JPS61185866A - 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】 ［発明の技術分野］ 本発明°は燃料電池に係り、特に電解質を保持させるリ
ブ付電極の改良を図った燃料電池に関する。

［発明の技術的背景とその問題点］ 従来、燃料の有している化学的エネルギーを直接電気的
エネルギーに変換する装置として燃料電池が知られてい
る。この燃料電池は通常、電解質を保持したマトリック
スを挾んで一対の多孔質電極を配置するとともに、一方
の背面に水素等の燃料ガスを接触させ、また他方の電極
の背面に酸素等の酸化剤ガスを接触させ、このとき起こ
る電気化学的反応を利用して上記電極間から電気エネル
ギーを出力する単位セルを、複数個積層して構成するよ
うにしたものであり１．上記燃料ガスと酸化剤ガスが供
給されている限り高い変換効率で電気エネルギーを取り
出すことができるものである。

第４図は、上記原理に基づく特にリン酸を電解質とした
、バイポーラ型の燃料電池における単位セルの構成例を
縦断面側？！図にて示したものである。図において、触
媒層１を塗着した一対の対向するガス拡散電極（アノー
ド２．カソード３）間に、電解質であるリン酸を保持し
たマトリックス４を介在させて一体化して形成した単位
セルの両側に、ガス流通路を設けた導電性のセパレータ
５を配置し、燃料ガス６および酸化剤ガス７を通常互い
に直交する方向に流して発電反応を行なわせる。しかし
、このような単位セル構成のものにおいては、電池を長
時間運転した際に電解質の散逸。

消失によって電池性能の低下が生ずる。

そこで、かかる不具合を防止するために最近では第５図
に示すような、片面に触媒層１を塗着しかつ他面にガス
流通路が形成された一対の多孔質の電極、いわゆるリブ
付電極８を用いてマトリックス４を挾んで単位セルを構
成し、これら多孔質のリブ付電極８全面に均一に電解質
を保持させて電池の長寿命化を図ると共に、単位セル積
層時の電池締め付けの際の多孔質部の密着性向上により
接触抵抗の低減を図るようにしたリブ付電極型のものが
提案されている。しかしこのリブ付電極型のものにおい
ては、リブ付電極８のリブ部及びガス拡散層に保持され
た電解質によって、流通ガスの触媒層１までのガス拡散
が阻害されやすく、その結果濃度分極が生じて電池性能
の低下をきたすという問題がある。

そこで、これを解決するために近年では、リブ付電極に
撥水処理部と親水処理部の２つの領域を設け、反応ガス
の流通と同時に電解質の貯蔵を行なうことを目的とした
提案がなされている。例えば、特開昭“５８−１６６６
３６”号公報に開示されている如く、電極サブストレー
トのりブ部を親水性に処理しかつガス流通路の溝部を部
分的に′撥水処理することにより、親水処理部が互いに
連結したリブ付電極を作製して、電解質保持と同時にガ
ス拡散性を確保することを目的としているものがある。

しかしこの方法のものにおいては、撥水処理領域が非常
に細かく分布しているため、かなり粘性の高い撥水処理
液を用いても、リブ付電極多孔質部の毛管作用によって
撥水処理液が親水処理部とすべき部所にまで浸透してし
まい、結果的に目的とする領域のみを撥水処理すること
は事実上困難であり、さらに処理工程数も多く煩雑な操
作を行なうことが必要となる。

［発明の目的］ 本発明は上記のような問題を解決するために成されたも
ので、その目的は反応ガスの拡散を円滑に行なわせるこ
とにより濃度分極を低減させて電池性能を向上させると
共に充分な量の電解質を保持させて長時間の運転に耐え
ることが可能な処理工程が簡単で長寿命の燃料電池を提
供することにある。

［発明の概要］ 上記目的を達成するために本発明では、電解質を保持し
たマトリックスを挾んで、導電性の多孔質基体の一方の
面に燃料ガスおよび酸化剤ガスの流通路が形成されると
共に他方の面に触媒が塗着された一対のリブ付電極を配
置して成り、上記各ガス流通路に燃料ガスおよび酸化剤
ガスが流通している条件下で電気エネルギーを出力する
単位セルを複数個積層して構成した燃料電池において、
上記リブ付電極におけるガス流通路の形成面と反対側の
面に、当該ガス流通路と直交方向に一定の幅で一定間隔
毎に帯状にリブ残肉部の厚さに相当する厚みで撥水処理
して撥水処理部を形成し、かつ当該リブ付電極における
上記撥水処理部以外の残りの部分を少なくともリブ残肉
部の厚さに相当する厚みで親水処理して親水処理部を形
成し、上記撥水処理部にのみ触媒を塗着するようにした
ことを特徴とする。

［発明の実施例］ 以下、本発明を図面に示す一実施例について説明する。

第１図は、本発明による燃料電池における単位セルのリ
ブ付電極の構成例を平面図にて示したもので、第５図と
同一部分には同一符号を付して示している。

つまり、第１図は前記第５図の単位セルにおけるリブ付
電極８のガス流通路の形成面と反対側の面に、当該ガス
流通路と直交方向に一定の幅で一定間隔毎に帯状にリブ
残肉部の厚さに相当する厚みで撥水処理して撥水処理部
９を形成し、かつ当該リブ付電極８における上記撥水処
理部９双外の残りの部分を少なくともリブ残肉部の厚さ
に相当する厚みで親木処理して親水処理部１０を形成し
、さらに上記撥水処理部９にのみ触媒を塗着して構成す
るようにしたものである。

一方、上記リブ付電極８における撥水処理および親水処
理は、例えば次のような工程で行なう。

まず多孔質のリブ付電極本体く密度０．５５゜多孔度７
０％）のガス流通路の形成面と反対側の面に、電解質の
保持機能を損なうことなく部分的かつ選択的に撥水処理
するため、ガス流通路と直交方向に５ｃ１１１間隔毎に
幅５ＷＲで帯状に撥水処理を施さない部分を設ける。（
粘着性の弱いテープでマスキングを行なう）次に、この
部分を除いた部分をリブ残肉部に相当する厚さでもって
、粘性の高い撥水処理液（テフロンディスパージョン（
ポリテトラフルオロエチレン分散液））を用いて、第１
図に示した如く撥水処理して撥水処理部９を形成する。

この場合、上記粘性の高いテフロンディスパージョンの
組成は、以下に示すように水溶性の増粘剤を含有するも
のである。

また撥水処理法としては、スクリーン印刷法あるいは箪
塗りがあるが、処理領域が広くしかも一定の厚さくリブ
残肉部０．４〜０．７ＩＩＩＭ）にわたって撥水処理す
るためには、前者の方法で２〜３回撥水処理するのが好
ましい。

次に、以上のようにして部分的な撥水処理を行なった後
のリブ付き電極本体における上記撥水処理を行なわなか
った部分に、親水処理液として炭化珪素（Ｓｉ　Ｃ＞を
含有する分散液を用いて、少なくともリブ残肉部に相当
する厚みでもって親水処理して親水処理部１０を形成す
る。この場合、親水処理液の組成は以下のようなもので
ある。

また、親水処理の回数と共にリン酸の保持性は向上する
が、処理回数が多くなると反応ガスの透過性が急激に低
下するので、処理回数としては上記と同様スクリーン印
刷法により２〜３回が適当である。

次に、このように撥水処理部９と親水処理部１０を形成
したリブ付電極本体を乾燥させた後に、テフロンを結着
剤としたカーボン担持白金触媒を撥水処理部にのみ塗着
し、これを不活性ガス中で３３０’Ｃにて１５分間熱処
理してテフロンを焼結させリブ付電極８を得る。なお、
第１図に示すリブ付電極のＡ−Ａ’　、Ｂ−８’　、Ｃ
−Ｃ’部分の断面図を第２図（ａ）（ｂ）（ｃ）にそれ
ぞれ示している。そして、かかるリブ付電極８の親水部
１０にマトリックス４と同一の電解質（リン酸）を保持
させたものを一方の電極とし、これを一対に組合せて単
位セルを構成し、この単位セルの寿命特性を調べた。ま
たこの場合、比較例として、従来型のリブ付電極（全面
親水処理、或いは親水処理無しで触媒を一様に塗着した
電極）を用いて単位セルを組み立て、同様に電解質を含
浸してその寿命特性を調べた。

第３図から明らかなように、本実施例のリブ付電極を用
いて組み立てた単位セルＡはその性能および寿命が向上
していることがわかる。これは、本実施例のリブ付電極
ではりブ部に保持された電解質が直接マトリックスと接
する部分を有することから、単位セル運転中にマトリッ
クスより散逸する電解質であるリン酸が円滑にリブ部か
らマトリックスに補給されるため、長寿命の単位セルを
組み立てることができたものと考えられる。また、触媒
層が接した多孔質部には撥水処理が施されていることか
ら電解質は保持されることはなく、反応ガスの拡散性が
確保されるため濃度分極が低減し高性能の単位セルが組
み立てられる。

これに対し比較例の単位セルＢでは、リブ付電極のリブ
多孔質部に保持された電解質であるリン酸は、触媒層を
介してマトリックスと接している。

触媒層は本来、三相帯を維持するために部分的に撥水性
を有していることから、リブ部の電解質マトリックスへ
の円滑な移動に対して障害となる。

それ故、リブ部よりマトリックスへの電解質の移動量が
少なくなり、結果として本実施例のものよりは単位セル
の長寿命化には有効的ではな（なる。

上述したように本実施例構成のリブ付電極は、親木処理
部１０には触媒層が塗着されていないので、直接電解質
、であるリン酸を保持するマトリックス４と接しており
、ここを通してリブ多孔質部に保持された電解質の流通
、供給が円滑に行なわれる。また、この親水処理部１０
はガス流通路と直交方向に設けられているため、電解質
を保持したりブ部間の液絡が相互にとられ、電極面全体
に均一に電解質を供給することができる。さらに、この
親水処理部１０は触媒層面の表面積のうち、たかだか１
０％程度以下として電解質の流通は充分確保されるので
、親水処理部１０を設けたことによって反応面積が低減
するようなことはない。

一方、残部は第１図および第２図（ａ　）〜（Ｃ）に示
した如く、リブ残肉部に相当する厚さだけ撥水処理（撥
水処理部９）されており、かつこの面に触媒が塗着され
ているため、リブ溝であるガス流通路を流通する反応ガ
スの触媒層面までの拡散７が円滑に行なわれ、起電反応
時における濃度分極が低減し、結果的により高性能の燃
料電池が得られる。さらに、本実施例のリブ付電極と従
来の撥水処理なし或いは全面親水処理のリブ付電極にお
ける夫々の電解質保持量を比べるとその値は略同等であ
るが、電解質の流通、供給が従来のように触媒層を介さ
ないのでより円滑に行なわれることとなり、本実施例の
リブ付電極を用いて組み立てた燃料電池は従来のリブ付
電極を用いたものよりも一層長寿命の特性を得ることが
できる。

以上説明した如く、撥水処理部９を設けたことにより、
電解質の保持機能は殆んど変わらないものの、かえって
寿命性能は延びる傾向にあり、従来型のものに比べてよ
り高性能にすると共に長い寿命化を図ることが可能とな
る。

尚、上記実施例ではリン酸を電解質とした燃料電池につ
いて述べたが、これ以外のものを電解質とする燃料電池
においても同様に本発明を適用することが可能である。

［発明の効果コ 以上説明したように本発明によれば、リブ付電極におけ
るガス流通路の形成面と反対側の面に、当該ガス流通路
と直交方向に一定の幅で一定間隔毎に帯状にリブ残肉部
の厚さに相当する厚みで撥水処理して撥水処理部を形成
し、かつ当該リブ付電極における上記撥水処理部以外の
残りの部分を少なくともリブ残肉部の厚さに相当する厚
みで親水処理して親水処理部を形成し、上記撥水処理部
にのみ触媒を塗着する構成としたので、反応ガスの拡散
を円滑に行なわせることにより濃度分極を低減させて電
池性能を向上させると共に充分な最の電解質を保持させ
て長時間の運転に耐えることが可能な処理工程が簡単で
きわめて信頼性の高い長寿命の燃料電池が提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す平面図、第２図（ａ）
は第１図のＡ−Ａ’断面図、第２図（ｂ）は第１図のＢ
−８’断面図、第２図（Ｃ）は第１図のｃ−ｃ’　断面
図、第３図は同実施例における効果を説明するための特
性図、第４図および第５図は従来のバイポーラ型および
リブ付電極型の単位セルの構成を夫々示す縦断面斜視図
である。 １・・・触媒層、２・・・アノード、３・・・カソード
、４・・・マトリックス、５・・・セパレータ、６・・
・燃料ガス、７・・・酸化剤ガス、８・・・リブ付電極
、９・・・撥水処理部、１０・・・親水処理部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 電解質を保持したマトリックスを挾んで、導電性の多孔
   質基体の一方の面に燃料ガスおよび酸化剤ガスの流通路
   が形成されると共に他方の面に触媒が塗着された一対の
   リブ付電極を配置して成り、前記各ガス流通路に燃料ガ
   スおよび酸化剤ガスが流通している条件下で電気エネル
   ギーを出力する単位セルを複数個積層して構成した燃料
   電池において、前記リブ付電極におけるガス流通路の形
   成面と反対側の面に、当該ガス流通路と直交方向に一定
   の幅で一定間隔毎に帯状にリブ残肉部の厚さに相当する
   厚みで撥水処理して撥水処理部を形成し、かつ当該リブ
   付電極における前記撥水処理部以外の残りの部分を少な
   くともリブ残肉部の厚さに相当する厚みで親水処理して
   親水処理部を形成し、前記撥水処理部にのみ触媒を塗着
   するようにしたことを特徴とする燃料電池。