燃料電池和移動(dòng)體的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種燃料電池和一種移動(dòng)體。
【背景技術(shù)】
[0002]安裝在燃料電池車輛等中的燃料電池的單體電池每個(gè)都包括處于電解質(zhì)膜兩側(cè)上的陽(yáng)極和陰極，并且每個(gè)電極都包括催化劑層以促進(jìn)單體電池內(nèi)的電化學(xué)反應(yīng)。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(dǎo)質(zhì)子和氧的聚合物電解質(zhì)(離聚物)(參見(jiàn)日本專利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)2011-258452(JP 2011-258452 A)、日本專利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)2013-143340(JP 2013-143340 A)和日本專利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)2013-089447 (JP2013-089447 A))。
[0003]同時(shí)，催化劑層中的聚合物電解質(zhì)⑴對(duì)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(shí)將其設(shè)置為預(yù)定值。大體上，將初始時(shí)(制造時(shí))的重量比(Ι/C)設(shè)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(tài)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(guān)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(zhì)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(shí)，燃料電池的最大輸出的峰值朝著較低重量比(Ι/C) 一側(cè)移動(dòng)，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(dǎo)致碳的量減小，從而重量比(Ι/C)的值逐漸增大。這也導(dǎo)致燃料電池的最大輸出的降低。
[0005]結(jié)果，如果如上所述地將初始重量比(Ι/C)設(shè)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(xù)使用燃料電池而下降的可能性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本申請(qǐng)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(jìn)一步提供一種具有這種燃料電池的移動(dòng)體。
[0007]本發(fā)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(zhì)和催化劑承載碳，其中催化劑層中的聚合物電解質(zhì)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(zhì)未溶脹的狀態(tài)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(zhì)對(duì)催化劑承載碳的重量比的值小0.1至0.2。
[0008]根據(jù)本發(fā)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(zhì)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(dǎo)致碳量減小也是如此。
[0009]在該燃料電池中，聚合物電解質(zhì)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(fā)明的另一方面包括一種具有上述燃料電池的移動(dòng)體。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的一方面，由于可以抑制由于燃料電池的使用導(dǎo)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(shuō)明】
[0014]下面將參考附圖描述本發(fā)明的例證性實(shí)施例的特征、優(yōu)點(diǎn)以及技術(shù)和工業(yè)意義，其中相同標(biāo)識(shí)符指示相同元件，并且其中:
[0015]圖1是示出燃料電池系統(tǒng)的示意性構(gòu)造的解釋圖；
[0016]圖2是示出燃料電池的單體電池結(jié)構(gòu)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(zhì)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(guān)系的曲線圖；和
[0019]圖5是示出初始重量比(Ι/C)的一般設(shè)定值的曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面將詳細(xì)地描述本發(fā)明的實(shí)施例。除非另外指出，否則諸如上、下、左和右的位置關(guān)系都基于圖中所示的位置關(guān)系。尺寸比例不限于圖中所示的那些尺寸比例。此外，下列實(shí)施例僅用于例示，并且無(wú)意在任何方面限制本發(fā)明。此外，可在不偏離其要旨的范圍內(nèi)不同對(duì)本發(fā)明變型。
[0021]圖1示出該實(shí)施例中的燃料電池系統(tǒng)10的系統(tǒng)構(gòu)造。例如，燃料電池系統(tǒng)10用作安裝在作為移動(dòng)體的燃料電池車輛中的車載電源系統(tǒng)，并且包括:燃料電池20，向燃料電池20供應(yīng)反應(yīng)氣體(燃料氣體和氧化氣體)，并且燃料電池20發(fā)電；氧化氣體供應(yīng)系統(tǒng)30，用于將作為氧化氣體的空氣供應(yīng)給燃料電池20 ;燃料氣體供應(yīng)系統(tǒng)40，用于將作為燃料氣體的氫氣供應(yīng)給燃料電池20 ;電力系統(tǒng)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(gè)系統(tǒng)。
[0022]燃料電池20是通過(guò)串聯(lián)地堆疊多個(gè)單體電池形成的固體聚合物電解質(zhì)類型的單體電池堆。在燃料電池20中，化學(xué)式(1)的氧化反應(yīng)在陽(yáng)極發(fā)生，而化學(xué)式(2)的還原反應(yīng)在陰極發(fā)生?；瘜W(xué)式(3)的電動(dòng)勢(shì)反應(yīng)在作為整體的燃料電池20中發(fā)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(zhì)膜22、陽(yáng)極23、陰極24以及隔膜26和27。陽(yáng)極23和陰極24從兩側(cè)將聚合物電解質(zhì)膜22夾在兩者之間，由此形成三明治結(jié)構(gòu)。
[0027]隔膜26和27每個(gè)都由不透氣傳導(dǎo)構(gòu)件形成，并且從兩側(cè)將陽(yáng)極23和陰極24夾在兩者之間，由此在隔膜26和陽(yáng)極23之間形成燃料氣體流動(dòng)路徑，并且在隔膜27和陰極24之間形成氧化氣體流動(dòng)路徑。
[0028]隔膜26形成有橫截面凹入的肋26a。陽(yáng)極23抵靠肋26a，從而閉合肋26a的開(kāi)口部，以便形成燃料氣體流動(dòng)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(kāi)口部，以便形成氧化氣體流動(dòng)路徑。
[0029]陽(yáng)極23包括催化劑層23a和氣體擴(kuò)散層23b。同樣地，陰極24包括催化劑層24a和氣體擴(kuò)散層24b。如圖3中所示，催化劑層23a和24a每個(gè)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(zhì)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(zhì)102，例如可以使用質(zhì)子傳導(dǎo)離子交換樹(shù)脂等，其含作為氟基樹(shù)脂的全氟化碳磺酸聚合物、作為非氟基樹(shù)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(tuán)。也就是說(shuō)，這些樹(shù)脂都具有離子性，并且也稱其為“離聚物(離子+聚合物)”。
[0032]通過(guò)下列步驟形成催化劑層23a、24a:向承載貴金屬顆粒100的預(yù)定量催化劑承載碳101添加預(yù)定量的聚合物電解質(zhì)102 ;然后使它們形成膏；然后將該膏絲網(wǎng)印刷到聚合物電解質(zhì)膜22上?？墒褂昧硪环椒?，諸如噴涂，形成催化劑層23a、24a。
[0033]在該實(shí)施例中，將初始時(shí)(制造時(shí))的催化劑層23a、24a中聚合物電解質(zhì)102對(duì)催化劑承載碳101的重量比(I/C)(聚合物電解質(zhì)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(shè)為預(yù)定值。特別地，如圖4中所示，將初始重量比(Ι/C)的值設(shè)為下列值，該值比在聚合物電解質(zhì)102未溶脹的狀態(tài)(初始狀態(tài))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(jīng)由實(shí)驗(yàn)、計(jì)算等獲得圖4中所示的特性曲線S。，其示出初始狀態(tài)下的燃料電池的最大輸出和重量比(Ι/C)之間的相互關(guān)系。
[0034]氣體擴(kuò)散層23b、24b由碳布、碳紙或碳?xì)中纬?，該碳布、碳紙或碳?xì)中纬稍诖呋瘎?3a、24a的表面上，具有透氣性和電子傳導(dǎo)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(zhì)膜22為由固體聚合物材料諸如氟基樹(shù)脂制成的質(zhì)子傳導(dǎo)離子交換膜，并且在濕狀態(tài)下展現(xiàn)極好的導(dǎo)電性。膜-電極組件25由聚合物電解質(zhì)膜22、陽(yáng)極23和陰極24形成。
[0036]如圖1中所示，燃料電池20設(shè)有:電壓傳感器71，用于檢測(cè)燃料電池20的輸出電壓(FC電壓);和電流傳感器72，用于檢測(cè)燃料電池20的輸出電流(FC電流)。
[0037]氧化氣體供應(yīng)系統(tǒng)30包括:氧化氣體路徑33，將被供應(yīng)給燃料電池20的陰極24的氧化氣體在其中流動(dòng)；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(dòng)。氧化氣體路徑33設(shè)有:空氣壓縮機(jī)32，用于引導(dǎo)來(lái)自大氣的氧化氣體流經(jīng)過(guò)濾器31 ;加濕器35，用于對(duì)由空氣壓縮機(jī)32壓縮的氧化氣體加濕；和截止閥A1，用于截止對(duì)燃料電池20的氧化氣體供應(yīng)。
[0038]氧化廢氣路徑34設(shè)有:截止閥A2，用于截止來(lái)自燃料電池2