と空気電極とで挟持すると共に、その両外面にガス流路を有する多孔質カーボン板を配置することで単セルを構成し、さらにガス不透過性のセパレータを挟んで単セルを積層したスタック構造とされている。セパレータはガス不透過性と共に電解質であるリン酸に対する耐食性が求められるため、従来は例えば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た後、さらに焼成することで製造していた。

このようなりん酸形燃料電池に関し、特許文献１には、多孔質カーボン板のガス流路を設けた開口部を有する側面とは異なる側面に端部シール部を設けた構成が開示されている。端部シール部は、多孔質カーボン板の側面からのガスや蒸発したリン酸の漏れを防止するためのものである。

特開昭６３−３１８０７５号公報

ところで、上記した端部シール部についてもセパレータと同様にガス不透過性と共にリン酸に対する耐食性が必要となる。さらに特許文献１の構成のように端部シール部をセパレータと別体構造とした場合は、端部シール部とセパレータとの間の端面からのガス漏れも防止する必要がある。そこで、特許文献１の構成では、端部シール部を緻密なカーボン材で形成し、さらにこれとセパレータとの間にフッ素樹脂層を挟んで両者を圧着接合することで、ガス不透過性やリン酸に対する耐食性、さらにはガス漏れを防止しようとしている。

ところが、特許文献１の構成では、端部シール部とセパレータとをそれぞれ別部材として製造し、さらに両者をフッ素樹脂層を挟んで熱融着する必要があって製造工数が多い。しかも、端部シール部とセパレータとの間の接合状態によってはガスやリン酸の漏れを十分に防止することができない懸念もある。

本発明は、上記従来の課題を考慮してなされたものであり、製造工数を低減できると共にガス漏れ等の不具合の発生を抑制することができるりん酸形燃料電池及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係るりん酸形燃料電池は、リン酸を保持した平板状のマトリックスを燃料電極と空気電極とで挟持し、その両外面にガス流路を有する多孔質カーボン板をそれぞれ配置して構成した単セルと、前記単セルの両外面にそれぞれ配置されたガス不透過性のセパレータとを備え、前記多孔質カーボン板の前記ガス流路の開口部が形成されていない側面に端部シール部を配置したりん酸形燃料電池であって、前記端部シール部及び前記セパレータが同一材料で一体成形された構造であることを特徴とする。

このような構成によれば、いずれもガス不透過性とリン酸に対する耐食性が求められる端部シール部及びセパレータを一体成形した構造とすることで、所望の性質を持った端部シール部及びセパレータを少ない製造工数で形成できる。しかも、端部シール部及びセパレータが一体成形されているため、特別なシール構造等を設けることなく両者の端面間でのガス漏れ等の不具合の発生を抑制することができる。

前記端部シール部及び前記セパレータは、黒鉛粉末と樹脂粉末の混合材料を圧縮成形した構造であってもよい。そうすると、高いガス不透過性及び電気伝導性とリン酸に対する耐食性とが得られ、しかも両者を容易に一体成形することができる。

この場合、樹脂粉末は、フッ素系樹脂であると、より高いガス不透過性とリン酸に対する耐食性とを確保できる。

前記端部シール部は、前記多孔質カーボン板側とは反対側の側面である外面の角部に面取り部を有した構成であってもよい。すなわち、面取り部を形成することで端部シール部の成形時に生じる角部でのバリが除去され、同時に対極間の端部シール部同士の距離が確保されるため、該対極間の端部シール部同士が直接的に接触し、短絡することが防止される。

前記端部シール部及び前記セパレータと、前記多孔質カーボン板とが一体に接合された構造であってもよい。そうすると、当該りん酸形燃料電池のスタックを形成する際、セパレータと多孔質カーボン板とを積層する工程が不要となり、製造工数が一層低減される。

本実施形態に係るりん酸形燃料電池の製造方法は、リン酸を保持した平板状のマトリックスを燃料電極と空気電極とで挟持し、その両外面にガス流路を有する多孔質カーボン板をそれぞれ配置して構成した単セルと、前記単セルの両外面にそれぞれ配置されたガス不透過性のセパレータとを備え、前記多孔質カーボン板の前記ガス流路の開口部が形成されていない側面に端部シール部を配置したりん酸形燃料電池の製造方法であって、前記端部シール部及び前記セパレータを同一材料で圧縮成形により一体成形することを特徴とする。

黒鉛粉末と樹脂粉末の混合材料を金型内で圧縮力に加えて加熱することで、前記端部シール部及び前記セパレータを一体成形してもよい。

黒鉛粉末と樹脂粉末の混合材料を金型内で圧縮力に加えて加熱成形する場合、前記樹脂粉末が溶融する温度で加熱してもよい。

本発明によれば、いずれもガス不透過性とリン酸に対する耐食性が求められる端部シール部及びセパレータを一体成形した構造とすることで、所望の性質を持った端部シール部及びセパレータを少ない製造工数で形成できる。しかも、端部シール部及びセパレータが一体成形されているため、特別なシール構造等を設けることなく両者の端面間でのガス漏れ等の不具合の発生を抑制することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係るりん酸形燃料電池の構成を模式的に示した分解斜視図である。 図２は、図１に示すりん酸形燃料電池の電池本体の断面図である。 図３は、図１に示すりん酸形燃料電池の一部を拡大した側面図である。 図４は、端部シール部に設けた面取り部の設置例を示す説明図である。 図５は、セパレータ及び端部シール部の製造方法の一手順を示す工程フロー図である。 図６は、セパレータ及び端部シール部を金型を用いて製造している状態を示す説明図である。

以下、本発明に係るりん酸形燃料電池について好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るりん酸形燃料電池１０の構成を模式的に示した分解斜視図である。また、図２は、図１に示すりん酸形燃料電池１０の電池本体１２の断面図であり、図３は、図１に示すりん酸形燃料電池１０の一部を拡大した側面図である。

図１〜図３に示すように、りん酸形燃料電池１０は、平板状のマトリックス１４を燃料電極１６と空気電極１７で挟持した電池本体１２の両外面に多孔質カーボン板１８，１９を配置して構成した単セル２０と、単セル２０の両外面に配置されたセパレータ２２，２２と、セパレータ２２の両面縁部に配置された端部シール部２４，２５とを備える。

本実施形態では、図１に示すように単セル２０をセパレータ２２を挟んで３層積層し、両端側の単セル２０の外面にそれぞれ終端となるセパレータ２６，２７を配置したスタック構造のりん酸形燃料電池１０を例示して説明する。なお、単セル２０の積層数は適宜変更可能である。

図２に示すように、マトリックス１４は、基材となる多孔質板に電解質となるリン酸を含む水溶液を含浸保持させたものである。燃料電極１６は、白金等の電極触媒で形成された触媒層１６ａと、ガス透過性を有する多孔質板の電極基材１６ｂとの積層体である。空気電極１７は、白金等の電極触媒で形成された触媒層１７ａと、ガス透過性を有する多孔質板の電極基材１７ｂとの積層体である。

これらマトリックス１４、燃料電極１６及び空気電極１７を積層した電池本体１２には、その外周縁部を囲む絶縁シート２８が設けられている（図１及び図２参照）。絶縁シート２８は、例えばＰＴＦＥ等の樹脂素材を矩形環状に形成したシートであり、電池本体１２の外周縁部を囲むことで積層される単セル２０間での電池本体１２同士が短絡することを防止するものである。

一方の多孔質カーボン板１８は、燃料電極１６の外面に配置されるものであり、燃料電極１６に当接する面に燃料ガスが流通するガス流路３０が複数形成されている。各ガス流路３０は並列して一方向に向かって形成された溝部であり、互いに対向する側面１８ａ，１８ａに設けられた開口部３０ａで外部に開口している。

他方の多孔質カーボン板１９は、空気電極１７の外面に配置されるものであり、空気電極１７に当接する面に空気（酸化剤ガス）が流通するガス流路３１が複数形成されている。各ガス流路３１は並列して一方向に向かって形成された溝部であり、互いに対向する側面１９ａ，１９ａに設けられた開口部３１ａで外部に開口している。この多孔質カーボン板１９は、燃料電極１６側の多孔質カーボン板１８と比べ、同形状であって積層方向で裏表が逆に配置されると共に、ガス流路３１がガス流路３０に対して直交する方向に配置される。

多孔質カーボン板１８，１９は、ガス流路３０，３１を備えることで燃料ガスや空気のガス通路板として機能し、さらに多孔質であることでリン酸のリザーバ板としても機能する。すなわち、りん酸形燃料電池１０の運転中はマトリックス１４に保持されたリン酸が蒸発して外部に排出され、その保持量が次第に減少する。そこで、多孔質カーボン板１８，１９にリン酸を貯留させておくことで、リン酸が減少したマトリックス１４に対してリン酸を補充することができる。なお、燃料電極１６側の多孔質カーボン板１８にリン酸を貯留しておけば、空気電極１７側の多孔質カーボン板１９にはリン酸を貯留していなくてもよい。多孔質カーボン板１８，１９は後述するセパレータ２２及び端部シール部２４，２５を一体成形する際、これと一体に接合される。

セパレータ２２は、その一面側に燃料電極１６側の多孔質カーボン板１８が配置される一方、その他面側に空気電極１７側の多孔質カーボン板１９が配置され、これにより積層されて隣接する単セル２０，２０間での燃料ガスと空気の混合を防止し、同時に隣接する単セル２０，２０間を電気的に接続するものである。従って、セパレータ２２は、ガス不透過性と電気伝導性に優れた材質で形成される必要があり、さらにリン酸の透過を防止するため、リン酸に対する耐食性も求められる。そこで、本実施形態の場合、セパレータ２２を黒鉛粉末とフッ素系樹脂粉末の混合材料を圧縮成形して形成することで、高いガス不透過性と電気伝導性、さらにリン酸に対する高い耐食性を確保している。さらにセパレータ２２は端部シール部２４，２５と一体に成形されるが、その製造方法の具体例は後述する。

一方の端部シール部２４は、セパレータ２２の燃料電極１６側の面の互いに対向する縁部に一対設けられ、多孔質カーボン板１８におけるガス流路３０の開口部３０ａが形成されていない側面１８ｂ，１８ｂに当接するように設けられている。つまり端部シール部２４は、多孔質カーボン板１８の開口部３０ａが形成された各側面１８ａと直交した各側面１８ｂに配置されることでガス流路３０と平行配置される。これにより端部シール部２４は、ガス流路３０から多孔質カーボン板１８の側面１８ｂの外側へと透過した燃料ガスが電池本体１２の側部を回り込み、対極となる空気電極１７側に漏洩することを防止する。

他方の端部シール部２５は、セパレータ２２の空気電極１７側の面の互いに対向する縁部に一対設けられ、多孔質カーボン板１９におけるガス流路３１の開口部３１ａが形成されていない側面１９ｂ，１９ｂに当接するように設けられている。つまり端部シール部２５は、多孔質カーボン板１９の開口部３１ａが形成された各側面１９ａと直交した各側面１９ｂに配置されることでガス流路３１と平行配置され、端部シール部２４に対しては直交するように配置される。これにより端部シール部２５は、ガス流路３１から多孔質カーボン板１９の側面１９ｂの外側へと透過した空気ガスが電池本体１２の側部を回り込み、対極となる燃料電極１６側に漏洩することを防止する。

従って、端部シール部２４，２５は、セパレータ２２と同様にガス不透過性と電気伝導性に優れ、且つリン酸に対する耐食性も有する必要がある。そこで、本実施形態の場合、端部シール部２４，２５をセパレータ２２と同一材料で一体成形することで、高いガス不透過性と電気伝導性、さらにリン酸に対する高い耐食性を確保している。また、端部シール部２４，２５は、多孔質カーボン板１８，１９でのガス流路３０，３１の高さを十分に確保する必要があるため、例えば１〜３ｍｍ程度、好ましくは２ｍｍ程度の厚みに設定される。

図３に示すように、端部シール部２４，２５は、それぞれが当接配置される多孔質カーボン板１８，１９側とは反対側の側面である外面２４ａ，２５ａの角部に面取り部２４ｂ，２５ｂを有する（図４中に破線で示す面取り部２４ｂ，２５ｂも参照）。面取り部２４ｂ，２５ｂを形成することで端部シール部２４，２５の成形時に生じる角部でのバリが除去され、同時に電池本体１２を挟んだ対極間の端部シール部２４，２５同士の距離が確保されるため、該対極間の端部シール部２４，２５同士が電池本体１２の側部で直接的に接触し、短絡することが防止される。

図１に示すように、りん酸形燃料電池１０のスタックの両端に設けられるセパレータ２６，２７は、それぞれセパレータ２２に端部シール部２４のみを設けた構成、セパレータ２２に端部シール部２５のみを設けた構成とされている。

次に、本実施形態に係るりん酸形燃料電池１０の製造方法の一例として、特にセパレータ２２と端部シール部２４，２５の製造方法を具体的に例示して説明する。

図５は、セパレータ２２及び端部シール部２４，２５の製造方法の一手順を示す工程フロー図であり、図６は、セパレータ２２及び端部シール部２４，２５を金型３２を用いて製造している状態を示す説明図である。上記したように本実施形態ではセパレータ２２と端部シール部２４，２５を一体成形する際、合わせて多孔質カーボン板１８，１９を接合するため、図５及び図６はその方法を例示している。

図５中のステップＳ１に示すように、先ず、黒鉛粉末とフッ素系樹脂粉末を所定の混合比で混ぜた混合粉末を形成する。この混合比は、例えば黒鉛粉末とフッ素系樹脂粉末の体積比が７：３〜９：１程度となるように混合する。好ましくは黒鉛粉末とフッ素系樹脂粉末の体積比が８：２となるように混合することで、後工程の圧縮成形時に溶融したフッ素系樹脂粉末を黒鉛粉末の粒子間の隙間に行き渡らせることができる。フッ素系樹脂粉末としては、ＰＴＦＥ、ＰＦＡ等を使用できる。

次いで図６に示すように、予め製造した多孔質カーボン板１８，１９を金型３２のキャビティ内の所定位置に配置し（ステップＳ２）、続いて金型３２のキャビティ内にステップＳ１で形成した混合粉末Ｐを充填する（ステップＳ３）。この際、金型３２内には、ガス流路３０，３１を形成前の平板状の多孔質カーボン板１８，１９がセットされる。

パンチ３４を押し下げることで、金型３２内に充填した混合粉末Ｐを圧縮成形する（ステップＳ４）。この圧縮成形はパンチ３４を所定圧力で押圧することで、混合粉末Ｐが所定密度、例えば１〜３ｇ／ｃｍ^３、好ましくは２ｇ／ｃｍ^３となるように行われる。この際、パンチ３４による圧縮力に加えて金型３２内を加熱することにより、混合粉末Ｐに含まれるフッ素系樹脂粉末が溶融する温度、例えば３００〜４００℃に維持する。これにより、溶融したフッ素系樹脂粉末が黒鉛粉末の粒子間の隙間に浸入して緻密な材質が形成され、端部シール部２４，２５が一体成形されたセパレータ２２が形成される。同時に、圧縮成形されたセパレータ２２及び端部シール部２４，２５の内側に多孔質カーボン板１８，１９が一体化され、さらに溶融したフッ素系樹脂粉末がバインダーとなってセパレータ２２と多孔質カーボン板１８，１９が一体に接合される。その結果、端部シール部２４，２５を一体型としたセパレータ２２と多孔質カーボン板１８，１９の接合体が形成される（ステップＳ５）。

その後は金型３２を開いて形成した接合体を取り出して所定の板厚に平面加工し、端部シール部２４，２５の外面２４ａ，２５ａの角部を所定値、例えばＣ０．５で面取りを実施することで面取り部２４ｂ，２５ｂを形成し、さらに多孔質カーボン板１８，１９にガス流路３０，３１を切削加工等によって形成する。これにより、端部シール部２４，２５を一体に形成したセパレータ２２と多孔質カーボン板１８，１９の接合体の製造が完了するため、この接合体と電池本体１２とを適宜積層することで、図１に示すりん酸形燃料電池１０が製造される。

なお、多孔質カーボン板１８，１９は必ずしもセパレータ２２と一体的に接合する必要はない。この場合は、図５中のステップＳ２を省略して混合粉末Ｐを金型３２内で圧縮成形することで端部シール部２４，２５を一体型としたセパレータ２２を形成し、その後、図１に示すりん酸形燃料電池１０の製造時に多孔質カーボン板１８，１９を積層すればよい。

またスタックの両端に設けられるセパレータ２６，２７についても、それぞれ端部シール部２４，２５のみを設けた状態とし、セパレータ２２と同様に成形すればよい。

以上のように、本実施形態に係るりん酸形燃料電池１０は、リン酸を保持した平板状のマトリックス１４を燃料電極１６と空気電極１７とで挟持し、その両外面にガス流路３０，３１を有する多孔質カーボン板１８，１９をそれぞれ配置して構成した単セル２０と、単セル２０の両外面にそれぞれ配置されたガス不透過性のセパレータ２２とを備え、多孔質カーボン板１８，１９のガス流路３０，３１の開口部３０ａ，３１ａが形成されていない側面１８ｂ，１９ｂに端部シール部２４，２５を配置した構成において、端部シール部２４，２５及びセパレータ２２が同一材料で一体成形された構造である。

すなわち、端部シール部２４，２５及びセパレータ２２は、いずれもガス不透過性とリン酸に対する耐食性が求められる。そこで、当該りん酸形燃料電池１０では、これら端部シール部２４，２５及びセパレータ２２を一体成形することで、所望の性質を持った端部シール部２４，２５及びセパレータ２２を少ない製造工数で形成できる。しかも、端部シール部２４，２５及びセパレータ２２が一体成形されているため、特別なシール構造等を設けることなく両者の端面間でのガス漏れ等の不具合の発生を抑制することができる。

当該りん酸形燃料電池１０では、さらに端部シール部２４，２５及びセパレータ２２と、多孔質カーボン板１８，１９とが一体に接合された構造としている。具体的には、金型３２内に多孔質カーボン板１８，１９を配置して端部シール部２４，２５及びセパレータ２２を圧縮成形することで、端部シール部２４，２５及びセパレータ２２と多孔質カーボン板１８，１９とを一体に接合している。これにより、りん酸形燃料電池１０のスタックを形成する際、セパレータ２２と多孔質カーボン板１８，１９とを積層する工程が不要となり、製造工数が一層低減される。

本実施形態の場合、端部シール部２４，２５及びセパレータ２２は、黒鉛粉末と樹脂粉末の混合材料を圧縮成形した構造であるため、高いガス不透過性及び電気伝導性と、リン酸に対する耐食性とが得られ、しかも両者を容易に一体成形することができる。特に、樹脂粉末としてフッ素系樹脂を用いているため、より高いガス不透過性とリン酸に対する耐食性とを確保できる。

なお、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できることは勿論である。

１０ りん酸形燃料電池
１２ 電池本体
１４ マトリックス
１６ 燃料電極
１６ａ，１７ａ 触媒層
１６ｂ，１７ｂ 電極基材
１７ 空気電極
１８，１９ 多孔質カーボン板
１８ａ，１８ｂ，１９ａ，１９ｂ 側面
２０ 単セル
２２，２６，２７ セパレータ
２４，２５ 端部シール部
２４ａ，２５ａ 外面
２４ｂ，２５ｂ 面取り部
２８ 絶縁シート
３０，３１ ガス流路
３０ａ，３１ａ 開口部
３２ 金型

Claims (8)

1. リン酸を保持した平板状のマトリックスを燃料電極と空気電極とで挟持し、その両外面にガス流路を有する多孔質カーボン板をそれぞれ配置して構成した単セルと、
   前記単セルの両外面にそれぞれ配置されたガス不透過性のセパレータと、
   を備え、前記多孔質カーボン板の前記ガス流路の開口部が形成されていない側面に端部シール部を配置したりん酸形燃料電池であって、
   前記端部シール部及び前記セパレータが同一材料で一体成形され、前記端部シール部は、前記多孔質カーボン板側とは反対側の側面である外面の角部に面取り部を有する構造であることを特徴とするりん酸形燃料電池。
2. リン酸を保持した平板状のマトリックスを燃料電極と空気電極とで挟持し、その両外面にガス流路を有する多孔質カーボン板をそれぞれ配置して構成した単セルと、
   前記単セルの両外面にそれぞれ配置されたガス不透過性のセパレータと、
   を備え、前記多孔質カーボン板の前記ガス流路の開口部が形成されていない側面に端部シール部を配置したりん酸形燃料電池であって、
   前記端部シール部及び前記セパレータが同一材料で一体成形され、前記端部シール部及び前記セパレータは、黒鉛粉末と樹脂粉末の混合材料を成形した構造であることを特徴とするりん酸形燃料電池。
3. 請求項１記載のりん酸形燃料電池において、
   前記端部シール部及び前記セパレータは、黒鉛粉末と樹脂粉末の混合材料を成形した構造であることを特徴とするりん酸形燃料電池。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のりん酸形燃料電池において、
   前記端部シール部及び前記セパレータと、前記多孔質カーボン板とが一体に接合された構造であることを特徴とするりん酸形燃料電池。
5. リン酸を保持した平板状のマトリックスを燃料電極と空気電極とで挟持し、その両外面にガス流路を有する多孔質カーボン板をそれぞれ配置して構成した単セルと、
   前記単セルの両外面にそれぞれ配置されたガス不透過性のセパレータと、
   を備え、前記多孔質カーボン板の前記ガス流路の開口部が形成されていない側面に端部シール部を配置したりん酸形燃料電池の製造方法であって、
   前記端部シール部及び前記セパレータを同一材料で圧縮成形により一体成形することを特徴とするりん酸形燃料電池の製造方法。
6. 請求項５記載のりん酸形燃料電池の製造方法において、
   黒鉛粉末と樹脂粉末の混合材料を金型内で圧縮力に加えて加熱することで、前記端部シール部及び前記セパレータを一体成形することを特徴とするりん酸形燃料電池の製造方法。
7. 請求項６記載のりん酸形燃料電池の製造方法において、
   前記樹脂粉末が溶融する温度で加熱することを特徴とするりん酸形燃料電池の製造方法。
8. リン酸を保持した平板状のマトリックスを燃料電極と空気電極とで挟持し、その両外面にガス流路を有する多孔質カーボン板をそれぞれ配置して構成した単セルと、
   前記単セルの両外面にそれぞれ配置されたガス不透過性のセパレータと、
   を備え、前記多孔質カーボン板の前記ガス流路の開口部が形成されていない側面に端部シール部を配置したりん酸形燃料電池の製造方法であって、
   前記端部シール部及び前記セパレータを同一材料で一体成形し、前記端部シール部の前記多孔質カーボン板側とは反対側の側面である外面の角部に面取り部を形成することを特徴とするりん酸形燃料電池の製造方法。

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