JPH03276569A - 燃料電池 - Google Patents

燃料電池

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JPH03276569A
JPH03276569A JP2076211A JP7621190A JPH03276569A JP H03276569 A JPH03276569 A JP H03276569A JP 2076211 A JP2076211 A JP 2076211A JP 7621190 A JP7621190 A JP 7621190A JP H03276569 A JPH03276569 A JP H03276569A
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JP2076211A
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Yoshihiro Oka
嘉弘 岡
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Fuji Electric Co Ltd
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Fuji Electric Co Ltd
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、リブ付電極基材方式の燃料電極および酸化
剤電極を有する積層形の燃料電池、ことに反応ガス通路
に沿っ念方向の発電特性の分布を均等化し& IJブ付
電極基材の構造に関する。
〔従来の技術〕
第6図はリブ付電極方式による従来の燃料電池の一つの
単位セル部分を示す斜視図である1図において、単位セ
ル1は電解質としてのりんfIl、を保持するマトリッ
クス2と、マトリックス2を挟んでその両側に配された
燃料電極3および酸化剤電極4の層状体として構成され
る。各電極3および4はそれぞれ一万の面が角波状に形
成されたガス透過性を有するリブ付電極基材5と、その
平滑な面側に形成され之電極触媒層6とで成層されてお
り、かかる単位セル1複数層を層間にガス不透過性のセ
パレータ7を介在させて積層することによりセルスタッ
クが構成される。
また、電極基材5に角波によって形成される溝5A、5
Bはその溝が互いに直交するよう配置され、セパレータ
7との間に複数の互いに並列な燃料ガス通路5Aおよび
酸化剤ガス通路5Bが形成される。また、セルスタック
の4つの側壁面には図示しないマニホールドが気密に取
りつけられ、マニホールドを介して燃料ガス通路5AK
は水素リッチな燃料ガス8F’が、また酸化剤としての
反応空気8Aが供給される。
供給されたlI!科ガスf3F、反応空気8A等の反応
ガス8は、反応活物質である水素または酸素がガス透過
性の電極基材5中を拡散によって透過してマトリックス
2との界面圧到達し、りん酸で濡れた電極触媒粒子と接
触して三相界面を形成し、ここで電気化学的反応に基づ
く直接発電が行われる。
〔発明がS火しようとする課題〕
リブ付電極基材5の購5にその一方端から流人し、他万
層から排出される燃料ガス、反応空気等の反応ガス8は
、溝内全進行する過程で反応の活物質である水素または
al素が電極基材中に拡散するのでその濃度が徐々に低
下する。このとさ、活物質が基材中に拡散する速度は反
応ガス中の活物質濃度に比例するので、基材を透過して
三相界面に到達する活物質の分圧は第5図に曲Ia10
1で示すように、反応ガスの入口側で高く、出口側で低
い不均等分布を示す。その結果、反応ガスの入口付近で
は拡散速度が高くしたがって濃度通電圧に基づく電圧降
下が小さいため、高い動作電圧を保持するが、出口付近
では拡散速度が低下して濃度通電圧が増すために動作電
圧が低くなシ、電極基材5の溝に沿って電位差が発生す
る。また、電極基材5には電位差を緩和する方向(溝5
A、5Bに沿っ几19層方間)K電流が流れ、これによ
って抵抗通電圧が増加する。このように従来の燃料ME
池では反応ガス通路に沿って動作電圧に不均等分布が生
じ、さらにこれが原因で電極面積を有効に活用できない
几めに発電性症が低下するなどの問題点が発生する。
この発明の目的は、リブ付電極基材の構造を改善するこ
とにより、三相界面における活物質の濃上記課題を解決
するために1この発明によれば、電解質としての夛んa
lを保持するマトリックスと、このマトリックスの両面
に密層して配された燃料電極および酸化剤型fl七を有
する単位セル複数層を単位セル相互間にガス不透過性の
七ノ(レータを介在させて積層したものからなり、前記
一対の電極が前記セパレータ側に反応ガスの通路となる
溝を有するガス透過性のリブ付電極基材と、このリブ付
電極基材の前記マトリックス側に担持した電極触媒層と
からなるものにおいて、前記溝に旧って前記反応ガスの
入口側でガス透過性が低く2反応ガスの出口側でガス透
過性が高いガス透過性の制御手段含有するリブ付電極基
材t−備えてなるものとし、具体的にはガス透過性の制
御手段が、溝の底部におけるリブ付電極基材の厚みが反
応ガスの出口側に向けて薄くなるよう前記溝の底面を反
応ガスの出口側に向けて傾斜して形成したもの、または
ガス透過性の制御手段が、リブ付き電極基材のカーボン
繊維の密度を溝Kaつて反応ガスの入口側で密に、その
出口側で疎になるよう形成したものとする。
〔作用〕
この発明において、溝に沿って反応ガスの入口側でガス
透過性が低く、出口側でガス透過性が高いガス透過性の
制御手段を有するリブ付電極基材を備えるよう構成した
ことにより、溝の出口側に向けて低下する反応ガス中の
水素、酸素等の活物質の濃度分布を、これとは逆に出口
@に同けて高くなる電極基材のガス透過性によって補償
することが可能となシ、電極面積を有効活用する機能と
、燃料電池の動作電圧の不均等分布を防止する機能とを
同時に得ることができる。ま九、ガス透過性の制御手段
としては、Sをその出口側に同けて閑して溝の底部の電
極基材の厚みを出口側に同けて薄くする方法、あるいは
電極基材のカーボン繊維の密度′fr#の出口四に同け
て低くしてガス透過性を制御する方法の−ずれKよって
も目指す機能を得ることができる。
〔実施例〕
以下この発明を実施例に基づいて説明する。
第1図はこの発明の実施例になる燃料電池におけるガス
透過性の制御手段を示す要部の断面図、第2図および第
3図は第1図におけるA−A位置およびB−B位置それ
ぞれの要部の断面図である。
図において、電極触媒層6とセパレータ7との間に位置
するリブ付電極基材15には、その111F25の深さ
dが反応ガス8の入口側で小さく(ds)=出口側で太
きくCdt)なるよ5溝の底面25Bが溝に沿って傾斜
するよう形成される。これによって溝の底面25Bと電
極触媒層6との間の電極基材の厚みtは入口側t:が厚
く、出口111tlが薄く形成されることKなり、この
部分での反応活物質としての水素または散票の透過性が
反応ガス8の入口側で低く、出口側で高い分布を待った
ガス透過性の制御手段が形成される。
前述のように実施IIPIIKよれば、溝の入口側に流
入した反応ガス8は活物質の濃度は高いものの、厚みt
、なる基材の厚みが厚くガス透過性が低いために、これ
を拡散によって透過して三相界面に達する活m’i(の
分圧が抑制される。また、溝の出口側近くに到達した反
応ガス中の反応活物質の濃度は途中で活物質が消費され
ることによって入口側より低くなるが、厚みtlが薄い
基材のガス透過性が高いために1基材を透過して三相界
面に遅する反応活物質の分圧の低下は入口側よりも少く
なる。その結果、三相界面における反応活g!J質とし
ての水Xまたは酸素の分圧は第5図に回顧11Qで示す
よ5に、従来の分布1101に比べて#4斜がゆるくな
シ、シ九がって信く沿った方向の発電反応の分布が従来
よりも均等化されるので、電極面積全発電反応に有効に
利用して分極による動作電圧の低下の少い燃料電池を得
ることができる。
第4図はこの発明の異なる実施例におけるガス透過性の
制御手段を示す要部の断面図でめジ、リブ付電極基材3
5はそのl!%151’または5Aの深さdが従来のそ
れと同様に−様に形成され、したがって溝の低部におけ
る基材の厚みtも溝に沿って−様な厚みを保持する勾が
、この部分におけるカーボンIIIR維の密度が反応ガ
ス8の入口側で密に。
出口側で疎になるよう、密度に変化を待几せることによ
ってガス透過性の制御手段を構成し次点が前述の実施例
と異なってbる。このようにmt、シ几すブ付き電極基
材55の溝に旧った方向のガス透過性は、反応ガスの入
口側で低く、出口側に同かつて高くなる分布特性t−待
つので、電極基材を透過して三相界面に遅する水素、酸
素等の反応活物質の分圧?前述の実施例と11t1様に
、溝に沿って均等化し、したがって発電反応の分布を改
醤し、電極面積を有効活用できるとともに、動作電圧の
不均等分布も改讐することができる。
〔発明の効果〕
この発明は前述のように、反応ガスの流通路となる溝を
反応ガスの出口側に向けて深くするか、ろるいはカーボ
ン繊維の密度を反応ガスの出口側に向けて疎にするなど
の手段により、反応活物質としての水素または酸素の透
過性が反応ガスの入口側で低く出口側で高いガス透過性
の制御手段を有するリブ付を種基材を備えるよう構成し
た。その結果、反応ガス通路に流入した反応ガス中の活
物質の濃度が通路の出口側に向けて低くなることによっ
て三相界面に生ずる活物質の分圧の不均等分布が、これ
と逆の分布特性を待つガス透過性の制御手段によって補
償され、三相界面における活物質の分圧分布を均等化で
きるので、分圧の不均等分布が原因で従来問題となった
三相界面での発電反応の不均等分布、およびこれに起因
して燃料電池に生ずる動作電圧、電流の不均等分布の増
加や、電極面積が有効に活用されないために生ずる発電
性能の低下などの問題点がIs除され、したがって電極
面横全体金有幼に利用して優れた発電性能を安定して得
られる燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の実施例になる燃料電池のメス透過性
手段を示す断面図、第2図は第1図にシけるA−A位置
の断面図、第3図は第1図におりるB−B位置のF!f
rWJ図、第4図はこの発明の他の実流?11を示す断
面図、第5図は実施例に2ける反応活物質の分圧分布を
従来技術のそれと比較して示−j−特性線図、第6図は
単位セルの一般的肩aCfc示″t′斜視図である。 フ・・・単位セル、2・・・マトリックス、3・・・燃
料電極、4・・・酸化剤電極、5,15,55・・・リ
ブ付電極基材、6・・・電極触媒層、7・・・セパレー
タ、8F8A、8・・・反応ガス、5A、5B、25・
・・flt(反応ガス通路)、25B・・・溝の傾斜し
た底面、d・・・第2図 第1図 第S図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1)電解質としてのりん酸を保持するマトリックスと、
    このマトリックスの両面に密着して配された燃料電極お
    よび酸化剤電極とを有する単位セル複数層を単位セル相
    互間にガス不透過性のセパレータを介在させて積層した
    ものからなり、前記一対の電極が前記セパレータ側に反
    応ガスの通路となる溝を有するガス不透過性のリブ付電
    極基材と、このリブ付電極基材の前記マトリックス側に
    担持した電極触媒層とからなるものにおいて、前記溝に
    沿って前記反応ガスの入口側でガス透過性が低く、反応
    ガスの出口側でガス透過性が高いガス透過性の制御手段
    を有するリブ付電極基材を備えてなることを特徴とする
    燃料電池。 2)ガス透過性の制御手段が、溝の底部におけるリブ付
    電極基材の厚みが反応ガスの出口側に向けて薄くなるよ
    う前記溝の底面を反応ガスの出口側に向けて傾斜して形
    成したものであることを特徴とする請求項1記載の燃料
    電池。 3)ガス透過性の制御手段が、リブ付き電極基材のカー
    ボン繊維の密度を溝に沿って反応ガスの入口側で密に、
    その出口側で疎になるよう形成したものであることを特
    徴とする請求項1記載の燃料電池。
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