JPH0922710A - 燃料電池 - Google Patents

燃料電池

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Publication number
JPH0922710A
JPH0922710A JP7171754A JP17175495A JPH0922710A JP H0922710 A JPH0922710 A JP H0922710A JP 7171754 A JP7171754 A JP 7171754A JP 17175495 A JP17175495 A JP 17175495A JP H0922710 A JPH0922710 A JP H0922710A
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JP
Japan
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fuel
electrode
fuel cell
catalyst layer
base material
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Pending
Application number
JP7171754A
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English (en)
Inventor
Masatsuru Umemoto
真鶴 梅本
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Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
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Publication date
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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】単位セルに流れる反応ガスの面内の濃度分布を
改善し、電流密度の面内分布をより均一化して、長期に
わたり安定して運転できるものを得る。 【構成】燃料極触媒層5と燃料極基材6の積層体からな
る燃料電極3と、酸化剤極触媒層7と酸化剤基材8の積
層体からなる酸化剤電極4とにより電解質層のマトリッ
クス2を挟持してなる単位セル1を、電解質リザーバプ
レート9とセパレート板10を配して積層してなる燃料
電池において、燃料極基材6の燃料極触媒層5と相対す
る面にリブ61Aで形成される複数の通流溝62Aを、
連通溝63を設けて互いに連通させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、単位セルまたはその積
層体からなる燃料電池の反応ガスの通流構造に関する。
【0002】
【従来の技術】図4は、従来より用いられているリブ付
き電極方式と呼ばれるリン酸型燃料電池の基本構成を示
す部分分解斜視図である。単位セル1は、電解質として
のリン酸を保持した電解質層であるマトリックス2を、
燃料電極3と酸化剤電極4とで挟んで形成されている。
さらに燃料電極3は、白金などの燃料極触媒層5とガス
透過性を有する多孔質カーボン板からなる燃料極基材6
の積層体から形成され、また酸化剤電極4は同様に酸化
剤極触媒層7と酸化剤極基材8から形成されている。燃
料極基材6の燃料極触媒層5と相対する面には、端面か
ら相対する端面へと複数の直線状のリブ61が間隔をお
いて平行に付設されており、互いに隣接するリブ61の
間には断面が凹形状の燃料ガス用の通流溝62が形成さ
れている。また、酸化剤極基材8には、燃料極基材6と
同様に、リブ81が付設されており、酸化剤ガス用の通
流溝82が形成されている。
【0003】このように形成された単位セル1は、燃料
ガス用の通流溝62と酸化剤ガス用の通流溝82が互い
に直交するように配置して積層され、補給用のリン酸を
セル内に保持するための電解質リザーバプレート9を配
し、隣接する単位セルとの間に、ガス不浸透性の平板状
のセパレート板10を配して積層することにより燃料電
池スタックが構成されている。燃料極基材6および酸化
剤極基材8は、いずれも、カーボン繊維にバインダを加
えてリブ61あるいはリブ81を有する紙状に成形し、
これを焼成したものからなり、平均細孔径が数10μm〜
100μmの通気孔が一定の気孔率で一様に分布するよう
形成されている。したがって、燃料極基材6の通流溝6
2を通流する燃料ガス中の水素が通気孔を透過して燃料
極触媒層5に供給され、酸化剤極基材8の通流溝82を
通流する酸化剤としての空気中の酸素が通気孔を透過し
て酸化剤極触媒層7に供給されることにより、供給され
た反応ガス中の活物質が電極触媒粒子の表面で電解質と
接触し、電気化学反応に基づく発電が行われる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記のように構成され
た燃料電池における発電反応は、水素と酸素が反応して
水と電子を生成する反応であり、例えばリン酸型燃料電
池においては運転温度を190℃に保持して行われる。反
応に関与する燃料ガス中の水素の濃度、および酸化剤と
しての空気中の酸素の濃度は、単位セルのガス供給入口
ほど高く、出口に近づくに従い反応により消費された分
だけ低くなる。特に燃料ガス中の水素は、通常75〜8
0%の高い利用率で運転されるため、燃料ガス出口部の
水素濃度は入口部の数分の一程度まで低下してしまう。
【0005】図5は、図4に示した従来構造の燃料電池
の単位セルにおける燃料ガス中の水素濃度の面内分布を
示したものである。図中の特性曲線に付記した数値は、
燃料ガス入口での水素濃度を10として相対値で示した
である。図に見られるように、濃度勾配が燃料ガス入口
付近で大きく、燃料ガス出口に近くなるほど小さくなっ
ており、燃料ガス入口付近で集中的に水素が消費されて
いることがわかる。また、空気出口側に比べ空気入口側
が水素濃度が低くなっているが、これは空気入口側ほど
酸化剤極の酸素濃度が高く、これに伴って水素の消費が
多くなることによるものである。
【0006】図6は、上記の単位セルにおいて電気化学
反応により発生した電流の面内の密度分布を表示したも
のである。図中の特性曲線に付記した数値は、平均電流
密度を 100として相対値で示したものである。電気化学
反応により生じる電流は反応ガスの濃度に依存するの
で、空気入口−燃料ガス入口ほど電流密度が高く、空気
出口−燃料ガス出口に近づくほど低くなっている。
【0007】このように、従来の構成の燃料電池では反
応ガスの濃度、発生電流密度が面内で大きく異なるの
で、例えば燃料電池の負荷が急速に上昇する際に必要量
の反応ガスの供給が遅れると、特に反応ガスの下流側に
おいて供給量が不足し、カーボン材の腐食が生じる危険
性がある。また、反応ガスの上流側は常に高い電流密度
で運転されるので、下流側に比較して電極寿命の劣化が
急速に進み、結果として燃料電池の寿命が低下してしま
うこととなる。
【0008】この発明は、上記の如き従来の燃料電池の
難点を解消し、単位セルに流れる反応ガスの濃度分布を
改善し、電流密度をより均一化して、長期に渡り安定し
て運転できる燃料電池を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明においては、電解質を保持する平板状の電
解質層と、それぞれ平板状の電極触媒層と略平板状の電
極基板とを積層してなり、電解質層を電極触媒層を対面
させて挟持する燃料電極と酸化剤電極とを有し、かつ二
つの電極基板の電極触媒層と相対する面に、一端面から
相対する端面に直線状につながる複数の平行に配置され
た反応ガス用の通流溝を備える燃料電池において、二つ
の電極基板のうち、少なくとも燃料電極を構成する電極
基板に、複数の反応ガス用の通流溝を互いに連通させる
連通溝を少なくとも一つ備えることとする。
【0010】さらに、上記の連通溝を、通流溝と直交し
て配置することとする。
【0011】
【作用】上記のごとく、電極基板に配置された複数の反
応ガス用の通流溝を互いに連通させる連通溝を少なくと
も一つ備えることとすれば、供給される反応ガスはそれ
ぞれの通流溝を流れたのち連通溝で互いに混合し、再び
各通流溝に分配されて流れることとなる。したがって、
電気化学反応にともない各通流溝の反応ガスの濃度分
布、すなわち燃料ガスの水素濃度分布あるいは空気の酸
素濃度分布に差が生じても、連通溝での混合により濃度
の均一化が図られることとなるので、連通溝より下流に
おいては各通流溝を流れる反応ガスの濃度は通流方向に
直交する方向においてほぼ均一となり、電気化学反応に
伴う電流密度分布も均一化がはかられ、従来の電極でみ
られた下流部分での反応ガスの欠乏による構造部材の腐
食等も回避されることとなる。
【0012】
【実施例】図1は、本発明の燃料電池の実施例の基本構
成を示す分解斜視図である。本図において、図4に示し
た従来例と同一の機能を有する構成部品には同一符号を
付して重複する説明は省略する。本図に示した実施例の
従来例との差異は、燃料極基材6の燃料極触媒層と相対
する面に形成されている通流溝62Aの構成にある。図
4の従来例では一端面から相対する端面につながるリブ
61により、互いに平行する通流溝62が形成されてい
るのに対して、本実施例では、燃料ガスの通流方向のほ
ぼ中間部に通流溝62と直交する連通溝63が設けられ
ており、複数の互いに平行する通流溝62Aを流れる燃
料ガスは、この連通溝63によって混合され、濃度が均
一化されたのち、下流側の通流溝62Aに流れることと
なる。
【0013】図2は、図1に示した基本構成の燃料電池
の単位セルにおける燃料ガス中の水素濃度の面内分布を
示したもので、図5の従来例と同様に、特性曲線に付し
た数値は、燃料ガス入口での濃度を10としたときの相
対値である。従来例と比べ燃料ガスの通流方向と直交す
る方向での水素濃度の分布が均一化されていることがわ
かる。
【0014】図3は、上記の燃料電池の単位セルにおけ
る電流密度の面内分布を示したもので、特性曲線に付し
た数値は、面内の平均電流密度を 100としたときの相対
値である。図6に示した従来例に比べ、より均一化され
ていることがわかる。このように、本実施例の燃料電池
では、水素濃度の面内分布が改善され、電流密度の面内
分布が均一化されるので、従来の燃料電池において生じ
た反応ガスの供給量不足によるカーボン材の腐食や、高
電流密度部分の存在にともなう寿命低下の危険性が回避
され、長期にわたり安定して使用できることとなる。
【0015】なお、上記の実施例では、燃料極基材6の
通流溝62Aに一つの連通溝63を設けているが、複数
の連通溝63を通流方向に分散して配設すれば、各通流
溝を流れる燃料ガスが効果的に混合されるので、水素濃
度の面内分布が一段と改善され、電流密度の面内分布が
より均一化されることは明らかである。また、燃料極基
材6の通流溝62Aに連通溝63を設けるばかりでな
く、酸化剤極基材8の通流溝82にも通流溝を設けるこ
ととすれば、空気中の酸素濃度の面内分布もより均一化
され、電流密度の面内分布が一段と均一化されるので寿
命低下を回避するのにより効果的となる。
【0016】
【発明の効果】上述のように、本発明によれば、電解質
を保持する平板状の電解質層と、それぞれ平板状の電極
触媒層と略平板状の電極基板とを積層してなり、電解質
層を電極触媒層を対面させて挟持する燃料電極と酸化剤
電極とを有し、かつ二つの電極基板の電極触媒層と相対
する面に、一端面から相対する端面に直線状につながる
複数の平行に配置された反応ガス用の通流溝を備える燃
料電池において、二つの電極基板のうち、少なくとも燃
料電極を構成する電極基板に、複数の反応ガス用の通流
溝を互いに連通させる連通溝を少なくとも一つ備えるこ
ととしたので、通流溝を流れる燃料ガスは連通溝によっ
て混合され、濃度が均一化され、反応ガス濃度の面内分
布が改善され、電流密度の面内分布が均一化されること
となるので、反応ガスの供給量不足によるカーボン材の
腐食や、高電流密度部分の存在にともなう寿命低下の危
険性が回避され、長期にわたり安定して使用できる燃料
電池が得られることとなった。
【0017】さらに、上記の連通溝を、通流溝と直交し
て配置することとすれば、通流溝を流れる燃料ガスは連
通溝によってより効果的に混合され、濃度が均一化され
ることとなるので、長期にわたり安定して使用できる燃
料電池として、より好適である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の燃料電池の実施例の基本構成を示す分
解斜視図
【図2】図1に示した基本構成の燃料電池の単位セルに
おける燃料ガス中の水素濃度の面内分布を示す特性図
【図3】図1に示した基本構成の燃料電池の単位セルに
おける電流密度の面内分布を示す特性図
【図4】従来の燃料電池の基本構成を示す分解斜視図
【図5】従来の燃料電池の単位セルにおける燃料ガス中
の水素濃度の面内分布を示す特性図
【図6】従来の燃料電池の単位セルにおける電流密度の
面内分布を示す特性図
【符号の説明】
1 単位セル 2 マトリックス 3 燃料電極 4 酸化剤電極 5 燃料極触媒層 6 燃料極基材 7 酸化剤極触媒層 8 酸化剤極基材 9 電解質リザーバプレート 10 セパレート板 61,61A リブ 62,62A 通流溝 63 連通溝 81 リブ 82 通流溝

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】電解質を保持する平板状の電解質層と、そ
    れぞれ平板状の電極触媒層と略平板状の電極基板とを積
    層してなり、電解質層を電極触媒層を対面させて挟持す
    る燃料電極と酸化剤電極とを有し、かつ二つの電極基板
    の電極触媒層と相対する面に、一端面から相対する端面
    に直線状につながる複数の平行に配置された反応ガス用
    の通流溝を備える燃料電池において、二つの電極基板の
    うち、少なくとも燃料電極を構成する電極基板が、複数
    の反応ガス用の通流溝を互いに連通させる連通溝を少な
    くとも一つ備えてなることを特徴とする燃料電池。
  2. 【請求項2】請求項1に記載の燃料電池において、前記
    連通溝が、反応ガス用の通流溝と直交して配置されてい
    ることを特徴とする燃料電池。
JP7171754A 1995-07-07 1995-07-07 燃料電池 Pending JPH0922710A (ja)

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JP7171754A JPH0922710A (ja) 1995-07-07 1995-07-07 燃料電池

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JP (1) JPH0922710A (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008034225A (ja) * 2006-07-28 2008-02-14 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2008153091A (ja) * 2006-12-19 2008-07-03 Toyota Motor Corp 燃料電池

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008034225A (ja) * 2006-07-28 2008-02-14 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
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