JP2000149959A

JP2000149959A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2000149959A
Application number: JP10323610A
Authority: JP
Inventors: Kazutaka Hiroshima; 一崇廣嶋; Masahiko Asaoka; 賢彦朝岡; Yutaka Oya; 豊大矢; Hiroshi Aoki; 博史青木; Takashi Shimazu; 孝志満津; Tomohisa Wakasugi; 知寿若杉
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1998-11-13
Filing date: 1998-11-13
Publication date: 2000-05-30

Abstract

(57)【要約】【課題】電極触媒のＣＯ被毒が防止され、しかも電極
面内の出力電圧が均一となる燃料電池を提供すること。【解決手段】燃料極面に接する燃料ガスのガス流路の
入側から出側に向けて、金とこれを担持するカーボン等
からなるＣＯ酸化触媒を、その担持密度が漸次減少する
ように、更に、白金とこれを担持するカーボン等からな
る燃料極触媒を、その担持密度が漸次増加するように担
持させる。このように作製された燃料電池は、ＣＯが多
く含まれる燃料ガスに対して燃料極触媒がＣＯ被毒され
ることがなく、しかも、発電効率が良好となり出力電圧
が電力面内で均一となることから、優れた電池特性を示
すものとなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池に関し、
更に詳しくは、燃料極が燃料ガス中に存在するＣＯによ
り被毒されることを防止した燃料電池に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、燃料を電気化学的プロセス
で酸化させることにより、酸化反応に伴って放出される
エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置であ
り、燃料の持つ化学エネルギーを有効に利用できるの
で、比較的小さな規模でも出力密度が高くなっている。
そして、動作温度が比較的低く、静粛性があり、環境特
性に極めて優れているという特徴を有している。また、
発電装置内に燃焼サイクルを含まず、水素を燃料として
用いた場合には、本質的には窒素酸化物及び炭酸ガスを
排出しないことから、近年では、自動車用の低公害動力
源としても注目されているものである。

【０００３】図８に、従来一般に知られる燃料電池の基
本構造の一例を示す。図８において、燃料電池１の発電
単位となる単電池２は、電解質膜１２の一方の面にガス
拡散電極（燃料極）１４を接合し、他方の面にガス拡散
電極（空気極）１６（図８中には、図示せず）を接合し
た電極・電解質接合体１０を、集電体１８、１８で挟ん
だ構造をとっている。

【０００４】そして、図９に示すように、ガス拡散電極
１４、１６は、白金等の電極触媒を担持させたカーボン
粒子と電解質からなる多孔質の触媒層１４ａ、１６ａ
と、ガスが拡散可能な多孔質材料からなる拡散層１４
ｂ、１６ｂの２層からなっている。また、集電体１８、
１８には、ガス拡散電極１４、１６に電子を供給するた
めの山部１８ａと、ガスや水等の物質を供給するための
溝部１８ｂが設けられている。そして、図８に示す単電
池２を多数積層して所定の圧力で締め付け、ガス拡散電
極（燃料極）１４及びガス拡散電極（空気極）１６と、
集電体１８、１８の表面に設けられた山部１８ａ、１８
ａ…とを接触させることにより、１つの燃料電池１が構
成される。

【０００５】このような構造を有する燃料電池１の両端
に負荷を接続した状態で、ガス拡散電極１４（燃料極）
側に改質ガス等の水素を含むガスを流し、ガス拡散電極
１６（空気極）側に空気等の酸素を含むガスを流すと、
水素と酸素から水が生成し、その際の自由エネルギー変
化が、燃料電池１の両端に配した集電体１８、１８から
直接、電気エネルギーとして取り出されるものである。

【０００６】燃料電池１内で発電が行われる際、ガス拡
散電極１４、１６では、周知のように、次のような電極
反応が生じている。すなわち、燃料極１４側では、集電
体１８の溝部１８ｂに供給された水素ガスが、拡散層１
４ｂを通って触媒層１４ａに達する。そして、触媒層１
４ａにおいて水素ガスが解離し、水素イオンと電子が生
成する。また、空気極１６側では、図１０に示すよう
に、電解質膜１２を介して燃料極１４側から移動してき
た水素イオンが空気極１６側の触媒層１６ａに達すると
共に、集電体１８の山部１８ａから供給される電子と、
空気極１６側に設けられた集電体１８の溝部１８ｂから
供給される酸素ガスが、それぞれ拡散層１６ｂを通って
触媒層１６ａに達する。そして、触媒層１６ａにおい
て、水素イオンと、電子と、酸素ガスから水が生成す
る。また、電極反応により生成した水は、拡散層１６ｂ
を通って、集電体１８側に排出される。

【０００７】このように、ガス拡散電極１４、１６に設
けられる拡散層１４ｂ、１６ｂは、触媒層１４ａ、１６
ａで進行する電極反応に必要な物質（反応ガス、水）の
通り道であると同時に、電子の通り道としての役割を担
っている。すなわち、拡散層１４ｂ、１６ｂには、集電
体１８、１８からそれぞれ別個に供給されるガスや水等
の物質と電子とを分散させ、触媒層１４ａ、１６ａ全面
に行き渡らせることにより、発電反応を促進させる機能
を有するように作製されている。

【０００８】上記図８に示したような燃料電池では、セ
ル面内全体に触媒を均一に塗布したものとしているが、
電極に供給されたガス（水素、酸素）は反応が進むにし
たがって消費されることから、そのガス濃度は入口から
出口に向かって次第に減少している。そのため、面内の
出力電流密度が不均一となっており、発電効率が悪いも
のとなっている。

【０００９】そこで、この不具合を解消するために、特
開平３−２４５４６３号公報に、ガス流路の入口から出
口に向かって担持する触媒量を増加させたものが開示さ
れている。この燃料電池では、水素・酸素濃度の損失が
なくなるために出力電圧が上がり、面内の出力電流密度
の均一化が図られ、ある程度の成果が得られている。

【００１０】また、メタンやメタノールを水素を主とし
た成分に改質した改質ガスを燃料として運転される場
合、この改質ガスには混入量の多寡はともかく一酸化炭
素（ＣＯ）が含まれている。このようにＣＯを含む燃料
ガスが燃料極に供給されると、燃料極の白金触媒上にＣ
Ｏが強く吸着されるため、燃料極の表面積がつぶされ
て、水素過電圧が増大し燃料極の特性が低下してしまう
ことになる。この現象は「ＣＯ被毒」として広く知られ
ている。供給される燃料ガス中のＣＯ濃度は、数十ｐｐ
ｍという微少量であっても電池性能は著しく低下してし
まう。

【００１１】このＣＯを除去するための手段として、例
えば、燃料ガスと共に空気等の酸化剤を導入する方法が
報告されているが、この方法では、何等かの原因で酸素
が過剰に供給されて爆発してしまう危険性があったり、
燃料ガスとして反応するべき水素まで酸化してしまい電
池性能が低下してしまうおそれがあった。そこで、特開
平８−２０３５３７号公報に、電極触媒を電解質膜側に
塗布し、拡散層側にＣＯ酸化触媒を塗布することで、燃
料ガス中のＣＯが電極触媒に到達する前に酸化させ、水
素の浪費とＣＯ被毒の防止を図ったものが開示されてい
る。

【００１２】また、従来の燃料電池は、ＣＯ除去のため
に、改質器の中に改質部、シフト反応部、酸化部を設
け、これらを連携・制御していたが、特開平９−１２９
２４３号公報に、ＣＯ酸化触媒を燃料電池セルの燃料ガ
ス拡散層に組み込むことで、電極触媒のＣＯ被毒を防
ぎ、しかも燃料電池システムの小型化を図ったものが開
示されている。

【００１３】また更に、ＣＯ被毒を防ぐ手段として、Ｒ
ｕを添加する手段が知られているが、これを均一に塗布
する手段は容易に行うことができるものの、必要以上の
Ｒｕを塗布してしまい、コストが高くなってしまう。ま
た、適量のＲｕを塗布する手段は、その工程が煩雑なこ
とから、コスト的にも作業的にも効率の悪いものとなっ
ていた。そこで、特開平１０−３２００９号公報に、Ｒ
ｕをガス化して燃料電池に送り込むことで、容易に適量
のＲｕを塗布する手段が開示されている。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図８に
示した従来知られた燃料電池や特開平３−２４５４６３
号公報に開示された燃料電池をこのまま使用したので
は、ＣＯ被毒を受け、電池性能が低下してしまう。ま
た、これらの燃料電池において、ＣＯ被毒を防止するた
めには、ＣＯ酸化部を別途に設ける必要があることから
システムが大型化してしまい、自動車等限られたスペー
スで用いる場合には適さないものとなっている。

【００１５】また、特開平８−２０３５３７号公報に開
示された燃料電池及び特開平９−１２９２４３号公報に
開示された燃料電池は、拡散層にＣＯ酸化触媒を塗布す
ることで、ＣＯ被毒の防止を図るという点において共通
しているものであるが、これらはいずれも活物質濃度が
入口から出口に向かって変動していることを考慮してい
ないものとなっている。つまり、過剰のＣＯ酸化触媒が
塗布されていたり、電極触媒の塗布量が不十分であるこ
とから、電池性能を十分に発揮できないものとなってい
る。

【００１６】更に、特開平１０−３２００９号公報に開
示された燃料電池は、入口から出口に向かって減少する
ＣＯ濃度に合わせて、簡便な手法によりＲｕを供給した
ものであり、しかも従来の燃料電池と同程度の電池性能
を有するものである。しかし、この燃料電池は、電池運
転温度が低い場合（始動時等）には、少なからずＣＯ被
毒を受けるものとなっている。

【００１７】本発明の解決しようとする課題は、ＣＯ酸
化触媒が燃料電池セルのガス拡散層に組み込まれ、燃料
極触媒のＣＯ被毒が防止され、更に燃料極面内の出力電
圧が均一となる燃料電池を提供することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に、本発明の燃料電池は、燃料極に燃料極触媒のほかに
ＣＯ酸化触媒を含み、該燃料極にＣＯ酸化除去のための
酸化剤を含む燃料ガスが供給される燃料電池において、
ＣＯ酸化触媒の量が燃料極面に接する燃料ガスのガス流
路の入側から出側に向けて漸次減少していることを要旨
とするものである。

【００１９】この場合の「燃料極触媒」としては、水素
酸化能に優れたＰｔと、これを担持するカーボン等から
構成されることが望ましい。更に、この「燃料極触媒」
は、燃料極面に接する燃料ガスのガス流路の入側から出
側に向けて、その燃料極触媒の量を漸次増加させること
が好適である。本発明の触媒の量は、担持密度としてよ
い。燃料極触媒の場合、入側と出側とで勾配を設けられ
ればよく、特に制限されるものではないが、Ｐｔの含有
量が２０重量％を超えると、Ｐｔが凝集しやすくなり触
媒能に影響を与える可能性があることから、更に好まし
くは、入側のＰｔが１０重量％、出側のＰｔが２０重量
％となるように担持させることが望ましい。

【００２０】また更に、この燃料極触媒には、耐ＣＯ性
を有する燃料極触媒をも担持して用いてもよい。この耐
ＣＯ性を有する燃料極触媒としては、ＰｔとＲｕの合金
等が好適なものとして挙げられる。また、燃料極触媒が
耐ＣＯ性を有するものと有しないもので構成されている
場合、これらのＰｔ含有量は、それぞれが入側と出側で
濃度勾配を形成するように担持させるとよい。

【００２１】「ＣＯ酸化触媒」としては、優れたＣＯ酸
化能力を有するＡｕ、ＡｕとVIII族貴金属（Ｐｔ、Ｐ
ｄ、Ｒｕ、Ｉｒ）との合金又は混合物、Ａｕと卑金属
（Ｆｅ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｚｒ）との合金又は
混合物等が好適なものとして挙げられる。この「ＣＯ酸
化触媒」は、入側から出側に向けて、その量及び担持密
度を漸次減少させたものとしている。また、この担持密
度については、入側と出側とで勾配を設けられればよ
く、特に制限されるものではないが、Ａｕの含有率が２
０重量％を超えると、Ａｕが凝集してしまい触媒能に影
響を与える可能性があることから、更に好ましくは、入
側のＡｕが２０重量％、出側のＡｕが０重量％となるよ
うに担持させることが望ましい。

【００２２】また、これら触媒の塗布方法としては、漸
次減少或いは増加するように塗布できる方法であれば、
種々の方法を適宜選択することできる。その一例として
は、スプレー塗布、スクリーン印刷等が挙げられる。こ
のスプレー塗布によって行う場合には、濃度を高くした
い方の側から低くしたい方の側に向かって、触媒をガス
流路内に噴出し塗布させる。すると、スプレーの噴出部
から離れるにしたがい塗布量が連続的に減少することか
ら、濃度勾配を形成することができる。ここで、触媒の
噴出量及び噴出速度は、担持量に合わせて適宜選択する
とよい。

【００２３】また更に、スクリーン印刷によって行う場
合には、ガス流路をｎ個の領域に区分けしておき、濃度
を低くしたい側から順に１、２、３、・・・、ｎ−１、
ｎ（ｎは２以上の整数）と番号をつけておく。そして、
１回目には１〜ｎまで塗布し、２回目には２〜ｎまで塗
布し、ｋ回目にはｋ〜ｎまで塗布する。これをｎ回まで
行うことにより濃度勾配を形成することができる。ここ
で、ｎは大きい程よいが、形成したい濃度勾配或いは作
業に要する手間等を考慮して適宜選択するとよい。

【００２４】また、「ガス拡散層」は、反応ガスや生成
ガス、水等の物質の拡散性と、電子の伝導性とを両立さ
せることが可能な材料を用いる必要がある。具体的に
は、カーボンペーパー、カーボンクロス、或いはカーボ
ン粉末をポリテトラフルオロエチレン等の高分子バイン
ダと共にシート状に成形したもの等、通気性を有し、し
かも均一な気孔径分布を有する多孔質の炭素系材料を用
いることが好ましい。

【００２５】上記構成を有する燃料電池によれば、ガス
拡散層を通過するＣＯを含む燃料ガスを、ＣＯ酸化触媒
に最初に接触させ、燃料ガスとして反応するべき水素を
酸化させず選択的にＣＯのみを酸化させることでＣＯ除
去を行い、しかも、そのＣＯ酸化触媒を、燃料ガス流路
の入側と出側によって異なるＣＯ濃度の違いを考慮し
て、その担持量及び担持密度を入側から出側に向けて漸
次減少させると共に、燃料極触媒の担持量及び担持密度
を入側から出側に向けて漸次増加させたものであるか
ら、燃料極触媒のＣＯ被毒が防止され、更に電極面内の
出力電流密度が均一となる燃料電池を提供することがで
きる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下に本発明の好適な実施の形態
を図面を参照しながら詳細に説明する。図１〜図３は本
願発明の供試サンプルである実施例１乃至実施例３の燃
料極のガス流路のガス進行方向断面を示した図である。

【００２７】まず最初に、図１は供試サンプルである実
施例１を示したものであるが、ガス拡散層３２はカーボ
ンクロス等の導電性多孔質体としており、このガス拡散
層３２の内部には、優れたＣＯ酸化能力を有する金（Ａ
ｕ）とこれらを担持するカーボン等から構成されるＣＯ
酸化触媒３４が分散担持されている。このＡｕ含有量は
入側が２０重量％、出側が０重量％になるように濃度勾
配が設けられている。そして更に、このガス拡散層３２
には、水素酸化能力に優れた白金（Ｐｔ）とこれらを担
持するカーボン等の担体から構成される燃料極触媒３６
が担持されている。このＰｔ含有量は入側が１０重量
％、出側が２０重量％になるように濃度勾配が設けられ
ている。このように構成されたガス拡散層３２は、電解
質膜４０（ナフィオン１１２、デュポン社製）に接合さ
れている。

【００２８】この実施例１の作製方法としては、まず、
ＣＯ酸化触媒３４をエタノールに分散させることで得ら
れる混合溶液にガス拡散層３２を含浸させる。このとき
Ａｕ含有量が入側で２０重量％、出側で０重量％と連続
的に減少するように担持させるために、エタノールに配
合するＣＯ酸化触媒３４の量を変えながら含浸させる。
その手法としては、まず、ガス拡散層３２をｎ個の領域
に区分けして、出側から入側に向け順に１〜ｎまで番号
をつける。そして、１回目にはエタノール中のＣＯ酸化
触媒３４のＡｕ含有量を０重量％として１〜ｎまで含浸
させ、２回目にはエタノール中のＣＯ酸化触媒３４のＡ
ｕ含有量を（２０／（ｎ−１））重量％として２〜ｎま
で含浸させ、ｋ回目にはエタノール中のＣＯ酸化触媒３
４のＡｕ含有量を（２０・（ｋ−１）／（ｎ−１））重
量％としてｋ〜ｎまで含浸させる。これをｎ回目まで行
う。尚、ここではｎを約１０回としている。その後、Ｎ
_２雰囲気下２００℃で加熱処理を施し、ＣＯ酸化触媒３
４を分散担持させた。

【００２９】次いで、燃料極触媒３６を電解質液（パー
フルオロスルホン酸ポリマー）と混合させることにより
得たペースト状の溶液を、上述に示したように、Ｐｔ含
有量が入側で１０重量％、出側で２０重量％と濃度が連
続的に増加するように、前述のＣＯ酸化触媒３４を担持
させたガス拡散層３２にスプレー塗布によって担持させ
る。このとき燃料極触媒は、電解質膜と接合される側の
面に担持させる。以上の工程を経て作製されたものを実
施例１とした。

【００３０】次に、図２は供試サンプルである実施例２
を示したものである。この実施例２は、実施例１と同様
に、ＣＯ酸化触媒３４をＡｕ含有量が入側で２０重量
％、出側で０重量％と漸次減少するように、そして、燃
料極触媒３６をＰｔ含有量が入側で０重量％、出側で２
０重量％と漸次増加するように構成されたものである。
但し、実施例１との相違点として、ＣＯ酸化触媒の担持
箇所が異なり、ガス拡散層３２の電解質膜と接合される
側の面に担持されたものとしている。

【００３１】この実施例２の作製方法としては、まず、
ＣＯ酸化触媒３４を電解質液と混合して得られたペース
ト状の溶液をガス拡散層３２にスプレー塗布し、濃度勾
配を形成するように担持させる。燃料極触媒３６の担持
方法は、実施例１と同様、燃料極触媒３６と電解質液を
混合させることにより得たペースト状の溶液をガス拡散
層３２にスプレー塗布によって担持させたものである。

【００３２】次に、図３は供試サンプルである実施例３
を示したものである。実施例３は、ガス拡散層３２にＣ
Ｏ酸化触媒３４をＡｕ含有量が入側で２０重量％、出側
で０重量％になるように担持されている。そして、Ｒｕ
とＰｔの合金等からなる耐ＣＯ性を有する燃料極触媒が
担持され、更に、Ｐｔとこれを担持するカーボン等から
なる燃料極触媒（耐ＣＯ性を有しない）が担持されるよ
うに構成されたものである。

【００３３】実施例３の作製方法としては、まず、上述
の通りＣＯ酸化触媒をＡｕの含有量が入側で２０重量
％、出側で０重量％と連続的に減少するようにスプレー
塗布し担持させた。そして、耐ＣＯ性を有する燃料極触
媒を電解液と混合しペースト状の溶液とし、これをＰｔ
の含有量が入側で３重量％、出側で６重量％と連続的に
増加するようにスプレー塗布し担持させた。そして更
に、耐ＣＯ性を有しない燃料極触媒をＰｔの含有量が入
側で７重量％、出側で１４重量％と連続的に増加するよ
うにスプレー塗布し担持させたものである。つまり、耐
ＣＯ性を有する燃料極触媒と耐ＣＯ性を有しない燃料極
触媒を合わせて、そのＰｔの含有量は入側が１０重量
％、出側が２０重量％とされている。

【００３４】つまり、上述の実施例１〜３は、いずれも
ＣＯ酸化触媒を入側から出側に向けて漸次減少するよう
に、そして、燃料極触媒を入側から出側に向けて漸次増
加するように担持させたものである。しかしながら、そ
の相違点として、実施例１は、ＣＯ酸化触媒をガス拡散
層の内部に分散担持させ、燃料極触媒をガス拡散層と電
解質との間に担持させたものであり、実施例２は、ＣＯ
酸化触媒及び燃料極触媒を共にガス拡散層と電解質との
間に担持させたものであり、実施例３は、実施例２の燃
料極触媒に更に耐ＣＯ性を有する燃料極触媒をも担持さ
せたものである。

【００３５】また、これら実施例を評価するための比較
品として比較例１及び比較例２を作製した。まず、図４
に比較例１を示したので、これについて説明する。この
比較例１は、ガス拡散層３２、ＣＯ酸化触媒３４、燃料
極触媒３６はいずれも実施例１と同様のものを用いてい
るが、その担持量が入側から出側まで均一になるように
担持されたものである。ＣＯ酸化触媒３４のＡｕ含有量
は１０重量％、燃料極触媒のＰｔ含有量は２０重量％で
面内均一とされている。

【００３６】また、図５に比較例２を示したが、この比
較例２はＣＯ酸化触媒が担持されておらず、燃料極触媒
３６を入側から出側に向かって漸次増加するように担持
されたものである。燃料極触媒３６のＰｔ含有量は、入
側が１０重量％、出側が２０重量％になるように担持さ
れている。

【００３７】これら本発明品（実施例１〜実施例３）及
び比較品（比較例１及び２）を評価するために、燃料ガ
ス中に含まれるＣＯ濃度が与える電池の出力電圧の影響
を調べた。この試験は、電流密度を０．５Ａ／ｃｍ
^２（一定）として行い、ＣＯの混入量が０〜２００ｐｐ
ｍまでの場合について調べたものである。この結果を図
６に示した。

【００３８】図６に示したグラフからわかるように、本
発明品（実施例１〜３）はいずれも、ＣＯの混入量が０
ｐｐｍのときはもちろん、混入量が増えた場合において
も、その出力電圧はほとんど低下しなかった。本発明品
の中でも、特に実施例３は高い出力電圧を示し、ＣＯ混
入による出力電圧の低下の割合もほとんどないものであ
った。この実施例３に比べると、実施例１及び実施例２
は出力電圧がやや低下しているものの、比較品に比べる
と格段に優れた結果を示していることがわかる。

【００３９】本発明品（実施例１〜３）に対し、比較品
（比較例１及び比較例２）は、ＣＯ混入量が０ｐｐｍの
ときこそ比較的高い出力電圧を示しているが、ＣＯが僅
かでも混入すると急激に低下してしまっている。特に、
比較例２はＣＯ被毒に対する処理が全く施されていない
ことから、ほとんど出力電圧を得られないものであっ
た。比較例１は、ＣＯ酸化触媒が担持されていることか
ら、比較例２よりは良好な結果を示しているが、本発明
品に比べると格段に悪い結果を示している。これは、ガ
ス流路内のＣＯ濃度の変化を考慮していないことから、
均一な出力電圧が得られていないことによるものと考え
られる。

【００４０】次いで、本発明品（実施例１〜３）と比較
品（比較例１及び比較例２）との電池特性（電流−電圧
特性）を比較した。この比較試験における電池の運転条
件としては、電池運転温度を８０℃とし、燃料ガスの組
成を（Ｈ_２…７５％、ＣＯ_２…２５％、ＣＯ…１００ｐ
ｐｍ）とした。この比較試験の結果を図７に示した。

【００４１】図７に示したグラフより、本発明品（実施
例１〜３）はいずれも、電流密度が大きくなっても安定
して高い電圧を示していることから、これらは優れた電
池特性を有していると判断できる。この試験においても
実施例３が最も優れた結果を示しており、燃料極触媒に
耐ＣＯ性を付与させることが非常に有効な手段であるこ
とがわかる。本発明品に対して、比較品（比較例１及び
２）は格段に悪い結果を示し、特に比較例２は急激な電
圧低下を招き、実用的な使用には程遠いものとなってい
る。

【００４２】図６及び図７に示した比較試験の結果か
ら、本発明品を総合的に評価すると、本発明品（実施例
１〜３）はいずれも、燃料ガス中にＣＯが混入されてい
ても極めて優れた電池性能が得られることがわかった。
このような結果が得られたのは、ガス拡散層を通過する
ＣＯを含む燃料ガスが、最初にＣＯ酸化剤に接触するこ
とで、燃料ガスとして反応するべき水素を酸化させるこ
となく、選択的にＣＯのみが酸化されるので、燃料極の
被毒を防ぎ、かつ安全に電池を運転することができるた
めである。また、ＣＯの酸化に伴い、出側に向かうにし
たがってＣＯ濃度が低下することから、それに併せてＣ
Ｏ酸化触媒の担持量を減らすと共に、燃料極触媒の担持
量を増やすことで、均一な出力電圧が得られるものとな
っている。

【００４３】そして更に、この実施例１〜３の中での比
較をしてみると、実施例３、実施例２、実施例１の順で
優れた電池性能を示すことがいえる。これは、実施例１
はＣＯ酸化触媒を濃度勾配を設けて担持されてはいる
が、ガス拡散層の内部に分散担持されているために、燃
料ガス中のＣＯを全て酸化することができず、酸化でき
なかった一部のＣＯが燃料極触媒に到達してしまい、僅
かではあるが燃料極触媒がＣＯ被毒を受けたために実施
例２及び３よりやや劣るものとなったと考えられる。ま
た、実施例２はガス拡散層と燃料極触媒の間にＣＯ酸化
触媒が設けられていることから、ＣＯのほとんどを燃料
極触媒に到達する前に酸化できていると思われる。更
に、実施例３にはＣＯ酸化触媒だけでなく燃料極触媒に
も耐ＣＯ性が付与されていることから、酸化できなかっ
たＣＯが燃料極触媒に到達してしまったとしてもＣＯ被
毒をほとんど受けないことから最も優れた電池性能を示
すものと考えられる。

【００４４】本発明は、上記した実施例に何等限定され
るものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々
の改変が可能である。例えば、ＣＯ酸化触媒或いは燃料
極触媒は濃度勾配が形成されるように担持できればよ
く、その濃度については特に限定されない。但し、Ａｕ
或いはＰｔの含有量が多すぎた場合には、そのＡｕ或い
はＰｔが凝集してしまうことがあるので、凝集しない範
囲で適宜調節する必要がある。

【００４５】また、ＣＯ酸化触媒或いは燃料極触媒の濃
度勾配は、一次関数的に増加或いは減少させてもよい
が、それ以外にも連続的に増加或いは減少させることが
できれば、その増加或いは減少の割合は特に限定され
ず、面内での反応が均一に起こるように適宜調節すれば
よい。

【００４６】本願発明の技術的思想は、ＣＯ被毒が問題
となる燃料電池であれば適用することができ、固体高分
子型燃料電池、リン酸型燃料電池等に幅広く適用するこ
とができる。特に、低温で作動する固体高分子型燃料電
池等では、ＣＯ被毒がより重要な問題となるので、本願
発明を適用することで絶大な効果を得ることが期待でき
る。

【００４７】

【発明の効果】本発明に係る燃料電池によれば、燃料極
面に接する燃料ガスのガス流路の入側から出側に向けて
ＣＯ酸化触媒の担持量及び担持密度を漸次減少させてな
るものであることから、入側で多く含まれるＣＯに対し
て、燃料ガスとして反応するべき水素を酸化させること
なく、ＣＯのみを選択的に酸化させ、燃料極触媒がＣＯ
被毒されることがほとんどないものとなる。また、ＣＯ
酸化触媒によって酸化しきれないＣＯがあったとして
も、燃料極触媒に耐ＣＯ性を付与することで、ＣＯ被毒
の防止に対して、より一層高い効果を発揮することがで
きる。

【００４８】更に、本発明に係る燃料電池は、燃料極面
に接する燃料ガスのガス流路の入側から出側に向けて燃
料極触媒の担持量及び担持密度を漸次増加させてなるも
のであることから、出側で少なくなる活物質に対して、
触媒粒子と活物質との接触確率が高まるように触媒が配
置されており、燃料極面内での反応が均一に起こるの
で、発電効率が良くなり、しかも燃料極面内から得られ
る出力電圧を均一化することができるものとなる。

【００４９】この燃料電池は、燃料ガスに含まれるＣＯ
を酸化・除去を行うＣＯ酸化部分を燃料極と一体化する
ことにより小型化を図りつつ、燃料極触媒がＣＯ被毒さ
れることを防止でき、しかも、ＣＯ酸化触媒及び燃料極
触媒の利用効率が最適なものとなっていることから、例
えば自動車用の燃料電池システムに応用すれば、自動車
の高出力化、軽量化及び小型化等が可能となるものであ
り、産業上極めて有用性の高いものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る燃料電池の一実施形態として、ガ
ス拡散層にＣＯ酸化触媒を分散担持させ、燃料極触媒を
傾斜塗布した実施例１の燃料極の燃料ガス流路のガス進
行方向の断面図を示した図である。

【図２】本発明に係る燃料電池の一実施形態として、Ｃ
Ｏ酸化触媒及び燃料極触媒を傾斜塗布した実施例２の燃
料極の燃料ガス流路のガス進行方向の断面図を示した図
である。

【図３】本発明に係る燃料電池の一実施形態として、Ｃ
Ｏ酸化触媒、耐ＣＯ性燃料極触媒及び耐ＣＯ性を有しな
い燃料極触媒を傾斜塗布した実施例３の燃料極の燃料ガ
ス流路のガス進行方向の断面図を示した図である。

【図４】本発明品の比較品として作製した比較例１の燃
料極の燃料ガス流路のガス進行方向の断面図を示した図
である。

【図５】本発明品の比較品として作製した比較例２の燃
料極の燃料ガス流路のガス進行方向の断面図を示した図
である。

【図６】本発明品及び比較品における一酸化炭素（Ｃ
Ｏ）混入量と出力電圧との関係を示した図である。

【図７】本発明品と比較品の電池特性（電流−電圧特
性）を示した図である。

【図８】従来一般に知られる燃料電池の基本構造を示す
分解斜視図である。

【図９】図８に示した燃料電池の電極・電解質接合体の
拡大断面図である。

【図１０】図８に示した燃料電池の空気極側における、
反応物質及び電子の移動状態を説明する図である。

【符号の説明】

３２ガス拡散層３４ＣＯ酸化触媒３６燃料極触媒３８耐ＣＯ性を有する燃料極触媒４０電解質膜

フロントページの続き (72)発明者大矢豊愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者青木博史愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者志満津孝愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者若杉知寿愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内Ｆターム(参考） 5H018 AA06 AS02 EE03 EE05 EE10 HH05 5H026 AA06 CC03 EE02 EE05 EE08 HH05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料極に燃料極触媒のほかにＣＯ酸化触
媒を含み、該燃料極にＣＯ酸化除去のための酸化剤を含
む燃料ガスが供給される燃料電池において、ＣＯ酸化触
媒の量が燃料極面に接する燃料ガスのガス流路の入側か
ら出側に向けて漸次減少していることを特徴とする燃料
電池。
【請求項２】燃料極面に接する燃料ガスのガス流路の
入側から出側に向けて、更に燃料極触媒の量を漸次増加
させていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電
池。
【請求項３】前記燃料極触媒は、耐ＣＯ性が付与され
ていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電
池。