CN101375443B - 燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够提高管状燃料电池的热交换效率的燃料电池。具体公开了一种燃料电池(100)，其包括中空形状的电解质膜(1)、分别配置在所述电解质膜(1)的内侧和外侧的中空形状的电极(2，3)及配置在所述电解质膜(1)和所述电极(2，3)内侧的内部集电器(10a)。所述内部集电器(10a)具有中空形状且由非多孔部件制成。

Description

燃料电池

技术领域

本发明涉及一种包括管状燃料电池的燃料电池，特别地涉及一种能够提高管状燃料电池的热交换效率的燃料电池。

背景技术

在常规的聚合物电解质燃料电池(以下称为“PEFC”)中，由在包括平板型电解质膜和分别配置在该电解质膜两侧的电极(阴极和阳极)的膜电极组件(以下称为“MEA”)内进行的电化学反应产生的电能经由分别配置在MEA两侧的隔板导出到外部。由于可在低温区域内工作、能量转换效率高、启动时间短且整体上尺寸小和重量轻，如今PEFC作为电动车的动力源或便携式电源的应用已经受到关注。

同时，PEFC的单元电池包括诸如电解质膜、至少均包括催化剂层的阴极和阳极以及隔板之类的组成元件，且具有1.23V的理论电动势。然而，此理论电动势低到不足以用作电动车等的动力源。因此，通常使用的是构造成在由单元电池串联堆叠而成的多层部件的两端分别设置端板等的成组PEFC(以下简称为“燃料电池”)。此外，为了进一步提高燃料电池的发电性能，优选减小各个单元电池的尺寸并增大每单位面积内的发电反应面积(输出密度)。

为了增大常规平板型燃料电池(以下也称为“平板型FC”)的每单位面积的输出密度并提高其发电性能，需要使其组成元件更薄。但是，如果将组成元件的厚度设定在预定厚度以下，则各组成元件的功能、强度等可能会降低。因此，在结构上难以提高平板形式燃料电池的每单位面积的输出密度。

鉴于此，近来已开展对管状型的PEFC(以下也称为“管状PEFC”)的研究。管状PEFC的单元电池(以下也称为“管状电池”)包括中空形状的MEA(以下简称为“中空MEA”)，该中空MEA包括中空电解质层以及分别配置在电解质层内侧和外侧的中空电极。分别向中空MEA的内侧和外侧供给反应气体(含氢气体和含氧气体)会引发电化学反应。由该电化学反应产生的电能经由配置在中空MEA内侧和外侧的集电器导出到外部。即，通过向各个单元电池都包括的中空MEA的内侧供给一种反应气体(含氢气体或含氧气体)而向其外侧供给另一种反应气体(含氧气体或含氢气体)，管状PEFC易于将电能导出。此外，管状PEFC能使用供给到相邻两个单元电池的外表面的同一种反应气体，从而可省去在常规平板型PEFC中还具有气体遮蔽性能的隔板。因此，管状PEFC能够有效地减小单元电池的尺寸。

目前已经公开了与管状燃料电池(以下也简称为“管状FC”)如管状PEFC相关的一些技术。例如，日本特表2004-505417号公报公开了一种通过延长内部集电器和外部集电器(以下简称为“集电器”)的每一个或其中一个的长度并使集电器端部接触冷却剂而移除在管状燃料电池(微电池)中产生的热量的技术。日本特表2004-505417号公报还公开了一种通过组合多个微电池并在微电池组之间配置圆管状热交换管而形成模块化电化学电池组件的技术。利用此技术能够移除微电池组中产生的大量热量。

然而，日本特表2004-505417号公报所公开的前一种技术是经由均构造成包括线状部件的集电器来移除热量的技术。由于冷却剂和发热体之间的长距离，热交换(冷却)效率往往不利地下降。此外，对于所述后一种技术，为多个微电池设置一个圆管状热交换管。对于所述后一种技术，热交换(冷却)效率往往不利地下降。

因此，本发明的目的在于提供一种能够提高管状燃料电池的热交换效率的燃料电池。

发明内容

为了解决上述问题，本发明采用以下手段。即，根据本发明的一个方面，提供了一种燃料电池，该燃料电池包括：中空电解质膜；分别配置在所述电解质膜的内侧和外侧的中空电极；以及配置在所述电解质膜和所述电极的内侧的集电器，其中所述内部集电器是中空的并且由非多孔部件制成，并且热介质在所述内部集电器的中空部内流通。

根据本发明，“配置在所述电解质膜和所述电极的内侧的集电器”是指中空电极配置在电解质膜内侧，而内部集电器又配置在中空电极内侧。此外，非多孔部件是指除以多孔玻璃、多孔陶瓷、多孔金属、多孔碳、多孔树脂等为代表的多孔部件之外的部件。非多孔部件的具体实例包括选自Cu、Ti、Pt、Au等中的一种或多种材料。根据本发明的内部集电器的外部形状不限于特定的形状，只要内部集电器形成为能够配置在电极和电解质膜的内侧即可。不过，为了能够容易地提高管状燃料电池的冷却效率等，内部集电器优选为圆形。内部集电器还优选地成形为使得配置在电解质膜内侧的中空电极能够无间隙地配置在内部集电器外侧。

根据本发明的上述方面，可在所述内部集电器的外周面上形成反应气体通道。

根据本发明，反应气体通道的构型不限于特定的构型，只要反应气体通道构造成向配置在中空电解质膜内侧的中空电极的内周面开口(敞开)即可。

此外，根据本发明的上述方面(以及变型，下同)，如果所述内部集电器的外周面的与配置在所述电解质膜内侧的所述中空电极接触的接触部的面积为X，而所述反应气体通道的向配置在所述电解质膜内侧的所述中空电极开口的开口面积为Y，则X和Y可满足0.02≤X/(X+Y)≤0.5。

此外，根据本发明的上述方面，冷却剂可在所述内部集电器的中空部内流通。

根据本发明，所述冷却剂的具体实例不仅包括水，还包括乙二醇。

另外，根据本发明的上述方面，可形成有多个所述反应气体通道，并且在所述多个反应气体通道之间可设置有导热性比构成所述内部集电器的材料的导热性好的部件。

根据本发明，“在所述多个反应气体通道之间”是指内部集电器的存在于反应气体通道之间的厚部。更具体地说，是指内部集电器的位于中空部和多个反应气体通道之间的厚部。

发明效果

根据本发明的上述方面，由于内部集电器是中空的，所以通过使热介质流通，能在很靠近包括中空的电解质膜和电极的管状燃料电池的位置与各个管状燃料电池进行热交换。因此，本发明可提供能够提高管状燃料电池的热交换效率的燃料电池。

根据本发明的上述方面，在内部集电器的外周面上形成有反应气体通道，从而能确保气体扩散到配置在电解质膜内侧的电极中。因此通过这种构造，除上述优点之外，还能通过提高气体的扩散性而提供能够提高发电性能的燃料电池。

此外，根据本发明的上述方面，设定0.02≤X/(X+Y)≤0.5的条件。这样能提供在提高管状燃料电池的冷却效率的同时能够确保气体扩散效率的燃料电池。

另外，根据本发明的上述方面，冷却剂在内部集电器的中空部内流通，从而能在很靠近管状燃料电池的位置冷却各个管状燃料电池。因此通过这种构造，可提供能够提高管状燃料电池的冷却效率的燃料电池。

此外，根据本发明的上述方面，在内部集电器的厚部内设置有具有良好导热性的部件，从而能够提高内部集电器的导热性。因此通过这种构造可提供能进一步提高管状燃料电池的热交换效率的燃料电池。

附图说明

图1是示出根据本发明第一实施例的燃料电池的组成元件的示意图。

图2是示出根据第一实施例的内部集电器的制造步骤的示例的示意图。

图3是示出根据本发明第二实施例的燃料电池的组成元件的示意图。

图4是示出根据本发明第三实施例的燃料电池的组成元件的示意图。

在附图中，1表示电解质膜，2和3表示电极，5表示中空MEA，10a、10b和10c表示内部集电器，11a和11b表示中空部，12表示反应气体通道，15表示热传导部件，100和200表示管状燃料电池。

具体实施方式

为了提高每单位体积的输出密度等，正在开展对管状FC的研究。与平板型FC相似，管状FC的电化学反应的最佳温度范围取决于电解质膜的类型(例如，对于PEFC大约为100℃)。因此，为了提高发电性能，必须将管状FC的电池冷却而将电池温度降至预定温度范围内。另一方面，为了提高燃料电池的低温起动性能，必须在短时间内对低温状态下的电池进行加热。因此，管状FC包括能与其电池进行热交换的部件(以下称为“热交换部件”)。然而，在管状FC中，电能产生于中空MEA内，而热交换部件本身与发电无关。从提高每单位体积的输出密度的角度考虑，优选地要节省热交换部件所占的空间。另一方面，目前已经公开了通过使管状FC的电池的一部分与冷却剂接触而提高冷却效率的技术(例如，见日本特开平9-223507号公报)。由于用来对冷却剂进行密封的密封部的数量增加，利用这项技术不利的是难以提高每单位体积的输出密度。

基于这些观点而作出本发明，本发明旨在通过将配置在管状燃料电池的各个单元电池的中空部内的内部集电器形成为中空形状并使热介质在内部集电器的中空部内流通而提高管状燃料电池的热交换效率和减小燃料电池的尺寸(使燃料电池小型化)。另外，如果在内部集电器的外周面上形成反应气体通道，则除上述优点之外，还可确保反应气体的扩散性。此外，如果在内部集电器的厚部内配置具有良好导热性的材料，则可进一步提高热交换效率。

下面参照附图对根据本发明的燃料电池进行详细说明。

图1是示出根据本发明第一实施例的燃料电池的组成元件的示意图。图1A是示出根据第一实施例的内部集电器的示意性透视图，图1B是示出包括根据第一实施例的内部集电器的管状燃料电池的单元电池的示意性剖视图。

如图1A所示，根据第一实施例的内部集电器10a呈包括中空部11a的中空形状，并且与其轴向平行地形成有在其外周面上均具有开口的反应气体通道12。包括中空电极2、电解质膜1和另一电极的中空MEA 5配置在内部集电器的外侧，从而形成管状电池100(见图1B)。

这样，根据本发明的内部集电器10a包括中空部11a。因此，如果热介质在中空部11a内流通，则在热介质和中空MEA 5之间能在很靠近中空MEA 5的位置经由内部集电器10a进行热交换。此外，由于在根据第一实施例的内部集电器10的外周面上形成有反应气体通道12，所以反应气体能通过这些反应气体通道12供给至配置在内部集电器10a外侧的中空MEA 5。也就是说，根据第一实施例，能提供在确保气体扩散进入中空MEA的同时还能提高热交换效率的燃料电池。在这种情况下，如果诸如水之类的冷却剂在中空部11a内流通，则可提高燃料电池的冷却效率。

根据第一实施例的内部集电器10a例如可通过以下方法等加以制造。图2是制造步骤的示意图。图2A到2C是示出在定义内部集电器的轴向为法向的情况下在制造过程中和制造后内部集电器的截面以及在定义内部集电器的轴向为法向的情况下在制造中所用的中空部件的截面的示意图。假设在图2A和2B所示的制造过程中内部集电器(以下称为“集电部件”)的凸部的外径和内径分别为R1和R2，而图2B所示的中空部件的内径为r，下面继续进行说明。

如果要制造内部集电器10a，则首先制造外形与中空部11a对应的集电部件20。接下来，使处于软化状态的集电部件20通过中空部件25(满足R2＜r＜R1的条件)，然后再将其从中空部件25中拉出(见图2B)。通过这种方法，集电部件20的各个凸部被挤压，从而制造出具有上述形状的内部集电器10a(见图2C)。“处于软化状态的集电部件20”是指在低于熔点的温度下对集电部件20加热并使之软化。

如果采用上述方法制造内部集电器10a，则必须防止集电部件20在从中空部件25中拉出的过程中在半路被截断。因此，优选地使用具有不会使集电部件20截断的硬度的材料来构成内部集电器10a。如果要使以此方式制造的内部集电器10a的外周面对于燃料电池工作时的环境具有耐蚀性，则必须在集电部件20被拉出后在外周面上涂覆耐蚀性良好的材料(例如Au或Pt)，从而提高外周面的耐蚀性。

图3是示出根据本发明第二实施例的燃料电池的组成元件的示意图。图3A是示出根据第二实施例的内部集电器的示意性透视图，图3B是示出包括根据第二实施例的内部集电器的管状燃料电池的示意性剖视图。在图3中，构型与图1所示的组成元件相似的部位由与在图1中所用相同的附图标记来表示，并适当省略其说明。

如图3A所示，根据第二实施例的内部集电器10b呈包括中空部11b的中空形状，并且在内部集电器的外周面上形成有在其外周面上均包括开口的反应气体通道12。在内部集电器10b的厚部内配置有热传导部件15，热传导部件15由导热性比内部集电器10b的组成元件的导热性好的材料(例如Cu、Au或Pt)制成。在内部集电器10b外侧配置有中空MEA 5，由此形成管状电池200(见图3B)。

这样，根据第二实施例的内部集电器10b包括中空部11b和反应气体通道12，并且包括其厚部内的热传导部件15。因此，内部集电器10b具有良好的耐蚀性。另一方面，即使内部集电器10b的厚部由导热性较差的材料(例如Ti或SUS)制成，但由于设置了具有良好导热性的热传导部件15，所以在整体上内部集电器10b的导热性仍可提高。此外，管状燃料电池200的热交换效率可提高。由于配置中空部11b和气体反应通道12所获得的优点与根据第一实施例的内部集电器10a类似，故而在此不再说明。

根据第二实施例的内部集电器10b可例如按以下工序加以制造。如果要制造内部集电器10b，则先制造用以构成内部集电器10b的包括中空部11b的中空集电部件，然后在集电部件的外周面上形成用于反应气体通道的凹槽。接下来，在该集电部件的厚部内形成用以设置热传导部件的孔。将导热性良好的热传导部件设置在如此形成的孔中，这样便制造出具有上述形态的内部集电器10b。

如下文所述，假设根据第二实施例的内部集电器10b是在例如使用具有良好耐蚀性但导热性不高的材料来制造内部集电器时使用的。因此，可认为内部集电器10b的外周面基本上由具有良好耐蚀性的材料制成。然而，即使这样，外周面的耐蚀性可通过添加在外周面上涂覆具有良好耐蚀性的材料(例如Au或Pt)的步骤而进一步得到提高。

图1示出构造成包括大致具有星形(^＊)截面的中空部11a的内部集电器10a。图3示出构造成包括具有圆形截面的中空部11b和热传导部件15的内部集电器10b。然而，包括在根据本发明的燃料电池中的内部集电器的形状并不限于图1和图3所示的形状。图4示意性地示出另一实施例。

图4是示出根据本发明第三实施例的燃料电池的组成元件的示意图。图4A是示出根据第三实施例的内部集电器的示意性透视图，图4B是示出包括根据第三实施例的内部集电器的管状燃料电池的示意性剖视图。在图4中，构型与图1和图3中的一者或两者所示的组成元件相似的部位用与在图1和图3中的一者或两者中所用相同的附图标记来表示，并且适当省略其说明。

如图4A所示，根据第三实施例的内部集电器10c具有包括中空部11b的中空形状，并且在内部集电器10c的外周面上形成有在其外周面上均包括开口的反应气体通道12。与根据第二实施例的内部集电器10b不同的是，未设置热传导部件15。即使中空部的形状不同于中空部11a或者未设置热传导部件，只要内部集电器10c由具有良好耐蚀性和导热性的材料(如Au或Pt)制成，则仍可获得足够高的热交换效率。因此，如果根据本发明的内部集电器由具有良好耐蚀性和导热性的材料制成，则如图4A所示地构造的内部集电器10c和中空MEA 5之间就可充分地进行热交换(见图4B)。

除了不形成用于热传导部件15的孔之外，根据第三实施例的内部集电器10c可通过与根据第二实施例的内部集电器类似的工序来制造。

如果根据本发明的内部集电器对燃料电池的工作环境具有足够的耐蚀性，能够与管状燃料电池之间进行热交换，且由非多孔材料制成，则其构成材料不限于特定的材料。通过利用具有良好耐蚀性的材料(如Au或Pt)制造整个内部集电器或者在由Ti等制成的内部集电器的外周面上涂覆所述材料(如Au或Pt)，上述关于内部集电器的耐蚀性的条件可得到满足。如果内部集电器的外周面上涂覆有耐蚀性良好的材料，则构成内部集电器厚部的材料就不必满足耐蚀性条件。不过，从尽可能提高燃料电池热交换效率的角度考虑，厚部优选由具有良好导热性的材料制成。耐蚀性较差但导热性良好的材料的具体实例包括Cu和Al。

另一方面，如果内部集电器的外周面经涂覆处理且使用导热性较差的材料构成内部集电器，则优选地，与根据第二实施例的内部集电器10b类似，使内部集电器包括具有良好导热性的部件15，从而通过整体上提高内部集电器的导热性而提高燃料电池的热交换效率。

在上述说明中，示出了在内部集电器的外周面上形成六个反应气体通道12的构型。然而，形成在根据本发明的内部集电器的外周面上的反应气体通道的数量不限于六个。从增加供给到中空MEA的反应气体的角度考虑，优选形成尽可能多的反应气体通道。然而，如果反应气体通道的数量增加而内部集电器外周面的未向中空MEA敞开的部分的面积(与中空MEA之间的接触面积，以下常称为“接触面积X”)减少，则可能导致热交换效率下降。因此，综合考虑反应气体的扩散、热交换效率等，优选将在根据本发明的内部集电器内形成的反应气体通道的数量设定为适当的数量。如果向中空MEA开口的部分的面积为Y，则从尽可能提高管状燃料电池的冷却效率的角度考虑，接触面积X优选地等于或大于冷却管外周面的整体面积(X+Y)的2％，并且从确保气体扩散效率的角度出发，接触面积X优选地等于或小于冷却管外周面的整体面积(X+Y)的50％。因此，根据本发明，X和X+Y优选地满足0.02≤X/(X+Y)≤0.5，更优选地满足0.2≤X/(X+Y)≤0.4。

在上述说明中，反应气体通道构造成与内部集电器的轴向平行地形成。然而，根据本发明的反应气体通道的构型不限于这种构型。只要反应气体通道向中空MEA及内部集电器的轴向两端开口，则其构型就不限于特定的构型。例如，反应气体通道可螺旋状地形成在内部集电器的外周面上。

在本发明中，从提高气体扩散性的角度考虑，反应气体通道12朝中空MEA敞开的开口优选要宽。然而，如果中空MEA配置在内部集电器的外侧，则与内部集电器接触的电极或电极成分(例如，先将诸如含氟的离子交换树脂之类的电解质成分与有机溶剂混合而制得熔融状态的电解质成分、然后在该熔融状态的电解质成分中散布载持有用作电化学反应催化剂的铂的碳颗粒而得到的熔融状态的电极成分)进入反应气体通道，从而造成反应气体通道的堵塞。因此，从防止反应气体通道堵塞等角度出发，上述开口优选要窄。因此，在实际形成反应气体通道时优选要综合考虑上述两方面等因素来确定上述各个开口的宽度。

根据本发明的内部集电器的外形不限于特定的形状。不过，从提高对中空MEA的附着性和提高热交换效率及气体扩散性的角度考虑，内部集电器优选为圆形。

工业适用性

如上所述，根据本发明的燃料电池适合于例如用作电动车的动力源。

Claims (2)

1.一种燃料电池，包括：

中空电解质膜；

分别配置在所述电解质膜的内侧和外侧的中空电极；和

配置在所述电解质膜和所述电极的内侧的内部集电器，

其中，所述内部集电器是中空的且由非多孔部件制成，并且热介质在所述内部集电器的中空部内流通，

其中，在所述内部集电器的外周面上形成有多个反应气体通道，并且

在所述多个反应气体通道之间设置有导热性比构成所述内部集电器的材料的导热性好的部件。

2.根据权利要求1所述的燃料电池，

其中，如果所述内部集电器的外周面的与配置在所述电解质膜内侧的所述中空电极接触的接触部的面积为X，而所述反应气体通道的向配置在所述电解质膜内侧的所述中空电极开口的开口面积为Y，则X和Y满足

0.02≤X/(X+Y)≤0.5。

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