JPH04301368A - 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】

【０００１】［発明の目的］

【０００２】

【産業上の利用分野】本発明は、多孔質電極基体に電解
質を保持させた燃料電池に関するものである。

【０００３】

【従来の技術】従来、燃料の有している化学的エネルギ
ーを直接電気エネルギーに変換するものとして、燃料電
池が知られている。この燃料電池は、通常、電解質を挟
んで燃料極（アノード）及び酸化剤極（カソード）の一
対の多孔質電極を配置すると共に、アノードの背面に水
素などの燃料ガスを接触させ、また、カソードの背面に
酸素等の酸化剤ガスを接触させ、この時に起こる電気化
学的反応により発生する電気エネルギーを、上記一対の
電極から取り出すようにしたものである。

【０００４】また、この電解質としては、溶融炭酸塩、
アルカリ溶液、酸性溶液等が用いられるが、以下に、代
表的な燃料電池としてリン酸を電解質とする燃料電池に
ついて説明する。

【０００５】即ち、図２に示した様に、対向して配置さ
れたアノード２及びカソード３の間に電解質層１が設け
られている。この電解質層１は、マトリックス層を形成
する繊維質シートまたは鉱物質粉末にリン酸を含浸して
形成されている。また、前記アノード２及びカソード３
は炭素質の多孔性の電極であり、通常、電解質層１に接
する面に白金触媒が塗布されている。さらに、アノード
２の背面側には、水素を含む燃料ガスが流れる空間４が
、また、カソード３の背面側には、酸化剤ガス（普通は
空気）が流れる空間５が形成されている。

【０００６】この様に構成されたリン酸形燃料電池は、
以下に述べる様に作用する。即ち、空間４に流入した水
素は、アノード２の気孔中に拡散して触媒層に達する。 ここで、水素ガスは次式の様に触媒の作用によって水素
イオンと電子に解離する。

【０００７】Ｈ２　→２Ｈ＋　＋２ｅ この水素イオンは電解質層１に入り、濃度拡散及び電界
作用によってカソード３に向かって泳動する。一方、水
素ガスの解離によって分離した電子はアノード２に流れ
込む。カソード３ではアノード２から泳動してきた水素
イオンと、酸化剤ガスとして空間５に供給され、さらに
、カソード３の気孔を拡散してきた酸素と、アノード２
から外部の電力負荷を通って仕事をし、電池のカソード
３に戻ってきた電子の３つが触媒表面で次式の反応を起
こす。

【０００８】４Ｈ＋　＋４ｅ＋Ｏ２　→２Ｈ２　Ｏこの
様にして、水素が酸化されて水になる反応と、この時の
化学的エネルギーが電気エネルギーとなって、外部の電
気負荷中で電気エネルギーを与える電池としての全反応
が完了する。

【０００９】ところで、通常、燃料電池は、一対の多孔
質電極とその間に配設される電解質層とから成る単位セ
ルを、セパレータを介して複数個積層して構成されてい
るが、この様に単位セルを積層するに際しては、各単位
セル間の電気的接続経路を確保すると同時に、各単位セ
ルに反応ガスを供給し、また、反応生成物を除去するガ
ス通路を確保する必要がある。また、燃料電池において
は、セルの長時間の運転を可能とするために、電解質を
絶えず電解質層に供給できるようなセル構造とすること
が必要である。

【００１０】図３は、従来の燃料電池の電極部の構成例
を示したものである。即ち、アノード２及びカソード３
にはそれぞれ燃料ガス流路８，酸化剤ガス流路９が形成
され、また、電解質層１と接する面には、それぞれアノ
ード触媒層１０及びカソード触媒層１１が形成されてい
る。さらに、アノード２及びカソード３には、燃料ガス
流路８及び酸化剤ガス流路９にそれぞれ平行な電極端部
に、湿潤シール部７が形成され、反応ガスがリークしな
いように構成されている。

【００１１】また、ガス流路８，９を流れる反応ガスが
、アノード２及びカソード３の気孔の中を拡散し、電解
質層１との間に形成された触媒層１０，１１まで移動す
ることができるように、アノード２及びカソード３はガ
ス拡散を妨げない程度の密度で、且つ、気孔（以下、ポ
アと称す）の大きさも部材の強度、ガス拡散性を考慮し
て構成されている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記の様な
構成を有する従来の燃料電池には、以下に述べる様な解
決すべき課題があった。即ち、アノード２及びカソード
３の多孔質電極は、多孔質体（サブストレート）中にリ
ン酸を蓄え、そのリン酸を電解質層１へ供給する機能を
果たし、また、燃料ガスと酸化剤ガスとが直接接触、混
合することを防止するためのシール機能を果たしている
。

【００１３】しかしながら、燃料電池を運転すると、反
応ガスによって電解質が電池の外部へ持ち出され、そこ
で電池と接触する他部材に浸透し、吸収されることによ
って、多孔質電極に蓄えられていた電解質は減少する。 この様にして電解質の減少が進み、多孔質電極中に蓄え
られていた電解質が、電解質層を形成するマトリックス
層のポア（気孔）サイズより小さい領域のみに存在する
ことになると、蓄えられた電解質をマトリックス層へ供
給する毛管効果を得られず、逆に、マトリックス層の電
解質の減少が始まる。

【００１４】この様にして、マトリックス層の電解質の
減少が始まると、電解質層としての機能を失うばかりか
、アノード２とカソード３を隔てるシール機能も失うこ
とになり、燃料電池の運転が不可能なものとなるといっ
た欠点があった。

【００１５】この点を図１を参照して説明する。即ち、
通常作成される多孔質電極のポアサイズ２０は、マトリ
ックス層のポアサイズ２１よりも大きい。しかし、両者
のポアサイズ分布を見ると、多孔質電極のポアサイズと
マトリックス層のポアサイズとが重複する領域が存在す
る。この様に、多孔質電極のポアの内、マトリックス層
のポアサイズより小さいポアの占める容積％“Ａ”が大
きいと、マトリックス層へ電解質を供給する毛管効果は
著しく低下し、逆に、マトリックス層から多孔質電極に
電解質が供給されることになる。

【００１６】この様なマトリックス層からの電解質の消
失を防止するためには、多孔質電極に多量の電解質を含
浸する必要があるが、多孔質電極に多量の電解質を含浸
すると、多孔質電極におけるガス拡散性は著しく低下し
、燃料電池の発電効率が低下するという欠点があった。

【００１７】本発明は、上記の様な従来技術の欠点を解
消するために提案されたもので、その目的は、電解質層
に蓄えられた電解質の損失を防止することができる、高
効率の燃料電池を提供することにある。

【００１８】［発明の構成］

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明は、電解質を保持
したマトリックス層を挟んで、一対の多孔質電極を配置
して成る燃料電池において、前記多孔質電極を構成する
多孔質体のポアサイズ分布を、マトリックス層のポアサ
イズより小さいポアの占める容積率が１０％以下となる
ように構成したことを特徴とするものである。

【００２０】

【作用】本発明の燃料電池によれば、多孔質電極を構成
する多孔質体のポア分布において、マトリックス層のポ
アサイズより小さいポアの形成を抑えることによって、
多孔質体の電解質保持力をマトリックス層の電解質保持
力より小さくし、それにより、マトリックス層から多孔
質体への電解質の移動を抑制することができる。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１に基づいて具
体的に説明する。

【００２２】本実施例においては、図１に示した様に、
多孔質電極の主構成要素であるカーボンファイバーから
成るサブストレートにおいて、マトリックス層のポアサ
イズより小さいポアの占める容積率“Ａ”が１０％以下
となるように、サブストレートが構成されている。また
、多孔質電極のガス拡散性を確保するために、多孔質電
極における電解質の占積率が、ポア容積の４０％以下に
なるように構成されている。

【００２３】この様な構成を有する本実施例の燃料電池
においては、マトリックス層のポアサイズより小さいポ
アの占める容積率“Ａ”を１０％以下にしたことにより
、マトリックス層に保持された電解質が、毛管効果によ
って多孔質電極に移動することを抑制することができる
ので、マトリックス層の電解質保持力は、従来に比べて
大幅に向上される。

【００２４】また、多孔質電極のポア容積の４０％まで
電解質が含浸されているため、サブストレートの全ポア
容積の４０％から１０％に至るまで、マトリックス層中
に電解質を維持することができる。このことは、サブス
トレートの全ポア容積の３０％に蓄えられた電解質を、
電解質の余剰蓄積として、燃料電池内に蓄えることがで
きることを意味するものである。従って、サブストレー
ト中の電解質が、サブストレートの全ポア容積の１０％
以上あれば、マトリックス層中の電解質を維持すること
ができることになる。

【００２５】この様に、本実施例によれば、多孔質電極
のポア分布において、マトリックス層のポアサイズより
小さいポアの占める容積率“Ａ”を、１０％以下にする
ことによって、サブストレートの全ポア容積の３０％に
蓄えられた電解質を、余剰電解質として燃料電池内に蓄
えることができ、電池長寿命化を可能とした燃料電池が
得られる。

【００２６】

【発明の効果】以上述べた通り、本発明によれば、多孔
質電極を構成する多孔質体のポアサイズ分布を、マトリ
ックス層のポアサイズより小さいポアの占める容積率が
１０％以下となるように構成することによって、電解質
層に蓄えられた電解質の損失を防止することができる、
高効率の燃料電池を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池における多孔質電極及びマト
リックス層のポアサイズ分布を示す図

【図２】一般的な燃料電池の構成を示す概略図

【図３】
従来の燃料電池の一例を示す要部斜視図

【符号の説明】

１…電解質層 ２…アノード ３…カソード ４，５…空間 ７…湿潤シール部 ８…燃料ガス流路 ９…酸化剤ガス流路 １０…アノード触媒層 １１…カソード触媒層 ２０…多孔質電極のポアサイズ ２１…マトリックス層のポアサイズ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　電解質を保持したマトリックス層を挟
   んで、一対の多孔質電極を配置して成る燃料電池におい
   て、前記多孔質電極を構成する多孔質体のポアサイズ分
   布を、前記マトリックス層のポアサイズより小さいポア
   の占める容積率が１０％以下となるように構成したこと
   を特徴とする燃料電池。