JPH0883618A - リン酸型燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】電極基材の撥水部に電解液が体積膨張してガス
閉塞を起こすことのない電池を得る。 【構成】電極基材４Ａ，４Ｂに電極触媒層５をそれぞれ
積層して電極６を作る。２つの電極６の電極触媒層５を
電解液層８を介して対向して配置して電池を構成する。
この際に２つの電極のうちの少なくとも１方の電極の電
極基材４Ａの端部に親水部１２Ａを設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は燃料電池のセル構造に
係り、特にリン酸系電解液に対する親水性の電極基材構
造に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は燃料の持つ化学エネルギーを
直接電気エネルギーに変換する。図１８はリン酸型燃料
電池の断面図である。従来の電極６がリン酸よりなる電
解液層８を挟んで配置される。外部のガス供給系より前
記各電極へ燃料ガス及び酸化剤ガスが供給される。各電
極の電極触媒層５上で燃料ガス及び酸化剤ガスが電気化
学的に反応し、その結果系外に電気エネルギーが取り出
される。

【０００３】電極６は多孔質のカーボン電極基材４の上
に電極触媒層５を付着させて構成される。電極触媒層５
は触媒担体２の表面に貴金属微粒子１を担持させた触媒
粒子７がフッ素樹脂の微粒子３により結着されたもので
ある。この電極触媒層５の内部ではカーボン電極基材側
からのガスと電極液層８からの電解液とが接触し、三相
界面が形成され、電気化学的反応が進行する。二つの電
極６のうち一方がアノード，他方がカソードとなる。

【０００４】アノードでは、水素ガスの酸化反応が行わ
れ、カソードでは、酸素ガスの還元反応が行われる。ア
ノードでは、燃料となる水素ガスが三相界面で、水素イ
オンと電子になり、水素イオンは電解液相中を移動し、
また、電子は外部回路を通り対極のカソードへ到達す
る。カソードでは、三相界面で活性化した酸素ガスと、
燃料極にて発生し、電解液相を移動してきた水素イオン
と外部回路を通ってきた電子が電気化学的に反応して、
水を生成する。

【０００５】アノードでは、燃料として、通常、石油ガ
ス等の原燃料を改質して得られた水素が、水蒸気，二酸
化炭素との混合ガス状態で供給される。カソードでは、
酸化剤として、空気がそのまま供給される。燃料極及び
酸化剤極の電極基材は、反応ガスの拡散阻害要因となる
電解液による濡れを防ぎ、反応ガスの拡散を安定して維
持するために撥水性の高いフッ素樹脂により処理して、
撥水性を持たせている。

【０００６】電解液層８はシリコンカーバイドのマトリ
クスにリン酸が含浸されており、カーボンでできた電極
基材より親水性が高い。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】燃料電池は、先に述べ
たようにアノードとカソードで電気化学反応が進行する
ためには水素イオンの移動が不可欠である。そのため、
電解液層と電極触媒層の反応部分には、充分な電解液が
必要となる。電解液層の電解液は、アノードとカソード
に供給されたガスが反対側の極にリークして、直接の燃
焼反応が起こるのを防いでいる。

【０００８】ところで、リン酸型燃料電池の発電に際し
ては、カソードにおいて水を生成する。生成水は、電極
反応面でほぼ均等に発生するが、電極基材の酸化剤ガス
入口附近では、生成水による水蒸気濃度が低く、出口附
近で濃くなる。このために、電解液層中の電解液の濃度
は、生成水による水蒸気濃度の高い酸化剤ガスの出口近
傍で低くなり、電解液の体積増加が起こる。

【０００９】この現象は、電池の発電条件と反応ガスの
供給条件により異なり、発電電力量が多い場合や、反応
ガスの供給量が少ない場合には顕著になる。酸化剤ガス
出口近傍での急激な電解液の体積増加によって、電解液
は、酸化剤ガス出口のシール部１０や撥水処理された電
極基材の空孔から漏洩する。電極基材４の空孔から電解
液が漏洩すると、ガス通路の閉塞によるガス欠状態を引
起して電池性能が低下し、さらに電解液の漏れにより、
電解液が不足する。電解液不足が発生すると、反応ガス
が反対側の極へ洩れて、直接の燃焼反応へと繋がる。

【００１０】また、アノード近傍には、水蒸気を多く含
む改質ガスを使用する場合には、燃料ガスの入口近傍
は、水蒸気濃度が高くなり電解液の体積増加現象がおこ
る。リン酸型燃料電池では燃料ガスとして原燃料を改質
して調製した水素と水蒸気と二酸化炭素の混合ガスが用
いられるが、発電の効率を高めるために燃料ガスの８０
％の利用率となるようにガス流量が設定される。

【００１１】図１３は従来のリン酸型燃料電池の燃料ガ
ス流れ方向における平均水素ガス濃度の変化を示す線図
である。燃料ガスの入口の水素濃度が８０％であるとき
に出口の水素濃度は約１／２になっている。図１４は従
来のリン酸型燃料電池における燃料ガスの平均流量比率
を示す線図である。

【００１２】入口を１としたときに出口の流量は約１／
３になっている。このように燃料ガスにおいては電極基
材の出口で水素濃度が入口の１／２で且つ流量が１／３
となるためにアノード電極基材の出口付近では水素ガス
供給量は入口の１／６となっている。さらに反応ガスは
電極基材中では均等な流れ方をしないで電極基材の中央
部の流量が大きくなる傾向にあり、そのために電極触媒
層の端部で且つ燃料ガスの出口付近においては水素ガス
欠となり易い。

【００１３】このような水素ガス欠の発生した電極触媒
層の部分では電位が大きく貴となるために局部的に電極
触媒層の腐食が起こるという問題があった。リン酸型燃
料電池では酸化剤ガスとして空気が用いられるが、発電
の効率を高めるために酸素ガスの５０％の利用率となる
ようにガス流量が設定される。図１５は従来のリン酸型
燃料電池における酸化剤ガス流れ方向の平均酸素ガス濃
度の変化を示す線図である。

【００１４】出口の酸素濃度が入口の約１／２に低下し
ている。図１６は従来のリン酸型燃料電池における酸化
剤ガスの平均流量比率を示す線図である。出口の流量は
入口の約１．１倍となっている。従ってカソードの電極
基材出口における酸素供給量は入口の約１／２に減少す
ることがわかる。

【００１５】前述したアノード電極触媒層の水素ガス欠
の部分に対応するカソード電極触媒層にあっては電池電
流が小さいために酸化剤ガス濃度が平均濃度より高くな
るが、そのために特に酸化剤ガスの入口近傍の電極触媒
層において電位が貴となってカソード電極触媒層の腐食
が発生する。リン酸型燃料電池は約２００℃の温度で運
転され、わずかながらリン酸蒸気の発生が起こり、リン
酸が系外に流出する。いまアノード電極触媒層における
燃料ガス入口流量を１とすると燃料ガス出口流量は０．
３６であり、カソード電極触媒層における酸化剤ガス入
口流量は２．２であり、酸化剤ガス出口流量は２．４と
なる。従って燃料ガス流量を基準にして入口流量と出口
流量の比率をとると、それぞれ２．２と６．７となり酸
化剤ガスの流量が燃料ガスの流量よりも大きいことがわ
かる。リン酸の流出は反応ガスの流量に比例するので酸
化剤ガスがリン酸流出の主たる原因となる。

【００１６】またこのようなリン酸蒸気の一部は電極基
材を流れるうちに電極基材の低温部に凝結する。図１７
はリン酸型燃料電池につき電極の温度分布を示す立体図
である。電極の周辺部の温度が低いことがわかる。従っ
てリン酸蒸気は電極基材の周辺部に凝結する。凝結した
リン酸蒸気は反応ガスの拡散障害の原因となり、電池性
能の低下やガス欠による電池腐食をもたらす。

【００１７】この発明は上述の点に鑑みてなされ、その
目的は電池反応に起因する水によるリン酸系電解液の体
積膨張を吸収してガス閉塞を防止し、動作安定性に優れ
るリン酸型燃料電池を提供することにある。他の目的は
リン酸蒸気を捕捉するが反応ガスの拡散障害は起こらな
い電極構造として動作安定性に優れるリン酸型燃料電池
を提供することにある。さらに他の目的は水素ガス欠に
よる電極触媒層の腐食を防止して動作安定性に優れるリ
ン酸型燃料電池を提供することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上述の目的は第一の発明
によれば、電極基材に電極触媒層を積層した電極を備え
る。２つの電極の電極触媒層がリン酸系電解液層を介し
て対向して配置される。上記２つの電極の電極基材に
は、酸化剤ガスと燃料ガスがそれぞれ通流する。上記２
つの電極のうち少なくとも１の電極が電極基材の端部ま
たは全部に親水部を有するとすることにより達成され
る。

【００１９】また第一の発明において電極の１はカソー
ドであるとし、または親水部が酸化剤ガスの出口に近接
する端部に設けられるとすることが有効である。親水部
は撥水処理のなされない電極基材の部分である。また第
二の発明によれば四角の電極基材に電極触媒層を積層し
た電極を備える。

【００２０】２つの電極の電極触媒層がリン酸系電解液
層を介して対向して配置される。上記２つの電極の電極
基材には、酸化剤ガスと燃料ガスがそれぞれ通流する。
上記２つの電極のうちアノードの電極触媒層は少なくと
も電極基材の燃料ガス出口を挟む角部の近傍を残して積
層されるとすることにより達成される。また第二の発明
においてカソードの電極触媒層はアノードの電極触媒層
と少なくとも部分的に対称配置されるとすることが有効
である。

【００２１】

【作用】リン酸に対する親和性は電解液層が最も大き
く、電極基材の端部にある親水部がこれに次ぎ、電極基
材の中央部は撥水性でリン酸に対する親和力は最も小さ
い。カソードで水が生成して電解液の体積膨張が起こっ
たときは、電解液は親水部に向けて体積膨張する。逆に
電解液が体積収縮するときは、親水部の電解液は電解液
層に向かって移動する。親水部はこれら体積膨張，収縮
のリザーバとして機能する。

【００２２】蒸発したリン酸蒸気は親水部で凝結し電解
液層に戻される。親水部に凝結したリン酸は反応ガスの
拡散を阻害しない。電極基材の燃料ガス出口を挟む角部
の近傍は水素ガス欠を起こしやすい部分であるから角部
の近傍を残して電極触媒層が積層されると、この電極触
媒層には水素ガスが充分に供給され電極触媒層の電位は
貴になることがなく腐食が起こらない。

【００２３】カソードの電極触媒層がアノードの電極触
媒層と少なくとも部分的に対称配置して酸化剤ガス濃度
の高いカソードの電極触媒層の部分をなくすとカソード
電極触媒層の局部的な腐食が起こらない。

【００２４】

【実施例】次にこの発明の実施例を図面に基づいて説明
する。 実施例１ 図１は第一の発明の実施例に係るリン酸型燃料電池を示
す要部断面図である。従来の電池とは、電極基材４Ａに
親水部１２Ａが設けられている点が異なる。この電極基
材４Ａはカソードの電極基材である。電極基材４Ａの中
央部は撥水部１３Ａとなっている。酸化剤ガスは図４の
右方より左方に向かって電極基材４Ａ中を流れる。酸化
剤ガスの出口附近では水蒸気濃度が最も高くなっている
ために、その水蒸気圧は、運転温度におけるリン酸の飽
和水蒸気圧を越す場合があり、水蒸気の一部が電解液層
に移行してリン酸の濃度を下げる。このようにしてリン
酸の体積膨張がおこる。この親水部１２には希釈された
リン酸が体積膨張により移行してくるので、電解液層の
リン酸の濃度変化は少ない。

【００２５】図２は第一の発明の異なる実施例に係るリ
ン酸型燃料電池を示す要部断面図である。電極基材４
Ａ，４Ｂにはそれぞれ親水部１２Ａ，１２Ｂが設けられ
る。電極基材４Ｂはアノードの電極基材である。アノー
ドの親水部１２Ｂはカソードの親水部１２Ａとともに希
釈されたリン酸電解液の体積膨張を吸収する。上述の例
では酸化剤ガス出口近傍の水蒸気圧が高いことを述べた
が、水蒸気圧の高い酸化剤ガスが導入されることがあ
る。また燃料ガスに関しても水蒸気圧の高い燃料ガスが
導入されることもある。酸化剤ガスの水蒸気圧が高い酸
化剤ガスが導入される場合は、電極基材は入口と出口近
傍で親水部を設けることが好ましく、また水蒸気圧が高
い燃料ガスが導入される場合は電極基材の入口と出口近
傍で親水部を設けることが好ましい。

【００２６】さらに燃料電池の運転温度においてリン酸
の蒸発がわずかながらおこり、反応ガスの出口近傍で再
凝結するので、親水部においてこの再凝結したリン酸を
吸収することができる。図３，図４，図５，図６は第一
の発明の実施例に係る電池につき電極基材の親水部を示
す平面図である。カソード電極基材として表示している
がアノード電極基材についても同様に成立する。酸化剤
ガスと燃料ガスは立体的に交差して流れる場合を表示し
ている。図６に示すように電極基材の四辺に親水部があ
ると、電極基材の対称性が良くなり、使用上の制約が少
なくなる利点がある。 実施例２ 図７，図８は第二の発明の実施例に係るリン酸型燃料電
池を示す要部断面図である。電極触媒層５はリン酸移動
部１４Ａ，１４Ｂを介して電極基材４Ｃ，４Ｄあるいは
４Ｅ，４Ｆとそれぞれ接する。リン酸移動部１４Ａ，１
４Ｂは電極基材あるいは電解液層のマトリクスと同一で
ある。これは凝結したリン酸の移動を容易にする。電極
基材４Ｃ，４Ｄあるいは４Ｅ，４Ｆは端部に親水部１２
Ａ，１２Ｂを有する。

【００２７】図９，図１０，図１１，図１２は第二の発
明の実施例に係る電池につき電極触媒層を示す平面図で
ある。電極触媒層は実線がアノード電極触媒層、破線が
カソード電極触媒層を示す。アノード電極触媒層とカソ
ード電極触媒層は完全に対称に対向配置される。電極基
材４のうち電極触媒層５の存在しない領域がほぼ親水部
１２Ａ，１２Ｂに対応している。

【００２８】図９に示すアノード電極触媒層においては
電極触媒層が電極基材の燃料ガス出口を挟む角部の近傍
を残して電極基材に積層される。角部の近傍の残し方は
本実施例に示す角部と電極触媒層の辺で囲む三角形の領
域について底辺が直線状の他に曲線のものも含まれる。
電極基材の燃料ガス出口を挟む角部の近傍は水素ガス欠
が起こりやすいからアノード電極触媒層を設けない。

【００２９】図１０に示す電極触媒層も同様であるが電
極基材の酸化剤ガス出口近傍の親水部が広い幅となって
リン酸蒸気が凝結し易くなっている。図１１に示すアノ
ード電極触媒層においては電極触媒層が電極基材の燃料
ガス入口を挟む角部の一方の近傍を残して電極基材に積
層される。図１２に示すアノード電極触媒層においては
電極触媒層が電極基材の燃料ガス入口を挟む角部の近傍
を残して電極基材に積層される。電極基材の燃料ガス入
口を挟む角部の近傍はリン酸蒸気が凝結しやすく燃料ガ
スの通流に不利である。

【００３０】なおカソードの電極触媒層はアノードの電
極触媒層と完全に対称に配置される必要はなく、酸化剤
ガス濃度が高くない場合においてはアノードの電極触媒
層と非対称であってもよい。図８は第二の発明の異なる
実施例に係るリン酸型燃料電池を示す要部断面図であ
る。親水部１２Ａ，１２Ｂが電極基材４Ｅ，４Ｆの全部
におよんでいる。リン酸の捕集効率とリン酸の不足した
場所への供給能力が増す。

【００３１】

【発明の効果】この発明によれば、電極基材の端部また
は全部に親水部を有するので、リン酸電解液の体積膨張
を吸収するとともに蒸発したリン酸を凝結させることが
でき、反応ガスの電極基材における閉塞を防止するとと
もにリン酸の系外流出を防止して動作安定性の高い燃料
電池が得られる。

【００３２】１の電極をカソードとしたり、酸化剤ガス
の出口に近接する電極基材端部に親水部があると、発生
頻度の高い酸化剤ガス中の水蒸気圧またはリン酸蒸気の
増大に対し効率的に対応できる燃料電池が得られる。さ
らに運転中に燃料電池の電解液に不足が生じた場合でも
親水部より、電解液層にリン酸の移動がおこって電解液
不足による反応ガスの直接燃焼が防止される。

【００３３】２つの電極のうちアノードの電極触媒層が
少なくとも電極基材の燃料ガス出口を挟む角部の近傍を
残して積層されるので、水素ガス欠によるアノード電極
触媒層の局部的な電位上昇と、それに伴うアノード電極
触媒層の腐食を防止することができ動作安定性の高い燃
料電池が得られる。カソードの電極触媒層がアノードの
電極触媒層と少なくとも部分的に対称配置されると酸素
濃度増大によるカソード電極触媒層の局部的な電位上昇
と、それに伴うカソード電極触媒層の腐食を防止するこ
とができ動作安定性の高い燃料電池が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第一の発明の実施例に係るリン酸型燃料電池を
示す要部断面図

【図２】第一の発明の異なる実施例に係るリン酸型燃料
電池を示す要部断面図

【図３】第一の発明の実施例に係る電池につき電極基材
の親水部を示す平面図

【図４】第一の発明の実施例に係る電池につき電極基材
の親水部を示す平面図

【図５】第一の発明の実施例に係る電池につき電極基材
の親水部を示す平面図

【図６】第一の発明の実施例に係る電池につき電極基材
の親水部を示す平面図

【図７】第二の発明の実施例に係るリン酸型燃料電池を
示す要部断面図

【図８】第二の発明の異なる実施例に係るリン酸型燃料
電池を示す要部断面図

【図９】第二の発明の実施例に係る電池につき電極触媒
層を示す平面図

【図１０】第二の発明の実施例に係る電池につき電極触
媒層を示す平面図

【図１１】第二の発明の実施例に係る電池につき電極触
媒層を示す平面図

【図１２】第二の発明の実施例に係る電池につき電極触
媒層を示す平面図

【図１３】従来のリン酸型燃料電池の燃料ガス流れ方向
における平均水素ガス濃度の変化を示す線図

【図１４】従来のリン酸型燃料電池における燃料ガスの
平均流量比率を示す線図

【図１５】従来のリン酸型燃料電池における酸化剤ガス
流れ方向の平均酸素ガス濃度の変化を示す線図

【図１６】従来のリン酸型燃料電池における酸化剤ガス
の平均流量比率を示す線図

【図１７】リン酸型燃料電池につき電極の温度分布を示
す立体図

【図１８】従来のリン酸型燃料電池を示す要部断面図

【符号の説明】

１ 貴金属微粒子 ２ 触媒担体 ３ フッ素樹脂の微粒子 ４ 電極基材 ４Ａ 電極基材 ４Ｂ 電極基材 ４Ｃ 電極基材 ４Ｄ 電極基材 ４Ｅ 電極基材 ４Ｆ 電極基材 ５ 電極触媒層 ６ 電極 ７ 触媒微粒子 ８ 電解液層 ９ セパレート板 １０ シール部 １１ シールシート １２Ａ 親水部 １２Ｂ 親水部 １３Ａ 撥水部 １３Ｂ 撥水部 １４Ａ リン酸移動部 １４Ｂ リン酸移動部

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電極基材に電極触媒層を積層した電極を備
   える。２つの電極の電極触媒層がリン酸系電解液層を介
   して対向して配置される。上記２つの電極の電極基材に
   は、酸化剤ガスと燃料ガスがそれぞれ通流する。上記２
   つの電極のうち少なくとも１の電極が電極基材の端部ま
   たは全部に親水部を有するリン酸型燃料電池。
2. 【請求項２】請求項１に記載の電池において、１の電極
   はカソードであるリン酸型燃料電池。
3. 【請求項３】請求項１に記載の電池において、親水部は
   酸化剤ガスの出口に近接する電極基材端部に設けられて
   なるリン酸型燃料電池。
4. 【請求項４】四角の電極基材に電極触媒層を積層した電
   極を備える。２つの電極の電極触媒層がリン酸系電解液
   層を介して対向して配置される。上記２つの電極の電極
   基材には、酸化剤ガスと燃料ガスがそれぞれ通流する。
   上記２つの電極のうちアノードの電極触媒層は少なくと
   も電極基材の燃料ガス出口を挟む角部の近傍を残して積
   層されるリン酸型燃料電池。
5. 【請求項５】請求項４に記載のリン酸型燃料電池におい
   て、カソードの電極触媒層はアノードの電極触媒層と少
   なくとも部分的に対称配置されてなるリン酸型燃料電
   池。