JPS6334855A - 積層型燃料電池 - 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〕 この発明は、積層型燃料電池に関し、特に電池の構成に
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塩１！′！
、電極と酸化剤電極の間に電解質を保持した電解−Ｉマ
）　ＩＪツスを介在させ、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を供給して運転される一種の
発電装置である。

燃料電池には、■カルノーサイクルの制約がなく高い効
率が期待できる、■電池作動温度に近い比較的高温の有
効利用が容易な廃熱が得られる、■出力を変えても効率
はあまり変わらない、■負荷変動に対する応答性にすぐ
れているなどの利点があり、都市内もしくは都市近郊に
配電用変電所の規模で分散配置する、あるいは火力発電
所の代替発電装置とするなどの利用形態が考えられてい
帆 燃料電池は用いられる電解質の種類によってアルカリ型
、リン酸型、溶融炭酸塩型などに分類されるが、このう
ちリン酸型は第一世代と呼ばれ最も開発が進んであり、
すでに実用規模での試運転が行なわれている。

ここで例えばリン酸型燃料、し池に“ついて説明・ｒ−
る。リン酸型燃料電池で最もオーツドックスな′ｉａ池
構成はリプ付セパレーク型と呼ばれるタイプで米国特許
第３，８６７．２０６号明細′Ｊ！（特公昭５８−１５
２号公報）や、米国特許４，２７６．３５５明細書特開
昭５９−６６０６７号公報）に代表的な電池構成が記載
さ比−二いる。

第８図は、リブ付セパレータ型の代表的な構成を示す断
面図であり、図においで、ｉｌｌは電解質保ｊ１）マト
リックス、（４）は燃料電極、（２）は燃料電極の電極
基材、（３）は燃料電極の触媒Ｊｃ、（７）は酸化剤型
１ｉ（５）は酸化剤電極の電＋ｉ基剤、（６）は酸化剤
電極の触媒層、（８）は燃料電極の湿潤ガスンール部、
（９）は酸化剤電極の湿潤ガスシールｇＢ、ｏｏ＋はガ
ス分離板（セパレータ、バイポーラ）反、インターコネ
ク〉′−などとも呼ばれている）　、ｉｌは酸化ガス流
路、亜は燃料ガス流路、（酸化剤ガス流路と直交してい
る）であり、（２４）は外部リザーバである１、カス分
離ＦｉＯ［＋１に反応ガス流路０υ、ｌ功メ）り形成さ
れていることからリブ付セパレータ型、と呼ばれている
。湿潤ガスソール部（８）、（９）はバッキング材によ
るガスシールに１き換えられる場合もある。

ｔｌは１つのセルの構成の厚さを示しており、一般にリ
ブ付セパレータ型の場合、ガス分離板０のが３ｍｍ程度
の厚さで基材、（２）、（５）が０．４ｎｌＩ１ｍｍ程
度、触媒層（３）、（６）と電解質保持マトリックス層
（１）が合わせて０．６１程度になるので、ｔｌの厚さ
は４．４ｍｍ程度となる。ガス分＃仮ＯＩが不遇気性で
あるのに対して、基材（２）、（５）はポーラスになっ
ているので＋２の範囲は充分なガスシールが必要となる
。リブ付セパレータ型の場合ｔ２は約１．４ｍｍの厚さ
となるが、この）７さが厚ければ厚いほどガスシールが
難しくなる。

丁りた、ガス分離板αωが緻密なカーボンで構成されて
いて熱電導が良いのに対して、基材（２）、（５）はポ
ーラスで５０％以上が気体（空気や燃＃４）で占められ
ている為に熱電導が悪い。また電解質保持マトリックス
層（１）も熱電導が悪い。従って＋２は熱Ｎ、導の悪い
領域である。積層型燃料電池は通常５セルおきシこ冷却
板を挿入してセルで発生する熱を吸収し、セルを冷却し
て、できるだけ均一な動作温度を保つようにする。従っ
て１ｔのＩＩＸさがＨＩＪれば厚いほど熱電導が困難と
なり、セルの積層方向支び面内の温度がばらつき、高温
による部材の腐心や低温によるセル特性の低下などが問
題となる１、リブ付セパレータ型のメリットの第１は後
述−ｒる他のタイプに比べて＋２の厚さが薄い為に、ガ
スシールが容易なことであり、メリットの第２は同様の
理由により熱電導が良いごとである。

リブ付セパレータ型の場合、基（オ（２）、（５）はす
べて（θ水処理が施される。これは１Ｅ解質マトリ・ン
クス内の電解液が触媒層を通過して基材入流れ出で基材
の気孔を閉塞し、反応ガスの透過性が阻害されるのを防
止する目的で行なわれている。基材への撥水処理の方法
については特開昭６０−２２０５６５　号公報、特開昭
６０−１３３６６３号公報に詳しく記述さ？１゜ている
。

また同じ基材でも４３部には炭化ケイ素などの現水性の
材料を充填して電解液を保持させ、湿潤ガスシール部と
する場合が多い、従ってリブ付セパレータ型の場合電解
液に占められた部分は、電解質保持マトリックス（１）
と触媒層（３）、（６）それに湿潤ガスシール部（８）
、（９）である。しかし長期間の運転の間には電解液が
飛散、蒸発などにより不足してくる。そこで、ガス分離
板αｌの一部に外部リザーバ（２４）を設けて、湿潤ガ
スシール部（８）、（９）やマトリックス（１）に当接
させ、外部からマトリックスｆｌ）への電解液の補給を
可能にしている。

外部リザーバについては特開昭５８−１６１２６９号公
報、特開昭５９−２１ｍｍ９６９号公報に詳しく記述さ
れている。

外部リザーバを形成するには２〜３ＩＩＩＩ１ｍｍ　　
程度の厚さの不遇気性の部位が必要であり、ガス分離板
αのは外部リザーバを形成する部位として最も適してお
り、外部リザーバ（２４）の形成が容易なことがリブ付
セパレータ型の第３のメリットとなっている。

一方、リブ付セパレータ型のデメリットは、電解液の膨
張に対する吸収機能が不充分なことである６燃料電池は
動作中に水を発生するので、この発生水が電解液を希釈
してマトリックスに収納される以上に電解液の体積を増
大させ、動作圧力、動作温度、電流密度、反応ガス利用
率などの動作条件によって電解液の体積は大きく変化す
る。この体積の増加分はマトリックス内を移動して湿潤
シール部（８）、（９）や外部リサーバ（２４）に収納
されるが、セルの大きさが大きくなりマトリックス内の
移動距離が長くなると、体積の膨張速度に比してマトリ
ックス内の電解液の移動が間に合わなくなり、体積の増
加分は触媒層（３）、（６）に入ってフラッディングを
起こしたり、さらに撥水処理された基材内（２）、（５
）に入ってマトリックスに戻れなくなり、次に体積が収
縮したときにマトリックス内の電解液が不足してクロス
オーバが生しるなど極めて深刻な事態を生じた。マトリ
ックスから触媒層を通じて基材へ電解液が流出するのを
防く為に１８水性を強化した層を触媒層と基材との間に
設けることが特開昭５０−１０１８３７号、特開昭６０
−１７０１６８号、特開昭６０−２４ｍｍ６５５号公報
などで開示されているが、その効果は充分でなく、セル
の面積が大きくなればなるほどリブ付セパレーク型にお
いてはこの電解液の膨張に対する吸収機能の不備がほと
んど致命的な欠陥となっていた。

この欠陥の改良案として電極基材内部や後方に電解液の
膨張に対する吸収機能（リザーブｎ能）を持たせようと
する試みは古くから行なわれている。

まず特開昭４７−３１ｍｍ３７号公報にはマトリックス
に対し、燃料電極の後方に多孔性板とさらにその後方に
電解液室を配置して”ピン”で電解液を流通させマトリ
ックス内の電解液量のコントロールをするという構成が
記述されている。また特開昭５０−１０１８３６号公報
にはマトリックス材料を燃料極の触媒層や電極基材を貫
通して基材裏面にまで配置してリザーブ機能を持たせた
構成が記述されており、特開昭５３−３２３５２号公報
（米国特許４，０６４，３２２号）や特開昭５３−３２
３５３号公ｆｉｔ　（米国特許４，０３８，４６３号）
には基材内部に親水域と疎水域とを形成しリザーブ機能
を持たせた構成が記述されている。しかしこれらの構成
はいずれも極めて複雑でこれら構成を実現するには数多
くの工程を必要とする為高コストにつきしかもこれらの
構成には基材での反応ガスの拡散性を阻害する要素が多
く含まれておりリザーブ機能についても必ずしも充分で
はなかつた。

一方、特開昭５３−３０７４７号（米国特許第４，０３
５，５５１号）公報に記載されている構成は非常にシン
プルで単に基材に撥水処理をしないというものであり、
基材は上記公報の実施例よれば厚さＯ，：３ｍｍ〜０．
５ｍｍ気孔率７５χ〜８８χ平均小孔寸法１４〜８３μ
ｍのカーボンペーパーを使用しこの基材の小さな気孔が
電解液に対するリザーブ機能を有し、残りの大きな気孔
が反応ガスの流路として働くというもので基材にはマト
リックスの最大小孔よりも小さな小孔を存していてはな
らないとしている。この構成によればリブ付セパレータ
型において、ガス拡散性阻害の影♂の小さな燃料電極側
の基材の撥水処理をしないというだけで、リブ付セパレ
ータ型にリザーブ機能を付加することができるが、上記
明細書の実施例の範囲内ではリザーブ機能は不充分であ
った。

またリブ付セパレータ型の第２のデメリットとして、ガ
ス分離仮に形成された反応ガス流路の凸部（リブ）直下
の触媒層に対して反応ガスは基材を横方向に流れる必要
がある為、ガスの拡散性が不充分であるとの見方もある
が、特開昭５９−７３８５２号公報に記載されているよ
うに一般に用いられている１ｍ巾１　ｍｍ〜１．５ｍｍ
　、４材の厚さ０．３ｍｍ　−０，４ｍｍの構成ではほ
とんどこの問題を生しない。しかし特開昭５９−４０４
７ｍｍ号公報に記載されているような基材の厚さ０．４
ｍｍに対して内部にまで触媒層を侵み込ませたものでは
このデメリットは深刻である。

また先に説明した燃料電橋側の基材に１０水処理をせず
リザーブ機能を付加したものについても基材の厚さが薄
い為に電解液がリザーブされた場合にガスの拡散性に問
題があった。

リブ付セパレータ型に次いで代表的な電池構成は、リブ
付電極型である。このタイプについては米国特許４，１
ｍｍ５，６２７号、同４，１６５．３４９号及び特開昭
５８−６８８８１号公報に詳しく記載されている。

第９図はリブ付電極型の代表的な構成を示す断面図であ
る。

リブ付電極型では基材（２）、（５）の厚さを厚くして
これに反応ガス流路αυ、ＯＸ５を形成している。

従ってガス分離板０φはフラットな薄い不透気性の板と
なっている。

リブ付電極型の最大且つ唯一のメリットは、電解液の膨
張に対する吸収機能があることである。

特開昭５８−６８８８号公報によれば、リブ付基材の平
坦なシート部の平均ボア径を２５〜４５μｍとし、リブ
付基材のリブ部の平均ボア径をシート部の６０〜７５χ
つまり１５〜３４μｍとすることで７ｍｍ−リツクスか
らあふれた電解液を選択的にマ］・リツクスに次いで毛
管吸引力のおおきなリブ部に収納できろとしている。ま
た、マトリックスに電ｆＷ　？＆が不足した場合にはリ
ブ部に収納されていた電解液が・・−ト部触媒層を経て
マトリックスに供給されるとＬでいる。

リブ付基材の厚さは一般に１．８１程度、ガス／、％離
板が０．８ｍｍ程度で触媒層と電解質保持マトリックス
層が合わせて０．６１程度になるので、ｔｌの厚さは５
．０ｍｍ程度とリブ付セパレータ型よりも多少厚くなる
。これはリブ付基材の機械強度が弱い為にリブ付基材の
ウェブをなかなか薄くできないことによる。またリブ付
基材はポーラスであるからガスシールの必要な領域ｔ２
はリブ付セパレータ型よりもずって増えて４．２ｍｍ　
と３倍の厚さになる従ってガスシールが難しい。これが
リブ付電極型の第１のデメリットである。また熱伝導の
悪い領域も同じくリブ付セパレータ型の３倍の厚さにな
る為、より高性能な冷却器を必要とし高コストになるこ
れがリブ付電極型の第２のデメリットである。

またリブ付基材はポーラスで機械強度が弱い上に溝を形
成しているので溝と平方な方向で割れやすくハンドリン
グが難しいこれがリブ付電極型の第３のデメリットであ
る。

さらにまたリブ付電極型ではガス不遇気性のガス分離板
の厚さが０．８ｍｍ　と薄い為に外部リザーノλを設け
ることができない。またポーラスなリブ付基材に外部リ
ザーバを設けることは難しく設けることができたとして
も高コストになる。従って電解液の外部補給が難しい。

リブ付電極型に対する電解液の補給方法としては、特開
昭６１−４７０７３号及び開開６１−４７０７４号に記
載されているように積層型燃料電池の上から下へ電解液
たれ流して、リブ付基材に電解液を吸収させる方法がと
られている。

しかし、この方法だとセルごとに補給される電解液の世
の把握が難しくまた補給後運転する際に積層体の上から
下まで縁部がＴｉ電解液ぬれている為にリーク電流が流
れ電池を損う恐れもある。従って外部リザーバを設かる
ことが難しいことは第４のデメリットである。

さらにもう一つリブ付電極型では酸化剤電極基材内での
酸化剤ガスの拡散性が問題になる。リブ付基材のウェブ
の厚さが機械強度の面かぐ；　ＩＪ　−”　（ｔセパレ
ータ型の基材の厚さく０．３〜０　、４ｍ　ｍ　）にま
で薄くすることができないことから、まず酸化剤電極基
材にｔＯ水処理を施した場合には撥水剤によって基剤の
気孔率が低下したり、基材繊維間に撥水剤のフィルムの
膜が生して酸化剤ガスの拡散性がある程度阻害されるが
、リブ付電極型の場合ウェブの厚さが厚いだけ拡散性阻
害の程度がリブ付セパレータ型よりも大きく、その分セ
ルの出力電圧が低下する。次に酸化剤電極基（オに撥水
処理を施さない場合には、酸化剤電極基材に初期電解液
をリザーブしない場合でも電極基材の気孔容積の５χ程
度の電解液はマトリックスから酸化剤電極触媒層を介し
て酸化剤電極基材に移動し、撥水剤と同様に酸化剤ガス
の拡散性が阻害され、その分セルの出力電圧が低下する
。燃料電極基材中に電解液をリザーブした場合に比して
酸化剤電極基剤でのリザーブの許容値が小さいのは、特
開昭５３−３０７４７号公報に記載されているように燃
料ガスに多く含まれている水素と酸化剤ガスに含まれて
いる酸素との拡散性の違いによると考えられる。従って
酸化剤電極基剤内での酸化剤ガスの拡散性が不充分な為
に出力電圧が低下することがリブ付電極型の第５のデメ
リットとなっている。この為特開昭５８−６８８８１号
公報に記されているようにウェブの気孔径をできるだけ
大きくして電解液が保持されないようにしたり、特開昭
５９−２７４６６号公報に記されているようにウェブに
リブよりも長い炭素繊維を用いるなどリブ付基材内で素
材を変化させる必要があり高コストになっていた。

リブ付セパレータ型とリブ付電極型以外に、この２つの
タイプの折中案的なタイプがハイブリット型と称せられ
て特開昭５８−９４７６８号公報などに開示されている
。第１０図はこのハイブリッド型の構成を示す断面図で
ある。ハイブリッド型では酸化剤電極側にリブ付セパレ
ータ型の構成を用い、燃料電極側にリブ付電極型の構成
を用いている。

ハイブリッド型では燃料電極側に電解液の膨張に対する
唆収機能を持たせると共に酸化剤電極に薄い基材を持っ
てくることで、リプ付電極型の第５のデメリットである
酸化剤電極基材でのガス拡散性を改善している。またガ
ス分離板ばりブ付セパレータ型に比べれば薄いが、外部
リザーバを形成することができなくはない。またガスシ
ール及び熱伝導の悪い領域Ｌ２とセルの厚さも、はリブ
付電極型よりも多少改善されている。

しかしハイブリッド型ではガス分離板の片側にのみ溝を
形成する為に、ガス分離板がゆがみやすく割れやすく面
圧をかけても平滑になりにくいという欠点があり、これ
がほとんど致命的なデメリットとなっている。またガス
分離板と基材の両方に溝加工をしなければならない為、
高コストにならざるを得ないというデメリットである。

また、いずれのタイプでも電極基材に力水処理をしない
場合、ガス分離板に存在する微細な気孔に単電池内の電
解液が移動するという現象があり、せっかく電極基材に
リザーブされていた電解液がガス分離板に移動してしま
う為に電解液が不足する。従ってマトリックス内の電解
液量が不足してクロスオーバーが著しくなり特性が低下
すると共に酸化剤電極で著しい腐食を起こす恐れがあっ
た。

また、表裏に酸化剤ガスと燃料ガスの流れるガス分離板
中に電解液が浸透した場合、リーク電流が流れガス分離
板が腐食する恐れがあるなどの問題点があった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の積層型燃料電池は以上のようにいずれの構成にお
いてもまだ数々の問題点が残されていた。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、充分なガスの拡散性と電解質リザーブ量を存
し、かつガスシールの必要な領域も小さくてガスシール
が容易であると共に熱伝導性にも優れており、さらに電
極基材がらガス分周「板への電解液の移動を防止できる
など従来よりも総合的に見て優れた積層型燃料電池を得
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Ｉ！ＩＩに係る積層燃料電池は、厚さが０．３ｍ
ｍ以上０．５ｍｍ以下で１ｎ水処理が施された酸化剤電
極基剤と、厚さが０．８１以上３．２１以下でガス分又
旺板側に（Ω水処理が施されており触媒層側には↑８水
処理が施されていない燃料電極基材とを備えたものであ
る。

〔作用〕

この発明のおける酸化剤電極基材はＰｌさが０．３ｍｍ
以上０．５ｍｍ以下で撥水処理が施されているので、基
村内でのガスの拡散性阻害が最小限にとどめられる。ま
た、燃料電極基材が厚さが０．８ｍｍ以上３．２ｍｍ以
下でガス分離板側には↑Ｃ水処理が施されており触媒層
側にはＩΩ水処理が施されていないので、触媒層側にお
いては充分な電解質リザーブ量とガスの拡散性が得られ
、ガス分離板側においては電解質がガス分離板に移動す
るのを防止する。また、ガスシールの必要な領域もリブ
付セパレータ型より少し大きいがリブ付電極型やハイブ
リット型よりもはるかに小さいため、ガスシールが容易
で熱伝導率も良い。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図をもとに説明する。第１
図はこの発明の一実施例による積層型燃料電池一部を示
す断面図である。この実施例において特徴的な事は、酸
化剤電極基材（５）と燃料電極基材（２）とで仕様が大
きく異なることである。まず、酸化剤電極基材（５）が
全部に撥水処理されているのに対して燃料電極基材（２
）はガス分離板θω側（３０）に撥水処理が施されてお
り触媒層（３）側（３１）には（８水処理が施されてな
い。また、酸化剤電極基材（５）が０．４’ｍｍの厚さ
であるのに対して燃料電極基材（２）は２倍以上の１．
０鴇ｍである。

この２つの特徴のうち特に厚さについては電池の性能に
対して穫めて重要な意味を持っている。

その効果については本発明者らが行なった。

いくつかの要素試験の結果を基にして説明する７実験１ 表に示した全＜　ｔａ水処理していない５種類の基材に
ついて４ｃｍ　、Ｘ　４ｃｍの試験片を各々１０枚前後
作り、アセトン中で超音波にかけて洗浄し乾燥した、基
材Ａは一般にカーボンペーパーと呼ばれているもので、
紙のように柔軟性があり一般にリブ（；ｔ　−Ｌ：パレ
ーク型の電極基材として用いられているものである。ま
た基材Ｂ−Ｅは共にカーボン製でリブ付電極型の電極基
材として一般に用いられてい・＝、ものでポーラスな板
状で柔軟性は全くない。

これらの基材が１０５重量パーセントのリン酸亡所定量
加え１９０°Ｃで一昼夜保持した後、２１．５φの穴を
あけたアルミハクを両面テープを用いて基材にはりつけ
てＢ型ガーレ式デンソメータを使って室温でガス透気度
を測定しガスの拡散性の評価を行なった。この実験の目
的は各々の基材に電解液が保持された場合にガスの拡散
性がどの程度阻害されるかを調べることにあった。第２
図にその結果をグラフにして示した。横軸がリン酸型ｌ
（ｍｇ／ｃｍ”　）　（１０５ｗ／ＤＩＩｉＰＯａ）　
Ｆｔ軸が透気度（ｍｌ／ｍｉｎ、ｃｍ”。

ｍｍＡｇ）を示す。

リン酸を保持していない場合には厚さが薄く気孔率の大
きな基材Ａが飛びぬけて透気度が大きく、極めてガス拡
散性が良いことを示している。しかし、リン酸が保持さ
れた場合には、基材Ａは他の基材に比べわずかなリン酸
の保持量で急速に通気度が低下している。透気度につい
ては別の実験から２０ｍ１／ｍｉｎ、ｃｍ”、ｍｍＡｇ
以下の透気だと酸化剤電極での空気の拡散性が不充分に
なってセル特性が低下し７ｍｌ／ｍｉｎ、ｃｍ”、ｎ＋
ｍＡｇ以下の透気度になると燃料電橋での水素の拡散性
が不充分になってセル特性が低下することがわかってい
る。基剤Ａではわずか１０ｍに／Ｃｍ２のリン酸保持量
で急速にガス透過性が低下しはじめるが、通常触媒層（
３）、（６）及びマトリックス＋１ｍｍ中に保持されて
いるリン酸量は４０ｍｇ／ａｍ”程度であるからリザー
ブ量としてはわずか２５χにすぎない。触媒層やマトリ
ックスからリン酸があふれた場合に引き取り、触媒層や
マトリックスＣ１τリン酸が不足した場合に補充する機
能性から考えると、特開昭５３−３０７４７号明細書Ｐ
２３０に記載されているようにリザーブ■が２〜３倍つ
まり８０〜１２０１ｍｍｇ／ｃｍ”必要であるとするの
は多過ぎる感しがするが、リン酸の膨張率とリン酸の消
失を考えると油媒層やマトリックスに含まれるリン４ｇ
　Ｂと同程度つまり４０Ｂ７ｃｍ”程度は必要であり、
最低でも２０ｍ８／Ｃｌ１ｌｚ程度のリザーブ量は必要
と考えられる。

なお基材Ａは特開昭５３−３０７４７号明細１件の表１
に示さ寸またＡ−Ｄの基材とほぼ同じ規格と考えられる
か、１０ｍｇ／ｃｎ＋”のリン酸の体積は基材Ａの気孔
率の約２５χに相当する。

表 実験２ リン酸を含浸した場合の透気度について基材厚さの影響
を調べる為に基材Ａと同じ材質で厚さの異なったものに
ついてリン酸を気孔率の１２χ相当含侵し、実験１と同
様にガス透過性の評価を行なった。この結果を第３図に
グラフで示した。横軸が基材厚み〔Ｉ〕、縦軸が透気度
（ｍｌ／ｍｉｎ、　ｃｍ”。

ｍｍＡｇ）を示す。基材厚みが厚くなるにつれて透気度
は悪くなるが急激な低下は見られなかった。この実験は
実際の電池について言えば流路凹部から直上の基材を透
過する反応ガスのガスｉ３過性の評価に相当する。第５
図ａ、ｂは基材が薄い場合と厚い場合とにおいて反応ガ
スが反応ガス流路（２２）から触媒Ｎ（３）へ達する様
子を示したものであり、実験２のガスの流れは図中破線
矢印に相当する。

しかし反応は反応ガス流路凸部（２３）直上の触媒層（
３）でも起こり、この場合には実験２とは逆に基材が薄
くなるほどガスが透過しにくくなると予想される（図中
実戦矢印）。そこで横方向へのガス透過性を調べるべく
次に示す実験３を行なった。

実験３ 先に行なった実験２と同じサンプルについて２１．５φ
の穴をあげたアルミハクをはりつけたままでさらに恵面
全体にアルミハクをはり、ガスが垂直には透過できずに
横方向にのみ透過するようにして透気度を調べこの結果
を第４図に示した。ただしこの場合の横方向の透気度は
単位として先の縦方向の透気度と同様に扱ってはいるが
定義が異なるので数値の絶対値を第３図と第４図とで比
較することはできない。結果は、基材厚さが０．８ｍｍ
以下になると透気度が急激に低下するというもので、そ
の低下の急激さは予想外のものであった。この結果は基
材の気孔率のわずか１２χがリン酸によって占められた
場合にも基材厚さが０．８１未満であれば流路凸部（２
３）直上におけるガス透過性が不充分になり、全体のセ
ル特性が低下することを示唆している。

以上の要素試験から電池の構成について決定的な示唆が
得られた。つまり基材にリザーブ機能を持たせるには基
材の厚さは０．８ｍｍ以上でなければならないというこ
とである。このことはリブ付セパレータ型に限らすリブ
付電極型についても言える。リブ付電極型では基材に流
路が形成されているが、基材流路凸部（リブ部）に電解
質が含浸されている場合にはやはり基材の流路凸部での
ガスの拡散が問題である。

従って特開昭５８−６８８８１号公報に記載されている
ように平坦なシート部のボア径をリブ部より大きくして
シート部に電解質が含浸されないような構造上の複雑な
改良が必然的に必要になっているのである。

また、リブ付セパレータ型で基材リザーブ機能を付加し
たものは特開昭５３−３０７４７号公報に明示されて以
降今日に至るまで実用化に至っておらず大半の研究期間
でリブ付電極型が選ばれている。これはリブ付セパレー
タにおいて、常に０．４ｍｍ前後のカーボンペーパーが
用いられ、さらに厚い基材について試みられなかった為
に、リブ付セパレータ型において基材リザーブ機能を持
たせることは無理であり、不充分であると判定されたこ
とによるのではないかと推定される。

しかし第１図に示した本発明の一実施例による構成にお
いてはリブ付セパレータを用いているが、過去のどの型
よりも総合的に見て優れた性能とリザーブ機能を存して
いる。すなわち、第１図の実施例においては燃料電極の
基材１．Ｏｍｍとし、ガス分離板ＱＯＩ側（３０）のみ
ｔａ水処理することによって充分なリザーブ量とガスの
拡散性が得られており、リブ付セパレータを用いた場合
のデメリットが消滅している。またガスシールの必要な
り■域Ｌ２は２．０ｍｍとなりリブ付セパレータ型（第
８図）の１．４ｍｍよりも少し大きいがリブ付電極型（
第９図）の４．２１やハイブリッド型（第１Ｏ図）より
もはるかに小さい。ガスシールの必要な領域ｔ２の上限
をリブ付電極型と同じ４．２ｍｍ　とすれば、第１図の
実施例の場合燃料電極の基材の厚さは３．２ｍｍまで厚
くすることが可能である。一方燃料電極の基材の厚さを
ガス拡散からの許容値ぎりぎりの０．８ｍｍ　とすれば
ガスシール領域Ｌ２は１．８ｍｍまで下げることができ
る。従ってガスシール性と熱転ぷについても本発明は良
好であると考えられる。

一方全体の厚さについては第１図では５．０ｍｍ　とな
りリブ付セパレータ型（第８図）の４．４ｍｍよりも少
し大きいがリブ付電極型（第９図）の５．０１と同じで
ある。

また基材は平板であるからリブ付電極と比べてハンドリ
ングが容易であり、０．８ｍｍ以上と厚いので充分な強
度を持っている。またリブ付セパレータについては従来
と変わらないので、外部リザーバ（２６）を形成するこ
ともできる。さらに基材に凹凸を形成する必要がないか
ら低コストである。

一方酸化剤電極については基材の厚さをＯ’、４ｍｍと
し、撥水処理をすることによって、基材内でのガス拡散
性阻害を最小限にとどめている。１Ｇ水処理は４フッ化
エチレン樹脂や４フッ化エチレン−６７フ化プロピレン
共重合樹脂などの疎水性樹脂やフッ化黒鉛などの撥水処
理を有する材料を基材を基材繊維に付着あるいはコーテ
ィングすることによって行なわれてよい。これは例えば
特開昭６１−９９２７２号公報等に示す従来のリブ付セ
パレータの場合と同しである。撥水処理した酸化剤電極
の基材の厚さについてはこれに相対するセパレータの流
路の凹凸によるガスの拡散性から見て第３図と第４図の
実験と同様の観点から０．３ｍｍ　＝　０．５ｍｍが許
容範囲である。

なお、リブ付電極型について言えば、酸化剤電極の基材
をｔａ水処理した場合にもｔ８水処理しないで電解質を
リザーブ（初期リザーブしていなくても燃料極側でリザ
ーブしていれば移動してバランスする）した場合にも基
材でのガスの拡散性阻害があり、０□ゲイン酸化剤とし
て用いるガスが　（酸素（０□）での特性と空気での特
性の出力電圧差）が９０＋ｗν前後になる。これに対し
て本発明の実施例の場合０□ゲインは８０ｍＶ前後であ
り、出力電圧はリブ付電極型に比べ１０ｍＶも改善され
ている。

また燃料電橋の反応ガス流路に面する電極基材の部分（
３０）がｔθ水処理されていることによって反応ガス流
路凸部におけるガス拡ｌｉｔ性の改善にもなっている。

しかし最も大きな効果は、電極基材（２）からガス分離
板Ｏωに電解液が吸い取られるのを防止できることにあ
る。

これによってリザーブされた電解液の現象を防ぐととも
にガス分離板α０）の腐食を防止することができる。

なお、電極基材（２）に対して、第１図のように表面近
傍のみをＩΩ水処理する方法としては、酸化剤電極基剤
（５）のｔａ水処理に用いられるのと同様の１８水剤を
スプレー法やローラー法などにより薄く塗布することに
よって容易に行なうことができ、撥水処理されている層
の厚さとしては０．１ｍｍ〜０．４ｍｍ程度が望ましい
。

なお外部リザーバ（２４）に当接された基材部分には撥
水処理は行なわれていないことが好ましく外部リザーバ
（２４）と湿潤シール部（９）や基材（２）との電解液
の交換がスムースに行なわれる効果がある。

第６図はこの発明の他の実施例による積層型燃料電池の
一部を示す断面図であるこの例では燃料電極恭材（２）
が、撥水処理が施されているガス分雛仮４ｍｍ０＋側の
第１層（３２）と撥水処理が施されておらずリザーブ機
能を存する触媒層（３）側の第２層（３３）を備えてい
る。すなわち、リサーブ機能を存する第１層（３２）と
ガス分離板ａｏｉとの間に撥水処理を施した第２　ＰＪ
（３３）が挿入されることによって反応ガス流路凸部直
上における第２Ｎ７ｉ材（３３）中でのガスの拡散性が
改善されている。第１層（３２）の厚さはハンドリング
の問題から０．１ｍｍが下限であり、また第２層（３３
）の厚さとのかね合いから０．４ｍｍが上限となり、例
えばカーボンペーパなどが用いられる。また第１Ｎｌ材
（３２）の平均気孔径はガスの拡１ｍｍシ性の面から第
２層基材（３３）の平均気孔径よりも大きいことが望ま
しい。また撥水処理された第１層基材（３２）の存在に
より第２層基材（３３）にリザーブされた電解液がガス
分離板０ωの微小な気孔に吸い取られるのを防止するこ
とができる。従って第１図に示す実施例と同様にリザー
ブされた電解液の減少を防ぐとともにガス分雛板顛の腐
食をも防止することができる。

なお、外部リザーバ（２４）に接する第１層基材部分（
３４）には撥水処理が行なわれておらず親水材料によっ
て充填され、ン＝　’ｔｒＡガスノールされてし）る、
−とが望ましい。また第７図のように、外部リサーハ（
２４）と第２Ｎｋ材部分（３３）とを当接させてもよい
。

また、外部リザーバ（２４）が無い燃料電池にこの発明
を適用した場合にも上記実施例と同様の効果が得られる
。

さらに上記実施例では酸化剤電極（７）と燃料電極（４
）の位亙関係を酸化剤電極（７）側を上にしたが逆に下
であってもよく同様の効果がある。

〔発明の効果Ｃ 以上のように、この発明によれば、厚さが０．３ｍｍ以
上０．５ｍｍ以下で撥水処理が施された酸化剤電極基材
と、厚さが０．８１以上３　、２ｍｍ以下でガス分離板
側に（Ｃ水処理が施されており触媒層側には撥水処理が
施されていない燃料電極基材とを備えたので、酸化剤電
極においては基材内でのガス拡散性阻害が最小限にとど
められ、燃料電極においては触媒層側では充分な電解質
リザーブ量とガスの拡散性が得られ、ガス分離板側では
電解質がガス分離板に移動するのを防止できる。また、
ガスシールの必要な領域もリブ付セパレータ型より少し
大きいがリブ付電極型やハイブリット型よりもはるかに
小さいため、ガスシールが容易で熱伝導率も良いなど、
総合的に見て優れた性能を有する積層型燃料電池が得ら
れる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による積層型燃料電池の一
部を示す断面図、第２図〜第４図はそれぞれこの発明の
一実施例による要素試験の結果を示す特性図、第５図ａ
、ｂはそれぞれこの発明の一実施例による要素試験を説
明する説明図、第６図、第７図はそれぞれこの発明の他
の実施例による積層型燃料電池の一部を示す断面図、第
８図〜第１０図はそれぞれ従来の積層型燃料電池の一部
を示す断面図である。 図において、（１）は電解質保持マトリックス、（２）
、（５）は電極基材、（３）、（６）は触媒層、（４）
は燃料電極、（７）は酸化剤電極、（９）は湿潤ガスシ
ール部、ａｌはガス分離板、ａυは酸化剤ガス流路、０
．１は燃料ガス流路、（２４）は外部リザーバ、（３０
）はｔθＣ水処理れた部分、（３１）は撥水処理されて
いない部分、（３２）は第１層、（３３）は第２Ｎであ
る。 なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示すもの
とする。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）多孔生電極基材とこれに設けた触媒層とを有する
   酸化剤電極および燃料電極を、電解質保持マトリツスを
   介在し、上記触媒層同士を対向させて配置する単電池と
   、上記酸化剤電極に対設する酸化剤ガス流路および上記
   燃料電極に対設する燃料ガス流路を有するガス分離板と
   を交互に複数個積層して積層体を構成する積層型燃料電
   池において、上記酸化剤電極基材は厚さが０．３ｍｍ以
   上０．５ｍｍ以下で撥水処理が施されたものであり、上
   記燃料電極基材は厚さが０．８ｍｍ以上３．２ｍｍ以下
   で上記ガス分離板側に撥水処理が施されており上記触媒
   層側には撥水処理が施されていないものであることを特
   徴とする積層型燃料電池。
2. （２）燃料電極基材は、厚さが０．１ｍｍ以上０．４ｍ
   ｍ以下で撥水処理が施されているガス分離板側の第１層
   と、厚さが０．７ｍｍ以上３．１ｍｍ以下で撥水処理が
   施されていない触媒層側の第２層と有す特許請求の範囲
   第１項記載の積層型燃料電池。
3. （３）第１層の基材は第２層の基材より平均気孔径が大
   きい特許請求の範囲第２項記載の積層型燃料電池。
4. （４）第１層の基材はカーボンペーパである特許請求の
   範囲第２項または第３項記載の積層型燃料電池。
5. （５）酸化剤電極はその気孔に疎水性樹脂を含侵し、上
   記疎水性樹脂を溶融凝固させて基材繊維を被覆したもの
   である特許請求の範囲第１項ないし第４項の何れかに記
   載の積層型燃料電池。
6. （６）疎水性樹脂は４フッ化エチレン樹脂および４フッ
   化エチレン−６フッ化プロピレン共重合樹脂の少なくと
   も一種である特許請求の範囲第５項記載の積層型燃料電
   池。