JP2693636B2

JP2693636B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP2693636B2
Application number: JP2276209A
Authority: JP
Inventors: 武桑原; 努青木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-10-17
Filing date: 1990-10-17
Publication date: 1997-12-24
Anticipated expiration: 2012-12-24
Also published as: JPH04154048A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、多孔性基板に触媒を担持させた電極のエッ
ジ部を、高密度にしたウエットシール構造を有する燃料
電池に関する。

（従来の技術）周知のように燃料電池は、燃料の有している化学的エ
ネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。
この燃料電池は、通常電解質を挾んで一対の多孔質電極
を配置するとともに一方の電極の背面に水素等の気体燃
料を接触させ、また他方の電極の背面に酸素等の酸化剤
を接触させ、この時に起こる電気化学的反応により発生
する電気エネルギーを上記一対の電極から取り出すよう
にしたものである。

上記した電解質として、溶融炭酸塩，アルカリ溶液，
酸性溶液等があるが、燃料電池として代表的なリン酸を
電解質とする燃料電池の原理を説明する。

第９図において、１は電解質層（以下、マトリックス
層という）で繊維質シートまたは鉱物質粉末にリン酸を
含浸して形成したものである。２はアノード、３はカソ
ードで、炭素質の多孔性の電極であり、マトリックス層
１に接する面に通常白金触媒を塗布してある。４は水素
を含むガスの流れる空間であり、５は酸化剤気体、普通
は空気の流れる空間である。

空間４に流入した水素ガスは、多孔性のアノード２の
空孔に拡散して触媒に達する。ここで、水素ガスは、触
媒の作用により水素イオンと電子に解離する。反応式は H₂→2H⁺＋2e である。水素イオンはマトリックス層１に入り、濃度拡
散及び電界作用によりカソード３に向かって泳動する。
一方、水素ガスの解離により分離した電子は、アノード
２に流れこむ。カソード３では、アノード２から泳動し
てきた水素イオンと、酸化剤として空間５に供給されさ
らにカソード３の空孔を拡散してきた酸素と、アノード
２から外部の電力負荷を通って仕事をし、電池のカソー
ド３に戻ってきた電子の３者が触媒表面で次の反応を起
こす。

4H⁺＋4e＋O₂→2H₂O このようにして、水素が酸化されて水になる反応と、こ
のときの化学的エネルギーが電気エネルギーとなって外
部の電力負荷中で電気エネルギーを与える電池としての
全反応が完成する。

通常、燃料電池は、上記単位セルを複数積層して構成
されている。このように単位セルを積層化するに際して
は、各単位セル間の電気的接続経路を確保すると同時
に、各単位セルに反応ガスを供給し、また、反応生成物
を除去するガス通路を確保する必要がある。さらに、燃
料電池においてはセルの長時間の運転を可能とする為
に、電解質を絶えずマトリックス層１に供給するような
セル構造が必要である。

従来から、燃料電池については、電池の設計及び構造
的な構成、電解質並びにその他の構造材料等多くの組合
わせが知られている。しかしながら、全ての燃料電池に
ついて共通する事項は、電池内外の両者におけるガス状
反応物の漏洩及び不注意による混合を防止することが絶
対必要なことである。かかる混合が生ずると大災害を起
こす危険性がある。

従って、燃料電池の構造に関し、第一の考慮は、反応
ガスの密封を有効に且つ信頼性をもって構成することで
ある。過去において、多くのシール装置が考案され且つ
使用されているが、それらの中には、ガスケット,Oリン
グ，特殊な電池枠体を用いること及び溶接，ろう付け等
の他、液体電解質それ自身の湿潤効果を用いて一つの湿
潤シールを構成することが提案されている（特公昭58−
152号参照）。

（発明が解決しようとする課題）従来の燃料電池の構成を第10図に示す。同図におい
て、１はマトリックス層、２及び３はそれぞれアノード
及びカソードで、多孔質基板から形成されている。同図
には示されていないが、マトリックス層１と接触するア
ノード２及びカソード３面には、電極反応を促進させる
効果を有する触媒層が形成されている。６は、燃料ガス
及び酸化剤ガスの混合を防止し、且つ各単位電池を電気
的に接続するインタコネクタの役目を果たすセパレータ
であり、一般的には気体を透過しない機密性の高い炭素
板から成っている。８及び９は、それぞれ燃料ガス及び
酸化剤ガスである空気が流れるガス流路を示す。次に、
アノード２及びカソード３の詳細を、アノード２を例に
とり、第11図を参照して説明する。アノード２は、燃料
ガスのガス流路８に平行な電極端部に湿潤シール部７を
有する。ガス流路８を流れる燃料ガスは反応部10の細孔
の中を拡散し、マトリックス層１との界面に形成された
触媒層（図示しない）まで移動するので、反応部10はガ
ス拡散を防げない程度の密度であり、細孔の大きさも大
きい構成となっている。

一方、湿潤シール部７は、反応部10に比べて高い密度
に形成されており、且つ小さい細孔径を有する構造と成
っており、液体である電解質を毛細管力（リン酸の表面
張力と多孔質板の親和力）で吸収保持し、湿潤シール機
能を有する構成と成っている。従って、反応部10の約２
倍程度の密度と成っている。

しかしながら、上記した従来の構造においては、第10
図及び第11図にも示すように湿潤シール部７は、電極の
端部全体にシール機能をもたせている。従って、湿潤シ
ール部７には、電解質が充満しており、起動停止時また
は負荷変化等の過渡状態時にこの湿潤シール部７に充満
している電解質の体積変化等に起因して、電解質が溢流
し、電池の中の電解質が減少し、湿潤シール機能の寿命
を低下させる欠点があった。

そこで、本発明の目的は、電池周縁部から電解質が滲
み出すことがなく、長寿命で安定した電力を発生するこ
とが可能な燃料電池を提供することにある。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明は、ガスに対し透過性，液体に対し実質的に不
透過性でかつガス流路を形成する導電性材料よりなる燃
料電池電極と、前記燃料電池電極の表面に設けた触媒層
からなる反応部と、前記燃料電池電極のガス流路と平行
な当該電極の端面に電解質を保持するように構成された
親水性の周縁密封部とを有し、前記周縁密封部で湿潤シ
ールを与えるように構成された燃料電池において、前記
周縁密封部の一部に、前記電解質を吸収保持すると共に
前記反応部と同じ密度を有するバッファ部を設けたこと
を特徴とするものである。

（作用）バッファ部を電極端部に併設しているので、周縁密封
部から溢れた電解質を吸収保持し、再度周縁密封部に電
解質が必要になった時に補給することができる。また、
この機能は、電極端部のみでなく、セルの電解質層から
溢れ出た電解質をも吸収保持できるので、セルからの電
解質の溢れ出しを防止でき、セル積層面の電解質による
濡れを防止し、導電性粉体を含む液絡に起因する短絡も
なく、積層面を常に乾いた状態に維持でき、電解質の毛
細管作用による流れ出しを防止できる。

（実施例）以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。
第１図は、本発明の一実施例の構成を示す斜視図であ
る。

同図において、１はマトリックス層で、この両側にア
ノード20及びカソード21が設けられ、アノード20の他側
にセパレータ6,カソード21の他側にもセパレータ６が設
けられ、燃料電池を構成している。

第２図は、アノード20の構成を示す斜視図である。ア
ノード20は、上記した従来のアノード２と同様に多孔質
基板から形成され、マトリックス層１と接触する面には
電極反応を促進させる触媒層（図示しない）が形成さ
れ、燃料ガスのガス流路８と平行な電極端部に、湿潤シ
ール部22a,22b及びこの外側に反応部10と同じ密度を有
するバッファ部23a,23bを設けている。ここで、湿潤シ
ール部22aは、ガス流路８と平行状に設けられ、湿潤シ
ール部22bは、湿潤シール部22aの長手方向に沿った両側
の端部に近い位置で、且つ湿潤シール部22aの長手方向
に対し直交する方向に設けられている。

また、カソード21は、上記した従来のカソード３と同
様に多孔質基板から形成され、マトリックス層１と接触
する面には電極反応を促進させる触媒層（図示しない）
が形成され、酸化剤ガスのガス流路９と平行な電極端部
に、湿潤シール部24a,24b及びこの外側に反応部10と同
じ密度を有するバッファ部25a,25bを設けている。ここ
で、湿潤シール部24aは、ガス流路９と平行状に設けら
れ、湿潤シール部24bは、湿潤シール部24aの長手方向に
沿った両側の端部に近い位置で、且つ湿潤シール部24a
の長手方向に対し直交する方向に設けられている。

第３図は、以上のように構成された燃料電池を複数積
層した状態を一部分解して示す斜視図である。同図にお
いて、26は燃料電池積層体で、この燃料電池積層体26の
側面には直接または枠体を介して、燃料入口マニホール
ド27及び燃料出口マニホールド28が対向するように配置
され、アノード20のガス流路８に対して燃料ガスが均一
に供給及び排出するように取付けられ、また、空気入口
マニホールド29及び空気出口マニホールド30が対向する
ように配置され、カソード21のガス流路９に対し空気が
均一に供給及び排出されるように取付けられている。一
方、燃料入口マニホールド27,燃料出口マニホールド28,
空気入口マニホールド29及び空気出口マニホールド30
は、燃料ガスや空気が漏出して事故を発生するのを防止
するため、同図に燃料入口マニホールド27を対象として
図示しているように、パッキング31,ガスケット32,パッ
キング33を介して取付ける。ここで、パッキング31は、
複数の燃料電池を積層すると側面が幾何学的な平面とな
らないのでこれを修正するためである。また、パッキン
グ33は、燃料入口マニホールド27のフランジ27aも幾何
学的な平面とならないのでこれを修正するためである。

パッキング31,33は、柔らかいパッキング材から額縁
状に形成され、ガスケット32は、パッキング31,33より
やや硬いパッキング材から額縁状に形成されされてい
る。

次に、以上のように構成された実施例の作用を説明す
る。湿潤シール部22a,22b及び24a,24bには電解質が充満
しているが、これらから滲み出た電解質は、積層面まで
出ることなく一時的にバッファ部23,25に吸収保持され
る。従って、積層面を濡らすことがなく、積層面の毛細
管力による移動を起こすことがない。その後、再び湿潤
シール部22a,22b及び24a,24bが電解質を吸収する状態に
なったときに、バッファ部23a,23b及び25a,25bに吸収保
持されている電解質がその補給源となる。

また、マトリックス層１の周縁部から滲み出した電解
質も同様にバッファ部23a,23b及び25a,25bに吸収保持さ
れ、セル積層面は常に電解質であるリン酸に対し乾いた
状態に維持され、電解質の滲み出しや液絡を防止するこ
とができる。

従って、以上のように構成することにより、燃料電池
周縁部からの電解質のロスを防止でき、電解質の消失に
よる燃料電池寿命を大幅に延長することができる。

なお、本発明は、上述した実施例（以下、第１の実施
例という）に限定されるものではなく、種々変形実施で
きる。

第４図は、本発明の第２の実施例を示す斜視図であ
る。第２の実施例は、特開昭62−20255号、特開昭62−5
5872号、特開昭61−116760号、特開昭61−227367号等に
開示されているものの改良形のセル構造に適用したもの
である。即ち、同図において、１はマトリックス層、６
はセパレータ、31はアノード、32はカソード、33は第１
の積層化素子、34は第２の積層化素子を示す。第２の積
層化素子34には、第１の実施例におけるアノード20の湿
潤シール部22a,22bと略同様の湿潤シール部35a,35b、バ
ッファ部25a,25bと略同様のバッファ部36a,36bをそれぞ
れ設け、カソード32にも、第２の積層化素子34と同じ位
置に湿潤シール部37a,37b及びバッファ部38a,38bをそれ
ぞれ設けている。第１の積層化素子33には、第１の実施
例におけるカソード21の湿潤シール部24a,24bと略同様
の湿潤シール部39a,39b、バッファ部25a,25bと略同様の
バッファ部40a,40bをそれぞれ設け、アノード31にも、
第１の積層化素子33と同じ位置に湿潤シール部41a,41b
及びバッファ部42a,42bをそれぞれ設けている。このよ
うに構成された第２の実施例も、第１の実施例と同様の
作用で同様の効果を得ることができる。

第５図は、本発明の第３の実施例におけるアノードを
示す斜視図である。この実施例におけるアノード42は、
上記した第１の実施例におけるアノード20に対し、湿潤
シール部及びバッファ部の構成が異なる。即ち、湿潤シ
ール部43a,43bは、ガス流路８と平行な電極端部に、ガ
ス流路８と平行状で、且つ離れた位置にそれぞれ設けら
れている。また、バッファ部44a,44bは、湿潤シール部4
3aと43bの間及び湿潤シール部43bより外側に設けられて
いる。なお、カソードも図示しないが、ガス流路９と平
行な電極端部に、アノード42と同じ構成で湿潤シール部
及びバッファ部が設けられる。このように構成されたア
ノード42及びカソードを有する第３の実施例も、第１の
実施例と同様の作用で同様の効果を得ることができる。

第６図は、本発明の第４の実施例におけるアノードを
示す斜視図である。この第４の実施例におけるアノード
45は、上記した第３の実施例におけるアノード42に対
し、湿潤シール部をさらに追加して設けたものであり、
これにつれてバッファ部も追加して設けられている。即
ち、湿潤シール部46a,46bは、ガス流路８と平行な電極
端部に、ガス流路８と平行状で、且つ離れた位置にそれ
ぞれ設けられているが、さらに湿潤シール部47a,47b
を、湿潤シール部46a,46bと直交する方向で、且つ湿潤
シール部46a,46bの長手方向に沿った端部に近い位置に
設ける。従って、バッファ部も上記したバッファ部44a,
44bが区分され、バッファ部48a,48b,48c,48dが設けられ
る。このように構成されたアノード45及びカソードを有
する第４の実施例も、第１の実施例と同様の作用で同様
の効果を得ることができる。

第７図は、本発明の第５の実施例を示す斜視図であ
る。この第５の実施例は、上記した第２の実施例を変形
し内部マニホールド構造としたスタックに適用したもの
である。即ち、同図において、50はマトリックス層、51
はアノード、52はカソード、53は第１の積層化素子、54
は第２の積層化素子、55はセパレータを示す。第２の積
層化素子54には、中央部に設けたガス流路９と、このガ
ス流路９の端部で連通するように設けられた空気入口マ
ニホールド56及び空気出口マニホールド57と、ガス流路
９と平行し、且つ連通しないように設けられた燃料入口
マニホールド58及び燃料出口マニホールド59が設けられ
ている。この第２の積層化素子54に、ガス流路9,空気入
口マニホールド56,空気出口マニホールド57,燃料入口マ
ニホールド58及び燃料出口マニホールド59の縁から適宜
離れた外側と、外周縁から適宜離れた内側との間の空間
部に湿潤シール部60を設け、この湿潤シール部60と外周
縁との間にバッファ部61a,湿潤シール部60とガス流路9,
空気入口マニホールド56及び空気出口マニホールド59と
の間にバッファ部61b,湿潤シール部60と燃料入口マニホ
ールド58との間にバッファ部61c、湿潤シール部60と燃
料出口マニホールド59との間にバッファ部61dを設け
る。第１の積層化素子53には、中央部に上記したガス流
路９と直交する方向に設けた図示しない燃料のガス流路
と、このガス流路の端部で連通するように図示しない燃
料入口マニホールド及び燃料入口マニホールドと、ガス
流路と平行し、且つ連通しないようにした図示しない空
気入口マニホールド及び空気出口マニホールドが設けら
れるが、これらガス流路，燃料入口マニホールド，燃料
出口マニホールド，空気入口マニホールド及び空気出口
マニホールドと外周縁との間に、上記した第１の積層化
素子53に設けた湿潤シール部及びバッファ部と同様な配
置関係をもって湿潤シール部及びバッファ部を設ける。
アノード51には、上記した空気入口マニホールド56,空
気出口マニホールド57,燃料入口マニホールド58及び燃
料出口マニホールド59とそれぞれ一致する位置に、空気
入口マニホールド（図示しない）と、空気出口マニホー
ルド62と，燃料入口マニホールド63と、燃料出口マニホ
ールド（図示しない）が設けられている。このアノード
51に、上記した第１の積層化素子53に設けたガス流路
（図示しない）の平面と対応する平面の縁から適宜離れ
た外側と、図示しない空気入口マニホールド，空気出口
マニホールド，空気出口マニホールド62,燃料入口マニ
ホールド63及び燃料出口マニホールド（図示しない）
と、外周縁から適宜離れた内側との間の空間部に湿潤シ
ール部64を設ける。マトリックス層50にも、上記した空
気入口マニホールド56,空気出口マニホールド62,燃料入
口マニホールド63及び燃料出口マニホールド59とそれぞ
れ一致する位置に、空気入口マニホールド（図示しな
い）、空気出口マニホールド65,燃料入口マニホールド6
6,燃料出口マニホールド（図示しない）が設けられてい
る。このように構成された第５の実施例も、第１の実施
例と同様な作用で同様の効果が得られる。

［発明の効果］以上説明したように本発明によれば、湿潤シールをな
す周縁密封部からなる電極端部の一部に、電解質を吸収
保持する機能を有しかつ電池反応部と同じ密度を有する
バッファ部を併設しているので、周縁密封部は本来の湿
潤シール機能を何ら損なうことなく、充満している電解
質の体積増加等によっても電解質が溢れ出ることがな
い。特に、起動・停止時においても電池端部からの電解
質のロスを防止でき、長時間安定した運転を可能とする
燃料電池を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成を示す斜視図、第２図
は本発明の一実施例を用いるアノードの斜視図、第３図
は本発明の一実施例を積層した状態を一部分解して示す
斜視図、第４図は本発明の他の実施例の構成を示す斜視
図、第５図は本発明のさらに異なる他の実施例に用いる
アノードの斜視図、第６図は本発明のさらに異なる他の
実施例に用いるアノードの斜視図、第７図は本発明のさ
らに異なる他の実施例の構成を示す斜視図、第８図は第
７図の“A"部の拡大図、第９図は本発明の原理の説明
図、第10図は従来の燃料電池の構成を示す斜視図、第11
図は第10図に示す従来の燃料電池に用いるアノードの斜
視図である。１…電解質層６…セパレータ８…燃料ガスの流路９…酸化剤のガス流路 20…アノード 21…カソード 22a,22b,24a,24b…湿潤シール部 23a,23b,25a,25b…バッファ部

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ガスに対し透過性，液体に対し実質的に不
透過性でかつガス流路を形成する導電性材料よりなる燃
料電池電極と、前記燃料電池電極の表面に設けた触媒層
からなる反応部と、前記燃料電池電極のガス流路と平行
な当該電極の端面に電解質を保持するように構成された
親水性の周縁密封部とを有し、前記周縁密封部で湿潤シ
ールを与えるように構成された燃料電池において、前記
周縁密封部の一部に、前記電解質を吸収保持すると共に
前記反応部と同じ密度を有するバッファ部を設けたこと
を特徴とする燃料電池。