JPH0358152B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は循環しない、補給できる電解質を有す
る燃料電池集合体に関する。特に本発明は、燃料
電池集合体の構成部分の１つである燃料電池に関
する。

特に本発明は、電気化学的電池に関するもので
あつて、その電池は多孔性のマトリツクスを満す
ようにする電解質を使用して、マトリツクスを圧
している酸または電解質の重量を少くして、より
一様な圧力が得られるようにしたものである。

酸または他の電解質は、燃料電池集合体の各マ
トリツクスに一様な低い圧力で供給されるので、
マトリツクスを最初酸で満すことも、また電池の
動作中に失われた酸を補給することもでき、その
際マトリツクスの気ほう圧またはどちらかの側の
電極のフラツジング圧を越えることがない。各電
池に対する酸の管理は、濡らされるマトリツクス
についている酸充てん孔の中の開口を制限するこ
とによつて行われる。

特に本発明は、リン酸燃料電池集合体の酸の充
てんに関し、その充てんにおいては、マトリツク
スまたは他の燃料電池構成部分への酸の流れを制
御するのに、何等外部からの制御を必要としない
ものである。さらに、本発明によれば、適当に電
解質で濡れているマトリツクスの保守を行つた
り、または燃料スタツクを逆にしたり位置を変え
たりするのに、燃料集合体の運転を止める必要は
ない。

典型的なリン酸燃料電池の中の酸は、マトリツ
クスとして記載する薄い多孔性部分に含まれる。
マトリツクスは、電池の２つのガス電極の間に配
置されている。電池が組立てられると、酸の添加
は、酸の溜めの溝からマトリツクスに行われる。
この溝のどちらかの端に、充てん孔が配置してあ
つて、組み立てられた集合体では互に通じ合つ
て、集合体の中を通る連続的な管となつている。

各電池の各マトリツクスの中の酸は、運転中は
飽和状態（即ちマトリツクスの接する電極の片側
を流れるガスが貫通することのできない連続的な
薄膜の状態）に保たれていなければならない。過
剰な酸はすべて、酸の溜めに入つていなければな
らないが、電極従つて電極の反対側にある反対ガ
スの溝にあふれさせてはならない。

数個以上の電池より成る集合体では、電池が水
平位置で運転される場合でも、電池が垂直の位置
にある時だけに電池に酸を入れるのがこれまでに
実際に行われたことであつた。それで各電池に対
する酸の圧力は、各マトリツクスについて低い同
一の値に保つことができた。もし水平位置に保た
れた電池に添加を行つて、集合体の中の酸の充て
ん孔が完全に満されたとすると、各電池マトリツ
クスは、集合体の中の位置によつて、異なる酸の
圧力を有することになる筈である。マトリツクス
の気ほう圧を、例えば水柱で15.2cm（６インチ）
に制限しようと思う集合体に対しては、下部の電
池の構成部分からの望ましくないあふれを引き起
さないようにするには、僅に数個の電池を組込む
ことができるだけである。垂直位置に配列されて
いる電池に酸を添加する場合には、乾いた電池へ
の添加または濡れたマトリツクスへの補充は、酸
の溜の上のマトリツクスの高さおよびマトリツク
スとリン酸電解質との物理的性質によつて、さら
に制限される。

循環電解質による燃料電池の「マトリツクス
型」を目的としている、Bushnellの米国特許第
3748179号について述べると、一般に、電池は、
アノード、カソード、アノードとカソードとの間
のイオン伝導性電解質を有するマトリツクスを包
含し、さらに多孔性のピンが用意されていて電解
質をマトリツクスに導く。酸化剤、燃料および電
解質は、ポンプによつてその一端で電池に供給さ
れ、その一端とは反対の別の端から引き出され
る。電池の集合体を構成する各電池は、該一端に
電解質用の入口を別個に有し、また他端に電解質
用の出口を別個に有する。電解質の流れは、一端
から直接他端に向つていて、多孔性のピンを通し
て僅かに循環が行われる。それらが垂直の状態に
積み重ねられると、電解質はそれぞれ個々の電池
の電解質室の中に流れ込む。

Buzzelliの米国特許第4168349号は、循環電解
質と水平電池構成とを有する鉄／空気電池装置を
目的としている。水平に配置されている電池集合
体の各電池は、それ自身個々に電解質の入口と電
解質の出口とを包含し、電解質は水平方向に各電
池を通して汲み込まれる。１つの電池に供給され
た電解質は次の隣接する電池に循環することな
く、また出口は入口より大きいので、電解質は電
池の外へ引き出され、また出口の断面積は、入口
の断面積の1.25ないし1.5倍である。

Trocciclaの米国特許第3905832号は、従来の
マトリツクスに必要とされる電解質供給用の、電
解質の溜めを、電池構造の中に包含する燃料電池
構造を開示している。

Grayの米国特許第3615845号は燃料電池を開示
しているが、その電池では、アノードとカソード
の間のマトリツクスの長さ方向に沿つて一様に分
布するように、電解質は毛細管を通して吸い上げ
られる。電池を長期間運転している間に、マトリ
ツクスがどんな速さで電解質を吸収しても、補給
電解質をマトリツクスに供給することができる。

Warszawski等の米国特許第3814631号は、一
方の側に電解質の供給オリフイスを、また他の側
に排出オリフイスを有する組立て電極を開示して
いる。それぞれのオリフイスからの溝は、他の溝
に対応してそれぞれの長さに比例して変る断面積
を有していて、溝を通して圧力低下が等しくなる
ようになつている。

Frieらの米国特許第3926676号は、複数の電池
から構成されている電池装置を開示しているが、
その電池では、電解質主入口溝と出口溝とは一定
の一様な断面積を有するが、個々の電池について
出口溝の方が大きく、またそれ自身の供給通路に
結合されている電解質室を有し、その通路は異な
る断面積を有して個々の電池への電解質の流れの
供給圧力が変わり得るようになつている。

それ故に本発明の目的は、従来の技術の欠点を
克服するために、液体電解質を使用する改良され
た燃料電池を提供することである。

本発明は液体電解質を使用し、アソード電極、
カソード電極、および電極板（以下、単に板とい
う）の間に挾まれたマトリツクスをそれぞれ有す
る複数個の燃料電池を包含する燃料電池装置に存
し、その装置は、該板と該マトリツクスとを通つ
て延びている一対の間隔をおいた電解質充てん口
を各電池が包含すること、さらに該マトリツクス
の中の該充てん口は該板の中の該充てん口から心
がずれていることを特徴としている。

本発明の好適な実施態様によれば、燃料電池は
如何なる位置でも酸のような電解質を充てんする
ことができ、さらに水平位置にある間に酸を充て
んする際にも、各電池に対する酸の圧力を実質的
に同じ低い圧力に保つことができる。さらに、本
発明の教えるところによれば、外部の力によつて
維持し、制御しあるいは調節するために必要また
は要求される追加の構成部分は何もなく、さらに
調節は酸充てん口を通る酸の流れを制御すること
で本質的に行うことができる。

今まで、マトリツクスを包含する電池の種々の
構成部分の中の充てん孔または口は、すべて同一
の大きさであつた。従つて、本発明より以前の慣
用手段では、マトリツクスの中の孔を充てん孔と
同じ大きさとしていた。

本発明の好適な実施態様によれば、充てん孔は
マトリツクスの充てん口よりも大きい。より詳細
に云えば、マトリツクス孔の口は直径が小さく
て、マトリツクス口の断面積は、好適には、充て
ん孔の口の断面積の半分（1/2）よりも小さくな
つている。

代表的なマトリツクスの中の口は約1.6mm（1/1
６インチ）の直径の円形断面を有し、それに伴つ
て充てん孔は、同じく円形断面で約4.8mm（3/16
インチ）の直径を有する。

本発明の他の１つの特長は、個々の電池を１つ
の完全な燃料電池集合体に組立てると、組立てた
集合体は、例えば約5°まで傾けることができるの
で、端の溜めの溝の一端が他の端よりも高くなる
ことである。それで、酸を高い方の端から入れる
と、酸は溝を流れ下つて溝に直接露出されている
マトリツクスの長手方向を最初に濡らす。完成さ
れた集合体の中の最初の供給孔は、もし集合体を
水平に対して傾いた向きで運転するならば、最も
高い端に位置する。

本発明を実施して集合体に酸を供給すると、酸
は徐々に充てん孔に加えられ、最初は毎秒約１滴
の速さで滴り落ちる。酸が第１のマトリツクスと
接触するにつれて、酸は局部的な範囲を濡らし、
次いでマトリツクス全体を飽和するようになる筈
である。この第１のマトリツクスの上の圧力が増
すと、その圧力によつて酸は第１のマトリツクス
の中の孔のまわりをこぼれ落ちて、燃料電池集合
体の第２のまたは次の燃料電池の酸充てん孔の中
に入り、第１のマトリツクスの下にある第２のま
たは次のマトリツクスの上に落ちる。孔の中の酸
はマトリツクスの中の孔を通つて酸充てん孔の中
にこぼれて落ちて、その下にあるマトリツクスの
上に滴り落ちる。同時に酸は双極板の中に刻まれ
ていて、例えばマトリツクスの下にある溝の中に
も流れ込む。この溝に入つた酸は次に、燃料電池
集合体の個々の電池のそれぞれのマトリツクスを
満しさらに／あるいは飽和する。最後に溝が埋ま
るようになると、溝の底または反対の端にある酸
排出孔の中に酸がこぼれ落ち始める。２つの排出
管が用意してあつて酸がどちらかの排出管から滴
り落ちると、傾斜させている場合には傾斜角を調
節することによつて電池の水準を調節して、両方
の排出管からの滴下速度をほぼ等しくすることが
できる。充てん管に適用する電解質の滴下速度も
また小さくして、排出速度を低く保つようにしな
ければならない。

これらの酸の添加に要する時間は、各電池が必
要とする量によつて変る。勿論、電池が乾いてい
て、充てんする電池が乾いた組立てマトリツクス
を有する場合には最大の時間が必要であり、保守
用の充てんとして電池当り数cm³だけを添加する場
合には最小の時間が必要である。

明かな如く、運転中の電池は、負荷中に充てん
することができるので、本発明によつて、効果的
に酸を充てんできる結果として、性能のほとんど
直接的な改善が容易にはつきりとしてくる筈であ
る。現在使用されている電気抵抗と開路電圧との
測定技術を、乾いた組立てられた電池に対する酸
の供給が完了した信号として使うことができる。

これまでに記した如く、酸は各燃料電池のそれ
ぞれのマトリツクスに順次に一様な圧力で供給さ
れるので、完成された電池集合体の各電池のマト
リツクスは、マトリツクスの気ほう圧またはマト
リツクスのどちらかの側の上の電極からのフラツ
ジング圧を越えることなく、電解質酸を最初に充
てんしたりまたは補給したりすることができる。

個々の電池はそれぞれ同じ方向で制御されてお
り、またそのような制御は、隣接する次のそれぞ
れの電池に対する充てん孔に開く口によつて行わ
れ、また口を制限して制御している。そのような
制御は、濡らされるマトリツクスについての好適
な実施態様において、マトリツクスの中の孔を酸
の充てん孔よりも小さくし、さらに充てん孔に対
してマトリツクスの孔を僅に心をずらせることに
よつて行われる。

酸充てん孔は好適にはマトリツクスの最大露出
面に垂直であるので、各マトリツクスの最大露出
面に直角な方向に酸は流れてマトリツクス全体に
衝突する。

マトリツクスの中の充てん口の断面積は、集合
体の中の他の流通口よりも小さい。

燃料集合体のベースの傾斜角は調節できるの
で、それぞれの排出口から酸を本質的に同じよう
に滴下させることができるし、また傾斜角は0°な
いし5°の間で調節できることが望ましいので、集
合体の一端を他端よりも高くすることができる。
もし傾斜角を使用するならば、酸の充てん孔は傾
斜した集合体の最高端に位置するのが好適であ
る。

好適な実施態様においては、マトリツクス充て
ん口の断面積は、酸充てん孔の断面積の半分より
小さい。

さらに、第１のマトリツクスの上の圧力が増す
と、酸電解質は第１のマトリツクスの中の孔に入
り、次の隣接するマトリツクスの中の酸充てん孔
にこぼれて入り、さらに次に続くマトリツクスに
滴下するようになる。

さらに、１つの具体的実施態様においては、マ
トリツクスの中の充てん口は断面が円形であつ
て、約1.6mm（1/16インチ）の直径を有する。

酸電解質で充された場合の燃料集合体の運転に
おいて、第１のマトリツクスの上の圧力が増加し
てくると酸は第１のマトリツクスの中の孔に入つ
て流れ広がり、次の隣接する燃料電池の酸充てん
口に入つて次に続くマトリツクスに滴下するよう
になる。

燃料電池集合体に酸電解質を添加する方式で
は、電解質は上部半双極板の中の酸充てん孔を通
して燃料電池集合体に添加され、下部半双極板の
中の酸排出口から排出される。

電解質はマトリツクスの下にある各燃料電池の
中のため溝を通つて、酸の溝を含む双極板の口の
下にあるマトリツクスへと流れる。マトリツクス
の口は、マトリツクスの下にある酸のため溝の両
端の所で電解質供給口とは心がずれている。

酸電解質を供給する好適な方式においては、酸
電解質は１度に約１滴という最初の速度で燃料集
合体に供給され、酸電解質は第１のマトリツクス
に接触してそれを飽和し、次に２つの主要な方向
に流れ進むが、その一方は各燃料電池に附随する
溝を通してであり、またもう一方はマトリツクス
の中の口を通してである。

本発明の他の目的、利点および本質は、添付の
図面で開示されるにつれまた以下の詳細な説明で
説明されるにつれて、当業者にとつては容易に明
らかになる筈である。

ここで図面特に第１Ａと１Ｂ図とを参照する
と、これらの図面は代表的な燃料電池集合体１０
を模式的に図示するものであつて、集合体は、そ
れぞれマトリツクス１６，１８によつて模式的に
示されている２つの燃料電池１２，１４を伴う複
数個の電池と、第３の電池の部分のベース７０と
によつて構成されている。簡単のために、アノー
ド２０やカソード２２のような従来の要素は、模
式的に示してある。また２つの燃料電池１２，１
４だけが示してあるけれども、燃料電池集合体１
０は、複数個の個々の電池から構成されることが
できることは公知のことである。

ここで特に図面の第４図と第５図とを参照する
と、１つの燃料電池１４が、上面３０（第４図参
照）に酸の溝２８を有する２つの双極板２６を包
含するとして示されている。ただ１個の電池だけ
が使われるかまたは電池が燃料集合体の上部電池
または下部電池として使われると、双極板２６は
半双極板としてかまたは鏡板として記載される形
をとる。実際に、鏡板、またはベースは、半双極
板である。同様にして、上面７２もまた上部鏡板
であつて半双極板である。ベースと上面７２とが
それらの平滑な一様な表面７４，７６で一緒にな
つて置かれると、両者は一緒になつて双極板２６
を形成する。第５図においては、上面３０の上の
双極板２６がシム３２および酸の溝２８の上の酸
の導管即ちシム（底なし溝）３４と共に示してあ
る。第４図においては、シム３４は除いてある
が、燃料電池を運転するのに絶対に必要というこ
とではない。シムはある組立品では、マトリツク
ス１６と、双極板２６の上面またはベース７０と
の間に必要である。双極板またはシムの中の酸電
解質の溜めは、相当するマトリツクスの下または
上に置くことができることを注意しておく。

第４図では、上部板は２つの上面部分３０，３
１の間に燃料の溝３６を有する双極板２６として
示されていて、その溝を通つて燃料が第１の方向
に循環し、さらにその方向に直交して空気または
他の酸化剤が、双極板２６の底面部分４０，４０
の間の溝を通つて循環する。双極板２６がベース
として使われている場合には、酸化剤の溝３８は
省かれて底面部分４０，４０は連続した平滑な面
を形成し、さらに同様に、双極板２６が上部鏡板
７２として使われている場合には、上面部分３
０，３０の間の燃料の溝３６は省かれて一様な連
続面７６を形成する。双極板２６とマトリツクス
１６との間に位置しているのは、カソード２２の
一対の相対するエツジ４４から一定の間隔を置い
ている一対のエツジジム４２である。シム３２が
シム４２と一緒に使われる時には、その両者は直
交する関係にあるので、シム３２は酸化剤の溝３
８の方向を横切る方向に延びており、またシム４
２は燃料の溝３６を横切る方向に延びている。第
５図ではただ１個のシム３２だけが示してある
が、第４図から明かなように、燃料電池の双極板
２６は酸の溝について以外は対称的であり、また
シム３２は上面３０とマトリツクス１６の下部と
の間で、第５図に示してあるシムに平行にアノー
ド２０と隣接して位置することができる。第４図
では、アノード２０は双極板２６の幅全体に汎つ
て、矢４６で指示されているような燃料の流れの
方向に延びている。第５図では、シム３２はアノ
ード２０の端に位置していて、矢４８で示されて
いるような空気または酸化剤の流れ３８を横切る
方向に酸の導管３４を備えている。説明した典型
的な燃料電池構成の外に、他の構成が可能であ
る。

各マトリツクス１６，１８は円筒形または導管
形の充てん口５２，５４を備えていて、その充て
ん口は軸方向に整列していて、５２と５４の中心
線から中心線までの距離Ｙだけ互に離れている
が、その距離は、シム３２，４２および双極板２
６の中に形成されている口、即ち溝５６，５８の
中心間の間隔Ｘよりも大きい。口５６，５８は一
般には、双極板２６の中に形成されている縦方向
の口または導管と、シム４２の中の導管５７，５
９とを示し、直交関係にある燃料径路４６と酸化
剤径路４８とを横切る方向即ち直角な方向に延び
ている。口５２，５４はマトリツクス１６，１８
の中にそれぞれ導管を形成していて、それぞれ双
極板２６とシム４２との中に形成されている導管
５６，５８および５７，５９から縦方向に中心が
ずれている。即ち部分的に整列している。

導管５２，５４および５６，５８ならびに５
７，５９は、第２図で円形の断面で示してあるけ
れども、異なる形の断面構成を有する種々の他の
円筒の形をした導管を使うこともできる。第３Ａ
図は楕円の断面を有する導管を示し、第３Ｂ図は
半円の断面の構成を図解しており、第３Ｃ図は正
方形の断面を示しており、また第３Ｄ図は３角形
の断面構成を図解している。

シム４２，３２は第４，第５図に示してある
が、シムは通常の絶縁物として使われ、また双極
板２６の上面と、マトリツクスの仕上面との間の
凹凸をなくすためまたは間隔を取るための手段と
して使われるが、それは双極板２６の上のアノー
ドの厚さと高さ、または双極板の下のカソードの
厚さと深さがあるためである。

燃料電池構造物１２およびそれより構成される
燃料集合体１０によつて、酸電解質の連続的で平
行な流れが得られることは明らかである。抜け口
７８（第１図）を通る通気によつて空気を追出す
ことができ、また抜け口７８は充てん孔としても
使用することができるが、その場合の使い方とし
ては、酸充てん孔２４と一緒に使うか、またはそ
れを取替えて、抜け口７８を酸充てん孔とし、２
４を抜け口として使う何れかの方法がある。酸を
燃料電池集合体の中に流すための推進力を与える
ために常圧が使用され、それにマトリツクスと電
極との中の関係ある口ならびに排出孔８０および
８２が一緒に働いて、電解質の流れを制限して流
速を一定に保つようにする。排出孔８０は充てん
孔２４と整列しており、また排出孔８２は抜け口
７８と整列している。

各電池用の小さなためが、酸の溝２８によつて
用意されているので、個々の電池１２は、希望に
よつては別の口８１から濡らすことができる。

垂直の向きの場合と違つて電解質は水平に流
れ、また電極とマトリツクスとが水平な位置にあ
る場合には、より一様な圧力を得ることができ
て、押し下げる電解質の重量は小さくなる。

１つの充てん孔２４だけが示してあるが、４隅
全部に孔があつてもよく、その場合３つを充てん
孔として使うこともできるし、２つの孔を充てん
孔２４として使い、２つの孔を抜け孔７８として
使うこともできる。

現在好適な実施態様であり、また本発明を実施
する最もよい形式であると考えられるものを示し
たが、本発明の範囲を逸脱することなしに種々の
変化および変形を行えることは明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図は、第４図の線−に沿つて取つた
典型的な燃料電池の部分の横断面図を模式的に示
したものであり、第１Ｂ図は、第１Ａ図と同じよ
うな他の１つの断面であり、第２図は、点線の輪
廓で示した１対の酸充てん孔と、それに重ねて１
対のマトリツクス口とを模式的に示して、相互の
空間配置と比較的な断面積とを図解的に示し、第
３Ａ，３Ｂ，３Ｃおよび３Ｄ図は、酸充てん孔と
マトリツクス孔とに使用することのできる典型的
な孔の形を、マトリツクス孔と酸の孔との間の相
対的な断面積を保ちながら図解して示しており、
第４図は、本発明による１つの燃料電池を図解し
て示したものであつて、明瞭にするためにシムを
取り除いてあり、第５図は、アノードに隣接する
シム配置をつけた第４図の１つの燃料電池の部分
透視図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 液体電解質を使用し、アノード電極、カソー
   ド電極および電極板間に挟持されたマトリツクス
   を備えた複数個の燃料電池の集合体からなる燃料
   電池装置において、電池が、該電極板と該マトリ
   ツクスとを通つて延びる一対の間隔をおいた電解
   質充てん口を備え、該マトリツクスにおける充て
   ん口は該電極板中の充てん口とは心がずれている
   ことを特徴とする燃料電池装置。 ２ マトリツクスの中の充てん口の軸中心間の距
   離が、電極板中の充てん口の軸中心間の距離より
   も大きい特許請求の範囲第１項記載の燃料電池装
   置。 ３ マトリツクスの充てん口の断面積が、電極板
   中の充てん口の断面積の1/2以下である特許請求
   の範囲第１項又は第２項記載の燃料電池装置。 ４ マトリツクス中の充てん口の縦軸に垂直な断
   面構成が円形でない構成である特許請求の範囲第
   １項、第２項又は第３項に記載の燃料電池装置。 ５ 燃料電池集合体は互いに隣接している少なく
   とも２個の燃料電池から構成され、該燃料電池集
   合体は各隣接する２個の電池のそれぞれの間に双
   極電極板と燃料電池集合体の下部にある下部半双
   極板と燃料電池集合体の上部にある上部半双極板
   とを有し、該燃料電池集合体がマトリツクス中の
   一対の間隔を置いた充てん口の１つと部分的に整
   列されている上部半双極電極板中の電解質充てん
   口と、該マトリツクス中の間隔を置いた充てん口
   と整理されている、双極板中の電解質流通口と、
   マトリツクス中の間隔を置いた充てん口と整列さ
   れている、下部半双極板の中の電解質排出口とを
   包含し、マトリツクス中の間隔を置いた充てん口
   は、互いに軸方向に整列されているが、上部半双
   極板中の該充てん孔および該排出口から、心がず
   れて位置する特許請求の範囲第１項記載の燃料電
   池装置。 ６ 電解質充てん口が各マトリツクスの上部露出
   面と直角に開口する特許請求の範囲第５項記載の
   燃料電池装置。 ７ マトリツクス中の充てん口の断面積が、燃料
   電池集合体の中の他の電解液流通口よりも小さい
   特許請求の範囲第６項記載の燃料電池装置。 ８ 燃料集合体のベースは２個の排出口を備え、
   下部半双極板の外面によつて形成される燃料集合
   体のベースの傾斜角を、ベースの各排出口から液
   体電解質の実質上一様に排出するための調節手段
   を備える特許請求の範囲第５項記載の燃料電池装
   置。 ９ 装置が上部半双極板の中に抜け孔を包含し、
   その抜け孔は、マトリツクスの中の整列している
   充てん口の１つと軸方向に整列しており、また該
   上部半双極板の中の電解質充てん口から水平方向
   に間隔が置かれおり、さらに電解質排出口の１つ
   と軸方向に整列している特許請求の範囲第５項な
   いし第８項のいずれか１項記載の燃料電池装置。