JPS63126169A - リン酸形燃料電池電極の端部シ−ル製造法 - 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】 し発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、多孔性基体から成るガス拡散電極を有するリ
ン酸形燃料電池電極の端部シール製造法に関する。

（従来の技術） 燃料電池例えばリン酸電解質燃料電池は、対向して配置
された多孔性のガス拡散電極の間にリン酸を電解質とし
て保持したマトリックスを配した単位電池に、酸化剤ガ
スと燃料ガスを交差して流通せしめるため隔離板を介し
て積層される。

上記燃イ′」電池の積層を行なう際留意されるべき点は
、酸化剤ガスと燃料ガスがまわり込まないように積層す
ることである。

酸化剤ガスと燃料ガスか混入すると、以下のような障害
がもたらされける。

（ａ）電極の表面に侵入ガスが吸着し電位は著しく（例
えば定常値の１０％程度に）低下する。従って電池用ツ
クのロスとなる。

（ｂ　）　ｆＲ人ガス（例えば水素）が雰囲気ガス（例
えば酸素）と触媒上で反応し、熱を発生し触媒中に含ま
れる炭素質を燃焼させると共に触媒能を消失させる。

（Ｃ）　侵入ガスが雰囲気ガスと気相で反応する。

従って燃料の使用効率の低下をもたらプ。ガス混合の１
つの原因として、電極の周囲部からの侵入がある。即ち
燃料電池用電極は多孔質の導電シー（−上に触媒を付与
して製造するため、電極の端部の多孔質部から侵入して
くる。

従来、この対策として電解質であるリン酸を多孔質部に
含浸ざＵ気孔を塞いでいる。しかし、多孔性基体の平均
気孔径は通常１０〜６０μ程度と比較的大ぎい為に、瞬
時に大ぎな差圧が両極間に発生したりすると、含浸され
たリン酸が基体外へ押し出されリン酸の扱は孔を生じて
ガスのシール性を喪失しやすい。従って、この方法は簡
便ではあるが信頼性に問題がある。また、別の対策とし
てフッ素樹脂系塗料を多孔質部に含浸する方法も提案さ
れている。フッ素樹脂は熱的にも、高濃度のリン酸にも
安定な材料であるが、通常、溶媒に分散されているので
樹脂分が少ない。そのため、所望のシール効果を得るに
は、含浸−乾燥工程を数段繰返す必要がある。また、こ
の様な数段の含浸工程にもかかわらず、ピンホールが散
見される場合もおり、結局この方法においてらシールの
信頼性に問題がある。

（発明が解決しようとする問題点） 上記の様に、従来のリン酸形燃料電池電極の端部シール
製造法においては、リン酸を多孔質部に含浸させた場合
には耐久性が低く、またフッ素樹脂系塗料を多孔質部に
含浸させた場合にはピンノｂ−ルが散在する等のシール
の信頼性に大きな問題点を有していた。

本発明は、この様な問題点を解決するために提案された
ものであり、その目的は、シールの信頼性を大幅に向上
し得る様なリン酸形燃料電池電極の端部シール製造法を
提供することにより、反応ガスの洩れか少なく、耐久性
の高い優れた燃お１電池の製造に奇与することである。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明は、多孔性基本から成るガス拡散電極において、
ガス流に平行な両端部に金属酸化物を充填し、この金属
酸化物にリン酸を添加し、加熱処理を施してリン酸塩を
形成けじめ、この金属リンＲＱ　Ｊｕにリン酸を保持さ
せることによってシール部を形成することを特徴として
いる。

（作用） 以上の様な構成を有する本発明によれば、まず、ガス拡
散電極の端部に金属酸化物を光唄し・、リン酸を添加し
て熱処理を行なうと、 Ｍ　ＯＸ　　＋　　ｎ　　Ｈ３Ｐ　０４→Ｍ（ＨＰＯ）
　　＋ｘｆ−１２０ ４× ＋＜　ｎ　−ｘ　＞　Ｈ３Ｐ　０４ の反応によって、金属リン［１が生成し、且つ、この反
応が多孔性基体中で行なわれるのＣ，基体の細孔に生成
した金属リン［Ｗか十分に絡み、史に好ましいことには
、生成した金属リン酸塩かリン酸との共存下でゲル状に
変質するので、脱落しにくい金属リン酸塩のネットワー
クが形成される。

それ故、リン酸は、このネットワークの間に保持される
ことになるので、電極端部における酸化剤ガスと燃料ガ
スの耐交差圧力が増加し、電極端部におけるシールの信
頼性を向上できる。

（実施例） 以下の本発明の実施例を図面を用いて具体的に説明する
。

＊実施例の構成 第１図において、符号１は電極自身にガス供給用溝力Ｕ
工を施した所謂リブ付の電）セ体で必る。２は触媒層、
３は電解質マトリックス層、４１よ本発明に係る電極端
部の金属酸化物とリン酸を含んだシール部である。

本実施例においては、シール部及び電極を以下の如く形
成した。

■厚さ２ｍｍ気孔率７０％の平滑な多孔性カーボン基体
の片面にに両端部１５ｍｍを残しガス供給用の）苫加二
Ｉニを施す。

■渦加工を施さない両端部の気孔部に、酸化り°イ素、
界面活性剤及び水から成る動粘度５０００〜５万センヂ
ボイズのスラリーを減圧下で含浸した１受１５０’Ｃで
乾燥する。

■前記■の含浸−乾燥操作を２回繰返した後、溝形成面
とは、反対の面に公知の方法にて触媒層及び電解質マト
リックス層を形成して電極とする。

■以−ト■〜■の工程にて形成された２つの電極、所謂
燃料極及び空気極の電解７１マトリックス部及び酸化ケ
イ素を含んだシール部に、１００％濃度のリン酸を含浸
した後、マトリックス而が対向し且つ溝が直交するよう
に一体化して２０Ｘ２００ｍの中位セルとする。

■組立てた単位セルに、１５０°Ｃの窒素雰囲気中で２
４時間の熱処理を施し、リン酸ケイ素を生成する。

本実施例の作用 以上■〜■の工程にて製造した単位セル１０個を、厚さ
１ｍｍのカーボン板を隔離板として公λ■の方法により
積層して積層体を形成し、この積層体の四面に、反応ガ
ス供給用のマニホールドを装着し、燃料ガスとして８０
％水素、２０％炭素ガスを用い、酸化剤ガスとして空気
を用いて電流密度１５０ｍＡ／ｃｍ２　、温度２００　
’Ｃで長時間運転を行なった。また、比較例として、電
極の両端部に酸化り°イ索の含浸処理を施さないで、直
接リン酸を含浸した単位セルを製作し、本実施例と同様
の方法にて単位セル１０個を積層し、マニホールドを装
着した後同じ条件の下で長時間運転を実施した。

まず、第２図に経時的電圧変化を示す。×１は本実施例
の特性曲線、Ｙｌは比較例の特性曲線である。同図から
明らかな様に比較例Ｙｌの電圧は８０００時間を過ぎた
頃から時間経過とともに大きく低下していくのに対し、
本実施例×１においては１万時間を過ぎる＋′ｆｃな長
時間運転でも一定の電圧が維持されている。これは、端
部のシールが均一な圧力で確実になされている結果、ガ
スの混合を防ぐことができたためで必ると考えられる。

次に、第３図にガス混含量として空気１車側排出ノＪス
中のｔシミ酸ガス濃度の時間経過による変化を承り。経
［１）的上昇を示す比較例の１？ｊ性曲線Ｙ２に比ｌく
、本実施例では特性曲線×２に示す様に、８０００　ｆ
Ｊ、′Ｉ間を超える長簡間運転の後−も一定の低い濃度
に保たれている。これは本実施例におい−Ｃ電極の端部
が安定にシールされていることを示している。

ざらに、運転時間がａｏｏｏ時間経過したセルを取り出
し、けル端部シール部の顕微鏡観察を実施した。本実側
倒しルのシール部は、多孔質カーボンの気孔部に膨潤し
たリン酸ケイ素かゲル状ネントワークを形成して緻密に
絡み、そのネットワークの間際にリン酸か保持されてい
ることが観察された。このために本実施例では電極端部
における酸化剤ガスと燃料ガスの耐交差圧力が長時間維
持され、前述した様に電極端部からの反応ガスの洩れか
抑制できたものと考えられる。

一方、比較例セルのシール部は気孔部にリン酸か充満し
ておらり゛、気孔が多数存在していることが観察された
。これは、使用した多孔貿体の孔径が２０〜６０ミクロ
ン程度と比較的大ぎく、このためにリン酸の保持りか弱
く、脱落か生じ易くなっていることによるものと考えら
れる。それ故に、比較例では経時的に耐交差圧力が低下
し、前述した様に電極端部からの反応ガスの洩れか徐々
に多くなったものと考えられる。

加えて本実施例では、含浸−乾燥工程を多数回繰返り必
要もなく、工程の簡便化が実現されている。

＊他の実施例 なＪ３、上記実施例においては、金属酸化物として、酸
化ケイ素を用いたが、本発明では、他に酸化マグネシウ
ム、酸化カルシウム、巖化ジルコニラム、酸化チタン、
酸化アルミニウムのうら少なくとも一種の金属酸化物を
使用する構成が可能であり、同様のシール効果が）ｑら
れる。

また、金属酸化物を金属リン酸塩に変化させるための１
１ＥＩ熱処理は、電極を一体化したセル状態と、セルを
積層した状態のうちいずれの状態でも行えるが、この場
合、空気雰囲気中において加熱処理を行なうと触媒の劣
化を招くので、不活性雰囲気例えば前記実施例で示した
様に窒素雰囲気中で行なうことが望ましい。

更に、加熱処理は、１００℃〜２３０　°Ｃの温度下で
行なうことが望ましい。これは、１００℃に満たない低
温では反応速度が小さい為に十分に金属リン酸塩が生成
されず、逆に２３０　’Ｃを超える高温においては金属
リン酸塩中に保持されたリン酸の蒸発槽が多くなり、シ
ール性の低下を招くからである。

し発明の効果］ 以上説明した様に、本弁明のリン酸形燃料電池電極の端
部シール製造法によれば、電（へのガス流に平行な両端
部に＝ＩｎＩｎ化物を光１眞し、この金属酸化物（こリ
ン酸を添、＋）ｎ　シ、７Ｊ１１熱処理を施して金属１
ノン醒堪を生成せしめ、これにリン酸を保持させてシー
ル部を形成ずろことに上り、簡便な工程にてシールの信
頼１４１を向上でさるため、反応ガスの洩れか少なく、
耐久性に優れた燃料電池を装造することかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明により装造した電（へ端部の一実施例を
示す模式的側面図、第２図及び第３図（ま同実施例を使
用した燃料電池と比較例との１？ｊ　４１ＪＬ　’ｌｒ
であり、第２図は経時的電圧変化、第３図は空気側排出
／Ｊ’ス中の炭酸ガス温度の紅菌的変化を示している。 １・・臂す極体、２・・・触媒層、３・・・電解Ｙ１７
トリツクス層、４・・・シール部。 代理人弁３’Ｍ　−１則近　憲佑 同　　　　三俣　弘文

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）水素を主成分とするガスを活物質とし、電極反応
   を促進するための触媒層が担持された多孔性基体からな
   る負極と、酸化性のガスを活物質とし、触媒層が担持さ
   れた多孔性基体から成る正極とを有する燃料電池電極の
   端部シール製造法において、 各々の電極の多孔性基体のガス流に平行な両端部に金属
   酸化物を充填し、この金属酸化物にリン酸を添加し、加
   熱処理を施して金属リン酸塩を形成せしめ、この金属リ
   ン酸塩にリン酸を保持させることによつてシール部を形
   成することを特徴とするリン酸形燃料電池電極の端部シ
   ール製造法。
2. （２）金属酸化物として、酸化ケイ素、酸化マグネシウ
   ム、酸化カルシウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、
   酸化アルミニウムのうち少なくとも一種の金属酸化物を
   使用した特許請求の範囲第１項記載のリン酸形燃料電池
   電極の端部シール製造法。
3. （３）加熱処理を、窒素雰囲気中にて行なうものである
   特許請求の範囲第１項記載のリン酸形燃料電池電極の端
   部シール製造法。
4. （４）加熱処理を、１００℃〜２３０℃の温度にて実施
   する特許請求の範囲第１項記載のリン酸形燃料電池電極
   の端部シール製造法。