JPH04218267A - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents
固体電解質型燃料電池Info
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- JPH04218267A JPH04218267A JP3082305A JP8230591A JPH04218267A JP H04218267 A JPH04218267 A JP H04218267A JP 3082305 A JP3082305 A JP 3082305A JP 8230591 A JP8230591 A JP 8230591A JP H04218267 A JPH04218267 A JP H04218267A
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- electrolyte layer
- solid electrolyte
- ion
- electrode
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
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- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1007—Fuel cells with solid electrolytes with both reactants being gaseous or vaporised
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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- Engineering & Computer Science (AREA)
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- Sustainable Energy (AREA)
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- Electrochemistry (AREA)
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【０００１】［発明の目的］
【０００２】
【産業上の利用分野】本発明は、イオン伝導性固体電解
質層を有する燃料電池に関する。
質層を有する燃料電池に関する。
【０００３】
【従来の技術】近年、高効率のエネルギー変換装置とし
て、燃料電池が注目を集めている。燃料電池は、一般に
電極反応に寄与するイオン種を含む電解質層を、電極反
応で変質しないで電子の授受が行え、かつ反応物質が移
行できる正負 ２種類の電極によって挟持することによ
り素電池を形成し、この素電池の複数を集電板を介して
積層することによって構成される。上記電極は、起電反
応を生じさせる場所を提供するものであることから、通
常、多孔質体によって構成されており、かつ起電反応に
寄与する触媒を含む触媒電極として使用されている。
て、燃料電池が注目を集めている。燃料電池は、一般に
電極反応に寄与するイオン種を含む電解質層を、電極反
応で変質しないで電子の授受が行え、かつ反応物質が移
行できる正負 ２種類の電極によって挟持することによ
り素電池を形成し、この素電池の複数を集電板を介して
積層することによって構成される。上記電極は、起電反
応を生じさせる場所を提供するものであることから、通
常、多孔質体によって構成されており、かつ起電反応に
寄与する触媒を含む触媒電極として使用されている。
【０００４】このような燃料電池における反応系のフロ
ーは、イオン種が酸性かアルカリ性かで異なり、例えば
酸性の場合には、以下に示すフローによって反応が進み
、（＋）極側で生成物（水）が生ずる。
ーは、イオン種が酸性かアルカリ性かで異なり、例えば
酸性の場合には、以下に示すフローによって反応が進み
、（＋）極側で生成物（水）が生ずる。
【０００５】
【化１】
【０００６】ところで、上記したような燃料電池のうち
、電解質層をプロトン伝導性の固体高分子電解質（Ｓｏ
ｌｉｄ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ）と
した燃料電池（以下、ＰＥ燃料電池と記す）は、コンパ
クトな構造で高出力密度であり、かつ簡略なシステムで
運転が可能なことから、宇宙用や車両用の移動用電源と
して注目されている。
、電解質層をプロトン伝導性の固体高分子電解質（Ｓｏ
ｌｉｄ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ）と
した燃料電池（以下、ＰＥ燃料電池と記す）は、コンパ
クトな構造で高出力密度であり、かつ簡略なシステムで
運転が可能なことから、宇宙用や車両用の移動用電源と
して注目されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たようなＰＥ燃料電池は、そのイオン伝導性固体電解質
層が有機系の高分子膜（イオン交換樹脂膜）であるため
、電池の作動温度を高々１００℃程度にしかできないと
いう難点があった。
たようなＰＥ燃料電池は、そのイオン伝導性固体電解質
層が有機系の高分子膜（イオン交換樹脂膜）であるため
、電池の作動温度を高々１００℃程度にしかできないと
いう難点があった。
【０００８】一方、燃料電池の発電に伴って発生する排
熱を回収して利用する、コジェネレーションシステムと
して適用できるオンサイト用燃料電池の開発が進められ
ているが、吸収式冷凍機の作動を考慮すると、排熱温度
として １７０℃以上が望まれる。このため、燃料電池
の作動温度は約 ２００℃以上が必要となり、現在はリ
ン酸型燃料電池を主に対象として開発されている。
熱を回収して利用する、コジェネレーションシステムと
して適用できるオンサイト用燃料電池の開発が進められ
ているが、吸収式冷凍機の作動を考慮すると、排熱温度
として １７０℃以上が望まれる。このため、燃料電池
の作動温度は約 ２００℃以上が必要となり、現在はリ
ン酸型燃料電池を主に対象として開発されている。
【０００９】このようなオンサイト用燃料電池にＰＥ燃
料電池を適用しようとした場合、上述したようにＰＥ燃
料電池の作動温度は、電解質層の劣化（分解）等を考慮
して １００℃程度にしかできないため、 ２００℃以
上の作動温度が必要なオンサイト用燃料電池には適用で
きないのが現状である。そこで、オンサイト用燃料電池
においても、優れた特性を有するＰＥ燃料電池（コンパ
クトな構造で高出力密度であり、かつ簡略なシステムで
運転が可能）の適用を可能にすることが強く望まれてい
る。
料電池を適用しようとした場合、上述したようにＰＥ燃
料電池の作動温度は、電解質層の劣化（分解）等を考慮
して １００℃程度にしかできないため、 ２００℃以
上の作動温度が必要なオンサイト用燃料電池には適用で
きないのが現状である。そこで、オンサイト用燃料電池
においても、優れた特性を有するＰＥ燃料電池（コンパ
クトな構造で高出力密度であり、かつ簡略なシステムで
運転が可能）の適用を可能にすることが強く望まれてい
る。
【００１０】本発明は、このような課題に対処するため
になされたもので、上述したＰＥ燃料電池の持つ優れた
特性を十分に維持した上で、作動温度を ２００℃以上
にすることが可能な固体電解質型燃料電池を提供するこ
とを目的としている。
になされたもので、上述したＰＥ燃料電池の持つ優れた
特性を十分に維持した上で、作動温度を ２００℃以上
にすることが可能な固体電解質型燃料電池を提供するこ
とを目的としている。
【００１１】［発明の構成］
【００１２】
【課題を解決するための手段】すなわち本発明の固体電
解質型燃料電池は、多孔質触媒層を有する一対のガス拡
散電極と、これら一対のガス拡散電極によって挟持され
たイオン伝導性固体電解質層とを具備する固体電解質型
燃料電池において、前記イオン伝導性固体電解質層は、
イオン交換樹脂を充填した無機質マトリックスからなる
ことを特徴としている。
解質型燃料電池は、多孔質触媒層を有する一対のガス拡
散電極と、これら一対のガス拡散電極によって挟持され
たイオン伝導性固体電解質層とを具備する固体電解質型
燃料電池において、前記イオン伝導性固体電解質層は、
イオン交換樹脂を充填した無機質マトリックスからなる
ことを特徴としている。
【００１３】本発明におけるイオン伝導性固体電解質層
は、実質的に非電子伝導性の無機質マトリックス内にイ
オン交換樹脂を充填したものである。上記イオン交換樹
脂としては、通常、種々の電気化学装置（燃料電池、水
電解槽、食塩電解槽等）にイオン交換樹脂膜として用い
られている各種のものを使用することができ、耐アルカ
リ性、耐酸性、耐熱性に富むものが好ましい。その中で
も特に、含フッ素高分子を骨格とするイオン交換樹脂、
例えばパーフルオロカーボンスルフォン酸樹脂等が好適
である。
は、実質的に非電子伝導性の無機質マトリックス内にイ
オン交換樹脂を充填したものである。上記イオン交換樹
脂としては、通常、種々の電気化学装置（燃料電池、水
電解槽、食塩電解槽等）にイオン交換樹脂膜として用い
られている各種のものを使用することができ、耐アルカ
リ性、耐酸性、耐熱性に富むものが好ましい。その中で
も特に、含フッ素高分子を骨格とするイオン交換樹脂、
例えばパーフルオロカーボンスルフォン酸樹脂等が好適
である。
【００１４】また、上記イオン交換樹脂を充填する無機
質マトリックスとしては、耐熱性、耐薬品性を有する気
孔率５０％以上の多孔体が用いられ、具体的には実質的
に非電子伝導性のセラミックス微粉末を用いた圧粉体、
焼結体および樹脂による結合シート等が例示される。上
記セラミックス微粉末としては、Ａｌ２ Ｏ ３ 、
ＺｒＯ２ 、ＳｉＣ 、 ＬｉＡｌＯ２ 等が例示され
る。また、燃料電池の出力を考慮した場合、ＮＨ４ Ｎ
ｂＷＯ６ 、ＮＨ４ ＴａＷＯ６ 等のパイロクロア化
合物、α− Ｚｒ（ＨＰＯ４ ） ２ ・２Ｈ２ Ｏ
、α− Ｚｒ（ＨＰＯ４ ） ２ ・ Ｈ２ Ｏ 、α
− ［Ｚｒ（ＰＯ４ ）２ ］Ｈ２ ・ Ｈ２ Ｏ 等
のα−ＺｒＰ化合物、ＮＨ４ − β− Ａｌ２ Ｏ
３ 、ＮＨ４ − β’’− Ａｌ２ Ｏ ３ 、 Ｎ
２ Ｈ ６ ＳＯ４ 、Ｎ（ＣＨ３ ）４ ＨＳＯ４
等のプロトン伝導性を有し、かつ実質的に非電子伝導
性のセラミックス材料を用いることが好ましい。
質マトリックスとしては、耐熱性、耐薬品性を有する気
孔率５０％以上の多孔体が用いられ、具体的には実質的
に非電子伝導性のセラミックス微粉末を用いた圧粉体、
焼結体および樹脂による結合シート等が例示される。上
記セラミックス微粉末としては、Ａｌ２ Ｏ ３ 、
ＺｒＯ２ 、ＳｉＣ 、 ＬｉＡｌＯ２ 等が例示され
る。また、燃料電池の出力を考慮した場合、ＮＨ４ Ｎ
ｂＷＯ６ 、ＮＨ４ ＴａＷＯ６ 等のパイロクロア化
合物、α− Ｚｒ（ＨＰＯ４ ） ２ ・２Ｈ２ Ｏ
、α− Ｚｒ（ＨＰＯ４ ） ２ ・ Ｈ２ Ｏ 、α
− ［Ｚｒ（ＰＯ４ ）２ ］Ｈ２ ・ Ｈ２ Ｏ 等
のα−ＺｒＰ化合物、ＮＨ４ − β− Ａｌ２ Ｏ
３ 、ＮＨ４ − β’’− Ａｌ２ Ｏ ３ 、 Ｎ
２ Ｈ ６ ＳＯ４ 、Ｎ（ＣＨ３ ）４ ＨＳＯ４
等のプロトン伝導性を有し、かつ実質的に非電子伝導
性のセラミックス材料を用いることが好ましい。
【００１５】上記したような無機質マトリックスにイオ
ン交換樹脂を充填する方法としては、イオン交換樹脂を
溶液化し、これを真空含浸する方法が一般的であり、か
つ簡便である。また、無機質マトリックスとして、セラ
ミックス微粉末の圧粉体を用いる場合には、セラミック
ス微粉末とイオン交換樹脂との混合物を圧縮成形するこ
とによって得られる。この場合、イオン交換樹脂がバイ
ンダ的に作用し、実用上強度的に十分なものが得られる
。さらに、セラミックス微粉末、イオン交換樹脂および
有機溶媒を含むスラリーをドクターブレードで展開した
後に乾燥させ、柔軟性を持たせたシートとすることもで
きる。また、上記シートに可撓性を付与するために、ポ
リイミド樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリフェニレンサル
ファイド樹脂、フッ素樹脂等の耐熱性を有する樹脂を混
合して用いてもよい。この際、上記耐熱性樹脂の添加量
は、プロトン伝導の通路を阻害しない程度に、イオン交
換樹脂に対して１０体積％以下程度とすることが好まし
い。またさらに、このイオン伝導性固体電解質層をガス
拡散電極と一体化する際には、両者のなじみをよくする
ために、プロトン伝導性および耐熱性を有する材料を介
在させてもよい。
ン交換樹脂を充填する方法としては、イオン交換樹脂を
溶液化し、これを真空含浸する方法が一般的であり、か
つ簡便である。また、無機質マトリックスとして、セラ
ミックス微粉末の圧粉体を用いる場合には、セラミック
ス微粉末とイオン交換樹脂との混合物を圧縮成形するこ
とによって得られる。この場合、イオン交換樹脂がバイ
ンダ的に作用し、実用上強度的に十分なものが得られる
。さらに、セラミックス微粉末、イオン交換樹脂および
有機溶媒を含むスラリーをドクターブレードで展開した
後に乾燥させ、柔軟性を持たせたシートとすることもで
きる。また、上記シートに可撓性を付与するために、ポ
リイミド樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリフェニレンサル
ファイド樹脂、フッ素樹脂等の耐熱性を有する樹脂を混
合して用いてもよい。この際、上記耐熱性樹脂の添加量
は、プロトン伝導の通路を阻害しない程度に、イオン交
換樹脂に対して１０体積％以下程度とすることが好まし
い。またさらに、このイオン伝導性固体電解質層をガス
拡散電極と一体化する際には、両者のなじみをよくする
ために、プロトン伝導性および耐熱性を有する材料を介
在させてもよい。
【００１６】
【作用】本発明の固体電解質型燃料電池においては、イ
オン伝導体であるイオン交換樹脂が、耐熱性、耐薬品性
を有する無機質マトリックス中に充填されて安定化され
ているため、電解質層に要求される機能、すなわち正負
極間の短絡防止、一定の間隔の維持、酸化剤ガスと燃料
ガスの交差混合の防止等の主要部分を無機質マトリック
スが担い、イオン交換樹脂は主にイオン伝導性のみを担
えばよいので、比較的高温で作動させることができるよ
うになる。よって、例えば ２００℃以上での運転が可
能となる。さらに、無機質マトリックスとして、プロト
ン伝導性を有する材料を用いることによって、イオン伝
導性を無機質マトリックスとイオン交換樹脂との混合体
である電解質層そのものが担うため、電池出力の向上が
期待できる。
オン伝導体であるイオン交換樹脂が、耐熱性、耐薬品性
を有する無機質マトリックス中に充填されて安定化され
ているため、電解質層に要求される機能、すなわち正負
極間の短絡防止、一定の間隔の維持、酸化剤ガスと燃料
ガスの交差混合の防止等の主要部分を無機質マトリック
スが担い、イオン交換樹脂は主にイオン伝導性のみを担
えばよいので、比較的高温で作動させることができるよ
うになる。よって、例えば ２００℃以上での運転が可
能となる。さらに、無機質マトリックスとして、プロト
ン伝導性を有する材料を用いることによって、イオン伝
導性を無機質マトリックスとイオン交換樹脂との混合体
である電解質層そのものが担うため、電池出力の向上が
期待できる。
【００１７】
【実施例】以下、本発明の固体電解質型燃料電池の実施
例について図面を参照して説明する。
例について図面を参照して説明する。
【００１８】図１は、本発明の一実施例の固体電解質型
燃料電池の要部を示す断面図である。同図において、１
はイオン伝導性の固体電解質層である。このイオン伝導
性の固体電解質層１は、例えば多孔質の ＳｉＣ焼結体
や ＳｉＣ圧粉体等の無機質マトリックス、さらにはＮ
Ｈ４ ＮｂＷＯ６ 焼結体やＮＨ４ ＮｂＷＯ６ 圧粉
体等のプロトン伝導性を有する無機質マトリックスを有
しており、これら無機質マトリックス内に、パーフルオ
ロカーボンスルフォン酸樹脂・ナフィオン（商品名、デ
ュポン社製）等のプロトン伝導性イオン交換樹脂が充填
されて構成されている。
燃料電池の要部を示す断面図である。同図において、１
はイオン伝導性の固体電解質層である。このイオン伝導
性の固体電解質層１は、例えば多孔質の ＳｉＣ焼結体
や ＳｉＣ圧粉体等の無機質マトリックス、さらにはＮ
Ｈ４ ＮｂＷＯ６ 焼結体やＮＨ４ ＮｂＷＯ６ 圧粉
体等のプロトン伝導性を有する無機質マトリックスを有
しており、これら無機質マトリックス内に、パーフルオ
ロカーボンスルフォン酸樹脂・ナフィオン（商品名、デ
ュポン社製）等のプロトン伝導性イオン交換樹脂が充填
されて構成されている。
【００１９】上記固体電解質層１の両表面上には、（−
）側触媒電極２と（＋）側触媒電極３とが一体的に形成
されており、これらによって素電池４が構成されている
。これら触媒電極２、３は、多孔質状態のガス拡散電極
であり、多孔質触媒層とガス拡散層の両方の機能を兼ね
備えるものである。これら触媒電極２、３は、白金、パ
ラジウムあるいはこれらの合金等の触媒を担持した導電
性微粒子、例えばカーボン微粒子をポリテトラフルオロ
エチレンのような疎水性樹脂結合剤により保持した多孔
質体によって構成されている。
）側触媒電極２と（＋）側触媒電極３とが一体的に形成
されており、これらによって素電池４が構成されている
。これら触媒電極２、３は、多孔質状態のガス拡散電極
であり、多孔質触媒層とガス拡散層の両方の機能を兼ね
備えるものである。これら触媒電極２、３は、白金、パ
ラジウムあるいはこれらの合金等の触媒を担持した導電
性微粒子、例えばカーボン微粒子をポリテトラフルオロ
エチレンのような疎水性樹脂結合剤により保持した多孔
質体によって構成されている。
【００２０】また、（−）側触媒電極２の他方の面には
、多孔質カーボン支持体５を介して、燃料ガス例えば水
素ガスの通路となる溝６ａが形成された導電性物質、例
えばカーボンからなる集電板６が配置されている。また
、（＋）側触媒電極３の他方の面には、多孔質導電性撥
水層７を介して、酸化剤ガス例えば酸素ガスの通路とな
る溝８ａが形成された導電性物質、例えばカーボンから
なる集電板８が配置されている。さらに、（＋）側触媒
電極３に酸化剤ガスを供給すると、反応生成物例えば水
が（＋）側触媒電極３側に生じるため、必要に応じて電
解液や液状反応生成物の移動通路となるウィック９が、
（＋）側触媒電極３側の集電板８に設けられた溝８ａ内
に形成されている。
、多孔質カーボン支持体５を介して、燃料ガス例えば水
素ガスの通路となる溝６ａが形成された導電性物質、例
えばカーボンからなる集電板６が配置されている。また
、（＋）側触媒電極３の他方の面には、多孔質導電性撥
水層７を介して、酸化剤ガス例えば酸素ガスの通路とな
る溝８ａが形成された導電性物質、例えばカーボンから
なる集電板８が配置されている。さらに、（＋）側触媒
電極３に酸化剤ガスを供給すると、反応生成物例えば水
が（＋）側触媒電極３側に生じるため、必要に応じて電
解液や液状反応生成物の移動通路となるウィック９が、
（＋）側触媒電極３側の集電板８に設けられた溝８ａ内
に形成されている。
【００２１】そして、固体電解質層１、（＋）側および
（−）側触媒電極２、３および集電板６、８等によって
、燃料電池の電池ユニット１０が構成されている。なお
、図中１１は上記燃料電池の電池ユニット１０を直列に
積層してスタックを構成する際の電池の作動温度を制御
するための冷却媒体通路である。
（−）側触媒電極２、３および集電板６、８等によって
、燃料電池の電池ユニット１０が構成されている。なお
、図中１１は上記燃料電池の電池ユニット１０を直列に
積層してスタックを構成する際の電池の作動温度を制御
するための冷却媒体通路である。
【００２２】次に、上記構成の固体電解質型燃料電池の
具体例について説明する。
具体例について説明する。
【００２３】実施例１
まず、無機質マトリックスとして、気孔率５０％の Ｓ
ｉＣ焼結体を用意した。次いで、この ＳｉＣ焼結体中
に、パーフルオロカーボンスルフォン酸樹脂の一つであ
るナフィオン１１７ （商品名、デュポン社製）を溶液
状にしたナフィオン溶液（ナフィオン１１７ を低級ア
ルコールと水の混合溶媒に溶かしたもの）約 ５重量％
を真空含浸法により含浸させて、本発明に係わるイオン
伝導性固体電解質層１を得た。得られた上記イオン伝導
性固体電解質層の伝導性をナフィオンと共に図２に示す
。図２から明らかなように、上記ナフィオンを ＳｉＣ
焼結体中に含浸させた固体電解質層は、 ２００℃以上
でも安定したイオン伝導性を示した。
ｉＣ焼結体を用意した。次いで、この ＳｉＣ焼結体中
に、パーフルオロカーボンスルフォン酸樹脂の一つであ
るナフィオン１１７ （商品名、デュポン社製）を溶液
状にしたナフィオン溶液（ナフィオン１１７ を低級ア
ルコールと水の混合溶媒に溶かしたもの）約 ５重量％
を真空含浸法により含浸させて、本発明に係わるイオン
伝導性固体電解質層１を得た。得られた上記イオン伝導
性固体電解質層の伝導性をナフィオンと共に図２に示す
。図２から明らかなように、上記ナフィオンを ＳｉＣ
焼結体中に含浸させた固体電解質層は、 ２００℃以上
でも安定したイオン伝導性を示した。
【００２４】次に、触媒としての白金が１０重量％添加
されたカーボンブラック６０重量部と、疎水性樹脂結合
剤としてポリテトラフルオロエチレン樹脂を分散液で４
０重量部とに対し、この分散液の約１０倍の水を添加し
、これを充分に混合した後、濾過、乾燥して疎水性樹脂
結合剤と触媒担持炭素微粒子とが均一に混合された混合
物を得た。次いで、上記混合物をさらに充分に混練して
、ポリテトラフルオロエチレン樹脂を繊維化させて全体
が餅状をなす餅状物を作製した。次に、この餅状物をロ
ーラでシート化して多孔質状態の触媒層シートを作製し
た。この後、この触媒層シートを ３２０℃の窒素ガス
中で熱処理してガス拡散電極を得た。
されたカーボンブラック６０重量部と、疎水性樹脂結合
剤としてポリテトラフルオロエチレン樹脂を分散液で４
０重量部とに対し、この分散液の約１０倍の水を添加し
、これを充分に混合した後、濾過、乾燥して疎水性樹脂
結合剤と触媒担持炭素微粒子とが均一に混合された混合
物を得た。次いで、上記混合物をさらに充分に混練して
、ポリテトラフルオロエチレン樹脂を繊維化させて全体
が餅状をなす餅状物を作製した。次に、この餅状物をロ
ーラでシート化して多孔質状態の触媒層シートを作製し
た。この後、この触媒層シートを ３２０℃の窒素ガス
中で熱処理してガス拡散電極を得た。
【００２５】このようにして得たガス拡散電極に、さら
に上記したナフィオン溶液を塗布して、これを含有させ
た後、これを（＋）側および（−）側触媒電極２、３と
して用い、これら ２枚の触媒電極２、３で上述したナ
フィオンをＳｉＣ焼結体中に含浸させたイオン伝導性固
体電解質層１を挟み込み、温度１２０℃〜 １３０℃、
圧力６０ｋｇ／ｃｍ２ の条件でホットプレスして一体
化することにより、電極・電解質層複合体を得た。この
ようにして得た電極・電解質層複合体を素電池４として
用いて、上記構成の燃料電池を組立てた。
に上記したナフィオン溶液を塗布して、これを含有させ
た後、これを（＋）側および（−）側触媒電極２、３と
して用い、これら ２枚の触媒電極２、３で上述したナ
フィオンをＳｉＣ焼結体中に含浸させたイオン伝導性固
体電解質層１を挟み込み、温度１２０℃〜 １３０℃、
圧力６０ｋｇ／ｃｍ２ の条件でホットプレスして一体
化することにより、電極・電解質層複合体を得た。この
ようにして得た電極・電解質層複合体を素電池４として
用いて、上記構成の燃料電池を組立てた。
【００２６】また、本発明との比較として、イオン伝導
性固体電解質層１に通常のナフィオン膜を使用した以外
は上記実施例１と同様にして作製した電極・電解質層複
合体（比較例１）を用い、実施例１と同様にして燃料電
池を組立てた。
性固体電解質層１に通常のナフィオン膜を使用した以外
は上記実施例１と同様にして作製した電極・電解質層複
合体（比較例１）を用い、実施例１と同様にして燃料電
池を組立てた。
【００２７】これら実施例１および比較例１の燃料電池
特性を評価するために、それぞれ運転試験を行った。な
お、試験条件は、温度 ２００℃、圧力５ａｔｍ、燃料
ガス／水素、酸化剤ガス／空気、電流密度 ４００ｍＡ
／ｃｍ２ とした。 その結果を、セル電圧の経時変化として図３に示す。
特性を評価するために、それぞれ運転試験を行った。な
お、試験条件は、温度 ２００℃、圧力５ａｔｍ、燃料
ガス／水素、酸化剤ガス／空気、電流密度 ４００ｍＡ
／ｃｍ２ とした。 その結果を、セル電圧の経時変化として図３に示す。
【００２８】図３から明らかなように、実施例１による
燃料電池は、比較例１による燃料電池に比べて寿命特性
に優れ、 ２００℃という作動温度下で安定して作動さ
せることが可能であることが分る。これは、固体電解質
層１として、イオン伝導体であるイオン交換樹脂を、耐
熱性、耐薬品性を有する無機質マトリックス中に充填さ
せて安定化したイオン伝導性固体電解質層を用いている
ため、電解質層の耐熱性が向上し、温度 ２００℃にお
いても運転が可能となったものである。
燃料電池は、比較例１による燃料電池に比べて寿命特性
に優れ、 ２００℃という作動温度下で安定して作動さ
せることが可能であることが分る。これは、固体電解質
層１として、イオン伝導体であるイオン交換樹脂を、耐
熱性、耐薬品性を有する無機質マトリックス中に充填さ
せて安定化したイオン伝導性固体電解質層を用いている
ため、電解質層の耐熱性が向上し、温度 ２００℃にお
いても運転が可能となったものである。
【００２９】実施例２
まず、平均粒径 ５μｍ の ＳｉＣ粉末と、実施例１
で使用したナフィオン溶液とを、重量比で３：２ の割
合で混合し（ナフィオンは固体分重量として）、この混
合物をシート状に成形した後、温度 １２０℃〜１３０
℃、圧力３００ｋｇ／ｃｍ２ の条件でホットプレス成
形し、本発明に係わるイオン伝導性固体電解質層１を得
た。
で使用したナフィオン溶液とを、重量比で３：２ の割
合で混合し（ナフィオンは固体分重量として）、この混
合物をシート状に成形した後、温度 １２０℃〜１３０
℃、圧力３００ｋｇ／ｃｍ２ の条件でホットプレス成
形し、本発明に係わるイオン伝導性固体電解質層１を得
た。
【００３０】次に、上記イオン伝導性固体電解質層１を
実施例１と同様にして作製した ２枚の触媒電極２、３
で挟み込み、実施例１と同一条件でホットプレスして一
体化することにより、電極・電解質層複合体を得た。そ
して、この電極・電解質層複合体を素電池４として用い
て、実施例１と同様に燃料電池を組立てた。この実施例
２による燃料電池の特性を実施例１と同一条件下で評価
したところ、実施例１の燃料電池とほぼ同等の優れた特
性が得られた。
実施例１と同様にして作製した ２枚の触媒電極２、３
で挟み込み、実施例１と同一条件でホットプレスして一
体化することにより、電極・電解質層複合体を得た。そ
して、この電極・電解質層複合体を素電池４として用い
て、実施例１と同様に燃料電池を組立てた。この実施例
２による燃料電池の特性を実施例１と同一条件下で評価
したところ、実施例１の燃料電池とほぼ同等の優れた特
性が得られた。
【００３１】なお、無機質マトリックスとして、この実
施例２のように、焼結していない圧粉体を用いた場合、
マトリックス中に存在するイオン交換樹脂が電解質層に
少々の流動性を与えるため、素電池４を挟み込む ２枚
の多孔質カーボン支持体５の表面の凹凸を吸収し、素電
池〜多孔質カーボン間の接触を良好にすると共に、多孔
質カーボン板と素電池の熱膨脹率の差や、平面方向の温
度分布に伴う熱応力を緩和する効果も示す。
施例２のように、焼結していない圧粉体を用いた場合、
マトリックス中に存在するイオン交換樹脂が電解質層に
少々の流動性を与えるため、素電池４を挟み込む ２枚
の多孔質カーボン支持体５の表面の凹凸を吸収し、素電
池〜多孔質カーボン間の接触を良好にすると共に、多孔
質カーボン板と素電池の熱膨脹率の差や、平面方向の温
度分布に伴う熱応力を緩和する効果も示す。
【００３２】実施例３
実施例１で作製した疎水性樹脂結合剤と触媒担持炭素微
粒子とが均一に混合された混合物 １００重量部に、さ
らに造孔剤として炭酸水素アンモニウムを６０重量部添
加し均一に混合した。次いで、この混合物を用いて実施
例１と同様にして触媒層シートを作製し、この触媒層シ
ートに一旦 １００℃で熱処理を施して造孔剤を気化さ
せた後、 ３２０℃の窒素ガス中で熱処理してガス拡散
電極を得た。
粒子とが均一に混合された混合物 １００重量部に、さ
らに造孔剤として炭酸水素アンモニウムを６０重量部添
加し均一に混合した。次いで、この混合物を用いて実施
例１と同様にして触媒層シートを作製し、この触媒層シ
ートに一旦 １００℃で熱処理を施して造孔剤を気化さ
せた後、 ３２０℃の窒素ガス中で熱処理してガス拡散
電極を得た。
【００３３】そして、このようにして得たガス拡散電極
を用いて実施例１と同一条件で電極・電解質層複合体を
作製し、同様に燃料電池を組立てた。このようにして作
製した燃料電池の特性を実施例１と同一条件下で評価し
たところ、実施例１の燃料電池とほぼ同じ優れた特性が
得られた。
を用いて実施例１と同一条件で電極・電解質層複合体を
作製し、同様に燃料電池を組立てた。このようにして作
製した燃料電池の特性を実施例１と同一条件下で評価し
たところ、実施例１の燃料電池とほぼ同じ優れた特性が
得られた。
【００３４】実施例４
プロトン伝導性を有する無機質マトリックスとして、気
孔率５０％のＮＨ４ ＮｂＷＯ６ 焼結体を用意した。 次いで、このＮＨ４ ＮｂＷＯ６ 焼結体中に、実施例
１と同様のナフィオン溶液約 ５重量％を真空含浸法に
より含浸させて、本発明に係わるイオン伝導性固体電解
質層１を得た。得られた上記イオン伝導性固体電解質層
の伝導性をナフィオンと共に図４に示す。図４から明ら
かなように、上記ナフィオンをＮＨ４ ＮｂＷＯ６ 焼
結体中に含浸させた固体電解質層は、 ２００℃以上で
も良好でかつ安定したイオン伝導性を示した。また、実
施例１（図２）と比較して、この実施例４（図４）の方
が ２００℃以上でのイオン伝導性がより良好であるこ
とが分かる。
孔率５０％のＮＨ４ ＮｂＷＯ６ 焼結体を用意した。 次いで、このＮＨ４ ＮｂＷＯ６ 焼結体中に、実施例
１と同様のナフィオン溶液約 ５重量％を真空含浸法に
より含浸させて、本発明に係わるイオン伝導性固体電解
質層１を得た。得られた上記イオン伝導性固体電解質層
の伝導性をナフィオンと共に図４に示す。図４から明ら
かなように、上記ナフィオンをＮＨ４ ＮｂＷＯ６ 焼
結体中に含浸させた固体電解質層は、 ２００℃以上で
も良好でかつ安定したイオン伝導性を示した。また、実
施例１（図２）と比較して、この実施例４（図４）の方
が ２００℃以上でのイオン伝導性がより良好であるこ
とが分かる。
【００３５】次に、上記ナフィオンをＮＨ４ ＮｂＷＯ
６ 焼結体中に含浸させたイオン伝導性固体電解質層１
を、実施例１と同様にして作製した ２枚の触媒電極２
、３で挟み込み、実施例１と同一条件でホットプレスし
て一体化することにより、電極・電解質層複合体を作製
し、さらにこの電極・電解質層複合体を素電池として用
いて燃料電池を組立てた。この燃料電池の運転試験結果
を図５に示す。試験方法は、実施例１と同様とした。
６ 焼結体中に含浸させたイオン伝導性固体電解質層１
を、実施例１と同様にして作製した ２枚の触媒電極２
、３で挟み込み、実施例１と同一条件でホットプレスし
て一体化することにより、電極・電解質層複合体を作製
し、さらにこの電極・電解質層複合体を素電池として用
いて燃料電池を組立てた。この燃料電池の運転試験結果
を図５に示す。試験方法は、実施例１と同様とした。
【００３６】図５から明らかなように、実施例４による
燃料電池は、比較例１による燃料電池に比べて寿命特性
に優れ、 ２００℃という作動温度下で安定して、かつ
良好な出力で作動させることが可能であることが分る。 これは、固体電解質層１としてイオン交換樹脂を、耐熱
性、耐薬品性を有しかつプロトン伝導性を有する無機質
マトリックス中に充填させて安定化したイオン伝導性固
体電解質層を用いているため、電解質層の耐熱性が向上
すると共に、良好なプロトン伝導性を付与することがで
き、よって ２００℃においても良好な出力で運転が可
能となったものである。 実施例５ まず、平均粒径 ５μｍ のＮＨ４ ＮｂＷＯ６ 粉末
と、実施例１で使用したナフィオン溶液とを、重量比で
３：２ の割合で混合し（ナフィオンは固体分重量とし
て）、この混合物をシート状に成形した後、温度 １２
０℃〜 １３０℃、圧力３００ｋｇ／ｃｍ２ の条件で
ホットプレス成形し、本発明に係わるイオン伝導性固体
電解質層１を得た。
燃料電池は、比較例１による燃料電池に比べて寿命特性
に優れ、 ２００℃という作動温度下で安定して、かつ
良好な出力で作動させることが可能であることが分る。 これは、固体電解質層１としてイオン交換樹脂を、耐熱
性、耐薬品性を有しかつプロトン伝導性を有する無機質
マトリックス中に充填させて安定化したイオン伝導性固
体電解質層を用いているため、電解質層の耐熱性が向上
すると共に、良好なプロトン伝導性を付与することがで
き、よって ２００℃においても良好な出力で運転が可
能となったものである。 実施例５ まず、平均粒径 ５μｍ のＮＨ４ ＮｂＷＯ６ 粉末
と、実施例１で使用したナフィオン溶液とを、重量比で
３：２ の割合で混合し（ナフィオンは固体分重量とし
て）、この混合物をシート状に成形した後、温度 １２
０℃〜 １３０℃、圧力３００ｋｇ／ｃｍ２ の条件で
ホットプレス成形し、本発明に係わるイオン伝導性固体
電解質層１を得た。
【００３７】次に、上記イオン伝導性固体電解質層１を
実施例１と同様にして作製した ２枚の触媒電極２、３
で挟み込み、実施例１と同一条件でホットプレスして一
体化することにより、電極・電解質層複合体を得た。そ
して、この電極・電解質層複合体を素電池４として用い
て、実施例４と同様に燃料電池を組立てた。この実施例
５による燃料電池の特性を実施例４と同一条件下で評価
したところ、実施例４の燃料電池とほぼ同等の優れた特
性が得られた。
実施例１と同様にして作製した ２枚の触媒電極２、３
で挟み込み、実施例１と同一条件でホットプレスして一
体化することにより、電極・電解質層複合体を得た。そ
して、この電極・電解質層複合体を素電池４として用い
て、実施例４と同様に燃料電池を組立てた。この実施例
５による燃料電池の特性を実施例４と同一条件下で評価
したところ、実施例４の燃料電池とほぼ同等の優れた特
性が得られた。
【００３８】実施例６
実施例３と同様にして作製したガス拡散電極を用いて、
実施例４と同一条件で電極・電解質層複合体を作製し、
同様に燃料電池を組立てた。このようにして作製した燃
料電池の特性を実施例４と同一条件下で評価したところ
、実施例４の燃料電池とほぼ同じ優れた特性が得られた
。
実施例４と同一条件で電極・電解質層複合体を作製し、
同様に燃料電池を組立てた。このようにして作製した燃
料電池の特性を実施例４と同一条件下で評価したところ
、実施例４の燃料電池とほぼ同じ優れた特性が得られた
。
【００３９】なお、上記した各実施例では触媒として白
金を用いたが、Ｐｄ、 Ｐｔ−Ｐｄ合金、Ｐｔ−Ｃｒ合
金、Ｐｔ−Ｃｒ−Ｃｏ合金、Ｐｔ−Ｖ合金、 Ｐｔ−Ｍ
ｎ合金、 Ｐｔ−Ｍｏ合金等を用いた系についても同様
な効果が得られた。また、図１における冷却媒体通路１
１は、各セル毎ではなく複数セルに １つとしてもよい
。冷却媒体としては、水、水蒸気、イオン伝導性をもた
ない有機溶媒等が例示され、またメタノール蒸気を流通
させてもよい。メタノールの場合には、その改質反応（
吸熱反応）を利用した熱除去が可能となる。さらに、集
電板６、８の材質は、カーボン、金属のいずれでもよい
。
金を用いたが、Ｐｄ、 Ｐｔ−Ｐｄ合金、Ｐｔ−Ｃｒ合
金、Ｐｔ−Ｃｒ−Ｃｏ合金、Ｐｔ−Ｖ合金、 Ｐｔ−Ｍ
ｎ合金、 Ｐｔ−Ｍｏ合金等を用いた系についても同様
な効果が得られた。また、図１における冷却媒体通路１
１は、各セル毎ではなく複数セルに １つとしてもよい
。冷却媒体としては、水、水蒸気、イオン伝導性をもた
ない有機溶媒等が例示され、またメタノール蒸気を流通
させてもよい。メタノールの場合には、その改質反応（
吸熱反応）を利用した熱除去が可能となる。さらに、集
電板６、８の材質は、カーボン、金属のいずれでもよい
。
【００４０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の固体電解
質型燃料電池によれば、イオン伝導性固体電解質層とし
て、イオン伝導体であるイオン交換樹脂を耐熱性、耐薬
品性を有する無機質マトリックス中に充填させて安定化
した電解質層を用いているため、電解質層の骨格を成す
無機質マトリックスによって電解質層の耐熱性が向上し
、温度 ２００℃においても運転が可能となる。
質型燃料電池によれば、イオン伝導性固体電解質層とし
て、イオン伝導体であるイオン交換樹脂を耐熱性、耐薬
品性を有する無機質マトリックス中に充填させて安定化
した電解質層を用いているため、電解質層の骨格を成す
無機質マトリックスによって電解質層の耐熱性が向上し
、温度 ２００℃においても運転が可能となる。
【図１】本発明の一実施例の燃料電池の要部を示す断面
図である。
図である。
【図２】本発明の一実施例の燃料電池に使用したイオン
伝導性固体電解質層のイオン伝導特性を示す図である。
伝導性固体電解質層のイオン伝導特性を示す図である。
【図３】本発明の一実施例による燃料電池の電池特性を
従来例と比較して示す図である。
従来例と比較して示す図である。
【図４】本発明の他の実施例の燃料電池に使用したイオ
ン伝導性固体電解質層のイオン伝導特性を示す図である
。
ン伝導性固体電解質層のイオン伝導特性を示す図である
。
【図５】本発明の他の実施例による燃料電池の電池特性
を従来例と比較して示す図である。
を従来例と比較して示す図である。
１……イオン伝導性固体電解質層
２……（−）側触媒電極
３……（＋）側触媒電極
４……素電池
５……多孔質カーボン支持体
６、８…集電板
７……多孔質導電性撥水層
Claims (2)
- 【請求項１】 多孔質触媒層を有する一対のガス拡散
電極と、これら一対のガス拡散電極によって挟持された
イオン伝導性固体電解質層とを具備する固体電解質型燃
料電池において、前記イオン伝導性固体電解質層は、イ
オン交換樹脂を充填した無機質マトリックスからなるこ
とを特徴とする固体電解質型燃料電池。 - 【請求項２】 請求項１記載の固体電解質型燃料電池
において、前記無機質マトリックスは、プロトン伝導性
を有することを特徴とする固体電解質型燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3082305A JPH04218267A (ja) | 1990-05-31 | 1991-04-15 | 固体電解質型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14296190 | 1990-05-31 | ||
| JP2-142961 | 1990-05-31 | ||
| JP3082305A JPH04218267A (ja) | 1990-05-31 | 1991-04-15 | 固体電解質型燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04218267A true JPH04218267A (ja) | 1992-08-07 |
Family
ID=26423329
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3082305A Withdrawn JPH04218267A (ja) | 1990-05-31 | 1991-04-15 | 固体電解質型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04218267A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1996029752A1 (en) * | 1995-03-20 | 1996-09-26 | E.I. Du Pont De Nemours And Company | Membranes containing inorganic fillers and membrane and electrode assemblies and electrochemical cells employing same |
| EP0818841A1 (fr) * | 1996-07-09 | 1998-01-14 | Automobiles Peugeot | Matériau à conduction protonique, son utilisation pour l'élaboration d'une membrane à conduction protonique pour les piles à combustible et les supercapacités |
| KR100446662B1 (ko) * | 2002-03-22 | 2004-09-04 | 주식회사 엘지화학 | 연료 전지용 복합 폴리머 전해질 막 및 그의 제조방법 |
-
1991
- 1991-04-15 JP JP3082305A patent/JPH04218267A/ja not_active Withdrawn
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1996029752A1 (en) * | 1995-03-20 | 1996-09-26 | E.I. Du Pont De Nemours And Company | Membranes containing inorganic fillers and membrane and electrode assemblies and electrochemical cells employing same |
| EP0818841A1 (fr) * | 1996-07-09 | 1998-01-14 | Automobiles Peugeot | Matériau à conduction protonique, son utilisation pour l'élaboration d'une membrane à conduction protonique pour les piles à combustible et les supercapacités |
| FR2751119A1 (fr) * | 1996-07-09 | 1998-01-16 | Commissariat Energie Atomique | Materiau a conduction protonique, son utilisation pour l'elaboration d'une membrane a conduction protonique pour les piles a combustible et les supercapacites |
| KR100446662B1 (ko) * | 2002-03-22 | 2004-09-04 | 주식회사 엘지화학 | 연료 전지용 복합 폴리머 전해질 막 및 그의 제조방법 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 19980711 |