JPH06260187A - 燐酸形燃料電池のマトリックス - Google Patents
燐酸形燃料電池のマトリックスInfo
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- JPH06260187A JPH06260187A JP5040322A JP4032293A JPH06260187A JP H06260187 A JPH06260187 A JP H06260187A JP 5040322 A JP5040322 A JP 5040322A JP 4032293 A JP4032293 A JP 4032293A JP H06260187 A JPH06260187 A JP H06260187A
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- Japan
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- matrix
- boron nitride
- fuel cell
- phosphoric acid
- acid fuel
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- 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】燐酸形燃料電池マトリックスの電解質保持性、
内部抵抗、および機械的強度を向上させる。 【構成】平均粒径が０．１〜１．０μｍの鱗片状窒化ほ
う素と、平均粒径が１〜１０μｍの立方晶窒化ほう素と
を均一に混合して、これらがいずれも全重量の１／３以
上含まれるようにし、残部をＰＴＦＥで互いの結着性を
高めたことにより、得られたマトリックスは、粒径の小
さい鱗片状窒化ほう素が、電解質の保持性の向上と薄膜
化を可能として内部抵抗を低く維持し、粒径の大きい立
方晶窒化ほう素が、薄膜のマトリックスの機械的強度を
高くし、ひび割れが発生するのを防止するなど、２種類
の形状の異なる窒化ほう素の組み合わせから、マトリッ
クスの要求される性能を総合的に向上させ、これを用い
た燐酸形燃料電池の特性を改善することができる。
内部抵抗、および機械的強度を向上させる。 【構成】平均粒径が０．１〜１．０μｍの鱗片状窒化ほ
う素と、平均粒径が１〜１０μｍの立方晶窒化ほう素と
を均一に混合して、これらがいずれも全重量の１／３以
上含まれるようにし、残部をＰＴＦＥで互いの結着性を
高めたことにより、得られたマトリックスは、粒径の小
さい鱗片状窒化ほう素が、電解質の保持性の向上と薄膜
化を可能として内部抵抗を低く維持し、粒径の大きい立
方晶窒化ほう素が、薄膜のマトリックスの機械的強度を
高くし、ひび割れが発生するのを防止するなど、２種類
の形状の異なる窒化ほう素の組み合わせから、マトリッ
クスの要求される性能を総合的に向上させ、これを用い
た燐酸形燃料電池の特性を改善することができる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は燐酸形燃料電池の電解質
を保持するマトリックスに関する。
を保持するマトリックスに関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に燐酸形燃料電池は、基板と触媒層
からなる二つのガス拡散電極（燃料ガス電極と空気電
極）の間にマトリックスを挟持し、マトリックスから供
給される電解質と、電極外部から拡散する燃料ガスと酸
化剤ガスとが触媒近傍で電気化学的に反応して、電気エ
ネルギーを得るものであり、マトリックスは、多孔質の
電気絶縁性を持つ薄いシート状に形成され、このマトリ
ックス内の空孔部を完全に満たすように電解質の燐酸が
保持されている。
からなる二つのガス拡散電極（燃料ガス電極と空気電
極）の間にマトリックスを挟持し、マトリックスから供
給される電解質と、電極外部から拡散する燃料ガスと酸
化剤ガスとが触媒近傍で電気化学的に反応して、電気エ
ネルギーを得るものであり、マトリックスは、多孔質の
電気絶縁性を持つ薄いシート状に形成され、このマトリ
ックス内の空孔部を完全に満たすように電解質の燐酸が
保持されている。
【０００３】マトリックスは、上記の電気化学的反応に
必要な電解質を保持して、ガス拡散電極への電解質の供
給を行なう役目のほかに、燃料ガスと酸化剤ガスとが直
接混合することのないように、これら反応ガスを互いに
分離しておくという重要な役割も果たしている。マトリ
ックスが燃料ガスと酸化剤ガスを分離する機能は、燃料
電池の高い効率を維持する上で、また燃料電池の安全運
転を保証する上でも極めて重要である。
必要な電解質を保持して、ガス拡散電極への電解質の供
給を行なう役目のほかに、燃料ガスと酸化剤ガスとが直
接混合することのないように、これら反応ガスを互いに
分離しておくという重要な役割も果たしている。マトリ
ックスが燃料ガスと酸化剤ガスを分離する機能は、燃料
電池の高い効率を維持する上で、また燃料電池の安全運
転を保証する上でも極めて重要である。
【０００４】このようにマトリックスが、電解質を保持
することと、反応ガスを分離することの二つの役割を十
分に果たすためには、以下の性能を具備していなければ
ならない。 （１） 耐熱性 （２） 耐電解質腐食性 （３） 電気絶縁性 （４） 電解質保持性 （５） 低い内部抵抗 （６） 高い機械的強度
することと、反応ガスを分離することの二つの役割を十
分に果たすためには、以下の性能を具備していなければ
ならない。 （１） 耐熱性 （２） 耐電解質腐食性 （３） 電気絶縁性 （４） 電解質保持性 （５） 低い内部抵抗 （６） 高い機械的強度
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、マトリ
ックスに以上の必要性能を付与するためには、次のよう
な問題がある。例えば、耐熱性，耐電解質腐食性，およ
び電気絶縁性に優れた窒化ほう素を用いてマトリックス
を形成するとき、さらに毛管吸引圧を増加して電解質保
持性を高めるために、窒化ほう素の粒子間の細孔径をよ
り小さくする必要がある。この場合、窒化ほう素の粒子
が小さい程、その細孔径を小さくすることができるの
で、０．１〜１．０μｍの微細な径を持つ窒化ほう素を
用いて、内部抵抗を低くするため、マトリックスの厚さ
を１００μｍ以下にすることも試行された。しかし、そ
の結果は窒化ほう素の粒子が小さいために、マトリック
スの作製時にひび割れが発生し、機械的強度が極めて低
下するという問題を生ずる。その原因は、窒化ほう素の
バインダーとして用いるポリテトラフロロエチレン（以
下、ＰＴＦＥとする）の添加量が多すぎると、マトリッ
クスの撥水性が増して、電解質の保持力が低下するの
で、ＰＴＦＥの添加量を抑えなければならないことにあ
る。
ックスに以上の必要性能を付与するためには、次のよう
な問題がある。例えば、耐熱性，耐電解質腐食性，およ
び電気絶縁性に優れた窒化ほう素を用いてマトリックス
を形成するとき、さらに毛管吸引圧を増加して電解質保
持性を高めるために、窒化ほう素の粒子間の細孔径をよ
り小さくする必要がある。この場合、窒化ほう素の粒子
が小さい程、その細孔径を小さくすることができるの
で、０．１〜１．０μｍの微細な径を持つ窒化ほう素を
用いて、内部抵抗を低くするため、マトリックスの厚さ
を１００μｍ以下にすることも試行された。しかし、そ
の結果は窒化ほう素の粒子が小さいために、マトリック
スの作製時にひび割れが発生し、機械的強度が極めて低
下するという問題を生ずる。その原因は、窒化ほう素の
バインダーとして用いるポリテトラフロロエチレン（以
下、ＰＴＦＥとする）の添加量が多すぎると、マトリッ
クスの撥水性が増して、電解質の保持力が低下するの
で、ＰＴＦＥの添加量を抑えなければならないことにあ
る。
【０００６】図２は、その様子を示すマトリックスの部
分模式断面図であり、図２において、鱗片状の窒化ほう
素１は０．１〜１．０μｍ径の微粒子であり、細か過ぎ
るために、バインダーのＰＴＦＥ２が不足し、窒化ほう
素１の粒子が強固に結着されず、機械的強度を高めるこ
とができない。また、０．１〜１．０μｍ径の窒化ほう
素１は、通常鱗片状の微粒子であるから、図２に示す如
く、マトリックス形成の際、上下方向（厚さ方向）に重
なって層状に積層されてしまうので、電解質の燐酸を保
持するための空孔が連通する構造とはなり難く、電解質
を保持する部分の迷宮度が増加することにより、マトリ
ックスの内部抵抗を増大させる原因となる。
分模式断面図であり、図２において、鱗片状の窒化ほう
素１は０．１〜１．０μｍ径の微粒子であり、細か過ぎ
るために、バインダーのＰＴＦＥ２が不足し、窒化ほう
素１の粒子が強固に結着されず、機械的強度を高めるこ
とができない。また、０．１〜１．０μｍ径の窒化ほう
素１は、通常鱗片状の微粒子であるから、図２に示す如
く、マトリックス形成の際、上下方向（厚さ方向）に重
なって層状に積層されてしまうので、電解質の燐酸を保
持するための空孔が連通する構造とはなり難く、電解質
を保持する部分の迷宮度が増加することにより、マトリ
ックスの内部抵抗を増大させる原因となる。
【０００７】図３もマトリックスの構成を示す部分模式
断面図である。図３では、ＰＴＦＥ２との結着を良くす
るため、１〜１０μｍの大きな粒子径を持つ立方晶の窒
化ほう素３を用いている。このようにすると図３に示す
如く、ＰＴＦＥ２の不足をなくすことはできるが、その
反面、厚さ１００μｍ程度の薄いマトリックスを作製し
たとき、窒化ほう素３の粒子が大きいため、マトリック
ス内にピンホールを生ずるので、マトリックスの厚さを
２００μｍ以上にしなければならない。したがって、こ
の場合は内部抵抗を低減させることができないという問
題を残す。
断面図である。図３では、ＰＴＦＥ２との結着を良くす
るため、１〜１０μｍの大きな粒子径を持つ立方晶の窒
化ほう素３を用いている。このようにすると図３に示す
如く、ＰＴＦＥ２の不足をなくすことはできるが、その
反面、厚さ１００μｍ程度の薄いマトリックスを作製し
たとき、窒化ほう素３の粒子が大きいため、マトリック
ス内にピンホールを生ずるので、マトリックスの厚さを
２００μｍ以上にしなければならない。したがって、こ
の場合は内部抵抗を低減させることができないという問
題を残す。
【０００８】本発明は上述の点に鑑みてなされたもので
あり、その目的は、電解質保持性を向上し、内部抵抗を
低減するために薄膜とし、機械的強度も高い燐酸形燃料
電池のマトリックスを提供することにある。
あり、その目的は、電解質保持性を向上し、内部抵抗を
低減するために薄膜とし、機械的強度も高い燐酸形燃料
電池のマトリックスを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明の燐酸形燃料電池のマトリックスは、平均
粒径が０．１〜１．０μｍの鱗片状窒化ほう素と、平均
粒径が１〜１０μｍの立方晶窒化ほう素とをいずれも全
重量の１／３以上有し、残部がこれらの結着剤からなる
ものである。
めに、本発明の燐酸形燃料電池のマトリックスは、平均
粒径が０．１〜１．０μｍの鱗片状窒化ほう素と、平均
粒径が１〜１０μｍの立方晶窒化ほう素とをいずれも全
重量の１／３以上有し、残部がこれらの結着剤からなる
ものである。
【００１０】
【作用】以上のように構成した本発明の燐酸形燃料電池
のマトリックスは、細かい粒径の鱗片状窒化ほう素粉末
と、粗い粒径の立方晶窒化ほう素粉末との形状の異なる
２種類の窒化ほう素粉末を均一に混合することにより、
立方晶窒化ほう素は結着剤と結合して機械的強度が向上
し、鱗片状窒化ほう素粉末のみ用いた場合のような空孔
部の低減と閉塞を防ぎ、また、立方晶窒化ほう素粉末の
み用いた場合のようにピンホールの発生を防止する。そ
の結果、マトリックスを薄膜として形成することが可能
となり、機械的強度の向上とともに内部抵抗を小さく
し、電解質保持性を高めることができる。
のマトリックスは、細かい粒径の鱗片状窒化ほう素粉末
と、粗い粒径の立方晶窒化ほう素粉末との形状の異なる
２種類の窒化ほう素粉末を均一に混合することにより、
立方晶窒化ほう素は結着剤と結合して機械的強度が向上
し、鱗片状窒化ほう素粉末のみ用いた場合のような空孔
部の低減と閉塞を防ぎ、また、立方晶窒化ほう素粉末の
み用いた場合のようにピンホールの発生を防止する。そ
の結果、マトリックスを薄膜として形成することが可能
となり、機械的強度の向上とともに内部抵抗を小さく
し、電解質保持性を高めることができる。
【００１１】
【実施例】以下、本発明を実施例に基づき説明する。図
１は本発明による燐酸形燃料電池のマトリックスの部分
模式断面図を示し、図２，図３と共通する部分を同一符
号で表わしてある。図１が図２，図３と異なる点は、図
１では形状の異なる２種類の窒化ほう素の粉末を用い
て、細かい粒径の鱗片状の窒化ほう素１と、粗い粒径の
立方晶の窒化ほう素３との両者を、ＰＴＦＥ２により結
着したことにある。
１は本発明による燐酸形燃料電池のマトリックスの部分
模式断面図を示し、図２，図３と共通する部分を同一符
号で表わしてある。図１が図２，図３と異なる点は、図
１では形状の異なる２種類の窒化ほう素の粉末を用い
て、細かい粒径の鱗片状の窒化ほう素１と、粗い粒径の
立方晶の窒化ほう素３との両者を、ＰＴＦＥ２により結
着したことにある。
【００１２】本発明のマトリックスは、以下のようにし
て作製することができる。まず、メタノール、エタノー
ル、イソプロパノールなどの溶剤１００ｍｌに対し、平
均粒径が０．１〜１．０μｍ（例えば０．６μｍ）の鱗
片状窒化ほう素１の粉末と、平均粒径が１〜１０μｍ
（例えば８μｍ）の立方晶窒化ほう素３の粉末とをそれ
ぞれ１０ｇ混ぜ、この混合粉末を超音波分散器を用いて
溶剤に分散させた後、さらにバインダーのＰＴＦＥ２を
５〜２０重量％相当添加し混合する。次に、この分散液
を遠心分離器により固形分と液体に分離し、このうちの
固形分を混練して、圧延ロールで厚さ１００μｍの薄膜
とした後、これを１００℃以上で乾燥させる。
て作製することができる。まず、メタノール、エタノー
ル、イソプロパノールなどの溶剤１００ｍｌに対し、平
均粒径が０．１〜１．０μｍ（例えば０．６μｍ）の鱗
片状窒化ほう素１の粉末と、平均粒径が１〜１０μｍ
（例えば８μｍ）の立方晶窒化ほう素３の粉末とをそれ
ぞれ１０ｇ混ぜ、この混合粉末を超音波分散器を用いて
溶剤に分散させた後、さらにバインダーのＰＴＦＥ２を
５〜２０重量％相当添加し混合する。次に、この分散液
を遠心分離器により固形分と液体に分離し、このうちの
固形分を混練して、圧延ロールで厚さ１００μｍの薄膜
とした後、これを１００℃以上で乾燥させる。
【００１３】かくして得られたマトリックスは、平均粒
径０．１〜１．０μｍの鱗片状窒化ほう素１と、平均粒
径１〜１０μｍの立方晶窒化ほう素３とが均一に混合し
結着されたものとなり、平均粒径の小さい鱗片状窒化ほ
う素１が、電解質の保持性を向上させ、平均粒径の大き
い立方晶窒化ほう素３は機械的強度を高め、１００μｍ
程度の薄膜とするのを可能にするとともに、薄膜状マト
リックスのひび割れを防止することができる。
径０．１〜１．０μｍの鱗片状窒化ほう素１と、平均粒
径１〜１０μｍの立方晶窒化ほう素３とが均一に混合し
結着されたものとなり、平均粒径の小さい鱗片状窒化ほ
う素１が、電解質の保持性を向上させ、平均粒径の大き
い立方晶窒化ほう素３は機械的強度を高め、１００μｍ
程度の薄膜とするのを可能にするとともに、薄膜状マト
リックスのひび割れを防止することができる。
【００１４】なお、鱗片状窒化ほう素１と立方晶窒化ほ
う素３との混合量は、双方同量とすればよいが、上記の
効果を得るためには、鱗片状窒化ほう素１と立方晶窒化
ほう素３は、いずれもマトリックス全重量の１／３以上
含まれ、残部がＰＴＦＥ２となるようにマトリックスを
構成することが必要である。このマトリックスを用いた
燐酸形燃料電池は、運転温度２００℃、電流密度３００
ｍＡ／ｃｍ2 のとき、内部抵抗による電圧損失を４０〜
５０ｍＶにすることができた。因みに、図３の構造を持
つマトリックスは、厚さ２００μｍのとき、電池の電圧
損失は９０ｍＶであり、本発明の構造にすることによ
り、マトリックスの厚さも電圧損失もほぼ１／２にする
ことが可能である。
う素３との混合量は、双方同量とすればよいが、上記の
効果を得るためには、鱗片状窒化ほう素１と立方晶窒化
ほう素３は、いずれもマトリックス全重量の１／３以上
含まれ、残部がＰＴＦＥ２となるようにマトリックスを
構成することが必要である。このマトリックスを用いた
燐酸形燃料電池は、運転温度２００℃、電流密度３００
ｍＡ／ｃｍ2 のとき、内部抵抗による電圧損失を４０〜
５０ｍＶにすることができた。因みに、図３の構造を持
つマトリックスは、厚さ２００μｍのとき、電池の電圧
損失は９０ｍＶであり、本発明の構造にすることによ
り、マトリックスの厚さも電圧損失もほぼ１／２にする
ことが可能である。
【００１５】
【発明の効果】燐酸形燃料電池のマトリックスは、その
構成部材である窒化ほう素の粒径の小さいものを用いる
と、電解質の保持力を保つためにバインダーの添加量を
抑えなければならないので、窒化ほう素同士が互いに結
着せず、窒化ほう素の粒径の大きいものを用いると、厚
さを増さなければならないなど、使用する窒化ほう素の
粒径の形状によって、電解質保持性、内部抵抗、機械的
強度などについては、十分な特性が得られなかったのに
対して、本発明のマトリックスは、粒径０．１〜１．０
μｍの細かい鱗片状窒化ほう素と、粒径１〜１０μｍの
粗い立方晶窒化ほう素とを混合して、これら２種類の窒
化ほう素の持つ特徴をそれぞれに発揮するようにして、
ＰＴＦＥによる互いの結着性を高めたものである。
構成部材である窒化ほう素の粒径の小さいものを用いる
と、電解質の保持力を保つためにバインダーの添加量を
抑えなければならないので、窒化ほう素同士が互いに結
着せず、窒化ほう素の粒径の大きいものを用いると、厚
さを増さなければならないなど、使用する窒化ほう素の
粒径の形状によって、電解質保持性、内部抵抗、機械的
強度などについては、十分な特性が得られなかったのに
対して、本発明のマトリックスは、粒径０．１〜１．０
μｍの細かい鱗片状窒化ほう素と、粒径１〜１０μｍの
粗い立方晶窒化ほう素とを混合して、これら２種類の窒
化ほう素の持つ特徴をそれぞれに発揮するようにして、
ＰＴＦＥによる互いの結着性を高めたものである。
【００１６】その結果、粒径の小さい鱗片状窒化ほう素
は、電解質の保持性の向上と薄膜化を可能として内部抵
抗を低く維持し、粒径の大きい立方晶窒化ほう素は、薄
膜のマトリックスの機械的強度を高くし、ひび割れの発
生するのを防止するなど、２種類の形状の異なる窒化ほ
う素の組み合わせからそれぞれの特徴を活かし、マトリ
ックスの要求される特性が総合的に向上し、これを用い
た燐酸形燃料電池の特性を改善することができた。
は、電解質の保持性の向上と薄膜化を可能として内部抵
抗を低く維持し、粒径の大きい立方晶窒化ほう素は、薄
膜のマトリックスの機械的強度を高くし、ひび割れの発
生するのを防止するなど、２種類の形状の異なる窒化ほ
う素の組み合わせからそれぞれの特徴を活かし、マトリ
ックスの要求される特性が総合的に向上し、これを用い
た燐酸形燃料電池の特性を改善することができた。
【図１】本発明による燐酸形燃料電池のマトリックスの
部分模式断面図
部分模式断面図
【図２】鱗片状窒化ほう素を用いた従来のマトリックス
の部分模式断面図
の部分模式断面図
【図３】立方晶窒化ほう素を用いた従来のマトリックス
の部分模式断面図
の部分模式断面図
１ 鱗片状窒化ほう素 ２ ＰＴＦＥ ３ 立方晶窒化ほう素
Claims (3)
- 【請求項１】電極基板と触媒層からなる二つのガス拡散
電極の間に挟持され、電解質を保持する燐酸形燃料電池
のマトリックスであって、鱗片状の窒化ほう素と、立方
晶の窒化ほう素およびこれらの結着剤からなることを特
徴とする燐酸形燃料電池のマトリックス。 - 【請求項２】請求項１記載のマトリックスにおいて、鱗
片状の窒化ほう素の平均粒径は０．１〜１．０μｍであ
り、立方晶の窒化ほう素の平均粒径は１〜１０μｍであ
ることを特徴とする燐酸形燃料電池のマトリックス。 - 【請求項３】請求項１または２記載のマトリックスにお
いて、鱗片状の窒化ほう素と立方晶の窒化ほう素は、い
ずれも全重量の１／３以上を有し残部が結着剤からなる
ことを特徴とする燐酸形燃料電池のマトリックス。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5040322A JPH06260187A (ja) | 1993-03-02 | 1993-03-02 | 燐酸形燃料電池のマトリックス |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5040322A JPH06260187A (ja) | 1993-03-02 | 1993-03-02 | 燐酸形燃料電池のマトリックス |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06260187A true JPH06260187A (ja) | 1994-09-16 |
Family
ID=12577377
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5040322A Pending JPH06260187A (ja) | 1993-03-02 | 1993-03-02 | 燐酸形燃料電池のマトリックス |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06260187A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009054559A (ja) * | 2007-08-28 | 2009-03-12 | Hyundai Motor Co Ltd | 燃料電池用高分子電解質膜およびこれを含む燃料電池 |
-
1993
- 1993-03-02 JP JP5040322A patent/JPH06260187A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090233144A1 (en) * | 2007-08-27 | 2009-09-17 | Hyundai Motor Company | Polymer Electrolyte membrane with coating layer of anion binding agent and fuel cell using same |
| US8318376B2 (en) | 2007-08-27 | 2012-11-27 | Hyundai Motor Company | Polymer electrolyte membrane with coating layer of anion binding agent and fuel cell using same |
| JP2009054559A (ja) * | 2007-08-28 | 2009-03-12 | Hyundai Motor Co Ltd | 燃料電池用高分子電解質膜およびこれを含む燃料電池 |
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