JPH0473268B2 - - 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、電解質を保持したマトリツクス層
を挟んでその両側にガス拡散性を有する燃料電
極、酸化剤電極を配してなる単電池の多数個を反
応ガス供給溝を形成したセパレート板を介して積
層構成した燃料電池を対象に、該燃料電池に供給
される燃料ガスと酸化剤ガスとの電池内部での混
合、ないしは外部への漏出を防止するようにした
燃料電池、特にそのシール構造に関する。

【従来技術とその問題点】

頭記した燃料電池の基本構成は電解質を含浸保
持したマトリツクス層を挟んでその両側にガス拡
散性を有する一対の電極を配してなり、前記の電
極に燃料ガスと酸化剤ガスを供給し、これによつ
て起こる電極反応により電極から電気エネルギー
を取り出すものである。 かかる燃料電池として電解質にりん酸を用い、
その動作温度を180〜200℃として運転されるりん
酸型燃料電池が知られており、次にその基本とな
る単電池の構造を第３図に示す。すなわち燃料電
池の単電池は、りん酸電解液を含浸保持したマト
リツクス層１を挟んでその両側にそれぞれガス拡
散性を有する一対の燃料電極２と酸化剤電極３と
対向し配備してなる。かかる単電池はいわゆるバ
イポーラ形セパレート板と呼ばれるセパレート板
４を介して多数個を積層してセルスタツクを構成
する。ここで前記したセパレート板４はグラフア
イト質のガス不透過性の板であり、その上下両面
には互いに直交する多数条の反応ガス溝４ａ，４
ｂが形成されており、その一方の溝４ａには例え
ば水素の燃料ガスを外部から供給して前記の燃料
電極２の層内に拡散供給し、他方の溝４ｂには酸
化剤例えば空気を外部から供給して酸化剤電極３
の層内に拡散供給する。一方、各電極２，３には
マトリツクス層１と接触する面から電解液が浸透
し、該電極層内を拡散して来る反応ガスとそれぞ
れ電極反応を生じて電池作用を生起する。 第４図は前記した単電池の多数個をセパレート
板を介して積層したセルスタツク５と、該セルス
タツク５へ反応ガスを供給するマニホールド６〜
９とを組合せた燃料電池の組立分解図を描いたも
のであり、前記セルスタツク５の対向側面５ａと
５ｃには前記したセパレート板４のガス供給溝４
ａが開口し、他の対向側面５ｂと５ｄにはもう一
方のガス供給溝４ｂが開口しており、かつ前記の
各側面に対応して取付けられたマニホールド６〜
９のうち、マニホールド６と７を通じて燃料ガス
が、またマニホールド８と９を通じて酸化剤ガス
がそれぞれセルスタツク５を構成している各単電
池に供給される。 ところで前述のように単電池を構成する各電極
２，３はガス透過性を有し、マトリツクス層１は
多孔質であつて電解液を浸透させる性質を有して
いる。したがつてガス透過性の電極２，３の周縁
部をなんらかの手段でシールしないと、反応ガス
は電極の周側縁から漏出してマニホールド内で燃
料ガスと酸化剤ガスとが混合し、爆気を生成して
爆発を引き起こすおそれがあり、また爆発に至ら
ないまでも燃料電池内部で発熱を生じて電池のエ
ネルギー変換効率を大幅に低下させる結果とな
る。またマトリツクス層１に関してもその周端面
を同様にシールを施さないと電解液の漏出によつ
て不足を来し発電停止のトラブルを招く。したが
つてこのような反応ガスの漏出を防止するために
通常は第３図、第４図で斜線を施した部分にシー
ル層１０，１１を施して反応ガスの漏出、混合の
防止を図るようにしている。 かかるシール層１０，１１として、従来ではふ
つ素系ゴムと結着剤としてのフエノール樹脂を組
合せたシートを所定のシール面に接着するか、あ
るいはふつ素樹脂をシール材としてこれを高温溶
融した上で電極のシール面に塗布してシール層を
形成する方法が一般に採用されている。しかして
上記のシール構造では次記のような問題がある。
すなわち、 (1) 前者のふつ素系ゴムのシール材は電池の運転
温度に対する耐熱性が充分でなく、また電解液
としてのりん酸に対する特に高温での耐蝕性が
不充分であることから寿命が短い。また電池温
度の変動時に生じる熱応力に弱く、クラツクが
生じてガス漏洩を招くことが多い。 (2) 結着剤として用いるフエノール樹脂の耐熱性
が不充分である。 (3) 結着剤の塗布やシール層の形成に手間が掛か
る上に処理に長時間を要する。 (4) 後者の方法ではふつ素樹脂を高温下で溶融処
理するのでふつ素樹脂の温度変化に伴う寸法変
化が大きく生じて電極に歪を与えるとともに、
電極特性を劣化させる。 (5) 電極等の個々の要素体に寸法誤差があるので
セルスタツク周側面に施したシール面に凹凸が
生じ、マニホールドとの間に充分なシールが確
保できない。

【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、先述の従来技術における問題点を解決し、
電池積層体へ組み込みが容易でかつ寿命が長く、
しかも修理、保守にも便利な非接着性のシール構
造を備えた燃料電池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、この発明は各電極
の外形寸法を前記セパレート板の外形寸法より小
さく、またマトリツクス層の外形寸法を前記各電
極よりは大きく、かつセパレート板よりは小さい
寸法に設定するとともに、前記セパレート板の相
互間で単電池の周域に画成された空〓に未焼成の
ふつ素樹脂シート、例えばTEE樹脂シート等の
ふつ素樹脂系のシール材を充填して反応ガスの漏
洩経路を密封シールしたものである。 ここで前記のシール材に採用されるふつ素樹脂
には収縮性に富んだ未焼成のふつ素樹脂、例えば
TEE樹脂シートが好ましく、かつこのふつ素樹
脂シートを常温の下でセパレート板の間に介挿し
た後にセパレート板を介して外部から加圧圧縮す
ることにより反応ガス、電解液の漏出に対してシ
ール性能の高いシール部が形成できる。

【発明の実施例】

第１図および第２図はそれぞれこの発明の異な
る実施例の構成を示すものであり、第３図に対応
する同一部材には同じ符号が付してある。 まず第１図の実施例において、この発明により
マトリツクス層１の外形寸法はセパレート板４の
外形寸法よりも一回り小さく、また電極２，３の
外形寸法は前記マトリツクス層１の外形寸法より
も更に小さく設定されている。さらに単電池とセ
パレート板４をサンドウイツチ式に積層した状態
で、単電池の外周域を取り囲んで上下セパレート
板４の相互間に画成された空〓には未焼成のふつ
素樹脂シート１３，１４の積層体としてなるシー
ル層１５が各要素の表面に密着するようにして充
填されている。この場合に前記のシール材１５の
厚さ寸法はあらかじめマトリツクス層１と電極
２，３との積層体としてなる単電池の厚さ寸法よ
りも若干厚い寸法に設定して次記のように単電池
の積層組立の過程でセパレート板４の間に介挿し
た上でセパレート板４を介して外部からの締結に
より加圧圧縮される。すなわちその組立順序とし
ては、まずセパレート板４に電極２と３をそれぞ
れ所定の位置にセツトした状態で電極２，３の周
域に未焼成のふつ素樹脂シート１３をセパレート
板４の板面上に並置セツトする。ここでシート１
３の厚さ寸法は前記のように電極２，３の厚さ寸
法よりも若干厚いものとする。次に電極３とシー
ト１３との面上にマトリツクス層１をセツトした
上で該マトリツクス層１の外周域に未焼成のふつ
素樹脂シート１４を並置セツトする。なおここで
もシート１４の厚さ寸法をマトリツクス層１の厚
さ寸法よりも若干厚い寸法とする。次にマトリツ
クス層１の上に前記したもう一方の電極２、セパ
レート板４、シート１３との組立体を乗せて積層
し、最後にセルスタツク全体を外部より適宜な力
が締結して前記の各シート１３，１４を加圧圧縮
する。これによりマトリツクス層１および電極
２，３の外周域はシール層１５によつて密封シー
ルされ、また電池内部での電極２と３との相互間
は電解質を保持したガス不透過性のマトリツクス
層１およびシール層１５とにより確実に隔離して
シールされることになり、電極２，３相互間での
ガス漏れ、電極２，３から外部へのガス漏れ、お
よびマトリツクス層１から外部への電解液漏出を
確実に防止できることになる。 しかも前記のようにシール材１５として未焼成
のふつ素樹脂シートの積層体を用いてセルスタツ
ク４の間に介挿したことにより、従来のシート構
造のようにふつ素系ゴム、樹脂を接着、ないし高
温溶融して付着させるシール方法に比べてガス、
電解液の漏出の恐れが少なく、かつ耐熱性、耐薬
品性に優れたシールを形成することができる。ま
たシール処理作業を常温状態で単電池の積層組立
過程と並行して実施することができ、電極２，３
を高温加熱することがないので電極の特性劣化も
なく、かつシール処理作業を容易かつ能率よく進
めることができる。さらに加えて燃料電池の要素
体、例えばマトリツクス層１、電極２，３の外形
寸法に寸法誤差があつても、その誤差は全てシー
ル層１５の部分で矯正でき、セルスタツクの側面
はセルスタツク４の寸法に統一されてシール面の
凹凸発生を抑制でき、マニホールドとの間のシー
ルをより確実に行うことが可能となる。 第２図は先記の実施例をさらに発展させた実施
例を示すものであり、第１図の実施例と異なる点
はセパレート板４における電極２，３をセツトす
る部位にあらかじめ電極２，３の厚さ寸法よりは
浅い深さｈの凹部４ｃが形成されており、電池の
組立に際して前記の凹部４ｃ内に嵌めこんで、極
２，３が所定位置にセツトされる。またこの場合
にふつ素樹脂シート１３の厚さは電極２，３の厚
さ寸法からセパレート板４の凹部の深さ寸法ｈを
差し引いた寸法より若干厚く選定されている。こ
の実施例によれば、電極２，３をセパレート板４
上の所定の位置に正しくセツトすることが容易と
なる他に、ふつ素樹脂シート１３の厚さを第１図
の実施例と比べて薄くなり、それだけ材料コスト
が低減できる利点が得られる。

【発明の効果】

以上述べたようにこの発明によれば、各電極の
外形寸法を前記セパレート板の外形寸法より小さ
く、またマトリツクス層の外形寸法を前記各電極
より大きく、かつセパレート板よりは小さい寸法
に設定するとともに、前記セパレート板の相互間
で単電池の周域に画成された空〓にふつ素樹脂系
のシール材を充填して反応ガスの漏洩経路を密封
シールするように構成したことにより、従来方式
による接着法、あるいはふつ素樹脂シートを高温
溶融してシール層を形成する方式と比べてガス、
電解液の漏出のおそれが少なく、かつ耐熱性、耐
薬品性の優れたシール層をを形成することができ
るとともに、シール処理作業を常温で電池の組立
作業と並行して行うことができて電極を高温に晒
すことがなく、電極特性の劣化なしに作業の改
善、能率向上が図れる。さらに加えてマトリツク
ス層、電極等の燃料電池要素体に寸法誤差があつ
てもその誤差はシール部で矯正され、セルスタツ
クの外形寸法はセパレート板の寸法に統一されて
凹凸面の発生はなく、マニホールドとの間のシー
ルを確実に行うことができる等、信頼性の高いシ
ール構造を備え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、第２図はそれぞれこの発明の異なる実
施例の構成を示す要部の断面図、第３図は従来に
おける燃料電池の単電池の構成を示す分解斜視
図、第４図はセルスタツクとマニホールドとの組
立構成を示す分解斜視図である。 図において、１：マトリツクス層、２，３：電
極、４：セパレート板、４ａ，４ｂ：反応ガス供
給溝、１３，１４：ふつ素樹脂シート、１５：シ
ール層、４ｃ：セパレート板の凹部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電解質を保持したマトリツクス層を挟んでそ
   の両側に燃料電極、酸化剤電極を配してなる単電
   池を反応ガス供給溝を形成したセパレート板を介
   して多数積層して構成した燃料電池において、前
   記各電極の外形寸法を前記セパレート板の外形寸
   法より小さく、またマトリツクス層の外形寸法を
   前記各電極よりは大きく、かつセパレート板より
   は小さい寸法に設定するとともに、前記セパレー
   ト板の相互間で単電池の周域に画成された空〓に
   ふつ素樹脂系のシール材を充填して反応ガスの漏
   洩経路を密封シールしたことを特徴とする燃料電
   池。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の燃料電池におい
   て、セパレート板相互間の空〓にその厚さ寸法を
   単電池の厚さ寸法よりも大に選定したシール材を
   介挿した上でセパレート板を介してシール材を加
   圧圧縮したことを特徴とする燃料電池。 ３ 特許請求の範囲第１項または第２項記載の燃
   料電池において、シール材が未焼成のふつ素樹脂
   シートであることを特徴とする燃料電池。 ４ 特許請求の範囲第３項記載の燃料電池におい
   て、シール材が複数枚のふつ素樹脂シートの積層
   体であることを特徴とする燃料電池。 ５ 特許請求の範囲第１項記載の燃料電池におい
   て、セパレート板の板面には電極をセツトする部
   位に電極の厚さ寸法よりも深さの浅い凹部が形成
   されていることを特徴とする燃料電池。