JPH06275286A

JPH06275286A - 燃料電池

Info

Publication number: JPH06275286A
Application number: JP5057281A
Authority: JP
Inventors: Masamichi Ono; 正道大野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-03-17
Filing date: 1993-03-17
Publication date: 1994-09-30

Abstract

(57)【要約】【目的】電池の周縁部から消失した電解質を外部から
補給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。【構成】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階段状に突
出するように構成し、外部から補給される電解質を前記
電極端部によって受け止めることで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。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電解質を外部から補給
する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。

【０００２】

【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
池が用いられている。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。

【０００３】即ち、図４に示した様に、対向して配置さ
れたアノード極７およびカソード極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ト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に接する面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。

【０００４】また、図５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13、酸化剤ガス流路14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、燃料ガス料路13に平行
な電極端部に、湿潤シールド部であるエッジシール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およびカソード極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、12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
極８はガス拡散を妨げない程度の密度で、且つ、気孔の
大きさも部材の強度、ガス拡散性を考慮して構成されて
いる。

【０００５】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、アノードマニホール
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。

【０００６】Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋２ｅ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。

【０００７】４Ｈ⁺ ＋４ｅ＋Ｏ₂ → ２Ｈ₂ Ｏ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。

【０００８】また、通常、燃料電池は上記単位セルを複
数個積層して構成されているが、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経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材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、
災害を起こす危険性が高いためである。

【０００９】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、ろう付け等の他、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。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
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
ール機能も低下し、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、中央積層セルほど高温にな
るため電解質が消失されやすい。即ち、冷却板から離れ
るほど電解質回収機能が低下し、電解質が消失しやすく
なる。したがって、各セルに均一に電解質を供給すると
冷却板近くのセルには供給過剰であったり、中央セルに
は供給不足になるといった欠点もあった。

【００１１】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、電池の周縁部から消失し
た電解質を外部から補給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。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明によ
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階段状に突
出するように構成し、外部から補給される電解質を前記
電極端部によって受け止めることで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。

【００１３】また、請求項２記載の発明によれば、前記
電池ブロックごとに電解質補給管を設けることで、燃料
電池全体への電解質補給を確実にすることができる。ま
た、請求項３記載の発明によれば、前記単位セルごとに
電解質補給量を変えることができる補給管を有すること
で、各セルあたりの電解質補給量の過不足を防ぎ、必要
十分な量を供給することができる。

【００１４】また、請求項４記載の発明によれば、前記
電解質補給管において、階段状に突出した各単位セルに
対応する位置に複数個の補給分岐管を設けることで、各
セルへの電解質補給を確実にすることができる。

【００１５】

【作用】このようにすると、外部から補給される電解質
を前記電極端部によって受けとめることによって、気孔
径の違いによるキャピラリー効果で電池内に電解質を戻
すことができる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１乃至図５を参
照して具体的に説明する。なお、図４及び図５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。

【００１７】本実施例においては、図１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、多孔質体である電極突出部
20が配設されている。また、前記電極突出部はカーボン
ファイバー等より成り、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同等、もしく
は大きく形成されている。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、電解質
補給管21から電解質32が電池内に補給される。即ち、前
記電解質補給管から供給された電解質32は、電極突出部
20で受け止められ吸収される。そして、吸収された電解
質32は電極突出部20を拡散して、電極突出部20と接する
ガス拡散電極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、電極突出部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、電極突出部20は階段
状に配置されているので、電極突出部20自体の表面積は
大きくなり、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。

【００１８】次に本発明の第２の実施例においては、図
１に示した様に、前記電池ブロックに電解質補給管21ａ
を設けることで燃料電池全体へ電解質を確実に補給し、
電解質の減少による燃料電池特性の低下を防止し、長寿
命化を可能にできる。

【００１９】本発明の第３の実施例においては、図２に
示した様に、前記単位セルごとへの電解質補給管21ａに
おいて、分岐管21ｂの個数や内径、取付け位置を変える
ことによって補給量を変えることができる補給管を有す
ることで、単位セルの電極突出部20への電解質補給量を
調節することができ電解質補給量の過不足をふせぐこと
ができる。

【００２０】更に本発明の第４の実施例においては、図
３に示した様に、前記電解質補給管21ａにおいて、階段
状に突出した各単位セルに対応する位置に複数個の補給
分岐管21ｂを設けることで、各セルの電解質補給を確実
にすることができ、燃料ガスと酸化剤ガスが直接接触、
混合するのを防止し、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ことも防止で
きる。また、中央積層セルほど電解質が消失されやす
い。即ち、冷却板１から離れるほど電解質回収機能が低
下し、電解質が消失しやすくなるという欠点を補うとい
う効果も奏する。

【００２１】

【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と同等もしくはより大きい
気孔径を有する多孔質を、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、電解質を外部から補給することで長寿命化を可能と
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】

【図１】本発明の一実施例を示す斜視図。

【図２】本発明の他の実施例を示す正面図。

【図３】本発明の更に他の実施例を示す斜視図。

【図４】一般的な燃料電池の構成を示す説明図。

【図５】従来の燃料電池を示す斜視図。

【符号の説明】

１…冷却板、２…エッジシール、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、10…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…電極突出部、21ａ…電解質補給管、21ｂ…
分岐管、32…電解質。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項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
セルを冷却板の間に複数個積層して構成される電池ブロ
ックを更に複数個積層し、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、前記ガス拡散電極端部の気孔径を他の部分と同等もしく
は大きくし、その電極端部を、積層した単位セルの側面
から前記マニホールド内に階段状に突出するように構成
し、外部から補給される電解質の吸収性を良くすること
を特徴とする燃料電池。
【請求項２】前記電池ブロックごとに電解質補給管を
設けたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】前記単位セルごとに電解質補給量を変え
ることができる補給管であることを特徴とする請求項２
記載の燃料電池。
【請求項４】前記電解質補給管において、階段状に突
出した各単位セルに対応する位置に複数個の補給分岐管
を設けたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池。