JPH0414469B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 この発明はマトリツクス型燃料電池のセルスタ
ツクを構成している各単電池のマトリツクスに対
して外部から電解液の補給を行う電解質補給装置
に関する。

〔従来技術とその問題点〕

燃料電池は、電気化学的反応を利用して燃料の
もつ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換
する高効率発電を指向するエネルギー変換装置と
してよく知られているところである。また頭記し
たマトリツクス型燃料電池の基本をなす単電池
は、例えばりん酸を電解質とする電解液を含浸さ
せたマトリツクスと、このマトリツクスを挾んで
その両側に配した一対の多孔質電極とからなり、
これらの電極を通じて一方からは燃料ガス（一般
には水素ガスが使われる）を、他方からは酸化ガ
ス（一般には空気が使われる）を供給し、両電極
より直接電気エネルギーを取出すように構成され
ている。この場合に上記の単電池で得られる出力
は1V以下であり、実用電源として所要の出力を
得るには、単電池を必要数だけ直、並列に組合わ
せて燃料電池本体としてのセルスタツクを構成し
ている。

一方、上記電池本体を正常に作動させるために
は、各単電池ごとに均一に反応ガスを供給する必
要があり、このための具体的な構造としては、次
記のようなリブ付電極形と、リブ付セパレータ形
が開発されている。第１図および第２図はこれら
の各タイプの１セル分の電池構造を示したもので
あり、図中１が電解液を含浸させたマトリツク
ス、２が燃料電極の触媒層、３が空気電極の触媒
層である。第１図に示したリブ付電極形では、ガ
ス透過性のある多孔質のカーボン板で作られたリ
ブ付き電極基材４，５の板面にそれぞれ前記の燃
料電極触媒層２、空気電極触媒層３を成層し、マ
トリツクス１を挾んで電極基材４，５を重ね合わ
せて１セル分の単電池６を構成している。さらに
電極基材４，５のリブの間へ矢印のように外部か
ら燃料ガス、空気を流して電極２，３へ反応ガス
を供給する。またかかるリブ付電極形では、積層
し合う電池の間で燃料ガスと空気との混合を防
ぎ、かつ単電池の相互を電気的に接続するため
に、ガス不透過性の導電材で作られたセパレート
板７が隣接し合う単電池の間に介挿されている。

一方、第２図に示すリブ付セパレータ形は、バ
イポーラプレートと呼ばれ、両面に互に直交し合
う反応ガス通路溝を有する。

ガス不透過性のカーボン板で作られたリブ付セ
パレータ８，９を用い、マトリツクス１、燃料電
極層２、空気電極層３からなる単電池の組立体を
両側からサンドイツチ状に挾んで１セル分を構成
している。

一方、前記マトリツクス型燃料電池を長時間運
転すると、蒸発、その他により次第に電解液が消
耗してマトリツクスに保持されている電解液の量
が減少する。このために長時間安定した運転を続
けるには、必要に応じて電解液をマトリツクスへ
補給し、常に十分な電解液を保持させておく必要
がある。

この対策として従来より、各単電池の内部にマ
トリツクスへ通じる電解液溜めとなるリザーバー
を設けておく方式、更にはこのリザーバへ外部か
ら電解液を補給する方法が提案されている。この
場合にセルスタツタを構成している単電池の個数
が比較的少ないものでは、１セルごとに電解液を
補給することを可能であるが、積層個数が数多い
ものでは、この方法は手間がかかり過ぎて実用的
でない。このためにセルスタツクを構成している
各単電池のリザーバをすべて連通して外部の電解
液タンクに接続し、自然流下式に供給して各リザ
ーバを電解液で満たす方法も考えられるが、この
方法のままでは、まず電解液が導電媒体となつて
セルスタツクすべての単電池の相互に短絡してし
まい、この結果電池出力は大幅に低下してしま
う。さらに上記の方法ではセルスタツクのうちの
下段に位置する単電池には、上段の単電池に較べ
て過大な電解液の液圧が作用することになり、こ
の過大な液圧がそのまま電池内部のマトリツクス
に作用し、電池内部の圧力バランスを乱して出力
特性を損なうという問題が生じる。

〔発明の目的〕

この発明は上記の点にかんがみなされたもので
あり、単電池の積層体としてなるセルスタツクに
対し、先述した単電池間の短絡、および過大液圧
の加わる欠点を解消して、各単電池内での電解液
の消耗に応じて外部より各単電池のマトリツクス
へリザーバを経由して電解液を安全かつ自動的に
補給できるようにした電解質補給装置を提供する
ことを目的とする。

〔発明の要点〕

上記目的を達成するために、この発明は単電池
の構成要素体の内部に気密に仕切られた電解液貯
留用のリザーバを画成し、各リザーバより電池内
部の補給路を通じてそれぞれのマトリツクスへ電
解液を補給するようにするとともに、一方ではセ
ルスタツク内で上下段に並ぶ前記リザーバの相互
間をそれぞれ小径な電解液滴下通路で連通し合
い、かつセルスタツクの最上段のリザーバを外部
の電解液タンクに配管接続し、さらに、最下段の
リザーバを止弁を介して外部の減圧手段に接続し
てなり、前記最上段のリザーバへ流入して来た電
解液を各リザーバ相互間の圧力差に基づいて前記
の滴下通路を経て順次下段のリザーバへ滴下導入
しつつ、リザーバの室内圧力がバランスすればそ
の点滴動作が自動的に停止してそれぞれのリザー
バに常時一定量の電解液が貯留されるようにした
ものである。

〔発明の実施例〕

以下この発明を図示実施例に基づいて説明す
る。第３図および第４図は、第１図に示したリブ
付電極形の単電池６を積層してセルスタツクを構
成した場合の一実施例であり、セルスタツク１０
は多数個の単電池６をセパレート板７を介して積
層し、更に冷却板１１、集電板１２、絶縁板１
３、エンドプレート１４等を組合わせて組立構成
されている。一方、各単電池ごとにその電池構成
要素体である上部のリブ付電極基材４の隅部には
反応ガスと隔離して電解液貯留用のリザーバ１５
が画成され、かつこのリザーバ１５とマトリツク
ス１との間を結んで電解液補給溝１６が形成され
ている。さらに前記リザーバ１５の底壁をなす下
部の電極基材５およびセパレート板７にはこれ等
を貫通して前記リザーバ１５から次段の単電池内
に画成されているリザーバへ向けて開口する小径
の電解液滴下通路１７があけてある。しかも前記
したリザーバ１５、補給溝１６、滴下通路１７の
内壁面は、すべて撥水、気密処理して電解液が多
孔性の電極基材の内部へ浸透しないようにすると
ともに、さらに電極基材４と５の間および各電極
基材とセパレート板７との間にもシール処理を施
して気密性のある電解液経路を構成している。

またセルスタツク１０における最上段のリザー
バ１５には、導入パイプ１８を介して上部配置の
電解液タンク１９が接続され、一方最下段のリザ
ーバは排出パイプ２０、止弁２１を介して減圧手
段としての真空ポンプ２２を装備したドレンタン
ク２３に接続配管されている。

次に上記の構成による電解液の補給動作につい
て説明する。まずセルスタツクの組立後、最初に
電解液を各段のリザーバ１５へ供給する場合に限
つて、電解液タンク１９より導入パイプ１８を通
じて最上段のリザーバへ電解液を重力落下式に供
給しつつ、一方では真空ポンプ２２を運転して最
下段のリザーバより止弁２１を通じて各リザーバ
の室内空間を減圧する。これにより電解液は最上
段のリザーバから順次滴下通路１７を通じて下段
のリザーバへ滴下し、各段のリザーバ内に溜まつ
て行く。そしてここから補給溝１６を通じて各単
電池のマトリツクス１へ補給される。この場合に
滴下通路１７は電解液の液滴通過を許容する程度
の小径な手細管孔であり、かつリザーバ１５は気
密構造であることから、リザーバ相互間に圧力差
が加わらないと滴下動作は進行しない。一方、リ
ザーバ内に溜つた電解液の液面が次第に上昇して
いくのに伴つて液面上方の閉じた空間の圧力が次
第に高まり、上段のリザーバとの間の圧力がバラ
ンスしたところで電解液の滴下は自動的に停止す
る。したがつて電解液の補給が進行し、各単電池
６のマトリツクス１が電解液で飽和状態となり、
かつ最下段のリザーバよりドレンタンク２３へ電
解液が流れ出るようになつた状態で止弁２１を閉
じれば、その後はすべてのリザーバ１５では室内
上部に残余空間を残して電解液の液面がほぼ一定
の高さになつたところで圧力がバランスし、電解
液補給動作が自動停止する。液面の高さやリザー
バ内の空間圧力は、厳密にいえば、各リザーバに
おいてそれぞれ幾分異なる。なぜならば、下段の
リザーバには上段の電解質の液柱圧が作用するか
らである。従つて、下段程圧力は幾分高くなる。
上段のリザーバの電解質が下段のリザーバに滴下
するか否かは、上下のリザーバ間の圧力差、電解
質の液柱圧および電解質の表面張力のバランスに
より決まる。当初において下段のリザーバは減圧
状態にあるが、電解質の滴下に伴い、リザーバ内
の上部空間の気体が圧縮されてリザーバ間の圧力
はバランスし、電解質の移動は停止する。液柱圧
は大気圧に比べて極めて小さいので、気体の圧縮
にともなう液面高さの変動は僅かである。従つ
て、上段と下段との液面高さの差は僅小であり、
前述のように、液面はほぼ一定の高さになつたと
ころで、圧力がバランスするということができ
る。そして燃料電池の運転経過に伴つてマトリツ
クス１に含浸されていた電解液が蒸発等によつて
少しずつ消失し、これにつれてリザーバ１５から
補給溝１６を通じて電解液が補給される。一方、
これによりリザーバ１５の液面が僅か低下すれ
ば、そのリザーバの室内圧力が下がることにな
り、この結果上段とのリザーバとの間の圧力バラ
ンスがくずれて電解液の滴下が再開されるように
なる。この動作は順次上段のリザーバへ波及して
行き、最終的には不足分は電解液タンク１９より
自動的に補給される。しかも上下段のリザーバ相
互間では電解液の間が分断され、かつ室内圧力は
バランスしているので、電解液を導電媒体とする
単電池間が短絡するおそれはない。

次に第５図にこの発明の異なる実施例を示す。
この実施例ではリザーバ１５が単電池６の構成要
素体である上下の電極基材４と５の双方にまたが
つて画成されている。さらにリザーバ１５の底部
と電池内のマトリツクス１との間を結ぶ電解液補
給路は、溝内に親水性のある繊維で編んだウイツ
ク２４を挿入した毛細管機構として形成されてい
る。したがつてリザーバ１５に溜つた電解液はウ
イツク２４を伝わつてマトリツクス１に補給さ
れ、第３図と同様な電解液補給動作が行われる。
またこの実施例は、単電池６の電極基材４，５が
薄く、このために片方の電極基材の領域だけで十
分な深さのリザーバを画成するのが困難である場
合に極めて有効な手段である。

第６図は第５図で述べた実施例の応用実施例を
示すものであり、セルスタツク１０には２セル分
を単位として、つまり上下に積層する２段分の単
電池ごとに双方の単電池間にまたがるリザーバ１
５が画成されており、かつこのリザーバ１５と各
マトリツクス１との間を結んでそれぞれに電解質
補給路となるウイツク２４が配備されている。こ
れにより第５図の実施例の効果に加えてより一層
の電解液補給系の構造簡略化が図れる。なお、こ
の実施例ではウイツク２４が導電路となつて上下
２段の単電池の相互間で電気的な漏電路が形成さ
れ、これにより運転中に電流のリークが生じるお
それがあるが、ウイツク２４の長さを十分とりそ
の電路抵抗を大きくすれば、実用上支障のない程
度にリーク電流を低値に抑えることができる。

なお上記の各実施例はいずれも第１図のリブ付
電極形に適用した場合について示したが、第２図
のリブ付セパレータ形単電池で構成されたセルス
タツクについても、セパレート板にリザーバを形
成することにより同様に実施できる。

〔発明の効果〕

以上述べたようにこの発明は、セルスタツクを
構成している各単電池内に気密に仕切られた電解
液リザーバを画成し、かつ各リザーバ相互間を小
径な滴下通路を介して連通させて最上段のリザー
バへ外部から電解液を供給するようにしたもので
あり、したがつてリザーバ相互間で圧力がバラン
スするまで自動的に進行する電解液の滴下供給動
作によつて、各リザーバへ常に所定量電解液を蓄
えてマトリツクスへの電解液補給態勢を整えつ
つ、各単電池ごとにそのマトリツクスで消耗した
分の電解液を自動的に補給することができる。し
かも前記の滴下補給動作により、リザーバ相互間
が電解液で連なり合うことがなく、電池間の短絡
および過大液圧の加わるおそれがないなど、かく
して電池の特性を損うことなしに自動的に電解液
の補給が行えて燃料電池の長期連続運転に優れた
効果を発揮する電解質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図および第２図はそれぞれリブ付電極形お
よびリブ付セパレータ形単電池の分解斜視図、第
３図、第５図、第６図はそれぞれこの発明の異な
る実施例の構成を示すセルスタツクの一部の縦断
面図、第４図は第３図における矢視−に沿つ
た一部切り欠き平面図である。 １……マトリツクス、４，５……単電池構成要
素体としての電極基材、６……単電池、１０……
セルスタツク、１５……リザーバ、１６……電解
液補給溝、１７……電解液滴下通路、１９……電
解液タンク、２１……止弁、２２……減圧手段と
しての真空ポンプ、２４……ウイツク。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電解質を含浸保持するマトリツクスを含む単
   電池を上下に積層してセルスタツクを構成するマ
   トリツクス型燃料電池の電解質補給装置であつ
   て、１ないし数個の単電池ごとにその単電池の構
   成要素体の内部に反応ガスと隔離して気密に仕切
   られた電解質貯留用のリザーバを画成し、かつ各
   リザーバとマトリツクスとの間を結んでそれぞれ
   に電解質補給路を形成するとともに、セルスタツ
   ク内で上下段に並ぶ各リザーバの相互間をそれぞ
   れ小径な電池質滴下通路を通じて連通し合い、か
   つセルスタツクの最上段のリザーバを外部の電解
   質タンクに配管接続し、さらに、最下段のリザー
   バを止弁を介して外部の減圧手段に接続してな
   り、前記最上段のリザーバへ注入された電解質を
   前記滴下通路を通じて順次下段のリザーバへ滴下
   供給し、前記各リザーバから各マトリツクスへ電
   解質を補給するように構成したことを特徴とする
   マトリツクス型燃料電池の電解質補給装置。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の電解質補給装置
   において、電解質補給路がリザーバの底部とマト
   リツクスとの間を結んで電池内に形成された溝通
   路であることを特徴とするマトリツクス型燃料電
   池の電解質補給装置。 ３ 特許請求の範囲第１項記載の電解質補給装置
   において、電解質補給路が各リザーバとマトリツ
   クスとの間を結ぶ溝通路内に配備されたウイツク
   で構成されていることを特徴とするマトリツクス
   型燃料電池の電解質補給装置。