JPS624832B2 - - 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
れて電解質、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、内部抵抗は小さくするた
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。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前述の電極基材を電解質リザーバ層として使用
する方法は、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り電池出力が低下す
る。また、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り、製作工数がかかる
などの欠点があつた。

本発明は、これらの問題点を除去し、マトリツ
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ており、この電極内に分布し
て配置された複数個の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リザーバを設
け、この電解質リザーバの設けらている電極の、
電解質リザーバ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、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、これらの電極中に電解質リザーバ用の溝を
設け電解質を貯蔵するとともに、この溝の設けら
れている電極の、この溝およびこの溝とマトリツ
クスとを連通する電解質連通孔に対する側壁に、
撥水性層が設けられているので、吸質、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
トリツクス内に常に一定の電解質の保持が可能に
なつている。

〔実施例〕

以下、実施例について説明する。

第１〜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２図は一実施例の部分断面図、第３図は第２
図の電解質連通孔の２つの配置例を示す平面図、
第１図は第２図の要部の断面図である。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、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、両端が閉じた状態
の溝より構成されており、１０は燃料極基材２お
よび燃料極触媒層４に穿設され、マトリツクス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。１１は燃料極基材２および燃料極触媒層４
の、電解質リザーバ９および電解質連通孔１０に
対する側壁に設けられている例えばポリテトラフ
ルオルエチレンよりなる撥水性層でリン酸が燃料
極基材２中へ流入するのを防いでいる。第３図ａ
およびｂには電解質連通孔１０のそれぞれ異なる
２つの配置例を燃料極触媒層４上の配置で示して
あるが、電解質連通孔１０の配置ピツチは、マト
リツクス１内におけるリン酸浸透速度がマトリツ
クス材料によつて異なるため、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、
吸湿によりマトリツクス１内のリン酸量が増加し
た場合は、余剰分は電解質連通孔１０を通つて、
電解質リザーバ９に溢出して貯蔵される。また、
蒸発によりマトリツクス１内のリン酸量が不足し
た場合は、不足分な電解質リザーバ９より電解質
連通孔１０を通して補給される。従つて、マトリ
ツクス１内のリン酸量は常に一定に保たれ、電池
性能を安定化するとともに、吸湿時の余剰のリン
酸を貯蔵するようになつているので、燃料極触媒
層４、酸化剤極触媒層７を過剰に濡らした上、燃
料ガス、酸化剤ガスによつて運び去られることが
なくなり、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
層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、それだけ電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必
要がなく、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４図は、他の実施例の要部の断面図を示すも
ので、この実施例は、電解質リザーバ９および電
解質連通孔１０内に親水性材料の繊維１２、例え
ば、シリコンカーバイト繊維が充填してある点が
第１〜第３図の実施例と異なつている。この親水
性材料の繊維１２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、ガラス繊維、フエノ
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りに、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
用いることができ、同等の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
カーバイド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、望まし
くは、マトリツクスに用いているものより小孔径
を大きくして、毛管力がマトリツクスより小さく
なるようにするのがよく、この毛管力の差によ
り、マトリツクス内のリン酸量はより安定に保た
れることになる。

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〜第３図の実施例と異なる
ところは、電解質リザーバ９の両端にシール１３
が施されており、リン酸の流出が防止されている
点である。このシール１３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、
ガラス粉末と結着材、例えば、ポリテトラフルオ
ルエチレン、ポリイミドと混練したもの、或い
は、カーボン粉末をフエノール樹脂と混合、加熱
硬化したものを充填して構成される。シール１３
により電解質リザーバ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、溝の加工を電極基材の全長に亘
つて行なえばよく、寸法精度を要しないため、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バとして
使用することが可能となる。さらに、シール１３
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。

以上の実施例においては、電解質リザーバを燃
料極の電極基材に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を設けて
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。

〔発明の効果〕 以上の如く、本発明は、マトリツクスに電解質
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能とするもので、産業上の
効果が大なるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は第２図の要部断面図、第２図は本発明
の燃料電池の一実施例の部分断面図、第３図ａお
よびｂは第２図の電解質連通孔の２つの配置例を
示す平面図、第４図は他の実施例の要部断面図、
第５図はさらに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…
…撥水層、１２……（親水性材料の）繊維、１３
……シール。

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ており、該電極内に
   分布して配置された複数個の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リザ
   ーバを設け、該電解質リザーバの設けられている
   電極の、該電解質リザーバ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練物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。 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練物でシールされている
   特許請求の範囲第１項から第４項までの何れか一
   項記載の燃料電池。 ６ 前記マトリツクス、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、マトリツ
   クスが最大で、電解質リザーバが最小となつてい
   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。