JPS62268064A

JPS62268064A - 燃料電池

Info

Publication number: JPS62268064A
Application number: JP61110995A
Authority: JP
Inventors: Noboru Segawa; 昇瀬川; Sanji Ueno; 上野　三司
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-05-15
Filing date: 1986-05-15
Publication date: 1987-11-20

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】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、燃料電池に関するもので、待に、反応の進行
に伴って低減するリン酸電解質を反応界面に容易に補給
できるように、アノード触媒層に改良を施した燃料電池
に係る。

（従来の技術）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
スを侠／Ｖで一対の多孔買電、恒を配置するとともに、
一方の背面に水素等の・燃科カスを接触させ、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必り、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７図に、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あける単位セルの構成例を
示した。即ち、触ｔｓ層１ａ、１ｂを塗着した一対の対
向するガス拡散電極（アノード電極２．カソード電極３
）の間に、電解質でおるリン酸を保持したマトリックス
４を配設し、一体化して単位セルを形成している。この
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を配設し、燃料ガス６及び酸化剤ガス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Ｖていた
。

しかし、この様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リン酸電解質の散逸、消失によっ
て電池性能の低下が生じていた。

そこで、この様な欠点を解消するために、最近では第８
図に示した様な、片面に触媒層１ａ、１ｂを塗着し、他
面に反応ガス流通路８．９を形成した一対の多孔質電極
いわゆるリブ付き電極（アノード電極１０．カソード電
極１１）を用いてマトリックス４を挟んで単位セルを構
成し、このアノード電極１０の全面に均一にリン酸電解
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１ノブ付き電極型の
ものが提案されている。

ここで、アノード電極１０にリン酸電解質を保持させる
のは、発電反応の進行に伴ってマトリックス４中のリン
酸電解質が枯渇することを防止し、適宜リン酸電解質を
補給できるようにするためである。そのため、アノード
！ｉ１０に塗着される触媒層１ａは、保持しているリン
酸電解質を補給しやすいように、親水性を有する物質か
ら構成されている。

また、リブ付きのアノード電極１Ｑ及びカソード電極１
１の両方に同時にリン酸電解質を保持ざぜても、カソー
ド電極１１側においては発電反応によりＨ２０が生成さ
れるため、保持されているリン酸電解質がぬれてしまい
、その結果、カソード電極１１の背面から供給される酸
化剤ガスが反応界面に供給されにくくなり、電池特性を
著しく低下させる。そのため、アノード電極１０にのみ
リン酸電解質を保持させることが一般的である。

しかしながら、アノード電極１０に塗着される触媒層１
ａを親水性の強すぎる物質から構成した場合、アノード
電極１０の背面から供給される燃料ガスの反応界面への
拡散が、保持されているリン酸電解質によって妨げられ
るという欠点があった。

また、アノード電ｆ１１０の背面から供給される燃料ガ
スの反応界面への拡散を良好にするため、前記触媒層１
ａに撥水性を具備させると、保持されているリン酸電ｗ
１．質の補給が充分に行えないといった欠点があった。

（発明が解決しようとする問題点）上記の様に、従来の燃料電池においては、発電反応の進
行に伴って枯渇するリン酸電解質の補給が効率良く行え
ず、電池特性が著しく低下していた。

そこで、本発明は以上の欠点を除去するもので、発電反
応の進行に伴って枯渇するリン酸電解質の補給を効率良
く行なえ、また、反応ガスの反応界面への供給を妨げな
い、優れた電池特性を維持できる燃料電池を提供するこ
とを目的とする。

［発明の構成］（問題点を解決するための手段）本発明の燃料電池は、アノード電極に補給用のリン酸電
解質を保持し、また、アノード電極側に形成される触媒
層を、撥水性を有する物質から構成し、その触媒層の一
部に前記リン酸電解質を反応界面に補給するための補給
路を親水性の物質によって形成したものである。

（作用）本発明の燃料電池は、アノード電極側の触ｔｐｊ層を構
成する親水性部分から、アノード電極に保持されている
リン！！２電解貿を反応界面に補給し、擢水性部分から
燃料ガスを供給することができるようにして、燃料電池
の発電反応を長期にわたって安定化させたものである。

（実施例）以下、本発明の一実施例を第１図乃至第６図に基づいて
具体的に説明する。なあ、第７図及び第８図に示した従
来型と同一の部材は同一の符号を付して説明は省略する
。

■第１実施例本実施例の構成＊本実施例において、第１図に示した様に、背面に燃料ガ
ス流通路８が設けられたリブ付きアノード電極１０の他
面に塗着される触媒層２０が、前記燃料ガス流通路８と
直交する方向に一定の間隔毎に配置された、親水性を有
する物質から構成される帯状の触媒層２０ａと、その間
に配置される１ｇ水性を有する触媒層２０ｂとから構成
されている。

ここで、前記触媒層２０は以下のように形成する。即ら
、親水性を有する触媒層２０ａは、蒸溜水（７００威）
、白金担持の活性炭（３０ｙ＞。

テフロン溶液（１４，３ｍ＞を混練することにより、ス
ラリー状の塗布合剤を合成する。なあ、テフロン溶液は
テフロン３０Ｊ　（三井フロロケミカル社）を使用した
。そして、この８合剤をスプレー法によりアノード電極
基体上に塗布する。この時、撥水性を有する触媒層２０
ｂが塗布される部分には、前記親水性の触媒層が形成さ
れないようにシールを施して塗布作業を行なう。

次に、撥水性を有する触媒層２０ｂは、蒸溜水（７００
ｄ＞、白金担持のカーボンブラック（３ｏｙ＞、テフロ
ン溶液（１４，，３ｄ）を混練することにより、同様の
塗布合剤を合成し、前記親水性の塗布合剤と同様にスプ
レー法により塗布する。

この場合も、親水性の触媒！！２０ａが形成された部分
には、１發水性の触ｉ層が形成されないようにシールを
施して塗布作業を行なう。

以上の様にして塗布された触媒層２０を２０Ｋｇ／Ｃｍ
２でプレスした後、Ｎ２雰囲気で３２７’０．３０分熱
処理し、アノード電極を形成した。

本実施例の作用＊この様な構成を有する本実施例の燃料電池においては、
アノード電極１Ｑに塗着される触媒層２０が、第２図及
び第３図に示した様に、親水性を有する触媒層２０ａと
撥水性を有する触媒層２０ｂとを、帯状に一定間隔毎に
配置して構成されているので、アノード電１１１０に保
持されているリン酸電解質を、前記親水性を有する触媒
層２０ａを通じて反応界面に容易に補給することができ
る。

また、アノード電ｔ１０の背面に形成された燃料ガス流
通路８から供給される燃料ガスは、前記撥水［生を有す
る触媒層２０ｂを通じて反応界面に拡散されるので、従
来から問題となっていたリン酸電解質のぬれによる燃料
ガスの拡散阻害を防止することができる。

この様に本実施例の触媒層を用いた場合、リン酸電解質
の補給及び燃料ガスの供給が効率良く行えるので、第４
図に示した様に、燃料電池の発電反応を長期にわたって
安定した状態に保つことができる。なあ、第４図に示し
た発電試験は、２２０ｍＡ／ｃｍ２　、常圧、２０５°
Ｃの条件下で行なったものである。

■第２実施例本実施例の構成＊本実施例において、第５図に示した様に、背面に燃料ガ
ス流通路８が設けられたリブ付きアノード電極１０の他
面に塗着された触媒層３０に、隣接するマトリックス４
に対して垂直方向に巾広のクラック３１が網目状に全面
に形成されている。

ここで、前記触媒＠３０は以下のように形成する。即ち
、蒸溜水（７００ｄ＞、白金担持のカーボン粉末（３０
ｙ）、テフロン溶液（１４，３ｄ）を混練することによ
り、スラリー状の塗布合剤を合成する。なお、テフロン
溶液はテフロン３０Ｊ（三井フロロケミカル社）を使用
した。そして、この塗布合剤をスプレー法によりアノー
ド電極基体１０上に塗布する。加圧整形後、炉中（１２
０°Ｃ，５ｍ１ｎ）で強制乾燥することにより、およそ
巾５０μ〜２００μのクラック３１が全面に網目状に形
成される。このクラック３１の大きざは、吃：凛温度に
よって制御される。

その後、蒸溜水（１５０ｄ＞、ＳｉＣ粉末（４００ｇ）
、ポリエチレングリコール（４０Ｃ！＞。

テフロン溶液（４０ｍｌ＞を混練した塗布合剤をスプレ
ー法を用いて前記触媒面上に塗布する。この時、アノー
ド電極の多孔質基体の背面から減圧吸引を行ない、触媒
面上に塗布した塗布合剤がクラック３１の内部に充填さ
れるようにする。そして、炉中（５０℃、　　２ｈｒｓ
）で強制乾燥した後、Ｎ２雰囲気、３０７°Ｃで３０分
間熱処理し、アノード電極を形成する。

本実施例の作用＊この様な構成を有する本実施例の燃料電池においては、
アノード電極１Ｑに塗着される触媒層３０が、撥水性を
有する物質から形成され、その触媒層３０にクラック３
１が形成され、前記クラック３１内にマド１ノックス成
分とほぼ等しい物質を充填したことにより、アノード電
極１０に保持されているリン酸電解質が前記クラック３
１内を通り、マトリックス層４を介して反応界面へ容易
に補給される。

また、アノード電極１０の背面に形成された燃料ガス流
通路８から供給される燃料ガスは、前記撥水性を有する
触媒層３０を通じて反応界面に拡散されるので、従来か
ら問題となっていたリン酸電解質のぬれによる燃料ガス
の拡散阻害を防止することができる。

この様に本実施例の触媒層を用いた場合も、リン酸電解
質の補給及び燃料ガスの供給が効率良く行えるので、第
６図に示した様に、燃料電池の発電反応を長期にわたっ
て安定した状態に保つことができる。なお、第６図に示
した発電試験は、２２０ｍＡ／ｃｍｚ　、常圧、２０５
℃の条件下で行なったものである。

［発明の効果コ以上述べた様に、本発明によれば、リン酸電解質を保持
するアノード電極に形成される触媒層を、撥水性を有す
る物質から構成し、その触媒層の一部に、前記リン酸電
解質を反応界面に補給するための補給路を親水性の物質
によって形成するという簡単な手段で、発電反応の進行
に伴って枯渇する１ノン酸電解質の補給を効率良く行な
えるようにし、また、燃料ガスの反応界面への供給を妨
げない、優れた電池特性を維持できる燃料電池を提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の燃料電池の第１実施例を示す構成図、
第２図は第１図の要部平面図、第３図は第２図のＡ−Ａ
−断面図、第４図は第１実施例の効果を示す特性図、第
５図は本発明の第２実施例を示す要部断面図、第６図は
第２実施例の効果を示す特性図、第７図は従来のバイポ
ーラ型の単位セルの構成図、第８図は従来のリブ付き電
極を使用した単位セルの構成図でおる。１ａ、１ｂ・・・触媒層、２・・・アノード電極、３・
・・カソード電（へ、４・・・マトリックス、５・・・
セパレータ、６・・・燃料カス、７・・・酸化剤ガス、
８・・−燃料ガス流通路、９・・・酸化剤ガス流通路、
１０・・・アノード電極、１１・・・カソード電極、２
０・・・触媒層、２０ａ・・・親水性を有する触媒層、
２０ｂ・・・擢水性を有する触媒層、３０・・・撥水性
を有する触媒層、３１・・・クラック。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）電解質を保持したマトリックスを挟持し、導電性
の多孔質基体の一方の面に燃料ガスまたは酸化剤ガスの
流通路が形成されていると共に、他方の面に触媒層が塗
着されたアノード電極およびカソード電極を配置してな
り、前記各反応ガス流通路に燃料ガスまたは酸化剤ガス
を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された燃料電池において、前
記アノード電極に補給用のリン酸電解質が保持され、ま
た、アノード電極側に形成される触媒層が、撥水性を有
する物質から構成され、その触媒層の一部には前記リン
酸電解質を反応界面に補給するための補給路が、親水性
の物質によって形成されていることを特徴とする燃料電
池。
（２）前記リン酸補給路が、アノード電極に形成されて
いる燃料ガス流通路に直交する方向に帯状に形成された
ものである特許請求の範囲第１項記載の燃料電池。
（３）前記リン酸補給路が、アノード電極に塗着された
触媒層の全面に形成されたクラックに、前記触媒層と隣
接するマトリックスと同様の成分を有する物質を充填し
て形成されたものである特許請求の範囲第１項記載の燃
料電池。