JPS6068561A - マトリツクス形燃料電池の電解液補給装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は電解液保持体としての多孔性のマトリックス層
を含む単電池を複数個積層してなるマトリックス形燃料
電池の電解液補給装置に関する。

〔従来技術きその問題点〕

前述のマトリックス形燃料電池においては、電解液を保
持する多孔性の絶縁体層としてなるマトリックス層を挾
んで、燃料ガスが供給されアノード反応を維持する燃料
ガス電極１例えば水素電極と、酸化ガスが供給されカソ
ード反応を維持する酸化ガス電極１例えば空気電極とが
配置される。

これらは一つの発電要素体としての単電池を構成するが
、前述の燃料、酸化両電極に連続的に反応ガスすなわち
燃料カスおよび酸化ガスを供鞄するために、電極自体に
反応ガスを通流させるための溝を切るか、単電池を複数
個積層する際に燃料ガス区画と酸化ガス区間とを仕切る
ために単電池相互間に介装されるセパレータ板に溝が設
けられる。

前者を溝つき電極構造、後者を溝つきセパレータ板構造
と呼ぶことにする。

一方、電解液に溶解される電解質ないしは電解液として
用いられる電解質には、一般に化学的変化を生じること
が少なくかつ蒸発等による減少も少ない物質２例えばり
ん酸が使用されるが、電池の長期運転中には電解質が微
量すっではあるが電池内から失なわれて行くことを避け
ることができず、電解質ないしは電解液の補給のための
なんらかの手段を講じておかねばならない。

次第に失なわれて行く電解質をマトリックスに補給する
ため、単電池あるいはその８４一体内に電解液を貯留す
るりサーバが設けられることが多い。

このり→ノ゛−バは、例えば前述の溝つき電極構造の場
合は電極内に、溝つきセパレータ板構造の場合はセパレ
ータ板に設けられるが、電池内の限られたスペース内に
設けなければならないので、貯留できる電解液の量に制
限があり、かつ溝つき電極構造の場合は多孔質材料で構
成される該電極のガス拡散機能がリザーバを設けること
により多少とも阻害される欠点がある。

電解質補給の問題を解決するには、上述の欠点を克服す
ることのほか、次の事項を満足する電解液補給装置を開
発する必要がある。

（ａｔ　各単電池への電解液補給路が共通していると、
単電池相互間が電解液を通じていわゆる液絡を生じるの
で、各単電池への電解液補給路は極力相互に分離ないし
は電気的に絶縁しなければならない。

＋ｂｌ　電池を長期にわたって運転する上で、電解液補
給路からの洩れを防止しなければならない。

ｔｃ＋　電解液は温度が変化すると粘度がかなり変化し
やすく、また電解液中に気泡が混入すると見掛けの粘性
ないしは流体抵抗が変わってくるので、多少流体抵抗が
変化しても確実に逼解黄を補給できなくてはならない。

とくにｆｃ１項は、電極ないしはセパレータ板を極力薄
くして電池積層体の外形寸法を縮小しようとするよき、
電解液補給路の断面積がこれに応じて当然小さくなるか
ら、信頼性の高い電解液補給装置ζを開発する上でのか
なりの障害となる因子である。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、前述のような難点を見服して、電池内
の電解液補給路中の流体抵抗が変化しても、確実１こ′
ｉＨ解液を補給てきるマトリックス形・燃料電池の電解
液補給装置を得ることにある。

〔発明の要点〕

前記目的を達成するため、本発明においては、ま′ｇ″
電池に補給すべき電解質を貯留する電解液容器を′ｔニ
池積層体外に設けて、補給に必要な電解液を十分な献だ
け貯留させる。この容器は電池積層体内の電池の積層準
位ごとに設けられるので該積層単位相互間の電解液を通
じての液絡が防止される。積層単位は必すしも単電池と
する必要はなく、液絡が許される限度で数個の単電池が
積層された単位であってよい。

つぎにかかる電解液容器を、燃料電池に供給される反応
ガスとは隔離された区画を形成する密訝４箱としてなる
加圧容器内に、複斂個相互に軍気的に絶縁して収納する
。さらに、該電解液容器内Ｑ）電解液を、望ましくは一
本の連続したチューフ゛力）らなる電解液補給チューブ
を介して、該電１・仔液容器から電解液を補給すべき谷
単電池内θ）電ｊ’ｌ’Ｊ液補給路に連通させておいた
上で、加圧手段により加圧容器内のカス圧力を電池内の
反応カスＱ）圧力よりも僅かな程度高めることにより、
電解液容器１７」の電解液を押し出して前記電解液補給
チューブを通して各単電池の電解液補給路に供給する。

マトリックス層内の電解液はこれに接するカス拡散性の
電極内に滲出しており、常時は電極内で反応ガスの圧力
と均衡した圧力下にあるので、ｉす述の加圧容器に川け
る圧力を電池内の反応プｙスυ〕圧力より大幅に高める
ことは詑−されなＧＡｏこυ）ような電池内の圧力均衡
を大きく狂わせることなく、かつ電解液を確実に補給す
るための差圧は数十ミリメートル水柱程度であるから、
前述の加圧手段による加圧は差圧がこの程度の所定値に
なるようにかなり厳密に制御をしてやる必要がある。

上述のように構成された本発明による電解液補給装置に
おいては、前述の加圧容器への加圧状態を常時維持して
おいて、電池に電解液が常に補給される状態にすること
はもちろん可能であるが、電解質の電池からの逸出速度
は極めて小さいので、ふつうは間欠的に加圧容器を加圧
して電解液を補給してやることでよい。かかる場合は、
所定時間加圧容器の加圧状態を維持した後に、加圧容器
内の圧力を電池内の反応ガスの圧力と等しい圧力への制
御状態に戻してやる。このように電解液補給時には、′
ｄ解液液補給路内電解液は電池内の反応カスの圧力より
も所定値だけ高い圧力に付勢されるので、該補給路中の
電解液に対する流体抵抗が温度変化や気泡の混入等の原
因によって多少変化しても、補給は確実に行なわれる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を図を参照しながら詳細に説明す
る。

第１図はリブ付き電極構造の電池に用いられる電極３の
電極基材３ａの要部を示すもので、図示のように多数の
溝３Ｃが切られており、反応カスがこの溝に通流される
。この電極基材３ａの溝に平行な端縁部には電解液補給
溝３ｄ、３ｅが切られており、この内の溝３ｅには電解
液補給チューブ２３が嵌められていて、電解液とくにり
ん酸番と耐食性のある接着剤２３ａ９例えばテフロン系
接着剤により溝３ｅと接着されており、該接着剤２３ａ
により溝３ｄは電池外に対して液密に封じられている。

溝３ｄの底面には、図示のように連通孔３ｆがうがたれ
ていて、溝３ｄ内の電解液を後述のマトリックス層に連
通させる役目を果たす。なお、電極基材３ａはガス拡散
性材料１例えば多孔質のグラファイト材料で構成される
ので溝３ａ、３ｅの周壁部には撥液性のテフロン系拐料
寺を浸透させておいて、溝３ｄ　、３ｅから電解液か電
極基材３ａ内に無用に浸透しないように処置される。

第２図の右方には、かかる電解液補給路を有する電極基
板３ａを含む電池積層体１０の一部ｕＪｒ面が示されて
いる。図において、符号１で示す部分が１個の単電池を
示し、各単電池１はマトリックス層２と、燃料ガス電極
３と、酸化ガス電極４とを含んでいる。さらに各電極３
，４は、それぞれ電極基板３ａ　、４ａと、触媒層３ｂ
　、４ｂとからなっており、各電極基板３ａ　、４ａは
マ）　ｌ）ツクス層２と反対側の曲にそれぞれ反応ガス
用の溝を有する。図示された酸化ガス側の電極基板４ａ
の溝４Ｃは、周知のように前述の燃料ガス側の電極基板
３ａの溝３Ｃと直交すべ方向に切られている。

これらの単電池１は周縁部に配されたパツキン６ととも
に、気密性のセパレータ板５を介して相互に積層されて
、前述の電池積層ｌＯを形成している。

各単電池１に電解液を補給するための電解液補給路とし
ての前述の溝３ｄ、３ｅ′！６よび連通孔３ｆは、電解
液補給チューブ２３を介して１図の左方に一部断面で示
された加圧ｙ器２１内に納められた電解液容器２２内に
貯留された電解液Ｅに連通されている。このため、電解
液補給チューブ２３は、加圧容器の容器壁２１ａを気密
／ずツキン２３ｂを介して貫通し、その端部２３ｃは各
電解液容器２２の底面付近に開口している。この各醒解
欣補給チューブとしては、液の洩れを防止する上で１本
の連続したチューブとするのが望ましく、かつその材料
は電解液２例えばりん酸に対する耐食性が要求されるの
で、例えばテフロンチューブがよく、またその可撓性が
チューブの引回しの上で有利である。

各電解液容器２２は、電解液への耐食性がありかつ相互
に電気的絶縁をする上で絶縁材料で構成するのがよく、
例えばりん酸電解質に対してはテフロンの成形品が好適
である。もちろん、咳容器は必ずしも電気絶縁性である
賛はなく、他の適宜の手段で相互に絶縁ができればよい
。図示のように該容器２２は電解液補給チューブ２３が
挿通される開口２２ａを備えており、できればもう一つ
の開口２２ｂを設ければ加圧容器２１内のスペースに対
して連通されるとともに、該容器２２に電解液を装入す
る上の便宜が得られる。これらの電解液容器２２は加圧
容器２１の連通孔２工Ｃを備えた棚２Ｉｂ上に図示しな
い適宜の手段により固定ないし固定的に載置される。

第３図には、加圧容器２１が燃料電池の反応ガス供給用
マニホールド区画内に組み込まれた実施例が示されてい
る。図において、多数の単電池１を積層してなる電池積
層体１０の図の左右の両側面には、反応ガス、例えば燃
料ガスＦを図の左方の側面から供給するための供給用マ
ニホールド蓋１１と、電池から排出された反応ガスを集
めるための排出用マニホールド蓋１２とが取り付けられ
ている。図示の実施例では、これらの肉供給側マニホー
ルド蓋１１に加圧容器２２が固定されて組み込まれてい
る。もぢろん、電池積層体１０の紙面の前後の仙ｊ面に
も同様にマニホールド蓋が取り付けられるが、簡単化の
ため図では省略されている。

なお、これら電池積層体１０およびマニホールド蓋］、
　１　、１２等は、図の一点鎖線で示された圧力容器１
３の中に収納されるのが公知のようにふつうである。燃
料電池積層体１０への燃料ガスＦまたは酸化ガスＡ１例
えば空気の供給は、マニホールド蓋１１を外部から貫通
する入口管１　］、　ａをｉｌ＋１じて行なわれ、これ
らの反応カスＦまたはＡは供給側マニホールド区間１１
から電池積層体１０に入り、前述の溝３Ｃまたは４Ｃ内
を流れて電池内で消費されなかった残余部が排出側マニ
ホールド区間１２に至り、さらに図の右下に示された排
出管１２ａから電池外に排出される。

加圧容器２１への加圧用ガスの導入は、該加圧容器２１
の図では下部に示された加圧管３１を通じて行なわれ、
加圧用ガスとしては不活性カス。

例えば窒素が安全の見地から好適である。本発明におけ
る加圧手段としての加圧系３０は、こθ）　７１＋１圧
３１の下方に示されており、三方電磁弁３２゜３３、調
整弁３４．差圧検出器３５．差圧調節器３６を含む。

ます、電解液を補給しないときには、三方’ｔ（Ｌ　１
１ｆｉ圧容器２１内の圧力はマニホールド１１内の・圧
力。

すなわち反応カスの圧力と等しい状態に置かれている。

電解液の補給を開始するに当うては、三方電磁弁３２を
切り換えて加圧管３１を図の配管３７と連通させるとと
もに、三方電磁弁３３を配管３７を加圧ガス源Ｎからの
配管３８と連通させる位置に耐く。これにより、加圧ガ
ス源Ｎの圧力を前述のように反応カスの圧力よりも数十
ミリメートル水柱程度高い圧力にあらかじめしておけば
、加圧容器２１内の圧力が所定値だけ反応ガスの圧力よ
り高められて、電解液容器２２内に貯留されている電解
液を電解液補給チューブ２３を介して各単′電池１に一
斉に補給することができる。もちろん、この場合には配
管３８を配管３７のかわりに直接三方電磁弁３７に接続
しておいてもよく、三方電磁弁３３の設置はとくに必要
ではない。

上述のような補給手段により、ふつうは十分電解液補給
の目的は達しられるのであるが、電池内の電解液補給路
や電解液補給チューブ内にたまたま多量の気泡が混入し
て流体抵抗が非常に高い場合や、しばらく運転を休止し
ていた電池の運転再開に際して電解液の温度が低くてそ
の粘度が非常に高い場合には、前述の手段のみでは電解
液の補給が円滑になされえない場合があり得る。かかる
場合の補給手段を本発明の異なる実施例として第３図と
第４図とを参照しながら以下に説明する。

第４図の左方には第２図に示されていたとは反対側に相
描する電池の側面部分が断面で示されている。なお、こ
の断面図は第２図とほぼ同じであるが、第２図でパツキ
ン６て示されていた端縁の封止がマドＩＪツクス層２を
囲む・ように設けられたソール層７て置き換えられてい
る一点て僅かに異なっている。連通孔３ｆはこのシール
盾７を貫くようにしてマトリックス層２と連通しており
、電解液補給路のやや異なる態様を示している。さて、
電解液補給路としての溝３ｄに連通ずるように、該溝３
ｄ内の電解液を一時貯留するための電解液溜め２５に導
くチューブ２４が、′電池の図の右＄１１１の側面から
導出されている。また電解液ｄめ２５はｇ３ｄよりも水
柱にして数十ミリメートル程度高い位置に設置されてい
る。

電解液の補給開始に洛っては、前述のように加圧ガス源
Ｎからの加圧ガスが配管３８．３７および加圧管３１を
介して加圧容器２１に導入されるよう、三方電磁弁３２
．３３が操作されるが、加圧ガス源の圧力としては前述
の正規の所定値よりもやや高めに選んで、電解液補給路
内の高い流体抵抗に打ち勝って電解液が溝３ｄ内に導入
されるようにする。しかし、今度の場合には溝３ｄは電
解液溜め２５に連通されているので、当初溝３ｄ内にあ
った電解液はマトリックス層２の方に冬山するよりも先
に、電解液溜め２５の方に押し出されてそこで一時貯留
される。これによって、溝詞ないしは電解液補給チュー
ブ２３内の粘度の高いないしは気泡を含む電解液は電解
液だめの方に一時取り除かれて、新しい補給用電解液が
溝３ｄ内に満たされる。

ついで、三方電磁弁３３が配管３７を調整弁３４を含む
配管３９に連通ずるように切り換えられる。

この状態で差圧検出器３５が動作開始され、反応ガス供
給管１４（図ではその支管１４ａ）と調整弁３４の出口
圧力との間の差圧を検出し、差圧調節器３４は該差圧検
出器の差圧検出値を受けて該差圧が電解液をマ）　ＩＪ
ツクス層２内に補給する上で都合のよい所定値になるよ
うに調節弁３４を制御する。この望ましい状態を少時持
続させた後、前述のように加圧管３１に反応カスの圧力
が導入されるよう三方電磁弁３２．３３を補給開始前の
状態に戻す。その後、電解液溜め２５に一時貯留されて
いた電解液は溝３ｄに帰り、さらにその量が過剰であっ
たときには電解液補給チューブ２３内を逆流して、電解
液容器２２内に入る。なお、第４図に図示のように、電
解液溜め２５は適宜の止め具２５ａにより支持部材２６
に固定され、第３図のマニホールド蓋１２内のマニホー
ルド区画１２ｂ内に収納するのが合理的である。また電
解液溜め２５は上部をマニホールド区画１２ｂ内に開口
させて、一時貯留中の電解液中に含まれつる気泡を該マ
ニホールド区画内に発散させるのがよい。もつとも、こ
のような電解液溜めを必すしも設ける必要はなく、例え
ば第２図に図示したと同じ様な電解液容器を第２図と同
様の態様でマニホールド区画１２Ｉ）内に設けてもよい
。

以上説明した実施例に限らす、本発明による電解液補給
装置は本発明の要旨内において種々の態様で実施をする
こさができる。例えば、第３図に示したように電解液補
給の開始前および終了後において、加圧容器内の圧力を
反応ガスの圧力と平衡させるために反応ガス自体を加圧
管に導入する必要はとくにはなく、槓々の公知の手段を
用いて圧力平衡の目的を容易に達することができる。

〔究明の効果〕

以上説明のように、本発明によるマトリックス形燃料電
池の電解液補給装置は、本発明の要旨に見られるような
比較的簡単な構成で所期の目的を十分に達成することが
できる。すなわち、刀口圧容器に〃０圧手段により適正
値だけ加圧をすることにより、該加圧容器内に納められ
た電解液容器から電池内の各ＭｉＬ電池に電解液を適度
の圧力で補給できるから、電解液が温度変化や気泡の混
入により粘度変化や流体抵抗の変化を来たしても、確実
に電解液の補給目的を達することができる。また電解液
容器は常に相互に絶縁された状態が保たイ〕るから、電
解液を通じて単電池ないしは電池積層単位が液絡を生じ
るおそれがなく、電池の高い運べ・バ効率が保証される
。

本発明により多少の悪条件下でも電解液補給を円滑に行
なうことができるので、従来のようにかなりのスペース
が必要な電解液リザーバを電池内に設ける必要がなくな
るので、リブ付き電極板構造、リブ付きセパレータ板構
造の双方について、電極基板やセパレータ板の厚さを思
い切って減少させることができ、電池の外形寸法を縮少
させることが可能になる。さらには、電解液補給路の断
面積を少なくしても確実な電解液補給ができるので、従
来電解液補給の面からの電池の積層双系体の寸法縮少に
対する制約条件が芙質上なくなり、この電池構造の合理
化を思い切って図ることができる。なお、本発明におけ
る電解液容器は加圧に必要な密閉構造の加圧容器内に反
応ガスとは全く隔離されて収納されるので、電解液漏れ
によるトラブル発生の可能性を極めて少なくすることが
できる。

【図面の簡単な説明】

図面はすべて本発明装置の実施例を示し、第１図は電解
液補給路が設けられる燃料電池の電極基板の要部を示す
斜視図、第２図は本発明による電解質補給装置中の電解
液容器、電解液補給チューブおよび加圧容器の配置を電
池との関連において示す断面図、第３図は本発明による
電解質補給装置の全体を電池本体と組み合わせた状態で
示す一部断面および系統図、第４図は本発明装置の異な
る実施例の要部を示す断面図である。図において、１：
単電池、２：マトリックス層、３ｄ、３ｅ：電解液補給
路としての溝、３ｆ：電解液補給路さしての連通孔、１
０：電池積層体、２１：加圧容器、２２：電解液容器、
２３：電解液補給チューブ、２５：電解液溜め、３０：
加圧手段、３１：加圧管、３２，３３：加圧手段として
の三方電磁弁、３４：加圧制御手段としての調節弁、３
５：加圧制御手段としての差圧検出器、３６：加圧制御
手段としての差圧調節器、３７，３８，３９：加圧手段
としての配管、Ａ：反応カスとしての酸化ガス、Ｅ：電
解液、Ｆ：反応カスとしての燃料カス、Ｎ：加圧ガス源
、である。 ｊＣ −ｉｔ　（２） オＺ喝 第１頁の続き ■発明者中島　憲之 満須賀 所内

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 工）電解液保持体きしての多孔性のマトリックス層を含
   み、かっ該マ）　ＩＪフック層に連通された電解液補給
   路を内部に備えた単電池を複数個積層してなる電池積層
   体に電解液を補給する装置であって、燃料電池に供給さ
   れる反応ガスとは隔離された区画を画成する密閉箱とし
   てなる加圧容器と、該加圧容器内に相互に電気的に絶縁
   された状態で納められかつそれぞれ該容器内区画に対し
   て開く開口を備え、前記電池積層体内の電池の積層単位
   ごとに設けられて、それぞれ該単位に補給すべき電解液
   を貯留する複数個の電解液容器と、該各電解液答器内の
   電解液を前記単電池の電解液補給路にそれぞれ連通させ
   る電解液補給チューブと、前記加圧容器内の圧力を燃料
   電池内の反応ガスの圧力よりも所定値だけ高めるように
   該加圧容器内圧力を制御する加圧手段とを備えてなるマ
   トリックス形燃料電池の電解液補給装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載の装置において、加圧容
   器が燃料電池への供給反応ガスのマニホールド区画内に
   納められたことを特徴とするマトリックス形燃料電池の
   電解液補給装置。 ３）特許請求の範囲第１項記載の装置において、加圧容
   器への加圧ガスとして不活性ガスが用いられることを特
   徴とするマトリックス形燃料電池の電解液補給装置。 ４）特許請求の範囲第１項記載の装置において、加圧手
   段が燃料電池への電解液補給のために加圧容器を間欠的
   に加圧することを特徴とするマトリックス形燃料電池の
   電解液補給装置。 ５）特許請求の範囲第４項記載の装置において、加圧手
   段が電解液補給時に所定時間内持続して加圧容器を加圧
   することを特徴とするマトリックス形燃料電池の電解液
   補給装置。 ６）特許請求の範囲第４項記載の装置において、燃料電
   池内の電解液補給路が電池積層体の互いに異なる二つの
   側面にそれぞれ開口を有し、該両開口の内の一方の開口
   が電解液補給チューブを介して電解液容器内の電解液に
   連通され、他方の開口ｌこは該開口よりも上方ｔこおい
   て電解液を電解液補給路と連通された状態で一時貯留す
   る電解液だめが接続されることを％徴とするマトリック
   ス形燃料電池の電解液補給装置。 ７）特許請求の範囲第６項記載の装置において、電解液
   溜めが燃料電池への供給反応ガスのマニホールド区画内
   に納められ、該電解液溜め内の液面が該マニホールド内
   の反応ガスに開放されることを特徴きするマ）　ＩＪン
   クス形燃料電池の電解液補給装置。 ８）特許請求の範囲第４項記載の装置において、加圧手
   段が電解液補給後に加圧容器内の圧力を燃料電池内の反
   応カスの圧力と等しくするように制御することを特徴さ
   するマトリックス形燃料電池の電解液補給装置。 ９）特許請求の範囲第１項記載の装置において、各電解
   液補給チューブが１本の連続した可撓性のテフロンチュ
   ーブからなることを特徴とするマトリックス形燃料電池
   の電解液補給装置。 １０）特許請求の範囲第１項記載の装置において、電解
   液容器が電気絶縁性材料からなることを特徴とするマト
   リックス形燃料電池の電解液補給装置。