燃料电池模块和设有燃料电池模块的燃料电池的制作方法

专利名称：燃料电池模块和设有燃料电池模块的燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及包括管型燃料电池的燃料电池模块以及包括该燃料电池模 块的燃料电池。更具体而言，本发明涉及包括管型燃料电池并能够提高集 电效率的燃料电池模块以及包括该燃料电池模块的燃料电池。
背景技术：
在常规的固体聚合物电解质燃料电池(以下称为"PEFC")中，由在 包括平板型电解质膜和布置在该电解质膜两侧上的电极(阴极和阳极)的 膜电极组件(以下称为"MEA"，其)中进行的电化学反应所产生的电能 分别经由布置在MEA两侧的隔离器(separator)被提取至PEFC外部。该 PEFC可在低温下工作，并通常在约80。C至100。C的工作温度下应用。此 外，因为30%至40%的高能量转换效率、短起动时间、以及小尺寸轻重量 的系统，PEFC被视为蓄电池车辆或便携电源的最佳能量源。
同时，常规PEFC的单元电池包括诸如电解质膜、每个均包括催化剂 层的阴极和阳极、以及隔离器等构成元件，且其理论电动势为1.23伏特。 这样低的电动势不足以用作蓄电池车辆等的动力源。因此，通常，将在其 中单元电池沿层叠方向串联层叠形成的层叠体的两侧上布置端板等构成的 堆叠型燃料电池用作动力源。但是，优选地縮小单元电池的尺寸并增大每 单位面积的发电反应区域(输出密度)，从而进一步改进PEFC (以下在 某些情况下简称为"燃料电池")的发电效率。
为了增大常规平板型燃料电池(以下在某些情况下简称为"平板型 FC")每单位面积的输出密度并提高其发电效率，需要使平板型FC的上 述构成元件变薄。但是，如果将平板型FC的构成元件的厚度设定为等于 或小于预定厚度，则可能会降低各个构成元件的性能、强度等。因此，在 结构上难以将如上所述构造的燃料电池每单位面积的输出密度提高至等于
或高于特定密度。
着眼于此，近来已经着手研究管型燃料电池(以下在某些情况下简称
为"管型FC")。管型FC的单元电池包括中空形状MEA (以下简称为 "中空MEA")，该中空MEA包括中空电解质层以及分别布置在中空电 解质层的内侧和外侧的中空电极层。通过分别向中空MEA的内侧和外侧 供应反应气体(氢基气体和氧基气体)来进行电化学反应，并经由布置在 中空MEA的内侧和外侧的集电器将由电化学反应产生的电能提取至外 部。S卩，通过将反应气体中的一种(氢基气体或氧基气体)供应至包括在 各个管型FC电池中的中空MEA的内侧并将另一种反应气体(氧基气体或 氢基气体)供应至中空MEA的外侧，该管型FC有利于提取电能。可以看 到，通过将相同的反应气体供应至管型FC中两个相邻管型FC电池的外表 面，可以去除在常规平板型FC中具有气体屏蔽性能的隔离器。因此，管 型FC可有效地縮小单元电池的尺寸。
另一方面，为了进一步提高管型FC的发电性能，优选地提高将在各 个管型FC电池中产生的电能提取至外部的效率(集电效率)。可以例如 通过使集电器与多个管型FC电池接触之类的方式来实现上述对集电效率 的提高。
目前已经揭示了一些意在提高管型FC的集电效率的技术。例如，日 本专利申请早期公开(JP-A) No. 2004-288542揭示了一种与燃料电池系统 相关的技术，该燃料电池系统包括电池组件和电连接到电池组件的电极连 接导体构件，电池组件通过将多个管型FC电池经由电池连接导体构件互
相连接而形成。根据上述技术，维持了多个电池连接导体构件与电极连接 导体构件之间每个均提供集电能力的连接，由此可以提供具有稳定发电性 能的燃料电池。此外，JP-ANo. 8-162142揭示了一种与固体PEFC相关的 技术，该固体PEFC包括多个管型FC电池和挡板(baffle)。根据上述技 术，可以提供具有提高的发电性能的固体PEFC。
但是，JP-A No. 2004-288542揭示的技术存在以下问题。因为电池组 件可以经由电池连接导体构件和各个管型FC电池将连接至电极连接导体 构件，所以有可能增大连接阻抗并可能劣化集电效率。此外，JP-ANo. 8-
162142揭示的技术存在难以提高集电效率的问题。
因此，本发明的目的在于提供一种能够提高集电效率的包括管型燃料 电池的燃料电池模块，以及一种具有该燃料电池模块的燃料电池。

发明内容
为了解决上述问题，本发明采取了以下手段。即，根据本发明的第一 方面，提供了一种燃料电池模块，包括平行排列的多个管型燃料电池； 和第一集电器，其中由所述第一集电器在平面图中与所述管型燃料电池的 轴向交叉的方向上编织所述多个管型燃料电池。
这里，"平行排列"指多个管型燃料电池的轴向彼此平行，且各个管 型燃料电池沿着与轴向几乎垂直的方向排列。如果多个管型燃料电池被平
行排列，则可以形成层状管型燃料电池组件(以下也称为"FC电池
层")。管型燃料电池的数量并不限于特定数量，只要其为两个或更多即
可，并且可以考虑燃料电池模块的输出密度、生产率等，来得到管型燃料
电池的合适数量。"第一集电器"指可以在管型燃料电池的交叉方向上蓄
集电荷的交叉方向集电器。此外，"在平面图中与所述管型燃料电池的轴
向交叉的方向上编织"指通过在平行排列的管型燃料电池的交叉方向上分 布第一集电器来由第一集电器将多个管型燃料电池一体地固定。
在本发明的第一方面中，燃料电池模块还可以包括第二集电器，与所 述多个管型燃料电池平行地布置，其中由所述第一集电器在所述平面图中 与所述管型燃料电池的所述轴向交叉的所述方向上编织所述多个管型燃料 电池和所述第二集电器。
其中，"由所述第一集电器在所述平面图中与所述管型燃料电池的所 述轴向交叉的所述方向上编织所述多个管型燃料电池和所述第二集电器" 指通过在平行布置的第二集电器和管型燃料电池的交叉方向上分布第一集 电器来由第一集电器将第二集电器和多个管型燃料电池一体地固定。根据 本发明的第一方面提供的第二集电器的数量并不限于某一特定数量，而可 以着眼于集电效率和生产率等来获得第二集电器的合适数量。在本发明的 第一方面中，第二集电器的具体示例可以包括轴向集电器。
在本发明的第一方面(包括修改方案，以下相同)中，可以将第二集 电器布置在所述多个管型燃料电池的阵列的端部。
在本发明的第一方面中，可以将所述第二集电器与所述多个管型燃料 电池平行并交替地布置。
这里，"平行并交替地布置"指其中第二集电器布置在多个管型燃料 电池之间的构造。
在本发明的第一方面中，所述第一集电器可以是可透气的。
这里，"可透气"指第一集电器被构造成能够在例如穿过第一集电器 的方向(例如，FC电池层的厚度方向)上使气体透过。可透气型第一集 电器的示例可包括由导电多孔构件形成的第一集电器。
在本发明的第一方面中，所述燃料电池模块还可以包括与所述第一 集电器接触的第三集电器，并且，由所述第一集电器编织的所述多个管型 燃料电池和所述第二集电器与所述第三集电器可以交替地层叠。
在本发明的第一方面中，所述第三集电器可以是栅形或网格形平板。
这里，"栅形"指在与一个方向平行地形成多个通孔的形式，而"网 格形"指在彼此交叉的两个方向上形成多个通孔的形式。"通孔"指形成 为穿透第三集电器的厚度方向的开口。在本发明的第一方面中，可以形成 的通孔的数量并不限于某一特定数量，而可以着眼于第三集电器的集电效 率以及生产率等来得到通孔的合适数量。此外，通孔的形式并不限于某一 特定形式，而可以着眼于集电效率以及生产率等形成诸如方形孔、矩形孔 或椭圆形孔等合适形式的通孔。为了提高集电效率，优选地将第一集电 器、第二集电器和第三集电器彼此集成。集成构造的具体示例可以包括其 中管型FC电池、第二集电器、和第三集电器通过第一集电器结合在一起 的构造。
根据本发明的第二方面，提供了一种燃料电池，其包括根据本发明的 第一方面的燃料电池模块。 发明效果
根据本发明的第一方面，由第一集电器编织多个管型燃料电池。由 此，可以经由第一集电器在交叉方向上有效地集电。因此，通过这样的构
造，可以提供能够提高集电效率的燃料电池模块。
在本发明的第一方面中，如果由第一集电器编织第二集电器和多个管 型燃料电池，并且第一集电器接触第二集电器，则经由第一集电器在交叉 方向上蓄集的电荷可以经由第二集电器在轴向上传输。因此，通过这样构 造，可以提供能够提高集电效率的燃料电池模块。
在本发明的第一方面中，如果将第二集电器布置在多个管型燃料电池 的阵列的端部，则可以抑制燃料电池模块的构成元件的数量的增加。因 此，除了上述优点之外，还可以有利地提高燃料电池模块的生产率。
在本发明的第一方面中，如果由第一集电器编织彼此平行并交替地布 置的第二集电器和多个管型燃料电池，则可以通过提高在轴向上传输电荷
的效率来提高集电效率。
此外，在本发明的第一方面中，如果燃料电池模块包括可透气型第一 集电器，则可以提高气体扩散性能。
此外，在本发明的第一方面中，如果由第一集电器一体地固定的管型 燃料电池和第二集电器与第三集电器交替地层叠，则可以通过经由第三集 电器集电来进一步提高集电效率。
此外，在本发明的第一方面中，如果在第三集电器中形成通孔，则可 以经由第一集电器以及通孔的框架在交叉方向上集电，并帮助提高在交叉 方向上的集电效率。
根据本发明的第二方面，燃料电池包括能够提高集电效率的燃料电池 模块。因此，可以提供能够通过提高集电效率而提高发电性能的燃料电 池。


图1是外部视图，示意性地示出了包括在根据本发明的第一实施例的 燃料电池模块中的管型FC电池以及第一和第二集电器。
图2是外部视图，示意性地示出了包括在根据本发明的第二实施例的
燃料电池模块中的管型FC电池以及第一和第二集电器。
图3是外部视图，示意性地示出了包括在根据本发明的第三实施例的
燃料电池模块中的管型FC电池以及第三集电器。
图4是正视图，示意性地示出了根据第三实施例的第三集电器的构造 的示例。
图5是外部视图，示意性地示出了根据本发明的燃料电池模块，其包 括根据第二实施例的燃料电池组件。
图6是外部视图，示意性地示出了包括根据本发明的燃料电池模块的
燃料电池的构造的示例。
图7是外部视图，示意性地示出了包括根据本发明的燃料电池模块的
燃料电池的构造的示例。
图8是外部视图，示意性地示出了常规管型FC电池和包括该管型FC 电池的常规燃料电池模块。
在附图中，标号10表示管型燃料电池("管型FC电池")，30表示 第三集电器，31表示通孔，32表示第三集电器，33表示通孔，35表示第 一集电器，40表示第二集电器，41表示第二集电器，IOO表示燃料电池模 块，IOOO表示燃料电池。
具体实施例方式
已经例如着眼于提高管型FC每单位体积的输出密度而对管型FC进行 了研究。为了进一步提高管型FC的输出密度，优选地增大包括在管型FC 中的管型FC电池的填充密度。另一方面，即使增大了管型FC电池的填充 密度，在对各个管型FC电池中产生的电荷进行蓄集(集电)的效率较低 的情况下，也难以有效地增大管型FC的输出密度。因此，优选地提供一 种管型FC，其能够通过提高集电效率来有效地增大输出密度。
着眼于此完成了本发明。本发明的第一方面在于提供一种燃料电池模 块，通过被构造成包括平行排列的多个管型FC电池以及与管型FC电池接 触的集电器，该燃料电池模块能够提高集电效率。本发明的第二方面在于 提供一种燃料电池，其通过被构造成包括上述燃料电池模块而能够提高集 电效率。
为了便于理解本发明，将首先描述管型FC电池、包括该管型FC电池
的燃料电池模块、以及包括该燃料电池模块的燃料电池。
图8是外部视图，示意性地示出了常规管型FC电池以及包括该管型
FC电池的常规燃料电池模块。为了帮助理解管型FC的内部结构，图8以 剖开的方式适当地示出了管型FC的构成元件。
如图8的(A)所示，常规管型FC电池IO包括MEA 15，其具有中 空电解质膜(例如，诸如Nafion (E. I. Du Pont de Nemours and Company 的注册商标)之类的氟基离子交换树脂膜)11、以及分别布置在电解质膜 11的内侧和外侧的中空阳极催化剂层12和中空阴极催化剂层13;阳极集 电器16，其被布置成使得阳极集电器16的外周表面与阳极催化剂层12的 内周表面接触；以及阴极集电器17a和17b，其被布置成与中空阴极催化 剂层13的外周表面接触。在这里示出的管型FC电池10中，待供应至阳 极催化剂层12的氢基气体(以下称为"氢气")在其中流动的反应气体 通路16a、 16a、...形成在阳极集电器16的外周表面(该表面与阳极催化 剂层12接触)上。另一方面，通过将空气从外部向管型FC电池10的外 周表面吹送，可以将氧基气体(以下称为"氧气")直接供应至该外周表 面(阴极催化剂层13)。如图8的(A)所示的阳极催化剂层12和阴极催 化剂层13每个均包含在电化学反应中作为催化剂的例如铂等以及诸如氟 基离子交换树脂之类的质子传导(proton-conducting)物质。
如上所述构造管型FC电池10。由此，如果将这样构造的管型FC电 池10、 10、...进行排列(参见图8的(B))，则可以通过从外部供应空 气来将氧气供应至各个管型FC电池10、 10、...的阴极催化剂层13、 13、 ...。 S卩，可以在不需要设置将管型FC电池IO彼此屏蔽开的隔离器以 及用于有效地将氧气供应至各个管型FC电池10的阴极催化剂层13的扩 散层的情况下，构造管型FC电池10。从而可以减少每个电池的构成元件 的数量。因此，根据管型FC电池10，可以有效地使单元电池小型化。
图8的(B)是外部视图，示意性地示出了包括多个管型FC电池以及 用于冷却管型FC电池的冷却管的燃料电池模块。如图8的(B)所示，燃 料电池模块900包括多个管型FC电池10、 10、...以及多个冷却管90、 90、...。在燃料电池模块900的两端分别设置气体歧管98a和98b以及冷
却水歧管99a和99b，被供应到管型FC电池10的反应气体通路16a、 16a、...的氢气将馈送到气体歧管98a和98b，供应到冷却水管中的水将馈 送到冷却水歧管99a和99b。此外，设置了蓄集各个管型FC电池10、 10、...中产生的电荷的集电器(未示出)。经由气体歧管中的一个(例如 98a)供应至燃料电池模块900的氢气经过管型FC电池10、 10、...的反应 气体通路16a、 16a、...，并被用于管型FC电池10、 10、...中的电化学反 应。未被用于电化学反应的氢气等经由另一个气体歧管(例如98b)被收 集。在燃料电池模块900中，集电器的一端连接至管型FC电池10、 10、...的阳极集电器16、 16、...，而其另一端连接至管型FC电池10、 10、...的阴极集电器17a和17b，由此集电器对多个管型FC电池10、 10、...中产生的电荷进行蓄集(集电)。
例如着眼于提高集电效率，将阴极集电器17a和17b设置在各个管型 FC电池10的外周表面上(参见图8的(A))，在常规管型FC电池10 中，阴极集电器17a起交叉方向集电器的作用，而阴极集电器17b起轴向 集电器的作用。但是，对于这种构造，需要进行诸如将在交叉方向上蓄集 的电荷经由轴向集电器17b进行提取处理之类的处理。结果，将电荷提取 至外部的集电路径变长，这将因集电器的阻抗等原因导致集电效率趋于劣 化。考虑到此情况，本发明提供了一种燃料电池模块，其能够通过使多个 管型FC电池与集电器接触来提高集电效率，从而提高在交叉方向上的集 电效率，本发明还提供了一种包括该燃料电池模块的燃料电池。
参考附图，以下将详细描述根据本发明的燃料电池模块以及包括该燃 料电池模块的燃料电池。
图1是外部视图，示意性地示出了包括在根据本发明的第一实施例的 燃料电池模块中的多个管型FC电池以及第一和第二集电器。在图1中， 与图8中所示的那些构成元件相似的构成元件由与用于表示如图8所示的 各个构成元件的那些标号相同的标号来表示，且如果合适将不再对其进行 描述。在图1中，箭头X表示轴向而箭头Y表示交叉方向。
如图所示，根据第一实施例的多个管型FC电池IOA、 IOA、...以及第 二集电器40平行排列，由此形成FC电池层21。由纤维状或管型等形式的
第一集电器35在几乎与轴向垂直的交叉方向上编织FC电池层21，由此形 成燃料电池组件71。
注意，如图1所示的各个管型FC电池IOA、 IOA、...并不包括交叉方 向集电器17a和轴向集电器17b (参见图8)。在第一实施例的描述中，第 一集电器35从第二集电器40经由多个管型FC电池IOA、 IOA、...到达位 于端部的管型FC电池10a所需的长度为L。
在第一实施例中，例如从布置在FC电池层21的端部上的第二集电器 40的上侧表面处开始、并经过与第二集电器40相邻的管型FC电池10A 的下侧表面的第一集电器35通过反复经过排列在前一个管型FC电池10A 的下一个处的管型FC电池10A的上侧表面，并交替经过下侧表面和上侧 表面，而到达排列在端部的管型FC电池10a。到达位于端部的管型FC电 池10a的第一集电器35以与如上所述相同的行程经由管型FC电池10a的 外周表面到达第二集电器40。随后，重复相同的行程，从而形成燃料电池 组件71。因此，根据第一实施例，第一集电器35与各个管型FC电池 IOA、 IOA、...的外周表面接触，由此第一集电器35可以实现常规交叉方 向集电器的功能。此外，与多个管型FC电池IOA、 IOA、...平行地布置的 第二集电器40可以实现常规轴向集电器的功能。第一集电器35与起轴向 集电器作用的第二集电器40以约2L长度的间隔接触。因此，通过如此构 造，可以仅由第一集电器35在第二集电器40中方便地蓄集在管型FC电 池IOA、 IOA、...中产生的电荷。艮卩，根据第一实施例，通过采用以约2L 长度的间隔与轴向集电器接触的交叉方向集电器35以及轴向集电器40， 与常规技术相比，可以縮短集电路径的长度。由此可以减小因集电器的电 阻率导致的极化，并可以提高燃料电池组件71的集电效率。通过将燃料 电池模块构造成包括这样构造的燃料电池组件71，可以提高燃料电池模块 的集电效率。
此外，根据第一实施例，由第一集电器35将构成FC电池层21的多 个管型FC电池10A、 IOA、...和第二集电器40编织在一起。由此，与需 要执行在各个管型FC电池IOA、 IOA、…的外周表面上布置交叉方向集电 器的步骤的常规燃料电池模块相比，可以提高燃料电池模块的生产率。
图2是外部视图，示意性地示出了包括在根据本发明的第二实施例的 燃料电池模块中的多个管型FC电池以及第一和第二集电器。在图2中， 与图1中所示的那些构成元件相似的构成元件由与用于表示图1中所示的 各个构成元件的那些标号相同的标号来表示，且如果合适将不再对其进行
描述。在图2中，箭头X表示轴向而箭头Y表示交叉方向。
如图所示，多个管型FC电池IOA、 IOA、...以及多个第二集电器 41、 41...平行并交替地布置，从而形成FC电池层22。与根据第一实施例 的燃料电池组件71类似，由第一集电器35在交叉方向上编织FC电池层 22，由此形成燃料电池组件72。
在第二实施例中，多个管型FC电池10A、 IOA、...以及多个第二集电 器41、 41、...交替地布置。由此，与根据第一实施例的燃料电池组件71 相比，可以提高在轴向上的集电效率。因此，对于如图2所示的结构，可 以类似于如图1所示的结构提高燃料电池模块的集电效率。类似于第一实 施例，通过由第一集电器35使构成FC电池层22的多个管型FC电池 IOA、 IOA、...以及第二集电器41、 41、...编织在一起来形成根据第二实 施例的燃料电池组件72。因此，与常规燃料电池模块相比，可以提高这样 构造的燃料电池模块的生产率。
在第一实施例和第二实施例中，已经描述了其中由第一集电器35在 几乎垂直于轴向的交叉方向上编织管型FC电池IOA、 IOA、…以及第二集 电器40 (或集电器41、 41、...)的结构。但是，根据第一和第二实施例 的第一集电器35的编织方向并不限于所述交叉方向，还可以是其他任何 方向，只要该方向与轴向交叉即可。
此外，可以构成根据第一和第二实施例的第一和第二集电器的材料并 不限于某一特定材料，只要该材料具有高导电性即可。但是，着眼于提高 集电效率，该材料优选为在FC电池层的层叠方向上的透气材料等。上述 材料的具体示例不仅包括不锈钢、Ti、 Pt、 Au、 TiC、 TiSi2、 Si02、 B203、 Nd20和TiB2，还包括碳基材料。
图3是外部视图，示意性地示出了包括在根据本发明的第三实施例的 燃料电池模块中的燃料电池组件以及第三集电器。图3的(A)是外部示
图，示意性地示出了包括在根据第三实施例的燃料电池模块中的多个燃料 电池组件和多个第三集电器的一部分。图3的(B)是正视图，示意性地
示出了根据第三实施例的第三集电器，图3的(C)是沿图3的(A)中示 出的箭头所取的示意性部分剖视图。在图3的(A)中，未示出包括在各 个燃料电池组件中的第一集电器和第二集电器。在图3的(C)中，未示 出在各个燃料电池组件中的第二集电器。但是，假设每个燃料电池组件实 际上均包括这些集电器。在图3中，与图1和/或图8中所示的那些构成元 件相似的构成元件由与用于表示图1和/或图8中所示的各个构成元件的那 些标号相同的标号来表示，且如果合适将不再对其进行描述。在图3中， 箭头X表示轴向而箭头Y表示交叉方向。
如图3的(A)所示，通过交替地层叠燃料电池组件71、 71与栅形第 三集电器30、 30来形成根据第三实施例的燃料电池组件70。第三集电器 30、 30每个均包括形成为狭缝的多个通孔31、 31、...(参见图3的
(B) )。如图3的(B)所示，分别通过位于交叉方向上的框架31a、 31a、...来形成在每个第三集电器30中形成的通孔31、 31、...。如图3的
(C) 所示，根据第三实施例的每个第三集电器30、 30均与布置在各个管 型FC电池10、 10、...的外周表面上的第一集电器35、 35、...接触。由 此，可以经由第三集电器30、 30将经由第一集电器35、 35、...蓄集的电 荷提取至外部。因此，通过将燃料电池模块构造成包括图3所示的燃料电 池组件70，可以提高燃料电池模块的集电效率。如图3的(A)和图3的
(B)所示，第三集电器30包括布置在第三集电器30的轴向中部的翼片 30A，从而例如能够方便地将蓄集的电荷提取至外部。
而且，因为通过交替层叠燃料电池组件71、 71与第三集电器30、 30 来形成燃料电池组件70，所以可以容易地制造图示的燃料电池组件70。
在第三实施例中，已经描述了其中在第三集电器30的轴向中部布置 翼片30A的结构。但是，可以设置该翼片30A的位置并不限于某一特定位 置。此外，已经描述了其中形成狭缝状通孔的栅形第三集电器30。但是， 第三集电器30的形状并不限于栅形。例如，可以使通孔形成为网格形。 图4示意性地示出了具有网格形通孔的第三集电器。
图4是正视图，示意性地示出了第三集电器的构造的示例。如图所
示，第三集电器32包括多个网格形通孔33、 33、...。分别经由位于交叉 方向上的框架33a、 33a、...和位于轴向上的框架33b、 33b、...来形成通孔 33、 33、...。通过这样构造第三集电器32，第三集电器32还可实现在轴 向上蓄集电荷的功能。从而可以进一步提高集电效率。
在第三实施例中，已经描述了其中在第三集电器中设置经由位于几乎 与轴向垂直的交叉方向上的框架形成的通孔的构造。但是，第三集电器的 构造并不限于上述构造。只要满足经由位于与轴向交叉的方向上的框架形 成通孔即可。不过，着眼于有效地提高在交叉方向上的集电效率，优选地 第三集电器包括位于与轴向几乎垂直的交叉方向上的框架。此外，在第三 实施例中，己经描述了具有通孔的第三集电器。但是，与燃料电池组件交 替层叠的第三集电器不一定必需包括通孔。即使第三集电器不包括通孔， 第三集电器也可在与轴向交叉的方向上与多个管型FC接触。由此，与常 规技术相比，可以提高在交叉方向上的集电效率。
此外，根据第三实施例的第三集电器的构成材料并不限于某一特定材 料，只要该材料具有高导电性即可。但是，着眼于提高集电效率，该材料 优选为在FC电池层的层叠方向上的透气材料等。上述材料的具体示例包 括但不限于不锈钢、Ti、 Pt、 Au、 TiC、 TiSi2、 Si02、 B203、 Nd20和 TiB2，以及碳基材料。
图5是外部视图，示意性地示出了根据本发明的燃料电池模块，其包 括根据第二实施例的燃料电池组件72。在图5中，与图2中所示的那些构 成元件相似的构成元件由与用于表示图2中所示的各个构成元件的那些标 号相同的标号来表示，且如果合适将不再对其进行描述。在图5中，箭头 X表示轴向而箭头Y表示交叉方向。在图5中，燃料电池模块的构成元件
被适当地切去或省去以便于理解燃料电池模块的内部结构。在以下描述 中，通常将管型FC电池10A简称为"电池10A"。
如图5所示，根据本发明的燃料电池模块100包括多个燃料电池组件 72、 72、...，每个燃料电池组件72均被构造成包括电池IOA、 IOA、...， 第一集电器35，以及第二集电器41、 41、…。此外，气体分配通道60经
由密封构件80、 80和密封材料81与阳极歧管61和62几乎完全分隔开， 供应至各个电池IOA、 IOA、...的外周表面(阴极)的空气将在气体分配 通道60内流动，而供应至各个电池IOA、 IOA、...的中空部(阳极)的氢 气将在阳极歧管61和62中流动。尽管在图5中未示出，但以与图5所示 密封材料81相同的方式，还在阳极歧管62侧设置密封材料81。在图示的 燃料电池模块100中，通过第一集电器35和第二集电器41来蓄集在各个 电池IOA、 IOA、...的阴极催化剂层中产生的电荷。此外，这样蓄集的电 荷经由连接至第二集电器41、 41、...的阴极集电器53以及连接至阴极集 电器53的阴极输出单元54被提取至外部。此外，在各个电池IOA、 IOA、...的阳极催化剂层中产生的电荷经由设置在各个电池IOA、 IOA、...中的阳极集电器(未示出)被蓄集在阳极集电器51中，并经由连 接至阳极集电器51的阳极输出单元52被提取至外部。
可以理解的是，根据本发明的燃料电池模块100包括如上所述构造的 多个燃料电池组件72、 72、...。由此，通过提高燃料电池组件72、 72、...的集电效率，可以提高燃料电池模块100的集电效率。
为了方便的原因，已经描述了被构造成包括根据第二实施例的燃料电 池组件72、 72、...的燃料电池模块100。但是，根据本发明的燃料电池模 块的构造并不限于上述构造。根据本发明的燃料电池模块可以被构造成包 括根据第一实施例的燃料电池组件71或者根据第三实施例的燃料电池组 件70。如果根据本发明的燃料电池模块包括根据第三实施例的燃料电池组 件70，则例如燃料电池模块可以被构造成使得包括在每个燃料电池组件 70中的每个第三集电器的翼片30A都连接至阴极集电器53。如果根据本 发明的燃料电池模块包括据第一实施例的燃料电池组件71,贝i」例如燃料电 池模块可以被构造成使得第二集电器40连接至阴极集电器53。
另一方面，当燃料电池模块IOO工作时，电池IOA生热。例如如果将 Nafion用作电池10A的电解质膜，则需要将电池10A的温度保持为约 80。C至100。C，使得Nafion表现出良好的质子传导性能。因此，需要通过 适当的方式对电池IOA进行冷却。此外，着眼于例如便于处理包括燃料电 池模块的燃料电池，优选地对电池IOA进行有效冷却。根据本发明，冷却
电池10A的方法并不限于某一特定方法。冷却方法的特定示例包括水冷和 气冷。如果对电池IOA进行水冷，则水冷方式并不限于某一特定方式。但
是，着眼于例如不使用大尺寸设备而有效地冷却电池IOA，优选地燃料电 池模块包括特定比率的冷却管(例如，冷却管对电池IOA的总数量的比率 为1比3)。通过这样构造燃料电池模块，如果通过冷却管使水循环，则 可以有效地冷却包括在燃料电池模块中的电池IOA。在图5中，未示出用 于使冷却水循环的构成元件。
图6和图7是外部视图，示意性地示出了包括根据本发明的燃料电池 模块的燃料电池的结构的示例。图7是图6所示燃料电池的后视图，在图 7中未示出分别设置在侧表面上的网格构件，从而能够便于理解燃料电池 的内部结构。参考图6和图7，将描述根据本发明的燃料电池模块。
如图6和图7所示，通过在外部容器600内容纳多个燃料电池模块 100、 100、...来构造根据本发明的燃料电池1000。在外部容器600的上表 面上设置反应气体(例如，氢气)引入端口 500、反应气体排出端口 510、以及冷却水端口 520。在外部容器600的一对侧表面上分别设置网格 构件550。如果供应至反应气体引入端口 500的气体为氢气，则在穿过网 格构件550的方向上向燃料电池IOOO供应空气。供应至图6所示的网格构 件550之一的空气从设置在外部容器600的后表面上的网格构件(图7中 未示出)排出。通过例如使得从冷却水端口 520供应和排放的水通过包括 在各个燃料电池模块100、 100、...内的冷却管进行循环的方法，来控制当 这样构造的燃料电池1000工作时发热的各个燃料电池模块100、 100、... 的温度。
如可理解的，根据本发明的燃料电池1000包括多个燃料电池模块 100、 100、...。由此，通过提高各个燃料电池模块100的集电效率，可以
提高燃料电池iooo的集电效率。
以下将描述用于形成燃料电池模块和包括在燃料电池中的管型FC电 池的构成元件的材料及其构造。
在根据本发明的管型FC电池中，用于形成电解质膜、阳极催化剂 层、阴极催化剂层、阳极集电器、以及阴极集电器的材料并不限于某些特
定材料，只要这些材料可通过电化学反应产生电能即可。
用于形成根据本发明的管型FC电池的电解质膜的材料(以下称为 "电解质材料")的具体示例可以包括氟基离子交换树脂膜、诸如碳氢化
合物树脂(以amidic树脂为代表)之类的有机电解质成分、以及主要包括 氧化硅等的无机电解质成分。为了方便地形成电解质膜，特别优选的电解 质材料是主要包括氧化硅的无机电解质成分。如果使用无机电解质成分作 为根据本发明的电解质材料，电解质成分的具体示例可包括管型电解质膜 以及管型磷酸盐玻璃涂覆膜，其中通过将多孔玻璃形成管型，对具有纳米 孔的内表面进行再成形，并使得该管具有质子传导性能，来获得上述管型 电解质膜。
根据本发明的阳极催化剂层和阴极催化剂层(以下简称为"催化剂 层")的材料并不限于某一特定材料，只要该材料包含起电化学反应的催 化剂的作用的物质即可(例如，支撑铂的碳(platinum-supported carbon)，其中铂颗粒被碳颗粒支撑，以下称为"催化剂物质")。例 如，催化剂层的材料可以包含催化剂物质以及增强催化剂物质的使用效果 的质子传导物质。可以包括在根据本发明的催化剂层中的质子传导物质的 具体示例可包括上述全氟化碳磺酸盐聚合物。此外，根据本发明的催化剂 物质的具体示例可以包括其中催化剂成分被诸如碳材料(例如，碳质颗粒 或碳质纤维)之类的导电材料支撑的物质。
利用包括根据本发明的管型FC电池的燃料电池，可以使每单位体积 的电极面积大于平板型FC的情况。因此，即使与适用于平板型FC的催化 剂成分的铂相比，使用了具有更低催化活性的催化剂成分，也可以获得具 有较高的每单位体积输出密度的燃料电池。由此，根据本发明的催化剂成 分并不限于某一特定催化剂成分，只要该成分在阳极处的氢气氧化反应以 及阴极处的氧气还原反应中具有催化活性即可。催化剂成分的具体示例可 以包括诸如Pt、 Ru、 Ir、 Rh、 Pd、 Os、 W、 Pb、 Fe、 Cr、 Co、 Ni、 Mn、 V、 Mo、 Ga和Al之类的单一金属以及包含这些金属元素其中一种的合 金。为了提高每单位体积的输出密度，优选地使用铂和/或铂合金作为催化 剂成分。
此外，根据本发明的阳极集电器的形式并不限于某一特定形式。阳极 集电器的形式的具体示例可以包括弹簧形式、其中在管的壁表面中形成穿 过该壁表面的许多孔的形式、其中管的壁表面是网孔表面的形式、以及其 中多个线性导体被布置在中空MEA的外周表面的轴向的形式。为了提高 集电效率，阳极集电器优选为弹簧集电器。
为了方便起见，已经描述了不具有扩散层的管型FC电池。但是，根
据本发明的管型FC的构造并不限于以上描述的那些。根据本发明的管型 FC可以包括位于MEA与集电器之间的扩散层。
此外，已经描述了其中氢气被供应至管型FC电池的内侧而空气被供 应至其外侧的结构。但是，本发明并不限于上述结构。空气(氧基气体) 和氢气(氢基气体)可以分别被供应至管型FC电池的内侧和外侧。 工业应用性
如上所述，根据本发明的燃料电池模块和包括该燃料电池模块的燃料 电池可以适当地用作蓄电池车辆或便携电源的能量源。
权利要求
1.一种燃料电池模块，包括平行排列的多个管型燃料电池；和第一集电器，其中由所述第一集电器在平面图中与所述管型燃料电池的轴向交叉的方向上编织所述多个管型燃料电池。
2. 根据权利要求1所述的燃料电池模块，还包括第二集电器，其与 所述多个管型燃料电池平行地布置，其中由所述第一集电器在所述平面图中与所述管型燃料电池的所述轴 向交叉的所述方向上编织所述多个管型燃料电池和所述第二集电器。
3. 根据权利要求2所述的燃料电池模块，其中所述第二集电器布置在所述多个管型燃料电池的阵列的端部。
4. 根据权利要求2所述的燃料电池模块，其中所述第二集电器与所述多个管型燃料电池平行并交替地布置。
5. 根据权利要求1至4中任一项所述的燃料电池模块， 其中所述第一集电器是可透气的。
6. 根据权利要求2至5中任一项所述的燃料电池模块，还包括与所 述第一集电器接触的第三集电器，其中由所述第一集电器编织的所述多个管型燃料电池和所述第二集电 器与所述第三集电器交替地层叠。
7. 根据权利要求6所述的燃料电池模块， 其中所述第三集电器是栅形或网格形平板。
8. —种燃料电池，包括根据权利要求1至7中任一项所述的燃料电池 模块。
全文摘要
本发明公开了一种管型燃料电池模块，其包括能够提高集电效率的管型燃料电池，并公开了一种包括该燃料电池模块的燃料电池。燃料电池模块(100)包括平行排列的多个管型燃料电池(10A、10A、...)和第一集电器(35)，其中由所述第一集电器(35)在平面图中在与所述管型燃料电池(10A，10A，...)的轴向交叉的方向上编织所述管型燃料电池(10A、10A、...)。
文档编号H01M8/02GK101116216SQ20068000418
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