燃料电池的制作方法

专利名称：燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池，更具体地涉及能够抑制由燃料不足引起的 性能下降的燃料电池。
相关技术的描述
燃料电池通过膜电极组合件(在下文称为"MEA")中的电化学 反应产生电能，所述膜电极组合件包括电解质膜和布置在该电解质膜两 侧上的电极(即阳极和阴极)。然后所产生的电能经由布置在MEA两 侧上的隔离器从MEA引出。在目前存在的各种类型的燃料电池中，用 于家庭热电联合系统和机动车等的聚合物电解质燃料电池(在下文称为 "PEFC")能够在低温范围内运行。由于PEFC表现出高的能量转换效 率、具有短的启动时间并且系统小而轻，所以它们还作为电动车辆理想 的电源和作为移动电源引起很多关注。
PEFC的单电池包括电解质膜以及阳极和阴极。阳极和阴极的每 一个都具有至少一个催化剂层。单电池的理论电动势是1.23伏。然而， 由于该低电动势不足以用作电动车辆等的电源，因此通常将单电池串联 堆叠在一起以形成堆。然后将端板等沿堆叠方向布置在该堆的两端以形 成堆叠的PEFC。从处于堆叠的PEFC形式的两端施加紧固压力以减小 接触电阻。
在PEFC中发电的电化学反应例如按以下阶段进行。首先，输送 到阳极的氢在催化剂(例如负载铂的碳；在下文中也将铂称为"常规催 化剂")的存在下分解成氢离子和电子。
阳极反应H2 —2H+ + 2e-
然后游离的氢离子(在下文也称为"质子")穿过在潮湿时传导离 子的电解质膜移动到阴极。由于电解质膜只允许离子穿过，所以不能穿 过电解质膜的游离电子经由外部电路移动到阴极。正是由于电子的移动 使燃料电池发电。其间，由输送到阴极的氧与移动到阴极的电子和质子的反应产生水。
阴极反应2H++ 2e'+ (1/2)02 — H20
当PEFC运行时，电池的内部处于不同的气体状态，因此阳极可 以暴露于高电势状态(例如1.6V的电势状态)。在高电势状态下，阳极 的构成材料(例如Pt、 C等)劣化，从而降低PEFC的性能。因此，期 望抑制高电势时的材料劣化。
迄今为止，已经描述了试图通过抑制燃料不足时的材料劣化等来 提高燃料电池性能的各种技术。例如，PCT申请的公开的日语翻译 JP-T-2003-508877记载了将水电解催化剂与电极催化剂结合以使阳极 催化剂的载体在氢气不足时的腐蚀最小化。该公开声称所得催化剂还增 加了燃料电池的电池反转(battery reversal)耐性。
而且，日本专利申请公开JP-A-2004-22503描述了质子交换膜燃 料电池的阳极，其包括与固体聚合物电解质膜接触并促进燃料电池反应 的至少 一个反应层和与扩散层接触并使用电流分解阳极中的水的至少 一个水分解层。该公开声称所描述的技术提供了即使当燃料不足时也抑 制电极特性降低的质子交换膜燃料电池的阳极。
此外，日本专利申请公开JP-A-2005-149742描述了用于质子交换 膜燃料电池的催化剂载体电极，所述催化剂栽体电极具有负载在金属上 的催化剂，其中催化剂金属负载于使用高度抗腐蚀性的导电金属氧化物 的催化剂金属栽体上。该公开声称即使在阴极暴露于高电势状态时也可 以维持燃料电池的发电性能。此外，日本专利申请公开 JP-A-2005-135671描述了由至少催化剂金属颗粒、催化剂载体和质子导 电构件形成的电极等，所述催化剂载体的主要成分是具有不同的电子传 导率的两种或更多种类型的碳。该电极包括较多的与其它催化剂栽体相 比具有最高电子传导率的催化剂载体。该公开声称在所得电极中抑制了 碳的腐蚀，使得防止电极性能变差。
此外，日本专利申请公开JP-A-2005-141966描述了具有电极催化 剂层的催化剂载体电极，该电极催化剂层包括其中催化剂金属负载于导 电载体上的催化剂金属载体导电构件和电解质聚合物。催化剂载体电极PI展
体。召
随时间释放，来确保水和气体能够穿过催化剂层。结果，有效地防止水
对催化剂层的腐蚀。此外，日本专利申请公开JP-A-2005-294264描述
合件。该公开声称所述技术提供了几乎不劣化的燃料电池，因此在维持 电池性能的同时具有长的寿命。
JP-T-2003-508877和JP-A-2004-22503中描述的技术能够通过促 进水电解反应抑制阳极构成材料(例如碳)的腐蚀。然而， JP-T-2003-508877和JP-A-2004-22503中的技术只是进展到作为燃料不 足时的对策技术的用于阳极的实施措施。也就是说，JP-T-2003-508877 和JP-A-2004-22503没有提到作为燃料不足时的对策技术用于阳极和阴 极的实施措施的技术。
本发明人通过深入研究发现以下用于燃料不足时的相关对策技术.
1) 当供给到阳极侧的燃料(在下文称为"氢")不足时，阳极暴露 于高电势状态。
2) 在阳极侧从氢不足状态恢复时，随着氢开始供给到阳极侧，氲 仅供给到氢入口区域时，由于氢还未扩散到氢出口区(在下文也称为"阳 极出口区域")，所以形成所谓的部分电池(partial battery),当发生这 种情况时，在与阳极出口区域相对的阴极部分处跨越电解质膜的电势增 加，因此阴极变为暴露于高电势状态。
3) 在将足量的氢供给到阳极侧时，阳极反应和阴极反应在PEFC 中进行，这使得阴极和阳极脱离高电势状态。
JP-T-2003-508877和JP-A-2004-22503中描述的技术是用于阳极 侧的对策技术，因此它们能够抑制上述情形1)中的阳极构成材料的劣 化。然而，对于上述2)， JP-T-2003-508877和JP-A-2004-22503都没有 以任何方式提及上述2 )，因此这些公开中描述的技术不能够防止由上述 2)所引起的阴极材料的劣化。当阴极材料劣化时，阴极反应更难以进行。结果，燃料电池的性能下降。也就是说，利用JP-T-2003-508877 和JP-A-2004-22503中描述的技术难以抑制由燃料不足引起的性能下 降。
而且，JP-A-2005-149742和JP國A-2005誦294264都没有以任何方式 提及上述2)。因此，难以防止由上述2)引起的阴极材料的劣化。
在此，即使当燃料电池运行时供给到阳极的氩不足，使得阳极处 于氢不足状态，也通过控制装置等正常地控制燃料电池的运行环境。因 此，不久之后，氢供给到阳极，由此使其脱离燃料不足(在下文也称为 "氢不足，，)状态。也就是说，单独的对于上述l)的对策不足以作为氢 不足状态的对策。只有通过实施对于上述1)和2)的对策，才首次能 够有效抑制由氢不足引起的燃料电池性能的降低。

发明内容
因此，本发明提供能够抑制由燃料不足引起的性能下降的燃料电^>。
本发明的一方面涉及燃料电池，包括阳极、阴极和布置在该阳极 和该阴极之间的电解质膜，其中对阳极和阴极都实施燃料不足对策。
在此，对阳极实施的燃料不足对策是指当供给到阳极的氢不足使
得阳极处于氩不足状态时，用于抑制阳极构成材料的劣化的措施。对阳
极实施的燃料不足对策的具体实例包括在JP-T-2003-508877和
JP-A-2004-22503中描述的技术。此外，对阴极实施的燃料不足对策是
指用于在与阳极出口区域相对的阴极部分在氢开始返回处于氢不足状
态的阳极的时间与阳极从氢不足状态恢复的时间之间暴露于高电势状
态时，用于抑制阴极构成材料的劣化的措施。对阴极实施的燃料不足对 策的具体实例包括当阴极在除了阳极从氢不足状态恢复以外的时间暴
露于高电势状态时用作材料劣化对策的对策(例如，使用高度结晶的碳 作为载体本体)、使用铂黑作为阴极的常规催化剂、和使得阴极催化剂 层具有多层结构(即具有含有常规催化剂的层和具有例如负载于碳上的 Ir02 (在下文称为Ir02/C )的层的结构)。
因此，对阳极和阴极两者都实施燃料不足对策。因此，即使供给到阳极的氢不足，也可以抑制阳极的构成材料的劣化。而且，即使阴极在氢 不足之后氲开始再次供给到阳极的时刻和阳极已经从氢不足状态完全恢 复的时刻之间暴露于高电势状态，也可以抑制阴极构成材料的劣化。因此， 本发明提供了抑制由燃料不足引起的性能降低的燃料电池。


参照附图，从以下优选实施方案的说明中本发明的前述和其它目 的、特征和优点会变得明显，在附图中，相似的附图标记用于代表相似
的元件/要素，其中
图l是显示根据本发明一个示例性实施方案的燃料电池的一部分的 示例性结构的截面示意图2是显示根据本发明所述示例性实施方案的一个改变实例的燃料 电池的一部分的示例性结构的截面示意图3是显示一个氩不足试验的结果的图4是根据相关技术的燃料电池的一部分的截面图；以及
图5是示出氢不足状态的图4中所示的燃料电池的一部分的截面图。
具体实施例方式
当供给到燃料电池的阳极的氢不足时，燃料电池的性能降低。对该 问题的一种解决方案是例如在阳极侧上提供水电解催化剂，以抑制氢不足 期间由阳极侧上的材料劣化等引起的性能降低。然而，已经发现，当在燃 料电池运行时将氢供给到阳极以改正氢不足状态时，阴极变为暴露于可能 降低燃料电池性能的高电势状态。上勤目关技术只实施对于阳极的措施， 因此不能够防止当阴极在从氢不足状态进行恢复期间暴露于高电势状态 时引起的燃料电池的性能降低。因此，为了抑制燃料电池性能的降低，不 仅用于阳极侧而且用于阴极侧的对策是必要的。
为了有助于理解本发明，在下文将参照附图描述i)当燃料电池正 常运行时，ii)当氢不足时和iii)当从氢不足进行恢复时可能发生的反应。
图4和5是显示燃料电池的一部分的截面示意图。在图4和5中， 电池的堆叠方向在附图的左-右方向。图4和5中所示的燃料电池在构 件方面具有相同的结构，仅在反应气体的供给状态方面不同。在图5的 燃料电池中，氢仅供给到位于虚线上方的阳极部分(在下文中也称为"上 半部")，并且尚未到达位于虚线下方的阳极部分(在下文也称为"下半 部")。在下文中，将参照图4和5描述燃料电池中氢不足时可能发生的 反应等。
燃料电池500 (在下文也简称为"电池500")包括电解质膜51、 布置在电解质膜51 —侧上的阳极52、布置在电解质膜51另 一侧上的阴 极53、布置在阳极52外侧上的隔离器56a和布置在阴极53外侧上的隔 离器56b。阳极52包括例如含有常规催化剂的阳极催化剂层52a和设 置为使得氢能够均匀地供给到阳极催化剂层52a的阳极扩散层52b。阴 极53包括含有常规催化剂的阴极催化剂层53a和设置为使得反应气体 (在下文称为"空气")能够均匀地供给到阴极催化剂层53a的阴极扩 散层53b。电解质层51、阳极催化剂层52a、和阴极催化剂层53b共同 形成MEA55。而且，在阳极扩散层52b附近的隔离器56a的侧面上形 成反应气体流动通道57，在阴极扩散层53b附近的隔离器56b的侧面 上形成反应气体流动通道58。
当足量的氢经由图4所示的反应气体流动通道57供给到阳极催化 剂层52a、足量空气经由反应气体流动通道58供给到阴极催化剂层53a 时，在阳极催化剂层52a中发生阳极反应、在阴极催化剂层53a中发生 阴极反应，可以通过隔离器56a和56b引出电能。
然而，如果停止供给氢到图4所示的阳极催化剂层52a，则氢不 再供给到阳极催化剂层52a中的常规催化剂，因此不发生阳极反应。然 而，如上所述，燃料电池通常以堆的形式使用。因此，即使堆中的一些 单电池不能发电，则只要其它单电池能够发电仍然可以从作为整体的该 堆引出电能。结果，燃料电池可以继续运行，即使该堆中的一些单电池 不能发电时也是如此，因此电子从阳极52移动到阴极53，即使燃料电 池500处于这种状态下也是如此。在阳极52中，当氢不足时，通过以下反应产生质子和电子。 H20 — (1/2)02 + 2H+ + 2e— (式1 )
在此处，上述式l是水电解反应。当阳极52中存在水时，通过该 反应产生质子和电子。此外，当在阳极中提供碳作为常规催化剂的载体 或作为扩散层的构成材料等时，通过以下反应产生质子和电子。
(1/2C) + H20 — (1/2)C02 + 2H+ + 2e— (式2 )
式2是碳的氧化反应。当该反应进行时，负栽催化剂的碳或扩散 层中的碳劣化。在氢不足的状态下，式1的反应和式2的反应都可以进 行。因此，为了抑制阳极材料劣化，必须抑制式2的反应。抑制该反应 的方式的实例包括i)通过促进式1中的反应减少在式2中与碳反应的 水的量，和ii)通过减少阳极中碳的量降低式2中反应发生的可能性。 对于第一实例，使用在阳极中具有水电解催化剂的燃料电池是有效的， 对于第二实例，由高度耐腐蚀的非碳基材料形成阳极扩散层是有效的。
在一方面，当氢开始供给到处于氢不足状态的阳极时，燃料电池 首先处于氢到达图5所示的阳极52的上半部(下文称为"阳极52x") 但尚未到达阳极52的下半部(下文称为"阳极52y")的状态。在该状 态下的电池500中，在供给有氢的阳极52x中发生阳极反应。由该反应 产生的质子穿过电解质膜51到达位于电解质膜51的与阳极52x相反侧 的阴极53x,同时由该阳极反应产生的电子移动到阳极52y。然后，在 供给有空气的阴极53x中，在氧、从阳极52x移动来的质子和来自位于 电解质膜51的与阳极52y相反侧的阴极53y的电子之间发生反应，由 此产生阴极反应。
相反地，在氢不足状态下产生的氧存在于氢尚未扩散到的阳极 52y中。因此，在阳极52y中，发生产生水的残余的氧、由阳极52x中 的阳极反应产生的电子和从阴极53y移动来的质子之间的反应，而不是 发生阳极反应。当在阳极52x和阴极53x中以及在阳极52y和阴极53y 发生这些类型的反应时，阳极52x的电势约为0伏，阴极中的电势为约 0.8伏，阳极52y的电势约为0.8伏，而阴极53y暴露于1.6伏的电势状 态(高电势状态)。下文将描述在暴露于该高电势状态的阴极53y中发生的反应
以该方式，当从氢不足状态恢复时，与氢尚未扩散到的阳极部分
并且暴露于高电势状态的阴极部分的材料劣化。因此，为了抑制燃料不 足期间燃料电池的材料劣化，不仅必须对阳极侧采取措施，而且必须对 阴极侧采取措施。
根据本发明一个示例性实施方案的燃料电池通过引入用于阳极侧
的性能降低，所述用于阳极侧的燃料不足对策抑制氢不足时阳极材料的 劣化，所述用于阴极侧的燃料不足对策抑制氢不足后开始供给氢时阴极 材料的劣化。
在下文中，将会参照附图描述根据本发明所述示例实施方案的燃 料电池。
图l是显示在根据本发明一个示例实施方案的燃料电池中提供的 一个单电池的一部分的示例性结构(在下文中，该单电池将简称为"燃 料电池")的截面示意图。电池堆叠方向是附图的左-右方向。如图l所
示，本发明的燃料电池100包括具有电解质成分的电解质膜1 (例如 Nafion， DuPont公司的注册商标，在下文简称为"电解质成分")、布 置在电解质膜1一侧上的阳极2、布置在电解质膜l另一侧上的阴极3、 布置在阳极2外侧上的隔离器6a、和布置在阴极3外侧上的隔离器6b。 阳极2包括例如含有常规催化剂和电解质成分的阳极催化剂层2a、设置 为使得氢能够均匀地供给到阳极催化剂层2a的阳极扩散层2b、和布置 在阳极催化剂层2a和阳极扩散层2b之间的水电解催化剂层2c。阴极3 包括阴极催化剂层3a和设置为使得反应气体能够均匀地供给到阴极催 化剂层3a的阴极扩散层3b，该阴极催化剂层3a包括常规催化剂负载 于高度结晶碳上的高度结晶催化剂。电解质层l、阳极催化剂层2a和阴 极催化剂层3b共同形成MEA5。而且，反应气体流动通道7形成于阳 极扩散层2b附近的隔离器6a的侧面上，反应气体流动通道8形成于阴 极扩散层3b附近的隔离器6b的侧面上。
在该示例性实施方案中的燃料电池100在阳极2中设置有水电解催化剂层2c，在阴极催化剂层3a中设置有高度结晶催化剂。在此，水 电解催化剂层2c是指包括比常规催化剂更好地促进水电解反应的催化 剂(水电解催化剂)的层。水电解催化剂层2c的一个实例是通过将水 电解催化剂分散到电解质成分中形成的层。当常规催化剂是铂时，可以 设置在水电解催化剂层2c中的水电解催化剂的具体实例包括Ir、诸如 Ir02的Ir型材料、诸如Ru02的Ru型材料、或其组合。
因此，即使停止将氢供给到阳极2以使得阳极2处于氢不足状态， 式1的反应也在水电解催化剂层2c中设置的水电解催化剂中得到促进， 由此抑制阳极2的构成材料的劣化。而且，随着氢开始供给到阳极2在 阳极2开始从氢不足状态恢复时，即使阴极3的至少一部分暴露于高电 势状态，由于在阴极催化剂层3a中设置不易腐蚀的高度结晶催化剂， 所以抑制了阴极3的构成材料的劣化。
图2是显示根据本发明所述示例实施方案的改变实例的燃料电池 的一部分的示例性结构的截面示意图。该电池的堆叠方向是附图的左-右方向。在图2中，具有与图l所示相同结构的构件将用与其在图1中 相同的附图标记表示，并且在适当时省略这些构件的说明。
如图2所示，根据该示例实施方案的燃料电池200包括电解质膜 1、布置在电解质膜1一侧上的阳极2、布置在电解质膜l另一侧上的阴 极23、布置在阳极2外侧上的隔离器6a、和布置在阴极23外侧上的隔 离器6b。燃料电池200中的阴极23包括例如含有常规催化剂和电解质 成分的阴极催化剂层23a、设置为使得反应气体可以均匀地供给到阴极 催化剂层23a的阴极扩散层3b、和布置在阴极催化剂层23a和阴极扩 散层3b之间的含Ir02的层23c。电解质膜l、阳极催化剂层2a、和阴 极催化剂层23a —起形成ME A 25。
根据该改变实例的燃料电池200具有设置在阳极2中的水电解催 化剂层2c和设置在阴极23中的含Ir02的层23c。在此，可以以例如 Ir02/C的形式提供含Ir02的层23c中的Ir02。根据该改变实例中的燃 料电池200，即使氩停止供给到阳极2使得阳极2进入氢不足状态，式 1的反应也可以在水电解催化剂层2c中设置的水电解催化剂中进行，由 此抑制阳极2的构成材料的劣化。此外，即使在氢开始供给到阳极2时 阴极23的至少一部分暴露于高电势状态，也通过在阴极23中设置的含Ir02的层23c中的Ir02上促进水电解反应，抑制阴极23的构成材料的 劣化，所述Ir02比常规催化剂更好地促进水电解反应。
在阴极中提供Ir(VC防止阴极的构成材料劣化的原因如下。当从 氢不足状态恢复时，暴露于高电势状态的阴极中发生以下反应。
<formula>formula see original document page 13</formula> (式3 )
<formula>formula see original document page 13</formula>_ (式4 )
<formula>formula see original document page 13</formula>- (式5)
将增湿的空气供给到阴极，使得PEFC的电解质膜在湿条件下传 导离子。此外，当燃料电池正常运行时，通过阴极反应产生水。因此， 水通常存在于电池内，因此在暴露于高电势状态的阴极中可以发生式 3~5中的反应。在此处，式4是碳的氧化反应，其中碳与水反应。当该 反应进行时，设置在阴极中的碳(例如负载常规催化剂的低度结晶碳或 构成阴极扩散层的碳)劣化。其间，式5是铂的氧化反应，该氧化反应 通过溶解在水中的阳离子(Pt2+)进行。当式4或5中的反应进行时， 阴极反应更难以发生。
式3是水的电解反应。如果相对于式4和5中的反应优先促进式 3的反应，则可以相对于碳和柏的氧化反应优先促进水的电解反应，使 得抑制阴极的构成材料的劣化。而且，如果优先促进水的电解反应，则 可以减少式4中与碳反应的水和在式5中溶解P产的水的总量，这也抑 制式4和5中的反应，由此能够抑制阴极的构成构件的劣化。因此，在 阴极中提供有Ir02/C的结构使得能够抑制阴极的材料劣化。
以该方式，根据该改变示例实施方案的燃料电池200不仅抑制阳 极构成材料的劣化，而且抑制阴极构成材料的劣化。结果，可以抑制氢 不足所引起的燃料电池性能的降低。
在前述关于改变实例的说明中，作为阴极侧上的对策，在阴极中 除了阴极催化剂层和阴极扩散层之外，还提供了含Ir02的层。然而， 本发明能够使用的在阴极侧上的对策不限于此。例如，如果在阴极中设 置Ir(VC，则可以将Ir02/C设置在阴极催化剂层中。然而，从在燃料电池初始运行期间促进阴极反应的观点来看，可以将Ir02/C设置在除 阴极催化剂层之外的层(例如上述含Ir02的层)中。此外，例如，在 阴极催化剂层中不设置碳的结构阻止在阴极催化剂层中发生式4中的反 应，因此也能够抑制阴极的材料劣化。在此处，在阴极催化剂层中不设 置碳的结构的具体实例是包括电解质成分和颗粒直径为包括端值的约 0.3到100 nm、更优选包括端值的5到10 nm的铂黑粉(Pt黑)的结构， 和其中提供PtRu黑代替Pt黑的结构。具有上述直径的颗粒的直径大于 常规PEFC中使用的铂，因此具有较少的表面能，从而能够抑制浸出和 聚集。具有前述结构的阴极催化剂层可以通过例如以下方法制造将 Pt黑或PtRu黑分散到处于可溶或熔融状态的电解质成分中，然后将其 干燥或冷却。
当根据该改变实例将Ir02/C设置在燃料电池的阴极中时，不具体 限制分散Ir02/C的方式。在此处，因为当阳极从氢不足状态恢复时从 阳极的入口侧供给氢，所以氢花费最长的时间才扩散到阳极的出口。也 就是说，当阳极从氢不足状态恢复时，暴露在高电势状态下最长时间的 阴极部分是与阳极的出口区域相对的阴极部分，因此认为在更靠近与阳 极出口相对的位置处的阴极部分中的材料更容易劣化。因此，在根据该 改变实例的燃料电池中，为了甚至更有效地抑制与阳极出口区域相对的 阴极部分的材料劣化，可以将Ir02/C分散为阴极上的Ir02/C催化剂的 浓度沿朝阳极出口区域的方向增加。此夕卜，还可以改变载体碳的结晶度。
此外，如上所述，因为当阳极从氢不足状态恢复时电池的下半部 (即，电池500y)作为单个电阻元件，所以在供给有氢的阳极部分(即， 阳极52x)处产生的电子可以移动到阳极52y (即，可以沿与正常电池 堆叠方向正交的平面平行的方向移动)。此外，在暴露于高电势状态的 阴极部分(即，阴极53y)处产生的电子可以移动到阴极53x (即，也 可以沿与正常电池堆叠方向正交的平面平行的方向(下文称为"平面方 向")移动)。当电子沿平面方向移动(在下文称为"平面内移动")时， 能够从燃料电池中引出的电能减少。因此，从抑制燃料不足所引起的性 能降低的角度来看，防止电子的这种平面内移动是有效的。用于防止电 子的平面内移动的方法的一个具体实例是使得燃料电池具有隔离器、扩 散层和催化剂层，这防止电子在平面方向上运动。此外，在前述有关示例实施方案的说明中，描述了一个将水电解 催化剂层设置在阳极上的实例。然而，可用于本发明燃料电池的用于阳 极侧的燃料不足对策不限于此。例如，当水电解催化剂设置在阳极上时， 可以将水电解催化剂设置在阳极催化剂层中。此外，即使不设置水电解 催化剂，对于设置在阳极中的碳使用高度结晶碳也提高设置在阳极中的 碳的耐腐蚀性，从而抑制阳极的材料劣化。
在下文中，将会参照实施例更详细地描述本发明的燃料电池。
通过将电解质成分(例如Nafion)溶解到有机溶剂(水、曱醇和 2-丙醇的混合物)中并将负栽铂的碳分散到溶解的电解质成分(在下文 称为"第一电解质成分")中，制造第一催化剂糊。同样，通过将电解 质成分溶解到水基溶剂(其基本上只含水)中并将铂黑粉末分散到溶解 的电解质成分中，制造第二催化剂糊。然后通过将第一催化剂糊施加到 电解质膜(DuPont公司的Nafion 112)的一侧上并使其干燥，形成阳 极催化剂层，通过将第二催化剂糊施加到该电解质膜的另 一侧上并使其 干燥，形成阴极催化剂层，由此产生根据实施例的MEA。通过将第一 催化剂糊施加到该电解质膜的两侧并使其干燥，制造对比例的MEA。
而且，通过将其中Ir/C已经分散到第一电解质成分的水电解催化
形成水电解催化剂层。然后，通过以下方式制造该实施例的组合件接 合实施例的MEA的阳极催化剂层和以上述方式获得的具有水电解催化 剂层的阳极扩散层，和接合实施例的MEA的阴极催化剂层和由碳纤维 制成的碳纸形成的阴极扩散层(下文简称为"阴极扩散层")。然后，通 过将其中形成有反应气体通道的隔离器布置在该组合件的两侧上(即， 在阳极扩散层的外侧上和在阴极扩散层的外侧上)，制造实施例的燃料 电池。同时，通过以下方式形成对比例的组合件接合对比例的MEA 的阳极催化剂层和具有水电解催化剂层的阳极扩散层，和接合对比例的 MEA的阴极催化剂层和阴极扩散层。然后，通过将其中形成有反应气 体通道的隔离器布置在该组合件的两侧上，制造对比例的燃料电池。也 就是说，根据实施例的燃料电池设置有水电解催化剂层作为用于阳极的 燃料不足对策，并且还具有没有载体碳的催化剂作为用于阴极的燃料不 足对策。另一方面，根据对比例的燃料电池设置有水电解催化剂层作为用于阳极的燃料不足对策，但是没有用于阴极的燃料不足对策。
将如上制造的实施例和对比例的燃料电池都保持在70'C，将湿度 饱和的空气供给到每个燃料电池的阴极侧。然后，在模拟氢不足状态期 间，重复进行以下循环将电流密度设定为0.2 A/cm2，将湿度饱和的 氮供给到阳极10分钟，之后使得电流密度然后为0A/cm2，并且将湿度 饱和的氢供给到阳极直至OCV恢复正常值(在下文该循环将称为"氢 不足循环")。然后检查阴极中催化剂的劣化。在氢不足循环之后，从催 化剂的循环伏安图中氢解吸的电量获得催化剂的有效表面积Sl，从该 时刻的有效表面积Sl与实施氢不足循环之前的有效表面积S2之比(即， R= Sl/S2;以下R称为"阴极催化剂有效表面积保持率")评估催化剂 的劣化。图3示出评估结果。横轴代表氢不足循环的数目，纵轴代表阴 极催化剂有效表面积保持率。阴极催化剂有效表面积保持率越高表示阴 极中催化剂的劣化越少。因此，如果阴极催化剂有效表面积保持率高， 则认为该燃料电池能够抑制氢不足所致的性能降低。
如图3所示，对阳极和阴极均实施燃料不足对策的实施例燃料电
的对比例燃料电池的阴极催化剂有效表面积保持率的值更接近1。因此，
在阳极从氢不足状态恢复时阴极暴露于高电势状态，也抑制在该高电势 状态下的材料劣化。结果，证实本发明的燃料电池抑制了由燃料不足所 导致的性能降低。
虽然已经参照本发明的示例性实施方案描述了本发明，但是应当理 解，本发明不限于所述的实施方案或结构。相反，本发明意图涵盖各种4务 改方案和等同布置。此外，虽然以示例性的不同组合和构造示出了示例性 实施方案的不同元件/要素，但是，其它包括更多、更少或仅单个元件/要 素的组合和构造也在本发明的构思和范围内。
权利要求
1. 一种燃料电池，包括阳极、阴极和布置在所述阳极和所述阴极之间的电解质膜，其特征在于对所述阳极实施燃料不足对策和对所述阴极实施燃料不足对策。
2. 根据权利要求1所述的燃料电池，其中对所述阳极实施的所述燃料 不足对策是布置在包括常规催化剂和电解质成分的阳极催化剂层和将催化剂层。
3. 根据权利要求2所述的燃料电池，其中在所述水电解催化剂层中设 置的水电解催化剂是由选自Ir、含Ir的材料和含Ru的材料中的至少一 种材料形成的。
4. 根据权利要求3所述的燃料电池，其中所述含Ir的材料是Ir02，所 述含Ru的材料是Ru02。
5. 根据权利要求1~4中任一项所述的燃料电池，其中对所述阴极实施 的所述燃料不足对策是包括电解质成分和常规催化剂高度结晶碳的阴 极催化剂层，其中所述高度结晶碳上负载有常规催化剂，所述阴极催化 剂层设置为与将反应气体均匀地供给到所述阴极催化剂层的阴极扩散 层相邻。
6. 根据权利要求1~4中任一项所述的燃料电池，其中对所述阴极实施 的所述燃料不足对策是布置在包括常规催化剂和电解质成分的所述阴层之间的含Ir02的层。
7. 根据权利要求6所述的燃料电池，其中在所述含Ir02的层中的Ir02 负载于碳上。
8. 根据权利要求1~4中任一项所述的燃料电池，其中对所述阴极实施 的所述燃料不足对策是包括电解质成分、常规催化剂和负载于碳上的 Ir02的阴极催化剂层，所述阴极催化剂层设置为与将反应气体均匀地供 给到所述阴极催化剂层的阴极扩散层相邻。
9. 根据权利要求1~4中任一项所述的燃料电池，其中对所述阴极实施 的燃料不足对策是包括电解质成分和粒径处于包括端值的0.3到100 nm 范围内的PtRu黑或铂黑粉末(Pt黑)的阴极催化剂层，所述阴极催化剂层布置为与将反应气体均匀地供给到所述阴极催化剂层的阴极扩散 层相邻。
10. 根据权利要求7或8所述的燃料电池，其中负栽于碳上的所述IK)2 分散为使得所述阴极的部分更靠近在燃料气体流动通道出口附近的与 阳极部分相对的位置，所述Ir02的浓度增加。
11. 一种燃料电池，包括 实施燃料不足对策的阳极； 实施燃料不足对策的阴极；和 布置在所述阳极和所述阴极之间的电解质膜。
全文摘要
一种燃料电池(100)，包括阳极(2)、阴极(3)和布置在阳极(2)和阴极(3)之间的电解质膜(1)。对阳极(2)实施燃料不足对策(2c)，对阴极(3)实施燃料不足对策(23c)。结果，抑制了燃料不足所引起的燃料电池(100)的性能降低。
文档编号H01M4/86GK101421869SQ200780013213
公开日2009年4月29日 申请日期2007年3月29日 优先权日2006年4月14日
发明者加藤学 申请人:丰田自动车株式会社