JPS6130385B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は燃料電池に係り、更に詳細には燃料電
池の積層体に係る。

基本的な燃料電池は極より融置された陽極を含
み、これら二つの電極の間に形成されたコンパー
トメント内に電解質が配置されている。一般にそ
れぞれの電極は電解質に近接し且つ通常電極基質
と称される支持材料の層上に配置された薄い触媒
層を含んでいる。又基質の背後には反応ガスコン
パートメントが設けられている。基質はその厚さ
方向に垂直な方向へガスを透過するものであり、
従つて該電極基質の背後のコンパートメント内へ
供給される反応ガスはそれを通つて触媒層へ拡散
する。電気化学的反応がガス／電解質／触媒界面
に於て発生し、これによりイオンが電解質を通つ
て一方の電極より他方の電極へ移動する。

商業上有用な大きさの電力を得るためには複数
個の電池を積層し且つそれらを電気的に直列に接
続する必要がある。導電性を有しガス不透過性の
プレートが一つの電池の極を隣接する次の電池の
極より分離する。かかるセパレータプレートは電
極基質に接触するリブ（或は他の突起部）をその
両側に含んでいる。かかるリブが電流が一つの電
池より他の電池へ流れるための通路を与え、又そ
れぞれの基質の背後にチヤンネルの如き反応ガス
コンパートメントを郭定する。かくして反応ガス
は各電極の裏面全体に亘つて分散される。又リブ
或は突起部により電池積層体の構造に剛固さが与
えられ、又通常できる限り薄く形成される電極が
支持される。以上の如く構成された燃料電池積層
体が本願と同一の譲受人に譲渡された米国特許第
3994748号に開示されている。

かかるリブ式のガスセパレータプレートは製造
コストが高く、かかるリブ（或は他の形式の突起
部）により反応ガスが触媒層に好ましく分散しな
いなどの如き他の問題が招来される。例えばセパ
レータのリブが電極基質に接触している領域に於
ては反応ガスはガスコンパートメントより触媒層
へ向けて触媒層に垂直な経路を通つて流れること
はできず、従つてこの領域にては反応ガスはリブ
直下の基質上にある触媒に到来するためには、リ
ブの基質内を該基質の面に沿う方向に拡散して通
過しなければならない。しかし基質層はリブの真
下に於て或る程度圧縮され、又圧縮前に於ても数
ミル程度の厚さしかないので、かかる拡散をする
のは非常に困難である。

燃料電池の積層体を横切る電圧は個々の電池を
横切る電圧の合計（それぞれの電池より発生され
る電流の関数である）である。電流は積層体の一
端より他端へ電極の平面に垂直に流れる。電池の
積層体内の電流密度は、任意の特定の断面に於て
電流が流れる断面積により電流を除算した値に等
しい。従つて電流密度は電力設定が一定であれば
いずれの断面に於ても一定である。従つて或る平
面内の断面積が低減され且つ発生される全電力が
一定に維持されれば、その面内に於ける電流密度
は増大する。電圧低下は電流密度に正比例するの
で、電力が一定であれば電流が流れる部分の断面
積が低減されればその電圧は低下する。セパレー
タプレートと電極との間の接触面積が電極の断面
積の50％程度しかないので、電極とセパレータプ
レートのリブ或は他の突起部との間の界面に於て
は電流が流れる断面が低減される。係合面を平坦
に形成してもそれらを完全に接触させることは不
可能であるので、隣接する構成要素が接合されな
い場合にはそれらの間のすべての界面に接触不十
分により電圧が低下する。

上述した如き問題を排除しようとする努力がな
されてきたが、本発明が案出されるまでは満足し
得る解決が得られなかつた。

本発明の一つの目的は、隣接する電気化学電池
の構成要素間の接触面積を増大しこれにより接触
不良による電圧降下を低減することである。

本発明の他の一つの目的は、その構成要素をよ
り経済的に製造することができる燃料電池を提供
することである。

本発明の更に他の一つの目的は、電気化学電池
の厚さを低減し従つて燃料電池積層体の高さを低
減することである。

本発明の更に他の一つの目的は、電気化学電池
の触媒層への反応ガスの分散状態を改善すること
である。

本発明に於てはガスセパレータは燃料電池積層
体の隣接する電池の極触媒層と極触媒層との間に
配置され且つこれらより融置され、又ガス不透過
性プレート或は層である。多孔性材料がセパレー
タの両側の空間を充填し、それぞれセパレータ及
び触媒層の一方と実質的に連続的に接触してい
る。多孔性部材はそれぞれその表面の平面に対し
平行にも垂直にもそれらを通つて反応ガスが実質
的に自由に流れ得るに十分な厚さであり且つそれ
に十分な大きさの小孔を有するガス分散層を含ん
でいる。

本発明によれば、従来例えばセパレータプレー
ト内のリブにより形成されていた如きセパレータ
と電極との間のガス分散室或は空間が排除され
る。反応ガスはガス分散層の平面に平行な方向に
例えば該ガス分散層の縁部より電池内に導入され
る。ガス分散層は電池の平面に平行な方向にも垂
直な方向にも高い透気性を有しており、これによ
り触媒層の全面に亘つてガスが流れ得るようにな
つている。多孔性部材とセパレータとが連続的に
接触していること（即ちリブがないこと）により
これらの構成要素間の接触面積がかなり増大さ
れ、これにより電圧降下が低減され又電池積層体
内の電流分布状態が改善される。又多孔性部材は
触媒層のための基質としての機能も果す。

セパレータはガス不透過性材料にて平坦にして
薄いシート或は層として形成することができるの
で、製造コストが低減され得るものと期待され
る。他方ガス分散層は一般に従来技術の触媒基質
層よりも厚く、許容し得る範囲の圧力降下にて平
面方向にガスが流れ得るよう比較的大きな小孔を
有している。ガス分散層はその厚さが比較的厚い
ので、従来の如きリブ式セパレータによらなくて
も構造的支持が得られる。燃料電池積層体の全高
が低減されるが、本発明はかかる高さ低減のみを
目的とするものではない。

本発明の他の一つの特徴によれば、多孔性部材
はガスセパレータ層の両側に接合され、触媒層は
該多孔性部材の対向面に付着され、これにより一
体的な燃料電池積層体構成要素が形成される。電
解質保持マトリツクス層層が完全な燃料電池積層
体建造用ブロツクを形成すべく触媒層の一方に付
着されてよい。

本明細書に於ては「層」という言葉は広い意味
で使用されており、薄い或は厚い被覆であつても
よく又自己支持型のシート或はプレートであつて
もよく、更には一つ以上の層を含んでいてもよ
い。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明をその好
ましい実施例について詳細に説明する。

第１図は本発明の例示的実施例による燃料電池
積層体１０を示している。この層体１０は負荷１
４を介して電気的に直列に接続された複数個の燃
料電池１２を含んでいる。導電性を有するセパレ
ータ１６が隣接する電池間に配置されており、該
セパレータの両側に配置された電池内を流れる反
応ガスの混合を阻止するようになつている。

各電池１２は極触媒層２０より融置された極触
媒層１８を含んでおり、電解質保持マトリツクス
層２２がそれらの間にサンドイツチ状に挾まれて
前記触媒層のそれぞれの表面と実質的に連続的に
接触している。又各電池１２は極触媒層１８とセ
パレータ１６との間に配置され且つそれらの間の
空間を充填する多孔性部材２４と、極触媒層２０
とセパレータ１６との間に配置された多孔性部材
２６とを含んでいる。かかる多孔性部材２４，２
６は触媒層の表面とその両側に設けられたセパレ
ータとの間の空間を充填し且つそれらと実質的に
連続的に接触している。

本発明によれば、多孔性部材２４，２６はそれ
ぞれガス分散層２８，３０を含んでいる。ガス分
散層２８，３０はそれぞれ関連する触媒層１８，
２０のほぼ全表面と実質的に連続に接触してい
る。この実施例に於てはそれぞれの多孔性部材２
４は電池の作動中余分な体積の電解質を貯容する
電解質リザーバ層３２を含んでいる。このリザー
バ層３２はセパレータ１６とガス分散層２８との
間に配置され且つそれらの表面と連続的に接触し
た親水性材料の平坦で連続的な層である。かかる
リザーバ層を親水性材料にて充満することにより
ガス分散層２８内に一様に分散された親水性の小
孔領域３４が形成され、又本願と同一の譲受人に
譲渡された米国特許第3905832号の第２図或は第
３図に図示されたものと同様の要領にて、触媒層
１８よりリザーバ層３２へ至る液体連通或は導入
通路が与えられる。

余分な電解質を貯容するリザーバは従来技術に
於てもよく知られている。本願と同一の譲受人に
譲渡された米国特許第3634139号には、燃料電池
の外部に設けられるリザーバが開示されている。
外部リザーバを使用する燃料電池によれば第１図
に図示された電解質リザーバ層３２の如きリザー
バ層は必要でない。他の形式のリザーバ層が本願
と同一の譲受に人譲渡された米国特許第3748179
号及び同第3905832号に開示されている。これら
の特許に開示された燃料電池は燃料電池の少くと
も一つの電極の背後にリザーバ材料を含んでいる
が、必ず各電極の背後に反応ガスコンパートメン
トを設けるようにしなければならない。従つて第
１図の実施例に示された配列は上記二つの特許に
開示された配列よりもかなり簡単なものである。

ガス分散層２８，３０はその表面の平面に垂直
なものとそれに平行なものとの両方の小孔を有す
る有孔性の高いものである。反応ガスはガス分散
層２８，３０の縁部の一つより該ガス分散層内へ
導入することによつて触媒層に分散される。反応
ガスは電池を横切つて（図に於て水平に）移動
し、ガス分散層の孔を通つて触媒層へ至り（図に
於て垂直に）、未消費の反応ガスはガス分散層の
他方の縁部の一つを通つて電池の他方の側に排出
する。ガス分散層の重要な特徴は、該分散層がそ
の表面の平面に平行な小孔及び垂直な小孔の両方
を通つて反応ガス実質的に自由に流れ得るに十分
な厚さを有し且つ十分な有孔度を有しているとい
うことである。更に導電性、伝熱性、電解質と両
立し得ること、十分な強度の如き燃料電池構成要
素の他のよく知られた要件をも具備していなけれ
ばならない。「実質的に自由に流れ得る」とは単
にガス分散層を横切る（面内方向及び面を横断す
る方向の両方）圧力降下が許容し得るほどに低い
レベルであるということを意味する。許容し得る
程にとは電池材料やデザイン、又はその電池積層
体を使用しようとしている用途によつて課せられ
る他の条件に応じて変化する。例えばガス分散層
の入口縁部から出口縁部へ至る圧力降下が高くな
ればなる程、電池内に反応ガスをポンプ送りする
に必要なエネルギが大きくなる。反応ガスをポン
プ送りするために使用されるエネルギは損失エネ
ルギでありシステムの効率がこれにより低下す
る。又入口縁部より出口縁部へ至る圧力降下が高
くなればマトリツクス層２２を横切る差圧が高く
なり、これによりマトリツクスの一方の側から他
方の側へ流れて反応ガスが交差したり、或は差圧
が高すぎる場合には電解質がマトリツクスより押
し出されたりする。

本発明によるリン酸電解質燃料電池積層体に於
ては、ガス分散層は例えば本願と同一の譲受人に
譲渡された米国特許第3972375号に開示されたも
のと同一の繊維性炭素紙電極基質材料より形成さ
れてよい（但し基質は従来のものよりも厚く、又
小孔寸法を増大するために炭素にて被覆されたよ
り大きあ直径の炭素繊維にて形成される）。矩形
のセルの一辺が47cm、反応ガスの圧力が3.5bar、
電解質リン酸、電池の作動温度が190℃、酸素の
利用比が0.7、水素の利用比が0.9であると仮定し
ていくつかの計算が行われた。反応ガス（H₂、
O₂）の利用比とは、電池内に於て電気化学反応に
より消費される極或は極に於ける反応ガスの質量
流量を、電池内に導入される反応ガスの質量流量
で除算した値である。かかる仮定条件の下で、80
％の有孔度と1.3mmの厚さとを有する炭素紙基質
（前述の米国特許第3972375号の基質と同様に形成
された基質）が、炭素にて被覆された炭素繊維の
直径が酸素分散層について0.25mmであり、水素分
散層について0.20mmであるならば、0.11A／cm²の
電流密度に於て電池の縁部から縁部迄の平面方向
の圧力降下が1.3cmAqという許容し得る値を有し
ているものと計算された。厚さや繊維の直径は以
上の仮定の値よりも大きくてもかまわない。

本願と同一の出願人により同日付にて出願され
た特願昭53―97149号には、ガス分散層２８，３
０がオープンセルのガラス質炭素フオームより形
成されてよいことが開示されている。オープンセ
ルとはフオーム内に形成されている各孔が互いに
隣接するものどうし連通しており、フオーム全体
を縦横に横切つて貫通する流体通路が形成されて
いるセル構造をいう。

セパレータ１６は比較的厚いリブ式プレートで
はなく薄く平坦なプレートに形成することができ
る。他のすべての点についても、本願と同一の譲
受人に譲渡された米国特許第3801374号或は同第
3634569号に開示されたグラフアイト複合プレー
トの如く従来技術に於けるものと同一の方法及び
同一の材料にて形成されてよい。

本発明の一つの特徴によれば、セパレータ１６
は多孔性部材２４，２６の表面にその両側にて接
合されてよく、隣接する電池の触媒層１８，２０
は多孔性部材の両面に接合されてよく、これによ
り一体的な構成要素が形成される。かかる構成要
素は電解質保持マトリツクス層２２がそれらの間
に配置された状態で互に積層することによつて燃
料電池積層体の形成に使用されてよい。触媒層を
多孔性部材に接合することは、スクリーン印刷
法、溶射法、過移転法などを使用して触媒層を
ガス分散層に付着するなどの如き種々の周知の方
法により行われてよい。又もし必要ならばマトリ
ツクス層は一体的な構成要素の一部としていずれ
かの触媒層に接合されてよく、或は半分の厚さを
有するマトリツクス層がそれぞれの触媒層に接合
されてもよい。マトリツクス層が樹脂接合された
シルコンカーバイトより形成される場合には、米
国特許第4001042号に開示されたスクリーン印刷
法により付着されてよい。かかる方法によれば、
燃料電池積層体を形成すべく互に直接積層されて
よい燃料電池積層体の構成要素が得られる。種々
の層を互に接合することによつてそれらの間の面
接触領域が増大し、これにより電圧降下が低減さ
れ又電池積層体内の電流分布が改善される。本発
明によれば種々の層が互に接合される必要はな
い。

第２図は本発明の他の一つの実施例を示してい
る。この実施例に於ては余分な電解質を貯容する
別個のリザーバ層がない。この実施例は特に外部
電解質リザーバを有する電池に適している。又こ
の実施例は、本願と同一の譲受人に譲渡された米
国特許出願第719877号に開示されている如く、比
較的小さな孔は余分な電解質にて充満されるが比
較的大きな孔が常に空の状態のままである如き適
当な範囲の無作為に分布した小孔寸法を有する場
合にも使用することができる。

第２図の実施例に於ては、電気化学電池１００
は電池積層体を形成すべく互に積層されたいくつ
かの電池の一つである。各電池１００は一対のガ
ス分散層１０２と極触媒層１０４と極触媒層１０
６とを含んでいる。触媒層１０４，１０６は互に
融置されており、それらの間にサンドイツチ状に
挾まれた電解質保持マトリツクス層１０８を含ん
でいる。この電池積層体は隣接する電池１００の
間に配置されたガスセパレータ１１０を含んでい
る。セパレータ１１０の両側に設けられたガス分
散層は実質的にセパレータ１１０の両面１１２，
１１４と実質的に接触した状態にある。

かかる実施例に於ては触媒層１０４，１０６は
それぞれのガス分散層１０２の表面に接合され
る。ガス分散層の孔が大きすぎる場合には、触媒
層はそれが付着された際に所要の量にて実質的に
その表面上にとどまるのではなく許容し難い程度
に迄ガス分散層を貫通してしまう。かかる問題
は、それぞれのガス分散層１０２がセパレータ層
に近接して比較的厚く孔の大きい層１１６を含み
且つ触媒層に近接して薄く孔の小さい層１１８を
含む第２図の実施例によれば回避される。かかる
二つの層は多孔性のオープンセルのガラス質炭素
フオームより形成される。孔の大きい層１１６
は、その表面の平面に対し垂直にも平行にも反応
ガスがそれを通つて実質的に自由に流れ得るに十
分なほど厚く且つそれに十分なほど大きな孔を含
んでおり、又第１図の多孔性部材２６について説
明した材料と同様の材料にて形成されてよい。孔
の小さい層１１８により、触媒層材料が不必要な
深さにまでガス分散層１０２を貫通することなく
触媒層１０４，１０６が付着される孔の小さい表
面１２０が与えられる。このことは有用な触媒表
面積を最大限にするのに望ましいことである。

孔の小さい層１１８は孔の大きい層１１６と同
一の材料にて形成されてよい。例えばこれら二つ
の層は前述の特願昭53―97149号に開示されたオ
ープンセルのガラス質炭素フオームにて形成され
てよい。或は孔の大きい層１１６がオープンセル
のガラス質炭素フオームにて形成され、孔の小さ
い層１１８が前述の米国特許第3972735号に開示
された基質形成法による如く、その表面に触媒層
を付着されるよう構成された従来技術の任意の基
質材料と同一の方法にて形成されてよい。孔の小
さい層１１８は孔の大きい層１１６とは別の層で
あつてよく、孔の大きいオープンセルのガラス質
炭素フオーム層１１６の触媒対向面を浅い深さま
で適当に充満しこれにより少くともその表面に近
い部分の有効小孔寸法を低減することなどによつ
て形成されてもよい。第１図の実施例に於ける如
く、この実施例の種々の層は、燃料電池積層体を
構成すべく互に重ねられる構成要素を形成すべ
く、それらの面が互に当接して接合されてよい。
ガス分散層１０２が実際に触媒層に隣接した孔の
小さい触媒基質層を必要とするかどうかは、(1)触
媒層がガス分散層の表面に付着（即ち接合）され
るかどうか、又どのように付着されるかというこ
と、(2)触媒層の組成、(3)孔の大きい層１１６の小
孔寸法、などを含む幾つかの因子に依存する。

以上に於ては本発明をその特定の実施例につい
て詳細に説明したが本発明はかかる実施例に限定
されるものではなく、本発明の範囲内にて種々の
修正並びに省略が可能であることは当業者にとつ
て明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一つの実施例による電気化学
電池積層体の解図的断面図である。第２図は本発
明の他の一つの実施例による電気化学電池積層体
の解図的部分断面図である。 １０…燃料電池積層体、１２…燃料電池、１４
…負荷、１６…セパレータ、１８…極触媒層、２
０…極触媒層、２２…電解質保持マトリツクス、
２４，２６…多孔性部材、２８，３０…ガス分散
層、３２…電解質リザーバ層、３４…小孔領域、
１００…電気化学電池、１０２…ガス分散層、１
０４…陽極触媒層、１０６…陰極触媒層、１０８
…電解質保持マトリツクス層、１１０…セパレー
タ、１１２，１１４…対向面、１１６…孔の大き
い層、１１８…孔の小さい層、１２０…孔の小さ
い表面。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 複数個の燃料電池を含み、各燃料電池が互い
   に融置された正極触媒層と負極触媒層とこれら二
   つの触媒層の間の空間に装填された電解質とを含
   むよう構成された燃料電池積層体にして、各燃料
   電池は前記正極触媒層と前記負極触媒層の各々の
   前記電解質に面する側とは反対の側に各々前記正
   極触媒層及び前記負極触媒層と実質的に連続して
   接触する一対のガス分散層を有し、互いに隣接し
   て重ね合わされる二つの燃料電池の一方の燃料電
   池の前記一対のガス分散層の一方と他方の燃料電
   池の前記一対のガス分散層の他方の間にはこれら
   と実質的に連続的に接触するガス不透過性材料の
   連続的な層が設けられており、前記ガス分散層は
   反応ガスが該ガス分散層内にそれに沿う方向にも
   該ガス分散層を横切る方向にも実質的に自由に流
   れることを許すに十分な大きさのオープンセルの
   小孔を含んでいることを特徴とする燃料電池積層
   体。 ２ 特許請求の範囲第１項の燃料電池積層体にし
   て、前記ガス分散層は前記電解質を含む空間と連
   通した電解質リザーバ領域を郭定する部分を含ん
   でいることを特徴とする燃料電池積層体。 ３ 特許請求の範囲第２項の燃料電池積層体にし
   て、前記の電解質リザーバ領域を郭定する部分は
   複数個の一様に融置された位置に於て親水性材料
   にて充填された部分を含んでいることを特徴とす
   る燃料電池積層体。 ４ 特許請求の範囲第１項〜第３項の何れかの燃
   料電池積層体にして、前記ガス分散層は前記ガス
   不透過性材料の層に対向する面全体に亙つて該ガ
   ス不透過性材料の層に接合されていることを特徴
   とする燃料電池積層体。 ５ 特許請求の範囲第４項の燃料電池積層体にし
   て、前記負極触媒層及び前記正極触媒層はそれぞ
   れそれに対向する前記ガス分散層との接触面の全
   体に亙つて該ガス分散層に接合されていることを
   特徴とする燃料電池積層体。 ６ 特許請求の範囲第５項の燃料電池積層体にし
   て、前記燃料電池はそれぞれ電解質を保持するた
   めのマトリツクス層を含んでおり、前記マトリツ
   クス層は前記正極触媒層又は前記負極触媒層の何
   れか一方と実質的に連続的に接触した表面を有し
   且該表面にて当該触媒層と接合されており、前記
   マトリツクス層の他方の表面は前記正極触媒層前
   記又は負極触媒層の他方に近接して配置され且こ
   れと実質的に連続的に接触していることを特徴と
   する燃料電池積層体。 ７ 特許請求の範囲第１項〜第６項の何れかの燃
   料電池積層体にして、前記ガス分散層は繊維性炭
   素紙であることを特徴とする燃料電池積層体。 ８ 特許請求の範囲第１項〜第７項の何れかの燃
   料電池積層体にして、前記ガス不透過性材料の層
   はグラフアイト複合材であることを特徴とする燃
   料電池積層体。 ９ 特許請求の範囲第１項〜第８項の何れかの燃
   料電池積層体にして、前記ガス分散層は前記正極
   触媒層及び前記負極触媒層に対向する面を郭定す
   る薄く孔の小さい層とその背後に位置する厚く孔
   の大きい層とを含んでおり、前記孔の小さい層の
   小孔は実質的な量の触媒が前記小孔内に侵入しな
   い大きさであることを特徴とする燃料電池積層
   体。