JPS59171473A - 燃料電池 - Google Patents

燃料電池

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JPS59171473A
JPS59171473A JP58044055A JP4405583A JPS59171473A JP S59171473 A JPS59171473 A JP S59171473A JP 58044055 A JP58044055 A JP 58044055A JP 4405583 A JP4405583 A JP 4405583A JP S59171473 A JPS59171473 A JP S59171473A
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JP
Japan
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matrix
silicon carbide
tungsten carbide
fuel cell
powder
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Pending
Application number
JP58044055A
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English (en)
Inventor
Nobuyoshi Umiga
信好 海賀
Taichi Takechi
武知 太一
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0289Means for holding the electrolyte
    • H01M8/0293Matrices for immobilising electrolyte solutions
    • 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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  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
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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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、燃料電池に係り、特に電解質としてリン酸を
用いる一対のガス拡散電極間に配置されるマトリックス
の組成を改良した燃料電池に関する。
〔発明の技術的背景とその問題点〕
従来、ガス拡散電極間に用いられる多孔性のマトリック
スは、有機物ではフェノール樹脂、無機物では8iCの
粉末などに結着剤として、ポリテトラフロロエチレン(
PTFE)を混合して形成されていた。
このマトリックスは電解質であるリン酸に対して、化学
的に安定したものであることが必要とされ、更に次のよ
うな性質を要求される。即ち、ガス拡散電極間にイオン
伝導性を有する電解質リン酸を十分保持し、マトリック
ス自身は絶縁性を示すこと。又、ガス拡散電極間の燃料
ガスと酸化剤ガスとの圧力変動、差圧制御などに耐えら
れるだけの泡出圧を維持できることなどである。
特に泡出圧は燃料電池の長期運転には極めて重要である
。即ら、マトリックスを通してガスが局部的に混合する
と、触媒によって発電には関与しない化学反応現象が生
じ、ついには燃料電池の機能を停止させる。このため一
定の泡出圧が長期間維持されていることが必要となる。
そして、この泡出圧は、マトリックス粉体の化学的安定
性、包含されるリン酸量、マトリックス粉体の粒度、マ
トリックス粉体の流動性などによって影響を受ける。
このように泡出圧性をはじめ、マトリックスには各種の
性能が要求される。しかしながら、従来の炭化けい素を
主成分とするマトリックスはこれらの性能を十分満足で
きるものではなかった。
又、従来のStCを主成分とするマトリックスは、粒径
の大きな粉体を用いると粉体間の空隙が大きくなるため
、リン酸保持量は増加するが泡出圧は低下してしまり。
逆に小さな粒径の粉体を用いると泡出圧は増加するが粉
体表面積が増大するため化学的安定性が低下し、リン酸
との反応性が無視できなくなるという問題点があった。
〔発明の目的〕
本発明の目的は以上のような問題点に鑑みなされたもの
で、マトリックスの性能を向上させることによシ寿命特
性の向上をはかった燃料電池を提供することKある。
〔発明の概要〕
本発明はかかる目的を達成するため、種々の検討を行な
ったところ、マトリックスの主成分を少くとも50wt
係以上の炭化けい素(S iC)と0〜50w2%の炭
化タングステン(WC)とを主成分とする複合酸化物を
結合剤で結着して形成したことを特徴とする。
伺、炭化タングステンの粒径は炭化けい素の粒径よシ小
であると好適である。
〔発明の実施例〕
以下、実験例、実施例によって本発明の詳細な説明する
マトリックスの性能を向上させるため種々検討を行った
ところ、炭化けい素(SiC)と炭化タングステン(W
C)を混合した複合酸化物を結合剤で結着することによ
って達成可能であることを究明した。
しかしながらマトリックスとしての絶縁性を維持するた
めには電子伝導性を有する炭化タングステンの混合量は
所定値以下に制限しなければならない必要性があシ、こ
の具体的数値についても究明した。
実施例 炭化タングステン(東京芝浦電気裏) 1.0μの粉末
に、粒径の異なる炭化ケイ素(昭和電工製)の粉末を個
別に且つ混合量を変化させた。炭化ケイ素の粒径は各々
平均粒径5.3μ、1.8μ、0.65μの3種類であ
る。この炭化タングステンと炭化ケイ素の所定量をメタ
ノール中で超音波混合機を用いて均一に分散混合させた
。この混合液を減圧下で乾燥させメタノールを十分除去
して混合粉体を得た。
これらの試料を1cnLの測定セルに振動させながら充
てんし、この状態での電導率を測定した。第1図にその
結果を示す。炭化タングステン粉末のみでは1.50’
、cIn” 程度の電導性を示す。炭化ケイ素の混合量
の増加に伴い電導性は減少し、炭化ケイ素の混合量が約
30%では10’のオーダーまで低下し、約50%で炭
化ケイ素の電導率とほぼ等しくなることを見出した。更
に、炭化ケイ素の粒径は、電導性の変動にあまシ影響を
与えないことも判明した。
この事実から、従来の炭化ケイ素を主成分とするマトリ
ックスを、その絶縁性を維持して炭化けい素の1部を炭
化タングステンの粒子に置換することができ、即ち、図
示の通シ炭化タングステンは約50wt%まで置換して
も絶縁性を著しく低下させないことを究明した。
〔実施例〕
第2図を参照して、本発明に係る燃料電池の要部構造を
説明する。図において、1はリン酸を含有した本発明に
係る多孔性の電解質保持マトリックス、即ち、前記した
複合酸化物を結合剤(例えばPTFB懸濁液)で結着し
て形成したマ) IJラックスある。このマトリックス
を後述する一対のガス拡散電極間に配置する。この構成
によシ単セルを形成する。2は燃料側ガス拡散電極(ア
ノード)、3は空気側ガス拡散室(!Ti(カソード)
である。各単セルは隔離板4を介して積層され、図示し
ていない容器内に収納されている。隔離板4には互いに
直交する溝5,6が両面に設けられ、図示していないガ
ス供給源から溝5には燃料ガスの水素が、溝6には酸化
剤ガスの空気が供給される。
第3図に本発明に係るマトリックスと従来法によるマト
リックスを用いた燃料電池の特性比較図を示す。ここで
用いたマ) IJソックス炭化ケイ素85wt%、炭化
タングステン15wt%を混合したものA、炭化ケイ素
6Qwt%、炭化タングステン40wt%を混合したも
のBと比較のための従来の平均粒径、065μの炭化ケ
イ素100wt %にょるものCの3種である。図示の
通りのA、B、Cは同様の結果を示している。
第4図に200mA/6177の電流密度で連続放電さ
せた時の出力電圧の変化を示す。図から明らかなように
本発明に係る電解質保持マ) IJソックス用いた燃料
電池A、Bでは、長時間電池層圧の降下がなく安定した
性能が得られた。この原因としてはマトリックスの化学
的安定性が向上し、且つ、絶縁特性も維持式れたためと
考えられる。
以上述べた通り、炭化ケイ素と炭化タングステンとの混
合粉末を主成分とする複合混合物を結合剤で結着形成し
たマトリックスは、従来の欠点を除去し浸れたマトリッ
クスを得ることができ、このマ) IJラックス用いた
燃料電池は性能が大幅に向上し、その実用的価値は極め
て高いものである。
次に混合粉体の粒径について検討を加えた。
素電池のマトリックスを製造する方法は、白金触媒をつ
けた炭素粉末を塗布したカーボンペーパー上に、マ) 
IJラックス体、結着剤を水に加え懸濁液としてスプレ
ーで吹付けて作られる。異なる粉体を混合するため、懸
濁液調製時、もしくはスプレーの際懸濁液中で粉体が比
重の差によって分離沈降を起すと、懸濁液中の上下で粉
体混合比がずれ、均一なマトリックスを作ることができ
なくなる。このため炭化ケイ素と炭化タングステンとの
水中における沈降を混合系で調べた。
実施例 炭化ケイ素粉末2gと炭化タングステン粉末29とを水
300m1中で分散させ、超音波混合を30分間行ない
、均一に攪拌、混合させた。この液をメスシリンダー内
に移し、上部と底部に近い下部からピペットによって懸
濁した液1mA分取し、数時間放置後、再び上部の粉末
沈降面と下部から懸濁した液を分取した。液はろ紙上で
蒸発乾燥させ、けい光X線にて8i とWとのけい光X
線強度比を求めた。同、Si はにα線、WはLα線を
用いた。
用いた粉末は、炭化ケイ素平均粒径1.8μ、5.3μ
、炭化タングステン平均粒径1.0μ、1.5μであり
、組合せと分析結果は第1表の通っである。
第1表 粒径     粒径比    強度比St/wこれらの
実験例において、懸濁液の放置によつ一’l、炭化ケイ
素と炭化タングステンとの分離の起らない条件としては
、比重の大きい炭化タングステンの粒径を小さくして混
合した方がよいことがわかる。
炭化ケイ素粉末、炭化タングステン粉末とも、同じ大き
さならば密度の大きい方が早く沈降する。
炭化ケイ素の密度3.21、炭化タングステンの密度1
5.5のため、炭化タングステンよシ大きな炭化ケイ素
が必要となる。
形状はほぼ球状と考えられるため液体内における沈降は
ストークスの法則に従い、二種類の粒子が分離されない
条件、つまυ同じ沈降速度を持つように次式から平均粒
子径の比が求められる。
ρ、、c :SiC粉末の密度、   ρ、、e:WC
粉末の密度、Dsic : S IC粉末の平均粒径、
Dwc:WC粉末の平均粒径、η:液粘度、  ρo二
液密度、  9二重力加速度、ρwe = 15.5 
、ρale =121 # ρ、 = 1.0とすれば
Dsic/Dwc=2.56となる。
つまり粉末を水中で混合して、分離しない炭化ケイ素と
炭化タングステンとの粒径比は2.56が最適であるこ
とがわかる。なおマトリックス製造時に有効であるC、
M、C(カルボキシメチルセルロース):ポリビニルア
ルコールなどの沈降防止剤を添加しておけば異なる粒子
同士の沈降による分離を少なくして作業が出来ることは
言うまでもない。
更姉燃料電池として組立てられた後も、長期運転によっ
てマトリックス粉体が密度の差によって水中での沈降と
同様、電解質リン酸内で移動することが考えられ、上式
の液密度をリン酸濃度95〜105%、常温から230
″Cまでの範囲を考慮すると、ρ。=1.62〜1.9
2の範囲となり、平均粒径比はDsic/Dwc = 
2.95〜3.25が最も適当と言える。
次に粒径の異なる炭化ケイ素(平均粒径5.3μ)と炭
化タングステン(平均粒径1.5μ)とを用いて、マト
リックスを作った場合の泡出圧とリン酸保持量とを検討
した。
実施例 炭化ケイ素と炭化タングステンとの′xL量組成を変化
させた場合を調べた。マトリックス厚さ、懸の量によっ
て決定されるため、含まれる炭化ケイ素と同量の水に各
粉体混合物を分散懸濁させ、均一混合のため超音波混合
を30分行ない、次にFTFBII濁液(三井70ロケ
ミカル製、固型分60チ)を結着剤として用い、これも
炭化ケイ素1g当り、FTFB 22mF入るように加
え、ゆっくシ攪拌し各々の懸濁液を作った。
触媒を塗布したカーボンペーパー上に懸濁液をスプレー
によって吹付け、105℃で水分を乾燥後、ローラーに
て押付は窒素雰囲気中で310℃5分間の熱処理を行な
った。次に95チリン酸を浸潤させた後、素電池を構成
した。このときの見かけのマトリックス厚さは200μ
である。
この素電池の泡出圧とリン酸抽出後モリブデン法によっ
て求めたリン酸保持量は次表に示す結果となった。
風下全台 40        60       0.75  
    6860        40       
0.60      7480       20  
     0.35      63100     
   0       0.20      8にの結
果よシ明らかな様に粒径の小さな炭化タングステンを混
合させることによって一定厚さのマトリックスの泡出圧
を向上させ、リン酸保持量も著しくは低下させないこと
が明らかとなった。
以上の実験例をもとにして、炭化ケイ素と炭化タングス
テンとの混合粉体を主成分とする複合酸化物を結合剤で
結着したマトリックスを用いて燃料電池を組み立てた。
この燃料電池の性能を検証したところ、実施例1と同様
の性能を有することを確認し7た。
〔発明の効果〕
以上説明した様に、本発明によれば、マトリックスの性
能を向上させたことにより寿命特性を向上させた燃料電
池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は炭化ケイ素と炭化タングステンの混合率と電導
率の関係図、第2図は本発明に係る燃料電池の要部構成
を説明する斜視図、第3図は本発明に係るマトリックス
と従来法によるマトリックスを用いた燃料電池の特性比
較図、第4図は本発明に係るマトリックスと従来法によ
るマトリックスを用いた燃料電池の寿命特性比較図であ
る。 1・電解質保持マトリックス 2−・・燃料側ガス拡散電極 3・・空気側ガス拡散電極 代理人 弁理士 則 近 憲 佑 (ばか1名)第1図 第2図 一一一す 特開昭59−171473(5) 第3図 □ イ′P動時間(H)

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、一対のガス拡散電極と、この電極間にりん酸を保持
    した電解質保持マトリックスとを備えてなる燃料電池に
    おいて、前記電解質保持マトリックスを、少くとも5Q
    wt%以上の炭化けい素と0〜50wt%の炭化タング
    ステンとを主成分とする複合酸化物を結合剤で結着して
    形成したことを特徴とする燃料電池。 2、炭化タングステンの粒径は炭化けい素の粒径より小
    である特許請求の範囲第1項記載の燃料電池。
JP58044055A 1983-03-18 1983-03-18 燃料電池 Pending JPS59171473A (ja)

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JP58044055A JPS59171473A (ja) 1983-03-18 1983-03-18 燃料電池

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JPS59171473A true JPS59171473A (ja) 1984-09-27

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