JPS6348765A - 燃料電池用電解質マトリクスおよびその製造法 - Google Patents

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】 「発明の目的」 燃料電池用電解質マトリクスに要求される各特性を何れ
も満足した製品を得ようとするものである。

卒業上の利用分野 リン酸を電解質とする燃料電池の電解質保持マトリクス
。

従来の技術 リン酸を電解質とする燃料電池用マトリクスとしては、
従来一般的にＳｉＣ粉末、ＳｉＣウィスカー、ＴａｚＯ
ｓ等の耐リン酸性無機質粉末を用い、下記するような方
法で製造されている。

■　前記した無機質微粉末を微量のポリテトラフルオロ
エチレンを結着剤とし溶媒を適量添加して混合したもの
を電極上に吹付は又は塗布などして薄膜状に覆着し、加
熱乾燥などによって溶媒を除去した後、リン酸を含浸す
る。

■　溶媒としてリン酸を用い、■と同様に電極上に直接
薄膜状として形成するｔ ◎　結着剤としてリン酸ジルコニウム等のリン酸金属塩
を用い、ポリテトラフルオロエチレン等の高分子結着剤
を使用しないで薄膜層を電極上に形成する。

発明が解決しようとする問題点 前記した燃料電池用電解質マトリクスに要求される特性
としては下記■〜■がある。

■　燃料電池の作動条件である外淵リン酸に対し安定で
あること。

■　電子的絶縁体であり且つイオン的導電性が充分に高
いこと。

■　リン酸含浸時にはガス透過遮断能、即ち泡圧が高い
こと。

■　親リン酸性が畜く、リン酸の浸透拡散が早いこと。

■　機械的強度を有していて薄（形成し得ること。

然し、前記■■のものは、上記■の要件を満足するとし
てもポリテトラフルオロエチレンの有する強い↑ｎ水性
のため、Ｑのｆｆ１Ｍ的強度を高めるべくこのポリテト
ラフルオロエチレン量を増加すると■の親リン酸性が悪
くなり、その結果■の泡圧、　　浸透速度なども高くな
らず、■のイオン厚電性も劣ったものとなる。反対にポ
リテトラフルオロエチレン量の少ないものは■の機械的
強度安定性に欠け、厚さを薄くできないこととなって、
マトリクスの抵抗値を下げるのに限界が生じ、電池寿命
も不充分で安定しないものとなる。結局■■によるもの
はマトリクスの抵抗、イオン電導度、泡圧力、電池寿命
等の総合的観点からして限界を有している。

又■法によるものではポリテトラフルオロエチレンの１
８水性に伴う問題点はなくなるとしても本質的にその結
着能が劣り、このため■の機械的強度のな・いものとな
り、上記したポリテトラフルオロエチレン量の少ないも
のにおける不利のより大きなものとなる欠点を有してい
る。

「発明の構成」 問題点を解決するための手段 （１）リン酸金属塩粉末４〜６６ｗｔ％、耐リン酸性無
機粉末１２〜８５ｗｔ％、ポリテトラフルオロエチレン
６〜６６ｗｔ％からなることを特徴とする燃料電池用電
解質マトリクス。

（２）　　リン酸金属塩となり得る無機質粉末１０〜７
０ｗｔ％、耐リン酸性無機粉末３０〜９０ｗｔ％からな
る混合粉末４０〜９４ｗｔ部に対してポリテトラフルオ
ロエチレン６〜６０ｗｔ部を配合しシート状に成形した
ものの空隙組繊中にリン酸を含浸させてから加熱処理し
て前記リン酸金属塩となり得る無機質粉末をリン酸金属
塩に変換することを特徴とする燃料電池用電解質マトリ
クスの製造法。

作用 ４ｗｔ％以上のリン酸金属塩粉末を含有させることによ
って親水性向上を図り、又その上限を６６ｗｔ％とする
ことによって適切な耐リン酸性無機粉末とポリテトラフ
ルオロエチレンの含有を可能にしてそれら３者による適
切な配合関係を維持せしめ、耐リン酸性無機粉末による
膜状体の物性安定化効果と反応のためのリン酸保持効果
を得しめ、しかも少なくとも６ｗｔ％以上のポリテトラ
フルオロエチレン配合を得しめ、それによる膜強度の確
保を図る。

耐リン酸性無機粉末を１２ｗｔ％以上としてリン酸金属
塩粉末の膜中固定を適切化し、その上限を８５ｗｔ％と
することによりその他の原料との配合バランスを維持し
所期製品の品質を得しめる。

ポリテトラフルオロエチレンを６ｉｖｔ％以上として前
記のような膜強度を確保し、しかも上限を６０ｗｔ％と
して配合バランスを得しめ、ポリテトラフルオロエチレ
ンによるＩΩ水性を制御して必要な親リン酸性を得しめ
る。

リン酸金属塩となり得る無機質粉末と耐リン酸性無機粉
末からなる混合粉末４０〜９４ｗｔ部にポリテトラフル
オロエチレンを６ｗｔ部以上配合したものを成形してか
ら加熱処理してリン酸金属塩に変換することにより製品
膜状体の親水性を適切に向上し、又ＳｉＣのみを耐リン
酸性無機粉末として多量に用いたような場合におけるＳ
ｉＣの電子伝導性に起因した製品の電子伝導性を適切に
低減せしめる。

実施例 上記したような本発明について更に説明すると、本発明
によるものはリン酸金属塩粉末と耐リン酸性無機粉末お
よびポリテトラフルオロエチレンの３者によって構成さ
れる。勿論この基本配合のものに対し若干の助剤ないし
添加剤を配合してよい。

ｗｔ％（以下単に％という）で４％以上のリン酸金属塩
粉末を含有させることによってリン酸を電解質とした燃
料電池用マトリクスとして必要な親水性を得しめ、又耐
リン酸性無機粉末を１２％以上として前記リン酸金属塩
粉末のマトリクス中固定を的確化し、更にポリテトラフ
ルオロエチレンを６％以上としてマトリクス膜体に必要
な強度を確保する。リン酸金属塩粉末の上限を６６％、
耐リン酸性無機粉末の上限を８５％、ポリテトラフルオ
ロエチレンの上限を６６％とすることにより、これら配
合物間における配合バランスを得しめることができる。

本発明によるものは、リン酸金属塩粉末を用いてよいこ
とは勿論であるが、具体的製造に当ってはそれに代えて
リン酸金属塩粉末となり得る無機質粉末を用いることが
好ましく、このものと耐リン酸性粉末との混合物にポリ
テトラフルオロエチレンを機械的強度を得るのに充分な
量を配合したものを常法により混練すると共にロール圧
延、押出し等の成形法で膜状とした後、該膜状体の空隙
部にリン酸を満たした状態で１００〜３７０℃、好まし
くは２００〜３５０℃に加熱し、前記のようにリン酸金
属塩となり得る無機質粉末をリン酸金属塩とすることに
よって目的の製品を得ることができる。

前記ポリテトラフルオロエチレンは一般的な可望性形態
、場合によっては細粒ないし細片化した状態などで配合
されるが、又場合によっては予め圧延または延伸処理し
て多孔質化された膜片とし、更にはこのように多孔質化
するに当って耐リン酸性を有する無機質粉末を含有した
ものを用い、該無機質粉末を含有した多孔質膜片とされ
たものを用い、このような多孔質膜の空隙部にリン酸金
属塩となり得る液状あるいは溶液状化合物を含浸させて
から化学反応、熱分解等により、リン酸金属塩またはリ
ン酸金属塩となり得る無機化合物となし膜中に充填した
後、上記したところと同様にリン酸を含浸させて熱処理
してもよい。

これらの場合において、前記ポリテトラフルオロエチレ
ンの配合量は６〜６０ｗｔ％、好ましくは１３〜４０ｗ
ｔ％であり、残部の４０〜９４％、好ましくは６０〜８
７ｗｔ％は上記した耐リン酸性粉末とリン酸金属塩とな
り得る無機粉末となるが、このリン酸金属塩となり得る
無機粉末については１０ｗｔ％以上とすることが好まし
く、耐リン酸性粉末については３０ｗｔ％以上とするこ
とが適切である。

前記したリン酸金属塩となり得る無機粉末としてはジル
コニウム化合物、チタン化合物、アルミニウム化合物等
が用いられるが、最適には酸化ジルコニウムが挙げられ
る。またリン酸塩となり得る液状ないし溶液状化合物と
しては前記ジルコニウム、チタン又はアルミニウムのア
ルコキッド化合物、オキシ塩化化合物などがある。更に
上記した財リン酸性を有する無ｎ粉末としては５ｉＣ１
Ｔａ２ｅｓ炭素系粉末などを用いるが、好ましいものと
してはＳｉＣである。

上記したような無機粉末は１０μｍ以下の微粉として準
備することが望ましく、前記耐リン酸性無機粉末を用い
た混合粉末とすることが適切で、この場合耐リン酸性を
有する無機粉末はそれ自体が親リン酸性を有し全体とし
て親リン酸性の向上に寄与することは勿論であるが、更
にリン酸金属塩となり得る無機粉末がリン酸金属塩とな
る際に膜表面に析出するのを防止する役目も果たす。即
ちリン酸金属塩となり得る無機粉末はリン酸と反応して
一旦溶解状態となるわけであるが、このときにポリテト
ラフルオロエチレンの撥水性のため膜中から表面にはじ
き出されてしまうのを阻止する。更に膜構造を安定させ
る機能を果しており、この耐リン酸性を有する無機物に
より孔径、空隙率等の制御も可能となる。即ち粒径の小
さい無機物を使用することにより孔径が小さく、従って
泡圧の大きな膜となり、逆に粒径のある程度大きな粒子
を使用することにより孔径および空隙率が大きく浸透速
度の大きい膜とすることができる。従ってこれら２種類
の膜を積層あるいは一体に成形することにより浸透速度
および泡圧が共に大きい膜を形成することが可能となる
。

本発明においてはリン酸金属塩となり得る無機粉末をリ
ン酸金属塩とすることにより親水性を向上するわけであ
るが、その作用の仔細については必ずしも明らかとなし
得ない。然し一定量以上のポリテトラフルオロエチレン
と無機粉末とを混合、混練などしてポリテトラフルオロ
エチレンをフィブリル化させ、強度を上昇しようとする
と、ポリテトラフルオロエチレンのフィブリルが無機粉
末に巻きつくようになり、無機粉末の親水性が遮蔽され
全体として親水性の弱いものとなるが、本発明では上記
のようにリン酸金属塩とすることによりポリテトラフル
オロエチレンのフィブリルに巻きつかれた無機粉末が溶
解して巻きついたフィブリルから抜は出すように再析出
するため全体としてフィブリルネットに無機粉末が引掛
った形となり無機粉末の有効露出表面積が多くなるため
と考えられる。リン酸金属塩となり得る液状あるいは溶
液状前駆化合物を用いた場合においても同様の効果によ
り適切な親水性が得られる。この場合リン酸による加熱
処理は前駆化合物をリン酸に対して安定な化合物に変換
する作用をなす。

また本発明では膜内の空隙部にリン酸を満たした状態で
リン酸とリン酸金属塩となり得る無機粉末とを反応させ
ることを特徴としているが、これは前記同様にリン酸に
溶解状態となった無機物が膜外に溶出してしまうのを防
止するためであって、例えばリン酸液中に膜を浸漬して
加熱するような方法では適切に形成されない。具体的に
はリン酸金属塩となり得る無機粉末を含有した膜中にア
ルコール等を含浸した後、水−リン酸の順に置換して膜
中にリン酸を満たすか、或いは直接リン酸を含浸させた
後、ポリテトラフルオロエチレンのディスパージョン等
により撥水処理したカーボンペーパー等で両面から挟み
固定すると同時に過剰分をカーボンペーパーの空隙中に
保持し、そのまま所定温度まで加熱することにより達成
される。このときリン酸と無機物との脱水反応により生
成した水分はカーボンペーパーの孔隙を介して揮散する
と共に揮発等によりリン酸が不足し膜が乾燥するのを防
止するためカーボンペーパー中のリン酸が膜中に補充さ
れてゆくことによるものである。

本発明によるものの具体的な製造例について説明すると
、以下の如くである。

製造例１ α型ＳｉＣ粉末（粒径３μｍ）５０％、ｚｒｏｚｍ粉末
３５％、ポリテトラフルオロエチレン１５％から成る混
合粉末を共凝析法によって得た。この混合粉末１００重
量部に液状潤滑剤４０重量部を混合した後にペースト押
出および圧延することにより厚さ０．１ｍｍのシート状
とし、３００°Ｃに加熱することにより液状潤滑剤を気
化除去した。

次いで上記シートをイソプロピルアルコール−水→オル
トリン酸の順に２４時間づつ浸漬することにより該シー
トの空隙内および表面にオルトリン酸を含浸付着せしめ
、続いてこのシートをポリテトラフルオロエチレンで撥
水処理したカーボンペーパーで挟んだ後、全面を軽く加
圧した状態で３５０℃まで緩徐に昇温し、該温度で８時
間保持した後室温に冷却し、水洗した後乾燥させて厚さ
０．１２ｍｍのマトリクスシートを得た。

製造例２ 製造例１においてα型ＳｉＣ粉（粒径０．６μｍ）３４
％、ＺｒＯ２微粉末４６％、ポリテトラフルオロエチレ
ン２０％とした外は全く同様にして厚さ０．１２ｕ＋の
マトリクスシートを得た。

製造例３ 製造例１．２においてペースト押出し後の夫々の材料を
重ね合わせて圧延し、厚さ０．１３鶴の２層重ね合わせ
一体化シートとした以後は同様にして厚さ０．１５１ｍ
のマトリクスシートを得た。

製造例４ β型ＳｉＣ粉末（粒径０．３７μｍ）　　８５％、ポリ
テトラフルオロエチレン１５％からなる粉末を共疑集法
により得、該混合粉末１００重量部に対し液状潤滑剤３
７重量部を混合した後、ペースト押出しをなし且つ圧延
することにより厚さ０．１ｍｍのシート状とし、液状潤
滑剤を加熱除去した。

上記シートをテトラブチルジルコネート液中に浸漬する
ことによりテトラブチルジルコネートを膜中に含浸し、
続いてこの膜を８０°Ｃの水中に浸漬することにより加
水分解し、水和酸化ジルコニウムに変換することにより
酸化ジルコニウム充填膜を得た。

上記のようにして得られたものを更にオルトリン酸に２
４時間浸漬することにより、リン酸を膜中に含浸させた
後取出し、ｔａ水処理済みカーボンペーパーで挟持した
まま３５０°Ｃで８時間加熱することによりマトリクス
シートを得た。

比較例１ 製造例４において、ペースト押出し、圧延後、液状潤滑
剤を除去した比較例としてのマトリクスシートを得た。

比較例２ 製造例１において、α型５ｉＣ５６％、Ｚｒ０ｚ徽粉末
３９％、ポリテトラフルオロエチレン５％とした外は同
様にしてマトリクスシートを作成したところペースト押
出し、圧延後の液状潤滑剤を除去した時点で膜に若干の
クラックが発生した。

然して上記したような各製造例および比較例による夫々
のマトリクスシー１・について泡圧、リン酸の浸透速度
および強度を測定した結果は次表の如くであった。

「発明の効果」 以上説明したような本発明によるときは、粘着剤として
用いられるポリテトラフルオロエチレンのＩΩ水性によ
る影響を充分に低減し、従ってポリテトラフルオロエチ
レンの配合比を斉めて充分な膜強度を得しめると共に微
細なポリテトラフルオロエチレンのフィブリル化ネット
を形成せしめて高いバブル圧を得しめ、しかもこのよう
にポリテトラフルオロエチレンの配合量が多いことから
成形性を良好にし且つ歩留りを高めて信頼性の高い製品
を得しめ、燃料電池全体の性能、信頼性を向上し長寿命
化とコストダウンをもたらすなどの作用効果を有してお
り、工業的にその効果の大きい発明である。

特　許　出　願　人　　ジャパンゴアテックス株式会社

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）リン酸金属塩粉末４〜６６ｗｔ％、耐リン酸性無
   機粉末１２〜８５ｗｔ％、ポリテトラフルオロエチレン
   ６〜６６ｗｔ％からなることを特徴とする燃料電池用電
   解質マトリクス。
2. （２）リン酸金属塩となり得る無機質粉末１０〜７０ｗ
   ｔ％、耐リン酸性無機粉末３０〜９０ｗｔ％からなる混
   合粉末４０〜９４ｗｔ部に対してポリテトラフルオロエ
   チレン６〜６０ｗｔ部を配合しシート状に成形したもの
   の空隙組繊中にリン酸を含浸させてから加熱処理して前
   記リン酸金属塩となり得る無機質粉末をリン酸金属塩に
   変換することを特徴とする燃料電池用電解質マトリクス
   の製造法。
3. （３）リン酸金属塩となり得る無機質粉末と耐リン酸性
   無機粉末およびポリテトラフルオロエチレンの混合粉末
   を共凝析法により得る特許請求の範囲第２項に記載の燃
   料電池用電解質マトリクスの製造法。
4. （４）多孔質化されたポリテトラフルオロエチレンの膜
   片を用いる特許請求の範囲第２項に記載の燃料電池用電
   解質マトリクスの製造法。
5. （５）耐リン酸性無機粉末を含有したポリテトラフルオ
   ロエチレンの多孔質膜片の空隙部にリン酸金属塩となり
   得る液状あるいは溶液状化合物を含浸させ、化学反応ま
   たは熱分解の何れか一方又は双方によりリン酸金属塩ま
   たはリン酸金属塩となり得る無機化合物として膜中に充
   填する特許請求の範囲第２項に記載の燃料電池用電解質
   マトリクスの製造法。