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JPS6232576B2 - - Google Patents

Info

Publication number
JPS6232576B2
JPS6232576B2 JP56141525A JP14152581A JPS6232576B2 JP S6232576 B2 JPS6232576 B2 JP S6232576B2 JP 56141525 A JP56141525 A JP 56141525A JP 14152581 A JP14152581 A JP 14152581A JP S6232576 B2 JPS6232576 B2 JP S6232576B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
phosphoric acid
fuel cell
matrix
electrolyte
silicon carbide
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.)
Expired
Application number
JP56141525A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPS5842181A (en
Inventor
Toshiki Kahara
Shinpei Matsuda
Kenzo Ishii
Seiji Takeuchi
Jinichi Imahashi
Akio Pponchi
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.)
Hitachi Ltd
Resonac Corp
Original Assignee
Hitachi Chemical Co Ltd
Hitachi Ltd
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Chemical Co Ltd, Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Chemical Co Ltd
Priority to JP56141525A priority Critical patent/JPS5842181A/en
Priority to US06/414,394 priority patent/US4529671A/en
Priority to EP82108208A priority patent/EP0074111B1/en
Priority to DE8282108208T priority patent/DE3268833D1/en
Priority to CA000410845A priority patent/CA1193652A/en
Publication of JPS5842181A publication Critical patent/JPS5842181A/en
Priority to US06/692,562 priority patent/US4623415A/en
Publication of JPS6232576B2 publication Critical patent/JPS6232576B2/ja
Granted legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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

Landscapes

  • 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)

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

本発明は、燃料電池、特に、一対のガス拡散電
極と、リン酸を電解質として保持するマトリツク
ス(以下、リン酸電解質保持用マトリツクスと称
する)とを有する燃料電池に関するものである。 第1図は、水素を燃料、空気中の酸素を酸化剤
とし、電解質にリン酸を用いる燃料電池の原理的
構成を示すもので、1がアノード(ガス拡散電
極)、2がカソード(ガス拡散電極)、3がリン酸
電解質保持用マトリツクスを示しており、アノー
ド1に水素が、カソード2に空気が接するように
なつている。 従来、リン酸電解質保持用マトリツクスには、
フエノール樹脂の繊維布や、炭化ケイ素粉末に有
機バインダーであるポリテトラフルオロエチレン
を混合したものが用いられていた。フエノール樹
脂の繊維布をマトリツクス材として用いる場合
は、燃料電池の作動温度が130℃以上になると、
フエノール樹脂が徐々に炭化され、長期間の運転
ができなくなる。この問題を除去するためには、
電池の作動温度を低くすることが考えられるが、
この場合には、電池の出力が著しく低下するとい
う問題が新たに生じる。また、炭化ケイ素粉末に
有機バインダーであるポリテトラフルオロエチレ
ンを混合したものをマトリツクス材として用いる
場合には、燃料電池の作動温度を190〜200℃程度
に高くすることができるという利点があるが、有
機バインダーは一般に撥水性であり、とりわけ、
ポリテトラフルオロエチレンの如きフツ素樹脂は
撥水性が大きく、リン酸との親和性に欠けるとい
う欠点がある。その結果、電解質保持用マトリツ
クス中にリン酸を保持する能力(リン酸保持力)
が小さく、このため、燃料電池の性能が低下する
という問題があつた。 本発明は、これらの問題点を除去し、高温のリ
ン酸に安定であり、リン酸保持力の大きい電解質
保持用マトリツクスを有する燃料電池の提供を可
能とするもので、一対のガス拡散電極と、リン酸
を電解質として保持するマトリツクスとを有する
燃料電池において、前記マトリツクスが、リン酸
と反応しない固体粒子と金属リン酸塩バインダー
からなる多孔質体よりなることを特徴とするもの
である。 リン酸電解質保持用マトリツクスの具備すべき
条件は、(1)高温(190〜200℃)のリン酸に安定で
あること、(2)電子導電性がなく絶縁物であるこ
と、(3)リン酸との親和性が大で、保持力が大きい
こと、(4)リン酸を含有できる細孔容積が大である
こと、である。 これらの条件を満足するリン酸電解質保持用マ
トリツクスについて、種々検討した結果得られた
のが、この発明で、高温のリン酸に耐え、かつ電
子導電性がない物質として、酸化物、炭化物およ
びチツ化物などの各種無機物を用いるものであ
る。例えば、酸化物では、ジルコニウムを主成分
とする複合酸化物、例えば、ジルコン、五酸化タ
ンタル等があり、炭化物では、炭化ケイ素、炭化
タンタル等があり、チツ化物ではチツ化ボロン等
がある。しかし、炭化ケイ素を用いる場合には、
とりわけ、良い結果が得られる。 また、これらの粉末を固定するバインダーにつ
いて検討したところ、各種のリン酸塩がバインダ
ーとして適することが明らかとなつた。とくに、
ジルコニウム,スズ,チタン,ケイ素,アルミニ
ウムのリン酸塩が好適で、これらの物質はリン酸
との親和性に富み、かつバインダーとしての効果
も大である。これらのリン酸塩は、あらかじめ、
例えば、炭化ケイ素に混入しておくか、あるい
は、炭化ケイ素に、酸化物や塩溶液の形で混合し
ておき、その後リン酸を添加して反応させ、リン
酸塩とする。この発明では、特に、後者の方法が
好適で、バインダーとしての作用が大きい。 以下、実施例について説明する。 実施例 (1) 平均粒度0.3μmの炭化ケイ素粉末に、ジルコ
ニウム,スズ,チタン,ケイ素あるいはアルミニ
ウムの塩化物又は水酸化物の水溶液を加えて混合
し、これにリン酸をさらに添加した。炭化ケイ素
とジルコニウム,スズ,チタン,ケイ素、あるい
はアルミニウム塩溶液の混合割合は、炭化ケイ素
70重量%、前述の金属塩とリン酸とが反応して生
成するリン酸塩が30重量%となるようにし、リン
酸量はリン酸塩を作る際に必要とする量の他に、
さらに炭化ケイ素に対して60重量%を加えた。そ
して、これらの混合物を200℃で15時間加熱して
反応を完結させるとともに水分を除去して、高粘
度粒物を得ることがきた。この高粘度状物が、ガ
ス拡散電極上に塗布されて電解質保持用マトリツ
クスを構成するが、このマトリツクス中には前述
の炭化ケイ素に対して60重量%のフリーなリン酸
が含まれているため、このフリーなリン酸が燃料
電池の電解質として作用することになる。第1表
は、本実施例によつて得た電解質保持用マトリツ
クスと、従来の方法、すなわち、炭化ケイ素にポ
リテトラフルオロエチレンを5重量%混合し、さ
らに、リン酸を60重量
The present invention relates to a fuel cell, and particularly to a fuel cell having a pair of gas diffusion electrodes and a matrix that holds phosphoric acid as an electrolyte (hereinafter referred to as a phosphoric acid electrolyte holding matrix). Figure 1 shows the basic structure of a fuel cell that uses hydrogen as the fuel, oxygen in the air as the oxidizing agent, and phosphoric acid as the electrolyte. 1 is the anode (gas diffusion electrode), 2 is the cathode (gas diffusion electrode). 3 indicates a matrix for holding a phosphoric acid electrolyte, and the anode 1 is in contact with hydrogen and the cathode 2 is in contact with air. Traditionally, phosphate electrolyte retention matrices include
Fiber cloth made of phenolic resin or a mixture of silicon carbide powder and polytetrafluoroethylene, an organic binder, were used. When using phenolic resin fiber cloth as a matrix material, if the operating temperature of the fuel cell exceeds 130℃,
The phenolic resin gradually carbonizes, making long-term operation impossible. To eliminate this problem,
It is possible to lower the operating temperature of the battery, but
In this case, a new problem arises in that the output of the battery is significantly reduced. Furthermore, when using a mixture of silicon carbide powder and polytetrafluoroethylene, which is an organic binder, as the matrix material, there is an advantage that the operating temperature of the fuel cell can be raised to about 190 to 200 degrees Celsius. Organic binders are generally water repellent and, inter alia,
Fluorine resins such as polytetrafluoroethylene have a drawback of being highly water repellent and lacking in affinity with phosphoric acid. As a result, the ability to retain phosphoric acid in the electrolyte retention matrix (phosphate retention capacity)
is small, and as a result, there was a problem that the performance of the fuel cell deteriorated. The present invention eliminates these problems and makes it possible to provide a fuel cell having an electrolyte retention matrix that is stable against high-temperature phosphoric acid and has a large phosphoric acid retention capacity, and which includes a pair of gas diffusion electrodes and , a fuel cell having a matrix holding phosphoric acid as an electrolyte, characterized in that the matrix is made of a porous body consisting of solid particles that do not react with phosphoric acid and a metal phosphate binder. The conditions that a phosphoric acid electrolyte holding matrix must meet are: (1) it must be stable to phosphoric acid at high temperatures (190 to 200°C), (2) it must be an insulator with no electronic conductivity, and (3) it must be an insulating material with no electronic conductivity. (4) It has a high affinity with acids and a large retention capacity, and (4) it has a large pore volume that can contain phosphoric acid. The present invention is the result of various studies on matrices for retaining phosphoric acid electrolytes that satisfy these conditions. It uses various inorganic substances such as chemical compounds. For example, oxides include composite oxides containing zirconium as a main component, such as zircon and tantalum pentoxide, carbides include silicon carbide and tantalum carbide, and tides include boron nitride. However, when using silicon carbide,
Above all, good results are obtained. Further, as a result of studying binders for fixing these powders, it became clear that various phosphates are suitable as binders. especially,
Phosphates of zirconium, tin, titanium, silicon, and aluminum are preferred; these substances have a high affinity with phosphoric acid and are highly effective as binders. These phosphates are prepared in advance.
For example, it is mixed into silicon carbide, or mixed with silicon carbide in the form of an oxide or salt solution, and then phosphoric acid is added and reacted to form a phosphate. In this invention, the latter method is particularly preferable, and has a large effect as a binder. Examples will be described below. Example (1) An aqueous solution of a chloride or hydroxide of zirconium, tin, titanium, silicon or aluminum was added to and mixed with silicon carbide powder having an average particle size of 0.3 μm, and phosphoric acid was further added thereto. The mixing ratio of silicon carbide and zirconium, tin, titanium, silicon, or aluminum salt solution is
70% by weight, and the phosphate produced by the reaction of the metal salt and phosphoric acid mentioned above should be 30% by weight, and the amount of phosphoric acid is in addition to the amount required to make the phosphate.
Additionally, 60% by weight was added to silicon carbide. Then, these mixtures were heated at 200°C for 15 hours to complete the reaction and remove moisture, yielding highly viscous granules. This highly viscous material is applied onto the gas diffusion electrode to form an electrolyte retention matrix, but this matrix contains free phosphoric acid in an amount of 60% by weight based on the aforementioned silicon carbide. , this free phosphoric acid will act as an electrolyte in the fuel cell. Table 1 shows the electrolyte retention matrix obtained in this example and the conventional method, that is, mixing 5% by weight of polytetrafluoroethylene with silicon carbide, and then adding 60% by weight of phosphoric acid.

【表】【table】

【表】 %添加したリン酸電解質保持用マトリツクスに粘
性を比較して示してある。粘性の測定は、それぞ
れ、リン酸電解質保持用マトリツクス5gに平板
上で50Kgの荷重をかけ、その広がり面積をしらべ
たものである。第1表は、無機バインダーを用い
ることによつて、ポリテトラフルオロエチレンと
同等の結着性を得ることができることを示してい
る。 そして、実施例のリン酸電解質保持用マトリツ
クスにおいては、従来のものと比較して3倍以上
のリン酸保持力を有するものが得られた。 実施例 (2) 実施例(1)で用いた炭化ケイ素25gに、オキシ塩
化ジルコニウム(ZrOCl2・8H2O)12.2gを水50
mlに溶解した溶液を混合し、さらにリン酸11gを
加え、200℃で15時間加熱して電解質保持用マト
リツクスを作つた。このマトリツクスを公知のガ
ス拡散電極上に厚さ0.3mmになるように塗布し、
他方のガス拡散電極を重ね合せて一体化して燃料
電池を組みたてた。ガス拡散電極は白金を微量担
持した炭素粉末をカーボンペーパ上に塗布したも
のである。 第2図および第3図は、それぞれ、この実施例
のリン酸電解質保持用マトリツクスを用いた燃料
電池の電流密度―電圧特性、および200mA/cm2
の電流密度で連続放電したときの電池電圧の経時
変化を、従来の電解質マトリツクス、すなわち、
炭化ケイ素にバインダーとしてポリテトラフルオ
ロエチレンを用いた燃料電池の特性と比較して示
したものであり、第2図および第3図の横軸に
は、それぞれ、電流密度(mA/cm2)および放電
時間(h)、両図の縦軸には電圧(V)がとつて
あり、A,Cが実施例の場合、B,Dが従来例の
場合を示している。 第2図および第3図から明らかなように、実施
例のリン酸電解質保持用マトリツクスを用いた場
合には、電流密度の増大に伴う電圧の降下も、放
電時間の経過に伴う電圧の降下も少なく、従来の
場合に比較してすぐれた性能が得られる。そし
て、この性能向上は、バインダーとして用いてい
るリン酸塩がリン酸との親和性がよく、リン酸の
保持力が大であることに基づいている。さらに、
第2図および第3図は、作動温度190℃における
結果を示すもので、実施例のリン酸電解質保持用
マトリツクスを用いた場合には、高温でも安定な
結果が得られることを示している。 なお、実施例(2)では、リン酸電解質保持用マト
リツクスの生成にジルコニウム塩を用いた例を示
したが、スズ,チタン,ケイ素あるいはアルミニ
ウムなどの塩溶液を用いても同様の効果を得るこ
とができる。 以上の如く、本発明の燃料電池は、高温のリン
酸に安定であり、リン酸の保持力の大きい電解質
保持用マトリツクスを有する燃料電池の提供を可
能とするもので、産業上の効果の大なるものであ
る。
[Table] Comparison of viscosity of phosphoric acid electrolyte retention matrices with % added. The viscosity was measured by applying a load of 50 kg to 5 g of a phosphoric acid electrolyte holding matrix on a flat plate, and examining the spread area. Table 1 shows that by using an inorganic binder, it is possible to obtain binding properties comparable to those of polytetrafluoroethylene. In the phosphoric acid electrolyte holding matrix of the example, one having a phosphoric acid holding power three times or more compared to the conventional matrix was obtained. Example (2) To 25 g of silicon carbide used in Example (1), 12.2 g of zirconium oxychloride (ZrOCl 2 8H 2 O) was added to 50 g of water.
ml of the solution was mixed, 11 g of phosphoric acid was further added, and the mixture was heated at 200° C. for 15 hours to prepare an electrolyte retention matrix. This matrix was applied onto a known gas diffusion electrode to a thickness of 0.3 mm.
The other gas diffusion electrode was stacked and integrated to assemble a fuel cell. The gas diffusion electrode is made by coating carbon powder carrying a small amount of platinum on carbon paper. Figures 2 and 3 respectively show the current density-voltage characteristics of a fuel cell using the phosphoric acid electrolyte retention matrix of this example and the 200mA/cm 2
The change in battery voltage over time during continuous discharge at a current density of
This is shown in comparison with the characteristics of a fuel cell using polytetrafluoroethylene as a binder in silicon carbide. The discharge time (h) and the voltage (V) are plotted on the vertical axes of both figures, with A and C showing the example, and B and D showing the conventional example. As is clear from FIGS. 2 and 3, when the phosphoric acid electrolyte retention matrix of the example is used, there is no drop in voltage due to increase in current density or drop in voltage due to elapse of discharge time. This results in better performance compared to the conventional case. This performance improvement is based on the fact that the phosphate salt used as the binder has good affinity with phosphoric acid and has a large phosphoric acid retention ability. moreover,
Figures 2 and 3 show the results at an operating temperature of 190°C, and show that stable results can be obtained even at high temperatures when the phosphoric acid electrolyte holding matrix of the example is used. In addition, in Example (2), an example was shown in which a zirconium salt was used to generate the phosphate electrolyte holding matrix, but the same effect can be obtained by using a salt solution of tin, titanium, silicon, or aluminum. Can be done. As described above, the fuel cell of the present invention is stable against high-temperature phosphoric acid and has an electrolyte retention matrix that has a large phosphoric acid retention capacity, and has great industrial effects. It is what it is.

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

第1図は、リン酸電解質保持用マトリツクスを
有する燃料電池の原理的構成を示す断面図、第2
図および第3図は、本発明の燃料電池の一実施例
の特性を従来の燃料電池の特性との比較において
示した特性線図である。 1…アノード、2…カソード、3…リン酸電解
質保持用マトリツクス。
Figure 1 is a cross-sectional view showing the basic structure of a fuel cell having a phosphoric acid electrolyte holding matrix;
3 and 3 are characteristic diagrams showing the characteristics of an embodiment of the fuel cell of the present invention in comparison with the characteristics of a conventional fuel cell. 1... Anode, 2... Cathode, 3... Phosphoric acid electrolyte holding matrix.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 一対のガス拡散電極と、リン酸を電解質とし
て保持するマトリツクスとを有する燃料電池にお
いて、前記マトリツクスが、リン酸と反応しない
固体粒子と金属リン酸塩バインダーからなる多孔
質体よりなることを特徴とする燃料電池。 2 前記金属リン酸塩が、ジルコニウム,スズ,
チタン,ケイ素,アルミニウムよりなる群から選
ばれた少くとも一種類の金属の金属リン酸塩であ
る特許請求の範囲第1項記載の燃料電池。 3 前記固体粒子が、炭化ケイ素である特許請求
の範囲第1項または第2項記載の燃料電池。
[Scope of Claims] 1. A fuel cell having a pair of gas diffusion electrodes and a matrix holding phosphoric acid as an electrolyte, wherein the matrix is a porous structure consisting of solid particles that do not react with phosphoric acid and a metal phosphate binder. A fuel cell characterized by consisting of a body. 2 The metal phosphate is zirconium, tin,
The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell is a metal phosphate of at least one metal selected from the group consisting of titanium, silicon, and aluminum. 3. The fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the solid particles are silicon carbide.
JP56141525A 1981-09-07 1981-09-07 Fuel battery Granted JPS5842181A (en)

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EP82108208A EP0074111B1 (en) 1981-09-07 1982-09-06 Fuel cell
DE8282108208T DE3268833D1 (en) 1981-09-07 1982-09-06 Fuel cell
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS575268A (en) * 1980-06-11 1982-01-12 Sanyo Electric Co Ltd Fuel cell

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS575268A (en) * 1980-06-11 1982-01-12 Sanyo Electric Co Ltd Fuel cell

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