JPH0569266B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、積層形燃料電池に関し、特に冷却
構成に関するものである。

〔従来の技術〕

第３図は例えば特開昭58−220368号公報に示さ
れた従来の燃料電池積層構成例を示す斜視図であ
り、図において、触媒層１ａ，１ｂがそれぞれ付
与された電極基材２ａ，２ｂに電解質マトリツク
ス３を介在させて単位電池４を構成し、これら単
位電池相互間に良電導性のガス分離板５を介在さ
せて積層したものとなつている。各ガス分離板５
の両面には、図中の矢印Ｐで示す如く燃料を通流
させるための溝６と図中の矢印Ｑで示す如く酸化
剤を通流させるための溝７とが互いに直交する関
係に形成されている。

そして、ガス分離板５のうちの幾つかのもの、
例えば５つおきに位置する冷却板９ａ，９ｂに
は、起電反応によつて発生した熱で電池内部の温
度が上昇するのを防止するために冷却パイプ８を
埋め込んだものが使われており、冷却パイプ８は
例えば冷却板９ａ側に埋設されている。この冷却
パイプ付冷却板９の両面には、図中の矢印Ｐで示
す如く燃料を通流させるための溝６と、図中の矢
印Ｑで示す如く酸化剤を通流させるための溝７と
が互いに直交する関係に形成されている。

次に動作について説明する。ガス分離板５は不
透気持性の緻密な炭素の板でその両面に互いに直
交するガス流路の溝６，７を形成している。一
方、電極基材２ａ，２ｂは炭素繊維などで構成さ
れた多孔性の基材である。ガス流路の溝６，７へ
供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスは、電極基
材２ａ，２ｂの中で拡散され、電極の触媒層１
ａ，１ｂの全面に達し、電解質マトリツクス３を
通して反応し、発電する。

反応の際に発生する熱は、冷却板９および冷却
パイプ８を通つて除去される。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の燃料電池は以上のように構成されてお
り、次のような問題点があつた。電極基材２ａ，
２ｂには、電解質であるリン酸が、他へ移動しな
いために、撥水処理が施されているが、燃料電池
の運転条件（動作、圧力、動作温度、ガス利用率
など）によつて、電解質の体積が大きく変化し、
膨張、収縮を繰り返す。従つて、長期の運転を行
つた場合、電解質が徐々に撥水処理した電極基材
２ａ，２ｂを通り抜け、ガス分離板５に達する。
ガス分離板５は、通常全黒鉛質カーボン板あるい
は、ガラス質炭素と黒鉛質の複合質からなるカー
ボン板からなり、空〓径は（0.005〜0.020μm）と
小さくかつ空〓体積も10％以下である。そのた
め、電解質の吸収速度が遅く、その吸収量も小さ
かつた。しかし、冷却板９に達した電解質は速い
速度で冷却板９に吸収される。冷却板９は、冷却
パイプ８を埋設する必要から、厚さも、ガス分離
板５の厚さ３〜４mmに比べて５〜10mmと厚い。ガ
ス分離板５で使用している全黒鉛質カーボン板や
ガラス質炭素と黒鉛質の複合質からなるカーボン
板は、焼成温度が1100℃以上と高いために、５mm
以上の板厚にすると、加熱および冷却時の熱膨
張、熱収縮により発生する内部応力および炭素質
の結着剤がガスとなつて抜ける時の圧力などで割
れが生じてしまうので冷却板９は、例えば、特開
昭59−42781号公報に示される炭素質材などが使
用される。そのため、空〓径は0.02〜0.10μm、空
〓体積は10〜20％とガス分離板５に比べて大き
く、電解質の吸収量が４〜５倍と大きく、長期間
の運転で電解質マトリツクス３層の電解質を徐々
に吸収し、反応ガスのクロスオーバーによる電池
電圧の低下などが冷却板９に接している単位電池
でみられた。

又、冷却板９は第３図の９ａ，９ｂで示されて
いるように相対する二枚のカーボン板で構成さ
れ、どちらか一方に例えば冷却板９ａに冷却パイ
プ８が埋め込まれてあり、重ね合わせて使用され
ていた。そのため、この重ね合わせ面での電気
的、熱的な接触抵抗が大きく、電池の性能を阻害
していた。

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、電解質マトリツクスが冷却
板に早く、しかも多く吸収されることなく、か
つ、電気的、熱的な接触抵抗を低減しうる燃料電
池を得ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係る燃料電池は、冷却器を、0.02〜
0.10μmの気孔径を有する電導性材料からなり、
冷却パイプが埋設された第１の冷却板と、第１の
冷却板の気孔径より小さな気孔径を有する電導性
材料からなり、その一面側にガスの流通路が形成
され、その他面側を第１の冷却板の一面側に導電
性のクツシヨン材を介して配置された第２の冷却
板と、第１の冷却板の気孔径より小さな気孔径を
有する電導性材料からなり、その一面側にガスの
流通路が形成され、その他面側を第１の冷却板の
他面側に導電性のクツシヨン材を介して配置され
た第３の冷却板とから構成したものである。

〔作用〕

この発明における燃料電池は、電解質吸収量が
少なく、かつ、吸収速度が遅いために、電解質が
マトリツクスに長く保持され、長期間の運転にお
いても、電解質マトリツクスに電解質が不足して
生ずる反応ガスのクロスオーバによる電池電圧の
低下を防止できる。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を第１図に基づいて
説明する。

第１図において、１〜８は、上述した従来装置
の構成と同様である。１０は冷却パイプ８が埋設
されたカーボン板からなる第１の冷却板、１１，
１２は第１の冷却板１０と燃料極、第１の冷却板
１０と空気極との間にそれぞれ挿着された第２、
第３の冷却板であり、第１の冷却板１０の気孔径
より小さい気孔径からなるカーボン板からなり、
第２の冷却板１１には燃料の流通溝６が形成さ
れ、第３の冷却板１２には酸化剤の流通溝７が形
成されている。１３ａ，１３ｂは第１の冷却板１
０と第２の冷却板１１、第１の冷却板１０と第３
の冷却板１２との間に挿着された例えば、黒鉛粉
を充填した多孔質炭素材からなるクツシヨン材で
ある。

次に動作について説明する。電極基材２ａ，２
ｂには、電解質であるリン酸が、他へ移動しない
ために、撥水処理が施されているが、燃料電池の
運転条件（動作圧力、動作温度、ガス利用率な
ど）によつて、電解質の体積が大きく変化し、膨
張、収縮を繰り返す。従つて、長期の運転を行つ
た場合、電解質が徐々に撥水処理した電極基材２
ａ，２ｂを通り抜け、第２、第３の冷却板１１，
１２に達する。通常、カーボン板の気孔径は、電
解質マトリツクス３、触媒層１ａ，１ｂ、電極基
材２ａ，２ｂなどよりも小さく、気孔径が小さい
程、リン酸の移動速度は遅いが毛細管吸収力は強
い。従つて、カーボン板まで達したリン酸は、カ
ーボン板の毛細管吸収力によつて引かれ、徐々に
電解質マトリツクス３からカーボン板からなる第
２、第３の冷却板１１，１２側に移動する。カー
ボン板は最終的には、その気孔体積のすべてにリ
ン酸を吸収してしまうので、燃料極および空気極
と接するカーボン板、即ち、第２、第３の冷却板
１１，１２の材質は、リン酸吸収速度を遅くする
ために、より小さな気孔径を、リン酸吸収量を少
なくするために気孔容積の少ない材質を選択する
ことが肝要である。更に、表面積が閉気孔であ
り、全気孔容積中、気孔の容積が多いことが望ま
しい。

以上の観点から、全黒鉛質のカーボン板あるい
は、黒鉛−ガラス質炭素複合質のカーボン板が適
している。

全黒鉛質カーボン板は、微細化された黒鉛粉末
とフエノール樹脂系のバインダーを配合、ねつ
合、乾燥、粉砕して粒度選別をしたものを加熱・
加圧成形し、板状にスライスし、最大250℃で加
熱・硬化する。更に、1100〜2000℃で焼成し、す
べて黒鉛質化したものである。気孔容積の微分分
布曲線が最大となる気孔径（その気孔径を持つ気
孔が全容積のうちで最大となる気孔径を意味す
る）は0.010〜0.020μm、気孔率は５〜15％とな
る。

黒鉛−ガラス質炭素複合質のカーボン板は、
800〜2000℃で炭化焼成によつてガラス質炭素に
変化する熱硬化樹脂粉末100重量部と炭素粉末例
えばカーボンブラツク５〜50重量部と熱硬化性樹
脂液とを含有する混練組成物を平板状に押出成形
した後、ロール圧延し、次いで乾燥硬化させた
後、非酸化性雰囲気で800〜2000℃の温度で炭化
焼成したものである。

気孔容積の微分分布曲線が最大となる気孔径は
0.005〜0.010μm、気孔率は５〜10％と小さい。し
かも、ロール成形した後表面を切削加工していな
いので、表面は閉気孔が多くリン酸吸収量が少な
い。閉気孔とは、気孔が周囲から独立した形で存
在しているもので、閉気孔へのリン酸移動はな
い。

以上のような全黒鉛質カーボン板あるいは黒鉛
−ガラス質炭素複合質のカーボン板の効果を確認
するためにリン酸移動量を測定して比較した。

ここで、比較例としての従来の冷却板は、空〓
径0.02〜0.10μm、空〓体積10〜20％の炭素質材を
用い、この発明の冷却板としては、黒鉛粉末にフ
エノール樹脂系のバインダーを混練し、混練物を
熱圧モールド法によつて板状に成形し、スライス
し、250℃までの温度で硬化した後、1100〜2000
℃で焼成し、すべて黒鉛質化した全黒鉛質カーボ
ン板を使用した。リン酸移動量の測定では、ま
ず、繊維状のものでできたフエルトにリン酸液を
十分含浸し、平板状のヒータで約190℃に加熱す
る。ついで、従来の冷却板およびこの発明の冷却
板を長方形状に切断した試験片を、フエルトとの
接触面が最大となるようにフエルト上に平らに置
く。その状態で所定時間経過後、それぞれの試験
片を取り出して重量を測定し、試験片に含浸した
リン酸液の含浸量を測定する。なお、この測定
は、湿度10％以下の低湿度の環境下で実施する。
第２図に、従来の冷却板とこの発明の冷却板のリ
ン酸移動量の測定結果を示す。1000HRでのリン
酸移動量はこの発明のものは従来のものに比べて
約1/4であり小さい。

また、第１図に示すクツシヨン材１３ａ，１３
ｂは接触性を良くするために炭素質繊維をフエノ
ール樹脂などで結着して焼成した柔らかい多孔質
炭素材に黒鉛粉を充填して挿入し一体化するので
電気的、熱的な接触抵抗を低減できる。更に、こ
の多孔質炭素材の周辺、例えば20mm巾に四辺をテ
フロン材を用いて撥水処理し、外部からのリン酸
の侵入を防止する。

また、材質を区別して分離したカーボン板にし
ても、その分離した面に電気伝導性、熱伝導性の
良い黒鉛粉を充填した多孔質炭素材を挿入して一
体するので、沢損の増加および温度勾配の増加を
低く押えることができる効果がある。

なお、上記実施例では、第２の冷却板１１、第
３の冷却板１２は同一材質であるとしたが、第２
の冷却板１１は全黒鉛質カーボン板、第２の冷却
板１２は黒鉛−ガラス質炭素複合質のカーボン板
の組合せ、あるいは、この逆でも良い。

また、第１の冷却板１０は鋳型に炭素素材と粘
着剤とからなる混合粒子を入れ、その中に、離型
剤を塗布した冷却パイプを埋設し、加圧状態で焼
結したカーボン板でも良い。

又、上記実施例ではクツシヨン材１３ａ，１３
ｂとして黒鉛粉を充填した多孔質炭素材からなる
ものとしたが、電気的、熱的な接触抵抗を低減で
きるものであれば良い。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、0.02〜
0.10μmの気孔径を有する電導性材料からなり、
冷却パイプが埋設された第１の冷却板と、第１の
冷却板の気孔径より小さな気孔径を有する電導性
材料からなり、その一面側にガスの流通路が形成
され、その他面側を第１の冷却板の一面側に電導
性のクツシヨン材を介して配置された第２の冷却
板と、第１の冷却板の気孔径より小さな気孔径を
有する電導性材料からなり、その一面側にガスの
流通路が形成され、その他面側を第１の冷却板の
他面側に導電性のクツシヨン材を介して配置され
た第３の冷却板とから冷却器を構成し、電解質マ
トリツクスから移動してくるリン酸を吸収する速
度を遅くし、吸収量を少なくしたので、電解質マ
トリツクスの電解質保持性が良く、長期運転に対
しても電池出力の低下が少なく寿命が長いという
効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による燃料電池を
示す断面図、第２図はこの発明と従来の特性を比
較説明する特性図、第３図は従来の燃料電池の斜
視図を示す。 図において、３は電解質マトリツクス、４は単
位電池、８は冷却パイプ、１０は第１の冷却板、
１１は第２の冷却板、１２は第３の冷却板であ
る。尚、図中同一符号は同一又は相当部分を示
す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 空気極と燃料極との間に電解質を保有するマ
   トリツクスを配置してなる単位セルを、両面にガ
   スの流通路が形成された良電導性のガス分離板を
   介して複数個積層し、数個のガス分離板毎にガス
   分離板に替えて冷却器を配置した燃料電池におい
   て、 上記冷却器は、 0.02〜0.10μmの気孔径を有する電導性材料から
   なり、冷却パイプが埋設された第１の冷却板と、 上記第１の冷却板の気孔径より小さな気孔径を
   有する電導性材料からなり、その一面側にガスの
   流通路が形成され、その他面側を上記第１の冷却
   板の一面側に導電性のクツシヨン材を介して配置
   された第２の冷却板と、 上記第１の冷却板の気孔径より小さな気孔径を
   有する電導性材料からなり、その一面側にガスの
   流通路が形成され、その他面側を上記第１の冷却
   板の他面側に導電性のクツシヨン材を介して配置
   された第３の冷却板と、 を備えたことを特徴とする燃料電池。 ２ 第２の冷却板又は第３の冷却板の材質は黒鉛
   粉末にフエノール樹脂系のバインダーを混練し、
   混練物の熱圧モールド法によつて、板状に成形
   し、スライスし、250℃までの温度で硬化したの
   ち、1100℃〜2000℃で焼成し、すべて黒鉛質化し
   た全黒鉛質カーボン板からなることを特徴とした
   特許請求の範囲第１項記載の燃料電池。 ３ 第２の冷却板又は第３の冷却板の材質は、50
   重量％以上のガラス質炭素と５〜50重量％の黒鉛
   とからなる黒鉛−ガラス質炭素複合質のカーボン
   板からなることを特徴とした特許請求の範囲第１
   項記載の燃料電池。 ４ 全黒鉛質のカーボン板の気孔容積の微分分布
   曲線が最大となる気孔径は、0.010〜0.020μm、気
   孔率は５〜15％であることを特徴とする特許請求
   の範囲第２項記載の燃料電池。 ５ 黒鉛−ガラス質炭素複合質のカーボン板の気
   孔容積の微分分布曲線が最大となる気孔径は
   0.005〜0.010μm、気孔率は５〜10％であることを
   特徴とする特許請求の範囲第３項記載の燃料電
   池。 ６ 第２の冷却板又は第３の冷却板の表面のガス
   の流通路を、金型を用いて加圧して、モールド成
   形し焼成して形成したことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項〜第５項の何れかに記載の燃料電
   池。 ７ 第１の冷却板と第２の冷却板および第３の冷
   却板との間に、黒鉛粉を充填した多孔質炭素材か
   らなるクツシヨン材を挿入して一体化したことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項〜第５項の何れ
   かに記載の燃料電池。 ８ 多孔質炭素材の周囲を撥水処理したことを特
   徴とする特許請求の範囲第７項記載の燃料電池。