DE112006000301T5

DE112006000301T5 - Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle und Vorrichtung zum Herstellen einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE112006000301T5
Application number: DE112006000301T
Authority: DE
Inventors: Yuichiro Toyota Hama
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-02-01
Filing date: 2006-02-01
Publication date: 2007-12-20
Also published as: US20080131586A1; WO2006082995A1; JP2006216280A; CN101111960A

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer zylindrischen Brennstoffzelle, die eine erste Katalysatorschicht, eine Elektrodenschicht und eine zweite Katalysatorschicht aufweist, mit:
Ausbilden der ersten Katalysatorschicht auf einer äußeren Oberfläche eines zylindrischen Trägers durch ein Sprühverfahren;
Ausbilden der Elektrolytschicht auf der ersten Katalysatorschicht durch ein Sprühverfahren; und
Ausbilden der zweiten Katalysatorschicht auf der Elektrolytschicht durch ein Sprühverfahren, wobei
jedes Ausbilden in einer fortlaufenden Weise durchgeführt wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle und eine Vorrichtung zum Herstellen einer Brennstoffzelle, und betrifft insbesondere ein Verfahren zum Herstellen und eine Vorrichtung zum Herstellen einer zylindrischen Brennstoffzelle.
Stand der Technik
Brennstoffzellen, die Elektrizität durch Umwandeln von chemischer Energie in elektrische Energie über eine elektrochemische Reaktion erzeugen, die als Rohstoffe ein Oxidationsgas bzw. oxidierendes Gas, wie beispielsweise Sauerstoff oder Luft, und ein Reduktionsgas bzw. reduzierendes Gas (ein Brennstoffgas), wie beispielsweise Wasserstoff oder Methan oder einen flüssigen Brennstoff, wie beispielsweise Methanol, verwenden, ziehen beträchtliche Aufmerksamkeit als eine mögliche Gegenmaßnahme zu Umweltproblemen und Ressourcenproblemen auf sich. Bei einer Brennstoffzellenstruktur sind eine Brennstoffelektrode (eine Anoden-Katalysatorschicht), die auf einer Oberfläche eines Elektrolytfilms vorgesehen ist, und eine Luftelektrode (eine Kathoden-Katalysatorschicht), die auf der anderen Oberfläche vorgesehen ist, einander gegenüber liegend über dem Elektrolytfilm angeordnet, wobei eine Diffusionsschicht auf der Außenseite einer jeden dieser Katalysatorschichten vorgesehen sind, die den Elektrolytfilm einschichten, und diese Diffusionsschichten werden dann zwischen Trennvorrichtungen bzw. Separatoren eingelegt, die Rohstoff-Zuführdurchlässe aufweisen, und die Elektrizität wird dann durch Zuführen der Rohstoffe, wie beispielsweise Wasserstoff und Sauerstoff, zu jeder dieser Katalysatorschichten erzeugt.
Wenn der Rohstoff, welcher der Brennstoffelektrode zugeführt wird, Wasserstoff ist und der Rohstoff, welcher der Luftelektrode zugeführt wird, Luft ist, dann werden während der Stromerzeugung unter Verwendung einer Brennstoffzelle Wasserstoffionen und Elektronen aus dem Wasserstoffgas erzeugt. Diese Elektronen strömen von einem äußeren Anschluß und durch einen äußeren Schaltkreis, bevor sie die Luftelektrode erreichen. An der Luftelektrode reagieren der Sauerstoff in der zugeführten Luft, die Wasserstoffionen, die durch den Elektrolytfilm hindurchgetreten sind, und die Elektronen, die durch den externen Schaltkreis gewandert sind, um die Luftelektrode zu erreichen, miteinander, um Wasser zu erzeugen. Auf diese Weise treten chemische Reaktionen sowohl an der Brennstoffelektrode als auch an der Luftelektrode auf, und eine elektrische Ladung wird erzeugt, welche der Struktur ermöglicht, als eine elektrische Zelle zu fungieren. Da die Rohstoffgase und/oder die flüssigen Brennstoffe, die zur Stromerzeugung verwendet werden, reichlich vorhanden sind, und das Material, das als ein Ergebnis der Stromerzeugung abgegeben wird, Wasser ist, wurde diese Art von Brennstoffzelle als eine potentielle Quelle für saubere Energie für alle Arten von Anwendungen erforscht.
Röhrenartige Brennstoffzellen (massive runde zylindrische, hohle runde zylindrische und hohle Brennstoffzellen) sind herkömmliche Beispiele diesen Typs von Brennstoffzelle (siehe beispielsweise die japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2002-124273, die japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2002-289220, die japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2002-260685). Röhrenartige Brennstoffzellen weisen eine Struktur auf, bei der die Brennstoffelektrode auf entweder der inneren oder der äußeren Oberfläche eines röhrenartigen Polymer-Elektrolytfilms vorgesehen sind und die Luftelektrode auf der anderen Oberfläche vorgesehen ist, und bieten den Vorteil, daß sie leichter in ihrer Größe herabgesetzt werden können bzw. verkleinert werden können als flache Brennstoffzellen. Der Aufbau (Luftelektrode/Elektrolytfilm/Brennstoffelektrode), der in einer röhrenartigen Brennstoffzelle verwendet wird, wird typischerweise von einem Extrusions-Formverfahren (siehe japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2002-124273), einem Tauchverfahren (siehe japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2002- 289220) oder einem chemischen Beschichtungsverfahren (japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2002-260685) derart ausgebildet, daß Katalysatorschichten (die Brennstoffelektrode und die Luftelektrode) auf den inneren und äußeren Oberflächen des röhrenartigen Elektrolytfilms ausgebildet werden.
Bei einem Extrusions-Formverfahren, wie das, das in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2002-124273 offenbart ist, werden jeweils ein Katalysator für die Brennstoffelektrode, ein festes Elektrolytpolymer für den Elektrolytfilm und ein Katalysator für die Luftelektrode zu einer fließfähigen Fluidgestalt unter Verwendung eines geeigneten Lösungsmittels umgewandelt, und der Aufbau wird dann durch Durchführen eines integrierten Extrusions-Formprozesses erhalten, der in der Reihenfolge von innen nach außen erzeugt: eine Lage des Brennstoffelektroden-Katalysators, des festen Elektrolytpolymers und des Luftelektroden-Katalysators. Durch Extrudieren eines jeden Fluids aus einer Extrusionsdüse wird ein integriertes Formprodukt erhalten, und der vielschichtige Aufbau wird dann durch Erwärmen des Formprodukts, um die Lösungsmittel zu verdampfen, verfestigt.
Bei einem Tauchverfahren, wie beispielsweise das, das in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2002-289220 offenbart ist, wird ein poröser Hohlträger in einen Behandlungstank, der mit einer Harzlösung (eine Paste), welche den Katalysator für die Luftelektrode enthält, getaucht und wird dann entfernt und getrocknet, um eine Katalysatorschicht (die Luftelektrode) auszubilden. Ein ähnlicher Prozeß wird dann verwendet, um eine Elektrolytschicht und eine weitere Katalysatorschicht (die Brennstoffelektrode) auszubilden, wodurch der Aufbau abgeschlossen bzw. vervollständigt wird.
Bei einem chemischen Beschichtungsverfahren, wie beispielsweise das, das in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2002-260685 offenbart ist, wird chemisches Beschichten verwendet, um eine Katalysatorschicht (die Luftelektrode) auf der äußeren Oberfläche eines röhrenartigen Elektrolytfilms durch in Kontaktbringen einer wässerigen Lösung des Katalysators für die Luftelektrode mit dem röhrenartigen Elektrolytfilm auszubilden, die gesamte Röhre wird dann gewaschen, und eine Mischung, die den Katalysator für die Brennstoffelektrode in Suspensionsform enthält, wird dann in die Röhre eingespritzt, wodurch eine weitere Katalysatorschicht (die Brennstoffelektrode) ausgebildet wird und der Aufbau abgeschlossen wird.
Andererseits offenbart die japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2003-100314 ein Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle, die eine Brennstoffelektrode auf einer Oberfläche eines flachen Polymer-Elektrolytfilms und eine Luftelektrode auf der anderen Oberfläche enthält, wobei die Katalysatorschichten durch Aufsprühen während des Erwärmens einer Kunstharzlösungs-Aufschlämmung, die den Katalysator darin dispergiert enthält, auf die Oberfläche des flachen Polymer-Elektrolytfilms ausgebildet werden. Dieses Sprühverfahren ermöglicht die Herstellung eines Aufbaus, bei dem die Katalysatorschichten mit einer hohen Einheitlichkeit ausgebildet worden sind.
Darüber hinaus offenbart die japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. H06-29031 ein Verfahren zum Herstellen einer runden zylindrischen Brennstoffzelle aus Festelektrolyt, welches das Ausbilden einer Elektrolytform durch Gießen einer Aufschlämmung, die einen Festelektrolyten enthält, in eine Gußform, die wasserabsorbierend ist, und teilweise mit einem wasserfesten oder wasserabweisenden Teil zusammengefügt ist, Entfernen des wasserfesten oder wasserabweisenden Teils und nachfolgendes Gießen einer Katalysator enthaltenen Aufschlämmung in die Gußform, um eine Brennstoffelektrode auszubilden, Auftragen oder Aufsprühen einer Aufschlämmung auf den ausgesetzten Abschnitt der Brennstoffelektrode, der durch Entfernen des wasserfesten oder wasserabweisenden Teils ausgebildet worden ist, wodurch ein Zwischenverbinder ausgebildet wird, Durchführen von Backen bzw. Brennen, und dann Ausbilden einer Luftelektrode auf der Außenseite des festen Elektrolytfilms durch ein Tauchverfahren, wodurch der Aufbau abgeschlossen wird.
Darüber hinaus offenbart die japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. H06-72787 ein Verfahren zum Herstellen einer runden zylindrischen Brennstoffzelle aus Festelektrolyt, welches das Ausbilden einer Luftelektrode und einer festen Elektrolytschicht auf der Oberfläche eines runden zylindrischen Trägers, das Aufsprühen einer Kunstharzlösungs-Aufschlämmung, das einen dispergierten Katalysator enthält, auf die Struktur, das Durchführen von Trocknen und Backen, und dann Ausbilden einer Brennstoffelektrode durch Verwenden eines Tauchverfahrens, um eine Oberflächenschicht eines Verbindungsoxyds auszubilden, enthält, wodurch der Aufbau vervollständigt wird.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Bei einem Extrusions-Formverfahren, wie das, das in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2002-124273 offenbart ist, gibt es jedoch, wenn die Fluide, die jeweils den Katalysator für die Brennstoffelektrode, das feste Elektrolytpolymer für den Elektrolytfilm und den Katalysator für Luftelektrode enthalten, dem integrierten Extrusionsformen ausgesetzt werden, eine Möglichkeit, daß die Fluide zusammengemischt werden, was bedeutet, daß es schwierig ist, einen Aufbau mit einer einheitlichen Filmdicke für jede der Schichten zu erreichen.
Darüber hinaus muß bei einem Tauchverfahren, wie das, das in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2002-289220 offengelegt ist, obwohl die Flüssigkeitseigenschaften, wie beispielsweise die Viskosität zwischen den Katalysatorpasten und der Elektrolytfilmpaste schwanken, die Wandergeschwindigkeit des Trägers auf einem gleichbleibenden Niveau während der fortlaufenden Ausbildung der Katalysatorschicht, der Elektrolytschicht und der Katalysatorschicht gehalten werden, was den röhrenartigen Aufbau ergibt. Folglich können die Beschichtungsbedingungen nicht für jede der verschiedenen Pasten optimiert werden, was eine fortlaufende Erzeugung erschwert.
Da der Träger unmittelbar eingetaucht wird und dann von den Materiallösungen entfernt wird, werden darüber hinaus bei einem Tauchverfahren die Katalysatorschichten ebenso an Stellen ausgebildet, wo diese Schichten nicht erforderlich sind (beispielsweise die Kanten des Trägers), und diese nicht erforderlichen Abschnitte der Katalysatorschichten müssen in nachfolgenden Schritten entfernt werden.
Ferner ist bei einem chemischen Beschichtungsverfahren, wie das, das in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2002-260685 offenbart ist, eine fortlaufende Erzeugung eines zylindrischen Aufbaus schwer.
Bei dem Verfahren, das in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2003-100314 offenbart ist, ist es darüber hinaus schwer, einen zylindrischen Aufbau in einer fortlaufenden Weise zu erhalten, obwohl ein flacher Aufbau erzeugt werden kann.
Darüber hinaus ist in dem Fall der Verfahren, die in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. H06-29031 und der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. H06-72787 offenbart sind, der Prozeß komplex, und das Erzeugen eines zylindrischen Aufbaus in einer fortlaufenden Weise ist problematisch.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen einer zylindrischen Brennstoffzelle bereit, die eine erste Katalysatorschicht, eine Elektrolytschicht und eine zweite Katalysatorschicht aufweist, wobei die Einheitlichkeit der Filmdicke der ersten Katalysatorschicht, der Elektrolytschicht und der zweiten Katalysatorschicht vorteilhaft ist und jeder der Schichten in einer fortlaufenden Weise ausgebildet werden kann.
Die vorliegende Erfindung stellt ebenfalls ein Verfahren zum Herstellen einer zylindrischen Brennstoffzelle bereit, die eine erste Katalysatorschicht, eine Elektrolytschicht und eine zweite Katalysatorschicht aufweist, mit Ausbilden der ersten Katalysatorschicht auf der äußeren Oberfläche eines zylindrischen Trägers durch ein Sprühverfahren, Ausbilden der Elektrolytschicht auf der ersten Katalysatorschicht durch ein Sprühverfahren und Ausbilden der zweiten Katalysatorschicht auf der Elektrolytschicht durch ein Sprühverfahren, wobei jedes Ausbilden in einer fortlaufenden Weise durchgeführt wird.
Darüber hinaus enthält das vorstehende Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle vorzugsweise ferner das Trocknen der ausgebildeten ersten Katalysatorschicht in Folge des Ausbildens der ersten Katalysatorschicht, Trocknen der ausgebildeten Elektrolytschicht in Folge des Ausbildens der Elektrolytschicht und Trocknen der ausgebildeten zweiten Katalysatorschicht in Folge des Ausbildens der zweiten Katalysatorschicht, wobei sowohl das Ausbilden als auch das Trocknen in einer fortlaufenden Weise durchgeführt werden.
Weiter wird bei dem vorstehenden Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle das Sprühverfahren vorzugsweise durch Aufsprühen einer Paste auf eine Mehrzahl von Stellen auf der äußeren Oberfläche des zylindrischen Trägers durchgeführt.
Weiter wird bei dem vorstehenden Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle der zylindrische Träger, auf dem jede der Lagen ausgebildet ist, vorzugsweise geschnitten, um eine Mehrzahl von einzelnen Brennstoffzellen zu erhalten.
Ferner ist beim vorstehenden Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle der zylindrische Träger vorzugsweise ein leitfähiges poröses Teil.
Die vorliegende Erfindung sieht auch eine Vorrichtung zum Herstellen einer zylindrischen Brennstoffzelle vor, die eine erste Katalysatorschicht, eine Elektrolytschicht und eine zweite Katalysatorschicht aufweist, wobei die Vorrichtung eine Transporteinheit, die einen zylindrischen Träger transportiert, eine erste Sprüheinheit, die eine Paste für die erste Katalysatorschicht auf die äußere Oberfläche des zylindrischen Trägers aufsprüht, um die erste Katalysatorschicht auszubilden, eine erste Trockeneinheit, welche die ausgebildete erste Katalysatorschicht trocknet, eine zweite Sprüheinheit, die eine Paste für die Elektrolytschicht auf die getrocknete erste Katalysatorschicht aufsprüht, um die Elektrolytschicht auszubilden, eine zweite Trockeneinheit, welche die ausgebildete Elektrolytschicht trocknet, eine dritte Sprüheinheit, die eine Paste für die zweite Katalysatorschicht auf die getrocknete Elektrolytschicht aufsprüht, um die zweite Katalysatorschicht auszubilden, und eine dritte Trockeneinheit enthält, welche die ausgebildete zweite Katalysatorschicht trocknet.
Darüber hinaus enthält jede der Sprüheinheiten in der vorstehenden Vorrichtung zum Herstellen einer Brennstoffzelle vorzugsweise eine Mehrzahl von Sprühvorrichtungen.
Weiter ist in der vorstehenden Vorrichtung zum Herstellen einer Brennstoffzelle der zylindrische Träger vorzugsweise ein leitfähiges poröses Teil.
Bei einem Verfahren zum Herstellen einer zylindrischen Brennstoffzelle, die eine erste Katalysatorschicht, eine Elektrolytschicht und eine zweite Katalysatorschicht aufweist, gemäß der vorliegenden Erfindung, können durch das Durchführen der Filmbildung in einer fortlaufenden Weise, wobei jedes Ausbilden das Durchführen von Aufsprühen auf die äußere Oberfläche eines zylindrischen Trägers beinhaltet, die erste Katalysatorschicht, die Elektrolytschicht und die zweite Katalysatorschicht in einer fortlaufenden Weise mit einer vorteilhaften Einheitlichkeit der Filmdicke für jede Schicht erzeugt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist ein Schaubild, das ein Beispiel für die Struktur einer Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
2 ist ein Schaubild, das ein Beispiel für eine Vorrichtung zum Herstellen einer Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
3 ist ein Schaubild, das ein Beispiel für ein Verfahren zum Erhalten von einzelnen Zellen durch Schneiden einer Brennstoffzelle, die nach einem Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erhalten wird, darstellt.
4 ist ein Schaubild, das die Positionierung der Sprühvorrichtungen bei einem Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
Nachfolgend folgt eine Beschreibung einer Brennstoffzelle, die unter Verwendung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Herstellen einer Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt worden ist.
Eine Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält eine erste Katalysatorschicht, eine Elektrolytschicht und eine zweite Katalysatorschicht.
1 stellt eine Skizze eines Beispiels einer Brennstoffzelle 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Die Struktur dieser Brennstoffzelle 1 ist nachfolgend beschrieben. Die Brennstoffzelle 1 enthält eine Elektrolytschicht 10, eine erste Katalysatorschicht, die als eine Brennstoffelektrode (eine Anoden-Katalysatorschicht) 12 fungiert, eine zweite Katalysatorschicht, die als eine Luftelektrode (eine Kathoden-Katalysatorschicht) 14 fungiert, und einen Stromaufnehmer 16. Ferner kann eine zusätzliche Stromaufnehmerschicht ebenfalls auf der äußeren Oberfläche der Luftelektrode 14 der zweiten Katalysatorschicht ausgebildet sein.
Bei der in 1 dargestellten Brennstoffzelle 1 ist die Brennstoffelektrode 12, die als die erste Katalysatorschicht wirkt, auf der äußeren Oberfläche des runden zylindrischen Trägers, der als der Stromaufnehmer 16 fungiert, vorgesehen, die Elektrolytschicht 10 ist auf der äußeren Oberfläche der Brennstoffelektrode 12 vorgesehen, und die Luftelektrode 14, die als die zweite Katalysatorschicht wirkt, ist auf der äußeren Oberfläche der Elektrolytschicht 10 vorgesehen, wodurch ein zylindrischer Aufbau (MEA: Membran-Elektrodenaufbau) 18 ausgebildet wird. Bei einer alternativen Struktur der Brennstoffzelle 1 kann eine Luftelektrode 14, die als die erste Katalysatorschicht wirkt, auf der äußeren Oberfläche des zylindrischen Stromaufnehmers 16 ausgebildet sein, wobei die Elektrolytschicht 10 dann auf der äußeren Oberfläche der Luftelektrode 14 vorgesehen ist, und eine Brennstoffelektrode 12, die als die zweite Katalysatorschicht wirkt, auf der äußeren Oberfläche der Elektrolytschicht 10 vorgesehen ist. Jedoch ist die Brennstoffelektrode 12 gewöhnlich als die erste Katalysatorschicht vorgesehen, wobei die Luftelektrode 14 als die zweite Katalysatorschicht vorgesehen ist.
Wenn entweder der Stromaufnehmer 16 und die Luftelektrode 14 der zweiten Katalysatorschicht oder der Stromaufnehmer 16 und die Stromaufnahmeschicht, die auf der äußeren Oberfläche der Luftelektrode 14 der zweiten Katalysatorschicht ausgebildet ist, mit einem äußeren Schaltkreis elektrisch verbunden sind und der Betrieb dann durch Zuführen von Rohstoffen zur Brennstoffelektrode 12 und zur Luftelektrode 14 begonnen wird, kann diese Struktur bei diesem Typ von Brennstoffzelle 1 als eine Brennstoffzelle betrieben werden.
Es gibt keine besonderen Beschränkungen der Elektrolytschicht 10, vorausgesetzt, daß sie aus einem Material ausgebildet ist, das eine hohe Ionendurchlässigkeit für Ionen wie beispielsweise Protonen (H⁺) und Sauerstoffionen (O^2–) zeigt. Geeignete Materialien enthalten feste Polymer-Elektrolytfilme und stabilisierte Zirkoniumfilme, obwohl die Verwendung von festen Polymer-Elektrolytfilmen, wie beispielsweise Perfluorsulfonsäure-basierte Filme bevorzugt ist. Spezifische Beispiele für die Materialien, die verwendet werden können, enthalten Perfluorsulfonsäure-basierte feste Polymer-Elektrolytfilme, wie beispielsweise Goreselect (ein eingetragenes Warenzeichen), hergestellt von Japan Goretex Inc., Nafion (ein eingetragenes Warenzeichen), hergestellt von DuPont Corporation, Aciplex (ein eingetragenes Warenzeichen), hergestellt von Asahi Kasei Corporation, oder Flemion (ein eingetragenes Warenzeichen), hergestellt von Asahi Glass Co., Ltd. Die Filmdicke der Elektrolytschicht 10 ist typischerweise im Bereich von 10 bis 200 μm, und ist vorzugsweise von 30 bis 50 μm.
Die Kraftstoffelektrode 12 ist beispielsweise aus einem Film ausgebildet, der durch Dispergieren eines Katalysators, wie beispielsweise Kohlenstoff mit Platin (Pt), und einem weiteren Metall, wie beispielsweise Ruthenium (Ru), die darauf getragen sind, in einem Kunstharz, wie beispielsweise ein festes Polymerelektrolyt wie Nafion (ein eingetragenes Warenzeichen) erzeugt wird. Die Filmdicke der Brennstoffelektrode 12 ist typischerweise innerhalb eines Bereichs von 1 bis 100 μm, und vorzugsweise von 1 bis 20 μm.
Die Luftelektrode 14 ist beispielsweise aus einem Film ausgebildet, der durch Dispergieren eines Katalysators, wie beispielsweise Kohlenstoff, der Platin (Pt) darauf trägt, in einem Kunstharz, wie beispielsweise einem festen Polymerelektrolyt wie Nafion (ein eingetragenes Wareneichen), hergestellt wird. Die Filmdicke der Luftelektrode 14 ist typischerweise in einem Bereich von 1 bis 100 μm und vorzugsweise von 1 bis 20 μm.
Bei dieser Ausführungsform gibt es keine besonderen Beschränkungen des Stromabnehmers 16, der als der runde zylindrische Träger fungiert, auf dem die Elektrolytschicht 10, die Brennstoffelektrode 12 und die Luftelektrode 14 ausgebildet sind, vorausgesetzt, daß das Teil aus einem hochleitfähigen Material ausgebildet ist, das den Durchtritt von Elektronen während der Stromerzeugung im Aufbau erlaubt. Um als ein Zuführdurchlaß zu fungieren, der eine Diffusion der Rohstoffe, wie beispielsweise das Brennstoffgas, erleichtert, ist der Stromaufnehmer 16 vorzugsweise aus einem leitfähigen porösen Material, wie beispielsweise ein gesinterter Pulverpreßling, ein gesinterter Faserpreßling oder ein Faserschaum ausgebildet. Beispiele von geeignetem hochleitfähigen Materialien enthalten poröse Teile aus leitfähigen Materialien, enthalten Metalle wie beispielsweise Gold und Platin, Kohlenstoff und Titan oder Kohlenstoff, der mit einem Metall, wie beispielsweise Gold oder Platin, oberflächenbeschichtet worden ist; als auch zylindrische Hohlteile der vorstehenden Materialien, bei denen ein Prozeß, wie beispielsweise Stanzen, verwendet worden ist, um Löcher in den Wänden des Zylinders bereit zu stellen. Aus der Sicht der Eigenschaften, wie beispielsweise Leitfähigkeit, Rohstoffdiffusion und Korrosionsbeständigkeit, wird ein poröses Kohlenstoffmaterial von diesen Materialien bevorzugt. In jenen Fällen, bei denen der Stromaufnehmer 16 ein Hohlteil ist, ist die Filmdicke des Teils typischerweise in einem Bereich von 0,5 bis 10 mm und vorzugsweise von 1 bis 3 mm. Wenn der Stromaufnehmer 16 ein massives Teil ist, dann ist die Filmdicke typischerweise innerhalb eines Bereichs von 0,5 bis 10 mm und vorzugsweise von 1 bis 3 mm.
In jenen Fällen, bei denen ein Prozeß, wie beispielsweise Stanzen, verwendet wird, um Löcher in den Wänden eines hohlen zylindrischen Stromaufnehmers 16 bereit zu stellen, ist der Durchmesser dieser Löcher typischerweise in einem Bereich von 0,01 bis 1 mm.
Obwohl der vorstehend beschriebene Stromaufnehmer 16 als ein zylindrischer Träger in dieser Ausführungsform verwendet wird, ist die vorliegende Erfindung nicht auf derartige Strukturen beschränkt und beispielsweise runde säulenförmige Träger, wie beispielsweise eine Stange oder ein Kabel, die aus einem Kunstharz mit einer vorteilhaften Lösbarkeit (releasability), wie beispielsweise Teflon (ein eingetragenes Warenzeichen), ausgebildet sind, oder eine metallische Stange oder ein metallisches Kabel, das mit einem Kunstharz mit vorteilhafter Lösbarkeit, wie beispielsweise Teflon (ein eingetragenes Warenzeichen), beschichtet ist, können ebenfalls anstelle des Stromaufnehmers 16 verwendet werden. In derartigen Fällen sollte, der Ausbildung des Aufbaus 18 folgend, der abgeschlossene Aufbau 18 vom Träger entfernt werden.
Der zylindrische Träger kann von jeder zylindrischen Gestalt sein, einschließlich eines runden Zylinders; eines vieleckigen Zylinders, wie beispielsweise ein dreieckiger Zylinder, ein quadratischer Zylinder, ein fünfeckiger Zylinder oder ein sechseckiger Zylinder; oder eines ellyptischen Zylinders, ist aber typischerweise ein runder Zylinder. Bei dieser Beschreibung schließt der Ausdruck „zylindrisch" nicht nur Hohlteile, sondern auch Massivteile ein.
2 stellt eine Skizze eines Beispiels einer Vorrichtung zum Herstellen einer Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, und die Struktur dieser Vorrichtung wird nachfolgend beschrieben. Die Brennstoffzellen-Herstellungsvorrichtung 3 enthält eine Transporteinheit, wie beispielsweise eine Gewinde vorrichtung bzw. Wickelvorrichtung (im Schaubild nicht dargestellt), eine erste Sprüheinheit 22, eine erste Trockeneinheit 24, eine zweite Sprüheinheit 26, eine zweite Trockeneinheit 28, eine dritte Sprüheinheit 30 und eine dritte Trockeneinheit 32.
Bei der in 2 dargestellten Brennstoffzellen-Herstellungsvorrichtung 3 sind die erste Sprüheinheit 22, die erste Trockeneinheit 24, die zweite Sprüheinheit 26, die zweite Trockeneinheit 28, die dritte Sprüheinheit 30 und die dritte Trockeneinheit 32 in einer Reihenfolge entlang der Bewegungsrichtung der Transporteinheit positioniert. Die Transportrichtung der Transporteinheit kann entweder vertikal oder horizontal sein, obwohl in Bezug auf das Erreichen einer vorteilhaften Beschichtungs-Einheitlichkeit ein vertikaler Transport bevorzugt ist.
Nachfolgend ist eine Beschreibung des Betriebs sowohl eines Verfahrens zum Herstellen einer Brennstoffzelle und der Brennstoffzellen-Herstellungsvorrichtung 3 gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie es in 2 dargestellt ist, wird der Stromaufnehmer 16, der als der zylindrische Träger fungiert, durch die Transporteinheit aufeinanderfolgend durch die erste Sprüheinheit 22, die erste Trockeneinheit 24, die zweite Sprüheinheit 26, die zweite Trockeneinheit 28, die dritte Sprüheinheit 30 und die dritte Trockeneinheit 32 transportiert. In jenen Fällen, bei denen die Transportrichtung, die von der Transporteinheit vorgesehen ist, vertikal ist, wird der Stromaufnehmer 16 in einer vertikalen Richtung transportiert, wobei in jenen Fällen, bei denen die Transportrichtung horizontal ist, der Stromabnehmer 16 in einer horizontalen Richtung transportiert wird.
Zunächst wird die erste Sprüheinheit 22 verwendet, um eine Brennstoffelektroden-Paste, die einen Katalysator für die Brennstoffelektrode enthält, auf die äußere Oberfläche des transportierten Stromaufnehmers 16 aufgesprüht, wodurch eine erste Katalysatorschicht ausgebildet wird, die als die Brennstoffelektrode 12 fungiert.
Der Stromaufnehmer 16 mit der Brennstoffelektrode 12, die darauf ausgebildet ist, wird dann in die erste Trockeneinheit 24 in einer fortlaufenden Weise transportiert und in Folge des Trocknens der Brennstoffelektrode 12, wird das Teil in Richtung der zweiten Sprüheinheit 26 in einer fortlaufenden Weise transportiert.
Als nächstes wird die zweite Sprüheinheit 26 verwendet, um eine Elektrolytschicht-Paste, die ein Perfluorsulfonsäure-basiertes festes Polymerelektrolyt oder dergleichen enthält, auf die äußere Oberfläche der Brennstoffelektrode 12, die auf dem transportierten Stromaufnehmer 16 ausgebildet ist, aufzusprühen, wodurch die Elektrolytschicht 10 ausgebildet wird.
Der Stromaufnehmer 16, auf dem die Elektrolytschicht 10 ausgebildet ist, wird dann in die zweite Trockeneinheit 28 in einer fortlaufenden Weise transportiert, und in Folge des Trocknens der Elektrolytschicht 10 wird das Teil in Richtung der dritten Sprüheinheit 30 in einer fortlaufenden Weise transportiert.
Als nächstes wird die dritte Sprüheinheit 30 verwendet, um eine Luftelektroden-Paste, die einen Katalysator für die Luftelektrode enthält, auf die äußere Oberfläche der Elektrodenschicht 10, die auf dem transportierten Stromaufnehmer 16 ausgebildet ist, aufzusprühen, wodurch eine zweite Katalysatorschicht ausgebildet wird, die als die Luftelektrode 14 fungiert.
Schließlich wird der Stromaufnehmer 16, auf dem die Luftelektrode 14 ausgebildet ist, in die dritte Trockeneinheit 32 in einer fortlaufenden Weise transportiert, und das Trocknen der Luftelektrode 14 ergibt eine Brennstoffzelle 1 mit einem Aufbau 18, der die Brennstoffelektrode 12, die Elektrolytschicht 10 und die Luftelektrode 14 enthält, die auf der äußeren Oberfläche des Stromaufnehmers 16 ausgebildet sind.
In jenen Fällen, bei denen in der Brennstoffzelle 1 die Luftelektrode 14 als die erste Katalysatorschicht auf der äußeren Oberfläche des runden zylindrischen Stromaufnehmers 16 vorgesehen ist, die Elektrolytschicht 10 auf der äußeren Oberfläche der Luftelektrode 14 vorgesehen ist und die Brennstoffelektrode 12 als die zweite Katalysatorschicht auf der äußeren Oberfläche der Elektrolytschicht 10 vorgesehen ist, sollte die Herstellungsreihenfolge der Brennstoffelektrode 12 und der Luftelektrode 14 gegenüber der umgekehrt werden, die beim vorstehenden Herstellungsverfahren angewandt wird.
Der Stromaufnehmer 16 kann ein Teil verwenden, das dieselbe Länge (typischerweise von 10 bis 200 mm) als eine typische Einzelzelle, die als eine Brennstoffzelle verwendet wird, oder kann alternativ ein Teil verwenden, das eine Länge aufweist, die viele Male die Länge einer typischen Brennstoff-Einzelzelle ist. Wie es in 3 dargestellt ist, kann in derartigen Fällen ein Aufbau 18, der in Abschnitte partitioniert ist, auf der äußeren Oberfläche des Stromaufnehmers 16 ausgebildet sein, wobei eine vorbestimmte Beabstandung zwischen den Abschnitten vorgesehen ist, und in Folge des Trocknens der zweiten Katalysatorschicht kann der Stromaufnehmer 16, auf dem der Aufbau 18 ausgebildet ist, in Längenäquivalente zu einer Einzelzellenlänge geschnitten werden, wodurch eine Mehrzahl von Brennstoff-Einzelzellen erhalten werden.
Bei dem vorstehend erwähnten Sprühverfahren wird entweder eine Paste, die durch Dispergieren eines Katalysatorpulvers für die Brennstoffelektrode oder die Luftelektrode in einer Lösung, die durch Lösen eines Kunstharzes, wie beispielsweise eines festen Polymerelektrolyts wie Nafion (ein eingetragenes Warenzeichen), in einem alkoholbasierten Lösungsmittel, wie beispielsweise Methanol, Ethanol oder Isopropanol, erhalten wird, ausgebildet wird, oder alternativ eine Paste, die durch Lösen eines festen Polymerelektrolyts oder dergleichen, das für die Elektrolytschicht verwendet wird, in einem alkoholbasierten Lösungsmittel oder dergleichen, ausgebildet ist, verwendet.
Die jeweiligen Konzentrationsniveaus des Katalysatorpulvers, des festen Polymerelektrolyts oder des Kunstharzes oder dergleichen innerhalb der verschiedenen Pasten können eingestellt werden, um sicher zu stellen, daß die Katalysatorschichten (die Brennstoffelektrode und die Luftelektrode) und die Elektrolytschicht jeweils mit einer einheitlichen Filmdicke ausgebildet sind. Obwohl es keine besonderen Beschränkungen auf diese Konzentrationsniveaus gibt, macht im Fall einer Katalysatorschicht-Paste der Katalysatorpulver vorzugsweise 10 bis 50 Gew.-% des gesamten Pastengewichts aus, und das Kunstharz macht vorzugsweise 10 bis 20 Gew.-% aus, wobei im Fall der Elekt rolytschicht-Paste das feste Polymerelektrolyt vorzugsweise 5 bis 30 Gew.-% des gesamten Pastengewichts ausmacht.
Die erste Sprüheinheit 22, die zweite Sprüheinheit 26 und die dritte Sprüheinheit 30 enthalten jeweils beispielsweise eine Sprühdüse mit einem Austragsloch, einen Pastentank, der die Paste speichert und mit der Sprühdüse verbunden ist, und einen Kompressor, der Druck auf die Sprühdüse ausübt.
Bei diesem Sprühverfahren wird die Paste auf den Stromaufnehmer 16 in Gestalt eines Nebels unter Verwendung der Sprüheinheiten aufgetragen. Die Gestalt der zerstäubten Flüssigkeit, die von der Sprühdüse aufgesprüht wird, kann eine Fächergestalt, eine ausgefüllte Kreisgestalt oder eine runde Ringgestalt sein, aber um eine einheitliche Anwendung sicherzustellen, wird ein fächerförmiges oder ausgefülltes kreisförmiges Spray bevorzugt. Darüber hinaus kann das Sprühen nur unter der Verwendung des Flüssigkeitsdrucks der Paste durchgeführt werden, oder die Paste kann durch Mischen mit einem Gas, wie beispielsweise Luft, zum Zeitpunkt des Sprühens zerstäubt werden.
Ferner werden, wie es in 4 dargestellt ist, um die Einheitlichkeit der Filmdicke der angewandten Filme zu verbessern, eine Mehrzahl von Sprühvorrichtungen 34 vorzugsweise verwendet, um eine Paste 36 von einer Mehrzahl von Stellen, die um die äußere Oberfläche des Stromaufnehmers 16 positioniert sind, aufzusprühen. Während eines derartigen Sprühens sind die Anzahl und die Positionen der Sprühvorrichtungen 34 vorzugsweise derart bestimmt, daß sich die Sprays von der Mehrzahl von Sprühvorrichtungen 34 nicht überlappen. Ferner kann das Sprühen der Paste ebenfalls unter Verwendung entweder einer oder einer Mehrzahl von Sprühvorrichtungen durchgeführt werden, während der Stromaufnehmer 16 um seine Achse, vorzugsweise bei einer konstanten Drehgeschwindigkeit, gedreht wird.
Der Sprühabstand wird vorzugsweise innerhalb eines Bereichs von 0,1 bis 300 mm eingestellt. Dabei bezieht sich der Sprühabstand auf den Abstand von der äußeren Oberfläche des Stromaufnehmers 16, der das Sprühziel repräsentiert, bis zu Spitze der Sprühdüse. Wenn dieser Sprühabstand geringer als 0,1 mm ist, können Sprühprobleme daraus resultieren, daß die Spitze der Sprühdüse zu nah an der äußeren Oberfläche des Stromaufnehmers 16 ist, während, wenn der Sprühabstand 300 mm überschreitet, dann kann die zerstäubte Flüssigkeit zu weit über den umgebenden Bereich gestreut werden, was eine Beeinträchtigung der Sprüheffizienz verursacht.
Der Sprühdruck ist vorzugsweise gleich einem Flüssigkeitsdruck innerhalb eines Bereiches von 0,1 bis 200 MPa. Wenn dieser Flüssigkeitsdruck geringer als 0,1 MPa ist, dann kann das Spray zu schwach werden, um eine einheitliche Auftragung der Paste zu ermöglichen, während, wenn der Flüssigkeitsdruck 200 MPa übersteigt, dann kann das Spray zu kraftvoll sein, was dazu führt, daß die zerstäubte Flüssigkeit weit über den umgebenden Bereich gestreut wird und eine Beeinträchtigung der Sprüheffizienz verursacht.
Der Durchmesser der Flüssigkeitstropfen der Paste, die durch die Sprühzerstäubung erzeugt werden, ist vorzugsweise in einem Bereich von 0,1 bis 10 μm, und ein Bereich von 0,1 bis 2 μm wird noch mehr bevorzugt. In dem Fall der Auftragung von Katalysatorschichten wird der Durchmesser der Flüssigkeitstropfen ebenfalls so klein wie möglich gehalten, da es erforderlich ist, katalytische Oberflächen, die so klein wie möglich sind, auszubilden. Wenn dieser Durchmesser der Flüssigkeitstropfen geringer als 0,1 μm ist, dann können die Flüssigkeitstropfen zu klein werden, was dazu führt, daß der Nebel gestreut und eine Beeinträchtigung der Sprüheffizient verursacht wird, während, wenn der Durchmesser 10 μm überschreitet, können die Flüssigkeitstropfen zu groß werden, was es schwer macht, eine einheitliche Auftragung zu erreichen.
Die Temperatur der Paste während des Sprühens ist typischerweise in einem Bereich von 20 bis 70°C.
Die verschiedenen Sprühbedingungen, einschließlich der Gestalt des Sprays der zerstäubten Flüssigkeit, der Anzahl der Sprühvorrichtungen, der Anordnungen der Sprühvorrichtungen, des Sprühbereichs, des Sprühdrucks, des Durchmessers der Flüs sigkeitstropfen und der Pastentemperatur, können in Übereinstimmung mit Faktoren, wie beispielsweise der gewünschten Filmdicke und den Eigenschaften der Paste, die aufgesprüht wird, bestimmt werden, und sollten unter Berücksichtigung eingestellt werden, wie die verschiedenen Bedingungen sich untereinander beeinflussen. Es können dieselben Bedingungen für die erste Sprüheinheit 22, die zweite Sprüheinheit 26 und die dritte Sprüheinheit 30 verwendet werden, oder unterschiedliche Bedingungen können für jede Einheit verwendet werden. Durch eine geeignete Steuerung dieser Sprühbedingungen können die Brennstoffelektrode 12, die Elektrolytschicht 10 und die Luftelektrode 14 in einer einheitlichen Weise auf der äußeren Oberfläche des Stromaufnehmers 16 ausgebildet werden.
Es gibt keine bestimmten Beschränkungen für die erste Trockeneinheit 24, die zweite Trockeneinheit 28 und die dritte Trockeneinheit 32, vorausgesetzt, daß sie geeignet sind, die ausgebildeten Filme zu trocknen. Geeignete Trockeneinheiten enthalten Heißlufttrockner, Gebläsetrockner und Wärmetrockner.
Ferner sollte die Trocknungstemperatur in der ersten Trockeneinheit 24, der zweiten Trockeneinheit 28 und der dritten Trockeneinheit 32 in Übereinstimmung mit Faktoren, wie beispielsweise dem Siedepunkt des Lösungsmittels, das beim Ausbilden der korrespondierenden Paste verwendet wird, eingestellt werden, und sie sollte auf eine Temperatur eingestellt werden, die keinen Abbau bzw. Qualitätsverlust der Katalysatoren oder Elektrolytfilme oder dergleichen sicherstellt. Beispielsweise wird in jenen Fällen, bei denen Methanol, Ethanol oder Isopropanol oder dergleichen verwendet wird, die Temperatur auf eine Temperatur von 80 bis 100°C eingestellt. Es können die selben Bedingungen in der ersten Trockeneinheit 24, der zweiten Trockeneinheit 28 und der dritten Trockeneinheit 32 eingesetzt werden, oder unterschiedliche Bedingungen können in jeder Einheit verwendet werden.
Bei einer alternativen Anordnung kann anstatt des Anwendens der ersten Trockeneinheit 24, der zweiten Trockeneinheit 28 und der dritten Trockeneinheit 32 wenigstens eine Trockeneinheit in einer Position in Folge der Filmausbildung vorgesehen sein, wobei die erste Sprüheinheit 22, die zweite Sprüheinheit 26 und die dritte Sprüheinheit 30 verwendet werden. Beispielsweise können die Brennstoffelektrode 12, die Elektrolytschicht 10 und die Luftelektrode 14 nacheinander auf der äußeren Oberfläche des Stromaufnehmers 16 jeweils unter Verwendung der ersten Sprüheinheit 22, der zweiten Sprüheinheit 26 und der dritten Sprüheinheit 30 ausgebildet werden, und die dritte Trockeneinheit 32 kann dann verwendet werden, um das Trocknen in einem einzigen Vorgang durchzuführen. Ferner können die erste Trockeneinheit 24, die zweite Trockeneinheit 28 und die dritte Trockeneinheit 32 vollständig weggelassen werden, so daß in Folge der aufeinanderfolgenden Ausbildung der Brennstoffelektrode 12, der Elektrolytschicht 10 und der Luftelektrode 14 auf der äußeren Oberfläche des Stromaufnehmers 16 das Produkt auf natürliche Weise trocknen gelassen wird.
Die Bewegungsgeschwindigkeit der Transporteinheit wird typischerweise auf innerhalb eines Bereichs von 1 mm/min bis 5 × 10⁴ mm/min eingestellt. Aus der Sicht der Herstellungseffizienz ist die Bewegungsgeschwindigkeit vorzugsweise so schnell wie möglich, aber unter Berücksichtigung von Faktoren, wie beispielsweise der Einheitlichkeit der Auftragung, die von den Sprüheinheiten durchgeführt wird, und die Trocknungseigenschaften der aufgetragenen Filme, ist ein Einstellen der Bewegungsgeschwindigkeit auf ein Niveau, das 5 × 10⁴ mm/min übersteigt, nicht praktikabel.
Bei einer Brennstoffzelle 1 von 1, die in der vorstehend beschriebenen Weise hergestellt worden ist, kann die Struktur als eine Brennstoffzelle betrieben werden, wenn weder der Stromaufnehmer 16 und die Luftelektrode 14 der zweiten Katalysatorschicht, noch der Stromaufnehmer 16 und die Stromaufnahmeschicht, die auf der äußeren Oberfläche der Luftelektrode 14 der zweiten Katalysatorschicht ausgebildet ist, mit einem äußeren Schaltkreis elektrisch verbunden sind, und ein Betrieb wird dann durch Zuführen von Rohstoffen zur Brennstoffelektrode 12 und zur Luftelektrode 14 begonnen.
Beispiele des Rohstoffs, welcher der Brennstoffelektrode 12 zugeführt wird, schließen Reduktionsgase (Brennstoffgase), wie beispielsweise Wasserstoff oder Me than, oder flüssige Brennstoffe, wie beispielsweise Methanol, ein. Beispiele für den Rohstoff, welcher der Luftelektrode 14 zugeführt wird, schließen Oxidationsgase, wie beispielsweise Sauerstoff oder Luft, ein.
Wenn die Brennstoffzelle 1 unter Verwendung von Wasserstoffgas als dem Rohstoff, welcher der Brennstoffelektrode 12 zugeführt wird, und Luft als dem Rohstoff, welcher der Luftelektrode 14 zugeführt wird, betrieben wird, dann werden die Brennstoffelektrode 12, die Wasserstoffionen (H⁺) und die Elektronen (e^–) aus dem Wasserstoffgas (H₂) über eine chemische Reaktion, die durch die nachstehend dargestellte Gleichung präsentiert wird, erzeugt. 2H₂ → 4H⁺ + 4e^–
Die Elektronen (e^–) wandern vom Stromaufnehmer 16 durch den äußeren Schaltkreis und, falls erforderlich, durch den Stromaufnehmer, der auf der äußeren Oberfläche der Luftelektrode 14 vorgesehen ist, bevor sie die Luftelektrode 14 erreichen. Bei der Luftelektrode 14 erzeugen der Sauerstoff (O₂) in der zugeführten Luft, die Wasserstoffionen (H⁺), die durch die Elektrolytschicht 10 durchgetreten sind, und die Elektronen (e^–), die durch den externen Schaltkreis gewandert sind, um die Luftelektrode 14 zu erreichen, über eine Reaktion, die von der nachstehend dargestellten Gleichung präsentiert wird, Wasser. 4H⁺ + O₂ + 4e^– → 2H₂O
Auf diese Weise treten chemische Reaktionen sowohl an der Brennstoffelektrode 12 als auch an der Luftelektrode 14 auf, wodurch eine elektrische Ladung erzeugt wird und es der Struktur ermöglicht wird, als eine elektrische Zelle zu fungieren. Da die Verbindung, die von dieser Folge von Reaktionen abgegeben wird, Wasser ist, wird eine saubere elektrische Zelle erreicht.
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, werden durch Einsetzen einer Vorrichtung zum Herstellen einer Brennstoffzelle und eines Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform entweder das Ausbilden einer jeden Schicht durch Besprühen der äußeren Oberfläche des zylindrischen Trägers in einer fortlaufenden Weise durchgeführt, oder alternativ werden das Ausbilden einer jeden Schicht durch Sprühen und nachfolgendes Trocknen in einer fortlaufenden Weise durchgeführt. Im Ergebnis wird eine vorteilhafte Einheitlichkeit der Filmdicke für die erste Katalysatorschicht, die Elektrolytschicht und die zweite Katalysatorschicht erreicht, und jede Schicht kann in einer fortlaufenden Weise hergestellt werden, was bedeutet, daß Schwankungen in der Leistung zwischen individuellen Einzelzellen herabgesetzt werden können. Zudem kann durch Verwendung dieser Herstellungsvorrichtung und dieses Herstellungsverfahrens die Anzahl der Schritte, die zur Fertigung der Brennstoffzellen erforderlich ist, herabgesetzt werden, was eine Herabsetzung der Kosten ermöglicht. Darüber hinaus werden bei einem herkömmlichen Tauchverfahren, da der Träger unmittelbar in die Materiallösungen eingetaucht wird und dann davon entfernt wird, die Katalysatorschichten ebenfalls an Stellen ausgebildet, an denen diese Schichten nicht erforderlich sind (beispielsweise die Kanten des Trägers), und diese nicht erforderlichen Abschnitte der Katalysatorschichten müssen in nachfolgenden Schritten entfernt werden. Jedoch kann bei einer Vorrichtung zum Herstellen einer Brennstoffzelle und einem Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform, da das Sprühen absatzweise bzw. diskontinuierlich ausgeführt werden kann, das Sprühen an jenen Stellen angehalten bzw. gestoppt werden, an denen die Katalysatorschichten nicht erforderlich sind, und folglich ist ein nachfolgender Schritt zur Entfernung von nicht erforderlichen Abschnitten nicht erforderlich, was bedeutet, daß die Anzahl der Schritte verringert werden kann. Dieser Typ der absatzweisen Auftragung kann nur unter Verwendung eines Sprühverfahrens durchgeführt werden.
Ferner kann durch Verwendung eines Stromaufnehmers als den zylindrischen Träger der Aufbau als eine integrierte Einheit mit dem Stromaufnehmer hergestellt werden. Im Ergebnis besteht im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren, bei denen nachfolgend zur Herstellung des Aufbaus Kohlenstoffasern oder dergleichen in die Röhre als ein Stromaufnehmer eingesetzt werden, keine Gefahr des Verkratzens der Elektrode auf der Innenseite der Röhre, und der Stromaufnehmer kann leichter auf dem Aufbau vorgesehen werden. Im Vergleich zu Verfahren, bei denen der Stromaufnehmer in Folge der Herstellung des Aufbaus eingesetzt wird, wird ferner die Nähe der Adhäsion zwischen dem Stromaufnehmer und dem Aufbau verbessert, was eine Herabsetzung des Zellwiderstands während der Stromerzeugung ermöglicht. Weiter kann bei einer Vorrichtung zum Herstellen einer Brennstoffzelle und einem Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform, vorausgesetzt, daß die Filmbildung und Trocknung für jede Schicht nacheinander durchgeführt werden, ein Versickern der Paste in den Stromaufnehmer, was durch Aufweisen eines langen Zeitraums des Überlappens zwischen der Filmbildung und der Trocknung verursacht wird, unterdrückt werden, was bedeutet, daß ein einheitlicher Aufbau auf dem Stromaufnehmer ausgebildet werden kann.
Mit den Brennstoffzellen gemäß der vorliegenden Ausführungsform können die gewünschten Strom- und Spannungsniveaus durch Kombinieren einer Mehrzahl von individuellen zylindrischen Brennstoffzellen (Einzelzellen) und durch Verbinden derer zusammen in Serie, erhalten werden. Ferner kann eine Mehrzahl von individuellen zylindrischen Brennstoffzellen (Einzelzellen) ebenfalls kombiniert und parallel zusammen verbunden werden.
Da eine Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine einfache Struktur aufweist, die in Größe und Gewicht leicht verringert werden kann, kann sie als eine kleine Stromquelle für tragbare Ausrüstung, wie beispielsweise Mobiltelefone und tragbare Computer, und als eine Stromquelle für Automobile verwendet werden.
Zusammenfassung (wie ursprünglich offenbart)
Es wird ein Verfahren zum Herstellen einer röhrenartigen Brennstoffzelle offenbart, die eine erste Katalysatorschicht, eine Elektrolytschicht und eine zweite Katalysatorschicht aufweist, wobei sie einen Schritt zum Ausbilden der ersten Katalysatorschicht auf der äußeren Oberfläche eines röhrenartigen Trägers durch ein Sprühverfahren, einen Schritt zum Ausbilden der Elektrolytschicht auf der ersten Katalysatorschicht durch ein Sprühverfahren und einen Schritt zum Ausbilden der zweiten Katalysatorschicht auf der Elektrolytschicht durch ein Sprühverfahren enthält. Bei diesem Verfahren werden diese Schritte nacheinander ausgeführt. Ebenfalls ist eine Vorrichtung zum Herstellen einer Brennstoffzelle offenbart.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer zylindrischen Brennstoffzelle, die eine erste Katalysatorschicht, eine Elektrodenschicht und eine zweite Katalysatorschicht aufweist, mit: Ausbilden der ersten Katalysatorschicht auf einer äußeren Oberfläche eines zylindrischen Trägers durch ein Sprühverfahren; Ausbilden der Elektrolytschicht auf der ersten Katalysatorschicht durch ein Sprühverfahren; und Ausbilden der zweiten Katalysatorschicht auf der Elektrolytschicht durch ein Sprühverfahren, wobei jedes Ausbilden in einer fortlaufenden Weise durchgeführt wird.
Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle nach Anspruch 1, ferner mit: Trocknen der ausgebildeten ersten Katalysatorschicht in Folge des Ausbildens der ersten Katalysatorschicht; Trocknen der ausgebildeten Elektrolytschicht in Folge des Ausbildens der Elektrolytschicht; und Trocknen der ausgebildeten zweiten Katalysatorschicht in Folge des Ausbildens der zweiten Katalysatorschicht, wobei jedes Ausbilden und Trocknen in einer fortlaufenden Weise durchgeführt wird.
Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Sprühverfahren durch Aufsprühen einer Paste auf eine Mehrzahl von Stellen auf der äußeren Oberfläche des zylindrischen Trägers durchgeführt wird.
Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der zylindrische Träger mit jeder der darauf ausgebildeten Schichten geschnitten wird, um eine Mehrzahl von Brennstoff-Einzelzellen zu erhalten.
Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der zylindrische Träger ein leitfähiges poröses Teil ist.
Vorrichtung zum Herstellen einer zylindrischen Brennstoffzelle, die eine erste Katalysatorschicht, eine Elektrolytschicht und eine zweite Katalysatorschicht aufweist, mit: einer Transporteinheit, die einen zylindrischen Träger transportiert; einer ersten Sprüheinheit, die eine Paste für die erste Katalysatorschicht auf eine äußere Oberfläche des zylindrischen Trägers sprüht, um die erste Katalysatorschicht auszubilden; einer ersten Trockeneinheit, welche die ausgebildete erste Katalysatorschicht trocknet; einer zweiten Sprüheinheit, die eine Paste für die Elektrolytschicht auf die getrocknete erste Katalysatorschicht aufsprüht, um die Elektrolytschicht auszubilden; einer zweiten Trockeneinheit, welche die ausgebildete Elektrolytschicht trocknet; einer dritten Sprüheinheit, die eine Paste für die zweite Katalysatorschicht auf die getrocknete Elektrolytschicht aufsprüht, um die zweite Katalysatorschicht auszubilden; und einer dritten Trockeneinheit, welche die ausgebildete zweite Katalysatorschicht trocknet.
Vorrichtung zum Herstellen einer Brennstoffzelle nach Anspruch 6, wobei jede der Sprüheinheiten eine Mehrzahl von Sprühvorrichtungen enthält.
Vorrichtung zum Herstellen einer Brennstoffzelle nach Anspruch 6 oder 7, wobei der zylindrische Träger ein leitfähiges poröses Teil ist.