燃料电池和移动体的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种燃料电池和一种移动体。
【背景技术】
[0002]安装在燃料电池车辆等中的燃料电池的单体电池每个都包括处于电解质膜两侧上的阳极和阴极，并且每个电极都包括催化剂层以促进单体电池内的电化学反应。催化剂层包含:催化剂承载碳，用于承载催化剂，诸如铂；和用于传导质子和氧的聚合物电解质(离聚物)(参见日本专利申请公开号2011-258452(JP 2011-258452 A)、日本专利申请公开号2013-143340(JP 2013-143340 A)和日本专利申请公开号2013-089447 (JP2013-089447 A))。
[0003]同时，催化剂层中的聚合物电解质⑴对催化剂承载碳(C)的重量比(Ι/C)显著地影响燃料电池的性能，诸如燃料电池的最大输出，并且因而在单体电池制造时将其设置为预定值。大体上，将初始时(制造时)的重量比(Ι/C)设置为使得燃料电池的初始性能最大。特别地，如图5中所示，在示出初始状态下(溶胀比:0% )的重量比(Ι/C)和燃料电池的最大输出之间相互关系的特性曲线S。中选择使燃料电池的最大输出最大化的重量比(Ι/C)的值 P。。
[0004]然而，在燃料电池的使用期间，催化剂层的聚合物电解质包含水，并且不可逆地溶胀。由于这种溶胀，如图5中所示，重量比(Ι/C)和燃料电池的最大输出之间的特性曲线变化，从而在溶胀比增大时，燃料电池的最大输出的峰值朝着较低重量比(Ι/C) 一侧移动，并且燃料电池的最大输出降低。此外，在燃料电池使用期间，催化剂承载碳的碳被氧化并且消失，导致碳的量减小，从而重量比(Ι/C)的值逐渐增大。这也导致燃料电池的最大输出的降低。
[0005]结果，如果如上所述地将初始重量比(Ι/C)设置为使燃料电池的初始性能最大化的值匕，就存在例如图5中的箭头所示的，燃料电池的性能由于继续使用燃料电池而下降的可能性。
【发明内容】
[0006]本申请的一方面提供一种能够抑制燃料电池由于其使用而性能降低的燃料电池，并且进一步提供一种具有这种燃料电池的移动体。
[0007]本发明的一方面包括一种包括催化剂层的燃料电池，催化剂层包含聚合物电解质和催化剂承载碳，其中催化剂层中的聚合物电解质与催化剂承载碳的初始重量比的值为下列值，该值比在聚合物电解质未溶胀的状态下使燃料电池的最大输出最大化的催化剂层中的聚合物电解质对催化剂承载碳的重量比的值小0.1至0.2。
[0008]根据本发明，可以抑制燃料电池的性能降低，即使催化剂层的聚合物电解质在燃料电池使用期间不可逆地溶胀，或者即使催化剂层的催化剂承载碳的碳在燃料电池使用期间被氧化并且消失，导致碳量减小也是如此。
[0009]在该燃料电池中，聚合物电解质可为全氟化碳磺酸聚合物和聚芳醚磺酸共聚物中的至少一种。
[0010]在该燃料电池中，催化剂承载碳可为碳黑。
[0011]在该燃料电池中，催化剂承载碳可承载从Pt、Pt-Fe, Pt-Cr, Pt-Ni和Pt_Ru中选择的至少一种金属催化剂。
[0012]本发明的另一方面包括一种具有上述燃料电池的移动体。
[0013]根据本发明的一方面，由于可以抑制由于燃料电池的使用导致的燃料电池的性能降低，所以提高了燃料电池的耐久性。
【附图说明】
[0014]下面将参考附图描述本发明的例证性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，其中相同标识符指示相同元件，并且其中:
[0015]图1是示出燃料电池系统的示意性构造的解释图；
[0016]图2是示出燃料电池的单体电池结构的解释图；
[0017]图3是例证性示出催化剂层中的聚合物电解质和催化剂承载碳的解释图；
[0018]图4是示出燃料电池的重量比(Ι/C)和最大输出之间的相互关系的曲线图；和
[0019]图5是示出初始重量比(Ι/C)的一般设定值的曲线图。
【具体实施方式】
[0020]下面将详细地描述本发明的实施例。除非另外指出，否则诸如上、下、左和右的位置关系都基于图中所示的位置关系。尺寸比例不限于图中所示的那些尺寸比例。此外，下列实施例仅用于例示，并且无意在任何方面限制本发明。此外，可在不偏离其要旨的范围内不同对本发明变型。
[0021]图1示出该实施例中的燃料电池系统10的系统构造。例如，燃料电池系统10用作安装在作为移动体的燃料电池车辆中的车载电源系统，并且包括:燃料电池20，向燃料电池20供应反应气体(燃料气体和氧化气体)，并且燃料电池20发电；氧化气体供应系统30，用于将作为氧化气体的空气供应给燃料电池20 ;燃料气体供应系统40，用于将作为燃料气体的氢气供应给燃料电池20 ;电力系统50，用于控制充电和放电；和控制器60，控制器60总体控制整个系统。
[0022]燃料电池20是通过串联地堆叠多个单体电池形成的固体聚合物电解质类型的单体电池堆。在燃料电池20中，化学式(1)的氧化反应在阳极发生，而化学式(2)的还原反应在阴极发生。化学式(3)的电动势反应在作为整体的燃料电池20中发生。
[0023]H2—2H++2e (1)
[0024](l/2)02+2H++2e — H20 (2)
[0025]H2+(l/2)02—H20 (3)
[0026]图2是组成燃料电池20的单体电池21的分解透视图。单体电池21包括聚合物电解质膜22、阳极23、阴极24以及隔膜26和27。阳极23和阴极24从两侧将聚合物电解质膜22夹在两者之间，由此形成三明治结构。
[0027]隔膜26和27每个都由不透气传导构件形成，并且从两侧将阳极23和阴极24夹在两者之间，由此在隔膜26和阳极23之间形成燃料气体流动路径，并且在隔膜27和阴极24之间形成氧化气体流动路径。
[0028]隔膜26形成有横截面凹入的肋26a。阳极23抵靠肋26a，从而闭合肋26a的开口部，以便形成燃料气体流动路径。隔膜27形成有横截面凹入的肋27a。阴极24抵靠肋27a，从而闭合肋27a的开口部，以便形成氧化气体流动路径。
[0029]阳极23包括催化剂层23a和气体扩散层23b。同样地，阴极24包括催化剂层24a和气体扩散层24b。如图3中所示，催化剂层23a和24a每个都包含:催化剂承载碳101，其承载例如用作催化剂的铂基贵金属颗粒100 ;和聚合物电解质102。
[0030]作为贵金属颗粒100的铀基材料，例如可以使用金属催化剂(Pt、Pt-Fe、Pt_Cr、Pt-Ni, Pt-Ru等)。作为催化剂承载碳101，例如可以使用碳黑。
[0031]作为聚合物电解质102，例如可以使用质子传导离子交换树脂等，其含作为氟基树脂的全氟化碳磺酸聚合物、作为非氟基树脂的BPSH(聚芳醚磺酸共聚物)等。全氟化碳磺酸聚合物和BPSH每种都含磺酸基团。也就是说，这些树脂都具有离子性，并且也称其为“离聚物(离子+聚合物)”。
[0032]通过下列步骤形成催化剂层23a、24a:向承载贵金属颗粒100的预定量催化剂承载碳101添加预定量的聚合物电解质102 ;然后使它们形成膏；然后将该膏丝网印刷到聚合物电解质膜22上。可使用另一方法，诸如喷涂，形成催化剂层23a、24a。
[0033]在该实施例中，将初始时(制造时)的催化剂层23a、24a中聚合物电解质102对催化剂承载碳101的重量比(I/C)(聚合物电解质102的重量除以催化剂承载碳101的重量(包括贵金属颗粒100的重量)获得的值)的值Pi设为预定值。特别地，如图4中所示，将初始重量比(Ι/C)的值设为下列值，该值比在聚合物电解质102未溶胀的状态(初始状态)下使燃料电池的最大输出最大化的重量比(Ι/C)的值P。小0.1至0.2。提前经由实验、计算等获得图4中所示的特性曲线S。，其示出初始状态下的燃料电池的最大输出和重量比(Ι/C)之间的相互关系。
[0034]气体扩散层23b、24b由碳布、碳纸或碳毡形成，该碳布、碳纸或碳毡形成在催化剂层23a、24a的表面上，具有透气性和电子传导性，并且用碳纤维制成的纱编织而成。
[0035]图2中所示的聚合物电解质膜22为由固体聚合物材料诸如氟基树脂制成的质子传导离子交换膜，并且在湿状态下展现极好的导电性。膜-电极组件25由聚合物电解质膜22、阳极23和阴极24形成。
[0036]如图1中所示，燃料电池20设有:电压传感器71，用于检测燃料电池20的输出电压(FC电压);和电流传感器72，用于检测燃料电池20的输出电流(FC电流)。
[0037]氧化气体供应系统30包括:氧化气体路径33，将被供应给燃料电池20的阴极24的氧化气体在其中流动；和氧化废气路径34，从燃料电池20排出的氧化废气在其中流动。氧化气体路径33设有:空气压缩机32，用于引导来自大气的氧化气体流经过滤器31 ;加湿器35，用于对由空气压缩机32压缩的氧化气体加湿；和截止阀A1，用于截止对燃料电池20的氧化气体供应。
[0038]氧化废气路径34设有:截止阀A2，用于截止来自燃料电池2