JPH01292751A - マトリックス型燃料電池の電解液補給装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は電解液保持体としての多孔性のマトリックス層
を含む単電池を複数個積層してなるマトリックス型燃料
電池の電解液補給装置に関する。

〔従来の技術〕

前述のマトリックス形燃料電池においては、電解液を保
持する多孔性の絶縁体層としてなるマトリックス層を挟
んで、燃料ガスが供給されアノード反応を維持する燃料
ガス電極例えば水素電極と、酸化ガスが供給されカソー
ド反応を維持する酸化ガス電極例えば空気電極とが配置
される。これらは一つの発電要素体としての単電池を構
成するが、前述の燃料、酸化画電極に連続的に反応ガス
すなわち燃料ガスおよび酸化ガスを供給するために、電
極自体に反応ガスを通流させるための溝を切るか、単電
池を複数個積層する際に燃料ガス区画と酸化ガス区間と
を仕切るために単電池相互間に介装されるセパレータ板
に溝が設けられる。前者を溝つき電極構造、後者を溝つ
きセパレータ板構造と呼ぶことにする。

一方、電解液に溶解される電解質または電解液として用
いられる電解質には、一般に化学的変化を生じることが
少なくつか蒸発等による減少も少ない物質１例えばりん
酸が使用されるが、電池の長期運転中には電解質が微量
ずつではあるが電池内から失われて行くことを避けるこ
とができず、電解質ないしは電解液の補給のためのなん
らかの手段を講じておかねばならない。

次第に失われて行く電解質をマトリックスに補給するた
め、単電池あるいはその積層体内に電解液を貯留する電
解液貯蔵部が設けられることが多い、この電解液貯蔵部
は、例えば前述の溝つき電極構造の場合はｔ部内に、溝
つきセパレータ板構造の場合にはセパレータ板に、そ洩
ぞれ局部的に電解液の保持性および透過性を賦与するこ
とにより形成される。

〔発明が解決しようとする！ｉＲ） 上述の電解液貯蔵部は電池内の限られたスペース内に設
けなければならないので、貯留できる電解液の量に制限
があり、かつ溝つき電極構造の場合は多孔質材料で構成
される該電極のガス拡散機能が貯蔵部を設けることによ
り多少とも阻害される欠点がある。

電解液補給の問題を解決するには、上述の欠点を克服す
ることのほか、次の事項を満足する電解液補給装置を開
発する必要がある。

ｔａ＋各車電池への電解液補給路が共通していると、単
電池相互間が電解液を通じていわゆる液絡を生じる。

（ト））電池を長期にわたって運転する上で、電解液補
給路からの洩れを防止しなければならない。

ｔｃ）電解液は温度が変化すると粘度がかなり変化しや
すく、また電解液中に気泡が混入すると見掛けの粘性な
いしは流体抵抗が変わってくるので、多少流体抵抗が変
化しても確実に電解質を補給できなくてはならない。

とくにＩＣ１項は、電極ないしはセパレータ板を極力薄
（シて電池積層体の外形寸法を縮小しようとするとき、
電解液補給路の断面積がこれに応じて当然小さくなるか
ら、信鉗性の高い電解液補給装置を開発する上でのかな
りの障害となる因子である。

本発明の目的は、前述のような課題を克服して、電池内
の電解液補給路中の流体抵抗が変化しても、確実に電解
液を補給できるマトリックス形燃料電池の電解液補給装
置を得ることにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために、この発明によれば、電解液
保持体としての多孔性のマトリックス層と、このマトリ
ックス層に連通ずるよう沿層方向に形成され電解液保持
性を有する電解液貯蔵部とを内部に備えた単電池を複数
個積層してなる電池積層体に電解液を補給する装置であ
って、電池積層体とは隔離された加圧容器からなり加圧
手段を有する電解液補給槽と、この電解液補給槽の包蔵
電解液中に一方端が開口した電気絶縁材チューブからな
り前記単電池複数個の電解液貯蔵部間に電解液の直列流
路を形成するとともに、各電解液貯蔵部内を沿層方向に
貫通する部分に電解液の補給孔を有する電解液補給チュ
ーブと、この電解液補給チューブ内の残存電解液を排出
する手段とを備えてなるものとする。

〔作用〕

上記手段において、電解液を包蔵しその液面を所定の圧
力で加圧する加圧手段を備えた電解液補給槽と、この補
給槽の包蔵電解液中に一方端が開口し複数の単電池の電
解液貯蔵部中をそれぞれ沿層方向に貫通して電解液貯蔵
部間に電解液の直列流路を形成する電気絶縁材からなる
電解液補給チューブとを設け、この補強チューブの電解
液貯蔵部中に相応する部分に複数個の補給孔を設けるこ
とにより電解液の補強路を形成したことにより、液面に
加える所定の圧力を電池積層体に供給される燃料ガスお
よび酸化ガスの圧力より幾分高くすることによって電解
液は補給パイプからなる直列補給路を流れて補給孔から
複数の電解液貯蔵部それぞれに分岐供給され、電解液貯
蔵部の持つ電解液保持性により一旦貯蔵部に貯溜すると
ともに、貯蔵部を透過した電解液がマトリックスとの連
通部を介してマトリックス層に浸透して補給が行われる
。

このとき、電解液貯蔵部は補給パイプが沿層方向に貫通
する溝付電極（基板）または溝つきセパレータ板に局部
的に電解液保持性および透過性を持たせて小容量の貯蔵
部を形成すれば済むので、電極のガス拡散機能に及ぼす
影響が少なく、かつ補給パイプ１条の絶縁性パイプで形
成されて流路の途中に接続部やポケット部がなく、した
がって液漏れの発生および気泡が残有することによる流
体抵抗の増大を回避できる。

また、電解液補給チューブ内の残存電解液を排出する手
段を設けたことにより、燃料電池の停止中に電解液の補
給作業を行い、運転中には補給チューブ内の電解液を排
除することが可能となり、したがって運転中の液絡を容
易に回避できる。

〔実施例〕

以下この発明を実施例に基づいて説明する。

第１図はこの発明の実施例装置の全体構成を示す構造図
、第２図は第１図の単電池部分を９０°異なる方向から
見た要部の拡大断面図である。第１図において、１０は
電池積層体であり、複数の単電池ｌとガス不浸透性を有
するカーボン板からなるセパレータ板５とが交互に積層
され、積層面に所定の面圧が加えられることにより一体
化形成される。各単電池１はマトリックス層２と、燃料
ガス電極３と、酸化ガス電極４とを含んでいる。さらに
各電極３，４は、それぞれ電極基板３Ｍ＋４ａと。

触媒層３ｂ、４ｂとからなっており、各電極基板３ａ、
４ａはマトリックス層２とは反対側の面にそれぞれ反応
ガス用の溝３Ｃ１４Ｃを有する０図示された酸化ガス側
の電極基板４ａの溝４ｃは、周知のように前述の燃料ガ
ス側の電極基板３ａの溝３ｃと直交する方向に切られて
いる。これらの単電池ｌは周縁部に配されたパツキン６
とともに、気密性のセパレータ板５を介して相互に積層
されて、前述の電池積層１０を形成している。

一方、２１は電解液（りん酸液）２０の補給槽であり、
補給に必要な電解液を十分な量だけ貯留させるとともに
、加圧ガスとしての例えば不活性ガス３３の加圧手段３
０および加圧管３１を備える。また、補給槽２１は電解
液２０に対する耐食性を必要とするので、例えばりん酸
電解質に対しては四ふう化エチレン（商品名テフロン）
が好適である。２３は電解液補給チューブ（以下補給チ
ュー・ブと略称する）であり、その一端は補給槽２１の
包蔵電解液２０中に開口し、バッキング２４により補給
槽を気密に貫通して各単電池１の例えば燃料ガス電、掻
基板３ａを沿層方向に貫通し、かつ隣接する単電池間で
ジグ・ザブ状に折り返されて電解液２０の直列流路を形
成するとともに、その終端部は電池積層体１０およびそ
のケースの外に引き出されて弁４２を介して大気中に開
放される。なお、補給チューブ２３は電池積層体１０の
単電池を複数ブロックに区分けしてそれぞれのブロック
毎に設けられてよく、また複数条並列に設けられてもよ
い、また補給槽２１についても同様である。

補給チューブ２３としては、液の漏れを防止する上で１
本の連続したチューブとするのが望ましく、かつその材
料は電解液１例えばりん酸に対する耐食性が要求される
と共に、複数個のセルを直列に連通しているため絶縁性
が要求されるので、例えばテフロンチェープがよく、ま
たその可撓性がチューブの引回しの上で有利である。

つぎに、補給チューブ２３が単電池１を沿層方向に貫通
する部分の構造を第２図に示す拡大断面図を参照しつつ
説明する０図において、燃料ガス電極３の電極基材３１
１には、セパレータ板５に接する面倒に互いに並行して
複数の燃料ガス用溝３ｃが形成され、溝３ｃと平行に補
給チェープ用溝３θが形成され、この溝３ｅに補給コエ
ーブ２３がはめ込まれる。

なお補給チューブ２３は積層面に加えられる荷重によっ
て方形に変形して溝の周壁との隙間を排除する。補給チ
ューブ２３の溝３ｅにはめ込まれた部分には電解液の補
給孔２３ａが複数個所に分布して形成される。

電極基材３ａはガス拡散性材料１例えば多孔賞のグラフ
ァイト材料で構成されるので、電極基材３ａには一般に
撥液性のテフロン系材料等を浸透させておいて、ｔｉ基
材３ａから電解液が外部に洩れ出さないように処置され
る。　３ｄは電解液２０の貯蔵部であり、電極基材３ａ
の溝３ｅを包囲する限定された部分のみテフロン系材料
の浸透によるＩｌ液性処理を行なわないことによって電
解液の保持性および透過性を持った貯蔵部が形成される
。したがって、補給チューブ２３からその補給孔２３Ｂ
を介して電解液貯蔵部３ｄに供給された電解液は、貯蔵
部３ｄの持つ保液性によって所定量の電解液が貯えられ
るとともに、貯蔵部を透過した電解液が電極触媒層３ｂ
に分布して形成された連通孔３ｆを介してマトリックス
層２に供給される。なお、電解液の貯蔵部等は酸化剤電
極４の電極基材４ａ側に設けられてもよい。

４０は補給チューブ２３内の残留電解液を排出して液絡
を防ぐために設けられた電解液の排出手段であり、例え
ば弁４１を介して補給チューブの供給端と補給槽２１の
不活性ガス空間とに連通ずる分岐配管で構成される。

このように構成された電解液補給装置による電解液の補
給作業は、まず弁４２を開いた状態で加圧手段３０によ
り補給槽２１のガス圧力を電池内の反応ガスの圧力より
も僅かに高めることによって電解液２０を補給チューブ
２３内に押し出し、補給チューブ内の気体を弁４２を通
して外部に追い出す、このとき補給チューブが直列流路
を形成しているので、チューブ内に気泡を残すことなく
気体を放出できる。受器４３に向けて排出される電解液
中に気泡が認められなくなった時点で弁４２を閉じれば
、加圧された電解液は直列流路に形成された補給孔２３
ａを介して各単電池の電解液貯蔵部３ｄに分岐して浸出
し、さらに触媒層３ｂの連通孔３１を介してマトリック
ス層２に供給される。

このとき、マトリックス層２内の電解液はこれに接する
ガス拡散性の電極触媒層内に滲出しており、常時は電掻
内で反応ガスの圧力と均衡した圧力下にあるので、前述
の加圧容器にかける圧力を電池内の反応ガスの圧力より
大幅に高めることは許されない、このような電池内の圧
力均衡を大きく狂わせることなく、かつ電解液を確実に
補給するための差圧は数十ミリメートル水柱程度である
から、前述の加圧手段による加圧は差圧がこの程度の所
定値になるようにかなり厳密に制御をしてやる必要があ
る。また、補給チューブを複数の単電池を直列に接続し
て、各単電池に均等に所定量の電解質を補給する必要が
あるため、その補給チューブには各単電池毎に異なった
径ないし数の穴を明けてやる必要がある。

補給チューブが複数の単電池を直列に接続しているため
、単電池間で短絡しないよう、補給チューブは電気絶縁
性をもっていなければならないし、補給が終ったら補給
チューブの中に電解質が残っていてはならない、そこで
、電解液の補給は燃料電池の停止中に行い、発電運転時
には加圧手段３０を止めて弁４２を開き、電解液の排出
手段４０の弁４１を僅かに開いて補給チューブ２３に加
圧ガス３３を徐々に送り出すことにより、補給チューブ
内の残存電解液を外部に排出することができ、補給チュ
ーブが絶縁材で形成され、かつ電解液が排出されること
により、直列流路を介しての液絡が回避される。

なお対象となる燃料電池が溝付セパレータ仮型の燃料電
池である場合、溝付セパレータ板側に形成された溝に補
給チューブがはめ込まれ、電極基材の上記溝に対向する
部分の撥液性が取り除かれて電解液貯蔵部が形成される
とともに、この貯蔵部に対向する電極触媒層に連通孔を
設けることにより補給路が形成される。また、補給チュ
ーブの収納溝内にも電解液の貯蔵部を形成すれば、電解
液の貯蔵量が増し、電解液の補給を一層容易化すること
ができる。

〔発明の効果〕

この発明は前述のように、加圧手段を有する電解液補給
槽を燃料電池とは別体に設け、この補給槽に一方端が開
口した絶縁材からなる電解液補給チューブが各単電池に
形成された電解液貯蔵部を沿層方向に貫通して電解液の
直列通路を形成するとともに、補給チューブの貯蔵部貫
通部分に電解液補給孔を形成して各電解液貯蔵部に電解
液を分配供給させるよう構成した。その結果、補給槽に
加えるガス圧を燃料電池の反応ガスの圧力より幾分高く
保つことにより、反応ガスとの圧力バランスを保持して
直列流路を介して電解液を各車電池に送達できるので、
例えば並列流路を有する補給装置で見られる気泡等によ
る流路の閉塞などが無く、各単電池が必要とする電解液
を確実に送達することができる。また、電解液貯蔵部を
補給チューブの周囲の限定された小さなスペースに限定
できるので、電極基材の反応ガス拡散機能に及ぼす影響
を最小限にすることができる。さらに、補給チューブが
例えば１条の絶縁チューブで形成されて漏液原因となる
接合部を排除でき、かつチューブの出口および補給槽が
燃料電池の外部に配されることにより、燃料電池および
その収納ケース内での液漏れを排除できる。さらにまた
、補給チューブ内の残存電解液の排出手段を設けたこと
により、発電運転中に直列流路を介して生ずる液絡が排
除される０以上簡単な構成の装置によって課題のすべて
が解決され、したがって高性能かつ高信頼性を有する燃
料電池の電解液補給装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例装置を示す構成図、第２図は
実施例装置の要部を示す拡大断面図である。 １：単電池、２８マトリツクス、３：燃料ガス電橋、４
：酸化剤ガス電極、５：セパレータ板、１０：電池積層
体、３ｄ：電解液貯蔵部、３ｅ＋補給チユーブ用溝、３
ｆ：電解液連通孔、２０：電解液、２１：電解液補給槽
、２３：電解液補給チューブ、２３ａ：電解液供給孔、
３０：加圧手段、４０：を解法の排出′１５２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）電解液保持体としての多孔性のマトリックス層と、
   このマトリックス層に連通するよう沿層方向に形成され
   電解液保持性を有する電解液貯蔵部とを内部に備えた単
   電池を複数個積層してなる電池積層体に電解液を補給す
   る装置であって、電池積層体とは隔離された加圧容器か
   らなり加圧手段を有する電解液補給槽と、この電解液補
   給槽の包蔵電解液中に一方端が開口した電気絶縁材チュ
   ーブからなり前記単電池複数個の電解液貯蔵部間に電解
   液の直列流路を形成するとともに、各電解液貯蔵部内を
   沿層方向に貫通する部分に電解液の補給孔を有する電解
   液補給チューブと、この電解液補給チューブ内の残存電
   解液を排出する手段とを備えてなることを特徴とするマ
   トリックス型燃料電池の電解液補給装置。