JPS5927466A

JPS5927466A - 燃料電池

Info

Publication number: JPS5927466A
Application number: JP57136309A
Authority: JP
Inventors: Michio Kobayashi; 道夫小林; Kinnosuke Koizumi; 小泉　金之助; Taichi Takechi; 武知　太一; Hiroto Kozu; 寛人神津; Takeshi Kuwabara; 武桑原; Toshiaki Seki; 関　敏昭
Original assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electric Power Co Inc; Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electric Power Co Holdings Inc
Priority date: 1982-08-06
Filing date: 1982-08-06
Publication date: 1984-02-13

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】〔発明の技術分野〕本発明はリブ付電極の組成構造を改良した燃料電池に関
する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

燃料電池（以下電池と略記する）は燃料がもっているエ
ネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置でめる。

電池は通常を解質を挾んで一対の多孔質電極を配置する
とともに、一方の電極の背面に水素などのような燃料ガ
スを接触させ、また他方の￥１極の背面に酸素などのよ
うな酸化剤ガスを接触させる。このときに起る電気化学
的反応を利用して両電極間から電気エネルギーを取シ出
すように構成したものでろる。

電解娶として溶融塩、アルカリ溶液及び酸溶液などがあ
るが、代表的なわん酸を電解質とする電池の原理につい
て説明する。第１図において、電解質層（１）は繊維質
シートや鉱物質粉末にシん酸を含浸しである。この電解
質層（１１の両側にはアノード電極（２＋及びカソード
電極（２ａ）を配設する。これら両電極（２Ｊ　、　（
２ｍ）は炭素質部材からｌる多孔性部制から形成される
。またこれら両電極（２）、　（２ｍ）の夫々寛解質層
（１１側には、Ａ常は白金触媒を塗布している。アノー
ド電極（２）及びカソード電極（２ａ）は、夫々電解質
層（１１１１ｔ１１と反対側は、燃料ガスが流れる燃料
ガス室（３）及び酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス室（３
ａ）とが夫々設けられる。一般にシん酸形燃料電池にお
いてに燃料ガスは水素ガスでβシ、また酸化剤ガスは空
気である。

このようなりん酸形の電池について作用を説明する。燃
料ガス室（３）に流入したガス中の水素ガスは多孔質な
アノード電極（２）の空所に拡散し１触媒に達する。そ
して触媒の作用によって水素ガスは水素イオンと電子と
に解離する。

すなわち、反応式はＨ２→２Ｈ＋＋２ｅである。

次にこの水素イオンＨ＋は電解質層（１）に入り、濃度
拡散によってカソード電極（２ａ）に向って泳動してゆ
く。一方電子ｅはアノード電極（２１に流れ込み、この
アノード電極（２１は負に課電される。またカソード電
極（２ａ）においては、アノード電極（２）から泳動し
てきた水素イオンＨ＋と、酸化剤ガス室（３ａ）に流入
した空気中の酸素０□が多孔質なカソード電極（２ａ）
の空所に拡散する。この拡散し１きた酸素Ｏ２と、アノ
ード電極＋２１から外部の電気負荷を通って電池にもど
ってきた電子ｅと、水素イオンＨ＋との３者が触媒表面
で次のような反応を起す。

すなわち、４Ｈ″−＋４ｅ　＋　Ｏｘ　→２ＨｚＯかく
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全反応が
完成する。

上述のように電解質を含浸した電解質層、すなわちマト
リックスを境にして、この両側に電極を夫々配設してい
わゆる単位セル、すなわち単位電池を形成する。この両
電極は夫々多孔質部材例えは炭素部材から形成される。

この電極にマトリックスに接する側に夫々触媒層を形成
し、またマトリックスと反対側に溝及び凸部でろるリブ
を形成している。このようにマトリックスの両側の電極
に夫々形成される溝の方向は互に直交するように形成さ
れる。したがってリブもまた互に直交するように形成さ
れる。

このような従来のリブ付の電極は、０．２ないし数鉗の
長さに切った炭素繊維を均一な厚さに拡げ、７ｍ／−ル
樹脂あるいはピッチなどの接着剤をスプレーして、適当
な厚さにプレスして、これを加熱固化してシート状に形
成する。しかる後、焼成炉で徐々に温度を上げて１５０
０°ないし２５００°Ｃで焼成することによって炭化、
さらに黒鉛化する。

このように焼成したシート状電極部材に溝を切削加工す
るとともにリブもまた形成されて電極となる。

上記のようにして形成された従来の電極においてに、溝
の底部すなわちガス拡散層、及びリブの部分は全て一様
に均一な組成となっている。したがって、ガス拡散層の
ガス拡散性金良くすれば、リブ部分の電気導電性及び熱
伝導性が低下する。

またリブ部分の電気導電性及び熱伝導性を良好にすれば
ガス拡散層におけるガス拡散性が低下するという改良す
べき問題点があった。

なお、ガス拡散層とリブ部分とを夫々の性能を向上する
ように組成を変えて別々に形成して、組合せ接合して電
極を構成することも考えられるが、接合部分の解離及び
作業工程が複雑となるなど不具合な点がめる。

〔発明の目的〕

不発明は上記の点を考慮してなされたもので、その目的
とするところは、電極の溝におけるガス別電池を提供す
ることにめる。

〔発明の概要〕

か＼る目的を達成するために、本発明は・１極のガス拡
散層となる溝の底部を長い炭素繊維を主体とした組成と
し、またリブは上記より短い炭素繊維を主体とした組成
とし、両者を一体に焼成して形成し、ガス拡散層のガス
拡散性を良好にし、またリブの電気的抵抗を低くくシ、
かつ熱伝導性をヱ不すレギレ良好にして、燃料電池の変換効率を向上したこと△ をセの特徴とする。

〔発明の実施例〕

以下本発明を図面に示す一実施例を参照して説明する。

単位電池を積層した電池の構成を第２図に示す。電解質
を含浸した電解質層すなわちマトリックスＱｌｌを境に
して、この両側にアノード電極及びカンード電極に相当
するｔ＆ｕａ及び（１２１１）を夫々配設する。またこ
れら電極０り及び（１２ａ）にはマトリックス（１１）
に接する側に夫々白金触媒からなる触媒層０階及び（１
３ａ）を形成する。−ｆニジて電極０及び（１２ｍ）の
触媒層０３）及び（１３ａ）と反対側に溝０９゜（ｘ５
ｍ）及びリブ（１６Ｌ（１６ａ）を形成するとともに電
極Ｑ２１の溝０最及びリブ叫は電極（ＸＺａ）の溝（１
５ｍ）及びリブ（１６ｍ）と互に直交するように形成さ
れる。このように形成された単位電池（１〔を選定され
た複数個をセパレータα′０を介して重ね、端部に集電
板（１８１を当接し、図示しない締付部材を介して全体
を締付は固定することによって電池損１＠体翰を構成す
る。

なお、セパレータＨｔａ炭素又は黒鉛部材からなるシー
トによって形成され、互に隣接する両電極（１２１゜（
１２ａ）間の夫々のガス流の混合を防ぐために設けられ
る。

そして、電池積層体（２０には第３図に示すように、一
方何に対向して燃料ガスを供給するパイプ（２１）を備
えたマニホールド＠と、燃料排ガスを集めて排出するパ
イプ（２１Ｅ）　ｆ備えたマニホールド（２２Ｅ）を設
ける。また他方側に夫々対向して、酸素ガスを含む酸化
剤ガスを供給するパイプ（ハ）を備えたマニホールド（
２４）と、酸化剤排ガスを集めて排出する・ぞイブ（２
３Ｅ）を備えたマニホールド（２４Ｅ）とを設ける。な
お電池積層体（イ）と夫々マニホールド（２２＋。

（２２Ｅ）　、　（２４）　、　（２４Ｋ）　　との間
には、図示しないバッキングを設け、絶縁及び気密を保
持して取付けられる。このようにして電池（ハ）が構成
される。

次に前述の両電極ａり及び（ｘ２ｍ）の組成及び構成に
ついて説明する。

まず第１工程において、光面に弗素樹脂のような離形剤
を処理した金属板上に、長さ０．２　Ｚいし２　ｍｍに
切断した炭素繊維（以下短繊維と記す）を散布して第１
の層を形成する。あるいはこの第１のｊ−をコークス粉
末又は黒鉛粉末と上記の短繊維との混合部材によって形
成する。この第１の層を形成する散布量は最後に形成さ
れる電極によって異なるが、１．５〜２．５ｋｇ／ｉが
適当である。この第１の層は後述するようにリブ部分を
形成する。そして続いて、長さ０．２７２いし６ｚｍで
、平均長さが短繊維よシ長い炭素繊維（以下長繊維と配
す）の混合部材を第１の層の上に均一に散布して第２の
層を形成する。この第２の層は後述するように溝の底部
となるガス拡散層を形成する。

第２工程において、第１工程で散布して形成した第１及
び第２の層に接着剤を散布する。この接着剤はタールと
エポキシ樹脂、めるいに７エノール樹脂などを適当な粘
度になるように溶剤で希釈して使用する。この接着剤の
量は炭素量に対して１０１いり、６０％の広い範囲で選
ぶことができる。

第３工程において、第２工程で散布した接着剤の浴剤を
室温ないし５０あるいハロ０℃の低温加熱によって揮散
させた後、ホットプレスで所望の厚さにプレスして接着
剤を硬化させる。この接着剤がフェノール樹脂の場合は
１５０℃、１時間程度の処理が適当である。このように
してシート状成形部材を形成する。

第４工程において、上記のシート状成形部材を炭素板又
は金属板にはさみ、炭化炉に入れて、２００ないし３０
０℃で空気雰囲気中で数時間保持した後、無酸素雰囲気
中で８００ないし１０００℃までゆつ〈シ昇温して炭化
させる。

第５工程において、上記の炭化シート状成形部材を黒鉛
板にはさみ、黒鉛化炉に入れ、２０００ないし２５００
℃の高温まで昇温して焼成し、黒鉛化シート状成形部材
を形成する。

第６エ程において、上記の黒鉛化シート状成形部材の表
面を研磨し、短繊維を主体とした第１の層側をミーリン
グカッターで所望の溝形状に加工して電極（１２１、（
１２１Ｌ）を完成する。

このようにして形成された両電極’ｌ’ｌＪ、　（１ｚ
ａ）は同じ組成形状に形成されているので、電極０２＋
について第４図を診照してその特長を説明する。第２の
層に相当する長繊維を主体とした溝０ωの底部となるガ
ス拡散層ｃ３０１は、長繊維を散布したとべ、この長繊
維が水平に配向して形成される傾向がめる。

そのため平面方向の電気導電性及び熱伝導性と機械的強
度を増す効果がある。また補助的に配合した短繊維は長
繊維だけの場合に発生し易い犬きｌ空９丁を埋め、適当
な通気性と気孔度を形成する。

このガス拡散Ｊ＠ｔ３ｆ））の密度は０．４Ｚいし０６
が適当でろる。

一部、短繊維と・炭素粉末あるいは黒鉛粉末で形成した
第２の層に相当するリブｕＱは緻密な組織とｙｚ、１．
電気及び熱の伝導率の良好な組織となる。

このリブｔｔｅの部分の密度は、ガス拡散層（均と一体
に形成されているにもが＼ゎらず、ｏ８１いし１．２で
ろって高い密度の組織を形成している。

さらに、上述のような工程によって形成された電＆ａ２
）のリブ（ｌＩｉｌＡびガス拡散層ｑにおける焼成前の
組成及び焼成後の一例として若干の特性値のデータを、
リブ（１６Ｊについては第１表に、またガス拡散層■に
ついては第２表に示す。

（以下余白）第　　２　　懺次に上述した本発明の電池の作用効果について説明する
。電池（ハ）にはパイプＱυからマニホールド（２２１
を介して水素ガスを含む燃料ガスが各単位電池ｉｌｌの
電極（１２１に供給される。この燃料ガスとともに流入
する燃料以外の成分と未反応の燃料ガス、すなわち余剰
の燃料ガスは燃料排ガスとなってマニホールド（２２Ｋ
）　、パイプ（２１Ｅ）を経て排出される。

また電極（１２ａ）側、すなわち酸素ガスを供給する酸
化剤ガス側について亀上記と同様でおる。かくして供給
される燃料ガス及び酸化剤ガスは多孔質な電極ａり、　
（１２ａ）内部を拡散してマトリックス０υに達する。

そして前述の原理の通９に電気化学的反応によって電気
エネルギーに変換される。この電池（ハ）の電圧は単位
電池ａＩの電圧の和である。また電流は各単位電池傾を
直列に流れ、集電板瞳よ如外部に取出される。

前述のように電極０２１及び（１２！Ｌ）は同じ組成及
び構造となっているので、主として電極（１２１の作用
効果について説明するが、電極（ＩＺａ）においても全
く同様である。第４図及び第５図において、溝α５ｉ′
の底部となるガス拡散層ＯＩは水素ガス（電極（１２ａ
）のときは酸素ガスでらる）が、破線で示した矢印群ｃ
ｌ］Ｊに示すようにガス拡散する。このようにガス拡散
性を良くするために十分な通気性、すなわち密度はリブ
叫よシ十分小さく形成されている。なお、ガス拡散の通
路として必要な部分は、ガス拡散層Φに近いごく一部だ
けでるることが、別の調査によって明らかになっている
。またガス拡散の方向は、図示したように縦方向の成分
が多く、電流の方向は図示したように横方向成分が多い
。すなわち、このガス拡散＊ｔＳ＊Ｕ主として長繊維が
平面状に配向しているので、図示横方向の沿層方向の抵
抗値が小さく、また密度が小さいことから通気性が大き
くなっているので、図示点線の矢印群（３１１のように
ガス拡散は厚さ方向、すなわち縦方向に容易である。

一万、リブ（１６）の部分においては、短繊維を主体と
して緻密に形成されているので、実線で示した矢印群Ｇ
３２１で示すように′電気回路となるので、損失を少な
くするため、電気抵抗はガス拡散層■より小さい。また
リブ（１６，ｌは電流を流すとともに、この、・帆　　
（・部分で発生する熱を列部に発散させるように朧伝導の働
きをしている。さらに、リブ（ＩＱにおける電流及び熱
は電極の厚さ方向、すなわち図示では縦方向に流れるが
、このリブｔｍｏ縦方向の電気抵抗は小さい。またこの
ようなｇｉ底部材においては電気抵抗の小さいものに熱
伝導率も小さいのが一般でおり、またリブ（１６１は緻
密すなわち密度を太きく形成しているので、ガス拡散層
■よシ熱伝導ははるかに良好でろる。

上述したように電極０り、　（１２＆）は一体に焼成し
て形成したにもかかわらず、ガス拡散層Ｇ［）Ｕガス拡
散性が良く、かつ横力向の電気抵抗が小さい。また、リ
ブＯＱは電気抵抗が低くく、かつ熱伝導がよいため、燃
料電池の変換効率を向上させることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明の燃料電池によれは、電極の
溝の底部となるガス拡散層の組成は長繊維を主とし、リ
ブの組成は短繊維を主として一体に焼成して形成するこ
とによって、ガス拡散層のガス拡散性が良好でめシ、ま
たリブの電気導電性及び熱伝導性が優れた性能が得られ
、エネルギーの変換効率全向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はりん酸形燃料電池の動作原理を示す説明図、第
２図は本発明の燃料電池の単位電池を積層した状態を示
す斜視図、第３図は第２図の電池積層体にマニホールド
を取付けた状態會示す斜視図、第４図は第２図の単位電
池を示す部分断面図。第５図は第４図におけるガス拡散及び電流路を示す説明
図でめる。ａＩｌｌｌ・・・単位電池、０１）・・・マトリックス
ｒ　ｕａ　ｔ　（１２ａ）・・・電極、Ｈ、（ｘ３ｍ）
・−触媒層、　Ｑ５）　、　（１５＆）−・・溝、（ｌ
［１、（１６１Ｌ）・・・リブ、０７）・・・セパレー
タ、賭・・・集電板、翰・・・電池積ｊ一体、　（２２
１、（２２Ｅ）　、　ＣＩ！階、　（２３Ｅ）・・・マ
ニホールド。釦）　、　（２１Ｋ）　、（ハ）、　（２３Ｆ）・・・
パイプ、＠・・・燃料電池。（７）・・・ガス拡散層、０υ、　（′１２１・・・矢
印群代理人　弁理士　　井　上　−男第１図第２図第３図第４図第５図第１頁の続き［相］発　明　者　関敏昭川崎市川崎区浮島町２番１号東京芝浦電気株式会社浜川崎工場内 ■出　願　人　東京芝浦電気株式会社川崎市幸区堀川町７２番地

Claims

【特許請求の範囲】（１）　　電解質層を挾んで一対の多孔質の電極を配設
し、−万の前記電極の背面から燃料ガスを接触させ、他
方の前記電極の背面から酸化剤ガスを接触させ、このと
き起る電気化学的反応による起電力で前記一対の電極か
ら電気エネルギーを取出すものにおいて、前記電極の溝
の底部となるガス拡散層を長い炭素繊維を主体とした組
成に形成し、また前記電極の凸部とｌるリブを前記長い
炭素繊維よシ短い炭素繊維を主体とした組成に形成する
とともに、前記ガス拡散層及びリブとを一体に焼成して
形成したことを特徴とする燃料電池。（２１ガス拡散層を主体とした長い炭素繊維と少量の短
い炭素繊維との組成とし、またリブを平均長さの短い炭
素繊維を主体に組成するとともに、両者を接着剤を介し
て一体に成形及び焼成して形成した特許請求の範囲第１
項記載の燃料電池。（３）　　ガス拡散層を主体とした長い炭素繊維と少量
の短い炭素繊維との組成とし、またリブは短い平均長さ
の炭素繊維と炭素粉末あるいは黒鉛粉末との組成とする
とともに、両者を接着剤を介して一体に成形及び焼成し
て形成した特許請求の範囲第１項記載の燃料電池。