JPS58165262A - マトリツクス型燃料電池 - 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】 この発明は、例えばりん酸を電解液とするりん酸電解液
型燃料電池、特に電池内圧電解液貯蔵部として働くリザ
ーバを備えたマトリックス型燃料電池の改良に関する。

周知のように頭記燃料電池は、燃料電極と、予め電解液
を含浸保持させたマトリックスと、空気−電極とを重ね
合わせて単電池を構成し、これに組合わせたバイホーラ
ブレートあるいはガス通路を仕切るリブ付多孔質電極基
板を通じて各電極へ燃料、空気を供給するように構成さ
れている。

かかる燃料電池では、電極反応を効率よく行わせるため
には、マトリックスに常に適正量の電解液を保持させる
ことが必要である。これに対し、マトリックスに含浸さ
れたりん酸等の電解液は電池の運転、休止等、電池の作
動状態の変動に伴って吸湿などＫより体積が増減する。

これを放置したままでいると、電解液が電極触媒層に過
多に浸透して電極反応を阻害する恐れ“があるため、こ
の防止対応策として燃料電池を構成する前記のバイポー
ラプレートあるいは多孔質電極基板の一部にリザーバと
称されるセル内での電解液貯蔵部として働く凹所管画成
し、電解液の体積増加時にはマトリックスで保持し得な
くなった余剰電解液分を前記のリザーバに一時的に貯溜
し、逆圧電解液の体積が減少して来た場合にはリザーバ
からマ）　ＩＪラックスへ解液を補給するようＫＬ、こ
れによりマトリックスに保持される電解液の量を常に適
正量に保つようＫしたものが知られている。

次に従来における上記のリザーバを備えた燃料電池を第
１図および第２図に示す。図において】は燃料電極基材
２．該基材２′、の面に形成された触″ｉ′ 煤層３．マトリックス４．Ｍ、、媒層５′ｔ−形成した
空気電極基材６とで構成され元゛１単電池、７は単電池
１を挾んでその上下に積ね合わせたバイポーラプレート
、８．９はバイポーラプレート７の上下面に互に直交し
て形成された空気通路溝お工び燃料通路溝である。かか
る燃料電池に対し、そのバイポーラプレート７の左右両
側端部には、その下面に燃料通路１１１９と並行に独立
した凹溝のリザーバ１０が形成されており、かつこのり
ザーバ１０に対向する面で、燃料電極基材２および触媒
層３の一部を切欠き、リザーバ１０とマトリックス４と
が連通し合うように構成されている〇 かかる構成により、予めマトリックス４に含浸されてい
る電解液はその体積が増加した場合には。

マトリックス４の層内を面方向に沿って浸透移動して前
記リザーバ１０に貯蔵され、逆に電解液の体積が減少し
た場合には前記マ）　Ｉ）ックスＩＯＫ保持されている
電解液の量が不足せぬ様に前配りザーパ１０に貯蔵され
ている電解液が前記マ）　ＩＪラックスに補給される。

このことにより前記マド“・１ リツクス４に保轡される電解液の１を一定に保つ機能を
与えてい１名■・。

一方、前記マトリックス】Ｏは燃料ガスと空気とを差圧
下でも気密に隔離するためＫ、電解液の保持力が高い材
料で作られている。このために電解液が前記マトリック
ス１００層内を面方向に沿って長い距離にわたって浸透
移動するには、移動距離に応じてかなりの液圧を必要と
するが、電解液の液圧が過大になると前記両電極の触媒
層３゜５の撥水性が維持できなくなり、触媒層の反応部
に過多に電解液が浸透し、て電池の発電性能を低下させ
る不具合を生じる。このために前述のようにバイポーラ
プレート７の両端域にリザーバＩＯを画成し、電解液の
増減に対応して電解液を前記マトリックス１０内を浸透
移動させることによりリザーバ１０に吸収するよう構成
された構造では。

特に大面積の電極の場合には１反復的な電池の運転、休
止による電解液の増減に伴う液圧の変化に起因して経時
的に電解液が電極触媒に過多に浸透し、電池の発電性能
を低下させるため、長期にわたって効率良く発電するこ
とが困難であった。この対策として電解液が移動し易い
様にマトリックスの層内に電解液の移動通路を設ける構
造も考えられるが、電池の発電時の電解液抵抗を低減し
て高効率の電池を得るためには、マトリックスの厚さは
薄いことが望ましく５通常はマトリックス層の厚さが０
．１露程度であるため前述の方法は実際に実施化するこ
とが困難である。

この発明は、上述の欠点を除去し、電極触媒層への過多
な電解液浸透を紡ぎつつ電解液の体積増減を円滑に吸収
し、常に適正量の電解液をマ）　ＩＪラックス保持でき
るようにしたリザーバを備えた燃料電池の改良構造を提
供するととにある。

以下この発明を図示実施例に基づいて詳述する。

第３図、第４図、第５図はこの発明の一実施例を示すも
ので、それぞれ平面図、側断面図、及び側断面の要部拡
大詳細図である。

図における燃料電池の基本構造は第１図、第２図に示し
た従来のものと同様である。これに対しこの発明により
単電池１の内部には新たに符号１１で示す電解液移動通
路が追加して画成されている。

この移動通路１１は単電池ｌを構成している上側の燃料
電極の触媒層３を局部的に切欠いた溝として画成された
ものであって１図示のようにバイポーラプレート７の左
右両端域に画成されたりザーバ１０との間にまたがって
連通し合うように網目状に張りめぐらして形成されてい
る。この移動通路１１の構造を更に詳記すると１通路は
その上面が電極基材２、側面が触媒層３．下面がマ）　
ＩＪラックスで囲まれた溝内に形成されており、その左
右端はリザーバ１０に対向して電極基材２にあけられた
連通窓穴１２を通じてリザーバ】０と互に連通し合って
いる。なお通路１１は触媒層３を塗布焼成した後に１機
械的に切欠いて形成するか。

予め通路１１が画成される部分に触媒層３の塗布時に造
穴剤を塗布しておき、触媒層の焼成工程で同時に通路１
１を形成するなどの方法が採用される。

かかる構成により、マトリックス４に予め浸透保持され
た電解液の体積が増加した場合には、マトリックス４で
保持し得なく門った余剰分の電解液が前記の電解液移動
通路１イの中を移動してリザーバ１０に貯溜さｎる。逆
に電解液の体積が減少した場合には、リザーバＩＯＫ貯
溜されていた電解液が前記通路ｌ］を通ってマトリック
ス４に補給される。この場合に通路１１の流路抵抗は、
従来の工うに多孔質のマトリックス４の層内を面方向−
に電解液が移動する場合の層内における流路抵抗に較べ
てはるか小さく、しかも通路１１はマトリックス４の＃
景ぼ全面域にわたって網目状に設けられているので、電
解液は大きな液圧を必要とせずに円滑に移動できること
になる。このことにより通路１１となる溝を画成してい
る触媒層３ないしは電極基材２の撥水域へ経時的に過多
な電解液が浸透する恐れはなくなり、電極反応を何ら阻
害することなく長期にわたって効率のよい発電が行える
。またこのことは、電極面積の大きな大形燃料電池でも
同様に行われる。

一方上記の構造において、第３図に示すようにバイポー
ラプレー、、ドアの外側面からリザーバ１０へ通じる電
解液補−口１３を設けておくことＫより、長期の運転に
伴：１い経時的に電解液の絶対量が不足する事態に到っ
几場合は、前記の補給口１３を通じて外部からリザーバ
１０へ電解液を注入することにより、前述と同じくリザ
ーバ１０を通じて前記マトリックスに電解液を補給する
ことがロエ能である。なお、運転時には前記補給口１３
は盲栓等により気密にシールされる。なお図示例では。

左右のリザーバ１０にそれぞれ補給孔１３を設けている
が、これは電解液を外部から注入する際のガス抜きを容
易にする友めで実用的にはいずｎか一方だけでも艮いし
、ま７ｔ　ＩＪザーバｌＯは左右のいずれか一方のみで
あってもよい。

次に第６図に別な実施例を示す。この実施例は。

まずその単電池の構造が先の実施と若干異なる。

すなわち図示のようにバイポーラプレートの代りに、燃
料ガス通路１４および空気通路１５を仕切るリブ付多孔
質電極基板１６．１７が採用され、この電極基板１６．
１７の板面にそれぞれ燃料電極触媒層３および空気電極
触媒層５が直接塗布、焼成して形成されており、この間
にマ）　１１ツクス４を挾持して単電池を構成している
。なお１８はガス分離用のセパレート板であり、セルス
タックを構成するには、このセパレート板１８を介して
単電池が積層される。

さて上記の電池において、多孔質電極基板１６の左右両
端域には、先の実施例と同様に図示されてないリザーバ
が画成されている。なおリザーバは凹溝として切欠き形
成するか、あるいは電極基板１６の基質の一部に撥水処
理されたガス拡散斌と区画して親水層部を形成し、この
親水部をリザーバとする場合がある。いづれも場合でも
先述の実施例と同様に、触媒層３にはその一部を切欠い
てリザーバと互に連通し合う電解液移動通路１９が面方
向に網目状に形成されている。更にこの実施例では、移
動通路１９が触媒層３の厚さ範囲に規制されてなく、電
極基板１６の領域に入り込む溝部１９１１−も含めて形
成されている。したがって電解液移動通路が触媒層３の
厚さのみで制限されることなく溝の深さを自由に設定で
きて好都合である。この実施例でも先述の実施例と同様
に、マトリックス４に含浸されている電解液の体積が増
減した場合には、前記の移動通路１９　、１９’を通じ
て電解液をマトリックス４とリザーバとの間で円滑に移
動させることができる。また第３図に示した補給口１３
と閾様なものを電極基板１６に設けることもできる。

なお各実施例ともに、電解液移動通路１１，１９゜１９
’の寸法、配列パターンは図示例のものに限定されるこ
となく自由に設計できることは言うまでもない。更に図
示例は燃料電極が上側、空気電極が下側に位置した例を
示したが、この電極配置を上下逆さまにした上で、リザ
ーバおよび電解液移動通路を上側の空気電極側に設けて
もよい。更に加えて第３図、第４図に示し文実施例で、
既に形成された触媒層３を切欠いて電解液移動通路１１
を画成する代りに、マトリックス４の上へ予め短量形に
作られた電極を並べ、これ等の各短冊形電極の相互に残
存するすき間を電解液移動通路として用いるように構成
するととも可能である。

以上述べたようにこの発明によれば、マトリックスとリ
ザーバ間との閣省電解液の移動経路をマトリックス内で
社なく、マトリックスの上面に隣接する電極内に画成さ
れた溝内に形成し友ことにより、電解液の体積が増減し
ても電解液の液圧をさ＃１ど必要とせずに容易に電解液
がマトリックスとリザーバ間とを移動できる。したがっ
て従来の欠点であった液圧の上昇に伴う電極反応部に過
多に電解液が浸透し電池の発電性能を低下させることを
防止しつつ、常に適正量の電解液をマ）　ＩＪラックス
保持させるようにした優れた効果を賽することができる
。更にリザーバに外部に通じる電解液補給口を設けたこ
とＫより、長期の運転に伴い経時的に電解液が不足した
場合にも、この補給口を通じて外部よ秒電階数を補給す
ることが可能となり、長期にわたって効率の良い発電を
継続出来るという効果も有する。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はそれぞれ従来における溶料電池の
構造□・を示す平面図および縦断面図、第３：：１゜ 図および第４’ｌｊ□図はこの発明の一実施例の構造を
示す平、、お工□：：・・赫縦断面、、第、。は第、。 における要部の拡大図、第６図は他の実施例の要部構造
を示す断面図である。 １・・・単電池、３・・・電極の触媒層、４・・・マト
リックス、７・・・バイポーラプレート、１０・・・リ
ザ〜ノ（。 １１．１９．１９’　・・・電解液移動通路、１３・・
・電解液補給口、１６．１７・・・多孔質電極基板。 １１Ｄ １″２　固 才３目 、１９口 才６　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ｌ）触媒層を含む２枚の電極間に電解液を含浸保持させ
   たマトリックスを挾持して単電池を構成するとともに、
   この単電池の電極に重ね合わせて積層されたバイポーラ
   プレートまたは多孔質電極基板の一部に電池内の余剰電
   解液を貯留しておくためのリザーバが画成されたマトリ
   ックス型燃料電池において、電極触媒層の一部を切欠い
   て前記リザーバと互に連通し合う面方向に展開する電解
   液移動通路を単電池内部に画成したことをマトリックス
   型燃料電池。 ２、特許請求の範囲第１項記載の燃料電池において、電
   解液移動通路が電極触媒層およびこの触媒層に隣接する
   多孔質電極基板の領域にまたがって画成されていること
   を特徴とするマトリックス型燃料電池。 ３）特許請求の範囲第１項記載の燃料電池において、バ
   イポーラプレートまたは多孔質電極基板がリザーバと連
   通し合って外周側面に開口する電解液補給口を備えてい
   ることを特徴とするマトリックス型燃料電池。