JPS628453A - 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】 ［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。

［発明の技術的背姶とその問題点］ 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弁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２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用溝を
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となる多孔性炭素板と負極１となる多孔性炭素板と
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
ＷＪ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
〜０．５＃ＩＩ＋程度の薄い多孔質のカーボンベーパー
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吊が変
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、反応カス
の異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３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２〜３＃Ｉ＃Ｉ程度の
多孔性のカーボンシートの片面に、炭素微粉上に白金を
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りブ付Ｍ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、電解質をリブ付電極のリブ部１２
に電解質層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中の電解質の
蒸発および飛散による減少が生じても、リブ部１２より
電解質を補給することにより、電解質層３中の電解質の
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、厚い多孔質
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、正極用リブ付電極２２は電解質のりザーバー
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、は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
のりブ付電極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つの相別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４図（ａ）（ｂ）に
示す如く電極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５図に示すリブ付電極溝部残肉ｄを厚く
するが、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、リン酸のりザーバ一部が少な
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（２．５ｓ＋以上）と、積層体の
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用が少なく、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、一方の面に電極反応を促進させるための触媒
層が担持された平板状態の多孔性炭素基板から成る負極
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上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
該単位セル間に電気的接続経路を確保すると共に、上記
負極活物質の流路を形成するための片面溝付の多孔性炭
素基板から成る第１の積層化素子、及び上記負極活物質
と正極活物質の混合を阻止するためのガス不透過性でか
つ上記正極に接する面に正極活物質の流通用溝が設けら
れた電気導電性の平板炭素板から成る第２の積層化素子
を介在させて複数個の積層構成し、かつ上記第１の積層
化素子の空孔部に電解質を含浸保持させて成ることを特
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
すなわち燃料カスの流路を形成するための片面溝付でか
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６、及び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でかつ正極に接する
而に正極活物質すなわち酸化剤ガスの流通用溝が設けら
れた電気導電性の平滑炭素板からなる第２の積層化素子
７より構成している。この場合、第１の積層化素子６に
設けられる負極活物質の流通用溝は、従来のものよりも
小さく形成している。

そして、これら積層化素子６．７に挟持される単位セル
は、一方の面に電極反応を促進させるための触媒層が担
持された多孔性炭素基板から成る負極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、電解液を含有する電
解質層３を介して、上記各触媒層面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６００＋ｍＸ７００ｒａ
ｍの炭素ｍ維をシート状に成形け、結着剤としてフェノ
ール樹脂を含浸して黒鉛化焼成処理を施した多孔性カー
ボンペーパーに、Ｉｌｌ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を作製する。また、厚さが
約０、４ｍｔｎ、大きさが６００ｓ＋＋Ｘ７００ＭＲの
黒鉛化焼成処理を施した多孔性カーボンペーパーを、濃
度３０％のポリテトラフルオロエチレン懸濁液に含浸、
乾燥し、３３０℃で１０分間焼結したものを電極基体に
用い、これにカーボン微粉末上に１０％の白金黒を化学
的に還元析出させた触媒粉末と井に濃度８重量％のポリ
テトラフル４０エチレン懸濁液番番量肴に添加、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
し単位セルを形成した。

次に、厚さが２．５６１＃ｌ以下、大きさが６００１ｎ
ＭＸ７００ｓ＋のフェルト状の多孔性黒鉛＄１１ｆｆ板
の片面に溝幅１．６ｓ＋、溝深さ０．８１ＲＩＲ，ピッ
チ３ｍの燃料ガス流通溝８を設けてなるものを第１の積
層化素子６として、及び大きさが６００１ＮＲＸ７００
順で、ガス不透過性炭素板や、炭素（主として黒鉛）と
フェノール樹脂などの結合剤とを混練した結合剤をホッ
トプレス等により加圧成形した樹脂結合炭素板の片面に
溝幅２Ｍ、溝深さ１．５ｍ、ピッチ４履の酸化剤ガス流
通用溝を設けてなるものを第２の積層化素子７として上
記単位セルを第１図に示した如く順次積層する。

この場合、第１の積層化素子６には積層前にその空孔部
の９０％にリン酸電解質を含浸保持しておく。また、燃
料ガス流通用溝８と酸化剤ガス流通用溝とは、互いに９
０°異なる方向つまり直交する方向としている。

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６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？ｉ！電解質の蒸発および飛散によって減少した場合
、重力および電解質濃度勾配毛管現象により、第１の積
層化素子６のリブ部９を介して負極１へ補給されること
になり、電解質層３のリン酸電解質の体積減少を抑制し
てセル特性の低下を防止することができる。この場合、
従来のリブ付電極と異なり、燃料ガス流通面１０自体に
はリン酸電解質が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６の空孔部の９０％にリン酸電解質
を含浸すること力（可能となり、従来のり゛ブ付電極の
約２倍のリザーブ効果をもたらすことができる。

また、従来のりブ付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達成で
きなかった、反応ガス流通断面積を小さくすることによ
る反応ガスの実流速の増大化を、本実施例においては第
１の積層化素子６のガス流通用溝８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
なく実現することができる。さらにその二次的効果とし
て、第４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、同時に第１の積層化素子６の体積も増加するの
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用溝の断面積を小
さくしたので、多数の単位セルを積層した場合、反応ガ
スが流通用溝を通過する時の圧力が増加するため、積層
セル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。また、従来よりも
反応ガスの流通断面積を小さくしたので、同じ厚さの積
層化素子でも、燃料ガス流通用溝残肉１１も厚くなり強
度も増加するため、ハンドリング中の破損も減少すると
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の積層化素子６の溝深
さを１．４ｍ、第２の積層化素子７の溝深さを１．５＃
とじても、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６の溝深
さを２．０ｓ＋または０．７姻とした時、積層数が５０
セル以上に達した場合、高さ方向の特に上、下端の電池
特性の低下が認められた。また、溝深さ０．７ｍｍの時
特に加工精度または閉塞の影響が求められた。

（Ｃ）上記実施例において、第１の積層化素子６に多孔
性炭素材（従来のりブ付電極材）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、第１の積層化素子６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。

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、一方の面に電極反応を促進させるための触媒層
が担持された平板状の多孔性炭素基板から成る負極と、
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、電解質を含
有する電解質層を介して上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
位セル間に電気的接続経路を確保すると共に、上記負極
活物質の流路を形成するための片面満付の多孔性炭素基
板から成る第１の積層化素子、及び上記負極活物質とし
て正極活物質の混合を阻止するためのガス不透過性でか
つ上記正極に接する面に正極活物質の流通用溝が設けら
れた電気導電性の平板炭素板から成る第２の積層化素子
を介在させて複数個８％層構成し、かつ上記第１の積層
化素子の空孔部に電解質を含浸保持させるようにしたの
で、セル特性を低下させることなく負極側の積層化素子
に電解質を保有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
および第３図は従来型の代表的なセル構成図、第４図（
ａ）（ｂ）は本発明の作用効果を説明するための特性図
、第５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、６・
・・第１の積層化素子、７・・・第２の積層化素子、８
・・・燃料ガス流通用溝、９・・・リブ部、１ｏ・・・
燃料ガス流通面、１１・・・燃料ガス流通用溝残肉。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第　２　図 第　３　囚

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （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、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平板状の多孔性炭
   素基板から成る負極と、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、当該単位セル間に電気的接続経路を確
   保すると共に、前記負極活物質の流路を形成するための
   片面溝付の多孔性炭素基板から成る第１の積層化素子、
   及び前記負極活物質と正極活物質の混合を阻止するため
   のガス不透過性でかつ前記正極に接する面に正極活物質
   の流通用溝が設けられた電気導電性の平板炭素板から成
   る第２の積層化素子を介在させて複数個の積層構成し、
   かつ前記第１の積層化素子の空孔部に電解質を含浸保持
   させて成ることを特徴とする燃料電池。
2. （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の積層化素子に設けてあ
   る溝形状が、溝深さ０．８〜１．４ｍｍであることを特
   徴とする燃料電池。
3. （３）特許請求の範囲第（１）項に記載のものにおいて
   、第１の積層化素子の空孔率が４０〜７０パーセント、
   望ましくは５５〜６５パーセントであることを特徴とす
   る燃料電池。