JPH05251096A - 燃料電池 - Google Patents

燃料電池

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Publication number
JPH05251096A
JPH05251096A JP4048331A JP4833192A JPH05251096A JP H05251096 A JPH05251096 A JP H05251096A JP 4048331 A JP4048331 A JP 4048331A JP 4833192 A JP4833192 A JP 4833192A JP H05251096 A JPH05251096 A JP H05251096A
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JP
Japan
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electrolyte
gas diffusion
pore size
fuel cell
matrix layer
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Pending
Application number
JP4048331A
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English (en)
Inventor
Kazuyoshi Nakajima
一嘉 中島
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
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Publication of JPH05251096A publication Critical patent/JPH05251096A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】マトリックス層中の電解質の損失を防止した燃
料電池を得る。 【構成】多孔質材料から成る一対のガス拡散電極1間に
リン酸を保持するマトリックス2が挾持されている。前
記ガス拡散電極1は、電解質を貯蔵し電極に補給する一
対の電解質貯蔵板3によって挾持されている。この電解
質貯蔵板3には、それぞれ空気の流通路または燃料の流
通路となる凹型の溝部4が複数形成されている。前記ガ
ス拡散電極1は多孔質の炭素板であり、マトリックス2
に接触する面には白金触媒の薄膜層が形成されている。
電解質貯蔵板のポアサイズ分布を、前記ガス拡散電極を
構成する多孔質板のポア容積率の10%に相当するポア
サイズより大きいポアの占めるポア容積率が50%以下
となるように、かつ前記多孔質板のポア容積の30%に
相当するポアサイズより小さいポアの占めるポア容積率
が100%になるように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、リン酸などの電解質を
貯蔵する電界質貯蔵板を有する燃料電池に関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術】従来から、石炭や石油などのような燃料
が持っている化学エネルギーを等温のもとで、連続的に
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、一対のガス拡散
電極で電界質を保有するマトリックスを挟んで、一方の
電極の背面に水素などの燃料ガスを接触させて、他方の
電極の背面に空気などの酸化剤を接触させて、このとき
起きる電気化学反応により生じる電気エネルギーを上記
電極間から取出すものである。この場合、燃料ガスとし
て水素または天然ガスを改質して得られる改質ガスが用
いられ、酸化剤として空気または酸素が用いられる。ま
た、電界質としては、溶融炭酸塩、アルカリ溶液、酸性
溶液、固体高分子、固体酸化物などが用いられるが、最
近ではリン酸を電界質としたリン酸型燃料電池が注目さ
れている。
【0003】図4は、この種の従来のリン酸型燃料電池
の単位セル構成を示す。この燃料電池においては、多孔
質材料から成る一対のガス拡散電極1間にリン酸を保持
するマトリックス2が挾持されている。前記ガス拡散電
極1は、電解質を貯蔵し電極に補給する一対の電解質貯
蔵板3によって挾持されている。この電解質貯蔵板3に
は、それぞれ空気の流通路または燃料の流通路となる凹
型の溝部4が複数形成されている。前記ガス拡散電極1
は多孔質の炭素板であり、マトリックス2に接触する面
には白金触媒の薄膜層が形成されている。
【0004】このように構成されたリン酸型燃料電池
は、以下に述べるように作用する。すなわち、図2に示
すように、アノード電極5においては、流入した水素は
多孔質基体中を拡散して触媒層に達する。そして触媒層
内においては、水素ガスがリン酸中に溶解し、三層帯に
おいて電子授与反応が起こる。 H2 →2H+ +2e- この水素イオンは、電場によりマトリックス層2内を泳
動しカソード電極6に達する。一方、電子は、アノード
電極5に取込まれた後、一旦燃料電池外部に取り出され
て、電気負荷7を通って仕事をし、カソード電極6に流
れる。カソード電極6においては、多孔質基体中を拡散
してきた酸素と上記水素イオン及び電子とが反応し水を
生成する。 4H+ +4e- +O2 →2H2 O この様に、燃料と酸化剤を流し続ければ、理想的には永
久に電気を起こすことができる。
【0005】ところで、図3に示す通り、通常、燃料電
池は、上記の単位セルをセパレータを介して複数積層し
て構成される。この場合、一対の電解質貯蔵板3をそれ
ぞれの溝部4を背面に直行させてセパレータ8を介して
接着し、一体化して積層している。また、燃料電池の起
動時には室温から動作温度まで加熱し、運転時には余剰
熱を除去・冷却して一定温度に維持する必要から、温度
調節体である冷却板9を数セル毎に挿入・設置してい
る。さらに、この積層セル10は、その上下を集電板1
1で挟みこまれ、かつその上下に配置された締付金具1
2により積層方向に締付固定されている。また、電池本
体に空気及び水素を供給及び排気するものとして、電池
本体の側面にマニホールド13と、フッ素ゴム系の成形
パッキング14が配置されるとともに、電池本体と成形
パッキング14の間にフッ素樹脂系シール材15が介在
されて固着され、各単位セルに一括して空気及び水素が
供給・排気されるように構成されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
な構成をする燃料電池においては、以下に述べるような
解決すべき問題があった。すなわち、多孔質材料から成
るガス拡散電極1へは、電解質貯蔵板3より電解質が供
給されるが、前記ガス拡散電極1は、ガス拡散性を確保
できるようにリン酸を適量保持して、マトリックス層2
に対して毛管現象によりリン酸を供給し、燃料と酸化剤
が混合することのないようなシール機能を持たせてい
る。
【0007】しかしながら、燃料電池を運転すると、電
解質は反応ガスにより電池外部へ持ち出され、また電池
に接触する他部材に浸透・吸収されて経時的に減少す
る。このようなリン酸の減少はマトリックス層2におけ
る気孔(以下、ポアと称す)サイズが比較的大きい、す
なわち、マトリックス層がリン酸を引き込む力が小さい
ところで発生する。そして、リン酸の減少が進行し、マ
トリックス層2のポアサイズより小さい領域にのみリン
酸が存在する状態になると、毛管現象による作用で電解
質をマトリックス層2に供給することができなくなり、
逆にマトリックス層2の電解質の減少が始まる。
【0008】このようにしてマトリックス層2からの電
解質の減少が発生すると、電解質層としての機能を失う
ばかりでなく、水素と酸素が混合し反応して爆発する危
険性がある。また、逆にガス拡散電極1へ過剰の電解質
が吸収されると、ガス拡散が阻止され触媒層まで反応ガ
スが到達しにくくなり、電池特性が著しく低下する。
【0009】この点を図1を用いて説明する。すなわ
ち、通常作製されるガス拡散電極1のポアサイズは、マ
トリックス層2のポアサイズより大きい。また、電解質
貯蔵板3のポアサイズは、ガス拡散電極1のポアサイズ
と同等もしくは小さいが、マトリックス層2よりも大き
い。しかし、ポアサイズ分布をみると、ガス拡散電極1
のポアサイズとマトリックス層2のポアサイズとが重複
する領域、ガス拡散電極1のポアサイズと電解質貯蔵板
3のポアサイズとが重複する領域が存在する。
【0010】この様な、ガス拡散電極1のポアサイズと
マトリックス層2のポアサイズとが重複する領域の関係
が、ガス拡散電極1のポアサイズ分布を、マトリックス
層2のポアサイズより小さいポアの占める容積率が10
%以下にするように構成した燃料電池の構成は、公知の
技術となっている。このときガス拡散電極1のポアサイ
ズと電解質貯蔵板3のポアサイズとが重複する領域の関
係は、マトリックス層2のポアサイズと関連して形成さ
れなければならない。すなわち、電解質貯蔵板3のポア
サイズのうち、ガス拡散電極1のポアサイズより小さな
ポアの占める容積率%(図中A)が大きいと、電解質は
ガス拡散電極1へ供給されなくなるし、ガス拡散電極1
のポアサイズより大きなポアの占める容積率%(図中
B)が大きいと、電解質はガス拡散電極へ過剰に供給さ
れることになる。
【0011】本発明は上記のような課題を解決するため
になされたもので、その目的は、電解質層に蓄えた電解
質の損失を防止し、かつガス拡散電極におけるガス拡散
性を維持した信頼性の高いリン酸型燃料電池を提供する
ことにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明は、電解質を保持
するマトリックス層を多孔質板によって構成された一対
のガス拡散電極間に挾持し、この一対のガス拡散電極を
燃料及び酸素を流通させるための流通路を設けた一対の
電解質貯蔵板間に挾持して成る燃料電池において、前記
電解質貯蔵板のポアサイズ分布を、前記ガス拡散電極を
構成する多孔質板のポア容積率の10%に相当するポア
サイズより大きいポアの占めるポア容積率が50%以下
となるように、かつ前記多孔質板のポア容積の30%に
相当するポアサイズより小さいポアの占めるポア容積率
が100%になるように構成したことを特徴とする。
【0013】
【作用】このような構成を有する本発明の燃料電池にお
いては、多孔質板に保持された電解質が、毛細現象の効
果により、電解質貯蔵板の電解質貯蔵量がポア容積の5
0%以下となるまでは多孔質板のポア容積10%から3
0%に相当する量が保持されて、マトリックス層中に保
持された電解質が、毛細効果によって多孔質体に移動す
ることを抑制している。その結果、マトリックス層中の
電解質の損失を防止し、ガス拡散電極のガス拡散性を確
保できる燃料電池が得られる。
【0014】
【実施例】以下、本発明の一実施例について図1を参照
して説明する。本発明においては、図1に示したよう
に、電解質貯蔵板ポアサイズ分布17を、ガス拡散電極
を構成する多孔質板のポア容積率の10%に相当するポ
アサイズより大きいポアの占めるポア容積率(図中A)
が50%以下となるように、かつ前記多孔質板のポア容
積の30%に相当するポアサイズより小さいポアの占め
るポア容積率(図中B)が100%になるように構成さ
れている。そして、電解質貯蔵板には、ポア容積100
%に電解質を貯蔵している。また、ガス拡散電極を構成
する多孔質板のポアサイズ分布18は、マトリックス層
のポアサイズより小さいポアの占めるポア容積率が10
%以下となるように構成している。
【0015】このような構成を有する本実施例の燃料電
池においては、多孔質板に保持された電解質が、毛細現
象の効果により、電解質貯蔵板の電解質貯蔵量がポア容
積の50%以下となるまでは多孔質板のポア容積10%
から30%に相当する量が保持されて、マトリックス層
中に保持された電解質が、毛細効果によって多孔質体に
移動することを抑制している。したがって、電解質貯蔵
板の電解質量がポア容積の50%以上あれば、マトリッ
クス層中の電解質を維持できて、ガス拡散電極のガス拡
散性を確保できることになる。
【0016】このように、上記の構成により、電解質貯
蔵板の電解質貯蔵量がポア容積の50%以下となるまで
は多孔質板のポア容積の10%から30%に相当する量
が保持されるので、マトリックス層中の電解質の損失を
防止し、ガス拡散電極のガス拡散性を確保できる燃料電
池が得られる。
【0017】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
電解質貯蔵板のポアサイズ分布を工夫するという簡単な
手段により、マトリックス層中の電解質の損失を防止
し、ガス拡散電極のガス拡散性を確保できる、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】本発明の一実施例の構成並びに作用を説明する
グラフ。
【図2】燃料電池の原理を示す模式的断面図。
【図3】従来の燃料電池を示す断面図。
【図4】一般的な燃料電池単セルの構成を示す斜視図。
【符号の説明】
1…ガス拡散電極 2…マトリックス層 3…電界質貯蔵板 4…溝部 8…セパレーター

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】電解質を保持するマトリックス層を多孔質
    板によって構成された一対のガス拡散電極間に挾持し、
    この一対のガス拡散電極を燃料及び酸素を流通させるた
    めの流通路を設けた一対の電解質貯蔵板間に挾持して成
    る燃料電池において、 前記電解質貯蔵板のポアサイズ分布を、前記ガス拡散電
    極を構成する多孔質板のポア容積率の10%に相当する
    ポアサイズより大きいポアの占めるポア容積率が50%
    以下となるように、かつ前記多孔質板のポア容積の30
    %に相当するポアサイズより小さいポアの占めるポア容
    積率が100%になるように構成したことを特徴とする
    燃料電池。
JP4048331A 1992-03-05 1992-03-05 燃料電池 Pending JPH05251096A (ja)

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JP4048331A JPH05251096A (ja) 1992-03-05 1992-03-05 燃料電池

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JP4048331A JPH05251096A (ja) 1992-03-05 1992-03-05 燃料電池

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Family

ID=12800437

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JP (1) JPH05251096A (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8546288B2 (en) 2012-02-15 2013-10-01 Ford Global Technologies, Llc Substrate selection for a catalyst

Cited By (1)

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US8546288B2 (en) 2012-02-15 2013-10-01 Ford Global Technologies, Llc Substrate selection for a catalyst

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