专利名称：管型燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及管型燃料电池，特别是涉及在与管状单元电池的轴正交的 方向具有集电结构的管型燃料电池。
背景技术：
近年来，随着世界经济的成长，能量消费急剧增大，担心环境恶化。 在这种状况下，作为环境问题和能量问题等的解决对策，人们正关注以氧、 空气等氧化剂气体、和氢、甲烷等还原剂气体(燃料气体)或者曱醇等液 体燃料作为原料，通过电化学反应将化学能转换为电能来发电的燃料电池 的开发。特别是正密切关注输出功率密度大、且转换效率高的燃料电池。
作为现有的平板结构的固体高分子电解质型燃料电池(以下，仅称为
燃料电池)的最小发电单位的单元电池(Unit cell)，通常具有在固体电解 质膜的两侧接合有催化剂电极层的膜电极复合体(MEA: Membrane Electrode Assembly )，在该膜电极复合体的两侧配置有气体扩散层。而且， 在这两个气体扩散层的外侧配置有具有气体流路的隔板。因此，通过气体 扩散层流经隔板的反应气体(燃料气体和氧化剂气体)向膜电极复合体的 催化剂电极层流通，同时通过发电反应而得到的电流被向外部传导。
但是，在这些现有的平板结构的燃料电池中，构成单元电池的固体电 解质膜、催化剂电极层、气体扩散层、隔板的厚度、耐久性等设计要素受 到现有技术限制。例如，为了使每单位体积的发电反应面积增大而需求薄 的固体电解质膜。作为现在可实用的固体电解质膜，广泛使用Nafion膜。 但是，Nafion膜当膜厚变为一定以下时，气体透过性变得过大。因此，在 单元电池内部，燃料气体和氧化剂气体容易泄漏，发生交叉渗漏(Crossleak)现象，存在发电电压降低等问题。即，在现有的平板结构的燃料电 池中，难以将每单位体积的输出功率密度提高至现有值以上。
作为解决这些问题的方法，研讨了管型(圆柱型、圆筒型、中空形状) 的燃料电池的开发。例如，在日本特开平7-263001号公报(以下称为专利 文献1)、日本特开2006-4742号公报(以下称为专利文献2 )或日本特开 2005-353489号公报(以下称为专利文献3)中公开了管型燃料电池。特别 是如专利文献l中公开的那样，通过将电解质膜制成径小的管状，可增大 发电反应面积。另外，从管型燃料电池的形状来看，平板型燃料电池中所 需的隔板变得不需要，具有结构上容易简单化等优点。进而，可将多个单 元电池捆束，将单元电池的燃料电极(或氧化剂电极)并联，并收容于电 池壳体内。另外，多个单元电池的内侧集电体，借助于通电性导线并联， 外侧集电体借助于通电性连接器连接。
专利文献1:日本特开平7-263001号公报
专利文献2:日本特开2006-4742号公报
专利文献3:日本特开2005-353489号y〉才艮
发明内容
在将多个单元电池并联，捆束收容于电池壳体中时，在外侧集电体中， 沿与单元电池的轴正交的方向(在为圆筒状时，为径向)集电的方法是可 行的，但连接相邻的单元电池的外侧集电体需要连接器。因此，邻接的单 元电池的外侧集电体间的集电距离由连接器的长度决定，存在由于连接器 的电阻而发生电压损失的问题。
本发明是鉴于上述实际状况而完成的，其课题在于提供具有在构成管 型燃料电池的单元电池的外侧集电体中可沿与轴正交方向集电，并且集电 距离小、可低电阻化的集电结构的管型燃料电池。
本发明的管型燃料电池，其具备从与轴正交的方向内侧顺序层叠配 置内侧集电体、第一催化剂电极层、电解质膜、第二催化剂电极层、外侧 集电体而成的管状单元电池；和将多个单元电池并列地捆束、收容的电池壳体，该管型燃料电池的特征在于，被并列收容于电池壳体内的多个单元 电池，借助于该单元电池的外侧集电体的外周面的至少一部分进行电接触， 并沿与轴正交的方向集电。由此，在多个单元电池并联时， 一个单元电池 的外侧集电体与邻接的其他单元电池的外侧集电体接触，外侧集电体的外 周面的至少一部分可作为通电性连接器发挥功能。因此，在外侧集电体上， 能够沿与轴正交的方向集电，而且由于单元电池间不存在连接器，因此集 电距离变为最短。即，不需要在并联的单元电池之间设置连接器，可消除 由连接器所引起的电阻。通过发电反应而产生的电流(电压)可在较低的 电阻状态下被集电。因此，可降低由于管型燃料电池被并联而引起的电压
(电流)损失，对提高燃料电池的效率有利。另外，由于不需要连接器， 因此在可削减生产成本的同时，可简化生产工艺。
另外，本发明的管型燃料电池的外侧集电体，优选由可弹性变形的构 件构成。通过由可弹性(非塑性)变形的构件构成外侧集电体，对于单元 电池的内部的电解质层和催化剂层可维持一定的强度，同时可改变某种程 度的截面形状。即，将多个单元电池并列地捆束、收容于电池壳体中时， 邻接的单元电池的外侧集电体受到由电池壳体的限制所引起的外力，发生 弹性变形，借助于外侧集电体，单元电池间的接触面积变大。因此，在邻 接的单元电池的外侧集电体中汇集的电流以低的电阻状态被传导，可抑制 由于集电距离、接触面积等而产生的能量损失。
另外，本发明的管型燃料电池，优选设有电极，所述电极与收容在电 池壳体内的多个单元电池中的至少一个单元电池的外侧集电体电接触并将 电流向外部传导。由此，可借助于电极将由外侧集电体集电的电流向外部 传导。另外，收容单元电池的电池壳体由通电性构件构成时，如果该电池 壳体的内表面与单元电池的外侧集电体接触，则也能够借助于电池壳体将 所集电的电流向外部传导。在该情况下不需要特别设置电极。
另外，本发明的管型燃料电池，优选在并联的多个单元电池之间的空
间内具有封堵气体进入的密封件(Sealer)。通常单元电池的截面形状为 圆形，因此将多个单元电池捆束、收容于电池壳体内时，在单元电池间同
5时形成了空的空间。因此，燃料气体(或氧化剂气体)的一部分流通到空 的空间中，在外侧集电体内部流通的燃料气体(或氧化剂气体)的流速降 低，反应物质的浓度也降低。对此，通过设置用于消除空的空间的密封件， 燃料气体(或氧化剂气体)就不会进入电池壳体内的单元电池以外的空间， 流经外侧集电体的燃料气体(或氧化剂气体)的流速上升，可将发电反应 物质的浓度维持在较高水平。因此，发电反应得到促进，对燃料电池的发 电效率有利。
发明效果
根据本发明的管型燃料电池，在多个单元电池被并联时， 一个单元电 池的外侧集电体与邻接的单元电池的外侧集电体接触，外侧集电体的外周 面的至少一部分可起到通电性连接器的功能。因此，在外侧集电体中，可 沿与轴正交的方向集电，而且由于不存在单元电池间的连接器，因此集电 距离最短。即，不需要在并联的单元电池之间设置连接器，可消除由连接 器所引起的电阻。通过发电反应而产生的电流(电压)可在较低的电阻状 态下集电。因此，可降低由于管型燃料电池被并联而引起的电压(电流) 损失，所以有利于提高燃料电池的效率。另外，由于不需要连接器，因此 可削减生产成本，同时可简化生产工艺。
图l是本实施方式的管型燃料电池的概念图。
图2是构成本实施方式的管型燃料电池的单元电池的横截面图和配置图。
图3是构成本实施方式的管型燃料电池的单元电池的正面图。
图4是表示构成本实施方式的管型燃料电池的单元电池的配置关系的图。
图5是表示本实施方式的管型燃料电池的单元电池内的燃料气体和氧 化剂气体的流动方向的图。图6是表示在本实施方式的管型燃料电池的单元电池间不具有密封件 的状态下，流经外侧集电体的气体的流速的图。
图7是表示在本实施方式的管型燃料电池的单元电池间具有密封件的 单元电池的配置图。
图8是表示本实施方式的管型燃料电池的密封件的横截面的图。
图9是表示在本实施方式的管型燃料电池的单元电池间具有密封件的 状态下，流经外侧集电体的气体的流速的图。
附图标记说明 1:单元电池 2:电池壳体 11:内侧集电体 12:第一催化剂电极层 13:电解质层 14:第二催化剂电极层 15:外侧集电体 151:外周面
具体实施例方式
以下参照
本发明的实施方式。
将本实施方式的管型燃料电池的概略构成示于图1。本实施方式的管 型燃料电池，如图1所示，是将多个单元电池l并联，进行捆束、收容于 电池壳体2中而成。在电池壳体2中，具有送入燃料气体的燃料气体送入 口 201、送入氧化剂气体(空气)的氧化剂口 202以及排气口 203。
构成本实施方式的管型燃料电池的单元电池1被并联，借助于后述的 导电体将电流向外部传导。另外，本实施方式的管型燃料电池的单元电池 1为管状，其横截面为圆形。另外，还可以使管型单元电池1的横截面形 状为圆形以外的形状，例如为椭圆形或方形等。接着，对于单元电池l的结构、或者将多个单元电池l并列地捆束、
收容于电池壳体2中时的配置进行说明。图2是表示单元电池1的横截面 和多个单元电池l的位置关系的图。
如图2所示，本实施方式的管型燃料电池的单元电池1,由内侧集电 体ll、第一催化剂电极层12、电解质层13、第二催化剂电极层14、外侧 集电体15构成。内侧集电体11由圆柱状支持构件构成，并形成有连续细 孔使得气体可在内部通过。另外，构成内侧集电体ll的圆柱状支持构件具 有通电性，可将电向外部传导。另外，由第一催化剂电极层12、电解质层 13、第二催化剂电极层14构成膜电极复合体(MEA)。
在单元电池l的内侧集电体ll的外周面上，以覆盖内侧集电体ll的 方式设有第一催化剂电极层12。接着，在第一催化剂电极层12的外周面 上，以覆盖第一催化剂电极层12的方式设有电解质层13。另外，在电解 质层13的外周面上以覆盖电解质层13的方式设有第二催化剂电极层14。 而且，在第二催化剂电极层14的外周面上设有外侧集电体15。另外，在 本实施方式的管型燃料电池中，第一催化剂电极层12为氧化剂极(空气 极)，第二催化剂电极层14为燃料极，但也可将第一催化剂电极层12设 置成为燃料极、将第二催化剂电极层14设置成为氧化剂极(空气极)。在 这样在燃料电池中，如果将内侧集电体11和外侧集电体15与外部电路进 行电连接，向燃料极和空气极分别供给原料进行运行，就能够作为电池发 挥功能。
另外，由于内侧集电体ll由具有连通细孔的可通电构件构成，因此若 借助于位于单元电池l的中心部的内侧集电体ll输送空气(氧气)，就可 向第一催化剂电极层12 (空气极)提供。
另外，在本实施方式中，作为内侧集电体ll，为了在膜电极复合体中 发电时使电子通过，只要是导电性高的材料就没有特别限制，但优选是粉 末烧结体、纤维状烧结体、纤维状泡沫体等导电性多孔材料，以使得作为 原料气体等的原料供给路使原料容易扩散。作为导电性高的材料，可举出 例如金、铂等金属、碳、钛、用金、铂等金属涂布碳的表面而成的物质等
8具有导电性的材料的多孔质体、或在它们的筒状中空体中在其壁面通过穿 孔等设置了孔的材料等，从导电性、原料扩散性、耐腐蚀性等方面出发，
优选多孔碳材料。内侧集电体11为中空体时，膜厚例如为0.5mm 10mm， 优选为lmm 3mm的范围。内侧集电体11为中实体时，膜厚例如为 0.5mm 10inm， 优选为1 mm 3mm的范围。
另夕卜，通过穿孔等在作为筒状中空体的内侧集电体ll的壁面设置的孔 的孔径通常为0.01mm lmm的范围。
在本实施方式中，作为筒状支持体，可以使用内侧集电体ll，但并不 限于此，例如，可代替内侧集电体ll使用特氟隆(Teflon，注册商标)等 脱膜性好的树脂的棒、丝线等的圆筒状等的支持体。此时，在形成膜电极 复合体(MEA)后，可从支持体取出膜电极复合体。另外，作为筒状支持 体，只要是筒状即可，例如可以是圆筒状、三角筒、四角筒、五角筒、六 角筒等的多角筒状、椭圆筒状等的任一形状，但通常为圆筒状。另外，在 本说明书中，没有特别说明时，所谓"筒状"包括中空体和中实体。
作为第一催化剂电极层12 (空气极)，例如是将担载了铂(Pt)等的 碳等催化剂分散于Nafion (注册商标)等固体高分子电解质等的树脂中成 膜而成的。第一催化剂电极层12的膜厚例如为lnm 100nm，优选为 lnm 20nm的范围。
作为电解质层13，只要是质子(H+)、氧离子(O2—)等离子的传导 性高的材料就没有特别限制，例如可举出固体高分子电解质膜、稳定化氧 化锆膜等，可优选使用全氟磺酸系等的固体高分子电解质膜。具体地说， 可使用-亇八。yd、7fV夕7 (林)的d、7ir^夕卜(Goreselect,注册商 标)、f-求y社(DuPont)的于7 J才乂 (Nafion，注册商标)、旭化 成(林)的7^7。^、;/夕7 (Aciplex，注册商标)、旭硝子(林)的7k S才y (Flemion，注册商标)等的全氟磺酸系固体高分子电解质膜。电解 质膜13的膜厚，例如为10nm~20(^im,优选为30nm ~ 50nm的范围。
作为第二催化剂电极层14 (燃料极)，是将与钌(Ru )等其他金属一 起担载了柏(Pt)等的碳等催化剂分散于Nafion等固体高分子电解质等的树脂中成膜而成的。第二催化剂电极层14的膜厚例如为ljun 100nm,优 选为lnm 20nm的范围。
外侧集电体15由具有通孔性、通电性并可弹性变形的构件构成。如图 2所示，将邻接的多个单元电池l捆束、收容于电池壳体2 (示于图1)中 时，由于电池壳体2的限制力，单元电池l的外侧集电体15与邻接的单元 电池l的外周面151 (外侧集电体15的外周面)接触，形成了外側集电体 接触部152。通过由可弹性变形的构件构成外侧集电体15，由于弹性变形 而使接触面的面积变大。因此，可使邻接的单元电池1的外侧集电体接触 部152的接触面积增大，有利于外侧集电体15中的集电及其内部的气体的 流动。另外，由于邻接的单元电池1借助于外侧集电体15相互电接触，因 此被收容于电池壳体2中的全部的单元电池1的外侧集电体15变为电力一 体化。而且，设有与多个单元电池l中的至少一个单元电池l的外侧集电 体15电接触的电极21。因此，可将由外侧集电体15汇集的电流在单元电 池l的径向集电，同时可向外部电路传导电流。另外，电池壳体2由导电 性构件构成时，如果单元电池l与电池壳体2的内壁接触，则可将由单元 电池1的外侧集电体15汇集的电流借助于电池壳体2向外部传导，不需要 特别设置电极21。
在本实施方式中，外侧集电体15由SUS(不锈钢)材质的带状构件(商 品名ir少^:y卜，住友电工)构成。另外，外侧集电体15并不限于此， 可使用通孔性、通电性优异且可弹性变形的构件构成。另外，在内侧集电 体11上通过涂布而层叠的第一催化剂电极层12、电解质层13以及第二催 化剂电极层14之中，位于径向的最外面的第二催化剂电极层14的外周面 上，由SUS材质的带状构件以规定的斜角巻绕而形成了外侧集电体15。图 3表示在单元电池1的外周构成外侧集电体15的带状构件所巻绕的状态。
另外，图4是表示单元电池1的配置关系的图。如图4所示，将两个 邻接的单元电池1的中心距离设为L，将单元电池1的外侧集电体15的厚 度设为A，将第二催化剂电极层14的外径设为D时， (L-D ) /2 < A 式1如果满足式1的关系，就可将由邻接的单元电池1的外侧集电体15 汇集的电流取出，并且只使外侧集电体15与电极21 (图2)接触就可完成 电接线。
另外，在本实施方式中，该带状构件的宽度b为5mm，厚度A为lmm， 气孔率为卯％。另外，单元电池的长度为100mm，构成单元电池1的第 二催化剂电极层14的外径D为3mm。而且，邻接的两个单元电池l的中 心距离L为4.5mm。此时，式1的左侧为(4.5-3 ) /2 = 0.75,右侧为1， 因此满足式l的关系。即，在邻接的单元电池l的外侧集电体15的外侧集 电体接触部152 (图2)中，发生了 0.5mm的压溃(或弹性)变形。另夕卜， 一个单元电池l的外侧集电体的径向的变形量为0.25mm。
图5表示单元电池1内的燃料气体及氧化剂气体的流动方向。如图5 所示，在本实施方式的管型燃料电池的单元电池1的电解质层13的两侧流 通氧化剂气体和燃料气体进行发电反应时，氧化剂气体(空气)在位于中 心部的内侧集电体ll的内部沿轴向流动。另外，如图2所示，在电池壳体 2内，被多个具有圆形截面的单元电池l包围，形成了空的空间160。
图6表示在被收容于电池壳体2中的单元电池l中流通的燃料气体的 流速。由图6可知，空的空间160内的气体阻力少，因此燃料气体的一部 分经由该空隙160流动。因此，截面A-A上的燃料气体的流速根据流动的 部位不同而不同，外侧集电体15中的气体流速F1比空的空间160中的气 体流速低下。
为了增大流经外侧集电体15内部的燃料气体的流速，在本实施方式中 设置有封堵流经空的空间160的气体的密封件260。图7示出多个单元电 池1捆束配置时的截面，示出了在空的空间160内设置有密封件260的状 态。由此，电池壳体2内的空的空间160消失，流经单元电池l的外侧集 电体15的内部的燃料气体的流速F2变大，流经空的空间160的燃料气体 消失。图8表示在空的空间160内设有密封件260时，单元电池1的A-A 截面上的燃料气体的流速。由图8可知，空的空间160被密封件260封堵， 从而燃料气体完全从外侧集电体15的内部通过，燃料气体的流速F2与没有设置密封件260时的流速F1相比，得到较大改善。另外，如图9所示， 密封件260以沿着单元电池1的外侧集电体15的外周面151的方式由具有 外周端面261的三角柱状构件构成。因此，外周端面261能够以密着的状 态与外侧集电体15的外周面151接触。因此，空的空间160完全没有了， 流经空的空间160的燃料气体被封堵。因此，外侧集电体15内的燃料气体 的流速上升，可将发电反应物质的浓度维持在较高的水平。因此，发电反 应得到促进，对燃料电池的发电效率有利。
另外，在本实施方式中，将树脂等注入到空的空间160内形成密封件 260。另外，单元电池1的外径(2xR)为5mm时，从构成密封件260的 三角柱状构件的外周端面261到中心S (在单元电池1的径向R)的最短 距离r为0.775 mm.
在本实施方式的管型燃料电池中，如果将内侧集电体11和外侧集电体 15与外部电路电连接，向第一催化剂电极层12和第二催化剂电极层14分 别供给原料进行运行，就可作为电池发挥功能。
作为向第一催化剂电极层12侧提供的原料，可举出氧、空气等的氧化 剂气体等。作为向第二催化剂电极层14侧提供的原料，可举出氢、曱烷等 的还原性气体(燃料气体)或甲醇等液体燃料等。
另外，在本实施方式的管型燃料电池中，例如使向第二催化剂电极层 14供给的原料为氢气、使向第一催化剂电极层12供给的原料为空气来进 行运行时，在第二催化剂电极层14中，
H2 —2H+2e 式2 经由式2的反应式，由氢气(H2)产生氢离子(H+)和电子(e.)。电子 (e—)由外侧集电体15通过外部电路，从根据需要设置于第一催化剂电极 层12的内面的内侧集电体11到达第一催化剂电极层12。在第一催化剂电 极层12中，由所供给的空气中的氧(02)和通过电解质层13的氢离子(H+) 以及通过外部电路到达第一催化剂电极层12的电子(e-)，
2H+ + l/202 + 2e、H20 式3
经由式3的反应式，生成水(1120)。这样，在第一催化剂电极层12和第
12二催化剂电极层14中引起化学反应，产生电荷，可作为电池发挥功能。另 外，在一系列的反应中排出的成分是水，因此构成了清洁的电池。
产业上的利用可能性
本发明的管型燃料电池，可用于工业例如汽车产业等领域，而且在家 庭等中也能够作为能源使用。
权利要求
1. 一种管型燃料电池，其具备从与轴正交方向内侧顺序层叠配置内侧集电体、第一催化剂电极层、电解质膜、第二催化剂电极层、外侧集电体而成的管状单元电池；和将多个所述单元电池并列地捆束、收容的电池壳体，其特征在于，被并列收容于所述电池壳体内的多个所述单元电池，借助于该单元电池的所述外侧集电体的外周面的至少一部分进行电接触，并沿与轴正交方向集电。
2. 根据权利要求l所述的管型燃料电池，所述外侧集电体由可弹性变 形的构件构成。
3. 根据权利要求l所述的管型燃料电池，其设有电极，所述电极与被 收容于所述电池壳体内的多个所述单元电池中至少一个所述单元电池的所 述外侧集电体电接触，并将电向外部传导。
4. 根据权利要求l所述的管型燃料电池，在并列地配置的多个所述单 元电池之间的空间内具有封堵气体进入的密封件。
全文摘要
本发明提供一种具有在构成管型燃料电池的单元电池(1)的外侧集电体(15)中可沿与轴正交的方向集电、并且集电距离小、可低电阻化的集电结构的管型燃料电池。本发明的管型燃料电池，具备从与轴正交的方向内侧顺序地层叠配置内侧集电体(11)、第一催化剂电极层(12)、电解质膜(13)、第二催化剂电极层(14)、外侧集电体(15)而成的管状单元电池(1)；和将多个单元电池(1)并列地捆束、收容的电池壳体(2)，其中，被并列收容于电池壳体(2)内的多个单元电池(1)，借助于该单元电池(1)的外侧集电体(15)的外周面(151)的至少一部分进行电接触，沿与轴正交的方向集电。
文档编号H01M8/02GK101473475SQ20078002296
公开日2009年7月1日 申请日期2007年6月19日 优先权日2006年6月22日
发明者滨雄一郎, 石丸洋一 申请人:丰田自动车株式会社