专利名称：具有集成导电隔离体和燃料电池模块的管状燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种管状燃料电池以及一种燃料电池模块，其中集电极还 用作燃料电池之间的隔离体。
背景技术：
如沿管道延伸方向截取的图8的截面视图所示，管状燃料电池通常配 置为包括内电极IO、笫一催化剂层12、电解质层14、第二催化剂层16、 外线圏18、和树脂密封20。图9为沿图8中的线A-A截取的横截面图。 如图9所示，以下述顺序以基本上同轴筒的形式从内部依次层叠内电极10、 第一催化剂层12、电解质层14、和第二催化剂层16。
当将多个这种管状燃料电池安装并组合为模块时，优选以预定间隔放 置电池，该间隔使得尽可能均匀地向电池供应燃料气体或者氧化气体以保 证优选消除化学反应所产生的热。日本专利公开2002-298877公开了管状 燃料电池中的隔离体，其中防止气体密封部分承受负荷，从而减少发生燃 料管故障。
但是除了用于以预定间距维持多个管状燃料电池之间间隔的隔离体以 外，常规技术还要求集电线独立连接以建立内电极之间以及組合成模块的 多个管状燃料电池中外部线圏之间的并联连接。这样的连接集电线的系统 是复杂的，阻碍了产生廉价燃料电池模块。另外，除了隔离体以外有必要 为集电器提供电极，这一点妨碍了使燃料电池模块小型化的努力。
特别是，当几千至数万个直径测量为大约几毫米的超薄管状燃料电池 被安装和组合成模块而同时保证几毫米的电池间隔时，应当建立组合成模 块的电池之间的电连接，这一点使得高精度的布线技术和大量时间及努力成为必要。因此，所产生的制造燃料电^M莫块的操作或者过程复杂而困难， 从而提高了制造成本。
发明内容
本发明有利地提供了一种管状燃料电池，其中催化剂和电解质层被层 叠在筒状内电极的外表面上，该管状燃料电池还包括导电隔离体。
特别是，管状燃料电池包括导电的筒状内电极；以下面顺序依次层叠
在内电极外表面上的第一催化剂层、电解质层、和第二电解质层的叠层；
缠绕在第二催化剂层外周面上的导电外线圈；以及外直径大于外线圏外直
径的导电隔离体。换言之，隔离体被设置为管状燃料电池发电部分的外直
径大于管状燃料电池非发电部分的外直径。
当将隔离体用作集电极以从第二催化剂层收集电流时，该隔离体优选
电连接至外部线圏。
可安装多个这种管状燃料电池从而组成燃料电池^^块。即，本发明还 提供一种具有多个管状燃料电池的燃料电池模块，其中该多个管状燃料电
池以使得隔离体的外周面相互接触的方式设置。
因为隔离体具有导电性，所以当多个管状燃料电池被组合为模块时， 隔离体能够同时用于维持管状燃料电池之间的预定间隔以及提供管状燃料 电池之间的电连接。因此，可廉价制造燃料电池模块。
例如，优选隔离体为形成为具有中空部分的筒状或者多角柱形状的导 电元件。可选地，隔离体由导电线圏组成，其4皮缠绕为外部直径大于外线
可选地，可缠绕外线圏的一部分以使其外直径大于外线圏的其它部分 的外直径，并且所述外线圏的一部分可用作隔离体，其可再次有助于更简 单、更廉价地制造隔离体。
图l以横截面图示出了根据本发明实施例的管状燃料电池结构；图2为沿图1中线B-B的横截面图，示出了管状燃料电池的结构； 图3为沿图1中线C-C的横截面图，示出了管状燃料电池的结构； 图4A为示出本发明实施例中隔离体形状实例的透视图； 图4B为示出本发明实施例中隔离体形状另一个实例的透视图； 图4C为示出本发明实施例中隔离体形状另 一个实例的透视图； 图4D为示出本发明实施例中隔离体形状另一个实例的透视图； 图5以横截面图示出了根据本发明实施例的燃料电池模块的结构； 图6以横截面图示出了根据本发明实施例的管状燃料电池的变化实
例；
图7以4黄截面图示出了根据本发明实施例的管状燃料电池的另一种变 化实例；
图8以横截面图示出了常规管状燃料电池的结构；以及
图9为沿图8中线A-A的横截面图，示出了常规管状燃料电池的结构。
具体实施例方式
下面将描述本发明的优选实施例
管状燃料电池的结构
如沿图1中管道延伸方向横切的横截面图所示，根据本发明实施例的 管状燃料电池100包括内电极30、第一催化剂层32、电解质层34、第二 催化剂层36、外线圏38、树脂密封40、和隔离体42。图2和3示出了沿 图1所示出的线B-B和C-C的管状燃料电池100的横截面图。如图2 和3所示，管状燃料电池100配置为具有以基本上同轴筒的形式从内部依 次层叠的内电极30、第一催化剂层32、电解质层34、和第二催化剂层36。
如图l至3的截面所示，内电极30为由高导电性材料制成的筒状元件， 并被置于管状燃料电池100的中心。采用高导电性材料例如不锈钢、金、 银、铜、铝等等形成内电极30。当采用例如不锈钢的材料时，优选通过电镀等对该材料涂覆优良的耐腐蚀材料，例如金或4艮，以增强耐蚀性。内电 极30的边沿部分被连至电极(未示出)，以从管状燃料电池100向外导出 电力。此外，内电极30除边沿部分以外的外周壁被穿出多个孔以供应燃料 气体(例如含氧气体或者含有机碳氢化合物的气体)，所述燃料气体经过 内电极30的中空部分沿朝向外表面的方向流动。
第一催化剂层32对应燃料电极。如图1和2的截面图所示形成将在下 文详细描述的第一催化剂层32。在将负载催化剂金属例如诸如铂(Pt)的 贵金属系列的碳(C)颗粒分散在合适的有机溶剂后，向具有碳颗粒的有 机溶剂添加合适量的电解质溶液，以获得浆料形式的混合物。然后，将浆 料形式的混合物涂敷在内电极30的除了其边沿部分以外的外表面上，从而 形成第一催化剂层32。此时，考虑到允许上面没有穿孔的内电极30的两 个边沿部分如图1和3的横截面图所示向外凸出，在内电极30的边沿部分 上都不形成第一催化剂层32。在燃料电池工作期间，燃料气体经过内电极 30的中空部分送入第一催化剂层32。
电解质层34具有向空气电极输送在燃料电极产生的质子的功能。考虑 对于质子的高导电性和稳定性来选择形成电解质层34的材料。例如，可如 图1和2的截面所示，在第一催化剂层32的外周面上涂敷具有砜基团的含 氟聚合物或者相似的聚合物，以形成电解质层34。
第二催化剂层36对应空气电极。可如图1和2的截面图所示形成将在 下文详细描述的第二催化剂层36。在将负载催化剂金属例如诸如铂(Pt) 的贵金属系列的碳(C)颗粒分散在合适的有机溶剂后，向有机溶剂添加 合适量的电解质溶液，以获得浆料形式的混合物。然后，将浆料形式的混 合物涂敷在内电极30的除了其边沿部分以外的外周表面上，从而形成第二 催化剂层36。在燃料电池工作期间，氧化气体(其为含氧气体，例如空气) 被供应至第二催化剂层36。
外线圏38由高导电性材料制成。采用高导电性材料例如不锈钢、金、 银、铜、铝等等制成外线圏38。当采用例如不锈钢的材料时，优选通过电 镀对该材料涂敷优良的耐腐蚀材料，例如金或4艮，以增强耐蚀性。如图1和2的截面所示，外线圏38螺旋缠绕在基本上同轴地层叠在内 电极30的外表面上的第一催化剂层32、电解质层34、和第二催化剂层36 上。特别是，外线圏38被缠绕在第二催化剂层36的外周面上以和第二催 化剂层36导电。为增强外线圏38和第二催化剂层36之间的导电性，优选 螺旋缠绕外线團38，同时保持外线圈38的每圈都与相邻的圈绝对接触。 尽管在本实施例中如图1所示将外线圏38缠绕为单层，但是可将外线圏 38缠绕为两个或者多个重叠层。当外部线圏38设置为用作管状燃料电池 100的外电极时，流出管状燃料电池100的氧化气体可被供应至第二催化 剂层36。
通过涂敷非导电树脂材料例如环氧树脂形成树脂密封40。如图1和3 的截面图所示，树脂密封40形成为覆盖内电极30的每个边沿部分上的暴 露区域以及第一催化剂层32、电解质层34、和第二催化剂层36的端面以 及所述暴露区域与所述端面之间的相交之处。
更具体是，涂敷树脂材料以至少覆盖第一催化剂层32、电解质层34、 和笫二催化剂层36的端面以及内电极30与第一催化剂层32的相交之处， 同时部分地不涂敷内电极30的边沿部分并使其末端暴露在树脂密封40之 外。优选，树脂材料的厚度大于第二催化剂层36的外直径，以提供树脂密 封40，其不仅覆盖第一催化剂层32、电解质层34、和第二催化剂层36的 端面，而且覆盖第二催化剂层36的一部分外周壁。
树脂密封40可防止在内电极30的每个边沿部分上的暴露区域与第一 催化剂层32、电解质层34、和第二催化剂层36的叠层端面之间的相交区 域发生燃料气体和氧化气体的泄漏。
隔离体42由导电性良好的材料制成，并且可采用高导电性材料例如不 锈钢、金、银、铜、铝等等制成。当采用例如不锈钢的材料时，优选对该 材料涂敷或电镀优良的耐腐蚀材料例如金或银，以增强耐蚀性。
如图4A到4D所示，隔离体42形成为具有作为通孔的中空部分42a 的筒状、矩形柱、多角柱形状。将管状燃料电池IOO的边沿插入形成为隔 离体42的通孔的中空部分42a以4吏隔离体42连接于此。这里，隔离体42被以使得至少一部分隔离体42物理接触外线圏38的状态安装。
尽管在本发明的实施例中，第一催化剂层32、电解质层34、和第二催 化剂层36层叠在筒状内电极30的外表面上，从而组成形状为筒状柱的管 状燃料电池100,但是管状燃料电池100的形状不限于筒状柱形状。第一 催化剂层32、电解质层34、和第二催化剂层36可层叠在中空多角柱形状 的内电极30的外表面上，从而组成横截面为多边形的管状燃料电池IOO。
燃料电池模块
接下来，将描述其中管状燃料电池100被组合成根据本发明实施例的 模块的实例结构。图5以横截面视图示出了其中集成管状燃料电池100的 燃料电池模块200的结构。图5中，以截面视图示出了管状燃料电池100 的左半部，为简化描述而以略图示出了管状燃料电池IOO的右半部。
燃料电池模块200包括多个管状燃料电池100、燃料气体给送腔50、 燃料气体排^L腔52、和氧化剂腔54。分别通过给送侧密封部分56和排放 侧密封部分58将氧化剂腔54与燃料气体给送腔50及燃料气体排放腔52 隔开。给送侧密封部分56和排放侧密封部分58密封安装在管状燃料电池 100的边沿部分上的树脂密封40外部的区域，以防止氧化剂腔54和燃料 气体给送腔50之间以及氧化剂腔54和燃料气体排;^文腔52之间发生气体泄 漏。换言之，管状燃料电池100的发电部分^f皮置于氧化剂腔54中，以允许 燃料气体给送腔50经内电极30的中空部分与燃料气体排放腔52连通。
氧化剂腔54上形成有氧化气体给送口 54a和氧化气体排放口 54b，以 从外部给送氧化气体和向外部排放氧化气体。另一方面，燃料气体给送腔 50具有向每个管状燃料电池100供应燃料气体的燃料气体给送口 50a,而 燃料气体排放腔52具有从每个管状燃料电池100排放燃料气体的燃料气体 排放口 52a。
当管状燃料电池100被组合为模块时，管状燃料电池100被以隔离体 42的外周面相互接触的状态层叠。这里，隔离体42被限定为外直径a大 于缠绕在第二催化剂层36外周面上的外线圏38的外直径b (当隔离体42具有多角柱形状时，将从隔离体42的中心至隔离体42每侧的距离定义为 外直径a)。当隔离体42形成为外直径a为上述条件的期望值时，多个管 状燃料电池100可以以隔离体42维持的预定间隔集成。
例如，每个管状燃料电池100可形成为在除隔离体42以外的部分的外 直径为几毫米到几厘米，长度为数十至数百毫米。这种情况下，当半径为 lmm的隔离体42连至每个直径为1毫米的管状燃料电池100，管状燃料 电池100可组合为模块，同时维持相邻管状燃料电池100之间大约2mm 的间隔。
在根据本实施例的燃料电池模块中，可如上所述由安装在管状燃料电 池200每个边沿部分上的隔离体42支承管状燃料电池100。
此夕卜，因为安装在每个管状燃料电池100上的隔离体42由导电材料组 成，并且安装为与外线围38电接触，所以可仅仅通过集成多个管状燃料电 池IOO,而同时并联电连接管状燃料电池IOO的外线圏38。
另 一方面，采用外部导线相互并联连接管状燃料电池100的内电极30。 通过外电路将各自并联的内电极30和隔离体42相互连接起来。可选地是， 与外线圏38电连接的和隔离体42电绝缘的不同隔离体可另外安装在内电 极30的边沿部分上。通过将不同隔离体的外直径限定为等于隔离体42的 外直径，内电极30还可同时并联连接。
如上使用还用作集电极的隔离体，从而维持管状燃料电池之间的固定 距离，同时可电连接管状燃料电池。以此方式，可以以简单而廉价的方法 制造燃料电池模块。特别是当直径为数毫米至数厘米的管状燃料电池被组 合为模块时，可消除不依赖于隔离体地独立安装集电线的繁重任务。
尽管图5示出了其中沿平行于图的页面方向层叠管状燃料电池100的 结构，但是管状燃料电池100可沿垂直于图的页面方向层叠。此外，燃料 电池^^块200可用作串联连接或者并联连接的子模块中的一个，以组成较 大的优良模块。
燃料电池模块的作用接下来，将描述燃料电池模块200的作用。在燃料电池工作期间，燃 料气体经燃料气体给送腔50从燃料气体供应口 50a供应至管状燃料电池 100的每个内电极30。同时，氧化气体从氧化气体给送口 54a供应至氧化 剂腔54。燃料气体和氧化气体流经燃料电池模块200，同时通过给送侧密 封部分56和排放侧密封部分58而被阻止相互混合。
燃料气体经过内电极30的中空部分，然后通过在内电极30周壁上形 成的孔供应至第一催化剂层32。在和第一催化剂层32相邻的电解质层34 中氧化燃料气体，从而释放电子。另一方面，氧化气体经外线圏38的圈之 间的缝隙供应至第二催化剂层36。当电子从内电极经外电#应至外线圏 38时，氧化气体被氧化，同时消耗电子。该反应中，电力被引导至外电路。
已经反应的和仍未反应的燃料气体经燃料气体排放口 52b从燃料气体 排放腔52排出。另一方面，已经反应和未反应的氧化气体从氧化气体排放 口 54b排出。
尽管在本实施例中，第一催化剂层32被定义为燃料电极，第二催化剂 层36被定义为空气电极，但是还可将第一催化剂层32定义为空气电极， 将第二催化剂层36定义为燃料电极。这种情况下，通过在燃料气体和氧化 气体之间交换供应路径以相似的方法产生发电反应。
实例变化
图6和7以横截面图示出了才艮据本实施例变化实施例的管状燃料电池 102和104。在该变化实例中，缠绕外线圏38的一部分以使其外直径a大 于缠绕在第二催化剂层36外周表面上的外线圏38的另一部分的外直径b， 从而将所述外线圏38的一部分限定为隔离体42。例如，如图6和7所示， 可延长沿第二催化剂层36的外周面缠绕的外线圈38的每个端部，并缠绕 到树脂密封40的外周面上，以将外线圏38的端部设置为隔离体42。
这里，如图6所示，在树脂密封40的外直径等于第二催化剂层36外 直径的情况下，当外线圏38在第二催化剂层36的外周面上缠绕n层(在 图6中，n = l)时，优选通过在树脂密封40的外周面上缠绕至少(n+l)层(图6中为两层)线圏而设置隔离体42。
另一方面，如图7所示，在树脂密封40的外直径大于第二催化剂层 36的外直径的情况下，假定外线圈38在第二催化剂层36的外周面上缠绕 n层(在图7中，n-l)，优选通过在树脂密封40的外周面上缠绕至少n 层(图7中为一层)线圏而设置隔离体42。
当然，考虑到当燃料电池102被组合为模块时管状燃料电池102之间 所需要的间隔量，可增大线圏的层数。
如上所述，因为一部分外线圏38用作隔离体42而且用作集电极，所
以可能同时将管状燃料电池以管状燃料电池之间固定的距离组合为模块以 及电连接管状燃料电池。特别是，将外线圏38的部分用作隔离体42允许 在缠绕线圏的过程中还形成隔离体42 ，这一点可简单而廉价地制造燃料电 池模块。
因此，根据该实施例的上述变化实例，可提供一种还用作集电极的隔 离体，其可具有简单而廉价地制造燃料电池模块的能力。特别是，可在燃 料电池之间建立并联电连接，同时仅仅通过对准和束缚多个管状燃料电池 保证电池之间基本上固定的间隔。另外，因为隔离体还用作集电极，所以 可减小燃料电池模块的尺寸。
权利要求
1.一种管状燃料电池，其具有层叠在筒状内电极的外表面上的催化剂层和电解质层，所述燃料电池还包括导电隔离体。
2. —种管状燃料电池，包括依次层叠在内电极外周面上的第一催化剂层、电解质层、和第二催化 剂层的叠层；外线圏，其缠绕在所述第二催化剂层的外周面周围；以及 导电隔离体，其外直径大于所述外线圏的外直径。
3. 根据权利要求2的管状燃料电池，其中， 所述隔离体电连接至所述外线圏。
4. 根据权利要求2的管状燃料电池，其中， 所述隔离体为形成为中空的筒状或者多角柱状的导电元件。
5. 根据权利要求3的管状燃料电池，其中， 所述隔离体为形成为中空的筒状或者多角柱状的导电元件。
6.根据权利要求2的管状燃料电池，其中，所述隔离体为导电线圏，其被缠绕为其外直径大于所述外线圏的外直径。
7. 根据权利要求3的管状燃料电池，其中，所述隔离体为导电线圏，其被缠绕为其外直径大于所述外线圏的外直径。
8. —种燃料电池模块，包括多个管状燃料电池，每个所述管状燃料电池具有层叠在筒状内电极 的外表面上的催化剂层和电解质层的叠层，以及隔离体，所述隔离体具有 导电性，其中所述多个管状燃料电池以使得所述隔离体的外周面相互接触的方式设置。
全文摘要
一种具有导电隔离体和燃料电池模块的管状燃料电池(100)，包括导电的筒状内电极(30)、以下面顺序层叠在内电极外周面上的第一催化剂层(32)、电解质层(34)、和第二电解质层(36)的叠层、以及缠绕在第二催化剂层外周面上的导电外线圈(38)。该管状燃料电池还包括外直径大于外线圈外直径的导电隔离体(42)。
文档编号H01M8/24GK101305492SQ20068002824
公开日2008年11月12日 申请日期2006年8月3日 优先权日2005年8月10日
发明者寺田真树, 滨雄一郎, 片山幸久, 石丸洋一 申请人:丰田自动车株式会社