JPS59211968A

JPS59211968A - リン酸形燃料電池用単電池

Info

Publication number: JPS59211968A
Application number: JP58087873A
Authority: JP
Inventors: Kenro Mitsuta; 憲朗光田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1983-05-17
Filing date: 1983-05-17
Publication date: 1984-11-30
Also published as: US4517260A; JPH0222502B2

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】この発明は、リレ酸を電解質とするリン酸形燃料電池用
の単電池、特にその構成に関するものである。

□周知の通り、リン酸形燃料電池は、対向して配置され
た燃料電極（アノード）と酸化剤電極（カソード）どの
闇にリン酸を電解質として保持した電解質マトリックス
を配し、燃料電極および酸化剤電極にそれ七れ燃料ガス
および酸化剤ガスを供給し七運転される。ここで、電解
質保持用マトリックスすな６ちマトリックス基材は電池
特性の向上お□よび電池の長□期安定性を図る上で重要
な構成要素の一つとなっている。現在使用されているマ
トリックス基材としては無機物の粉末と耐リン酸性結着
剤とで形成したものが一般的であるが、電池の特性が十
分に発揮されかつ安定な作動状態が維持されるためには
、マトリックス基材は以下に示すような条件を具備して
いなければならない。

（１）リン酸形燃料電池の動作条件（２００℃前後、９
５〜１００％Ｈ３ＰＯ４）において、運転期間中（約４
万時間）、熱的、化学的に安定であること。

（２）　　電子絶縁性であること。

（３）　　電解質に対して湿潤性があること。

（４）　　燃料ガスと酸化剤ガスとが電解質マトリック
スを通して交差（クロスオーバ）するのを防止するのに
十分な泡圧力を有すること。

（５）　　可能な限り薄く、かつ均一な厚みのものであ
ること。

（６）　　（３Ｌ　（４）の条件より、粒径が１〜５ミ
クロンでや比較的粒径の揃ったものが得嘘すいこと。

（７）　　安価であること。

以上の条件のうち（１）と（２）は最も重要な項目であ
る。また、（５）の条件は電池特性を向上させる上で重
要であり、マトリックス基材が薄ければ薄い程電池の内
部抵抗が減少し、特性は向上する。しかしながら、あま
り薄過ぎると十分な泡圧力が得られなくなるためクロス
オーバーが起こり、（４）の条件を満たさなくなるため
に電池特性は逆に低下する。したがって、最適なマトリ
ックス基材の厚さが存在するが、これは材料として用い
る粉末の粒径に大きく依存する。

従来、マトリックス基材としては炭化硅素粉末にフッ素
系樹脂を結着剤として含有させたものがよく知られてい
る。炭化硅素は一般に研磨剤として広く使用されておシ
、粒径の揃ったものを安価に手に入れることができる。

また、リン酸に対して湿潤性がある。したがって、先に
挙げた（３）、（６）、（７）の条件は十分に満たされ
ている。また、（４）、（５）の条件に関しても、マト
リックス基材の形成方法および炭化硅素粉末の粒径につ
いて適切な条件を選ぶことにより満たすことができるが
、（４）、（５）の条件がマトリックス基材の厚さに関
して相反するものであるだけに両者共十分に満たすこと
は難かしい。また、（１）のき件については炭化硅素は
必ずしも満足せず、徐々にではあるがリン酸に摩されて
いる。さらに、（２）の条件についても、５炭化硅素は
半導体に属しており完全な絶縁体とは言えない。この（
１）、（２）の条件に関しては、化学的安定性に優れか
つ完全な絶縁体に属するダイヤモンドが最もよく満足し
ているが、残念ながら、現在のところ大量に安価に手に
入れることが難しい。また、同じく絶縁体に属する酸化
物の中では五酸化タンタルや酸化ニオブが化学的安定性
に優れているが、ダイヤモンドと同様に安価に手に入れ
ることが難しい。また、炭化ホク素は化学的安定性に優
れているが、（２）の条件を満たしていない。以上のよ
うに、種々の無機物の中で炭化硅素は不十分な点をいく
つか残しながらも、マトリックス基材として現在最も多
く用いられている材料であや、。

しかしながら、このように無機物粉末、で構成されたマ
トリックス基材には共通した大きな欠点がある。それは
、マトリックス基材を構成する無機物の微粒子が電池の
動作中に触媒層を傷つけることで、これに起因して触媒
層に亀裂を生じクロスオーバーが起こったシ、電池特性
を低下せしめるなどの悪影響がある。この現象を図を用
いてさらに詳しく説明する。

第１図ａは従来の単電池を示す断面図であり、図におい
て、（１）は酸化剤電極、（２）は酸化剤電極の触媒層
、（３）は無機物粉末を主成分としリン酸を電解質とし
て保持するマトリックス基材、（４）は燃料電極の触媒
層、（５）は燃料電極である。また、４ｆｉ１図すは酸
化剤電極（１）の触媒層（２）とマトリックス基材（３
）との界面の様子を拡大して示す断面図であり、図にお
いて、（６）＃−ｉマトリックス基材（３）の構成要素
である無機物粉末、（７）　Ｆｉこの、ｓＩａ物粉米粉
末）が原因して触媒層（２）Ｋ生じた亀裂である。燃料
電極（５）の触媒層（４）とマトリックス基材（３）と
の界面についても同様である。

よこの寥うな無機物粉末（６）による触媒層（２）　、（
４）の損傷は、電池に面圧をかけて運転する際起こると
考えられるが、この損傷によシ触媒層（２）、（４）が
正常には働き得なくなり、クロスオーバーが起こったり
触媒層（２）、（４）が過剰にリン酸に濡れるなどの現
象を引き起こし、電池特性は低下する。特に炭化硅素粉
末の場合、合成して作った粒子ではなく粉砕して作った
ものなので、粒子に角ばった部分が多く、触媒層（２）
、（４）への損傷も大きい。

以上説明したように、無機物粉末（６）で構成されたマ
トリックス基材を有する単電池には、無機物粉末（６）
による触媒層（２）、（４）の損傷という共通した欠点
がある。

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、単電池を、触媒層を有する燃料お
よび酸化剤電極と、これら両電極の触媒層間に配置され
、耐リン酸性の無機物粉末を主成分とするマトリックス
基材と、このマトリックス基材と上記両電極のうちの少
なくとも一方の触媒層との間に介在させたリン酸ジルコ
ニウムを主成分とする緩衝層とにより構成することによ
り、上記無機物粉末による上記触媒層の損傷を防ぎ、よ
り機能の高いリン酸形燃料電池用単電池を得ることを目
的としている。

以下、この発明の一実施例を図をもとに説明する。第２
図ａはこの発明の一実施例による単電池を示す断面図で
あり、図において、（８）はリン酸ジルコニウムを主成
分とする緩衝層であり、リン酸ジルコニウムの粉末と耐
リン酸性の結着剤との混合物より成る。耐リン酸性の結
着剤としては、フッ素樹脂、ポリイミド樹脂、およびフ
ェノール樹脂などが挙げられる。リン酸ジルコニウムは
化学式α型（Ｚｒ（ＨＰ（Ｍ）ｚ−ＨｇＯ）、Ｔ型（Ｚ
ｒ（ＨＰＯ４）２・２Ｈ２０）で表わされる層状化合物
で、これ自身イオン伝導体であシミ子線縁体であるので
、固体電解質として用いる試みも行なわれている。また
、リン酸中２００℃前後ではリン酸ジルコニウムはゲル
化するが膨潤せず、耐薬品性にも優れ、水にも不溶であ
る。これらリン酸ジルコニウムの性質は緩衝層（８）と
して最も適したものである。また、第２図すは酸化剤電
極（１）の触媒層（２）とマトリックス基材（３）との
間に緩衝層（８）が介在する様子を拡大して示す断面図
であシ、この図かられかるように、リン酸ジルコニウム
はそれ自身がゲル化し移動することによって無機物粒末
（６）の凹凸を吸収し、触媒層（２）が損傷するのを防
いでいる。また、リン酸ジルコニウムは触媒層（２）の
凹凸をも吸収するので、仮りに触媒層（２）に何らかの
理由で亀裂を生じた場合にも、この亀裂にリン酸ジルコ
ニウムのゲルが充填され、クロスオーバーなど、の現象
を未然に防くｔまた、リン酸よりもリン酸ジルコニウム
の方が流記動性が少なく泡圧力、が大きい。したがって、前期具備
すべき条件のうち（４）の条件について緩和される。さ
らにまた、リン酸ジルコニウム自身が電子絶縁体である
ので、（２）の条件について緩和され、従来電子伝導性
があるために使用されなかった炭化ホウ素のような無機
物粉末もマトリックス基材（３）として用いることがで
きる。また、マトリックス基材（３）の厚さに多少不均
一があっても、リン酸ジルコニウムの緩衝層（８）で吸
収できるので、（５）の条件についても緩和される。ま
た、リン酸ジルコニウムはリン酸に対して充分な湿潤性
があり、（３）の条件についても従来よシも改善される
。

（９）従来、マトリックス基材（３）の形成法としては、印刷
法、カーテン法、テープキャスティング法、スプレー法
、ローラー法、ドクターグレード法など種々の手法があ
ったが、リン酸ジルコニウムを主成分とする緩衝層（８
）は何れの手法を用いても簡単に形成することができる
。

また緩衝層（８）の厚さについては、厚すぎると内部抵
抗が増加し薄すぎると緩衝層（８）としての機能を低下
せしめるので、１００μｍ以下好ましくは（資）μｍ程
度がよい。また、無機物粉末を主成分とするマトリック
ス基材（３）Ｋついては、従来１００〜２００μｍ程度
の厚さのものが用いられていたが、上記のように緩衝層
（８）によって（２）〜（５）の条件が改善されるため
、この発明によれば例えば５０μｍぐらいまでさらに薄
くすることも可能である。

なお、マトリックス基材（３）の主成分となる無機物粉
末としては、炭化硅素や炭化ホウ素の他にダイヤモンド
、五酸化タンクル、酸化ニオブ、窒化硅素などの粉末が
挙げられ、これらのうちの一種または複数種の混合物で
構成される。

（ｌＯ）なお、上記実施例ではマトリックス基材（３）と酸化剤
、ｍ　Ｎ　崖１！　ｆｉｔ　＋７）　Ｍ　Ｋ　！　（２
）、（４）　＃　Ｉ）　ｉｔｌ　Ｋ　！Ｊ　＞　ｅジル
コニウムを主成分とする緩衝層（８）を介在させた場合
を示したが、何れか一方の電極の触媒層であってもよい
。

以上のように、この発明によれば単電絃を、触媒層を有
する燃料および酸化剤電極と、これら両電極の触媒層間
に配置され、耐リン酸性の無機物粉末を主成分とするマ
トリックス基材と、このマトリックス基材と上記両電極
のうちの少なくとも一方の触媒層との間に介在させたリ
ン酸ジルコニクムを主成分とする緩衝層とにより構成し
たので、上記無機物粉末による上記触媒層の損傷を防ぐ
ことができ、より機能の高いリン酸形燃料電池用単電池
が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図ａは従来の単電池を示す断面図、第１図ｂ　／ｉ
ａに示す触媒層とマトリックス基材との界面の様子を拡
大し７て示す断面図、第２図ａはこの発明の一実施例に
よる単電池を示す断面図、第２図（１１）ｂはａに示す触媒層とマトリックス基材との間に緩衝層
が介在する様子を拡大して示す断面図である。図において、（１）は酸化剤電極、（２Ｌ　（４）は触
媒層、（３）はマトリックス基材、（５）は燃料電極、
（６）は無機物粉末、（７ンは亀裂、（８）　ａ緩衝層
である。なお、図中同一符号は同一または相当部分を示すものと
する。代理人大岩　増雄（１２）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）触媒層を有する燃料および酸化剤電極、これら両
電極の触媒層間に配置され、耐リン酸性の無機物粉末を
主成分とするマトリックス基材、およびこのマトリック
ス基材と上記両電極のうちの少なくとも一方の触媒層と
の間に介在させたリン酸ジルコニウムを主成分とする緩
衝層により構成されたリン酸形燃料電池用単電池。
（２）マトリックス基材の厚さを５０〜２００μｍ、緩
衝層の厚さを１００μｍ以下とした特許請求の範囲第１
項記載のリン酸形燃料電池用単電池。
（３）耐リン酸性の無機物粉末は、炭化硅素、ダイヤモ
ンド、五酸化タンタル、酸化ニオブ、窒化硅素、および
炭化ホウ素の粉末のうちの何れか一種または複数種の混
合物で構成された特許請求の範囲第１項または第２項記
載のリン酸形燃料電池用単電池。
（４）緩衝層にリン酸ジルコニウムの粉末と耐リン酸性
の結着剤との混合物を使用した特許請求の範囲第ｉ項〜
第３項の何れかに記載のリン酸形燃料糟池用単電池。
（５）耐リン酸性の結着剤はフッ素樹脂、ポリイミド□
樹脂Ｊ藝上びフェノール樹脂の中から選ばれる特許請求
の範囲第４項記載のリン酸形燃料電池用単電池。