JPH10302816A - リン酸型燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 反応ガスの出口側端部の低温領域におけるリ
ン酸蒸気の凝縮量を増加させることにより、電圧特性を
高く維持しながら、しかも長時間の運転が可能な、信頼
性の高いリン酸型燃料電池を提供する。 【解決手段】 冷却板４とガス供給板９は、冷却板４の
冷却水入口がガス供給板９の空気出口側端部に位置し、
冷却板４の冷却水出口がガス供給板１１の空気入口側端
部に位置するように配置され、これにより、ガス供給板
９の空気出口側端部に低温領域１０が形成される。ガス
供給板９に形成された複数のガス供給溝１１は、従来と
同様の断面積を有する標準溝１１ａと、低温領域１０に
相当する空気出口側端部に設けられた拡大溝１１ｂから
構成される。拡大溝１１ｂは、標準溝１１を形成する複
数のリブ１２の空気出口側端部を一つおきに切り取り、
この切除部を介して２本の標準溝１１ａを合流させるこ
とにより、形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、リン酸電解質を使
用したリン酸型燃料電池に係り、特に、リン酸の電池外
への消失量を低減するためのセル構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、燃料の持つ化学エネルギーを
電気エネルギーに直接変換する装置として、リン酸型の
燃料電池が知られている。このリン酸型燃料電池は、通
常、リン酸電解質を挟んで一対の電極を配置すると共
に、一方の電極に水素等の燃料ガスを供給し、他方の電
極に酸素等の酸化剤ガスを供給することにより起こる電
気化学反応を利用して、上記電極間から電気エネルギー
を取り出すように構成されている。このような構成を有
するリン酸型燃料電池は、上記燃料ガスおよび酸化剤ガ
スが供給されている限り、高い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。

【０００３】図１１は、このようなリン酸型燃料電池の
構成の一例を示す斜視図である。この図１１に示すよう
に、発電のための最小単位となる単電池１がセパレータ
２を介して複数枚積層されて単電池積層体３が構成され
ている。さらに、この単電池積層体３とその電気化学反
応に伴って発生する熱を排出するための冷却板４とが交
互に複数個積層されて電池スタック５が構成されてい
る。

【０００４】図１２は、単電池１の構成を示す斜視図で
ある。この図１２に示すように、単電池１は、多孔質性
材料を使用した一対のアノード電極６とカソード電極７
が、リン酸を含浸した電解質層８を挟んで配置されて構
成されている。この一対の電極６，７の各々において、
電解質層８と対向する面には、白金等を使用した触媒層
が成層担持されている。そして、アノード電極６の背面
には、水素等の燃料ガスを供給するガス供給溝が形成さ
れ、カソード電極７の背面には、酸素等の酸化剤ガスを
供給するガス供給溝が形成されている。

【０００５】なお、単電池１間をガス区分するセパレー
タ２は、アノード電極６とカソード電極７にそれぞれ供
給される反応ガスを区分すると共に、単電池１間の電気
的接触を確保するように構成されている。また、アノー
ド電極６とカソード電極７の背面のガス供給溝は、電極
６，７に直接形成される場合もあるが、電極に接して使
用されるガス供給板に形成される場合もある。

【０００６】一方、単電池１は、その運転時において、
上記のような電気化学反応により発熱するが、単電池１
の発電を良好に行い、効率良く電気エネルギーを取り出
すためには、電気化学反応に起因する余剰熱を除去し
て、その運転温度を例えば２００℃程度の一定温度に維
持する必要がある。すなわち、電池スタック５を構成す
る冷却板４は、このような電気化学反応に起因する余剰
熱を除去して運転温度を一定に維持するために設けられ
ている。具体的に、この冷却板４は、内部に水などの冷
媒を流すことにより、この冷却板４に接触する両側の単
電池積層体３の温度調節を行うように構成されている。

【０００７】ところで、リン酸型燃料電池のコスト低減
の方策として、製造コストの低減、長寿命化によるラン
ニングコストの低減が挙げられる。後者の長寿命化の方
策としては、電圧特性の低下速度を低減することによる
長寿命化、起動／停止操作における電圧低下の抑制、電
解質であるリン酸の枯渇防止対策等がある。これらの長
寿命化対策のうち、リン酸の枯渇防止対策としては、従
来各種のものが提案されているが、大別すると次の２通
りとなる。すなわち、第１のリン酸枯渇防止対策は、運
転と共に減少するリン酸を適時供給して延命を図るもの
であり、第２のリン酸枯渇防止対策は、電池から反応ガ
スと共に搬出されるリン酸を低減して、必要寿命の確保
を図るものである。以下には、このような第２のリン酸
枯渇防止対策の一例として、特開平４−１７９０６０号
公報を引用して説明する。

【０００８】まず、前記特開平４−１７９０６０号公報
にも記載されているが、図１３に示すように、リン酸の
蒸気圧は温度と共に増大する。前記特開平４−１７９０
６０号公報に記載の発明は、このようなリン酸蒸気圧の
特性を活用して、酸化剤出口部の温度を酸化剤入口部か
ら中央部までの温度よりも低くすることにより、酸化剤
入口部から中央部に流れる間に反応ガス中に拡散したリ
ン酸の蒸気を、酸化剤出口部で凝縮させるものである。
この原理は以下の通りである。

【０００９】すなわち、リン酸蒸気は、酸化剤入口の高
温領域においてはその温度と平衡となる気相のリン酸蒸
気分圧となり、酸化剤出口の低温領域においてはその温
度と平衡となる気相のリン酸蒸気分圧となる。この場
合、低温領域ではリン酸蒸気分圧が高温領域よりも低い
ので、その分圧の差に相当するリン酸が凝縮する。

【００１０】図１４は、前記公報に記載の発明における
酸化剤出口部でのリン酸凝縮効果を検証した試験結果を
示している。この試験は、具体的には次のように行っ
た。すなわち、凹溝を形成したガス供給板に初期状態で
一定量のリン酸を塗布しておき、外部ヒータにより、こ
のガス供給板のガスの流れ方向に向かって図１４の上段
に示すような温度分布を持たせ、この条件でガス供給板
に窒素ガスを供給した。また、図１４中に破線で示すよ
うに、ガス供給板をガスの流れの方向に沿って５分割
し、分割したガス供給板の間にフッ素樹脂でできた遮蔽
板を挿入し、ガス供給板の間でリン酸が移動するのを防
止した。

【００１１】以上のような試験後、分割したガス供給板
の各部におけるリン酸残量を測定したところ、図１４の
下段に示すような結果が得られた。図１４の下段に示す
ように、ガスの入口部から出口部に向かってリン酸残量
は増大している。この結果は、上記の酸化剤出口部での
リン酸凝縮効果を実証している。すなわち、ガスの出口
部、つまり温度を下げた部分においては、リン酸が凝縮
し、試験前に塗布した量（初期リン酸量）を越える量の
リン酸が残っていることを意味している。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記公
報に記載の従来技術におけるリン酸凝集効果に関する前
記試験において、ガス出口部のガス供給板のリン酸残量
から供給ガスと共に電池から出ていったリン酸蒸気濃度
を求めて分圧に換算した場合、このガス出口部の分圧
は、図１３に示すように、温度とリン酸蒸気圧の関係よ
りも上方にずれている。つまり、前記の試験結果におい
ては、ガス供給板のリン酸蒸気はガス供給板の温度に対
して過飽和状態であったことが分かる。したがって、前
記公報に記載の従来技術においては、温度とリン酸蒸気
分圧の関係の視点で見た場合には、さらに凝縮量が増え
るべき条件を備えているにも拘らず、結果的には十分な
凝縮量が得られていない。

【００１３】この場合、低温領域におけるリン酸の凝縮
量を増加させるためには、低温領域の温度を現状よりも
さらに低減させる方法が考えられる。しかしながら、低
温領域の温度をさらに下げることは、電池の平均温度を
下げることになり、電圧特性が低下してしまう。

【００１４】本発明は、以上のような従来技術の問題点
を解決するために提案されたものであり、その目的は、
反応ガスの出口部に形成した低温領域におけるリン酸蒸
気の凝縮量を増加させることにより、電池の外へ反応ガ
スと共に持ち出されるリン酸量を低減し、電池の電圧特
性を高く維持しながら、しかも長時間の運転が可能な、
信頼性の高いリン酸型燃料電池を提供することである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】以上の目的を達成するた
めに、本発明は、反応ガスの出口側端部に形成した低温
領域におけるガス供給溝の断面積の総和を、入口側端部
の断面積の総和よりも大きくなるように構成するか、あ
るいは、反応ガスの出口側端部に形成した低温領域に乱
流発生部を設けることにより、反応ガスの出口側端部の
低温領域におけるリン酸蒸気の凝縮量を従来よりも増加
させることができるようにしたものである。

【００１６】まず、請求項１、２記載の各発明は、リン
酸を含浸した電解質層とこの電解質層に接する面に触媒
層が成層担持された一対の電極からなる単電池と、この
単電池の一対の電極にそれぞれ接して配置された複数の
ガス供給溝を有する一対のガス供給板と、隣接するガス
供給板間に配置されたガス区分用のセパレータとを複数
積層し、冷却板を介挿してなる電池スタックを備える。
そして、一対のガス供給板の中から選択された１以上の
ガス供給板の反応ガス出口側端部に、前記冷却板または
電極の触媒層を利用して低温領域が設けられる。すなわ
ち、請求項１記載の発明においては、冷却板を利用して
低温領域が設けられ、請求項２記載の発明においては、
電極の触媒層を利用して低温領域が設けられる。

【００１７】さらに、請求項１、２記載の各発明におい
て、前記一対のガス供給板の中から選択された１以上の
ガス供給板は、複数のガス供給溝の断面積の総和が、反
応ガス入口側端部よりも反応ガス出口側端部で大きくな
るように構成される。

【００１８】次に、請求項３、４記載の各発明は、リン
酸を含浸した電解質層とこの電解質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複数のガス供給
溝を有する一対の電極から単電池を構成し、この単電池
を複数積層し、冷却板を介挿してなる電池スタックを備
える。そして、一対の電極の中から選択された１以上の
電極の反応ガス出口側端部に、前記冷却板または電極の
触媒層を利用して低温領域が設けられる。すなわち、請
求項３記載の発明においては、冷却板を利用して低温領
域が設けられ、請求項４記載の発明においては、電極の
触媒層を利用して低温領域が設けられる。

【００１９】さらに、請求項３、４記載の各発明におい
て、前記一対の電極の中から選択された１以上の電極
は、複数のガス供給溝の断面積の総和が、反応ガス入口
側端部よりも反応ガス出口側端部で大きくなるように構
成される。

【００２０】以上のような構成を有する請求項１〜４記
載の各発明においては、いずれも、反応ガス出口側端部
の断面積が大きい分だけ、この部分における反応ガスの
流速を低下させることができる。その結果、反応ガス出
口側端部の低温領域におけるガスの滞留時間が長くな
り、電解質表面へ拡散するリン酸蒸気量を増加させるこ
とができるため、リン酸蒸気の凝縮量を増加させること
ができる。以下には、この点についてより詳細に説明す
る。

【００２１】まず、前述したように、反応ガス出口側端
部に単に低温領域を設けた場合にはこの部分のリン酸蒸
気が過飽和状態となってしまうが、この原因は、ガス供
給板あるいは電極に含浸されているリン酸電解質の液相
表面への拡散速度が、供給ガスの溝方向（リン酸蒸気の
拡散方向と垂直方向）の流速に対して十分な移動速度を
持っていないためであると考えられる。つまり、溝方向
のガス流速が大きくなるにつれて、溝の中のリン酸蒸気
（反応ガスと共に移動するリン酸蒸気）がガス供給溝か
らリン酸電解質の液相表面へ移動する量が減少するもの
と考えられる。これに対して、請求項１〜４記載の各発
明のように、低温領域における反応ガスの流速を下げる
ことにより、反応ガスの流速に対するガス供給溝からリ
ン酸電解質表面へのリン酸蒸気の拡散移動速度の比を大
きくすることができるため、ガス供給板あるいは電極の
反応ガス出口側端部において、過飽和状態を飽和状態に
近付けることができ、リン酸蒸気の凝縮量を増加させる
ことができるのである。

【００２２】一方、請求項５、６記載の各発明は、リン
酸を含浸した電解質層とこの電解質層に接する面に触媒
層が成層担持された一対の電極からなる単電池と、この
単電池の一対の電極にそれぞれ接して配置された複数の
ガス供給溝を有する一対のガス供給板と、隣接するガス
供給板間に配置されたガス区分用のセパレータとを複数
積層し、冷却板を介挿してなる電池スタックを備える。
そして、一対のガス供給板の中から選択された１以上の
ガス供給板の反応ガス出口側端部に、前記冷却板または
電極の触媒層を利用して低温領域が設けられる。すなわ
ち、請求項５記載の発明においては、冷却板を利用して
低温領域が設けられ、請求項６記載の発明においては、
電極の触媒層を利用して低温領域が設けられる。

【００２３】さらに、請求項５、６記載の各発明におい
て、前記一対のガス供給板の中から選択された１以上の
ガス供給板には、その反応ガス出口側端部に、反応ガス
に乱流を発生させる乱流発生部が設けられる。

【００２４】また、請求項７、８記載の各発明は、リン
酸を含浸した電解質層とこの電解質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複数のガス供給
溝を有する一対の電極から単電池を構成し、この単電池
を複数積層し、冷却板を介挿してなる電池スタックを備
える。そして、一対の電極の中から選択された１以上の
電極の反応ガス出口側端部に、前記冷却板または電極の
触媒層を利用して低温領域が設けられる。すなわち、請
求項７記載の発明においては、冷却板を利用して低温領
域が設けられ、請求項８記載の発明においては、電極の
触媒層を利用して低温領域が設けられる。

【００２５】さらに、請求項７、８記載の各発明におい
て、前記一対の電極の中から選択された１以上の電極に
は、その反応ガス出口側端部に、反応ガスに乱流を発生
させる乱流発生部が設けられる。

【００２６】以上のような構成を有する請求項５〜８記
載の各発明においては、いずれも、反応ガス出口側端部
に、乱流発生部を設けたことにより、この部分における
反応ガスの乱流の発生をきっかけにして、低温領域で過
飽和状態となっている酸化剤出口部の反応ガス中のリン
酸蒸気の凝縮現象を加速し、凝縮量を増加させることが
できる。以下には、この点についてより詳細に説明す
る。

【００２７】まず、前述したように、反応ガス出口側端
部に単に低温領域を設けた場合にはこの部分のリン酸蒸
気が過飽和状態となる。その一方で、過飽和状態の一般
的な性質として、凝縮の核となる物体が存在する場合、
過飽和状態はその核を中心として急速に凝縮する。ま
た、過飽和状態は不安定な状態であり、例えば、過飽和
溶液を入れた瓶を手で振る程度のことですぐに凝縮す
る。すなわち、ガス出口側端部の過飽和状態の反応ガス
に何等かの振動、攪拌作用を与えてやることにより凝縮
を開始させることができる。したがって、請求項５〜８
記載の各発明のように、低温領域において乱流を発生さ
せることにより、この乱流の発生をきっかけとして確実
にリン酸蒸気の凝縮を促進することができるのである。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下には、本発明を適用したリン
酸型燃料電池の実施の形態について、図面を参照して詳
細に説明する。なお、図１１、図１２に示す従来技術と
同一部分には同一符号を付し、説明を省略する。

【００２９】［１．第１の実施の形態］ ［１−１．構成］図１は、本発明に係る第１の実施の形
態として、請求項１記載の発明をカソード電極側に設け
た空気供給用のガス供給板に適用した一つの実施の形態
を示す分解斜視図である。この図１に示すように、ガス
供給板９は、冷却板４と隣接するように配置されてい
る。このうち、冷却板４には１本の冷却管４ａが埋設さ
れており、この冷却管４ａは、平行に並べられた複数の
直線部分と、隣接する直線部分間を接続する曲り部分と
によってジグザグ状に形成され、その内部に冷媒として
冷却水が流れるようになっている。また、ガス供給板９
には、複数の直線状のガス供給溝１１が平行に並べて形
成されている。

【００３０】そして、この冷却板４とガス供給板９と
は、冷却板４の冷却水入口がガス供給板９の空気出口側
端部に位置し、冷却板４の冷却水出口がガス供給板１１
の空気入口側端部に位置するように配置されている。こ
の構成により、ガス供給板９の空気出口側端部に低温領
域１０が形成されている。

【００３１】また、ガス供給板９に形成された複数のガ
ス供給溝１１の断面積は、この低温領域１０に相当する
部分において拡大されている。すなわち、ガス供給板９
に形成された複数のガス供給溝１１は、従来と同様の断
面積を有する標準溝１１ａと、空気出口側端部に設けら
れた拡大溝１１ｂから構成されている。この拡大溝１１
ｂは、標準溝１１を形成する複数のリブ１２の空気出口
側端部を一つおきに切り取り、この切除部を介して２本
の標準溝１１ａを合流させることにより、形成されてい
る。

【００３２】より詳細に、ガス供給板９における空気入
口側のリブ１２のピッチをｐ₁ とし、空気出口側のリブ
１２のピッチをｐ₂ とした場合に、ほぼｐ₂ ＝２ｐ₁ と
なるように構成されている。また、この拡大溝１１ｂの
断面積は、リブ１２の断面積と２つの標準溝１１ａの断
面積の総和となるため、標準溝１１ａの断面積の約３倍
に拡大されている。なお、最も外側の拡大溝１１ｂにつ
いては、最も外側の標準溝１１ａを形成するガス供給板
９の側壁部分を切り取ることにより形成されており、そ
の断面積は、標準溝１１ａの約２倍となっている。

【００３３】［１−２．作用］以上のような構成を有す
る本実施の形態によれば、次のような作用が得られる。
まず、冷却板４とガス供給板９の配置関係によってガス
供給板９に低温領域１０を形成できるのは次の理由によ
る。すなわち、冷却板４の冷却管４ａを流れる冷却水
は、電池の発した熱を受けとる関係から、その冷却水入
口側から冷却水出口側に向かって温度が上昇する。その
結果、冷却板４の冷却水入口側に位置するガス供給板９
の空気出口側端部の温度が空気入口側端部よりも低くな
り、低温領域１０が形成されるのである。そして、ガス
供給板９の空気入口側端部から中央部にかけて蒸発した
リン酸蒸気が、この低温領域１０に達すると、リン酸蒸
気が凝縮を始める。

【００３４】この場合、本実施の形態では、このガス供
給板９の低温領域１０に相当する空気出口側端部におい
てガス供給溝１１の断面積を拡大させており、この部分
の拡大溝１１ｂの断面積は、上流側の標準溝１１ａの断
面積の約３倍となっている。つまり、低温領域１０を流
れる反応ガスの流速は上流側の１／３に低下する。その
結果、ガス供給溝１１中のリン酸蒸気が低温領域１０に
滞留する時間が３倍となり、電解質表面へ拡散するリン
酸蒸気量を増加させることができる。したがって、本実
施の形態によれば、単に反応ガスの出口側端部に低温領
域を設けていた従来技術に比べて、低温領域１０におけ
るガス供給溝１１中のリン酸蒸気の凝縮量を大幅に増加
させることができる。

【００３５】［１−３．効果］以上のように、本実施の
形態によれば、空気出口側端部に設けられた低温領域１
０において、空気中へ拡散したリン酸蒸気の凝縮量を増
加させることができるので、電池から搬出されるリン酸
蒸気量が低減される。したがって、電池を運転するため
に必要なリン酸量を確保する時間を延ばすことができ、
電池本体の運転を長期間安定させることが可能となる。

【００３６】［２．第２の実施の形態］ ［２−１．構成］図２は、本発明に係る第２の実施の形
態として、請求項１記載の発明をカソード電極側の空気
供給用のガス供給板に適用した一つの実施の形態を示す
分解斜視図である。この図２に示すように、冷却板４と
ガス供給板９とが、冷却板４の冷却水入口がガス供給板
９の空気出口側端部に位置するように配置され、ガス供
給板９の空気出口側端部に低温領域１０が形成される
点、およびガス供給板９に形成された複数のガス供給溝
１１の断面積が、この低温領域１０に相当する部分にお
いて拡大されている点は、前記第１の実施の形態と同様
である。

【００３７】しかしながら、本実施の形態においては、
このガス供給溝１１の断面積を拡大する手法が前記第１
の実施の形態と異なる。すなわち、前記第１の実施の形
態においては、ガス供給溝１１の標準溝１１ａの幅を広
げる形で拡大溝１１ｂを形成したが、本実施の形態にお
いては、標準溝１１ａの深さをより深くする形で同じ幅
の拡大溝１１ｂを形成している。

【００３８】［２−２．作用・効果］以上のような構成
を有する本実施の形態によれば、次のような作用が得ら
れる。まず、冷却板４とガス供給板９の配置関係によっ
てガス供給板９の空気出口側端部に低温領域１０を形成
できるのは、前記第１の実施の形態と同様に、冷却板４
の冷却水入口側に位置するガス供給板９の空気出口側端
部の温度が空気入口側端部よりも低くなるからである。

【００３９】そして、本実施の形態では、前記第１の実
施の形態と同様に、ガス供給板９の低温領域１０に相当
する空気出口側端部において、ガス供給溝１１の断面積
を拡大させているため、その拡大率に応じて低温領域１
０を流れる反応ガスの流速を低下させることができる。
その結果、ガス供給溝１１中のリン酸蒸気が低温領域１
０に滞留する時間が長くなり、電解質表面へ拡散するリ
ン酸蒸気量を増加させることができるため、低温領域１
０におけるガス供給溝１１中のリン酸蒸気の凝縮量を大
幅に増加させることができる。したがって、本実施の形
態においても、前記第１の実施の形態と同様の効果が得
られる。

【００４０】［３．第３の実施の形態］ ［３−１．構成］図３は、本発明に係る第３の実施の形
態として、請求項２記載の発明をカソード電極側の空気
供給用のガス供給板に適用した一つの実施の形態を示す
分解斜視図である。この図３に示すように、本実施の形
態においては、カソード電極７の一部に触媒を塗布して
いない触媒欠乏領域１３が設けられており、カソード電
極７とガス供給板９とは、カソード電極７の触媒欠乏領
域１３がガス供給板９の空気出口側端部に位置するよう
に配置されている。この構成により、ガス供給板９の空
気出口側端部に低温領域１０が形成されている。また、
ガス供給板９に形成された複数のガス供給溝１１の形状
は、前記第１の実施の形態と全く同様であり、空気出口
側端部の拡大溝１１ｂは、空気入口側端部の標準溝１１
ａの幅を広げる形で形成され、その断面積は、標準溝１
１ａの断面積の約３倍に拡大されている。

【００４１】［３−２．作用・効果］以上のような構成
を有する本実施の形態によれば、次のような作用が得ら
れる。まず、カソード電極７とガス供給板９の配置関係
によってガス供給板９の空気出口側端部に低温領域１０
を形成できるのは次の理由による。すなわち、カソード
電極７の触媒欠乏領域１３では、電気化学反応が生じな
いことから発熱することもないため、この部分の温度
は、電気化学反応に伴う熱を生じるカソード電極７の他
の部分よりも低くなる。その結果、カソード電極７の触
媒欠乏領域１３に位置するガス供給板９の空気出口側端
部の温度は空気入口側端部よりも低くなる。そして、ガ
ス供給板９の空気入口側端部から中央部にかけて蒸発し
たリン酸蒸気が、この低温領域１０に達すると、リン酸
蒸気が凝縮を始める。

【００４２】この場合、本実施の形態では、前記第１の
実施の形態と同様に、このガス供給板９の低温領域１０
に相当する空気出口側端部においてガス供給溝１１の断
面積を拡大させており、この部分の拡大溝１１ｂの断面
積は、上流側の標準溝１１ａの断面積の約３倍となって
いるため、低温領域１０を流れる反応ガスの流速を約１
／３に低下させることができる。その結果、ガス供給溝
１１中のリン酸蒸気が低温領域１０に滞留する時間が約
３倍となり、電解質表面へ拡散するリン酸蒸気量を増加
させることができるため、低温領域１０におけるガス供
給溝１１中のリン酸蒸気の凝縮量を大幅に増加させるこ
とができる。したがって、本実施の形態においても、前
記第１の実施の形態と同様の効果が得られる。

【００４３】［４．第４の実施の形態］ ［４−１．構成］図４は、本発明に係る第４の実施の形
態として、請求項３記載の発明をガス供給溝付きのカソ
ード電極に適用した一つの実施の形態を示す分解斜視図
である。この図４に示すように、本実施の形態では、カ
ソード電極７の片面に触媒層７ａが設けられると共に、
その反対面にガス供給溝１１が設けられている。そし
て、このカソード電極７と冷却板４とが、冷却板４の冷
却水入口がカソード電極７の空気出口側端部に位置する
ように配置されており、この構成により、カソード電極
７の空気出口側端部に低温領域１０が形成されている。
また、カソード電極７に形成された複数のガス供給溝１
１の形状は、前記第１の実施の形態と全く同様であり、
空気出口側端部の拡大溝１１ｂは、空気入口側端部の標
準溝１１ａの幅を広げる形で形成され、その断面積は、
標準溝１１ａの断面積の約３倍に拡大されている。

【００４４】［４−２．作用・効果］以上のような構成
を有する本実施の形態によれば、次のような作用が得ら
れる。まず、冷却板４とカソード電極７の配置関係によ
ってカソード電極７の空気出口側端部に低温領域１０を
形成できるのは、冷却板４の冷却水入口側に位置するカ
ソード電極７の空気出口側端部の温度が空気入口側端部
よりも低くなるからである。

【００４５】そして、本実施の形態では、カソード電極
７の低温領域１０に相当する空気出口側端部において、
ガス供給溝１１の断面積を拡大させているため、その拡
大率に応じて低温領域１０を流れる反応ガスの流速を低
下させることができる。その結果、ガス供給溝１１中の
リン酸蒸気が低温領域１０に滞留する時間が長くなり、
電解質表面へ拡散するリン酸蒸気量を増加させることが
できるため、低温領域１０におけるガス供給溝１１中の
リン酸蒸気の凝縮量を大幅に増加させることができる。
したがって、本実施の形態においても、前記第１の実施
の形態と同様の効果が得られる。

【００４６】［５．第５の実施の形態］ ［５−１．構成］図５は、本発明に係る第５の実施の形
態として、請求項４記載の発明をガス供給溝付きのカソ
ード電極に適用した一つの実施の形態を示す分解斜視図
である。この図５に示すように、本実施の形態では、前
記第４の実施の形態と同様に、カソード電極７の触媒層
７ａが設けられると共に、その反対面にガス供給溝１１
が設けられている。そして、このカソード電極７の触媒
層７ａにおける空気出口側端部には、触媒を塗布してい
ない触媒欠乏領域１３が設けられている。この触媒欠乏
領域１３により、カソード電極７の空気出口側端部に低
温領域１０が形成されている。また、カソード電極７に
形成された複数のガス供給溝１１の形状は、前記第４の
実施の形態と全く同様であり、空気出口側端部の拡大溝
１１ｂは、空気入口側端部の標準溝１１ａの幅を広げる
形で形成され、その断面積は、標準溝１１ａの断面積の
約３倍に拡大されている。

【００４７】［５−２．作用・効果］以上のような構成
を有する本実施の形態によれば、次のような作用が得ら
れる。まず、カソード電極７の触媒欠乏領域１３によっ
てその空気出口側端部に低温領域１０を形成できるの
は、カソード電極７の触媒欠乏領域１３では、電気化学
反応が生じないことから発熱することもないため、この
部分の温度が他の部分よりも低くなるからである。

【００４８】そして、本実施の形態では、前記第４の実
施の形態と同様に、カソード電極７の低温領域１０に相
当する空気出口側端部において、ガス供給溝１１の断面
積を拡大させているため、その拡大率に応じて低温領域
１０を流れる反応ガスの流速を低下させることができ
る。その結果、ガス供給溝１１中のリン酸蒸気が低温領
域１０に滞留する時間が長くなり、電解質表面へ拡散す
るリン酸蒸気量を増加させることができるため、低温領
域１０におけるガス供給溝１１中のリン酸蒸気の凝縮量
を大幅に増加させることができる。したがって、本実施
の形態においても、前記第１の実施の形態と同様の効果
が得られる。

【００４９】［６．第６の実施の形態］ ［６−１．構成］図６は、本発明に係る第６の実施の形
態として、請求項５記載の発明をカソード電極側に設け
た空気供給用のガス供給板に適用した一つの実施の形態
を示す分解斜視図である。この図６に示すように、冷却
板４とガス供給板９とが、冷却板４の冷却水入口がガス
供給板９の空気出口側端部に位置するように配置され、
ガス供給板９の空気出口側端部に低温領域１０が形成さ
れる点は、前記第１の実施の形態と同様である。

【００５０】そして、本実施の形態においては、この低
温領域１０に相当する空気出口側端部と、空気入口側の
他の部分との間で、ガス供給溝１１を形成する複数のリ
ブ１２の位置が直交方向にずらされており、このような
リブ１２の位置のずれにより、ガス供給溝１１の空気出
口側端部と空気入口側の他の部分との間に、局部的に幅
が狭くなった狭隘部１４が形成されている。なお、ガス
供給溝１１における狭隘部１４以外の部分は、同じ幅、
同じ深さに形成されている。

【００５１】［６−２．作用・効果］以上のような構成
を有する本実施の形態によれば、次のような作用が得ら
れる。まず、冷却板４とガス供給板９の配置関係によっ
てガス供給板９の空気出口側端部に低温領域１０を形成
できるのは、前記第１の実施の形態と同様に、冷却板４
の冷却水入口側に位置するガス供給板９の空気出口側端
部の温度が空気入口側端部よりも低くなるからである。
そして、本実施の形態においても、前記第１の実施の形
態と同様に、ガス供給板９の空気入口側端部から中央部
にかけて蒸発したリン酸蒸気が、ガス供給板９の低温領
域１０に達すると、リン酸蒸気が凝縮を始める。

【００５２】この場合、本実施の形態では、このガス供
給板９の低温領域１０に相当する空気出口側端部と空気
入口側の他の部分との間に局部的な狭隘部１４が設けら
れているため、この狭隘路１４が乱流発生点となってそ
の前後でガス流が乱れ、乱流が生じる。そして、この乱
流をきっかけに、過飽和状態にあるリン酸蒸気が急速に
凝縮するため、低温領域１０におけるガス供給溝１１中
のリン酸蒸気の凝縮量を大幅に増加させることができ
る。したがって、本実施の形態においても、前記第１の
実施の形態と同様の効果が得られる。

【００５３】［７．第７の実施の形態］ ［７−１．構成］図７は、本発明に係る第７の実施の形
態として、請求項５記載の発明をカソード電極側の空気
供給用のガス供給板に適用した一つの実施の形態を示す
平面図である。この図７に示すように、本実施の形態に
おいては、複数のリブ１２の位置が低温領域１０に相当
する部分と他の部分との間、および低温領域１０内の２
か所で直交方向にずらされており、その結果、カス供給
溝１１の２か所に狭隘部１４，１５が形成されている。

【００５４】［７−２．作用・効果］以上のような構成
を有する本実施の形態によれば、複数の狭隘部１４，１
５がそれぞれ乱流発生点として機能するため、低温領域
１０における乱流の発生を促進でき、リン酸蒸気の凝縮
量を大幅に増加させることができる。したがって、前記
第１の実施の形態と同様の効果が得られる。なお、本実
施の形態の変形例として、同様なリブ１２の位置のずら
しを繰り返すことにより、さらに多くの狭隘路を形成で
き、多数の乱流発生点の機能によって乱流の発生を促進
できることは容易に類推できる。

【００５５】［８．第８の実施の形態］ ［８−１．構成］図８は、本発明に係る請求項６記載の
発明をカソード電極側の空気供給用のガス供給板に適用
した一つの実施の形態を示す分解斜視図である。この図
８に示すように、本実施の形態においては、前記第３の
実施の形態と同様に、カソード電極７の一部に触媒を塗
布していない触媒欠乏領域１３が設けられており、カソ
ード電極７とガス供給板９とは、カソード電極７の触媒
欠乏領域１３がガス供給板９の空気出口側端部に位置す
るように配置されている。この構成により、ガス供給板
９の空気出口側端部に低温領域１０が形成されている。
また、ガス供給板９に形成された複数のガス供給溝１１
の形状は、前記第６の実施の形態と全く同様であり、複
数のリブ１２の位置のずれにより、ガス供給溝１１の空
気出口側端部と空気入口側の他の部分との間に、局部的
に幅が狭くなった狭隘部１４が形成されている。

【００５６】［８−２．作用・効果］以上のような構成
を有する本実施の形態によれば、次のような作用が得ら
れる。まず、カソード電極７とガス供給板９の配置関係
によってガス供給板９の空気出口側端部に低温領域１０
を形成できるのは、前記第３の実施の形態と同様に、電
気化学反応による熱を生じないカソード電極７の触媒欠
乏領域１３に位置するガス供給板９の空気出口側端部の
温度が他の部分よりも低くなるからである。

【００５７】そして、本実施の形態では、前記第６の実
施の形態と同様に、狭隘路１４が乱流発生点となって生
じる乱流をきっかけに、過飽和状態にあるリン酸蒸気が
急速に凝縮するため、低温領域１０におけるガス供給溝
１１中のリン酸蒸気の凝縮量を大幅に増加させることが
できる。したがって、本実施の形態においても、前記第
１の実施の形態と同様の効果が得られる。

【００５８】［９．第９の実施の形態］ ［９−１．構成］図９は、本発明に係る第９の実施の形
態として、請求項７記載の発明をガス供給溝付きのカソ
ード電極に適用した一つの実施の形態を示す分解斜視図
である。この図９に示すように、本実施の形態では、前
記第４の実施の形態と同様に、複数のガス供給溝１１が
設けられたカソード電極７と冷却板４とが、冷却板４の
冷却水入口がカソード電極７の空気出口側端部に位置す
るように配置されており、この構成により、カソード電
極７の空気出口側端部に低温領域１０が形成されてい
る。また、カソード電極７に形成された複数のガス供給
溝１１の形状は、前記第６の実施の形態と全く同様であ
り、複数のリブ１２の位置のずれにより、ガス供給溝１
１の空気出口側端部と空気入口側の他の部分との間に、
局部的に幅が狭くなった狭隘部１４が形成されている。

【００５９】［９−２．作用・効果］以上のような構成
を有する本実施の形態によれば、次のような作用が得ら
れる。まず、冷却板４とカソード電極７の配置関係によ
ってカソード電極７の空気出口側端部に低温領域１０を
形成できるのは、前記第４の実施の形態と同様に、冷却
板４の冷却水入口側に位置するカソード電極７の空気出
口側端部の温度が空気入口側端部よりも低くなるからで
ある。

【００６０】そして、本実施の形態では、前記第６の実
施の形態と同様に、狭隘路１４が乱流発生点となって生
じる乱流をきっかけに、過飽和状態にあるリン酸蒸気が
急速に凝縮するため、低温領域１０におけるガス供給溝
１１中のリン酸蒸気の凝縮量を大幅に増加させることが
できる。したがって、本実施の形態においても、前記第
１の実施の形態と同様の効果が得られる。

【００６１】［１０．第１０の実施の形態］ ［１０−１．構成］図１０は、本発明に係る第１０の実
施の形態として、請求項８記載の発明をガス供給溝付き
のカソード電極に適用した一つの実施の形態を示す分解
斜視図である。この図１０に示すように、本実施の形態
では、前記第５の実施の形態と同様に、複数のガス供給
溝１１が設けられたカソード電極７の触媒層７ａにおけ
る空気出口側端部に、触媒を塗布していない触媒欠乏領
域１３が設けられており、この触媒欠乏領域１３によ
り、カソード電極７の空気出口側端部に低温領域１０が
形成されている。また、カソード電極７に形成された複
数のガス供給溝１１の形状は、前記第６の実施の形態と
全く同様であり、複数のリブ１２の位置のずれにより、
ガス供給溝１１の空気出口側端部と空気入口側の他の部
分との間に、局部的に幅が狭くなった狭隘部１４が形成
されている。

【００６２】［１０−２．作用・効果］以上のような構
成を有する本実施の形態によれば、次のような作用が得
られる。まず、カソード電極７の触媒欠乏領域１３によ
ってその空気出口側端部に低温領域１０を形成できるの
は、前記第５の実施の形態と同様に、カソード電極７の
触媒欠乏領域１３では、電気化学反応が生じないことか
ら発熱することもないため、この部分の温度が他の部分
よりも低くなるからである。

【００６３】そして、本実施の形態では、前記第６の実
施の形態と同様に、狭隘路１４が乱流発生点となって生
じる乱流をきっかけに、過飽和状態にあるリン酸蒸気が
急速に凝縮するため、低温領域１０におけるガス供給溝
１１中のリン酸蒸気の凝縮量を大幅に増加させることが
できる。したがって、本実施の形態においても、前記第
１の実施の形態と同様の効果が得られる。

【００６４】［１１．他の実施の形態］なお、本発明
は、前記各実施の形態に限定されるものではなく、本発
明の範囲内で他にも多種多様な形態を実施可能であり、
例えば、前記複数の実施の形態の１以上の形態を適宜組
み合わせて実施すること等が可能である。また、ガス供
給溝の断面積の拡大率や、ガス供給溝を下流側端部で拡
大するための具体的な形状は、自由に選択可能である。
同様に、乱流発生部の具体的な構成も、狭隘部に限ら
ず、屈曲部を設ける等、自由に選択可能である。

【００６５】一方、前記各実施の形態においては、カソ
ード電極側の構成を例として説明したが、本発明は、ア
ノード電極側にも同様に適用可能であり、また、カソー
ド電極側とアノード電極側の両方に適用することも可能
である。いずれの場合にも、前述したような優れた効果
が得られるものである。さらに、冷却板に流す冷媒や、
酸化剤ガス、燃料ガス等の具体的な種類は、自由に選択
可能である。

【００６６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
反応ガスの出口側端部に形成した低温領域におけるガス
供給溝の断面積の総和を、入口側端部の断面積の総和よ
りも大きくなるように構成するか、あるいは、反応ガス
の出口側端部に形成した低温領域に乱流発生部を設ける
ことにより、反応ガスの出口側端部の低温領域における
リン酸蒸気の凝縮量を従来よりも増加させることができ
るため、電圧特性を高く維持しながら、しかも長時間の
運転が可能な、信頼性の高いリン酸型燃料電池を提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る第１の実施の形態を示す図であ
り、特に、カソード電極側のガス供給板と冷却板を示す
分解斜視図。

【図２】本発明に係る第２の実施の形態を示す図であ
り、特に、カソード電極側のガス供給板と冷却板を示す
分解斜視図。

【図３】本発明に係る第３の実施の形態を示す図であ
り、特に、カソード電極とそのガス供給板を示す分解斜
視図。

【図４】本発明に係る第４の実施の形態を示す図であ
り、特に、ガス供給溝付きのカソード電極と冷却板を示
す分解斜視図。

【図５】本発明に係る第５の実施の形態を示す図であ
り、特に、ガス供給溝付きのカソード電極を示す分解斜
視図。

【図６】本発明に係る第６の実施の形態を示す図であ
り、特に、カソード電極側のガス供給板と冷却板を示す
分解斜視図。

【図７】本発明に係る第７の実施の形態を示す図であ
り、特に、カソード電極側のガス供給板を示す平面図。

【図８】本発明に係る第８の実施の形態を示す図であ
り、特に、カソード電極とそのガス供給板を示す分解斜
視図。

【図９】本発明に係る第９の実施の形態を示す図であ
り、特に、ガス供給溝付きのカソード電極と冷却板を示
す分解斜視図。

【図１０】本発明に係る第１０の実施の形態を示す図で
あり、特に、ガス供給溝付きのカソード電極を示す分解
斜視図。

【図１１】一般的なリン酸型燃料電池の構成の一例を示
す斜視図。

【図１２】図１１の単電池の構成を示す斜視図。

【図１３】温度とリン酸蒸気圧との関係を示すグラフ。

【図１４】ガス供給板に低温領域を設けた場合のリン酸
残留量の試験結果を示すグラフ。

【符号の説明】 １…単電池 ２…セパレータ ３…単電池積層体 ４…冷却板 ４ａ…冷却管 ５…電池スタック ６…アノード電極 ７…カソード電極 ７ａ…触媒層 ８…電解質層 ９…ガス供給板 １０…低温領域 １１…ガス供給溝 １１ａ…標準溝 １１ｂ…拡大溝 １２…リブ １３…触媒欠乏領域 １４，１５…狭隘部

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 リン酸を含浸した電解質層とこの電解質
   層に接する面に触媒層が成層担持された一対の電極から
   なる単電池と、この単電池の一対の電極にそれぞれ接し
   て配置された複数のガス供給溝を有する一対のガス供給
   板と、隣接するガス供給板間に配置されたガス区分用の
   セパレータとを複数積層し、冷却板を介挿してなる電池
   スタックを備え、前記一対のガス供給板の中から選択さ
   れた１以上のガス供給板の反応ガス出口側端部に前記冷
   却板を利用して低温領域が設けられたリン酸型燃料電池
   において、 前記一対のガス供給板の中から選択された１以上のガス
   供給板は、複数のガス供給溝の断面積の総和が、反応ガ
   ス入口側端部よりも反応ガス出口側端部で大きくなるよ
   うに構成されたことを特徴とするリン酸型燃料電池。
2. 【請求項２】 リン酸を含浸した電解質層とこの電解質
   層に接する面に触媒層が成層担持された一対の電極から
   なる単電池と、この単電池の一対の電極にそれぞれ接し
   て配置された複数のガス供給溝を有する一対のガス供給
   板と、隣接するガス供給板間に配置されたガス区分用の
   セパレータとを複数積層し、冷却板を介挿してなる電池
   スタックを備え、前記一対のガス供給板の中から選択さ
   れた１以上のガス供給板の反応ガス出口側端部に前記電
   極の触媒層を利用して低温領域が設けられたリン酸型燃
   料電池において、 前記一対のガス供給板の中から選択された１以上のガス
   供給板は、複数のガス供給溝の断面積の総和が、反応ガ
   ス入口側端部よりも反応ガス出口側端部で大きくなるよ
   うに構成されたことを特徴とするリン酸型燃料電池。
3. 【請求項３】 リン酸を含浸した電解質層とこの電解質
   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
   面に複数のガス供給溝を有する一対の電極から単電池を
   構成し、この単電池を複数積層し、冷却板を介挿してな
   る電池スタックを備え、前記一対の電極の中から選択さ
   れた１以上の電極の反応ガス出口側端部に前記冷却板を
   利用して低温領域が設けられたリン酸型燃料電池におい
   て、前記一対の電極の中から選択された１以上の電極
   は、複数のガス供給溝の断面積の総和が、反応ガス入口
   側端部よりも反応ガス出口側端部で大きくなるように構
   成されたことを特徴とするリン酸型燃料電池。
4. 【請求項４】 リン酸を含浸した電解質層とこの電解質
   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
   面に複数のガス供給溝を有する一対の電極から単電池を
   構成し、この単電池を複数積層し、冷却板を介挿してな
   る電池スタックを備え、前記一対の電極の中から選択さ
   れた１以上の電極の反応ガス出口側端部にその触媒層を
   利用して低温領域が設けられたリン酸型燃料電池におい
   て、 前記一対の電極の中から選択された１以上の電極は、複
   数のガス供給溝の断面積の総和が、反応ガス入口側端部
   よりも反応ガス出口側端部で大きくなるように構成され
   たことを特徴とするリン酸型燃料電池。
5. 【請求項５】 リン酸を含浸した電解質層とこの電解質
   層に接する面に触媒層が成層担持された一対の電極から
   なる単電池と、この単電池の一対の電極にそれぞれ接し
   て配置された複数のガス供給溝を有する一対のガス供給
   板と、隣接するガス供給板間に配置されたガス区分用の
   セパレータとを複数積層し、冷却板を介挿してなる電池
   スタックを備え、前記一対のガス供給板の中から選択さ
   れた１以上のガス供給板の反応ガス出口側端部に前記冷
   却板を利用して低温領域が設けられたリン酸型燃料電池
   において、 前記一対のガス供給板の中から選択された１以上のガス
   供給板には、その反応ガス出口側端部に、反応ガスに乱
   流を発生させる乱流発生部が設けられたことを特徴とす
   るリン酸型燃料電池。
6. 【請求項６】 リン酸を含浸した電解質層とこの電解質
   層に接する面に触媒層が成層担持された一対の電極から
   なる単電池と、この単電池の一対の電極にそれぞれ接し
   て配置された複数のガス供給溝を有する一対のガス供給
   板と、隣接するガス供給板間に配置されたガス区分用の
   セパレータとを複数積層し、冷却板を介挿してなる電池
   スタックを備え、前記一対のガス供給板の中から選択さ
   れた１以上のガス供給板の反応ガス出口側端部に前記電
   極の触媒層を利用して低温領域が設けられたリン酸型燃
   料電池において、 前記一対のガス供給板の中から選択された１以上のガス
   供給板には、その反応ガス出口側端部に、反応ガスに乱
   流を発生させる乱流発生部が設けられたことを特徴とす
   るリン酸型燃料電池。
7. 【請求項７】 リン酸を含浸した電解質層とこの電解質
   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
   面に複数のガス供給溝を有する一対の電極から単電池を
   構成し、この単電池を複数積層し、冷却板を介挿してな
   る電池スタックを備え、前記一対の電極の中から選択さ
   れた１以上の電極の反応ガス出口側端部に前記冷却板を
   利用して低温領域が設けられたリン酸型燃料電池におい
   て、 前記一対の電極の中から選択された１以上の電極には、
   その反応ガス出口側端部に、反応ガスに乱流を発生させ
   る乱流発生部が設けられたことを特徴とするリン酸型燃
   料電池。
8. 【請求項８】 リン酸を含浸した電解質層とこの電解質
   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
   面に複数のガス供給溝を有する一対の電極から単電池を
   構成し、この単電池を複数積層し、冷却板を介挿してな
   る電池スタックを備え、前記一対の電極の中から選択さ
   れた１以上の電極の反応ガス出口側端部にその触媒層を
   利用して低温領域が設けられたリン酸型燃料電池におい
   て、 前記一対の電極の中から選択された１以上の電極には、
   その反応ガス出口側端部に、反応ガスに乱流を発生させ
   る乱流発生部が設けられたことを特徴とするリン酸型燃
   料電池。