JPS6310469A - 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】 Ｃ産業上の利用分野〕 この発明は、積層型燃料電池に関し、特に電池の樽成関
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燃料電極と
酸化剤電極の間に電解質を保持した電解質マトリックス
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、■負蒲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
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リ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３，８６７
．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（特開昭和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、リプ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、＋１１は電解質保持マトリ
ックス、（４）は燃料電極、（２）は燃料電極の電極基
剤、（３）は燃料電極の触媒層、（７）は酸化剤電極、
（５）は酸化剤電極の電極基剤、（６）は酸化剤電極の
触媒層、（８）は燃料電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、αΦはガス分離板（
セパレータ、バイポーラ板、インターコネクターなどと
もよばれている’）　、Ｑｌｌは酸化剤ガス流路、Ｏａ
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。ガス分離板０１ｌ
ｌｌに反応ガス流路αυ、四が形成されていることがら
リプ付セパレータ型と呼ばれている。湿潤ガスシール部
（８）、（９）バンキング材によるガスシールに置き換
えられる場合もある。１．は１つのセルの構成の厚さを
示しており、一般にリプ付セパレータ型の場合、ガス分
離板α１が３ｍｍ程度の厚さで基材（２）、（５）が０
．４ｎ＋ｍ程度、触媒層（３）、（６）と電解質保持マ
トリックス層＋１１が合わせて０．６ｍｍ程度になるの
で、ｔ、の厚さは４．４ｍｆｆ１程度となる。

ガス分離板００１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１．の範囲は
充分なガスシールが必要となる。リプ付セパレータ型の
場合ｔ、は約１．４１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難しくなる。また、ガス分離
板αｌ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層（１１も熱電導が
悪い。従ってｔ２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均一な動作温
度を保つようにする。従ってｔ！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。

リプ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ｔ２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。

リプ付セパレータ型の場合、基材（２）、（５）はすぺ
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
口約で行なわれている。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６０４
３３６６３号公報に詳しく記述されている。

また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（る、そこでガス分離板
Ｑｌの一部に外部リサーバ（２４）を設けて、湿潤ガス
シール部（８）、（９）やマトリックス（１１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。外部リサーバについては特開昭５８−１
６１２６９号、特開昭５９−−２１１９６９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〜
３ｆｆｉＩ１１程変の厚さの不遇気性の部位が必要であ
り、ガス分離板α０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。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、クス内を移動して湿潤
シール部（８）、（９）や外部リザーバ（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）に入ってフランディングを
起こしたり、さらにｔＢ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（なるなり、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媒層を通じて基材へ電解液が流出す
るのを防ぐ為にｔａ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
昭和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リブ付セパレ
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
不備がご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
る収納機能（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４７−３１１３７
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５
０−１０１８３６号公報にはマトリックス材料を燃料種
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（米国特性第４　、０６４、
．３２２号）や特開昭５３−３２３５３号公報（米国特
性第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った。

一方特開昭５３−３０７４７号（米国特性第４，０３５
，５５ｍｍ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、
基材は上記明細書の実施例よれば厚さＱ、３ｍｍ　＝０
．５Ｍｌ１１気孔率７５〜８８χ平均小孔寸法１４〜８
３μｍ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」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＋Ｒ成によれぼリブ付セパレ
ータ型においてガス拡散性阻害の影響の１４Ｘさな燃料
１掻側の基材の１０水処理をしないというだシナでリブ
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ｂｆＦ。

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
分離板に形成された反応ガス流路の凸部（リブ）直下の
融解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、ガスの拡散性は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ｌｌｌｌ１１〜１．５ｍｍ
　、基材の厚さ０．３ａ＋ｍ　−０，４ｍｍの構成では
ほとんどこの問題を生じない。しかし特開昭５９−４０
４７１号公報に記載されているような基材の厚さ０．４
ｍ＋ｗ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１掻側の基材いｔ８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４，１１
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
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Ｏυ、叩を形成している。従ってガ
ス分離亭反ＯＩはフラットな薄い不遇気性の牟反となっ
ている。

リブ付電極型の最大宣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５８−６８
８８１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６０〜７５％つまり１５〜３
４μｍとすることでマトリ・ノクスだらあふれた電解液
を選択的にマトリ・ノクスに次いテ毛管吸引力の大きな
リブ部に収納できるとしている。またマトリックスに電
解液が不足した場合にはリブ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。

リブ付基材の厚さは一般に１　、８ｍｍ程度、ガス分離
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０．６ｍ１Ｉ程度になるので、１．の厚さ
は５．０１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ｔ
２はリブ付セパレータ型よりもずっと増えて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°ノブ付電極型の第２のデメリットである。

またリブ付基十オ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透気性のガス分離板
の厚さが０．８１と薄い為に外部リザーバを設けること
ができない。またポーラスを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
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
電解液の量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電解１夜でぬれている為にリー
フ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。

さらにもう一つリブ付量ｔｉ型では酸化剤電極基社内で
の酸化剤ガスの拡散性が間通になる。リブ付基材のウェ
ブの厚さが機械強度の面からリブ付セパレータ型の基材
の厚さく０．３〜０．４ｍｍ）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１ご水剤によって基材の気孔率が低下したり
基材繊維間にｎ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パレ
ーク型よりも大きく、その分セルの出力電圧が低下する
。次に酸化剤電極基材にｔ８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
スから酸化剤電極基材内を介して酸化剤電極基材に移動
し、Ｉｎ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Ｆｆ１基材中
に電解液とリザーブした場合に比して酸化剤電極基材で
のリザーブの許容値が小さいのは、特開昭５３−３０７
４７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５９−２７４６
６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で素材を変化させる必
要があり富コストになっていた。

リブ付セパレータ型とリブ付置掻型以外に、この２つの
タイプの折中史的なタイプがハイブリッド型と称せられ
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、リブ付電極型の第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。またガス分離板はリ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電導の悪い領域ｔ２とセル
の厚さｔ、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もある。

以上説明したように上記の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り、さ
らに外部がらの電解質の補給も容易であるなど従来より
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〕

この発明−に係る積層型燃料電池は、厚さが０．３ｍｆ
ｆ以上０．５ｍｍ以下でｆａ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１Ｂ水処
理が施されていない燃料電極基材と、ガス分離板に配設
されて燃料電極基材に当接し、多孔質基材を有する外部
リザーバとを備えたものである。

〔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０．５ｍｍ以下で撥水処理が施されているので、基材
内でのガスの拡散性阻害が最小限にとどめられる。また
、燃料電極基材は厚さが０．８ｍｍ以上３．２１以下で
撥水処理いないので、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ド
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。

さらに、燃料ＴＬ電極基材当接する外部リザーバは燃料
電極基材のリザーブａ、能を高めると共に外部からの電
解質の補給を容易にする。

〔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を示す断
面図である。図において、（２５）は酸化剤電極基材（
５）の電池反応領域の周縁部に設けられたバッキング材
によるガスシール部、（２６）はガス分離板ｑｌに配設
され、多孔質基材を有する外部リザーバであり、この例
では燃料電極基材（２）はその電池反応領域の周縁部に
湿潤ガスシール部（９）を有し、外部リザーバ（２６）
は湿潤ガスシール部（９）とこの湿潤ガスシール部（９
）の内側の燃料電極基材（２）の両方にまたがって当接
している。

この実施例において特徴的なことは、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）が山水処理されてい
るのに対して燃料電極基材（２）は山水処理されていな
い、また酸化剤電極の電極基材（５）が０．４１の厚さ
であるのに対して燃料雪掻の電極基材（２）は２倍以上
の１．０１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極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＜　ｔａ水処理していない５ｍｍｆｆｉ＊
の基材について４ｃｍ　Ｘ　４ｃＩｌの試験片を各々１
０枚前後作リす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、一般にリブ付セパレータ型の
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は共にカーボン類でリブ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℃で一昼夜保持した後、２１．５
φ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型ガーレ式デー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１　（ｓｇ／ｃ■２〕（１０５Ｗ１０Ｈ３ＰＯ４
）、縦軸が透気度（ｍｌ／ｍｉｎ、ｃｍ”、ｓｍＡｇ）
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透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、ｃｎ”、ｍ
ｍ　Ａｇ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、７ｎ＋Ｉ／ｍｉｎ
、ｃｍ”、ｍｍ　Ａｇ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■ｇ／ｃｓ＋”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Ｔｌｌ中に保持されている
リン酸量は４０ｖｇ／ｃｍ”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Ｐ２３０に
記載されているようにリザーブ量が２〜３倍つまり８０
〜１２０　ｍｇ７ｃｍ”必要であるとするのは多過ぎる
惑じかするが、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
まり４０ｍｇ／ｃｍ”程度は必要であり、最低でも２０
＋ａｇ／ｃｍ”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、
１０１１ｇ／ｃＩｌｚのリン酸の体積は基材Ａの気孔率
の約２５χに相当する。

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相当含浸し、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〔■〕、縦軸が透気
度（ｍｌ／１ｌｌｉｎ、ｃｍ”、ｍｓＡｇ）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
（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
実線矢印）。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を行なうた。

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
の穴をあけたアルミハクをはりつけたままでさらに裏面
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０．８ｍｍ未満であれば流路凸部
（２３）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。このことはリブ付七′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、基材の流路凸部（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５８−６８
８８１号明細書にて記載されているように平坦なシート
部のボア径をリプ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、リプ付セパレータ型で基材に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
機関でリブ付電極型が選ばれている。

これはリプ付セパレータ型において、常に０．４−一前
後のカーボンペーパーが用い１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
いて基材に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
いてはリプ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
１．０ｍｍ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領域ｔ２は２　、０＋Ｗｆｆｉ
　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４．２ｍ
ｍやハイブリッド型（第１０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４．２＋ｉ＋＊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
１．は１．８ＩＩ１ｍ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５．０ｍｍとなり
リプ付セパレータ型（第８図）の４．４１１１１１より
も少し大きいがリプ付電極型（第９図）の５．０ｍｍと
同じである。

また、基材は平板であるからリプ付電極と比べて、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。またリプ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。

一方酸他剤電極については基材の厚さを０．４ｆｆｉ＋
＊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。！Ω水処理は４
フツ化エチレン樹脂や４フフかエチレン−６７フ化プロ
ピレン共重合樹脂などの疏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リプ付セパ
レータ型の場合と同じである。ｔａ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０．３〜０．５ｍｍが許容範
囲である。

なお、リプ付電極型について言えば、酸化剤電極の基剤
をｔ８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（Ｍ他剤として用
いるガスが酸素（０，）での特性と空気での特性の出力
電圧の差）が９０ｍｖ前後になる。これに対して本発明
の実施例の場合０２ゲインは８０ｓｖ前後であり、出力
電圧はリプ付電極型に比べ１０ｍＶも改善されている。

さて、第１図に示すこの発明の一実施例において従来例
に比べて特徴的なことは以上説明してきた基材の撥水処
理の有無と基材の厚さという２つの特徴の他に外部リザ
ーバ（２６）がｔａ水処理していない基材叩に当接され
しかも湿潤シール部（９）と基材（２）にまたがってい
るという特徴がある。従来リプ付セパレータ型では第８
図に示すように外部リザーバ（２４）から湿潤シール部
（９）を経てマトリックスｆｌ＋に電解液が供給される
。従って電池の中央付近に電解液を供給するにはマトリ
ックス中を長い距離移動しなければならず電解液の補給
に極めて長い時間が必要であった。しかし本発明の電池
構成によれば、例えば湿潤シール部（９）にのみ外部リ
ザーバ（２４）を当接した場合に外部リザーバから湿潤
シール部（９）へ移動した電解液はマトリックスよりも
電解液の移動速度の大きな未１８水の基材（２）に移動
する。基材（２）内での電解液の移動はすみやかに行な
われるので電解液は電池面方向に移動し、触媒層を介し
てマトリックスに電解液が移動する。

従って従来に比べて電解液の補給速度は飛躍的に向上す
る。従来、基材にリザーブ機能を持たせる場合には外部
リザーバは配設されなかったが、電解液の凍結を防止す
る為に水を加えて、電池全体の電解液の濃度を低下させ
るなどの用途に対しても補給速度の速い外部リザーバ機
構を用いることは有効である。１！解液の補給について
は基材にリザーブ機能を持たせたリブ付電極型で行なわ
れる特開昭６１−４７０７４号に記載されているような
積層型燃料電池の上から下へ電解液をたれ流してリプ付
電極基材に電解液を吸収させる方法よりも本発明の実施
例のように外部リザーバ機構を用いた方が補給される電
解液の量の把握が容易でありより確実性がある。

さらに外部リザーバは湿潤ガスシール部の電解液を不足
させないという役目も持っており、湿潤ガスシール部に
当接された外部リザーバはこの役目を充分に果たす。し
かし湿潤シール部を介して基材へ電解液が移動する場合
、温潤シール部での移動速度が比較的遅い為に本来の基
材での移動速度よりも遅くなる。しかし第１図の実施例
のように両方にまたがった外部リザーバ（２６）を配設
した場合には湿潤ガスシール部（９）への電解液の補給
を行ないながら湿潤ガスシール部（９）を介さずに基材
（２）へ電解液が移動できる為に移動速度をさらに速め
ることができる効果がある。なお第１図では酸化剤電極
側のガスシールをバッキング材（２５）によるシールと
しているが湿潤ガスシールであってもよい。

第７図はこの発明の他の実施例による積層型燃料電池を
示す断面図である。この実施例では湿潤ガスシール部（
９）に当接した第１外部リザーバ（２７）の他にもう一
つ基材（２）に直接当接した第２外部リザーバ（２８）
を配設している。すなわち、第１の外部リザーバ（２７
）を湿潤シール部（９）でのガスシール性保持専用とし
て用い、第２の外部リザーバ（２８）を基材（２）への
電解液補給、水の補給にする電解液の希釈、基材（２）
のリザーブ機能の拡張等として用いることができ、機能
の文化によりさらに機能性を高めることができる。

なお外部リザーバに配設される多孔質部材については、
基材に電解液を供給するという役割から多孔質部材の平
均気孔径は燃料電極の電極基材の平均気孔径以上である
ことが望ましいが、湿潤ガスシール部（９）でのガスシ
ール性保持専用第１の外部リザーバ（２７）については
多孔質部材の平均気孔径はむしろ電極基材の平均気孔径
よりも小さく充分に電解液が保持されていることが望ま
しい。一方策２の外部リザーバ（２８）についてはここ
に電解液が必ずしも保持されている必要はなくここに配
設される多孔質部材の平均気孔径はさらに大きくてよい
。

なお、上記実施例では酸化剤電極と燃料電極の位置関係
を酸化剤電極側を上にしたが逆であってもよく同様の効
果がある。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、厚さが０．３１以上
０．５ｓｕｗ以下でｔθ水処理が施された酸化剤電極基
材と、０．８１以上３．２１以下で撥水処理が施されて
いない燃料電極基材と、ガス分離板に配設されて燃料電
極基材に当接し、多孔質基材を有する外部リザーバとを
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ド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性にも優れており、さ
らに、外部リザーバにより燃料電極基材の電解質リザー
ブ機能がより高められると共に外部からの電解質の補給
が容易になるなど、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７図はこの発明の他の実施例による積層型
燃料電池を示す断面図、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、αのはガス分離板、αυは酸化剤ガス流路、叩
は燃料ガス流路、（２４）、　（２６）、　（２７）　
、　（２８）は外部リザーバである。 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 (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）多孔性の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０．３ｍ
   ｍ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０．８ｍ以上３．２ｍｍ以
   下で撥水処理が施されていないものであり、かつ上記ガ
   ス分離板には多孔質材を有し、上記燃料電極基材に当接
   している外部リザーバが配設されていることを特徴とす
   る積層型燃料電池。
2. （２）燃料電極基材はその電池反応領域の周縁部にガス
   シール部を有する特許請求の範囲第１項記載の積層型燃
   料電池。
3. （３）外部リザーバはガスシール部の内側の燃料電極基
   材に当接して設けられている特許請求の範囲第２項記載
   の積層型燃料電池。
4. （４）ガスシール部は湿潤ガスシール部であり、外部リ
   ザーバは上記湿潤ガスシール部に当接して設けられてい
   る特許請求の範囲第２項記載の積層型燃料電池。
5. （５）外部リザーバは湿潤ガスシール部およびこの湿潤
   ガスシール部の内側の燃料電極基材の両方にたがって当
   接する特許請求の範囲第２項記載の積層型燃料電池。
6. （６）外部リザーバは、湿潤ガスシール部に当接する第
   １外部リザーバと第１外部リザーバと分離して設けられ
   上記湿潤ガスシール部の内側の燃料電極基材に当接する
   第２外部リザーバとを有する特許請求の範囲第２項きさ
   いの積層型燃料電池。
7. （７）外部リザーブの多項質材の平均気孔径の大きさは
   燃料電極基材の平均気孔径の大きさ以上である特許請求
   の範囲第１項ないし第６項の何れかに記載の積層型燃料
   電池。
8. （８）第１外部リザーバの多項質材の平均気孔径は電極
   基材の平均気孔径より小さい特許請求の範囲第６孔記載
   の積層型燃料電池。
9. （９）第２外部リザーバの多孔質基材の平均気孔径は第
   １外部リザーバの多孔質基材の平均気孔径より大きい特
   許請求の範囲第８項記載の積層型燃料電池。