JPH0447670A

JPH0447670A - 燃料電池

Info

Publication number: JPH0447670A
Application number: JP2152628A
Authority: JP
Inventors: Katsunori Sakai; 勝則酒井; Tsutomu Aoki; 努青木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-06-13
Filing date: 1990-06-13
Publication date: 1992-02-17

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】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、電池から漏洩した電解質を、再度電池内に戻
すことができるように改良を施した燃料電池に関するも
のである。

（従来の技術）従来、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ものとして、燃料電池が知られてい
る。この燃料電池は、通常、電解質板を挟んで燃料極及
び酸化剤極の一対の多孔質電極を配置すると共に、燃料
極の背面に水素などの燃料ガスを接触させ、また、酸化
剤極の背面に酸素等の酸化剤ガスを接触させ、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
上記一対の電極から取り出すようにしたものである。ま
た、この電解質としては、溶融炭酸塩、アルカリ溶液、
酸性溶液等が用いられるが、以下に、代表的な燃料電池
としてリン酸を電解質とする燃料電池について説明する
。

即ち、第４図に示した様に、対向して配置されたアノー
ド極７及びカソード極８の間に電解質層６が設けられて
いる。この電解質層６は、マトリックス層を形成する繊
維質シーＩ・または鉱物質粉末にリン酸を含浸して形成
されている。また、前記アノード極７及びカソード極８
は炭素質の多孔性の電極であり、通常、電解質層６に接
する而に白金触媒が塗布されている。さらに、アノード
極７の背面側には、水素を含む燃料ガスが流れるアノー
ドマニホールド９が、また、カソード極８の背面側には
、酸化剤ガス（普通は空気）が流れるカソードマニホー
ルド１０が配設されている。

また、第５図にアノード極７及びカソード極８の一例を
示した。即ち、アノード極７及びカソード極８にはそれ
ぞれ燃料ガス流路１−３．酸化剤ガス流路１−４が形成
され、また、電解質層６と接する面には、それぞれアノ
ード触媒層１１及びカソード触媒層１２が形成されてい
る。さらに、アノード極７には、燃料ガス流路１．３に
平行な電極端部に、湿潤シール部であるエツジシール２
が施されている。また、ガス流路１３．１４を流れる反
応ガスが、アノード極７及びカソード極８の気孔の中を
拡散し、電解質層６との間に形成された触媒層１１．１
２まで移動することができるように、アノード極７及び
カソード触媒層８はガス拡散を妨げない程度の密度で、
且つ、気孔の大きさも部祠の強度、ガス拡散性を考慮し
て構成されている。

この様に構成されたリン酸形燃料電池は、以下に述べる
様に作用する。即ち、アノードマニホルド９に流入した
水素は、アノード極７の気孔中に拡散して触媒層１１に
達する。ここで、水素ガスは次式の様に触媒の作用によ
って水素イオンと電子に解離する。

Ｈ２→２　Ｈ’　＋　２　ｅこの水素イオンは電解質層６に入り、濃度拡散及び電界
作用によってカソード極８に向かって泳動する。一方、
水素ガスの解離によって分離した電子はアノード極７に
流れ込む。カソード極８ではアノード極７から泳動して
きた水素イオンと、酸化剤ガスとしてカソードマニホー
ルド１０に供給され、さらに、カソード極８の気孔を拡
散してきた酸素と、アノード極７から外部の電力負荷を
通って仕事をし、電池のカソード極８に戻ってきた電子
の３つが触媒表面で次式の反応を起こす。

４Ｈ’　＋４ｅ＋０２−＋２Ｈ２０この様にして、水素が酸化されて水になる反応と、この
時の化学的エネルギーが電気エネルギーとなって、外部
の電気負荷中で電気エネルギーを与える電池としての全
反応が完了する。

また、通常、燃料電池は−に記単位セルを複数個積層し
て構成されているか、この様に単位セルを積層するに際
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。また、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できるようなセル
構造とすることが必要である。さらに、燃料電池として
は、電池の設計及び構造的な構成、電解質並びにその他
の構造祠料等多くの組合わせが知られている。しかし、
すべての燃料電池について、電池内外におけるガス状反
応物の漏洩及び不注意による混合を防止することが非常
に重要である。この様な混合が生じると、大災害を起こ
す危険性が高いためである。

そのため、燃料電池においては、反応ガスの密封性を維
持することが非常に重要であり、従来、多くのシール装
置が考案され使用されている。例えば、ガスケット、Ｏ
リング、特殊な電池枠体を用いること及び溶接、ろう付
は等の他、液体電解質それ自身の湿潤効果を用いた湿潤
シールが提案されている。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、−に連した様な従来の燃料電池には、以
下に述べる様な解決すべき課題があった。

即ち、一対の電極に挟持された電解質層６中の電解質は
徐々に減少するため、多孔質電極（以下、ガス拡散電極
と称す）中にリン酸を保持し、これを電解質層６へ供給
し、また、燃料ガスと酸化剤ガスが直接接触、混合する
のを防止している。ところが、ガス拡散電極中に保持さ
れた電解質は経時的に徐々に減少するため、上記の様な
両反応ガスの接触、混合を防止するシール機能が低下し
、その結果、電池としての発電性能も低下するといった
欠点があった。また、シール機能の低下及びガス拡散電
極中に保持された電解質の減少に伴うイオン伝導性の低
下により、電池寿命が短命化するといった欠点もあった
。さらに、」１記の様に電解質が失われていく原因の一
つに、ガス拡散電極の周囲から電解質が直接外部に漏洩
する場合があるが、その際、漏洩した電解質がセル積層
体の積層面を下方に垂れ落ち、マニホールドの底部に溜
まることで、セル積層体とマニホールド間で液絡現象が
生じ、その結果、絶縁不良に至る危険性が非常に高かっ
た。

本発明は、以上の欠点を解消するために提案されたもの
で、その目的は、電池の周縁部から外部に漏れ出た電解
質を再度電池内に回収することによって長寿命化を可能
とした、精度の高い燃料電池を提供することにある。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）請求項１一記載の発明は、ガス拡散電極を構成する多孔
質体の気孔径と同等もしくはより大きい気孔径を何する
多孔質体を、ガス拡散電極に接するように配置し、さら
に、多孔質体の対向する二組の端部の内、少なくともい
ずれか一方を、積層した単位セルの側面からマニホール
ド内に突出するように構成したことを特徴とするもので
ある。

また、請求項２記載の発明は、一対のガス拡散電極の内
、少なくともいずれか一方の電極端部を、積層した単位
セルの側面からマニホールド内に突出するように構成し
たことを特徴とするものである。

（作用）請求項１記載の発明によれば、単位セルの電解質層部ま
たはガス拡散電極部から漏洩した電解質を、マニホール
ド内に突出するように配置した多孔質体によって受は止
め、気孔径の違いによるキャピラリー効果によって電池
内に電解質を戻すことができる。

また、請求項２記載の発明によれば、単位セルの電解質
層部またはガス拡散電極部から漏洩した電解質を、マニ
ホールド内に突出するように配置したガス拡散電極端部
によって受は止め、電極を構成する多孔質体の拡散効果
によって電池内に電解質を戻すことができる。

（実施例）以下、本発明の一実施例を第１図乃至第３図に基づいて
具体的に説明する。なお、第４図及び第５図に示した従
来型と同一の部材には同一の符号を付して、説明は省略
する。

■第１実施例本実施例においては、第１図に示した様に、ガス拡散電
極であるアノード極７及びカソード極８の反応ガス流路
１３．１４形成側に、多孔質体であるカーボンペーパー
２０が配設されている。このカーボンペーパー２０には
、それが接する各反応ガス流路１３．１４の入り口側及
び出口側に突出するように突出部２０ａが設けられてい
る。また、前記カーボンペーパー２０はカーボンファイ
バーより成り、その気孔径がガス拡散電極７，８を形成
している多孔質体の気孔径よりも大きく成形されている
。さらに、カーボンペーパー２０は電気的にも良好な伝
導性を有し、積層電池の中間に挿入しても良好な伝導性
を示すものである。また、カーボンペーパー２０は多孔
質体であるがゆえに、ガスの透過性もあるため、カーボ
ンペーパー２０に接するカス拡散電極のガス流路と平行
なエツジ部にはエツジシール２０ｂが施され、両極に供
給される反応ガスの混合を防止している。

この様な構成を有する本実施例の燃料電池においては、
以下に述べる様にして、電池から漏洩した電解質が再度
電池内に回収される。即ち、電池から漏洩した電解質は
、カーボンペーパー２０に形成された突出部２０ａで受
は止められ、吸収される。そして、カーボンペーパー２
０に吸収された電解質は、カーボンペーパー２０内を拡
散して、カーボンペーパー２０と接するガス拡散電極部
７゜８にまで広がる。この様にしてガス拡散電極と接し
た電解質は、カーボンペーパー２０より気孔径の小さい
ガス拡散電極のキャピラリー効果によって、ガス拡散電
極内に引き戻される。さらに、カーボンペーパ−２０自
体に電解質を含浸すれば、燃料電池全体として電解質の
蓄積量を増大することができるので、さらに長寿命化が
可能となる。

この様に、本実施例によれば、電池の外部に漏洩した電
解質を再度電池内に戻すことができるので、電解質量の
減少による燃料電池特性の低下を防止し、長寿命化を可
能とすることができる。

■第２実施例本実施例においては、第２図に示した様に、燃料ガス流
路１−３を有するアノード電極７の対向する一組の端部
に突出部３０が形成され、この突出部３０が燃料ガス人
口側マニホールド及び出口側］　１マニホールド（図示せず）の内側に突出するように配設
されている。また、酸化剤ガス流路１４を有するカソー
ド電極８の対向する一組の端部にも突出部３１が形成さ
れ、この突出部３１が酸化剤ガス人口側マニホールド及
び出口側マニホールド（図示せず）の内側に突出するよ
うに配設されている。

この様な構成を有する本実施例の燃料電池においては、
以下に述べる様にして、電池から漏洩した電解質が再度
電池内に回収される。即ち、単位セルの電解質層部また
はガス拡散電極部から漏洩した電解質３２は、それぞれ
対向するマニホールド内に突出するように配設されてい
るアノード電極側の突出部３０またはカソード電極側の
突出部３１によって受は止められ、吸収される。そして
、アノード電極側の突出部３０またはカソード電極側の
突出部３１に吸収された電解質は、前記突起部３０．３
１内を拡散し、アノード電極７またはカソード電極８内
に引き戻される。

この様に、本実施例によれは、電池の外部に漏洩した電
解質を再度電池内に戻すことができるので、電解質量の
減少による燃料電池特性の低下を防止し、長寿命化を可
能とすることができる。また、セル外に漏洩した電解質
が、セル積層体の積層面を下方に垂れ落ち、マニホール
ドの底部に溜まることを防止できるので、セル積層体と
マニホールド間で生じていた液絡現象を防止することが
でき、燃料電池本体の安全性を大幅に向上することがで
きる。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
く、第３図に示した様に、燃料ガス流路１３を有するア
ノード電極７の対向する一組の端部に第］、の突出部３
３を形成し、また、これと直交する他の一組の端部に第
２の突出部３４を形成し、第１の突出部３３を燃料ガス
人口側マニホールド及び出口側マニホールド（図示せず
）の内側に突出するように配設し、また、第２の突出部
３４を酸化剤ガス入口側マニホールド及び出口側マニホ
ールド（図示せず）の内側に突出するように配設しても
良い。この場合も、単位セルの電解質層部またはガス拡
散電極部から漏洩した電解質を、燃料ガス流方向あるい
はそれと直交する方向に形成された第１の突出部３３ま
たは第２の突出部３４で受は止め吸収して、アノード電
極７内に引き戻すことができる。また、第３図に示した
実施例は、アノード電極に第１及び第２の突出部を形成
した例であるが、カソード電極に第１及び第２の突出部
を形成しても同様の効果が得られることは言うまでもな
い。

［発明の効果］以上述べた様に、本発明によれば、ガス拡散電極を構成
する多孔質体の気孔径と同等もしくはより大きい気孔径
を有する多孔質体を、ガス拡散電極に接するように配置
し、さらに、多孔質体の対向する二組の端部の内、少な
くともいずれか一方を、積層した単位セルの側面からマ
ニホールド内に突出するように構成し、あるいは、一対
のガス拡散電極の内、少なくともいずれか一方の電極端
部を、積層した単位セルの側面からマニホールド内に突
出するように構成することによって、電池の周縁部から
外部に漏れ出た電解質を再度電池内に回収し、長寿命化
を可能とした、精度の高い燃料電池を提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１−図は本発明の燃料電池の第１実施例を示す要部斜
視図、第２図は本発明の第２実施例を示す要部斜視図、
第３図は第２実施例の変形例を示す要部斜視図、第４図
は一般的な燃料電池の構成を示す概略図、第５図は従来
の燃料電池の一例を示す要部斜視図である。２・・・エツジシール、６・・・電解質層、７・・・ア
ノード極、８・・・カソード極、９・・・アノードマニ
ホールド、１−０・・・カソードマニホールド、１１・
・・アノード触媒層、１２・・・カソード触媒層、１３
・・・燃料ガス流路、１４・・・酸化剤ガス流路、２０
・・・カーボンペーパー、２０ａ・・・突出部、２０ｂ
・・・エツジシール、３０・・・アノード電極側の突出
部、３１・・・カソード電極側の突出部、３２・・・漏
洩した電解質、３３・・・第１の突出部、３４・・・第
２の突出部。ｅ−＋Ｈ２Ｃ第図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）電解質を含浸した電解質層を挟んで、一対の多孔
質体から成るガス拡散電極を配置して成る単位セルを複
数個積層し、その側部に燃料ガス及び酸化剤ガス供給・
排出用マニホールドを備えた燃料電池において、前記ガス拡散電極を構成する多孔質体の気孔径と同等も
しくはより大きい気孔径を有する多孔質体を、前記ガス
拡散電極に接するように配置し、さらに、前記多孔質体
の対向する二組の端部の内、少なくともいずれか一方を
、積層した単位セルの側面から前記マニホールド内に突
出するように構成したことを特徴とする燃料電池。
（２）電解質を含浸した電解質層を挟んで、一対の多孔
質体から成るガス拡散電極を配置して成る単位セルを複
数個積層し、その側部に燃料ガス及び酸化剤ガス供給・
排出用マニホールドを備えた燃料電池において、前記一対のガス拡散電極の内、少なくともいずれか一方
の電極端部を、積層した単位セルの側面から前記マニホ
ールド内に突出するように構成したことを特徴とする燃
料電池。