JP2655952B2 - 燃料電池 - Google Patents

燃料電池

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JP2655952B2
JP2655952B2 JP3153373A JP15337391A JP2655952B2 JP 2655952 B2 JP2655952 B2 JP 2655952B2 JP 3153373 A JP3153373 A JP 3153373A JP 15337391 A JP15337391 A JP 15337391A JP 2655952 B2 JP2655952 B2 JP 2655952B2
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昇平 魚住
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • 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
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は燃料電池、特にリン酸型
燃料電池に関し、運転時間の長寿命化のために電極及び
電解質層マトリックスに特有の構成を有せしめた燃料電
池に関する。
【0002】
【従来の技術】燃料電池、特に、燃料極及び酸化剤極の
ガスを分離するセパレ−タ、各電極に燃料及び酸化剤を
導入するために設置されたガス溝、該ガス溝を保持する
ために必要なリブ部、ガス溝から触媒層に燃料または酸
化剤を供給する通路となる電極、及び燃料極で発生した
水素イオンを酸化剤極に選択的に通過させる電解質層か
ら成る燃料電池において、その運転時間を長寿命化する
ことは大きな技術課題であり、その一つの解決策として
飛散する電解質を捕集し回収する技術手段が開示されて
いる。例えばその一例としてセル内で一旦電極から飛散
したリン酸を再びセル内に戻す構造として、供給ガスの
上流部に電解質ミストを発生するノズルと、電極内に電
解質ミストを捕集するデミスタとを配置し、デミスタと
マトリックスを連通する通路を設けたものが提案されて
いる(特開昭63- 146365号公報参照)。 この技術は飛散
したリン酸を再びセル内に戻す手段として有効であり燃
料電池の長寿命化に寄与している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】一般に、飛散した電解
質を回収する手段を有する燃料電池であってもセルから
飛散するリン酸はセルのガス出口側で一義的に捕集され
るため、この部分にリン酸が溜り易いという傾向にあ
る。このために、長時間運転を継続するとセルの内部抵
抗がセル面内で不均一となり、特にガス入り口側ではリ
ン酸不足により内部抵抗が増大し、これによりセル性能
の低下を生起していた。上記したあるいはその他の従来
の電解質回収のための手段はいずれもこの点についての
格別の配慮はなされきていない。
【0004】本発明はこのような欠点を改良し、飛散し
た電解質例えばリン酸をガス出口部で一律に回収するの
ではなく、リン酸が飛散した場所により近い場所でリン
酸を捕集すると共に捕集したリン酸をガスの流入側に戻
すことにより、飛散し捕集されたリン酸がセル内の燃料
及び酸化剤ガスの出口側に片寄って存在するのを防止
し、セルの性能低下を防止し得る燃料句電池を得ること
を目的としている。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決しかつ
目的を達成するために、本発明は、燃料極及び酸化剤極
のガスを分離するセパレ−タ、各電極に燃料及び酸化剤
を導入するために設置されたガス溝、該ガス溝を保持す
るために必要なリブ部、ガス溝から触媒層に燃料または
酸化剤を供給する通路となる電極、及び燃料極で発生し
た水素イオンを酸化剤極に選択的に通過させる電解質層
とを有する燃料電池において、リブ部、電極あるいは電
解質層に形成される平均的にみた気孔の径を、ガス流方
向の下流側に比し上流側のものをより小径とした燃料電
池を開示する。下流側から上流側に向けての気孔の径の
変化の態様は、暫減的に変化する態様でもよくまた階段
状に減少する態様でも良い。
【0006】本発明は、さらに、上記のような燃料電池
において、そのリブ部のガス流に対し直角方向の断面に
存在する平均的にみた気孔の径を、その周辺部に比し中
心部のものをより小径とした燃料電池をも開示する。こ
の場合にあっても、その変化の態様は、暫減的に変化す
る態様でもよくまた階段状に減少する態様でも良い。本
発明は、さらに、上記のような燃料電池において、その
リブ部のガス溝に対向する面に飛散電解質捕集部をなす
突出部をガスの流れ方向に沿って複数個設けた燃料電池
をも開示する。この突出部はリブ部を構成する材料と同
一の材料により構成することが好ましい態様である。
【0007】すなわち、本発明による燃料電池は、電解
質であるリン酸を電極から飛散、分離した個所のできる
だけ近くで捕集する目的で、セル内の各リブについてガ
スの流れ方向に複数個のリン酸捕集部を好ましくは設置
すると共に、一旦捕集されたリン酸がガス流の上流部に
向かって移動しやすくするため、電極、リブ部及び電解
質マトリックス部の少なくとも一つをガスの入口側に近
ずくに従ってその気孔径が小さくなるように構成した。
【0008】
【作 用】一般に多孔質内を液体が移動する場合、表面
張力の作用により、ある気孔内に保持されている流体は
そこに連続して位置しているより小径の気孔の方に向け
て吸引される。換言すれば、気孔径の増大に伴いそこに
保持される液体はより小径の気孔に向け移動し易くな
る。本発明はこの性質を利用したものであり、リブ部、
電極部及びマトリックス部を構成する部材の平均的にみ
た気孔径を燃料又は酸化剤の入口側に近ずくに従って小
さくすることにより、各ガス流のより下流側で捕集され
たリン酸をより上流側に戻し易くしている。これにより
セル内のリン酸分布の均一化が促進され、運転寿命が長
期化する。更に各リブの流れ方向に沿って複数個のリン
酸捕集部を設置したことにより、リン酸などの電解質が
電極から分離した地点のできるだけ近くで捕集されるこ
ととなり、この結果捕集されたリン酸の移動距離が短く
なり、セル内のリン酸分布の均一性が一層向上する。
【0009】
【実施例】以下、添付の図面を参照にした一実施例の説
明に基づき本発明をより詳細に説明する。図1はリン酸
型燃料電池の要部の一部断面図であり、図1(a) は燃料
極又は空気極内のガスの流れ方向に沿った断面図、図1
(B) はガスの流れに直角方向の断面図である。図中の1
は燃料極と空気極との間のガスを分離するセパレ−タ、
2はガス通路3を保持するために必要なリブ、4は燃料
又は空気を触媒層5に送るための電極であり、6は燃料
極からの水素イオンだけを通過させる電解質層である。
図中の矢印は燃料又は空気の流れる方向を示している。
本実施例におけるリブ部を構成する材料はその気孔径が
図において流れの上流側例えばA部分と下流側例えばB
部分とを比較すると上流側のA部分の気孔径の方がB部
分気孔径より小さくなるように構成されている。このよ
うな構成をとることにより下流側で捕集されたリン酸は
リブに沿ってガス流れの上流側に移動し易くなると共
に、電極4及び触媒層5の一部に設けられた撥水性の小
さい部分を経てマトリックスに輸送される。
【0010】本発明の他の態様として、特に図示しない
が電解質層6についても同様にガスの流れの上流側に対
応する部分の気孔径を下流側の気孔径より小さくするよ
うにしてもよく、このように構成することにより上流側
でのリン酸量の低下を一層抑制することが可能となる。
径の異なる気孔をリブ、電解質層マトリックスを構成す
る素材に形成するに当たってはそれらの部材を一体成形
するときに同時成形してもよく、あるいは異なった気孔
径を持つ素材を複数組用意し、その組み合わせにより気
孔径の異なるリブあるいは電解質層マトリックスを形成
するようにしてもよい。前者の場合は連続的に径の変化
したものが得やすく、後者の場合には段階的に径が変化
したものが得られるが、共に、同様な効果を奏し得る。
【0011】また、リブ部2と電極4とは同一の材料で
一体に成形してもよく、異なった材料で構成してもよ
い。また、電極部分にも同様な気孔径の差異を持たせる
ようにしてもよい。図2は、他の発明の一態様を示して
いる。燃料電池の全体的構成は図1のものと同様である
が、この例のものはリブのガス流に直角方向の断面方向
の気孔の径の分布が、周辺近傍よりも中心部のほうが小
さくなっている、この構成においても同様の理由によ
り、リブ周縁部で捕集されたリン酸はリブ中心側に移動
し、再び燃料又は空気によって運ばれるのを防止するこ
とができる。これにより、より下流側への飛散が防止で
きる。
【0012】図3は、さらに他の発明であるセル内を飛
散するリン酸の捕集手段の一態様を示している。同図に
おいてはリブのみを抽出して示しているが、図2のもの
と同様に他の構成は図1のものと同様である。ここにお
いて、リブの両側には突起部7がセル面内に適宜の間隔
を置いて複数個に設けられておる。運転時にはダクト3
部分を流れるガスの一部は突起部7に衝突し、その衝突
に伴い各突起部7の部分において飛散してくるリン酸が
捕集される。捕集されたリン酸は突起部からリブ本体部
に移動し、更にガス上流側に向かって移動する。図3の
ようにリブ部にガスの流れ方向に複数個のリン酸捕集部
を配置することにより、下流側で発生した飛散リン酸は
下流側で、上流側で発生した飛散リン酸は上流側でそれ
ぞれ補集することができ、セル面内のリン酸分布の均一
性を保持し易くなる。
【0013】図4はリン酸捕集手段の他の実施例を示し
たものであり、図示されるように相近接するリブ2,2
の間にはガス流に直交する方向にガスは流下させるがリ
ン酸のような電解質飛散粒子は補足し得るような物質、
例えばカ−ボン繊維あるいはテフロン繊維のような耐リ
ン酸性の繊維、を適宜の間隔を置いて配置したものであ
る。運転中にガス流はほとんど抵抗の無い状態でこの部
分を通過するが飛散する電解質粒子は確実に捕集され、
補集された飛散粒子をリブ又は対向する電解質層マトリ
ックス5に直接還流させることができる。
【0014】なお、本発明においては、以上に説明した
種々の飛散粒子捕捉手段及び捕捉粒子を下流側から上流
側へ容易に移動し得るようにする手段とはそれぞれ個々
に用いることも可能であり、適宜組み合わせて用いるこ
とも勿論可能である。その選択は燃料電池の構成や使用
環境に応じて自由に行うことができる。
【0015】
【発明の効果】本発明により、飛散したリン酸のような
電解質は飛散個所の極近傍において即座に捕捉されかつ
上流側へ移送される。それにより、セル面内の電解質分
布の均一性が補償され、結果としてセル性能の長寿命化
及び電解質補給回数の低減を図ることができる。本発明
はリン酸塩型燃料電池に用いると特に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図1】リブ部のガス流れ方向及び直角方向の断面図。
【図2】リブ部のガス流れ方向に直角な方向の断面図で
本発明の他の態様を示している。
【図3】リン酸捕集部を示す斜視図
【図4】他の形態のリン酸捕集部を示す斜視図
【符号の説明】
1…セパレ−タ 2…リブ 3…ガス溝 4…電極 5
…触媒層 6…マトリックス 7、8…リン酸捕集部

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 燃料極及び酸化剤極のガスを分離するセ
    パレ−タ、各電極に燃料及び酸化剤を導入するために設
    置されたガス溝、該ガス溝を保持するために必要なリブ
    部、ガス溝から触媒層に燃料または酸化剤を供給する通
    路となる電極、及び燃料極で発生した水素イオンを酸化
    剤極に選択的に通過させる電解質層とを有する燃料電池
    において、前記リブ部、電極及び電解質層のうち少なく
    とも燃料極又は酸化剤極のリブ部の一方の気孔の径を、
    ガス流方向の下流側に比し上流側のものをより小径とし
    ていることを特徴とする燃料電池。
  2. 【請求項2】 燃料極及び酸化剤極のガスを分離するセ
    パレ−タ、各電極に燃料及び酸化剤を導入するために設
    置されたガス溝、該ガス溝を保持するために必要なリブ
    部、ガス溝から触媒層に燃料または酸化剤を供給する通
    路となる電極、及び燃料極で発生した水素イオンを酸化
    剤極に選択的に通過させる電解質層から成る燃料電池に
    おいて、燃料極又は酸化剤極の少なくとも一方の前記リ
    ブ部のガス流に対し直角方向の断面に存在する気孔の径
    を、その周辺部に比し中心部のものをより小径としたこ
    とを特徴とする燃料電池。
  3. 【請求項3】 燃料極及び酸化剤極のガスを分離するセ
    パレ−タ、各電極に燃料及び酸化剤を導入するために設
    置されたガス溝、該ガス溝を保持するために必要なリブ
    部、ガス溝から触媒層に燃料または酸化剤を供給する通
    路となる電極、及び燃料極で発生した水素イオンを酸化
    剤極に選択的に通過させる電解質層から成る燃料電池に
    おいて、さらに、電解質層部の気孔の径を、ガス流方向
    の下流側に比し上流側のものをより小径としていること
    を特徴とする請求項1又は2記載の燃料電池。
  4. 【請求項4】 請求項1ないし3のいずれかに記載の燃
    料極又は酸化剤極の少なくとも一方のリブ部のガス溝に
    対向する面に、さらに飛散電解質捕集部をなす突出部を
    ガスの流れ方向に沿って複数個設けたことを特徴とする
    燃料電池。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US6521369B1 (en) * 2000-11-16 2003-02-18 Graftech Inc. Flooding-reducing fuel cell electrode
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JPS6314636A (ja) * 1986-07-07 1988-01-21 松下電器産業株式会社 生鮮物貯蔵装置

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