JPS63116366A - Fuel cell - Google Patents

Fuel cell

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Publication number
JPS63116366A
JPS63116366A JP61261913A JP26191386A JPS63116366A JP S63116366 A JPS63116366 A JP S63116366A JP 61261913 A JP61261913 A JP 61261913A JP 26191386 A JP26191386 A JP 26191386A JP S63116366 A JPS63116366 A JP S63116366A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
precious metal
metal catalyst
carbon powder
catalyst
phosphoric acid
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.)
Pending
Application number
JP61261913A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Noboru Segawa
昇 瀬川
Sanji Ueno
上野 三司
Taiji Kogami
泰司 小上
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
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP61261913A priority Critical patent/JPS63116366A/en
Publication of JPS63116366A publication Critical patent/JPS63116366A/en
Pending legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/96Carbon-based electrodes
    • 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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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

PURPOSE:To reduce the quantity of a precious metal catalyst used for a unit cell and obtain a cell structure effectively utilizing the precious metal catalyst without deteriorating the cell performance by changing a material constituting the supply path of a phosphoric acid electrolyte from precious metal-borne carbon powder to precious metal-unborne carbon powder. CONSTITUTION:In a catalyst layer 20a constituted of a hydrophilic material, the diffusivity of a reaction gas is very bad due to the wetting by an electrolyte, and catalyst activity rarely exists. Therefore, a material not containing a precious metal catalyst, i.e., precious metal catalyst-unborne carbon powder and silicon carbide, is used instead of a material containing a precious metal catalyst such as precious metal-borne carbon powder to form the material constituting a supply path formed in a band shape. Accordingly, the utilization factor of the precious metal catalyst used for a unit cell is improved, and the quantity of the precious metal catalyst can be reduced without deteriorating the cell performance.

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 (産業上の利用分野) 本発明は燃料電池に関し、特に貴金属触媒の有効利用を
目的とし、電池性能の低下を引き起こすことなく、貴金
属触媒の利用量を低減化するために、改良を施した燃料
電池に関する。
[Detailed Description of the Invention] [Object of the Invention] (Industrial Application Field) The present invention relates to fuel cells, and particularly aims to effectively utilize a precious metal catalyst, and to increase the amount of precious metal catalyst used without causing a decrease in cell performance. This invention relates to a fuel cell that has been improved in order to reduce the

(従来の技術) 従来、燃料の有している化学的エネルギーを直接電気的
エネルギーに変換する装置として燃料電池が知られてい
る。この燃料電池は通常、電解質を保持したマトリック
スを挟んで一対の多孔質電極を配置するとともに、一方
の背面に水素等の燃料ガスを接触させ、また他方の電極
の背面に酸素等の酸化剤ガスを接触させ、このとき起こ
る電気化学的反応を利用して上記電極間から電気エネル
ギーを出力する単位セルを、複数個積層して構成するよ
うにしたものであり、上記燃料ガスと酸化剤ガスが供給
されている限り高い変換効率で電気エネルギーを取り出
すことができるものである。
(Prior Art) Fuel cells are conventionally known as devices that directly convert chemical energy contained in fuel into electrical energy. This fuel cell usually has a pair of porous electrodes sandwiched between a matrix holding an electrolyte, and a fuel gas such as hydrogen is brought into contact with the back surface of one, and an oxidizing agent gas such as oxygen is brought into contact with the back surface of the other electrode. It is constructed by stacking a plurality of unit cells that output electrical energy from between the electrodes by making use of the electrochemical reaction that occurs when the fuel gas and oxidizing gas are brought into contact with each other. Electrical energy can be extracted with high conversion efficiency as long as it is supplied.

第5図に、上記原理に基づく特にリン酸を電解質とした
、バイポーラ型の燃料電池における単位セルの構成例を
示した。即ち、触媒層1a、 lbを塗着した一対の対
向するガス拡散電極(アノード電極2.カソード電極3
)の間に、電解質であるリン酸を保持したマトリックス
4を配設し、一体化して単位セルを形成している。この
単位セルの両側にガス流通路を設けた導電性のセパレー
タ5を配設し、燃料ガス6及び酸化剤ガス7を通常互い
に直交する方向に流して、発電反応を行なわせていた。
FIG. 5 shows an example of the structure of a unit cell in a bipolar fuel cell based on the above principle and using phosphoric acid as an electrolyte. That is, a pair of opposing gas diffusion electrodes (anode electrode 2, cathode electrode 3) coated with catalyst layers 1a and 1b.
) A matrix 4 holding phosphoric acid as an electrolyte is disposed between the cells, and is integrated to form a unit cell. A conductive separator 5 having gas flow passages is disposed on both sides of this unit cell, and a fuel gas 6 and an oxidizing gas 7 are normally flowed in directions perpendicular to each other to perform a power generation reaction.

(発明が解決しようとする問題点) しかし、この様な単位セル構成のものにおいては、電池
を長時間運転した際にリン酸電解質の散逸、消失によっ
て電池性能の低下が生じていた。
(Problems to be Solved by the Invention) However, in such a unit cell configuration, when the battery is operated for a long time, the phosphoric acid electrolyte dissipates and disappears, resulting in a decrease in battery performance.

そこで、この様な欠点を解消するために、最近では第6
図に示した様な、片面に触媒層1a、 lbを塗着し、
他面に反応ガス流通路8,9を形成した一対の多孔質電
極いわゆるリブ付き電極(アノード電極10.カソード
電極11)を用いてマトリックス4を挟んで単位セルを
構成し、このアノード電極10の全面に均一にリン酸電
解質を保持させて電池の長寿命化を図ると共に、単位セ
ル積層時の電池締付けの際の多孔質部の密着性向上によ
り、接触抵抗の低減を図るようにしたリブ付き電極型の
ものが提案されている。
Therefore, in order to eliminate such drawbacks, recently, the 6th
Apply catalyst layers 1a and lb on one side as shown in the figure,
A unit cell is constructed by sandwiching a matrix 4 between a pair of porous electrodes, so-called ribbed electrodes (anode electrode 10 and cathode electrode 11), each having reaction gas flow passages 8 and 9 formed on the other surface. Ribbed to extend battery life by holding phosphoric acid electrolyte uniformly over the entire surface, and to reduce contact resistance by improving adhesion of porous parts when tightening batteries when stacking unit cells. An electrode type has been proposed.

ここで、アノード電極lOにリン酸電解質を保持させる
のは1発電反応の進行に伴ってマトリックス4中のリン
酸電解質が枯渇することを防止し、適宜リン酸電解質を
補給できるようにするためである。そのため、アノード
電極10に塗着される触媒層1aは、保持しているリン
酸電解質を補給しやすいように、親水性を有する物質か
ら構成されている。
Here, the purpose of holding the phosphoric acid electrolyte in the anode electrode lO is to prevent the phosphoric acid electrolyte in the matrix 4 from being depleted as the single power generation reaction progresses, and to allow the phosphoric acid electrolyte to be replenished as appropriate. be. Therefore, the catalyst layer 1a applied to the anode electrode 10 is made of a hydrophilic substance so that the retained phosphoric acid electrolyte can be easily replenished.

また、リブ付きのアノード電極10及びカソード電極1
1の両方に同時にリン酸電解質を保持させても、カソー
ド電極11側においては発電反応によりH,Oが生成さ
れるため、保持されているリン酸電解質がぬれてしまい
、その結果、カソード電極11の背面から供給される酸
化剤ガスが反応界面に供給されにくくなり、電池特性を
著しく低下させる。
In addition, an anode electrode 10 and a cathode electrode 1 with ribs
Even if the phosphoric acid electrolyte is simultaneously held in both of the cathode electrode 11 side, H and O are generated by the power generation reaction on the cathode electrode 11 side, so the held phosphoric acid electrolyte gets wet, and as a result, the cathode electrode 11 The oxidant gas supplied from the back side of the cell becomes difficult to be supplied to the reaction interface, significantly deteriorating the battery characteristics.

そのため、アノード電極10にのみリン酸電解質を保持
させることが一般的である。
Therefore, it is common to have the phosphoric acid electrolyte held only in the anode electrode 10.

また、アノード電極10に塗着される触媒層1aを親水
性の強すぎる物質から構成した場合、アノード電極10
の背面から供給される燃料ガスの反応界面への拡散が、
保持されているリン酸電解質によって妨げられるという
欠点があった。
Furthermore, if the catalyst layer 1a applied to the anode electrode 10 is made of a material that is too hydrophilic, the anode electrode 10
The diffusion of fuel gas supplied from the back side of the
It had the disadvantage of being hindered by the retained phosphate electrolyte.

また、アノード電極10の背面から供給される燃料ガス
の反応界面への拡散を良好にするため、前記触媒層1a
に撥水性を具備させると、保持されているリン酸電解質
の補給が充分に行えないといった欠点があった8 そのため、第2図に示した様に、背面に燃料ガス流通路
8が設けられたリブ付きアノード電極10の他面に塗着
される触媒層20が、前記燃料ガス流通路8と直交する
方向に一定の間隔毎に配置された。fl水性を有する物
質から構成される帯状の触媒層208と、 その間に配
置される撥水性を有する触媒JW20bとから構成され
ている形式の燃料電池が考案され、また、製造されてい
る。
In addition, in order to improve the diffusion of the fuel gas supplied from the back surface of the anode electrode 10 to the reaction interface, the catalyst layer 1a is
When water repellency was imparted to the fuel cell, there was a drawback that the retained phosphoric acid electrolyte could not be sufficiently replenished.8 Therefore, as shown in Figure 2, a fuel gas flow passage 8 was provided on the back side. Catalyst layers 20 coated on the other surface of the ribbed anode electrode 10 were arranged at regular intervals in a direction perpendicular to the fuel gas flow path 8 . A fuel cell has been devised and manufactured that includes a band-shaped catalyst layer 208 made of a water-based substance and a water-repellent catalyst JW20b disposed therebetween.

しかしながら、親水性を有する物質から構成される触媒
層20aは、電解質によるぬれのため、反応ガスの拡散
性がきわめて悪く、触媒活性がほとんど存在しないこと
がわかった。
However, it was found that the catalyst layer 20a made of a hydrophilic substance had extremely poor diffusion of the reaction gas due to wetting by the electrolyte, and had almost no catalytic activity.

〔発明の構成〕[Structure of the invention]

(問題点を解決するための手段とその作用)従がって本
発明は、アノード触媒層に形成された帯状の補給路を具
備するタイプの燃料電池において、帯状に形成された補
給路の構成物質を貴金属担持のカーボン粉などの、貴金
属触媒を含有する物質から、貴金属触媒を含有しない物
質、つまり貴金属触媒非担持のカーボン粉および炭化ケ
イ素粉末を用いて形成することにより、単位セルあたり
に使用する貴金属触媒の利用度を高め、セル性能を低下
させることなしに、貴金属触媒の減量を可能にするもの
である。
(Means for Solving the Problems and Their Effects) Accordingly, the present invention provides a fuel cell of a type having a strip-shaped supply channel formed in an anode catalyst layer. By forming the material from a material containing a noble metal catalyst, such as carbon powder supporting a noble metal, to a material not containing a noble metal catalyst, that is, using carbon powder and silicon carbide powder that do not support a noble metal catalyst, the amount used per unit cell can be changed. This makes it possible to increase the utilization of precious metal catalysts and reduce the amount of precious metal catalysts without deteriorating cell performance.

(実施例) 以下本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。(Example) The present invention will be described in detail below based on examples.

(第一実施例) 本実施例において、第2図に示した様に、背面に燃料ガ
ス流通路8が設けられたリブ付きアノード電極10の他
面に塗着される触媒層20が、前記燃料ガス流通路8と
直交する方向に一定の間隔毎に配置された、親水性を有
する物質から構成される帯状のカーボン層20aと、 
その間に配置される撥水性を有する触媒層20bとから
構成されている。
(First Example) In this example, as shown in FIG. band-shaped carbon layers 20a made of a hydrophilic substance arranged at regular intervals in a direction perpendicular to the fuel gas flow path 8;
and a water-repellent catalyst layer 20b disposed between them.

ここで、前記触媒J120は以下のように形成する。Here, the catalyst J120 is formed as follows.

即ち、リン酸補給路となる親水性を有するカーボン層2
0aは、蒸留水(700aQ) 、貴金属触媒非担持の
カーボン粉末(30i)、テフロンディスパージョン溶
液(14,3mQ)を混練することによってスラフロン
30J(三井フロロケミカル通を使用した。
That is, the hydrophilic carbon layer 2 serves as a phosphoric acid supply path.
For 0a, Slaflon 30J (manufactured by Mitsui Fluorochemical Co., Ltd.) was used by kneading distilled water (700aQ), carbon powder not carrying a noble metal catalyst (30i), and Teflon dispersion solution (14.3mQ).

そして、この塗布合剤をスプレー法によりアノード電極
基体上に塗布する。この時、撥水性を有する触媒層20
bが塗布される部分には、前記親水性の触媒層が形成さ
れないようにシールを施して塗布作業を行なう。
Then, this coating mixture is applied onto the anode electrode substrate by a spray method. At this time, the water-repellent catalyst layer 20
The area to be coated with b is sealed to prevent the hydrophilic catalyst layer from being formed during the coating operation.

次に、撥水性を有する触媒層20bは、蒸留水(700
社)、白金担持のカーボンブラック(301) ) 。
Next, the water-repellent catalyst layer 20b is coated with distilled water (700%
Co., Ltd.), platinum-supported carbon black (301)).

テフロン溶液(14,3mQ)を混練することにより、
同様の塗布合剤を合成し、前記親水性の塗布合剤と同様
にスプレー法により塗布する。この場合も、親水性の触
媒層20aが形成された部分には、撥水性の触媒層が形
成されないようにシールを施して塗布作業を行なう。
By kneading Teflon solution (14.3 mQ),
A similar coating mixture is synthesized and applied by spraying in the same manner as the hydrophilic coating mixture. In this case as well, the portion where the hydrophilic catalyst layer 20a is formed is sealed to prevent the formation of a water-repellent catalyst layer during the coating operation.

以上の様にして塗布された触媒層20を20kg/cn
iでプレスした後、N2雰囲気で327℃、30分熱処
理し、アノード電極を形成した。
The catalyst layer 20 coated as described above was applied at a weight of 20 kg/cn.
After pressing at i, heat treatment was performed at 327° C. for 30 minutes in a N2 atmosphere to form an anode electrode.

(第二実施例) 第一実施例に示した、スラリー状の塗布合剤の成分を蒸
留水(700aQ)、貴金属触媒非担持のカーボン粉末
(30i)、テフロンディスパージョン溶液(14,3
d)および炭化ケイi(5グ)を混練することによって
合成した。なお、カーボン粉末は他はすべて第一実施例
と同様な条件において、アノード電極を形成した。
(Second Example) The components of the slurry-like coating mixture shown in the first example were distilled water (700aQ), carbon powder not supported with a noble metal catalyst (30i), and Teflon dispersion solution (14,3
It was synthesized by kneading d) and silicon carbide I (5g). Note that the carbon powder was used to form an anode electrode under all other conditions similar to those of the first example.

第一実施例および第二実施例により形成したアノード電
極を用いて、小型セルを構成し、以下の条件で起電試験
を行なった結果を第1図に示す。
A small cell was constructed using the anode electrodes formed according to the first example and the second example, and an electromotive test was conducted under the following conditions. The results are shown in FIG.

第1図に示す一線は第一実施例によるもの、−一一一線
は第二実施例によるもの、−一線は比較として、従来型
の貴金属担持のカーボンを使用している例を示す。
The line shown in FIG. 1 shows the result according to the first embodiment, the -111 line shows the result according to the second embodiment, and the -1 line shows an example using conventional precious metal-supported carbon for comparison.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上に述べた様に本発明によれば、リン酸電解質の補給
路を構成する物質を貴金属担持のカーボン粉から、貴金
属非担持のカーボン粉に換えることによって、単位セル
当たり使用する貴金属触媒量を低減下し、電池性能の低
下を引き起こすことなく貴金属触媒を有効利用するセル
構成が可能になった。
As described above, according to the present invention, the amount of precious metal catalyst used per unit cell can be reduced by changing the material constituting the supply path for the phosphoric acid electrolyte from carbon powder supporting precious metals to carbon powder not supporting precious metals. It has now become possible to create a cell configuration that effectively utilizes precious metal catalysts without reducing battery performance.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の燃料電池における特性図、第2図は本
発明の燃料電池における構成図、第3同車位セルの構成
図である。 la、 lb・・・触媒層、    2・・・アノード
電極、3・・・カソード電極、   4・・・マトリッ
クス、5・・・セパレータ、    6・・・燃料ガス
、7・・・酸化剤ガス、   8・・・燃料ガス流通路
、9・・・酸化剤ガス流通路、10・・・アノード電極
、11・・・カソード電極、  zO・・・触媒層、2
0a・・・親水性を有する触媒層、 20b・・・撥水性を有する触媒層、 30・・・撥水性を有する触媒層 N ’71 時1fl  (/1rS )第  1 図 第  2 図 第  3 図 第  4 図
FIG. 1 is a characteristic diagram of the fuel cell of the present invention, FIG. 2 is a block diagram of the fuel cell of the present invention, and a block diagram of a third same-position cell. la, lb...catalyst layer, 2...anode electrode, 3...cathode electrode, 4...matrix, 5...separator, 6...fuel gas, 7...oxidant gas, 8... Fuel gas flow path, 9... Oxidizing gas flow path, 10... Anode electrode, 11... Cathode electrode, zO... Catalyst layer, 2
0a...Catalyst layer having hydrophilicity, 20b...Catalyst layer having water repellency, 30...Catalyst layer having water repellency N'71 Time 1fl (/1rS) Fig. 1 Fig. 2 Fig. 3 Figure 4

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)電解質を保持したマトリックスを挟持し、導電性
の多孔質基体の一方の面に、燃料ガスまたは酸化剤ガス
の流通路が形成されていると共に、他方の面に触媒層が
塗着されたアノード電極およびカソード電極を配置して
なり、前記各反応ガス流通路に燃料ガスまたは酸化剤ガ
スを流通している条件下で電気エネルギーを出力する単
位セルを複数個積層して構成し、アノード電極に補給用
のリン酸電解質が保持され、アノード電極に形成されて
いる燃料ガス流通路に直行する方向に帯状のリン酸補給
路が触媒層に形成されている燃料電池において、前記帯
状の補給路は、貴金属触媒非担持のカーボン粉およびフ
ッ素系樹脂の混合物から形成されることを特徴とする燃
料電池。
(1) A flow path for fuel gas or oxidizing gas is formed on one side of a conductive porous substrate that sandwiches a matrix holding an electrolyte, and a catalyst layer is coated on the other side. The anode electrode is configured by stacking a plurality of unit cells that output electrical energy under conditions in which fuel gas or oxidant gas is distributed through each of the reaction gas flow paths. In a fuel cell in which a phosphoric acid electrolyte for replenishment is held in an electrode and a belt-shaped phosphoric acid replenishment path is formed in a catalyst layer in a direction perpendicular to a fuel gas flow path formed in an anode electrode, the belt-shaped replenishment path is formed in a catalyst layer. 1. A fuel cell characterized in that the channel is formed from a mixture of carbon powder and fluororesin that does not support a noble metal catalyst.
(2)前記リン酸補給路は、貴金属触媒非担持のカーボ
ン粉、炭化ケイ素(SiC)およびフッ素系樹脂から形
成されていることを特徴とする特許請求の範囲第1項記
載の燃料電池。
(2) The fuel cell according to claim 1, wherein the phosphoric acid supply path is made of carbon powder, silicon carbide (SiC), and fluororesin that do not carry a noble metal catalyst.
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