JPH0935727A - 燃料電池の電解質補給装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】電解質の飛散量に相応した電解質を各単位セル
に安定して補給できる、簡素な構造の電解質補給装置を
備えた燃料電池を提供する。 【構成】電解質９を保持するマトリックス３，これを挟
持する燃料電極４，空気電極５の積層体からなる単位セ
ル２を単位セル間にセパレート板６を介在させて複数層
積層された燃料電池に設けられ、運転中マトリックスで
不足する電解質を外部に設けた電解質の補給タンク１２
から補給する電解質補給装置２０において、各単位セル
とセパレート板との間に積層されて電解質を保持する多
孔質カーボン材からなるリブ付きリザーバ板２３と、こ
のリブ付きリザーバ板と同程度の毛管力を有する多孔質
材からなり，両端部が補給タンクとリブ付きリザーバ板
とに連結されて電解質をリブ付きリザーバ板側に導く導
液部２１とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、多孔質のマトリック
スに電解質を保持させた単位セルの積層体からなるマト
リックス型燃料電池において、運転中減少するマトリッ
クス中の電解質を外部から補給する電解質補給装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】マトリックス型燃料電池では、単位セル
を構成するマトリックスに電解質，例えばりん酸を保持
させる構造がとられ、発電運転中徐々に減少する電解質
を外部から常時補給する電解質補給装置を設けることに
より、電解質が不足することによる出力電力の低下を防
止するよう構成されたマトリックス型燃料電池が知られ
ており、この場合、電解質の補給を燃料電池を分解する
ことなく外部から連続して行えることが求められる。

【０００３】図４はマトリックス型燃料電池における従
来の電解質補給装置を模式化して示す断面図であり、マ
トリックス型燃料電池１は、複数層のマトリックス型単
位セル２と、ガス不透過性のセパレ−ト板６との積層体
（セルスタック）として構成される。単位セル２は、多
孔質の絶縁材に電解質としての例えばりん酸液９を含浸
したマトリックス３を挟んで、燃料電極４および空気電
極５を積層したものからなり、両電極に互いに直交する
方向に反応ガス通路４Ａ，５Ａが形成され、４Ａ側に燃
料ガス，５Ａ側に反応空気を供給することにより、一対
の電極４，５間で電気化学的電極反応に基づく発電が行
われる。

【０００４】燃料電池の電極反応は、水素と酸素が反応
して電子と水を生成する発熱反応であり、りん酸型燃料
電池の場合その温度を１９０°C 程度に保持して運転が
行われ、その際生ずる発電生成水は高温の水蒸気となっ
て電極を透過し、反応ガス通路を通って外部に排出され
る。また、水蒸気が電極を透過する際、マトリックス３
中の電解質９が微量ながら水蒸気中に溶解して反応ガス
中に飛散するため、運転時間の経過に伴ってマトリック
ス３中の電解質の量が徐々に減少する。このため、マト
リックス型燃料電池１には電解質補給装置１０を付加
し、マトリックス中で不足する電解質９を外部から補給
するよう構成される。

【０００５】すなわち、マトリックス型燃料電池１の各
単位セル２の両方の電極，あるいはいずれか一方の電極
（図の場合燃料電極４）にはマトリックス３に連通する
電解質の補給通路７が形成され、この補給通路７に吐出
端１１Ｂが連通した電解質の補給管１１と、この補給管
１１の吸入端１１Ａ側に連結された電解質の補給タンク
１２とで構成される電解質補給装置１０を設けてマトリ
ックスで不足した電解質を補充するよう構成した燃料電
池が知られている。また、補給タンク１２内には、補給
管１１に対応して異なる高さ位置に電解質溜め１３Ａ，
１３Ｂ等が設けられ、電解質タンク１２の上部から供給
される電解質９が各電解質溜めを１３Ａ，１３Ｂの順で
満たして順次オ−バ−フロ−することにより、各電解質
溜めの液面高さと、これに補給管を介して連通する単位
セルのマトリックス３の高さとの間に高さＨなるレベル
差が保持される。

【０００６】したがって、補給管をサイホン状に湾曲さ
せ、高度差Ｈに相応する水頭差を利用して電解質溜め１
３中の電解質９を補給通路７側に移送するよう構成され
た水頭差方式の電解質補給装置が知られている。また、
補給管１１の長さ方向の全域に渡って電解質に対して親
水性を有する繊維１５を充填し、その毛細管現象を利用
して電解質の移送を行うことにより、補給管内での電解
質９の液切れを防止した電解質補給装置も知られている
（特開昭６１−１０７６６７号公報）。

【０００７】また、補給管１１内の液切れ防止手段とし
ての親水性の繊維充填材１５を、電解質溜め１３の液面
より低い補給管吐出側の部分を残して補給管内に充填す
るよう構成し、サイホン状の補給管の立ち上がり部分で
は充填された親水性の繊維質充填材１５の毛細管現象に
よる吸い上げ作用により液切れを生ずることなく補給管
１１内に電解質を移送させ、繊維質充填材が充填されて
いない補給管の吐出端１１Ｂに近い立ち下がり部分では
この部分を満たす電解質の水頭差により低抵抗で電解質
を補給通路７内に移送するようにした電解質補給装置も
提案されている（特開平６−３６７８７号公報）。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】補給管内に親水性繊維
を充填することにより、水頭差方式では液切れを防止し
て電解質の補給を安定化できる利点が得られる。しかし
ながら、単位セルそれぞれに連通する多数条の補給管の
全長または一部に親水性繊維を充填する作業工数が嵩
み、これが装置のコストダウンを阻害するという問題が
ある。また、各単位セル２からの電解質としてのりん酸
の飛散量は単位セル相互の温度差や運転条件の差に影響
されてその正確な把握は極めて困難であり、また単位セ
ル毎の水頭差の調整も不可能である。このため、飛散量
以上にりん酸が単位セルに供給され、過剰となったりん
酸が反応ガス通路に溢れ出して反応ガスの正常な流れを
阻害することがあり、これが原因で燃料電池の発電性能
の低下を招くという問題も発生する。

【０００９】この発明の目的は、電解質の飛散量に相応
した電解質を各単位セルに安定して補給できる、簡素な
構造の電解質補給装置を備えた燃料電池を提供すること
にある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前述の目的を達成するた
めに、請求項１記載の発明は、電解質を保持するマトリ
ックス，これを挟持する燃料電極，空気電極の積層体か
らなる単位セルを単位セル間にセパレート板を介在させ
て複数層積層された燃料電池に設けられ、運転中前記マ
トリックスで不足する電解質を外部に設けた電解質の補
給タンクから補給する電解質補給装置において、前記各
単位セルとセパレート板との間に積層されて電解質を保
持する多孔質カーボン材からなるリブ付きリザーバ板
と、このリブ付きリザーバ板と同程度の毛管力を有する
多孔質材からなり，両端部が前記補給タンクとリブ付き
リザーバ板とに連結されて電解質をリブ付きリザーバ板
側に導く導液部とを備える。

【００１１】ここで、請求項２に記載の発明は、請求項
１に記載の電解質補給装置において、リブ付きリザーバ
板および導液部を、ともに同じ材質，製法の多孔質カー
ボン材で構成すると良い。また、請求項３に記載の発明
は、請求項１に記載の燃料電池の電解質補給装置におい
て、導液部がその少なくとも一部分に耐湿性を有する絶
縁被覆を有するよう構成すると良い。

【００１２】さらに、請求項４に記載の発明は、請求項
１に記載の燃料電池の電解質補給装置において、リブ付
きリザーバ板の溝に導液部の端部が挿入され、導液性を
有する連結部を形成するよう構成すると良い。

【００１３】

【作用】請求項１に記載の発明では、外部に設けた電解
質の補給タンクから各単位セルのマトリックスに電解質
を補給する電解質補給装置を、電解質の補給タンクと、
各単位セルとセパレート板との間に積層されたリブ付き
リザーバ板と、両者を連結する導液部とで構成し、リブ
付きリザーバ板および導液部を同程度の毛管力を有する
多孔質カーボン材としたことにより、導液部がその毛管
力によって電解質の補給タンクから吸い出した電解質
は、導液部の電解質保持率（導液部の全重量に対する電
解質重量の比，ｗｔ％）がリブ付きリザーバ板の電解質
保持率とほぼ等しい値に平衡するようリブ付きリザーバ
板に向けて移送される。したがって、リブ付きリザーバ
板はその毛管力によって決まる電解質保持率で電解質を
保持することになり、運転中各単位セルのマトリックス
で不足する電解質を例えば電極に形成された親水部分を
透過してマトリックスに補給し、かつ補給分は導液部を
介して補給タンクから補給される。また、燃料電池温度
の変化などによってリブ付きリザーバ板に過剰な電解質
が生じた場合は、導液部を介して補給タンクに過剰な電
解質を送り返す平衡作用も生ずるので、リブ付きリザー
バ板で過剰になった電解質が反応ガス通路に溢れ出して
反応ガスの正常な流れを阻害するという不都合も排除さ
れる。

【００１４】ここで、請求項２に記載の発明では、リブ
付きリザーバ板および導液部を、ともに同じ材質，製法
の多孔質カーボン材で構成することにより、毛管力が互
いに等しいリブ付きリザーバ板および導液部が容易に得
られる。また、請求項３に記載の発明では、導液部がそ
の少なくとも一部分に耐湿性を有する絶縁被覆を有する
ことにより、導液部での電解質の吸湿を防止できるとと
もに、導電体でもある導液部が相互に接触することによ
って生ずる短絡事故が回避される。さらに、絶縁被覆が
導液部と外気の接触を阻止するので、導液部への外気の
侵入が遮断され、水頭差を併用してリブ付きリザーバ板
への電解質の補給量を調整する作用が得られる。

【００１５】さらに、請求項４の発明では、リブ付きリ
ザーバ板の溝に導液部の端部が挿入され、導液性を有す
る連結部を形成したので、連結部の着脱が可能になると
ともに、この導液部を取り外して秤量し，電解質保持率
を求めることにより、リブ付きリザーバ板の電解質保持
率が正常か否かをチェックすることも可能になる。

【００１６】

【実施例】以下、この発明を実施例に基づいて説明す
る。なお、従来例と同じ参照符号を付けた部材は従来例
のそれと同じ機能をもつので、その説明を省略する。図
１はこの発明の燃料電池の電解質補給装置の一実施例を
模式化して示す断面図である。図において、燃料電池の
外部に設けた電解質９の補給タンク１２から各単位セル
２のマトリックス３に電解質を補給する電解質補給装置
は、電解質の補給タンク１２と、燃料電池の各単位セル
２とセパレート板６との間に積層されたリブ付きリザー
バ板２３と、このリブ付きリザーバ板２３と補給タンク
１２とを連結する導液部２１とで構成され、導液部２１
の一方の端部がリブ付きリザーバ板と一定長さ密接した
連結部２４を形成するとともに、他方端が補給タンク１
２の電解質溜め１３の液面上から液状の電解質９内に挿
入されることにより、燃料電池の電解質補給装置２０が
形成される。

【００１７】ここで、リブ付きリザーバ板２３は単位セ
ル２の燃料電極４または空気電極５に接する側に反応ガ
ス通路４Ａまたは５Ａを有する多孔質カーボン材で構成
され、また、導液部２１もリブ付きリザーバ板２３と同
じ材質と製造条件で製作された多孔質カーボン材で構成
されることにより、りん酸９に対してほぼ等しい毛管力
を持つリブ付きリザーバ板２３および導液部２１が容易
に形成される。

【００１８】図２はこの発明の一実施例におけるリブ付
きリザーバ板材および導液部材の毛管力を比較して示す
特性線図であり、母材から短冊状に切り出した試験片の
一方端をりん酸液に垂直に一定深さ挿入し、一定雰囲気
温度中で一定放置時間ごとに試験片を秤量し、その重量
変化からりん酸保持率を求めた。図において、リザーバ
板材および導液部材ともに、最初りん酸液中に挿入した
部分にりん酸液が浸透してりん酸保持率が急速に上昇し
た後、毛管力により時間の経過とともに空気中に露出し
た部分にりん酸液が吸い上げられてりん酸保持率が徐々
に上昇し、ある時点で共にほぼ一定の飽和値に到達する
飽和特性を示している。

【００１９】ところで、細管の毛管力は、その端部を垂
直に液体中に挿入したとき、細管内の液面を外部の液面
より上昇させる吸い上げ高さｈで表され、吸い上げ高さ
ｈで表される毛管力ｈは同一液体に対して液体との接触
角に比例し、多孔体の細孔径に逆比例することが知られ
ている。図２はこの吸い上げ高さｈをりん酸保持率に置
き換えて表しており、両曲線が近接していることから、
実施例におけるリザーバ板材および導液部材が互いにほ
ぼ等しい毛管力を持つことが実証された。また、上述の
原理から、図１において電解質溜め１３の液面上に露出
する導液部２１の高さｏｈを、前記毛管力による吸い上
げ高さｈよりなるべく低く抑えることによりりん酸の移
送が円滑化される。また、連結部２４との水頭差Ｈを毛
管力による吸い上げ高さｈより大きくすると、導液部２
１がその外周面から外気を吸い込んで液切れの発生原因
となるので、水頭差Ｈも毛管力による吸い上げ高さｈと
同等以下とすることにより、液切れを生ずることなく、
毛管力によって決まるりん酸保持率を保持してリブ付き
リザーバ板２３にりん酸が安定供給される。

【００２０】この実施例では、リブ付きリザーバ板２３
および導液部２１を同程度の毛管力を有する多孔質カー
ボン材としたことにより、導液部がその毛管力によって
電解質の補給タンクから吸い出した電解質は、導液部の
電解質保持率がリブ付きリザーバ板の電解質保持率とほ
ぼ等しい値に平衡するようリブ付きリザーバ板に向けて
移送されるので、水頭差を利用した従来の電解質補給装
置と異なり、導液部での液切れや、過剰供給による反応
ガスの通流障害などのトラブルを生ずることなく、各単
位セルのりん酸の飛散量に対応したりん酸を安定供給し
て燃料電池の発電性能を安定して維持できる利点が得ら
れる。また、導液部は従来の補給管に親水性繊維を充填
した方式に比べて構造が簡単で、かつ親水性繊維を充填
するための手間の掛かる加工を必要としないので、製造
コストの低減を促進する効果が得られる。

【００２１】また、導液部２１に耐湿性を有する絶縁被
覆を施すよう構成すれば、燃料電池外部の補給タンク１
２近傍で導液部が大気に触れることによって生ずるりん
酸の吸湿を防ぎ、高濃度のりん酸を単位セル２に供給で
きるとともに、導電体でもある導液部２１が相互に接触
することによって生ずる短絡事故を回避できる利点も得
られる。また、絶縁被覆が導液部への空気などの侵入を
阻止するので、水頭差Ｈを利用した電解質の補給が可能
になり、この水頭差の調整によって電解質の補給量を制
御することも可能になるので、単位セル間の温度差や運
転条件の差に起因して発生するりん酸の飛散量の差に対
応して、電解質の供給量を制御できる利点が得られる。

【００２２】図３はこの発明の燃料電池の電解質補給装
置の異なる実施例を示す要部の拡大図である。図におい
て、この実施例が図１に示す実施例と異なるところは、
リブ付きリザーバ板２３の反応ガス通路４Ａまたは５Ａ
の一部に導液部２１の端部が挿入され、導液性を有する
連結部を形成した点にある。このように構成することに
より、導液部２１の着脱が可能になるとともに、この導
液部２１を取り外して秤量し，その電解質保持率を求め
ることにより、リブ付きリザーバ板２３の電解質保持率
が正常か否かをチェックできるので、従来燃料電池を分
解しなければチェックできなかった電解質補給装置の機
能を、燃料電池を分解することなく簡単にチェックでき
る利点が得られる。

【００２３】なお、前述の実施例では、リブ付きリザー
バ板を燃料電極，空気電極の双方に設けた場合を例に説
明したが、いずれか一方の電極側にのみ設けて装置の構
成を簡素化してもよい。また、リブ付きリザーバ板およ
び導液部に同じ素材と製造条件で製造した多孔質カーボ
ン材を用いた場合を例に説明したが、互いの毛管力がほ
ぼ等しければその素材がカーボン繊維，カーボン粉末な
ど異なってもよく、さらに導液部は異なる材質，製造方
法の多孔質体であってもよい。

【００２４】

【発明の効果】この発明は前述のように、燃料電池外部
の補給タンクから各単位セルに電解質を補給する電解質
補給装置に、毛管力が互いにほぼ等しいリブ付きリザー
バ板およびと導液部を用いるよう構成した。その結果、
リブ付きリザーバ板およびと導液部が互いにほぼ等しい
電解質保持率の平衡状態を保持し、電解質の飛散によっ
てマトリックスに生ずる電解質の不足分を補給するの
で、水頭差方式の従来の電解質補給装置で問題になった
電解質の液切れや過剰補給による反応ガスの通流障害を
生ずることなく電解質の不足分を安定供給できる電解質
補給装置を備えた燃料電池を提供することができる。ま
た、導液部の構造が簡素で、補給管に親水性繊維を充填
するなどの加工も必要としないので、電解質の不足分を
安定供給できる電解質補給装置を備えた燃料電池を経済
的にも有利に提供できる利点が得られる。

【００２５】また、導液部に耐湿性の絶縁被覆を施せ
ば、電解質の吸湿防止効果および導液部相互の短絡防止
効果が得られるとともに、絶縁被覆が外気の遮断機能を
有することにより、水頭差を利用した電解質の供給量制
御も可能になるなど、電解質補給装置の機能を向上する
効果が得られる。さらに、導液部をリブ付きリザーバ板
の反応ガス供給溝に挿入して連結部を形成すれば、導液
部の着脱が可能になり、外した導液部の秤量によってリ
ブ付きリザーバ板の電解質保持率を判定するチェック機
能を備えた電解質補給装置を提供できる利点も得られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の燃料電池の電解質補給装置の一実施
例を模式化して示す断面図

【図２】この発明の一実施例におけるリブ付きリザーバ
板材および導液部材の毛管力を比較して示す特性線図

【図３】この発明の燃料電池の電解質補給装置の異なる
実施例を示す要部の拡大図

【図４】マトリックス型燃料電池における従来の電解質
補給装置を模式化して示す断面図

【符号の説明】

１ 燃料電池 ２ 単位セル ３ マトリックス ４ 燃料電極 ５ 空気電極 ６ セパレ−ト板 ７ 電解質の補給通路 ９ 電解質 １０ 電解質補給装置 １１ 補給管 １２ 補給タンク １３ 電解質溜め １５ 親水性繊維（充填材） ２０ 電解質補給装置 ２１ 導液部 ２３ リブ付きリザーバ板 ２４ 連結部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電解質を保持するマトリックス，これを挟
   持する燃料電極，空気電極の積層体からなる単位セルを
   単位セル間にセパレート板を介在させて複数層積層され
   た燃料電池に設けられ、運転中前記マトリックスで不足
   する電解質を外部に設けた電解質の補給タンクから補給
   する電解質補給装置において、前記各単位セルとセパレ
   ート板との間に積層されて電解質を保持する多孔質カー
   ボン材からなるリブ付きリザーバ板と、このリブ付きリ
   ザーバ板と同程度の毛管力を有する多孔質材からなり，
   両端部が前記補給タンクとリブ付きリザーバ板とに連結
   されて電解質をリブ付きリザーバ板側に導く導液部とを
   備えたことを特徴とする燃料電池の電解質補給装置。
2. 【請求項２】請求項１に記載の燃料電池の電解質補給装
   置において、リブ付きリザーバ板および導液部が、とも
   に同じ材質，製法の多孔質カーボン材からなることを特
   徴とする燃料電池の電解質補給装置。
3. 【請求項３】請求項１に記載の燃料電池の電解質補給装
   置において、導液部がその少なくとも一部分に耐湿性を
   有する絶縁被覆を有することを特徴とする燃料電池の電
   解質補給装置。
4. 【請求項４】請求項１に記載の燃料電池の電解質補給装
   置において、リブ付きリザーバ板の溝に導液部の端部が
   挿入され、導液性を有する連結部が形成されたことを特
   徴とする燃料電池の電解質補給装置。