JPH04259757A - りん酸型燃料電池のマトリックスとその前処理方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はりん酸型燃料電池のマト
リックスとその前処理方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】りん酸型燃料電池のマトリックスは、酸
化剤ガスを反応ガスとする空気極と、還元剤ガスを反応
ガスとする燃料極との間に挟持されている層であり、電
解液であるりん酸を保持する役割と、酸化剤ガスと還元
剤ガスが混合しないように両者を分離する役割とを担っ
ている。

【０００３】図３はそのマトリックス近傍を示す模式断
面図であり、１はマトリックス，２は空気極，３は燃料
極を表わす。マトリックス１は、りん酸型燃料電池の運
転条件である２００℃のりん酸中で、安定に存在できる
材料からなる必要があり、一般に数μｍの粒子径を有す
る炭化けい素４と、ポリテトラフルオロエチレン５とか
ら構成されている。ポリテトラフルオロエチレン５は、
炭化けい素粒子４のバインダーとして加えられるもので
ある。

【０００４】ところで、このようなマトリックス１を用
いたりん酸型燃料電池の出力電圧は、図４に示す出力電
圧−運転時間線図に見られるように、時間の経過ととも
に低下する。出力電圧が低下する原因の一つは、マトリ
ックス１の両側に設けられた空気極２と燃料極３の二つ
のガス拡散電極へマトリックス１からりん酸が移動し、
ガス拡散電極中のりん酸が増加することにより、反応ガ
スが通り難くなることにある。

【０００５】そこで、マトリックス１の構成材料である
炭化けい素粒子４として、数μｍの粒子径を持つものの
他に、これより粒子径の小さい炭化けい素を混合して用
い、マトリックス１中に形成される細孔の径を、さらに
小さくすることによって、マトリックス１のりん酸保持
力を高め、りん酸がマトリックス１から空気極２および
燃料極３の方へ移動するのを防ぐことが試みられている
。このとき、粒子径の大きい炭化けい素４は、マトリッ
クス１の層にひび割れが生ずるのを防ぐ役割を持つ。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、マトリ
ックス１に粒子径の小さい炭化けい素を混ぜるのが有効
であるとしても、炭化けい素の粒子径の大きさには限度
があり、実際に市販の粉末炭化けい素では、粒径が０．
３μｍ以上のものしか入手することができず、これを用
いたのではりん酸の保持力を強化するという効果を十分
に発揮させるのは不可能であり、マトリックス１からガ
ス拡散電極へりん酸が移動するため、りん酸型燃料電池
の出力電圧は、時間の経過とともに低下してしまう。

【０００７】本発明は上述の点に鑑みてなされたもので
あり、その目的はりん酸の保持力が高く、出力電圧を低
下させることのないりん酸型燃料電池のマトリックスお
よびこれにりん酸を浸透させるための適切な前処理方法
を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明のりん酸型燃料電池のマトリックスは、炭
化けい素粒子，ポリテトラフルオロエチレンの他に、そ
の構成材料として０．１μｍ以下の粒子径を持つふっ化
黒鉛微粒子を加えたものである。

【０００９】また、発水性の高いふっ化黒鉛微粒子を用
いることに対して、マトリックスにりん酸を浸透させる
際に、有機溶媒でマトリックスを湿潤させた後に水で置
換し、その後さらにりん酸で置換するという前処理を行
なう。

【００１０】

【作用】本発明のりん酸型燃料電池のマトリックスは、
上記のように構成したことにより、マトリックス中に形
成される細孔径がより小さくなり、そのためマトリック
スのりん酸保持力を高めることができるので、マトリッ
クスからガス拡散電極へのりん酸の移動に起因して、電
池の出力電圧が運転時間の経過とともに低下するのを抑
制する。

【００１１】マトリックスにりん酸を浸透させる際に行
なう上記の前処理方法は、これを行なうことにより、発
水性の高いふっ化黒鉛微粒子を用いているにも拘らず、
マトリックス中に形成される全ての細孔に、電解液であ
るりん酸を浸透させることができる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づき説明する。

【００１３】本発明のマトリックスは、炭化けい素粒子
，ポリテトラフルオロエチレンの他に、構成材料として
ふっ化黒鉛微粒子を加えたものである。ふっ化黒鉛は０
．１μｍ以下の粒子径を持つものを比較的容易に入手す
ることができ、しかもりん酸型燃料電池の運転条件であ
る２００℃のりん酸中でも安定性を保つことができる。

【００１４】本発明のマトリックスは次のようにして製
造される。まず平均粒径が５μｍの炭化けい素粉末１０
ｇと、平均粒径が０．１μｍのふっ化黒鉛５ｇとを、イ
ソプロピルアルコール１００ｍｌ中に超音波を印加しつ
つ分散させ、この分散液を攪拌しながらポリテトラフル
オロエチレンのディスパージョンを１．５ｇ加え、さら
に３分間攪拌を行なう。次いで、この分散液を遠心分離
して得られた固形分を混練し、圧延ロールを通してシー
ト状にした後純水で洗浄し、１００℃以上で乾燥するこ
とにより、厚さ約１００μｍのマトリックスを得ること
ができる。かくして得られた本発明のマトリックスを、
図２に倣って図１の模式断面図に示し、図２と共通部分
を同一符号で表わしてある。図１に示したように、本発
明のマトリックス１ａは炭化けい素粒子４，ふっ化黒鉛
微粒子６およびポリテトラフルオロエチレン５により構
成される。

【００１５】図１に示す本発明のマトリックス１ａは、
ふっ化黒鉛微粒子６を加えたために、マトリックス１ａ
中に形成される細孔径を極めて小さくし、マトリックス
１ａのりん酸保持力を高めるので、りん酸がマトリック
ス１ａからガス拡散電極へ移動して、電池の出力電圧が
時間とともに低下するのを防ぐことができる。

【００１６】しかし、ふっ化黒鉛微粒子６をマトリック
ス１ａの構成材料として用いるときに考慮しなければな
らないことがある。それはふっ化黒鉛６は発水性が高い
ために、ふっ化黒鉛微粒子６を加えたマトリックス１ａ
中に形成される全ての細孔に、電解液であるりん酸を十
分に浸透させるのが困難なことである。りん酸を保持し
ていない細孔は反応ガスの通路を形成して、酸化剤ガス
と還元剤ガスとが混合する原因となり、これら二種類の
ガスが混合すると電池の発電効率が低下するばかりでな
く、爆発の危険性も考えられる。

【００１７】そこで、本発明のマトリックス１ａにりん
酸を浸透させるに当たって、マトリックス１ａ中に形成
される全ての細孔に、りん酸を浸透させるための前処理
を行なう必要がある。以下にその手順を述べる。

【００１８】まず、マトリックス１ａをイソプロピルア
ルコールなどの有機溶媒中に浸漬して湿潤させる。有機
溶媒は接触角９０°以下で担体を十分に濡らすことがで
き、粘度の低い低級アルコール類や炭化水素などを用い
る。次に多量の純水中に５時間浸漬してマトリックス１
ａに包含されたイソプロピルアルコールを水で置換する
。その後、さらに２０℃でりん酸中に５時間浸漬するこ
とにより、マトリックス１ａの全ての細孔にりん酸を浸
透させることができる。

【００１９】かくして、りん酸の浸透した本発明のマト
リックス１ａを用いて燃料電池を組み立て、出力電圧の
経時変化を測定した結果を図２に示す。図２は図４と同
じく出力電圧−運転時間線図であるが、比較のため従来
のマトリックス１を用いたりん酸型燃料電池の場合も併
記してある。図２の曲線（イ）が本発明のマトリックス
１ａ，曲線（ロ）が従来のマトリックス１を用いた電池
の特性であることを示す。これら両曲線の比較から明ら
かなように、本発明のマトリックス１ａを用いた電池の
出力電圧は、従来に比べて時間が経過しても極めて安定
していることがわかる。

【００２０】

【発明の効果】りん酸型燃料電池のマトリックスについ
て、構成材料である炭化けい素粒子に、これより粒子径
の小さい炭化けい素を混合して、マトリックス中の細孔
径をより小さくするという従来の試みは、りん酸保持力
を強化するには不十分であり、りん酸がガス拡散電極へ
移動して電池の寿命特性を低下させていたが、本発明で
は実施例で述べたように、炭化けい素に比べて非常に粒
径の小さいふっ化黒鉛微粒子を新規な構成材料としてマ
トリックスに加えたことにより、マトリックス中に形成
される細孔径が小さくなり、りん酸保持力を高めること
ができたために、電池の出力電圧が時間とともに低下す
るのを抑制することができる。

【００２１】また、発水性の高いふっ化黒鉛微粒子を使
用することに対しては、このマトリックスにりん酸を浸
透させる際の前処理として、有機溶媒を用いてマトリッ
クスを湿潤させた後に水で置換し、その後さらにりん酸
で置換するという方法を行なったため、マトリックス中
に形成される全ての細孔に電解液のりん酸を浸透させる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のマトリックスの構造を示す模式断面図

【図２】本発明のマトリックスを用いたりん酸型燃料電
池の出力電圧の経時変化を従来のりん酸型燃料電池との
比較で示した線図

【図３】従来のマトリックスの構造を示す模式断面図

【
図４】従来のりん酸型燃料電池の出力電圧の経時変化を
示す線図

【符号の説明】

１　　　　マトリックス １ａ　　マトリックス ２　　　　空気極 ３　　　　燃料極 ４　　　　炭化けい素粒子 ５　　　　ポリテトラフルオロエチレン６　　　　ふっ
化黒鉛微粒子

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】空気極と燃料極との間に挟持されりん酸電
   解液を保持するりん酸型燃料電池のマトリックスであっ
   て、ふっ化黒鉛微粒子，炭化けい素粒子およびポリテト
   ラフルオロエチレンからなることを特徴とするりん酸型
   燃料電池のマトリックス。
2. 【請求項２】請求項１記載のふっ化黒鉛微粒子は平均粒
   子径が０．１μｍ以下であることを特徴とするりん酸型
   燃料電池のマトリックス。
3. 【請求項３】請求項１記載のマトリックスにりん酸を浸
   透させるに当たり、まず有機溶媒を用いてマトリックス
   を湿潤させた後に水で置換し、次いでりん酸で置換する
   ことを特徴とするりん酸型燃料電池のマトリックスの前
   処理方法。
4. 【請求項４】請求項３記載の有機溶媒としてイソプロピ
   ルアルコールを用いることを特徴とするりん酸型燃料電
   池のマトリックスの前処理方法。