JPH04179060A

JPH04179060A - 燃料電池

Info

Publication number: JPH04179060A
Application number: JP2305957A
Authority: JP
Inventors: Kazuyoshi Nakajima; 一嘉中島; Tsutomu Aoki; 努青木; Tadahiko Taniguchi; 忠彦谷口
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-11-14
Filing date: 1990-11-14
Publication date: 1992-06-25

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、特にリン酸型燃料電池のリ
ン酸がセル外へ持ち出される量を低減するようにした構
成に関するものである。

（従来の技術）周知のように、燃料が保有している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ある。こ
の燃料電池は、通常電解質を保持するマトリックス層を
挟んで表面に触媒層を担持した一対の多孔質電極を配設
し、一方の電極の背面に水素ガス等の燃料ガスを流通し
て接触させると共に、他方の電極の背面に空気等の酸化
剤ガスを流通して接触させ、このときに発生する電気化
学反応を利用して、上記一対の電極間から電気エネルギ
ーを取出すようにしたものである。

第１１図は、この種の燃料電池の構成を示す部分断面図
であり、１は積層セルで、電解液であるリン酸を保持し
たマトリックス層と、このマトリックス層に接する一側
の面に触媒層を成層担持し、他側の面に燃料ガスまたは
酸化剤ガスの供給路（凹溝）を設け、カーボン系材料で
ガス拡散を可能とした一対の多孔質電極を配して成る単
位セルが複数個積層して構成されており、起動時には室
温から動作温度まで加熱すると共に、運転時には余剰熱
を除去するための冷却板２が積層セル１ごとに挿入・設
置している。また、複数の積層セル１を上下に積層して
なる積層セル群の上下を集電板３，３で挟み、その上下
にそれぞれ配置された締付金具４．４を介して積層方向
に締付けている。

さらに、単位セルごとに一括して酸化剤ガスおよび燃料
ガスを供給および排気するため、積層セル群の側面にマ
ニホールド５を配設している。このマニホールド５は、
集電板３に密着させたフッ素膨脂系のシール材６と、こ
の外側に配置されるフッ素ゴム系の成形バッキング７を
介して固定されている。

上記した単位セルは、酸化剤ガスおよび燃料ガスを一方
の側面から他方の側面へと流通させるが、他方の側面か
ら折返して再び一方の側面に戻すように二方向に流通さ
せるようにしたものもある。

第１２図は、この例を示す斜視図である。

同図において、８は電解質であるリン酸を保持するマト
リックス層で、９はアノード電極、１０はカソード電極
である。ここで、アノード電極９は、カーボン系材料で
ガス透過性を有する多孔質板状に形成され、−側の面に
燃料ガスの供給路となる複数の凹溝を設けたアノード電
極基板１１と、このアノード電極基板ＩＩの他側の面に
成層担持されたアノード側触媒層１２で構成されている
。また、カソード電極１０は、同様にカーボン系材料で
ガス透過性を有する多孔質板状に形成され、−側の面に
酸化剤ガスの供給路となる複数の凹溝を設けたカソード
電極基板１３と、このカソード電極基板１３の他側の面
に成層担持されたカソード側触媒層１４で構成されてい
る。なお、符号１５は、セパレータを示す。

ところで、以上のような燃料電池は、通常２１）０℃前
後の高温で運転される。このとき、マトリックス層に保
持されている電解液であるリン酸（Ｐ２Ｏ３゜）は、蒸
発、飛散により燃料ガスや酸化剤ガスと共に単位セル外
に持ち出され、時間の経過と共にその保持料が徐々に減
少していく。

（発明が解決しようとする課題）そこで、マトリックス層内の電解液を保持するため、従
来より種々の対策が施されており、その一対策として、
電解液自己保持型の燃料電池に対して、その多孔質電極
基板を親水処理し、電解液を含浸させて蓄えておき、マ
トリックス層内の電解液保持量の減少に応じて、多孔質
電極基板から電解液を補給して電池寿命の延長を図るよ
うにしたものが知られている。しかしながら、この種の
電解液自己保持型では、燃料電池内の電解液貯留量に限
界があり、かつ外部からの電解液補給手段を備えていな
いので、電池素子が健全であっても電解液が消失すると
運転が継続できなくなり、運転時間の延長化にも自ら限
界がある。

一方、他の対策として、運転の途中で電解液を外部から
補給して電池の運転時間の延長化を図るようにしたもの
も知られている（特開昭６１−７４２６５号参照）。し
かしながら、この種の電解液補給型では、電解液を補給
する時期を把握することが困難であり、また構造的にも
複雑になり、製造過程が大幅に増加する難点がある。

そこで、本発明の目的は、構成を簡単としながら、電解
液であるリン酸の燃料電池外への持ち出しを低減させ、
長時間の運転を可能とし、信頼性を向上した燃料電池を
提供することにある。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明は、電解液を保持するマトリックス層と、このマ
トリックス層に接する面に触媒層が成層担持され、かつ
これと反対の面に反応ガスの供給路となる複数の凹溝を
設けた一対の多孔質電極で単位セルを構成し、この単位
セルを複数個積層し冷却板を介挿して成る燃料電池にお
いて、多孔質電極の反応ガス出口側端部に、触媒層また
は冷却板を介して低温域を形成するようにしたものであ
る。

（作　用）電解液となるリン酸の蒸発量は温度の上昇に伴って増大
する。気相中に一度蒸発したリン酸蒸気を蒸発時より低
温雰囲気に導くと、その温度による気相による気相中の
リン酸蒸気分圧になる。また、リン酸蒸気は、反応ガス
の出口側から単位セル外へ持ち出される。したがって、
多孔質電極の反応ガス出口側端部に低温域を形成すると
、この低温域で高温域との温度差に相当するリン酸蒸気
を凝縮・回収し、単位セル外への持ち出しを低減するこ
とができる。

（実施例）以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。第
１図は、本発明の一実施例の要部を示す正面図であり、
第２図は、第１図のＡ−Ａ線断面図である。

第１図および第２図において、冷却板２０は、例えば銅
材のような熱導電性の良好な材料から形成された冷却板
本体２ｊと、この冷却板本体２１に埋設され、複数のＵ
状部を配列し接続した状態に形成した冷却パイプ２２と
、この冷却パイプ２２とは独立し、且つ平行するように
配列されて冷却板本体２１に埋設され、Ｕ状に形成され
た冷却パイプ２３で構成されている。

この冷却板２０は、複数個の単位セルを積層した積層セ
ル１ごとに挿入・設置するが、冷却パイプ２３の埋設し
ている側を反応ガスの出口側となるように配置する。

また、冷却パイプ２２と２３には、冷却水系から独立し
て冷却水が供給される。

次に、以上のように構成された実施例の作用を説明する
。気相へ蒸発するリン酸量は、第３図に示すように温度
に依存し、蒸発量は温度が高くなるにつれて増加する。

気相のリン酸蒸気分圧と液相の間には気相平衡関係が成
立し、気相中に１度蒸発したリン酸を蒸発時より低温雰
囲気におくと、その温度による気相中のリン酸蒸気分圧
になる。

すなわち、高い温度で蒸発したリン酸蒸気を低い温度に
さらすと、その温度差に相当するリン＃蒸気が再び液相
中へ凝縮・回収される。

一方、冷却板２０では、冷却パイプ２２が冷却パイプ２
３より長いので、冷却水を冷却パイプ２２および２３に
独立して供給すると、冷却パイプ２２を埋設している部
分の放熱作用が他の部分より良好となる。

これにより、電極板の平面方向における温度分布は、第
４図に示すように反応ガスの出口側が他の部分より低く
なる。したがって、電極板上の比較的高い温度域で蒸発
したリン酸が、電極板上の低い温度域にさらされると、
その温度差に相当するリン酸蒸発量を電極板の低い温度
域において再び液相中へ凝縮・回収することができ、セ
ル外へ持ち出されるリン酸量を低減することができる。

なお、本発明は、上記した実施例（以下、第１の実施例
という）に限定されるものではなく、種々変更実施でき
る。

第５図は、本発明の他の実施例（以下、第２の実施例と
いう）の要部を示す正面図であり、第６図は、第５図の
Ａ−Ａ線断面図である。

第５図および第６図において、冷却板２５は、冷却板本
体２１と、この冷却板本体２１に埋設され、複数のＵ状
部を配列して接続した状態に形成された冷却パイプ２６
で構成されている。ここで、冷却パイプ２６は、直径の
異なる２つの部分を有し、直径の小さい部分を小径部２
６ａ、直径の大きい部分を大径部２６とする。

この冷却板２５も、第１の実施例と同様に積層セル１ご
とに挿入・設置するが、冷却パイプ２６の大径部２６ｂ
が埋設されている側を反応ガスの出口側となるように設
置する。

この冷却板２５では、小径部２６ａより大径部２６ｂの
表面積が大きいから、冷却パイプ２６に冷却水を供給す
ると、大径部２６ｂを埋設している部分の方が小径部２
６ａを埋設している部分より放熱作用が良好となる。こ
れにより、電極板の平面方向における温度分布も第４図
に示すようになり、第１の実施例と同様の効果を得るこ
とができる。

第７図は、本発明のさらに異なる他の実施例（以下、第
３の実施例という）の要部を示す斜視図である。なお、
この第３の実施例は、燃料ガスおよび酸化剤ガスがそれ
ぞれ単位セルを二方向に流通するように構成された燃料
電池に摘要するものであり、二方向の流れの境界部はシ
ール材により区画されるようになっている同図において、８はマトリックス層、３ｏはアノード電
極、３１はカソード電極である。ここで、アノード電極
３０は、アノード電極基板１１と、このアノード電極基
板１１の他側の面に成層担持されたアノード側触媒層３
２で構成されている。また、カソ−ド電極３１は、カソ
ード電極基板１３と、このカソード電極基板Ｉ３の他側
の面に成層担持されたカソード側触媒層３３で構成され
ている。

しかして、アノード側触媒層３２は、アノード側触媒層
基板３４と、酸化剤ガスの出口側に対応するアノード側
触媒層基板３４の角部に形成され、酸化剤ガスの流れと
直交する方向を長くしている矩形状の非反応部３５で構
成されている。また、カソード側触媒層３３は、カソー
ド側触媒層基板３６と、酸化剤ガスの出口側に対応する
カソード側触媒層基板３６の角部に形成され、酸化剤ガ
スの流れと直交する方向を長くしている矩形状の非反応
部３７で構成されている。ここで、非反応部３５．３７
は、マトリックス層８と同一組成で、平面における位置
は同一となり、触媒は担持されていない。

次に、第３の実施例の作用を説明する。リン酸の蒸発量
はその部分のリン酸の蒸気圧に比例する。

また、リン酸の物理的性質は、第８図に示すようにリン
酸の濃度が一定の場合、温度の上昇と共にリン酸の蒸気
圧が上昇する。したがって、アノード側触媒層３２およ
びカソード側触媒層３３の酸化剤ガスの出口側にそれぞ
れ非反応Ｎ３５．３７を形成することにより、この非反
応部３５．３７においては化学反応が生じないから、こ
の化学反応に付随して発生する反応熱がなく、第９図に
示すように非反応部３５．３７の温度が他の部分より低
くなり、反応ガスに含まれている蒸発したリン酸を非反
応部３５゜３７が形成する非反応部領域で回収できる。

第１０図は、本発明のさらに異なる他の実施例（以下、
第４の実施例という）の要部を示す平面図である。同図
において、４０は図示しないアノード電極に成層担持さ
れるアノード側触媒層を示す。

このアノード側触媒層４０は、アノード側触媒層基板４
１と、酸化剤ガスの出口側に対応するアノード側触媒層
基板４１の角部に形成され、酸化剤ガスの流れと直交す
る方向を長くしている矩形状の非反応部４２と、燃料ガ
スの出口側に反応するアノード側触媒層基板４１の角部
に形成され、燃料ガスの流れと直交する方向を長くして
いる矩形状の非反応部４３で構成されている。ここで、
非反応部４２．４３は、上記した非反応部３５．　３７
と同様にマトリックス層と同一組成で触媒は担持されて
いない。また、カソード側触媒層もアノード側触媒層４
０と同一の構成であり、符号４４はカソード側触媒層、
符号４５はカソード側触媒層基板、符号４６は上記した
非反応部４２に対応する非反応部、符号４７は上記した
非反応部４３に対応する非反応部を示す。

この実施例におけるアノード電極とカソード電極にも、
燃料ガス、酸化剤の流れ方向が異なる境界部をシール材
により区画（同図で破線で示す）されている。

以上のようにアノード側触媒層４０およびカソード側触
媒層４４に、酸化剤ガスの出口側および燃料ガスの出口
側にそれぞれ非反応部４２．４６および４３゜４７を形
成しているので、非反応部領域がさらに増大し、単位セ
ル外に持ち出されるリン酸量を低減することができる。

さらに、第３の実施例および第４の実施例に対し、酸化
剤ガスおよび燃料ガスが第１の実施例および第２の実施
例のように単位セルをそれぞれ一方向に流れる場合、そ
れらの出口側に対応するカソード側触媒層およびカソー
ド側触媒層に非反応部を形成すればよい。また、第１の
実施例および第２の実施例では、酸化剤ガスおよび燃料
ガスが単位セルを一方向に流れた燃料電池に適用したが
、第３の実施例および第４の実施例のように二方向に流
れるようにした燃料電池にも適用できる。

［発明の効果］以上説明したように本発明によれば、積層したセルの間
に挿入・設置する冷却板を酸化剤ガスの出口側端部の冷
却効果が優れるように構成し、またはアノード電極やカ
ソード電極に成層担持する触媒層の酸化剤ガスの出口側
端部に非反応部を形成してい゛るので、簡単な構成であ
りながら、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応に伴う
温度上昇を他の部分より低下させ、電解質であるリン酸
のセル外への持ち出し量を低減させ、長時間の運転が可
能で信頼性を向上した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図は本発明の一実施例の要部を示す正面図、第２図
は第１図のＡ−Ａ線断面図、第３図は本発明に関連する
リン酸蒸気圧と温度の関係を示す線図、第４図は本発明
の一実施例の作用を示す説明図、第５図は本発明の他の
実施例の要部を示す正面図、第６図は第５図のＡ−Ａ線
断面図、第７図は本発明のさらに異なる他の実施例の要
部を示す斜視図、第８図は本発明に関連するリン酸濃度
を蒸気圧の関係を示す線図、第９図は本発明のさらに異
なる他の実施例の作用を示す説明図、第１０図は本発明
のさらに異なる他の実施例の要部を示す平面図、第１１
図は従来の燃料電池の構成を示す部分断面図、第１２図
は従来の燃料電池の単位セルの構成例を示す斜視図であ
る。１・・・積層セル　　　　　　８・・・マトリックス層
ＩＩ・・・アノード電極基板　　１３・・・カソード電
極基板２０・・・冷却板　　　　　　　２２．２３・・
・冷却パイプ３０・・・アノード電極　　　　３１・・
・カソード電極３２・・・アノード側触媒層　　３３・
・・カソード側触媒層３５、３７・・・非反応部？Ω 茅　１　図茅　２［虜り償　→ 第　３１！Ｉ茅　４　図第　５　図つ１第　６　図第　７　図（ｍｒｎＨｇ　＋リン＃変濃度第Ｚ　図

Claims

【特許請求の範囲】

電解液を保持するマトリックス層と、このマトリックス
層に接する面に触媒層が成層担持され、かつこれと反対
の面に反応ガスの供給路となる複数の凹溝を設けた一対
の多孔質電極で単位セルを構成し、この単位セルを複数
個積層し冷却板を介挿して成る燃料電池において、前記
多孔質電極の前記反応ガス出口側端部に、前記触媒層ま
たは前記冷却板を介して低温域を形成するようにしたこ
とを特徴とする燃料電池。