JPH04289671A

JPH04289671A - 燃料電池

Info

Publication number: JPH04289671A
Application number: JP3015675A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Matsumoto; 正昭松本; Tatsuo Mitsunaga; 光永　達雄; Tetsuya Taniguchi; 哲也谷口; Kenro Mitsuta; 憲朗光田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1991-01-17
Filing date: 1991-01-17
Publication date: 1992-10-14

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、電解質を貯蔵する多
孔質の電解質リザーバが、反応層に接して設けられてい
る燃料電池に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、リン酸形燃料電池などでは、電
極の裏面、即ち電解質マトリクスに接する面の反対面に
、電解質を貯蔵する電解質リザーバ（内部リザーバ）が
接している。例えば、図５は特開昭５８−６８８７３号
公報に示された従来の燃料電池のセル構造を示す断面図
である。図において、１は多孔質の燃料電極（燃料極触
媒層）、２は一方の面が燃料電極に接しており、電解質
を保持している多孔質の電解質マトリクス、３は電解質
マトリクス２の他方の面に接している多孔質の酸化剤電
極（酸化剤極触媒層）であり、これらにより反応層４が
形成されている。また、各電極１，３には、撥水性が施
されている。この撥水性は、強すぎると電池特性が出ず
、弱すぎると経時的な電池特性の低下が大きくなるため
、適度に施されている。

【０００３】５は燃料電極１を支持しているとともに、
反応層４に対して供給，吸収する電解質を貯蔵している
多孔質の燃料側電解質リザーバであり、この燃料側電解
質リザーバ５は、燃料電極１に接する平坦な燃料側シー
ト部６と、燃料側リブ部７とからなっており、燃料ガス
流路８を形成している。９は酸化剤電極３を支持してい
るとともに、電解質を貯蔵している酸化剤側電解質リザ
ーバであり、この酸化剤側電解質リザーバ９は、酸化剤
電極３に接する平坦な酸化剤側シート部１０と、酸化剤
側リブ部１１とからなっており、酸化剤ガス流路１２を
形成している。また、各電解質リザーバ５，９は、各電
極１，３の支持及び各ガス流路８，１２の形成の機能か
ら、リブ付き電極基材とも呼ばれている。

【０００４】１３はセルの周縁部に設けられたガスシー
ル部、１４は各基材５，９の各電極１，３と接する面の
反対面に接している平坦なガス分離板である。なお、燃
料ガス流路８と酸化剤ガス流路１２とは、通常直交する
ように配置されるが、セル構造の理解を助けるため、図
５では便宜的に平行に配置したものを示した。

【０００５】次に、動作について説明する。燃料ガス及
び酸化剤ガスは、それぞれ燃料ガス流路８及び酸化剤ガ
ス流路１２に流入し、多孔質である各シート部６，１０
を通つて反応層４に供給され、これにより反応層４で電
力が発生する。一方、反応層４中の電解質が、運転・停
止時に体積変化したり、長期間の運転で消失，不足した
りすると、各電解質リザーバ５，９は、反応層４に対し
て電解質を補給したり吸収したりする。このような機能
により、各電解質リザーバ５，９は、燃料電池の動作を
長期にわたり安定させている。

【０００６】しかし、上記のような従来の電解質リザー
バ５，９では、シート部６，１０に電解質が吸収，貯蔵
されることにより、反応ガスの拡散性が阻害され、燃料
電池の特性が低下してしまう。このような拡散性阻害の
影響は、酸化剤側で特に顕著である。これに対して、例
えば特開昭５３−３０７４７号公報には、酸化剤側電解
質リザーバ９の平均細孔直径を、燃料側電解質リザーバ
５の平均細孔直径よりも大きくし、毛管力の差によって
、酸化剤側電解質リザーバ９に電解質が吸収，貯蔵され
にくくしたものが示されている。しかし、このものでは
、平均細孔直径を大きくしたことにより強度が低下した
り、電解質の貯蔵量が減るなどの問題点があった。

【０００７】また、例えば特開昭５８−６８８８１号公
報には、各シート部６，１０の平均細孔直径を、各リブ
部７，１１の平均細孔直径よりも大きくし、毛管力の差
によって、各シート部６，１０に電解質が吸収，貯蔵さ
れにくくしたものが示されている。しかし、このものも
、強度が低下したり、また平均細孔直径の異なるシート
部６，１０とリブ部７，１１とを一体化するための加工
に手間がかかり、製造コストが高くなるなどの問題点が
あった。

【０００８】このため、当発明者らは、各リブ部７，１
１で反応層４を挟持する電解質リザーバ５，９を提案し
た（特開昭６３−２３７３５９号公報）。これは、反応
層４を挟持する側、即ち各電極１，３に接触する側に各
リブ部７，１１が来るように、図５の各電解質リザーバ
５，９をそれぞれ反転させたもので、これによりシート
部６，１０に電解質が吸収，貯蔵されても、反応ガスの
拡散性が阻害されることはなくなった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記のように構成され
た従来の燃料電池においては、いずれの例においても、
各電極１，３に施された撥水性が経時的に弱まることに
より、各電解質リザーバ５，９に貯蔵された電解質が、
毛細管吸引力により各電極１，３に吸収されてしまうた
め、各電極１，３のガス拡散性が経時的に低下し、長期
間の運転により電池特性が徐々に低下してしまうという
問題点があった。

【００１０】この発明は、上記のような問題点を解決す
ることを課題としてなされたものであり、電解質リザー
バの電解質が電極に過剰に吸収されるのを防止し、電池
特性の経時的な低下を抑制することができ、これにより
経時的な性能を向上させることができる燃料電池を得る
ことを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明に係る燃料電池
は、電解質リザーバと反応層との毛管吸引力のバランス
を考慮して、電解質リザーバの平均細孔直径を、電解質
マトリクスの平均細孔直径以上で、２５μｍ以下にした
ものである。

【００１２】

【作用】この発明においては、電解質リザーバの平均細
孔直径を、電解質マトリクスの平均細孔直径以上、２５
μｍ以下にすることにより、電解質リザーバに貯蔵した
電解質を、電解質マトリクスに対してはその細孔を満た
すように供給バランスし、電極に対しては過剰に吸収さ
せないように抑制する。

【００１３】

【実施例】以下、この発明の実施例を図について説明す
る。図１はこの発明の一実施例による燃料電池のセル構
造を示す断面図であり、図５と同一又は相当部分には同
一符号を付し、その説明を省略する。また、図１では、
図５と同様に、燃料ガス流路８と酸化剤ガス流路１２と
を便宜上互いに平行に示している。

【００１４】図において、２１は燃料電極１を支持し電
解質を貯蔵している燃料側電解質リザーバであり、この
燃料側電解質リザーバ２１は、燃料電極１に接する燃料
側リブ部２２と、平坦な燃料側シート部２３とからなっ
ており、燃料ガス流路２４を形成している。２５は酸化
剤電極３を支持し電解質を貯蔵している酸化剤側電解質
リザーバであり、この酸化剤側電解質リザーバ２５は、
酸化剤電極３に接する酸化剤側リブ部２６と、平坦な酸
化剤側シート部２７とからなっており、酸化剤ガス流路
２８を形成している。また、各電解質リザーバ２１，２５は、それぞれ炭素繊
維を主成分とする多孔質部材である。

【００１５】次に、反応層４及び電解質リザーバ２１，
２５の細孔分布を図２に示す。図のように、細孔分布は
、電極１，３が最も小さい側に位置し、次いで電解質マ
トリクス２が電極１，３の分布範囲内に位置し、これら
より大きい側に電解質リザーバ２１，２５が位置してい
るという順である。図中、ａ，ｂ，ｃは、この発明の効
果確認試験に用いた電解質リザーバの細孔分布であり、
それぞれの平均細孔直径は、順に１８μｍ，４０μｍ，
６０μｍである。そして、この実施例の電解質リザーバ
２１，２５の細孔分布は、従来の４０μｍよりも十分小
さい５〜２０μｍ、即ち図２のａで示す分布である。ま
た、この実施例では、電解質マトリクス２及び電解質リ
ザーバ２１，２５は、実質的に全域にわたって親水性で
あり、これにより電解質の貯蔵可能量が増加されている
。一方、電極１，３は、その細孔分布中で細孔直径の大
きい部分に撥水性が付与されている。

【００１６】上記のような燃料電池においては、従来と
同様にして電力を発生する。そして、電解質リザーバ２
１，２５の機能は、■細孔に電解質を貯蔵すること、■
反応ガス流路２４，２８を形成すること、■反応層４で
発生した電気（電子）及び熱を伝達すること、及び■反
応層４での電解質の過不足を調節することなどである。

【００１７】また、上記のような燃料電池を長期間使用
すると、電極１，３に付与された撥水性が弱まり、細孔
分布が小さい電極１，３は、電解質を引き込もうとする
。しかし、電解質リザーバ２１，２５の細孔直径は、従
来より小さく、適正に選ばれた大きさになっているため
、この実施例の燃料電池では、電極１，３が電解質を過
剰に吸収するのが防止される。従って、この実施例の燃
料電池は、電池特性の経時的な低下が抑制されている。

【００１８】このような電解質リザーバ２１，２５の機
能，効果は、１００ｃｍ２の電極面積を持つ単セルにつ
いて、図２のａ〜ｃのように細孔分布を変化させて行っ
た効果確認試験（運転実験）により確かめられた。この
実験では、各単セルについて、電解質リザーバにその細
孔体積の５０％の体積の電解質を貯蔵して準備し、燃料
利用率８０％，空気利用率６０％，負荷３００ｍＡ／ｃ
ｍ２，動作温度２１０℃，動作圧力は常圧という条件で
、約３０００時間及び約５０００時間運転した。

【００１９】この実験の結果を図３及び図４に示す。図
３は酸化剤電極のガス拡散性低下の指標となるＯ２ゲイ
ン（酸化剤を空気から純酸素に切り替えたときの出力電
圧の変化量である。）の経時変化を示しており、電解質
リザーバの平均細孔直径の小さいもの程、Ｏ２ゲインの
増加量が小さいことが確認された。また、図４は出力電
圧の経時変化を示しており、図３と同様、電解質リザー
バの平均細孔直径の小さいもの程、特性低下が小さいこ
とが確認された。

【００２０】このような実験の結果から、電極の経時的
なガス拡散性低下による電池特性の低下を抑制するため
に適当な電解質リザーバの平均細孔直径は２５μｍ以下
である。また、いわゆるクロスオーバーを避けるため、
電解質リザーバの平均細孔直径は、電解質マトリクスの
平均細孔直径以上である必要がある。

【００２１】なお、上記実施例では両極の電解質リザー
バ２１，２５についてこの発明を適用したが、いずれか
一方のみであってもよい。また、電解質リザーバ２１，
２５の向きは、図５と同様の向き、即ちシート部２３，
２７が電極１，３に接する向きであってもよい。さらに
、電解質リザーバ２１，２５は、リブ部２２，２６を持
たないものであってもよい。さらにまた、電解質リザー
バ２１，２５は、部分的に細孔直径を変化させたり、部
分的に撥水処理を施したものなどであってもよく、電解
質リザーバ２１，２５の平均細孔直径が、電解質マトリ
クス２の平均細孔直径以上、２５μｍ以下であれば、上
記実施例と同様の効果を奏する。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の燃料電
池は、電解質リザーバの平均細孔直径を、電解質マトリ
クスの平均細孔直径以上で、２５μｍ以下にしたので、
電解質リザーバに貯蔵した電解質を、電解質マトリクス
に対してはその細孔を満たすように供給バランスし、電
極に対しては過剰に吸収させないように抑制することが
でき、これによって電池特性の経時的な低下が抑制され
、経時的な電池性能を向上させることができるという効
果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例による燃料電池のセル構造
を示す部分断面図である。

【図２】効果確認試験（運転実験）に使用した単セルの
細孔分布を示す細孔直径と細孔体積との関係図である。

【図３】効果確認試験によるＯ２ゲインの経時変化を示
す時間とＯ２ゲインの増加量との関係図である。

【図４】効果確認試験による電池電圧の経時変化を示す
時間と電池電圧との関係図である。

【図５】従来の燃料電池のセル構造を示す部分断面図で
ある。

【符号の説明】

１　　　　燃料電極２　　　　電解質マトリクス３　　　　酸化剤電極４　　　　反応層２１　　　　燃料側電解質リザーバ２２　　　　酸化剤側電解質リザーバ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　それぞれ多孔質の燃料電極，酸化剤電
極及び電解質マトリクスを有している反応層と、この反
応層に接して設けられ、電解質を貯蔵する多孔質の電解
質リザーバとを備えている燃料電池において、前記電解
質リザーバの平均細孔直径が、前記電解質マトリクスの
平均細孔直径以上で、２５μｍ以下になっていることを
特徴とする燃料電池。