JPH08264196A - 燃料電池 - Google Patents
燃料電池Info
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- JPH08264196A JPH08264196A JP7062752A JP6275295A JPH08264196A JP H08264196 A JPH08264196 A JP H08264196A JP 7062752 A JP7062752 A JP 7062752A JP 6275295 A JP6275295 A JP 6275295A JP H08264196 A JPH08264196 A JP H08264196A
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- silicon carbide
- fine particles
- fuel cell
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- phosphoric acid
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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
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Abstract
(57)【要約】
【目的】リン酸型燃料電池の電解質マトリックス層を構
成する炭化ケイ素とリン酸との反応を防止して、高い発
電性能を長期に亘って維持すること。 【構成】燃料電池の電解質マトリックス層を構成する炭
化ケイ素微粒子として、比表面積１０ｍ2 ／ｇ以下のα
型炭化ケイ素微粒子、β型炭化ケイ素微粒子、表面をβ
型結晶構造としたα型炭化ケイ素微粒子またはα型炭化
ケイ素微粒子とα型炭化ケイ素微粒子よりも比表面積が
大きいβ型炭化ケイ素微粒子との混合物を使用する。こ
れらの炭化ケイ素微粒子はリン酸との反応性が低く、電
池性能の劣化を防止することができる。
成する炭化ケイ素とリン酸との反応を防止して、高い発
電性能を長期に亘って維持すること。 【構成】燃料電池の電解質マトリックス層を構成する炭
化ケイ素微粒子として、比表面積１０ｍ2 ／ｇ以下のα
型炭化ケイ素微粒子、β型炭化ケイ素微粒子、表面をβ
型結晶構造としたα型炭化ケイ素微粒子またはα型炭化
ケイ素微粒子とα型炭化ケイ素微粒子よりも比表面積が
大きいβ型炭化ケイ素微粒子との混合物を使用する。こ
れらの炭化ケイ素微粒子はリン酸との反応性が低く、電
池性能の劣化を防止することができる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、長期間に亘り高い発電
性能を維持することができる燃料電池に関する。
性能を維持することができる燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池は、電解質（例えばリン酸）を
保持した電解質マトリックス層を、一対のガス拡散電極
で挟持した構造を有しており、一対のガス拡散電極はそ
れぞれ電解質マトリックス層側に向いている面に触媒層
を有している。この一対のガス拡散電極の触媒層のない
面にそれぞれ燃料ガスと酸化剤ガスを供給し、これらを
電解質の下で反応させて、発生するエネルギーを直流電
流の形で取り出すようになっている。
保持した電解質マトリックス層を、一対のガス拡散電極
で挟持した構造を有しており、一対のガス拡散電極はそ
れぞれ電解質マトリックス層側に向いている面に触媒層
を有している。この一対のガス拡散電極の触媒層のない
面にそれぞれ燃料ガスと酸化剤ガスを供給し、これらを
電解質の下で反応させて、発生するエネルギーを直流電
流の形で取り出すようになっている。
【０００３】一般にリン酸型燃料電池の電解質マトリッ
クス層は、炭化ケイ素など耐リン酸性の優れた微粒子を
フッ素樹脂で結着したものに、電解質であるリン酸を含
浸して形成される。炭化ケイ素には、ダイアモンドの置
換型構造である閃亜鉛鉱型の結晶構造を持つβ型と、閃
亜鉛鉱型とウルツ鉱型の組み合わせ（多形と呼ばれる）
で示される結晶構造を持つα型の、２種類があるが、燃
料電池に用いられるのは、比較的廉価なα型の炭化ケイ
素である。
クス層は、炭化ケイ素など耐リン酸性の優れた微粒子を
フッ素樹脂で結着したものに、電解質であるリン酸を含
浸して形成される。炭化ケイ素には、ダイアモンドの置
換型構造である閃亜鉛鉱型の結晶構造を持つβ型と、閃
亜鉛鉱型とウルツ鉱型の組み合わせ（多形と呼ばれる）
で示される結晶構造を持つα型の、２種類があるが、燃
料電池に用いられるのは、比較的廉価なα型の炭化ケイ
素である。
【０００４】発電過程において、燃料電池がより良い特
性を発揮するためには、電解質マトリックス層には次の
ような特性が要求される。 ａ）燃料電池の作動条件下で、化学的・熱的に安定であ
ること。
性を発揮するためには、電解質マトリックス層には次の
ような特性が要求される。 ａ）燃料電池の作動条件下で、化学的・熱的に安定であ
ること。
【０００５】ｂ）電解質を良く含浸し、その保持力が高
いこと。
いこと。
【０００６】ｃ）水素イオン導電性に優れていること。
【０００７】ｄ）電子的絶縁体であること。
【０００８】ｅ）燃料ガス・酸化剤ガスの相互拡散の防
止に十分な泡出圧力を有すること。
止に十分な泡出圧力を有すること。
【０００９】一般には、電解質マトリックス層の厚みを
増すと、イオン抵抗による出力損失が増大し、発電の際
の特性が損なわれる。しかし一方で電解質マトリックス
層の厚みを減らし過ぎると、燃料電極側と酸化剤電極側
との差圧が増大した場合にクロスリーク（燃料ガスある
いは酸化剤ガスが、電解質マトリックス層を貫通して他
方の電極へ拡散する現象）が生じ、これも燃料電池の発
電性能を損なうことになる。実際には両方の条件を考慮
した上で、最も適切な厚さに調整されている。
増すと、イオン抵抗による出力損失が増大し、発電の際
の特性が損なわれる。しかし一方で電解質マトリックス
層の厚みを減らし過ぎると、燃料電極側と酸化剤電極側
との差圧が増大した場合にクロスリーク（燃料ガスある
いは酸化剤ガスが、電解質マトリックス層を貫通して他
方の電極へ拡散する現象）が生じ、これも燃料電池の発
電性能を損なうことになる。実際には両方の条件を考慮
した上で、最も適切な厚さに調整されている。
【００１０】一方、一定厚さの電解質マトリックス層に
おいては、気孔径が小さく、気孔率が大きい程、泡出圧
力性能は向上し、出力損失は減少することから、電解質
マトリックス層の気孔径を絞る方法として、電解質マト
リックス層を構成する耐リン酸性微粒子には、できるだ
け小さい粒径のα型炭化ケイ素が使用されている。また
更に泡出圧力性能を高めるために、粒径の大きい粒子の
隙間に小さい粒子を充填して気孔径を小さくする目的
で、粒径の異なるα型炭化ケイ素の微粒子が混合されて
用いられることもある。
おいては、気孔径が小さく、気孔率が大きい程、泡出圧
力性能は向上し、出力損失は減少することから、電解質
マトリックス層の気孔径を絞る方法として、電解質マト
リックス層を構成する耐リン酸性微粒子には、できるだ
け小さい粒径のα型炭化ケイ素が使用されている。また
更に泡出圧力性能を高めるために、粒径の大きい粒子の
隙間に小さい粒子を充填して気孔径を小さくする目的
で、粒径の異なるα型炭化ケイ素の微粒子が混合されて
用いられることもある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】ところが、このように
して形成された電池を高圧高温条件下で長時間運転する
と、電解質マトリックス層を構成するα型炭化ケイ素
が、電解質であるリン酸と僅かずつ反応して、ケイ素イ
オンが電解質中に溶解する。この反応が進行して電解質
中のケイ素イオン濃度が高くなると、ガス拡散電極の表
面でリン酸塩を生成することが知られている。このリン
酸塩は、生成量の増大に伴い燃料ガス、または酸化剤ガ
スの流れを阻害して電池の発電性能を低下させ、程度の
甚だしい場合は電池自体を損傷させる恐れがある。
して形成された電池を高圧高温条件下で長時間運転する
と、電解質マトリックス層を構成するα型炭化ケイ素
が、電解質であるリン酸と僅かずつ反応して、ケイ素イ
オンが電解質中に溶解する。この反応が進行して電解質
中のケイ素イオン濃度が高くなると、ガス拡散電極の表
面でリン酸塩を生成することが知られている。このリン
酸塩は、生成量の増大に伴い燃料ガス、または酸化剤ガ
スの流れを阻害して電池の発電性能を低下させ、程度の
甚だしい場合は電池自体を損傷させる恐れがある。
【００１２】本発明は上記問題点に対処してなされたも
ので、その目的は、リン酸型燃料電池の運転条件におい
て、電解質マトリックス層の構成材料である炭化ケイ素
と電解質であるリン酸との反応を防止し、高い発電性能
を長期に渡って維持できる燃料電池を提供することにあ
る。
ので、その目的は、リン酸型燃料電池の運転条件におい
て、電解質マトリックス層の構成材料である炭化ケイ素
と電解質であるリン酸との反応を防止し、高い発電性能
を長期に渡って維持できる燃料電池を提供することにあ
る。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記課題に対して、本発
明では次のような解決手段を提供する。すなわち、炭化
ケイ素微粒子からなるマトリックスに電解質が保持され
ている電解質マトリックス層を、燃料電極と酸化剤電極
との間に挾持して形成された燃料電池において、前記炭
化ケイ素微粒子として、第１の発明では、分級によって
比表面積を１０ｍ2 ／ｇ以下としたα型炭化ケイ素微粒
子を用いることを特徴とするものである。
明では次のような解決手段を提供する。すなわち、炭化
ケイ素微粒子からなるマトリックスに電解質が保持され
ている電解質マトリックス層を、燃料電極と酸化剤電極
との間に挾持して形成された燃料電池において、前記炭
化ケイ素微粒子として、第１の発明では、分級によって
比表面積を１０ｍ2 ／ｇ以下としたα型炭化ケイ素微粒
子を用いることを特徴とするものである。
【００１４】第２の発明では、β型結晶構造をもつ炭化
ケイ素微粒子を用いることを特徴とするものである。第
３の発明では、α型炭化ケイ素微粒子の表面の結晶構造
をβ型に改質した炭化ケイ素微粒子を用いることを特徴
とするものである。
ケイ素微粒子を用いることを特徴とするものである。第
３の発明では、α型炭化ケイ素微粒子の表面の結晶構造
をβ型に改質した炭化ケイ素微粒子を用いることを特徴
とするものである。
【００１５】第４の発明では、α型結晶構造をもつ炭化
ケイ素微粒子と、比表面積がα型炭化ケイ素微粒子より
も大きいβ型結晶構造をもつ炭化ケイ素微粒子との混合
物を用いることを特徴とするするものである。
ケイ素微粒子と、比表面積がα型炭化ケイ素微粒子より
も大きいβ型結晶構造をもつ炭化ケイ素微粒子との混合
物を用いることを特徴とするするものである。
【００１６】第４の発明において、α型結晶構造をもつ
炭化ケイ素微粒子は、比表面積が１０ｍ2 ／ｇ以下であ
り、β型結晶構造をもつ炭化ケイ素微粒子は比表面積が
１０ｍ2 ／ｇ以上であることが好ましい。
炭化ケイ素微粒子は、比表面積が１０ｍ2 ／ｇ以下であ
り、β型結晶構造をもつ炭化ケイ素微粒子は比表面積が
１０ｍ2 ／ｇ以上であることが好ましい。
【００１７】
【作用】本発明の目的を達成するためには、リン酸と炭
化ケイ素微粒子との反応を抑制する必要がある。調査の
結果、リン酸中の炭化ケイ素の腐食速度は、炭化ケイ素
微粒子の比表面積および結晶構造と密接な関係があるこ
とが分かった。すなわち、図１に示すように、α型炭化
ケイ素では、比表面積１０ｍ2 ／ｇ以上になるとリン酸
との反応性が急激に高くなる。また、β型炭化ケイ素で
は、同じ比表面積のα型炭化ケイ素に比べてリン酸との
反応性が低く、α型に比べて耐リン酸性が高い。
化ケイ素微粒子との反応を抑制する必要がある。調査の
結果、リン酸中の炭化ケイ素の腐食速度は、炭化ケイ素
微粒子の比表面積および結晶構造と密接な関係があるこ
とが分かった。すなわち、図１に示すように、α型炭化
ケイ素では、比表面積１０ｍ2 ／ｇ以上になるとリン酸
との反応性が急激に高くなる。また、β型炭化ケイ素で
は、同じ比表面積のα型炭化ケイ素に比べてリン酸との
反応性が低く、α型に比べて耐リン酸性が高い。
【００１８】したがって、炭化ケイ素微粒子として、比
表面積１０ｍ2 ／ｇ以下のα型炭化ケイ素微粒子を用い
る第１の発明、およびβ型炭化ケイ素微粒子を用いる第
２の発明では、いずれもリン酸との反応が抑制され、燃
料電池の性能劣化を長期に亘って防ぐことができる。
表面積１０ｍ2 ／ｇ以下のα型炭化ケイ素微粒子を用い
る第１の発明、およびβ型炭化ケイ素微粒子を用いる第
２の発明では、いずれもリン酸との反応が抑制され、燃
料電池の性能劣化を長期に亘って防ぐことができる。
【００１９】また、第３の発明では、α型炭化ケイ素微
粒子の表面の結晶構造を、より耐リン酸性の優れたβ型
としたので、リン酸との反応が抑制され、燃料電池の性
能劣化を長期に亘って防ぐことができる。さらに、第４
の発明では、耐リン酸性の優れたβ型炭化ケイ素とこの
β型炭化ケイ素より比表面積の小さいα型炭化ケイ素を
用いることによって、リン酸との反応が抑制され、かつ
泡出圧力性能を保持することができる。
粒子の表面の結晶構造を、より耐リン酸性の優れたβ型
としたので、リン酸との反応が抑制され、燃料電池の性
能劣化を長期に亘って防ぐことができる。さらに、第４
の発明では、耐リン酸性の優れたβ型炭化ケイ素とこの
β型炭化ケイ素より比表面積の小さいα型炭化ケイ素を
用いることによって、リン酸との反応が抑制され、かつ
泡出圧力性能を保持することができる。
【００２０】
【実施例】本発明の実施例を図面を参照して説明する。 〔実施例１〕耐リン酸性の高い電解質マトリックス層を
構成するにあたり、まず燃料電池の加圧運転条件におけ
る炭化ケイ素微粒子の比表面積と、同微粒子のリン酸と
の反応性との関係を調べた。α型炭化ケイ素微粒子の比
表面積と、同微粒子の２０７℃，８．０ａｔａにおける
対リン酸反応性との関係を図１に示す。α型炭化ケイ素
は、市販のもの（ＬＯＮＺＡ社製：平均粒径０．５μ
ｍ，１μｍ，３μｍ，５μｍ）と、前記粒子を遠心力分
級法により分級し、粒径の細かい部分を除いたものを用
いた。
構成するにあたり、まず燃料電池の加圧運転条件におけ
る炭化ケイ素微粒子の比表面積と、同微粒子のリン酸と
の反応性との関係を調べた。α型炭化ケイ素微粒子の比
表面積と、同微粒子の２０７℃，８．０ａｔａにおける
対リン酸反応性との関係を図１に示す。α型炭化ケイ素
は、市販のもの（ＬＯＮＺＡ社製：平均粒径０．５μ
ｍ，１μｍ，３μｍ，５μｍ）と、前記粒子を遠心力分
級法により分級し、粒径の細かい部分を除いたものを用
いた。
【００２１】炭化ケイ素の比表面積の測定は、光透過式
粒度分布計（ＭＡＬＶＥＲＮ社製ＭＡＳＴＥＲＳＩＺＥ
Ｒ）によって行った。またα型炭化ケイ素とリン酸との
反応性については、圧力容器に炭化ケイ素微粒子とリン
酸を上記反応条件で一定時間保った後、リン酸中へのケ
イ素イオンの溶出量を、誘導結合型高周波プラズマ法
（ＳＨＩＭＡＤＺＵ ＩＣＰＳ−５０００）により測定
して基準とした。
粒度分布計（ＭＡＬＶＥＲＮ社製ＭＡＳＴＥＲＳＩＺＥ
Ｒ）によって行った。またα型炭化ケイ素とリン酸との
反応性については、圧力容器に炭化ケイ素微粒子とリン
酸を上記反応条件で一定時間保った後、リン酸中へのケ
イ素イオンの溶出量を、誘導結合型高周波プラズマ法
（ＳＨＩＭＡＤＺＵ ＩＣＰＳ−５０００）により測定
して基準とした。
【００２２】一般的には固液反応の進行速度は、固体の
液体との接触面積に比例して大きくなると考えられる。
しかし今回の結果では、α型炭化ケイ素微粒子の比表面
積が１０ｍ2 ／ｇ以上になると、ケイ素イオンの溶出量
は加速的に大きくなることが明らかになった。これは、
粒径の小さい炭化ケイ素では表面エネルギーが増加し、
粒子表面におけるリン酸との反応が活性化しているため
と思われる。
液体との接触面積に比例して大きくなると考えられる。
しかし今回の結果では、α型炭化ケイ素微粒子の比表面
積が１０ｍ2 ／ｇ以上になると、ケイ素イオンの溶出量
は加速的に大きくなることが明らかになった。これは、
粒径の小さい炭化ケイ素では表面エネルギーが増加し、
粒子表面におけるリン酸との反応が活性化しているため
と思われる。
【００２３】次に、実際に燃料電池を作製してその特性
を調べた。すなわち、α型炭化ケイ素微粒子を遠心力分
級法により分級し、粒径の小さい微粒子を除いて比表面
積が１０ｍ2 ／ｇ以下とする。この炭化ケイ素微粒子を
用いて電解質マトリックス層を形成し、常法により燃料
電池を作製した。これと比較するために、市販のα型炭
化ケイ素（平均粒径１μｍ）をそのまま用いて電解質マ
トリックス層を構成した燃料電池を用い、両者を試験に
供した。
を調べた。すなわち、α型炭化ケイ素微粒子を遠心力分
級法により分級し、粒径の小さい微粒子を除いて比表面
積が１０ｍ2 ／ｇ以下とする。この炭化ケイ素微粒子を
用いて電解質マトリックス層を形成し、常法により燃料
電池を作製した。これと比較するために、市販のα型炭
化ケイ素（平均粒径１μｍ）をそのまま用いて電解質マ
トリックス層を構成した燃料電池を用い、両者を試験に
供した。
【００２４】各セルの運転時間とセル電圧の関係を示す
寿命特性図を図２に示す。１万時間の運転後、従来の構
成からなる燃料電池は約２０％の電圧低下を示したが、
本発明に基づき構成した燃料電池では、電圧低下は約５
％であった。また運転終了後の電池を分解したところ、
従来の構成からなる燃料電池では、ガス拡散電極表面に
リン酸塩の生成が確認されたが、本発明の基づき構成し
た燃料電池では、リン酸塩の生成は認められなかった。
寿命特性図を図２に示す。１万時間の運転後、従来の構
成からなる燃料電池は約２０％の電圧低下を示したが、
本発明に基づき構成した燃料電池では、電圧低下は約５
％であった。また運転終了後の電池を分解したところ、
従来の構成からなる燃料電池では、ガス拡散電極表面に
リン酸塩の生成が確認されたが、本発明の基づき構成し
た燃料電池では、リン酸塩の生成は認められなかった。
【００２５】上記したように本実施例による電池では、
電解質マトリックス層から比表面積の大きいα型炭化ケ
イ素微粒子を取り除くことにより、リン酸との反応を抑
えてガス拡散電極へのリン酸塩の生成を防ぎ、長期にわ
たり優れた特性を得ることができた。
電解質マトリックス層から比表面積の大きいα型炭化ケ
イ素微粒子を取り除くことにより、リン酸との反応を抑
えてガス拡散電極へのリン酸塩の生成を防ぎ、長期にわ
たり優れた特性を得ることができた。
【００２６】〔実施例２〕耐リン酸性の高い電解質マト
リックス層を構成するための他の方法として、炭化ケイ
素の結晶構造の影響を調べた。同じ粒度分布をもつα型
炭化ケイ素とβ型炭化ケイ素の、燃料電池の加圧運転条
件（２０７℃，８．０ａｔａ）におけるリン酸との反応
量を調べたところ、図３に示す結果を得た。またβ型炭
化ケイ素の比表面積と、同微粒子の上記運転条件におけ
るリン酸との反応性との関係をまとめたものを図１に示
す。比表面積の測定および対リン酸反応性の測定は、実
施例１と同じ方法で行った。
リックス層を構成するための他の方法として、炭化ケイ
素の結晶構造の影響を調べた。同じ粒度分布をもつα型
炭化ケイ素とβ型炭化ケイ素の、燃料電池の加圧運転条
件（２０７℃，８．０ａｔａ）におけるリン酸との反応
量を調べたところ、図３に示す結果を得た。またβ型炭
化ケイ素の比表面積と、同微粒子の上記運転条件におけ
るリン酸との反応性との関係をまとめたものを図１に示
す。比表面積の測定および対リン酸反応性の測定は、実
施例１と同じ方法で行った。
【００２７】図３によれば、β型の結晶型をもつ炭化ケ
イ素は、同じ粒度分布をもつα型に比べて優れた耐リン
酸性をもつことが分かる。この理由としては、β型炭化
ケイ素は、気相反応法などによって合成されるため形状
がより球に近いので、同じ粒径のα型炭化ケイ素（焼結
した結晶塊を粉砕精製するため、粒子の角が鋭い）より
も比表面積が小さく、表面がより安定な状態にあるため
に、リン酸との反応が比較的進みにくいことなどが考え
られる。
イ素は、同じ粒度分布をもつα型に比べて優れた耐リン
酸性をもつことが分かる。この理由としては、β型炭化
ケイ素は、気相反応法などによって合成されるため形状
がより球に近いので、同じ粒径のα型炭化ケイ素（焼結
した結晶塊を粉砕精製するため、粒子の角が鋭い）より
も比表面積が小さく、表面がより安定な状態にあるため
に、リン酸との反応が比較的進みにくいことなどが考え
られる。
【００２８】また図１によれば、比表面積が同じ場合に
も、β型の結晶型をもつ炭化ケイ素は、α型に比べて優
れた耐リン酸性をもつことが分かる。この理由として
は、結晶性の高いβ型の微粒子が、基本的に多形である
α型の微粒子に比べてリン酸に対して安定であることな
どが考えられる。
も、β型の結晶型をもつ炭化ケイ素は、α型に比べて優
れた耐リン酸性をもつことが分かる。この理由として
は、結晶性の高いβ型の微粒子が、基本的に多形である
α型の微粒子に比べてリン酸に対して安定であることな
どが考えられる。
【００２９】上記の同じ粒度分布をもつα型、β型の各
炭化ケイ素微粒子を電解質マトリックス層の材料とし
て、燃料電池の単位セルをそれぞれ作製した。泡出圧力
を測定したところ、両セルは同等の性能を有することが
分かった。両者の運転時間と、セル電圧との関係を示す
寿命特性図を図４に示す。１万時間の運転後、α型各炭
化ケイ素からなる燃料電池は約２０％の電圧低下を示し
たが、本発明に基づきβ型炭化ケイ素で構成した燃料電
池では、電圧低下は約６％であった。この試験に用いた
セルを分解したところ、従来のα型炭化ケイ素で電解質
マトリックス層を形成した燃料電池では、ガス拡散電極
表面にリン酸塩の生成が確認されたが、本発明に基づき
β型炭化ケイ素で構成した燃料電池では、ガス拡散電極
表面のリン酸塩の生成は認められなかった。
炭化ケイ素微粒子を電解質マトリックス層の材料とし
て、燃料電池の単位セルをそれぞれ作製した。泡出圧力
を測定したところ、両セルは同等の性能を有することが
分かった。両者の運転時間と、セル電圧との関係を示す
寿命特性図を図４に示す。１万時間の運転後、α型各炭
化ケイ素からなる燃料電池は約２０％の電圧低下を示し
たが、本発明に基づきβ型炭化ケイ素で構成した燃料電
池では、電圧低下は約６％であった。この試験に用いた
セルを分解したところ、従来のα型炭化ケイ素で電解質
マトリックス層を形成した燃料電池では、ガス拡散電極
表面にリン酸塩の生成が確認されたが、本発明に基づき
β型炭化ケイ素で構成した燃料電池では、ガス拡散電極
表面のリン酸塩の生成は認められなかった。
【００３０】本実施例では、電解質マトリックス層にリ
ン酸と反応しにくいβ型炭化ケイ素微粒子を用いること
により、リン酸と反応して溶解する炭化ケイ素の量を抑
えて、ガス拡散電極へのリン酸塩の生成を防ぎ、長期に
わたり優れた特性を得ることができた。
ン酸と反応しにくいβ型炭化ケイ素微粒子を用いること
により、リン酸と反応して溶解する炭化ケイ素の量を抑
えて、ガス拡散電極へのリン酸塩の生成を防ぎ、長期に
わたり優れた特性を得ることができた。
【００３１】〔実施例３〕市販のα型炭化ケイ素（ＬＯ
ＮＺＡ社製：平均粒径１μ）を、焼成炉において流通ア
ルゴン雰囲気にＳｉＣｌ4 を２×１０-7ｍ3 ／Ｓ加え混
合し、１６００℃に昇温して２００時間保温した。熱処
理した炭化ケイ素をＸ線回析法で評価したところ、α型
炭化ケイ素とβ型炭化ケイ素の混合物であることが分か
った。一般に炭化ケイ素を焼結法によって製造する際
に、低温域（１５００〜１８００℃）ではβ型の結晶構
造が得られることが知られている。熱処理したサンプル
で生じたβ型の結晶構造は、アルゴン雰囲気中で高温保
管を行った際に、α型結晶構造の一部が相転移して生じ
たものと思われる。
ＮＺＡ社製：平均粒径１μ）を、焼成炉において流通ア
ルゴン雰囲気にＳｉＣｌ4 を２×１０-7ｍ3 ／Ｓ加え混
合し、１６００℃に昇温して２００時間保温した。熱処
理した炭化ケイ素をＸ線回析法で評価したところ、α型
炭化ケイ素とβ型炭化ケイ素の混合物であることが分か
った。一般に炭化ケイ素を焼結法によって製造する際
に、低温域（１５００〜１８００℃）ではβ型の結晶構
造が得られることが知られている。熱処理したサンプル
で生じたβ型の結晶構造は、アルゴン雰囲気中で高温保
管を行った際に、α型結晶構造の一部が相転移して生じ
たものと思われる。
【００３２】上記操作で得られた炭化ケイ素の、燃料電
池の加圧運転条件におけるリん酸との反応性を評価した
ところ、実施例２で示したβ型炭化ケイ素の微粒子と、
ほぼ同等の耐リン酸性を有することが分かった。これに
より上記操作による結晶構造の変成は、炭化ケイ素微粒
子がリン酸と接する粒子の表面で主に生じたと考えられ
る。
池の加圧運転条件におけるリん酸との反応性を評価した
ところ、実施例２で示したβ型炭化ケイ素の微粒子と、
ほぼ同等の耐リン酸性を有することが分かった。これに
より上記操作による結晶構造の変成は、炭化ケイ素微粒
子がリン酸と接する粒子の表面で主に生じたと考えられ
る。
【００３３】更に、得られた炭化ケイ素を用いて試験セ
ルを作成した。構成した燃料電池の運転時間と、セル電
圧との関係を示す寿命特性図を図５に示す。１万時間の
運転後、本発明に基づき構成した燃料電池の電圧低下
は、約８％であった。また運転終了後の電池を分解した
ところ、ガス拡散電極表面でのリン酸塩の生成は認めら
れなかった。
ルを作成した。構成した燃料電池の運転時間と、セル電
圧との関係を示す寿命特性図を図５に示す。１万時間の
運転後、本発明に基づき構成した燃料電池の電圧低下
は、約８％であった。また運転終了後の電池を分解した
ところ、ガス拡散電極表面でのリン酸塩の生成は認めら
れなかった。
【００３４】本実施例の電池では、電解質マトリックス
層を構成する炭化ケイ素の表面を改質してリン酸と反応
しにくいβ型の結晶構造とすることにより、リン酸と反
応して溶解する炭化ケイ素の量を抑えて、ガス拡散電極
へのリン酸塩の生成を防ぎ、長期にわたり優れた特性を
得ることができた。
層を構成する炭化ケイ素の表面を改質してリン酸と反応
しにくいβ型の結晶構造とすることにより、リン酸と反
応して溶解する炭化ケイ素の量を抑えて、ガス拡散電極
へのリン酸塩の生成を防ぎ、長期にわたり優れた特性を
得ることができた。
【００３５】〔実施例４〕実施例１では、粒径の小さい
炭化ケイ素微粒子を除くことにより、耐リン酸性の優れ
た電解質マトリックス層を得たが、泡出圧力性能が従来
の構成に比べて多少劣化することは、気孔径の問題から
避けられない。一方で実施例２，３では、電解質マトリ
ックス層の泡出圧力性能は保たれるが、β型炭化ケイ
素、あるいは表面をβ側に改質した炭化ケイ素は高価な
ため、電池の製造コストが上昇する。本実施例は、リン
酸との反応性を抑えた上で、良好な泡出圧力性能を有
し、かつ低コストで製作が可能な電解質マトリックス層
を有する例である。
炭化ケイ素微粒子を除くことにより、耐リン酸性の優れ
た電解質マトリックス層を得たが、泡出圧力性能が従来
の構成に比べて多少劣化することは、気孔径の問題から
避けられない。一方で実施例２，３では、電解質マトリ
ックス層の泡出圧力性能は保たれるが、β型炭化ケイ
素、あるいは表面をβ側に改質した炭化ケイ素は高価な
ため、電池の製造コストが上昇する。本実施例は、リン
酸との反応性を抑えた上で、良好な泡出圧力性能を有
し、かつ低コストで製作が可能な電解質マトリックス層
を有する例である。
【００３６】比表面積が４．１ｍ2 ／ｇ（粒径５μｍに
相当）のα型炭化ケイ素と、比表面積が１１．６ｍ2 ／
ｇ（粒径１μｍに相当）のβ型炭化ケイ素を重量比１：
９で混合して、電解質マトリックス層を形成した。形成
された電解質マトリックス層の模式図を図６に示す。電
解質マトリックス層１においては、比較的粒径の大きい
α型炭化ケイ素微粒子２の間隙に、粒径の小さいβ型炭
化ケイ素微粒子３が充填されることにより、平均的な気
孔径の大きさが小さくなって、泡出圧力性能が高められ
ている。
相当）のα型炭化ケイ素と、比表面積が１１．６ｍ2 ／
ｇ（粒径１μｍに相当）のβ型炭化ケイ素を重量比１：
９で混合して、電解質マトリックス層を形成した。形成
された電解質マトリックス層の模式図を図６に示す。電
解質マトリックス層１においては、比較的粒径の大きい
α型炭化ケイ素微粒子２の間隙に、粒径の小さいβ型炭
化ケイ素微粒子３が充填されることにより、平均的な気
孔径の大きさが小さくなって、泡出圧力性能が高められ
ている。
【００３７】同様の粒径分布をもちα型炭化ケイ素のみ
から成る電解質マトリックス層をもつセルと、泡出圧力
性能を比較したところ、両者の泡出圧力性能には殆ど差
が無いことが分かった。本発明に基づき構成した燃料電
池の運転時間とセル電圧の関係を示す寿命特性図を図７
に示す。１万時間の運転後、従来の構成からなる燃料電
池は約１６％の電圧低下を示したが、本発明に基づき構
成した燃料電池では、電圧低下は約３％であった。また
運転終了後に電池を分解したところ、従来の構成からな
る燃料電池では、ガス拡散電極表面に僅かにリン酸塩の
生成が確認されたが、本発明に基づき構成した燃料電池
では、ガス拡散電極表面でのリン酸塩の生成は認められ
なかった。
から成る電解質マトリックス層をもつセルと、泡出圧力
性能を比較したところ、両者の泡出圧力性能には殆ど差
が無いことが分かった。本発明に基づき構成した燃料電
池の運転時間とセル電圧の関係を示す寿命特性図を図７
に示す。１万時間の運転後、従来の構成からなる燃料電
池は約１６％の電圧低下を示したが、本発明に基づき構
成した燃料電池では、電圧低下は約３％であった。また
運転終了後に電池を分解したところ、従来の構成からな
る燃料電池では、ガス拡散電極表面に僅かにリン酸塩の
生成が確認されたが、本発明に基づき構成した燃料電池
では、ガス拡散電極表面でのリン酸塩の生成は認められ
なかった。
【００３８】本実施例の電池では、電解質マトリックス
層を、比較的粒径の大きいα型炭化ケイ素微粒子と、粒
径は小さいがリン酸と反応しにくいβ型炭化ケイ素微粒
子から構成することにより、高い泡出圧力性能を得た。
また、リン酸と反応して溶解する炭化ケイ素の量を抑え
て、ガス拡散電極へのリン酸塩の生成を防ぎ、長期にわ
たり優れた特性を得ることができた。
層を、比較的粒径の大きいα型炭化ケイ素微粒子と、粒
径は小さいがリン酸と反応しにくいβ型炭化ケイ素微粒
子から構成することにより、高い泡出圧力性能を得た。
また、リン酸と反応して溶解する炭化ケイ素の量を抑え
て、ガス拡散電極へのリン酸塩の生成を防ぎ、長期にわ
たり優れた特性を得ることができた。
【００３９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の燃料電池
はいずれも、特定の炭化ケイ素微粒子を使用することに
より電解質マトリックス層中の炭化ケイ素微粒子とリン
酸との反応を防止することができるので、リン酸塩の生
成を阻止し、高い発電性能を長期に亘って維持すること
ができる。
はいずれも、特定の炭化ケイ素微粒子を使用することに
より電解質マトリックス層中の炭化ケイ素微粒子とリン
酸との反応を防止することができるので、リン酸塩の生
成を阻止し、高い発電性能を長期に亘って維持すること
ができる。
【図１】炭化ケイ素微粒子の比表面積と対リン酸反応性
との関係を示す図。
との関係を示す図。
【図２】実施例１の燃料電池および従来の燃料電池にお
ける運転時間とセル電圧との関係を示す図。
ける運転時間とセル電圧との関係を示す図。
【図３】同じ粒度分布をもつα型炭化ケイ素微粒子とβ
型炭化ケイ素微粒子の、加圧運転条件における対リン酸
反応性を示す図。
型炭化ケイ素微粒子の、加圧運転条件における対リン酸
反応性を示す図。
【図４】実施例２の燃料電池および従来の燃料電池にお
ける運転時間とセル電圧との関係を示す図。
ける運転時間とセル電圧との関係を示す図。
【図５】実施例３の燃料電池および従来の燃料電池にお
ける運転時間とセル電圧との関係を示す図。
ける運転時間とセル電圧との関係を示す図。
【図６】実施例４で形成した電解質マトリックス層の模
式図。
式図。
【図７】実施例４の燃料電池および従来の燃料電池にお
ける運転時間とセル電圧との関係を示す図。
ける運転時間とセル電圧との関係を示す図。
１…電解質マトリックス層、２…α型炭化ケイ素微粒
子、３…β型炭化ケイ素微粒子。
子、３…β型炭化ケイ素微粒子。
Claims (5)
- 【請求項１】 炭化ケイ素微粒子からなるマトリックス
に電解質が保持されている電解質マトリックス層を、燃
料電極と酸化剤電極との間に挟持して形成された燃料電
池において、前記炭化ケイ素微粒子が比表面積１０ｍ2
／ｇ以下のα型炭化ケイ素微粒子であることを特徴とす
る燃料電池。 - 【請求項２】 炭化ケイ素微粒子からなるマトリックス
に電解質が保持されている電解質マトリックス層を、燃
料電極と酸化剤電極との間に挟持して形成された燃料電
池において、前記炭化ケイ素微粒子がβ型炭化ケイ素微
粒子であることを特徴とする燃料電池。 - 【請求項３】 炭化ケイ素微粒子からなるマトリックス
に電解質が保持されている電解質マトリックス層を、燃
料電極と酸化剤電極との間に挟持して形成された燃料電
池において、前記炭化ケイ素微粒子が表面をβ型結晶構
造としたα型炭化ケイ素微粒子であることを特徴とする
燃料電池。 - 【請求項４】 炭化ケイ素微粒子からなるマトリックス
に電解質が保持されている電解質マトリックス層を、燃
料電極と酸化剤電極との間に挟持して形成された燃料電
池において、前記炭化ケイ素微粒子がα型炭化ケイ素微
粒子とα型炭化ケイ素微粒子よりも比表面積が大きいβ
型炭化ケイ素微粒子との混合物であることを特徴とする
燃料電池。 - 【請求項５】 α型炭化ケイ素微粒子の比表面積が１０
ｍ2 ／ｇ以下であり、β型炭化ケイ素微粒子の比表面積
が１０ｍ2 ／ｇ以上である請求項４記載の燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7062752A JPH08264196A (ja) | 1995-03-22 | 1995-03-22 | 燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7062752A JPH08264196A (ja) | 1995-03-22 | 1995-03-22 | 燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08264196A true JPH08264196A (ja) | 1996-10-11 |
Family
ID=13209457
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7062752A Pending JPH08264196A (ja) | 1995-03-22 | 1995-03-22 | 燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08264196A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20030008532A (ko) * | 2001-07-18 | 2003-01-29 | 한국에너지기술연구원 | 인산형 연료전지의 전해질기질용 실리콘 카바이드슬러리와 그 제조 방법 |
| CN110284102A (zh) * | 2019-06-13 | 2019-09-27 | 上海治臻新能源装备有限公司 | 一种金属碳化物晶体复合涂层及其制备方法 |
-
1995
- 1995-03-22 JP JP7062752A patent/JPH08264196A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20030008532A (ko) * | 2001-07-18 | 2003-01-29 | 한국에너지기술연구원 | 인산형 연료전지의 전해질기질용 실리콘 카바이드슬러리와 그 제조 방법 |
| CN110284102A (zh) * | 2019-06-13 | 2019-09-27 | 上海治臻新能源装备有限公司 | 一种金属碳化物晶体复合涂层及其制备方法 |
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