[发明专利]燃料电池用燃料极催化剂、电极/膜接合体、具备电极/膜接合体的燃料电池及燃料电池系统

说明书

技术领域

本发明涉及耐一氧化碳(CO)中毒性(被毒性)优越的燃料电池用 燃料极催化剂、电极/膜接合体、具备电极/膜接合体的燃料电池及燃料电 池系统。

背景技术

近年来，作为高效率的发电装置，燃料电池引起人们的注目。燃料电 池根据使用的电解质的种类有碱型、高分子型、磷酸型等低温运行燃料电 池、溶融碳酸盐型、固体氧化物型等高温运行燃料电池。其中，作为电解 质使用具有离子传导性的高分子电解质膜的高分子型燃料电池小型且得 到高输出密度，因此，作为包括家庭用的各种用途的电源引起人们注目。

图7是表示高分子型燃料电池的单个单元的基本结构的分解剖面图。

在高分子电解质膜31的两侧的主面分别接合使用白金碳担载催化剂 而形成的空气极催化剂层32及燃料极催化剂层33，由此构成电极/膜接合 体。

空气极催化剂层32及燃料极催化剂层33对置，分别配置具有涂敷了 复写纸炭黑和聚四氟乙烯(PTFE)的混合物的结构的空气极侧气体扩散层 34及燃料极侧气体扩散层35。由此，分别构成空气极36及燃料极37。

这些气体扩散层34及气体扩散层35具有如下作用，即：分别使作为 氧化剂气体(例如，空气)及燃料气体主要是氢、或甲醇等醇系燃料、或 将天然气、城市煤气、LPG、丁烷等烃系燃料改性后的主要以氢为主体的 改性气体通过，同时，向外部传输电流。还有，通过具备面向于气体扩散 层34及气体扩散层35的反应气体流通用气体流路38，且在与之相对的主 面具备冷却水流通用的冷却水流路39的由导电性且气体不透过性材料构 成的一组分隔片40夹持而构成单个单元41。

图8是表示高分子型燃料电池堆(stack)的基本结构的剖面图。层叠 多个单个单元41，并利用集电板42、以电绝缘和绝热为目的的绝缘板43 以及通过施加负荷来保持层叠状态的夹紧板44进行夹持，利用螺栓45和 螺母47紧固，夹紧负荷由碟形弹簧46施加。

若向燃料极37供给包含氢的燃料气体，向空气极供给包含空气等氧 的氧化剂气体，则在燃料极37中发生将氢分子分解为氢离子(质子)和 电子的燃料极反应，在空气极36中进行由氧、氢离子、和电子生成水的 以下的电化学反应，利用在外部电路中从燃料极向空气极移动的电子，将 电力向负荷供给，并且在空气极侧生成水。

燃料极：H₂→2H⁺+2e^-(燃料极反应)

空气极：2H⁺+(1/2)O₂+2e^-→H₂O(空气极反应)

全体：H₂+(1/2)O₂→H₂O

天然气、城市煤气等烃系燃料中含有硫，另外，在将其改性的主要以 氢为主体的改性气体中含有一氧化碳(CO)，若将这样的改性气体向电池 的燃料极直接供给，则白金催化剂被中毒。若催化剂被CO中毒，则燃料 极的反应被阻碍，电池性能降低。

因此，提出了作为小型电源的燃料电池发电系统，其具备：脱硫器、 改性器(RF)、转化一氧化碳的CO转化器(SH)、除去一氧化碳的CO除 去器(PROX)、使得到的氢(改性气体)和空气中的氧等氧化剂化学反应 而发电的燃料电池(例如，参照专利文献1、2、3)。

图9表示以往的燃料电池发电系统。

如图9所示，燃料电池发电系统51具备：将天然气、城市煤气、甲 醇、LPG、丁烷等烃系燃料气体经过具备原燃料气体开闭阀52的原燃料 气体供给线路53供给并脱硫的脱硫器54；并且具备将在脱硫器54脱硫后 的脱硫燃料气体经过具备脱硫燃料气体开闭阀55的脱硫气体供给线路56 得到供给，另一方面，经过开闭阀57将水送至汽化器58，并经过止回阀 59供给水蒸气，将燃料气体改性为降低了CO浓度的富氢改性气体的燃料 改性装置60[改性器(RF)/CO转化器(SH)/CO除去器(PROX)]；并 具备将在燃料改性装置60中得到的改性气体经过具备改性气体开闭阀61 的改性气体供给线路62向燃料极(AN)供给，使该改性气体和供给给空 气极(CA)的空气中的氧发生电化学反应，从而发电的燃料电池63。