JP2569769B2 - リン酸型燃料電池 - Google Patents
リン酸型燃料電池Info
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- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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- 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
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明はリン酸型燃料電池に係り、特にリン酸の保
持力に優れるマトリックスを備える燃料電池に関する。
持力に優れるマトリックスを備える燃料電池に関する。
リン酸型燃料電池は第２図に示すようにマトリックス
１に燃料極触媒層２と酸化剤極触媒層３を配した単電池
を複数個直列に接続して構成される。マトリックスはは
っ水性樹脂および化学的に不活性な電気絶縁性セラミッ
クスから形成されその細孔に電解質であるリン酸を保持
する。はっ水性樹脂としては例えばポリ四フッ化エチレ
ン（以下PTFEと記す）の微粒子が10重量％用いられ、電
気絶縁性セラミックスとしては粒径数μｍの炭化ケイ
素、窒化ケイ素、酸化タンタルなどが用いられる。第３
図に電極触媒層の微視的状態を示す。燃料極触媒層２お
よび酸化剤極触媒層３はカーボン担体５の上に白金粒子
４の担持された触媒微粒子７が凝集してできた触媒粒子
８とはっ水性樹脂であるPTFE粒子６とから形成される。
触媒微粒子７は１次粒子であり、触媒粒子８は２次粒子
である。触媒粒子８とPTFE粒子６とはほぼ同量使用され
る。
１に燃料極触媒層２と酸化剤極触媒層３を配した単電池
を複数個直列に接続して構成される。マトリックスはは
っ水性樹脂および化学的に不活性な電気絶縁性セラミッ
クスから形成されその細孔に電解質であるリン酸を保持
する。はっ水性樹脂としては例えばポリ四フッ化エチレ
ン（以下PTFEと記す）の微粒子が10重量％用いられ、電
気絶縁性セラミックスとしては粒径数μｍの炭化ケイ
素、窒化ケイ素、酸化タンタルなどが用いられる。第３
図に電極触媒層の微視的状態を示す。燃料極触媒層２お
よび酸化剤極触媒層３はカーボン担体５の上に白金粒子
４の担持された触媒微粒子７が凝集してできた触媒粒子
８とはっ水性樹脂であるPTFE粒子６とから形成される。
触媒微粒子７は１次粒子であり、触媒粒子８は２次粒子
である。触媒粒子８とPTFE粒子６とはほぼ同量使用され
る。
このようにして構成された燃料電池には燃料である水
素ガスと酸化剤である酸素ガスとがそれぞれ燃料極と酸
化剤極とで電気化学的に反応して外部回路に電流が取り
出される。燃料極における反応は（２）式のようにな
る。
素ガスと酸化剤である酸素ガスとがそれぞれ燃料極と酸
化剤極とで電気化学的に反応して外部回路に電流が取り
出される。燃料極における反応は（２）式のようにな
る。
H2→２H+＋2e……（２） 一方酸化剤極では（３）式の反応がおこる。
２H+＋1/2O2→H2O……（３） 燃料極または酸化剤極で上記（２）または（３）の反応
がおこるためには各触媒層のなかで電解質であるリン酸
と、ガスと触媒微粒子とがよく接触することが必要であ
る。従って両電極触媒層ではリン酸は適当に満たされて
いることが要求され、通常リン酸は両電極の空隙部分で
ある細孔の約50％を満たすよう含浸される。一方マトリ
ックスにおいてはリン酸が燃料極で発生した水素イオン
（H+）を酸化剤極に移動させるが、この移動を速やかに
行うとともに燃料ガスあるいは酸化剤ガスがクロスリー
クしないようにマトリックスの細孔はリン酸で完全に満
たされていることが要求される。
がおこるためには各触媒層のなかで電解質であるリン酸
と、ガスと触媒微粒子とがよく接触することが必要であ
る。従って両電極触媒層ではリン酸は適当に満たされて
いることが要求され、通常リン酸は両電極の空隙部分で
ある細孔の約50％を満たすよう含浸される。一方マトリ
ックスにおいてはリン酸が燃料極で発生した水素イオン
（H+）を酸化剤極に移動させるが、この移動を速やかに
行うとともに燃料ガスあるいは酸化剤ガスがクロスリー
クしないようにマトリックスの細孔はリン酸で完全に満
たされていることが要求される。
そのために従来はバインダでもあるはっ水性樹脂の使
用量をマトリックスにおいては結合作用に支障を来さな
い限度で可及少なくしてリン酸に対するぬれ性を高める
ようにし、両極触媒層においてははっ水性樹脂の使用量
を多くしてリン酸に対するぬれ性をおさえるようにして
きた。
用量をマトリックスにおいては結合作用に支障を来さな
い限度で可及少なくしてリン酸に対するぬれ性を高める
ようにし、両極触媒層においてははっ水性樹脂の使用量
を多くしてリン酸に対するぬれ性をおさえるようにして
きた。
しかしながら上述のようにはっ水性樹脂の量によって
マトリックスのリン酸に対するぬれ性を調整する方法に
おいてはマトリックスの割れ防止に10％程度のはっ水性
樹脂の使用が最低必要なためリン酸に対するぬれ性を高
めることができないという問題があった。
マトリックスのリン酸に対するぬれ性を調整する方法に
おいてはマトリックスの割れ防止に10％程度のはっ水性
樹脂の使用が最低必要なためリン酸に対するぬれ性を高
めることができないという問題があった。
この発明は上述の点に鑑みてなされ、その目的はマト
リックスにおいてはっ水性樹脂をバインダとしてその使
用量を多くしてもリン酸に対するぬれ性を阻害しないよ
うにして、割れがなくリン酸に対するぬれ性に優れるマ
トリックスを備えるリン酸型燃料電池を提供することに
ある。
リックスにおいてはっ水性樹脂をバインダとしてその使
用量を多くしてもリン酸に対するぬれ性を阻害しないよ
うにして、割れがなくリン酸に対するぬれ性に優れるマ
トリックスを備えるリン酸型燃料電池を提供することに
ある。
上記の目的はこの発明によれば電解液保持用のマトリ
ックスに電極触媒層を配してなり、該電極触媒層はカー
ボン担体の上に白金粒子の担持された触媒微粒子（以
下、１次粒子という）と、該１次粒子が凝集してなる触
媒粒子（以下、２次粒子という）と，該２次粒子により
形成される細孔内に配設されたはっ水性樹脂とからなる
リン酸型燃料電池において、 はっ水性樹脂および化学的に不活性な電気絶縁性セラ
ミックスとから構成されるマトリックスの細孔分布につ
きその平均値をｘとし、 はっ水性樹脂と２次粒子とから形成される電極触媒層
の細孔分布（触媒粒子内細孔分布を除く）につきこの平
均値をｙとするとき、x,yが次式（１） ｘ＜ｙ……（１） を満足するマトリックスを備えることにより達成され
る。
ックスに電極触媒層を配してなり、該電極触媒層はカー
ボン担体の上に白金粒子の担持された触媒微粒子（以
下、１次粒子という）と、該１次粒子が凝集してなる触
媒粒子（以下、２次粒子という）と，該２次粒子により
形成される細孔内に配設されたはっ水性樹脂とからなる
リン酸型燃料電池において、 はっ水性樹脂および化学的に不活性な電気絶縁性セラ
ミックスとから構成されるマトリックスの細孔分布につ
きその平均値をｘとし、 はっ水性樹脂と２次粒子とから形成される電極触媒層
の細孔分布（触媒粒子内細孔分布を除く）につきこの平
均値をｙとするとき、x,yが次式（１） ｘ＜ｙ……（１） を満足するマトリックスを備えることにより達成され
る。
細孔径が小さくなるとリン酸の毛管作用による滲透力
が強くなりはっ水性樹脂のはっ水作用の影響力が相対的
に小さくなり、はっ水性樹脂が存在してもマトリックス
によるリン酸の保持力が高まる。
が強くなりはっ水性樹脂のはっ水作用の影響力が相対的
に小さくなり、はっ水性樹脂が存在してもマトリックス
によるリン酸の保持力が高まる。
マトリックスの割れはバインダであるはっ水性樹脂を
増加して防ぐことができる。
増加して防ぐことができる。
次にこの発明の実施例を図面に基づいて説明する。平
均粒径が0.15μｍの炭化ケイ素とエチレングリコールと
を重量比で３対１の割合で秤取し混合したのちロール間
隔20μｍのロール混合機あるいはコロイドミル等の精密
混練機により充合混合分散させる。この混合分散液にPT
FE分散液をPTFEが炭化ケイ素の重量に対して30％になる
よう加え、混練機により混合する。この混合物をシート
状に成型し290℃の温度で焼成して割れのないマトリッ
クス１を調製することができる。当該マトリックス１
は，上記炭化ケイ素の粒子，エチレングリコールおよび
少量のPTFEから構成されており、上記炭化ケイ素の粒子
の大きさにより，マトリックス１の細孔径分布が決定さ
れる。また，電極触媒層2,3におけるはっ水性樹脂と２
次粒子とから形成される電極触媒層の細孔分布は，例え
ば以下のように制御されるものである。カーボン担体の
上に白金粒子が担持された１次粒子がVan Der Waals力
で相互に結合し適度な大きさで凝集して２次粒子が形成
されているため，このカーボン担体の種類に応じてはっ
水性樹脂と２次粒子とから形成される電極触媒層の細孔
分布を変化させることができる。また，電極触媒製造お
よび電極触媒層製造工程において外部より機械的操作を
加えることにより,1次粒子の凝集の程度を容易に変化さ
せることができる。さらに,1次粒子の凝集力が弱い場合
には,PTFEの粒径や凝集状態等によってもはっ水性樹脂
と２次粒子とから形成される電極触媒層の細孔分布を変
化させることができる。
均粒径が0.15μｍの炭化ケイ素とエチレングリコールと
を重量比で３対１の割合で秤取し混合したのちロール間
隔20μｍのロール混合機あるいはコロイドミル等の精密
混練機により充合混合分散させる。この混合分散液にPT
FE分散液をPTFEが炭化ケイ素の重量に対して30％になる
よう加え、混練機により混合する。この混合物をシート
状に成型し290℃の温度で焼成して割れのないマトリッ
クス１を調製することができる。当該マトリックス１
は，上記炭化ケイ素の粒子，エチレングリコールおよび
少量のPTFEから構成されており、上記炭化ケイ素の粒子
の大きさにより，マトリックス１の細孔径分布が決定さ
れる。また，電極触媒層2,3におけるはっ水性樹脂と２
次粒子とから形成される電極触媒層の細孔分布は，例え
ば以下のように制御されるものである。カーボン担体の
上に白金粒子が担持された１次粒子がVan Der Waals力
で相互に結合し適度な大きさで凝集して２次粒子が形成
されているため，このカーボン担体の種類に応じてはっ
水性樹脂と２次粒子とから形成される電極触媒層の細孔
分布を変化させることができる。また，電極触媒製造お
よび電極触媒層製造工程において外部より機械的操作を
加えることにより,1次粒子の凝集の程度を容易に変化さ
せることができる。さらに,1次粒子の凝集力が弱い場合
には,PTFEの粒径や凝集状態等によってもはっ水性樹脂
と２次粒子とから形成される電極触媒層の細孔分布を変
化させることができる。
上記の条件にて得られたマトリックスの細孔分布が第
１（ｂ）図に示される。第１（ａ）図には従来のマトリ
ックスの細孔分布が示される。また第１（ｃ）図には電
極触媒層の細孔分布（触媒粒子８内の細孔分布を除く）
が示される。本発明のマトリックスについてはその細孔
分布の平均値が電極触媒層の細孔分布の平均値よりも小
さくなっていることがわかる。これに対し従来のマトリ
ックスはその細孔分布の平均値が電極触媒層の平均値よ
りも大きくなっている。
１（ｂ）図に示される。第１（ａ）図には従来のマトリ
ックスの細孔分布が示される。また第１（ｃ）図には電
極触媒層の細孔分布（触媒粒子８内の細孔分布を除く）
が示される。本発明のマトリックスについてはその細孔
分布の平均値が電極触媒層の細孔分布の平均値よりも小
さくなっていることがわかる。これに対し従来のマトリ
ックスはその細孔分布の平均値が電極触媒層の平均値よ
りも大きくなっている。
このようにして得られたマトリックスの液保持力はそ
の指標であるバブルプレッシャが1kg/cm2となり、従来
の保持力の２倍であることがわかった。
の指標であるバブルプレッシャが1kg/cm2となり、従来
の保持力の２倍であることがわかった。
バインダとしてのPTFEは炭化ケイ素の粒径が小さくな
っていることもあって従来の３倍量となっているがこれ
で割れのないマトリックスを得ることができる。このよ
うにして割れがないうえに液保持力に優れるマトリック
スを得ることができる。PTFEの量は40％まで増やすこと
ができる。炭化ケイ素の粒径については0.3μｍ以下で
あれば目的を達するし、これは窒化ケイ素，酸化タンタ
ルなどについても同様に適用することができる。PTFEの
量についても同様である。
っていることもあって従来の３倍量となっているがこれ
で割れのないマトリックスを得ることができる。このよ
うにして割れがないうえに液保持力に優れるマトリック
スを得ることができる。PTFEの量は40％まで増やすこと
ができる。炭化ケイ素の粒径については0.3μｍ以下で
あれば目的を達するし、これは窒化ケイ素，酸化タンタ
ルなどについても同様に適用することができる。PTFEの
量についても同様である。
この発明によれば、電解液保持用のマトリックスに電
極触媒層を配してなり、該電極触媒層はカーボン担体の
上に白金粒子の担持された触媒微粒子（以下、１次粒子
という）と，該１次粒子が凝集してなる触媒粒子（以
下、２次粒子という）と，該２次粒子により形成される
細孔内に配設されたはっ水性樹脂とからなるリン酸型燃
料電池において、 はっ水性樹脂および化学的に不活性な電気絶縁性セラ
ミックスとから構成されるマトリックスの細孔分布につ
きその平均値をｘとし、 はっ水性樹脂と２次粒子とから形成される電極触媒層
の細孔分布（触媒粒子内細孔分布を除く）につきこの平
均値をｙとするとき、x,yが次式（１） ｘ＜ｙ……（１） を満足するマトリックスを備えるのでマトリックスの細
孔に対するリン酸の毛管力が強くなってはっ水性樹脂の
示すはっ水作用が相対的に小さくなり、その結果バイン
ダであるはっ水性樹脂を増加させて割れがないうえリン
酸に対する液保持力に優れるマトリックスを備え、かつ
適切な三相界面の形成による高性能のリン酸型燃料電池
を得ることが可能となる。
極触媒層を配してなり、該電極触媒層はカーボン担体の
上に白金粒子の担持された触媒微粒子（以下、１次粒子
という）と，該１次粒子が凝集してなる触媒粒子（以
下、２次粒子という）と，該２次粒子により形成される
細孔内に配設されたはっ水性樹脂とからなるリン酸型燃
料電池において、 はっ水性樹脂および化学的に不活性な電気絶縁性セラ
ミックスとから構成されるマトリックスの細孔分布につ
きその平均値をｘとし、 はっ水性樹脂と２次粒子とから形成される電極触媒層
の細孔分布（触媒粒子内細孔分布を除く）につきこの平
均値をｙとするとき、x,yが次式（１） ｘ＜ｙ……（１） を満足するマトリックスを備えるのでマトリックスの細
孔に対するリン酸の毛管力が強くなってはっ水性樹脂の
示すはっ水作用が相対的に小さくなり、その結果バイン
ダであるはっ水性樹脂を増加させて割れがないうえリン
酸に対する液保持力に優れるマトリックスを備え、かつ
適切な三相界面の形成による高性能のリン酸型燃料電池
を得ることが可能となる。
第１（ａ）図は従来のマトリックスの細孔分布を示す棒
示図、第１（ｂ）図はこの発明の実施例に係るマトリッ
クスの細孔分布を示す棒示図、第１（ｃ）図は従来の電
極触媒層の細孔分布を示す棒示図、第２図は燃料電池の
マトリックスと電極触媒層を示す模式断面図、第３図は
電極触媒層の微視的状態を示す模式断面図である。 1:マトリックス、2:燃料極触媒層、3:酸化剤極触媒層、
4:白金粒子、5:担体、6:PTFE粒子、7:触媒微粒子、8:触
媒粒子、9A,9B:カーボン電極基材。
示図、第１（ｂ）図はこの発明の実施例に係るマトリッ
クスの細孔分布を示す棒示図、第１（ｃ）図は従来の電
極触媒層の細孔分布を示す棒示図、第２図は燃料電池の
マトリックスと電極触媒層を示す模式断面図、第３図は
電極触媒層の微視的状態を示す模式断面図である。 1:マトリックス、2:燃料極触媒層、3:酸化剤極触媒層、
4:白金粒子、5:担体、6:PTFE粒子、7:触媒微粒子、8:触
媒粒子、9A,9B:カーボン電極基材。
Claims (1)
- 【請求項１】電解液保持用のマトリックスに電極触媒層
を配してなり、 該電極触媒層はカーボン担体の上に白金粒子の担持され
た触媒微粒子（以下、１次粒子という）と， 該１次粒子が凝集してなる触媒粒子（以下、２次粒子と
いう）と， 該２次粒子により形成される細孔内に配設されたはっ水
性樹脂とからなるリン酸型燃料電池において、 はっ水性樹脂および化学的に不活性な電気絶縁性セラミ
ックスとから構成されるマトリックスの細孔分布につき
その平均値をｘとし、 はっ水性樹脂と２次粒子とから形成される電極触媒層の
細孔分布（触媒粒子内細孔分布を除く）につきこの平均
値をｙとするとき、x,yが次式（１） ｘ＜ｙ……（１） を満足するマトリックスを備えることを特徴とするリン
酸型燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63272319A JP2569769B2 (ja) | 1988-10-28 | 1988-10-28 | リン酸型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63272319A JP2569769B2 (ja) | 1988-10-28 | 1988-10-28 | リン酸型燃料電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02119058A JPH02119058A (ja) | 1990-05-07 |
| JP2569769B2 true JP2569769B2 (ja) | 1997-01-08 |
Family
ID=17512227
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63272319A Expired - Fee Related JP2569769B2 (ja) | 1988-10-28 | 1988-10-28 | リン酸型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2569769B2 (ja) |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4035551A (en) * | 1976-09-01 | 1977-07-12 | United Technologies Corporation | Electrolyte reservoir for a fuel cell |
| US4596751A (en) * | 1984-12-10 | 1986-06-24 | United Technologies Corporation | Molten carbonate fuel cell with improved electrolyte storage |
-
1988
- 1988-10-28 JP JP63272319A patent/JP2569769B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH02119058A (ja) | 1990-05-07 |
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Legal Events
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