JP2612781B2

JP2612781B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP2612781B2
Application number: JP3068426A
Authority: JP
Inventors: 聡黒江; 秀夫岡田; 重徳光島; 嘉男岩瀬; 一男岩本; 将人竹内; 成興西村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-04-01
Filing date: 1991-04-01
Publication date: 1997-05-21
Anticipated expiration: 2012-05-21
Also published as: JPH04306570A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、積層構造の燃料電池に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来燃料電池への電解液の補給または貯
蔵は、電池内部に電解液を貯蔵するスペースを作り、
その場から電極あるいは電解質板に移行させる方法を用
いたり、セルの横方向から電解液を流し込んだり、
積層セルを貫通する穴を作り、その穴を通して外部から
電解液を流入させる方法が提供されている。特開平１−
８９１５０号公報や特開平１−２９３０８号公報は、セ
ル内部に設けた穴や他のスペースに電解液を過剰に貯蔵
しておき、電池運転中の液量の減少にともなって電池内
部へ染み込んでいくような構造をとっている。特開昭６
２−１５４５７３号公報は、単セルにおいて電解液層の
横方向に電解液補給用のパイプを接続して液を流し込む
構造を提供している。特開昭６３−２４１８６８号公報
及び特開平１−３０７１７２号公報は、積層セルにおい
て、積層方向に貫通口をあけておき、その穴に外部から
電解液を流し込む構造を提供している。特開平２−２７
６７０号公報は渡りリードを介して単セル相互を電気的
に接続した燃料電池を提供している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、電池
内に含浸する電解液の量や、含浸が必要となる運転経過
時間について配慮がなされておらず、電解液含浸工程を
管理制御できない問題点があった。また上記従来技術
は、単セルの厚みが薄いことや実電池においては多数の
セルを積層することを考慮すると、個々のセルの電解液
層に補給パイプを作ることは容易ではない。また上記従
来技術は、貫通項を通して電解液を流し込んだ際に各セ
ルが電解液によって短絡してしまうことについて考慮が
なされていない。従来セルにおいて電位の異なるセル間
で電解液によって短絡が生じると、電解液が一方のセル
へ泳動してしまうために電池特性を悪化してしまう危険
性が回避できない問題がある。また特開平２−２７６７
０号公報に記載された従来例は、絶縁性の枠体を介して
各セルを積層しているため、部品点数が多くなると共に
積層高さを低下させにくい欠点を有していた。

【０００４】本発明の目的の一つは、従来のセルとは異
なる新規の積層構造を提案し、セル面積あたりの出力密
度を大きくすることにある。具体的には、セパレータや
電解液保持層が大きな面積のものより成る大型の一層の
大面積セルと同等の出力を、本発明に係る新規な積層構
造のセルとすることにより、一層当りは遥かに小型の小
面積セルにて得ようというものである。更に、特定セル
を全体から切り離すことやセル構造を簡略化することを
目的とする。

【０００５】本発明の他の目的は、積層セル内の電解液
量を積層ブロック全体で管理可能にすることにある。さ
らに、電解液量の管理のために、容易に電解液を補給し
たり、取り除いたりすることを可能にすることにある。

【０００６】また本発明の他の目的は、、同一極性のセ
パレータ間を並列に接続した積層型にすることによっ
て、特性の悪い単位セルだけを全体の接続状態から開放
し全体からの切り離しを可能にすることにある。

【０００７】また本発明の他の目的は、フリーボリュー
ムの電解液溜め中に前記積層構造の燃料電池を浸す型に
することによって構造の簡便である電解槽型の燃料電池
構造を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、周囲を除く上面及び下面に一対のアノー
ドが配置され且つ該一対のアノード間にアノードガス供
給路が設けられて成る電子伝導性のアノードセパレー
タ、液体を電解質としイオン透過性で電子絶縁性の電解
液保持層、周囲を除く上面及び下面に一対のカソードが
配置され且つ該一対のカソード間にカソードガス供給路
が設けられて成る電子伝導性のカソードセパレータ、前
記電解液保持層、前記アノードセパレータ、前記電解液
保持層、前記カソードセパレータの順に順次積層され、
前記各々のアノードセパレータの少なくとも２個以上が
並列接続され、前記各々のカソードセパレータの少なく
とも２個以上が並列接続されたことを特徴とする燃料電
池である。特に、各アノードセパレータが周囲を除く上
面及び下面に、一対の即ち２つのアソードが配置された
構造より成り、更に、各カソードセパレータが周囲を除
く上面及び下面に、一対の即ち２つのカソードが配置さ
れた構造より成ることが本発明の大きな特徴である。

【０００９】前記燃料電池において、並列に接続された
セパレータ間にある電解液保持層同士が該電解液保持層
と同一部材にて接続（以下、「液短絡」と言う。）され
たものがよい。また、液短絡した電解液保持層に一定量
の電解液を加える電解液補給タンクを設けたものがよ
い。また、液短絡した電解液保持層内を一定量の電解液
が還流する還流機構を設けたものがよい。また、セパレ
ータ間の並列接続は共通の導通線に個々のセパレータが
接続スイッチを介して接続され、任意のセパレータを全
体から切離し可能に形成したものがよい。また、前記い
ずれかの燃料電池を１ブロックとし、そのブロックを複
数個直列に積層して大容量化したものがよい。

【００１０】また本発明は、１個の溶融した電解液溜め
の中に前記いずれかの燃料電池を配設したことを特徴と
する電解槽型の燃料電池である。

【００１１】

【作用】本発明は、周囲を除く上面及び下面に一対のア
ノードが配置され且つ該一対のアノード間にアノードガ
ス供給路が設けられて成る電子伝導性のアノードセパレ
ータと、液体を電解質としイオン透過性で電子絶縁性の
電解液保持層と、周囲を除く上面及び下面に一対のカソ
ードが配置され且つ該一対のカソード間にカソードガス
供給路が設けられて成る電子伝導性のカソードセパレー
タとを基本構成要素とし、これらを順次積層し、同一極
性のアノードセパレータ同士、またカソードセパレータ
同士を並列に接続した積層構造の燃料電池である。この
ような構造にすることによって、電流の流れは、並列接
続された電子伝導性のそれぞれのアノードセパレータか
ら一対のアノードに分岐して流れ、電解質イオンを介し
て電解質保持層を反対側に透過してそれぞれカソードに
至り、更に電子伝導性の各カソードセパレータを通って
電池外部に至る。そして、各カソードセパレータからの
電流がその並列接続構造により集合し、従来の大型一層
のセルと同等の出力が得られる。ここで、電解質保持層
はイオンは透過するが電子は通さず電子絶縁性であるた
め、アノードセパレータとカソードセパレータの絶縁は
簡単な構造にて確実に確保される。上記のように本発明
によれば、燃料電池の平面に占める面積あたりの出力密
度を大きくすることが可能になる。すなわち、セパレー
タや電解液保持層が大きな面積のものより成る従来の大
型の大面積一層セルと同等の出力を、本発明に係る積層
構造にすることにより、一層当りは遥かに小型の小面積
セルにて得ることができ、燃料電池全体の占有する平面
の面積を従来より数分の１以下に縮小しながら大容量の
電池を構成できる大きな利点がある。

【００１２】並列に接続されたセパレータ間にある電解
液保持層同士が該電解液保持層と同一部材にて接続（液
短絡）されていれば、電解液を流し込む貫通孔が不要と
なるので、従来の積層電池で問題とされている電解液流
し込みによる短絡に起因した電流リークが全く生じない
ことになる。また、全電解液保持層同士を該電解液保持
層と同一部材にて接続すれば、、電池全体のバランスを
考慮して電解液の添加や取り除きが可能になるので、電
池内の電解液量を最適に保つことができる。これにより
電池の性能を高く維持でき、かつ長寿命化が図れる。

【００１３】また、同一極性のセパレータ同士は並列接
続であるため、個々の接続スイッチを開放するだけで任
意のセルを全体から切り離すことができる。それによっ
て一部のセルの特性不良等が生じた際に全体の電池特性
を損なったり、寿命を制限したりすることがない。

【００１４】

【実施例】実施例１図１に本発明の一実施例を示す。その周囲を除く上面及
び下面に一対のアノード６_１、６_２が配置され且つ該一
対のアノード６_１、６_２間にアノードガス供給路４が設
けられて成る電子伝導性のアノードセパレータ１と、液
体を電解質としイオン透過性で電子絶縁性の電解液保持
層３と、その周囲を除く上面及び下面に一対のカソード
７_１、７_２が配置され且つ該一対のカソード７_１、７_２
間にカソードガス供給路５が設けられて成る電子伝導性
のカソードセパレータ２とを基本構成要素とし、前記ア
ノードセパレータ１、電解液保持層３、カソードセパレ
ータ２の順に順次積層され、各々のアノードセパレータ
１が接続スイッチ１１を介して共通の導通線８に並列接
続され、また各々のカソードセパレータ２が接続スイッ
チ１１を介して共通の導通線９に並列接続されている。
ここで各セパレータ１，２はＳＵＳ３１０より成り、電
解液保持層３はＬｉＡｌＯ_２を基体とした多孔質板中に
溶融炭酸塩を含浸したものである。図は積層電池の縦断
面図であり、各々の電極に反応ガスを供給するマニホー
ルドを省略してある。酸化ガス、還元ガスは、それぞれ
アノード６_１、６_２、カソード７_１、７_２共通のマニホ
ールドを通して供給される。ここで、アノード６_１、６
_２はＮｉ基体の多項質板、カソード７_１、７_２はＮｉＯ
基体の多項質板よりなる。

【００１５】本実施例によれば、従来概念では用いられ
ていない積層電池の並列接続が可能になった。電流Ｉの
流れは、並列接続された電子伝導性のそれぞれのアノー
ドセパレータ１から一対のアノード６_１，６_２に分岐し
て流れ、電解質イオンを介して電解質保持層３を反対側
に透過してそれぞれカソード７_１、７_２に至り、更に電
子伝導性の各カソードセパレータ２を通って電池外部に
至る。そして、各カソードセパレータ２からの電流がそ
の並列接続構造により集合し、負荷に至る。ここで、電
解質保持層３はイオンは透過するが電子は通さず電子絶
縁性であるため、アノードセパレータ１とカソードセパ
レータ２の絶縁は確実に確保される。たとえば、単位セ
ル（電解質保持層３とアノード６_１とカソード７_１より
成り、アノード６_２とカソード７_２は除く。）あたりの
電池特性をａアンペア（Ａ）、ｂボルト（Ｖ）とする
と、ｎ個の積層体で取り出せる電流値はａ×ｎ（Ａ）、
セル電圧はｂ（Ｖ）になる。従って、出力は（ａ×ｎ）
×ｂ＝ｎ・ａ・ｂ（Ｗ）になる。これに対して、単位セ
ルのセパレータ間を絶縁しない直列積層構造の従来型セ
ルでは、電流値ａ（Ａ）、セル電圧ｂ×ｎ（Ｖ）で出力
ａ×（ｂ×ｎ）＝ｎ・ａ・ｂ（Ｗ）である。従って、本
発明の並列接続により電池出力を損なうことはない。こ
こで、図の電池において１個の接続スイッチ１１を流れ
る電流はａ（Ａ）である。これに対して、従来の直列積
層セルにて特定セルを短絡して取り除くとすると、直列
接続ゆえに電池の全電流ｎ・ａ（Ａ）を流すための接続
端子が必要になることから、端子の大形化が懸念され
る。従って本構造による、接続用スイッチ１１を切るこ
とによって特性の悪化したセルだけを簡便に取り除くこ
とのできる効果は大きいと言える。

【００１６】また、上記実施例では一枚のセパレータ１
又は２の上下両側にガス拡散型の電極であるアノード６
_１、６_２またはカソード７_１、７_２を配し、かつ電解液
保持層３を挾んで順次積層した構造を有する。従って、
本実施例によれば、絶縁板を介して積層した従来構造に
比して一つのセパレータ当り２倍の電流を取り出すこと
が可能である。また本実施例は、電池積層構造を簡略化
し、電池の体積出力密度を向上させるのに大きな効果が
ある。

【００１７】実施例２本発明の第２実施例を図２に示す。本実施例は、上記実
施例１において、積層セルのセパレータ１，２の縦方向
に電解液層液絡口１２を設け、前記電解液保持層３と同
一部材をその液絡口１２に配した構造を有する。本実施
例によれば、各単位セルの電解液量がバランスし合い、
電池運転中の各電解液保持層３の電解液量を常に一定レ
ベルに保つことができる。例えば、ある特定の単位セル
にて、電解液の不足が生じたとしても他の単位セルより
電解液を補える効果があり、長期にわたり電池特性を高
く保ち、かつ電池寿命を向上させる効果がある。更に電
解液層液絡口１２は電解液を還流する還流機構としての
循環ポンプ２１に連設されている。

【００１８】実施例３本発明の第３実施例を図３に示す。本実施例は上記実施
例２と同様に積層セルのセパレータ１，２の縦方向に電
解液層液絡口１２を設け、前記電解液保持層３と同一部
材をその液絡口１２に配した構造を有する。それに加
え、電解液で満たされた前記液絡口１２は電池外部の電
解液補給タンク１３と連通している。電池運転中に電池
の特性が悪化してきた場合や、電解液保持層３の抵抗が
上昇した場合に、電解液補給タンク１３より電解液の補
給を行い電池全体に行き渡らせる。これにより電池特性
を回復したり、電解液保持層３の抵抗を低減させる効果
がある。

【００１９】本実施例では電池を貫通する穴にて電解液
の液絡をとったが、液絡をガス供給のマニホールド内に
共用させれば、さらに構造の簡略化が図れる。また、電
池の側壁に多孔質のウイックを貼り付けるような電池外
部での液絡構造も考えられる。いずれにしても、各単位
セル間に液絡を設けた構造であればよい。

【００２０】実施例４本発明の第４実施例を図４に示す。本実施例は上記実施
例１の並列接続型積層セル（以下並列セルと称す）を直
列に積層した構造を持つ。本実施例は並列セル１６，１
７，１８を３個積層した例である。個々の並列セルの間
に絶縁層を設けることなく積層してある。直列の積層を
するために各並列セルにおいては上端のセパレータ１４
がアノード、下端のセパレータ１５がカソードの組合せ
になっており、全体の負荷は上下のセパレータ１４，１
５から取り出す。

【００２１】本実施例は、並列セル１６，１７，１８の
直列積層化によって大容量化を図ったものである。この
ように、各並列セルの積層には特別の端子等を設ける必
要がなく従来の積層型電池と同様にスタック化が容易に
行える。またこのような並列セルの積層構造にすれば、
並列セルを１単位として交換等のメンテナンスを行うこ
とができる。

【００２２】実施例５本発明の第５実施例を図５に示す。本実施例は上記実施
例１の並列セルにおいて、多孔質絶縁板１９より成る電
解質保持層を備えてなる並列セル全体を電解液溜め２０
に浸した構造を持つ。多孔質絶縁板１９は液溜め２０中
の電解液を十分吸収し、前記実施例１〜４の電解液保持
層と同様の機能を果たす。ただし、電極中に電解液が過
剰に浸透してしまうことが懸念されるので、ガス拡散性
の電極においては供給する反応ガスに一定の圧力をかけ
ておき、一定量以上の電解液の侵入を防ぐのがよい。本
実施例は、実施例４と同様に電池全体に電解液の補給を
行う効果があるので、電池運転中に電池の特性が悪化
や、電解液層の抵抗が上昇を防止することができる。
尚、多孔質絶縁板１９の端面（電池周囲）から液溜め２
０中の電解液への電流リークはごく僅かにはある。しか
し、多孔質絶縁板１９の端面の占める面積は、積層セル
の積層方向の通電面積に比して通常１％に満たないの
で、この端面の位置を電極からある程度離しておけばほ
とんど電流リークは無視できる。

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば、平面大面積で大型一層
型のセルと同容量の電池をその何分の一かの小さい面積
にて実現できるので、セル面積あたりの出力密度を大き
くする効果がある。

【００２４】また、本発明は積層したセパレータ間の電
解液保持層をそれと同一部材にて接続した構造になって
いるので、従来構造の電流リークの影響を抑制すること
でき、また、積層セル内の電解液量を積層ブロック全体
で管理可能にすることができる。さらに、電解液量の管
理のために、容易に電解液を補給したり、取り除いたり
する機構を付加することで、電池運転中に電池の特性が
悪化してきた場合や、電解液層の抵抗が上昇した場合
に、電池特性を回復したり、電解液層の抵抗を低減させ
る効果がある。また本発明は、フリーボリュームの電解
液溜め中にアノードセパレータ及びカソードセパレータ
など全体を浸す構造にしたことによって、電池の全体構
成を簡略化できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す断面図である。

【図２】本発明の他の実施例を示す断面図である。

【図３】本発明の他の実施例を示す断面図である。

【図４】本発明の他の実施例を示す断面図である。

【図５】本発明の他の実施例を示す断面図である。

【符号の説明】

１アノードセパレータ２カソードセパレータ３電解液保持層４アソードガス供給路５カソードガス供給路６アノード７カソード８導通線９導通線１１接続スイッチ１３電解液補給用タンク１４アノードセパレータ端板１５カソードセパレータ端板１６並列セル第１ブロック１７並列セル第２ブロック１８並列セル第３ブロック１９多孔質絶縁板２０電解液溜め

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者岩瀬嘉男茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者岩本一男茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者竹内将人茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者西村成興茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (56)参考文献特開昭62−44955（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−89150（ＪＰ，Ａ) 特公昭37−32226（ＪＰ，Ｂ２) 特公昭38−26219（ＪＰ，Ｂ２)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】周囲を除く上面及び下面に一対のアノー
ドが配置され且つ該一対のアノード間にアノードガス供
給路が設けられて成る電子伝導性のアノードセパレー
タ、液体を電解質としイオン透過性で電子絶縁性の電解
液保持層、周囲を除く上面及び下面に一対のカソードが
配置され且つ該一対のカソード間にカソードガス供給路
が設けられて成る電子伝導性のカソードセパレータ、前
記電解液保持層、前記アノードセパレータ、前記電解液
保持層、前記カソードセパレータの順に順次積層され、
前記電解液保持層は電解液を保持した多孔質な電子伝導
性を持たない酸化物セラミック焼結体から成りアノード
及びカソード間の電子伝導性に対する絶縁部材を兼ね備
えており、前記各々のアノードセパレータの少なくとも
２個以上が並列接続され、前記各々のカソードセパレー
タの少なくとも２個以上が並列接続されたことを特徴と
する燃料電池。
【請求項２】請求項１の燃料電池において、並列に接
続されたセパレータ間にある電解液保持層同士が該電解
液保持層と同一部材にて接続（以下、「液短絡」と言
う。）されたことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】請求項２の燃料電池において、液短絡し
た電解液保持層に一定量の電解液を加える電解液補給タ
ンクを設けたことを特徴とする燃料電池。
【請求項４】請求項２の燃料電池において、液短絡し
た電解液保持層内を一定量の電解液が還流する還流機構
を設けたことを特徴とする燃料電池。
【請求項５】請求項１の燃料電池において、セパレー
タ間の並列接続は共通の導通線に個々のセパレータが接
続スイッチを介して接続され、任意のセパレータを全体
から切離し可能に形成したことを特徴とする燃料電池。
【請求項６】請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電
池を１ブロックとし、そのブロックを複数個直列に積層
して大容量化したことを特徴とする燃料電池。
【請求項７】１個の溶融した電解液溜めの中に請求項
１〜６のいずれかに記載の燃料電池を配設したことを特
徴とする電解槽型の燃料電池。