JPH01146262A - 燃料電池 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、燃料電池に係り、特に、電解質の減少による
電池特性の劣化を防止した燃料電池に関するものである
。

（従来の技術） 従来、燃料の有している化学的エネルギーを直接電気的
エネルギーに変換する装置として燃料電池が知られてい
る。この燃料電池は通常、電解質を含浸したマトリック
スを挟んで一対の多孔質電極を配置するとともに、一方
の電極の背面に水素等の燃料ガスを接触させ、また使方
の電極の背面に酸素等の酸化剤ガスを接触させ、このと
き起こる電気化学的反応を利用して、上記電極間から電
気エネルギーを取り出すようにしたものであり、前記燃
料ガスと酸化剤ガスが供給されている限り高い変換効率
で電気エネルギーを取り出すことができるものである。

第９図に従来の燃料電池の構成例を示した。即ち、電解
質を含浸したマトリックス１を挟んで、多孔質体より構
成され、マトリックス側に触媒が塗布された一対のリブ
付き電極２（通常炭素材より成る）を配置して構成され
た単位セル４を、セパレータ３を介して複数個積層して
燃料電池本体が構成されている。また、この一対のリブ
付き電極２の反マトリックス面には、それぞれ燃料ガス
及び酸化剤ガスの流通路５，６が形成されている。

ところで、通常、燃料電池は２００℃前後で運転されて
おり、長時間にわたって運転を継続すると、マトリック
ス１に含浸されている電解質のリン酸が減少し、ついに
は燃料電池を運転することができなくなってしまうとい
う問題点があった。

この問題点を解決するために、リン酸の減少について調
査した結果、電解質中よりリン酸がその温度での蒸気正
分だけ反応ガス中に拡散していくためだけでなく、リブ
付き電極２と電解質リン酸との親和性が大きく影響する
ことが判明した。

即ち、リン酸との親和性の強いリブ付き電極が用いられ
ている場合は、リン酸の減少は少なく、リン酸との親和
性の弱いリブ付き電極が用いられている場合は、リン酸
の減少が非常に多いといった傾向が見られる。この確か
な理由は不明であるが、マトリックス１中のリン酸は、
毛管現象によって、多孔質体であるリブ付き電極にも保
持され　　゛る。しかし、リン酸との親和性の弱いリブ
付き電極が用いられている場合には、リン酸はリブ付き
電極内部に保持されることができず、電極表層部に保持
される傾向が強い。そのため、リン酸は、反応ガスとの
接触によって電極表層部より外部に持ち出されてしまい
、その結果、マトリックス中の電解質が減少し、燃料電
池の寿命を短縮していると考えられる。

また、電解質のリン酸が７トリツクス１からリブ付き電
極２を介して、セパレータ３に移行していることも判明
した。

即ち、セパレータ３は通常ガラス状炭素あるいは黒鉛板
笠より構成されているが、これらは、前記リブ付き電極
の様に多孔質体ではないが、ミクロポアを有しており、
このミクロポアあるいは表面の凹凸部に電解質のリン酸
が入り込んだものと考えられる。

（発明が解決しようとする問題点） 上記の様に、従来の燃料電池においては、マトリックス
中の電解質が減少するため、電池特性が大幅に低下して
いた。

本発明は以上の欠点を除去するために提案されたもので
、その目的は、マトリックス中の電解質の減少を防止し
、電池特性を大幅に向上させた、信頼性の高い燃料電池
を提供することにある。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明の燃料電池は、リブ付き電極又はセパレータの少
なくともいずれか一方に、予め高温中でリン酸を含浸し
たものを用いたものである。

（作用） 本発明の燃料電池によれば、リブ付き電極又はセパレー
タの少なくともいずれか一方に、リン酸を含浸したもの
を用いたので、燃料電池を長時間にわたって運転しても
、マトリックス中のリン酸が減少するのを防止でき、電
池特性の低下を低減することができる。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を第１図乃至第８図に基づいて
具体的に説明する。なお、第９図に示した従来型と同一
の部材は同一の符号を付して説明は省略する。

■第１実施例 本実施例の構成＊ 本実施例においては、第１図に示した様に、リブ付き電
極１０として、予め高温中でリン酸を含浸したものを用
いる。

なお、リン酸を含浸したリブ付き電極１０としては、ガ
ス透過性に優れ、機械的強度が強く、耐食性が必要なこ
とから、通常、炭素繊維とレジン（フェノール等）を混
合したものを炭化焼成し、ざらに、黒鉛化を行った多孔
質体が用いられている。

この様なリブ付き電極１０とリン酸との親和性を改善す
るために、リブ付き電極１０に予め高温中でリン酸が含
浸される。

以下に、リン酸をリブ付き電極に含浸する方法の一例を
示した。即ち、第２図に示した様に、リン酸含浸槽１５
には複数個の支持棒１６が設けられている。この支持棒
１６の間に、リブ付き電極１０８設首した後、電解質の
リンｒ！ｉ１７を入れる。

次に、リン酸含浸槽１５に取付けられたヒータ（図示せ
ず）により加熱し、所定の温度に維持する。所定の温度
を維持しながら、所定の時間リン酸の含浸を行う。この
場合、リブ付き電極１０はリン酸１７中に浸漬している
ため、リブ付き電極全体がリン酸と接触でき、均一にリ
ン酸が含浸される。

上記の様にして、リン酸の含浸が終了したリブ付き電極
１０をリン酸含浸槽１５から取り出し、しばらく吊下げ
て、過剰のリン酸を除去した後、デシケータ中に保存し
、乾燥する。このリン酸含浸リブ付き電極１０を用いて
作成した単位セル４を、セパレータ３を介して交互に複
数個積層して燃料電池本体を構成する。

なお、リブ付き電極にリン酸を含浸する温度としては、
５０℃以上が適当であるが、好ましくは、燃料電池の運
転温度以上、即ち、少なくとも２００℃以上で、２００
〜３００℃が望ましい。これは、温度が高い方がリン酸
と接触する部分の改質が早く進むためである。

また、リン酸の温度と動粘度との関係を示した第４図か
られかるように、リン酸の温度が５０℃以上になると、
急激に粘性が低下する傾向にあるため、リン酸がリア付
き電極のミクロポアに入りやすくなる。一方、リン酸の
温度が３００℃以上になると、リン酸含浸槽等の耐リン
酸性に問題が生じるため好ましくない。

ざらに、含浸に用いられるリン酸の濃度は、８０％以上
が適当であるが、好ましくは、燃料電池運転時の電解質
のリン酸濃度以上、即ち、少なくとも９０％程度以上で
、９０〜１０５％程度が望ましい。なお、１０５％以上
では、粘性が高くなり、多孔質体であるリブ付き電極の
細孔中の空気と置換されず、空気が抜けないため、リン
酸と接触しない部分ができるので、改質が不十分となり
、また、含浸に長い時間を要する。

また、含浸に必要な時間は、リン酸濃度、温度によって
異なるが、温度が高くなると含浸に要する時間は短くな
り、リン酸濃度が高くなると、長くなる。例えば、リン
酸濃度が９５％、温度が２ｏｏ’ｃでは、含浸に必要な
時間は１時間程度である。

なお、リン酸を含浸する圧力は常圧で良いが、高い方が
好ましいことは言うまでもない。この場合は、圧力容器
が必要となる。

本実施例の作用＊ この様な構成を有する本実施例の燃料電池においては、
リブ付き電極に予めリン酸が含浸されるので、リブ付き
電極とリン酸とが接触する部分の改質が行え、リン酸と
の親和性が増大する。また、リブ付き電極に存在するミ
クロポアにも、予めリン酸を飽和させることができる。

また、リン酸との親和性が増加することにより、マトリ
ックスから毛管現象によってリブ付き電極に保持された
リン酸は、電極内部、即ち、マトリックス側に多く保持
されるので、反応ガスを流しても簡単に電極表層部から
リン酸が持ち出されることはない。その結果、マトリッ
クス中のリン酸の減少を少なくし、電池特性の低下を低
減することができる。

次に、上記の様にして得られたリブ付き電極を用いて燃
料電池積層体を構成し、電池の発電特性及び電解質の、
リン酸の減少量を調べた結果を、第５図に基づいて説明
する。

即ち、リブ付き電極として、多孔質炭素材を用い、リン
酸濃度９５％１．温度２３０℃で約１０分間含浸してリ
ン酸含浸リブ付き電極を作成し、これを用いて燃料電池
積層体を構成した。また、燃料ガスとして水素ガス、酸
化剤ガスとして空気を使用し、温度２０５℃、圧力６Ｋ
ｇ／Ｃｍ２で電池の運転を行った。その結果、本発明の
燃料電池の特性曲線Ａは、従来の燃料電池の特性曲線Ｂ
に比べて電池特性の低下が少なく、優れていることがわ
かる。

また、本発明の燃料電池と従来の燃料電池を１０００時
間運転した後、電池を解体し、電解質のリン酸の減少量
を測定した。即ち、マトリックスを挟んだ一対のリブ付
き電極の数箇所から４ｃｍ角に切り出したサンプルを乳
鉢で細かく粉砕した後、純水を加えて攪拌し、リン酸を
抽出し、分析を行った。その結果は、本発明のリブ付き
電極を用いた燃、料電池のリン酸の減少量は、従来の電
池の１７２程度と少なく、電池特性の低下を防止するこ
とができたものと考えられる。

この様に、本実施例の燃料電池においては、予め、リブ
付き電極に高温中でリン酸を含浸し、リン酸との親和性
を改善することによって、リブ付き電極内部にリン酸が
保持され、電極表層部からのリン酸の持ち出しを少なく
し、電池特性の低下を防止することができる。

＊他の実施例＊ なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
く、リブ付き電極にリン酸を含浸する方法としては、第
３図に示した様な装置を用いても良い。即ち、リブ付き
電極２０は、別に設けたリン酸槽（図示せず）に浸漬し
、表面にリン酸を付着したもの、又は、刷毛等でリン酸
を表面に塗布したものを、支持棒２６上に並行に置き、
所定の温度及び時間をかけて、リン酸を含浸する。

この方法によれば、リブ付き電極２０の表面に付着され
るリン酸量が少ないため、比較的短時間で温度が上昇し
、含浸時間が短くて良い。

■第２実施例 本実施例の構成＊ 本実施例においては、第６図に示した様に、セパレータ
３０として、予め高温中でリン酸を含浸したものを用い
る。

なお、リン酸を含浸した廿パレータ３０としては、ガス
透過がなく、電気抵抗が小さく、耐食性が必要なことか
ら、通常、ガラス状炭素あるいは黒鉛板等が用いられて
いる。これらは、数％〜数１０％程度のミクロポア及び
表面に凹凸部を有している。

これらのミクロボア及び表面の凹凸部に、高温、高圧中
で電解質のリン酸が含浸される。

以下に、リン酸をセパレータに含浸する方法の一例を示
した。即ち、第７図に示した様に一１高圧圧力容器３１
中には、内容器３２が設置され、内容器３２には複数個
の支持棒３３が配設されている。また、この支持棒３３
の間に、セパレータ３０８設置した後、電解質のリン１
３４を入れる。

次に、高圧圧力容器３１の高圧ガス取り入れ口３５から
高圧ガスを送り込み、所定の圧力に維持する。そして、
内容器３２及び高圧圧力容器３１に取付けられたヒータ
（図示せず）により加熱し、所定の温度に維持する。所
定の温度、圧力を維持しながら、所定時間リン酸の含浸
を行う。この場合、セパレータ３０はリン酸３４中に浸
漬しているため、セパレータ全体がリン酸と接触でき、
また、均一に圧力がかかるので、均一にリン酸が含浸さ
れる。

上記の様にして、リン酸の含浸が終了したセパレータ３
０を内容器３２から取り出し、表面のリン酸を軽く拭き
取った後、デシケータ中に保存し乾燥する。このリン酸
含浸セパレータ３０を用いて作成した単位セル４を、交
互に複数個積層して燃料電池本体を構成する。

なお、セパレータにリン酸を含浸する温度としては、燃
料電池の運転温度以上、即ち、少なくとも２００℃以上
で、２００〜３００℃が望ましい。

また、温度は高い方が粘性が低く、ミクロボアに入りや
すいが、３００℃以上では、内容器、高圧圧力容器等の
耐リン酸性に問題が生じるため好ましくない。

さらに、リン酸を含浸する圧力としては、燃ｉｌｌ電池
の運転圧力以上、即ち、少なくとも、６ｉ／Ｃｍ２で、
６〜１０Ｋｇ／Ｃｍ２が望ましい。

また、圧ノｊも高い方がミクロポアにリン酸が早く含浸
されるが１０Ｋｇ／ｃｍ２以上では高圧圧力容器を作成
するのに多大な費用が必要となるため、不適当である。

また、含浸に用いられるリン酸の）農度は、燃料電池運
転時の電解質のリン酸Ｗ！度以上、即ち、少なくとも９
０％程度以上で、９０〜１０５％程度が望ましい。なお
、１０５％以上では、粘性が高くなり、含浸に長い時間
を要する。

ところで、リン酸は、加熱すると脱水、縮合し、濃度が
高くなることが知られているが、本実施例においては、
密閉系で加圧、加熱するので、高圧圧力容器内の蒸気圧
が、比較的短時間で、その温度でのリン酸の蒸気圧と等
しくなるため、リン酸濃度の変化は少ない。

また、含浸に必要な時間は、リン酸濃度、温度、圧力に
よって異なるが、温度、圧力が高くなると含浸に要する
時間は短くなり、リン酸濃度が高くなると逆に長くなる
。例えば、リン酸Ｒ度が９５％、温度が２００℃１圧力
６Ｋｇ／ｃｍ２では、含浸に必要な時間は１００時間程
度である。

本実施例の作用＊ この様な構成を有する本実施例の燃料電池においては、
セパレータに予めリン酸が含浸されるので、ミクロポア
及び表面の凹凸部にリン酸を飽和又はそれに近い状態に
することができ、マトリックスからリン酸がセパレータ
に移行することを防止できる。その結果、マトリックス
中のリン酸の減少を少なくし、電池特性の低下を低減す
ることができる。

次に、上記の様にして得られたセパレータを用いて燃料
電池積層体を構成し、電池の発電特性及び電ｗＩ質のリ
ン酸の減少量を調べた結果を、第５図に基づいて説明す
る。

即ち、セパレータとしてガラス状炭素を用い、リン酸濃
度９５％、圧力８Ｋｇ／Ｃｍ２、温度２３０℃で約４８
時間含浸してリン酸含浸セパレータを作成し、これを用
いて燃料電池積層体を構成した。また、燃料ガスとして
水素ガス、酸化剤ガスとして空気を使用し、温度２０５
℃、圧力６ＫＱ／Ｃｍ２で電池の運転を行った。その結
果、第■実施例と同様に、本発明の燃料電池の特性曲線
Ａは、従来の燃料電池の特性曲線Ｂに比べて電池特性の
低下が少なく、優れていることがわかる。

また、本発明の燃料電池と従来の燃料電池を１００Ｏ時
間運転した後、電池を解体し、電解質のリン酸の減少量
を測定した。即ち、マトリックスを挟んだ一対のリブ付
き電極の数箇所から４ｃｍ角に切り出したサンプルを乳
鉢で細かく粉砕した後、純水を加えて撹拌し、リン酸を
抽出し、分析を行った。その結果は、本発明のセパレー
タを用いた燃料電池のリン酸の減少量は、従来の電池の
１／２程度と少なく、電池特性の低下を防止することが
できたものと考えられる。

この様に、セパレータのミクロポア及び表面の凹凸部に
、予め高温、高圧中でリン酸を含浸して飽和又はそれに
近い状態にすることにより、マトリックスからのリン酸
の移行を防止し、電池特性の低下を低減することができ
る。

＊他の実施例＊ なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
く、セパレータにリン酸を含浸する方法としては、第８
図に示した様な装置を用いても良い。即ら、セパレータ
４０は、別に設けたリン酸槽（図示せず）に浸漬し、表
面にリン酸を付着したもの、又は、刷毛等でリン酸を表
面に塗布したものを、支持棒４３上に並行に置き、所定
の温度、圧力及び時間をかけて、リン酸を含浸する。

この方法によれば、セパレータの表面に付着されるリン
酸量が少ないため、比較的短時間で温度が上昇し、含浸
時間が短くて良い。

［発明の効果］ 以上述べた様に、本発明によれば、燃料電池を構成する
リブ付き電極又はセパレータの少なくともいずれか一方
に、予め高温中でリン酸を含浸したものを用いるという
簡単な手段によって、マトリックス中の電解質の減少を
防止し、電池特性を大幅に向上させた、信頼性の高い燃
料電池を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の燃料電池の第■実施例を示す縦断面斜
視図、第２図及び第３図は本発明の燃料電池に用いられ
るリブ付き電極式リン酸を含浸する装置のＷＸ要を示す
構成図、第４図はリン酸の温度と動粘度との関係を示す
図、第５図は本発明の燃料電池の電池特性を示す特性図
、第６図は本発明の燃料電池の第■実施例を示す縦断面
斜視図、第７図及び第８図は本発明の燃料電池に用いら
れるセパレータへリン酸を含浸する装置の概要を示す構
成図、第９図は従来の燃料電池の構成を示す縦断面斜視
図である。 １・・・マトリックス、２・・・リブ付き電極、３・・
・セパレータ、４・・・単位セル、５，６・・・反応ガ
ス流通路、１０・・・リブ付き電極、１５・・・リン酸
含浸槽、１６・・・支持棒、１７・・・リン酸、２０・
・・リブ付き電極、２６・・・支持棒、３０・・・セパ
レータ、３１・・・高圧圧力容器、３２・・・内容器、
３３・・・支持棒、３４・・・リン酸、３５・・・高圧
ガス取入れ口、４０・・・セパレータ、４３・・・支持
棒。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）燃料ガス流通路及び酸化剤ガス流通路を有する一
   対のリブ付き電極間に、電解質を含浸したマトリックス
   層を配置して成る単位セルを、セパレータを介して複数
   個積層して燃料電池本体を形成し、これに燃料ガス及び
   酸化剤ガスを供給して電気エネルギーを得る燃料電池に
   おいて、 前記リブ付き電極又はセパレータの少なくともいずれか
   一方に、予め高温中でリン酸を含浸したことを特徴とす
   る燃料電池。
2. （２）前記リブ付き電極にリン酸を含浸する温度が、５
   ０℃以上であることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の燃料電池。
3. （３）前記セパレータにリン酸を含浸する温度が、２０
   ０℃以上であることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の燃料電池。
4. （４）前記セパレータにリン酸を含浸する圧力が、６Ｋ
   ｇ／ｃｍ＾２以上であることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の燃料電池。