JPH0210662A - リン酸型燃料電池用シール材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、耐リン酸性のシール材に関し、特にリン酸
型燃料電池のガスシール用のバッキング材として好まし
く用いることのできるシール材に関するものである。

〔従来の技術〕

リン酸型燃料電池は周知の通り、外部から供給される燃
料と酸化剤との電気化学反応により発電を行なう装置で
あり、基本的には電解質であるリンｒＲＫよって隔てら
れた二つの電極を備え、１５０〜２２０℃の動作温度と
、常圧〜１０気圧の動作圧力において運転される。

リン酸型燃料電池においては電池の内外における反応ガ
スの漏洩を阻止することが絶対的に必要かつ重要なこと
で））す、漏洩が起こり反応ガスの混合が生じた場合、
大災害につながる危検性がある。

特に電極周縁部は反応ガスを有効かつ信頼性を持って密
封すべき部位として重要である。また電極周縁部は電極
の厚さの誤差による段差を吸収する機能が要求される。

従来技術として例えは第３図は特開昭６３−１６５６５
号公報、特開昭５９−１８４４６６号る。また第４図は
組立後の断面図である。

図において、（１）はガス分離板、（２）は反応ガス流
路、（３）は燃料および酸化剤電極、（４）は燃料およ
び酸化剤電極（３）の触媒層、（５）は電解質マトリッ
クスである。（６）は電極（３）周辺のウェットシール
を発揮する部分で電解液が充填されている。電極（３）
は炭素繊維から成る基材で形成されており、（７）は他
の電極（３）周縁に配置されたバッキング材である。バ
ッキング材としてはフッソ系の樹脂やフッソ系のゴムが
多く使用されている。

第３図、第４図では、一方の電極（３）にウェットシー
ル（６）を適用し、他方にはバッキング材（７）による
シール方法を適用した場合を示したが、画電極（３）と
もバッキング材（７）Ｋよるシール方法を適用する場合
もある。

バッキング材（７）によるシールにおいては、バッキン
グ材（７）の弾性のためバッキング材（７）とガス分離
板（１）とが密着することにより、反応ガスが外部へ洩
れるのを防いでいる。従って、セルの組立時には、電極
（３）の厚さよりもバッキング材（７）の厚さフッ素系
のゴムによるバッキング材には、熱リン酸に対する耐食
性に問題があり、また面圧をかけた際にバッキング材が
セル外にはみ出したり、電極を破損するなどの問題点が
あった。

一方フッ素系の樹脂としてはポリテトラフルオＬ乙 ロエチレン樹脂（以下、ＰＴＦＥと略／する）板がバッ
キング材として用いられているが弾性に乏しいため電極
の厚さの誤差による段差を吸収することができず電極を
破損するなどの問題係があった。

そこで最近ではシリコンカーバイドの微粒子とＰＴＦＥ
とを混練してシート化したものがバッキング材として用
いられている。これは例えば特公昭５ｇ−１５５号公報
に記載されている湿潤シールによるガスシール方法であ
り、シリコンカーバイドの微粒子とＰＴＦＥで構成され
た多孔質シールの空孔部に毛細管作用によりリン酸を充
填して液膜によりガスシールするものである。しかし湿
潤シールは動作温度においてリン酸が非常に流動性を帯
びるために移動しやすくなり差圧が生じるなどした場合
に外部に流出し易くなり、またリン酸が不足した場合に
も湿潤シール部におけるガスシール性が大きく低下する
などの問題点があり・、信頼性に乏しかった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、リン酸型燃料電池に適用した場合においても
、電極周縁部において、リン酸の量に影譬されずに常に
充分なガスシール性を維持することのできる耐リン酸性
のシール材を得るここの発明に係るシール材は、耐リン
酸性を有する無機質微粒子と、これらの微粒子相互を結
着し得る結着材と、リン酸と反応して体積膨張し得る無
機化合物とを配合し、加工したものである。

〔作　用〕

この発明におけるリン酸と反応して体積膨張し得る無機
化合物は、リン酸と反応してリン酸塩化合物となり、そ
の際に体積膨態して、耐リン酸性に優れた無機質の微粒
子間で形成された空孔を閉塞することにより毛細管作用
を持たない、高度な弾性を有する緻密な組織を形成する
。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例について説明するが、まず、
この発明のポイントとなっている酸化物の微粒子の膨張
という現象から説明する。

Ｔｉ０ｚ　、　Ｚｒ０ｚ　＊　Ｎｂ２Ｏ５などの酸化物
の微粒子を選び、まず、電解質保持マ）　ＩＪソックス
して機能するかどうかを調べた。その結果こ才］らの微
粒子をマトリックスの材料として用いた場合には初期に
急激なオーム損の上昇が起こって特性の急従な低下が起
こり、短時間の運転で負荷がとれなくなることが明らか
になった。この結果については昭和５８年１１月３０日
電気化学協会秋季大会（要旨集Ｆ２０６）及び昭和５９
年４月３０１．］Ｅ気化学協会第５１回大会（要旨集Ｄ
３１５）で発表している。この現象は、こｔらの微粒子
がリン酸と反応してリン酸塩化合物となりその際に大き
く体積膨張するためにマトリックスの空孔が閉塞し電解
質の入る余地がほとんど無くなってプロトン（Ｈ＋）の
移動が困敵になって船、激なオーム損の上昇が起こって
いたことが、セル分解後の分析調査で判明した。

次に、このような体積膨張を利用して周縁力゛スシール
のバッキング材として使用できるのではないかと考えテ
ストしたが、リン酸塩化合物がゲル化しているために面
圧をかけたときのクリープ（厚み減少）が著しくまた弾
性もないため充分な機能は得られなかった。

そこで体積膨張をしない耐リン酸性に優れた無機化合物
、例えばシリコンカーバイド、グラファイトなどの微粒
子と酸化物の微粒子女を混合したものについても同様の
実験を行なった。その結果マトリックスとしてはやはり
急激なオーム損の上昇が起こって使用に耐えなかったが
、周縁がスシールのバッキング材としては適度な弾性が
あり、クリープもほとんどないため使用可能であること
カワカッた。この発明はかかる知見にもとツイテなされ
たものであり、以下、この発明の一実施例を図を用いて
詳細に説明する。

即ち、本発明に係るシール材は、耐リン酸性を有する無
機質微粒子と、これらの微粒子相互を結着し得る結着材
と、リン酸と反応して体積膨張し得る無機化合物とを配
合し加工したものである。

上記耐リン酸性を有する無機質微粒子として好ましく用
いることのできるものとしては、例えば５ｉＣ０Ｃ１Ｂ
４Ｃ９ＷＣの一種、あるいはこれらの任意の２種以上の
混合物などを挙げることができる。

上記結着材としては、特に限定されるものではないが、
フッ素樹脂であるＰＴＦＥの粉末あるいは該粉末を水な
どの液体に分散させたデイスパージョンなどを好ましく
用いることかできる。上記ディスバージョンとしては、
例えば［ポリフロンＤ−ＩＪ　（ダイキン工業社、商品
名）、ＩＴＦＥ−３ＬＪＪＪ（三片フロロケミカル社、
商品名）などとして市販されているものをそのまま用い
ることもできる。

また、上記リン酸と反応して体積膨張し得る無機化合物
として、好ましく用いることができるものとして、例え
ばＴｉｅ□、　ＺｒＯ２，Ｎｂ２Ｏ，などの酸化物の一
種ならびにこれらの任意の２種以上の混合物などを挙げ
ることかできる。

また、上記各成分の配合比率は特に限定されるものでは
ないか“、耐リン酸性を有する無機質微粒子と、リン酸
と反応して体積膨張し得る無機化合物との酸合比は、前
者が、９０〜４ｏ重Ｍ：％に対し、後者が１０〜６０！
ｆｉｔ％程度とするのが好ましい。前者の配合量が９０
重量％よりも多いと、得られるシール材のシール効果が
不十分となり、また４０重量％よりも少ないと、耐リン
酸性が劣るようになるので好ましくない。一方、上記フ
ッ素樹脂の配合量は、無機物の合計量に対し２〜１５重
量％、特に望ましくは３〜１０重量％の範囲内がよい。

フッ素樹脂の配合量が２％を下まわるときは、バインダ
ーとしての効果が不十分となり、１５％以上ではバイン
ダーとして過剰でありしかも得られるシール材の耐リン
酸性を損なうようになるので好ましくない。

本発明のシール材は、上記各成分を上記配合比から選ば
れた所望の比率で配合し、例えばカレンダーロールなど
のプレス機械で所望の形状、寸法に加工することＫより
容易に得ることができる。

例えばシート状に加工したものを所望の寸法に切断し、
リン酸型燃料電池のシール用バッキングとして用いるこ
とができる。この場合には、燃料電池に組込んだ後、電
解液としてのリン酸がシール材中に浸み込むことＫより
、また同時に電池のウオーミングアツプによる発熱によ
り、リン酸と反応して体積膨張する無機化合物がシール
材中に浸入したリン酸と反応して膨張し無機質微粒子相
互の空間を気密に埋める。このように反応の進んだシー
ル材は、耐リン酸性を有するようになり、しかも適度の
弾性とガス、液体シール作用を発現する。

なお、リン酸型燃料電池の気密シール用バッキング材以
外にも用いることができ、この場合には例えばシート状
など所望の形状に成形した後、リン酸を例えば塗布し、
あるいはリン酸中に浸びｔして好ましくは１５０℃以上
の温度で反応させ、余分なリン酸を除去すれば目的とす
るシール材を得ることができる。

第１図はシリコンカーバイドと酸化チタンを重量比で１
：１で配合したものにＰＴＦＥ粉末をバインダーとして
３重Ｍ％加え、混練してカレンダロールなどのプレス機
械を用いてシート化したバッキング材の断面の電子顕微
鏡写真を模式的に描いたもので、（１１）はシリコンカ
ーバイドの微粒子、（１２）は酸化チタンの微粒子（２
次粒子）、（１３）はＰＴＦＥである。ＰＴＦＥをバイ
ンダーとして結着されたシリコンカーバイドの「石垣」
の間に酸化チタンの微粒子が入っているように見える。

第２図は第１図のシート化したバッキング材に正リン酸
（１００重量％）を塗布して浸透させ、さらに４　＃／
ｃｄの面圧をかけた上で１９０℃で２日間保持したもの
を炭酸水素ナトリウムでリン酸を中和、洗浄した後、断
面の電子顕微鏡写真をとったものを模式的に描いたもの
である。

シリコンカーバイドの「石垣」のすき間はリン酸塩化し
た酸化チタン（１４）でびっしりとうめられていて空間
はほとんど見出されなかった。

このシートは実際に１ノン酸型燃料電池のバッキング材
として使用し充分なシール性能を長時間維持できること
を確認した。またクリープはほとんどなく、また長時間
のセルの運転後も充分な弾力性を有しており、電極に割
れなども生じなかった。

なおりリープがほとんどなかったのはシリコンカーバイ
ドとＰＴＦＥとからなる「石垣」の存在によりリン酸塩
化した酸化チタンが押しつぶされなかったためである。

同様の効果は他の成分の組合せについても確認された。

耐リン酸性に優れた無機化合物とリン酸と反応した体積
膨張を起こす微粒子の組み合せであれば上記実施例と同
様の効果が期待される。

〔発明の効果〕

以上のようＫこの発明によれば耐リン酸性を有する無機
質の微粒子と、リン酸と反応して体積膨張する化合物の
微粒子及び結着材を配合し、加工するように構成したの
で、体積膨張による空孔の閉塞により耐リン酸性にすぐ
れ、適度の弾性を有し、しかもガスシールし得る信頼性
の高いシール材が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図はこの発明の一実施例によるシール材を
模式的に示す組織図であり、第１図はリン酸と反応させ
る前の状態、第２図はリン酸と反応させた後の状態を示
す。第３図、第４図は従来のリン酸型燃料電池の構成を
示す断面図であり、第３図は組立前、第４図は組立後の
状態を示す。 図において、（７）はシール材としてのバッキング材、
（１１）は耐リン酸性を有する無機質微粒子としてのシ
リコンカーバイドの微粒子、（１２）はリン酸と反応し
て体積膨張し得る無機化合物としての酸化チタンの微粒
子、（１３）は結着材（ＰＴＦＥ）、（１４）はリン酸
と反応して体積膨張した酸化チタンの微粒子である。 なお図中同一符号は、同−又は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 耐リン酸性を有する無機質粒子と、これらの微粒子相互
   を結着し得る結着材と、リン酸と反応して体積膨張し得
   る無機化合物とを配合し、加工したものであることを特
   徴とするシール材。