高分子型燃料电池的运转方法技术

高分子型燃料电池包括阴极、阳极以及被夹持于所述阴极与所述阳极之间的电解质膜，所述电解质膜的与所述阴极相对的表面具有高度为5～15μm的多个凸部或者深度为5～15μm的多个凹部，所述阴极是由紧密接触于所述表面而形成的具有所述凸部的所述高度或者所述凹部的所述深度的1～3倍的最大厚度的催化剂层所构成。将具有10％以下的相对湿度的含氧气体提供给所述阴极并使用所述高分子型燃料电池进行发电。由此，能够使包括具有凹凸构造的电解质膜的高分子型燃料电池发挥出优异的发电性能。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及能够作为电动汽车用电源或者家庭内电源系统使用的将氢或者醇等烃作为燃料的高分子型燃料电池的发电方法。
技术介绍
目前，已报告有为了实现固体高分子型燃料电池的高性能化而对电解质膜的表面实施凹凸化并使催化剂层与电解质膜的接触面积增大的方法。在专利文献1中公开了将具有由硬度高于该电解质膜的材料形成的凹凸构造的成形模型(模版)挤压到电解质膜的表面从而将凹凸构造形成于电解质膜的表面的方法。在专利文献2中公开了以下方法在兼作保护电解质膜的基材薄膜的表面预先赋予凹凸构造，并将高分子膜形成材料涂布于该基材薄膜之上并使其干燥，之后从电解质膜上剥离该基材薄膜，从而将凹凸构造形成于电解质膜的表面。在非专利文献1中公开了以下方法将由紫外线进行固化的电解质材料的前体液体浇注到由聚氰甲基丙烯酸酯形成的表面被施以微细加工的模版薄膜上，在用紫外线固化后从电解质膜上剥离该薄膜。专利文献1的图3表示说明将微小突起形成于电解质膜表面的各个工序的流程图。在该方法中，由具有规定凹形状的成形模型203冲压放置于金属制作台204之上的电解质膜201，从而将柱状微小突起104形成于电解质膜表面。作为微小突起(在专利文献1 的表中表述为柱(pillar))的形状，公开了 2种构造。S卩，直径大约为0. 3 μ m且长为3 μ m 的所谓的棒状的微小突起(专利文献1的图1以及图2)、以及直径为0.5 5μπι且长度 (高度)为0. 25 2. 6 μ m的圆盘状的微小突起(专利文献1的图5、图7以及图8)。作为具有棒状微小突起的燃料电池的制造方法，公开有通过在氮氛围气体中以 100°C加热2分钟或者由溅射法将碳化层形成于微小突起的表面、并将钼等金属催化剂析出至该碳化层上的方法。然而，在以上所述条件下认为不能够形成碳化层。因此，在专利文献1中并没有公开能够实现的制造方法。除此之外，完全没有公开有关性能评价结果的具体的或者定量的记述，所以棒状微小突起的有效性不明。另一方面，作为具有圆盘状微小突起的电解质膜的制造方法，公开有对磺甲基化聚醚砜膜冲压凹型成形模型来进行制造的例子。但是，微小突起的高度为0. 5 1 μ m，微小突起的最大直径为2.6 μ m。相对于此，被形成于具有微小突起的电解质膜表面的催化剂层的厚度相当厚，在阴极侧为160μπι，在阳极侧为55μπι。通过比较单电池的输出密度，从而评价圆盘状微小突起有无的效果以及该突起形状的效果，然而输出密度的改善较小，最大为2倍。在专利文献1的权利要求中记载有微小突起的直径以及高度，但是这些只不过是表示在构成燃料电池的时候可能的一般性的数值而已。与实际的膜 电极组件(MEA)中的催化剂层的厚度以及形状的关系并没有被记载，用于证实其效果的实验方法和数据也没有被公开。专利文献2的图2表示了对将微小凹凸构造形成于由浇注(cast)成形制作的电解质膜表面的各个工序进行说明的流程图。在该方法中，通过由2个辊10、11挤压保护片 3aC3b)，从而将辊10上的微小突起如复制至保护片上。接着，通过从喷嘴13将烃类的高分子膜形成材料12吐出至保护片上，用刮刀14对其进行均勻的延展并实施干燥，从而形成电解质膜。但是，关于电解质膜上的微小凹凸构造的形状只不过公开了与专利文献1的公开内容同样的内容。而且，有关发电条件、特别是供给气体的加湿条件，也没有充分公开。在专利文献3中，作为凸部的形成方法，公开了使颗粒状的电解质附着于平坦膜上的方法、以及溶解平坦膜的一部分的方法。除此之外，还公开了在使用相对湿度为的阳极气体以及阴极气体的情况下的发电性能。虽然有提及在电解质膜上具有凸部的燃料电池在相同条件下能够给出较高的电压，但是有关凸部的形状与优选的加湿条件的关系，没有给出任何启示(特别参照专利文献3的段落号0020以及0036)。在非专利文献1中公开了 将被规则性地排列的3 μ mX3 μ m的微小嵌入部(凹部)形成于电解质膜表面，在渐渐地将其深度加深到1. 4 μ m、1. 9 μ m、3. 7 μ m之后，虽然在低电流密度时性能有所提高，但是在高电流密度时性能反而降低。但是，并没有提到电解质膜表面的微细构造的优选形状以及供给气体的加湿条件。除此之外，作为与本专利技术相关的文献，还可以列举专利文献4。现有技术文献专利文献专利文献1 日本特开2005-108822号公报(特别是段落0025、0037 0040、 0049 0057、图 8 (a) ,0045 0048、图 8 (b)、0062、0068、0069、 8(c))专利文献2 日本特开2006-331720号公报(段落0022 0025、图9)专利文献3 日本特开2005-085544号公报专利文献4 日本特开2008-004486号公报非专利文献非专利文献1 :J. Am. Chem. Soc.，Vol. 128，No. 39，12971 (2006)
技术实现思路
专利技术所要解决的技术问题在专利文献1、2以及非专利文献1中公开了 如果将微小突起形成于电解质膜上并增大表面积，就能够获得改善输出密度的效果。但是，在关于凹凸部的形状的各种参数中，并没有明确哪种参数会支配性地对燃料电池的性能产生影响。除此之外，由各文献所显示的输出密度改善的程度小，并没有达到改变燃料电池实用价值的程度那样大的效果。鉴于以上的现状，本专利技术的技术问题是提供一种用于使包含具有凹凸构造的电解质膜的高分子型燃料电池发挥出优异的发电性能的发电方法。解决技术问题的手段本专利技术人就具有凹凸构造的电解质膜上的凹凸部的形状进行了研究，对支配性地改善燃料电池的性能的因素作了特定，与此相应地发现通过降低所使用的含氧气体的相对湿度，高分子型燃料电池持续稳定地发挥出其优异的电流-电压特性，从而获得本专利技术。本专利技术如以下所述。4一种使用固体高分子型燃料电池进行发电的方法，具备以下的工序(A)和(B)工序(A)，准备所述固体高分子型燃料电池，其中，所述固体高分子型燃料电池具备阴极、阳极以及被所述阴极和所述阳极所夹持的电解质膜，所述电解质膜的与所述阴极相对的表面具备多个凸部或者多个凹部，所述多个凸部具有5 μ m以上且15 μ m以下的高度，所述多个凹部具有5 μ m以上且15 μ m以下的深度，所述阴极由紧密附着于所述表面而形成的催化剂层所构成，所述催化剂层的厚度为所述凸部的高度或者所述凹部的深度的1倍以上且3倍以下，以及工序(B)，将具有10%以下的相对湿度的含氧气体提供给所述阴极，并使用所述固体高分子型燃料电池进行发电。专利技术的效果在前述的专利文献以及非专利文献中，由膜表面的凹凸化所带来的电池性能的改善效果被解释为主要由于增大了电解质膜与催化剂层的接触面积而引起的，其次记载了还存在着质子的旁路传输效果。其结果是提出了与催化剂层的厚度无关地增大电解质膜的表面积的构造。但是，本专利技术人成功获得了在阴极侧正是质子的旁路传输效果才是对电池性能带来改善的本质性的主要原因的数据。根据该数据采用了以下构成，即，以使在催化剂层中对远离电解质膜并更接近于气体扩散层的部位也能容易地提供来自于电解质膜的质子的方式，将阴极侧的设置于电解质膜表面的凸部的高度或者凹部的深度控制得较大，并且将阴极侧的催化剂层厚度控制得较薄。然而，以该构成使得将本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：行天久朗，相泽将徒，田尾本昭，
申请(专利权)人：松下电器产业株式会社，
类型：发明
国别省市：