管狀燃料電池及其製造方法

2024-02-19 19:31:15

專利名稱：管狀燃料電池及其製造方法
技術領域：
本發明涉及管狀燃料電池及其製造方法，並且特別涉及可實現增 強的氣體擴散的管狀燃料電池及其製造方法。
背景技術：
為了提高超過其電流平穩狀態的每單位面積輸出密度等，近期在
管狀燃料電池方面進行了研究(在下面有時稱作"管狀PEFC")。管狀 PEFC的單體電池(在下面有時稱作"管狀電池")主要包括膜/電極組件 (MEA)，該膜/電極組件具有中空電解質層和設置於該電解質層的內側 上以及外側上的催化劑層。並且，由於向MEA內側和外側供應反應氣 體(含氫的氣體和含氧的氣體)，因此發生電化學反應，並且由這種電化 學反應產生的電能經由設置於MEA內側和外側上的集電器而被提取 到外部(在下面，設置於內側上的集電器將被稱作"內部集電器"，而 設置於外側上的集電器將被稱作"外部集電器")。換言之，利用管狀 PEFC，可通過向設於每一單體電池中的MEA內側供應一種反應氣體 (含氫的氣體或者含氧的氣體)，同時向它們的外側供應另一種反應氣體 (含氧的氣體或者含氫的氣體)而提取電能。因為，利用管狀PEFC，能 夠使得被供應到兩個相鄰單體電池的外表面的反應氣體是相同類型， 因此，不再需要如在傳統的平板式PEFC的情形中用於執行氣體屏蔽等 的分離器。因此，根據一種管狀PEFC，可期望以有效方式使單體電池 更加緊湊。
作為與管狀燃料電池有關的一種技術，例如，在PCT申請的公開 的曰本國家階段申請2002-539587中，披露了一種管狀類型燃料電池， 其中燃料電池元件被設計成管狀類型複合部件，該複合部件由包括導 電部件和/或線材束，以及設置於其上的離子導電部件的組件製成。根據該技術，披露了輸出密度增加並且材料供應和能量排出變得簡單且 容易。
如上所述，利用管狀PEFC，因為使用被供應到MEA內側和外側 的反應氣體產生電能，因此需要確保在MEA內側和外側處存在用於反 應氣體流動的空間。作為一種在其中形成用於引導反應氣體的流路和/ 或間隙的內部集電器的外側處形成MEA的方法，已經考慮了一種方 法，該方法將熔化或溶解的催化劑墨水和/或電解質成分塗敷到內部集 電器的外周表面。然而，當熔化或溶解的這種催化劑墨水和/或電解質 成分僅僅被塗敷到內部集電器的外周表面時，用於反應氣體流動的流 路和/或間隙的至少一個部分變得被上述催化劑墨水和/或電解質成分 阻塞，並且易於降低反應氣體的可擴散性。利用在上述公開的PCT申 請的日本國家階段申請2002-539587中披露的技術難以解決該問題。

發明內容
因此，本發明提供增強氣體擴散的管狀燃料電池及其製造方法。
根據本發明的一個方面， 一種管狀燃料電池設有由線材製成的中 心支撐部件、在中心支撐部件的外側上形成的電解質層，以及設置於 中心支撐部件和電解質層之間且由線材製成的外周支撐部件。在所述 外周支撐部件的外周表面上形成催化劑層，並且所述催化劑層與電解 質層接觸。由線材製成的輔助外周支撐部件設置於中心支撐部件和外 周支撐部件之間。
根據本發明的該方面，預先形成有催化劑層的外周支撐部件被設 於中心支撐部件和電解質層之間。因此，在製造期間，催化劑層的成 分(例如，熔化或溶解的催化劑層的成分)被防止流入用於反應氣體的通 過的空間中，從而增強了反應氣體的擴散。進而，因為上述外周支撐 部件和輔助外周支撐部件被設於中心支撐部件和電解質層之間，因此， 在製造期間，電解質層的成分(例如熔化或溶解的電解質層的成分；在下面簡稱為"電解質成分")被防止流入用於反應氣體的通過的空間中， 從而增強了反應氣體的擴散。因此，根據本發明的該方面，因為能夠 確保用於反應氣體的通過的適當空間，因此能夠供應增強反應氣體的 擴散的管狀燃料電池。
作為可以製作中心支撐部件的材料的實例，可以採用能夠被用作 用於製造管狀PEFC的內部集電器的材料的材料，例如Cu、 Au、 Pt、 Al、 Ti等。製作輔助外周支撐部件和外周支撐部件的材料可以與用於
中心支撐部件的上述材料相同。中心支撐部件、輔助外周支撐部件以 及外周支撐部件需被賦予能夠經受燃料電池的運行環境的足夠的耐腐 蝕性。特別地，期望中心支撐部件和輔助外周支撐部件由具有優良導 電性的材料製成。如果中心支撐部件、輔助外周支撐部件和/或外周支
撐部件由Cu製成，則為了使得它們成為被賦予上述耐腐蝕性的部件， 期望利用具有高的耐腐蝕性的材料(例如，Ti、 Au、 Pt等)覆蓋它們的表 面。進而，可通過使用通常用於管狀PEFC中的材料製造根據本發明的 上述方面的電解質層和催化劑層。應該理解，在下面的解釋中，"線 材"是如下概念，它不僅包括不形成任何內部通孔的杆形式的柱形材 料，而且包括沿著軸向方向形成通孔的管狀形式的材料。
在這種管狀燃料電池中，輔助外周支撐部件的直徑可以比外周支 撐部件的直徑小。
因此，在製造期間，能夠以簡單且容易的方式抑制電解質成分比 輔助外周支撐部件進一步朝向中心支撐部件(在下面，簡稱作"內側") 流動。因此，能夠非常簡單且容易地增強反應氣體的擴散。
在這種管狀燃料電池中，可以設置多個中心支撐部件。
因為以此方式能夠確保用於反應氣體的通過的適當空間，因此， 能夠以簡單且容易的方式增強反應氣體的擴散。在這種管狀燃料電池中，可以繞所述管狀燃料電池的軸向方向以 螺旋形狀形成所述中心支撐部件、所述輔助外周支撐部件和所述外周 支撐部件中的至少一個支撐部件。
通過"繞所述管狀燃料電池的軸向方向以螺旋形狀形成所述中心 支撐部件、所述輔助外周支撐部件和所述外周支撐部件中的至少一個 支撐部件"，意味著，通過扭轉中心支撐部件、輔助外周支撐部件和 外周支撐部件中的至少一個或更多個支撐部件，該被扭轉的部件(線材) 相對於管狀燃料電池的管狀電池的軸向方向形成為螺旋形狀。特別地， 期望將輔助外周支撐部件和/或外周支撐部件製成為扭轉狀態，從而使 得能夠以簡單且容易的方式確保用於反應氣體的通過的空間。應該理 解，在下面的解釋中，當未提及"電池的軸向方向"時，指的是每個 纏繞部件(線材)的軸向方向，除非特別聲明為相反的情形。
如果中心支撐部件被形成為螺旋形狀，則該管狀燃料電池能夠被 更方便且容易地把持，這是因為它的彎曲應力耐受性增強。而且，因 為如果輔助外周支撐部件和/或外周支撐部件被形成為螺旋形狀則能夠 以簡單且容易的方式堵塞在輔助外周支撐部件和/或外周支撐部件之間 的間隙，因此能夠抑制電解質成分比輔助外周支撐部件進一步向內側 流入。因此，利用該結構，能夠更進一步地增強反應氣體在這種管狀 燃料電池中的擴散。
在這種管狀燃料電池中，中心支撐部件的軸向方向和輔助外周支 撐部件的軸向方向可以交叉。而且，輔助外周支撐部件的軸向方向和 外周支撐部件的軸向方向可以交叉。
術語"軸向方向"指的是被扭轉的部件(線材)的軸線的方向。作為 可以使得在徑向方向上相互鄰接的這種管狀燃料電池的兩個部件的軸 向方向交叉的方式的實例，它們的每單位長度的扭轉間距可以變化(例如， 一個部件的扭轉間距可被設為1，而另一個部件的扭轉間距被設為 2)，或者部件被扭轉的方向可以變化(例如， 一個部件可以沿著順時針 方向扭轉，而另一個部件沿著逆時針方向扭轉)等。
通過製作管狀燃料電池使得在徑向方向上相互鄰接的兩個部件的 軸向方向交叉，能夠以簡單且容易的方式抑制電解質成分比輔助外周 支撐部件進一步朝向內側流動。
根據本發明的另一方面，提供一種製造管狀燃料電池的方法，其 中在由線材製成的中心支撐部件的外側上纏繞由線材製成的輔助外 周支撐部件；在已被纏繞在所述中心支撐部件的外側上的所述輔助外 周支撐部件的外側上纏繞表面已經形成有催化劑層的外周支撐部件， 並且通過在已被纏繞在所述輔助外周支撐部件的外側上的所述外周支 撐部件的外側上塗敷熔化的或溶解的電解質成分來在所述外周支撐部 件的外側上形成電解質層。
根據本發明的上述方面，在中心支撐部件的外側上纏繞輔助外周 支撐部件之後，在輔助外周支撐部件的外側上進一步纏繞已經預先形 成有催化劑層的外周支撐部件，因此，在製造期間，能夠防止催化劑 層的成分(例如溶解或熔化狀態的催化劑層成分)流入用於反應氣體的 通過的空間中。進而，因為在已經在中心支撐部件的外側上纏繞輔助 外周支撐部件和外周支撐部件之後塗敷已熔化或溶解的電解質成分， 因此，能夠抑制電解質成分比輔助外周支撐部件進一步向內側流入。 因此，能夠提供一種增強反應氣體擴散的用於管狀燃料電池的製造方 法，因為能夠確保用於反應氣體的通過的空間。
這裡，術語"纏繞"是如下概念，它不僅包括一種部件(輔助外周 支撐部件或已經形成有催化劑層的外周支撐部件；以下同樣)繞另一種 部件(中心支撐部件或中心支撐部件和輔助外周支撐部件；以下同樣) 的纏繞，而且還包括定位多個一種部件從而它們接觸另一種部件的外周表面，或者扭轉多個所述一種部件從而在中心處留出空間，並且將 另一種部件插入該空間，從而該一種部件接觸該另一種部件。作為可 以製作中心支撐部件的材料的實例，可以採用能夠被用作用於製造管
狀PEFC的內部集電器的材料的材料，例如Cu、 Au、 Pt、 Al、 Ti等。
而且，製作輔助外周支撐部件和外周支撐部件的材料可以與用於中心 支撐部件的上述材料相同。中心支撐部件、輔助外周支撐部件和外周
支撐部件需被賦予能夠經受燃料電池的運行環境的足夠耐腐蝕性；並
且，特別地，期望中心支撐部件和輔助外周支撐部件由具有優良導電 性的材料製成。如果中心支撐部件、輔助外周支撐部件和/或外周支撐
部件由Cu製成，則為了將它們製成被賦予上述耐腐蝕性的部件，它們 的表面可以用具有高耐腐蝕性的材料(例如，Ti、 Au、 Pt等)覆蓋。進而， 可通過使用通常用於管狀PEFC中的材料製造根據本發明的電解質層 和催化劑層。
在製造管狀燃料電池的這種方法中，輔助外周支撐部件的直徑可 以比外周支撐部件的直徑小。
因此，在製造期間，能夠以簡單且容易的方式抑制電解質成分比 輔助外周支撐部件進一步朝向內側流動。因此，在以這種方式製造的 這種管狀燃料電池中，能夠簡單且容易地增強反應氣體的擴散。
在製造管狀燃料電池的這種方法中，輔助外周支撐部件可被纏繞 成使得所述輔助外周支撐部件的軸向方向和所述中心支撐部件的軸向 方向交叉。
因此，在製造期間，能夠以簡單且容易的方式抑制電解質成分比 輔助外周支撐部件進一步朝向內側流入。
作為一種用於纏繞輔助外周支撐部件使得它們與中心支撐部件的 軸向方向交叉的方法，例如，如果中心支撐部件不被扭轉，則還可接受的是布置為在將它們扭轉時在輔助外周支撐部件上纏繞。進而，如 果中心支撐部件被扭轉，則還可接受的是布置為採用將輔助外周支 撐部件以與中心支撐部件的扭轉間距不同的間距扭轉的結構，或者採 用將輔助外周支撐部件以與中心支撐部件的扭轉方向(例如，順時針方 向)不同的方向(例如，逆時針方向)扭轉的結構等。
在製造管狀燃料電池的這種方法中，外周支撐部件可被纏繞成使 得外周支撐部件的軸向方向和輔助外周支撐部件的軸向方向交叉。
因此，在製造期間，能夠以簡單且容易的方式抑制電解質成分比 輔助外周支撐部件進一步朝向內側流入。
作為纏繞外周支撐部件使得它們與輔助外周支撐部件的軸向方向 交叉的方法的一個具體實例，可以採用如上參考用於纏繞輔助外周支 撐部件從而與中心支撐部件的軸向方向交叉的方法相同的方法，其中 用輔助外周支撐部件替代中心支撐部件，並且用外周支撐部件替代輔 助外周支撐部件。


從下面參考附圖對優選實施例的說明可以清楚本發明前面的和其 它的目的、特徵與優點，在附圖中相似的數字被用於代表相似的元件 並且其中
圖1是概略地示出本發明管狀燃料電池的一個實施例的截面視
圖2是示出本發明管狀燃料電池的製造方法的一個實施例的示意 圖；禾口
圖3是示出相關技術管狀燃料電池的一個部分的放大截面視圖。
具體實施例方式
為了便於理解本發明，首先大體解釋根據相關技術的管狀燃料電池。圖3是示出這種相關技術管狀燃料電池的一個部分的放大截面視 圖。如該圖所示，在該相關技術管狀燃料電池90中，包括內部催化劑
層94a、電解質層95和外部催化劑層94b的MEA96形成在其中形成反 應氣體流路97的內部集電器91的外側上；並且外部集電器(未示於圖 中)被設置於該MEA96的外側上。作為製造在這種管狀燃料電池中的 包括的MEA96的方法，例如， 一種本質上已知的方法，該方法向內部 集電器91的外側塗敷和乾燥已經溶解或熔化的催化劑層成分(例如墨 水形式的物質，其中內部催化劑層94a的構成材料或者成分被溶解於 溶劑中)，並且然後在已經塗敷和乾燥己經溶解或熔化的電解質成分(例 如墨水形式的物質，其中電解質層95的構成材料或者成分被溶解於溶 劑中)之後，塗敷和乾燥已經溶解或熔化的催化劑層成分(例如墨水形式 的物質，其中外部催化劑層94b的構成材料或者成分被溶解於溶劑中)。 利用該過程，當在內部集電器91的外側上形成MEA96時，上述催化 劑層成分和/或電解質成分流入在內部集電器91上形成的反應氣體流 路97中，從而這些反應氣體流路97的一些部分或者整體被堵塞，並 且由此降低反應氣體的擴散，從而降低這種管狀燃料電池的性能。為 了增強燃料電池的性能，有必要增強反應氣體的擴散，並且，為此， 期望提供一種管狀燃料電池，其中催化劑層成分和/或電解質成分並不 流入反應氣體流路97中。
因此，根據在下面解釋的本發明的實施例，通過確保用於反應氣 體擴散的足夠空間，提供一種由此增強反應氣體擴散的管狀燃料電池 及其製造方法。
現在將參考附圖具體解釋根據本發明的管狀燃料電池及其製造方 法的實施例。應該理解，在下面的解釋中，更加靠近管狀燃料電池的 軸向中心的部分將被稱為"內側"，而更加遠離那裡的部分將被稱作 "外側"；並且比電解質層更加向內的部分被稱作"內部"，而更加 向外的部分被稱作"外部"。進而，在圖1中，中心支撐部件、輔助 外周支撐部件和外周支撐部件以預定間距扭轉，並且，如果中心支撐部件被扭轉的間距被稱作X，輔助外周支撐部件被扭轉的間距被稱作 Y，並且外周支撐部件被扭轉的間距被稱作Z，則X^Y並且Y-Z。
而且，輔助外周支撐部件的直徑(R1)比外周支撐部件的直徑(R2)小。
圖1是概略地示出本發明管狀燃料電池的該實施例的截面視圖， 並且以放大視圖示出管狀燃料電池的一個部分。如該圖所示，該實施 例的管狀燃料電池IO包括由多個線材製成並且用作內部集電器的中心
支撐部件，以及在其外側上形成的電解質層5;並且在它們之間，從內
側向外，布置由多個線材製成的輔助外周支撐部件2的層，以及由多 個線材製成的外周支撐部件3的層。在該管狀燃料電池10中，通過在 銅線表面上塗布Ti製成中心支撐部件1、輔助外周支撐部件2，以及外 周支撐部件3。另外，中心支撐部件1的表面被製作成是親水的(在下 面稱為親水處理)，並且輔助外周支撐部件2的表面被製作成是拒水的 (在下面稱為拒水處理)。輔助外周支撐部件2纏繞中心支撐部件1，並 且外周支撐部件3纏繞中心支撐部件1和輔助外周支撐部件2，其中內 側催化劑層4a在它們的外周表面上形成。並且進一步在內側催化劑層 4a的外側上形成的電解質層5的外側上形成外側催化劑層4b，其中外 部集電器(未示於圖中)被設於該外側催化劑層4b的外側上。以此方式， 利用該實施例的管狀燃料電池10，通過形成其中在自身設置於中心支 撐部件1的外側上的輔助外周支撐部件2和外周支撐部件3的外側上 進一步形成電解質層5的狀態，因此，在製造該管狀燃料電池IO期間， 可防止已經熔化或溶解的電解質成分比輔助外周支撐部件2進一步向 內流動。因為不存在已經熔化或溶解的電解質成分比輔助外周支撐部 件2進一步向內的這種流動，因此，能夠防止在輔助外周支撐部件2 的內側處存在的間隙7被堵塞。因此反應氣體(含氫的氣體或者含氧的 氣體)擴散到這些間隙7中，從而增強這種管狀燃料電池10的氣體擴散。
如圖所示，根據該實施例的中心支撐部件1由多個線材製成。如 果中心支撐部件l以此方式由多個線材製成，則可以容易地和簡單地 形成在線材之間的間隙7，並且也可簡單地和容易地形成在中心支撐部件1和輔助外周支撐部件2之間的間隙7;並且因此，能夠保證用於反 應氣體的擴散路徑。換言之，根據這種結構類型，在這種管狀燃料電 池10中的反應氣體的擴散可被增強。
利用如圖所示的管狀燃料電池10，如果中心支撐部件1被形成為 螺旋形狀，則該管狀燃料電池IO的抗彎曲應力性增強。另外，如果輔
助外周支撐部件2和外周支撐部件3形成為螺旋形狀，則能夠簡單地 和容易地堵塞在輔助外周支撐部件2之間以及在外周支撐部件3之間
的間隙。如果這些間隙以此方式被堵塞，則能夠防止被塗敷到外周支
撐部件3的外側(更加具體地，到內側催化劑層4a的外側)並且熔化或 溶解的電解質成分比輔助外周支撐部件2更加地向內側移動，並且因 此，能夠避免電解質成分阻塞用於反應氣體的通過的間隙7。
進而，利用這種管狀燃料電池10，中心支撐部件1被扭轉的間距 X，輔助外周支撐部件2被扭轉的間距Y，以及外周支撐部件3被扭轉 的間距Z被設定為使得X^Y並且Y^Z。當在內側催化劑層4a的外 側上形成電解質層5時，為了防止上述間隙7被熔化或溶解的電解質 成分堵塞，必須至少利用輔助外周支撐部件2截斷這種電解質成分的 移動。為了截斷電解質成分的移動，有效的是減小電解質成分可通過 其到達輔助外周支撐部件2的間隙；並且，為了減小這些間隙，有效 的是使得輔助外周支撐部件2的軸向方向與外周支撐部件3的軸向方 向相互交叉。因此，利用上述結構，電解質成分的移動被截斷，從而 保證存在用於反應氣體流動的間隙7。
進而，如圖所示，在該實施例中輔助外周支撐部件2的直徑比外 周支撐部件3的直徑小。即使輔助外周支撐部件2的直徑與外周支撐 部件3的直徑相同，也能夠截斷電解質成分的移動。然而，如果這些 直徑如在該實施例中那樣，如圖所示，則能夠進一步減小在輔助外周 支撐部件2之間的間隙。因此，由於輔助外周支撐部件2，能夠高效率 地截斷電解質成分的移動。圖2是示出根據本發明實施例的管狀燃料電池的製造方法的一個 實例的示意圖；在該圖中，概略地示出在該管狀燃料電池中包括的結 構部件的截面。在圖2中，對於具有與示於圖1中的管狀燃料電池相 同的結構的區域和部件，添加如用於圖1中的相同的標記符號，並且
適當地簡化其解釋。進而，在圖2中，假設中心支撐部件、輔助外周
支撐部件以及外周支撐部件以預定間距扭轉，並且，如果中心支撐部
件的扭轉間距被取作X,輔助外周支撐部件的扭轉間距被取作Y，且外 周支撐部件的扭轉間距被取作Z，則X^Y並且Y^Z。而且，輔助外 周支撐部件的直徑(R1)比外周支撐部件的直徑(R2)小。另外，在中心支 撐部件的外周表面上執行親水過程，並且在輔助外周支撐部件的外周 表面上執行拒水過程。在下面，將參考圖2詳細解釋用於根據本發明 實施例的管狀燃料電池的該製造方法。
如圖2所示，在用於根據該實施例的管狀燃料電池的製造方法中， 首先，通過一起地扭轉多根銅線製造扭轉的中心支撐部件(內部集電 器)l，該多根銅線的表面以預定間距(X)利用鈦(Ti)覆蓋[過程弁。在這 之後，包括其表面用Ti覆蓋的多根銅線的輔助外周支撐部件2以螺旋 形狀在該中心支撐部件1的外側上纏繞(過程#2:第一纏繞過程)。同時， 通過在其表面用Ti覆蓋的銅線的表面上塗敷並且乾燥催化劑墨水(例 如，墨水形式的物質，其中例如載鉑碳等催化劑擴散到包含已經使用 有機溶劑溶解的含氟離子交換樹脂等的溶液中；並且在下面相同)，制 造外周支撐部件3(在下面簡稱作"外周支撐部件3")，在其表面上形 成催化劑層4a(過程弁3)。並且已經通過該過程#3獲得的多個外周支撐 部件3以螺旋形狀被纏繞在已經通過過程#2纏繞的輔助外周支撐部件 2的外側上(過程#4:第二纏繞過程)。在通過在中心支撐部件1和輔助 外周支撐部件2的外側上以此方式纏繞外周支撐部件3而形成纏繞本 體之後，通過在該纏繞本體的外側上塗敷並且乾燥電解質成分(例如， 已經使用有機溶劑溶解的含氟離子交換樹脂等)而在外周支撐部件3的 外側上形成電解質層5(過程#5:電解層形成過程)。在這之後，通過在已由過程#5製造的該電解質層5的外側上塗敷並且乾燥催化劑墨水而
形成外側催化劑層4b，從而在內部集電器的外側上形成MEA6(過程
#6);並且，進而，能夠通過執行使得外部集電器接觸該外部催化劑層 4b的外側的過程等而製造根據本發明實施例的管狀燃料電池10。
在根據本發明的過程#5中，作為向外周支撐部件3的外側塗敷電 解質成分的方法，存在各種可能的方法，例如將上述纏繞本體浸入含 有上述被溶解的含氟離子交換樹脂的容器中並且然後將其從中取出的 方法，或者通過噴射等向上述纏繞本體的外周表面塗敷上述溶解的含 氟離子交換樹脂的方法。作為另一種可能，還可接受的是布置成通過 在被加熱的和熔化的狀態中，向外周表面本體壓出並且覆蓋(擠出覆蓋) 上述含氟離子交換樹脂而塗覆電解質成分。這裡，對於這種擠出覆蓋， 還能夠採用與在製造電線的過程中所使用的方法相同的方法。
應該理解雖然在圖2的實施例中，示出其中輔助外周支撐部件2 的直徑比外周支撐部件3的直徑小的情形，但是輔助外周支撐部件和 外周支撐部件的結構並不限於這種結構。例如，即使輔助外周支撐部 件的直徑與外周支撐部件的直徑相同，也仍然能夠利用設於中心支撐 部件外側上的輔助外周支撐部件和外周支撐部件截斷電解質成分的移 動。
進而，雖然在上述實施例中，描述了一種結構，其中中心支撐部 件1的扭轉間距X與輔助外周支撐部件2的扭轉間距Y滿足X-Y， 以使得中心支撐部件1的軸向方向與輔助外周支撐部件2的軸向方向 彼此交叉，但是本發明並不限於這種結構。然而期望使得X-Y，這是 因為，如果這樣，則輔助外周支撐部件2的用於截斷電解質成分的移 動的任務變得簡單並且容易，並且因此，能夠確保用於反應氣體的擴 散路徑。
另外，雖然在上述實施例中，描述了一種結構，其中輔助外周支撐部件2的扭轉間距Y與外周支撐部件3的扭轉間距Z滿足Y^Z，以 使得輔助外周支撐部件2的軸向方向與外周支撐部件3的軸向方向彼 此交叉，但是本發明並不限於這種結構。然而期望使得Y-Z，這是因 為，如果這樣，則輔助外周支撐部件2的用於截斷電解質成分的移動 的任務變得簡單並且容易，並且因此，能夠確保用於反應氣體的擴散 路徑。應該理解，如果X-Y並且Y^Z，則X二Z是可以接受的，或 者可替代地X4Z是可以接受的。
而且雖然在關於用於管狀燃料電池的製造方法的以上解釋中，示 出了一種情形，其中通過改變扭轉間距，使得中心支撐部件l的軸向 方向、輔助外周支撐部件2的軸向方向以及外周支撐部件3的軸向方 向彼此交叉，但是本發明並不限於這種結構。例如還可接受的是，通 過改變管狀燃料電池的部件中的沿著徑向方向彼此相鄰的兩個部件的 扭轉方向，以使得這兩個部件的軸向方向彼此交叉如通過例如與沿 著順時針方向扭轉中心支撐部件一起，還沿著逆時針方向扭轉輔助外 周支撐部件，並且進而沿著順時針方向扭轉外周支撐部件。
進而，雖然在上述實施例中，示出了一種情形的實例，該情形中 多個中心支撐部件1、多個輔助外周支撐部件2以及多個外周支撐部件 3被扭轉，但是本發明並不限於這種形式；可以接受的是，這三個部件 中的一個或者更多部件不被扭轉。然而，從增強抗彎曲應力等的彈性 的觀點，期望將多個中心支撐部件一起地扭轉；並且，從容易地並且 有效地截斷電解質成分的移動等的觀點，期望扭轉多個輔助外周支撐 部件和/或多個外周支撐部件。
另外，雖然在關於根據本發明實施例的管狀燃料電池及其製造方 法的以上的解釋中，在中心支撐部件1上執行親水處理，而在輔助外 周支撐部件2上執行拒水處理，但是根據本發明的管狀燃料電池並不 限於這種特徵；還可接受的是不執行這種拒水處理和親水處理。然而， 如果採用示於圖l和2中的結構，則能夠使得在管狀燃料電池IO運行期間形成的水分以水滴的狀態存在於上述間隙7中，並且還能夠通過 利用流經間隙7的反應氣體向外部排放這些水滴而抑制溢流的發生。 應該理解，如果在中心支撐部件上執行親水處理，則因為能夠使得上 述所產生的水分被中心支撐部件吸收，因此，能夠進一步地抑制溢流。
至此，使用附圖，已經解釋了包括其橫截面形狀被形成為基本完 全的圓的的中心支撐部件1、輔助外周支撐部件2以及外周支撐部件3 的管狀燃料電池，但是中心支撐部件、輔助外周支撐部件以及外周支 撐部件的橫截面形狀不限於這種構形。中心支撐部件的橫截面形狀可
為橢圓形或者星形(即，具有突起和凹進的形狀)等，或者它們可如圖3
所示那樣成形，其中形成反應氣體流路。進而，根據本發明的輔助外 周支撐部件和外周支撐部件能夠以任何方式成形，只要它們能夠截斷
電解質成分的移動；例如，還可接受的是，它們被成形為橢圓形、正 方形、長方形、六邊形等。
而且雖然在圖1和2中，中心支撐部件1包括七個線材，但這並 不對本發明構成限制；被包括於根據本發明的管狀燃料電池中的中心 支撐部件的數目可被設為大於或者等於一個的任何適當的數目。如果 被包括於根據本發明的管狀燃料電池中的中心支撐部件的數目為一 個，則為了以簡單且容易的方式保證用於反應氣體的擴散路徑，期望 形成這樣的中心支撐部件，例如在其外周表面上具有反應氣體流路和/ 或在它的外周表面上存在凹部和凸部(突起和凹進)(例如，它的橫截面 形狀為星形等)。即使中心支撐部件的數目為一個，如果採用其中輔助 外周支撐部件和外周支撐部件被設於中心支撐部件和電解質層之間的 形式，則能夠提供一種其中反應氣體的擴散被增強的管狀燃料電池， 這是因為能夠抑制電解質成分比輔助外周支撐部件進一步向內移動。
更進一步，雖然在圖1和2中，示出一個實例，其中由七個線材 構成的所有的中心支撐部件1用作內部集電器，但是根據本發明的中 心支撐部件並不限於這種特徵。如果根據本發明的中心支撐部件具有示於附圖中的形式，則期望在外側催化劑層4b的外部上提供用於冷卻 介質流動的冷卻路徑，從而防止在管狀燃料電池IO運行期間溫度過度 升高等。相反，還可接受的是通過使得一些或者所有的中心支撐部件(例 如，在示於圖1中的中心支撐部件中，位於中心的中心支撐部件)成為 管，並且通過使得冷卻介質流經它們而賦予這些中心支撐部件用作冷 卻路徑的另外功能。
更進一步，雖然在本發明的上述實施例中，披露了一種結構，其 中設置多個輔助外周支撐部件和多個外周支撐部件，但是輔助外周支 撐部件和外周支撐部件的數目並不限於示於圖中的結構。基於對氣體 擴散和集電器效率等的總體考慮，如果所形成的結構能夠截斷電解質 成分的移動，則可以接受的是提供任何適當數目的輔助外周支撐部件 和外周支撐部件。
另外，雖然在圖l和2中示出了一種結構，其中當中心支撐部件
的直徑被取作R3時，關係R3>R2>R1成立，進而，在能夠以有效方式 阻擋電解質成分移動的方面，期望還成立關係0.5XR3》R1》0.1XR3。
進而，雖然在以上的解釋中，通過使得它們的扭轉間距不同而使 得沿著該管狀燃料電池的徑向方向彼此鄰接的兩個組件(部件)(中心支 撐部件和輔助外周支撐部件，以及輔助外周支撐部件並且外周支撐部 件)的軸向方向彼此交叉，但是使得這些軸向方向彼此交叉的方法不限 於這種結構。例如，還能夠通過使得位於內側上的部件的扭轉方向為 順時針方向，並且通過使得位於外側上的部件的扭轉方向為逆時針而 使得上述軸向方向彼此交叉。而且雖然至此已經解釋了其中中心支撐 部件、輔助外周支撐部件以及外周支撐部件被扭轉的結構，但是根據 本發明的管狀燃料電池不限於這種結構；還可接受的是這三個部件中 的一個或者更多部件不被扭轉。然而，從有效地截斷電解質成分的移 動的觀點，期望扭轉輔助外周支撐部件和外周支撐部件；並且，從增 強抗彎曲應力的彈性的觀點，期望一起地扭轉中心支撐部件。更進一步，雖然至此已經披露了其中中心支撐部件1、輔助外周 支撐部件2以及外周支撐部件3由其表面覆蓋有鈦(Ti)的銅線製成的實 例，但是本發明不限於此。如果結合於本發明管狀燃料電池中的中心 支撐部件、輔助外周支撐部件以及外周支撐部件被賦予足夠的耐腐蝕
性以經受管狀燃料電池的運行環境，而且它們被賦予適當的導電性從 而能夠具有在管狀燃料電池中要求的導電性能，則它們可由某些其它
材料製成(例如Au或者Pt等)。
雖然已經參考其示例性實施例描述了本發明，但是應該理解本發 明並不限於該示例性實施例或者構造。相反，本發明旨在涵蓋各種修 改和等價布置。另外，雖然以示例性的各種組合和構形示出示例性實 施例的各種元件，但是包括更多、更少或者僅僅一個元件的其它組合 和構形也在本發明的精神和範圍中。
權利要求
1. 一種管狀燃料電池，設有由線材製成的中心支撐部件；在所述中心支撐部件的外側上形成的電解質層；以及由線材製成且設置於所述中心支撐部件和所述電解質層之間的外周支撐部件，其特徵在於在所述外周支撐部件的外周表面上形成催化劑層，其中所述催化劑層與所述電解質層接觸；並且輔助外周支撐部件設置於所述中心支撐部件和所述外周支撐部件之間，其中所述輔助外周支撐部件由線材製成。
2. 根據權利要求1的管狀燃料電池，其中所述輔助外周支撐部件 的直徑小於所述外周支撐部件的直徑。
3. 根據權利要求1或權利要求2的管狀燃料電池，其中所述中心 支撐部件包括多個中心支撐部件。
4. 根據權利要求1到3中任何一項的管狀燃料電池，其中繞所述 管狀燃料電池的軸向方向以螺旋形狀形成所述中心支撐部件、所述輔 助外周支撐部件和所述外周支撐部件中的至少一個支撐部件。
5. 根據權利要求4的管狀燃料電池，其中所述中心支撐部件的軸 向方向和所述輔助外周支撐部件的軸向方向交叉。
6. 根據權利要求4的管狀燃料電池，其中所述輔助外周支撐部件 的軸向方向和所述外周支撐部件的軸向方向交叉。
7. 根據權利要求2的管狀燃料電池，其中所述輔助外周支撐部件 的直徑等於或大於通過將所述外周支撐部件的直徑乘以0.1而獲得的 值，且等於或小於通過將所述外周支撐部件的直徑乘以0.5而獲得的 值。
8. 根據權利要求1到7中任何一項的管狀燃料電池，其中所述中 心支撐部件的橫截面形狀是大致圓形。
9. 根據權利要求1到7中任何一項的管狀燃料電池，其中所述中心支撐部件的橫截面形狀包括突起和凹進。
10. 根據權利要求5的管狀燃料電池，其中用於扭轉所述中心支撐部件的第一間距不同於用於扭轉所述輔助外周支撐部件的第二間 距。
11. 根據權利要求6的管狀燃料電池，其中用於扭轉所述外周支 撐部件的第一間距不同於用於扭轉所述輔助外周支撐部件的第二間 距。
12. 根據權利要求5的管狀燃料電池，其中在與扭轉所述輔助外 周支撐部件的方向不同的方向上扭轉所述中心支撐部件。
13. 根據權利要求6的管狀燃料電池，其中在與扭轉所述輔助外 周支撐部件的方向不同的方向上扭轉所述外周支撐部件。
14. 根據權利要求4的管狀燃料電池，其中所述輔助外周支撐部 件包括扭轉的多個輔助外周支撐部件，並且所述外周支撐部件包括扭 轉的多個外周支撐部件。
15. 根據權利要求1到14中任何一項的管狀燃料電池，其中所述 中心支撐部件的表面被製作成是親水的。
16. 根據權利要求1到15中任何一項的管狀燃料電池，其中所述 輔助外周支撐部件的表面被製作成是拒水的。
17. 根據權利要求1到16中任何一項的管狀燃料電池，其中所述 中心支撐部件包括管，並且冷卻所述管狀燃料電池的冷卻介質流過所 述管。
18. 根據權利要求1到17中任何一項的管狀燃料電池，其中所述中心支撐部件、所述輔助外周支撐部件和所述外周支撐部件由被鈦塗 布的銅製成。
19. 根據權利要求1到18中任何一項的管狀燃料電池，其中所述催化劑層包括分散在含氟離子交換樹脂中的載鉑碳，並且所述電解質 層包括含氟離子交換樹脂。
20. —種製造管狀燃料電池的方法，包括在中心支撐部件的外側上纏繞輔助外周支撐部件，所述輔助外周支撐部件和所述中心支撐部件中的每個支撐部件由線材製成；在已被纏繞在所述中心支撐部件的外側上的所述輔助外周支撐部件的外側上纏繞由線材製成的外周支撐部件，在所述外周支撐部件的外周表面上形成催化劑層；和通過在已被纏繞在所述輔助外周支撐部件的外側上的所述外周支撐部件的外側上塗敷熔化的或溶解的電解質成分來在所述外周支撐部件的外側上形成電解質層。
21. 根據權利要求20的製造管狀燃料電池的方法，其中所述輔助外周支撐部件的直徑小於所述外周支撐部件的直徑。
22. 根據權利要求20或權利要求21的製造管狀燃料電池的方法， 其中所述輔助外周支撐部件被纏繞成使得所述輔助外周支撐部件的軸 向方向和所述中心支撐部件的軸向方向交叉。
23. 根據權利要求20到22中任何一項的製造管狀燃料電池的方 法，其中所述外周支撐部件被纏繞成使得所述外周支撐部件的軸向方 向和所述輔助外周支撐部件的軸向方向交叉。
24. —種管狀燃料電池，包括 中心支撐部件，所述中心支撐部件包括線材； 在至少一個中心支撐部件的外側上形成的電解質層； 設置於所述中心支撐部件和所述電解質層之間的外周支撐部件，所述外周支撐部件包括線材；在所述外周支撐部件的外周表面上形成的催化劑層，所述催化劑 層與所述電解質層接觸；和設置於所述中心支撐部件和所述外周支撐部件之間的輔助外周支 撐部件，所述輔助外周支撐部件包括線材。
全文摘要
提供一種管狀燃料電池，它包括由線材製成的中心支撐部件(1)；在中心支撐部件的外側上形成的電解質層(5)；設置於中心支撐部件和電解質層之間且由線材製成的外周支撐部件(3)；在外周支撐部件的外周表面上形成且與電解質層接觸的催化劑層(4a)；以及設於中心支撐部件和外周支撐部件之間且由線材製成的輔助外周支撐部件(2)。
文檔編號H01M8/02GK101305489SQ200680042214
公開日2008年11月12日 申請日期2006年11月9日 優先權日2005年11月10日
發明者中西治通, 今西雅弘, 依田直人 申請人:豐田自動車株式會社