专利名称：憎水层形成用带的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种使憎水层能够通过简单的方法被设置的憎水层形成用带。
背景技术：
作为具有平板结构的现有技术的固体高分子电解质型燃料电池(下文 在一些情况下被筒称为"平板型燃料电池，，)的最小发电电池单元的单元 电池通常具有膜电极组件，在该组件中催化电极层连接到固体电解质膜的 两侧。此外，气体扩散层设置在膜电极组件的两侧。此外，隔板设置在气 体扩散层的外侧，每个该隔板具有气体流动通道。该隔板用于使被供给的 燃料气体和氧化剂气体经由气体扩散层流入催化电极层，并且将利用发电 获得的电流传导到外部。为了使平板型燃料电池最小并且扩大单位体积的发电反应面积，需要 使平板型燃料电池的构成部件的厚度较小。在这种传统的平板型燃料电池 中，从功能和强度的角度考虑，使每个构成部件的厚度小到特定值或更小 从而达到设计极限不是优选的。在这种情况下，已经开发出其中构成燃料 电池的各个层同轴地层叠的管状或柱状燃料电池。例如，专利文献l公开了一种管型燃料电池，其中内部集电器、内部 催化电极层、固体电解质膜、外部催化电极层、外部集电器被同轴地并且 按照从内侧的顺序依次设置。此管型燃料电池在内部集电器的外周面上和 外部集电器的内周面上具有气体流动通道，由于当燃料电池的直径较小时， 这种管型燃料电池可紧密地设置在给定空间内，所以单位体积的电极面积 与传统平板型燃料电池相比可大大增加。在这种管型燃料电池中，在运行期间利用氢(H2)和氧(02)的反应 生成水(1120)。当所产生的水残留在催化电极层内时，它覆盖催化剂的 表面，这阻碍了催化剂与氢气或氧气的接触，从而降低了管型燃料电池的 电流生成效率。因此，需要将所产生的水从管型燃料电池有效地排放到外 部。通常，通过在催化电极层和集电器之间设置憎水层来提高排水能力。 对于这种憎水层，例如，使用诸如氟树脂等憎水材料。可用以下方法作为形成憎水层的方法其中将包含憎水材料的憎水层 形成用组合物涂覆在集电器上，然后通过加热使憎水材料熔化。由于此方 法的步骤繁瑣，所以需要一种简单的形成憎水层的方法。此外，专利文献 1公开了一种通过使用管形式的碳纤维缠绕管型燃料电池形成的憎水层， 该碳纤维已经通过散布聚四氟乙烯(PTFE)受到憎水处理。但是，由于专 利文献1内所迷的憎水层具有在碳纤维#>缠绕时碳纤维之间的间隙变大的 可能性，所以可能由于保温效果降低而在间隙部分内发生溢流(flooding )。专利文献l:日本专利申请特开号2002-12427
发明内容本发明是鉴于上述问题提出的，并且本发明的主要目标是提供一种憎 水层形成用带，该憎水层形成用带使得能够利用简单的方法设置憎水层。为了实现该目标，本发明提供了 一种待用于形成管型燃料电池的憎水 层的憎水层形成用带，该憎水层形成用带包括多个纤维状形状保持材料， 以及被形成为连接该多个纤维状形状保持材料的憎水部分，其中该憎水部 分包含憎水材料和导电材料。根据本发明，该憎水层形成用带具有带状形状，并且该憎水层可通过 围绕内部集电器或外部催化电极层缠绕所迷带容易地形成。此外，根据本 发明，可通过使用纤维状形状保持材料提高抗张强度，并且可形成具有良 好粘附性的憎水层。在上述发明中，优选地，纤维状形状保持材料的纤维方向平行于憎水 层形成用带的纵向。这是因为，在形成憎水层时，当憎水层形成用带在沿纵向被牵拉的同时例如被螺旋地缠绕时，可抑制憎水层形成用带的断裂，并且可形成具有良好粘附性的憎水层。在上述发明中，优选地，纤维状形状保持材料是碳纤维。这是因为，可获得具有良好导电性的憎水层形成用带。在上述发明中，优选地，憎水材料是氟树脂，并且导电材料是炭黑。 本发明提供了一种使用上述憎水层形成用带的管型燃料电池。 根据本发明，有利地，可通过使用该憎水层形成用带容易地形成憎水层。在上述发明中，优选地，该憎水层形成用带被螺旋地缠绕。通过螺旋 地缠绕该憎水层形成用带，该憎水层可形成为不具有间隙，从而可提高保 温效果以抑制溢流的发生。本发明显示出以下效果可使用简单的方法在内部集电器和内部催化 电极层之间和/或在外部集电器和外部催化电极层之间容易地形成防水层。
图l是示出本发明的憎水层形成用带的示例的示意性平面图。 图2A和2B是示出将使用在本发明中的纤维状形状保持材料的设置的 示意图。图3A到3C是示出本发明的憎水层形成用带的示意性平面图。图4A到4C是示出本发明的其它憎水层形成用带的示意性平面图。图5是示出本发明的管型燃料电池的示例的示意图。图6A和6B是示出本发明的憎水层形成用带的缠绕方式的示意图。图7是示出憎水层形成用带的缠绕方式的示意图。图8是示出将使用在本发明中的憎水层的示意图。
具体实施方式
在下文中，将详细说明本发明的憎水层形成用带以及使用该憎水层形 成用带的管型燃料电池。A.憎水层形成用带首先，将说明本发明的憎水层形成用带。本发明的憎水层形成用带的 特征在于用于形成管型燃料电池的憎水层，并且包括多个纤维状形状保持 材料和形成为连接该多个纤维状形状保持材料的憎水部分，其中该憎水部 分包含憎水材料和导电材料。图l是示出本发明的憎水层形成用带的示例的示意性平面图。憎水层 形成用带1包括多个纤维状形状保持材料2，以及形成为用于连接该多个 纤维状形状保持材料2的憎水部分3，其中该憎水部分3包含憎水材料和 导电材料。由于憎水层形成用带用于形成管型燃料电池的憎水层，所以该 带具有气体可透过的多孔结构，这在图l内未示出。此外，在图l所示的 憎水层形成用带1中，纤维状形状保持材料2的纤维方向被设定为平行于 该带的纵向。下文将说明憎水层形成用带的各个构成元件。1.纤维状形状保持材料首先，将说明本发明中将使用的形状保持材料。形状保持材料是赋予 憎水层形成用带强度的纤维状材料。憎水层形成用带内包含多个纤维状形状保持材料，并且该形状保持材 料的设置没有特别限制。例如，如图2A所示，每个纤维状形状保持材料2 可设置成相平行，或者如图2B所示，每个纤维状形状保持材料2可设置 成相交叉。其中，在本发明中优选的是每个纤维状形状保持材料设置成相 平行。与每个纤维状形状保持材料2设置成相交叉的情况相比，憎水层形 成用带的厚度可制成较小。结果，所获得的憎水层的厚度也较小，从而可 获得具有较小尺寸和较高发电效率的管型燃料电池。每个纤维状形状保持材料设置成相平行的憎水层形成用带的具体示例包括如图3A内所示，纤维状形状保持材料2的纤维方向A平行于憎水 层形成用带的纵向B的情况，如图3B所示，纤维状形状保持材料2的纤 维方向A垂直于憎水层形成用带的纵向B的情况，以及如图3C所示，纤角度的情况。在图3A到3C中，憎7JC部分3形成为连接纤维状形状保持材 料2。在本发明中，优选地，纤维状形状保持材料的纤维方向平行于憎水层 形成用带的纵向。这是因为，在形成憎水层时，当憎水层形成用带在沿纵 向净皮牵拉的同时例如被螺旋地缠绕时，可抑制憎水层形成用带的断裂，并且可形成具有良好粘附性的憎水层。。同时，每个纤维状形状保持材料设置成相交叉的憎水层形成用带的具 体示例包括如图4A和4B所示，每个纤维状形状保持材料2设置成相交 叉，并且憎水部分3形成为连接纤维状形状保持材料2。同时，由于纤维状形状保持材料被用于提高憎水层形成用带的形状保 持性，所以该形状保持材料可具有导电性或不具有导电性。其中，在本发 明中，纤维状形状保持材料优选地具有导电性。这是因为，尽管本发明的 憎水层形成用带包含稍后所述的导电材料，但是当纤维状形状保持材料具 有导电性时，可获得具有更优良的导电性的憎水层形成用带。纤维状形状保持材料的纤维长度根据上文所述的设置而不同，并且没 有特别限制。纤维状形状保持材料的纤维直径根据上文所述的设置而不同， 并且优选地在0.1-10nm的范围内，更优选地在l-7|im的范围内。此 外，例如，在每个纤维状形状保持材料设置成相平行的情况下，相邻的纤 维状形状保持材料之间的距离(节距)优选地在0-liam的范围内，并且 更优选地在0 - 0.1 /i m的范围内。这种纤维状形状保持材料没有特别限制，只要它能够赋予憎水层形成 用带强度就可以。其示例包括碳纤维、金属纤维、树脂纤维，其中碳纤维 是优选的。另外，碳纤维的具体示例包括基于人造纤维的碳纤维、基于聚 丙烯腈(PAN)的碳纤维、基于沥青(pitch)的碳纤维。纤维状形状保持材料在憎水层形成用带内的含量没有特别限制，并且 优选地在30 - 90质量％的范围内，更优选地在50 - 70质量％的范围内。2.憎水部分接着，将说明本发明中的憎水部分。本发明中的憎水部分被形成为连接该多个纤维状形状保持材料，并且包含憎水材料和导电材料。憎水材料是赋予憎水层形成用带憎水性的材料。憎水材料没有特别限制，只要具有憎水性就可以。其示例包括氟树脂。氟树脂的具体示例包括 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 亚乙烯基-四氟乙烯-六氟丙烯共聚物，聚氟化亚乙烯基，基于氟烯烃-烃的 共聚物，氟丙烯酸酯共聚物，氟代环氧化合物(fluoroepoxy compound )， 并且其中，聚四氟乙烯(PTFE)在本发明中是优选的。这是因为可获得具 有良好憎水性的憎水层形成用带。憎水材料在憎水层形成用带中的含量没有特别限制，并且优选地在10 -70质量％的范围内，更优选地在20-50质量％的范围内。同时，导电材料是赋予憎水层形成用带导电性的材料。该导电材料没 有特别限制，只要具有导电性就可以。其示例包括导电粒子例如炭黑。炭 黑的具体示例包括油料炉黑、乙炔黑，热炭黑、以及槽法炭黑。其中，油 料炉黑和乙炔黑是优选的，这是因为它们具有良好的导电性赋予效果。此 外，导电粒子的初级粒子的直径没有特别限制，并且优选地不大于ljum。导电材料在憎水层形成用带中的含量没有特别限制，并且优选地在5 -50质量％的范围内，更优选地在10-30质量％的范围内。3.憎水层形成用带本发明的憎水层形成用带用于形成管型燃料电池的憎水层。这里，管 型燃料电池的憎水层可净皮概括地分类为内部憎水层和外部憎水层。通常， 内部憎水层设置在内部集电器和内部催化电极层之间，并且外部憎水层设 置在外部集电器和外部催化电极层之间。本发明的憎水层形成用带可用于 内部憎水层和外部憎水层中的任何一个。特别地，所述带优选地用于外部 憎水层。这是因为，在所形成的固体电解质膜上形成外部憎水层时，通过 加热熔化憎水材料的传统的形成憎水层的方法可能由于热量使固体电解质 膜等恶化；另一方面，当使用本发明的憎水层形成用带时，不必通过加热 使憎水材料熔化，从而可在不会使固体电解质膜恶化的情况下形成外部憎水层。此外，本发明的憎水层形成用带的厚度没有特别限制，并且优选地在l-100]Lim的范围内，更优选地在5-50nm的范围内，并且还更优选地 在5-20 jam的范围内。本发明的憎水层形成用带的宽度没有特别限制， 并且优选地在0.1-3cm的范围内，更优选地在0.2-lcm的范围内，并且 还更优选地在0.2 - 0.5cm的范围内。本发明的憎水层形成用带可在巻绕状态下被贮藏。巻绕可节省空间。 此外，在巻绕的憎水层形成用带的表面可能相互粘附的情况下，可在憎水 层形成用带的其中一个表面上设置释放层。4.用于制造憎水层形成用带的方法接着，将说明用于制造憎水层形成用带的方法。用于制造憎水层形成 用带的方法没有特别限制，只要可获得上述憎水层形成用带就可以。具体 示例包括以下方法首先制备包含憎水材料、导电材料和溶剂的憎水部分 形成用组合物，然后将该憎水部分形成用组合物涂覆在例如如图2A所示 地^殳置的纤维状形状保持材料上，然后进行加热。加热时的加热温度没有 特别限制，但是在憎水材料被熔化的温度附近执行加热。该温度通常为大 约350 。C。B.管型燃料电池接着，将说明本发明的管型燃料电池。该管型燃料电池的特性在于使 用上述憎水层形成用带。图5是示出本发明的管型燃料电池的示例的示意图。在本发明的管型 燃料电池中，从具有圆柱形状的内部集电器4开始，依次形成内部憎水层 5、内部催化电极层6、固体电解质膜7、外部催化电极层8、外部憎水层9、 以及外部集电器10。内部憎水层5和外部憎水层9中的至少一个由上述憎 水层形成用带制成。在下文，将说明本发明中将使用的憎水层以及构成管型燃料电池的其 他部件。1.憎水层首先将说明本发明中将使用的憎水层。本发明中将使用的憎水层可被 概括地分类为内部憎水层和外部憎水层。通常，内部憎水层设置在内部集 电器和内部催化电极层之间，并且外部憎水层设置在外部集电器和外部催 化电极层之间。本发明的管型燃料电池没有特别限制，只要内部憎水层和外部憎水层 中的至少一个由上述憎水层形成用带制成就可以。即，内部憎水层或外部 憎水层可由憎水层形成用带形成，或者内部憎水层和外部憎水层可由憎水 层形成用带形成。在本发明中，尤其优选地，外部憎水层由憎水层形成用 带形成。才艮据传统方法，固体电解质膜等可能在外部憎水层形成期间恶化， 但是当使用憎水层形成用带时，可在不会使固体电解质膜等恶化的情况下 形成外部憎水层。此外，本发明中将使用的憎水层通过围绕内部集电器或外部催化电极 层的外周面缠绕憎水层形成用带而形成。缠绕憎水层形成用带的方式没有特别限制。其示例包括如图6A所示的螺旋缠绕方式，如图6B所示的包裹 (wrapping)方式。其中，螺旋缠绕方式是优选的。在憎水层形成用带被螺旋缠绕的情况下，优选地在憎水层形成用带的 相邻部分之间不存在间隙。这是因为，如图7所示，担心保温效果降低从 而当在憎水层形成用带1的相邻部分之间形成间隙11时导致溢流。对于憎 水层形成用带的相邻部分之间不存在间隙的情况，可特别提到憎水层形成 用带的相邻部分重叠(重叠部分)的情况，以及憎水层形成用带的相邻部 分之间既不存在重叠也不存在间隙的情况。特别地，在本发明中，优选地 憎水层形成用带的相邻部分重叠。这是因为即使发生振动等仍可抑制间隙 的形成。重叠部分的重叠量没有特别限制，并且优选地在憎水层形成用带 的宽度的10-50%的范围内，更优选地在30-50%的范围内。特别地，在憎水层形成用带被螺旋地缠绕的情况下，憎水层形成用带的纵向。这是因为，在形成憎水层时，当憎水层形成用带在沿纵向被牵拉 的同时被缠绕时，可抑制憎水层形成用带的断裂，并且可形成具有良好粘附性的憎水层。图8内示出使用缠绕方法利用这种憎水层形成用带获得的 憎水层的具体示例。在本发明中，在围绕内部集电器或外部催化电极层的外周面缠绕憎水 层形成用带之后，可执行热压接合。这是因为可提高其粘附性。2.其他部件接着，将说明构成管型燃料电池的其他部件。本发明的管型燃料电池 没有特別限制，只要具有上述憎水层就可以。除了憎水层之外，燃料电池 通常包含内部集电器、内部催化电极层、固体电解质膜、外部催化电极层、 以及外部集电器。(1) 内部集电器本发明中将使用的内部集电器在外周面内具有气体流动通道以收集发 电反应生成的电子。通常，该内部集电器设置在内部憎水层的内侧。内部 集电器的形状没有特别限制，但是通常为圆柱形。另外，内部集电器可以 是空心的内部集电器，这样可减少内部集电器的材料并减少其重量。此外， 当4吏热介质或冷却剂在该空心部分内流动时，可加热或冷却管型燃料电池。 另外，关于内部集电器的材料，具有高导电性和耐蚀性的材料是优选的。 这种材料没有特别限制，但是具体示例包括钛、不锈钢、铂、金、Si02、 B203、 Nd20、基于钛的合金诸如TiC、 TiSi2和TiB2、碳，导电陶瓷、以 及导电树脂。(2) 内部催化电极层本发明中将使用的内部催化电极层是提供发电反应发生的反应场的 层，并且该层通常设置在内部集电器和固体电解质膜之间。可以使用类似 于用在一般的平板型燃料电池内的催化电极层的层作为该内部催化电极 层，并且对该内部催化电极层没有限制。其示例包括包含电解质材料诸如 基于全氟代磺酸的聚合物、导电材料诸如炭黑、以及催化剂诸如铂的内部 催化电极层。另外，内部催化电极层的厚度没有特别限制，并且优选地在 l-100iam的范围内，更优选地在5-20jim的范围内。(3) 固体电解质膜ii本发明中将使用的固体电解质膜是通常设置在内部催化电极层和外部 催化电极层之间的层，该层用于在内部催化电极层和外部催化电极层之间 传导质子。可使用类似于用在一般的平板型燃料电池内的催化电极层的层 作为该固体电解质膜，并且对该固体电解质膜没有限制。其具体示例包括由Nafion (商标名称，DuPont制造)代表的基于全氟代磺酸的聚合物， 以及由基于酰胺的树脂代表的基于烃的树脂。此外，作为固体电解质膜的其他示例，可列举主要包含硅的氧化物的 无机固体电解质膜。无机固体电解质膜的示例包括使用多孔玻璃的固体电 解质膜，以及使用磷酸盐玻璃的固体电解质膜。使用多孔玻璃的固体电解 质膜的示例包括通过在多孔玻璃的细孔的内表面处使硅烷偶联剂例如巯 基丙基三甲氧基硅烷与OH基反应，然后通过氧化巯基(-SH)引入传导 质子的磺g获得的固体电解质膜。关于此制造方法，可参考"Chemistry and Chemical Industry" , Vol.57， No.l (2004) , pp41-44。另一方面， 对于使用磷酸盐玻璃的固体电解质膜，可参考"Fuel Cells" ， Vol.3， No.3， 2004， pp69-71。(4) 外部催化电极层本发明中将使用的外部催化电极层是提供发电反应发生的反应场的 层，并且该层通常设置在固体电解质膜和外部憎水层之间。对于该外部催 化电极层，也可应用结合上文 "(2)内部催化电极层"说明的层，因此 这里省略其"^兌明。(5) 外部集电器本发明中将使用的外部集电器是收集发电反应中产生的电子并且通常 设置在外部憎水层的外侧的集电器。该外部集电器的形状没有特别限制， 只要使气体能够沿管型燃料电池的径向流动就可以。可以列举的是弹簧状 形状、网络形状、螺旋形状等，并且其中弹簧状形状是优选的。另外，外 部集电器可以是部分地形成有小孔的圆柱形集电器。对于该外部集电器的 材料，具有高导电性的材料是优选的。这种材料没有特别限制。但是，该 材料类似于上文"(1)内部集电器"中说明的材料，并且这里省略其说明。本发明并不局限于上述实施例。该实施例仅是示例性的。具有与根据 本发明的权利要求内描述的技术思想基本相同的构造和优点的所有实施例 都包含在本发明的技术范围内。示例下文将参照示例更具体地说明本发明。示例1将等量的PTFE (憎水材料)和乙炔黑(导电材料)散布在水中，从 而获得憎水部分形成用组合物。接着，将基于聚丙烯腈的碳纤维(纤维状 形状保持材料，纤维直径为5ym，纤维长度为1000mm )设置成使得该碳 纤维的纤维方向平行于憎水层形成用带的纵向。此时，每个碳纤维之间的 距离(节距)被设定为0。此后，将憎水部分形成用组合物涂覆在碳纤维 上，该碳纤维在300匸被加热，从而获得憎水层形成用带。所获得的憎水 层形成用带包含60质量％的碳纤维、20质量。/。的PTFE、以及20质量％ 的乙炔黑，并且带的宽度为2mm。示例2围绕内部集电器、内部憎水层、内部催化电极层、固体电解质膜和外 部催化电极层从内侧依次形成的组件，通过螺旋地缠绕在示例1内获得的 憎水层形成用带并且切割该带以形成外部憎水层。此时，憎7jC层形成用带 -故缠绕成使得该带的相邻部分以该带的宽度的30%重叠。此后，通过热压 接合外部憎水层并且缠绕外部集电器来获得膜电极组件(MEA)。
权利要求
1.一种将用于形成管型燃料电池的憎水层的憎水层形成用带，所述带包括多个纤维状形状保持材料和被形成为连接所述多个纤维状形状保持材料的憎水部分，其中所述憎水部分包含憎水材料和导电材料。
2. 根据权利要求1所述的憎水层形成用带，其中所述纤维状 形状保持材料的纤维方向平行于所述憎水层形成用带的纵向。
3. 根据权利要求l或2所述的憎水层形成用带，其中所述纤 维状形状保持材料是碳纤维。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的憎水层形成用带，其 中所述憎水材料是氟树脂，并且所述导电材料是炭黑。
5. —种使用根据权利要求1至4中任一项所述的憎水层形成 用带的管型燃料电池。
6. 根据权利要求5所述的管型燃料电池，其中所述憎水层形 成用带被螺旋地缠绕。
全文摘要
本发明公开了一种憎水层形成用带，该带使憎水层能够利用简单的方法形成。本发明具体公开了一种用于形成管型燃料电池的憎水层的憎水层形成用带。该憎水层形成用带的特征在于，包括多个纤维状形状保持材料和被形成为连接该纤维状形状保持材料的憎水部分。该憎水部分包含憎水材料和导电材料。
文档编号H01M4/86GK101243567SQ200680030328
公开日2008年8月13日 申请日期2006年8月30日 优先权日2005年8月31日
发明者中西治通, 今西雅弘, 村田成亮, 田村佳久 申请人:丰田自动车株式会社