JPS6310468A - 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、特に電池の構成間
するものである。

〔従来の技術〕

周知の通）、燃料電池は対向して配置された燃料［極と
酸化剤［極の間に電解質を医持し念電解質マトリックス
を介在させ、燃料Ｔ１．極および酸化剤電憧にそれぞれ
燃料および酸化剤を供胎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
はめま）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）、都市内もしくは都市近郊に
配電用変電所の規模で分散ｒ９装置する、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
ている。

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おり、
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電池について説明する。リン
酸型燃料電池で最もオーツドックスな電池構成はリプ付
セパレータ型と呼ばれるタイプで、米国特許３．８６Ｚ
　、２０６号明細書（特公昭５８−１５２号公報）や、
米国特許４，２７６．３５５号明細書（特開昭５９−６
６０６７号公報）に代表的な電池構成が記載されている
。第８図は、りづ付セパレータ型の代表的な構成を示す
断面図であり、図において、ｆｉ＋は電解質保持マトリ
ックス、（４）は燃料ｖＩＬ極、（２）は燃料電極の電
極基材、（３）は燃料ｔａの触媒層、（７）は酸化剤電
極、（５）は酸化剤電極の電極基材、（６）は酸化剤電
極の触媒１　、　（８１は燃料ｇｔ極の湿潤ガスシール
部、（９）は酸化剤電極の湿潤ガスシール部、叫はガス
分離板（ｔバし一タ、バイポーラ板、インターコネクタ
ーなどとも呼ばれている）　、（１））Ｖｉ酸化剤ガス
流路、α匂は燃料ガス流路（酸化剤ガス流路と直交して
いる）である。ガス分離板−に反応ガス流路（＋１）、
（ｌが形成されていることからリプ付セパレータ型と呼
ばれている。湿潤ガスシール部（８１、＋９１はノヘツ
キ：、Ｉジ材によるガスシールに置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シ
、一般にりづ付セパレータ型の場合、ガス分離板（ＩＣ
４が３１）１）程度の厚さで基材ｆ２１　、＋５１がそ
れぞれ０．４ａｍ程度、触媒層ｆ３１　、＋６１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、（ｔｘ）の厚さは４．４　＊ｍ程度となる。

ガス分離板−が不透気性であるのに対して、基材（２１
，［５１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。りづ付セパレータ型の
場合（＋２）は約１．４　ｚ慮の厚さとなるが、この厚
さが厚ければ厚いほどガスシールが隔しくなる。また、
ガス分離板００１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ｆ２１．＋５１はポーラス
で５０％以上が気体（空気や燃料）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Ｆｉｇ　（ｔｌｔｌ電熱
が悪い。従って（＋２）は熱電導の悪い領域でもある。

積層型燃料電池は通常５セルおきに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（＋２）の厚さ
が厚ければ厚いほど熱電導が困難となり、セルの積層方
向及び面内の温度がばらつき、高温による部材の腐食や
低温によるセル特性の低下などが問題となる。

りづ付セパレータ型のメリットの第１は後述する他のタ
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
熱伝導が良いことである。

りづ付ｔ　Ｊ’ｌレータ゛謀の場合、基材はすべて撥水
処理が施される。これは電解質マトリックス内の電解液
が触媒層を通過して基材へ流れ出て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６０−１３３６
６３号公報に詳しく記述されている。

を九同じ基材でも縁部には炭化ケイ素などの親水性の材
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。従ってりづ付セパレータ型の場合電解液
に占められ九部分は電解質保持マトリックス（１）と触
媒層（：ｌｌ　、（８１それに湿潤ガスシール部（１）
）　、＋９＋である。しかし長期間の運転の間には電解
液が飛散、蒸発などによシネ足してくる。そこでガス分
離板（！（２）の一部に外部リザーバを設けて湿潤ガス
シール部（８１、（９１やマトリックス（１）に当接さ
せ、外部からマトリックス＋１）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５８−１
６１２６９号、特開昭５９−２１）９６９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２〜３
龍程度の厚さの不遇気性の部位が必要であシガス分離板
［＋０１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の形成が容易なことがりづ付セパレ
ータ型の第３のメリットとなっている。

一方、リプ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。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９反応月ス利用率
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（８１，ｔ９１や外部リザーバに収納されるが、
セルの大きさが大きくなりマトリックス内の移動距喝が
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シ、体積の増加分は触媒
層［３１、［６１に入ってフラツデイングを起こし九）
、さらに撥水処理され九基材内（２１，ｆ５１に入って
マトリックスに戻れなくなるなシ、次に体積が収縮し念
ときにマトリックス内の電解液が不足してり０３才−バ
ーが生じるなど極めて深刻な事態を生じた。マトリック
スから触謀、１を通じて基材へ電解液が流出するのを防
ぐ為に撥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６０−２４１６５５号公報など
で開示されているが、その効果は充分ではなく、セルの
面積が大きくなればなるほどりづ付セパレータ型におい
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（リザーブ機能）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４７−３１）３７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１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ｔＷ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光せた構
成が記述されておシ、特開昭５３−３２３５２号公報（
米国特許第４．０６４．３２２号）や特開昭５３−３２
３５３号公報（米国特許第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
を持たせ九構成が記述されている。しかしこれらの構成
はいずれも蓮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
多く含まれておシ、リザーブ機能についても必ずしも充
分ではなかった。

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によれば厚さ０．３　＠ｍ〜０
．５龍、気孔率７５〜８８％、平均小孔寸法１４〜８３
μｍ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づ機能を有し残りの大きな気孔
が反応ガスの通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有していてはな
らないとしている。この構成によればりづ付セパレータ
型においてガス拡散性阻害の影響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プ付セパレータ
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。

またリプ付セパレータ型の第２のデメリットとしてガス
分離板に形成された反応ガス流路の凸部（リプ）直下の
触媒層に対して反応ガスは基材を演方向に流れる必要が
める為、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溝巾１電麿〜１．５龍、基材の
厚さ０．３〜０．４１の構成ではほとんどこの問題を生
じない。しかし特開昭５９−４０４７１号公報に記載さ
れているような基材の厚さ０．４１に対して内部にまで
触媒層を浸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極側の基材に撥水処理を
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
性に問題があつ念。

リづ付セパレータ型に次いで代表的な電池構成はりづ付
電極型である。このタイプについては米国特許４，１）
５，６２７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図はりづ付電極型の代表的な構成を示す断面図であ
る。

りづ付電極型では基材［２１、［５）の厚さを４くして
これに反応ガス流路（Ｉｌｌ　、ｊ＋２）を形成してい
る。従ってガス分離板（１０）はフラットな薄い不透気
性の板となっている。

りづ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５８−６８８８１号公報によればりづ付基材の平
担なシート部の平均ノ代ア径を２５〜４５μ２ｎとし、
リプ付基材のりづ部の平均ボア径をシート部の６０〜７
５％つまシ１５〜３４μｍとすることでマトリックスか
らあふれた電解液を選択的にマトリックスに次いで毛管
吸引力の大きなりづ部に収納できるとしている。ま念マ
トリックスに電解液が不足し念場合にはりづ部に収納さ
れていた電解液がシート部。

触媒層を経てマトリックスに供給されるとしている。

りづ付基材の厚さは一般に１．８　ｆｆ１ｍ程度、ｆ５
ス分場板が０．８１程度で触媒層と電解質品持マトリッ
クス層が合わせて０．６　ａｒｍ程度になるので（ｔｌ
）の厚さは５．０　＋ｕ程度とりづ付℃パレータ型よシ
も多少厚くなる。これはリプｆｔ基材の機械強度が弱い
為にりづ付基材のウニづをなかなか薄くできないことに
こる。またリプ付基材はポーラスであるからガスシール
の必要な領域ｉｃ−シはりづ付℃パレータ型よりもずっ
と増えて４．２ｍｍと３音の厚さになる。従ってガスシ
ールが難しい。これがりづ付ｔｔｍ型の第１のデメリッ
トである。また熱云導の悪い領域も１同じくりづけセパ
レータ型の３倍の厚さｉてなる為、よシ高性能な冷却器
を必要とし高コストＶてなる。

これがりづ付′ＰＩ極型の第２のデメリットである。

またリプは基材はポーラスで機械強度か弱い上に溝を形
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
クが離しい。これがりづ付５４．層型の第３のデメリッ
トである。

さらにま九りづ付電極型ではガス不透気性のガス分離板
の厚さが０．８龍と薄い為に外部リザーバを設けること
ができない。またポーラスなりづ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念としても高コ
ストになる。従って電解液の外部補給が難しい。りづ付
電極型に対する電解液の補給方法としては、特開昭６１
−４７０７３号及び同昭６１−４７０７４号公報に記載
されているように、積層型燃料電池の上から下へ電解液
を之れ流してリプ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
る電解液の量の把握が難しく、ｔ＊ｍ飴後運転する際に
積層体の上から下まで縁部が電解液でぬれている為にリ
ーク電流が流れ電池を損う恐れもある。従って外部リザ
ーバを設けることが難しいことは第４のデメリットであ
る。

さらにもう一つリプ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↑る。リプ付基材のウニづ
の厚さが機株強度の面からりづ付セパレータ型の基材の
厚さく０．３〜０．４　ｓｎ　）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撥水処理を施
した場合には撥水剤によって基材の気孔率が低下したシ
基材繊維間に撥水剤のフィルムの膜が生じて酸化剤ガス
の拡散性がある程度阻害されるが、リプ付電極型の場合
う工づの厚さが厚いだけ拡散性阻害の程度がりづ付セパ
レータ型よシも大きく、その分セルの出力電圧が低下す
る。次に酸化剤電極基材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５％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ｖＬ電極基材のリザ
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材内での酸
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
とがりづ付電柩型の第５のデメリットとなっている。こ
の為特開昭５８−６８８８１号会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
されないようにし九シ、特開昭５９−２７４６６号公報
に記されているようにウェブにリプよシも長い炭素繊雅
を用いるなどりづ付基材内で素材を変化させる必要があ
）高コストてなっていた。

リプ付セパレータ型とりづ付！！極型以外に、この２つ
のタイプの折中案的なタイプかへ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りづ付ｔ　
Ｊ＜レータ型の構成を用い、燃料電極側にリプ付電極型
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
吸収機能を持たせると共に酸化剤電極側に薄い基材を持
ってくることでりづ付電憧型の第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。

またガス分離板はりプ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眼い領域ｔ２とセルの厚さｔｌ
はリプ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シにぐいという欠点があ）、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もある。

以上説明し念ように上記の３つのタイプのいずれをとっ
てもまだ問題点があった。

〔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
いても数々の問題点が残されてい念。

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有
すると共に、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シ、さら
にガス分離板に外部リザーバの形成が容易であるなど従
来よシ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〕

この発明に係る積層型燃料電池は、厚さが０．３ｍｍ以
上０．５　ｗｍ以下で撥水処理が施された酸化剤電極基
材と、厚さが０．８　ｓｎ以上３．２ｕ以下で撥水処理
が施されていない燃料電極基材とを有するものである。

〔作用〕

この発明における酸化剤電極基材は厚さが０．３ｍｍ以
上０．５　ａｍ以ヱで撥水処理が施されているので、基
材内でのガスの拡散ｔ４：阻害が最小限にとどめられる
。また、燃料電極基材は厚さが０．８　ｗｍ以上３．２
ｕ以下で覆水処理が施されていないので、充分な電解質
リザーブ量とガスの拡散性が得られ、ガスシールの必要
な領域ｔ２もリプ付セパレータ型よシ少し大きいがりづ
付電極型やハイブリッド型よシもはるかに小さい念め、
ガスシールが容易で熱伝導率も良い。さらに、りづ付セ
パレータ型であるので、ガス分離板に外部リザーバの形
成が容易であるなど多くのメリットが生じる。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図はこの発明の一実施例による積層型燃料電池を示す断
面図である。

この図において特徴的な事は酸化剤電極のｔ種基材（Ｉ
ｓｌ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１！極の′ｇＬｉ基材（５）が撥水
処理されているのに対して燃料電極基材（２）は撥水処
理されていない。を念酸化剤電極の電極基材（６）が０
．４　ａｍの厚さであるのに対して燃料電憧の電極基材
（２）は２倍以上の１．０　ｍｍ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愼めて
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。

実験１ 表に示した全く撥水処理していない５種類の基材につい
て４　ｍＸ　４　ｃｍ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念。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
に柔軟性があシ一般にりづ付セパレータ型の［種基材と
して用いられているものである。また基材Ｂ、Ｉは共に
カーボン製でりづ付電極型の電極基材として一般に用い
られているもので、ポーラスな板状で柔軟性は全くない
。

これらの基材は１０５重量パーセントのリン酸を所定量
加え１９０℃で一引ｌ持した後、２１．５φの穴をあけ
たアル三ハクを両面テープを用いて基材にはシつけてＢ
ｍガーレ式デンソメータを使って室温でガス透気質を測
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念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
にその結果をクラブにして示し念。

槓軸がリン酸重量Ｃｔｒｑ／ｃｄ）　（ｉｏｓｗ／／、
Ｈ，ｐｏ、）、縦軸が透気度（ｍｌ／　ｏａ　ｉ　ｎ　
、ｃｒｌ、印Ａｇｅ）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
大きな基材人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九場合には、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透気度が低下し
ている。透気度については別の実験から２０ｄ／　ｍ　
ｌ　ｎ　、　ｄ　、　ｍｍＡｇ以下の透気度だと酸化剤
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７　ｄ／ｍｉｎ、　ａ／ｌ゛、　ｍｍＡｇ以下の透気
度になると燃料電極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。基材Ａではわ
ずか１０　Ｍｑ／−のリン酸医持量で急速にガス透過性
が低下しはじめ石が、通常触媒層＋３１．＋６１及びマ
トリックス＋１）中に保持されているリン酸量は４０ｙ
ｙ／ｉ程度であるからリザーブ量としてはわずか２５％
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にリン酸が不
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
にリザーブ量が２〜３倍つまシ８０〜ｘ２０Ｍ９／−必
要であるとするのｉｔ多過ぎる感じがするが、リン酸の
膨張率とリン酸の消失を考えると触媒層やマトリックス
に含まれるリン酸量と同程度つまシ４０〜／ｃｄ程度は
必要であり、最低でも２０〜／−程度のリザーブ量は必
要と考えられる。

なお基材人は特開昭５３−３０７４７号明細書の表１に
示されたＡ−Ｄの基材とほぼ同じ規格と考えられるが、
１０η／ｄのリン酸の体積は基材Ａの気孔率の約２５％
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λと同じ材質で厚さの異なつ念ものに
ついてリン酸を気孔率の１２％相当含浸し、実験１と同
様にガス透過性の評価を行なつ九。この結果を第３図に
クラブで示した。槓軸が基材厚み（、、）、縦軸が透気
度（ｍｌ／　ｍｉ　ｎ　、　ｃｙｌ　、　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
ガスのガス透過性の評価に相当する。第５図、第６図は
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■から触媒層（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乃直上の触媒層（３）で
も起こシ、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（図中実線矢
印）。そこで虞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
の穴をあけたアル三ハクをはカつけたままでさらに裏面
全体にアルミハクをは）・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。

念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ｊγさが０．８　ａｍ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念。

この結果は基材の気孔率のわずか１２％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４直上におけるガス透過性が不充分に々シ、
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。っま）基材にリザーブ機能を持たせるには基
材の厚さは０．８　ａｍ以上でなければならないという
ことである。このことはりづ付セパレータ型に限らすり
づ付ｗＬ極型についても言える。

リプ付電極型では基材に流蕗が形成されているが、基材
の流路凸部（りづ部）に電解質が含浸されている場合に
はやは９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号明ｉ書に記載されて
いるように平担なシート部のボア径をりづ部よりも大き
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、りづ付セパレータ型で基材にリザーづ機能を付加
し念ものは特開昭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
機関でりづ付を種型が選ばれている。これはりづ付セパ
レータ型において、常に０．４龍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つ
念為に、りづ付セパレータ型において基材にリザーブ機
能を持たせることは無理であシネ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
いてはリプ付セパレータを用いているが、過去のどの型
よシも総合的に見て優れた性能とリザーブ機能を有して
いる。すなわち、第１図の実施例においては、燃料電極
の基材を１．Ｏｚｗと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フ、リプ付セパレータを
用い穴場合のデメリットが消滅している。またガスシー
ルの必要な領域ｔ２は２．Ｏｓｎとなシリづ付セパレー
タ型（第８図）の１．４１よシも少し大きいが、りづ付
置極型（第９図）の４．２ｍｍやハイブリッド型（第１
０図）よシもはるかに小さい。ガスシールの必要な領域
も２の上限をリプ付Ｗ、極型と同じ４．２酊とすれば、
第１図の実施例の場合燃料電極の基材の厚さは３．２１
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シぎシの０．８龍とすれ
ば、ガスシール領域ｔ２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伝導についても本発明
の構造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０．５　ｍｍとな
シリづ付セパし一夕型（第８図）の４．４　ａｍよシも
少し大きいが□りづ付置仮型（第９図）の５．０ｍｍと
同じである。

ｆ＆基材は平板であるからりづ付置極と比べてハンドリ
ンクが容易であり、０．８龍以上と厚いので充分な強度
を持っている。またりづ付セパし一タについては従来と
変わらないので外部リザーバ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０．４ａｍとし
、撥水処理をすることによって、基材内でのガスの拡散
性阻害を最小限にとどめている。撥水処理は４フッ化エ
チレン樹脂や４フッ化エチレン−６フッ化プロピレン共
重合樹脂などの疎水性樹脂やフッ化黒鉛などの撥水性を
有する材料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りづ付セパレータ型
の場合と同じである。撥水処理した酸化剤ｗＬ甑の基材
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０．３〜０．５＋ｙｍが許容範囲であ
る。

なお、りづ付置極型について言えば、酸化剤電極の基材
を撥水処理した場合にも撥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’）　％　ｏ２ゲイン（酸化剤
として用いるガスが酸素（０２）での特性と空気での特
性の出力電圧の差）が９０ｍｖ：Ｑ後になる。これに対
して本発明の実施例の場合０２ゲインは８Ｑｍｖ前後で
あり、出力電圧ばりづ付置極型に比べｌ　Ｑｍｖも改善
されている。

さて、第１図に示す本発明の一実施例による電池構成に
よシ、リン酸型燃料電池の有効面積１００ｄの単セルを
作って常圧１９０℃の条件下で運転し、運転途中で燃料
極側の性能を調べ基材にリザーブしたリン酸の量１００
％Ｈ３Ｐ０４１９０℃での基材へのリン酸の占有率（初
期含浸量）〔Ｖ／。〕と燃燃ガスの拡散阻害の程度との
関係を調べ念。燃料極側の性能はｆ（２ゲイン（燃料ガ
スとして水素（Ｈ２）を用い次場合と水素８０体積バー
セント二酸化炭素２０体積パーセントを用いた場合との
出力電圧の差’）　（ｍＶ：ｌで評価し穴。この結果を
第７図に示した。なお燃料極側の基材は表のＥと同じ組
成のものを用い酸化剤電極側の基材は人と同じ組成のち
のを用いた。Ｈ２ゲインが大きいほど基材におけるガス
拡散性阻害の程度が大きいと判定されるが基材厚さ１　
ｗｘと１．８＋ｕのいずれの場合にも基材の気孔率の３
０％までリザーブされても燃料極側の基材でのｊス拡散
性の阻害はほとんど起きていないことが明らかになった
。このリザーブ量は、第２図と対比させていえば厚さ１
）冨の場合で３５■／洲、１．８龍の場合で６０η／−
のリン酸すザーづｉ　（１０５重量）Ｉ３ｐｏ、　）に
相当し、リザーづ量としては充分な量である。

燃料電池を構成する電極基材には基材の気孔体積の２０
〜３０％の容積の電解質が運転時に含浸されていること
が好ましい。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、多孔性の電極基材と
これに設は九触謀７１とを有する酸化剤電極および燃料
電極を、電解質保持マトリックスを介在し、上記触ｔ！
Ｘ、ＦｆＪ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０．３龍以上０．５ｍ
ｇ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０．８１以上３．２朋以下で撥水処理が施
されていないものであるので、酸化剤電極においては基
材内でのガスの拡散性阻害が最小限にとどめられ、燃料
電極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、ガスシールの必要な領域もりづ付セパレータ
型より少し大きいが、りづ付置極型やハイづリット型よ
シもけるかに小さいため、ガスシールが容易で熱伝導性
にも優れている。さらにガス分離板に外部リザーバの形
成が容易であるなど、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を示
す断面図、第２図〜第４図、第７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
、第６図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８図〜第１０図はそれぞれ従来の
積層型燃料電池を示す断面図である。 図において、ｍは電解賀保持マトリックス、（２）。 （５）は電極基材、［３１、［６１は触媒層、（４）は
燃料電極、（７）は酸化剤電極、＋１０１　Ｖｉガス分
離板、（１））は酸化剤ガス流路、０′４は燃料ガス流
路である。 なお、各図中同一符号は同一ま念は相当部分を示すもの
とする。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）多孔性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、電解質保持マトリックス
   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）酸化剤電極基材は電解質に対して撥水性であり、
   燃料電極基材は電解質に対して親水性である特許請求の
   範囲第１項記載の積層型燃料電池。
3. （３）酸化剤電極基材はその気孔に疎水性樹脂を含浸し
   、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項または第２項記載の積
   層型燃料電池。
4. （４）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３項記載の積層型燃料電
   池。