專利名稱：燃料電池模塊和設(shè)有燃料電池模塊的燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括管型燃料電池的燃料電池模塊以及包括該燃料電池模 塊的燃料電池。更具體而言，本發(fā)明涉及包括管型燃料電池并能夠提高集 電效率的燃料電池模塊以及包括該燃料電池模塊的燃料電池。
背景技術(shù)：
在常規(guī)的固體聚合物電解質(zhì)燃料電池(以下稱為"PEFC")中，由在 包括平板型電解質(zhì)膜和布置在該電解質(zhì)膜兩側(cè)上的電極(陰極和陽極)的 膜電極組件(以下稱為"MEA"，其)中進行的電化學反應(yīng)所產(chǎn)生的電能 分別經(jīng)由布置在MEA兩側(cè)的隔離器(separator)被提取至PEFC外部。該 PEFC可在低溫下工作，并通常在約80。C至100。C的工作溫度下應(yīng)用。此 外，因為30%至40%的高能量轉(zhuǎn)換效率、短起動時間、以及小尺寸輕重量 的系統(tǒng)，PEFC被視為蓄電池車輛或便攜電源的最佳能量源。
同時，常規(guī)PEFC的單元電池包括諸如電解質(zhì)膜、每個均包括催化劑 層的陰極和陽極、以及隔離器等構(gòu)成元件，且其理論電動勢為1.23伏特。 這樣低的電動勢不足以用作蓄電池車輛等的動力源。因此，通常，將在其 中單元電池沿層疊方向串聯(lián)層疊形成的層疊體的兩側(cè)上布置端板等構(gòu)成的 堆疊型燃料電池用作動力源。但是，優(yōu)選地縮小單元電池的尺寸并增大每 單位面積的發(fā)電反應(yīng)區(qū)域(輸出密度)，從而進一步改進PEFC (以下在 某些情況下簡稱為"燃料電池")的發(fā)電效率。
為了增大常規(guī)平板型燃料電池(以下在某些情況下簡稱為"平板型 FC")每單位面積的輸出密度并提高其發(fā)電效率，需要使平板型FC的上 述構(gòu)成元件變薄。但是，如果將平板型FC的構(gòu)成元件的厚度設(shè)定為等于 或小于預(yù)定厚度，則可能會降低各個構(gòu)成元件的性能、強度等。因此，在 結(jié)構(gòu)上難以將如上所述構(gòu)造的燃料電池每單位面積的輸出密度提高至等于
或高于特定密度。
著眼于此，近來已經(jīng)著手研究管型燃料電池(以下在某些情況下簡稱
為"管型FC")。管型FC的單元電池包括中空形狀MEA (以下簡稱為 "中空MEA")，該中空MEA包括中空電解質(zhì)層以及分別布置在中空電 解質(zhì)層的內(nèi)側(cè)和外側(cè)的中空電極層。通過分別向中空MEA的內(nèi)側(cè)和外側(cè) 供應(yīng)反應(yīng)氣體(氫基氣體和氧基氣體)來進行電化學反應(yīng)，并經(jīng)由布置在 中空MEA的內(nèi)側(cè)和外側(cè)的集電器將由電化學反應(yīng)產(chǎn)生的電能提取至外 部。S卩，通過將反應(yīng)氣體中的一種(氫基氣體或氧基氣體)供應(yīng)至包括在 各個管型FC電池中的中空MEA的內(nèi)側(cè)并將另一種反應(yīng)氣體(氧基氣體或 氫基氣體)供應(yīng)至中空MEA的外側(cè)，該管型FC有利于提取電能?？梢钥?到，通過將相同的反應(yīng)氣體供應(yīng)至管型FC中兩個相鄰管型FC電池的外表 面，可以去除在常規(guī)平板型FC中具有氣體屏蔽性能的隔離器。因此，管 型FC可有效地縮小單元電池的尺寸。
另一方面，為了進一步提高管型FC的發(fā)電性能，優(yōu)選地提高將在各 個管型FC電池中產(chǎn)生的電能提取至外部的效率(集電效率)?？梢岳?通過使集電器與多個管型FC電池接觸之類的方式來實現(xiàn)上述對集電效率 的提高。
目前已經(jīng)揭示了一些意在提高管型FC的集電效率的技術(shù)。例如，日 本專利申請早期公開(JP-A) No. 2004-288542揭示了一種與燃料電池系統(tǒng) 相關(guān)的技術(shù)，該燃料電池系統(tǒng)包括電池組件和電連接到電池組件的電極連 接導體構(gòu)件，電池組件通過將多個管型FC電池經(jīng)由電池連接導體構(gòu)件互
相連接而形成。根據(jù)上述技術(shù)，維持了多個電池連接導體構(gòu)件與電極連接 導體構(gòu)件之間每個均提供集電能力的連接，由此可以提供具有穩(wěn)定發(fā)電性 能的燃料電池。此外，JP-ANo. 8-162142揭示了一種與固體PEFC相關(guān)的 技術(shù)，該固體PEFC包括多個管型FC電池和擋板(baffle)。根據(jù)上述技 術(shù)，可以提供具有提高的發(fā)電性能的固體PEFC。
但是，JP-A No. 2004-288542揭示的技術(shù)存在以下問題。因為電池組 件可以經(jīng)由電池連接導體構(gòu)件和各個管型FC電池將連接至電極連接導體 構(gòu)件，所以有可能增大連接阻抗并可能劣化集電效率。此外，JP-ANo. 8-
162142揭示的技術(shù)存在難以提高集電效率的問題。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種能夠提高集電效率的包括管型燃料 電池的燃料電池模塊，以及一種具有該燃料電池模塊的燃料電池。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明采取了以下手段。即，根據(jù)本發(fā)明的第一 方面，提供了一種燃料電池模塊，包括平行排列的多個管型燃料電池； 和第一集電器，其中由所述第一集電器在平面圖中與所述管型燃料電池的 軸向交叉的方向上編織所述多個管型燃料電池。
這里，"平行排列"指多個管型燃料電池的軸向彼此平行，且各個管 型燃料電池沿著與軸向幾乎垂直的方向排列。如果多個管型燃料電池被平
行排列，則可以形成層狀管型燃料電池組件(以下也稱為"FC電池
層")。管型燃料電池的數(shù)量并不限于特定數(shù)量，只要其為兩個或更多即
可，并且可以考慮燃料電池模塊的輸出密度、生產(chǎn)率等，來得到管型燃料
電池的合適數(shù)量。"第一集電器"指可以在管型燃料電池的交叉方向上蓄
集電荷的交叉方向集電器。此外，"在平面圖中與所述管型燃料電池的軸
向交叉的方向上編織"指通過在平行排列的管型燃料電池的交叉方向上分 布第一集電器來由第一集電器將多個管型燃料電池一體地固定。
在本發(fā)明的第一方面中，燃料電池模塊還可以包括第二集電器，與所 述多個管型燃料電池平行地布置，其中由所述第一集電器在所述平面圖中 與所述管型燃料電池的所述軸向交叉的所述方向上編織所述多個管型燃料 電池和所述第二集電器。
其中，"由所述第一集電器在所述平面圖中與所述管型燃料電池的所 述軸向交叉的所述方向上編織所述多個管型燃料電池和所述第二集電器" 指通過在平行布置的第二集電器和管型燃料電池的交叉方向上分布第一集 電器來由第一集電器將第二集電器和多個管型燃料電池一體地固定。根據(jù) 本發(fā)明的第一方面提供的第二集電器的數(shù)量并不限于某一特定數(shù)量，而可 以著眼于集電效率和生產(chǎn)率等來獲得第二集電器的合適數(shù)量。在本發(fā)明的 第一方面中，第二集電器的具體示例可以包括軸向集電器。
在本發(fā)明的第一方面(包括修改方案，以下相同)中，可以將第二集 電器布置在所述多個管型燃料電池的陣列的端部。
在本發(fā)明的第一方面中，可以將所述第二集電器與所述多個管型燃料 電池平行并交替地布置。
這里，"平行并交替地布置"指其中第二集電器布置在多個管型燃料 電池之間的構(gòu)造。
在本發(fā)明的第一方面中，所述第一集電器可以是可透氣的。
這里，"可透氣"指第一集電器被構(gòu)造成能夠在例如穿過第一集電器 的方向(例如，F(xiàn)C電池層的厚度方向)上使氣體透過?？赏笟庑偷谝患?電器的示例可包括由導電多孔構(gòu)件形成的第一集電器。
在本發(fā)明的第一方面中，所述燃料電池模塊還可以包括與所述第一 集電器接觸的第三集電器，并且，由所述第一集電器編織的所述多個管型 燃料電池和所述第二集電器與所述第三集電器可以交替地層疊。
在本發(fā)明的第一方面中，所述第三集電器可以是柵形或網(wǎng)格形平板。
這里，"柵形"指在與一個方向平行地形成多個通孔的形式，而"網(wǎng) 格形"指在彼此交叉的兩個方向上形成多個通孔的形式。"通孔"指形成 為穿透第三集電器的厚度方向的開口。在本發(fā)明的第一方面中，可以形成 的通孔的數(shù)量并不限于某一特定數(shù)量，而可以著眼于第三集電器的集電效 率以及生產(chǎn)率等來得到通孔的合適數(shù)量。此外，通孔的形式并不限于某一 特定形式，而可以著眼于集電效率以及生產(chǎn)率等形成諸如方形孔、矩形孔 或橢圓形孔等合適形式的通孔。為了提高集電效率，優(yōu)選地將第一集電 器、第二集電器和第三集電器彼此集成。集成構(gòu)造的具體示例可以包括其 中管型FC電池、第二集電器、和第三集電器通過第一集電器結(jié)合在一起 的構(gòu)造。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種燃料電池，其包括根據(jù)本發(fā)明的 第一方面的燃料電池模塊。 發(fā)明效果
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，由第一集電器編織多個管型燃料電池。由 此，可以經(jīng)由第一集電器在交叉方向上有效地集電。因此，通過這樣的構(gòu)
造，可以提供能夠提高集電效率的燃料電池模塊。
在本發(fā)明的第一方面中，如果由第一集電器編織第二集電器和多個管 型燃料電池，并且第一集電器接觸第二集電器，則經(jīng)由第一集電器在交叉 方向上蓄集的電荷可以經(jīng)由第二集電器在軸向上傳輸。因此，通過這樣構(gòu) 造，可以提供能夠提高集電效率的燃料電池模塊。
在本發(fā)明的第一方面中，如果將第二集電器布置在多個管型燃料電池 的陣列的端部，則可以抑制燃料電池模塊的構(gòu)成元件的數(shù)量的增加。因 此，除了上述優(yōu)點之外，還可以有利地提高燃料電池模塊的生產(chǎn)率。
在本發(fā)明的第一方面中，如果由第一集電器編織彼此平行并交替地布 置的第二集電器和多個管型燃料電池，則可以通過提高在軸向上傳輸電荷
的效率來提高集電效率。
此外，在本發(fā)明的第一方面中，如果燃料電池模塊包括可透氣型第一 集電器，則可以提高氣體擴散性能。
此外，在本發(fā)明的第一方面中，如果由第一集電器一體地固定的管型 燃料電池和第二集電器與第三集電器交替地層疊，則可以通過經(jīng)由第三集 電器集電來進一步提高集電效率。
此外，在本發(fā)明的第一方面中，如果在第三集電器中形成通孔，則可 以經(jīng)由第一集電器以及通孔的框架在交叉方向上集電，并幫助提高在交叉 方向上的集電效率。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，燃料電池包括能夠提高集電效率的燃料電池 模塊。因此，可以提供能夠通過提高集電效率而提高發(fā)電性能的燃料電 池。


圖1是外部視圖，示意性地示出了包括在根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的 燃料電池模塊中的管型FC電池以及第一和第二集電器。
圖2是外部視圖，示意性地示出了包括在根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的
燃料電池模塊中的管型FC電池以及第一和第二集電器。
圖3是外部視圖，示意性地示出了包括在根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的
燃料電池模塊中的管型FC電池以及第三集電器。
圖4是正視圖，示意性地示出了根據(jù)第三實施例的第三集電器的構(gòu)造 的示例。
圖5是外部視圖，示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的燃料電池模塊，其包 括根據(jù)第二實施例的燃料電池組件。
圖6是外部視圖，示意性地示出了包括根據(jù)本發(fā)明的燃料電池模塊的
燃料電池的構(gòu)造的示例。
圖7是外部視圖，示意性地示出了包括根據(jù)本發(fā)明的燃料電池模塊的
燃料電池的構(gòu)造的示例。
圖8是外部視圖，示意性地示出了常規(guī)管型FC電池和包括該管型FC 電池的常規(guī)燃料電池模塊。
在附圖中，標號10表示管型燃料電池("管型FC電池")，30表示 第三集電器，31表示通孔，32表示第三集電器，33表示通孔，35表示第 一集電器，40表示第二集電器，41表示第二集電器，IOO表示燃料電池模 塊，IOOO表示燃料電池。
具體實施例方式
已經(jīng)例如著眼于提高管型FC每單位體積的輸出密度而對管型FC進行 了研究。為了進一步提高管型FC的輸出密度，優(yōu)選地增大包括在管型FC 中的管型FC電池的填充密度。另一方面，即使增大了管型FC電池的填充 密度，在對各個管型FC電池中產(chǎn)生的電荷進行蓄集(集電)的效率較低 的情況下，也難以有效地增大管型FC的輸出密度。因此，優(yōu)選地提供一 種管型FC，其能夠通過提高集電效率來有效地增大輸出密度。
著眼于此完成了本發(fā)明。本發(fā)明的第一方面在于提供一種燃料電池模 塊，通過被構(gòu)造成包括平行排列的多個管型FC電池以及與管型FC電池接 觸的集電器，該燃料電池模塊能夠提高集電效率。本發(fā)明的第二方面在于 提供一種燃料電池，其通過被構(gòu)造成包括上述燃料電池模塊而能夠提高集 電效率。
為了便于理解本發(fā)明，將首先描述管型FC電池、包括該管型FC電池
的燃料電池模塊、以及包括該燃料電池模塊的燃料電池。
圖8是外部視圖，示意性地示出了常規(guī)管型FC電池以及包括該管型
FC電池的常規(guī)燃料電池模塊。為了幫助理解管型FC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，圖8以 剖開的方式適當?shù)厥境隽斯苄虵C的構(gòu)成元件。
如圖8的(A)所示，常規(guī)管型FC電池IO包括MEA 15，其具有中 空電解質(zhì)膜(例如，諸如Nafion (E. I. Du Pont de Nemours and Company 的注冊商標)之類的氟基離子交換樹脂膜)11、以及分別布置在電解質(zhì)膜 11的內(nèi)側(cè)和外側(cè)的中空陽極催化劑層12和中空陰極催化劑層13;陽極集 電器16，其被布置成使得陽極集電器16的外周表面與陽極催化劑層12的 內(nèi)周表面接觸；以及陰極集電器17a和17b，其被布置成與中空陰極催化 劑層13的外周表面接觸。在這里示出的管型FC電池10中，待供應(yīng)至陽 極催化劑層12的氫基氣體(以下稱為"氫氣")在其中流動的反應(yīng)氣體 通路16a、 16a、...形成在陽極集電器16的外周表面(該表面與陽極催化 劑層12接觸)上。另一方面，通過將空氣從外部向管型FC電池10的外 周表面吹送，可以將氧基氣體(以下稱為"氧氣")直接供應(yīng)至該外周表 面(陰極催化劑層13)。如圖8的(A)所示的陽極催化劑層12和陰極催 化劑層13每個均包含在電化學反應(yīng)中作為催化劑的例如鉑等以及諸如氟 基離子交換樹脂之類的質(zhì)子傳導(proton-conducting)物質(zhì)。
如上所述構(gòu)造管型FC電池10。由此，如果將這樣構(gòu)造的管型FC電 池10、 10、...進行排列(參見圖8的(B))，則可以通過從外部供應(yīng)空 氣來將氧氣供應(yīng)至各個管型FC電池10、 10、...的陰極催化劑層13、 13、 ...。 S卩，可以在不需要設(shè)置將管型FC電池IO彼此屏蔽開的隔離器以 及用于有效地將氧氣供應(yīng)至各個管型FC電池10的陰極催化劑層13的擴 散層的情況下，構(gòu)造管型FC電池10。從而可以減少每個電池的構(gòu)成元件 的數(shù)量。因此，根據(jù)管型FC電池10，可以有效地使單元電池小型化。
圖8的(B)是外部視圖，示意性地示出了包括多個管型FC電池以及 用于冷卻管型FC電池的冷卻管的燃料電池模塊。如圖8的(B)所示，燃 料電池模塊900包括多個管型FC電池10、 10、...以及多個冷卻管90、 90、...。在燃料電池模塊900的兩端分別設(shè)置氣體歧管98a和98b以及冷
卻水歧管99a和99b，被供應(yīng)到管型FC電池10的反應(yīng)氣體通路16a、 16a、...的氫氣將饋送到氣體歧管98a和98b，供應(yīng)到冷卻水管中的水將饋 送到冷卻水歧管99a和99b。此外，設(shè)置了蓄集各個管型FC電池10、 10、...中產(chǎn)生的電荷的集電器(未示出)。經(jīng)由氣體歧管中的一個(例如 98a)供應(yīng)至燃料電池模塊900的氫氣經(jīng)過管型FC電池10、 10、...的反應(yīng) 氣體通路16a、 16a、...，并被用于管型FC電池10、 10、...中的電化學反 應(yīng)。未被用于電化學反應(yīng)的氫氣等經(jīng)由另一個氣體歧管(例如98b)被收 集。在燃料電池模塊900中，集電器的一端連接至管型FC電池10、 10、...的陽極集電器16、 16、...，而其另一端連接至管型FC電池10、 10、...的陰極集電器17a和17b，由此集電器對多個管型FC電池10、 10、...中產(chǎn)生的電荷進行蓄集(集電)。
例如著眼于提高集電效率，將陰極集電器17a和17b設(shè)置在各個管型 FC電池10的外周表面上(參見圖8的(A))，在常規(guī)管型FC電池10 中，陰極集電器17a起交叉方向集電器的作用，而陰極集電器17b起軸向 集電器的作用。但是，對于這種構(gòu)造，需要進行諸如將在交叉方向上蓄集 的電荷經(jīng)由軸向集電器17b進行提取處理之類的處理。結(jié)果，將電荷提取 至外部的集電路徑變長，這將因集電器的阻抗等原因?qū)е录娦授呌诹?化。考慮到此情況，本發(fā)明提供了一種燃料電池模塊，其能夠通過使多個 管型FC電池與集電器接觸來提高集電效率，從而提高在交叉方向上的集 電效率，本發(fā)明還提供了一種包括該燃料電池模塊的燃料電池。
參考附圖，以下將詳細描述根據(jù)本發(fā)明的燃料電池模塊以及包括該燃 料電池模塊的燃料電池。
圖1是外部視圖，示意性地示出了包括在根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的 燃料電池模塊中的多個管型FC電池以及第一和第二集電器。在圖1中， 與圖8中所示的那些構(gòu)成元件相似的構(gòu)成元件由與用于表示如圖8所示的 各個構(gòu)成元件的那些標號相同的標號來表示，且如果合適將不再對其進行 描述。在圖1中，箭頭X表示軸向而箭頭Y表示交叉方向。
如圖所示，根據(jù)第一實施例的多個管型FC電池IOA、 IOA、...以及第 二集電器40平行排列，由此形成FC電池層21。由纖維狀或管型等形式的
第一集電器35在幾乎與軸向垂直的交叉方向上編織FC電池層21，由此形 成燃料電池組件71。
注意，如圖1所示的各個管型FC電池IOA、 IOA、...并不包括交叉方 向集電器17a和軸向集電器17b (參見圖8)。在第一實施例的描述中，第 一集電器35從第二集電器40經(jīng)由多個管型FC電池IOA、 IOA、...到達位 于端部的管型FC電池10a所需的長度為L。
在第一實施例中，例如從布置在FC電池層21的端部上的第二集電器 40的上側(cè)表面處開始、并經(jīng)過與第二集電器40相鄰的管型FC電池10A 的下側(cè)表面的第一集電器35通過反復(fù)經(jīng)過排列在前一個管型FC電池10A 的下一個處的管型FC電池10A的上側(cè)表面，并交替經(jīng)過下側(cè)表面和上側(cè) 表面，而到達排列在端部的管型FC電池10a。到達位于端部的管型FC電 池10a的第一集電器35以與如上所述相同的行程經(jīng)由管型FC電池10a的 外周表面到達第二集電器40。隨后，重復(fù)相同的行程，從而形成燃料電池 組件71。因此，根據(jù)第一實施例，第一集電器35與各個管型FC電池 IOA、 IOA、...的外周表面接觸，由此第一集電器35可以實現(xiàn)常規(guī)交叉方 向集電器的功能。此外，與多個管型FC電池IOA、 IOA、...平行地布置的 第二集電器40可以實現(xiàn)常規(guī)軸向集電器的功能。第一集電器35與起軸向 集電器作用的第二集電器40以約2L長度的間隔接觸。因此，通過如此構(gòu) 造，可以僅由第一集電器35在第二集電器40中方便地蓄集在管型FC電 池IOA、 IOA、...中產(chǎn)生的電荷。艮卩，根據(jù)第一實施例，通過采用以約2L 長度的間隔與軸向集電器接觸的交叉方向集電器35以及軸向集電器40， 與常規(guī)技術(shù)相比，可以縮短集電路徑的長度。由此可以減小因集電器的電 阻率導致的極化，并可以提高燃料電池組件71的集電效率。通過將燃料 電池模塊構(gòu)造成包括這樣構(gòu)造的燃料電池組件71，可以提高燃料電池模塊 的集電效率。
此外，根據(jù)第一實施例，由第一集電器35將構(gòu)成FC電池層21的多 個管型FC電池10A、 IOA、...和第二集電器40編織在一起。由此，與需 要執(zhí)行在各個管型FC電池IOA、 IOA、…的外周表面上布置交叉方向集電 器的步驟的常規(guī)燃料電池模塊相比，可以提高燃料電池模塊的生產(chǎn)率。
圖2是外部視圖，示意性地示出了包括在根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的 燃料電池模塊中的多個管型FC電池以及第一和第二集電器。在圖2中， 與圖1中所示的那些構(gòu)成元件相似的構(gòu)成元件由與用于表示圖1中所示的 各個構(gòu)成元件的那些標號相同的標號來表示，且如果合適將不再對其進行
描述。在圖2中，箭頭X表示軸向而箭頭Y表示交叉方向。
如圖所示，多個管型FC電池IOA、 IOA、...以及多個第二集電器 41、 41...平行并交替地布置，從而形成FC電池層22。與根據(jù)第一實施例 的燃料電池組件71類似，由第一集電器35在交叉方向上編織FC電池層 22，由此形成燃料電池組件72。
在第二實施例中，多個管型FC電池10A、 IOA、...以及多個第二集電 器41、 41、...交替地布置。由此，與根據(jù)第一實施例的燃料電池組件71 相比，可以提高在軸向上的集電效率。因此，對于如圖2所示的結(jié)構(gòu)，可 以類似于如圖1所示的結(jié)構(gòu)提高燃料電池模塊的集電效率。類似于第一實 施例，通過由第一集電器35使構(gòu)成FC電池層22的多個管型FC電池 IOA、 IOA、...以及第二集電器41、 41、...編織在一起來形成根據(jù)第二實 施例的燃料電池組件72。因此，與常規(guī)燃料電池模塊相比，可以提高這樣 構(gòu)造的燃料電池模塊的生產(chǎn)率。
在第一實施例和第二實施例中，已經(jīng)描述了其中由第一集電器35在 幾乎垂直于軸向的交叉方向上編織管型FC電池IOA、 IOA、…以及第二集 電器40 (或集電器41、 41、...)的結(jié)構(gòu)。但是，根據(jù)第一和第二實施例 的第一集電器35的編織方向并不限于所述交叉方向，還可以是其他任何 方向，只要該方向與軸向交叉即可。
此外，可以構(gòu)成根據(jù)第一和第二實施例的第一和第二集電器的材料并 不限于某一特定材料，只要該材料具有高導電性即可。但是，著眼于提高 集電效率，該材料優(yōu)選為在FC電池層的層疊方向上的透氣材料等。上述 材料的具體示例不僅包括不銹鋼、Ti、 Pt、 Au、 TiC、 TiSi2、 Si02、 B203、 Nd20和TiB2，還包括碳基材料。
圖3是外部視圖，示意性地示出了包括在根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的 燃料電池模塊中的燃料電池組件以及第三集電器。圖3的(A)是外部示
圖，示意性地示出了包括在根據(jù)第三實施例的燃料電池模塊中的多個燃料 電池組件和多個第三集電器的一部分。圖3的(B)是正視圖，示意性地
示出了根據(jù)第三實施例的第三集電器，圖3的(C)是沿圖3的(A)中示 出的箭頭所取的示意性部分剖視圖。在圖3的(A)中，未示出包括在各 個燃料電池組件中的第一集電器和第二集電器。在圖3的(C)中，未示 出在各個燃料電池組件中的第二集電器。但是，假設(shè)每個燃料電池組件實 際上均包括這些集電器。在圖3中，與圖1和/或圖8中所示的那些構(gòu)成元 件相似的構(gòu)成元件由與用于表示圖1和/或圖8中所示的各個構(gòu)成元件的那 些標號相同的標號來表示，且如果合適將不再對其進行描述。在圖3中， 箭頭X表示軸向而箭頭Y表示交叉方向。
如圖3的(A)所示，通過交替地層疊燃料電池組件71、 71與柵形第 三集電器30、 30來形成根據(jù)第三實施例的燃料電池組件70。第三集電器 30、 30每個均包括形成為狹縫的多個通孔31、 31、...(參見圖3的
(B) )。如圖3的(B)所示，分別通過位于交叉方向上的框架31a、 31a、...來形成在每個第三集電器30中形成的通孔31、 31、...。如圖3的
(C) 所示，根據(jù)第三實施例的每個第三集電器30、 30均與布置在各個管 型FC電池10、 10、...的外周表面上的第一集電器35、 35、...接觸。由 此，可以經(jīng)由第三集電器30、 30將經(jīng)由第一集電器35、 35、...蓄集的電 荷提取至外部。因此，通過將燃料電池模塊構(gòu)造成包括圖3所示的燃料電 池組件70，可以提高燃料電池模塊的集電效率。如圖3的(A)和圖3的
(B)所示，第三集電器30包括布置在第三集電器30的軸向中部的翼片 30A，從而例如能夠方便地將蓄集的電荷提取至外部。
而且，因為通過交替層疊燃料電池組件71、 71與第三集電器30、 30 來形成燃料電池組件70，所以可以容易地制造圖示的燃料電池組件70。
在第三實施例中，已經(jīng)描述了其中在第三集電器30的軸向中部布置 翼片30A的結(jié)構(gòu)。但是，可以設(shè)置該翼片30A的位置并不限于某一特定位 置。此外，已經(jīng)描述了其中形成狹縫狀通孔的柵形第三集電器30。但是， 第三集電器30的形狀并不限于柵形。例如，可以使通孔形成為網(wǎng)格形。 圖4示意性地示出了具有網(wǎng)格形通孔的第三集電器。
圖4是正視圖，示意性地示出了第三集電器的構(gòu)造的示例。如圖所
示，第三集電器32包括多個網(wǎng)格形通孔33、 33、...。分別經(jīng)由位于交叉 方向上的框架33a、 33a、...和位于軸向上的框架33b、 33b、...來形成通孔 33、 33、...。通過這樣構(gòu)造第三集電器32，第三集電器32還可實現(xiàn)在軸 向上蓄集電荷的功能。從而可以進一步提高集電效率。
在第三實施例中，已經(jīng)描述了其中在第三集電器中設(shè)置經(jīng)由位于幾乎 與軸向垂直的交叉方向上的框架形成的通孔的構(gòu)造。但是，第三集電器的 構(gòu)造并不限于上述構(gòu)造。只要滿足經(jīng)由位于與軸向交叉的方向上的框架形 成通孔即可。不過，著眼于有效地提高在交叉方向上的集電效率，優(yōu)選地 第三集電器包括位于與軸向幾乎垂直的交叉方向上的框架。此外，在第三 實施例中，己經(jīng)描述了具有通孔的第三集電器。但是，與燃料電池組件交 替層疊的第三集電器不一定必需包括通孔。即使第三集電器不包括通孔， 第三集電器也可在與軸向交叉的方向上與多個管型FC接觸。由此，與常 規(guī)技術(shù)相比，可以提高在交叉方向上的集電效率。
此外，根據(jù)第三實施例的第三集電器的構(gòu)成材料并不限于某一特定材 料，只要該材料具有高導電性即可。但是，著眼于提高集電效率，該材料 優(yōu)選為在FC電池層的層疊方向上的透氣材料等。上述材料的具體示例包 括但不限于不銹鋼、Ti、 Pt、 Au、 TiC、 TiSi2、 Si02、 B203、 Nd20和 TiB2，以及碳基材料。
圖5是外部視圖，示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的燃料電池模塊，其包 括根據(jù)第二實施例的燃料電池組件72。在圖5中，與圖2中所示的那些構(gòu) 成元件相似的構(gòu)成元件由與用于表示圖2中所示的各個構(gòu)成元件的那些標 號相同的標號來表示，且如果合適將不再對其進行描述。在圖5中，箭頭 X表示軸向而箭頭Y表示交叉方向。在圖5中，燃料電池模塊的構(gòu)成元件
被適當?shù)厍腥セ蚴∪ヒ员阌诶斫馊剂想姵啬K的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在以下描述 中，通常將管型FC電池10A簡稱為"電池10A"。
如圖5所示，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池模塊100包括多個燃料電池組件 72、 72、...，每個燃料電池組件72均被構(gòu)造成包括電池IOA、 IOA、...， 第一集電器35，以及第二集電器41、 41、…。此外，氣體分配通道60經(jīng)
由密封構(gòu)件80、 80和密封材料81與陽極歧管61和62幾乎完全分隔開， 供應(yīng)至各個電池IOA、 IOA、...的外周表面(陰極)的空氣將在氣體分配 通道60內(nèi)流動，而供應(yīng)至各個電池IOA、 IOA、...的中空部(陽極)的氫 氣將在陽極歧管61和62中流動。盡管在圖5中未示出，但以與圖5所示 密封材料81相同的方式，還在陽極歧管62側(cè)設(shè)置密封材料81。在圖示的 燃料電池模塊100中，通過第一集電器35和第二集電器41來蓄集在各個 電池IOA、 IOA、...的陰極催化劑層中產(chǎn)生的電荷。此外，這樣蓄集的電 荷經(jīng)由連接至第二集電器41、 41、...的陰極集電器53以及連接至陰極集 電器53的陰極輸出單元54被提取至外部。此外，在各個電池IOA、 IOA、...的陽極催化劑層中產(chǎn)生的電荷經(jīng)由設(shè)置在各個電池IOA、 IOA、...中的陽極集電器(未示出)被蓄集在陽極集電器51中，并經(jīng)由連 接至陽極集電器51的陽極輸出單元52被提取至外部。
可以理解的是，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池模塊100包括如上所述構(gòu)造的 多個燃料電池組件72、 72、...。由此，通過提高燃料電池組件72、 72、...的集電效率，可以提高燃料電池模塊100的集電效率。
為了方便的原因，已經(jīng)描述了被構(gòu)造成包括根據(jù)第二實施例的燃料電 池組件72、 72、...的燃料電池模塊100。但是，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池模 塊的構(gòu)造并不限于上述構(gòu)造。根據(jù)本發(fā)明的燃料電池模塊可以被構(gòu)造成包 括根據(jù)第一實施例的燃料電池組件71或者根據(jù)第三實施例的燃料電池組 件70。如果根據(jù)本發(fā)明的燃料電池模塊包括根據(jù)第三實施例的燃料電池組 件70，則例如燃料電池模塊可以被構(gòu)造成使得包括在每個燃料電池組件 70中的每個第三集電器的翼片30A都連接至陰極集電器53。如果根據(jù)本 發(fā)明的燃料電池模塊包括據(jù)第一實施例的燃料電池組件71,貝i」例如燃料電 池模塊可以被構(gòu)造成使得第二集電器40連接至陰極集電器53。
另一方面，當燃料電池模塊IOO工作時，電池IOA生熱。例如如果將 Nafion用作電池10A的電解質(zhì)膜，則需要將電池10A的溫度保持為約 80。C至100。C，使得Nafion表現(xiàn)出良好的質(zhì)子傳導性能。因此，需要通過 適當?shù)姆绞綄﹄姵豂OA進行冷卻。此外，著眼于例如便于處理包括燃料電 池模塊的燃料電池，優(yōu)選地對電池IOA進行有效冷卻。根據(jù)本發(fā)明，冷卻
電池10A的方法并不限于某一特定方法。冷卻方法的特定示例包括水冷和 氣冷。如果對電池IOA進行水冷，則水冷方式并不限于某一特定方式。但
是，著眼于例如不使用大尺寸設(shè)備而有效地冷卻電池IOA，優(yōu)選地燃料電 池模塊包括特定比率的冷卻管(例如，冷卻管對電池IOA的總數(shù)量的比率 為1比3)。通過這樣構(gòu)造燃料電池模塊，如果通過冷卻管使水循環(huán)，則 可以有效地冷卻包括在燃料電池模塊中的電池IOA。在圖5中，未示出用 于使冷卻水循環(huán)的構(gòu)成元件。
圖6和圖7是外部視圖，示意性地示出了包括根據(jù)本發(fā)明的燃料電池 模塊的燃料電池的結(jié)構(gòu)的示例。圖7是圖6所示燃料電池的后視圖，在圖 7中未示出分別設(shè)置在側(cè)表面上的網(wǎng)格構(gòu)件，從而能夠便于理解燃料電池 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。參考圖6和圖7，將描述根據(jù)本發(fā)明的燃料電池模塊。
如圖6和圖7所示，通過在外部容器600內(nèi)容納多個燃料電池模塊 100、 100、...來構(gòu)造根據(jù)本發(fā)明的燃料電池1000。在外部容器600的上表 面上設(shè)置反應(yīng)氣體(例如，氫氣)引入端口 500、反應(yīng)氣體排出端口 510、以及冷卻水端口 520。在外部容器600的一對側(cè)表面上分別設(shè)置網(wǎng)格 構(gòu)件550。如果供應(yīng)至反應(yīng)氣體引入端口 500的氣體為氫氣，則在穿過網(wǎng) 格構(gòu)件550的方向上向燃料電池IOOO供應(yīng)空氣。供應(yīng)至圖6所示的網(wǎng)格構(gòu) 件550之一的空氣從設(shè)置在外部容器600的后表面上的網(wǎng)格構(gòu)件(圖7中 未示出)排出。通過例如使得從冷卻水端口 520供應(yīng)和排放的水通過包括 在各個燃料電池模塊100、 100、...內(nèi)的冷卻管進行循環(huán)的方法，來控制當 這樣構(gòu)造的燃料電池1000工作時發(fā)熱的各個燃料電池模塊100、 100、... 的溫度。
如可理解的，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池1000包括多個燃料電池模塊 100、 100、...。由此，通過提高各個燃料電池模塊100的集電效率，可以
提高燃料電池iooo的集電效率。
以下將描述用于形成燃料電池模塊和包括在燃料電池中的管型FC電 池的構(gòu)成元件的材料及其構(gòu)造。
在根據(jù)本發(fā)明的管型FC電池中，用于形成電解質(zhì)膜、陽極催化劑 層、陰極催化劑層、陽極集電器、以及陰極集電器的材料并不限于某些特
定材料，只要這些材料可通過電化學反應(yīng)產(chǎn)生電能即可。
用于形成根據(jù)本發(fā)明的管型FC電池的電解質(zhì)膜的材料(以下稱為 "電解質(zhì)材料")的具體示例可以包括氟基離子交換樹脂膜、諸如碳氫化
合物樹脂(以amidic樹脂為代表)之類的有機電解質(zhì)成分、以及主要包括 氧化硅等的無機電解質(zhì)成分。為了方便地形成電解質(zhì)膜，特別優(yōu)選的電解 質(zhì)材料是主要包括氧化硅的無機電解質(zhì)成分。如果使用無機電解質(zhì)成分作 為根據(jù)本發(fā)明的電解質(zhì)材料，電解質(zhì)成分的具體示例可包括管型電解質(zhì)膜 以及管型磷酸鹽玻璃涂覆膜，其中通過將多孔玻璃形成管型，對具有納米 孔的內(nèi)表面進行再成形，并使得該管具有質(zhì)子傳導性能，來獲得上述管型 電解質(zhì)膜。
根據(jù)本發(fā)明的陽極催化劑層和陰極催化劑層(以下簡稱為"催化劑 層")的材料并不限于某一特定材料，只要該材料包含起電化學反應(yīng)的催 化劑的作用的物質(zhì)即可(例如，支撐鉑的碳(platinum-supported carbon)，其中鉑顆粒被碳顆粒支撐，以下稱為"催化劑物質(zhì)")。例 如，催化劑層的材料可以包含催化劑物質(zhì)以及增強催化劑物質(zhì)的使用效果 的質(zhì)子傳導物質(zhì)。可以包括在根據(jù)本發(fā)明的催化劑層中的質(zhì)子傳導物質(zhì)的 具體示例可包括上述全氟化碳磺酸鹽聚合物。此外，根據(jù)本發(fā)明的催化劑 物質(zhì)的具體示例可以包括其中催化劑成分被諸如碳材料(例如，碳質(zhì)顆粒 或碳質(zhì)纖維)之類的導電材料支撐的物質(zhì)。
利用包括根據(jù)本發(fā)明的管型FC電池的燃料電池，可以使每單位體積 的電極面積大于平板型FC的情況。因此，即使與適用于平板型FC的催化 劑成分的鉑相比，使用了具有更低催化活性的催化劑成分，也可以獲得具 有較高的每單位體積輸出密度的燃料電池。由此，根據(jù)本發(fā)明的催化劑成 分并不限于某一特定催化劑成分，只要該成分在陽極處的氫氣氧化反應(yīng)以 及陰極處的氧氣還原反應(yīng)中具有催化活性即可。催化劑成分的具體示例可 以包括諸如Pt、 Ru、 Ir、 Rh、 Pd、 Os、 W、 Pb、 Fe、 Cr、 Co、 Ni、 Mn、 V、 Mo、 Ga和Al之類的單一金屬以及包含這些金屬元素其中一種的合 金。為了提高每單位體積的輸出密度，優(yōu)選地使用鉑和/或鉑合金作為催化 劑成分。
此外，根據(jù)本發(fā)明的陽極集電器的形式并不限于某一特定形式。陽極 集電器的形式的具體示例可以包括彈簧形式、其中在管的壁表面中形成穿 過該壁表面的許多孔的形式、其中管的壁表面是網(wǎng)孔表面的形式、以及其 中多個線性導體被布置在中空MEA的外周表面的軸向的形式。為了提高 集電效率，陽極集電器優(yōu)選為彈簧集電器。
為了方便起見，已經(jīng)描述了不具有擴散層的管型FC電池。但是，根
據(jù)本發(fā)明的管型FC的構(gòu)造并不限于以上描述的那些。根據(jù)本發(fā)明的管型 FC可以包括位于MEA與集電器之間的擴散層。
此外，已經(jīng)描述了其中氫氣被供應(yīng)至管型FC電池的內(nèi)側(cè)而空氣被供 應(yīng)至其外側(cè)的結(jié)構(gòu)。但是，本發(fā)明并不限于上述結(jié)構(gòu)?？諝?氧基氣體) 和氫氣(氫基氣體)可以分別被供應(yīng)至管型FC電池的內(nèi)側(cè)和外側(cè)。 工業(yè)應(yīng)用性
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池模塊和包括該燃料電池模塊的燃料 電池可以適當?shù)赜米餍铍姵剀囕v或便攜電源的能量源。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池模塊，包括平行排列的多個管型燃料電池；和第一集電器，其中由所述第一集電器在平面圖中與所述管型燃料電池的軸向交叉的方向上編織所述多個管型燃料電池。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池模塊，還包括第二集電器，其與 所述多個管型燃料電池平行地布置，其中由所述第一集電器在所述平面圖中與所述管型燃料電池的所述軸 向交叉的所述方向上編織所述多個管型燃料電池和所述第二集電器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池模塊，其中所述第二集電器布置在所述多個管型燃料電池的陣列的端部。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池模塊，其中所述第二集電器與所述多個管型燃料電池平行并交替地布置。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的燃料電池模塊， 其中所述第一集電器是可透氣的。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2至5中任一項所述的燃料電池模塊，還包括與所 述第一集電器接觸的第三集電器，其中由所述第一集電器編織的所述多個管型燃料電池和所述第二集電 器與所述第三集電器交替地層疊。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的燃料電池模塊， 其中所述第三集電器是柵形或網(wǎng)格形平板。
8. —種燃料電池，包括根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的燃料電池 模塊。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種管型燃料電池模塊，其包括能夠提高集電效率的管型燃料電池，并公開了一種包括該燃料電池模塊的燃料電池。燃料電池模塊(100)包括平行排列的多個管型燃料電池(10A、10A、...)和第一集電器(35)，其中由所述第一集電器(35)在平面圖中在與所述管型燃料電池(10A，10A，...)的軸向交叉的方向上編織所述管型燃料電池(10A、10A、...)。
文檔編號H01M8/02GK101116216SQ20068000418
公開日2008年1月30日 申請日期2006年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月4日
發(fā)明者中西治通, 今西雅弘, 村田成亮, 田村佳久 申請人:豐田自動車株式會社