CN101268573A - 燃料电池 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的燃料电池，由于设置了标准电位比Ru的低、但比氢的高的金属元素(50)，所以在Ru溶出之前金属元素(50)从Pt－Ru催化剂(1)中溶出，从而可抑制Ru从Pt－Ru催化剂(1)中溶出。另外，由于在扩散层和/或与电解质膜隔开的催化层部分中设置了金属元素(50)，所以即使金属元素(50)变成离子而溶出，也难以到达电解质膜中，不会妨害电解质膜的质子传导性，因而可防止电解质膜污染。另外，作为金属元素(50)，可以列举出Cu或Re或Ge。

Description

燃料电池
技术领域
本发明涉及可满足防止Pt-Ru催化剂的CO中毒和防止电解质膜污染这两方的燃料电池。
背景技术
以往，固体高分子电解质型燃料电池，用隔膜夹持在电解质膜的一个面上形成阳极、在另一个面上形成阴极而成的膜-电极组件(MEA)而构成。如果向阳极供给含有氢的燃料气，向阴极供给含有氧的氧化气，则在阳极侧，进行将氢气转换成氢离子(质子)和电子的电离反应，氢离子在电解质膜中向阴极侧移动，在阴极侧进行由氧、氢离子和电子(在邻近的MEA的阳极生成的电子从隔膜通过，或在电池层叠方向一端的电池阳极生成的电子通过外部电路转移至另一端的电池阴极)生成水的反应，进行发电。
作为电解质，通常使用具有质子传导性的磺酸基的离子交换膜。
另一方面，作为燃料电池的燃料气，使用将甲烷、甲醇、天然气等进行水蒸气改质而得到的氢时，在改质气体中含有CO，该CO使作为阳极催化剂成分的Pt(铂)中毒(在Pt周围形成CO皮膜，妨害氢与Pt接触)，使电池性能降低。为了抑制Pt的CO中毒，如图8所示那样，已知也可以在催化剂中加入Ru(钌)，作为Pt-Ru合金1担载在催化剂载体2上(Ru可使CO转化成CO2)。
然而，由于Ru的电化学标准电位比Pt的低，因此当由于由阳极电位的过电压导致的阳极电位上升，从而接近于Ru的标准电位时，则Ru变成Ru2+离子而溶出，Ru逐渐消失，作为Pt-Ru合金的效果(抑制Pt的CO中毒)降低。
特开2001-76742号公报中，提出了为了抑制阳极的Pt-Ru催化剂的CO中毒，使燃料电池的阳极催化层中含有Re(铼)的方案。由于Re的电化学标准电位比Ru的低，所以在阳极电位上升时，Re比Ru先溶出，Re成为牺牲阳极，从而抑制Ru的溶出。
本发明欲解决的课题是，当Re溶出，Re离子(阳离子)向电解质膜中扩散时，与离子交换膜的磺酸基发生化学反应，妨害磺酸基的质子传导性，妨害电解质膜的质子传导性，使电池性能下降的问题。也就是说，如果使阳极催化层中含有Re(铼)，则不能使防止Pt-Ru催化剂的CO中毒和防止电解质膜污染同时成立。
本发明的目的在于，提供可满足防止Pt-Ru催化剂的CO中毒和防止电解质膜污染这两方的燃料电池。
发明内容
解决上述课题并实现上述目的的本发明包括一种燃料电池，其顺序地层叠有阳极侧扩散层、阳极侧催化层、电解质膜、阴极侧催化层、阴极侧扩散层，阳极侧催化层含有Pt-Ru催化剂，阳极侧催化层之中的与电解质膜隔开的催化层部分和/或阳极侧扩散层含有标准电位比Ru的低、但比氢的高的金属元素。
优选金属元素是标准电位比0.46V低、但比0.10V高的金属元素。
更优选金属元素是标准电位比0.46V低、但比0.20V高的金属元素。
优选标准电位比Ru的低、但比氢的高的金属元素是选自Cu、Re和Ge之中的至少一种元素。
特别优选标准电位比Ru的低、但比氢的高的金属元素是Cu。
金属元素可以混入阳极侧催化层和/或阳极侧扩散层中。
金属元素可以被担载在阳极侧扩散层的碳粒子或碳纤维上、和/或被担载在阳极侧催化层的催化剂载体上。
金属元素的含有部位可以是下面的第1～第3中的任一种情况。
在第1种情况中，金属元素仅在阳极侧扩散层中含有，在阳极侧催化层中不含有。
在第2种情况中，阳极侧催化层由单层构成，金属元素在阳极侧催化层中的与电解质膜隔开的部分中含有。
在第3种情况中，阳极侧催化层由2层构成，金属元素仅在阳极侧催化层的2层中的与电解质膜隔开的一方的层中含有。
金属元素在阴极侧催化层和阳极侧扩散层中并不含有。
金属元素通过阳极侧扩散层和/或阳极侧催化层的碳与上述Ru电导通。
根据上述本发明的燃料电池，由于设置了标准电位比Ru的低、但比氢的高的金属元素，所以在Ru溶出之前金属元素溶出，从而可抑制Ru的溶出，维持由Ru带来的抑制Pt的CO中毒。另外，由于在扩散层和/或与电解质膜隔开的催化层部分中设置了标准电位比Ru的低、但比氢的高的金属元素，因此即使金属元素变成离子而溶出，也难以到达电解质膜中，难以妨害电解质膜的质子传导性。其结果，可满足防止Pt-Ru催化剂的CO中毒和防止电解质膜污染这两方面。
作为标准电位比Ru的低、但比氢的高的金属元素的例子，可以列举出Cu或Re或Ge。
附图说明
参照附图说明本发明的实施例。图中，
图1是本发明的实施例1的燃料电池的、MEA和扩散层的一部分的剖视图。
图2是本发明的实施例2、实施例3的燃料电池的、将催化层分成与电解质膜接触的层和与电解质膜隔开的层，并将两层重叠而构成的情况下的、MEA与扩散层的一部分的剖视图。
图3是本发明的实施例2的催化层中的催化剂、催化剂载体、所混入的金属元素的放大剖视图。
图4是本发明的实施例3的催化层中的催化剂、催化剂载体、担载在催化剂载体上的金属元素的放大剖视图。
图5是本发明的燃料电池组的侧视图。
图6是本发明的燃料电池组的一部分的剖视图。
图7是本发明的燃料电池的正视图。
图8是以往的燃料电池的催化层中的催化剂、催化剂载体的放大剖视图。
具体实施方式
下面参照图1-图7说明本发明的燃料电池。
图1表示本发明的实施例1，图2和图3表示本发明的实施例2，图2和图4表示本发明的实施例3。图5-图7可适用于本发明的全部实施例。在本发明的全部实施例中共通的构成部分遍及本发明的全部实施例带有相同符号。
首先，参照图1、图5-图7说明在本发明的全部实施例中共通的构成部分及其作用、效果。
本发明的燃料电池10，例如是固体高分子电解质型燃料电池。燃料电池10是例如家用等固定型的燃料电池、或搭载在燃料电池汽车上的移动型的燃料电池。
固体高分子电解质型燃料电池(cell)10包括膜-电极组件(MEA：Membrane-Electrode Assembly)19与隔膜18的叠层体。
膜-电极组件19包括：包含离子交换膜的电解质膜11、和设置在该电解质膜11的一个面上的包含催化层的电极(阳极、燃料极)14、及设置在电解质膜11的另一个面上的包含催化层的电极(阴极、空气极)17。在膜-电极组件19和隔膜18之间，在阳极侧、阴极侧可以分别设置气体扩散用的扩散层13、16。
将膜-电极组件19和隔膜18重叠，构成电池模块(1个电池模块的情况下，电池10与电池模块相同)，层叠电池模块制成为电池叠层体，在电池叠层体的电池叠层方向的两端配置端子20、绝缘子21、端板22，将两端的端板22用螺栓和螺母25固定在在电池叠层体外侧沿电池叠层方向延伸的紧固构件(例如张力板24)上，从而构成燃料电池组23。用设置在一端的端板22上的调节螺钉通过设置在其内侧的弹簧对电池叠层体施加电池叠层方向的紧固载荷。
隔膜18包括碳隔膜、金属隔膜、导电性树脂隔膜、金属隔膜与树脂框的组合等等的任一种。
在隔膜18中，在发电领域中，形成用于向阳极14供给燃料气(包括氢)的燃料气体流路27，并形成用于向阴极17供给氧化气(包括氧，通常是空气)的氧化气流路28。燃料气也可以是将甲烷、甲醇、天然气等进行水蒸气改质而得到的含氢的改质气体，在为改质气体的情况下，在改质气体中可含有CO。另外，在隔膜18中也形成了用于流通冷介质(通常为冷却水)的冷介质流路26。在隔膜18中，在非发电领域中，形成燃料气岐管30、氧化气岐管31、冷介质岐管29。燃料气岐管30与燃料气流路27连通，氧化气岐管31与氧化气流路28连通，冷介质岐管29与冷介质流路26连通。
燃料气、氧化气、冷介质，在电池内相互密封。夹持各电池模块19的MEA的2个隔膜18间被第1密封构件(例如接合剂)33密封，邻接的电池模块19彼此之间被第2密封构件(例如衬垫)32密封。其中，第1密封构件33也可以用衬垫形成，第2密封构件32可以用接合剂形成。
在各电池10的阳极14侧，进行将氢转换成氢离子(质子)和电子的电离反应，氢离子在电解质膜11中向阴极17侧移动，在阴极17侧，由氧、氢离子和电子(在邻近的MEA的阳极生成的电子从隔膜通过，或在电池层叠方向一端的电池阳极生成的电子通过外部电路转移至另一端的电池阴极)生成水，按照下式进行发电。
阳极侧：H2→2H++2e-
阴极侧：2H++2e-+(1/2)O2→H2O
电解质膜11由在电解质膜11中使质子移动的、具有磺酸基的离子交换树脂膜，例如全氟代烃磺酸型离子交换树脂膜形成。
作为催化层的电极14、17，含有作为催化剂的Pt-Ru合金1、催化剂载体(例如碳)2、和电解质(优选为与电解质膜11相同的材料)。Ru是用于防止或抑制Pt的CO中毒的物质，可以以Pt-Ru合金的形式含有。Pt与Ru的比没有特殊限定，但优选以原子数比计为90∶10～30∶70左右，扩散层13、16具有导电性、通气性、通水性，例如包含碳纤维。
在(i)阳极侧的扩散层13中，或
在(ii)阳极侧的扩散层13、和阳极侧的催化层14之中的与电解质膜11隔开的催化层部分14a(在将催化层14分成与电解质膜11接触的部分14b和与电解质膜11隔开的催化层部分14a的情况下的与电解质膜11隔开的催化层部分14a)中，或
在(iii)阳极侧的催化层14之中的与电解质膜11隔开的催化层部分14a中，含有标准电位比Ru的低、但比氢的高的金属元素50。
优选金属元素50在特别是混入CO的可能性高的阳极侧催化层14和阳极侧扩散层13中含有，在阴极侧催化层17和阴极侧扩散层16中可以不含有金属元素50。
金属元素50通过扩散层13和/或催化层14的碳与Ru电导通。
金属元素50形成为微粒子、粉末、微小填料、微小纤维等形态，
(i)可以混入阳极侧的扩散层13、和/或阳极侧的催化层14之中的与电解质膜11隔开的催化层部分14a(如图1、图3所示的那样，不担载在催化剂载体2上)中，或
(ii)可以担载在阳极侧扩散层13的碳粒子、碳纤维上，或可以担载在阳极侧催化层14之中的与电解质膜11隔开的催化层部分14a的催化剂载体2(碳粒子、碳纤维等)上(图4)。
在将金属元素50混入催化层14中的情况下，
(i)可以以单层形成催化层14，并只在该单层中的与电解质膜11隔开的催化层部分14a中混入金属元素50(图1)，或者
(ii)可以按相互区别的层来形成催化层部分14a和催化层部分14b，并使其重合，只在与电解质膜11隔开的催化层部分14a中混入金属元素50(图2)。
标准电位比Ru的低、但比氢的高(标准电位比Ru的标准电位0.46V低，比氢的标准电位0V高，优选低于0.46V但高于0.10V，更优选高于0.20V)的金属元素50是选自Cu(铜)、Re(铼)和Ge(锗)中的至少一种元素。金属元素50特别优选为Cu、Re和Ge之中的标准电位最高的Cu。
关于标准电位，Pt的为1.32V(伏特)，Ru的为0.46V，Cu的为0.337V，Re的为0.30V，Ge的为0.247V，H的为0V(氢为基准)。
这里，优选金属元素的标准电位的最小值高的一方的理由，是因为如果金属元素的标准电位过低，则容易溶出而消失，因此为了防止该现象的缘故。另外，金属元素的标准电位的最大值比0.46V低的理由是，如果为0.46V以上，则不能作为防止Ru溶出的牺牲阳极而发生作用，对防止Ru溶出没有效果的缘故。
下面说明在上述本发明的全部实施例中共通的构成部分所带来的作用、效果。
首先，由于设置了标准电位比Ru的低、但比氢的高的金属元素50，所以在由于阳极电位的过电压而导致阳极电位上升时，金属元素50作为牺牲电极发挥作用，在Ru溶出之前金属元素50溶出，抑制了Ru的溶出，从而可以维持Ru带来的抑制Pt的CO中毒。由此，即使将含有氢气的改质气体用于燃料气，也可以抑制Pt的CO中毒，可长期得到充分的发电电压。
另外，由于在扩散层13和/或与电解质膜11隔开的催化层部分14a中设置了标准电位比Ru的低、但比氢的高的金属元素50，所以即使金属元素50在与催化层14、扩散层13接触的水分(气体加湿用水分、透过膜11的反应生成水)中变成离子而溶出，由于存在催化层14或催化层部分14b，金属元素50的离子也难以到达电解质膜11中，难以引起妨害电解质膜11的质子传导性的情况。其结果可以满足防止Pt-Ru催化剂1的CO中毒和防止电解质膜11的由金属离子引起的污染这两方面。
作为标准电位比Ru的低、但比氢的高的金属元素50，可以列举出Cu或Re或Ge。
下面，说明本发明的各实施例所特有构成、作用、效果。
[实施例1]---图1所示
在本发明的实施例1中，如图1所示，在阳极侧扩散层13中混入了标准电位比Ru的低、但比氢的高的金属元素50，例如Cu、Re、Ge的微粒子。金属元素50，例如Cu、Re、Ge的微粒子，可以不担载在扩散层13的碳粒子或碳纤维上而是简单地混入，或者可以担载在扩散层13的碳粒子或碳纤维上。
在阳极侧催化层14、阴极侧扩散层16、阴极侧催化层17中，不混入标准电位比Ru的低、但比氢的高的金属元素50。
关于本发明的实施例1的作用、效果，混入到阳极侧扩散层13中的金属元素50通过阳极侧催化层14中的Pt-Ru催化剂1和扩散层13的碳进行导通，所以在阳极电位上升时，金属元素50作为牺牲阳极发挥作用，在Ru溶出之前，金属元素50变成离子(图1表示在使用Cu作为金属元素50时，变成Cu2+)溶出，从而抑制了Pt-Ru催化剂1的Ru的溶出。抑制Ru溶出的结果是，Ru可以长期抑制Pt的CO中毒。另外，抑制了Ru变成离子向电解质膜11中扩散，可以抑制电解质膜11的由离子导致的劣化(难以使质子移动)和由此造成的电池性能降低。即使金属元素50溶出变成离子，由于在与电解质膜11之间存在阳极侧催化层14，所以也难以向电解质膜11中扩散，难以发生电解质膜11的由离子造成的劣化。
[实施例2]---图2、图3所示
本发明的实施例2，如图2、图3所示那样，在阳极催化层14之中的与电解质膜11隔开的催化层部分14a(在将催化层14分成与电解质膜11接触的部分14b和与电解质膜11隔开的催化层部分14a的情况下的、与电解质膜11隔开的催化层部分14a)中混入有标准电位比Ru的低、但比氢的高的金属元素50，例如Cu、Re、Ge的微粒子。金属金属元素50，例如Cu、Re、Ge的微粒子，不担载在催化层14的碳粒子或碳纤维上，而是简单混入。在实施例3中对担载在催化层14的碳粒子或碳纤维上的情况予以说明。催化层部分14a和14b可以按相互不同的层来形成并重叠(图2)，或者也可以作为单一层的与电解质膜11远离的一侧的部分和与电解质膜11接触的一侧的部分而形成。
在阳极侧催化层14的与电解质膜11接触的部分14b、阴极侧扩散层16、阴极侧催化层17中，没有混入标准电位比Ru的低、但比氢的高的金属元素50。在阳极侧扩散层13中，标准电位比Ru的低、但比氢的高的金属元素50，可以混入也可以不混入。
关于本发明的实施例2的作用、效果，由于混入阳极催化层14之中的与电解质膜11隔开的催化层部分14a中的金属元素50，通过阳极侧催化层14中的Pt-Ru催化剂1和催化层14的碳进行导通，所以在阳极电位上升时，金属元素50作为牺牲阳极发挥作用，在Ru溶出之前金属元素50变成离子(图3表示在使用Cu作为金属元素50时，变成Cu2+)溶出，从而抑制了Pt-Ru催化剂1的Ru的溶出。抑制Ru溶出的结果，Ru可以长期抑制Pt的CO中毒。另外，可抑制Ru变成离子向电解质膜11中扩散，抑制电解质膜11的由离子导致的劣化(难以使质子移动)和由此造成的电池性能降低。即使金属元素50溶出变成离子，由于在与电解质膜11之间存在没有混入金属元素的催化层部分14b，所以也难以向电解质膜11中扩散，难以发生电解质膜11的由离子造成的劣化。
[实施例3]---图2、图4所示
本发明的实施例3，如图2、图4所示，在阳极催化层14之中的与电解质膜11隔开的催化层部分14a(在将催化层14分成与电解质膜11接触的部分14b和与电解质膜11隔开的催化层部分14a的情况下的、与电解质膜11隔开的催化层部分14a)中含有标准电位比Ru的低、但比氢的高的金属元素50，例如Cu、Re、Ge的微粒子。金属元素50，例如Cu、Re、Ge的微粒子，担载在催化层14的包含碳粒子或碳纤维的催化剂载体2上。在实施例2中对未担载在催化层14的碳粒子或碳纤维的催化剂载体2上的情况进行了说明。催化层部分14a和14b可以按相互不同的层形成并重叠(图2)，或者可以作为单一层的与电解质膜11远离的一侧的部分和与电解质膜11接触的一侧的部分形成。
在阳极侧催化层14的与电解质膜11接触的部分14b、阴极侧扩散层16、阴极侧催化层17中不含有标准电位比Ru的低、但比氢的高的金属元素50。在阳极侧扩散层13中，标准电位比Ru的低、但比氢的高的金属元素50可以含有也可以不含有。
关于本发明的实施例3的作用、效果，由于含在阳极催化层14之中的与电解质膜11隔开的催化层部分14a中的金属元素50，通过阳极侧催化层14中的Pt-Ru催化剂1和催化层14的碳进行导通，所以在阳极电位上升时，金属元素50作为牺牲阳极发挥作用，在Ru溶出之前金属元素50变成离子(图4表示在使用Cu作为金属元素50时，变成Cu2+)溶出，从而抑制了Pt-Ru催化剂1的Ru的溶出。抑制Ru溶出的结果，Ru可以长期抑制Pt的CO中毒。另外，可抑制Ru变成离子向电解质膜11中扩散，抑制电解质膜11的由离子导致的劣化(难以使质子移动)和由此造成的电池性能降低。即使金属元素50溶出变成离子，由于在与电解质膜11之间存在不含有金属元素的催化层部分14b，所以也难以向电解质膜11中扩散，难以发生电解质膜11的由离子造成的劣化。
产业上的可利用性
本发明的燃料电池10，是作为低温型燃料的固体高分子电解质型燃料电池，可用于在阳极侧催化层14中含有Pt-Ru催化剂50的燃料电池。
本发明中表示数值范围的“以上”和“以下”均包括本数。

Claims (12)

1.一种燃料电池(10)，其按顺序层叠有阳极侧扩散层(13)、阳极侧催化层(14)、电解质膜(11)、阴极侧催化层(17)和阴极侧扩散层(16)，其中，所述阳极侧催化层(14)含有Pt-Ru催化剂(1)，所述阳极侧催化层(14)中的与所述电解质膜(11)隔开的催化层部分(14a)和/或所述阳极侧扩散层(13)含有标准电位比Ru的低、但比氢的高的金属元素(50)。
2.如权利要求1所述的燃料电池(10)，其中，所述金属元素(50)是标准电位低于0.46V、但高于0.10V的金属元素。
3.如权利要求1所述的燃料电池(10)，其中，所述金属元素(50)是标准电位低于0.46V、但高于0.20V的金属元素。
4.如权利要求1所述的燃料电池(10)，其中，标准电位比Ru的低、但比氢的高的所述金属元素(50)，是选自Cu、Re和Ge之中的至少一种元素。
5.如权利要求1所述的燃料电池(10)，其中，标准电位比Ru的低、但比氢的高的所述金属元素(50)是铜。
6.如权利要求1所述的燃料电池(10)，其中，所述金属元素(50)被混入所述阳极侧催化层(14)和/或所述阳极侧扩散层(13)中。
7.如权利要求1所述的燃料电池(10)，其中，所述金属元素(50)被担载在所述阳极侧扩散层(13)的碳粒子或碳纤维上、和/或被担载在所述阳极侧催化层(14)的催化剂载体上。
8.如权利要求1所述的燃料电池(10)，其中，所述金属元素(50)只在所述阳极侧扩散层(13)中含有，在所述阳极侧催化层(14)中并不含有。
9.如权利要求1所述的燃料电池(10)，其中，所述阳极侧催化层(14)由单层构成，所述金属元素(50)在所述阳极侧催化层(14)中的与所述电解质膜(11)隔开的部分(14a)中含有。
10.如权利要求1所述的燃料电池(10)，其中，所述阳极侧催化层(14)由2层构成，所述金属元素(50)只在所述阳极侧催化层(14)的2层中的与所述电解质膜(11)隔开的一方的层(14a)中含有。
11.如权利要求1所述的燃料电池(10)，其中，所述金属元素(50)在阴极侧催化层(17)和阴极侧扩散层(16)中并不含有。
12.如权利要求1所述的燃料电池(10)，其中，所述金属元素(50)通过阳极侧扩散层(13)和/或阳极侧催化层(14)的碳与所述Ru电导通。
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