JPH0589892A - Matrix for fuel cell - Google Patents

Matrix for fuel cell

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JPH0589892A
JPH0589892A JP3246386A JP24638691A JPH0589892A JP H0589892 A JPH0589892 A JP H0589892A JP 3246386 A JP3246386 A JP 3246386A JP 24638691 A JP24638691 A JP 24638691A JP H0589892 A JPH0589892 A JP H0589892A
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JP
Japan
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matrix layer
fuel cell
electrode
reaction gas
reaction
Prior art date
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Pending
Application number
JP3246386A
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Japanese (ja)
Inventor
Noboru Segawa
昇 瀬川
Sanji Ueno
三司 上野
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Publication of JPH0589892A publication Critical patent/JPH0589892A/en
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    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

PURPOSE:To prevent semi-shortcircuiting and cross-over phenomena and continue superconductive reaction stably for a long period of time by providing different ion resistances along the flow of reaction gas within a plane of matrix layer pinched by a pos. electrode and neg. electrode. CONSTITUTION:The matrix layer 1 of a fuel cell is made so that the inlet 1a and output 1b have different layer compositions along the flow of reaction gas flowing in the direction of arrow. That is, the particle size of SiC constituting the layer 1a is adjusted, and the amount of phosphoric acid impregnation of electroconductive type is reduced, and thereby the ion resistance is increased. The current concentrated on the inlet is dispersed over the whole surface uniformly, and generation of a high temp. part is prevented. This prevents the cross-over and semi-shortcircuiting phenomena to cause cell deterioration likely generated by high temp. according to the conventional arrangement and accomplishes a fuel cell which continues electromotive reactions stably for a long period of time.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、リン酸を電解質とする
燃料電池に係り、特にSiCを主成分として正極、負極
に挾持されたマトリックス層に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell using phosphoric acid as an electrolyte, and more particularly to a matrix layer having SiC as a main component sandwiched between a positive electrode and a negative electrode.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、燃料の有している化学的エネルギ
―を、直接電気的エネルギ―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き電極型燃料電池の基本的な構
成例を図3に示した。即ち、電解質としてリン酸を保持
するマトリックス層1を挾んで、一対のリブ付き電極2
である燃料極2a及び酸化剤極2bが対向配置されて、
燃料電池の単位セルが構成されている。このリブ付き電
極2は通常炭素材から構成され、互いに直交する方向に
複数本の溝が平行に設けられ、その反対面にはそれぞれ
触媒層4a,4bが形成されている。また、前記燃料極
2a及び酸化剤極2bにそれぞれ形成された溝は、燃料
ガス及び酸化剤ガスの流通路となっている。さらに、前
記単位セルをセパレ―タ3を挾んで複数個積層すること
によって燃料電池が構成されている。なお、前記セパレ
―タ3は誘導性を有し且つ透過性のないものである。
2. Description of the Related Art Conventionally, a fuel cell has been known as a device for directly converting the chemical energy of fuel into electrical energy. As an example of this fuel cell, a basic configuration example of a ribbed electrode fuel cell using phosphoric acid as an electrolyte is shown in FIG. That is, the matrix layer 1 holding phosphoric acid as an electrolyte is sandwiched between the pair of ribbed electrodes 2
The fuel electrode 2a and the oxidant electrode 2b, which are
A unit cell of a fuel cell is constructed. The ribbed electrode 2 is usually made of a carbon material, and a plurality of grooves are provided in parallel in directions orthogonal to each other, and catalyst layers 4a and 4b are respectively formed on the opposite surfaces thereof. Further, the grooves formed in the fuel electrode 2a and the oxidant electrode 2b respectively serve as flow passages for the fuel gas and the oxidant gas. Further, a fuel cell is constructed by stacking a plurality of the unit cells with the separator 3 interposed therebetween. The separator 3 is inductive and impermeable.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記の様に
構成されたリン酸を電解質とする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
非常に困難である。そのため、一般的には、シリコンカ
―バイド(炭化珪素)粉末等の様に、リン酸に対して安
定な耐電解質性を有する微粒粉末と、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なる混合ペ―ストを、直接燃料極2
aまたは酸化剤極2bの少なくとも一方の電極の触媒層
4a,4bの表面に塗布し、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を形成している。
By the way, in the fuel cell using phosphoric acid as an electrolyte, which is constructed as described above,
Since phosphoric acid which is an electrolyte has a low viscosity, it is very difficult to hold only phosphoric acid between the fuel electrode 2a and the oxidant electrode 2b. Therefore, generally, a suspension of polytetrafluoroethylene (PTFE), which is a fixing agent, and a fine powder having stable electrolyte resistance to phosphoric acid, such as silicon carbide (silicon carbide) powder. The mixed paste consisting of the liquid and additives such as a thickener is directly added to the fuel electrode 2
The matrix layer 1 is formed by coating the surfaces of the catalyst layers 4a and 4b of at least one of the electrodes a or the oxidizer electrode 2b, heat-treating them, and impregnating them with phosphoric acid.

【0004】この様なマトリックス層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。
もし、マトリックス層1の厚さが不均一であったり、ボ
イドなどの欠陥がある場合は、セルは泡出圧力の低下
(クロスオ―バ―現象)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―ト現象)を起こし、そ
の性能が低下するからである。
What is important in forming the matrix layer 1 is to form the layer with a uniform thickness.
If the thickness of the matrix layer 1 is not uniform, or if there are defects such as voids, the cell has a lower bubble pressure (crossover phenomenon), a non-uniform current density distribution, or even fuel. This is because the electrode 2a and the oxidant electrode 2b locally contact with each other to cause an internal short circuit (semi-short phenomenon), and the performance thereof deteriorates.

【0005】しかしながら、この様な欠陥を生ずること
のないように同一組成によって、均一厚に製作したマト
リックス層1においても、連続的にセルを起電反応させ
ると同様にセル平面内に電流密度分布の差を生じ、その
ためセル平面内の温度分布に差を引き起こし、特にその
高温部では、電解質のセル外への飛散が加速する等し
て、泡出圧力は低下し、セルを長時間に亘り安定に起電
反応を続けることが困難になる場合がある。これは極め
て均一厚に製作したマトリックス層であっても、電極の
反応ガス入口付近(特に酸化剤ガス側)は、活物質濃度
が高いため、触媒反応がより活性に進むためであり、こ
れによって電流密度分布に差を生ずるものであり、ひい
ては前記温度分布の乱れから高温部が発生し、不具合を
生ずるものである。
However, even in the matrix layer 1 having the same composition and a uniform thickness so as not to cause such defects, the current density distribution in the cell plane is similar to the case where cells are continuously electromotively reacted. Difference, which causes a difference in the temperature distribution in the cell plane.In particular, at the high temperature part, the scattering of the electrolyte to the outside of the cell is accelerated, etc., and the bubble pressure decreases, and the cell is left for a long time. It may be difficult to stably continue the electromotive reaction. This is because even if the matrix layer is manufactured to have an extremely uniform thickness, the active material concentration is high near the reaction gas inlet of the electrode (particularly on the oxidant gas side), so that the catalytic reaction becomes more active. This causes a difference in current density distribution, which in turn causes a high temperature portion due to the disturbance in the temperature distribution, causing a problem.

【0006】このようなことからセルを長時間に亘り、
安定に起電反応させるためには、セル平面内の電流密度
分布を均一化することによりセル平面内の温度分布の差
を低減し、高温部の発生を抑えることがセルの長時間に
亘る安定動作に不可欠な最も重要な条件であることがわ
かる。
From the above, the cell can be used for a long time,
For a stable electromotive reaction, the difference in temperature distribution in the cell plane can be reduced by making the current density distribution in the cell plane uniform, and the generation of high temperature parts can be suppressed over a long period of time. It turns out to be the most important condition essential for operation.

【0007】本発明は、以上の欠点を除去してセルの高
温部の発生によるセミショ―ト現象、クロスオ―バ―現
象を防止し、長時間に亘り安定に起電反応を続けること
のできる燃料電池を提供するものである。
The present invention eliminates the above-mentioned drawbacks and prevents the semi-short phenomenon and crossover phenomenon due to the generation of a high temperature portion of the cell, and enables a stable electromotive reaction for a long time. A battery is provided.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明は以上の目的を達
成するために、マトリックス層の抵抗を、反応ガスの流
れ方向に沿って異るようにしたものである。つまり、前
述した様に、反応ガス濃度が高いためより活性に反応が
進む反応ガス入口部のマトリックス層のイオン抵抗を、
反応ガス出口部のイオン抵抗に比べ増大させることによ
り、この入口部への高電流密度部の集中を防止するもの
である。
In order to achieve the above object, the present invention is such that the resistance of the matrix layer is varied along the flow direction of the reaction gas. That is, as described above, the ionic resistance of the matrix layer at the reaction gas inlet portion where the reaction proceeds more actively because the reaction gas concentration is high,
By increasing the ionic resistance of the reaction gas at the outlet, the concentration of the high current density portion at the inlet is prevented.

【0009】[0009]

【作用】以上の様な、手段を有する燃料電池において
は、電極平面内に流れる電流が従来の様に、その反応ガ
ス入口付近に集中することが防止できる。つまり、電流
と抵抗による発熱量(Q)がその電流(I)と抵抗
(R)によりQ=I2 Rなる関係において、電流(I)
の減少にともない発熱量(Q)を低減させるものであ
る。
In the fuel cell having the above means, it is possible to prevent the electric current flowing in the electrode plane from concentrating near the reaction gas inlet as in the conventional case. That is, the heat generation amount (Q) due to the current and the resistance is Q = I 2 due to the current (I) and the resistance (R). In the relation of R, current (I)
The heat generation amount (Q) is reduced as

【0010】[0010]

【実施例】以下本発明の一実施例を図1及び図2に基づ
いて具体的に説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be specifically described below with reference to FIGS.

【0011】図1に示す様に、本発明に係わる燃料電池
のマトリックス層1は矢印で示す方向に流れる反応ガス
(酸化剤ガス)の流れに沿って入口部1aと出口部1b
とで、マトリックス層1の組成を違えて製作する。
As shown in FIG. 1, the matrix layer 1 of the fuel cell according to the present invention has an inlet portion 1a and an outlet portion 1b along the flow of a reaction gas (oxidant gas) flowing in a direction indicated by an arrow.
With this, the composition of the matrix layer 1 is made different.

【0012】斜線で示すマトリックス層1の入口部1a
は、平均粒子径5μmのSiC(炭化珪素)粉末、平均
粒子径1μmのSiC、及びテフロン(FEP)とから
成り、その重量比が、20:2:1となる様に分散剤とし
て酸化ポリエチレン溶液と共に混練し、バ―キャステン
グ方法を用いて電極上に形成するものである。
The entrance portion 1a of the matrix layer 1 shown by diagonal lines
Is composed of SiC (silicon carbide) powder having an average particle diameter of 5 μm, SiC having an average particle diameter of 1 μm, and Teflon (FEP), and a polyethylene oxide solution is used as a dispersant so that the weight ratio is 20: 2: 1. It is kneaded together and is formed on the electrode by the bar casting method.

【0013】また、マトリックス層1の出口部1bは、
平均粒子径5μmのSiCとテフロン(FEP)から成
り、その重量比は20:1として、入口部1a同様に分散
剤として酸化ポリエチレン溶液と共に混練し、バ―キャ
ステング法で電極上に形成するものである。電極上に形
成されたマトリックス層1は、 260°〜 280℃の炉中で
乾燥され、電気化学セルとして構成する場合は、SiC
としてテフロンの固相にリン酸を含浸して使用するもの
である。図1に示した、本発明に係る燃料電池のマトリ
ックス層1の詳細図を図2に示す。
The outlet portion 1b of the matrix layer 1 is
It is composed of SiC and Teflon (FEP) with an average particle size of 5 μm, and its weight ratio is 20: 1, and is kneaded with a polyethylene oxide solution as a dispersant like the inlet part 1a, and is formed on the electrode by the bar casting method. is there. The matrix layer 1 formed on the electrode is dried in an oven at 260 ° to 280 ° C, and when it is constructed as an electrochemical cell, SiC is used.
Is used by impregnating the solid phase of Teflon with phosphoric acid. A detailed view of the matrix layer 1 of the fuel cell according to the present invention shown in FIG. 1 is shown in FIG.

【0014】図2は、マトリックス層1の主成分である
SiC(炭化珪素)を、球形に模式図として表わしたも
のである。つまり、マトリックス層1の入口部1aは、
5μmからなる球の間に1μmの球が侵入しているため
全体の空隙は、出口部1bで示す5μmからなる球の空
隙よりも少ない。電気化学セルとして構成する場合は、
この空隙に導電種としてのリン酸が含浸されるものであ
るため、この空隙量の少ない入口部1aは出口部1bに
比較して、イオン抵抗は大きくなる。
FIG. 2 is a schematic view of SiC (silicon carbide), which is the main component of the matrix layer 1, in a spherical shape. That is, the inlet portion 1a of the matrix layer 1 is
Since the spheres of 1 μm penetrate between the spheres of 5 μm, the total voids are smaller than the voids of the spheres of 5 μm shown in the outlet portion 1b. When configured as an electrochemical cell,
Since the voids are impregnated with phosphoric acid as the conductive species, the inlet portion 1a having a small amount of voids has a higher ionic resistance than the outlet portion 1b.

【0015】このようにマトリックス層1の入口部1a
と出口部1bのイオン抵抗の値を異るようにすることで
発熱量QはQ=I2 Rなる関係において電流Iの減少に
ともない入口部1aの方が低減される。
Thus, the inlet portion 1a of the matrix layer 1
And the ionic resistance value of the outlet portion 1b are made different, the heat generation amount Q is Q = I 2 In relation to R, the inlet portion 1a is reduced as the current I is reduced.

【0016】上述した様に、反応ガス入口部1aのマト
リックス層を、出口部1bのマトリックス層と、その層
を構成するSiC(炭化珪素)の粒度を調整し、導電種
であるリン酸の含浸量を低減することにより、イオン抵
抗を増加させることができる。そしてこの入口部1aの
イオン抵抗の増大により、入口部1aに集中していた電
流を面全体に、より均等に分散させることができ活物質
濃度の高いマトリックス層1の入口部1aにおける高温
部の発生を防ぐことが可能となる。
As described above, the matrix layer of the reaction gas inlet portion 1a, the matrix layer of the outlet portion 1b, and the grain size of SiC (silicon carbide) forming the layer are adjusted, and impregnated with phosphoric acid as a conductive species. By reducing the amount, the ionic resistance can be increased. Due to the increase in the ionic resistance of the entrance portion 1a, the current concentrated in the entrance portion 1a can be more evenly distributed over the entire surface, and the high temperature portion of the entrance portion 1a of the matrix layer 1 having a high active material concentration It is possible to prevent the occurrence.

【0017】本実施例では、図1に示す様に電極を平面
方向において2分割した例を説明したが、他の例として
図4の様に局部的な高イオン抵抗部を形成するようにし
ても高温部の発生防止に有効である。
In this embodiment, an example in which the electrode is divided into two in the plane direction as shown in FIG. 1 has been described, but as another example, a local high ion resistance part is formed as shown in FIG. Is also effective in preventing the generation of high temperature parts.

【0018】[0018]

【発明の効果】以上説明した様に、本発明においては燃
料電池の一つの構成部材であるマトリックス層をその平
面内においてマトリックス層の主成分である炭化珪素の
粒度を調整することにより、組成を変化させ、反応ガス
の流れ方向に沿ってイオン抵抗を変えるようにし、これ
によって従来まで反応ガス(酸化剤ガス)入口部に集中
していた高電流密度部の発生を無くし、その電流集中に
よって引き起こされていた高温部の発生を防止すること
ができ、そのため高温であるがために生じていたセル劣
化要因であるクロスオ―バ―現象、セミショ―ト現象等
の発生を防ぎ、長期に亘り安定に起電反応を継続する燃
料電池を得ることがきる。
As described above, according to the present invention, the composition of the matrix layer, which is one of the constituent members of the fuel cell, is adjusted by adjusting the grain size of silicon carbide, which is the main component of the matrix layer, within its plane. By changing the ionic resistance along the flow direction of the reaction gas, the generation of high current density parts that had been concentrated at the reaction gas (oxidant gas) inlet in the past was eliminated and caused by the current concentration. It is possible to prevent the occurrence of the high temperature part that had been exposed to the heat. Therefore, it is possible to prevent the occurrence of crossover phenomenon, semi-short phenomenon, etc. It is possible to obtain a fuel cell that continues an electromotive reaction.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の一実施例におけるマトリックス層を示
す斜視図。
FIG. 1 is a perspective view showing a matrix layer according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明を説明するための模式断面図。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view for explaining the present invention.

【図3】燃料電池の一般的な構成を示す斜視図。FIG. 3 is a perspective view showing a general configuration of a fuel cell.

【図4】本発明の他の実施例を示す斜視図。FIG. 4 is a perspective view showing another embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…マトリックス層 1a…マトリックス層の入口部 1b…マトリックス層の出口部 2a…燃料極 2b…酸化剤極 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Matrix layer 1a ... Matrix layer inlet part 1b ... Matrix layer outlet part 2a ... Fuel electrode 2b ... Oxidizer electrode

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 酸化剤ガスを反応ガスとする正極、燃料
ガスを反応ガスとする負極、および正極、負極に挾持さ
れたマトリックス層からなる燃料電池において、前記マ
トリックス層はその平面内において前記反応ガスの流れ
方向に沿ってイオン抵抗が異なるようにしたことを特徴
とする燃料電池用マトリックス。
1. A fuel cell comprising a positive electrode using an oxidant gas as a reaction gas, a negative electrode using a fuel gas as a reaction gas, and a matrix layer sandwiched between the positive electrode and the negative electrode, wherein the matrix layer has the reaction within its plane. A matrix for a fuel cell, wherein the ionic resistance is made different along the gas flow direction.
【請求項2】 酸化剤ガスを反応ガスとする正極、燃料
ガスを反応ガスとする負極、および正極、負極に挾持さ
れたマトリックス層からなる燃料電池において、前記マ
トリックス層は主成分であるSiC(炭化珪素)の粒度
を調整することによりその平面内において前記反応ガス
の流れ方向に沿ってイオン抵抗値が異なるようにしたこ
とを特徴とする燃料電池。
2. A fuel cell comprising a positive electrode using an oxidant gas as a reaction gas, a negative electrode using a fuel gas as a reaction gas, and a matrix layer sandwiched between the positive electrode and the negative electrode, wherein the matrix layer is the main component SiC ( The fuel cell is characterized in that the ion resistance value is made different along the flow direction of the reaction gas in the plane by adjusting the particle size of (silicon carbide).
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