CN101305491B - 管状燃料电池 - Google Patents
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Abstract
管状燃料电池(10)包括内集电器(5)、薄膜电极组件(6a)、以及密封部分(7a1、7a2)，所述密封部分(7a1、7a2)分别设置在所述薄膜电极组件的轴向端部处。薄膜电极组件包括设置在所述内集电器上的内催化剂层(2a)、设置在所述内催化剂层上的电解质薄膜(1)和设置在所述电解质薄膜上的外催化剂层(2b)。外催化剂层的轴向长度比电解质薄膜和外催化剂层的轴向长度短。在管状燃料电池的每一侧，外催化剂层的轴向端面和内催化剂层的轴向端面位于密封部分的两个相反侧上。
Description
技术领域
本发明涉及管状燃料电池，更具体而言涉及具有改进的发电性能的管状燃料电池。
背景技术
为了将管状燃料电池(在适当的地方称为“管状PEFC”)每单位面积的功率密度提高到一定水平，对管状燃料电池已经进行了持续地研究。通常，管状PEFC的单体电池(下文适当的地方称为“管状电池”)包括薄膜电极组件(下文称为“MEA”)，其具有形成为中空形状的电解质薄膜及设置在电解质薄膜内外侧上的催化剂层。在单体电池中，发生电反应，例如，当向MEA的内侧供给氢气(简称为“氢”)，并向MEA的外侧供给氧气(简称为“氧”)时，通过电反应产生的电力分别由设置在MEA的内外侧上的集电器收集，然后输出到外界。注意，设置在MEA内侧上的集电器称为“内集电器”，并且设置在MEA外侧上的集电器称为“外集电器”。即，在管状PEFC中，通过向MEA的内侧供给一种反应气体(例如，氢)，并向MEA的外侧供给另一种反应气体(例如，氧)来进行发电。因此，在管状PEFC中，两个或更多个相邻的单体电池的外表面暴露在供给到公共空间的反应气体中，因而与平板式PEFC的情形不同，无需在单体电池之间设置还用作气体防护件的分离器。这样，管状PEFC在尺寸上可制得紧凑。
作为关于管状燃料电池的技术的一个实例，PCT申请No.2004-505417的公开的日文译文描述了一种燃料电池，其中微电池的所有组件都构造在单个纤维总成内。根据该文献内的相关描述，该结构能够进行高功率密度地发电，并允许使电化学电池块(即，管状电池)的尺寸最小。
如上所述，在管状PEFC中，使用氢和空气发电。为了防止这些气体彼此混合，在各管状电池的端部处设置密封部分。例如，在如PCT申请No.2004-505417的公开的日本译文中所描述的管状PEFC中，参考图3，在内集电器5四周设置包括内催化剂层92、电解质薄膜91和外催化剂层92b的MEA 96，并且外集电器(未示出)设置成与外催化剂层92b接触，在MEA 96的端部处分别设置密封部分971、972。但是，在该管状PEFC中，向外催化剂层92b的表面和各端部的端面供给一种反应气体(图3中为氢)，并向外催化剂层92b的中部的表面供给其它反应气体(图3中为氧)。因此，当向外催化剂层92b的不同部分供给氢和氧时，在外催化剂层92b的一些部分处发电，并且这会降低管状PEFC的发电性能，这是个问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有改进了发电性能的管状燃料电池。
本发明的第一方面涉及一种管状燃料电池，包括内集电器、薄膜电极组件(MEA)和密封部分，所述密封部分分别设置在所述MEA的轴向端部处，所述MEA包括设置在所述内集电器上的内催化剂层、设置在所述内催化剂层上的电解质薄膜和设置在所述电解质薄膜上的外催化剂层。在该管状燃料电池中，所述外催化剂层的轴向长度比所述电解质薄膜的轴向长度和所述内催化剂层的轴向长度短。当所述内催化剂层的轴向端面分别标记为轴向端面A1、A2时，所述电解质薄膜的与所述轴向端面A1对应的轴向端面标记为轴向端面B1，所述电解质薄膜的与所述轴向端面A2对应的轴向端面标记为轴向端面B2，所述外催化剂层的与所述轴向端面A1、B1对应的轴向端面标记为轴向端面C1，并且所述外催化剂层的与所述轴向端面A2、B2对应的轴向端面标记为轴向端面C2，所述轴向端面C1离所述管状燃料电池的轴向中央比所述轴向端面A1、B1离所述管状燃料电池的所述轴向中央近，所述轴向端面C2离所述管状燃料电池的所述轴向中央比所述轴向端面A2、B2离所述管状燃料电池的所述轴向中央近，并且所述密封部分中的一个密封部分设置在所述轴向端面A1、B1所处的位置与所述轴向端面C1所处的位置之间，并且所述密封部分中的另一个密封部分设置在所述轴向端面A2、B2所处的位置与所述轴向端面C2所处的位置之间。
在本发明中，所述MEA的“轴向端部”指的是所述MEA在所述管状燃料电池的轴向方向上的端部，描述“与另一个轴向端部对应的一个轴向端部”意味着两个轴向端部位于所述MEA的轴向中央的同一侧。在本发明中，所述密封部分可由例如热固性树脂(例如，环氧树脂)或由通过两种组分彼此混合而固化的双组分粘合剂(例如，耐热环氧基粘合剂)制成。此外，描述“所述密封部分中的一个密封部分设置在(或位于)所述轴向端面A1、B1所处的位置与所述轴向端面C1所处的位置之间，并且所述密封部分中的另一个密封部分设置在(或位于)所述轴向端面A2、B2所处的位置与所述轴向端面C2所处的位置之间”也包括C1和C2中的至少一个在所述密封部分内的结构，换句话说，包括所述密封部分中的至少一个密封部分设置成覆盖C1或C2的结构。
本发明的第二方面涉及一种管状燃料电池，包括内集电器、MEA和密封部分，所述密封部分分别设置在所述MEA的轴向端部处。所述MEA包括设置在所述内集电器上的内催化剂层、设置在所述内催化剂层上的电解质薄膜和设置在所述电解质薄膜上的外催化剂层。当所述内催化剂层的轴向端面分别标记为轴向端面X1、X2时，所述电解质薄膜的与所述轴向端面X1对应的轴向端面标记为轴向端面Y1，所述电解质薄膜的与所述轴向端面X2对应的轴向端面标记为轴向端面Y2，所述外催化剂层的与所述轴向端面X1、Y1对应的轴向端面标记为轴向端面Z1，并且所述外催化剂层的与所述轴向端面X2、Y2对应的轴向端面标记为轴向端面Z2，所述轴向端面X1、Y1和Z1位于所述密封部分中的一个密封部分内，并且所述轴向端面X2、Y2、Z2位于所述密封部分中的另一个密封部分内，并且所述轴向端面X1、Y1和Z1大致彼此对准，并且所述轴向端面X2、Y2和Z2大致彼此对准。
在本发明的第一和第二方面中，内集电器可由Cu、Au或Pt制成。
根据本发明的第一方面，在管状燃料电池的每一侧，外催化剂层的轴向端面和内催化剂层的轴向端面位于密封部分的两个相反侧上。根据该结构，能够向所述外催化剂层的端部和中部的表面供给相同的反应气体，从而防止了可能在外催化剂层的某些部分处发生的不期望的发电。这样，能够提供具有改进的发电性能的管状燃料电池。
根据本发明的第二方面，所述外催化剂层的轴向端面位于所述密封部分内。根据该结构，也能够向所述外催化剂层的端部和中部的表面供给相同的反应气体，从而防止了可能在外催化剂层的某些部分处发生的不期望的发电。这样，能够提供具有改进的发电性能的管状燃料电池。
附图说明
参考附图，从下面优选实施例的描述可清楚本发明的上述及其它目的、特征和优点，其中相同的附图标记用于表示相同的元件，并且其中：
图1为示出根据第一示例性实施例的管状燃料电池的一部分的放大透视图；
图2为示出根据第二示例性实施例的管状燃料电池的一部分的放大透视图；
图3为示出根据现有技术的管状燃料电池的结构的透视图。
具体实施方式
下面参考附图详细描述根据本发明的管状燃料电池。应当注意，附图中的垂直方向与“轴向方向”对应，管状电池沿轴向方向的中心称为“轴向中央”，并且管状电池沿轴向方向的末端称为“轴向端”。
图1为示出根据本发明第一示例性实施例的管状燃料电池的一部分的放大透视图。参考图1，管状燃料电池10包括内集电器5、薄膜电极组件(MEA)6a、及密封部分7a1、7a2。MEA6a包括内催化剂层2a、电解质薄膜1及外催化剂层2b。内催化剂层2a设置在内集电器5上，电解质薄膜1设置在内催化剂层2a上，并且外催化剂层2b设置在电解质薄膜1上。密封部分7a1、7a2分别设置在MEA6a的轴向端部处。在内集电器5中，形成有通道，反应气体通过该通道在内集电器5与内催化剂层2a之间扩散。外催化剂层2b的表面上设有外集电器。注意，附图中未示出所述通道和所述外集电器。
在管状燃料电池10中，外催化剂层2b的轴向长度比内催化剂层2a和电解质薄膜1的轴向长度短。内催化剂层2a的轴向端面A1和电解质薄膜1的轴向端面B1位于其离管状燃料电池10的一个轴向端比密封部分7a1离管状燃料电池10的一个轴向端近的地方，并且内催化剂层2a的轴向端面A2和电解质薄膜1的轴向端面B2位于其离管状燃料电池10的另一个轴向端比密封部分7a2离管状燃料电池10的另一个轴向端近的地方。外催化剂层2b的轴向端面C1、C2位于其离管状燃料电池的轴向中央比密封部分7a1、7a2离管状燃料电池的轴向中央近的地方。当向管状燃料电池10供给氢和空气时，空气供给到密封部分7a1、7a2之间的空间，并且氢供给到密封部分7a1上方的并由密封部分7a1分隔开的空间和密封部分7a2下方的并由密封部分7a2分开的空间，因此，只有空气供给到外催化剂层2b，从而防止了可能在外催化剂层2b某些部分处发生的不期望的发电。结果，提高了管状燃料电池10的发电性能。
另外，在如上构造的管状燃料电池10中，密封部分7a1设置在外催化剂层2b的轴向端面C1所处的位置与内催化剂层2a的轴向端面A1和电解质薄膜1的轴向端面B 1所处的位置之间，并且密封部分7a2设置在外催化剂层2b的轴向端面C2所处的位置与内催化剂层2a的轴向端面A2和电解质薄膜1的轴向端面B2所处的位置之间。因此，当形成密封部分7a1、7a2时，防止了密封部分7a1、7a2的材料进入内催化剂层2a与电解质薄膜1之间及电解质薄膜1与外催化剂层2b之间。注意，密封部分7a1、7a2的材料可为，例如，热固性树脂(例如，环氧树脂)或由两种组分彼此混合而固化的双组分粘合剂(例如，耐热环氧基粘合剂)。即，由于在上述各部分之间没有密封部分7a1、7a2的材料，所以没有妨碍质子的传导，从而提高了管状燃料电池10的发电性能。
例如，管状燃料电池10可通过下列步骤制造。首先，从具有良好导电性和耐腐蚀性的材料(例如，Cu、Au或Pt)制成内集电器5。注意，当使用Cu时，优选使用具有高耐腐蚀性的材料(例如Ti)涂覆内集电器5的表面，以提高内集电器5的耐腐蚀性能。通过将催化剂涂料涂敷到内集电器5的表面上，然后使其干燥，从而在内集电器5的表面上形成内催化剂层2a。通过向含有离子交换树脂的溶液添加催化剂(例如，载有铂的碳)来制备催化剂涂料，其中，所述离子交换树脂包括氟等，其使用了有机溶剂来溶解。在这样形成内催化剂层2a之后，通过如将离子交换树脂涂敷到内催化剂层2a的表面，然后使其干燥，从而在内催化剂层2a的表面上形成电解质薄膜1，其中所述离子交换树脂包括氟等，其使用了有机溶剂来溶解。该离子交换树脂在下文中适当的地方称为“电解质组分”。然后，例如，通过如将上述催化剂涂料涂敷到电解质薄膜1的表面上，在电解质薄膜1的表面上形成外催化剂层2b。执行这些过程使得外催化剂层2b的轴向端面C1位于与电解质薄膜1的轴向端面B1不同的位置，并且外催化剂层2b的轴向端面C2位于与电解质薄膜1的轴向端面B2不同的位置，如沿轴向方向所见。更具体地，如图1中所示，外催化剂层形成为，使得外催化剂层2b的轴向端面C1、C2分别位于其离管状电池的轴向中央比电解质薄膜1的轴向端面B1、B2离管状电池的轴向中央近的地方。然后，在外催化剂层2b上形成由与内集电器5相同的材料制成的外集电器(未示出)。在这样制备了管状电池之后，在外催化剂层2b的轴向端面C1与电解质薄膜1的轴向端面B1之间形成了密封部分7a1，并且在外催化剂层2b的轴向端面C2与电解质薄膜1的轴向端面B2之间形成了密封部分7a2。例如，通过涂敷在环境温度下为液态的热固性树脂(例如，环氧树脂)或通过两种组分彼此混合而固化的双组分粘合剂(例如，耐热环氧基粘合剂)，然后使其冷却固化，从而形成密封部分7a1、7a2。这就是如何生产第一示例性实施例的管状燃料电池10。
图2为示出根据本发明第二示例性实施例的管状燃料电池20的一部分的放大透视图。图2中，使用相同的附图标记来表示具有与图1中的部分和组件相同的结构的部分和组件，并省略其描述。
参考图2，管状燃料电池20包括内集电器5、MEA6b、及密封部分7b1、7b2。MEA6b包括内催化剂层2a、电解质薄膜1及外催化剂层2b′。内催化剂层2a设置在内集电器5上，电解质薄膜1设置在内催化剂层2a上，并且外催化剂层2b′设置在电解质薄膜1上。密封部分7b1、7b2分别设置在MEA6b的轴向端部处。内集电器5中形成有通道，反应气体通过该通道在内集电器5与内催化剂层2a之间扩散。在外催化剂层2b′的表面上设有外集电器。注意，附图中未示出所述通道和所述外集电器。各密封部分7b1、7b2的厚度比第一示例性实施例中的密封部分7a1、7a2的厚度大。例如，密封部分7b1、7b2由热固性树脂(例如，环氧树脂)或由通过两种组分彼此混合而固化的双组分粘合剂(例如，耐热环氧基粘合剂)制成。
在管状燃料电池20中的一侧上，内催化剂层2a的轴向端面X1、电解质薄膜1的轴向端面Y1和外催化剂层2b′的轴向端面Z1彼此对准，并且在另一侧上，内催化剂层2a的轴向端面X2、电解质薄膜1的轴向端面Y2，和外催化剂层2b′的轴向端面Z2彼此对准。轴向端面X1、Y1、Z1设置在密封部分7b 1内，并且轴向端面X2、Y2、Z2设置在密封部分7b2内。当向管状燃料电池20供给氢和空气时，空气供给到密封部分7b1、7b2之间的空间，氢供给到密封部分7b1上方的并由密封部分7b1分隔开的空间和密封部分7b2下方的并由密封部分7b2分开的空间，因此，只有空气供给到外催化剂层2b′，从而防止了可能在外催化剂层2b′某些部分处发生的不期望的发电。结果，提高了管状燃料电池20的发电性能。
例如，管状燃料电池20可通过下列步骤制造。首先，从具有良好导电性和耐腐蚀性的材料(例如，Cu、Au或Pt)制成内集电器5。注意，当使用Cu时，优选使用具有高耐腐蚀性的材料(例如Ti)涂覆内集电器5的表面，以提高内集电器5的耐腐蚀性能。然后，已经全通过加热而溶解的用于形成内催化剂层的催化剂涂料、电解质组分、以及用于形成外催化剂层的催化剂涂料分别挤压到内集电器5的表面上，以形成MEA6b。在形成MEA6b之后，通过涂敷在环境温度下为液态的热固性树脂(例如，环氧树脂)，或者由两种组分彼此混合而固化的双组分粘合剂(例如，耐热环氧基粘合剂)，然后使其冷却固化，从而形成密封部分7b1、7b2。热固性树脂或双组分粘合剂涂敷到这样的位置使得产生的密封部分7b1、7b2覆盖MEA6b的相应的轴向端面。这就是如何制备根据第二示例性实施例的管状燃料电池20。根据第二示例性实施例的管状燃料电池20，可通过简单的制造方法制造管状燃料电池。注意，作为挤压用于形成内催化剂层的催化剂涂料、电解质组分、用于形成外催化剂层的催化剂涂料的方法实例，可使用通常用于制造电线等的金属挤压件。
在本发明的上述示例性实施例中，向外催化剂层的表面供给空气，并且通过管状电池的轴向端部向内催化剂层供给氢。但是，本发明不限于此，例如，其可选地涂敷到其中向外催化剂层的表面供给氢并且向内催化剂层供给空气的管状燃料电池。
尽管已经参考其示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于所述优选的实施例或构造。相反，本发明覆盖了各种变形和等效的布置。另外，尽管以示例性的各种组合和结构示出了优选实施例的各种元件，但是在本发明的实质和范围内还可有其它组合和结构(包括更多的、更少的或者只有一个元件)。
Claims (6)
1.一种管状燃料电池(10)，包括：
内集电器(5)；
薄膜电极组件(6a)，所述薄膜电极组件(6a)包括设置在所述内集电器上的内催化剂层(2a)、设置在所述内催化剂层上的电解质薄膜(1)和设置在所述电解质薄膜上的外催化剂层(2b)；以及
密封部分(7a1、7a2)，所述密封部分(7a1、7a2)分别设置在所述薄膜电极组件的轴向端部处，其中
所述外催化剂层的轴向长度比所述电解质薄膜的轴向长度和所述内催化剂层的轴向长度短，并且
当所述内催化剂层的轴向端面分别标记为轴向端面A1、A2时，所述电解质薄膜的与所述轴向端面A1对应的轴向端面标记为轴向端面B1，所述电解质薄膜的与所述轴向端面A2对应的轴向端面标记为轴向端面B2，所述外催化剂层的与所述轴向端面A1、B1对应的轴向端面标记为轴向端面C1，并且所述外催化剂层的与所述轴向端面A2、B2对应的轴向端面标记为轴向端面C2，所述轴向端面C1离所述管状燃料电池的轴向中央比所述轴向端面A1、B1离所述管状燃料电池的所述轴向中央近，所述轴向端面C2离所述管状燃料电池的所述轴向中央比所述轴向端面A2、B2离所述管状燃料电池的所述轴向中央近，并且所述密封部分中的一个密封部分设置在所述轴向端面A1、B1所处的位置与所述轴向端面C1所处的位置之间，并且所述密封部分中的另一个密封部分设置在所述轴向端面A2、B2所处的位置与所述轴向端面C2所处的位置之间。
2.如权利要求1所述的管状燃料电池，其中
所述密封部分设置成分别覆盖所述轴向端面C1、C2。
3.一种管状燃料电池(20)，包括：
内集电器(5)；
薄膜电极组件(6a)，所述薄膜电极组件(6a)包括设置在所述内集电器上的内催化剂层(2a)、设置在所述内催化剂层上的电解质薄膜(1)和设置在所述电解质薄膜上的外催化剂层(2b′)；以及
密封部分(7b1、7b2)，所述密封部分分别设置在所述薄膜电极组件的轴向端部处，其中
当所述内催化剂层的轴向端面分别标记为轴向端面X1、X2时，所述电解质薄膜的与所述轴向端面X1对应的轴向端面标记为轴向端面Y1，所述电解质薄膜的与所述轴向端面X2对应的轴向端面标记为轴向端面Y2，所述外催化剂层的与所述轴向端面X1、Y1对应的轴向端面标记为轴向端面Z1，并且所述外催化剂层的与所述轴向端面X2、Y2对应的轴向端面标记为轴向端面Z2，所述轴向端面X1、Y1和Z1位于所述密封部分中的一个密封部分内，并且所述轴向端面X2、Y2、Z2位于所述密封部分中的另一个密封部分内，并且所述轴向端面X1、Y1和Z1大致彼此对准，并且所述轴向端面X2、Y2和Z2大致彼此对准。
4.如权利要求1至3中任一项所述的管状燃料电池，其中
所述内集电器由Cu、Au或Pt制成。
5.如权利要求1至3中任一项所述的管状燃料电池，其中
所述密封部分由热固性树脂制成。
6.如权利要求1至3中任一项所述的管状燃料电池，其中
所述密封部分由通过两种组分彼此混合而固化的双组分粘合剂制成。
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