JPH0640493B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 本発明は燃料電池に係り、特に積層化素子を多孔性炭素
材と緻密炭素との分離又は複合構造とし、多孔性炭素材
の空孔部に電解質を含浸させて構成した燃料電池に関す
る。

［発明の技術的背景とその問題点］ 水素の如き酸化され易いガスと酸素の如き酸化力のある
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発電させ
る燃料電池は、通常単位セルを複数個積層して構成され
ている。このような燃料電池にあっては、各単位セルを
積層化するに際しては、各単位セルの電気的接続を確保
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。

この一つの方法として、第３図に示す如く高密度でガス
不透過性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４の上面と下面とに夫々異なる
方向のガス流通溝を設け、上面を一つの単位セルの正極
２（又は負極１）を形成している多孔性炭素板に接触さ
せ、下面を次の単位セルの負極１（又は正極２）を形成
している多孔性炭素板に接触させて、次々に複数の単位
セルの積層化を行なうとともに、各積層化素子４の溝を
経由して夫々の単位セルへ反応ガスを供給し、また反応
生成物の除去を行なうようにしている。かかる単位セル
は、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、耐酸化性に優れた含浸材からなる電解質
層３を中間にして正極２となる多孔生炭素板と負極１と
なる多孔性炭素基板とを相対して密着して一体化したも
のとなっている。また、上述した各電極には反応を円滑
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。このような単位セルは、単位セルの起電
力が高くても、１Ｖ程度であり、実用燃料電池を構成す
るには多数の単位セルを積層化することが必要である。

かかるセル構造では、負極１，正極２共に、通常０．３
〜０．５mm程度の薄い多孔質のカーボンペーパーより構
成されていることから、電気導電性が良好でかつ反応ガ
スの拡散が良好であるので、高いセル性能を得ることが
出来る。しかしながら、起電反応を長期にわたって継続
すると、電解質溶液（リン酸）が排出ガスと共に外部に
搬出されて電解質層中のリン酸濃度および量が変化する
ので、単位セルのオーム損に起因する効率の低下が生ず
る。また更には、電解質層に孔が生じ、反応ガスの貫通
リークが生じて性能の低下をもたらすことになる。従っ
て、かかるセル構造では、負極１，正極２の薄い電極の
多孔質部に反応ガスの触媒層への拡散を阻害しない程度
に電解質を保有させることは可能であるが、多孔質部が
薄いために十分な量の電解質を保有することが出来ない
ことから、そのセル寿命はせいぜい数千時間である。

そこで、上記のようなセル構造の欠点を改良した構造と
して第４図に示すようなセル構造のものが提案されてい
る。即ち、負極２１，正極２２共２〜３mm程度の多孔性
のカーボンシートの片面に、炭素微粉末上に白金を分散
しポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂を結合
剤として触媒層を形成し、かつその反対面に反応ガス流
通用の溝加工を施したリブ付電極を、電解質を含有する
電解質層３を介して、ガス流通溝を直交させると共に各
々の触媒層面が相対向するようにして密着一体化した単
位セルを、気密性，導電性の平滑な積層化素子５を介在
させながら複数個の単位セルの積層を行なう。

かかるセル構造では、電解質をリブ付電解のリブ部６に
電活質層３の数倍保有させることができるため（リザー
バー）、長時間運転に伴なう電解質層３中の電活質の蒸
発および飛散による減少が生じても、リブ部６より電解
質を補給することにより、電解質層３中の電活質の体積
減少を防止できるので、セル特性低下を防止でき、長時
間の運転が期待できる。しかし、我々の検討結果によれ
ば、リブ付電極を正極２２に用いると、厚い多孔性シー
トを使用したことによる酸化剤ガス（空気）の触媒層へ
の拡散不足を生じ、多孔質のカーボンペーパーに比べ拡
散不良が生ずることが判明した。また、正極２２のリブ
付電極に電解質を保有させると、ガスのブロッキングが
促進されさらに酸化剤ガス（空気）の拡散不良が生ずる
ので、正極用リブ付き電極２２は電解質のリザーバー機
能を事実上保有し得ないことも判明した。

なお、負極側の負極用リブ付電極２１では、水素の拡散
は空気の拡散に比べて拡散性が良好であるので、リブ付
電極の多孔質シートの空孔体積の６０％以下の範囲で電
解質を保有させた場合でも、ほとんど水素の拡散性不良
に伴うセル特性の低下は生じない。故に、実質上負極側
のリブ付電極２１だけが電解質保有が可能であるが、負
極２１もリブ付電極多孔質シートの空孔体積の６０％以
上の電解質の保有は、水素の拡散不良に伴なう特性低下
をもたらすため実現することができない。

上述したように、従来形セル構造では長い寿命，高性能
を達成する上で、 （a ）電解質を電解質層へ補給するための電解質の保有
量の増加、およびハンドリング性と歩止りを上げるため
の機械的強度向上−−ガス拡散層（残肉）を厚くする （b ）負極および正極反応を円滑に進めるためのガス拡
散性の確保−−残肉を薄くする。

という、２つの相反する事項を同時に満たすことができ
ないという問題がある。

本発明者らの検討結果によれば、第５図（a ）（b ）に
示す如く電解反応ガスの流通用溝を通過する反応ガスの
実流速が大きい程、ガスの拡散性が良好となってセル特
性が向上することが確認されている。

そこで、上述したセル構造においてガスの実流速を増加
させるには、第６図に示すリブ付電極溝部残肉d を厚く
するか、もしくはリブ付電極リブ部a （すなわちリブ付
電極厚さに対応）を小さくすることにより達成できる。
しかしこの場合、下記のような併害が生じる問題があ
る。

（a ）d を厚くすると、多孔性炭素材の残肉部のガス拡
散抵抗が生じ、ガス拡散不良になりセル特性が低下す
る。

（b ）d を薄くすると、機械的強度が小さくなり、ハン
ドリングが困難となって歩止りが低下する。

（c ）a を小さくすると、リン酸のリザーバー部が少な
くなって電解質保有量が減少し寿命が短縮される。

（d ）a を大きくする（２．５mm以上）と、積層対の高
さが大きくなって燃料電池単基当りの発電容量が小さく
なる（なぜならば、燃料電池の高さは輸送制限で制約さ
れる）。

一方、上記のようなセル構造の問題の一部を解消するも
のとして、特願昭５６−１８８０５号公報，特開昭５８
−８９７８０号公報のような構成の燃料電池が提案され
ている。しかし、この方式のものは、多孔性積層化素子
におけるリン酸のリザーブ量が少なく、また単位セルの
厚さと溝深さとの係わりについては規定されていない。

［発明の目的］ 本発明は上記のような事情を考慮して成されたもので、
その目的とするところはセル特性を低下させることなく
負極側の積層化素子に電解質を保有させ、かつこの保有
された電解質を有効的に電解質層へ移動させて長寿命化
を図ることができ、しかも反応ガスの実流速を増加させ
て反応ガスの拡散を良好にしセル特性を向上させること
が可能な燃料電池を提供することにある。

［発明の概要］ 上記目的を達成するために本発明では、濃厚酸性溶液を
電解質として用い、水素を主成分とする燃料ガスを負極
側活物質とし、酸化性のガスを正極側活物質とする燃料
電池において、帯状に選択的に親水性部分が形成処理さ
れた平板状の多孔性炭素基板の一方の面に電極反応を促
進させるための触媒層が担持された負極と、あらかじめ
防水処理が施された平板状の多孔性炭素基板の一方の面
に触媒層が担持された正極とを、電解液を含有する電解
質層を介して前記各触媒層面が相対向するようにして密
着一体化して構成された単位セルを、当該単位セル間に
前記負極活物質の流通溝を形成するための片面溝付の多
孔性炭素基板から成りその空孔部の４０パーセント以上
に電解質が含浸保持された第１の積層化素子、前記負極
活物質と正極活物質の混合を阻止するためのガス不透過
性の炭素薄板からなる第２の積層化素子及び前記正極に
接する面に正極活物質の流通溝が設けられた多孔性炭素
基板から成る第３の積層化素子を、第２の積層化素子を
挟持するように、かつ第１の積層化素子および第３の積
層化素子の夫々の溝を外側にすると共に互いに直交する
ように重ね合せてなる積層化素子を介在させて、しかも
前記負極の帯状親水部分に直交すべく当該負極に接合す
る第１の積層化素子の溝を配置させるように複数個積層
して成ることを特徴とする。

［発明の実施例］ 以下、本発明を図面に示す一実施例について説明する。
第１図は、本発明による燃料電池におけるセル構成例を
縦断面斜視図にて示したものである。

本発明による燃料電池の特徴点は、単位セルの積層化に
用いる積層化素子、および負極基板の親水構造にある。
即ち、本発明の燃料電池に組み込まれる積層化素子は第
１図に示す如く負極活物質すなわち燃料ガスの流通溝を
形成するための片面溝付きでかつ空孔部に電解質を含浸
保持した多孔性炭素基板からなる第１の積層化素子７、
負極活物質と正極活物質の混合を阻止するためのガス不
透過性の炭素薄板からなる第２の積層化素子８、及び正
極に接する面に正極活物質すなわち酸化剤ガスの流通用
溝が設けられかつ空孔部に電解質を含浸保持した多孔性
炭素基板からなる第３の積層化素子９より構成してい
る。そして、これら積層化素子７，８，９に挟持される
単位セルは、選択的に親水性で電解質移動性の良好な部
分が形成された平板状の多孔性炭素基板の一方の面に電
極反応を促進させるための触媒層が担持された負極１
と、あらかじめ防水処理が施された平板状の多孔性炭素
基板の一方の面に触媒層が担持された正極２とを、電解
液を含浸する電解質層３を介して、上記各触媒層が相対
向するようにして密着一体化したものである。

次に、その具体的な一例について述べる。本例では、ま
ず厚さが０．４mm、大きさが６００mm×７００mmの炭素
繊維をシート状に成形し、結着剤としてフェノール系樹
脂を含浸して黒鉛化焼成処理を施した多孔性（空孔率約
７０％）カーボンペーパーに、重量比で７％の白金黒を
カーボン微粉末上に化学的に還元析出させた触媒粉末と
共に濃度８重量％のポリテトラフルオロエチレン懸濁液
に添加、混練した触媒を塗着して負極１を作成する。さ
らに、ここで上記カーボンペーパーは第２図（a ）に示
すようなプラスチックフィルム１３でマスキングし、第
２図（b ）に示すように濃度２０重量％のポリテトラフ
ルオロエチレン懸濁液で格子状に選択的に撥水処理１５
して、帯状に親水部１６を形成処理している。

また、厚さが約０．４mm、大きさが６００mm×７００mm
の黒鉛化焼成処理を施した多孔性カーボンペーパーを、
予め濃度３０重量％のポリテトラフルオロエチレン懸濁
液に含浸、乾燥（撥水処理）し、３３０℃で１５分間焼
結したものを電極気体を用い、これにカーボン美粉末上
に１０重量％の白金黒を化学的に還元析出させた触媒粉
末と共に濃度８重量％のポリテトラフルオロエチレン懸
濁液に添加、混練した触媒を塗着して正極２を作製す
る。

そして、平均粒径０．４μのシリンコンカーバイド粉末
に５重量％のポリテトラフルオロエチレンを混合、混練
したマトリックスに、１０５％のリン酸電解質を含浸さ
せて形成した電解質層３を中間に介在させて、上記各触
媒層面が電解質層３に接するようにして負極１と正極２
とを対向させて配設し単位セルを成形した。

次に、厚さが２．０mm以下、大きさが６００mm×７００
mmの炭素繊維とフェノール系樹脂との混練物質を板状に
成形し、黒鉛化焼成処理した多孔性炭素基板（平均密度
０．５０ｇ／cm^３，空孔径２０〜１５０μ）の片面に、
溝幅１．６mm、溝深さ０．９mm、ピッチ３mmの燃料ガス
流通溝１０を設けてなるものを第１の積層化素子７とし
て、第１図に示す如く燃料ガス流通溝１０を負極１の面
に相対向させて、また大きさが６００mm×７００mmで、
ガス不透過性の炭素板例えば厚さ１．０mmのガラス化炭
素板からなるものを第２の積層化素子８として、第１図
に示す如く燃料ガス流通溝１０側と反対の第１の積層化
素子７の面に接合させて、さらに空気流通溝１１が形成
された大きさ６００mm×７００mmの第１の積層化素子７
と同じ材質で厚さ２．１mmのものを第３の積層化素子９
として、第１図に示す如く空気流通溝１１側を正極２に
接合させて夫々順次積層構成する。

この場合、第１の積層化素子７には積層前にその空孔容
積の４０％以上望ましくは８０％以上に、また第３の積
層化素子８には同じく６０％以上に夫々リン酸電解質を
含浸保持しておく。また、燃料ガス流通溝１０と空気流
通溝１１とは、互いに９０゜異なる方向つまり直交する
方向としている。さらに、第１の積層化素子７のリブ部
６は負極１の親水性１６と直交するように配置し、第２
図（c ）に示すようにリン酸電解質移動部分を形成して
いる。

上記の様に構成した本実施例の燃料電池においては、第
１の積層化素子７の空孔部に含浸保持されたリン酸電解
質は、燃料電池の長時間運転に伴なう電解質層３中のリ
ン酸電解質の蒸発および飛散によって減少した場合、電
解質自体の重力および毛管現象（表面張力）により、第
１の積層化素子７のリブ部６を経由して負極１のリン酸
移動部分を貫通移動して電解質層３へ補給されることに
なり、電解質層３が常にリン酸電解質で充たされてセル
特性の低下を防止することができる。この場合、従来の
リブ付電極方式と異なり、燃料ガス流通面自体にはリン
酸電解質が殆んど含浸されていないので、ガス拡散に対
するブロッキングによるガス拡散不良が生じることな
く、第１の積層化素子７の空孔率の６０〜１００％まで
リン酸電解質を含浸することが可能となり、同じ積層化
素子の厚さであっても従来のリブ付電極の約２．５倍の
リザーブ効果をもたらすことができる。

また、従来のリブ付き電極では先述したように、ガス拡
散不良およびリザーバー機能の減少等が生じるため、反
応ガス流通溝断面積を小さくすることができなかった。
この点、本実施例においては燃料電池の発電効率を上げ
るために、燃料ガスに対しても空気に対しても夫々の電
極反応に関与する割合を大きく、すなわち反応ガスの利
用率を大きくした運転が要求されているが、第１の積層
化素子７の燃料ガス流通用溝１０および第３の積層化素
子９の空気流通溝１１の溝深さをより浅くする事で、セ
ルにガス拡散不良等の悪影響を及ぼすことなくかつ寿命
も低下させることなく、しかも機械的強度も高く維持し
たままで実現することができる。さらにその二次的効果
として、第５図（a ）（b ）に示す如く反応ガスの実流
速を増加させることで、セル特性の向上を達成できるの
みでなく、かつ相対的に第１の積層化素子６の空孔容積
も増加すると共に、負極１は薄くしかも撥水部１５はリ
ン酸電解質にブロッキングされずガス拡散が阻害される
ことがないので、より多くの電解質を保有させることが
可能となる。これにより、セル特性の向上と長寿命化を
同時に達成することができる。

さらにまた、従来よりも反応ガス流通断面積が小さくで
きるので、第１および第３の積層化素子７および９のハ
ンドリング性が良好となりかつ歩止りが向上するばかり
でなく、多数の単位セルを積層した場合、反応ガスが流
通溝を通過する時の圧損が増加するため、積層セルの積
層方向のガス配流が均一化でき、積層方向の電池特性の
均一化が図れるという利点も得られる。

尚、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、次
のようにしても実施することができるものである。

（a ）上記実施例において、第１および第３の積層化素
子７および９の溝深さを１．４mm，第２の積層化素子８
の溝深さを１．５mmとしても、同様の効果が得られた。

（b ）上記実施例において、第１の積層化素子７に多孔
性炭素材（従来のリブ付き電極材）を用いても同様の効
果が得られた。

（c ）上記実施例において、予め第１の積層化素子７の
空孔部に、その容積の３％にカーボン微粉松（バルカン
ＸＣ−７２Ｒ）を含浸処理した積層化素子を用いても、
同様の効果が得られた。

（d ）上記実施例において、負極１を予め濃度３０重量
％のポリテトラフルオロエチレン懸濁液を塗布乾燥して
触媒塗着焼成後、第２図に示したようにプラスチックフ
ィルム１３で格子状にマスキングし、シリコンカーバイ
ト微粉末懸濁液をロールコーターによりプリント含浸処
理して親水性リン酸移動部分を形成処理しても、上述の
同様の効果が得られた。

（e ）上記実施例において、第１および第３積層化素子
７および９としてはその空孔率が４０〜７０％望ましく
は５５〜６５％程度のものを用いることが可能である。

（f ）上記実施例において、リン酸電解質は第１または
第３の積層化素子７または９のうちの少なくとも第１の
積層化素子７に含浸保持させるようにすればよいもので
ある。

その他、本発明はその要旨を変更しないで、種々に変形
して実施することができるものである。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、濃厚酸性溶液を電
解質として用い、水素を主成分とする燃料ガスを負極側
活物質とし、酸化性のガスを政極側活物質とする燃料電
池において、帯状に選択的に親水性部分が形成処理され
た平板状の多孔性炭素基板の一方の面に電極反応を促進
させるための触媒層が担持された負極と、あらかじめ防
水処理が施された平板状の多孔性炭素基板の一方の面に
触媒層が担持された正極とを、電解液を含有する電解質
層を介して前記各触媒層面が相対向するようにして密着
一体化して構成された単位セルを、当該単位セル間に前
期負極活物質の流通溝を形成するための片面溝付の多孔
性炭素基板から成りその空孔部の４０パーセント以上に
電解質が含浸保持された第１の積層化素子、前記負極活
物質と正極活物質の混合を阻止するためのガス不透過性
の炭素薄板からなる第２の積層化素子、及び前記正極に
接する面に正極活物質の流通溝が設けられた多孔性炭素
基板から成る第３の積層化素子を、第２の積層化素子を
挟持するように、かつ第１の積層化素子および第３の積
層化素子の夫々の溝を外側にすると共に互いに直交する
ように重ね合せてなる積層化素子を介在させて、しかも
前記負極の帯状親水部分に直交すべく当該負極に接合す
る第１の積層化素子の溝を配置させるように複数個積層
構成するようにしたので、セル特性を低下させることな
く負極側の積層化素子に電解質を保持させ、かつこの保
有された電解質を有効的に電解質層へ移動させて長寿命
化を図ることができ、しかも反応ガスの実流速を増加さ
せて反応ガスの拡散を良好にセル特性を向上させること
が可能な極めて信頼性の高い燃料電池が提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す縦断面斜視図、第２図
（a ）〜（c ）は同実施例における負極への親水処理方
法を説明するための斜視図、第３図および第４図は従来
型の代表的なセル構成図、第５図（a ）（b ）は本発明
の作用効果を説明するための特性図、第６図は従来の代
表的なセル構成を示す拡大図である。 １……負極、２……正極、３……電解質層、７……第１
の積層化素子、８……第２の積層化素子、９……第３の
積層化素子、１１……空気流通溝、１０……燃料ガス流
通溝、６……リブ部、１２……炭素粉末層、１３……プ
ラスチックフィルム、１５……撥水部、１６……親水
部。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】濃厚酸性溶液を電解質として用い、水素を
   主成分とする燃料ガスを負極側活物質とし、酸化性のガ
   スを正極側活物質とする燃料電池において、帯状に選択
   的に親水性部分が形成処理された平板状の多孔性炭素基
   板の一方の面に電極反応を促進させるための触媒層が担
   持された負極と、あらかじめ防水処理が施された平板状
   の多孔性炭素基板の一方の面に触媒層が担持された正極
   とを、電解液を含有する電解質層を介して前記各触媒層
   面が相対向するようにして密着一体化して構成された単
   位セルを、当該単位セル間に前記負極活物質の流通溝を
   形成するための片面溝付の多孔性炭素基板から成りその
   空孔部の４０パーセント以上に電解質が含浸保持された
   第１の積層化素子、前記負極活物質と正極活物質の混合
   を阻止するためのガス不透過性の炭素薄板からなる第２
   の積層化素子、及び前記正極に接する面に正極活物質の
   流通溝が設けられた多孔性炭素基板から成る第３の積層
   化素子を、第２の積層化素子を挟持するように、かつ第
   １の積層化素子および第３の積層化素子の夫々の溝を外
   側にすると共に互いに直交するように重ね合せてなる積
   層化素子を介在させて、しかも前記負極の帯状親水部分
   に直交すべく当該負極に接合する第１の積層化素子の溝
   を配置させるように複数個積層して成ることを特徴とす
   る燃料電池。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第(1)項に記載のものにお
   いて、多孔性炭素基板から成る第１または第３の積層化
   素子のうちの少なくとも一方に親水性粒子を含浸するよ
   うにしたことを特徴とする燃料電池。
3. 【請求項３】特許請求の範囲第(1)項に記載のものにお
   いて、親水性粒子を負極に帯状にロールコーターで含浸
   するようにしたことを特徴とする燃料電池。
4. 【請求項４】特許請求の範囲第(2)項または第(3)項に記
   載のものにおいて、親水性粒子は炭素粉末またはシリコ
   ンカーバイド粉末であることを特徴とする燃料電池。