JPH0782865B2 - Matrix holding electrolyte for phosphoric acid fuel cell - Google Patents
Matrix holding electrolyte for phosphoric acid fuel cellInfo
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- JPH0782865B2 JPH0782865B2 JP61136101A JP13610186A JPH0782865B2 JP H0782865 B2 JPH0782865 B2 JP H0782865B2 JP 61136101 A JP61136101 A JP 61136101A JP 13610186 A JP13610186 A JP 13610186A JP H0782865 B2 JPH0782865 B2 JP H0782865B2
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、リン酸を電解質として用いる燃料電池の電
解質保持マトリックスに関するものである。TECHNICAL FIELD The present invention relates to an electrolyte retention matrix of a fuel cell using phosphoric acid as an electrolyte.
リン酸を電解質として用いた燃料電池の単電池の基本構
成は、電解質保持マトリックス(以下マトリックスとい
う)によって隔てられた燃料極と空気極とから成る。燃
料極で生成されたH+は、マトリックスに保持されている
リン酸中を拡散して空気極に達し、そこで減極剤として
消費される。マトリックスは、その基本的性質として、
電子伝導性が無いこと、電池運転温度においてリン酸に
侵されないことを要求されるほか、リン酸の保持性がよ
いことが必要である。すなわち、マトリックスはできる
だけ多量のリン酸を含むことができ、そのリン酸が長期
間の電池運転中に電極側へ流出しないことが必要であ
る。The basic structure of a unit cell of a fuel cell using phosphoric acid as an electrolyte consists of a fuel electrode and an air electrode separated by an electrolyte holding matrix (hereinafter referred to as matrix). The H + generated at the fuel electrode diffuses in the phosphoric acid retained in the matrix and reaches the air electrode, where it is consumed as a depolarizer. Matrix, as its basic property,
In addition to being required to have no electronic conductivity and not to be attacked by phosphoric acid at the battery operating temperature, it is also necessary to have good phosphoric acid retention. That is, it is necessary that the matrix contain as much phosphoric acid as possible and that the phosphoric acid does not flow out to the electrode side during long-term battery operation.
特公昭46−2304号公報、特開昭59−117075号公報、およ
び特開昭60−30060号公報には、燃料電池のマトリック
スからリン酸を流出させる原動力として電極マトリック
スとの細孔径分布の差にもとづく毛細管現象、温度変化
によるリン酸の膨脹、収縮、空気極における水の発生と
それによるリン酸の希釈、空気圧、燃料圧の差圧等の力
があると推定されることが記載されている。これらの力
は、微弱ではあっても長期間にはリン酸のゆっくりした
流動をひき起こし、電極、マトリックス間のリン酸の分
布を均一化し、その結果、電極はリン酸過剰、マトリッ
クスはリン酸不足に陥る。リン酸の流動を防止する方法
としては、従来例えば下記の方法が知られていた。Japanese Patent Publication No. 46-2304, Japanese Patent Laid-Open No. 59-117075, and Japanese Patent Laid-Open No. 60-30060 disclose that the difference in pore size distribution between the electrode matrix and the electrode matrix is a driving force for flowing out phosphoric acid from the fuel cell matrix. It is stated that there are forces such as capillary phenomenon based on the above, expansion and contraction of phosphoric acid due to temperature change, generation of water at the air electrode and dilution of phosphoric acid due to it, air pressure, differential pressure of fuel pressure, etc. There is. These forces cause a slow flow of phosphoric acid over a long period of time even if it is weak, and make the distribution of phosphoric acid between the electrode and the matrix uniform, resulting in an excess of phosphoric acid on the electrode and phosphoric acid on the matrix. Fall short. As a method for preventing the flow of phosphoric acid, for example, the following method has been conventionally known.
(1)電極における酸化還元反応に無関係なZr,Si,Al等
のリン酸塩を単独で、またはこれらのリン酸塩を耐リン
酸性物質と混合してマトリックスを形成し、これらのリ
ン酸塩がリン酸に溶解することによる増粘効果にもとづ
く方法。(1) Phosphates such as Zr, Si, and Al, which are unrelated to the redox reaction at the electrode, alone or by mixing these phosphates with a phosphoric acid-resistant substance to form a matrix. A method based on the thickening effect of dissolving in phosphoric acid.
(2)Zr,Si,Al等の酸化物、水酸化物、塩化物等を耐リ
ン酸性物質と混合してマトリックスを形成し、これらの
酸化物等がリン酸と反応することによりリン酸塩を生成
し、(1)と同様な増粘効果を生ずる方法。(2) Oxides such as Zr, Si, Al, hydroxides, chlorides, etc. are mixed with phosphoric acid-resistant substances to form a matrix, and these oxides, etc. react with phosphoric acid to form phosphates. To produce a thickening effect similar to (1).
これらの方法の作用機構は、リン酸塩がリン酸に溶解す
ることにより「ゲル化」を起こすためといわれている。
しかし、リン酸塩の溶解度は1〜5%といわれており、
これらリン酸塩の大過剰と共存加熱したリン酸の流動特
性は濃リン酸のそれに近く、代表的なゲルである寒天と
は大きく隔たっていた。The mechanism of action of these methods is said to be that "phosphate" causes "gelation" by dissolving in phosphate.
However, the solubility of phosphate is said to be 1 to 5%,
The flow characteristics of phosphoric acid heated in the coexistence with a large excess of these phosphates were close to those of concentrated phosphoric acid, and were greatly separated from agar, which is a typical gel.
マトリックスのリン酸保持性の目安としては、泡圧力が
用いられている。これはマトリックスにリン酸を含浸さ
せて燃料極と空気極で挟み、電池運転条件に一定時間保
持した後、徐々に燃料極の燃料と空気極の空気との圧力
差を増大させ、最初にマトリックスを通過して高圧側の
ガスが低圧側に抜けたときの圧力差である。従来のZr,S
i,Al等を含んだリン酸塩マトリックスは、安定した高い
泡圧力を示さなかった。また、リン酸塩含有比率が高く
なるに従って、積層電池にして締付けた場合に徐々にマ
トリックスの厚さが減少するクリープ現象が大きくなる
という欠点があった。Bubble pressure is used as a measure of the phosphoric acid retention of the matrix. This is because the matrix is impregnated with phosphoric acid and sandwiched between the fuel electrode and the air electrode, and after being maintained for a certain period of time under the cell operating conditions, the pressure difference between the fuel at the fuel electrode and the air at the air electrode is gradually increased. It is the pressure difference when the gas on the high pressure side passes through and goes out on the low pressure side. Conventional Zr, S
The phosphate matrix containing i, Al, etc. did not show stable high foam pressure. Further, there is a drawback that the creep phenomenon that the thickness of the matrix gradually decreases when the laminated battery is tightened becomes larger as the phosphate content ratio becomes higher.
このように、泡圧力が低い場合が生ずる原因としては、
Zr,Si,Al等の酸化物等がリン酸と反応してリン酸塩を生
成する際、リン酸塩が耐リン酸性物質粒子を押し隔てて
粗大粒子として析出し、そのあとには依然として比較的
大きい細孔が残り、それを通るようなリン酸の流動をリ
ン酸中に溶解したリン酸塩による増粘効果では止めるこ
とができないためである。上述したクリープ現象は、機
械的に弱いリン酸塩粒子に対し、燃料電池を積層電池に
したときの面圧が加わった場合にリン塩酸粒子が破壊さ
れるために生ずる。上述のように、析出する粒子はZr,A
lの場合にはリン酸塩結晶であり、Siの場合には非晶質
の脆いガラス片状物であるが、析出の状況は同じであ
る。In this way, the cause of the case where the bubble pressure is low is
When oxides such as Zr, Si, Al, etc. react with phosphoric acid to form phosphate, the phosphate separates the phosphoric acid resistant substance particles and precipitates as coarse particles, after which comparison is still made. This is because the large pores remain, and the flow of phosphoric acid passing therethrough cannot be stopped by the thickening effect of the phosphate dissolved in phosphoric acid. The above-mentioned creep phenomenon occurs because the phosphate particles are destroyed when the surface pressure when the fuel cell is made into a laminated cell is applied to the mechanically weak phosphate particles. As mentioned above, the precipitated particles are Zr, A
In the case of l, it is a phosphate crystal, and in the case of Si, it is an amorphous brittle glass flake, but the situation of precipitation is the same.
第2図は、例えば特開昭59−117075号公報に示された従
来のリン酸保持マトリックスの模式図であり、(1)は
耐リン酸性物質粉末から造られたマトリックス骨格材例
えば粒径2μmのSiCおよび/または粒径1μmのZrSiO
4、(2)はこのマトリックス骨格材(1)とともに細
孔を形成するリン酸塩、(3)はこれらのマトリックス
骨格材(1)およびリン酸塩(2)により形成された細
孔である。この細孔(3)は、互いに連通して曲がりく
ねった毛細管(図示せず)を形成しており、この毛細管
はリン酸の流路となり、リン酸の流出の原因となってい
る。FIG. 2 is a schematic view of a conventional phosphoric acid retaining matrix disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 59-117075. (1) shows a matrix skeleton material made of phosphoric acid resistant substance powder, for example, a particle size of 2 μm. SiC and / or ZrSiO with a particle size of 1 μm
4 , (2) is a phosphate forming pores with the matrix skeleton (1), and (3) is pores formed by the matrix skeleton (1) and the phosphate (2). . The pores (3) communicate with each other to form meandering capillaries (not shown), and the capillaries serve as a flow path for phosphoric acid, which causes outflow of phosphoric acid.
なお、一般に微粒子充填層を液体が透過する場合につい
て、(1)式に示すコゼニイーカルマン(Kozeny−Carm
an)の式が成立する。In addition, in general, when the liquid permeates the fine particle packed layer, the Kozeny-Carm (Kozeny-Carm) shown in the equation (1) is used.
The expression of an) is established.
u=〔ε3/5Sv2(1−ε)2〕・〔△P/μL〕 (1) ここに、uは見掛け流速、εは微粒子充填層の空隙率、
Svは粒子のみの単位体積当たりの比表面積、μは液体の
粘性係数、Lは粒子層の厚さ、△Pは差圧である。
(1)式が成立する限りにおいては△Pがいかに小さく
ともuは0ではなく、長時間の間に液体は流動してしま
う。リン酸の流動を防止するためには、或る限度以下の
△Pではリン酸の流動が始まらない系を作ることであ
り、その流動は(1)式に従わず、(2)式のような形
式で表現されるものである必要がある。u = [ε 3 / 5Sv 2 (1-ε) 2 ] · [ΔP / μL] (1) where u is the apparent flow velocity, ε is the porosity of the fine particle packed layer,
Sv is the specific surface area per unit volume of the particles only, μ is the viscosity coefficient of the liquid, L is the thickness of the particle layer, and ΔP is the differential pressure.
As long as equation (1) holds, u is not 0 no matter how small ΔP is, and the liquid flows for a long time. In order to prevent the flow of phosphoric acid, it is necessary to create a system in which the flow of phosphoric acid does not start at ΔP below a certain limit. The flow does not follow equation (1), It must be expressed in any format.
この場合、泡圧力はαの目安である。 In this case, the bubble pressure is a measure of α.
上記のようなマトリックスでは、マトリックス中に比較
的大きい細孔が残るため、リン酸の保持性が悪く、また
クリープ現象が大きくなる問題点があった。さらに、マ
トリックス中に形成される細孔がリン酸の流路となり、
リン酸の流出の原因となる問題点があった。In the above matrix, since relatively large pores remain in the matrix, there are problems that the retention of phosphoric acid is poor and the creep phenomenon becomes large. Furthermore, the pores formed in the matrix become the flow path of phosphoric acid,
There was a problem that caused the outflow of phosphoric acid.
この発明は、かかる問題点を解決するためになされたも
ので、耐リン酸性物質粒子が互いに接触し、非晶質のリ
ン酸塩はその間隙を埋めるように析出するマトリックス
構造を形成し、高い泡圧力を安定して達成できるリン酸
型燃料電池用マトリックスを得ることを目的とする。The present invention has been made to solve the above problems, in which phosphoric acid-resistant substance particles are in contact with each other, and amorphous phosphate forms a matrix structure that precipitates so as to fill the gap, It is an object of the present invention to obtain a phosphoric acid fuel cell matrix capable of achieving a stable bubble pressure.
この発明に係るリン酸型燃料電池用マトリックスは、平
均粒径が20nm以下でありリン酸と反応して非晶質のリン
酸塩を生成する物質であるシリカ粉末と、粒径が1μm
〜5μmである耐リン酸性物質粉末との混合物から造ら
れたものである。The phosphoric acid fuel cell matrix according to the present invention has a mean particle size of 20 nm or less, silica powder, which is a substance that reacts with phosphoric acid to produce amorphous phosphate, and a particle size of 1 μm.
It is made from a mixture with a phosphoric acid resistant powder which is ˜5 μm.
この発明においては、耐リン酸性物質粒子は互いに接触
するかあるいは粒子相互間の距離は最大でも20nmとな
り、一方、リン酸との反応によって析出した非晶質のリ
ン酸塩粒子は、耐リン酸性物質粒子間の間隙を埋めリン
酸流路をその一部で遮断するか、あるいは流路を著しく
狭くする。したがって、耐リン酸性物質粒子間の間隙を
リン酸との反応前よりもより密に充填することができ、
リン酸の流動を阻止することができる 〔実施例〕 この発明によるマトリックスを安定して得るためには、
耐リン酸性物質粒子の粒径を1μm〜5μmの範囲、す
なわち90重量%以上がこの範囲に入るように選ぶ。これ
と同時に、リン酸と反応してリン酸塩を生成する物質の
平均粒径(以下単に粒径)を20nm以下(好ましくは20nm
以下〜5nm)に選んで耐リン酸性物質粒子と均一に混合
する。これらの混合割合は、耐リン酸性物質粉末99重量
%〜50重量%に対し、非晶質のリン酸塩を生成する物質
1重量%〜50重量%である。非晶質のリン酸塩としての
含有比率は60重量%〜50重量%、好ましくは50重量%〜
10重量%である。In the present invention, the phosphoric acid-resistant substance particles are in contact with each other or the distance between the particles is at most 20 nm, while the amorphous phosphate particles precipitated by the reaction with phosphoric acid are phosphoric acid-resistant. The gap between the substance particles is filled up, and the phosphoric acid flow path is blocked by a part thereof, or the flow path is remarkably narrowed. Therefore, it is possible to more closely fill the spaces between the phosphoric acid resistant substance particles than before the reaction with phosphoric acid,
It is possible to prevent the flow of phosphoric acid [Example] In order to stably obtain the matrix according to the present invention,
The particle size of the phosphoric acid resistant substance particles is selected to be in the range of 1 μm to 5 μm, that is, 90% by weight or more. At the same time, the average particle size (hereinafter simply referred to as particle size) of the substance that reacts with phosphoric acid to form phosphate is 20 nm or less (preferably 20 nm).
The following is selected to be ~ 5 nm) and uniformly mixed with the phosphoric acid resistant substance particles. The mixing ratio of these is 1 wt% to 50 wt% of the substance that forms an amorphous phosphate, relative to 99 wt% to 50 wt% of the phosphoric acid resistant substance powder. The content ratio as amorphous phosphate is 60% by weight to 50% by weight, preferably 50% by weight to
10% by weight.
耐リン酸性物質粉末としては、α型SiC、β型SiC、SiC
繊維、α型Si3N4、β型Si3N4、WC,Ta2O5,Nb2O5、ダイヤ
モンド、Ta4C4およびB4C3などの粉末が使用でき、α型S
iC粉末の使用が望ましい。非晶質のリン酸塩を生成する
物質中に含まれる金属としては、電極における酸化還元
反応に無関係であることのほかに、電極における触媒作
用を阻害しないことが重要である。非晶質のリン酸塩を
生成する物質としては、シリカ粉末が好ましい。これら
のうち例えばヒュームドシリカがリン酸と反応して非晶
質のリン酸塩を生成する物質として優れている。これら
の物質は「エアロジル」(エアロジル株式会社製)の商
品名で市販されており、気相法で生成された平均粒径10
〜20nmの高純度シリカの微粉末である。これらの微粒子
は、互いに強く付着した2次粒子を作らない超微粒子で
あるために、耐リン酸性物質粉末粒子と均一に混和し易
いこと、リン酸との反応が迅速であること、マトリック
スとして成型するためのペーストが均質で気泡を含みに
くく、粘性が大きく成型し易いという利点を持ってお
り、これら利用してリン酸保持性の優れたマトリックス
を工業的に容易に製造することができる。As phosphorous acid resistant substance powder, α type SiC, β type SiC, SiC
Powders such as fiber, α-type Si 3 N 4 , β-type Si 3 N 4 , WC, Ta 2 O 5 , Nb 2 O 5 , diamond, Ta 4 C 4 and B 4 C 3 can be used, α-type S
Use of iC powder is preferred. It is important that the metal contained in the substance that forms the amorphous phosphate is not related to the redox reaction at the electrode and that it does not inhibit the catalytic action at the electrode. Silica powder is preferable as the substance that produces an amorphous phosphate. Of these, for example, fumed silica is excellent as a substance that reacts with phosphoric acid to form an amorphous phosphate. These substances are commercially available under the trade name of "Aerosil" (manufactured by Aerosil Co., Ltd.) and have an average particle size of 10
It is a fine powder of high-purity silica with a particle size of ~ 20 nm. Since these fine particles are ultrafine particles that do not form secondary particles that strongly adhere to each other, they are easily mixed uniformly with the phosphoric acid resistant powder particles, have a rapid reaction with phosphoric acid, and are molded as a matrix. The paste for this purpose has the advantages that it is homogeneous, does not contain bubbles easily, and has a high viscosity and is easy to mold. By utilizing these, a matrix having excellent phosphoric acid retention can be easily manufactured industrially.
非晶質のリン酸塩を生成する物質は、耐リン酸性物質粉
末と混合し、水または有機溶剤を加えてペーストとし、
一方の電極上に塗布する。塗布に必要なペースト性状を
調節するために適当な有機物を添加することは差し支え
ない。しかし、有機溶剤を含めて全ての有機物はその後
の工程で蒸発または分解除去されることが必要である。The substance that produces amorphous phosphate is mixed with powder of phosphoric acid-resistant substance, and water or an organic solvent is added to form a paste.
Apply on one electrode. Appropriate organic substances may be added to adjust the paste properties required for coating. However, it is necessary that all the organic substances including the organic solvent are evaporated or decomposed and removed in the subsequent process.
水を加えたペーストの性状調節用添加剤としては、ポリ
エチレングリコール、ポリエチレンオキサイド等を使用
できるが、これらを使用する場合は、ペーストの塗布乾
燥後さらに300℃以上の温度の不活性雰囲気中で熱処理
し、これらの添加剤を分解除去しなければならない。上
記のペーストは塗布乾燥後、これに計算量(後述)のリ
ン酸を含浸させ、150℃以上200℃以下の温度に加熱保持
し、リン酸と非晶質のリン酸塩を生成する物質すなわち
反応性物質粒子との反応を完結させる。この反応に際し
てリン酸は消費されるため、含浸させるリン酸量は、反
応により消費されるリン酸量、マトリックスの細孔容積
を充填するのに必要なリン酸量、および下地の電極に含
浸させるべきリン酸量の和として算出する。なお、リン
酸塩を生成する物質がシリカの場合には、生成するリン
酸塩は化学量論的な組成を持たない非晶質ゲルである。
従って、リン酸塩の生成によって消費されるリン酸量を
算出することができない。この場合のリン酸量の算定基
準は、下地の電極に含浸させるべきリン酸量を除いたリ
ン酸量とシリカの量との比が、重量比で20:1から10:1、
好ましくは15:1から10:1の範囲の割合とする。リン酸量
は100%リン酸換数である。反応性物質とリン酸との反
応は迅速であるために、下地の電極へリン酸が十分浸透
しないうちに反応が完結し、リン酸がマトリックス中に
固定され、電極がリン酸不足になる場合がある。これを
防止するためには、リン酸含浸後2次間程度は150℃か1
70℃に保持することが望ましい。反応完結には12時間以
上保持することが必要である。Polyethylene glycol, polyethylene oxide, etc. can be used as an additive for adjusting the properties of the paste containing water.When using these, heat treatment in an inert atmosphere at a temperature of 300 ° C or higher after coating and drying the paste. However, these additives must be decomposed and removed. After the paste is applied and dried, it is impregnated with a calculated amount (described later) of phosphoric acid and heated and maintained at a temperature of 150 ° C or higher and 200 ° C or lower, that is, a substance that produces phosphoric acid and an amorphous phosphate. Complete the reaction with the reactive material particles. Since phosphoric acid is consumed during this reaction, the amount of phosphoric acid to be impregnated depends on the amount of phosphoric acid consumed by the reaction, the amount of phosphoric acid required to fill the pore volume of the matrix, and the underlying electrode. Calculated as the sum of power phosphoric acid amounts. When the substance that produces a phosphate is silica, the produced phosphate is an amorphous gel that does not have a stoichiometric composition.
Therefore, the amount of phosphoric acid consumed by the production of phosphate cannot be calculated. In this case, the calculation standard of the amount of phosphoric acid is the ratio of the amount of phosphoric acid excluding the amount of phosphoric acid to be impregnated to the underlying electrode and the amount of silica, 20: 1 to 10: 1 by weight,
The ratio is preferably in the range of 15: 1 to 10: 1. The amount of phosphoric acid is 100% phosphoric acid conversion number. Since the reaction between the reactive substance and phosphoric acid is rapid, the reaction is completed before phosphoric acid has sufficiently penetrated into the underlying electrode, phosphoric acid is fixed in the matrix, and the electrode becomes phosphoric acid deficient. There is. In order to prevent this, after the impregnation with phosphoric acid, 150 ℃ or 1 ℃ for the second time.
It is desirable to keep at 70 ° C. It is necessary to hold for 12 hours or more to complete the reaction.
マトリックス中にリン酸を均一に分布させるために、マ
トリックスペーストの溶剤としてリン酸を用いる方法が
既に知られており、マトリックスの塗布のための溶剤と
してリン酸を用いることは可能である。この場合、反応
性物質粒子とリン酸との反応が室温でもゆっくりと進行
するために、ペーストの粘性が時間と共に徐々に増加す
るという困難が伴うが、下地の電極へのリン酸の浸透が
不十分となる現象も同時に起こりうる。これを避けるた
めに、下地の電極へ予め必要量のリン酸を含浸させてお
き、その上にリン酸含有ペーストを塗布し、170℃以上2
00℃以下に加熱保持してマトリックスを形成することが
できる。この場合、必要量のリン酸を含んだ後では、電
極のマトリックスペーストからのリン酸の吸収速度は遅
いので、電極がリン酸過剰となるいわゆるフラッディン
グ現象を起こすことはない。このようにしてマトリック
スを形成すると、電池の内部抵抗が減少する効果があ
る。これは、恐らくマトリックスと電極の界面のなじみ
がよくなったため、界面を横切ってのH+の移動が容易に
なったためと推定される。A method of using phosphoric acid as a solvent for the matrix paste in order to uniformly distribute phosphoric acid in the matrix is already known, and it is possible to use phosphoric acid as a solvent for coating the matrix. In this case, since the reaction between the reactive substance particles and phosphoric acid proceeds slowly even at room temperature, there is a difficulty in that the viscosity of the paste gradually increases with time, but the penetration of phosphoric acid into the underlying electrode is impaired. A sufficient phenomenon can occur at the same time. To avoid this, the underlying electrode is impregnated with the required amount of phosphoric acid in advance, and the phosphoric acid-containing paste is applied on top of it, and the temperature is maintained at 170 ° C or higher.
The matrix can be formed by heating and holding at a temperature of 00 ° C. or lower. In this case, after the required amount of phosphoric acid is contained, the absorption rate of phosphoric acid from the matrix paste of the electrode is slow, so that the so-called flooding phenomenon in which the electrode is in excess of phosphoric acid does not occur. Forming the matrix in this way has the effect of reducing the internal resistance of the battery. This is presumably because the interface between the matrix and the electrode was better adapted to facilitate the transfer of H + across the interface.
第1図はこの発明の一実施例を示す模式図であり、(1
A)および(2A)はそれぞれ(1)および(2)に対応
し、(3)は前記の従来におけるものと全く同一であ
る。耐リン酸性物質粒子は互いに接触するかあるいは粒
子相互間の距離は最大でも20nmとなる。一方リン酸との
反応によって析出した非晶質のリン酸塩粒子は耐リン酸
性物質粒子から造られたマトリックス骨格材(1A)の間
隙である細孔(3)を埋め、リン酸流路を細孔(3)の
一部で遮断するかあるいはリン酸流路を著しく狭くす
る。リン酸塩(2A)の生成反応は、非晶質のリン酸塩を
生成する物質の粒子のみをとってみれば、膨脹反応であ
る。したがって、細孔(3)をリン酸との反応前よりも
より密に充填することができる。また、シリカの場合に
は、反応生成物は非晶質であり、ガラス細片状のものが
細孔(3)を埋める。この非晶質物質は塑性がなく脆い
固体で、Si1原子当たり保持できるリン酸も15分子以下
であるが、H+伝導性を持ち、リン酸の流動を阻止し得
る。このように、リン酸塩が生成し、非晶質のリン酸を
含んだマトリックスが塗布された電極は、空気中からの
吸湿によって、マトリックス側および電極側の両面に結
露し、電池性能上、取扱い上好ましくない影響を及ぼす
場合がある。従って、この電極は低湿度環境または150
℃から170℃の温度に保たれた空気浴中に保管する必要
がある。FIG. 1 is a schematic diagram showing an embodiment of the present invention.
A) and (2A) correspond to (1) and (2), respectively, and (3) is exactly the same as the above-mentioned conventional one. The phosphoric acid-resistant substance particles are in contact with each other or the distance between the particles is 20 nm at maximum. On the other hand, the amorphous phosphate particles precipitated by the reaction with phosphoric acid fill the pores (3) which are the gaps of the matrix skeleton material (1A) made of the phosphoric acid resistant substance particles, and the phosphoric acid flow path is formed. It is blocked at a part of the pores (3) or the phosphoric acid channel is made extremely narrow. The formation reaction of the phosphate (2A) is an expansion reaction when only particles of the substance that forms an amorphous phosphate are taken. Therefore, the pores (3) can be filled more closely than before the reaction with phosphoric acid. In the case of silica, the reaction product is amorphous, and glass flakes fill the pores (3). This amorphous material is a solid that is not plastic and brittle, and can hold 15 or less molecules of phosphoric acid per Si atom, but has H + conductivity and can block the flow of phosphoric acid. In this way, the phosphate is generated, the electrode coated with a matrix containing amorphous phosphoric acid, moisture absorption from the air, dew condensation on both the matrix side and the electrode side, in terms of battery performance, It may adversely affect handling. Therefore, this electrode should be used in a low humidity environment or 150
It should be stored in an air bath maintained at temperatures between ℃ and 170 ℃.
実施例1. 粒径2μmのα型SiC46部に粒径20nmのヒュームドシリ
カ4部、100%リン酸53部を加え、マトリックスペース
トを調製した。粘度調節は水の添加により行なった。こ
のマトリックスペーストを直ちに電極上にスキージーを
用いて塗布し、150℃に2時間保持した後、190℃に1夜
加熱保持した。マトリックスの厚さは300μmであっ
た。このマトリックスの泡圧力および電気抵抗値を測定
したところそれぞれ0.4kg/cm2および5.2mΩであった。
測定面積は100cm2であった。この泡圧力は後述の比較例
1における値よりも大きくこれは、シリカの粒径の差を
反映しているためである。測定後のマトリックスのX線
回折パターンはα型SiCのみであり、ヒュームドシリカ
とリン酸との反応生成物は非晶質であった。Example 1 4 parts of fumed silica having a particle size of 20 nm and 53 parts of 100% phosphoric acid were added to 46 parts of α-type SiC having a particle size of 2 μm to prepare a matrix paste. The viscosity was adjusted by adding water. This matrix paste was immediately applied onto the electrode with a squeegee, and the temperature was maintained at 150 ° C. for 2 hours and then maintained at 190 ° C. by heating overnight. The thickness of the matrix was 300 μm. The bubble pressure and electric resistance of this matrix were measured and found to be 0.4 kg / cm 2 and 5.2 mΩ, respectively.
The measurement area was 100 cm 2 . This bubble pressure is larger than the value in Comparative Example 1 described later, and this is because the difference in particle size of silica is reflected. The X-ray diffraction pattern of the matrix after the measurement was only α-type SiC, and the reaction product of fumed silica and phosphoric acid was amorphous.
比較例1. 粒径2μmのα型SiC46部と粒径5μmの非晶質溶融シ
リカ粉末4部に100%リン酸53部を加え、マトリックス
ペーストを調製した。粘度調節は水の添加により行なっ
た。このマトリックスペーストを電極上にスキージーを
用いて塗布し、150℃に2時間保持した後、さらに190℃
に1夜加熱保持した。マトリックスの厚さは250μmで
あった。このマトリックスの泡圧力および電気抵抗値を
測定したところそれぞれ0.5kg/cm2および5mΩであっ
た。測定面積は100cm2であった。測定後のマトリックス
のX線回折による測定結果は実施例1と同じくα型SiC
のみであった。実施例1との泡圧力の差は、用いたシリ
カの粒径の差にもとづくものである。Comparative Example 1. 53 parts of 100% phosphoric acid was added to 46 parts of α-type SiC having a particle size of 2 μm and 4 parts of amorphous fused silica powder having a particle size of 5 μm to prepare a matrix paste. The viscosity was adjusted by adding water. Apply this matrix paste on the electrode with a squeegee and hold at 150 ° C for 2 hours, then at 190 ° C
It was kept heated overnight. The thickness of the matrix was 250 μm. The bubble pressure and electric resistance of this matrix were measured and found to be 0.5 kg / cm 2 and 5 mΩ, respectively. The measurement area was 100 cm 2 . The measurement result by the X-ray diffraction of the matrix after the measurement is the same as in Example 1, and α-type SiC
Was only. The difference in bubble pressure from Example 1 is based on the difference in particle size of silica used.
実施例2. 粒径2μmのα型SiC46部に粒径20nmのヒュームドシリ
カ4部に100%リン酸57部を加え、マトリックスペース
トを調製した。粘度調節は水の添加により行なった。こ
のマトリックスペーストを電極上にスキージーを用いて
塗布し、150℃で2時間、さらに200℃に1夜加熱保持し
た。マトリックスの塗布厚は190μmであった。このマ
トリックスの泡圧力および電気抵抗値は、それぞれ2.0k
g/cm2および3.0mΩであった。Example 2 A matrix paste was prepared by adding 46 parts of α-type SiC having a particle diameter of 2 μm and 57 parts of 100% phosphoric acid to 4 parts of fumed silica having a particle diameter of 20 nm. The viscosity was adjusted by adding water. This matrix paste was applied onto the electrode with a squeegee, and heated and held at 150 ° C. for 2 hours and then at 200 ° C. overnight. The coating thickness of the matrix was 190 μm. The foam pressure and electric resistance of this matrix are 2.0k each.
It was g / cm 2 and 3.0 mΩ.
比較例2. 一方、同じα型SiC46部およびヒュームドシリカ4部の
混合物に100%リン酸51部を加えてマトリックスペース
トを調製した。このマトリックスペーストを予めリン酸
を含浸させた電極上にスキージーを用いて塗布し、150
℃で2時間、さらに200℃で1夜加熱保持した。マトリ
ックスの塗布厚は190μmであった。このマトリックス
の泡圧力および電気抵抗値を測定したところ、それぞれ
2.0kg/cm2および2.4mΩであった。電気抵抗値の差はマ
トリックス塗布時の電極に、予めリン酸が含まれている
か否かの差にもとづくものである。Comparative Example 2. On the other hand, a matrix paste was prepared by adding 51 parts of 100% phosphoric acid to the same mixture of 46 parts of α-type SiC and 4 parts of fumed silica. This matrix paste was applied on the electrode previously impregnated with phosphoric acid with a squeegee and
The temperature was kept at 2 ° C for 2 hours and then at 200 ° C overnight. The coating thickness of the matrix was 190 μm. When the bubble pressure and electric resistance of this matrix were measured,
It was 2.0 kg / cm 2 and 2.4 mΩ. The difference in electrical resistance value is based on the difference in whether or not phosphoric acid is previously contained in the electrodes when the matrix is applied.
この発明によるリン酸型燃料電池用保持マトリックスは
以上説明したとおり、粒径が1μm〜5μmである耐リ
ン酸性物質粉末と、粒径がそれに比べて20nm以下ときわ
めて小さく重量が少ないシリカ粉末と、このシリカ粉末
の10〜15倍の重量のリン酸との混合物を反応させて造ら
れたので、 生成されるリン酸塩は非晶質となるとともに液状リン
酸はほとんど存在しなくなる。As described above, the phosphoric acid fuel cell holding matrix according to the present invention comprises a phosphoric acid-resistant substance powder having a particle size of 1 μm to 5 μm, and a silica powder having a particle size of 20 nm or less, which is extremely small and has a small weight. Since it was made by reacting a mixture with 10 to 15 times the weight of this silica powder with phosphoric acid, the phosphate formed is amorphous and liquid phosphoric acid is almost nonexistent.
耐リン酸性物質粒子同士は接触または極めて近接して
存在し、析出した非晶質のリン酸塩がその間隙を埋める
構造となる。The phosphoric acid-resistant substance particles are in contact with each other or exist very close to each other, and the precipitated amorphous phosphate has a structure of filling the gap.
これにより、外圧に対して強く、高い泡圧力を安定して
得ることができ、マトリックス中にリン酸を保持する保
持性が良く、リン酸の流出が少ないリン酸型燃料電池用
保持マトリックスとなる。This makes it possible to obtain a stable high foam pressure against external pressure, good retention of phosphoric acid in the matrix, and low outflow of phosphoric acid, resulting in a retention matrix for phosphoric acid fuel cells. .
第1図はこの発明の一実施例による模式図、第2図は従
来のマトリックスの模式図である。 図において、(1),(1A)はマトリックス骨格材、
(2),(2A)は非晶質のリン酸塩、(3)は細孔であ
る。 なお、各図中、同一符号は同一または相当部分を示す。FIG. 1 is a schematic diagram according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a schematic diagram of a conventional matrix. In the figure, (1) and (1A) are matrix skeleton materials,
(2) and (2A) are amorphous phosphates, and (3) are pores. In each drawing, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts.
Claims (1)
てリン酸塩を生成するシリカ粉末と、粒径が1μm〜5
μmである耐リン酸性物質粉末と、リン酸との混合物を
反応させて造られたリン酸型燃料電池用電解質を保持し
たマトリックスにおいて、前記シリカ粉末と前記耐リン
酸性物質粉末との混合割合が、シリカ粉末1重量%〜50
重量%に対し耐リン酸性物質粉末99重量%〜50重量%で
あり、かつ、加えた前記リン酸と前記シリカ粉末との混
合重量比が10〜15対1であることにより、生成された前
記リン酸塩が非晶質のリン酸塩であることを特徴とする
リン酸型燃料電池用電解質を保持したマトリックス。1. A silica powder having an average particle size of 20 nm or less and reacting with phosphoric acid to form a phosphate, and a particle size of 1 μm to 5 μm.
In a matrix holding an electrolyte for a phosphoric acid fuel cell, which is produced by reacting a mixture of a phosphoric acid-resistant substance powder having a particle size of μm and phosphoric acid, a mixing ratio of the silica powder and the phosphoric acid-resistant substance powder is , Silica powder 1% by weight to 50
The phosphoric acid-resistant substance powder is 99 wt% to 50 wt% with respect to wt%, and the mixing weight ratio of the added phosphoric acid and the silica powder is 10 to 15 to 1, A matrix holding an electrolyte for a phosphoric acid fuel cell, wherein the phosphate is an amorphous phosphate.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61136101A JPH0782865B2 (en) | 1986-06-13 | 1986-06-13 | Matrix holding electrolyte for phosphoric acid fuel cell |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61136101A JPH0782865B2 (en) | 1986-06-13 | 1986-06-13 | Matrix holding electrolyte for phosphoric acid fuel cell |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62295358A JPS62295358A (en) | 1987-12-22 |
| JPH0782865B2 true JPH0782865B2 (en) | 1995-09-06 |
Family
ID=15167296
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61136101A Expired - Fee Related JPH0782865B2 (en) | 1986-06-13 | 1986-06-13 | Matrix holding electrolyte for phosphoric acid fuel cell |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0782865B2 (en) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5956364A (en) * | 1982-09-22 | 1984-03-31 | Mitsubishi Electric Corp | Manufacture of electrolyte matrix for fuel cell |
| JPS59117075A (en) * | 1982-12-24 | 1984-07-06 | Hitachi Ltd | Method for manufacturing phosphoric acid retention matrix |
-
1986
- 1986-06-13 JP JP61136101A patent/JPH0782865B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS62295358A (en) | 1987-12-22 |
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