JP2633522B2

JP2633522B2 - 燃料電池

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Publication number: JP2633522B2
Application number: JP60157894A
Authority: JP
Inventors: 武桑原; 勝則酒井
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1985-07-17
Filing date: 1985-07-17
Publication date: 1997-07-23
Anticipated expiration: 2012-07-23
Also published as: JPS6220255A

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
部に電解層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
るガスとを電機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２図に示す如く高密度の溝
付導電性炭素板を、いわゆる積層化素子として仕様する
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４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４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、白金などの接
触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送
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1,正極２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各の触
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４を介在させな
がら複数込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中の蒸発およ
び飛散による減少が生じても、リブ部12よりの電解質を
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２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２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２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１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１だけが電解質保有が可能であるが、負極１
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において溝部残
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以下）と、積層対の高さ
が大きくなって燃料電池の単位セル当りの発電容量が小
さくなるから（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、特開昭58−188054号公報，特開昭58−8978
0号公報のよ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、また単位セル及び積層化素子
の空隙率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燃料ガスを負
極側活物質として用いると共に、酸化性のガスを正極側
活物質として用い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
孔性炭素基板からなる負極と、あらかじめ防水処理が施
され、かつ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なる正極と
を、電解液を含有する電解質層を介して各触媒層面が相
対向するようにして密着一体化して単位セルを構成し、
また、単位セルを複数個、当該単位セル間に負極に対す
る面に負極側活物質の流通溝が形成された片面溝付の多
孔性炭素基板からなる第１の積層化素子、ガス不透過性
の炭素薄板からなる第２の積層化素子、正極に接する面
に正極側活性物質の流通溝が形成された片面溝付の多孔
性炭素基板からなる第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流通溝を、第２の積層化素子の
外側にすると共に互いに直交するように重ね合わせてな
る積層化素子を介在させて積層構成し、さらに、第１ま
たは第３の積層化素子のうち少なくとも第の積層化素子
の空孔部に電解質を含浸保持させ、かつ第１または第３
の積層化素子のうち少なくとも第１の積層化素子の気孔
率を、負極および正極を形成する多孔性炭素基板の気孔
率よりも小さくして成る。

［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最大の特徴点は、単位セルの
積層化に用いる積層化素子の構成にある。

すなわち、本発明の燃料電池に適用される積層化素子
は、第１図に示すように、負極側活物質（水素を主成分
とする燃料ガス）の流通溝が形成された片面溝付でかつ
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、ガス不透過性の炭素薄板からなる
第２の積層化素子７、正極に接する面に正極側活物質
（酸化性のガス）の流通溝が形成された片面溝付でかつ
必要に応じて空孔部に電解質を含浸保持した多孔生誕素
基板からなる第３の積層化素子８を、第２の積層化素子
７を挟持するように、かつ第１の積層化素子６および第
３の積層化素子８の夫々の流通溝を、第２の積層化素子
７の外側にすると共に互いに直交するように重ね合わせ
て構成している。

そして、これら各積層化素子6,7,8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
が担持された平板状の多孔性炭素基板からなる負極１
と、あらかじめ防水処理が施され、かつ一方の面に電極
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
孔性炭素基板からなる正極２とを、電解液を含有する電
解質層３を介して各触媒層面が相対向するようにして密
着一体化したものとしている。

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75％）カ
ーボンペーパーに、重量比で７％の白金黒をカーボン微
粉末上に科学的に還元析出させた触媒粉末と共にポリテ
トラフルオロエチレン懸濁液８重量％に添加、混練した
触媒を塗着して負極１を作成する。また、厚さが約0.4m
m、大きさは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、濃度30％のテトラフルオロエ
チレン懸濁液に含浸、乾燥し、330℃で15分間焼結した
ものを電極気体を用い、これにカーボン微粉末上に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
ポリテトラフルオエチレン懸濁液８重量％に添加、混練
した触媒を塗着して正極２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
位セルに形成した。

次に、厚さが2.0mm以下、大きさが600mm×700mm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:0.51g/c
m³,空孔径20〜150μ）の片面に、溝幅1.6mm、溝深さ0.9
mm、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６として、第１図に示す如く燃料ガス
流通溝10が負極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0.9m
mのガラス化炭素板からなるものを第２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側と反対の
第１の積層化素子６の面に接合させて、さらに空気流通
溝９が形成された大きさ600mm×700mmの第１の積層化素
子６と同じ材質で厚さ2.1mmのものを第３の積層化素子
８として、第１図に示す如く空気流通溝９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および第３の積層化素子６および８に
は積層前に、その空孔容積の60％以上望ましくは80％以
上にリン酸電解質を含浸保持しておく。また、燃料ガス
流通溝８と酸化剤ガス流通用溝とは、互いに90゜異なる
方向つまり直交する方向としている。

又、第１の積層化素子６及び第２の積層化素子８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。

従って、負極１及び正極２を形成する多孔性炭素基板
としての多孔性カーボンペーパーの空孔率は上記の如く
約75％であるので、第１又は第３の積層化素子６、８の
気孔率は、負極１及び正極２を形成する多孔性炭素基板
の気孔率よりも小さく形成されている。

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又は第３の積層化素子６、８の気孔率を、負極１及
び正極２を形成する多孔性炭素基板の気孔率よりも小さ
く形成している。

これは負極１及び正極２の各電極を構成する平板状の
多孔性カーボンペーパー（多孔性炭素基板）の空孔率が
約75％であるためで、このように第１及び第３の積層化
素子６、８の空孔率を、平板状の多孔性炭素基板の空孔
率以下に押さえることによって、第１及び第３の積層化
素子６、８の空孔に電解質が含浸保持させた後にも、負
極１及び正極２の各電極を構成する平板状の多孔性炭素
基板に、ガス拡散経路を確保できる。

又、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電解質濃度拡散や毛管現
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６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６の燃料ガス流通用溝10および第３の積層化素子
８の空気流通溝９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、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６およびハン
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
溝を通過する時の厚損が増加するため、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及び第３の積層化素子
６及び８の溝深さを夫々1.4mm及び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及び第３の積層化素子
6,8にそれぞれ多孔性炭素材（従来のリブ付電極材）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、リン酸電解質は第１または
第３の積層化素子６または８のうちの少なくとも第１の
積層化素子６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
側活物質として用いると共に、酸化性のガスを正極側活
物質として用い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
性炭素基板からなる負極と、あらかじめ防水処理が施さ
れ、かつ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なる正極と
を、電解液を含有する電解質層を介して各触媒層面が相
対向するようにして密着一体化して単位セルを構成し、
また、単位セルを複数個、当該単位セル間に負極に対す
る面に負極側活物質の流通溝が形成された片面溝付の多
孔性炭素基板からなる第１の積層化素子、ガス不透過性
の炭素薄板からなる第２の積層化素子、正極に接する面
に正極側活性物質の流通溝が形成された片面溝付の多孔
性炭素基板からなる第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流通溝を、第２の積層化素子の
外側にすると共に互いに直交するように重ね合わせてな
る積層化素子を介在させて積層構成し、さらに、第１ま
たは第３の積層化素子のうち少なくとも第の積層化素子
の空孔部に電解質を含浸保持させ、かつ第１または第３
の積層化素子のうち少なくとも第１の積層化素子の気孔
率を、負極および正極を形成する多孔性炭素基板の気孔
率よりも小さくするようにしたので、第１または第３の
積層化素子のうち少なくとも第１の積層化素子の空孔に
電解質を含浸保持させた後にも、負極および正極の各電
極を構成する平板状の多孔性炭素基板にガス拡散経路を
確保することができ、かつセル特性を低下させることな
く少なくとも第１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……第３の
積層化素子、９……空気流通溝、10……燃料ガス流通
溝、11……リブ部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭58−150271（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−189465（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−89780（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【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て用いると共
に、酸化性のガスを正極側活物質として用いる燃料電池
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なる負極と、あらかじ
め防水処理が施され、かつ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
からなる正極とを、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
単位セルを構成し、また、前記単位セルを複数個、当該単位セル間に前記負
極に対する面に負極側活物質の流通溝が形成された片面
溝付の多孔性炭素基板からなる第１の積層化素子、ガス
不透過性の炭素薄板からなる第２の積層化素子、前記正
極に接する面に正極側活性物質の流通溝が形成された片
面溝付の多孔性炭素基板からなる第３の積層化素子を、
前記第２の積層化素子を挟持するように、かつ前記第１
の積層化素子および前記第３の積層化素子の夫々の流通
溝を、前記第２の積層化素子の外側にすると共に互いに
直交するように重ね合わせてなる積層化素子を介在させ
て積層構成し、さらに、前記第１または第３の積層化素子のうち少なく
とも前記第１の積層化素子の空孔部に電解質を含浸保持
させ、かつ前記第１または第３の積層化素子のうち少なくとも
前記第１の積層化素子の気孔率を、前記負極および正極
を形成する多孔性炭素基板の気孔率よりも小さくして成
ることを特徴とする燃料電池。