CN101305492B - 具有集成导电隔离体和燃料电池模块的管状燃料电池 - Google Patents

Abstract

一种具有导电隔离体和燃料电池模块的管状燃料电池(100)，包括：导电的筒状内电极(30)、以下面顺序层叠在内电极外周面上的第一催化剂层(32)、电解质层(34)、和第二电解质层(36)的叠层、以及缠绕在第二催化剂层外周面上的导电外线圈(38)。该管状燃料电池还包括外直径大于外线圈外直径的导电隔离体(42)。

Description

具有集成导电隔离体和燃料电池模块的管状燃料电池

技术领域

本发明涉及一种管状燃料电池以及一种燃料电池模块，其中集电极还用作燃料电池之间的隔离体。 

背景技术

如沿管道延伸方向截取的图8的截面视图所示，管状燃料电池通常配置为包括内电极10、第一催化剂层12、电解质层14、第二催化剂层16、外线圈18、和树脂密封20。图9为沿图8中的线A-A截取的横截面图。如图9所示，以下述顺序以基本上同轴筒的形式从内部依次层叠内电极10、第一催化剂层12、电解质层14、和第二催化剂层16。 

当将多个这种管状燃料电池安装并组合为模块时，优选以预定间隔放置电池，该间隔使得尽可能均匀地向电池供应燃料气体或者氧化气体以保证优选消除化学反应所产生的热。日本专利公开2002-298877公开了管状燃料电池中的隔离体，其中防止气体密封部分承受负荷，从而减少发生燃料管故障。 

但是除了用于以预定间距维持多个管状燃料电池之间间隔的隔离体以外，常规技术还要求集电线独立连接以建立内电极之间以及组合成模块的多个管状燃料电池中外部线圈之间的并联连接。这样的连接集电线的系统是复杂的，阻碍了产生廉价燃料电池模块。另外，除了隔离体以外有必要为集电器提供电极，这一点妨碍了使燃料电池模块小型化的努力。 

特别是，当几千至数万个直径测量为大约几毫米的超薄管状燃料电池被安装和组合成模块而同时保证几毫米的电池间隔时，应当建立组合成模块的电池之间的电连接，这一点使得高精度的布线技术和大量时间及努力成为必要。因此，所产生的制造燃料电池模块的操作或者过程复杂而困难，从而提高了制造成本。 

发明内容

本发明有利地提供了一种管状燃料电池，其中催化剂和电解质层被层叠在筒状内电极的外表面上，该管状燃料电池还包括导电隔离体。 

特别是，管状燃料电池包括导电的筒状内电极；以下面顺序依次层叠在内电极外表面上的第一催化剂层、电解质层、和第二电解质层的叠层；缠绕在第二催化剂层外周面上的导电外线圈；以及外直径大于外线圈外直径的导电隔离体。换言之，隔离体被设置为其外直径大于管状燃料电池的发电部分的外直径。 

当将隔离体用作集电极以从第二催化剂层收集电流时，该隔离体优选电连接至外部线圈。 

可安装多个这种管状燃料电池从而组成燃料电池模块。即，本发明还提供一种具有多个管状燃料电池的燃料电池模块，其中该多个管状燃料电池以使得隔离体的外周面相互接触的方式设置。 

因为隔离体具有导电性，所以当多个管状燃料电池被组合为模块时，隔离体能够同时用于维持管状燃料电池之间的预定间隔以及提供管状燃料电池之间的电连接。因此，可廉价制造燃料电池模块。 

例如，优选隔离体为形成为具有中空部分的筒状或者多角柱形状的导电元件。可选地，隔离体由导电线圈组成，其被缠绕为外部直径大于外线圈。 

可选地，可缠绕外线圈的一部分以使其外直径大于外线圈的其它部分的外直径，并且所述外线圈的一部分可用作隔离体，其可再次有助于更简单、更廉价地制造隔离体。 

附图说明

图1以横截面图示出了根据本发明实施例的管状燃料电池结构； 

图2为沿图1中线B-B的横截面图，示出了管状燃料电池的结构； 

图3为沿图1中线C-C的横截面图，示出了管状燃料电池的结构； 

图4A为示出本发明实施例中隔离体形状实例的透视图； 

图4B为示出本发明实施例中隔离体形状另一个实例的透视图； 

图4C为示出本发明实施例中隔离体形状另一个实例的透视图； 

图4D为示出本发明实施例中隔离体形状另一个实例的透视图； 

图5以横截面图示出了根据本发明实施例的燃料电池模块的结构； 

图6以横截面图示出了根据本发明实施例的管状燃料电池的变化实例； 

图7以横截面图示出了根据本发明实施例的管状燃料电池的另一种变化实例； 

图8以横截面图示出了常规管状燃料电池的结构；以及 

图9为沿图8中线A-A的横截面图，示出了常规管状燃料电池的结构。 

具体实施方式

下面将描述本发明的优选实施例 

管状燃料电池的结构 

如沿图1中管道延伸方向横切的横截面图所示，根据本发明实施例的管状燃料电池100包括内电极30、第一催化剂层32、电解质层34、第二催化剂层36、外线圈38、树脂密封40、和隔离体42。图2和3示出了沿图1所示出的线B-B和C-C的管状燃料电池100的横截面图。如图2和3所示，管状燃料电池100配置为具有以基本上同轴筒的形式从内部依次层叠的内电极30、第一催化剂层32、电解质层34、和第二催化剂层36。 

如图1至3的截面所示，内电极30为由高导电性材料制成的筒状元件，并被置于管状燃料电池100的中心。采用高导电性材料例如不锈钢、金、银、铜、铝等等形成内电极30。当采用例如不锈钢的材料时，优选通过电 镀等对该材料涂覆优良的耐腐蚀材料，例如金或银，以增强耐蚀性。内电极30的边沿部分被连至电极(未示出)，以从管状燃料电池100向外导出电力。此外，内电极30除边沿部分以外的外周壁被穿出多个孔以供应燃料气体(例如含氧气体或者含有机碳氢化合物的气体)，所述燃料气体经过内电极30的中空部分沿朝向外表面的方向流动。 

第一催化剂层32对应燃料电极。如图1和2的截面图所示形成将在下文详细描述的第一催化剂层32。在将负载催化剂金属例如诸如铂(Pt)的贵金属系列的碳(C)颗粒分散在合适的有机溶剂后，向具有碳颗粒的有机溶剂添加合适量的电解质溶液，以获得浆料形式的混合物。然后，将浆料形式的混合物涂敷在内电极30的除了其边沿部分以外的外表面上，从而形成第一催化剂层32。此时，考虑到允许上面没有穿孔的内电极30的两个边沿部分如图1和3的横截面图所示向外凸出，在内电极30的边沿部分上都不形成第一催化剂层32。在燃料电池工作期间，燃料气体经过内电极30的中空部分送入第一催化剂层32。 

电解质层34具有向空气电极输送在燃料电极产生的质子的功能。考虑对于质子的高导电性和稳定性来选择形成电解质层34的材料。例如，可如图1和2的截面所示，在第一催化剂层32的外周面上涂敷具有砜基团的含氟聚合物或者相似的聚合物，以形成电解质层34。 

第二催化剂层36对应空气电极。可如图1和2的截面图所示形成将在下文详细描述的第二催化剂层36。在将负载催化剂金属例如诸如铂(Pt)的贵金属系列的碳(C)颗粒分散在合适的有机溶剂后，向有机溶剂添加合适量的电解质溶液，以获得浆料形式的混合物。然后，将浆料形式的混合物涂敷在内电极30的除了其边沿部分以外的外周表面上，从而形成第二催化剂层36。在燃料电池工作期间，氧化气体(其为含氧气体，例如空气)被供应至第二催化剂层36。 

外线圈38由高导电性材料制成。采用高导电性材料例如不锈钢、金、银、铜、铝等等制成外线圈38。当采用例如不锈钢的材料时，优选通过电镀对该材料涂敷优良的耐腐蚀材料，例如金或银，以增强耐蚀性。 

如图1和2的截面所示，外线圈38螺旋缠绕在基本上同轴地层叠在内电极30的外表面上的第一催化剂层32、电解质层34、和第二催化剂层36上。特别是，外线圈38被缠绕在第二催化剂层36的外周面上以和第二催化剂层36导电。为增强外线圈38和第二催化剂层36之间的导电性，优选螺旋缠绕外线圈38，同时保持外线圈38的每圈都与相邻的圈绝对接触。尽管在本实施例中如图1所示将外线圈38缠绕为单层，但是可将外线圈38缠绕为两个或者多个重叠层。当外部线圈38设置为用作管状燃料电池100的外电极时，流出管状燃料电池100的氧化气体可被供应至第二催化剂层36。 

通过涂敷非导电树脂材料例如环氧树脂形成树脂密封40。如图1和3的截面图所示，树脂密封40形成为覆盖内电极30的每个边沿部分上的暴露区域以及第一催化剂层32、电解质层34、和第二催化剂层36的端面以及所述暴露区域与所述端面之间的相交之处。 

更具体是，涂敷树脂材料以至少覆盖第一催化剂层32、电解质层34、和第二催化剂层36的端面以及内电极30与第一催化剂层32的相交之处，同时部分地不涂敷内电极30的边沿部分并使其末端暴露在树脂密封40之外。优选，树脂材料的厚度大于第二催化剂层36的外直径，以提供树脂密封40，其不仅覆盖第一催化剂层32、电解质层34、和第二催化剂层36的端面，而且覆盖第二催化剂层36的一部分外周壁。 

树脂密封40可防止在内电极30的每个边沿部分上的暴露区域与第一催化剂层32、电解质层34、和第二催化剂层36的叠层端面之间的相交区域发生燃料气体和氧化气体的泄漏。 

隔离体42由导电性良好的材料制成，并且可采用高导电性材料例如不锈钢、金、银、铜、铝等等制成。当采用例如不锈钢的材料时，优选对该材料涂敷或电镀优良的耐腐蚀材料例如金或银，以增强耐蚀性。 

如图4A到4D所示，隔离体42形成为具有作为通孔的中空部分42a的筒状、矩形柱、多角柱形状。将管状燃料电池100的边沿插入形成为隔离体42的通孔的中空部分42a以使隔离体42连接于此。这里，隔离体42 被以使得至少一部分隔离体42物理接触外线圈38的状态安装。 

尽管在本发明的实施例中，第一催化剂层32、电解质层34、和第二催化剂层36层叠在筒状内电极30的外表面上，从而组成形状为筒状柱的管状燃料电池100，但是管状燃料电池100的形状不限于筒状柱形状。第一催化剂层32、电解质层34、和第二催化剂层36可层叠在中空多角柱形状的内电极30的外表面上，从而组成横截面为多边形的管状燃料电池100。燃料电池模块 

接下来，将描述其中管状燃料电池100被组合成根据本发明实施例的模块的实例结构。图5以横截面视图示出了其中集成管状燃料电池100的燃料电池模块200的结构。图5中，以截面视图示出了管状燃料电池100的左半部，为简化描述而以略图示出了管状燃料电池100的右半部。 

燃料电池模块200包括多个管状燃料电池100、燃料气体给送腔50、燃料气体排放腔52、和氧化剂腔54。分别通过给送侧密封部分56和排放侧密封部分58将氧化剂腔54与燃料气体给送腔50及燃料气体排放腔52隔开。给送侧密封部分56和排放侧密封部分58密封安装在管状燃料电池100的边沿部分上的树脂密封40外部的区域，以防止氧化剂腔54和燃料气体给送腔50之间以及氧化剂腔54和燃料气体排放腔52之间发生气体泄漏。换言之，管状燃料电池100的发电部分被置于氧化剂腔54中，以允许燃料气体给送腔50经内电极30的中空部分与燃料气体排放腔52连通。 

氧化剂腔54上形成有氧化气体给送口54a和氧化气体排放口54b，以从外部给送氧化气体和向外部排放氧化气体。另一方面，燃料气体给送腔50具有向每个管状燃料电池100供应燃料气体的燃料气体给送口50a，而燃料气体排放腔52具有从每个管状燃料电池100排放燃料气体的燃料气体排放口52a。 

当管状燃料电池100被组合为模块时，管状燃料电池100被以隔离体42的外周面相互接触的状态层叠。这里，隔离体42被限定为外直径a大于缠绕在第二催化剂层36外周面上的外线圈38的外直径b(当隔离体42 具有多角柱形状时，将从隔离体42的中心至隔离体42每侧的距离定义为外直径a)。当隔离体42形成为外直径a为上述条件的期望值时，多个管状燃料电池100可以以隔离体42维持的预定间隔集成。 

例如，每个管状燃料电池100可形成为在除隔离体42以外的部分的外直径为几毫米到几厘米，长度为数十至数百毫米。这种情况下，当半径为1mm的隔离体42连至每个直径为1毫米的管状燃料电池100，管状燃料电池100可组合为模块，同时维持相邻管状燃料电池100之间大约2mm的间隔。 

在根据本实施例的燃料电池模块中，可如上所述由安装在管状燃料电池200每个边沿部分上的隔离体42支承管状燃料电池100。 

此外，因为安装在每个管状燃料电池100上的隔离体42由导电材料组成，并且安装为与外线圈38电接触，所以可仅仅通过集成多个管状燃料电池100，而同时并联电连接管状燃料电池100的外线圈38。 

另一方面，采用外部导线相互并联连接管状燃料电池100的内电极30。通过外电路将各自并联的内电极30和隔离体42相互连接起来。可选地是，与外线圈38电连接的和隔离体42电绝缘的不同隔离体可另外安装在内电极30的边沿部分上。通过将不同隔离体的外直径限定为等于隔离体42的外直径，内电极30还可同时并联连接。 

如上使用还用作集电极的隔离体，从而维持管状燃料电池之间的固定距离，同时可电连接管状燃料电池。以此方式，可以以简单而廉价的方法制造燃料电池模块。特别是当直径为数毫米至数厘米的管状燃料电池被组合为模块时，可消除不依赖于隔离体地独立安装集电线的繁重任务。 

尽管图5示出了其中沿平行于图的页面方向层叠管状燃料电池100的结构，但是管状燃料电池100可沿垂直于图的页面方向层叠。此外，燃料电池模块200可用作串联连接或者并联连接的子模块中的一个，以组成较大的优良模块。 

燃料电池模块的作用 

接下来，将描述燃料电池模块200的作用。在燃料电池工作期间，燃料气体经燃料气体给送腔50从燃料气体供应口50a供应至管状燃料电池100的每个内电极30。同时，氧化气体从氧化气体给送口54a供应至氧化剂腔54。燃料气体和氧化气体流经燃料电池模块200，同时通过给送侧密封部分56和排放侧密封部分58而被阻止相互混合。 

燃料气体经过内电极30的中空部分，然后通过在内电极30周壁上形成的孔供应至第一催化剂层32。在和第一催化剂层32相邻的电解质层34中氧化燃料气体，从而释放电子。另一方面，氧化气体经外线圈38的圈之间的缝隙供应至第二催化剂层36。当电子从内电极经外电路供应至外线圈38时，氧化气体被氧化，同时消耗电子。该反应中，电力被引导至外电路。 

已经反应的和仍未反应的燃料气体经燃料气体排放口52b从燃料气体排放腔52排出。另一方面，已经反应和未反应的氧化气体从氧化气体排放口54b排出。 

尽管在本实施例中，第一催化剂层32被定义为燃料电极，第二催化剂层36被定义为空气电极，但是还可将第一催化剂层32定义为空气电极，将第二催化剂层36定义为燃料电极。这种情况下，通过在燃料气体和氧化气体之间交换供应路径以相似的方法产生发电反应。 

实例变化 

图6和7以横截面图示出了根据本实施例变化实施例的管状燃料电池102和104。在该变化实例中，缠绕外线圈38的一部分以使其外直径a大于缠绕在第二催化剂层36外周表面上的外线圈38的另一部分的外直径b，从而将所述外线圈38的一部分限定为隔离体42。例如，如图6和7所示，可延长沿第二催化剂层36的外周面缠绕的外线圈38的每个端部，并缠绕到树脂密封40的外周面上，以将外线圈38的端部设置为隔离体42。 

这里，如图6所示，在树脂密封40的外直径等于第二催化剂层36外直径的情况下，当外线圈38在第二催化剂层36的外周面上缠绕n层(在图6中，n＝1)时，优选通过在树脂密封40的外周面上缠绕至少(n+1) 层(图6中为两层)线圈而设置隔离体42。 

另一方面，如图7所示，在树脂密封40的外直径大于第二催化剂层36的外直径的情况下，假定外线圈38在第二催化剂层36的外周面上缠绕n层(在图7中，n＝1)，优选通过在树脂密封40的外周面上缠绕至少n层(图7中为一层)线圈而设置隔离体42。 

当然，考虑到当燃料电池102被组合为模块时管状燃料电池102之间所需要的间隔量，可增大线圈的层数。 

如上所述，因为一部分外线圈38用作隔离体42而且用作集电极，所以可能同时将管状燃料电池以管状燃料电池之间固定的距离组合为模块以及电连接管状燃料电池。特别是，将外线圈38的部分用作隔离体42允许在缠绕线圈的过程中还形成隔离体42，这一点可简单而廉价地制造燃料电池模块。 

因此，根据该实施例的上述变化实例，可提供一种还用作集电极的隔离体，其可具有简单而廉价地制造燃料电池模块的能力。特别是，可在燃料电池之间建立并联电连接，同时仅仅通过对准和束缚多个管状燃料电池保证电池之间基本上固定的间隔。另外，因为隔离体还用作集电极，所以可减小燃料电池模块的尺寸。 

Claims (4)

1.一种管状燃料电池，其具有层叠在筒状或中空的多角柱状的内电极的外表面上的第一催化剂层、电解质层、和第二催化剂层，所述燃料电池还包括：

导电隔离体，其电连接至缠绕在所述第二催化剂层的外周面周围的导电外线圈，并且与所述内电极电隔离，其中所述管状燃料电池的导电隔离体的外直径大于所述管状燃料电池的发电部分的外直径。

2.根据权利要求1的管状燃料电池，其中，

所述隔离体为形成为中空的筒状或者多角柱状的导电元件。

3.根据权利要求1的管状燃料电池，其中，

所述隔离体为导电线圈，其被缠绕为其外直径大于所述外线圈的外直径。

4.一种燃料电池模块，包括：

多个根据权利要求1所述的管状燃料电池，每个所述管状燃料电池具有：层叠在筒状内电极的外表面上的催化剂层和电解质层的叠层，以及隔离体，所述隔离体具有导电性，其中

所述多个管状燃料电池以使得所述隔离体的外周面相互接触的方式设置。

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