JPH05205765A - 積層燃料電池 - Google Patents

積層燃料電池

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JPH05205765A
JPH05205765A JP4009550A JP955092A JPH05205765A JP H05205765 A JPH05205765 A JP H05205765A JP 4009550 A JP4009550 A JP 4009550A JP 955092 A JP955092 A JP 955092A JP H05205765 A JPH05205765 A JP H05205765A
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JP
Japan
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electrode
cell
fuel
laminated
poisoning
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JP4009550A
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English (en)
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Akitoshi Seya
彰利 瀬谷
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Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
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Publication date
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
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Abstract

(57)【要約】 【目的】大幅なコスト上昇を伴わずに、燃料ガス中の一
酸化炭素による貴金属触媒の被毒と、これによるセル電
圧の低下を防止することにある。 【構成】複数の単位セルをブロック25として各ブロッ
ク間に冷却板3を積層した積層燃料電池20において、
燃料ガス中の一酸化炭素を触媒毒とする貴金属触媒の被
毒を、白金−ルテニウム合金触媒を被毒抑制手段として
用いて各ブロック25内で冷却板3に接した低温単位セ
ル22の燃料電極側電極触媒層中にのみ設けて抑制し、
被毒に伴って低温単位セルに生ずるセル電圧の低下、お
よび積層燃料電池の発電性能の低下を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、複数の単位セルを1
ブロックとして、各ブロック間に冷却板が積層された積
層燃料電池、ことに、低温単位セルで生ずる貴金属触媒
の一酸化炭素被毒によるセル電圧の低下を防止した積層
燃料電池に関する。
【0002】
【従来の技術】図3はリブ付電極を用いたりん酸形単位
セルを展開して示す斜視図であり、単位セル2はりん酸
を保持したマトリックス14を挟んでその両側に燃料電
極11および空気電極15を配した構造となっており、
燃料電極11はガス透過性の電極基材11Aのマトリッ
クス側の面に電極触媒層11Bを設けたものからなり、
空気電極15も同様に電極基材15Aと電極触媒層15
Bとで構成される。電極基材11A,15Aはそれぞれ
燃料ガスの供給溝12および酸化剤としての空気の供給
溝13を備え、隣接すく単位セル間にガス不透過性のセ
パレ−ト板19を配して積層することによりガス区分さ
れ、反応ガスの供給溝(燃料ガス通路12および反応空
気通路13)を介して燃料電極には水素リッチな燃料ガ
スを,空気電極には酸化剤としての空気を供給すること
により、電極触媒層11B,15B間で電気化学反応に
基づく発電が行われる。なお、反応ガスの供給溝をセパ
レ−ト板側に形成したリブ付セパレ−ト板を用いた単位
セルも知られている。
【0003】上述の単位セルにおいて、燃料電極の電極
触媒層11Bでは水素の還元反応が,空気電極の電極触
媒層15Bでは酸素の還元反応が行われ、そのセル(端
子)電圧が、水素電極電位と酸素電極電位の差に比例す
るので、電極反応を行う電極触媒層は、空気電極側では
高い電位を,燃料電極側では低い電位を示すよう工夫さ
れており、例えばアセチレンブラックを触媒担体とし、
その表面に電極触媒としての白金(Pt)微粒子を担持
した白金触媒が用いられ、これに結合剤としてのポリテ
トラフルオロエチレン(PTFE)を混合した素材を用
い、電極基材の表面に膜状の電極触媒層を形成した電極
が使用される。
【0004】ところで、上述のように構成された単位セ
ル2の積層体からなる積層燃料電池において、燃料電極
11に供給する燃料ガスとしては、例えばりん酸形燃料
電池の場合一般に、天然ガスやメタノ−ルを水蒸気改質
して得られる改質ガスが用いられるが、例えばCH4
2H2 O→CO2 +4H2 なる反応式で表される改質反
応において、その反応平衡上1%程度の一酸化炭素(C
O)が発生する。このような一酸化炭素を含む燃料ガス
を単位セル2の燃料電極側電極触媒層11Bに供給する
と、一酸化炭素が貴金属触媒の白金微粒子表面に付着し
てしまい、一酸化炭素が触媒毒となって貴金属触媒の活
性を低下させる現象(被毒とよぶ)が発生する。
【0005】図4は水素電極の被毒による水素電極電位
の温度依存性を示す特性線図であり、本来低い電位が求
められる水素電極電位が、単位セルの温度が低い領域で
上昇するため、両電極電位の差で与えられるセル電圧が
低下し、低温領域では十分な発電性能を維持できないと
いう事態が発生する。また、その対策として、燃料電極
の電極触媒層11Bに貴金属触媒として白金−ルテニウ
ム合金触媒(Pt−Ru合金触媒)を用いることによ
り、一酸化炭素による被毒を抑制する方法が知られてい
る。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】図5は従来の積層燃料
電池の構成およびその温度分布を示す説明図であり、積
層燃料電池1は単位セル2の積層体からなり、図の場合
5層の単位セル2をブロック5として各ブロック間に冷
却板3が積層され、冷却板3に埋め込まれた冷却パイプ
4に所定の温度の冷却媒体を循環することにより、発電
反応の生成熱による積層燃料電池の温度上昇を抑制し、
所定の運転温度(例えばりん酸形燃料電池では190°
C程度)を保持して発電運転を行えるよう構成される。
【0007】ところで、発熱反応である電気化学反応に
よって生じた発電生成熱は、各ブロック5間に積層され
た冷却板3を流れる冷却媒体により冷却されるが、図5
において各ブロック内の冷却板3により直接冷却される
低温部に位置する単位セル2B,2Cの温度Tl と、ブ
ロック5中央近傍の高温部に位置して他の単位セルを介
して間接冷却される単位セル2Aの温度Th とでは図中
温度分布曲線10に示すようにTh の方が高く、両者間
に15〜20°Cの温度差が発生する。
【0008】図6は白金触媒を用いた従来の積層燃料電
池の水素電極電位を示すグラフであり、ブロック5中の
低温単位セル2B,2Cの水素電極電位が、白金触媒の
一酸化炭素被毒により高温単位セル2Aのそれの2倍近
くにも上昇するため、この差に対応して低温単位セル2
B,2Cのセル電圧が低下し、これが原因で積層燃料電
池1の発電性能が低下するという問題が発生する。こと
に、積層燃料電池の起動時には、電池全体の温度が低
く,低温セルはとくにその影響が大きいため、セル電圧
が大幅に低下し、安定した運転ができないという事態も
発生する。
【0009】また、単位セル2の燃料電極側電極触媒層
11BにPt−Ru合金触媒を用いるよう構成すれば、
低温単位セルにおけるCO被毒を抑制してセル電圧の低
下を防止できるが、白金触媒に比べても更に高価なPt
−Ru合金触媒の使用量が増加することによる経済的不
利益が生ずるため、コスト低減が求められる積層燃料電
池の製造コストが上昇し、これが原因で燃料電池発電装
置の実用化を阻害するという問題が発生する。
【0010】この発明の目的は、大幅なコスト上昇を伴
わずに燃料ガス中の一酸化炭素による貴金属触媒の被毒
と、これによるセル電圧の低下を防止することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明によれば、ガス透過性の電極基材の一方の
面に電極触媒層を有する燃料電極および空気電極と、前
記両電極の電極触媒層間に挟持された電解質層とからな
る単位セル複数層と、前記各単位セル相互間をガス区分
するセパレ−ト板との積層体からなり、その運転温度を
制御する冷却板を複数の単位セルを1ブロックとして各
ブロック間に積層したものにおいて、燃料ガス中の一酸
化炭素を触媒毒とする前記電極触媒層中の貴金属触媒の
被毒を貴金属触媒の組成により抑制する被毒抑制手段
を、前記各ブロック内の低温部に位置する単位セルの燃
料電極側電極触媒層中に含んでなるものとする。
【0012】また、被毒抑制手段が、白金−ルテニウム
合金からなる貴金属触媒であるものとする。さらに、被
毒抑制手段が、各ブロック内に冷却板に接して配された
低温単位セルの燃料電極側電極触媒層中にのみ含まれて
なるものとする。
【0013】
【作用】この発明において、運転温度を制御する冷却板
を複数の単位セルを1ブロックとして各ブロック間に積
層した積層燃料電池において、燃料ガス中の一酸化炭素
を触媒毒とする電極触媒層中の貴金属触媒の被毒を貴金
属触媒の組成により抑制する被毒抑制手段を、例えばP
t−Ru合金触媒で構成し、各ブロック内の冷却板に接
した低温部の単位セルの燃料電極側電極触媒層中に含ま
せるよう構成したことにより、低温部に位置する単位セ
ルで生ずる貴金属触媒のCO被毒とこれに起因する水素
電極電位の上昇を抑制できるので、低温単位セルのセル
電圧を高温単位セルのそれと同等に保持することが可能
となり、積層燃料電池の発電性能を向上する機能が得ら
れる。また、高価なPt−Ru合金触媒の適用単位セル
を低温単位セルに限定したことにより、Pt−Ru合金
触媒の使用量を従来のそれの1/2以下に低減する機能
が得られる。
【0014】
【実施例】以下、この発明を実施例に基づいて説明す
る。図1はこの発明の実施例になる積層燃料電池を模式
化して示す側面図であり、従来技術と同じ構成部分には
同一参照符号を付すことにより、重複した説明を省略す
る。図において、積層燃料電池1は単位セル5層をブロ
ック25として各ブロック間に冷却板3が積層されてお
り、各ブロック25の5層の単位セルの内、冷却板3に
接した低温単位セル22には、その燃料電極の電極触媒
層に白金−ルテニウム合金触媒(Pt−Ru合金触媒)
が用いられる。また、高温単位セル2Aとその両側の中
温単位セル2Dおよび2Fの燃料電極側電極触媒層には
従来の単位セルと同様に白金触媒が用いられる。
【0015】図2は実施例になる積層燃料電池の単位セ
ルにおける水素電極電位とセル温度との関係を示す棒グ
ラフであり、Pt−Ru合金触媒を用いた低温単位セル
22の燃料電極に一酸化炭素1%を含む燃料ガスを供給
したときの電極電位は、白金触媒を用いた高温単位セル
2Aのそれよりかなり低い値となり、Pt−Ru合金触
媒が燃料ガス中の一酸化炭素による被毒,およびこれに
よる水素電極電位の上昇を大幅に抑制するよう機能する
ことを示している。
【0016】従って、実施例になる積層燃料電池20に
おいては、ブロック25中の低温単位セル22のセル電
圧と高温単位セルのそれとの差が縮小され、積層燃料電
池の出力電圧が上昇するので、発電性能が向上するとと
もに、積層燃料電池の起動を容易化できる利点が得られ
る。また、Pt−Ru合金触媒を低温単位セルに限定し
て使用することにより、単位セル全体にPt−Ru合金
触媒を用いる従来技術に比べてその使用量を1/2以下
に低減できるので、積層燃料電池の製造コストの低減が
可能となり、発電性能の高い積層燃料電池を低コストで
製造できる利点が得られる。
【0017】
【発明の効果】この発明は一酸化炭素被毒の抑制手段と
してのPt−Ru合金触媒を、冷却板に接した低温単位
セルの燃料電極側電極触媒層に限定して使用するよう構
成した。その結果、従来技術で問題となった低温単位セ
ルのCO被毒を抑制してそのセル電圧を向上し,起動時
における運転を安定化できるとともに、高価なPt−R
u合金触媒の使用量を従来のそれの半分以下に低減でき
るので、発電性能および起動特性に優れた積層燃料電池
を経済的にも有利に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施例になる積層燃料電池を模式化
して示す側面図
【図2】実施例になる積層燃料電池の単位セルにおける
水素電極電位とセル温度との関係を示す棒グラフ
【図3】リブ付電極基材を用いたりん酸形単位セルを展
開して示す斜視図
【図4】水素電極の被毒による水素電極電位の温度依存
性を示す特性線図
【図5】従来の積層燃料電池の構成およびその温度分布
を示す説明図
【図6】白金触媒を用いた従来の積層燃料電池の水素電
極電位を示すグラフ
【符号の説明】
1 積層燃料電池 2 単位セル 2A 高温単位セル 2B 低温単位セル 2C 低温単位セル 3 冷却板 5 ブロック 11 燃料電極 11A 電極基材(リブ付電極基材) 11B 電極触媒層(白金触媒を使用) 12 燃料ガスの供給溝 13 反応空気の供給溝 15 空気電極 19 セパレ−ト板 20 積層燃料電池 22 低温単位セル(Pt−Ru合金触媒を使用) 25 ブロック

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ガス透過性の電極基材の一方の面に電極触
    媒層を有する燃料電極および空気電極と、前記両電極の
    電極触媒層間に挟持された電解質層とからなる単位セル
    複数層と、前記各単位セル相互間をガス区分するセパレ
    −ト板との積層体からなり、その運転温度を制御する冷
    却板を複数の単位セルを1ブロックとして各ブロック間
    に積層したものにおいて、燃料ガス中の一酸化炭素を触
    媒毒とする前記電極触媒層中の貴金属触媒の被毒を貴金
    属触媒の組成により抑制する被毒抑制手段を、前記各ブ
    ロック内の低温部に位置する単位セルの燃料電極側電極
    触媒層中に含んでなることを特徴とする積層燃料電池。
  2. 【請求項2】被毒抑制手段が、白金−ルテニウム合金か
    らなる貴金属触媒であることを特徴とすく請求項1記載
    の積層燃料電池。
  3. 【請求項3】被毒抑制手段が、各ブロック内に冷却板に
    接して配された単位セルの燃料電極側電極触媒層中に含
    まれてなることを特徴とする請求項1または請求項2記
    載の積層燃料電池。
JP4009550A 1992-01-23 1992-01-23 積層燃料電池 Pending JPH05205765A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5712052A (en) * 1994-11-02 1998-01-27 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell generator and method of the same
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