JPH0129027B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、例えばりん酸を電解液とするりん
酸電解液型燃料電池、特に電池内に電解液貯蔵部
として働くリザーバを備えたマトリツクス型燃料
電池の改良に関する。

周知のように頭記燃料電池は、燃料電池と、予
め電解液を含浸保持させたマトリツクスと、空気
電極とを重ね合わせて単電池を構成し、これに組
合わせたバイポーラプレートあるいはガス通路を
仕切るリブ付多孔質電極基板を通じて各電極へ燃
料、空気を供給するように構成されている。

かかる燃料電池では、電極反応を効率よく行わ
せるためには、マトリツクスに常に適正量の電解
液を保持させることが必要である。これに対し、
マトリツクスに含浸されたりん酸等の電解液は電
池の運転、休止等、電池の作動状態の変動に伴つ
て吸湿などにより体積が増減する。これを放置し
たままでいると、電解液が電極触媒層に過多に浸
透して電極反応を阻害する恐れがあるため、この
防止対応策として燃料電池を構成する前記のバイ
ポーラプレートあるいは多孔質電極基板の一部に
リザーバと称されるセル内での電解液貯蔵部とし
て働く凹所を画成し、電解液の体積増加時にはマ
トリツクスで保持し得なくなつた余剰電解液分を
前記のリザーバに一時的に貯溜し、逆に電解液の
体積が減少して来た場合にはリザーバからマトリ
ツクスへ電解液を補給するようにし、これにより
マトリツクスに保持される電解液の量を常に適正
量に保つようにしたものが知られている。

次に従来における上記のリザーバを備えた燃料
電池を第１図および第２図に示す。図において１
は燃料電極基材２、該基材２の面に形成された触
媒層３、マトリツクス４、触媒層５を形成した空
気電極基材６とで構成された単電池、７は単電池
１を挟んでその上下に積ね合わせたバイポーラプ
レート、８，９はバイポーラプレート７の上下面
に互に直交して形成された空気通路溝および燃料
通路溝である。かかる燃料電池に対し、そのバイ
ポーラプレート７の左右両側端部には、その下面
に燃料通路溝９と並行に独立した凹溝のリザーバ
１０が形成されており、かつこのリザーバ１０に
対向する面で、燃料電極基材２および触媒層３の
一部を切欠き、リザーバ１０とマトリツクス４と
が連通し合うように構成されている。

かかる構成により、予めマトリツクス４に含浸
されている電解液はその体積が増加した場合に
は、マトリツクス４の層内を面方向に沿つて浸透
移動して前記リザーバ１０に貯蔵され、逆に電解
液の体積が減少した場合には前記マトリツクス１
０に保持されている電解液の量が不足せぬ様に前
記リザーバ１０に貯蔵されている電解液が前記マ
トリツクス４に補給される。このことにより前記
マトリツクス４に保持される電解液の量を一定に
保つ機能を与えている。

一方、前記マトリツクス１０は燃料ガスと空気
とを差圧下でも気密に隔離するために、電解液の
保持力が高い材料で作られている。このために電
解液が前記マトリツクス１０の層内を面方向に沿
つて長い距離にわたつて浸透移動するには、移動
距離に応じてかなりの液圧を必要とするが、電解
液の液圧が過大になると前記両電極の触媒層３，
５の撥水性が維持できなくなり、触媒層の反応部
に過多に電解液が浸透して電池の発電性能を低下
させる不具合を生じる。このために前述のように
バイポーラプレート７の両端域にリザーバ１０を
画成し、電解液の増減に対応して電解液を前記マ
トリツクス１０内を浸透移動させることによりリ
ザーバ１０に吸収するよう構成された構造では、
特に大面積の電極の場合には、反復的な電池の運
転、休止による電解液の増減に伴う液圧の変化に
起因して経時的に電解液が電極触媒に過多に浸透
し、電池の発電性能を低下させるため、長期にわ
たつて効率良く発電することが困難であつた。こ
の対策として電解液が移動し易い様にマトリツク
スの層内に電解液の移動通路を設ける構造も考え
られるが、電池の発電時の電解液抵抗を低減して
高効率の電池を得るためには、マトリツクスの厚
さは薄いことが望ましく、通常はマトリツクス層
の厚さが0.1mm程度であるため前述の方法は実際
に実施化することが困難である。

この発明は、上述の欠点を除去し、電極触媒層
への過多な電解液浸透を防ぎつつ電解液の体積増
減を円滑に吸収し、常に適正量の電解液をマトリ
ツクスに保持できるようにしたリザーバを備えた
燃料電池の改良構造を提供することにある。

以下この発明を図示実施例に基づいて詳述す
る。

第３図、第４図、第５図はこの発明の一実施例
を示すもので、それぞれ平面図、側断面図、及び
側断面の要部拡大詳細図である。

図における燃料電池の基本構造は第１図、第２
図に示した従来のものと同様である。これに対し
この発明により単電池１の内部には新たに符号１
１で示す電解液移動通路が追加して画成されてい
る。この移動通路１１は単電池１を構成している
上側の燃料電極の触媒層３を局部的に切欠いた溝
として画成されたものであつて、図示のようにバ
イポーラプレート７の左右両端域に画成されたリ
ザーバ１０との間にまたがつて連通し合うように
網目状に張りめぐらして形成されている。この移
動通路１１の構造を更に詳記すると、通路はその
上面が電極基材２、側面が触媒層３、下面がマト
リツクス４で囲まれた溝内に形成されており、そ
の左右端はリザーバ１０に対向して電極基材２に
あけられた連通窓穴１２を通じてリザーバ１０と
互に連通し合つている。なお通路１１は触媒層３
を塗布焼成した後に、機械的に切欠いてて形成す
るか、予め通路１１が画成される部分に触媒層３
の塗布時に造穴剤を塗布しておき、触媒層の焼成
工程で同時に通路１１を形成するなどの方法が採
用される。

かかる構成により、マトリツクス４に予め浸透
保持された電解液の体積が増加した場合には、マ
トリツクス４で保持し得なくなつた余剰分の電解
液が前記の電解液移動通路１１の中を移動してリ
ザーバ１０に貯溜される。逆に電解液の体積が減
少した場合には、リザーバ１０に貯溜されていた
電解液が前記通路１１を通つてマトリツクス４に
補給される。この場合に通路１１の流路抵抗は、
従来のように多孔質のマトリツクス４の層内を面
方向に電解液が移動する場合の層内における流路
抵抗に較べてはるか少さく、しかも通路１１はマ
トリツクス４のほぼ全面域にわたつて網目状に設
けられているので、電解液は大きな液圧を必要と
せずに円滑に移動できることになる。このことに
より通路１１となる溝を画成している触媒層３な
いしは電極基材２の撥水域へ経時的に過多な電解
液が浸透する恐れはなくなり、電極反応を何ら阻
害することなく長期にわたつて効率のよい発電が
行える。またこのことは、電極面積の大きな大形
燃料電池でも同様に行われる。

一方上記の構造において、第３図に示すように
バイポーラプレート７の外側面からリザーバ１０
へ通じる電解液補給口１３を設けておくことによ
り、長期の運転に伴い経時的に電解液の絶対量が
不足する事態に到つた場合は、前記の補給口１３
を通じて外部からリザーバ１０へ電解液を注入す
ることにより、前述と同じくリザーバ１０を通じ
て前記マトリツクスに電解液を補給することが可
能である。なお、運転時には前記補給口１３は盲
栓等により気密にシールされる。なお図示例で
は、左右のリザーバ１０にそれぞれ補給孔１３を
設けているが、これは電解液を外部から注入する
際のガス抜きを容易にするためで実用的にはいず
れか一方だけでも良いし、またリザーバ１０は左
右のいずれか一方のみであつてもよい。

次に第６図に別な実施例を示す。この実施例
は、まずその単電池の構造が先の実施と若干異な
る。すなわち図示のようにバイポーラプレートの
代りに、燃料ガス通路１４および空気通路１５を
仕切るリブ付多孔質電極基板１６，１７が採用さ
れ、この電極基板１６，１７の板面にそれぞれ燃
料電極触媒層３および空気電極触媒層５が直接塗
布、焼成して形成されており、この間にマトリツ
クス４を挟持して単電池を構成している。なお１
８はガス分離用のセパレート板であり、セルスタ
ツクを構成するには、このセパレート板１８を介
して単電池が積層される。

さて上記の電池において、多孔質電極基板１６
の左右両端域には、先の実施例と同様に図示され
てないリザーバが画成されている。なおリザーバ
は凹溝として切欠き形成するか、あるいは電極基
板１６の基質の一部に撥水処理されたガス拡散域
と区画して親水層部を形成し、この親水部をリザ
ーバとする場合がある。いづれも場合でも先述の
実施例と同様に、触媒層３にはその一部を切欠い
てリザーバと互に連通し合う電解液移動通路１９
が面方向に網目状に形成されている。更にこの実
施例では、移動通路１９が触媒層３の厚さ範囲に
規制されてなく、電極基板１６の領域に入り込む
溝部１９′をも含めて形成されている。したがつ
て電解液移動通路が触媒層３の厚さのみで制限さ
れることなく溝の深さを自由に設定できて好都合
である。この実施例でも先述の実施例と同様に、
マトリツクス４に含浸されている電解液の体積が
増減した場合には、前記の移動通路１９，１９′
を通じて電解液をマトリツクス４とリザーバとの
間で円滑に移動させることができる。また第３図
に示した補給口１３と同様なものを電極基板１６
に設けることもできる。

なお各実施例ともに、電解液移動通路１１，１
９，１９′の寸法、配列パターンは図示例のもの
に限定されることなく自由に設計できることは言
うまでもない。更に図示例は燃料電極が上側、空
気電極が下側に位置した例を示したが、この電極
配置を上下逆さまにした上で、リザーバおよび電
解液移動通路を上側の空気電極側に設けてもよ
い。更に加えて第３図、第４図に示した実施例
で、既に形成された触媒層３を切欠いて電解液移
動通路１１を画成する代りに、マトリツクス４の
上へ予め短冊形に作られた電極を並べ、これ等の
各短冊形電極の相互に残存するすき間を電解液移
動通路として用いるように構成することも可能で
ある。

以上述べたようにこの発明によれば、マトリツ
クスとリザーバ間との間の電解液の移動経路をマ
トリツクス内ではなく、マトリツクスの上面に隣
接する電極内に画成された溝内に形成したことに
より、電解液の体積が増減しても電解液の液圧を
さほど必要とせずに容易に電解液がマトリツクス
とリザーバ間とを移動できる。したがつて従来の
欠点であつた液圧の上昇に伴う電極反応部に過多
に電解液が浸透し電池の発電性能を低下させるこ
とを防止しつつ、常に適正量の電解液をマトリツ
クスに保持させるようにした優れた効果を奏する
ことができる。更にリザーバに外部に通じる電解
液補給口を設けたことにより、長期の運転に伴い
経時的に電解液が不足した場合にも、この補給口
を通じて外部より電解液を補給することが可能と
なり、長期にわたつて効率の良い発電を継続出来
るという効果も有する。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はそれぞれ従来における燃
料電池の構造を示す平面図および縦断面図、第３
図および第４図はこの発明の一実施例の構造を示
す平面図および縦断面図、第５図は第４図におけ
る要部の拡大図、第６図は他の実施例の要部構造
を示す断面図である。 １…単電池、３…電極の触媒層、４…マトリツ
クス、７…バイポーラプレート、１０…リザー
バ、１１，１９，１９′…電解液移動通路、１３
…電解液補給口、１６，１７…多孔質電極基板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 触媒層を含む２枚の電極間に電解液を含浸保
   持させたマトリツクスを挟持して単電池を構成す
   るとともに、この単電池の電極に重ね合わせて積
   層されたバイポーラプレートまたは多孔質電極基
   板の一部に電池内の余剰電解液を貯留しておくた
   めのリザーバが画成されたマトリツクス型燃料電
   池において、電極触媒層の一部を切欠いて前記リ
   ザーバと互に連通し合う面方向に展開する電解液
   移動通路を単電池内部に画成したことをマトリツ
   クス型燃料電池。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の燃料電池におい
   て、電解液移動通路が電極触媒層およびこの触媒
   層に隣接する多孔質電極基板の領域にまたがつて
   画成されていることを特徴とするマトリツクス型
   燃料電池。 ３ 特許請求の範囲第１項記載の燃料電池におい
   て、バイポーラプレートまたは多孔質電極基板が
   リザーバと連通し合つて外周側面に開口する電解
   液補給口を備えていることを特徴とするマトリツ
   クス型燃料電池。