JPH02139865A - 燃料電池の燃料極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）産業上の利用分野 本発明はりん酸燃料電池の燃料極、特に可搬用や離島用
の単独電源として用いる電池の燃料極に関するものであ
る。

（ロ）従来の技術 独立電源として用いる燃料電池発電システムでは改質器
の原燃料としてメタノールと水の混合液を用い、これを
気化改質して電池に供給される燃料ガスとする場合、燃
料ガス中には通常−酸化炭素が１％程度含まれ、またメ
タノール分解反応時に副成するアルデヒド類も若干（１
％以下）含まれている。−酸化炭素は電極触媒層の触媒
表面に吸着してこれを被毒し、触媒能を低下させる。こ
の影響は１３０℃以下の低温時において著しく、長期的
に兄ても寿命特性の低下をもたらす。アルデヒド類もま
た一酸化炭素と同様触媒能を低下させる。

従来の燃料極にはこれら改質ガス中の不純物による触媒
の耐被毒対策や低温時における性能低下対策について特
に考慮されていなかった。そのため電池の起動待加熱空
気による昇温で電池スタック温度を１３０℃以上に上げ
てからでないと、効率のよい電池反応熱による昇温に入
ることができず、電池の起動特に寒冷地での起動には長
時間を嬰するという問題があった。

（ハ）発明が解決しようとする課題 本発明は改質ガス中に含まれる有害物による触媒の被毒
を抑制し、電池特性、寿命特性の向上を図ると共に、特
に電池起動待比較的低温から電池反応熱による昇温を可
能とし、電池の起動時間を短縮可能とするものである。

（ニ）課題を解決するための手段 本発明燃料極の触媒層は夫々触媒の異る三層から構成さ
れ、電解質に面する第１層は白金−ルテニウム系合金触
媒であり、１発水性多孔質基板に接合された第３層及び
前記第一層と第二層間の中間第二層の各層は、白金−パ
ラジウム−銅系触媒及び白金単独触媒もしくは白金単独
触媒及び白金−パラジウム−銅系触媒であることを特徴
とするものである。

（ホ）作用 本発明では白金単独触媒層は反応触媒としての他に改質
ガス中の一酸化炭素の低温時における吸着層とし働き、
白金−バラジウムー銅系触媒層は主としてアルデヒド類
の分解反応を行う。従って多孔質基板から拡散した改質
ガスは、前記二層で改質ガス中の有害物が除去され、三
相界面を構成する白金−ルテニウム系合金触媒層が何ら
有害物に影響されることなく主触媒として動き、全体と
して触媒能の低下が抑制される。従って比較的低温から
の電池反応熱による昇温を可能とし、電池の起動時間が
短縮される。

（へ）実施例 本発明燃料極の作製例について説明する。

二層触媒層（１）（２）（３）の各層は、いづれも触媒
を担持した炭素粉末と結着剤としての弗素Ｉｆ脂脂粉上
、バルク剤としての炭酸水素アンモニウムとを分散媒と
してのケロシンで混練し、弗素ｔｆｉｔ脂をフィブリル
化した後ローラー掛けし厚み２ｍｍ程度のシートとする
。

各層の使用触媒を下表に示す。尚、Ｐｔ−Ｒｕ系合金触
媒とＰｔ単独触媒とは高温（電池規定作動温度近く）で
は差はないが低温では前者の方がすぐれているため、三
相界面を形成する第１層（１）にＰｔ−Ｒｕ系合金触媒
を用いた。

触媒（合金・単独とも）担持量は炭素粉末に対し白金７
農度が１０重量％となるようにした。前記で形成された
夫々厚み２閾の第１層（１）、第２層（２）、第３層（
３）は、重ね合わせ（全厚ｆ３ｍｍ）ローラー掛けされ
、厚み０．５画のシートとした？＆８０℃で乾燥して各
府中のケロシンを、続いて１１５℃、２時間加熱して各
層中のバルク材を夫々蒸発除去する。

次いで三層シート（Ａ）は１発水性多孔質基板（Ｂ）即
ち弗素樹脂で予め捏水処理が施された厚みＱ　、３　ｍ
ｍのカーボンペーパーと重ねてプレス後３６０℃、４５
分間熱処理して燃料極（Ｎ）を得た。

この燃料極を用いて作製した単セルを第２図に示し、（
Ｐ）は空気極［ｐ＋は触媒層、Ｐ、は捏水性多孔質基板
］、（Ｍ）はカーボンマトリックス、（Ｍ′）はＳｉＣ
マトリックス、（４）は燃料ガス及び空気の各供給溝（
５）（６）を有する無孔質カーボンプレート、（７）は
シムである。

第３図はこの単セルについて電池温度と単セル電圧との
関係を示す特性図で、比較のためｐｔ主触媒みの燃料極
を用いた従来品の場合も共に示した。白金使用量はいづ
れの極も０．２ｍｇ／ｃｍ’とした。電池の運転条件は
ｆ上動圧力１ａｔｍ、電流密度１００　ｍＡ／ａｍ’で
、燃料ガス組成は９６Ｖ０　１　　％Ｈ，−３Ｖｏｌ　
％Ｃｏ−ＩＶｏｌ　％ＨＣ）１０（ホルムアルデヒド）
で行った。電池温度１３５℃において実施例Ｉ　ＩＩい
づれも従来品と比較して３００ｍＶ以Ｅ特性が向上した
。又１４０℃〜１８０℃にかけては３０〜１００ｍＶの
向上が見られる。実施例ＩとＩＩでは実施例Ｉの方かや
・特性が良い。

実施例■では燃料ガスが捏水性多孔質基板（Ｂ）を透過
すると第三層（３）中のＰｔ−Ｐｄ−Ｃｕ系合金触媒に
てホルムアルデヒドの分解が行はれ、第二層（２）中の
Ｐｔ触媒にてＣＯの一部が吸着さａる。かくて電解質と
接して三層界面を構成する第一層（１）のＰ　ｔ−Ｒｕ
系合金触媒においては、燃料ガス中のＣＯ、ホルムアル
デヒドなどの不純物濃度がＰｔ単一触媒層をもつ従来品
と比較して低ドするため、電気化学反応が良好に行はれ
る。

この場合第一層（１）に隣接する第二層（２）のＰｔ＋
１を独居も反応に関与する。

一方実施例１１では第二層（２）と第三層（３）とが実
施例Ｉと逆になっており、第二層（２）のｐｔ−Ｐ　ｄ
　−Ｃｕ系合金触媒層は第三層（３）のＰｔ単独触媒層
に比し活性度がおどるため、実施例Ｉより行Ｆ特性が悪
い。

第４図は実′施例Ｉ、１■及び従来品を用いて電池与命
試験を行った結果を示した。こ・で電池の運転条件は作
動圧力１ａｔｍ、作動温度１９０℃、電流密度１００　
ｍＡ／ｃｍ’で、燃料ガス組成は９６Ｖａｔ％Ｈ，−３
Ｖｏ１％Ｃｏ−ＩＶｏ１％ＨＣＨＯでｉテった。この図
によれば本発明による電池（実施例Ｉ、＋＋　）は従来
品と比較して寿命特性が大巾に向Ｉユすることがわかる
。発電時間１０００〜２０００時間で単セル電圧の劣化
速度は発明電池では従来品に比し１１５〜ｌ／１０に改
善された。

尚メタノール改質ガスの組成は、通常７５Ｖｏ１９ちＨ
ｔ　−２３Ｖ　ｏ１％ＣＯｔ　−Ｉ　Ｖ　ｏ１％Ｃｏ−
０，５Ｖｏ１％ＦＩ　ＣＨＯ程度であるが、前記第３図
、第４図の特性試験では、加速試験のため特にＣＯ及び
ＨＣＨＯの濃度の高い混合ガスを燃料ガスとして用いた
。

（ト）５Ｐ！明の効果 Ｆ述の如く本発明燃料極は、Ｐｔ触媒に比し低温特性の
すぐれたＰ　ｔ−Ｒｕ系合金触媒を電解質と接する面に
用い、改質ガス中のＣＯの低温時における吸着層として
のＰｔ単独触媒及び改質ガス中のアルデヒドの分解層と
してのＰｔ−Ｐｄ−ＣＵ系合金触媒と合せて三層触媒層
に構成したので、改質ガス中の有害成分が予め除去され
て三相界面を構成するＰｔ−Ｒｕ系合金触媒層に悪影響
を与えることなく、全体として触媒能の低下が抑制され
る。従って比較的低温度からの電池反応熱による昇温か
可能となり、特に寒冷地において電池起動時間の短縮化
にすぐれた効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明燃料極の断面図、第２図は同上燃料極を
備える単セルの要部断面図、第３図は同■二弔セル電圧
の温度特性図、第４図は用セルの寿命特性図である。 八・・・三層触媒層、Ｂ・・・挨水性多孔質基板、ｌ・
・・第１層（Ｐｊ−Ｒｕ系合金触媒）、２・・・第二層
（Ｐｔ１４ｉ独触媒）、３・・・第三層（Ｐｔ−Ｐｄ−
ＣＬｌ系合金触媒）、Ｎ・・・燃料極、Ｐ・・・空気極
、Ｍ、Ｍ’　・・・マトリンクス。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）撥水性多孔質基板上に、触媒を担持した炭素粉末
   を結着してなる触媒層を有する燃料極であって、前記触
   媒層は夫々前記触媒を異にする三層から構成され、電解
   質に面する第一層は白金−ルテニウム系合金触媒であり
   、前記基板に接合された第三層及び前記第一層と第三層
   間の中間第二層の各々は、白金単独触媒及び白金−パラ
   ジウム−銅系合金触媒もしくは白金−パラジウム−銅系
   合金触媒及び白金単独触媒であることを特徴とする燃料
   電池の燃料極。