[发明专利]管状燃料电池及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及管状燃料电池及其制造方法，并且特别涉及可实现增强的气体扩散的管状燃料电池及其制造方法。

背景技术

为了提高超过其电流平稳状态的每单位面积输出密度等，近期在管状燃料电池方面进行了研究(在下面有时称作“管状PEFC”)。管状PEFC的单体电池(在下面有时称作“管状电池”)主要包括膜/电极组件(MEA)，该膜/电极组件具有中空电解质层和设置于该电解质层的内侧上以及外侧上的催化剂层。并且，由于向MEA内侧和外侧供应反应气体(含氢的气体和含氧的气体)，因此发生电化学反应，并且由这种电化学反应产生的电能经由设置于MEA内侧和外侧上的集电器而被提取到外部(在下面，设置于内侧上的集电器将被称作“内部集电器”，而设置于外侧上的集电器将被称作“外部集电器”)。换言之，利用管状PEFC，可通过向设于每一单体电池中的MEA内侧供应一种反应气体(含氢的气体或者含氧的气体)，同时向它们的外侧供应另一种反应气体(含氧的气体或者含氢的气体)而提取电能。因为，利用管状PEFC，能够使得被供应到两个相邻单体电池的外表面的反应气体是相同类型，因此，不再需要如在传统的平板式PEFC的情形中用于执行气体屏蔽等的分离器。因此，根据一种管状PEFC，可期望以有效方式使单体电池更加紧凑。

作为与管状燃料电池有关的一种技术，例如，在PCT申请的公开的日本国家阶段申请2002-539587中，披露了一种管状类型燃料电池，其中燃料电池元件被设计成管状类型复合部件，该复合部件由包括导电部件和/或线材束，以及设置于其上的离子导电部件的组件制成。根据该技术，披露了输出密度增加并且材料供应和能量排出变得简单且容易。

如上所述，利用管状PEFC，因为使用被供应到MEA内侧和外侧的反应气体产生电能，因此需要确保在MEA内侧和外侧处存在用于反应气体流动的空间。作为一种在其中形成用于引导反应气体的流路和/或间隙的内部集电器的外侧处形成MEA的方法，已经考虑了一种方法，该方法将熔化或溶解的催化剂墨水和/或电解质成分涂敷到内部集电器的外周表面。然而，当熔化或溶解的这种催化剂墨水和/或电解质成分仅仅被涂敷到内部集电器的外周表面时，用于反应气体流动的流路和/或间隙的至少一个部分变得被上述催化剂墨水和/或电解质成分阻塞，并且易于降低反应气体的可扩散性。利用在上述公开的PCT申请的日本国家阶段申请2002-539587中披露的技术难以解决该问题。

发明内容

因此，本发明提供增强气体扩散的管状燃料电池及其制造方法。

根据本发明的一个方面，一种管状燃料电池设有由线材制成的中心支撑部件、在中心支撑部件的外侧上形成的电解质层，以及设置于中心支撑部件和电解质层之间且由线材制成的外周支撑部件。在所述外周支撑部件的外周表面上形成催化剂层，并且所述催化剂层与电解质层接触。由线材制成的辅助外周支撑部件设置于中心支撑部件和外周支撑部件之间。

根据本发明的该方面，预先形成有催化剂层的外周支撑部件被设于中心支撑部件和电解质层之间。因此，在制造期间，催化剂层的成分(例如，熔化或溶解的催化剂层的成分)被防止流入用于反应气体的通过的空间中，从而增强了反应气体的扩散。进而，因为上述外周支撑部件和辅助外周支撑部件被设于中心支撑部件和电解质层之间，因此，在制造期间，电解质层的成分(例如熔化或溶解的电解质层的成分；在下面简称为“电解质成分”)被防止流入用于反应气体的通过的空间中，从而增强了反应气体的扩散。因此，根据本发明的该方面，因为能够确保用于反应气体的通过的适当空间，因此能够供应增强反应气体的扩散的管状燃料电池。

作为可以制作中心支撑部件的材料的实例，可以采用能够被用作用于制造管状PEFC的内部集电器的材料的材料，例如Cu、Au、Pt、Al、Ti等。制作辅助外周支撑部件和外周支撑部件的材料可以与用于中心支撑部件的上述材料相同。中心支撑部件、辅助外周支撑部件以及外周支撑部件需被赋予能够经受燃料电池的运行环境的足够的耐腐蚀性。特别地，期望中心支撑部件和辅助外周支撑部件由具有优良导电性的材料制成。如果中心支撑部件、辅助外周支撑部件和/或外周支撑部件由Cu制成，则为了使得它们成为被赋予上述耐腐蚀性的部件，期望利用具有高的耐腐蚀性的材料(例如，Ti、Au、Pt等)覆盖它们的表面。进而，可通过使用通常用于管状PEFC中的材料制造根据本发明的上述方面的电解质层和催化剂层。应该理解，在下面的解释中，“线材”是如下概念，它不仅包括不形成任何内部通孔的杆形式的柱形材料，而且包括沿着轴向方向形成通孔的管状形式的材料。