JPH0218865A - 燃料電地の電極単位セル - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、リブ付多孔質基体から成るガス拡散電極を有
するリン酸電解質燃料電池の電極単位セルに関する。

（従来の技術） 従来、燃料の有しているエネルギーを直接電気的エネル
ギーに変換する装置として燃料電池が知られている。こ
の燃料電池は、通常電解質を含浸したマトリックスを挟
んで一対の多孔質電極を配置するとともに、一方の電極
背面に水素などの流体燃料を接触させ、また他方のｆｆ
ｉ極の背面に酸崇等の流体酸化剤を接触させ、このとき
に起こる電気化学的反応を利用して上記両電極間から電
気エネルギーを取り出すように構成したものであり、燃
料と酸化剤が供給されている限り高い交換効率で電気エ
ネルギーを取り出すことができるものである。

ところで、特にリン酸を電解質とした燃料電池の単位セ
ルは、第２図の縦断面斜視図に示すように構成されてお
り、またこのｍ位セルを複数個積層することによって、
燃料電池積層体を構成している。

すなわち、第２図において、単位セル１０はｉ！解質で
あるリン酸を含浸したマトリックス７を挟んで両側に通
常炭素材から成る多孔質体で形成され。

触媒３及び５がそれぞれ付加されている一対のリブ付電
極１及び６を配置して構成されている。この一対のリブ
付電極１及び６は触媒３及び５の付加面（マトリックス
７面）の反対面に、夫々流体燃料および流体酸化剤が流
通する流通路２及び４を有している。そして、この単位
セル１０をガス分離板８を介して交互に複数個積層して
燃料電池積層体を構成している。

ところで、この様にリン酸等の酸性電解質を用いる燃料
電池における電極反応は１例えば上記の様に触媒を担持
させた炭素基材からなる同相、リン酸溶液のような電解
質からなる液相および燃料ガス及び酸化剤ガスのような
反応ガスからなる気相の三つの相が共存する場合で起こ
る。この様に三つの相が共存する場所は、一般に三相帯
と呼ばれるが、この三和体の面積によって燃料電池の電
極反応即ち、電池特性が影響を受ける。即ち、その面積
が小さいほど電池特性は低下し、反対に面積が大きいほ
ど起電反応は活性化し高性能燃料電池を得ることができ
る。

」二連した様に、燃料電池特性に影響を及ぼす三相帯の
面積を考えるうえにおいて、液相、つまり反応界面への
リン酸の供給は、燃料電池における起電反応を活性化し
、またその活性化した起電反応を長期に亘り安定に保つ
うえで、不可欠な要素であることは明らかである。

また、電解質は、セルの内部抵抗を最小に保つ面でも重
要な要素であることは明らかである。つまり、マトリッ
クス中の電解質の枯渇は、７トリツクス中の導電種であ
る陽イオンの減少につながり、セルの電気抵抗を増大さ
せ、セル特性を低下させるものである。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、リン酸電解質燃料電池において、長期に
亘って起電反応を継続させると、電池内のリン酸電解質
がセル外へ搬出される現象がＩＩＩＦ；Ｊされる。この
ため反応界面及びマトリックス層から搬出されたリン酸
を補うため、前記の電極多孔質部にリン酸を保持させ、
リン酸の枯渇に対して、供給するシステムが多く考案さ
れている。しかしながら、この前記電極多孔質体に保持
されたリン酸を十分に効率よくリン酸枯渇部に供給する
技術は確立されていなかった。

本発明の目的は、リン酸電解質のセル外への搬出による
反応界面及びマトリックス層のリン酸型ＩＷ質枯渇を防
止し、かつ多孔質電極基体から反応界面、及びマトリッ
クス層へのリン酸′「は解質の供給を容易にする燃料電
池の電極単位セルを提供するものである。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明の燃料電池の電極単位セルは、一対のリブ付多孔
質電極基体の少なくとも一方を、ガス流通路と反対側の
面にそのガス流通路と同一の方向に７１−リックスに直
接に対面する溝を形成したことを特徴とするものである
。

（作　用） 本発明においては、一対のリブ付多孔質電極基体のうち
の一方の電極基体のガス流通路と反対側の面に触媒層の
無い溝を設けたことにより、マトリックス層とリン酸を
保持した多孔質電極基体とは、触媒層を介しない直接接
合の状態となる。これは多孔質電極基体から反応界面お
よびマトリックス層へのリン酸電解質の供給を容易にす
る。

（実施例） 以下本発明を第１図に示す実施例について説明する。第
１図において５本発明による燃料電池の電極単位セル１
０においても、炭素材からなる多孔質体の図示下面に酸
化剤ガス流通路２を形成しかつ図示上面に触媒層３を付
加した酸化剤極多孔質基体１と、同様の多孔質体の図示
上面に燃料ガス流通路４を形成しかつその図示下面に燃
料電極触媒層５を付加して燃料極多孔質基体６とを、そ
れぞれの触媒層３，５がマトリックス層７に面するよう
に挟んで構成される。これら所要数の電極単位セル１０
がガス分離板８を介して積層されて全体の燃料電池電極
積層体が構成される。

しかして本発明においては、電極単位セル１０を構成す
る燃料極多孔質基体６と酸化剤極多孔質基体１との少な
くともいずれか一方、本実施例では燃料極多孔質基体６
の燃料ガス流通路４と反対面すなわちマトリックスＰ？
Ｊ７に接する面の燃料ガス流通路４の相互間の位置に所
定の大きさで燃料ガス流通路４と同一方向に溝９を設け
たことを特徴とするものである。

したがって、本発明においては、その溝９のマトリック
ス層７に面する溝面に燃料電極触媒層５を付加せず、７
トリツクス層７と直接に面することにより、多孔質電極
基体６から反応界面およびマトリックス層７へのリン酸
電解質の供給が容易になる。

また本発明による燃料極多孔質基体６は次のように作ら
れた。すなわち気孔率が約５０〜７０％の炭素繊維から
成る多孔質基体（約３ｍ／Ｉａ厚）を厚さ２ｍ／＋に整
形した。次にガス流通路４として、深さ１．０ｍ／ｍ、
幅１．５ｍ／ｍの溝を形成した。また、ガス流通路４と
反対の面に本発明にかかわる溝９を深さ０．８ｍ／ｎ、
幅２ｍ／１で形成した。この時、ガス流通路４と、本発
明にかかわる溝９との間隔はＩＩｌ／ＩＩとした。

上記の様に多孔質電極基体６を形成した後、本発明にか
かわる溝９の部分をシールして触媒層５を塗布した。触
媒塗布の方法は、粉体静電塗装を用いたが、特に方法は
限定されない。７１〜リックス層７の形成方法も、粉体
静電塗装を用いたが、多孔質電極基体との接着が密であ
り、空隙等の存在がなければ、特に方法は限定されない
。

次に本発明に係る燃料極多孔質基体６と酸化剤極多孔質
基体１とを使用して第１図のように燃料電池単位セル１
０を構成し、これを下記の条件で起電試験を行なった結
果を第３図に示しである。すなわち。

常圧　２０５℃、　　２２０ｍＡ／ａｄ流体燃料利用率
　　　３０％ 流体酸化剤利用率　　３０％ とし、第３図の縦軸にセル電圧、横軸に時間を目盛って
あり、本発明の燃料電池の電極単位セルのセル電圧の時
間的な推移を実線に示し、従来の電極単位セルの溝を設
けない場合のセル電圧の推移を点線で示しである。この
第３図の特性によってもセル電圧特性が改善されたこと
がわかる。

なお、第１図に示す実施例においては、燃料極多孔質」
基体６に溝９を設けたことについて説明したが、酸化剤
極多孔質基体１の図示上面に設けてもよく、また燃料極
多孔質基体６および酸化剤極多孔質基体１の両方に溝９
を設けたものを使用してもよい。

〔発明の効果〕 以上のように本発明においては、マトリックス層を挟ん
で配置される一対のリブ付多孔質電極基体のそのいずれ
か一方の多孔質電極基体のマトリックス層に面する面に
溝を設けたことにより、多孔質電極基体の溝の周面が触
媒層を介せずに直接マトリックス層に面することになり
、マトリックス層とリン酸を保持した多孔質電極基体と
は直接接合の状態となり、直接的なリン酸移動経路が形
成されてマトリックス層へのリン酸電解質の供給が容易
になる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の燃料電池の電極単位セルの要部を示す
決裁斜視図、第２図は従来の電極単位セルを示す決裁斜
視図、第３図は本発明と従来との燃料電池単位セルのセ
ル電圧特性を示す特性図である。 １・・・酸化剤極多孔質基体 ２・・・酸化剤ガス流通路 ３．５・・・触媒層　　　　　４・・燃料ガス流通路６
・・・燃料極多孔質基体　　７　マトリックス上ｊり８
・・・ガス分離板　　　　　９・・・溝１０・・・電極
単位セル 代理人　弁理士　　則　近　憲　佑 同　　　　　第子丸　　　健 −（＋只１ｒ１共〕

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 電解質を含浸したマトリックスを挟んでその背後に流体
   燃料および流体酸化剤がそれぞれ流通するガス流通路が
   形成された一対のリブ付電極を配置して構成し、前記そ
   れぞれの流通路にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスが
   流通している条件下で電気エネルギーを出力する電極単
   位セルにおいて、前記単位セルの少なくとも一つのリブ
   付電極は流通路が形成されている反対側の面にその流通
   路と同一の方向でかつ前記マトリックスに直接に面する
   溝が形成されていることを特徴とする燃料電池の電極単
   位セル。