專利名稱：燃料電池用中空狀膜電極組件以及中空型燃料電池的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及燃料電池用中空狀膜電極組件，其通過形成為中空形狀， 實現(xiàn)了成本的降低和尺寸的減小。
本發(fā)明還涉及包含這樣的膜電極組件的中空型燃料電池，更具體地涉 及能夠提高膜電極組件的熱交換效率的中空型電池。
背景技術：
作為傳統(tǒng)的固體聚合物電解質(zhì)燃料電池(此后，其可被簡稱為燃料電 池)，主要開發(fā)的是平面狀微電池，其中，所述平面狀微電池通過如下方 法來制造將作為陽極的和陰極的催化層分別布置在平面狀固體聚合物電 解質(zhì)膜的一個表面上和另一個表面上，將氣體擴散層分別布置在所得的平 面狀膜電解質(zhì)組件(一個組件包括電解質(zhì)膜和兩個電極層)的兩側(cè)上，并 將該組件置于平面狀的隔離物之間。微電池是燃料電池的最小的發(fā)電單 元，并且通過將多個這樣的平面狀微電池層疊得到燃料電池疊層。
為了提高固體聚合物電解質(zhì)燃料電池的功率密度，具有非常薄的膜厚 度的質(zhì)子傳導聚合物膜被用作固體聚合物電解質(zhì)膜。膜厚度通常為10 /mi 或者更小，并且雖然更薄的電解質(zhì)膜被用于提高功率密度，但是微電池的 厚度不能被極端地減小到常規(guī)厚度以下。類似地，催化層、氣體擴散層、 隔離物等也發(fā)生厚度減小。但是，即使將所有構件的厚度減小，每單位體 積的功率密度的提高也是有限的。因此，將來對于緊湊尺寸的要求可能得 不到充分滿足。
作為上面提高的隔離物，通常使用的是具有優(yōu)異的耐腐蝕性的片狀碳 材料。碳材料本身很昂貴。此外，隔離物的表面常常要進行精細加工，用 于形成將作為氣體通道的溝槽，以便在平面狀膜電極組件(電解質(zhì)膜和電 極層的組件)的整個面上均一地供應燃料氣體和氧化氣體。因此，由于這
樣的精細加工，隔離物變得過分昂貴，并且提高了燃料電池的制造成本。
除了上述的問題之外，平面狀微電池還具有許多問題，諸如，對于被 層疊的多個微電池的周邊的安全密封(為了防止燃料氣體和氧化氣體從上 述的氣體通道泄漏)在技術上是困難的；由于平面狀膜電極組件(電解質(zhì) 膜和電極層的組件)的扭曲或變形而導致發(fā)電效率下降。
例如，為了減小上述的燃料電池的尺寸并且為了提高每單位體積的用 于發(fā)電的反應面積(與功率密度相關)，必須對燃料電池的上述所有組成 構件進行厚度減小。但是，在具有平面狀結構的傳統(tǒng)燃料電池中，從功能 和強度方面來看，將每個構成部件的厚度減小到特定值以下不是優(yōu)選的并 且靠近了器設計極限。例如，存在如下問題，厚度在特定值以下的通用
Nafion (產(chǎn)品名，由Dupont制造)具有太高的氣體滲透率，并且產(chǎn)生氣體 交叉泄漏而導致發(fā)電電壓降低。因此，在具有平面狀結構的傳統(tǒng)燃料電池 中，將每單位體積的功率密度提高到一定的水平在結構上是困難的。
因此，人們研究了通過使用中空狀(例如管狀)膜電極組件構成燃料 電池，來提高功率密度，其中，電極層等被層疊在用于中空狀微型單元
(此后可簡稱為中空狀單元)的中空纖維的內(nèi)外表面上。較之具有平面狀 結構的傳統(tǒng)燃料電池，這樣的中空狀膜電極組件和使用其的中空電池通過 緊密地布置大量具有小的直徑的管，可以顯著提高每單位體積的功率密度
(參見日本專利申請?zhí)亻_(JP-A) No. 2002-124273和JP-A No. Hei 7 (1995)-296840)。
這樣的包括中空狀單元的燃料電池不需要相當于用于平面狀微電池的 隔離物的構件，因為電池中的中空起到了氣體通道的作用。而且，因為不 同類型的氣體分別被供應到中空狀單元的內(nèi)表面和外表面上方，所以不必 形成額外的氣體通道。因此，可以降低生產(chǎn)成本。此外，因為微電池具有 三維形狀，所以較之平面狀微電池，可以增大相對于體積的比表面積，并 且預期可以提高單位體積的發(fā)電功率密度。
目前，人們進行了各種嘗試來提高這樣的管狀膜電極組件和使用其的 中空狀單元的每單位體積的功率密度。
為了獲得期望的輸出電壓和電流，采用中空狀單元的燃料電池具有如
下的結構，其中，多個中空狀單元被電連接，并與集電器材料一起制成模 塊(一組中空狀單元)，并且兩個或者更多個模塊被串聯(lián)和/或并聯(lián)。
在這樣的模塊中，與中空狀單元并列地布置足夠數(shù)量的熱交換構件 (此后，可以簡稱為"冷卻管")，用于冷卻/加熱中空狀單元。
這是因為與包括具有平面狀的膜電極組件的微電池相似，電解質(zhì)的類 型允許中空狀單元確定最適合電化學反應的溫度范圍(例如，在全氟碳磺 酸膜的情況下，該溫度為約IO(TC)。為了提高發(fā)電性能，要對中空狀單 元進行冷卻，以將電池的溫度固定在預定的溫度范圍來。另一方面，從提 高燃料電池在低溫下的啟動性能的觀點來看，在燃料電池啟動時需要對中
空狀單元進行加熱。例如，PCT國際申請No. 2004-505417的日文翻譯公 開了如下技術，其中，捆綁多個中空狀單元(微電池)以形成模塊化的電 化學電池組件，并且將管狀導電管與電池束并列布置并將其布置在電池束 之間。根據(jù)該文件，該技術可以允許將大量的由微電池束產(chǎn)生的熱轉(zhuǎn)走。
在模塊的兩端設置氣體歧管和冷水歧管，所述氣體歧管用于將氫氣供 應到中空狀單元的中空中，所述冷水歧管用于將加熱介質(zhì)供應到熱交換構 件中。此外，設置電流集電器構件，用于收集在每一個中空狀單元處產(chǎn)生 的電荷。在入口側(cè)通過氣體歧管供應到模塊的氫被用于電化學反應，同時 通過每一個中空狀單元的中空中的通道。沒用用于電化學反應的氫等通過 出口側(cè)的氣體歧管收集。對中空狀單元與每一個歧管接觸的部分進行密 封，其被稱為密封部分。燃料電池具有如下結構，其中，只有密封部分支 撐中空狀單元，使得密封部分承載中空狀單元的全部重量。而且，密封部 分通常受到由于中空狀單元和歧管之間的熱膨脹的差異導致的扭曲的影 響。由于這些原因，存在密封部分特別容易破裂的溫度。
在傳統(tǒng)的燃料電池中，如上所舉例說明的，多個具有與熱交換構件相 同長度的線型中空狀單元被并列布置。當一個線型中空狀單元由于密封部 分的損壞而破裂時或者由于導致氣體泄漏的其它任何事故，包含被損壞的 中空狀單元的模塊變?yōu)椴豢墒褂玫摹榱吮苊膺@樣的問題，減少單位電池 體積的密封部分的數(shù)量是有效的。
通過將每一個中空狀單元的長度制造得更長由此減少中空狀單元的數(shù)
量，可以減少單位電池體積的密封部分的數(shù)量。但是，存在這樣的問題， 即，當將中空狀單元制造得更長同時保持線型形式時，難以處置中空狀單 元，并且中空狀單元沿軸向的中間部分的強度變得不穩(wěn)定。
考慮到上述的情況完成了本發(fā)明，并且本發(fā)明的主要目的是提供燃料 電池用中空狀膜電極組件，其能夠提高每單位體積的功率密度并且容易處 置。
本發(fā)明的另一個目的是提供使用能夠提高每單位體積的功率密度的燃 料電池用中空狀膜電極組件的燃料電池，其中，單位電池體積的密封部分 的數(shù)量可以被減少，而不會犧牲對使用中空狀膜電極組件的中空狀單元的 處置的容易性以及中空狀單元的沿軸向的中間部分的強度。

發(fā)明內(nèi)容
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了 一種燃料電池用中空狀膜電極組 件，包括中空狀的固體電解質(zhì)膜，形成在所述固體電解質(zhì)膜的外周表面 上的外電極層以及形成在所述固體電解質(zhì)膜的內(nèi)周表面上的內(nèi)電極層，其 中，所述燃料電池用中空狀膜電極組件被形成為螺旋形狀。
因為本發(fā)明的燃料電池用中空狀膜電極組件(此后，其可簡稱為"膜 電極組件")被形成為螺旋形狀，所以其可以在給定空間中緊密布置。由 此，可以顯著增大每單位體積的電極面積，由此當用作燃料電池時可以提 高每單位體積的功率密度。
具體地，在本發(fā)明中，膜電極組件被形成為螺旋形狀，因此，膜可以 在給定空間中被均一地并且緊密地布置。
而且，在本發(fā)明中，優(yōu)選的是，所述燃料電池用中空狀膜電極組件具 有布置在所述外電極層的外周表面上的外電流集電器和布置在所述內(nèi)電極 層的內(nèi)周表面上的內(nèi)電流集電器。因而，可以改善形成為螺旋形狀的膜電 極組件的電流收集性能。
而且，在本發(fā)明中，優(yōu)選的是，所述中空狀固體電解質(zhì)膜是管狀的固 體電解質(zhì)膜。
此外，本發(fā)明提供了一種中空型燃料電池，包括使用上述的燃料電池
用中空狀膜電極組件的中空狀單元。通過使用所述膜電極組件形成燃料電 池，可以獲得具有高的每單位體積的功率密度的燃料電池。
而且，優(yōu)選的是，本發(fā)明的中空型燃料電池還包括棒狀構件，并且所 述中空狀單元以螺旋纏繞方式圍繞所述棒狀構件的外側(cè)布置。通過這樣的 結構，可以提供其中模塊可以被容易地處置并且可以避免對密封部分的損 壞的燃料電池，同時使得每一個中空狀單元的長度更長并且減少了每單位 體積的密封部分的數(shù)量。
在本發(fā)明的包括所述棒狀構件的中空型燃料電池中，優(yōu)選的是，所述 中空狀單元和所述棒狀構件的接觸長度較所述棒狀構件的總長度長1.5 — 10倍。
而且，在本發(fā)明的包括所述棒狀構件的中空型燃料電池中，優(yōu)選的 是，所述棒狀構件是用于控制所述中空狀單元的溫度的熱交換構件。
而且，在本發(fā)明的包括所述棒狀構件的中空型燃料電池中，優(yōu)選的 是，所述棒狀構件具有導電性，并且充當形成在所述固體電解質(zhì)膜的外周 表面上的外電極層的電流集電器。
而且，在本發(fā)明的包括所述棒狀構件的中空型燃料電池中，優(yōu)選的 是，所述棒狀構件是所述熱交換構件，并且充當所述電流集電器。
而且，在本發(fā)明的包括所述棒狀構件的中空型燃料電池中，優(yōu)選的 是，加熱介質(zhì)在所述熱交換構件內(nèi)部流動，并且所述熱交換構件的接觸所 述加熱介質(zhì)的內(nèi)表面的至少一部分由具有電絕緣性的材料制成。
而且，在本發(fā)明的包括所述棒狀構件的中空型燃料電池中，優(yōu)選的 是，在所述棒狀構件的外周表面上形成氣體通道。
本發(fā)明的膜電極組件的效果是，可以增大每單位體積的電極面積并且 可以提高每單位體積的功率密度。
此外，在中空狀單元以螺旋纏繞方式圍繞棒狀構件布置的實施例中， 中空狀單元的螺旋形式可以被更穩(wěn)定地保持，以避免將過多的重量施加到 中空型燃料電池的兩端處的密封部分。因而，可以提供如下的燃料電池， 其包括長度增加并且每單位體積的密封部分的數(shù)量減少的中空狀單元，并 且由此能夠避免對密封部分的損壞。
此外，在棒狀構件充當熱交換構件和導電材料的實施例中，可以減少 部件的數(shù)量并且減小模塊(一組中空狀單元)的尺寸。


在附圖中，
圖1是示出了本發(fā)明的膜電極組件的實例的示意性透視圖2是示出了本發(fā)明的管狀膜電極組件的垂直于軸的面的實例的示意
性透視圖3是示出了本發(fā)明的膜電極組件的尺寸的實例的說明性視圖； 圖4是示出了本發(fā)明的膜電極組件的另一個實例的示意圖； 圖5是示出了本發(fā)明的中空狀單元和棒狀構件的一個實施例的示意性 透視圖6是示出了本發(fā)明的中空狀單元和棒狀構件的一個實施例的示意性 透視圖7是示出了本發(fā)明的中空狀單元和棒狀構件的一個實施例的示意性 透視圖8是示出了本發(fā)明的中空狀單元的一個實施例的剖視圖； 圖,9是示出了本發(fā)明的中空狀單元的一個實施例的示意性透視圖； 圖IO是示出了本發(fā)明的棒狀構件的一個實施例的透視圖； 圖ll是示出了本發(fā)明的棒狀構件的一個實施例的透視圖； 圖12是示意性地示出了本發(fā)明的模塊(一組中空狀單元)的一個實 施例的外部視圖13是示意性地示出了本發(fā)明的包含模塊(一種中空狀單元)的燃 料電池的一個實施例的外部視圖14是示意性地示出了本發(fā)明的包含模塊(一種中空狀單元)的燃 料電池的一個實施例的外部視圖；以及
圖15是示出了傳統(tǒng)的管狀膜電極組件的一個實施例的示意性透視圖。
每一個附圖中的標號是指1:膜電極組件，2:內(nèi)電流集電器，3: 內(nèi)電極層，4:固體電解質(zhì)膜，5:外電極層，6:外電流集電器，7:中空 內(nèi)部的通道，10:棒狀構件(熱交換構件)，11:中空狀單元，12:橫向 氣體通道，13:軸向氣體通道，14:加熱介質(zhì)通道，90:熱交換構件(冷
卻管)，91:中空狀單元，92:內(nèi)電流集電器，98a和98b:氣體歧管， 99a和99b冷水歧管，100:中空型模塊，500:反應氣體入口， 510:反應
氣體出口， 520:冷卻水入口/出口， 600:盒，以及601:中空型燃料電池。
具體實施方式
<第一實施例>
本發(fā)明的第一實施例涉及形成為螺旋形的管狀燃料電池用膜電極組件 以及使用其的管型燃料電池。此后，將單獨描述膜電極組件和燃料電池。
A.燃料電池用中空狀膜電極組件
首先將描述根據(jù)本發(fā)明的燃料電池用中空狀膜電極組件。 本發(fā)明的膜電極組件的特征在于，其被形成為螺旋形。此后，將參考
附圖具體地描述本發(fā)明的這樣的膜電極組件。
圖1是示出了本發(fā)明的膜電極組件的實例的示意性透視圖。如圖l所
示，本發(fā)明的膜電極組件1具有管狀形狀，并且該管狀膜電極組件的軸線
被形成為螺旋形。圖2是示出了本發(fā)明的管狀膜電極組件的垂直于軸的面 的實例的示意性透視圖。如圖2所示，本發(fā)明的膜電極組件1的中心是中 空的，并且內(nèi)電流集電器2、內(nèi)電極層3、固體電解質(zhì)膜4、外電極層5以 及外電流集電器6以此次序被布置在軸上。
在本發(fā)明中，因為膜電極組件被形成為螺旋形，所以膜電極組件可以 在給定的空間中被密集地布置。由此，可以增大每單位體積的電極面積， 使得每單位體積的功率密度可以被提高。
當電流在螺旋形導電材料中流動時，產(chǎn)生磁場。如果在螺旋形導體的 內(nèi)部沒有布置諸如將在后面描述的棒狀構件的導電材料，膜電極組件中的 水和氧的分子受到磁場的影響，并且使分子運動活化。結果，可以獲得如
下效果，諸如氧分子在電極層中的擴散率提高，水分子在固體電解質(zhì)膜或 者電極層中的遷移率增大，通道內(nèi)水分子的排放能力提高等。
此后，將分別詳細解釋根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的燃料電池用中空狀 膜電極組件的形狀、結構和制造方法。
1.燃料電池用中空狀膜電極組件的形狀
在本發(fā)明中，通過將膜電極組件形成為如螺旋(其是一種規(guī)則變化的 形狀)的形狀，可以在給定的空間中均一地布置膜電極組件。并且，通過 將膜電極組件形成為沒有任何角度的圓弧形狀，能夠保持在膜電極組件內(nèi) 部流動的流體的平滑流動。此外，通過將膜電極組件形成為螺旋形，可以 獲得上述的效果，即產(chǎn)生磁場，由此活化水和氧的運動。
對于所述螺旋形狀沒有具體限制。至少該形狀是螺旋形，其直徑和節(jié) 距可以是固定的或者甚至是變化的。在此，螺旋形的直徑是如圖3所示的 螺旋形狀的沿垂直于軸的方向的長度"d"，并且還表示螺旋形的最外側(cè) 直徑。螺旋形的節(jié)距是圖3中的長度"p"，并且表示在形成為螺旋形的 中空狀膜電極組件中相鄰的中空狀膜電極組件的中心線之間的距離。
在本發(fā)明中，在上述的螺旋形狀中，具有恒定直徑和節(jié)距的螺旋形是
優(yōu)選的。直徑優(yōu)選為從500/rni到3000/mi的范圍，并且更優(yōu)選從2000/mi 到2500 /mi。螺旋形的節(jié)距優(yōu)選從500/mi到3000 )Wm的范圍，并且更優(yōu)選 從1000 /nn到2000 /mi。此外，將被形成為這樣的螺旋的中空狀膜電極組 件的外徑優(yōu)選為從500 /rni到2000 /mi的范圍，更優(yōu)選從800 /rni到1200
^m。通過將中空狀膜電極組件形成為這樣的螺旋，可以在給定的空間中均 一地并且密集地布置膜電極組件。
優(yōu)選的是，第一實施例中的螺旋形的節(jié)距大于中空狀膜電極組件的外 徑，換言之，優(yōu)選的是，在被形成為螺旋的中空狀膜電極組件中，相鄰的 膜電極組件彼此不接觸。通過使得相鄰的膜電極組件彼此不接觸并且在膜 電極組件之間產(chǎn)生空間，能夠獲得足夠的區(qū)域，在該區(qū)域，可以使得利用 膜電極組件的外部空間的氣體通道或者水通道與膜電極組件接觸。由此， 可以順利地進行燃料氣體和氧化氣體的供應和所產(chǎn)生的水的排放。
2.燃料電池用中空狀膜電極組件的結構
對于在本發(fā)明中使用的中空狀膜電極組件沒有具體的限制，可以使用 一般的中空狀膜電極組件。作為一般的中空狀膜電極組件的結構，例如可 以是，膜電極組件包括中空固體電解質(zhì)膜；外電極層，其形成在固體電 解質(zhì)膜的外周表面上；以及內(nèi)電極層，其形成在固體電解質(zhì)膜的內(nèi)周表面 上等。外電流集電器可以被布置在所述外電極層的外周表面上，和/或內(nèi)電 流集電器可以被布置在所述內(nèi)催化層的內(nèi)周表面上(如果需要的話)。作 為布置在電解質(zhì)膜的內(nèi)周和外周表面上的每一個電極層，通常使用通過從 電解質(zhì)膜層疊催化層和氣體擴散層(以此次序)構成的電極層。
此后將分別描述可以用于本發(fā)明的膜電極組件的組成部分。
對于用于本發(fā)明的固體電解質(zhì)膜沒有具體的限制，只要該固體電解質(zhì) 膜是中空的形狀，具有優(yōu)異的質(zhì)子傳導性并且由非導電材料制成。中空形 成的代表性實例是管狀形狀，但是可以不限于此形狀。
作為構成這樣的固體電解質(zhì)膜的電解質(zhì)材料，可以是氟樹脂，其典型
的實例是Nafion (產(chǎn)品名，由Dupont制造)；諸如烴樹脂等的有機材 料，其典型實例為酰胺樹脂；諸如氧化硅基材料等的無機材料。
作為使用無機電解質(zhì)材料的固體電解質(zhì)膜，可以是由如下方式制造管 狀固體電解質(zhì)膜，即，將多孔玻璃形成為管狀形狀，且其納孔表面經(jīng)過修 飾以提供質(zhì)子傳導性，并且作為使用無機電解質(zhì)材料的固體電解質(zhì)膜，也 可以是基于管狀磷酸鹽玻璃等的固體電解質(zhì)膜。
作為使用多孔玻璃的固體電解質(zhì)膜，例如可以是通過如下方法制造的 固體電解質(zhì)膜，其中，使多孔玻璃的孔表面上的OH基與硅烷偶聯(lián)劑，巰 基丙基三甲氧基硅垸，反應，然后氧化巰基-SH，以引入具有質(zhì)子傳導性 的磺酸基等("CHEMISTRY & CHEMICAL INDUSTRY" ， Vol. 57， No. 1， 2004， PP. 41-44)。作為應用磷酸鹽玻璃的固體電解質(zhì)膜，可以是在 "THE JOURNAL OF FUEL CELL TECHNOLOGY" ， Vol. 3， No. 3， 2004， pp. 69-71中報道的實例等。
對于用于本發(fā)明的外電極層和內(nèi)電極層沒有具體的限制。可以使用被 制成管狀的材料，該材料通常用于具有平面狀結構的燃料電池用膜電極組
件。具體地，可以是質(zhì)子傳導材料，諸如全氟磺酸聚合物(產(chǎn)品名
Nafion;由Dupon制造)等；諸如炭黑、碳納米管等導電材料以及由導電
材料支撐的包含諸如鉑等的催化劑的材料。
在用于本發(fā)明的膜電極組件中，對于收集由發(fā)電反應產(chǎn)生的電功率的 方法沒有具體的限制?？梢允褂猛ǔＳ糜谥锌諣钅る姌O組件中的收集電功 率的方法。例如，即充當電極層又充當電流集電器的構件可以被用作內(nèi)電 極層和內(nèi)電流集電器，或者被用作外電極層和外電流集電器。此外，可以 使用不同于電極層的構件作為電流集電器，于是，內(nèi)電流集電器可以被形 成在內(nèi)電極層內(nèi)部，和/或外電流集電器可以被形成在外電極層的內(nèi)部。
對于這些構件，本發(fā)明的膜電極組件優(yōu)選具有布置在外電極層的外周 表面上的外電流集電器以及布置在內(nèi)電極層的內(nèi)周表面上的內(nèi)電流集電 器。通過使用與電極層不同的電流集電器并且允許電極層與高導電性的電 流集電器緊密接觸，電子可以順利移動，因此能夠高效地收集電功率。
如果集電器具有高的導電性并且允許氣體沿管狀膜電極組件的徑向透 過，那么對內(nèi)和外電流集電器就沒有具體的限制。作為這樣的內(nèi)電流集電 器和外電流集電器的形狀的實例，電流集電器可以是螺旋彈簧形的集電 器，其管壁具有許多通孔的集電器，其管壁具有網(wǎng)狀機構的集電器，具有 多個沿管狀膜電極組件的軸向布置的線型導電材料的集電器等。在這些 中，可以適當?shù)厥褂镁哂新菪龔椈尚螤畹碾娏骷娖?。此外，作為形成?有這樣的形狀的外電流集電器和外電流集電器的材料，可以例如是碳或者
金屬，諸如不銹鋼、鈦、鉑、金、TiC、 TiSi2、 Si02、 B203、 Nd20、 TiB2等。
3.制造方法
只要可以制造具有中空形狀并且其軸被形成為螺旋的膜電極組件，那 么對制造本發(fā)明的具有螺旋形狀的膜電極組件就沒有具體限制。作為這樣 的方法，可以是例如從頭制造中空狀膜電極組件的螺旋的方法(第一方 法)，制造線型中空狀膜電極組件、然后將該中空狀膜電極組件形成為螺 旋的方法(第二方法)等。
在由第一方法制造本發(fā)明的膜電極組件的情形中，可以以如下方式制 造具有螺旋形狀的固體電解質(zhì)膜首先，將固體電解質(zhì)膜形成為所期望的 螺旋形狀，然后通過浸漬等將電極層形成在固體電解質(zhì)膜的內(nèi)周和外周表 面上。如果需要的話，可以設置內(nèi)和/或外電流集電器。在使用適于熔融擠 出的材料(諸如包括氧化硅基材料等的無機材料)作為在"2.燃料電池用 中空狀膜電極組件的結構"中所述的材料中的用于形成固體電解質(zhì)膜的材 料的情況下，可以通過熔融擠出將固體電解質(zhì)膜形成為所期望的螺旋形
狀。在使用不適于熔融擠出的材料，諸如氟樹脂(其代表為Nafion (產(chǎn)品 名；由Dupont制造))等或例如烴樹脂等(其代表為氨基樹脂)的有機
材料，的情況下，可以通過使用具有期望的螺旋形狀的模具來形成具有期 望的螺旋形狀的固體電解質(zhì)膜。
根據(jù)第一方法，也可以通過如下方法制造膜電極組件將作為膜電極
組件的最內(nèi)層的內(nèi)電流集電器(或如果沒有設置內(nèi)電流集電器，內(nèi)電極 層)形成為所期望的螺旋形狀，并且將膜電極組件的每個構件依次層疊在 其上形成多個層。
在由第二方法制造本發(fā)明的膜電極組件的情形中，首先，將中空狀膜 制成線型。對于制造這樣的線型中空狀膜電極組件的方法沒有具體的限 制，可以以一般的方法來制造。接著，將線型中空狀膜電極組件形成為螺 旋。為了將中空狀膜電極組件形成為螺旋，例如使用如下方法，g卩，將膜 電極組件以螺旋纏繞的方式圍繞具有一定水平的剛度的棒狀材料布置。內(nèi) 和/或外電流集電器可以在將膜電極組件形成為螺旋以后布置?；蛘邇?nèi)和/ 或外電流集電器可以在制造線型中空狀膜電極組件時設置，然后被形成為
螺旋形狀。在根據(jù)第二方法制造膜電極組件的情形中，在"2.燃料電池用
中空狀膜電極組件的結構"中所述的材料中，優(yōu)選使用具有塑性的材料作 為的膜電極組件的每一組成構件的材料。通過用具有塑性的材料制造膜電 極組件，可以防止在將中空狀膜電極組件形成為螺旋的過程中可能發(fā)生的 對組成構件的損壞等。
如圖4所示，電功率收集可以通過外電流集電器6在上述的螺旋狀膜 電極組件的外部進行，所述外電流集電器6的形狀與螺旋狀的膜電極組件
不相一致。
B.中空型燃料電池
本發(fā)明的中空型燃料電池的特征在于，該中空型燃料電池包括采用上 述的燃料電池用中空狀膜電極組件的中空狀單元。因為本發(fā)明的中空狀燃
料電池包括作為最小發(fā)電單元的微電池，所述微電池使用在"A.燃料電池
用中空狀膜電極組件"中所述的、能夠增大每單位體積的電極面積的膜電 極組件，所以可以獲得具有高的每單位體積功率密度的中空型燃料電池。
用于本發(fā)明的中空型燃料電池的膜電極組件類似于在"A.燃料電池用中空 狀膜電極組件"中所述的膜，所以對其的描述被省略。
<第二實施例>
本發(fā)明的第二實施例涉及包括在"B.中空型燃料電池"中所述的中空 型燃料電池并且還包括棒狀構件的中空型燃料電池，其中，中空狀單元以 螺旋纏繞的方式圍繞棒狀構件的外側(cè)布置。
下面將參考附圖，針對與第一實施例不同的方面，對本發(fā)明的第二實 施例進行詳細說明。下面的實施例將說明通過將冷卻介質(zhì)供應到熱交換構 件內(nèi)部使熱交換構件充當冷卻管的情形。但是，中空狀單元也可以充當能 夠通過將加熱介質(zhì)供應到熱交換構件內(nèi)部來提供熱的熱交換構件。此外， 下面的實施例將具體解釋使用氫氣作為燃料而使用空氣(氧氣)作為氧化 劑的固體聚合物型燃料電池，但是本發(fā)明可以不限于此實施例。
圖5是示出了本發(fā)明的中空狀單元和棒狀構件的一個實施例的示意性 透視圖。作為圖15所示的實施例，傳統(tǒng)的中空狀單元91具有線型形狀， 并且與諸如冷卻管等的棒狀構件90并列布置，使得傳統(tǒng)中空狀單元91沿 軸向的長度與諸如冷卻管等的棒狀構件90的軸向長度幾乎相同。另一方 面，本發(fā)明的中空狀單元11以螺旋方式布置在棒狀構件IO的外側(cè)，如圖 5所示。因此，中空狀單元11的長度(中空狀單元11和棒狀構件10之間 的接觸長度"接觸長度")可以較棒狀構件10的總長度延伸更長。具體 地，中空狀單元的長度可以比棒狀構件10的總長度長1.5到10倍。接觸
長度可以按如下計算
中空狀單元的圈數(shù)X棒狀構件的外周長。
以螺旋方式布置在棒狀構件IO外側(cè)的中空狀單元11可以緊密地布置 而不留任何間隙(如圖5所示)，或者可以以一定的間隙布置，以允許螺
旋的節(jié)距為0.1到lmm (如圖6所示)。
并且，如圖7所示，多個中空狀單元可以并列地并且以螺旋纏繞方式 圍繞棒狀構件的外側(cè)布置。
作為將膜電極組件以螺旋方式布置在棒狀構件上的加工方法，可以舉 出在日本專利申請?zhí)亻_(JP-A) No. 2004-22165中公開的線軸纏繞方法等 作為實例。
此后，將詳細地分別說明在第二實施例中包含的組成構件。
(第二實施例中的中空狀單元) 第二實施例的中空狀單元11至少包括中空電解質(zhì)膜和一對布置在電 解質(zhì)膜的內(nèi)表面和外表面上的電極。對于構成中空狀單元11的構件的材 料可以沒有具體的限制，只要這些材料是柔性的，以便以螺旋方式圍繞棒 狀構件的軸布置，并且對于制造方法也可以沒有限制。下面將舉例說明一 個實施例。
圖8是用于第二實施例的燃料電池的中空狀單元的剖視圖，圖9是同 一中空狀單元的示意性透視圖。中空狀單元11具有中空固體聚合物電解 質(zhì)膜4 (全氟碳磺酸膜)；內(nèi)電極層3 (在本實施例中作為陽極的燃料電 極)，其布置在固體聚合物電解質(zhì)膜4的內(nèi)側(cè)；以及外電極層5 (在本實 施例中作為陰極的空氣電極)，其布置在外側(cè)。中空部分是中空7內(nèi)部的 通道，并且燃料氣體(H2)通過通道被供應作為反應氣體。在負電極側(cè) (陽極側(cè))的電流集電器2與陽極3的表面緊密接觸地布置。正電極側(cè) (陰極側(cè))的集電器材料可以設置在陰極5的外表面上。但是，如下面所 說明的，優(yōu)選的是，棒狀構件10也充當正電極側(cè)的電流集電器，作為外 電流集電器。
具有這樣的結構的中空狀單元11以螺旋纏繞的方式圍繞棒狀構件10
的外周表面布置。如果必要的話，使用諸如硅基膠粘劑材料、環(huán)氧基膠粘 劑材料等的耐熱膠粘劑材料，將中空狀單元11固定在棒狀構件10上。通 過將氫氣供應到中空狀單元11的中空7的內(nèi)部，并且將空氣供應到電池 11的外側(cè)，燃料或者氧化劑被供應到陽極或者陰極(空氣電極)，由此發(fā) 電。
如果反應氣體可以被足量地供應到中空電解質(zhì)膜4的內(nèi)部，中空狀單 元11可以處于如下狀態(tài)，S卩，中空部分(管)的一端是封閉的，其另一 端是開口的。作為封閉中空狀單元的一端的方法，可以是將樹脂等置于中 空的一端中的方法，但是對該方法可以沒有具體限制。
雖然對中空固體聚合物電解質(zhì)膜4的內(nèi)徑、外徑、長度等沒有具體的
限制，但是固體聚合物電解質(zhì)膜4的外徑優(yōu)選為0.01到10 mm的范圍， 更優(yōu)選0.1到lmm，更優(yōu)選0.1到0.5mm。由于技術問題，目前難以制造 具有小于0.1 mm的外徑的固體聚合物電解質(zhì)膜4。另一方面，具有大于 10 mm的外徑的固體聚合物電解質(zhì)膜4不會相對于所占體積增大表面積， 因此所得到的中空狀單元可能不會提供足夠的每單位體積輸出。
雖然從提高質(zhì)子傳導性的觀點來看全氟碳磺酸膜優(yōu)選是薄的膜，但 是，非常薄的膜減弱了隔離氣體的功能并且增大了非質(zhì)子氫的透過量。然 而，較之其中燃料電池用平面狀微電池被層疊的傳統(tǒng)燃料電池，通過集中 大量的中空狀單元模塊所制造的燃料電池可以具有大的電極面積，由此其 可以提供足夠的輸出，即使使用相當厚的膜。從該觀點來看，全氟碳磺酸 膜的厚度優(yōu)選為10到100 /mi，更優(yōu)選50到60 /mi，更優(yōu)選50到55 /mi。
此外，考慮到外徑和膜厚上述優(yōu)選范圍，內(nèi)徑的優(yōu)選范圍為0.01到 10mm，更優(yōu)選O.l至Ul讓，更優(yōu)選0.1到0.5mm。
圖8所示的實施例的中空狀單元具有管狀電解質(zhì)膜。然而，本發(fā)明中 的固體電解質(zhì)膜不限于管狀形狀，并且其可以是具有中空部分的膜，并且 能夠?qū)⑷剂匣蛘哐趸瘎┝魅氲街锌罩?，以將電化學反應所需的反應物質(zhì)供 應到設置在中空內(nèi)部的電極。
因為中空狀單元11是中空狀的，所以具有許多優(yōu)點。實質(zhì)的優(yōu)點 是，不再需要隔離物并且可以獲得更大的用于發(fā)電的電極面積。
因為根據(jù)第二實施例的中空型燃料電池具有中空狀單元，所以較之具 有平面狀微電池的燃料電池，本發(fā)明的燃料電池可以具有大的每單位體積 的電極面積。因為，即使所使用的固體聚合物電解質(zhì)膜是質(zhì)子傳導性不如 全氟碳磺酸膜那么高的電解質(zhì)膜，也可以獲得具有高的每單位體積的功率 密度的燃料電池。
作為不同于全氟磺酸的固體聚合物電解質(zhì)膜，可以使用用于固體聚合 物型燃料電池的電解質(zhì)膜的材料。例如，其可以是不同于全氟磺酸的氟基 離子交換樹脂；具有磺酸基等的聚苯乙烯基陽離子交換膜，即，基于烴骨 架(諸如"聚烯烴基")并且具有選自磺酸基、膦酸基、磷酸基等的至少
--種質(zhì)子交換基的樹脂；包括堿性聚合物與強酸的配合物的固體聚合物電 解質(zhì)，諸如由PCT國際申請No. 11-503262的日文翻譯所公開的等，艮卩， 通過將強酸慘雜到諸如聚苯并咪唑、聚嘧啶、聚苯并噁唑等的堿性聚合物 中所制備的聚合物電解質(zhì)。
可以使用纖絲形式、紡織織物形式、無紡織物形式、多孔薄片形式等 的全氟碳聚合物來增強使用這樣的電解質(zhì)的固體聚合物電解質(zhì)膜，或者也 可以通過用無機氧化物或者金屬涂覆膜表面來增強該固體聚合物電解質(zhì) 膜。此外，全氟碳磺酸膜還可以從市場獲得，例如Nafion (產(chǎn)品名；由 Dupont制造)，F(xiàn)lemion (產(chǎn)品名;由Asahi Glass Co.， Ltd.制造)等。
雖然在以固體聚合物電解質(zhì)膜之一的全氟碳磺酸膜作為一種質(zhì)子傳導 膜的基礎上解釋了此實施例中的電解質(zhì)膜，但是對用于第二實施例的中空 型燃料電池的電解質(zhì)膜沒有具體的限制，并且可以是具有質(zhì)子傳導性或者 具有另一種離子傳導性(諸如氫氧根離子、氧離子02—等的傳導性)的電 解質(zhì)膜。具有質(zhì)子傳導性的電解質(zhì)膜不限于上述的固體聚合物電解質(zhì)膜， 并且其可以使用浸潤有磷酸水溶液的多孔電解質(zhì)板；包括多孔玻璃的質(zhì) 子傳導材料；在水凝膠化后的磷酸鹽玻璃；有機一無機混雜質(zhì)子傳導膜， 其通過將具有質(zhì)子傳導性的功能基團引入到具有納米尺寸的孔的多孔玻璃 的表面和孔中來制造；使用無機金屬纖維增強的電解質(zhì)聚合物等。作為具 有另一種離子傳導性(諸如氫氧根離子、氧離子02—等)的電解質(zhì)的實 例，包括含有陶瓷的材料。
布置在電解質(zhì)膜的內(nèi)側(cè)和外側(cè)上的每一電極可以使用固體聚合物型燃 料電池用傳統(tǒng)電極材料來形成。
一般來說，如圖8所示，所使用電極通過
如下方法來構成將催化層(催化層3a和催化層5a)以及氣體擴散層 (氣體擴散層3b和氣體擴散層5b)以此次序從電解質(zhì)膜一側(cè)開始進行層
催化層包含催化劑粒子，并且可以還包含質(zhì)子傳導材料，以便提高催 化劑粒子的使用效率。用作電解質(zhì)膜的材料也可以被用作該質(zhì)子傳導材 料。作為催化劑粒子，優(yōu)選使用其中催化劑物質(zhì)被承載在導電材料(諸如 碳質(zhì)材料，例如碳質(zhì)粒子或者碳質(zhì)纖維)上的催化劑粒子。因為本發(fā)明的 燃料電池具有中空狀單元，所以較之具有平面狀微電池的燃料電池，本發(fā)
明的燃料電池可以具有大的每單位體積的電極面積。因此，即使所使用的 催化劑是催化活性不如鉑那么高的催化劑，也可以獲得具有高的每單位體 積的功率密度的燃料電池。
只要催化劑物質(zhì)的催化活性對于陽極中的氫的氧化反應或?qū)﹃帢O中的 氧的還原反應有效，則對催化劑物質(zhì)就沒有具體的限制。例如，催化劑物 質(zhì)可以選自諸如鉑、釕、銥、銠、鈀、鋨、鎢、鉛、鐵、鉻、鈷、鎳、 錳、釩、鉬、鎵、鋁等的金屬或者基于這些金屬的合金。Pt和包含pt和另
一種金屬(諸如Ru)的合金是優(yōu)選的。
作為氣體擴散層，可以使用包含碳質(zhì)材料(諸如碳質(zhì)粒子和/或碳質(zhì)纖 維)作為主要組分的導電材料。碳質(zhì)粒子和/或碳質(zhì)纖維的尺寸可以考慮如 下因素進行優(yōu)化選擇在用于制造氣體擴散層的溶液中的分散性；將獲得 的氣體擴散層的排水能力。對于電極的結構和材料，布置在電解質(zhì)膜的內(nèi) 表面和外表面上的每一個電極可以是彼此相同的或者不同的。為了提高對 于水(諸如所生成的水)的排水能力，優(yōu)選以下面的方式對氣體擴散膜進
行疏水處理用下列任何材料，諸如聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯
(PVDF)、聚四氟乙烯、全氟碳烷氧基烷烴、乙烯-四氟乙烯聚合物或者 基于它們的混合物等浸潤氣體擴散層；或者使用上述材料形成疏水層。
對于用于制造第二實施例的其中一對電極被布置在中空電解質(zhì)膜的內(nèi) 表面和外表面上的中空狀單元的方法沒有具體的限制。例如，方法可以如
下提供中空電解質(zhì)膜；將包含電解質(zhì)和催化劑粒子的溶液涂覆在電解質(zhì) 膜的內(nèi)表面和外表面上，并干燥形成催化層；以及將包含碳質(zhì)粒子和/或碳 質(zhì)纖維的溶液涂覆在兩個催化層上，并干燥形成氣體擴散層。在此方法 中，催化層和氣體擴散層被這樣形成，使得中空部分可以出現(xiàn)在被形成在 電解質(zhì)膜的內(nèi)側(cè)的氣體擴散層的內(nèi)側(cè)。
或者，方法還可以如下使用包含碳質(zhì)材料(諸如碳質(zhì)粒子和/或碳質(zhì) 纖維)并且被形成為管狀形式的構件(管狀碳質(zhì)材料)作為內(nèi)電極(陽
極)的氣體擴散層；將包含電解質(zhì)和催化劑粒子的溶液涂覆在氣體擴散層 的外表面上，并干燥形成催化層，由此制造內(nèi)電極層；接著，將包含電解 質(zhì)的溶液涂覆在催化層的外表面上，并且干燥形成電解質(zhì)膜層；此外，外 電極(陰極)的催化層被形成在電解質(zhì)膜層的外表面上；將包含碳質(zhì)材料 的溶液涂覆在催化層的外表面上，并且干燥形成氣體擴散層，由此制造外 電極層。
對于制造中空電解質(zhì)膜的方法可以沒有具體的限制，并且也可以使用 管狀形式的電解質(zhì)膜的商業(yè)產(chǎn)品。電解質(zhì)膜也可以通過如下方式獲得將 諸如碳質(zhì)粒子的碳質(zhì)材料和環(huán)氧基和/或酚基樹脂分散在溶劑中；將混合物 形成為管狀形式，然后進行加熱固化和烘烤。
用于形成電解質(zhì)膜、催化劑層和氣體擴散層的溶劑可以根據(jù)將被分散 和/或溶解的材料被適當?shù)剡x擇。并且，可以從諸如噴涂、刷涂等的各種方 法中相應地選出用于形成各個層的涂覆方法。
用于第二實施例的中空型燃料電池的中空狀單元可以不限于上面舉例 說明的結構?？梢栽O置除催化層和氣體擴散層其它任何層，以提高中空狀 單元的功能。雖然本實施例的中空電解質(zhì)膜在內(nèi)側(cè)具有陽極，在外側(cè)具有 陰極，但是其可以在內(nèi)側(cè)具有陰極，在外側(cè)具有陽極。
(電流集電器)
如圖8和圖9所示，上述的電極可以具有電流集電器，用于將在電極 上產(chǎn)生的電荷移到外部電路。在本發(fā)明的第二實施例中，內(nèi)(陽極側(cè))電 流集電極2被布置在內(nèi)氣體擴散層3b的內(nèi)側(cè)。雖然沒有在圖S和圖9中示
出，外(陰極側(cè))電流集電器可以被布置在外氣體擴散層5b的外側(cè)。如 在此后指出的，優(yōu)選的是，棒狀構件10也充當外電流集電器。對于布置 在外氣體擴散層5b的外側(cè)的陰極電流集電器的形狀沒有具體的限制。例 如，陰極電流集電器可以是以螺旋狀纏繞的金屬線或者編織的或者棒狀的 電流集電器。
內(nèi)(陽極側(cè))電流集電器2是柱狀電流集電器，其外徑與中空狀單元 的內(nèi)周表面相接觸。中空內(nèi)部的通道7為溝槽狀的并且沿中空狀單元的軸 向(縱向)延伸，所述通道7被形成在內(nèi)電流集電器的主體的外周表面 上，使得中空狀單元的內(nèi)周表面部分地暴露到中空內(nèi)部的通道7。氫氣通 過中空內(nèi)部的通道7被供應。如果柱狀的內(nèi)電流集電器2由具有極高的氣 體透過率的導電材料制成，則這樣的暴露內(nèi)電極的中空內(nèi)部的溝槽狀通道 不是必需的。可以布置沿軸向穿透柱狀內(nèi)電流集電器的封閉氣體通道，或 者可以根本不用布置。只要內(nèi)(陽極側(cè))電流集電器由導電材料制成，那 么內(nèi)(陽極側(cè))電流集電器的形狀可以不具體限于上述的實施例，并且可 以是柱狀的、線狀的、棒狀的、線型或者管狀，諸如彈簧形金屬線、金屬 箔，諸如金屬片、碳片的片狀材料等。
優(yōu)選用于內(nèi)(陽極側(cè))或者外(陰極側(cè))電流集電器的金屬可以是選 自由Al、 Cu、 Fe、 Ni、 Cr、 Ta、 Ti、 Zr、 Sm、 In等組成的組的至少一種 金屬，或者可以是基于這些金屬的合金，諸如不銹鋼。其表面可以用 Au、 Pt、導電樹脂等進行進一步涂覆。從優(yōu)異的耐腐蝕性的觀點來看，在 這些金屬中優(yōu)選不銹鋼或者鈦。對于線的直徑、編織密度、棒狀電流集電 器的直徑等可以沒有具體的限制。
如果需要的話，可以用導電膠粘劑材料(諸如碳基膠粘劑、Ag糊 等)將電流集電器固定在電極上。
(棒狀構件)
如圖IO所示，對于第二實施例的棒狀構件IO的形式可以沒有具體的 限制，只要棒狀構件具有棒狀形狀，并且可以支撐中空狀單元11以保持 電池11的螺旋形狀。具體地，從穩(wěn)定地支撐中空狀單元、將施加到密封
部分的重量控制為盡可能地低、當棒狀構件作為熱交換構件(如后面所述 的)時順暢地傳輸加熱介質(zhì)(冷卻介質(zhì)和加熱介質(zhì))的觀點來看，棒狀構 件10優(yōu)選是線型形狀。從可以容易地將中空狀單元圍繞棒狀構件纏繞的 觀點來看，棒狀構件10的截面優(yōu)選是向外彎曲的封閉線形狀，諸如圓 形、橢圓等。
作為棒狀構件10的材料，可以使用耐腐蝕并且具有一定強度以耐受 燃料電池的工作環(huán)境的材料。例如，可以是金、鉑、鈦、不銹鋼等。如果 鈦或者不銹鋼的耐腐蝕性不足的話，優(yōu)選的是，例如用具有良好的耐腐蝕 性的材料(例如金、鉑等)涂覆(鍍覆)由上述材料制成的冷卻管的表 面。
如圖11所示，在棒狀構件10的外周表面上，可以沿與棒狀構件的軸
向相交的方向和平行的方向分別布置作為橫向氣體通道12和軸向氣體通 道13的溝槽。反應氣體通過氣體通道12和13被供應到中空狀單元11的 外周表面上。如果如上所述地將橫向氣體通道12和軸向氣體通道13布置 在棒狀構件10的外周表面上，則反應氣體可以被有效地供應到中空狀單 元11的外周表面上，并且可以避免由于反應氣體供應不足導致的發(fā)電性 能的下降。具體地，在將中空狀單元11圍繞棒狀構件10的外周表面緊密 纏繞的情形中，可以提高可以通過將軸向氣體通道13布置在棒狀構件10 上所獲得的效果。
具有這樣的形式的棒狀構件10具有沿平行于軸向的氣體通道以及沿 于軸向相交的方向的氣體通道。由此，例如，由在彼此接觸的中空狀單元 11和棒狀構件10出產(chǎn)生的水蒸汽所生成的水滴被氣體通道12捕集，并且 收起在軸向氣體通道13處。然后，收集在軸向氣體通道13處的水滴沿軸 向移動，并且可以被排出外部。
對于棒狀構件10的內(nèi)徑、外徑、長度等可以沒有具體的限制。棒狀 構件10的外徑優(yōu)選為0.5到3 mm的范圍，更優(yōu)選0.5到1 mm，最優(yōu)選 0.5到0.8 mm。外徑小于0.5 mm的棒狀構件10不能形成足夠的將作為加 熱介質(zhì)通道的內(nèi)部孔，尤其是在棒狀構件10作為后面所描述的熱交換構 件的情形中。另一方面，外徑大于3 mm的棒狀構件具有棒狀構件的尺寸
較大的問題。
對于制造棒狀構件10的方法可以沒有具體的限制。例如，可以是擠 出成型法等，其中，熔融材料被注入到棒狀構件10的模具中，隨著進行 澆鑄。
棒狀構件10優(yōu)選是熱交換構件(或者冷卻管)，用于冷卻/加熱中空 狀單元11。形成為螺旋形狀的中空狀單元11與棒狀構件IO線接觸。通過 中空狀單元ll和棒狀構件IO之間的熱交換，可以減小燃料電池的組成構 件的數(shù)量并且可以減小其尺寸(減小燃料電池的尺寸)。
如圖IO所示，熱交換構件(冷卻管)IO是內(nèi)部具有加熱介質(zhì)通道14 的構件。當冷卻介質(zhì)通過熱交換構件iO時，熱交換構件IO充當冷卻管， 用于冷卻中空狀單元。另一方面，當加熱介質(zhì)通過熱交換構件10時，熱 交換構件10充當加熱管，用于加熱中空狀單元。
只要本發(fā)明的熱交換構件是中空狀的并且具有加熱介質(zhì)通道14，那么 對其形式就沒有具體的限制。具體地，從加熱介質(zhì)(冷卻或者加熱介質(zhì)) 的順暢流動的觀點來看，熱交換構件14優(yōu)選為線型形狀。熱交換構件14 的截面優(yōu)選為向外彎曲的封閉線的形狀(諸如圓形、橢圓等)，以容易地 將中空狀單元圍繞棒狀構件進行纏繞。除了內(nèi)部具有單個加熱介質(zhì)通道14 的熱交換構件IO之外，還可以是如下的實施例，例如，內(nèi)部具有多個加 熱介質(zhì)通道的熱交換構件，其壁被一體化的熱交換構件的組合等。
作為熱交換構件的材料，可以使用傳統(tǒng)上用于熱交換構件的材料，該 材料具有導熱性、耐腐蝕性并且具有一定的強度，以耐受燃料電池的工作 環(huán)境。例如，可以是金、鉑、鈦、不銹鋼等。如果鈦或者不銹鋼的耐腐蝕 性不足的話，優(yōu)選的是，例如用具有優(yōu)異的耐腐蝕性的材料(例如金、鉑 等)涂覆(鍍覆)由上述材料制成的冷卻管的表面。
諸如水等的加熱介質(zhì)流動通過加熱介質(zhì)通道14。通過將中空狀單元 11圍繞加熱介質(zhì)在其中流動的熱交換構件10以如下方式布置，即，中空 狀單元11的外周表面以螺旋方式與熱交換構件10的外周表面線接觸，增 大了接觸長度，由此可以高效地冷卻中空狀單元ll。
只要加熱介質(zhì)通道14是中空狀的，那么對加熱介質(zhì)通道14的形式可
以沒有具體的限制。具體地，加熱介質(zhì)通道14優(yōu)選為線型形狀，使得加 熱介質(zhì)可以順暢流動。加熱介質(zhì)通道14的截面可以例如為向外彎曲的封 閉線的形狀，諸如圓形、橢圓等，或可以是矩形，但是也可以不限于此。
在本發(fā)明的熱交換構件內(nèi)部流動的加熱介質(zhì)可以不限于水，并且可以 是諸如乙二醇等的液體、氣體或者其它加熱介質(zhì)。
此外，棒狀構件IO優(yōu)選充當電流集電器。因為形成為螺旋形狀的中 空狀單元11與棒狀構件IO線接觸，所以通過采用棒狀構件IO從中空狀單 元11收集電功率，可以減小燃料電池的組成構件的數(shù)量及其尺寸(減小 燃料電池尺寸)。在運行棒狀構件充當電流集電器的情形中，可以將在對 中空狀單元的描述中所說明的電流集電器的材料用于棒狀構件。
此外，可以采用作為熱交換構件以及還充當電流集電器的棒狀構件10 耐進一步減小模塊的尺寸。當允許棒狀構件充當熱交換構件和電流集電器 時，棒狀構件具有上述的熱交換器構件的形狀，并且可以適當?shù)剡x擇其材 料，使其具有導熱性、耐腐蝕性以及一定的強度以耐受燃料電池的工作環(huán) 境，并且使其具有良好的導電性。具有良好的耐腐蝕性、導熱性和導電性 的材料的實例可以是金、鉑、銅等。當使用銅時，由銅制成的棒狀構件10 的整個表面需要用具有良好耐腐蝕性、導熱性和導電性的材料(例如，諸 如金、鉑等的貴金屬)涂覆(鍍覆)，以提高耐腐蝕性。作為提高棒狀構
件10的導電性的方法，除了使用涂覆的方法之外，還可以例如是將具有
良好導電性的材料布置在熱交換構件io上的方法。例如，由高導電性材
料制成的線棒材料可以被包埋在熱交換構件10中，熱交換構件IO可以具 有多層結構，其芯是中空形狀的軸，其中熱交換構件IO在中心側(cè)的層由 高導電性材料等構成。
在允許棒狀構件10充當熱交換構件和電流集電器的情形中，如果需 要的話，絕緣層可以被布置在棒狀構件10的內(nèi)周表面上，以防止漏電到 在加熱介質(zhì)通道14中流動的加熱介質(zhì)。對于布置絕緣層的方法可以沒有
具體的限制。例如，可以是如下方法用具有良好電絕緣性、導熱性和耐
腐蝕性的材料(例如，氟樹脂，諸如聚四氟乙烯樹脂(PTFE)、四氟乙 烯-全氟(烷氧基乙烯基醚)共聚物樹脂(PFA)等)涂覆棒狀構件的內(nèi)周
表面；緊密接觸棒狀構件的內(nèi)周表面設置具有良好電絕緣性、導熱性和耐 腐蝕性的管狀構件，例如由硅橡膠制成的管，由具有高導熱性的硅橡膠制 成的管及其它方法等。
(第二實施例的中空型燃料電池) 圖12是示意性地示出了模塊100的外部視圖，所述模塊100是一組中 空狀單元，其包括包含第二實施例的中空狀單元11和充當熱交換構件和
電流集電器的棒狀構件10的多個一體構件。在模塊100的兩端，設置氣 體歧管98a和98b和冷水歧管99a和99b，所述氣體歧管98a和98b用于將 氫氣供應到中空狀單元11， 11......的中空中，所述冷水歧管99a和99b用
于將加熱介質(zhì)供應到棒狀構件10中。此外，設置用于收集在每一個中空 狀單元11， 11......處產(chǎn)生的電荷電流集電器構件(沒有示出)。經(jīng)由入
口側(cè)的氣體歧管(例如98a)供應到模塊100的氫用于電化學反應，同時 通過每一個中空狀單元11， 11......的中空中的通道14， 14......。沒有用
于電化學反應的氫等經(jīng)由出口側(cè)的氣體歧管(例如98b)被收集。此外， 在模塊100中，電流集電器構件中的一個被電連接到中空狀單元11， 11......的內(nèi)(陽極側(cè))電流集電器3， 3......，并且其余的被電連接到也充
當電流集電器的棒狀構件10， 10......。由此，在中空狀單元11， 11......
處產(chǎn)生的電荷被收集。
此外，如圖13和圖14所示，盒600存儲多個串聯(lián)或者并聯(lián)的模塊 100，由此成為中空型燃料電池601 (此后，其可被簡稱為燃料電池)。圖 14示出了圖13所示的燃料電池的相反側(cè)，其中，通常被布置在燃料電池 的側(cè)表面的網(wǎng)格構件被從圖14中去除，以清楚地示出燃料電池的內(nèi)部結 構。
在盒600的頂表面上，設置反應氣體(例如氫)入口 500、反應氣體 出口 510以及冷卻水入口/出口 520。在盒600的彼此相對的兩個側(cè)表面 上，設置網(wǎng)格構件550。如果被供應到反應氣體入口 500的氣體是氫，則 空氣沿通過網(wǎng)格構件550的方向被供應到燃料電池601。在圖13中，通過 網(wǎng)格構件550供應的空氣被從另一網(wǎng)格構件側(cè)排出，其中，該另一網(wǎng)格構
件被設置在盒600的背表面上(在圖14中沒有示出)。在這樣的實施例
的燃料電池601工作時，模塊100產(chǎn)生熱。溫度通過如下方法控制，例 如，允許水流動通過設置在模塊100上的冷卻管，其中，水從冷卻水入口/ 出口 520供應/排出。
如上面所說明的，第二實施例的燃料電池601具有多個上述的模塊 100。通過增加每一個模塊100的中空狀單元的長度以及減小每單位體積 的密封部分的數(shù)量，可以避免對燃料電池601的密封部分的損壞。
如上所述，通過舉例說明兩個實施例詳細解釋了本發(fā)明其中棒狀構 件不是必要元件的第一實施例和其中棒狀構件是必要元件的第二實施例。 但是，本發(fā)明不限于這些實施例。上述的實施例僅僅是舉例說明。具有與
本發(fā)明的權利要求書中公開的技術方案基本相同的結構并且提供相似效果 的實施例包括在本發(fā)明的技術范圍中。
工業(yè)實用性
如上所述，本發(fā)明的中空型燃料電池用膜電極組件和使用其的中空型 燃料電池具有大的用于發(fā)電的每單位體積的反應面積，易于減小尺寸，并 且特別適于用作便攜式或者移動電池(電源)。
權利要求
1.一種燃料電池用中空狀膜電極組件，包括中空狀的固體電解質(zhì)膜，形成在所述固體電解質(zhì)膜的外周表面上的外電極層以及形成在所述固體電解質(zhì)膜的內(nèi)周表面上的內(nèi)電極層，其中，所述燃料電池用中空狀膜電極組件被形成為螺旋形狀。
2. 根據(jù)權利要求1所述的燃料電池用中空狀膜電極組件，其中，所述 燃料電池用中空狀膜電極組件具有布置在所述外電極層的外周表面上的外 電流集電器和布置在所述內(nèi)電極層的內(nèi)周表面上的內(nèi)電流集電器。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的燃料電池用中空狀膜電極組件，其中，所述中空狀固體電解質(zhì)膜是管狀的固體電解質(zhì)膜。
4. 一種中空型燃料電池，包括使用根據(jù)權利要求l一3中任何一項所 述的燃料電池用中空狀膜電極組件的中空狀單元。
5. 根據(jù)權利要求4所述的中空型燃料電池，其中，所述中空型燃料電 池還包括棒狀構件，并且所述中空狀單元以螺旋纏繞方式圍繞所述棒狀構 件的外側(cè)布置。
6. 根據(jù)權利要求5所述的中空型燃料電池，其中，所述中空狀單元和 所述棒狀構件的接觸長度較所述棒狀構件的總長度長1.5 — 10倍。
7. 根據(jù)權利要求5或6所述的中空型燃料電池，其中，所述棒狀構件 是用于控制所述中空狀單元的溫度的熱交換構件。
8. 根據(jù)權利要求5 — 7中任何一項所述的中空型燃料電池，其中，所 述棒狀構件具有導電性，并且充當形成在所述固體電解質(zhì)膜的外周表面上 的外電極層的電流集電器。
9. 根據(jù)權利要求5 — 8中任何一項所述的中空型燃料電池，其中，所 述棒狀構件是所述熱交換構件，并且充當所述電流集電器。
10. 根據(jù)權利要求9所述的中空型燃料電池，其中，加熱介質(zhì)在所述 熱交換構件內(nèi)部流動，并且所述熱交換構件的接觸所述加熱介質(zhì)的內(nèi)表面 的至少一部分由具有電絕緣性的材料制成。
11. 根據(jù)權利要求5 — 10中任何一項所述的中空型燃料電池，其中，在所述棒狀構件的外周表面上形成氣體通道。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種能夠提高每單位體積的功率密度的燃料電池用中空狀膜電極組件，其中該燃料電池用中空狀膜電極組件包括中空狀的固體電解質(zhì)膜，形成在所述固體電解質(zhì)膜的外周表面上的外電極層以及形成在所述固體電解質(zhì)膜的內(nèi)周表面上的內(nèi)電極層，并且其中，所述燃料電池用中空狀膜電極組件被形成為螺旋形狀。
文檔編號H01M8/10GK101116209SQ200680004179
公開日2008年1月30日 申請日期2006年2月3日 優(yōu)先權日2005年2月4日
發(fā)明者中西治通, 今西雅弘, 村田成亮, 田村佳久 申請人:豐田自動車株式會社