JP2000106193A - Solid high polymer film electrolyte fuel cell and manufacture thereof - Google Patents

Solid high polymer film electrolyte fuel cell and manufacture thereof

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JP2000106193A
JP2000106193A JP10277789A JP27778998A JP2000106193A JP 2000106193 A JP2000106193 A JP 2000106193A JP 10277789 A JP10277789 A JP 10277789A JP 27778998 A JP27778998 A JP 27778998A JP 2000106193 A JP2000106193 A JP 2000106193A
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fuel cell
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ruthenium
carbon
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid high polymer film electrolyte fuel cell, capable of improving the durability to an impure material gas, capable of restricting voltage lowering even when loading in a high current density area, and capable of preventing the deterioration of battery characteristics in longtime operation, and having superior economical efficiency and reliability. SOLUTION: An anode 12 of a solid high polymer film electrolyte fuel cell is formed of a gas diffused part 18, anode catalyst 19 and a carbon part 20. The anode catalyst 19 is obtained by carrying platinum or ruthenium metal on carbon and formed of alloy parts 19a, in which platinum and ruthenium are alloyed, and unalloyed parts 19b, in which platinum and ruthenium are not alloyed.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明はイオン伝導性を有す
る固体高分子膜を持つ燃料電池に係り、特に、燃料極の
触媒に改良を加えた固体高分子膜電解質型燃料電池及び
その製造方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell having a solid polymer membrane having ion conductivity, and more particularly to a solid polymer electrolyte fuel cell having an improved catalyst for a fuel electrode and a method of manufacturing the same. Things.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、高効率でクリーンなエネルギー変
換装置として燃料電池が注目を集めている。中でも、固
体高分子膜を電解質膜とする固体高分子膜電解質型燃料
電池は、比較的低温(80〜100℃)で作動できる、
出力密度が高い、構成がコンパクトであるといった利点
がある。そのため、移動用電源や定置用電源等、様々な
分野での使用が期待されている。
2. Description of the Related Art In recent years, fuel cells have attracted attention as highly efficient and clean energy conversion devices. Above all, a solid polymer electrolyte fuel cell using a solid polymer membrane as an electrolyte membrane can operate at a relatively low temperature (80 to 100 ° C).
There are advantages such as high output density and compact configuration. Therefore, it is expected to be used in various fields such as a mobile power supply and a stationary power supply.

【0003】固体高分子膜電解質型燃料電池の作動原理
は、リン酸電解質型燃料電池と基本的には同じである
が、電解質膜である固体高分子膜が湿潤状態にて良好な
イオン伝導性を発揮するため、膜の耐熱性から運転温度
は100℃近辺となっている。また、電池本体の構造も
リン酸電解質型燃料電池と同様である。すなわち、燃料
極(以下、アノードと称する)と酸化剤極(以下、カソ
ードと称する)から成る一対の多孔質電極の間に、固体
高分子膜を挟持し、アノード及びカソードにそれぞれ燃
料ガス及び酸化剤ガスを流通させている。また、アノー
ド及びカソードは通常、炭素材からなり、固体高分子膜
と接する面に各々、触媒層としてアノード触媒及びカソ
ード触媒を形成している。なお、酸化剤ガスはコンプレ
ッサーより送られる空気、燃料ガスは天然ガスを改質し
た水素リッチなガス、あるいはメタノール等を改質した
水素リッチなガスである。
The operating principle of a solid polymer electrolyte fuel cell is basically the same as that of a phosphoric acid electrolyte fuel cell, except that the solid polymer membrane, which is an electrolyte membrane, has good ion conductivity in a wet state. Therefore, the operating temperature is around 100 ° C. due to the heat resistance of the film. The structure of the cell body is the same as that of the phosphoric acid electrolyte fuel cell. That is, a solid polymer membrane is sandwiched between a pair of porous electrodes including a fuel electrode (hereinafter, referred to as an anode) and an oxidant electrode (hereinafter, referred to as a cathode), and a fuel gas and an oxidized gas are respectively applied to the anode and the cathode. The agent gas is circulated. The anode and the cathode are usually made of a carbon material, and the anode catalyst and the cathode catalyst are formed as catalyst layers on the surfaces in contact with the solid polymer membrane, respectively. The oxidizing gas is air sent from a compressor, and the fuel gas is a hydrogen-rich gas obtained by reforming natural gas or a hydrogen-rich gas obtained by reforming methanol or the like.

【0004】以上のような燃料電池では、電解質膜と接
する触媒表面で起きる電気化学反応によって電力を得て
いるので、燃料電池の出力・寿命は触媒の特性に大きく
依存している。触媒としては、白金(Pt)、パラジウ
ム(Pd)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、
イリジウム(Ir)、オスミウム(Os)、銀(A
g)、金(Au)といった貴金属成分を、カーボンブラ
ックのような導電性の粉末担体に担持させたものが用い
られている。このような触媒によれば、シンタリングの
抑制及び貴金属使用量の低減が可能であり、燃料電池の
経済性が高める上で有利である。
In the above-described fuel cell, since power is obtained by an electrochemical reaction occurring on the surface of the catalyst in contact with the electrolyte membrane, the output and life of the fuel cell greatly depend on the characteristics of the catalyst. Examples of the catalyst include platinum (Pt), palladium (Pd), rhodium (Rh), ruthenium (Ru),
Iridium (Ir), osmium (Os), silver (A
g), a material in which a noble metal component such as gold (Au) is carried on a conductive powder carrier such as carbon black is used. According to such a catalyst, sintering can be suppressed and the amount of noble metal used can be reduced, which is advantageous in increasing the economic efficiency of the fuel cell.

【0005】ところで、アノードに供給される燃料ガス
中にはCO,H2 S,NH3 等の様々な不純物ガスが含
まれる。これら不純物ガスがアノード触媒の表面に吸着
すると、いわゆる触媒毒となり、触媒活性が大幅に低減
することは周知の通りである。しかも、このガスの吸着
は電極触媒表面で発熱反応を起こすため、低温で運転さ
れる固体高分子膜電解質型燃料電池においては影響が大
きく、厳しい条件で除去しなくてはならない。そこで、
これら不純物ガスのうち最も濃度が大きいCOについて
は改質器や変成器を燃料ガス供給系統に組込むことによ
り、アノードに入る前に50ppm程度にまで低減して
から、アノードへの燃料ガス供給を行うようになってい
る。
[0005] The fuel gas supplied to the anode contains various impurity gases such as CO, H2S, and NH3. It is well known that when these impurity gases are adsorbed on the surface of the anode catalyst, they become so-called catalyst poisons and the catalytic activity is greatly reduced. In addition, since the adsorption of the gas causes an exothermic reaction on the surface of the electrode catalyst, it has a great effect in a solid polymer electrolyte fuel cell operated at a low temperature and must be removed under severe conditions. Therefore,
The CO having the highest concentration among these impurity gases is reduced to about 50 ppm before entering the anode by incorporating a reformer or a shifter into the fuel gas supply system, and then the fuel gas is supplied to the anode. It has become.

【0006】しかしながら、これら改質器触媒の経時的
劣化や操作機構の突発的故障、あるいは、ガソリン等の
多様化する燃料の出現により不純物ガスの入口濃度が上
昇すると、アノード触媒の被毒が予想される。そこで従
来より、不純物ガス(主にCO)に対する耐性の高いア
ノード触媒が多数開発されてきた。例えば、カーボン担
持の白金−ルテニウム合金触媒、あるいはそこにSn等
の第三の添加元素を加えて合金化した触媒をアノード触
媒として用いることが提案されている。
However, if the inlet gas concentration of the impurity gas rises due to the deterioration of the reformer catalyst over time, the sudden failure of the operating mechanism, or the emergence of diversified fuels such as gasoline, poisoning of the anode catalyst is expected. Is done. Therefore, conventionally, a large number of anode catalysts having high resistance to impurity gases (mainly CO) have been developed. For example, it has been proposed to use a carbon-supported platinum-ruthenium alloy catalyst or a catalyst obtained by adding a third additive element such as Sn thereto and alloying it as an anode catalyst.

【0007】より具体的には次のような従来技術が知ら
れている。特開平9−35723号公報記載の従来例
は、電極面内のガス出口側にのみ白金−ルテニウム合金
触媒を使うと共に、白金:ルテニウムの原子比率を8
5:15〜55:45に規定したもので、白金−ルテニ
ウム合金触媒におけるコストダウンを目的としている。
また、白金及びルテニウムを合金化するのではなく、白
金及びルテニウムを持つ複合触媒成形体として特開平9
−153366号公報記載の従来例がある。この例で
は、まず白金化合物を導電性の成形体に塗布し、これを
還元して成形体上に白金を析出させ、次いでルテニウム
化合物を上記成形体に塗布し、これを還元することによ
って、単に2つの金属を成形体上に担持させることがで
きる。これらのアノード触媒を用いてCO被毒試験を行
ってみると、確かにその耐性は高くなっていることが実
証されている。さらに、アノード触媒の従来例として
は、白金または白金合金に対し水素吸蔵合金を被着させ
るといった特徴を持つものも提案されている(特開平1
0−74523号公報)。このアノード触媒によれば、
水素吸蔵合金の働きにより白金または白金合金での水素
の酸化反応を促進させることができ、高活性及び長寿命
に寄与することができる。
More specifically, the following prior art is known. In the conventional example described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-35723, a platinum-ruthenium alloy catalyst is used only on the gas outlet side in the electrode surface, and the atomic ratio of platinum: ruthenium is 8
5:15 to 55:45, which aims to reduce the cost of the platinum-ruthenium alloy catalyst.
Further, instead of alloying platinum and ruthenium, a composite catalyst molded body having platinum and ruthenium is disclosed in
There is a conventional example described in JP-A-153366. In this example, first, a platinum compound is applied to a conductive molded body, this is reduced to deposit platinum on the molded body, and then a ruthenium compound is applied to the molded body, and this is reduced. Two metals can be carried on the compact. When a CO poisoning test is performed using these anode catalysts, it has been proved that the resistance is certainly high. Further, as a conventional example of an anode catalyst, a catalyst having a feature of depositing a hydrogen storage alloy on platinum or a platinum alloy has been proposed (Japanese Patent Application Laid-Open No. HEI 1-1990).
0-74523). According to this anode catalyst,
By the function of the hydrogen storage alloy, the oxidation reaction of hydrogen on platinum or a platinum alloy can be promoted, which can contribute to high activity and long life.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来技
術においては、燃料電池の負荷電流を高電流密度領域ま
で上げていくと、電圧が低下し、限界電流となる傾向が
現れてくるという問題点があった。また、燃料電池を長
期にわたって運転していると、アノードの分極が増大
し、電池特性が徐々に劣化するという不具合を招いた。
さらに、様々な用途が期待される燃料電池に対してはコ
スト面も重要視されている。
However, in the prior art, when the load current of the fuel cell is increased to a high current density region, the voltage decreases and the current tends to reach a limit current. there were. In addition, when the fuel cell has been operated for a long period of time, the polarization of the anode has increased, causing a problem that the cell characteristics gradually deteriorate.
Furthermore, cost is also considered important for fuel cells expected to be used in various applications.

【0009】本発明はこのような問題点に鑑みてなされ
たものであり、その目的は、不純物ガスに対する耐性を
いっそう高め、高電流密度領域まで負荷をとった場合で
も電圧低下を抑え、長期運転時の電池特性の劣化を防止
できる、経済性及び信頼性に優れた固体高分子膜電解質
型燃料電池及びその製造方法を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and has as its object the purpose of further increasing the resistance to impurity gases, suppressing the voltage drop even when the load is taken up to a high current density region, and providing a long-term operation. It is an object of the present invention to provide a polymer electrolyte membrane fuel cell which can prevent deterioration of battery characteristics at the time of manufacture and which is excellent in economic efficiency and reliability, and a method of manufacturing the same.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項1の発明は、電解質膜としてイオン伝導性を有
する固体高分子膜を備え、この固体高分子膜を挟むよう
に燃料極及び酸化剤極を配置し、これら燃料極及び酸化
剤極にはカーボン上に白金及びルテニウムが担持された
触媒を設け、前記燃料極側には燃料ガスを、前記酸化剤
側には酸化剤ガスをそれぞれ流通させた固体高分子膜電
解質型燃料電池において、燃料極の触媒が、白金及びル
テニウムを合金化した部分と、白金及びルテニウムを非
合金化した部分とからなることを構成上の特徴とする。
In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 comprises a solid polymer membrane having ion conductivity as an electrolyte membrane, and a fuel electrode and a fuel electrode sandwiching the solid polymer membrane. An oxidant electrode is arranged, and a catalyst in which platinum and ruthenium are supported on carbon is provided in these fuel electrode and oxidant electrode, and a fuel gas is provided on the fuel electrode side, and an oxidant gas is provided on the oxidant side. In the solid polymer electrolyte fuel cell that has been circulated, the catalyst of the fuel electrode is characterized in that it is composed of a part where platinum and ruthenium are alloyed and a part where platinum and ruthenium are non-alloyed. .

【0011】以上の請求項1の発明では、燃料極の触媒
中に、白金及びルテニウムの合金化部分と、白金及びル
テニウムの非合金化部分とが混在している。そのため、
カーボン上に担持された金属同士すなわち白金及びルテ
ニウムの凝集に関しては、両者が完全に合金化した白金
−ルテニウム合金触媒に比べて小さくなる。したがっ
て、燃料極の触媒における電気化学的な金属表面積は、
白金−ルテニウム合金触媒のそれよりもかなり大きな値
をとることができる。
In the first aspect of the present invention, the alloy of platinum and ruthenium and the non-alloyed portion of platinum and ruthenium are mixed in the catalyst of the fuel electrode. for that reason,
Agglomeration of metals supported on carbon, that is, platinum and ruthenium, is smaller than that of a platinum-ruthenium alloy catalyst in which both are completely alloyed. Therefore, the electrochemical metal surface area of the anode catalyst is:
Significantly higher values can be taken than for platinum-ruthenium alloy catalysts.

【0012】このような触媒を燃料極に用いることによ
り、合金としての電子的性質を発揮すると同時に、高濃
度のCOをはじめとする各種の不純物ガスが燃料極に混
入した場合でも、被毒しない白金の割合が従来よりも多
くなる。すなわち、触媒の表面積を増大させることによ
り高濃度の不純物ガスに対する耐性を高めることができ
る。これにより、負荷電流が増大しても電圧低下を抑制
することができる。さらに、初期の金属表面積が大きい
ので、長期にわたって電池を運転した場合も、金属表面
積の減少率を抑えることができる。したがって、燃料極
の分極が急激に増大することがなく、電池特性の低下を
防ぐことができる。
By using such a catalyst for the fuel electrode, it exhibits the electronic properties as an alloy, and at the same time does not poison even when various impurity gases such as high-concentration CO are mixed in the fuel electrode. The proportion of platinum is higher than before. That is, by increasing the surface area of the catalyst, the resistance to a high concentration of impurity gas can be increased. This makes it possible to suppress a voltage drop even when the load current increases. Further, since the initial metal surface area is large, even when the battery is operated for a long time, the reduction rate of the metal surface area can be suppressed. Therefore, the polarization of the fuel electrode does not suddenly increase, and a decrease in cell characteristics can be prevented.

【0013】請求項2の発明は、請求項1記載の固体高
分子膜電解質型燃料電池において、カーボン担持の白金
触媒またはルテニウム触媒を出発物質とし、出発物質が
カーボン担持の白金触媒であるとき、ここにルテニウム
化合物を添加し、出発物質がカーボン担持のルテニウム
触媒であるとき、ここに白金化合物を添加し、その後、
還元性ガスあるいは不活性ガス雰囲気中において熱処理
した触媒を、燃料極の触媒として用いたことを特徴とす
る。
According to a second aspect of the present invention, there is provided the solid polymer electrolyte fuel cell according to the first aspect, wherein the starting material is a platinum catalyst or ruthenium catalyst carrying carbon, and the starting material is a platinum catalyst carrying carbon. A ruthenium compound is added here, and when the starting material is a ruthenium catalyst carrying carbon, a platinum compound is added here,
A catalyst heat-treated in a reducing gas or inert gas atmosphere is used as a catalyst for a fuel electrode.

【0014】請求項3の発明は、請求項1記載の固体高
分子膜電解質型燃料電池において、カーボンに白金化合
物及びルテニウム化合物を同時に混合後、還元性ガスあ
るいは不活性ガス雰囲気中にて熱処理した触媒を、燃料
極の触媒として用いたことを特徴とする。
According to a third aspect of the present invention, in the polymer electrolyte membrane fuel cell according to the first aspect, a platinum compound and a ruthenium compound are simultaneously mixed with carbon and then heat-treated in a reducing gas or inert gas atmosphere. The catalyst is used as a fuel electrode catalyst.

【0015】請求項4の発明は、請求項1記載の固体高
分子膜電解質型燃料電池において、カーボン担持の白金
触媒とカーボン担持のルテニウム触媒とを混合後、還元
性ガスあるいは不活性ガス雰囲気中にて熱処理した触媒
を、前記燃料極の触媒として用いたことを特徴とする。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a solid polymer electrolyte fuel cell according to the first aspect, wherein a platinum catalyst carrying carbon and a ruthenium catalyst carrying carbon are mixed and then mixed in a reducing gas or inert gas atmosphere. Characterized in that the catalyst heat-treated in the above was used as the catalyst for the fuel electrode.

【0016】以上の請求項2、3及び4の発明では、還
元性ガスあるいは不活性ガス雰囲気中で熱処理すること
によって、白金及びルテニウムの合金部分及び非合金部
分が混在した触媒を得ることができる。しかも、温度や
時間といった熱処理の条件、あるいは混合する白金及び
ルテニウムの触媒あるいは化合物の添加量によって、触
媒中の合金化度を調節することができる。このときの合
金化度はX線回折パターンの白金の回折角2θ=39.
7°から高角度側にどれだけシフトしたかを調べること
により推定できる。
According to the second, third and fourth aspects of the present invention, a catalyst in which an alloy portion and a non-alloy portion of platinum and ruthenium are mixed can be obtained by performing a heat treatment in a reducing gas or an inert gas atmosphere. . In addition, the degree of alloying in the catalyst can be adjusted by the heat treatment conditions such as temperature and time, or the amount of the platinum or ruthenium catalyst or compound to be mixed. At this time, the degree of alloying was determined by the diffraction angle 2θ of platinum in the X-ray diffraction pattern = 39.
It can be estimated by examining how much it has shifted from 7 ° to the higher angle side.

【0017】合金化度の調節は具体的には次のようにし
て行う。例えば、白金及びルテニウム同士が完全に合金
化する化学量論量よりもルテニウム化合物の量を少なく
(あるいは白金化合物の量を多く)して、白金の金属成
分をルテニウムの金属成分よりも過剰に添加したとす
る。過剰に添加された白金成分は合金化せずにそのまま
カーボン上に析出する。その結果、合金及び非合金の混
在した状態の触媒を得ることができる。また、添加金属
量を量論組成以下に設定しても良い。この場合は不足分
の金属が合金化しないままカーボンに担持された状態と
なり、過剰量を設定した場合と同じく、本発明の目的と
する一部分を合金化し、他の部分を非合金化した状態の
触媒を作製することができる。
Specifically, the degree of alloying is adjusted as follows. For example, the amount of the ruthenium compound is made smaller (or the amount of the platinum compound is larger) than the stoichiometric amount at which platinum and ruthenium are completely alloyed, and the platinum metal component is added in excess of the ruthenium metal component. Suppose you did. An excessively added platinum component is deposited on carbon as it is without alloying. As a result, a catalyst in a mixed state of an alloy and a non-alloy can be obtained. Further, the amount of the added metal may be set to a stoichiometric composition or less. In this case, the insufficient metal is supported on the carbon without being alloyed, and as in the case where the excess amount is set, a part of the object of the present invention is alloyed, and the other part is unalloyed. A catalyst can be made.

【0018】請求項5の発明は、請求項4記載の固体高
分子膜電解質型燃料電池において、前記白金触媒及び前
記ルテニウム触媒のカーボン担体の比表面積のうち、白
金触媒のカーボン担体の比表面積の方を、ルテニウム触
媒のカーボン担体の比表面積よりも大きくしたことを特
徴とする。
According to a fifth aspect of the present invention, in the solid polymer electrolyte fuel cell according to the fourth aspect, of the specific surface areas of the platinum catalyst and the carbon support of the ruthenium catalyst, the specific surface area of the carbon support of the platinum catalyst is reduced. Is larger than the specific surface area of the carbon support of the ruthenium catalyst.

【0019】このような請求項5の発明では、混合前の
白金触媒におけるカーボン担体の比表面積がルテニウム
触媒におけるカーボン担体の比表面積よりも大きくした
ことにより、カーボン担持の白金触媒の分散性が高く、
その表面積がルテニウム触媒の表面積よりも大きくな
る。このような触媒を燃料極の触媒として用いることに
より、高濃度の不純物ガスが混入した場合でも優れた耐
性を発揮でき、高負荷まで電池電圧の低下を防ぐことが
できる。さらに、長期にわたって電池を運転しても白金
の初期表面積が大きいのでその減少率は小さくて済み、
アノード分極の急激な増大による電池特性の低下を抑え
ることができる。
According to the fifth aspect of the present invention, since the specific surface area of the carbon support in the platinum catalyst before mixing is made larger than the specific surface area of the carbon support in the ruthenium catalyst, the dispersibility of the carbon-supported platinum catalyst is improved. ,
Its surface area is greater than the surface area of the ruthenium catalyst. By using such a catalyst as a catalyst for the fuel electrode, excellent resistance can be exhibited even when a high concentration of impurity gas is mixed, and a decrease in battery voltage up to a high load can be prevented. Furthermore, even if the battery is operated for a long period of time, since the initial surface area of platinum is large, the reduction rate can be small,
It is possible to suppress a decrease in battery characteristics due to a sudden increase in anodic polarization.

【0020】請求項6の発明は、請求項1、2、3、4
または5記載の固体高分子膜電解質型燃料電池におい
て、カーボンが熱処理された状態で少なくとも50m2
/gの比表面積を有する触媒を、燃料極の触媒として用
いたことを特徴とする。一般に、カーボンの表面積と触
媒表面積(金属表面積)とは比例関係にある。つまり請
求項6の発明では、カーボンが熱処理された状態で少な
くとも50m2 /gの比表面積を持つことにより、電池
運転初期より高負荷の運転に耐えることができるような
触媒表面積を確保することができる。
The invention according to claim 6 is the invention according to claims 1, 2, 3, and 4.
Or in the solid polymer electrolyte fuel cell according to 5, wherein the carbon is heat-treated at least 50 m 2.
/ G is used as a catalyst for the fuel electrode. Generally, the surface area of carbon and the catalyst surface area (metal surface area) are in a proportional relationship. That is, in the invention of claim 6, since the carbon has a specific surface area of at least 50 m 2 / g in a heat-treated state, it is possible to secure a catalyst surface area that can withstand a high load operation from the beginning of the battery operation. .

【0021】請求項7の発明は、請求項1、2、3、4
または5記載の固体高分子膜電解質型燃料電池を製造す
る方法であって、還元性ガスあるいは不活性ガス雰囲気
中にて前記燃料極の触媒を熱処理する熱処理ステップを
含み、前記還元性ガスあるいは不活性ガスとして、水
素、一酸化炭素、窒素、アルゴン、ヘリウムもしくはそ
れらの混合ガスを用いたことを特徴とする。このような
請求項7の発明によれば、上記ガス雰囲気中において熱
処理を行うことにより、一部分を合金し、他の部分を非
合金化した燃料極の触媒を得ることができる。
According to a seventh aspect of the present invention, there is provided the first, second, third and fourth aspects.
Or a method for producing a solid polymer electrolyte membrane fuel cell according to 5, which comprises a heat treatment step of heat-treating the catalyst at the fuel electrode in a reducing gas or inert gas atmosphere. As the active gas, hydrogen, carbon monoxide, nitrogen, argon, helium, or a mixed gas thereof is used. According to the invention of claim 7, by performing the heat treatment in the gas atmosphere, it is possible to obtain a fuel electrode catalyst in which a part is alloyed and the other part is non-alloyed.

【0022】請求項8の発明は、請求項1、2、3、4
または5記載の固体高分子膜電解質型燃料電池を製造す
る方法であって、還元性ガスあるいは不活性ガス雰囲気
中にて燃料極の触媒を熱処理する熱処理ステップを含
み、この熱処理ステップにおける熱処理時間を約30分
としたことを特徴とする。本発明では、燃料極の触媒の
一部のみを合金化すれば良いので、触媒製造に要する熱
処理時間は従来のそれが1時間程度であったとすると、
その半分の約30分と短くて済み、製造コストの低減に
貢献できる。
The invention of claim 8 is the first, second, third and fourth invention.
Or a method for producing a solid polymer electrolyte fuel cell according to 5, which comprises a heat treatment step of heat-treating the catalyst of the fuel electrode in a reducing gas or inert gas atmosphere, wherein the heat treatment time in this heat treatment step is reduced. It is characterized in that it took about 30 minutes. In the present invention, only a part of the catalyst of the fuel electrode needs to be alloyed, so that the heat treatment time required for the catalyst production is about 1 hour in the conventional case.
It can be as short as about 30 minutes, which is half of that, which can contribute to reduction of manufacturing cost.

【0023】請求項9の発明は、請求項1、2、3、4
または5記載の固体高分子膜電解質型燃料電池を製造す
る方法であって、還元性ガスあるいは不活性ガス雰囲気
中にて燃料極の触媒を熱処理する熱処理ステップを含
み、この熱処理ステップにおける熱処理温度を300〜
2000℃としたことを特徴とする。前段でも述べたよ
うに本発明では、燃料極の触媒の一部のみを合金化すれ
ば良いので、触媒製造に要する熱処理温度が低くても良
く、通常は上記の温度範囲に入っていれば本発明の目的
とするところの触媒を得ることができる。より具体的に
は、用いるカーボン担体の熱処理前の表面積の値が10
00m2 /g以上であれば1000〜2000℃、10
00m2 /g以下であれば300〜1000℃の処理温
度が目安となる。ただし、熱処理の温度のみでなく熱処
理時間によっても得られる触媒の表面積の値は変わるの
で注意を要する。
The ninth aspect of the present invention is the first aspect of the present invention.
Or a method for producing a solid polymer electrolyte fuel cell according to 5, comprising a heat treatment step of heat-treating the catalyst of the fuel electrode in a reducing gas or inert gas atmosphere, wherein the heat treatment temperature in this heat treatment step is 300 ~
The temperature is set to 2000 ° C. As described in the preceding paragraph, in the present invention, only a part of the catalyst of the fuel electrode needs to be alloyed, so that the heat treatment temperature required for the production of the catalyst may be low. The catalyst intended for the invention can be obtained. More specifically, the value of the surface area of the carbon support used before the heat treatment is 10
1000 m 2 / g or more, 1000-2000 ° C., 10
If it is less than 00 m 2 / g, a treatment temperature of 300 to 1000 ° C. is a guide. However, it should be noted that the value of the surface area of the catalyst obtained varies depending not only on the heat treatment temperature but also on the heat treatment time.

【0024】請求項10の発明は、請求項9記載の固体
高分子膜電解質型燃料電池の製造方法において、前記熱
処理ステップが、300〜600℃の還元性ガスによる
第1段階と、600〜2000℃の不活性ガスによる第
2段階と、300〜600℃の還元性ガスによる第3段
階とを行うことを特徴とする。
According to a tenth aspect of the present invention, in the method for manufacturing a solid polymer electrolyte membrane fuel cell according to the ninth aspect, the heat treatment step includes a first step using a reducing gas at 300 to 600 ° C .; A second step using an inert gas at a temperature of 300 ° C. and a third step using a reducing gas at a temperature of 300 to 600 ° C. are performed.

【0025】以上の請求項10の発明では触媒の熱処理
ステップを行うに際して、まず300〜600℃の還元
性ガス雰囲気中で表面金属及び担体カーボンとの間に化
学結合的な相互作用を持った還元を行う。次いで600
〜2000℃の不活性ガス中での加熱還元により合金化
を行う。と同時に金属微粒子の周囲にCO等の還元生成
物を形成することができる。したがって、還元生成物に
より金属微粒子の凝集を抑制することができる。その結
果、触媒の電気化学的な金属表面積を大きくとることが
でき、高濃度の不純物ガスに対する耐性を高めることが
できる。しかし、担体カーボンの表面積があまり大きく
ない場合には上記のような3段階の熱処理を行うと合金
化度が高くなりすぎる傾向があるので、この場合には第
1段階のみを行うことにより所望の燃料極の触媒を得
る。
According to the tenth aspect of the present invention, when performing the heat treatment step of the catalyst, first, a reduction reaction having a chemical bond interaction between the surface metal and the carrier carbon in a reducing gas atmosphere at 300 to 600 ° C. I do. Then 600
Alloying is performed by heat reduction in an inert gas at 2000 ° C. At the same time, reduction products such as CO can be formed around the metal fine particles. Therefore, aggregation of the metal fine particles can be suppressed by the reduction product. As a result, the electrochemical metal surface area of the catalyst can be increased, and the resistance to a high concentration of impurity gas can be increased. However, when the surface area of the carrier carbon is not so large, the degree of alloying tends to be too high when the above-described three-stage heat treatment is performed. In this case, only the first stage is performed. Obtain the anode catalyst.

【0026】[0026]

【発明の実施の形態】(1)本実施の形態 [構成]以下、本発明の実施の形態の一例について、図
面を参照して具体的に説明する。本実施の形態は請求項
1、2、6、7及び8を包含するものである。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS (1) This Embodiment [Configuration] An example of an embodiment of the present invention will be specifically described below with reference to the drawings. This embodiment includes claims 1, 2, 6, 7 and 8.

【0027】燃料電池発電システムの構成 まず、図2を用いて本実施の形態が適用される燃料電池
発電システムについて説明する。図2に示すように、燃
料電池システムには原燃料である天然ガスを供給する配
管2及び水供給配管3が設けられている。これらの配管
2,3には水素に富んだ改質ガスを製造する改質器4が
接続され、さらに改質器4には前記改質ガス中の一酸化
炭素ガス等をさらに水素に変換して燃料ガスを製造する
変成器5が接続されている。
First, the fuel cell power generation system to which the present embodiment is applied will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 2, the fuel cell system is provided with a pipe 2 for supplying natural gas as a raw fuel and a water supply pipe 3. A reformer 4 for producing a hydrogen-rich reformed gas is connected to these pipes 2 and 3, and the reformer 4 further converts carbon monoxide gas and the like in the reformed gas into hydrogen. And a transformer 5 for producing a fuel gas.

【0028】変成器5には燃料ガス供給管6が取付けら
れており、この燃料ガス供給管6を介して固体高分子膜
電解質型の燃料電池スタック1が接続されている。燃料
電池スタック1は単位電池が複数個積層されたもので、
酸化剤ガスである空気を供給する空気供給管9が取付け
られ、この供給管9を介してコンプレッサー8が接続さ
れている。さらに、燃料電池スタック1には燃料ガス及
び空気を外部に送る燃料ガス排出管7及び空気排出管1
0が取付けられている。
A fuel gas supply pipe 6 is attached to the transformer 5, and the solid polymer membrane electrolyte type fuel cell stack 1 is connected via the fuel gas supply pipe 6. The fuel cell stack 1 is formed by stacking a plurality of unit cells,
An air supply pipe 9 for supplying air as an oxidizing gas is attached, and a compressor 8 is connected through the supply pipe 9. Further, the fuel cell stack 1 has a fuel gas exhaust pipe 7 for sending fuel gas and air to the outside and an air exhaust pipe 1.
0 is attached.

【0029】燃料電池スタックの構成 続いて、燃料電池スタック1を構成する単位電池につい
て図3を用いて説明する。燃料電池スタック1の単位電
池には、電解質膜である固体高分子膜11が設けられて
いる。固体高分子膜11は高分子材料及びフッソ系樹脂
から形成されたイオン交換膜であり、湿潤状態において
良好なイオン伝導性を示すようになっている。この電解
質膜11を上下から挟むようにしてガス拡散電極である
アノード12及びカソード13が配置されている。アノ
ード12及びカソード13の背面には燃料ガス、酸化剤
ガスの流路を形成するセパレータ14,15が配置さ
れ、さらにその外側にはアノード12,カソード13の
集電極となる集電板16,17が配置されている。
Next, the unit cells constituting the fuel cell stack 1 will be described with reference to FIG. The unit cell of the fuel cell stack 1 is provided with a solid polymer membrane 11 which is an electrolyte membrane. The solid polymer membrane 11 is an ion-exchange membrane formed of a polymer material and a fluorine-based resin, and has good ion conductivity in a wet state. An anode 12 and a cathode 13, which are gas diffusion electrodes, are arranged so as to sandwich the electrolyte membrane 11 from above and below. Separators 14 and 15 forming flow paths for the fuel gas and the oxidizing gas are disposed on the back of the anode 12 and the cathode 13, and current collectors 16 and 17 serving as current collectors of the anode 12 and the cathode 13 are disposed outside the separators 14 and 15. Is arranged.

【0030】アノードの構成 次にアノード12について図1を参照して説明する。す
なわち、アノード12はガス拡散部18、アノード触媒
19及びカーボン部20が積層されて構成されている。
ガス拡散部18は多孔質でガス透過性及び電子伝導性を
有するカーボンペーパーから形成される。このガス拡散
部18の固体高分子膜11側表面にアノード触媒19が
塗布される。また、カーボン部20はガス拡散層18と
触媒層19との中間に位置し、両者間の接合を良くする
ためのものである。
Next, the anode 12 will be described with reference to FIG. That is, the anode 12 is configured by laminating the gas diffusion section 18, the anode catalyst 19, and the carbon section 20.
The gas diffusion portion 18 is formed of a porous carbon paper having gas permeability and electron conductivity. An anode catalyst 19 is applied to the surface of the gas diffusion section 18 on the side of the solid polymer film 11. Further, the carbon part 20 is located in the middle between the gas diffusion layer 18 and the catalyst layer 19, and is for improving the bonding between them.

【0031】アノード触媒の構成 本実施の形態の特徴はアノード触媒19にある。すなわ
ち、アノード触媒19はカーボン上に白金及びルテニウ
ム金属が担持された触媒であって、図1に示すように、
白金及びルテニウムが合金化した合金部19aと、白金
及びルテニウムが非合金化している非合金部19bとが
混在している。
Configuration of Anode Catalyst The feature of the present embodiment lies in the anode catalyst 19. That is, the anode catalyst 19 is a catalyst in which platinum and ruthenium metal are supported on carbon, and as shown in FIG.
An alloy portion 19a in which platinum and ruthenium are alloyed and a non-alloy portion 19b in which platinum and ruthenium are non-alloyed are mixed.

【0032】本実施の形態の製造工程 このような状態のアノード触媒19は次の方法で作製さ
れる。まず、カーボン担持の白金触媒に塩化ルテニウム
及びイオン交換水を添加し、ここに蟻酸ナトリウム等の
還元剤を添加してカーボン上にルテニウムを析出させ
る。この場合、液相の還元剤は必ずしも添加しなくとも
良い。なお、カーボンに担持させる白金及びルテニウム
の出発物質としては上述の塩化物に限らず、水酸化物、
硫化物、あるいはそれらの金属の錯体を用いても良い。
また、液相の還元剤としてはチオ硫酸ナトリウム、ホル
ムアルデヒド、メタノール、ヒドラジン等、液相にて使
用可能な還元剤ならいずれを用いても良い。
Manufacturing Process of the Present Embodiment The anode catalyst 19 in such a state is manufactured by the following method. First, ruthenium chloride and ion-exchanged water are added to a platinum catalyst carrying carbon, and a reducing agent such as sodium formate is added thereto to precipitate ruthenium on carbon. In this case, the liquid phase reducing agent need not always be added. The starting materials of platinum and ruthenium supported on carbon are not limited to the above-mentioned chlorides, but may be hydroxides,
Sulfides or complexes of these metals may be used.
As the liquid phase reducing agent, any reducing agent usable in the liquid phase such as sodium thiosulfate, formaldehyde, methanol, hydrazine and the like may be used.

【0033】次に、この溶液を吸引ろ過後、イオン交換
水にて繰り返し洗浄して塩素イオン、あるいはその他の
陰イオンを除去してから60℃にて乾燥させる。次い
で、この触媒を水素気流中800℃にて30分間加熱還
元してアノード用の触媒を得る。このような触媒の熱処
理が請求項7でいうところの熱処理ステップである。こ
のカーボンが熱処理された状態で触媒は80m2 /gの
比表面積を有するようになっている。
Next, this solution is subjected to suction filtration and then repeatedly washed with ion-exchanged water to remove chlorine ions or other anions, and then dried at 60 ° C. Next, the catalyst is reduced by heating at 800 ° C. for 30 minutes in a hydrogen stream to obtain a catalyst for an anode. Such a heat treatment of the catalyst is a heat treatment step according to claim 7. When the carbon is heat-treated, the catalyst has a specific surface area of 80 m2 / g.

【0034】ここまでの本実施の形態のアノード触媒1
9作製時の熱処理温度及び時間、物性並びに製造コスト
について、従来品のそれと比較した結果をまとめたもの
が下記の表1である。
The anode catalyst 1 of the present embodiment up to this point
Table 1 below summarizes the results of comparing the heat treatment temperature and time, the physical properties, and the production cost at the time of preparation with those of the conventional product.

【0035】[0035]

【表1】 このようにして得られた触媒をイオン交換水に分散さ
せ、ここに所定量のテフロン(ポリテトラフルオロエチ
レン)の分散液を混合し、この合剤をスプレーにて基板
であるガス拡散層18上に塗布し、固体高分子膜11と
ガス拡散層18とをホットプレスで一体化することによ
り、固体高分子膜11とアノード12とを接合しつつ、
触媒層19を形成する。なお、ホットプレスに換えて、
水素イオン伝導性の固体高分子溶液を用いて固体高分子
膜11とアノード12とを接合する構成としても良い。
以上の本実施の形態では、金属触媒の担持量はアノード
1cm2 当り0.5mgとする。また、白金とルテニウ
ムの組成比率はルテニウム含有量として10〜70wt%
であれば良い。
[Table 1] The catalyst thus obtained is dispersed in ion-exchanged water, a predetermined amount of a dispersion of Teflon (polytetrafluoroethylene) is mixed therein, and this mixture is sprayed onto the gas diffusion layer 18 as a substrate. The solid polymer film 11 and the gas diffusion layer 18 are integrated with each other by hot pressing, so that the solid polymer film 11 and the anode 12 are joined together.
The catalyst layer 19 is formed. In addition, instead of hot pressing,
A configuration in which the solid polymer membrane 11 and the anode 12 are joined using a hydrogen ion conductive solid polymer solution may be employed.
In the above embodiment, the loading amount of the metal catalyst is 0.5 mg per cm 2 of the anode. Further, the composition ratio of platinum and ruthenium is 10 to 70 wt% as ruthenium content.
Is fine.

【0036】[作用及び効果]以上のような構成を有す
る本実施の形態の作用及び効果は次の通りである。すな
わち、アノード触媒19中に、白金及びルテニウムの合
金化部分と、白金及びルテニウムの非合金化部分とが混
在するため、両者が完全に合金化した触媒層に比べてカ
ーボン上に担持された白金及びルテニウムの凝集は小さ
くなる。したがって、触媒の電気化学的な金属表面積
(特に白金)は白金−ルテニウム合金触媒のそれよりも
かなり大きな値をとることができる。つまり、アノード
触媒19は合金としての電子的性質を持つと同時に、被
毒しない白金の割合が多くなり、高濃度のCOをはじめ
とする各種の不純物ガスに対する耐性を高めることがで
きる。
[Operation and Effect] The operation and effect of the present embodiment having the above configuration are as follows. That is, since the alloyed portion of platinum and ruthenium and the non-alloyed portion of platinum and ruthenium are mixed in the anode catalyst 19, the platinum supported on carbon is more compared with the catalyst layer in which both are completely alloyed. And the agglomeration of ruthenium is reduced. Therefore, the electrochemical metal surface area (particularly platinum) of the catalyst can be much larger than that of the platinum-ruthenium alloy catalyst. That is, the anode catalyst 19 has electronic properties as an alloy, and at the same time, the ratio of non-poisoned platinum is increased, and the resistance to various impurity gases including high-concentration CO can be increased.

【0037】図4のグラフはアノード触媒19を有する
固体高分子電解質型燃料電池及び従来のアノード触媒を
有する固体高分子電解質型燃料電池におけるI−V特性
を示している。実線が本実施の形態、破線が従来例であ
る。なお、燃料ガスには天然ガス改質ガスに50ppm の
COが含まれているとする。このグラフから明らかなよ
うに、これにより、本実施の形態によれば、高負荷電流
密度においても限界電流が現れることのない高性能の電
池を得ることができる。
FIG. 4 shows IV characteristics of the solid polymer electrolyte fuel cell having the anode catalyst 19 and the conventional solid polymer electrolyte fuel cell having the anode catalyst. The solid line is the present embodiment, and the broken line is the conventional example. It is assumed that the fuel gas contains 50 ppm of CO in the natural gas reformed gas. As is clear from this graph, according to the present embodiment, a high-performance battery in which a limit current does not appear even at a high load current density can be obtained.

【0038】また、図5のグラフはアノード触媒19を
有する固体高分子電解質型燃料電池及び従来のアノード
触媒を有する固体高分子電解質型燃料電池一定負荷電流
において運転した場合の電池電圧の経時変化を示す。こ
のグラフでも上記図4のグラフと同様、実線が本実施の
形態、破線が従来例であり、燃料ガスには天然ガス改質
ガスに50ppm のCOが含まれているとする。このグラ
フから分かるように、本実施の形態では長期にわたって
電池を運転した場合でも、アノード12の分極が急激に
進むことがなく、電池特性の低下を抑制できる。これは
金属表面積の初期値が大きく、金属表面積の減少率が小
さいためである。
FIG. 5 is a graph showing the change over time of the cell voltage when the solid polymer electrolyte fuel cell having the anode catalyst 19 and the conventional solid polymer electrolyte fuel cell having the anode catalyst are operated at a constant load current. Show. In this graph, as in the graph of FIG. 4, the solid line is the present embodiment and the broken line is the conventional example. It is assumed that the natural gas reformed gas contains 50 ppm CO in the fuel gas. As can be seen from this graph, in the present embodiment, even when the battery is operated for a long period of time, the polarization of the anode 12 does not rapidly advance, and the deterioration of the battery characteristics can be suppressed. This is because the initial value of the metal surface area is large and the reduction rate of the metal surface area is small.

【0039】しかも、本実施の形態では、カーボンが熱
処理された状態で80m2 /gの比表面積を持つため、
電池運転初期より高負荷の運転に耐え得る触媒表面積を
確保できる。さらに、本実施の形態においては、アノー
ド触媒19の一部のみを合金化すれば良いので、上記の
表1に示したように、触媒19の熱処理温度は従来の1
100℃から800℃まで下げることができ、熱処理時
間は従来の1時間から30分に短縮することができる。
これにより、製造コストを従来の3/4にまで低減する
ことができる。
Moreover, in the present embodiment, since the carbon has a specific surface area of 80 m 2 / g in a heat-treated state,
A catalyst surface area that can withstand a high-load operation from the beginning of the battery operation can be secured. Further, in the present embodiment, since only a part of the anode catalyst 19 needs to be alloyed, as shown in Table 1 above, the heat treatment temperature of the catalyst 19 is lower than that of the conventional catalyst.
The temperature can be reduced from 100 ° C. to 800 ° C., and the heat treatment time can be reduced from the conventional one hour to 30 minutes.
As a result, the manufacturing cost can be reduced to 3/4 of the conventional cost.

【0040】また、本実施の形態においては、カーボン
担持の白金触媒の量とルテニウム化合物である塩化ルテ
ニウムの量とから調節することができる。つまり、添加
金属量を目的とする組成の過剰量あるいは量論組成以下
に設定しておけば、過剰分あるいは不足分の金属は合金
化しないままカーボンに担持された状態となり、本発明
の目的とする一部分を合金化し、他の部分を非合金化し
た状態の触媒を作製することができる。なお、合金の組
成はここでは規定していないが、白金表面積を増大させ
るといった観点からすると、白金及びルテニウム同士が
完全に合金化する化学量論量よりもルテニウム化合物の
量を少なく(あるいは白金化合物の量を多く)した方が
望ましい。
In the present embodiment, the amount can be adjusted based on the amount of the platinum catalyst carrying carbon and the amount of ruthenium chloride, which is a ruthenium compound. In other words, if the amount of added metal is set to an excess or stoichiometric composition of the target composition or less, the excess or deficient metal will be supported on carbon without alloying, and the object of the present invention will be described. The catalyst can be produced in a state where a part of the catalyst is alloyed and the other part is non-alloyed. Although the composition of the alloy is not specified here, from the viewpoint of increasing the platinum surface area, the amount of the ruthenium compound is smaller than the stoichiometric amount at which platinum and ruthenium are completely alloyed (or the platinum compound Is more desirable).

【0041】(2)他の実施の形態 なお、本発明は、以上のような実施の形態に限定される
ものではなく、次のような他の実施の形態も包含するも
のである。すなわち、触媒合成における出発物質として
カーボン担持のルテニウム触媒を出発物質としてここに
白金化合物を添加後還元性ガス或は不活性ガス雰囲気中
において熱処理することにより合成されたものでも良い
(請求項2に対応)。また、カーボンに白金化合物及び
ルテニウム化合物を同時に混合後、還元性ガスあるいは
不活性ガス雰囲気中において熱処理することにより合成
された触媒でも良い(請求項3に対応)。
(2) Other Embodiments The present invention is not limited to the above embodiments, but also includes the following other embodiments. That is, the catalyst may be synthesized by adding a platinum compound to a ruthenium catalyst supported on carbon as a starting material in the catalyst synthesis and then heat-treating in a reducing gas or inert gas atmosphere. Correspondence). Alternatively, a catalyst synthesized by simultaneously mixing a platinum compound and a ruthenium compound with carbon and then performing a heat treatment in a reducing gas or inert gas atmosphere may be used (corresponding to claim 3).

【0042】さらに、あらかじめ合成されたカーボン担
持の白金触媒とカーボン担持のルテニウム触媒を混合
後、熱処理還元により一部合金化したものでも良い(請
求項4に対応)。この際、混合するカーボン担持の白金
触媒の担体表面積をカーボン担持のルテニウム触媒の担
体表面積よりも大きなものを用いてあると白金の分散性
が高く維持され、ここにルテニウムが担持され、合金化
されると白金表面積の大きな触媒が合成されるので望ま
しい(請求項5に対応)。
Further, a pre-synthesized carbon-supported platinum catalyst and a carbon-supported ruthenium catalyst may be mixed and then partially alloyed by heat treatment reduction (corresponding to claim 4). At this time, if the carrier surface area of the carbon-supported platinum catalyst to be mixed is larger than the carrier surface area of the carbon-supported ruthenium catalyst, the dispersibility of platinum is kept high, and ruthenium is supported and alloyed here. This is desirable because a catalyst having a large platinum surface area is synthesized (corresponding to claim 5).

【0043】また、本発明に係る製造方法において、熱
処理、還元を行う還元性ガス、不活性ガスとしては上記
の水素だけではなく、一酸化炭素、窒素、アルゴン、ヘ
リウムもしくはそれらの混合ガスを用いると良い(請求
項7に対応)。なお、熱処理温度としては、カーボン担
体の熱処理前の表面積の値が1000m2 /g以上であ
れば1000〜2000℃、1000m2 /g以下であ
れば300〜1000℃の処理温度が好適である(請求
項9に対応)。
In the production method according to the present invention, not only the above-mentioned hydrogen but also carbon monoxide, nitrogen, argon, helium or a mixed gas thereof is used as the reducing gas and the inert gas for heat treatment and reduction. (Corresponding to claim 7). The heat treatment temperature is preferably from 1000 to 2000 ° C. if the surface area of the carbon support before the heat treatment is not less than 1000 m 2 / g, and from 300 to 1000 ° C. if it is not more than 1000 m 2 / g. 9).

【0044】さらに、還元性ガスと不活性ガスの混合、
あるいは、還元性ガスと不活性ガスを組み合わせた多段
の還元を行うことも可能である(請求項10に対応)。
すなわち、300〜600℃の還元性ガス雰囲気中で表
面金属及び担体カーボンとの間に化学結合的な相互作用
を持った還元を行う。次いで600〜2000℃の不活
性ガス中での加熱還元により合金化を行う。このとき金
属微粒子の周囲にCO等の還元生成物を形成することが
できる。したがって、還元生成物により金属微粒子の凝
集を抑制することができる。その結果、触媒の電気化学
的な金属表面積を大きくとることができ、高濃度の不純
物ガスに対する耐性を高めることができる。ただし、担
体カーボンの表面積があまり大きくない場合には3段階
の熱処理を行うと合金化度が高くなりすぎて本発明の意
図する合金部分及び非合金部分が混在する状態が達成で
きなくなる。このような場合には第1段階のみを行うこ
とにより所望の燃料極の触媒を得ることができる。
Further, mixing of a reducing gas and an inert gas,
Alternatively, it is also possible to perform multi-stage reduction using a combination of a reducing gas and an inert gas (corresponding to claim 10).
That is, reduction is performed in a reducing gas atmosphere at 300 to 600 ° C. with a chemical bond interaction between the surface metal and the carrier carbon. Next, alloying is performed by heat reduction in an inert gas at 600 to 2000 ° C. At this time, reduction products such as CO can be formed around the metal fine particles. Therefore, aggregation of the metal fine particles can be suppressed by the reduction product. As a result, the electrochemical metal surface area of the catalyst can be increased, and the resistance to a high concentration of impurity gas can be increased. However, when the surface area of the carrier carbon is not very large, the degree of alloying becomes too high when the heat treatment is performed in three stages, so that the state where the alloy portion and the non-alloy portion intended by the present invention are mixed cannot be achieved. In such a case, a catalyst of a desired fuel electrode can be obtained by performing only the first step.

【0045】[0045]

【発明の効果】上記の説明で明らかな如く、本発明によ
れば、白金及びルテニウム金属が担持された燃料極の触
媒中、一部を合金化され、他の部分を非合金化するとい
った極めて簡単な構成により、大きな金属表面積を確保
できるので、不純物ガスに対する耐性が高まると同時
に、高負荷においても電圧低下が小さく、且つ経時的に
も特性の安定した固体高分子膜電解質型燃料電池及びそ
の製造方法を提供することができた。
As is apparent from the above description, according to the present invention, in the catalyst of the anode supporting platinum and ruthenium metal, a part is alloyed and the other part is non-alloyed. With a simple structure, a large metal surface area can be ensured, so that resistance to impurity gases is increased, and at the same time, voltage drop is small even under high load, and characteristics are stable over time. A manufacturing method could be provided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施の形態に係る固体高分子膜電解質
型燃料電池におけるアノードの構造を示す模式図
FIG. 1 is a schematic view showing a structure of an anode in a solid polymer electrolyte fuel cell according to an embodiment of the present invention.

【図2】固体高分子膜電解質型燃料電池システムの説明
FIG. 2 is an explanatory diagram of a solid polymer electrolyte fuel cell system.

【図3】固体高分子膜電解質型燃料電池における単位電
池の構造図
FIG. 3 is a structural diagram of a unit cell in a solid polymer electrolyte fuel cell;

【図4】本実施の形態及び従来例に係る固体高分子膜電
解質型燃料電池のI−V特性を示すグラフ
FIG. 4 is a graph showing IV characteristics of a solid polymer electrolyte fuel cell according to the present embodiment and a conventional example.

【図5】本実施の形態及び従来例に係る固体高分子膜電
解質型燃料電池を一定負荷電流で運転した場合の電池電
圧の経時変化を示すグラフ
FIG. 5 is a graph showing the change over time in cell voltage when the solid polymer electrolyte fuel cells according to the present embodiment and the conventional example are operated at a constant load current.

【図6】担体表面積と触媒表面積(金属表面積)の関係
を示すグラフ
FIG. 6 is a graph showing a relationship between a carrier surface area and a catalyst surface area (metal surface area).

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…燃料電池スタック 2…天然ガス供給管 3…水供給管 4…改質器 5…変成器 6…燃料ガス供給管 7…燃料ガス排出管 8…コンプレッサ 9…空気供給管 10…空気排出管 11…固体高分子膜 12…アノード 13…カソード 14,15…セパレータ 16,17…集電板 18…ガス拡散部 19…アノード触媒 19a…合金部 19b…非合金部 20…カーボン部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell stack 2 ... Natural gas supply pipe 3 ... Water supply pipe 4 ... Reformer 5 ... Transformer 6 ... Fuel gas supply pipe 7 ... Fuel gas discharge pipe 8 ... Compressor 9 ... Air supply pipe 10 ... Air discharge pipe DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Solid polymer membrane 12 ... Anode 13 ... Cathode 14, 15 ... Separator 16, 17 ... Current collector 18 ... Gas diffusion part 19 ... Anode catalyst 19a ... Alloy part 19b ... Non-alloy part 20 ... Carbon part

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5H018 AA06 AS02 BB01 BB03 BB06 BB08 BB12 BB13 BB17 CC06 DD08 EE03 EE05 EE10 EE11 EE19 HH02 HH08 HH10 5H026 AA06 BB00 BB01 BB08 CX04 EE02 EE05 EE08 HH02 HH08 HH10  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F-term (reference)

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 電解質膜としてイオン伝導性を有する固
体高分子膜を備え、この固体高分子膜を挟むように燃料
極及び酸化剤極を配置し、これら燃料極及び酸化剤極に
はカーボン上に白金及びルテニウムが担持された触媒を
設け、前記燃料極側には燃料ガスを、前記酸化剤側には
酸化剤ガスをそれぞれ流通させた固体高分子膜電解質型
燃料電池において、 前記燃料極の触媒が、白金及びルテニウムを合金化した
合金部分と、白金及びルテニウムを非合金化したままの
非合金部分とからなることを特徴とする固体高分子膜電
解質型燃料電池。
A solid polymer membrane having ion conductivity is provided as an electrolyte membrane, and a fuel electrode and an oxidizer electrode are arranged so as to sandwich the solid polymer membrane. In a solid polymer membrane electrolyte fuel cell in which a catalyst carrying platinum and ruthenium is provided, a fuel gas is passed on the fuel electrode side, and an oxidant gas is passed on the oxidant side, respectively. A solid polymer membrane electrolyte fuel cell, wherein the catalyst comprises an alloy portion in which platinum and ruthenium are alloyed and a non-alloy portion in which platinum and ruthenium are not alloyed.
【請求項2】 カーボン担持の白金触媒またはルテニウ
ム触媒を出発物質とし、出発物質がカーボン担持の白金
触媒であるとき、ここにルテニウム化合物を添加し、出
発物質がカーボン担持のルテニウム触媒であるとき、こ
こに白金化合物を添加し、その後、還元性ガスあるいは
不活性ガス雰囲気中にて熱処理した触媒を、前記燃料極
の触媒として用いたことを特徴とする請求項1記載の固
体高分子膜電解質型燃料電池。
2. When a starting material is a platinum catalyst supported on carbon or a ruthenium catalyst supported on carbon, and when the starting material is a platinum catalyst supported on carbon, a ruthenium compound is added thereto, and when the starting material is a ruthenium catalyst supported on carbon, 2. The solid polymer membrane electrolyte type according to claim 1, wherein a catalyst added with a platinum compound and then heat-treated in a reducing gas or an inert gas atmosphere is used as a catalyst for the fuel electrode. Fuel cell.
【請求項3】 カーボンに白金化合物及びルテニウム化
合物を同時に混合後、還元性ガスあるいは不活性ガス雰
囲気中にて熱処理した触媒を、前記燃料極の触媒として
用いたことを特徴とする請求項1記載の固体高分子膜電
解質型燃料電池。
3. The catalyst for a fuel electrode according to claim 1, wherein a catalyst heat-treated in a reducing gas or inert gas atmosphere after simultaneously mixing a platinum compound and a ruthenium compound with carbon is used as the catalyst for the fuel electrode. Solid polymer electrolyte fuel cell.
【請求項4】 カーボン担持の白金触媒とカーボン担持
のルテニウム触媒とを混合後、還元性ガスあるいは不活
性ガス雰囲気中にて熱処理した触媒を、前記燃料極の触
媒として用いたことを特徴とする請求項1記載の固体高
分子膜電解質型燃料電池。
4. A catalyst obtained by mixing a platinum catalyst supported on carbon and a ruthenium catalyst supported on carbon and then heat-treated in a reducing gas or inert gas atmosphere is used as the catalyst for the fuel electrode. The polymer electrolyte membrane fuel cell according to claim 1.
【請求項5】 前記白金触媒及び前記ルテニウム触媒の
カーボン担体の比表面積のうち、白金触媒のカーボン担
体の比表面積の方を、ルテニウム触媒のカーボン担体の
比表面積よりも大きくしたことを特徴とする請求項4記
載の固体高分子膜電解質型燃料電池。
5. The specific surface area of the carbon support of the platinum catalyst out of the specific surface areas of the carbon support of the platinum catalyst and the ruthenium catalyst is larger than the specific surface area of the carbon support of the ruthenium catalyst. The polymer electrolyte membrane fuel cell according to claim 4.
【請求項6】 前記カーボンが熱処理された状態で少な
くとも50m2 /gの比表面積を有する触媒を、前記燃
料極の触媒として用いたことを特徴とする請求項1、
2、3、4または5記載の固体高分子膜電解質型燃料電
池。
6. A catalyst having a specific surface area of at least 50 m 2 / g when the carbon is heat-treated, wherein the catalyst is used as a catalyst for the fuel electrode.
6. The solid polymer electrolyte fuel cell according to 2, 3, 4 or 5.
【請求項7】 請求項1、2、3、4または5記載の固
体高分子膜電解質型燃料電池を製造する方法であって、 還元性ガスあるいは不活性ガス雰囲気中にて前記燃料極
の触媒を熱処理する熱処理ステップを含み、 前記還元性ガスあるいは不活性ガスとして、水素、一酸
化炭素、窒素、アルゴン、ヘリウムもしくはそれらの混
合ガスを用いたことを特徴とする固体高分子膜電解質型
燃料電池の製造方法。
7. The method for producing a solid polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, 2, 3, 4, or 5, wherein the catalyst for the fuel electrode is placed in a reducing gas or inert gas atmosphere. A solid polymer membrane electrolyte fuel cell, wherein hydrogen, carbon monoxide, nitrogen, argon, helium or a mixed gas thereof is used as the reducing gas or the inert gas. Manufacturing method.
【請求項8】 請求項1、2、3、4または5記載の固
体高分子膜電解質型燃料電池を製造する方法であって、 還元性ガスあるいは不活性ガス雰囲気中にて前記燃料極
の触媒を熱処理する熱処理ステップを含み、 前記熱処理ステップにおける熱処理時間を約30分とし
たことを特徴とする固体高分子膜電解質型燃料電池の製
造方法。
8. The method for producing a solid polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, 2, 3, 4 or 5, wherein the catalyst of the fuel electrode is placed in a reducing gas or inert gas atmosphere. A method of manufacturing a solid polymer electrolyte fuel cell, comprising: a heat treatment step of heat treating the polymer electrolyte membrane, wherein the heat treatment time in the heat treatment step is about 30 minutes.
【請求項9】 請求項1、2、3、4または5記載の固
体高分子膜電解質型燃料電池を製造する方法であって、 還元性ガスあるいは不活性ガス雰囲気中にて前記燃料極
の触媒を熱処理する熱処理ステップを含み、 前記熱処理ステップにおける熱処理温度を300〜20
00℃としたことを特徴とする固体高分子膜電解質型燃
料電池の製造方法。
9. The method for manufacturing a solid polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, 2, 3, 4, or 5, wherein the catalyst for the fuel electrode is placed in a reducing gas or inert gas atmosphere. A heat treatment step of heat-treating, wherein the heat treatment temperature in said heat treatment step is 300 to 20
A method for producing a solid polymer electrolyte fuel cell, wherein the temperature is set to 00 ° C.
【請求項10】 前記熱処理ステップが、300〜60
0℃の還元性ガスによる第1段階と、600〜2000
℃の不活性ガスによる第2段階と、300〜600℃の
還元性ガスによる第3段階とを行うことを特徴とする請
求項9記載の固体高分子膜電解質型燃料電池の製造方
法。
10. The method according to claim 10, wherein the heat treatment step is performed at 300 to 60.
A first stage with a reducing gas at 0 ° C. and 600-2000
The method according to claim 9, wherein a second step using an inert gas at a temperature of 300 ° C. and a third step using a reducing gas at a temperature of 300 to 600 ° C. are performed.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US6663998B2 (en) 2001-04-05 2003-12-16 The Technical University Of Denmark (Dtu) Anode catalyst materials for use in fuel cells
JP2006055831A (en) * 2004-07-21 2006-03-02 Iwatani Internatl Corp Hydrogen separation membrane and its manufacturing method

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