JPS6250946B2 - - 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通路を基本構成
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、電極基材に開けた
孔を介してセパレータのガス路から電解質をマト
リツクスに含浸させる方法、あるいは、セルを縦
型とし、電池上部に設けた電解質通路および上部
電解質溜を介して電解質をマトリツクスに含浸さ
せ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〕

前述の提案のうち、前者の方法では、電解質含
浸時に電極基材に電解質が付着するため、ガス拡
散が妨げられ、電池出力を低下させる欠点があ
り、また、後者の方法では、電池上部に設けた電
解質溜より含浸させるようになつているため、大
型電極の場合には、含浸時間がかかる欠点があつ
た。

本発明は、これらの問題点を除去し、電池外部
よりマトリツクスに電解質を供給するための電解
質供給路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、この
電極内に位置する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供給路を設け、この
電解質供給路が隣接する電極に設けられた電解質
溜を介して、電極、マトリツクスおよびセパレー
タを連通する電解質通路に連通しており電解質連
通孔および電解質供給路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、燃料極および酸化剤極に接するセパ
レータ中に設けられた溝状の電解質供給路と、こ
の電解質供給路をマトリツクスに連通する電解質
連通孔と、電解質供給路を電極またはセパレータ
中に設けた電解質溜を介して、セパレータ、燃料
極、マトリツクスおよび酸化剤極を連通する通路
とを有し、マトリツクスへ電解液を供給できるよ
うにすることにより吸湿、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
に一定の電解質を保持可能にしたものである。

〔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、電解液にリン酸を用い
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１図は一実施例の部分断面図、第２図および
第３図はそれぞれ異なる要部の平面図を示してい
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２ａと燃料極触媒層２ｂより
なる燃料極、３は酸化剤極基材３ａと酸化剤極触
媒層３ｂよりなる酸化剤極、４は燃料極用ガス
路、５は酸化剤極用ガス路、６はセパレータであ
る。そして、燃料極２と酸化剤極３の間にマトリ
ツクス１が配設された単位電池がセパレータを介
して必要数積層されている。７２は電解質供給用
溝、８２は電解質溜、９２は電解質連通孔、１０
は積層電池の縁部において、電極、マトリツクス
およびセパレータを連通するように設けられてい
る電解質通路、１１はシールである。すなわちセ
パレータ６に、第２図に示すように、電解質供給
用溝７２および電解質通路１０が設けられ、燃料
極４に、第３図に示すように、電解質通路１０、
電解質通路１０に連通する電解質溜８２、および
電解質供給用溝７２とマトリツクス１との間で電
解質を連通する電解質連通孔９２が設けられてい
る。

このような構成の燃料電池において、電解質を
供給する場合には、電解質通路１０に電解質を満
たして、各電池の電解質溜８２に溢れさせ、電解
質溜８２に電解質を満たすと、電解質溜８２内に
満たされた電解質は、下部の孔８２ａから電解質
供給用溝７２に入り、電解質連通孔９２を通して
マトリツクス１に供給される。この場合、電解質
が燃料極基材２ａを湿潤するのを防ぐため、燃料
極基材２ａには、例えばポリテトラフルオルエチ
レンを塗布して撥水化してある。さらに、電解質
供給圧力によつて燃料極基材２ａに電解質が入る
場合、電解質供給単位となる電池積層数を少なく
し、電解質供給圧力を下げればよい。そして、電
解質を電解質供給用溝７２に充満した後、電解質
通路１０から電解質を除去して、電解質による液
短絡を防ぐ。この時、電解質溜８２からも電解質
が除去されるが、性能に影響を及ぼすことはな
い。

以上のように構成された燃料電池においては、
吸湿によりマトリツクス１内の電解質量が増加し
た場合、余剰分は電解質連通孔９２を通して、電
解質供給用溝７２に溢れ、さらに、電解質溜８２
に溢れ貯蔵される。また、蒸発によりマトリツク
ス１内の電解質が不足する場合は、不足分を電解
質連通孔９２を通して電解質供給用溝７２より補
給される。

従つて、マトリツクス１内の電解質量は常に一
定に保たれ、電池性能を安定化するとともに、吸
湿時の余剰の電解質を貯蔵するようになつている
ので、燃料極触媒層２ｂおよび酸化剤極触媒層３
ｂを過剰に濡らすことがなくなり、電極性能を安
定化する。さらに、電解質供給用溝７２内の電解
質が減少した場合、電解質通路１０を通して電解
質を補充すればよいので、電解質不足による電池
性能の低下はなくなる。しかも、電解質連通孔９
２は、マトリツクス１の電解質吸込み能力に応じ
て位置を決定できるので、電解質のマトリツクス
１への浸透は充分な速度で行なうことができる。
また、電解質供給用溝７２を設け、電解質供給路
を限定したので、電解質供給時に電極基材が濡ら
されることがなく、ガスの拡散が妨げられること
がないなどの効果がある。

第４図は、他の実施例の部分断面図を示すもの
で、この実施例では、電解質溜８２、電解質供給
用溝７２および電解質連通孔９２内に繊維１２を
充填してある点が第１図の実施例と異なつてい
る。この繊維１２はその毛管力により電解質の含
浸速度を向上させるとともに、電解質の分布を一
様ならしめる効果がある。

そして、ここで用いる繊維１２には、シリコン
カーバイド繊維、カーボン繊維、ガラス繊維、フ
エノール樹脂繊維などが用いられる。また、繊維
の代りに、他の親水性材料、例えば、シリコンカ
ーバイト粉末、カーボン粉末を結着剤、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、マトリツクス１、電解質連通孔９２、電解質
供給用溝７２、および、電解質溜８２中で用いる
材料の小孔の間に、マトリツクス１中で用いる材
料の小孔を最小とし、電解質連通孔９２、電解質
供給用溝７２、電解質溜８２の順に大きくなつて
いる関係がある場合が望ましい。すなわち、この
ようにすることによつて、毛管力に差がつけられ
ると、この毛管力の差により、マトリツクス１内
の電解質量はより安定に保たれることになる。ま
た、電解質溜８２および電解質供給用溝７２の繊
維１２は、毛管力が前述の範囲であれば省略可能
である。

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図の実施例と異なるところ
は、電解質通路１０，１０ａ，１０ｂおよび電解
質溜８２が、電池の両縁部に設けられている点で
ある。このような構成されている場合には、電解
質補給速度を大きくすることができるとともに、
最初の充填時に、一方の電解質通路１０ａから供
給し、他方の電解質通路１０ｂから溢れ出させる
ようにすれば、電解質の充填を確実に行なうこと
ができる。

以上の実施例においては、セパレータの燃料極
側に電解質供給用溝を設けた場合について説明し
たが、酸化剤側に設けてもよく、さらに、燃料極
側、酸化剤極側の両方に設けてもよい。

〔発明の効果〕

以上の如く、本発明は、電池外部よりマトリツ
クスに電解質を供給するための電解質供給路を容
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図は本発明の燃料電池の一実施例の部分断
面図、第２図および第３図は第１図のそれぞれ異
なる要部の平面図、第４図および第５図は、それ
ぞれ異なる他の実施例の部分断面図である。 １……マトリツクス、２……燃料極、２ａ……
燃料極基材、２ｂ……燃料極触媒層、３……酸化
剤極、３ａ……酸化剤極基材、３ｂ……酸化剤極
触媒層、４……燃料極用ガス路、５……酸化剤極
用ガス路、６……セパレータ、７２……電解質供
給用溝、８２……電解質溜、９２……電解質連通
孔、１０……電解質通路、１１……シール、１２
……繊維。

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、該電極内に位置する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供給路
   を設け、該電解質供給路が隣接する前記電極に設
   けられた電解質溜を介して、前記電極、前記マト
   リツクスおよび前記セパレータを連通する電解質
   通路に連通しており、前記電解質連通孔および前
   記電解質供給路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 前記電解質供給路が、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 前記親水性材料が、親水性材料粉末と結着剤
   との混練物である特許請求の範囲第３項記載の燃
   料電池。 ５ 前記電解質溜が、親水性材料で充填されてい
   る特許請求の範囲第１項から第４項までの何れか
   １項記載の燃料電池。 ６ 前記親水性材料が、親水性粉末と接着剤との
   混練物である特許請求の範囲第５項記載の燃料電
   池。 ７ 前記電解質溜が、多孔性シートおよびマトリ
   ツクス材料の何れかで充填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１項記載の燃
   料電池。 ８ 前記マトリツクス、前記電解質連通孔、前記
   電解質供給路、前記電解質溜の電解質保持力が、
   マトリツクスが最大で、電解質連通孔、電解質供
   給路、電解質溜の順に小さくなつている特許請求
   の範囲第１項から第７項までの何れか１項記載の
   燃料電池。