JPH01246768A - 燃料電池の電極 - Google Patents

燃料電池の電極

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JPH01246768A
JPH01246768A JP63073295A JP7329588A JPH01246768A JP H01246768 A JPH01246768 A JP H01246768A JP 63073295 A JP63073295 A JP 63073295A JP 7329588 A JP7329588 A JP 7329588A JP H01246768 A JPH01246768 A JP H01246768A
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JP
Japan
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gas
groove
cell
fuel cell
electrode
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JP63073295A
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Toshihiko Takeu
竹生 俊彦
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Toshiba Corp
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Toshiba Corp
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023Porous and characterised by the material
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M4/8605Porous electrodes
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
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    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/026Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant characterised by grooves, e.g. their pitch or depth
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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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】 〔発明の目的〕 (産業上の利用分野) 本発明は、燃料電池に係り、特に、燃料電池の各単位セ
ルに酸化剤ガスを均一に配分し、燃料電池の長寿命化を
図った燃料電池に関する。
(従来の技術) 従来、燃料の有している化学的エネルギーを直接電気エ
ネルギーに変換する装置として燃料電池が知られている
。この燃料電池は通常、電解質を保持したマトリックス
を挟んで一対の多孔質電極を配置するとともに、一方の
電極の背面に水素等の燃料ガスを接触させ、また他方の
電極の背面に酸素等の酸化剤ガスを接触させ、このとき
起こる′電気化学的反応を利用して、上記電極間から電
気エネルギーを取り出すようにしたものであり、前記燃
料ガスと酸化剤ガスが供給されている限り高い変換効率
で電気エネルギーを取り出すことができるものである。
しかし、上記の様な燃料電池においては、酸化剤ガスの
内消費されるのは酸素のみであるため。
電極入口から出口まで酸化剤ガスが移動していくにつれ
て酸化剤ガス中の酸素ガス分圧は漸減する。
一方、電池反応は酸化剤ガス中の酸素分圧が高い程、或
いは酸化剤ガスの流量が多い程速度が大きくなる。従っ
て、入口と出口の間で電池反応を均一に進行させるため
には、酸化剤ガス中の酸素分圧や酸化剤ガスの流量を補
正するなどの処理を取る必要がある。
第8図は、上記原理に基づく特にリン酸を電解質とした
、リブ付き電極型の燃料電池における単位セルの構成例
を縦断面斜視図に示したものである。即ち、電解質とし
てのリン酸をマトリックスに含浸して成る電解質層1を
挟んで、多孔質炭素材から成るアノード電極3a、カソ
ード電極3bが配設され、その電解質層1と接する側に
は、触媒2a。
2bがそれぞれ塗布され、且つ背面側にはリブ4a。
4b及び燃料ガス、酸化剤ガスの流通する溝5a、 5
bが形成されているにこで、燃料ガスの流通する溝5a
と酸化剤ガスの流通する溝5bとは、互いに直交する方
向に規則的に複数本平行に形成されている。この様にし
て単位セルが形成され、この単位セルを緻密な炭素質で
作られたセパレータ6を挟んで複数個積層することによ
り、単位セル積層体が構成されている。
また、上記単位セル積層体は、第9図に示した様に、そ
の上下端側に集電板7、絶縁板8、締付板9、端子10
をそれぞれ取付け、適当な締付は圧で上下方向から締付
けるようにしている。さらに。
この様な単位セル積層体の側面側には燃料ガス。
酸化剤ガスを管11を通して供給及び排出する為の一対
の燃料ガス供給用マニホールド12.排出用マニホール
ド13、及び酸化剤ガス供給用マニホールド14.排出
用マニホールド15がそれぞれ対向して配設され、適当
な圧力で締付は固定することによって、燃料電池が構成
されている。
(発明が解決しようとするa題) しかしながら、従来の燃料電池においては、酸化剤ガス
マニホールドの供給側14と排出側15における酸化剤
ガスの組成が異なる為、その酸化剤ガスの密度も異なっ
ている。この密度の違いは、発電負荷によっても変化し
、負荷が高い程密度の差が大きくなる。
一方、酸素利用率は、酸化剤ガス中の酸素ガス成分が電
池の中を通過する際に、発電によってどれだけ利用され
たかを示すものである6例えば、酸素利用率80%とい
う状態は、酸化剤ガス供給用マニホールド14内の酸化
剤ガス中に、酸素ガスが100100(/Hour)含
まれていたとすれば、電池内部でこの80%、即ち80
(+*oj2/Hour)が水素との化学反応に利用さ
れて発電を行ない、排出用マニホールド15の酸化剤ガ
ス中には、残りの20(moffi/Hour)の酸素
ガスが未利用のまま排出される運転を示している。酸化
剤ガスとして空気を使用する場合。
酸素以外のガス成分は主に窒素ガスであり、酸素に比べ
て比重の小さいガスなので、酸化剤ガス中に占める酸素
の割合が減れば、酸化剤ガスの密度は小さくなる。従っ
て、供給用マニホールド14の酸化剤ガスが同一である
場合、酸素利用率が大きい程、排出用マニホールド15
の酸化剤ガスの密度は小さくなる。
ところで、この様に酸化剤ガス供給用マニホールド14
と酸化剤ガス排出用マニホールド15間の密度が違うと
、各単位電池への酸化剤ガスの供給が不均一となるとい
う問題が生じていた。
この点を以下に説明する。従来の燃料電池(酸化剤ガス
通路の溝寸法:1.6X1.6■)における。
酸化剤ガス供給用マニホールド14及び排出用マニホー
ルド15の電池高さ方向の圧力分布を、カソード電極の
入口部の圧力及び出口部の圧力を測定することにより、
第1θ図に示したが、カソード電極の入口部及び出口部
とも、酸化剤ガスの静水圧力、即ち、(ガス密度ρ)×
(重力加速度り)×(高さh)の影響の為に、圧力分布
は直線的であり、電池下部程圧力が高くなる。
しかし、酸化剤ガス供給用マニホールド14と排出用マ
ニホールド15における酸化剤ガスの密度の違いから、
ガス密度の小さい排出用マニホールド15の方が、電池
の上部と下部における圧力の差が供給側より小さくなっ
ている。そのため、カソード電極の入口部と出口部間の
圧力差Δpは、電池上部における圧力差ΔP1の方が、
電池下部における圧力差Δp2より小さくなる。また、
電池セル溝内の酸化剤ガスの流れは、流速が低い為に層
流となり、酸化剤ガス流量と、カソード電極入口部。
出口部間の圧力差はほぼ比例する(但し、酸化剤ガスは
流れていく途中で酸素が利用される為、物性値が刻々と
変化していくので、完全な比例関係ではない。)。その
結果、電池高さ方向の酸化剤ガス流量分率は、第11図
に示した様に、電池下方に多くの燃料ガスが流れ、上方
には平均流量以下の酸化剤ガスしか流れないという不均
一が生じ、酸素利用率の高い運転では酸化剤ガス流量の
少い電池上部において酸素が不足し、酸素分圧の差が生
じる。そのため、上部単位セルにおいて、セル電圧の低
下、ジュール熱の増加に伴う焼損等の不具合があった。
そこで本発明は、セル積層方向の流量分布を均一化し、
高性能でかつ長寿命化を図った燃料電池を提供すること
を目的とする。
〔発明の構成〕
(課題を解決するための手段) 上記目的を達成するために本発明は、多孔質基体の一方
の面に触媒層を、この触媒層に対向する他方の面に酸化
剤ガスを流通するガス通路溝を配設した燃料電池の電極
において、ガス通路溝の幅および高さ寸法を0.5〜0
.8園の範囲の値に設定したことを特徴とする。
(作 用) 上述のように、酸化剤電極のガス通路溝寸法を0.5〜
0.8腸の範囲の値に設定したので、セル積層方向の流
量分布を均一化することができ、電池電圧の低下および
、焼損等を防止することができる。
(実施例) 以下本発明の一実施例について第1図乃至第7図を参照
して説明する。
第1図はカソード電極を示す断面図であり、このカソー
ド電極3bの触媒2bに対向する面にはリブ4bにより
区画され酸化剤ガスを流通させる溝5bが配設されてい
る。この溝5bの幅Wおよび高さH寸法は0.5〜0.
8mの範囲に設定されている。
次に溝5bの最適寸法は0.5〜0.8mであることの
理由について以下説明する。
第2図は酸素利用率に対する単位セル電圧の最低値を示
した線図であり、溝寸法を0.5+m、 0.8m。
1、Onn、1.5nnに変化させたものについて試験
した。
一般に、燃料電池の運転条件の一例である酸素利用率を
低下させる場合には酸素の供給量を増加させるため圧縮
空気発生装置が大形化し、周辺機器コストが上昇するこ
とになる。このため、燃料電池のプラントのトータルコ
ストとのバランスを考慮し、酸素利用率を通常70%、
また、最低でも60%としているのが一般的であり、第
2図より溝寸法は1.Onnより小さいという最低セル
電圧の変化率が小さく、安定したものが得られる。
一方、溝寸法に対する電圧差(ΔV)、電極製作費用、
加工精度については第3図乃至第5図において説明する
。第3図は単位セル積層体の単位セル平均電圧と各単位
セル電圧の最低値との電圧差(ΔV)を試験した結果で
あり、溝寸法を大きくするとマニホールド出入口間の圧
力差(Δp)が減少するため静水圧力の影響が大きくな
り、電池高さ方向の流量分布が右胸−となる。その結果
、電圧差(Δ■)が増加するため、溝寸法は小さいもの
がよく、0.8m以下が望ましい、また、第4図は寸法
精度一定の条件で溝加工をした場合の電極製作費用を示
したものであり、加工性を考慮すると溝寸法を0.5園
以上とするのが望ましい。さらに、第5図は電極製作費
用を一定とした場合の溝寸法精度を示したものであり、
溝寸法を0.5mm以上とすると一定の寸法精度が得ら
れる。
次に、溝の幅および高さをともに0.8mm とした場
合のカソード電極入口および出口の電池積層方向圧力分
布を第6図に、また酸化剤ガスの電池積層方向圧力分布
を第7図に示す。第6図より、溝寸法は従来のものより
小さくしたので、カソード電極の入口と出口との圧力差
Δpを大きくすることができ、積層高さにより静水圧力
の影響を抑制することができる。その結果第7図に示し
たように、電池積層方向の流量を均一化することが可能
となった。
したがって、この実施例によけば溝寸法を0.5〜0.
8m となるように設定したので、カソード電極の積層
方向流量分布を平均化することができ、電圧低下あるい
は局部的過熱を防止して高性能でかつ長寿命の電極が得
られる。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明によれば、酸化剤の積層方向
流量分布を均一にすることができ、高性能でかつ長寿命
の燃料電池を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示す燃料電池のカソード側
電極を示す断面図、第2図は第1図の電極を使用した燃
料電池の酸素利用率と最低セル電圧との関係を示す線図
、第3図乃至第5図はそれぞれ第1図に示す電極の溝寸
法と電圧差ΔVとの関係、溝寸法と電極製作費用との関
係、溝寸法と溝寸法精度との関係を示す線図、第6図は
カソード電極の電池積層高さ方向の圧力分布線図、第7
図はカソード電極の電池積層高さ方向の流量分布線図、
第8図は一般的な燃料電池の単セル構成図、第9図は燃
料電池の分解斜視図、第10図は従来のカソード電極の
電池積層高さ方向の圧力分布線図。 第11図は従来のカソード電極の電池積層高さ方向の流
量分布線図である。 2b・・・触 媒、       3b・・・カソード
電極。 4b・・・リ ブ、      5b・・・溝代理人 
弁理士 則 近 憲 佑 同    第子丸   健 b 第1図 第2図 第3図 第451 第5図 第6図 第7図 第8図 第9図 第10図 第11図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 多孔質基板の一方の面に触媒層を、この触媒層に対向す
    る他方の面に酸化剤ガスを流通するガス通路溝を配設し
    た燃料電池の電極において、ガス通路溝の幅および高さ
    寸法を0.5〜0.8mmの範囲の値に設定したことを
    特徴とする燃料電池の電極。
JP63073295A 1988-03-29 1988-03-29 燃料電池の電極 Pending JPH01246768A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009076315A (ja) * 2007-09-20 2009-04-09 Ngk Insulators Ltd 反応装置、及び固体酸化物型燃料電池

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS58157062A (ja) * 1982-03-12 1983-09-19 Mitsubishi Electric Corp 積層形燃料電池
JPS60236460A (ja) * 1984-04-09 1985-11-25 Kureha Chem Ind Co Ltd 燃料電池用電極基板及びその製造方法

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