JPH0529002A - 燃料電池装置 - Google Patents
燃料電池装置Info
- Publication number
- JPH0529002A JPH0529002A JP3178175A JP17817591A JPH0529002A JP H0529002 A JPH0529002 A JP H0529002A JP 3178175 A JP3178175 A JP 3178175A JP 17817591 A JP17817591 A JP 17817591A JP H0529002 A JPH0529002 A JP H0529002A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- matrix
- layer
- fuel cell
- catalyst layer
- cell device
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
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Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- 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
Landscapes
- Inert Electrodes (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 多孔質基材による反応ガスのガス拡散阻害を
なくし、マトリックス層がはく離し難い燃料電池装置を
得る。 【構成】 一方の面に電極触媒層２が設けられ、他方の
面に電解質マトリックス層１が設けられ、かつ空孔体積
の２０％以上が上記触媒層の材料及び上記マトリックス
層の材料で占有されているシート状の多孔質基材３を用
いるように構成した。
なくし、マトリックス層がはく離し難い燃料電池装置を
得る。 【構成】 一方の面に電極触媒層２が設けられ、他方の
面に電解質マトリックス層１が設けられ、かつ空孔体積
の２０％以上が上記触媒層の材料及び上記マトリックス
層の材料で占有されているシート状の多孔質基材３を用
いるように構成した。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は燃料電池装置に関し、
特にリン酸型燃料電池において好ましく用いられる電極
・マトリックス体部分の改良に関するものである。
特にリン酸型燃料電池において好ましく用いられる電極
・マトリックス体部分の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、リン酸型燃料電池に用いられる電
極・マトリックス接合体としては図２に示すものがあっ
た。図２は例えば特開昭６３−２６６７７５号公報に従
来例として開示されている電極・マトリックス接合体の
断面図と同じ構造である。図において、１はマトリック
ス層、２は触媒層、３はシート状多孔質基材としてのカ
ーボンペーパー、ｔはカーボンペーパー３の厚さであ
る。例えば、厚さｔが０．４ｍｍのカーボンペーパー３
の上に触媒層２を塗布し、さらに触媒層２の上にマトリ
ックス層１を塗布して製造される。
極・マトリックス接合体としては図２に示すものがあっ
た。図２は例えば特開昭６３−２６６７７５号公報に従
来例として開示されている電極・マトリックス接合体の
断面図と同じ構造である。図において、１はマトリック
ス層、２は触媒層、３はシート状多孔質基材としてのカ
ーボンペーパー、ｔはカーボンペーパー３の厚さであ
る。例えば、厚さｔが０．４ｍｍのカーボンペーパー３
の上に触媒層２を塗布し、さらに触媒層２の上にマトリ
ックス層１を塗布して製造される。
【０００３】カーボンペーパー３はマトリックス層１と
触媒層２を強度的に支持する役割と共に、触媒層２で発
生する電子を集電する役割をしている。またカーボンペ
ーパー３は空孔体積を６０〜９０％有し、酸素や水素な
どの反応ガスを触媒層２に供給し触媒層２で発生する水
蒸気を排出する際の通り道となっている。触媒層２は
０．１〜０．３ｍｍ程度の厚さで白金触媒を担持したカ
ーボンとポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＰＥ）粒子
で構成されており、燃料極では水素がプロトンと電子に
分離し、空気極ではマトリックスを介して燃料極からや
ってくるプロトンと酸素及び電子が結合して水蒸気が発
生する（いずれも図示省略）。マトリックス層１は０．
１〜０．３ｍｍ程度の厚さで炭化ケイ素の微粒子とポリ
テトラフルオロエチレン粒子で構成され、燃料電池の動
作時にはおよそ４０〜６０％の空孔体積の９０％以上に
リン酸が含浸され、プロトンの通り道となっている。な
おマトリックス層１は電子伝導に対しては絶縁体になっ
ている。
触媒層２を強度的に支持する役割と共に、触媒層２で発
生する電子を集電する役割をしている。またカーボンペ
ーパー３は空孔体積を６０〜９０％有し、酸素や水素な
どの反応ガスを触媒層２に供給し触媒層２で発生する水
蒸気を排出する際の通り道となっている。触媒層２は
０．１〜０．３ｍｍ程度の厚さで白金触媒を担持したカ
ーボンとポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＰＥ）粒子
で構成されており、燃料極では水素がプロトンと電子に
分離し、空気極ではマトリックスを介して燃料極からや
ってくるプロトンと酸素及び電子が結合して水蒸気が発
生する（いずれも図示省略）。マトリックス層１は０．
１〜０．３ｍｍ程度の厚さで炭化ケイ素の微粒子とポリ
テトラフルオロエチレン粒子で構成され、燃料電池の動
作時にはおよそ４０〜６０％の空孔体積の９０％以上に
リン酸が含浸され、プロトンの通り道となっている。な
おマトリックス層１は電子伝導に対しては絶縁体になっ
ている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従来の燃料電池装置に
おける電極・マトリックス部分は以上のように構成され
ているので、シート状の多孔質基材としてのカーボンペ
ーパー３は片側の面で触媒層２及びマトリックス層１の
２つの層を支えなければならず、従って強度の面からカ
ーボンペーパー３の厚さを薄くすることができず、また
反応ガスの通り道なのでガス拡散を阻害し特性を低下さ
せていた。さらに触媒層２の上に形成されるマトリック
ス層３は、はく離しやすく、触媒層の撥水性が強いため
に塗布しにくいなどの問題点があった。なおマトリック
ス層のはく離は著しい空気極の腐食を起こす原因にな
る。
おける電極・マトリックス部分は以上のように構成され
ているので、シート状の多孔質基材としてのカーボンペ
ーパー３は片側の面で触媒層２及びマトリックス層１の
２つの層を支えなければならず、従って強度の面からカ
ーボンペーパー３の厚さを薄くすることができず、また
反応ガスの通り道なのでガス拡散を阻害し特性を低下さ
せていた。さらに触媒層２の上に形成されるマトリック
ス層３は、はく離しやすく、触媒層の撥水性が強いため
に塗布しにくいなどの問題点があった。なおマトリック
ス層のはく離は著しい空気極の腐食を起こす原因にな
る。
【０００５】この発明は、上記のような問題点を解消す
るためになされたもので、多孔質基材による反応ガスの
ガス拡散阻害をなくし、マトリックス層がはく離し難い
燃料電池装置を得ることを目的とする。
るためになされたもので、多孔質基材による反応ガスの
ガス拡散阻害をなくし、マトリックス層がはく離し難い
燃料電池装置を得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この発明に係る燃料電池
装置は、一方の面に電極触媒層が設けられ、他方の面に
電解質マトリックス層が設けられ、かつ空孔体積の２０
％以上が上記触媒層の材料及び上記マトリックス層の材
料で占有されているシート状の多孔質基材を用いるよう
に構成したものである。
装置は、一方の面に電極触媒層が設けられ、他方の面に
電解質マトリックス層が設けられ、かつ空孔体積の２０
％以上が上記触媒層の材料及び上記マトリックス層の材
料で占有されているシート状の多孔質基材を用いるよう
に構成したものである。
【０００７】
【作用】この発明におけるシート状の多孔質基材は、触
媒層とマトリックス層を片方ずつに分担して保持し、空
孔体積の２０％以上を触媒層とマトリックス層の材料で
占めるようにしたことにより、薄くしても充分な強度を
与える。
媒層とマトリックス層を片方ずつに分担して保持し、空
孔体積の２０％以上を触媒層とマトリックス層の材料で
占めるようにしたことにより、薄くしても充分な強度を
与える。
【０００８】
実施例１．図１はこの発明の一実施例による燃料電池装
置の電極・マトリックス体部分を模式的に示す断面図で
ある。図１においてカーボンペーパーからなる多孔質基
材３は、この実施例では厚さｔが約０．１ｍｍのものが
用いられている。マトリックス層１はカーボンペーパー
３の一方の面（図の上方）に設けられ、触媒層２はカー
ボンペーパー３の他方の面（図の下方）に設けられてい
る。カーボンペーパー３は言わば電極ーマトリックス接
合体の中央に埋没する如くになっている。
置の電極・マトリックス体部分を模式的に示す断面図で
ある。図１においてカーボンペーパーからなる多孔質基
材３は、この実施例では厚さｔが約０．１ｍｍのものが
用いられている。マトリックス層１はカーボンペーパー
３の一方の面（図の上方）に設けられ、触媒層２はカー
ボンペーパー３の他方の面（図の下方）に設けられてい
る。カーボンペーパー３は言わば電極ーマトリックス接
合体の中央に埋没する如くになっている。
【０００９】上記電極・マトリックス体部分３は、リバ
ースロールコータ法によりカーボンペーパー３に触媒層
２とマトリックス層１を塗布した後、５０ｋｇｆ／ｃｍ
2 の面圧でプレスし、カーボンペーパー内部に触媒層２
及びマトリックス層１を充填した。なおカーボンペーパ
ーには撥水処理は行っていない。この電極・マトリック
ス体は６０ｃｍ×７０ｃｍの大きさであったが充分な強
度を有していた。この一部分を切り取ってポロシメータ
を用いて水銀圧力法により気孔率と気孔分布を調査した
ところ、カーボンペーパー３の空孔体積のうちおよそ５
０％が触媒層２とマトリックス層１の材料によって占有
されていることがわかった。なおこの比率には１μｍ以
下の細孔は含めていない。これはもともとカーボンペー
パーは１μｍ以下の細孔が少なく１μｍ以下の細孔は大
部分が触媒とマトリックスの粒子に起因しているためで
ある。さらに１０ｃｍ×１０ｃｍを切断して空気極とし
て常圧単セルで特性を調べたところ、３００ｍＡ／ｃｍ
2 の負荷で１０ｍＶ程度従来の構造より高い特性が得ら
れた。
ースロールコータ法によりカーボンペーパー３に触媒層
２とマトリックス層１を塗布した後、５０ｋｇｆ／ｃｍ
2 の面圧でプレスし、カーボンペーパー内部に触媒層２
及びマトリックス層１を充填した。なおカーボンペーパ
ーには撥水処理は行っていない。この電極・マトリック
ス体は６０ｃｍ×７０ｃｍの大きさであったが充分な強
度を有していた。この一部分を切り取ってポロシメータ
を用いて水銀圧力法により気孔率と気孔分布を調査した
ところ、カーボンペーパー３の空孔体積のうちおよそ５
０％が触媒層２とマトリックス層１の材料によって占有
されていることがわかった。なおこの比率には１μｍ以
下の細孔は含めていない。これはもともとカーボンペー
パーは１μｍ以下の細孔が少なく１μｍ以下の細孔は大
部分が触媒とマトリックスの粒子に起因しているためで
ある。さらに１０ｃｍ×１０ｃｍを切断して空気極とし
て常圧単セルで特性を調べたところ、３００ｍＡ／ｃｍ
2 の負荷で１０ｍＶ程度従来の構造より高い特性が得ら
れた。
【００１０】さらに触媒ペーストやマトリックスペース
トの粘性や製造方法やプレス圧力を変化させて残存する
１μｍ維持用の空孔体積と接合体の強度との関係を調べ
たところ、空孔体積が８０％を上廻った場合に強度が弱
くなり取り扱い時に割れる恐れがあることがわかった。
またカーボンペーパーの厚さについては０．０３ｍｍか
ら０．３ｍ程度まで検討したが、０．０５ｍｍを下廻る
と触媒やマトリックス材料を充填しても強度を保つこと
が難しく、０．２ｍｍを上廻ると今度はセル特性が低下
することがわかった。カーボンペーパーの厚みが厚くな
るとセル特性が低下するのはプロトンの移動距離が長く
なって内部抵抗が増大するためと考えられる。なおこれ
らのテストの中でマトリックス層がはく離することは全
くなく、カーボンペーパーへのマトリックス層の直接塗
布は従来の触媒層への塗布よりも容易であり、従来より
も薄い層を形成することが可能になった。
トの粘性や製造方法やプレス圧力を変化させて残存する
１μｍ維持用の空孔体積と接合体の強度との関係を調べ
たところ、空孔体積が８０％を上廻った場合に強度が弱
くなり取り扱い時に割れる恐れがあることがわかった。
またカーボンペーパーの厚さについては０．０３ｍｍか
ら０．３ｍ程度まで検討したが、０．０５ｍｍを下廻る
と触媒やマトリックス材料を充填しても強度を保つこと
が難しく、０．２ｍｍを上廻ると今度はセル特性が低下
することがわかった。カーボンペーパーの厚みが厚くな
るとセル特性が低下するのはプロトンの移動距離が長く
なって内部抵抗が増大するためと考えられる。なおこれ
らのテストの中でマトリックス層がはく離することは全
くなく、カーボンペーパーへのマトリックス層の直接塗
布は従来の触媒層への塗布よりも容易であり、従来より
も薄い層を形成することが可能になった。
【００１１】なおカーボンペーパーに残存する空孔につ
いては、親水性の空孔であるため動作時にはほとんどす
べてがリン酸によって占有され、プロトンの移動通路に
なっていると考えられる。従ってマトリックス材料や触
媒層材料によって完全に充填されている必要はない。し
かしカーボンペーパーに残存する１μｍ以上の空孔体積
が８０％を上廻った場合に強度的な問題を生じたので空
孔体積の２０％以上はマトリックスや触媒層の材料で充
填されている必要がある。以上のように上記実施例によ
れば触媒層及びマトリックス層の材料を多孔質基材内部
に充填し、触媒層とマトリックス層を多孔質基材で保持
させたので、反応ガスは基材を介さずに触媒層に達する
ので拡散し易くなり電池の特性が向上する。またマトリ
ックスの厚さを薄くしても従来のように触媒層から剥離
したりしないので薄くすることが可能で特性が向上す
る。またセル全体の厚さが薄くなるので熱抵抗も低減で
きるなどの効果がある。
いては、親水性の空孔であるため動作時にはほとんどす
べてがリン酸によって占有され、プロトンの移動通路に
なっていると考えられる。従ってマトリックス材料や触
媒層材料によって完全に充填されている必要はない。し
かしカーボンペーパーに残存する１μｍ以上の空孔体積
が８０％を上廻った場合に強度的な問題を生じたので空
孔体積の２０％以上はマトリックスや触媒層の材料で充
填されている必要がある。以上のように上記実施例によ
れば触媒層及びマトリックス層の材料を多孔質基材内部
に充填し、触媒層とマトリックス層を多孔質基材で保持
させたので、反応ガスは基材を介さずに触媒層に達する
ので拡散し易くなり電池の特性が向上する。またマトリ
ックスの厚さを薄くしても従来のように触媒層から剥離
したりしないので薄くすることが可能で特性が向上す
る。またセル全体の厚さが薄くなるので熱抵抗も低減で
きるなどの効果がある。
【００１２】なお、上記実施例ではシート状の多孔質基
材３としてカーボンペーパーを用いたが、他の材料を用
いても差し支えない。また、多孔質基材に対するマトリ
ックス材料や触媒層材料、それら材料の塗布もしくは担
持の方法なども上記実施例に限定されるものではない。
さらに、上記実施例ではこの発明をリン酸型燃料電池装
置に適用したが、他の燃料電池装置でも同様の効果が期
待できる。
材３としてカーボンペーパーを用いたが、他の材料を用
いても差し支えない。また、多孔質基材に対するマトリ
ックス材料や触媒層材料、それら材料の塗布もしくは担
持の方法なども上記実施例に限定されるものではない。
さらに、上記実施例ではこの発明をリン酸型燃料電池装
置に適用したが、他の燃料電池装置でも同様の効果が期
待できる。
【００１３】
【発明の効果】以上のように、この発明によれば燃料電
池装置の電極・マトリックス体として一方の面に電極触
媒層が設けられ、他方の面に電解質マトリックス層が設
けられ、かつ空孔体積の２０％以上が上記触媒層の材料
及び上記マトリックス層の材料で占有されているシート
状の多孔質基材を用いるように構成したことにより、多
孔質基材による反応ガスのガス拡散阻害をなくし、マト
リックス層がはく離し難い燃料電池装置を得ることがで
きる効果がある。
池装置の電極・マトリックス体として一方の面に電極触
媒層が設けられ、他方の面に電解質マトリックス層が設
けられ、かつ空孔体積の２０％以上が上記触媒層の材料
及び上記マトリックス層の材料で占有されているシート
状の多孔質基材を用いるように構成したことにより、多
孔質基材による反応ガスのガス拡散阻害をなくし、マト
リックス層がはく離し難い燃料電池装置を得ることがで
きる効果がある。
【図１】この発明の一実施例による燃料電池装置の電極
・マトリックス体部分を模式的に示す断面図である。
・マトリックス体部分を模式的に示す断面図である。
【図２】従来の燃料電池装置における電極・マトリック
ス接合体を示す断面図である。
ス接合体を示す断面図である。
１ マトリックス層 ２ 触媒層 ３ シート状多孔質基材
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 【請求項１】 一方の面に電極触媒層が設けられ、他方
の面に電解質マトリックス層が設けられ、かつ空孔体積
の２０％以上が上記触媒層の材料及び上記マトリックス
層の材料で占有されているシート状の多孔質基材を用い
てなることを特徴とする燃料電池装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3178175A JPH0529002A (ja) | 1991-07-18 | 1991-07-18 | 燃料電池装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3178175A JPH0529002A (ja) | 1991-07-18 | 1991-07-18 | 燃料電池装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0529002A true JPH0529002A (ja) | 1993-02-05 |
Family
ID=16043922
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3178175A Pending JPH0529002A (ja) | 1991-07-18 | 1991-07-18 | 燃料電池装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0529002A (ja) |
-
1991
- 1991-07-18 JP JP3178175A patent/JPH0529002A/ja active Pending
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