[发明专利]燃料电池的制造方法和制造装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种制造燃料电池的方法和一种制造燃料电池的装置，更具体地涉及一种制造柱状燃料电池的方法和装置。

背景技术

作为环境问题和资源问题一个可能的对策，燃料电池吸引了相当大的关注，其通过经电化学反应将化学能转化为电能而发电，该电化学反应使用例如氧气或空气的氧化气体、和例如氢或甲烷的还原气体(燃料气体)或者例如甲醇的液体燃料作为原料。在燃料电池结构中，在电解质膜的一个表面上设置的燃料电极(阳极催化剂层)和在另一个表面上设置的空气电极(阴极催化剂层)经电解质膜相对设置，在将电解质膜夹在中间的这些催化剂层每个的外部设置有扩散层，而这些扩散层被夹在包括原料供应通道的隔离体之间，然后通过对每个催化剂层供应例如氢气和氧气的原料而发电。

在使用燃料电池发电期间，如果供应给燃料电极的原料是氢气，供应给空气电极的原料是空气，那么在燃料电极上由氢气产生氢离子和电子。这些电子在到达空气电极之前从外部端子出发经过外部电路。在空气电极上，所供应空气中的氧气、经过电解质膜的氢离子、和经过外部电路到达空气电极的电子一起反应生成水。这样在燃料电极和空气电极上都发生化学反应，并生成电荷，同时使该结构用作燃料电池。因为用于发电的原料气体和/或液体燃料充裕以及发电所产生的产物为水，所以正在开发这种燃料电池以作为用于各种应用的潜在清洁能源。

管状燃料电池(实心圆柱状、中空圆柱状、和中空燃料电池)是这种燃料电池的常规实例(例如参见日本专利早期公开No.2002-124273、日本专利早期公开No.2002-289220、日本专利早期公开No.2002-260685)。管状燃料电池具有一种结构，其中燃料电极设置在管状聚合物电解质膜的内表面或者外表面上，空气电极设置在另一个表面上，管状燃料电池还具有比平板燃料电池更容易减小尺寸的优点。通常由挤压成型法(参见日本专利早期公开No.2002-124273)、浸没方法(参见日本专利早期公开No.2002-289220)、或化学镀方法(参见日本专利早期公开No.2002-260685)形成在管状燃料电池中使用的组件(空气电极/电解质膜/燃料电极)，从而在管状电解质膜的内表面和外表面上形成催化剂层(燃料电极和空气电极)。

在例如日本专利早期公开No.2002-124273所公开的挤压成型法中，使用适当的溶剂将燃料电极的催化剂、电解质膜的固体电解质聚合物、和空气电极的催化剂每个都转换为流动的流体形式，然后通过实施整体挤压成型处理获得该组件，该处理按由内向外的顺序生成燃料电极催化剂、固体电解质聚合物、和空气电极催化剂的层。通过从挤压喷嘴挤压每种流体获得整体成型产品，然后通过加热所成型的产品使溶剂挥发而固化多层组件。

在例如日本专利早期公开No.2002-289220所公开的浸没方法中，将中空的多孔载体浸入充满包含空气电极催化剂的树脂溶液(浆料)中，然后取出并干燥而形成催化剂层(空气电极)。然后使用相似的过程形成催化剂层和另一个催化剂层(燃料电极)，从而完成所述组件。

在例如日本专利早期公开No.2002-260685所公开的化学镀方法中，使用化学镀通过使空气电极催化剂的水溶液与管形电解质膜接触，而形成管形电解质膜外表面上的催化剂层(空气电极)，然后冲洗整个管，并将悬浮形式的包含燃料电极催化剂的混合物注入管内，从而形成另一层催化剂(燃料电极)并完成所述组件。

另一方面，日本专利早期公开No.2003-100314公开了一种制造燃料电池的方法，该燃料电池包括位于平板聚合物电解质膜一个表面上的燃料电极和另一个表面上的空气电极，其中通过采用加热方法而将包含分散在其中的催化剂的树脂溶液浆喷涂在平板聚合物电解质膜的表面上，以形成催化剂层。该喷涂法能够制造其中形成具有良好均匀性的催化剂层的组件。

另外，日本专利早期公开No.H06-29031公开了一种制造圆柱状固体电解质燃料电池的方法，包括通过将包含固体电解质的浆灌入模制模件中而形成电解质模，所述模件具有吸水性并且部分设置有防水或者抗水部件，取出防水或抗水部件随后将含催化剂的浆灌入模制模件中以形成燃料电极，在通过取出防水或抗水部件所形成燃料电极的暴露部分上施加或喷涂浆，从而形成内部连线，进行烘干，然后通过浸没方法在固体电解质膜的外部形成空气电极，从而完成所述组件。