JPS5848366A - 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】 本発明は、燃料電池、特に、電力用の燃料電池に関する
ものである。

燃料および酸化剤よシミ気エネルギーを生成する燃料電
池は古くから知られている技術である。

燃料電池は、燃料極、燃料極より隔置された酸化剤極、
これらの電極間にそれらに接触して配置された電解質、
集電板を兼用するセパレータおよび燃料極、酸化剤極と
セパレータとの間に形成され九燃料ガス、酸化剤ガス用
のガス流路を１本構成としている。そして、電解質には
、固体、溶融ペースト、自由に流動する液体、あるいは
、マトリックス内に保持され九液体がある。このうち、
マトリックスに保持された電解質を用いる燃料電池は多
くの用途に適している。

しかし、このよう表マトリックス内に保持された水性電
解質を使用する燃料電池を最適条件で作動させる丸めに
は、マトリックスはある特性を有するものでなければな
らない。例えば、マトリックスは親水性であシ、を九、
マトリックスは燃料電池内におけるガスの交差中混合を
阻止するように連続的であシ、ピンホールや割れのない
ものが要求され、さらに、マトリックスは通常ｌ−以下
の厚さに形成されるが、内部抵抗を小さくする丸め可能
な限ｐ薄＜シ、マトリックスが触媒層と書に接触する必
要がある。また、電流分布を一様にするために、マトリ
ックス厚さが一様で、かつマトリックスの細孔の寸法が
均一であることが望ましく、マトリックス材料は熱的化
学的に安定で、経済的でなければならない。このような
性質を有するマトリックスに電解質を含浸させて電極と
組合せ、電池を組み立て九−合、長時間安定した性能を
得ることが期待できる。

しかし、マトリックスおよび電極は多孔質であシ、常に
燃料ガスおよび酸化剤ガスが電極基質内を流れておシ、
長時間運転の間には、電解質が蒸発により喪失し、電池
性能が劣化する問題があった。

この問題を除去するために、電極基材を電解質リザーバ
層として使用する方法が提案されている。

しかし、この方法は、電極基材に貯蔵する電解質が多く
なると、ガスの拡散が悪くな）電池出力が低下する。ま
九、薄い電極基材内に疎水部と親水部を所定寸法で構成
する必要があシ、製作工数がかかるなどの欠点があつ友
。

本発明は、これらの問題点を除去し、マ）　ＩＪラック
ス電解質を供給する友めの電解質リザーバを容易に構成
することができ、安定な電池出力を得ることができる燃
料電池を提供することを可能とすることを目的とし、燃
料極と酸化剤極の一対の電極の間に電解質を保持するマ
トリックスを配設し、燃料極および酸化剤極にそれぞれ
燃料ガスおよび酸化剤ガスの流路が構成されている単電
池を、セパレータを介して積層してなる燃料電池にシ匹
で、一対の電極の少なくとも一方に、電極内に位置する
電解質連通孔を介してマトリックスと連通する溝状の電
解質リザーバを設け、電解質連通孔および電解質リザー
バの電極に接する面に撥水性層が設けであることを第１
ｏ％黴とし、セパレータの一対の電極の少なくとも一方
側に、電極内に位置する電解液連通孔を介してマ）ＩＪ
ッタスと連通する溝状の電解質リザーバを設け、電解液
連通孔）よび電解質リザーバの電極に接する面に撥水性
層が設けであることを第２の特徴とするものである。

本発明は、それぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスの流路が
構成されている燃料および酸化剤電極を有し、これらの
電極中、または、これらの電極に接するセパレータ中に
電解質リザーバ用の溝を設は電解質を貯蔵するとともに
、この溝とマトリックスとを連通ずる内壁が撥水性を有
する電解質連通孔を設けるととＫよ）、吸湿、蒸発によ
るマトリックス内の電解質量の変化を吸収し、マトリッ
クス内に常に一定の電解質の保持を可能にしたものであ
る。

以下、実施例について説明する。

第１−＠４図は、電解質リザーバが電極内に設けられて
いる実施例で、同一部分には同一符号が付しである。こ
れらの実施例は、燃料に水素リッチガス、酸化剤に空気
中の酸素を用い、電解質にリン酸を用いるリン酸層燃料
電池に関するもので、ｊＩ１図は一実施例の部分断面を
示している。１はマトリックスで、シリコンカーバイド
とポリテトラフルオルエチレンとの混線物、或いはフェ
ノール樹脂布などが用いられる。２は燃料極基材、３は
燃料供給用ガス路、４は燃料極触媒層、５は酸化剤極基
材、６は酸化剤供給用ガス路、７は酸化剤極触媒層、８
はセパレータである。９は燃料極基材２に設けられてい
る電解質リザーバで、燃料供給用ガス路３と同一平面側
に燃料供給用ガス路３と平行して設けられ、電解質（リ
ン酸）の流出を防ぐため、両端が閉じ良状態の溝よプ構
成されておシ、さらに、燃料極基材２の電解質リザーバ
９に対する偶壁には、ポリテトラフルオルエチレンによ
シ撥水性処理が施され、リン酸が燃料極基材２中へ流出
するのを防いでいる。１０は燃料極基材２および燃料極
触媒層４に穿設され、マトリックス１と電解質リザーバ
９とを連通する電解質連通孔である。第２図（荀および
（ｂ）は電解質連通孔１０の２つの配置例を示すもので
、燃料極触媒層４上の配置で示しであるが、電解質連通
孔１０の配置ピッチは、マトリックス１内におけるリン
酸浸透速度がマトリックス材料によって異なるため、リ
ン酸浸透速度を考慮して決定される。

このような構成を有する燃料電池においては、吸湿によ
シマトリックス１内のリン酸量が増加し九場合は、余剰
分は電解質連通孔１０を通って、電解質リザーバ９に湿
田して貯蔵される。また、蒸発によシマトリックスｌ内
のリン酸量が不足し九場合は、不足分は電解質リザーバ
９よ如′−解質連通孔ｌＯを通して補給される。従って
、マトリックスｌ内のリン酸量は常に一定に保たれ、電
池性症を安定化するとともに、吸湿時の余剰のリン酸を
貯蔵するようになっているので、燃料極触媒ｌ−４、酸
化剤極触媒層７を過剰に濡らした上、燃料ガス、酸化剤
ガスによって運び去られることがなくなシ、リン酸の喪
失は蒸気圧による蒸発に限定されるので、燃料電池の長
寿命化を図ることができる。さらに、電極基材の限定さ
れた部分のみ電解質リザーバとして使用するので、燃料
極触媒ノー４に対する燃料ガスの供給を充分に行なうこ
とができる。また、電極基材中にガス流路が設けられて
いるので、それだけ’Ｉｔ極基材を厚くすることができ
、従来提案されたもののように薄い電極基材の中に疎水
部と親水部を所定寸法で構成する心安がなく、かつ電極
基材にガス流路を形成する際に一緒に形成することがで
きるなどの効果がある。

第３図は、他の実施列の断面を示すもので、この爽循例
は、−解質リザーバ９および電解質連通孔１０内に親水
性材料の繊ｍ１１、例えば、シリコンカーバイト繊維が
充填しである点が第１図の実施例と異なっている。この
親水性材料の繊維１１は、電解質リザーバ９内のリン酸
の含浸速度を向上させるとともに、リン酸の分布を一様
ならしめる効果がある。

なお、ここで用いる親水性材料の繊維は、シリコンカー
バイド繊維の他に、ガラス、４Ｒ維、フェノール樹脂繊
維、カーボン繊維を用いることができる。また、親水性
材料の繊維の代シに、親水性粉末、例えば、シリコンカ
ーバイド粉末、カーボン粉末、ガラス粉末を結層剤、例
えば、ポリテトラフルオルエチレン、ポリイミドで結庸
したものを用いることもでき、同等の効果を得ることが
できる。さらに、ｙｔｌえば、カーボンシート、シリコ
ンカーバイド嗟結体のような多孔性シート、を用いても
よい。また、さらに、マトリックス材料と同一材料を用
いてもよいが、この場合には、望ましくは、マトリック
スに用いているものより小孔径を大きくして、毛管力が
マトリックスより小さくなるようにするのがよく、この
毛管力の差により、マトリックス内のリン酸量はよシ安
定に保たれることになる。

第４図は、他の実施例の断面を示すもので、この央圃例
が第１図の実施列と異なるところは、′電解質リザーバ
９の内端にシール１２が施されてお９、リン酸の流出が
防止されている点である。このシール１２には、親水性
材料、例えば、シリコンカーバイド粉末、カーボン粉末
、ガラス粉末と結層材、例えば、ポリテトラフルオルエ
チレン。

ボリイきドと混練したもの、或いは、カーボン粉末をフ
ェノール樹脂と混合、加熱硬化したものを充填して構成
される。シール１２によシミ解質リザーバ９の両端より
のリン酸の流出を防ぐことができるので、電解質リザー
バ９の溝を加工する際、擲の加工を＃ｉＬ極基材の全長
に亘って行なえばよく、寸法積度を要しないため、加工
が容易となるのみならず、燃料供給用ガス路として形成
された溝の一部を電解質リザー二（として使用すること
が可能となる。さらに、シール１２を取りはずすことが
できるようにすれば、リン酸が不足した時には、電池点
検の際にリン酸を追加注入することができるので、電池
の長寿命化に対する効果は大きい。

以上の第１〜第４図の実施例においては、電解質リザー
バを燃料極の′−電極基材設けた場合について説明した
が、酸化剤極の電極基材に設けてもよく、さらに、燃料
極、酸化剤極の両方の電極基材に設けてもよく、これら
の選択は電解質リザーバの容量により決定される。

次に、第５〜第８図は、゛電解質リザーバがセパレータ
内に設けられている実施例で、第１図の実施列と同様な
リン酸型燃料電池に関するものである。これらの図で第
１〜第４図と同一部分には同一符号が付しである。第５
図は一実施例の部分断面を示しているが、第１図の実施
例と異なるところは、電解質リザーバ１３が、セパレー
タ８に設けられた溝によって構成され、さらに、燃料極
基材２および燃料極触媒層４に穿設した電解質連通孔１
４を介してマトリックス１と連通している点である。そ
して、電解質連通孔１４の配置は、第１図の実捲例と同
様の考慮に基づいて決定されも。

このような構成を有する燃料電池においては、吸湿によ
りマトリックスｌ内のリン酸量が増加した場合は、余剰
分は電解質連通孔１４を通って、電解質リザーバ１３に
湿田して貯蔵される。また、蒸発によりマトリックス１
内のりシ酸量が不足した場合は、不足分は電解質リザー
バ１３よシミ解質連通孔１４′４を通して補給される。

従って、マトリックス１内のリン＃量は常に一定に保た
れ、′１池性１ヒを安定化するとともに、吸湿時の余剰
のリン酸を貯蔵するようになっているので、燃料極触媒
ｌ−４、酸化剤極触媒ノー７を過剰に濡らした上、燃料
ガス、酸化剤ガスによって運び去られることがなくなシ
、リン酸の喪失は蒸気圧による蒸発に限定されるので、
燃料電池の長寿命化を図ることができる。これらの作用
効果は、第１図の実施例の燃料′−池の場合と同様であ
るが、この実施例では、一種基材を電解質リザーバとし
て使用しないので、′１極触媒Ｉ−への燃料ガスの供給
を充分に行なうことができ、従来提案されているものの
如く、薄い電極基材の中に疎水部と親水部を所定寸法で
構成する必要がないので加工が容易となる。

第６図は、他の実施例の断面を示すもので、この実施例
では、電解質リザーバ１３の壁に親水性層１５を形成し
である。この親水性層１５はポリイミドなどの親水性材
料を塗布あるいは含浸することによ多形成される。そし
て、燃料極基材２の′ｗｔ解質リザーバ１３に対向する
而および電解質連通孔１４の部分には破水性層１６を形
成しである。

この破水性層１６はポリテトラフルオルエチレンなどの
飯水性材料を塗布あるいは含浸することにより形成され
る。このように構成されているので、電解質リザーバ１
３のリン酸保持力が向上するとともに、電極基材へのリ
ン酸の酸比を防ぐことができる。

第７図は、さらに他の実施例の断面を示すもので、この
実施例、は、−！Ｓ質リザーバ１３、および電解質連通
孔１４内に親水性材料の繊維１１が充填しである点で第
５図の実施例と異なっている。

この親水性材料の繊維１１の充填の作用効果ならびに充
填される材料として便用できる材料の選定条件は＠ａ図
の実施例の場合と全く同様でおる。

第８図は、他の実施例の断面を示すもので、この実施例
が５ｇ５図の実施例と異なるところは、電解質リザーバ
１３の両端にシール１７が施されてＪ？９、リン酸の流
出が防止されている点でおる。

シール１７を設けることの作用効果ならびにシールに使
用されている材料として使用できる材料の選冗条件は第
４図の実施例の場合と全く同様である。シール１７によ
シ亀′Ｓ質すザーノ（１３の両端よりのリン酸の流出會
防ぐことができるので、祇鱗責ＩＪザーバ１３の溝を加
工する際、溝の加工をセパレータの全長に亘って行なえ
ばよく、寸法槓嵐ｔ−要しないため加工が容易となる。

さらに、シール１７は容易に取シはずすことができるよ
うにすることができるので、リン酸が不足した時には、
電池点検の際リン酸を追加注入することができるので、
−池の長寿命化に対する効果は大である。

以上の第５〜第８図の実施例においては、電解質リザー
バをセパレータの燃料極側に設けた場合について説明し
たが、七）（レータの酸化剤極側に設けてもよく、さら
に、セパレータの燃料極備、酸化剤極側の両方に設けて
もよく、これらの選択は電解質リザーバの容量によシ決
定される。

以上の如く、本発明は、マトリックスに電解質を供給す
るための電解質リザーバを容易に構成することができ、
安定な電池出力を得ることができる燃料電池の提供を可
１！巳とするもので、産業上の効果の大なるものである
。

【図面の簡単な説明】

第ｌ〜第４図は、電解質リザーバが域極内に設けられて
いる本発明の燃料電池の実施例に関するもので、第１図
は一矢施例の要部断面図、第２図（ａ）および（ｂ）は
電解質連通孔の２つの配置例を示す平面図、第３図は他
の実施例の要部断面図、第４図はさらに他の実施例の断
面図であり、第５〜第８図は、電解質リザーバがセパレ
ータ内に設けられている本発明の燃料電池の実施例に関
するもので、第５図は一実施例の断面図、第６図および
第７図は、それぞれ異なる他の実施例の要部断面図、第
８図はさらに他の実施例の断面図である。 １・・・マ）　ＩＪラックス２・・・燃料極基材、３・
・・燃料供給用ガス路、４・・・燃料極触媒層、５・・
・酸化剤極基材、６・・・酸化剤供給用ガス路、７・・
・酸化剤極触媒層、８・・・セパレータ、９・・・電解
質リザーバ、１０・・・電解質連通孔、１１・・・←親
水性材料の）繊維、１２・・・シール、１３・・パ蝋解
質リザーバ、１４・・・電解質連通孔、１５・・・親水
性層、１６・・・撥水性層、（ほか１名） 菊　／　図 若　２図 （ａ−）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　（４）第３　図 ジ 葛４　ｕ 第１頁の続き ■出　願　人　日立化成工業株式会社 東京都新宿区西新宿２丁目１番 １号

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、燃料極と酸化剤極の一対の電極の間に電解質を保持
   するマトリックスを配設し、前記燃料極および前記酸化
   剤極にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスの流路が構成
   されている単電池を、セパレータを介して積層してなる
   燃料電池において、前記一対の電極の少なくとも一方に
   ％紋型極内に位置する電解質連通孔を介して前記マトリ
   ックス七連通する溝状の電解質リザーバを設け、前記電
   解質連通孔および前記電解質リザーバの前記電極に接す
   る面に撥水性層が設けであることを特徴とする燃料電池
   。 ２、前記電解質リザーバが、その溝の内部に親水性繊維
   、親水性粉末と結着剤との混線物、多孔性シートおよび
   マトリックス材料の何れかを充填されている特許請求の
   範囲第１項記載の燃料電池、・３、曲記電解質連逼孔が
   、その内部に、親水性材料、およびマトリックス材料の
   何れかを充填されている特許請求の範囲第１項または第
   ２項記載の燃料電池。 ４、前記電解質連通孔が、その内部に、親水性材料粉末
   と結着剤との混線物を充填されている特許請求の範囲第
   １ＪＡｔたは第２項記載の燃料電池。 ５、前記電解質リザーバが、その溝の端部を、親水性粉
   末と結着剤との混線物でシールされている特許請求の範
   囲４１項から第４項までの何れか一項記載の燃料電池。 ６、前記マトリックス、前記電解質連通孔および前記電
   解質リザーバの電解質保持力が、マトリックスが最大で
   、電解質リザーバが最小となっている特許請求の範囲第
   １項から第５項までの何れか一項記載の燃料電池。 ７、燃料極と酸化剤極の一対の電極の間に電解質を保持
   するマ）　ＩＪラックス配設し、前記燃料極および前記
   酸化剤極にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスの流路が
   構成されている単電池を、セパレータを介して積層して
   なる燃料電池において、前記セパレータの前記一対の′
   電極の少なくともス汐側に、鋏電極内に位置する電解質
   連通孔を介して前記マ）　ＩＪラックス連通する溝状の
   電解質リザーバを設け、前記電解液連通孔および前記電
   解質リザーバの前記電極に接する面に撥水性層が設けで
   あることを４＋黴とする燃料電池。 ８、前記電解質リザーバが、その溝の内壁に親水性層を
   有している特許請求の範囲ｌ／Ｘ７項記載の燃料電池。 ９、前記電解質リザーバが、その溝の内部に、親水性繊
   維、親水性粉末と結着剤との混線物、多孔性シートおよ
   びマトリックス材料の倒れかを充填されている特許請求
   の範囲第７項または第８項記載の燃料電池。 １Ｇ、前記電解質連通孔が、その内部に、親水性材料お
   よびマトリックス材料の何れかを充填されている特許請
   求の範囲第７項または第８項または第９項記載の燃料電
   池。 求の範囲第７項または第８項または第９項記載の戎、前
   記電解質リザーバが、その溝の端部を、親水性粉末と結
   着剤との混練物でシール市れている特許請求の範囲第７
   項から第１１項までの何れか一項記載の燃料電池。 １３、前記マトリックス、前記゛−電解質連通孔よび前
   記電解質リザーバの電解質保持力が、マトリックスが最
   大で、電解質リザーバが最小左なってい１１１特許請求
   の範囲第７項から第１２項までの何れ′か一項記載の燃
   料電池。