專利名稱：用于制造管型燃料電池的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于制造管型燃料電池的方法，使用該方法可制造具 有良好粘附性的管型燃料電池而不會(huì)阻塞其內(nèi)部集電器內(nèi)的氣體流動(dòng)通 道。
背景技術(shù)：
作為具有平板結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有技術(shù)固體高分子電解質(zhì)型燃料電池(下文在 一些情況下簡(jiǎn)稱為"平板型燃料電池，，)的最小發(fā)電電池單元的單元電池 通常具有膜電極組件，其中催化電極層連接到固體電解質(zhì)膜的兩側(cè)。此夕卜， 氣體擴(kuò)散層設(shè)置在膜電極組件的兩側(cè)。另外，均具有氣體流動(dòng)通道的隔板 設(shè)置在氣體擴(kuò)散層的外側(cè)。該隔板用于使經(jīng)由氣體擴(kuò)散層被注入催化電極 層的燃料氣體和氧化劑氣體流動(dòng)，并且將發(fā)電獲得的電流傳導(dǎo)到外部。
為了使平板型燃料電池最小并且擴(kuò)大單位體積的發(fā)電反應(yīng)面積，平板 型燃料電池的構(gòu)成部件的厚度需要較小。在這種常規(guī)的平板型燃料電池中， 從功能和強(qiáng)度的角度考慮，使每個(gè)構(gòu)成部件的厚度小至一定值或更小以至 于達(dá)到設(shè)計(jì)極限不是優(yōu)選的。在這種情況下，已經(jīng)研制出管狀或柱狀燃料 電池，其中構(gòu)成燃料電池的各個(gè)層同軸地層疊。
例如，專利文獻(xiàn)l公開了一種管型燃料電池，其中內(nèi)部集電器、內(nèi)部 催化電極層、固體電解質(zhì)膜、外部催化電極層、外部集電器被同軸地并且 以從內(nèi)側(cè)的順序i殳置。此管型燃料電池在內(nèi)部集電器的外周面上和外部集 電器的內(nèi)周面上具有氣體流動(dòng)通道。由于當(dāng)燃料電池的直徑較小時(shí)這種管 型燃料電池可緊湊地設(shè)置在給定空間內(nèi)，所以單位體積的電極面積與常規(guī) 平板型燃料電池相比能夠大大增加。
例如，用于制造這種管型燃料電池的方法包括依次在內(nèi)部集電器上按 以下順序設(shè)置內(nèi)部催化電極層、固體電解質(zhì)膜、外部催化電極層、以及外 部集電器。具體地，這種方法包括將內(nèi)部催化電極層形成用組合物涂布在 內(nèi)部集電器上，干燥該組合物以^^在內(nèi)部集電器的外周面上形成內(nèi)部催化 電極層，并且使用類似方法形成固體電解質(zhì)膜等，從而依次形成管型燃料 電池。在此方法中，催化電極層等通過涂覆形成。因此，此方法的優(yōu)點(diǎn)是 可獲得在相鄰層之間具有良好粘附性的管型燃料電池。
但是，上述方法具有如下問題。由于在內(nèi)部集電器的外周面上形成有 氣體流動(dòng)通道，所以在將內(nèi)部催化電極層形成用組合物涂布在其上時(shí)會(huì)導(dǎo) 致部分組合物進(jìn)入并且阻塞氣體流動(dòng)通道的問題。
專利文獻(xiàn)1:日本專利申請(qǐng)?zhí)亻_號(hào)2002-124273 專利文獻(xiàn)2:日本專利申請(qǐng)?zhí)亻_號(hào)09-223507。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于上述問題提出的，并且本發(fā)明的主要目標(biāo)是提供一種用 于制造管型燃料電池的方法，使用該方法可制造具有良好粘附性的管型燃 料電池而不會(huì)阻塞其內(nèi)部集電器中的氣體流動(dòng)通道。
為了實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，本發(fā)明提供了一種用于制造管型燃料電池的方法， 包括提供在其外周面上具有氣體流動(dòng)通道的柱狀形狀的內(nèi)部集電器并且 用可除去物質(zhì)填充該氣體流動(dòng)通道以形成可除去部分的填充步驟；至少在 該可除去部分上形成功能層的功能層形成步驟；以及在該功能層形成步驟 之后除去該可除去部分的除去步驟。
根據(jù)本發(fā)明，在氣體流動(dòng)通道內(nèi)形成可除去部分，并且在該可除去部 分上形成功能層例如內(nèi)部疏水層和內(nèi)部催化電極層，然后除去該可除去部 分，從而可防止功能層阻塞氣體流動(dòng)通道。如果防止了氣體流動(dòng)通道^f皮阻 塞，則可獲得具有高發(fā)電效率的管型燃料電池。根據(jù)本發(fā)明，可在可除去 部分和內(nèi)部集電器上順次形成功能層，從而可獲得在內(nèi)部集電器和功能層 之間具有良好粘附性并且在功能層之間具有良好粘附性的管型燃料電池。
根據(jù)本發(fā)明，用可除去物質(zhì)填充氣體流動(dòng)通道，從而提供了可自由選擇氣 體流動(dòng)通道的形狀的優(yōu)點(diǎn)。例如，在常規(guī)技術(shù)中，難以在具有很大寬度的 氣體流動(dòng)通道的內(nèi)部集電器上直接形成功能層，例如內(nèi)部疏水層和內(nèi)部催 化電極層。另一方面，才艮據(jù)本發(fā)明，這種功能層可相對(duì)任意形狀的氣體流 動(dòng)通道形成。因此，可獲得具有優(yōu)化的氣體流動(dòng)功能和優(yōu)化的電收集功能 的內(nèi)部集電器，從而可獲得具有高發(fā)電效率的管型燃料電池。
在上述發(fā)明中，優(yōu)選地，所述柱狀形狀的內(nèi)部集電器具有圓形截面。 在上述發(fā)明中，優(yōu)選地，所述可除去物質(zhì)是能夠通過使液體流過該氣 體通道而被除去的液體可除去物質(zhì)，或者能夠通過加熱氣體流動(dòng)通道而被 除去的熱可除去物質(zhì)。這是因?yàn)樵摽沙ゲ糠帜軌蚴褂靡后w或熱被容易地 除去。
在上述發(fā)明中，優(yōu)選地，所述液體可除去物質(zhì)是聚乙烯醇。這是因?yàn)?該可除去部分能夠使用水或熱水被容易地除去。
在上述發(fā)明中，優(yōu)選地，所述熱可除去物質(zhì)是石蠟。
在上述發(fā)明中，優(yōu)選地，所述功能層是內(nèi)部疏水層。這是因?yàn)檫@具有 能夠容易地執(zhí)行除去步驟的優(yōu)點(diǎn)。
在上述發(fā)明中，優(yōu)選地，所述功能層是內(nèi)部催化電極層，這是因?yàn)檫@ 具有能夠容易地執(zhí)行除去步驟的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明體現(xiàn)出這樣的效果，即，提供了能夠獲得具有良好粘附性的管 型燃料電池而不會(huì)阻塞其內(nèi)部集電器中的氣體流動(dòng)通道的優(yōu)點(diǎn)。


圖1A到1D是示出本發(fā)明的用于制造管型燃料電池的方法的一個(gè)示例 的工藝過程圖。
圖2是示出在內(nèi)部集電器內(nèi)的氣體流動(dòng)通道的功能的示意圖。 圖3是示出內(nèi)部集電器的徑向截面的一個(gè)示例的示意性截面圖。 圖4A到4C是示出功能層的示例的示意圖。
具體實(shí)施例方式
下文將詳細(xì)說明本發(fā)明的用于制造管型燃料電池的方法。
首先，參照

本發(fā)明的用于制造管型燃料電池的方法。圖1A 到ID是示出本發(fā)明的用于制造管型燃料電池的方法的一個(gè)示例的工藝過 程圖。用于制造管型燃料電池的方法包括填充步驟，即，如圖1A所示 提供在其外周面上具有氣體流動(dòng)通道l的圓柱形內(nèi)部集電器2，并且如圖 1B所示用可除去物質(zhì)填充氣體流動(dòng)通道1以形成可除去部分3;功能層形 成步驟，即，至少在該可除去部分3上(在圖1C內(nèi)，在內(nèi)部集電器2和 可除去部分3上)形成功能層4;和除去步驟，即在功能層形成步驟之后 如圖1D所示除去該可除去部分3。
下文，將說明本發(fā)明的填充步驟、功能層形成步驟和除去步驟。
1.填充步驟
首先將說明本發(fā)明的填充步驟。在本發(fā)明中，填充步驟包括提供在其 外周面上具有氣體流動(dòng)通道的柱狀形狀內(nèi)部集電器，并且用可除去物質(zhì)填 充該氣體流動(dòng)通道以形成可除去部分。 (1)內(nèi)部集電器
待用于本發(fā)明的內(nèi)部集電器在其外周面上具有氣體流動(dòng)通道并具有柱 狀形狀，并且收集發(fā)電反應(yīng)產(chǎn)生的電子。
在內(nèi)部集電器的外周面上形成的氣體流動(dòng)通道具有在內(nèi)部集電器的軸 向和徑向上分布?xì)怏w的功能。具體地，如圖2所示，氣體流動(dòng)通道允許氣 體在內(nèi)部集電器2的軸向A上流動(dòng)，以便氣體可被分布在整個(gè)管型燃料電 池上，并且氣體流動(dòng)通道還允許氣體在內(nèi)部集電器2的徑向R上流動(dòng)，以 便氣體可4皮供給到內(nèi)部催化電極層。
在內(nèi)部集電器的外周面上形成的氣體流動(dòng)通道可具有任何形式。例如， 可在內(nèi)部集電器的外周面上形成凹槽以用作氣體流動(dòng)通道?？蛇x擇地，例 如，可對(duì)多個(gè)導(dǎo)電體進(jìn)行捆束和扭絞以形成多股絞合線狀的內(nèi)部集電器， 其中的間隙可用作氣體流動(dòng)通道。
盡管對(duì)氣體流動(dòng)通道的尺寸沒有特別限制，但是，例如在內(nèi)部集電器
的外周面上形成凹槽以用作氣體流動(dòng)通道的情況下，凹槽的寬度優(yōu)選地在
0.01mm — 2mm的范圍內(nèi)，更優(yōu)選地在0.05mm - 0.2mm的范圍內(nèi)，并且 凹槽的深度優(yōu)選地在0.01mm-2mm的范圍內(nèi)，更優(yōu)選地在0.05mm-0.4mm的范圍內(nèi)。
內(nèi)部集電器具有柱狀形狀。這里使用的術(shù)語"柱狀形狀"是指內(nèi)部集 電器的形式為柱，其中所述柱的徑向截面的邊緣的輪廓為圓形、橢圓形或 多邊形。上述輪廓是在沒有考慮徑向截面內(nèi)的與氣體流動(dòng)通道相對(duì)應(yīng)的缺 口部分的情況下確定的。因此，例如，即使如圖3所示內(nèi)部集電器2的徑 向截面具有與氣體通道1相對(duì)應(yīng)的缺口部分，內(nèi)部集電器2仍落在本發(fā)明 的"柱狀形狀"的范疇內(nèi)。同樣，如上所述的多股絞合線狀內(nèi)部集電器也 落在本發(fā)明的"柱狀形狀"的范疇內(nèi)。在本發(fā)明中，內(nèi)部集電器優(yōu)選地在 其徑向具有圓形或橢圓形截面。
當(dāng)內(nèi)部集電器在其徑向具有圓形截面時(shí)，具體地，它的直徑優(yōu)選地在 30-5000|am的范圍內(nèi)，并且更優(yōu)選地在500 - 2000 n m的范圍內(nèi)，但不 局限于此。具體地，內(nèi)部集電器的長(zhǎng)度優(yōu)選地在5-100cm的范圍內(nèi)，并 且更優(yōu)選地在10-30cm的范圍內(nèi)，但不局限于此。
內(nèi)部集電器可以是中空的內(nèi)部集電器，這樣可減少內(nèi)部集電器的材料 并且減少其重量。此外，當(dāng)使傳熱介質(zhì)或冷卻劑在空心部分內(nèi)流動(dòng)時(shí)，管 型燃料電池可^皮加熱或冷卻。當(dāng)內(nèi)部集電器的材料昂貴時(shí)，該內(nèi)部集電器 的中心部分可使用便宜的材料，以便降低材料成本。
另外，對(duì)于內(nèi)部集電器的材料，具有高導(dǎo)電性和耐腐蝕性的材料是優(yōu) 選的。這種材料沒有特別限制，但是其具體的示例包括鈥、不銹鋼、鉑、 金、Si02、 B203、 Nd20、鈥基合金例如TiC、 TiSi2和TiB2、碳、導(dǎo)電陶 瓷、以及導(dǎo)電樹脂。
可使用任何方法在內(nèi)部集電器的外周面上形成上述凹槽。例如，在將 內(nèi)部集電器的材料形成柱時(shí)或之后，可將硬質(zhì)材料例如金剛石制成的模具 放置成壓向內(nèi)部集電器的外周面，并且可使該模具和內(nèi)部集電器相對(duì)移動(dòng)， 從而可形成凹槽。可選擇地，可通過將硬質(zhì)材料制成的模具壓向內(nèi)部集電
器的外周面而直接形成凹槽。還可通過切削柱狀導(dǎo)電材料來形成具有預(yù)期 形狀的用作流動(dòng)通道的凹槽。但是，在本發(fā)明中，優(yōu)選地使用將模具壓向 內(nèi)部集電器的外周面的方法來形成凹槽。此方法可防止產(chǎn)生切削屑等，因 此不需要除去切削屑等，從而可防止諸如所形成的凹槽被切削屑阻塞的問 題。
(2)可除去部分
接著，將說明本發(fā)明的可除去部分。在本發(fā)明中，通過用可除去物質(zhì) 填充內(nèi)部集電器的氣體流動(dòng)通道形成可除去部分?？沙ゲ糠衷诠δ軐有?成步驟之后的除去步驟中被除去。
可除去物質(zhì)可以是可通過稍后所述的除去步驟除去的任何物質(zhì)?？沙?去物質(zhì)的示例包括可通過使液體流過氣體通道而被除去的液體可除去物 質(zhì)，可通過加熱氣體流動(dòng)通道而被除去的熱可除去物質(zhì)，可通過將氣體注 入氣體流動(dòng)通道而被除去的氣體可除去物質(zhì)，以及可通過光照被除去的光 可除去物質(zhì)。
液體可除去物質(zhì)可以是可通過使液體流過氣體流動(dòng)通道而被除去的、 使得可除去部分能形成并且使得在可除去部分上能形成功能層的任何物 質(zhì)。其示例包括聚合物、凝膠和粉末。
液體可除去物質(zhì)優(yōu)選地是水溶性的，這是因?yàn)榭沙ゲ糠挚墒褂?JC作 為可流過氣體流動(dòng)通道的液體而被容易地除去。水溶性的液體可除去物質(zhì) 的示例包括聚乙烯醇、氧化纖維素、聚藻酸、蔗糖、瓊脂(明膠)、以及 焦糖。特別地，聚乙烯醇是優(yōu)選的。
液體可除去物質(zhì)優(yōu)選地是酸溶液可分解物質(zhì)，這是因?yàn)榭沙ゲ糠挚?使用酸溶液作為可流過氣體流動(dòng)通道的液體而被容易地除去?？傮w上，稍 后所述的內(nèi)部催化電極層對(duì)于酸性溶液具有高度耐性。因此，即使是在形 成內(nèi)部催化電極層之后執(zhí)行除去步驟時(shí)，仍可使用酸性溶液除去該可除去 部分。酸性溶液可分解的液體可除去物質(zhì)的示例包括堿金屬、堿土金屬及 其鹽類。
可流過氣體流動(dòng)通道的液體可以是能夠除去該可除去部分的任何液
體。液體的示例包括使用水或有機(jī)材料作為溶劑的溶液。可流過氣體流動(dòng) 通道的液體優(yōu)選地不會(huì)使功能層惡化。例如，在稍后所述的內(nèi)部催化電極 層形成為功能層之后除去該可除去部分的情況下，優(yōu)選地允許不會(huì)使內(nèi)部 催化電極層惡化的液體流過氣體流動(dòng)通道。具體地，酸性水溶液或水是優(yōu) 選的，并且水是特別優(yōu)選的。該液體可在室溫下或者在,皮加熱的狀態(tài)下流
過氣體流動(dòng)通道o
接著，將說明熱可除去物質(zhì)。熱可除去物質(zhì)可以是可通過加熱氣體流 動(dòng)通道而被除去的、使得可除去部分能形成并且使得在可除去部分上能形 成功能層的任何物質(zhì)。其示例包括低熔點(diǎn)的有機(jī)物固體、聚合物、凝膠、 以及粉末。
熱可除去物質(zhì)優(yōu)選地是熱熔物質(zhì)，這是因?yàn)榭沙ゲ糠挚赏ㄟ^加熱氣 體流動(dòng)通道而被容易地除去。熱熔物質(zhì)的示例包括石蠟。
熱可除去物質(zhì)優(yōu)選地是能夠被熱氣化的材料，這是因?yàn)榭沙ゲ糠挚?通過加熱氣體流動(dòng)通道而被容易地除去。例如，在稍后所述的功能層形成 步驟中內(nèi)部疏水層形成為功能層的情況下，用于形成該內(nèi)部疏水層的組合 物通常4皮涂布和^f皮加熱。在此加熱過程中，熱可除去物質(zhì)可優(yōu)選地同時(shí)#皮 氣化和除去。例如，能夠被熱氣化的熱可除去物質(zhì)可以是碳酸銨等。
用于通過加熱除去該熱可除去物質(zhì)的方法的示例包括^f吏用加熱爐的方 法和通過對(duì)集電器通電產(chǎn)生熱的方法，但不局限于此。
接著，將說明氣體可除去物質(zhì)。氣體可除去物質(zhì)可以是能夠通過將氣 體注入氣體流動(dòng)通道而被除去的、使得可除去部分能形成并且使得在可除 去部分上能形成功能層的任何物質(zhì)。其示例包括粉末。粉末的示例包括氧 化鋁等。粉末還可用作液體可除去物質(zhì)或者熱可除去物質(zhì)。
待注入氣體流動(dòng)通道的氣體可以是任何類型，只要它能夠除去該可除 去部分就可以。其示例包括空氣、氮等。
2.功能層形成步驟
接著，將說明本發(fā)明中的功能層形成步驟。在本發(fā)明中，功能層形成 步驟是至少在該可除去部分上形成功能層的步驟。在本發(fā)明中，術(shù)語"功
能層"是能夠提供特定功能并且在稍后所述的除去步驟之前在該可除去部 分上形成的層的總稱。因此，根據(jù)除去步驟的定時(shí)，功能層可以是單個(gè)層 或者兩個(gè)或更多個(gè)層。例如，在當(dāng)執(zhí)行除去步驟時(shí)內(nèi)部疏水層設(shè)置在可除 去部分上的情況下，功能層是指該內(nèi)部疏水層。例如，在當(dāng)執(zhí)行除去步驟 時(shí)在設(shè)置在該可除去部分上的內(nèi)部催化電極層上形成有固體電解質(zhì)膜的情 況下，功能層是指該內(nèi)部催化電極層和固體電解質(zhì)膜。在管型燃料電池中， 內(nèi)部疏水層或內(nèi)部催化電極層通常在可除去部分上形成。
功能層可以是任何類型，只要它至少在該可除去部分上形成就可以。 功能層可以在可除去部分上和內(nèi)部集電器的一部分上形成，或者可以在可 除去部分上和內(nèi)部集電器的整個(gè)表面上形成。
如上所述，功能層可以是單個(gè)層或者兩個(gè)或更多個(gè)層。當(dāng)功能層是單 個(gè)層時(shí)，其具體示例包括內(nèi)部疏水層和內(nèi)部催化電極層。另一方面，當(dāng)功 能層是兩個(gè)或更多個(gè)層時(shí)，其層結(jié)構(gòu)沒有特別限制，并且可采用任何結(jié)構(gòu)。
這些結(jié)構(gòu)的示例按照從內(nèi)部集電器側(cè)的順序包括內(nèi)部催化電極層和固體 電解質(zhì)膜；內(nèi)部催化電極層、固體電解質(zhì)膜和外部催化電極層；內(nèi)部催化 電極層、固體電解質(zhì)膜、外部催化電極層和外部集電器；內(nèi)部疏水層和內(nèi) 部催化電極層；內(nèi)部疏水層、內(nèi)部催化電極層和固體電解質(zhì)膜；內(nèi)部疏水 層、內(nèi)部催化電極層、固體電解質(zhì)膜和外部催化電極層；內(nèi)部疏水層、內(nèi) 部催化電極層、固體電解質(zhì)膜、外部催化電極層和外部疏水層；以及，內(nèi) 部疏水層、內(nèi)部催化電極層、固體電解質(zhì)膜、外部催化電極層、外部疏水 層和外部集電器。在本發(fā)明中，優(yōu)選地，功能層是內(nèi)部疏水層或內(nèi)部催化 電極層，并且更優(yōu)選地，功能層是內(nèi)部疏水層，因?yàn)檫@具有可容易地執(zhí)行 除去步驟的優(yōu)點(diǎn)。特別地，內(nèi)部疏水層通常具有高度耐化學(xué)性、高度耐熱 性等，從而具有可容易地執(zhí)行除去步驟的優(yōu)點(diǎn)。
圖4A到4C示出這種功能層的示例。在圖4A中，對(duì)應(yīng)于功能層4的 內(nèi)部疏水層5在可除去部分3和內(nèi)部集電器2上形成。在圖4B中，對(duì)應(yīng) 于功能層4的內(nèi)部催化電極層6在可除去部分3和內(nèi)部集電器2上形成。 在圖4C中，對(duì)應(yīng)于功能層4的內(nèi)部疏水層5和內(nèi)部催化電極層6在可除
去部分3和內(nèi)部集電器2上形成。
下文說明構(gòu)成功能層的內(nèi)部疏水層、內(nèi)部催化電極層、固體電解質(zhì)膜、 外部催化電極層、外部疏水層、以及外部集電器。 (1)內(nèi)部疏水層
本發(fā)明中將使用的內(nèi)部疏水層具有有助于排出發(fā)電反應(yīng)產(chǎn)生的水的功 能，并且通常設(shè)置在內(nèi)部集電器和內(nèi)部催化電極層之間。內(nèi)部疏水層還具 有允許氣體從中通過的多孔結(jié)構(gòu)。盡管本發(fā)明中將使用的內(nèi)部疏水層可包 括能夠有助于排出所產(chǎn)生的水的任何材料，但是該內(nèi)部疏水層具體地包括 疏水材料和導(dǎo)電材料。
疏水材料沒有特別限制，只要它具有疏水性就可以。疏水材料的示例 包括氟樹脂。氟樹脂的具體示例包括聚四氟乙烯(PTFE),乙烯-四氟乙 烯共聚物(ETFE)，四氟乙烯-全氟代烷基乙烯基醚共聚物(PFA),全 氟代乙烯丙烯共聚物(FEP)，氟化亞乙烯基-四氟乙烯-六氟丙烯共聚物， 聚氟化亞乙烯基，基于氟烯烴-烴的共聚物，氟丙烯酸酯共聚物，氟代環(huán)氧 化合物(fluoroepoxy compound ),并且其中，聚四氟乙烯(PTFE)在本 發(fā)明中是優(yōu)選的。這是因?yàn)榭色@得具有良好疏水性的疏水層。
疏水材料在內(nèi)部疏水層中的含量沒有特別限制，并且優(yōu)選地在5-80 質(zhì)量％的范圍內(nèi)，更優(yōu)選地在10-60質(zhì)量％的范圍內(nèi)。
導(dǎo)電材料沒有特別限制，只要它具有導(dǎo)電性就可以。其示例包括導(dǎo)電 粒子例如炭黑。炭黑的具體示例包括油料爐黑、乙炔黑，熱炭黑和槽法炭 黑。其中，油料爐黑和乙炔黑是優(yōu)選的，這是因?yàn)樗鼈兙哂辛己玫馁x予導(dǎo) 電性的作用。此外，導(dǎo)電粒子的初始粒子的直徑?jīng)]有特別限制，并且優(yōu)選 地不大于1 " m。
導(dǎo)電材料在內(nèi)部疏水層中的含量沒有特別限制，并且優(yōu)選地在20 - 95 質(zhì)量％的范圍內(nèi)，更優(yōu)選地在40-卯質(zhì)量％的范圍內(nèi)。如果導(dǎo)電材料的含 量過低，則可能不足以賦予導(dǎo)電性。如果導(dǎo)電材料的含量過高，則疏水層 的疏水性可能會(huì)降低。
內(nèi)部疏水層的厚度沒有特別限制，并且優(yōu)選地在l-1000jam的范圍
內(nèi)，更優(yōu)選地在5-50lum的范圍內(nèi)。
盡管內(nèi)部疏水層可使用任何方法形成，但是內(nèi)部疏水層通常使用以下 方法形成，即，用包含疏水材料和導(dǎo)電材料的內(nèi)部疏水層形成用組合物涂 覆該可除去部分，并且加熱該涂層。在此過程中，加熱溫度通常為大約350 'C，但不局限于此。
(2) 內(nèi)部催化電極層
本發(fā)明中將使用的內(nèi)部催化電極層是提供發(fā)電反應(yīng)并且通常設(shè)置在內(nèi) 部集電器或內(nèi)部疏水層和固體電解質(zhì)膜之間的層。類似于用在一般平板型 燃料電池內(nèi)的催化電極層的催化電極層可用作內(nèi)部催化電極層，并且對(duì)于 內(nèi)部催化電極層沒有限制。其示例包括包含電解質(zhì)材料例如基于全氟代磺 酸的聚合物、導(dǎo)電材料例如炭黑、以及催化例如鉑的內(nèi)部催化電極層。另 外，內(nèi)部催化電極層的厚度沒有特別限制，并且優(yōu)選地在1 - 100 u m的范 圍內(nèi)，更優(yōu)選地在5-20ium的范圍內(nèi)。
內(nèi)部催化電極層可使用任何方法形成。例如，內(nèi)部催化電極層可使用 以下方法在可除去部分上直接形成，該方法包括將包含電解質(zhì)材料、導(dǎo)電 材料和催化的催化電極層形成用組合物涂布在可除去部分上，然后干燥該 組合物?？蛇x擇地，當(dāng)已經(jīng)在可除去部分上形成內(nèi)部疏水層時(shí)，可將先前 已經(jīng)被形成為管的內(nèi)部催化電極層放置在該內(nèi)部疏水層上。但是，鑒于粘 附性，涂布并且干燥催化電極層形成用組合物的方法是優(yōu)選的。
(3) 固體電解質(zhì)膜
本發(fā)明中將使用的固體電解質(zhì)膜是用于轉(zhuǎn)移質(zhì)子并且通常設(shè)置在內(nèi)部 催化電極層和外部催化電極層之間的層。類似于用在一般平板型燃料電池 內(nèi)的催化電極層的層可用作固體電解質(zhì)膜，并且該固體電解質(zhì)膜沒有限制。 其具體示例包括由Nafion (商標(biāo)名稱，由DuPont制造)代表的基于全氟 代磺酸的聚合物，以及由基于酰胺的樹脂代表的基于烴的樹脂。用于形成 這種固體電解質(zhì)膜的方法的示例包括但不局限于涂布并干燥固體電解質(zhì) 膜形成用組合物的方法；以及將先前已經(jīng)形成的管形固體電解質(zhì)膜放置在 內(nèi)部催化電極層上的方法。
此外，對(duì)于固體電解質(zhì)膜的其他示例，可列舉主要由硅的氧化物組成 的無機(jī)固體電解質(zhì)膜。無機(jī)固體電解質(zhì)膜的示例包括使用多孔玻璃的固體 電解質(zhì)膜，以及使用磷酸鹽玻璃的固體電解質(zhì)膜。使用多孔玻璃的固體電
基丙基三甲氧基硅烷與OH基反應(yīng)，然后通過氧化巰基(-SH)引入傳導(dǎo) 質(zhì)子的磺酸基獲得的固體電解質(zhì)膜。關(guān)于此制造方法，可參考"Chemistry and Chemical Industry" ， Vol.57, No.l (2004) , pp41-44。另一方面， 對(duì)于使用磷酸鹽玻璃的固體電解質(zhì)膜，可參考"FuelCells" , Vol.3， No.3， 2004， pp69-71。用于制造這種固體電解質(zhì)膜的方法的示例包括但不局限于 將先前已經(jīng)形成的管形固體電解質(zhì)膜放置在內(nèi)部催化電極層上的方法。 (4)外部催化電極層
本發(fā)明中將使用的外部催化電極層是提供發(fā)電反應(yīng)并且通常設(shè)置在固 體電解質(zhì)膜和外部集電器或外部疏水層之間的層。對(duì)于該外部催化電極層， 結(jié)合以上"(2)內(nèi)部催化電極層"所述的內(nèi)容也是可以適用的，因此這里 省略其說明。
(5 )外部疏水層
本發(fā)明中將使用的外部疏水層具有有助于排出發(fā)電反應(yīng)產(chǎn)生的水的功 能，并且通常設(shè)置在外部集電器和外部催化電極層之間。對(duì)于該外部疏水 層，結(jié)合以上"(1)內(nèi)部疏水層"所述的內(nèi)容也是可以適用的，因此這 里省略其說明。
(6)外部集電器
本發(fā)明中將使用的外部集電器用于收集發(fā)電反應(yīng)產(chǎn)生的電子，并且通 常設(shè)置在外部催化電極層或外部疏水層的外側(cè)。外部集電器的形狀沒有特 別限制，只要它^f吏氣體能夠在管型燃料電池的徑向上流動(dòng)就可以?？闪信e 出類似彈簧形狀、網(wǎng)絡(luò)形狀、螺旋形狀等，并且其中類似彈簧形狀是優(yōu)選 的。另外，該外部集電器可以是部分地形成有細(xì)孔的圓筒形集電器。對(duì)于 該外部集電器的材料，具有高導(dǎo)電性的材料是優(yōu)選的。這種材料沒有特別 限制，但是其具體示例包括鈥、不銹鋼、鉑、金、Si02、 B203、 Nd20、鈦
基合金例如TiC、 TiSi2和TiB2、碳、導(dǎo)電陶乾、以及導(dǎo)電樹脂。 3.除去步驟
接著，將說明本發(fā)明的除去步驟。在本發(fā)明中，除去步驟是在功能層 形成步驟之后除去該可除去部分的步驟。在此步驟中，可使用取決于可除 去部分的特性的方法來除去該可除去部分?？沙ゲ糠值奶匦院蛯?duì)應(yīng)的除 去方法在上文的部分"1.填充步驟"中進(jìn)行了說明，因此這里不再重復(fù)說 明。在本發(fā)明中，如果該功能層沒有包含燃料電池的所有必要層，則應(yīng)該 在完成該除去步驟之后形成其他必要層。例如，當(dāng)在僅內(nèi)部疏水層被形成 為功能層之后執(zhí)行除去步驟時(shí)，在完成該除去步驟之后形成其他層例如內(nèi) 部催化電極層，以便制造出管型燃料電池。
上述實(shí)施例并不是限制性的。上述實(shí)施例僅是示例性的，與權(quán)利要求
的任何其他實(shí)施例將落在本發(fā)明的技術(shù)范圍內(nèi)。 示例
下文將參照示例更具體地說明本發(fā)明。示例1
粉狀聚乙烯醇(PVA)被噴射在圓柱形內(nèi)部集電器(cl)=0.85mmx 180mm， O.lmm凹槽)的凹槽部分(氣體流動(dòng)通道)上，然后被干燥以形 成可除去部分。然后，將包含相同數(shù)量的聚四氟乙烯(PTFE)和乙炔黑的 內(nèi)部疏水層形成用組合物涂布在該內(nèi)部集電器和可除去部分上，從而形成 內(nèi)部疏水層。然后，將得到的部件浸入水中以便除去PVA。在除去PVA 之后，檢查氣體流動(dòng)通道。結(jié)果，確定沒有氣體流動(dòng)通道被阻塞。
[示例2
將石蠟涂布在與示例1內(nèi)使用的內(nèi)部集電器相同的內(nèi)部集電器的凹槽 (氣體流動(dòng)通道)上，從而形成可除去部分。然后，將包含相同數(shù)量的聚 四氟乙烯(PTFE )和乙炔黑的內(nèi)部疏水層形成用組合物涂布在該內(nèi)部集電 器和可除去部分上，從而形成內(nèi)部疏水層。然后，在150-200'C加熱所得 到的部件以便除去石蠟。在除去石蠟之后，檢查氣體流動(dòng)通道。結(jié)果，確
定沒有氣體流動(dòng)通道^i且塞。
[示例3
粉狀聚乙烯醇(PVA)被噴射在與示例1內(nèi)使用的內(nèi)部集電器相同的 內(nèi)部集電器的凹槽部分(氣體流動(dòng)通道)上，然后被干燥以形成可除去部 分。然后，使用噴涂法依次形成內(nèi)部疏水層、內(nèi)部催化電極層(厚度為15 ium)、固體電解質(zhì)膜(厚度為45pm)、外部催化電極層(厚度為15 u m)、以及外部疏7jC層，最后將外部集電器放置在周圍。然后，將得到的 部件浸入水中以便除去PVA。在除去PVA之后，檢查氣體流動(dòng)通道。結(jié) 果，確定沒有氣體流動(dòng)通道被阻塞。
權(quán)利要求
1. 一種用于制造管型燃料電池的方法，包括:提供在其外周面上具有氣體流動(dòng)通道的柱狀形狀的內(nèi)部集電器并且用可除去物質(zhì)填充所述氣體流動(dòng)通道以形成可除去部分的填充步驟；至少在所述可除去部分上形成功能層的功能層形成步驟；以及在所述功能層形成步驟之后除去所述可除去部分的除去步驟。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制造管型燃料電池的方法，其 中，所述柱狀形狀的內(nèi)部集電器具有圓形截面。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于制造管型燃料電池的方 法，其中，所述可除去物質(zhì)是能夠通過使液體流過所述氣體流動(dòng) 通道而被除去的液體可除去物質(zhì)，或者能夠通過加熱所述氣體流 動(dòng)通道而被除去的熱可除去物質(zhì)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于制造管型燃料電池的方法，其 中，所述液體可除去物質(zhì)是聚乙烯醇。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于制造管型燃料電池的方法，其 中，所述熱可除去物質(zhì)是石蠟。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任 一 項(xiàng)所述的用于制造管型燃料電 池的方法，其中，所述功能層是內(nèi)部疏水層。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l至5中任一項(xiàng)所述的用于制造管型燃料電 池的方法，其中，所述功能層是內(nèi)部催化電極層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于制造管型燃料電池的方法，該方法可獲得具有良好粘附性的管型燃料電池而不會(huì)阻塞內(nèi)部集電器的氣體通道。本發(fā)明具體公開了一種用于制造使用柱狀內(nèi)部集電器的管型燃料電池的方法，該內(nèi)部集電器在外周面上具有氣體通道。所述用于制造管型燃料電池的方法的特征在于包括用可除去物質(zhì)填充該氣體通道以形成可除去部分的填充步驟；至少在該可除去部分上形成功能層的功能層形成步驟；以及在該功能層形成步驟之后除去該可除去部分的除去步驟。
文檔編號(hào)H01M8/10GK101385171SQ200680030338
公開日2009年3月11日 申請(qǐng)日期2006年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月31日
發(fā)明者中西治通, 今西雅弘, 村田成亮, 田村佳久 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車株式會(huì)社