JPH09129243A - 低温型燃料電池 - Google Patents
低温型燃料電池Info
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- JPH09129243A JPH09129243A JP7309832A JP30983295A JPH09129243A JP H09129243 A JPH09129243 A JP H09129243A JP 7309832 A JP7309832 A JP 7309832A JP 30983295 A JP30983295 A JP 30983295A JP H09129243 A JPH09129243 A JP H09129243A
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- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/8605—Porous electrodes
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- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1007—Fuel cells with solid electrolytes with both reactants being gaseous or vaporised
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- H01M2004/8678—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells characterised by the polarity
- H01M2004/8684—Negative electrodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M2300/00—Electrolytes
- H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
- H01M2300/0065—Solid electrolytes
- H01M2300/0082—Organic polymers
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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- Sustainable Energy (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 水素ガス中のＣＯ濃度を極少とし，かつコン
パクト化及び低コスト化を図ることができる低温型燃料
電池を提供する。 【解決手段】 電解質膜５を挟むように配置した燃料極
１及び酸素極２と，燃料極１に対面して設けた燃料ガス
供給路３１を有する負極集電体３と，酸素極２に対面し
て設けた酸素ガス供給路２１を有する正極集電体４とを
有する。燃料極１は，電解質膜５に対面して設けた負極
触媒層１２と，該負極触媒層１２と燃料ガス供給路３１
との間に設けた燃料ガス拡散層１１とを有する。燃料ガ
ス拡散層には，ＣＯを選択的に酸化するＣＯ選択酸化触
媒が担持されている。
パクト化及び低コスト化を図ることができる低温型燃料
電池を提供する。 【解決手段】 電解質膜５を挟むように配置した燃料極
１及び酸素極２と，燃料極１に対面して設けた燃料ガス
供給路３１を有する負極集電体３と，酸素極２に対面し
て設けた酸素ガス供給路２１を有する正極集電体４とを
有する。燃料極１は，電解質膜５に対面して設けた負極
触媒層１２と，該負極触媒層１２と燃料ガス供給路３１
との間に設けた燃料ガス拡散層１１とを有する。燃料ガ
ス拡散層には，ＣＯを選択的に酸化するＣＯ選択酸化触
媒が担持されている。
Description
【０００１】
【技術分野】本発明は，メタノール等の燃料を改質して
得た水素ガスと空気等酸素を含有するガスとを供給する
ことにより電気を発生させる，低温型燃料電池に関す
る。
得た水素ガスと空気等酸素を含有するガスとを供給する
ことにより電気を発生させる，低温型燃料電池に関す
る。
【０００２】
【従来技術】従来，メタノールを改質して得た水素ガス
を利用して電気を発生させる燃料電池が提案されてい
る。この中で，常温に近い温度で作動可能な低温型燃料
電池は，車載動力源として注目されつつある。低温型燃
料電池に供給される水素ガスは，図６に示すごとく，メ
タノールと水とを，改質器９０に導いて，ここで水素を
発生させることにより得られる。この改質器９０は，改
質部９１と，シフト反応部９２と，ＣＯ酸化部９３とよ
りなる（特開平３−２０３１６５号公報）。
を利用して電気を発生させる燃料電池が提案されてい
る。この中で，常温に近い温度で作動可能な低温型燃料
電池は，車載動力源として注目されつつある。低温型燃
料電池に供給される水素ガスは，図６に示すごとく，メ
タノールと水とを，改質器９０に導いて，ここで水素を
発生させることにより得られる。この改質器９０は，改
質部９１と，シフト反応部９２と，ＣＯ酸化部９３とよ
りなる（特開平３−２０３１６５号公報）。
【０００３】改質部９１では，１８０〜３００℃，Ｃｕ
−Ｚｎ系触媒の存在下で，図７（ａ）に示すごとく，メ
タノールと水とを反応させて，電池燃料としての水素を
得る。この反応は平衡反応である。また，このとき副生
成物として，発電作用の障害となるＣＯが生成する。
−Ｚｎ系触媒の存在下で，図７（ａ）に示すごとく，メ
タノールと水とを反応させて，電池燃料としての水素を
得る。この反応は平衡反応である。また，このとき副生
成物として，発電作用の障害となるＣＯが生成する。
【０００４】ＣＯは，燃料電池の負極触媒層に用いるＰ
ｔを被毒して，不活性化させる。また，ＣＯ濃度が１０
ｐｐｍ程度の場合には，発電電圧は通常の使用電流範囲
で数％低下する。そして，ＣＯ濃度が更に高い１００ｐ
ｐｍの場合には，発電電圧は通常の使用電流範囲で半分
以下にまで低下してしまう。従って，上記のごとき電池
作用障害を低減するためには，可能な限りＣＯ濃度の低
い水素ガスを，燃料極に供給する必要がある。
ｔを被毒して，不活性化させる。また，ＣＯ濃度が１０
ｐｐｍ程度の場合には，発電電圧は通常の使用電流範囲
で数％低下する。そして，ＣＯ濃度が更に高い１００ｐ
ｐｍの場合には，発電電圧は通常の使用電流範囲で半分
以下にまで低下してしまう。従って，上記のごとき電池
作用障害を低減するためには，可能な限りＣＯ濃度の低
い水素ガスを，燃料極に供給する必要がある。
【０００５】そこで，このＣＯを低減させるため，更
に，以下のシフト反応及びＣＯ酸化反応を行う。即ち，
シフト反応部９２において，１５０〜２００℃，Ｃｕ−
Ｚｎ系触媒の存在下で，図７（ｂ）に示すごとく，改質
部９１で未反応の水蒸気又は更に付加した水蒸気を利用
して，上記のＣＯを，平衡反応により水素とＣＯ2 とに
変換する。これにより，ＣＯ濃度を０．１〜０．３％ま
で低減させることができる。
に，以下のシフト反応及びＣＯ酸化反応を行う。即ち，
シフト反応部９２において，１５０〜２００℃，Ｃｕ−
Ｚｎ系触媒の存在下で，図７（ｂ）に示すごとく，改質
部９１で未反応の水蒸気又は更に付加した水蒸気を利用
して，上記のＣＯを，平衡反応により水素とＣＯ2 とに
変換する。これにより，ＣＯ濃度を０．１〜０．３％ま
で低減させることができる。
【０００６】次に，上記シフト反応の後に，ＣＯ酸化部
９３において，Ｐｔ系又はＡｕ系の触媒の存在下で少量
の空気の導入により，図７（ｃ）に示すごとく，残存す
るＣＯをＣＯ2 に酸化する。Ｐｔ系触媒を用いる場合に
は，１２０〜１８０℃において，ＰｔにＣＯを選択的に
吸着させて，非平衡反応によりＣＯ2 に変換する。Ａｕ
系触媒を用いる場合には，５０〜１００℃において，Ｐ
ｔ系触媒と同様に非平衡反応によりＣＯをＣＯ2 に変換
する。
９３において，Ｐｔ系又はＡｕ系の触媒の存在下で少量
の空気の導入により，図７（ｃ）に示すごとく，残存す
るＣＯをＣＯ2 に酸化する。Ｐｔ系触媒を用いる場合に
は，１２０〜１８０℃において，ＰｔにＣＯを選択的に
吸着させて，非平衡反応によりＣＯ2 に変換する。Ａｕ
系触媒を用いる場合には，５０〜１００℃において，Ｐ
ｔ系触媒と同様に非平衡反応によりＣＯをＣＯ2 に変換
する。
【０００７】以上のように精製した水素ガスは，ＣＯ含
量が極く少ない燃料ガスとして，図６，図８に示すごと
く，低温型燃料電池に供給される（特開平７−１３５０
１５号公報）。上記低温型燃料電池７は，図６，図８に
示すごとく，固体高分子よりなる電解質膜５を挟んでそ
の両側に燃料極１と酸素極２とを有している。燃料極１
及び酸素極２の片面側には，負極集電体３および正極集
電体４が対面，配置されている。負極集電体３は，水素
ガスを燃料極１に供給する燃料ガス供給路３１を有して
いる。また，正極集電体４は，酸素ガスを酸素極２に供
給する酸素ガス供給路４１を有している。
量が極く少ない燃料ガスとして，図６，図８に示すごと
く，低温型燃料電池に供給される（特開平７−１３５０
１５号公報）。上記低温型燃料電池７は，図６，図８に
示すごとく，固体高分子よりなる電解質膜５を挟んでそ
の両側に燃料極１と酸素極２とを有している。燃料極１
及び酸素極２の片面側には，負極集電体３および正極集
電体４が対面，配置されている。負極集電体３は，水素
ガスを燃料極１に供給する燃料ガス供給路３１を有して
いる。また，正極集電体４は，酸素ガスを酸素極２に供
給する酸素ガス供給路４１を有している。
【０００８】燃料極１は，燃料ガス供給路３１より導入
された水素ガスを拡散させるための，通気性の燃料ガス
拡散層１１と，水素ガスをプロトン及び電子に変換させ
る負極触媒層１２とからなる。酸素極２は，酸素ガス供
給路４１より導入された酸素ガスを拡散させるための，
通気性の酸素ガス拡散層２１と，酸素ガス及びプロトン
から水を生成させる正極触媒層２２とからなる。
された水素ガスを拡散させるための，通気性の燃料ガス
拡散層１１と，水素ガスをプロトン及び電子に変換させ
る負極触媒層１２とからなる。酸素極２は，酸素ガス供
給路４１より導入された酸素ガスを拡散させるための，
通気性の酸素ガス拡散層２１と，酸素ガス及びプロトン
から水を生成させる正極触媒層２２とからなる。
【０００９】負極触媒層１２と正極触媒層２２とは，電
解質膜５の両側に対面，配置されて，一組の電気セル７
０を構成している。そして，一方の電池セルの負極集電
体３と他方の電池セルの正極集電体４との間には，電気
絶縁性のセパレータ６を設けて，上記の各電池セル７０
を電気的に区画している。
解質膜５の両側に対面，配置されて，一組の電気セル７
０を構成している。そして，一方の電池セルの負極集電
体３と他方の電池セルの正極集電体４との間には，電気
絶縁性のセパレータ６を設けて，上記の各電池セル７０
を電気的に区画している。
【００１０】各電池セルにおいては，図８，図７（ｄ）
に示すごとく，水素ガスは，燃料極（負極）１で酸化さ
れ，プロトンと電子とを生成する。これらは，酸素極
（正極）２に供給されて酸素を還元して，水を生成す
る。このとき，プロトンは電解質膜５を，電子は外部回
路８を通って，酸素極２に移動する。このようにして，
電気エネルギーが外部に取り出される。尚，低温型燃料
電池で使用されなかった水素ガスは，戻しパイプ７９に
より再度改質器９０へ戻される。
に示すごとく，水素ガスは，燃料極（負極）１で酸化さ
れ，プロトンと電子とを生成する。これらは，酸素極
（正極）２に供給されて酸素を還元して，水を生成す
る。このとき，プロトンは電解質膜５を，電子は外部回
路８を通って，酸素極２に移動する。このようにして，
電気エネルギーが外部に取り出される。尚，低温型燃料
電池で使用されなかった水素ガスは，戻しパイプ７９に
より再度改質器９０へ戻される。
【００１１】
【解決しようとする課題】しかしながら，上記従来の低
温型燃料電池においては，上述のようにＣＯ濃度を低減
させるために，改質部９１，シフト反応部９２及びＣＯ
酸化部９３からなる各種の触媒反応部を設けている。そ
のため，改質器９が大型となる。また，図７に示すごと
く，各種の反応を連携して行っているため，各々の反応
の制御が複雑となり，燃料電池のコスト高をもたらす。
温型燃料電池においては，上述のようにＣＯ濃度を低減
させるために，改質部９１，シフト反応部９２及びＣＯ
酸化部９３からなる各種の触媒反応部を設けている。そ
のため，改質器９が大型となる。また，図７に示すごと
く，各種の反応を連携して行っているため，各々の反応
の制御が複雑となり，燃料電池のコスト高をもたらす。
【００１２】また，ＣＯにより被毒した負極触媒層（Ｐ
ｔ）１２は，酸素を作用させると活性が戻る。そこで，
ＣＯ濃度１００ｐｐｍ（乾きガス基準）の場合には水素
ガスの中に約２％のクリーニング用空気を導入すること
が考えられる。また，クリーニング用の純水素を通じる
ことによっても，負極触媒層を活性化させることができ
る。しかし，この場合には，負極触媒層１２に対して，
上記クリーニング用空気を導入するため，クリーニング
制御系が必要となる。
ｔ）１２は，酸素を作用させると活性が戻る。そこで，
ＣＯ濃度１００ｐｐｍ（乾きガス基準）の場合には水素
ガスの中に約２％のクリーニング用空気を導入すること
が考えられる。また，クリーニング用の純水素を通じる
ことによっても，負極触媒層を活性化させることができ
る。しかし，この場合には，負極触媒層１２に対して，
上記クリーニング用空気を導入するため，クリーニング
制御系が必要となる。
【００１３】また，ＣＯ酸化部９３においては，ＣＯの
酸化と同時に一部の水素も酸化されてしまい，燃料電池
での水素利用率が低下する。また，この酸化反応の際に
生ずる発熱によって，ＣＯ酸化部９３の温度が高くなる
と，水素の消費量も高くなる。そのため，ＣＯを酸化す
るための空気を大量に導入する必要を生じてしまう。
酸化と同時に一部の水素も酸化されてしまい，燃料電池
での水素利用率が低下する。また，この酸化反応の際に
生ずる発熱によって，ＣＯ酸化部９３の温度が高くなる
と，水素の消費量も高くなる。そのため，ＣＯを酸化す
るための空気を大量に導入する必要を生じてしまう。
【００１４】また，ＣＯ平衡濃度は１００℃でも１００
ｐｐｍ以上（乾きガス基準；水蒸気／メタノール（モル
比）＝１．１〜３）である。そのため，ＣＯ酸化部９３
を冷却して，ＣＯ酸化反応の平衡をＣＯ2 生成側に移動
させる必要がある。従って，空気量制御システム及び温
度制御システム（空冷，水冷又は油冷等）が必要とな
る。更に，均一に反応させるため，少量の空気を均一に
分散させなければならない。
ｐｐｍ以上（乾きガス基準；水蒸気／メタノール（モル
比）＝１．１〜３）である。そのため，ＣＯ酸化部９３
を冷却して，ＣＯ酸化反応の平衡をＣＯ2 生成側に移動
させる必要がある。従って，空気量制御システム及び温
度制御システム（空冷，水冷又は油冷等）が必要とな
る。更に，均一に反応させるため，少量の空気を均一に
分散させなければならない。
【００１５】また，ＣＯ酸化部９３においてＡｕ系触媒
を用いる場合には，酸化反応が不均一となり，一部に水
が発生する。そのため，水漏れが発生するおそれがあ
る。水がＡｕ系触媒を覆うと，反応すべきガスがＡｕ系
触媒に到達しないか，または，非常に到達しにくくな
る。また，Ａｕ系触媒の一部に水漏れが生ずると，その
周囲の水蒸気圧が高くなりやすく，また，毛細管現象の
ごとく除々に水漏れ領域が拡大することが多い。このた
め，Ａｕ系触媒の活性領域の減少又は消滅をもたらす。
さらには，空間速度が小さくなり，多量のＡｕを使用す
る必要があり，コスト高となる。
を用いる場合には，酸化反応が不均一となり，一部に水
が発生する。そのため，水漏れが発生するおそれがあ
る。水がＡｕ系触媒を覆うと，反応すべきガスがＡｕ系
触媒に到達しないか，または，非常に到達しにくくな
る。また，Ａｕ系触媒の一部に水漏れが生ずると，その
周囲の水蒸気圧が高くなりやすく，また，毛細管現象の
ごとく除々に水漏れ領域が拡大することが多い。このた
め，Ａｕ系触媒の活性領域の減少又は消滅をもたらす。
さらには，空間速度が小さくなり，多量のＡｕを使用す
る必要があり，コスト高となる。
【００１６】本発明はかかる従来の問題点に鑑み，水素
ガス中のＣＯ濃度を極少とし，かつコンパクト化及び低
コスト化を図ることができる低温型燃料電池を提供しよ
うとするものである。
ガス中のＣＯ濃度を極少とし，かつコンパクト化及び低
コスト化を図ることができる低温型燃料電池を提供しよ
うとするものである。
【００１７】
【課題の解決手段】請求項１に記載の発明は，固体高分
子よりなる電解質膜と，該電解質膜を挟むように配置し
た燃料極及び酸素極と，上記燃料極に対面して設けた燃
料ガス供給路を有する負極集電体と，上記酸素極に対面
して設けた酸素ガス供給路を有する正極集電体とを有す
る低温型燃料電池において，上記燃料極は，上記電解質
膜に対面して設けた負極触媒層と，該負極触媒層と上記
燃料ガス供給路との間に設けた燃料ガス拡散層とを有
し，かつ該燃料ガス拡散層には，ＣＯを選択的に酸化す
るＣＯ選択酸化触媒が含有されていることを特徴とする
低温型燃料電池である。
子よりなる電解質膜と，該電解質膜を挟むように配置し
た燃料極及び酸素極と，上記燃料極に対面して設けた燃
料ガス供給路を有する負極集電体と，上記酸素極に対面
して設けた酸素ガス供給路を有する正極集電体とを有す
る低温型燃料電池において，上記燃料極は，上記電解質
膜に対面して設けた負極触媒層と，該負極触媒層と上記
燃料ガス供給路との間に設けた燃料ガス拡散層とを有
し，かつ該燃料ガス拡散層には，ＣＯを選択的に酸化す
るＣＯ選択酸化触媒が含有されていることを特徴とする
低温型燃料電池である。
【００１８】本発明において最も注目すべきことは，負
極触媒層と上記燃料ガス供給路との間に，ＣＯ選択酸化
触媒を含有した燃料ガス拡散層を設けたことである。
極触媒層と上記燃料ガス供給路との間に，ＣＯ選択酸化
触媒を含有した燃料ガス拡散層を設けたことである。
【００１９】次に，本発明の作用効果について説明す
る。本発明において，上記燃料ガス拡散層に設けたＣＯ
選択酸化触媒は，改質器で副生成物として生成したＣＯ
をＣＯ2 に変換することによって，水素ガス中のＣＯ濃
度を，乾きガス中で１０ｐｐｍ以下まで低減させること
ができる。そのため，従来の改質器に装備していたシフ
ト反応及びＣＯ酸化部が不要となり，改質器のコンパク
ト化を図ることができる（図２と図６とを比較）。
る。本発明において，上記燃料ガス拡散層に設けたＣＯ
選択酸化触媒は，改質器で副生成物として生成したＣＯ
をＣＯ2 に変換することによって，水素ガス中のＣＯ濃
度を，乾きガス中で１０ｐｐｍ以下まで低減させること
ができる。そのため，従来の改質器に装備していたシフ
ト反応及びＣＯ酸化部が不要となり，改質器のコンパク
ト化を図ることができる（図２と図６とを比較）。
【００２０】また，従来においては，改質器にはＣＯ酸
化用空気を，また負極触媒層にはクリーニング用空気を
それぞれ別個に導入していたが，本発明においては，ク
リーニング用空気が不要となり，燃料ガス拡散層に対し
てＣＯ選択酸化用空気を導入するだけでよい。従って，
空気導入システムを簡素化して低温型燃料電池のコスト
の低減化を図ることができる。
化用空気を，また負極触媒層にはクリーニング用空気を
それぞれ別個に導入していたが，本発明においては，ク
リーニング用空気が不要となり，燃料ガス拡散層に対し
てＣＯ選択酸化用空気を導入するだけでよい。従って，
空気導入システムを簡素化して低温型燃料電池のコスト
の低減化を図ることができる。
【００２１】また，低温型燃料電池は，低温作動のた
め，水冷または空冷の温度制御が行われている。そのた
め，ＣＯ選択酸化触媒も冷却されて，ＣＯの酸化反応に
より発生する熱も効率的に除去され，ＣＯの酸化が一層
促進される。そのため，負極触媒層へ導入する水素ガス
中のＣＯ濃度を極少化することができる。また，ＣＯ選
択酸化触媒の冷却のためだけの特別な温度制御が不要と
なり，燃料電池のコンパクト化を図ることができる。
め，水冷または空冷の温度制御が行われている。そのた
め，ＣＯ選択酸化触媒も冷却されて，ＣＯの酸化反応に
より発生する熱も効率的に除去され，ＣＯの酸化が一層
促進される。そのため，負極触媒層へ導入する水素ガス
中のＣＯ濃度を極少化することができる。また，ＣＯ選
択酸化触媒の冷却のためだけの特別な温度制御が不要と
なり，燃料電池のコンパクト化を図ることができる。
【００２２】また，上記燃料ガス拡散層は，燃料ガスで
ある水素ガスを負極触媒層に均一に拡散させる性質を有
する。そのため，均一に発電反応が起こり，一定の電圧
を安定して供給することができる。また，改質部におい
て改質ガスの流量変化又は温度変化が生じてＣＯ濃度が
変化しても，ＣＯ酸化のために導入する空気量は改質ガ
ス量の約５〜２０％の定率で良い。また，ＣＯ及び水素
の酸化に伴う発熱量の変化も燃料電池の温度制御システ
ムで吸収できる。そのため，発電システムの負荷追従性
を向上させることができる。
ある水素ガスを負極触媒層に均一に拡散させる性質を有
する。そのため，均一に発電反応が起こり，一定の電圧
を安定して供給することができる。また，改質部におい
て改質ガスの流量変化又は温度変化が生じてＣＯ濃度が
変化しても，ＣＯ酸化のために導入する空気量は改質ガ
ス量の約５〜２０％の定率で良い。また，ＣＯ及び水素
の酸化に伴う発熱量の変化も燃料電池の温度制御システ
ムで吸収できる。そのため，発電システムの負荷追従性
を向上させることができる。
【００２３】また，本発明の中のＣＯ選択酸化触媒は室
温〜９０℃と比較的低温で作動する。また，スタートア
ップの際に，改質ガスを本発明のガス拡散層に導入する
と，主にＣＯの酸化反応熱で，燃料電池本体の最適温度
までの昇温を早めることができる。そのため，スタート
アップ時の燃料ガス拡散層の余熱が不要である。
温〜９０℃と比較的低温で作動する。また，スタートア
ップの際に，改質ガスを本発明のガス拡散層に導入する
と，主にＣＯの酸化反応熱で，燃料電池本体の最適温度
までの昇温を早めることができる。そのため，スタート
アップ時の燃料ガス拡散層の余熱が不要である。
【００２４】そして，上記ＣＯ選択酸化触媒は，例え
ば，請求項２に記載のように，触媒成分と，該触媒成分
を担持する担体とよりなる。上記触媒成分としては，例
えば，請求項３に記載のように，金超微粒子，金とVIII
属貴金属との合金，金とVIII属貴金属との混合物，金と
銀との合金，金と銀との混合物，金と卑金属との合金，
又は金と卑金属との混合物の少なくともいずれかを用い
ることが好ましい。これらは，金（Ａｕ）を含有してい
るため，優れたＣＯ選択酸化性能を発揮することができ
る。上記VIII属貴金属としては，例えば，Ｐｔ，Ｐｄ，
Ｒｕ，Ｒｈ，Ｉｒを用いることができる。上記卑金属と
しては，Ｆｅ，Ｍｎ，ＣＯ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｚｒ等のＣＯ
選択酸化能を有する金属を用いることができる。
ば，請求項２に記載のように，触媒成分と，該触媒成分
を担持する担体とよりなる。上記触媒成分としては，例
えば，請求項３に記載のように，金超微粒子，金とVIII
属貴金属との合金，金とVIII属貴金属との混合物，金と
銀との合金，金と銀との混合物，金と卑金属との合金，
又は金と卑金属との混合物の少なくともいずれかを用い
ることが好ましい。これらは，金（Ａｕ）を含有してい
るため，優れたＣＯ選択酸化性能を発揮することができ
る。上記VIII属貴金属としては，例えば，Ｐｔ，Ｐｄ，
Ｒｕ，Ｒｈ，Ｉｒを用いることができる。上記卑金属と
しては，Ｆｅ，Ｍｎ，ＣＯ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｚｒ等のＣＯ
選択酸化能を有する金属を用いることができる。
【００２５】また，上記触媒成分としては，請求項４に
記載のように，ＡｕとＦｅ2 Ｏ3 との混合物を用いるこ
とができる。更に，上記触媒成分としては，請求項５に
記載のように，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｕ，Ｒｈ等のVIII属貴金
属と，Ｆｅ，Ｍｎ，Ｃｏ等の遷移金属酸化物とからなる
合金又は混合物を用いることもできる。また，担体とし
ては，例えば，請求項６に記載のように，Ｆｅ2 Ｏ3 ，
ＣｏＯ，ＮｉＯ，Ａｌ2 Ｏ3 ，ＴｉＯ2 ，ＺｒＯ2 及び
ＳｉＯ2 のグループから選ばれる１種又は２種以上を用
いる。
記載のように，ＡｕとＦｅ2 Ｏ3 との混合物を用いるこ
とができる。更に，上記触媒成分としては，請求項５に
記載のように，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｕ，Ｒｈ等のVIII属貴金
属と，Ｆｅ，Ｍｎ，Ｃｏ等の遷移金属酸化物とからなる
合金又は混合物を用いることもできる。また，担体とし
ては，例えば，請求項６に記載のように，Ｆｅ2 Ｏ3 ，
ＣｏＯ，ＮｉＯ，Ａｌ2 Ｏ3 ，ＴｉＯ2 ，ＺｒＯ2 及び
ＳｉＯ2 のグループから選ばれる１種又は２種以上を用
いる。
【００２６】更に，請求項７に記載のように，上記ＣＯ
選択酸化触媒において，触媒成分としてはＡｕを，担体
としてはＦｅ2 Ｏ3 を用いることが好ましい。これによ
り，ＣＯ選択酸化触媒の上記ＣＯ選択酸化性能を最大限
に発揮させることができる。
選択酸化触媒において，触媒成分としてはＡｕを，担体
としてはＦｅ2 Ｏ3 を用いることが好ましい。これによ
り，ＣＯ選択酸化触媒の上記ＣＯ選択酸化性能を最大限
に発揮させることができる。
【００２７】更に，請求項８に記載のように，ＣＯ選択
酸化触媒が金を含有しており，かつ，ＣＯ選択酸化触媒
中における金の含有率は０．１〜５０重量％であること
が好ましい。０．１重量％未満の場合には，ＣＯ選択酸
化作用が低下するおそれがある。一方，５０重量％を越
える場合には，触媒の分散性が悪化し，活性低下のおそ
れがあるとともに，全体として，非常に高価になるおそ
れがある。
酸化触媒が金を含有しており，かつ，ＣＯ選択酸化触媒
中における金の含有率は０．１〜５０重量％であること
が好ましい。０．１重量％未満の場合には，ＣＯ選択酸
化作用が低下するおそれがある。一方，５０重量％を越
える場合には，触媒の分散性が悪化し，活性低下のおそ
れがあるとともに，全体として，非常に高価になるおそ
れがある。
【００２８】更に，ＣＯ選択酸化触媒における金の含有
率は，１〜１０重量％であることがより一層好ましい。
１重量％未満の場合には，燃料ガス拡散層の出口ガスに
おけるＣＯ濃度が１０ｐｐｍを越えるおそれがある。一
方，１０重量％を越える場合には，触媒の高分散性が損
なわれ，十分な触媒活性が得られないおそれがある。ま
た，水素の酸化が進行しやすくなるおそれがある。
率は，１〜１０重量％であることがより一層好ましい。
１重量％未満の場合には，燃料ガス拡散層の出口ガスに
おけるＣＯ濃度が１０ｐｐｍを越えるおそれがある。一
方，１０重量％を越える場合には，触媒の高分散性が損
なわれ，十分な触媒活性が得られないおそれがある。ま
た，水素の酸化が進行しやすくなるおそれがある。
【００２９】また，請求項９に記載のように，上記燃料
ガス拡散層は，例えば，上記ＣＯ選択酸化触媒に加え
て，更に導電物質と撥水性物質とを混合してなる成形体
であることが好ましい。これにより，燃料極における水
濡れを防止することができ，常に高い発電活性を維持す
ることができる。
ガス拡散層は，例えば，上記ＣＯ選択酸化触媒に加え
て，更に導電物質と撥水性物質とを混合してなる成形体
であることが好ましい。これにより，燃料極における水
濡れを防止することができ，常に高い発電活性を維持す
ることができる。
【００３０】上記導電物質としては，例えば，カーボン
ブラック，黒鉛粉，カーボンペーパー，カーボンクロ
ス，カーボンフェルト等の炭素系物質，及び導電性を有
する金属粉末のグループから選ばれる１種又は２種以上
のを用いることができる。上記撥水性物質としては，例
えば，ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等のフ
ッ化炭素系ポリマー，フッ素系界面活性剤，ポリエチレ
ン及びポリプロピレンのグループから選ばれる１種又は
２種以上のを用いることができる。
ブラック，黒鉛粉，カーボンペーパー，カーボンクロ
ス，カーボンフェルト等の炭素系物質，及び導電性を有
する金属粉末のグループから選ばれる１種又は２種以上
のを用いることができる。上記撥水性物質としては，例
えば，ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等のフ
ッ化炭素系ポリマー，フッ素系界面活性剤，ポリエチレ
ン及びポリプロピレンのグループから選ばれる１種又は
２種以上のを用いることができる。
【００３１】これら３者からなる燃料ガス拡散層は，例
えば，以下の配合比により混合されている。「ＣＯ選択
酸化触媒」と「導電物質及び撥水性物質の混合物」との
配合割合は，重量比で，１０：１〜１：１０の範囲にあ
ることが好ましい。ＣＯ選択酸化触媒の重量比が上記の
下限よりも少ない場合には，燃料ガス拡散層のＣＯ選択
酸化性能が低下するおそれがある。一方，ＣＯ選択酸化
触媒の重量比が上記の上限よりも多くなる場合には，ガ
スの拡散を損なうとともに電気抵抗増大による発熱，撥
水性低下による水漏れが発生するおそれがある。
えば，以下の配合比により混合されている。「ＣＯ選択
酸化触媒」と「導電物質及び撥水性物質の混合物」との
配合割合は，重量比で，１０：１〜１：１０の範囲にあ
ることが好ましい。ＣＯ選択酸化触媒の重量比が上記の
下限よりも少ない場合には，燃料ガス拡散層のＣＯ選択
酸化性能が低下するおそれがある。一方，ＣＯ選択酸化
触媒の重量比が上記の上限よりも多くなる場合には，ガ
スの拡散を損なうとともに電気抵抗増大による発熱，撥
水性低下による水漏れが発生するおそれがある。
【００３２】更に，ＣＯ選択酸化触媒と上記混合物との
配合割合は重量比で，１：３〜５：１であることがより
一層好ましい。ＣＯ選択酸化触媒の重量比が上記の下限
よりも少ない場合には，燃料ガス拡散層の出口ガスにお
けるＣＯ濃度が１０ｐｐｍを越えるおそれがある。一
方，ＣＯ選択酸化触媒の重量比が上記の上限よりも多く
なる場合には，電気抵抗増大による発熱，撥水性低下に
よる水漏れが発生するおそれがある。また，ガスの拡散
がやや損なわれ均一な発電反応が妨げられる。
配合割合は重量比で，１：３〜５：１であることがより
一層好ましい。ＣＯ選択酸化触媒の重量比が上記の下限
よりも少ない場合には，燃料ガス拡散層の出口ガスにお
けるＣＯ濃度が１０ｐｐｍを越えるおそれがある。一
方，ＣＯ選択酸化触媒の重量比が上記の上限よりも多く
なる場合には，電気抵抗増大による発熱，撥水性低下に
よる水漏れが発生するおそれがある。また，ガスの拡散
がやや損なわれ均一な発電反応が妨げられる。
【００３３】また，導電物質と撥水性物質との配合割合
は重量比で２０：１〜１：４であることが好ましい。導
電物質が上記の下限よりも少ない場合には，燃料電池の
内部抵抗が増大して，電池電圧が低下するおそれがあ
る。一方，導電物質が上記の上限よりも多い場合には，
撥水性物質の量が少なくなり，反応ガスの通路が水によ
り塞がるおそれがある。塞がった場合には，ＣＯの酸化
反応のみならず，水素のイオン化反応も停止し，電池電
圧が急激に低下してしまう。更に，導電物質と撥水性物
質との配合割合は重量比で１０：１〜１：１であること
が好ましい。これにより，電池電圧が高く，反応ガス通
過のための十分な通路空間を確保することができる。
は重量比で２０：１〜１：４であることが好ましい。導
電物質が上記の下限よりも少ない場合には，燃料電池の
内部抵抗が増大して，電池電圧が低下するおそれがあ
る。一方，導電物質が上記の上限よりも多い場合には，
撥水性物質の量が少なくなり，反応ガスの通路が水によ
り塞がるおそれがある。塞がった場合には，ＣＯの酸化
反応のみならず，水素のイオン化反応も停止し，電池電
圧が急激に低下してしまう。更に，導電物質と撥水性物
質との配合割合は重量比で１０：１〜１：１であること
が好ましい。これにより，電池電圧が高く，反応ガス通
過のための十分な通路空間を確保することができる。
【００３４】また，請求項１０に記載のように，上記燃
料ガス拡散層の厚みは，０．１〜１ｍｍであることが好
ましい。０．１ｍｍ未満の場合には，燃料ガスである水
素ガスが電極表面全体に拡散しにくく，ＣＯの吹き抜け
により，電池電圧が低下してしまうおそれがある。一
方，１ｍｍを越える場合には，燃料電池全体が大きくな
る場合があり，燃料電池の内部抵抗も増加するおそれが
ある。
料ガス拡散層の厚みは，０．１〜１ｍｍであることが好
ましい。０．１ｍｍ未満の場合には，燃料ガスである水
素ガスが電極表面全体に拡散しにくく，ＣＯの吹き抜け
により，電池電圧が低下してしまうおそれがある。一
方，１ｍｍを越える場合には，燃料電池全体が大きくな
る場合があり，燃料電池の内部抵抗も増加するおそれが
ある。
【００３５】更に，上記燃料ガス拡散層の厚みは，０．
２〜０．６ｍｍであることがより一層好ましい。これに
より，水素ガスが電極表面全体に均一に拡散し，また，
ＣＯの殆どが酸化されて高い電池電圧が得られる。ま
た，燃料電池のコンパクト化，内部抵抗の抑制を図るこ
とができる。
２〜０．６ｍｍであることがより一層好ましい。これに
より，水素ガスが電極表面全体に均一に拡散し，また，
ＣＯの殆どが酸化されて高い電池電圧が得られる。ま
た，燃料電池のコンパクト化，内部抵抗の抑制を図るこ
とができる。
【００３６】また，請求項１１に記載のように，上記燃
料ガス拡散層と負極触媒層との間には，燃料ガスを負極
触媒層の表面全体に拡散させるための第２拡散層を設け
ることが好ましい。第２拡散層は，水素ガスを負極触媒
層表面に均一に拡散させることができるものであり，例
えば，上記燃料ガス拡散層の構成要素である導電物質又
は撥水性物質の少なくともいずれかにより形成される。
上記第２拡散層を設けることにより，水素ガスの拡散性
を更に向上させることができる。
料ガス拡散層と負極触媒層との間には，燃料ガスを負極
触媒層の表面全体に拡散させるための第２拡散層を設け
ることが好ましい。第２拡散層は，水素ガスを負極触媒
層表面に均一に拡散させることができるものであり，例
えば，上記燃料ガス拡散層の構成要素である導電物質又
は撥水性物質の少なくともいずれかにより形成される。
上記第２拡散層を設けることにより，水素ガスの拡散性
を更に向上させることができる。
【００３７】
実施形態例１ 本発明の実施形態例にかかる低温型燃料電池について，
図１〜図３を用いて説明する。本例の低温型燃料電池７
の基本構成は，従来例と同様である（図８参照）。
図１〜図３を用いて説明する。本例の低温型燃料電池７
の基本構成は，従来例と同様である（図８参照）。
【００３８】本例においては，図１に示すごとく，負極
触媒層１２と燃料ガス供給路３１との間に設けた燃料ガ
ス拡散層１１に，ＣＯを選択的に酸化するＣＯ選択酸化
触媒を含有させた点で，従来例と異なる。ＣＯ選択酸化
触媒は，触媒成分であるＡｕを，Ｆｅ2 Ｏ3 からなる担
体に担持したＡｕ／Ｆｅ2 Ｏ3 触媒である。ＣＯ選択酸
化触媒におけるＡｕの含有率は，０．１〜５０重量％で
ある。
触媒層１２と燃料ガス供給路３１との間に設けた燃料ガ
ス拡散層１１に，ＣＯを選択的に酸化するＣＯ選択酸化
触媒を含有させた点で，従来例と異なる。ＣＯ選択酸化
触媒は，触媒成分であるＡｕを，Ｆｅ2 Ｏ3 からなる担
体に担持したＡｕ／Ｆｅ2 Ｏ3 触媒である。ＣＯ選択酸
化触媒におけるＡｕの含有率は，０．１〜５０重量％で
ある。
【００３９】燃料ガス拡散層１１は，上記ＣＯ選択酸化
触媒に加えて，導電物質と撥水性物質とを混合してなる
成形体である。導電物質としてはカーボンブラックを，
撥水性物質としてはＰＴＦＥを用いる。「ＣＯ選択酸化
触媒」と「導電物質及び撥水性物質の混合物」との配合
割合は，重量比で，１０：１〜１：１０である。導電物
質と撥水性物質との配合割合は重量比で２０：１〜１：
４である。燃料ガス拡散層の厚みは，０．１〜１ｍｍで
ある。負極集電体３としては，カーボンブラックを用い
る。負極触媒層１２としては，Ｐｔを多孔質体に担持し
成形したものを用いる。
触媒に加えて，導電物質と撥水性物質とを混合してなる
成形体である。導電物質としてはカーボンブラックを，
撥水性物質としてはＰＴＦＥを用いる。「ＣＯ選択酸化
触媒」と「導電物質及び撥水性物質の混合物」との配合
割合は，重量比で，１０：１〜１：１０である。導電物
質と撥水性物質との配合割合は重量比で２０：１〜１：
４である。燃料ガス拡散層の厚みは，０．１〜１ｍｍで
ある。負極集電体３としては，カーボンブラックを用い
る。負極触媒層１２としては，Ｐｔを多孔質体に担持し
成形したものを用いる。
【００４０】また，本例においては，従来例で説明した
正極集電体４として，カーボンブラックを用いる（図８
参照）。酸素ガス拡散層２１の厚みは，０．２〜０．５
ｍｍである。正極触媒層２２としては，Ｐｔを多孔質体
に担持し成形したものを用いる。電解質膜５としては，
固体高分子であるパーフルオロスルフォン酸ポリマーを
用いる。
正極集電体４として，カーボンブラックを用いる（図８
参照）。酸素ガス拡散層２１の厚みは，０．２〜０．５
ｍｍである。正極触媒層２２としては，Ｐｔを多孔質体
に担持し成形したものを用いる。電解質膜５としては，
固体高分子であるパーフルオロスルフォン酸ポリマーを
用いる。
【００４１】また，本例の低温型燃料電池７は水冷温度
制御が行われている。水冷温度制御の具体的構成は，循
環水ポンプ，ラジエーター，燃料電池入口出口における
温度検出器，コントローラから成る。入口出口の水温デ
ータに基づいて循環水流量を制御し，ラジエーターでの
放熱量を最適に保つことにより，燃料電池の温度制御を
行う。通常は，６０〜８０℃に制御する。
制御が行われている。水冷温度制御の具体的構成は，循
環水ポンプ，ラジエーター，燃料電池入口出口における
温度検出器，コントローラから成る。入口出口の水温デ
ータに基づいて循環水流量を制御し，ラジエーターでの
放熱量を最適に保つことにより，燃料電池の温度制御を
行う。通常は，６０〜８０℃に制御する。
【００４２】次に，上記低温型燃料電池７の燃料極１
に，水素ガスを含む改質ガスを供給した。改質ガスは，
図２に示すごとく，メタノールと水蒸気とからなる原料
ガス（水蒸気／メタノール（モル比）＝１．５）を改質
器９に導入して，改質温度３００℃の改質反応（図７
（ａ）参照）により生成したガスである。
に，水素ガスを含む改質ガスを供給した。改質ガスは，
図２に示すごとく，メタノールと水蒸気とからなる原料
ガス（水蒸気／メタノール（モル比）＝１．５）を改質
器９に導入して，改質温度３００℃の改質反応（図７
（ａ）参照）により生成したガスである。
【００４３】上記原料の内，約９６％（重量％を意味す
る。以下，同様。）が改質された。この改質ガスの組成
は，Ｈ2 ：６６％，ＣＯ2 ：２２％，Ｈ2 Ｏ：１０％，
ＣＯ：１．５％，ＣＨ3 ＯＨ：１％である。
る。以下，同様。）が改質された。この改質ガスの組成
は，Ｈ2 ：６６％，ＣＯ2 ：２２％，Ｈ2 Ｏ：１０％，
ＣＯ：１．５％，ＣＨ3 ＯＨ：１％である。
【００４４】上記改質ガスは，上記原料ガスを余熱冷却
するための熱交換器を経て，６０℃まで冷却する。冷却
した改質ガスには，図２に示すように，ＣＯ選択酸化用
空気導入する。ＣＯ選択酸化用空気の導入量は，乾き状
態の上記改質ガス（Ｈ2 Ｏを除く。）に対して，５〜２
０％とする。そして，このＣＯ選択酸化用空気を混入し
た燃料ガスを，低温型燃料電池の燃料極１の燃料ガス供
給路３１に供給する（図２）。
するための熱交換器を経て，６０℃まで冷却する。冷却
した改質ガスには，図２に示すように，ＣＯ選択酸化用
空気導入する。ＣＯ選択酸化用空気の導入量は，乾き状
態の上記改質ガス（Ｈ2 Ｏを除く。）に対して，５〜２
０％とする。そして，このＣＯ選択酸化用空気を混入し
た燃料ガスを，低温型燃料電池の燃料極１の燃料ガス供
給路３１に供給する（図２）。
【００４５】上記燃料ガスは，図１，図２に示すごと
く，燃料極１における燃料ガス拡散層１１に到達し，こ
こで，ＣＯ選択酸化触媒によって上記の混入した空気と
ＣＯとが反応する。これにより，ＣＯは酸化されてＣＯ
2 となる。燃料ガス拡散層１１を通過した出口ガスの組
成は，ＣＯ選択酸化空気が乾き状態の改質ガスに対して
１０％であるとき，おおよそＨ2 ：６０％，ＣＯ2 ：２
０％，Ｈ2 Ｏ：１１％，ＣＯ：＜１０ｐｐｍ，ＣＨ3 Ｏ
Ｈ＜０．１％，Ｏ2 ＜０．２％，Ｎ2 ：８％である。
く，燃料極１における燃料ガス拡散層１１に到達し，こ
こで，ＣＯ選択酸化触媒によって上記の混入した空気と
ＣＯとが反応する。これにより，ＣＯは酸化されてＣＯ
2 となる。燃料ガス拡散層１１を通過した出口ガスの組
成は，ＣＯ選択酸化空気が乾き状態の改質ガスに対して
１０％であるとき，おおよそＨ2 ：６０％，ＣＯ2 ：２
０％，Ｈ2 Ｏ：１１％，ＣＯ：＜１０ｐｐｍ，ＣＨ3 Ｏ
Ｈ＜０．１％，Ｏ2 ＜０．２％，Ｎ2 ：８％である。
【００４６】そのため，ＣＯ濃度は十分に小さく，Ｏ2
濃度もＨ2 のイオン化を阻害するほど大きくはない。ま
た，微量のＯ2 は負極触媒層１２のクリーニング作用に
有効である。このように，上記ＣＯ選択酸化触媒を有す
る燃料ガス拡散層１１を設けることにより，ＣＯ濃度を
１０ｐｐｍ以下にすることができ，良好な発電反応を継
続して行うことができる。
濃度もＨ2 のイオン化を阻害するほど大きくはない。ま
た，微量のＯ2 は負極触媒層１２のクリーニング作用に
有効である。このように，上記ＣＯ選択酸化触媒を有す
る燃料ガス拡散層１１を設けることにより，ＣＯ濃度を
１０ｐｐｍ以下にすることができ，良好な発電反応を継
続して行うことができる。
【００４７】次に，本例の低温型燃料電池について，Ｃ
Ｏ選択酸化触媒（Ａｕ／Ｆｅ2 Ｏ3触媒）の触媒活性を
測定した。燃料極に供給する燃料ガスは，改質ガスに空
気を１０％混入し，負極触媒層の温度よりも１０℃低い
バブリング層，つまり加湿器に通すことにより，加湿し
て得た。
Ｏ選択酸化触媒（Ａｕ／Ｆｅ2 Ｏ3触媒）の触媒活性を
測定した。燃料極に供給する燃料ガスは，改質ガスに空
気を１０％混入し，負極触媒層の温度よりも１０℃低い
バブリング層，つまり加湿器に通すことにより，加湿し
て得た。
【００４８】改質ガスとしては，図３に示すごとく，組
成がＨ2 ：７５％，ＣＯ2 ：２４．９％，ＣＯ：０．１
％のガスと，組成がＨ2 ：７５％，ＣＯ2 ：２４％，Ｃ
Ｏ：１％のガスとの２種類を用いる。加湿した上記燃料
ガスは，空気を混入したメタノール水蒸気改質ガスを模
したものである。
成がＨ2 ：７５％，ＣＯ2 ：２４．９％，ＣＯ：０．１
％のガスと，組成がＨ2 ：７５％，ＣＯ2 ：２４％，Ｃ
Ｏ：１％のガスとの２種類を用いる。加湿した上記燃料
ガスは，空気を混入したメタノール水蒸気改質ガスを模
したものである。
【００４９】燃料ガスにおけるＣＯ濃度は，１０ｃｃの
ペレット触媒（東洋ＣＣＩ社製の商品名ＡＵＳ，直径約
３ｍｍ）を，直径１０ｍｍのステンレス管に充填し，大
気圧下で測定した。ペレット触媒のＡｕとＦｅとの原子
比は，５：９５である。その結果を図３に示した。
ペレット触媒（東洋ＣＣＩ社製の商品名ＡＵＳ，直径約
３ｍｍ）を，直径１０ｍｍのステンレス管に充填し，大
気圧下で測定した。ペレット触媒のＡｕとＦｅとの原子
比は，５：９５である。その結果を図３に示した。
【００５０】図３の横軸は空間速度，縦軸は負極触媒層
の温度を示し，図中の右下がり斜線領域は，ＣＯ濃度が
１．０％の燃料ガスを供給した場合に，ＣＯ濃度を１０
ｐｐｍ以下にすることができる範囲である。一方，左下
がり斜線領域は，ＣＯ濃度が０．１％の燃料ガスを供給
した場合に，ＣＯ濃度を１０ｐｐｍ以下にすることがで
きる範囲である。
の温度を示し，図中の右下がり斜線領域は，ＣＯ濃度が
１．０％の燃料ガスを供給した場合に，ＣＯ濃度を１０
ｐｐｍ以下にすることができる範囲である。一方，左下
がり斜線領域は，ＣＯ濃度が０．１％の燃料ガスを供給
した場合に，ＣＯ濃度を１０ｐｐｍ以下にすることがで
きる範囲である。
【００５１】図３より知られるように，改質ガスのＣＯ
濃度が１．０％，０．１％のいずれの場合にも，負極触
媒層の温度が３５〜８５℃と低温で，素早くＣＯを酸化
した。ＣＯ濃度が０．１％と薄い場合には，ＣＯ濃度が
１．０％の場合に比べて，更に素早くＣＯを酸化した。
この２〜３×１０3 ｈ-1という空間速度（乾きガス基
準）は，低温型燃料電池の通常の使用状態での燃料ガス
拡散層を通過する燃料ガスの通過速度と同程度，また
は，やや遅い。
濃度が１．０％，０．１％のいずれの場合にも，負極触
媒層の温度が３５〜８５℃と低温で，素早くＣＯを酸化
した。ＣＯ濃度が０．１％と薄い場合には，ＣＯ濃度が
１．０％の場合に比べて，更に素早くＣＯを酸化した。
この２〜３×１０3 ｈ-1という空間速度（乾きガス基
準）は，低温型燃料電池の通常の使用状態での燃料ガス
拡散層を通過する燃料ガスの通過速度と同程度，また
は，やや遅い。
【００５２】本発明のガス拡散層を通過するガスは，改
質ガス全体の水素利用率分，すなわち，通常の燃料電池
で８０％以下でよい。また，ＣＯ2 は発電反応にもＣＯ
選択酸化にも寄与しない。そのため，ＣＯ2 のように分
子量の大きなガス成分はガス通過路を流れればよく，ガ
ス拡散層を通過させる必要はない。このため，ＣＯ2ガ
ス組成分にあたる全改質ガスの約２５％，空間速度算出
時には除いてもよいと考える。すると，空間速度は全改
質ガスを処理する場合に比べて，（１／０．８）×（１
／０．７５）＝１．６７倍と考えてよいことになる。た
だし，ＣＯ2 ガス組成分すべてがガス通過路のみを流れ
ることはありえないので，この１．６７倍という値は，
理想的な最大値である。よって，実際には，（１／０．
８）＝１．２５倍から１．６７倍の間の値となるものと
推察される。
質ガス全体の水素利用率分，すなわち，通常の燃料電池
で８０％以下でよい。また，ＣＯ2 は発電反応にもＣＯ
選択酸化にも寄与しない。そのため，ＣＯ2 のように分
子量の大きなガス成分はガス通過路を流れればよく，ガ
ス拡散層を通過させる必要はない。このため，ＣＯ2ガ
ス組成分にあたる全改質ガスの約２５％，空間速度算出
時には除いてもよいと考える。すると，空間速度は全改
質ガスを処理する場合に比べて，（１／０．８）×（１
／０．７５）＝１．６７倍と考えてよいことになる。た
だし，ＣＯ2 ガス組成分すべてがガス通過路のみを流れ
ることはありえないので，この１．６７倍という値は，
理想的な最大値である。よって，実際には，（１／０．
８）＝１．２５倍から１．６７倍の間の値となるものと
推察される。
【００５３】さらに，本発明では，ガス拡散層，すなわ
ち，みかけ上，多孔質の膜の形態で，ＣＯ選択酸化触媒
を用いていることになる。このため，この膜を通過した
ガスのみが発電反応にかかわる。この直径３ｍｍのペレ
ット形状では触媒はペレットの比較的表層近傍部分でし
か反応に寄与しないのに比べて，膜を通過させる形態で
は，実質的に反応にかかわる比表面積は大きくなる。こ
のため，反応ガスが未反応のままで通過してしまう吹き
抜け現象は非常に起こりにくい。
ち，みかけ上，多孔質の膜の形態で，ＣＯ選択酸化触媒
を用いていることになる。このため，この膜を通過した
ガスのみが発電反応にかかわる。この直径３ｍｍのペレ
ット形状では触媒はペレットの比較的表層近傍部分でし
か反応に寄与しないのに比べて，膜を通過させる形態で
は，実質的に反応にかかわる比表面積は大きくなる。こ
のため，反応ガスが未反応のままで通過してしまう吹き
抜け現象は非常に起こりにくい。
【００５４】そのため，本例の低温型燃料電池は，燃料
ガスに含まれるＣＯを実使用状態で１０ｐｐｍ以下に低
減させることができるものである。そのため，高い発電
効率を長期間維持することができる。
ガスに含まれるＣＯを実使用状態で１０ｐｐｍ以下に低
減させることができるものである。そのため，高い発電
効率を長期間維持することができる。
【００５５】また，燃料ガス拡散層に設けたＣＯ選択酸
化触媒は，燃料ガス中のＣＯ濃度を１０ｐｐｍ以下まで
低減させることができる。そのため，本発明を示す図２
と従来例を示す図６との比較より知られるように，本発
明の低温型燃料電池においては，従来改質器に装備して
いたシフト反応及びＣＯ酸化部が不要となり，装置のコ
ンパクト化を図ることができる。
化触媒は，燃料ガス中のＣＯ濃度を１０ｐｐｍ以下まで
低減させることができる。そのため，本発明を示す図２
と従来例を示す図６との比較より知られるように，本発
明の低温型燃料電池においては，従来改質器に装備して
いたシフト反応及びＣＯ酸化部が不要となり，装置のコ
ンパクト化を図ることができる。
【００５６】また，従来においてはＣＯ酸化用空気導入
部とクリーニング用空気導入部とを別個に設けていた
が，本発明によれば燃料ガス拡散層に対してＣＯ選択酸
化用空気を一ヶ所の導入部より導入すればよい。そのた
め，空気導入システムの簡素化，更には低温型燃料電池
の低コスト化を図ることができる。
部とクリーニング用空気導入部とを別個に設けていた
が，本発明によれば燃料ガス拡散層に対してＣＯ選択酸
化用空気を一ヶ所の導入部より導入すればよい。そのた
め，空気導入システムの簡素化，更には低温型燃料電池
の低コスト化を図ることができる。
【００５７】また，低温型燃料電池は低温作動のため，
水冷又は空冷の温度制御が行われているため，ＣＯ選択
酸化触媒も冷却される。そのため，ＣＯの酸化が一層促
進される。従って，ＣＯ選択酸化触媒の冷却のためだけ
の特別な温度制御が不要となり，燃料電池のコンパクト
化を図ることができる。また，上記燃料ガス拡散層は，
燃料ガスである水素ガスを負極触媒層に均一に拡散させ
る性質を有する。そのため，均一に発電反応が起こり，
一定の電圧を得ることができる。
水冷又は空冷の温度制御が行われているため，ＣＯ選択
酸化触媒も冷却される。そのため，ＣＯの酸化が一層促
進される。従って，ＣＯ選択酸化触媒の冷却のためだけ
の特別な温度制御が不要となり，燃料電池のコンパクト
化を図ることができる。また，上記燃料ガス拡散層は，
燃料ガスである水素ガスを負極触媒層に均一に拡散させ
る性質を有する。そのため，均一に発電反応が起こり，
一定の電圧を得ることができる。
【００５８】実施形態例２ 本例の低温型燃料電池においては，図４に示すごとく，
燃料ガス拡散層１１の一部を，燃料ガス供給路３１の中
に０．０５〜０．６ｍｍ突出させている。負極集電体３
と負極触媒層１２との間における燃料ガス拡散層１１の
厚みは，０．１〜０．６ｍｍである。その他は，実施形
態例１と同様である。
燃料ガス拡散層１１の一部を，燃料ガス供給路３１の中
に０．０５〜０．６ｍｍ突出させている。負極集電体３
と負極触媒層１２との間における燃料ガス拡散層１１の
厚みは，０．１〜０．６ｍｍである。その他は，実施形
態例１と同様である。
【００５９】本例においては，燃料ガス拡散層１１の一
部を燃料ガス供給路３１内に突出させているため，反応
ガスのＣＯ選択酸化層の通過時間が長くなり，電極触媒
部に到達するＣＯ濃度を減少させ易い。また，反応に寄
与しないガスは速やかにガス供給路を通過し，拡散層表
面の余分な水分を早急に運び去るという効果を発揮する
ことができる。その他は，本例においても実施形態例１
と同様の効果を得ることができる。
部を燃料ガス供給路３１内に突出させているため，反応
ガスのＣＯ選択酸化層の通過時間が長くなり，電極触媒
部に到達するＣＯ濃度を減少させ易い。また，反応に寄
与しないガスは速やかにガス供給路を通過し，拡散層表
面の余分な水分を早急に運び去るという効果を発揮する
ことができる。その他は，本例においても実施形態例１
と同様の効果を得ることができる。
【００６０】実施形態例３ 本例の低温型燃料電池においては，図５に示すごとく，
燃料ガス拡散層１１と負極触媒層１２との間に，第２拡
散層１３を設けている。第２拡散層１３は，水素ガスを
負極触媒層表面に均一に拡散させるためのものである。
第２拡散層１３は，導電物質及び撥水性物質からなる成
形体であり，これらは実施形態例１において燃料ガス拡
散層に用いたものと同様である。但し，ＣＯ選択酸化触
媒は含有していない。第２拡散層１３の厚みは，０．１
〜０．６ｍｍである。その他は，実施形態例２と同様で
ある。
燃料ガス拡散層１１と負極触媒層１２との間に，第２拡
散層１３を設けている。第２拡散層１３は，水素ガスを
負極触媒層表面に均一に拡散させるためのものである。
第２拡散層１３は，導電物質及び撥水性物質からなる成
形体であり，これらは実施形態例１において燃料ガス拡
散層に用いたものと同様である。但し，ＣＯ選択酸化触
媒は含有していない。第２拡散層１３の厚みは，０．１
〜０．６ｍｍである。その他は，実施形態例２と同様で
ある。
【００６１】本例においては，燃料ガス拡散層１１と負
極触媒層１２との間に，ガス拡散用の第２拡散層１３を
設けているため，水素ガスの拡散性を更に向上させるこ
とができる。その他は，本例においても実施形態例２と
同様の効果を得ることができる。
極触媒層１２との間に，ガス拡散用の第２拡散層１３を
設けているため，水素ガスの拡散性を更に向上させるこ
とができる。その他は，本例においても実施形態例２と
同様の効果を得ることができる。
【００６２】
【発明の効果】本発明によれば，水素ガス中のＣＯ濃度
を極少とし，かつコンパクト化及び低コスト化を図るこ
とができる低温型燃料電池を提供することができる。
を極少とし，かつコンパクト化及び低コスト化を図るこ
とができる低温型燃料電池を提供することができる。
【図１】実施形態例１における低温型燃料電池の説明
図。
図。
【図２】実施形態例１における，改質器及び低温型燃料
電池の関連説明図。
電池の関連説明図。
【図３】実施形態例１における，燃料ガス拡散層通過に
よってＣＯ濃度１０ｐｐｍ以下まで低減することができ
る空間速度を示す特性図。
よってＣＯ濃度１０ｐｐｍ以下まで低減することができ
る空間速度を示す特性図。
【図４】実施形態例２における低温型燃料電池の説明
図。
図。
【図５】実施形態例３における低温型燃料電池の説明
図。
図。
【図６】従来例における，改質器及び低温型燃料電池の
関連説明図。
関連説明図。
【図７】従来例における，改質器及び低温型燃料電池に
おいて行なわれる反応を示す説明図。
おいて行なわれる反応を示す説明図。
【図８】従来例における，低温型燃料電池の説明図。
１．．．燃料極， １１．．．燃料ガス拡散層， １２．．．負極触媒層， １３．．．第２拡散層， ２．．．酸素極， ２１．．．酸素ガス拡散層， ２２．．．正極触媒層， ３．．．負極集電体， ３１．．．燃料ガス供給路， ４．．．正極集電体， ４１．．．酸素ガス供給路， ５．．．電解質膜， ６．．．セパレータ， ７．．．低温型燃料電池， ９．．．改質器，
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｍ 8/10 Ｈ０１Ｍ 8/10
Claims (11)
- 【請求項１】 固体高分子よりなる電解質膜と，該電解
質膜を挟むように配置した燃料極及び酸素極と，上記燃
料極に対面して設けた燃料ガス供給路を有する負極集電
体と，上記酸素極に対面して設けた酸素ガス供給路を有
する正極集電体とを有する低温型燃料電池において，上
記燃料極は，上記電解質膜に対面して設けた負極触媒層
と，該負極触媒層と上記燃料ガス供給路との間に設けた
燃料ガス拡散層とを有し，かつ該燃料ガス拡散層には，
ＣＯを選択的に酸化するＣＯ選択酸化触媒が含有されて
いることを特徴とする低温型燃料電池。 - 【請求項２】 請求項１において，上記ＣＯ選択酸化触
媒は，触媒成分と，該触媒成分を担持する担体とよりな
ることを特徴とする低温型燃料電池。 - 【請求項３】 請求項１又は２において，上記触媒成分
としては，金超微粒子，金とVIII属貴金属との合金，金
とVIII属貴金属との混合物，金と銀との合金，金と銀と
の混合物，金と卑金属との合金，又は金と卑金属との混
合物の少なくともいずれかを用いることを特徴とする低
温型燃料電池。 - 【請求項４】 請求項１〜３のいずれか一項において，
上記触媒成分としては，ＡｕとＦｅ2 Ｏ3 との混合物を
用いることを特徴とする低温型燃料電池。 - 【請求項５】 請求項１〜３のいずれか一項において，
上記触媒成分としては，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｕ，Ｒｈ等のVI
II属貴金属と，Ｆｅ，Ｍｎ，Ｃｏ等の遷移金属酸化物と
からなる合金又は混合物を用いることを特徴とする低温
型燃料電池。 - 【請求項６】 請求項１〜５のいずれか一項において，
上記担体としては，Ｆｅ2 Ｏ3 ，ＣｏＯ，ＮｉＯ，Ａｌ
2 Ｏ3 ，ＴｉＯ2 ，ＺｒＯ2 及びＳｉＯ2 のグループか
ら選ばれる１種又は２種以上を用いることを特徴とする
低温型燃料電池。 - 【請求項７】 請求項１〜６のいずれか一項において，
上記触媒成分としてはＡｕを，上記担体としてはＦｅ2
Ｏ3 を用いることを特徴とする低温型燃料電池。 - 【請求項８】 請求項１〜７のいずれか一項において，
上記ＣＯ選択酸化触媒は金を含有しており，かつ，ＣＯ
選択酸化触媒中における金の含有率は０．１〜５０重量
％であることを特徴とする低温型燃料電池。 - 【請求項９】 請求項１〜８のいずれか一項において，
上記燃料ガス拡散層は，上記ＣＯ選択酸化触媒に加え
て，更に導電物質と撥水性物質とを混合してなる成形体
であることを特徴とする低温型燃料電池。 - 【請求項１０】 請求項１〜９のいずれか一項におい
て，上記燃料ガス拡散層の厚みは，０．１〜１ｍｍであ
ることを特徴とする低温型燃料電池。 - 【請求項１１】 請求項１〜１０のいずれか一項におい
て，上記燃料ガス拡散層と負極触媒層との間には，燃料
ガスを負極触媒層の表面全体に拡散させるための第２拡
散層を設けることを特徴とする低温型燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30983295A JP3570046B2 (ja) | 1995-11-02 | 1995-11-02 | 低温型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30983295A JP3570046B2 (ja) | 1995-11-02 | 1995-11-02 | 低温型燃料電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09129243A true JPH09129243A (ja) | 1997-05-16 |
| JP3570046B2 JP3570046B2 (ja) | 2004-09-29 |
Family
ID=17997807
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP30983295A Expired - Fee Related JP3570046B2 (ja) | 1995-11-02 | 1995-11-02 | 低温型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3570046B2 (ja) |
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1999016546A1 (en) * | 1997-09-29 | 1999-04-08 | Laman Consultancy Limited | Gold catalyst for fuel cells |
| WO2000013791A1 (en) * | 1998-09-07 | 2000-03-16 | Anglo American Research Laboratories (Proprietary) Limited | Gold catalyst for fuel cell |
| WO2000036679A1 (en) * | 1998-12-18 | 2000-06-22 | The Regents Of The University Of California | Fuel cell anode configuration for co tolerance |
| WO2002091504A1 (en) * | 2001-05-03 | 2002-11-14 | The Regents Of The University Of California | Fuel cell anode configuration for co tolerance |
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-
1995
- 1995-11-02 JP JP30983295A patent/JP3570046B2/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|---|
| JP3570046B2 (ja) | 2004-09-29 |
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