JPH04301372A - 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】本発明は燃料電池に係り、特にそ
の電解質保持マトリックス層の改良に関するものである
。

【０００３】

【従来の技術】燃料電池は、燃料の有する化学エネルギ
ーを直接電気エネルギーに変換することのできる電池で
あり、一般に次のような構成を有している。

【０００４】すなわち、燃料電池を構成する単位電池は
、アノード及びカソードとして対向配置してなる一対の
ガス拡散電極、及びこの電極間に介在させた電解質保持
用のマトリックス層を有する。このうち、ガス拡散電極
は、カーボンを主成分とする導電性の多孔質基体上の片
面に、触媒層が塗着されると共に、その裏面にガス流路
の溝が加工されてなるものである。そして、このような
構成を有する一対のガス拡散電極が、その触媒面同士を
対向させる形で配置され、その間に電解質保持用のマト
リックス層を介在させて、単位電池が形成されている。

【０００５】また、燃料電池の運転時には、このような
単位電池の一方の極に、水素を主成分とする燃料ガスを
流通し、且つ、他方の極に酸化剤ガスとして空気を流通
する。この結果、水電解反応の逆反応により、両極間に
起電力が発生し、外部負荷を通じて電力を取出すことが
できる。

【０００６】このような燃料電池のうち、濃厚リン酸を
電解質として使用する燃料電池において、触媒層は、電
極触媒としてカーボン粉末上に白金などの貴金属あるい
はその合金の微粒子を分散担持させたものを用い、この
触媒材料と、結着剤及び撥水剤であるポリテトラフルオ
ロエチレン（ＰＴＦＥ）を混錬したものを基体上に塗着
して形成している。また、このような燃料電池において
、電解質保持用のマトリックス層は、炭化ケイ素の微粒
子に、少量のポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）
などの結着剤及びＰＥＧなどの増粘剤をリン酸と共に混
錬し、これを電極触媒層との接触面に塗着して形成する
か、または、電極触媒層との接触面に予め炭化ケイ素の
薄層を焼結しておき、ここにリン酸を含浸して形成して
いる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
な従来構成の燃料電池を長期にわたって運転すると、運
転時間の経過に伴って、電池電圧が徐々に低下すること
が知られている。

【０００８】この電圧低下の要因は、主に、電極触媒の
劣化（シンタリング）と、電極の漏れの進行という２つ
の要因に大別される。

【０００９】このうち、前者の触媒劣化を要因とする電
圧低下は、経時変化の観点からは、より長期に亘る時間
域において顕著になってくるものであって（合金触媒の
場合、合金化した卑金属元素がわずか数百時間で溶出し
てしまうという報告があるが、成分溶出後の活性は、表
面の粗さの効果により低下しないとされている。）、運
転初期あるいは運転中期における電池性能の低下は、主
に電極の濡れの進行に起因するものと考えられている。

【００１０】このような電極の濡れの進行は、電極とマ
トリックス間の電解質の移動によるものと推定されてい
る。そして、従来、このような電極の濡れに起因する電
池性能の低下を抑制するため、電極やマトリックス層に
ついて様々な改良がなされてきた。

【００１１】例えば、一般に、触媒層におけるポリテト
ラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの撥水剤量をカソ
ードとアノードで変えたり、電極の焼成温度を変えたり
することにより、撥水性を調節する方策がとられてきた
。また、このような一般的方法に加え、近年では、カー
ボンブラック上にその粒子径以下の撥水性微粒子を多数
被覆させ、比較的少量の撥水性微粒子のみで長期に亘り
高いガス供給性能を維持できるような高性能電極の製造
法などが開示されている（特開昭６３−３１２９８９号
公報）。

【００１２】しかしながら、前記の従来方法では、電極
触媒層の濡れの経時的な増大を抑制できる反面、以下の
ような欠点があった。すなわち、電極の濡れの進行現象
において、実際の電池性能低下の主要因となる要素は、
単位電池内の電極／マトリックス層界面における電解質
分布のアンバランスであると推定されている。これに対
し、前記の従来方法は、電極単独の改良を計ったものに
すぎず、単位電池全体としての観点からは、電極／マト
リックス層界面におけるリン酸などの電解質分布のバラ
ンスが全く考慮されていない。従って、前記の従来方法
では、実際の電池性能低下の主要因であるところの電解
質分布のバランスを適切に保持することができず、結局
、電池性能の低下を十分に抑制することは困難であった
。

【００１３】本発明は、上記のような従来技術の課題を
解決するためになされたもので、その目的は、単位電池
における電解質分布のバランスを適切に保持可能とする
ことにより、起動から停止までを含めた長期に亘る運転
に対して、安定した高い性能を維持できるような、優れ
た燃料電池を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、起動から停止
までを含めた長期に亘る運転に対して、電池性能が低下
する主要因であるところの電解質分布のアンバランスは
、さらに、電解質のマトリックス層からカソードへの移
動によるものであるとの推定を前提として、電解質保持
マトリックス層に改良を加えることにより、電極／マト
リックス界面におけるリン酸などの電解質分布のバラン
スを適切に保つことを図ったものである。

【００１５】すなわち、本発明の燃料電池は、アノード
及びカソードとして対向配置してなる一対のガス拡散電
極間に、電解質保持用の炭化ケイ素を主成分とするマト
リックス層を介在させて単位電池を形成してなる燃料電
池において、マトリックス層のアノードに接する側には
、粒子径の異なる炭化ケイ素微粒子の混合材料を配置し
、マトリックス層のカソードに接する側には、粒子径の
異なる炭化ケイ素微粒子に加えて炭化ケイ素のウィスカ
ーを混合してなる混合材料を配置したことを特徴として
いる。

【００１６】

【作用】以上のような構成を有する本発明によれば、ア
ノード側マトリックス層の電解質保持力を相対的に強く
することができ、電解質をアノードに十分保持すること
ができる。そのため、電解質のマトリックス層からカソ
ードへの移動を防止して、電極／マトリックス界面にお
けるリン酸などの電解質分布のバランスを適切に保つこ
とが可能となり、起動から停止までを含めた長期に亘る
運転に対して、安定した高い性能を維持できる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明による燃料電池を、電解質とし
てリン酸を使用するリン酸型燃料電池に適用した一実施
例について説明する。

【００１８】まず、図１に、本発明による燃料電池の一
実施例を示す模式的側面図である。この図１に示すよう
に、単位電池１は、一対のガス拡散電極であるアノード
２とカソード３、及び両者の間に介在させられたリン酸
保持用のマトリックス層４からなる。すなわち、アノー
ド２及びカソード３の片側には、それぞれアノード触媒
層５、及びカソード触媒層６が形成され、アノード２及
びカソード３は、これらの触媒層５，６同士を対向させ
る形で配置されている。そして、アノード２の背面に、
水素を主成分とする燃料ガスを流通させ、且つ、カソー
ド３の背面に、酸化剤ガスとして空気を流通させ、この
時に起こる電気化学的反応を利用して電気エネルギーを
取り出すようになっている。また、このような単位電池
１の出力電圧は、通常の運転条件では、０．７〜０．８
Ｖと非常に低いため、実際には、数百枚の単位電池１が
、セパレータ７を介して積層され、セルスタックと呼ば
れる燃料電池本体を構成することで、所定の出力電圧が
得られるようになっている。

【００１９】そして、以上のような構成を有する図１の
燃料電池において、単位電池１の各要素は、本発明に従
って、一定の組成を有している。以下には、この点につ
いて説明する。すなわち、まず、単位電池１のうち、ア
ノード２及びカソード３としては、公知の方法により導
電性の多孔質基体上にカーボン担持の白金触媒（１０ｗ
ｔ％Ｐｔ含有）とポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦ
Ｅ）の混合物からなる触媒層を形成し、空気中３５０℃
で３０分間焼成してなる電極が使用されている。

【００２０】次に、マトリックス層４としては、平均粒
子径５μｍと１μｍの炭化ケイ素粒子をポリテトラフル
オロエチレン（ＰＴＦＥ）と混錬してなる材料が使用さ
れている。このマトリックス層４のうち、アノード触媒
層５に接する部分４ａには、大粒子径に対して小粒子径
の比率を大きくしてなる材料が使用され、また、カソー
ド触媒層６に接する部分４ｂには、小粒子径に対する大
粒子径の比率を大きくし、加えて、炭化ケイ素ウィスカ
ーを混合してなる材料が使用されている。そして、これ
らの２種類の組成の材料を使用して、公知の方法により
ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの結着剤
及びＰＥＧなどの増粘剤を一定量混合し、マトリックス
層４が形成されている。さらに、マトリックス層４のう
ち、カソード触媒層６側の部分４ｂは、焼結型とされ、
後からリン酸を含浸して形成されている。また、マトリ
ックス層４のうちのアノード触媒層５側の部分４ａには
、電解質であるリン酸と上記組成の混合材料を混錬して
なるペースト型マトリックスが使用されている。

【００２１】以上のような構成を有する本実施例の作用
を、図２乃至図４を参照して以下に説明する。この場合
、図２は、従来技術による燃料電池と、本発明による燃
料電池とにおける、カソード触媒層のリン酸占積率の経
時変化を比較して示すグラフ、図３は同様に、従来と本
発明の電池における、アノード触媒層のリン酸占積率の
経時変化を比較して示すグラフである。また、図４は、
従来と本発明の電池の電池特性として、一定負荷電流（
２２０ｍＡ／ｃｍ２　）におけるセル電圧の経時変化を
比較して示すグラフである。なお、運転条件は、常圧（
アノード：３０％ＣＯ２　＋７０％Ｈ２　、カソード：
Ａｉｒ）とした。

【００２２】まず、図２を参照すれば、従来の電池にお
けるカソード触媒層の空孔のリン酸占積率は、約１００
０時間経過後から徐々に大きくなるのに対し、本発明の
電池におけるカソード触媒層の空孔のリン酸占積率には
、大幅な増加は認められず、長期に亘って安定した一定
の占積率が維持されていることがわかる。次に、図３を
参照すれば、従来の電池におけるアノード触媒層の空孔
のリン酸占積率は、約１０００時間経過後から徐々に低
下していくのに対し、本発明の電池におけるアノード触
媒層の空孔のリン酸占積率は、従来の電池に比べて運転
初期から高く、且つその値は長期に亘って安定している
ことがわかる。

【００２３】そして、以上のような触媒層内のリン酸占
積率の安定性の差異を反映して、電池特性も、図４に示
すように変化している。すなわち、従来の電池において
は、約４０００時間経過後からその特性が急激に低下し
ているのに対し、本発明の電池においては、このような
特性の急激な低下は全く見られず、さらに長期に亘って
安定した特性が維持されていることがわかる。

【００２４】なお、本発明は前記実施例に限定されるも
のではなく、例えば、マトリックス層に使用する結着剤
及び増粘剤などは適宜選択可能である。また、本発明は
、マトリックス層の改良に関するものであるため、マト
リックス層以外の構成、すなわち、ガス拡散電極や、そ
の触媒層の構成などは適宜選択可能である。

【００２５】

【発明の効果】上記のように、本発明によれば、マトリ
ックス層の組成をアノード側とカソード側とで変えるこ
とにより、アノード側の電解質保持力を高めて、単位電
池における電解質分布のバランスを適切に保持可能とす
ることができるため、起動から停止までを含めた長期に
亘る運転に対して、安定した高い性能を維持できるよう
な、優れた燃料電池を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による燃料電池の一実施例を示す模式的
側面図。

【図２】従来技術による燃料電池と本発明による燃料電
池とにおいて、カソード触媒層のリン酸占積率の経時変
化を比較的に示すグラフ。

【図３】従来技術による燃料電池と本発明による燃料電
池とにおいて、アノード触媒層のリン酸占積率の経時変
化を比較的に示すグラフ。

【図４】従来技術による燃料電池と本発明による燃料電
池とにおける電池特性として、一定負荷電流（２２０ｍ
Ａ／ｃｍ２　）におけるセル電圧の経時変化を比較的に
示すグラフ。

【符号の説明】

１　　　　単位電池 ２　　　　アノード ３　　　　カソード ４　　　　マトリックス層 ５　　　　アノード触媒層 ６　　　　カソード触媒層 ７　　　　セパレータ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　アノード及びカソードとして対向配置
   してなる一対のガス拡散電極間に、電解質保持用の炭化
   ケイ素を主成分とするマトリックス層を介在させて単位
   電池を形成してなる燃料電池において、前記マトリック
   ス層のアノードに接する側には、粒子径の異なる炭化ケ
   イ素微粒子の混合材料を配置し、マトリックス層のカソ
   ードに接する側には、粒子径の異なる炭化ケイ素微粒子
   に加えて炭化ケイ素のウィスカーを混合してなる混合材
   料を配置したことを特徴とする燃料電池。