JP2501169B2 - 燃料電池及び電解質補給容器及び電解質補給方法 - Google Patents

燃料電池及び電解質補給容器及び電解質補給方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は燃料電池と、電解質補給
容器と、燃料電池運転中に減少する電解質補給方法に関
する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池を連続運転する場合、希望とす
る運転時間として４万時間が望まれている。しかし、燃
料電池の電解質部に含浸されている電解質は長時間の運
転とともに蒸発及び部材の腐食等により徐々に減少して
いく。このため、内部抵抗を増加させ電池電圧を低下さ
せてしまうことから、長時間の連続運転を行う場合には
定期的に電解質部への電解質補給を行わなければならな
かった。この補給方法として、従来から電池外部の電解
質貯蔵タンクより補給する方法がとられていた。しかし
ながら、この方法では、燃料電池の外部に補給に必要な
設備や配管を設けなければならず、更には配管等が電解
質の腐食性に耐えられる材質のものでなくてはならず、
設備の寿命やコスト面において問題があった。この問題
点を解決するものとして特開昭60−208058号公報に記載
されているように、電解質を含浸する電解質部を挟持し
た電極の反電解質板側に対向配置されたガス流路の一部
に、電解液保持用のマトリックスを充填しておき、電極
の毛細管現象により常時電解質部に電解質を補給すると
いう方法が知られている。また、特開昭58−155668号公
報に記載されているように、セパレータの周縁部に電解
質を貯蔵しておくための溝を設けるとともに、この溝に
電解質を貯蔵しておき、電池の運転時前記の溝から電解
質を補給するという方法も知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】燃料電池の電解質部に
含浸されている電解質は、電池の運転温度（６５０℃）
において溶融状態（融点４９１℃）にあり、強い腐食性
を有している。この点を考慮してみると、上記に記載し
た公知のものはいずれも電解質貯蔵箇所の腐食に関して
何等配慮がなされていない。即ち、貯蔵している補給用
電解質は、燃料電池の運転温度において溶融状態にある
ため、電池の運転とともに電解質を貯蔵している箇所の
部材は徐々に腐食してしまう。また、電解質貯蔵箇所の
腐食を防止するために耐食性を有した設備を用いること
も考えられるが、コストの面を考えると好ましくない。
従って、公知のものでは電解質の貯蔵箇所の腐食に関し
ては何等配慮されておらず、電池設備の寿命，信頼性に
問題があった。
【０００４】本発明は上記問題点に鑑みなされたもので
あり、その目的とするところは、電池設備の長寿命化を
図ることのできる信頼性の高い燃料電池と電解質補給方
法と、それを達成する電解質補給容器を提供するにあ
る。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的は、電解質を含
浸する電解質部と、該電解質部を挾持する一対の電極
と、該一対の電極の反電解質部側面に対向配置され、そ
れぞれの電極に反応ガスを流通せしめるガス流路を形成
するセパレータとを有する燃料電池において、前記セパ
レータの前記電解質部に面した側と該電解質部との間の
燃料電池の内部に電解質を充填した溶解性の容器を装填
したことにより達成される。
【０００６】また、電解質を充填した溶解性の容器を燃
料電池内に装填し、該容器の溶解により前記容器内の電
解質を電池に補給することにより達成される。
【０００７】さらに、燃料電池内に装填され、燃料電池
の電解質を内部に収納する溶解性の密閉容器により達成
される。
【０００８】
【作用】電解質を充填し、かつ電池内に装填された溶解
性の密閉容器は、電池の運転温度（６５０℃）で溶融し
た前記電解質（融点４９１℃）によって内部から溶解す
る。そして、前記容器が溶解したことにより前記溶融し
た電解質が多孔質波板の孔から電極を介して電解質部に
補給されるようにしたので、電解質は速やかに電解質部
に補給され、電池設備に腐食を及ぼすことが少なくな
る。即ち、従来の電解質補給方法では、常に電解質が電
池設備に接触し、常に電解質が電極に満たされている状
態にあるので、電解質が吸収されにくくなるのに対し
て、本発明は電解質部の含浸している電解質の不足に応
じて電解質を補給するので、電極に吸収されやすく、速
やかに電解質補給が行われる。従って、電池設備に電解
質が接触する回数や時間が減り、電池設備に腐食を及ぼ
すことが少なくなる。
【０００９】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。
【００１０】図１は、燃料電池の構成を示した図面であ
り、図において、４は電解質を含浸している電解質部で
あり、これをアノード電極３及びカソード電極５により
挟持している。また、アノード電極３及びカソード電極
５の反電解質部側には、それぞれの電極に反応ガスを流
通せしめる流路として多孔質波板２を有するセパレータ
１が対向配置され、１つの発電セル７を形成し、かつこ
の発電セル７を複数積層し燃料電池を構成する。
【００１１】そして、上記のように構成された燃料電池
内に図３の拡大図の如く、多孔質波板２の特に反応ガス
が流れない凹部に、図２に示している電解質８を充填し
た溶解性の電解質補給用密閉容器６を複数装填する。
尚、図３において、１はセパレータ、２は多孔質波板、
３はアノード電極、６は電解質補給用密閉容器を夫々示
している。この溶解性の電解質補給用密閉容器６は、ス
テンレス鋼、特に日本工業規格によるSUS316またはSUS3
10を材料として形成したものであり、このSUS316または
SUS310は電解質によって溶解するものである。なお、容
器６の材料としては、ステンレス鋼のように、電解質に
よって溶解されると共に、溶解により燃料電池の特性に
影響を与えない材料であれば良い。
【００１２】次に、このように構成した燃料電池の作用
についてのべると、まず前述した材質で形成した溶解性
の電解質補給用密閉容器６に固体の電解質を充填し、電
池の組立過程において予め前記電解質補給用密閉容器６
を前述した電池内の電解質部４付近に複数組み込む。燃
料電池が完成すると、電池運転温度である６５０℃まで
昇温し、運転を開始する。融点が４９１℃の電解質は運
転温度６５０℃で溶融状態となっており、強度のアルカ
リ性を有している。従って、溶解性の電解質補給用密閉
容器６内の電解質８も電池の運転温度６５０℃で溶融し
ており、強度のアルカリ性を有している。このため、SU
S316またはSUS310を材料として形成した電解性の電解質
補給用密閉容器６は、その内部から溶解し始め、少なく
とも一部において容器の全厚さが溶解したときに容器内
部に充填していた電解質は溶融状態で流れ出し、多孔質
波板２及びアノード電極３またはカソード電極５を介し
て電解質部４に補給される。即ち、換言すれば電解質部
が含浸している電解質が不足した頃に溶解性の電解質補
給用密閉容器６が内部に充填している電解質により溶解
し、中の電解質が電解質部に補給される。容器６の厚さ
は、内部に収容された電解質によって溶解されるに要す
る時間を考慮して決められる。
【００１３】以上のように電解質部４へ電解質は補給さ
れるが、電解質は補給後も電池の運転とともに再び不足
するので、電池内の電解質部４付近に装填した複数の溶
解性の電解質補給用密閉容器６が一度に溶解するのでは
なく、溶解性の電解質補給用密閉容器６の材質または容
器の厚さを異ならせた複数種類の容器に電解質を充填
し、これを電池内の電解質部４付近に装填することによ
り、電解質部４への電解質供給が複数回に分けて行われ
る。この結果、燃料電池の更なる長時間運転が容易に可
能であることは言うまでもない。
【００１４】図４は前述した補給の様子を、縦軸に電池
電圧、横軸に電池の運転時間をとって示した一例であ
る。図において、線９は電解質補給を行わない場合につ
いて示しており、この場合、時間の経過とともに電圧が
降下する様子が明らかである。一方、線１０は本発明の
実施例について示しており、当初は線９と同様時間の経
過とともに電圧が降下していく様子がわかる。そして、
電池の運転時間が1000時間あたり、即ち電解質補給の目
安となる破線１３に到達する手前で、上述の実施例によ
る第１回目の電解質補給が行われる。これにより、ポイ
ント１１に示したように、降下していた電池電圧は電池
運転初期に発生していた電圧まで回復する。尚、電解質
補給の目安となる破線１３は、予め電池の試験運転等に
より求めたもので、電池運転初期に発生した電池電圧か
ら１％降下させた電圧である。
【００１５】その後、第１回目の補給により電池電圧は
初期の電池電圧まで回復するものの、電池の運転ととも
に再び降下し、電池の運転時間が２０００時間あたり、
即ち再び電解質補給の目安となる破線１３に到達する手
前で、第２回目の電解質補給が行われ、再び電池電圧が
回復する（ポイント１２）。ここでは、説明を簡単にす
るために１０００時間単位での電解質補給について説明
したが、実際燃料電池の連続運転として４万時間が望ま
れており、これによって電池運転時間に対する電池電圧
の降下の割合、電解質の補給回数も変わることは言うま
でもない。
【００１６】更に、上述した溶解性の電解質補給用密閉
容器６の構成又は配置を電解質の減少量の部分的な相違
に応じて異ならせて電解質の補給を行うこともできる。
即ちガスの流量または反応等により、電解質部４に含浸
している電解質が多く減少したり、少なく減少したりす
る部分が生じる。このため、前記溶解性の電解質補給用
密閉容器６を均一に装填したのでは、例えば電解質が少
なく減少する部分で、電解質が多く減少する部分と同様
のタイミングで電解質が補給されると、電解質部４に含
浸できない余剰の電解質が電極中に入り込み、この結果
として反応ガスとの場を塞ぐこととなり電池の性能を著
しく低下させてしまう。
【００１７】このため、これを解決する手段として例え
ば以下の手段が考えられる。
【００１８】 電解質の減少の多い部分に電解質補給
用密閉容器６を多く配置し、減少の少ない部材に少なく
配置する。
【００１９】 電解質の減少の多い部分に容器の厚さ
が薄い電解質補給用密閉容器６を配置し、減少の少ない
部分に容器の厚さが上記よりも厚い電解質補給用密閉容
器６を配置する。
【００２０】 電解質の減少の多い部分に、電解質に
より早く溶解する材料で形成した電解質補給用容器６を
配置し、減少量の少ない部分に、電解質により遅く溶解
する材料で形成した電解質補給用容器６を配置する。
【００２１】以上説明したように、本実施例によれば電
解質を充填した溶解性の電解質補給用密閉容器を電池内
に装填し、容器が溶解により充填してあった電解質を電
解質部に補給するようにしたので、電解質は速やかに電
解質部に補給され、電池設備に溶解を及ぼすことが少な
くなる。即ち、従来の電解質補給方法では、常に電解質
が電池設備に接触し、常に電解質が電極に満たされてい
る状態にあるので、電解質が吸収されにくくなるのに対
して、本発明は電解質部の含浸している電解質が不足し
ているときだけ電解質を補給するので、電極に吸収しれ
やすく、速やかに電解質補給が行われるので、設備の長
寿命化を図ることができ、電池の信頼性を向上させるこ
とができる。また、溶解性の電解質補給用密閉容器の材
質または厚さを異ならせることにより、電解質の補給を
行う積算運転時間または電解質の補給回数または一回に
補給する電解質量を任意に決定できるので、通常の運転
状態を維持したまま任意の運転経過時間に任意の量の電
解質の補給を行うことができ、電池を長時間運転するこ
とが可能になる。更に、電解質の部分的な減少量、即ち
ガスの反応等により電解質が多く減少したり少なく減少
したりする部分に応じて溶解性の電解質補給用密閉容器
を配置したので、電解質部４の電解質含浸量はどの部分
においても反応に必要な適量を含浸することができるの
で、電池の性能を著しく低下させることがない。
【００２２】以上図１乃至図４を用いて本発明の実施例
を説明したが、次に、図５及び図６を用いて他の実施例
について説明する。
【００２３】また、図５に示した燃料電池は、反応ガス
を各電極に供給するマニホールドを有したセパレータ１
８を含んだ構成となっている。電解質を含浸し、かつ周
縁端部にマニホールドを有する電解質部１６と、この電
解質部１６を挟持するアノード電極１５、カソード電極
１７と、集電体１４と、反応ガスを流通せしめるガス通
路及び前述したマニホールドを有するセパレータ１８と
を有して燃料電池を構成している。また、前記マニホー
ルドを備えたセパレータ１８の周縁端部には、従来より
溝１９が形成されており、電解質を貯蔵するためのもの
である。しかし、従来では溝１９に直接電解質を貯蔵し
常時電解質部に補給するので、電池の運転温度で溶融す
る貯蔵電解質によって貯蔵箇所の部材が徐々に溶解して
いく。このため、本発明では前述した実施例で記載して
いる溶解性の電解質補給用密閉容器６に電解質を装填
し、図６に示したように、溝１９にこの電解質補給用密
閉容器６を装填し、かつ溝１９を覆うように設計され、
溶解性の電解質補給用密閉容器６と同じ材質または貯蔵
される電解質によって溶解を受ける材質で形成した薄板
２０で覆う。
【００２４】燃料電池が運転されると、溝１９に装填し
た溶解性の電解質補給用密閉容器６は、その中に充填さ
れた電解質により内部から溶解し、溝１９の中に電解質
が満たされる。次に、溝１９に満たされた電解質によっ
て薄板２０が溶解し、溝１９の電解質は電解質部１５に
補給される。このように薄板２０の存在により、電解質
の流出時間が容器６のみの場合と比較して延長される。
【００２５】以上説明したように、本実施例ではセパレ
ータ１８に設けた溝１９に電解質を充填した溶解性の電
解質補給用密閉容器６を装填し、かつ溶解性の電解質補
給用密閉容器６と同じ材質または電解質によって溶解す
る材質で形成した薄板２０で溝１９を覆う。そして、電
池の運転温度により溶融した電解質により前記溶解性の
電解質補給用密閉容器及び溝１９を覆っている薄板を溶
解し、充填してあった電解質を電解質部に補給されるよ
うにしたので、前述した実施例と同様の効果が得られる
とともに、従来の燃料電池においても前記した容器を用
いて電解質を補給することができる。
【００２６】尚、本実施例では溝１４を薄板２０で覆う
例について説明したが所望により薄板２０を省略しても
良い。
【００２７】
【発明の効果】本発明によれば、電解質を充填した溶解
性の密閉容器を電池内に装填し、容器の溶解により容器
内部の電解質を電解質部に補給するので、電池設備の長
寿命化を図ることのできる信頼性の高い燃料電池と電解
質補給方法と、それを達成する電解質補給容器を提供す
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池の構成を示した図。
【図２】電解質補給用密閉容器の断面を示した図。
【図３】電解質補給用密閉容器の装填状態を示した図。
【図４】電解質補給のタイミング例を示した図。
【図５】燃料電池の構成を示した図。
【図６】電解質補給用密閉容器の装填状態を示した図。
【符号の説明】
１，１８…セパレータ、２…多孔質波板、３，１５…ア
ノード電極、４，１５…電解質を含浸した電解質部、
５，１７…カソード電極、６…電解質補給用密閉容器、
７…発電セル、８…固体電解質、１４…集電体、１９…
電解質貯蔵溝、２０…薄板。

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】電解質を含浸する電解質部と、該電解質部
    を挟持する一対の電極と、該一対の電極の前記電解質部
    と反対側に配置され、隣接する電極に反応ガスを流通せ
    しめるガス流路を形成するセパレータとを有する燃料電
    池において、 前記セパレータの前記電解質部に面した側と該電解質部
    との間の燃料電池内に、電解質を充填した前記電解質に
    溶解性の容器を装填したことを特徴とする燃料電池。
  2. 【請求項２】電解質を含浸する電解質部と、該電解質部
    を挟持する一対の電極と、該一対の電極の前記電解質部
    と反対側に配置され、隣接する電極に反応ガスを流通せ
    しめるガス流路を形成するセパレータとを有する燃料電
    池において、 前記セパレータの前記電解質部に面した側と該電解質部
    との間の燃料電池内に、電解質が充填され前記電解質に
    より溶解時間の異なる複数種の容器を、装填したことを
    特徴とする燃料電池。
  3. 【請求項３】 電解質を含浸する電解質部と、該電解質部
    を挟持する一対の電極と、該一対の電極の前記電解質部
    と反対面に配置され、隣接する電極に反応ガスを流通せ
    しめるガス流路を形成するセパレータとを有する燃料電
    池内の、前記セパレータの前記電解質部に面した側と該
    電解質部との間に装填され、燃料電池の電解質を内部に
    収納することを特徴とする電解質に溶解性の密閉容器。
  4. 【請求項４】電解質を含浸する電解質部と、該電解質部
    を挟持する一対の電極と、該一対の電極の前記電解質部
    と反対側に配置され、隣接する電極に反応ガスを流通せ
    しめるガス流路を形成するセパレータとを有する燃料電
    池の運転中に減少していく電解質を補給するための燃料
    電池の電解質補給方法において、 電解質を充填した溶解性の容器を前記セパレータの前記
    電解質部に面した側と該電解質部との間の燃料電池内に
    装填し、該容器の前記電解質による溶解により前記容器
    内の電解質を電池に補給することを特徴とする燃料電池
    の電解質補給方法。
  5. 【請求項５】電解質を含浸する電解質部と、該電解質部
    を挟持する一対の電極と、該一対の電極の前記電解質部
    と反対側に配置され、隣接する電極に反応ガスを流通せ
    しめるガス流路を形成するセパレータとを有する燃料電
    池運転中に減少していく電解質を補給するための燃料電
    池の電解質補給方法において、電解質が充填され前記電
    解質による溶解時間の異なる複数種の容器を前記セパレ
    ータの前記電解質部に面した側と該電解質部との間の燃
    料電池内に装填し、該容器の前記電解質による溶解によ
    り前記容器内の電解質を前記溶解時間の相違に対応して
    電池に補給することを特徴とする燃料電池の電解質補給
    方法。
  6. 【請求項６】前記燃料電池内の、前記ガス流路に前記容
    器が装填されたことを特徴とする請求項１または請求項
    ２記載の燃料電池。
  7. 【請求項７】前記燃料電池の構成において、前記電解質
    部に接触する前記セパレータの周縁部に設けた溝に該電
    解質部と前記容器が接触するように該容器が装填された
    ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電
    池。
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