JPH04280076A - 燃料電池 - 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】

【０００１】［発明の目的］

【０００２】

【産業上の利用分野】本発明は、多孔質体に電解質を蓄
積させ、電解質の供給、シールの作用をさせるようにし
た構造を有する燃料電池に関する。

【０００３】

【従来の技術】燃料電池は、燃料の有している化学的エ
ネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。 この燃料電池は、通常電解質を挟んで一対の多孔質電極
を配置するとともに一方の電極の背面に水素など気体燃
料を接触させ、また他方の電極の背面に酸素など酸化剤
を接触させ、この時に起こる電気化学的反応により発生
する電気エネルギーを上記した一対の電極から取り出す
ようにしたものである。上記した電解質としては、溶融
炭酸塩、アルカリ溶液、酸性溶液などがあるが、燃料電
池として代表的なリン酸を電解質とする燃料電池の原理
を図４を参照して説明する。同図において１は電解質層
で、通常、繊維質シートまたは鉱物質粉末にリン酸を含
浸して形成したものが用いられ、２はアノード電極、３
はカソード電極でこれらは炭素質の多孔性の電極であり
、電解質層１に接する面に通常白金触媒を塗布している
。４は水素を含むガスの流れる空間であり、５は酸化剤
気体（普通は空気）の流れる空間である。このような構
成とした燃料電池は、水素と酸素で水が生成される反応
を応用したものであり、空間４に流入した水素ガスはア
ノード電極２の空孔に拡散して触媒に達し、ここで水素
ガスは水素イオンと電子に触媒の作用で解離する。反応
式は Ｈ２　→２Ｈ＋　＋２ｅ である。水素イオンは、電解質層１に入り濃度拡散およ
び電界作用によりカソード電極３に向かって泳動する。 一方、水素ガスの解離により分離した電子は、外部の電
力負荷を通って仕事をし、燃料電池のカソード電極３に
戻る。カソード電極３では、カソード電極３に戻った電
子とアノード電極２から泳動してきた水素イオンと酸化
剤として空間５に供給されさらにカソード電極３の空孔
を拡散してきた酸素の３者が触媒表面で次の反応を起こ
す。 ４Ｈ＋　＋４ｅ＋Ｏ２　→２Ｈ２　Ｏ このようにして水素が酸化されて水になる反応で取り出
せる化学的エネルギーが電気エネルギーとなって、外部
の電気負荷に電気エネルギーを与える燃料電池としての
全反応が完成する。

【０００４】通常燃料電池は、上記単位セルを複数積層
して構成されているが、このように単位セルを積層化す
るに際しては、各単位セル間の電気的接続経路を確保す
ると同時に、各単位セルに反応ガスを供給し、また、反
応生成物を除去するガス通路を確保する必要がある。さ
らに、燃料電池においては、セルの長時間の運転を可能
とするために、電解質を絶えず電解質層に供給するよう
なセル構造が必要である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】図５は、燃料電池の構
成の一例を示す。この構成は、リブ付き電極と呼ばれ、
リブで形成される溝を電極に具備した電池構造である。 溝は反応ガスが通るための流路である。リブ付き電極は
、通常炭素繊維からなり、多孔質体で、溝を流れる反応
ガスを、背面に具備された触媒へ拡散させるばかりでな
く、そのポアが電解質の予備貯蓄をする空間としても使
われる。また、同図において、２はアノード電極、３は
カソード電極を示し、溝６，７は反応ガス流路となる。 そして、同図に示すように、両電極は、電解質層１を挟
んで、溝６，７が直交するように配置される。また、各
電極には、電解質層１と接する面に、電極反応を促進さ
せる効果を有する触媒層８，９が形成されている。

【０００６】両反応ガスは、それぞれ溝６，７に沿って
直交するように流れるが、電極が多孔質体であるために
そのままでは両電極のエッジを抜け、混じり合ってしま
う。そこで、電極のエッジ部は、反応ガスを遮断するた
めのシール構造（以下、エッジシール部という）１０が
必要である。エッジシール部１０には種々の方法がある
が、最も有効な方法の一つとしてはエッジ部の密度を上
昇させ、電解質をそこに保持させて反応ガスをシールす
る、通称ウエットシールといわれるシール方法がある。 図６は、アノード電極２に適用した電極のエッジ部のさ
らに詳細な構造例を示したものである。上述したように
エッジシール部１０は、反応ガスがガス流路から外れ、
対極ガス中に混入させないために具備したものであるか
ら、同図に示す構造となる。電解質層１は、電解質を保
持する他に、アノード電極とカソード電極間の電子電導
性を絶縁する機能もあるため、電極端部まで伸びている
。

【０００７】ところで、このタイプの電極では、上述し
たように電解質は、燃料と酸化剤の空気が直接接触，混
合することを防止するエッジシール機能に用いられてい
る。しかし、燃料電池を運転すると、反応ガスによる燃
料電池外への電解質持ち出しや、燃料電池と接触する他
部材への浸透，吸収等によって、電解質が損失する。電
極を形成する多孔質体中には、損失した電解質を補うた
めに反応ガスの拡散を防げない範囲で電解質の備蓄がで
きる。以下、この備蓄をリザーブといい、備蓄された電
解質をリザーブ電解質という。リザーブ電解質は、損失
を補うためのもので、それ自身は発電とは無関係である
。即ち、電解質層１やエッジシール部１０にある電解質
のように、発電に直接必要な機能を有するものではない
。従来、リザーブされる電解質は、反応ガスの拡散性の
みを考慮してリザーブされていたため、電極にリザーブ
電解質が残留しているにもかかわらず、電解質層１やエ
ッジシール部１０が電解質の欠乏で機能を失うという問
題があった。なぜならば、上述したようにリザーブ電解
質は、それ自身発電へ寄与することが無いので、リザー
ブ電解質が残留しても、電解質層１やエッジシール部１
０の電解質が損失すれば、発電に寄与する電解質が無く
なるからであり、このようになればリザーブ電解質の意
味は無い。

【０００８】本発明は、上記のような事情を考慮して成
されたもので、その目的とするところはリザーブ電解質
が、発電に必要な電解質の損失を補うように機能する燃
料電池を提供することにある。 ［発明の構成］

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、電解質層を挟
んで配置される一対の多孔質体からなるアノード電極お
よびカソード電極のエッジ部を高密度化し、そのエッジ
部に電解質を保持させてガスシールさせるエッジシール
構造とした燃料電池において、多孔質体のエッジ部以外
の部分のポア分布を、高密度化されたエッジ部内の最大
ポアサイズより小さいポアサイズのポアで占められる容
積が、多孔質体内に含浸される電解質によって占められ
る容積より小さくなるようにしたものである。

【００１０】

【作用】電極にリザーブされた電解質が残留されている
にもかかわらず、電解質層やエッジ部の電解質の損失に
より発電に支障が出る現象を調査したところ、搬出され
る電解質は、電極のポアサイズの大きいポアから先に搬
出されていくことを確認し、電極のポア分布が電極を構
成する上で重要であることを見出した。これを図３を参
照して説明する。一般に多孔質体のポアは均一ではなく
、ポアサイズにばらつきがある。図３の横軸はこの多孔
質体のポアサイズのばらつきを示す。また、縦軸にポア
容積を比率で示した。即ち、対象の多孔質体の全ポア容
積を　１００％とした。電解質を同図のようなポア分布
を示す多孔質体に、仮に全ポア容積の５０％となるよう
に電解質をリザーブすると（同図ハッチング部分）、こ
の多孔質体から電解質が抜ける場合、同図に矢印で示し
たようにポアサイズの大きいポアから順次抜けていく。 このように、電解質の抜ける多孔質体のポアを、多孔質
体のポアサイズによって知ることができるので、この性
質を応用することによって、燃料電池内の電解質分布を
ポアサイズで制御でき、且つ損失電解質の場所も制御す
ることができる。さらに、燃料電池から搬出される電解
質は、反応ガスによって持ち出されるものが多い。一方
、反応ガス中に含まれる電解質の蒸気は、気液平衡が成
り立つために平衡が成立すれば、それ以上の電解質は搬
出されないことが分かった。したがって、両電極を形成
する多孔質体を上記した手段のように構成することによ
って、電解質層やエッジシール部の電解質が搬出される
よりも前に、リザーブ電解質を反応ガス中へ蒸発させ、
燃料電池内のリザーブ電解質を有効に利用し、且つ発電
に必要な電解質層やエッジシール部の電解質の搬出を防
止することができる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照して説
明する。図１は、本発明の一実施例を示す斜視図である
。同図において、１２はアノード電極、１３はカソード
電極で、これら両電極にはそれぞれ従来と同様に反応ガ
ス流路となる溝６，７を有し、電解質層１１を挟んでこ
の溝６，７が直交するように配置される。また、両電極
１２，１３には、従来と同様に電解質層１１と接する面
に、それぞれ電極反応を促進させるためのアノード触媒
８，カソード触媒９が形成されている。さらに、両電極
１２，１３のそれぞれのエッジ部にはエッジシール部１
４が形成される。 なお、両電極１２，１３、電解質層１１、エッジシール
部１４の形状は、上記従来の燃料電池を構成している各
要素と同じである。しかして、両電極１２，１３、エッ
ジシール部１４および電解質層１１は、従来と同じよう
に多孔質体で形成されるが、この多孔質体のポアの相互
関係について図２を参照して説明する。なお、同図も図
３と同じく横軸にポアサイズ、縦軸をポア容積とし全ポ
ア容積を　１００％とした比率で示している。同図にお
いて、２１はアノード電極１２やカソード電極１３を形
成する多孔質体で、エッジシール部１４を除いた部分（
以下、電極基盤という）のポア分布曲線を示し、２２は
電解質層１１を形成する多孔質体のポア分布曲線を示し
、２３はエッジシール部１４を形成する多孔質体のポア
分布曲線を示す。同図にも示すように電極基盤のポアサ
イズは、基本的には電解質層１１を形成する多孔質体お
よびエッジ部を形成する多孔質体のポアサイズより大き
くなるようにする。これをさらに具体的に説明すると、
電極基盤中に反応ガス拡散に支障を生じない範囲でリザ
ーブされたリザーブ電解質は、電極基盤においてポアサ
イズの小さいポアから優先的に含浸されていくので、同
図に点線２１ａで示すようにこのリザーブ電解質が、電
解質層１１を形成する多孔質体、エッジシール部１４を
形成する多孔質体のそれぞれのポアの最大ポアサイズ２
２ａ，２３ａより大きくなるように各要素の多孔質体を
組み合わせた構成とする。燃料電池内の電解質を有効に
使用するためには、ポアサイズ２１ｂと２２ａ，２３ａ
との差が大きければ大きい程よい。燃料電池を運転し電
解質の損失が進行すると、上述した図３で示したように
ポアサイズの大きい方から電解質が抜けていくため、電
極基盤の最小ポアサイズが電解質層１１を形成する多孔
質体やエッジシール部１４を形成する多孔質体のそれぞ
れの最大ポアサイズ２２ａ，２３ａより大きいことが理
想的であるが、実際には電極基盤中にも小さいポアが存
在するので、この理想的な構成を実現することは困難と
なる。したがって、本実施例では電極基盤、電解質層１
１を形成する多孔質体、エッジシール部１４を形成する
多孔質体のポアサイズ分布を図２に示すようにする。

【００１２】次に、上述した実施例の作用を説明する。 燃料電池を運転すると、アノード電極１２やカソード電
極１３の電極基盤にリザーブされた電解質は、その電解
質が存在するポアの最大ポアサイズのものから損失が始
まり、反応ガス中へ蒸発する。そして、発電に必要な電
解質層１１、エッジシール部１４のポアの最大ポアサイ
ズ２２ａ，２３ａと同じポアサイズに至るまで、電極基
盤中の電解質はリザーブ電解質として機能し、電解質層
１１，エッジシール部１４から電解質が搬出されるのを
防止することができる。

【００１３】したがって、以上のように構成された実施
例によれば、燃料電池の運転に伴って反応ガス中に蒸発
して搬出される電解質が電極基盤中にリザーブされた電
解質であるため、電極基盤のポアサイズ２１ｂから電解
質層１１、エッジシール部１４の最大ポアサイズ２２ａ
，２３ａに至るまでの電極基盤中のポア容積分の電解質
を、リザーブ電解質として有効に利用でき燃料電池の長
寿命化を図ることができる。

【００１４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、電
極を形成する多孔質体の予めリザーブされた電解質の存
在するポアのポアサイズを、電解質層およびエッジシー
ル部をそれぞれ形成する多孔質体の最大ポアサイズより
大きくなるように組み合わせた構成としているので、燃
料電池の運転によって損失する電解質を、発電に直接寄
与する電解質層やエッジシール部の電解質より優先的に
リザーブされた電解質とさせることができる。このリザ
ーブされた電解質は、反応ガス中の電解質蒸気圧を飽和
して燃料電池の発電に必要な電解質の損失を防止するた
め、電極基盤中の電解質を有効に利用できる長寿命化さ
れた燃料電池を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す斜視図。

【図２】本発明の一実施例の主要部の構成を示す説明図
。

【図３】本発明の主要部の構成および作用を示す説明図
。

【図４】燃料電池の原理を示す説明図。

【図５】従来の燃料電池の構成を示す斜視図。

【図６】図５に示す従来の燃料電池の要部を示す部分断
面図。

【符号の説明】

６，７…溝、８…アノード触媒、９…カソード触媒、１
１…電解質層、１２…アノード電極、１３…カソード電
極、１４…エッジシール部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　電解質層を挟んで配置される一対の多
   孔質体からなるアノード電極およびカソード電極のエッ
   ジ部を高密度化し、そのエッジ部に電解質を保持させて
   ガスシールさせるエッジシール構造とした燃料電池にお
   いて、前記多孔質体の前記エッジ部以外の部分のポア分
   布を、高密度化された前記エッジ部内の最大ポアサイズ
   より小さいポアサイズのポアで占められる容積が、前記
   多孔質体内に含浸される電解質によって占められる容積
   より小さくなるように構成したことを特徴とする燃料電
   池。