专利名称：用于管状燃料电池的膜电极组件和管状燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于管状燃料电池的膜电极组件，其用在管状燃料电池中，以及管状燃料电池，其能够通过以管状形成而降低成本并做得致密。
背景技术：
单元电池，其为质子交换膜燃料电池(PEMFC)的最小发电单元，典型地具有膜电极组件，其中，催化剂电极层结合到固体电解质膜的两侧。气体扩散层布置在这个膜电极组件的两侧。进一步，具有气流路径的隔离物布置在气体扩散层外面。供应膜电极组件的催化剂电极层的燃料气体和氧化剂气体然后穿过气体扩散层，并且通过生成的电力所获得的电流然后被传输到电池外面。
夹在单个电池之间的隔离物用来当电池堆叠在一起时防止进入燃料电极的燃料气体(例如氢)与进入空气电极的氧化剂气体(例如空气)混合。隔离物还充当电子导体，用于将两个电池串联连接在一起。通过以下制造用于发电的燃料电池将必要数目的单个电池堆叠在一起以组装燃料电池堆，然后集成用于供应燃料和氧化剂气体的装置以及控制装置等等。
然而，使用上述现有技术的质子交换膜燃料电池(PEMFC)的结构，隔离物，亦即既用于防止单独的单个电池之间的反应气体混合又用于将单个电池电连接在一起的部件，是必要的。因为固体聚合物电解质膜由于磺基(其为离子交换基)的性质而展示了酸性，所以隔离物必须既耐酸又导电。因此，使用碳材料或钛材料。这些材料都难以机械加工并且昂贵，这增加了燃料电池主要单元的成本。
并且，在像如上所述那样的平面燃料电池结构中，即使适合于这样的设计，其中，具有大面积的若干电极(亦即燃料电极和空气电极)堆叠起来，燃料电池也不能做得致密。这样一来，在需要致密度的情况下，像例如将燃料电池安装在机动车中那样，问题就可能发生。
为了解决这种问题，已提议了管状燃料电池(见JP(A)2002-289220、JP(A)2002-124273和JP(A)2002-260685)。这种管状燃料电池不需要隔离物，并且因此有利的地方在于，成本能够降低，而且燃料电池能够做得致密。
然而，在这种管状燃料电池中，有必要使生成的电子在管的轴线方向上流动。除非提供能够使电子在轴线方向上平稳地流动的集电器(collector)，效率将降低。
同样，当尝试使用事先已以管状形成的固体电解质膜来形成用于管状燃料电池的膜电极组件时，当尝试使用管状导体形成集电器时，用于内部集电器的外径和外部集电器的内径的尺寸必须极其精确。进一步，在这种情况下，安装内部集电器和外部集电器的过程极其麻烦和复杂。
考虑到前述问题，本发明的目标是提供管状燃料电池和用于管状燃料电池的膜电极组件，其具有这样的集电器，所述集电器在管的轴线方向上具有良好的集电效率，不需要高尺寸精确性，并且相对易于安装。
发明内容
为了实现前述目标，本发明因而提供了用于管状燃料电池的膜电极组件(在下文中也被称为“膜电极组件”)，其设有管状固体电解质膜；外部催化剂电极层，其形成在所述固体电解质膜的外周表面上；内部催化剂电极层，其形成在所述固体电解质膜的内周表面上；外部集电器，其布置在所述外部催化剂电极层的外周表面上；以及内部集电器，其布置在所述内部催化剂电极层的内周表面上，所述膜电极组件特征在于，所述外部集电器和所述内部集电器中的至少一个是包括螺旋导体(coiled conductor)的螺旋集电器。
根据本发明，外部集电器和内部集电器中的至少一个是包括螺旋导体的螺旋集电器。结果，管的轴线方向上的集电功能高。此外，能够通过缠绕线圈而改变线圈的内外径，这样一来就使作为集电器安装更容易。进一步，形状不必那么精确。另外，因为使用上述方法安装，所以在安装之后，外部集电器将紧固力施加到内部，内部集电器将膨胀力施加到外部，这两者增加了与催化剂电极层的接触，从而使维持极高的集电效率成为可能。
同样，外部集电器和内部集电器两者都可以使用包括螺旋导体的螺旋集电器。
进一步，根据本发明的用于管状燃料电池的膜电极组件可以用在管状燃料电池中，其使用管状固体电解质膜，并且可以通过由耐腐蚀的金属制成的螺旋形的盘条(wire rod)形成。
同样，在根据本发明的用于管状燃料电池的膜电极组件中，外部集电器和内部集电器中的至少一个可以与催化剂电极层集成。
进而，根据本发明的管状燃料电池可以使用上述用于管状燃料电池的膜电极组件。
因为使用了上述用于管状燃料电池的膜电极组件，所以根据本发明的管状燃料电池有利之处在于，它既便宜，又因为管的轴线方向上的良好集电效率而具有极好的发电效率。
使用根据本发明的用于管状燃料电池的膜电极组件，管的轴线方向上的集电功能高，并且在生产期间易于安装集电器。此外，集电器的形状不需要那么精确。这样一来，根据本发明的膜电极组件有利之处就在于，它使得可以改善使用膜电极组件的燃料电池的发电效率，并且能够便宜地制造。
图1是示意性显示根据本发明的膜电极组件的一个例子的方框图；图2是示意性显示如何使用根据本发明的膜电极组件的例子的透视图；图3是显示根据本发明的燃料电池的例子的平面图；图4是显示根据本发明的燃料电池的例子的底视图；图5是显示根据本发明的燃料电池的例子的截面图；图6是显示根据本发明的燃料电池的上支撑板上的端子和内部集电器的连接的平面图；图7是显示根据本发明的燃料电池的上支撑板上的端子和内部集电器的连接的截面图；图8是显示根据本发明的燃料电池的下支撑板上的端子和外部集电器的连接的平面图；以及图9是显示根据本发明的燃料电池的下支撑板上的端子和外部集电器的连接的截面图。
具体实施例方式
本发明包括用于管状燃料电池的膜电极组件、用于管状燃料电池的集电器、以及管状燃料电池。这些中的每一个将在下文中详细地描述。
A.用于管状燃料电池的膜电极组件1.第一实施例根据本发明的第一示范性实施例的用于管状燃料电池的膜电极组件是这样的用于管状燃料电池的膜电极组件，其设有管状固体电解质膜；外部催化剂电极层，其形成在所述固体电解质膜的外周表面上；内部催化剂电极层，其形成在所述固体电解质膜的内周表面上；外部集电器，其布置在所述外部催化剂电极层的外周表面上；以及内部集电器，其布置在所述内部催化剂电极层的内周表面上。所述膜电极组件特征在于，所述外部集电器和所述内部集电器中的至少一个是包括螺旋导体的螺旋集电器。
图1是显示根据这个示范性实施例的膜电极组件的例子的视图，其中，图1(a)是管状膜电极组件在轴线方向上的横截面的垂直截面图，而图1(b)则是圆周方向上的横截面(沿着线A-A'截取)的水平截面图。如图1所示，这个例子的膜电极组件包括管状固体电解质膜1；外部催化剂电极层2，其形成在固体电解质膜1的外圆周侧；内部催化剂电极层3，其形成在固体电解质膜1的内圆周侧；外部集电器4，其由螺旋形的盘条制成，布置在外部催化剂电极层2的外周表面上；以及内部集电器5，其由螺旋形的盘条制成，布置在内部催化剂电极层3的内周表面上。
这个示范性实施例的膜电极组件具有以下巨大优点，因为它为了集电器以这种方式使用了由螺旋形的盘条制成的螺旋集电器。
首先，因为每个集电器由单个螺旋形的盘条制成，其在轴线方向上从一个端部向另一个端部延伸，所以轴线方向上的集电效率极高，这使在燃料电池中使用时改善发电效率成为可能。
进一步，因为集电器呈线圈状，所以当用作内部集电器时，例如，能够通过在闭合方向上(亦即逆着弹力)缠绕线圈来减少线圈的外径。结果，当安装螺旋集电器时，能够在已以这种方式减少集电器的外径之后将集电器插入到催化剂电极层的内部，其有利之处在于使安装极其容易。同样，通过调整缠绕角度，能够在某种程度上改变螺旋集电器的外径。因此螺旋集电器的外径不必那么精确，这使得可以降低成本。
此外，当螺旋集电器然后返回到其初始状态时，在螺旋集电器外径膨胀的方向上施加力，从而以这样的状态固定螺旋集电器对着内部催化剂电极层以预定的反作用力推压。结果，集电效率能够保持得极高，这使在燃料电池中使用时增加发电效率成为可能。
另一方面，当螺旋集电器用于外部集电器时，能够通过在松散方向上(亦即膨胀方向)缠绕线圈来使线圈的内径更大。结果，当安装螺旋集电器时，能够在已以这种方式扩大集电器的内径之后，将螺旋集电器安装到外部催化剂电极层的外周表面，亦即，其中外部催化剂电极层形成在管状固体电解质膜的外周表面上的层压体能够插入到螺旋集电器的内部中，其有利之处在于使安装极其容易。同样，通过调整缠绕角度，能够在某种程度上改变螺旋集电器的内径。因此螺旋集电器的内径不必那么精确，这使得可以降低成本。
同样，当螺旋集电器然后返回到其初始状态时，在螺旋集电器内径减少的方向上施加力，从而以这样的状态固定螺旋集电器对着外部催化剂电极层以预定的反作用力推压。结果，集电效率能够保持得极高，这使在燃料电池中使用时增加发电效率成为可能。
这种类型的膜电极组件的各个结构将在下文中详细地描述。
(1)螺旋集电器这个示范性实施例中使用的螺旋集电器没有特别地限制，只要它具有以线圈的形状形成的导电盘条。然而，考虑到它要被使用的环境，优选地，螺旋集电器具有良好的耐腐蚀性，并且没有负面影响催化剂电极层中的反应。同样，因为优选地螺旋集电器在通过如上所述的安装方法安装之后，能够以预定的力推压催化剂电极层，所以螺旋集电器优选地具有某种程度的弹性。考虑到这些要点，耐腐蚀的金属是优选的。具体地，钛、金和铂等是优选的材料。关于这些，钛在成本方面是优选的材料。
这种螺旋集电器也能够仅用于外部集电器或仅用于内部集电器。然而，其中外部集电器和内部集电器两者都是螺旋集电器的结构是优选的。
(2)固体电解质膜下一步，将描述示范性实施例中使用的固体电解质膜。本发明中使用的固体电解质膜没有特别地限制，只要它呈管状，并且具有这样的材料，所述材料具有极好的质子传导性，而且通过其电流不能流动。
更加具体地，平面结构的燃料电池的当前固体电解质膜的例子包括通用氟化树脂，诸如全氟磺酸聚合物(杜邦的专有商标NafionTM)等等之类，以及烃类树脂，诸如具有质子传导基的聚酰亚胺之类，形成为管状，等等。
同样，无机固体电解质膜的例子包括这样的管状固体电解质膜，其中，多孔玻璃被形成为管状，纳米孔内部的表面被改造，并且被赋予质子传导性；以及这样的固体电解质膜，已向其应用了管状磷酸玻璃。使用上述多孔玻璃的固体电解质膜的例子包括通过下述方法获得的固体电解质膜引入具有质子传导性的磺基，使mercaptopropyltrimetoxysilan的硅烷偶联剂与多孔玻璃中的孔的内表面的OH基起反应，然后氧化巯基的-SH，例如(Chemical and Chemical Industry JP，Vol.57，No.l(2004)，pp.41 to 44)，等等。同样，已向其应用了磷酸玻璃的固体电解质膜的例子包括Fuel Cell Vol.3，No.3，2004，pp.69 to71中披露的例子。
(3)外部催化剂电极层和内部催化剂电极层最后，将描述这个示范性实施例中使用的外部催化剂电极层和内部催化剂电极层。这个示范性实施例中使用的催化剂电极层能够与用于常规的用于具有平面结构的燃料电池的膜电极组件的催化剂电极层相同。更加具体地，催化剂电极层包括质子传导材料，诸如全氟磺酸聚合物(杜邦的专有商标NafionTM)等等之类；导电材料，诸如碳黑或碳纳米管之类；以及催化剂，诸如铂之类，携带在该导电材料上。
2.用于管状燃料电池的膜电极组件根据本发明的用于管状燃料电池的膜电极组件通过以下用作燃料电池将用于管状燃料电池的多个膜电极组件11排列成行，并且通过内部集电器的内部传递空气，围绕外部集电器的外部传递氢气，例如如图2所示，或者相反地，通过内部集电器的内部传递氢气，并且围绕外部集电器的外部传递空气，这与图2中显示的相反，同时用于管状燃料电池的膜电极组件11的内部集电器(未显示)和外部集电器(同样未显示)全都连接到外部端子。
B.用于管状燃料电池的集电器下一步，将描述根据本发明的用于管状燃料电池的集电器。根据本发明的用于管状燃料电池的集电器特征在于，它用在这样的管状燃料电池中，所述管状燃料电池使用管状固体电解质膜，并且通过由耐腐蚀的金属制成的螺旋形的盘条形成。
本发明的用于管状燃料电池的集电器与如上面的部分“用于管状燃料电池的膜电极组件”之下的“螺旋集电器”所描述的那样相同，所以其描述将被省略。
C.管状燃料电池最后，将描述本发明的管状燃料电池。本发明的管状燃料电池特征在于，它使用了如上所述的用于管状燃料电池的膜电极组件。
这样的本发明的管状燃料电池将在下文中参考附图来描述。
图3、4和5显示了本发明的管状燃料电池的例子，其中，图3是顶视图，图4是底视图，而图5则是截面图。这个例子显示了这样的管状燃料电池，其使用螺旋集电器既用于内部集电器又用于外部集电器。如图3到5所示，这个例子的管状燃料电池是这样的用于管状燃料电池的多个膜电极组件11相互平行地直立在下支撑板12和上支撑板13之间，并且连接并支撑下支撑板12和上支撑板13的支持物14布置在4个角落处。
在管状燃料电池的上支撑板13处，用于管状燃料电池的膜电极组件11的内部集电器5，在内部集电器5的上端处经由焊接15连接到上端子16，如图6和7所示。在下支撑板12处，用于管状燃料电池的膜电极组件11的外部集电器4，在外部集电器4的下端处经由焊接15连接到下端子17，如图8和9所示。
在这个例子显示的管状燃料电池中，通过未显示的气体供应装置，将氢气供应到膜电极组件11的内部，并且将空气供应到其外部。结果，电子被供应到内部集电器5，以致于内部集电器5连接到其的上端子16用作负电极，并且外部集电器4连接到其的下端子17用作正电极。
本发明的管状燃料电池具有良好的集电效率，因为它具有这样的膜电极组件，其中，如上所述的螺旋集电器既用于外部集电器又用于内部集电器，并且膜电极组件提供了集电器和催化剂电极层之间的良好接触。这样一来，本发明的管状燃料电池，其具有多个这种膜电极组件，就具有极好的发电效率。
本发明并不限于前述示范性实施例。示范性实施例只是例子。任何与全部的各种修改和等价布置，其具有与用于本发明专利的权利要求的范围中披露的技术方面本质上相同的结构，并且显示了相同的操作和效果，在本发明的技术范围之内。
例如，在前述描述中，外部催化剂电极层和外部集电器，并且进一步，内部催化剂电极层和内部集电器，被描述为不同的结构。然而，本发明同样包括这样的结构，其中，集电器和催化剂电极层是集成的，并且其具有两者的功能，诸如携带催化剂的碳管形成在其集电器上的情况下那样。
权利要求
1.一种用于管状燃料电池的膜电极组件(11)，包括管状固体电解质膜(1)；外部催化剂电极层(2)，其形成在所述固体电解质膜(1)的外周表面上；内部催化剂电极层(3)，其形成在所述固体电解质膜(1)的内周表面上；外部集电器(4)，其布置在所述外部催化剂电极层(2)的外周表面上；以及内部集电器(5)，其布置在所述内部催化剂电极层(3)的内周表面上，其特征在于，所述外部集电器(4)和所述内部集电器(5)中的至少一个是包括螺旋导体的螺旋集电器。
2.根据权利要求1所述的用于管状燃料电池的膜电极维件(11)，其中，所述外部集电器(4)和所述内部集电器(5)两者都是螺旋集电器，其中的每一个都包括螺旋导体。
3.根据权利要求1或2所述的用于管状燃料电池的膜电极组件(11)，其中，所述外部集电器(4)和所述内部集电器(5)中的至少一个与催化剂电极层集成。
4.根据权利要求1到3中任何一项所述的用于管状燃料电池的膜电极组件(11)，其中，所述外部集电器(4)和所述内部集电器(5)中的至少一个是耐腐蚀的金属。
5.一种管状燃料电池，其特征在于，它使用了根据权利要求1到4中任何一项所述的用于管状燃料电池的膜电极组件(11)。
全文摘要
一种用于管状燃料电池的膜电极组件(11)，其设有管状固体电解质膜(1)；外部催化剂电极层(2)，其形成在所述固体电解质膜(1)的外周表面上；内部催化剂电极层(3)，其形成在所述固体电解质膜(1)的内周表面上；外部集电器(4)，其布置在所述外部催化剂电极层(2)的外周表面上；以及内部集电器(5)，其布置在所述内部催化剂电极层(3)的内周表面上，其特征在于，所述外部集电器(4)和所述内部集电器(5)中的至少一个是包括螺旋导体的螺旋集电器。
文档编号H01M8/12GK1965430SQ200580019092
公开日2007年5月16日 申请日期2005年6月9日 优先权日2004年6月11日
发明者中西治通, 村田成亮, 林宏明, 星野正人, 小塚清实 申请人:丰田自动车株式会社, 株式会社槌屋