JPH04357673A - 積層燃料電池 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、複数の単位セルを１
ブロックとして、各ブロック間に冷却板が積層された積
層燃料電池において、ブロック内単位セルの温度差によ
る寿命時間の差を縮小するために、高温部の単位セルに
設けられる劣化抑制手段に関する。

【０００２】

【従来の技術】図４は従来の積層燃料電池の構成および
その温度分布を示す説明図、図５は単位セルを展開して
示す斜視図である。図において、積層燃料電池１は単位
セル２の積層体からなり、図の場合５層の単位セル２を
ブロック５として各ブロック間に冷却板３が積層され、
冷却板３に埋め込まれた冷却パイプ４に所定の温度の冷
却媒体を循環することにより、発電反応の生成熱による
積層燃料電池の温度上昇を抑制し、所定の運転温度（例
えばりん酸形燃料電池では１９０°Ｃ程度）を保持して
発電運転を行えるよう構成される。

【０００３】また、単位セル２は図５にリブ付電極形の
りん酸形単位セルを例に示すように、りん酸を保持した
マトリックス１４を挟んでその両側に燃料電極１１およ
び空気電極１５を配した構造となっており、燃料電極１
１はガス透過性の電極基材１１Ａのマトリックス側の面
に電極触媒層１１Ｂを設けたものからなり、空気電極１
５も同様に電極基材１５Ａと電極触媒層１５Ｂとで構成
される。電極基材１１Ａ，１５Ａはそれぞれ燃料ガスの
供給溝１２および空気の供給溝１３を備え、単位セル２
間にガス不透過性のセパレ−ト板１９を配して積層する
ことによりガス区分され、反応ガスの供給溝１２および
１３を介して燃料電極には水素リッチな燃料ガスを，空
気電極には酸化剤としての空気を供給することにより、
電極触媒層１１Ｂ，１５Ｂ間で電気化学反応に基づく発
電が行われる。

【０００４】ところで、発熱反応である電気化学反応に
よって生じた発電生成熱は、各ブロック５間に積層され
た冷却板３を流れる冷却媒体により冷却されるが、図４
において各ブロック内の冷却板３により直接冷却される
低温部に位置する単位セル２Ｂ，２Ｃの温度Ｔｌ　と、
ブロック５中央近傍の高温部に位置して他の単位セルを
介して間接冷却される単位セル２Ａの温度Ｔｈ　とでは
曲線１０に示すようにＴｈの方が高く、両者間に１５〜
２０°Ｃの温度差が発生する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】燃料電池ではそのセル
（端子）電圧が、水素電極電位と酸素電極電位の差に比
例するので、電極反応を行う電極触媒層はなるべく少な
い白金担持量で空気電極は高い電位を，燃料電極は低い
電位を示すよう工夫されており、ことにセル電圧に大き
な影響を及ぼす空気電極側の電極触媒層には、例えばア
セチレンブラックを触媒担体としてその１０重量％に相
当する白金を担持させて電極触媒（白金触媒とも呼ぶ）
とし、これに結合剤として電極触媒と等量のポリテトラ
フルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を混合した触媒層素材を
用い、電極基材の表面に膜状の電極触媒層を形成したも
のが用いられる。また、ブロック内の複数の単位セルに
は相互の温度差に関係なく同一材料構成比の空気電極，
燃料電極が用いられる。

【０００６】上述のように構成された従来の積層燃料電
池において、燃料電池のセル電圧には温度依存性があり
、高温部に配された単位セル２Ａのセル電圧Ｖｈ　は低
温部に配された単位セル２Ｂ，２Ｃのセル電圧Ｖｌ　よ
り高くなる。一方、燃料電池の電極触媒層は長期発電運
転中に触媒担体に担持された白金結晶粒子が粗大化して
反応表面積が縮小するシンタリング現象，電極触媒層構
成材料のりん酸による腐食や熱劣化による触媒粒子の脱
落現象，あるいはりん酸が電極触媒層にしみ出すことに
よるガス拡散性の低下現象等の劣化現象によりセル電圧
が低下し、この劣化現象も温度依存性を有するために、
高温部に位置する単位セル２Ａのセル電圧低下量が、低
温部に位置する単位セル２Ｂ，２Ｃのそれより大きくな
る。

【０００７】図６は従来の積層燃料電池における単位セ
ルのセル電圧−運転時間特性（寿命特性）を模式化して
示す特性線図であり、高温部の単位セル２Ａは初期セル
電圧は低温部の単位セル２Ｂ，２Ｃのそれより高いが、
運転時間の経過とともにセル電圧が低下し、１０００時
間を経過した時点ではそのセル電圧Ｖｈが低温部の単位
セルのセル電圧Ｖｌ　以下に低下する。燃料電池の目標
寿命は、通常セル電圧が定挌電圧の９０％に低下するま
での時間で表され、現在４００００時間が目標とされて
いる。図６のような寿命特性を持つ従来の積層燃料電池
では、低温部の単位セルは目標寿命に対して充分な余裕
が有るにも関わらず、高温部の単位セルのセル電圧の低
下が著しく、積層燃料電池の寿命が高温部の単位セルの
寿命に支配され、目標寿命を保持できないという問題が
発生する。

【０００８】この発明の目的は、ブロック内単位セル間
に温度差を有する積層燃料電池の寿命特性を、高温部に
位置する単位セルのセル電圧−運転時間特性を改善する
ことにより向上することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明によれば、ガス透過性の電極基材の一方の
面に電極触媒層を有する燃料電極および空気電極と、前
記両電極の電極触媒層間に挟持された電解質層とからな
る単位セル複数層と、前記各単位セル相互間をガス区分
するセパレ−ト板との積層体からなり、その運転温度を
制御する冷却板を複数の単位セルを１ブロックとして各
ブロック間に積層したものにおいて、各ブロック内単位
セル相互の温度差に基づき長期運転中に単位セル間に生
ずる寿命時間の差を電極触媒層の材料組成比により縮小
する劣化抑制手段を、高温部に位置する単位セルの空気
電極側に備えてなるものとする。

【００１０】また、高温部に位置する単位セルの空気電
極側電極触媒層中のポリテトラフルオロエチレンの配合
量を、低温部に位置する単位セルのそれに対して２０％
程度増量した劣化抑制手段を備えてなるものとする。

【００１１】さらに、高温部に位置する単位セルの空気
電極側電極触媒層中の白金担持量を、低温部に位置する
単位セルのそれに対して５０％程度増量した劣化抑制手
段を備えてなるものとする。

【００１２】

【作用】この発明の構成において、各ブロック内単位セ
ル相互の温度差に基づき長期運転中に単位セル間に生ず
る寿命時間の差を電極触媒層の材料組成比により縮小す
る劣化抑制手段を、高温部に位置する単位セルの空気電
極側に備えるよう構成したことにより、高温部に位置す
る単位セルについてそのセル電圧−運転時間特性を改善
でき、従来高温部に位置する単位セルの短い寿命特性に
支配された積層燃料電池の寿命を、低温部の持つ長い寿
命特性に依存する形に改善できる。

【００１３】すなわち、高温部に位置する単位セルの空
気電極側電極触媒層中のポリテトラフルオロエチレンの
配合量を、低温部に位置する単位セルのそれに対して２
０％程度増量して劣化抑制手段とすれば、初期セル電圧
の低下を低温部との温度差でカバ−して低温部の単位セ
ルと同等なセル電圧を確保できるとともに、電極触媒層
の結合を強化して電極触媒粒子の脱落を阻止でき、かつ
電極触媒層への電解液の余分なしみ出しを阻止してガス
拡散性の低下を防止できるので、高温部に位置する単位
セルのセル電圧を低温部に位置する単位セルのそれに長
期間安定して近づけ、ブロック内単位セルの寿命特性を
相互にバランスさせることができる。

【００１４】また、高温部に位置する単位セルの空気電
極側電極触媒層中の白金担持量を、低温部に位置する単
位セルのそれに対して５０％程度増量して劣化抑制手段
とすれば、反応活物質の増量効果および高温効果を利用
して初期のセル電圧を高くできるので、セル電圧の低下
速度をカバ−してそのセル電圧を低温部に位置する単位
セルのセル電圧以上に長期間安定して保持することがで
きる。また、劣化抑制手段をセル電圧に対する影響が燃
料電極のそれより大きい空気電極の電極触媒層側にのみ
設けたことにより、高価な白金触媒の使用量の増加を最
小限度に抑制することができる。

【００１５】

【実施例】以下、この発明を実施例に基づいて説明する
。図１はこの発明の実施例になる積層燃料電池を模式化
して示す側面図、図２は実施例におけるセル電圧−運転
時間特性を模式化して示す特性線図であり、従来技術と
同じ部分には同一参照符号を付すことにより、重複した
説明を省略する。図において、積層燃料電池２１はブロ
ック２５間に冷却板３を備え、図の場合５層の単位セル
で構成される各ブロック２５は、その高温部（図の場合
５層の中央位置）に配された単位セル２２Ａは、その空
気電極１５（図５参照）の電極触媒層中のＰＴＦＥの配
合量を低温部に配された単位セル２Ｂ，２Ｃのそれの１
．２倍に増量してなる劣化抑制手段２２Ｂを備える。 すなわち、表１に空気電極側電極触媒層の材料組成比を
示すように、アセチレンブラックなどの触媒担体１００
ｗｔ％に対して白金１０ｗｔ％を担持させて電極触媒（
白金触媒とも呼ぶ）とすることは両単位セルとも同じで
あるが、触媒担体１００ｗｔ％に対して白金触媒１０ｗ
ｔ％を担持させた電極触媒１００ｗｔ％に対して結合材
としてのＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）の配
合比が低温部の単位セル２Ｂ，２Ｃ等２が１００ｗｔ％
であるのに対し、劣化抑制手段を備えた単位セル２２Ａ
では１２０ｗｔ％に増量される。なお、中間温度位置に
配された単位セル２Ｘについてはその温度が特性低下に
及ぼす影響を勘案して劣化抑制手段２２Ｂを備えるか否
かが決められる。

【００１６】

【表１】

【００１７】上述のように構成された積層燃料電池２１
において、単位セル２２Ａは結合材としてのＰＴＦＥを
２０％増量したことにより、初期セル電圧は１０ｍｖ程
度低下するが、これが高温部に配されて１５〜２０°Ｃ
高い温度で運転されることによりセル電圧の低下分は補
償され、低温部に配された単位セル２Ｂ，２Ｃと同程度
の初期セル電圧が得られる。また、結合材の増量により
電極触媒層の安定性が増し、触媒粒子の脱落などの劣化
が抑制されるので、長期運転中の電圧低下が高温部に配
されているにも関わらず低温部の単位セルと同程度に抑
制される。従って、ブロック２５内の２種類の単位セル
２２Ａおよび２Ｂ，２Ｃ等２のセル電圧−運転時間特性
（寿命曲線）は、図２に示すようにほぼ一つの曲線で近
似できる程に均等化され、積層燃料電池の寿命特性が高
温部の単位セルのそれに支配されるという不都合が排除
される。さらに、はっ水性の優れたＰＴＦＥの増量によ
り、電極触媒層へのりん酸のしみ出しを抑制できるので
、電極触媒層のガス拡散性を高度に保持して効率の良い
発電運転を行うことができる。

【００１８】表２はこの発明の異なる実施例になる積層
燃料電池の空気電極側電極触媒層の材料組成を示す表、
図３は異なる実施例におけるセル電圧−運転時間特性線
図である。表２において、劣化抑制手段３２Ｂ付単位セ
ル３２Ａはその空気電極側の電極触媒が、触媒担体１０
０ｗｔ％に対して０．８ｍｇ　／ｃｍ２　の白金を担持
し、このように構成された電極触媒１００ｗｔ％にこれ
と同量のＰＴＦＥ（１００ＷＴ％）を結合材として加え
た素材を用いて電極基材の表面に電極触媒層が形成され
ており、低温部側の単位セル２Ｂ，２Ｃ等２の白金担持
量０．５ｍｇ／　ｃｍ２　に対して１．６倍に増量され
た点が前述の実施例と異なっている。このように構成さ
れた積層燃料電池においては、高温部側の単位セル３２
Ａはその温度が高温であり，かつ電極触媒が担持する白
金の増量により白金結晶のシンタリングや溶出が増すの
で、図３に示すようにセル電圧−運転時間曲線の傾斜が
低温部側の単位セル２のそれに比べてやや大きくなる。 しかしながら、温度が高いために初期セル電圧が高くな
り寿命期間中単位セル３２Ａのセル電圧を単位セル２の
それよりも高く保持できるので、積層燃料電池の寿命は
低温部の単位セル２のそれによって決まることになる。 また、劣化抑制手段３２Ｂを高温部の単位セル３２Ａの
空気電極側に限定して設けるよう構成したことにより、
高価な白金触媒の使用量の増加を必要最小限とし、かつ
セル電圧に大きな影響を持つ空気電極側に劣化抑制手段
を適用して寿命特性を効果的に改善することができる。

【００１９】

【表２】

【００２０】次にこの発明の他の実施例について説明す
る。空気電極の電極触媒層に白金と遷移金属αからなる
合金を活性成分として用いる（触媒Ａと呼ぶ）と、初期
セル電圧は低いが耐熱性の優れた電極が得られることが
知られている。また、白金と遷移金属βからなる合金を
活性成分として用いる（触媒Ｂと呼ぶ）と、初期セル電
圧は高いが耐熱性がやや劣る電極が得られることが知ら
れている。そこで、各ブロックの高温部に位置する単位
セルの空気電極側触媒層に触媒Ａを用い、低温部に位置
する単位セルの空気電極側触媒層に触媒Ｂを用いて積層
燃料電池を構成する。

【００２１】このように構成された積層燃料電池におい
ては、高温部側の単位セルは触媒Ａの持つ低い初期セル
電圧は温度が高いことにより補償され、かつ優れた耐熱
性により温度が高くてもその特性低下を小さくできる。 一方、低温部側の単位セルは触媒Ｂの持つ高い初期セル
電圧により温度は低くても充分な初期セル電圧が得られ
、低い耐熱性は温度が低いことによりカバ−される。 したがって、触媒ＡおよびＢの互いに相反する長所と短
所と、温度差が相補的に作用してブロック内で単位セル
相互の寿命特性がバランスした積層燃料電池を得ること
ができる。

【００２２】以上３種類の実施例について説明したが、
これらを組み合わせてもブロック内単位セルの寿命特性
がバランスした積層燃料電池を得ることができる。

【００２３】

【発明の効果】この発明は前述のように、各ブロック内
単位セル相互の温度差に基づき長期運転中に単位セル間
に生ずる寿命時間の差を電極触媒層の材料組成比により
縮小する劣化抑制手段を、高温部に位置する単位セルの
空気電極側に備えるよう構成した。その結果、従来技術
で低下が著しいことで問題になった高温部に位置する単
位セルのセル電圧−運転時間特性（寿命特性）を、低温
部に位置する単位セルのそれと同等以上に保つことが可
能になり、電極触媒層の材料組成比を僅かに変えるだけ
の簡単な劣化抑制手段で、従来高温部に位置する単位セ
ルの短い寿命特性に支配された積層燃料電池の寿命を、
低温部の持つ長い寿命特性に依存する形に改善した積層
燃料電池を提供することができる。

【００２４】高温部に位置する単位セルの空気電極側電
極触媒層中のポリテトラフルオロエチレンの配合量を、
低温部に位置する単位セルのそれに対して２０％程度増
量して劣化抑制手段とすれば、初期セル電圧の低下を低
温部との温度差でカバ−して低温部の単位セルと同等な
セル電圧を確保できるとともに、電極触媒層の結合を強
化して白金触媒粒子の脱落を阻止でき、かつ電極触媒層
への電解液の余分なしみ出しを阻止してガス拡散性の低
下を防止できるので、電極触媒層の長期安定性が向上し
、ブロック内の各単位セルのセル電圧−運転時間特性が
バランスした積層燃料電池を提供することができる。

【００２５】また、高温部に位置する単位セルの空気電
極側電極触媒層中の電極触媒中の白金担持量を、低温部
に位置する単位セルのそれに対して５０％程度増量して
劣化抑制手段とすれば、反応活物質の増量効果および高
温効果を利用して初期のセル電圧を高くできるので、セ
ル電圧の低下速度をカバ−してそのセル電圧を低温分に
位置する単位セルのセル電圧以上に長期間安定して保持
できるとともに、セル電圧に及ぼす影響が燃料電極に比
べて大きい空気電極側にのみ劣化抑制手段を設けたこと
により、白金触媒の使用量の増加を最小限に抑えること
ができ、寿命特性の改善効果を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例になる積層燃料電池を模式化
して示す側面図

【図２】実施例におけるセル電圧−運転時間特性線図

【
図３】異なる実施例におけるセル電圧−運転時間特性線
図

【図４】従来の積層燃料電池の構成およびその温度分布
を示す説明図

【図５】単位セルを展開して示す斜視図

【図６】従来技
術におけるセル電圧−運転時間特性線図

【符号の説明】

１　　　　積層燃料電池 ２　　　　単位セル（劣化抑制手段無し）２Ｂ　　単位
セル（低温部） ２Ｃ　　単位セル（低温部） ３　　　　冷却板 ４　　　　冷却パイプ ５　　　　ブロック １１　　　　燃料電極 １４　　　　マトリックス １５　　　　空気電極 １５Ａ　　電極基材 １５Ｂ　　電極触媒層 １９　　　　セパレ−ト板 ２１　　　　積層燃料電池 ２２Ａ　　単位セル（高温側） ２２Ｂ　　劣化抑制手段（ＰＴＦＥ増量形）２５　　　
　ブロック ３２Ａ　　単位セル（高温側） ３２Ｂ　　劣化抑制手段（白金触媒増量形）Ｔｈ　　　
高温部温度 Ｔｌ　　　低温部温度

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ガス透過性の電極基材の一方の面に電極触
   媒層を有する燃料電極および空気電極と、前記両電極の
   電極触媒層間に挟持された電解質層とからなる単位セル
   複数層と、前記各単位セル相互間をガス区分するセパレ
   −ト板との積層体からなり、その運転温度を制御する冷
   却板を複数の単位セルを１ブロックとして各ブロック間
   に積層したものにおいて、各ブロック内単位セル相互の
   温度差に基づき長期運転中に単位セル間に生ずる寿命時
   間の差を、電極触媒層の材料組成比により縮小する劣化
   抑制手段を高温部に位置する単位セルの空気電極側に備
   えてなることを特徴とする積層燃料電池。
2. 【請求項２】高温部に位置する単位セルの空気電極側電
   極触媒層中のポリテトラフルオロエチレンの配合量を、
   低温部に位置する単位セルのそれに対して２０％程度増
   量した劣化抑制手段を備えてなることを特徴とする請求
   項１記載の積層燃料電池。
3. 【請求項３】高温部に位置する単位セルの空気電極側電
   極触媒層中の白金担持量を、低温部に位置する単位セル
   のそれに対して５０％程度増量した劣化抑制手段を備え
   てなることを特徴とする請求項１記載の積層燃料電池。