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WO2007116785A1 - 高分子電解質形燃料電池及びそれを備える燃料電池システム - Google Patents

高分子電解質形燃料電池及びそれを備える燃料電池システム Download PDF

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WO2007116785A1
WO2007116785A1 PCT/JP2007/056569 JP2007056569W WO2007116785A1 WO 2007116785 A1 WO2007116785 A1 WO 2007116785A1 JP 2007056569 W JP2007056569 W JP 2007056569W WO 2007116785 A1 WO2007116785 A1 WO 2007116785A1
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WO
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anode
fuel cell
polymer electrolyte
gas
anode gas
Prior art date
Application number
PCT/JP2007/056569
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English (en)
French (fr)
Inventor
Shinsuke Takeguchi
Yoichiro Tsuji
Original Assignee
Panasonic Corporation
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Publication date
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Priority to US12/293,338 priority patent/US20090202882A1/en
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell and a fuel cell system including the same, and more particularly to the structure of a polymer electrolyte fuel cell.
  • PEFC polymer electrolyte fuel cell
  • a hydrogen-rich fuel gas which is a modification of a source gas such as city gas, and an oxidant gas containing oxygen such as air.
  • This is a device that generates electric power and heat.
  • PEFC cells are composed of a polymer electrolyte membrane and a pair of gas diffusion electrodes (anode and force sword), MEA (Membrane—Electrode—Assembly), gasket, and electrical conductivity.
  • MEA Membrane—Electrode—Assembly
  • gasket gasket
  • electrical conductivity A separator.
  • the gas diffusion electrode has a catalyst layer and a gas diffusion layer, and the separator is provided with a groove-like gas flow path for flowing fuel gas or oxidant gas on the surface in contact with the gas diffusion electrode.
  • the fuel gas (hydrogen gas) used as fuel for PEFC power generation is a general infrastructure.
  • natural gas, propan gas, methanol, or other existing infrastructure such as gasoline is often equipped with a hydrogen generator that generates hydrogen gas by steam reforming the raw material obtained from the existing infrastructure. .
  • the fuel gas produced by the hydrogen generator contains carbon monoxide (CO) derived from the raw material from several ppm to several tens of ppm. For this reason, the anode catalyst of PEFC was poisoned by CO and the polarization of the anode was increased, resulting in a problem that the battery performance was lowered.
  • CO carbon monoxide
  • the CO selective oxidation catalyst is supported on the anode fuel gas diffusion layer, so that CO is removed before reaching the anode catalyst to avoid poisoning of the anode catalyst.
  • a fuel cell capable of performing see, for example, Patent Document 1.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 9-129243
  • Pt and Ru alloy catalyst is used as an anode catalyst as a measure against battery performance degradation due to CO poisoning. Ru in the catalyst is eluted due to potential change such as when PEFC starts and stops, There was a problem that resistance to CO decreased.
  • the PtZRu alloy is used as the catalyst because the catalyst is supported in the fuel gas diffusion layer disposed adjacent to the catalyst layer!
  • the elution of Ru and the decrease in resistance to CO did not improve.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and provides a polymer electrolyte fuel cell capable of more reliably removing CO contained in fuel gas and a fuel cell system including the same. For the purpose.
  • the polymer electrolyte fuel cell of the present invention includes a polymer electrolyte membrane, an MEA having an anode and a force sword sandwiching the polymer electrolyte membrane, and the MEA.
  • An anode gas internal supply path is provided, and a CO removal catalyst layer including a CO removal catalyst is formed in the anode gas internal supply path.
  • CO contained in the fuel gas can be removed on the upstream side of the anode constituting the PEFC, and a decrease in battery performance can be surely avoided.
  • the CO removal catalyst layer may further include a carrier supporting the CO removal catalyst.
  • the anode gas internal supply path may be a groove-shaped anode gas flow path formed on the inner surface of the anode separator.
  • an anode gas supply manifold hole penetrating in the stacking direction for supplying the fuel gas and air is formed at the start end of the anode gas flow path, and the cells are stacked.
  • the anode gas supply manifold hole communicates to form an anode gas supply manifold, and the anode gas internal supply path is constituted by the anode gas supply manifold.
  • a CO removal catalyst layer can be provided in the anode gas supply manifold formed in the cell stack, and the space in the cell stack can be used effectively.
  • a sufficient amount of the O removal catalyst can be secured, and the CO contained in the fuel gas can be reliably removed upstream of the anode constituting the PEFC.
  • the anode gas internal supply path may include the anode gas flow path and the anode gas supply manifold.
  • a CO remover may be disposed in the anode gas supply manifold.
  • the CO concentration in the fuel gas introduced into the PEFC main body can be reduced before being introduced into each cell, which is larger than when a CO removal catalyst is formed only in the anode gas internal supply path. An effect can be obtained.
  • the CO removal body includes the CO removal catalyst, a carrier carrying the CO removal catalyst, and a non-conductive and breathable container, and the carrier is attached to the container. May be stored.
  • the carrier may be contained in the container so that the inside of the container has air permeability.
  • the carrier may be formed of a porous body. [0022] The carrier may be formed in a pellet form.
  • the CO removal catalyst may contain at least one metal element selected from the metal group consisting of Pt, Ru, Pd, Au, and Rh as a constituent element.
  • the CO removal catalyst layer comprises at least two metals selected from the metal group constituting the CO removal catalyst and a metal oxide group comprising a metal oxide constituting the metal group, and Z or metal. Oxide simple substances may be supported on the carrier so as to contact each other.
  • the fuel cell system provides the polymer electrolyte fuel cell, a fuel gas supply device that supplies the fuel gas to the anode, and supplies the air to the anode gas internal supply path.
  • FIG. 1 is a block diagram schematically showing a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing an outline of a polymer electrolyte fuel cell of the fuel cell system of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a cell constituting the polymer electrolyte fuel cell shown in FIG. 2.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing the inner surface shape of the anode separator of the cell shown in FIG. 3.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a part of the configuration of a polymer electrolyte fuel cell in the fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention.
  • Fig. 6 shows a modification of the CO removal body in the polymer electrolyte fuel cell shown in Fig. 5. It is a schematic diagram shown.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing a part of the configuration of a polymer electrolyte fuel cell in the fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 1 is a block diagram schematically showing the configuration of the fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention.
  • a fuel cell system includes a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as PEFC) 100, a fuel gas supply device 101, and a fuel gas supply path 105.
  • PEFC polymer electrolyte fuel cell
  • a heat transfer medium supply device 104, a heat transfer medium supply path 110, and a heat transfer medium discharge path 111 are provided.
  • the PEFC 100 is connected with a fuel gas supply path 105, and a fuel gas supply apparatus 101 is connected to the fuel gas supply path 105.
  • the fuel gas supply device 101 supplies fuel gas to the anode 4 a of the PEFC 100 via the fuel gas supply path 105.
  • the fuel gas supply device 101 includes a plunger pump (not shown) for sending natural gas (raw material gas) supplied from the natural gas supply infrastructure to a fuel processor (not shown), and its delivery amount. And a fuel processor for reforming the delivered natural gas into a hydrogen-rich fuel gas. In the fuel processor, natural gas and steam The reformed gas and the reformed gas are produced, and the fuel gas is produced by reducing the CO contained in the reformed gas to about 1 ppm.
  • the PEFC 100 is connected to a fuel gas discharge passage 107, and the fuel gas discharge passage 107 is connected to a fuel processor of the fuel gas supply device 101.
  • An air supply path 106 is connected to the fuel gas flow path 105, and a CO oxidation air supply apparatus 102 is connected to the air supply path 106.
  • the CO oxidation air supply device 102 supplies air for oxidizing the CO contained in the fuel gas to the anode 4 a of the PEFC 100 via the air supply path 106 and the fuel gas supply path 105.
  • the CO oxidizer air supply device 102 is composed of a blower (not shown) whose air inlet is open to the atmosphere, and this blower adjusts the air supply amount by changing the rotation speed. can do.
  • the CO acid air supply device 102 may be configured to use fans such as a sirocco fan.
  • the PEFC 100 is connected to an oxidant gas supply path 108, and an oxidant gas supply apparatus 103 is connected to the oxidant gas supply path 108.
  • the oxidant gas supply device 103 supplies the oxidant gas to the power sword 4b of the PEFC 100 via the oxidant gas supply path.
  • the oxidant gas supply device 103 is configured by a blower (not shown) whose suction port is open to the atmosphere. Note that the oxidant gas supply device 103 uses a fan such as a sirocco fan.
  • PEFC100 is connected to an oxidant gas discharge passage 109, and unreacted oxidant gas is discharged out of the system.
  • the PEFC 100 is connected to a heat transfer medium supply path 110 and a heat transfer medium discharge path 111, and these flow paths are connected to the heat transfer medium supply device 104.
  • the heat transfer medium supply device 104 is configured to supply the heat transfer medium to the PEFC 100 and to cool or heat the discharged heat transfer medium in order to maintain the battery at an appropriate temperature.
  • water is used as the heat transfer medium.
  • the fuel gas containing hydrogen supplied from the fuel gas supply device 101 and the oxidant gas containing oxygen supplied from the oxidizing agent gas supply device 103 react electrochemically. Water is generated and electricity is generated. At this time, unreacted fuel gas is discharged from the fuel gas. Supplied as off-gas to the fuel processor of the fuel gas supply device 101 via the outlet 107
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing an outline of PEFC 100 of the fuel cell system of FIG.
  • the vertical direction in PEFC100 is represented as the vertical direction in the figure.
  • the PEFC 100 has a cell stack 51.
  • the cell stack 51 includes a cell laminate 50 in which cells 11 having a plate-like overall shape are laminated in the thickness direction, and first and second end plates 41a and 41b arranged at both ends of the cell laminate 50. And a fastener (not shown) that fastens the cell stack 50 and the first and second end plates 41a and 41b in the stacking direction of the cells 11. Further, the first and second end plates 41a and 41b are provided with a current collecting plate and an insulating plate, respectively, but are not shown.
  • the plate-like cell 11 extends in parallel to the vertical plane, and the stacking direction of the cells 11 is the horizontal direction.
  • An anode gas supply marker is provided above one side of the cell stack 50 (hereinafter referred to as the first side! /, U) so as to penetrate in the stacking direction of the cell stack 50.
  • a hold 221 is formed.
  • One end of the anode gas supply manifold 221 communicates with a through hole formed in the first end plate 41a, and an anode gas supply pipe 321 is connected to the through hole.
  • the other end of the anode for supplying the anode gas 221 is closed by a second end plate 41b.
  • a fuel gas supply path 105 (see FIG. 1) is connected to the anode gas supply pipe 321.
  • an anode gas discharge manifold 22E is formed below the other side portion (hereinafter referred to as a second side portion) of the cell stack 50 so as to penetrate in the stacking direction of the cell stack 50. It is made.
  • One end of the anode gas discharge manifold 22E communicates with a through hole formed in the second end plate 41b, and an anode gas discharge pipe 32E is connected to the through hole.
  • the other end of the anode gas discharge manifold 22E is closed by a first end plate 41a.
  • a fuel gas discharge path 107 (see FIG. 1) is connected to the anode gas discharge pipe 32E.
  • the anode gas supply manifold 221 has a cross-sectional shape of a long hole shape that is long in the vertical direction (a shape in which two sides of the short shape are replaced with two sides of a semicircle). .
  • a force sword gas discharge mold 23E is formed below the first side portion of the cell stack 50 so as to penetrate in the stacking direction of the cell stack 50.
  • One end of the force sword gas discharge manifold 23E communicates with a through hole formed in the first end plate 41a, and a cathode gas discharge pipe 33E is connected to the through hole.
  • the other end of the force sword gas discharge mold 23E is closed by a second end plate 41b.
  • An oxidant gas discharge passage 109 (see Fig.
  • a cathode gas supply manifold 231 is formed at the upper part of the second side portion of the cell stack 50 so as to penetrate in the stacking direction of the cell stack 50.
  • One end of the force sword gas supply manifold 231 communicates with a through hole formed in the second end plate 41b, and a cathode gas supply pipe 331 is connected to the through hole.
  • the other end of the force sword gas supply manifold 231 is closed by a first end plate 41a.
  • An acid additive gas supply path 108 (see FIG. 1) is connected to the pipe 331 for supplying power sword gas.
  • a force sword gas discharge hold 23E on the first side portion of the cell stack 50 is disposed, and the inner side of the lower part of the V stack penetrates in the stacking direction of the cell stack 50.
  • a heat discharge medium hold 24E is formed. One end of the heat transfer medium discharge holder 24E communicates with a through hole formed in the first end plate 41a, and the heat transfer medium discharge pipe 34E is connected to the through hole. The other end of the heat transfer medium discharge holder 24E is closed by a second end plate 41b.
  • a heat transfer medium discharge passage 111 (see FIG. 1) is connected to the heat transfer medium discharge pipe 34E.
  • the heat transfer medium penetrates in the stacking direction of the cell laminate 50.
  • a supply hold 241 is formed.
  • One end of the heat transfer medium supply manifold 241 communicates with a through hole formed in the second end plate 41b, and a heat transfer medium supply pipe 341 is connected to the through hole.
  • the other end of the heat transfer medium supply manifold 241 is closed by a first end plate 41a.
  • a heat transfer medium supply path 110 (see FIG. 1) is connected to the heat transfer medium supply pipe 341.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing an outline of the structure of the cell 11 constituting the PEFC 100 shown in FIG. In FIG. 3, some of them are omitted.
  • the cell 11 has a MEA (Membrane Electrode Assembly) 5, a gasket 10, an anode separator 6a, and a force sword separator 6b. Speak.
  • MEA Membrane Electrode Assembly
  • the MEA 5 includes a polymer electrolyte membrane 1, an anode 4a, and a cathode 4b that selectively transport hydrogen ions.
  • An anode 4a and a force sword 4b are provided on both surfaces of the polymer electrolyte membrane 1 so as to be located inward from the peripheral edge thereof.
  • the anode 4a is provided on one main surface of the polymer electrolyte membrane 1, and is provided on the anode catalyst layer 2a and the anode catalyst layer 2a, which are mainly composed of carbon powder supporting a platinum-based metal catalyst.
  • an anode gas diffusion layer 3a having both gas permeability and conductivity.
  • the force sword 4b is provided on the other main surface of the polymer electrolyte membrane 1, and a force sword catalyst layer 2b mainly composed of carbon powder carrying a platinum-based metal catalyst, and a force sword catalyst layer.
  • a force sword gas diffusion layer 3b provided on 2b and having both gas permeability and conductivity.
  • a preferable example of the polymer electrolyte membrane is a membrane having an ion function that selectively permeates hydrogen ions. Furthermore, such membranes have CF as the main chain skeleton and sulfonic acid groups.
  • a polymer electrolyte membrane having a structure in which is introduced at the end of the side chain is preferred.
  • a preferred example of the membrane having such a structure is a perfluorocarbon sulfonic acid membrane.
  • a pair of fluorine rubber gaskets 10 are disposed around the anode 4a and the force sword 4b with the polymer electrolyte membrane 1 interposed therebetween. This prevents fuel gas, air, and oxidant gas from leaking out of the battery, and prevents these gases from mixing with each other in the cell 11.
  • a marker hole such as a manifold hole for supplying a gas gas 121 also serving as a through hole in the thickness direction is provided.
  • a conductive anode separator 6a and a cathode separator 6b are disposed so as to sandwich the MEA 5 and the gasket 10.
  • separators 6a and 6b a resin-impregnated graphite plate obtained by impregnating a phenolic resin with phenol resin and curing it is used. You can also use materials made of metal such as SUS.
  • the MEA 5 is mechanically fixed by the anode separator 6a and the force sword separator 6b, and adjacent MEAs are electrically connected to each other in series.
  • a groove-like anode gas passage 7 for flowing fuel gas and air (an anode gas) is formed in a serpentine shape.
  • a groove-like heat transfer medium channel 9a for flowing the heat transfer medium is formed in a serpentine shape.
  • a margin hole such as an anode gas supply hole 121 serving as a through hole in the thickness direction is provided at the peripheral edge of the anode separator 6a.
  • a grooved force sword gas flow path 8 for flowing an oxidant gas (power sword gas) is formed in a serpentine shape on the inner surface of the force sword separator 6b, and on the outer surface, a heat transfer medium is formed.
  • a groove-like heat transfer medium flow path 9b for flowing the water is formed in a serpentine shape.
  • a margin hole such as an anode gas supply hold hole 121, which also has a through hole in the thickness direction, is provided at the peripheral edge of the force sword separator 6b.
  • the cell stack 50 is formed by stacking the cells 11 thus formed in the thickness direction.
  • the anode holes provided in the anode separator 6a, the force sword separator 6b and the gasket 10 such as the anode hole for supplying anode gas 121 are connected to each other in the thickness direction when the cells 11 are stacked, so that the anode gas A hold such as a supply hold 221 is formed.
  • the anode gas supply manifold 221 and the anode gas flow path 7 constitute an anode gas internal supply path.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing the inner surface shape of the anode separator 6a of the cell 11 shown in FIG. In FIG. 4, the up-down direction in the anode separator 6a is shown as the up-down direction in the figure.
  • the anode separator 6a includes an anode gas supply manifold hole 121, an anode gas discharge manifold hole 12E, a force sword gas supply hold hole 131, and a force sword gas discharge mask.
  • -It has a hold hole 13E, a heat transfer medium supply hole 141, and a heat transfer medium discharge hole 14E.
  • the anode separator 6a is provided with an anode gas supply marker over substantially the entire contact portion 60 that contacts the MEA 5. It has a groove-like anode gas flow path 7 formed in a serpentine shape so as to connect the hole 121 and the anode gas discharge hole 12E.
  • an anode gas supply hole 121 is provided on the upper side of one side of the anode separator 6a (the left side of the drawing: hereinafter referred to as the first side), and the anode gas
  • the discharge hole 12E is provided in the lower part of the other side of the anode separator 6a (the side on the right side of the drawing: hereinafter referred to as the second side).
  • the force sword gas supply hole 131 is provided in the upper part of the second side of the anode separator 6a, and the force sword gas discharge hole 13E is provided in the lower part of the first side of the anode separator 6a. It is installed.
  • the heat transfer medium supply hole 141 is provided inside the force sword gas supply hole 131, and the heat transfer medium discharge hole 14E is the cathode gas discharge hole. It is provided inside the lower part of 13E.
  • the anode gas flow path 7 is composed of two flow paths in the present embodiment, and each flow path is substantially composed of a horizontal portion 7a extending in the horizontal direction and a vertical portion 7b extending in the vertical direction. Is configured. Specifically, each flow path of the anode gas flow path 7 extends horizontally from the upper part of the anode gas supply manifold hole 121 to the second side part of the anode separator 6a, and from there, a distance below it. Extending from there to the first side of the anode separator 6a. From there, it extends a distance below.
  • the above-mentioned extending pattern is repeated four times, and the reaching point force extends horizontally so as to reach the lower part of the anode gas discharge hole 12E.
  • the partial force horizontal portion 7a extending horizontally in each channel is formed, and the portion extending downward forms the vertical portion 7b.
  • the anode gas flow path 7 is composed of two flow paths, but is not limited to this, and can be arbitrarily designed within a range not impairing the effects of the present invention, and the horizontal portion 7a and the vertical portion 7b. Similarly, it can be arbitrarily designed.
  • anode gas flow path 7 is not limited to a serpentine shape, and a plurality of flow paths may be configured such that a plurality of branch flow paths are formed between one main flow path and the other main flow path. It is good also as a structure which mutually runs parallel.
  • the heat transfer medium flow path 9a provided on the outer surface of the anode separator 6a, the force sword gas flow path 8 provided on the inner surface of the force sword separator 6b, and the heat transfer medium flow path 9b provided on the outer surface thereof. are configured in the same manner as the anode gas flow path 7 described above.
  • the CO removal catalyst layer 61 has a CO removal catalyst and a carrier carrying the CO removal catalyst. In this embodiment, an alloy of Pt and Ru is used as the CO removal catalyst, and carbon powder is used as the carrier.
  • the thickness of the CO removal catalyst layer 61 is 20 m or less from the viewpoint of allowing the anode gas to sufficiently pass through the anode gas flow path 7 which is preferably 10 m or more from the viewpoint of sufficiently obtaining the effects of the present invention. Preferably there is.
  • the catalytic action of the CO removal catalyst allows the CO and oxygen contained in the anode gas to react with each other to produce carbon dioxide and remove CO.
  • the inside of the PEFC cell stack
  • the force using an alloy of Pt and Ru as the CO removal catalyst is not limited to this, and the CO removal catalyst is at least selected from the group consisting of Pt, Ru, Pd, Au, and Rh.
  • Any catalyst that contains a kind of metal element as a constituent element may be used.
  • the CO removal catalyst may be strong only in a metal state.
  • the CO removal catalyst for example, only one kind of metal element of the above metal elements, a metal element that includes two or more kinds of the above metal elements, and two or more kinds of the above metal elements An alloy made of a metal element can be mentioned.
  • the CO removal catalyst may have a metal oxide strength containing at least one metal element of the above group (group of metal elements) as a constituent element.
  • the CO removal catalyst for example, a metal oxide composed of only one metal element among the above metal elements, or an oxide of an alloy that also includes two or more metal element forces among the above metal elements. I can give you something.
  • the CO removal catalyst may be in a metallic state and an arbitrary combination of metal oxides.
  • the CO removal catalyst may be, for example, a part of the surface cations ( For example, it may be in a state of metal ions).
  • the CO removal catalyst layer 61 is configured to have a CO removal catalyst and a carrier carrying the CO removal catalyst.
  • the present invention is not limited to this, and the CO removal catalyst layer 61 may be composed of only the CO removal catalyst. Yes.
  • the force of providing the CO removal catalyst layer 61 on both the inner wall of the anode gas flow path 7 and the inner wall constituting the anode gas supply manifold hole 121 is not limited to this, and the inner wall of the anode gas flow path 7 Alternatively, the inner wall constituting the anode gas supply hole 121 may be provided on one of the inner walls!
  • fuel gas is supplied from the fuel gas supply device 101 to the PEFC 100 via the fuel gas supply path 105.
  • air is supplied from the CO oxidation air supply apparatus 102 to the PEFC 100 together with the fuel gas via the air supply path 106 and the fuel gas supply path 105.
  • the oxidant gas is supplied from the oxidant gas supply device 103 to the PE FC 100 via the oxidant gas supply path 108.
  • the heat transfer medium is supplied from the heat transfer medium supply device 104 to the PEFC 100 via the heat transfer medium supply path 110.
  • the fuel gas and air supplied from the fuel gas supply device 101 are supplied to the anode gas supply holder 221 via the anode gas supply pipe 321 to be supplied. 221 to the anode gas flow path 7 of each cell.
  • the fuel gas supplied from the fuel gas supply device 101 contains several tens of ppm of power, and several ppm (for example, lppm) of CO.
  • the CO removal catalyst of the CO removal catalyst layer 61 provided in the flow path 7 reacts with CO contained in the anode gas and the supplied air, and CO is removed to remove the anode 4a from the supplied fuel gas. CO contained in can be reduced. As a result, the CO contained in the fuel gas can be removed before reaching the anode catalyst 2a, so that it is possible to more reliably avoid a decrease in battery performance due to CO poisoning of the anode catalyst 2a.
  • the oxidant gas supplied from the oxidant gas supply device 103 is supplied to the force sword gas supply manifold 231 via the force sword gas supply pipe 331, and the force sword gas supply marker 231 is supplied. It is supplied from the hold 231 to the force sword gas flow path 8 of each cell.
  • the fuel gas supplied to the anode gas flow path 7 passes through the anode gas diffusion layer 3a and is supplied to the anode gas catalyst layer 2a.
  • the oxidant gas supplied to the force sword gas flow path 8 The gas passes through the gas diffusion layer 3b and is supplied to the force sword gas catalyst layer 2b. It reacts chemically and generates electricity.
  • Unused fuel gas is discharged to the fuel gas discharge passage 107 through the anode gas discharge manifold 22E and the anode gas discharge pipe 32E. Unused fuel gas is supplied as off-gas to the fuel processor of the fuel gas supply device.
  • unused oxidant gas is discharged to the oxidant gas discharge passage 109 via the force sword gas discharge manifold 23E and force sword gas discharge pipe 33E, and is discharged outside the system.
  • the heat transfer medium supplied from the heat transfer medium supply device 104 is supplied to the heat transfer medium supply manifold 241 via the heat transfer medium supply pipe 341, and the heat transfer medium supply manifold is supplied. It is supplied from the second hold 241 to the heat transfer medium flow paths 9a and 9b of each cell.
  • the heat transfer medium supplied to the heat transfer medium flow paths 9a and 9b is discharged to the heat transfer medium discharge path 111 via the heat transfer medium discharge manifold 24E and the heat transfer medium discharge pipe 34E, and is transferred to the heat transfer medium. It is supplied to the medium supply device 104. This keeps the inside of PEFC100 at an appropriate temperature.
  • FIG. 5 (a) is a schematic diagram showing a part of the configuration of PEFC10OOa in the fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIGS. 5B and 7 are schematic views showing a part of the cross section of PE FClOOa shown in FIG. 5A.
  • the PEFC10OOa of the fuel cell system according to Embodiment 2 removes CO inside the anode gas supply manifold 221.
  • Body 64 is inserted.
  • the CO removal body 64 has a cylindrical container 62 and a columnar carrier 63 that is fitted into the container 62 and carries a CO removal catalyst. Then, one side surface (end portion) of the container 62 is disposed so as to contact the main surface of the first end plate 41a (precisely, a current collector plate not shown), and the other side surface (end portion).
  • the container 62 has a large number of small-diameter through holes on its peripheral wall and has non-conductivity! Examples of such a material include ceramic and alumina. As a result, the potential difference is maintained without short-circuiting the stacked cells.
  • the container 62 may be provided with a through-hole for allowing the anode gas to flow through the peripheral wall.
  • the support 63 is a porous body with a very large porosity, which has a viewpoint power to increase the area for supporting the CO removal catalyst and a viewpoint power to improve the passage of fuel gas, preferably having irregularities on the outer surface. More preferably. Examples of such a material include ceramic and alumina. Furthermore, from the viewpoint of increasing the area for supporting the CO removal catalyst, it is more preferable that the CO removal catalyst is supported on the inner surfaces of the pores of the porous body. Further, the carrier 63 is formed in a her cam shape.
  • the cross section of the container 62 is an ellipse, but is not limited to this, and may be a polygon or the like as long as it is inserted into the anode gas supply manifold 221.
  • the carrier 63 has a hexagonal cross section here, but is not limited thereto, and may be circular or the like as long as it is accommodated in the internal space of the container 62. Further, in order to prevent the carrier 63 from being detached from the container 62, both side surfaces of the container 62 (surfaces that contact the first and second end plates 41a and 41b (precisely, current collector plates not shown)) Cover with a breathable lid.
  • the anode supplied from the fuel gas supply device 101 via the fuel gas supply path 105 (fuel gas supply pipe 321)
  • the gas flows through the internal space of the container 62 constituting the CO removal body 64.
  • CO and air (oxygen) contained in the anode gas react with each other by the CO removal catalyst supported on the carrier 63, and CO is removed.
  • the anode gas flowing through the inner space of the container 62 is reversed at the other end of the container 62 and passes through the space formed between the anode gas supply mold 221 and the container 62.
  • the anode gas flow path 7 provided in the anode separator 6a of each cell 11 is allowed to flow.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing a configuration of the CO removal body 64a of the first modification of the second embodiment.
  • the pellet-like carrier 63 a carrying the CO removal catalyst is filled with a gap in the internal space of the container 62.
  • the shape of the carrier 64 is not limited as long as it does not flow into the anode gas flow path 7.
  • the force using the pellet-shaped carrier 63a is not limited to this.
  • a plate-like carrier may be laminated so as to have a gap in the internal space of the container 62.
  • the pellet-like support 63a may be constituted by a porous body having a large number of pores, and a CO removal catalyst may be supported on the inner surface of the pores.
  • the anode gas is kept inside the CO removal body 64a (more precisely, while maintaining a larger amount of CO removal catalyst supported). It is possible to easily pass through the internal space of the container 62.
  • PEFC100 described in Embodiment 1 was manufactured by the following process. [0081] First, formation of MEA5 will be described.
  • polymer electrolyte membrane 1 As the polymer electrolyte membrane 1, a perfluorocarbon sulfonic acid membrane (N, manufactured by DUPONT) afionl l2 (registered trademark)) cut to 125 mm square was used.
  • N perfluorocarbon sulfonic acid membrane
  • afionl l2 registered trademark
  • Ketjen Black (Ketjen Black EC, Ketjen Black International Co., Ltd. manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd.), which is a carbon powder, was supported on platinum to prepare a catalyst body (50 wt% Pt). 66 parts by mass and 34 parts by mass (polymer dry mass) of Nafion dispersion (Aldrich, USA) containing 5% by mass of perfluorocarbonsulfonic acid ionomer were mixed. Using this mixed solution, the anode catalyst layer 2a and the force sword catalyst layer 2b are formed by screen printing, printing on both sides of the polymer electrolyte membrane 1 to be 120mm square and a thickness of 10-20m. did.
  • the anode gas diffusion layer 3a and the force sword gas diffusion layer 3b were produced as follows.
  • a carbon woven fabric for example, GF-20-E manufactured by Nippon Carbon Co., Ltd.
  • a PTFE dispersion was prepared by dispersing polytetrafluoroethylene (PTFE) in a solution obtained by mixing pure water and a surfactant (for example, Triton X-51).
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • a surfactant for example, Triton X-51.
  • the substrate was immersed in this PTFE dispersion, and the immersed substrate was fired at 300 ° C. for 60 minutes using a far-infrared drying oven.
  • MEA5 was fabricated by hot pressing to contact 2b.
  • the mixed liquid of the catalyst body and the Nafion dispersion liquid is printed on the coated surface of the base layer after the baking to become the anode gas diffusion layer 3a and the force sword gas diffusion layer 3b by a screen printing method.
  • the anode 4a and the force sword 4b may be produced, and the anode 4a and the cathode 4b may be joined to the polymer electrolyte membrane 1 by hot pressing to produce the MEA 5.
  • a fluororubber sheet was punched into an appropriate shape to produce a gasket 6.
  • the gasket 6 was placed on the periphery of the polymer electrolyte membrane 1 exposed on the outer periphery of the anode 4a and the force sword 4b, and joined together by hot pressing.
  • anode separator 6a and the force sword separator 6b are impregnated with phenol resin, and a 3 mm thick 150 mm square graphite plate is subjected to an anode gas flow path 7 or force by a mechanical cage.
  • the sword gas flow path 8, heat transfer medium flow paths 9a and 9b, anode gas supply manifold holes 221 and anode gas discharge manifold holes 22E, etc. were formed to form the mould holes (Fig. 3 and Figure 4).
  • the anode gas flow path 7, the force sword gas flow path 8 and the heat transfer medium flow paths 9a and 9b have a groove width of 1 mm, a depth of 1 mm, and a width between the flow paths of 1 mm.
  • the CO removal catalyst layer 61 was formed in the anode gas internal supply path as follows.
  • the plasma is used to adhere the CO removal catalyst to the anode gas flow path 7 of the anode separator 6a and the anode gas supply mold 121 and the anode gas supply mold 121 of the force sword separator 6b.
  • a hydrophilic treatment was applied to increase the strength.
  • Ketjen Black (Ketjen Black EC, Ketjen Black International Co., Ltd., particle size 30 nm), which is a carbon powder, and a catalyst body (30 wt% was Pt, 24 wt% is Ru), and 34 parts by mass of Nafion dispersion (Aldrich, USA) containing 66 parts by mass of this catalyst and 5% by mass of perfluorocarbon sulfonic acid ionomer (polymer dried) Mass).
  • This mixed liquid is printed on the inner wall of the groove-like anode gas flow path 7 and the inner wall constituting the anode gas supply hold hole 121 by a screen printing method so that the thickness becomes 10 to 20 / ⁇ ⁇ . did.
  • a solubilizer in which a rubber material such as polyethylene, fluorine resin or epoxy resin, or SBR is dissolved.
  • a method for forming the CO removal catalyst layer on the inner wall of the separator anode gas flow path 7 or the inner wall constituting the anode gas supply manifold 121 a method such as vacuum deposition can be employed.
  • MEA 5 and gasket 10 were sandwiched between anode separator 6a and force sword separator 6b to form cell 11.
  • Cell 11 is stacked, cell stack 50 is formed, and fasteners are used
  • a cell stack 51 was formed by applying a load so that the separator area was 10 kgf / cm 2 .
  • the PEFC of this example produced in this way can remove CO contained in the anode gas before reaching the anode catalyst, it further reduces the battery performance due to CO poisoning of the anode catalyst. It can be avoided reliably.
  • Test Example 1 a gas pipe (length: 4 cm, diameter: 1.9 cm) assumed to be the anode gas supply manifold 221 was sintered with a CO removal body 64a (more precisely, silica (SiO 2) and alumina (Al 2 O 3)). Result
  • the concentration of CO contained in the anode gas is reduced from 20 ppm to 3 ppm, and the CO removal body 64a is provided in the anode gas supply holder 221 to sufficiently remove CO. It was confirmed that
  • the fuel cell system according to the above-described embodiment has been described as a household fuel cell system, the present invention is not limited to this, and motorcycles, electric vehicles, and hybrid electric vehicles are not limited thereto.
  • the polymer electrolyte fuel cell of the present invention and the fuel cell system including the same are useful as a fuel cell that removes CO contained in the fuel gas before reaching the anode catalyst, and a fuel cell system including the same. .

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Abstract

高分子電解質膜（１）と高分子電解質膜（１）を挟むアノード（４ａ）及びカソード（４ｂ）を有するＭＥＡ（５）と、ＭＥＡ（５）を挟むように配設されたアノードセパレータ（６ａ）及びカソードセパレータ（６ｂ）と、を有するセル（１１）と、セル（１１）が積層されたセルスタック（５１）と、を備え、アノード（４ａ）に燃料ガスと空気を供給するアノードガス内部供給路を有し、アノードガス内部供給路には、ＣＯ除去触媒を含むＣＯ除去触媒層（６１）が形成されている、高分子電解質形燃料電池。

Description

明 細 書
高分子電解質形燃料電池及びそれを備える燃料電池システム
技術分野
[0001] 本発明は、高分子電解質形燃料電池及びそれを備える燃料電池システム、特に、 高分子電解質形燃料電池の構造に関する。
背景技術
[0002] 高分子電解質形燃料電池 (以下、 PEFCと 、う）は、都市ガスなどの原料ガスを改 質した水素リッチな燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガスを電気化学的に 反応させることで、電力と熱を発生させる装置である。 PEFCの単電池 (セル）は、高 分子電解質膜及び一対のガス拡散電極 (アノード及び力ソード)から構成される ME A (Membrane— Electrode— Assembly：電解質膜 電極接合体）と、ガスケットと 、導電性のセパレータと、を有している。ガス拡散電極は、触媒層とガス拡散層を有し ており、セパレータには、ガス拡散電極と当接する面に燃料ガス又は酸化剤ガスを流 すための溝状のガス流路が設けられて 、る。
[0003] ところで、 PEFCを家庭用燃料電池コージェネレーションシステムや燃料電池自動 車に搭載して運転する場合に、 PEFCの発電時の燃料として用いられる燃料ガス (水 素ガス）は、一般的なインフラとして整備がされていないため、例えば天然ガスやプロ パンガス、メタノールある 、はガソリン等の既存のインフラ力 得られる原料を水蒸気 改質反応させて水素ガスを生成させる水素生成装置を併設することが多い。
[0004] 水素生成装置で生成された燃料ガスには、原料由来の一酸化炭素 (CO)が数 pp mから数十 ppm含まれている。このため、 COによって PEFCのアノード触媒が被毒さ れてアノードの分極が増大することにより、電池性能が低下するという問題があった。
[0005] このような問題に対して、 CO選択酸化触媒をアノードの燃料ガス拡散層に担持さ せることによって、 COをアノード触媒に到達する前に除去させてアノード触媒の被毒 を回避することができる燃料電池が知られている（例えば、特許文献 1参照)。
特許文献 1：特開平 9— 129243号公報
発明の開示 発明が解決しょうとする課題
[0006] しカゝしながら、特許文献 1に記載されて ヽる燃料電池では、 CO選択酸化触媒を燃 料ガス拡散層内にのみ設置しているために、その担持できる量が限られ、起動時や 負荷変動時のような過渡時に CO濃度が増加すると COを完全に除去できず、電池 性能の低下を引き起こすので、 CO除去触媒の表面積をより多く確保する必要があつ た。
[0007] また、最近、 CO被毒による電池性能低下対策として Ptと Ruの合金触媒がアノード 触媒として用いられている力 PEFCの起動停止時などの電位変化によって触媒中 の Ruが溶出して、 COに対する耐性が低下するという課題があった。特許文献 1に記 載されて!ヽる燃料電池では、触媒層に隣接して配設されて!/ヽる燃料ガス拡散層内に 触媒を担持させているため、 PtZRu合金を触媒に用いても、電位変化の影響を受 けて、 Ruが溶出して、 COに対する耐性が低下するという課題は改善されていなかつ た。
[0008] 本発明は、以上の課題を鑑みてなされたものであり、燃料ガスに含まれる COをより 確実に除去することができる高分子電解質形燃料電池及びそれを備える燃料電池 システムを提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0009] このような課題を解決するために、本発明の高分子電解質形燃料電池は、高分子 電解質膜と該高分子電解質膜を挟むアノード及び力ソードを有する MEAと、該 ME Aを挟むように配設されたアノードセパレータ及び力ソードセパレータと、を有するセ ルと、該セルが積層されたセルスタックと、を備え、前記セルスタックの内部の前記ァ ノードに燃料ガスと空気を供給するアノードガス内部供給路を有し、前記アノードガス 内部供給路には、 CO除去触媒を含む CO除去触媒層が形成されている。
[0010] これにより、燃料ガス中に含まれる COを、 PEFCを構成するアノードのより上流側で 除去させ、確実に電池性能低下を回避することができる。また、 CO除去触媒層をセ ルスタック内部に設けることにより、省スペース化を図ることができ、さらに、セルスタツ ク内の温度により、 CO除去触媒を加熱することなく触媒活性が得られるので、省エネ ルギー化を図ることができる。 [0011] 前記 CO除去触媒層には、前記 CO除去触媒を担持する担体が更に含まれていて ちょい。
[0012] 前記アノードガス内部供給路は、前記アノードセパレータの内面に形成された溝状 のアノードガス流路であってもよ 、。
[0013] これにより、 CO除去触媒の担持量をセル毎に充分に確保することができ、燃料ガ ス中に含まれる COを、 PEFCを構成するアノードのより上流側で確実に除去させるこ とがでさる。
[0014] 前記アノードセパレータには、前記アノードガス流路の始端に前記燃料ガスと空気 を供給するための積層方向に貫通したアノードガス供給用マ二ホールド孔が形成さ れ、前記セルが積層されることにより、前記アノードガス供給用マ二ホールド孔が連通 してアノードガス供給用マ-ホールドが形成され、前記アノードガス内部供給路は、 前記アノードガス供給用マ二ホールドで構成されて 、てもよ 、。
[0015] これにより、セルスタック内部に形成されたアノードガス供給用マ-ホールドに CO 除去触媒層を設けて、セルスタック内の空間を有効に利用することができる。また、 c
O除去触媒の担持量を充分に確保することができ、燃料ガス中に含まれる COを、 P EFCを構成するアノードのより上流側で確実に除去させることができる。
[0016] 前記アノードガス内部供給路は、前記アノードガス流路と前記アノードガス供給用 マ-ホールドから構成されて 、てもよ 、。
[0017] 前記アノードガス供給用マ-ホールド内に、 CO除去体が配設されていてもよい。
[0018] これにより、 PEFC本体に導入された燃料ガス中の CO濃度を各セルに導入する前 により低減することができ、アノードガス内部供給路だけに CO除去触媒を形成した場 合よりも大きな効果を得ることができる。
[0019] 前記 CO除去体は、前記 CO除去触媒と、前記 CO除去触媒を担持した担体と、非 導電性で、かつ、通気性を有する容器と、を有し、前記担体は、前記容器に収納され ていてもよい。
[0020] 前記担体は、前記容器内が通気性を有するように前記容器に収容されて!、てもよ い。
[0021] 前記担体は、多孔質体で形成されていてもよい。 [0022] 前記担体は、前記担体は、ペレット状に形成されて!ヽてもよ!/ヽ。
[0023] 前記 CO除去触媒は、 Pt、 Ru、 Pd、 Au、及び Rhからなる金属群より選択される少 なくとも一種の金属元素を構成元素として含んで 、てもよ 、。
[0024] 前記 CO除去触媒層は、前記 CO除去触媒を構成する前記金属群及び前記金属 群を構成する金属の酸化物からなる金属酸化物群から選ばれる少なくとも二以上の 金属及び Z又は金属の酸化物の単体が、互いに当接するように前記担体に担持さ れていてもよい。
[0025] また、本発明に係る燃料電池システムは、前記高分子電解質形燃料電池と、前記 アノードに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、前記アノードガス内部供給 路に前記空気を供給する空気供給装置と、前記力ソードに前記酸化剤ガスを供給す る酸化剤ガス供給装置と、を有する。
[0026] これにより、燃料ガス中に含まれる COを、高分子電解質形燃料電池を構成するァ ノードのより上流側で除去させ、確実に電池性能低下を回避することができる。
発明の効果
[0027] 本発明の高分子電解質形燃料電池及びそれを備える燃料電池システムによれば、 燃料ガスに含まれる COをアノード触媒に到達する前に除去させることができるため、 アノード触媒の CO被毒による電池性能低下をより確実に回避することが可能となる。 図面の簡単な説明
[0028] [図 1]図 1は、本発明の実施の形態 1に係る燃料電池システムの構成を模式的に示す ブロック図である。
[図 2]図 2は、図 1の燃料電池システムの高分子電解質形燃料電池の概略を示す模 式図である。
[図 3]図 3は、図 2に示した高分子電解質形燃料電池を構成するセルの構造の概略 を示す断面図である。
[図 4]図 4は、図 3に示すセルのアノードセパレータの内面形状を示す模式図である。
[図 5]図 5は、本発明の実施の形態 2に係る燃料電池システムにおける高分子電解質 形燃料電池の構成の一部を示した模式図である。
[図 6]図 6は、図 5に示す高分子電解質形燃料電池における CO除去体の変形例を 示す模式図である。
[図 7]図 7は、本発明の実施の形態 2に係る燃料電池システムにおける高分子電解質 形燃料電池の構成の一部を示した模式図である。
符号の説明
1 高分子電解質膜
2a アノード触媒層
2b 力ソード触媒層
3a アノードガス拡散層
3b 力ソードガス拡散層
4a アノード
4b 力ソード
5 MEA
6a アノードセパレータ
6b 力ソードセパレータ
7 アノードガス流路
7a 水平部
7b 鉛直部
8 力ソードガス流路
9a 伝熱媒体流路
9b 伝熱媒体流路
10 ガスケット
11 セル
12E アノードガス排出用マ-ホールド孔
121 アノードガス供給用マ二ホールド孔
13E 力ソードガス排出用マ-ホールド孔
131 力ソードガス供給用マ二ホールド孔
14E 伝熱媒体排出用マ-ホールド孔
141 伝熱媒体供給用マ-ホールド孔 22E アノードガス排出用マ-ホールド
221 アノードガス供給用マ二ホールド
23E 力ソードガス排出用マ-ホールド
231 力ソードガス供給用マ二ホールド
24E 伝熱媒体排出用マ-ホールド
241 伝熱媒体供給用マ-ホールド
32E アノードガス排出用配管
321 アノードガス供給用配管
33E 力ソードガス排出用配管
331 力ソードガス供給用配管
34E 伝熱媒体排出用配管
341 伝熱媒体供給用配管
41a 第一の端板
41b 第二の端板
50 セル積層体
51 セルスタック
51a セルスタック
60 当接部分
61 CO除去触媒層
62 容器
63 担体
63a 担体
64 CO除去体
64a CO除去体
100 高分子電解質形燃料電池
100a 高分子電解質形燃料電池
101 燃料ガス供給装置
102 CO酸化用空気供給装置 103 酸化剤ガス供給装置
104 伝熱媒体供給装置
105 燃料ガス供給路
106 空気供給路
107 燃料ガス排出路
108 酸化剤ガス供給路
109 酸化剤ガス排出路
110 伝熱媒体供給路
111 伝熱媒体排出路
発明を実施するための最良の形態
[0030] 以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
(実施の形態 1)
図 1は、本発明の実施の形態 1に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブ ロック図である。
[0031] まず、本実施の形態 1に係る燃料電池システムの構成にっ 、て説明する。
[0032] 図 1に示すように、本実施の形態 1に係る燃料電池システムは、高分子電解質形燃 料電池 (以下、 PEFCという） 100と、燃料ガス供給装置 101と、燃料ガス供給路 105 と、 CO酸化用空気供給装置 102と、空気供給路 106と、燃料ガス排出路 107と、酸 ィ匕剤ガス供給装置 103と、酸化剤ガス供給路 108と、酸化剤ガス排出路 109と、伝熱 媒体供給装置 104と、伝熱媒体供給路 110と、伝熱媒体排出路 111と、を有してい る。
[0033] PEFC100〖こは、燃料ガス供給路 105が接続されており、燃料ガス供給路 105に は、燃料ガス供給装置 101が接続されている。燃料ガス供給装置 101は、燃料ガス 供給路 105を介して PEFC100のアノード 4aに燃料ガスを供給する。燃料ガス供給 装置 101は、ここでは、天然ガス供給インフラカゝら供給される天然ガス (原料ガス)を 燃料処理器（図示せず）に送出するプランジャーポンプ（図示せず)と、その送出量を 調整することができる流量調整具 (図示せず)と、送出された天然ガスを水素リッチな 燃料ガスに改質する燃料処理器とを有している。燃料処理器では、天然ガスと水蒸 気とを改質反応させ、改質ガスが生成され、この改質ガスに含まれる COを lppm程 度まで減少させて燃料ガスが生成される。また、 PEFC100〖こは、燃料ガス排出路 1 07が接続されており、燃料ガス排出路 107は、燃料ガス供給装置 101の燃料処理器 と接続されている。
[0034] 燃料ガス流路 105には、空気供給路 106が接続されており、空気供給路 106には 、 CO酸化用空気供給装置 102が接続されている。 CO酸化用空気供給装置 102は 、燃料ガスに含まれる COを酸ィ匕するための空気を空気供給路 106及び燃料ガス供 給路 105を介して PEFC 100のアノード 4aに供給する。 CO酸化用空気供給装置 10 2は、ここでは、吸入口が大気開放されているブロワ（図示せず)で構成されており、こ のブロワは、回転速度を変化させることにより空気供給量を調整することができる。な お、 CO酸ィ匕用空気供給装置 102は、シロッコファンなどのファン類を用いる構成とし てもよい。
[0035] PEFC100〖こは、酸化剤ガス供給路 108が接続されており、酸化剤ガス供給路 10 8には、酸化剤ガス供給装置 103が接続されている。酸化剤ガス供給装置 103は、 酸化剤ガス供給路 108を介して PEFC100の力ソード 4bに酸化剤ガスを供給する。 酸化剤ガス供給装置 103は、ここでは、吸入口が大気開放されているブロワ（図示せ ず)で構成されている。なお、酸化剤ガス供給装置 103は、シロッコファンなどのファ ン類を用いる構成としてもょ 、。
[0036] また、 PEFC100〖こは、酸化剤ガス排出路 109が接続されており、未反応の酸化剤 ガスをシステム外に 出する。
[0037] さらに、 PEFC100〖こは、伝熱媒体供給路 110及び伝熱媒体排出路 111が、接続 されており、これらの流路は伝熱媒体供給装置 104と接続されている。伝熱媒体供 給装置 104は、電池を適切な温度に維持するために、 PEFC100に伝熱媒体を供 給し、排出された伝熱媒体を冷却又は加熱するように構成されている。なお、ここで は、伝熱媒体として水を使用している。
[0038] PEFC100では、燃料ガス供給装置 101から供給された水素を含む燃料ガスと、酸 ィ匕剤ガス供給装置 103から供給された酸素を含む酸化剤ガスと、が電気化学的に反 応して、水が生成し、電気が発生する。このとき、未反応の燃料ガスは、燃料ガス排 出路 107を介して燃料ガス供給装置 101の燃料処理器にオフガスとして供給される
[0039] 次に、本実施の形態 1に係る燃料電池システムの PEFC100の構成を説明する。
[0040] 図 2は、図 1の燃料電池システムの PEFC100の概容を示す模式図である。なお、 図 2においては、 PEFC100における上下方向を、図における上下方向として表して いる。
[0041] 図 2に示すように、 PEFC100は、セルスタック 51を有している。セルスタック 51は、 板状の全体形状を有するセル 11がその厚み方向に積層されてなるセル積層体 50と 、セル積層体 50の両端に配置された第一及び第二の端板 41a、 41bと、セル積層体 50と第一及び第二の端板 41a、 41bとをセル 11の積層方向にぉ 、て締結する図示 されない締結具と、を有している。また、第一及び第二の端板 41a、 41bには、集電 板及び絶縁板がそれぞれ配設されているが図示を省略している。なお、板状のセル 11は、鉛直面に平行に延在しており、セル 11の積層方向は水平方向となっている。
[0042] セル積層体 50の一方の側部（以下、第一の側部と!/、う）の上部には、該セル積層 体 50の積層方向に貫通するようにアノードガス供給用マ-ホールド 221が形成されて いる。アノードガス供給用マ-ホールド 221の一端は、第一の端板 41aに形成された 貫通孔に連通し、この貫通孔にアノードガス供給用配管 321が接続されている。ァノ ードガス供給用マ-ホールド 221の他端は、第二の端板 41bによって閉鎖されている 。アノードガス供給用配管 321には、燃料ガス供給路 105 (図 1参照）が接続されてい る。また、セル積層体 50の他方の側部（以下、第二の側部という）の下部には、該セ ル積層体 50の積層方向に貫通するようにアノードガス排出用マ-ホールド 22Eが形 成されている。アノードガス排出用マ-ホールド 22Eの一端は、第二の端板 41bに形 成された貫通孔に連通し、この貫通孔にアノードガス排出用配管 32Eが接続されて いる。アノードガス排出用マ-ホールド 22Eの他端は、第一の端板 41aによって閉鎖 されている。アノードガス排出用配管 32Eには、燃料ガス排出路 107 (図 1参照）が接 続されている。アノードガス供給用マ-ホールド 221は、ここでは、鉛直方向に長い長 孔形状 (短形の対抗する直線の 2辺が半円の 2辺に置換された形状)の断面形状を 有している。 [0043] セル積層体 50の第一の側部の下部には、該セル積層体 50の積層方向に貫通す るように力ソードガス排出用マ-ホールド 23Eが形成されている。力ソードガス排出用 マ-ホールド 23Eの一端は、第一の端板 41aに形成された貫通孔に連通し、この貫 通孔にカソードガス排出用配管 33Eが接続されている。力ソードガス排出用マ-ホー ルド 23Eの他端は、第二の端板 41bによって閉鎖されている。力ソードガス排出用配 管 33Eには、酸化剤ガス排出路 109 (図 1参照）が接続されている。また、セル積層 体 50の第二の側部の上部には、該セル積層体 50の積層方向に貫通するようにカソ ードガス供給用マ二ホールド 231が形成されて 、る。力ソードガス供給用マ二ホールド 231の一端は、第二の端板 41bに形成された貫通孔に連通し、この貫通孔にカソード ガス供給用配管 331が接続されて 、る。力ソードガス供給用マ-ホールド 231の他端 は、第一の端板 41aによって閉鎖されている。力ソードガス供給用配管 331には、酸 ィ匕剤ガス供給路 108 (図 1参照）が接続されている。
[0044] セル積層体 50の第一の側部の力ソードガス排出用マ-ホールド 23Eが配設されて Vヽる下部の内側には、該セル積層体 50の積層方向に貫通するように伝熱媒体排出 用マ-ホールド 24Eが形成されている。伝熱媒体排出用マ-ホールド 24Eの一端は 、第一の端板 41aに形成された貫通孔に連通し、この貫通孔に伝熱媒体排出用配 管 34Eが接続されている。伝熱媒体排出用マ-ホールド 24Eの他端は、第二の端板 41bによって閉鎖されている。伝熱媒体排出用配管 34Eには、伝熱媒体排出路 111 (図 1参照）が接続されている。また、セル積層体 50の第二の側部の力ソードガス供 給用マ-ホールド 231が配設されている上部の内側には、該セル積層体 50の積層 方向に貫通するように伝熱媒体供給用マ-ホールド 241が形成されて 、る。伝熱媒 体供給用マ-ホールド 241の一端は、第二の端板 41bに形成された貫通孔に連通し 、この貫通孔に伝熱媒体供給用配管 341が接続されている。伝熱媒体供給用マニホ 一ルド 241の他端は、第一の端板 41aによって閉鎖されている。伝熱媒体供給用配 管 341には、伝熱媒体供給路 110 (図 1参照）が接続されている。
[0045] 次に、本実施の形態 1に係る PEFC100のセル 11の構造について説明する。
[0046] 図 3は、図 2に示した PEFC100を構成するセル 11の構造の概容を示す断面図で ある。なお、図 3においては、その一部を省略している。 [0047] 図 3に示すように、セル 11は、 MEA (Membrane— Electrode— Assembly:電解 質膜一電極接合体） 5と、ガスケット 10と、アノードセパレータ 6aと力ソードセパレータ 6bと、を有して ヽる。
[0048] MEA5は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜 1とアノード 4aとカソー ド 4bを有している。高分子電解質膜 1の両面には、その周縁部より内方に位置するよ うにアノード 4aと力ソード 4bがそれぞれ設けられている。アノード 4aは、高分子電解 質膜 1の一方の主面上に設けられ、白金系金属触媒を担持したカーボン粉末を主成 分とするアノード触媒層 2aと、アノード触媒層 2aの上に設けられ、ガス通気性と導電 性を兼ね備えたアノードガス拡散層 3aと、を有している。同様に、力ソード 4bは、高分 子電解質膜 1の他方の主面上に設けられ、白金系金属触媒を担持したカーボン粉 末を主成分とする力ソード触媒層 2bと、力ソード触媒層 2bの上に設けられ、ガス通気 性と導電性を兼ね備えた力ソードガス拡散層 3bと、を有している。なお、高分子電解 質膜としては、水素イオンを選択的に透過するイオン交 能を有する膜が好適に 挙げられる。さらに、このような膜としては、 CF を主鎖骨格として、スルホン酸基
2
が側鎖の末端に導入された構造を有する高分子電解質膜が好適に挙げられる。この ような構造を有する膜としては、例えば、パーフルォロカーボンスルホン酸膜が好適 に挙げられる。
[0049] アノード 4a及び力ソード 4bの周囲には、高分子電解質膜 1を挟んで一対のフッ素ゴ ム製のガスケット 10が配設されている。これにより、燃料ガス、空気や酸化剤ガスが電 池外にリークされることが防止され、また、セル 11内でこれらのガスが互いに混合され ることが防止される。なお、ガスケット 10の周縁部には、厚み方向の貫通孔カもなるァ ノードガス供給用マ-ホールド孔 121等のマ-ホールド孔が設けられている。
[0050] そして、 MEA5とガスケット 10を挟むように、導電性のアノードセパレータ 6aとカソ ードセパレータ 6bが配設されている。これらのセパレータ 6a、 6bは、黒鉛板に、フエ ノール榭脂が含浸され硬化された榭脂含浸黒鉛板が用いられる。また、 SUS等の金 属材料からなるものを用いてもょ 、。アノードセパレータ 6aと力ソードセパレータ 6bに より、 MEA5が機械的に固定されるとともに、隣接する MEA同士が互いに電気的に 直列に接続される。 [0051] アノードセパレータ 6aの内面（MEA5に当接する面）には、燃料ガス及び空気（ァノ ードガス）を流すための溝状のアノードガス流路 7がサーペンタイン状に形成されて ヽ る。一方、アノードセパレータ 6aの外面には、伝熱媒体を流すための溝状の伝熱媒 体流路 9aがサーペンタイン状に形成されている。また、アノードセパレータ 6aの周縁 部には、厚み方向の貫通孔カ なるアノードガス供給用マ-ホールド孔 121等のマ- ホールド孔（図 4参照）が設けられて 、る。
[0052] 一方、力ソードセパレータ 6bの内面には、酸化剤ガス (力ソードガス）を流すための 溝状の力ソードガス流路 8がサーペンタイン状に形成されており、その外面には、伝 熱媒体を流すための溝状の伝熱媒体流路 9bがサーペンタイン状に形成されている 。また、力ソードセパレータ 6bの周縁部には、アノードセパレータ 6aと同様に、厚み方 向の貫通孔カもなるアノードガス供給用マ-ホールド孔 121等のマ-ホールド孔が設 けられている。
[0053] このように形成したセル 11をその厚み方向に積層することにより、セル積層体 50が 形成される。アノードセパレータ 6a、力ソードセパレータ 6b及びガスケット 10に設けら れたアノードガス供給用マ-ホールド孔 121等のマ-ホールド孔は、セル 11を積層し たときに厚み方向にそれぞれつながって、アノードガス供給用マ-ホールド 221等の マ-ホールドがそれぞれ形成される。そして、アノードガス供給用マ-ホールド 221と アノードガス流路 7からアノードガス内部供給路が構成される。
[0054] 次に、アノードセパレータ 6aの内面形状について、図 3及び図 4を参照して詳しく説 明する。
[0055] 図 4は、図 3に示すセル 11のアノードセパレータ 6aの内面形状を示す模式図であ る。なお、図 4においては、アノードセパレータ 6aにおける上下方向を、図における上 下方向として表している。
[0056] 図 4に示すように、アノードセパレータ 6aは、アノードガス供給用マ二ホールド孔 121 、アノードガス排出用マ-ホールド孔 12E、力ソードガス供給用マ-ホールド孔 131、 力ソードガス排出用マ-ホールド孔 13E、伝熱媒体供給用マ-ホールド孔 141及び 伝熱媒体排出用マ-ホールド孔 14Eを有している。また、アノードセパレータ 6aは、 MEA5と当接する当接部分 60の略全体に亘つて、アノードガス供給用マ-ホールド 孔 121とアノードガス排出用マ-ホールド孔 12Eを結ぶようにサーペンタイン状に形 成された溝状のアノードガス流路 7を有して 、る。
[0057] 図 4において、アノードガス供給用マ-ホールド孔 121は、アノードセパレータ 6aの 一方の側部（図面左側の側部：以下、第一の側部という）の上部に設けられ、アノード ガス排出用マ-ホールド孔 12Eは、アノードセパレータ 6aの他方の側部（図面右側 の側部：以下、第二の側部という）の下部に設けられている。力ソードガス供給用マ- ホールド孔 131は、アノードセパレータ 6aの第二の側部の上部に設けられ、力ソード ガス排出用マ-ホールド孔 13Eは、アノードセパレータ 6aの第一の側部の下部に設 けられている。伝熱媒体供給用マ-ホールド孔 141は、力ソードガス供給用マ-ホー ルド孔 131の上部の内側に設けられ、伝熱媒体排出用マ-ホールド孔 14Eは、カソ ードガス排出用マ-ホールド孔 13Eの下部の内側に設けられている。
[0058] アノードガス流路 7は、本実施の形態では 2つの流路で構成されており、各流路は、 水平方向に延びる水平部 7aと、鉛直方向に延びる鉛直部 7bとで実質的に構成され ている。具体的には、アノードガス流路 7の各流路は、アノードガス供給用マ-ホール ド孔 121の上部からアノードセパレータ 6aの第二の側部まで水平に延び、そこから、 下方にある距離延び、そこから、アノードセパレータ 6aの第一の側部まで延びている 。そこから、下方にある距離延びている。そして、そこから、上記の延在パターンを 4 回繰り返し、その到達点力もアノードガス排出用マ-ホールド孔 12Eの下部に至るよ うに水平に延びている。このような各流路の水平に延びる部分力 水平部 7aを形成し 、下方に延びる部分が、鉛直部 7bを形成している。なお、ここでは、アノードガス流路 7は、 2つの流路で構成したが、これに限られず、本発明の効果を損なわない範囲で 任意に設計することができ、水平部 7a及び鉛直部 7bについても、同様に、任意に設 計することができる。また、アノードガス流路 7は、サーペンタイン状に限られず、流路 の一方の主流路と他方の主流路との間に複数の支流路を形成するような構成として もよぐ複数の流路が互いに並走するような構成としてもよい。
[0059] なお、アノードセパレータ 6aの外面に設けられた伝熱媒体流路 9a、力ソードセパレ ータ 6bの内面に設けられた力ソードガス流路 8及びその外面に設けられた伝熱媒体 流路 9bは、それぞれ上述のアノードガス流路 7と同様に構成されている。 [0060] 上記のようにして形成したアノードガス流路 7の内壁及びアノードガス供給用マ-ホ 一ルド孔 121を構成する内壁には、図 3及び図 4に示すように CO除去触媒層 61が設 けられている。 CO除去触媒層 61は、 CO除去触媒と該 CO除去触媒を担持した担体 を有している。本実施の形態では、 CO除去触媒として Ptと Ruの合金を用い、担体と して炭素粉末を用いた。 CO除去触媒層 61の厚みは、本発明の効果を充分に得ら れる観点から 10 m以上であることが好ましぐアノードガス流路 7にアノードガスを 充分に通過させる観点から 20 m以下であることが好ましい。これにより、 CO除去触 媒の触媒作用によって、アノードガス中に含まれる COと酸素とを反応させて、二酸化 炭素を生成し、 COを除去することができる。また、 PEFC (セルスタック）の内部は、伝 熱媒体により所定の温度に保たれているので、 CO除去触媒をセルスタックの内部に 設けることにより、 CO除去触媒を触媒の活性温度まで加熱する必要がないため、省 エネルギー化が図れる。
[0061] なお、ここでは、 CO除去触媒として、 Ptと Ruの合金を用いた力 これに限られず、 CO除去触媒は、 Pt、 Ru、 Pd、 Au、及び Rhからなる群より選択される少なくとも一種 の金属元素を構成元素として含んでいる触媒であればよい。例えば、 CO除去触媒 は、その状態が金属状態のもののみ力もなつていてもよい。この場合、 CO除去触媒 としては、例えば、上記の金属元素のうちの 1種のみの金属元素力 なる金属単体、 当該金属単体を 2種以上含むもの、上記の金属元素のうちの 2種以上の金属元素か らなる合金が挙げられる。また、 CO除去触媒は、上記の群 (金属元素の群)のうちの 少なくとも 1種の金属元素を構成元素として含んでいる金属酸ィ匕物力 なっていても よい。この場合、 CO除去触媒としては、例えば、例えば上記の金属元素のうちの 1種 のみの金属元素からなる金属酸化物、上記の金属元素のうちの 2種以上の金属元素 力もなる合金の酸ィ匕物があげられる。更に、 CO除去触媒は、金属状態のもの、及び 、金属酸ィ匕物を任意に組合せたものからなってもよぐまた、 CO除去触媒は、例えば 、反応中において、表面の一部カイオン (例えば金属イオン)の状態となるものであつ てもよい。
[0062] また、ここでは、 CO除去触媒層 61を CO除去触媒と該 CO除去触媒を担持した担 体を有する構成としたが、これに限られず、 CO除去触媒のみで構成されていてもよ い。また、 CO除去触媒層 61をアノードガス流路 7の内壁及びアノードガス供給用マ 二ホールド孔 121を構成する内壁の両方に設ける構成とした力 これに限られず、ァ ノードガス流路 7の内壁、又は、アノードガス供給用マ-ホールド孔 121を構成する内 壁の 、ずれか一方の内壁に設けるような構成としてもよ!、。
[0063] 次に、本実施の形態 1に係る燃料電池システムの動作について図 1乃至図 4を参照 しながら説明する。
[0064] まず、燃料ガスが、燃料ガス供給装置 101から燃料ガス供給路 105を介して PEFC 100に供給される。このとき、 CO酸化用空気供給装置 102から、空気が空気供給路 106及び燃料ガス供給路 105を介して、燃料ガスと共に PEFC100に供給される。ま た、酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給装置 103から酸化剤ガス供給路 108を介して PE FC100に供給される。さらに、伝熱媒体が、伝熱媒体供給装置 104から伝熱媒体供 給路 110を介して PEFC 100に供給される。
[0065] PEFC100では、燃料ガス供給装置 101から供給された燃料ガス及び空気が、ァノ ードガス供給用配管 321を介してアノードガス供給用マ-ホールド 221に供給され、ァ ノードガス供給用マ-ホールド 221から各セルのアノードガス流路 7に供給される。こ のとき、燃料ガス供給装置 101から供給された燃料ガスには数十 ppm力ゝら数 ppm ( 例えば、 lppm)の COが含有されている力 アノードガス供給用マ-ホールド 221及 びアノードガス流路 7に設けられた CO除去触媒層 61の CO除去触媒によって、ァノ ードガス中に含まれる COと供給された空気が反応し、 COが除去され、アノード 4a〖こ 供給される燃料ガス中に含まれる COを低減することができる。これにより、燃料ガス に含まれる COをアノード触媒 2aに到達する前に除去させることができるため、ァノー ド触媒 2aの CO被毒による電池性能低下をより確実に回避することができる。
[0066] また、 PEFC100では、酸化剤ガス供給装置 103から供給された酸化剤ガスが、力 ソードガス供給用配管 331を介して力ソードガス供給用マ-ホールド 231に供給され、 力ソードガス供給用マ-ホールド 231から各セルの力ソードガス流路 8に供給される。
[0067] アノードガス流路 7に供給された燃料ガスは、アノードガス拡散層 3aを通過してァノ ードガス触媒層 2aに供給され、力ソードガス流路 8に供給された酸化剤ガスは、カソ ードガス拡散層 3bを通過して力ソードガス触媒層 2bに供給され、これらのガスが電気 化学的に反応して、電気が発生する。未使用の燃料ガスは、アノードガス排出用マ- ホールド 22E、アノードガス排出用配管 32Eを介して燃料ガス排出路 107に排出さ れる。そして、未使用の燃料ガスは、燃料ガス供給装置の燃料処理器にオフガスとし て供給される。また、未使用の酸化剤ガスは、力ソードガス排出用マ-ホールド 23E、 力ソードガス排出用配管 33Eを介して酸化剤ガス排出路 109に排出され、システム 外に排出される
さらに、 PEFC100では、伝熱媒体供給装置 104から供給された伝熱媒体が、伝熱 媒体供給用配管 341を介して伝熱媒体供給用マ二ホールド 241に供給され、伝熱媒 体供給用マ二ホールド 241から各セルの伝熱媒体流路 9a、 9bに供給される。伝熱媒 体流路 9a、 9bに供給された伝熱媒体は、伝熱媒体排出用マ二ホールド 24E、伝熱 媒体排出用配管 34Eを介して伝熱媒体排出路 111に排出され、伝熱媒体供給装置 104に供給される。これにより、 PEFC100の内部が適切な温度に保たれる。
[0068] このような構成とすることにより、本実施の形態 1に係る燃料電池システムでは、 PE FC100のアノードガス内部供給路に CO除去触媒層 61を設けることにより、燃料ガス に含まれる COをアノード触媒 2aに到達する前に除去させることができるため、ァノー ド触媒 2aの CO被毒による電池性能低下をより確実に回避することが可能となる。 (実施の形態 2)
図 5 (a)は、本発明の実施の形態 2に係る燃料電池システムにおける PEFClOOa の構成の一部を示した模式図である。また、図 5 (b)及び図 7は、図 5 (a)に示した PE FClOOaの断面の一部を示した模式図である。
[0069] 図 5 (a)、図 5 (b)及び図 7に示すように、本実施の形態 2に係る燃料電池システム の PEFClOOaでは、アノードガス供給用マ-ホールド 221の内部に、 CO除去体 64 が嵌挿されている。 CO除去体 64は、筒状の容器 62と容器 62の内部に嵌挿され CO 除去触媒が担持された柱状の担体 63を有する。そして、容器 62の一方の側面 (端 部）は、第一の端板 41a (正確には、図示されない集電板)の主面と当接するように配 置され、他方の側面 (端部）は、第二の端板 41b (正確には、図示されない集電板)の 主面との間に所定の隙間を有するように (アノードガスが当該部分で通流するように） 配置されている。 [0070] 容器 62は、その周壁に多数の小径の通孔を有し、かつ、非導電性を有して!/、る。こ のような材質を有するものとして、例えば、セラミックやアルミナが挙げられる。これに より、積層されたセル間を短絡させることなく電位差が維持される。なお、容器 62は、 周壁にアノードガスが通流するための貫通孔を設けてもよい。
[0071] 担体 63は、 CO除去触媒を担持する面積を大きくする観点力も外表面に凹凸を有 することが好ましぐ燃料ガスの通過をよくする観点力 非常に空隙率の大きな多孔 質体であることがより好ましい。このような材質を有するものとして、例えば、セラミック やアルミナが挙げられる。さらに、 CO除去触媒を担持する面積を大きくする観点から 多孔質体の細孔の内面に CO除去触媒が担持されていることがより好ましい。また、 担体 63は、ハ-カム状に形成されている。なお、容器 62の断面は、ここでは、楕円で あるが、これに限定されず、アノードガス供給用マ-ホールド 221の内部に嵌挿され れば多角形等であってもよい。また、担体 63は、ここでは、断面が六角形であるが、 これに限定されず、容器 62の内部空間に収容されれば、円形等であってもよい。さら に、担体 63が容器 62から外れないようにするために、容器 62の両側面 (第一及び第 二の端板 41a、 41b (正確には、図示されない集電板）と当接する面）を、通気性を有 する蓋部材で蓋をしてもょ 、。
[0072] このように形成された本実施の形態 2に係る燃料電池システムにおける PEFC100 aでは、燃料ガス供給装置 101から燃料ガス供給路 105 (燃料ガス供給用配管 321) を介して供給されたアノードガスは、 CO除去体 64を構成する容器 62の内部空間を 通流する。このとき、アノードガスに含まれる COと空気 (酸素）は、担体 63に担持され た CO除去触媒によって反応し、 COが除去される。そして、容器 62の内部空間を通 流するアノードガスは、容器 62の他方の端部で反転して、アノードガス供給用マ-ホ 一ルド 221と容器 62との間に形成された空間を通流し、各セル 11のアノードセパレー タ 6aに設けられたアノードガス流路 7を通流する。
[0073] このような構成とすることにより、本実施の形態 2に係る燃料電池システムでは、 CO 除去体 64を設けることにより CO除去触媒を担持する表面積が増加するので、 CO除 去触媒をより多く担持させることができ、アノードガス中に含まれる COをより確実に除 去することが可能となる。 [0074] なお、本実施の形態 2に係る燃料電池システムのその他の構成にっ 、ては、実施 の形態 1の場合と同様であるので、説明を省略する。
[0075] 次に、本実施の形態 2に係る燃料電池システムの CO除去体 64の変形例を、以下 に説明する。
[変形例 1]
図 6は、本実施の形態 2の変形例 1の CO除去体 64aの構成を示す模式図である。
[0076] 図 6に示すように、変形例 1では、 CO除去触媒を担持したペレット状の担体 63aが 、容器 62の内部空間に隙間を有するように充填されている。担体 64は、アノードガス 流路 7に流入しないような大きさであればよぐ形状は限定されない。なお、ここでは、 ペレット状の担体 63aを用いた力 これに限定されず、例えば、板状の担体を容器 62 の内部空間に隙間を有するように積層させてもよい。また、ペレット状の担体 63aが多 数の細孔を有する多孔質体で構成されていてもよぐ細孔の内面に CO除去触媒が 担持されていてもよい。
[0077] このような構成とすることにより、本変形例の燃料電池システムでは、より多くの CO 除去触媒の担持量を維持した上で、アノードガスが CO除去体 64aの内部（正確には 、容器 62の内部空間）を容易に通過することが可能となる。
[0078] 上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らか である。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行 する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を 逸脱することなぐその構造及び Z又は機能の詳細を実質的に変更できる。
実施例
[0079] 以下、本発明の実施例について、実施の形態の燃料電池の製造方法の例示を兼 ねて説明する。
[0080] [実施例]
本実施例では、実施の形態 1で説明した PEFC100を、以下のプロセスで作製した [0081] まず、 MEA5の形成について説明する。
[0082] 高分子電解質膜 1として、パーフルォロカーボンスルホン酸膜（DUPONT社製 N afionl l2 (登録商標））を 125mm角に切断したものを用いた。
[0083] 炭素粉末であるケッチェンブラック（ケッチェンブラックインターナショナル (株)製の Ketjen Black EC、粒径 30nm)に白金を担持させて触媒体（50wt%が Pt)を用 意し、この触媒体を 66質量部と、パーフルォロカーボンスルホン酸アイオノマーが 5 質量％含まれた Nafion分散液 (米国 Aldrich社製)を 34質量部 (高分子乾燥質量） と、を混合した。この混合液を用いて、スクリーン印刷法により、高分子電解質膜 1の 両面に 120mm角で、厚みが 10〜20 mとなるように印刷し、アノード触媒層 2a及 び力ソード触媒層 2bを形成した。
[0084] 次に、アノードガス拡散層 3a及び力ソードガス拡散層 3bを、以下のように作製した。
[0085] 基材として、その直径が 20〜70 μ mである細孔が 80%以上占めるカーボン織布 ( 例えば、 日本カーボン (株)製 GF— 20— E)を用いた。純水と界面活性剤（例えば、ト リトン (Triton) X— 51)とを混ぜ合わせた溶液にポリテトラフルォロエチレン (PTFE) を分散させて PTFE分散液を用意した。この PTFE分散液に基材を浸漬させ、浸漬 させた基材を、 300°C、 60分間遠赤外線乾燥炉を用いて焼成した。次に、別途、純 水と界面活性剤（例えば、トリトン (Triton)X— 51)を混ぜ合わせた溶液を用意し、こ の混合液にカーボンブラックをカ卩え、プラネタリーミキサーを用いて分散させて、カー ボンブラック分散液を用意した。このカーボンブラック分散液に PTFEと純水をさらに 加え、 3時間程度混練して、コート層用塗料を用意した。このコート層用塗料を、上述 のように焼成した後の基材の主面の片側に、塗工機を用いて塗工した。塗工された 基材を、熱風乾燥機を用いて 300°Cで 2時間焼成する。焼成後の基材を、 120mm 角となるように切断し、アノードガス拡散層 3a及び力ソードガス拡散層 3bとした。
[0086] 次に、このアノードガス拡散層 3a及び力ソードガス拡散層 3bのコート層用塗料が塗 ェされた面を、上記高分子電解質膜 1に印刷したアノード触媒層 2a及び力ソード触 媒層 2bとそれぞれ接するようにホットプレスにより接合し、 MEA5を作製した。
[0087] なお、アノードガス拡散層 3a及び力ソードガス拡散層 3bとなる上記焼成後の基材 のコート層塗工面に、上記触媒体と Nafion分散液の混合液を、スクリーン印刷法で 印刷することにより、アノード 4a及び力ソード 4bを作製し、このアノード 4a及びカソー ド 4bを高分子電解質膜 1にホットプレスにより接合し、 MEA5を作製してもよい。 [0088] 次に、フッ素ゴム製シートを適宜な形状に打ち抜 、て、ガスケット 6を作製した。ガス ケット 6をアノード 4a及び力ソード 4bの外周に露出する高分子電解質膜 1の周縁部に 配置し、ホットプレスで接合一体ィ匕させた。
[0089] 次に、アノードセパレータ 6a及び力ソードセパレータ 6bは、フエノール榭脂を含浸さ せた、厚さが 3mmで 150mm角の黒鉛板に機械カ卩ェによってアノードガス流路 7ま たは力ソードガス流路 8、伝熱媒体流路 9a、 9b、アノードガス供給用マ二ホールド孔 221及びアノードガス排出用マ-ホールド孔 22E等のマ-ホールド孔等を形成するこ とによって作製した（図 3及び図 4参照)。アノードガス流路 7、力ソードガス流路 8及び 伝熱媒体流路 9a、 9bの溝幅は lmm、深さは lmm、流路間の幅は lmmとする構成 とした。
[0090] そして、次に、以下のようにして、アノードガス内部供給路に CO除去触媒層 61を形 成した。
[0091] まず、アノードセパレータ 6aのアノードガス流路 7及びアノードガス供給用マ-ホー ルド 121と力ソードセパレータ 6bのアノードガス供給用マ-ホールド 121に、プラズマ を用いて、 CO除去触媒の接着強度を高めるための親水処理を施した。
[0092] 次に、炭素粉末であるケッチェンブラック (ケッチェンブラックインターナショナル (株 )製の Ketjen Black EC、粒径 30nm)に Ptと Ruの合金を担持させて触媒体（30 wt%が Pt、 24wt%が Ru)を用意し、この触媒体を 66質量部と、パーフルォロカーボ ンスルホン酸アイオノマーが 5質量％含まれた Nafion分散液（米国 Aldrich社製）を 34質量部 (高分子乾燥質量)と、を混合した。この混合液を、溝状のアノードガス流 路 7の内壁及びアノードガス供給用マ-ホールド孔 121を構成する内壁に、スクリーン 印刷法により、厚さが 10〜20 /ζ πιとなるように印刷した。なお、 Nafion分散液に代え て、ポリエチレン、フッ素榭脂ゃエポキシ榭脂などの榭脂や、 SBRなどのゴム材料が 溶解された溶解剤を使用することもできる。また、 CO除去触媒層をセパレータのァノ 一ドガス流路 7の内壁やアノードガス供給用マ-ホールド 121を構成する内壁に形成 する方法として、真空蒸着などの方法も採用することができる。
[0093] そして、 MEA5とガスケット 10をアノードセパレータ 6a及び力ソードセパレータ 6bで 挟み、セル 11を形成した。セル 11を積層し、セル積層体 50を形成し、締結具を用い て、セパレータの面積あたり 10kgf/cm2となるように荷重をかけて締結し、セルスタ ック 51を形成した。
[0094] このようにして作製した本実施例の PEFCは、アノードガスに含まれる COをアノード 触媒に到達する前に除去させることができるため、アノード触媒の CO被毒による電 池性能低下をより確実に回避することができる。
[0095] 次に、本実施の形態 2に係る燃料電池システムの変形例 1における CO除去体 64a の CO除去能を調べた試験につ 、て説明する。
[0096] [試験例 1]
試験例 1では、アノードガス供給用マ-ホールド 221に見立てたガス管（長さ 4cm、 直径 1. 9cm)に CO除去体 64a (正確には、シリカ（SiO )とアルミナ（Al O )の焼結
2 2 3 体に CO除去触媒である Ruを Al Oに担持したものを塗布した担体 63a)を lg充填
2 3
し、 80oCのアノードガス（組成： H 73%、 CO 25. 5%、空気 1. 5%、 CO 20pp
2 2
m)を 150mlZminで流し、 CO除去能を調べた。
[0097] その結果、アノードガスに含まれていた COの濃度は、 20ppmから 3ppmにまで低 減され、アノードガス供給用マ-ホールド 221に CO除去体 64aを設けることで、 COの 除去が充分に行えることが確認された。
[0098] なお、上記実施の形態に係る燃料電池システムを、家庭用燃料電池システムとして 説明したが、これに限定されず、自動二輪車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車
、家電製品、携帯用コンピュータ装置、携帯電話、携帯用音響機器、携帯用情報端 末などの携帯電気装置等の燃料電池システムに用 、られる。
産業上の利用可能性
[0099] 本発明の高分子電解質形燃料電池及びそれを備える燃料電池システムは、燃料 ガスに含まれる COをアノード触媒に到達する前に除去させる燃料電池及びそれを 備える燃料電池システムとして有用である。

Claims

請求の範囲
[1] 高分子電解質膜と該高分子電解質膜を挟むアノード及び力ソードを有する MEAと 、該 MEAを挟むように配設されたアノードセパレータ及び力ソードセパレータと、を有 するセルと、該セルが積層されたセルスタックと、を備え、
前記セルスタックの内部の前記アノードに燃料ガスと空気を供給するアノードガス内 部供給路を有し、
前記アノードガス内部供給路には、 CO除去触媒を含む CO除去触媒層が形成さ れている、高分子電解質形燃料電池。
[2] 前記 CO除去触媒層には、前記 CO除去触媒を担持する担体が更に含まれている
、請求項 1に記載の高分子電解質形燃料電池。
[3] 前記アノードガス内部供給路は、前記アノードセパレータの内面に形成された溝状 のアノードガス流路である、請求項 1に記載の高分子電解質形燃料電池。
[4] 前記アノードセパレータには、前記アノードガス流路の始端に前記燃料ガスと空気 を供給するための積層方向に貫通したアノードガス供給用マ二ホールド孔が形成さ れ、
前記セルが積層されることにより、前記アノードガス供給用マ二ホールド孔が連通し てアノードガス供給用マ-ホールドが形成され、
前記アノードガス内部供給路は、前記アノードガス供給用マ-ホールドで構成され ている、請求項 1に記載の高分子電解質形燃料電池。
[5] 前記アノードガス内部供給路は、前記アノードガス流路と前記アノードガス供給用 マ-ホールドから構成されて 、る、請求項 1に記載の高分子電解質形燃料電池。
[6] 前記アノードガス供給用マ-ホールド内に、 CO除去体が配設されている、請求項 4 に記載の高分子電解質形燃料電池。
[7] 前記 CO除去体は、前記 CO除去触媒と、前記 CO除去触媒を担持した担体と、非 導電性で、かつ、通気性を有する容器と、を有し、
前記担体は、前記容器に収納されている、請求項 6に記載の高分子電解質形燃料 電池。
[8] 前記担体は、前記容器内が通気性を有するように前記容器に収容されている、請 求項 7に記載の高分子電解質形燃料電池。
[9] 前記担体は、多孔質体で形成されている、請求項 8に記載の高分子電解質形燃料 電池。
[10] 前記担体は、ペレット状に形成されている、請求項 8に記載の高分子電解質形燃 料電池。
[11] 前記 CO除去触媒は、 Pt、 Ru、 Pd、 Au、及び Rhからなる金属群より選択される少 なくとも一種の金属元素を構成元素として含んでいる、請求項 1に記載の高分子電 解質形燃料電池。
[12] 前記 CO除去触媒層は、前記 CO除去触媒を構成する前記金属群及び前記金属 群を構成する金属の酸化物からなる金属酸化物群から選ばれる少なくとも二以上の 金属及び Z又は金属の酸化物の単体が、互いに当接するように前記担体に担持さ れている、請求項 2に記載の高分子電解質形燃料電池。
[13] 請求項 1に記載の高分子電解質形燃料電池と、
前記アノードに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
前記アノードガス内部供給路に前記空気を供給する空気供給装置と、 前記力ソードに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、を有する、燃料 電池システム。
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