燃料電池和移動體的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種燃料電池和一種移動體。
【背景技術】
[0002]安裝在燃料電池車輛等中的燃料電池的單體電池每個都包括處于電解質膜兩側上的陽極和陰極，并且每個電極都包括催化劑層以促進單體電池內的電化學反應。催化劑層包含:催化劑承載碳，用于承載催化劑，諸如鉑；和用于傳導質子和氧的聚合物電解質(離聚物)(參見日本專利申請公開號2011-258452(JP 2011-258452 A)、日本專利申請公開號2013-143340(JP 2013-143340 A)和日本專利申請公開號2013-089447 (JP2013-089447 A))。
[0003]同時，催化劑層中的聚合物電解質⑴對催化劑承載碳(C)的重量比(Ι/C)顯著地影響燃料電池的性能，諸如燃料電池的最大輸出，并且因而在單體電池制造時將其設置為預定值。大體上，將初始時(制造時)的重量比(Ι/C)設置為使得燃料電池的初始性能最大。特別地，如圖5中所示，在示出初始狀態下(溶脹比:0% )的重量比(Ι/C)和燃料電池的最大輸出之間相互關系的特性曲線S。中選擇使燃料電池的最大輸出最大化的重量比(Ι/C)的值 P。。
[0004]然而，在燃料電池的使用期間，催化劑層的聚合物電解質包含水，并且不可逆地溶脹。由于這種溶脹，如圖5中所示，重量比(Ι/C)和燃料電池的最大輸出之間的特性曲線變化，從而在溶脹比增大時，燃料電池的最大輸出的峰值朝著較低重量比(Ι/C) 一側移動，并且燃料電池的最大輸出降低。此外，在燃料電池使用期間，催化劑承載碳的碳被氧化并且消失，導致碳的量減小，從而重量比(Ι/C)的值逐漸增大。這也導致燃料電池的最大輸出的降低。
[0005]結果，如果如上所述地將初始重量比(Ι/C)設置為使燃料電池的初始性能最大化的值匕，就存在例如圖5中的箭頭所示的，燃料電池的性能由于繼續使用燃料電池而下降的可能性。
【發明內容】
[0006]本申請的一方面提供一種能夠抑制燃料電池由于其使用而性能降低的燃料電池，并且進一步提供一種具有這種燃料電池的移動體。
[0007]本發明的一方面包括一種包括催化劑層的燃料電池，催化劑層包含聚合物電解質和催化劑承載碳，其中催化劑層中的聚合物電解質與催化劑承載碳的初始重量比的值為下列值，該值比在聚合物電解質未溶脹的狀態下使燃料電池的最大輸出最大化的催化劑層中的聚合物電解質對催化劑承載碳的重量比的值小0.1至0.2。
[0008]根據本發明，可以抑制燃料電池的性能降低，即使催化劑層的聚合物電解質在燃料電池使用期間不可逆地溶脹，或者即使催化劑層的催化劑承載碳的碳在燃料電池使用期間被氧化并且消失，導致碳量減小也是如此。
[0009]在該燃料電池中，聚合物電解質可為全氟化碳磺酸聚合物和聚芳醚磺酸共聚物中的至少一種。
[0010]在該燃料電池中，催化劑承載碳可為碳黑。
[0011]在該燃料電池中，催化劑承載碳可承載從Pt、Pt-Fe, Pt-Cr, Pt-Ni和Pt_Ru中選擇的至少一種金屬催化劑。
[0012]本發明的另一方面包括一種具有上述燃料電池的移動體。
[0013]根據本發明的一方面，由于可以抑制由于燃料電池的使用導致的燃料電池的性能降低，所以提高了燃料電池的耐久性。
【附圖說明】
[0014]下面將參考附圖描述本發明的例證性實施例的特征、優點以及技術和工業意義，其中相同標識符指示相同元件，并且其中:
[0015]圖1是示出燃料電池系統的示意性構造的解釋圖；
[0016]圖2是示出燃料電池的單體電池結構的解釋圖；
[0017]圖3是例證性示出催化劑層中的聚合物電解質和催化劑承載碳的解釋圖；
[0018]圖4是示出燃料電池的重量比(Ι/C)和最大輸出之間的相互關系的曲線圖；和
[0019]圖5是示出初始重量比(Ι/C)的一般設定值的曲線圖。
【具體實施方式】
[0020]下面將詳細地描述本發明的實施例。除非另外指出，否則諸如上、下、左和右的位置關系都基于圖中所示的位置關系。尺寸比例不限于圖中所示的那些尺寸比例。此外，下列實施例僅用于例示，并且無意在任何方面限制本發明。此外，可在不偏離其要旨的范圍內不同對本發明變型。
[0021]圖1示出該實施例中的燃料電池系統10的系統構造。例如，燃料電池系統10用作安裝在作為移動體的燃料電池車輛中的車載電源系統，并且包括:燃料電池20，向燃料電池20供應反應氣體(燃料氣體和氧化氣體)，并且燃料電池20發電；氧化氣體供應系統30，用于將作為氧化氣體的空氣供應給燃料電池20 ;燃料氣體供應系統40，用于將作為燃料氣體的氫氣供應給燃料電池20 ;電力系統50，用于控制充電和放電；和控制器60，控制器60總體控制整個系統。
[0022]燃料電池20是通過串聯地堆疊多個單體電池形成的固體聚合物電解質類型的單體電池堆。在燃料電池20中，化學式(1)的氧化反應在陽極發生，而化學式(2)的還原反應在陰極發生。化學式(3)的電動勢反應在作為整體的燃料電池20中發生。
[0023]H2—2H++2e (1)
[0024](l/2)02+2H++2e — H20 (2)
[0025]H2+(l/2)02—H20 (3)
[0026]圖2是組成燃料電池20的單體電池21的分解透視圖。單體電池21包括聚合物電解質膜22、陽極23、陰極24以及隔膜26和27。陽極23和陰極24從兩側將聚合物電解質膜22夾在兩者之間，由此形成三明治結構。
[0027]隔膜26和27每個都由不透氣傳導構件形成，并且從兩側將陽極23和陰極24夾在兩者之間，由此在隔膜26和陽極23之間形成燃料氣體流動路徑，并且在隔膜27和陰極24之間形成氧化氣體流動路徑。
[0028]隔膜26形成有橫截面凹入的肋26a。陽極23抵靠肋26a，從而閉合肋26a的開口部，以便形成燃料氣體流動路徑。隔膜27形成有橫截面凹入的肋27a。陰極24抵靠肋27a，從而閉合肋27a的開口部，以便形成氧化氣體流動路徑。
[0029]陽極23包括催化劑層23a和氣體擴散層23b。同樣地，陰極24包括催化劑層24a和氣體擴散層24b。如圖3中所示，催化劑層23a和24a每個都包含:催化劑承載碳101，其承載例如用作催化劑的鉑基貴金屬顆粒100 ;和聚合物電解質102。
[0030]作為貴金屬顆粒100的鈾基材料，例如可以使用金屬催化劑(Pt、Pt-Fe、Pt_Cr、Pt-Ni, Pt-Ru等)。作為催化劑承載碳101，例如可以使用碳黑。
[0031]作為聚合物電解質102，例如可以使用質子傳導離子交換樹脂等，其含作為氟基樹脂的全氟化碳磺酸聚合物、作為非氟基樹脂的BPSH(聚芳醚磺酸共聚物)等。全氟化碳磺酸聚合物和BPSH每種都含磺酸基團。也就是說，這些樹脂都具有離子性，并且也稱其為“離聚物(離子+聚合物)”。
[0032]通過下列步驟形成催化劑層23a、24a:向承載貴金屬顆粒100的預定量催化劑承載碳101添加預定量的聚合物電解質102 ;然后使它們形成膏；然后將該膏絲網印刷到聚合物電解質膜22上。可使用另一方法，諸如噴涂，形成催化劑層23a、24a。
[0033]在該實施例中，將初始時(制造時)的催化劑層23a、24a中聚合物電解質102對催化劑承載碳101的重量比(I/C)(聚合物電解質102的重量除以催化劑承載碳101的重量(包括貴金屬顆粒100的重量)獲得的值)的值Pi設為預定值。特別地，如圖4中所示，將初始重量比(Ι/C)的值設為下列值，該值比在聚合物電解質102未溶脹的狀態(初始狀態)下使燃料電池的最大輸出最大化的重量比(Ι/C)的值P。小0.1至0.2。提前經由實驗、計算等獲得圖4中所示的特性曲線S。，其示出初始狀態下的燃料電池的最大輸出和重量比(Ι/C)之間的相互關系。
[0034]氣體擴散層23b、24b由碳布、碳紙或碳氈形成，該碳布、碳紙或碳氈形成在催化劑層23a、24a的表面上，具有透氣性和電子傳導性，并且用碳纖維制成的紗編織而成。
[0035]圖2中所示的聚合物電解質膜22為由固體聚合物材料諸如氟基樹脂制成的質子傳導離子交換膜，并且在濕狀態下展現極好的導電性。膜-電極組件25由聚合物電解質膜22、陽極23和陰極24形成。
[0036]如圖1中所示，燃料電池20設有:電壓傳感器71，用于檢測燃料電池20的輸出電壓(FC電壓);和電流傳感器72，用于檢測燃料電池20的輸出電流(FC電流)。
[0037]氧化氣體供應系統30包括:氧化氣體路徑33，將被供應給燃料電池20的陰極24的氧化氣體在其中流動；和氧化廢氣路徑34，從燃料電池20排出的氧化廢氣在其中流動。氧化氣體路徑33設有:空氣壓縮機32，用于引導來自大氣的氧化氣體流經過濾器31 ;加濕器35，用于對由空氣壓縮機32壓縮的氧化氣體加濕；和截止閥A1，用于截止對燃料電池20的氧化氣體供應。
[0038]氧化廢氣路徑34設有:截止閥A2，用于截止來自燃料電池2