JP2001143714A - Solid polymer fuel cell - Google Patents

Solid polymer fuel cell

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JP2001143714A
JP2001143714A JP31999799A JP31999799A JP2001143714A JP 2001143714 A JP2001143714 A JP 2001143714A JP 31999799 A JP31999799 A JP 31999799A JP 31999799 A JP31999799 A JP 31999799A JP 2001143714 A JP2001143714 A JP 2001143714A
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JP
Japan
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platinum
anode
catalyst
fuel cell
gas
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JP31999799A
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Japanese (ja)
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Masaru Yoshitake
優 吉武
Shinji Terasono
真二 寺園
Eiji Yanagisawa
栄治 柳沢
Masako Kawamoto
昌子 川本
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AGC Inc
Original Assignee
Asahi Glass Co Ltd
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Publication date
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid polymer fuel cell having a light weight and a small size, which includes an anode having a catalyst layer excellent in carbon monoxide poisoning resistance, and can effectively generate electricity even when using reformed gas from methanol, etc. SOLUTION: Discolsed herein is a solid polymer fuel cell, which includes an anode having a catalyst layer of a thickness of 1 to 15 μm comprising platinum, or a platinum-ruthenium alloy containing 60% by weight of platinum, or a platinum-molybdenum alloy containing 60% by weight of platinum. Also, the fuel cell includes an electrolytic membrane having a thickness of 5 to 80 μm.

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、固体高分子型燃料
電池、特に一酸化炭素被毒耐性に優れるアノード触媒層
を有する固体高分子型燃料電池に関する。
The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell, and more particularly to a polymer electrolyte fuel cell having an anode catalyst layer having excellent resistance to poisoning with carbon monoxide.

【0002】[0002]

【従来の技術】燃料電池は、燃料となるガスの反応エネ
ルギを直接的に電気エネルギに変換する電池であり、そ
のなかで水素・酸素燃料電池は、その反応生成物が原理
的に水のみであるという特徴を有する。水素・酸素燃料
電池のなかでも電解質膜としてイオン交換膜を使用する
固体高分子型燃料電池は、常温からの作動が可能で高出
力密度が得られるため、近年のエネルギ問題、地球環境
問題への社会的要請の高まりとともに、電気自動車用電
源、定置用電源等として期待されている。
2. Description of the Related Art A fuel cell is a cell that directly converts the reaction energy of a gas serving as a fuel into electric energy. Among them, a hydrogen / oxygen fuel cell is basically composed of only water as a reaction product. There is a feature that there is. Among the hydrogen / oxygen fuel cells, polymer electrolyte fuel cells that use an ion exchange membrane as the electrolyte membrane can operate from room temperature and have a high power density. With increasing social demands, they are expected to be used as power supplies for electric vehicles, stationary power supplies, and the like.

【0003】固体高分子型燃料電池では、電解質膜とし
て、通常、プロトン伝導性のイオン交換膜が用いられ、
特にスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体
からなるイオン交換膜が基本特性に優れている。固体高
分子型燃料電池では、このイオン交換膜の両面にガス拡
散性の電極層を形成し、燃料である水素と酸化剤となる
酸素又は空気をそれぞれアノード(水素極)及びカソー
ド(酸素極又は空気極)に供給することにより発電を行
う。
In a polymer electrolyte fuel cell, a proton conductive ion exchange membrane is usually used as an electrolyte membrane.
In particular, an ion exchange membrane made of a perfluorocarbon polymer having a sulfonic acid group has excellent basic characteristics. In the polymer electrolyte fuel cell, gas diffusion electrode layers are formed on both surfaces of the ion exchange membrane, and hydrogen as a fuel and oxygen or air as an oxidant are respectively supplied to an anode (hydrogen electrode) and a cathode (oxygen electrode or Power is generated by supplying it to the cathode.

【0004】ガス拡散性の電極層に含まれる電極触媒
は、高い出力を取り出すため、通常は比表面積の大きい
導電性のカーボンブラック担体等に白金を主体とする貴
金属触媒又は白金合金触媒を高担持率で分散性よく担持
させて使用する。電極層における反応は、電解質、電極
触媒及び燃料ガスが同時に存在する三相界面でのみ進行
するため、固体高分子型燃料電池ではイオン交換樹脂を
電極層に含有させ、イオン交換樹脂で電極触媒を被覆し
て三相界面を拡大させる方法により性能を向上させてい
る。
The electrode catalyst contained in the gas-diffusible electrode layer has a high output. Therefore, a noble metal catalyst mainly composed of platinum or a platinum alloy catalyst is usually supported on a conductive carbon black carrier having a large specific surface area. Used with good dispersibility. Since the reaction in the electrode layer proceeds only at the three-phase interface where the electrolyte, the electrode catalyst, and the fuel gas are simultaneously present, in a polymer electrolyte fuel cell, an ion exchange resin is contained in the electrode layer, and the electrode catalyst is formed by the ion exchange resin. Performance is improved by a method of enlarging the three-phase interface by coating.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】アノードに送られる燃
料ガスとしては、メタンやメタノール等を水蒸気改質し
て得られる水素ガス(改質ガス)を使用することが検討
されている。例えば、メタノールを使用する場合、25
0〜300℃の温度でCu−Zn系等の触媒を使用し
て、以下のようにメタノールを段階的に反応させる。 CH3OH=2H2+CO−90kJ/mol、 CO+H2O=H2+CO2+40kJ/mol。
The use of hydrogen gas (reformed gas) obtained by steam reforming methane, methanol, etc., as the fuel gas sent to the anode has been studied. For example, when using methanol, 25
Using a catalyst such as a Cu-Zn system at a temperature of 0 to 300 ° C, methanol is reacted stepwise as follows. CH 3 OH = 2H 2 + CO -90kJ / mol, CO + H 2 O = H 2 + CO 2 + 40kJ / mol.

【0006】すなわち、改質装置でメタノールを水蒸気
と反応させ、水素と一酸化炭素(CO)に転化させた
後、シフトコンバータでさらにCOを水蒸気とシフト反
応させて、水素ガスが主成分となる改質ガスを得る。そ
して、この改質ガスをアノードに燃料として供給する。
That is, methanol is reacted with steam in a reformer to convert hydrogen and carbon monoxide (CO), and then CO is further shifted with steam in a shift converter, so that hydrogen gas becomes a main component. Obtain reformed gas. Then, the reformed gas is supplied to the anode as fuel.

【0007】しかし、通常上記のシフト反応を行って
も、得られる水素ガス中に1vol%程度のCOが含ま
れ、COは、アノード中の白金系触媒の触媒毒となる。
特に100℃以下の低温で作動させる固体高分子型燃料
電池では、COの白金触媒への触媒毒作用が著しく、電
池特性を大きく低下させることが知られている。
However, even when the above-described shift reaction is performed, about 1 vol% of CO is contained in the obtained hydrogen gas, and CO becomes a catalyst poison of the platinum-based catalyst in the anode.
In particular, in a polymer electrolyte fuel cell operated at a low temperature of 100 ° C. or less, it is known that CO poisons the platinum catalyst remarkably, thereby greatly reducing the cell characteristics.

【0008】改質ガス中のCOの影響を回避する方法と
しては、以下の方法が挙げられる。CO被毒耐性に優れ
る触媒をアノードに使用する方法。改質装置にCOを低
減させるための機能を組込む方法。改質装置から排出さ
れるガスを、COを酸化除去する装置等を通してCO濃
度を数百ppm以下まで低減する方法等。
[0008] As a method for avoiding the influence of CO in the reformed gas, the following method can be mentioned. A method in which a catalyst having excellent resistance to CO poisoning is used for the anode. A method for incorporating a function for reducing CO into a reformer. A method of reducing the gas discharged from the reformer to a concentration of several hundred ppm or less through a device that oxidizes and removes CO.

【0009】また、アノードの白金触媒表面に吸着する
COを酸化除去するために燃料ガス中に直接空気又は酸
素を導入する方法も提案されている。しかし、空気又は
酸素の流量制御機構が必要となり、燃料電池システム全
体を軽量化、小型化ができない。
A method has also been proposed in which air or oxygen is directly introduced into fuel gas to oxidize and remove CO adsorbed on the surface of the platinum catalyst of the anode. However, a mechanism for controlling the flow rate of air or oxygen is required, and the weight and size of the entire fuel cell system cannot be reduced.

【0010】従来より、CO被毒耐性に優れるアノード
触媒としては、白金−ルテニウム合金系触媒が知られて
いる。しかし、白金触媒をルテニウムと合金化させるこ
とによりCO被毒耐性は高まるものの、水素酸化活性は
低下し、燃料電池の出力特性が低下する原因となる。そ
のため、アノード触媒層を2層構成とし、電解質膜側に
ルテニウム含有量が少ない白金−ルテニウム触媒からな
る層を形成し、その外側にルテニウム含有量が多い白金
−ルテニウム触媒からなる層を形成した燃料電池が提案
されている(特開平10−270057)。しかしこの
方法ではルテニウムの使用量が多くコストが高くなりや
すい。
Conventionally, a platinum-ruthenium alloy catalyst has been known as an anode catalyst having excellent resistance to CO poisoning. However, although alloying a platinum catalyst with ruthenium increases CO poisoning resistance, it reduces hydrogen oxidizing activity and causes the output characteristics of the fuel cell to deteriorate. Therefore, the anode catalyst layer has a two-layer structure, a layer made of a platinum-ruthenium catalyst having a low ruthenium content is formed on the electrolyte membrane side, and a layer made of a platinum-ruthenium catalyst having a high ruthenium content is formed outside the layer. A battery has been proposed (JP-A-10-270057). However, this method uses a large amount of ruthenium and tends to increase the cost.

【0011】上記のような問題点から、ルテニウムの使
用量が少なくかつCO被毒耐性に優れる触媒層を有する
アノードを開発することにより、メタノール等からの改
質ガスを燃料ガスとして使用しても効率よく発電できる
軽量で小型の固体高分子型燃料電池の開発が求められて
いる。
In view of the above problems, the development of an anode having a catalyst layer that uses a small amount of ruthenium and has excellent resistance to CO poisoning enables the use of a reformed gas such as methanol as a fuel gas. There is a need for the development of a lightweight and small polymer electrolyte fuel cell that can generate power efficiently.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決すべくなされたものであり、固体高分子電解質膜と該
電解質膜の両面にそれぞれ配置したアノード及びカソー
ドを有し、アノードには水素を主体とし一酸化炭素を含
むガスが供給され、カソードには酸化剤ガスが供給され
る固体高分子型燃料電池において、アノードは、厚さが
1〜15μmであり、かつ白金、質量比で60%以上の
白金を含む白金−ルテニウム合金、及び質量比で60%
以上の白金を含む白金−モリブデン合金からなる群から
選ばれる1種以上の金属触媒を含む触媒層を有し、前記
電解質膜は、厚さが5〜80μmであることを特徴とす
る固体高分子型燃料電池を提供する。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and has a solid polymer electrolyte membrane and an anode and a cathode disposed on both sides of the electrolyte membrane, respectively. In a polymer electrolyte fuel cell in which a gas containing mainly hydrogen and carbon monoxide is supplied, and an oxidant gas is supplied to a cathode, an anode has a thickness of 1 to 15 μm, and platinum and a mass ratio of platinum. Platinum-ruthenium alloy containing 60% or more of platinum, and 60% by mass
A solid polymer comprising a catalyst layer containing at least one metal catalyst selected from the group consisting of platinum-molybdenum alloys containing platinum, wherein the electrolyte membrane has a thickness of 5 to 80 μm; -Type fuel cell is provided.

【0013】本発明では、電解質膜が薄いので、カソー
ドに供給される酸素が電解質膜を透過してアノード触媒
層に到達し、アノード触媒層の触媒表面に吸着するCO
を酸化除去できる。さらに、アノード触媒層の厚さも薄
いので、アノード触媒層中のCOを充分に酸化除去でき
る。
In the present invention, since the electrolyte membrane is thin, oxygen supplied to the cathode passes through the electrolyte membrane, reaches the anode catalyst layer, and adsorbs on the catalyst surface of the anode catalyst layer.
Can be removed by oxidation. Furthermore, since the thickness of the anode catalyst layer is small, CO in the anode catalyst layer can be sufficiently oxidized and removed.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】本発明の固体高分子型燃料電池
は、固体高分子電解質膜の両面にアノード及びカソード
がそれぞれ配置されていて、アノードには水素を主体と
しCOを含むガスが供給され、カソードには酸化剤ガス
が供給される。ここで、水素を主体としてCOを含むガ
スは、燃料ガスであり具体的にはメタノール等の燃料を
改質したガス等であり、COが全体の10〜500vo
lppm含まれるガスである。COが500volpp
mを超える場合は、アノードの触媒層中のCOを充分に
酸化除去できないおそれがある。また、10volpp
mより少ない場合は、もともとアノードの触媒被毒が少
ないので本発明の効果が少ない。また、カソードに供給
される酸化剤ガスは、酸素を含むガスであり、空気や酸
素が挙げられる。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION In a solid polymer fuel cell according to the present invention, an anode and a cathode are respectively arranged on both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane, and a gas containing mainly hydrogen and containing CO is supplied to the anode. An oxidant gas is supplied to the cathode. Here, the gas mainly containing hydrogen and containing CO is a fuel gas, specifically, a gas obtained by reforming a fuel such as methanol or the like.
It is a gas containing 1 ppm. CO is 500 volpp
If it exceeds m, the CO in the anode catalyst layer may not be sufficiently oxidized and removed. Also, 10 volpp
When it is less than m, the effect of the present invention is small because the catalyst poisoning of the anode is originally small. The oxidizing gas supplied to the cathode is a gas containing oxygen, such as air and oxygen.

【0015】アノード及びカソードは、それぞれ触媒を
含む触媒層が電解質膜に隣接して配置されており、その
外側にはガス拡散層が配置されて触媒層とガス拡散層と
で構成されていることが好ましい。ガス拡散層の外側に
は、例えばリブを有するセパレータを配置し、セパレー
タの溝部に燃料ガス又は酸化剤ガスを流してガス拡散層
を通して触媒層に供給することができる。
In the anode and the cathode, a catalyst layer containing a catalyst is disposed adjacent to the electrolyte membrane, and a gas diffusion layer is disposed outside the catalyst layer, and the anode and the cathode are constituted by the catalyst layer and the gas diffusion layer. Is preferred. A separator having ribs, for example, is disposed outside the gas diffusion layer, and a fuel gas or an oxidizing gas can be supplied to the groove of the separator to be supplied to the catalyst layer through the gas diffusion layer.

【0016】本発明におけるアノードの触媒層の厚さ
は、1〜15μmである。15μmを超えると、電解質
膜を透過して供給された酸素がアノード全体にはいきわ
たらず、アノードの触媒表面に吸着したCOを充分に除
去できない。また、1μm未満の触媒層では、高出力が
得られるのに充分な水素酸化の活性が得られない。アノ
ードの触媒層の厚さは、特に5〜10μmが好ましい。
本発明における電解質膜の厚さは、5〜80μmであ
る。5μm未満では膜強度が弱く、80μmを超える
と、カソードからアノードに透過する酸素の量が少なく
充分にCOを酸化除去できない。電解質膜の厚さは10
〜60μmであると好ましい。
In the present invention, the thickness of the anode catalyst layer is 1 to 15 μm. If the thickness exceeds 15 μm, oxygen supplied through the electrolyte membrane does not reach the entire anode, and CO adsorbed on the catalyst surface of the anode cannot be sufficiently removed. On the other hand, if the thickness of the catalyst layer is less than 1 μm, sufficient hydrogen oxidation activity to obtain a high output cannot be obtained. The thickness of the anode catalyst layer is particularly preferably 5 to 10 μm.
The thickness of the electrolyte membrane in the present invention is 5 to 80 μm. If it is less than 5 μm, the film strength is weak, and if it exceeds 80 μm, the amount of oxygen passing from the cathode to the anode is so small that CO cannot be oxidized and removed sufficiently. The thickness of the electrolyte membrane is 10
It is preferably from 60 to 60 μm.

【0017】本発明の固体高分子電解質型燃料電池の作
動時において、電解質膜の酸素透過量は、1×10-4
5×10-3cm3/(cm2・s)であることが好まし
く、特に3×10-4〜2×10-3cm3/(cm2・s)
であることが好ましい。この範囲であればアノードのC
Oを充分に酸化除去できる。なおここで、酸素透過量
(cm3/(cm2・s))は、膜面積1cm2あたりを
1秒あたりに透過する酸素の作動条件における量(cm
3)を示す。電解質膜の酸素透過量は、電解質膜の厚さ
や構造により異なるが、空気極に供給するガス中の酸素
濃度、ガス利用率、ガス供給速度等の影響も受ける。こ
れらを調整して酸素透過量が上記範囲となるように燃料
電池を作動させることが好ましい。
During operation of the solid polymer electrolyte fuel cell of the present invention, the amount of oxygen permeated by the electrolyte membrane is 1 × 10 -4 to
It is preferably 5 × 10 −3 cm 3 / (cm 2 · s), and particularly preferably 3 × 10 −4 to 2 × 10 −3 cm 3 / (cm 2 · s).
It is preferred that Within this range, the anode C
O can be sufficiently removed by oxidation. Here, the amount of oxygen permeation (cm 3 / (cm 2 · s)) is the amount (cm 3 ) of oxygen permeating per 1 cm 2 of membrane area per second under operating conditions
3 ) is shown. The amount of oxygen permeated by the electrolyte membrane varies depending on the thickness and structure of the electrolyte membrane, but is also affected by the oxygen concentration in the gas supplied to the air electrode, the gas utilization rate, the gas supply speed, and the like. It is preferable that the fuel cell be operated so that the oxygen permeation amount is in the above range by adjusting these.

【0018】本発明におけるアノードの触媒層の金属触
媒は、白金、白金−ルテニウム合金、及び白金−モリブ
デン合金からなる群から選ばれる1種以上の金属触媒で
ある。ただし、ここで白金−ルテニウム合金及び白金−
モリブデン合金は、いずれも白金を合金全質量の60%
以上含んでいる。これらの触媒は水素の酸化反応活性が
高い。また、上記金属触媒は、白金含有量を60%以上
に維持しつつタングステン、スズ、レニウム及びパラジ
ウムからなる群から選ばれる1種以上の添加金属を含ん
でもよい。上記添加金属が含まれるとCO被毒耐性が高
まる。上記添加金属は、白金、白金−ルテニウム合金又
は白金−モリブデン合金の金属間化合物として存在して
もよいし、合金を形成していてもよい。
In the present invention, the metal catalyst of the anode catalyst layer is at least one metal catalyst selected from the group consisting of platinum, platinum-ruthenium alloy, and platinum-molybdenum alloy. However, here, platinum-ruthenium alloy and platinum-
For molybdenum alloys, platinum is 60% of the total mass of the alloy
Contains more. These catalysts have high hydrogen oxidation reaction activity. Further, the metal catalyst may include one or more additional metals selected from the group consisting of tungsten, tin, rhenium and palladium while maintaining the platinum content at 60% or more. When the above-mentioned additional metal is contained, the resistance to CO poisoning increases. The additional metal may be present as an intermetallic compound of platinum, a platinum-ruthenium alloy or a platinum-molybdenum alloy, or may form an alloy.

【0019】上記添加金属が金属触媒中に含まれる場
合、上記添加金属は金属触媒の単位質量あたり2〜20
%、特に3〜15%、さらには5〜10%含まれること
が好ましい。2%未満ではCO被毒耐性向上の効果が少
なく、20%を超えると水素の酸化反応活性が低くなる
おそれがある。また、金属触媒は、水素の酸化反応活性
を高めるためには、比表面積が大きいことが好ましく、
そのために平均粒子径が1〜30nm、特に2〜20n
m、さらには3〜5nmであることが好ましい。
When the additive metal is contained in the metal catalyst, the additive metal is contained in an amount of 2 to 20 per unit mass of the metal catalyst.
%, Particularly preferably 3 to 15%, more preferably 5 to 10%. If it is less than 2%, the effect of improving the resistance to CO poisoning is small, and if it exceeds 20%, the oxidation reaction activity of hydrogen may be low. Further, the metal catalyst preferably has a large specific surface area in order to increase the oxidation reaction activity of hydrogen,
Therefore, the average particle diameter is 1 to 30 nm, particularly 2 to 20 n
m, more preferably 3 to 5 nm.

【0020】また、アノードの触媒層には、金属触媒は
金属微粒子として含まれてもよいが、カーボンのような
担体に担持して担持触媒として含まれてもよい。担持触
媒の場合、担体は比表面積が50〜1500m2/gの
カーボンが好ましく、特に比表面積が70〜800m2
/gのカーボンが好ましい。この範囲の比表面積のカー
ボンであれば、金属触媒を分散性よく担持でき、金属触
媒が凝集しにくい。そのため、電極反応の活性に優れた
電極触媒とすることができる。上記カーボンとしては、
既知のカーボン材料が使用でき、なかでもチャンネルブ
ラック、ファーネスブラック、サーマルブラック、アセ
チレンブラック等のカーボンブラック、活性炭等が好ま
しく使用できる。
In the catalyst layer of the anode, the metal catalyst may be included as fine metal particles, or may be supported on a carrier such as carbon and included as a supported catalyst. For supported catalyst, the carrier specific surface area preferably carbon 50~1500m 2 / g, especially specific surface area of 70~800M 2
/ G of carbon is preferred. If the carbon has a specific surface area in this range, the metal catalyst can be supported with good dispersibility, and the metal catalyst hardly aggregates. For this reason, an electrode catalyst having excellent electrode reaction activity can be obtained. As the above carbon,
Known carbon materials can be used, and among them, carbon black such as channel black, furnace black, thermal black and acetylene black, activated carbon and the like can be preferably used.

【0021】また、固体高分子型燃料電池では、高電流
密度にて運転するときは電極のガス拡散性が優れている
ことが必要なため、電極層の厚さを薄くしかつ単位面積
あたりの触媒量を確保することが必要である。そのた
め、電極触媒が担持触媒である場合は、金属触媒が金属
触媒と担体の合量の20〜70%(質量比)であること
が好ましい。
Further, in the polymer electrolyte fuel cell, when operating at a high current density, it is necessary that the electrode have excellent gas diffusivity, so that the thickness of the electrode layer is reduced and the per unit area is reduced. It is necessary to secure the amount of catalyst. Therefore, when the electrode catalyst is a supported catalyst, the metal catalyst preferably accounts for 20 to 70% (mass ratio) of the total amount of the metal catalyst and the carrier.

【0022】本発明におけるアノードの触媒層には、高
出力を得るためにイオン交換樹脂が含まれていることが
好ましい。該イオン交換樹脂としてはスルホン酸基を有
する含フッ素重合体、特にスルホン酸基を有するパーフ
ルオロカーボン重合体が好ましい。なかでも、CF2
CF2に基づく重合単位とCF2=CF−(OCF2CF
X)m−Op−(CF2n−SO3Hに基づく重合単位
(式中、Xはフッ素原子又はトリフルオロメチル基であ
り、mは0〜3の整数であり、nは1〜12の整数であ
り、pは0又は1である。)とからなる共重合体が好ま
しい。
In the present invention, the catalyst layer of the anode preferably contains an ion exchange resin in order to obtain a high output. As the ion exchange resin, a fluorinated polymer having a sulfonic acid group, particularly a perfluorocarbon polymer having a sulfonic acid group is preferable. Above all, CF 2 =
Polymerized units based on CF 2 and CF 2 = CF- (OCF 2 CF
X) m -O p - (CF 2) n -SO 3 H in based polymer units (wherein, X is a fluorine atom or a trifluoromethyl group, m is an integer of 0 to 3, n is 1 to An integer of 12 and p is 0 or 1.).

【0023】また、カソードの触媒層にもアノード同様
にイオン交換樹脂が含まれることが好ましい。カソード
のイオン交換樹脂と固体高分子電解質膜を構成する樹脂
とは、いずれもアノードの触媒層に含まれるイオン交換
樹脂と同様のものが好ましく使用できる。
It is preferable that the catalyst layer of the cathode contains an ion exchange resin as in the case of the anode. As the ion exchange resin for the cathode and the resin constituting the solid polymer electrolyte membrane, those similar to the ion exchange resin contained in the catalyst layer for the anode can be preferably used.

【0024】本発明におけるアノードの製造方法として
は、例えば以下の方法が挙げられる。カーボンペーパー
やカーボンクロス等の表面に、カーボン粉末とポリテト
ラフルオロエチレン(PTFE)とを分散させたスラリ
を塗布し、大気中で焼成することによりガス拡散層を形
成する。次にこのガス拡散層のスラリの塗工された面の
上に、白金担持カーボン触媒とスルホン酸基を有するパ
ーフルオロカーボン重合体からなるイオン交換樹脂とを
溶解又は分散させた液(以下、触媒インクという)を塗
布し、乾燥して厚さ1〜30μmの触媒層を形成し、触
媒層とガス拡散層とからなるアノードとする。
The method for producing the anode in the present invention includes, for example, the following method. A slurry in which carbon powder and polytetrafluoroethylene (PTFE) are dispersed is applied to a surface of carbon paper, carbon cloth, or the like, and is fired in the air to form a gas diffusion layer. Next, a liquid in which a platinum-supported carbon catalyst and an ion exchange resin composed of a perfluorocarbon polymer having a sulfonic acid group are dissolved or dispersed (hereinafter referred to as catalyst ink) on the slurry-coated surface of the gas diffusion layer. ), And dried to form a catalyst layer having a thickness of 1 to 30 µm, thereby obtaining an anode comprising a catalyst layer and a gas diffusion layer.

【0025】カソードも、アノードと同様の上記方法で
作製できる。ただしカソードの場合は、生成される水の
排出を効率よく行うために厚さを5〜50μm程度とす
ることが好ましい。上記のようにして得られたアノード
及びカソードは、触媒層を内側に向けて対向させ、間に
イオン交換膜を挟んでホットプレスすることにより膜−
電極接合体が形成される。この接合体が固体高分子型燃
料電池の発電部として機能する。また、ここでイオン交
換膜と電極の接合法として接着法(特開平7−2207
41参照)を用いてもよい。
The cathode can be manufactured in the same manner as the anode. However, in the case of a cathode, the thickness is preferably about 5 to 50 μm in order to efficiently discharge generated water. The anode and the cathode obtained as described above are opposed to each other with the catalyst layer facing inward, and hot-pressed with an ion-exchange membrane interposed therebetween to perform membrane-
An electrode assembly is formed. This assembly functions as a power generation unit of the polymer electrolyte fuel cell. Here, a bonding method (JP-A-7-2207) is used as a bonding method between the ion exchange membrane and the electrode.
41).

【0026】このほか、アノード、カソード及び膜−電
極接合体を製造する方法としては、上記触媒インクを用
いてイオン交換膜上にアノード及びカソードを直接形成
する方法、平板上に電極を形成した後電極をイオン交換
膜に転写してアノード又はカソードとする方法等いずれ
も使用できる。
In addition, as a method of producing an anode, a cathode and a membrane-electrode assembly, a method of directly forming an anode and a cathode on an ion-exchange membrane using the above catalyst ink, and a method of forming an electrode on a flat plate Any method such as transferring the electrode to an ion exchange membrane to form an anode or a cathode can be used.

【0027】[0027]

【実施例】以下、本発明の具体的な態様を実施例(例
1、2)及び比較例(例3)により説明するが、本発明
はこれらに限定されない。
EXAMPLES Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described with reference to Examples (Examples 1 and 2) and Comparative Examples (Example 3), but the present invention is not limited thereto.

【0028】[例1]カーボンブラック粉末(商品名:
バルカンXC−72R、キャボット社製)に白金を担持
した触媒(カーボンブラックと白金とは質量比で60:
40)を電極触媒とした。次に、CF2=CF2に基づく
重合単位とCF2=CFOCF2CF(CF3)O(C
22SO3Hに基づく重合単位とからなる共重合体を
エタノールに溶解した溶液に上記電極触媒を分散させ、
触媒分散液を調製した。なお、触媒分散液中の電極触媒
とイオン交換樹脂とは、質量比で70:30とした。
[Example 1] Carbon black powder (trade name:
A catalyst in which platinum is supported on Vulcan XC-72R (manufactured by Cabot) (carbon black and platinum in a mass ratio of 60:
40) was used as an electrode catalyst. Next, polymerized units based on CF 2 = CF 2 and CF 2 = CFOCF 2 CF (CF 3 ) O (C
The above electrode catalyst is dispersed in a solution obtained by dissolving a copolymer comprising F 2 ) 2 SO 3 H and polymerized units in ethanol,
A catalyst dispersion was prepared. The mass ratio between the electrode catalyst and the ion exchange resin in the catalyst dispersion was 70:30.

【0029】固体高分子電解質膜としては、イオン交換
容量1.0ミリ当量/グラム乾燥樹脂、膜厚50μmの
パーフルオロカーボンスルホン酸型イオン交換膜(商品
名:フレミオン、旭硝子社製)を用いた。この電解質膜
の片面に、上記触媒分散液を噴霧し、厚さ10μmのア
ノード触媒層を形成した。同様に、電解質膜のもう一方
の面に上記触媒分散液を噴霧し、厚さ30μmのカソー
ド触媒層を形成し、膜−触媒層接合体とした。
As the solid polymer electrolyte membrane, a perfluorocarbon sulfonic acid type ion exchange membrane (trade name: Flemion, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) having an ion exchange capacity of 1.0 meq / g dry resin and a film thickness of 50 μm was used. The catalyst dispersion was sprayed on one surface of the electrolyte membrane to form an anode catalyst layer having a thickness of 10 μm. Similarly, the above catalyst dispersion was sprayed on the other surface of the electrolyte membrane to form a cathode catalyst layer having a thickness of 30 μm, thereby obtaining a membrane-catalyst layer assembly.

【0030】ガス拡散層としてカーボンぺーパーを使用
し、2枚のカーボンペーパーで上記接合体を挟み、測定
用セルに組み込んだ。燃料ガスとして、H275vol
%、CO225vol%及びCO200volppmか
らなる改質模擬ガスを用い、酸化剤ガスとして空気を用
い、常圧、セル温度80℃において発電試験を実施し
た。電流密度0.5A/cm2及び1.0A/cm2にお
けるセル電圧を測定した。引き続き、電流密度0.5A
/cm2における定電流駆動による連続運転試験を実施
し、200時間後及び1000時間後のセル電圧を測定
した。結果を表1に示す。なお、このとき、電解質膜の
酸素透過量は、3×10-4cm3/(cm2・s)であっ
た。
A carbon paper was used as a gas diffusion layer, and the above-mentioned joined body was sandwiched between two pieces of carbon paper, and was incorporated into a measuring cell. As fuel gas, H 2 75vol
%, CO 2 25 vol%, and CO 200 vol ppm A power generation test was performed at normal pressure and a cell temperature of 80 ° C. using air as an oxidizing gas using a reforming simulation gas. The cell voltage was measured at current densities of 0.5 A / cm 2 and 1.0 A / cm 2 . Continuously, current density 0.5A
/ Cm 2, a continuous operation test by constant current driving was performed, and cell voltages after 200 hours and 1000 hours were measured. Table 1 shows the results. At this time, the oxygen permeation amount of the electrolyte membrane was 3 × 10 −4 cm 3 / (cm 2 · s).

【0031】[例2]電極触媒に、白金のかわりに白金
−ルテニウム合金(白金含有量75質量%)を用いた以
外は例1と同様にして、アノード及びカソードを形成し
膜−触媒層接合体を得た。この接合体を用いて例1と同
様に測定用セルに組み込み、例1と同様に評価した。結
果を表1に示す。なお、このとき、電解質膜の酸素透過
量は、3.9×10-4cm3/(cm2・s)であった。
[Example 2] An anode and a cathode were formed in the same manner as in Example 1 except that a platinum-ruthenium alloy (platinum content: 75% by mass) was used instead of platinum as the electrode catalyst, and a membrane-catalyst layer bonding was performed. I got a body. Using this joined body, it was assembled in a measuring cell in the same manner as in Example 1, and evaluated in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the results. At this time, the oxygen permeation amount of the electrolyte membrane was 3.9 × 10 −4 cm 3 / (cm 2 · s).

【0032】[例3]例1において、アノード触媒層の
厚さを60μmとした以外は例1と同様にして膜−触媒
層接合体を得た。この接合体を用いて例1と同様に測定
用セルに組み込み、例1と同様に評価した。結果を表1
に示す。なお、このとき、電解質膜の酸素透過量は、
3.2×10-4cm3/(cm2・s)であった。
Example 3 A membrane-catalyst layer assembly was obtained in the same manner as in Example 1, except that the thickness of the anode catalyst layer was changed to 60 μm. Using this joined body, it was assembled in a measuring cell in the same manner as in Example 1, and evaluated in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the results
Shown in At this time, the oxygen permeation amount of the electrolyte membrane is:
It was 3.2 × 10 −4 cm 3 / (cm 2 · s).

【0033】[0033]

【表1】 [Table 1]

【0034】[0034]

【発明の効果】本発明によれば、COを含む燃料ガスを
使用した場合に、アノードの白金触媒又は白金合金触媒
上でのCO被毒を抑制できる。そのため、本発明の固体
高分子型燃料電池は長期にわたって安定した出力特性を
得られる。
According to the present invention, when fuel gas containing CO is used, CO poisoning on the platinum catalyst or platinum alloy catalyst of the anode can be suppressed. Therefore, the polymer electrolyte fuel cell of the present invention can obtain stable output characteristics over a long period of time.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川本 昌子 神奈川県横浜市神奈川区羽沢町1150番地 旭硝子株式会社内 Fターム(参考) 5H018 AA06 AS02 BB01 BB03 BB06 BB08 BB12 DD06 DD08 EE03 EE07 EE08 EE10 EE19 HH00 HH03 HH05 5H026 AA06 CX03 CX05 EE02 EE05 EE19 HH00 HH03 HH05  ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing on the front page (72) Inventor Masako Kawamoto 1150 Hazawa-cho, Kanagawa-ku, Yokohama-shi, Kanagawa F-term in Asahi Glass Co., Ltd. HH05 5H026 AA06 CX03 CX05 EE02 EE05 EE19 HH00 HH03 HH05

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】固体高分子電解質膜と該電解質膜の両面に
それぞれ配置したアノード及びカソードを有し、アノー
ドには水素を主体とし一酸化炭素を含むガスが供給さ
れ、カソードには酸化剤ガスが供給される固体高分子型
燃料電池において、アノードは、厚さが1〜15μmで
あり、かつ白金、質量比で60%以上の白金を含む白金
−ルテニウム合金、及び質量比で60%以上の白金を含
む白金−モリブデン合金からなる群から選ばれる1種以
上の金属触媒を含む触媒層を有し、前記電解質膜は、厚
さが5〜80μmであることを特徴とする固体高分子型
燃料電池。
1. A solid polymer electrolyte membrane and an anode and a cathode arranged on both sides of the electrolyte membrane, respectively. A gas containing mainly hydrogen and containing carbon monoxide is supplied to the anode, and an oxidant gas is supplied to the cathode. Is supplied, the anode has a thickness of 1 to 15 μm, and contains platinum, a platinum-ruthenium alloy containing 60% or more platinum by mass, and 60% or more by mass. A solid polymer fuel comprising: a catalyst layer containing at least one metal catalyst selected from the group consisting of platinum-molybdenum alloys containing platinum; and the electrolyte membrane has a thickness of 5 to 80 μm. battery.
【請求項2】アノードに供給されるガスには、一酸化炭
素が10〜500volppm含まれる請求項1に記載
の固体高分子型燃料電池。
2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the gas supplied to the anode contains 10 to 500 vol ppm of carbon monoxide.
【請求項3】前記触媒層には含フッ素イオン交換樹脂が
含まれる請求項1又は2に記載の固体高分子型燃料電
池。
3. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the catalyst layer contains a fluorine-containing ion exchange resin.
【請求項4】請求項1、2又は3に記載の固体高分子電
解質型燃料電池の作動方法において、前記電解質膜は、
酸素透過量1×10-4〜5×10-3cm3/(cm2
s)にて運転されることを特徴とする固体高分子型燃料
電池の作動方法。
4. The method for operating a solid polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, 2 or 3, wherein the electrolyte membrane comprises:
Oxygen transmission rate 1 × 10 -4 to 5 × 10 -3 cm 3 / (cm 2 ·
An operation method of a polymer electrolyte fuel cell, which is operated in s).
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