燃料电池用中空状膜电极组件以及中空型燃料电池的制作方法

专利名称：燃料电池用中空状膜电极组件以及中空型燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池用中空状膜电极组件，其通过形成为中空形状， 实现了成本的降低和尺寸的减小。
本发明还涉及包含这样的膜电极组件的中空型燃料电池，更具体地涉 及能够提高膜电极组件的热交换效率的中空型电池。
背景技术：
作为传统的固体聚合物电解质燃料电池(此后，其可被简称为燃料电 池)，主要开发的是平面状微电池，其中，所述平面状微电池通过如下方 法来制造将作为阳极的和阴极的催化层分别布置在平面状固体聚合物电 解质膜的一个表面上和另一个表面上，将气体扩散层分别布置在所得的平 面状膜电解质组件(一个组件包括电解质膜和两个电极层)的两侧上，并 将该组件置于平面状的隔离物之间。微电池是燃料电池的最小的发电单 元，并且通过将多个这样的平面状微电池层叠得到燃料电池叠层。
为了提高固体聚合物电解质燃料电池的功率密度，具有非常薄的膜厚 度的质子传导聚合物膜被用作固体聚合物电解质膜。膜厚度通常为10 /mi 或者更小，并且虽然更薄的电解质膜被用于提高功率密度，但是微电池的 厚度不能被极端地减小到常规厚度以下。类似地，催化层、气体扩散层、 隔离物等也发生厚度减小。但是，即使将所有构件的厚度减小，每单位体 积的功率密度的提高也是有限的。因此，将来对于紧凑尺寸的要求可能得 不到充分满足。
作为上面提高的隔离物，通常使用的是具有优异的耐腐蚀性的片状碳 材料。碳材料本身很昂贵。此外，隔离物的表面常常要进行精细加工，用 于形成将作为气体通道的沟槽，以便在平面状膜电极组件(电解质膜和电 极层的组件)的整个面上均一地供应燃料气体和氧化气体。因此，由于这
样的精细加工，隔离物变得过分昂贵，并且提高了燃料电池的制造成本。
除了上述的问题之外，平面状微电池还具有许多问题，诸如，对于被 层叠的多个微电池的周边的安全密封(为了防止燃料气体和氧化气体从上 述的气体通道泄漏)在技术上是困难的；由于平面状膜电极组件(电解质 膜和电极层的组件)的扭曲或变形而导致发电效率下降。
例如，为了减小上述的燃料电池的尺寸并且为了提高每单位体积的用 于发电的反应面积(与功率密度相关)，必须对燃料电池的上述所有组成 构件进行厚度减小。但是，在具有平面状结构的传统燃料电池中，从功能 和强度方面来看，将每个构成部件的厚度减小到特定值以下不是优选的并 且靠近了器设计极限。例如，存在如下问题，厚度在特定值以下的通用
Nafion (产品名，由Dupont制造)具有太高的气体渗透率，并且产生气体 交叉泄漏而导致发电电压降低。因此，在具有平面状结构的传统燃料电池 中，将每单位体积的功率密度提高到一定的水平在结构上是困难的。
因此，人们研究了通过使用中空状(例如管状)膜电极组件构成燃料 电池，来提高功率密度，其中，电极层等被层叠在用于中空状微型单元
(此后可简称为中空状单元)的中空纤维的内外表面上。较之具有平面状 结构的传统燃料电池，这样的中空状膜电极组件和使用其的中空电池通过 紧密地布置大量具有小的直径的管，可以显著提高每单位体积的功率密度
(参见日本专利申请特开(JP-A) No. 2002-124273和JP-A No. Hei 7 (1995)-296840)。
这样的包括中空状单元的燃料电池不需要相当于用于平面状微电池的 隔离物的构件，因为电池中的中空起到了气体通道的作用。而且，因为不 同类型的气体分别被供应到中空状单元的内表面和外表面上方，所以不必 形成额外的气体通道。因此，可以降低生产成本。此外，因为微电池具有 三维形状，所以较之平面状微电池，可以增大相对于体积的比表面积，并 且预期可以提高单位体积的发电功率密度。
目前，人们进行了各种尝试来提高这样的管状膜电极组件和使用其的 中空状单元的每单位体积的功率密度。
为了获得期望的输出电压和电流，采用中空状单元的燃料电池具有如
下的结构，其中，多个中空状单元被电连接，并与集电器材料一起制成模 块(一组中空状单元)，并且两个或者更多个模块被串联和/或并联。
在这样的模块中，与中空状单元并列地布置足够数量的热交换构件 (此后，可以简称为"冷却管")，用于冷却/加热中空状单元。
这是因为与包括具有平面状的膜电极组件的微电池相似，电解质的类 型允许中空状单元确定最适合电化学反应的温度范围(例如，在全氟碳磺 酸膜的情况下，该温度为约IO(TC)。为了提高发电性能，要对中空状单 元进行冷却，以将电池的温度固定在预定的温度范围来。另一方面，从提 高燃料电池在低温下的启动性能的观点来看，在燃料电池启动时需要对中
空状单元进行加热。例如，PCT国际申请No. 2004-505417的日文翻译公 开了如下技术，其中，捆绑多个中空状单元(微电池)以形成模块化的电 化学电池组件，并且将管状导电管与电池束并列布置并将其布置在电池束 之间。根据该文件，该技术可以允许将大量的由微电池束产生的热转走。
在模块的两端设置气体歧管和冷水歧管，所述气体歧管用于将氢气供 应到中空状单元的中空中，所述冷水歧管用于将加热介质供应到热交换构 件中。此外，设置电流集电器构件，用于收集在每一个中空状单元处产生 的电荷。在入口侧通过气体歧管供应到模块的氢被用于电化学反应，同时 通过每一个中空状单元的中空中的通道。没用用于电化学反应的氢等通过 出口侧的气体歧管收集。对中空状单元与每一个歧管接触的部分进行密 封，其被称为密封部分。燃料电池具有如下结构，其中，只有密封部分支 撑中空状单元，使得密封部分承载中空状单元的全部重量。而且，密封部 分通常受到由于中空状单元和歧管之间的热膨胀的差异导致的扭曲的影 响。由于这些原因，存在密封部分特别容易破裂的温度。
在传统的燃料电池中，如上所举例说明的，多个具有与热交换构件相 同长度的线型中空状单元被并列布置。当一个线型中空状单元由于密封部 分的损坏而破裂时或者由于导致气体泄漏的其它任何事故，包含被损坏的 中空状单元的模块变为不可使用的。为了避免这样的问题，减少单位电池 体积的密封部分的数量是有效的。
通过将每一个中空状单元的长度制造得更长由此减少中空状单元的数
量，可以减少单位电池体积的密封部分的数量。但是，存在这样的问题， 即，当将中空状单元制造得更长同时保持线型形式时，难以处置中空状单 元，并且中空状单元沿轴向的中间部分的强度变得不稳定。
考虑到上述的情况完成了本发明，并且本发明的主要目的是提供燃料 电池用中空状膜电极组件，其能够提高每单位体积的功率密度并且容易处 置。
本发明的另一个目的是提供使用能够提高每单位体积的功率密度的燃 料电池用中空状膜电极组件的燃料电池，其中，单位电池体积的密封部分 的数量可以被减少，而不会牺牲对使用中空状膜电极组件的中空状单元的 处置的容易性以及中空状单元的沿轴向的中间部分的强度。

发明内容
为了实现上述目的，本发明提供了 一种燃料电池用中空状膜电极组 件，包括中空状的固体电解质膜，形成在所述固体电解质膜的外周表面 上的外电极层以及形成在所述固体电解质膜的内周表面上的内电极层，其 中，所述燃料电池用中空状膜电极组件被形成为螺旋形状。
因为本发明的燃料电池用中空状膜电极组件(此后，其可简称为"膜 电极组件")被形成为螺旋形状，所以其可以在给定空间中紧密布置。由 此，可以显著增大每单位体积的电极面积，由此当用作燃料电池时可以提 高每单位体积的功率密度。
具体地，在本发明中，膜电极组件被形成为螺旋形状，因此，膜可以 在给定空间中被均一地并且紧密地布置。
而且，在本发明中，优选的是，所述燃料电池用中空状膜电极组件具 有布置在所述外电极层的外周表面上的外电流集电器和布置在所述内电极 层的内周表面上的内电流集电器。因而，可以改善形成为螺旋形状的膜电 极组件的电流收集性能。
而且，在本发明中，优选的是，所述中空状固体电解质膜是管状的固 体电解质膜。
此外，本发明提供了一种中空型燃料电池，包括使用上述的燃料电池
用中空状膜电极组件的中空状单元。通过使用所述膜电极组件形成燃料电 池，可以获得具有高的每单位体积的功率密度的燃料电池。
而且，优选的是，本发明的中空型燃料电池还包括棒状构件，并且所 述中空状单元以螺旋缠绕方式围绕所述棒状构件的外侧布置。通过这样的 结构，可以提供其中模块可以被容易地处置并且可以避免对密封部分的损 坏的燃料电池，同时使得每一个中空状单元的长度更长并且减少了每单位 体积的密封部分的数量。
在本发明的包括所述棒状构件的中空型燃料电池中，优选的是，所述 中空状单元和所述棒状构件的接触长度较所述棒状构件的总长度长1.5 — 10倍。
而且，在本发明的包括所述棒状构件的中空型燃料电池中，优选的 是，所述棒状构件是用于控制所述中空状单元的温度的热交换构件。
而且，在本发明的包括所述棒状构件的中空型燃料电池中，优选的 是，所述棒状构件具有导电性，并且充当形成在所述固体电解质膜的外周 表面上的外电极层的电流集电器。
而且，在本发明的包括所述棒状构件的中空型燃料电池中，优选的 是，所述棒状构件是所述热交换构件，并且充当所述电流集电器。
而且，在本发明的包括所述棒状构件的中空型燃料电池中，优选的 是，加热介质在所述热交换构件内部流动，并且所述热交换构件的接触所 述加热介质的内表面的至少一部分由具有电绝缘性的材料制成。
而且，在本发明的包括所述棒状构件的中空型燃料电池中，优选的 是，在所述棒状构件的外周表面上形成气体通道。
本发明的膜电极组件的效果是，可以增大每单位体积的电极面积并且 可以提高每单位体积的功率密度。
此外，在中空状单元以螺旋缠绕方式围绕棒状构件布置的实施例中， 中空状单元的螺旋形式可以被更稳定地保持，以避免将过多的重量施加到 中空型燃料电池的两端处的密封部分。因而，可以提供如下的燃料电池， 其包括长度增加并且每单位体积的密封部分的数量减少的中空状单元，并 且由此能够避免对密封部分的损坏。
此外，在棒状构件充当热交换构件和导电材料的实施例中，可以减少 部件的数量并且减小模块(一组中空状单元)的尺寸。


在附图中，
图1是示出了本发明的膜电极组件的实例的示意性透视图2是示出了本发明的管状膜电极组件的垂直于轴的面的实例的示意
性透视图3是示出了本发明的膜电极组件的尺寸的实例的说明性视图； 图4是示出了本发明的膜电极组件的另一个实例的示意图； 图5是示出了本发明的中空状单元和棒状构件的一个实施例的示意性 透视图6是示出了本发明的中空状单元和棒状构件的一个实施例的示意性 透视图7是示出了本发明的中空状单元和棒状构件的一个实施例的示意性 透视图8是示出了本发明的中空状单元的一个实施例的剖视图； 图,9是示出了本发明的中空状单元的一个实施例的示意性透视图； 图IO是示出了本发明的棒状构件的一个实施例的透视图； 图ll是示出了本发明的棒状构件的一个实施例的透视图； 图12是示意性地示出了本发明的模块(一组中空状单元)的一个实 施例的外部视图13是示意性地示出了本发明的包含模块(一种中空状单元)的燃 料电池的一个实施例的外部视图14是示意性地示出了本发明的包含模块(一种中空状单元)的燃 料电池的一个实施例的外部视图；以及
图15是示出了传统的管状膜电极组件的一个实施例的示意性透视图。
每一个附图中的标号是指1:膜电极组件，2:内电流集电器，3: 内电极层，4:固体电解质膜，5:外电极层，6:外电流集电器，7:中空 内部的通道，10:棒状构件(热交换构件)，11:中空状单元，12:横向 气体通道，13:轴向气体通道，14:加热介质通道，90:热交换构件(冷
却管)，91:中空状单元，92:内电流集电器，98a和98b:气体歧管， 99a和99b冷水歧管，100:中空型模块，500:反应气体入口， 510:反应
气体出口， 520:冷却水入口/出口， 600:盒，以及601:中空型燃料电池。
具体实施方式
<第一实施例>
本发明的第一实施例涉及形成为螺旋形的管状燃料电池用膜电极组件 以及使用其的管型燃料电池。此后，将单独描述膜电极组件和燃料电池。
A.燃料电池用中空状膜电极组件
首先将描述根据本发明的燃料电池用中空状膜电极组件。 本发明的膜电极组件的特征在于，其被形成为螺旋形。此后，将参考
附图具体地描述本发明的这样的膜电极组件。
图1是示出了本发明的膜电极组件的实例的示意性透视图。如图l所
示，本发明的膜电极组件1具有管状形状，并且该管状膜电极组件的轴线
被形成为螺旋形。图2是示出了本发明的管状膜电极组件的垂直于轴的面 的实例的示意性透视图。如图2所示，本发明的膜电极组件1的中心是中 空的，并且内电流集电器2、内电极层3、固体电解质膜4、外电极层5以 及外电流集电器6以此次序被布置在轴上。
在本发明中，因为膜电极组件被形成为螺旋形，所以膜电极组件可以 在给定的空间中被密集地布置。由此，可以增大每单位体积的电极面积， 使得每单位体积的功率密度可以被提高。
当电流在螺旋形导电材料中流动时，产生磁场。如果在螺旋形导体的 内部没有布置诸如将在后面描述的棒状构件的导电材料，膜电极组件中的 水和氧的分子受到磁场的影响，并且使分子运动活化。结果，可以获得如
下效果，诸如氧分子在电极层中的扩散率提高，水分子在固体电解质膜或 者电极层中的迁移率增大，通道内水分子的排放能力提高等。
此后，将分别详细解释根据本发明的第一实施例的燃料电池用中空状 膜电极组件的形状、结构和制造方法。
1.燃料电池用中空状膜电极组件的形状
在本发明中，通过将膜电极组件形成为如螺旋(其是一种规则变化的 形状)的形状，可以在给定的空间中均一地布置膜电极组件。并且，通过 将膜电极组件形成为没有任何角度的圆弧形状，能够保持在膜电极组件内 部流动的流体的平滑流动。此外，通过将膜电极组件形成为螺旋形，可以 获得上述的效果，即产生磁场，由此活化水和氧的运动。
对于所述螺旋形状没有具体限制。至少该形状是螺旋形，其直径和节 距可以是固定的或者甚至是变化的。在此，螺旋形的直径是如图3所示的 螺旋形状的沿垂直于轴的方向的长度"d"，并且还表示螺旋形的最外侧 直径。螺旋形的节距是图3中的长度"p"，并且表示在形成为螺旋形的 中空状膜电极组件中相邻的中空状膜电极组件的中心线之间的距离。
在本发明中，在上述的螺旋形状中，具有恒定直径和节距的螺旋形是
优选的。直径优选为从500/rni到3000/mi的范围，并且更优选从2000/mi 到2500 /mi。螺旋形的节距优选从500/mi到3000 )Wm的范围，并且更优选 从1000 /nn到2000 /mi。此外，将被形成为这样的螺旋的中空状膜电极组 件的外径优选为从500 /rni到2000 /mi的范围，更优选从800 /rni到1200
^m。通过将中空状膜电极组件形成为这样的螺旋，可以在给定的空间中均 一地并且密集地布置膜电极组件。
优选的是，第一实施例中的螺旋形的节距大于中空状膜电极组件的外 径，换言之，优选的是，在被形成为螺旋的中空状膜电极组件中，相邻的 膜电极组件彼此不接触。通过使得相邻的膜电极组件彼此不接触并且在膜 电极组件之间产生空间，能够获得足够的区域，在该区域，可以使得利用 膜电极组件的外部空间的气体通道或者水通道与膜电极组件接触。由此， 可以顺利地进行燃料气体和氧化气体的供应和所产生的水的排放。
2.燃料电池用中空状膜电极组件的结构
对于在本发明中使用的中空状膜电极组件没有具体的限制，可以使用 一般的中空状膜电极组件。作为一般的中空状膜电极组件的结构，例如可 以是，膜电极组件包括中空固体电解质膜；外电极层，其形成在固体电 解质膜的外周表面上；以及内电极层，其形成在固体电解质膜的内周表面 上等。外电流集电器可以被布置在所述外电极层的外周表面上，和/或内电 流集电器可以被布置在所述内催化层的内周表面上(如果需要的话)。作 为布置在电解质膜的内周和外周表面上的每一个电极层，通常使用通过从 电解质膜层叠催化层和气体扩散层(以此次序)构成的电极层。
此后将分别描述可以用于本发明的膜电极组件的组成部分。
对于用于本发明的固体电解质膜没有具体的限制，只要该固体电解质 膜是中空的形状，具有优异的质子传导性并且由非导电材料制成。中空形 成的代表性实例是管状形状，但是可以不限于此形状。
作为构成这样的固体电解质膜的电解质材料，可以是氟树脂，其典型
的实例是Nafion (产品名，由Dupont制造)；诸如烃树脂等的有机材 料，其典型实例为酰胺树脂；诸如氧化硅基材料等的无机材料。
作为使用无机电解质材料的固体电解质膜，可以是由如下方式制造管 状固体电解质膜，即，将多孔玻璃形成为管状形状，且其纳孔表面经过修 饰以提供质子传导性，并且作为使用无机电解质材料的固体电解质膜，也 可以是基于管状磷酸盐玻璃等的固体电解质膜。
作为使用多孔玻璃的固体电解质膜，例如可以是通过如下方法制造的 固体电解质膜，其中，使多孔玻璃的孔表面上的OH基与硅烷偶联剂，巯 基丙基三甲氧基硅垸，反应，然后氧化巯基-SH，以引入具有质子传导性 的磺酸基等("CHEMISTRY & CHEMICAL INDUSTRY" ， Vol. 57， No. 1， 2004， PP. 41-44)。作为应用磷酸盐玻璃的固体电解质膜，可以是在 "THE JOURNAL OF FUEL CELL TECHNOLOGY" ， Vol. 3， No. 3， 2004， pp. 69-71中报道的实例等。
对于用于本发明的外电极层和内电极层没有具体的限制。可以使用被 制成管状的材料，该材料通常用于具有平面状结构的燃料电池用膜电极组
件。具体地，可以是质子传导材料，诸如全氟磺酸聚合物(产品名
Nafion;由Dupon制造)等；诸如炭黑、碳纳米管等导电材料以及由导电
材料支撑的包含诸如铂等的催化剂的材料。
在用于本发明的膜电极组件中，对于收集由发电反应产生的电功率的 方法没有具体的限制。可以使用通常用于中空状膜电极组件中的收集电功 率的方法。例如，即充当电极层又充当电流集电器的构件可以被用作内电 极层和内电流集电器，或者被用作外电极层和外电流集电器。此外，可以 使用不同于电极层的构件作为电流集电器，于是，内电流集电器可以被形 成在内电极层内部，和/或外电流集电器可以被形成在外电极层的内部。
对于这些构件，本发明的膜电极组件优选具有布置在外电极层的外周 表面上的外电流集电器以及布置在内电极层的内周表面上的内电流集电 器。通过使用与电极层不同的电流集电器并且允许电极层与高导电性的电 流集电器紧密接触，电子可以顺利移动，因此能够高效地收集电功率。
如果集电器具有高的导电性并且允许气体沿管状膜电极组件的径向透 过，那么对内和外电流集电器就没有具体的限制。作为这样的内电流集电 器和外电流集电器的形状的实例，电流集电器可以是螺旋弹簧形的集电 器，其管壁具有许多通孔的集电器，其管壁具有网状机构的集电器，具有 多个沿管状膜电极组件的轴向布置的线型导电材料的集电器等。在这些 中，可以适当地使用具有螺旋弹簧形状的电流集电器。此外，作为形成具 有这样的形状的外电流集电器和外电流集电器的材料，可以例如是碳或者
金属，诸如不锈钢、钛、铂、金、TiC、 TiSi2、 Si02、 B203、 Nd20、 TiB2等。
3.制造方法
只要可以制造具有中空形状并且其轴被形成为螺旋的膜电极组件，那 么对制造本发明的具有螺旋形状的膜电极组件就没有具体限制。作为这样 的方法，可以是例如从头制造中空状膜电极组件的螺旋的方法(第一方 法)，制造线型中空状膜电极组件、然后将该中空状膜电极组件形成为螺 旋的方法(第二方法)等。
在由第一方法制造本发明的膜电极组件的情形中，可以以如下方式制 造具有螺旋形状的固体电解质膜首先，将固体电解质膜形成为所期望的 螺旋形状，然后通过浸渍等将电极层形成在固体电解质膜的内周和外周表 面上。如果需要的话，可以设置内和/或外电流集电器。在使用适于熔融挤 出的材料(诸如包括氧化硅基材料等的无机材料)作为在"2.燃料电池用 中空状膜电极组件的结构"中所述的材料中的用于形成固体电解质膜的材 料的情况下，可以通过熔融挤出将固体电解质膜形成为所期望的螺旋形
状。在使用不适于熔融挤出的材料，诸如氟树脂(其代表为Nafion (产品 名；由Dupont制造))等或例如烃树脂等(其代表为氨基树脂)的有机
材料，的情况下，可以通过使用具有期望的螺旋形状的模具来形成具有期 望的螺旋形状的固体电解质膜。
根据第一方法，也可以通过如下方法制造膜电极组件将作为膜电极
组件的最内层的内电流集电器(或如果没有设置内电流集电器，内电极 层)形成为所期望的螺旋形状，并且将膜电极组件的每个构件依次层叠在 其上形成多个层。
在由第二方法制造本发明的膜电极组件的情形中，首先，将中空状膜 制成线型。对于制造这样的线型中空状膜电极组件的方法没有具体的限 制，可以以一般的方法来制造。接着，将线型中空状膜电极组件形成为螺 旋。为了将中空状膜电极组件形成为螺旋，例如使用如下方法，g卩，将膜 电极组件以螺旋缠绕的方式围绕具有一定水平的刚度的棒状材料布置。内 和/或外电流集电器可以在将膜电极组件形成为螺旋以后布置。或者内和/ 或外电流集电器可以在制造线型中空状膜电极组件时设置，然后被形成为
螺旋形状。在根据第二方法制造膜电极组件的情形中，在"2.燃料电池用
中空状膜电极组件的结构"中所述的材料中，优选使用具有塑性的材料作 为的膜电极组件的每一组成构件的材料。通过用具有塑性的材料制造膜电 极组件，可以防止在将中空状膜电极组件形成为螺旋的过程中可能发生的 对组成构件的损坏等。
如图4所示，电功率收集可以通过外电流集电器6在上述的螺旋状膜 电极组件的外部进行，所述外电流集电器6的形状与螺旋状的膜电极组件
不相一致。
B.中空型燃料电池
本发明的中空型燃料电池的特征在于，该中空型燃料电池包括采用上 述的燃料电池用中空状膜电极组件的中空状单元。因为本发明的中空状燃
料电池包括作为最小发电单元的微电池，所述微电池使用在"A.燃料电池
用中空状膜电极组件"中所述的、能够增大每单位体积的电极面积的膜电 极组件，所以可以获得具有高的每单位体积功率密度的中空型燃料电池。
用于本发明的中空型燃料电池的膜电极组件类似于在"A.燃料电池用中空 状膜电极组件"中所述的膜，所以对其的描述被省略。
<第二实施例>
本发明的第二实施例涉及包括在"B.中空型燃料电池"中所述的中空 型燃料电池并且还包括棒状构件的中空型燃料电池，其中，中空状单元以 螺旋缠绕的方式围绕棒状构件的外侧布置。
下面将参考附图，针对与第一实施例不同的方面，对本发明的第二实 施例进行详细说明。下面的实施例将说明通过将冷却介质供应到热交换构 件内部使热交换构件充当冷却管的情形。但是，中空状单元也可以充当能 够通过将加热介质供应到热交换构件内部来提供热的热交换构件。此外， 下面的实施例将具体解释使用氢气作为燃料而使用空气(氧气)作为氧化 剂的固体聚合物型燃料电池，但是本发明可以不限于此实施例。
图5是示出了本发明的中空状单元和棒状构件的一个实施例的示意性 透视图。作为图15所示的实施例，传统的中空状单元91具有线型形状， 并且与诸如冷却管等的棒状构件90并列布置，使得传统中空状单元91沿 轴向的长度与诸如冷却管等的棒状构件90的轴向长度几乎相同。另一方 面，本发明的中空状单元11以螺旋方式布置在棒状构件IO的外侧，如图 5所示。因此，中空状单元11的长度(中空状单元11和棒状构件10之间 的接触长度"接触长度")可以较棒状构件10的总长度延伸更长。具体 地，中空状单元的长度可以比棒状构件10的总长度长1.5到10倍。接触
长度可以按如下计算
中空状单元的圈数X棒状构件的外周长。
以螺旋方式布置在棒状构件IO外侧的中空状单元11可以紧密地布置 而不留任何间隙(如图5所示)，或者可以以一定的间隙布置，以允许螺
旋的节距为0.1到lmm (如图6所示)。
并且，如图7所示，多个中空状单元可以并列地并且以螺旋缠绕方式 围绕棒状构件的外侧布置。
作为将膜电极组件以螺旋方式布置在棒状构件上的加工方法，可以举 出在日本专利申请特开(JP-A) No. 2004-22165中公开的线轴缠绕方法等 作为实例。
此后，将详细地分别说明在第二实施例中包含的组成构件。
(第二实施例中的中空状单元) 第二实施例的中空状单元11至少包括中空电解质膜和一对布置在电 解质膜的内表面和外表面上的电极。对于构成中空状单元11的构件的材 料可以没有具体的限制，只要这些材料是柔性的，以便以螺旋方式围绕棒 状构件的轴布置，并且对于制造方法也可以没有限制。下面将举例说明一 个实施例。
图8是用于第二实施例的燃料电池的中空状单元的剖视图，图9是同 一中空状单元的示意性透视图。中空状单元11具有中空固体聚合物电解 质膜4 (全氟碳磺酸膜)；内电极层3 (在本实施例中作为阳极的燃料电 极)，其布置在固体聚合物电解质膜4的内侧；以及外电极层5 (在本实 施例中作为阴极的空气电极)，其布置在外侧。中空部分是中空7内部的 通道，并且燃料气体(H2)通过通道被供应作为反应气体。在负电极侧 (阳极侧)的电流集电器2与阳极3的表面紧密接触地布置。正电极侧 (阴极侧)的集电器材料可以设置在阴极5的外表面上。但是，如下面所 说明的，优选的是，棒状构件10也充当正电极侧的电流集电器，作为外 电流集电器。
具有这样的结构的中空状单元11以螺旋缠绕的方式围绕棒状构件10
的外周表面布置。如果必要的话，使用诸如硅基胶粘剂材料、环氧基胶粘 剂材料等的耐热胶粘剂材料，将中空状单元11固定在棒状构件10上。通 过将氢气供应到中空状单元11的中空7的内部，并且将空气供应到电池 11的外侧，燃料或者氧化剂被供应到阳极或者阴极(空气电极)，由此发 电。
如果反应气体可以被足量地供应到中空电解质膜4的内部，中空状单 元11可以处于如下状态，S卩，中空部分(管)的一端是封闭的，其另一 端是开口的。作为封闭中空状单元的一端的方法，可以是将树脂等置于中 空的一端中的方法，但是对该方法可以没有具体限制。
虽然对中空固体聚合物电解质膜4的内径、外径、长度等没有具体的
限制，但是固体聚合物电解质膜4的外径优选为0.01到10 mm的范围， 更优选0.1到lmm，更优选0.1到0.5mm。由于技术问题，目前难以制造 具有小于0.1 mm的外径的固体聚合物电解质膜4。另一方面，具有大于 10 mm的外径的固体聚合物电解质膜4不会相对于所占体积增大表面积， 因此所得到的中空状单元可能不会提供足够的每单位体积输出。
虽然从提高质子传导性的观点来看全氟碳磺酸膜优选是薄的膜，但 是，非常薄的膜减弱了隔离气体的功能并且增大了非质子氢的透过量。然 而，较之其中燃料电池用平面状微电池被层叠的传统燃料电池，通过集中 大量的中空状单元模块所制造的燃料电池可以具有大的电极面积，由此其 可以提供足够的输出，即使使用相当厚的膜。从该观点来看，全氟碳磺酸 膜的厚度优选为10到100 /mi，更优选50到60 /mi，更优选50到55 /mi。
此外，考虑到外径和膜厚上述优选范围，内径的优选范围为0.01到 10mm，更优选O.l至Ul讓，更优选0.1到0.5mm。
图8所示的实施例的中空状单元具有管状电解质膜。然而，本发明中 的固体电解质膜不限于管状形状，并且其可以是具有中空部分的膜，并且 能够将燃料或者氧化剂流入到中空中，以将电化学反应所需的反应物质供 应到设置在中空内部的电极。
因为中空状单元11是中空状的，所以具有许多优点。实质的优点 是，不再需要隔离物并且可以获得更大的用于发电的电极面积。
因为根据第二实施例的中空型燃料电池具有中空状单元，所以较之具 有平面状微电池的燃料电池，本发明的燃料电池可以具有大的每单位体积 的电极面积。因为，即使所使用的固体聚合物电解质膜是质子传导性不如 全氟碳磺酸膜那么高的电解质膜，也可以获得具有高的每单位体积的功率 密度的燃料电池。
作为不同于全氟磺酸的固体聚合物电解质膜，可以使用用于固体聚合 物型燃料电池的电解质膜的材料。例如，其可以是不同于全氟磺酸的氟基 离子交换树脂；具有磺酸基等的聚苯乙烯基阳离子交换膜，即，基于烃骨 架(诸如"聚烯烃基")并且具有选自磺酸基、膦酸基、磷酸基等的至少
--种质子交换基的树脂；包括碱性聚合物与强酸的配合物的固体聚合物电 解质，诸如由PCT国际申请No. 11-503262的日文翻译所公开的等，艮卩， 通过将强酸惨杂到诸如聚苯并咪唑、聚嘧啶、聚苯并噁唑等的碱性聚合物 中所制备的聚合物电解质。
可以使用纤丝形式、纺织织物形式、无纺织物形式、多孔薄片形式等 的全氟碳聚合物来增强使用这样的电解质的固体聚合物电解质膜，或者也 可以通过用无机氧化物或者金属涂覆膜表面来增强该固体聚合物电解质 膜。此外，全氟碳磺酸膜还可以从市场获得，例如Nafion (产品名；由 Dupont制造)，Flemion (产品名;由Asahi Glass Co.， Ltd.制造)等。
虽然在以固体聚合物电解质膜之一的全氟碳磺酸膜作为一种质子传导 膜的基础上解释了此实施例中的电解质膜，但是对用于第二实施例的中空 型燃料电池的电解质膜没有具体的限制，并且可以是具有质子传导性或者 具有另一种离子传导性(诸如氢氧根离子、氧离子02—等的传导性)的电 解质膜。具有质子传导性的电解质膜不限于上述的固体聚合物电解质膜， 并且其可以使用浸润有磷酸水溶液的多孔电解质板；包括多孔玻璃的质 子传导材料；在水凝胶化后的磷酸盐玻璃；有机一无机混杂质子传导膜， 其通过将具有质子传导性的功能基团引入到具有纳米尺寸的孔的多孔玻璃 的表面和孔中来制造；使用无机金属纤维增强的电解质聚合物等。作为具 有另一种离子传导性(诸如氢氧根离子、氧离子02—等)的电解质的实 例，包括含有陶瓷的材料。
布置在电解质膜的内侧和外侧上的每一电极可以使用固体聚合物型燃 料电池用传统电极材料来形成。
一般来说，如图8所示，所使用电极通过
如下方法来构成将催化层(催化层3a和催化层5a)以及气体扩散层 (气体扩散层3b和气体扩散层5b)以此次序从电解质膜一侧开始进行层
催化层包含催化剂粒子，并且可以还包含质子传导材料，以便提高催 化剂粒子的使用效率。用作电解质膜的材料也可以被用作该质子传导材 料。作为催化剂粒子，优选使用其中催化剂物质被承载在导电材料(诸如 碳质材料，例如碳质粒子或者碳质纤维)上的催化剂粒子。因为本发明的 燃料电池具有中空状单元，所以较之具有平面状微电池的燃料电池，本发
明的燃料电池可以具有大的每单位体积的电极面积。因此，即使所使用的 催化剂是催化活性不如铂那么高的催化剂，也可以获得具有高的每单位体 积的功率密度的燃料电池。
只要催化剂物质的催化活性对于阳极中的氢的氧化反应或对阴极中的 氧的还原反应有效，则对催化剂物质就没有具体的限制。例如，催化剂物 质可以选自诸如铂、钌、铱、铑、钯、锇、钨、铅、铁、铬、钴、镍、 锰、钒、钼、镓、铝等的金属或者基于这些金属的合金。Pt和包含pt和另
一种金属(诸如Ru)的合金是优选的。
作为气体扩散层，可以使用包含碳质材料(诸如碳质粒子和/或碳质纤 维)作为主要组分的导电材料。碳质粒子和/或碳质纤维的尺寸可以考虑如 下因素进行优化选择在用于制造气体扩散层的溶液中的分散性；将获得 的气体扩散层的排水能力。对于电极的结构和材料，布置在电解质膜的内 表面和外表面上的每一个电极可以是彼此相同的或者不同的。为了提高对 于水(诸如所生成的水)的排水能力，优选以下面的方式对气体扩散膜进
行疏水处理用下列任何材料，诸如聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯
(PVDF)、聚四氟乙烯、全氟碳烷氧基烷烃、乙烯-四氟乙烯聚合物或者 基于它们的混合物等浸润气体扩散层；或者使用上述材料形成疏水层。
对于用于制造第二实施例的其中一对电极被布置在中空电解质膜的内 表面和外表面上的中空状单元的方法没有具体的限制。例如，方法可以如
下提供中空电解质膜；将包含电解质和催化剂粒子的溶液涂覆在电解质 膜的内表面和外表面上，并干燥形成催化层；以及将包含碳质粒子和/或碳 质纤维的溶液涂覆在两个催化层上，并干燥形成气体扩散层。在此方法 中，催化层和气体扩散层被这样形成，使得中空部分可以出现在被形成在 电解质膜的内侧的气体扩散层的内侧。
或者，方法还可以如下使用包含碳质材料(诸如碳质粒子和/或碳质 纤维)并且被形成为管状形式的构件(管状碳质材料)作为内电极(阳
极)的气体扩散层；将包含电解质和催化剂粒子的溶液涂覆在气体扩散层 的外表面上，并干燥形成催化层，由此制造内电极层；接着，将包含电解 质的溶液涂覆在催化层的外表面上，并且干燥形成电解质膜层；此外，外 电极(阴极)的催化层被形成在电解质膜层的外表面上；将包含碳质材料 的溶液涂覆在催化层的外表面上，并且干燥形成气体扩散层，由此制造外 电极层。
对于制造中空电解质膜的方法可以没有具体的限制，并且也可以使用 管状形式的电解质膜的商业产品。电解质膜也可以通过如下方式获得将 诸如碳质粒子的碳质材料和环氧基和/或酚基树脂分散在溶剂中；将混合物 形成为管状形式，然后进行加热固化和烘烤。
用于形成电解质膜、催化剂层和气体扩散层的溶剂可以根据将被分散 和/或溶解的材料被适当地选择。并且，可以从诸如喷涂、刷涂等的各种方 法中相应地选出用于形成各个层的涂覆方法。
用于第二实施例的中空型燃料电池的中空状单元可以不限于上面举例 说明的结构。可以设置除催化层和气体扩散层其它任何层，以提高中空状 单元的功能。虽然本实施例的中空电解质膜在内侧具有阳极，在外侧具有 阴极，但是其可以在内侧具有阴极，在外侧具有阳极。
(电流集电器)
如图8和图9所示，上述的电极可以具有电流集电器，用于将在电极 上产生的电荷移到外部电路。在本发明的第二实施例中，内(阳极侧)电 流集电极2被布置在内气体扩散层3b的内侧。虽然没有在图S和图9中示
出，外(阴极侧)电流集电器可以被布置在外气体扩散层5b的外侧。如 在此后指出的，优选的是，棒状构件10也充当外电流集电器。对于布置 在外气体扩散层5b的外侧的阴极电流集电器的形状没有具体的限制。例 如，阴极电流集电器可以是以螺旋状缠绕的金属线或者编织的或者棒状的 电流集电器。
内(阳极侧)电流集电器2是柱状电流集电器，其外径与中空状单元 的内周表面相接触。中空内部的通道7为沟槽状的并且沿中空状单元的轴 向(纵向)延伸，所述通道7被形成在内电流集电器的主体的外周表面 上，使得中空状单元的内周表面部分地暴露到中空内部的通道7。氢气通 过中空内部的通道7被供应。如果柱状的内电流集电器2由具有极高的气 体透过率的导电材料制成，则这样的暴露内电极的中空内部的沟槽状通道 不是必需的。可以布置沿轴向穿透柱状内电流集电器的封闭气体通道，或 者可以根本不用布置。只要内(阳极侧)电流集电器由导电材料制成，那 么内(阳极侧)电流集电器的形状可以不具体限于上述的实施例，并且可 以是柱状的、线状的、棒状的、线型或者管状，诸如弹簧形金属线、金属 箔，诸如金属片、碳片的片状材料等。
优选用于内(阳极侧)或者外(阴极侧)电流集电器的金属可以是选 自由Al、 Cu、 Fe、 Ni、 Cr、 Ta、 Ti、 Zr、 Sm、 In等组成的组的至少一种 金属，或者可以是基于这些金属的合金，诸如不锈钢。其表面可以用 Au、 Pt、导电树脂等进行进一步涂覆。从优异的耐腐蚀性的观点来看，在 这些金属中优选不锈钢或者钛。对于线的直径、编织密度、棒状电流集电 器的直径等可以没有具体的限制。
如果需要的话，可以用导电胶粘剂材料(诸如碳基胶粘剂、Ag糊 等)将电流集电器固定在电极上。
(棒状构件)
如图IO所示，对于第二实施例的棒状构件IO的形式可以没有具体的 限制，只要棒状构件具有棒状形状，并且可以支撑中空状单元11以保持 电池11的螺旋形状。具体地，从稳定地支撑中空状单元、将施加到密封
部分的重量控制为尽可能地低、当棒状构件作为热交换构件(如后面所述 的)时顺畅地传输加热介质(冷却介质和加热介质)的观点来看，棒状构 件10优选是线型形状。从可以容易地将中空状单元围绕棒状构件缠绕的 观点来看，棒状构件10的截面优选是向外弯曲的封闭线形状，诸如圆 形、椭圆等。
作为棒状构件10的材料，可以使用耐腐蚀并且具有一定强度以耐受 燃料电池的工作环境的材料。例如，可以是金、铂、钛、不锈钢等。如果 钛或者不锈钢的耐腐蚀性不足的话，优选的是，例如用具有良好的耐腐蚀 性的材料(例如金、铂等)涂覆(镀覆)由上述材料制成的冷却管的表 面。
如图11所示，在棒状构件10的外周表面上，可以沿与棒状构件的轴
向相交的方向和平行的方向分别布置作为横向气体通道12和轴向气体通 道13的沟槽。反应气体通过气体通道12和13被供应到中空状单元11的 外周表面上。如果如上所述地将横向气体通道12和轴向气体通道13布置 在棒状构件10的外周表面上，则反应气体可以被有效地供应到中空状单 元11的外周表面上，并且可以避免由于反应气体供应不足导致的发电性 能的下降。具体地，在将中空状单元11围绕棒状构件10的外周表面紧密 缠绕的情形中，可以提高可以通过将轴向气体通道13布置在棒状构件10 上所获得的效果。
具有这样的形式的棒状构件10具有沿平行于轴向的气体通道以及沿 于轴向相交的方向的气体通道。由此，例如，由在彼此接触的中空状单元 11和棒状构件10出产生的水蒸汽所生成的水滴被气体通道12捕集，并且 收起在轴向气体通道13处。然后，收集在轴向气体通道13处的水滴沿轴 向移动，并且可以被排出外部。
对于棒状构件10的内径、外径、长度等可以没有具体的限制。棒状 构件10的外径优选为0.5到3 mm的范围，更优选0.5到1 mm，最优选 0.5到0.8 mm。外径小于0.5 mm的棒状构件10不能形成足够的将作为加 热介质通道的内部孔，尤其是在棒状构件10作为后面所描述的热交换构 件的情形中。另一方面，外径大于3 mm的棒状构件具有棒状构件的尺寸
较大的问题。
对于制造棒状构件10的方法可以没有具体的限制。例如，可以是挤 出成型法等，其中，熔融材料被注入到棒状构件10的模具中，随着进行 浇铸。
棒状构件10优选是热交换构件(或者冷却管)，用于冷却/加热中空 状单元11。形成为螺旋形状的中空状单元11与棒状构件IO线接触。通过 中空状单元ll和棒状构件IO之间的热交换，可以减小燃料电池的组成构 件的数量并且可以减小其尺寸(减小燃料电池的尺寸)。
如图IO所示，热交换构件(冷却管)IO是内部具有加热介质通道14 的构件。当冷却介质通过热交换构件iO时，热交换构件IO充当冷却管， 用于冷却中空状单元。另一方面，当加热介质通过热交换构件10时，热 交换构件10充当加热管，用于加热中空状单元。
只要本发明的热交换构件是中空状的并且具有加热介质通道14，那么 对其形式就没有具体的限制。具体地，从加热介质(冷却或者加热介质) 的顺畅流动的观点来看，热交换构件14优选为线型形状。热交换构件14 的截面优选为向外弯曲的封闭线的形状(诸如圆形、椭圆等)，以容易地 将中空状单元围绕棒状构件进行缠绕。除了内部具有单个加热介质通道14 的热交换构件IO之外，还可以是如下的实施例，例如，内部具有多个加 热介质通道的热交换构件，其壁被一体化的热交换构件的组合等。
作为热交换构件的材料，可以使用传统上用于热交换构件的材料，该 材料具有导热性、耐腐蚀性并且具有一定的强度，以耐受燃料电池的工作 环境。例如，可以是金、铂、钛、不锈钢等。如果钛或者不锈钢的耐腐蚀 性不足的话，优选的是，例如用具有优异的耐腐蚀性的材料(例如金、铂 等)涂覆(镀覆)由上述材料制成的冷却管的表面。
诸如水等的加热介质流动通过加热介质通道14。通过将中空状单元 11围绕加热介质在其中流动的热交换构件10以如下方式布置，即，中空 状单元11的外周表面以螺旋方式与热交换构件10的外周表面线接触，增 大了接触长度，由此可以高效地冷却中空状单元ll。
只要加热介质通道14是中空状的，那么对加热介质通道14的形式可
以没有具体的限制。具体地，加热介质通道14优选为线型形状，使得加 热介质可以顺畅流动。加热介质通道14的截面可以例如为向外弯曲的封 闭线的形状，诸如圆形、椭圆等，或可以是矩形，但是也可以不限于此。
在本发明的热交换构件内部流动的加热介质可以不限于水，并且可以 是诸如乙二醇等的液体、气体或者其它加热介质。
此外，棒状构件IO优选充当电流集电器。因为形成为螺旋形状的中 空状单元11与棒状构件IO线接触，所以通过采用棒状构件IO从中空状单 元11收集电功率，可以减小燃料电池的组成构件的数量及其尺寸(减小 燃料电池尺寸)。在运行棒状构件充当电流集电器的情形中，可以将在对 中空状单元的描述中所说明的电流集电器的材料用于棒状构件。
此外，可以采用作为热交换构件以及还充当电流集电器的棒状构件10 耐进一步减小模块的尺寸。当允许棒状构件充当热交换构件和电流集电器 时，棒状构件具有上述的热交换器构件的形状，并且可以适当地选择其材 料，使其具有导热性、耐腐蚀性以及一定的强度以耐受燃料电池的工作环 境，并且使其具有良好的导电性。具有良好的耐腐蚀性、导热性和导电性 的材料的实例可以是金、铂、铜等。当使用铜时，由铜制成的棒状构件10 的整个表面需要用具有良好耐腐蚀性、导热性和导电性的材料(例如，诸 如金、铂等的贵金属)涂覆(镀覆)，以提高耐腐蚀性。作为提高棒状构
件10的导电性的方法，除了使用涂覆的方法之外，还可以例如是将具有
良好导电性的材料布置在热交换构件io上的方法。例如，由高导电性材
料制成的线棒材料可以被包埋在热交换构件10中，热交换构件IO可以具 有多层结构，其芯是中空形状的轴，其中热交换构件IO在中心侧的层由 高导电性材料等构成。
在允许棒状构件10充当热交换构件和电流集电器的情形中，如果需 要的话，绝缘层可以被布置在棒状构件10的内周表面上，以防止漏电到 在加热介质通道14中流动的加热介质。对于布置绝缘层的方法可以没有
具体的限制。例如，可以是如下方法用具有良好电绝缘性、导热性和耐
腐蚀性的材料(例如，氟树脂，诸如聚四氟乙烯树脂(PTFE)、四氟乙 烯-全氟(烷氧基乙烯基醚)共聚物树脂(PFA)等)涂覆棒状构件的内周
表面；紧密接触棒状构件的内周表面设置具有良好电绝缘性、导热性和耐 腐蚀性的管状构件，例如由硅橡胶制成的管，由具有高导热性的硅橡胶制 成的管及其它方法等。
(第二实施例的中空型燃料电池) 图12是示意性地示出了模块100的外部视图，所述模块100是一组中 空状单元，其包括包含第二实施例的中空状单元11和充当热交换构件和
电流集电器的棒状构件10的多个一体构件。在模块100的两端，设置气 体歧管98a和98b和冷水歧管99a和99b，所述气体歧管98a和98b用于将 氢气供应到中空状单元11， 11......的中空中，所述冷水歧管99a和99b用
于将加热介质供应到棒状构件10中。此外，设置用于收集在每一个中空 状单元11， 11......处产生的电荷电流集电器构件(没有示出)。经由入
口侧的气体歧管(例如98a)供应到模块100的氢用于电化学反应，同时 通过每一个中空状单元11， 11......的中空中的通道14， 14......。没有用
于电化学反应的氢等经由出口侧的气体歧管(例如98b)被收集。此外， 在模块100中，电流集电器构件中的一个被电连接到中空状单元11， 11......的内(阳极侧)电流集电器3， 3......，并且其余的被电连接到也充
当电流集电器的棒状构件10， 10......。由此，在中空状单元11， 11......
处产生的电荷被收集。
此外，如图13和图14所示，盒600存储多个串联或者并联的模块 100，由此成为中空型燃料电池601 (此后，其可被简称为燃料电池)。图 14示出了图13所示的燃料电池的相反侧，其中，通常被布置在燃料电池 的侧表面的网格构件被从图14中去除，以清楚地示出燃料电池的内部结 构。
在盒600的顶表面上，设置反应气体(例如氢)入口 500、反应气体 出口 510以及冷却水入口/出口 520。在盒600的彼此相对的两个侧表面 上，设置网格构件550。如果被供应到反应气体入口 500的气体是氢，则 空气沿通过网格构件550的方向被供应到燃料电池601。在图13中，通过 网格构件550供应的空气被从另一网格构件侧排出，其中，该另一网格构
件被设置在盒600的背表面上(在图14中没有示出)。在这样的实施例
的燃料电池601工作时，模块100产生热。温度通过如下方法控制，例 如，允许水流动通过设置在模块100上的冷却管，其中，水从冷却水入口/ 出口 520供应/排出。
如上面所说明的，第二实施例的燃料电池601具有多个上述的模块 100。通过增加每一个模块100的中空状单元的长度以及减小每单位体积 的密封部分的数量，可以避免对燃料电池601的密封部分的损坏。
如上所述，通过举例说明两个实施例详细解释了本发明其中棒状构 件不是必要元件的第一实施例和其中棒状构件是必要元件的第二实施例。 但是，本发明不限于这些实施例。上述的实施例仅仅是举例说明。具有与
本发明的权利要求书中公开的技术方案基本相同的结构并且提供相似效果 的实施例包括在本发明的技术范围中。
工业实用性
如上所述，本发明的中空型燃料电池用膜电极组件和使用其的中空型 燃料电池具有大的用于发电的每单位体积的反应面积，易于减小尺寸，并 且特别适于用作便携式或者移动电池(电源)。
权利要求
1.一种燃料电池用中空状膜电极组件，包括中空状的固体电解质膜，形成在所述固体电解质膜的外周表面上的外电极层以及形成在所述固体电解质膜的内周表面上的内电极层，其中，所述燃料电池用中空状膜电极组件被形成为螺旋形状。
2. 根据权利要求1所述的燃料电池用中空状膜电极组件，其中，所述 燃料电池用中空状膜电极组件具有布置在所述外电极层的外周表面上的外 电流集电器和布置在所述内电极层的内周表面上的内电流集电器。
3. 根据权利要求1或2所述的燃料电池用中空状膜电极组件，其中，所述中空状固体电解质膜是管状的固体电解质膜。
4. 一种中空型燃料电池，包括使用根据权利要求l一3中任何一项所 述的燃料电池用中空状膜电极组件的中空状单元。
5. 根据权利要求4所述的中空型燃料电池，其中，所述中空型燃料电 池还包括棒状构件，并且所述中空状单元以螺旋缠绕方式围绕所述棒状构 件的外侧布置。
6. 根据权利要求5所述的中空型燃料电池，其中，所述中空状单元和 所述棒状构件的接触长度较所述棒状构件的总长度长1.5 — 10倍。
7. 根据权利要求5或6所述的中空型燃料电池，其中，所述棒状构件 是用于控制所述中空状单元的温度的热交换构件。
8. 根据权利要求5 — 7中任何一项所述的中空型燃料电池，其中，所 述棒状构件具有导电性，并且充当形成在所述固体电解质膜的外周表面上 的外电极层的电流集电器。
9. 根据权利要求5 — 8中任何一项所述的中空型燃料电池，其中，所 述棒状构件是所述热交换构件，并且充当所述电流集电器。
10. 根据权利要求9所述的中空型燃料电池，其中，加热介质在所述 热交换构件内部流动，并且所述热交换构件的接触所述加热介质的内表面 的至少一部分由具有电绝缘性的材料制成。
11. 根据权利要求5 — 10中任何一项所述的中空型燃料电池，其中，在所述棒状构件的外周表面上形成气体通道。
全文摘要
本发明提供了一种能够提高每单位体积的功率密度的燃料电池用中空状膜电极组件，其中该燃料电池用中空状膜电极组件包括中空状的固体电解质膜，形成在所述固体电解质膜的外周表面上的外电极层以及形成在所述固体电解质膜的内周表面上的内电极层，并且其中，所述燃料电池用中空状膜电极组件被形成为螺旋形状。
文档编号H01M8/10GK101116209SQ200680004179
公开日2008年1月30日 申请日期2006年2月3日 优先权日2005年2月4日
发明者中西治通, 今西雅弘, 村田成亮, 田村佳久 申请人:丰田自动车株式会社