[发明专利]高分子型燃料电池的运转方法

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。即，直径大约为0.3μm且长为3μm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0.5～5μm且长度(高度)为0.25～2.6μm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℃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、并将铂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0.5～1μm，微小突起的最大直径为2.6μm。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160μm，在阳极侧为55μm。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3a(3b)，从而将辊10上的微小突起4a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对其进行均匀的延展并实施干燥，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26％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3μm×3μm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1.4μm、1.9μm、3.7μm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，作为与本发明相关的文献，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、图8(c))