JPH10270057A - 固体高分子型燃料電池 - Google Patents
固体高分子型燃料電池Info
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- JPH10270057A JPH10270057A JP9067548A JP6754897A JPH10270057A JP H10270057 A JPH10270057 A JP H10270057A JP 9067548 A JP9067548 A JP 9067548A JP 6754897 A JP6754897 A JP 6754897A JP H10270057 A JPH10270057 A JP H10270057A
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- H01M4/90—Selection of catalytic material
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- H01M4/925—Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers
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- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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- Y02E60/50—Fuel cells
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Abstract
(57)【要約】
【課題】燃料ガス中に多量のＣＯが含まれていても燃料
極の触媒がＣＯで被毒されのを抑制でき、同時に良好な
電池電圧特性が得られる固体高分子型燃料電池を提供す
る。 【解決手段】高分子電解質膜１０に接触する側に50重量
％末満のルテニウムを含有した第１の白金−ルテニウム
触媒層２３を備え、ガス拡散層側に50重量％以上のルテ
ニウムを含有した第２の白金−ルテニウム触媒層２２を
備えた燃料極１１を組込んでいる。
極の触媒がＣＯで被毒されのを抑制でき、同時に良好な
電池電圧特性が得られる固体高分子型燃料電池を提供す
る。 【解決手段】高分子電解質膜１０に接触する側に50重量
％末満のルテニウムを含有した第１の白金−ルテニウム
触媒層２３を備え、ガス拡散層側に50重量％以上のルテ
ニウムを含有した第２の白金−ルテニウム触媒層２２を
備えた燃料極１１を組込んでいる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、水素イオン伝導性
を有する高分子膜あるいは水素イオン伝導性を有する無
機または有機材料粉末と結着剤としての高分子材料との
複合材を電解質として用いる固体高分子型燃料電池に関
する。
を有する高分子膜あるいは水素イオン伝導性を有する無
機または有機材料粉末と結着剤としての高分子材料との
複合材を電解質として用いる固体高分子型燃料電池に関
する。
【０００２】
【従来の技術】近年、高効率のエネルギ変換装置とし
て、燃料電池が注目を集めている。燃料電池は、用いる
電解質の種類により、たとえばアルカリ型，固体高分子
型，リン酸型などの低温作動燃料電池と、溶融炭酸塩
型，固体酸化物型などの高温作動燃料電池とに大別され
る。
て、燃料電池が注目を集めている。燃料電池は、用いる
電解質の種類により、たとえばアルカリ型，固体高分子
型，リン酸型などの低温作動燃料電池と、溶融炭酸塩
型，固体酸化物型などの高温作動燃料電池とに大別され
る。
【０００３】これらのうち、電解質としてイオン伝導性
を有する高分子電解質膜を用いる固体高分子型燃料電池
は、コンパクトな構造で高出力密度が得られることか
ら、宇宙用、離島用、定地用、車両用などの電源として
注目されている。
を有する高分子電解質膜を用いる固体高分子型燃料電池
は、コンパクトな構造で高出力密度が得られることか
ら、宇宙用、離島用、定地用、車両用などの電源として
注目されている。
【０００４】プロトン伝導型の燃料電池では、電解質と
電極との界面で触媒の存在下において、燃料極側から供
給される水素濃度の高い燃料ガスと、酸化剤極側から供
給される酸素あるいは空気とで、 燃料極：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ …(1) 酸化剤極：１／２Ｏ2 ＋２Ｈ+ ＋２ｅ→Ｈ2 Ｏ …(2) で表される電気化学的な反応式により発電が行われる。
触媒としては、通常、白金カーボン担持触媒が使われ
る。上記反応式において、電子は燃料極から酸化剤極へ
と外部回路を通して移動し、プロトンは電解質中を移動
し、反応生成物としで酸化剤極側で生成水がつくられ
る。
電極との界面で触媒の存在下において、燃料極側から供
給される水素濃度の高い燃料ガスと、酸化剤極側から供
給される酸素あるいは空気とで、 燃料極：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ …(1) 酸化剤極：１／２Ｏ2 ＋２Ｈ+ ＋２ｅ→Ｈ2 Ｏ …(2) で表される電気化学的な反応式により発電が行われる。
触媒としては、通常、白金カーボン担持触媒が使われ
る。上記反応式において、電子は燃料極から酸化剤極へ
と外部回路を通して移動し、プロトンは電解質中を移動
し、反応生成物としで酸化剤極側で生成水がつくられ
る。
【０００５】このような固体高分子型燃料電池の燃料と
しては、純水素が用いられる場合もあるが、多くの場
合、メタノ一ルなどのアルコール系の燃料またはメタン
ガスなどの炭化水素系の燃料を改質することによって得
られた水素の豊富な改質ガスが用いられる。
しては、純水素が用いられる場合もあるが、多くの場
合、メタノ一ルなどのアルコール系の燃料またはメタン
ガスなどの炭化水素系の燃料を改質することによって得
られた水素の豊富な改質ガスが用いられる。
【０００６】たとえば、メタノール改質の場合を例にと
ると、200 〜300 ℃で水蒸気を加えたとき、(3) 式に示
すように、炭酸ガスと水素とが生成される反応となる。
ると、200 〜300 ℃で水蒸気を加えたとき、(3) 式に示
すように、炭酸ガスと水素とが生成される反応となる。
【０００７】 ＣＨ3 ＯＨ＋Ｈ2 Ｏ→ＣＯ2 ＋３Ｈ2 …(3) これ以外に、 ＣＨ3 ＯＨ→ＣＯ2 ＋２Ｈ2 …(4) の反応も起こる。また、全体としては炭酸ガスや水素以
外に副生成物としての1〜5 ％のＣＯを含んだものとな
る。
外に副生成物としての1〜5 ％のＣＯを含んだものとな
る。
【０００８】ところで、副生成物のＣＯを含む改質ガス
を電池の燃料極に直接供給すると、ＣＯが燃料極の白金
触媒に吸着する現象が起こり、白金触媒が被毒される。
触媒がＣＯによって被毒されると、燃料極の反応が阻害
されて電池性能が低下する。固体高分子型燃料電池は作
動温度が常温〜80℃と低いため、数10ppm 程度のＣＯで
燃料極触媒の被毒が起る。文献（R.A.Lemons,J.Power S
ources,25,251,1990）によれば、固体高分子型燃料電池
の80℃作動時におけるＣＯ許容濃度は10ppm と報告され
ている。
を電池の燃料極に直接供給すると、ＣＯが燃料極の白金
触媒に吸着する現象が起こり、白金触媒が被毒される。
触媒がＣＯによって被毒されると、燃料極の反応が阻害
されて電池性能が低下する。固体高分子型燃料電池は作
動温度が常温〜80℃と低いため、数10ppm 程度のＣＯで
燃料極触媒の被毒が起る。文献（R.A.Lemons,J.Power S
ources,25,251,1990）によれば、固体高分子型燃料電池
の80℃作動時におけるＣＯ許容濃度は10ppm と報告され
ている。
【０００９】このため、通常は、改質器から出たガスを
シフトコンバータやＣＯ酸化除去装置などに通してＣＯ
濃度を低減させて電池の燃料極に供給する方式がとられ
ている。しかし、ＣＯ濃度を確実に許容値の10ppm 以下
に低減することは難しく、このため複数段に亙って選択
酸化などのＣＯ除去装置を設置する必要があり、システ
ム構成が複雑で大掛かりなものになるという問題があつ
た。
シフトコンバータやＣＯ酸化除去装置などに通してＣＯ
濃度を低減させて電池の燃料極に供給する方式がとられ
ている。しかし、ＣＯ濃度を確実に許容値の10ppm 以下
に低減することは難しく、このため複数段に亙って選択
酸化などのＣＯ除去装置を設置する必要があり、システ
ム構成が複雑で大掛かりなものになるという問題があつ
た。
【００１０】そこで、この問題を回避するために、ＣＯ
に被毒されにくい触媒、たとえば白金−ルテニウム触媒
を燃料極の触媒として使用することが考えられる。ルテ
ニウムはＣＯを酸化させる。このため、白金ールテニウ
ム触媒は、白金触媒と比較してＣＯ被毒に対する耐性が
格段に優れており、特にルテニウムが50重量％以上の白
金−ルテニウム触媒では被毒による電圧低下を抑えるこ
とが可能である（特開平７−１８３０８１号公報）。
に被毒されにくい触媒、たとえば白金−ルテニウム触媒
を燃料極の触媒として使用することが考えられる。ルテ
ニウムはＣＯを酸化させる。このため、白金ールテニウ
ム触媒は、白金触媒と比較してＣＯ被毒に対する耐性が
格段に優れており、特にルテニウムが50重量％以上の白
金−ルテニウム触媒では被毒による電圧低下を抑えるこ
とが可能である（特開平７−１８３０８１号公報）。
【００１１】しかしながら、ルテニウムは白金に比べて
本来の電極反応として要求される水素酸化の活性が低
い。ルテニウム濃度の高い触媒ほど耐ＣＯ被毒性に優れ
ているが、一方においては白金濃度が相対的に低くなる
ため、従来の白金触媒を用いた電池の運転開始時の電圧
よりも低い電池電圧しか得られない。このように、白金
一ルテニウム触媒では耐ＣＯ被毒性と水素酸化活性とが
相反する関係にあるため、これらを同時に得ることが困
難であった。
本来の電極反応として要求される水素酸化の活性が低
い。ルテニウム濃度の高い触媒ほど耐ＣＯ被毒性に優れ
ているが、一方においては白金濃度が相対的に低くなる
ため、従来の白金触媒を用いた電池の運転開始時の電圧
よりも低い電池電圧しか得られない。このように、白金
一ルテニウム触媒では耐ＣＯ被毒性と水素酸化活性とが
相反する関係にあるため、これらを同時に得ることが困
難であった。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】上述の如く、燃料改質
系の単純化を図るために、燃料極の触媒としてＣＯを酸
化させるルテニウムを多く含んだ白金−ルテニウム触媒
を用いた従来の固体高分子型燃料電池にあっては、燃料
極に白金触媒を用いた電池の運転開始時の電池電圧よ
り、低い電圧しか得られない問題があった。
系の単純化を図るために、燃料極の触媒としてＣＯを酸
化させるルテニウムを多く含んだ白金−ルテニウム触媒
を用いた従来の固体高分子型燃料電池にあっては、燃料
極に白金触媒を用いた電池の運転開始時の電池電圧よ
り、低い電圧しか得られない問題があった。
【００１３】そこで本発明は、燃料ガス中にＣＯが250
〜1000ppm 含有していても燃料極の触媒がＣＯで被毒さ
れるのを抑制でき、同時に良好な電池電圧特性を得るこ
とのできる固体高分子型燃料電池を提供することを目的
としている。
〜1000ppm 含有していても燃料極の触媒がＣＯで被毒さ
れるのを抑制でき、同時に良好な電池電圧特性を得るこ
とのできる固体高分子型燃料電池を提供することを目的
としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る固体高分子型燃料電池は、高分子電解
質膜に接触する側に50重量％末満のルテニウムを含有し
た第１の白金−ルテニウム触媒層を備え、ガス拡散層側
に50重量％以上のルテニウムを含有した第２の白金−ル
テニウム触媒層を備えた燃料極を具備してなることを特
徴としている。なお、第１および第２の白金ールテニウ
ム触媒層を構成する白金−ルテニウムは、合金化されて
いることが好ましい。
に、本発明に係る固体高分子型燃料電池は、高分子電解
質膜に接触する側に50重量％末満のルテニウムを含有し
た第１の白金−ルテニウム触媒層を備え、ガス拡散層側
に50重量％以上のルテニウムを含有した第２の白金−ル
テニウム触媒層を備えた燃料極を具備してなることを特
徴としている。なお、第１および第２の白金ールテニウ
ム触媒層を構成する白金−ルテニウムは、合金化されて
いることが好ましい。
【００１５】触媒のＣＯ被毒は、ＣＯが白金上の反応サ
イトヘ化学吸着することで生じる。白金−ルテニウム触
媒の場合、ルテニウムの存在により白金触媒と比較して
反応サイトとＣＯとの間に働く相互作用が弱く、ＣＯの
反応サイトへの吸着力は弱い。その傾向はルテニウムの
濃度に依存する。
イトヘ化学吸着することで生じる。白金−ルテニウム触
媒の場合、ルテニウムの存在により白金触媒と比較して
反応サイトとＣＯとの間に働く相互作用が弱く、ＣＯの
反応サイトへの吸着力は弱い。その傾向はルテニウムの
濃度に依存する。
【００１６】本発明に係る固体高分子型燃料電池では、
燃料極に供給される燃料ガスが高分子電解質膜との反応
界面に移行する経路上でガスの流れ方向の上流側にルテ
ニウム含有量の多い第２の白金−ルテニウム触媒層を位
置させているので、この第２の白金−ルテニウム触媒層
によって高濃度のＣＯが反応サイトへ移行するのをブロ
ックすることができる。すなわち、ルテニウム含有量の
多い第２の白金−ルテニウム触媒層は、反応界面に位置
しているルテニウム含有量の少ない第１の白金−ルテニ
ウム触媒層を保護する役割を発揮する。したがって、反
応界面に位置しているルテニウム含有量の少ない第１の
白金−ルテニウム触媒層は、電極反応が阻害されること
なく、高い水素酸化活性を維持することができる。この
機能は、ＣＯ濃度が250 〜1000ppm においても発揮され
る。
燃料極に供給される燃料ガスが高分子電解質膜との反応
界面に移行する経路上でガスの流れ方向の上流側にルテ
ニウム含有量の多い第２の白金−ルテニウム触媒層を位
置させているので、この第２の白金−ルテニウム触媒層
によって高濃度のＣＯが反応サイトへ移行するのをブロ
ックすることができる。すなわち、ルテニウム含有量の
多い第２の白金−ルテニウム触媒層は、反応界面に位置
しているルテニウム含有量の少ない第１の白金−ルテニ
ウム触媒層を保護する役割を発揮する。したがって、反
応界面に位置しているルテニウム含有量の少ない第１の
白金−ルテニウム触媒層は、電極反応が阻害されること
なく、高い水素酸化活性を維持することができる。この
機能は、ＣＯ濃度が250 〜1000ppm においても発揮され
る。
【００１７】なお、第１および第２の白金−ルテニウム
触媒層を構成する白金−ルテニウムは、混合形態より、
合金形態の方が好ましい。合金形態にすると、白金とル
テニウムとを均一に分布させることができるので、ＣＯ
の酸化場所と水素の酸化場所とを均一に分布させること
ができ、この結果として混合形態に比べて電池電圧を高
めることができる。
触媒層を構成する白金−ルテニウムは、混合形態より、
合金形態の方が好ましい。合金形態にすると、白金とル
テニウムとを均一に分布させることができるので、ＣＯ
の酸化場所と水素の酸化場所とを均一に分布させること
ができ、この結果として混合形態に比べて電池電圧を高
めることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら発明の
実施形態を説明する。
実施形態を説明する。
【００１９】図１には本発明の一実施形態に係る固体高
分子型燃料電池における単位セル１が示されている。
分子型燃料電池における単位セル１が示されている。
【００２０】この単位セル１は、高分子電解質膜１０
と、この高分子電解質膜１０を相互で挾持するように配
置された燃料極１１および酸化剤極１２と、燃料極１１
の背面に接触配置された多孔質体製の燃料極側集電体１
３と、酸化剤極１２の背面に接触配置された酸化剤極側
集電体１４と、燃料極側集電体１３の燃料極１１に接触
する面に形成されて燃料極１１に燃料ガスを分配供給す
る複数の燃料供給溝１５と、酸化剤極側集電体１４の酸
化剤極１２に接触する面に形成されて酸化剤極１２に酸
化剤ガスを分配供給する複数の酸化剤供給溝１６とを含
んでいる。
と、この高分子電解質膜１０を相互で挾持するように配
置された燃料極１１および酸化剤極１２と、燃料極１１
の背面に接触配置された多孔質体製の燃料極側集電体１
３と、酸化剤極１２の背面に接触配置された酸化剤極側
集電体１４と、燃料極側集電体１３の燃料極１１に接触
する面に形成されて燃料極１１に燃料ガスを分配供給す
る複数の燃料供給溝１５と、酸化剤極側集電体１４の酸
化剤極１２に接触する面に形成されて酸化剤極１２に酸
化剤ガスを分配供給する複数の酸化剤供給溝１６とを含
んでいる。
【００２１】なお、図１中、１７，１８は、高分子電解
質膜１０，燃料極１１および酸化剤極１２からなる膜電
極複合体の周囲を取り囲んで燃料ガスおよび酸化剤ガス
の漏洩を防止するとともに燃料極側集電体１３と酸化剤
極側集電体１４との間の絶縁を確保する額縁状のシール
材を示している。
質膜１０，燃料極１１および酸化剤極１２からなる膜電
極複合体の周囲を取り囲んで燃料ガスおよび酸化剤ガス
の漏洩を防止するとともに燃料極側集電体１３と酸化剤
極側集電体１４との間の絶縁を確保する額縁状のシール
材を示している。
【００２２】高分子電解質膜１０，燃料極１１および酸
化剤極１２は、シート状に形成されており、内部抵抗低
減のためにその厚みはたとえば１mm以下に形成されてい
る。また、高分子電解質膜１０，燃料極１１および酸化
剤極１２の対向面積は、発電に必要な電流密度によって
決定される。
化剤極１２は、シート状に形成されており、内部抵抗低
減のためにその厚みはたとえば１mm以下に形成されてい
る。また、高分子電解質膜１０，燃料極１１および酸化
剤極１２の対向面積は、発電に必要な電流密度によって
決定される。
【００２３】ここで、燃料極１１としては次のような工
程を経て形成されたものが用いられている。すなわち、
カーボン多孔質体の表面上にカーボン粉末とＰＴＦＥ分
散液とのスラリーを塗布し、これを大気中で焼結してガ
ス拡触層２１を形成した。このガス拡散層２１の一表面
に、ルテニウムが80重量％の白金・ルテニウム合金／カ
ーボン担持触媒とフッ素系高分子溶液と水とを混合して
得たスラリーを乾燥後の白金担持量が0.3mg/cm2 となる
まで塗布してルテニウムをより多く含む白金−ルテニウ
ム触媒層（第２の白金−ルテニウム触媒層）２２を形成
した。次に、この白金−ルテニウム触媒層２２の上に、
ルテニウムが20重量％の白金・ルテニウム合金／カーボ
ン担持触媒とフッ素系高分子溶液と水とを混合して得た
スラリーを乾燥後の白金担持量が0.3mg/cm2 となるまで
塗布してルテニウム含有量の少ない白金−ルテニウム触
媒層（第１の白金−ルテニウム触媒層）２３を形成し
た。このようにして電極面積が 9cm2 の燃料極１１を完
成させた。
程を経て形成されたものが用いられている。すなわち、
カーボン多孔質体の表面上にカーボン粉末とＰＴＦＥ分
散液とのスラリーを塗布し、これを大気中で焼結してガ
ス拡触層２１を形成した。このガス拡散層２１の一表面
に、ルテニウムが80重量％の白金・ルテニウム合金／カ
ーボン担持触媒とフッ素系高分子溶液と水とを混合して
得たスラリーを乾燥後の白金担持量が0.3mg/cm2 となる
まで塗布してルテニウムをより多く含む白金−ルテニウ
ム触媒層（第２の白金−ルテニウム触媒層）２２を形成
した。次に、この白金−ルテニウム触媒層２２の上に、
ルテニウムが20重量％の白金・ルテニウム合金／カーボ
ン担持触媒とフッ素系高分子溶液と水とを混合して得た
スラリーを乾燥後の白金担持量が0.3mg/cm2 となるまで
塗布してルテニウム含有量の少ない白金−ルテニウム触
媒層（第１の白金−ルテニウム触媒層）２３を形成し
た。このようにして電極面積が 9cm2 の燃料極１１を完
成させた。
【００２４】一方、酸化剤極１２としては次のような工
程を経て形成されたものが用いられている。すなわち、
カーボン多孔質体の表面上にカーボン粉末とＰＴＦＥ分
散液とのスラリーを塗布し、これを大気中で焼結してガ
ス拡触層２４を形成した。このガス拡散層２４の一表面
に白金カーボン担持触媒とフッ素系高分子溶液と水とを
混合して得たスラリーを塗布し乾燥させて白金触媒層２
５を形成した。このようにして電極面積が 9cm2 の酸化
剤極１２を完成させた。
程を経て形成されたものが用いられている。すなわち、
カーボン多孔質体の表面上にカーボン粉末とＰＴＦＥ分
散液とのスラリーを塗布し、これを大気中で焼結してガ
ス拡触層２４を形成した。このガス拡散層２４の一表面
に白金カーボン担持触媒とフッ素系高分子溶液と水とを
混合して得たスラリーを塗布し乾燥させて白金触媒層２
５を形成した。このようにして電極面積が 9cm2 の酸化
剤極１２を完成させた。
【００２５】このようにして得られた燃料極１１の白金
−ルテニウム触媒層２３が高分子電解質膜１０の一方の
面に接触し、酸化剤極１２の白金触媒層２５が高分子電
解質膜１０の他方の面に接触するように、燃料極１１と
酸化剤極１２とで高分子電解質膜１０を挟んでホットプ
レスし、この膜電極複合体と額縁状のシール材１７，１
８とを燃料極側集電体１３と酸化剤極側集電体１４との
間に配置し、積層方向に締めつけて単位セル１としてい
る。
−ルテニウム触媒層２３が高分子電解質膜１０の一方の
面に接触し、酸化剤極１２の白金触媒層２５が高分子電
解質膜１０の他方の面に接触するように、燃料極１１と
酸化剤極１２とで高分子電解質膜１０を挟んでホットプ
レスし、この膜電極複合体と額縁状のシール材１７，１
８とを燃料極側集電体１３と酸化剤極側集電体１４との
間に配置し、積層方向に締めつけて単位セル１としてい
る。
【００２６】一方、参考例として、燃料極の触媒層が異
なるのみで他は同じ条件の５種類の単位セル、すなわ
ち、燃料極の触媒層が(a) Ｐｔ触媒層のみ、(b) Ｐｔ−
Ｒｕ（20重量％）合金触媒層のみ、(c) Ｐｔ−Ｒｕ（４
0 重量％）合金触媒層のみ、(d) Ｐｔ−Ｒｕ（６0 重量
％）合金触媒層のみ、(e) Ｐｔ−Ｒｕ（８0 重量％）合
金触媒層のみの５種類の単位セルを組み立てた。
なるのみで他は同じ条件の５種類の単位セル、すなわ
ち、燃料極の触媒層が(a) Ｐｔ触媒層のみ、(b) Ｐｔ−
Ｒｕ（20重量％）合金触媒層のみ、(c) Ｐｔ−Ｒｕ（４
0 重量％）合金触媒層のみ、(d) Ｐｔ−Ｒｕ（６0 重量
％）合金触媒層のみ、(e) Ｐｔ−Ｒｕ（８0 重量％）合
金触媒層のみの５種類の単位セルを組み立てた。
【００２７】このようにして得られた合計６種類の単位
セルについて、電池温度80℃で発電試験を行った。な
お、燃料ガス供給庄力を2kg/cm2 とし、120 ℃でバブリ
ングして燃料供給溝１５に流した。また、酸化剤供給圧
力も2kg/cm2 とし、酸化剤として空気を酸化剤供給溝１
６に流した。そして、燃料ガスとしてＣＯを含まない改
質模擬ガスを供給したときと、ＣＯを500ppm含有した改
質模擬ガスを供給したときとの電流密度0.4A/cm 2 にお
ける電池電圧を調べたところ、図２に示す結果が得られ
た。
セルについて、電池温度80℃で発電試験を行った。な
お、燃料ガス供給庄力を2kg/cm2 とし、120 ℃でバブリ
ングして燃料供給溝１５に流した。また、酸化剤供給圧
力も2kg/cm2 とし、酸化剤として空気を酸化剤供給溝１
６に流した。そして、燃料ガスとしてＣＯを含まない改
質模擬ガスを供給したときと、ＣＯを500ppm含有した改
質模擬ガスを供給したときとの電流密度0.4A/cm 2 にお
ける電池電圧を調べたところ、図２に示す結果が得られ
た。
【００２８】この図から判るように、本実施形態に係る
電池では、ＣＯを含まない改質模擬ガスを供給したとき
の電圧がＰｔ触媒層のみを用いた電池のＣＯを含まない
改質模擬ガスを供給したときの電圧とほぼ同じ値を示し
ている。また、ＣＯを500ppm含有した改質摸擬ガスを供
給した試験では、参考例(a) 〜(e) の電池では電圧が著
しく低下したのに対し、本実施形態に係る電池では50mV
程度の低下となった。また、本実施形態に係る電池の場
合、ＣＯ濃度が300ppm以下での電圧低下は高々10〜30mV
程度であった。
電池では、ＣＯを含まない改質模擬ガスを供給したとき
の電圧がＰｔ触媒層のみを用いた電池のＣＯを含まない
改質模擬ガスを供給したときの電圧とほぼ同じ値を示し
ている。また、ＣＯを500ppm含有した改質摸擬ガスを供
給した試験では、参考例(a) 〜(e) の電池では電圧が著
しく低下したのに対し、本実施形態に係る電池では50mV
程度の低下となった。また、本実施形態に係る電池の場
合、ＣＯ濃度が300ppm以下での電圧低下は高々10〜30mV
程度であった。
【００２９】一方、ＣＯ濃度と電池電圧との関係を調べ
たところ、図３に示す結果が得られた。本実施形態に係
る電池では、ＣＯ濃度が1000ppm の場合でも、ＣＯ濃度
が0ppmのときの電圧に対して電圧低下が18％程度と極め
て少ないことが判った。これは、燃料ガスが高分子電解
質膜１０との反応界面に移行する経路上で上流側にルテ
ニウム含有量の多い白金−ルテニウム触媒層２２を位置
させ、下流側、つまり反応界面側にルテニウム含有量の
少ない白金−ルテニウム触媒層２３を位置させているの
で、白金−ルテニウム触媒層２３側に移行しようとする
高濃度のＣＯを白金−ルテニウム触媒層２２のルテニウ
ムで酸化し、反応界面に濃度の高いＣＯが移行するのを
阻止していることによる。
たところ、図３に示す結果が得られた。本実施形態に係
る電池では、ＣＯ濃度が1000ppm の場合でも、ＣＯ濃度
が0ppmのときの電圧に対して電圧低下が18％程度と極め
て少ないことが判った。これは、燃料ガスが高分子電解
質膜１０との反応界面に移行する経路上で上流側にルテ
ニウム含有量の多い白金−ルテニウム触媒層２２を位置
させ、下流側、つまり反応界面側にルテニウム含有量の
少ない白金−ルテニウム触媒層２３を位置させているの
で、白金−ルテニウム触媒層２３側に移行しようとする
高濃度のＣＯを白金−ルテニウム触媒層２２のルテニウ
ムで酸化し、反応界面に濃度の高いＣＯが移行するのを
阻止していることによる。
【００３０】なお、上述した説明から判るように、上流
側に設けられる白金−ルテニウム触媒層２２はＣＯを酸
化する役目を果たす必要があるので、ルテニウム含有量
が50重量％以上であることが必要である。また、下流側
に設けられる白金−ルテニウム触媒層２３は水素を酸化
する役目を果たす必要があるので、ルテニウム含有量が
50重量％未満であることが必要である。
側に設けられる白金−ルテニウム触媒層２２はＣＯを酸
化する役目を果たす必要があるので、ルテニウム含有量
が50重量％以上であることが必要である。また、下流側
に設けられる白金−ルテニウム触媒層２３は水素を酸化
する役目を果たす必要があるので、ルテニウム含有量が
50重量％未満であることが必要である。
【００３１】また、上述した例では、白金−ルテニウム
合金触媒を用いているが、必ずしも合金触媒である必要
はない。ただし、ＣＯ被毒に対する耐性は白金−ルテニ
ウム混合触媒に比べて合金触媒の方が大きいので、白金
−ルテニウム合金触媒を用いることが好ましい。
合金触媒を用いているが、必ずしも合金触媒である必要
はない。ただし、ＣＯ被毒に対する耐性は白金−ルテニ
ウム混合触媒に比べて合金触媒の方が大きいので、白金
−ルテニウム合金触媒を用いることが好ましい。
【００３２】また、燃料極の触媒として白金、ルテニウ
ムに加えてこれ以外の貴金属を含有する３元系の触媒を
用いても同じ効果を得ることができる。また、酸化剤極
の触媒には白金触媒の他に合金触媒を使用してもよい。
また、固体高分子型燃料電池では、燃料極側から加湿す
る方式もあるが、このような方式のものに本発明を適用
しても被毒の抑制効果を得ることができる。さらに、燃
料としは改質ガス以外にメタノ一ルなどの液体燃料を直
接燃料極に供給して発電する燃料電池においても同等の
効果が得られる。
ムに加えてこれ以外の貴金属を含有する３元系の触媒を
用いても同じ効果を得ることができる。また、酸化剤極
の触媒には白金触媒の他に合金触媒を使用してもよい。
また、固体高分子型燃料電池では、燃料極側から加湿す
る方式もあるが、このような方式のものに本発明を適用
しても被毒の抑制効果を得ることができる。さらに、燃
料としは改質ガス以外にメタノ一ルなどの液体燃料を直
接燃料極に供給して発電する燃料電池においても同等の
効果が得られる。
【００３３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
燃料ガス中に250ppmを越えるＣＯが含まれている場合で
も、燃料極の触媒がＣＯで被毒されるのを抑制でき、同
時に良好な電池電圧特性を得ることができる。
燃料ガス中に250ppmを越えるＣＯが含まれている場合で
も、燃料極の触媒がＣＯで被毒されるのを抑制でき、同
時に良好な電池電圧特性を得ることができる。
【図１】本発明の一実施形態に係る固体高分子型燃料電
池における単位セルの縦断面図
池における単位セルの縦断面図
【図２】同単位セルの特性を参考例のセルと比較して示
す図
す図
【図３】同単位セルの特性を参考例のセルと比較して示
す図
す図
１…単位セル １０…高分子電解質膜 １１…燃料極 １２…酸化剤極 １３…燃料極側集電体 １４…酸化剤極側集電体 １５…燃料供給溝 １６…酸化剤供給溝 １７，１８…額縁状のシール材 ２１，２４…ガス拡散層 ２２…ルテニウム含有量の多い白金−ルテニウム触媒層 ２３…ルテニウム含有量の少ない白金−ルテニウム触媒
層 ２５…白金触媒層
層 ２５…白金触媒層
Claims (3)
- 【請求項１】高分子電解質膜に接触する側に50重量％末
満のルテニウムを含有した第１の白金−ルテニウム触媒
層を備え、ガス拡散層側に50重量％以上のルテニウムを
含有した第２の白金−ルテニウム触媒層を備えた燃料極
を具備してなることを特徴とする固体高分子型燃料電
池。 - 【請求項２】前記第１および第２の白金ールテニウム触
媒層を構成している白金−ルテニウムは、合金化されて
いることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃
料電池。 - 【請求項３】前記燃料極に供給される燃料ガスは、一酸
化炭素を250 〜1000 ppm含んでいることを特徴とする請
求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9067548A JPH10270057A (ja) | 1997-03-21 | 1997-03-21 | 固体高分子型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9067548A JPH10270057A (ja) | 1997-03-21 | 1997-03-21 | 固体高分子型燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10270057A true JPH10270057A (ja) | 1998-10-09 |
Family
ID=13348138
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9067548A Pending JPH10270057A (ja) | 1997-03-21 | 1997-03-21 | 固体高分子型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10270057A (ja) |
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH11250918A (ja) * | 1997-12-19 | 1999-09-17 | Degussa Ag | 白金／ルテニウム合金触媒、その製造方法、およびガス拡散電極、膜電極ユニットならびにｐｅｍ燃料電池用のプロトン伝導性ポリマー膜 |
| WO1999066576A1 (fr) * | 1998-06-16 | 1999-12-23 | Tanaka Kikinzoku Kogyo K.K. | Catalyseur pour pile a combustible du type a electrolyte solide polymere et procede de production d'un catalyseur pour une telle pile |
| JP2002025561A (ja) * | 2000-07-03 | 2002-01-25 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 高分子電解質型燃料電池とその製造方法 |
| US6602630B1 (en) * | 2000-03-14 | 2003-08-05 | The Electrosynthesis Company, Inc. | Membrane electrode assemblies for electrochemical cells |
| WO2003069713A1 (en) * | 2002-01-24 | 2003-08-21 | The Electrosynthesis Company, Inc. | Membrane electrode assemblies for electrochemical cells |
| JP2005302694A (ja) * | 2004-03-17 | 2005-10-27 | Nitto Denko Corp | 燃料電池 |
| JP2006244840A (ja) * | 2005-03-03 | 2006-09-14 | Dainippon Printing Co Ltd | ガス拡散電極、その製造方法及び電極−電解質膜積層体 |
| JP2008500688A (ja) * | 2004-05-26 | 2008-01-10 | ジョンソン、マッセイ、パブリック、リミテッド、カンパニー | アノード構造 |
| JP2009087567A (ja) * | 2007-09-27 | 2009-04-23 | Sanyo Electric Co Ltd | 膜電極接合体、燃料電池および燃料電池システム |
| JP2009148745A (ja) * | 2007-11-26 | 2009-07-09 | Toshiba Corp | 固体触媒およびこの固体触媒を用いた燃料電池 |
| US7608358B2 (en) | 2006-08-25 | 2009-10-27 | Bdf Ip Holdings Ltd. | Fuel cell anode structure for voltage reversal tolerance |
| US8951696B2 (en) | 2008-03-28 | 2015-02-10 | Jx Nippon Oil & Energy Corporation | Fuel electrode catalyst for fuel cell, electrode/membrane assembly, and fuel cell and fuel cell system provided with the electrode/membrane assembly |
| JP2022176910A (ja) * | 2021-05-17 | 2022-11-30 | ブルーム エネルギー コーポレイション | 触媒インク組成物および水素ポンピングプロトン交換膜電気化学セルの形成方法 |
-
1997
- 1997-03-21 JP JP9067548A patent/JPH10270057A/ja active Pending
Cited By (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH11250918A (ja) * | 1997-12-19 | 1999-09-17 | Degussa Ag | 白金／ルテニウム合金触媒、その製造方法、およびガス拡散電極、膜電極ユニットならびにｐｅｍ燃料電池用のプロトン伝導性ポリマー膜 |
| WO1999066576A1 (fr) * | 1998-06-16 | 1999-12-23 | Tanaka Kikinzoku Kogyo K.K. | Catalyseur pour pile a combustible du type a electrolyte solide polymere et procede de production d'un catalyseur pour une telle pile |
| US6339038B1 (en) | 1998-06-16 | 2002-01-15 | Tanaka Kikinzoku Kogyo K. K. | Catalyst for a fuel cell containing polymer solid electrolyte and method for producing catalyst thereof |
| US6602630B1 (en) * | 2000-03-14 | 2003-08-05 | The Electrosynthesis Company, Inc. | Membrane electrode assemblies for electrochemical cells |
| JP2002025561A (ja) * | 2000-07-03 | 2002-01-25 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 高分子電解質型燃料電池とその製造方法 |
| WO2003069713A1 (en) * | 2002-01-24 | 2003-08-21 | The Electrosynthesis Company, Inc. | Membrane electrode assemblies for electrochemical cells |
| JP2005302694A (ja) * | 2004-03-17 | 2005-10-27 | Nitto Denko Corp | 燃料電池 |
| JP2008500688A (ja) * | 2004-05-26 | 2008-01-10 | ジョンソン、マッセイ、パブリック、リミテッド、カンパニー | アノード構造 |
| JP2006244840A (ja) * | 2005-03-03 | 2006-09-14 | Dainippon Printing Co Ltd | ガス拡散電極、その製造方法及び電極−電解質膜積層体 |
| US7608358B2 (en) | 2006-08-25 | 2009-10-27 | Bdf Ip Holdings Ltd. | Fuel cell anode structure for voltage reversal tolerance |
| JP2009087567A (ja) * | 2007-09-27 | 2009-04-23 | Sanyo Electric Co Ltd | 膜電極接合体、燃料電池および燃料電池システム |
| JP2009148745A (ja) * | 2007-11-26 | 2009-07-09 | Toshiba Corp | 固体触媒およびこの固体触媒を用いた燃料電池 |
| US8951696B2 (en) | 2008-03-28 | 2015-02-10 | Jx Nippon Oil & Energy Corporation | Fuel electrode catalyst for fuel cell, electrode/membrane assembly, and fuel cell and fuel cell system provided with the electrode/membrane assembly |
| JP2022176910A (ja) * | 2021-05-17 | 2022-11-30 | ブルーム エネルギー コーポレイション | 触媒インク組成物および水素ポンピングプロトン交換膜電気化学セルの形成方法 |
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