JPS6232576B2 - - Google Patents
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- Publication number
- JPS6232576B2 JPS6232576B2 JP56141525A JP14152581A JPS6232576B2 JP S6232576 B2 JPS6232576 B2 JP S6232576B2 JP 56141525 A JP56141525 A JP 56141525A JP 14152581 A JP14152581 A JP 14152581A JP S6232576 B2 JPS6232576 B2 JP S6232576B2
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- Japan
- Prior art keywords
- phosphoric acid
- fuel cell
- matrix
- electrolyte
- silicon carbide
- 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.)
- Expired
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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
- H01M8/02—Details
- H01M8/0289—Means for holding the electrolyte
- H01M8/0293—Matrices for immobilising electrolyte solutions
-
- 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
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- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Description
本発明は、燃料電池、特に、一対のガス拡散電
極と、リン酸を電解質として保持するマトリツク
ス（以下、リン酸電解質保持用マトリツクスと称
する）とを有する燃料電池に関するものである。 第１図は、水素を燃料、空気中の酸素を酸化剤
とし、電解質にリン酸を用いる燃料電池の原理的
構成を示すもので、１がアノード（ガス拡散電
極）、２がカソード（ガス拡散電極）、３がリン酸
電解質保持用マトリツクスを示しており、アノー
ド１に水素が、カソード２に空気が接するように
なつている。 従来、リン酸電解質保持用マトリツクスには、
フエノール樹脂の繊維布や、炭化ケイ素粉末に有
機バインダーであるポリテトラフルオロエチレン
を混合したものが用いられていた。フエノール樹
脂の繊維布をマトリツクス材として用いる場合
は、燃料電池の作動温度が130℃以上になると、
フエノール樹脂が徐々に炭化され、長期間の運転
ができなくなる。この問題を除去するためには、
電池の作動温度を低くすることが考えられるが、
この場合には、電池の出力が著しく低下するとい
う問題が新たに生じる。また、炭化ケイ素粉末に
有機バインダーであるポリテトラフルオロエチレ
ンを混合したものをマトリツクス材として用いる
場合には、燃料電池の作動温度を190〜200℃程度
に高くすることができるという利点があるが、有
機バインダーは一般に撥水性であり、とりわけ、
ポリテトラフルオロエチレンの如きフツ素樹脂は
撥水性が大きく、リン酸との親和性に欠けるとい
う欠点がある。その結果、電解質保持用マトリツ
クス中にリン酸を保持する能力（リン酸保持力）
が小さく、このため、燃料電池の性能が低下する
という問題があつた。 本発明は、これらの問題点を除去し、高温のリ
ン酸に安定であり、リン酸保持力の大きい電解質
保持用マトリツクスを有する燃料電池の提供を可
能とするもので、一対のガス拡散電極と、リン酸
を電解質として保持するマトリツクスとを有する
燃料電池において、前記マトリツクスが、リン酸
と反応しない固体粒子と金属リン酸塩バインダー
からなる多孔質体よりなることを特徴とするもの
である。 リン酸電解質保持用マトリツクスの具備すべき
条件は、(1)高温（190〜200℃）のリン酸に安定で
あること、(2)電子導電性がなく絶縁物であるこ
と、(3)リン酸との親和性が大で、保持力が大きい
こと、(4)リン酸を含有できる細孔容積が大である
こと、である。 これらの条件を満足するリン酸電解質保持用マ
トリツクスについて、種々検討した結果得られた
のが、この発明で、高温のリン酸に耐え、かつ電
子導電性がない物質として、酸化物、炭化物およ
びチツ化物などの各種無機物を用いるものであ
る。例えば、酸化物では、ジルコニウムを主成分
とする複合酸化物、例えば、ジルコン、五酸化タ
ンタル等があり、炭化物では、炭化ケイ素、炭化
タンタル等があり、チツ化物ではチツ化ボロン等
がある。しかし、炭化ケイ素を用いる場合には、
とりわけ、良い結果が得られる。 また、これらの粉末を固定するバインダーにつ
いて検討したところ、各種のリン酸塩がバインダ
ーとして適することが明らかとなつた。とくに、
ジルコニウム，スズ，チタン，ケイ素，アルミニ
ウムのリン酸塩が好適で、これらの物質はリン酸
との親和性に富み、かつバインダーとしての効果
も大である。これらのリン酸塩は、あらかじめ、
例えば、炭化ケイ素に混入しておくか、あるい
は、炭化ケイ素に、酸化物や塩溶液の形で混合し
ておき、その後リン酸を添加して反応させ、リン
酸塩とする。この発明では、特に、後者の方法が
好適で、バインダーとしての作用が大きい。 以下、実施例について説明する。 実施例 (1) 平均粒度0.3μｍの炭化ケイ素粉末に、ジルコ
ニウム，スズ，チタン，ケイ素あるいはアルミニ
ウムの塩化物又は水酸化物の水溶液を加えて混合
し、これにリン酸をさらに添加した。炭化ケイ素
とジルコニウム，スズ，チタン，ケイ素、あるい
はアルミニウム塩溶液の混合割合は、炭化ケイ素
70重量％、前述の金属塩とリン酸とが反応して生
成するリン酸塩が30重量％となるようにし、リン
酸量はリン酸塩を作る際に必要とする量の他に、
さらに炭化ケイ素に対して60重量％を加えた。そ
して、これらの混合物を200℃で15時間加熱して
反応を完結させるとともに水分を除去して、高粘
度粒物を得ることがきた。この高粘度状物が、ガ
ス拡散電極上に塗布されて電解質保持用マトリツ
クスを構成するが、このマトリツクス中には前述
の炭化ケイ素に対して60重量％のフリーなリン酸
が含まれているため、このフリーなリン酸が燃料
電池の電解質として作用することになる。第１表
は、本実施例によつて得た電解質保持用マトリツ
クスと、従来の方法、すなわち、炭化ケイ素にポ
リテトラフルオロエチレンを５重量％混合し、さ
らに、リン酸を60重量
極と、リン酸を電解質として保持するマトリツク
ス（以下、リン酸電解質保持用マトリツクスと称
する）とを有する燃料電池に関するものである。 第１図は、水素を燃料、空気中の酸素を酸化剤
とし、電解質にリン酸を用いる燃料電池の原理的
構成を示すもので、１がアノード（ガス拡散電
極）、２がカソード（ガス拡散電極）、３がリン酸
電解質保持用マトリツクスを示しており、アノー
ド１に水素が、カソード２に空気が接するように
なつている。 従来、リン酸電解質保持用マトリツクスには、
フエノール樹脂の繊維布や、炭化ケイ素粉末に有
機バインダーであるポリテトラフルオロエチレン
を混合したものが用いられていた。フエノール樹
脂の繊維布をマトリツクス材として用いる場合
は、燃料電池の作動温度が130℃以上になると、
フエノール樹脂が徐々に炭化され、長期間の運転
ができなくなる。この問題を除去するためには、
電池の作動温度を低くすることが考えられるが、
この場合には、電池の出力が著しく低下するとい
う問題が新たに生じる。また、炭化ケイ素粉末に
有機バインダーであるポリテトラフルオロエチレ
ンを混合したものをマトリツクス材として用いる
場合には、燃料電池の作動温度を190〜200℃程度
に高くすることができるという利点があるが、有
機バインダーは一般に撥水性であり、とりわけ、
ポリテトラフルオロエチレンの如きフツ素樹脂は
撥水性が大きく、リン酸との親和性に欠けるとい
う欠点がある。その結果、電解質保持用マトリツ
クス中にリン酸を保持する能力（リン酸保持力）
が小さく、このため、燃料電池の性能が低下する
という問題があつた。 本発明は、これらの問題点を除去し、高温のリ
ン酸に安定であり、リン酸保持力の大きい電解質
保持用マトリツクスを有する燃料電池の提供を可
能とするもので、一対のガス拡散電極と、リン酸
を電解質として保持するマトリツクスとを有する
燃料電池において、前記マトリツクスが、リン酸
と反応しない固体粒子と金属リン酸塩バインダー
からなる多孔質体よりなることを特徴とするもの
である。 リン酸電解質保持用マトリツクスの具備すべき
条件は、(1)高温（190〜200℃）のリン酸に安定で
あること、(2)電子導電性がなく絶縁物であるこ
と、(3)リン酸との親和性が大で、保持力が大きい
こと、(4)リン酸を含有できる細孔容積が大である
こと、である。 これらの条件を満足するリン酸電解質保持用マ
トリツクスについて、種々検討した結果得られた
のが、この発明で、高温のリン酸に耐え、かつ電
子導電性がない物質として、酸化物、炭化物およ
びチツ化物などの各種無機物を用いるものであ
る。例えば、酸化物では、ジルコニウムを主成分
とする複合酸化物、例えば、ジルコン、五酸化タ
ンタル等があり、炭化物では、炭化ケイ素、炭化
タンタル等があり、チツ化物ではチツ化ボロン等
がある。しかし、炭化ケイ素を用いる場合には、
とりわけ、良い結果が得られる。 また、これらの粉末を固定するバインダーにつ
いて検討したところ、各種のリン酸塩がバインダ
ーとして適することが明らかとなつた。とくに、
ジルコニウム，スズ，チタン，ケイ素，アルミニ
ウムのリン酸塩が好適で、これらの物質はリン酸
との親和性に富み、かつバインダーとしての効果
も大である。これらのリン酸塩は、あらかじめ、
例えば、炭化ケイ素に混入しておくか、あるい
は、炭化ケイ素に、酸化物や塩溶液の形で混合し
ておき、その後リン酸を添加して反応させ、リン
酸塩とする。この発明では、特に、後者の方法が
好適で、バインダーとしての作用が大きい。 以下、実施例について説明する。 実施例 (1) 平均粒度0.3μｍの炭化ケイ素粉末に、ジルコ
ニウム，スズ，チタン，ケイ素あるいはアルミニ
ウムの塩化物又は水酸化物の水溶液を加えて混合
し、これにリン酸をさらに添加した。炭化ケイ素
とジルコニウム，スズ，チタン，ケイ素、あるい
はアルミニウム塩溶液の混合割合は、炭化ケイ素
70重量％、前述の金属塩とリン酸とが反応して生
成するリン酸塩が30重量％となるようにし、リン
酸量はリン酸塩を作る際に必要とする量の他に、
さらに炭化ケイ素に対して60重量％を加えた。そ
して、これらの混合物を200℃で15時間加熱して
反応を完結させるとともに水分を除去して、高粘
度粒物を得ることがきた。この高粘度状物が、ガ
ス拡散電極上に塗布されて電解質保持用マトリツ
クスを構成するが、このマトリツクス中には前述
の炭化ケイ素に対して60重量％のフリーなリン酸
が含まれているため、このフリーなリン酸が燃料
電池の電解質として作用することになる。第１表
は、本実施例によつて得た電解質保持用マトリツ
クスと、従来の方法、すなわち、炭化ケイ素にポ
リテトラフルオロエチレンを５重量％混合し、さ
らに、リン酸を60重量
【表】
【表】
％添加したリン酸電解質保持用マトリツクスに粘
性を比較して示してある。粘性の測定は、それぞ
れ、リン酸電解質保持用マトリツクス５ｇに平板
上で50Kgの荷重をかけ、その広がり面積をしらべ
たものである。第１表は、無機バインダーを用い
ることによつて、ポリテトラフルオロエチレンと
同等の結着性を得ることができることを示してい
る。 そして、実施例のリン酸電解質保持用マトリツ
クスにおいては、従来のものと比較して３倍以上
のリン酸保持力を有するものが得られた。 実施例 (2) 実施例(1)で用いた炭化ケイ素25ｇに、オキシ塩
化ジルコニウム（ZrOCl2・8H2O）12.2ｇを水50
mlに溶解した溶液を混合し、さらにリン酸11ｇを
加え、200℃で15時間加熱して電解質保持用マト
リツクスを作つた。このマトリツクスを公知のガ
ス拡散電極上に厚さ0.3mmになるように塗布し、
他方のガス拡散電極を重ね合せて一体化して燃料
電池を組みたてた。ガス拡散電極は白金を微量担
持した炭素粉末をカーボンペーパ上に塗布したも
のである。 第２図および第３図は、それぞれ、この実施例
のリン酸電解質保持用マトリツクスを用いた燃料
電池の電流密度―電圧特性、および200mA／cm2
の電流密度で連続放電したときの電池電圧の経時
変化を、従来の電解質マトリツクス、すなわち、
炭化ケイ素にバインダーとしてポリテトラフルオ
ロエチレンを用いた燃料電池の特性と比較して示
したものであり、第２図および第３図の横軸に
は、それぞれ、電流密度（mA／cm2）および放電
時間（ｈ）、両図の縦軸には電圧（Ｖ）がとつて
あり、Ａ，Ｃが実施例の場合、Ｂ，Ｄが従来例の
場合を示している。 第２図および第３図から明らかなように、実施
例のリン酸電解質保持用マトリツクスを用いた場
合には、電流密度の増大に伴う電圧の降下も、放
電時間の経過に伴う電圧の降下も少なく、従来の
場合に比較してすぐれた性能が得られる。そし
て、この性能向上は、バインダーとして用いてい
るリン酸塩がリン酸との親和性がよく、リン酸の
保持力が大であることに基づいている。さらに、
第２図および第３図は、作動温度190℃における
結果を示すもので、実施例のリン酸電解質保持用
マトリツクスを用いた場合には、高温でも安定な
結果が得られることを示している。 なお、実施例(2)では、リン酸電解質保持用マト
リツクスの生成にジルコニウム塩を用いた例を示
したが、スズ，チタン，ケイ素あるいはアルミニ
ウムなどの塩溶液を用いても同様の効果を得るこ
とができる。 以上の如く、本発明の燃料電池は、高温のリン
酸に安定であり、リン酸の保持力の大きい電解質
保持用マトリツクスを有する燃料電池の提供を可
能とするもので、産業上の効果の大なるものであ
る。
性を比較して示してある。粘性の測定は、それぞ
れ、リン酸電解質保持用マトリツクス５ｇに平板
上で50Kgの荷重をかけ、その広がり面積をしらべ
たものである。第１表は、無機バインダーを用い
ることによつて、ポリテトラフルオロエチレンと
同等の結着性を得ることができることを示してい
る。 そして、実施例のリン酸電解質保持用マトリツ
クスにおいては、従来のものと比較して３倍以上
のリン酸保持力を有するものが得られた。 実施例 (2) 実施例(1)で用いた炭化ケイ素25ｇに、オキシ塩
化ジルコニウム（ZrOCl2・8H2O）12.2ｇを水50
mlに溶解した溶液を混合し、さらにリン酸11ｇを
加え、200℃で15時間加熱して電解質保持用マト
リツクスを作つた。このマトリツクスを公知のガ
ス拡散電極上に厚さ0.3mmになるように塗布し、
他方のガス拡散電極を重ね合せて一体化して燃料
電池を組みたてた。ガス拡散電極は白金を微量担
持した炭素粉末をカーボンペーパ上に塗布したも
のである。 第２図および第３図は、それぞれ、この実施例
のリン酸電解質保持用マトリツクスを用いた燃料
電池の電流密度―電圧特性、および200mA／cm2
の電流密度で連続放電したときの電池電圧の経時
変化を、従来の電解質マトリツクス、すなわち、
炭化ケイ素にバインダーとしてポリテトラフルオ
ロエチレンを用いた燃料電池の特性と比較して示
したものであり、第２図および第３図の横軸に
は、それぞれ、電流密度（mA／cm2）および放電
時間（ｈ）、両図の縦軸には電圧（Ｖ）がとつて
あり、Ａ，Ｃが実施例の場合、Ｂ，Ｄが従来例の
場合を示している。 第２図および第３図から明らかなように、実施
例のリン酸電解質保持用マトリツクスを用いた場
合には、電流密度の増大に伴う電圧の降下も、放
電時間の経過に伴う電圧の降下も少なく、従来の
場合に比較してすぐれた性能が得られる。そし
て、この性能向上は、バインダーとして用いてい
るリン酸塩がリン酸との親和性がよく、リン酸の
保持力が大であることに基づいている。さらに、
第２図および第３図は、作動温度190℃における
結果を示すもので、実施例のリン酸電解質保持用
マトリツクスを用いた場合には、高温でも安定な
結果が得られることを示している。 なお、実施例(2)では、リン酸電解質保持用マト
リツクスの生成にジルコニウム塩を用いた例を示
したが、スズ，チタン，ケイ素あるいはアルミニ
ウムなどの塩溶液を用いても同様の効果を得るこ
とができる。 以上の如く、本発明の燃料電池は、高温のリン
酸に安定であり、リン酸の保持力の大きい電解質
保持用マトリツクスを有する燃料電池の提供を可
能とするもので、産業上の効果の大なるものであ
る。
第１図は、リン酸電解質保持用マトリツクスを
有する燃料電池の原理的構成を示す断面図、第２
図および第３図は、本発明の燃料電池の一実施例
の特性を従来の燃料電池の特性との比較において
示した特性線図である。 １…アノード、２…カソード、３…リン酸電解
質保持用マトリツクス。
有する燃料電池の原理的構成を示す断面図、第２
図および第３図は、本発明の燃料電池の一実施例
の特性を従来の燃料電池の特性との比較において
示した特性線図である。 １…アノード、２…カソード、３…リン酸電解
質保持用マトリツクス。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 一対のガス拡散電極と、リン酸を電解質とし
て保持するマトリツクスとを有する燃料電池にお
いて、前記マトリツクスが、リン酸と反応しない
固体粒子と金属リン酸塩バインダーからなる多孔
質体よりなることを特徴とする燃料電池。 ２ 前記金属リン酸塩が、ジルコニウム，スズ，
チタン，ケイ素，アルミニウムよりなる群から選
ばれた少くとも一種類の金属の金属リン酸塩であ
る特許請求の範囲第１項記載の燃料電池。 ３ 前記固体粒子が、炭化ケイ素である特許請求
の範囲第１項または第２項記載の燃料電池。
Priority Applications (6)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56141525A JPS5842181A (ja) | 1981-09-07 | 1981-09-07 | 燃料電池 |
| US06/414,394 US4529671A (en) | 1981-09-07 | 1982-09-02 | Fuel cell |
| DE8282108208T DE3268833D1 (en) | 1981-09-07 | 1982-09-06 | Fuel cell |
| EP82108208A EP0074111B1 (en) | 1981-09-07 | 1982-09-06 | Fuel cell |
| CA000410845A CA1193652A (en) | 1981-09-07 | 1982-09-07 | Fuel cell |
| US06/692,562 US4623415A (en) | 1981-09-07 | 1985-01-18 | Method of making fuel cell |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56141525A JPS5842181A (ja) | 1981-09-07 | 1981-09-07 | 燃料電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5842181A JPS5842181A (ja) | 1983-03-11 |
| JPS6232576B2 true JPS6232576B2 (ja) | 1987-07-15 |
Family
ID=15293990
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP56141525A Granted JPS5842181A (ja) | 1981-09-07 | 1981-09-07 | 燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS5842181A (ja) |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS575268A (en) * | 1980-06-11 | 1982-01-12 | Sanyo Electric Co Ltd | Fuel cell |
-
1981
- 1981-09-07 JP JP56141525A patent/JPS5842181A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS5842181A (ja) | 1983-03-11 |
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