JPH1032010A - Phosphoric acid fuel cell - Google Patents

Phosphoric acid fuel cell

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JPH1032010A
JPH1032010A JP8187956A JP18795696A JPH1032010A JP H1032010 A JPH1032010 A JP H1032010A JP 8187956 A JP8187956 A JP 8187956A JP 18795696 A JP18795696 A JP 18795696A JP H1032010 A JPH1032010 A JP H1032010A
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JP
Japan
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phosphoric acid
catalyst layer
fuel
matrix
catalyst
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Application number
JP8187956A
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Japanese (ja)
Inventor
Ryohei Tanuma
良平 田沼
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Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
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Publication date
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    • 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

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To retain phosphoric acid in a matrix even if the amount of phosphoric acid is decreased, retard decrease in cell characteristics caused by cross leak, and stably operate a fuel cell for a long time. SOLUTION: In a unit cell constituted by interposing a matrix 1 containing phosphoric acid between a fuel electrode 4A comprising a fuel electrode catalyst layer 2A, a carbon paper sheet 21 supporting the catalyst layer 2A, and a reservoir plate with rib 22 and an air electrode 7A comprising an air electrode catalyst layer 5, a carbon paper sheet 23 supporting the catalyst layer 5, and a reservoir plate with rib 24, the fuel electrode catalyst layer 2A is formed with a platinum-cobalt alloy catalyst.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、リン酸を電解質と
して用いるリン酸型燃料電池に係わり、特に燃料極に用
いる触媒に関する。
The present invention relates to a phosphoric acid fuel cell using phosphoric acid as an electrolyte, and more particularly to a catalyst used for a fuel electrode.

【0002】[0002]

【従来の技術】燃料電池は効率が高く、NOX 等の公害
原因物質の発生もほとんどないため、将来の石油代替え
エネルギーとしての気体が大きい。なかでもリン酸を電
解液として用いるリン酸型燃料電池は最も実用化に近い
段階にある。図3は、リン酸型燃料電池の基本構成単位
である単セルの構成を模式的に示す斜視図である。図に
見られるように、単セルはリン酸を含むマトリックス1
を燃料極4と空気極7で挟んで構成されており、アノー
ドとなる燃料極4は燃料極基材3に燃料極触媒層2を、
またカソードとなる空気極7は空気極基材6に空気極触
媒層5を結着して形成されている。また、燃料極基材3
と空気極基材6には、ガス供給用の燃料ガス通流溝8お
よび空気通流溝9が備えられている。マトリックス1の
主成分はシリコンカーバイト(SiC )、燃料極基材3と
空気極基材6の主成分はグラファイトで、いずれも多孔
質材料である。形成された単セルの厚みは数mm、一辺
の長さは 600〜1000mmである。本構成において燃料ガ
ス通流溝8に水素を含む燃料ガスを、空気通流溝9に空
気を供給すると、供給されたガスは拡散によって浸透し
て各電極の触媒層に到達し、触媒と電解液との界面で次
式のごとき反応が生じて、外部回路に電流が流れること
となる。
BACKGROUND OF THE INVENTION Fuel cell high efficiency, since almost no generation of pollution-causing substances, such as NO X, a large gas as a future oil alternative energy. Above all, the phosphoric acid type fuel cell using phosphoric acid as the electrolyte is at a stage near the most practical use. FIG. 3 is a perspective view schematically showing a configuration of a single cell which is a basic structural unit of the phosphoric acid type fuel cell. As can be seen, the single cell is a matrix 1 containing phosphoric acid.
Is sandwiched between a fuel electrode 4 and an air electrode 7, and the fuel electrode 4 serving as an anode is provided with a fuel electrode catalyst layer 2 on a fuel electrode base material 3,
The air electrode 7 serving as a cathode is formed by binding the air electrode catalyst layer 5 to the air electrode base material 6. Also, the fuel electrode base material 3
The air electrode base material 6 is provided with a fuel gas flow groove 8 for gas supply and an air flow groove 9. The main component of the matrix 1 is silicon carbide (SiC), and the main components of the fuel electrode base material 3 and the air electrode base material 6 are graphite, all of which are porous materials. The thickness of the formed single cell is several mm, and the length of one side is 600 to 1000 mm. In this configuration, when a fuel gas containing hydrogen is supplied to the fuel gas flow groove 8 and air is supplied to the air flow groove 9, the supplied gas permeates by diffusion to reach the catalyst layer of each electrode, and the catalyst and the electrolytic solution. The following reaction occurs at the interface with the liquid, and current flows to the external circuit.

【0003】[0003]

【化1】 アノード ; H2 → 2H+ +2e- (1) カソード ; 2H+ + (1/2)O2 +2e- → H2 O (2) リン酸型燃料電池の単セルの出力電圧は 0.6V程度と低
いので、出力電圧を上げるために、多数の単セルを積層
し、直列接続して用いるのが通例である。図4は積層構
造を示す模式図で、単セル10をガス不透過性のセパレ
ータ11を挟んで積層し、単セル10を4〜5層積層す
る毎に冷却板12を挿入し、冷却板12の内部に冷却水
を通水することによって発電に伴って生じる発熱を除去
し、所定温度に保持して使用される。
## STR1 ## anode; H 2 → 2H + + 2e - (1) a cathode; 2H + + (1/2) O 2 + 2e - → H 2 O (2) the output voltage of the single cell of the phosphoric acid fuel cell 0.6 Since the voltage is as low as about V, a large number of single cells are usually stacked and connected in series to increase the output voltage. FIG. 4 is a schematic view showing a laminated structure, in which the single cells 10 are laminated with a gas-impermeable separator 11 interposed therebetween, and a cooling plate 12 is inserted every four to five single cells 10 laminated. By passing cooling water through the inside, heat generated due to power generation is removed and used at a predetermined temperature.

【0004】本発明者らは、これまでリン酸型燃料電池
の内部のリン酸の移動に関して研究を行い(田沼,西
原;第36回電池討論会講演要旨集,213 (1995)、田沼,
西原;1995年電気化学秋季大会講演要旨集,197 (199
5)、R.Tanuma, H.Nishihara ;Proceedings of the 2nd
International Fuel Cell Conference, 417 (1996)
)、リン酸電解質が空気極から燃料極の方向に移動す
ること、その駆動力は空気極および燃料極の触媒層にお
いて電気浸透により生じることなどを明らかにした。
The present inventors have studied the transfer of phosphoric acid inside a phosphoric acid fuel cell (Tanuma, Nishihara; 36th Battery Symposium Abstracts, 213 (1995), Tanuma,
Nishihara: Abstracts of 1995 Autumn Meeting of Electrochemistry, 197 (199
5), R. Tanuma, H. Nishihara; Proceedings of the 2nd
International Fuel Cell Conference, 417 (1996)
), Revealed that the phosphoric acid electrolyte moves from the air electrode to the fuel electrode, and that the driving force is generated by electroosmosis in the catalyst layers of the air electrode and the fuel electrode.

【0005】これらの研究においては、燃料極の触媒に
アセチレンブラックを担体とする白金触媒を用い、空気
極の触媒にはアセチレンブラックを担体とする白金触
媒、あるいはファーネスブラックを担体とする白金系合
金触媒を用いている。このような触媒の構成は、これま
で広く採用されてきた構成である。リン酸型燃料電池で
は、一般に、空気極の反応(上式の(2) )の速度が小さ
く電池反応を律則するため、空気極の触媒活性を高める
ためにいろいろな合金触媒が検討されている。一方、燃
料極の反応(上式の(1) )は空気極の反応に比べてはる
かに容易に進むため、燃料極の触媒としては白金単独の
ものが用いられている。
In these studies, a platinum catalyst using acetylene black as a carrier is used as a catalyst for a fuel electrode, and a platinum catalyst using acetylene black as a carrier or a platinum-based alloy using furnace black as a catalyst for an air electrode. A catalyst is used. Such a structure of the catalyst is a structure widely used so far. In the case of phosphoric acid type fuel cells, in general, the rate of the reaction of the air electrode ((2) in the above formula) is small and the cell reaction is governed. Therefore, various alloy catalysts have been studied to increase the catalytic activity of the air electrode. I have. On the other hand, the reaction of the fuel electrode ((1) in the above formula) proceeds much more easily than the reaction of the air electrode, and therefore, platinum alone is used as a catalyst for the fuel electrode.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】リン酸型燃料電池を実
用化するためには4〜5万時間の寿命を保証する必要が
あるが、現在この目標を達成する上で大きな障害となっ
ているのは、電池内のリン酸が蒸発、飛散して減少する
という問題である。従来のリン酸型燃料電池では外部か
らリン酸を補給することによりこの問題を解決しようと
しているが、電池内のリン酸量を正確に測定する手段が
ない上に、図4に示したように冷却板12の間に複数の
単セル10が存在する構成では、冷却板12の間の中央
に位置するセルの温度が高く、冷却板12に近接するセ
ルの温度が低くなるため、リン酸の減少速度もセルによ
り差が生じるので、各セルのリン酸飛散量を把握して長
期にわたり過不足なくリン酸の補給を行うことは事実上
不可能であった。そのため、電池内のリン酸が不足する
につれてマトリックスをガスが貫通(クロスリーク)す
るようになり、セル電圧が低下する事態を生じることと
なる。リン酸量の減少が進むとセル電圧の低下が加速さ
れる傾向にあり、電池寿命が低下する大きな要因となっ
ている。
In order to put a phosphoric acid fuel cell into practical use, it is necessary to guarantee a life of 40,000 to 50,000 hours, but this is a major obstacle to achieving this goal. The problem is that phosphoric acid in the battery is reduced by evaporation and scattering. The conventional phosphoric acid fuel cell attempts to solve this problem by replenishing phosphoric acid from the outside. However, there is no means for accurately measuring the amount of phosphoric acid in the cell, and as shown in FIG. In the configuration in which the plurality of single cells 10 exist between the cooling plates 12, the temperature of the cell located in the center between the cooling plates 12 is high, and the temperature of the cells adjacent to the cooling plate 12 is low. Since the rate of decrease also varies depending on the cell, it has been virtually impossible to grasp the amount of phosphoric acid scattered in each cell and replenish phosphoric acid without excess or deficiency for a long period of time. Therefore, as the amount of phosphoric acid in the battery becomes insufficient, the gas penetrates (cross leaks) through the matrix, causing a situation in which the cell voltage decreases. As the amount of phosphoric acid decreases, the decrease in cell voltage tends to accelerate, which is a major factor in shortening the battery life.

【0007】本発明の目的は、上記のごとくセル全体と
してリン酸量が低下してもマトリックス中にリン酸が保
持されて、クロスリークによるセル電圧の低下が抑制さ
れ、長期にわたり安定して運転できるリン酸型燃料電池
を提供することにある。
An object of the present invention is to maintain phosphoric acid in a matrix even when the amount of phosphoric acid in the entire cell decreases as described above, to suppress a decrease in cell voltage due to cross leak, and to operate stably for a long period of time. To provide a phosphoric acid type fuel cell that can be used.

【0008】[0008]

【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、リン酸電解質を含むマトリッ
クスと、該マトリックスを挟持し、マトリックスに接す
る面に触媒層を結着した燃料極および空気極を備えたリ
ン酸型燃料電池において、燃料極の触媒層に白金と他の
遷移金属とからなる合金触媒、例えば白金とコバルトと
からなる合金触媒、あるいは白金とコバルトと鉄とから
なる合金触媒を用いることとする。
In order to achieve the above object, according to the present invention, there is provided a fuel electrode comprising a matrix containing a phosphoric acid electrolyte, and a catalyst layer sandwiched between the matrix and a catalyst layer bound to a surface in contact with the matrix. And a phosphoric acid fuel cell having an air electrode, wherein the catalyst layer of the fuel electrode comprises an alloy catalyst composed of platinum and another transition metal, for example, an alloy catalyst composed of platinum and cobalt, or composed of platinum, cobalt and iron. An alloy catalyst is used.

【0009】従来のリン酸型燃料電池では、燃料極にお
いてリン酸へ加わる駆動力がマトリックスから燃料極側
へとリン酸を吸引する方向に働き、リン酸が燃料極へと
移動してマトリックス中のリン酸が欠乏し、クロスリー
クが生じるものと考えられる。したがって、燃料極にお
けるリン酸への駆動力が上記と逆方向、すなわち燃料極
からマトリックスへと駆動する方向に働く構成とすれ
ば、マトリックス中のリン酸の欠乏が抑制され、クロス
リークによる電池性能の低下が大幅に抑えられることと
なる。
In the conventional phosphoric acid type fuel cell, the driving force applied to the phosphoric acid at the fuel electrode acts in a direction to attract the phosphoric acid from the matrix to the fuel electrode side, and the phosphoric acid moves to the fuel electrode and is moved to the fuel electrode. It is thought that phosphoric acid is deficient and cross leak occurs. Therefore, if the driving force to the phosphoric acid at the fuel electrode acts in the opposite direction to the above, that is, in the direction of driving from the fuel electrode to the matrix, deficiency of phosphoric acid in the matrix is suppressed, and the battery performance due to cross leak is reduced. Is significantly suppressed.

【0010】図5は、本発明者がリン酸の移動を調べる
ための実験に用いた小型のリン酸型燃料電池の構成を分
解して示す断面図である。11はマトリックス、15は
アセチレンブラックを担体とする白金触媒をポリテトラ
フロロエチレンを結合材として膜状に成形してなる空気
極触媒層、16は空気極触媒層15を結着し支持するカ
ーボンペーパーよりなる触媒層基材、17は空気通路9
を備えた空気極基材、12はファーネスブラックを担体
とする白金−コバルト合金触媒をポリテトラフロロエチ
レンを結合材として膜状に成形してなる燃料極触媒層、
13は燃料極触媒層12を結着し支持するカーボンペー
パーよりなる触媒層基材、14は燃料ガス通路8を備え
た燃料極基材である。また18はマトリックス11に接
して配されたカーボン板で、マトリックス11と燃料極
触媒層12が接触するように穴があけられている。ま
た、19はガスのクロスリークを防止するために挿入し
たフッ素樹脂製のシートである。本構成において、例え
ば空気極触媒層15においてリン酸に燃料極方向への駆
動力が加わると、カーボン板18のリン酸の含浸率は空
気極側の触媒層基材16の含浸率より大きくなり、両者
の吸水圧に差が生じる。したがって、平衡状態における
含浸率からカーボン板18と触媒層基材16との間の吸
水圧差を求めることにより、空気極触媒層15の駆動力
を推定することができる。同様に、燃料極側の触媒層基
材13とカーボン板18との間の吸水圧差から燃料極触
媒層12の駆動力を評価することができる。
FIG. 5 is an exploded cross-sectional view showing the configuration of a small phosphoric acid fuel cell used by the present inventors in an experiment for examining the transfer of phosphoric acid. 11 is a matrix, 15 is an air electrode catalyst layer formed by forming a platinum catalyst using acetylene black as a carrier into a film using polytetrafluoroethylene as a binder, and 16 is carbon paper which binds and supports the air electrode catalyst layer 15 The catalyst layer base material, 17 is an air passage 9
An air electrode base material, 12 is a fuel electrode catalyst layer formed by forming a platinum-cobalt alloy catalyst using furnace black as a carrier into a film using polytetrafluoroethylene as a binder,
Reference numeral 13 denotes a catalyst layer base material made of carbon paper that binds and supports the fuel electrode catalyst layer 12, and 14 denotes a fuel electrode base material having a fuel gas passage 8. Reference numeral 18 denotes a carbon plate disposed in contact with the matrix 11, and has a hole so that the matrix 11 and the fuel electrode catalyst layer 12 come into contact with each other. Reference numeral 19 denotes a fluororesin sheet inserted to prevent gas cross leak. In this configuration, for example, when a driving force in the fuel electrode direction is applied to phosphoric acid in the air electrode catalyst layer 15, the carbon plate 18 impregnation rate of phosphoric acid becomes larger than the impregnation rate of the catalyst layer base material 16 on the air electrode side. Then, a difference occurs between the water absorption pressures of the two. Therefore, the driving force of the air electrode catalyst layer 15 can be estimated by obtaining the difference in water absorption pressure between the carbon plate 18 and the catalyst layer base material 16 from the impregnation ratio in the equilibrium state. Similarly, the driving force of the fuel electrode catalyst layer 12 can be evaluated from the difference in water absorption pressure between the catalyst layer base material 13 on the fuel electrode side and the carbon plate 18.

【0011】図6は、上記の方法により測定した燃料極
と空気極でのリン酸に働く駆動力を電流密度に対してプ
ロットした特性図である。なお、駆動力を算出する際の
吸水圧の計算においては、表面張力を 7.275×10-2[N/
m] 、接触角を 57 °とした。本図の縦軸は駆動力を〔
kPa〕で表示したもので、空気極から燃料極へ向かう方
向を正方向としている。図に見られるように空気極で生
じる駆動力は正、燃料極で生じる駆動力は負であり、両
極のリン酸がいずれもマトリックスの方向に駆動力を受
けていることがわかる。
FIG. 6 is a characteristic diagram in which the driving force acting on phosphoric acid at the fuel electrode and the air electrode measured by the above method is plotted against the current density. In calculating the water absorption pressure when calculating the driving force, the surface tension was 7.275 × 10 -2 [N /
m] and the contact angle was 57 °. The vertical axis in this figure represents the driving force [
kPa], and the direction from the air electrode to the fuel electrode is defined as the positive direction. As can be seen from the figure, the driving force generated at the air electrode is positive and the driving force generated at the fuel electrode is negative, and it can be seen that both phosphoric acids at both electrodes are receiving the driving force in the direction of the matrix.

【0012】上記の実験結果のごとく、燃料極の触媒層
を白金−コバルト合金触媒を用いて構成すれば、燃料極
のリン酸にマトリックス方向への駆動力が生じることと
なるので、セル中のリン酸量が減少してもマトリックス
中にリン酸が保持され、クロスリークが抑えられること
となる。なお、空気極の触媒層を従来のごとく白金触
媒、あるいは白金系合金触媒を用いて構成すれば、空気
極においてもリン酸にマトリックス方向への駆動力が生
じるので、空気極側でもリン酸がマトリックス中へと保
持されることとなる。
As shown in the above experimental results, if the catalyst layer of the fuel electrode is formed using a platinum-cobalt alloy catalyst, phosphoric acid at the fuel electrode generates a driving force in the matrix direction. Even if the amount of phosphoric acid decreases, phosphoric acid is retained in the matrix, and cross leak is suppressed. If the catalyst layer of the air electrode is formed using a platinum catalyst or a platinum-based alloy catalyst as in the past, phosphoric acid generates a driving force in the matrix direction even at the air electrode. Will be retained in the matrix.

【0013】また、図5の小型のリン酸型燃料電池にお
いて、燃料極触媒層12に白金−コバルト合金触媒に代
わって白金−コバルト−鉄合金触媒を用いたものにおい
ても、同様に燃料極のリン酸にマトリックス方向への駆
動力が生じることが認められており、白金−コバルト−
鉄合金触媒を用いても、白金−コバルト合金触媒と同様
に、セル中のリン酸が減少してもマトリックス中にリン
酸が保持され、クロスリークが防止されることとなる。
In the small phosphoric acid type fuel cell shown in FIG. 5, a platinum-cobalt-iron alloy catalyst is used for the anode catalyst layer 12 instead of the platinum-cobalt alloy catalyst. It has been recognized that phosphoric acid generates a driving force in the direction of the matrix, and platinum-cobalt-
Even if an iron alloy catalyst is used, as in the case of the platinum-cobalt alloy catalyst, even if the phosphoric acid in the cell decreases, phosphoric acid is retained in the matrix, and cross leak is prevented.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】図1は、本発明によるリン酸型燃
料電池の第1の実施例の単セルの構成を模式的に示す分
解斜視図である。本構成の単セルは、リン酸を含んだマ
トリックス1と燃料極4Aと空気極7Aよりなる。燃料
極4Aは、燃料極触媒層2A、これの基材となるカーボ
ンペーパー21、および補給用のリン酸を貯留するリブ
付きリザーバープレート22とからなり、空気極7A
は、空気極触媒層5、これの基材となるカーボンペーパ
ー23、および補給用のリン酸を貯留するリブ付きリザ
ーバープレート24よりなる。また、リブ付きリザーバ
ープレート22,23には、リブとリブとの間隙にそれ
ぞれ燃料ガス通流溝8、空気通流溝9が形成されてい
る。空気極触媒層5には、従来の空気極の触媒層と同様
に、白金触媒をアセチレンブラックに担持し、ポリテト
ラフロロエチレンを結合材として膜状に成形したものが
用いられている。これに対して燃料極触媒層2Aには、
白金−コバルト合金触媒をファーネスブラックに担持
し、ポリテトラフロロエチレンを結合材として膜状に成
形したものを用いている。
FIG. 1 is an exploded perspective view schematically showing the structure of a single cell of a first embodiment of a phosphoric acid fuel cell according to the present invention. The single cell of this configuration includes the matrix 1 containing phosphoric acid, the fuel electrode 4A, and the air electrode 7A. The fuel electrode 4A comprises a fuel electrode catalyst layer 2A, carbon paper 21 as a base material thereof, and a ribbed reservoir plate 22 for storing replenishing phosphoric acid.
Consists of a cathode catalyst layer 5, a carbon paper 23 as a base material thereof, and a reservoir plate 24 with ribs for storing replenishing phosphoric acid. In the ribbed reservoir plates 22 and 23, fuel gas flow grooves 8 and air flow grooves 9 are formed in the gaps between the ribs. As the air electrode catalyst layer 5, similarly to the conventional air electrode catalyst layer, a platinum catalyst supported on acetylene black and formed into a film using polytetrafluoroethylene as a binder is used. On the other hand, the anode catalyst layer 2A includes
A platinum-cobalt alloy catalyst supported on furnace black and formed into a film using polytetrafluoroethylene as a binder is used.

【0015】本構成の燃料極触媒層2Aにおいては、図
5の小型のリン酸型燃料電池の実験において示されたご
とく、リン酸に対してマトリックス1の方向への駆動力
が生じて、リン酸量が減少してもリン酸をマトリックス
1の内部へと保持するように作用する。また空気極触媒
層5においては、従来と同様にリン酸に対してマトリッ
クス1の方向への駆動力が生じて、リン酸をマトリック
ス1に保持するように作用する。したがって、単セルを
本構成のごとくとすれば、マトリックス1からのリン酸
の漏洩が抑えられ、セル全体としてリン酸量が低下して
もマトリックス中にリン酸が保持される。したがって、
クロスリークによるセル電圧の低下が抑制され、長期に
わたり安定して運転できることとなる。
In the fuel electrode catalyst layer 2A of this configuration, as shown in the experiment of the small-sized phosphoric acid type fuel cell in FIG. Even if the amount of acid decreases, it acts to hold phosphoric acid inside the matrix 1. Further, in the air electrode catalyst layer 5, a driving force is generated for phosphoric acid in the direction of the matrix 1 in the same manner as in the prior art, and acts to hold phosphoric acid in the matrix 1. Therefore, if the single cell is configured as in this configuration, the leakage of phosphoric acid from the matrix 1 is suppressed, and phosphoric acid is retained in the matrix even if the amount of phosphoric acid in the entire cell decreases. Therefore,
A decrease in cell voltage due to cross leak is suppressed, and stable operation can be performed for a long time.

【0016】図2は、本発明によるリン酸型燃料電池の
第2の実施例の単セルの構成を模式的に示す分解斜視図
である。本構成と図1に示した第1の実施例の構成との
差異は、白金−コバルト合金触媒に代わって白金−コバ
ルト−鉄からなる三元合金触媒を用い、これをアセチレ
ンブラックに担持し、ポリテトラフロロエチレンを結合
材として膜状に形成した燃料極触媒層2Bを用いて燃料
極4Bを構成したことにある。既に述べたように、白金
−コバルト−鉄合金触媒を用いた燃料極触媒層において
も、白金−コバルト合金触媒を用いた燃料極触媒層と同
様に、リン酸に対してマトリックス1の方向への駆動力
が生じて、リン酸をマトリックス1の内部に保持するよ
うに作用するので、第1の実施例と同様な効果が得られ
ることとなる。
FIG. 2 is an exploded perspective view schematically showing the structure of a single cell of a second embodiment of the phosphoric acid type fuel cell according to the present invention. The difference between the present configuration and the configuration of the first embodiment shown in FIG. 1 is that, instead of the platinum-cobalt alloy catalyst, a ternary alloy catalyst composed of platinum-cobalt-iron is used, and this is supported on acetylene black, The fuel electrode 4B is constituted by using the fuel electrode catalyst layer 2B formed in a film shape using polytetrafluoroethylene as a binder. As described above, in the fuel electrode catalyst layer using the platinum-cobalt-iron alloy catalyst, similarly to the fuel electrode catalyst layer using the platinum-cobalt alloy catalyst, phosphoric acid is directed toward the matrix 1 in the direction of the matrix 1. Since a driving force is generated to act to hold phosphoric acid inside the matrix 1, the same effect as in the first embodiment can be obtained.

【0017】[0017]

【発明の効果】上述のように、本発明によれば、リン酸
電解質を含むマトリックスと、該マトリックスを挟持
し、マトリックスに接する面に触媒層を結着した燃料極
および空気極を備えたリン酸型燃料電池において、燃料
極の触媒層に白金と他の遷移金属とからなる合金触媒、
例えば白金とコバルトとからなる合金触媒、あるいは白
金とコバルトと鉄とからなる合金触媒を用いることとし
たので、空気極、燃料極のいずれにおいても、リン酸が
マトリックス方向に移動しようとするため、セル全体と
してリン酸量が低下してもマトリックス中にリン酸が保
持される。したがって、クロスリークによるセル電圧の
低下が起きにくく、長寿命のリン酸型燃料電池が得られ
ることとなった。
As described above, according to the present invention, according to the present invention, there is provided a matrix comprising a phosphoric acid electrolyte, and a phosphor having a fuel electrode and an air electrode sandwiching the matrix and having a catalyst layer bound to a surface in contact with the matrix. In an acid fuel cell, an alloy catalyst composed of platinum and another transition metal is used for a catalyst layer of an anode,
For example, since an alloy catalyst composed of platinum and cobalt, or an alloy catalyst composed of platinum, cobalt and iron was used, in both the air electrode and the fuel electrode, phosphoric acid tends to move in the matrix direction. Phosphoric acid is retained in the matrix even if the amount of phosphoric acid decreases in the entire cell. Therefore, the cell voltage hardly decreases due to the cross leak, and a long-life phosphoric acid fuel cell can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明によるリン酸型燃料電池の第1の実施例
の単セルの構成を模式的に示す分解斜視図
FIG. 1 is an exploded perspective view schematically illustrating a configuration of a single cell of a first embodiment of a phosphoric acid fuel cell according to the present invention.

【図2】本発明によるリン酸型燃料電池の第2の実施例
の単セルの構成を模式的に示す分解斜視図
FIG. 2 is an exploded perspective view schematically showing a configuration of a single cell of a second embodiment of the phosphoric acid fuel cell according to the present invention.

【図3】リン酸型燃料電池の基本構成単位である単セル
の構成を模式的に示す斜視図
FIG. 3 is a perspective view schematically showing a configuration of a single cell which is a basic structural unit of the phosphoric acid type fuel cell.

【図4】リン酸型燃料電池の積層構造を示す模式図FIG. 4 is a schematic view showing a stacked structure of a phosphoric acid type fuel cell.

【図5】実験に用いた小型のリン酸型燃料電池の構成を
分解して示す断面図
FIG. 5 is an exploded cross-sectional view showing a configuration of a small phosphoric acid fuel cell used in an experiment.

【図6】小型のリン酸型燃料電池を用いて測定したリン
酸に働く駆動力を電流密度に対してプロットした特性図
FIG. 6 is a characteristic diagram in which driving force acting on phosphoric acid measured using a small phosphoric acid type fuel cell is plotted against current density.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 マトリックス 2A 燃料極触媒層(白金−コバルト合金触媒) 2B 燃料極触媒層(白金−コバルト−鉄合金触媒) 4A 燃料極 4B 燃料極 5 空気極触媒層 7A 空気極 8 燃料ガス通流溝 9 空気通流溝 21 カーボンペーパー 22 リブ付きリザーバープレート 23 カーボンペーパー 24 リブ付きリザーバープレート Reference Signs List 1 matrix 2A fuel electrode catalyst layer (platinum-cobalt alloy catalyst) 2B fuel electrode catalyst layer (platinum-cobalt-iron alloy catalyst) 4A fuel electrode 4B fuel electrode 5 air electrode catalyst layer 7A air electrode 8 fuel gas flow groove 9 air Flow groove 21 Carbon paper 22 Reservoir plate with ribs 23 Carbon paper 24 Reservoir plate with ribs

【手続補正書】[Procedure amendment]

【提出日】平成8年11月6日[Submission date] November 6, 1996

【手続補正1】[Procedure amendment 1]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0002[Correction target item name] 0002

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【0002】[0002]

【従来の技術】燃料電池は効率が高く、NOX 等の公害
原因物質の発生もほとんどないため、将来の石油代替え
エネルギーとしての期待が大きい。なかでもリン酸を電
解液として用いるリン酸型燃料電池は最も実用化に近い
段階にある。図3は、リン酸型燃料電池の基本構成単位
である単セルの構成を模式的に示す斜視図である。図に
見られるように、単セルはリン酸を含むマトリックス1
を燃料極4と空気極7で挟んで構成されており、アノー
ドとなる燃料極4は燃料極基材3に燃料極触媒層2を、
またカソードとなる空気極7は空気極基材6に空気極触
媒層5を結着して形成されている。また、燃料極基材3
と空気極基材6には、ガス供給用の燃料ガス通流溝8お
よび空気通流溝9が備えられている。マトリックス1の
主成分はシリコンカーバイト(SiC )、燃料極基材3と
空気極基材6の主成分はグラファイトで、いずれも多孔
質材料である。形成された単セルの厚みは数mm、一辺
の長さは 600〜1000mmである。本構成において燃料ガ
ス通流溝8に水素を含む燃料ガスを、空気通流溝9に空
気を供給すると、供給されたガスは拡散によって浸透し
て各電極の触媒層に到達し、触媒と電解液との界面で次
式のごとき反応が生じて、外部回路に電流が流れること
となる。
2. Description of the Related Art Fuel cells have high efficiency and hardly generate pollutants such as NOx, so that they are expected to be used as an alternative to petroleum in the future. Above all, the phosphoric acid type fuel cell using phosphoric acid as the electrolyte is at a stage near the most practical use. FIG. 3 is a perspective view schematically showing a configuration of a single cell which is a basic structural unit of the phosphoric acid type fuel cell. As can be seen, the single cell is a matrix 1 containing phosphoric acid.
Is sandwiched between a fuel electrode 4 and an air electrode 7, and the fuel electrode 4 serving as an anode is provided with a fuel electrode catalyst layer 2 on a fuel electrode base material 3,
The air electrode 7 serving as a cathode is formed by binding the air electrode catalyst layer 5 to the air electrode base material 6. Also, the fuel electrode base material 3
The air electrode base material 6 is provided with a fuel gas flow groove 8 for gas supply and an air flow groove 9. The main component of the matrix 1 is silicon carbide (SiC), and the main components of the fuel electrode base material 3 and the air electrode base material 6 are graphite, all of which are porous materials. The thickness of the formed single cell is several mm, and the length of one side is 600 to 1000 mm. In this configuration, when a fuel gas containing hydrogen is supplied to the fuel gas flow groove 8 and air is supplied to the air flow groove 9, the supplied gas permeates by diffusion to reach the catalyst layer of each electrode, and the catalyst and the electrolytic solution. The following reaction occurs at the interface with the liquid, and current flows to the external circuit.

【手続補正2】[Procedure amendment 2]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0005[Correction target item name] 0005

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【0005】これらの研究においては、燃料極の触媒に
アセチレンブラックを担体とする白金触媒を用い、空気
極の触媒にはアセチレンブラックを担体とする白金触
媒、あるいはファーネスブラックを担体とする白金系合
金触媒を用いている。このような触媒の構成は、これま
で広く採用されてきた構成である。リン酸型燃料電池で
は、一般に、空気極の反応(上式の(2) )の速度が小さ
く電池反応を律速するため、空気極の触媒活性を高める
ためにいろいろな合金触媒が検討されている。一方、燃
料極の反応(上式の(1) )は空気極の反応に比べてはる
かに容易に進むため、燃料極の触媒としては白金単独の
ものが用いられている。
In these studies, a platinum catalyst using acetylene black as a carrier is used as a catalyst for a fuel electrode, and a platinum catalyst using acetylene black as a carrier or a platinum-based alloy using furnace black as a catalyst for an air electrode. A catalyst is used. Such a structure of the catalyst is a structure widely used so far. In the phosphoric acid type fuel cell, generally, the rate of the reaction of the air electrode ((2) in the above formula) is small and the rate of the cell reaction is limited. Therefore , various alloy catalysts are being studied to increase the catalytic activity of the air electrode. . On the other hand, the reaction of the fuel electrode ((1) in the above formula) proceeds much more easily than the reaction of the air electrode, and therefore, platinum alone is used as a catalyst for the fuel electrode.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】リン酸電解質を含むマトリックスと、該マ
トリックスを挟持し、マトリックスに接する面に触媒層
を結着した燃料極および空気極を備えたリン酸型燃料電
池において、燃料極の触媒層に白金と他の遷移金属とか
らなる合金触媒を用いたことを特徴とするリン酸型燃料
電池。
1. A phosphoric acid type fuel cell comprising a matrix containing a phosphoric acid electrolyte, a fuel electrode having a catalyst layer bound to a surface in contact with the matrix, and an air electrode, wherein a catalyst layer of the fuel electrode is provided. A phosphoric acid-type fuel cell characterized by using an alloy catalyst comprising platinum and another transition metal.
【請求項2】前記合金触媒が白金とコバルトとからなる
合金触媒であることを特徴とする請求項1に記載のリン
酸型燃料電池。
2. The phosphoric acid fuel cell according to claim 1, wherein said alloy catalyst is an alloy catalyst comprising platinum and cobalt.
【請求項3】前記合金触媒が白金とコバルトと鉄とから
なる合金触媒であることを特徴とする請求項1に記載の
リン酸型燃料電池。
3. The phosphoric acid fuel cell according to claim 1, wherein the alloy catalyst is an alloy catalyst comprising platinum, cobalt and iron.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7060385B2 (en) * 2001-08-03 2006-06-13 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Noble metal-base metal alloy catalyst, evaluation of such catalyst, and method of producing such catalyst
DE102014104310A1 (en) 2014-03-27 2015-10-01 Siqens Gmbh Device and method for lifetime extension of HT-PEM fuel cells

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