JP2007214036A - Operation method for fuel cell, and fuel cell - Google Patents

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未来男 杉浦
Takashi Yamamoto
高司 山本
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an operation method for a fuel cell advantageous to suppress the elution of ruthenium. <P>SOLUTION: A membrane electrode assembly 1 has a cathode 2 formed with a cathode catalyst layer and a cathode gas diffusion layer 21, an anode 3 formed with an anode catalyst layer 30 and an anode gas diffusion layer 31, and an ion conductive membrane 4 interposed between the anode catalyst layer 30 and the cathode catalyst layer 20. An anode catalyst contains platinum and ruthenium. A reference electrode 8 coming in contact with the ion conductive membrane 4 and a counter electrode 7 are installed. Operation for power generation is conducted by supplying fuel to the reference electrode 8 and the counter electrode 7 and oxidant to the cathode 2. At that time, while current is passed between the anode 3 and the counter electrode 7, the potential of the anode 3 vs. the reference electrode is kept at 0 to +0.6 V with a constant-potential maintaining means 9. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明はアノード触媒として白金およびルテニウムを含む膜電極接合体をもつ燃料電池の運転方法および燃料電池に関する。   The present invention relates to a method of operating a fuel cell having a membrane electrode assembly containing platinum and ruthenium as an anode catalyst, and a fuel cell.

従来、燃料電池の膜電極接合体は、カソード触媒を含むカソード触媒層およびカソードガス拡散層で形成されたカソードと、アノード触媒を含むアノード触媒層およびアノードガス拡散層で形成されたアノードと、アノードのアノード触媒層とカソードのカソード触媒層とで挟持されたイオン伝導性をもつイオン伝導膜とを有する。燃料電池に供給される燃料ガスは、改質反応にもよるが一酸化炭素をppmオーダーで含むことがある。一酸化炭素等は、触媒の反応サイトに吸着して触媒性能に影響を与える。一酸化炭素等による影響を抑えるため、白金およびルテニウムを含むアノード触媒が使用される。白金に比較してルテニウムは溶出しやすい性質をもつ。   Conventionally, a membrane electrode assembly of a fuel cell includes a cathode formed of a cathode catalyst layer including a cathode catalyst and a cathode gas diffusion layer, an anode formed of an anode catalyst layer including an anode catalyst and an anode gas diffusion layer, and an anode. And an ion conductive membrane having ion conductivity sandwiched between the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer of the cathode. The fuel gas supplied to the fuel cell may contain carbon monoxide on the order of ppm although it depends on the reforming reaction. Carbon monoxide or the like adsorbs on the reaction site of the catalyst and affects the catalyst performance. In order to suppress the influence of carbon monoxide or the like, an anode catalyst containing platinum and ruthenium is used. Ruthenium is more easily eluted than platinum.

特許文献1には、イオン伝導膜とアノード触媒層との界面に、あるいは、アノード触媒層とアノードガス拡散層との界面に、ルテニウムを分散させた固体高分子型の燃料電池用電極構造体が開示されている。このものによれば、燃料不足状態または高電位運転においても、アノード触媒層から溶出したルテニウムをトラップさせるため、ルテニウムの溶出が抑制されると記載されている。   Patent Document 1 discloses a solid polymer fuel cell electrode structure in which ruthenium is dispersed at the interface between an ion conductive membrane and an anode catalyst layer or at the interface between an anode catalyst layer and an anode gas diffusion layer. It is disclosed. According to this, it is described that ruthenium eluted from the anode catalyst layer is trapped even in a fuel shortage state or in a high potential operation, so that elution of ruthenium is suppressed.

特許文献2には、アノードガス拡散層にルテニウムを分散させた固体高分子型の燃料電池用電極構造体が開示されている。このものによれば、高電位運転においても、アノード触媒層から溶出したルテニウムをトラップさせるため、ルテニウムの溶出が抑制されると記載されている。   Patent Document 2 discloses a solid polymer type fuel cell electrode structure in which ruthenium is dispersed in an anode gas diffusion layer. According to this document, it is described that ruthenium eluted from the anode catalyst layer is trapped even in high potential operation, so that elution of ruthenium is suppressed.

特許文献3には、イオン伝導膜のうちアノード側に第1絶縁体層が接合され、イオン伝導膜のうちカソード側に第2絶縁体層が接合された燃料電池用電極が開示されている。このものによれば、触媒量の低減を防止できると記載されている。   Patent Document 3 discloses a fuel cell electrode in which a first insulator layer is bonded to the anode side of an ion conductive film and a second insulator layer is bonded to the cathode side of the ion conductive film. According to this document, it is described that reduction of the catalyst amount can be prevented.

特許文献4には、平均粒子径が異なる触媒粒子を導電性担体に担持させることにより、貴電位環境においても触媒粒子の溶出を抑制できる燃料電池が開示されている。   Patent Document 4 discloses a fuel cell in which elution of catalyst particles can be suppressed even in a noble potential environment by supporting catalyst particles having different average particle diameters on a conductive carrier.

特許文献5には、メタノール燃料に代表される液体燃料に関する技術であり、メタノール燃料を収容する容器と、容器内に設けられた第3の電極と、燃料極と第3の電極との間に電圧を印加する印加電圧制御部とを含む燃料電池システムが開示されている。このものによれば、メタノール燃料に代表される液体燃料の酸化が目的とされている。
特開2004−185830号公報 特開2004−186050号公報 特開2004−327057号公報 特開2005−141920号公報 特開2005−293901号公報
Patent Document 5 discloses a technique related to a liquid fuel typified by methanol fuel, a container for storing methanol fuel, a third electrode provided in the container, and a fuel electrode and a third electrode. A fuel cell system including an applied voltage controller that applies a voltage is disclosed. According to this, the purpose is to oxidize liquid fuel represented by methanol fuel.
JP 2004-185830 A JP 2004-186050 A JP 2004-327057 A JP-A-2005-141920 JP 2005-293901 A

上記したように燃料電池に供給される燃料ガスに含まれている一酸化炭素等による影響を抑えるため、白金およびルテニウムを含むアノード触媒がアノード触媒層では使用されている。しかしながら上記したように白金に比較してルテニウムは溶出し易い。従って産業界ではルテニウムの溶出を抑制する技術の更なる開発が要望されている。   As described above, an anode catalyst containing platinum and ruthenium is used in the anode catalyst layer in order to suppress the influence of carbon monoxide or the like contained in the fuel gas supplied to the fuel cell. However, as described above, ruthenium is more easily eluted than platinum. Therefore, further development of technology for suppressing elution of ruthenium is desired in the industry.

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、アノード触媒としてのルテニウムの溶出を抑制するのに有利な燃料電池の運転方法および燃料電池を提供することを課題とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a fuel cell operating method and a fuel cell that are advantageous for suppressing elution of ruthenium as an anode catalyst.

本発明者は白金およびルテニウムを含むアノード触媒層をもつ膜電極接合体を有する燃料電池について鋭意開発を進めている。本発明者は、次の(a)(b)に示すように、ルテニウムは白金(c)と比較すると酸化還元電位が低いことに着目した。   The inventor has intensively developed a fuel cell having a membrane electrode assembly having an anode catalyst layer containing platinum and ruthenium. As shown in the following (a) and (b), the inventor paid attention to the fact that ruthenium has a lower oxidation-reduction potential than platinum (c).

Ru2++2eー=Ru +0.455ボルト(vs.SHE)…(a)
Ru3++3eー=Ru +0.249ボルト(vs.SHE)…(b)
Pt2++2eー=Pt +1.188ボルト(vs.SHE)…(c)
ここで、SHEは標準水素電極を意味する。
Ru 2+ +2 e- = Ru +0.455 volts (vs. SHE) (a)
Ru 3+ +3 e− = Ru +0.249 volts (vs. SHE) (b)
Pt 2+ +2 e- = Pt +1.188 volts (vs. SHE) (c)
Here, SHE means a standard hydrogen electrode.

実際に、本発明者により、アノード触媒で使用されているルテニウムが発電運転中において溶出し、カソードとイオン伝導膜との界面で析出することが確認されている。この事実をもとにルテニウムの溶出現象への原因究明を行った結果、アノードの電位上昇に基づくものであると知見した。ここで、以下の3つの要因によりアノードの電位上昇が引き起こされ、アノード触媒で使用されているルテニウムが溶出するものと推定される。
[1]燃料ガス欠乏による未反応エリアの増大
[2]一酸化炭素による反応表面積の低下
[3]フラッティングによる反応表面積の低下
Actually, it has been confirmed by the present inventor that ruthenium used in the anode catalyst elutes during power generation operation and precipitates at the interface between the cathode and the ion conductive membrane. As a result of investigating the cause of the elution phenomenon of ruthenium based on this fact, it was found that it was based on the potential increase of the anode. Here, it is presumed that the potential increase of the anode is caused by the following three factors, and ruthenium used in the anode catalyst is eluted.
[1] Increase in unreacted area due to fuel gas deficiency [2] Reduction in reaction surface area due to carbon monoxide [3] Reduction in reaction surface area due to flatting

そこで、本発明者は、イオン伝導膜に接触する参照電極および対極を設け、アノード、参照電極および対極に燃料ガスを供給しつつカソードに酸化剤ガスを供給して発電運転を行うと共に、参照電極に対するアノードの電位を定電位維持手段により0〜+0.6ボルトの範囲内に維持すれば、アノード触媒で使用されているルテニウムが溶出することを抑制でき、更に、カソードとイオン伝導膜との界面でルテニウムが析出することを抑制できることを知見し、試験で確認し、本発明方法を完成させた。参照電極に対するアノードの電位を定電位維持手段により0〜+0.6ボルトに維持すれば、ルテニウムの溶出が抑制される原因は、特に明確ではないものの、前記した[1]〜[3]の要因で引き起こされる電位上昇が抑制されるためと推察される。   Therefore, the present inventor provides a reference electrode and a counter electrode that are in contact with the ion conductive membrane, and performs a power generation operation by supplying an oxidant gas to the cathode while supplying a fuel gas to the anode, the reference electrode, and the counter electrode. If the anode potential is maintained within a range of 0 to +0.6 volts by means of constant potential maintaining means, it is possible to suppress the elution of ruthenium used in the anode catalyst, and further, the interface between the cathode and the ion conductive membrane Thus, it was found that ruthenium could be prevented from precipitating and confirmed by a test to complete the method of the present invention. If the potential of the anode with respect to the reference electrode is maintained at 0 to +0.6 volts by the constant potential maintaining means, the cause of the suppression of ruthenium elution is not particularly clear, but the factors [1] to [3] described above This is presumed to be due to the suppression of the potential rise caused by.

即ち、本発明に係る燃料電池の運転方法は、カソード触媒を含むカソード触媒層およびカソードガス拡散層で形成されたカソードと、アノード触媒を含むアノード触媒層およびアノードガス拡散層で形成されたアノードと、アノードのアノード触媒層とカソードのカソード触媒層とで挟持されたイオン伝導性をもつイオン伝導膜を有する膜電極接合体を備える燃料電池を運転する運転方法において、アノード触媒は白金およびルテニウムを含んでおり、燃料電池のイオン伝導膜に接触する参照電極および対極が設けられており、アノード、参照電極および対極に燃料を供給しつつカソードに酸化剤を供給して発電運転を行うと共に、参照電極に対するアノードの電位を定電位維持手段により0〜+0.6ボルトの範囲内に維持することを特徴とする。   That is, the fuel cell operating method according to the present invention includes a cathode formed of a cathode catalyst layer including a cathode catalyst and a cathode gas diffusion layer, an anode formed of an anode catalyst layer including an anode catalyst and an anode gas diffusion layer, and In a driving method for operating a fuel cell including a membrane electrode assembly having an ion conductive membrane having ion conductivity sandwiched between an anode catalyst layer of an anode and a cathode catalyst layer of a cathode, the anode catalyst contains platinum and ruthenium. In addition, a reference electrode and a counter electrode that are in contact with the ion conductive membrane of the fuel cell are provided. While supplying fuel to the anode, the reference electrode, and the counter electrode, an oxidant is supplied to the cathode to perform a power generation operation. The anode potential is maintained within the range of 0 to +0.6 volts by means of constant potential maintaining means. To.

本発明に係る燃料電池の運転方法によれば、発電運転中のアノード電位の上昇が強制的に抑制され、ルテニウムの溶出が抑制される。   According to the operation method of the fuel cell according to the present invention, the increase of the anode potential during the power generation operation is forcibly suppressed, and the elution of ruthenium is suppressed.

本発明に係る燃料電池は、カソード触媒を含むカソード触媒層およびカソードガス拡散層で形成されたカソードと、アノード触媒を含むアノード触媒層およびアノードガス拡散層で形成されたアノードと、アノードのアノード触媒層とカソードの前記カソード触媒層とで挟持されたイオン伝導膜を有する膜電極接合体を備える燃料電池において、アノード触媒は白金およびルテニウムを含んでおり、イオン伝導膜に接触する参照電極および対極が設けられていることを特徴とするものである。   A fuel cell according to the present invention includes a cathode formed of a cathode catalyst layer including a cathode catalyst and a cathode gas diffusion layer, an anode formed of an anode catalyst layer including an anode catalyst and an anode gas diffusion layer, and an anode catalyst for the anode In a fuel cell comprising a membrane electrode assembly having an ion conductive membrane sandwiched between a cathode layer and a cathode catalyst layer of a cathode, the anode catalyst contains platinum and ruthenium, and a reference electrode and a counter electrode in contact with the ion conductive membrane are provided It is characterized by being provided.

本発明に係る燃料電池によれば、上記した燃料電池の運転方法を実施することができ、発電運転中のアノード電位の上昇が強制的に抑制され、アノード触媒として含まれているルテニウムの溶出が抑制される。   According to the fuel cell of the present invention, the above-described fuel cell operation method can be carried out, the anode potential increase during power generation operation is forcibly suppressed, and elution of ruthenium contained as an anode catalyst is prevented. It is suppressed.

本発明に係る燃料電池の運転方法、本発明に係る燃料電池によれば、アノード電位の上昇が強制的に抑制され、アノード触媒として含まれているルテニウムの溶出が抑制される。更に、カソードとイオン伝導膜との界面でルテニウムが析出することが抑制される。この結果、アノード触媒層におけるアノード触媒が長期にわたり良好に維持される。従って燃料電池の発電性能を良好に維持するのに有利である。   According to the operation method of the fuel cell and the fuel cell according to the present invention, the increase in the anode potential is forcibly suppressed, and the elution of ruthenium contained as the anode catalyst is suppressed. Furthermore, the precipitation of ruthenium at the interface between the cathode and the ion conductive membrane is suppressed. As a result, the anode catalyst in the anode catalyst layer is well maintained over a long period of time. Therefore, it is advantageous for maintaining good power generation performance of the fuel cell.

本発明に係る燃料電池は膜電極接合体を備える。膜電極接合体は、カソード触媒を含むカソード触媒層およびカソードガス拡散層で形成されたカソードと、アノード触媒を含むアノード触媒層およびアノードガス拡散層で形成されたアノードと、アノードのアノード触媒層とカソードのカソード触媒層とで挟持されたイオン伝導膜を有する。アノード触媒層はアノード触媒と導電物質とイオン伝導体とを有する形態が挙げられる。カソード触媒層はカソード触媒(例えば白金)と導電物質とイオン伝導体とを有する形態が挙げられる。   The fuel cell according to the present invention includes a membrane electrode assembly. The membrane electrode assembly includes a cathode formed of a cathode catalyst layer including a cathode catalyst and a cathode gas diffusion layer, an anode formed of an anode catalyst layer including an anode catalyst and an anode gas diffusion layer, and an anode catalyst layer of the anode. It has an ion conductive membrane sandwiched between the cathode catalyst layer of the cathode. Examples of the anode catalyst layer include an anode catalyst, a conductive material, and an ionic conductor. Examples of the cathode catalyst layer include a cathode catalyst (for example, platinum), a conductive material, and an ionic conductor.

アノード触媒は白金およびルテニウムを含んでいる。一般的には、白金(Pt)およびルテニウム(Ru)を含むアノード触媒をカーボン粒子等の導電物質に担持させている。ルテニウムは、燃料ガスに含まれている一酸化炭素による影響を低下させるのに有効である。ここで、白金およびルテニウムの配合割合は適宜選択でき、燃料電池の種類、燃料ガスの組成、燃料電池の運転条件等によっても相違するが、質量比で、白金は10〜50%、特に25〜40%にでき、ルテニウムは10〜40%、特に15〜30%にできるが、これらに限定されるものではない。白金およびルテニウムは、両者が合金化されている形態、あるいは、白金およびルテニウムがそれぞれ単体として存在する形態が例示される。なお、単体のとき、ルテニウムは白金よりも酸化還元電位が低い。   The anode catalyst contains platinum and ruthenium. In general, an anode catalyst containing platinum (Pt) and ruthenium (Ru) is supported on a conductive material such as carbon particles. Ruthenium is effective in reducing the influence of carbon monoxide contained in the fuel gas. Here, the mixing ratio of platinum and ruthenium can be selected as appropriate, and varies depending on the type of fuel cell, the composition of the fuel gas, the operating conditions of the fuel cell, etc. It can be 40% and ruthenium can be 10-40%, especially 15-30%, but is not limited thereto. Examples of platinum and ruthenium include a form in which both are alloyed, or a form in which platinum and ruthenium are present as simple substances. In the case of a simple substance, ruthenium has a lower redox potential than platinum.

本発明によれば、燃料電池のイオン伝導膜に接触する参照電極および対極が設けられている。参照電極は基準電極または照合電極とも呼ばれるものであり、ワーキング電極の電位の基準として用いる。対極は補助電極とも呼ばれるものであり、電流を流すためにワーキング電極と対をなす。   According to the present invention, the reference electrode and the counter electrode that are in contact with the ion conductive membrane of the fuel cell are provided. The reference electrode is also called a reference electrode or a reference electrode, and is used as a reference for the potential of the working electrode. The counter electrode is also called an auxiliary electrode, and makes a pair with the working electrode in order to pass a current.

ワーキング電極に相当するアノードにおいて酸化反応(電子放出反応)が発生していれば、ワーキング電極と対をなす対極(補助電極)では還元反応(電子受容反応)が発生していることになる。ここで、対極の面積が小さければ、ワーキング電極に相当するアノードのアノード触媒層における反応が遅くなる傾向がある。このため対極の面積を確保する必要が好ましい。従って、アノード触媒層はイオン伝導膜の中央領域に配置されているとき、対極はイオン伝導膜の面において、アノード触媒層の外周を70%以上、あるいは80%以上包囲している形態が好ましい。殊に、後述する実施例に例示するように、対極はイオン伝導膜の面においてアノード触媒層の外周を1周するように包囲している形態が好ましい。   If an oxidation reaction (electron emission reaction) has occurred in the anode corresponding to the working electrode, a reduction reaction (electron acceptance reaction) has occurred in the counter electrode (auxiliary electrode) paired with the working electrode. Here, if the area of the counter electrode is small, the reaction in the anode catalyst layer of the anode corresponding to the working electrode tends to be slow. For this reason, it is preferable to ensure the area of a counter electrode. Therefore, when the anode catalyst layer is disposed in the central region of the ion conductive membrane, the counter electrode preferably surrounds the outer periphery of the anode catalyst layer on the surface of the ion conductive membrane by 70% or more, or 80% or more. In particular, as exemplified in the examples described later, it is preferable that the counter electrode is surrounded so as to make one round of the outer periphery of the anode catalyst layer on the surface of the ion conductive membrane.

但し、対極の面積が増加すると、アノード触媒層の面積が相対的に減少して燃料電池の発電面積が低下する。従って、対極の面積:アノード触媒層の面積=1:(2〜50)とすることができる。殊に、1:(5〜20)、あるいは、1:(8〜16)とすることができる。   However, when the area of the counter electrode increases, the area of the anode catalyst layer relatively decreases and the power generation area of the fuel cell decreases. Therefore, the area of the counter electrode: the area of the anode catalyst layer = 1: (2 to 50). In particular, it can be 1: (5-20) or 1: (8-16).

本発明によれば、定電位維持手段としてはポテンショスタットが例示される。ポテンショスタットは、作用電極とも呼ばれるワーキング電極と対極との間に電流を流しつつ、ワーキング電極と基準電極との間の電位差を所定の設定電位に制御する装置である。ここで、ワーキング電極は燃料電池のアノードに相当する。   According to the present invention, a potentiostat is exemplified as the constant potential maintaining means. A potentiostat is a device that controls a potential difference between a working electrode and a reference electrode to a predetermined set potential while flowing a current between a working electrode, also called a working electrode, and a counter electrode. Here, the working electrode corresponds to the anode of the fuel cell.

本発明方法によれば、アノードに燃料を供給しつつカソードに酸化剤ガスを供給して発電運転を行う。このときワーキング電極として機能するアノードと対極(補助電極)との間に電流を流しつつ、参照電極に対するアノードの電位を定電位維持手段により0〜+0.6ボルトの範囲内に維持する。   According to the method of the present invention, a power generation operation is performed by supplying an oxidant gas to the cathode while supplying fuel to the anode. At this time, the potential of the anode with respect to the reference electrode is maintained within the range of 0 to +0.6 volts by the constant potential maintaining means while passing a current between the anode functioning as the working electrode and the counter electrode (auxiliary electrode).

本発明によれば、後述する試験例によれば、特に、ルテニウムの溶出を抑制するためには、参照電極に対するアノードの電位を定電位維持手段により0〜+0.4ボルトの範囲内に維持することが好ましい。更には、0〜+0.2ボルトの範囲内に維持することが好ましい。   According to the present invention, according to the test example described later, in particular, in order to suppress elution of ruthenium, the potential of the anode with respect to the reference electrode is maintained within the range of 0 to +0.4 volts by the constant potential maintaining means. It is preferable. Furthermore, it is preferable to maintain within the range of 0 to +0.2 volts.

イオン伝導膜のうちアノード触媒層が配置されている面において、参照電極および対極がアノード触媒層の面方向における外周側に位置して設けられている形態が例示される。オーミック降下を低下させるためには、対極は、ワーキング電極に相当するアノードのアノード触媒層の近くに配置することが好ましい。従って、正面視において、対極とアノード触媒層(ワーキング電極)との間の距離をL2としては、燃料電池の種類や運転条件等にもよるが、例えば0.2〜10ミリメートルの範囲内、特に0.2〜3ミリメートルの範囲内に設定できる。なお、距離L2が過剰に小さいと、製造の困難性や充分な絶縁性が得られない。距離L2が過剰に大きいと、抵抗が大きくなる。   A mode in which the reference electrode and the counter electrode are provided on the outer peripheral side in the surface direction of the anode catalyst layer on the surface of the ion conductive membrane on which the anode catalyst layer is disposed is exemplified. In order to reduce the ohmic drop, the counter electrode is preferably disposed near the anode catalyst layer of the anode corresponding to the working electrode. Therefore, in the front view, the distance between the counter electrode and the anode catalyst layer (working electrode) is L2, for example, within a range of 0.2 to 10 mm, depending on the type of fuel cell, operating conditions, and the like. It can be set within a range of 0.2 to 3 millimeters. If the distance L2 is excessively small, manufacturing difficulty and sufficient insulation cannot be obtained. If the distance L2 is excessively large, the resistance increases.

参照電極および対極には、アノード触媒層と同時に燃料を供給することができる。また、参照電極および対極には、アノード触媒層よりも先に燃料を供給する構造を採用することができる。その理由としては、アノード触媒層で反応が進行すると、燃料中の活物質である水素がそれだけ減り、参照電極および対極の機能が充分に発揮できないおそれがあるためである。従って、アノード触媒層よりも先に参照電極および対極に燃料を供給する燃料流路構造をセパレータが有することが好ましい。   Fuel can be supplied to the reference electrode and the counter electrode simultaneously with the anode catalyst layer. Further, a structure in which fuel is supplied before the anode catalyst layer can be employed for the reference electrode and the counter electrode. The reason is that when the reaction proceeds in the anode catalyst layer, hydrogen as an active material in the fuel is reduced accordingly, and the functions of the reference electrode and the counter electrode may not be sufficiently exhibited. Therefore, it is preferable that the separator has a fuel flow path structure that supplies fuel to the reference electrode and the counter electrode before the anode catalyst layer.

以下、本発明の実施例1を具体的に説明する。   Hereinafter, Example 1 of the present invention will be described in detail.

(ガス拡散層の形成)
先ず、カーボン基材として市販のカーボンペーパ(東レ株式会社,TGP−H−60,厚み190μm)に、ペーストを含浸した。ペーストは、カーボンブラック(キャボット社製、VXC−72R)と、撥水剤としてポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を含むディパージョン(ポリフロンD−1、ダイキン株式会社)とを混練した混合物を使用した。ペーストを含浸させた後、カーボンペーパを80℃で1時間予備乾燥し、その後380℃で1時間焼成して形成した。これをアノードガス拡散層およびカソードガス拡散層とした。
(Formation of gas diffusion layer)
First, a commercially available carbon paper (Toray Industries, Inc., TGP-H-60, thickness 190 μm) was impregnated as a carbon substrate. As the paste, a mixture obtained by kneading carbon black (manufactured by Cabot Corporation, VXC-72R) and a dispersion containing polytetrafluoroethylene (PTFE) as a water repellent (Polyflon D-1, Daikin Corporation) was used. After impregnating the paste, the carbon paper was pre-dried at 80 ° C. for 1 hour and then fired at 380 ° C. for 1 hour to form. This was used as an anode gas diffusion layer and a cathode gas diffusion layer.

(触媒層の形成)
カソード触媒として、白金を担持した白金担持カーボン(田中貴金属株式会社,TEC10E70TPM,白金67質量%)10gと、イオン交換樹脂(旭化成株式会社,SS−1100/05,5質量%)82.5gと、イオン交換水38gとをサンドミル(ジルコニアボール,直径:2ミリメートル、周速15メートル/秒)にて1時間混練して分散して触媒ペーストを形成した。この場合、質量比で、イオン交換樹脂/白金担持カーボン中のカーボン=1.25とした。
(Catalyst layer formation)
As a cathode catalyst, 10 g of platinum-supported carbon (Tanaka Kikinzoku Co., Ltd., TEC10E70TPM, 67% by mass of platinum) supporting platinum, 82.5 g of ion exchange resin (Asahi Kasei Corporation, SS-1100 / 05, 5% by mass), 38 g of ion-exchanged water was kneaded for 1 hour in a sand mill (zirconia balls, diameter: 2 millimeters, peripheral speed 15 meters / second) and dispersed to form a catalyst paste. In this case, the mass ratio was 1.25 in ion exchange resin / carbon in platinum-supported carbon = 1.25.

得られた触媒ペーストをフッ素樹脂シート(ETFE,厚み50μm)にドクターブレード法にてギャップ250μm(約1mgPt/cm2)で塗布し、カソード用の触媒シートを形成した。 The obtained catalyst paste was applied to a fluororesin sheet (ETFE, thickness 50 μm) by a doctor blade method with a gap of 250 μm (about 1 mg Pt / cm 2 ) to form a catalyst sheet for the cathode.

また、アノード触媒として、白金ルテニウムをカーボンに担持した白金ルテニウム担持カーボン(田中貴金属株式会社,TEC62E58,白金27.8質量%、ルテニウム28.8質量%、白金:ルテニウムの原子数比=1:2)10gと、イオン交換樹脂(旭化成株式会社,SS−1100/05,5質量%)108.5gと、イオン交換水38gとをサンドミル(条件:ジルコニアボール,直径:2ミリメートル、周速15メートル/秒)にて1時間分散した。この場合、質量比で、イオン交換樹脂/白金担持カーボン中のカーボン=1.25とした。   Further, as an anode catalyst, platinum ruthenium-supported carbon in which platinum ruthenium is supported on carbon (Tanaka Kikinzoku Co., Ltd., TEC62E58, platinum 27.8 mass%, ruthenium 28.8 mass%, platinum: ruthenium atomic ratio = 1: 2. ) 10 g, 108.5 g of ion exchange resin (Asahi Kasei Corporation, SS-1100 / 05, 5 mass%) and 38 g of ion exchange water (condition: zirconia ball, diameter: 2 mm, peripheral speed 15 m / Second) for 1 hour. In this case, the mass ratio was 1.25 in ion exchange resin / carbon in platinum-supported carbon = 1.25.

得られた触媒ペーストをフッ素樹脂シート(ETFE,厚み50μm)にドクターブレード法にてギャップ200μm(約0.25gPt/cm2)で塗布し、アノード用の触媒シートを形成した。 The obtained catalyst paste was applied to a fluororesin sheet (ETFE, thickness 50 μm) with a gap of 200 μm (about 0.25 g Pt / cm 2 ) by a doctor blade method to form an anode catalyst sheet.

(膜電極接合体1の形成)
アノード用の触媒シートおよびカソード用の触媒シートを反応面積13cm2にて打ち抜いた。打ち抜いた2つの触媒シートをイオン伝導膜(厚み30μmゴア30−III−B:ジャパンゴアテックス)の両側に配置し、積層体を形成した。そして150℃で10MPaで1分間、積層体をホットプレスし、転写した。その後、面積13cm2に打ち抜いたアノードガス拡散層およびカソードガス拡散層を積層体の厚み方向の両側に配置し、150℃で8MPaで3分間ホットプレスし、膜電極接合体を形成した。
(Formation of membrane electrode assembly 1)
An anode catalyst sheet and a cathode catalyst sheet were punched out at a reaction area of 13 cm 2 . Two punched catalyst sheets were arranged on both sides of an ion conductive membrane (thickness 30 μm Gore 30-III-B: Japan Gore-Tex) to form a laminate. The laminate was hot-pressed at 150 ° C. and 10 MPa for 1 minute for transfer. Thereafter, the anode gas diffusion layer and the cathode gas diffusion layer punched out to an area of 13 cm 2 were arranged on both sides in the thickness direction of the laminate, and hot pressed at 150 ° C. and 8 MPa for 3 minutes to form a membrane electrode assembly.

図1は本実施例に係る燃料電池を模式的に示す。図1に示すように、燃料電池は膜電極接合体1を備える。膜電極接合体1は、カソード触媒を含むカソード触媒層20およびカソードガス拡散層21で形成されたカソード2と、アノード触媒を含むアノード触媒層30およびアノードガス拡散層31で形成されたアノード3と、アノード3のアノード触媒層30とカソード2のカソード触媒層20とで挟持されたイオン伝導性(プロトン伝導性)をもつイオン伝導膜4(プロトン伝導膜)とを有する。   FIG. 1 schematically shows a fuel cell according to this embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell includes a membrane electrode assembly 1. The membrane electrode assembly 1 includes a cathode 2 formed of a cathode catalyst layer 20 including a cathode catalyst and a cathode gas diffusion layer 21, and an anode 3 formed of an anode catalyst layer 30 including an anode catalyst and an anode gas diffusion layer 31. And an ion conductive membrane 4 (proton conductive membrane) having ion conductivity (proton conductivity) sandwiched between the anode catalyst layer 30 of the anode 3 and the cathode catalyst layer 20 of the cathode 2.

アノード触媒は白金ルテニウム合金で形成されている。白金およびルテニウムの配合割合は前記したように質量比で、白金は27.8%、ルテニウムは28.8%とされている。カソードガス拡散層21およびアノードガス拡散層31は、カーボン繊維を集積させた多孔質性の集合体で形成されており、ガス透過性および導電性をもつ。   The anode catalyst is formed of a platinum ruthenium alloy. As described above, the mixing ratio of platinum and ruthenium is 27.8% for platinum and 28.8% for ruthenium by mass ratio. The cathode gas diffusion layer 21 and the anode gas diffusion layer 31 are formed of a porous aggregate in which carbon fibers are integrated, and have gas permeability and conductivity.

ここで、図1に示すように、アノード触媒層30はイオン伝導膜4の一方の面4cに接合されている。カソード触媒層20はイオン伝導膜4の他方の面4dに接合されている。図1に示すように、膜電極接合体1の厚み方向に挟むように、膜電極接合体1の外側において、燃料用セパレータ5、酸化剤用セパレータ6が配置されている。燃料用セパレータ5は焼結カーボン材で形成されており、燃料流路5aをもつ。酸化剤用セパレータ6は焼結カーボン材で形成されており、酸化剤流路6aをもつ。燃料用セパレータ5の裏面5cには電気絶縁部100が積層されている。   Here, as shown in FIG. 1, the anode catalyst layer 30 is joined to one surface 4 c of the ion conductive membrane 4. The cathode catalyst layer 20 is bonded to the other surface 4 d of the ion conductive membrane 4. As shown in FIG. 1, a fuel separator 5 and an oxidant separator 6 are disposed outside the membrane electrode assembly 1 so as to be sandwiched in the thickness direction of the membrane electrode assembly 1. The fuel separator 5 is made of a sintered carbon material and has a fuel flow path 5a. The oxidant separator 6 is made of a sintered carbon material and has an oxidant flow path 6a. An electrical insulating portion 100 is laminated on the back surface 5 c of the fuel separator 5.

膜電極接合体1によれば、アノード触媒層30では(1)の酸化反応が生成する。またカソード触媒層20では(2)の還元反応が生成する。
(1)H2→2H++2e-
(2)2H++2e-+(1/2)O2→H2
(参照電極8および対極7の形成)
図2はイオン伝導膜4の面4cの正面視を示す。図2はイオン伝導膜4のうちアノード触媒層30、参照電極8および対極7を接合している側の正面視を示す。アノード触媒層30、参照電極8および対極7は、アノード触媒層30と同一の材質で形成されている。即ち、参照電極8および対極7は、アノード触媒層30と同様に、アノード用の触媒シートと同種の触媒シートで形成されており、白金ルテニウム合金をカーボン粒子(導電物質)に担持した白金ルテニウム担持カーボンと、イオン伝導性を有するイオン交換樹脂(電解質成分)とを主要成分として有する。
According to the membrane electrode assembly 1, the oxidation reaction (1) is generated in the anode catalyst layer 30. In the cathode catalyst layer 20, the reduction reaction (2) is generated.
(1) H 2 → 2H + + 2e
(2) 2H + + 2e + (1/2) O 2 → H 2 O
(Formation of reference electrode 8 and counter electrode 7)
FIG. 2 shows a front view of the surface 4 c of the ion conductive film 4. FIG. 2 shows a front view of the side where the anode catalyst layer 30, the reference electrode 8 and the counter electrode 7 are joined in the ion conductive membrane 4. The anode catalyst layer 30, the reference electrode 8, and the counter electrode 7 are formed of the same material as the anode catalyst layer 30. That is, the reference electrode 8 and the counter electrode 7 are formed of a catalyst sheet of the same type as the anode catalyst sheet, similarly to the anode catalyst layer 30, and carry platinum ruthenium in which a platinum ruthenium alloy is carried on carbon particles (conductive material). Carbon and an ion exchange resin (electrolyte component) having ion conductivity are included as main components.

図2に示すように、イオン伝導膜4のうちアノード触媒層30が接合される面4cに、参照電極8および対極7が接合されている。この場合、アノード触媒層30、参照電極8および対極7となる混合物を剥離シート(ETFE)に塗布した塗布シートを形成する。その後、この塗布シートをイオン伝導膜4の面4cに接合する。その後、剥離シートをイオン伝導膜4から剥離させることにより、アノード触媒層30、参照電極8および対極7はイオン伝導膜4の面4cに同時に接合されている。このようにアノード触媒層30、参照電極8および対極7が同時にイオン伝導膜4の面4cに接合されるが、これに限定されるものではなく、個別にイオン伝導膜4に接合しても良い。上記した製法により、参照電極8および対極7は、イオン伝導膜4のうちアノード触媒層30と同じ側に配置されている。   As shown in FIG. 2, the reference electrode 8 and the counter electrode 7 are joined to the surface 4c of the ion conductive membrane 4 to which the anode catalyst layer 30 is joined. In this case, a coated sheet is formed by coating a mixture to be the anode catalyst layer 30, the reference electrode 8, and the counter electrode 7 on a release sheet (ETFE). Thereafter, this coated sheet is bonded to the surface 4 c of the ion conductive film 4. Thereafter, the anode catalyst layer 30, the reference electrode 8, and the counter electrode 7 are simultaneously bonded to the surface 4 c of the ion conductive film 4 by peeling the release sheet from the ion conductive film 4. As described above, the anode catalyst layer 30, the reference electrode 8, and the counter electrode 7 are simultaneously bonded to the surface 4c of the ion conductive film 4. However, the present invention is not limited to this, and may be individually bonded to the ion conductive film 4. . By the manufacturing method described above, the reference electrode 8 and the counter electrode 7 are arranged on the same side of the ion conductive membrane 4 as the anode catalyst layer 30.

更に説明を加える。イオン伝導膜4は正面視で四角形状をなしており、辺41,42,43,44をもつ。アノード触媒層30は反応面積13cm2とされている。アノード触媒層30は正面視(図2)で正面視で四角形状をなしており、4つの辺31,32,33,34をもつ。イオン伝導膜4の面4cにおいて、アノード触媒層30の面4cの面方向における外周側に位置するように、アノード用の触媒シートの同様の触媒シートをイオン伝導膜4の面4cに転写し、対極7を形成した。図2に示すように、対極7はアノード触媒層30の面方向の外周側においてアノード触媒層30を1周するように包囲しており、『口』型とされている。 Further explanation will be added. The ion conductive film 4 has a quadrangular shape when viewed from the front, and has sides 41, 42, 43 and 44. The anode catalyst layer 30 has a reaction area of 13 cm 2 . The anode catalyst layer 30 has a quadrangular shape when viewed from the front (FIG. 2) and has four sides 31, 32, 33, and 34. The same catalyst sheet of the anode catalyst sheet is transferred to the surface 4c of the ion conductive film 4 so that the surface 4c of the ion conductive film 4 is positioned on the outer peripheral side in the surface direction of the surface 4c of the anode catalyst layer 30; A counter electrode 7 was formed. As shown in FIG. 2, the counter electrode 7 surrounds the anode catalyst layer 30 so as to make one turn on the outer peripheral side in the surface direction of the anode catalyst layer 30, and has a “mouth” shape.

本実施例によれば、図2に示すように、対極7は、電気絶縁部100aを介してアノード触媒層30の辺31に対向する第1辺部71と、電気絶縁部100bを介してアノード触媒層30の辺32に対向する第2辺部72と、電気絶縁部100cを介してアノード触媒層30の辺33に対向する第3辺部73と、電気絶縁部100dを介してアノード触媒層30の辺34に対向する第4辺部74とを有する。   According to the present embodiment, as shown in FIG. 2, the counter electrode 7 includes a first side portion 71 that faces the side 31 of the anode catalyst layer 30 via the electric insulation portion 100 a and an anode via the electric insulation portion 100 b. A second side 72 that faces the side 32 of the catalyst layer 30, a third side 73 that faces the side 33 of the anode catalyst layer 30 through the electrical insulating part 100c, and an anode catalyst layer through the electrical insulating part 100d And a fourth side portion 74 opposite to the 30 sides 34.

図2に示すように、参照電極8は、対極7の第1辺部71とアノード触媒層30の辺部31との間に配置されている。参照電極8と対極7の第1辺部71との間には、電気絶縁部100aが配置されている。参照電極8とアノード触媒層30の辺部31との間には、電気絶縁部100hが配置されている。参照電極8および対極7は、アノード触媒層30と同様に燃料ガス(水素含有ガス)を透過できるように多孔質性をもつと共に導電性をもつ。なお、前記した電気絶縁部100、100a〜100d、100hは、撥水性をもつ電気絶縁材料であるフッ素樹脂(PTFE)で形成されており、セパレータ(導電性を有する)により参照電極8,対極7、アノード触媒層30が電気的に接続されることを抑える。   As shown in FIG. 2, the reference electrode 8 is disposed between the first side 71 of the counter electrode 7 and the side 31 of the anode catalyst layer 30. Between the reference electrode 8 and the first side portion 71 of the counter electrode 7, an electrical insulating portion 100 a is disposed. Between the reference electrode 8 and the side portion 31 of the anode catalyst layer 30, an electrical insulating portion 100h is disposed. As with the anode catalyst layer 30, the reference electrode 8 and the counter electrode 7 are porous and conductive so that fuel gas (hydrogen-containing gas) can pass therethrough. The above-described electrical insulating portions 100, 100a to 100d, 100h are made of fluororesin (PTFE), which is an electrically insulating material having water repellency, and the reference electrode 8 and the counter electrode 7 are separated by a separator (having conductivity). The anode catalyst layer 30 is prevented from being electrically connected.

図1に示すように、アノードガス拡散層31は、対極7の裏面7rに対面するガス拡散部31fと、参照電極8の裏面8rに対面するガス拡散部31sとを有する。従ってアノードガス拡散層31は、アノード触媒層30に対面するばかりか、対極7および参照電極8にも対面している。この結果、図1に示すように、燃料ガス用のセパレータ5は、燃料ガスをガス拡散部31fおよびガス拡散部31sを介して対極7および参照電極8に分配する。なお、150は対面を支持する支持部材であり、電気絶縁材料(PTFE等)で形成されており、セパレータ6の厚み方向の外側に配置されている。   As shown in FIG. 1, the anode gas diffusion layer 31 includes a gas diffusion portion 31 f that faces the back surface 7 r of the counter electrode 7, and a gas diffusion portion 31 s that faces the back surface 8 r of the reference electrode 8. Therefore, the anode gas diffusion layer 31 faces not only the anode catalyst layer 30 but also the counter electrode 7 and the reference electrode 8. As a result, as shown in FIG. 1, the fuel gas separator 5 distributes the fuel gas to the counter electrode 7 and the reference electrode 8 via the gas diffusion part 31f and the gas diffusion part 31s. Reference numeral 150 denotes a support member for supporting the facing surface, which is formed of an electrically insulating material (PTFE or the like), and is disposed outside the separator 6 in the thickness direction.

図1および図2に示すように、イオン伝導膜4のうちアノード触媒層30が配置されている面4cに、参照電極8および対極7がアノード触媒層30の面方向における外周側に位置して設けられている。前記したように、参照電極8は基準電極または照合電極とも呼ばれ、対極7は補助電極とも呼ばれる。   As shown in FIGS. 1 and 2, the reference electrode 8 and the counter electrode 7 are positioned on the outer peripheral side in the surface direction of the anode catalyst layer 30 on the surface 4 c of the ion conductive membrane 4 where the anode catalyst layer 30 is disposed. Is provided. As described above, the reference electrode 8 is also called a reference electrode or a reference electrode, and the counter electrode 7 is also called an auxiliary electrode.

ところで、オーミック降下を低下させるためには、対極7は、ワーキング電極に相当するアノード触媒層30の近くに配置することが好ましい。なお図2に示すように、イオン伝導膜4の面4cの正面視において、対極7とアノード触媒層30との間の距離をL2とする。   By the way, in order to reduce the ohmic drop, the counter electrode 7 is preferably disposed near the anode catalyst layer 30 corresponding to the working electrode. As shown in FIG. 2, the distance between the counter electrode 7 and the anode catalyst layer 30 in the front view of the surface 4c of the ion conductive film 4 is L2.

本実施例によれば、定電位維持手段としてのポテンショスタット9(北斗電工製,ポテンショスタット/ガルバノスタット HA−301)が用いられる。ポテンショスタット9は、ワーキング電極と対極との間に電流を流しつつ、ワーキング電極と参照電極(基準電極)との間の電位差を所定の設定電位に制御する装置である。本実施例によれば、ワーキング電極はアノード触媒層30に相当する。   According to this embodiment, a potentiostat 9 (manufactured by Hokuto Denko, potentiostat / galvanostat HA-301) is used as a constant potential maintaining means. The potentiostat 9 is a device that controls the potential difference between the working electrode and the reference electrode (reference electrode) to a predetermined set potential while flowing a current between the working electrode and the counter electrode. According to this embodiment, the working electrode corresponds to the anode catalyst layer 30.

本実施例によれば、アノード3に燃料(水素ガス)を供給しつつカソード2に酸化剤ガス(空気)を供給して発電運転を行う。このときポテンショスタット9の第1の端子91にワーキング電極として機能するアノード触媒層30をつなぎ、ポテンショスタット9の第2の端子92に対極7(補助電極)をつなぎ、ポテンショスタット9の第3の端子93に参照電極8をそれぞれつなぐ。この状態で、ポテンショスタット9は、アノード触媒層30と対極7(補助電極)との間に電流を流しつつ、参照電極8に対するアノードの電位をポテンショスタット9の端子により0〜+0.6ボルトに維持する。このため本実施例によれば、アノード電位の上昇が強制的に抑制され、アノード触媒として含まれているルテニウムの溶出が抑制される。   According to the present embodiment, a power generation operation is performed by supplying an oxidant gas (air) to the cathode 2 while supplying fuel (hydrogen gas) to the anode 3. At this time, the anode catalyst layer 30 functioning as a working electrode is connected to the first terminal 91 of the potentiostat 9, the counter electrode 7 (auxiliary electrode) is connected to the second terminal 92 of the potentiostat 9, and the third electrode of the potentiostat 9 is connected. The reference electrodes 8 are connected to the terminals 93, respectively. In this state, the potentiostat 9 causes the potential of the anode with respect to the reference electrode 8 to be 0 to +0.6 volts by the terminal of the potentiostat 9 while flowing a current between the anode catalyst layer 30 and the counter electrode 7 (auxiliary electrode). maintain. For this reason, according to this embodiment, the increase in the anode potential is forcibly suppressed, and the elution of ruthenium contained as the anode catalyst is suppressed.

ここで、ワーキング電極に相当するアノード触媒層30において酸化反応(電子放出反応)が発生していれば、対極7では還元反応(電子受容反応)が発生していることになる。対極7の面積が小さければ、ワーキング電極に相当するアノード触媒層30における本来の反応が遅くなる。このため対極7の反応面積をできるだけ確保することが好ましい。従って、図2に示すように、イオン伝導膜4の面4cの面において、イオン伝導膜4の中央領域に配置されているアノード触媒層30の外周側を、対極7は電気絶縁部100a、100b、100c、100dを介して包囲している。このように対極7がアノード触媒層30を1周するように包囲しているため、アノード触媒層30における反応ムラが低減される。   Here, if an oxidation reaction (electron emission reaction) occurs in the anode catalyst layer 30 corresponding to the working electrode, a reduction reaction (electron acceptance reaction) occurs in the counter electrode 7. If the area of the counter electrode 7 is small, the original reaction in the anode catalyst layer 30 corresponding to the working electrode is delayed. For this reason, it is preferable to secure the reaction area of the counter electrode 7 as much as possible. Therefore, as shown in FIG. 2, on the surface 4c of the ion conductive membrane 4, the counter electrode 7 is disposed on the outer peripheral side of the anode catalyst layer 30 disposed in the central region of the ion conductive membrane 4, and the electrically insulating portions 100a and 100b. , 100c, 100d. Thus, since the counter electrode 7 surrounds the anode catalyst layer 30 so as to make one turn, uneven reaction in the anode catalyst layer 30 is reduced.

(試験例1)
上記したポテンショスタットで、アノード3に燃料ガスを供給しつつカソード2に空気を供給して発電運転を行う。この場合、アノード3と対極7との間に電流を流しつつ、参照電極8に対するアノード3の電位をポテンショスタット9により0ボルトに維持した。電流密度は0.26アンペア/cm2とし、電池温度は80℃とし、アノード/カソード加湿露点温度は80℃とし、燃料利用率/酸化剤利用率は80%/40%(定常状態)とし、燃料利用率/酸化剤利用率は110%/40%(ガス不足状態)とし、それぞれ1分間のサイクルを1000時間発電運転を行った。燃料電池に供給する燃料ガスとしては、質量比で、水素76%、窒素4%、二酸化炭素19%、メタン4%、一酸化炭素10ppmとした。
(Test Example 1)
With the above-described potentiostat, the fuel gas is supplied to the anode 3 while air is supplied to the cathode 2 to perform a power generation operation. In this case, the potential of the anode 3 with respect to the reference electrode 8 was maintained at 0 volts by the potentiostat 9 while a current was passed between the anode 3 and the counter electrode 7. The current density is 0.26 amps / cm 2 , the cell temperature is 80 ° C., the anode / cathode humidification dew point temperature is 80 ° C., and the fuel utilization rate / oxidant utilization rate is 80% / 40% (steady state). The fuel utilization rate / oxidant utilization rate was 110% / 40% (gas shortage state), and each 1-minute cycle was subjected to a power generation operation for 1000 hours. The fuel gas supplied to the fuel cell was, by mass ratio, 76% hydrogen, 4% nitrogen, 19% carbon dioxide, 4% methane, and 10 ppm carbon monoxide.

(試験例2)
試験例2は試験例1と基本的には同じ条件とした。但し、参照電極に対するアノードの電位をポテンショスタット9により0.2ボルトに維持した。
(Test Example 2)
Test Example 2 was basically the same as Test Example 1. However, the potential of the anode with respect to the reference electrode was maintained at 0.2 volts by the potentiostat 9.

(試験例3)
試験例3は試験例1と基本的には同じ条件とした。但し、参照電極に対するアノードの電位をポテンショスタット9により0.4ボルトに維持した。
(Test Example 3)
Test Example 3 was basically the same as Test Example 1. However, the potential of the anode with respect to the reference electrode was maintained at 0.4 volts by the potentiostat 9.

(試験例4)
比較例1は試験例1と基本的には同じ条件とした。但し、参照電極に対するアノードの電位をポテンショスタット9により0.6ボルトに維持した。
(Test Example 4)
Comparative Example 1 was basically the same as Test Example 1. However, the potential of the anode with respect to the reference electrode was maintained at 0.6 volts by the potentiostat 9.

(比較例1)
比較例1は試験例1と基本的には同じ条件とした。但し、ポテンショスタットによる電圧制御を実行しないで発電運転した。
(Comparative Example 1)
Comparative Example 1 was basically the same as Test Example 1. However, the power generation operation was performed without executing the voltage control by the potentiostat.

(評価)
図3〜図8は、試験例1〜試験例4および比較例1に係る膜電極接合体1をEPMAにより分析した結果を模写した図を示す。図3〜図8において、上側の図が白金を示すと共に下側の図がルテニウムを示す。
(Evaluation)
FIGS. 3-8 shows the figure which copied the result of having analyzed the membrane electrode assembly 1 which concerns on Test Example 1-Test Example 4 and Comparative Example 1 by EPMA. 3 to 8, the upper diagram shows platinum and the lower diagram shows ruthenium.

図3は発電運転する前の初期状態を示す。図4は試験例1を示す。図5は試験例2を示す。図6は試験例3を示す。図7は試験例4を示す。図8は比較例1を示す。   FIG. 3 shows an initial state before the power generation operation. FIG. 4 shows Test Example 1. FIG. 5 shows Test Example 2. FIG. 6 shows Test Example 3. FIG. 7 shows Test Example 4. FIG. 8 shows Comparative Example 1.

発電運転する前の初期状態によれば、図3に示すように、ルテニウムはアノード触媒として含有されているためアノード触媒層30に存在するものの、イオン伝導膜4とカソード2との境界においてルテニウムの析出が全く見られない。   According to the initial state before the power generation operation, as shown in FIG. 3, ruthenium is contained in the anode catalyst layer 30 because it is contained as the anode catalyst, but at the boundary between the ion conductive film 4 and the cathode 2, No precipitation is seen at all.

試験例1によれば、図4に示すように、イオン伝導膜4とカソード2との境界においてルテニウムの析出が見られない。試験例2によれば、同様に、図5に示すように、イオン伝導膜4とカソード2との境界においてルテニウムの析出が見られない。試験例3によれば、図6に示すように、イオン伝導膜4とカソード2との境界においてルテニウムの析出が若干見られるが、まだ微量である。試験例4によれば、図7に示すように、イオン伝導膜4とカソード2との境界においてルテニウムの析出が若干見られるが、まだ微量である。但し試験例3よりも試験例4の方が析出は多い。このようにアノード3の電位が高いほど、ルテニウムの溶出量が増加する傾向がある。   According to Test Example 1, as shown in FIG. 4, no ruthenium deposition is observed at the boundary between the ion conductive film 4 and the cathode 2. According to Test Example 2, similarly, as shown in FIG. 5, no ruthenium deposition is observed at the boundary between the ion conductive film 4 and the cathode 2. According to Test Example 3, as shown in FIG. 6, precipitation of ruthenium is slightly observed at the boundary between the ion conductive film 4 and the cathode 2, but the amount is still very small. According to Test Example 4, as shown in FIG. 7, some ruthenium deposition is observed at the boundary between the ion conductive film 4 and the cathode 2, but the amount is still very small. However, the precipitation in Test Example 4 is larger than that in Test Example 3. Thus, the higher the potential of the anode 3, the more the ruthenium elution amount tends to increase.

これに対してアノードの電位を制御しなかった比較例1によれば、図8に示すように、アノード触媒層30に存在していたはずのルテニウムがイオン伝導膜4とカソード2との境界においてかなり多量に析出していた。比較例1によれば、アノード3の電位が0.6ボルトを超えてかなり高くなっているものと推定される。   On the other hand, according to Comparative Example 1 in which the anode potential was not controlled, as shown in FIG. 8, ruthenium that should have existed in the anode catalyst layer 30 was present at the boundary between the ion conductive membrane 4 and the cathode 2. A considerable amount was deposited. According to Comparative Example 1, it is estimated that the potential of the anode 3 is considerably higher than 0.6 volts.

上記したようにルテニウムが析出すると、イオン伝導膜4が厚み方向に電子伝導してしまうおそれが高く、好ましくない。更にアノード触媒層30に存在していたはずのルテニウム量が低下するため、アノード触媒層30の本来の性能が低下する。更にイオン伝導膜4とカソード2との間にルテニウムが析出すると、カソードでの性能が低下する。   If ruthenium is deposited as described above, there is a high possibility that the ion conductive film 4 will conduct electrons in the thickness direction, which is not preferable. Further, since the amount of ruthenium that should have existed in the anode catalyst layer 30 is lowered, the original performance of the anode catalyst layer 30 is lowered. Further, when ruthenium is deposited between the ion conductive film 4 and the cathode 2, the performance at the cathode is lowered.

上記した試験結果によれば、参照電極8に対するアノード3の電位をポテンショスタット9により0〜0.6ボルト以下に維持しつつ発電運転すれば、アノード触媒として機能するルテニウムの溶出が抑制され、アノード触媒層30の耐久性が向上し、ひいては膜電極接合体1の耐久性が向上することがわかる。   According to the test results described above, elution of ruthenium, which functions as an anode catalyst, is suppressed if the power generation operation is performed while the potential of the anode 3 with respect to the reference electrode 8 is maintained at 0 to 0.6 volts or less by the potentiostat 9. It can be seen that the durability of the catalyst layer 30 is improved, and as a result, the durability of the membrane electrode assembly 1 is improved.

殊に、アノード触媒層30の電位をポテンショスタット9により0〜0.4ボルト以下に維持すれば、さらに好ましくは、0〜0.2ボルト以下に維持すれば、ルテニウムの溶出が一層抑制され、アノード触媒層30の耐久性、膜電極接合体1の耐久性が一層向上することがわかる。   In particular, if the potential of the anode catalyst layer 30 is maintained at 0 to 0.4 volts or less by the potentiostat 9, more preferably, if maintained at 0 to 0.2 volts or less, elution of ruthenium is further suppressed, It can be seen that the durability of the anode catalyst layer 30 and the durability of the membrane electrode assembly 1 are further improved.

(他の実施例)
図9は他の実施例を示す。本実施例は前記した実施例1と基本的には同様の構成、作用効果を有する。この場合、図9に示すように、対極7は、アノード触媒層30の外周を1周するように、第1辺部71と第2辺部72と第3辺部73と第4辺部74とを有する。更に対極7は、電気絶縁部100mを介してアノード触媒層30に向けて突出する複数の突出部77を有する。突出部77により、対極7の面積が確保される。
(Other examples)
FIG. 9 shows another embodiment. The present embodiment basically has the same configuration and function as the first embodiment. In this case, as shown in FIG. 9, the counter electrode 7 has a first side 71, a second side 72, a third side 73, and a fourth side 74 so as to make one round of the outer periphery of the anode catalyst layer 30. And have. Further, the counter electrode 7 has a plurality of projecting portions 77 projecting toward the anode catalyst layer 30 through the electric insulating portion 100m. The area of the counter electrode 7 is secured by the protrusion 77.

また図10は別の他の実施例を示す。本実施例は前記した実施例1と基本的には同様の構成、作用効果を有する。この場合、図10に示すように、対極7は、アノード触媒層30の外周をほぼ1周しつつも、切欠部7xをもつ。   FIG. 10 shows another embodiment. The present embodiment basically has the same configuration and function as the first embodiment. In this case, as shown in FIG. 10, the counter electrode 7 has a notch 7 x while making almost one circumference of the anode catalyst layer 30.

また図11は更に別の他の実施例を示す。本実施例は前記した実施例1と基本的には同様の構成、作用効果を有する。この場合、図11に示すように、参照電極8および対極7には、アノード触媒層30よりも先に優先的に燃料ガス(水素ガス)を供給する構造を、燃料用セパレータ300(燃料用セパレータ5に相当)は有する。その理由としては、アノード触媒層30で反応が進行すると、燃料ガス中の活物質である水素がそれだけ減り、参照電極8および対極7の機能が充分に発揮できないおそれがあるためである。従って、アノード触媒層30よりも先に参照電極8および対極7に燃料ガスを供給する凹溝状の燃料流路310の構造を、燃料用セパレータ300が有する。   FIG. 11 shows still another embodiment. The present embodiment basically has the same configuration and function as the first embodiment. In this case, as shown in FIG. 11, a structure in which fuel gas (hydrogen gas) is preferentially supplied to the reference electrode 8 and the counter electrode 7 before the anode catalyst layer 30 is formed as a fuel separator 300 (fuel separator). 5). The reason is that when the reaction proceeds in the anode catalyst layer 30, hydrogen as an active material in the fuel gas is reduced accordingly, and the functions of the reference electrode 8 and the counter electrode 7 may not be sufficiently exhibited. Therefore, the fuel separator 300 has a structure of the grooved fuel flow path 310 that supplies the fuel gas to the reference electrode 8 and the counter electrode 7 before the anode catalyst layer 30.

図11に示すように、燃料流路310は、燃料用セパレータ300の外縁側の入口301から中央域の出口302に向けて、外縁から中央域に向かうにつれて角枠流路をもつようにスパイラル状に形成されている。出口302は燃料用セパレータ300の中央域において、燃料電池のセル積層方向に沿って貫通するように形成されている。燃料用セパレータ300の外縁側には、参照電極8に対面する凹溝状の流路部分320と、対極7に対面する凹溝状の流路部分330とが形成されている。なお、参照電極8および対極7にアノード触媒層30よりも優先的に燃料ガス(水素ガス)を供給できる流路構造であれば、他の構造でも良い。   As shown in FIG. 11, the fuel flow path 310 has a spiral shape so as to have a rectangular frame flow path from the outer edge toward the central area 302 toward the central area outlet 302 from the outer edge side inlet 301 of the fuel separator 300. Is formed. The outlet 302 is formed in the central region of the fuel separator 300 so as to penetrate along the cell stacking direction of the fuel cell. On the outer edge side of the fuel separator 300, a recessed channel portion 320 facing the reference electrode 8 and a recessed channel portion 330 facing the counter electrode 7 are formed. Other structures may be used as long as the flow path structure can supply fuel gas (hydrogen gas) to the reference electrode 8 and the counter electrode 7 preferentially over the anode catalyst layer 30.

その他、本発明は上記し且つ図面に示した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できるものである。上記した実施例ではアノード触媒層30は反応面積13cm2とされているが、これに限定されるものではないことは勿論である。上記した実施例1では、対極7の形状はアノード触媒層30を1周するように包囲して正面視で口型とされているが、これに限定されるものではなく、正面視で門型としても良い。上記した実施例では、アノード触媒層30、参照電極8、対極7は同一材料で形成されているが、これに限られるものではない。参照電極8、対極7およびアノード触媒層30に燃料ガス(水素ガス)を同時供給できる流路構造でも良い。 In addition, the present invention is not limited to the embodiments described above and shown in the drawings, and can be implemented with appropriate modifications within a range not departing from the gist. In the embodiment described above, the anode catalyst layer 30 has a reaction area of 13 cm 2 , but it is needless to say that the present invention is not limited to this. In Example 1 described above, the shape of the counter electrode 7 surrounds the anode catalyst layer 30 so as to make one turn, and is a mouth shape in front view, but is not limited thereto, and is a gate shape in front view. It is also good. In the above-described embodiment, the anode catalyst layer 30, the reference electrode 8, and the counter electrode 7 are formed of the same material, but are not limited thereto. A flow path structure that can simultaneously supply fuel gas (hydrogen gas) to the reference electrode 8, the counter electrode 7, and the anode catalyst layer 30 may be used.

本発明は例えば車両用、定置用、電気機器用、電子機器用、携帯用の燃料電池システム等に利用できる。   The present invention can be used for, for example, a fuel cell system for vehicles, stationary devices, electric devices, electronic devices, and portable devices.

膜電極接合体をもつ燃料電池の断面図である。It is sectional drawing of a fuel cell with a membrane electrode assembly. イオン伝導膜のうち対極および参照電極を配置した側の正面図である。It is a front view of the side which has arrange | positioned the counter electrode and the reference electrode among ion conductive films. 発電運転する前の初期状態に係る膜電極接合体をEPMAにより分析した結果を模写した図である。It is the figure which copied the result of having analyzed the membrane electrode assembly which concerns on the initial state before an electric power generation operation by EPMA. 試験例1に係る膜電極接合体をEPMAにより分析した結果を模写した図である。It is the figure which copied the result of having analyzed the membrane electrode assembly which concerns on the test example 1 by EPMA. 試験例2に係る膜電極接合体をEPMAにより分析した結果を模写した図である。It is the figure which copied the result of having analyzed the membrane electrode assembly which concerns on the test example 2 by EPMA. 試験例3に係る膜電極接合体をEPMAにより分析した結果を模写した図である。It is the figure which copied the result of having analyzed the membrane electrode assembly which concerns on Test Example 3 by EPMA. 試験例4に係る膜電極接合体をEPMAにより分析した結果を模写した図である。It is the figure which copied the result of having analyzed the membrane electrode assembly which concerns on Test Example 4 by EPMA. 比較例1に係る膜電極接合体をEPMAにより分析した結果を模写した図である。It is the figure which copied the result of having analyzed the membrane electrode assembly which concerns on the comparative example 1 by EPMA. 他の実施例に係り、イオン伝導膜のうち対極および参照電極を配置した側の正面図である。It is a front view of the side which has arrange | positioned the counter electrode and the reference electrode among ion conductive films concerning another Example. 別の他の実施例に係り、イオン伝導膜のうち対極および参照電極を配置した側の正面図である。It is a front view of the side which has arrange | positioned the counter electrode and the reference electrode among other ion conductive films concerning another Example. 更に別の他の実施例に係り、燃料用セパレータの正面図である。FIG. 10 is a front view of a fuel separator according to still another embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1は膜電極接合体、2はカソード、3はアノード、20はカソード触媒層、30はアノード触媒層、21はカソードガス拡散層、31はアノードガス拡散層、4はイオン伝導膜、7は対極、8は参照電極、9はポテンショスタット(定電位維持手段)を示す。   1 is a membrane electrode assembly, 2 is a cathode, 3 is an anode, 20 is a cathode catalyst layer, 30 is an anode catalyst layer, 21 is a cathode gas diffusion layer, 31 is an anode gas diffusion layer, 4 is an ion conductive membrane, and 7 is a counter electrode , 8 is a reference electrode, and 9 is a potentiostat (constant potential maintaining means).

Claims (5)

カソード触媒を含むカソード触媒層およびカソードガス拡散層で形成されたカソードと、アノード触媒を含むアノード触媒層およびアノードガス拡散層で形成されたアノードと、前記アノードの前記アノード触媒層と前記カソードの前記カソード触媒層とで挟持されたイオン伝導性をもつイオン伝導膜を有する膜電極接合体を備える燃料電池を運転する運転方法において、
前記アノード触媒は白金およびルテニウムを含んでおり、
前記イオン伝導膜に接触する参照電極および対極が設けられており、
前記アノード、前記参照電極および前記対極に燃料ガスを供給しつつ前記カソードに酸化剤ガスを供給して発電運転を行うと共に、前記参照電極に対する前記アノードの電位を定電位維持手段により0〜+0.6ボルトの範囲内に維持することを特徴とする燃料電池の運転方法。
A cathode formed of a cathode catalyst layer containing a cathode catalyst and a cathode gas diffusion layer; an anode formed of an anode catalyst layer containing an anode catalyst; and an anode gas diffusion layer; the anode catalyst layer of the anode; and the cathode of the cathode In an operation method for operating a fuel cell comprising a membrane electrode assembly having an ion conductive membrane having ion conductivity sandwiched between a cathode catalyst layer,
The anode catalyst includes platinum and ruthenium;
A reference electrode and a counter electrode are provided in contact with the ion conductive membrane;
While supplying fuel gas to the anode, the reference electrode, and the counter electrode, an oxidant gas is supplied to the cathode to perform a power generation operation, and the potential of the anode with respect to the reference electrode is set to 0 to +0. A method of operating a fuel cell, characterized in that it is maintained within a range of 6 volts.
請求項1において、前記参照電極に対する前記アノードの電位を0〜+0.4ボルトに維持しつつ発電運転を行うことを特徴とする燃料電池の運転方法。   2. The method of operating a fuel cell according to claim 1, wherein the power generation operation is performed while maintaining the potential of the anode with respect to the reference electrode at 0 to +0.4 volts. 請求項1または2において、前記イオン伝導膜の正面視において、
前記アノード触媒層は前記イオン伝導膜の中央領域に配置されており、
前記イオン伝導膜のうち前記アノード触媒層が配置されている面において、前記参照電極および前記対極が前記アノード触媒層の面方向における外周側に位置して設けられていることを特徴とする燃料電池の運転方法。
In the front view of the ion conductive membrane according to claim 1 or 2,
The anode catalyst layer is disposed in a central region of the ion conductive membrane;
The fuel cell, wherein the reference electrode and the counter electrode are provided on the outer peripheral side in the surface direction of the anode catalyst layer on the surface of the ion conductive membrane on which the anode catalyst layer is disposed. Driving method.
請求項3において、前記対極は、前記イオン伝導膜の面において、前記アノード触媒層の外周を1周するように包囲していることを特徴とする燃料電池の運転方法。   4. The method of operating a fuel cell according to claim 3, wherein the counter electrode surrounds the outer periphery of the anode catalyst layer once on the surface of the ion conductive membrane. カソード触媒を含むカソード触媒層およびカソードガス拡散層で形成されたカソードと、アノード触媒を含むアノード触媒層およびアノードガス拡散層で形成されたアノードと、前記アノードの前記アノード触媒層と前記カソードの前記カソード触媒層とで挟持されたイオン伝導性をもつイオン伝導膜を有する膜電極接合体を備える燃料電池において、
前記アノード触媒は白金およびルテニウムを含んでおり、前記イオン伝導膜に接触する参照電極および対極が設けられていることを特徴とする燃料電池。
A cathode formed of a cathode catalyst layer containing a cathode catalyst and a cathode gas diffusion layer; an anode formed of an anode catalyst layer containing an anode catalyst; and an anode gas diffusion layer; the anode catalyst layer of the anode; and the cathode of the cathode In a fuel cell comprising a membrane electrode assembly having an ion conductive membrane having ion conductivity sandwiched between a cathode catalyst layer,
The anode catalyst includes platinum and ruthenium, and is provided with a reference electrode and a counter electrode that are in contact with the ion conductive membrane.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2013125638A (en) * 2011-12-14 2013-06-24 Honda Motor Co Ltd Operational method of fuel cell

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