JPH0622144B2 - Fuel cell - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、燃料電池、特に新規な電解質マトリックス
構造を有する燃料電池に関するものである。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a fuel cell having a novel electrolyte matrix structure.
第３図は例えば特開昭59-75568号公報に示された従来の
燃料電池の要部を示す断面図であり、図において(1)は
ガス分離板、(2)はこのガス分離板(1)の上部に設けられ
た燃料流路、(3)は分離板(1)の下部に設けられた酸化剤
流路、(4)はガス分離板(1)の上面に設けられた燃料電
極、(5)はこの燃料電極(4)の上面に設けられた電解質マ
トリックス、(6)はこの電解質マトリックス(5)の上面と
ガス分離板(1)の下面との間に設けられた酸化剤電極、
(7)は電解質マトリックス(5)の上面とガス分離板(1)の
下面との間で酸化剤電極(6)に隣接して設けられた、シ
ールのためのパッキング、(8)はガス分離板(1)の上部に
設けられ、電解質を保持するリザーバである。電池反応
は燃料電極(4)、電解質マトリックス(5)、および酸化剤
電極(6)の、添字ａを付けた部分(4a)，(5a)および(6a)
で起こる。また、燃料電極(4)および電解質マトリック
ス(5)の、添字ｂを付けた部分(4b)および(5b)はシール
部であり、不透気処理が施されている。FIG. 3 is a sectional view showing an essential part of a conventional fuel cell disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 59-75568, in which (1) is a gas separation plate and (2) is this gas separation plate ( (1) a fuel channel provided on the upper side, (3) an oxidant channel provided on the lower side of the separation plate (1), (4) a fuel electrode provided on the upper surface of the gas separation plate (1) , (5) is an electrolyte matrix provided on the upper surface of the fuel electrode (4), (6) is an oxidizer provided between the upper surface of the electrolyte matrix (5) and the lower surface of the gas separation plate (1) electrode,
(7) is a packing for sealing provided between the upper surface of the electrolyte matrix (5) and the lower surface of the gas separation plate (1) adjacent to the oxidizer electrode (6), and (8) is gas separation A reservoir provided on the upper part of the plate (1) for holding an electrolyte. The cell reaction is the fuel electrode (4), the electrolyte matrix (5), and the oxidant electrode (6) with the subscript a (4a), (5a) and (6a).
Happens in. Further, the portions (4b) and (5b) of the fuel electrode (4) and the electrolyte matrix (5) with the subscript b are seal portions, which are impermeable.
従来の燃料電池は上記のように構成され、燃料流路(2)
から供給された燃料は、燃料電極(4)で酸化されて水素
イオンと電子になる。この水素イオンは、電解質マトリ
ックス(5)の反応部分(5a)を横切って酸化剤電極(6)に到
達し、ここで酸化剤流路(3)から供給される酸素と反応
して水を生成する。一方、燃料電極(4)で生じた電子
は、外部負荷を経て酸化剤電極(6)に流れ、ここで還元
反応に寄与する過程で、外部負荷によって消費される電
気エネルギーとなる。この反応において、電解質マトリ
ックス(5)は常に電解質を保持している必要があり、そ
のために電解質溜めとしてのリザーバ(8)が設けられて
いる。リザーバ(8)から電解質マトリックス(5)への電解
質の供給およびガスシールのために、電極の周辺部分は
電解質をしみ込ませるような親水性とする処理がなされ
ている。The conventional fuel cell is configured as described above, and the fuel flow path (2)
The fuel supplied from is oxidized at the fuel electrode (4) into hydrogen ions and electrons. This hydrogen ion crosses the reaction part (5a) of the electrolyte matrix (5) and reaches the oxidant electrode (6), where it reacts with oxygen supplied from the oxidant channel (3) to generate water. To do. On the other hand, the electrons generated at the fuel electrode (4) flow to the oxidant electrode (6) via an external load, and become electric energy consumed by the external load in the process of contributing to the reduction reaction. In this reaction, the electrolyte matrix (5) needs to always hold the electrolyte, and for this reason, the reservoir (8) as an electrolyte reservoir is provided. In order to supply the electrolyte from the reservoir (8) to the electrolyte matrix (5) and seal the gas, the peripheral portion of the electrode is treated to be hydrophilic so as to allow the electrolyte to soak in.
上記のような燃料電池では、電解質マトリックス(5)に
保持されている電解質の量が少なくなると、電解質マト
リックス(5)内に空隙が生じ、この空隙を通して燃料あ
るいは酸化剤が相手側の電極に移動するクロスオーバと
いう現象が生じ、燃料電池の特性が低下するという問題
点があった。また、このクロスオーバを防止するため
に、リザーバ(8)から電解質の補給が行われるが、電解
質の補給期間中は燃料電池の運転を停止しなければなら
ないという問題点があった。In the fuel cell as described above, when the amount of the electrolyte retained in the electrolyte matrix (5) decreases, a void is created in the electrolyte matrix (5), and the fuel or the oxidant moves to the other electrode through the void. There is a problem in that the phenomenon of crossover occurs and the characteristics of the fuel cell deteriorate. Further, in order to prevent this crossover, the electrolyte is replenished from the reservoir (8), but there is a problem that the operation of the fuel cell must be stopped during the electrolyte replenishment period.
この発明は、かかる問題点を解決するためになされたも
ので、クロスオーバによる燃料電池の特性の低下を軽減
できるとともに、燃料電池の運転を停止することなくク
ロスオーバを防止でき、長期間安定して運転できる燃料
電池を得ることを目的とする。The present invention has been made to solve the above problems, and can reduce deterioration of fuel cell characteristics due to crossover, prevent crossover without stopping operation of the fuel cell, and stabilize for a long period of time. The purpose is to obtain a fuel cell that can be operated by operating.
この発明に係る燃料電池は、電解質マトリックスの中に
触媒微粉末、親水性微粉末、および結着剤から形成され
たクロスオーバ防止層を設けたものである。The fuel cell according to the present invention has a crossover prevention layer formed of a catalyst fine powder, a hydrophilic fine powder, and a binder in an electrolyte matrix.
〔作 用〕 この発明においては、電解質マトリックス内を透過して
くる燃料および酸化剤をクロスオーバ防止層に含まれる
触媒表面に吸着させ、その触媒効果により燃料と酸化剤
とが直接反応して水を生成し、この水により電解質が希
釈されて体積膨張を起こし、クロスオーバの原因となる
電解質マトリックスの空隙を満たし、クロスオーバを停
止させる。[Operation] In the present invention, the fuel and the oxidant that permeate the inside of the electrolyte matrix are adsorbed on the catalyst surface contained in the crossover prevention layer, and the catalyst and the oxidant directly react with each other due to the catalytic effect. The water dilutes the electrolyte, causing volume expansion, filling the voids of the electrolyte matrix that cause the crossover, and stopping the crossover.
第１図はこの発明の一実施例を示す要部断面図であり、
(1)〜(4)および(6)は上記従来の燃料電池におけるもの
と全く同一である。(5A)はこの発明で使用される電解質
マトリックスであり、(9)はこの電解質マトリックス(5
A)の中に設けられたクロスオーバ防止層、(10)はこのク
ロスオーバ防止層(9)と燃料電極(4)の間にこれらに隣接
して設けられた第１の電解質マトリックス層、(11)はク
ロスオーバ防止層(9)と酸化剤電極(6)の間にこれらに隣
接して設けられた第２の電解質マトリックス層である。
クロスオーバ防止層(9)は、触媒微粉末、親水性微粉
末、および結着剤から形成されており、第１の電解質マ
トリックス層(10)を透過してくる燃料と第２の電解質マ
トリックス層(11)を透過してくる酸化剤とを触媒作用に
よって直接反応させる。すなわち、このクロスオーバ層
(9)は、燃料および酸化剤がそれぞれ酸化剤電極(6)およ
び燃料電極(4)に達する前に、これらの燃料および酸化
剤を除去する。さらに、クロスオーバ防止層(9)内で起
こる反応の反応生成物によって電解質の体積を膨張さ
せ、クロスオーバの原因となる電解質マトリックス層(5
A)の空隙を修復し、クロスオーバを停止させる機能を持
っている。なお、触媒微粉末は、白金、白金合金、白金
担持触媒、白金合金担持触媒、および白金担持カーボン
触媒から選ばれたものが使用できる。また、親水性微粉
末としてはシリコンカーバイドを、結着剤としてはポリ
テトラフルオロエチレンをそれぞれ使用できる。FIG. 1 is a sectional view of an essential part showing an embodiment of the present invention.
(1) to (4) and (6) are exactly the same as those in the above conventional fuel cell. (5A) is the electrolyte matrix used in the present invention, and (9) is the electrolyte matrix (5
A crossover prevention layer provided in (A), (10) is a first electrolyte matrix layer provided adjacent to these crossover prevention layer (9) and fuel electrode (4), 11) is a second electrolyte matrix layer provided between the crossover prevention layer (9) and the oxidant electrode (6) so as to be adjacent thereto.
The crossover prevention layer (9) is formed of a catalyst fine powder, a hydrophilic fine powder, and a binder, and the fuel and the second electrolyte matrix layer that permeate the first electrolyte matrix layer (10). The oxidant passing through (11) is directly reacted by a catalytic action. That is, this crossover layer
(9) removes the fuel and oxidant before they reach the oxidant electrode (6) and fuel electrode (4), respectively. In addition, the reaction product of the reaction that occurs in the crossover prevention layer (9) expands the volume of the electrolyte, causing an electrolyte matrix layer (5
It has the function of repairing the void in A) and stopping the crossover. The catalyst fine powder can be selected from platinum, platinum alloys, platinum-supported catalysts, platinum alloy-supported catalysts, and platinum-supported carbon catalysts. Further, silicon carbide can be used as the hydrophilic fine powder, and polytetrafluoroethylene can be used as the binder.
上記のように構成された燃料電池は、基本的に従来の燃
料電池と同様に動作する。電解質マトリックス(5A)に保
持されている電解質は、燃料電池の運転あるいは起動停
止等によって徐々に消失するが、電解質の量が少なくな
ると、電解質マトリックス(5A)に空隙が生じる。電解質
マトリックス(5A)に空隙が生じた場合、第４図に示す従
来の電解質マトリックス(5)では、燃料あるいは酸化剤
が電解質マトリックス(5)の空隙(12)を透過し、それぞ
れ相手側の電極の触媒層（図示せず）に到達して反応す
るため、電池特性を低下させる。しかしながらこの発明
では、第２図に示すように電解質マトリックス(5A)にク
ロスオーバ防止層(9)が設けられているので、第１の電
解質マトリックス層(10)の空隙(12)を透過してくる燃料
例えば水素と、第２の電解質マトリックス層(11)の空隙
(12)を透過してくる酸化剤例えば酸素とは、このクロス
オーバ防止層(9)の触媒表面で反応する。従って、燃料
が酸化剤電極(6)に、あるいは酸化剤が燃料電極(4)に達
する量を低減できるため、クロスオーバに起因する電池
電圧の低下を軽減することができる。また、クロスオー
バ防止層(9)の触媒表面で燃料と酸化剤とが反応し、例
えば次式のようにして水ができる： H2＋1/2O2→H2O 反応生成物である水は、電解質例えばリン酸を希釈する
ことによりその体積を膨張させる。従って、クロスオー
バの原因となる電解質マトリックス(5A)の空隙(12)を電
解質で満たすことにより空隙(12)を修復するため、クロ
スオーバそのものを停止できる。The fuel cell configured as described above basically operates in the same manner as a conventional fuel cell. The electrolyte retained in the electrolyte matrix (5A) gradually disappears when the fuel cell is operated or stopped, but when the amount of the electrolyte decreases, voids are formed in the electrolyte matrix (5A). When voids are formed in the electrolyte matrix (5A), in the conventional electrolyte matrix (5) shown in FIG. 4, the fuel or the oxidant permeates the voids (12) of the electrolyte matrix (5), and the electrodes of the mating electrodes respectively. Since it reaches the catalyst layer (not shown) and reacts therewith, the battery characteristics are deteriorated. However, in the present invention, as shown in FIG. 2, the electrolyte matrix (5A) is provided with the crossover prevention layer (9), so that it penetrates through the voids (12) of the first electrolyte matrix layer (10). Incoming fuel, eg hydrogen, and voids in the second electrolyte matrix layer (11)
The oxidant that permeates (12), for example oxygen, reacts on the catalyst surface of this crossover prevention layer (9). Therefore, the amount of the fuel reaching the oxidant electrode (6) or the amount of the oxidant reaching the fuel electrode (4) can be reduced, so that the decrease in the cell voltage due to the crossover can be reduced. Further, the fuel and the oxidant react on the catalyst surface of the crossover prevention layer (9) to form water, for example, as in the following formula: H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O , The volume is expanded by diluting the electrolyte, for example phosphoric acid. Therefore, since the void (12) is repaired by filling the void (12) of the electrolyte matrix (5A) causing the crossover with the electrolyte, the crossover itself can be stopped.
なお、クロスオーバ防止層(9)は、クロスオーバがない
場合には通常の電解質マトリックスとして機能するよう
に、電解質を保持しかつイオン導電性を持つ親水性の材
料から構成されており、内部抵抗の増大等電池特性に対
する影響は無視できる。The crossover prevention layer (9) is composed of a hydrophilic material that holds the electrolyte and has ionic conductivity so that it functions as a normal electrolyte matrix when there is no crossover, and has an internal resistance. The influence on the battery characteristics such as increase of battery power can be ignored.
なお、上記実施例では、クロスオーバ防止層(9)を電解
質マトリックス(5A)の中央に設けたものを示したが、こ
れを燃料電極(4)あるいは酸化剤電極(6)の近傍に設けて
もよい。In the above examples, the crossover prevention layer (9) was shown to be provided in the center of the electrolyte matrix (5A), but it is provided near the fuel electrode (4) or the oxidizer electrode (6). Good.
また、上記実施例では、ガス分離板(1)に反応流路すな
わち燃料流路(2)および酸化剤流路(3)を形成した場合に
ついて説明したが、電極基材にこの反応流路を形成した
いわゆるリブ付電極型の燃料電池であってもよい。Further, in the above embodiment, the case where the reaction channel, that is, the fuel channel (2) and the oxidant channel (3) are formed in the gas separation plate (1) has been described, but this reaction channel is formed in the electrode base material. It may be a so-called ribbed electrode type fuel cell formed.
また、上記実施例では燃料および酸化剤としてガス状の
ものを使用する場合について説明したが、メタノール等
の液体燃料を使用する燃料電池であってもよく、上記と
同様の効果を奏する。Further, in the above-mentioned embodiment, the case where a gaseous substance is used as the fuel and the oxidant has been described, but a fuel cell using a liquid fuel such as methanol may be used, and the same effect as the above is obtained.
この発明は以上説明したとおり、電解質マトリックスの
中に触媒微粉末、親水性微粉末、および結着剤から形成
されたクロスオーバ防止層を設けたので、クロスオーバ
の発生を防止して、燃料電池の特性が低下するのを軽減
できるとともに、長期間安定に運転できる信頼性の高い
燃料電池が得られる効果がある。As described above, according to the present invention, since the crossover preventing layer formed of the catalyst fine powder, the hydrophilic fine powder, and the binder is provided in the electrolyte matrix, the crossover is prevented from occurring and the fuel cell is prevented. It is possible to reduce the deterioration of the characteristics of (1) and obtain a highly reliable fuel cell that can be stably operated for a long time.
第１図はこの発明の一実施例を示す要部断面図、第２図
はこの発明の一実施例による動作の一例を示す要部断面
図、第３図は従来の燃料電池の要部断面図、第４図は電
解質マトリックス中に空隙が生じた場合における従来の
燃料電池の要部断面図である。 図において、(4)は燃料電極、(5A)は電解質マトリック
ス、(6)は酸化剤電極、(9)はクロスオーバ防止層、(10)
は第１の電解質マトリックス層、(11)は第２の電解質マ
トリックス層である。 なお、各図中、同一符号は同一または相当部分を示す。FIG. 1 is a cross-sectional view of an essential part showing an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view of an essential part showing an example of the operation according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a main-part sectional view of a conventional fuel cell. FIG. 4 and FIG. 4 are cross-sectional views of a main part of a conventional fuel cell when voids are formed in the electrolyte matrix. In the figure, (4) is a fuel electrode, (5A) is an electrolyte matrix, (6) is an oxidizer electrode, (9) is a crossover prevention layer, and (10).
Is a first electrolyte matrix layer, and (11) is a second electrolyte matrix layer. In each drawing, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts.
Claims (6)
質マトリックスと、この電解質マトリックスに隣接した
酸化剤電極とを積層した燃料電池であって、 前記電解質マトリックスの中に触媒微粉末、親水性微粉
末、および結着剤から形成されたクロスオーバ防止層を
設けたことを特徴とする燃料電池。1. A fuel cell in which a fuel electrode, an electrolyte matrix adjacent to the fuel electrode, and an oxidant electrode adjacent to the electrolyte matrix are laminated, wherein a catalyst fine powder and hydrophilicity are provided in the electrolyte matrix. A fuel cell comprising a crossover prevention layer formed of fine powder and a binder.
スの中央に設けられたことを特徴とする特許請求の範囲
第１項記載の燃料電池。2. The fuel cell according to claim 1, wherein the crossover prevention layer is provided in the center of the electrolyte matrix.
ス中で燃料電極または酸化剤電極の近傍に設けられたこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の燃料電池。3. The fuel cell according to claim 1, wherein the crossover prevention layer is provided near the fuel electrode or the oxidant electrode in the electrolyte matrix.
触媒、白金合金担持触媒、および白金担持カーボン触媒
からなる群から選ばれた少なくとも一種であることを特
徴とする特許請求の範囲第１項記載の燃料電池。4. The catalyst fine powder is at least one selected from the group consisting of platinum, platinum alloys, platinum-supported catalysts, platinum alloy-supported catalysts, and platinum-supported carbon catalysts. The fuel cell according to item 1.
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の燃料電
池。5. The fuel cell according to claim 1, wherein the hydrophilic fine powder is silicon carbide.
あることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の燃料
電池。6. The fuel cell according to claim 1, wherein the binder is polytetrafluoroethylene.
Priority Applications (1)
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| JP61088133A JPH0622144B2 (en) | 1986-04-18 | 1986-04-18 | Fuel cell |
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