JPH0258741B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

発明の技術分野 本発明は、酸性電解質を有する電気化学発電素
子の改良に係り、電解液の保持能力を増強すると
ともに長期間に亙り高い性能を維持する酸性電解
質電気化学発電素子に関する。 発明の技術的背景 水素のごとき酸化され易いガスと酸素のごとき
酸化力のあるガスとを電気化学反応プロセスを経
て化合させ、ギブスの自由エネルギーの放出分を
直流電力として供給する電気化学発電装置は、効
率が高く、騒音が少なく公害要因の排出物が少な
い優れた発電装置であることが、当技術分野に於
いて良く知られている。 かかる発電素子の本体ユニツトは一般に濃厚硫
酸溶液や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
材層を中間にして正極となる多孔性炭素板と負極
となる多孔性炭素板とが相対して密着一体化され
単位発電素子が構成されている。また、これらの
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。しか
し、これら発電素子は単位素子の起電力が高くて
も1V程度であり、実用発電装置を構成するには
数十，数百の多数の素子を積層化することが必要
である。 この一つの方法として、高密度の溝付導電性炭
素板の使用例が知られている。 一枚の導電性炭素板の上面と下面とには夫々異
なる方向のガス流通路が設けられており、上面は
一つの発電素子の正極（又は負極）を形成してい
る多孔性炭素板と接しており、下面は次の発電素
子の負極（又は正極）を形成している多孔性炭素
板と接して、発電素子の積層化を行なうととも
に、積層化素子の溝を経由して夫々の発電素子へ
反応ガスが供給され、反応生成物の除去がなされ
ている。 背景技術の問題点 前記発電素子において長期に亙り安定した起電
反応を維持するためには、十分な反応ガスの供給
と反応生成物の除去が必要であり、また発電の効
率を上げるためには高い電極反応性を維持すると
ともに、内部のオーム損をできるだけ小さくする
ことが重要である。 電解質層のオーム損は、マトリツクス中の電解
液量によつて大きく変動するので、電解質保持マ
トリツクス層以外にも電解液を貯えておき、長期
に亙る発電においても電解質層には常に十分な電
解液が存在する状態が維持できることが望まし
い。 しかし、従来型の黒鉛繊維の薄板を電極基体と
する電気化学発電素子では、電解質保持マトリツ
クス層以外に電解液を保持させることは困難であ
つた。 発明の目的 本発明の目的は、高効率で長期間安定運転ので
きる電気化学的発電素子を提供することにある。 発明の概要 詳しくは、単位発電素子を構成する負極側基体
に溝付の多孔性炭素電極を用いて、ガス流路溝の
土手部が電解液の貯蔵に寄与しており、酸化剤側
の電極基体は薄くかつ、高い疎水性を維持するよ
うに構成されていて、電極反応に対し高い活性を
維持しておりこれら単位発電素子間の電気的接続
を確保するとともに、酸化剤ガスの流路を有する
積層化素子との組合せになる電気化学的発電素子
を提供することにある。 なお、前記発電素子群は形状を一定に維持する
ため、重ね合せて圧着締結されているが各単位素
子の負極側の電極基板が圧縮力吸収ダンパーの作
用をはたしてメカニカルに密着し、この結果締結
圧力が全数間に均一に分散されるとともに、単位
発電素子，積層化素子間に良好な電気的接続が維
持される。 活物質にガスを用いる電気化学的発電素子は、
ガスの供給、反応生成物の搬出が容易に行ない得
るように、正方形又は長方形の形状を採用するこ
とが望ましい。 なお、負極のガス流路は反応を促進させる効果
を維持しておくと同時に、素子組立時に多孔質炭
素の土手部に電解液が十分に吸入されるようポリ
テトラフルオロエチレンや、弗化エチレンプロピ
レンなどの多孔性の薄い膜が、ガス流路の底面な
らびに側圧を覆つていることが望ましい。 発明の実施例 本発明の一実施例を説明する。かさ比重が0.28
〜0.78の間にある厚さが２〜４mmの多孔性黒鉛
板、例えばフエルト状炭素繊維板、あるいは炭素
繊維シート板、あるいは繊維化黒鉛を主成分とす
る焼結多孔板に巾1.2〜2.5mmで深さ1.5〜2.5mmの
溝を４〜５mmのピツチで切り込んだ多孔性黒鉛板
を基体に用い溝の底面ならびに側面にテトラフル
オロエチレンなどの多孔性フツ素系樹脂膜を形成
するとともに、溝の設けられていない面上に、電
極反応を促進する触媒層が塗着されている負極と
テトラフルオロエチレンなどのフツ素系樹脂の懸
濁液を含浸して防水処理をほどこした炭素繊維シ
ートに正極触媒を担持させた正極とを、シリコン
カーバイド，タンタル，オキサイト、ジルコニア
等の粉末に濃厚りん酸を含浸させた電解質マトリ
ツクス層を介して、触媒面が相対向するように密
着一体化して形成した単位発電素子を、かつ密度
1.6〜1.95で厚さが３〜６mmの黒鉛粉末のフエノ
ール系樹脂をブレンドして圧着成形し、片面に巾
1.2〜2.5mmで、深さ1.5〜2.5mmの溝が４〜５mmピ
ツチで設けられている積層化素子とを正極に接す
る側にガス流路として溝が作用するように交互に
配置して、単位発電子群を積層化した発電素子で
あり、発電素子の形状を一定に維持するため単位
発電子と積層化素子との積層体をその垂直方向に
圧縮して締結したが、５〜10Kg／cm²の圧力で、締
付けても圧力は各単位発電素子に均一にかかり、
割れ潰水など不具合の生じた単位発電素子はな
く、電解液の一部は、負極のガス流路の土手部に
も貯えられマトリツクス層の電解液濃度は長期に
亙つて均一であり、発電素子のオーム損に起因す
る経時劣化はほとんどみとめられなかつた。 なお、負極基体に適する多孔性炭素板のかさ比
重は、締結力10Kg／cm²において３〜８％程度の変
形の範囲にあるものが好ましく、また積層化素子
においては、電導性とメカニカル強度の点でこの
範囲にあるものが好ましい。 本発明を図でもつて説明する。 図において酸化剤ガスはＢ―B′の方向に流れ
ており、還元性ガスはＡ―A′の方向に流れてい
る。側面ならびに底面にフツ素樹脂による防水処
理がなされている還元性ガス流路１２が設けられ
ている厚さ２〜４mmの多孔性炭素負極基体２に負
極触媒層５を担持させてなる負極と、酸化剤の反
応を促進する正極触媒層４を担持したテトラフル
オロエチレンなどのフツ素樹脂で防水処理がなさ
れた厚さ0.4mm程度の炭素繊維ペーパー基体即ち
多孔性炭素繊維正極基体３の正極とを、シリコン
カーバイド又はタンタルオキサイド、ジルコニア
オキサイト等の粉末に濃厚りん酸溶液を含浸させ
た電解質マトリツクス層６を介して、触媒面が相
対するように対向させて密着一体化して単位発電
素子２１を形成する。この単位発電素子２１を積
層化するためＢ―B′方向の酸化剤ガス流路１１
が設けられている炭素材の積層化素子基体１が用
いられ、両者が交互に積み重ねられて電気化学的
発電素子が形成される。なお積層化素子基体１は
気液密の電導性を有する炭素板で形成される。こ
の発電素子は締結に際し面圧５Kg／cm²で締付けて
も、単位セルの損傷は全く見られなかつた。一
方、従来型の両面溝付のリジツドな積層化素子を
用いた発電素子では、面圧３Kg／cm²で締付けたと
ころ15セルに１セルの割合で不具合品が発生して
おり、本発明による発電素子は各単位発電素子へ
の力の分散が均一化されていることが判明した。 また、本発明による発電素子の内部抵抗の経時
変化は表１に実施例１として示すように、比較の
為に製作した従来型の両面溝付のリジツトな積層
化素子を用いた発電素子に比べ長期間変化がな
く、安定な性能を維持していることが明らかであ
る。また、250mA／cm²での連続発電においても
表２に示すように、端子電位の低下が少なく、従
来型発電素子に比較して、本発明による発電素子
がきわめて優れた性能を有している。 なお上記実施例で用いた多孔性黒鉛板を次のよ
うに構成し、他は同じとした第２の実施例即ちチ
ツプ状黒鉛粉末にパルプ材ならびにポリビニール
アルコールバインダーを混練して1800℃で焼結し
たかさ比重0.48〜0.56で厚みが２mmの焼結多孔板
に巾1.8深さ1.6mmのピツチ４mmの溝を設け他は同
じとしたものでも第１の実施例と同様に表１，表
２に示すように従来型のものより優れ、発電素子
の積層締結でも同様不具合は生じなかつた。 発明の効果 以上に示すように、本発明になる発電素子は、
従来型発電素子に比較して、性能も高く、メカニ
カルにも、耐久性にも優れている。

【表】

【表】 【図面の簡単な説明】

図面は本発明に係る燃料電池の発電素子の要部
を示す斜視図である。 １…積層化素子基体、２…多孔性炭素負極基
体、３…多孔性炭素繊維正極基体、４…正極触媒
層、５…負極触媒層、６…電解質マトリツクス
層、１１…酸化剤ガス流路、１２…還元性ガス流
路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 水素を主成分とするガスを負極活物質とし、
   酸化性のガスを正極活物質とする電気化学発電装
   置において、電極触媒層を担持し、ガス通路溝が
   設けられている多孔質炭素板からなる負極，電極
   触媒層を担持した黒鉛繊維薄板からなる正極，こ
   の両者の間に配する酸性電解質層ならびに正極へ
   のガス供給及び排出を行なうためのガス溝が設け
   られている緻密な黒鉛モールド板からなる積層化
   素子を有し、負極のガス通路溝へ弗化樹脂多孔薄
   膜を被覆したことを特徴とする酸性電解質電気化
   学発電素子。