JPH07296830A - ガス電極電池 - Google Patents

ガス電極電池

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JPH07296830A
JPH07296830A JP6089308A JP8930894A JPH07296830A JP H07296830 A JPH07296830 A JP H07296830A JP 6089308 A JP6089308 A JP 6089308A JP 8930894 A JP8930894 A JP 8930894A JP H07296830 A JPH07296830 A JP H07296830A
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gas
reaction gas
reaction
battery
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JP6089308A
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Yutaka Suzuki
豊 鈴木
Hidetoshi Karasawa
英年 唐澤
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8605—Porous electrodes
    • H01M4/861—Porous electrodes with a gradient in the porosity
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
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    • H01M8/0241—Composites
    • Y—GENERAL 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 電池内の温度差を低減したガス電極電池を提
供する。 【構成】 電解質を挟んでそれぞれ多孔性の正極ガス電
極(正極)と負極ガス電極(負極)とを対向配置し、正負各
電極の背面に正極反応ガス流路、負極反応ガス流路を有
するガス電極電池において、各電極を複数の区画の集合
体とする、即ち負極を負極反応ガス１２５の流れ方向に
直列に並ぶ複数区画１０１〜１０４から、正極を正極反
応ガス１２６の流れ方向に直列に並ぶ複数区画１３１〜
１３４から構成して、ガス流の下流になるほど、区画内
部に含み限界電流密度を決める細孔の形態(細孔の容積
比、孔径、孔長等)を、限界電流密度が大きくなるよう
変化させることにより、下流になるほど減少する反応ガ
ス流量による分極損失を低減させ、ジュール損失と反応
熱を増やすように構成した。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、反応ガスを使用するガ
ス電極電池に係り、特に電池内の温度差を低減するに好
適な構造を有するガス電極電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】ガス電極電池としての溶融炭酸塩型燃料
電池（以下ＭＣＦＣと略す）は、溶融炭酸塩の電解質を
挟んで正極、負極となるそれれぞれの多孔性のガス電極
（以下単に電極ともいう）が対向して配置され、正電
極、負電極の背面にそれぞれ正極反応ガスの流路、負極
反応ガスの流路を形成して構成されている。このように
構成されたＭＣＦＣでは、各電極面上の正極または負極
の反応ガスがその反応ガス流路に沿って減少するため
に、反応ガス流路に沿って分極損失が増加する。そして
分極損失の増加につれて、電極内で流れる電流が反応ガ
ス流路に沿って減少する。そのため、電極内において反
応熱とジュール損失の分布が生じ、電極内で温度差が発
生する。
【０００３】また、電極内において大気等の電池外部環
境に直接面している部分（以下、電極周辺部という）と
電極内において大気等の電池外部環境に直接面していな
い部分（以下、電極中心部という）では電池外部に対す
る放熱量が異なり、電極内に温度差を発生させる。更
に、反応ガスと電極間で熱交換が行われることにより、
反応ガス流路に沿って温度差が発生する。
【０００４】ところで、電池の運転温度には以下の制約
がある。まず、化学エネルギーを電気エネルギーへ変換
する効率（電池効率という）が高いことが要求される。
電池効率は、電解質の沸点まで電池温度に比例して上昇
する。しかし、温度が沸点に近づくにつれて電解質の蒸
発スピードが速くなるので、電池の経時劣化が早くな
る。ＭＣＦＣの場合、電池の寿命を５年とした場合の最
高の運転温度は７５０℃である。従って、電池効率向上
の観点から電極の最高温度を７５０℃にする必要があ
る。最高温度が７５０℃の場合、電池内温度差による電
池効率の低下を５％以下にするには、電極内の最低温度
を６５０℃以上にする必要がある。
【０００５】また、電極の劣化速度は温度の１乗と温度
の自然対数の積に比例する。電極内の最高温度が７５０
℃の場合、同一電極内において劣化が速い部分と劣化が
遅い部分の劣化速度の差を１０％以下とするには、電極
内の最低温度を６５０℃以上にする必要がある。
【０００６】従来の電池内温度差の低減技術は、第３３
会電池討論会要旨集、第２２３〜２２４頁に記載のよう
に以下のものである。図１４に従来の温度差低減法を示
す。温度差低減法は、積層電池の各セル（単電池）流れ
る反応ガスを、隣り合わせに積層された単電池間で互い
に対向する方向に流し、かつ反応ガスがその流路を通過
する間に消費される割合（利用率）を４０％以下とする
ものである。
【０００７】積層電池において、一つの単電池の反応ガ
ス１４０１の入口１４０３では、出口１４０４に比べて
分極損失の差で発生する発熱量が大きい。また、隣接す
る他の単電池の反応ガス１４０２の入口１４０７では出
口１４０６に比べて分極損失の差で発生する発熱量が大
きい。従って反応ガス１４０１と反応ガス１４０２を対
向する方向に流すことにより、ガス電極１４０５の高温
部とガス電極１４０８の低温部を対面させ、ガス電極１
４０５の低温部とガス電極１４０８の高温部を対面させ
る事により、ガス電極１４０５とガス電極１４０８の熱
交換により温度差を低減する。また、反応ガス１４０１
と反応ガス１４０２の利用率を４０％以下とすることに
より、分極損失の増加を抑制し、電流の差で発生する温
度差を低減していた。
【０００８】上記従来技術における電池内の温度差は約
８０℃で、電極全体を最高の運転温度で運転することが
不可能である。そのため、電池効率は最大の電池効率に
比べて約２％低下する。
【０００９】また、電極内におけるジュール損失による
発熱量の差で生ずる温度差を１００℃以下にするため、
反応ガスの利用率を５０％以下とする必要がある。反応
ガスの総量に対する反応ガスの消費率を向上させるため
に、反応ガスの残余分は再循環させている。反応ガスを
再循環させることにより、制御装置と、弁、配管、燃料
タンク、燃料を反応ガスへ改質するリフォーマ等よりな
る燃料供給装置と、電池と、熱交換機、ガスタービン、
蒸気タービン、吸熱冷凍器等よりなる廃熱利用装置とで
構成される電池システムが、反応ガスをワンスルーとし
た電池システムに比べて複雑かつ高価なものとなってい
た。
【００１０】更に、ＭＣＦＣの負極では反応ガスの酸素
を流すことで酸化による電極劣化が起る。電極劣化速度
を電池寿命から要求される許容値以下とするために、反
応ガス流量が制限される。従って、電極内における平均
の電流密度を一定とした場合、反応ガス流量と反応ガス
利用率とで、反応ガス流路方向への電池の大型化が制限
される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、電池
内における温度差を低減して電池効率の向上を図ったガ
ス電極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】上記目的を達成するため
に、本発明のガス電極電池は、電解質を挟んでそれぞれ
多孔性の負極ガス電極と正極ガス電極とを対向させて配
置し、負極ガス電極の背面に負極反応ガス流路を、正極
ガス電極の背面に正極反応ガス流路を有するガス電極電
池（第１の電池という）において、電池内の温度差を低
減する手段を設けたものである。
【００１３】第１の電池内の温度差を低減する手段は、
上記ガス電極電池において、負極ガス電極および正極ガ
ス電極の各電極を複数の区画の集合体とし、各区画単位
で内部に含み限界電流密度を決める細孔の形態を変化さ
せたことにより電池内の分極損失を低減することを特徴
とする。そして細孔の形態は、下流になるにしたがい減
少する各反応ガス流量に逆比例して、区画の限界電流密
度が増加するように変化させるとよい。この細孔の形態
とは、区画に対する細孔の容積率すなわち電解質含有
率、細孔長、細孔径、細孔径分布の標準偏差、細孔長お
よび細孔の屈曲率のうちのいずれか一つまたは複数の組
合せである。
【００１４】また、第１の電池内の温度差を低減する別
の手段は、上記ガス電極電池における負極反応ガス流路
を構成する複数の分流路、および正極反応ガス流路を構
成する複数の分流路にそれぞれ設けた流量調整手段であ
ることを特徴とする。
【００１５】そして分流路のうち外側に位置する分流路
（電池周辺部の分流路）の流量調整手段の流量を大きく
するのがよい。さらに流量調整手段と共に、各分流路に
沿う複数個所における温度を検出する温度センサと、各
温度センサの検出値を基に各流量調整手段を制御する制
御手段とを設けるのがよく、この制御手段は各温度セン
サからの検出値から各分流路における平均温度を算出
し、該平均温度の低い分流路に接続する流量調整手段を
増方向に作動させるものとする。
【００１６】また、上記目的を達成するために、本発明
の別のガス電極電池は、電解質を挟んでそれぞれ多孔性
の負極ガス電極と正極ガス電極とを対向させて配置し、
負極ガス電極の背面に負極反応ガス流路を、正極ガス電
極の背面に吸熱反応を伴う正極反応ガス流路を有し、正
極反応ガス流路内に反応ガスの吸熱反応を加速する触媒
を装填したガス電極電池（第２の電池という）におい
て、この触媒を正極反応ガス流路内に空間的に異なる濃
度で装填したことを特徴とする。この触媒は正極反応ガ
ス流路の下流になるにしたがい減少する正極反応ガス流
量に逆比例して濃度をあげて装填するのがよい。
【００１７】さらに、上記目的を達成するために、本発
明の積層ガス電極電池は、電解質を挟んでそれぞれ多孔
性の負極ガス電極と正極ガス電極とを対向させて配置
し、負極ガス電極の背面に負極反応ガス流路を、正極ガ
ス電極の背面に正極反応ガス流路を有するガス電極電池
の複数を順次に積層してなる積層ガス電極電池におい
て、隣接する２つのうちの一方のガス電極電池の正極反
応ガス流路と他方のガス電極電池の負極ガス流路との間
の隔壁の温度を平均化するために、この隔壁を複数の区
画の集合体から構成し、区画単位で熱伝達係数の異なる
材料を用いて構成することを特徴とする。
【００１８】さらに積層ガス電極電池において、ａ）負
極ガス電極および正極ガス電極の各電極を複数の区画の
集合体として、電池内の分極損失を低減するするように
各区画単位で内部に含む細孔の形態を変化させて構成す
る、ｂ）各流路の分流路に供給する反応ガス流量をそれ
ぞれ可変とする流量調整手段を設けて構成する、ｃ）こ
の触媒を正極反応ガス流路内に空間的に異なる濃度で装
填したことにより流路の温度を平均化合するように構成
する、および、ｄ）隣接する２つのうちの一方のガス電
極電池の正極反応ガス流路と他方のガス電極電池の負極
ガス流路との間の隔壁を複数の区画の集合体とし、区画
単位で熱伝達係数の異なる材料を用いて隔壁の温度を平
均化するように構成することの４項目から、２項目以上
を用いて構成するのが好ましい。
【００１９】
【作用】まず、電極内の分極損失を電極が区画されてな
る小領域（区画単位）毎に変化させることにより、電極
内の温度差の低減する手段を（１）〜（３）式を用いて
説明する。
【００２０】電池電圧は（１）式で示される。
【００２１】
【数１】
【００２２】ここで、Ｅは電池電圧を、Ｅ0は理論電圧
を、ｄＥは電圧損失を表す。ｄＥは（２）式で示され
る。
【００２３】
【数２】
【００２４】ここで、ｋｂはボルツマン定数、Ｔは電極
温度、Ｆはファラデー定数、ｉは電池電流、ｉＬは限界
電流密度、ｘは反応ガスの利用率、ｆは反応ガス流量、
ｉ0は交換電流密度（電極反応の速度定数）、Ｒは電極
の電気抵抗を表す。（２）式の第一項は分極による電圧
損失を表し、第２項はジュール損失による電圧損失を表
す。
【００２５】電池定常運転時においては、同一電極面内
における電圧損失が等しくなる。分極損失が増加するこ
とによって、電流が減少し反応熱とジュール損失が減少
する。（２）式の第一項に示したように、分極損失は、
限界電流密度ｉＬが大きくなると減少し、限界電流密度
ｉＬが小さくなると増加する。また、分極損失は、反応
ガス利用率ｘの増／減につれて増／減し、逆に反応ガス
流量ｆの増／減につれて減／増する。
【００２６】ところで限界電流密度ｉＬは、多孔性のガ
ス電極の細孔中における電解質含浸率と、細孔径と、細
孔径分布と、細孔長と、細孔の屈曲率（以下、細孔中に
おける電解質含浸率、細孔径、細孔径分布、細孔長、細
孔の屈曲率を一括して細孔物性と表す）と電極温度に依
存する。
【００２７】図６に限界電流密度の電解質含浸率に対す
る依存性を示し、図７に限界電流密度の細孔径に対する
依存性を、図８には限界電流密度が最大となる細孔径の
温度依存性を、図９に限界電流密度の細孔径分布標準偏
差に対する依存性を、図１０に限界電流密度が最大値の
９５％となる細孔径分布標準偏差の温度依存性を、図１
１に限界電流密度の細孔長に対する依存性を、図１２に
限界電流密度が最大値の９５％となる細孔長の温度依存
性を、また図１３に限界電流密度の細孔の屈曲率に対す
る依存性を示す。
【００２８】細孔物性をガス電極内で区画されてなる小
領域（区画単位）毎に変化させることで、（３）式を満
たすように限界電流密度を反応ガス流路に沿って変化さ
せて、反応ガス濃度の減少による分極損失の増加を補償
し、電極面内における電流密度の領域的な分布を減少さ
せ、反応熱とジュール損失で発生する電極内の温度差を
低減する。
【００２９】
【数３】
【００３０】ここで、ｉＬ(ｍ)は反応ガス入口からの距
離がｍの点（ｍ点）における限界電流密度、ｘ(ｍ)はｍ
点における反応ガスの利用率、ｉは電流密度、ｉＬ(ｎ)
は反応ガス入口からの距離がｎの点（ｎ点）における限
界電流密度、ｘ（ｎ）はｎ点における反応ガスの利用
率、ｆは反応ガスの流量を表す。ただしｍ≠ｎ。
【００３１】次に、反応ガス流量の電極内における分布
を制御する手段による電極内の温度差の低減手段を
（４）式と（５）式を用いて説明する。電極中心部と電
極周辺部等の反応ガス流路間で電極の平均温度が異なる
場合、（４）式と（５）式を満たすように平均電極温度
が低い反応ガス流路における反応ガス流量を増加させる
ように反応ガス流量を制御することによって、電極の平
均温度が低い反応ガス流路における分極損失を減少さ
せ、電池低温部の反応熱とジュール損失を上昇させて、
流路間の電極平均温度差を低減する。
【００３２】
【数４】
【００３３】ここで、ｋｂはボルツマン定数、Ｔは電極
の平均温度、Ｆはファラデー定数、Ｉ1は電極平均温度
が低かった反応ガス流路における電極の平均電流を、ｉ
Ｌ1は電極平均温度が低かった反応ガス流路における電
極の限界電流密度を、ｆ1は電極平均温度が低かった反
応流路における反応ガスの流量を、ｉ0は交換電流密度
を、Ｉ2は電極平均温度が高かった反応ガス流路におけ
る電極の平均電流を、ｉＬ2は電極平均温度が高かった
反応流路における電極の限界電流密度を、ｆ2は電極平
均温度が高かった反応流路における反応ガスの流量を表
す。
【００３４】
【数５】
【００３５】ここで、Ｃ1は電極平均温度差低減前の電
極平均温度が低かった反応流路における電極の比熱を、
Ｔ1は電極平均温度差低減後の電極平均温度が低かった
反応流路における電極の平均温度を、Ｔ2は電極平均温
度差低減後の電極平均温度が高かった反応流路における
電極の平均温度を、Ｒは電極の電気抵抗を、ｋHは電流
に比例して発生する反応熱の係数を表す。
【００３６】次に、吸熱反応を伴う反応ガスの吸熱反応
量を、電極が区画されてなる小領域（区画単位）毎に変
化させることにより、電極内の温度差を低減する手段を
（６）〜（１１）式を用いて説明する。
【００３７】反応ガスと電極間の熱交換と反応ガスの吸
熱による反応ガスの温度変化量は、（６）式で示され
る。
【００３８】
【数６】
【００３９】ここで、ｄＴFA（ｚ）は反応ガス入口から
の距離がｚの点（ｚ点）における反応ガスの温度変化
を、ＨAF（ｚ）はｚ点における反応ガスと電極間の熱交
換量を、ＨR（ｚ）はｚ点における反応ガスの吸熱量
を、ＣFA（ｚ）はｚ点における反応ガスの比熱を、ＦC
（ｚ）はｚ点における反応ガスの流量を表す。
【００４０】吸熱量ＨR（ｚ）は（７）式で示される。
【００４１】
【数７】
【００４２】ここで、ｋRは吸熱反応の反応速度定数と
単位反応量における吸熱量の積を、ＣR（ｚ）は反応ガ
ス入口からの距離がｚの点（ｚ点）における吸熱反応を
加速する触媒の濃度を、ＴFA（ｚ）はｚ点における反応
ガスの温度を、ｆA（ｉ，ｚ）はｚ点における反応化学
種ｉの濃度を、ｍ（ｉ）はｚ点における反応化学種ｉの
反応次数を表す。
【００４３】反応ガスと電極間の熱交換量ＨAF（ｚ）は
（８）式で示される。
【００４４】
【数８】
【００４５】ここで、ｋAFは電極と反応ガス間の熱伝達
係数を、ＴA（ｚ）は反応ガス入口からの距離がｚの点
（ｚ点）における電極の温度を、ｆA（ｚ）はｚ点にお
ける反応ガスの流量を、Ｉ（ｚ）はｚ点における電流
を、Ｃ（ｉ）は電極中の反応に伴って消費される化学種
ｉの比熱を、ｎ（ｉ）は電極中の反応に伴って消費され
る化学種ｉの価数を、ｅは電気素量を、Ｎａはアボガド
ロ数を、Ｃ（ｊ）は電極中の反応に伴って生成される化
学種ｉの比熱を、ｎ（ｊ）は電極中の反応に伴って消費
される化学種ｉの価数を表す。
【００４６】反応ガスと電極間の熱交換による電極の温
度変化は（９）式で示される。
【００４７】
【数９】
【００４８】ここで、ｄＴA（ｚ）は反応ガス入口から
の距離がｚの点（ｚ点）における電極の温度変化を、Ｈ
A（ｚ）はｚ点における電極内反応に伴う発熱量を、ＣA
（ｚ）はｚ点における電極の比熱を表す。
【００４９】反応に伴う発熱量ＨA（ｚ）は（１０）式
で示される。
【００５０】
【数１０】
【００５１】ここで、Ｒは電極の電気抵抗を、ｋAは電
流に比例して発生する反応熱の係数を表す。
【００５２】電極における反応で発生する熱を反応ガス
の吸熱反応で吸収することによって、即ち、反応ガス流
路に沿って（１１）式で示される条件を満たすように電
極と反応ガス間の熱交換を行い、かつ、反応ガスの吸熱
反応を加速する触媒の濃度を空間的に変化させて配置す
ることによって、反応ガスと電極間の熱交換による電極
の温度変化を低減する。
【００５３】
【数１１】
【００５４】次に、積層ガス電極電池において、隣接す
る２つのうちの一方のガス電極電池の正極ガス電極と、
他方のガス電極電池の負極電極との間の電極間の熱交換
量を空間的に変化させることにより電極内の温度差を低
減する手段を（７）〜（１０）式と（１２）〜（１９）
式を用いて説明する。
【００５５】吸熱反応を伴う反応ガス（Ａ極反応ガスと
いう）を流している電極を以下でＡ極と称し、吸熱反応
を伴わない反応ガス（Ｃ極反応ガスという）を流してい
る電極を以下でＣ極と称す。なお、Ａ極は正極、Ｃ極は
負極である。
【００５６】Ｃ極反応ガスとＣ極間の熱交換と、Ｃ極反
応ガスとＡ極反応ガスの熱交換によるＣ極反応ガスの温
度変化は（１２）式で示される。
【００５７】
【数１２】
【００５８】ここで、ｄＴFC（ｚC）はＣ極反応ガス入
口からの距離がｚCの点（ｚC点）におけるＣ極反応ガス
の温度変化を、ＨFC（ｚC）はｚC点におけるＣ極反応ガ
スとＣ極間の熱交換量を、ＨCA（ｚC）はｚC点における
Ｃ極反応ガスとＡ極反応ガスの熱交換量を、ＣC（ｚC）
はｚC点におけるＣ極反応ガスの比熱を、ＦC（ｚC）は
ｚC点におけるＣ極反応ガスの流量を表す。
【００５９】Ｃ極反応ガスとＣ極間の熱交換量ＨFC（ｚ
C）は（１３）式で示される。
【００６０】
【数１３】
【００６１】ここで、ｋCFは電極と反応ガス間の熱伝達
係数を、ＴC（ｚC）はＣ極反応ガス入口からの距離がｚ
Cの点（ｚC点）における電極の温度を、ＴFC（ｚC）は
ｚC点におけるＣ極反応ガスの温度を、ｆC（ｚC）はｚC
点におけるＣ極反応ガスの流量を、Ｉ（ｚC）はｚC点に
おけるＣ極の電流を、ＣC（ｉ）はＣ極中の反応に伴っ
て消費される化学種ｉの比熱を、ｎC（ｉ）はＣ極中の
反応に伴って消費される化学種ｉの価数を、ｅは電気素
量を、Ｎａはアボガドロ数を、ＣC（ｊ）はＣ極中の反
応に伴って生成される化学種ｉの比熱を、ｎC（ｊ）は
Ｃ極中の反応に伴って消費される化学種ｉの価数を表
す。
【００６２】Ｃ極反応ガスとＡ極反応ガスとの熱交換量
ＨCA（ｚC)は（１４）式で示される。
【００６３】
【数１４】
【００６４】ここで、ｋCAはＡ極とＣ極の熱交換量を、
ｆA（ｚC）はＣ極反応ガス入口からの距離がｚCの点に
対応する、Ａ極反応ガス流路の点におけるＡ極反応ガス
の流量を表す。
【００６５】Ｃ極のＣ極反応ガスとの熱交換による温度
変化は（１５）式で示される。
【００６６】
【数１５】
【００６７】ここで、ｄＴC（ｚC）はＣ極反応ガス入口
からの距離がｚCの点（ｚC点）におけるＣ極の温度変化
を、ＨC（ｚC）はｚC点におけるＣ極における反応に伴
う発熱量を、ＣC（ｚC）はｚC点におけるＣ極の比熱を
表す。
【００６８】Ｃ極における反応に伴う発熱量ＨC（ｚC）
は（１６）式で示される。
【００６９】
【数１６】
【００７０】ここで、ＲはＣ極の電気抵抗を、ｋCは電
流に比例して発生する反応熱の係数を表す。
【００７１】Ａ極反応ガスの温度変化は（１７）式で示
される。
【００７２】
【数１７】
【００７３】ここで、ｄＴFA（ｚC）はＣ極反応ガス入
口からの距離がｚCの点（ｚC点）に対応する、Ａ極反応
ガス流路の点（ｚC対応点）におけるＡ極反応ガスの温
度変化を表し、またＨAF（ｚC）はｚC対応点におけるＡ
極反応ガスとＡ極との熱交換量を、ＨR（ｚC）はｚC対
応点におけるＡ極反応ガスの吸熱反応に伴う吸熱量を、
ＣA（ｚC）はｚC対応点におけるＡ極の比熱を、ｆA（ｚ
C）はｚC対応点におけるＡ極反応ガスの流量を表す。ｚ
C対応点におけるＡ極反応ガスとＡ極との熱交換量ＨAF
（ｚC）は（８）式で示される。ｚC対応点におけるＡ極
反応ガスの吸熱反応に伴う吸熱量ＨR（ｚC）は（７）式
で示される。
【００７４】また、ｚC対応点におけるＡ極の温度変化
ｄＴA（ｚC）は（９）式で示される。Ｃ極反応ガス入口
からの距離がｚCの点におけるＡ極における反応に伴う
発熱量ＨA（ｚC）は（１０）式で示される。
【００７５】Ｃ極反応熱をＣ極反応ガスを介してＡ極反
応ガスへ伝達すること、即ち（１８）式を満たすように
Ｃ極とＣ極反応ガスの熱交換量と、Ｃ極反応ガスとＡ極
反応ガスの熱交換量を空間的に変化させることと、Ａ極
からＡ極反応ガスへ伝達されるＡ極反応熱とＣ極からＡ
極反応ガスへ伝達されたＣ極反応熱を、Ａ極反応ガスの
吸熱反応で吸熱すること、即ち反応ガス流路に沿って
（１９）式で示される条件を満たすようにＡ極とＡ極反
応ガス間の熱交換を行い、かつ、Ａ極反応ガスの吸熱反
応を加速する触媒の濃度を空間的に変化させて配置する
ことによって、電極の温度変化を低減する。
【００７６】
【数１８】
【００７７】
【数１９】
【００７８】
【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。電池の電
流密度を１５０［ｍＡ／ｃｍ2］、反応ガスの利用率を
９５％、反応ガス流路方向への電極面積が１×１
［ｍ2］の場合の電池の平均温度が７００℃のＭＣＦＣ
において、分極損失の分布と、電極周辺部における放熱
と、反応ガスと電極間の熱交換によって発生した温度分
布を、電極内における分極損失と反応ガスの吸熱反応量
と電極間の熱交換量とを空間的に変化させ、また電極内
における反応ガスの流量を制御することにより低減した
実施例を図１から図４を使って説明する。なお、上記の
空間的に変化させるとは、電極が区画されてなる小領域
（区画単位）毎に変化させることを意味する。
【００７９】図１は、ガス電極単電池を複数積層して構
成した積層電池の縦断面図である。この積層電池は、図
中の上下方向に積層されたガス電極単電池１５１、１５
２，……１５３からなる。ただし図１において、図を簡
略化してガス電極単電池１５２と１５３の間にある適宜
個数のガス電極単電池を省略している。各ガス電極単電
池は、電解質を含浸した板状の電解質保持体を挾んで、
一方側に電解質保持体から順次に負極ガス電極、負極反
応ガス流路および隔壁兼熱伝達板が配置され、他方側に
電解質保持体から順次に正極ガス電極、正極反応ガス流
路、改質触媒および別の隔壁兼熱伝達板が配置されて構
成されている。なお改質触媒は供給された燃料ガスから
正極反応ガスを生成するもので、正極反応ガス流路に装
填されている。
【００８０】ガス電極単電池(以下単電池と略す)１５１
は、電解質保持体１４８を挟んで、図中で上側に構成区
画１０１、１０２、１０３、１０４からなる負極ガス電
極と、負極反応ガス１２５の流路と、この流路と電池外
部との隔壁１４３とが配置され、そして下側には構成区
画１０５、１０６、１０７、１０８からなる正極ガス電
極と、正極ガス１２６の流路と、構成区画１３１、１３
２、１３３、１３４からなる改質触媒としての吸熱反応
加速触媒と、隔壁兼熱伝達板１４４とが配置されて、構
成されている。負極ガス電極、正極ガス電極および吸熱
反応加速触媒は、図示のように負極反応ガス１２５の流
路方向に区画されているが、さらに流路と直角方向にも
区画されており、それについては図２，４，５により後
に説明する。
【００８１】同様にして、単電池１５２は、電解質保持
体１４９と、構成区画１０９、１１０、１１１、１１２
からなる負極ガス電極と、負極反応ガス１２７の流路
と、隔壁１４４と、構成区画１１３、１１４、１１５、
１１６からなる正極ガス電極と、正極反応ガス１２８の
流路と、この流路中の構成区画１３５、１３６、１３
７、１３８からなる改質反応加速触媒と、隔壁１４５と
から構成されている。また、単電池１５３は、電解質１
５０と、構成区画１１７、１１８、１１９、１２０から
なる負極ガス電極と、負極反応ガス１２９の流路と、隔
壁１４６と、構成区画１２１、１２２、１２３、１２４
からなる正極ガス電極と、正極反応ガス１３０の流路
と、この流路中の構成区画１３９、１４０、１４１、１
４２からなる改質反応加速触媒と、この流路と電池外部
間の隔壁１４７等とから構成されている。
【００８２】ガス電極としては、Ｎｉまたは酸化Ｎｉか
らなる多孔体、あるいはＭｇまたは酸化Ｍｇからなる多
孔体、あるいはＡｌまたは酸化Ａｌからなる多孔体、あ
るいはＬｉまたは酸化Ｌｉ多孔体、あるいはＣｒまたは
酸化Ｃｒからなる多孔体、あるいはＮｉ、Ｍｇ、Ａｌ、
Ｌｉ、Ｃｒおよびそれら各金属の酸化物の中の２つ以上
の構成成分よりなる多孔体を用いる。
【００８３】改質反応加速触媒としては、Ｔｉ、Ｖ、Ｎ
ｉ、ＰｔおよびＲｈのいずれか１種、あるいはそれら金
属のうちの２種以上からなる合金を用いる。負極反応ガ
スまたは正極反応ガスの流路と電池外部との隔壁兼熱伝
達板としては、金属、セラミックスあるいはそれらの組
合せを用いる。電解質としては、Ｌｉ炭酸塩、Ｋ炭酸塩
あるいはＬｉ炭酸塩とＫ炭酸塩の混合物を用いる。
【００８４】負極反応ガスとして酸素を、正極反応ガス
として水素を供給し、負極反応ガスと正極反応ガスの電
気化学反応により発電を行う。なお、負極反応ガスの酸
素を供給するに際し、負極反応ガスの流路に空気を流し
て空気中の酸素を利用しても良い。また、正極反応ガス
を供給するに際し、水素生成過程で混入する一酸化炭
素、二酸化炭素、水蒸気、炭化水素ガスを同時に流して
も良い。
【００８５】図２は図１のII-II断面図で、負極反応ガ
ス１２５と接する単電池１５１の負極ガス電極面と負極
反応ガスの流れを示す図である。単電池１５１の負極
は、負極ガス電極２０１と、負極ガス電極２０１に供給
する負極反応ガス１２５を貯える負極反応ガスタンク２
２３と、負極反応ガスの流量を調整する複数の流量弁２
０３〜２０７と、負極ガス電極２０１の温度を測定する
多数の温度センサ２０７〜２２２と、温度センサの測定
値を基に負極反応ガスの流量を制御する制御装置２０２
とから構成されている。
【００８６】板状の負極ガス電極２０１は、平行に流れ
る４パスの負極反応ガス１２５ａ〜１２５ｄに接するよ
うに区画され、かつ流路方向にも区画されている。すな
わち、負極ガス電極２０１は、負極反応ガス１２５ａの
流れに沿って直列して配置された負極ガス電極の構成区
画１０１ａ、１０２ａ、１０３ａ、１０４ａと、同様に
負極反応ガス１２５ｂの流れに沿う構成区画１０１ｂ、
１０２ｂ、１０３ｂ、１０４ｂと、負極反応ガス１２５
ｃの流れに沿う構成区画１０１ｃ、１０２ｃ、１０３
ｃ、１０４ｃと、負極反応ガス１２５ｄの流れに沿う構
成区画１０１ｄ、１０２ｄ、１０３ｄ、１０４ｄとから
構成されている。
【００８７】負極反応ガス１２５ａ〜１２５ｄの流路
は、負極反応ガスを電池外部と隔てる隔壁２３４、２３
８と、各流路を隔てる隔壁２３５、２３６、２３７とに
よって形成されている。負極反応ガス１２５は、負極反
応ガスタンク２２３から配管２２４に接続され互いに並
列配置された４つの流調弁２０３、２０４、２０５、２
０６を通して流れ、そして流調弁２０３〜２０６にそれ
ぞれ接続する配管２２６、２２７、２２８、２２９を通
じて、負極反応ガス１２５ａ〜１２５ｄの４パス流れと
して負極ガス電極２０１に供給される。
【００８８】負極ガス電極２０１の構成区画それぞれに
は温度センサが設置されている。即ち、４パスの負極反
応ガス１２５ａ〜１２５ｄの各入口側にある構成区画１
０１ａ〜１０１ｄには温度センサ２０７、２０８、２０
９、２１０がそれぞれ設置され、そして各入口から２番
目の構成区画１０２ａ〜１０２ｄには温度センサ２１
１、２１２、２１３、２１４が、また各入口から３番目
の構成区画１０３ａ〜１０３ｄには温度センサ２１５、
２１６、２１７、２１８が、さらに出口側にある構成区
画１０４ａ〜１０４ｄには温度センサ２１９、２２０、
２２１、２２２が設置されており、これら温度センサ２
０７〜２２２からそれぞれ制御装置２０２へ信号線２３
９を介して温度データが送信される。そして制御装置２
０２は温度センサからの温度データを基に流調弁２０
３、２０４、２０５、２０６それぞれを制御する。なお
符号２２５は、制御装置２０２から各流量弁２０３〜２
０６に接続する制御線である。
【００８９】温度センサとしては熱伝対を、制御装置と
してはＰＩＤ制御装置またはコンピュータ、あるいはそ
れらの組合せを用いる。電池運転条件が一定で同一流量
時における温度差が同一となる場合は温度センサは勿論
設けなくとも良い。また負極反応ガスタンクにブロワ、
コンプレッサを設けてもよい。
【００９０】図４は、図１のIV−IV断面図で、ガス電極
電池１５１の正極ガス電極４０１の構成区画を示す図で
ある。正極ガス電極４０１は、図２に示す負極ガス電極
２０１とは電解質保持体１４８を挟んで対向しており、
負極ガス電極２０１の各構成区画に対応する正極ガス電
極の構成区画を有して構成されている。図中で鎖線で示
す正極反応ガス１２６ａ，１２６ｂ，１２６ｃ，１２６
ｄはそれぞれ図２に示す負極反応ガス１２５ａ，１２５
ｂ，１２５ｃ，１２５ｄに対応して流れを形成する。
【００９１】板状の正極ガス電極４０１は、平行に流れ
る４パスの正極反応ガス１２６ａ〜１２６ｄそれぞれに
接するように区画され、かつ流路方向にも区画されてい
る。負極ガス電極４０１は、正極反応ガス１２６ａの流
れに沿って直列配置された正極ガス電極の構成区画１０
５ａ、１０６ａ、１０７ａ、１０８ａと、同様に正極反
応ガス１２６ｂの流れに沿う構成区画１０５ｂ、１０６
ｂ、１０７ｂ、１０８ｂと、正極反応ガス１２６ｃの流
れに沿う構成区画１０５ｃ、１０６ｃ、１０７ｃ、１０
８ｃと、正極反応ガス１２６ｄの流れに沿う構成区画１
０５ｄ、１０６ｄ、１０７ｄ、１０８ｄとから構成され
ている。
【００９２】構成区画１０５ａ〜１０８ａは電池外部と
隔壁４２３で隔てられ、そして構成区画１０５ａ〜１０
８ａ、構成区画１０５ｂ〜１０８ｂ、構成区画１０５ｃ
〜１０８ｃおよび構成区画１０５ｄ〜１０８ｄの各区画
群間はそれぞれ隔壁４２４，４２５，４２６により区画
されており、また構成区画１０５ｄ〜１０８ｄは電池外
部と隔壁４２７で隔てられている。
【００９３】正極ガス電極４０１の構成区画それぞれに
は温度センサが設置されている。即ち、４パスの正極反
応ガス１２６ａ〜１２６ｄの各入口側にある構成区画１
０５ａ〜１０５ｄには温度センサ４０６、４０７、４０
８、４０９がそれぞれ設置され、そして各入口から２番
目の構成区画１０６ａ〜１０６ｄには温度センサ４１
０、４１１、４１２、４１３が、また各入口から３番目
の構成区画１０７ａ〜１０７ｄには温度センサ４１４、
４１５、４１６、４１７が、さらに出口側にある構成区
画１０８ａ〜１０８ｄには温度センサ４１８、４１９、
４２０、４２１が設置されており、温度センサ４０６〜
４２１それぞれの検出値は信号線４２２を介して制御装
置４０４に送信される。なお制御装置４０４については
後述する。
【００９４】図５は図１のV−V断面図で、単電池１５１
の正極反応ガスの流路とそれら流路に装填された吸熱反
応加速触媒を示す図である。正極反応ガスの流路は、正
極反応ガス１２６ａ、１２６ｂ、１２６ｃ、１２６ｄを
それぞれ平行に流れるように隔壁により分割されてい
る。正極反応ガス１２６ａの流路と電池外部とは隔壁５
３２で隔てられ、そして正極反応ガス１２６ａ〜１２６
ｄの４つの流路は隔壁５３３、５３４、５３５により区
画され、また正極反応ガス１２６ｄの流路と電池外部間
は隔壁５３６により隔てられている。
【００９５】正極反応ガス１２６ａ、１２６ｂ、１２６
ｃ、１２６ｄは、正極反応ガス供給装置５０５から配管
５４１を通じて、並列接続された流調弁５３７、５３
８、５３９、５４０を介し、配管５４２、５４３、５４
４、５４５を通じて単電池１５１内の各正極反応ガスの
流路に供給される。そして正極反応ガス１２６ａ〜１２
６ｄそれぞれの流量は、制御装置４０４から制御ライン
５４６を通じて流調弁５３７、５３８、５３９、５４０
に出される信号により制御される。制御装置４０４は、
図４で説明したように、正極ガス電極の構成区画に設置
された温度センサ４０６〜４２１からの温度データを基
に流調弁５３７〜５４０をそれぞれ制御することにな
る。
【００９６】吸熱反応加速触媒５０２は、正極反応ガス
１２６ａ〜１２６ｄの流路に分布して装填されると共
に、各流路に沿って画された区画ごと分布して装填され
る。ここで、各区画に装填される吸熱反応加速触媒を吸
熱反応加速触媒の構成区画と称して表すことにする。正
極反応ガス１２６ａ流路に沿う吸熱反応加速触媒は構成
区画１３１ａ、１３２ａ、１３３ａ、１３４ａから構成
され、また正極反応ガス１２６ｂの流路に沿う吸熱反応
加速触媒は構成区画１３１ｂ、１３２ｂ、１３３ｂ、１
３４ｂから、また正極反応ガス１２６ｃの流路に沿う吸
熱反応加速触媒は構成区画１３１ｃ、１３２ｃ、１３３
ｃ、１３４ｃから、さらに正極反応ガス１２６ｄの流路
に沿う吸熱反応加速触媒１３１ｄ、１３２ｄ、１３３
ｄ、１３４ｄから構成されている。
【００９７】正極反応ガス供給装置としては、炭化水素
と水蒸気から水素を生成するリフォーマ、あるいは水素
ガスボンベ、あるいは電気分解による水素生成装置、あ
るいはそれらの組合せを用いる。電池運転条件が一定で
同一流量時における電池内の温度差が同一となる場合は
温度センサは設けなくとも良い。
【００９８】まず、反応ガス流路に沿った限界電流密度
の空間分布の調整について説明する。代表例として図２
に示す負極反応ガス１２５ｂの流路における負極ガス電
極の構成区画１０１ｂ、１０２ｂ、１０３ｂ、１０４ｂ
の限界電流密度空間分布調整過程を示す。
【００９９】構成区画１０４ｂにおける限界電流密度を
２．２［Ａ／ｃｍ2］とする。反応ガス利用率と電流密
度と電極面積で決定される負極反応ガスの流量は０．０
１２［ｍｏｌ／ｓ］である。負極反応ガス流量と、反応
ガスの利用率から、構成区画１０１ｂの限界電流密度は
（３）式で１．２［Ａ／ｃｍ2］と決定される。構成区
画１０２ｂの限界電流密度は、（３）式で１．５［Ａ／
ｃｍ2］と決定される。構成区画１０３ｂの限界電流密
度は、（３）式で１．８［Ａ／ｃｍ2］と決定される。
【０１００】構成区画１０１ｂの限界電流密度を１．２
［Ａ／ｃｍ2］とするために、電解質含浸率を０．６、
細孔径を７［μｍ］、細孔径分布標準偏差を５［μ
ｍ］、細孔長を５００［μｍ］、細孔屈曲率を１とす
る。また構成区画１０２ｂの限界電流密度を１．５［Ａ
／ｃｍ2］とするためには、電解質含浸率を０．６、細
孔径を５［μｍ］、細孔径分布標準偏差を５［μｍ］、
細孔長を５００［μｍ］、細孔屈曲率を１とする。構成
区画１０３ｂの限界電流密度を１．８［Ａ／ｃｍ2］と
するためには、電解質含浸率を０．６、細孔径を３［μ
ｍ］、細孔径分布標準偏差を５［μｍ］、細孔長を５０
０［μｍ］、細孔屈曲率を１とする。さらに構成区画１
０４ｂの限界電流密度を２．２［Ａ／ｃｍ2］とするた
めには、電解質含浸率を０．６、細孔径を１［μｍ］、
細孔径分布標準偏差を２［μｍ］、細孔長を５００［μ
ｍ］、細孔屈曲率を１とする。
【０１０１】電解質含浸率は、初期に電極へ含浸させる
電解質の量で調整する。細孔径と細孔径分布標準偏差と
細孔長と細孔屈曲率は、焼成圧力、焼成温度、バインダ
の添加量、材料微粒子の粒径、増孔剤を変化させて多孔
体を焼成することによりコントロールする。また正極ガ
ス電極または負極ガス電極の構成区画の結合は、構成区
画間にバインダを配して焼成することにより行う。ま
た、構成区画を収める容器の中に構成区画を配しても良
い。
【０１０２】また、ガス電極における限界電流密度の空
間的な調整は、一つのガス電極中の細孔物性を変化させ
ることによって行っても良い。更に、各構成区画中で細
孔物性を変化させることで限界電流密度の空間的な分布
を調整しても良い。
【０１０３】次に、電池外部環境と接しない部分である
ガス電極中心部と、電池外部環境と接する部分であるガ
ス電極周辺部の反応ガス流量の制御による電極内温度差
低減について説明する。図３は反応気体流量の制御によ
る温度差を低減するステップのフローチャートを示す。
このフローチャートにしたがい、運転継続を判断するス
テップ３０１において、電池の運転時間が設定値以下、
あるいは電池温度が正常運転範囲７５０℃から６５０℃
の範囲にあるかどうかを判断する。運転を継続する場
合、ステップ３０２において電池温度を測定する。電池
内温度差が許容値以下の場合、運転継続を判断するステ
ップ３０１に戻る。電池内温度差が許容値以上の場合、
ステップ３０４における流量変更をし、その後に運転継
続を判断するステップ３０１に戻る。
【０１０４】本実施例における運転条件においては、電
極中心部と電極周辺部で、電池外部に対する放熱量の差
で、電極平均温度が約３０℃異なる。温度差を補償する
ための電極周辺部の電流密度は、(５)式から０．１６
［Ａ／ｃｍ2］と求められる。従って電極周辺部の反応
ガス流量を(４)式で決定される値０.０１２６［ｍｏｌ
／ｓ］へ変更することによって電極周辺部と電極中心部
の平均電極温度が等しくなる。
【０１０５】次に、一つの単電池において正極吸熱反応
に影響される正極と、その正極に隣接する他の単電池に
おける負極との間の熱伝達による電極内温度差の低減に
ついて説明する。本実施例における正極発熱量は、２１
００［Ｗ］で、負極発熱量は、２８０［Ｗ］である。正
極内における天然ガス流量を０．００３［ｍｏｌ／ｓ］
とすることで、改質反応に伴う吸熱量を２３８０［Ｗ］
とする。
【０１０６】本実施例においては、分極損失が電極内で
均一化されている。従って、改質反応量は反応ガスの進
行距離と比例させれば良い。改質反応は、天然ガス流量
にほぼ比例するので、触媒表面積が以下の値となるよう
に触媒を配置し、天然ガス流量の減少による改質反応速
度の低下を補償する。
【０１０７】ＣR(１)＝１．３［ｍ2］、ＣR(２)＝１．
８［ｍ2］、ＣR(３)＝３．０［ｍ2］、ＣR(４)＝６．７
［ｍ2］ ここでＣR(１)は図１において正極反応ガス入口に最も
近い構成区画に配された吸熱反応加速触媒の表面積を表
し、そしてＣR(２)、ＣR(３)、ＣR(４)はそれぞれ図１
中において正極反応ガス入口に２番目、３番目、４番目
に近い構成区画に配された吸熱反応加速触媒の表面積を
表す。
【０１０８】ガス電極負極の構成区画の材料として酸化
Ｎｉ等の金属酸化物多孔体を用いた場合、構成区画とガ
スとの熱伝達係数は約４．５［Ｊ／(ｍｏｌ・ｓ・Ｋ・ｍ2・
ｓ)］である。負極反応ガスの温度を６４０［Ｋ］とす
ることにより、負極から負極反応ガスへ反応熱が総て伝
達される。ガス電極正極の構成区画の材料としてＮｉ等
の金属多孔体を用いた場合、電極とガスとの熱伝達係数
は約２０［Ｊ／（ｍｏｌ・ｓ・Ｋ・ｍ2・ｓ）］である。正
極反応ガスの温度を６００［Ｋ］とすることにより、正
極から正極反応ガスへ反応熱が総て伝達される。
【０１０９】そこで、一つの単電池の正極と、その一つ
の単電池に隣接する他の単電池の負極との間に熱伝達係
数７［Ｊ／(ｍｏｌ・ｓ・Ｋ・ｍ2・ｓ)］の反応ガス流路間
の各壁兼伝熱板を設置することで、負極反応ガスから正
極反応ガスへ負極反応熱量を伝達する。
【０１１０】本発明は以上説明したように構成されてい
るので、電極内における温度差が低減される。従って、
ガス電極電池の平均温度をガス電極電池の最高運転温度
に近付けることができ、高温ほど高くなる電池効率を約
２％向上することが可能である。また、ガス電極電池の
平均温度をガス電極電池の最低運転温度に近付けること
ができ、低温ほど長くなる電池寿命を約１０％延長する
ことが可能である。
【０１１１】更に、反応ガス濃度低下に伴う分極損失の
低下が低減されるので、反応ガス利用率が約５０％向上
できる。反応ガス利用率の向上により、反応ガスをワン
スルーとすることが可能なので、電池システムが簡素化
される。電池システムの簡素化により電池システムの３
５％以上のコスト低減と、信頼性の向上が図られる。
【０１１２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
第１のガス電極電池を、電解質を挟むそれぞれ多孔性の
負極ガス電極および多孔性の正極ガス電極と、負極反応
ガス流路と、正極反応ガス流路とを備えたガス電極電池
において、各電極を複数の区画の集合体とし、区画単位
で内部に含み限界電流密度を決める細孔の形態を変化さ
せて構成したので、各ガス反応の下流になるにつれて限
界電流密度を上げるように細孔の形態を設定することに
より、下流の区画において反応ガス流量の減少により生
じる分極損失を低減でき、電池内の温度差を低減するこ
とができる。
【０１１３】また本発明によれば、上記第１のガス電極
電池において、各反応ガス流路を構成する複数分流路に
それぞれ流量調整手段を設けたので、電池周辺部の分流
路での流量を電池中央部の分流路より大きくすることに
より、電池周辺部の分流路にあたるガス電極部分におけ
る分極損失を低減でき、そして反応熱、、ジュール熱を
増大して電池周辺部から外部に対する放熱を補うことが
でき、したがって電池内の温度差を低減することができ
る。
【０１１４】また、本発明によれば、第２のガス電極電
池を、電解質を挟むそれぞれ多孔性の負極ガス電極およ
び正極ガス電極と、負極反応ガス流路と、正極反応ガス
流路と、正極反応ガス流路内に反応ガスの吸熱反応を加
速する触媒とを備えたガス電極電池において、この触媒
を該流路内に空間的に異なる濃度で装填して構成したの
で、この触媒を、下流になるにしたがい減少する正極反
応ガス流量に対して、濃度をあげて装填することによ
り、改質量を増加させ、下流における電極の分極損失を
低減でき、電池内温度差を低減できることになる。
【０１１５】また、上記第１または第２のガス電極電池
の複数を順次に積層してなる積層ガス電極電池におい
て、隣接する２つのうちの一方のガス電極電池の正極反
応ガス流路と他方のガス電極電池の負極ガス流路との間
の隔壁隔壁を複数の区画の集合体とし、ガスの流れ方向
に区画単位で熱伝達係数の異なる材料を用いて構成する
ことより、負極ガスと正極ガス間の熱伝達量を調整で
き、電池の温度差を低減することができる。
【０１１６】このような積層ガス電極電池において、
ａ）負極ガス電極および正極ガス電極の区画化と区画単
位で細孔の形態を変化させる、ｂ）反応ガス流路を構成
する分流路に流量調整手段を設ける、ｃ）この触媒を正
極反応ガス流路内に空間的に異なる濃度で装填するおよ
び、ｄ）隣接する正極反応ガス流路と負極ガス流路間の
隔壁を区画化と区画単位で熱伝達係数の異なる材料を用
いることの４項目から、２項目以上を採用して、電池内
温度差を低減できる。
【０１１７】上記のように電池内部の温度差を低減する
ことにより、反応物質利用率が向上され、また大型化さ
れ、信頼性が向上され、コストが低減されたガス電極電
池を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である積層ガス電極電池の構
成を示す縦断面である。
【図２】図１のII−II断面図で、負極ガス電極の構成区
画を示す図である。
【図３】実施例における流量制御のステップを示すフロ
ーチャートである。
【図４】図１のIV−IV断面図で、正極ガス電極の構成区
画を示す図である。
【図５】図１のV−Vｑ断面図で、吸熱反応加速触媒の構
成区画を示す図である。
【図６】限界電流密度の電解質含浸率依存性を示す図で
ある。
【図７】限界電流密度の細孔径依存性を示す図である。
【図８】限界電流密度の細孔径分布依存性を示す図であ
る。
【図９】限界電流密度の細孔長依存性を示す図である。
【図１０】限界電流密度の屈曲率依存性を示す図であ
る。
【図１１】最大限界電流密度となる細孔径の温度依存性
を示す図である。
【図１２】最大限界電流密度の９５％以上の限界電流密
度を与える細孔径分布の温度依存性を示す図である。
【図１３】最大限界電流密度の９５％の限界電流密度を
与える細孔長の温度依存性を示す図である。
【図１４】従来のガス電極電池における温度差低減手段
を示す構成図である。
【符号の説明】
１０１，１０２，１０３，１０４ 負極ガス電極の構
成区画 １０１ａ，１０２ａ，１０３ａ，１０４ａ 負極ガス
電極の構成区画 １０１ｂ，１０２ｂ，１０３ｂ，１０４ｂ 負極ガス
電極の構成区画 １０１ｃ，１０２ｃ，１０３ｃ，１０４ｃ 負極ガス
電極の構成区画 １０１ｄ，１０２ｄ，１０３ｄ，１０４ｄ 負極ガス
電極の構成区画 １０５，１０６，１０７，１０８ 正極ガス電極の構
成区画 １０５ａ，１０６ａ，１０７ａ，１０８ａ 正極ガス
電極の構成区画 １０５ｂ，１０６ｂ，１０７ｂ，１０８ｂ 正極ガス
電極の構成区画 １０５ｃ，１０６ｃ，１０７ｃ，１０８ｃ 正極ガス
電極の構成区画 １０５ｄ，１０６ｄ，１０７ｄ，１０８ｄ 正極ガス
電極の構成区画 １０９，１１０，１１１，１１２ 負極ガス電極の構
成区画 １１３，１１４，１１５，１１６ 正極ガス電極の構
成区画 １１７，１１８，１１９，１２０ 負極ガス電極の構
成区画 １２１，１２２，１２３，１２４ 正極ガス電極の構
成区画 １２５ 負極反応ガス １２５ａ，１２５ｂ，１２５ｃ，１２５ｄ 負極反応
ガス １２６ 正極反応ガス １２６ａ，１２６ｂ，１２６ｃ，１２６ｄ 正極反応
ガス １２７ 負極反応ガス １２８ 正極反応ガス １２９ 負極反応ガス １３０ 正極反応ガス １３１，１３２，１３３，１３４ 吸熱反応加速触媒
の構成区画 １３１ａ，１３２ａ，１３３ａ，１３４ａ 吸熱反応
加速触媒の構成区画 １３１ｂ，１３２ｂ，１３３ｂ，１３４ｄ 吸熱反応
加速触媒の構成区画 １３１ｃ，１３２ｃ，１３３ｃ，１３４ｃ 吸熱反応
加速触媒の構成区画 １３１ｄ，１３２ｄ，１３３ｄ，１３４ｄ 吸熱反応
加速触媒の構成区画 １３５，１３６，１３７，１３８ 吸熱反応加速触媒
の構成区画 １３９，１４０，１４１，１４２ 吸熱反応加速触媒
の構成区画 １４３，１４４，１４５，１４６，１４７ 隔壁兼熱
伝達板 １４８，１４９，１５０ 電解質保持体 １５２，１５３，１５４ ガス電極単電池 ２０１ 負極ガス電極 ２０２ 制御装置 ２０３，２０４，２０５，２０６ 流調弁 ２０７，２０８，２０９，２１０ 温度センサ ２１１，２１２，２１３，２１４ 温度センサ ２１５，２１６，２１７，２１８ 温度センサ ２１９，２２０，２２１，２２２ 温度センサ ２２３ 負極反応ガスタン
ク ２２４ 負極反応ガス配管 ２２５ 制御線 ２２６，２２７，２２８，２２９ 負極反応ガス配管 ２３４ 負極反応ガス流路
と電池外部との隔壁 ２３５，２３６，２３７ 負極反応ガス流路
間の隔壁 ２３８ 負極反応ガス流路
と電池外部との隔壁 ２３９ 温度センサ・制御
装置間の信号線 ４０１ 正極ガス電極 ４０４ 制御装置 ４０５ 反応物質供給装置 ４０６，４０７，４０８，４０９，４１０ 温度セン
サ ４１１，４１２，４１３，４１４，４１５ 温度セン
サ ４１６，４１７，４１８，４１９，４２０ 温度セン
サ ４２１ 温度センサ ４２２ 信号線 ４２３、４２４，４２５，４２６、４２７ 隔壁 ５０２ 吸熱反応加速触媒 ５０５ 正極反応ガス供給
装置 ５３２ 正極反応ガス流路
と電池外部間の隔壁 ５３３，５３４，５３５ 正極反応ガス流路
間の隔壁 ５３６ 正極反応ガス流路
と電池外部間の隔壁 ５３７，５３８，５３９，５４０ 流調弁 ５４１ 正極反応ガス配管 ５４２，５４３，５４４，５４５ 正極反応ガス配管 ５４６ 制御ライン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｍ 8/04 Ｊ

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電解質を挟んでそれぞれ多孔性の負極ガ
    ス電極と正極ガス電極とを対向させて配置し、負極ガス
    電極の背面に負極反応ガス流路を、正極ガス電極の背面
    に正極反応ガス流路を有するガス電極電池において、負
    極ガス電極および正極ガス電極の各電極を複数の区画の
    集合体とし、区画単位で内部に含み限界電流密度を決め
    る細孔の形態を変化させたことを特徴とするガス電極電
    池。
  2. 【請求項２】 前記細孔の形態は下流になるにしたがい
    減少する各反応ガス流量に逆比例して区画の限界電流密
    度が増加するように変化させたことを特徴とするガス電
    極電池。
  3. 【請求項３】 前記細孔の形態は、区画に対する細孔の
    容積率、細孔長、細孔径、細孔径分布の標準偏差、細孔
    長および細孔の屈曲率のうちのいずれか一つまたは複数
    の組合せであることを特徴とする請求項１または２記載
    のガス電極電池。
  4. 【請求項４】 電解質を挟んでそれぞれ多孔性の負極ガ
    ス電極と正極ガス電極とを対向させて配置し、負極ガス
    電極の背面に負極反応ガス流路を、正極ガス電極の背面
    に正極反応ガス流路を有し、負極反応ガスおよび正極反
    応ガスの各流路が互いに並列する複数の分流路からなる
    ガス電極電池において、各流路の分流路に供給する反応
    ガス流量を調整する流量調整手段を設けたことを特徴と
    するガス電極電池。
  5. 【請求項５】 前記分流路のうち外側に位置する分流路
    の流量調整手段の流量を大きくしたことを特徴とする請
    求項４記載のガス電極電池。
  6. 【請求項６】 電解質を挟んでそれぞれ多孔性の負極ガ
    ス電極と正極ガス電極とを対向させて配置し、負極ガス
    電極の背面に負極反応ガス流路を、正極ガス電極の背面
    に正極反応ガス流路を有し、負極反応ガスおよび正極反
    応ガスの各流路が互いに並列する複数の分流路からなる
    ガス電極電池において、各分流路に沿う複数個所におけ
    る温度を検出する温度センサと、各分流路に反応ガスを
    供給する流量調整手段と、各温度センサの検出値を基に
    各流量調整手段を制御する制御手段とを設けたことを特
    徴とするガス電極電池。
  7. 【請求項７】 前記制御手段は各温度センサからの検出
    値から各分流路における平均温度を算出し、該平均温度
    の低い分流路に接続する流量調整手段を流量増の方向に
    作動させることを特徴とする請求項６記載のガス電極電
    池。
  8. 【請求項８】 電解質を挟んでそれぞれ多孔性の負極ガ
    ス電極と正極ガス電極とを対向させて配置し、負極ガス
    電極の背面に負極反応ガス流路を、正極ガス電極の背面
    に吸熱反応を伴う正極反応ガス流路を有し、正極反応ガ
    ス流路内に正極反応ガスの吸熱反応を加速する触媒を装
    填したガス電極電池において、該触媒を正極反応ガス流
    路内に空間的に異なる濃度で装填したことを特徴とする
    ガス電極電池。
  9. 【請求項９】 前記触媒を正極反応ガス流路の下流にな
    るにしたがい減少する正極反応ガス流量に逆比例して濃
    度をあげて装填したことを特徴とする請求項８記載のガ
    ス電極電池。
  10. 【請求項１０】 電解質を挟んでそれぞれ多孔性の負極
    ガス電極と正極ガス電極とを対向させて配置し、負極ガ
    ス電極の背面に負極反応ガス流路を、正極ガス電極の背
    面に正極反応ガス流路を有するガス電極電池の複数を順
    次に積層してなる積層ガス電極電池において、隣接する
    ２つのうちの一方のガス電極電池の正極反応ガス流路と
    他方のガス電極電池の負極ガス流路との間の隔壁を複数
    の区画の集合体から構成し、区画単位で熱伝達係数の異
    なる材料を用いて隔壁の温度を平均化することを特徴と
    する積層ガス電極電池。
  11. 【請求項１１】 電解質を挟んでそれぞれ多孔性の負極
    ガス電極と正極ガス電極とを対向させて配置し、負極ガ
    ス電極の背面に負極反応ガス流路を、正極ガス電極の背
    面に吸熱反応を伴う正極反応ガス流路を有し、負極反応
    ガスおよび正極反応ガスの各流路が互いに並列する複数
    の分流路からなり、正極反応ガス流路の各分流路内に正
    極反応ガスの吸熱反応を加速する触媒を装填するガス電
    極電池の複数を順次に積層してなる積層ガス電極電池に
    おいて、ａ）負極ガス電極および正極ガス電極の各電極
    を複数の区画の集合体として、電池内の分極損失を低減
    するように各区画単位で内部に含む細孔の形態を変化さ
    せて構成する、ｂ）各流路の分流路に供給する反応ガス
    流量をそれぞれ調整する流量調整手段を設けて構成す
    る、ｃ）該触媒を正極反応ガス流路内に空間的に異なる
    濃度で装填したことにより該流路の温度を平均化合する
    ように構成する、および、ｄ）隣接する２つのうちの一
    方のガス電極電池の正極反応ガス流路と他方のガス電極
    電池の負極ガス流路との間の隔壁を複数の区画の集合体
    とし、区画単位で熱伝達係数の異なる材料を用いて隔壁
    の温度を平均化するよう構成することのａ）ないしｄ）
    の４項目のうち、２項目以上を用いて構成したことを特
    徴とする積層ガス電極電池。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002313393A (ja) * 2001-04-17 2002-10-25 Honda Motor Co Ltd 燃料電池
JP2007095712A (ja) * 2007-01-15 2007-04-12 Toshiba Corp 固体高分子型燃料電池およびその製造方法
JP2008305692A (ja) * 2007-06-08 2008-12-18 Kansai Electric Power Co Inc:The 燃料電池用構造体、燃料電池および電極層前駆グリーンシート
JP2008311140A (ja) * 2007-06-15 2008-12-25 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 高温型燃料電池および高温型燃料電池の制御方法

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