JPH06188009A

JPH06188009A - 燃料電池

Info

Publication number: JPH06188009A
Application number: JP43A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Aoki; 努青木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-12-15
Filing date: 1992-12-15
Publication date: 1994-07-08

Abstract

(57)【要約】【目的】燃料電池において、高負荷においても電池平
面方向に電流密度分布が発生しないようにして、長寿命
化を図る。【構成】電池入口マニホールド１が二室に分けられ、
ガス入口部１ａと出口部１ｂとされている。また、電池
入口マニホールド１と対向する側面には、ガスを電池内
へＵターンさせるためのリターンマニホールド２が設け
られ、これにより、電池の半面Ａを流れたガスを、電池
半面Ｂへ送り込むように構成されている。また、電池入
口マニホールド１ａへのガス配管２０から、前記リター
ンマニホールド２へバイパスライン３が設けられ、この
バイパスライン３にはガス流量を調節するための流量調
整弁４が設けられている。さらに、電池へ反応ガスを供
給する本流であるガス配管２０にも、ガス流量を調節す
るための流量調整弁５が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池本体の平面方
向の電流密度分布の均一化を目的として改良を施した燃
料電池に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、燃料の有している化学的エ
ネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。
この燃料電池は、通常、電解質を挟んで一対の多孔質電
極を配置するとともに、一方の電極の背面に水素などの
気体燃料を接触させ、また他方の電極の背面に酸素など
の酸化剤を接触させ、この時に起こる電気化学的反応に
より発生する電気エネルギーを、上記一対の電極から取
り出すようにしたものである。

【０００３】また、この電解質としては、溶融炭酸塩、
アルカリ溶液、酸性溶液などが用いられるが、以下に、
燃料電池として代表的なリン酸を電解質とする燃料電池
の原理について説明する。

【０００４】図２において、電解質層はマトリックス６
と称し、繊維質シートまたは鉱物質粉末にリン酸を含浸
して形成したものである。７はアノード電極、８はカソ
ード電極であり、炭素質の多孔性の電極であって、前記
マトリックス６に接する面に通常白金融媒９が塗布され
ている。また、１０はアノード電極７の背面側に形成さ
れた、水素を含む燃料ガスが流れる燃料ガス流路で、１
１はカソード電極８の背面側に形成された、酸化剤ガス
（普通は空気）が流れる酸化剤ガス流路である。そし
て、燃料ガス、酸化剤ガスの各反応ガスは各々のガス流
路を流れ、多孔質であるアノード電極７、カソード電極
８を拡散し、白金触媒９に到達して、反応が進行する。

【０００５】すなわち、燃料ガス中の水素は、アノード
電極７の空孔に拡散して触媒に達する。ここで、水素ガ
スは次式の様に白金触媒の作用によって水素イオンと電
子に解離する。

【０００６】

【化１】Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅこの水素イオンはリン酸を蓄えたマトリックス中を移動
し、カソード電極８の白金触媒に達する。一方、水素ガ
スの解離によって分離した電子は、アノード電極から外
部回路を流れ、電力負荷を通って仕事をし、カソード電
極の白金触媒へ到達する。

【０００７】カソード電極８では、アノード電極から移
動してきた水素イオンと、酸化剤ガスとして酸化剤ガス
流路１１から供給され、カソード電極８の空孔を拡散し
てきた酸素と、外部回路で仕事をしてきた電子の三者
が、カソード電極の触媒表面で次式の反応を起こす。

【０００８】

【化２】４Ｈ⁺＋４ｅ＋Ｏ₂→２Ｈ₂Ｏこの様にして、水素が酸化されて水になる反応と、この
ときの化学的エネルギーが電気エネルギーとなって、外
部の電気負荷中で電気エネルギーを与える電池としての
全反応が完成する。

【０００９】なお、通常燃料電池は、上記アノード電極
７、カソード電極８、マトリックス６から成る単位セル
を複数個積層して構成されている。また、積層するに際
して、各単位電池間の電気的接続経路を確保すると同時
に、アノード電極、カソード電極の各反応ガス流路を分
離するためのセパレータを必要とする。さらに、アノー
ド電極、カソード電極の各反応ガス流路に反応ガスを供
給するためのガスマニホールドが必要である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記の様に構成された
燃料電池にガスマニホールドを通してガスを送り込む
と、ガス中の反応ガス成分の量に応じて反応が進行す
る。これは、燃料電池が多孔質体から成る電極を有して
いるためで、反応の律速が、反応成分の触媒、電解質、
電極部材（通常、炭素材）からなる反応点への拡散速度
で決まるためである。これにより、電池平面方向に負荷
に応じた反応分布が発生し、その結果、電池内に電流密
度分布が発生する。

【００１１】この場合、電極は電気電導性の優れた炭素
材からなるため、電流密度分布が発生しても、電池電圧
の分布として電池平面方向に現れることはまれである。
しかし、極端に高い負荷を取ったり、高負荷仕様の電池
の場合、電極平面方向の電圧分布が見られる場合があ
る。

【００１２】また、電流密度分布が発生しているか否か
は、電池平面方向の温度分布の発生の有無によって検出
することができる。すなわち、通常、電池は均一な温度
または冷却水の流れに応じた温度分布をもっているもの
であるが、上記に示す水生成反応が発熱反応であること
から、電池平面方向において、電流の多く流れている領
域は高い温度を示し、また、逆に電流の小さいところ、
即ち反応のあまり行われていない部分では低い温度を示
す。従って、電池平面方向の温度分布を把握することに
よって、電池平面方向に供給反応ガスの供給量に応じた
電流密度分布の発生があるかどうかを知ることができ
る。

【００１３】ところで、この様な電流密度分布は、反応
ガスの供給量が少ない時、または、電極内の拡散が反応
の進行に著しい阻害を与えている場合に発生する。例え
ば、電池の入口に電池全体が必要とする反応ガスの全量
を供給する場合には、電池入口では豊富な反応ガスが供
給され、出口付近では反応ガスの乏しい状態になるとい
う不均一が生じる。特に、大きな電池ではこの差が激し
く、大きな電流密度分布発生の原因になっていた。

【００１４】また、この電流密度分布の発生は、電池を
運転していく上で、電池を劣化させる要因となる。すな
わち、電池の寿命は、主として電池に蓄えられている電
解質量の枯渇及び反応進行に預る触媒等の劣化によって
決まるが、これらの劣化原因は、いずれも温度の高い方
が進行が速く、また電流密度の高い方が同様に速いこと
が知られている。従って、上記のような電流密度分布が
発生し、それと共に温度分布が発生すると、電流密度が
高く、温度の高い部分で劣化が進行し、この部分が原因
となって電池の寿命が尽きてしまうことになる。

【００１５】この様な電池平面方向の温度分布を、負荷
を大きくしたり、反応ガス量を減少させたりすることに
よって観察すると、酸化剤ガス、即ち空気入口側で高い
温度が観察される。当然、燃料側でも同様の現象が発生
している考えられるが、燃料側での発熱は大きくないた
め、顕著には観察されない。いずれにしても、反応ガス
の豊富な電池入口側に反応が集中する傾向がある。この
ため、電池入口近傍において電極の劣化が発生しやすい
という問題があった。

【００１６】本発明は、上記の様な従来技術の欠点を解
消するために提案されたもので、その目的は、高負荷に
おいても電池平面方向に電流密度分布が発生することを
抑制することができ、長寿命化を可能とした燃料電池を
提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は、電解質を保持
したマトリックス層を挟んで一対のアノード電極、カソ
ード電極を配置し、これに燃料ガス及び酸化剤ガスを供
給して電気出力を得る燃料電池において、前記電極の
内、少なくともカソード電極を、反応ガスが電極平面を
Ｕターンして流れるように構成し、また、反応ガスを電
池内へＵターンさせるためのリターンマニホールドを設
け、さらに、電池の上流側の反応ガス供給ラインから、
前記リターンマニホールドへ直接反応ガスを供給するた
めのパイパスラインを接続したことを特徴とするもので
ある。

【００１８】

【作用】本発明の燃料電池においては、反応ガスが電極
平面をＵターンして流れるリターンフローの構成を採用
し、また、電池の反応ガス供給ラインに電極を通過する
ことのないバイパスラインを設けることにより、反応ガ
スの一部を分離してリターンマニホールドに供給し、電
極平面の一部を流れてきた反応ガスと混合することによ
って、再度反応ガス成分の多いガスとして電極平面の他
の部分に供給することができる。これにより、電池平面
方向の反応ガス濃度分布の均一化を図ることができる。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１に基づいて具
体的に説明する。なお、図１は空気極（カソード電極）
を例に示したものである。

【００２０】本実施例においては、図１に示した様に、
電池平面を反応ガスがＵターンして流れるリターンフロ
ーの構成が採られている。すなわち、電池入口マニホー
ルド１を二室に分け、ガス入口部１ａと出口部１ｂに当
たらせる。また、電池入口マニホールド１と対向する側
面には、ガスを電池内へＵターンさせるためのリターン
マニホールド２が設けられ、これにより、電池の半面Ａ
を流れたガスを、電池半面Ｂへ送り込むように構成され
ている。

【００２１】また、電池入口マニホールド１ａへのガス
配管２０から、前記リターンマニホールド２へバイパス
ライン３が設けられ、このバイパスライン３にはガス流
量を調節するための流量調整弁４が設けられている。さ
らに、電池へ反応ガスを供給する本流であるガス配管２
０にも、ガス流量を調節するための流量調整弁５が設け
られている。

【００２２】なお、これらの流量調整弁４，５は、電池
内に設けた温度センサー（熱電対）によって電池平面の
温度分布を検出し、温度分布が均一となるようにその開
閉が制御されている。

【００２３】この様な構成を有する本実施例の燃料電池
は、以下に述べる様に作用する。すなわち、電池に供給
される反応ガスの一部は、ガス配管２０に設けられたバ
イパスライン３を通ってリターンマニホールド２に送り
込まれ、一方、電池の半面Ａには、ガス配管２０から直
接反応ガスが送り込まれる。

【００２４】この場合、電池入口側の電極半面Ａに流れ
る反応ガス量を小さくすることによって、Ａ面での電流
を抑えることができる。このＡ面における反応量の調整
は、流量調整弁４ないし５によって、Ａ面へ流れ込むガ
ス量とバイパスライン３を流れるガス量の比を調節する
ことにより行われる。また、流量調整弁４，５の開閉制
御は、電池内に設けた温度センサー（熱電対）によって
電池平面の温度分布を検出し、温度分布が均一となるよ
うに行なわれる。

【００２５】この様にして流量を調整され、バイパスラ
イン３を通ってリターンマニホールド２へ供給された反
応ガスは、電池半面Ｂにおける反応に当たらせるため
に、電池半面Ａを通過してきたガスと共に電池半面Ｂへ
送り込まれる。このバイパスライン３を通ってきたガス
は酸素の消費がないため、リターンマニホールド２内に
おいてガス中の酸素濃度を上げるので、電池半面Ｂへ電
池半面Ａを出た時よりも高い酸素濃度のガスを供給する
ことができる。その結果、電池半面Ｂにおいても、電池
半面Ａとほぼ同様の酸素濃度を有する反応ガスが供給さ
れるので、電流密度の均一化が可能となる。

【００２６】この様に、本実施例によれば、高負荷及び
供給反応ガス量が減少したときの電極平面内の電流密度
分布の発生を、供給する反応ガス量をコントロールする
ことによって防止することができる。その結果、反応ガ
ス入口付近における電流集中による温度上昇等、電池劣
化を引き起こす要因を排除することができる。

【００２７】なお、上記電流密度分布は、上述した空気
極以外の燃料極（アノード電極）でも、供給ガスのアン
バランスによって同様に発生する。しかしながら、燃料
極の場合、発熱が小さいため、前記実施例で示したよう
な方法では電流密度分布をモニターできない。しかし、
燃料極における電流密度分布は、電池出口における燃料
ガス欠から、電極基板（炭素材）の電気化学的腐食に結
び付くこともあり、電池寿命向上のためには防止しなけ
ればならない。そこで、同様の手法によって、燃料ガス
のコントロールを実施し、電流密度分布の発生を抑える
ことが電池寿命の向上に有効である。

【００２８】この場合、電流密度分布発生のモニター
は、電池四隅における電池電圧の測定が有効な手法とな
る。すなわち、電流密度のばらつきが大きくなると、電
池平面方向における電圧を均一にするために電池平面方
向に流れる電流が大きくなり、四隅の電池電圧に差がで
きてくる。したがって、電池電圧に差が生じることのな
いように、反応ガス供給量とバイパスラインのガス量を
調整することにより、同様の効果が得られる。

【００２９】

【発明の効果】以上述べた通り、本発明によれば、アノ
ード電極及びカソード電極の内、少なくともカソード電
極を、反応ガスが電極平面をＵターンして流れるように
構成し、また、反応ガスを電池内へＵターンさせるため
のリターンマニホールドを設け、さらに、電池の上流側
の反応ガス供給ラインから、前記リターンマニホールド
へ直接反応ガスを供給するためのパイパスラインを接続
することによって、高負荷においても電池平面方向に電
流密度分布が発生することを抑制することができ、長寿
命化を可能と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】

【図１】本発明の燃料電池の一実施例を示す構成図

【図２】燃料電池の原理説明図

【符号の説明】

１…電池入口マニホールド２…リターンマニホールド３…バイパスライン４，５…流量調整弁６…マトリックス７…アノード電極８…カソード電極９…白金触媒１０…燃料ガス流路１１…酸化剤ガス流路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電解質を保持したマトリックス層を挟ん
で一対のアノード電極、カソード電極を配置し、これに
燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して電気出力を得る燃料
電池において、前記電極の内、少なくともカソード電極を、反応ガスが
電極平面をＵターンして流れるように構成し、また、反
応ガスを電池内へＵターンさせるためのリターンマニホ
ールドを設け、さらに、電池の上流側の反応ガス供給ラ
インから、前記リターンマニホールドへ直接反応ガスを
供給するためのパイパスラインを接続したことを特徴と
する燃料電池。