JPH01217858A - 燃料電池電解質マトリックス層の形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は燃料電池に係り、特に電解質を保持する電解質
マトリックス層（以下、マトリックス層と称する）の形
成方法に関する。

（従来の技術） 従来、燃料の有している化学的エネルギーを直接電気的
エネルギーに変換する装置として燃料電池が知られてい
る。この燃料電池の一例として、リン酸を電解質とした
リブ付電極型燃料電池の基本的構成例を第３図に示す。

第３図において、電解質としてリン酸を保持するマトリ
ックス層１．を挟んで、互いに直交する方向に溝が規則
的に複数本平行に設けられかつ片面に触媒層が夫々形成
された通常炭素材から成る燃料極２ａおよび酸化剤極２
ｂからなる一対のリブ付電極２を対向配置して、燃料電
池の単位セルを構成している。ここで、これらの溝は燃
料ガスおよび酸化剤ガスの流通路を夫々形成している。

また、上記単位セルを複数個、誘導性を有しかつ透過性
のないセパレータ３を各単位セル間に挟んで積層して燃
料電池を構成するようにしている。

（発明が解決しようとする課題） ところで、このような構成のリン酸を電解質とした燃料
電池においては、電解質であるリン酸はその粘度が低い
ため、リン酸のみを燃料極２ａと酸化剤極２ｂとの間に
保持させることは困難である。

このため、一般にはシリコンカーバイド（炭化けい素）
粉末等のリン酸に対して安定な耐電解質性の微粒粉末と
、固着剤であるポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ
）の懸濁液と、造粘剤等の添加物とから成る混合ペース
トを直接燃料極２ａまたは酸化剤極２ｂの少なくとも一
方の電極２の触媒層面に塗布し、熱処理した後、リン酸
を含浸することによりマトリックス層１を形成する。

゛マトリックス層１の形成において重要なことは、層を
均一な厚さに形成することである。マトリックス層１の
厚さが不均一あるいはボイド等の欠陥、がある場合は、
セルは泡出圧力の低下や電流密度分布の不均一、さらに
は燃料極２ａと酸化剤極２ｂとが局部的に接触すること
による内部短絡（セミショート）を起こし、その性能が
低下する。

従来では上記マトリックス層１を形成する方法としてス
クリーンプリント法、バーキャスティング法、カーテン
コータ法等が知られているが、いずれの方法も塗布精度
の点で問題となり任意の均一な厚さのマトリックス層１
を形成することが困難であった。

本発明の目的は任意の均一な厚さのマトリックス層を全
体にわたって容易に形成し電池性能を向上させて長寿命
化を図ることが可能な燃料電池電解質層の形成方法を提
供することである。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために本発明は、多孔質基体の片面
に触媒層を形成した燃料用電極と酸化剤用電極とを触媒
層が対向するように配置し、これらの電極のすくなくと
も一方の触媒層面に電解質を保持するマトリックス層を
備えるようにした燃料電池において、マトリックス層は
耐電解質性の微粒粉末と固着剤との混合物を帯電し、こ
の混合物を接地した電極の触媒層表面にクーロンカによ
り塗布させるようにしたことを特徴とする。

（作用） 上述したように本発明のマトリックス層形成方法は、耐
電解質性の微粒粉末と固着剤との混合物を電極の触媒層
表面にクーロンカにより塗布させるようにしたので、マ
トリックス層を凹凸が極めて少なく、かつ均一な厚さに
形成することができ、電池性能を向上させるとともに長
寿命化を図ることが可能となる。

（実施例） 以下、本発明の一実施例について第１図および第２図を
参照して説明するｉ燃料電池のマトリックス層はつぎの
ような方法により形成する。まず耐電解質性（耐リン酸
性）の微粒粉末として平均粒径１μｓのシリコンカーバ
イド１００重量部と、固着剤であるフッ素系ポリマーと
して例えば平均粒径０．３μｓ以下のポリテトラフルオ
ロエチレン（ＰＴＦＥ）を６０重量パーセント含むＰＴ
ＦＥディスバージョンｌＯ重量部とを水４０重量部に分
散し、充分かくはんを行なった後に真空炉にて１００℃
で１時間乾燥させ、さらにこの乾燥物をジェットミル等
により粉砕して乾燥混合粉体（以下、ドライフロックと
称する）を得る０次に、このドライフロックを燃料極２
ａまたは酸化剤極２ｂの少なくとも一方の電極２の触媒
層面に塗布してマトリックス層１を形成する方法につい
て第１図により説明する。２は接地縁付の電極であり、
この電極２の触媒層面に対向してノズル４を配置すると
ともに、このノズル４はタンク５、圧縮空気発生装置６
および印加電圧発生装置７にそれぞれ接続されている。

そしてタンク５内に収容したドライフロックはノズル４
に導かれ、このノズル４内においてドライフロックを印
加電圧発生装置ｔ７　（印加電圧ニー７０ＫＶ）により
負に帯電させた後圧縮空気発生装置６（吐出圧：０．５
ｋｇ／ａｔ？）より供給される圧縮空気により噴射され
、クーロンカにより電極２面に付着させる。次に、上記
の如く電極２にドライフロックを付着させた後、任意の
スリット幅（２，５ミリ）を有するローラーを用いてド
ライフロックを圧着することによりマトリックス層１を
形成する。この場合、マトリックス層１の厚さは１３０
±１０ｔｍであり、また表面の粗さは３ｐ以下、さらに
気孔率は６０パーセントであった。

しかる後に、上記マトリックス層１に電解質であるリン
酸をスプレー処理等によって含浸保持させた後、燃料極
を重ね合せて一体化することにより単位セルを構成する
。

次に、上記の方法により形成したマトリックス層１を有
する単位セルについて、寿命試験を行なった場合の結果
を第２図に示す。なお、図においてＡは従来の方法によ
り形成したマトリックス層１を有する単位セルの寿命特
性を、またＢはこの実施例の方法によりマトリックス層
１を有する単位セルの寿命特性を夫々示している。つま
り、運転温度２０５℃、運転圧力常圧、負荷電流密度２
２０ｍＡ／ａ＆の条件で一万時間運転を行なった結果、
この実施例による単位セルにおける電圧の低下は３パー
セント以下であった。このことから、この実施例の方法
により形成したマトリックス層１は、表面の凹凸が極め
て少なくしかも均一な厚さで形成されることが明らかと
なった。従って、かかるマトリックス層１を有する燃料
電池では、泡出圧力の低下や電流密度分布の不均一、燃
料極２ａと酸化剤極２ｂとが局部的に接触することによ
る内部短絡（セミショート）は発生せず、燃料電池の性
能を大幅に向上させることが可能となる。また、マトリ
ックス層１の表面の凹凸状態が極めて少ないことから、
電極の一体化後に対となる電極の触媒層との接触抵抗が
小さくなり、長時間にわたって安定した電池特性を得る
ことが可能となる。

尚、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、次
のようにしても同様に実施して上述と同様の作用効果を
得ることができるものである。

（ａ）上記実施例においてドライフロックは、耐電解質
性（耐リン酸性）のシリコンカーバイドと、固着剤であ
るポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のディスバ
ージョン（懸濁液）とを水に混合分散し乾燥した後粉砕
して得るようにしたが、これに限らず例えば耐電解質性
のシリコンカーバイドの乾燥微粒粉末と、ポリテトラフ
ルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の乾燥微粒粉末を直接混合
して得るようにしてもよいものである。

（ｂ）上記実施例において耐電解質性のシリコンカーバ
イドと固着剤であるＰＴＦＨのデイスパージョンとを水
に混合分散した液を、湿式で静電塗装することも可能で
ある。

（ｃ）上記実施例において多孔質電極の触媒層形成面の
裏面を減圧することも可能である。

（ｄ）上記実施例において耐電解質性の微粒粉末として
は、シリコンカーバイド以外に、タングステンカーバイ
ド、シリコンナイトライド、酸化ジルコニウム、五酸化
タンタル、リン酸ジルコニウム、リン酸シリコンのうち
少なくとも一種類の微粒粉末若しくはこれらの混合微粒
粉末より成るものを用いることが可能である。

（ｅ）上記実施例においてフッ素ポリマーとしては。

ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）以外に、四フ
ッ化エチレン（ＴＦＥ）、　フッ化アルコキシエチレン
（ＰＦＡ）、　フン化エチレンプロピレンエーテル（Ｆ
ＰＥ）、　四フッ化エチレン六フッ化プロビレ　′ン共
重合樹脂（ＦＥＰ）のいずれかから成るものを用いるこ
とが可能である。

（ｆ）上記実施例においては、マトリックス層を電極の
触媒層面に圧着する手段として任意のスリット幅を有す
るローラーを用いたが、これに限らずプレスすることに
より圧着することも可能である。・ （ｇ）上記実施例においては、電解質としてリン酸を用
いたが、これ以外の電解質を用いた燃料電池についても
本発明を同様に適用することができるものである。

その他、本発明はその要旨を変更しない範囲で、種々に
変形して実施することができるものである。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、均一な厚さのマト
リックス層を全体にわたって容易に形成し電池性能を向
上させて長寿命化を図ることが可能な極めて信頼性の高
い燃料電池電解質の形成方法が提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すマトリックス層の形成
原理図、第２図は第１図により形成したマトリックス層
と従来のものとの寿命比較試験結果を示す単位セルの特
性線図、第３図は燃料電池単位セルの一般的構成を示す
縦断面斜視図である。 １・・・マトリックス層、　　２・・・電極、２ａ・・
・燃料極、　　　　　２ｂ・・・酸化剤極。 ４１．、ノズル、　　　　　６・・・圧縮空気発生装置
、７・・・印加電圧発生装置。 代理人　弁理士　則　近　憲　佑 同　　第子丸　健 第１図 １廼運転時間　（ｈｒｃ） 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 多孔質基体の片面に触媒層を形成した燃料用電極と酸化
   剤用電極とを触媒層が対向するように配置し、これらの
   電極のすくなくとも一方の触媒層面に電解質を保持する
   マトリックス層を備えるようにした燃料電池において、
   マトリックス層は耐電解質性の微粒粉末と固着剤との混
   合物を帯電し、この混合物を接地した電極の触媒層表面
   にクーロンカにより塗布させるようにしたことを特徴と
   する燃料電池電解質マトリックス層の形成方法。