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JPH0222502B2 - - Google Patents
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JPH0222502B2 - - Google Patents

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JPH0222502B2
JPH0222502B2 JP58087873A JP8787383A JPH0222502B2 JP H0222502 B2 JPH0222502 B2 JP H0222502B2 JP 58087873 A JP58087873 A JP 58087873A JP 8787383 A JP8787383 A JP 8787383A JP H0222502 B2 JPH0222502 B2 JP H0222502B2
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JP
Japan
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phosphoric acid
base material
matrix base
catalyst layer
zirconium phosphate
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JP58087873A
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Kenro Mitsuta
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Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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    • HELECTRICITY
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    • H01M8/0289Means for holding the electrolyte
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Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、リン酸を電解質とするリン酸形燃
料電池用の単電池、特にその構成に関するもので
ある。
周知の通り、リン酸形燃料電池は、対向して配
置された燃料電極(アノード)と酸化剤電極(カ
ソード)との間にリン酸を電解質として保持した
電解質マトリツクスを配し、燃料電極および酸化
剤電極にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供
給して運転される。ここで、電解質保持用マトリ
ツクスすなわちマトリツクス基材は電池特性の向
上および電池の長期安定性を図る上で重要な構成
要素の一つとなつている。現在使用されているマ
トリツクス基材としては無機物の粉末と耐リン酸
性結着剤とで形成したものが一般的であるが、電
池の特性が十分に発揮されかつ安定な作動状態が
維持されるためには、マトリツクス基材は以下に
示すような条件を具備していなければならない。
(1) リン酸形燃料電池の動作条件(200℃前後、
95〜100%H3PO4)において、運転期間中(約
4万時間)、熱的、化学的に安定であること。
(2) 電子絶縁性であること。
(3) 電解質に対して湿潤性があること。
(4) 燃料ガスと酸化剤ガスとが電解質マトリツク
スを通して交差(クロスオーバ)するのを防止
するのに十分な泡圧力を有すること。
(5) 可能な限り薄く、かつ均一な厚みのものであ
ること。
(6) (3)、(4)の条件より、粒径が1〜5ミクロンで
比較的粒径の揃つたものが得やすいこと。
(7) 安価であること。
以上の条件のうち(1)と(2)は最も重要な項目であ
る。また、(5)の条件は電池特性を向上させる上で
重要であり、マトリツクス基材が薄ければ薄い程
電池の内部抵抗が減少し、特性は向上する。しか
しながら、あまり薄過ぎると十分な泡圧力が得ら
れなくなるためクロスオーバーが起こり、(4)の条
件を満たさなくなるために電池特性は逆に低下す
る。したがつて、最適なマトリツクス基材の厚さ
が存在するが、これは材料として用いる粉末の粒
径に大きく依存する。
従来、マトリツクス基材としては炭化硅素粉末
にフツ素系樹脂を結着剤として含有させたものが
よく知られている。炭化硅素は一般に研磨剤とし
て広く使用されており、粒径の揃つたものを安価
に手に入れることができる。また、リン酸に対し
て湿潤性がある。したがつて、先に挙げた(3)、
(6)、(7)の条件は十分に満たされている。また、
(4)、(5)の条件に関しても、マトリツクス基材の形
成方法および炭化硅素粉末の粒径について適切な
条件を選ぶことにより満たすことができるが、
(4)、(5)の条件がマトリツクス基材の厚さに関して
相反するものであるだけに両者共十分に満たすこ
とは難かしい。また、(1)の条件については炭化硅
素は必ずしも満足せず、徐々にではあるがリン酸
に侵されている。さらに、(2)の条件についても、
炭化硅素は半導体に属しており完全な絶縁体とは
言えない。この(1)、(2)の条件に関しては、化学的
安定性に優れかつ完全な絶縁体に属するダイヤモ
ンドが最もよく満足しているが、残念ながら、現
在のところ大量に安価に手に入れることが難し
い。また、同じく絶縁体に属する酸化物の中では
五酸化タンタルや酸化ニオブが化学的安定性に優
れているが、ダイヤモンドと同様に安価に手に入
れることが難しい。また、炭化ホウ素は化学的安
定性に優れているが、(2)の条件を満たしていな
い。以上のように、種々の無機物の中で炭化硅素
は不十分な点をいくつか残しながらも、マトリツ
クス基材として現在最も多く用いられている材料
である。
しかしながら、このように無機物粉末で構成さ
れたマトリツクス基材には共通した大きな欠点が
ある。それは、マトリツクス基材を構成する無機
物の微粒子が電池の動作中に触媒層を傷つけるこ
とで、これに起因して触媒層に亀裂を生じクロス
オーバーが起こつたり、電池特性を低下せしめる
などの悪影響がある。この現象を図を用いてさら
に詳しく説明する。
第1図aは従来の単電池を示す断面図であり、
図において、1は酸化剤電極、2は酸化剤電極の
触媒層、3は無機物粉末を主成分としリン酸を電
解質として保持するマトリツクス基材、4は燃料
電極の触媒層、5は燃料電極である。また、第1
図bは酸化剤電極1の触媒層2とマトリツクス基
材3との界面の様子を拡大して示す断面図であ
り、図において、6はマトリツクス基材3の構成
要素である無機物粉末、7はこの無機物粉末6が
原因して触媒層2に生じた亀裂である。燃料電極
5の触媒層4とマトリツクス基材3との界面につ
いても同様である。
このような無機物粉末6による触媒層2,4の
損傷は、電池に面圧をかけて運転する際起こると
考えられるが、この損傷により触媒層2,4が正
常には働き得なくなり、クロスオーバーが起こつ
たり触媒層2,4が過剰にリン酸に濡れるなどの
現象を引き起こし、電池特性は低下する。特に炭
化硅素粉末の場合、合成して作つた粒子ではなく
粉枠して作つたものなので、粒子に角ばつた部分
が多く、触媒層2,4への損傷も大きい。
以上説明したように、無機物粉末6で構成され
たマトリツクス基材を有する単電池には、無機物
粉末6による触媒層2,4の損傷という共通した
欠点がある。
この発明は上記のような従来のものの欠点を除
去するためになされたもので、単電池を、触媒層
を有する燃料および酸化剤電極と、これら両電極
の触媒層間に配置され、炭化硅素、ダイヤモン
ド、五酸化タンタル、酸化ニオブ、窒化硅素、お
よび炭化ホウ素の粉末のうちの何れか一種または
複数種の混合物で構成された耐リン酸性の無機物
粉末を主成分とするマトリツクス基材と、このマ
トリツクス基材と上記両電極のうちの少なくとも
一方の触媒層との間に介在させたリン酸ジルコニ
ウムを主成分とする緩衝層とにより構成すること
により、上記無機物粉末による上記触媒層の損傷
を防ぎ、より機能の高いリン酸形燃料電池用単電
池を得ることを目的としている。
以下、この発明の一実施例を図をもとに説明す
る。第2図aはこの発明の一実施例による単電池
を示す断面図であり、図において、8はリン酸ジ
ルコニウムを主成分とする緩衝層であり、リン酸
ジルコニウムの粉末と耐リン酸性の結着剤との混
合物より成る。耐リン酸性の結着剤としては、フ
ツ素樹脂、ポリイミド樹脂、およびフエノール樹
脂などが挙げられる。リン酸ジルコニウムは化学
式α型(Zr(HPO42・H2O)、γ型(Zr
(HPO42・2H2O)で表わされる層状化合物で、
これ自身イオン伝導体であり電子絶縁体であるの
で、固体電解質として用いる試みも行なわれてい
る。また、リン酸中200℃前後ではリン酸ジルコ
ニウムはゲル化するが膨潤せず、耐薬品性にも優
れ、水にも不溶である。これらリン酸ジルコニウ
ムの性質は緩衝層8として最も適したものであ
る。また、第2図bは酸化剤電極1の触媒層2と
マトリツクス基材3との間に緩衝層8が介存する
様子を拡大して示す断面図であり、この図からわ
かるように、リン酸ジルコニウムはそれ自身がゲ
ル化し移動することによつて無機物粒末6の凹凸
を吸収し、触媒層2が損傷するのを防いでいる。
また、リン酸ジルコニウムは触媒層2の凹凸をも
吸収するので、仮りに触媒層2に何らかの理由で
亀裂を生じた場合にも、この亀裂にリン酸ジルコ
ニウムのゲルが充填され、クロスオーバーなどの
現象を未然に防ぐ。また、リン酸よりもリン酸ジ
ルコニウムの方が流動性が少なく泡圧力が大き
い。したがつて、前記具備すべき条件のうち4の
条件について緩和される。さらにまた、リン酸ジ
ルコニウム自身が電子絶縁体であるので、2の条
件について緩和され、従来電子伝導性があるため
に使用されなかつた炭化ホウ素のような無機物粉
末もマトリツクス基材3として用いることができ
る。また、マトリツクス基材3の厚さに多少不均
一があつても、リン酸ジルコニウムの緩衝層8で
吸収できるので、5の条件についても緩和され
る。また、リン酸ジルコニウムはリン酸に対して
充分な湿潤性があり、3の条件についても従来よ
りも改善される。
従来、マトリツクス基材3の形成法としては、
印刷法、カーテン法、テープキヤステイング法、
スプレー法、ローラー法、ドクターブレード法な
ど種々の手法があつたが、リン酸ジルコニウムを
主成分とする緩衝層8は何れの手法を用いても簡
単に形成することができる。
また緩衝層8の厚さについては、厚すぎると内
部抵抗が増加し薄すぎると緩衝層8としての機能
を低下せしめるので、100μm以下好ましくは50μ
m程度がよい。また、無機物粉末を主成分とする
マトリツクス基材3については、従来100〜200μ
m程度の厚さのものが用いられていたが、上記の
ように緩衝層8によつて2〜5の条件が改善され
るため、この発明によれば例えば50μmぐらいま
でさらに薄くすることも可能である。
なお、マトリツクス基材3の主成分となる無機
物粉末としては、炭化硅素や炭化ホウ素の他にダ
イヤモンド、五酸化タンタル、酸化ニオブ、窒化
硅素などの粉末が挙げられ、これらのうちの一種
または複数種の混合物で構成される。
なお、上記実施例ではマトリツクス基材3と酸
化剤、燃料両電極の触媒層2,4との間にリン酸
ジルコニウムを主成分とする緩衝層8を介在させ
た場合を示したが、何れか一方の電極の触媒層で
あつてもよい。
以上のように、この発明によれば単電池を、触
媒層を有する燃料および酸化剤電極と、これら両
電極の触媒層間に配置され、炭化硅素、ダイヤモ
ンド、五酸化タンタル、酸化ニオブ、窒化硅素、
および炭化ホウ素の粉末のうちの何れか一種また
は複数種の混合物で構成された耐リン酸性の無機
物粉末を主成分とするマトリツクス基材と、この
マトリツクス基材と上記両電極のうちの少なくと
も一方の触媒層との間に介在させたリン酸ジルコ
ニウムを主成分とする緩衝層とにより構成したの
で、上記無機物粉末による上記触媒層の損傷を防
ぐことができ、より機能の高いリン酸形燃料電池
用単電池が得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図aは従来の単電池を示す断面図、第1図
bはaに示す触媒層とマトリツクス基材との界面
の様子を拡大して示す断面図、第2図aはこの発
明の一実施例による単電池を示す断面図、第2図
bはaに示す触媒層とマトリツクス基材との間に
緩衝層が介在する様子を拡大して示す断面図であ
る。 図において、1は酸化剤電極、2,4は触媒
層、3はマトリツクス基材、5は燃料電極、6は
無機物粉末、7は亀裂、8は緩衝層である。な
お、図中同一符号は同一または相当部分を示すも
のとする。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 触媒層を有する燃料および酸化剤電極、これ
    ら両電極の触媒層間に配置され、炭化硅素、ダイ
    ヤモンド、五酸化タンタル、酸化ニオブ、窒化硅
    素、および炭化ホウ素の粉末のうちの何れか一種
    または複数種の混合物で構成された耐リン酸性の
    無機物粉末を主成分とするマトリツクス基材、お
    よびこのマトリツクス基材と上記両電極のうちの
    少なくとも一方の触媒層との間に介在させたリン
    酸ジルコニウムを主成分とする緩衝層により構成
    されたリン酸形燃料電池用単電池。 2 マトリツクス基材の厚さを50〜200μm以下
    とした特許請求の範囲第1項記載のリン酸形燃料
    電池用単電池。 3 緩衝層にリン酸ジルコニウムの粉末と耐リン
    酸性の結着剤との混合物を使用した特許請求の範
    囲第1項または第2項記載のリン酸形燃料電池用
    単電池。 4 耐リン酸性の結着剤はフツ素樹脂、ポリイミ
    ド樹脂、およびフエノール樹脂の中から選ばれる
    特許請求の範囲第3項記載のリン酸形燃料電池用
    単電池。
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