JPH0652658B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は新規な燃料電池、特に積層化が容易でかつ高い
信頼性にて使用することができる発電要素を構成する端
部シールを備えた燃料電池に関するものである。

（従来の技術） 一般に燃料電池は電解質層と、反応ガス供給用の反応ガ
ス経路と、一方の面が前記反応ガス供給路に接し、他方
の面が前記電解質層に接触して設けられるとともに該電
解質層を挟み込むように配設される一対の導電性多孔質
基体から構成された多孔質ガス拡散電極とを有してなる
単電池を、複数積層して形成される。

空気−金属系電池あるいは水素−空気（酸素）燃料電池
は、その起電機構としてガスをイオン化する電極が必要
である。電導性のないガスを連続して起電反応にあづか
らせるガス拡散電極は、電導性で多孔質の板状の基体を
用い、その基体の片方の面を電解質と接触せしめ、他方
の面から流入せしめたガスが基体中部で起電反応にあづ
かるように構成されている。なお一般に反応ガスを供給
するためにその基体自体に反応ガス供給流路を設ける
か、又はその基体自体には設けないが、その基体を反応
ガス供給流路を有する他の要素と接するようにして用い
る。

これらの電池系は単電池の出力電圧が高々０．５〜１．
５Ｖにすぎないので実用に供するには単電池をかなりの
数積層することが必要である。この際一つの基体自体に
設けられているか又は積層使用時基体に接して設けられ
る反応ガス供給流路はその上又は下に設けられる他のガ
ス供給流路とは互いにその方向が交叉するように積重ね
られる。従って一つの反応ガス供給流路を流れる一つの
反応ガス例えば水素ガスとその上又は下方のガス供給流
路を流れる他のガス例えば空気とが互いに混合しないよ
うに、それぞれのガス供給流路に平行な基体の外側端部
を処理することが必要である。また同時に多数積重ねて
機械的に強く圧縮されても電気的な絶縁を維持しうるよ
うにその端部を処理することも必要である。

このようにガス供給流路に平行な基体端部で異なるガス
が混ざらないように、そして電気的絶縁を維持しうるよ
うにその端部を処理するためにはその端部に合成樹脂類
を塗着する方法、テトラフルオロエチレン重合体やテト
ラフルオロエチレン共重合体デイスパージョン液を含浸
させる方法も試みられたが十分な機能を得るに至ってい
ない。

〔発明の目的〕

よって本発明は、電解質層と、反応ガス供給用の反応ガ
ス経路と、一方の面が前記反応ガス供給路に接し、他方
の面が前記電解質層に接触して設けられるとともに該電
界層を挟み込むように配設される一対の導電性多孔質体
から構成された多孔質ガス拡散電極とを有してなる単電
池を、複数積層してなる燃料電池において、前記反応ガ
ス供給路に平行な基体端部で積重時も確実にガス流を遮
断し、電気的絶縁を保持しうる多孔質ガス拡散電極を有
する燃料電池を提供することを目的とするものである。

（発明の概要） よって、本発明は電解質層と、反応ガス供給用の反応ガ
ス経路と、一方の面が前記反応ガス供給路に接し、他方
の面が前記電解質層に接触して設けられるとともに、該
電解質層を挟み込むように配設される一対の導電性多孔
質体から構成された多孔質ガス拡散電極とを有してなる
単電池を、複数積層してなる燃料電池において、少なく
とも、前記反応ガス供給路に平行な前記多孔質ガス拡散
電極の端部を覆うように、ガス不透過性かつ電気絶縁性
に富んだテトラフルオロエチレン−パーフロロアルキル
ビニルエーテル共重合体を熱圧着させてなるシール部を
有することを特徴とする燃料電池を提供するものであ
る。

（発明の具体的説明） 本発明をその一実施例を示す図面を参照しつつ詳細に説
明すれば、第１図において上から順に反応ガス供給流路
付電極１、電解質層２、薄形電極３、反応ガス供給流路
付積層化素子４が示されている。５は前記電極１に設け
られた数ケの反応ガス供給流路、６は前記積層化素子４
に前記ガス流路５と交叉する方向に設けられた反応ガス
供給流路を示す。

前記電極１及び３にはともに多孔度が６０〜７０％の電
子電導性の板状の多孔質基体が用いられる。例えばニッ
ケル焼結体や黒鉛繊維を抄紙し熱処理してえられた多孔
板等を用いることができる。電解質として濃リン酸のよ
うな濃厚な酸性液を用いる燃料電池等では後者が適して
いる。

本発明ではかかる電極１及び３の端部にガス不透過性、
電気絶縁性シール部を設けるのであり、第１図に示すよ
うに反応ガス供給流路付電極１においては反応ガス供給
流路５と平行な両端部７，７、薄型電極３においては積
層時これと接する積層化素子４に設けられた反応ガス供
給流路６に平行な両端部８，８に設けるのである。なお
薄型電極３においては例えば前記流路６に交叉する端部
等他の部分に設けることもできるが、少なくとも前記流
路６に平行な両端部８，８には前記シール部を設けるも
のとする。

前記シール部を形成するためには、前記端部の細孔を目
止めしてここからの反応ガスの通過乃至洩れを防ぎ、且
つ積層時の機械的圧力にも関わらず電気絶縁性を維持す
るとともに、濃厚な酸性電解質を用いての高温作動にも
耐えるように耐薬品性に優れ熱的にも２５０℃を超える
温度で安定で、短時間ならは３５０℃の温度に耐え、そ
してヒートシール性を有する材料を用いることが必要で
あり、かかる材料として本発明ではテトラフルオロエチ
レン−パーフロロアルキルビニルエーテル共重合体が用
いられる。テトラフルオロエチレンは周知のようにＣＦ
_２＝ＣＦ_２の分子式を有し、パーフロロアルキルビニル
エーテルはＣＨ_２＝ＣＨＯＲの分子式を有する。ここに
Ｒは通常炭素数３のアルキル基の水素原子がすべてフッ
素原子で置換されたパーフロロアルキル基を示す。この
共重合体中のテトラフルオロエチレンの含有量は約９６
〜９７重量％の範囲である。

この共重合体は粉状、粒状、膜状、エマルジョン状等で
市販されており、本発明ではこれらの各形状のもの単独
で又は組合わせて用いられる。たとえば粉状又は粒状の
前記共重合体を前記端部表面に分散させこれに熱と圧力
を加えて前記共重合体を多孔質基体端部内部に圧入した
り、或は膜状の前記共重合体を前記端部に全面的に即ち
コの字形乃至はＵの字型にかぶせ、これに熱と圧力を加
えて多孔質基体端部に密着させてシール部を形成するこ
とができる。

或はまた粉状又は粒状の前記共重合体を前記端部表面に
分散し、その上に膜状の前記共重合体を前述のようにか
ぶせ、ここに熱と圧力を加えてシール部を形成すること
ができ、又はエマルジョン状の共重合体を端部表面に塗
着しこれに熱と圧力を加えるか又はその上に更に膜状の
共重合体をかぶせて同様に熱と圧力を加えて、シール部
を形成することもできる。

このような多孔質ガス拡散電極１及び３の端部シール部
を形成する方法について詳細に説明すれば粉状又は粒状
の前述共重合体をフッ素系等の適宜溶媒と混ぜ、室温乃
至４０℃で攪拌して塗着用の合剤をつくり、これを前記
電極を構成する多孔質基体の端部表面に塗着して空気乾
燥して粉状又は粒状の前記共重合体を端部表面にくまな
く均一に分散させる。その量は後の熱圧着、風乾後約
０．１〜０．３mm盛上る程度になるような量とする。次
いでこれを予めフッ素油からなる離型剤を塗布した金型
等の金属製圧着冶具のメス型内部に入れ、前記共重合体
を分散させた端部表面状にオス型を当てこれを３８０℃
以下の温度、好ましくは３４０〜３５０℃の範囲の温度
に加熱しつつ約２０〜４０kg/cm²の面圧で加圧して熱圧
着させる。フッ素油としては市販のフッ素ワックスをそ
のまま用いてよく、又はこれを更にフッ素溶媒に混合し
て攪拌してえられたものを用いることができる。ここに
おいて重要なことは金属製圧着冶具の表面の所要部分即
ち少くとも前記共重合体の分散乃至被覆部分と接触する
部分に予め離型剤としてフッ素油を塗布しておくことで
あり、また加熱温度を３８０℃以上にしないことも重要
である。前記共重合体は金属に対しても良好なヒートシ
ール性を有するので離型剤としてフッ素を用いることに
より離型を良好に行なうことができる。又粉状又は粒状
の前記共重合体は３８０℃を超えると気泡の発生が始ま
るため均一なシール部の形成が不可能となるからであ
る。実際には上記面圧下に３４０〜３８０℃の温度で１
５〜３０分間加熱し、次いで８０〜９０℃で約１時間ア
ニーリングしてから金型をとりはずす。

図面第２図はこの方法を説明するためのものであり、１
０は電極を形成する多孔質基体を示し、その端部表面１
２は粉状又は粒状の共重合体１１が分散されている。一
方金型のメス型１２の隅部とオス型１３の圧着面、即ち
前記共重合体分散面と接触する箇所には予めフッ素油か
らなる離型剤１４が塗布されている。前記共重合体１１
が端部表面に風乾後約０．１〜０．３mm程度盛上るよう
な量分散されている多孔質基体１０を予めフッ素油離型
剤１４が塗布されているメス型１２内に入れ、次いで同
様に離型剤１４が塗布されているオス型により上下Ａ，
Ｂ方向から熱圧着を行なうことが図示されている。

膜状の前記共重合体を用いる場合もほぼ同様にしてシー
ル部を形成することができる。即ち図面第３図に示すよ
うに厚さ約０．１〜０．２mmの膜状の前記共重合体１５
を多孔質基体１０の端部表面に断面コの字型乃至Ｕの字
型にかぶせ、これを予めフッ素油離型剤１４が塗布され
ている金型のメス型１２に入れ前述と同様にして上下両
方向から熱圧着させる。この際も加熱温度は３８０℃を
超えてはならず、実際は約２０〜４０kg/cm²の面圧で加
圧しつつ３４０〜３８０℃に１５〜３０分間加熱し、次
いで８０〜９０℃の温度で約１時間アニーリングして前
記共重合体を多孔質基体内に圧入して良好なシール部を
形成させる。

次に第４図について説明すれば、ここではまず前述と同
じようにして粉状又は粒状の共重合体１０を多孔質基体
端部表面に分散させ、更に前述の如き厚さの膜状の共重
合体１５をその上にかぶせてから、所要箇所に予めフッ
素油１４が塗布されている金型のメス型に入れ、後は前
述と同様な圧力、温度条件で熱圧着させる。尚粉状又は
粒状の共重合体をまず分散し熱圧着してこれを多孔質基
体内部に圧入して、それから更に膜状共重合体をかぶせ
再度熱圧着を行うようにしてもよい。

この外エマルジョン状の共重合体を多孔質基体の表面状
に塗布し乾燥し金型内にて熱圧着してこれを多孔質基体
内部に圧入するか、又は前述のように塗布、乾燥した後
に膜状の共重合体をかぶせ熱圧着を行なうようにするこ
ともできる。前記エマルジョン状の共重合体は例えば粉
状又は粒状の共重合体２０〜６０重量部に水１００重量
部と非イオン界面活性剤１〜５重量部を加え強く攪拌す
ることによってつくることができる。

〔発明の効果〕

このように本発明に従って、少くとも多孔質基体の反応
ガス供給流路に平行な両端部に、ガス不透過性、電気絶
縁性に富んだテトラフルオロエチレン−パーフロロアル
キルビニルエーテル共重合体を熱圧着させることによっ
てえられた多孔質ガス拡散電極は端面部もそれと直角な
方向の側面部もともによくシールされて端部よりの反応
ガスのリークを完全に防止しうるばかりでなく、これら
電極その外の発電要素を積層化する際に、機械的に強化
されていて強い圧力を受けても破損に至ることなく且つ
良好な電気絶縁性を有していて旧来よく発生していた端
部でのセミショートを完全に防止することができる。又
発電要素の積層化が容易になり積層組立に要する時間を
大幅短縮することができ、積層体の高い信頼性を維持す
ることができる。尚ポリテトラフルオロエチレン懸濁液
にて端部処理をなした多孔質基体を用いて発電要素を形
成したところ、本発明に係る電極を用いる場合に比して
歩留りが約２／５にすぎず、また積層化も困難であり、
かくて本発明は歩留りをも大幅に向上させることができ
る等の効果を有するものである。

発明の実施例 実施例１ テトラフルオロエチレン−パーフロロアルキルビニルエ
ーテル共重合体（三井フロロケミカル（株）、商品名テ
フロンＭＰ−２０）１９２ｇをフッ素系溶媒（住友スリ
ーエム（株）、商品名フロラードＦＣ７２１）１２８ｇ
と混ぜ、室温で３０分間攪拌し、塗着用合剤をつくる。

次いでサイズ７００mm×７００mm、厚さ０．５mmを有す
るカーボンペーパーからなる、薄形の黒鉛繊維による板
状多孔質基体（呉羽化学工業（株）、商品名Ｅ−７１
５）の両端部、幅２０mmに上記合剤を塗着し、放置して
風乾し、前記共重合体を前記端部に分散させた。

一方フッ素ワックス（大阪金属工業（株）、商品名ダイ
フロイル♯１００）を予め、図面に示す如き金型の所要
箇所に塗着しておき、この金型内に上記の如くして得ら
れた多孔質基体を入れ、面圧２０kgf/mm²の荷重にて３
４０〜３７０℃の温度に約１５分間加熱し、次いで８０
〜９０℃にて約１時間アニーリングした。金型を取外し
放置、風乾すると、前記共重合体は基体内部に圧入され
るとともに約０．１mm程度盛上るように付着していた。

このようにして形成されたシール部は端面が均一でここ
よりのガスのリークは全くなく、積層後は機械的にも強
化され、良好な電気絶縁性を有していた。

実施例２ テトラフルオロエチレン−パーフロロアルキルビニルエ
ーテル共重合体粉末（三井フロロケミカル（株）、商品
名テフロンＭＰ−１０）１９２ｇを、フッ素系溶媒（大
阪金属工業（株）、商品名ダイフロンソルベントＳ３）
１２８ｇに混合し、４５〜５０℃に加温し３０分間攪拌
し、塗着用合剤を得た。

次いで黒鉛繊維を抄紙し、焼成してなる多孔性基板とし
てサイズ７００mm×７００mm、厚さ２mmのカーボンペー
パー（呉羽化学工業（株）、商品名Ｅ−７５０）用い、
この端部２０mmの幅に上記の合剤を塗着して風乾して前
記共重合体を端面に分散させた。

一方フッ素ワックス（大阪金属工業（株）、商品名ダイ
フロイル♯１００）１２０ｇをフッ素溶媒（三井フロロ
ケミカル（株）、商品名フレオン１１３）１８０ｇに混
ぜ４５〜５０℃で３０分間攪拌して均一化してえられた
フッ素油を離型剤として用い、これを金型所要部に塗付
し、ついで前記の多孔質基体を入れ、実施例１の如くし
て熱圧着させた。前記共重合体は多孔質基体内部に圧入
されるとともに表面に風乾後約０．３mm程度盛上ってい
た。ガス不透過性、電気絶縁性にすぐれたシール部が形
成され、ガスのリークは全く防止することができた。

実施例３ 薄型の黒鉛繊維からなる板状の多孔質基体としてサイズ
７００mm×７００mm、厚さ０．５mmのカーボンペーパー
（呉羽化学工業（株）、商品名Ｅ−７１５）の端部、幅
２０mmに厚さ０．１３mmの膜状のテトラフルオロエチレ
ン−パーフロロアルキルビニルエーテル共重合体（三井
フロロケミカル（株）、商品名テフロンＰＦＡ ５００
ＬＰ）をコの字型乃至Ｕの字型に被覆する。

次いで表面所要部にフッ素ワックス（大阪金属工業
（株）、商品名ダイフロイル♯１００）を塗布した金型
に上記多孔質基体を入れ、面圧２０kgf/cm²で圧着し、
３５０〜３７０℃の温度に３０分間加熱したのち８０〜
９０℃にて１時間アニーリングして熱圧着した後金型か
ら取外して端部シールを完成した。このようにしてえら
れた端部シールは端面が均一でここからのガスのリーク
は全くなかった。

実施例４ テトラフルオリエチレン−パーフルオロアルキルビニル
エーテル共重合体粉末（三井フロロケミカル（株）、商
品名ＨＰ−２０）１９２ｇをフッ素系溶媒（住友スリー
エム（株）、商品名フロラードＦＣ７２１）１２８ｇと
混ぜ室温で３０分間攪拌して塗着用合剤をつくった。

黒鉛繊維を抄紙してえられた板状多孔質基体として、サ
イズ７００mm×７００mm、厚さ２mmのカーボンペーパー
（呉羽化学工業（株）、商品名Ｅ−７５０）の端部２０
mmのところに前記合剤を塗着し、風乾した後、この上に
厚さ０．１３mmの膜状テトラフルオロエチレン−パーフ
ロロアルキルビニルエーテル共重合体（三井フロロケミ
カル（株）、商品名テフロンＰＦＡ ５００ＬＰ）をコ
の字型乃至Ｕの字型に被覆した。

別途にフッ素ワックス（大阪金属工業（株）、商品名ダ
イフロイル♯１００）１２０ｇをフッ素溶媒（三井フロ
ロケミカル（株）、商品名フレオン１１３）１８０ｇに
混ぜ４５〜５０℃で３０分間攪拌してフッ素油を得、こ
れを予め金型の所要部分に塗布、被覆し、この金型に、
前記のように端部に粉末状及び膜状の共重合体を分散乃
至被覆した多孔質基板を入れ、実施例３と同じ条件で熱
圧着して、端部シール部を形成した。

このようにしてえられた端部のシール部からはガスのリ
ークは全くなく、端面が平らであり、特にこのシール部
を用いてえられた電極を含む発電要素を積重ねてえられ
た電池は高温で長時間運転してもその劣化を検出するこ
とができなかった。電気絶縁性についても同様であっ
た。

実施例５ テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニル
エーテル共重合体（三井フロロケミカル（株）、商品名
テフロンＭＰ−２０）４０重量部に水１００重量部及び
非イオン界面活性剤（ロームアンドハースジャパン
（株）、商品名Ｔｒｉｔｏｎｘ−１００）３重量部を加
えて激しく攪拌して前記共重合体を分散してそのエマル
ジョンをつくる。

次いでサイズ７００mm×７００mm、厚さ０．５mmを有す
るカーボンペーパーからなる薄形黒鉛繊維による板状多
孔質基体（呉羽化学工業（株）、商品名Ｅ−７１５）の
両端部、幅２０mmに上記エマルジョンを塗着し、乾燥し
た。

その後これを実施例１と同様にしてフッ素油を塗着した
金型内で熱圧着したところ、同様に端面からのガスのリ
ークはなく、良好な電気絶縁性を有するシール部がえら
れた。

実施例６ 実施例５と同様にしてテトラフルオロエチレン−パーフ
ルオロアルキルビニルエーテル共重合体のエマルジョン
をつくりこれを薄形のカーボンペーパーに同様に塗着し
乾燥させた。ついでこの上に更に厚さ０．１３mmの膜状
のテトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニ
ルエーテル共重合体（三井フロロケミカル（株）、商品
名ＰＦＡ ５００ＬＰ）をコの字型乃至Ｕの字型に被覆
した。

その後実施例１と同様にしてフッ素油を塗着した金型内
で同様な条件下で熱圧着したところ、ガス不透過性、電
気絶縁性にすぐれたシール部が形成された。

尚、これらの実施例に用いられた市販のフッ素油乃至フ
ッ素系溶媒について若干説明すれば、まず大阪金属工業
（株）の商品名ダイフロイルは一般に であり、重合度の大小によって油状乃至ワックス状を呈
する。ダイフロイル♯１００は平均分子量約１３００の
重合度を有するワックスである。住友スリーエム（株）
のフロラードはフッ化炭素系界面活性剤である。三井フ
ロロケミカル（株）のフレオンはよく知られているよう
に炭素原子１個乃至４個をもちそれにフッ素が結合した
フッ素化合物の総称である。その中本実施例で用いられ
たフレオン１１３はＣＣｌ_２Ｆ−ＣＣｌＦ_２の分子式を
有し、沸点が比較的高く（４７．６℃）、蒸発もさせや
すいためよく用いられる。

【図面の簡単な説明】 図面第１図は本発明に従って端部にシール部を形成した
多孔質ガス拡散電極を含む発電素子の一般を示す説明
図、第２図乃至第４図は夫々金型にて熱圧着する状態を
示す説明図であり、第２図は粉状又は粒状の共重合体、
第３図は膜状の共重合体、第４図は粉状又は粒状の共重
合体と膜状の共重合体を用いて実施した場合を夫々示す
図である。 １…ガス流路付電極、２…電解質層、３…薄形電極、４
…ガス流路付積層化素子、５，６…ガス流路、１４…離
型剤。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−61568（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−103268（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−108061（ＪＰ，Ａ)

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電解質層と、反応ガス供給用の反応ガス経
   路と、一方の面が前記反応ガス供給路に接し、他方の面
   が前記電解質層に接触して設けられるとともに、該電解
   質層を挟み込むように配設される一対の導電性多孔質基
   体から構成された多孔質ガス拡散電極とを有してなる単
   電池を、複数積層してなる燃料電池において、 少なくとも、前記反応ガス供給路に平行な前記多孔質ガ
   ス拡散電極の端部を覆うように、ガス不透過性かつ電気
   絶縁性に富んだテトラフルオロエチレン−パーフロロア
   ルキルビニルエーテル共重合体を熱圧着させてなるシー
   ル部を有することを特徴とする燃料電池。
2. 【請求項２】前記シール部は、粉状又は粒状のテトラフ
   ルオロエチレン−パーフロロアルキルビニルエーテル共
   重合体を前記多孔質ガス拡散電極の端部表面に分散し、
   熱圧着させて形成されたものであることを特徴とするこ
   特許請求の範囲第１項記載の燃料電池。
3. 【請求項３】前記シール部は、膜状のテトラフルオロエ
   チレン−パーフロロアルキルビニルエーテル共重合体で
   前記多孔質ガス拡散電極の端部表面を被覆し、熱圧着さ
   せて形成されたものであることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の燃料電池。
4. 【請求項４】前記シール部は、粉状又は粒状のテトラフ
   ルオロエチレン−パーフロロアルキルビニルエーテル共
   重合体を前記多孔質ガス拡散電極の端部表面に分散し、
   更に膜状の前記共重合体でこれを被覆し、熱圧着させて
   形成されたものであることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の燃料電池。
5. 【請求項５】前記シール部は、エマルジョン状のテトラ
   フルオロエチレン−パーフロロアルキルビニルエーテル
   共重合体を前記多孔質ガス拡散電極の端部表面に熱溶着
   し、熱圧着させて形成されたものであることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の燃料電池。