JPH0311556A - 燃料電池の電解質リザーバ構造 - 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〕 この発明はガス透過性を有するリブ付電極基材の反リブ
側の面に触媒層葡担持した燃料電極および酸化剤電極と
、前記一対の電極の触媒層に密着して挟持された電解質
保持体としてのマトリックスとからなる単電池が、ガス
不透過性のセパレータを介して複数層積層された燃料電
池、ことにその電解質リザーバ構造に関する。

〔従来の技術〕

第２図は従来のりん酸型燃料電池積層体全分解して示す
斜視図、第３図は第２図におけるＡ−Ａ方向の要部の拡
大断面図である。図において、単電池１は、電解質とし
てのりん酸の保持体であるマトリックス６と、これを挟
んで両側に配された燃料電極２および酸化剤電極４との
積層体となっており、単電池１とガス不透過性のカーボ
ン板からなるセパレータ１０とを基準構成単位とし、こ
れを多数積層して所定の血圧を加えることによシ、いわ
ゆるセルスタックが構成される。また、セルスタックに
は複数の単電池ブロックごとに冷却板９が積層される。

ガ、単電池１の酸化剤電極４は、互いに平行な複数のリ
ブ７を有する撥水処理されたガス透過性のカーボン板か
らなるリブ付電極基材５の７トリソクス６に接する面側
に白金微粉末等の電極触媒層４Ａｋ担接した構造となっ
ており、リブ７とセパレータ１０とで画成された酸化剤
通路５Ａに図示しないマニホールドを介して酸ｆヒ剤と
しての空気が給排される。また、燃料電極２も基本的に
は酸化剤電極と同様な構造であるが、リプ付電極基イｉ
　３　ＶＣはリブ７および燃料ガス通路６Ｆと直交する
方向に所定の幅で撥水処理しない親水性部分からなる電
解質リザーバ１５がリブ７の長手方向に並んで複数条設
けられる。さらに、リブ付電極基材６のマトリックス６
側の面に担持された触媒層２Ａには、リザーバ１５に対
向する部分に複数の導液孔１６が設けられ、リザーバ１
５の細孔にあらかじめ含浸されたシん酸液が導液孔１６
全介してマトリックス乙に含浸されたりん酸液と連通し
たリザーバ構造が形成される。なお、酸化剤通路５Ａと
ｊ可変する方向に配された燃料ガス通路３Ｆには図示し
ないマニホールドを介して燃料ガスが給排される。

一ヒ述のように構成された従来の燃料電池において、各
単電池に燃料ガスおよび空気が供給され、所定の運転淵
ＩＷ例えば１９０℃を保持して発電運転が行われている
状！ｊＭ　’Ｙｌ’は、発電反射によって酸化剤′目イ
極側に生ずる生成水が高温の水蒸気と々っで電極基材５
を透過して酸化剤通路側に放出される際、少量のりん酸
がミストとなって水蒸気とともに主として酸化剤通路５
Ａ側に飛散するので、マ）　ＩＪソックスが保持するり
ん酸は徐々にではあるが減少する。このとき、燃料電極
２の電極基材３内に設けられた電解質リザーバ１５に保
持されたりん酸は運転流度に加熱されて流動性が増して
いるので、導液孔１６全介してマトリックス６に流入し
、不足したりん酸を補給する。また、燃料電池の休止時
にりん酸が吸湿してその体積が膨張し、かつ起動時の温
度上昇による体積膨張が加わると、過剰なりん酸Ｉｉ導
液孔１６を介して電解質リザーバ１５に吸収され、マト
リックス中の電解質は適正量に保持される。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の構造によれば、電Ｉ’ｌｌ質を保持する容せは電
極基材３の局部的な親水部である′１１イ解質リザーバ
１５の細孔の容積、いいかえれは空孔率で決定される。

このため、１１Ｌ厚（質のイ呆］寺量全Ｊ曽力目させる
ためには親水部の容量を増加させなければならない。し
かしながら、親水部の容量を増加させると、親水部のガ
ス拡散性はほとんどないため触媒層２Ａへのガス供給能
力が低下し、それに伴い電池特性も低下してしまう。こ
のため、親水部の容量を増加させることには限界が存在
し、十分電解質全保持することができない。したがって
長時間の運転によってマトリックス中のリン酸が徐々に
減少し経時的に内部抵抗が増大する。あるいは、対向す
る電極の反応ガスがマトリックスを介して混合し単電池
内部で直接反応を生じ電極に損傷全与え、燃料電池の性
能が低下や運転停止音引き起こすといった問題点があっ
た。丑た、運転休止中の吸湿あるいは外淵時の膨張によ
る電解質体積の増加に一 より例えば単電池のシール部にストレスを与え外部への
ガスｄｒｄれを増力目させるなど、電極の漏れを助長し
燃料電池性ｎｎの低下音引き起こす七いっ／と問題点も
あった。

この発明の目的は、電極触媒層へのガス供給機能を損う
ことなく、電解質リザーバの電解質保持量を増大するこ
とにある。

〔課（但をＷｆ決するための手段〕

上記課題全解決するために、この発明によれは、ガス透
過性ケ有するリブ伺電極基材の反リブ側の面に触媒層を
担持した燃料電極および酸化剤電極と、前記一対の電極
の触媒層に密着して挟持された電解質保持体としてのマ
トリックスとからなる単電池が、ガス不透過性のセパレ
ータを介して複数層積層された燃料電池において、前記
リブ付電極基材より大きな細孔径を有する親水性のカー
ボンシートからな９前記燃料電極のリブ列と前記セパレ
ータとの間に介装されて電解質を保持するリザーバプレ
ートと、前Ｆｆ１２ガス透ｊ１透性１４性る電極基材の
リブに沿って形成されて電解質全保持する＝６− 親水部と、この禍水部と前記７トリソクスとに連通ずる
よう前記触媒層に形成δれｆｃ、導液孔とを１１１６え
てなるものとする。

〔イ乍月１　〕 」二、：己手段において、燃不斗市極の電イ銘ノんイオ
のＡＡンＸ部合金リプ沿って設け、触媒層の導液孔もイ
ｌｌ水７Ｘｌ＋に沿って設けるとともに、電極基材の細
孔イ≠より大きい細孔径全有するカーボンシート例えは
カーボンペーパーからなるリザー・くグレート全電極基
材のリプ列とセパレータとの間に介装し、リザーバプレ
ートとマトリックスとが親水部および導液孔紫介して連
通ずるよう構成したことにより、細孔径が大きくしたが
って電解値の保持容量の大きいリザーバプレートを付加
した分だけ余分に電解Σ 買電保持できる電解質リザーノく構造を得ることができ
る。丑だ、燃料ガス通路の底部が撥水処理したガス透過
性部分となり、かつこの部分を通って分子量の小はい水
素ガスが触媒層に供給されるので、必要なガス供給機能
および発電性１１目を保持して電解質の保持道を増大す
ることができる。

〔実施例〕

以下この発明全実施例に基ついて説明する。

第１図はこの発明の実ｈ１ハ例としての燃料電池の市、
解質リザーバ構造の要部を示す拡大断面図であシ、従来
技術と同じ部分には同一参照符号を用いることにより詳
細な説明を省略する。図において、マトリックス６を挟
持する酸化剤電極４および燃料電極１２のうち、燃料電
極１２側にリザーバプレート２１．親水部２５．および
導液孔２６からなる電解質リザーバ構造部２０が設けら
れる。すなわち、電極基材１３のリプ２７の高さは電極
基材側縁のシール部２８の高さより小さく形成さヘリプ
列とセパレータ１０との間にはリザーバプレート２１が
介装される。リザーバプレート２１ｉｌ′ｉ電極基材１
３に比べて細孔径および空孔率の大きい例えばカーボン
ペーパで構成され、電解質としての９ん酸があらかじめ
十分含浸される。電極基材１３はリプ２７によって画成
された溝からなる燃料ガス通路３Ｆの底部は例えばふっ
素樹脂スプレーなどによシ撥水処理されて燃料ガスのみ
が透過する撥水部２９全形成し、リプ２７とその基部が
親水部２５を形成する。また親水部２５に対向する部分
の触媒層１２Ａには複数の孔に例えばシリコンカーバイ
ド（ＳｉＣ）　　粉末全充填した導液孔２６が設けられ
、親水部２５および導液孔２６にもりん酸が含浸される
。したがって、リザーノ（プレート２１とマトリックス
６とが保持するりん酸は、同じくシん酸が含浸された親
水部２５および導液孔２６全介して互いに流通する。ま
た、各部材の細孔径ば、リザーバプレート２１側で最も
犬きく、親水部２５．マトリックス６の順で小さくなる
ので、高部で粘度が低下したりん酸は、マトリックス６
が保持するシん酸が不足したときにはリザーバプレート
２１側から毛管力によってマトリックス６側に流入して
シん酸の不足全補償し、また、トリックス６中のシん酸
が膨張した場合には圧力差によってリザーノ（プレート
２１側に押し出され、いわゆる呼吸作用が行われる。

上述のように構成された電解質リザーノ（構造部２０ば
、リザーバプレート２１の空孔率が、親水部２５および
マトリックス乙のそれに比べて遥かに大きく、薄いカー
ボンペーパーを用いても多量のりん酸を保持することが
できる。したがって従来のリザーバ構造に比べてマトリ
ックス６の電解質の不足分を長期間にわたって補償する
ことができ、電解質の不足による電池性能の低下や反応
ガスの混触を生ずるこぶなく発電運転を長期間行うこと
ができる。また、ストリックス中の電解質の膨張も容易
に吸収できるので、マトリックスの内圧上昇に起因する
ガス漏れ等も防止することができる。

また、リザーバプレート２１を薄く形成できるので、燃
料ガス通路６Ｆの断面積の縮減も少くてすみ、かつ分子
量の小さい水素はガス通路３Ｆの底部の厚みの薄い撥水
部２９を介して触媒層１２Ａに十分供給されるので、ガ
ス通路のμ（部も電解質リザーバ１５の一部として利用
する従来技術に比べてガス供給機能の低下はほとんど問
題にならない。したがって、ガス供給機能を低下させる
ことな〈従来の数倍の’１４．１ＸＷｌ質補給性能をぞ
Ｊることか０− できる。

〔発明の効果〕

この発明は前述のように、細孔径が電極基相のそれよシ
大きいカーボンシートからなるリザーバプレートを燃料
電極の電極基相のリブ列とセパレータとの間に介装し、
リブに沿って電極暴利に形成された親水部、および親水
部に対向する部分の触媒層に形成された導液孔を介して
リザーバプレートおよびマトリックスに含浸された電解
質が連通ずるよう構成した。その結果、空孔率の犬きく
薄いリザーバプレートに従来の数倍の′ζＵ解質全蓄え
ることができ、マトリックス側の電解質不足全毛管力に
よってリザーバプレート側から補給でき、逆にマドｌ）
ックス側の電解質の膨張は圧力差によってリザーバプレ
ート側に吸収して圧力の上昇を回送できるので、従来電
解質リザーバ構造の電解質保持量が少いことによって生
ずる電解質の不足と、これに起因する電池性能の低下問
題や反応ガスの混触問題、あるいは電解質の体積膨張に
よる圧力上昇等が排除され、したがって長４υ」間安定
しして発電全持続できる燃料電池を提供することができ
る。また、厚みの薄い燃料ガス通路の底部全体全分子量
の小さい水素ガスの透過部に利用して燃料ガスの供給を
行うことができ、かつリザーバプレートも薄くできるの
で、燃料ガス通路の底部全電解質リザーバとして利用す
る従来技術に比べてガス供給性能に及ぼす影響が少り、
シたがって燃料電池全大型化することなく燃料ガスおよ
び電解質の供給または補給性能に優れた燃料電池を得る
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になる燃料電池の電解質リザ
ーバ構造を示す要部の拡大断面図、第２図は従来の燃料
電ａを示す斜視図、第６図は第２図のＡ−Ａ方向の拡大
断面図である。 １・・・単電池，２．１２・・・燃料電極、４・・・酸
化剤電極、３，５．１３・・・’に極基材、２Ａ，４Ａ
，１２Ａ・・・触媒層、６・・マトリックス，７，２７
・・・リブ、３Ｆ’，５Ａ・・・反応ガス通路、１０・
・・セパレータ、２０．１５・・・電解質リザーバ　１
６．２６・・・導液孔、２１・・・リザーバプレ−１・
、２５・・・親水部、２９・・・撥水部。　　　　　　
　　　　　　　　２，。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）ガス透過性を有するリブ付電極基材の反リブ側の面
   に触媒層を担持した燃料電極および酸化剤電極と、前記
   一対の電極の触媒層に密着して挟持された電解質保持体
   としてのマトリックスとからなる単電池が、ガス不透過
   性のセパレータを介して複数層積層された燃料電池にお
   いて、前記リブ付電極基材より大きな細孔径を有する親
   水性のカーボンシートからなり前記燃料電極のリブ列と
   前記セパレータとの間に介装されて電解質を保持するリ
   ザーバプレートと、前記ガス透過性を有する電極基材の
   リブに沿って形成されて電解質を保持する親水部と、こ
   の親水部と前記マトリックスとに連通するよう前記触媒
   層に形成された導液孔とを備えてなることを特徴とする
   燃料電池の電解質リザーバ構造。