JPH0589892A - 燃料電池用マトリツクス - Google Patents
燃料電池用マトリツクスInfo
- Publication number
- JPH0589892A JPH0589892A JP3246386A JP24638691A JPH0589892A JP H0589892 A JPH0589892 A JP H0589892A JP 3246386 A JP3246386 A JP 3246386A JP 24638691 A JP24638691 A JP 24638691A JP H0589892 A JPH0589892 A JP H0589892A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- matrix layer
- fuel cell
- electrode
- reaction gas
- reaction
- 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
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 正極、負極に挾まれたマトリックス層の電流
密度分布の均一化を図り、これによってマトリックス層
に高温部の発生を防ぎ、寿命を長くする。 【構成】 マトリックス層の主成分であるＳｉＣ（炭化
珪素）の粒度を調整して反応ガスの流れ方向に沿ってイ
オン抵抗値を異らせるようにし、より活性化の強い入口
部での温度上昇を抑えて高温部の発生を無くす。
密度分布の均一化を図り、これによってマトリックス層
に高温部の発生を防ぎ、寿命を長くする。 【構成】 マトリックス層の主成分であるＳｉＣ（炭化
珪素）の粒度を調整して反応ガスの流れ方向に沿ってイ
オン抵抗値を異らせるようにし、より活性化の強い入口
部での温度上昇を抑えて高温部の発生を無くす。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、リン酸を電解質とする
燃料電池に係り、特にＳｉＣを主成分として正極、負極
に挾持されたマトリックス層に関する。
燃料電池に係り、特にＳｉＣを主成分として正極、負極
に挾持されたマトリックス層に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、燃料の有している化学的エネルギ
―を、直接電気的エネルギ―に変換する装置として燃料
電池が知られている。この燃料電池の一例として、リン
酸を電解質としたリブ付き電極型燃料電池の基本的な構
成例を図３に示した。即ち、電解質としてリン酸を保持
するマトリックス層１を挾んで、一対のリブ付き電極２
である燃料極２ａ及び酸化剤極２ｂが対向配置されて、
燃料電池の単位セルが構成されている。このリブ付き電
極２は通常炭素材から構成され、互いに直交する方向に
複数本の溝が平行に設けられ、その反対面にはそれぞれ
触媒層４ａ，４ｂが形成されている。また、前記燃料極
２ａ及び酸化剤極２ｂにそれぞれ形成された溝は、燃料
ガス及び酸化剤ガスの流通路となっている。さらに、前
記単位セルをセパレ―タ３を挾んで複数個積層すること
によって燃料電池が構成されている。なお、前記セパレ
―タ３は誘導性を有し且つ透過性のないものである。
―を、直接電気的エネルギ―に変換する装置として燃料
電池が知られている。この燃料電池の一例として、リン
酸を電解質としたリブ付き電極型燃料電池の基本的な構
成例を図３に示した。即ち、電解質としてリン酸を保持
するマトリックス層１を挾んで、一対のリブ付き電極２
である燃料極２ａ及び酸化剤極２ｂが対向配置されて、
燃料電池の単位セルが構成されている。このリブ付き電
極２は通常炭素材から構成され、互いに直交する方向に
複数本の溝が平行に設けられ、その反対面にはそれぞれ
触媒層４ａ，４ｂが形成されている。また、前記燃料極
２ａ及び酸化剤極２ｂにそれぞれ形成された溝は、燃料
ガス及び酸化剤ガスの流通路となっている。さらに、前
記単位セルをセパレ―タ３を挾んで複数個積層すること
によって燃料電池が構成されている。なお、前記セパレ
―タ３は誘導性を有し且つ透過性のないものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記の様に
構成されたリン酸を電解質とする燃料電池においては、
電解質であるリン酸はその粘度が低いため、リン酸のみ
を燃料極２ａと酸化剤極２ｂとの間に保持させることは
非常に困難である。そのため、一般的には、シリコンカ
―バイド（炭化珪素）粉末等の様に、リン酸に対して安
定な耐電解質性を有する微粒粉末と、固着剤であるポリ
テトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の懸濁液と、造粘
剤等の添加物とからなる混合ペ―ストを、直接燃料極２
ａまたは酸化剤極２ｂの少なくとも一方の電極の触媒層
４ａ，４ｂの表面に塗布し、熱処理した後、リン酸を含
浸することによりマトリックス層１を形成している。
構成されたリン酸を電解質とする燃料電池においては、
電解質であるリン酸はその粘度が低いため、リン酸のみ
を燃料極２ａと酸化剤極２ｂとの間に保持させることは
非常に困難である。そのため、一般的には、シリコンカ
―バイド（炭化珪素）粉末等の様に、リン酸に対して安
定な耐電解質性を有する微粒粉末と、固着剤であるポリ
テトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の懸濁液と、造粘
剤等の添加物とからなる混合ペ―ストを、直接燃料極２
ａまたは酸化剤極２ｂの少なくとも一方の電極の触媒層
４ａ，４ｂの表面に塗布し、熱処理した後、リン酸を含
浸することによりマトリックス層１を形成している。
【０００４】この様なマトリックス層１の形成において
重要なことは、層を均一な厚さに形成することである。
もし、マトリックス層１の厚さが不均一であったり、ボ
イドなどの欠陥がある場合は、セルは泡出圧力の低下
（クロスオ―バ―現象）や電流密度分布の不均一、さら
には、燃料極２ａと酸化剤極２ｂとが局部的に接触する
ことによる内部短絡（セミショ―ト現象）を起こし、そ
の性能が低下するからである。
重要なことは、層を均一な厚さに形成することである。
もし、マトリックス層１の厚さが不均一であったり、ボ
イドなどの欠陥がある場合は、セルは泡出圧力の低下
（クロスオ―バ―現象）や電流密度分布の不均一、さら
には、燃料極２ａと酸化剤極２ｂとが局部的に接触する
ことによる内部短絡（セミショ―ト現象）を起こし、そ
の性能が低下するからである。
【０００５】しかしながら、この様な欠陥を生ずること
のないように同一組成によって、均一厚に製作したマト
リックス層１においても、連続的にセルを起電反応させ
ると同様にセル平面内に電流密度分布の差を生じ、その
ためセル平面内の温度分布に差を引き起こし、特にその
高温部では、電解質のセル外への飛散が加速する等し
て、泡出圧力は低下し、セルを長時間に亘り安定に起電
反応を続けることが困難になる場合がある。これは極め
て均一厚に製作したマトリックス層であっても、電極の
反応ガス入口付近（特に酸化剤ガス側）は、活物質濃度
が高いため、触媒反応がより活性に進むためであり、こ
れによって電流密度分布に差を生ずるものであり、ひい
ては前記温度分布の乱れから高温部が発生し、不具合を
生ずるものである。
のないように同一組成によって、均一厚に製作したマト
リックス層１においても、連続的にセルを起電反応させ
ると同様にセル平面内に電流密度分布の差を生じ、その
ためセル平面内の温度分布に差を引き起こし、特にその
高温部では、電解質のセル外への飛散が加速する等し
て、泡出圧力は低下し、セルを長時間に亘り安定に起電
反応を続けることが困難になる場合がある。これは極め
て均一厚に製作したマトリックス層であっても、電極の
反応ガス入口付近（特に酸化剤ガス側）は、活物質濃度
が高いため、触媒反応がより活性に進むためであり、こ
れによって電流密度分布に差を生ずるものであり、ひい
ては前記温度分布の乱れから高温部が発生し、不具合を
生ずるものである。
【０００６】このようなことからセルを長時間に亘り、
安定に起電反応させるためには、セル平面内の電流密度
分布を均一化することによりセル平面内の温度分布の差
を低減し、高温部の発生を抑えることがセルの長時間に
亘る安定動作に不可欠な最も重要な条件であることがわ
かる。
安定に起電反応させるためには、セル平面内の電流密度
分布を均一化することによりセル平面内の温度分布の差
を低減し、高温部の発生を抑えることがセルの長時間に
亘る安定動作に不可欠な最も重要な条件であることがわ
かる。
【０００７】本発明は、以上の欠点を除去してセルの高
温部の発生によるセミショ―ト現象、クロスオ―バ―現
象を防止し、長時間に亘り安定に起電反応を続けること
のできる燃料電池を提供するものである。
温部の発生によるセミショ―ト現象、クロスオ―バ―現
象を防止し、長時間に亘り安定に起電反応を続けること
のできる燃料電池を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は以上の目的を達
成するために、マトリックス層の抵抗を、反応ガスの流
れ方向に沿って異るようにしたものである。つまり、前
述した様に、反応ガス濃度が高いためより活性に反応が
進む反応ガス入口部のマトリックス層のイオン抵抗を、
反応ガス出口部のイオン抵抗に比べ増大させることによ
り、この入口部への高電流密度部の集中を防止するもの
である。
成するために、マトリックス層の抵抗を、反応ガスの流
れ方向に沿って異るようにしたものである。つまり、前
述した様に、反応ガス濃度が高いためより活性に反応が
進む反応ガス入口部のマトリックス層のイオン抵抗を、
反応ガス出口部のイオン抵抗に比べ増大させることによ
り、この入口部への高電流密度部の集中を防止するもの
である。
【０００９】
【作用】以上の様な、手段を有する燃料電池において
は、電極平面内に流れる電流が従来の様に、その反応ガ
ス入口付近に集中することが防止できる。つまり、電流
と抵抗による発熱量（Ｑ）がその電流（Ｉ）と抵抗
（Ｒ）によりＱ＝Ｉ2 Ｒなる関係において、電流（Ｉ）
の減少にともない発熱量（Ｑ）を低減させるものであ
る。
は、電極平面内に流れる電流が従来の様に、その反応ガ
ス入口付近に集中することが防止できる。つまり、電流
と抵抗による発熱量（Ｑ）がその電流（Ｉ）と抵抗
（Ｒ）によりＱ＝Ｉ2 Ｒなる関係において、電流（Ｉ）
の減少にともない発熱量（Ｑ）を低減させるものであ
る。
【００１０】
【実施例】以下本発明の一実施例を図１及び図２に基づ
いて具体的に説明する。
いて具体的に説明する。
【００１１】図１に示す様に、本発明に係わる燃料電池
のマトリックス層１は矢印で示す方向に流れる反応ガス
（酸化剤ガス）の流れに沿って入口部１ａと出口部１ｂ
とで、マトリックス層１の組成を違えて製作する。
のマトリックス層１は矢印で示す方向に流れる反応ガス
（酸化剤ガス）の流れに沿って入口部１ａと出口部１ｂ
とで、マトリックス層１の組成を違えて製作する。
【００１２】斜線で示すマトリックス層１の入口部１ａ
は、平均粒子径５μｍのＳｉＣ（炭化珪素）粉末、平均
粒子径１μｍのＳｉＣ、及びテフロン（ＦＥＰ）とから
成り、その重量比が、20：２：１となる様に分散剤とし
て酸化ポリエチレン溶液と共に混練し、バ―キャステン
グ方法を用いて電極上に形成するものである。
は、平均粒子径５μｍのＳｉＣ（炭化珪素）粉末、平均
粒子径１μｍのＳｉＣ、及びテフロン（ＦＥＰ）とから
成り、その重量比が、20：２：１となる様に分散剤とし
て酸化ポリエチレン溶液と共に混練し、バ―キャステン
グ方法を用いて電極上に形成するものである。
【００１３】また、マトリックス層１の出口部１ｂは、
平均粒子径５μｍのＳｉＣとテフロン（ＦＥＰ）から成
り、その重量比は20：１として、入口部１ａ同様に分散
剤として酸化ポリエチレン溶液と共に混練し、バ―キャ
ステング法で電極上に形成するものである。電極上に形
成されたマトリックス層１は、 260°〜 280℃の炉中で
乾燥され、電気化学セルとして構成する場合は、ＳｉＣ
としてテフロンの固相にリン酸を含浸して使用するもの
である。図１に示した、本発明に係る燃料電池のマトリ
ックス層１の詳細図を図２に示す。
平均粒子径５μｍのＳｉＣとテフロン（ＦＥＰ）から成
り、その重量比は20：１として、入口部１ａ同様に分散
剤として酸化ポリエチレン溶液と共に混練し、バ―キャ
ステング法で電極上に形成するものである。電極上に形
成されたマトリックス層１は、 260°〜 280℃の炉中で
乾燥され、電気化学セルとして構成する場合は、ＳｉＣ
としてテフロンの固相にリン酸を含浸して使用するもの
である。図１に示した、本発明に係る燃料電池のマトリ
ックス層１の詳細図を図２に示す。
【００１４】図２は、マトリックス層１の主成分である
ＳｉＣ（炭化珪素）を、球形に模式図として表わしたも
のである。つまり、マトリックス層１の入口部１ａは、
５μｍからなる球の間に１μｍの球が侵入しているため
全体の空隙は、出口部１ｂで示す５μｍからなる球の空
隙よりも少ない。電気化学セルとして構成する場合は、
この空隙に導電種としてのリン酸が含浸されるものであ
るため、この空隙量の少ない入口部１ａは出口部１ｂに
比較して、イオン抵抗は大きくなる。
ＳｉＣ（炭化珪素）を、球形に模式図として表わしたも
のである。つまり、マトリックス層１の入口部１ａは、
５μｍからなる球の間に１μｍの球が侵入しているため
全体の空隙は、出口部１ｂで示す５μｍからなる球の空
隙よりも少ない。電気化学セルとして構成する場合は、
この空隙に導電種としてのリン酸が含浸されるものであ
るため、この空隙量の少ない入口部１ａは出口部１ｂに
比較して、イオン抵抗は大きくなる。
【００１５】このようにマトリックス層１の入口部１ａ
と出口部１ｂのイオン抵抗の値を異るようにすることで
発熱量ＱはＱ＝Ｉ2 Ｒなる関係において電流Ｉの減少に
ともない入口部１ａの方が低減される。
と出口部１ｂのイオン抵抗の値を異るようにすることで
発熱量ＱはＱ＝Ｉ2 Ｒなる関係において電流Ｉの減少に
ともない入口部１ａの方が低減される。
【００１６】上述した様に、反応ガス入口部１ａのマト
リックス層を、出口部１ｂのマトリックス層と、その層
を構成するＳｉＣ（炭化珪素）の粒度を調整し、導電種
であるリン酸の含浸量を低減することにより、イオン抵
抗を増加させることができる。そしてこの入口部１ａの
イオン抵抗の増大により、入口部１ａに集中していた電
流を面全体に、より均等に分散させることができ活物質
濃度の高いマトリックス層１の入口部１ａにおける高温
部の発生を防ぐことが可能となる。
リックス層を、出口部１ｂのマトリックス層と、その層
を構成するＳｉＣ（炭化珪素）の粒度を調整し、導電種
であるリン酸の含浸量を低減することにより、イオン抵
抗を増加させることができる。そしてこの入口部１ａの
イオン抵抗の増大により、入口部１ａに集中していた電
流を面全体に、より均等に分散させることができ活物質
濃度の高いマトリックス層１の入口部１ａにおける高温
部の発生を防ぐことが可能となる。
【００１７】本実施例では、図１に示す様に電極を平面
方向において２分割した例を説明したが、他の例として
図４の様に局部的な高イオン抵抗部を形成するようにし
ても高温部の発生防止に有効である。
方向において２分割した例を説明したが、他の例として
図４の様に局部的な高イオン抵抗部を形成するようにし
ても高温部の発生防止に有効である。
【００１８】
【発明の効果】以上説明した様に、本発明においては燃
料電池の一つの構成部材であるマトリックス層をその平
面内においてマトリックス層の主成分である炭化珪素の
粒度を調整することにより、組成を変化させ、反応ガス
の流れ方向に沿ってイオン抵抗を変えるようにし、これ
によって従来まで反応ガス（酸化剤ガス）入口部に集中
していた高電流密度部の発生を無くし、その電流集中に
よって引き起こされていた高温部の発生を防止すること
ができ、そのため高温であるがために生じていたセル劣
化要因であるクロスオ―バ―現象、セミショ―ト現象等
の発生を防ぎ、長期に亘り安定に起電反応を継続する燃
料電池を得ることがきる。
料電池の一つの構成部材であるマトリックス層をその平
面内においてマトリックス層の主成分である炭化珪素の
粒度を調整することにより、組成を変化させ、反応ガス
の流れ方向に沿ってイオン抵抗を変えるようにし、これ
によって従来まで反応ガス（酸化剤ガス）入口部に集中
していた高電流密度部の発生を無くし、その電流集中に
よって引き起こされていた高温部の発生を防止すること
ができ、そのため高温であるがために生じていたセル劣
化要因であるクロスオ―バ―現象、セミショ―ト現象等
の発生を防ぎ、長期に亘り安定に起電反応を継続する燃
料電池を得ることがきる。
【図１】本発明の一実施例におけるマトリックス層を示
す斜視図。
す斜視図。
【図２】本発明を説明するための模式断面図。
【図３】燃料電池の一般的な構成を示す斜視図。
【図４】本発明の他の実施例を示す斜視図。
１…マトリックス層 １ａ…マトリックス層の入口部 １ｂ…マトリックス層の出口部 ２ａ…燃料極 ２ｂ…酸化剤極
Claims (2)
- 【請求項１】 酸化剤ガスを反応ガスとする正極、燃料
ガスを反応ガスとする負極、および正極、負極に挾持さ
れたマトリックス層からなる燃料電池において、前記マ
トリックス層はその平面内において前記反応ガスの流れ
方向に沿ってイオン抵抗が異なるようにしたことを特徴
とする燃料電池用マトリックス。 - 【請求項２】 酸化剤ガスを反応ガスとする正極、燃料
ガスを反応ガスとする負極、および正極、負極に挾持さ
れたマトリックス層からなる燃料電池において、前記マ
トリックス層は主成分であるＳｉＣ（炭化珪素）の粒度
を調整することによりその平面内において前記反応ガス
の流れ方向に沿ってイオン抵抗値が異なるようにしたこ
とを特徴とする燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3246386A JPH0589892A (ja) | 1991-09-26 | 1991-09-26 | 燃料電池用マトリツクス |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3246386A JPH0589892A (ja) | 1991-09-26 | 1991-09-26 | 燃料電池用マトリツクス |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0589892A true JPH0589892A (ja) | 1993-04-09 |
Family
ID=17147762
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3246386A Pending JPH0589892A (ja) | 1991-09-26 | 1991-09-26 | 燃料電池用マトリツクス |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0589892A (ja) |
-
1991
- 1991-09-26 JP JP3246386A patent/JPH0589892A/ja active Pending
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