JPH06267564A - 固体高分子電解質燃料電池 - Google Patents
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Abstract
の排出が良好になるとともに、酸化剤中の酸素のガス拡
散も良好となり、安定した電池反応を継続して行なうこ
とができることを主要な目的とする。 【構成】電解質(32)の両面側にアノード極(33)、カソー
ド極(34)を夫々配置した積層体(31)と、前記積層体(31)
のアノード極(33)側に設けられ、前記アノード極(33)に
燃料を供給する燃料流路(36)を有した燃料配流板(37)
と、前記積層体(31)ののカソード極側に設けられ、前記
カソード極(34)に酸化剤を供給する酸化剤流路(39)を有
した酸化剤配流板(40)とを具備し、前記酸化剤配流板(4
0)の酸化剤流路(39)の深さあるいは幅の少なくともいず
れかを酸化剤の上流流路域から下流流路域に沿って徐々
に小さくしたことを特徴とする固体高分子電解質燃料電
池。
Description
剤流路に改良を施した固体高分子電解質燃料電池に関す
る。
すように、電解質1に高分子イオン交換膜(例えば、ス
ルホン酸基を持つフッ素樹脂系イオン交換膜)を用い、
両側に触媒電極層(例えば白金)2,3及び多孔質カー
ボン電極4,5を備えた電極接合体6構造をしている。
アノード極側に供給された加湿燃料中の水素は、触媒電
極(アノード極)2上で水素イオン化され、水素イオン
は電解質1中を水の介在もとH+ ・xH2 Oとして、カ
ソード極側へ水と共に移動する。
ド電極)3上で酸化剤中の酸素及び外部回路7を流通し
てきた電子と反応して水を生成し、その生成水はカソー
ド極3より燃料電池外へ排出されることになる。この
時、外部回路7を流通した電子流れを直流の電気エネル
ギーとして利用できる。なお、電解質1となる高分子イ
オン交換膜において、前述のような水素イオン透過性を
実現させるためには、この膜を常に充分なる保水状態に
保持しておく必要があり、通常、燃料又は酸化剤に電池
の運転温度近辺相当の飽和水蒸気を含ませて、すなわち
加湿して燃料及び酸化剤を電極接合体6に供給し、膜の
保水状態を保つようにしている。以下に、上記固体高分
子電解質燃料電池における反応式を示す。 アノード側:H2 →2H+ +2e- カソード側:(1/2)O2 +2H+ +2e- →H2 O 全反応:H2 +(1/2)O2 →H2 O 図2(A),(B),(C)は、従来の固体高分子電解
質燃料電池の構成の一例を示す。
極(アノード極)13,第2触媒電極(カソード極)14を
積層した積層体である。この積層体11の上側には、多孔
質な第1カーボン電極(アノード極)15を介して燃料流
路16を有した燃料配流板17が設けられている。前記積層
体11の下側には、多孔質な第2カーボン電極(カソード
電極)18を介して酸化剤流路19を有した酸化剤配流板20
が夫々設けられている。ここで、酸化剤流路19は、溝幅
が一定で、かつ溝深さも一定(d1 =d2 )で一定の断
面積をもつ。なお、d1 は酸化剤入口側の溝の深さ、d
2 は酸化剤出口側の深さを示す。
16を流れてきた燃料水素は第1カーボン電極15を通過
し、第1触媒電極13上で水素イオン化され、水素イオン
は電解質12中を水の介在のもとH+ ・xH2 Oとして、
カソード極側へ水と共に移動する。この水素イオンによ
り第2触媒電極14上で生成された水と、水素イオンと共
にアノード極側より電解質12中を移動してきた水は、蒸
気あるいは、一部は液体のまま、第2カーボン電極18を
通過し、上流流路域から下流流路域に向かって断面積が
一定な酸化剤流路19を流れる酸化剤中に排出されるよう
になっている。
示すように上流流路域から下流流路域に向かってその流
路溝幅一定、かつ溝深さ一定(d1 =d2 )の断面積が
均一な流路をもつ酸化剤配流板20を持つ固体高分子電解
質燃料電池においては、電池反応に伴って発生する生成
水、及び水素イオンと共にアノード電極よりカソード電
極へ移動してきた移動水より、酸化剤流路19の下流域へ
向かうほど、その酸化剤雰囲気中の水蒸気分圧が上昇す
るため、蒸気となってガス拡散排出されにくくなる。そ
のため、その蒸気の一部液体化、液滴化した生成水や移
動水が、カソード極側の多孔質な第2カーボン電極18中
に詰まり、多孔質な第2カーボン電極18中での酸化剤の
ガス拡散が阻止されやすい状況に陥りやすい構造となっ
ていた。
たもので、酸化剤配流板の酸化剤流路の深さあるいは幅
の少なくともいずれかを酸化剤の上流流路域から下流流
路域に沿って徐々に小さくすることにより、酸化剤流路
の下流流路域での流速が早くなり、蒸気となった生成水
や移動水がガス拡散排出されやすく、あるいは一部液体
化や液滴化して多孔質なカーボン電極中に存在する生成
水や移動水を吹き飛ばすことができ、もってカソード極
側での生成水や移動水の排出が良好になるとともに、酸
化剤中の酸素のガス拡散も良好となり、安定した電池反
応を継続して行なうことができる固体高分子電解質燃料
電池を提供することを目的とする。
面側にアノード極、カソード極を夫々配置した積層体
と、前記積層体のアノード極側に設けられ、前記アノー
ド極に燃料を供給する燃料流路を有した燃料配流板と、
前記積層体のカソード極側に設けられ、前記カソード極
に酸化剤を供給する酸化剤流路を有した酸化剤配流板と
を具備し、前記酸化剤配流板の酸化剤流路の深さあるい
は幅の少なくともいずれかを酸化剤の上流流路域から下
流流路域に沿って徐々に小さくしたことを特徴とする固
体高分子電解質燃料電池である。
供給される酸化剤配流板の酸化剤流路の断面積を、上流
流路域から下流流路域に向かって小さくすることによ
り、酸化剤の下流流路域での流速が早くなり、酸化剤雰
囲気中の水蒸気分圧が上昇しても、蒸気となった生成水
や移動水がガス拡散排出されやすく、あるいはその早い
酸化剤ガス流速により、一部液体化や液滴化して多孔質
なカーボン電極中に存在する生成水や移動水を吹き飛ば
すことができるようになる。これらの佐用により、電池
カソード極側での生成水や移動水の排出が良好になり、
さらに酸化剤中の酸素のガス拡散も良好となり、安定し
た電池反応を維持できる。
(B),(C)を参照して説明する。ここで、図1
(A)は固体高分子電解質燃料電池の正面図、図1
(B)は酸化剤入口側から見た同燃料電池の側面図、図
1(C)は酸化剤出口から見た同燃料電池の側面図を示
す。
極(アノード極)33,第2触媒電極(カソード極)34を
積層した積層体である。この積層体31の上側には、多孔
質な第1カーボン電極(アノード極)35を介して燃料流
路36を有した燃料配流板37が設けられている。前記積層
体31の下側には、多孔質な第2カーボン電極(カソード
電極)38を介して酸化剤流路39を有した酸化剤配流板40
が夫々設けられている。ここで、酸化剤流路39の深さ
は、酸化剤入口側で深さd1 で酸化剤出口側で深さd2
でd1 >d2 となり、酸化剤入口側から酸化剤出口側に
沿って徐々に小さくなっている。
路36を流れてきた燃料水素は第1カーボン電極35を通過
し、第1触媒電極33上で水素イオン化され、水素イオン
は電解質32中を水の介在のもとH+ ・xH2 Oとして、
カソード極側へ水と共に移動する。この水素イオンによ
り第2触媒電極34上で生成された水と、水素イオンと共
にアノード極側より電解質32中を移動してきた水は、酸
化剤雰囲気中の水蒸気分圧が高くても、酸化剤の早いガ
ス流速により、蒸気あるいは、一部は液体のまま、第2
カーボン電極38を通過し、酸化剤流路39中を流れる酸化
剤中に排出されるようになっている。
が、酸化剤入口側(深さd1 )から酸化剤出口側(深さ
d2 )に沿って徐々に小さくなる構造になっているた
め、酸化剤流路39の断面積は上流流路域から下流流路域
に向かって小さくなる。従って、酸化剤流路39の上流流
路域で排出された生成水や移動水により、酸化剤流路39
の下流流路域では、その酸化剤雰囲気中の水蒸気分圧が
上昇するが、酸化剤の下流流路域での流速が速くなり、
蒸気となった生成水や移動水がガス拡散排出されやす
く、あるいは、その速い酸化剤ガス流速により、一部液
体化や液滴化して多孔質なカーボン電極中に存在する生
成水や移動水を吹き飛ばすことができるようになる。こ
れらの佐用により、電池のカソード極側での生成水や移
動水の排出が良好になり、さらに酸化剤中の酸素のガス
拡散も良好となり、安定した電池反応を継続して行なう
ことが可能である。
を酸化剤入口側から酸化剤出口側に沿って徐々に小さく
なる構成にした場合について述べたが、これに限らず、
例えば酸化剤流路の幅を酸化剤入口側から酸化剤出口側
に沿って徐々に小さくしたり、あるいは酸化剤流路の深
さ及び幅を同時に酸化剤入口側から酸化剤出口側に沿っ
て徐々に小さくする構成にしてもよい。
化剤配流板の酸化剤流路の深さあるいは幅の少なくとも
いずれかを酸化剤の上流流路域から下流流路域に沿って
徐々に小さくすることにより、酸化剤流路の下流流路域
での流速が早くなり、蒸気となった生成水や移動水がガ
ス拡散排出されやすく、あるいは一部液体化や液滴化し
て多孔質なカーボン電極中に存在する生成水や移動水を
吹き飛ばすことができ、もってカソード極側での生成水
や移動水の排出が良好になるとともに、酸化剤中の酸素
のガス拡散も良好となり、安定した電池反応を継続して
行なうことができる固体高分子電解質燃料電池を提供で
きる。
料電池の説明図であり、図1(A)は正面図、図1
(B)は酸化剤入口側から見た側面図、図1(C)は酸
化剤出口から見た側面図を示す。
り、図2(A)は正面図、図2(B)は酸化剤入口側か
ら見た側面図、図2(C)は酸化剤出口から見た側面図
を示す。
めの図。
…第1触媒電極、34…第2触媒電極、 35…第1カー
ボン電極、 36…燃料流路、37…燃料配流板、
38…第2カーボン電極、 39…酸化剤流路、40…酸化
剤配流板。
Claims (1)
- 【請求項1】 電解質の両面側にアノード極、カソード
極を夫々配置した積層体と、前記積層体のアノード極側
に設けられ、前記アノード極に燃料を供給する燃料流路
を有した燃料配流板と、前記積層体のカソード極側に設
けられ、前記カソード極に酸化剤を供給する酸化剤流路
を有した酸化剤配流板とを具備し、前記酸化剤配流板の
酸化剤流路の深さあるいは幅の少なくともいずれかを酸
化剤の上流流路域から下流流路域に沿って徐々に小さく
したことを特徴とする固体高分子電解質燃料電池。
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