CN101305488A - 管形燃料电池模块及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种管形燃料电池模块(20)，包括：多个管形燃料电池单体(2)，所述多个管形燃料电池单体(2)中的每个管形燃料电池单体(2)从内侧起依次具有内部集电器、内侧催化剂电极层、固体电解质薄膜和外侧催化剂电极层；以及外部集电器(1)，所述外部集电器(1)从所述管形燃料电池单体(2)收集电力。所述外部集电器(1)具有波纹板结构，在所述波纹板结构中，凸部和凹部连续地交替。所述多个管形燃料电池单体(2)与所述外部集电器(1)的所述凹部的沿着所述管形燃料电池单体(2)的整个长度的表面接触。

Description

管形燃料电池模块及其制造方法
技术领域
本发明涉及具有优良电力集电效率的管形燃料电池模块以及该管形燃料电池模块的制造方法。
背景技术
作为具有平板构造的固体聚合物电解质燃料电池(在下面还简称为“平板燃料电池”)的最小发电单元的单体电池具有薄膜电极组件(MEA)，其中催化剂电极层被联接到固体电解质薄膜的两侧、布置在该薄膜电极组件两侧上的气体扩散层和布置在气体扩散层的外侧上的分离器。
为了减小平板燃料电池的尺寸并且提高单位体积的发电反应面积，应该使得形成平板燃料电池的固体电解质薄膜等较薄。然而，考虑到功能和强度，每一个结构部件仅仅能够根据需要被制造得这么薄并且这种薄的平板燃料电池的设计达到其极限。因此，近年来，已经研制出管形燃料电池以取代平板燃料电池。
作为管形燃料电池最小发电单元的单体电池(即，管形燃料电池单体)具有中空膜电极组件(MEA)，它包括例如中空固体电解质薄膜、布置在固体电解质薄膜内侧上的内侧催化剂电极层和布置在固体电解质层外侧上的外侧催化剂电极层。而且，内部集电器被布置在内侧催化剂电极层的内侧上并且外部集电器被布置在外侧催化剂电极层的外侧上。即，按照从内侧到外侧的顺序，典型的管形燃料电池单体具有内部集电器、内侧催化剂电极层、固体电解质薄膜、外侧催化剂电极层和外部集电器。
在这种管形燃料电池单体中，利用通过向中空膜电极组件供应两种反应气体中的一种，或者是含有氧的气体或者是含有氢的气体，并且向中空膜电极组件的外部供应另一种反应气体而发生的电化学反应产生电能。当布置这些管形燃料电池单体的多个单体以形成管形燃料电池时，供应到每一个膜电极组件的外部的反应气体是相同的，所以不再存在对于设于传统平板燃料电池中的分离器的任何需要，由此能够有效地使得燃料电池更小。
然而，为了进一步改进管形燃料电池的发电性能，当提取在每一个管形燃料电池单体中产生的电能时需要提高效率(即，电力集电效率)。通过例如使得集电部件接触该多个管形燃料电池单体可以提高这种电力集电效率。
过去，已经描述了旨在改善管形燃料电池的电力集电效率的各种技术。例如，日本专利申请特开JP-A-2004-288542描述了与一种燃料电池系统有关的技术，该燃料电池系统设有通过经由单体连接导电部件而被连接到一起的多个管形燃料电池单体形成的单体组件和被电连接到该单体组件的电极连接导电部件形成。因此该技术能够提供具有稳定发电性能的燃料电池，这是因为具有电力收集功能的单体连接导电部件保持与电极连接导电部件接触。同样，日本专利申请特开平JP-A-8-162142描述了与设有多个管形燃料电池单体和挡板的固体氧化物燃料电池有关的技术。该技术能够提供具有改进的发电性能的固体氧化物燃料电池。
然而，关于在日本专利申请特开JP-A-2004-288542中描述的技术，在电力能够到达电极连接导电部件之前，电力应该首先流经单体连接导电部件和每一个管形燃料电池单体。结果，连接电阻较大，这降低了电力集电效率。同样关于在日本专利申请特开平JP-A-8-162142中描述的技术，也难以改善电力集电效率。
发明内容
本发明因此主要目的在于提供一种具有优良电力集电效率的管形燃料电池模块。
因此本发明的第一方面涉及一种管形燃料电池模块，包括：多个管形燃料电池单体，所述多个管形燃料电池单体中的每个管形燃料电池单体从内侧起依次具有内部集电器、内侧催化剂电极层、固体电解质薄膜和外侧催化剂电极层；以及外部集电器，所述外部集电器从所述管形燃料电池单体收集电力，其特征在于，所述外部集电器具有波纹板结构，在所述波纹板结构中，凸部和凹部在一个方向上重复地交替，并且所述波纹板结构在与所述一个方向垂直的方向上延伸；并且所述管形燃料电池模块包括至少一个单体-集电器单元，所述至少一个单体-集电器单元具有所述外部集电器以及与所述外部集电器的所述凹部的沿着所述管形燃料电池单体的整个长度的表面接触的所述多个管形燃料电池单体。关于该外部集电器，凹部和凸部中的至少一个在所述一个方向上的截面形状可由连续光滑的曲线形成。而且，凹部和凸部中的至少一个在所述一个方向上的截面形状可由具有至少一个弯曲部分的多个连续片段形成。
根据本发明的该第一方面，该外部集电器具有波纹板结构，所以外部集电器以增加的接触面积接触管形燃料电池单体的表面，从而能够获得具有优良集电效率的管形燃料电池模块。此外，在本发明的第一方面中，该管形燃料电池单体在管形燃料电池单体的整个长度上接触外部集电器的凹部的表面。因此，该管形燃料电池模块具有比例如仅仅管形燃料电池单体的端部接触外部集电器的管形燃料电池模块大的集电效率。而且，当通过将多个单体-集电器单元堆叠到一起制成管形燃料电池模块时，通常在单体-集电器单元被堆叠的方向上施加压力以增加在外部集电器和管形燃料电池单体之间的表面压力。因为外部集电器具有波纹板结构，它在此时类似于弹簧在与堆叠方向垂直的方向上膨胀。以此方式，外部集电器柔性变形，这使得能够将均匀压力施加到每一个管形燃料电池单体，由此提高集电效率。进而，当制造根据本发明的该第一方面的管形燃料电池模块时，如果外部集电器已经具有波纹板结构，则能够容易地定位管形燃料电池单体。
在上述第一方面中，单体-集电器单元可被堆叠成2到24层，其中包括2层和24层。这个数目使得能够获得更多实际电能量。任何更多的层将使得难以简化密封结构。
而且，在上述第一方面中，单体-集电器单元可包括冷却管道。提供冷却管道使得能够抑制燃料电池由于过热而降低性能。
而且，在上述第一方面中，对于一个单体-集电器单元，冷却管道可具有一个冷却剂供应口和一个冷却剂排出口。使用具有这种结构的冷却管道简化了固定冷却管道的冷却管道密封部分的结构。
而且，在上述第一方面中，该冷却管道可与所述单体-集电器单元的所述管形燃料电池单体中的至少一个管形燃料电池单体从所述至少一个管形燃料电池单体的一个端部到另一个端部接触。这种结构使得能够更加有效地冷却管形燃料电池单体。
而且，在上述第一方面中，所述冷却管道的冷却剂供应方向和冷却剂排出方向中的至少一个方向可以是当从上方观察时与所述管形燃料电池单体的轴向方向不同的方向。根据该结构，固定管形燃料电池单体的密封部分和固定冷却管道的冷却管道密封部分被布置在不同的位置中，由此防止密封结构多层和复杂。
本发明的第一方面因此通过使用具有波纹板形状的外部集电器而能够获得具有优良集电效率的管形燃料电池。
本发明的第二方面涉及一种管形燃料电池模块的制造方法，所述管形燃料电池模块包括：多个管形燃料电池单体，所述多个管形燃料电池单体中的每个管形燃料电池单体从内侧起依次具有内部集电器、内侧催化剂电极层、固体电解质薄膜和外侧催化剂电极层；以及外部集电器，所述外部集电器从所述管形燃料电池单体收集电力。该制造方法包括以下步骤：在所述外部集电器上形成包括凹部和凸部的波纹形状；在外部集电器的凹形形状中布置管形燃料电池单体；通过在中间本体上布置冷却管道而制成单体-集电器单元，在该中间本体中，在外部集电器的凹形形状中布置管形燃料电池单体；和通过将多个所述单体-集电器单元堆叠在一起而制作所述管形燃料电池模块。
本发明的第二方面因此通过使用具有波纹板形状的外部集电器而能够实现具有优良集电效率的管形燃料电池。
附图说明
通过在下面参考附图对优选实施例的说明，本发明前面的和其它的目的、特征和优点将变得明显，其中相似的数字被用于表示相似的元件并且其中：
图1是用于本发明一个示例实施例中的外部集电器的透视图；
图2是用于本发明的示例实施例中的单体-集电器单元的透视图；
图3是用于本发明的示例实施例中的管形燃料电池模块的透视图；
图4是概略地示出堆叠的单体-集电器单元的截面视图；
图5是示出冷却管道的布置的透视图；
图6是概略地示出冷却管道的布置的截面视图；和
图7是示意冷却剂供应的方向和冷却剂排放的方向的透视图。
具体实施方式
在下面，将详细描述根据本发明一个示例实施例的管形燃料电池模块。
首先，将参考附图描述根据该示例实施例的管形燃料电池模块的各种结构。图1是用于该示例实施例中的外部集电器的透视图。外部集电器1具有连续交替凸部和凹部的波纹结构。因为外部集电器具有该波纹板结构，所以外部集电器和管形燃料电池单体的表面以增加的接触面积相互接触。该增加的接触面积因此使得能够获得具有优良电力集电效率的管形燃料电池模块。
而且，图2是用于本发明的该示例实施例中的单体-集电器单元的透视图。单体-集电器单元10包括外部集电器1和多个管形燃料电池单体2，所述多个管形燃料电池单体2沿着它们的整个长度接触外部集电器1的表面凹部的。该单体-集电器单元10可包括冷却管道3，这使得能够抑制燃料电池由于过热而降低性能。虽然未示出，从内侧开始，每一个管形燃料电池单体2具有内部集电器、内侧催化剂电极层、固体电解质薄膜和外侧催化剂电极层。
而且，图3是用于本发明的该示例实施例中的管形燃料电池模块的透视图。示于图3中的管形燃料电池模块20具有三层的堆叠单体-集电器单元10。虽然未示于图中，具有波纹板形状的外部集电器通常被布置在最上面的单体-集电器单元10的表面上。在下面，将详细描述用于本发明的该示例实施例中的管形燃料电池模块的每一种结构。
1.外部集电器
首先，将描述用于本发明的该示例实施例中的外部集电器。该外部集电器用于提取管形燃料电池单体产生的电能，这将在以后描述。该外部集电器具有连续交替的凸部和凹部的波纹板结构。而且，外部集电器的尺寸使得管形燃料电池单体沿着管形电池单体的基本上整个长度接触凹部。在该情形中的短语“基本上整个长度”指的是在管形燃料电池单体的长度的80到100％之间。
外部集电器的凸部和凹部的尺寸根据所用管形燃料电池单体的尺寸等而不同，但是不被特别地限制。在该示例实施例中，当该多个单体-集电器单元被堆叠时，如图4所示，单体-集电器单元10a的管形燃料电池单体2a接触相邻单体-集电器单元10b的外部集电器1b的表面。该结构增加了在管形燃料电池单体和外部集电器之间的接触面积，由此进一步提高了集电效率。
而且，通过如上所述地向中空膜电极组件(MEA)的内侧和外侧供应反应气体，该管形燃料电池单体产生电能。因此，被布置在膜电极组件的外侧上的前面的外部集电器通常具有反应气体通孔。具有这种反应气体通孔的外部集电器不被特别地限制，只要它允许反应气体接触外侧催化剂电极层。更特别地，外部集电器的反应气体通孔可为狭缝形状或者圆形。可例如通过将所谓的冲压金属加工成波纹板形状而获得具有圆形反应气体通孔的外部集电器。
外部集电器的材料也不被特别地限制，只要它是导电的。该材料也可是高度耐腐蚀的。更特别地，外部集电器的材料可例如为镀有钛或者金或者铂或者钽的材料，或者已经涂布有钛或者钛合金的覆钛材料，或者已经涂布有碳等的涂碳材料。
而且，外部集电器的厚度可例如在0.05到2mm的范围内，包括0.05和2mm，并且更具体地，在0.1到0.3mm的范围内，包括0.1和0.3mm，但是不被特别地限制。如果外部集电器太薄，则管形燃料电池模块可能不具有足够的机械强度，并且内阻将增加。在另一方面，如果外部集电器太厚，则管形燃料电池模块将变得更大。
2.管形燃料电池单体
用于该示例实施例中的管形燃料电池单体每一个从内侧开始均具有内部集电器、内侧催化剂电极层、固体电解质薄膜和外侧催化剂电极层。
内部集电器不被特别地限制，只要它是导电的，允许反应气体沿着管形燃料电池单体的轴向方向通过它，并且允许反应气体接触内侧催化剂电极层。更特别地，内部集电器可例如为在其表面中形成气体流路凹槽的柱形集电器、多根为直线的导线织入的集电器等。
进一步，内侧催化剂电极层、外侧催化剂电极层和固体电解质薄膜也不被特别地限制。可以使用与用于典型管形燃料电池中的那些部件相同的部件。
管形燃料电池单体的外径例如根据该本发明的管形燃料电池模块的尺寸和使用而不同并且可在0.5到3mm的范围内，包括0.5和3mm，但是它们不被特别地限制。管形燃料电池单体的长度可在30到600mm的范围内，包括30和600mm，但是它们也不被特别地限制。而且，当必要时，管形燃料电池单体可例如在内部集电器和内侧催化剂电极层之间和/或在外侧催化剂电极层的外侧上具有防水层。
3.单体-集电器单元
单体-集电器单元包括外部集电器和多个管形燃料电池单体，所述多个管形燃料电池单体沿着它们的整个长度接触外部集电器的凹部的表面。在该示例实施例中，该外部集电器具有波纹板结构，所以通常管形燃料电池单体沿着外部集电器的凹部平行地布置。
而且，在该示例实施例中，单体-集电器单元可包括冷却管道，这使得能够抑制燃料电池由于过热而降低性能。
而且，在该示例实施例中，其中设置冷却管道的每一个单体-集电器单元具有仅仅一个冷却剂供应口和一个冷却剂排出口。使用具有这种结构的冷却管道使得能够简化固定冷却管道的密封结构。而且，当设置仅仅一个冷却管道进口和仅仅一个冷却管道出口时，冷却管道可具有从进口向出口延伸的分支结构或者为单一管道。然而，当冷却管道是单一管道时，更加易于布置冷却管道。
而且，其中布置冷却管道的模式可以是在冷却管道和管形燃料电池单体之间具有大的接触面积的一种模式，这将能够更加有效地冷却管形燃料电池单体，但是它不被特别地限制。在该示例实施例中，冷却管道可从一个端部到另一个端部接触单体-集电器单元的管形燃料电池单体中的至少一个单体。在图5中，冷却管道3从一个端部到另一个端部接触管形燃料电池单体2。在该情形中的“端部”不仅严格地指管形燃料电池单体的端部而且还指包括朝向端部的内侧延伸的相邻区域的部分。更特别地，“端部”指从管形燃料电池单体的端部延伸到达管形燃料电池的长度的10％的位置处的部分。而且，冷却管道可从一个端部到另一个端部接触单体-集电器单元的所有管形燃料电池单体。上述示于图2中的单体-集电器单元是这种单体-集电器单元的一个示例。
而且，其中布置冷却管道的模式可以是当堆叠单体-集电器单元以形成管形燃料电池模块时不增加管形燃料电池模块的厚度的一种模式。更特别地，冷却管道3被布置在外部集电器1和管形燃料电池单体2之间的间隙中，如图6所示。图6是例如示于图3中的管形燃料电池模块的一部分的截面的概略视图。
而且，在该示例实施例中，冷却管道的冷却剂供应方向和冷却管道的冷却剂排放方向中的至少一个方向是当从上方观察时不同于管形燃料电池单体的轴向方向的方向。固定管形燃料电池单体的密封部分和固定冷却管道的冷却管道密封部分被布置在不同的位置中，由此防止该密封结构分层和变得复杂。冷却管道的冷却剂供应方向是将冷却剂供应源连接到单体-集电器单元的冷却管道的方向并且紧邻单体-集电器单元侧。而且，冷却管道的冷却剂排放方向是将单体-集电器单元连接到冷却剂排放点的冷却管道的方向并且紧邻单体-集电器单元侧。
在该示例实施例中，冷却管道的冷却剂供应方向和冷却剂排放方向是当从上方观察时不同于管形燃料电池单体的轴向方向的方向。而且，在冷却剂供应方向和管形燃料电池单体轴向方向之间的角度可以是直角但是不被特别地限制。对于在供应排放方向和管形燃料电池单体的轴向方向之间的角度也是如此。
图7示出具有这种冷却管道的单体-集电器单元的一个特殊示例。在该示例中，冷却管道3的冷却剂供应方向A和冷却剂供应方向B均是当从上方观察时不同于管形燃料电池单体2的轴向方向X的方向。
而且，冷却管道的材料可以是高度耐腐蚀的，但是不被特别地限制。更特别地，可以使用镀有钛或者金或者铂或者钽的材料，或者已经涂布有钛或者钛合金的覆钛材料，或者已经涂布有碳等的涂碳材料。冷却管道的外径根据例如管形燃料电池单体的尺寸而不同并且可在0.5到2mm的范围内，包括0.5和2mm，但是不被特别地限制。而且，例如流动通过冷却管道的冷却剂可是水。
4.管形燃料电池模块
根据本发明的管形燃料电池模块包括至少一个上述的单体-集电器单元。然而，在该示例实施例中的管形燃料电池模块包括多个单体-集电器单元。在该示例实施例中，一个单体-集电器单元的管形燃料电池单体接触另一个相邻单体-集电器单元的外部集电器的表面，如在上面参考图4所述。该结构增加了在管形燃料电池单体和外部集电器之间的接触面积，由此进一步提高了集电效率。
而且，单体-集电器单元的叠层的数目根据管形燃料电池模块的用途而不同并且不被特别地限制。本发明的管形燃料电池模块可具有2到24层的堆叠单体-集电器单元。这个数目使得能够获得更多实用量的电能。多于该数目的任何数目可使得难以简化密封结构。更具体地，管形燃料电池模块可具有3到6层，包括3和6层，这使得能够获得更多实用量的电能，同时使得更加容易地简化密封结构。
5.管形燃料电池模块的制造方法
该示例实施例的管形燃料电池模块的制造方法不被特别地限制，只要它使得能够获得上述的管形燃料电池。例如可以使用这样一种方法，包括首先通过预先制备具有波纹板结构的外部集电器而制造单体-集电器单元，在该外部集电器的凹部中布置管形燃料电池单体，并且当必要时布置冷却管道，然后将多个这些单体-集电器单元堆叠到一起并且沿着堆叠方向向它们施加压力。
虽然已经参考其示例实施例描述了本发明，但是应该理解本发明不限于该示例实施例或者构造。相反，本发明旨在涵盖各种修改和等价布置。另外，虽然以示例性的各种组合和构造示出该示例实施例的各种元件，但是其它组合和构造，包括更多、更少或者仅仅一个元件，也在本发明的精神和范围内。

Claims (14)

1.一种管形燃料电池模块，包括：多个管形燃料电池单体，所述多个管形燃料电池单体中的每个管形燃料电池单体从内侧起依次具有内部集电器、内侧催化剂电极层、固体电解质薄膜和外侧催化剂电极层；以及外部集电器，所述外部集电器从所述管形燃料电池单体收集电力，
其特征在于，所述外部集电器具有波纹板结构，在所述波纹板结构中，凸部和凹部在一个方向上重复地交替，并且所述波纹板结构在与所述一个方向垂直的方向上延伸；并且所述管形燃料电池模块包括至少一个单体-集电器单元，所述至少一个单体-集电器单元具有所述外部集电器以及与所述外部集电器的所述凹部的沿着所述管形燃料电池单体的整个长度的表面接触的所述多个管形燃料电池单体。
2.根据权利要求1的管形燃料电池模块，其中
所述外部集电器的所述凹部和所述外部集电器的所述凸部中的至少一个的在所述一个方向上的截面形状由连续光滑的曲线形成。
3.根据权利要求1的管形燃料电池模块，其中
所述外部集电器的所述凹部和所述外部集电器的所述凸部中的至少一个的在所述一个方向上的截面形状由具有至少一个弯曲部分的多个连续片段形成。
4.根据权利要求1到3中任一项的管形燃料电池模块，其中
所述外部集电器由镀金、镀铂、镀钽或镀钛等的材料制成。
5.根据权利要求1到3中任一项的管形燃料电池模块，其中
所述外部集电器由已用碳涂布的涂碳材料或者用钛或钛合金涂布的包钛材料制成。
6.根据权利要求1到5中任一项的管形燃料电池模块，其中所述单体-集电器单元被堆叠成2到24层，其中包括2层和24层。
7.根据权利要求1到6中任一项的管形燃料电池模块，其中所述单体-集电器单元包括冷却管道。
8.根据权利要求7的管形燃料电池模块，其中对于每一个单体-集电器单元，所述冷却管道具有一个冷却剂供应口和一个冷却剂排出口。
9.根据权利要求7或8的管形燃料电池模块，其中所述冷却管道与所述单体-集电器单元的所述管形燃料电池单体中的至少一个管形燃料电池单体从所述至少一个管形燃料电池单体的一个端部到另一个端部接触。
10.根据权利要求7到9中任一项的管形燃料电池模块，其中所述冷却管道的冷却剂供应方向和冷却剂排出方向中的至少一个方向是当从上方观察时与所述管形燃料电池单体的轴向方向不同的方向。
11.根据权利要求7到10中任一项的管形燃料电池模块，其中所述多个单体-集电器单元被堆叠，
一个单体-集电器单元的所述管形燃料电池单体接触另一相邻单体-集电器单元的外部集电器的表面，并且
所述冷却管道布置在所述外部集电器和所述管形燃料电池单体之间的间隙中。
12.一种管形燃料电池模块，所述管形燃料电池模块由至少一个单体-集电器单元形成，所述管形燃料电池模块包括：
多个管形燃料电池单体，所述多个管形燃料电池单体中的每个管形燃料电池单体从内侧起依次具有内部集电器、内侧催化剂电极层、固体电解质薄膜和外侧催化剂电极层；以及
外部集电器，所述外部集电器从所述管形燃料电池单体收集电力，且具有波纹板结构，在所述波纹板结构中，凸部和凹部在一个方向上重复地交替，并且所述波纹板结构在与所述一个方向垂直的方向延伸，
其中所述单体-集电器单元包括所述外部集电器以及与所述外部集电器的所述凹部的沿着所述管形燃料电池单体的整个长度的表面接触的所述多个管形燃料电池单体。
13.一种管形燃料电池模块的制造方法，所述管形燃料电池模块包括：多个管形燃料电池单体，所述多个管形燃料电池单体中的每个管形燃料电池单体从内侧起依次具有内部集电器、内侧催化剂电极层、固体电解质薄膜和外侧催化剂电极层；以及外部集电器，所述外部集电器从所述管形燃料电池单体收集电力，所述方法包括以下步骤：
在所述外部集电器上形成包括凹部和凸部的波纹形状；
通过将所述管形燃料电池单体布置在所述外部集电器的凹形形状中而制作单体-集电器单元；和
通过将多个所述单体-集电器单元堆叠在一起而制作所述管形燃料电池模块。
14.根据权利要求13的管形燃料电池模块的制造方法，还包括以下步骤：
在将所述管形燃料电池单体布置在所述外部集电器的所述凹形形状中的所述单体-集电器单元上布置冷却管道。
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