高分子电解质型燃料电池和具备其的燃料电池系统的利记博彩app

专利名称：高分子电解质型燃料电池和具备其的燃料电池系统的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及高分子电解质型燃料电池以及具备其的燃料电池系 统，特别涉及高分子电解质型燃料电池的构造。
背景技术：
高分子电解质型燃料电池(以下称之为PEFC)是通过使将城市燃 气等的原料气体重整后得到的富氢燃料气体与空气等含有氧的氧化剂 气体进行电化学反应从而产生电和热的装置。PEFC的单电池(cell) 具有由高分子电解质膜以及一对气体扩散电极(阳极和阴极)构成的 ME A (Membrane-Electrode-Assembly:电解质膜-电极组件)、密封垫 圈(gasket)以及导电性的隔板。气体扩散电极具有催化剂层和气体扩 散层，在隔板的与气体扩散电极相接触的面上设置有用于流过燃料气 体或者氧化剂气体的沟槽状的气体流路。
另外，在将PEFC装载于家庭用燃料电池热电联供系统或者燃料 电池汽车中而进行运转的情况下，作为PEFC的发电时的燃料而被使 用的燃料气体(氢气)并不作为一般的基础设施而给予配备，所以往 往同时设置氢生成装置，该氢生成装置使例如天然气或者丙烷气体、 甲醇或者汽油等的从已有的基础设施得到的原料进行水蒸气重整反应 从而生成氢气。
在由氢生成装置生成的燃料气体中，含有几个ppm到几十个ppm 的来自于原料的一氧化碳(CO)。因此有这样的问题，即，PEFC的阳极 催化剂由于CO而中毒，因而增大阳极的极化，从而导致电池性能降 低。
针对这样的问题，已知有如下的燃料电池通过将CO选择氧化 催化剂担载于阳极的燃料扩散层中，从而能够在CO到达阳极催化剂 之前将其除去来防止阳极催化剂的中毒(例如参照专利文献1)。
专利文献1:日本特开平9-129243号公报

发明内容
然而，在专利文献1所记载的燃料电池中，因为将CO选择氧化
催化剂仅仅设置于燃料气体扩散层内，所以其能够担载的量被限制，
在启动时或者负载变动时那样的过渡时CO浓度增加就不能够完全除
去co，并且会引起电池性能的降低，因此需要确保更多的除去co的
催化剂的表面积。
另外，最近，作为由于CO中毒引起的电池性能降低的对策，将 Pt和Ru的合金催化剂作为阳极催化剂来使用，但是有这样的问题由 于PEFC的启动停止时等的电位变化而使催化剂中的Ru溶出，从而降 低相对于CO的耐受性。在专利文献1所记载的燃料电池中，如下课 题没有得到改善因为是将催化剂担载于邻接于催化剂层而配设的燃 料气体扩散层内，所以即使在催化剂中使用Pt/Ru合金，Ru也会受电 位变化的影响而溶出，从而降低相对于CO的耐受性。
本发明鉴于上述的课题而做出的，目的在于提供能够更加可靠地 除去包含于燃料气体中的CO的高分子电解质型燃料电池以及具备其 的燃料电池系统。
为了解决这样的课题，本发明的高分子电解质型燃料电池具备单 电池和层叠该单电池而成的电池堆，所述单电池具有MEA，该MEA 具有高分子电解质膜和夹持该高分子电解质膜的阳极和阴极；以及以 夹持所述MEA的方式配设的阳极隔板和阴极隔板；并且所述高分子电 解质型燃料电池具有将燃料气体和空气供给所述电池堆的内部的所述 阳极的阳极气体内部供给通路，在所述阳极气体内部供给通路中，形 成含有除去CO的催化剂的除去CO的催化剂层。
由此，在构成PEFC的阳极的更上游侧除去包含于燃料气体中的 CO，从而就能够可靠地防止燃料电池性能的降低。另外，通过将除去 CO的催化剂层设置于电池堆的内部，就能够实现节省空间，而且，利 用电池堆内的温度不用加热除去CO的催化剂就获得催化剂活性，所 以能够实现节省能源。
在所述除去CO的催化剂层中，也可以进一步含有担载所述除去 CO的催化剂的载体。所述阳极气体内部供给通路也可以是形成于所述阳极隔板的内面 的沟槽状的阳极气体流路。
由此，能够对于每个单电池充分确保除去CO的催化剂的担载量， 能够在构成PEFC的阳极的更上游侧可靠地除去包含于燃料气体中的co。
也可以在所述阳极隔板上，形成有用于向所述阳极气体流路的始 端供给所述燃料气体和空气的在层叠方向上贯通的阳极气体供给用歧
管(manifold)孔，通过层叠所述单电池，连通所述阳极气体供给用歧管 孔从而形成阳极气体供给用歧管，所述阳极气体内部供给通路由所述 阳极气体供给用歧管构成。
由此，将除去CO的催化剂层设置于形成于电池堆内部的阳极气 体供给用歧管中，从而能够有效地利用电池堆内的空间。另外，能够 充分地确保除去CO的催化剂的担载量，能够在构成PEFC的阳极的更 上游侧可靠地除去包含于燃料气体中的CO。
所述阳极气体内部供给通路也可以由所述阳极气体流路和所述阳 极气体供给用歧管构成。
也可以在所述阳极气体供给用歧管内配设有CO除去体。
由此，能够在导入至各个单电池之前进一步降低被导入到PEFC 主体的燃料气体中的CO浓度，能够获得比在将除去CO的催化剂仅仅 形成于阳极气体内部供给通路的情况下更加大的效果。
也可以所述CO除去体具有所述除去CO的催化剂、担载所述除去 CO的催化剂的载体以及非导电性且有通气性的容器，所述载体被容纳 于所述容器中。
所述载体也可以是以使所述容器内具有通气性的方式被容纳于所 述容器中。
所述载体也可以由多孔体形成。 所述载体也可以被形成为颗粒状。
所述除去CO的催化剂也可以含有选自由Pt、 Ru、 Pd、 Au以及 Rh构成的金属组中的至少一种金属元素作为构成元素。
所述除去CO的催化剂层也可以以使选自构成所述除去CO的催化 剂的所述金属组以及由构成所述金属组的金属的氧化物形成的金属氧化物组中的至少二种以上的金属以及/或者金属的氧化物的单体互相接 触的方式被担载于所述载体上。
另外，本发明所涉及的燃料电池系统具有所述高分子电解质型 燃料电池，将所述燃料气体供给所述阳极的燃料气体供给装置，将所 述空气供给所述阳极气体内部供给通路的空气供给装置，以及将所述 氧化剂气体供给所述阴极的氧化剂气体供给装置。
由此，能够在构成高分子电解质型燃料电池的阳极的更上游侧除 去燃料气体中含有的CO，能够可靠地防止电池性能的下降。
根据本发明的高分子电解质型燃料电池以及具备其的燃料电池系 统，能够将包含于燃料气体中的CO在到达阳极催化剂之前除去，所 以能够更加可靠地防止由于阳极催化剂的CO中毒而引起的燃料电池 性能下降。


图1是示意性地表示本发明的实施方式1所涉及的燃料电池系统 的构成的框图。
图2是表示图1的燃料电池系统的高分子电解质型燃料电池的概 略的示意图。
图3是表示构成图2所表示的高分子电解质型燃料电池的单电池 的构造的概略的截面图。
图4是表示图3所表示的单电池的阳极隔板的内面形状的示意图。
图5是表示本发明的实施方式2所涉及的燃料电池系统中的高分 子电解质型燃料电池的构成的一部分的示意图。
图6是表示图5所表示的高分子电解质型燃料电池中的CO除去 体的变形例的示意图。
图7是表示本发明的实施方式2所涉及的燃料电池系统中的高分 子电解质型燃料电池的构成的 一部分的示意图。
符号的说明
1.高分子电解质膜
2a.阳极催化剂层3a.阳极气体扩散层 3b.阴极气体扩散层
5. MEA
6a.阳极隔板 6b.阴极隔板
7. 阳极气体流路 7a.水平部
7b.垂直部
8. 阴极气体流路 9a.传热介质流路 9b.传热介质流路
10. 密封垫圈
11. 单电池
12E.阳极气体排出用歧管孔 121.阳极气体供给用歧管孔 13E.阴极气体排出用歧管孔 131.阴极气体供给用歧管孔 14E.传热介质排出用歧管孔 141.传热介质供给用歧管孔 22E.阳极气体排出用歧管 221.阳极气体供给用歧管 23E.阴极气体排出用歧管 231.阴极气体供给用歧管 24E.传热介质排出用歧管 241.传热介质供给用歧管 32E.阳极气体排出用配管 321.阳极气体供给用配管 33E.阴极气体排出用配管 331.阴极气体供给用配管34E.传热介质排出用配管
341.传热介质供给用配管 41a.第一端板 41b.第二端板
50. 单电池层叠体
51. 电池堆 51a.电池堆
60. 接触部分
61. 除去CO的催化剂层
62. 容器
63. 载体 63a.载体
64. CO除去体 64a. CO除去体
100. 高分子电解质型燃料电池 100a.高分子电解质型燃料电池
101. 燃料气体供给装置
102. CO氧化用空气供给装置
103. 氧化剂气体供给装置
104. 传热介质供给装置
105. 燃料气体供给通路
106. 空气供给通路
107. 燃料气体排出通路
108. 氧化剂气体供给通路
109. 氧化剂气体排出通路
110. 传热介质供给通路
111. 传热介质排出通路
具体实施例方式
以下参照

本发明的优选实施方式。 (实施方式l)图1是示意性地表示本发明的实施方式1所涉及的燃料电池系统 的构成的框图。
首先，就本实施方式1所涉及的燃料电池系统的构成加以说明。 如图1所示，本实施方式1所涉及的燃料电池系统具有高分子电
解质型燃料电池(以下称之为PEFC) 100、燃料气体供给装置101、 燃料气体供给通路105、 CO氧化用空气供给装置102、空气供给通路 106、燃料气体排出通路107、氧化剂气体供给装置103、氧化剂气体 供给通路108、氧化剂气体排出通路109、传热介质供给装置104、传 热介质供给通路110以及传热介质排出通路111。
在PEFC100上连接有燃料气体供给通路105，在燃料气体供给通 路105上连接着燃料气体供给装置101。燃料气体供给装置101通过燃 料气体供给通路105将燃料气体供给PEFC100的阳极4a。在此，燃料 气体供给装置101具有把由天然气供给基础设施所供给的天然气(原 料气体)送出至燃料处理器(未图示)的柱塞泵(未图示)，能够调整 其送出量的流量调整用具(未图示)，以及将被送出的天然气重整成富 氢燃料气体的燃料处理器。在燃料处理器中，使天然气和水蒸气发生 重整反应，从而生成重整气体，将包含于该重整气体中的CO减少至 lppm左右为止从而生成燃料气体。另外，在PEFC100上连接着燃料 气体排出通路107，燃料气体排出通路107与燃料气体供给装置101 的燃料处理器相连接。
在燃料气体流路105上连接着空气供给通路106，在空气供给通路 106上连接着CO氧化用空气供给装置102。 CO氧化用空气供给装置 102将用于氧化包含于燃料气体中的CO的空气经由空气供给通路106 以及燃料气体供给通路105供给PEFC100的阳极4a。在此，CO氧化 用空气供给装置102是由向大气开放的鼓风机(未图示)构成吸入口 的，该鼓风机能够通过改变其旋转速度来调整空气供给量。另外，CO 氧化用空气供给装置102也可以是使用西洛克风扇等的风扇类的构成。
在PEFC100上连接着氧化剂气体供给通路108，而在氧化剂气体 供给通路108上连接着氧化剂气体供给装置103。氧化剂气体供给装置 103通过氧化剂气体供给通路108将氧化剂气体供给PEFC100的阴极 4b。在此，氧化剂气体供给装置103是由向大气开放的鼓风机(未图示)构成吸入口的。另外，氧化剂气体供给装置103也可以是使用西 洛克风扇等的风扇类的构成。
此外，在PEFC100上连接着氧化剂气体排出通路109，从而将未
反应的氧化剂气体排出至系统外。
再有，在PEFC100上连接着传热介质供给通路110以及传热介质 排出通路111，而这些通路与传热介质供给装置104相连接。为了将电 池维持在适当的温度，传热介质供给装置104被构成为将传热介质 供给PEFCIOO，并且冷却或者加热被排出的传热介质。还有，在此， 使用水作为传热介质。
在PEFCIOO中，从燃料气体供给装置101供给的含氢的燃料气体 和从氧化剂气体供给装置103供给的含氧的氧化剂气体发生电化学反 应而生成水，并产生电。此时，未反应的燃料气体作为尾气通过燃料 气体排出通路107被供给燃料气体供给装置101的燃料处理器。
以下说明本实施方式1所涉及的燃料电池系统的PEFCIOO的构成。
图2是表示图1的燃料电池系统的PEFCIOO的概略的示意图。还 有，在图2中，把PEFC100中的上下方向作为图中的上下方向来进行表示。
如图2所示，PEFCIOO具有电池堆51。电池堆51具有单电池 层叠体50，由具有板状的整体形状的单电池11在其厚度方向上被层叠 而成；被配置于单电池层叠体50的两端的第一和第二端板41a、 41b; 未图示的紧固连接器具，在单电池11的层叠方向上紧固连接单电池层 叠体50和第一和第二端板41a、 41b。另外，在第一和第二端板41a、 41b上分别配设有集电板和绝缘板，但是省略了图示。还有，板状的单 电池ll平行于垂直面而延伸，单电池11的层叠方向为水平方向。
在单电池层叠体50的一方的侧部(以下称之为第一侧部)的上部， 以在该单电池层叠体50的层叠方向上贯通的方式形成有阳极气体供给 用歧管221。阳极气体供给用歧管221的一端连通于被形成于第一端板 41a上的贯通孔，阳极气体供给用配管32I被连接于该贯通孔。阳极气 体供给用歧管221的另一端被第二端板41b封闭。在阳极气体供给用配 管32I上连接着燃料气体供给通路105 (参照图1)。另外，在单电池层叠体50的另一方的侧部(以下称之为第二侧部)的下部，以在该单电 池层叠体50的层叠方向上贯通的方式形成有阳极气体排出用歧管
22E。阳极气体排出用歧管22E的一端连通于被形成于第二端板41b上 的贯通孔，阳极气体排出用配管32E被连接于该贯通孔。阳极气体排 出用歧管22E的另一端被第一端板41a封闭。在阳极气体排出用配管 32E上连接着燃料气体排出通路107 (参照图)。在此，阳极气体供给 用歧管22I具有在垂直方向上较长的长孔形状(短形的相对的直线的2 边被替换成半圆的2边的形状)的截面形状。
在单电池层叠体50的第一侧部的下部，以在该单电池层叠体50 的层叠方向上贯通的方式形成有阴极气体排出用歧管23E。阴极气体排 出用歧管23E的一端连通于被形成于第一端板41a上的贯通孔，阴极 气体排出用配管33E被连接于该贯通孔。阴极气体排出用歧管23E的 另一端被第二端板41b封闭。在阴极气体排出用配管33E上连接着氧 化剂气体排出通路109 (参照图1)。另外，在单电池层叠体50的第二 侧部的上部，以在该单电池层叠体50的层叠方向上进行贯通的方式形 成有阴极气体供给用歧管231。阴极气体供给用歧管231的一端连通于 被形成于第二端板41b的贯通孔，阴极气体供给用配管331被连接于该 贯通孔。阴极气体供给用歧管23I的另一端被第一端板41a封闭。在阴 极气体供给用配管33I上连接着氧化剂气体供给通路108 (参照图1)。
在单电池层叠体50的第一侧部的配设有阴极气体排出用歧管23E 的下部的内侧以在该单电池层叠体50的层叠方向上贯通的方式形成有 传热介质排出用歧管24E。传热介质排出用歧管24E的一端连通于被 形成于第一端板41a上的贯通孔，传热介质排出用配管34E被连接于 该贯通孔。传热介质排出用歧管24E的另一端被第二端板41b封闭。 在传热介质排出用配管34E上连接着传热介质排出通路111 (参照图 1)。另外，在单电池层叠体50的第二侧部的配设有阴极气体供给用歧 管231的上部的内侧，以在该单电池层叠体50的层叠方向上贯通的方 式形成有传热介质供给用歧管241。传热介质供给用歧管241的一端连 通于被形成于第二端板41b上的贯通孔，传热介质供给用配管341被连 接于该贯通孔。传热介质供给用歧管24I的另一端被第一端板41a封闭。 在传热介质供给用配管34I上连接着传热介质供给通路110(参照图1)。以下就本实施方式1所涉及的PEFCIOO的单电池11的构造加以说明。
图3是表示构成图2所表示的PEFC100的单电池11构造的概略的 截面图。还有，在图3中省略了其中的一部分。
如图3所示，单电池11具有MEA(Membrane-Electrode-Assembly: 电解质膜-电极组件)5、密封垫圈IO、阳极隔板6a和阴极隔板6b。
MEA5具有选择性地输送氢离子的高分子电解质膜1和阳极4a以 及阴极4b。在高分子电解质膜1的两面，以位于其周缘部的内侧的方 式分别设置有阳极4a和阴极4b。阳极4a具有被设置于高分子电解 质膜1的一个主面上且以担载了铂类金属催化剂的碳粉末为主成分的 阳极催化剂层2a,以及被设置于阳极催化剂层2a之上且兼备透气性和 导电性的阳极气体扩散层3a。同样，阴极4b具有被设置于高分子电 解质膜1的另一个主面上且以担载了铂类金属催化剂的碳粉末为主成 分的阴极催化剂层2b，以及被设置于阴极催化剂层2b之上且兼备透气 性和导电性的阴极气体扩散层3b。还有，作为高分子电解质膜，优选 列举具有选择性地透过氢离子的离子交换功能的膜。再有，作为这样 的膜，优选列举具有以-CF2-作为主链骨架并且在侧链的末端导入有磺 酸基的构造的高分子电解质膜。作为具有这样的构造的膜，例如优选 列举全氟碳磺酸膜。
在阳极4a以及阴极4b的周围，夹持着高分子电解质膜1而配设 有一对氟橡胶制的密封垫圈10。由此，防止燃料气体、空气或者氧化 剂气体向电池外泄漏，另外，防止这些气体在单电池11内互相混合。 还有，在密封垫圈10的周缘部，设置有由厚度方向的贯通孔构成的阳 极气体供给用歧管孔12I等的歧管孔。
并且，以夹持MEA5和密封垫圈10的方式配设有导电性的阳极隔 板6a和阴极隔板6b。这些隔板6a、 6b使用将酚醛树脂含浸在石墨板 中并加以固化而得到的含浸树脂的石墨板。另外，也可以使用由SUS 等的金属材料构成的板。由阳极隔板6a和阴极隔板6b机械性地固定 MEA5，同时邻接的MEA彼此互相电串联连接。
在阳极隔板6a的内面(接触于MEA5的面)上，蜿蜒状(serpentine) 地形成有用于流通燃料气体以及空气(阳极气体)的沟槽状的阳极气体流路7。另一方面，在阳极隔板6a的外表面，蜿蜒状地形成有用于 流通传热介质的沟槽状的传热介质流路9a。另外，在阳极隔板6a的周 缘部，设置着由厚度方向的贯通孔构成的阳极气体供给用歧管孔121 等的歧管孔(参照图4)。
另一方面，在阳极隔板6a的内面上，蜿蜒状地形成有用于流通氧 化剂气体(阴极气体)的沟槽状的阴极气体流路8，在其外表面，蜿蜒 状地形成有用于流通传热介质的沟槽状的传热介质流路9b。另外，在 阴极隔板6b的周缘部，与阳极隔板6a同样，设置着由厚度方向的贯 通孔构成的阳极气体供给用歧管孔121等的歧管孔。
通过在其厚度方向上层叠以如此方式形成的单电池11，而形成了 单电池层叠体50。设置于阳极隔板6a、阴极隔板6b以及密封垫圈10 上的阳极气体供给用歧管孔12I等的歧管孔在层叠单电池11的时候在 厚度方向上被分别连接，从而分别形成阳极气体供给用歧管221等的歧 管。于是，由阳极气体供给用歧管22I和阳极气体流路7构成阳极气体 内部供给通路。
以下参照图3和图4就阳极隔板6a的内面形状加以详细说明。
图4是表示图3所表示的单电池11的阳极隔板6a的内面形状的 示意图。还有，在图4中，将阳极隔板6a的上下方向作为图中的上下 方向来进行表示。
如图4所示，阳极隔板6a具有阳极气体供给用歧管孔121、阳极 气体排出用歧管孔12E、阴极气体供给用歧管孔131、阴极气体排出用 歧管孔13E、传热介质供给用歧管孔141以及传热介质排出用歧管孔 14E。此外，阳极隔板6a在经过与MEA5相接触的接触部分60的大致 全体上，具有以连接阳极气体供给用歧管孔121和阳极气体排出用歧管 孔12E的方式以蜿蜒状形成的沟槽状的阳极气体流路7。
在图4中，阳极气体供给用歧管孔121被设置于阳极隔板6a的一 方的侧部(图左侧的侧部以下称之为第一侧部)的上部，阳极气体 排出用歧管孔12E被设置于阳极隔板6a的另一方的侧部(图右侧的侧 部以下称之为第二侧部)的下部。阴极气体供给用歧管孔13I被设置 于阳极隔板6a的第二侧部的上部，阴极气体排出用歧管孔13E被设置 于阳极隔板6a的第一侧部的下部。传热介质供给用歧管孔141被设置于阴极气体供给用歧管孔131的上部的内侧，传热介质排出用歧管孔
14E被设置于阴极气体排出用歧管孔13E的下部的内侧。
在本实施方式中，阳极气体流路7是由2个流路构成的，各个流 路实质上由在水平方向上延伸的水平部7a和在垂直方向上延伸的垂直 部7b构成。具体是，阳极气体流路7的各个流路从阳极气体供给用歧 管孔12I的上部水平延伸至阳极隔板6a的第二侧部为止，然后，向下 方延伸一定距离，然后，延伸至阳极隔板6a的第一侧部为止。从那处 向下方延伸一定距离。于是，从那处起4次重复上述的延伸图案，从 其到达点起水平延伸直至到达阳极气体排出用歧管孔12E的下部。这 样的各个流路的水平延伸的部分形成水平部7a，向下方延伸的部分形 成垂直部7b。还有，虽然在此阳极气体流路7是由2个流路构成，但 是并不只限于此，在不损坏本发明的效果的范围内，可以作任意设计， 对于水平部7a以及垂直部7b也是同样可以作任意设计。另外，阳极 气体流路7并不只限于蜿蜓状，也可以是将多个支流路形成于流路的 一个主流路和另一个主流路之间的那样的构成，也可以是多个流路互 相并行那样的构成。
还有，设置于阳极隔板6a的外表面的传热介质流路9a、设置于阴 极隔板6b的内面的阴极气体流路8以及设置于其外表面的传热介质流 路％分别与上述的阳极气体流路7同样构成。
如图3和图4所示，在以上述的方式形成的阳极气体流路7的内 壁以及构成阳极气体供给用歧管孔121的内壁上，设置有除去CO的催 化剂层61。除去CO的催化剂层61具有除去CO的催化剂和担载该除 去CO的催化剂的载体。在本实施方式中，作为除去CO的催化剂使用 Pt和Ru的合金，作为载体使用碳粉末。从充分获得本发明的效果的观 点出发，除去CO的催化剂层61的厚度优选为10pm以上，从使阳极 气体充分地通过阳极气体流路7的观点出发优选为20|im以下。由此， 利用除去CO的催化剂的催化作用，使包含于阳极气体屮的CO和氧发 生反应，生成二氧化碳，从而能够除去CO。另外，PEFC (电池堆) 的内部因为由传热介质而保持了指定的温度，所以通过将除去CO的 催化剂设置于单电池的内部，而没有必要将除去CO的催化剂加热到 催化剂的活性温度，所以实现省能源。还有，虽然在此作为除去CO的催化剂使用了 Pt和RU的合金，
但是并不限于此，除去CO的催化剂只要是含有选自Pt、 Ru、 Pd、 Au 以及Rh中的至少一种金属元素作为构成元素的催化剂就可以。例如， 除去CO的催化剂也可以是仅仅由其状态为金属状态的物质构成。在 该情况下，作为除去CO的催化剂，例如列举由上述的金属元素中的 仅仅1种金属元素构成的金属单质、含有2种以上该金属单质的物质、 由上述的金属元素中的2种以上的金属元素构成的合金。另外，除去 CO的催化剂也可以由含有上述的组(金属元素的组)中的至少1种金 属元素作为构成元素的金属氧化物构成。在此情况下，作为除去CO 的催化剂，例如列举由例如上述的金属元素中的仅仅1种金属元素构 成的金属氧化物、由上述的金属元素中的2种以上的金属元素构成的 合金的氧化物。再有，除去CO的催化剂也可以是由金属状态的物质 以及任意组合金属氧化物而得到的物质构成，另外，除去CO的催化 剂例如也可以是在反应中表面的一部分成为离子(例如金属离子)的 状态的物质。
另外，在此，虽然使除去CO的催化剂层61为具有除去CO的催 化剂和担载该除去CO的催化剂的载体的构成，但是并不限于此，也 可以仅仅由除去CO的催化剂构成。另外，虽然使除去CO的催化剂层 61为设置于阳极气体流路7的内壁以及构成阳极气体供给用歧管孔121 的内壁二者上的构成，但是并不限于此，也可以是设置于阳极气体流 路7的内壁或者构成阳极气体供给用歧管孔12I的内壁中的任意一方的
内壁上那样的构成。
以下边参照图1至图4就本实施方式1所涉及的燃料电池系统的 工作加以说明。
首先，燃料气体被从燃料气体供给装置101通过燃料气体供给通 路105而向PEFC100供给。此时，空气被从CO氧化用空气供给装置 102通过空气供给通路106以及燃料气体供给通路105而与燃料气体一 起向PEFC100供给。另外，氧化剂气体被从氧化剂气体供给装置103 通过氧化剂气体供给通路108而供给至PEFC100。再有，传热介质被 从传热介质供给装置104通过传热介质供给通路110而供给至 PEFC100。在PEFCIOO中，从燃料气体供给装置101供给的燃料气体以及空
气通过阳极气体供给用配管321而供给至阳极气体供给用歧管221，并 且从阳极气体供给用歧管221而供给至各个单电池的阳极气体流路7。 此时，虽然在从燃料气体供给装置101供给的燃料气体中含有几十个 ppm到几个ppm (例如lppm)的CO，但是由设置于阳极气体供给用 歧管221以及阳极气体流路7中的除去CO的催化剂层61的除去CO 的催化剂而使包含于阳极气体中的CO与被供给的空气发生反应，从 而除去CO，可以减少包含于供给至阳极4a的燃料气体中的CO。由此， 可以在包含于燃料气体中的CO到达阳极催化剂2a之前就将其除去， 所以能够更加可靠地防止由于阳极催化剂2a的CO中毒而引起的电池 性能降低。
另外，在PEFC100中，从氧化剂气体供给装置103供给的氧化剂 气体通过阴极气体供给用配管331而供给至阴极气体供给用歧管231， 并且从阴极气体供给用歧管231供给至各个单电池的阴极气体流路8。
供给至阳极气体流路7的燃料气体通过阳极气体扩散层3a而被供 给至阳极气体催化剂层2a,供给至阴极气体流路8的氧化剂气体通过 阴极扩散层3b而被供给至阴极气体催化剂层2b，这些气体发生电化学 反应，从而产生了电。未使用的燃料气体通过阳极气体排出用歧管22E 以及阳极气体排出用配管32E而被排出至燃料气体排出通路107。然 后，未使用的燃料气体作为尾气被供给至燃料气体供给装置的燃料处 理器。另外，未使用的氧化剂气体通过阴极气体排出用歧管23E以及 阴极气体排出用配管33E而被排出至氧化剂气体排出通路109，并被排 出至系统外。
再有，在PEFC100中，从传热介质供给装置104供给的传热介质 通过传热介质供给用配管341而被供给至传热介质供给用歧管241，并 从传热介质供给用歧管241被供给至各个单电池的传热介质流路9a、 9b。供给至传热介质流路9a、 9b的传热介质通过传热介质排出用歧管 24E以及传热介质排出用配管34E而被排出至传热介质排出通路111， 并被供给至传热介质供给装置104。由此，PEFC100的内部被保持在 适当的温度。
通过形成这样的构成，在本实施方式1所涉及的燃料电池系统中，通过将除去CO的催化剂层61设置于PEFCIOO的阳极气体内部供给通 路中，从而能够在包含于燃料气体中的CO到达阳极催化剂2a之前将 其除去，所以可以更加可靠地防止由于阳极催化剂2a的CO中毒而引 起的电池性能的降低。
(实施方式2)
图5(a)是表示本发明的实施方式2所涉及的燃料电池系统中的 PEFCiOOa的构成的一部分的示意图。另外，图5(b)以及图7是表示图 5(a)所表示的PEFC100a的截面的一部分的示意图。
如图5(a)、图5(b)以及图7所示，在本实施方式2所涉及的燃料电 池系统的PEFC100a中，在阳极气体供给用歧管221的内部嵌插有CO 除去体64。 CO除去体64具有筒状的容器62和嵌插于容器62的内部 且担载有除去CO的催化剂的柱状的载体63。并且，容器62的一个侧 面(端部)被配置成使得与第一端板41a (准确地来说是未图示的集电 板)的主面相接触，另一个侧面(端部)被配置成使得与第二端板41b (准确地来说是未图示的集电板)的主面之间具有指定的间隙(使得 阳极气体在该部分中流通)。
容器62在其周壁上具有许多小径的通孔，并且具有非导电性。作 为具有这种材质的物质，例如列举陶瓷或者氧化铝。由此，不使被层 叠的单电池之间发生短路从而维持电位差。还有，容器62也可以设置 用于使阳极气体在周壁上流通的贯通孔。
从增大担载除去CO的催化剂的面积的观点出发，优选载体63在 外表面上具有凹凸，从使燃料气体很好地通过的观点出发，更加优选 载体63为空隙率非常大的多孔体。作为具有这样的材质的物质，例如 列举陶瓷或者氧化铝。再则，从增大担载除去CO的催化剂的面积的 观点出发，更加优选将除去CO的催化剂担载于多孔体的细孔的内面 上。另外，载体63形成为蜂窝状。还有，在此，容器62的截面是椭 圆形的，但是并不限于此，只要嵌插于阳极气体供给用歧管221的内部， 也可以是多角形等。另外，在此，载体63的截面为六角形，但是并不 限于此，只要容纳于容器62的内部空间中，那么也可以是圆形等。再 有，为了使载体63不从容器62中脱落，也可以用具有通气性的盖部件盖在容器62的两侧面上(与第一和第二端板41a、 41b (准确地来说
是未图示的集电板)相接触的面)。
在以该方式形成的本实施方式2所涉及的燃料电池系统中的 PEFC100a中，从燃料气体供给装置101通过燃料气体供给通路105(燃 料气体供给用配管321)而被供给的阳极气体在构成CO除去体64的 容器62的内部空间中流通。此时，包含于阳极气体中的CO和空气(氧) 由于担载于载体63上的除去CO的催化剂而发生反应，从而除去CO。 然后，在容器62的内部空间中流通的阳极气体在容器62的另一个端 部发生反转，从而在形成于阳极气体供给用歧管221和容器62之间的 空间中进行流通，并在设置于各个单电池11的阳极隔板6a上的阳极 气体流路7中流通。
通过形成这样的构成，在本实施方式2所涉及的燃料电池系统中， 因为通过设置CO除去体64从而增加了担载除去CO的催化剂的表面 积，所以就够更多地担载除去CO的催化剂，因而能够更加可靠地除 去包含于阳极气体中的CO。
还有，关于本实施方式2所涉及的燃料电池系统的其它的构成， 与实施方式l的情况相同，所以在此省略说明。
以下就本实施方式2所涉及的燃料电池系统的CO除去体64的变 形例加以说明。
图6是表示本实施方式2的变形例1的CO除去体64a的构成的示 意图。
如图6所示，在变形例1中，担载了除去CO的催化剂的颗粒状 的载体63a以使在容器62的内部空间中具有间隙的方式被填充。载体 64只要是不流入阳极气体流路7中那样的大小即可，形状没有限定。 还有，在此，虽然是使用颗粒状的载体63a，但是并不限定于此，例如 也可以以在容器62的内部空间中具有间隙的方式层叠板状的载体。另 外，可以由具有许多细孔的多孔体构成颗粒状的载体63a，也可以将除 去CO的催化剂担载于细孔的内面。
通过形成这样的构成，在本变形例的燃料电池系统中，在维持了更加多的除去CO的催化剂的担载量的基础上，可以使阳极气体容易
通过CO除去体64a的内部(准确地来说是容器62的内部空间)。
根据上述说明，对于本领域技术人员来说，本发明的很多改良或 者其它的实施方式是很明显的。因此，上述说明应该仅仅作为示例来 解释，是为了向本领域技术人员教导实施本发明的最佳方式而提供的。 只要不脱离本发明的精神，可以实质性地变更其构造以及/或者功能的 细节。
实施例
以下就本发明的实施例进行说明，并且兼而说明实施方式的燃料 电池的制造方法的示例。
在本实施例中，由以下的步骤制作实施方式1中说明的PEFC100。 首先，就MEA5的形成加以说明。
作为高分子电解质膜1，使用将全氟碳磺酸膜(DUPONT公司制 Nafionll2(注册商标))切断成125mm方形而得到的膜。
在碳粉末科琴碳黑(Ketjen Black International公司制的Ketjen BlackEC，粒径30nm)上担载钴从而准备催化剂体(50wt。/o为Pt)，将 该催化剂体66质量份与含有5质量％的全氟碳磺酸离子聚合物的 Nafion分散液(美国Aldrich公司制)34质量份(高分子干燥质量)相 混合。使用该混合液，通过丝网印刷法，在高分子电解质膜1的两面 上以120mm方形且厚度为10~20|im的方式进行印刷，从而形成阳极 催化剂层2a以及阴极催化剂层2b。
接着以以下所述方式制作阳极气体扩散层3a以及阴极气体扩散层3b。
作为基材，使用其直径为20 70(im的细孔占80%以上的碳织布(例 如，日本碳株式会社制GF-20-E)。使聚四氟乙烯(PTFE)分散于混合纯 水和表面活性剂(例如卜！J卜y(Triton)X-51)而得到的溶液中，从而 准备了PTFE分散液。将基材浸渍于该PTFE分散液中，将被浸渍了的 基材用远红外线干燥炉在30(TC烧成60分钟。之后，另外准备混合纯水和表面活性剂(例如卜!J卜:/(Triton)X-51)而得到的溶液，将炭黑
添加到该混合液中，并使用行星式混合器使之分散，从而准备了炭黑
分散液。进一步将PTFE和纯水添加到该炭黑分散液中，混练3小时左 右，从而准备了涂层用涂料。用涂布机将该涂层用涂料涂布于以上述 的方式烧成之后的基材的主面的单侧。使用热风干燥机在30(TC将涂布 了的基材烧成2小时。以使其成为120mm方形的方式切断烧成后的基 板，作为阳极气体扩散层3a以及阴极气体扩散层3b。
然后，以使其分别与印刷在上述高分子电解质膜1上的阳极催化 剂层2a以及阴极催化剂层2b相接触的方式，通过热压将该阳极气体 扩散层3a以及阴极气体扩散层3b的涂布了涂层用涂料的面进行接合， 从而制作成了 MEA5。
还有，也可以以下述方式制作MEA5:通过以丝网印刷法将上述 催化剂体和Nafion分散液的混合液印刷至成为阳极气体扩散层3a以及 阴极气体扩散层3b的上述烧成后的基材的涂层涂布面上，从而制作成 阳极4a以及阴极4b，通过将该阳极4a以及阴极4b热压在高分子电解 质膜l上而进行接合，从而制得MEA5。
接着，将氟橡胶制的片冲切成适当的形状，从而制作成密封垫圈6。 将密封垫圈6配置于露出于阳极4a以及阴极4b的外周的高分子电解 质膜1的周缘部，以热压而使其接合一体化。
然后，阳极隔板6a以及阴极隔板6b是通过在含浸了酚醛树脂的 厚度为3mm的150mm见方的石墨板上由机械加工而形成阳极气体流 路7或者阴极气体流路8、传热介质流路9a、 9b、阳极气体供给用歧 管孔221以及阳极气体排出用歧管孔22E等的歧管孔等从而制作得到 (参照图3以及图4)。制作成阳极气体流路7、阴极气体流路8以及 传热介质流路9a、 9b的沟槽宽度为lmm、深度为lmm、流路间的宽 度为lmm的构成。
然后，以以下的方式将除去CO的催化剂层61形成于阳极气体内 部供给通路中。
首先，对阳极隔板6a的阳极气体流路7以及阳极气体供给用歧管 12I和阴极隔板6b的阳极气体供给用歧管121，使用等离子体实施用于 提高除去CO的催化剂的粘结强度的亲水处理。接着，将Pt和Ru的合金担载于碳粉末科琴碳黑(Ketjen Black International公司制的Ketjen Black EC，粒径为30nm)上从而准备催 化剂体(30wt。/。为Pt， 24wt^为Ru)，将该催化剂体66质量份与含有 5质量％的全氟碳磺酸离子聚合物的Nafion分散液(美国Aldrich公司 制)34质量份(高分子千燥质量)相混合。通过丝网印刷法以使厚度 为10~2(^m的方式将该混合液印刷于沟槽状的阳极气体流路7的内壁 以及构成阳极气体供给用歧管孔121的内壁上。还有，也可以代替 Nafion分散液，而使用聚乙烯、氟树脂或者环氧树脂等的树脂、或者 溶解SBR等的橡胶材料的溶解剂。另外，作为将除去CO的催化剂层 形成于隔板的阳极气体流路7的内壁或者构成阳极气体供给用歧管121 的内壁上的方法，也可以采用真空蒸镀等方法。
然后，以阳极隔板6a以及阴极隔板6b夹持MEA5和密封垫圈10， 从而形成单电池ll。层叠单电池ll，形成单电池层叠体50，使用紧固 连接器具，以使隔板的每单位面积为10kgf/cn^的方式施加荷重而进行 紧固连接，从而形成电池堆51。
以这样的方式所制得的本实施例的PEFC能够在包含于阳极气体 中的CO到达阳极催化剂之前将其除去，所以能够更加可靠地防止由 于阳极催化剂的CO中毒而引起的电池性能下降。
以下就研究本实施方式2所涉及的燃料电池系统的变形例1中的 CO除去体64a的CO除去性能的试验加以说明。
在试验例1中，将lg CO除去体64a (准确地来说是将在A1203上 担载作为除去CO的催化剂的Ru而得到的物质涂布在氧化硅(Si02)和 氧化铝(八1203)的烧结体上而得到的载体63a)充填于当作为阳极气体供 给用歧管22I的气体管(长度4cm，直径1.9cm)中，以150ml/min流 通8CTC的阳极气体(组成:H273%， C0225.5%，空气1.5%， CO20ppm)， 研究CO除去性能。
其结果是，包含于阳极气体中的CO的浓度从20ppm被降低至 3ppm，确认了通过将CO除去体64a设置于阳极气体供给用歧管221 中，可以充分进行CO的除去。还有，虽然作为家庭用燃料电池系统对上述实施方式所涉及的燃 料电池系统作了说明，但是并不限于此，也可以用于自动二轮车、电 动汽车、混合动力电动汽车、家电制品、便携式计算机装置、手机、 便携式音响设备以及便携式信息终端等的便携式电装置等的燃料电池
中o
产业上的可利用性
本发明的高分子电解质型燃料电池以及具备其的燃料电池系统作
为在包含于燃料气体中的CO到达阳极催化剂之前将其除去的燃料电
池以及具备其的燃料电池系统是有用的。
权利要求
1. 一种高分子电解质型燃料电池，其特征在于具备单电池和层叠该单电池而成的电池堆，所述单电池具有MEA，该MEA具有高分子电解质膜和夹持该高分子电解质膜的阳极和阴极；以及以夹持所述MEA的方式配设的阳极隔板和阴极隔板；所述高分子电解质型燃料电池具有将燃料气体和空气供给至所述电池堆的内部的所述阳极的阳极气体内部供给通路，在所述阳极气体内部供给通路中，形成有包含除去CO的催化剂的除去CO的催化剂层。
2. 如权利要求l所述的高分子电解质型燃料电池，其特征在于 在所述除去CO的催化剂层中，进一步含有担载所述除去CO的催化剂的载体。
3. 如权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池，其特征在于所述阳极气体内部供给通路是形成于所述阳极隔板的内面的沟槽 状的阳极气体流路。
4. 如权利要求l所述的高分子电解质型燃料电池，其特征在于在所述阳极隔板上，形成有用于向所述阳极气体流路的始端供给 所述燃料气体和空气的在层叠方向上贯通的阳极气体供给用歧管孔，通过层叠所述单电池，连通所述阳极气体供给用歧管孔从而形成 阳极气体供给用歧管，所述阳极气体内部供给通路由所述阳极气体供给用歧管构成。
5. 如权利要求l所述的高分子电解质型燃料电池，其特征在于所述阳极气体内部供给通路由所述阳极气体流路和所述阳极气体 供给用歧管构成。
6. 如权利要求4所述的高分子电解质型燃料电池，其特征在于在所述阳极气体供给用歧管内配设有CO除去体。
7. 如权利要求6所述的高分子电解质型燃料电池，其特征在于 所述CO除去体具有所述除去CO的催化剂、担载所述除去CO的催化剂的载体以及非导电性的且通气性的容器， 所述载体被容纳于所述容器中。
8. 如权利要求7所述的高分子电解质型燃料电池，其特征在于 所述载体是以使所述容器内具有通气性的方式被容纳于所述容器中。
9. 如权利要求8所述的高分子电解质型燃料电池，其特征在于 所述载体由多孔体形成。
10. 如权利要求8所述的高分子电解质型燃料电池，其特征在于 所述载体被形成为颗粒状。
11. 如权利要求l所述的高分子电解质型燃料电池，其特征在于所述除去CO的催化剂含有选自由Pt、 Ru、 Pd、 Au以及Rh构成的金属组中的至少一种金属元素作为构成元素。
12. 如权利要求2所述的高分子电解质型燃料电池，其特征在于在所述除去CO的催化剂层中，选自构成所述除去CO的催化剂的 所述金属组以及由构成所述金属组的金属的氧化物形成的金属氧化物 组中的至少二种以上的金属以及/或者金属的氧化物的单体，以互相接 触的方式担载于所述载体上。
13. —种燃料电池系统，其特征在于具有 如权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池， 将所述燃料气体供给至所述阳极的燃料气体供给装置， 将所述空气供给至所述阳极气体内部供给通路的空气供给装置，以及将所述氧化剂气体供给至所述阴极的氧化剂气体供给装置。
全文摘要
本发明的高分子电解质型燃料电池，其特征在于具备单电池(11)和层叠单电池(11)而得到的电池堆(51)，单电池(11)具有MEA(5)，该MEA(5)具有高分子电解质膜(1)和夹持高分子电解质膜(1)的阳极(4a)以及阴极(4b)，以及以夹持MEA(5)的方式进行配设的阳极隔板(6a)以及阴极隔板(6b)；并具有将燃料气体和空气向阳极(4a)供给的阳极气体内部供给通路，在阳极气体内部供给通路中形成有包含除去CO的催化剂的除去CO的催化剂层(61)。
文档编号H01M8/10GK101416336SQ200780012288
公开日2009年4月22日 申请日期2007年3月28日 优先权日2006年4月4日
发明者竹口伸介, 辻庸一郎 申请人:松下电器产业株式会社