JPS624831B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 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。

〔従来の技術〕

燃料および酸化剤より電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
た燃料ガス、酸化剤ガス用のガス流路を基本構成
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
ツクス内に保持された液体がある。このうち、マ
トリツ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、このようなマトリツクス内に保持され
た水性電解質を使用する燃料電池を最適条件で作
動させるためには、マトリツ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、マトリツ
クスは親水性であり、また、マトリツクスは燃料
電池内におけるガスの交差や混合を阻止するよう
に連続的であり、ピンホールや割れのないものが
要求され、さらに、マトリツクスは通常１mm以下
の厚さに形成されるが内部抵抗を小さくするた
め、可能な限り薄くし、マトリツクスが触媒層と
密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、マトリツクス厚さが一様で、かつ
マトリツクスの細孔の寸法が均一であることが望
ましく、マトリツ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
を有するマトリツクスに電解質を含浸させて電極
と組合せ、電池を組み立てた場合、長時間安定し
た性能を得ることが期待できる。

しかし、マトリツクスおよび電極は多孔質であ
り、常に燃料ガスおよび酸化剤ガスが電極基質内
を流れており、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つ
た。

この問題を除去するために、電極基材に開けた
孔を介してセパレータのガス路から電解質をマト
リツクスに含浸させる方法、あるいは、セルを縦
型とし、電池上部に設けた電解質通路および上部
電解質溜を介して電解質をマトリツクスに含浸さ
せる方法が提案されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前述の提案のうち、前者の方法では、電解質含
浸時に電極基材に電解質が付着するため、ガス拡
散が妨げられ、電池出力を低下させる欠点があ
り、また、後者の方法では、電池上部に設けた電
解質溜より含浸させるようになつているため、大
型電極の場合には、含浸時間がかかる欠点があつ
た。

本発明は、これらの問題点を除去し、電池外部
よりマトリツクスに電解質を供給するための電解
質供給路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するものである。

〔問題点を解決するための手段〕

前述の問題点を解決するためにとられた本発明
の構成は、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ツクスを配設し、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
ガスのガス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、
一対の電極の少なくとも一方に、この電極内に構
成されているガス流路と同一平面側にこのガス流
路と平行に設けられ、この電極内に位置する電解
質連通孔を介してマトリツクスと連通する溝状の
電解質供給路を設け、この電解質供給路がセパレ
ータに設けられた電解質溜を介して、電極、マト
リツクスおよびセパレータを連通する電解質通路
に連通しており、この電解質供給路の設けられて
いる電極の、この電解質供給路および電解質連通
孔に対する側壁に、撥水性層が設けてあることを
特徴とするものである。

〔作 用〕

本発明は、燃料極および酸化剤極あるいはその
一方に設けられた溝状の電解質供給路と、この電
解質供給路をマトリツクスに連通する電解質連通
孔と、電解質供給路を電極またはセパレータ中に
設けた電解質溜を介して、セパレータ燃料極マト
リツクスおよび酸化剤極を連通する通路とを有
し、マトリツクスへ電解液を供給できるようにす
ることにより吸湿、蒸発によるマトリツクス内の
電解質量の変化を吸収し、マトリツクス内に一定
の電解質を保持可能にしたものである。

〔実施例〕

以下、実施例について説明する。

第１図〜第５図は、燃料に水素リツチガス、酸
化剤に空気中の酸素を用い、電解質にリン酸を用
いるリン酸型燃料電池に関するもので、同一部分
には同一符号が付してある。

第１図は一実施例の部分断面図、第２図および
第３図は、それぞれ異なる要部の平面図を示して
いる。これらの図で、１はマトリツクスで、シリ
コンカーバイドとポリテトラフルオルエチレンと
の混練物、或いはフエノール樹脂布などが用いら
れる。２は燃料極基材２ａと燃料極触媒層２ｂよ
りなる燃料極、３は酸化剤極基材３ａと酸化剤極
触媒層３ｂよりなる酸化剤極、４は燃料極用ガス
路、５は酸化剤極用ガス路、６はセパレータであ
る。そして、燃料極２と酸化剤極３の間にマトリ
ツクス１が配設された単位電池がセパレータ６を
介して必要数積層されるようになつている。７１
は燃料極基材２ａに設けられた電解質供給用溝、
８１はセパレータ６に設けられた下部に電解質供
給用溝７１に連通する孔８１ａを有する電解質
溜、９１は、電解質供給用溝７１とマトリツクス
１との間で電解質を連通させるための電解質連通
孔、１０は積層電池の縁部において、電極、マト
リツクスおよびセパレータを連通するように設け
られている電解質通路、１１はシールである。

このような構成の燃料電池において、電解質を
供給する場合には、電解質通路１０に電解質を満
たして、各電池の電解質溜８１に溢れさせ、電解
質溜８１に電解質を満たす。電解質溜８１内に満
たされた電解質は、下部の孔８１ａから電解質供
給用溝７１に流入し、電解質連通孔９１を通して
マトリツクス１に供給される。この場合、電解質
が燃料極基材２ａを湿潤するのを防ぐため、燃料
極基材２ａには、例えばポリテトラフルオルエチ
レンを塗布して撥水化してある。さらに、電解質
供給圧力によつて燃料極基材２ａに電解質が入る
場合、電解質供給単位となる電池積層数を少なく
し、電解質供給圧力を下げればよい。そして、電
解質を電解質供給用溝７１に充満した後、電解質
通路１０から電解質を除去して、電解質による液
短絡を防ぐ。この時、電解質溜８１からも電解質
が除去されるが、性能に影響を及ぼすことはな
い。

以上のように構成された燃料電池においては、
吸湿によりマトリツクス１内の電解質量が増加し
た場合、余剰分は電解質連通孔９１を通して、電
解質供給用溝７１に溢れ、さらに、電解質溜８１
に溢れ貯蔵される。また、蒸発によりマトリツク
ス１内の電解質が不足する場合は、不足分を電解
質連通孔９１を通して電解質供給用溝７１より補
給される。従つて、マトリツクス１内の電解質量
は常に一定に保たれ、電池性能を安定化するとと
もに、吸湿時の余剰の電解質を貯蔵するようにな
つているので、燃料極触媒層２ｂおよび酸化剤極
触媒層３ｂを過剰に濡らすことがなくなり、電極
性能を安定化する。さらに、電解質供給用溝７１
内の電解質が減少した場合、電解質通路１０を通
して電解質を補充すればよいので、電解質不足に
よる電池性能の低下はなくなる。しかも、電解質
連通孔９１は、マトリツクス１の電解質吸込み能
力に応じて位置を決定できるので、電解質のマト
リツクス１への浸透は充分な速度で行なうことが
できる。また、電解質供給用溝７１を設け、セパ
レータ６内の電解質供給路を限定したので、電解
質供給時に電極基材が濡らされることがなく、ガ
スの拡散が妨げられることがないなどの効果があ
る。

第４図は、他の実施例の部分断面図を示すもの
で、この実施例は、電解質溜８１、電解質供給用
溝７１および電解質連通孔９１内に繊維１２を充
填してある点が第１図の実施例と異なつている。
この繊維１２は、その毛管力により電解質の含浸
速度を向上させるとともに、電解質の分布を一様
ならしめる効果がある。

そして、ここで用いる繊維１２には、シリコン
カーバイド繊維、カーボン繊維、ガラス繊維、フ
エノール樹脂繊維などが用いられる。また、繊維
の代りに、他の親水性材料、例えばシリコンカー
バイト粉末、カーボン粉末を結着剤、例えば、ポ
リテトラフルオルエチレン、ポリイミドで結着し
たものを用いることもでき、同等に効果を得るこ
とができる。さらに、例えば、カーボンシート、
シリコンカーバイト焼結体のような多孔性シート
を用いてもよい。また、さらに、マトリツクス材
料と同一材料を用いてもよいが、この場合には、
マトリツクス１、電解質連通孔９１、電解質供給
用溝７１、および、電解質溜８１中で用いる材料
の小孔の間に、マトリツクス１中で用いる材料の
小孔を最小とし、電解質連通孔９１、電解質供給
用溝７１、電解質溜８１の順に大きくなつている
関係がある場合が望ましい。すなわち、このよう
にすることによつて、毛管力に差がつけられる
と、この毛管力の差により、マトリツクス１内の
電解質量はより安定に保たれることになる。ま
た、電解質溜８１および電解質供給用溝７１の繊
維１２は、毛管力が前述の範囲であれば省略可能
である。

第５図は、他の実施例の部分断面図を示すもの
で、この実施例が第１図の実施例と異なるところ
は、電解質通路１０（１０ａ，１０ｂ）および電
解質溜８１が、電池の両縁部に設けられている点
である。このように構成されている場合には、電
解質補給速度を大きくすることができるととも
に、最初の充填時に、一方の電解質通路１０ａか
ら供給し、他方の電解質通路１０ｂから溢れ出さ
せるようにすれば、電解質の充填を確実に行なう
ことができる。

以上の実施例においては、燃料極に電解質供給
用溝を設けた場合について説明したが、酸化剤極
に設けてもよく、さらに、燃料極、酸化剤極の両
方に設けてもよい。

〔発明の効果〕

以上の如く、本発明は、電池外部よりマトリツ
クスに電解質を供給するための電解質供給路を容
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能とするもの
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１図は、本発明の燃料電池の一実施例の部分
断面図、第２図および第３図は、第１図のそれぞ
れ異なる要部の平面図、第４図および第５図は、
それぞれ異なる他の実施例の部分断面図である。 １…マトリツクス、２…燃料極、２ａ…燃料極
基材、２ｂ…燃料極触媒層、３…酸化剤極、３ａ
…酸化剤極基材、３ｂ…酸化剤極触媒層、４…燃
料極用ガス路、５…酸化剤極用ガス路、６…セパ
レータ、１０…電解質通路、１１…シール、１２
…繊維、７１…電解質供給用溝、８１…電解質
溜、９１…電解質連通孔。

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
   を保持するマトリツクスを配設し、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
   剤ガスのガス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、該電極
   内に構成されている前記ガス流路と同一平面側に
   該ガス流路と平行に設けられ、該電極内に位置す
   る電解質連通孔を介して前記マトリツクスと連通
   する溝状の電解質供給路を設け、該電解質供給路
   が前記セパレータに設けられた電解質溜を介し
   て、前記電極、前記マトリツクスおよび前記セパ
   レータを連通する電解質通路に連通しており、該
   電解質供給路の設けられている前記電極の、該電
   解質供給路および前記電解質連通孔に対する側壁
   に、撥水性層が設けてあることを特徴とする燃料
   電池。 ２ 前記電解質供給路が、その溝の内部に、親水
   性繊維、親水性粉末と結着剤との混練物、多孔性
   シートおよびマトリツ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 前記電解質連通孔が、その内部に、親水性材
   料およびマトリツ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 前記親水性材料が、親水性材料粉末と結着剤
   との混練物である特許請求の範囲第３項記載の燃
   料電池。 ５ 前記電解質溜が、親水性材料で充填されてい
   る特許請求の範囲１項から第４項までの何れか１
   項記載の燃料電池。 ６ 前記親水性材料が、親水性粉末と結着剤との
   混練物である特許請求の範囲第５項記載の燃料電
   池。 ７ 前記電解質溜が、多孔性シートおよびマトリ
   ツクス材料の何れかで充填されている特許請求の
   範囲第１項から第４項までの何れか１項記載の燃
   料電池。 ８ 前記マトリツクス、前記電解質連通孔、前記
   電解質供給路、前記電解質溜の電解質保持力が、
   マトリツクスが最大で、電解質連通孔、電解質供
   給路、電解質溜の順に小さくなつている特許請求
   の範囲第１項から第７項までの何れか１項記載の
   燃料電池。