[发明专利]燃料电池的运转方法

说明书

本发明提供一种即使在高温条件下高分子电解质膜也能够充分加湿，能够得到优异的发电性能的燃料电池的运转方法。本发明是一种燃料电池的运转方法，所述燃料电池具备具有电解质膜、催化剂层和气体扩散层的膜电极复合体，所述运转方法的特征在于，包含将所述燃料电池的运转温度设定为100℃以上的工序，在所述工序中使向燃料电池供给的供给气体的相对湿度为70％以上，并且使所述供给气体的背压为330kPa以上。

技术领域

本发明涉及一种燃料电池的运转方法，该燃料电池具备具有电解质膜、催化剂层和气体扩散层的膜电极复合体，通过提高高温运转时的供给气体的湿度及背压，即使在高温条件下也能够得到优异的发电性能。

背景技术

燃料电池是通过将氢气、甲醇等燃料电化学氧化而取出电能的一种发电装置，近年来，作为清洁的能量供给源受到关注。其中，固体高分子型燃料电池的标准工作温度低至100℃左右，且能量密度高，因此作为规模较小的分散型发电设施、汽车、船舶等移动体的发电装置，有望得到广泛的应用。另外，作为小型移动设备、便携设备的电源也受到关注，期待代替镍氢电池、锂离子电池等二次电池，搭载在手机、电脑等上。

固体高分子型燃料电池，通常使向催化剂层供给燃料气体及氧化气体的气体扩散层、发生承担发电的反应的阳极和阴极的催化剂层、成为阳极催化剂层和阴极催化剂层之间的质子传导体的高分子电解质膜构成膜电极复合体(以下有时简称为MEA)，以由隔板夹持该MEA而成的单电池为单元而构成。

作为对上述高分子电解质膜的要求特性，第一可以举出高的质子传导性，特别是在高温低加湿条件下也需要具有高的质子传导性。以往，作为全氟磺酸系聚合物的Nafion(注册商标)(杜邦公司制)被广泛用于高分子电解质膜。Nafion(注册商标)通过由团簇结构产生的质子传导通道而显示出高质子传导性，另一方面，在低加湿条件下的质子传导性存在问题。

另外一方面，近年来可代替Nafion(注册商标)的烃系高分子电解质膜的开发变得活跃，其中，特别是为了提高质子传导性，使用由疏水性链段和亲水性链段构成的嵌段共聚物，进行了几种形成微相分离结构的尝试，但是低加湿条件下的质子传导性仍然是一个问题。鉴于这种状况，在燃料电池中，管理膜电极复合体中的水(特别是电解质膜的含水量)变得重要。

另一方面，为了进一步提高固体高分子型燃料电池的高性能，要求运转温度超过100℃的高温化。通过运转温度的上升，催化剂活性提高，发电性能提高，并且通过散热器的排热效率上升，能够实现燃料电池系统的小型化。另外，能够降低燃料气体中含有的一氧化碳等中毒源引起的催化剂中毒，抑制杂质引起的性能降低。但是，运转温度的上升引起来自膜电极复合体、特别是电解质膜的脱水，降低质子传导性，因此存在不能得到充分的性能的课题。因此，进行了可在高温、特别是超过100℃的温度范围内使用的电解质膜材料以及可运转的燃料电池系统的开发。

在专利文献1中，作为在工作温度100℃以上的高温下工作的固体高分子型燃料电池的电池结构，记载有抑制气体的压损和阳极/阴极间压力差的增大的隔板结构。其中公开了通过使阴极隔板的气体流动方向下游侧的流路的截面积大于上游侧的截面积，来降低阴极隔板的压损，提高能量效率的结构。

另外，专利文献2中记载了一种固体高分子型燃料电池用膜-电极结构体，该固体高分子型燃料电池用膜-电极结构体具有质子传导膜，该膜具有高质子传导性，同时在高温高湿条件下也难以溶胀，具有优异的尺寸稳定性。其中公开了通过使电解质膜为具有特定结构单元的支链状聚芳烯系共聚物，提供即使在高磺酸当量下尺寸变化也小的膜-电极结构体的结构。

进而，在专利文献3中，记载了与燃料电池内的水分大致无关地动作的高温型高分子电解质膜燃料电池及其运转方法。其中公开了，为了在与水分大致无关的状态下进行动作，使用将磷酸等自解离性化合物保持在膜中的电解质，使动作温度为80～300℃、动作压力为0.3～5bar，从而减轻工艺气体中的CO浓度和电池内存在的水分量的影响的方法。

现有技术文献

专利文献