JPS5837669B2 - 燃料電池及びその製造法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、電気化学的電池に係り、更に詳細には、電極
間のマトリックスに含まれた電解質を用い、該電解質の
体積が制圓され、これによって電池の性能を安定させる
如き電気化学的電池の改良に係る。

ここでは便宜上二つの非消耗型電極を用いて電気を直接
発生する燃料電池に関して説明を行うが、かかる電池に
本発明を適用する思想は、電解装置の如きその他の電気
化学的装置にも同様に適用され得るものであることは明
らかであろう。

ここで用いている燃料電池なる語は、燃料と酸化剤より
電気的エネルギを直接発生する電気化学的電池を意味す
る。

かかる電池によって、化学的エネルギはカルノー熱サイ
クルの非能率性を排除して直接電気的エネルギに変換さ
れる。

燃料電池は、その最も簡単化された設計に於では、ハウ
ジングと、酸化剤電極と、燃料電極と、電解質とから戒
っている。

作動に於では、燃料及び酸化剤が各々の電極の表面と接
触し、ここで吸着及び離脱が生じ、電極を電気的に充電
された状態とする。

この場合、電極の他の表向は電解質と接触している。

電解質の性質に基づいて、イオンは電解質を通って正極
から負極へ或は負極から正極へ搬送される。

電流は電池より引き出され、適当な負荷を通って流れ、
そこで仕事を行う。

電解質は、構造の簡潔性及びある限られた数の制御及び
／又は補助装置に対する要求を含む設計的考慮に基づい
て、固型状、溶融ペースト状、自由に流動する液状、或
はマトリックス内に保持された液状とされて良いが、多
くの用途には、親水性マトリックス内に保持された液状
電解質を用いた電池が好ましい。

しかし、かかる電池に於ける一つの問題は、燃料と酸化
剤の反応により電池の作動中に形或される水によって、
或は使用中に過度の発熱を生ずることによる電解質の損
失によって、或は電池の作動中に電解質を吸収し或は消
費する乾燥反応剤を使用することによって、マトリック
ス内に於ける電解質の体積が変化することである。

電解質の体積が増大する場合には余剰の電解質は毛細管
作用或は電池内に生ずる内部蒸気圧による力によって電
極内へ搬送され、その結果電極の充満を生ずる。

電解質の体積が減少する場合には、電解質マＩ− ＩＪ
ツクスと電極の界面に干上がりを生ずる。

かかる充満或は干上がりは電池の電気化学的性能に逆効
果を与える。

電池内に保持されている電解質体積の変化を補償するた
めに、電極基材として厚い金属或は炭素の焼結体が用い
られており、これによって電池の作動中に電解質に生ず
る体積増大を補償するようになっている。

最近では、燃料電池の一方の電極の背後に貯蔵部を設け
、かかる貯蔵部を特殊な分離板に於ける突起、ピンその
他同様のものを経て電解質マトリックスと電解質的に連
通せしめる如き電池の設計が行われている。

しかし、かかる構或に於では、特殊な構造の貯蔵板を用
いることが必要であり、これによって電池の重量及びコ
ストが増大する。

本発明によれば、高価で且かさはる補助構成要素を必要
とすることなく、電解質マトリックスと連通する電解質
貯蔵部を有するマｔ− ＩＪツクス型燃料電池が与えら
れる。

特に、マｌ− ＩＪツクス型燃料電池は、ある予め定め
られた連続的疎水性表面積を有する少くとも一つの電極
の背後に貯蔵部を組み込んだ構造とされる。

電解質マｌ− ＩＪツクスは前記貯蔵部と電解質的に連
通しており、電解質は電解質の体積の変化に従って電極
の連続した疎水性表面にほぼ一様に隔置された非疎水性
部分を通って前記貯蔵部と電解質マトリックスの間に自
由に行き来する。

前記貯蔵部にその容積より少ない電解質を保持させるこ
とにより、電解質マトリックスの電解質体積は常に一定
に維持され、電解質体積が変化しても電池の性能に変動
を生ずることを避けることができる。

かくして、電池の作動中に水が形或されることにより、
電池内の電解質が増大するにつれ、前記貯蔵部に於ける
電解質の体積が増大し、又過熱或は過剰な反応物の流れ
により電解質マトリックス内の電解質が減少すると、電
解質は前記貯蔵部よりマトリックスへ流れ、マトリック
ス内の電解質を増大せしめる。

かくして、電解質マトリックス内の電解質は常に一定に
保たれ、前記貯蔵部は必要に応じて電解質マトリックス
へ電解質を供給し、或は電解質マトリックスより電解質
を除去する。

電池のためのかかる貯蔵部一電解質構或は種々の形態に
よって行われてよい。

一つの好ましい実施例に於では、親水性電極はある選択
された型にて覆われ、該型の下部の領域にて露出されな
いようにされる。

この電極に疎水性ポリマーの水性懸濁液を適用し、前記
露出された領域にてこれを疎水性とする。

かかる疎水性ポリマーを適用した後、前記型を除去し、
電解質貯蔵部として作用する親水性物質より或る層を露
出されなかった非疎水性の領域に適用する。

かかる構成は絹のスクリーンを用いること或は製紙技術
によって達威される。

上記の如く構成された電極が、燃料電池に於で電解質マ
トリックスと接触状態にもたらされると、電解質マトリ
ックスに於ける電解質は、前記貯蔵部よりマトリックス
へ或は逆方向に電極の親水性部分を通って自由に移動す
る、他の一つの実施例に於では、疎水性電極が作られ、
ある選択された型の孔が該電極に刻み込まれる。

然る後．かかる孔を親水性のマｌ− ＩＪツクス状物質
にて満たす。

この物質は疎水性電極の表面の孔の部分に延在し、マト
リックス貯蔵部を与える。

この構造が燃料電池に用いられるときは、電解質は電解
質マトリックスと貯蔵部マトリックス材の間に毛細管作
用により流動する。

更に他の一つの実施例に於では、疎水性電極に適当な型
による孔が刻み込まれ、かかる孔は親水性マトリックス
材にて満たされる。

親水性マトリックス状の層を前記疎水性電極上に設け、
親水性マトリックス材が前記孔の部分に対応して存在す
るようにする。

この実施例に於では、電解質は電極の孔を通って電解質
貯蔵部と電解質マトリックスの間に流動する。

本発明の重要な要件を、絹スクリーン、紙或はその他同
様の技術によって達成するに当って、種々の修正が可能
であることは明らかであろう。

以下に添付の図を参照して本発明を実施例について詳細
に説明する。

添付の図に於で、燃料電池１０は電解質マトリックス１
２によって隔てられた負極１６と正極１４を含んでいる
。

第１図の実施例に於では、負極１６は触媒層１６．１と
疎水性基質層１６．２を含んでいる。

正極１４は疎水性層１４．２と触媒層１４．１を含んで
いる。

負極の疎水性層１６．２は疎水性でない選択された領域
１６．３を有し、この領域は上記の如き技術を用いた電
極の構造により親水性である。

負極１６の背後に、親水性領域と一致して、マｌ− Ｉ
Ｊツクス材１８が配置されており、これは電解質貯蔵部
として作用する。

分離板２０が前記貯蔵部の背後に配置されており、前記
貯蔵部の物質を作動位置に保持し、電池の構成要素を作
動関係に維持することを助けている。

この実施例によれば、マトＩＪックス１２からの電解質
は負極１６の親水性領域１６．３を経て貯蔵部１８と自
由に連通し、常にマトリックス１２内に一様な電解質体
積を維持する。

第２図の実施例に於では、疎水性負極１６は孔１２．１
を有し、これらの孔は電解質マトリックス材１２により
満されており、この物質は電極の背後にて選択された領
域に延びており、貯蔵装置１２．２を与えている。

第１図に於ける如く、マトリックス１２に於ける電解質
は疎水性電極１６に於ける選択された領域１２．１を通
って貯蔵部１２．２に於ける電解質と自由に連通ずる。

第３図に於では、第２図の実施例が一つの燃料電池構造
担内に配置されている。

しかし、第３図の燃料電池に於では、負極及び正極の両
者は、電解質マｌ− ＩＪツクスが電極の選択された領
域を経て電解質貯蔵部と連通ずるように構成されている
。

作動に於で、電解質マｌ− ＩＪックス１２は３０％の
水性水酸化カリウム電解質にて飽和され、その体積は貯
蔵部マトリックス１２．２を部分的にのみ満たすに充分
なものとされる。

反応ガス（この場合水素）は一つの貯蔵容器よりガス入
口管２２を経て負極１６へ供給され、余剰のガスは出口
管２２．１より除去される。

酸化剤（この場合酸素）は一つの貯蔵容器より入口管２
４を経て正極１４へ供給され、余剰の空気及び不純物は
出口管２４．１より排出される。

電流は回路Ｍを経て取り出される。

図示の実施例に於では、電池は分離板２０及びハウジン
グ３０を用いているが、もし望むなら、分離板２０はハ
ウジングと同一或は一体とされていて良い。

換言すれば、それは別個の要素である必要はない。

電池は、定常電流にて作動しているときは、ほぼ一定の
出力を与える。

この場合、電解質貯蔵部を用いていることにより、全体
の体積が変化する作用は電気化学的作用より分けられて
いるので、電流特性には殆ど変動が生じない。

これらの好ましい実施例に於では、電極は軽量のスクリ
ーン型電極であり、これは触媒層と接触する疎水性の層
を含んでいる。

前記触媒層は白金の如き触媒性金属とポリテトラフルオ
口エチレンの如き疎水性ポリマーの均一な混合物である
。

ポリテトラフルオロエチレンに対する白金の比率は、体
積比にて７：３であり、電極に対する白金の添．加率は
約１０１ｎ９／一である。

電極の厚さはほぼ２０３ミクロンである。

一つの好ましい実施例に於ける電極マトリックスは、圧
縮されたアスベストであり、ほぼ５０８ミクロンの厚さ
のものである。

貯蔵部マトリックスは、電極マトリックスより薄く、ほ
ぼ３０４ミクロンの厚さである。

以上に於では、本発明を水酸化カリウム電解質に関して
説明したが、その他の電解質が用いられてもよく、かか
る電解質としては、その他の水酸化アルカリ、水酸化ア
ルカリ士類、炭化物の水溶液が含まれる。

又、塩酸、硫酸、燐酸の如き強酸電解質が用いられても
よい。

更に、前述の水素及び酸素の他に、一般に用いられてい
る反応物が本発明の電池に用いられてもよい。

本発明の思想は、電解質マトリックスを用い、一マトリ
ックス型電解質に於ける電解質の体積制御が重要である
如き従来の任意の電池に用いられてよい。

本発明の電池に用いられ得る触媒は、燃料電池電極に一
般に用いられている任意の触媒であってよく、それらに
必要とされることは、使用される燃料及び酸化剤と電気
化学的に反応することである。

周期律表の第８族に属する金属が好ましく、特に、白金
、パラジウム、ロジウム及びこれらの混合物が適してい
る。

電極に用いられるポリマーは、軽量の電極を構或するの
に一般的に用いられているものであってよく、前記のポ
リテトラフルオロエチレンの他に、ポリビニリデンフロ
ライド、ポリクロロトリフルオ口エチレン、ポリビニー
ルフロライド、これらの共重合物が含まれる。

更に、本発明は、単一の電池に関して図示され且説明さ
れたが、複数個の電池を積み重ねた構造としてもよいこ
とが明らかであろう。

これらの修正は当業者によって容易になされる範囲のも
のであり、本発明の範囲内に含まれるべきものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一つの実施例を示す一部破断して除去
された断面図である。 第２図は本発明の第二の実施例を示す一部破断して除去
された断面図である。 第３図は第２図に示す構造に従って構成された単一の燃
料電池の断面図である。 １０・・・・・・燃料電池、１２・・・・・・電解質マ
トリックス、１２．１・・・・・・孔、１２．２・・・
・・・貯蔵装置、１４・・・・・・正極、１４、１・・
・・・・触媒層、１４、２・・・・・・疎水性層、１６
・・・・・・負極、１６．１・・・・・・触媒層、１６
．２・・・・・・疎水性層、１６．３・・・・・・選択
された領域、１８・・・・・・マトリックス材、２０・
・・・・・分離装置、２２・・・・・・燃料入口管、２
２．１・・・・・・燃料出口管、２４・・・・・・酸化
剤人口管、２４．１・・・・・・酸化剤出口管、３０・
・・・・・ハウジング。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 一対の対向して配置された電極と、前記一対の電極
   間に配置された電解質マｌ− ＩＪツクスと、前記一対
   の電極の両側に流体を通すための空間を残すよう前記電
   極と前記電解質マトリックスとを囲むハウジングとを有
   する燃料電池にして、前記一対の電極の少くとも一方は
   その表面全体に亙って実質的に均一に分散された複数個
   の小さい非疎水性貫通部と該表面の残りの部分に亙って
   延在する連続した疎水性表面部とを有し、前記電解質マ
   トリックスの側から見て前記一方の電極の背後にある前
   記空間には該空間の連続性を保って複数個の電解質貯蔵
   部が設けられており、前記電解質貯蔵部は該電解質貯蔵
   部と前記電解質マｌ− ＩＪツクスとの間に電解質を移
   動させるよう前記非疎水性貫通部を経て前記電解質マト
   リックスと通じていることを特徴とする燃料電池。 ２ 特許請求の範囲の第１項記載の燃料電池を製造する
   方法にして、親水性の板状電極基材の表面の選択された
   領域に被覆を施し、その上から疎水性ポリマーを付加す
   ることにより該表面の被覆されていない領域を疎水性と
   し、前記被覆を除去し、前記板状電極基材の前記被覆よ
   り被覆されていた領域に親水性のマトリックス材を付加
   し、該板状材料の反対側の表面に触媒層を設け、かくし
   て準備された板状要素を少くともその一方とする一対の
   電極をハウジング内に電解質マトリックスと共に前記板
   状要素の触媒層の側が前記電解質マｔ− ＩＪツクスと
   接し且前記電解質マトリックスを挟む一対の電極の両側
   に流体を通すための互いに隔離された一対の空間が残さ
   れるように配置することを特徴とする方法。