JPH01217861A - 燃料電池 - Google Patents

燃料電池

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JPH01217861A
JPH01217861A JP63250742A JP25074288A JPH01217861A JP H01217861 A JPH01217861 A JP H01217861A JP 63250742 A JP63250742 A JP 63250742A JP 25074288 A JP25074288 A JP 25074288A JP H01217861 A JPH01217861 A JP H01217861A
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electrolyte
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fuel cell
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JP63250742A
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Maynard K Wright
メイナード・ケント・ライト
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Westinghouse Electric Corp
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    • H—ELECTRICITY
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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】 本発明は燃料電池、更に詳細には電解質貯溜手段を有す
る燃料電池に関する。
燃料の潜在的な化学エネルギーを直接電気へ変換する燃
料電池が当該技術分野において周知である。例えば、米
国特許第４．４６３，０６８号明細書を参照されたい。
かかる燃料電池は種々の電気化学的反応を利用している
。その一つである周知の反応としては、燃料として水素
を用い酸素と反応させて電気を発生させるものがある。
従来型の水素−酸素電池は、アノード電極とカソード電
極が濃燐酸のような電解質を含む多孔質材料層により離
隔された層状の構成である。水素はアノードの活性領域
の背後に設けた通路を介して、また酸素はカソードの活
性領域の背後に形成した通路を介して供給される。アノ
ード及びカソードにはプラチナのような触媒が担持され
ているアノードでは、水素ガスが触媒の存在下で水素イ
オンと電子に解離する。水素イオンは電解質中をカソー
ドへ向けて移動してイオン電流を形成し、電子は外部回
路を通ってカソードへ流れる。カソードでは、水素イオ
ン、電子及び酸素の分子が結合して水が生成される。
電解質として燐酸を用いる燃料電池は、電極間の母材中
に燐酸の体積の膨張或いは大きな変動を補償するための
充分ではないが体積調整空間が存在することが知られて
いる。このような体積の膨張は圧力、温度及び利用率が
運転中に変化することによって生じる場合がある。燐酸
はそれと接触する水の分圧との平衡状態を維持する性質
がある、従って、運転時の変動により水の分圧が変化す
ると燐酸中から水が蒸発して燐酸が濃縮化され、従って
その体積が減少するか、或いは燐酸が水を吸収してその
水により稀釈化され、そのため体積が増加することがあ
る。燐酸塩基は非常に低い蒸気圧を有するため、その質
量は想定される燐酸の体積の大きな変動下においても一
定である。
更に、燃料電池組立時の酸の充填及びその動作寿命全体
における酸の補給が、補給時の状態と燃料電池動作時の
状態の違いにより酸の体積に更に大きな変動を生ゼしぬ
ることがある。余分な燐酸塩基が燃料電池に取り込まれ
るように酸を補給した場合、運転時余分な水が吸収され
て体積が更に膨張する。
燃料電池中の燐酸の適量を決定するもう一つの変数は、
積重ね集合体中の燃料電池に寸法のばらつきがあること
である。この寸法のばらつきにより必要な燐酸の体積の
ばらつきが１０％にもなることがある。
酸の体積膨張が問題となる理由は、母材を挟む電極触媒
層の触媒部位へプロセスガスが到達するのはガス拡散現
象によるためであり、また一方電気化学的反応を発生さ
せるためには燐酸がそこに存在する必要があるからであ
る。燐酸が多すぎると、電極が酸により濡れた状態にな
るためガス拡散能力が低下し、電池の性能が落ちること
になる従来技術において用いられたこの一般的な問題の
解決方法は、電解質の膨張時は電解質を吸収し、収縮時
は放出する能力のある電解質必要量供給空間を設けるこ
とであった。かかる電解質貯溜手段を有する燃料電池が
米国特許第４，０３８，４６３号明細書に開示されてい
る。電解質貯溜層は多孔質で電解質に対して親水性があ
り、燃料電池の触媒層の一つに隣接してその背後に配設
される。その一つの実施例では、貯溜層は疎水性材料を
含浸し、このため貯溜層中に触媒層への反応剤ガスの通
路が形成される。疎水性材料の含浸は、貯溜層の大きな
体積部分を使用せずに反応剤ガスを触媒層へできるだけ
均等に供給するように行なわれる。更に、貯溜層は電解
質を保持する母材の材料と同様な材料を含浸し、このた
め母材から貯溜層への電解質の穆勤が促進される。かか
る構成を用いると電解質必要量調整空間が得られるが、
このため燃料電池の製造が相当程度複雑になる。かかる
親水性及び疎水性領域を併せ持ちそれと共に他の材料を
含浸した領域を有する貯溜層を製造することは困難であ
る。製造が困難であることは燃料電池のコスト増大を意
味する。
電解質の貯溜を行なうもう一つの試みが米国特許第４，
０３５，５５１号明細書に開示されている。この特許で
は、電解質貯溜層は燃料電池の一方の触媒層の背後に隣
接して配設されている。貯溜層は多孔質の親水性材料よ
り成る。余分の液状電解質は貯溜層内へ触媒層を介して
しみ込み、貯溜層内の微少な空孔を塞ぐ、大きいサイズ
の空孔は空で、反応剤ガスを触媒へ到達させるための通
路を形成する。この実施例では、貯溜層が適当な数の小
さい空孔及び大ぎい空孔を有し、それらが適当に配置さ
れるように貯溜層の製造に際し非常に正確な制御が必要
である。これはまた燃料電池の製造コストの増加につな
がる。
従って、本発明の目的は電解質必要量調整空間を有し、
製造が容易で、製造コストが低い燃料電池を提供するこ
とにある。
頭書の特許請求の範囲に記載した本発明は、−対の多孔
質対向電極と、かかる電極の間に位置して電解質を収容
する母材と、一方の電極に隣接して設けた第一の裏紙層
と、より成る燃料電池に関する。裏紙層の一部は母材中
に余分な電解質が存在するときはその電解質を吸収し、
母材中の電解質が不足するときは放出できるように電解
質を実質的に透過させる性質を有する。裏紙層の残りの
部分は電解質を透過させず、ガスが流れる通路を提供す
る。裏紙の第二の層は第一の裏紙層に隣接して設けられ
、電解質を実質的に透過させない性質を持つ。
本発明はこの第一の裏紙層により電解質体積調整空間を
形成する。第一の裏紙層の電解質透過性部分は、その裏
紙の約５０％を占めてもよい。裏紙の厚さは母材中の燐
酸の体積の約１０％に等しい酸体積調整空間を持つよう
に選択される。かかる大きさの空間は燐酸の体積膨張時
、電極が酸により濡れた状態になるのを防止するに充分
なものである。
電極の裏材が二つの独立した層により構成されるため、
電解質体積調整空間の形成は実質的に簡単になる。第一
の裏紙層を容易にマスクして残りの部分の濡れ防止処理
を行ない、電解質を実質的に透過させない領域を形成出
来る。第二の裏紙層は電解質が電池内へ保持されるよう
に、完全に濡れ防止処理が施されている。本発明のこの
製造工程は、濡れ防止処理を施す深さが問題とならない
ため容易に制御できる。製造工程の簡単化により、燃料
電池の総合コストが減少すると共に電解質体積調整空間
の製造上のばらつきが減る。本発明の叙上のまた他の利
点及び作用効果は、添付図面を参照し乍ら好ましい実施
例の以下の説明を読むと更に明らかになるであろう。
第１図は本発明の燃料電池１０である。燃料電池１０は
上部双極板１２と下部双極板１４とを有する。双極板１
２と１４の間にはカソード電極１６及びアノード電極１
８が位置する。電極１６と１８の間には母材２０が設け
られる。母材２０は例えば燐酸のような電解質を含む。
カソード１６はカソード層２２、第一の裏紙層２４及び
第二の裏紙層２６より成る。同様に、アノード１８はア
ノード層２８、第一の裏紙層３０及び第二の裏紙層３２
より成る。
電解質を貯溜する理想的な場所はアノードに隣接する第
一の裏紙Ｒ３０であり、その次に理想的な場所はカソー
ドに隣接した第一の裏紙層２４である。しかしながら、
電解質の貯溜は裏紙層３０．２４を通ってそれぞれ電極
層２８及び２２へ向かうガスの拡散を妨げるものであっ
てはならない現在手元にある燃料電池の設計によると、
裏紙層の厚さは約０．４＋＋＋ｍ（１６ミル）である。
裏紙層３０及び３２としてかかる１６ミルの紙を２枚使
用した場合、電池の抵抗及び拡散によるロスが増加し電
池の性能に望ましくない影響を与える。
従って、第一及び第二の層３０．３２の厚さの合計が現
在用いている裏紙とほぼ等しくなるような裏紙を用いる
ことが望ましい。厚さ　Ｏ，１ｍｍ　（４ミル）、０．
２ｍｍ　（８ミル）、０．３ｎ１ｍ　（１２ミル）及び
０．４ｍｍ　（１６ミル）の裏紙が現在入手可能である
。０．１ｍｍと０．３ｍｍの裏紙或いは０．２ｍｍの裏
紙２枚を用いて全厚０．４＋１１１１１を実現できる。
本発明の重要な特徴は、第二の裏紙層２６．３２を完全
に濡れ防止処理して電解質を実質的に電池内に閉じ込め
、上部及び下部双極板１２．１４から実質的に隔離でき
ることである。電極層２２、２８に隣接する第一の裏紙
層２４．３０は、裏紙の一部がガス拡散可能なようにそ
の厚さ全体に亘って濡れ防止状態にあるが、残りの部分
は濡れ防止状態になく、このため電解質が自由に膨張し
て濡れ防止処理による抵抗を受けないようなパターンで
選択的に濡れ防止処理することが可能である。かかる構
成によると、電解質の体積が変化するにつれて、第一の
裏紙層３０の濡れ防止処理を施されてない部分が電解質
を吸収するか、或いは電解質を母材へ戻すように作用し
、これはプロセスの動的状況に支配される。電解質の体
積膨張時、濡れ防止処理を施されていない部分は電解質
を吸収するが、電解質が不足する時は、その濡れ防止処
理を施されてない部分が電解質を放出する。
電解質は第一の裏紙層３０の濡°れ防止処理を施された
部分に優先して濡れ防止処理を施されてない部分内へ自
由に移動するかまたはその部分から流出できる点が重要
である。かかる優先順位が存在しないと、電解質は電［
２２，２８及び第一の裏紙層２４．３０を介して強制的
に流れることになり、このため触媒層へのガスの拡散が
妨げられて、その層がある程度電解質で濡れた状態にな
ることになる。
第一の裏紙層３０の濡れ防止処理を施されていない領域
は、電解質体積の膨張及び収縮を補償する体積調整空間
を提供するだけでなく、酸補給用の貯溜手段として働き
、酸の補給なしで運転出来る耐久時間が延長される。
本発明のもう一つの特徴は、第一の裏紙層の濡れ防止処
理を施す領域の大きさにある。その大ぎさを決定するた
めの研究は未だ行なっていないが、第一の裏紙層の濡れ
防止処理を施さない部分はアノード電極１８の第一の裏
紙層３０については５０％以下、カソード電極１６の第
一の裏紙層２４については２５％以下にするとアノード
電極１８を介する水素ガスの拡散、及びカソード電極１
６を介する酸素の拡散が妨げられることがないと思われ
る。第２図は濡れ防止処理を施す領域を選択的に設ける
一態様を説明するためのものである第２図において濡れ
防止処理を施した領域を参照番号３４及び３６で示す。
濡れ防止処理を施した領域の正確な形状は重要ではない
が、かかる処理を施した領域と施さない領域とが一様に
互い違いになり、また濡れ防止処理を施さない領域の最
大寸法を如何なる大きさにするかが、プロセスガス・チ
ャンネルから裏紙層を介して触媒層へ向かうガスの拡散
によるロスを最小限に抑えるために重要である。濡れ防
止処理を施さない部分に隣接する触媒層のガス拡散通路
の大きさを３．８１１１ｍ　（０，１５インチ）或いは
それ以下にするのが処理上実際的であり、電池の性能の
点からも問題ないと思われる。第一の裏紙層３０の端縁
３６は、電解質を燃料電池内に閉じ込めるため完全な濡
れ防止処理を施す。第一の裏紙層２４．３０に用いたよ
うなパターンでの選択的な濡れ防止処理は、濡れ防止処
理を施す領域が裏紙の全厚に亘たるため、その実施が実
質的に容易であると思われる。濡れ防止処理を施さない
部分を指定するために簡単なマスキング法を用いること
ができる。第二の裏紙層２６．３２は、電解質が燃料電
池から漏れないようにするためその厚さ全体に亘って完
全な濡れ防止処理を施す。かかる濡れ防止処理は公知技
術で普通行なわれている。従って、本発明の燃料電池は
製造が容易で低コストの、電解質必要量調整空間を組み
込んだものである。
裏紙の厚さを上述した値にして圧縮し、電解質を吸収で
きる空間が５０％である試料の計算結果は以下の通りで
ある。
、２３　　　　　．０９７　　　　５％、３４　　　　
　．１５５　　　１０％、４６　　　　　．２２６　　
　１５％電解質を使用する燃料電池の構成要素には寸法
のばらつきがあるため、電解質膨張のための余分の体積
として１０％が必要である。従って、アノード電極層２
８の第一及び第二の裏紙層としては、それぞれ、厚さ０
．３４ｍｍ　（１３，５ミル）の紙を第２図に示したよ
うなパターンで選択的に濡れ防止処理したものと、厚さ
０．１ｍｍ　（４ミル）或いは０，２３ｍｍ（８，９ミ
ル）の紙を完全に濡れ防止処理したものを用いることが
できる。更に、同じような処理をカソード電極１６に対
して行なえば全体積調整空間を約５０％増加することが
できる。
電解質の体積膨張のために裏紙に調整空間を設けるため
には、酸の補給方法を変える必要があるかもしれない。
通常のものよりも低い濃度（例えば８５％）の酸を組立
て時及び酸補給時に補給する。始動時及び運転時、かか
る酸は水を放出して濃縮され９７％の平衡値へ到達する
であろう。水を放出し収縮することによって、電極の一
方或いは双方に形成された体積調整空間は、電解質体積
の膨張特電解質を吸収することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明による燃料電池の部分展開図である。 第２図は第一の裏紙層上の濡れ防止処理を施す領域のパ
ターンを示す。 １０　、、、、燃料電池 １２、、、、上部双極板 １４　、、、、下部双極板 １６　、、、、カソード電極 １８　、、、、アノード電極 ２０　、、、、母材 ２２　、、、、カソード層 ２４　、、、、第一裏紙層 ２６　、、、、第二裏紙層 ２８　、、、、アノード層 ３ｏ、、、、、第一裏紙層 ３２、、、、第二裏紙層

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）多孔質アノード電極、多孔質カソード電極、電極
    間に位置する電解質を含んだ多孔質母材及び電解質体積
    調整空間を有する燃料電池において、母材中に余分の電
    解質が存在するときはその電解質を吸収できるように、
    また母材中の電解質が不足するときは電解質を放出でき
    るように電解質透過性部分を有する第一の裏材と、電解
    質を一般的に透過させない、前記第一の裏材に隣接して
    設けた第二の裏材とを有することを特徴とする燃料電池
    。
  2. （２）各電極にはそれに隣接して第一の裏材が設けられ
    、第一の裏材の一部は母材中の電解質が不足するときは
    その電解質を吸収し、母材中の電解質が不足するときは
    電解質を放出できるように電解質透過性であり、また第
    一の裏材に隣接して設けた第二の裏材が電解質を一般的
    に透過させない性質を有することを特徴とする請求項第
    （１）項に記載した燃料電池。
  3. （３）アノード電極に隣接して設けた第一の裏材の電解
    質透過性部分は裏材の約５０％を越えないことを特徴と
    する請求項第（１）または（２）項に記載した燃料電池
    。
  4. （４）カソード電極に隣接して設けた第一の裏材の電解
    質透過性部分は第一の裏材の２５％を越えないことを特
    徴とする請求項第（１）または（２）項に記載した燃料
    電池。
  5. （５）第一の裏材の電解質透過性部分は母材の約１０％
    の電解質吸収能力を有することを特徴とする請求項（１
    ）または（２）項に記載した燃料電池。
  6. （６）第一及び第二の裏材の厚さの合計は約０．４ｍｍ
    であることを特徴とする請求項第（１）または（２）項
    に記載した燃料電池。
JP63250742A 1988-02-05 1988-10-04 燃料電池 Pending JPH01217861A (ja)

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