CN101300710A - 管状燃料电池模块及其制造方法 - Google Patents

Abstract

管状燃料电池模块设有管状燃料电池的管状电池(2)和传热管(1)，选择性地加热和冷却所述管状电池的加热/冷却介质流过所述传热管。所述传热管包括第一笔直部分(11)、第二笔直部分(12)和弯曲部分(13)，所述弯曲部分(13)将所述第一笔直部分与所述第二笔直部分连接。所述管状电池(2)的至少一部分布置在所述第一笔直部分(11)和所述第二笔直部分(12)中的至少一个笔直部分上。结果，提高了所述管状燃料电池模块的密封可靠性。

Description

管状燃料电池模块及其制造方法

技术领域

本发明涉及管状燃料电池模块及其制造方法。更具体地，本发明涉及已经改进了密封可靠性的管状燃料电池模块及该管状燃料电池模块的制造方法。

背景技术

近年来，为了将每单元的输出密度至少提高一定水平，对管状燃料电池(下文中也称为“管状PEFC”)进行了大量的研究。管状PEFC的单元电池(下文中也称为“管状电池”)通常包括薄膜电极组件(MEA)，其具有中空电极层和在该中空电极层的两侧(即，内侧和外侧)设置的催化剂层。然后，将通过向MEA内侧供给包含氢的气体和向MEA外侧供给包含氧的气体所引起的电化学反应产生的电能通过布置在MEA内侧和外侧上的集电器从单元电池提取。也就是说，在管状PEFC中，通过向中的MEA的内侧供给一种反应气体(例如，含有氢的气体)和向设在各单元电池中的MEA的外侧供给另一种反应气体(例如，含有氧的气体)提取发出的电能，这意味着可向两个相邻单元电池的外表面供给相同的反应气体。因此，管状PEFC无需传统平板状燃料电池所需并且用来分离气体的分离器，这能够有效地使单元电池制作得更小。

例如，PCT申请公开的日本国际阶段申请No.2004-505417描述了与这种管状PEFC相关的技术。更具体地，所述技术与燃料电池相关，其中微电池的所有构件构造在单个纤维组件内。所述技术能够产生高密度的能量输出，从而使电化学电池设备(即，管状燃料电池)的体积最小。

管状电池的电解质薄膜在预定温度范围内(例如，约80摄氏度的范围内)具有质子导电能力。因此，当管状PEFC运行时，电解质薄膜的温度必须保持在该温度范围内。这样，对于具有管状电池的管状PEFC模块，为了将管状电池或形成管状电池一部分的电解质薄膜的温度保持在适当的范围内，至少在管状电池内外侧中的一侧上布置传热管，并且通过使用流过传热管的加热/冷却介质加热或冷却管状电池来调节管状电池的温度。

这样，在管状PEFC(模块)中，除了含有氢的气体和含有氧的气体之外，还使用加热/冷却介质，所以在例如管状电池或构成管状电池一部分的MEA的端部必须设置将气体从加热/冷却介质分开的密封部分。例如，在所述的管状PEFC模块中，如PCT申请公开的日本国际阶段申请No.2004-505417中描述的管状PEFC模块中，提供一个密封部分用于分离两种反应气体，提供另一密封部分用于将反应气体与加热/冷却介质分开，并且提供再一密封部分用于将加热/冷却介质与周围空气分开。

但是，当具有PCT申请公开的日本国家阶段申请No.2004-505417中所述结构的管状PEFC操作时，由于以管状电池和传热管等为代表的构成元件的温度升高，所以管状电池和传热管膨胀。因此，具有复杂密封结构(其中具有许多密封部分)的管状PEFC内的密封往往变得不太可靠。

发明内容

因此，本发明提供一种具有改进的密封可靠性的管状燃料电池模块以及该管状燃料电池模块的制造方法。

因此，本发明的一方面涉及一种管状燃料电池模块，所述管状燃料电池模块设有管状燃料电池的管状电池和传热管，选择性地加热和冷却所述管状电池的加热/冷却介质流过所述传热管。所述传热管包括第一笔直部分、第二笔直部分和弯曲部分，所述弯曲部分将所述第一笔直部分与所述第二笔直部分连接。另外，所述管状电池的至少一部分布置在所述第一笔直部分和所述第二笔直部分中的至少一个笔直部分上。

一种管状燃料电池模块可设有中空MEA和传热管，选择性地加热和冷却所述MEA的加热/冷却介质流过所述传热管；所述传热管包括第一笔直部分、第二笔直部分和弯曲部分，所述弯曲部分将所述第一笔直部分与所述第二笔直部分连接；并且所述MEA布置在所述第一笔直部分的外周表面和所述第二笔直部分的外周表面中的至少一个外周表面上。

另外，一种管状燃料电池可设有管状燃料电池的管状电池和传热管，选择性地加热和冷却所述管状电池的加热/冷却介质流过所述传热管；所述传热管包括第一笔直部分、第二笔直部分和弯曲部分，所述弯曲部分将所述第一笔直部分与所述第二笔直部分连接；并且所述第一笔直部分和所述第二笔直部分中的至少一个笔直部分的外周表面接触所述管状电池的外周表面。

所述加热/冷却介质的具体实例包括如水、乙二醇和两者的混合物。只要所述传热管由可承受管状PEFC的操作环境的耐腐蚀材料制成，就不特别地限定构成材料。但是，如果传热管还用作外部集电器或内部集电器，那么就更容易将燃料电池模块制得更小，所以传热管还可由具有优异的导电性且耐腐蚀的材料制成。耐腐蚀且具有良好导电性的材料的具体实例除了Au和Pt之外还包括将Ti涂布在Cu的表面上的材料(如Cu-Ti覆层材料)。另外，为有效提高管状燃料电池模块的输出密度，传热管中第一笔直部分的轴向方向和第二笔直部分的轴向方向可彼此平行。另外，从同一观点来看，管状电池可布置成使其外周表面接触传热管的第一笔直部分和第二笔直部分的外周表面。所述管状电池还可布置成使它们的轴向方向与第一笔直部分及第二笔直部分的轴向方向平行。

这里，术语“中空MEA”指的是至少包括下列部件的MEA：中空内侧催化剂层、布置在内侧催化剂层外侧的外侧催化剂层、及夹在内侧催化剂层与外侧催化剂层之间的电解质薄膜。所述MEA构成了管状电池的一部分。

短语“所述MEA布置在所述第一笔直部分的外周表面和所述第二笔直部分的外周表面中的至少一个外周表面上”意味着：当传热管还用作内部集电器时，所述MEA形成在传热管的第一笔直部分的外表面和传热管的第二笔直部分的外表面中的至少一个外表面上(接触所述至少一个外表面)，并且当在传热管与MEA之间设置内部集电器时(即，当传热管不还用作内部集电器时)，所述MEA形成在内部集电器的外表面上，该内部集电器布置在传热管的第一和第二笔直部分的外表面上。

根据上述方面，相邻的第一和第二笔直部分能够通过弯曲部分连接，所以能够提供具有S形传热管的管状燃料电池模块，所述S形传热管具有n个笔直部分和n-1个弯曲部分。这样，通过以S形形成传热管，能够限制用于加热/冷却介质的入口和出口(即，减少入口和出口的数目)，这又能够简化在反应气体与加热/冷却介质之间形成的密封部分的结构。因此，能够提供通过简化密封部分的结构而具有改善的密封可靠性的管状燃料电池模块。

而且，当传热管接触管状燃料电池的管状电池的内侧(即，MEA的内侧)时，能够有效地冷却管状燃料电池的管状电池的尤其容易热聚积的内侧。

在所述管状燃料电池模块中，通过弯曲单根传热管可以形成所述第一笔直部分、第二笔直部分和弯曲部分。

短语“通过弯曲单根传热管形成”意味着：通过弯曲单根传热管，所述传热管的至少一部分形成为字母“U”形，其包括第一笔直部分、弯曲部分和第二笔直部分。

通过这样弯曲单根传热管形成第一笔直部分、第二笔直部分和弯曲部分避免了在第一及第二笔直部分与弯曲部分之间的连接，从而进一步提高了密封可靠性。

在所述管状燃料电池模块中，所述传热管的入口和出口可以相对于所述管状电池或MEA的沿轴向方向的中心位于同一侧。

将所述传热管的入口和出口相对于管状电池或MEA的轴向方向的中心定位于同一侧使得将反应气体与加热/冷却介质分开的密封部分能够只形成在所述入口和出口所在的一侧上，从而能够容易地简化密封部分的结构。

在所述管状燃料电池模块中，所述第一笔直部分和第二笔直部分可布置在水平面上，当从所述水平面的上方观看时，所述传热管的入口和出口还可形成为面向所述第一笔直部分和所述第二笔直部分中的至少一个笔直部分的在与轴向方向相交的方向上的外侧。

当从所述水平面的上方观看时所述传热管的入口和出口形成为面向所述第一笔直部分和所述第二笔直部分中的至少一个笔直部分的在与轴向方向相交的方向上的外侧的情形的例子如下。当所述传热管的入口形成在所述第一笔直部分的不通向弯曲部分的端部上且所述传热管的出口形成在所述第二笔直部分的不通向弯曲部分的端部上时，所述传热管的入口形成为向与所述第一笔直部分相邻的所述第二笔直部分的相反侧开口，并且所述传热管的出口形成为向与所述第二笔直部分相邻的所述第一笔直部分的相对侧开口。在本发明中，并不特别限定在所述传热管的入口和出口的开口方向与所述第一笔直部分和所述第二笔直部分中的至少一个笔直部分的轴向方向之间形成的角度，但是使该角度为90度使得更容易将多个管状燃料电池模块连接在一起。

因此，当将多个管状燃料电池模块连接在一起时，一个管状燃料电池模块的传热管的入口能够容易地连接到另一管状燃料电池模块的传热管的出口。因此，除了上述效果之外，当提供多个模块时，还能够提供更容易连接到另一管状燃料电池模块的管状燃料电池模块。

本发明的另一方面涉及一种管状燃料电池模块的制造方法，所述管状燃料电池模块设有至少一个中空MEA和传热管，选择性地加热和冷却所述MEA的加热/冷却介质流过所述传热管。所述制造方法包括步骤：在笔直管状构件周围形成所述MEA；和通过弯曲所述笔直管状构件形成传热管，所述传热管包括第一笔直部分、第二笔直部分和弯曲部分，所述弯曲部分将所述第一笔直部分与所述第二笔直部分连接，从而产生在所述传热管周围形成MEA的弯曲本体。当形成所述MEA时，或者以至少相当于所述弯曲部分的长度的距离的间隔来依次形成所述MEA，或者在弯曲所述笔直管状构件之后去除在至少所述弯曲部分周围形成的所述MEA。

这里，“笔直管状构件”指的是在弯曲形成弯曲部分之前的传热管。另外，在所述笔直管状构件的外侧上形成MEA的方法可分为通过弯曲所述笔直管状构件形成的传热管(下文简称为“传热管”)还用作内部集电器的情形和所述传热管不用作内部集电器的情形。在所述传热管还用作内部集电器的情形下，例如，所述MEA可形成为使所述传热管的外表面和所述MEA的内侧催化剂层彼此接触。为了更容易去除形成在与弯曲部分对应且靠近入口和出口的位置处的MEA(下文中也称为“无MEA部分”)，预先向无MEA部分涂敷防水处理或遮蔽构件等。然后，在无MEA部分的防水处理或遮蔽构件之上、以及除无MEA部分之外的部分处的传热管的外表面上形成MEA。相反，当传热管不用作内部集电器时，必须在MEA与传热管之间布置内部集电器。因此，所述MEA形成在内部集电器的外表面上，该内部集电器布置成接触所述传热管的外表面。此外，以距离与所述弯曲部分的长度对应的间隔来依次形成MEA的方法的一个具体实例为将间歇地涂敷熔化的或溶解的催化剂层组分和电解质薄膜组分。去除在弯曲部分周围形成的MEA的具体实例包括：将激光束聚焦在无MEA部分上和通过热熔化在该部分处的MEA的方法；通过将该部分浸泡在溶剂中而从无MEA部分去除MEA的方法；和通过去除预先布置在无MEA部分上的遮蔽构件来去除形成在遮蔽构件的表面上的MEA的方法。

这样，制造了具有通过限制用于加热/冷却介质的入口和出口(减少入口和出口的数目)而实现的简化密封结构的管状燃料电池模块。因此，该管状燃料电池模块比现有技术具有更少的密封部分和/或让传热管穿过密封部分的位置，这提高了密封的可靠性。因此，能够提供具有改进的密封可靠性的管状燃料电池模块的制造方法。

附图说明

参考附图，从下面优选实施例的描述可清楚理解本发明的上述及其它目的、特征和优点，其中相同的标记用于表示相同的元件，并且其中：

图1为示意性地示出根据本发明第一实施例的模块的一部分的透视图；

图2为示意性地示出根据本发明的传热管和MEA的一部分的实例的截面图；

图3为示意性地示出根据本发明第一实施例的模块的密封部分的截面图；

图4为示意性地示出所述模块的密封部分的截面图；

图5为示意性地示出根据本发明第二实施例的模块的一部分的透视图；

图6为示意性地示出根据本发明第一实施例的模块的一部分的透视图；

图7为本发明模块制造过程的简例的示意图；

图8为根据本发明第三实施例的管状燃料电池模块的外视图；

图9A和图9B分别为根据本发明第三实施例的模块的密封部分和所述模块的密封部分的截面图；

图10为根据本发明第四实施例的模块的密封部分的截面图；以及

图11为本发明模块制造过程的实例的示意图。

具体实施方式

为了将管状电池的温度保持在适当的范围内，在管状PEFC模块内设有传热管，加热/冷却介质流过传热管。在所述管状PEFC模块(下文中简称为“所述模块”)中，传热管是笔直的。因此，传热管穿过在反应气体扩散区域与加热/冷却介质扩散区域之间形成的密封部分或密封元件(其将在后面描述)的位置的数目等于传热管的数目，这使得密封结构复杂。也就是说，在所述模块中，传热管在许多位置穿过密封部分，所以那些位置之间的距离非常短。结果，密封结构往往比较复杂，这易于降低密封的可靠性，从而降低管状PEFC系统(下文中简称为“系统”)的稳定性。有效提高密封可靠性的一种方式是减少传热管穿过密封部分的位置的数目和/或密封部分(密封构件)的数目。如果当减少传热管穿过密封部分的位置的数目和密封部分的数目的同时可确保系统的稳定性，那么系统本身可制得更小，并且提高其输出密度。

所述模块通常还对每个管状电池都设有一个传热管。所述模块中的传热管也是笔直的，这意味着密封部分的数目至少要跟在反应气体与加热/冷却介质之间分界处设置的传热管的数目相同。也就是说，所述模块设有许多密封部分，并且传热管穿过密封部分的位置全都集中在一个小的区域中，所以其密封结构不仅易于复杂，而且易于不太可靠，这易于降低系统的可靠性。有效提高系统可靠性的一种方式是减少密封部分的数目。如果当减少密封部分数目的同时可确保系统的稳定性，那么系统本身可制得更小，并且提高其输出密度。

因此，本发明提供了一种管状燃料电池模块，其通过提供S形传热管和形成于传热管上的MEA或设置在传热管上的至少一个管状电池(即，通过将管状电池的至少一部分设置在传热管上)，实现将传热管穿过密封部分的位置的数目和密封部分的数目减少到少于所述模块中的数目，从而提高密封可靠性。通过同样的方式，本发明还提供了该管状燃料电池模块的制造方法。

在下文中，参考附图详细描述根据本发明具体实施例的管状燃料电池模块及其制造方法。

图1为示意性示出根据本发明第一实施例的模块的一部分的透视图。如图中所示，根据本发明第一实施例的管状燃料电池模块(下文中简称为“模块”)100包括以反复的S形来回缠绕形成的传热管1、在传热管周围形成的MEA2、布置成接触每个MEA2的外部集电器(未示出)、以及布置成接触传热管1的弯头部分13的集电器3(见图6)。根据本发明第一实施例的模块100的传热管1还用作内部集电器，并且通过弯曲单根直管以形成弯管部分13来制成，所述直管的基础材料为Cu-Ti覆层材料。因此，传热管1包括第一笔直部分11、第二笔直部分12和将第一笔直部分11与第二笔直部分12连接的弯曲部分13。在该实施例中，传热管1形成为使得第一笔直部分11、第二笔直部分12和弯曲部分13布置在一个水平面上。另外，第一笔直部分11和第二笔直部分12大致平行地布置。反应气体流动通道16形成在传热管1的外表面上用于在MEA2内扩散反应气体。孔17还形成在传热管1内，加热/冷却介质(例如水；下文中也称为“水”)流过该孔17。在该实施例的传热管1中，入口14和出口15都形成在前侧。

这样，根据该实施例的模块100，传热管1的入口14和出口15都位于前侧。因此，在流过传热管1中的孔17的加热/冷却介质与反应气体之间提供密封的密封部分只需形成在MEA2前侧上的端部处，这减少了密封部分的数目，从而简化了密封结构。此外，因为传热管1的入口和出口仅限于入口14和出口15，所以只有入口14和15穿过在加热/冷却介质扩散区域与反应气体扩散区域之间形成的密封部分(其将在后面描述)。因此，传热管在更少的位置处穿过密封部分，从而能够更加地简化密封结构。

图2为示意性地示出图1中所示的传热管和MEA的一部分的截面图。MEA的轴向方向为垂直于画有图2的纸的方向。图2中与图1中相同的那些部分和构件由与图1中相同的附图标记表示，并且省略其描述。下文中，参考图1和图2描述根据本发明第一实施例的模块。

如图2中所示，形成在传热管1的外表面上的MEA2包括内侧催化剂层21、形成在内侧催化剂层21外侧上的电解质薄膜22、形成在电解质薄膜22外侧上的外侧催化剂层23。内侧催化剂层21的内表面接触传热管1的外表面。形成加热/冷却流动通道的孔17以及反应气体流动通道16都形成在传热管1内，该传热管1还用作内部集电器。这样，使用本发明第一实施例中的模块100，通过形成在传热管1中的反应气体流动通道16将反应气体(或者含有氢的气体，或者含有氧的气体)供给到内侧催化剂层21，并且MEA2产生的电流沿着MEA2的轴向方向被传热管1收集。另外，传热管1接触内侧催化剂层21，所以可通过经过孔17供给冷水或热水等来冷却或加热MEA2来调节MEA2的温度。

图3为示意性地示出根据本发明第一实施例的模块的密封部分的截面图，并且图4为示意性地示出所述模块的密封部分的截面图。MEA的轴向方向为画有该图的纸的纵向方向。图3示出了设在根据本发明第一实施例内的模块中的传热管、MEA和密封部分(密封构件)的展开图。该图示出了具有三个弯曲部分的传热管，但设在本发明模块中的传热管不限于该结构。另一方面，图4示出了其笔直传热管的数目与图3中所示传热管的笔直部分的数目相同的所述模块及其密封部分的结构。在图3和图4中，模块的与图1中所示相同的那些组成元件用与图1相同的附图标记表示，并省略其描述。并且，在图3和图4中，省略了用于氢、空气(氧)和水的进口和出口。另外，附图着重示出了设置在含氢气体的扩散区域与含氧气体的扩散区域之间，即在反应气体扩散区域之间的密封部分，以及设置在含氢气体的扩散区域与加热/冷却介质扩散区域之间的密封部分。图3和图4中的直线箭头指向传热管内水流动的方向。

如图3中所示，该实施例中的模块100包括传热管1和设置在传热管1的外表面上的MEA2。传热管1通过弯曲单根直管以形成弯管部分13而制成，所述直管的基础材料为Cu-Ti覆层材料。因此，传热管1包括第一笔直部分11、第二笔直部分12和将第一笔直部分11与第二笔直部分12连接的弯曲部分13。附图中的模块100构造成使得中间部分为含氧气体的扩散区域(下文中称为“氧扩散区域”)7，并且在氧扩散区域两侧上的区域为含氢气体的扩散区域(下文中称为“氢扩散区域”)6。在氧扩散区域7与氢扩散区域6之间设置密封部分5a，并且在氢扩散区域6与加热/冷却介质扩散区域(下文中也称为“水扩散区域”)之间设置密封部分5b。因此，根据本发明第一实施例的模块100能够通过仅仅使传热管1的入口14和出口15穿过密封部分5b而简化密封部分的结构。

相反，图4中所示的所述模块900包括笔直传热管10和设置在传热管10的外表面上的MEA2。与图3中所示模块100相类似，图4中的模块900构造成使得中间部分为氧扩散区域7，在氧扩散区域7两侧上的区域为氢扩散区域6，在氧扩散区域7与氢扩散区域6之间设置密封部分5a，并且在氢扩散区域7与水扩散区域8之间设置密封部分95b和95b。在所述模块900中，当传热管10的数目为“t”时，传热管10穿过每个密封部分95b的位置的数目也为“t”，这使密封结构变复杂，并且易于使密封不太可靠。

如图3和图4中所示，根据本发明第一实施例的模块100的传热管1沿反复的S形来回缠绕形成，这既增加了传热管1穿过密封部分5b的位置之间的距离，又减少了那些位置的数目，从而提高了密封的可靠性。另外，根据本发明第一实施例的模块100还避免了在模块的两端上设置加热/冷却介质扩散区域的需要，这减少了密封部分的数目，并且使模块能够制得更小，以及提高了模块100的输出密度。

在前面的描述中，传热管的入口和出口相对于沿MEA的轴向方向的中心位于同一侧。但是，本发明模块中的传热管不限于该结构。可选地，传热管的入口和出口相对于沿MEA的轴向方向的中心可位于相对侧上。然而，相对于沿MEA的轴向方向的中心将传热管的入口和出口定位于同一侧使得其更容易制得更小。

同样，在上述模块100中，传热管1包括布置在水平面上的第一笔直部分11、第二笔直部分12和弯曲部分13。但是，本发明模块中的传热管不限于该结构。图5示出了本发明模块内的传热管可如何布置的另一实施例。

图5为示意性示出根据本发明第二实施例的模块的一部分的透视图。图5中所示模块的与图1中相同的构成元件由图1中使用的相同的附图标记表示，并省略那些元件描述。

如图5中所示，根据本发明第二实施例的模块200包括传热管1a、形成在传热管1a外侧上的MEA2、布置成接触每个MEA2的外部集电器(未示出)、和布置成接触传热管1a的弯曲部分13a的集电器(也未示出)。如图中所示，根据该第二实施例的传热管1a使得第一笔直部分11、第二笔直部分12、和将第一笔直部分11与第二笔直部分12连接的弯曲部分13a形成为大致圆柱形的形状，并且传热管1a的入口14和出口15彼此相邻。在该实施例中，传热管1a还用作内部集电器，并且通过弯曲单根直管以形成弯曲部分13a而制成，其中所述直管的基础材料为Cu-Ti覆层材料。在传热管1的外表面上形成反应气体流动通道16用于在MEA2内扩散反应气体。在传热管1a内还形成有孔17，加热/冷却介质例如水流过该孔17。

因此，根据该第二实施例的模块200通过使传热管1a的入口14和出口15彼此相邻而能够简化密封的结构。

此外，在根据第二实施例的该模块200中，传热管1a形成为大致圆柱形，这提高了模块整体的强度，并且使得模块更加易于持握。另一方面，对于根据第一实施例的模块100，传热管1布置在水平面上，这使得易于确保MEA2之间的空间。同样在该情形中，在中间不具有如同传热管1a形成为大致圆柱形时那样的空间，这使得更加易于提高输出密度。因此，从提高输出密度的观点来看，根据第一实施例的模块100是优选的。另一方面，从使得模块更加易于持握的观点来看，根据第二实施例的模块200是优选的。

为了使根据本发明实施例的模块的结构更加容易理解，省略图1至5中布置成接触弯曲部分的集电器。虽然没有示出，但在根据本发明的实施例的模块中设置该集电器，以提高沿与MEA的轴向方向相交叉的方向的能量收集效率。图6示意性地示出了设有布置成接触弯曲部分的集电器的模块。

图6为示意性示出根据本发明第一实施例的模块的例子的透视图。图中，本发明的模块100设有集电器3，其在传热管1的入口14和出口15所在一侧的相对侧上接触弯曲部分13。因此，根据本发明该实施例的模块设有接触传热管的弯曲部分的集电器，这提高了沿与MEA的轴向方向相交叉的方向的能量收集效率。顺便提及的是，图6中所示实施例为其中集电器3布置成在传热管1的入口14和出口15所在一侧的相对侧上接触弯曲部分13的实例。但是，本发明不限于该结构。可选地，集电器可布置成在与传热管的入口和出口所在一侧的同一侧上接触弯曲部分，或者第一集电器可布置成在一侧上接触弯曲部分，并且第二集电器可布置成在另一侧上接触弯曲部分。对于这些结构，从进一步提高能量收集效率的观点来看，其中设置第一集电器和第二集电器的结构是优选的。

在前面的描述中，向MEA的内侧供给氢，并且向MEA的外侧供给空气(氧)，但本发明不限于此。相反地，可向MEA的内侧供给空气，并且向MEA的外侧供给氢。

图7示出了用于制造根据本发明上述实施例的管状燃料电池模块的方法的简例。本发明的模块也可设有只用于加热或冷却MEA的传热管，但通过减少组成部件的数目使得模块更加容易更小，所述传热管优选还用作上述的内部集电器。因此，将描述设有还用作内部集电器的传热管的模块的制造过程的实例。另外，在根据本发明实施例的制造方法中，可设想两种方法，用于在传热管的笔直部分的表面上形成MEA，同时使传热管的弯曲部分的表面不被覆盖，例如如图1中所示。这些方法为：(1)一种方法，只在需要覆有MEA的那些表面上形成MEA，并且在不需覆有MEA的表面(即，无MEA部分)上不形成MEA；(2)一种方法，在整个传热管的外表面上形成MEA，然后从无MEA部分去除MEA。第二方法(2)的具体例子(2a)是，首先在无MEA部分上布置遮蔽构件，其后形成MEA，然后在形成MEA之后去除遮蔽构件(连同形成在其上的MEA)。下面，详细描述方法(2a)，而只描述其它方法的概述。下文中，将使用图1至3中的附图标记描述根据本发明实施例的管状燃料电池模块的制造方法。当传热管还用作内部集电器时，传热管的接触加热/冷却介质的表面(例如，内表面)可覆有绝缘材料，以防止电泄漏等。

根据本发明实施例的管状燃料电池的制造方法，首先准备具有孔17和槽16的笔直传热管，然后在传热管外表面上形成MEA2。MEA2的电解质薄膜22的构成材料可以是例如含氟离子交换树脂。内侧催化剂层21和外侧催化剂层23的构成材料可以是例如含氟交换树脂与碳基铂的混合物。

为在笔直传热管的外表面上形成MEA2，例如，在传热管的无MEA部分(即，对应于弯曲部分13及靠近传热管的入口14和出口15的区域的部分)的外表面上布置遮蔽构件(步骤S1；遮蔽过程)。然后，例如，通过涂敷催化剂涂料，然后使所述催化剂涂料变干，从而在传热管的外表面上形成内侧催化剂层21，其中所述传热管的外表面的一部分上覆有遮蔽构件，在所述催化剂涂料中催化剂例如碳基铂散布在含有含氟离子交换树脂等的溶液中，所述含氟离子交换树脂使用有机溶剂溶解。然后，通过向内侧催化剂层21的表面涂敷含氟离子交换树脂等(下文中称为“电解质组分”)并且使该电解质组分变干，从而形成电解质薄膜22，其中该含氟离子交换树脂已经使用有机溶剂溶解。然后，通过向电解质薄膜22的表面涂敷催化剂涂料并使其变干，从而形成外侧催化剂层23，这样，导致了形成于传热管的外表面上的MEA2(步骤S2；MEA形成过程)。

这样，在笔直传热管的外表面上形成MEA2之后，在其中在步骤S1中布置遮蔽构件的、与弯曲部分对应的部分处，通过依次弯曲那些部分形成弯曲部分13(步骤S3；弯曲部分形成过程)。然后，在步骤S3之后，通过去除遮蔽构件从而去除形成在无MEA部分的外表面上的MEA2，形成图1中所示模块100(下文中也称为“弯曲体”)(步骤S4；去除过程)。在这步中形成弯曲体之后，形成将氢与空气(氧)分开的密封部分5a，并且环绕传热管的入口14和出口15形成密封部分5b(步骤S5；密封部分形成过程)。在步骤S5完成之后，通过例如将设有在步骤S1至S5中制造的密封部分的弯曲体放入预定的壳体内的过程，从而制造本发明的模块。因为通过这些步骤制造的模块100设有S形的传热管1，所以可减少密封部分的数目。因此，本发明的该实施例能够提高具有改善密封可靠性的管状燃料电池模块的制造方法。

至此，方法(2a)描述为本发明实施例的制造方法，但是本发明的制造方法不限于该方法。只在需要覆有MEA的表面上形成MEA而在不需要覆有MEA的表面上不形成MEA的方法(即，上面的方法(1))的一个具体实施例是，间歇地向笔直传热管的外表面涂敷催化剂涂料和电解质组分，同时避免无MEA部分(即，间歇涂敷)。同样，首先在整个传热管的外表面上形成MEA，然后从无MEA部分去除MEA的方法(即，上面的方法(2))的其它具体实施例包括，只将无MEA部分浸泡在溶液中，以从那些部分溶解掉和去除MEA，或者只将激光束集中在无MEA部分上，以从那些部分熔化和去除MEA。另外，上面方法(2)的另一具体实施例是预先对无MEA部分进行防水处理，该防水处理使得MEA难以形成，然后通过使用高压等清洗他们以去除那些部分处的MEA。当这里使用间歇涂敷方法时，可预先将遮蔽构件涂敷到无MEA部分上，然后在间歇涂敷之后去除。

当在本发明的制造方法中使用遮蔽构件时，只要它们阻止催化剂涂料和电解质组分粘附到热导管的外表面上，就不特别限制遮蔽构件的材料和遮蔽的方式。遮蔽构件由其制作的材料的具体实施例包括聚乙烯树脂、聚丙烯树脂、和两者的混合物。

在上述实施例中，给出一个例子，其中MEA形成在具有孔和槽的传热管的外侧上，并且所述MEA包括中空内侧催化剂层、中空电解质薄膜、以及与传热管轴心大致相同的中空外侧催化剂层。但是，本发明的模块不限于此。也就是说，本发明的模块可选地可包括弯曲体，其中，例如，由线材形成的多个内部集电器布置成接触以反复S形形成的传热管的笔直部分的外表面，其上形成有内侧催化剂层的多个线材布置(设置)在内连接器的外侧上，并以在线材的具有内侧催化剂层的外侧上顺序形成电解质薄膜和外侧催化剂层。通过该结构，只要传热管为S形，那么就可减少密封部分的数目，使得既能提供具有改善的密封可靠性的管状燃料电池模块，又能提供该管状燃料电池模块的制造方法。

图8为示意性地示出根据本发明第三实施例的管状燃料电池模块的一部分的外视图。如图中所示，根据本发明第三实施例的模块300包括多个管状燃料电池单元31、和布置成接触所述多个管状燃料电池单元31的外周表面的传热管32。所述传热管32通过弯曲单根直管形成弯曲部分32c而形成，所以包括第一笔直部分32a、第二笔直部分32b、及将第一笔直部分32a与第二笔直部分32b连接的弯曲部分32c，其中所述直管的基础材料为铅-钛覆层材料。传热管32的入口32x和出口32y位于附图的上侧，并形成为使得其开口的方向与第一笔直部分32a和第二笔直部分32b的轴向方向成90度。根据第三实施例的传热管31还用作外部集电器。

因此，在根据该实施例的模块300中，传热管32的入口32x和出口32y都位于附图的上侧。结果，在反应气体与流过传热管32(将在后面描述)的加热/冷却介质之间提供密封的密封部分只需形成在管状电池31处于图中上侧的端部处，这使得能够简化密封结构。此外，因为传热管32的入口和出口只限于入口32x和出口32y，所以设在加热/冷却介质与反应气体扩散区域之间的密封部分只需布置在入口32x和出口32y附近，从而能够更加地简化密封结构。另外，传热管32的入口32x和出口32y都面向外侧，所以入口32x和出口32y的开口方向与管状电池31的轴向方向交叉。结果，可形成在加热/冷却介质与反应气体之间提供密封的密封部分，使得密封部分的垂线沿着不同于管状电池31的轴向方向的方向延伸，这能够减少沿管状电池31的轴向方向形成的密封部分的数目。以这种方式简化密封结构提高了模块300中密封的可靠性。

图9A和图9B为分别示意性地示出根据本发明第三实施例的模块中的密封部分和所述模块中密封部分的结构实例的截面图。图9A示出了根据本发明第三实施例的模块中设置的仅一部分密封部分(密封部件)、管状电池和传热管的放大图。图中，传热管示出为具有三个弯曲部分，但是本发明模块中设置的传热管不限于该结构。另一方面，图9B示出了所述模块的结构以及所述模块的密封部分的结构，其中所述模块设有数目与图9A中所示传热管的笔直部分的数目相同的笔直传热管。在图9A和9B中，模块的与图8中所示相同的那些组成元件由与图8相同的附图标记表示，并省略其描述。同样，在图9A和9B中，省略了用于氢、空气(氧)和水的进口和出口，并且着重示出了氢扩散区域与空气(氧)扩散区域之间，即反应气体扩散区域和围绕传热管布置的密封部分之间设置的密封部分。图9A和图9B中的直线箭头指向传热管内加热/冷却介质流动的方向。

如图9A中所示，根据本发明第三实施例的模块300包括传热管32和布置在传热管32的外周表面上的多个管状电池31。所述传热管32通过弯曲单根直管形成弯曲部分32c而形成，其中所述直管的基础材料为Cu-Ti覆层材料。因此，传热管32包括第一笔直部分32a、第二笔直部分32b、及将第一笔直部分32a与第二笔直部分32b连接的弯曲部分32c。图中的模块300构造成中间部分为氧扩散区域37，并且两端部分为氢扩散区域36。在氧扩散区域37与每个氢扩散区域36之间设置密封部分35a，并且绕着传热管32的入口32x和出口32y形成密封部分35b。因此，第三实施例的模块300使得能够通过仅在传热管32的入口32x和出口32y处绕着传热管32形成密封部分3 5b密封氢扩散区域。

相反，图9B中所示所述模块90包括笔直传热管33和布置在传热管33的外周表面上的管状电池31。与图9A中所示的模块300相类似，图9B中的模块90构造成中间部分为氧扩散区域37，两端部分为氢扩散区域36，在氧扩散区域37与两个氢扩散区域36之间布置密封部分35a，在氢扩散区域36内绕着传热管33布置密封部分395b。在所述模块90中，当传热管33的数目为“t”时，传热管33穿过两个密封部分395b的位置的数目必为“2t”，所以传热管33穿过两个密封部分395b的位置的数目依据传热管33的数目增加。

如图9A和9B中所示，根据本发明第三实施例的模块300的传热管32以反复S形来回缠绕而成，这减少了传热管32穿过密封部分35b的位置的数目，从而提高了密封的可靠性，并使模块300能够制得更小，并且提高模块300的输出密度。

在上面第三实施例中，传热管的入口和出口相对于沿管状电池的轴向方向的中心位于同一侧。但是，本发明的模块中的传热管不限于该结构。可选地，传热管的入口和出口可相对于沿管状电池的轴向方向的中心位于相对侧。然而，相对于沿管状电池的轴向方向的中心将传热管的入口和出口定位于同一侧使得更容易将设在一个模块中的传热管的入口与设在另一模块中的传热管的出口相连接。

同样，在第三实施例中，传热管形成为使得第一笔直部分、第二笔直部分和弯曲部分位于水平面内，并且当从所述水平面的上方观看时，传热管的入口和出口形成为面向传热管的第一和第二笔直部分的在与轴向方向相交的方向上(即，更具体地，在与其轴向方向大致垂直的方向上)的外侧(见图8、9A和9B)。但是，传热管不限于该结构。图10示出了本发明的模块中的传热管如何布置的另一实施例。

图10为示意性地示出根据本发明第四实施例的模块的密封部分的示例结构的截面图。该图仅放大地示出了一部分的密封部分、管状电池和传热管。对应于图9A的图10将传热管示出为具有三个弯曲部分，但设在本发明的模块内的传热管不限于该结构。在图10中，模块的与图9A中所示的相同的那些组成元件由与图9A中相同的附图标记表示，并省略其描述。同样，在图10中，省略了用于氢、空气和水的进口和出口，并且着重示出布置在在氢扩散区域与空气(氧)扩散区域之间的密封部分，以及绕着传热管设置的密封部分。图10中的直线箭头指向传热管内加热/冷却介质流动的方向。

如图10中所示，根据本发明第四实施例的模块400包括传热管32’和布置在传热管32’的外周表面上的多个管状电池31。所述传热管32’通过弯曲单根直管形成弯曲部分32c而形成，因此包括第一笔直部分32a、第二笔直部分32b、及将第一笔直部分32a与第二笔直部分32b连接的弯曲部分32c，其中所述直管的基础材料为Cu-Ti覆层材料。图中的模块400构造成中间部分为氧扩散区域37，并且两端部分为氢扩散区域36。在氧扩散区域37与每个氢扩散区域36之间设置密封部分35a，并且绕着传热管32’的入口32x和出口32y形成密封部分35b’。因此，即使在模块400中，其中传热管32’的入口32x和出口32y开口的方向与第一笔直部分32a和第二笔直部分32b的轴向方向相同，传热管32’的入口32x与出口32y之间的密封部分35b’的长度也能够比传统的要大。结果，可减少传热管32’穿过密封部分35b’的位置的数目，所以可简化密封结构。也就是说，根据本发明第四实施例的模块400的传热管穿过密封部分的位置比所述模块更少，这不仅提高了密封的可靠性，还能够将模块制得更小，并提高了模块的输出密度。

图11示出了根据上述第三或第四实施例的模块的制造过程的简例。在本发明的模块中，可提供传热管，所述传热管仅用于选择性地加热和冷却管状电池(即，调节其温度)，但通过减少组成部件的数目，可使得更加容易将模块制得更小，所提供的传热管还可用作外部集电器，如上所述。当传热管还这样用作外部集电器时，传热管的接触加热/冷却介质的表面(例如，内表面)可覆有绝缘材料，以防止电泄漏。下面，描述设有还用作外部集电器的传热管的模块的制造过程的实例。

根据上述第三或第四实施例的模块设有传热管和设置在传热管外周表面上的多个管状电池。因此，必须在制造模块时制成管状电池。设在管状电池中的电解质薄膜的构成材料可为如含氟离子交换树脂。同样，催化剂层的构成材料可为如含氟离子交换树脂与炭基铂的混合物。然后，例如，通过在内部集电器的表面上形成催化剂层来制作管状电池，其中，在Cu-Ti覆层材料的外周表面中形成用于允许反应气体流动的空间(例如，槽)。通过涂敷催化剂涂料，然后使催化剂涂料变干，从而形成催化剂层，所述催化剂涂料中催化剂例如碳基铂散布在含有含氟离子交换树脂等的溶液中，所述含氟离子交换树脂使用有机溶剂溶解。然后，通过向催化剂层的表面涂敷含氟离子交换树脂等，再使其变干，从而形成电解质薄膜，其中含氟离子交换树脂等已经使用有机溶剂溶解。然后，通过向电解质薄膜的表面涂敷催化剂涂料并使其变干，从而形成催化剂层。因此，在内部集电器的外周表面上制成包括催化剂层、电解质薄膜和另一催化剂层的MEA。这样，制成了布置在传热管的外周表面上的管状电池(步骤S10；管状电池制作过程)。

一旦通过上述方法已经制造了管状电池，那么，例如，在笔直传热管的外周表面上以能够形成弯曲部分的间隔布置(即，固定)多个管状电池(步骤S20；管状电池布置过程)。一旦已经在传热管的外周表面上以预定间隔布置了多个管状电池，就通过将传热管在未布置管状电池的位置依次地弯曲而形成反复的S形(步骤S30；弯曲部分形成过程)。然后，形成将氢与空气(氧)分离的密封部分，同时形成传热管的入口和出口附近的密封部分(步骤S40；密封部分形成过程)。在步骤S40完成之后，可通过将根据步骤S10至S40制造的制品放入预定的壳体内而制造本发明的该实施例内的模块。

在上述实施例中，给出设有由Cu-Ti覆层材料制成的传热管的模块作为实例，但本发明的传热管的构成材料不限于此。例如，在本发明的模块中使用的传热管的构成材料可为Au或Pt等来替代Cu-Ti覆层材料。

另外，在前面的描述中，具有第一笔直部分、第二笔直部分和弯曲部分的传热管通过弯曲单根直管来形成弯曲部分而制成。但是，本发明的传热管不限于此。例如，本发明的传热管还可通过将U形管与直管连接来形成。尽管具有这种结构的传热管也能够减少氢扩散区域与加热/冷却介质之间的密封部分的数目和/或传热管穿过密封部分的位置的数目，但是它在制造期间还需要将直管连接到U形管的过程。因此，从提高可加工性的观点来看，当制造本发明的模块时，优选通过弯曲笔直传热管来形成弯曲部分。流过设在本发明模块内的传热管的加热/冷却介质当冷却管状电池时可为如冷却水、乙二醇、或两者的混合物，并且当加热管状电池时可为热水等。

在上述第三实施例中(见图8)，绕着传热管的每个笔直部分设置有六个管状电池，但是本发明不限于此。也就是说，绕着笔直部分设置的管状电池的数目可为考虑了各种因素(例如，反应气体的扩散性和管状电池的冷却效率)时的适当的数目。

同样，设在本发明模块内的密封部分的构成材料可为例如热固树脂例如环氧树脂，或者通过混合两种液体变硬的粘合剂例如耐热环氧基双液热固粘合剂等。

另外，在上述实施例中，描述了一模块，其中空气(氧)扩散区域布置在管状电池的中间部分中，并且氢扩散区域布置在空气扩散区域的两端部分处。但是，本发明不限于此。可选地，氢扩散区域可布置在中间部分中，并且氧扩散区域可布置在两端部分处。

尽管已经参考其具体实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于具体实施例或构造。相反，本发明旨在覆盖了各种变形和等效的布置。另外，尽管以各种组合和结构示出了实施例的示例性的各种元件，但是在本发明的实质和范围内还可有其它组合和结构，包括更多的、更少的或者只有单个元件。

Claims (18)

1.一种管状燃料电池模块，所述管状燃料电池模块设有管状燃料电池的管状电池和传热管，选择性地加热和冷却所述管状电池的加热/冷却介质流过所述传热管，其特征在于：

所述传热管包括第一笔直部分、第二笔直部分和弯曲部分，所述弯曲部分将所述第一笔直部分与所述第二笔直部分连接；并且

所述管状电池的至少一部分布置在所述第一笔直部分和所述第二笔直部分中的至少一个笔直部分上。

2.如权利要求1所述的管状燃料电池模块，其中所述管状电池包括中空MEA，并且

所述MEA布置在所述第一笔直部分的外周表面和所述第二笔直部分的外周表面中的至少一个外周表面上。

3.如权利要求2所述的管状燃料电池模块，其中所述传热管用作内部集电器，并且所述MEA的内周表面接触所述第一笔直部分的所述外周表面和所述第二笔直部分的所述外周表面中的所述至少一个外周表面。

4.如权利要求1所述的管状燃料电池模块，其中所述第一笔直部分和所述第二笔直部分中的至少一个笔直部分的外周表面接触所述管状电池的外周表面。

5.如权利要求4所述的管状燃料电池模块，其中所述传热管用作外部集电器。

6.如权利要求1至5中任一项所述的管状燃料电池模块，其中通过弯曲单个传热管形成所述第一笔直部分、所述第二笔直部分和所述弯曲部分。

7.如权利要求1至6中任一项所述的管状燃料电池模块，其中所述传热管的入口和出口相对于所述管状电池的沿轴向方向的中心位于同一侧。

8.如权利要求1至7中任一项所述的管状燃料电池模块，其中所述管状电池包括多个管状电池，

每个管状电池的至少一部分布置在所述第一笔直部分和所述第二笔直部分中的一个上，并且

所述多个管状电池中的至少一个布置在所述第一笔直部分和所述第二笔直部分中的每一个上。

9.如权利要求1至3中任一项所述的管状燃料电池模块，其中所述第一笔直部分和所述第二笔直部分布置在水平面上，并且当从所述水平面上方观看时，所述传热管的入口和出口形成为面向所述第一笔直部分和所述第二笔直部分中的至少一个笔直部分的在与轴向方向相交的方向上的外侧。

10.如权利要求1至9中任一项所述的管状燃料电池模块，其中所述第一笔直部分、所述第二笔直部分和所述弯曲部分布置在一个平面内，并且所述第一笔直部分与所述第二笔直部分彼此大致平行地布置。

11.如权利要求1至7中任一项所述的管状燃料电池模块，其中所述第一笔直部分、所述第二笔直部分和所述弯曲部分分别包括多个第一笔直部分、多个第二笔直部分和多个弯曲部分，并且

所述多个第一笔直部分、所述多个第二笔直部分和所述多个弯曲部分形成为大体圆柱形形状。

12.如权利要求2或3中的一项所述的管状燃料电池模块，其中所述传热管包括在所述传热管的外表面上的反应气体流动通道，用于在所述MEA内侧扩散反应气体。

13.一种管状燃料电池模块的制造方法，所述管状燃料电池模块设有至少一个中空MEA和传热管，选择性地加热和冷却所述MEA的加热/冷却介质流过所述传热管，该制造方法包括：

在笔直管状构件周围形成所述MEA；和

通过弯曲所述笔直管状构件形成传热管，所述传热管包括第一笔直部分、第二笔直部分和弯曲部分，所述弯曲部分将所述第一笔直部分与所述第二笔直部分连接，

其中以距离与至少所述弯曲部分的长度对应的间隔依次形成所述MEA。

14.一种管状燃料电池模块的制造方法，所述管状燃料电池模块设有至少一个中空MEA和传热管，选择性地加热和冷却所述MEA的加热/冷却介质流过所述传热管，该制造方法包括：

在笔直管状构件周围形成所述MEA；

通过弯曲所述笔直管状构件形成传热管，所述传热管包括第一笔直部分、第二笔直部分和弯曲部分，所述弯曲部分将所述第一笔直部分与所述第二笔直部分连接；和

去除至少在所述弯曲部分周围形成的所述MEA。

15.如权利要求1至12中任一项所述的管状燃料电池模块，其中所述第一笔直部分和所述第二笔直部分分别包括多个第一笔直部分和多个第二笔直部分，所述管状燃料电池模块还包括：

在反应气体与所述加热/冷却介质之间密封的密封部分，其中所述传热管穿过所述密封部分的位置的数目小于所述多个第一笔直部分的数目与所述多个第二笔直部分的数目的和。

16.一种管状燃料电池模块，包括：

管状燃料电池的管状电池；和

传热管，选择性地加热和冷却所述管状电池的加热/冷却介质流过所述传热管，所述传热管包括第一笔直部分、第二笔直部分和弯曲部分，所述弯曲部分将所述第一笔直部分与所述第二笔直部分连接，其中

所述管状电池的至少一部分布置在所述第一笔直部分和所述第二笔直部分中的至少一个笔直部分上。

17.一种管状燃料电池模块，包括：

中空MEA；和

传热管，选择性地加热和冷却所述MEA的加热/冷却介质流过所述传热管，所述传热管包括第一笔直部分、第二笔直部分和弯曲部分，所述弯曲部分将所述第一笔直部分与所述第二笔直部分连接，其中

所述MEA布置在所述第一笔直部分的外周表面和所述第二笔直部分的外周表面中的至少一个外周表面上。

18.一种管状燃料电池模块，包括：

管状燃料电池的管状电池；和

传热管，选择性地加热和冷却所述管状电池的加热/冷却介质流过所述传热管，所述传热管包括第一笔直部分、第二笔直部分和弯曲部分，所述弯曲部分将所述第一笔直部分与所述第二笔直部分连接，其中

所述管状电池的外周表面接触所述第一笔直部分和所述第二笔直部分中的至少一个笔直部分的外周表面。

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