JPH0258740B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔発明の技術分野〕 本発明は、溝付の多孔性基体に触媒層を担持さ
せた負極を有する単位発電素子と、緻密で気液密
で片面にガス流路が設けられた積層化素子とを交
互に重ね合せて構成した電気化学的発電装置に係
る。 〔発明の技術的背景とその問題点〕 水素のごとき酸化され易いガスと酸素のごとき
酸化力のあるガスとを電気化学反応プロセスを経
て反応させ、ギブスの自由エネルギーの放出分を
直流の電力として得る電気化学的発電装置は、通
常単位発電素子を複数積層して構成されている。
単位発電素子を積層化するに際しては、各単位発
電素子間の電気的接続を確保すると同時に、各単
位発電素子に反応ガスを供給し、また反応生成物
を除去するためのガス通路を確保する必要があ
る。このように、複数の単位発電素子を積層化す
る一つの方法として、高密度の溝付導電性炭素板
をいわゆる積層化素子として使用する例が知られ
ている。すなわち、導電性炭素板で形成された積
層化素子の上面と下面とに夫々異なる方向のガス
流通路（溝部）を設けておき、上面を一つの単位
発電素子の正極（又は負極）を形成している多孔
性炭素板に接触させ、下面を次の単位発電素子の
負極（又は正極）を形成している多孔性炭素板に
接触させ、このようにして各単位発電素子間に積
層化素子を介在させながら複数の単位発電素子の
積層化を行なう。そして各積層化素子の溝を経由
して夫々の単位発電素子へ反応ガスを供給すると
ともに上記溝を使つて反応生成物の除去を行なう
ようにしている。かかる単位発電素子は、通常濃
厚硫酸溶液や濃厚リン酸溶液などからなる電解液
を含有する耐薬品性、耐熱性および耐酸化性に優
れた含浸材層の一面に正極をなす薄い多孔性炭素
板を、他面に負極をなす薄い多孔性炭素板を密着
させ一体化したものとなつている。また、上記正
極および負極には、電気化学反応を円滑に進める
ために、白金などの触媒が付与されるとともにポ
リテトラフルオロエチレンなどによる防水処理が
なされている。これら単位発電素子の起電力は
高々1V程度であり、したがつて実用発電装置を
構成するには数十、数百の多数の素子を積層化す
ることが必要である。 前記電気化学的発電装置において、長期に亘り
安定した起電反応を維持するためには十分なガス
の供給と反応生成物の速やかな除去とが行なわれ
るとともに、発電部を形成している単位発電素子
群の十分な固定が必要である。また、発電装置の
熱効率を上げるには、内部の電気的抵抗ができる
だけ小さくなるように単位発電素子群を組立るこ
とが重要であり、そのためには電解質層のオーム
損、積層化素子と電極との間の接触抵抗損を最小
にすることが必要である。さらに、電解質層のオ
ーム損はマトリツクス層中の電解液量によつて大
きく変動するので、長期に亘つて十分な量の電解
液が負極と正極との間に存在することが必要であ
る。また、積層化素子を介しての各単位発電素子
間の強固な固定を維持し、かつこの間の抵抗損を
小さく保つためにはこれらを強固に接触させるこ
とが望ましい。 しかし、従来の電気化学的発電装置において
は、負極および正極はいずれも薄い多孔性炭素板
から構成され、また積層化素子は密度が1.8程度
の非常に固い材料で構成されているため、積層化
素子を間に挾んで単位発電素子を強く圧着締結す
ると単位発電素子が積層化素子により押しつぶさ
れ、場合によつては破損するという欠点があつ
た。また、いずれの電極も薄いため、電解液はマ
トリツクス層のみに保持されているが、これでは
十分な量の電解液を保持することが困難であり、
そのため発電装置の寿命が短いという欠点があつ
た。 そこで最近、上記欠点を解決した発電装置とし
て次のようなものが提案されている。この装置に
おいては、負極および正極はいずれも片面にガス
通路のための溝を設け、反対面に触媒が付与され
た厚い多孔性炭素板から構成され、また積層化素
子は薄い導電性シートから構成されている。そし
て、負極および正極が厚い多孔性炭素板から構成
されているため、圧縮しても破壊されることがな
く、また電解液はマトリツクス層だけでなく負極
および正極内にも保持されるという利点を有す
る。しかしながら、この種の発電装置では、負極
および正極が厚いため内部抵抗損失が大きく、ま
たエツジ部からのガス洩れが生じ易く、空気の拡
散が困難であり、空気の利用率が低いという欠点
がある。 〔発明の目的〕 本発明の目的は、高効率で長期間安定運転ので
きる電気化学的発電装置を提供することにある。 〔発明の概要〕 本発明に係る発電装置は、単位発電素子を構成
する負極側電極基本としてガス流路溝付の多孔性
炭素板を用い、上記ガス流路溝の土手部を電解液
の貯蔵に寄与させ、また正極側の電極基体として
は薄くかつ、高い疎水性を維持する材料を用い、
電極反応に対して高い活性を維持する単位発電素
子を構成し、これら単位発電素子と電気的接続を
確保するとともに、酸化剤ガスの流路を有する積
層化素子との組合せによつて構成されている。 さらに具体的に説明すると、本発明に係る発電
装置はかさ比重が0.28〜0.78の間にある厚さが２
〜４mmの多孔性炭化導電板、例えばフエルト状炭
素繊維板、あるいは炭素繊維シート板、焼結多孔
板の片面に巾1.2〜2.5mmで深さ1.5〜2.5mmの溝を
３〜５mmピツチで切り込んだ多孔性炭化導電板を
基体に用いこの基体の溝の設けられていない他方
の面上に電解反応を促進する触媒層が塗着されて
いる負極と、テトラフルオロエチレンなどのフツ
素系樹脂の懸濁液を含浸して防水処理をほどこし
た炭素繊維シートの片面に正極触媒を担持させた
正極とを、シリコンカーバイド、タンタルオキサ
イド、ジルコニア等の粉末と樹脂との混練成形体
に濃厚酸性溶液、たとえば濃厚りん酸を含浸させ
た電解質マトリツクス層を介して上記各触媒面が
相対向するように密着一体化して単位発電素子を
構成し、この単位発電素子とかさ密度1.6〜1.95
で厚さが３〜６mmのたとえば黒鉛粉末とフエノー
ル系樹脂とをブレンドして圧着成形し、片面に巾
1.2〜2.5mmで深さ1.5〜2.5mmの溝が３〜５mmピツ
チで設けられた積層化素子とを上記積層化素子の
溝が前記単位発電素子の正極に接してガス流路と
して作用するように交互に配置して、積層化した
ものとなつている。 〔発明の効果〕 本発明によれば、マトリツクス層だけでなく、
溝が形成された側の負極の面における土手部も電
解液のための貯蔵部として働くため、保持される
電解液の量が多く、長期間に亘つて電解液の濃度
を一定に維持することができ、マトリツクス層の
みに電解液を保持させるものに比して、その寿命
を大幅に延長することができる。また、負極とし
て肉厚の厚い多孔質のものを用いているため、単
位発電素子の積層化のための圧縮に際しては負極
が圧縮力吸収ダンパとしての役割を果たし、単位
発電素子の破損を生じることがない。さらに、正
極として肉厚の薄いものを用いているため、空気
の拡散が容易であり、空気の利用率を大きくする
ことができる。 〔発明の実施例〕 図は本発明の一実施例に係る発電装置の要部構
成を示す斜示図である。負極を構成する厚さ２〜
４mmの多孔性基体２の下面には、矢印Ａ方向に延
びるガス流路をなす溝１２が形成され、上面には
負極触媒層５が担持されている。正極を構成する
厚さ0.4mm程度のたとえば炭素繊維ペーパー基体
３は、テトラフルオロエチレンなどの弗素樹脂で
防水処理が施されており、その一方の面には酸化
剤の反応を促進する触媒層４が担持されている。
これら負極と正極とを、シリコンカーバイド又は
タンタルオキサイド、ジルコニアオキサイト等の
粉末にたとえば濃厚リン酸溶液を含浸させた電解
質マトリツクス層６の両面に各触媒面を対向させ
て密着一体化して単位発電素子２１が形成されて
いる。この単位発電素子２１を積層化するため矢
印Ｂ方向のガス流路１１が設けられている緻密な
炭素材からなる積層化素子２２を用い、両者をＡ
方向およびＢ方向が直交するように交互に積み重
ねて電気化学的発電装置が構成されている。 発電装置の形状を一定に維持するため複数の単
位発電素子２１とそれらの間に介在する積層化素
子２２からなる積層体は、その積層方向に圧縮し
て締結する必要があるが、本実施例の発電装置で
は５〜10Kg／cm²の圧力で締付けても負極側の電極
基体が圧縮力吸収ダンパーの作用を行ない圧力が
各単位発電素子２１に均一にかかり、そのため割
れ、潰れなど不具合の生じた単位発電素子はな
く、また、単位発電素子と積層化素子との間の電
気的接続も良好に保たれた。しかも、電解液の一
部が負極のガス流路溝１２の土手部にも貯えられ
るので、マトリツクス層中の電解液濃度を長期に
亘つて均一に保持することができ、その結果マト
リツクス層のオーム損に起因する発電装置の特性
の経時劣化もほとんど認められなかつた。 さらに、正極は肉厚が薄いので、反応に必要な
ガスを電極反応点まで速く移行させることがで
き、また防水処理が施されているので、酸化剤と
して空気を用いた場合の生成水による性能の劣化
を防止することができた。すなわち、このような
正極を用いた発電素子は良好な電気特性を維持し
経時劣化がほとんど認められなかつた。 なお、負極基体２に適する多孔性炭素板のかさ
比重は、締結力10Kg／cm²において３〜８％程度の
変形の範囲にあるものが好ましく、また積層化素
子２２においても電導性とメカニカル強度の点で
上記範囲にあるものが好ましい。 以下、本発明の効果を実施例１，２を基に具体
的に説明する。 〈実施例 １〉 かさ比重が0.48〜0.50で厚みが2.5mmのフエルト
状の黒鉛繊維板に幅1.8mm、深さ1.8mm、ピツチ４
mmの溝を設け、溝を形成されていない面へ重量比
で10％の白金黒を化学的に還元析出させた活性炭
素粉末（３〜5μ径）とともにポリテトラフルオ
ロエチレン懸濁液８重量％に添加混練した触媒を
塗着して負極を作成した。また、かさ比重0.42〜
0.45で厚さが約0.4mmの黒鉛繊維ペーパーを、濃
度20％のポリテトラフルオロエチレン懸濁液に含
浸、乾燥し、320℃で10分間焼結したものを電極
基体に用い、それに10％の白金黒を化学的に還元
析出させた活性炭粉末（３〜5μ径）とともにポ
リテトラフルオロエチレン懸濁液８重量％に添
加、混練したものを塗着して正極を作成した。そ
して、３〜5μ粒径のシリコンカーバイト粉末に
６重量％のポリテトラフルオロエチレンを混合混
練したマトリツクスに95％のりん酸電解質を含浸
させて形成した電解質マトリツクス層を中間に介
在させて、触媒層が電解質マトリツクスに接する
ようにして正極と負極とを対向させて、単位発電
素子を形成した。 次に、片面に幅２mm、深さ２mm、ピツチの4m
のガス流路溝を設けてなる厚さ３mm、比重1.85の
緻密な黒鉛とフエノール樹脂とのブレンド板を積
層化素子として用い、この積化素子の溝が正極活
物質の流路となるようにして、単位発電素子と積
層化素子を交互に積み重ねて発電装置を構成し
た。なお負極活物質ガスの流路と正極活物質ガス
の流路は互いに90゜異なる方向とした。 このような積層体を面圧５Kg／cm²で締付けて
も、単位発電素子の損傷は全く見られなかつた。
一方従来型の両面溝付のリジツドな積層化素子を
用いた単位発電素子では、面圧３Kg／cm²で締付け
たところ15素子に１素子の割合で不具合品が発生
しており、本発明による発電装置は、各単位発電
素子への力の分散が均一化されていることが判明
した。 また本発明による発電装置の150℃における内
部抵抗の経時変化を調べたところ表１に示すよう
に、比較の為に製作した従来型の両面溝付のリジ
ツドな積層化素子を用いた発電装置に比べ長期間
変化がなく、安定な性能を維持していることが判
明した。また、150℃供給ガス圧２Kg／cm²Ｇ，
250mA／cm²での連続発電においても表２に示す
ように、端子電位の低下が少なく、従来型発電装
置に比較して、本発明による発電装置がきわめて
優れた性能を有していることが判つた。

【表】

【表】 〈実施例 ２〉 アクリルを炭化させたもので積層化素子を形成
し、他は実施例１と全く同じにして発電装置を構
成した。このように構成された装置について、実
施例１のものと同様に試験してみたところ、実施
例１と同様に従来型のものより大幅にすぐれてい
ることが明らかとなつた。 なお、積層化素子の正極側の面に10％濃度のポ
リテトラフルオロエチレン懸濁液をスプレイ散布
した後、乾燥させ、280℃で30分間加熱して防止
処理を施すと生成された水の排除を促進させるこ
とができた。 以上のように本発明によれば、従来型発電装置
に比較して、メカニカルにも、耐久性にも優れた
電気化学的発電装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の一実施例に係る発電装置の要部を
局部的に取り出して示す斜視図である。 ２１…単位発電素子、２２…積層化素子、３０
…積層体、１…気液密で電導性の積層化素子体、
２…多孔性炭素負極基体、３…多孔性炭素繊維正
極基体、４…正極触媒層、５…負極触媒層、６…
電解質マトリツクス層、１１…酸化剤ガス流路
溝、１２…還元性ガス流路溝。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 濃厚酸性溶液を電界質として用い、水素を主
   成分とするガスを負極側活物質とし、酸性のガス
   を正極側活物質とする電気化学的発電装置におい
   て、多孔性炭素基板からなりその一方の面に触媒
   層が担持された負極と、防水処理が施された多孔
   性炭素繊維シートからなりその一方の面に触媒層
   が担持された正極とを、濃厚酸性溶液からなる電
   界液を含浸したマトリツクス層を間に挾み上記各
   触媒層が相対向するように密着一体化して構成さ
   れた複数の単位発電素子を、緻密な炭素板からな
   る積層化素子を間に挾んで積層化してなり、かつ
   前記負極の他方の面には水素を主成分とするガス
   の流路として働く複数の溝が形成され、前記積層
   化素子の正極側の面には酸性のガスの流路として
   働く複数の溝が形成されていることを特徴とする
   電気化学的発電装置。 ２ 前記積層化素子の溝部には、防水処理が施さ
   れてなることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の電気化学的発電装置。 ３ 前記負極に形成された溝と前記積層化素子に
   形成された溝とは、略90の角をなしていることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の電気化学
   的発電装置。 ４ 前記マトリツクス層は、シリコンカーバイ
   ド、タンタルオキサイド或いはジルコニアオキサ
   イドの粉末と樹脂との混練成形体であることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の電気化学的
   発電装置。