JPS6095862A - 燃料電池 - Google Patents

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】 ［弁明の技術分野］ 木弁明は長ＩＩＪＪ間に洩り安定しｌ：）１能を右づる
燃１１電池に関りる。

［発明の技術的昔日とでの問題貞１ ｉＩＬ来、燃料の有し“Ｃいる工□ネルギーを直接電気
的二１ネル−Ｖ−に変換する装同としＣ燃ｆｌ　７ＵＡ
池が知られ（いる。この燃料電池は通１；）、電［費を
（ソζん（−ス・ｊの多孔？′（雷１かを配置り゛ると
どちに、　万の電）つ（のｒテ面に水素等の流体燃料を
ｌｙ：　Ｆｒｌ！さＵ、３またｆｌ！！　ｆｊの電極の
背面に酸素簀の流体ｎワ化剤を接触さけ、こｋどきに起
る電気化学反１芯を利用し−Ｃ１上記電仲間から電気１
ネ土−を取り出すようにしたものであり、前記燃１’ｌ
と酸化剤が供給８れている限り高い変換効率で電気上ネ
ル１゛−を取り＋Ｊｊ　！ＩことができるものＣある。

ところで上記の原理に基づく、特にリン酸を電解質とし
た燃オ°３１電池の単位セルは通常第１図（ａ）又は〈
］））に示づように４Ｍ成されでおり、またこの単位ピ
ルを視数個ｖｉ層づ−ることににって第２図に示づＪζ
うに燃ｒ４電池装置全体を（Ｒ成している。

す゛なわら、第１図（ａ　）において、単位はルは電Ｍ
質を含浸したマトリックス′１を境にして両側に多孔？
’ｆ　イイ〜で一形成され触媒か１・」加されＣいる電
極２．３（通常演素（Δから成る）を配置し、さらに両
［１！ｌｉ２　、３の７１〜リツクス１と背面にイれぞ
れリブ４，５のｆ」いたプレー１〜Ｇ（−Ｗｉｔはクラ
ファ？’＋−□と熱硬（じ性樹脂の沢合結着１本から構
成される。

以１賓、ｒンタコネクターど称づる。）を配置しＣいる
。１上記〜ｒンタコネクタ６の各７Ｕｉ極２，３側に１
１２首りる而に４；Ｉ：　、それぞれリブ４．５にＪ：
って互いに直ｉ′ｊりるような向きに溝７．８が複数本
ノη則的）ご平１１に設置Ｊ　−Ｔ’　ｊｓうり、これ
らの潜７，８にはそれぞれ流悸燃１１および；Ｌ体止止
剤の流通路を（に成する。ま１こ−ｒシンクネクタ６の
反対側の面にも同洋にリブ４，５によって互いにＢｉｊ
りるような向きに隣接する１１位セルにおける流体燃１
’ｌ　ＩＪ３よび流体酸化剤の流通路に供される溝７．
８が形成されている。このように７１−リックス１、電
極２，３おＪ：びインタコネクタ６を積層し、この状態
でインタコネクタ６の置溝７．８の両端間Ｌ］だけを残
して各（Ｆｔ層端面部を気密にシールし゛Ｃ甲泣セルを
構成している。

第１図（ａ　）のＪ：うに構成され１’、ｘ　ｌｉ　ｊ
’ｙ、　Ｌルｔ、ｔ　ｌり数個箔層され、第２図に承り
ようにこの（？１層体の一つの対向りる端面の一方に燃
ｆｆＦＩ　ｆＲＲｕＯ２イｊしたマニホルド１０と、他
方に燃ｆｆｌ　１１１　ｔｌ；　ｎ　’＋　１とを右し
たン二ホル１−１２とが当てがわれ、また、他のタ、１
向りるＩ！ｌ、ｌｉ面にＷ止剤イ１（、給１−１１　：
′Ｉ／ｉ（ｊ　したｅ二ホルｌ”Ｉ　／ＩとＩｆ！！　
ＩＪ　ニＱ’ｊ化：ハリ１１１出ＩＩ　Ｉ　：＋４０シ
／：ｖニホルト１Ｇとが当てかわれ、これらｌニボルト
１０．１２．１４．１０がポル１〜雪Ｃｌ’、Ｔｉ　ｆ
ＪけられＣ気密保持され、これにＪ、つ′Ｃた！：　ｔ
’ｌ小池装胃１７が（８成されている。し・たがつＣ１
この燃料電池装置１７によると、燃オニ１供給口９から
流１本燃料をＩｌｌ。

給すると、この燃料は各単位セルの流通路である複数の
溝７を分流しＣ多孔性、の電（ｄ（２の背面に接しなか
ら流れ、その後燃料排、、、出口１′１から排出される
。また酸化剤供給口１３・ｈｓ　、ら流体０１目ヒ剤を
供給づるど、この酸化剤は各単位セルの流通路である？
Ｑ　？Ａ’！、の溝８を分流して多孔、、性の電極３の
背面に接触しながら流れ、その後−七、４＋１排出口１
５から排出されることになる。流１ホ燃叩と（ン体０９
化剤はそれぞれ拡敞によっ−Ｃ多孔性の電極２，３内に
供給されｌ＆Ｎ　！Ｉ＋電池としての電気ｊ［、ネルｙ
−を光生りる。な３３図で１、工出力端子は省！　Ｌ　
’Ｕいる。

更に、８′Ｉ良型として第１図（Ｉ））に承りように構
成された燃料電池１月１７．　ｔルが考えられＣいる。

第゛１図（１））にＪｊい（゛、１８は［パレータ、１
９はリブ（＝Ｊ電！！ｉｌ’ｌ’あり、その信組７・１
図、（ａ）と同じ作用を示、？Ｉちのは同一符号を付、
ニジて示しである。

すなわノコ。第１図（ａ　）にポア。インクコネクタ６
がパレータ１８とリブ４，５に分割構成され、かつモの
リフか４，５が電極２　、、、、、、．３と夫／７一体
化され【、、リブ１；ｊ電極１９としてＩＲ成さ６　Ｔ
いる。

この改良型の特徴は、セパレータ１８が流体燃わｌと流
１本酸化剤どの混合を防止し、かつ中位セル積層化の集
電体としＣの役目をしているどころにある。まノここの
改良型の瘤ｊ　１１　Ｙｆｉ池゛（は、第１図＜ａ　＞
に示したインクコネクタ型のものに比較してｉＩ′ｉ昂
が約２１′分に軽量化され、・かつリノ部が多孔７１で
あり、７１〜リックス層から、あふれ出たリン酸を吸１
１２シ、まｌこ７１〜リックス層のリン酸が減少するど
吸蔵ｊ貴しているリンｆｌ！ｔを再ａンｔｌＩ給りるい
わゆる“リリ゛−バ（幾能°°を０している。１なわ１
う、リブｆり市伜１９は流体燃１’ｌ　６３よひ流（Ａ
ｏ（止剤の反応流１４−が人／ｌ触媒層へ到ｊ！□！ｊ
るために１−分な反応流１＋の透過１１を？’ｊ　Ｌ　
Ｃｄ５す、春雷１′１・熱伝轡１′１どもＩＪ　Ｊ、　
＜かつ積層加重に耐える強度をｉｆ：　ｉｎ　ｌｉｊ１
λ（いる。、。

ところで、以、土の如さｉＬ　ｙｆ、の燃、＃゛１１市
池極ＩＪ、６５〜８０％の多孔瓜を６りるカーボンベー
パーあるいはカーボン焼結・基板（以下、声忰見仮と称
する）Ｌ（二、触媒を１旦１与したうご電１′１オ１７
了を疎水１′Ｌボリン−および溶媒ど）Ｉ？椋して塗布
したのら乾燥・焼成りることによって製造される。しか
しながら、従来の電極にｊ３いてはその検問の結果、次
のような問題点のあることが明らかとなっている。

（ａ　）　剣１媒担持帯としＣ，同し炭素手Δ１１でし
耐食性を向上した拐１Ｍ、例えばアレプレンフラッフあ
るいはグラフ７・イ１−の微粒子を用いることか要求さ
れるが、上記耐食性の向」−シた＋４斜はそれ自体が強
い撥水性を有しているため、前記触媒層の撥水性が異常
に強くなつＣ電ｈ７買をはじき、触媒と電解７１の接触
が不充分となり、従って電Ｍ質と触９’Ｘと反応カスの
接触界面−Ｃある反応面積か小さくなり、電池内部抵抗
か人さくなり電池性能が著しく低１てする。

（ｂ）ｉ正転温度、運■耘ＩＩ力、０前１反応カス中占
（１工１等の運転条ｆｌにより必タイｉ的に７７ｉ　ｈ
Ｙ　１１の体積変化を伴う。すなわら、電解質Ｃあるリ
ン酸は次の反、旧式の如く、水と五ｎワ化リンの反応生
成物Ｃありｈビ）　１１４３泥１コ、の強い乾燥剤てし
ある。

３　ｌ−１２０−１；６　Ｐ　４０１ｏ　’−：　２　
Ｈ３Ｐ　Ｏ４したがって、高温Ｃ乾燥した条件下゛Ｃは
上記反応は左へ進み、低）品で高湿の条件下ではＪ１記
反応は右へ進む。ここては、説明を簡略化しくいるが、
上記中間生成物として多数の複雑なリン酸の縮合体があ
る。しかし、イれらの反応の進行につぃＣは上記説明の
如き１頃向は同しである。一方、０荷をとると電気化学
的反応生成物どしＣ水が生成りる。また、湿度は水Ｒ気
分圧と全Ｊ■の比で決められるのであるから、運転圧力
にＪ、ってｌ−記反応の平衡は動く。ここで、触媒層の
撥水性が人きりさると、電解７１侃持層てｄうる７１−
リックス層からあふれ出た電解質が触媒の出水１１にさ
がらっＣ強制的にｈ′ｌ！媒層を通過しＶ押し出さ４１
、電（（ｉ　以仮に達しく吸蔵さ１しるが、７′トリッ
クス層内の電解７！ｉ品が（賎っｌζどさ、前記あふれ
出た電解７１はＩＩｊひンＩ・リノクス層に電Ｍ７１を
ｉｊｔ給し、ｌ’ｌ’ｉ宋としＵ　’？　ｌ・リソ９ス
層に（ま１；）１ご一定陥の市カ了′ｔＩが１定ｊ１さ
壜［るとい）いわＩＪ）る゛リリーハ間／ｉｆ：　”が
ｊｌ害され、麻あふれ出ｌご電解質（３スＭりＹ唐の強
い１ηＪ水１′１のため雷伜阜仮中（ご隔丙１保持込４
したｊｌ、１とイする。ぞの枯！Ｐ、ントリックス層の
電解７１はｌこ／υた／い賎少］−で、空隙部が増加し
てゆき１．燃料電池の反応カスすなわら燃わ］カスど空
気の混合を防止り−るセパレータ１幾能、がなく　ｌ；
にり、前記両反応、ガスの混合が起るいわゆるパり［１
スＡ−バー″現：象が発、生し、著しく電池性能か低手
しかつ爆発の原因にも、つながる。

（冒　性能向上のためには、担持幻は数十ミク［二Ｊン
以−トの微粒子、であることが要求されるが、粒子が柵
かくなる稈上記＜８．）および（１〕）の現象は促３１
４されや。

［発明の目的１　、　、　″ 本発明は上記のような問題を解消するために成さ旧ごム
のＣ１その目的は触、１媒、層と電解工′（の接触をへ
善して阻媒層、の支持体で、、ある多孔性炭晃（号かＩ
うなる導電性電（ｉｊ　Ｍ　４反の電解、ヱ１リリーパ
ｌｔｌ！　ｌ＋ｌ：をず−１効的に利用し長時間に、渡
って安定した性、能を光、揮りることがｎＪ　ｒｌ町な
、塩１：１．電池を提供りる。こ、とにある。

［イを、、１リリシ【、」。

、、Ｆ：開目的をｊｌｌるために、、本発明で、は、電
解質マトリックスを介しく対向前、：ｎ、される一対の
ＷｉＩＩに接りるようなｊｌｌ　１４、燃料流通路およ
び流ｆ木酸ＩＬ物流通路を備え、各流通路に燃料および
酸化剤が流通しＣいる条件下で電気エネルギーを出ツノ
−する燃料電池において、前記一対の電極のうちアノー
ドとなる電極は触媒を担持した導電Ｉ！ｌ：微粒子１０
゜、３重量パーレントと親すンｉｌｑ性粒子Ｇ６．７〜
８”９．５子供バーレントどの□）化合物層を′導電性
質（■板上に形成しで成り、カソードとなる電極は前□
記導電性微粒子２３重串！＜−シン１〜１ス上と親すン
酸１１粒子７７重早バーレンｌ−以Ｆどの混合物層を導
電性小（チリ（ｎｌに形成しく成ることを特徴とする。

［Ｒ明の実施例ｊ 本珪明は触媒を担持した導電性１スを粒子ど、当該（歓
旬１′ど同じかまたはこれＪ、りも人さい杓子の親り＞
　ｆｌ’ｉ　１４憤子との社命１力層を、電極り板上に
形成りるらの＋・ある。平均ｔｓｒ　ｆｆが１　ｕ　ｍ
以［・の微粒子に触媒を１■持さＵたしのは、性めて良
Ｑｆ　ｌ、−；聴媒活＋’ｌを右１ｊるＣとは知られて
いる。

す４ｊわＬ、本発明の塩１１電池Ｕ）ｉ　１ａｊにおい
ては、ア）−ド市（帳側は触媒を相持し□た導電１！Ｉ
　１ｇ２粒子と、親リン酸性粒子の重量比［親リン酸性
粒子〕、／［触媒担持’７ｆｔ　］　ｈ’　２〜８．５
の範囲つまり導電性微粒子１０．Ｅ５へ−３３，３重用
パーセン１−（」メ下、ｗ　ｔ　９６ど記づる）と、親
リン酸性粒子６６．７・〜８９．５ｖｊ％どの混合物層
を、触媒層として電極基１反−にに形成し、またカソー
ド電極側は上記比が３゜５１ストの「０囲、つＪ、り導
電性微粒子２３ｖｔ％Ｊ）ｌ上と親すン百り扛粒子７７
〜Ｖ［％以下との混合物層を、触ｋｖ層としく’Ｆ４　
（ｊ５基板上に形成したものである。

これにより、電Ｍ質と接触しかつ触媒が電Ｗ？質に浸漬
しτしまうことを防止覆るだけの撥水性を有し、電解質
の自由に通過できる通路を有し、電極基板のＴｉする電
解質のリザーバ機能を十分に生かりことか−しｄる６の
である。

（二のＪｊｌにりい（は以下の如く考えられ、第３図（
ａ）（ｌ＋）を用いＣ説明づる。−）ゴ：り第３図の如
く、導電１３］放粉子２Ｇは疎水１ηポリ：、７−２７
によって固定され、互いに接触して層仝休として導通か
ある偶成ど４ｒっている。また、導電性微粒子２６はそ
の間に親リン酸性粒子２８を固定しＣいる。かくして、
親すンｒＩｊｉ性粒子２８が触媒層に立体的に配置され
て厚み方向に親リン酸１１部分が連通し、電解質２９が
ｊξ）水１１の強い触媒層を自由に通過し１彎る。親リ
ン酸１１粒子は、高温−（かつリンｎｑ中Ｊ′３よび空
気中で安定な祠オ′３１であることが要求され、Ｚ　ｌ
’　０２　、　’ｌ’ａ　２０５．（Ｚｌ・（’）　２
　）　２　＋）２０７等７１〜リツクス（Ａどして利用
できるものか望Ｊ、しい。これらのマトリックス（４は
非電子導電性＜Ａｔ：＋であり、この親リン酸性粒子は
前記導電性徴わ°１了に′３１シ容偵比で１．・５以上
になると触媒層の導電性が低下づる。

次に、−１−記のよう４１７Ｉ５えに基づく具体的な一
実ｈ’＆　Ｂ１１１　＋＝ついＴ、、ｊホｌ＼る。本例
ては、白↑の１！〕持早が１／Ｉ＼＼・Ｉツ、のゝｌｉ
　Ｉｉｌ　Ｙ＜Ｊ　＋子が０．０３ツノの４汁ｉ＋ｉ＋
牧杓了（（０る〕’Ｌ！ｆレンブラックｌｉ］持１本’
Ｋｒ了に、親すン酌１１１も’！　’ｉ’　ｌある平均
粒径５μのシリ　ｌンカーハｒ１〜（ＳＩＣ）亨〃ｊ−
を１尾合りる。こしく、アのｆｆ′＋…比１ｓ：　ｃ粉
末］７′［担持体１をＵ　−、１０の範囲についＣ検討
してみｌこ。これらのｆＴｔ含物を水に（′１懸澗さＵ
た液に、ｌｒｊ　Ｉ−１体重酬に対し、疎水↑（１ポリ
マー（あるｌｌ　Ｏバーレジ１へのボリア１へラフ口［
」土チレン固形分をＦ＞　ｈ　ｎる７″イスバージヨン
を加え、ミキサー（、北棟して２　ｎｏの厚さのりブイ
」電ｔＭＪ３月の平面側１こ塗布し７、乾！Ｍ−焼成し
て電極を製作した。この電極を用いて第２図の如く製作
した電池１ｉ　（ｉＩを第４図（ａ　）　（１）　）　
ニ示−ｔ。７　／　ｌ”ｍｆｌｈ性を測定したときのカ
ソード電極は第４図（１１）のＢ点のｂのを用い、カッ
−１〜特性を測定したときのアノード電極は第４図（ａ
）のＡ点のものを用いＣいる。

図から、ア２／−１・電１勇側としては重量比が２〜Ｂ
　、　Ｅｉ　ノｒ’ｎ　１１１１、−）マり導電性微粒
子１０．５−３３、、　、３　、’＃　［？６と？リリ
ン酸性粒子６６．７〜８９．５ｒｖ　１％の１１２合１
勿ｒ１ηを、Ｊ、たカソード電ケ枳どしＣは千吊、比夕
３．ｊ３１．；叫；の範囲、つまり３＃賃４１微詩了２
３、、Ｗ　Ｉ　−！、Ｇ　」ス上シ！シリン酸性粒子７
７ｗｔ％１ス上の混合’４！Ｎｒｉを形成した場合が、
電池性能Ｆａうる電池電圧として所定の１１９が１ワら
れることがわかる。そして、持にアノ−１，パ電憧とし
ては重量比が３〜７の範囲、つまり導電性１ス目−１ン
−ｊ−１２，５〜２４．４ｗｔ％ど親リン酸性粒子７５
〜・８７　、５１Ｖｔ９６との混合物層を、Ｊたカッ−
１ζ電忰どしては重量比が０．３へ・３゜０の範囲、つ
まり導電性微粒子２２〜７７ｗ【％と親すンｌｌｑ性粒
子−２３−７５〜ｙｔ％の混合物層を形成した揚台が、
最も電池性□能のよいこ与がわかる。

なＪ３、上記では導電性１敗粒子に対して疎水性ポリ７
−を４ＱＩＶｔ％加えるようにしＩこが、）７ノート市
（小については導電性微粒子−５０〜・７５〜Ｖ１％に
対しく疎水性ポリマー２５へ・５０＼Ｖ　１．　、’６
を加え、Ｊ、たカソード電（ルについく（、Ｌ導宙慴ｉ
敗程！　ｒ５！５〜７０Ｗ（％に対し゛Ｃ疎水性ポポリ
−３０−４５１ｖｔ％を加える、Ｊ−うトニし’Ｃｔ）
Ｊ−いｂのＣ−あろ１．９：ｌ　）ｃかかる電極構成ど
することにＪ、す、第４図（ａ’）（ｂ）の如＜　Ｆ＋
Ｊ！媒層の親すシ酌１′１粒子で（１するシリコンカー
バイトむ“！ｒの（′１川（、−Ｊす、触媒層か電解′
ｊ’ｔにｊｅ度にぬれて接触かＪ、□クイ〔す、かつ触
媒−カス−リン酸の三相前面か〜″！１１１本的成され
、１尾つ（反応に寄与づる点が増□人しく電池性能が向
にしかつ維持されることになる。なお、第７１図（１）
　（ｂ　）は、ｌ　００１１１７間後の７ｉｉ’　Ｉ−
ｌにお（）ろ電池性１′１．を示したちのである。また
、アノード電陸とカッ−１−電極の違いは、原理的には
カッ−１〜側から反１必生成物である水が発生ずるため
、カッ−１〜電（訴は負荷をとると経詩的にぬれる傾向
にある。従って、カソード側の触媒層の添加する親リン
ｌＩ’を性旬了Φ（よ、アノードに比べて第４図の如く
少ない方がよい。

かくしＣ，わ“１１媒層と電解質の接触がＪ：＜、かつ
触（楳−リン酸−反応ガスの三相界面も立１本的に形成
さ１１ｃ　ｉ７ｉ’ｉ　Ｃ（１力司１１人づるため、電
池内部抵抗が低下改託され、しかも上記三相界面は親リ
ン酸性粒子のため安定化りることになり、もっＣ電池性
能を長詩間に；度り安定に確保づることがｉ′ｉｌ能ど
なる。

尚、本発明は第゛１図（ａ）のようなインター」ネクタ
型のツノ−ホンベーパーを電（千とした電池に適用しで
し同作の効果か１ｑられるものである。

［発明の効果Ｉ 以上説明したＪ、うに本発明にＪ：れば、長時間に渡っ
て安定した１４１能を発揮づることが可能な信頼性の高
い燃１′；１電池か提Ｉ１１．できる。

【図面の簡単な説明】

ダ１１図（ａ　）および（１））は従来の燃第３１電ｉ
ｕ！装置の中位セルを示１分解斜視図、第２図は同セル
を組込／Ｖた燃料電池装盾を示す斜視図、第３図（ａ　
）　（ｂ　）は本発明の一実施例を示９図、第４図（ａ
）（ｂ）は本発明の詳細な説明ηるための図である。 １・・・７１−リックス、？、３・・・電（小、２ｒ、
３ｒ・・・触９Ｎ、層、４．５・・・リス、６・・・イ
ンタ二］オクク、１８・・レバレータ、１つ・・リノｆ
′ＮＪ電（小、２１・・ｊ′ソノ−〜電極阜（及、２２
・・・〕′ノートｈ・ｌ！りＸ；、２３・・・７１−リ
ソクス層、２／Ｉ・・・ノＪソー１〜電１〜阜（Ｉう、
２　！：　中カソード触媒、６・・づ停電４！Ｉ微粒子
（担持１本）、２７・・疎水１′１ポリ１′−１２ε３
・・親リン酸）・１１′！了１゜１１１頼人代Ｊ！Ｉ！
人　弁Ｊ！ｌ！　Ｊ−？ｆ：仁１−１７１Ｊ彦第１図 （ａ） （ｂ） 第２図 ］７ ４ 第３図 （ａ） 、−一２３ （ｂ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　電解質ヤトリックスを介して対向配置される一
   対の電極に接づるような流体燃料流通路および流体酸化
   物流通路を備・え、各流通路に燃料および酸化剤が流通
   している条件下で電気エネルギーを出力する燃１・１：
   ｚ１電池において、前記−・対の電極の゛）！うアノー
   ドどなる電極は触媒を担１７ｊ　Ｌ／た導電性（煎粒子
   １１０’、　５〜３３．３重量パーセントと親すン酸Ｉ
   ＬｉｊＩ７子６６．７〜８９．５車市パーヒン１−どの
   ）昆合物層を導電性質（生捕板上に形成して成り、カソ
   ードとなる雷（公は前記導電性秘λ粒子２３重最バーレ
   ン１−１．ス１．ど親リン酸性粒子７７重作パーセント
   ｊメ手と・の混合物層を麿電性電極基板十に形成して成
   るこ・とを、１￥徴とする燃料電池。　□（２）　ア７
   −（〜電極側は・導電性微粒子１２．５〜２′４．／ｌ
   Ｉ重母パーセント、と親すン′酸性粒子７．５ぺ８７．
   ５重色バーレントどの混合物層とりるにうにした特許請
   求の範囲第（１）項記載の燃料電池。 （３）　カソード電（車側は導電性微粒子２５〜７７重
   量パーセン１〜ど親リン酸性粒子２３〜７５小吊パーセ
   ントどの混合物層とするようにした特許請求の範囲第（
   １）項記載の燃料電池。