JPS59191270A - マトリツクス形燃料電池の電解液補給構造 - 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】 ヒ発明の属する技術分野〕 本発明は電解液を多孔質のマトリックス層内に保持する
種類のいわゆるマトリックス形と称される燃料電池に対
し′て、該電解液の温度変化などに基づく体積変化の吸
収のためあるいは電解液の一部がなんらかの原因で失わ
ｉ″したときに電解液を補給するために設けられる電解
液の補給構造に関する。

〔従来技術とその問題点〕

上述のマトリックス形燃料電池においては、電解液を保
持する多孔質のマ）　ＩＪワックス層挟持するようにそ
の両側にガス拡散性の電極層がそれぞれ配され、該両電
極層に燃料ガスおよび酸化ガスをそれぞれ供給するよう
に単位電池が構成されるが、その電解液補給構造として
は、該単位電池内に前記電解液の体積変化の吸収や電解
液の補給のための電解液溜まりを前記燃料ガスおよび酸
化カスのいずれからも隔離して設け、該電解液蘭まりに
電解液を入れておいて連通路を介して常時マトリックス
層内に保持されている電解質と流通するよう構成される
ことが多い。かかる、電解液の補給構造の従来例を第１
図に示す。

第１図は前述の電解液溜まりが設けられた燃料電池の要
部を示す一部切り欠き斜視図であって、さらに第２図は
そのＸ−Ｘ矢視断面図である。第２図かられかるように
多孔質のマＩ−’Ｊツクス層１は図では上下のその両側
を燃料ガス電極層２および酸化ガス電極層３によって挟
まれている。これら両ガス電極層の上下にはさらに多孔
質カーホン材料からなる電極基板４，４がそれぞれ配さ
れ、該電極基板４，４のマ）　ＩＪフッ２フの面には燃
料ガス供給用の溝４ａと酸化ガス供給用の溝４ｂとが互
いに直交するようにそれぞれ設けられている。これらの
溝４ａ，４ｂからそれぞれ供給される燃料ガスおよび酸
化ガスは、多孔質の電極基板４，４の内部を拡散して前
述の燃料カス電極層２および酸化ガス電極層３にそれぞ
れ到達する。これらの電極層２，３はカス拡散性であり
、内部に触媒を担持しており、前述のように拡散して来
る燃料または酸化ガスとマトリックス層１から浸出して
来る電解液との間にε気化学的反応を生じ、発電作用を
営む。なお電μ基板４，４のさらに上下に配されるセパ
レータ板５，５はガス非拡散性でふつ′うは導電性を有
する稠密なりラファイト板であって、燃料ガスと酸化ガ
スとを相互に分離する役目を果す。

電解液溜まり６は、単位電池中の２個の電極基板４，４
の一方の一部に稠密なグラファイト材料４Ｃを嵌め込み
、あるいは多孔質の該基板４の一部４Ｃに気密かつ液密
処理を施すことにより、燃料ガスからも酸化ガスからも
隔酊して設けられその中に補給用の電解質７が収網され
る。この電解液層重り６からは基板４を貫通して補給用
パイプ８が電池外に導出され、電解０．７は電解液溜ま
り６の底に設けられた連通孔４ｄを介してマトリックス
層１内に保持さｆした電解液と連通される。なお第２図
に示すようにマトリックスＩ費１の周縁部に電解液の漏
出を防止するための／−ルノ〈９が設けられる場合には
、このシール層９の前述の連通孔４ｄに対応する部位に
連通孔９ａが設けられる。

以上のように設けら□れた電解液溜まり６は、尚初電池
を組み立てた後に電解液をマ）　ＩＪフッ２フする必要
が生じたときに用いられ、かかる電解液の導入や補給時
には前記の補給用パイプ８を介して電池外から電解液を
電解液溜まり６に注入し、そこからさらにマトリックス
層１へ供給する。このように電解液溜まりは電池の始動
や保守に便利なものではあるが、一方欠点も有する。

この欠点としては、まず補給用パイプを′−電池外導出
し々ければ力らない点であって、とくに単位電池を多数
個積層して燃料電池を構成する場合には，積層個数と同
じ本数の補給用パイプを電池積層体の側面から導出する
必要が生じる。この電池積層体の側面には燃料ガスや酸
化ガスを供給するためのマニホールド蓋をも取付ける必
要があり、かかるマニホールド蓋を貫通しであるいはそ
の取付部位の側方から多数の補給用パイプを導出するこ
とが困難な場合が多い。もちろん補給用パイプを電池外
で１本の集合管に１とめる手段が考えられるが、この手
段では電解液補給の際に集合管から各補給用パイプに均
一に電解液が分配されることを保証できるなんらかの手
段が必要になり、通常は不可能かある，いは非常にコス
トのかかる＠造を採用しなければならなくなる。

第２の欠点としては、電解液溜まり６からマトリックス
層１に電解液７が常時円滑に補給されるようにするため
には、電解液溜壕り６内の圧力を制御しなければならな
いことである。第２図からもわか．るようにマトリック
ス層１内の電解液には電極基板４、電極層２，３を通じ
て拡散して来る燃料ガスや酸化ガスの圧力が掛かつてお
り、電解液溜まシロ内の圧力がこれらの反応ガスと平衡
していないと電解液は円滑に補給されない。さらに困る
のは、電解液溜まり内の圧力と反応ガスの圧力との間に
ある限界値以上の差があると、電解液が電極層２，３内
に過剰に浸出してしまったり、電極層２，３内から締め
出されてしまって、極端な場合は発電作用が停止しある
いはそれぞれに至らなくても電池の効率が低下する結果
となる。従つて電解液溜ｔ、ｂの圧力は常時反応が２の
圧力の前後ある限度内に留まるよう制御をする必要があ
り、かかる制御は各補給用パイプについて単独にする必
要はないが、信頼度の高い圧力制御装置を付加する必要
があり、電池の構成をそれだけ複雑化させてしまう。

〔発明の目的〕

本発明は前述のような従来技術のもつ難点を克服して、
簡単な構成で電解液の補給が可能で、かつ運転信頼度の
高いマトリックス形燃料電池の電解液補給構造を提供す
ることにある。

〔発明の要点〕

上述の目的達成のため、本発明においてはまず電解液溜
まりから電池外に導出する補給用パイプを廃止し、該電
解液溜まりを電池外からは完全に遮断された閉鎖空間と
して構成し、該閉鎖空間内に電池の運転時間中に必要な
補給用の電解液を封じ込んでしまう手段をとる。元来電
解液は原理上は発電作用の根本である電気化学反応によ
って消費されることはなく繰返して使用できるものであ
るから、なにか特別な原因がない限りその失なわれる時
間率は極めて小さく、電池の積層単位に対するシール性
能の向上など電池製作の接衝向上とともに、失なわれ・
る率はさらに下がる傾向にある。

また電池始動時の電解液の注入の必要性も、あらかじめ
積層単位の製作時にマトリックス層内に十分電解液を保
持ないし含有させておき、積層作業１後に電解液のマト
リックス層内への含有や電解液溜まりへの補給用電解液
の注入をするよりは品質背理上つごうがよい。さらには
電池の長期運転後に電解液の補給がどうしても必要と々
った時への対策としては、例えば従来補給用バイブを導
出していた位置に取外し可能な密個栓を設け、補給用電
解液の装入後は該密封栓を閉鎖した状態で運転し、補給
がぜひ必要に彦った時に密封栓を開けて電解液を補給す
ることか可能である。このように電解液溜まりを閉鎖空
間とし必要な補給用電解液をあらかじめ封じ込んでおく
ことにより、従来の多数の補給用パイプや付属装置によ
る繁雑さを一切回避することができる。

しかし、このような手段だけで（は′電解液層重り内の
圧力を制御しない限り、前述のようにマトリックス層へ
の電解液の円滑な常時補給は保証されない。この点の解
決のため、本願発明者達は電解液溜まシ内の圧力が反応
ガスの圧力とほぼ同じであれば補給が円滑になされるこ
とに着目し、さらには、電解液溜まりの壁に適正な材料
を用いあるいは適正な処理を施せば通気性をもち、しか
も反面電解液に対して撥液性を有するように構成できる
ことを実験等により見出し、これに基づいて電解液溜ま
シを画成する壁の燃料ガスまたは酸化ガスとの境界壁の
少なくとも一部を該ガスに対して通気性でかつ電解液に
対しては撥液性を有する材料で構成することにより、前
述の目的を達成したものである。容易にわかるように、
この構成により電解液溜まり内の圧力を反応ガス系の圧
力とほぼ等しくするという円滑な電解液補給のための条
件が満たされると同時に、電解液溜まりを画成する壁は
撥液性であって補給用電解液が漏出によって失なわれる
ことがないという最も望ましい結果が得られる。

〔発明の実施例〕

次に図面を参照しながら本発明の実施例を詳細に説明す
る。第３図は本発明の一実施例を示す一部切断斜視区、
第４図は第３図のＹ−Ｙ矢視断面図である。以下第１〜
２図と同じ部分には同じ符号が付されている。

図示のように第３・〜４図は…ｊの第１〜２図と類似で
あるが、献層液イ留まシ１０は閉鎖９間として設けられ
て２す、第１図にあった補給用・くイブ８は設けられな
い。この閉鎖空間を多孔質の電１暴板４の中に作シ込む
に・は、図の４０で示す部分を気密かつ液密な材料例え
ば稠密なグラファイト材料で構成し電極基板４のこの部
分に嵌め込んでもよく、また電解液溜ま）１０を備えた
かかる材料で構成された別体の部品を電池基板の１１１
１１方に並べて配してもよい。あるいは元来多孔質で必
る′（極基板４のこの壁部分４Ｃに合成樹脂を含浸硬化
させて気密で液密な壁を構成させてもよい。これに適し
た合成樹脂としては電池の運転温度で電解液として用い
られる燐酸に対しても耐薬品性のよいふっ素樹脂がちシ
、このふっ素樹脂の未硬化の細粉を水分散媒中に分散Ｔ
　）Ｂ濁させたふっ素樹脂の分散液を水で薄めるなどし
て適当な粘度に調整したうえでこの壁部分４ｃの表面に
塗布して多孔質の内部に浸透させ風乾などで分散媒を十
分飛散させる工程を必要回数繰り返して十分に樹脂を材
料中に含有させ、しかる後電極基板４を例えば３３０度
Ｃ程度に加熱することにより含有されたふっ素樹脂を硬
化させることによって、気密でかつ液密な壁部分４ｃを
基板４内に作り込むことができる。

この壁部分４ｃの上端面とこれに当接するセパレータ板
５との間には、要すれば図示しないパツキンシートを介
装する。またこの部分４ｃの底面にはマトリックス層１
の周縁部に被覆されたシール／−９と当接するので、こ
の当接面から電解液７が漏出するとはない。あるいはか
かるシール層が設けられない場合には、壁部分４ｃの底
面とマ）　ＩＪツクス層ｌとの間にパツキンシートを介
装スればよい。

図の１１で示されているのが、通気性でかつ撥液性の通
気部であって、この実施例では電解液溜まシ１０と燃料
ガス通流する基板４の溝４ａとの境界壁の一部に形成さ
れ、電解液溜まり１０内の圧力を溝４ａ内の燃料ガスの
圧力と等しくする役目を果す。この通気部１１は、基板
４のこの部分を切欠いておき通気性で撥液性の材料を嵌
め込むことによって形成できる。かがる嵌め込み用通気
部１１の作製法としては、例えばカーボンせんいを集積
した粗なマットを所定の形状に切りそろえ前述のふっ素
樹脂分散液中に浸漬して適反な量の未硬化のふっ素樹脂
を含有させ、このふっ素樹脂含有マットを通気部１１に
詰め込むことによって嵌め込み、以後乾燥にょシ分散媒
を飛散させた上で所定温度に加熱して含有樹脂を硬化さ
せる。カーボンせんいマットは元来粗であるので、含有
樹脂の硬化も処理ずみマットは適度な通気性を保有し、
かつせんいには十分樹脂がまとい付いているので電解液
に対しては撥液性が付与さ詐る。また嵌め込み用材料の
別の作製法としては、電極基板４と同じ多孔質のカーボ
ン材料を基材として用い、これに前述のふっ素樹脂をさ
らに薄めて狗様に含浸、硬化させてもよい。かかる嵌め
込み材料はふっ素樹脂系の接着剤を用いて所望の部位に
液密に嵌め込みかつ接着することが容易にできる。ある
いは通気部４ｃは多孔質の電極基板の概当部分に同様に
ふっ素樹脂分散液を塗布して撥液用にふっ素樹脂を含有
させた上で乾燥、硬化させることによって形成しても良
い。

なお、第３〜４図に示した実施例において壁部分４Ｃを
も通気性でかつ撥液性の通気部１１と同じ材料で構成し
てもとくに差支えはなく、電解液溜まシ１０から電解液
が漏出せずかつその内部圧力を溝４ａ内の燃料ガスの圧
力と等しく維持することができる。また第４図に示す状
態では通気部ｌｌは電解液の液面上にあシ、−見必ずし
も撥液性を必要としないようにも見えるが、運転中は電
解液の体積変化などで液面の位置が変わりやすく、通気
部１１が電解液と接触することがあるので、この例にお
いても通気部１１を撥液性（でしておく要がある。

第５図は本発明の異なる実施例の要部を断面図で示した
もので、この例の電極基板１２は、第３〜４図の示され
た一方面に溝４ａを備えたいわゆるモノポーラ形の電極
基板４とは異カリ、両面に溝を備えたバイポーラ形の基
板が用いられている。

このバイポーラ形電極基板１２の溝１２ａ、１２ｂは、
図示のように互いに直交するよう設けられており、それ
ぞれ燃料ガス、酸化ガスを直接に燃料ガス電極２、酸化
ガス電極３に供給する。従って電極基板１２は多孔質材
料を用いる必要がなく、むしろ燃料ガスと酸化ガスとを
互いに分離するように気密かつ液密な材料、たとえば稠
密なグラファイト材料で構成されている。この実施例に
おける電解液溜まり１０は、従って直接電極基板１２内
に図示のように堀シ込みまたは成形によってｒｌニジ込
むことができ、その上部開口はシール層９によって閉鎖
され、その底部の４逍孔１０ａは溝１２ａのない部分を
貫通して設けられてマトリックス層１と連通している。

この実施例における通気部１３は図示のように電解液溜
まり１０と電池の図の右方の側面との間の壁部分の上部
に嵌め込まれている。電池の該右方の側面は燃料ガスが
流通する溝１２ａと連通し、従って燃料ガスの圧力下に
あるので、電解液溜まシｌＯは燃料ガスの圧力と等しく
維持される。

なおこの場合の通気部は、ｉ桿１２ｂ側に鎖線で示され
た通気部１４として構成し電解液溜まシ１１内の圧力を
酸化ガスの圧力と等しく保つことも可能である。

第６図はさらに異々る実施例を示すもので、この実施例
でも電極基板１２はバイポーラ形で気密かつ液密な材料
で構成されている。この例における電解液溜まシ１０は
、第５図の場合とは直交する電池側面の側に設けられて
おシ、通気部１５はこの電解液溜まシ１０の上部壁とし
て嵌め込まれてお夛、これによって電解液溜まシ内の圧
力は溝１２ｂを流通する酸化ガスの圧力と等しく保たれ
る。

以上の実施例で説明された電解液補給構造を備えたマト
リックス形燃料電池は、前述のように単位電池ごとある
い・は積層単位体ごとにマトリックス層１内にあらかじ
め電解液を十分保持させておいた後、電解液溜まシ１０
に補給用電解液を装入しながら積層され、積層電池に組
み上げられる。

〔発明の効果〕

以上説明のとおシ、本発明によれば電解液溜まりが電池
内に内設されたマ）　ＩＪラックス形料電池に対して、
該電解液溜まりを電池外からは完全に遮断された閉鎖空
間として構成しその中にあらかじめ補給用の電解液を封
じ込んでおき、電解液溜まりとガスが流通する区域との
間の境界壁の少なによ）、電解液溜まり内の圧力を常に
燃料電池に供給される反応ガスの圧力とほぼ等しくなる
ように構成したので、従来のように電解液溜まりから補
給用パイプを多数本導出する必要がなくな９゜電池の全
体構成が極めて簡単化される。また電解液溜まシの圧力
を反応ガスの圧力と関連づけて制御する装置も不要とな
シ、かかる装置の故障によシトラブルを生じる危険も少
なくなる。前述のように反応ガスとほぼ同じ圧力に常に
保たれた電解液溜まシから常に自動的にマトリックス層
内に電解液が補給されるから、電池はほぼ理想的な条件
で運転を確実に継続することができる。また電池の起動
や停止時に温度変化にもとづいて電解液の容積変化があ
っても、また反応ガス系の圧力が大幅に変動しても、本
発明による電解液の補給構造はこれに速応してマトリッ
クス層内の電解液を望゛ましい条件に調整することがで
きる。さらに本発明による補給構造は上述の説明からも
電解されるように極めて丈夫で損傷を受けることが少な
いから、高い信頼度で燃料電池を運転することを可能に
するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術による燃料電池の電解液補給構造の要
部を示す一部切欠き斜視図、第２図はそのＸ−Ｘ矢視断
面図、第３図は本発明によるマトリックス形燃料電池の
電解液補給構造の一実施例の要部を示す一部切欠き斜視
図、第４図はそのＹ−Ｘ矢視断面図、′第５図は本発明
の異なる実施例の要部を示す断面図、Ｍ６図は本発明の
さらに異なる実施例の要部を示す断面図である。図にお
いて、 １：マトリックス層、２：燃料ガス電極層、３：酸化ガ
ス電極ｊ田、７：電解液、１０：電解液溜筐シ、１１，
１３，１４，１５：通気部、である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ｌ）電解液を保持する多孔質のマ）　ＩＪワックス層両
   側にガス拡散性の電極層をそれぞれ配し、該両電極層に
   燃料ガスおよび酸化ガスをそれぞれ供給するようにした
   単位電池内に、該両ガスのいずれからも隔離して画成さ
   れた電解液溜まりを設け、該液溜まシ中の電解液と前記
   マトリックス層内の電解質とを互いに連通してなる燃料
   電池の電解液補給構造において、前記電解液溜まりを電
   池外から遮断された閉鎖空間として構成して該空間内に
   補給用電解液を封じ込み、該電解液溜まシを画成する壁
   の前記両ガスの内の一方と境界壁の少なくとも一部を該
   一方のガスに対して通気性でかつ電解液に対しては撥液
   性を有する材料で構成したことを特徴とするマトリック
   ス形燃料電池の電解液補給構造。