JP4920799B2 - 高分子形燃料電池の運転方法 - Google Patents
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Description
前記固体高分子形燃料電池を準備する工程(A)、および
ここで、前記固体高分子形燃料電池は、カソード、アノード、および前記カソードおよび前記アノードに挟まれた電解質膜を具備し、
前記電解質膜の、前記カソードに対向する表面は、5μm以上15μm以下の高さを有する複数の凸部または5μm以上15μm以下の深さを有する複数の凹部を具備し、
前記カソードは前記表面に密着して形成された触媒層から構成され、前記触媒層の厚みは前記凸部の高さまたは前記凹部の深さの1倍以上3倍以下であり、
10%以下の相対湿度を有する酸素含有ガスを前記カソードに供給し、前記固体高分子形燃料電池を用いて電力を発生させる工程(B)。
図1は、本発明において凹凸構造を有する電解質膜3の表面を図示する概念図を示す。図1(a)に示すように、平面下底部1が連続的に形成されており、その平面下底部1上に不連続な突起(凸部)が複数形成された構造を、本発明では凸型と呼ぶ。逆に、図1(b)に示すように、平面上底部2が連続的に形成されており、平面上底部2に不連続な孔(凹部)が複数形成された構造を凹型と呼ぶ。図1では、凸部及び凹部の形状の代表例として円柱状のものを示しているが、四角柱、三角柱等の多角柱であってもよい。円錐、又は、多角錐であってもよく、様々な形状の凸部又は凹部を適用できる。この凹凸構造はカソード側に設けられ、凹凸構造を有する電解質膜表面にカソード触媒層が設けられる。以下では、主に凸型について本発明の実施形態を説明するが、本発明は凹型にも適用できる。
凸型の電解質膜が、フッ素系ポリマー電解質の溶液を、凹型モールドを用いてキャスト成形することによって製造された。凹型モールドは、シリコンウエハー上に種々のパターンをマスク形成した後、プラズマエッチングによって作成された。凸部の断面形状及び間隔の設計はマスクパターンによって、凸部の高さはプラズマエッチングの時間及び強度によって調節された。ポリマー電解質の溶液としてはナフィオン液(水/アルコール溶媒、固形分比を約20%に調整)が用いられた。表面に種々の形状の凸凹加工が施されたシリコンフェハー上にナフィオン液をコートし乾燥させた。乾燥の際には雰囲気の温度及び加湿条件を調節した。必要に応じてナフィオン液のコートと乾燥を複数回繰り返した。乾燥後、空気中130℃〜200℃で熱処理を施し、ナフィオンが水に再溶解しないようにした。熱処理の時間は1分〜100分の範囲で熱処理温度に応じて調節した。熱処理された膜を、ピンセット等のジグを用いて凹凸部が損傷しないようにシリコンモールドから引き剥がした。膜の引き剥がしが困難な場合は、シリコンモールドを予め離型剤で処理しておき、離型しやすいようにした。凸型膜では、凸部の断面は径5μm、凸部の高さ(h)は3μm、凸部と凸部の間隔(S)は5μmを標準の形状に設定した。凸部の直径及び高さ、並びに、凸部の間隔が発電性能に与える影響を調べるため、注目する形状因子を固定し、その他の形状因子を種々変更した形状を試作した。
実施例1では凸型の電解質膜を含む小型セルの電流−電圧特性が評価された。これに対し、本実施例2では凹型の電解質膜を含む小型セルの電流−電圧特性が評価される。この凹型電解質膜では凹部の径(φ)を10μmに設定した。凹部と凹部の間隔、すなわちリブ幅は、凸型膜の凸部の径(φ)と対応させて5μmに設定し、凹部の深さは、凸型膜の凸部の高さと対応させて10μm又は15μmに設定した。触媒層及びガス拡散層を含む他の構成としては、実施例1の凸型膜と同様のものを用い、小型セルを作製し、電流−電圧特性を評価した。
実施例1では凸部の高さを5μm以上とした際の電流−電圧特性の改善が見出されたが、本実施例3では触媒反応層の厚みと電流−電圧特性との関係が評価される。本実施例では、凸型膜において凸部の径(φ)を5μm、凸部と凸部の間隔(S)を5μm、高さ(h)を10μmに固定し、触媒層の厚みを10、20、30、50、100又は150μmに変更して実施例1と同様の評価用小型セルを作製した。触媒層の厚みに関わらず、触媒層形成のために用いられた触媒層インクは実施例1と同様のものを用いた。例えば、触媒層厚みが10μm、50μm又は100μmである時、Ptのローディング量はそれぞれ、約0.25mg/cm2、1.25mg/cm2、又は、2.5mg/cm2であった。触媒層の塗工方法は、スクリーン塗工、スプレー塗工、及び、転写法から、触媒層の厚みに応じて最適な方法を採用した。
2 平面上底部
3 電解質膜
4 凸部
5 間隔(S)
11 電解質膜
12 カソード触媒層
13 アノード触媒層
14 ガス拡散層
15 ガス流路
16 セパレータ
Claims (1)
- 固体高分子形燃料電池を用いて電力を発生させる方法であって、以下の工程(A)および(B)を具備する:
前記固体高分子形燃料電池を準備する工程(A)、および
ここで、前記固体高分子形燃料電池は、カソード、アノード、および前記カソードおよび前記アノードに挟まれた電解質膜を具備し、
前記電解質膜の、前記カソードに対向する表面は、5μm以上15μm以下の高さを有する複数の凸部または5μm以上15μm以下の深さを有する複数の凹部を具備し、
前記カソードは前記表面に密着して形成された触媒層から構成され、前記触媒層の厚みは、前記凸部の高さまたは前記凹部の深さの1倍以上3倍以下であり、前記触媒層の最大厚みは10〜30μmであり、
10%以下の相対湿度を有する酸素含有ガスを前記カソードに供給し、前記固体高分子形燃料電池を用いて電力を発生させる工程(B)。
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