JPS63237359A

JPS63237359A - リン酸型燃料電池

Info

Publication number: JPS63237359A
Application number: JP62072210A
Authority: JP
Inventors: Norio Mitsuta; 光田　憲郎; Masaaki Matsumoto; 正昭松本; Yoshiaki Sakamoto; 阪本　芳昭; Tatsuo Mitsunaga; 光永　達雄; Taesuke Nakayama; 中山　妙輔; Yoshihisa Otaka; 大高　好久; Toru Otani; 徹大谷; Hideaki Miyoshi; 英明三好
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1987-03-25
Filing date: 1987-03-25
Publication date: 1988-10-03
Also published as: JPH0578908B2

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】〔産業上の利用弁部〕この発明は、リン酸型電池の構造に関するものである。

〔従来の技術〕

周知の通り、燃料電池は対向して配置された燃料電極と
酸化剤電極の間に電解質を保持した電解質マトリックス
を介在させ、燃料電極および酸化剤電極にそれぞれ燃料
および酸化剤を供給して運転される一厘の発電装置であ
る。

燃料電池には、■カルノーサイクルの制約がなく高い効
率が期待できる、■電池作動温度に近い比較的高温の有
効利用が容易な廃熱が得られる、■出力を変えても効率
はあまり変わらない、■負荷変動に対する応答性にすぐ
れているなどの利点があり、都市内もしくは都市近郊に
配電用変電所の規模で分散配置する、あるいは火力発電
所の代替発電装置とするなどの利用形態が考えられてい
る。

燃料電池は用いられる電解質の踵類によってアルカリ型
、リン酸型、溶融炭酸塩型などに分類されるが、このう
ちリン酸型は第一世代と呼ばれ最も開発が進んでおり、
すでに実用規模での試運転が行なわれている。

リン酸型燃料電池で最も一般的に用いられている。構造
としてリブ付電極型がある。これは、例えば米国特許第
４，４２６，８４０号特開昭５８−６８８７８号公報）
に記載されている構造であり、第６図に代表的なリブ付
電極構造の断面図を示した。第６図において、（１）は
燃料電極触媒層、（２）は電解質保持マトリックス、（
３）は酸化剤電極触媒、１であり、これらによって反応
層（４）が形成されている。（５）は燃料１４Ｌ極側の
リブ付ｔｚ＠ｘ材、（６）は酸化剤電極側のリブ付電極
基°材、（７）は周縁ガスシール部、（８）、α刀は突
起部すなわちリブ部、（９１、Ｕは平担なシート部、（
１１３は燃料ガス流路、口は酸化剤ガス流路、ｕ４はフ
ラットなガス分離板（平板セパレータ）である。なお燃
料ガス流路αＯと酸化剤ガス流路αＪは通常直交するよ
うに配置されているが、第６図では図をわかりやすくす
るために平行になるように配置している。

リブ付電極基材（５）　、　（６）の役割として、反応
ガス流路α０．Ｑ３から触媒層（１）　、　（３）への
反応ガスの通路としての役割と、基材（５）　、　（６
）内に電解液を貯蔵し反応層（４）中の電解液量に過不
足があった場合にこれを吸収するあるいは補充するリザ
ーバとしての役割があるが、特に酸化剤側のリブ付電極
基材（６）の平担なシート部ｉに電解液を貯蔵した場合
に酸化剤ガス−の拡散性が著しく阻害され、特性が低下
するという問題点があった。

この問題点の解決手段として、例えば米国特許第４．０
８５，５５１号（特開昭５８−８０７４７号公報）に記
述されているように、燃料側のリブ付電極基材（５）の
平均気孔径よりも酸化剤側のリブ付電極基Ｒｔｕ＋　Ｖ
−平均気孔径の方を大きくすることによって、毛管力の
差により酸化剤側のリブ付電極基材（６）へなるべく電
解液が貯蔵されないような工夫が試みられているが、平
均気孔径を大きくすることによって酸化剤側のリブ付電
極基材（６）の強度が弱くなり特にウェブ部＠で割れや
すくなる。酸化剤側のリブ付電極基材（６）には実質的
に電解液を貯蔵しないので、貯蔵量が少ないなどの問題
点があり実用的ではなかった。

またその他の解決手段として、特開昭５８−６８８８１
号公報に記載されているように、平担なシート部＠の平
均気孔径をリブ部（ロ）の平均気孔径よりも大きくする
ことによって、やはり毛管力の差により平担なシート部
＠になるべく電解液が貯蔵されないような工夫が試みら
れているが、平均気孔径を大きくすることによって平担
なシート部υが著しく割れやすくなったり、また、一体
化されたリブ付電極基材の平担なシート部υとリブ部Ｑ
ｌ）の平均気孔径を変丸な、ければならないことがら手
間がかかり製造コストが高くつくなどの問題点がありや
はり実用的ではなかった。

そこで最も簡便な解決手段として用いられている方法は
米国特許第４．１１５，６２７号及び米国特許第４．１
６５，８４９号明細書に記載されているように平担なシ
ート部（２）にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ
）などの揚水性の強い材料を含浸し、平担なシート部＠
でのガス拡散性を確保する手段である。

この場合、リブ部Ｑ公は揚水されずにリン酸がリザーブ
されるが、平担なシート部（至）が揚水されている為に
容易にマトリックス層（２）へリン酸が移動することが
できず、実質的にリザーブ機能を果すことができない。

また平担なシート部（至）ではＰＴＦＥなどの揚水剤に
より水かきのような被膜が生じガスの拡散性が阻害され
るという問題点もあった。

なお燃料電極側の平担なシート部（９）では燃料として
使用される水素の拡散性が良いこと、通常水素は８０ｇ
６程度の高濃度で供給されること、もともと燃料電極の
分極抵抗が小さいことなどから、仮りに平担なシート部
（９）の空孔体積の５０％近くまでリン酸によって占有
されても何ら問題なく機能する。（５０％を越えると問
題を生じる。）ただし、リブ部（８）も含めて８０〜４
０％が通常燃料側リブ付基材にリザーブされるリン酸量
となっている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来のリン酸型燃料電池は以上のように構成されている
ので、特に酸化剤側のリブ付電極基材（６）の平担なシ
ート部（２）でのガス拡散性が貯蔵した電解液によって
著しく阻害され特性が低下するという問題があり、この
為、酸化剤側には実質的に電解液を貯蔵することが難し
いという問題点があった。

こ６発明は上記のような問題点を解決する為になされた
もので、酸化剤ｇ極においてもガスの拡散性を阻害する
ことなく充分な量の電解液を貯蔵できる燃料電池を得る
ことを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係るリン酸型燃料電池は、少なくとも酸化剤
電極は電解質保持７トワツクスに対向し多孔質のカーボ
ンペーパーの厚さ方向全域に亘って触媒が存在する触媒
プレートを有するものであり、この触媒プレートと平板
セパレータ間に、上記触媒プレートとの対向面に反応ガ
ス供給用の溝を有するリブ付リザーブプレートを備えた
ものである。

〔作用〕

この発明におけるリブ付リザーブプレートは、ガス拡散
性を阻害することなく電解液を貯蔵でき、触媒を有する
触媒プレートは、リブ付リザーブプレートと電解質保持
マトリックスとの電解液のやり取りを容易にすると共に
触媒プレートの厚さ方向全域に亘って存在する触媒を物
理的に支持し、ガス°拡散性を確保する。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。

第１図は、この発明の一実施例によるリン酸型燃料電池
を示す断面図である。第１図では第６図の従来例と同様
に、わかりやすくする為に燃料ガス流路σ０と酸化剤ガ
ス流路（至）とを平行に配置して示している。図におい
て、（至）はフラットな融媒プレートであり、　０４は
多孔性のリブ付リザーブプレートでΦる。リブ付リザー
ブプレートα・は炭素繊維を主成分とする多孔性部材か
ら成り１例えば呉羽化学工業■のＫＥＳ−４（１０）や
ＫＥＳ−８（１０）などを用いることができ、これらの
材料は４０μｍ前後の平均気孔径と６０％前後の気孔率
を有している。リブ付リザーブプレー）　０１１１の第
１の役割はその気孔にリン酸をリザーブすることであり
、第２の役割はリブ部（１１）を有することによって触
媒プレート（ト）との間に酸化剤流路口を確保すること
である。また第８の役割は触媒プレート（ハ）において
生じる熱をフラットなセパレータα◆に伝達することで
あり、第４の役割はセパレータｕ４から触媒プレート（
ト）へ反応にＭいられる電子を運ぶ為の通路となること
である。先に挙げた材料を用いた場合、これらの役割は
満足に果される。なお平担なシート部（至）はリブ部（
１１）と同様にリン酸をリザーブするが、複数個のリブ
部（ロ）を連絡し、各々のリブ部（ロ）に過不足なくリ
ザーブされるよう調整する役割もする。また平担なシー
ト部（２）とリブ部（６）は同じ材質で同じ気孔径であ
ってよいが、異なる材質、異なる気孔径であっても先に
述べた役割を果しておればかまわない。またリブ付リザ
ーブプレートαＱに部分的に撥水処理や親水処理がなさ
れていてもかまわないが、先に述べた材質であれば何ら
処理を施すことなく充分に役割を果すことができる。ま
たリブ付リザーブプレートσ・の端部のガスシール部り
については、例えば米国特許第８，８６７，２０６号（
特公昭５８−１６２号）に記載されているようなウェッ
トシールを適用することができる。一方、触媒プレート
明は多孔質のカーボンペーパーを含み実質的にカーボン
ペーパーの厚さ方向全域にわたって触媒が存在しており
、これが、本発明の実施例に対し有益な効果を与える。

　゛第２図Ａ、Ｂはそれぞれ酸化剤電極の２つの型の構
成例を示す拡大断面図である。Ａは０．１電の厚さのカ
ーボンペーパー（東し■製、気孔率７５９６前後、平均
気孔径８０μｍ前後）の内部に厚さ方向全域にわたって
触媒を塗布した触媒プレート叩と従来と同様の触媒層（
厚さ約０．１１１１１）　（３）とから構成されている
実施例であり、Ｂは０．２１１１の厚さのカーボンペー
パー（東し■製、気孔率７５％前後、平均気孔径８０μ
ｍ前後）の内部に厚さ方向全域にわたって触媒を塗布し
た触媒プレート萌のみで酸化剤電極を構成した実施例で
ある。触媒プレートの厚さは厚すぎると全体の電池構成
の厚さも厚くなるのでできるだけ薄いことが望ましく好
ましくは０４１１１以下が良い。これらの触媒ブレート
叫の製造方法としては、例えば本願出願人の所有に係る
米国特許第４，６０８，０６０号（特開昭６０−１５１
９６８号公報）に記載されているリバースロールコータ
−法による塗工法とペースト組成を用いることができる
。

例えば白金を主成分とする金属微粒子型触媒を担持した
カーボンとポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の
混合物より成る触媒ペーストを何ら撥水処理の行なわれ
ていないカーボンペーパー上にリバースロールコータ−
法を用いて一定量塗布することによって、完全にカーボ
ンペーパー内に触媒ペーストが浸透しあるいはカーボン
ペーパー内の空孔を完全にうめてしまうであろう。しか
し、乾燥時には触媒ペーストは水やイソプロピルアルコ
ールなどの溶媒が蒸発する為に体積が減少し、カーボン
ペーパーの繊維を触媒がコーティングした形でガス拡散
性に充分な気孔径と体積の気孔が確保される。塗布する
ペーストの量を多くすれば、第２図Ａのようにカーボン
ペーパー−の上にモ触媒層（３）が形成され、少なけれ
ば第２図Ｂのようにカーボンペーパー側の元々の厚さを
超えずに触媒はすべてカーボンペーパーの繊維にコーテ
ィングされる。なお、スプレー法で触媒ペーストを塗布
しても、ロールプレスで触媒ペーストをカーボンペーパ
ーに圧入しても第２図Ａ、Ｂに示すような構成の触媒プ
レート叩や触媒層（３）を得ることができる。またカー
ボンペーパーの中に触媒ペーストを押し込める形で充填
したとしてもやはり触媒層（３）単独の場合よりも充分
な気孔径と体積の気孔が確保される。

触媒プレート語の特長の第１は、触媒プレート（至）の
表裏でのリン酸のやり取りすなわちマトリックス層（２
）とリブ付すザーブプレートαφ間のリン酸のやり取り
をスムーズに行なう為の通路となる仁とであり、特長の
第２はカーボンペーパーを骨材として触媒に対し充分な
ガス拡散路を確保していることである。また第８の特長
として自立性を有することが挙げられる。これらの特長
についての詳細な説明は他の実施例を用いて後で説明す
る。

第１図の説明に戻り、徹は０．４９１１の厚さのテフロ
ン板であり、ｉｌ）は燃料極触媒層である。（５）は従
来と同じリブ付′Ｔ［極基材であり、リブ部（８）と平
担なシート部（９）は同じ材質、同じ気孔径であってよ
い。なおリブ付電極基材（５）には撥水処理が全く行な
われていなくてよく、その気孔に気孔体積の６０影まで
のリン酸のリザーブが許容される。これは燃料極側であ
るので水素の拡散性の良さと通常用いられる燃料ガス組
成（Ｈ２８０ｖ１０．　Ｃｏ、　２０９６）で水素の濃
度が圧倒的に高いことによる。このことは米国特許第４
，０８５，５５１号（特公昭５８−５８７８５号明細書
）の中で詳しく記述されているが、酸化剤電極側で従来
例で述べたように平担なシート部（９）での拡散抵抗が
大きくなり出力電圧が低下する為に、実習的にリン酸を
リザーブすることができないのと対象的である。なお触
媒層（１）は平担なシート部（９）に埋め込まれる形で
形成されていてもよく、一般に燃料極では酸化剤すなわ
ち空気極よりも少ない触媒層でも充分な性能を発揮する
ことができる。

なおリブ付電極基材（５）端部のガスシール部り０には
ウェットシールの他にフッ素樹脂やフッ素系のゴムを用
いたドライシールを用いることができる。

またマトリックス層（２）は、例えば本願出願人の所有
に係る米国特許第４，５１７，２６０号（特開昭５９−
２１１９６８号公報）に記載されているような構成を用
いることができる。

またフラットなセパレータＱ４はリン酸の吸収と反応ガ
スのリークを防ぐ為にグラツシーカーボンなどのような
できるだけ残存気孔体積の少ない材質が望ましい。

さて、次に第１図の実施例の効果を明らかにす゛る目的
で行なったいくつかの実験例について説明する。

〈実験１〉（サンプルＡ、Ｂ、Ｃの作成）厚さ０．１１
１１１で大きさ８０ｃｒｒＬＸ８０ｃｍのカーボンペー
パー（東し■製、気孔率７５％前後、平均気孔径３０μ
ｍ前後）にテフロンディスパージョン（ミ井フロロケミ
カル■、テフロン８０Ｊ）を２倍に希釈した溶液をスプ
レー法により塗布し、乾燥した後３７５　’Ｃ空気中に
て熱処理することで撥水処理を行なった。この処理なよ
りカーボンペーパーに付着したポリテトラフルオロエチ
レン（ＰＴＦＥ）の重量は約ａｍｐｌａｄであった。こ
の撥水処理済のカーボンペーパーを後の処理工程も含め
てサンプルＣと呼ぶことにする。

次にサンプルＣと同じ材質と同じ大きさで撥水処理を行
なわないカーボンペーパーをサンプルＡとして用意しこ
れとは別に厚さ０．２１１１で大きさ３０ｃｆｎＸ３０
ｃｍのカーボンペーパー（東し■、前述のものと同一）
をサンプルＢとして用意した。

リバースロールコータ−用の空気ｉ用触Ｗペーストを用
意し、サンプルＡ、Ｂ、Ｃをパレットのトに固定し米国
特詐筑ｔ６　ｎ　３□０６０号（岐開昭６０−１５１９
６８号公報）に記載された方法により、サンプルＡとＣ
は同一量の触媒ペーストを塗布し、サンプルＢはサンプ
ルＡの半分の量の触媒ペーストを塗布した。サンプルＡ
とＢについては塗布した反応の面に触媒層が全面的に透
過してきており、カーボンペーパーを含めた乾燥後の厚
さはサンプゝ゛ルＡが０．２　ｆｉ、サンプルＢが０．
１１、サンプルＣが０．２４μｍであった。またサンプ
ルＡ及びサンプルＢの気孔径と気孔率を調べた所、触媒
ペースト塗布乾燥後２０μｍ前後の平均気孔径と、　５
０％前後の気孔率（１０μｍ以下の気孔径の気孔を含め
ない）がカーボンペーパー中に確保されることが確認で
きた。

サンプルＡ、Ｂ、Ｃは分散剤などの有機物を除去すべく
２８０℃にて４０分間熱処理し、８５０℃にて２０分間
焼成した゛。

く実験２〉（リン酸透過テスト）実験１により作成したサンプルＡ、Ｂ、Ｃの８つの空気
極を５（ｍＸ５ｃＦＦ！に切断し、これとは別に１、８
絹の厚さのカーボン基材（県別化学工業■。

ＫＥＳ４ＧＯ）を４ｃｙｙｉＸ４ｃｍに切断したものを
８枚、厚さ１．（１０）のテフロン板を４ｅｆＦＩＸ４
ｃｆＲに切断したものを用意した。

次にあらかじめ１９０℃に加熱した１０５％のオルトリ
ン酸（ラサ工業■製）を１．８０の厚さのカーボン基材
８枚に各々Ｉｃｃずつ加えた。この量はカーボン基材の
気孔に６０体積パーセントのリン酸を含浸したことに相
当する。

次にこれらの試料の重量を計算した上で第８図のような
組み合せで積層して１９０℃に保持した。

第８図において、（１）はサンプルＡ、Ｂ又は０％（２
）はリン酸を含浸したカーボン基材、勾はリン酸を含浸
していないカーボン基材、肴はテフロン板、（財）は金
メッキした銅板である。この組み合せによれば、サンプ
ル（イ）にリン酸透過性があれば、リン酸を含浸したカ
ーボン基材（２）からリン酸を含浸していないカーボン
基材（２）へリン酸が移動するはずである。

なお、サンプル（１）の端部を伝ってリン酸が移動する
のを防止する為に、サンプル翰の大きさを基材＠ｌ）　
、　翰よりも大きくしている。またサンプルの触媒層を
塗布した面をリン酸を含浸した基材（２）側に向けてセ
ットした。

サンプル（１）としてサンプルＡ、Ｂ及びＣを用いた場
合の８通りについて同時にセットして１９０℃に保持し
、一定時間毎に取り出して基材ｚｎ　、　＠の重量を測
定した。その結果を第４図に示す。

この結果、カーボンペーパーに撥水処理が施されている
サンプルＣではほとんど基材（２）にリン酸が移動して
いないのに対し、触媒プレート型のサンプルＡ及びサン
プルＢではすみやかにリン酸が移動し、基材（２）、＠
間でリン酸量が平衡に達することがわかった。このこと
から、第１１図の触媒プレーート明においてリブ付リザ
ーブプレートαＱとマトリックス層（２）との間ですみ
やかにリン酸の受けわたしができることが明らかである
。なお触媒プレート側は揚水性を持つポリテトラフルオ
ロエチレン（ＰＴＦＥ）を含んでいるが、触媒担持カー
ボンによって構成される親水性の０．１μｍオーダーの
ミクロポアを通ってリン酸が移動する為にＰＴＦＥによ
る影響を受けないものと考えられる。ξれに対してあら
かじめ溌水処理されたカーボンペーパーでは繊維はほと
んどがＰＴＦＨによる被膜で覆われていて完全な揚水性
を示し、触媒ペーストも透過することができず、従って
、厚さ方向にリン酸の型移動できるパスが形成されない
と考えられる。

〈実験８〉（サンプルＡの単セル試験）サンプルＡを１
０ｃｆｒＬＸ１０ＣＦｔｌに切断し、これを空気極とし
て用いて第１図のように構成し１９０　’Ｏ常圧にて有
効面積１ｏｏｃＩ／ｌの単セルとしてその初期特性を調
べた。なおこのとき燃料極にはリブ付基材（５）（県別
化学工業■、ＫＥＳ４（１０）　）を用い触媒ペースト
をリバースロールコータ−法により塗布した後、さらに
平均粒径１μｍの炭化ケイ素を７７重量パーセント、五
酸化タンタル２０重量パーセント、　ＰＴＦＥ３重量パ
ーセントの混合物からなるマトリックス層１５０μｍを
やはりリバースロールコータ−法により塗布し、２５０
℃にて分酸剤などの有機物を分解すべ（４０分間熱処理
した後ｓ　ａ　ｏ　”（３にて２０分間焼成した。

燃料極のリブ付基材（５）には空孔体積の８０％を占め
るようリン酸を含浸し、マトリックス（２）には空孔体
積の１（１０）％と触媒の空孔体積の６０％を占めるだ
けのリン酸を含浸し、リブ付リザーブプレートα・には
空孔体積の８０％を占めるようにリン酸を含浸し、４に
９７ａｔの面圧をかけて２０　師ン個　にて空気　　。

（利用率６０％）とＳＲＧガス（Ｈ２８０９６十Ｃ０，
２０％、利用率７６％）を供給して運転を開始した。

酸化剤電極（空気極と一般に呼んでいる）のガス拡散性
を評価する方法として０２ゲインという値が一般的に用
いられている。０．ゲインは酸化剤として純酸素を用い
た場合と空気を用いた場合の出力電圧の差で定義され、
動作条件（温度、反応ガス利用率など）によって多少変
化するが、ネルンストゲインと活性化分極の変化分が理
論値で６５ｍｖ程度であり、これよりも大きい値になれ
ばそれはガス拡散抵抗により濃度分極が生じた分である
と考えることができる。すなわち０２ゲインが６５ｍｖ
よりも大きくなればなる程空気極側でガスの拡散性が悪
くなっていると考えられる。

さて、サンプルＡを用いて作成した上記の単セルでは、
０□ゲインは２（１０）　ｍＡ７’ｃｒＡで６５ｍｖ、
　８（１０）ｍＡ７ｃｍでは６０ｍｖであった。すなわ
ち２（１０）　ｍＡ／ａｌｌではほとんど拡散抵抗を受
けておらず空気極側でのガス拡散性が充分であることが
わかった。

また、この単セルはその後１（１０）０時間近くまで空
気利用率／　ＳＲＧ利用率が５０％／７５９６で連続運
転を行なったが、出力電圧は６２０ｍｖ前後で安定に動
作した。

〈実験４＞（−１７ンプルＢの単セル試験）サンプルＢ
を５（ｍＸ５（ｍに切断して４枚用意し、これらを空気
極として用い、これらを井桁に並べて第１図のように構
成し、１９０℃常圧にて有効面積１（１０）７の単セル
としてその初期特性を調べた。

このときの燃料極には実験４と同じ仕様のものを用いた
。燃料極のリブ付基材（５）及びリブ付リザーブプレー
トαＱに含浸するリン酸量は４０９６とした。

この単セルも実験８と同様の条件で運転した。

０、ゲインは２（１０）　ｍＡ／７で７０ｍｖ　３（１
０）ｍＡ／ｃｔＡで７５ｍｙでありサンプルＡの場合よ
りも多少大きくなっているが、リブ付リザーブプレート
α０に含浸したリン酸量が多かったことと、サンプルＡ
よりもサンプルＢの方が触媒量が少ないことが影響した
ものと考えられる。またこの単セルはその後８（１０）
時間近くまで連続運転を行なったが、６（１０）ｍｖ前
後の出力電圧で安定に動作した。

く実験６〉（サンプルＣの単セル試験）サンプルＣを１
０ｃｍＸ１０ｃｍに切断してこれを空気極として用い、
サンプルＡやサンプルＢと比較する為に第１図と同様に
構成し、燃料極のリブ付基材（５）及びリブ付リザーブ
ブレー）　ＤＩに４０％にリン酸量を含浸して実験８と
同様の条件で運転した。

０！ゲインは２（１０）ｍＡＡｌｔで９０ｍｖ　８（１
０）ｍＡ４ｍで１１９ｍｖであり、明シかに濃度分極の
寄与が大きくなっている。これはカーボンペーパーを揚
水処理するときに生じた水かきのような被膜によりガス
の拡散性が悪くなったため゛と考えられる。またオーム
損も実験８や実験４の場合と比べて６〜１０ｍｖ大きく
なっており、揚水されたカーボンペーパーとリブ付リザ
ーブプレートＱｌとの接触抵抗がＰＴＦ　Ｅが繊維を覆
っていることから大きくなったのではないかと予想され
る。

この単セルも実験８と同様に１（１０）０時間近くまで
連続運転を行なったが、出力電圧は初期５７０ｍｖでオ
ーム損が徐々に増加する現象が見られ１（１０）０時間
後には５５０ｍｖにまで低下した。

〈実験例６〉（従来例の単セル試験）第６図に示した従来例と同じ構成のリブ付電極の単セル
試験（有効面積１（１０）ｃｍ）を行なった。このとき
空気極側にはリブ付電極基材（県別化学工業−ＫＥＳ４
（１０））を用い、平担なシート部（９）に何ら揚水処
理することな〈従来法により触媒層（１）を形成した。

リブ付電極基材（５１、（６）　（空気極及び燃料極）
に４０％のリン酸量を含浸して実験８と同様の条件で運
転した。

０！ゲインは２（１０）ｒｒ１７ａｄで１２０ｍｖで８
（１０）ｍＡ／ａｔｅでは負荷がとれなかった。また時
間と共に０２ゲインが徐々に増加する現象が見られ３（
１０）時間後に停止せざるを得なくなった。

以上の実施例から＠１図の実施例について次の様な特長
が明らかである。

まず実験例２により、触媒プレート（至）がマトリック
ス層（２）とリブ付リザーブプレート０６間のリン酸の
やり取りをスムーズに行なう為の通路となることがわか
る。また実験８〜６により、触媒プレート（至）ではカ
ーボンペーパーを骨材として触媒に対し充分なガス拡散
路が確保され、０．ゲインが小さくなっていることがわ
かる。なおリブ付リザーブプレートａＱに１（１０）９
６近くのリン酸が含浸された場合にも、酸化剤ガス流路
（至）に面する触媒プレート（ト）では反応することが
できる。すなわち流路口に面する触媒プレートＱｆ９の
約半分の面積はリブ付リザーブプレートαＱに含浸され
るリン酸量に影響されず充分にガス拡散路が確保される
。一方リブ付リザーブプレートαＱに面する触媒プレー
ト叩の約半分の面積ではリブ付リザーブプレート（ｌに
含浸されるリン酸量によってガスの拡散性が影響される
が、カーボンペーパ一部０ηの空孔により横方向のガス
拡散があるので緩和され、実験３や実験４で用いたよう
に８０〜４０％の含浸であればほとんど影響がない。な
お８０〜４０９６０含浸は通常燃料極側のリブ付電極基
材に含浸するリン酸量として用いられている量であり、
空気極と燃料極の基材を同じ材質にした場合にはバラン
スから考えて妥当な値である。

なお、第１図の措造にすれば燃料極側の平担なシート部
（９）で燃料極の触媒層（１）及びマトリックス層（２
）が支持されているので、触媒プレート（至）は実験４
で示したように複数の触媒プレートを並べて構成するこ
とができる。従って大型の電池を作るときも小型の触媒
プレート（至）を並べて構成することができ取り扱いや
すくコストが安くなる等の効果がある。

また、触媒プレート（至）とラブ付すザーブプレートα
・から成る構成を燃料極側に適用してもよく。

燃料極側でもリザーブ量とガス拡散性に対する許容範囲
が広がる効果がある。

また、上記実施例ではリブ付リザーブプレート（至）端
部のガスシール部弼がウェットシール、触媒プレートａ
ｓｓ縁部のガスシール部（２）がテフロン板である場合
について説明したが、第５図に示すように、リブ付リザ
ーブプレート端部ガスシール部（至）を緻密な炭素材に
よって構成して平板セパレータｕ４に接合すると共に、
このガスシール部四に貫通孔を設けて例えばテフロンチ
ューブ＠１等を挿入し、このテフロンチューブ＠１を介
してリブ付リザーブプレートα・にリン酸を注入するこ
ともできる。

この場合、リブ部α９は多孔性の炭素材によって構成さ
れるとよい。また、触媒プレート周縁ガスシール部ｇ３
を、空孔にグラファイト粒子が充填された多孔性のカー
ボンペーパーにリン酸を含浸したウェットシール部とし
てもよく、カーボンペーパーの空孔に充填する粒子とし
ては、上記グラファイト粒子の他に炭化ケイ素、リン酸
ジルコニウム、炭化ホウ素、窒化ケイ素やこれらの混合
物を用いることができる。

また、上記実施例では何れも触媒プレート（至）の周囲
に周縁ガスシールブレートウ濁を配設した場合を示した
が、触媒プレートωの面積をリブ付リザーブプレートα
０の面積より小さくし、触媒プレート明が当接するリブ
付リザーブプレートａ・の凸部の高さを当接しないリブ
付リザーブプレートＱＱの凸部の高さよりも低く形成し
、触媒プレート（至）をリブ付リザーブプレートα０に
嵌め込んで、周縁ガスシールプレート（ハ）を省いても
よい。

さらに、上記実施例では何れもリブ付リザーブプレート
Ｑ・のガス流路（至）がリブ部０Ｄと平担なシート部（
２）によって構成される場合について示したが、平板セ
パレータａ◆に直接にリブ部（１１）を間隙を設けて接
合し、上記間隙をガス流路としてもよく、この場合、シ
ート部（至）を省いた分だけ−セルあたりの厚さを薄く
できる効果がある。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、少なくとも酸化剤電
極は、電解質保持マトリックスに対向し多孔質のカーボ
ンペーパーの厚さ方向全域に亘って触媒が存在する触媒
プレートを有するものであり、この触媒プレートと平板
セパレータ間に、上記触媒プレートとの対向面に反応ガ
ス供給用の溝を有するリブ付リザーブプレートを備えた
ので、酸化剤電極側においてもガスの拡散性を阻害する
ことなく充分な量の電解液を貯蔵できるリン酸型燃料電
池が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例によるリン酸型燃料電池を
示す断面図、第２図Ａ、Ｂはそれぞれこの発明の一実施
例に係る酸化剤ｗ１ｔ４部を拡大して示す断面図、第８
図はリン酸透過テストに用いた積、１８体を示す側面図
、第４図はリン酸透過テストの結果を示す特性図、第５
図はこの発明の他の実施例によるリン酸型燃料電池を示
す断面図、第６図は従来のリン酸型燃料電池を示す断面
図である。図において、（１）は燃料Ｙｕ極触媒層、（２）は電解
質保持マトリックス、（３）は酸化剤電極触媒層％（５
）は燃料側リブ付電極基材、（６）は酸化剤側リブ付電
極基材、（８）、（ロ）はリブ部、　（９）　、　Ｕは
平担なシート部、（１０）は燃料ガス流路、α３は酸化
剤ガス流路、α◆は平板セパレータ、（至）は触媒プレ
ート、αＯはリブ付リザーブプレート、ｒＩｌｌ〜□□
□はガスシール部、１１１１１はリン酸注入用チューブ
である。なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示すもの
とする。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）電解質保持マトリックスを介して対向する酸化剤
電極および燃料電極を有する単する単電池を、上記酸化
剤電極に対設する酸化剤ガス流路と上記燃料電極に対設
する燃料ガス流路を分離する平板セパレータを介して複
数個積層するリン酸型燃料電池において、少なくとも上
記酸化剤電極は、上記電解質保持マトリックスに対向し
多孔質のカーボンペーパーの厚さ方向全域に亘つて触媒
が存在する触媒プレートを有するものであり、この触媒
プレートと上記平板セパレータ間に、上記触媒プレート
との対向面に反応ガス供給用の溝を有するリブ付リザー
ブプレートを備えたことを特徴とするリン酸型燃料電池
。
（２）電解質保持マトリックスと触媒プレート間に触媒
層を有する特許請求の範囲第１項記載のリン酸型燃料電
池。
（３）触媒プレートを複数枚積層して用いる特許請求の
範囲第１項または第２項記載のリン酸型燃料電池。
（４）触媒プレートに用いられるカーボンペーパーには
撥水処理が施されていない特許請求の範囲第１項ないし
第３項の何れかに記載のリン酸型燃料電池。
（５）燃料電極は、リブ付電極基材の平担なシート部に
燃料電極触媒層が形成され、リブ部が平板セパレータに
当接されている特許請求の範囲第１項ないし第４項記載
のリン酸型燃料電池。
（６）リブ付電極基材の平担なシート部に形成された燃
料電極触媒層上に電解質保持マトリックス層が形成され
ている特許請求の範囲第５項記載のリン酸型燃料電池。
（７）リブ付リザーブプレートの周縁部には湿潤ガスシ
ールが施されている特許請求の範囲第１項ないし第６項
の何れかに記載のリン酸型燃料電池。
（８）触媒プレートは平板セパレータよりも面積が小さ
く、触媒プレートの周縁部には親水性の粒子を充填した
多孔性のカーボンペーパーを有する周縁ガスシールプレ
ートが配設されている特許請求の範囲第１項ないし第７
項の何れかに記載のリン酸型燃料電池。
（９）親水性の粒子は、グラファイト、炭化ケイ素、リ
ン酸ジルコニウム、炭化ホウ素、および窒化ケイ素粒子
のうちの少なくとも一つである特許請求の範囲第８項記
載のリン酸型燃料電池。
（１０）触媒プレートはリブ付リザーブプレートよりも
面積が小さく、上記触媒プレートが当接するリブ付リザ
ーブプレートの凸部は当接しないリブ付リザーブプレー
トの凸部よりも高さが低く形成され、上記触媒プレート
は上記リブ付リザーブプレートに嵌め込まれている特許
請求の範囲第１項ないし第７項の何れかに記載のリン酸
型燃料電池。
（１１）リブ付リザーブプレートの反応ガス供給用の溝
の凸部は多孔性の炭素材によつて構成され、上記溝に平
行な側辺部には緻密な炭素材によつて構成された周縁ガ
スシール部を有する特許請求の範囲第１項ないし第６項
および第８項ないし第１０項の何れかに記載のリン酸型
燃料電池。
（１２）リブ付リザーブプレートの周縁ガスシール部に
は、多孔性の炭素材にリン酸を注入する注入口が形成さ
れている特許請求の範囲第１１項記載のリン酸型燃料電
池。
（１３）注入口にはテフロンチューブが挿入されている
特許請求の範囲第１２項記載のリン酸型燃料電池。