JPS62237670A

JPS62237670A - 燃料電池

Info

Publication number: JPS62237670A
Application number: JP61079240A
Authority: JP
Inventors: Kenro Mitsuta; 憲朗光田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1986-04-08
Filing date: 1986-04-08
Publication date: 1987-10-17

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】〔産業上の利用分野〕この発明は、燃料電池、さらに詳しくは新規な構成の燃
料電池に関するものである。

〔従来の技術〕

周知の通り、燃料電池は、対向して配置された燃料電極
と酸化剤電極の間に電解質を保持した電解質マトリック
スを介在させ、これらの燃料電極（燃料極）および酸化
剤電極例えば空気極にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガ
ス例えば空気を供給して運転される一種の発電装置であ
る。燃料電池は、用いられる電解質の種類によってリン
酸型、アルカリ型、溶融塩型などに分類される。

第２図は、従来の燃料電池例えばリン酸型燃料電池の一
般的な構成を示す断面図であり、（１）は後述する燃料
極のセパレータ（ガス分離板）　、＜２）はこのセパレ
ータ（１）に隣接した、燃料極の電極基材、（３）はこ
の電極基材（２）に隣接した、燃料極の触媒層、（４）
はこの触媒層（３）に隣接しかつ電解質を含浸・保持し
た電解質保持マトリックス層、（５）はこの電解質保持
マトリックス層（４）に隣接した、後述の空気極の触媒
層、（６）はこの触媒）＊　（５）に隣接した、空気極
の電極基材、（７）はこの電極基材（６）に隣接した、
空気極のセパレータ、（８）および（９）はそれぞれセ
パレータ（１）および（７）の反応ガス流路である。（
１０）は電極基材（２）および触媒層（６）から構成さ
れる燃料極であり、（１１）は電極基材（６）および触
媒層（５）から構成される空気極である。この図の燃料
電池は、反応ガス流路（８）および（９）をセパレータ
（１）および（７）の側に設けたリブ付セパレータ型と
呼ばれる燃料電池であり、この他に反応ガス流路（８）
および（９）を電極基材（２）および（６）の側に設け
たリブ付電極型のものもあるが、反応ガス流路の形成場
所が異なるだけで、燃料電池の基本構成、すなわち燃料
極（１０）−電解質保持マトリックス層（４）−空気極
（１１）という構成は全く同じである。

従来のリン酸型燃料電池は上記のように構成され、燃料
極（１０）では、反応ガス流路（８）から供給された水
素が′成子を放出して水素イオンとなる二Ｈ２→２Ｈ”
　−）−２ｅ− 水素イオンは電解質保持マ）　ＩＪックス層（４）の電
解質内を空気極（１１）の方へ移動し、空気極（１１）
では、この水素イオンと燃料極（１０）で生じて外部回
路を流れてきた電子と反応ガス流路（９）から供給され
た酸素とが反応し、水を生ずるニー　０２　＋　２Ｈ”　＋　２ｅ−−）　Ｈ２Ｏこれら
の２つの反応は、全体として次のようになり、外部回路
を流れる電子の形で発電が行われる：Ｈ２＋　　−０２
−）Ｈ２Ｏリン酸型燃料電池の大きな技術的原題として、いわゆる
”リン酸の管理”の問題がある。この”リン酸の管理”
とは、電解質保持マトリックス層（４）をリン酸が不足
した状態にしないこと、そして電解質保持マトリックス
層（４）からこの外部すなわち触媒層（３）および（５
）や電極基材（２）および（６）、セパレータ（１）お
よび（７）などにリン酸を移動させないことであり、こ
れらの管理を行なうことが必要である。

このようなリン酸の管理が不充分な場合には、いわゆる
０クロスオーバー”と”フラッディングという燃料電池
の劣化の原因となる２大現象につながる恐れがある。”
クロスオーバー”とは、例えば特開昭６０−１００３７
４号公報に記述されているように、反応ガスである酸素
または水素が電解質保持マトリックス層（４）の中を透
過して、相手側の電極の触媒表面に対して反応する現象
であり、電解質保持マトリックス層（４）中のリン酸が
不足してリン酸の液膜によるガスシールが不充分となる
ために、反応ガスが透過して起こる現象である。

この”クロスオーバー”は、空気極（１１）側に水素が
混入してきた場合に最も影響が大きく、燃料電池のセル
電圧を低下させると共に発熱が起こり、セルの温度を異
常に高くする。また、この６クロベて水素の方がガス拡
散が容易なために、燃料／１菟（１０）に酸素が混入す
る確率よりも空気極（１１）に水素が混入する確率の方
が高い。

一方、”フラッディングとは、例えば特開昭６０−１７
０１６８号公報に記述されているように、リン酸が電解
質保持マトリックス層（４）から触媒層（３）および（
５）や電極基材（２）および（６）など、電解質保持マ
トリックス層（４）の外部へ流出する現象であり、電極
基材（２）および（６）などにリン酸がたまり、反応ガ
スの拡散が不充分となるために起こり、燃料電池の特性
低下を招く。また、前記した”クロスオーバー”も同時
に起こることも多い。

これらの現象を防止するためには、電解質保持マトリッ
クス層（４）のリン酸に対する保持性を良くすることと
、リン酸の補給を容易にするために、電解質保持マトリ
ックス層（４）中でのリン酸の浸透速度を速くすること
が必要であるが、例えば特開昭５９−２２８３６４号公
報に記述されているように、これら両者はなかなか両立
しがたい要素である。

すなわち、電解質保持マトリックス層（４）のリン酸の
保持性が不充分でかつ電解質保持マトリックス層（４）
中のリン酸の浸透速度を速くした場合、リン酸の補給は
容易に行なうことはできるが、補給されたリン酸はすぐ
ｌこ電解質保持マトリックス層（４）の外部へ流出し、
”フラッディングを著しく起こしてしまう。また、電解
質保持マトリックス層（４）のリン酸の保持性を重視し
すぎてリン酸の浸透速度を遅くした場合には、容易にリ
ン酸を補給することができないために”クロスオーバー
”から容易に立ち直ることができず、リン酸の補給に時
間を要し、燃料電池の休止期間があまりにも長くなって
しまう。

従って、従来“リン酸の管理”が難しく、燃料電池の充
分な性能を長期間維持することが困難であった。

また、”電解質の管理”という技術的課題は、リン酸型
に限らず他の型の燃料電池にも共通した課題であり、”
電解質の管理”が不充分な場合に起こる６クロスオーバ
ー”や”フラッディングも共通した問題点である。

〔発明が解決しようとする間呟点〕

上記のような燃料電池では、電解質の管理が難しく、”
クロスオーバー”や１フラツデイングなどの現象を起こ
しやすいという問題点があった。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたも
ので、電解質の管理が容易であり、“クロスオーバー”
や”フラッディングが起こりにくい燃料電池を得ること
を目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係る燃料電池は、電解質保持マトリックス層
の中に、燃料極や空気極とは電気的に独立しておりかつ
電子伝導性を有するマトリックス極を形成したものであ
る。

〔作　用〕

この発明においては、マトリックス極が電解質の管理を
容易にすると共に、その触媒作用により燃料極から電解
質保持マトリックス層を透過して空気極へ向かう水素分
子を捕かくして水素イオン等に変え、“クロスオーバー
”等の現象を防止する。

〔実施例〕

第１図はこの発明の一実施例を示す断面図であり、（１
）〜（３）および（５）〜（１１）は従来の燃料電池に
おけるものと同一である。（１２）は従来の電解質保持
マドＩＪックス層（４）の中をこ配置されかつ電子伝導
性を有するマトリックス極、（４１）はこのマトリック
ス極（１２）上部の燃料極側の電解質保持マトリックス
層、（４２）はマトリックス極（１２）下部の空気極側
の電解質保持マトリックス層である。（１３）はマトリ
ックス極（１２月こリン酸を補給するための外部リザー
バ、（１すはマトリックス極（１２）の電位のコントロ
ールに用いるガスを入れておくガス室、（１５）はマト
リックス極（１２）と燃料極（１０）あるいはマトリッ
クス極（１２）と空気極（１１）の間の電圧や抵抗を調
べるために用いるリード線である。

上記のように構成された燃料電池においては、基本的な
動作は上記従来の燃料電池と同じである。

マトリックス極（１２）は水素に対して触媒作用を有す
る層であり、燃料極（１０）および空気極（１１）とは
それぞれ電解質保持マトリックス層（４１）および（４
２）により電気的に独立している。リン酸型燃料電池の
場合、マトリックス極（１２）は多孔質な担持カーボン
と、水素、に対して触媒作用を有する物質例えば白金と
を含んでいてもよい。通常、燃料極（１０）や空気極（
１１）に用いられている担持カーボンを使用してもよい
が、触媒としての白金は燃料極（１０）や空気極（１１
）のように多量に用いる必要はない。例えばｏ、ｏ　１
ｍｇｒ／ｌｎ２程度の白金量〔燃料極（１０）に用いら
れる白金量の約１／３０）でも透過してきた水素分子を
捕えて反応するには充分過ぎるほどの量である。また、
通常、イオンを含む電解質溶液、電子を通す電子導電体
、および水素あるいは酸素から作られる三相界面の維持
のために、燃料極（１０）や空気極（１１）の触媒層（
３）および（５）に用いられているポリテトラフルオロ
エチレン（以下ＰＴＰＫと略す）は不要である。これは
、マトリックス極（１２）では三相界面を形成する必要
が全くなく、すべてリン酸で満たされていてよいためで
ある。しかし、マトリックス極（１２）の形成の過程で
ＦＴＦＥが用いられていてもよく、また、他の高分子材
料で結着されていてもよい。マトリックス極（１２）の
イオン伝導については、マトリックス極（１２）がリン
酸で満たされているため、燃料極（１０）から空気極（
１１）まで自由にイオンが移動できる。マトリックス極
（１２）の電位は、マトリックス極（１２）に燃料電池
の外部で接するガス室（１りのガス組成によってコント
ロールされ、ガス室（１４）に水素が満たされれば燃料
極（１０）に近い電位に保たれ、空気が満たされれば空
気極（１１）に近い電位に保たれる。マトリックス極（
１２）の電位を燃料極（１０）と空気極（１１）の間の
電位に保った場合、燃料極（１０）から電解質保持マト
リックス層（４１）へ透過してきた水素分子は、マトリ
ックス極（１２）にすべて捕かくされ、プロトン（Ｈ＋
）になる。従って、電解質保持マトリックス（４１）お
よび（４２）にリン酸が不足した場合にも水素分子はす
べてマトリックス極（１２）に捕かくされて反応するた
め、水素分子が空気極（１１）に達することはなく、１
クロスオーバー”を完全に防止することができる。また
、マトリックス極（１２）を基準として、燃料極（１０
）と空気極（１１）の電位を測定し、燃料電池の運転中
に燃料極（１ｏ）と空気極（１１）の性能を個別に調べ
ることができる。さらに、燃料極（１０）とマトリック
ス極（１２）あるいは空気極（１１）とマドＩＪックス
極（１２）の間の抵抗（オーミックロス）を調べること
によって、電解質保持マトリックス層（４１）および（
４２）のリン酸の蛍を推定することができ、”リン酸の
管理”を行なうための重要な情報をより多く得ることが
できる。

一方、マトリックス極（１２）は電解質保持マトリック
ス層（４１）、（４２）に対する゛リン酸管理”の役目
を果たし、外部リザーバ（１３）から電解質保持マトリ
ックス層（４１）、（４２）へのリン酸補給の経路とな
る。

また、マトリックス極（１２）が燃料極（１０）や空気
極（１１）に用いられているような担持カーボンを主成
分として形成されている場合には、無機微粒子で形成さ
れている電解質保持マトリックス層（４す、（４２）よ
りも平均粒子径が小さくなり、リン酸の保持力が非常に
高くなる。すなわち、マトリックス極（１２）を含めた
電解質保持マトリックス層（４１）、（４２）全体のリ
ン酸の保持力を高め、電解質保持マ）　ＩＪワックス層
４１　）、（４２）から触媒層（ｓ）　、　（５）や電
極基材（２）　、　（６）へリン酸が”フラッディング
する現象を防止することができる。

マトリックス極（１２）の形成方法としては、さまざま
な方法が適用できる。例えば、電解質保持マトリックス
層（４１）、（４２）の表面上にスプレー法やブレード
法、ロール法などを用いてマトリックス極（１２）を形
成する方法は、構造上マトリックス極（１２）が電解質
保持マｌ−ＩＪワックス層４１）、（４２）に従属的に
形成されるので、マトリックス極（１２）は自立膜とし
ての強度を必要とせず、薄膜が得られやすい利点がある
。また、ＰＴＦＥと触媒（例えば白金など）を含む担持
カーボンを混線シート化し、自立膜として形成する方法
、カーボンペーパーに触媒（例えば白金など）を含む担
持カーボンを充填して自立膜として形成する方法などが
ある。さらに、燃料極（１０）や空気極（１１）の触媒
層（３）　、　（５）を形成する方法を応用してもよく
、いずれの方法の場合にも容易にマトリックス極（１２
）を形成することができる。なお、マトリックス極（１
２）の厚さは、厚すぎると抵抗が大きくなり、逆に薄す
ぎると面方向の電子伝導性が保てなくなるので、３０〜
５００μｍが望ましい。

なお、上記実施例では、燃料電池の外部にガス室（１り
と外部リザーバ（１３）を設けた場合を示したが、ガス
室（１りはセパレータ（１）　、　（７）の反応ガス流
路（８）　、　（９）を流用してもよく、セパレータ（
１）　、　（７）に独立に設けてもよい。また、外部リ
ザーバ（１３）もセパレータ（１）　、　（７）に設け
てもよい。さらに、上記実施例ではリン酸型燃料電池の
場合について説明したが、リン酸以外の電解質を用いた
燃料電池であっても同様に適用することができる。

〔発明の効果〕

この発明は以上説明したとおり、電解質保持マトリック
ス層の中に電子伝導性を有するマトリックス極を形成し
たので、電解質の管理が容易となり、”クロスオーバー
”や“フラッディングを防止できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す断面図、第２図は従
来の燃料電池の断面図である。（１）　、　（７）はセパレータ、（２）　、　（６）
は電極基材、（３）　、　（５）は触媒層、（１０）は
燃料極、（１１）は空気極、（１２）はマトリックス極
、　（１３）は外部リザーバ、（１りはガス室、（４１
）、（４２）は電解質保持マトリックス層である。る。なお、各図中、同一符号は同一または相当部分を示す。革１図１．７　　＋　　ｔハを一タ２．６　　電極基材３．５　　ｊｉ！＋婦層＋ｏ　　：　　ｔ＝ｎ使１１　　　ツ気棲１２　　　マトリックス倹１３、　　外郭リサーｌで１４　　ｆス寛

Claims

【特許請求の範囲】

（１）燃料電極と酸化剤電極とを電解質保持マトリック
ス層を介して対向させ、上記燃料電極および酸化剤電極
にそれぞれ燃料および酸化剤ガスを供給して発電を行な
う燃料電池であって、上記電解質保持マトリックス層の
中に電子伝導性を有するマトリックス極を形成したこと
を特徴とする燃料電池。
（２）マトリックス極は、燃料電極および酸化剤電極と
は電気的に独立していることを特徴とする特許請求の範
囲第１項記載の燃料電池。
（３）マトリックス極の層の厚さは、３０〜５００μｍ
の範囲であることを特徴とする特許請求の範囲第１項ま
たは第２項記載の燃料電池。
（４）マトリックス極に、外部リザーバを設けたことを
特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれ
か記載の燃料電池。
（５）マトリックス極に、ガス室を設けたことを特徴と
する特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれか記載
の燃料電池。
（６）マトリックス極の電位は、ガス室のガス組成を変
化させることによって調節することを特徴とする特許請
求の範囲第１項ないし第５項のいずれか記載の燃料電池
。
（７）マトリックス極は、水素の酸化反応に対して触媒
作用を有する物質を含むことを特徴とする特許請求の範
囲第１項ないし第６項のいずれか記載の燃料電池。
（８）触媒作用を有する物質は、白金であることを特徴
とする特許請求の範囲第７項記載の燃料電池。
（９）マトリックス極は、触媒金属を担持した多孔性炭
素材を主成分とすることを特徴とする特許請求の範囲第
１項ないし第５項、第７項および第８項のいずれか記載
の燃料電池。