CN101258629A - 制造燃料电池的方法和制造燃料电池的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制造燃料电池的方法和制造燃料电池的装置。用于管状燃料电池的制造装置(100)包括：第一挤出器(50)，其将第一催化剂层材料供应到具有导电性的筒形内部电极的外周表面，由此形成第一催化剂层；第二挤出器(150)，其将电解质层材料供应到第一催化剂层的外周表面，由此形成电解质层；和第三挤出器(250)，其将第二催化剂层材料供应到电解质层的外周表面，由此形成第二催化剂层，其中通过以间断的方式进行第一催化剂层材料、电解质层材料和第二催化剂层材料的供应，使内部电极的外周表面的至少一部分露出。
Description
技术领域
本发明涉及制造燃料电池的方法和制造燃料电池的装置，更具体地涉及管状燃料电池的制造方法和制造装置。
背景技术
通过将化学能经由电化学反应转化成电能来发电的燃料电池作为环境问题和资源问题的一种可能对策相当引人关注，其中该电化学反应使用诸如氧气或空气之类的氧化气体以及诸如氢气或甲烷之类的还原气体(燃料气体)或诸如甲醇之类的液体燃料作为原材料。在燃料电池结构中，电解质膜的一个表面上的燃料电极(阳极催化剂层)和另一表面上的空气电极(阴极催化剂层)设置成隔着电解质膜彼此面对，在将电解质膜夹在中间的这些催化剂层中每个的外侧上设有扩散层，然后这些扩散层夹在包括原材料供应通道的隔离器之间，从而通过将诸如氢和氧之类的原材料供应到这些催化剂层中的每个来发电。
管状燃料电池是这种燃料电池的一个已知示例。如图7所示管沿着长度方向的截面视图所示，管状燃料电池的典型结构包括内部电极10、第一催化剂层12、电解质层14、第二催化剂层16、外线圈18和树脂密封件20。图8示出沿着图7所示线A-A的截面视图。如图8所示，内部电极10、第一催化剂层12、电解质层14和第二催化剂层16从内向外依次层叠，并形成为基本同心的圆筒。
在图7中，内部电极10的端部设计成露出外面。这在通过将平行布置的多个管状燃料电池各自的内部电极和外线圈连接到一起来使用多个单电池形成模块时是有利的，并且在内部电极平行连接时的情况下特别有用。
已知制造图7和8所示管状燃料电池类型的方法，其中例如使用挤出成形方法等来形成第一催化剂层12、电解质层14和第二催化剂层16。
例如，日本专利未审定公报No.2002-124273公开了一种装置和方法，其中使用合适的溶剂将用于燃料电极的催化剂、用于电解质膜的固体电解质聚合物以及用于空气电极的催化剂分别转化成可流动的流体，然后进行一体挤出成形来形成从内到外包括燃料电极催化剂、固体电解质聚合物和空气电极催化剂各自的层的结合材料。
但是，在传统技术中，为了制造类似于图7所示的管状燃料电池，需要使内部电极的端部暴露的附加步骤，即除去在内部电极端部的外周表面上形成的第一催化剂层、电解质层和第二催化剂层的步骤。所以，有可能导致相关制造成本的增大。
发明内容
根据本发明的制造管状燃料电池的方法是一种制造如下管状燃料电池的方法，所述管状燃料电池具有表现出导电性的筒形内部电极、第一催化剂层、电解质层和第二催化剂层，其中通过间断地进行以下步骤：通过挤出成形将第一催化剂层材料供应到所述内部电极的外周表面，由此形成所述第一催化剂层；通过挤出成形将电解质层材料供应到所述第一催化剂层的外周表面，由此形成所述电解质层；以及通过挤出成形将第二催化剂层材料供应到所述电解质层的外周表面，由此形成所述第二催化剂层；在所述内部电极的外周表面的至少一部分露出的状态下形成所述第一催化剂层、所述电解质层和所述第二催化剂层。
在上述制造管状燃料电池的方法中，在沿着所述内部电极的长度方向供应所述第一催化剂层材料、所述电解质层材料和所述第二催化剂层材料之后，优选地通过暂时停止所述第一催化剂层材料、所述电解质层材料和所述第二催化剂层材料的供应来使所述内部电极的外周表面露出。
上述制造管状燃料电池的方法优选还包括以下步骤：在所述内部电极的外周表面露出的位置处切割电池，由此形成多个管状燃料电池单电池。
在上述制造管状燃料电池的方法中，所述内部电极优选由多孔材料形成。
上述制造管状燃料电池的方法优选还包括在形成所述第一催化剂层的步骤、形成所述电解质层的步骤和形成所述第二催化剂层的步骤之中至少一者之后的干燥步骤。
另外，根据本发明的一种制造管状燃料电池的装置是一种用于如下管状燃料电池的制造装置，所述管状燃料电池具有表现出导电性的筒形内部电极、第一催化剂层、电解质层和第二催化剂层，其中所述制造装置包括：第一供应单元，所述第一供应单元通过挤出成形将第一催化剂层材料供应到所述内部电极的外周表面，由此形成所述第一催化剂层；第二供应单元，所述第二供应单元通过挤出成形将电解质层材料供应到所述第一催化剂层的外周表面，由此形成所述电解质层；以及第三供应单元，所述第三供应单元通过挤出成形将第二催化剂层材料供应到所述电解质层的外周表面，由此形成所述第二催化剂层；并且通过以间断的方式进行所述第一催化剂层材料、所述电解质层材料和所述第二催化剂层材料的供应，在所述内部电极的外周表面的至少一部分保持露出的状态下形成所述第一催化剂层、所述电解质层和所述第二催化剂层。
在上述制造管状燃料电池的装置中，在沿着所述内部电极的长度方向供应所述第一催化剂层材料、所述电解质层材料和所述第二催化剂层材料之后，优选地通过暂时停止所述第一催化剂层材料、所述电解质层材料和所述第二催化剂层材料的供应来使所述内部电极的外周表面露出。
在上述制造管状燃料电池的装置中，所述第一供应单元、所述第二供应单元和所述第三供应单元之中至少一者在其尖端处包括开口，所述开口能够与所述内部电极的外周表面接触和从该外周表面缩回，并且通过使所述开口的内周表面与所述内部电极的外周表面进入接触，来停止所述第一催化剂层材料、所述电解质层材料和所述第二催化剂层材料之中至少一者的供应。
上述制造管状燃料电池的装置优选还包括使所述第一催化剂层材料的供应、所述电解质层材料的供应和所述第二催化剂层材料的供应的时刻同步的同步单元。
在上述制造管状燃料电池的装置中，所述内部电极优选由多孔材料形成。
上述制造管状燃料电池的装置优选还包括用于干燥所述第一催化剂层、所述电解质层和所述第二催化剂层之中至少一者的干燥单元。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的管状燃料电池制造装置100的框图。
图2是示出根据本发明一个实施例的管状燃料电池制造装置100的结构概况的截面视图。
图3是示出第一挤出装置50的结构概况的截面视图。
图4是示出根据本发明另一实施例的管状燃料电池制造装置200的结构中主要元件概况的截面视图。
图5是图4所示管状燃料电池制造装置200沿着线B-B的截面视图。
图6示出通过切割中间层叠件80获得管状燃料电池单电池的方法的示例。
图7是传统管状燃料电池的沿着管的长度方向的截面视图。
图8是图7所示管状燃料电池沿着线A-A的截面视图。
具体实施方式
下面是基于附图对本发明实施例的说明。
图1是示出根据本发明一个实施例的管状燃料电池制造装置100的结构概况的框图。在图1中，管状燃料电池制造装置100包括在内部电极10的外周表面上形成第一催化剂层12的第一挤出装置50、在第一催化剂层12的外周表面上形成电解质层14的第二挤出装置150以及在电解质层14的外周表面上形成第二催化剂层16的第三挤出装置250。通过使内部电极10依次穿过这些挤出装置，形成其中第一催化剂层12、电解质层14和第二催化剂层16依次层叠到内部电极10的外周表面上的管状燃料电池。
由第一挤出装置50、第二挤出装置150和第三挤出装置250供应的各层材料开始和停止供应的时刻由控制单元45控制。另外，在第一挤出装置50和第二挤出装置150之间设有检测单元42，并且在第二挤出装置150和第三挤出装置250之间设有另一检测单元44。
检测单元42检测由第一挤出装置50在内部电极10的外周表面上沿着预定长度供应的第一催化剂层12的位置，并将所检测到的信息发送到控制单元45。在第二挤出装置150内，电解质层材料的供应时刻由控制单元45按照来自检测单元42的信息来控制，使得在第一催化剂层12的外周表面上形成电解质层14。
随后，检测单元44检测由第二挤出装置150在第一催化剂层12的外周表面上沿着预定长度(即沿着与第一催化剂层12相同的长度)形成的电解质层14的位置，并将所检测到的信息发送到控制单元45。在第三挤出装置250内，第二催化剂层材料的供应时刻由控制单元45按照来自检测单元44的信息来控制，使得在电解质层14的外周表面上形成第二催化剂层16。
换言之，通过使用包括外径测量装置的检测单元42，并利用已形成第一催化剂层12的部分和内部电极10保持暴露的部分之间的外径差，可以确定形成第一催化剂层12的位置，并且基于检测单元42和第二挤出装置150之间的距离以及内部电极10的行进速度，使电解质层14的形成同步，以允许在第一催化剂层12的顶部上的形成。以类似的方式，通过使用包括外径测量装置的检测单元44，并利用已形成电解质层14的部分和内部电极10保持暴露的部分之间的外径差，可以确定形成电解质层14的位置，并且基于检测单元44和第三挤出装置250之间的距离以及内部电极10的行进速度，使第二催化剂层16的形成同步，以允许在电解质层14的顶部上的形成。
在此实施例中，通过使用各自包括外径测量装置的检测单元42和44来实现各个挤出装置50、150和250内的同步，但是本发明并不限于此构造。例如，可以分别测量在第一挤出装置50和第二挤出装置150内开始和停止各材料供应的时间，然后可以基于上游挤出装置50或150与下游挤出装置150或250之间的距离以及内部电极10的行进速度来实现同步。
接下来基于图2进行更详细的描述。图2是示出根据本发明一个实施例的管状燃料电池制造装置100的结构概况的截面视图。在图2中，管状燃料电池制造装置100包括在内部电极10的外周表面上形成第一催化剂层12的第一挤出装置50、在第一催化剂层12的外周表面上形成电解质层14的第二挤出装置150以及在电解质层14的外周表面上形成第二催化剂层16的第三挤出装置250。
图3示出第一挤出装置50的结构概况。在图3中，第一挤出装置50包括挤出第一催化剂层材料以涂覆内部电极10的外周表面的十字头(crosshead)40以及将第一催化剂层材料供应到该十字头40的第一挤出器22。
第一挤出器22具有其中螺钉34能够在圆筒形挤出器主体32内自由旋转的结构。使用图中未示出的电动机经由图中同样未示出的带或减速齿轮使螺钉34以期望的速度旋转。
十字头40包括十字头主体24、内接头(nipple)26和模具28。十字头主体24呈在两端开口的圆筒形，并且具有锥形尖端的内接头26以及位于内接头26尖端处且与内接头26之间具有预定间隔的模具28容纳在此十字头主体24内。
内接头26包含从锥形尖端沿着中心轴线穿过内接头的孔46，内部电极10能够插入此孔46内。在内接头26、十字头主体24以及模具28之间形成空间30。模具28形成为围绕内接头26的尖端，并包括在与内接头26内的孔46相应位置中形成的开口48。另外，模具28包括多个基本为一致形状的部件，这些部件布置成能够运动靠近开口48的中心或者从该中心缩回，并且通过使这些部件在开口48的中心的方向上移出或移入，可以改变开口48的形状。开口48的尺寸可以减小到当内部电极10穿过开口48时模具28与所穿过的内部电极10进行接触的点。
如果第一催化剂层12被指定为燃料电极(阳极催化剂层)，则第一催化剂层材料包括多种原材料，例如包括其中铂(Pt)等与诸如钌(Ru)之类的另一金属一起支承在碳等上的催化剂、诸如像Nafion(注册商标)的固体聚合物电解质之类的树脂、以及合适的溶剂。相反，如果第一催化剂层12被指定为空气电极(阴极催化剂层)，则第一催化剂层材料包括多种原材料，例如包括其中铂(Pt)等支承在碳等上的催化剂、诸如像Nafion(注册商标)的固体聚合物电解质之类的树脂、以及合适的溶剂。当这些原材料作为单独的原材料或者以已经预先混合的原材料混合物的形式从图中未示出的入口供给到挤出器主体32中，并且螺钉34以期望速度旋转时，原材料被捏合(knead)和加热，由此形成第一催化剂层材料。同时，通过继续旋转螺钉34，将这样形成的第一催化剂层材料从第一挤出器22挤出，通过连接管36而进入十字头40。
从第一挤出器22供给进入十字头40的第一催化剂层材料穿过十字头主体24与模具28之间形成的空间30，而到达内接头26的尖端。换言之，空间30用作从第一挤出器22供给的第一催化剂层材料的通道。
同时，内部电极10插入十字头主体24内以穿过内接头26中的中心孔46和模具28中形成的开口48，并通过使用图中未示出的拉动装置等在箭头的方向上以预定速度传输。然后，随着内部电极10从内接头26的中心孔46穿过内接头的尖端，已在预定时刻从第一挤出器22供给进入空间30的第一催化剂层材料被供应到内部电极10的外周表面。
然后，其上供应有第一催化剂层材料的内部电极10穿过模具28，并从第一挤出装置50排出。此时，第一催化剂层12形成具有由内部电极10的外周表面和模具28的内周表面确定的期望厚度。所以，与插入模具28内的内部电极10的尺寸即内部电极10的直径相比，模具28中形成的开口48的尺寸大预定量，即扩展与第一催化剂层12的期望厚度相当的宽度。
一般而言，尽管模具开口的尺寸固定，但如果诸如由从挤出器挤出的材料施加的压力或者温度之类的条件变化，则挤出层的厚度也将变化。这样，短语“与第一催化剂层12的期望厚度相当的宽度”指的是能够确保最终的第一催化剂层12的厚度为期望厚度的宽度，并且在以下说明中，以相同的方式使用短语“与层的厚度相当的宽度”。
一旦已经通过在供应第一催化剂层材料的同时以预定速度供给内部电极10穿过模具，而沿着预定长度在内部电极10的外周表面上供应了第一催化剂层材料，则优选在空间30的至少一部分被阻塞或封闭的同时，使模具28与内部电极10的外周表面接触，由此停止将第一催化剂层材料供应到内部电极10。通过在停止供应第一催化剂层材料的情况下继续内部电极10的运动，形成例如图6中下方所示的暴露部分102，其中第一催化剂层材料不覆盖内部电极10的外周表面。
一旦内部电极10的外周表面的此暴露部分102已经沿着预定长度形成，则模具28再次扩展到比内部电极10的外周表面大预定量的宽度，空间30重新打开，并且第一催化剂层材料到内部电极10的供应重新开始。
通过以此方式使模具28运动通过预定间距，可以间断地形成第一催化剂层12，同时还形成内部电极10的外周表面的暴露部分102。
然后将其上间断形成有第一催化剂层12的内部电极10传输到第二挤出装置150。除了内接头126中的孔146和模具128中的开口148的形状不同，该第二挤出装置具有与第一挤出装置50基本相同的结构。所以，未包括与图3相当的图。
第二挤出装置150包括挤出电解质层材料以涂覆第一催化剂层12的外周表面的十字头140以及将电解质层材料供应到十字头140的第二挤出器122。
电解质层材料包括多种原材料，例如包括诸如基于全氟磺酸的材料之类的固体聚合物电解质膜以及合适的溶剂。当这些原材料作为单独的原材料或者以已经预先混合的原材料混合物的形式从图中未示出的入口供给到挤出器主体132中，并以期望速度旋转螺钉134时，原材料被捏合和加热，由此形成电解质层材料。同时，通过继续旋转螺钉34，将这样形成的电解质层材料从第二挤出器122挤出，通过连接管136而进入十字头140。
供给进入十字头140的电解质层材料穿过十字头主体124与模具128之间形成的空间130，而到达内接头126的尖端。
同时，内部电极10插入十字头主体124内以穿过内接头126中的中心孔146和模具128中形成的开口148，并通过使用图中未示出的拉动装置等在箭头的方向上以预定速度传输。然后，随着第一催化剂层12从内接头126的中心孔146穿过内接头的尖端，将已在预定时刻从第二挤出器122供给进入空间130的电解质层材料供应到第一催化剂层12的外周表面，该第一催化剂层12已经间断形成在内部电极10的外周表面上。
随着供应有电解质层材料的内部电极10穿过模具128并从第二挤出装置150排出，电解质层14形成具有由第一催化剂层12的外周表面和模具128的内周表面确定的期望厚度。所以，与模具28中形成的开口48的尺寸相比，模具128中形成的开口148的尺寸大预定宽度，即扩展与电解质层14的期望厚度相当的宽度。
一旦通过在供应电解质层材料的同时以预定速度供给内部电极10穿过模具，而在已经形成第一催化剂层12的区域的外周表面上形成了电解质层14，则优选在空间130的至少一部分被阻塞或封闭的同时，使模具128的内周表面与内部电极10的外周表面接触，由此停止将电解质层材料供应到第一催化剂层12的表面。然后在停止供应电解质层材料的情况下继续内部电极10的运动，使得不将电解质层材料供应到内部电极10的暴露部分102。
一旦已经穿过沿着内部电极10的外周表面的预定长度形成的此暴露部分102，则模具128再次扩展到比内部电极10的外周表面大预定量的宽度，空间130重新打开，并且电解质层材料到第一催化剂层12的供应重新开始。
通过以此方式使模具128运动通过预定间距，可以间断地形成电解质层14，同时保留内部电极10的外周表面的暴露部分102。
此时，包括例如外径测量装置的检测单元42优选设置在第二挤出装置150上游，并用于检测已经形成第一催化剂层12的部分和/或内部电极10的外周表面上的暴露部分102，然后基于诸如内部电极10的行进速度之类的因素来计算间断供应电解质层材料的时刻。通过设置这种同步装置，电解质层材料可以可靠地供应到间断形成在内部电极10的外周表面上的第一催化剂层12的外周表面。
然后将其上间断形成有电解质层14的内部电极10传输到第三挤出装置250。除了内接头226中的孔246和模具228中的开口248的形状不同，该第三挤出装置具有与第一挤出装置50基本相同的结构。所以，未包括与图3相当的图。
第三挤出装置250包括挤出第二催化剂层材料以涂覆电解质层14的外周表面的十字头240以及将第二催化剂层材料供应到十字头240的第三挤出器222。
如果第二催化剂层16被指定为空气电极(阴极催化剂层)，则第二催化剂层材料包括多种原材料，例如包括其中铂(Pt)等支承在碳等上的催化剂、诸如像Nafion(注册商标)的固体聚合物电解质之类的树脂、以及合适的溶剂。相反，如果第二催化剂层16被指定为燃料电极(阳极催化剂层)，则第二催化剂层材料包括多种原材料，例如包括其中铂(Pt)等与诸如钌(Ru)之类的另一金属一起支承在碳等上的催化剂、诸如像Nafion(注册商标)的固体聚合物电解质之类的树脂、以及合适的溶剂。当这些原材料作为单独的原材料或者以已经预先混合的原材料混合物的形式从图中未示出的入口供给到挤出器主体232中，并以期望速度旋转螺钉234时，原材料被捏合和加热，由此形成第二催化剂层材料。同时，通过继续旋转螺钉234，将这样形成的第二催化剂层材料从第三挤出器222挤出，通过连接管236而进入十字头240。
供给进入十字头240的第二催化剂层材料穿过十字头主体224与模具228之间形成的空间230，而到达内接头226的尖端。
同时，内部电极10插入十字头主体224内以穿过内接头226中的中心孔246和模具228中形成的开口248，并通过使用图中未示出的拉动装置等在箭头的方向上以预定速度传输。然后，随着电解质层14从内接头226的中心孔246穿过内接头的尖端，将已在预定时刻从第三挤出器222供给进入空间230的第二催化剂层材料供应到电解质层14的外周表面，该电解质层14已经间断形成在内部电极10的外周表面上。
随着供应有第二催化剂层材料的内部电极10穿过模具228并从第三挤出装置250排出，第二催化剂层16形成具有由电解质层14的外周表面和模具228的内周表面确定的期望厚度。所以，与模具128中形成的开口148的尺寸相比，模具228中形成的开口248的尺寸大预定宽度，即扩展与第二催化剂层16的期望厚度相当的宽度。
一旦在已经形成电解质层14的区域的外周表面上形成了第二催化剂层16，则优选在空间230的至少一部分被阻塞或封闭的同时，使模具228的内周表面与内部电极10的外周表面接触，由此停止将第二催化剂层材料供应到电解质层14的表面。然后在停止供应第二催化剂层材料的情况下继续内部电极10的运动，使得不将第二催化剂层材料供应到内部电极10的暴露部分102。
一旦沿着内部电极10的外周表面的预定长度形成的此暴露部分102已经通过，则模具228再次扩展到比内部电极10的外周表面大预定量的宽度，空间230重新打开，并且第二催化剂层材料到电解质层14的供应重新开始。
通过以此方式使模具128运动通过预定间距，可以间断地形成第二催化剂层16，同时保留内部电极10的外周表面的暴露部分102。
此时，包括例如外径测量装置的检测单元44优选设置在第三挤出装置250上游，并用于检测已经形成电解质层14的部分和/或内部电极10的外周表面上的暴露部分102，然后基于诸如内部电极10的行进速度之类的因素来计算间断供应第二催化剂层材料的时刻。通过设置这种同步装置，第二催化剂层材料可以可靠地供应到间断形成在内部电极10的外周表面上的电解质层14的外周表面。在此实施例中，如果进行其中通过供给内部电极10连续通过第一挤出装置50、第二挤出装置150和第三挤出装置250来实现层形成的连续过程，则检测单元44可以省去，并使用检测单元42同步各个挤出装置的操作。
在上述实施例中，管状燃料电池制造装置100的构造采用其中通过供给内部电极10连续通过第一挤出装置50、第二挤出装置150和第三挤出装置250来进行层形成的连续过程，但是本发明并不限于这种构造。例如，在内部电极10的长度短于通过装置的行进长度的情况下，可以在进行下一层形成步骤之前完成并随后停止各层形成步骤，这意味着层形成以停止-启动的方式进行。另外，如果作为管状燃料电池单电池使用制备有预定长度的内部电极10进行层形成，则可以无需下述切割步骤就形成在内部电极10的两端形成有暴露部分102的管状燃料电池。
另外，第一挤出装置50、第二挤出装置150和第三挤出装置250无需是分离的装置，而可以集成在单个装置内。图4示出作为本发明另一可能实施例的管状燃料电池制造装置200，其包括第一挤出器22、第二挤出器122和第三挤出器222。在图4中，因为第一挤出器22、第二挤出器122和第三挤出器222与图2所示的管状燃料电池制造装置100中所用的挤出器相同，所以图中省去这些结构，并且该图替代地示出与图2的结构不同的十字头内的内接头和模具的结构。
在图4中，管状燃料电池制造装置200包括在十字头内的开口内的内接头326、第一模具328和第二模具329。
图5示出沿着图4中所示线B-B的截面视图。如图5所示，内接头326包含孔346以及第一空间330和第二空间331，其中孔346从锥形尖端沿着中心轴线穿过内接头，且内部电极10能够插入该孔346中，第一空间330和第二空间331绕基本相同轴线形成为锥形，且第一空间更靠近中心。
第一模具328形成为围绕内接头326的尖端且同时在自身与内接头326之间形成第三空间332，而且还包括在与内接头326内的孔346相对应的位置中形成的开口348。
分别使用图中未示出的第一挤出器、第二挤出器和第三挤出器将第一催化剂层材料、电解质层材料和第二催化剂层材料压入第一空间330、第二空间331和第三空间332。分别被压入第一空间330、第二空间331和第三空间332中的第一催化剂层材料、电解质层材料和第二催化剂层材料从内接头326的尖端附近的区域供应，以在与第二模具329的界面附近的位置处在内部电极10的外周表面上形成顺序层。
第二模具329包括能够相对于第一模具328滑动的多个部件，并且通过使第二模具329的这些部件在开口348的中心的方向上移出或移入，可以改变开口348的形状。开口348的尺寸可以减小到当内部电极10穿过孔346和开口348时第二模具329与所穿过的内部电极10进入接触的点。另外，在第二模具329内的开口348的尺寸减小的同时，第二模具329的面对内接头326的表面与内接头326的各个尖端接触，这意味着可以顺序阻塞或封闭第一空间330、第二空间331和第三空间332。
一旦第一催化剂层材料、电解质层材料和第二催化剂层材料已经沿着预定长度供应到内部电极10的外周表面上，则第二模具329与内部电极10的外周表面接触，并且从第一空间330、第二空间331和第三空间332的至少一部分或者替代地全部的层材料供应通道被阻塞或封闭，由此停止所有第一催化剂层材料、电解质层材料和第二催化剂层材料到内部电极10的供应。通过在第一催化剂层材料、电解质层材料和第二催化剂层材料的供应停止的状态下继续内部电极10的运动，形成其中第一催化剂层材料不覆盖内部电极10的外周表面的暴露部分102。
一旦内部电极10的外周表面的此暴露部分102已经沿着预定长度形成，则第二模具329再次扩展到比内部电极10的外周表面大预定量的宽度，第一空间330、第二空间331和第三空间332重新打开，并且第一催化剂层材料、电解质层材料和第二催化剂层材料到内部电极10的供应重新开始。
通过以此方式使第二模具329运动通过预定间距，可以间断地形成第一催化剂层12、电解质层14和第二催化剂层16，同时还形成内部电极10的外周表面的暴露部分102。所以，在此实施例中不必需要与图1和图2所述检测单元42和44相对应的部件。
在此实施例中，内接头236可以采用单个部件或多个部件的组合，只要整个结构形成第一空间330、第二空间331和第三空间332即可。
这样，通过使模具28、128和228中任一个或者第二模具329的内周表面与内部电极10的外周表面接触，可以可靠地停止第一催化剂层材料、电解质层材料和第二催化剂层材料的供应。
在本发明的这些实施例中，还可以通过在挤出器和十字头之间设置齿轮泵等(图中未示出)，并使用此齿轮泵实现层材料到十字头的间断供应，而实现层材料到内部电极10的外周表面的间断供应。即使在使用这种替代装置的情况下，优选仍然使能够相对于内部电极10的外周表面移入和移出的模具的内周表面与内部电极10的外周表面接触，由此确保可靠地停止第一催化剂层材料、电解质层材料和第二催化剂层材料中至少之一的供应。
如上所述，使用根据本发明实施例的管状燃料电池制造装置100或200所获得的间断叠层80依次传输到切割步骤，其中第一催化剂层12、电解质层14和第二催化剂层16按此顺序以间断方式沿着内部电极10的外周表面层叠。图6示出通过切割间断叠层80获得管状燃料电池单电池的方法的示例。
如图6所示，通过在内部电极10的外周表面的暴露部分102处进行切割，可以获得多个管状燃料电池单电池。以此方式获得的管状燃料电池单电池可以设有外线圈18和树脂密封件20以形成图7和8所示类型的管状燃料电池单电池，或者可以与其它部件组合来形成包括多个管状燃料电池的管状燃料电池模块。在任一情况下，都不需要去除第一催化剂层12、电解质层14和第二催化剂层16的浪费的步骤，并可以有利地采用管状燃料电池产品。
在本发明的实施例中，尽管对于所制造的管状燃料电池的尺寸没有特别限制，但是内部电极10的长度优选在从约10到200mm的范围内。在这些情况下，内部电极10的厚度通常与在从例如0.5到10mm、优选从1到3mm的范围内的直径相当。另外，第一催化剂层12的厚度通常在从例如10到200μm、优选从30到50μm的范围内。电解质层14的厚度通常在从例如10到200μm、优选从30到50μm的范围内。第二催化剂层16的厚度通常在从例如1到100μm、优选从1到20μm的范围内。
另外，在本发明的实施例中，对于内部电极10没有特别限制，只要它是具有良好导电性的筒形材料，并且理想材料包括金、铂、铜、不锈钢以及包含这些金属的合金。为了减小接触阻抗，内部电极10还可以涂有合适的金镀层等。另外，为了用作便于诸如燃料气体之类的原材料扩散的供应通道，还可以使用诸如碳或表面涂有诸如金或铂之类金属的碳或钛之类的导电材料的多孔部件。
在上述挤出成形方法中，可以有利地采用通过将用于第一或第二催化剂层的催化剂粉末在溶液中分散而形成的糊剂、或者替代地通过将用于电解质层的固体聚合物电解质等溶解在基于酒精的溶剂等中而形成的糊剂，其中所述溶液通过将诸如像Nafion(注册商标)的固体聚合物电解质之类的树脂溶解在诸如甲醇、乙醇或异丙醇之类的基于酒精的溶剂中而形成。
在本发明的实施例中，在第一催化剂层12、电解质层14和第二催化剂层16依次层叠到内部电极10的外周表面的过程中，如果需要，可以采用各种方法中的任一种来防止相邻的层混和并变得混乱从而导致管状燃料电池的性能恶化。例如，合适的方法包括设置在多个层层叠之前或之后使用热空气或加热来干燥这些层中至少之一的干燥装置、使用基本不溶混的溶剂(例如水和有机溶剂)来进行交替层的形成、或者提高第一催化剂层材料、电解质层材料和第二催化剂层材料的粘度，但是这并非限制性的列表，而是可以采用任何合适的方法。
通过采用对挤出成形材料的合适替代，本发明不需要限制为固体聚合物电解质管状燃料电池的形成，而是可以有利地应用于各种管状燃料电池的制造。
如上所述，根据本发明的实施例或其修改，通过确保不在不需要的区域中形成第一催化剂层材料、电解质层材料和第二催化剂层材料，可以降低管状燃料电池的制造成本。
Claims (13)
1.一种制造管状燃料电池的方法，所述管状燃料电池具有表现出导电性的筒形内部电极、第一催化剂层、电解质层和第二催化剂层，其中通过间断地进行以下步骤：
通过挤出成形将第一催化剂层材料供应到所述内部电极的外周表面，由此形成所述第一催化剂层；
通过挤出成形将电解质层材料供应到所述第一催化剂层的外周表面，由此形成所述电解质层；和
通过挤出成形将第二催化剂层材料供应到所述电解质层的外周表面，由此形成所述第二催化剂层；
在所述内部电极的外周表面的至少一部分露出的状态下，形成所述第一催化剂层、所述电解质层和所述第二催化剂层。
2.根据权利要求1所述的制造管状燃料电池的方法，其中
在沿着所述内部电极的长度方向供应所述第一催化剂层材料、所述电解质层材料和所述第二催化剂层材料之后，通过暂时停止所述第一催化剂层材料、所述电解质层材料和所述第二催化剂层材料的供应来使所述内部电极的外周表面露出。
3.根据权利要求1所述的制造管状燃料电池的方法，
还包括以下步骤：在所述内部电极的外周表面露出的位置处进行切割，由此形成多个管状燃料电池单电池。
4.根据权利要求2所述的制造管状燃料电池的方法，
还包括以下步骤：在所述内部电极的外周表面露出的位置处进行切割，由此形成多个管状燃料电池单电池。
5.根据权利要求1所述的制造管状燃料电池的方法，其中所述内部电极由多孔材料形成。
6.根据权利要求1所述的制造管状燃料电池的方法，
还包括在形成所述第一催化剂层的步骤、形成所述电解质层的步骤和形成所述第二催化剂层的步骤之中至少一者之后的干燥步骤。
7.一种制造管状燃料电池的装置，所述管状燃料电池具有表现出导电性的筒形内部电极、第一催化剂层、电解质层和第二催化剂层，其中所述装置包括：
第一供应单元，所述第一供应单元通过挤出成形将第一催化剂层材料供应到所述内部电极的外周表面，由此形成所述第一催化剂层；
第二供应单元，所述第二供应单元通过挤出成形将电解质层材料供应到所述第一催化剂层的外周表面，由此形成所述电解质层；和
第三供应单元，所述第三供应单元通过挤出成形将第二催化剂层材料供应到所述电解质层的外周表面，由此形成所述第二催化剂层；
并且通过以间断的方式进行所述第一催化剂层材料、所述电解质层材料和所述第二催化剂层材料的供应，在所述内部电极的外周表面的至少一部分露出的状态下，形成所述第一催化剂层、所述电解质层和所述第二催化剂层。
8.根据权利要求7所述的制造管状燃料电池的装置，其中
在沿着所述内部电极的长度方向供应所述第一催化剂层材料、所述电解质层材料和所述第二催化剂层材料之后，通过暂时停止所述第一催化剂层材料、所述电解质层材料和所述第二催化剂层材料的供应来使所述内部电极的外周表面露出。
9.根据权利要求8所述的制造管状燃料电池的装置，其中
所述第一供应单元、所述第二供应单元和所述第三供应单元之中至少一者在其尖端处包括开口，所述开口能够与所述内部电极的外周表面接触和从所述外周表面缩回，并且
通过使所述开口的内周表面与所述内部电极的外周表面接触，来停止所述第一催化剂层材料、所述电解质层材料和所述第二催化剂层材料之中至少一者的供应。
10.根据权利要求8所述的制造管状燃料电池的装置，
还包括使所述第一催化剂层材料的供应、所述电解质层材料的供应和所述第二催化剂层材料的供应的时刻同步的同步单元。
11.根据权利要求9所述的制造管状燃料电池的装置，
还包括使所述第一催化剂层材料的供应、所述电解质层材料的供应和所述第二催化剂层材料的供应的时刻同步的同步单元。
12.根据权利要求7所述的制造管状燃料电池的装置，其中
所述内部电极由多孔材料形成。
13.根据权利要求7所述的制造管状燃料电池的装置，
还包括用于干燥所述第一催化剂层、所述电解质层和所述第二催化剂层之中至少一者的干燥单元。
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