JPH0379825B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は燃料電池に係り、特にリン酸型電解質
のリン酸貯蔵方式の電極に使用するに好適な燃料
電池に関する。

従来の燃料電池は第１図のように構成され、燃
料ガスH₂及び酸化剤ガスである空気O₂が矢印の
ように直交するように流れ、水素、酸素の反応で
電気エネルギーを取出している。

空気通路３を有する電気極１は、ガス通路と反
対側の面には触媒層が処理されている。また空気
が触媒層に速やかに達することができるようポー
ラスな炭素材料で形成されている。また、空気極
１と対極となる燃料極２は、空気極１と同様燃料
通路４、触媒層を有し、かつポーラスな炭素材料
で形成されている。イオンの良導体であるリン酸
等の電解液を保持するマトリツクス５は、両極
１，２間に密着するように配設されている。これ
ら、燃料極１と空気極２及びマトリツクス５によ
つて単位電池を構成し、この単位電池がセパレー
タ６と交互に複数個積層されて、大容量の発電設
備として構成されている。

燃料及び空気をそれぞれ供給もしくは排出する
ための給排装置７は、積層された電池の四側面に
固着され、積層電池を一括して矢印で示すように
燃料及び空気の給排を行つている。また複数個の
単位電池の積層毎に冷却装置８が挿入され、冷却
水等により電池の温度を一定に保ちつつ、冷却を
行なうようにしている。

このように構成され、前述したように、水素、
酸素の反応により電気エネルギーを取出している
わけであるが、実際の現象としては、それぞれの
ガス通路を通る水素及び空気中の酸素は、ポーラ
スな炭素材料による電極基板内を拡散し、触媒層
に達する。一般に触媒層での反応は、燃料極で
は、水素イオンと電子に分離し、水素イオンは電
解質中に拡散していき、この反応速度は比較的大
きい。一方、空気極１側では、酸素分子が電子を
取込みイオン化し、かつ電解質中の水素イオンと
結合して、水が生成され、この反応は一般に水素
側に比較すると速度が小さい。このような過程に
おける電子の授受が電気エネルギーとして取出せ
るわけであるが、一般に燃料極と空気極とでは、
空気極側の反応が生じにくく、かつ、空気中の酸
素分圧が小さいために、酸素の拡散不良による電
池性能低下が生じる。

このため従来の燃料電池では、単純に空気極側
の触媒量を増大させるのみで対策しており、酸素
の拡散性等についてはなんら対策されていない。
すなわち、従来の燃料極、空気極に用いる電極基
板は、同質のものを用いており、ガス拡散に対す
る配慮がなされていない。

一方、マトリツクス中の電解質を長期間保持さ
れるため電極基板に電解質を貯蔵し、マトリツク
ス中の電解質を補給する技術も開発されている
が、この場合にも、燃料極、空気極のいずれも同
様に扱つているため、酸素の拡散不良による性能
低下をきたしている。

さらに、この対策のためあらかじめ空気極側の
貯蔵量を小さめにすると、マトリツクス中の電解
質を逆に取込んでしまい、電解質の不足による電
池内部抵抗の増大及び燃料と空気の混合による直
接燃料を生じ、電池性能の低下及び寿命が短かい
欠点があつた。

本発明はこれにかんがみなされたもので、その
目的とするところは、電池性能の向上はかれ、か
つ長寿命で信頼性の高いこの種燃料電池を提供す
るにある。

すなわち本発明は空気極を、燃料極よりも２〜
３倍撥水性が高くなるように形成するとともに、
対の燃料極に対して下側となるように配置し、所
期の目的を達成するようにしたものである。

以下、本発明の一実施例を第２図及至第４図に
より説明する。

単位電池の部分を拡大した第２図においては、
触媒層９を処理した燃料極２及び空気極１がマト
リツクス５を挾んで対向配置されている。燃料極
２及び空気極１は、モデル的に記すとそれぞれ細
孔１０，１１を有する。また、空気極１は燃料極
２よりも揆水性が２〜３倍大きくなるように処理
されている。この処理方法は、たとえば、ポリテ
トラフロロエチレンの微粉末を界面活性剤で水に
分散させたデイスパージヨン液の濃度、処理回数
を変えることで容易に揆水性を制御することが可
能である。

このように処理した電極を第２図のように配置
し、かつ両極に電解質であるリン酸を含ませて、
ガス流路３，４にそれぞれ空気、燃料を流すと、
水素分子１２、酸素分子１３、窒素分子１４がそ
れぞれ細孔１０，１１を拡散し、触媒層に達し発
電する。

燃料極と空気極の揆水条件を変えたときの発電
性能を第３図に示している。揆水条件は、前記デ
イスパージヨン液の処理量の比で示しており、従
来の燃料極の処理量を１としている。この特性図
から明らかなように、空気極の揆水性を上げるこ
とで性能は著じるしく向上している。ただし、処
理量を大きくしすぎると、絶縁抵抗が増大し、逆
に性能低下をきたし、本実験では、２〜３倍が最
も好適な条件であることがわかるであろう。

第４図は燃料極と空気極の処理量を変え（この
場合は１：２）た場合で、かつ電極の上下関係を
変えて発電試験を行つた結果を示す。

燃料極が上になるように配置した構成の電池の
特性曲線Ａは、空気極が上になるようにした特性
曲線Ｂに比べて性能が良好である。すなわち、揆
水性の小さい燃料極が下にある場合、あらかじめ
含ませたリン酸の電極内分布が下側ほど大きくな
り、マトリツクス側で小さくなるため、マトリツ
クス中のリン酸を吸収しやすくなるためであり、
電極厚みが大きくなるほど顕著である。

本実施例では、燃料極を上側となるように配置
することで、電池性能を更に向上させる効果があ
る。

本発明は以上説明してきたように、空気極を、
燃料極よりも２〜３倍撥水性が高くなるように形
成し、かつ対の燃料極に対して下側となるように
配置したから、電池内の発解質を電極に好適に分
布させることができ、したがつて電池性能、特に
大電流密度領域での性能を向上させることがで
き、かつ長寿命化をはかることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は燃料電池の構成を示し斜視図、第２図
は本発明燃料電池の要部構造の一実施例を示す拡
大縦断面図、第３図及び第４図はそれぞれ発電性
能を比較する電池密度と電池電圧の関係を示す特
性図である。 １……空気極、２……燃料極、５……マトリツ
クス。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 触媒処理した燃料極と空気極の間に、電解質
   を保持するマトリツクスを挾持して単位電池を形
   成せしめるとともに、この単位電池を複数個積層
   して形成した燃料電池において、 前記空気極を、前記燃料極よりも２〜３倍撥水
   性が高くなるように形成するとともに、対の燃料
   極に対して下側に配置するようにした ことを特徴とする燃料電池。