JPH1032010A - リン酸型燃料電池 - Google Patents
リン酸型燃料電池Info
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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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- phosphoric acid
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- 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
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Inert Electrodes (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】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、クロスリークによるセル特性の低下が抑制
されて、長期にわたり安定して運転できるものとする。 【解決手段】リン酸を含んだマトリックス１を、燃料極
触媒層２Ａとこれを支持するカーボンペーパー２１とリ
ブ付きリザーバープレート２２よりなる燃料極４Ａと、
空気極触媒層５とこれを支持するカーボンペーパー２３
とリブ付きリザーバープレート２４よりなる空気極７Ａ
とにより挟持して構成される単セルにおいて、燃料極触
媒層２Ａを白金−コバルト合金触媒を用いて形成する。
が保持され、クロスリークによるセル特性の低下が抑制
されて、長期にわたり安定して運転できるものとする。 【解決手段】リン酸を含んだマトリックス１を、燃料極
触媒層２Ａとこれを支持するカーボンペーパー２１とリ
ブ付きリザーバープレート２２よりなる燃料極４Ａと、
空気極触媒層５とこれを支持するカーボンペーパー２３
とリブ付きリザーバープレート２４よりなる空気極７Ａ
とにより挟持して構成される単セルにおいて、燃料極触
媒層２Ａを白金−コバルト合金触媒を用いて形成する。
Description
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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
の単セルの構成を模式的に示す分解斜視図
【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
の単セルの構成を模式的に示す分解斜視図
【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
の構成を模式的に示す斜視図
【図４】リン酸型燃料電池の積層構造を示す模式図
【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
分解して示す断面図
【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
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
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
【手続補正書】
【提出日】平成８年１１月６日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正内容】
【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。
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。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正内容】
【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。
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。
Claims (3)
- 【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。 - 【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。 - 【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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8187956A JPH1032010A (ja) | 1996-07-18 | 1996-07-18 | リン酸型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8187956A JPH1032010A (ja) | 1996-07-18 | 1996-07-18 | リン酸型燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1032010A true JPH1032010A (ja) | 1998-02-03 |
Family
ID=16215115
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8187956A Pending JPH1032010A (ja) | 1996-07-18 | 1996-07-18 | リン酸型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH1032010A (ja) |
Cited By (2)
| 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 |
| WO2015144912A1 (de) | 2014-03-27 | 2015-10-01 | Siqens Gmbh | Vorrichtung und verfahren zur lebensdauerverlängerung von ht-pem brennstoffzellen |
-
1996
- 1996-07-18 JP JP8187956A patent/JPH1032010A/ja active Pending
Cited By (3)
| 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 |
| WO2015144912A1 (de) | 2014-03-27 | 2015-10-01 | Siqens Gmbh | Vorrichtung und verfahren zur lebensdauerverlängerung von ht-pem brennstoffzellen |
| DE102014104310A1 (de) | 2014-03-27 | 2015-10-01 | Siqens Gmbh | Vorrichtung und Verfahren zur Lebensdauerverlängerung von HT-PEM Brennstoffzellen |
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