JPH05251085A

JPH05251085A - 燃料電池

Info

Publication number: JPH05251085A
Application number: JP4048330A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Aoki; 努青木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-03-05
Filing date: 1992-03-05
Publication date: 1993-09-28

Abstract

(57)【要約】【目的】燃料あるいは酸化剤ガスの拡散特性を向上し、
発電性能の向上を可能とした燃料電池を得る。【構成】アノード電極あるいはカソード電極を構成する
多孔質基板２０の触媒層２１に面する部分に、耐リン酸
性で撥水性を有する撥水性層２２を形成する。多孔質基
板２０の両側にはエッジシール２３が設けられ、多孔質
基板２０は触媒層２１を介してマトリックス層２４に接
触している。リン酸が触媒層２１近傍で撥水性層２２に
はじかれてしまい、触媒層２１と多孔質基板２０内でリ
ザーブされているリン酸との間に、リン酸の存在しない
領域が形成される。燃料または酸化剤ガスが、リザーブ
されている電界質で拡散障害を受けても、この電界質の
ない領域で均一化され、触媒層全体に均一に拡散され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、リン酸などの電解質を
マトリックス層で保持して発電反応を行う燃料電池に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、石炭や石油などのような燃料
が持っている化学エネルギーを等温のもとで、連続的に
直接電気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、一対のガス拡散
電極で電界質を保有するマトリックスを挟んで、一方の
電極の背面に水素などの燃料ガスを接触させて、他方の
電極の背面に空気などの酸化剤を接触させて、このとき
起きる電気化学反応により生じる電気エネルギーを上記
電極間から取出すものである。この場合、燃料ガスとし
て水素または天然ガスを改質して得られる改質ガスが用
いられ、酸化剤として空気または酸素が用いられる。ま
た、電界質としては、溶融炭酸塩、アルカリ溶液、酸性
溶液、固体高分子、固体酸化物などが用いられるが、最
近ではリン酸を電界質としたリン酸型燃料電池が注目さ
れている。

【０００３】図２は、この種の従来のリン酸型燃料電池
の原理的な構成を示す。この燃料電池においては、電界
質を保持するマトリックス層１は、繊維質シートまたは
鉱物質粉末にリン酸を含浸させて成る。このマトリック
ス層１の両側に配置されたアノード電極２とカソード電
極３は、炭素質の多孔性の電極であり、マトリックス層
１に接する面には通常白金触媒が塗布されている。アノ
ード電極２の側面には、水素などの燃料ガスを供給する
ガスマニホールド４が設けられ、カソード電極３の側面
には、空気や酸素などの酸化剤ガスを供給するガスマニ
ホールド５が設けられている。

【０００４】このように構成されたリン酸型燃料電池
は、以下に述べるように作用する。すなわち、図２に示
すように、アノード電極２においては、流入した水素な
どの燃料ガスは、多孔質のアノード電極２中を拡散して
触媒層に達する。そして触媒層内においては、燃料ガス
がマトリックス層１内の電界質であるリン酸中に溶解
し、三層帯において電子授与反応が起こる。Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ-

【０００５】この水素イオンＨ+ は、電場によりマトリ
ックス層１内を泳動して、カソード電極３に達する。一
方、電子ｅ- は、アノード電極２を通って燃料電池外部
に取り出されて、電気負荷Ｒを通って仕事をし、カソー
ド電極３に流れる。カソード電極３においては、アノー
ド電極２からマトリックス層１を泳動してきた水素イオ
ンと、電気負荷Ｒからの電子と、ガスマニホールド５か
ら供給されてカソード電極３内を拡散してきた酸素とが
触媒表面で反応し水を生成する。４Ｈ+ ＋４ｅ- ＋Ｏ2 →２Ｈ2 Ｏ

【０００６】この様に、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、外部の電気負荷に対して電気エネルギーを与えるこ
とにより、電池としての全反応が完成する。その結果、
燃料と酸化剤を流し続ければ、理想的には永久に電気を
起こすことができる。

【０００７】ところで、この種の燃料電池は、通常、図
３に示すような構造の単位セルをセパレータを介して複
数積層して構成される。図３において、６はマトリック
ス層、７及び８はそれぞれ多孔質基板から成るアノード
電極及びカソード電極である。このアノード電極７及び
カソード電極８のマトリックス層６と接触する面には、
電極反応を促進させるための触媒層９，１０が形成され
ている。また、アノード電極６及びカソード電極８の背
面には、それぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスの流路となる
溝部１１，１２が設けられている。さらに、前記多孔質
基板から成るアノード電極７とカソード電極８の両側に
は、電極両側部からのガス拡散を防止するエッジシール
１３が設けられている。

【０００８】このような構成の燃料電池においては、溝
部１１，１２を流れる燃料または酸化剤ガスは、多孔質
基板から成るアノード電極７とカソード電極８の細孔内
を拡散し、マトリックス層６との間に形成された触媒層
９，１０まで移動する。前記図２に説明した電極反応
は、この触媒層の中に形成された、電界質と触媒と反応
ガスから成る三相界面と称する反応サイトで進行する。

【０００９】ところで、燃料電池の発電出力は、上記の
反応の進行に伴うときに発生する活性分極、抵抗分極、
拡散分極の３つの分極で決る。活性分極は、使用されて
いる触媒の活性によって決る分極である。抵抗分極は、
電池自身の電気抵抗で決る分極である。拡散電極は、反
応に関与する燃料、酸化剤を触媒上に形成される反応サ
イトまで移動し、かつ、反応生成物が反応サイトから離
れる移動速度に関わる分極である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】燃料電池電池の出力向
上に当っては、これら３つの分極を小さくする必要があ
る。活性分極の改善は、触媒活性を触媒担体上への微細
分散、または、合金化による担持触媒そのもの活性向上
などで行われている。抵抗分極は、マトリックス層の薄
膜化などの工夫を凝らし、電池抵抗を小さくしている。
拡散分極は、触媒層の撥水性をコントロールして反応サ
イトへの燃料や酸化剤の拡散性向上に努めている。

【００１１】ところで、燃料電池の構成を考慮すると、
触媒を担持している多孔質基板に比較し、触媒層のポア
（空孔）径は１から２桁小さく、基板の方が燃料や酸化
剤の拡散性が良好であることが容易に解る。事実、基板
に電界質のリザーブ機能を持たせる場合は、必ずしも基
板の方がガス拡散性が良好であるとは言えない。すなわ
ち、撥水性を有する触媒層に比較し、撥水性を持たない
基板は、リザーブされた電界質をそのポア中に保持する
と、燃料や酸化剤の拡散性を妨げるウェットシールとし
て機能するため、拡散性が触媒層より損ねられる。特
に、触媒層と基板との界面に電界質が溜ると、燃料また
は酸化剤がこの電界質を避けて拡散することができず、
電界質が溜った近傍の触媒層に拡散不良を生じさせる。
この拡散不良は、拡散不良のない健全な触媒層に対し、
実質の電流密度上昇を引き起し、電池出力を妨げる原因
となる。

【００１２】本発明は、上記のような課題を解決するた
めに提案されたもので、その目的は、電池内にリザーブ
された電界質が、触媒層近傍に近付かないようにして、
触媒層と基板の界面における燃料または酸化剤の拡散性
不良を防止した燃料電池を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、

【００１４】電解質を保持するマトリックス層をアノー
ド電極とカソード電極とで挾持し、前記アノード電極と
カソード電極とを多孔質基板とそのマトリックス層側に
設けられた触媒層とから構成した燃料電池において、前
記多孔質基板と触媒層との間に、電界質をはじく撥水性
層を形成したことを特徴とする。

【００１５】

【作用】このような構成を有する本発明の燃料電池にお
いては、触媒層と多孔質基板との境界面に形成された撥
水性層により、触媒の多孔質基板側に電界質が接近でき
ず、しかもリザーブされた電界質が触媒層へ近付くこと
が防止され、多孔質基板内における電界質の貯蔵場所
が、触媒層から離れた場所に制限される。その結果、電
界質が燃料あるいは酸化剤ガスの拡散性を阻害すること
がなくなる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明をリン酸型燃料電池に適用した
実施例について、図１を参照して説明する。（１）実施例の構成

【００１７】本実施例においては、アノード電極あるい
はカソード電極を構成する多孔質基板２０の触媒層２１
に面する部分に、耐リン酸性で撥水性を有する薄膜から
成る撥水性層２２が形成されている。なお、多孔質基板
２０の両側には、従来技術と同様にエッジシール２３が
設けられ、またこの多孔質基板２０は触媒層２１を介し
てマトリックス層２４に接触している。

【００１８】撥水性層２２としては、フッ素系の樹脂が
有効である。例えば、本実施例では、ＦＥＰ樹脂が使用
されている。この撥水性層２２を形成する手段として
は、各種のものを採用できるが、本実施例では、厚さ２
５μのＦＥＰフィルムをホットプレスにより２６０℃か
ら３００℃で溶融含浸させて形成する。この場合、撥水
性層２２の厚さは約１００μに達する。この撥水性層の
厚さは、本発明の目的である電界質の進入を防止するこ
とができるものであれば良いが、厚すぎるとリン酸のリ
ザーブ機能を阻害するため、適切な厚さとする必要があ
る。（２）実施例の作用・効果

【００１９】上記のように、ＦＥＰ樹脂の撥水性層２２
を多孔質基板２０と触媒層２１の境界面に形成した本実
施例においては、リン酸が触媒層近傍で撥水性層２２に
はじかれてしまい、触媒層２１と多孔質基板２０内でリ
ザーブされているリン酸との間に、リン酸の存在しない
領域が形成される。その結果、電界質（リン酸）がリザ
ーブされた多孔質基板内を拡散してきた燃料または酸化
剤ガスが、リザーブされている電界質で拡散障害を受け
ても、この電界質のない領域で均一化され、触媒層全体
に均一に拡散されることになる。

【００２０】特に、電界質が燃料または酸化剤ガスの拡
散流路に存在すると、ウェットシール機能が働き、燃料
または酸化剤ガスの拡散が阻害される。一般に、触媒層
近傍では、触媒層が多孔質基板に比べて気体の透過性が
良くないため、このような電界質により燃料または酸化
剤ガスの拡散阻害が生じる。しかし、本発明によれば、
多孔質基板内に燃料または酸化剤ガスの拡散阻害が発生
していても、それが局所的なものであれば、前記撥水性
層で均一化されることになり、触媒を有効に使用でき
る。（３）他の実施例

【００２１】本発明は前記の実施例に限定されるもので
はなく、例えば次のような他の実施例も包含する。すな
わち、一般に燃料電池は図１のような単位電池を複数段
積層して成るが、各段の単位電池すべてに本発明を適用
する代りに、燃料電池積層体の上部または下部の単位電
池にのみ本発明を適用することもできる。その場合、積
層体の上部及び下部の燃料または酸化剤ガスの配流不良
による特性低下を防止することができる。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
多孔質基板と触媒層との間に撥水性層を形成するという
簡単な手段により、燃料あるいは酸化剤ガスの拡散特性
を向上し、発電性能の向上を可能とした燃料電池を提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池一実施例を示す断面図。

【図２】燃料電池の原理を示す模式的断面図。

【図３】従来の燃料電池を示す断面図。

【符号の説明】

２０…多孔質電極基板２１…触媒層２２…撥水性層２３…エッジシール２４…マトリックス層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電解質を保持するマトリックス層をアノー
ド電極とカソード電極とで挾持し、前記アノード電極と
カソード電極とを多孔質基板とそのマトリックス層側に
設けられた触媒層とから構成した燃料電池において、前記多孔質基板と触媒層との間に、電界質をはじく撥水
性層を形成したことを特徴とする燃料電池。