JPH01154467A - 液体燃料電池 - 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、液体燃料電池に係り、特に電極が電気化学的
反応部と燃料及び酸化剤を供給・排出する機能をかね備
えることにより、優れた電池特性や軽量化を有し、その
性質及びそれを用いて製造された液体燃料電池に関する
。

〔従来の技術〕

燃料と酸化剤を供給することにより、燃料の有する化学
エネルギーを連続的に電気エネルギーに変換することが
可能である燃料電池は、その高効重性、無公害性等の長
所により新しい電源として注目されている。その中でも
、液体を燃流とするものは、燃料の取扱い性、電池の小
型化等により実用化が期待されている。この液体燃料電
池の単セルの構成の一例を第１図に示す、これを、複数
積層することによって電池が構成される。

すなわち、燃料極１、酸化剤極２とこの間にイオン導電
性を有する電解質３が位置し、それぞれの電極に液体燃
料及び酸化剤を供給・排出する溝４を有するセパレータ
５から構成されている。前述したように、電池は第１図
の単セルの繰り返しであって、セパレータ５を介して積
層される。従ってこのようなセパレータ５は、電極から
電気エネルギーを取り出す集電体のみならず、単セル間
を電気的に接続するインターコネクタであり、燃料と酸
化剤を分離するセパレータであって、かつ燃料と酸化剤
を供給してそれぞれの電極での反応生成物を排出する手
段でもある。このような機能を要求されることから、一
般的には、化学的、電気化学的安定性や経済性及び軽量
化等から炭素材料が多く使用されている。炭素材料を用
いた従来技術のセパレータとしては、大きくわけると炭
素ブロックを切削する機械加工によるものや金型等に入
れて加圧成形するものがある０機械加工品には、不浸透
化高密度黒鉛のものがある。これは、２０００℃以上の
高温で黒鉛ブロックとし、切削後フェノール樹脂等を含
浸して、液体と気体の分離機能である不浸透化したもの
である。このため、生産性が悪く高価であるとともに、
硬質材料であるためにもろく機械的強度に問題があった
。また、高密度であるために重くなるという問題もある
。

生産性のよい加圧成形するものとしては、炭素粉末と熱
硬化性樹脂で成形する樹脂モールドのものがある。これ
は、製造が簡単で安価であり緻密であり不浸透性に優れ
ているものの５機械的強度及び電気抵抗（電極との接触
抵抗も含む）が高い等の問題がある。また、経済性、軽
量化等から炭素材料に膨張黒鉛を使用したものがある。

（特開昭５９−２７４７６号）膨張黒鉛のものは、可撓
性・弾力性を有しており、積層した場合に接する他の部
材との接触がよく、接触抵抗が小さく良好である。

しかし、前記したものに比べて緻密性・均一性に問題が
あり、液体燃料、電解液等の吸収及び燃料と酸化剤の透
過等１分離機能が十分とは言えない。

この問題点を改善するために、表面に撥水性物質をコー
ティングしたり、撥水性物質と膨張黒鉛を混合する提案
がある。（特願昭６１−９６７８５号）この提案は、液
の不浸透には良好であるが、撥水性物質を含むことから
、含まないものより重量が重くなる。また、平板では良
好であるが第１図に示すような溝を有する構造のものに
おいては、低密度にして軽量化を図ろうとすると緻密・
均一性が不十分でピンホールの存在するなど液不浸透性
に問題がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

以上のように、電池の軽量化と液不浸透性（気−液の分
離機能）の両方を満足することは難しい問題であった。

本発明の目的は、軽量化及び気−液の分離機能を改善し
、これにより電池の軽量化、電池電圧の向上、長寿命化
が図られる液体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〕

上記目的は、前記したセパレータのものより軽量である
電極に液体燃料及び酸化剤の供給・排出する機能を備え
ることにより軽量化が、またこれと平板のセパレータと
組み合わせることにより不浸透性も達成される。

〔作用〕

ここでは、電解液に硫酸を使用し、液体燃料としてメタ
ノールを用いるメタノール燃料電池の特性を詳しく述べ
て本発明を説明する。

本発明は、例えば第２図のように、単セルが構成される
。電極は１片面に燃料及び酸化剤の供給・排気の機能を
有する溝４を備えた導電性の多孔質基材のもう片面に、
例えば白金を担持した触媒を塗布結着したもの、電解質
３は硫酸水溶液を含浸したイオン交換膜から成っている
。また、セパレータ５は、膨張黒鉛を用いている。メタ
ノール燃料電池の電極での反応は、それぞれ 燃料極：ＣＨａｏＨ十Ｈ２０→６Ｈ＋＋ＣＣｈ＋６　Ｑ
　　−（１）酸化剤極：　６Ｈ＋＋３／２０ｚ＋６Ｑ→
３Ｈ２０・・・（２）と進行する。酸化剤極では水が生
成する反応が進行することから、生成した水を電極から
排出するとともに、酸化剤が拡散が律速にならない程度
の撥水性が必要である。従来の電極（第１図平板型）に
おいては、触媒層の撥水性は燃料極及び空気極とも１０
ｗｔ％〜５０ｗｔ％のポリテトラフルオロエチレン（以
下ＰＴＦＥと記する）量、望ましくは燃料極２０〜３０
ｗｔ％、酸化剤極３０〜４０ｗｔ％ＰＴＦＥにおいて優
れた電極性能を示すことがわかっている。そこで１本発
明の片面に溝を有する電極基材のＰＴＦＥ量と電極性能
を調べた。その結果として、第３図に燃料極、第４図に
酸化剤極のそれぞれの単極性能を示す、第３図からＰＴ
ＦＥ量は５０ｗｔ％以下において良好な性能を示すこと
がわかる。第４図からＰＴＦＥ量１０〜５０ｗｔ％で高
い酸化剤極性能を示す０以上から、電極の強度を考慮し
、基材のＰＴＦＥ量は、１０〜５０ｗｔ％、望ましくは
２０〜４０ｗｔ％において良好な単極特性が得られろこ
とがわかる。

セパレータは、平板型を用い、膨張黒鉛及び撥水性物質
の混合物から成っている。これは、膨張黒鉛を３０〜３
００　ｋｇ／ａＪのプレス圧力でシート状成形体（ラミ
ネートシート）にする工程で膨張黒鉛粉末のほかに撥水
物質としてＰＴＦＥあるいはフッ化炭素を１０〜５０ｗ
ｔ％添加し、次に、このラミネートシートを複数枚重ね
て１００〜５００　ｋｇ／ａｄのプレス圧で成形体とし
たものである。このセパレータの硫酸水溶液での液透過
量を測定したところ、１００時間後で０．０１ｍａ／ａ
＃と液透過が実質的に零であった。そのほかの、不浸透
化炭素物質（樹脂モールド、不浸透高密度黒鉛等）の適
用も可能である。

本発明の適用が可能な燃料電池は、燃料にメタノール、
ホルマリン、ギ酸等の液体燃料を用いるものや水素及び
水素含有ガス等の気体燃料を用いるものがある。気体燃
料を用いるものについては、リン酸を電解液とするもの
においての提案（特開昭５９−１５４７７１号）がある
。

液体燃料を使用する燃料電池においては、本発明に類似
の提案はみあたらない。

このように本発明は、液体燃料を使用する燃料電池にお
いて、電極に電気化学的反応部と燃料・縁化剤の供給・
排出機能をかね備えさせ、成年浸透なセパレータを用い
ることにより、電池が軽量化、電池電圧の向上、長寿命
化を図ることができる。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例により説明するが、以下の実施例
に制約されるものではない。

〈実施例−１〉 片面が平面で、もう片面に深さ２■、巾３ＩＩｌｌの溝
を３ａｍ間融に備えた厚さ４閣で１００Ｘ１２０■のカ
ーボン基材（密度０．４ｇ／ａ１）に、ポリテトラフル
オロエチレン液（ＰＴＦＥ、ポリフロンデイスパージョ
ンＤ−１＝ダイキン製）を、ＰＴＦＥとして４０ｗｔ％
になるように含浸し、乾燥後、３８０℃で１５分焼成し
た。

この平面側に、炭素粉末（ファーネスブラック：キャボ
ット社）に白金とルテニウムとして５０ｗｔ％担持した
触媒粉末１．１５ｇにポリフロンデイスパージョンＤ１
と水を混合し、ＰＴＦＥとして２５ｗｔ％のペーストを
得、これを均一に塗布する０次に、乾燥後、２８０℃で
１時間焼成して燃料極１を得た。

更に、炭素粉末に白金として３０ｗｔ％担持した触媒粉
末を０．７７ｇとり、ポリフロンデイスパージョンＤ１
と水を加えて混合し、ＰＴＦＥとして３５ｗｔ％のペー
ストを、前記カーボン基材の平面側に均一に塗布し、乾
燥後、２８０℃で１時間焼成し酸化剤極２を得た。

次に、膨張黒鉛粉末とポリフロンデイスパージョンＤ１
を用いて、膨張黒鉛（８０ｗｔ％）とＰＴＦＥとして２
０ｗｔ％を均一に混合し、３７０℃の温度条件でプレス
成形して厚さ３閣程度のラミネートシートを得、さらに
これを５枚積層して１５０ｋｇ／ｃｄのプレス圧力で成
形し、平板状のセパレータＡ（１１０Ｘ１１４ｎｎ）を
得た。

第２図に示した単セルを構成を考慮し、燃料極１、酸化
剤極２そしてセパレータＡ（２枚）の合計の重量を測定
した。その重量は７２．８ｇであった。

く比較例−１〉 両面が平面の厚み０．４５ｎｎのカーボンベーパ（Ｅ−
７１５：呉羽化学製）１００Ｘ１２０ｍを。

ＰＴＦＥ４＋’ｔで４０ｗｔ％になるよう実施例−１と
同様に撥水化する。以下、実施例−１と同様に燃料極と
酸化剤様を得た。それぞれ、燃料極３、酸化剤極４とす
る。

セパレータは、ラミネートシートを１５枚積層及び形状
が第１図のタイプであり表裏に平向流タイプの溝がそれ
ぞれ２０列あるものである。これをセパレータＢとする
。

第１図の単セルの構成を考慮し、燃料ｆ４２．酸化剤極
３及びセパレータＢ　（２枚）の合計の重量を測定した
。その重量は１１３．８ｇであった。

〈実施例−２〉 燃料極１と酸化剤極２を用い、電極間に電解質として３
　ｍ　ｏ　ｎ　／　Ｑ硫酸水溶液を保持したイオン交換
膜（ＣＭＶ：Ｍ硝子層）を介在させ、セパレータＡを使
用し、第２図タイプの単セル（１）を構成した。単セル
（１）の電流密度−電圧（ｉ　−Ｖ）特性を測定した結
果を第５図（１）に示す。

測定条件は、燃料としてアノライト（１ｍｏｎ／Ｑメタ
ノール＋１．５ｍｏＱ／Ｑ硫酸水溶液）２Ｑを５００ｍ
Ｑ／ｍ１ｎｆ循環させ、酸化剤としては空気を１ｒｎＱ
／ｒｎｉｎで供給した。電池温度は６０℃一定とした。

〈比較例−２〉 燃料極３と酸化剤極４及びセパレータＢを用いる以外は
実施例−２と同様に第１図タイプの単セル（■）を構成
し、ｉ−Ｖ特性を測定した。その結果を、第５図（ＩＩ
）に示す。

〈実施例−３及び比較例−３〉 燃料極１、酸化剤極２、セパレータＡを用いた単セル（
１）を３３セル積層した電池（ｍ）及び燃料極３酸化剤
極４．セパレータＢを用いた単セル（ＩＩ）を３３セル
積層した電池（ＩＶ）を構成し、電流密度６０　ｍ　Ａ
　／　ａｌにおける電池の１０００時間の連続運転を行
なった。出力電力と運転時間の関係を第６図（ｍ）　、
　　（ＩＶ）に示す、運転条件は、７ノライト（１ｍｏ
Ｑ／Ｑメタノール＋１．５ｍｏ　Ｑ　／　Ｑ硫酸水溶液
）１．５９を電池に循環供給し、メタ　・ノール濃度を
１　ｍ　ｏ　Ｑ　／　Ｑ±０，３ｍｏＱ／Ｑになるよう
、また液面は±５％になるように調整し。

空気はファンにより供給した。電池温度は５５±２℃で
あった。

また、電池の重量を比較したところ、電池（ｍ）は電池
（ＩＶ）の６３％であった。

〔発明の効果〕

本発明による電極に電気化学的反応層と気・液の供給・
排出機能をかね備え、平板のセパレータと組み合せて電
池を構成することによって、次のような効果がある。

（１）電池構成部材が軽く、電池を軽量化できる。

（２）生産性のよく安価なセパレータ材料（膨張黒鉛、
樹脂モールド黒鉛を使用でき、平板タイプであることか
ら成年浸透性も良好である・・・（電池電圧の向上、長
寿命化）。

（３）膨張黒鉛を用いる場合は、セパレータ及び電極と
も可撓性を有していることから接触抵抗が小さい・・・
（電池電圧の向上、長寿命化）。

【図面の簡単な説明】

第１図は燃料電池の単セル構成図、第２図は本発明の単
セル構成図、第３図は燃料極の基材ＰＴＦＥ量と電位図
、第４図は酸化剤極の基材ＰＴＦＥ量と電位図、第５図
は単セルの電流密度−電圧特性図、第６図は３３セル積
層電池の連続運転図である。 １・・・燃料極、２・・・酸化剤極、３・・・電解質、
４・・・溝、５・・・セパレータ。 第　＋１２］ 第２図 第　３　図 芥２７　　Ｆ’丁Ｆ４　　量　　（ｗｔ　Ｚ）芥　４□
□□ −Ｊ！材ＭＦｈ量　　（ｗｔ％） 第　５図 電うＬ化度　（−／Ｃ互り

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電解質を挟んで配置された一対の電極を有する単セ
   ルを、セパレータを介して複数個積層した燃料電池にお
   いて、前記電極が導電性材料と撥水性物質の混合物を基
   材とし、その片面が導電性材料と撥水性物質及び１種以
   上の白金属元素を含む電気化学的反応層と、もう片面が
   燃料及び酸化剤を供給・排出する溝の構造を１つ以上有
   することを特徴とする液体燃料電池。 ２、前記電解質が、電解液を保有したイオン交換膜から
   成ることを特徴とした特許請求の範囲第１項記載の液体
   燃料電池。 ３、前記セパレータが、平板であり膨張黒鉛と撥水性物
   質の混合物を加圧成形したもの又は不浸透化炭素物質か
   ら成ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の液
   体燃料電池。 ４、前記導電性材料が、炭素基材及び／あるいは炭素担
   体からなることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の液体燃料電池。 ５、前記撥水性物質が、フッ素樹脂又はフッ化炭素のう
   ち１種以上であることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項又は第３項記載の液体燃料電池。 ６、前記撥水性物質の混合量が１０〜５０ｗｔ％である
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第３項記載
   の液体燃料電池。