JPS63236262A - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は燃料電池に係り、特にメタノール電池等の低温
作動型電池で、電池性能を低下させる事なく直接燃料を
利用し電池の起動昇温を早めるに好適な燃料電池の電池
構造に関するものである。

〔従来の技術〕

メタノール燃料電池に用いられる空気極は第２図に示す
ように、空気拡散に良好な多孔基材電極基材１の片側の
面に白金等の触媒２が形成された構造をとる。又、この
空気極を用いた電池積層体の構造は通常第３図に示す如
くの構成をとる。即ち、イオン交換膜３を介してイオン
交換膜側にメタノール（燃料）分解触媒４２を塗布した
燃料側多孔電極４１、反対側に還元触媒２２を塗布した
空気側多孔電極２１をサンドイッチ状に挟み、この両側
を燃料流通溝５２および酸化剤の空気流路溝１２を設け
た不浸透セパレータ１１および５１で挟んだ単位構成と
なる。これらが複数個積層されて電池積層体となる。こ
の積層構成は極めて簡単で量産に向いた安価なものであ
る。しかし、極めて狭い場所に、燃料、空気を分離させ
流入させてやらねばならない構造であるため、積層界面
のシールが極めて難しく、燃料の空気極側への漏れを皆
無にする事は困難であった。この為、燃料の空気極での
直接酸化が多少とも起こり、電池性能・寿命上好ましく
無かった。この直接燃焼を極力抑える為、リン酸型等の
ガス燃料使用の燃料電池では空気側との圧力バランスを
取る運転方法がとられている。またメタノール直接型等
の液体燃料使用の燃料電池では、できるだけ液体燃料の
濃度を低くする運転方法を取るなど運転手法により対処
するのが一般的であった。

この様に、定常運転ではなるべく、直接の燃焼が無い事
が望ましいが、可搬型の独立電源として使用されるメタ
ノール直接型の燃料電池では、低温時の起動時間を速め
るため、この直接燃焼を利用した加熱昇温か行われてい
る。即ち、燃料濃度を起動時のみ高濃度にする手法、ま
た空気極に直接燃料（メタノール）を混入させる手法等
である。

第４図は従来構造の空気極を用いて単位電池を４０セル
積層したメタノール燃料電池の起動昇温特性を示したも
のである。電解液中のメタノール濃度を１〜３　（ｍｏ
ｌ／　Ｑ　）に増加させるに従い、起動昇温時間が約３
０〜２０（分）と短くできる事がわかる。尚、ここでは
起動完了温度を燃料電池が充分出力を供給できる温度の
４０（℃）としである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、空気極での直接燃焼が、空気極の触媒
を劣化させてしまう点について配慮されておらず、電池
性能および寿命を著しく低下させてしまう問題があった
。特に、メタノールを直接燃焼させる直接型燃料電池で
は、この直接燃焼による熱を利用し、積層電池の昇温を
速め起動時間を短くする手法がとられるが、この場合に
、電池性能が著しく低下し、出力がとれなくなるという
問題が起こっていた。

第５図に示す様に電解液中のメタノール濃度を増大して
いくと、電池性能が著しく低下してしまう事が判る。即
ち、１　（ｍｏｌ／　Ｑ　）から３　（ｍｏｌ／　Ｑ　
）へのメタノール濃度の増加によって定格６０（ｍＡ／
ｄ）付近で約７０（ｍＶ）の性能低下が起こり出力は８
０（％）程になってしまうことが判る。

また、逆電流印加の特性から、この直接燃焼により、約
１５　（ｍＡ／ａＪ）の電流密度の電流が実効的しこ失
われてしまっていることが判る。

さらに詳説すると次にとおりである。第６図は、電気化
学的反応に寄る発電反応と、燃料の直接燃焼反応とを模
式的に表わしたものである。イオン交換膜３の両側を空
気極２１および燃料極４１で挟み、セパレータ５１で仕
切った単位電池構成を示す。電気化学反応に基づく発電
反応は、以下の如くである。即ち、燃料極の触媒層４２
の反応部（１）では、下記（１）式の反応が起こり、プ
ロトンＨ＋を生成し、プロトンＨ＋はイオン交換膜３を
通し、対極の空気極の触媒層２１の反応部（ＩＩ）にて
下記（２）式の反応が起こりＨｚ　Ｏを生成し、この時
余剰の電子が外部回路に流れ発電が起こる。

Ｃ１ｌ　３０１＋　＋　Ｈｘｏ　　　　６Ｈ＋　＋ＣＯ
ｚ＋６ｅ−・・（］）６１１＋　＋　６ｅ−＋　３／　
２０２″３１＋ｚＯ・・・（２）これに対し、燃料の直
接燃焼の反応は、透過及至意図的に混入されたメタノー
ル燃料（Ｃｔ（ａＯＨ）が下記（３）の反応式に示す如
く、空気極触媒２２の反応部（ＩＩＩ）にて直接Ｃ○２
とＨ２Ｏになる反応である。

Ｃ１ｌ　５ｏｉｌ　＋　３　／　２０ｚ→ＣＯｚ＋２Ｈ
ｚｏ　　　　　　　・・・（３）空気極では、反応に必
要なｏ２を不足なく供給し、生成するＨｚ○を迅速に除
去してやる事が高出力を維持する基本であるが、この直
接燃焼反応が空気極触媒Ｊ？！Ｊ２２中で起こると実発
電に寄与する電気化学的反応の有効面積が減少するばか
りでなく、発生する過剥の生成・反応水を除去してやる
必要が起こる。

直接燃焼による電池性能の初期低下は、この実効面積の
減少並びに生成物除去の効率の低下が原因と思われる。

更に、直接燃焼を頻繁に起こさせると電池性能が段階的
に下がり（劣化）、電池寿命が短かくなることが判って
いる。これは、直接燃焼による局部的な発熱により触媒
であるＰＬが凝集してしまうためであることが電池解体
後のｐｔ粉粒子電顕ｗｌ格より判っている。

本発明の目的は、上記のような電池性能並びに寿命の低
下を起こさせることなく、直接燃焼による熱を有効に利
用し電池の低温起動時間を短くすることができる燃料電
池を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するため１本発明は、電解質を介して燃
料極と空気極が対向配置されてなる単位電池が、セパレ
ータを介して複数個積層されてなる燃料電池において、
前記燃料極で発生したプロトンが還元する第１の触媒と
、燃料を直接酸化する第２の触媒とが分離されて設けら
れていることを特徴とする燃料電池である。

〔作用〕

電気出力に寄与する第１の触媒層と反対側の面に燃料の
直接燃焼用の第２の触媒層とが設けられることにより、
燃料側のセパレータから透過してきた燃料は第２の触媒
層で燃焼し、第１の触媒層で燃料が直接燃焼する割合を
極めて小さくする事ができるので、第１の触媒層での電
気化学反応に基づく発電能力の低下を生じることがない
。

〔実施例〕

次に本発明の実施例を添付図面に基づいて詳説する。

第１図は、本発明にかかる燃料電池の一実施例に用いら
れる空気極の構造を示す斜視図である。

カーボン繊維素材の多孔電極基材１の片面に発電反応（
還元反応）を起こす第１の触媒層２０を形成し、他面の
一部（周辺が好ましい）に燃料燃焼用の第２の触媒層３
ｏを燃料直接燃焼用の触媒として形成した空気極構造を
とる。なお、触媒層２０を空気側多孔電極基材の一部に
形成するのは、全面に形成すると触媒層は目が細かいた
め、空気の目詰り防止のためである。実施例では、第１
および第２触媒層共、Ｐｔ（白金）触媒を基本としこれ
に炭素粉（アセチレンブラック等）を混合し、テフロン
ディスパージョンをバインダーとし焼成固着させたもの
である。

第１の触媒層に用いる発電反応（還元反応）を促進させ
る触媒としては、ｐｔ以外に、Ａ　ｕ　。

Ｐｄ、Ｗ、Ｍｏ等があるが、ｐｔが最も安定でありｐｔ
を用いるのが一般的である。また、第２の触媒層に用い
る燃料燃焼を促進させる触媒もほぼ同様で、ｐｂ以外に
Ａｕ、Ｐｄ等がある。第１および第２層の触媒層成分、
並びに形成処理（特に焼成）が、はぼ同一である方が製
造上好ましく、本実施例ではｐｔ触媒を両触媒層に用い
た。

第１図に示す空気極構造をとる電極を用いた単位電池を
多セル積層して成る燃料電池の積層体では、隣接燃料極
側のセパレータ側から浸透してきた燃料及び空気に意図
的に混入された燃料は、空気極裏面に形成された直接燃
焼用の触媒層３０にて消費され、発電部の触媒である第
一の触媒層２０まで透過してくる燃料を極力小さくでき
る。

即ち、触媒Ｆｉ２０で有効に発電反応に寄与できる実効
的な触媒の活性点数を減少させることがなくなる為、性
能低下が少ない。しかも、第２の触媒ＷＪ３において、
燃料が直接燃焼するため、積層電池の起動昇温時間を短
縮することができる。

第７図は電解液中のメタノール濃度が２（ｍｏｌ、／Ｑ
）の場合における上記実施例電極と、従来構造（第２の
触媒Ｍ３が存在せず）の電極との電池性能の相異を示し
たものである。本実施例電池では、無負荷近傍で約９０
　（ｍＶ）　、また定格６０（ｖＡＡ／Ｊ）近傍で約３
０（ｍＶ）の電池性能の向上がある時が判る。これは前
述の如く発電に寄因する触媒層２へ透過してくる燃料が
、燃焼用触媒層３の形成により著しく少なくなるためで
ある。

尚、積層電池の起動昇温は本発明に基づく電極のものと
、従来電極のものとは、はぼ同様で、前記の第４図に示
す如く、電解液中のメタノール濃度に依存したものにな
る。

以上の如く、本実施例によれば、積ＷＪ電池の低温起動
（昇温）を速める為、電解液中の燃料濃度を上げても、
電池性能を低下させることなく良好なる電源にできる効
果がある。

第８図は、本発明の他の実施例を示すものであり、燃料
を直接燃焼できる第２の触媒ＦＢ３０をセパレータの空
気溝内に形成した実施例を示す構成図である。セパレー
タ５１表面の溝５２内に燃料直接燃焼用の第２の触媒層
を形成したものでも。

同様に電池性能を低下させることなく起動時間を速める
効果が得られる。セパレータ５１に形成することにより
燃焼触媒の劣化などからのメンテナンス時の部品交換等
では、電池本体を交換する必要がなく有利である。しか
し、触媒の焼成を空気極、セパレータと２度に分は焼成
する必要があり、製造上からは、第一および第二の触媒
層を空気極の表裏に形成させる第１図に示す実施例の方
が有利である。

尚、上記実施例では液体燃料を用いるメタノール燃料電
池を中心に説明したが、同様の原理にて気体燃料を用い
るリン酸型燃料電池にも有効である。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明にかかる燃料電池によれば、
発電用の触媒層と燃料の直接燃焼用の触媒層とが分離し
て設けられているために、高濃度の燃料に対しても電池
性能を低下させることなく、しかも低温時の起動時間を
短くすることができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明にかかる燃料電池の空気極電極の一実
施例を示す構造図、第２図は従来の空気極電極の構造図
、第３図はその積層電池の構造図、第４図は燃料電池の
起動昇温特性を示すグラフ、第５図は電池性能の燃料濃
度依存を示すグラフ、第６図はメタノール燃料電池反応
の模式図、第７図は従来構造および本発明構造の電池性
能の相異を示す電流密度とセル電圧の関係を示すグラフ
、また、第８図は本発明の第２の実施例であり、セパレ
ータ上に燃料直接燃焼用の触媒層を形成したものを示す
構成図である６ １・・・空気極多孔電極基材、２０・・・空気極発電用
触媒層、３ｏ・・・空気極直接燃焼用触媒層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電解質を介して燃料極と空気極が対向配置されてな
   る単位電池が、セパレータを介して複数個積層されてな
   る燃料電池において、前記燃料極で発生したプロトンを
   還元する第１の触媒と、燃料を直接酸化する第２の触媒
   とが分離されて設けられてなることを特徴とする燃料電
   池。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記第１の触媒層
   が前記空気極の電解質側に設けられ、かつ前記第２の触
   媒が空気極のセパレータ側に設けられてなることを特徴
   とする燃料電池。 ３、特許請求の範囲第１項において、前記第１の触媒層
   が前記空気極の電解質側に設けられ、前記第２の触媒層
   が空気が流通するセパレータ溝内に設けられてなること
   を特徴とする燃料電池。