具有集成導電隔離體和燃料電池模塊的管狀燃料電池的製作方法

2023-09-16 18:21:55 2

專利名稱：具有集成導電隔離體和燃料電池模塊的管狀燃料電池的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種管狀燃料電池以及一種燃料電池模塊，其中集電極還 用作燃料電池之間的隔離體。
背景技術：
如沿管道延伸方向截取的圖8的截面視圖所示，管狀燃料電池通常配 置為包括內電極IO、笫一催化劑層12、電解質層14、第二催化劑層16、 外線圏18、和樹脂密封20。圖9為沿圖8中的線A-A截取的橫截面圖。 如圖9所示，以下述順序以基本上同軸筒的形式從內部依次層疊內電極10、 第一催化劑層12、電解質層14、和第二催化劑層16。
當將多個這種管狀燃料電池安裝並組合為模塊時，優選以預定間隔放 置電池，該間隔使得儘可能均勻地向電池供應燃料氣體或者氧化氣體以保 證優選消除化學反應所產生的熱。日本專利公開2002-298877公開了管狀 燃料電池中的隔離體，其中防止氣體密封部分承受負荷，從而減少發生燃 料管故障。
但是除了用於以預定間距維持多個管狀燃料電池之間間隔的隔離體以 外，常規技術還要求集電線獨立連接以建立內電極之間以及組合成模塊的 多個管狀燃料電池中外部線圏之間的並聯連接。這樣的連接集電線的系統 是複雜的，阻礙了產生廉價燃料電池模塊。另外，除了隔離體以外有必要 為集電器提供電極，這一點妨礙了使燃料電池模塊小型化的努力。
特別是，當幾千至數萬個直徑測量為大約幾毫米的超薄管狀燃料電池 被安裝和組合成模塊而同時保證幾毫米的電池間隔時，應當建立組合成模 塊的電池之間的電連接，這一點使得高精度的布線技術和大量時間及努力成為必要。因此，所產生的製造燃料電^M莫塊的操作或者過程複雜而困難， 從而提高了製造成本。

發明內容
本發明有利地提供了一種管狀燃料電池，其中催化劑和電解質層被層 疊在筒狀內電極的外表面上，該管狀燃料電池還包括導電隔離體。
特別是，管狀燃料電池包括導電的筒狀內電極；以下面順序依次層疊
在內電極外表面上的第一催化劑層、電解質層、和第二電解質層的疊層；
纏繞在第二催化劑層外周面上的導電外線圈；以及外直徑大於外線圏外直
徑的導電隔離體。換言之，隔離體被設置為管狀燃料電池發電部分的外直
徑大於管狀燃料電池非發電部分的外直徑。
當將隔離體用作集電極以從第二催化劑層收集電流時，該隔離體優選
電連接至外部線圏。
可安裝多個這種管狀燃料電池從而組成燃料電池^^塊。即，本發明還 提供一種具有多個管狀燃料電池的燃料電池模塊，其中該多個管狀燃料電
池以使得隔離體的外周面相互接觸的方式設置。
因為隔離體具有導電性，所以當多個管狀燃料電池被組合為模塊時， 隔離體能夠同時用於維持管狀燃料電池之間的預定間隔以及提供管狀燃料 電池之間的電連接。因此，可廉價製造燃料電池模塊。
例如，優選隔離體為形成為具有中空部分的筒狀或者多角柱形狀的導 電元件。可選地，隔離體由導電線圏組成，其4皮纏繞為外部直徑大於外線
可選地，可纏繞外線圏的一部分以使其外直徑大於外線圏的其它部分 的外直徑，並且所述外線圏的一部分可用作隔離體，其可再次有助於更簡 單、更廉價地製造隔離體。


圖l以橫截面圖示出了根據本發明實施例的管狀燃料電池結構；圖2為沿圖1中線B-B的橫截面圖，示出了管狀燃料電池的結構； 圖3為沿圖1中線C-C的橫截面圖，示出了管狀燃料電池的結構； 圖4A為示出本發明實施例中隔離體形狀實例的透視圖； 圖4B為示出本發明實施例中隔離體形狀另一個實例的透視圖； 圖4C為示出本發明實施例中隔離體形狀另 一個實例的透視圖； 圖4D為示出本發明實施例中隔離體形狀另一個實例的透視圖； 圖5以橫截面圖示出了根據本發明實施例的燃料電池模塊的結構； 圖6以橫截面圖示出了根據本發明實施例的管狀燃料電池的變化實
例；
圖7以4黃截面圖示出了根據本發明實施例的管狀燃料電池的另一種變 化實例；
圖8以橫截面圖示出了常規管狀燃料電池的結構；以及
圖9為沿圖8中線A-A的橫截面圖，示出了常規管狀燃料電池的結構。
具體實施例方式
下面將描述本發明的優選實施例
管狀燃料電池的結構
如沿圖1中管道延伸方向橫切的橫截面圖所示，根據本發明實施例的 管狀燃料電池100包括內電極30、第一催化劑層32、電解質層34、第二 催化劑層36、外線圏38、樹脂密封40、和隔離體42。圖2和3示出了沿 圖1所示出的線B-B和C-C的管狀燃料電池100的橫截面圖。如圖2 和3所示，管狀燃料電池100配置為具有以基本上同軸筒的形式從內部依 次層疊的內電極30、第一催化劑層32、電解質層34、和第二催化劑層36。
如圖l至3的截面所示，內電極30為由高導電性材料製成的筒狀元件， 並被置於管狀燃料電池100的中心。採用高導電性材料例如不鏽鋼、金、 銀、銅、鋁等等形成內電極30。當採用例如不鏽鋼的材料時，優選通過電鍍等對該材料塗覆優良的耐腐蝕材料，例如金或4艮，以增強耐蝕性。內電 極30的邊沿部分被連至電極(未示出)，以從管狀燃料電池100向外導出 電力。此外，內電極30除邊沿部分以外的外周壁被穿出多個孔以供應燃料 氣體(例如含氧氣體或者含有機碳氫化合物的氣體)，所述燃料氣體經過 內電極30的中空部分沿朝向外表面的方向流動。
第一催化劑層32對應燃料電極。如圖1和2的截面圖所示形成將在下 文詳細描述的第一催化劑層32。在將負載催化劑金屬例如諸如鉑(Pt)的 貴金屬系列的碳(C)顆粒分散在合適的有機溶劑後，向具有碳顆粒的有 機溶劑添加合適量的電解質溶液，以獲得漿料形式的混合物。然後，將漿 料形式的混合物塗敷在內電極30的除了其邊沿部分以外的外表面上，從而 形成第一催化劑層32。此時，考慮到允許上面沒有穿孔的內電極30的兩 個邊沿部分如圖1和3的橫截面圖所示向外凸出，在內電極30的邊沿部分 上都不形成第一催化劑層32。在燃料電池工作期間，燃料氣體經過內電極 30的中空部分送入第一催化劑層32。
電解質層34具有向空氣電極輸送在燃料電極產生的質子的功能。考慮 對於質子的高導電性和穩定性來選擇形成電解質層34的材料。例如，可如 圖1和2的截面所示，在第一催化劑層32的外周面上塗敷具有碸基團的含 氟聚合物或者相似的聚合物，以形成電解質層34。
第二催化劑層36對應空氣電極。可如圖1和2的截面圖所示形成將在 下文詳細描述的第二催化劑層36。在將負載催化劑金屬例如諸如鉑(Pt) 的貴金屬系列的碳(C)顆粒分散在合適的有機溶劑後，向有機溶劑添加 合適量的電解質溶液，以獲得漿料形式的混合物。然後，將漿料形式的混 合物塗敷在內電極30的除了其邊沿部分以外的外周表面上，從而形成第二 催化劑層36。在燃料電池工作期間，氧化氣體(其為含氧氣體，例如空氣) 被供應至第二催化劑層36。
外線圏38由高導電性材料製成。採用高導電性材料例如不鏽鋼、金、 銀、銅、鋁等等製成外線圏38。當採用例如不鏽鋼的材料時，優選通過電 鍍對該材料塗敷優良的耐腐蝕材料，例如金或4艮，以增強耐蝕性。如圖1和2的截面所示，外線圏38螺旋纏繞在基本上同軸地層疊在內 電極30的外表面上的第一催化劑層32、電解質層34、和第二催化劑層36 上。特別是，外線圏38被纏繞在第二催化劑層36的外周面上以和第二催 化劑層36導電。為增強外線圏38和第二催化劑層36之間的導電性，優選 螺旋纏繞外線團38，同時保持外線圈38的每圈都與相鄰的圈絕對接觸。 儘管在本實施例中如圖1所示將外線圏38纏繞為單層，但是可將外線圏 38纏繞為兩個或者多個重疊層。當外部線圏38設置為用作管狀燃料電池 100的外電極時，流出管狀燃料電池100的氧化氣體可被供應至第二催化 劑層36。
通過塗敷非導電樹脂材料例如環氧樹脂形成樹脂密封40。如圖1和3 的截面圖所示，樹脂密封40形成為覆蓋內電極30的每個邊沿部分上的暴 露區域以及第一催化劑層32、電解質層34、和第二催化劑層36的端面以 及所述暴露區域與所述端面之間的相交之處。
更具體是，塗敷樹脂材料以至少覆蓋第一催化劑層32、電解質層34、 和笫二催化劑層36的端面以及內電極30與第一催化劑層32的相交之處， 同時部分地不塗敷內電極30的邊沿部分並使其末端暴露在樹脂密封40之 外。優選，樹脂材料的厚度大於第二催化劑層36的外直徑，以提供樹脂密 封40，其不僅覆蓋第一催化劑層32、電解質層34、和第二催化劑層36的 端面，而且覆蓋第二催化劑層36的一部分外周壁。
樹脂密封40可防止在內電極30的每個邊沿部分上的暴露區域與第一 催化劑層32、電解質層34、和第二催化劑層36的疊層端面之間的相交區 域發生燃料氣體和氧化氣體的洩漏。
隔離體42由導電性良好的材料製成，並且可採用高導電性材料例如不 鏽鋼、金、銀、銅、鋁等等製成。當採用例如不鏽鋼的材料時，優選對該 材料塗敷或電鍍優良的耐腐蝕材料例如金或銀，以增強耐蝕性。
如圖4A到4D所示，隔離體42形成為具有作為通孔的中空部分42a 的筒狀、矩形柱、多角柱形狀。將管狀燃料電池IOO的邊沿插入形成為隔 離體42的通孔的中空部分42a以4吏隔離體42連接於此。這裡，隔離體42被以使得至少一部分隔離體42物理接觸外線圏38的狀態安裝。
儘管在本發明的實施例中，第一催化劑層32、電解質層34、和第二催 化劑層36層疊在筒狀內電極30的外表面上，從而組成形狀為筒狀柱的管 狀燃料電池100,但是管狀燃料電池100的形狀不限於筒狀柱形狀。第一 催化劑層32、電解質層34、和第二催化劑層36可層疊在中空多角柱形狀 的內電極30的外表面上，從而組成橫截面為多邊形的管狀燃料電池IOO。
燃料電池模塊
接下來，將描述其中管狀燃料電池100被組合成根據本發明實施例的 模塊的實例結構。圖5以橫截面視圖示出了其中集成管狀燃料電池100的 燃料電池模塊200的結構。圖5中，以截面視圖示出了管狀燃料電池100 的左半部，為簡化描述而以略圖示出了管狀燃料電池IOO的右半部。
燃料電池模塊200包括多個管狀燃料電池100、燃料氣體給送腔50、 燃料氣體排^L腔52、和氧化劑腔54。分別通過給送側密封部分56和排放 側密封部分58將氧化劑腔54與燃料氣體給送腔50及燃料氣體排放腔52 隔開。給送側密封部分56和排放側密封部分58密封安裝在管狀燃料電池 100的邊沿部分上的樹脂密封40外部的區域，以防止氧化劑腔54和燃料 氣體給送腔50之間以及氧化劑腔54和燃料氣體排;^文腔52之間發生氣體洩 漏。換言之，管狀燃料電池100的發電部分^f皮置於氧化劑腔54中，以允許 燃料氣體給送腔50經內電極30的中空部分與燃料氣體排放腔52連通。
氧化劑腔54上形成有氧化氣體給送口 54a和氧化氣體排放口 54b，以 從外部給送氧化氣體和向外部排放氧化氣體。另一方面，燃料氣體給送腔 50具有向每個管狀燃料電池100供應燃料氣體的燃料氣體給送口 50a,而 燃料氣體排放腔52具有從每個管狀燃料電池100排放燃料氣體的燃料氣體 排放口 52a。
當管狀燃料電池100被組合為模塊時，管狀燃料電池100被以隔離體 42的外周面相互接觸的狀態層疊。這裡，隔離體42被限定為外直徑a大 於纏繞在第二催化劑層36外周面上的外線圏38的外直徑b (當隔離體42具有多角柱形狀時，將從隔離體42的中心至隔離體42每側的距離定義為 外直徑a)。當隔離體42形成為外直徑a為上述條件的期望值時，多個管 狀燃料電池100可以以隔離體42維持的預定間隔集成。
例如，每個管狀燃料電池100可形成為在除隔離體42以外的部分的外 直徑為幾毫米到幾釐米，長度為數十至數百毫米。這種情況下，當半徑為 lmm的隔離體42連至每個直徑為1毫米的管狀燃料電池100，管狀燃料 電池100可組合為模塊，同時維持相鄰管狀燃料電池100之間大約2mm 的間隔。
在根據本實施例的燃料電池模塊中，可如上所述由安裝在管狀燃料電 池200每個邊沿部分上的隔離體42支承管狀燃料電池100。
此夕卜，因為安裝在每個管狀燃料電池100上的隔離體42由導電材料組 成，並且安裝為與外線圍38電接觸，所以可僅僅通過集成多個管狀燃料電 池IOO,而同時並聯電連接管狀燃料電池IOO的外線圏38。
另 一方面，採用外部導線相互並聯連接管狀燃料電池100的內電極30。 通過外電路將各自並聯的內電極30和隔離體42相互連接起來。可選地是， 與外線圏38電連接的和隔離體42電絕緣的不同隔離體可另外安裝在內電 極30的邊沿部分上。通過將不同隔離體的外直徑限定為等於隔離體42的 外直徑，內電極30還可同時並聯連接。
如上使用還用作集電極的隔離體，從而維持管狀燃料電池之間的固定 距離，同時可電連接管狀燃料電池。以此方式，可以以簡單而廉價的方法 製造燃料電池模塊。特別是當直徑為數毫米至數釐米的管狀燃料電池被組 合為模塊時，可消除不依賴於隔離體地獨立安裝集電線的繁重任務。
儘管圖5示出了其中沿平行於圖的頁面方向層疊管狀燃料電池100的 結構，但是管狀燃料電池100可沿垂直於圖的頁面方向層疊。此外，燃料 電池^^塊200可用作串聯連接或者並聯連接的子模塊中的一個，以組成較 大的優良模塊。
燃料電池模塊的作用接下來，將描述燃料電池模塊200的作用。在燃料電池工作期間，燃 料氣體經燃料氣體給送腔50從燃料氣體供應口 50a供應至管狀燃料電池 100的每個內電極30。同時，氧化氣體從氧化氣體給送口 54a供應至氧化 劑腔54。燃料氣體和氧化氣體流經燃料電池模塊200，同時通過給送側密 封部分56和排放側密封部分58而被阻止相互混合。
燃料氣體經過內電極30的中空部分，然後通過在內電極30周壁上形 成的孔供應至第一催化劑層32。在和第一催化劑層32相鄰的電解質層34 中氧化燃料氣體，從而釋放電子。另一方面，氧化氣體經外線圏38的圈之 間的縫隙供應至第二催化劑層36。當電子從內電極經外電#應至外線圏 38時，氧化氣體被氧化，同時消耗電子。該反應中，電力被引導至外電路。
已經反應的和仍未反應的燃料氣體經燃料氣體排放口 52b從燃料氣體 排放腔52排出。另一方面，已經反應和未反應的氧化氣體從氧化氣體排放 口 54b排出。
儘管在本實施例中，第一催化劑層32被定義為燃料電極，第二催化劑 層36被定義為空氣電極，但是還可將第一催化劑層32定義為空氣電極， 將第二催化劑層36定義為燃料電極。這種情況下，通過在燃料氣體和氧化 氣體之間交換供應路徑以相似的方法產生發電反應。
實例變化
圖6和7以橫截面圖示出了才艮據本實施例變化實施例的管狀燃料電池 102和104。在該變化實例中，纏繞外線圏38的一部分以使其外直徑a大 於纏繞在第二催化劑層36外周表面上的外線圏38的另一部分的外直徑b， 從而將所述外線圏38的一部分限定為隔離體42。例如，如圖6和7所示， 可延長沿第二催化劑層36的外周面纏繞的外線圈38的每個端部，並纏繞 到樹脂密封40的外周面上，以將外線圏38的端部設置為隔離體42。
這裡，如圖6所示，在樹脂密封40的外直徑等於第二催化劑層36外 直徑的情況下，當外線圏38在第二催化劑層36的外周面上纏繞n層(在 圖6中，n = l)時，優選通過在樹脂密封40的外周面上纏繞至少(n+l)層(圖6中為兩層)線圏而設置隔離體42。
另一方面，如圖7所示，在樹脂密封40的外直徑大於第二催化劑層 36的外直徑的情況下，假定外線圈38在第二催化劑層36的外周面上纏繞 n層(在圖7中，n-l)，優選通過在樹脂密封40的外周面上纏繞至少n 層(圖7中為一層)線圏而設置隔離體42。
當然，考慮到當燃料電池102被組合為模塊時管狀燃料電池102之間 所需要的間隔量，可增大線圏的層數。
如上所述，因為一部分外線圏38用作隔離體42而且用作集電極，所
以可能同時將管狀燃料電池以管狀燃料電池之間固定的距離組合為模塊以 及電連接管狀燃料電池。特別是，將外線圏38的部分用作隔離體42允許 在纏繞線圏的過程中還形成隔離體42 ，這一點可簡單而廉價地製造燃料電 池模塊。
因此，根據該實施例的上述變化實例，可提供一種還用作集電極的隔 離體，其可具有簡單而廉價地製造燃料電池模塊的能力。特別是，可在燃 料電池之間建立並聯電連接，同時僅僅通過對準和束縛多個管狀燃料電池 保證電池之間基本上固定的間隔。另外，因為隔離體還用作集電極，所以 可減小燃料電池模塊的尺寸。
權利要求
1.一種管狀燃料電池，其具有層疊在筒狀內電極的外表面上的催化劑層和電解質層，所述燃料電池還包括導電隔離體。
2. —種管狀燃料電池，包括依次層疊在內電極外周面上的第一催化劑層、電解質層、和第二催化 劑層的疊層；外線圏，其纏繞在所述第二催化劑層的外周面周圍；以及 導電隔離體，其外直徑大於所述外線圏的外直徑。
3. 根據權利要求2的管狀燃料電池，其中， 所述隔離體電連接至所述外線圏。
4. 根據權利要求2的管狀燃料電池，其中， 所述隔離體為形成為中空的筒狀或者多角柱狀的導電元件。
5. 根據權利要求3的管狀燃料電池，其中， 所述隔離體為形成為中空的筒狀或者多角柱狀的導電元件。
6.根據權利要求2的管狀燃料電池，其中，所述隔離體為導電線圏，其被纏繞為其外直徑大於所述外線圏的外直徑。
7. 根據權利要求3的管狀燃料電池，其中，所述隔離體為導電線圏，其被纏繞為其外直徑大於所述外線圏的外直徑。
8. —種燃料電池模塊，包括多個管狀燃料電池，每個所述管狀燃料電池具有層疊在筒狀內電極 的外表面上的催化劑層和電解質層的疊層，以及隔離體，所述隔離體具有 導電性，其中所述多個管狀燃料電池以使得所述隔離體的外周面相互接觸的方式設置。
全文摘要
一種具有導電隔離體和燃料電池模塊的管狀燃料電池(100)，包括導電的筒狀內電極(30)、以下面順序層疊在內電極外周面上的第一催化劑層(32)、電解質層(34)、和第二電解質層(36)的疊層、以及纏繞在第二催化劑層外周面上的導電外線圈(38)。該管狀燃料電池還包括外直徑大於外線圈外直徑的導電隔離體(42)。
文檔編號H01M8/24GK101305492SQ20068002824
公開日2008年11月12日 申請日期2006年8月3日 優先權日2005年8月10日
發明者寺田真樹, 濱雄一郎, 片山幸久, 石丸洋一 申請人:豐田自動車株式會社