JPH06251784A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 有効な反応ガス流通ルートを確保しながら、
しかも、電解質蓄積層からマトリックス層に至る有効な
電解質供給ルートを確保することにより、マトリックス
層内の電解質損失をできる限り防止し、電池寿命の長時
間化に寄与可能な燃料電池を提供する。 【構成】 多孔質性のサブストレート１４，１５上に触
媒層１６，１７を形成してなる一対のアノード１２とカ
ソード１３を、電解質を保持したマトリックス層１１を
挟んで配置して単位セル１０を形成する。単位セル１０
の外部に電解質を蓄積する電解質蓄積層２０を配置す
る。マトリックス層１１、サブストレート１４，１５、
および電解質蓄積層２０は、そのポア分布に関して、三
者に共通するポアサイズ領域を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池に係り、特
に、単位セルの外部に電解質を蓄積する電解質蓄積層を
配置して、単位セルへの電解質供給を行う構造を有する
燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、燃料の有している化学的エ
ネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。
すなわち、燃料電池は、一般的に、電解質を保持したマ
トリックス層を挟んで一対の多孔質性電極を配置すると
ともに、一方の電極の背面に反応ガスとして水素などの
燃料ガスを接触させ、他方の電極の背面に反応ガスとし
て酸素などの酸化剤ガスを接触させ、この時に起こる電
気化学的反応により発生する電気エネルギーを、上記一
対の電極から取り出すように構成したものである。な
お、燃料電池に使用される電解質としては、リン酸、溶
融炭酸塩、アルカリ溶液、酸性溶液などがあるが、代表
的には、リン酸が使用される。したがって、以下には、
リン酸を電解質とする燃料電池を例としてその原理を説
明する。

【０００３】図５は、燃料電池の原理を示す説明図であ
る。この図５において、リン酸電解質を保持したマトリ
ックス層１を挟んで、アノード２とカソード３が配置さ
れ、単位セル４が形成されている。一般的に、マトリッ
クス層１は、繊維質シートまたは鉱物質粉末にリン酸を
含浸して形成されている。また、アノード２とカソード
３には、いずれも、炭素質の多孔質性サブストレート、
たとえば、薄い炭素繊維からなるカーボンペーパー製の
サブストレートが使用され、このサブストレートのマト
リックス層１に接する面に、図示しない触媒層が形成さ
れている。さらに、アノード２のマトリックス層１と反
対側の面（以下には背面と称する）には、水素ガスを含
む燃料ガスの流れる燃料ガス流通路５が形成されてお
り、カソード３の背面には、酸素ガスを含む酸化剤ガス
（通常は空気）の流れる酸化剤ガス流通路６が形成され
ている。なお、図中７は、アノード２とカソード３との
間に接続された外部の電力負荷である。

【０００４】以上のように構成された図５の燃料電池の
原理は次の通りである。すなわち、燃料ガス流通路５に
流入した燃料ガス中の水素ガスは、アノード２のポアに
拡散してアノード２の触媒層に達する。この触媒層にお
いて、水素ガスは、触媒の作用により、水素イオンと電
子に解離する。この解離は、次のような反応式（１）で
表される。

【０００５】

【化１】Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋２ｅ … （１） このような水素ガスの解離により生成された水素イオン
は、マトリックス層１に入り、濃度拡散及び電界作用に
より、カソード３に向かって移動する。一方、水素ガス
の解離により生成された電子は、アノード２に流れ込
み、アノード２から外部の電力負荷７を通った後、カソ
ード３に流れ込む。この場合、カソード３の触媒層で
は、アノード２から移動してきた水素イオンと、電力負
荷７を通って流れ込んだ電子と、酸化剤ガス流通路６か
らカソード３のポアを介して到達した酸素ガスとが、次
のような反応式（２）で表される化学反応を生じる。

【０００６】

【化２】 ４Ｈ⁺ ＋４ｅ＋Ｏ₂ → ２Ｈ₂ Ｏ … （２） このようにして、水素が酸化されて水になる反応と、こ
のときの化学的エネルギーが電気エネルギーとなって外
部の電気負荷中で電気エネルギーを与える電池としての
反応が生じる。

【０００７】一般的に、燃料電池は、以上のような単位
セルを複数積層して構成されている。そして、このよう
に単位セルを積層化する場合には、各単位セル間の電気
的接続ルートを確保すると同時に、各単位セルに反応ガ
スを供給し、また、反応生成物を除去するための反応ガ
ス流通ルートを確保する必要がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】以上のような構成を有
する燃料電池の寿命は、各種の要因によって決定される
が、このような寿命決定要因の一つとして、マトリック
ス層内の電解質の損失が挙げられる。このような電解質
損失は、燃料電池がその構造上から有する電解質の枯渇
メカニズムによって生じる。すなわち、燃料電池の運転
時には、電解質の一部が蒸発して反応ガス内に混入し、
反応ガス流通路内を反応ガスと共に流れて電池外部へ持
ち出されるという現象を生じるため、マトリックス層内
の電解質の量は運転時間の経過と共に低下する。このよ
うな電解質損失を補償するための構成として、例えば、
図１および図２に示すように、単位セル１０の外部に電
解質を蓄積する電解質蓄積層としてリザーバプレート２
０を設け、蓄積した電解質をマトリックス層１１に供給
するように構成することが考えられる。

【０００９】すなわち、図１および図２において、単位
セル１０は、マトリックス層１１と、このマトリックス
層１１を挟んで配置されたアノード１２とカソード１３
によって構成されている。この場合、マトリックス層１
１は、ＳｉＣ粉末をフッ素樹脂で結着してなる多孔質体
にリン酸電解質を含浸して形成されている。そして、マ
トリックス層１１内の電解質は、燃料ガスの反応によっ
て生成するプロトンを伝導する機能と、燃料ガスと酸化
剤ガスの混合を防止するためのシール機能を有する。ま
た、アノード１２とカソード１３には、いずれも、溝を
持たない薄い炭素繊維からなるカーボンペーパー製のサ
ブストレート１４，１５が使用され、このサブストレー
ト１４，１５のマトリックス層１１に接する面には、触
媒層１６，１７が形成されている。この場合、サブスト
レート１４，１５は、反応ガスを拡散させて触媒層１
６，１７に供給する機能を有し、触媒層１６，１７は、
サブストレート１４，１５内を介して到達してきた反応
ガスの反応を促進する機能を有する。

【００１０】この単位セル１０の両側には、多孔質性の
リザーバプレート２０がそれぞれ配置されている。リザ
ーバプレート２０には、複数の溝状の反応ガス流通路２
１が、対向する一対のエッジ部間を接続する形で平行に
配置されている。また、反応ガス流通路２１を挟む両側
の、残る一対のエッジ部には、エッジシール２２がそれ
ぞれ形成されている。このエッジシール２２は、リザー
バプレート２０の反応ガス流通路２１を流れる反応ガス
が、この反応ガス流通路２１から外れ、他方の反応ガス
内へリークすることを防止する機能を有する。すなわ
ち、リザーバプレート２０は、単位セル１０に供給する
電解質のリザーバ機能と、反応ガスのセパレート機能を
兼ね備えるように構成される。そして、単位セル１０の
両側のリザーバプレート２０は、それぞれの反応ガス流
通路２１が互いに直交するように配置される。なお、実
際の積層時には、２枚のリザーバープレート２０が、そ
の反応ガス流通路２１を互いに直交させるようにして背
中合わせに重ねられ、単位セル１０と交互に積層され
る。

【００１１】ところで、以上のような図１および図２に
示す構成を採用した場合、リザーバプレート２０内の電
解質をマトリックス層１１に対して有効に供給するため
には、リザーバプレート２０からマトリックス層１１に
至る電解質供給ルートを確保する必要がある。すなわ
ち、リザーバプレート２０とマトリックス層１１との間
に介在するサブストレート１４，１５と触媒層１６，１
７に、リザーバプレート２０内の電解質とマトリックス
層１１内の電解質とに連続性を持たせるのに十分な量の
電解質を保持させる必要がある。一方で、サブストレー
ト１４，１５には、反応ガスを十分に拡散させる機能を
持たせ、それによって、有効な反応ガス流通ルートを確
保する必要がある。しかしながら、電解質供給ルートと
なるサブストレート１４，１５が多量の電解質で満たさ
れた場合には、反応ガスを拡散させる機能が果たせなく
なってしまい、電池性能が低下する。

【００１２】本発明は、上記のような従来技術の問題点
を解決するために提案されたものであり、その目的は、
有効な反応ガス流通ルートを確保しながら、しかも、電
解質蓄積層からマトリックス層に至る有効な電解質供給
ルートを確保することにより、マトリックス層内の電解
質損失をできる限り防止し、電池寿命の長時間化に寄与
可能な燃料電池を提供することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明による燃料電池
は、多孔質性のサブストレート上に触媒層を形成してな
る一対のアノードとカソードを、電解質を保持したマト
リックス層を挟んで配置して単位セルを形成し、この単
位セルの外部に電解質を蓄積する電解質蓄積層を配置し
た燃料電池において、前記マトリックス層、前記サブス
トレート、および前記電解質蓄積層が、そのポア分布に
関して、三者に共通するポアサイズ領域を有することを
特徴としている。

【００１４】具体的には、前記電解質蓄積層および前記
マトリックス層が、そのポア分布に関して、各々の層の
最大ポアサイズがサブストレートの最小ポアサイズより
大きくなるように構成されると共に、前記サブストレー
ト中の前記共通するポアサイズ領域に相当するポア容積
が、サブストレート中で連続性を持たせて電解質を分布
させることが可能でかつ反応ガスの拡散を妨げない大き
さとなるように構成される。この場合、一般的に、サブ
ストレートとしてはカーボンペーパーが使用されるた
め、このカーボンペーパーのポアサイズの小さい部分に
合わせたサイズの粉末材料などを使用することにより、
前記の最大ポアサイズを有する電解質蓄積層およびマト
リックス層を形成することができる。

【００１５】また、前記サブストレートの共通するポア
サイズ領域を形成するために、サブストレートに親水性
の高いカーボン粉末を担持させて微小サイズのポアを形
成することも可能である。さらに、前記電解質蓄積層に
蓄積される電解質量が、この電解質蓄積層と前記マトリ
ックス層との間に存在する前記サブストレート中の反応
ガスの拡散を妨げない量とされることが望ましい。

【００１６】

【作用】以上のような構成を有する本発明においては、
マトリックス層、サブストレート、および電解質蓄積層
が、共通のポアサイズ領域を有する構成としたことによ
り、電解質蓄積層内からサブストレートを介してマトリ
ックス層内に至る有効な電解質供給ルートを形成でき
る。

【００１７】すなわち、多孔質体内に保持された電解質
は、多孔質体を構成するポアのサイズの小さいものに強
く引かれる現象があり、ポアサイズの小さい所に優先的
に電解質が集まる。逆に、蒸発などで多孔質体から電解
質が除去されるのは、ポアサイズの大きなものからであ
る。そのため、燃料電池を構成する多孔質体のポアサイ
ズ分布を調節して、マトリックス層と電解質蓄積層、お
よび両者の間にあるサブストレートが、共通するポアサ
イズ領域を有するように構成することにより、電解質蓄
積層内に蓄積された電解質と、サブストレートの電解
質、およびマトリックス層内の電解質との間に、毛管現
象による連続性を持たせることができる。したがって、
ポアサイズの共通領域の容量以上の電解質量を電池内に
蓄えることにより、電解質蓄積層内からサブストレート
を介してマトリックス層内に至る電解質供給ルートを形
成できるため、マトリックス層内の電解質消失を有効に
防止することができる。また、この場合、サブストレー
ト中の共通領域に相当するポア容積の大きさを調整し、
さらに、電解質蓄積層に蓄積される電解質量を調整する
ことにより、サブストレート中における反応ガスの拡散
機能を維持できるため、有効な反応ガス流通ルートを確
保することができる。

【００１８】

【実施例】以下には、本発明を図１および図２に示す構
成の燃料電池に適用した一実施例について具体的に説明
する。

【００１９】（１）実施例の構成 図２に示す構成を有する燃料電池において、カーボンペ
ーパー製のサブストレート１４，１５のポア分布を調節
して、リザーバプレート２０とマトリックス層１１の両
者と共通のポアサイズ領域を形成した。このようなポア
分布の調節の詳細について、次に説明する。

【００２０】まず、図２に示す燃料電池では、電解質を
蓄積しているリザーバプレート２０と電解質を保持する
必要のあるマトリックス層１１との間に、カーボンペー
パー製のサブストレート１４，１５と触媒層１６，１７
が介在している。

【００２１】この場合、燃料電池の中で電解質を最も必
要とする層は、マトリックス層１１であるため、マトリ
ックス層１１の電解質保持力を最も高める必要がある。
また、サブストレート１４，１５は、マトリックス層１
１とリザーバプレート２０の仲介として、両者の電解質
を結び付けるために、これらの電解質と連続した電解質
の存在が必要であり、かつ、反応ガスの十分な拡散性を
確保しなければならない。単位セル１０外部で電解質を
蓄積するリザーバプレート２０については、サブストレ
ート１４，１５の空隙を電解質で埋めることにより反応
ガスの拡散不良を引き起こすことがない程度のポア分
布、もしくはポア分布に見合った電解質量に押さえる必
要がある。したがって、リザーバプレート２０のポアサ
イズを大きくしてその電解質蓄積容積を大きく取ること
には限界がある。

【００２２】これらの三者、すなわち、マトリックス層
１１、サブストレート１４，１５、およびリザーバプレ
ート２０の理論的に望ましいポアサイズ分布の一例を図
４に示す。図４において、横軸はポアサイズ、縦軸はポ
ア容積をポアサイズの小さい方から順次加算した累積容
積で示している。破線Ｃはマトリックス層１１の最大ポ
アを示し、電池内の電解質量がＣ線より小さいポアで占
められるポア容積に満たない量になると、マトリックス
層１１のシール機能に支障が生じ、電池に供給されてい
る燃料ガスと酸化剤ガスの直接混合が発生して、電池特
性の著しい低下が起こる。Ａ線はリザーバプレートの最
大ポアサイズを示す。

【００２３】図４に示すポア分布によって構成された燃
料電池において、リザーバプレート２０にその容積の１
００％の電解質を含浸させた場合、サブストレート１
４，１５には、Ｂ線で示される容積だけ電解質が含まれ
る。図４において、Ｂ線で示される量は、およそ１５％
である。一般的に、ガス拡散性を確保できるサブストレ
ート１４，１５の電解質含浸量は４０から４５％が限度
である。サブストレート１４，１５に要求されている機
能は、ガスの拡散機能と電解質の流通性であるため、Ｂ
線はできるだけ０％に近く、かつ、サブストレート１
４，１５内で電解質の連続性を確保できる量であること
が望ましい。

【００２４】しかし、市販されているカーボンペーパー
のポア分布を考慮すると、必ずしも図４で示されるポア
分布を有するサブストレートを形成することは困難であ
り、実際に実現可能なサブストレートのポア分布は図３
に示すようになる。すなわち、カーボンペーパーによっ
て、十分なガス拡散機能を有するサブストレートを形成
した場合、このサブストレートのポア分布は、図４に示
すような小さなポアを選択的に有するものではなく、図
３に示すように正規分布に近くなる。したがって、この
ようなガス拡散機能を確保するために、リザーバプレー
トへのリザーブ電解質量を減らす必要が生じる。そのた
め、リザーバプレートのポア分布をマトリックス層のポ
ア分布に近付けて、三者に共通するポアサイズ領域を設
けることになる。

【００２５】本実施例では、まず、サブストレート１
４，１５については、反応ガスの拡散機能を持たせるた
めに、炭素繊維を主としたカーボンペーパーを使用し、
多孔質体としては大きなポアを主体とするように構成し
た。また、サブストレート１４，１５の上の触媒層１
６，１７については、微細なカーボン粉末を主とした材
料によって、多孔質体としては微細なポアを有するよう
に構成した。このように微細なポアを有することによ
り、触媒層１６，１７は、反応に必要な電解質を十分に
含浸できると同時に、電解質の過剰な浸透を防止するた
めの撥水性を有する。

【００２６】そして、実際に、カーボンペーパー製のサ
ブストレート１４，１５のポアサイズ分布をポロシティ
ーメータなどのポア分布測定装置で調査したところ、ポ
アサイズの平均は１５μｍで、ポアサイズの分布範囲は
０．１μｍ〜１００μｍであった。このようなポアサイ
ズ分布のサブストレート１４，１５を用いて、本発明の
燃料電池の構成を実現するためには、図３に示すよう
に、少なくとも、サブストレート１４，１５の最小ポア
サイズｄ１（ここでは０．１μｍ）に比べて、マトリッ
クス層１１の最大ポアサイズｄ２およびリザーバプレー
ト２０の最大ポアサイズｄ３を大きくする必要がある。

【００２７】そのため、本実施例においては、平均直径
１μｍのＳｉＣ粉末を使用して、このＳｉＣ粉末をフッ
素樹脂で結着してマトリックス層１１を形成し、サブス
トレート１４，１５と共通のポアサイズを有するマトリ
ックス層１１を形成した。このサイズのＳｉＣ粉末によ
るマトリックス層１１の最大ポアサイズｄ２は、図３に
示すように、サブストレート１４，１５の最小ポアサイ
ズｄ１よりも大きくなるため、このポアサイズの領域ｄ
１〜ｄ２が、サブストレート１４，１５とマトリックス
層１１の共通のポアサイズ領域となる。

【００２８】一方、単位セル１０外部で電解質を蓄積す
るリザーバプレート２０についても、図３に示すよう
に、その最小ポアサイズがマトリックス層１１の平均ポ
アサイズ以上となり、かつ、その最大ポアサイズｄ３が
サブストレート１４，１５の最小ポアサイズｄ１および
マトリックス層１１の最大ポアサイズｄ２よりも大きく
なるように形成した。この場合、サブストレート１４，
１５の最小ポアサイズｄ１からリザーバプレート２０の
最大ポアサイズｄ３に至る領域が、サブストレート１
４，１５とリザーバプレート２０との共通のポアサイズ
領域ｄ１〜ｄ３となり、マトリックス層１１とサブスト
レート１４，１５およびリザーバプレート２０の三者に
共通のポアサイズ領域は、領域ｄ１〜ｄ２である。

【００２９】（２）実施例の作用 以上のように、本実施例においては、マトリックス層１
１とサブストレート１４，１５およびリザーバプレート
２０に、この三者に共通のポアサイズ領域ｄ１〜ｄ２を
持たせることによって、サブストレート１４，１５内の
電解質とマトリックス層１１内の電解質との間に、毛管
現象による連続性を持たせることができる。また、平均
直径１μｍのＳｉＣ粉末で形成されたマトリックス層１
１の大部分のポアサイズは、サブストレート１４，１５
の最小ポアサイズよりも小さいため、サブストレート１
４，１５内に保持される電解質量を、必要最小限に止め
ることができる。

【００３０】（３）実施例の効果 本実施例においては、単位セル１０の外部の電解質蓄積
層であるリザーバプレート２０に電解質を蓄積すること
により、この蓄積した電解質を、サブストレート１４，
１５を介してマトリックス層１１に供給することによっ
て、電解質の枯渇による電池特性の低下を防止でき、電
池の長寿命化を図ることができる。また、反応ガス流通
ルートではない部分に電解質を効率良く蓄えることがで
き、サブストレート１４，１５においても、電解質量の
過多による反応ガスの拡散不良発生の恐れはないため、
良好な反応ガス流通ルートを確保することができる。さ
らに、リザーバプレート２０のサイズを適宜調節するこ
とによって、蓄える電解質量をさらに増加させ、目標の
電池寿命を得ることができる。

【００３１】（４）他の実施例 なお、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、
例えば、サブストレートに使用するカーボンペーパーの
ポア分布に合わせてマトリックス層およびリザーバプレ
ートに共通のポアサイズ領域を形成する代わりに、サブ
ストレート自体に親水性の高いカーボン粉末を担持させ
て微小サイズのポアを形成し、共通のポアサイズ領域を
持たせることも可能である。また、前記実施例において
は、リザーバプレート側に反応ガス流通路を設け、サブ
ストレートを平面状としたが、サブストレート自体に反
応ガス流通路用の溝を設け、リザーバプレート側を平面
状とする構成も可能である。さらに、マトリックス層、
サブストレート、リザーバプレートなどの具体的な材質
は適宜選択可能である。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明において
は、マトリックス層、サブストレート、および電解質蓄
積層が、共通するポアサイズ領域を有するように構成す
ることにより、サブストレート内の必要最小限の電解質
量で、電解質蓄積層とマトリックス層との連続性を持た
せることができる。したがって、有効な反応ガス流通ル
ートを確保しながら、しかも、電解質蓄積層からマトリ
ックス層に至る有効な電解質供給ルートを確保すること
ができるため、マトリックス層内の電解質損失をできる
限り防止し、電池寿命の長時間化に寄与可能な燃料電池
を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の適用対象となる燃料電池の一例を示す
分解斜視図。

【図２】図１の燃料電池を示す断面図。

【図３】本発明による燃料電池のマトリックス層、サブ
ストレート、およびリザーバプレートの実現可能なポア
分布の一例を示すグラフ。

【図４】本発明による燃料電池のマトリックス層、サブ
ストレート、およびリザーバプレートの理論的に望まし
いポア分布の一例を示すグラフ。

【図５】燃料電池の原理を示す説明図。

【符号の説明】

１，１１…マトリックス層 ２，１２…アノード ３，１３…カソード ４，１０…単位セル ５…燃料ガス流通路 ６…酸化剤ガス流通路 ７…電力負荷 １４，１５…サブストレート １６，１７…触媒層 ２０…リザーバプレート ２１…反応ガス流通路 ２２…エッジシール

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多孔質性のサブストレート上に触媒層を
   形成してなる一対のアノードとカソードを、電解質を保
   持したマトリックス層を挟んで配置して単位セルを形成
   し、この単位セルの外部に電解質を蓄積する電解質蓄積
   層を配置した燃料電池において、 前記マトリックス層、前記サブストレート、および前記
   電解質蓄積層が、そのポア分布に関して、三者に共通す
   るポアサイズ領域を有することを特徴とする燃料電池。
2. 【請求項２】 前記電解質蓄積層および前記マトリック
   ス層が、そのポア分布に関して、各々の層の最大ポアサ
   イズがサブストレートの最小ポアサイズより大きくなる
   ように構成されると共に、前記サブストレート中の前記
   共通するポアサイズ領域に相当するポア容積が、サブス
   トレート中で連続性を持たせて電解質を分布させること
   が可能でかつ反応ガスの拡散を妨げない大きさとなるよ
   うに構成されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料
   電池。
3. 【請求項３】 前記サブストレートの共通するポアサイ
   ズ領域に相当するポアが、サブストレートに親水性の高
   いカーボン粉末を担持させて形成されたことを特徴とす
   る請求項１に記載の燃料電池。
4. 【請求項４】 前記電解質蓄積層に蓄積される電解質量
   が、この電解質蓄積層と前記マトリックス層との間に存
   在する前記サブストレート中の反応ガスの拡散を妨げな
   い量となるように構成されたことを特徴とする請求項１
   に記載の燃料電池。