JPS58165264A - 燃料電池 - Google Patents
燃料電池Info
- Publication number
- JPS58165264A JPS58165264A JP57049611A JP4961182A JPS58165264A JP S58165264 A JPS58165264 A JP S58165264A JP 57049611 A JP57049611 A JP 57049611A JP 4961182 A JP4961182 A JP 4961182A JP S58165264 A JPS58165264 A JP S58165264A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- matrix
- fuel cell
- silicon nitride
- electrode
- fine particles
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0289—Means for holding the electrolyte
- H01M8/0293—Matrices for immobilising electrolyte solutions
-
- Y—GENERAL 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
- 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
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- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
この発明は、リン酸を電解質としＣ用いる燃料電池の電
解質マトリックスに関するものである。 従来リン酸を電解質とし′Ｃ用いた燃料電池の電解質マ
トリックス即ちリン酸溶液を保持させる多孔質薄□膜で
あるマトリックスの構成材料としては炭化硅素微粒子が
用いられている。一般的にリン酸を電解質としＣ用いた
燃料電池の場合に、マトリックスの構成材料に要求され
る性質とし°Ｃは次の６つが挙げられる。（イ）耐リン
酸性にすぐれＣいること、（ロ）リン酸保持力にすぐれ
′Ｃいること、（ハ）高い電気抵抗を持つ°Ｃいること
、に）０．１−１０μｍの微粒子が作りやすいこと、←
）低価格であること。 炭化硅素の場合は上記（イ）、（ロ）、に）、に）の４
つの性質は満足され′Ｃいるが、（ハ）の高い電気抵抗
についてはもつと高い電気抵抗が望まれ′Ｃいる。以下
にこの点について原理図を用い′Ｃさらに詳しく説明す
る。 第１図は燃料電池の動作原理を示すモデル図である。第
１図におい゛（，１１）は燃料電極、（２）は酸化剤電
極、（３）は炭化硅素の微粒子を、ｔ ｆｉｔ １１）
または（２）の向上に塗布し所定温度で焼結し゛Ｃ形成
した多孔質薄層であるマトリックス、（４）はこのマト
リックス（３）に含浸されたリン酸溶液で、（３） 、
（４）で電解質マトリックス（８）を構成する。（５
）は三相界面（反応ガス、電解質、触媒の８相が共存す
る界面）を示し、（６）は外部回路、（７）は外部負荷
、実線の矢印は電子（ｅ）の流れを、破線の矢印は水累
イオン（Ｈ＋）の流れを示す。この燃料電池に燃料（Ｈ
，）および酸化剤（０２）の供給を行なうと、燃料電極
（１）の三相界面（４）においＣＨ２の酸化反応り−こ
り、水素イオン（Ｈ）（以下単にＨと略記する）と電子
（ｅ）が生じろ。 このっちＨはイオン伝導にキっ°Ｃリン酸溶液（６）を
通つ゛Ｃ酸化剤電＃ｊ （２）に達し、”ｌ”ＩＩ酸化
剤電極（２）の三相界面（５）におい′にの電子と、ｎ
、ｉ、および０２との反応によりＨ，Ｏが生じる。以上
が燃料電池の発電の動作原理である。燃料電池の動作時
には、活性化分極。 濃度分極、オーム損などの過電圧によって電圧損失が起
こる。従つ′Ｃ燃料電池が効率よく高負萄で動作するた
めには、これらの過電圧をできるだけ小さくしなければ
ならない。このうちオーム損を小さくするための方法の
一つとし°Ｃ％電解質マトリックス（８）を薄くすると
いう方法があり、これによつ゛Ｃオーム損はかなり改善
される。
解質マトリックスに関するものである。 従来リン酸を電解質とし′Ｃ用いた燃料電池の電解質マ
トリックス即ちリン酸溶液を保持させる多孔質薄□膜で
あるマトリックスの構成材料としては炭化硅素微粒子が
用いられている。一般的にリン酸を電解質としＣ用いた
燃料電池の場合に、マトリックスの構成材料に要求され
る性質とし°Ｃは次の６つが挙げられる。（イ）耐リン
酸性にすぐれＣいること、（ロ）リン酸保持力にすぐれ
′Ｃいること、（ハ）高い電気抵抗を持つ°Ｃいること
、に）０．１−１０μｍの微粒子が作りやすいこと、←
）低価格であること。 炭化硅素の場合は上記（イ）、（ロ）、に）、に）の４
つの性質は満足され′Ｃいるが、（ハ）の高い電気抵抗
についてはもつと高い電気抵抗が望まれ′Ｃいる。以下
にこの点について原理図を用い′Ｃさらに詳しく説明す
る。 第１図は燃料電池の動作原理を示すモデル図である。第
１図におい゛（，１１）は燃料電極、（２）は酸化剤電
極、（３）は炭化硅素の微粒子を、ｔ ｆｉｔ １１）
または（２）の向上に塗布し所定温度で焼結し゛Ｃ形成
した多孔質薄層であるマトリックス、（４）はこのマト
リックス（３）に含浸されたリン酸溶液で、（３） 、
（４）で電解質マトリックス（８）を構成する。（５
）は三相界面（反応ガス、電解質、触媒の８相が共存す
る界面）を示し、（６）は外部回路、（７）は外部負荷
、実線の矢印は電子（ｅ）の流れを、破線の矢印は水累
イオン（Ｈ＋）の流れを示す。この燃料電池に燃料（Ｈ
，）および酸化剤（０２）の供給を行なうと、燃料電極
（１）の三相界面（４）においＣＨ２の酸化反応り−こ
り、水素イオン（Ｈ）（以下単にＨと略記する）と電子
（ｅ）が生じろ。 このっちＨはイオン伝導にキっ°Ｃリン酸溶液（６）を
通つ゛Ｃ酸化剤電＃ｊ （２）に達し、”ｌ”ＩＩ酸化
剤電極（２）の三相界面（５）におい′にの電子と、ｎ
、ｉ、および０２との反応によりＨ，Ｏが生じる。以上
が燃料電池の発電の動作原理である。燃料電池の動作時
には、活性化分極。 濃度分極、オーム損などの過電圧によって電圧損失が起
こる。従つ′Ｃ燃料電池が効率よく高負萄で動作するた
めには、これらの過電圧をできるだけ小さくしなければ
ならない。このうちオーム損を小さくするための方法の
一つとし°Ｃ％電解質マトリックス（８）を薄くすると
いう方法があり、これによつ゛Ｃオーム損はかなり改善
される。
【７かしながら炭化硅素は半導体に属し電気抵
抗があまり大きくない。従ってｔ解質マド・）ツクス１
８）を薄くシ゛Ｃゆくと、外部回路（６）に流れる電子
とは逆方向の、マトリックス（３）を介しＣ流れる電子
が増し、これが電流損失となつ°Ｃ燃料電池の効率を低
くする原因になる。 このように従来の炭化硅素粒子で形成したマトリックス
を用いた電解質マトリックスを有する燃料電池では、電
池のオーム損を小さくするために、１′ 電解質マトリックス（８）を薄くすると、炭化硅素微粒
子を介し゛Ｃ電、、半・、伝導が起こり、電流損失が大
きくなるという欠点があった。 この発明は上記のような従来のものの欠点を除去するた
めになされたもので、電気抵抗の大きな窒化硅素微粒子
を主成分としＣマトリ・ソクスを構成することにより電
解質マトリックスの厚みを薄くし、もつ’Ｃ’ｌｌＪ料
電池の効率の向上を図ったものである。 以下、この発明の一実施例につい゛Ｃ説明する。 第２図はこの発明に係る燃料電池を構成する単電池の斜
視図で、（８ａ）は窒化硅素の微粒子を焼結して形成さ
れたマトリックスである。この窒化硅素微粒子を用いた
マトリックス（８ａ）の製造方法は以下の通りである。 ０．１〜５μｍの窒化硅素の微粒子に１〜５ ｗｔ％の
フッ素Ｖ１４１１ｉＶを混ぜ゛Ｃ燃料電極（１）または
酸化剤電極（２）の何れか一方、または変万の電極面に
塗布し、２００〜８６０℃好ま【７くは２６０〜８００
℃で焼結して多孔質繭層であるマトリックス（８ａ）を
形成する。次に、この両Ｗ１．極を重ね合わせ、マトリ
ックス（８ａ）にリン酸溶液（４）を含浸させ゛ＣＣ科
料電池構成する。 以上のように構成した燃料電池の動作原理は従来のもの
とほぼ同じであるが、窒化硅素の電気抵抗が非常に大き
いので、マトリックス（８ａ）を通し°Ｃ起こる電子の
移動が非常に少なくなる。下表は炭化硅素と窒化゛硅素
との性質を対比し°Ｃポしたものでこの表に見られるよ
うに電気抵抗は窒化硅素は炭化硅素に比べ“Ｃ１０ケタ
以上も大きい。 表 炭化硅素と窒化硅素との比較 従って窒化硅素の多孔質７ｍ（８ａ）を通る電子の移動
は非常に杷こりに＜＜、電気抵抗だけから考えればＷ、
解質ントリックスの厚さを従来のものに比べ′Ｃ非常に
薄くすることが可能である。しかし製造ヒ、および電極
面が微視的に見”Ｃ凹凸があるなど別の点で厚さに対す
る制約を受けるので１０〜１５０μｍ礫度の厚さにする
のが実用的である。なお窒化硅素は耐リン酸性や価格な
どの点で、先に述べたマドフックスの構成材料に要求さ
れる５つの性質をすべ゛Ｃ満足し、又た電気抵抗以外に
も低膨張性や耐高温疲労性など炭化硅素に比べＣ望まし
い特長を持つ°Ｃいる。なお比弾性率と熱伝導について
は窒化硅素は炭化硅素に比べＣ少し低い値になっ’ＣＩ
、’るが、実用上特に１川題はない。 なお、窒化硅素にはα型とβ型があり、微視的に見Ｃα
型は針状、β型はリン片状になっ′Ｃいる。 従・っＣα型の８１−７子を用いると互いにからみ合っ
１゜ Ｃ１，＝密でリン酸保持力に・＃□にすぐれた多孔質層
が得られる。−万β型の微粒子を用いると非常に薄く多
孔質−が容易に得られる。従ってα型とβ型の微粒子を
適当な比率で混ぜ合わせたり、α型の微粒子層とβ型の
微粒子１−を地ね合わせＣ多−構造の多孔質層を形成し
たり、・ントリ・ソ・クスの局辺部と中央部でα型とβ
型の使い分けをしたりすることにより、史に好ましい特
性の電解質マド−】ツクスを得ることができる。 なお、Ｅ記実施例では窒化硅素微粒子を主成分とし′Ｃ
マトリックスをＫ ｆＩｌｌｌｍに形成し、そのマトリ
ックスにリン酸溶液を含浸させ′Ｃ電解髄マトリックス
を構成した場合につい゛Ｃ説明したか、マトリックスを
構成する主成分に窒化硅素微粒子と炭化硅素微粒子との
混合物を用いれは、炭化硅素の特長である高弾性率や高
熱伝導性などを付加憚ることができ、従つ゛Ｃ単電池に
かかるｍｌ圧の変化をマトリックスで緩和しやすく、ま
た面白での温ＩＷのばらつきの少←い実用に適した燃料
電池が得られる・ ・。 一、：、。 以上のように％”この発明は、窒化砒素微粒子を主成分
とするマトリックスを燃料電極面または酸化剤電極面の
何れか一方、または双方に形成し、このマトリックスに
リン酸溶液を含浸しｒｔ解・萬マトリックスを形成した
ので、電解・質マトリックスを従来より薄くすることが
でき、オーム損が小さく効率の良い燃料電池が得られる
。
抗があまり大きくない。従ってｔ解質マド・）ツクス１
８）を薄くシ゛Ｃゆくと、外部回路（６）に流れる電子
とは逆方向の、マトリックス（３）を介しＣ流れる電子
が増し、これが電流損失となつ°Ｃ燃料電池の効率を低
くする原因になる。 このように従来の炭化硅素粒子で形成したマトリックス
を用いた電解質マトリックスを有する燃料電池では、電
池のオーム損を小さくするために、１′ 電解質マトリックス（８）を薄くすると、炭化硅素微粒
子を介し゛Ｃ電、、半・、伝導が起こり、電流損失が大
きくなるという欠点があった。 この発明は上記のような従来のものの欠点を除去するた
めになされたもので、電気抵抗の大きな窒化硅素微粒子
を主成分としＣマトリ・ソクスを構成することにより電
解質マトリックスの厚みを薄くし、もつ’Ｃ’ｌｌＪ料
電池の効率の向上を図ったものである。 以下、この発明の一実施例につい゛Ｃ説明する。 第２図はこの発明に係る燃料電池を構成する単電池の斜
視図で、（８ａ）は窒化硅素の微粒子を焼結して形成さ
れたマトリックスである。この窒化硅素微粒子を用いた
マトリックス（８ａ）の製造方法は以下の通りである。 ０．１〜５μｍの窒化硅素の微粒子に１〜５ ｗｔ％の
フッ素Ｖ１４１１ｉＶを混ぜ゛Ｃ燃料電極（１）または
酸化剤電極（２）の何れか一方、または変万の電極面に
塗布し、２００〜８６０℃好ま【７くは２６０〜８００
℃で焼結して多孔質繭層であるマトリックス（８ａ）を
形成する。次に、この両Ｗ１．極を重ね合わせ、マトリ
ックス（８ａ）にリン酸溶液（４）を含浸させ゛ＣＣ科
料電池構成する。 以上のように構成した燃料電池の動作原理は従来のもの
とほぼ同じであるが、窒化硅素の電気抵抗が非常に大き
いので、マトリックス（８ａ）を通し°Ｃ起こる電子の
移動が非常に少なくなる。下表は炭化硅素と窒化゛硅素
との性質を対比し°Ｃポしたものでこの表に見られるよ
うに電気抵抗は窒化硅素は炭化硅素に比べ“Ｃ１０ケタ
以上も大きい。 表 炭化硅素と窒化硅素との比較 従って窒化硅素の多孔質７ｍ（８ａ）を通る電子の移動
は非常に杷こりに＜＜、電気抵抗だけから考えればＷ、
解質ントリックスの厚さを従来のものに比べ′Ｃ非常に
薄くすることが可能である。しかし製造ヒ、および電極
面が微視的に見”Ｃ凹凸があるなど別の点で厚さに対す
る制約を受けるので１０〜１５０μｍ礫度の厚さにする
のが実用的である。なお窒化硅素は耐リン酸性や価格な
どの点で、先に述べたマドフックスの構成材料に要求さ
れる５つの性質をすべ゛Ｃ満足し、又た電気抵抗以外に
も低膨張性や耐高温疲労性など炭化硅素に比べＣ望まし
い特長を持つ°Ｃいる。なお比弾性率と熱伝導について
は窒化硅素は炭化硅素に比べＣ少し低い値になっ’ＣＩ
、’るが、実用上特に１川題はない。 なお、窒化硅素にはα型とβ型があり、微視的に見Ｃα
型は針状、β型はリン片状になっ′Ｃいる。 従・っＣα型の８１−７子を用いると互いにからみ合っ
１゜ Ｃ１，＝密でリン酸保持力に・＃□にすぐれた多孔質層
が得られる。−万β型の微粒子を用いると非常に薄く多
孔質−が容易に得られる。従ってα型とβ型の微粒子を
適当な比率で混ぜ合わせたり、α型の微粒子層とβ型の
微粒子１−を地ね合わせＣ多−構造の多孔質層を形成し
たり、・ントリ・ソ・クスの局辺部と中央部でα型とβ
型の使い分けをしたりすることにより、史に好ましい特
性の電解質マド−】ツクスを得ることができる。 なお、Ｅ記実施例では窒化硅素微粒子を主成分とし′Ｃ
マトリックスをＫ ｆＩｌｌｌｍに形成し、そのマトリ
ックスにリン酸溶液を含浸させ′Ｃ電解髄マトリックス
を構成した場合につい゛Ｃ説明したか、マトリックスを
構成する主成分に窒化硅素微粒子と炭化硅素微粒子との
混合物を用いれは、炭化硅素の特長である高弾性率や高
熱伝導性などを付加憚ることができ、従つ゛Ｃ単電池に
かかるｍｌ圧の変化をマトリックスで緩和しやすく、ま
た面白での温ＩＷのばらつきの少←い実用に適した燃料
電池が得られる・ ・。 一、：、。 以上のように％”この発明は、窒化砒素微粒子を主成分
とするマトリックスを燃料電極面または酸化剤電極面の
何れか一方、または双方に形成し、このマトリックスに
リン酸溶液を含浸しｒｔ解・萬マトリックスを形成した
ので、電解・質マトリックスを従来より薄くすることが
でき、オーム損が小さく効率の良い燃料電池が得られる
。
第１図は従来の燃料電池の動作原理を示すモデル図、第
２図はこの発明に係る燃料（池を構成する単電池の斜視
閃である。 図におい°Ｃ１（υは１料電場、；２）は酸化剤醒極、
（８） 、 （８ａ）はマトリックス、（４）はリン酸
溶液、＋６１ ハ三相界面、（８）は電解質マトリック
スである。 なお、図中、同一符号はそ八・′″ｆＬ ｆｉ’ｉ−又
は相当部分を示す。 代理人 葛 野 信 −（外１名） 第１図
２図はこの発明に係る燃料（池を構成する単電池の斜視
閃である。 図におい°Ｃ１（υは１料電場、；２）は酸化剤醒極、
（８） 、 （８ａ）はマトリックス、（４）はリン酸
溶液、＋６１ ハ三相界面、（８）は電解質マトリック
スである。 なお、図中、同一符号はそ八・′″ｆＬ ｆｉ’ｉ−又
は相当部分を示す。 代理人 葛 野 信 −（外１名） 第１図
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 ＋１）燃料電極と、リン酸溶液をマトリックスに含浸せ
る電解質マトリックスと酸化剤電極とを種層した燃料電
池におい゛Ｃ１上記マトリックスを窒化硅素微粒子の燃
結体で構成したことを特徴とする燃料電池。 □ ＋２）マトリックスは、燃料電極または酸化剤電極のい
ずれか一方もしくは双方の電極面に０．１〜５μｍの窒
化硅素微粒子に１〜５ｗｔ％のフッ素樹脂を混合せるも
のを塗布し、２００〜８６０℃好ましくは２６０〜８０
０℃で焼結させたものである特許請求の範囲第１項記載
の燃料電池。 （３）マトリックスを組成する窒化硅素微粒子が、α型
Ｓｉ３Ｎ４またはβ型ＳＳ、Ｎ４のいずれか一方または
双方の混合物である特許請求の範囲第２項記載の燃料電
池。 （４）マトリックスが炭化硅素微粒子と窒化硅素微粒子
との混合物である特許請求の範囲第２項記載の燃料電池
。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57049611A JPS58165264A (ja) | 1982-03-25 | 1982-03-25 | 燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57049611A JPS58165264A (ja) | 1982-03-25 | 1982-03-25 | 燃料電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS58165264A true JPS58165264A (ja) | 1983-09-30 |
| JPS6240823B2 JPS6240823B2 (ja) | 1987-08-31 |
Family
ID=12836021
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP57049611A Granted JPS58165264A (ja) | 1982-03-25 | 1982-03-25 | 燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS58165264A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5270126A (en) * | 1991-05-22 | 1993-12-14 | Fuji Electric Co., Ltd. | Phosphoric acid fuel cell, matrix thereof and method for making the matrix |
| WO2006018568A2 (fr) * | 2004-07-21 | 2006-02-23 | Saint-Gobain Glass France | Systeme electrochimique a electrolyte non oxyde |
-
1982
- 1982-03-25 JP JP57049611A patent/JPS58165264A/ja active Granted
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5270126A (en) * | 1991-05-22 | 1993-12-14 | Fuji Electric Co., Ltd. | Phosphoric acid fuel cell, matrix thereof and method for making the matrix |
| WO2006018568A2 (fr) * | 2004-07-21 | 2006-02-23 | Saint-Gobain Glass France | Systeme electrochimique a electrolyte non oxyde |
| WO2006018568A3 (fr) * | 2004-07-21 | 2007-04-05 | Saint Gobain | Systeme electrochimique a electrolyte non oxyde |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6240823B2 (ja) | 1987-08-31 |
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