JPS59196579A - マトリツクス形燃料電池 - 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】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は電解液が多孔質のマトリックス層ある電池すな
わち、いわゆるマトリックス形燃料電池に関する。

〔従来技術とその問題点〕

前記マトリックス形燃料電池においては、前記の電解液
を保持するマトリックス層は触媒を含む正負１対の多孔
質の電極層間に挟持され、該両電極層のマトリックス層
とは反対の側から燃料ガスおよび酸化ガスがそれぞれ供
給され、該両電極層内で触媒と電解液と燃料または酸化
ガスとが電気化学的反応を生じて発電作用が営まれるが
、従来技術の問題点の説明に先立ち、理解を容易にする
ためこの種燃料電池の構造を第１図によシ説明する。

第１図（ａ）においては、前述のように電解液たとえば
燐酸は絶縁性で多孔質のマトリックス層ｌに浸透された
形で保持されておシ、その両側に燃料ガス電極層２およ
び酸化ガス電極層３が配される。

さらにこの両ガス電極層２．３の外側にはそれぞれ導電
性のカーボン電極板４，４がそれぞれ配されるが、この
第１図（ａ）の場合の両力−ボン電極板４．４は多孔質
の例えばグラファイト系のカーボン材料からなり、図示
のように互いに直角に切られた複数個の＃Ｉ４ａ　、　
４ｂからそれぞれ供給される燃料ガスおよび酸化ガスが
これらの電極板４．４の内部を通って、前述の燃料およ
び酸化ガス電極層２．３にそれぞれ拡散される。なおこ
れらの燃料および酸化ガス電極層はそれぞれ触媒を含む
薄い多孔質の層なので、図示のようにそれぞれカーボン
電極板４，４に結着されており、酸化ガス電極層３の方
にはマトリックス層１も重ねられた状態が示されている
。図の５は燃料ガスと酸化ガスとの混合を防止するため
のセパレータ板であって、ガス非拡散性の材料からなる
板、例えば稠密なグラファイト板やチタニウム板である
。前述の燃料ガス電極／ｍ　２とカーボン電極板４とを
会わせた積層単位体およびマトリックス層１と酸化ガス
電極層３とカーボン電極板４とを合わせた積層単位体は
それぞれその周縁部をガス密ないしけ液密な図示しない
シールで包まれた上で、前記のセパレータ板５と重ね合
わされて単位電池を構成する。さらにかかる単位電池は
図の上下方向に多数個積層されて、積層された燃料電池
を構成するが、前述のセパレータ板は導電性の接続体と
して働き、上下に重ねられる単位電池を直列接続する役
目も果す。なお、前述の単位電池において、燃料ガス電
極層２とカーボン電極板４とが電池の正の電極を、酸化
ガス電極層３とカーボン電極板４とが負の電極を構成す
る。

第１図（ａ）のカーボン電極板４がその一方の表面にの
みガス供給のための溝４ａまたは４ｂを備えるいわゆる
モノポーラ形であったのに対し、第１図（ｂ）に示され
たカーボン電極板６ばその両側の表面に燃料ガスおよび
酸化ガスをそれぞれ供給するための溝６ａ　、　６ｂを
備えたいわゆるバイポーラ形に形成されている。さらに
このカーボン電極板６はガス非透性の導電性材料で構成
され、隣合う単位電池間で燃料、酸化両ガスが混合しな
いように隔離するとともに両単位電池を直列接続する役
目を兼ねている。この第１図Ｃｂ）の場合は、電解液を
保持するマトリックス層ｌの図の下側の表面には燃料ガ
ス電極層２が、上側の表面には酸化ガス電極層３が重ね
合わされていて、三者が一体化された形で図示されてい
る。このマトリックス層１．燃料ガス電極層２および酸
化ガス電極層３が重ね合わされてその周縁部がシールさ
れた積層単位体と、前述のカーボン電極板６のうちの１
個とが単位電池を構成し、第１図（ａ）の場合と同様に
かかる単位電池が多数個上下方向に積層されて燃料電池
を構成する。なお、積層燃料電池の第１図（ａ）および
（ｂ）で矢印Ｐ、Ｑで示された側面から燃料ガスおよび
酸化ガスがそれぞれ電池に供給される。

さて、上述のような単位電池あるいは積層電池内におい
て、電解液はマトリックス層１内に保持されており、か
つその中に閉じ込められている。

従って、電解液は原理上消費されるものでないにせよ、
電池の発電運転中になんらかの原因で電解液が電池外に
漏出ないし逸出したときは補充をすることができない。

このように万一電解液が不足になったときには、電池は
正常に発電作用を営む　５− ことができなくなる。これを第２図によシ説明する。

第２図はこれを図示のようにモノポーラ形のカーボン電
極４を用いた場合を例に模式的に示したもので、まず電
解液が正規量だけマトリックス層１内に保持され、かつ
これと隣り合う多孔質の燃料ガス電極層２および酸化ガ
ス電極層３０Ａで示す部位にまで浸出しているとする。

この状態では両電極層２，３内では触媒の同相と電解液
の液相と燃料葦たは酸化ガスの気相との３相が共存状態
にあり、この条件で電池は正常な電気化学的反応従って
発電作用を宮み得る。しかし、いま前述のように電解液
量に不足を生じガス電極層２または３Ｐ′３に浸出し得
す、図でＢで示す部位に留まったとすると、ガス電極層
２′！、たけ３内には液相が欠落し、従って前述の３相
共存条件が満たされなくなシ、発電作用は停止する。ま
た逆にもし最初にマ）　ＩＪツクス層層内内保持される
電解液量が過剰であって、電解液がガス電極層２またけ
３中の前述のＡの部位を越えて浸出し、ガスを押し出し
て　６− 図のＣで示す部位にまで浸出したとすると、ガス電極層
はいわば電解液中におほれた状態となって同じく３相共
存条件がくずれ、発電作用が停止する。もつとも前述の
部位ＢまたはＣで示す極端な場合に至らなくても、最良
の３相共存条件が満たされる部位Ａから電解液の浸出範
囲がずれると、電池の発電作用は停止しないまでも若干
は低下せざるを得ない。このようにガス電極層内への電
解液の浸出範囲は、電池の発電能力ひいては発電効率に
重大な影響を及ばず。

前述のような電解液の浸出範囲はマトリックス層１内に
保持される電解液量によって左右されるだけでなく、容
易にわかるように燃料ガスまたは酸化ガスの圧力によっ
ても左右される。すなわち、例えば図の溝４ａ内の燃料
ガスの圧力が高ければ、このガス圧によって電解液の浸
出範囲は狭くなってＢの状態に近づくシ、逆に燃料ガス
の圧力が低すぎてもＣの状態に近づく。溝４ｂ内の酸化
ガスの圧力の影響についても同様である。

以上の問題点の解決のための試みの例を第３図に示す。

すなわち、図示のようにカーボン電極板４のｍ４ａのな
い部分の適所に液浸透性の良い親液部分４ｃを設け、こ
の部分４ｃに電解液を保持させておく。カーボン電極板
４は、例えばふっ素樹脂を含浸、焼付けるなどして元素
は撥液性の多孔質に形成されるので、かかる撥液処理を
部分的に施さないようにすれば、上述の親液部分４ｃを
設けることができる。またガス電極層はふつうは親液性
であシ、場合によりとくに第１図（ｂ）のような場合に
はそのカーボン電極側部分に撥液処理を施される場合も
あるが、この場合にも前と同様にして親液部分２ａを設
けることができる。このような親液部分４ｃおよび２ａ
を設けることにより、電解液が失われる場合に備えて、
あらかじめこれらの部分に電解液を保持させておくこと
ができるし、あるいはマトリックス層１に保持させる電
解液が過剰になっても正規量を越す余分の電解液をこれ
らの部分に逃か′しておくこともできる。しかし、この
よう　　　　“な構造においては、電解液の浸出範囲を
制御できる範囲は最初に電池が裏作されたときの材料や
構成によって決まってしまい、電池の運転時に電池外か
ら望むように制御することはもちろんできないし、たと
え最初の状態が最良の条件を満たすように電池が製作さ
れていたとしても、運転中にかかる条件が変わって来た
とき調節し直すわけには行かない。

さらに、電解質の浸出範囲を燃料ガスや酸化ガスの圧力
を変えることによって制御することは原理的に可能では
あるが、かかるガス圧をマトリックス層のガスの吹き抜
は圧力以上に上げることは当然できないし、ガス圧をあ
る限度以下に弱めれば当然電池の発電作用が減少してし
まう。またマトリックス層はガス差圧に対して一般的に
弱いので、燃料、酸化ガス間に大きな圧力差を持たせる
ことも一般には禁物である。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、従来技術の前述のような問題点を解決
して、燃料電池の運転中においてもガス電極層内への電
解液の浸出範囲を電池外から制御できるように燃料電池
を構成し、ガス電極層内の　９− ３相共存条件を常に満たしながら該電池を確実にかつ効
率よく運転できるようにすることにある。

〔発明の要点〕

本発明においては上述の目的の達成のために、単位電池
内に燃料ガスおよび酸化ガスのいずれからも隔離された
閉鎖空間をまず画成する。かかる閉鎖空間は比較的厚さ
の大きなカーボン電極板の内部にあるいはその側方に設
けるのがよい。カーボン電極板がガス非拡散性の前のバ
イポーラ形の場合は、カーボン電極板の内部に閉鎖空間
を画成しても燃料ガスや酸化ガスと簡単に隔離すること
ができるが、カーボン電極板が多孔質のモノポーラ形の
場合にはカーボン電極板の内部に画成する閉鎖空間はそ
の壁をガス非拡散性にする必要がある。もちろん閉鎖空
間をカーボン電極板の側方に設ける場合には、その壁を
最初からガス非拡散性に構成しさえすればガスとの隔離
は容易である。

次にこのようにして設けた閉鎖空間とマトリックス層と
を連通ずることにより、この閉鎖空間内の圧力がマトリ
ックス層内に保持された電解質に伝１０− 達されるようにする。かかる連通のためには閉鎖空間の
壁に連通孔を設けて、この連通孔の出口をマトリックス
層の表面に開口させてもよいし、この出口にマトリック
ス層の延長部をもって来てもよい。最後に閉鎖空間から
連通路を小さなバイブなどの手段で電池外に導出する。

以上の構成により、電池外に導出された連通路を介して
所望の圧力を閉鎖空間に印加することができるようにな
り、前述のように閉鎖空間はいずれのガスからも隔離さ
れているので、これらのガスとは独立に閉鎖空間、従っ
てマトリックス層内の電解液に所望の圧力を掛けて、ガ
ス電極層内への電解液の浸出範囲を容易に所望の値に制
御することができる。なお、閉鎖空間には電解液を満た
してしまってもよいし、閉鎖空間内に電解液の液面を形
成させ該液面に前述の連通路を介して窒素ガスなどによ
って加圧するようにしてもよい。

〔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４図および第５図はモノポーラ形のカーボン電極
の側方に閉鎖空間１０を設けた実施例を示すもので、第
５図は第４図のＸ−Ｘ矢視断面を示し、第４図は第５図
のＹ−Ｙ矢視平面図である。図示のように燃料ガスを供
給するための溝４ａを備えた下側のカーボン電極板４の
幅は上側のカーボン電極板４よりも狭く形成され、その
幅の差部分に閉鎖空間］０を画成するための下方に開口
した箱状に形成された画成部材１１が配置されている。

この画成部材１１は液卵浸透性でかつガス非拡散性の材
料、例えばセパレータ板５と同じ稠密なグラファイト材
料やチタニウムによ多形成することができ、電池の運転
温度例えば１８０〜２００度Ｃにおいても燐酸に対する
耐薬品性の優れたものとする。画成部材１１の一方の下
端は図示のようにセパレータ板５に切られた溝５ａに嵌
め込まれておシ、図示の単位電池が積層されて上下から
締め付けられても側方にせり出すことがないよう係止さ
れている。なお、画成部材の他方の下端面とセパレータ
板５との間に図示しない液密なパツキンを介挿すること
ができる。また前述の画成部材の一方の下端部には連通
孔１１ａが第４図に示すように適所に切欠きによって形
成されていて、マトリックス層１との連通路を形成して
いる。なお、画成部材１１はセパレータ板５と一体に形
成してもよく、この場合には画成部材を上方に向けて開
口し、該開口を第５図に示すパツキン１６によシ閉鎖す
るように構成するのがよい。また第４〜５図の例では閉
鎖空間１０は下側のカーボン電極板４の一方の側方にの
み設けられているが、両・側方に設けるようにしてもよ
いことはもちろんである。

閉鎖空間１０からは第４図に示すように細いパイプ１２
によって電池外への連通路が導出される。燃料ガス電極
層２と下側のカーボン電極板４０周縁部は、図示のよう
に薄いふっ素樹脂シートなどを用いたシール層１４によ
って外方から囲まれていて、溝４ａからの燃料ガスが側
方に漏出しないように考慮されている。マトリックス層
１の図の左方端部は屈曲部１ａとなっていて、この屈曲
部１ａの先端部が閉鎖空間１０内の電解液１３と前述の
連通孔１１ａを介して接触している。酸化ガス電極層３
と上側の１３− カーボン電極板４０周縁部にも、第５図に示すようにシ
ール層１５が設けられておシ、この左方周縁部は前述の
パツキン１６として形成してもよい。なお、マトリック
ス層１の三方の周縁部には第４図に示すようにパツキン
１７が配されていて、電解液が側方に漏出しないように
されている。

前述のようにこのように構成された単位電池は第５図の
上下方向に多段積層され、該積層電池体の第４図の上下
側の１対の側面には燃料ガスの供給、排出用のマニホー
ルド蓋１８　、１８が、左右側の１対の側面にも酸化ガ
ス用のマニホールド蓋東。

１９が取り付けられる。前述のバイブ１２はこのマニホ
ールド蓋１８のない側面部分から導出されてお夛、各単
位電池から導出されたパイプは、図示しない集合管に接
続される。以上の説明かられかるように、かかる集合管
からバイブ１２　、閉鎖空間１０．連通孔１１ａを通じ
てマトリックス層１内に保持されている電解質に所望を
圧力を加えることができる。

第６図および第７図に本発明の異なる実施例が示されて
いる。第７図は第６図のＺ−Ｚ矢視断面１４− 図であシ、第６．７図とも要部のみが示されている。こ
の実施例の場合には、閉鎖空間２０は前の実施例と同様
にモノポーラ形として構成されたカーボン電極４，４の
内の庸鴨ス供給用の溝４ｂを備えた上側の方の中に作り
込まれている。この場合に閉鎖空間釦を画成する部分２
１は、多孔質のカーボン電極板４の一部にふっ素樹脂な
どを含浸かつ加熱処理を施して、撥液性でかつガス非拡
散性にすることにより形成される。このふっ素樹脂の含
浸け、未硬化のふっ素樹脂を水溶媒に分散させた分散液
中にカーボン電極板を浸漬したシ、かかる分散液を画成
部分２１の表面に塗布したりする手段で行なうことがで
きる。一部にふっ素樹脂をこのようにして含浸されたカ
ーボン電極板４は、風乾などで十分に溶媒を飛散させた
後に、ふっ素樹脂の硬化温度まで加熱することによシ、
ふっ素樹脂を硬化させて電解液に対する耐薬品性を付与
する。

閉鎖空間の画成部分２１の底部には連通孔２１ａが設け
られており、密閉空間内の電解液はマ）　ＩＪツクス層
１の周縁部のシール層２′３に明けられた連通孔２３ａ
を通してマトリックス層１内に保持された電解液に連通
される。この実施例の場合にも閉鎖空間を電池外に連通
させる連通路と素モ小径のパイプ２２が設けられる。な
お図の４はパツキンである。

前述の二つの実施例においては、いずれもカーボン電極
板がモノポーラ形である場合について示したが、カーボ
ン電極板が第１図（ｂ）に示すようなバイポーラ形であ
る場合にも、本発明はその要旨内において実施をするこ
とができる。この場合はカーボン電極板はガス非拡散性
であって、同時に液弁浸透性でもあるので、閉鎖空間を
前述の実施例よりはさらに容易に単位電池内に画成する
ことができる。

〔発明の効果〕

以上説明のとおシ、本発明においては触媒を含む正負１
対の多孔質のガス電極層間に電解液を保持したマトリッ
クス層を挾み、該両ガス電極層の前記マトリックス層と
は反対の側から燃料ガスと酸化ガスをそれぞれ供給する
燃料電池に対して、単位電池内に燃料ガスおよび酸化ガ
スのいずれからも隔離された閉鎖空間を画成し、該閉鎖
空間をマトリックス層内に保持される電解液に連通し、
また該閉鎖空間と連通ずる連通路を電池外に導出するよ
うにしたので、燃料ガスや酸化ガスとは独立に閉鎖空間
内の圧力、従ってこれと連通ずるマトリックス層内の電
解液の圧力が制御可能になり、電解液のガス電極層内へ
の浸出範囲を電池の運転中においても外部から制御する
ことができる。すなわち、もし電池の運転中に電解液が
なんらかの原因で失なわれて、ガス電極層内に十分浸出
できなくなっても、前記の連通路を介して電解液への加
圧を強めてやれば、電解液は燃料ガスおよび酸化ガスの
圧力に抗してガス電極層内に浸出するので、該ｊ−内の
電解液の欠除のために発電作用が停止したり、発電能力
が低下するのが避けられる。

あるいは逆に１製作時に電解液を過剰にマトリックス層
内に保持させてしまい、ガス電極層の大部分に電解液が
浸出して燃料ガスや酸化ガスを押し出してしまっても、
連結路からの封圧をガス圧力１７− に比して減少させてやれば、ガス電極層内のガス相欠除
による発電作用の停止や発電能力の低下を避けることが
できる。また、燃料ガスの圧力と酸化ガスの圧力もある
範囲ではあるが制御可能量であるから、電解液圧力との
差圧を独立に制御することによシ、燃料ガス電極層への
電解液浸出範囲と酸化ガス電極層への電解液浸出範囲と
を独立に制御することも可能であり、これによって両ガ
ス電極層内の３相共存条件を最良の値に維持し、従って
電池の発電効率を高い値に維持することができる。

また、電解液は電池の長期運転期間中に多少は必ず失な
われて行くものであるから、電解液の補給問題はマ）　
ＩＪラックス形料電池の運転信頼性の向上のため重要事
項であるが、本発明によるマトリックス形燃料電池にお
いては、前述の外部に導出された連通路から閉鎖空間を
通してマトリックス層に電解液を電池の運転中に補給す
ることが可能であり、従来困難とされていたマトリック
ス形燃料電池への電解液補給問題をも解決することが１
８− できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の対象としてのマトリックス形燃料電池
の基本構成を示す斜視図、第２図はガス電極層内への電
解液の浸出状態を説明する同電池の模式断面図、第３図
は従来技術を説明するためその要部を示す一部切欠き斜
視図、第７図は第６図の２−２矢視断面図である。図に
おいて、１・・・マトリックス層、５ａ　＋　２１ａ　
、　２３ａ・・・閉鎖空間をマトリックス層内の電解液
に連通ずる連通孔、２．３・・・ガス電極層、１０　、
２０・・・閉鎖空間、１２　、２２・・・連通路として
のパイプ、１３・・・電解液である。 １９− 第１図 第２図 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）触媒を含む正負１対の多孔質のガス電極層間に電解
   液を保持した多孔質のマトリックス層が挾持され、該両
   ガス電極層の前記マトリックス層とは反対の側から燃料
   ガスおよび酸化ガスがそれぞれ供給される燃料電池にお
   いて、前記両ガス電極層およびマトリックス層を備えた
   単位電池内に前記燃料ガスおよび酸化ガスのいずれから
   も隔離された閉鎖空間を画成して該閉鎖空間を前記マト
   リックス層内に保持される電解液と連通ずるとともに該
   閉鎖空間と連通ずる連通路を電池の外部に導出し、該連
   通路を介して前記閉鎖空間内の圧力を前記燃料ガスおよ
   び酸化ガスの圧力とは独立に制御しうるようにしたこと
   を特徴とするマトリックス形燃料電池。