JPS60227361A - 燃料電池の反応ガス給排内部構造 - 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】 【発明の属する技術分野】

本発明は、燃料電池に反応ガスを給排するための反応ガ
ス通路が反応ガスを受けて発電作用を営むガス拡散性電
極の電解質との接触面とは反対側の面に接して電池内部
に画成されるように構成された燃料電池、とくに近年実
用的な大容量形電池として重要視されているりん酸電解
質を用い反応ガスとして燃料ガスに天然ガスを改質して
得られる水素ガスを酸化ガスに空気を用いる燃料電池に
対する反応ガスの供給排出構造、とくにその電池内構造
に関する。

【従来技術とその問題点】

前述のような燃料電池ではその実用化時期に入るととも
に電池内部で消費される反応ガス量が増大して来ており
、これに伴って従来あまり問題にならなかった点が新し
い問題として生じて来るようになった。すなわち、電池
内で消費される反応ガス量が増えると広い面積内の反応
ガスの圧力分布や濃度分布が均一でなくなり、薄い電極
層や電解質を保持するマトリックス層に差圧がかかって
反応ガスの漏洩のおそれが生じたり、電極面内での発電
量が不均一になって電極内の活性物質が部分的に劣化す
るおそれが高くなる。また、燃料電池の固有の課題とし
て、反応ガスの電気化学的な反応の結果生成される反応
生成物すなわち水を円滑に電池外に排出する必要がある
が、反応ガスの供給排出量が電極面内で不均一でｉると
、反応生成水の除去が充分でない個所では、電極層内の
活性物質が電解液に溺れてしまって反応ガスが供給され
なくなってしまうので、発電作用自体が低下してしまう
ことになりかねない、このため、反応ガスの電池内部の
供給排出手段としては従来から種々の構造が考えられて
来ており、例えば特開昭５７−１９９１８２号、特開昭
５８−１６３１８１号ほかが公知である。 かかる公知例を説明する前にまず第８図を参照して燃料
電池の基本構造例を説明する。第８図はいわゆるリブつ
きセパレータ４を用いる形式の燃料電池の単セルを示す
ものであって、中央に電解質としてりん酸を保持する多
孔質のマトリックス層があり、これに接して燃料ガス電
極２と酸化ガス電極３とがその両側に配設されている。 セパレータ４はさらにその両側に配されており、その両
面には図示のように互いに直交する多数の溝４ａ、　４
ｂが切られており、その内溝４８は燃料ガス電極層２に
燃料ガスとして水素を供給する燃料ガス通路を。 溝４ｂは酸化ガス電極３に酸化ガスとして空気を供給す
る酸化ガス通路を形成している。実際の燃料電池は図示
のような単セルが公知のように図の上下方向に多数積み
重ねられた積層燃料電池であって、かかる積層体の４個
の側面を利用して反応ガスの供給排出が行われ、その模
様が第９図に示される。 第９図（ａ）、（ｂ）には上述の反応ガスのための通路
としてのセパレータ４の溝４ａ、　４ｂが水平横断面で
示されており、供給燃料ガスＦは図では上方から溝４ａ
に供給され、排出燃料ガスＦｅは線溝４ａから図ではＦ
方に向けて排出される。同様に供給酸化ガスＡは図では
左方から供給されて、溝４ｂを経て排出酸化ガスＡｅが
図では右方に排出される。かかる排出の給排のため同図
（ｅ）に示すように積層燃料電池ｌＯの４個の側面には
マニホールド１ｌＥ１１〜１４が取付けられており、例
えば図では上方の側面１０ａには燃料ガス供給マニホー
ルド蓋１１が、これに対応する図では下方の側面１０ｂ
には燃料ガス排出マニホールド１２が取付けられる。な
お、１５はマニホールドＭＩＩ〜１４と電池の側面との
間に介挿される反応ガスのシールのためのパツキンであ
る。 さて、燃料電池に供給される前述の燃料ガスＦと酸化ガ
スＡとは必ずしも反応性ガスのみを含むものではな（、
公知のようにふつうはかなり多量の非反応性ガスを含む
０例えば改質ガスとしての供給水素Ｆは炭酸ガスを含み
、非反応性の炭酸ガスは電池内で消費されなかった水素
とともにそのまま排出水素Ｆｅの中に含まれる。酸化ガ
スＡとしての空気のほぼ８０％は非反応性の窒素である
。従って、燃料電池内に流される反応ガスは電池内での
消費に必要な量の少なくとも数倍に達し、大形の燃料電
池では反応ガス道路４ａ、　４ｂの入口と出口との間の
圧力の落差が無視できない程度に達する。 このような電極面内での反応ガス圧力の不均一のため、
電極２．３およびマトリックス層１の両面にかかる圧力
の差は電極面内の位置により異なってくる。これらの電
極やマトリックス層の厚さは小さく、かついずれもガス
拡散性ないしはガス透過性であって、このような差圧に
対してはマトリックス層内に保持された電解質が対抗し
うるのみであるから、差圧が大な局所では電極層２．３
およびマトリックス層ｌを通って反応性ガスが一方から
他方に吹き抜けるおそれがあり、もし吹き抜ければ非常
に危険な爆鳴気が電池内で生しることになる。 第１０図に示された公知例はかかる電極面の反応ガス間
差圧の分布を均一化させる一手段であって、同図（ａ）
に示すように燃料ガス系がＦｌ、　Ｆ２で示したように
２分されており、しかも図で一点鎖線で示された上下方
向の中央線の左右で流れる方向が逆向けにされている。 酸化ガス系も同様に同図山）に示すように左右方の中央
線の上下で酸化ガスの流れが逆向けにされており、これ
に応じて同図（Ｃ１のように電池１０の４個の側面のマ
ニホールド１１１〜１４はそれぞれ内部を隔壁１１８〜
１４ａにより２室に仕切られ２個の反応ガス導出入口を
備える構成とされる。この方式では、電極にかかる差圧
を従来の１／２に減少させることができるが、さらに差
圧をされより下げようとすると両反応ガスの流れをそれ
ぞれより多分割しなければならなくなり、マニホールド
の構造や反応ガスの給排のための配管数が複雑化してし
まう。またこの方式に類似な方式として、第１Ｏ図（Ｃ
１で鎖線で示すように二つの対向流の一方の出口を他方
の入口に接続して、両反応ガスの双方または一方をいわ
ば環流させる方式があるが、前述の差圧の面で必ずしも
有利とはいえない。また、この種の方式ではマニホール
ド蓋の隔壁と電池の側面との間のシールが大切になり、
このシールを完全にするために電極面内の中央部におけ
る溝間の山４ｃ、　４ｄの幡を他の場所における山の幅
より広くする必要が生じる場合もあるが、電極面の有効
利用の見地から見て必ずしも得策といえない。 第１１図に示された従来例では前述の環流式の環流路が
電極面内に設けられたいわば内部環流式の形をとってお
り、同図（ａｌ、（ｂ）に示すように電極面内の反応ガ
スの流れはＵ字形（またはＷ字形）になっている。かつ
、この図示の方式では両反応ガスのＵ字脚中の流れは並
行ないしは逆行になっているので、同図（Ｃ１に示すよ
うに隔壁１１ａ、　１２ａで内部が仕切られたマニホー
ルド蓋１１．１２は電池の２個の側面１０ａ、　１０ｂ
にのみ取付ければよく、他の２個の側面１０ｃ、　１０
ｄは電池の冷却手段等に使用できる長所があるが、容易
にわかるように前述の電極面内の最大差圧という点につ
いては必ずしも有利といえない。 このほか、第１２図に示されたいわばＺ字状流路方式、
第１３図に示されたオメガ字状流路方式なども知られて
いるが、いずれも一長一短があり前述のような電極面内
の圧力分布や濃度分布の均一化の見地から万全な方式と
はいい難い。 前にも述べたようにこれらの課題のほかに反応生成分の
円滑な除去の課題があり、この点に関する有利な従来の
従来技術はあまり知られていないが、第１４図を用いて
問題点の所在を説明する。同図は第１図の一点鎖線の楕
円Ｃ１で囲まれた範囲を拡大して模式的に示すもので、
この例の電極３はガス拡散性の疎液層３１Ｎ１発電作用
の主体となる活性層３ｂ、親液層３ｃの３層構成をもつ
薄いシート状体である。マトリックス層１に保持された
電解質は親液層３ｃを経て活性層３ｂにまで浸出し、該
活性層内の活性物質により疎液層３８側から拡散して来
た反応ガスＡとの間に電気化学反応を行う結果、反応生
成物として水Ｗが発生する。この反応生成物Ｗは電池が
高温であるため蒸気化し、疎液層３ａ内を拡散して反応
ガス通路４ｂに出て反応ガスＡと一緒に排出される０図
示のように反応ガス通路４ｂから活性層３ｂまでの反応
ガスＡの拡散路と、これと逆向けの反応生成物Ｗの拡散
路とは同一であり、物質移動原理としては拡散現象が支
配的であるから拡散路が重なっていても原理上は差支え
ないものの、移動速度が拡散速度によって律速されるこ
とは避けられず、電極面積あたりの発電量を向上させる
上での障害となって来る。また、同図からも容易に想像
されるように、反応ガス通路４ｂに面する電極３の溝側
部３ｄにおけるよりも、溝相互間の山部に接する山側部
３ｅは反応ガスＡの拡散および反応生成物Ｗの除去ない
しは退散の点で明らかに不利であり、これも発電量を増
大させる上での障害になる。なお、経験的にはこの山側
部における電極の活性を示す有効反応面積は、溝側部の
それの約７０％に落ちることが知られている。

【発明の目的】

上述のような事情に立脚して、本発明は電極面内の反応
ガスの圧力分布と流れとを均一化し、電極面積の利用効
率を向上し、かつ反応生成物の退散を円滑化することに
より燃料電池の性能を向上させることを目的とする。

【発明の要点】

本発明によればこの目的は、冒頭に記載の形式の燃料電
池を、反応ガス通路を互いに隔離して画成された反応ガ
ス供給路と反応ガス排出路とに分離して形成し、該両反
応ガス路に接する電極面部分を透気性に構成し、該透気
性部を介して反応ガスが前記反応ガス供給路から反応ガ
ス排出路に向けて透気されるように構成することにより
達成される。すなわち本発明においては、反応ガスの給
排路としての反応ガスが流通される溝のほかに、電極の
線溝に接する透気性部が反応ガスの流通分布に貢献する
ようになるので、電極全面に亙って反応ガスが均一に電
極の活性部に供給される。また、反応ガス通路自体もも
はや従来のように反応ガスの供給と排出とを兼ねたもの
ではなく、反応ガス供給路と反応ガス排出路とに明確に
機能分離されるので、前述の電極の透気性部への反応ガ
スの流通が一層促進され、かつ反応生成物はもっばら反
応ガス排出路を介して反応ガスとともに電池外に排出さ
れるので、反応生成物の退散路が反応ガス供給路と重な
ることがなくなり、反応生成物の退散が非常に円滑に行
われるようになる。 この反応ガス通路の供給路と排出路への分離による効果
を高める上では、両路の内の少なくとも一方を袋小路状
の行き止まり路ないしは閉鎖路に形成するのが有利であ
る。これによって反応ガスは、はぼないしは完全に電極
の透気性部に強制的に流通されるようになる。なお、電
極の透気性部を介してのみ反応ガスが供給路から排出路
に流れるように構成した場合にも、該透気性部内の反応
ガスの圧力降下分は供給路と排出路との分布構成と透気
性部の構成とを適切にすれば数十ミリメートル水柱以内
に収めることができるので、本発明の実施のために反応
ガスの電池への供給差圧をとくに高める必要はなく、ま
た供給路と排出路の一方または双方を従来どおりの両端
開口路とすることによりこの供給差圧を低めに偶節する
こともできる。供給路や排出路を行き止まり路として形
成したときには、その内部での反応ガスの圧力降下は僅
少であり、これによって電極面内に極めて均一に反応ガ
スを供給することができるようになる。 本発明の他の望ましい実施態様は特許請求の範囲第２項
以下において、および次に述べる発明実施例において記
載されたとおりである。

【発明の実施例】

以下に図を参照しながら本発明の実施例を詳しく説明す
る。 第１図は本発明の第１の実施例を示すもので、同図ｔａ
＋には同図中）のＹ−Ｙ切断線に応じた単セルの縦断面
が、同図中）には同図＋ａｌのＸ−Ｘ切断線に応じたそ
の横断面が、同図（Ｃ１には同図円の鎖線の楕円Ｐで示
された部分の要部拡大図が示されており、第８〜１４図
に示した従来例の部分に相応する部分には同じ符号が付
されている。この実施例はセパレータ４がいわゆる両面
リブ付きのセパレータとして構成された場合に本発明を
適用したもので、該セパレータ４の下面には第１図（８
）に示すように燃料ガス用の溝４ｄ、　４ｅが、その上
面には酸化ガス用の溝４ｆ、　４ｇが設けられており、
セパレータ４自体は非透気性の導電性材料たとえば稠密
なグラファイトからなる板状体として構成される。これ
らの溝は同図中）の４ｄ、　４ｅに示すようにいずれも
直線状の行き止まり路であり、燃料ガス供給溝４ｄと燃
料ガス排出溝４ｅとは交互にかつ互いに反対方向に開口
するように設けられている。同様に詳細には示されてい
ない酸化ガス供給溝４ｆと酸化ガス排出溝４ｇとは、セ
パレータ４の反対側の面に前述の溝４ｄ、　４ｅとは直
交する方向に同じように配設される。同図中）には供給
燃料ガスＦ、排出燃料ガスＦｅ、供給酸化ガスＡおよび
排出酸化ガスＡｅの流通方向が矢印で示されている。ま
た同図中）がらゎがるように、セパレータ４の図では左
右の端縁部には燃料ガス供給溝４ｄが配置されており、
これによって該端縁部に接する電極２にも反応ガスとじ
ての燃料ガスの供給が十分に行き渡るように考慮されて
いる。 第１図（Ｃ）に断面で模式的に示された燃料ガス電極２
ばこの実施例の場合は３層構造のシート状体であって、
たとえばカーボンないしグラファイト繊維を集積化した
不織布状基材に活性物質としての貴金属触媒類を担持さ
せ、かつふっ素樹脂系の撥水性材料を適宜量かつ要所に
含有させてなる。 電解質が保持されているマトリックス層１に接して配さ
れる該電極２の親液層２ａは、撥水性材料を含まず透液
に有利な多孔度に構成され、電解質は該親液層を通って
活性物質を含み、かつ適宜の撥水性とガス拡散性とを付
与された次の活性層２ｂに浸出する。該電極２の溝４ｄ
、　４ｅに接する透気性部ないしは透気性層２ｃには大
きな透気度が付与きれており、供給溝４ｄ内の反応ガス
としての供給燃料ガスは該透気性層２ｃ内を透過して活
性層２ｂ内に容易に拡散して発電作用のための電気化学
反応に参加しうる。該電気化学反応に参加しなかった供
給燃料ガスＦは供給溝４ｄの図の左°右に配設された排
出溝４ｅの方に流通し、活性層２ｂ内で発生した反応生
成物Ｗとともに該排出溝４ｅを介して電池本体外に導出
される。同図中）には、この電極面内の透気性層２ｃに
おける供給燃料ガスＦと排出燃料ガスＦｅとの流れが実
線の矢印で１反応生成物Ｗの流れが鎖線の矢印で示され
ている。酸化ガスＡについての供給排出の流れや反応生
成物Ｗの流れの態様もこれと同じである。 以上の説明かられかるように、この実施例では反応ガス
の供給路と排出路とは互いに隔離され、かついずれも行
き止まり路として形成されているので、反応ガスは必ず
電極の透気性部を経て供給路から排出路の方に流通する
。また、該透気性部内の反応ガスの圧力分布としては、
供給路付近から排出路付近までの間の圧力落差は若干必
要であるが、電極面全体に互って平均値は極めて均一に
保たれる。また供給路と排出路との間の透気性部には反
応ガスが必ず流通し、従ってこの部分の活性層にも常に
反応ガスが十分に行き届くので、反応ガスの供給不足部
分は生ぜず、電極活性が電極全面に亙って均一に保たれ
、かつ反応生成物の排出も円滑に行われる。もっとも、
第１図ｆａ＋、（ｂｌの図では左右の端縁部ないしは周
縁部においては、反応ガス反応生成物の排出面で他の部
分よりも若干条件が不利になることは避けられないが、
それでも透気性層が従来よりは透気度が高いのでこれよ
りも不利になることはなく、またこの周縁部はマトリッ
クス層ｌへの電解質の補絡路や電解質の補給用リザーバ
が設けられる個所であって、元来発電作用があまり期待
できない部分なのでとくに実害はない。なお同図（ａ）
に示すように、この左右の周縁部からの透気性層２ｃか
らの反応ガスおよびマトリックス層１内の電解質の電池
本体側面への漏出を防止するために薄いシール層１６が
設けられる。もっともこのシール層１６は従来から必要
なものであって、本発明の実施のために新しく必要とさ
れるわけではない。 第２〜４図はこの実施例のように構成された燃料電池の
サンプルを電池の運転圧力をゲージで４気圧、運転温度
１９０℃の条件で試験した結果を示すもので、いずれも
縦軸には電池の発電性能の指標として発電電圧Ｖが示さ
れており、また図中ａの曲線は本発明を実施した燃料電
池の性能を、ｂの曲線は従来の電池の性能例を示してい
る。第２図の横軸は電池の負荷電流を電極の有効面積で
除した電流密度σを示し、図かられかるように電流密度
の増加とともに従来の燃料電池では過負荷状態でかなり
急激な電池電圧の降下が観測されるが、本発明構造を実
施した電池では降下の程度が改善されている。これは本
発明の場合、電極の全面積に互って反応ガスの供給が均
一かつ十分であるため、高電流密度下でも反応ガスの供
給が不充分になるような電極部分が少ないからであると
考えられる。第３図は横軸に反応ガスとくにこの場合は
酸化ガスとしての空気の利用率Ｘがとられている。 空気中の酸素の利用率を上げると、電極のある部分には
酸化ガス不足が生じやすくなり、どうしても発電電圧が
下がる傾向を避けることができないものであるが、この
面でも本発明の場合の方が従来の場合よりも電圧降下傾
向が緩和されていることがわかる。反応ガスの電極全面
に亙っての円滑かつ十分な供給がこの改善の原因と思わ
れる。最後の第４図の場合は横軸に電池の運転時間がと
られており、本発明を実施した電池の方が従来例よりも
長期運転後の電圧劣化の傾向が少ないことがわかる。こ
の原因は必ずしも明確ではないが、反応ガス供給の均一
さや反応生成物の除去の充分さによって、電極面内の局
部過熱等による局部的な電極の劣化が従来よりも少なく
なったものと推定される。 第５図は本発明の第２の実施例の原理を示すもので、こ
の場合も第１の実施例と同じくセパレータ板４として不
透気性のリブ付きセパレータが用いられているが、横断
面で図示されたセパレータ用に設けられた反応ガスの供
給溝４ｄと排出溝４ｅとは交互にかつ互いに並行に、た
だしすべて電池の龜 一方の側面に開口するように形成されている。この場合
の電極層の透気件部中の反応ガスの流通方向が図では左
右方向の実線の矢印で示されている。 したがって、″の実施例における反応ガスの給徘の態様
は第１の実施例の場合と大差はないが、一種の反応ガス
の供給、排出を電池の一側面からできる利点がある。こ
の模様は第６図により詳しく示されており、図示のよう
に供給燃料ガスＦと排出燃料ガスＦｅとの電池への出入
は、図では右方の電池の１側面１０ａに取り付けられた
中央部に隔壁１１ａを有するマニホールドＩ［１１の反
応ガス供給口１１ｂおよび反応ガス排出口１１ｃから行
われる。電池の該側面１０ａにそれぞれ開口する反応ガ
ス供給溝４ｈと反応ガス排出溝４１は図示のようにやや
迷路状の、ただし行き止まり路として形成され、かつ反
応ガス供給溝４ｈの方がセパレータ４の周縁部におおむ
ね位置するように配設されている。この実施例における
もう一方の反応ガスすなわち酸化ガスとしての空気の電
池への給排は、前述の電池側面１０ａとは反対側の側面
１０ｂに取り付けられるマニホールド蓋を介して行い、
残余の側面１０ｃ、　１０ｄは電池の冷却のための冷媒
の出入手段を取り付けるために明けておくことができる
。なお、この実施例の場合の供給溝４ｈは電極周縁部へ
の反応ガス供給が充分にできるよう電池の側面に近接し
て配されており、また前と同様に電極の透気性部中の反
応ガスの流通方向が実線の矢印で示されている。 第７図は本発明の第３の実施例を示すもので、第１図の
場合と同じく同図＋ａ＋には単電池の縦断面図が、同図
中）にはこれを上方から見た正面図が。 同図（Ｃ１には同図Ｔａｌの鎖線の円Ｑで囲まれた部分
の拡大断面図がそれぞれ示されている。しかし、この第
３の実施例では、前の実施例と異なりセパレータ板４は
リブや溝のない平坦板状に形成されており、反応ガスの
給排用のガス通路は電極側に設けられる。すなわち、こ
の実施例では同図＋ａｌに示すように電極は透気性のグ
ラファイト板などからなる電極基板２０と親液層２ａと
活性層２ｂとから構成されており、この電極基板２０の
上面に図の上方に示された反応ガス供給溝２０ａと反応
ガス排出溝２０ｂとが反応ガス通路として設けられてい
る。これらの溝２０ａ、　２０ｂは同図中）に示すよう
に、交互にがっ反対方向の電池側面に開口する行き止ま
り路として形成され、かつ供給溝２０ａの方が図の左右
の周縁部に位置するように配設される。また他方の反応
ガスに対するガス通路としては、同図＋Ｉｌｌの下部の
電極基板２０の下面に前述の溝２０ａ、　２０ｂと同様
に形成され、ただしこれらとは直交する方向に切られた
供給溝２０Ｃ１排出溝２０ｄが設けられる。 この実施例における電極基板２０は本発明における電極
の透気性部として機能するほか、活性層２ｂおよび親液
層２ａに対する担体としての役目をも果たす、すなわち
、後者の２層は電極基板２０の溝２０ａ。 ２０ｂが設けられたとは反対側の面に公知の方法で順次
付着形成され、その周縁部を電極基板２０とともにシー
ル層１６によってシールされて該基板２０と一体化され
、マトリックス層１およびその周縁をシールするパツキ
ン層１７とともに単位セルないし積層セルの形に重ね合
わされる。このように重ね合わされた状態では、第７図
（ａｌかられかるように反応ガス通路としての溝２０ａ
名２０ｄの上下は、非透気性のセパレータ板４によって
閉鎖され、反応ガス供給溝２０ａ内の反応ガスは同図［
０）に示すように電極基板２０自身の内部を透気した上
で活性層２ｂ内に拡散して電気化学反応に参加する。図
ではこの糸路が燃料ガスＦの流通方向を示す実線の矢印
で示されている。活性層２ｂで反応に参加しなかった燃
料ガスは排出燃料ガスＦｅとして該活性層内で反応によ
り発生した反応生成物Ｗとともに電極基板２０内を透気
して排出溝２ｂに出て、ここから電池外に導出される。 この排出燃料ガスＦｅと反応生成物Ｗの流通方向もそれ
ぞれ実線と鎖線の矢印によって示されているとおりであ
る。 さらにこの実施例においては、電極基板２０は詳しくは
第７図（ｃ）に示すように溝２０ａ、　２０ｂの溝底に
ほぼ相応する境界面２０ｇを境にして上下に透気性部２
０ｅと非透気性部２０ｆとに分かれている。すなわち、
反応ガスの供給溝２０ａと排出溝２０ｂとの間にあたる
山部は非透気性に構成されており、反応ガスが電気化学
反応に参加することなく供給溝２０ａから排出溝２０ｂ
に通り抜けてしまうのが防止されている。かかる非透気
性部２Ｏｆは、最初は透気性に構成された電極基板２０
の山部に樹脂液例えばふっ素樹脂を分散させた分散液を
局部的に含浸させかつ硬化させることによって基板２０
内に作り込むことができる。あるいは、基板２０の成形
時に山部を高密度に圧縮する手段や、山部の構成材料に
あらかじめ樹脂粉末を混合しておいて圧縮成形する手段
により、透気性部２０ｅと非透気性２Ｏｆとを一枚の基
板２０内に作り込むこともできる。樹脂液の含浸液の含
浸硬化法は、電極基板２０の周縁部のシールとしての非
透気性層の形成にも利用することができ、同図中）には
このようにして形成された電極基板２０の周縁部の非透
気性層２０１がハンチングによって例示されている。 以上の説明からもわかるように、この第３の実施例は、
ガス通路が電極側に設けられることと若干の細部を除い
ては、第１の実施例と基本的には同じ構成をもち、電極
の透気性部の透気度を同様に構成すれば同様の電池性能
の向上が果たされる。 電極基材の透気性は、基材構成素材にカーボンないしは
グラファイトの粉末を用いる場合には、その粒度や成形
圧力等を調整することにより十分な透気度をもたせるこ
とができるし、また素材に有ａｍ維系を用いて成形の後
に焼成によりグラファイト繊維化すれば第１の実施例の
場合におけるように大きな透気度の透気性部が得られる
。また第２の実施例と同様に電池の一側面にのみ開口す
るように供給溝と排出溝とを形成することも可能である
ことはもちろんである。

【発明の効果】

以上説明のとおり、本発明構造によれば、燃料電池に反
応ガスを給排するための反応ガス通路が反応ガスを受け
て発電作用を営むガス拡散性電極の電解質との接触面と
は反対側の面に接して電池内部に画成される形式の燃料
電池の反応ガス給排内部構造を、反応ガス通路を互いに
隔離して画成された反応ガス供給路と反応ガス排出路と
に分離して形成し、該両反応ガス路に接する電極面部分
を透気性に構成し、該透気性部を介して反応ガスが前記
反応ガス供給路から反応ガス排出路に向けて透気される
ように構成したので、反応ガスの給排路としての反応ガ
スが流通される溝のほかに電極の線溝に接する透気性部
が反応ガスの流通分布に貢献するようになるのて、電極
全面に亙って反応ガスが均一に電極の活性部に供給され
るようになり、また、反応ガス通路自体ももはや従来の
ように反応ガスの供給と排出とを兼ねたものではなく、
反応ガス供給路と反応ガス排出路とに明確に機能分離さ
れるので、前述の電極の透気性部への反応ガスの流通が
一層促進され、かつ反応生成物はもっばら反応ガス排出
路を介して反応ガスとともに電池外に排出されるように
なり、反応生成物の退散路が反応ガス供給路とが重なる
ことがなくなって、反応生成物の退散が非常に円滑に行
われるようになる。透気性部内の反応ガスの圧力分布と
しては、供給路付近から排出路付近までの圧力落差は若
干必要であるが、電極面全体に互って平均値は極めて均
一に保たれる。また供給路と排出路との間の透気性部に
は反応ガスが必ず流通し、従ってこの部分の活性層にも
常に反応ガスが十分に行き届くので、反応ガスの供給不
足部分は生ぜず、電極活性が電極全面に亙って均一に保
たれ、かつ反応生成物の排出も円滑に行われる。 このような本発明構造のもつ利点は、とくに燃料電池の
大形の実用機においてその真価を発揮するものであって
、本発明は燃料電池の性能向上に大きな貢献をなしうる
ものと期待される。

【図面の簡単な説明】

第１図から第７図は本発明による燃料電池の反応ガス給
排内部構造の実施例を示すもので、うち第１図は本発明
構造の第１の実施例を示す燃料電池単セルの縦断面図と
横断面図とその要部の拡大縦断面図、第２図は本発明を
実施した燃料電池の試験結果を電流密度と電池電圧との
関係について示す従来例との比較グラフ図、第３図は同
試験結果を反応ガス利用率と電池電圧との関係について
示す従来例との比較グラフ図、第４図は同試験結果を運
転時間と電池電圧との関係について示す従来例との比較
グラフ図、第５図は本発明の第２の実施例の原理を示す
ためのセパレータ板の横断図、第６図は同実施例の具体
構成を示すセパレータ板とマニホールド蓋との組立状態
における横断面図、第７図は本発明の第３の実施例を示
す燃料電池単セルの縦断面図と正面図とその要部の拡大
縦断面図である。第８図から第１４図は従来技術による
反応ガス給排構造の例を示すもので、うち第８図は従来
構造例による単セルの斜視図、第９図は第８図の従来例
におけるセパレータ板と給排マニホールドの構成を示す
断面図、第１０図は異なる従来例におけるセパレータ板
と給排マニホールドの構成を示す断面図、第１１図はさ
らに異なる従来例におけるセパレータ板と給排マニホー
ルドの構成を示す断面図、第１２図および第１３図はそ
れぞれさらに異なる従来例におけるセパレータ板と給排
マニホールドの構成を示す断面図、第１４図は上記の諸
従来例における反応ガスと反応生成物との電極内での拡
散移動の態様を示す単セル要部の拡大断面図である０図
において、 １：マトリックス層、２：燃料ガス電極、２ｃ：燃料ガ
ス電極２内の透気性部（または層）、３：酸化ガス電極
、４：セパレータ（またはセパレータ板）、４ｄ、　４
ｆ：セパレータ４に設けられた反応ガス通路としての反
応ガス供給路（または溝）、４ｅ、４ｇ：セパレータ４
に設けられた反応ガス通路としての反応ガス排出路（ま
たは溝）、１０：燃料電池、１１〜１４；反応ガスの給
排のためのマニホールド蓋、２０：電極２を構成する電
極基板、２０ａ、２０ｃ：ｉｌ極基板２０に設けられた
反応ガス通路としての反応ガス供給路（または溝）　、
２０ｂ、２０　：電極基板２０に設けられた反応ガス通
路としての反応ガス排出路（または溝）　、２０ｅ　：
電極基板２０内の透気性部、２０ｆ：電極基板２０内の
非透気性部、２０１：電極基板２０のイ縁に施された非
透気性処理部、Ａ；反応ガスとしての供給酸化ガス（ま
たは空気）、へ〇：反応ガスとしての排出酸化ガス、Ｆ
：反応ガスとしての供給燃料ガス、Ｆｅ：反応ガスとし
ての排出燃料ガス、Ｗ：反応生成物（または反応生成水
）、である。 才１図 才６図 才８図 Ｔ１２図　才１３図 ＴＩ４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）燃料電池に反応ガスを給排するための反応ガス通路
   が反応ガスを受けて発電作用を営むガス拡散性電極の電
   解質との接触面とは反対側の面に接して電池内部に画成
   されるものにおいて、前記反応ガス通路が互いに隔離し
   て画成された反応ガス供給路と反応ガス排出路とに分離
   して形成され、該両反応ガス路に接する電極面部分が透
   気性に構成され、該透気性部を介して反応ガスが前記反
   応ガス供給路から反応ガス排出路に向けて透気されるよ
   うにしたことを特徴とする燃料電池の反応ガス給排内部
   構造。 ２、特許請求の範囲第１項記載の構造において、反応ガ
   ス供給路および反応ガス排出路のうちの少なくとも一方
   が袋小路状の行き止まり路として形成されたことを特徴
   とする燃料電池の反応ガス給排内部構造。 ３）特許請求の範囲第１項記載の構造において、電極の
   透気性部に接する部分が反応ガスおよび電解質に対して
   電気化学的に活性な活性物質を含む活性部として構成さ
   れたことを特徴とする燃料電池の反応ガス給排内部構造
   。 ４）特許請求の範囲第１項記載の構造において、反応ガ
   ス供給路および反応ガス排出路が電極に接して配される
   非透気性のセパレータ板に設けられた溝として形成され
   たことを特徴とする燃料電池の反応ガス給排内部構造。 ５）特許請求の範囲第４項記載の構造において、セパレ
   ータ板がその各面に反応ガスとして燃料ガスと酸化ガス
   をそれぞれ受容する反応ガス通路としての溝を備えたバ
   イポーラ形のセパレータ板であることを特徴とする燃料
   電池の反応ガス給排内部構造。 ６）特許請求の範囲第１項記載の構造において、電極の
   透気性部が多孔質の電極基板により構成され、反応ガス
   供給路および反応ガス排出路が該電極基板の反電解質偏
   に設けられた溝として形成されたことを特徴とする燃料
   電池の反応ガス給排内部構造。 ７）特許請求の範囲第６項記載の構造において、反応ガ
   ス供給路としての溝と反応ガス排出路としての溝との間
   の電極基板の山部が非透気性に構成されたことを特徴と
   する燃料電池の反応ガス給排内部構造。 ８）特許請求の範囲第６項記戦の構造において、電極基
   板の周縁部に非透気性処理が施されることを特徴とする
   燃料電池の反応ガス給排内部構造。 ９）特許請求の範囲第６項記戦の構造において、電極基
   板の周縁部に非透気性シールが施されることを特徴とす
   る燃料電池の反応ガス給排内部構造。 １０）特許請求の範囲第１項記載の構造において、反応
   ガス供給路および反応ガス排出路が電池の周縁ないし側
   面の互いに相対する面にそれぞれ開口されることを特徴
   とする燃料電池の反応ガス給徘内部構造。 １１）特許請求の範囲第１項記載の構造において、反応
   ガス供給路および反応ガス排出路が電池の周縁ないし側
   面の同一の面に開口されることを特徴とする燃料電池の
   反応ガス給排内部構造。 １２、特許請求の範囲第１項記載の構造において、電池
   の周縁ないし側面部には反応ガス供給路ないしはその少
   なくとも一部が配設されることを特徴とする燃料電池の
   反応ガス給排内部構造。 １３）特許請求の範囲第１項記載の構造において、電池
   の発電作用に伴って電極内で生成される反応生成物質が
   気体の状態で反応ガスとともに反応ガス排出路を介して
   電池外に排出されることを特徴とする燃料電池の反応ガ
   ス給排内部構造。