JPS6258110B2 - - 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、溶隔ペ
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、電池分布を一様に
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、セパレ
ータの一対の電極の少なくとも一方側に、電極内
に分布して配置された複数個の電解液連通孔を介
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、電解質連通孔および電解質リザーバの
電極に接する面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、これらの電極に接するセパレータ中に電解
質リザーバ用の溝を設け電解質を貯蔵するととも
に、この溝とマトリツクスとを連通する内壁に撥
水性を有する電解質連通孔が設けられているの
で、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図〜第６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、９はセパレ
ータ８に設けられた溝によつて構成されている電
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は電解質連通孔１０および電解質
リザーバ９の燃料極基材２に接する面に設けられ
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中に流入す
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
極接触層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
るリン酸の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す
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内にリン酸量が不足し
た場合は、不足分は電解質リザーバ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。また、この実施例では、電極基材を電解
質リザーバとして使用していないので、電極触媒
層への燃料ガスの供給を充分に行なうことがで
き、従来提案されているものの如く、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
要がないので加工が容易となる。

第４図は、他の実施例の要部断面図を示すもの
で、この実施例では、電解質リザーバ９の壁に親
水性層１２を形成してある。この親水性層１２は
ポリイミドなどの親水性材料を塗布あるいは含浸
することにより形成される。そして、燃料極基材
２の電解質リザーバ９に対向する面および電解質
連通孔１０の部分には撥水性層１１を形成してあ
る。この撥水性層１１はポリテトラフルオルエチ
レンなどの撥水性材料を塗布あるいは含浸するこ
とにより形成される。このように構成されている
ので、電解質リザーバ９のリン酸保持力が向上す
るともに、電極基材へのリン酸の溢出を防ぐこと
ができる。

第５図は、さらに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１
３が充填してある点で第１図〜第３図の実施例と
異なつている。この親水性材料の繊維１３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
用いることもでき、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、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６図は、他の実施例の断面を示すもので、こ
の実施例が第１図〜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１４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１４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
末と結着剤、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、加熱したものを
充填して構成される。シール１４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、溝の加工をセパレータ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。さらに、シール１４は容易に取りはずすこと
ができるようにすることができるので、リン酸が
不足した時には、電池点検の際リン酸を追加注入
することができるので、電池の長寿命化に対する
効果は大である。

以上の実施例においては、電解質リザーバをセ
パレータの燃料極側に設けた場合について説明し
たが、セパレータの酸化剤極側に設けてもよく、
さらに、セパレータの燃料極側、酸化剤極側の両
方に設けてもよく、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
効果の大なるものである。

【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図および第５図はそれぞれ異な
る他の実施例の要部断面図、第６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…
…撥水性層、１２……親水性層、１３……（親水
性材料の）繊維、１４……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
   記セパレータの前記一対の電極の少なくとも一方
   側に、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導通する
   溝状の電解質リザーバを設け、前記電解液連通孔
   および前記電解質リザーバの前記電極に接する面
   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、その溝の内壁に親水
   性層を有し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項または第
   ３項記載の燃料電池。 ５ 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項または第３項記載
   の燃料電池。 ６ 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５項までの何れか一
   項記載の燃料電池。 ７ 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６項までの何れか
   １項記載の燃料電池。