管型燃料电池制造技术

本发明专利技术的课题在于提供一种燃料电池，其电池性能高，通过燃料电池的单元电池（１）的端部结构可以提高燃料气体和氧化剂气体的气密性，抑制ＯＣＶ降低。本发明专利技术的燃料电池用管型单元电池，从轴芯开始依次同轴地层叠配置形成内侧集电体（１１）、第１催化剂电极层（１２）、电解质层（１３）、第２催化剂电极层（１４）和外侧集电体（１５），其特征在于，在单元电池（１）的至少一个端部，至少电解质层（１３）比第２催化剂电极层（１４）和外侧集电体（１５）突出，突出的电解质层（１３）的外周面（１３２）在表面露出。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及管型燃料电池，特别是涉及构成管型燃料电池的管状单元 电池的端部结构。
技术介绍
近年来，随着世界经济的增长，能量消耗急剧增加，可能会导致环境 恶化。在这样的情况下，作为解决环境问题、能量问题等的方案，燃料电 池的开发受到关注，燃料电池是以氧气、空气等氧化剂气体、和氢气、甲 烷等气体还原剂气体(燃料气体)或甲醇等液体燃料为原料，通过电化学反 应将化学能转变成电能，从而发电的。特别是功率密度大，并且转变效率 高的燃料电池受到关注。作为以往的平板结构的固体高分子电解质型燃料电池(以下简称为"燃料电池，，)的最小发电单位的单元电池(Unitcell)， 一般在固体电解质膜的两 侧具有与催化剂电极层接合的膜电极复合体(MEA: membrane Electrode Assembly),在该膜电极复合体的两侧配置有气体扩散层。进而在这两个气 体扩散层的外侧还配置有具有气体通路的隔膜。因此，介由气体扩散层从 隔膜流过的反应气体(燃料气体和氧化剂气体)流向膜电极复合体的催化剂 电极层，同时将通过发电反应得到的电流向外部传导。但这样的以往的平板结构的燃料电池，构成单元电池的固体电解质膜、 催化剂电极层、气体扩散层、隔膜的厚度、以及耐久性等设计要素在技术 上受到限制。例如，为了增大单位体积的发电反应面积，要求薄的固体电 解质膜。现在，作为可实用化的固体电解质膜，通用Nafion(注册商标)膜。 但在Nafion膜的膜厚度为一定值以下时，透气性变得过大。因此，在单元 电池内部的燃料气体和氧化剂气体容易泄露，出现交叉泄露(cross leak)现4象，存在发电电压低等问题。即以往的平板结构的燃料电池难以将单位体 积的输出密度提高至比现在的更高。作为解决该问题的方法，已研究开发了管型(圆柱型、圆筒型、中空状) 的燃料电池。例如，通过将电解质膜制成直径小的管状，可以增大发电反 应面积。另外，通过将燃料电池制成管型形状，可以省略对于平板型燃料 电池来说为必要的隔膜，具有容易使结构简化等优点。进而，还可以将多 个单元电池集结在一起使单元电池的燃料电池(或氧化剂电极)并联，并收 纳在电池壳中。因此，可以将燃料气体和氧化剂气体在壳内部连接，通过 化学反应来作为燃料电池工作。在将燃料气体和氧化剂气体供给到电池壳内时，燃料气体或氧化剂气 体中的一方从单元电池的轴向中心部流过，而另一方从单元电池的外侧流过。即，在电解质层的两侧上分别形成第1、第2催化剂电极层，燃料气 体和氧化剂气体分别流向第1、第2催化剂电极层。因此，在收纳有单元 电池的电池壳内，需要设置隔壁以使燃料气体和氧化剂气体不混合。在单元电池的端部， 一般通过在将第1、第2催化剂电极隔开的电解 质层的端面与电池壳之间M存在有灌封部件，来形成隔壁。在第l催化 剂电极层(或第2催化剂电极层)中流动的燃料气体和在第2催化剂电极层 (或第1催化剂电极)中流动的氧化剂气体的流路被该隔壁分开，从而在电 池壳内部形成燃料气体室和氧化剂气体室。图14、图15中示出了设置有 隔壁的燃料电池的内部结构。如图14和图15所示，在单元电池的端部设 置了隔壁，将电池壳的内部空间分成氧化剂气体室和燃料气体室。作为隔壁的设置方法，如图14所示，已研究了在单元电池的外侧集电 体的外周面与电池壳的内壁之间接合灌封部件而设置隔壁的方法。但由于 隔壁是接合在外侧集电体的外周面上而设置的，所以没有与电解质层直接 连接。因此，分别流通有氧化剂气体和燃料气体的第1、第2催化剂电极 层的端部(端面)暴露在相同的氧化剂气体(或燃料气体)的气氛中，由于在催 化剂电极层的端部(端面)气体混合，所以发电反应效率低。另外，如图15所示，已研究了通过使用灌封部件将单元电池的端部全部埋入的方法。与图14所示的方法相比，图15所示的方法减轻了在催化 剂电极层的端部的气体混合。但与平板型燃料电池相比，在该方法中借助 灌封部件得到的气体密闭性仍然不充分，这成为使开路电压(OCV)降低的 原因。图16比较了平板型燃料电池与管型燃料电池的OCV。从图16可知， 平板型燃料电池的OCV为l.OV，而与此相对的是，以往的管型燃料电池 的OCV降低了 0.1V,为0.9V左右。
技术实现思路
图15所示的隔壁(灌封部件)的配置方法可以一定程度改善气密性，但 仍然存在如下的燃料电池的性能上的问题，即，构成电解质层的Nafion膜 厚度薄，在与灌封部件接合时，可接合的Nafion膜的端面的幅度(膜厚)小， 通过位于电解质层两侧的反应气体的压力和分子扩散等的作用，依然容易 发生气体混合，开路电压(OCV)低。进而，由于在膜厚度极薄的电解质层 的两侧上付着有催化剂电极层，所以在设置隔壁时，难以选择性地将灌封 部件与电解质层的端面接合。结果在形成隔壁时灌封部件混入到催化剂电 极层中的可能性变高。因此，催化剂电极层容易出现因灌封部件导致的气 体堵塞，存在给燃料电池的性能带来不良影响的问题。本专利技术是鉴于上述现状完成的，其课题是提供一种燃料电池，该燃料 电池电池性能高，通过燃料电池的单元电池的端部结构可以提高燃料气体 和氧化剂气体的气密性，抑制OCV降低。本专利技术的燃料电池用管型单元电池，从轴芯开始依次同轴地层叠配置 形成内侧集电体、第l催化剂电极层、电解质层、第2催化剂电极层和外 侧集电体，其特征在于，在所述单元电池的至少一个端部，至少电解质层 比第2催化剂电极层和外側集电体突出，突出的电解质层的外周面在表面 露出。这样，由于在单元电池的端部电解质层比第2催化剂电极层和外侧 集电体突出，所以在通过灌封部件形成隔壁时，可以将灌封部件与电解质 层直接接合。即，由于突出的电解质层的外周面露出，所以容易将灌封部 件选择性地与电解质层的突出部分的外周面直接接合。进而，由于可以自由调节突出部分的长度即突出部分的外周面的面积，所以自由地设定决定 气密性的与灌封部件的充分接合面积和接合幅度。由此可以确保比以往方 法高的气密性。另外，本专利技术的燃料电池用管型单元电池的端部，电解质层优选具有 比第l催化剂电极层突出、并覆盖内侧集电体的外周面同时覆盖第l催化 剂电极层的端部的电解质层端头部。由此，第l催化剂电极层的端面被电 解质层的端头部包围。因此，在使灌封部件与单元电池的端部的电解质层 接合时，可以避免在第l催化剂电极层中混入灌封部件。本专利技术的燃料电池用管型单元电池的端部优选突出成以轴芯为中心线 的圆锥台形状，电解质层的部分作为圆锥台形状的側周面的至少一部分在 表面露出。由此，在单元电池的端部，电解质层的端面在以轴芯为中心线 的圆锥台形状的侧周面上露出。即通过使单元电池的端部形成圓锥台形状， 可以^M厚度薄的电解质层沿着圆锥台形状的侧周面露出，呈斜面结构。 即，单元电池具有下述端部结构，所述端部结构具有比电解质层的膜厚大 的电解质层露出端面面积。因此，容易将灌封部件选择性地与电解质层的 突出部分的外周面直接接合。进而，如果自由调节侧周面(斜面)的倾斜角 度，则可以自由调节在圆锥台形状的侧周面上露出的电解质层的端面面积。 因此，可以自由地设定决定气密性的与灌封部件的充分接合面积和接合幅 度。由此可以确保比以往方法高的气密性。本专利技术的燃料电池用管型单元电池的制造方法，从轴芯开始本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池用管型单元电池，从轴芯开始依次同轴地层叠配置形成内侧集电体、第１催化剂电极层、电解质层、第２催化剂电极层和外侧集电体，其特征在于，在所述单元电池的至少一个端部，至少所述电解质层比所述第２催化剂电极层和所述外侧集电体突出，突出的所述电解质层的外周面在表面露出。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：石丸洋一，杉山徹，滨雄一郎，
申请(专利权)人：丰田自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]