燃料电池系统的制作方法

专利名称：燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池系统，尤其是涉及具备将添加了加味剂的氢气作 为燃料使用的燃料电池的系统。
背景技术：
以往例如如日本特开2004-134272号公报所公开的那样，人们已知道 使用添加加味剂的氢气作为燃料气体的燃料电池 根据上述以往的系统， 从安全地操作氬气的观点出发，在燃料箱内混入氢气和加味剂进行贮存。 并且，通过检测加味剂的气味可以判别是否已经确保氢气系统的密封。
在燃料电池的内部具有用于发生发电反应的催化剂层。在将氢气和加 味剂的混合气体供给于燃料电池的场合，担心催化剂层因加味剂而中毒， 反应性下降。于是，在上述以往的技术中，在燃料箱与燃料电池之间设有 吸附加味剂的吸附机构。由此，从氬气和加味剂的混合气体中除去加味剂， 避免阻碍燃料电池的发电。
另外，加味剂吸附量越多，吸附材料的吸附能力越下降。根据上述以 往的技术，为了对其进行采取对策，根据需要，通过利用氢的还原分解来 恢复吸附材料的吸附能力。这样，根据上述以往的技术，可以继续地防止 由催化剂中毒引起的对燃料电池发电的阻碍，并得到氢气安全性优异的燃 料电池系统。
专利文献l:日本特开2004-134272号公才艮
专利文献2:日本特开2005-203108号^^才艮
专利文献3:日本特开2004-111167号公报

发明内容
然而，上述以往的系统的吸附机构，包含吸附材料以及用于恢复该吸 附材料的吸收能力的机构。恢复吸附能力用的机构，由用于促进加味剂分 解的催化剂、风机等的其它的各种机构构成。这样，在上述以往的系统中， 构成吸附机构的要素有多个，起因于此，有可能导致系统的复杂化和大型 化。
本发明是为了解决上述那样的课题而提出的，其目的在于提供以简单 的构成即可以处理加味剂的氢气安全性优异的燃料电池系统。
为了达到上述目的，第1发明是一种燃料电池系统，其特征在于，具
备
燃料电池，该燃料电池具有在电解质膜的两面设置催化剂层而成的膜 电极接合体；
与上述催化剂层连接的气体流路；
燃料箱，该燃料箱与上述气体流路连接，并借助于该气体流路向上述 催化剂层供给燃料气体；和
在从上述燃料箱经由上述气体流路直到上述催化剂层的气体流通路径 上具有的、将非硫系的加味剂进行氢化的氢化催化剂。
另外，第2发明的特征在于，在第l发明中，具备将上述燃料电池产 生的热供给于上述氢化催化剂的热供给机构。
另外，第3发明的特征在于，在第1或第2发明中，上述燃料电池是 多个上述膜电极接合体夹着隔板层叠而成的燃料电池组，
上述气体流路包括在上述燃料电池组的内部延伸并与上述多个上述膜 电极接合体的各自的催化剂层连接的歧管、和在该燃料电池组的外部具有 的将该歧管和上述燃料箱连接的管路，
该系统具备其内部具有上述氢化催化剂的、与上述燃料电池组一体化 并介于上述歧管与上述管路之间的氢化单元。
另外，第4发明的特征在于，在第1~第3发明的任一发明中，上述 燃料电池是多个上述膜电极接合体夹着隔板层叠而成的燃料电池组，上述气体流路包括在上述燃料电池组的内部延伸并与上述多个上述膜 电极接合体的各自的催化剂层连接的歧管， 在上述歧管中具有上述氢化催化剂。
另外，第5发明的特征在于，在第1~第4发明的任一发明中，具备 气体流通构件，所述气体流通构件是包含气体扩散层、和层叠于该气体扩 散层上并在与该气体扩散层接触的面上具有沟的板材而构成的，且该气体 扩散层朝向上述催化剂层而重叠地设置于该催化剂层上，
上述气体流路和上述沟相连接，该沟介于该气体流路与上述催化剂层 之间，
在上述沟的里面具有上述氢化催化剂。
另外，为了达到上述目的，笫6发明是一种燃料电池，其特征在于， 是具备膜电极接合体和气体流通构件的燃料电池，所述膜电极接合体是在
所述气体流通构件重叠地设置于上述催化剂层上，并具有气体流入口、和 从该气体流入口在其内部延伸并与该催化剂层连接的气体流路，该燃料电 池的特征在于，
在上述催化剂层之中的位于上述气体流入口附近的第1部位和该催化 剂层之中的该第l部位以外的第2部位，催化剂材料不同，
该第1部位的催化剂材料，是由氢原子产生质子的活化作用比该第2 部位的催化剂材料低，并且将非硫系的加味剂氢化的活化作用与该第2部 位的催化剂材料同等或在其之上的材料。
另外，第7发明的特征在于，在第6发明中，上述催化剂层的上述第 1部位的催化剂，包含镍钼系(NiMo系)催化剂或钴钼系(CoMo系)催 化剂。
根据第l发明，在燃料箱中贮存非硫系的加味剂与氢气的混合气体， 在燃料电池发电时，可将该混合气体中的加味剂氢化后供给于燃料电池。 根据将加味剂氢化并供给于燃料电池的方法，以简单的构成即可以降低由 加味剂导致的对燃料电池的阳极催化剂的中毒的影响。由此，以简单的构成即可以实现氢气安全性优异的燃料电池系统。
才艮据第2发明，可将由于在燃料电池内部发生的反应而产生的热作为 氲化催化剂的反应用的热使用。
根据第3发明，通过将内部具备氢化催化剂的氢化单元与燃料电池组 一体化，可以实现节省空间。故不需要个别的专用的氢化装置，而以简单 的构成可以实现氢气安全性优异的燃料电池系统。
根据第4发明，对流入燃料电池组内部的各自的电解质膜的气体中含 有的加味剂，可以高效率地进行氢化。
根据第5发明，由于在作为气体流通构件具有的气体流路的沟中涂布 有氢化催化剂，因此可在燃料电池的内部直接具备氢化催化剂。其结果， 不需要个别的专用的氢化装置，而以简单的系统可以进行加味剂的氢化。
根据第6发明，对于混入了非硫系加味剂的氢气作为燃料使用的燃料 电池系统，通过将加味剂流入的气体流入口附近的第l部位作为加味剂氢 化用的部位来构成，可以保护应有助于发电反应的第2部位的催化剂层防 止其中毒。由此，可以防止燃料电池发电被阻碍。而且，在燃料电池的内
部可以进行该加味剂的氢化，因此以简单的构成可以实现具备加味剂氢化 功能的燃料电池系统。
根据第7发明，与贵金属材料相比，使用较便宜的材料可以实现第1 部位的催化剂的加味剂氢化功能。


图l是用于说明本发明的实施方式l的燃料电池系统的构成的图。 图2是用于说明有关实施方式l的氢化装置的构成的图。 图3是用于说明实施方式1的原理以及效果的实验结果。 图4是用于说明实施方式l的原理以及效果的实验结果。 图5是用于说明实施方式2的燃料电池系统的构成的图。 图6是用于说明有关实施方式3的燃料电池系统的单元燃料电池的构 成的图。图7是用于说明有关实施方式4的燃料电池系统的单元燃料电池的构 成的图。
图8是用于说明本发明的实施方式5的燃料电池的构成的图。 图9是用于说明实施方式5的变形例的构成的图。 附图标号说明
10:燃料电池系统；12:燃料箱；14:氢化装置；16:燃料电池；18: 阳才及气体入口； 20:阳极气体出口； 22: i文气阀(purge valve) ; 24:载 体；26:催化剂活性点(催化剂活性中心；catalyst active site) ; 28:氢 化催化剂；112:燃料箱；116:燃料电池组；130:氢化单元；132、 232、 332、 432、 532:单元燃料电池；134:阳极侧气体流路；140:歧管；240: 电解质膜；242、 442:电极催化剂层；244:气体扩散层；246:隔板；248、 448:气体流路；250、 350、 450:氢化催化剂层
具体实施方式
实施方式实施方式1的构成I
图1是用于说明本发明的实施方式1的燃料电池系统的图。图1的燃 料电池系统10包括燃料箱12。燃料箱12中贮存有氢气与非硫系加味剂的 混合气体。根据由加味剂检测氢气泄漏的方法，具有可省略检测氢泄漏专 用的传感器等的优点。在本实施方式中，作为加味剂使用丙烯酸乙酯。
燃料箱12的下游与管路13连接。管路13具有未图示的截流阀、调节 器等燃料供给机构。管路13与氢化装置14连接。如后述的图2所示那样， 氢化装置14是用于将燃料箱12内的加味剂氢化的装置。氢化装置14的下 游，介由管路15与燃料电池16的阳极气体入口 18连接。
燃料电池16是多个单元燃料电池层叠而成的燃料电池组。虽然省略了 图示，但单元燃料电池为由一对集电用板材夹着膜电极接合体的构成。膜 电极接合体，是催化剂在固体高分子电解质膜的两面一体化而成的。而且， 由碳片等制作的气体扩散层与膜电极接合体的各面一体化。集电用的板材也起到隔离相邻的2块膜电极接合体之间的隔板的功能。
单元燃料电池，该膜电极接合体的一面侧作为阳极、另一面侧作为阴 极发挥功能。单元燃料电池在发电时在阳极接受氢气的供给、在阴极接受 空气的供给，通过借助于膜电极接合体产生的电化学反应进行发电。
多个单元燃料电池，分别具有阳极侧的气体流路。虽然没有图示，但 在实施方式l中，在集电用的板材(隔板)表面形成沟，作为阳极侧气体 流路使用。通过使氢气在该沟中流通，在沟中流通的氢气介由气体扩散层 到达阳极的电极催化剂层。
另外，在燃料电池16的内部，单元燃料电池层叠，各单元燃料电池的 阳极侧的气体流路合流，形成阳极侧歧管(未图示)。阳极气体入口 18， 与该阳极侧歧管连通。另外，如燃料电池16那样的具备膜电极接合体、气 体扩散层、隔板以及歧管的燃料电池的构成，已经众所周知，因此省略其 详细的说明。
燃料电池16具备与上述阳极侧歧管的下游连通的阳极气体出口 20。 阳极气体出口 20的下游连接于放气阀22。放气阀22的下游连接于未图示 的排气系统。
在本实施方式中，向燃料电池16供给燃料气体， 一边将该燃料气体贮 留在阳极侧的气体流路内一边进行发电。并且，根据需要，开放放气阀22， 进行阳极侧的气体流路内的放气。这样的系统，也称为阳极终端型系统 (anode-dead-end system )。
图2 ( a )和(b )是用于说明氢化装置14的构成的图。在氢化装置14 的内部，具备图2(a)所示的氢化催化剂28。氢化催化剂28是将担载了 催化剂活性点26的载体24折成褶状的氢化催化剂，图2 U)放大地表示 氬化催化剂28的一部分。图2 (b)是表示氢化装置14的外形形状的图。 如图2 (b)所示那样，氢化装置14具有圆筒状的外形，在其内部具有氢 化催化剂28。
在本实施方式中，陶瓷制的支持体作为载体24使用，通过在该支持体 上涂布作为催化剂活性点26的铂，形成氢化催化剂。另外，用于构成氢化装置14的材料和方法等，可以使用例如日本特开2004-134272号公报所公 开的材料和方法。
另外，如图1所示，燃料电池系统IO被构成为能够将燃料电池16发 生的热供给于氢化装置14。具体地讲，在实施方式l中，设置冷却液流路 19，使得其通过燃料电池16的内部直到氢化装置14。在冷却液流路19内 流动的冷却液，从燃料电池16带走热能，同时将热能向氢化装置14供给。 这样，燃料电池16的热能被传递到氢化催化剂28。另外，例如也可以均 由具有热传导性的材料构成氢化装置14和燃料电池16的外周部构成，将 它们相邻地配置使其相接触而进行热能的授受。 [实施方式1的动作和作用
以下对实施方式1的燃料电池系统10的动作及作用进行说明。如上述 那样，从安全性等的观点出发，非硫系的加味剂被混入燃料箱12。在燃料 电池系统IO发电时，从燃料箱12向下游供给氢气和加味剂的混合气体。
在加味剂被直接供给至燃料电池的场合，存在燃料电池内的催化剂因 加味剂而中毒，从而阻碍燃料电池发电的危险。为了防止这一问题，曾经 公开了具备进行加味剂的吸附处理的吸附机构的系统，但是构成吸附机构 的要素多个，起因于此，存在导致系统的复杂化和大型化的可能性。因此， 希望同时满足防止系统的复杂化和大型化，并且利用加味剂确保氢气安全、 以及维持燃料电池的良好发电状态这一相反的要求。
因此，在本实施方式中，采用下述的方法满足上述的要求。图3是用 于说明有关实施方式l的加味剂处理方法的图，是用于说明加味剂的氢化 效果的图。所谓氢化，是将氢气作为还原剂对化合物加成氢原子的还原反 应(也称为加氢、氢加成、氢还原)。
具体地讲，图3是表示使用铂作为电极，采用循环伏安(Cyclic Voltammetry: CV )法进行测定的结果的图。示出了对于在浸渍铂的溶液 中添加丙烯酸乙酯之前和之后分别测定的结果。在图3 (a)的左侧(横坐 标的0.2附近)，与添加前(细线)相比，添加后(粗线)的电流密度(纵 坐标)减小。从这一点可以判断为，由于添加丙烯酸乙酯，导致铂中毒。图3 (b)是代替丙烯酸乙酯使用作为该丙烯酸乙酯的氢化体的丙酸乙 酯进行与图3 (a)同样的实验的结果的图。关于丙酸乙酯的场合，比较添 加前(细线)和添加后(粗线)，在添加丙酸乙酯的前后，基本看不到横 坐标的0.2附近的电流密度值的减小。这样，如图3(a)、 (b)的结果所 示那样，丙酸乙酯与丙烯酸乙酯相比，针对铂的中毒性较小。
丙烯酸乙酯等的具有双键的不饱和碳氢化合物，含有71电子。71电子 具有容易吸附于催化剂表面的特性，该特性成为加味剂导致催化剂中毒的 要因。另一方面，这样的吸附特性，由于加味剂的氩化而降低。具体地讲， 如上述图3所示那样，作为丙烯酸乙酯的氢化体的丙酸乙酯，与丙烯酸乙 酯相比，中毒性降低。即，通过利用氢化反应，可以使加味剂在催化剂上 的吸附性降低。
另外，图4是表示在燃料电池反应条件下使用铂催化剂的场合的丙烯 酸乙酯氢化反应的加成率的图。在图4中，具体地讲，是表示在80。C的温 度条件下的、利用铂催化剂的氢化反应前后的丙烯酸乙酯的浓度变化的图。 如图4所示，反应前100。/。的丙烯酸乙酯，在氢化反应后变为20%的丙烯 酸乙酯和80。/。的丙酸乙酯。这样，通过在燃料电池反应条件下的程度的温 度气氛中使用催化剂，可以将丙烯酸乙酯进行氢化，得到丙酸乙酯。
本申请发明者着眼于这些方面，想到下述的有效的方法利用加味剂 确保氢气安全，同时将燃料气体中的加味剂进行氢化，防止燃料电池的催 化剂中毒。在实施方式1中，具体地讲，在燃料箱12的下游、燃料电池 16的上游位置设置氢化装置14。如上述那样，氢化装置14在其内部具有 氢化催化剂28。
根据这样的构成，混合气体中的加味剂在通过氢化装置14的过程中， 通过在催化剂活性点26的反应而被氬化。被氢化了的加味剂，随后流向氢 化装置14下游，与氢气一起被供给于燃料电池16。如上述那样，被氢化 了的加味剂，可以抑制中毒性。因此，可以防止燃料电池16的催化剂层的 中毒，能够防止燃料电池的发电被阻碍。
另外，根据本实施方式，通过催化剂反应而促进氢化，被氢化了的加味剂流向氢化装置14的下游。因此，与吸附机构等不同，在处理加味剂时， 不采用捕捉、蓄积加味剂的方法。根据这样的方法，不要求定期更换氢化 装置14以及设置处理蓄积的加味剂的特别机构(例如，加味剂排气用配管 等)，能够避免燃料电池系统整体的构成复杂化。
另外，在燃料电池16的系统内的氢化加味剂的浓度上升的场合，以适 当的时机打开放气阀22。通过这样操作，可以与氮气等的其他杂质一起放 气。另外，在燃料电池系统10中，流出到燃料电池16的下游的废气中的 加味剂已经被氢化。若加味剂被氢化，则其气味变化，变为芳香味。因此， 加味剂失去危险气味，所以在本实施方式的系统中，具有可以不在燃料电 池16的下游配置去味机构的优点。
另外，在本实施方式中，氢化装置14被构成为能够将燃料电池16发 生的热能供给于氢化装置14。碳氢化合物的双键的氢化反应需要热能，因 此根据本实施方式，能够将伴随燃料电池16的发电反应产生的热充分用于 氢化。另外，上述氢化反应，在温度50。C左右进行，伴随发电反应的燃料 电池16的温度可达到80 ~ 100。C左右，因此通过将该热供给于氢化催化剂， 可以充分供给用于氢化反应的热。这一点如图4所示，从燃料电池发电状 态下的使用铂催化剂的氢化效果来看是明确的。由此，加热用的专用装置 可能简化、小型化，可使系统的构成为简略的构成。
另外，通过如本实施方式那样具备氢化催化剂，可以吸附燃料气体中 存在的CO和H2S等的杂质。对于具有羧酸基、酯基的分子进行氢化分解 时，有中毒性的CO作为副产物生成。防止该副产物在热力学上是困难的， 对于一般的吸附剂(活性炭等)而言，CO不被吸附而流入燃料电池内。 根据本实施方式，在降低上述的加味剂的中毒性的同时，能够防止这些副 产物流入燃料电池16中，能够防止燃料电池16的耐久性的下降。
另外，如本实施方式那样，通过使载体为折成褶状的构成，在使燃料 气体通过氢化装置14而向燃料电池16供给时，可以谋求压力损失的降低。 另外，在实施方式l中，将氢化装置14配置在燃料电池16的上游且直接 靠近的位置。为了尽可能切实地进行氢泄漏的检测，也有下述的观点，即，在燃料电池16的外部，尽量利用加味剂的功能。从这样的观点考虑，如实 施方式1那样使对加味剂进行氢化的位置(氢化装置14的位置)靠近于燃 料电池16，并且，使燃料电池16和氢化装置14之间不含有其它的控制设 备(其它的配管、阀等)也是有效果的。
另外，在上述说明的实施方式l中，燃料电池16相当于上述第l发明 的"燃料电池"，燃料箱12相当于上述第l发明的"燃料箱"，管路13和15 以及燃料电池16内的歧管、隔板的沟等的将燃料箱12和燃料电池16内的 电极催化剂层连接的路径相当于上述第1发明的"气体流路"。并且，氢化 装置14内的氢化催化剂28，相当于上述第1发明的"氢化催化剂"。
另外，在上述说明的实施方式1中，通过冷却液流路19的冷却液的对 热的授受，相当于上述第2发明的"热供给机构"。 l实施方式1的变形例l (第1变形例)
在实施方式l中，作为添加到氬气中的非硫系的加味剂，使用了丙烯 酸乙酯。但是，本发明并不限于此。如上述那样，加味剂中的7T电子容易 吸附在催化剂表面这一点，成为加味剂使催化剂中毒的要因。通过将这样 的加味剂进行氢化，可使加味剂在催化剂上的吸附性降低。着眼于这一点， 本发明中可使用的加味剂毫不限于丙烯酸乙酯。
例如，以日本特开2004-134272号公报所公开的加味剂为首的包括各 种的不饱和碳氢化合物在内的加味剂可用于本发明中。另外，非硫系的加 味剂，与硫系加味剂相比，具有吸附力小的特征。因此，如本发明那样， 在经氢化的加味剂流入燃料电池内的系统中，可以说优选使用非硫系的加 味剂。 (第2变形例)
在本实施方式中，将燃料电池系统制成为向燃料电池16供给燃料气 体， 一边将燃料气体贮存在内部一边进行发电的系统(阳极终端型系统)。 但是，本发明并不一定限于这样的系统。对于具备包含燃料电池的阳极侧 的气体流路的循环系统、且在该循环系统内使氢气循环那样的系统，也可以应用本发明。
(第3变形例)
在实施方式1中，使氢化装置14的构成为在其内部具有将担载了催化 剂活性点26的载体24折成褶状的载体的构成。但是，本发明并不限于此。 例如，也可以采用使蜂窝状的基材上担载催化剂活性点的构成。作为该蜂 窝状基材的材料，可以使用金属、陶瓷等的非导电性材料等各种材料。 (第4变形例)
在实施方式1中，将由燃料电池16发电产生的热向氢化装置14供给。 但是，本发明并不限于此。根据需要，也可以使用加热器等的其它加热机 构。另外，作为氢化装置14的加热方法，例如在燃料电池系统IO装载于 车辆上的场合，也可以利用来自制动器的摩擦热、制动器的再生能量、该 车辆运4亍时产生的热。由此，与实施方式1同样地可以简化、省略加热积i 构，另外，也具有可将散热器小型化的优点。 (第5变形例)
在本实施方式中，载体24使用陶瓷制的支持体，通过将作为催化剂活 性点26的铂涂布于支持体上，形成氢化催化剂。但是，考虑廉价方面等的 优势性，可以将贵金属以外的材料作为催化剂活性点使用。
例如，催化剂活性点26的材料，可以从镍钼系(NiMo系)催化剂、 钴钼系(CoMo系)催化剂、铂合金催化剂、金属氧化物催化剂(W03、 Mo03、 V2Os) 、 Pd系催化剂、An纳米簇催化剂等中适宜选择。载体24 的材料，可从氧化铝、二氧化钛、二氧化硅等或各种金属材料中适宜选择。 另外，也可以使用例如铂、铂合金、金属氧化物以及它们的碳化物、氮化 物、硫化物等。另外，也可以使用钯和钯的合金、金的纳米颗粒。将它们 担载于氧化铝、二氧化钛等的载体上即可。
此外，对于单元燃料电池内部的气体流路的形状、构成没有限定。也 可以在集电体与膜电极接合体之间设置由导电性材料构成的多孔体层，利 用多孔体层内的连续的气孔形成气体流路。 实施方式2图5是用于说明本发明的实施方式2的燃料电池系统的构成的图。实 施方式2的系统，与实施方式l同样地，具备混入了加味剂和氢气的燃料 箱112。燃料箱112借助于管路114连接于燃料电池组116。燃料电池组 116具备多个单元燃料电池132并具备氢化单元130。实施方式2的系统， 在由氢化单元130进行加味剂的氢化这一点上具有特征。
燃料电池组116，是多个单元燃料电池132层叠而构成的。单元燃料 电池132，与实施方式l的燃料电池16具备的单元燃料电池同样地，包括 膜电极接合体、气体扩散层、隔板而构成。故在图5中省略它们的结构。
各个单元燃料电池132，在其内部具备阳极侧气体流路134。阳极侧气 体流路134，具体地讲是在单元燃料电池132的隔板上形成的沟。燃料电 池组116，在其内部具备将单元燃料电池132的阳极侧气体流路134合流 的歧管140。歧管140沿单元燃料电池132的叠层方向贯通地延伸。
在燃料电池组116的一端，具有氢化单元130。氢化单元130,其内部 具有氢化催化剂。该氢化单元130的内部的构成，可以是只具备单元燃料 电池132中的阳极侧气体流路和催化剂层的构成。对于催化剂层，与实施 方式1同样地，关于催化剂活性点和载体，可以使用各种材料。
在实施方式2的系统发电时，由图5的燃料箱112供给的加味剂和氢 的混合气体，流入氢化单元130。在通过氢化单元130的过程中，加味剂 被氢化。其结果，氢气和已氢化的加味剂流入歧管140，向各个单元燃料 电池132的阳极供给。
根据实施方式2，氢化单元130安装于燃料电池组116。在这一点上， 与实施方式1那样的另行设置氢化装置的方法相比，成为紧凑的系统构成， 可以达到节省空间。并且，由于氬化单元安装于燃料电池组，因此可以高 效率地进行从燃料电池组到氢化催化剂的热的授受。
另外，在上述的实施方式2中，将氢化单元130作成只具备单元燃料 电池132中的阳极侧气体流路和催化剂层的构成。如果使氢化单元130的 构成与单元燃料电池132的构成类似(共通化)，则由于构件的共通化， 也可以得到制造上的优点、以及燃料电池组整体小型化等的优点。但是，氢化单元130的构成并不限于此。只要在内部具有氢化催化剂，并在使气 体在内部流通的过程中能够利用该氢化催化剂实现加味剂的氢化即可，例 如气体流路、催化剂层的形状、位置、材质等的设计要素，可以根据需要 适宜变更。
另外，从尽可能切实地进行氢泄漏检测的观点出发，对加味剂进行氢 化的位置，接近于氢反应的部位即接近于燃料电池的电极催化剂层也是有 效的。这一点，在实施方式2中，将氢化单元130—体地安装于燃料电池 组116上，因此可利用加味剂得到氢安全的效果，并防止燃料电池内的催 化剂中毒。
另外，在上述的实施方式2中，燃料电池组116相当于上述第3发明 中的"燃料电池组"，歧管140相当于上述第3发明中的"歧管"，氢化单元 130相当于上述第3发明中的"氢化单元"。
另外，代替设置实施方式2的氢化单元130，形成为在歧管140的入 口部位配置氢化催化剂的构成也可以。由此，在燃料电池内部，可以进行 加味剂的氢化，最大限度地利用加味剂得到氢安全的效果，并能够防止燃 料电池内的催化剂中毒。具体地讲，例如，通过在歧管140内配置与实施 方式1的氢化催化剂28同样的构成，可以实现这样的构成。
在这种场合，燃料电池组116相当于上述第4发明中的"燃料电池组"， 歧管140相当于上述第4发明中的"歧管"，歧管140中具备的氢化催化剂 相当于"在上述歧管中具有上述催化剂"这一结构。 实施方式3
图6是用于说明实施方式3的燃料电池系统的构成的图，是用于说明 有关实施方式3的单元燃料电池内部的构成的图。实施方式3的系统，与 实施方式l同样地，具备含有非硫系的加味剂和氢气的燃料箱、多个单元 燃料电池层叠而成的燃料电池、放气阀等。
实施方式3，在下述方面具有特征，即，加味剂的氢化不是利用实施 方式l的氢化装置进行，而是利用以下说明的燃料电池内部所具有的氢化 催化剂进行。在以下的说明中，只对于作为实施方式3的特征点的燃料电池内部的构成进行说明，对于其它与实施方式l相同的方面省略其说明。
图6是表示有关实施方式3的燃料电池系统的单元燃料电池232的阳 极的构成的图。单元燃料电池232具备电解质膜240。在电解质膜240的 一个面上层叠有电极催化剂层242、气体扩散层244、隔板246。在隔板246 上设有气体流路248。
气体流路248，与实施方式1和2中所述的气体流路同样地，作为沟 设置于隔板246上。在图6中，沿纸面贯穿方向氢气在气体流路248中流 通，该氢气经由气体扩散层244到达电极催化剂层242 (图6的箭头)。 气体流路248与实施方式1和2中所述的气体流路同样地，其一端借助于 歧管、管路、调节器、截流阀等与燃料箱连接。
在隔板246的气体流路248上涂布有氢化催化剂层250。氢化催化剂 层250，可通过将铂担载于导电性载体(碳等)上后，形成为膏状，并涂 布于隔板246的表面来形成。
根据实施方式3,由燃料箱供给的加味剂与氢气的混合气体，在气体 流路248中流通的过程中，与氢化催化剂层250接触。利用氢化催化剂层 250，加味剂被氢化，中毒性降低。其结果，可以防止电极催化剂层242 中毒，可以防止燃料电池的发电被阻碍。
另外，作为实施方式3的变形例，可以只在气体流路248的内面涂布 氬化催化剂层250。由此，成为在隔板246与气体扩散层244的接触部位 不具有氢化催化剂层250的构成。在这种场合，由于可采用隔板246和气 体扩散层244直接导电，因此对氢化催化剂层250不要求导电性。
因此，例如如实施方式3那样，作为载体不使用碳，可以从二氧化钛、 氧化铝、二氧化硅等的包括金属氧化物、陶瓷在内的宽范围的选择物中选 择载体材料。故考虑廉价方面、高强度方面、耐久性高方面等，可以从包 括低导电性材料、非导电性材料在内的选择物中适宜选择催化剂活性点和 单质的材料来形成氢化催化剂。
此外，如上述那样，在尽量切实地进行氢泄漏的检测的观点上，将加 味剂氢化的位置，接近于氢发生反应的部位，即接近于燃料电池的电极催化剂层也是有效的。这一点，在实施方式3中由于在燃料电池内部进行了 加味剂的氢化，因此可利用加味剂得到氢安全的效果，并防止燃料电池内 的催化剂中毒。
另夕卜，在实施方式3中，气体扩散层244相当于上述第5发明中的"气 体扩散层"，隔板246相当于上述第5发明中的"板材"，气体流路248相当 于上述第5发明中的"沟，，。并且，在实施方式3中，利用氢化催化剂层250， 实现了上述第5发明中的"在上述沟的内面以层状涂布、具有上述氢化催化 剂"的结构。 实施方式4
图7是用于说明有关实施方式4的燃料电池系统的单元燃料电池332 的构成的图。实施方式4的系统，与实施方式3同样地，具备含有非硫系 的加味剂和氢气的燃料箱、多个单元燃料电池层叠而成的燃料电池、放气 阀等。在以下的说明中，只对于作为实施方式4的特征点的单元燃料电池 332的阳极侧的构成进行说明，对于与实施方式3同样的方面省略说明。
图7所示的构成，相当于实施方式3的单元燃料电池232的构成中的 图6所示的部位。图7的单元燃料电池332，不具备氢化催化剂层250，代 替它，在隔板246与气体扩散层244之间插入了氢化催化剂层350。在这 一点上，实施方式4与实施方式3不同。氢化催化剂层350，可通过将铂 担载于导电性的载体(碳等)上后，形成为膏状，并将其涂布于气体扩散 层244表面来形成。
根据这样的构成，氢气通过氢化催化剂层350和气体扩散层244，到 达电极催化剂层242，但是加味剂只在经由氢化催化剂层350氢化后到达 电极催化剂层242侧。因此，可以防止中毒性高的氢化前的状态的加味剂 到达电极催化剂层242。
另外，在气体扩散层上形成了氢化催化剂层的场合，与气体扩散层露 出的状态相比，表面变得平滑。因此，相对于隔板的接触电阻变小，也具 有电阻变低等的优点。另外，氢化催化剂层配置在气体扩散层内也可以。 即，在由碳片形成气体扩散层的场合，也可以如膜电极接合体、碳片、氢化催化剂层、第2碳片、隔板那样依次进行层叠。
另外，在实施方式4中，包括气体扩散层244、气体流路248在内的 通到未图示的燃料箱的气体流通路径，相当于上述第1发明中的"气体流 路"。并且，氢化催化剂层350相当于上述第l发明中的"氢化催化剂"。
另外，即使是具备与有关实施方式1至实施方式4的燃料电池不同的 结构的燃料电池，通过在从燃料箱到燃料电池内的催化剂层的气体流通路 径途中具有氢化催化剂，也能够得到本发明的作用和效果。
具体地讲，通过将氢化催化剂作为单一部件配置于气体流路上的方法、 或者在气体流路的内面涂布氢化催化剂的方法，能够实现在气体流通路径 途中具备氢化催化剂这一构成。因此，对于具备包括与上述的实施方式不 同的各种形状的管路、歧管、隔板、气体扩散层等在内的气体流路的燃料 电池系统，通过在该气体流路中设置氢化催化剂，也能够实现本发明的作 用和效果。 实施方式5
图8是说明有关本发明的实施方式5的燃料电池432的构成的图。燃 料电池432与上述的实施方式1至4的单元燃料电池同样地，是膜电极接 合体、气体扩散层、设有沟的集电用板材层叠而构成的。在以下的说明中， 只对于作为实施方式5的特征点的燃料电池432的阳极侧的构成进行说明。
另外，实施方式5的燃料电池，可在与实施方式3同样的燃料电池系 统中使用。具体地讲，将多个燃料电池432层叠，制成燃料电池组，与实 施方式3同样地，可以构筑具备含有非硫系的加味剂和氢气的燃料箱、放 气阀等的系统。
图8是表示燃料电池432的阳极的电极催化剂层442的图。虽然省略 图示，但实际上在图8的电极催化剂层442的纸面的背面侧具有电解质膜。 另夕卜，虽然同样地省略图示，但在图8的纸面表面侧，与电极催化剂层442 重叠地设置气体扩散层。并且，在该气体扩散层的纸面表面侧配置具有作 为气体流路的沟的隔板。
在图8中，为了便于说明，简单地用线表示隔板的气体流路，附有标号448。实际上，具有规定的宽度和深度的沟，沿着该线设置于隔板上。 以下，为了方便，将附有标号448的线作为气体流路448进行说明。如图 8所示，有关实施方式5的气体流路448，在燃料电池432的面内曲折地设置。
标号440表示实施方式4的燃料电池内部具有的歧管的一部分。歧管 440分别地与包括燃料电池432的多个单元燃料电池连接。在图8中，只 图示出与单元燃料电池432连接的部位。歧管440在上游介由管路(未图 示)与燃料箱(未图示)连接。在系统发电时，从燃料箱(未图示)经由 歧管440向气体流路448供给氢气。并且，氢气沿着表示气体流路448的 线上附加的箭头方向流通，其被供给至电极催化剂层侧。
在实施方式5中，在气体流路448与歧管440的连接位置的附近，设 置氢化催化剂层450。在实施方式5中，代替实施方式1 4的各种氢化的 机构，将该氢化催化剂层450作为加味剂的氢化用的机构使用。具体地讲， 如图8所示，在位于纸面背面侧的电解质膜(未图示)上，整体地形成电 极催化剂层442，在气体流路448的入口部位局部地形成氢化催化剂层450。 沿气体流路448观察气体的流通路径的场合，相比于氢化催化剂层450， 电极催化剂层442位于下游侧。
关于氢化催化剂层450，将NiMo系催化剂作为催化剂活性点材料， 将氧化铝作为载体，将它们作成膏状后，涂布于电解质膜上而可形成。该 方法，可与以往的制作燃料电池的电极催化剂层的方法，即，使铂担栽于 碳上制作电极催化剂层442的方法同样地进行。
氢化催化剂层450是从通过对加味剂进行氢化来防止电极催化剂层 442中毒的观点考虑而设置的层。因此，氢化催化剂层450，与电极催化剂 层442不同，不要求导电性。因此在本实施方式中，使用氧化铝作为载体。 另外，并不象电极催化剂层442那样要求对于将氢原子分离成质子和电子 的反应的良好的反应性。因此，在本实施方式中，使用MMo系催化剂作 为催化剂活性点材料。
在系统发电时，氢气与加味剂的混合气体被供给至单元燃料电池432时，流入气体流路448的气体中含有的加味剂，被氢化催化剂层450氢化。 其结果，能够防止电极催化剂层442中毒，能够防止电极催化剂层442中 的发电反应被阻碍。
另夕卜，在实施方式5中，未图示的隔板相当于上述第6发明中的"气体 流通构件"，并且在实施方式5中，与气体流路448的歧管440连接的部位， 相当于上述第6发明中的"气体流入口"，气体流路448相当于上述第6发 明中的"气体流路"。另外，在实施方式5中，氢化催化剂层450相当于上 述第6发明中的"第1部位"，电极催化剂层442相当于上述第6发明中的"第 2部位"。
图9是表示实施方式5的变形例的图。图9的单元燃料电池532，在 集电体与膜电极接合体之间设有由导电性材料构成的多孔体层(未图示)， 使用该多孔体层作为气体流路，在该点上，与图8的单元燃料电池432不 同。在多孔体层内形成有连续的多个气孔，可通过该气孔使气体流通。
在将多孔体层作为气体流路使用的场合，如图9所示的箭头那样，气 体从气体的入口呈辐射状流动。关于具备这样的多孔体层的单元燃料电池， 利用氢化催化剂层的氢化功能，能够防止由加味剂引起的催化剂中毒发生。 另外，使用多孔体层作为气体流路的技术已众所周知，因此省略其详细说 明。
另外，如上述那样，氢化催化剂层450也可以不具有导电性。另外， 氢化催化剂层450，由氢生成质子的活化作用不象电极催化剂层442那样 高也可以。因此，使用铂等的昂贵的贵金属作为催化剂活性点也不是必需 的。因此，可从例如二氧化钛、氧化铝、二氧化硅等的包括金属氧化物、 陶瓷在内的宽范围的选择物中选择催化剂、载体的材料。即，考虑廉价方 面、高强度方面、耐性高方面等，可以从包括低导电性材料、非导电性材 料在内的选择物中适宜选择催化剂活性点和单质的材料来形成氢化催化 剂。
另外，上述说明的实施方式1 ~5的全部思想，也可以用于一个系统中。 即，可在从燃料箱到燃料电池的气体流通路径的途中配置氢化装置14、氢化单元130，并且在燃料电池内部分别设置氢化催化剂层250、350(或450 )。 另外，也可以从实施方式1 5的思想中选择性地利用l种以上的思想。 本发明中表示数值范围的"以上"和"以下"均包括本数。
权利要求
1.一种燃料电池系统，其特征在于，具备燃料电池，其具有在电解质膜的两面设置催化剂层而成的膜电极接合体；与所述催化剂层连接的气体流路；燃料箱，其与上述气体流路连接，并通过该气体流路向上述催化剂层供给燃料气体；和在从上述燃料箱经由上述气体流路直到上述催化剂层的气体流通路径上具有的、将非硫系的加味剂进行氢化的氢化催化剂。
2. 根据权利要求l所述的燃料电池系统，其特征在于，具备将上述 燃料电池产生的热向上述氢化催化剂供给的热供给机构。
3. 根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于， 上述燃料电池是多个上述膜电极接合体夹着隔板层叠而成的燃料电池组，上述气体流路包括在上述燃料电池组的内部延伸并与上述多个上述膜 电极接合体的各自的催化剂层连接的歧管、和在该燃料电池组的外部具有 的将该歧管和上述燃料箱连接的管路，该燃料电池系统具备其内部具有上述氢化催化剂的、与上述燃料电池 组一体化并介于上述歧管与上述管路之间的氢化单元。
4. 根据权利要求1 3的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于， 上述燃料电池是多个上述膜电极接合体夹着隔板层叠而成的燃料电池组，上述气体流路包括在上述燃料电池组的内部延伸并与上述多个上述膜 电极接合体的各自的催化剂层连接的歧管， 在上述歧管中具有上述氢化催化剂。
5. 根据权利要求1~4的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于， 具备气体流通构件，所述气体流通构件是包含气体扩散层、和层叠于该气体扩散层上并在与该气体扩散层接触的面上具有沟的板材而构成的，且该 气体扩散层朝向上述催化剂层而重叠地设置于该催化剂层上，上述气体流路和上述沟相连接，该沟介于该气体流路与上述催化剂层 之间，在上述沟的内面具有上述氢化催化剂。
6. —种燃料电池，是具备膜电极接合体和气体流通构件的燃料电池， 所述膜电极接合体是在电解质膜的两面设有含有催化剂和载体而成的催化 剂层的膜电极接合体，所述气体流通构件重叠地设置于上述催化剂层上， 并具有气体流入口 、和从该气体流入口在其内部延伸并与该催化剂层连接 的气体流路，该燃料电池的特征在于，在上述催化剂层之中的位于上述气体流入口附近的第1部位和该催化 剂层之中的该第l部位以外的第2部位，催化剂材料不同，该笫1部位的催化剂材料，是由氢原子产生质子的活化作用比该第2 部位的催化剂材料低，并且将非硫系的加味剂氢化的活化作用与该第2部 位的催化剂材料同等或在其之上的材料。
7. 根据权利要求6所述的燃料电池，其特征在于，上述催化剂层的上 述第1部位的催化剂包含镍钼系(NiMo系)催化剂或钴钼系(CoMo系) 催化剂。
全文摘要
本发明的目的是提供一种采用简单的构成即能够处理加味剂的氢安全性优异的燃料电池系统。在燃料箱与燃料电池之间配置氢化装置。氢化装置在其内部具有对加味剂进行氢化的氢化催化剂。
文档编号H01M8/06GK101652892SQ20088001122
公开日2010年2月17日 申请日期2008年4月1日 优先权日2007年4月12日
发明者平尾佳史, 押川克彦, 猶原秀夫 申请人:丰田自动车株式会社