專利名稱：燃料電池的制造方法和制造裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制造燃料電池的方法和一種制造燃料電池的裝置，更 具體地涉及一種制造柱狀燃料電池的方法和裝置。
背景技術(shù)：
作為環(huán)境問題和資源問題一個可能的對策，燃料電池吸引了相當大的 關(guān)注，其通過經(jīng)電化學反應將化學能轉(zhuǎn)化為電能而發(fā)電，該電化學反應使 用例如氧氣或空氣的氧化氣體、和例如氫或甲烷的還原氣體(燃料氣體) 或者例如甲醇的液體燃料作為原料.在燃料電池結(jié)構(gòu)中，在電解質(zhì)膜的一 個表面上設(shè)置的燃料電極(陽極催化劑層)和在另一個表面上設(shè)置的空氣 電極(陰極催化劑層)經(jīng)電解質(zhì)膜相對設(shè)置，在將電解質(zhì)膜夾在中間的這 些催化劑層每個的外部設(shè)置有擴散層，而這些擴^被夾在包括原料供應 通道的隔離體之間，然后通過對每個催化劑層供應例如氫氣和氧氣的原料 而發(fā)電。
在使用燃料電池發(fā)電期間，如果供應給燃料電極的原料是氫氣，供應 給空氣電極的原料是空氣，那么在燃料電極上由氫氣產(chǎn)生氫離子和電子， 這些電子在到達空氣電極之前從外部端子出發(fā)經(jīng)過外部電路.在空氣電極 上，所供應空氣中的氧氣、經(jīng)過電解質(zhì)膜的氫離子、和經(jīng)過外部電路到達 空氣電極的電子一M應生成水。這樣在燃料電極和空氣電極上都發(fā)生化 學反應，并生成電荷，同時^f吏該結(jié)構(gòu)用作燃料電池。因為用于發(fā)電的原料 氣體和/或液體燃料充裕以及發(fā)電所產(chǎn)生的產(chǎn)物為水，所以正在開發(fā)這種燃 料電池以作為用于各種應用的潛在清潔能源.
管狀燃料電池(實心圓柱狀、中空圓柱狀、和中空燃料電池)是這種
燃料電池的常規(guī)實例(例如參見日本專利早期公開No.2002-124273、日本 專利早期公開No.2002-289220、日本專利早期公開No.2002-260685 )。管 狀燃料電池具有一種結(jié)構(gòu)，其中燃料電極設(shè)置在管狀聚合物電解質(zhì)膜的內(nèi) 表面或者外表面上，空氣電極設(shè)置在另一個表面上，管狀燃料電池還具有 比平板燃料電池更容易減小尺寸的優(yōu)點。通常由擠壓成型法(參見日本專 利早期公開No.2002-124273 )、浸沒方法(參見日本專利早期公開 No.2002-289220 )、或化學鍍方法(參見日本專利早期公開No.2002-260685) 形成在管狀燃料電池中使用的組件(空氣電^/電解質(zhì)J^/燃料電極)，從而 在管狀電解質(zhì)膜的內(nèi)表面和外表面上形成催化劑層(燃料電極和空氣電 極)，
在例如日本專利早期公開No.2002-124273所公開的擠壓成型法中，使 用適當?shù)娜軇⑷剂想姌O的催化劑、電解質(zhì)膜的固體電解質(zhì)聚合物、和空 氣電極的催化劑每個都轉(zhuǎn)換為流動的流體形式，然后通過實施整體擠壓成 型處理獲得該組件，該處理按由內(nèi)向外的順序生成燃料電極催化劑、固體 電解質(zhì)聚合物、和空氣電極催化劑的層.通it^擠壓噴嘴擠壓每種流體獲 得整體成型產(chǎn)品，然后通過加熱所成型的產(chǎn)品使溶劑揮發(fā)而固化多層組件。
在例如日本專利早期4^開No.2002-289220所公開的浸沒方法中，將中
空的多孔載體浸入充滿包含空氣電極催化劑的樹脂溶液(漿料)中，然后 取出并干燥而形成催化劑層(空氣電極)。然后使用相似的過程形成催化 劑層和另一個催化劑層(燃料電極)，從而完成所述組件.
在例如日本專利早期公開No.2002-260685所公開的化學鍍方法中，使 用化學鍍通過使空氣電極催化劑的水溶液與管形電解質(zhì)膜接觸，而形成管 形電解質(zhì)膜外表面上的催化劑層(空氣電極)，然后沖洗整個管，并將懸 浮形式的包含燃料電極催化劑的混合物注入管內(nèi)，從而形成另 一層催化劑 (燃料電極)并完成所述組件。
另 一方面，日本專利早期公開No.2003-100314公開了 一種制造燃料電 池的方法，該燃料電池包括位于平板聚合物電解質(zhì)膜一個表面上的燃料電 極和另一個表面上的空氣電極，其中通過采用加熱方法而將包含^t在其
中的催化劑的樹脂溶液漿噴涂在平板聚合物電解質(zhì)膜的表面上，以形成催 化劑層。該噴涂法能夠制造其中形成具有良好均勻性的催化劑層的組件。
另夕卜，日本專利早期公開No.H06-29031公開了一種制造圓柱狀固體電 解質(zhì)燃料電池的方法，包括通過將包含固體電解質(zhì)的漿灌入模制模件中而 形成電解質(zhì)模，所述模件具有吸水性并且部分設(shè)置有防水或者抗水部件， 取出防水或抗水部件隨后將含催化劑的漿灌入模制模件中以形成燃料電 極，在通過取出防水或抗水部件所形成燃料電極的暴露部分上施加或噴涂 漿，從而形成內(nèi)部連線，進行烘干，然后通過浸沒方法在固體電解質(zhì)膜的 外部形成空氣電極，從而完成所述組件。
另夕卜，日本專利早期公開NO.H06-72787公開了一種制造圓柱狀固體電 解質(zhì)燃料電池的方法，包括在圓柱狀載體的表面上形成空氣電極和固體電 解質(zhì)層，在所述結(jié)構(gòu)上噴涂包含分^t催化劑的樹脂溶液漿，進行干燥和烘 干，然后通過采用浸沒方法形成氧化物表面層而形成燃料電極，從而完成 所述組件。

發(fā)明內(nèi)容
然而，在例如日本專利早期公開No.2002-124273所公開的擠壓成型法 中，當分別包含燃料電極催化劑、電解質(zhì)膜的固體電解質(zhì)聚合物、以及空 氣電極催化劑的流體受到整體擠壓成型時，所述液體有可能混合在一起，
這意味著難于獲得所述每層薄膜厚度都均勻的組件.
另外，在例如日本專利早期公開No.2002-289220所公開的浸沒方法中， 盡管例如粘度的液體特性在催化劑漿料和電解質(zhì)膜漿料之間變化，但是在 產(chǎn)生管形組件的連續(xù)形成催化劑層、電解質(zhì)層、和催化劑層的過程期間必 須將載體的行M度維持在恒定水平。因此，鍍覆條件不能對每種不同漿 料達到最優(yōu)，這使得難于連續(xù)生產(chǎn)。此外，在浸沒方法中，因為將栽體直 接浸入材料溶液中然后從中取出，所以在不需要催化劑層的位置(例如栽 體沿)也形成了催化劑層，并且必須在隨后的步驟中去除這些不需要的部 分的催化劑層。
另夕卜，在例如日本專利早期公開No.2002-260685所公開的化學鍍方法 中，難于連續(xù)生成柱狀組件。
而且，在日本專利早期公開]\0.2003-100314所公開的方法中，盡管可 以產(chǎn)生平板組件，但是卻難以連續(xù)獲得柱狀組件。
另外，在日本專利早期公開N(kH06-2卯31和日本專利早期公開 No,H06-72787所公開的方法中，所述過程是復雜的，并且難于連續(xù)地產(chǎn)生 柱狀組件。
本發(fā)明提供一種制造具有第一催化劑層、電解質(zhì)層和第二催化劑層的 柱狀燃料電池的方法和裝置，其中第一催化劑層、電解質(zhì)層和第二催化劑 層的膜厚度均勻性良好，并且可以連續(xù)地形成所述每一層。
本發(fā)明還提供一種制造具有第一催化劑層、電解質(zhì)層和第二催化劑層 的柱狀燃料電池的方法，包括通過噴涂法在柱狀栽體外表面上形成第 一催 化劑層、通過噴涂法在第一催化劑層上形成電解質(zhì)層、以及通過噴涂法在 電解質(zhì)層上形成第二催化劑層，其中連續(xù)地形成每層。
另外，上述制造燃料電池的方法優(yōu)選還包括在形成第 一催化劑層后干 燥所形成的第一催化劑層、在形成電解質(zhì)層后干燥所形成的電解質(zhì)層、以 及在形成第二催化劑層后干燥第二催化劑層，其中連續(xù)地進行每次形成和干燥。
另夕卜，在上述制造燃料電池的方法中，優(yōu)選通過在柱狀栽體外表面上 多個位置噴涂漿料而實施所述噴涂法.
另外，在上述制造燃料電池的方法中，優(yōu)選切斷其上形成有所i^每層 的柱狀栽體以產(chǎn)生多個燃料電池單電池。
另夕卜在上述制造燃料電池的方法中，柱狀載體優(yōu)選是導電多孔部件。
本發(fā)明還提供一種制造具有第 一催化劑層、電解質(zhì)層和第二催化劑層 的柱狀燃料電池的裝置，其中所述裝置包括傳送柱狀栽體的傳送單元、在 柱狀栽體外表面上噴涂第 一催化劑層的漿料以形成第 一催化劑層的第 一噴 涂單元、干燥所形成第一催化劑層的第一干燥單元、在所干燥的第一催化 劑層上噴涂電解質(zhì)層的漿料以形成電解質(zhì)層的第二噴涂單元、干燥所形成
電解質(zhì)層的第二干燥單元、在所干燥電解質(zhì)層上噴涂第二催化劑層的漿料 以形成第二催化劑層的第三噴涂單元、以及千燥所形成第二催化劑層的第 三干燥單元。
另外，上述制造燃料電池的裝置中的每個噴涂單元優(yōu)選包括多個噴涂器。另外，在上述制造燃料電池的裝置中，柱狀載體優(yōu)選為導電多孔部件。 在根據(jù)本發(fā)明制造具有第 一催化劑層、電解質(zhì)層和第二催化劑層的柱 狀燃料電池的方法中，通過連續(xù)地形成所述膜，其中每次形成包括在柱狀 載體外表面上進行噴涂，則可以連續(xù)產(chǎn)生第一催化劑層、電解質(zhì)層和第二 催化劑層，而每層具有良好的膜厚度均勻性。


圖l是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的燃料電池結(jié)構(gòu)實例的視圖2是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的用于制造燃料電池的裝置實例的視
圖3是示出通過切斷從根據(jù)本發(fā)明實施例方法獲得燃料電池而獲得單 電池的方法實例的視圖；以及
圖4是示出在根據(jù)本發(fā)明實施例制造燃料電池的方法中定位噴涂器的 視圖。
具體實施例方式
下面是對使用根據(jù)本發(fā)明實施例制造燃料電池的方法和裝置所制造的 燃料電池的說明。
根據(jù)本發(fā)明實施例的燃料電池包括第一催化劑層、電解質(zhì)層和第二催 化劑層。
圖l示出賴^據(jù)本發(fā)明實施例的燃料電池l一個實例的略圖。下面描述 該燃料電池1的結(jié)構(gòu)。燃料電池1包括電解質(zhì)層10、用作燃料電極12 (陽 極催化劑層)的第一催化劑層、和用作空氣電極(陰極催化劑層)14的第
二催化劑層、以及集流部件16。另外，可在第二催化劑層的空氣電極14 外表面上形成附加的集流層。
在圖l所示的燃料電池l中，在用作集流部件16的圓柱狀載體外表面 上設(shè)置用作第一催化劑層的燃料電極12，在燃料電極12的外表面上設(shè)置 電解質(zhì)層10，以及在電解質(zhì)層10的外表面上設(shè)置用作第二催化劑層的空 氣電極14，從而形成柱狀組件(MEA:膜電極組件)18。在燃料電池1 的可選結(jié)構(gòu)中，可在圓柱狀集流部件16的外表面上形成用作第一催化劑層 的空氣電極14，然后將電解質(zhì)層10設(shè)置在空氣電極14的外表面上，將用 作第二催化劑層的燃料電極12設(shè)置在電解質(zhì)層10的外表面上。然而，燃 料電極12通常用作第一催化劑層，而空氣電極14用作第二催化劑層。
在這種類型的燃料電池l中，如果集流部件16和第二催化劑層的空氣 電極14或者集流部件16和在第二催化劑層的空氣電極14的外表面上形成 的集流層電連接到外部電路，并且然后通過向燃料電極12和空氣電極14 供應原料而開始操作，那么該結(jié)構(gòu)可用作燃料電池。
只要電解質(zhì)層IO是由對離子例如質(zhì)子(H+)和氧離子(O2—)具有高 離子傳導性的材料制成，則對其沒有特別的限制。合適的材料包括固體聚 合物電解質(zhì)膜和穩(wěn)定的氧化4^膜，優(yōu)選使用固體聚合物電解質(zhì)膜，例如全 氟磺^^膜?？梢圆捎貌牧系木唧w實例包括全氟磺脧基固體聚合物膜，例 如日本Goretex公司制造的Goreselect (注冊商標)、DuPont公司制造的 Nafion (注冊商標).、Asahi Kasei公司制造的Aciplex (注冊商標)、或 Asahi Glass有P艮公司制造的Flemion (注冊商標)。電解質(zhì)層10的膜厚度 通常處于10到200pm的范圍內(nèi)，并優(yōu)選從30到50jim。
例如由通過在樹脂(例如固體聚合物電解質(zhì)，如Nafion (注冊商標)) 中分^1催化劑制成的膜來形成燃料電極12，所述催化劑例如是其上負栽有 鉑(Pt)和另 一種金屬如釕(Ru)的碳.燃料電極12的膜厚度通常處于1 到lOOiiim的范圍內(nèi)，并優(yōu)選從l到20^im。
例如由通過在樹脂(例如固體聚合物電解質(zhì)，如Nafion (注冊商標)) 中*催化劑制成的膜來形成空氣電極14，所述催化劑例如是其上負載有
鉑(Pt)的碳。空氣電極14的膜厚度通常處于1到100nm的范圍內(nèi)，并 優(yōu)選從1到20jim。
在該實施例中，只要集流部件16是由在組件中發(fā)電期間允許傳輸電子 的高導電材料形成，那么對用作在其上形成有電解質(zhì)層IO、燃料電極12、 和空氣電極14的圓柱狀栽體的集流部件16沒有特別限制。為用作有助于 原料例如燃料氣體擴散的供應通道，集流部件16優(yōu)選由導電多孔材料例如 粉末燒坯、纖維燒坯、或者纖維泡沫形成。合適的高導電性材料的實例包 括導電材料的多孔部件，所述導電材料包括例如金和鉑的金屬、碳、和 鈦、或表面涂覆例如金或鉑的金屬的碳；以及上述材料的柱狀中空部件， 其中采用例如沖孔的方法在柱狀壁上形成孔.這些材料中，從例如導電性、 原料擴散性和耐蝕性的特征的角度而言，優(yōu)選多孔碳材料。如果集流部件 16為中空部件，則部件的膜厚度通常處于0.5到10mm的范圍內(nèi)，并優(yōu)選 從1到3mm。如果集流部件16是實心部件，那么膜厚度通常處于0.5到 10mm的范圍內(nèi)，并優(yōu)選從l到3mm。
在采用例如打孔的方法在中空柱狀集流部件16的壁上設(shè)置孔的情形 中，這些孔的直徑通常處于0.01到lmm的范圍內(nèi)。
盡管上述的集流部件16在該實施例中用作柱狀栽體，但是本發(fā)明不限 于這樣的結(jié)構(gòu)，例如，圓柱形載體，如由具有良好可釋放性的樹脂如Teflon (注冊商標)形成的棒或線、或者涂覆具有良好可釋放性的樹脂如Teflon (注冊商標)的金屬棒或線也可代替集流部件16。這樣，在形成組件18 后，應當從栽體上取下完整的組件18.
柱狀栽體可以是任何的柱形，包括圓柱形；多邊柱體，例如三棱柱、 四棱柱、五棱柱、或者六棱柱；或者橢圓柱體，但是通常為圓柱體.在此 說明書中，術(shù)語"柱狀"不僅包括中空部件還包括實心部件。
圖2示出根據(jù)本發(fā)明實施例用于制造燃料電池的裝置的實例的略圖， 下面描述該裝置的結(jié)構(gòu)。燃料電池制造裝置3包括傳送單元例如巻繞裝置 (圖中未示出)、第一噴涂單元22、第一干燥單元24、第二噴涂單元26、 第二干燥單元28、第三噴涂單元30、和第三干燥單元32。
在圖2所示的燃料電池制造裝置3中，沿傳送單元移動方向順序設(shè)置 第一噴涂單元22、第一干燥單元24、第二噴涂單元26、第二干燥單元28、 第三噴涂單元30、和第三干燥單元32。傳送單元的傳送方向可以是垂直的 或水平，但是為獲得良好的涂覆均勻性，優(yōu)選垂直傳送。
下面說明根據(jù)本發(fā)明的制造燃料電池方法和燃料電池制造裝置3的操 作。如圖2所示，通過傳送單元將作為柱狀載體的集流部件16依次傳送經(jīng) 過第一噴涂單元22、第一干燥單元24、第二噴涂單元26、第二干燥單元 28、笫三噴涂單元30、和第三干燥單元32。在傳送單元所提供傳送方向為 垂直的情形，以垂直方向傳送集流部件16，而在傳送方向是水平的情形， 以水平方向傳送集流部件16。
首先，第一噴涂單元22用于將包含燃料電極催化劑的燃料電極漿料噴 涂在所傳送集流部件16的外表面上，從而形成用作燃料電極12的第一催 化劑層。
然后連續(xù)地將其上形成有燃料電極12的集流部件16送入第一干燥單 元24中，在干燥燃料電極12后，連續(xù)地向笫二噴涂單元26傳送所述集流 部件.
接著，第二噴涂單元26用于將包含全氟磺脧基固體聚合物電解質(zhì)等的 電解質(zhì)層漿料噴涂在形成于所傳送集流部件16上的燃料電極l2的外表面 上，從而形成電解質(zhì)層IO。
然后將其上形成電解質(zhì)層10的集流部件16連續(xù)地iii/v第二干燥單元 28中，并且在干燥電解質(zhì)層10之后，將所述部件連續(xù)地向第三噴涂單元 30傳送。
接著，第三噴涂單元30用于將包含空氣電極催化劑的空氣電極漿料噴 涂在形成于所傳送集流部件16上的電解質(zhì)層10的外表面上，從而形成用 作空氣電極14的第二電解質(zhì)層。
最后，將其上形成有空氣電極14的集流部件16連續(xù)地送入第三千燥 單元32，并且干燥空氣電極14，從而獲得具有組件18的燃料電池1，組 件18包括形成于集流部件16外表面上的燃料電極12、電解質(zhì)層10和空
氣電極14。
在下面情形中，即在燃料電池l中，將空氣電極14作為圓柱狀集流體 部件16外表面上的第一催化劑層、將電解質(zhì)層10設(shè)置在空氣電極14的外 表面上、以及將燃料電極12用作在電解質(zhì)層10外表面上第二催化劑層，
順序相反。
集流部件16可采用長度與用作燃料電池的常規(guī)單電池相同(通常從 10到200mm)的部件，或者可選地，可以采用長度是常規(guī)燃料電池單電 池長度數(shù)倍的部件。這樣，如圖3所示，可以在集流部件16的外表面上形 成分成多個部分的組件18，而在所述部分之間提供預定間隔，并且在干燥 第二催化劑層之后，可以將其上形成有組件18的集流部件16切斷成長度 與單電池長度相同，從而制造多個燃料電池單電池。
在上述噴涂法中，采用的漿料如下形成通過將用于燃料電極或空氣 電極的催化劑粉末分散到溶液中而形成，所述溶液通過將樹脂(例如固體 聚合物電解質(zhì)，如Nafion (注冊商標))溶解在醇基溶劑中而獲得，所述 醇基溶劑例如為曱醇、乙醇或異丙醇；或者可選地，通過將用于電解質(zhì)層 的固體聚合物電解質(zhì)等等溶解在醇基溶劑等中而形成。
可以調(diào)整在各種漿料中的催化劑粉末、固體聚合物電解質(zhì)、或樹脂等 等各自的濃度水平以保證催化劑層(燃料電極和空氣電極)和電解質(zhì)層的 每個都以均勻的膜厚度形成.盡管對這些濃度水平?jīng)]有特別限制，就催化 劑層漿料來說催化劑粉末優(yōu)選占總漿料重量的10到50重量％ ，樹脂優(yōu)選 占10到20重量％，而就電解質(zhì)層漿料來說，固體聚合物電解質(zhì)優(yōu)選占總 漿料重量的5到30重量％ .
第一噴涂單元22、第二噴涂單元26、和第三噴涂單元30每個都包括 例如具有排放孔的噴嘴、儲存漿料并連至噴嘴的漿料罐、和對噴嘴施加壓 力的壓氣機。
在該噴涂法中，使用噴涂單元以噴霧形式將漿料噴涂到集流部件16 上。由噴嘴噴出的霧化液體形狀可以為扇形、實心圓形、或者環(huán)形，但是
為保證均勻施加，優(yōu)選扇形或者實心圓形的噴涂。另外，可僅使用對漿料 的液壓進行噴涂，或者在噴涂時可通過與氣體例如空氣混合而霧化所述漿 料。
另外，如圖4所示，為改進所施加薄膜的膜厚度均勻性，優(yōu)選4吏用多 個噴涂器34，以從集流部件16外表面周圍的多個位置噴涂漿料36。在這 樣的噴涂中，優(yōu)選確定噴涂器34的數(shù)量和位置，從而多個噴涂器34的噴 涂不重疊。另外，還可使用一個或多個噴涂器進行漿料噴涂，而集流部件 16，優(yōu)選以恒定的旋轉(zhuǎn)速度，繞其軸旋轉(zhuǎn)。
優(yōu)選將噴涂距離設(shè)置在0.1到300mm的范圍內(nèi)，這里，噴涂距離指從 作為噴涂乾的集流部件16的外表面到達噴嘴尖端的距離。如果該噴涂距離 小于O.lmm，那么會由于噴嘴尖端太接近集流部件16的外表面而出現(xiàn)噴 涂問題，但是如果噴涂距離超過300mm，那么霧化液體在周圍區(qū)域上會分 散得過寬，造成噴涂效率降低.
噴涂壓力優(yōu)選等于0.1到200MPa范圍內(nèi)的液體壓力。如果該液體壓 力小于0.1MPa，那么噴涂會太弱而不能均勻施加漿料，但是如果液體壓力 超過200MPa，則噴涂會太強，導致霧化液體在周圍區(qū)域分歉寬廣并造成 噴涂效率降低，
通過噴涂霧化所產(chǎn)生的漿料液滴直徑優(yōu)選處于0.1到10nm的范圍內(nèi)， 更優(yōu)選地處于0.1到2nm的范圍內(nèi)。在施加催化劑材料層時，因為有必要 形成盡量小的催化位置，所以液滴的直徑優(yōu)選盡可能的小.如果液滴直徑 小于O.lpm，那么液滴就會太小，導致薄霧^:并使得噴涂效率降低，但 是如果其直徑超過10jim，則液滴直徑會太大，使得難于獲得均勻M加。 在噴涂期間漿料溫度通常處于20到70C的范圍內(nèi)。 可以根據(jù)例如所期望膜厚、噴涂漿料特征等因素確定各種噴涂條件， 包括霧化液體噴涂的形狀、噴涂器數(shù)量、噴涂器位置、噴涂范圍、噴涂壓 力、液滴直徑、和漿料溫度，而且應當充分考慮各種條件如何相互影響而 設(shè)置這些條件?？稍诘谝粐娡繂卧?2、第二噴涂單元26、和第三噴涂單元 30中采用相同M，或者在每個單元中采用不同M.通過適當控制這些
噴涂條件，可以在集流部件16的外表面上均勻形成燃料電極12、電解質(zhì) 層10和空氣電極14。
只要第一干燥單元24、第二干燥單元28、和第三干燥單元32能夠干 燥所形成的薄膜，則對其沒有特別的限制。適當?shù)母稍飭卧峥諝飧?燥器、吹風干燥器、和加熱干燥器，
另外，應當根據(jù)例如在形成相應漿料中所使用的溶劑沸點等因素i殳置 第一干燥單元24、第二干燥單元28、和第三干燥單元32中的干燥溫度， 并且應當將其設(shè)定為保證催化劑或電解質(zhì)膜等不退化的溫度。例如，在使 用甲醇、乙醇或異丙醇的情形，將溫度設(shè)置為80到100X:?？稍诘谝桓稍?單元24、第二干燥單元28、和第三干燥單元32中采用相同的條件，或者 在相同的單元中采用不同條件。
在可選的配置中，代替采用第一干燥單元24、第二干燥單元28、和第 三干燥單元32，在使用第一噴涂單元22、第二噴涂單元26、和第三噴涂 單元30形成膜后的位置設(shè)置至少一個干燥單元。例如，可分別使用第一噴 涂單元22、第二噴涂單元26、和第三噴涂單元30在集流部件16的外表面 上連續(xù)形成燃料電極12、電解質(zhì)層10和空氣電極14，然后使用第三干燥 單元32在單步操作中進行干燥.另外，可完全省略第一干燥單元24、第 二干燥單元28、和第三干燥單元32，從而在集流部件16外表面上連續(xù)形 成燃料電極12、電解質(zhì)層10和空氣電極14之后使產(chǎn)品自然干燥.
通常將傳送單元的行iti4度設(shè)置在從lmm/分鐘到5xl0"mm/分鐘的范 圍內(nèi).從生產(chǎn)效率的角度來說，行iiii度優(yōu)選盡可能地快，但是考慮到噴 涂單元所進行的施加均勻性、所施加薄膜的干燥特征等因素，將行&1度 設(shè)置為超過5xl0"mm/分鐘是不實用的。
在已經(jīng)以上述方式制造的圖1的燃料電池1中，如果集流部件16和第 二催化劑層的空氣電極14、或者集流部件16和在第二催化劑層空氣電極 14的外表面上所形成的集流層電連接至外部電路，然后通過向燃料電極12 和空氣電極14供應原料而開始操作，那么所述結(jié)構(gòu)可用作燃料電池。
供應至燃料電極12的原料實例包括還原氣體(燃料氣體)例如氫或曱
烷或者液體燃料例如甲醇。供應至空氣電極14的原料實例包括氧化氣體例 如氧氣或空氣。
如果通過將氫氣作為供應至燃料電極12的原料、將空氣作為供應至空 氣電極14的原料而操作燃料電池1，那么在燃料電極12上，由氫氣(H2) 經(jīng)下式所示的化學反應產(chǎn)生氫離子(H+ )和電子(e—)。
2H2— 4H+ + 4e_
電子(e-)在到達空氣電極14之前自集流部件16出發(fā)，經(jīng)過外部電 路，并且如果必要經(jīng)過設(shè)置在空氣電極14外表面上的集流部件。在空氣電 極14，所供應空氣中的氧氣(02)、經(jīng)過電解質(zhì)層10的氫離子(H+)、 以及經(jīng)過外部電路到達空氣電極14的電子(e-)由下式所示反應產(chǎn)生水。
4H+ + 02 + 4e 一 2H20
以這種方式，在燃料電極12和空氣電極14上都發(fā)生化學反應，從而 產(chǎn)生電荷并使所述結(jié)構(gòu)用作電池。因為由該系列反應所產(chǎn)生的成分為水， 從而得到清潔的電池。
如上所述，通過采用根據(jù)本實施例的制造燃料電池的裝置和制造燃料 電池的方法，或者連續(xù)地通過噴涂柱狀栽體外表面而形成每層，或者可選 地，通過連續(xù)地噴涂和隨后的干燥而形成每層。因此，可以對第一催化劑 層、電解質(zhì)層和第二催化劑層實現(xiàn)良好的薄膜厚度均勻性，并且可以連續(xù) 地形成每層，這意味著可降低單個單電池之間性能上的波動。此外，通過 采用這種制造裝置和制造方法，可減少制造燃料電池所需要的步驟數(shù)，這 可以降低成本.另外，在常規(guī)的浸沒方法中，因為直接將載體浸入材料溶 液然后將其取出，所以在不需要的地方(例如栽體沿)也形成了催化劑層， 并且必須在隨后的步驟中去除這些催化劑層不需要的部分。然而在才艮據(jù)本 實施例的制造燃料電池的裝置和制造燃料電池的方法中，因為可間隔地進 行噴涂，在不需要催化劑層的地方可停止噴涂，因此不再需要去除不必要 部分的后續(xù)步驟，這表示可以減少步驟數(shù)，只有使用噴涂法才可進行這種 間隔施加。
另外，通過將集流部件用作柱狀栽體，可將所述組件制成具有集流部
件的整體單元，因此，和其中在制造組件后將碳纖維等作為集流部件插入 管內(nèi)的常規(guī)方法相比，沒有劃傷管內(nèi)電極的危險，而且可更容易地將集流 部件設(shè)置在組件上。另外，和在制成組件后將集流部件插入的方法相比， 改進了集流部件和組件之間粘接的緊密性，同時降低了發(fā)電期間電池中的 電阻。另外，在根據(jù)本實施例的制造燃料電池的裝置和制造燃料電池的方 法中，通過連續(xù)形成薄膜和干燥每層，可以抑制由于形成薄膜和干燥之間 過長時間所造成的漿料滲進集流部件，這意味著可在集流部件上形成均勻 組件。
借助本實施例的燃料電池，可通過組合多個單獨的柱狀燃料電池(單 電池)以及將其串聯(lián)連接而獲得期望的電流和電壓水平。另外，可以組合 和并聯(lián)連接多個單獨的柱狀燃料電池(單電池)。
因為根據(jù)本發(fā)明實施例的燃料電池具有尺寸和重量容易減小的筒單結(jié)
構(gòu)，所以可將其用作移動i殳備例如移動電話和便攜式計算機的小電源；并 且還可用作汽車的電源。
權(quán)利要求
1.一種制造具有第一催化劑層、電解質(zhì)層和第二催化劑層的柱狀燃料電池的方法，包括通過噴涂法在柱狀載體的外表面上形成所述第一催化劑層，通過噴涂法在所述第一催化劑層上形成所述電解質(zhì)層，以及通過噴涂法在所述電解質(zhì)層上形成所述第二催化劑層，其中連續(xù)地進行上述每個形成步驟。
2，根據(jù)權(quán)利要求l的制造燃料電池的方法，還包括在形成所述第 一催化劑層后干燥所所述形成的第 一催化劑層，在形成所述電解質(zhì)層后干燥所述形成的電解質(zhì)層，以及在形成所述笫二催化劑層后干燥所述形成的第二催化劑層，其中連續(xù)地進行上述每個形成和干燥步驟.
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的制造燃料電池的方法，其中 通過在所述柱狀栽體的外表面的多個位置上噴涂漿料而進行所述噴涂法。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1到3中任一項的制造燃料電池的方法，其中 切斷其上形成有每個所述層的所述柱狀載體，以獲得多個燃料電池單電池.
5. 根據(jù)權(quán)利要求1到4中任一項的制造燃料電池的方法，其中 所述柱狀栽體是導電多孔部件.
6. —種制造具有第一催化劑層、電解質(zhì)層和第二催化劑層的柱狀燃料 電池的i殳備，包括傳送單元，其傳送柱狀載體，第一噴涂單元，其在所述柱狀栽體的外表面上噴涂所述第一催化劑層 的漿料，以形成所述第一催化劑層，第一干燥單元，其干燥所述形成的笫一催化劑層，第二噴涂單元，其在所述干燥的第一催化劑層上噴涂所述電解質(zhì)層的漿料，以形成所述電解質(zhì)層，第二干燥單元，其干燥所述形成的電解質(zhì)層，第三噴涂單元，其在所述干燥的電解質(zhì)層上噴涂所述第二催化劑層的 漿料，以形成所述第二催化劑層，以及第三干燥單元，其干燥所述形成的第二催化劑層。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6的制造燃料電池的設(shè)備，其中 每個所述噴涂單元包括多個噴涂器.
8. 根據(jù)權(quán)利要求6或7的制造燃料電池的設(shè)備，其中 所述柱狀載體是導電多孔部件。
全文摘要
一種制造具有第一催化劑層、電解質(zhì)層和第二催化劑層的柱狀燃料電池的方法，包括通過噴涂法在柱狀載體外表面上形成第一催化劑層、通過噴涂法在第一催化劑層上形成電解質(zhì)層、以及通過噴涂法在所述電解質(zhì)層上形成第二催化劑層。在所述方法中連續(xù)地形成這些層。還公開一種制造燃料電池的裝置。
文檔編號H01M8/12GK101111960SQ20068000362
公開日2008年1月23日 申請日期2006年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月1日
發(fā)明者濱雄一郎 申請人:豐田自動車株式會社