JPH0334266A

JPH0334266A - リン酸型燃料電池の電解液

Info

Publication number: JPH0334266A
Application number: JP1166772A
Authority: JP
Inventors: Makoto Kamiide; 上出　誠; Yasuo Suzuki; 康男鈴木; Yutaka Yamagata; 裕山縣
Original assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Current assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Priority date: 1989-06-30
Filing date: 1989-06-30
Publication date: 1991-02-14

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】（産業上の利用分野）本発明は、運転停止時に低温環境下にあっても凍結する
ことのないリン酸型燃料電池の電解液に関するものであ
る。

（発明の背景）燃料電池は負極に送りこむ水素を燃料とし、正（１）（２）（３）極に送りこむ酸素を酸化剤として電解液の中で反応させ
電流を取り出す発電器である。その電解液として、リン
酸を用いたのがリン酸型燃料電池である。リン酸は高濃
度でも他の強酸に比べ腐食性が低く、沸点が高いので、
２００℃近くでち可動可能である。またリン酸はＣＯ２
の影響を受けないので、ナフサ、天然ガスのような化石
燃料、メタノールのような合成燃料を改質して得られる
、水素に富むが二酸化炭素を含むガスを精製しなくても
そのまま燃料として用いることができ、また空気中の二
酸化炭素を除去する必要がないから、空気をそのまま酸
化剤として用いることができる。また少量の触媒で、燃
料電池としては比較的低温で大きな電流を取り出すこと
ができる。このため、濃厚リン酸を用いる燃料電池が実
用の観点から現在主流となり、電力プラントのみならず
電気自動車電源などの可搬型燃料電池としても考えられ
ている。

しかし、電解質として使用する濃厚リン酸溶液は凝固点
が高く、寒冷地で燃料電池を運転停止して環境温度まで
冷えると凝固・凍結し一方向に結晶が成長する。この結
果リン酸溶液を含浸した電解質マトリックス、さらには
これを挟持する電極が破壊されるという問題があった。

特に、運転停止再開を繰返す可搬型燃料電池ではこのよ
うな不都合は深刻なものとなる。

リン酸の凝固点は第２図（−〇−）に示すように、１０
０％で最高（約１０℃）で、これより濃度を下げるにし
たがい凝固点は低下し、例えば９０％程度では約−２０
℃までに達する。このような凝固点の低いリン酸溶液を
使用すれば、電解液の凍結・電極の破壊は防げるとも考
えられる。

しかしこのような低濃度のリン酸電解液でも、電池作動
時（約２００℃）には水分が蒸発・飛散するのでリン酸
濃度は次第に高くなり、結果的に凍結し易いという問題
点は解決されなかった。

（発明の目的）本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、
電池作動時における水分の蒸発・飛散を抑制してリン酸
濃度を維持し、低温環境下で運転を停止しても凍結する
ことがないリン酸型燃料電池の電解液を提供することを
目的とする。

（発明の構成）本発明のこのような目的は、強リン酸とフッ素系界面活
性剤とを含有することを特徴とするリン酸型燃料電池の
電解液により達成される。

高温時に水が蒸発するのは、リン酸分子と水分子の分子
間力が、２００℃における熱エネルギーによる分子運動
力より弱いためである。従って、リン酸と水分子の結合
を強化すれば、水分の蒸散は抑制され、リン酸濃度は変
化しにくくなる。本発明者らは、このような観点から、
フッ素系界面活性剤が水分の蒸発防止に効果があること
を確認し本発明を完成した。フッ素系界面活性剤は疎水
域のアルキル基又はアリル基の水素をフッ素に置換した
もので、水に対する表面張力低下能が大きく、また耐熱
、対酸性に優れている。水分子の蒸発防止の機構は明ら
かではないが、界面活性剤は、親木基により水分子と結
合する一方、疎水基によりリン酸と結合しているものと
思われる。

以下本発明の電解液の構成成分について説明する。

本発明に用いられるリン酸は、通常オルトリン酸換算で
１００％以下である。１００％以上では濃度上昇に伴な
い凝固点は低下するから、水分の蒸発・飛散は殆ど問題
とならない、一方、電池性能を確保するためには８０％
以上であることが望ましいから、結局リン酸濃度は８０
〜ｌＯＯ％であることが望ましい、なおリン酸は、オル
トリン酸のみならず、ビロリン酸、トリリン酸又は直鎖
状縮合リン酸（縮合度８〜９位まで）であってもよい。

フッ素系界面活性剤は、リン酸と化学反応せず、また運
転温度（約２００〜２２０℃）で安定である必要がある
６例えば、ＲｆＳＯｓ　Ｎａ。

ＲｆＳＯｓ　Ｌｉ、ＲｆＳＯｓ　Ｋなどの（式中Ｒｆは
水素を部分的に或いは全部フッ素に置換したフルオロア
ルキル基である）スルホン系界面活性剤を使用できる。

さらに詳しくは、上記にそれぞれ対応する、三菱金Ｒ四
市販のＥＦ−１０２、Ｅ１０３、ＥＦ−１０５が使用で
きる。

これらは１種類だけ添加してちよいが、２　ｆｌ類以上
の化合物を組合せて添加してもよい。

但し、フッ素系界面活性剤の添加量が過剰であるとリン
酸溶液の電解質としての役割を弱め、電池性能が低下す
る。従って、このような電池性能と、リン酸溶液に対す
る溶解度を勘案して、フッ素系界面活性剤の添加量は決
められる。用いるフッ素系界面活性剤によりその添加量
は異なるが、通常、１０重量％以下である。

（実験例１）９０重量％のオルトリン酸溶液を１８０’Ｃ下で放置し
て、その水分蒸発飛散量を調べた。第１図（−ム一）に
示すように２４時間後にはリン酸溶液の重量は５％減少
しており、リン酸濃度は（（１−（９０／９５）　）　
ｘｌｏｏ　＝）約５％上昇していた。第２図（−０−）
に示すように、凍結温度は９０％リン酸で約−２０℃、
９５％リン酸で約０℃であるから、凍結温度は約２０℃
上昇したことを示している。

一方、９０重量％のオルトリン酸溶液に１％ＥＦ１０２
　（ＲｆＳＯ，Ｎａ）を添加した場合には、２４時間放
置しても、約２％の重量軽減しか見られず、水分の飛散
が抑制されていることを示していた（−Ｘ−）　　リン
酸濃度の上昇は、（（１−（９０／９８）　）　Ｘ１０
０　＝）約２％であり、凍結温度の上昇は無添加の場合
に比べ半分以下に抑制された（第２図、−〇−参照）。

（実験例２）第２図はリン酸電解液の凝固点（晶出温度）を示す凍結
状態図である。僅か０．１％のＥＦＩＯ３（ＲｆＳＯ，
Ｌｉ）の添加で６（−・−）、無添加の場合（−〇−）
に比べ、著しい凝固点降下が見られた。このようにフッ
素系界面活性剤は水分の飛散を防止して、リン酸濃度上
昇による凍結温度の上昇を防止するだけでなく、フッ素
系界面活性剤の存在することによる凝固点降下という効
果を併せ持つ。従って、フッ素系界面活性剤添加により
、リン酸電解液はより一層凍結しにくくななる。

なお点線はリン酸溶液（対照）の融点（文献値）を示す
。

（発明の効果）以上のように本発明は、強リン酸電解液にフッ素系界面
活性剤を含有させることによって、水分の蒸発を防止し
たちのである。従って、リン酸濃度が維持され、運転停
止時に凍結することがない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、高温放置下のリン酸溶液の水分蒸発飛散量を
示す図、第２図はリン酸電解液の融点及び凝固点（晶出
温度）を示す凍結状態図である。 −ムー：対照（無添加）の水分蒸発飛散量、−Ｘ−：Ｅ
Ｆ１０２添加時の水分蒸発飛散量、−〇−二対照（無添
加）の凝固点変化、−・−：　ＥＦ　１０３添加時の凝
固点変化、−−一−−−：対照（無添加）の融点。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）強リン酸とフッ素系界面活性剤とを含有すること
を特徴とするリン酸型燃料電池の電解液。
（２）前記強リン酸の濃度が、オルトリン酸換算で１０
０％以下であることを特徴とする請求項（１）記載のリ
ン酸型燃料電池の電解液。
（３）前記フッ素系界面活性剤の濃度が、強リン酸の１
０重量％以下であることを特徴とする請求項（１）又は
（２）に記載のリン酸型燃料電池の電解液。