JPH08264192A - 燃料電池の電極基材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】水素濃度分布，電流密度分布を改善できる電極
基材を備えた燃料電池と、その電極基材の製造方法とを
提供する。 【構成】ガス透過性のカーボン材からなる電極基材の一
方の面に電極触媒層を支持した一対の燃料電極および空
気電極と、この一対の電極の電極触媒層間に挟持されて
電解質を保持するマトリックスと、一対の電極それぞれ
の電極基材に接して互いに直交する方向に形成された複
数条の反応ガス通路とを有する燃料電池の電極基材にお
いて、一対の燃料電極および空気電極の電極基材の内、
少なくとも一方の電極，例えば燃料電極の電極基材６Ａ
のガス透過性が、反応ガス通路中の反応ガス濃度の高い
領域で低く、反応ガス濃度の低い領域で高くなるよう、
例えばガス透過性の順位が（Ｄ＞Ｃ＞Ｂ＞Ａ）なる条件
を満たすＡ区画，Ｂ区画，Ｃ区画，Ｄ区画，等に複数区
分する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、マトリックス構造を
有するリブ付き電極型燃料電池，リブ付きセパレータ型
燃料電池の電極基材、およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５はリブ付電極方式のりん酸型燃料電
池の従来の単位セルを展開して示す斜視図であり、単位
セル１は電解質としてのりん酸を保持した電解質層（マ
トリックスと呼ぶ）２を挟んでその両側に燃料電極３お
よび酸化剤電極（空気電極）４を配した構造となってい
る。また、燃料電極３および酸化剤電極４はそれぞれ白
金などの電極触媒を担持した電極触媒層５と、ガス透過
性を有する多孔質カ−ボン材からなる電極基材６との積
層体からなり、電極基材６はその反電極触媒層側に互い
に間隔をおいて平行に凸に形成された複数のリブ７を備
えたリブ付き電極基材として形成され、互いに隣接する
リブ７の間にはコ字状に形成された複数の反応ガス通路
８が形成される。

【０００３】このように構成された単位セル１は、反応
ガス通路８の向きが燃料電極３と酸化剤電極４とで互い
に直交するようマトリックス２を挟んで積層されるとと
もに、隣接する単位セル１間にガス不透過性の平板状の
セパレ−ト板９を配して複数層積層することにより積層
燃料電池（スタック）が構成される。電極基材６はカ−
ボン繊維にバインダを加えてリブ７を有する板状に成形
した後、これを焼成して平均細孔径が数１０μｍ〜１０
０μｍ程度の通気孔が一定の気孔率で一様に分布した多
孔質カーボン材として形成される。また、得られた多孔
質カーボン材にはフッ素樹脂例えばポリテトラフルオロ
エチレン樹脂のエマルジョンを含むはっ水処理液を含
浸，かつ焼成するはっ水処理を施すことにより、電解質
で濡れた電極触媒粒子を保持する電極触媒層５から電解
質が多孔質の電極基材６側にしみ出し、電極基材６の通
空孔を閉塞して電極触媒層への反応ガスの供給を阻害す
ることを防ぐよう構成される。したがって、燃料電極３
の電極基材６では反応ガス通路８を通る燃料ガス中の水
素が通気孔を透過して電極触媒層５に供給され、酸化剤
電極４側の電極基材６では反応ガス通路８を通る酸化剤
としての空気中の酸素が通気孔を透過して電極触媒層５
に供給されることにより、供給された反応ガス中の活物
質が電極触媒粒子の表面で電解質と接触することにより
電気化学反応に基づく発電が行われる。

【０００４】なお、リブ付セパレータ型のりん酸型燃料
電池では、リブ７がセパレート板９側に形成される点が
前述のリブ付電極型のりん酸型燃料電池と異なるのみ
で、平板状に形成された電極基材６に接して形成された
反応ガス通路８を介して電極触媒層５に反応ガスが供給
されることにより、前述のリブ付電極型のりん酸型燃料
電池におけると同様に発電が行われる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述のように構成され
た燃料電池の従来の単位セルにおいて、燃料ガス中の反
応活物質である水素の濃度は反応ガス通路８の入口ほど
高く、反応ガス通路を通過する過程で水素が消費される
ために出口に近づくほど水素濃度が低下する。燃料電池
の水素利用率は通常８０％程度の高いレベルに保持され
るので、反応ガス通路の出口部分に到達した燃料ガス中
の水素濃度は入口部分のそれの半分以下に低下してしま
う。

【０００６】図６は従来の燃料電池の単位セル内におけ
る燃料ガス中の水素濃度の分布を模式化して示す水素濃
度分布図であり。反応ガス通路入口分における水素濃度
を１０とした場合の単位セル内の濃度分布を等水素濃度
線を用いて表している。図において、等水素濃度線相互
の間隔は燃料ガス，反応空気双方の入口が近接する図の
右上角Ａ部分で最も接近して水素の消費量が多いことを
示している。また、燃料ガス出口側の図の左側角Ｃ，Ｄ
部分では水素濃度が５０％前後に低下してしまい、Ａ部
分で水素を多く消費した影響がＣ，Ｄ部分における水素
濃度の低下に大きく影響していることが分かる。

【０００７】図７は従来の燃料電池の単位セル内におけ
る単位面積当たりの発電電流の密度を模式化して示す電
流密度分布図であり、電極有効面積内の平均電流密度を
１００％として単位セル内の電流密度分布を等電流密度
線を用いて表してある。図において、等電流密度線は空
気電極側の酸素濃度分布の影響を受けるため、等水素濃
度線とは異なる方向を示すが、水素消費量の多いＡ部分
と水素消費量の少ないＣ部分とでは電流密度に２倍以上
の差があることを示している。

【０００８】上述のように従来の燃料電池では、水素濃
度分布に大きな電極面内分布が発生し、これが原因で電
流密度分布にも大きな面内分布が発生する。このため、
例えば燃料電池本体が急速な負荷の上昇指令を受けた場
合、必要量の反応ガスの供給増加の遅れを伴うので、水
素濃度の低いＣ，Ｄ部分でガス欠が生じやすくなり、こ
れが原因で電池構成材料としてのカーボン材の腐食を生
じやすく、これに起因する発電性能の低下を招くという
問題が発生する。また、水素濃度の高いＡ部分は常に高
い電流流密度で運転されているため、Ｃ，Ｄ部分に比べ
て触媒粒子の劣化が早く、燃料電池の寿命特性の低下を
招き易いという問題がある。

【０００９】この発明の目的は、水素濃度分布，電流密
度分布を改善できる電極基材を備えた燃料電池と、その
電極基材の製造方法とを提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
めに、この発明の燃料電池の電極基材は、ガス透過性の
カーボン材からなる電極基材の一方の面に電極触媒層を
支持した一対の燃料電極および空気電極と、前記一対の
電極の電極触媒層間に挟持されて電解質を保持するマト
リックスと、前記一対の電極それぞれの電極基材に接し
て互いに直交する方向に形成された複数条の反応ガス通
路とを有する燃料電池の電極基材において、前記一対の
電極の電極基材の内、少なくとも一方の電極の電極基材
のガス透過性が前記反応ガス通路中の反応ガス濃度の高
い領域で低く、反応ガス濃度の低い領域で高い、互いに
ガス透過性の異なる複数の区画を有する。

【００１１】ここで、電極基材は反応ガス通路の反応ガ
ス入口側近くにガス透過性の低い区画を、反応ガス通路
の反応ガス出口側近くにガス透過性の高い区画を有する
よう構成すると良い。また、この発明の燃料電池用電極
基材の製造方法は、ガス透過性の低い区画内にはカーボ
ン短繊維からなるピッチの充填率が低くそのサイズの小
さい成形材料を配し、ガス透過性の高い区画内にはカー
ボン短繊維からなるピッチの充填率が高くそのサイズが
大きい成形材料を配し、これら複数種類の成形材料を一
体成形する工程を含むよう構成すると良い。

【００１２】さらに、この発明の燃料電池用電極基材の
異なる製造方法は、ポリテトラフルオロエチレン樹脂の
エマルジョン溶液からなるはっ水処理剤をガス透過性が
均一なカーボン材に含浸して電極基材のはっ水処理を行
う工程において、ガス透過性を低くしたい区画には付着
するポリテトラフルオロエチレン樹脂の量を少なく，ガ
ス透過性を高くしたい区画内には付着するポリテトラフ
ルオロエチレン樹脂の量が多くなるよう調整する過程を
含むよう構成すると良い。

【００１３】

【作用】この発明の燃料電池の電極基材においては、一
対の電極の電極基材の内、少なくとも一方の電極の電極
基材のガス透過性を反応ガス通路中の反応ガス濃度の高
い領域で低く、反応ガス濃度の低い領域で高い、互いに
ガス透過性の異なる複数段階の区画に区分したことによ
り、例えば反応ガス中の反応活物質の濃度が高い領域
（反応ガス濃度が高い領域）ではガス透過性の低い電極
基材区画を透過して電極触媒層に到達する反応活物質量
が減少し、逆に反応ガス濃度が低い領域ではガス透過性
の高い電極基材区画を透過して電極触媒層に到達する反
応活物質量が増加するので、反応ガス通路中の反応ガス
濃度の分布が改善されると同時に、発電電流密度の分布
も改善され、従来反応ガス濃度の低い領域で生じたガス
欠状態，および反応ガス濃度の高い領域で生じた触媒粒
子の劣化を抑制する機能が得られる。

【００１４】ここで、例えば燃料電極側の電極基材が反
応ガス通路の燃料ガスの入口側近くにガス透過性の低い
区画を、反応ガス通路の燃料ガスの出口側近くにガス透
過性の高い区画を備えるよう、互いにガス透過性の異な
る複数段階の区画に区分したことにより、空気電極側に
比べて反応活物質の利用率が高い（この場合水素の利用
率が高い）燃料電極側の水素濃度分布，および水素の消
費量分布を均等化し、ガス欠や触媒粒子の劣化を効果的
に抑制する機能が得られる。

【００１５】また、この発明の燃料電池用電極基材の製
造方法を、ガス透過性を低くしたい区画内にはカーボン
短繊維からなるピッチの充填率が低くそのサイズの小さ
い成形材料を配し、ガス透過性を高くしたい区画内には
カーボン短繊維からなるピッチの充填率が高くそのサイ
ズが大きい成形材料を配し、これら複数種類の成形材料
を一体成形する工程を含むよう構成したことにより、例
えば一体プレス成形工程を終了後これを焼成して得られ
る多孔質カーボン材からなる電極基材は、その内部に含
まれる通気孔の空孔径および気孔率が、ピッチとバイン
ダー樹脂との混合物からなる成形樹脂中に占めるピッチ
の充填率およびそのサイズに比例することを利用し、ガ
ス透過性を低くしたい区画内でガス透過性が低く、ガス
透過性を高くしたい区画内でガス透過性の高い電極基材
を容易に得ることができる。

【００１６】さらに、この発明の燃料電池用電極基材の
異なる製造方法は、ポリテトラフルオロエチレン樹脂の
エマルジョン溶液からなるはっ水処理剤をガス透過性が
均一なカーボン材に含浸して電極基材のはっ水処理を行
う工程において、ガス透過性を低くしたい区画部分には
付着するポリテトラフルオロエチレン樹脂の量を少な
く，ガス透過性を高くしたい区画部分には付着するポリ
テトラフルオロエチレン樹脂の量が多くなるよう調整す
る過程を含むよう構成したことにより、付着する樹脂量
が少ない部分では電極基材のはっ水性が弱く、電極触媒
層を透過して電極基材中に浸出した電解質により電極基
材が濡れやすくなり、その分電極基材中の通気孔が狭窄
または閉塞されてガス透過性が低い区画が形成され、付
着する樹脂量が多い部分では電極基材のはっ水性が強
く、電極基材中に電解質が浸出するのを阻止するので、
電極基材中の通気孔の狭窄が阻止され、高いガス透過性
を有する区画が形成される。

【００１７】

【実施例】以下この発明を実施例に基づいて説明する。
図１はこの発明の実施例になる燃料電池用電極基材にお
けるガス透過性が異なる区画の形成方法を模式化して示
す平面図であり、図６について既に説明した従来の燃料
電池における燃料ガス中の水素濃度分布に基づき、燃料
電極側の電極基材６Ａを図１に矢印で示す反応空気およ
び燃料ガスの流入方向に平行な十字状の破線を境界とし
て方形の４区画に区分し、燃料ガス中の水素濃度が高い
順にＡ区画，Ｂ区画，Ｃ区画，およびＤ区画とし、上記
区画Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，の水素ガス透過性の順位が燃料ガ
ス中の水素濃度とは逆にＤ＞Ｃ＞Ｂ＞Ａなる条件を満た
すよう構成した。

【００１８】実施例になるの燃料電池の電極基材６Ａの
製造方法としては、まず、カーボン短繊維からなるピッ
チの充填率およびそのサイズが段階的に異なる４種類の
成形材料を用意し、ピッチの充填率およびそのサイズが
最小の成形材料を予め離型処理された成形型のガス透過
性を最も小さくしたいＡ区画に，ピッチの充填率が最も
高くそのサイズが大きい成形材料をガス透過性を最も高
くしたいＤ区画に，中間の配合の成形材料は上記と同様
にＢ，Ｃ区画にそれぞれ一定量注入して展圧した後、こ
れら複数種類の成形材料を一体プレス成形し、さらに焼
成炉に移して２０００°Ｃを越える温度で焼成処理を行
うことにより、４つの区画毎に水素ガス透過性が段階的
に異なる燃料電極用電極基材６Ａを製作した。

【００１９】図２は実施例になる燃料電極側電極基材を
用いた単位セルの水素濃度分布図であり、空気電極側電
極基材には従来の単位セルと同様に面方向の酸素透過性
分布が均一な電極基材を用いた。図において、得られた
水素濃度分布は図６に示す従来の水素濃度分布に比べて
等水素濃度線相互の間隔が一様になり、かつ等水素濃度
線の直線性が増しており、反応ガス通路内における水素
濃度分布が著しく改善されていることが実証された。

【００２０】図３は実施例になる燃料電極側電極基材を
用いた単位セルの電流密度分布図であり、空気電極側電
極基材には従来の単位セルと同様に面方向の酸素透過性
分布が均一な電極基材を用いた。図において、得られた
水素濃度分布は図６に示す従来の電流密度分布に比べて
等電流密度線が燃料ガスの通流方向に直線化しており、
この方向には電流密度の差が殆ど無いことを示してい
る。この実施例の場合、空気電極側電極基材には従来の
単位セルと同様に面方向の酸素透過性分布が均一な電極
基材を用いているため、反応空気の通流方向に電流密度
の差が認められるが、図７に示す従来の電流密度分布図
に比べて電流密度の差が少なく、かつ等電流密度線相互
の間隔も均等であるため、電流密度分布も著しく改善さ
れていることが分かる。なお、空気電極側電極基材にも
酸素透過性が互いに異なる複数の区画を形成するよう構
成すれば、電流密度分布を一層改善できるものと推測さ
れる。

【００２１】図４はこの発明の燃料電池の電極基材の異
なる製造方法を模式化して示す平面図であり、燃料電極
側の電極基材６Ｂを例にそのはっ水処理工程を説明す
る。図において、燃料電極側の電極基材６Ｂは前述の実
施例と同様に、燃料ガス中の水素濃度分布に基づいて燃
料ガス中の水素濃度が高い順にＡ区画，Ｂ区画，Ｃ区
画，Ｄ区画，それぞれ方形の４区画に区分し、上記区画
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，の水素ガス透過性の順位がＤ＞Ｃ＞Ｂ
＞Ａなる条件を満たすよう、はっ水処理工程で付与する
はっ水性の程度をＤ＞Ｃ＞Ｂ＞Ａなる条件を満たすよう
調整した。

【００２２】即ち、ポリテトラフルオロエチレン樹脂の
エマルジョン溶液からなるはっ水処理剤をガス透過性が
均一なカーボン材に含浸して電極基材６Ｂのはっ水処理
を行う工程において、ガス透過性を低くしたい区画部
分，例えばＡ区画には付着するポリテトラフルオロエチ
レン樹脂の量を少なく，ガス透過性を高くしたい区画部
分例えばＤ区画には付着するポリテトラフルオロエチレ
ン樹脂の量が多くなるよう調整することにより行われ
る。この調整の仕方としては、はっ水処理剤中に占める
ポリテトラフルオロエチレンエマルジョンの濃度を区画
毎に変える方法でもよく、また一定濃度のはっ水処理剤
を用い、その含浸量または含浸回数を各区画の目標とす
るはっ水性に対応して変える方法であっても良い。

【００２３】このようにして製作された燃料電極側の電
極基材６Ｂは、付着する樹脂量が少ない部分では電極基
材のはっ水性が弱く、電極触媒層を透過して電極基材中
に浸出した電解質により電極基材が濡れやすくなり、そ
の分電極基材中の通気孔が狭窄または閉塞されてガス透
過性が低い区画が形成される。また、付着する樹脂量が
多い部分では電極基材のはっ水性が強く、電極基材中に
電解質が浸出するのを阻止するので、電極基材中の通気
孔の狭窄が阻止され、高いガス透過性を有する区画が形
成される。したがって、はっ水性の強弱を利用して水素
ガス透過性の順位がＤ＞Ｃ＞Ｂ＞Ａなる条件を満たす燃
料電極側電極基材６Ｂを得られ、この電極基材を用いた
単位セルの水素ガス濃度分布および電流密度分布を前述
の実施例におけると同様に改善することができる。

【００２４】なお、実施例においては電極基材を方形の
４区画に区分した場合を例に説明したが、区分の仕方は
これに限定されるものではなく、改善前後のガス濃度分
布を考慮して最適な区分方法を採用することが好まし
い。

【００２５】

【発明の効果】この発明の燃料電池の電極基材は前述の
ように、一対の電極の電極基材の内、少なくとも一方の
電極の電極基材のガス透過性を反応ガス通路中の反応ガ
ス濃度の高い領域で低く、反応ガス濃度の低い領域で高
い、互いにガス透過性の異なる複数段階の区画に区分し
た。その結果、反応ガス濃度が高い例えば燃料ガスの入
口領域では電極触媒層に到達する水素量を抑制し、逆に
反応ガス濃度が低い例えば燃料ガスの出口領域では電極
触媒層に到達する水素量を増加させる調整機能が得ら
れ、従来技術で問題になった反応ガス通路中の反応ガス
濃度の分布の偏りが改善されると同時に、発電電流密度
の分布の偏りも改善され、従来反応ガス濃度の低い領域
で生じたガス欠状態，および反応ガス濃度の高い領域で
生じた触媒粒子の劣化を電極基材のガス透過性分布の改
善によって回避でき、したがって、発電性能を長期間安
定して保持できる信頼性の高い燃料電池を提供すること
ができる。

【００２６】また、ガス透過性が異なる複数の区画を有
する電極基材は、区画毎にピッチの充填率およびピッチ
サイズを変えた成形材料を用いる製造方法により、空孔
径およびその含有率が区画毎に異なる電極基材が得ら
れ、また、電極基材のはっ水処理工程において、区画毎
にはっ水性の強さを変え、電解質による電極基材の濡れ
性を調整することによっても目的を達成することができ
ることが、上記製造方法で製作した電極基材を燃料電極
側に用いた単位セルの水素濃度分布および電流密度分布
の測定結果により実証された。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例になる燃料電池用電極基材に
おけるガス透過性が異なる区画の形成方法を模式化して
示す平面図

【図２】実施例になる燃料電極側電極基材を用いた単位
セルの水素濃度分布図

【図３】実施例になる燃料電極側電極基材を用いた単位
セルの電流密度分布図

【図４】この発明の燃料電池の電極基材の異なる製造方
法を模式化して示す平面図

【図５】リブ付電極方式のりん酸型燃料電池の従来の単
位セルを展開して示す斜視図

【図６】従来の燃料電池の単位セル内における燃料ガス
中の水素濃度の分布を模式化して示す水素濃度分布図

【図７】従来の燃料電池の単位セル内における単位面積
当たりの発電電流の密度を模式化して示す電流分布図

【符号の説明】

１ 燃料電池（単位セル） ２ マトリックス（電解質層） ３ 燃料電極 ４ 空気電極（酸化剤電極） ５ 電極触媒層 ６ 電極基材（従来の電極基材） ６Ａ 電極基材（区画毎に異なる組成の成形材料を用た
電極基材） ６Ｂ 電極基材（区画毎にはっ水処性の強さを変えた電
極基材） ７ リブ ８ 反応ガス通路 ９ セパレート板

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ガス透過性のカーボン材からなる電極基材
   の一方の面に電極触媒層を支持した一対の燃料電極およ
   び空気電極と、前記一対の電極の電極触媒層間に挟持さ
   れて電解質を保持するマトリックスと、前記一対の電極
   それぞれの電極基材に接して互いに直交する方向に形成
   された複数条の反応ガス通路とを有する燃料電池の電極
   基材において、前記一対の電極の電極基材の内、少なく
   とも一方の電極の電極基材のガス透過性が前記反応ガス
   通路中の反応ガス濃度の高い領域で低く、反応ガス濃度
   の低い領域で高い、互いにガス透過性の異なる複数の区
   画を有することを特徴とする燃料電池の電極基材。
2. 【請求項２】反応ガス通路の反応ガスの入口側近くにガ
   ス透過性の低い区画を、反応ガス通路の反応ガスの出口
   側近くにガス透過性の高い区画を有することを特徴とす
   る請求項１記載の燃料電池の電極基材。
3. 【請求項３】ガス透過性を低くしたい区画内にはカーボ
   ン短繊維からなるピッチの充填率が低くそのサイズの小
   さい成形材料を配し、ガス透過性を高くしたい区画内に
   はカーボン短繊維からなるピッチの充填率が高くそのサ
   イズが大きい成形材料を配し、これら複数種類の成形材
   料を一体成形する工程を含むことを特徴とする請求項１
   または請求項２記載の燃料電池の電極基材製造方法。
4. 【請求項４】ポリテトラフルオロエチレン樹脂のエマル
   ジョン溶液からなるはっ水処理剤をガス透過性が均一な
   カーボン材に含浸して電極基材のはっ水処理を行う工程
   において、ガス透過性を低くしたい区画には付着するポ
   リテトラフルオロエチレン樹脂の量を少なく，ガス透過
   性を高くしたい区画内には付着するポリテトラフルオロ
   エチレン樹脂の量を多くする調整過程を含むことを特徴
   とする請求項１または請求項２記載の燃料電池の電極基
   材製造方法。