CN103403937A - 燃料电池及电解槽结构 - Google Patents

Abstract

在此公开了包括至少一个电传导层和离子传导层的燃料电池单元。所述燃料电池单元具有管状横截面或密封的另一形状的横截面。还公开了配件燃料电池单元以形成电池管和这种燃料电池单元或电池管的管组。燃料电池单元、或电池管、或其管组可以用作电解槽。进一步公开了制造这种燃料电池单元、电池管及其管组的方法，以及使用它们的方法。

Description

燃料电池及电解槽结构

背景技术

燃料电池可以提供用于比燃烧更有效地将化学能转化成电能的方法。此外，氢燃料电池由于其废弃物是水而不是二氧化碳和/或其他危险燃烧产物，所以其也可以提供对全球变暖产生更小影响的更清洁的替代。氢气作为一种燃料，其也易于通过可替换能源技术有效发电并提供有用和潜在的移动能量存储介质。处于这些原因，在生产具有高性能和/或效率的低成本氢燃料电池方面具有很高的兴趣。这些可以用于诸如远程发电或备份能源产生之类的静态电器；替换地，或除此之外，这些也可以用于诸如替换汽车和火车中的燃烧引擎的移动电器。

除了低成本和有效的燃料电池之外，还在寻找有效的水电解槽以便由诸如可再生能源的间歇源产生的电可以被例如在燃料电池中存储作为后续使用的氢气和氧气以根据需要产生电能。

发明内容

在此公开的本发明的实施方式目的在于设计管状电池元件、电池管及其管组。所述管状电池元件可以包括具有管状电解槽电池元件的管状燃料电池单元。本发明的实施方式主要是参考PEM类型的燃料电池来描述的。这仅仅是作为展示的目的，其目的不在于限制本公开的范围。在此所公开的实施方式同样可以应用于诸如固态氧燃料电池（SOFC）之类的气体类型的燃料电池或电解槽电池。

本发明的实施方式包括管状电池元件，其包括内部电传导层、外部电传导层、电绝缘层和离子传导层。所述管状电池元件可以进一步包括内部电流收集层和外部电流收集层中的至少其中一个。所述内容电传导层、外部电传导层、离子传导层、内部电流收集层和外部电流收集层中的至少其中一个可以包括一张成螺旋形状缠绕以形成管状结构的材料。所述内部电传导层和所述外部电传导层中的至少其中一个可以包括固态无孔材料的不完整层，其中所述不完整层可以包括金属丝。所述内部电传导层和所述外部电传导层的至少其中一个可以包括有孔材料。所述有孔材料可以是大孔，或者其也可以是小孔。所述内部电传导层、所述外部电传导层、内部电流收集成何外部电流收集层的至少其中一个可以包括从碳、不锈钢、钛、镍、铜、锡，和其他材料或其合金中选择的至少一种材料，但是不限制于此。

仅仅作为例子，所述内部电传导层和外部电传导层的至少其中一个可以包括纺织炭丝材料。所述离子传导层可以包括电绝缘层。所述电绝缘层可以包括有孔材料。所述电绝缘层可以防止在电绝缘层不同侧的第一剂和第二剂相互之间过度混合。所述第一剂和第二剂的至少其中一个可以包括液体、蒸汽或气体。所述第一剂或第二剂可以包括诸如甲醇之类的液体，或气体，或从例如氢气、氧气、甲醇蒸汽和空气中选择的蒸汽。所述离子传导层可以包括无机离子交换材料和有机聚合离子交换材料。

仅仅作为例子，所述离子传导层可以包括例如硅酸盐材料、铝矽酸盐、金属氧化物、陶瓷材料、大孔聚合物、离子交换聚合物等。例如，所述离子传导层可以包括沸石或Nafion(R)。所述离子传导层可以包括置于所述电绝缘层的气孔内离子交换材料。所述电绝缘层可以包括有孔陶瓷层或有孔粘土层。所述离子传导层可以通过在包括所述内部电传导层的管状结构周围卷曲一张离子传导材料来形成，其中放置了所述离子传导页的相邻缠绕以便至少部分相互重叠以形成重叠区域。所述管状电池元件可以包括催化剂。所述催化剂可以置于所述传导层、所述内部电传导层、和所述外部电传导层的至少其中一个之上。所述催化剂可以与所述离子传导层相接触。

仅仅作为例子，所述催化剂可以包括铂和/或钌。所述内部电流收集层可以包括至少一个第一突出，其中所述至少一个第一突出可以插入所述内部电传导层。所述外部电流收集层可以包括至少一个第二突出，其中所述至少一个第二突出可以插入所述外部电传导层。

在此所公开的本发明的某些实施方式包括电池管，其包括在此描述的多个管状电池元件。所述管状电池元件可以首尾相连地电连接组装在一起。将多个管状电池元件组装在一起可以形成具有外壳和孔心的管状结构，其中在所述电池管的外壳侧上的第一剂可以基本上被阻止来与该电池管的孔心侧的第二剂混合。所述第一剂和第二剂的至少其中一个可以包括液体、蒸汽或气体。所述第一剂和第二剂可以包括诸如甲醇之类的液体、或从例如氢气、甲醇蒸汽、氧气和空气中选择的气体或蒸汽。所述电连接可以包括从串行连接和并行连接或其组合中选择的至少一种连接。所述电连接尅包括至少一种串行连接，其中一个管状电池元件的正极可以连接到相邻管状电池元件的负极。所述电连接可以包括电传导连接片。所述电池管进一步可以包括至少一个电绝缘密封片，其中所述至少一个电绝缘密封片可以包括至少两个面，其中一个面形成具有电传导连接片的密封，另一面形成具有管状电池元件的离子传导层的密封。

本发明的某些实施方式包括管组，其包括多个在此公开的电池管。多个电池管的末端可以被封装到至少一个第一密封盘中。所述第一密封盘可以将所述管组分割成至少第一部分和第二部分。所述电池管的外壳可以开放给所述第一部分，并且所述电池管的孔心侧可以开放给所述第二部分。所述电池管可以被基本上相互平行地放置。所述管组可以进一步包括一个或多个冷却管。所述一个或多个冷却管的末端可以被封装到至少一第二密封盘中，其中硕士第一密封盘和所述第二密封盘可以将所述管组分割成第一部分、第二部分和第三部分，其中硕士冷却管的孔心侧可以被开放给第三部分。所述管组可以包括不止一个冷却管，其中所述冷却管可以被基本上相互平行地布置。在某些实施方式中，所述一个或多个冷却管的墙的至少一部分允许冷却介质从所述一个或多个冷却管的孔心侧退出以加湿所述一个或多个冷却管的外侧。所述冷却介质可以包括液态水。所述多个电池管可以包括一个或多个管状燃料电池单元。所述多个电池管可以包括一个或多个管状电解槽电池元件。所述电池管孔心侧和所述电池管的外壳、或者两者中的至少其中一个可以使用液态水充满，例如，当所述管组包括多个电解槽电池元件并且被用作电解槽的时候。在某些实施方式中，所述管组包括多个管状电池元件（例如，管状燃料电池单元或管状电解槽元件），其中所述管状电池元件在被包装成管组之前没有被预先配件成电池管。在某些实施方式中，当所述管组包括电池管时，所述管状电池元件的孔心侧相应于其他地方所描述实施例的电池管的孔心侧，而所述管状电源元件的外壳侧相应于所述电池管的外壳侧。

本发明的某些实施方式包括制造在此描述的管状电池元件的方法。所述方法可以包括使用第一电传导材料形成管结构以形成内部电传导层；在包括所述内部电传导层的管结构周围缠绕一张离子传导材料；和缠绕第二电传导材料以形成外部电传导层。可以布置所述离子传导页的相邻缠绕以便相互之间至少部分地重叠，其中所述方法可以包括对所述重叠区域添热封装或粘性封装。

本发明的某些实施方式包括制造在此描述的电池元件的方法。

本发明的某些实施方式包括制造在此描述的管组的方法。

本发明的某些实施方式包括使用包括管状电池元件或电池管的管组的方法。仅仅为了示例的目的，所述方法基于其中包括电池管的实施方式来描述。所述方法可以包括提供第一剂给第一部分，其中所述第一剂可以进入所述电池管的外壳侧；并提供第二剂给所述第二部分，其中所述第二剂可以进入所述电池管的孔心侧。所述方法可以包括从所述管组散热。散热可以包括在引入进入所述管组或进入所述电池管之前精确喷洒小滴冷却介质到所述第一剂和第二剂的至少其中一个。散热可以包括使得所述第一剂和第二剂的至少其中一个在进入所述管组或进入所述电池管之前流过所述冷却介质。当所述管组包括一个或多个冷却管的时候，散热可以包括在所述一个或多个冷却管中运送冷却介质。如果所述一个或多个冷却管的墙壁的至少一部分允许冷却介质从所述一个或多个冷却管的孔心侧退出以加湿所述一个或多个冷却管的外侧，那么散热就可以包括引入多滴冷却介质到所述第一剂和第二剂的至少其中一个，同时其通过所述管组。所述冷却介质可以包括液态水。

附图简述

图1展示了典型管状电池元件的截面图。

图2展示了燃料电池单元内部连接的典型实施方式。

图3展示了燃料电池单元内部连接的典型实施方式。

图4A到4F展示了可以在某些典型实施方式中使用以构造包括多个管状电池元件的电池管的步骤。

图5A到5D展示了可以在某些典型实施方式中使用以构造管状电池元件和包括多个管状电池元件的电池管的步骤

图6展示了用于形成管组和串行或并行连接所述管状电池元件的典型方法。

图7展示了用于形成包括冷却和/或潮湿管管组的可替换典型方法。

图8展示了用于形成包括冷却和/或潮湿装置的可替换典型方法。

图9显示了对于根据例1构造的燃料电池单元的电压对电流密度。

图10显示了对于根据例2构造的燃料电池单元的电压对电流密度。

具体实施方式

存在四中基本类型的氢燃料电池：碱性燃料电池、磷酸燃料电池、固态氧燃料电池、和质子交换隔膜（PEM）燃料电池。此外，存在使用甲醇而不是氢作为燃料种子的燃料电池。本发明的实施方式主要参考使用氢作为燃料种子的燃料电池来描述的，但是应当明白在此描述的不同实施方式可以同样好地应用到使用甲醇或其他燃料种子的燃料电池上。燃料电池类型以用于在燃料（例如，氢气或甲醇）和半氧气电池之间形成选择性离子桥的方法为特征的。碱性燃料电池使用碱性盐，所述磷酸类型使用磷酸，所述固态氧类型使用金属氧陶瓷隔膜，并且PEM类型传统上使用阳离子交换聚合物的隔膜。这些层的功能充当混合燃料和氧气的阻碍物同时允许选择性在电池电极之间传输氢氧离子（OH）、氧离子（0<2～>）或质子（H<+>）。今天，PEM类型是例如用于移动电器的燃料电池的最流行候选。

不考虑所使用的结合类型，大多数的燃料电池结构是基于金属板和框架设计的，其中结合点和电极材料的连续页被夹在中间并与用于包含在所述夹层内的输入和废气通道封装在一起。

这种设计可以展现某些限制和困难。在平面金属板和框架设计中，可以被以给定量包含的电极区域被平面几何和通道层的需要所限制。部分地由于该限制，气体通道倾向于非常小导致废水通过系统和通道封锁明显的压力降低。为了克服这种压力的降低，输入的气体可以需要被增压并泵通过电池管组，这增加了系统的成本和复杂度。具有金属板和框架设计的附加困难是所涉及的阻止气体泄漏的大量封装，由于对输入气体需要增压而恶化的问题。当处于成本和重量考虑而使用诸如塑料板建立通道的时候这就是特殊的问题。这些塑料元件当在管组压缩下保持金属板之间的密封时经常遭受在时间上的冷塑加工。这种冷塑加工易于产生泄漏。

对于金属板和框架设计的值得注意之处在于由西门子-威斯丁豪斯产生的管状固态氧燃料电池。这种设计仅仅用于静态电器，并且可以包括闭塞不通的陶瓷管的配件，其中可以将空气注入到陶瓷管的中心并将燃料注入到外部。在外部电极和沿着长度方向的陶瓷管中具有缝隙的固态氧陶瓷管的内部和外部形成电极以允许在一个陶瓷管的外部电极和另一陶瓷管的内部电极之间电连接，从而实现串行连接。管状结构可以相对大（典型地在小版本中2.2厘米直径，150厘米长度）并且系统需要工作在接近1000摄氏度以允许在陶瓷中足够的离子传导。另外，由于系统是基于陶瓷管的，所以其可以相对易碎和破裂。

在US519，514,5,928,808和US7,229,712中公开了中空纤维燃料电池，其每一个通过参考包括于此。这些电池可以包括长窄纤维，其中纤维可以通过纤维的末端串行或并行连接。相比于金属板和框架燃料电池，这种结构的缺点在于在具有双极板的金属板和框架燃料电池中，在电池之间的电连接可以是双极板，导致具有较大的横截面区域以及在电子旅行方向上具有短的长度。因此，这种连接具有非常低的电阻。在具有末端连接的中空纤维燃料电池中，流进阴极以及流出阳极的电子需要沿着纤维的长度旅行。因此，传导路径可以更长并具有较小的横截面，引入更多电阻到中空纤维燃料电池管组中。

本发明的实施方式目的在于新型管状设计，其可以用作燃料电池（或电解槽），其可以改善或克服现有技术中的这些缺陷的至少一些。术语“燃料电池单元”、“电池元件”和“管状电池元件”通篇可以相互替换使用。应当明白，仅仅为了展示的目的，目的并不在于限制本公开的范围。电池元件可以具有非圆形的密封横截面。例如电池元件具有方形、长方形、卵形、三角形、六边形等等的横截面。术语“电池管”或“燃料电池管”在此可以相互交换使用，并且主要指的是其结构，而不是其功能。术语管“结构”主要用于指代具有封闭横截面的结构。管结构例如具有圆形、方形、长方形、卵形、三角形、六边形等的横截面。不同管结构可以包括不同要素层。

如果使用可再生的能量源代替化石燃料，那么要解决的一个问题是能量存储的问题。由于来自可再生能源，例如太阳能、风能等的发电是间隙的，需要一种方法存储在高发电电压时的过多电能并在低发电电压时使用。多种尝试来发现实现这样做出的合适方法；但是到目前为止，还没有完全满足。用于存储已经预料到过多电能的潜在方案可以使用过多电能来将水分解成氢气和氧气，分别存储所形成的气体并重新组合他们以产生需要时的电能。燃料电池可以是将这些气体转换成电的处理过程的极好候选，并且在此公开的燃料电池非常适合这种应用。在此公开的电池的另一应用可以是作为能够通过电解分离水将水转换成氢气和氧气的电解槽。

本发明的某些实施方式包括管状电池元件，其包括内部电传导层、外部电传导层、电绝缘层、和离子传导层。所述管状电池元件可以进一步包括内部电流收集层和外部电流收集层的至少其中一个。

如在此使用的那样，“电传导层”指的是所述层包括具有电子高传导性材料的层。如在此使用的那样，“电绝缘层”指的是具有低的或可忽略的电子传导性的层。在某些实施方式中，绝缘层具有离子高传导性。在某些实施例中，绝缘层或其部分具有低的离子传导性。所述电子传导层可以有孔的。所述电传导层可以是大孔，或小孔。仅仅作为展示的目的，本发明的某些实施例被描述为其中电传导层包括大孔电传导层。应当明白，其目的不在于限制本公开的范围。

大孔电传导层的功能可以包括施加结构强度和/或充当电极或支持电极或作为在燃料电池中的电流收集器，其中所述内部层包括一半电池电极和其他部分的外部层。这些电传导层的大孔结构也可以允许存取气体到结构的深度和/或退出作为在第一剂和第二剂之间反应的产物的水蒸气的出口（例如，氢气、甲醇液体或蒸汽、空气和氧气）。可选地，可以存在充当电流收集器的分离层。在这种实施方式中，添加附加层到管结构的内部和/或管结构的外部。这些层有利地可以具有相对低的电阻并可以被构造以让气体通过。所述电流收集层的一个或多个也可以给管状结构施加结构强度。大孔电传导层和电流收集层可以使用适合在燃料电池环境中的材料来构造。在某些实施方式中，该环境可以不同地依赖于所述材料驻留在燃料电池的哪一部分。例如，如果所述材料被暴露于氧气或空气到一定程度，那么诸如碳、不锈钢或钛之类的康氧化材料是合适的。然而，如果在使用时的材料被主要暴露以减少例如氢气的剂，从而降低环境，那么他们也可以由具有更低抗氧化但是具有改进诸如更高导电性的气体属性的其他材料构成。其他适合材料的例子包括碳、不锈钢、钛、镍、铜、锡、和其他金属，或其合金。仅仅作为例子，大孔电传导层可以是已经被穿孔的不锈钢页，其中所述穿孔可以允许气体或液态水通过。作为另一例子，大孔电传导层包括铜或镍。所述电流收集层也可以通过缠绕金属丝或金属网形成以形成用作内部电流收集层时的管状结构或通过在已经形成的管结构外部周围进行缠绕来形成外部电流收集层。在某些实施方式中，所述内部电流收集层是由不锈钢穿孔金属片形成的，并且所述外部电流收集层是通过在管结构外部周围缠绕金属线来形成的。所述管结构可以由其他例如包括一个或多个大孔电传导层和/或至少一个离子传导层的其他要素层形成。当在管结构的外部的周围缠绕金属丝时，在金属丝之间可以有足够的空隙以允许气体通过。在某些实施方式中，使用有包装的金属线或金属网或者穿孔金属片或他们的任意组合来作为所述内部和外部电流收集层。

在某些实施方式中，在管结构的下部包括一个载体以帮助载体所述内部电流收集层或大孔电传导层。该载体可以由电传导或电绝缘材料制成，并可以被形成以允许气体有足够沿着管结构的长度方向通到燃料电池电极的通道。

所述离子传导层，也称作“离子交换层”，其可以包括电绝缘层。所述电绝缘层的功能可以包括在所述内部和外部电传导层之间防止电短路电路。在某些实施方式中，所述离子传导层包括PEM。应当明白，所述离子传导层可以包括不少PEM的层。所述电绝缘层也可以充当PEM的承载或载体结构，或者在例如电绝缘层是由离子交换材料或离子传导陶瓷构成的情况下，形成PEM或其自身的气体离子传导材料。进一步，所述电绝缘层可以阻止在电绝缘层不同侧的第一剂和第二剂相互之间过度混合。

根据在此公开的某些实施方式，PEM是通过以充分阻塞电绝缘层的小孔以阻止氢气和氧气过度混合的这样一种方式将离子交换材料沉淀于电绝缘层的小孔中来形成的。可选地，电绝缘层自身也可以形成PEM。例如，预先形成的离子交换材料的隔膜可以缠绕在内部大孔电传导层的周围以形成电绝缘层。

可以沉淀诸如铂、钌之类的催化剂以便至少一部分催化剂留在PEM和内部或外部电传导层任意一个或者两者的表面。所述催化剂可以沉淀在PEM上，或者也可以沉淀在大孔电传导层上。在两种情况下，都放置所述催化剂以便其与PEM接触，并电接触到大孔电传导层，以及反应气体（第一剂和第二剂）可以接触到所述催化剂。在该位置，催化剂留在PEM/电极（电传导层）的表面。所沉淀的催化剂可以是自我载体或可以是沉淀在另一载体上，例如粉末炭上，如现有技术已知的那样。如果所述催化剂沉淀在载体上，那么就是沉淀在PEM上或者在大孔电传导层上的载体。如果使用催化剂载体，那么催化剂就可以在将载体沉淀在PEM或大孔电传导层之前或之后沉淀在载体上。在某些实施方式中，所述催化剂被在将催化剂载体沉淀在PEM或大孔电传导层之前沉淀在催化剂载体上。

在本发明在此描述的某些实施方式中，可以使用一个或多个预先形成的层来形成管结构。在这些实施方式中，将预先形成的层以螺旋形状缠绕以形成所述管结构的条的形式是有利的。如在本公开中使用的那样，“螺旋缠绕”意思是将材料缠绕到具有拉长形状的周围，其中所述材料被缠绕以便其边缘以大于零角但是小于90度的角度指向拉长形状的长轴方向。可以螺旋缠绕一个或多个所述的层。由于其有助于连续或半连续生产方法，有助于在缠绕层上更紧的缠绕并可以产生很强的结构来抗挤压，所以螺旋缠绕是合适的。在缠绕层中的更紧的缠绕对于能够维持在燃料电池之间和内部的更紧并紧密接触以便于有效在表面传导电子或离子是很重要的。处于这个方面的考虑，管结构的外部层是很重要的。例如，如果外部层是通过螺旋缠绕金属线或穿孔金属板带形成的电流收集器，那么在缠绕的时候可以对金属线或带应用相对高的强度，从而在其他层上应用相对高的径向力以压缩他们并有助于电子或离子传导。此外，形成小半径的管状结构是非常希望的，这是因为在给定的体积的燃料电池中科包含的燃料电池的区域是与管状结构的半径成反比的。随着应力的增加，由缠绕在管结构周围的金属线或带所施加的径向力也增加。所述应力是由金属线或带缠绕的半径所分割的金属线或带中的强度决定的。对于给定的强度，半径越小，径向力就越大。因此，通过使用该方法来形成外部和其他层，所增加的层压力与所增加的每单位体积的燃料电池区域是一致的。

如果存在，大孔电传导层和附加电流收集层允许气体通过他们。因此，当他们螺旋缠绕的时候，不需要相互之间密封这些层的缠绕。相反，PEM或其他电绝缘层基本上阻止了气体通过他们。因此，如果这些层是螺旋缠绕的，那么在相邻螺旋之间存在密封。如果PEM是由离子交换聚合体或其他相对软的材料的螺旋缠绕带隔膜形成的，那么紧紧缠绕这些带以便相邻缠绕之间具有重叠区域（重叠区域）就可以足够形成密封。这在紧紧缠绕外部电传导层或电流收集层以压缩内部层的时候是很合适的方法，这是因为压力压缩了重叠区域，有助于密封。如果希望进一步改进密封，那么可以采用在本公开其他部分描述的合适方法相互密封在重叠区域的PEM层。应当明白，PEM层被螺旋缠绕在某些实施方式中仅仅是出于方便，并不是必须的。PEM层也可以其他方式来包裹，例如，使重叠缝隙（重叠区域）与管结构的长轴一致或者PEM层可以是没有缝隙的形成的管结构，这里管结构是预先形成或现场形成的。

在某些实施方式中，当使用燃料电池时，氢气气体或其他燃料液体或蒸汽被带入与在PEM/电极表面的催化剂接触通过其中一个电传导层的小孔，并且氧气（例如，以空气的形式）被带入与其他PEM/电极（电传导层）表面的催化剂接触通过该电传导层的小孔。在各自的表面，氢气和其他燃料相互反应已形成质子和电子，氧气可以反应来消耗电子并产生氢氧离子。在氢气或PEM的气体燃料侧形式的质子可以分散通过阳离子交换材料（PEM）并与氢氧离子组合以形成水和热，其可以跟随氧气、空气或水在电极/电流收集器的表面上被移走。

上面的结构描述了形成在此公开的本发明的某些实施方式的燃料电池单元。在某些实施方式中，所述结构包括两个电传导层和他们之间的离子传导层（或电绝缘层）。在某些实施方式中，两个电传导层的其中一个是有孔的，或大孔的。在某些实施方式中，两个电传导层都是有孔的，或大孔的。在本公开的其他地方也描述了电绝缘层的某些典型实施方式。这种结构也可以被用作电解槽。仅仅为了简化和方便的目的，术语“燃料电池单元”用于指代结构，而不考虑其目的是用作燃料电池、电解槽还是两者。在某些实施方式中，电传导层指的是电极、导体；并且电绝缘层指的是绝缘体。在某些实施方式中，燃料电池单元部不包括单独的电流收集层，电传导层可以充当电流收集层。

某些实施方式与如何配置和连接燃料电池单元来制作管组有关。仅仅为了简化和方便的目的，术语“管组”用于指代相互连接的燃料电池单元的数量。燃料电池单元之间的连接可以是串行、并行或两者的组合。管组可以所有燃料电池单元充当燃料电池或者所有燃料电池充当电解槽，或者一个或多个燃料电池单元充当燃料电池以及一个或多个燃料电池单元充当电解槽的方式来使用管组。管组可以包括一个或多个燃料电池单元的子集，此后称作集合。在集合内部，燃料电池可以相互连接。在集合内的燃料电池单元之间的连接可以是串行、并行或其组合。管组的集合可以相互连接在一起。在管组内集合之间的连接可以是串行、并行或其组合。仅仅作为例子，管组可以包括集合，并且每个集合可以包括四个串行连接以形成电池管的燃料电池单元。在管组中，一组三电池管可以串行连接，并且两组可以并行连接。这种配置的优点在于，如果一个燃料电池单元失败，那么管组仍然可以至少部分容量地工作。其他优点包括由于仅仅需要修理或替换具有失败的燃料电池单元或杆的集合，所以容易修理。进一步的优点包括方便搭建。例如，可以由制造商或供应商来提供集合，并可以选择连接集合以建立管组来实现所需的输出（例如，输出电压、输出电流、或其组合），并且可以在将要使用该管组的现场完成该连接。管组可以所有集合充当燃料电池，或者所有集合充当电解槽，或集合中的一个或多个充当燃料电池并且一个或多个集合充当电解槽的方式来使用。所述电池管可以包括多个燃料电池单元。燃料电池单元可以首尾相连地电连接配件以便多个燃料电池单元的配件形成具有外壳侧和孔心侧的电池管。在电池管的外壳侧的第一剂基本上阻止了在电池管的孔心侧上的第二剂混合。

管组希望的特征例如包括多个燃料电池单元串行连接能够产生更高的输出电压、更低的内部电阻、和降低的或减小的潜在密封问题。管组的附加希望的特征可以包括对于气流相对大的通道，以减少或减小需要提供给管组的压力反应气体以及降低或减小通道阻止液体或固体从而限制气体通过的机会。

本发明的某些实施方式包括电池管。电池管包括多个在此描述的燃料电池单元。所述燃料电池单元可以首尾相连地电连接来配件，其中多个燃料电池单元的集合可以形成具有外壳侧和孔心侧的电池管。在电池管外壳侧的第一剂可以基本上阻止电池管的孔心侧的第二剂相混合。在某些实施方式中，当电池管被用作燃料电池时，第一剂和第二剂的至少其中一个包括气体、蒸汽或液态。第一剂或第二剂包括例如从氢气、氧气、甲醇液态或蒸汽、和空气中选择的一种气体。

在本发明的某些实施方式中，准备多个燃料电池单元并连接以便第一燃料电池单元的外部导体（外部电传导层）被电连接到第二燃料电池单元的内部导体（内部电传导层），而第一燃料电池单元的内部导体（内部电传导层）与第二燃料电池单元的外部导体（外部电传导层）绝缘。可以此方式连续联合燃料电池单元以便集合可以包括多个串行连接的燃料电池单元。如在此使用的那样，这种集合被称作“燃料电池管”或“电池管”。所述电连接包括电传导连接片。例如参见附图2中的4，图3中的6，图4C中的12，图5B和5C中的612。电池管包括至少一个电绝缘封装片。所述电绝缘封装片可以包括至少两个面，其中一个面形成具有电传导连接片的密封，其中另一面形成具有管状电池元件的离子传导层的密封。例如参见图2中的5，图3中的7，图5B和5C中的613。电池管也可以仅仅包含单个燃料电池单元。在此所指的电池管的公共特征，是否他们包含一个或多个燃料电池单元，在于电池管是具有公共孔心的管状燃料电池集合。仅仅作为例子，当使用由于热而损坏的有机聚合物PEM时，可以使用加热在形成PEM之前将燃料电池单元连接和/或融合在一起来形成电池管，以便当形成PEM时，其可以阻止由于长度和/或互联之间的不完整密封而形成的任何开口。在某些实施方式中，这种电池管是在形成PEM之后形成的。可替换地，配件方法不应当主要破坏PEM。合适的方法例如包括机械方法和那些使用粘结或不破坏PEM的温度就足以基本上损坏最终燃料电池集合工作等等及其组合的方法。

在某些实施方式中，管组可以包括一个电池管。在某些实施方式中，管组可以包括两个或多个电池管，其中所述电池管被串行、并行或其组合来连接。所述多个电池管的末端被密封到至少第一密封盘中，其中所述第一密封盘将所述管组分割成至少第一部分和第二部分，其中所述电池管的外壳侧被开放给第一部分，其中电池管的孔心侧被开放给第二部分。仅仅作为例子，当利用由热损坏的有机聚合物PEM时，在形成PEM之前可以形成所述管组。在某些实施方式中，在形成PEM之后形成管组。在管组中的多个电池管可以是相同的（例如，包括以相同方式连接的相同数量的燃料电池单元）或者他们可以不同。仅仅作为例子，在一个或多个电池管中的燃料电池单元的数量不同于在管组的一个或多个其他电池管中的数量。作为另一个例子，电池管包括相同数量的燃料电池单元，但是在一个或多个电池管中的燃料电池单元被以不同于与其他一个或其他电池元件中的方式来连接。

所述电池管可以被基本上相互平行地放置。在管组中的电池管可以被相互分割地放置以便在电池管之间形成多个打开的通道。由电池管的孔心形成的这些以及那些通道可以允许反应气体或蒸汽相对自由地通过燃料电池单元或如果用作电解槽那么从燃料电池单元产生气体或蒸汽。由外壳上的电池管之间的空间形成的通道的大量和互联性会导致对气体/蒸汽流的低阻抗，从而降低或减小了气体或蒸汽经历通过管组的外壳侧的压力降低。如果使用空气作为外壳侧的反应气体，那么这是很重要的，这是因为只有来自空气中的氧气在燃料电池中被消耗，意味着空气中其他气体，例如氮气，需要传递并退出所述管组。这需要更高的整体气体流，而不是在典型地提供例如氢气的合理纯燃料的孔心侧上。在现有的燃料电池管组技术中，这经常导致需要在进入管组之前压缩空气以便其维持所需的流动速率通过所述管组。用于压缩空气的设备增加了系统的成本并消耗了由系统产生的一些能量。相反，根据在此公开的本发明的实施方式，在管组中的气流通路的开放仅仅意味着减小了所需的空气的压缩，例如，可以通过吹风机或风扇或通过自然转换提供，从而节省了能量并允许使用更低成本的设备。管组开放结构的进一步优点，相比于现有技术，在于管组内的通道更不容易被诸如反应气体中的水或固体污染物之类的液体堵塞。由于水是燃料电池产生的并且输入的气体经常被预先潮湿，所以液态水是现有燃料电池管组中的问题。因此，如果管组中的部分条件导致形成液态水滴，那么依赖于通道的模式，他们可以合并并形成足够大的水滴而堵塞通道，并进一步阻塞到管组部分的气体通道。相反，在根据本发明某些实施方式的管组中，通道的相对大尺寸和互联使得设计更易于导致由液态水所形成的阻塞。

在某些实施方式中，所述管组包括一个或多个冷却管。所述冷却管可以被基本上相互平行地布置。所述一个或多个冷却管的末端可以被密封到至少第二密封盘中，其中所述第一密封盘和第二密封盘可以将所述管组分割成第一部分、第二部分和第三部分。电池管的外壳侧可以开放到所述第一部分，电池管的孔心侧可以开放到第二部分，并且冷却管的孔心侧可以开放到第三部分。所述一个或多个冷却管的至少一部分墙可以允许冷却介质从所述一个或多个冷却管的孔心侧退出以加湿所述一个或多个冷却管的外部。所述冷却介质例如包括液态水。

本发明某些实施方式能够容忍液态水出现的管组设计能力也可以在现有技术上获得附加的优点。热平衡是对于控制以便维持管组的最佳操作是重要的另一区域。作为在电极的反应气体的反应产物，可以产生热量。希望保留这些热量的一部分以便以升高的温度运行燃料电池，其运行更有效，但是不能保留太多热量，否则燃料电池单元可能被高温破坏或被耗干以致降低了离子转移通过PEM的效率。如此，在许多管组中，例如，设计具有高功率输出的管组中，主动或被动控制从管组中散出的热量是很重要的。在PEM对水容量敏感的地方，水平衡对于燃料电池也是很重要的，例如，当使用有机离子交换聚合物来形成PEM时。在本发明的某些实施方式中，可以组合管组中的散热和湿度控制功能。在本发明的这些方面，水被作为在一个或多个点的液体水滴的喷雾剂引入到管组的外壳侧。水喷雾剂引入点或多点可以在气体进入管组前开放进入管组的外壳侧（例如，通过可以允许冷却介质从所述一个或多个冷却管的两侧退出的所述一个或多个冷却管的一部分墙或通过在封装管组的外壳侧的墙上的开口）或可以打开进入气体流（第一剂或第二剂）。如果在气体进入所述管组之前被引入，水可以被引入到孔心侧气体流（第二剂）或外壳侧气体流（第一剂），或两者。如果气体已经具有高的湿度，那么水滴可以保持液态，吸收热量并变的暖和。如果在管组的外壳侧中的气体具有较低的湿度，一些水滴就会蒸发，吸收更多的热量并加湿气体。在此方式中，形成了自然平衡，其中干燥气体优选地被加湿并在需要的时候吸收热量。在水滴通过所述管组并被加热之后，他们被允许在管组的基底上合并，其中所述液态水可以被泵通过外部冷却电路并被作为喷雾剂重新引入到管组。可选地，所述外部冷却电路可以在单通过模式中使用的水来分配，其中在退出所述管组之后，被引入到所需的管组并被允许流向废水。散热量可以通过改变引入到管组的水量来控制。这种控制可以通过自动感测管组中的温度并基于感测的温度增加或降低流向管组的冷却水来自动进行。

对于作为电解槽的应用来说，可以使用相同大孔导体/绝缘体/具有可选电流收集层（燃料电池单元）的大孔导体结构，在此情况下，作为燃料电池的结构的优点是也适用于电解槽。这些优点包括由于包括具有高表面区域的大孔电极而导致的高电流密度，以允许所形成的气体逃跑或被收集的相对较大的通道（由于在大孔电极中的空隙量和管组中电池管之间以及之内的空隙），用于降低或减小电解槽过程总的能量损耗的低内阻，用于降低电极整体电压的高催化剂电极和可以连续忍受气泡产生的强壮结构。如在此使用的那样，“电流密度”指的是电极上的每单位几何区域的电流。在该应用中，孔心（或内部）和外壳（或外部）侧、或仅仅是外壳侧可以被使用液态水或水蒸气填满并在电极上应用的合适电压以进行电解。

在某些实施方式中，串行或并行或其组合方式连接的燃料电池单元的管组可以被用于在存在过多电的时候进行电解，并在需要额外电的时候做完燃料电池。在某些实施方式中，当做完电解槽时，所述管组可以被带入与液态水或水蒸气接触；并且当用作燃料电池时管组可以被排干液态水或水蒸气。可选地，当被用作燃料电池和电解槽时，在管组中可以维持液态水。在进一步替换方式中，当处于其目的优化每个管组时可以使用分离的管组用于电解槽和燃料电池。例如，管组的串行燃料电池单元的数量和/或并行连接燃料电池单元的数量可以分别安排以便允许获得所需的电量和传送电压。当用作电解槽时，应用合适的电压到管组以足以用于电解水。

在某些实施方式中，管组包括多个电池管，电池管包括管状燃料电池单元。

在某些实施方式中，管组包括多个电池管，电池管包括管状电解槽电池元件。电池管的孔心侧和电池管的外壳侧至少其中一个可以使用液态水充满。在某些实施方式中，电池管的孔心侧和外壳侧两者都充满液态水。

在现有的金属板和框架设备中，电池集合的宽度大约为4.4mm。这转换成电池管组每立方米227平方米的最大电极区域。在实践中，由于在每个金属板的周围存在密封该区域只有一部分可用作有效电极，并且具有在其上形成的信道的金属板需要被限制用于在电极板的表面上流过气体。因此，只有一部分电极与反应气体直接接触。如果考虑了这些限制，那么每个金属板区域可能只有一半是有效的。因此，有效区域可以被估计为电池管组每立方米114平方米。

仅仅作为例子，根据本发明的实施方式，燃料电池单元或电池管具有管状横截面，其中管尺寸的外部直径（OD）大约为4mm，而内部直径（ID）大约为1mm。进一步，如果具有这种管尺寸的燃料电池或电池管被包装成其中燃料电池单元或电池管为具有有效包裹直径为4.2mm的六边形紧凑包裹模式的管组，那么可以实现的有效电极区域是电池管组每立方米的257平方米。因此，对于其他东西都一样，相比使用相同量的当前现有技术，可以根据本发明的某些实施方式提取2.3倍的电量用于设备。

本发明在金属板和框架设备的其他优点可以具有相对开放的结构。对于根据包括具有上述示例管尺寸的燃料电池单元或电池管的某些实施方式的管组，假设大孔传导层（大孔电传导层）具有25%的空隙量，所述管组包括42%的空隙量或开放空间。对于金属板和框架设计，在管组中可以有10%空隙量或开放空间。

本领域普通技术人员明白，根据当前公开，可以制作其他管尺寸的燃料电池单元或电池管，或者具有其他封闭横截面（例如，方形、长方形、卵形、三角形、六边形等）；所述燃料电池单元或电池管可以被以不同包装模式而不是六边形包装成管组。这些或其他参数的不同组合可以实现不同属性，包括包裹直径、有效电极区域、表面区域或可用于气体或液体流过燃料电池单元的空隙量、电池管或其管组等等，或其组合。

根据本发明的某些实施方式的管组的额外开放空间允许更好地气体通过或水出口，减轻了阻塞气体通过金属板和框架设计的问题，其中所述其他通道典型地会被液态水产物阻塞。

所述开放结构还有助于通过允许容易接入到燃料电池单元或电池管的孔心（内部）或外壳（外部）侧以便多余的空气将热量带走来进行冷却。然而，所述开放结构还允许在金属板和框架设备中不可用的冷却方法。在高功率金属板和框架燃料电池中，分离的信道经常被包含在电池金属板中，通过该金属板，冷却水可以在分离的电路中循环到气体和产物水。这可以获得分离的泵并涉及添加的复杂性和由额外信道占用的空间。使用根据在此公开的本发明的实施方式的燃料电池单元或电池管的开放外壳（外部）侧，可以将外壳（外部）侧填满水，而将反应气体（例如，空气、氧气或氢气等等）的小气泡分散到外壳（外部）侧的整体以提供反应流。

外壳（外部）侧上的水提供了有效的热传导介质，通过该介质可以将过多的热传导到设备或管组的外部，但是更重要的是，可以解决其中一个最困难的问题，即使用金属板和框架PEM燃料电池实现了包括这种设备或管组的系统总正确的水平衡。在PEM燃料电池中，PEM需要维持完全水合以维持传导性。如果其耗干，那么其对离子流的阻抗会快速增加直到设备不再可以工作。另一方面，在金属板和框架设备中，气体不能被加湿以致液态水在系统中变稠，如此可以使得小气体通道被液态水阻塞并停止了反应气体流。在某些在此公开的某些实施方式中，在管组内的燃料电池单元或电池管的外壳（外部）侧充满水，使得精确分散的气泡提供了反应气体流（第一剂或第二剂），然后PEM可以保持足够水合。在管组中，可以引入气泡，并允许通过部分封闭管组的外壳侧的密封金属板的开口退出。在这些实施方式中存在液态水是希望的，而不是需要克服的问题。此外，在该模式下，由于水处于燃料电池单元或电池管的外壳（外部）侧上并且浸泡PEM所产生的反应物是氢气和氧气，所以容易将设备/管组转换成电解槽操作。还可以如在本公开中后续描述的那样使用其他冷却和加湿方法。

在某些实施方式中，希望这样配置，即外壳（外部）侧大孔电传导层的表面是不易被水沾湿的。反应气泡优先于水可以填满大孔电传导层中的气孔，从而允许增加反应物气体到电极/催化剂处的入口，同时保持PEM周围的最佳湿度

在此还公开了构成本发明一部分的制造燃料电池单元、集合（或电池管）以及管组的方法。应当明白，这些并不是唯一可能的方法，仅仅是制造的方便方法。

支撑结构

本发明的某些实施方式涉及在管状结构中建立燃料电池单元。为了便于制造，所述管横截面可以是圆形，但是也可以是方形、长方形、卵形、三角形、六边形或其他封闭横截面形状。例如，从集合或管状燃料电池单元管组的包装密度角度考虑，使用方形、三角形或六边形横截面是有利的。

不考虑所选择的横截面形状，管结构可以具有由能够传导电子的材料（内部大孔电传导层）构成的大孔内部层、由电绝缘层（离子传导层或电绝缘层）构成的大孔层、和由电传导材料（外部大孔电传导层）形成的外部大孔层。优选地，可以存在其他内部和/或外部电流收集层。

如在此使用的那样，“大孔”指的是大的足够允许气体和液体自有流过他们的孔心。孔心的最低限度可以通过在气体和液体不能自由流动时来控制的。孔心的上限可以通过离子传导层的明显不符不能再接触电传导层的至少一个点时来控制，或者直接或通过在诸如催化剂颗粒的离子层中电传导颗粒。为了在本发明某些实施方式中的环境中实现这些，孔心尺寸范围典型地从1微米到5毫米，或从10微米到2毫米，或从200微米到1毫米。

电传导层，或者如果存在，电流收集层的多孔性覆盖从10%空隙量到95%空隙量的宽范围内。实际多孔性选择是大孔电传导层的电阻和来自大孔导体和绝缘层之间接口的气体和液态水或水蒸气的进口和出口之间的平衡。如果电传导层是由具有高体积传导性的材料制造的，那么就可以使用更大的空隙量来改进气体和液体的入口并降低设备的重量，而不会有过多的电阻损耗。如果所选择的材料具有更低传导性，但是具有其他希望的诸如高抗腐蚀的属性，那么更低空隙量是更合适的。

在某些实施方式中，电传导层，和如果存在，电流收集层可以通过融化金属粒来形成。孔心尺寸可以方便地通过调整所使用的合适颗粒尺寸来调整，并且空隙量可以通过调整用于在融合之前预先形成所述层的压缩力来调整。

在某些实施方式中，使用金属泡沫来形成大孔电传导层，和如果存在，电流收集层。可以选择形成剂的数量和类型来实现合适的孔心尺寸和空隙量。

在某些实施方式中，电传导层和如果存在电流收集层的一个或多个可以包括整体大孔材料。合适的整体大孔材料的非限制性例子包括融合材料、过滤材料、扩展结构或填充粉末。

在某些实施方式中，可以使用配件大孔材料，例如，非纺织纤维材料、纺织纤维材料。纺织或非纺织炭光纤或纤维布料是合适的材料。

在某些方式中，通过融合金属粒构造的材料可以用于电传导层。融合金属粒的某些优点包括颗粒尺寸可以方便地被调整以调整层的尺寸和多孔性，并且他们可以提供在其上构建燃料电池电极的大表面区域。

在某些实施方式中，电传导层或电流收集层的一个或多个可以由固态无孔材料的不完整层来构建，其中在由固态材料覆盖的部分之间留有空隙，但是固态材料的区域被连接在一起以便形成连续传导路径。例如，包括所述固态材料的外部电传导层是金属线缠绕到由电绝缘层和内部电传导层形成的管结构的外部的形式。可选地，所述金属线可以被缠绕在管结构的孔心内部并与形成管墙的内部表面的电绝缘层连接。在两种情况下，在金属线的缠绕之间可以流出空隙以允许空气的进入（例如，氢气、氧气、空气等，或其组合）。

适合电传导层的材料的非限制性例子包括炭、不锈钢、钛、镍、铜、锡、和其他金属，或燃料电池环境中具有合适传导性和抗腐蚀性的金属合金。

电绝缘层可以是大孔。电绝缘层的大孔数依赖于所使用的实施方式。在某些实施方式中，电绝缘层由其主要功能是提供对于离子交换聚合物的支撑的颗粒构成。可以使用具有具有较大孔的材料来增加整个燃料电池中所述层的离子传导材料的量。例如，孔心尺寸可以是1微米到1厘米的范围，或10微米到5毫秒的范围、或100微米到1毫米的范围；空隙量可以足够大，同时仍然维持所希望的机械强度以幸免于制造过程。例如，空隙量可以帧0%到95%的范围，或者60%到90%的范围，或70%到80%的范围。

在某些实施方式中，所使用的电绝缘材料其自身是质子导体，并形成所述离子传导层。更宽范围的孔心尺寸和空隙量是有用的。如果不使用离子传导聚合物并依赖绝缘材料来形成气体障碍并传导离子，那么所述材料不需要是大孔的，只需仅仅容纳传导离子的路径即可，例如在粘土基质中的原子或原子页之间的空隙空间。在这些实施例方式中，显微孔例如，通过填满液态水的孔也是可以的，只要他们小的足够所述层仍然形成合适的气体阻碍。在某些实施方式中，使用包括支撑材料和离子传导聚合物的混合离子传导层。所述孔心和空隙量在最大化其离子传导性可以基于结构所需的层的最小强度来选择。例如，如果所述支撑材料具有离子传导性，相比于离子传导聚合物的传导性，空隙量可以更小，并使用更强的支撑结构。在某些实施方式中，支撑材料可以由与离子传导聚合物相同的材料构成。如果离子传导聚合物具有比支撑材料更大的传导性，那么只要所述层具有主要来自所述支撑材料的可接受强度就可以增加空隙量。

适合电绝缘层的材料的非限制性例子包括例如硅酸盐材料、铝矽酸盐、金属氧化物、陶瓷材料、大孔聚合物、离子交换聚合物等等。仅仅作为例子，离子传导材料包括沸石或Nafion(R)。

在某些实施方式，希望使得两个大孔电传导层之间的电绝缘层具有高的质子传导性，这是因为该层担当了系统中的PEM。

本发明的某些实施方式包括制造管状电池元件的方法。该方法包括使用第一电传导材料形成管结构以形成内部电传导层；在包括内部电传导层的管结构周围形成电绝缘层或离子传导层；和使用第二电传导材料形成外部电传导层。所述第一电传导材料或第二电传导材料可以包括从例如碳、不锈钢、钛、锡、铜、镍、和其他金属或其合金中选择的一种材料。所述电绝缘材料或离子传导材料可以包括从例如硅酸盐材料、铝矽酸盐、金属氧化物、陶瓷材料、大孔聚合物、离子交换聚合物等中选择的一种材料。仅仅作为例子，电绝缘材料或离子传导层包括沸石或Nafion(R)。依赖于所使用的材料，电绝缘层可以是离子传导的，或者可以提供其上可以涂覆离子传导材料的结构支撑。电绝缘层或离子传导层的形成可以通过在包括内部电传导层的管结构周围缠绕一张电绝缘材料或离子传导层来实现。可以放置离子传导页的相邻缠绕以便至少部分相互重叠以形成重叠区域。可以对所述重叠区域添加热封或粘结封装。可以通过在包括内部电传导层和离子传导层的管结构上环绕第二电传导层来实现外部电传导层的形成以形成外部电传导层。

仅仅是为了给出构造方法的一个例子，采用不锈钢粉末，使其变成管状形状并根据现有技术中已知那样进行熔结以在管结构内产生大孔电传导层。铝矽酸盐（粘土）混合水构造的滑片然后被缠绕或覆盖在熔接的管结构的外部表面以便不锈钢完全被覆盖，然后，蒸干水分以留下铝矽酸盐颗粒的干燥层。然后在铝矽酸盐的周围以浇筑的封装更多的不锈钢颗粒，并且加热整个结构，例如熔接外部不锈钢颗粒以产生如图1所示的结构。

在某些实施方式中，构造管状电池元件的方法包括：在形成电绝缘层之前形成内部电传导层和外部电传导层。所述方法包括首先形成在其上形成内部电传导层的内部电流收集层，并在外部电传导层的周围形成外部电流收集层。例如，如果在使用离子传导有机聚合物材料，那么当使用可能由熔接金属所使用的温度所破坏的绝缘层材料时，该方法是合适的。

为了给出构造的另一个例子，采用了两个预先成型的熔接金属管结构，其中一个管结构的外部直径小于另一管结构的内部直径，例如，通过两倍于电子绝缘层的所需厚度。较小直径的管结构被置于内部，并与具有较大直径的管结构以及在管结构之间填充有粉末、颗粒或纤维形式的绝缘材料的缝隙基本上处于同一轴心。

PEM的合并

在某些实施方式中，一旦形成包括内部电传导层、电绝缘层和外部电传导层至少其中一个的管结构，那么就可以合并燃料电池的其他元件。其他元件包括：例如，能够传导离子但是阻止燃料电池单元孔心侧和外壳侧中气体大量混合的离子传导层（例如，PEM层），与PEM和电子导体（电传导层）接触的催化剂。

如在其他地方描述的那样，在某些实施方式中，为了阻止气体的大量混合，通过在包括内部电传导层的管结构周围缠绕一张离子传导材料来形成离子传导层。并放置离子传导页的相邻缠绕以便至少部分地相互重叠以形成重叠区域。对所述重叠区域添加热封或粘结密封。

在某些实施方式中，可以通过将以合适溶剂的离子交换聚合物的溶液引入到多孔管结构（包括电传导层、电绝缘层和外部电传导层的至少其中一个），并配置电绝缘层的毛细管力以便其高于在多孔管结构中存在的电传导层的毛细管力。例如，这可以通过确保电绝缘层具有比电传导层更小的孔来实现。在该方案中，包含离子交换聚合物的溶液易于在电绝缘层中进行局部化；并且随着溶剂的蒸发，聚合物可以沉淀以便阻塞电绝缘层的孔。为了进一步鼓励聚合物选择性地沉淀于电绝缘层的孔中，可以在电绝缘层的一侧的孔导体中引入高分子溶液，并在绝缘层的另一侧施加热和/或气体以便溶剂可以从电绝缘层末梢的一侧蒸发到施加大分子溶液的一侧。在该方法中，溶剂可以优先从还没有被沉淀聚合物阻止的电绝缘层区域中蒸发，其效果在于阻塞正在增长的电绝缘材料/离子交换聚合物混合中的洞有助于确保形成完整的针孔自由层。覆盖在电绝缘材料上的离子交换聚合物的增长可以是来自靠近对施加大分子溶液的电传导层施加热和/或气体的地方的电绝缘层的一侧。如此，可以有助于在燃料电池工作时阻止管结构的孔心和外壳侧的气体混合。于此相呼应，或者在形成完整的离子交换聚合物层之后，可以将额外的大分子溶液，例如，相同的离子交换聚合物溶液装载到多孔电传导层和蒸发以在电绝缘层中形成与聚合物接触并覆盖在多孔电传导层孔墙至少一部分留下薄膜的溶剂中的一者或两者中。这可以增加电极/PEM接口的表面面积以助于提高工作中可实现的电流密度。

在某些实施方式中，离子交换聚合物（或PEM）包括允许选择性地传送质子或水合氢离子的阳离子交换聚合物。在某些实施方式中，离子交换聚合物（或PEM）包括允许选择性地传送氢氧离子的阴离子交换聚合物。仅仅作为离子，阳离子交换聚合物例如是Nafion(R)(DuPont de Nemours)，其对于质子具有高选择性、高离子传导性，并且具有相对的化学惰性，并可以方便地在溶剂中溶解以形成溶液。

在某些实施方式中，离子交换聚合物可以自支撑并且不形成于分离的电绝缘材料的孔心内。这种替换方式可以应用在PEM层合并之后不需要烧结步骤的某些实施方式中。如果在现场形成PEM之后再执行烧结或其他高温处理，那么PEM很可能被热处理所损坏。在该替换方式中，离子交换聚合物（或PEM）可以被放置在电传导层的内侧或外侧上。其可以通过蒸发包含聚合物的溶液来沉淀，通过添加熔化形式的聚合物或作为置于管状电传导层的的上面或内部的预成型薄片或管结构。如果使用薄片，那么包装薄片的接口可以使用熔化或溶化的聚合物来密封以创建PEM管结构。然后，可以在PEM上使用诸如缠绕不破坏PEM的金属线到其在燃料电池中的功能将被损坏的程度的处理形成另一电传导层。

在某些实施方式中，使用诸如沸石的铝矽酸盐材料作为电绝缘层和PEM，因为恰当的选择沸石可以提供所需的质子交换属性，同时维持对气体混合的阻碍。沸石的使用具有材料可以承受烧结温度的优点；因此，沸石可以夹在大孔导体（大孔电传导层）层之间并一步形成大孔电传导层/电绝缘层/具有完整PEM的大孔电传导层夹层结构。在金属板和框架的结构中，根据现有技术和西门子-威斯丁豪斯管状结构，使用薄的沸石层作为PEM在系统中存在很大问题，即薄膜很容易折断。根据在此公开的本发明的某些实施方式，然而，PEM包含在大孔导体层内或者由其支撑，因此被保护免于折断。而且，在此公开的本发明的某些实施方式不需要高温来进行。因此，可以降低或减小由于温度周期变化而破坏燃料电池单元与膨胀和/或收缩相关的问题。

在某实施方式中，无机的PEM（例如，沸石）可以与有机聚合物PEM（例如，Nafion(R)）组合一起形成复合的PEM。无机阳离子交换材料可以在其构造期间包含在夹层结构中，并将聚合物注入到无机PEM中的任何缝隙中，否则就会在PEM中造成泄漏。在使用非离子交换材料作为电绝缘层的这些实施方式中的优点至少包括无机阳离子交换材料有助于质子传导性，因此，降低了内阻并增加了燃料电池的性能和/或效率。

在某些实施方式中，在电绝缘层中包括诸如Nafion(R)的高容量聚电解质。在这样的实施方式中，希望能够得到100%的Nafion(R)层。下面是如在此公开的那样准备这种层的典型方法。

在第一阶段，大孔层材料（电绝缘材料）放置在内部和外部电传导层之间。电绝缘材料具有在经历用于准备大孔电传导层的条件，例如，适用于烧结金属颗粒的条件，之后仍然存在，并可以在不影响大孔电传导层的条件下被溶解或移除的特点。例如，电绝缘材料可以是一种可在基本溶液、或酸性溶液中可溶的。诸如碳酸钙之类的材料是适合的。

在将电绝缘材料放置在大孔导体和配件之间之后，例如，烧结以完成大孔导体层，聚电解质可以如在本公开中描述的那样被引入到电绝缘层中的孔中。例如，可以引入Nafion(R)作为溶液，从其中蒸发掉溶剂留下固态聚合物，然后如现有技术已知的那样通过在烤箱中加热使其不可溶解。在此步骤之后，当在电绝缘层中的孔被填满不可溶解的聚合物时，电绝缘层就可以被暴露于津析液体，例如，基本水溶液，以便消散电绝缘材料。这就可以在聚合物电解质结构(PEM)中留下孔。然后，使用更多的聚合物电解质来填充这些孔，并被转化成不可溶的形式。在此方式中，离子传导/交换层完全由离子传导聚合物构成，同时能够维持大孔电传导层之间的电绝缘。

在某些实施方式中，仅仅由有机离子交换聚合物构成的电绝缘层可以通过形成有机离子传导聚合物的颗粒层然后通过从溶液中沉淀将更多的有机离子传导聚合物或不同的离子传导聚合物引入到颗粒之间的孔中。Nafion(R)仅仅是合适离子传导有机聚合物的一个例子，这是因为Nafion(R)颗粒不会在添加到这些颗粒中的Nafion(R)溶液所溶解。这就形成了由Nafion(R)组成的具有相对高的离子传导性的层。

催化剂的组合

燃料电池可以进一步把控一种或多种催化剂。这些催化剂典型地包括所放置的铂金属小颗粒以便与PEM或一个或两个电子导体（电传导层）接触。在某些实施方式中，可以使用铂作为阳极和阴极。在某些实施方式中，催化剂包括钌。

在某些实施方式中，通过还原阳离子铂离子，例如可以作为盐或酸(Sigma Aldrich)可以商业获得的脂鲤-氨基-铂(II)(Pt(NH3)4<2+>)或氢氯铂酸(II)阴离子，来沉淀铂金属。在该方法中，燃料电池单元被放进铂盐或酸的水溶液。如果使用阳离子金属离子类型，诸如Pt(NH3)4<2+>，其可以离子交换到阳离子交换聚合物（PEM）中。如果使用阳离子金属离子类型，那么其可以待在PEM周围的溶液中。

然后可以通过减少PEM中或PEM周围溶液中的铂离子来形成金属铂颗粒。这种还原可以通过化学或电化学来实现。在化学还原方法中，使用具有足够强的还原作用以形成铂金属的诸如硼氢化物或联氨之类的还原剂溶液被放置与具有装有铂离子或具有包含在PEM周围的铂离子溶液的燃料电池单元接触。通过调整在还原溶液中使用的还原剂的浓度，可以调整铂的位置和颗粒尺寸。例如，通过降低还原剂的浓度，可以减缓还原作用。这允许在PEM中的铂离子具有更多时间来转移到开始还原作用的表面并在表面上增长，在此处，他们也可以与一个或两个电导体接触。

在某些实施方式中，铂金属可以电化学地形成。在该方法中，电源被连接在一个电传导层和另一电传导层之间，所述层构成了铂沉淀的阴极。施加在传导层之间的电压极性可以周期性地反转以便每个层轮流作为阴极，因此，铂可以沉淀在两个最后的燃料电池电极上（电传导层上）。该方法可以获得确保所形成的铂金属与一个或两个电子导体以及PEM都能接触，从而最佳地使用贵金属的优点。

如果在一次处理中沉淀的铂不够，那么在发生还原之后，可以使用包含离子的铂重新装入聚合物或者与更多的溶解有包含离子的铂的溶液接触，并重复还原步骤。该顺序需要经常重复以实现所希望的铂的载入。可选地，载入和还原不是串行步骤，溶解有包含可以交换到PEM中的离子的铂的溶液可以被引入到PEM的一侧，并在PEM的另一侧执行铂盐的化学或电化学还原，其中还原是连续进行，直到实现了所希望的铂载入。

使用适当位置的PEM和催化剂，该结构能够用作燃料电池单元。

电池管和管组可能的构造

本发明的某些实施方式包括制造在此描述的电池管的方法。该方法的某些实施方式是参考图2-5D来描述的。应当明白，这仅仅是为了展示的目的，其目的不在于限制本公开的范围。

本发明的某些实施方式包括制造在此描述的管组的方法。所述方法的某些实施方式是参考图6、图7和图8来描述的。应当明白，这仅仅是为了展示的目的，其目的不在于限制本公开的范围。

本发明的某些实施方式包括使用包括管状电池元件或电池管的管组的方法。仅仅为了展示的目的，该方法是基于管组包括电池管的实施方式来描述的。该方法可以包括：提供第一剂到第一部分，其中所述第一剂可以进入到电池管的外壳侧；和提供第二剂到第二部分，其中第二剂可以进入电池管的孔心侧。该方法可以包括从管组中散热。散热可以包括在进入管组或进入电池管之前将冷却介质的水滴细喷雾引入到所述第一剂或第二剂中的至少其中一个中。散热可以包括在进入管组或进入电池管之前使得第一剂和第二剂的至少其中一个起泡通过冷却介质。当管组包括一个或多个冷却管时，散热可以包括在所述一个或多个管中流动冷却介质。如果所述一个或多个冷却管的至少部分墙壁允许冷却介质从所述一个或多个冷却管的孔心侧退出以加湿所述一个或多个冷却管的外侧，那么散热可以包括引入冷却介质小滴到第一剂和第二剂至少其中一个，同时传递到管组。所述冷却介质包括液态水。第一剂和第二剂的至少其中一个包括液体、蒸汽或气体。第一剂或第二剂包括诸如甲醇的液体、或气体，或从例如氢气、氧气、甲醇蒸汽和空气中选择的蒸汽。该方法的某些实施方式参考图6、图7和图8来描述。

当引起电流时，使用中的单个燃料电池单元典型地可以产生大约0.5到0.8V的电压。对于大多数应用来说，该电压对于正常使用是不够的。因此，经常希望连接至少两个以及串行电连接许多燃料电池单元来增加设备的输出电压。此外，多个串行元件配件或电池管可以电串行或并行连接。通过并行连接配件或电池管，可以增加设备的输出电流。串行和并行元件选择的平衡依赖于因素的数量，这些因素包括所需的输出电压、和用于特定应用的电流、以及由于设备内以及其外部连接的电阻而导致的最低损耗

一般而言，希望构造管组以便降低或减小内电阻，以降低或减小管组内的压降。

在某些实施方式中，公开了配件允许大量串行连接并减小内阻的燃料电池单元的方法。因此，在某些实施方式中，准备了上面所公开的短尺寸的管状燃料电池单元。依赖于所使用的互联和PEM方法，短尺可以是仅仅在合适位置具有电传导层的不完整燃料电池单元，可以是仅仅是合适位置具有电传导层和电绝缘层的不完整燃料电池单元，可以是在合适位置具有PEM和催化剂的完整燃料电池单元，或可以是例如使用无机PEM但不是催化剂的中间状态。如果需要加热该结构，例如，加热到导体烧结温度以形成互联，那么在执行串行连接之后，优选加载有机PEM（如果正在使用）和催化剂，以避免高温对他们的损坏。

短尺寸的燃料电池单元可以作为端尺寸的来准备，或者通过将更长的部分或完整燃料电池结构切割为较短的尺寸来准备。注意，如果使用切割程序，该切割方法可以确保内部和外部电传导材料（如果存在）在切割表面不会接触形成电短路。除了合适的机械方法之外，例如细金刚石锯或线，还可以使用其他切割技术，例如激光切割、等离子切割或水切割。

在某些实施方式中，管组包括端尺寸的燃料电池单元，或者可选地，一个或多个电池管包括多个燃料电池单元。在电池管内，多个串行燃料电池单元被互联以便第一节（燃料电池单元）的外部导体（外部电传导层）被连接到第二节（燃料电池单元）的内部导体（内部电传导层），而第一节（燃料电池单元）的内部导体与第二节（燃料电池单元）的外部导体绝缘。这种连接模式对于电池管中的每个连续燃料电池单元被重复。

本发明该方面的典型实施方式显示在图2中。尤其是，图2显示了两个燃料电池单元的连接区域的纵向界面。在该图中显示的两个元件包括外部电传导层1、电绝缘层（离子传导层）2、和内部电传导层3。图中显示了元件是肩并肩的。电传导连接片4被置于元件之间。燃料电池单元通过电连接片4串行连接。可选地，在元件之间的空间可以包括电绝缘密封片5。在附图中的元件的上部和下部组相应于管壁的上部和下部。

典型地，电传导连接片4具有类似于燃料电池单元的侧横截面形状的侧横截面形状，虽然电传导连接片4的侧横截面可以比燃料电池单元的侧横截面更小或更大，但是只要其不是大的阻碍气体流过组合电池管的孔心或者小的不能连接外部电传导层到内部电传导层即可。

在某些实施方式中，电传导连接片4由适合电传导并具有合适抗腐蚀性的材料构成。合适的材料例如包括不锈钢、碳、钛、镍、铜、锡、和其他金属或其合金。

电绝缘密封片5，如果存在，可以由电绝缘材料构成，例如，橡胶、陶瓷、泥土、漆、黏合剂或其他材料。其主要功能有助于防止不同大孔电传导层之间的非故意电连接并有助于在燃料电池单元之间的结合处形成气体紧密密封。在某些实施方式中，不需要电绝缘密封片5。电传导连接片4足够用于执行这些功能。

在某些实施方式中，电传导连接片4可以通过采用垫片形式的金属页（使用的具体细节是已知的）并使用诸如压膜的处理来将垫片压缩成杯形横截面，如图2所显示的电传导连接片4。以此方式，垫片的外环位置相对于内环的位置纵向偏移。优选地，然后可以在通过切割处理形成凹下区域形成电子或电绝缘材料以形成具有扁平前后表面的部件。

在某些实施方式中，多个点传导连接片4（优选地在合适位置具有电绝缘密封片5）被置于多个燃料电池单元之间以形成电池管。包括多个较短燃料电池单元的电池管通过电传导连接片4电连接在一起。一旦装配完成，该电池管被加热到足以熔接电传导连接片4和外部和内部电传导层以形成坚固电池管的温度。可选地，沿着电池管的孔心放置棒以便棒的末端从电池管的末端伸出。然后可以将螺母或类似设备拧到棒的末端以对所装配的燃料电池单元施加力并将它们捆在一起形成电池管。

在某些实施方式中，一旦装配了电池管，那么就在燃料电池单元的电绝缘层（例如，图1-3中的电绝缘层2）形成聚合物PEM，并如上所述那样沉淀催化剂。该处理过程的优点包括在PEM形成过程期间，在燃料电池单元连接点处的潜在气体泄漏可以被密封。

在某些实施方式中，电绝缘密封片5可以由软的无孔材料构成，例如丁基橡胶或硅橡胶以产生连接密封。在此情况下，优选地，不是使用高温来将燃料电池单元合并为组合电池管，而是使用某些其他方法，例如，机械压缩方法。

在某些实施方式中，燃料电池单元的互联（电传导连接片）是由电传导材料构成的，其中互联安装于第一燃料电池单元的外部表面以及相邻第二燃料电池单元的孔心（内表面），并且包括绝缘体（电绝缘密封片）以阻止不希望的短路。图3显示了这种结构。附图仅仅显示了一个燃料电池单元，与其串行连接的相邻元件没有显示出。在该附图中所显示的元件包括外部电传导层1、电绝缘层（离子传导层）2、内部电传导层3。电传导连接片6置于该元件与其相邻元件（图中没有显示）之间。这些元件通过电传导连接片6串行连接。优选地，在这些元件之间的空间包括电绝缘密封片7.在附图中的这些元件的上部和下部组相应于管壁的上部和下部。在这些实施方式中，制造电传导连接片6、典型机械或其他构成部件，并安装在一个元件的外部以及下一元件的孔心处。包括绝缘材料，例如硅橡胶垫片，的电绝缘密封片7被置于机械连接的前面和后面（或覆盖在其上的层）以阻止在PEM上电短路并有助于密封。在电池管的横截面或构成燃料电池单元是圆形的实施方式中，互联（电传导连接片6）可以被抽成线状以便与线一起交织到第一燃料电池单元的外部或第二燃料电池单元的孔心（内）壁上。对于圆形和其他形状的燃料电池单元，互联（电传导连接片6）可以是在第一燃料电池单元的外部以及第二燃料电池单元的孔心（内部）挤压配合

图4A到4F展示饿了可以在某些实施方式中用于构造包括多个燃料电池单元的电池管的步骤。根据该方法，可以采用具有更大长度和更小直径的大孔电传导管结构，并且他们的末端使用作为电绝缘的漆或黏合剂材料（10，有点的区域）覆盖，如显示为横截面（图4A）和透视渲染（图4B）。电传导连接片（12，固态片）可以被置于较大直径管结构和较小直径管结构节的末端，如图4C所显示的那样进行装配。例如，具有在其上附着电传导连接片的较大直径管结构的第二节然后被放置在较小直径管结构的上面以便他们同轴，但是在他们之间具有缝隙。可以此方式装配多节，如图4D所示那样，在较小和较大直径的管结构之间留出空隙（14）。在内部和外部管结构之间的空隙可以通过形成于较小直径管结构外周上形成的绝缘材料在其末端伸出区域来维持，如图4A和图4B所示那样。可以使用特定或纤维形式的电绝缘材料，例如在本公开其他地方所描述的那些，来填充空隙。仅仅作为一个例子，可以使用Nafion(R)粉末来填充空隙，如图4E所示那样（16，填充有检验板的空间）。然后将例如Nafion(R)溶液的离子传导材料溶液注入以与填充有电绝缘材料的空隙接触，并蒸发溶剂以留下离子传导材料的沉淀来形成适用于分离在组合电池管内部和外部上的气体（第一剂和第二剂）的整体障碍（18，填满网格的空间），如图4F所示那样。

图5A到5D描述了燃料电池单元和电池管以及制造它们的方法的替换实施方式。在这些实施方式和制造方法中，燃料电池单元的至少某些层是通过缠绕合适的材料来形成管结构或者在预先存在的管结构周围或线圈架上缠绕合适材料来装配的。在所示的典型实施方式中，燃料电池单元存在5层，内部电流收集层（内部电流收集器）（601）、承载由面向PEM层的侧面所支撑的催化剂的内部大孔电传导层（603）、PEM层（604）、在面向PEM的侧面上承载催化剂的外部大孔电传导层（631）、和外部电流收集层（或外部电流收集器）（641）。

图5A展示了制造包括一个或多个燃料电池单元的管结构的示例方法。首先，通过缠绕一条在其上形成有开口（606）以便其他可以通过该层的内部电流收集材料（601）来形成管结构（602）。该条可以缠绕在线圈架上来形成管结构，可以不使用线圈架来形成管结构，或可以通过缠绕线圈架的内部来形成管结构。如果使用内部线圈架，那么当构造管结构时，线圈架可以随着管结构移动，或者线圈架是静止的，并且管结构在其形成之后移出线圈架。如果在构造管结构时线圈架随着管结构移动，那么制造过程中，线圈架被设计为可移动，或被设计为待在最终燃料电池单元中的合适位置。如果线圈架被设计为待在合适位置，那么其可以包括一个或多个槽以便气体可以在线圈架和穿孔的电流收集层之间通过，从而给出了气体到电流收集层中洞的入口。线圈架中的一个或多个槽可以任何方便的形式，例如，直的、螺旋缠绕在线圈架周围，例如以螺纹或在沿着线圈架周围的相反方向具有两个螺旋的槽的形式形成相互交叉的槽。在线圈架上包括至少一个螺旋槽是有利的，这是因为在内部电流收集器以自动方式缠绕在线圈架周围时，可以用来将线圈架取出。在某些实施方式中，当内部电流收集器（601）的条带缠绕在线圈架的周围时，其通过合适的转换方向有助于其保持所需的管状形状。通过在连续缠绕接触或重叠的地方焊接可以转换方向或可以通过应用例如热来转向线圈架，如果存在的话。

在缠绕内部电流收集器（601）之后，形成了管结构（602）。制造的下一个阶段是将内部大孔电传导层（603）缠绕到内部电流收集层（或内部电流收集器）（602）。这也可以通过使得大孔电传导层采用柔软条的形式来方便地完成。如在现有技术中已知的作为气态扩散层的由纺织炭纤维构成的材料该层的合适材料。该层还支持电极作为催化剂，例如在碳颗粒上所支撑的铂，其依次在纺织炭纤维上得以支撑。因此，在制造方法的某些实施方式中，内部大孔电传导材料的条带被螺旋缠绕在内部电流收集器（602）上以便连续缠绕的层相互接触。不需要该层被缠绕的不留空隙，因为该层的部分功能是让气体通过它。然而，优选地，在实际中，当缠绕时，内部大孔电传导层（603）大部分是连续的，以便在其上支撑的电极材料被引入以与尽可能多的PEM的表面接触。如果使用机器来自动执行该部分的制造过程，有利地，该层（603）的缠绕是与缠绕内部电流收集层（602）相同的机器上执行的。管结构608包括两层，内部电流收集层（601）和内部大孔电传导层（603）。

然后通过在内部大孔电传导层（603）的周围螺旋缠绕一条PEM材料来形成PEM层（604）。阻止大量气体从该PEM层泄漏是重要的，因为这代表了在设备用作燃料电池时的反应气体的损坏和设备用作电解槽时的气体产物。阻止泄漏的方便方法是重叠连续缠绕PEM层。在某些实施方式中，这对于阻止大量泄漏是足够的。在其他实施方式中，优选地，通过在重叠区域（605）对PEM层加热以熔接重叠层来进一步产生密封。如果将管结构顺序切割成更短的节，那么该密封也可以执行将内部层固定在合适位置的附加功能。由于重叠区域（605）代表了PEM层两倍于非重叠区域处的PEM区域，所以优选地要减小重叠区域。这可以通过采用最小重叠区域宽度并以更浅的角度缠绕PEM到管结构的轴中以便每长度的管结构的接口长度被减少或减小，但是仍然能够使用连续带来以连续的方式包裹管结构来实现。由于使用内部大孔电传导层（603），因此，如果在该制造步骤中使用机器，那么在与以顺序方式缠绕其他层的相同机器上执行该步骤是有利的。

这些缠绕步骤可以连续或半连续方式来完成以形成具有任何所需长度的管结构（607）。管结构607包括三层，内部电流收集层（01）、内部大孔电传导层（603）、和PEM层（604）。在某些实施方式中，可以通过上述方法形成固定长度的管结构并在下一阶段使用，或者可以在其生产时候切割管结构的长度。管结构的切割长度形成了燃料电池元件的基础，或可选地，管结构可以被初始地切割成适合电池管之后被进一步切割成适合各个燃料电池元件的长度的长度，如图5B所描述的那样。方便的方法是在切割一节管结构的地方可以形成燃料电池管中的燃料电池元件并且该节被容纳在分段的容器（没有显示）中以便在分段或容器之间的空隙对应于可以形成燃料电池单元之间的接口的地方。一旦在该分段容器中，管结构就被切割成对应于各个燃料电池单元的节（610）。然后横向扩展分段的容器以便在切割节（610）之间打开空隙，但是切割节被以横向直线保持。电传导连接片（612）和电绝缘密封片（613）然后被引入到切割节（610）之间的空隙中，并且切割节被通过横向压缩分段容器被返回连接在一起。在该处理过程中，连接片（612）滑入一节管结构的孔心并在相邻节管结构的外部直径上使用电绝缘密封片（613）在连接片的每一末端密封连接片和PEM。该密封可以通过使用由诸如可以软化或熔解并应用热来熔接到PEM的热塑材料构成来加强。施加热的方便方法是通过连接片（612）传递电流以便其充分加热以允许密封片（613）形成到连接片（612）和切割节（610）上的PEM的密封。密封片（613）仅仅是采用平垫圈形式和杯子形状作为例子，只要切割节（610）的末端置于密封片（613）的杯中就可以。杯形便于通过增加密封片和PEM层的接触面积来密封。通过这种处理，形成管结构（620），其中一个管分段的内部电流收集器（602）电连接到电传导连接(612)，其部分位于相邻管分段的外部直径周围。进一步，相邻分段的内部电流收集器（602）相互电绝缘。在制造的该点形成管结构是有利的，这是因为其允许更好地接入PEM层以在管分段之间形成满意的气体紧紧密封。

现在保持图5C所示的外部大孔电传导层（631）和图5D所示的外部电流收集器（641）使用每一段来形成。外部大孔电传导层（631）和/或外部电流收集器（641）可以被以连续的方式沿着管结构（607）缠绕以形成这些层。然而，这些层不形成导致管分段之间短路的通过连接片（612）的电传导路径是重要的。因此，在管分段之间的外部大孔电传导层（631）和外部电流收集层（641）不应当连续。形成该不连续性的一种方法是在缠绕层之后从分段之间的区域移走外部大孔电传导材料和外部电流收集材料。替换的方法是对于每个分段分别缠绕大孔电传导材料（631）和/或外部电流收集材料（641）以确保材料不会在相邻分段的外部电流收集器（641）之间形成电传导路径。形成层631的替换方法是通过喷雾或对每一分段的PEM层施加粉末或纤维材料。注意，外部电流收集器（641）与位于PEM层外侧周围的部分连接片（612）电接触是重要的，这是因为，其可以形成部分串行连接。这可以通过重叠外部电流收集器（641）和连接片（612）的外部表面来实现。例如，如果通过在外部大孔电传导层（631）的周围缠绕金属线来形成外部电流收集器（641），那么就可以缠绕金属线以便其在分段（642）的一个末端覆盖连接片（612）的外部表面，但是不与分段的另一末端的连接片（612）的外部表面电接触。在缠绕之后，例如通过粘结、扭曲、打结金属线等或其组合来将金属线保持在合适位置。通过该方法，形成了完整的电池管，其中电池管包括多个串行电连接的多个燃料电池单元。管结构630包括四层，内部电流收集层（601）、内部大孔电传导层（603）、PEM层（604）和外部大孔电传导层（631）。管结构640包括五层，内部电流收集层（601）、内部大孔电传导层（603）、PEM层（604）、外部大孔电传导层（631）、和外部电流收集层（641）。

为了形成内部电流收集层（602），可以使用具有合适厚度和合适抗腐蚀性的电传导材料薄片。所选薄片的厚度是通过考虑其电阻、强度、重量和硬度来确定的。由于这些参数依赖于所选材料而改变，所以选择的厚度也可以改变。不锈钢由于其具有良好的抗腐蚀性和强度以及可接受的电传导性，所以是适合使用的材料。在某些实施方式中，只要电池管的孔心基本上或仅仅是被暴露给还原环境以便使用氢气，那么就可以考虑具有比不锈钢更差的抗腐蚀性但是具有其他所需属性的材料。例如，碳、不锈钢、钛、镍、铜、锡、和其他金属或其合金是合适的，这是因为他们在还原环境中可接受的抗腐蚀性以及高导电性。对于不锈钢来说，合适的页厚度可以从10微米到1000微米，或25微米到500微米，或从50微米到300微米。这些范围的厚度在强度、重量、导电性和弯曲以形成管结构的可折性之间具有良好的平衡。

内部电流收集层（602）具有在其中形成的开口（606）。例如，参见图5A。例如，可以通过切缝并撕拉材料以对其进行扩展、通过使用激光或其他热源熔化掉材料以形成洞、铜使用移走刺孔区域的管芯穿孔，或通过使用穿破材料但是不移走材料的工具对页近穿孔来形成这些开口。例如，可以使用具有成型的第一突出的工具来形成齿孔，在该齿孔中，工具间页材料推到页的后侧以在每个洞的周围形成突出材料。随后移走该突出材料以留下基本上平滑的表面或可以将其留在合适的位置。有利的是将突出材料（第一突出）留在合适位置并缠绕穿孔的页以便在其被缠绕到内部电流收集管结构（602）的时候，突出材料面向内部大孔电传导层（603）。如果这样做，那么在每个洞周围的突出材料可以插入内部大孔电传导层（603）到合适的深度以形成电传导手指，其有助于以降低由在传导期间电子所遇到的电阻的形式从内部大孔电传导层（603）收集电子。这在某些实施方式中是有利的，其中大孔电传导层由纤维或扩展材料构造，例如，纺织或非纺织炭纤维或碳灯丝材料。这种材料具有对于气流开放并抗腐蚀的优点，但是具有比期望更高的电阻。通过将例如不锈钢等更好导体的手指插入到大孔页中，可以降低整体电阻。实现这个的便捷方法是使用在穿孔处理期间形成的手指或突出材料作为插入到大孔页的手指。然而，还存在可以用于实现此的其他方法。用于形成插入到大孔层的手指材料的合适方法的其他例子包括针穿孔电流收集页（例如，图5A中的601或602），其在面向大孔层的电流收集页的一侧上伸出（图5A中的603或608），在电流收集层上形成微突或凹陷以便在面向内部/外部大孔层的内部/外部电流收集侧上形成第一/第二突出，以及任何其他在面向大孔层的电流收集器的一侧形成突出的方式。应当明白，在本文中使用的术语手指指代能够在某种程度上穿刺大孔层的任何突出材料。其不必具有例如人类手指那样的长和细的特点，可以具有任何合适的形状。将手指穿刺到大孔层的深度可以足够的深以有助于电子从大孔层传导到电流收集层，但是不能深的导致明显阻碍气体流或减弱大孔层以至于破坏器功能或者手指穿刺到PEM层（图5A中604或607）以产生气体泄漏路径或从PEM层的一侧到另一侧电短路。

为了形成内部和外部大孔电传导层（例如，图5A中的603和图5C中的631），可以选择导电的，具有合适抗腐蚀性、大孔、并能够支撑形成燃料电池电极的催化剂的材料。形成这些层的合适材料的例子是由纺织碳纤维构成的，例如现有技术中已知的气体扩散层。纺织纤维层优于其他类型的大孔碳层，这是已知的，这是因为他们具有优良的柔韧性和可塑性以被缠绕来形成管结构。来自Ballard Material Products Inc.的Avcarb1071HGB是这样一种典型的合适材料。正如现有技术已知的那样，该材料可以使用碳颗粒覆盖，在其上可以支撑催化剂以在面向PEM的层表面上形成燃料电池电极。该层也被处理以便不易被水沾湿，以有助于从层中清除液态水。来自Fuel Cell Earth的EC2019电极是可以包含催化剂的典型合适材料。

PRM层包括可以形成气体传送和电子传送的障碍但是允许电子通过他们并具有可接受电阻的材料。由离子交联聚合物构成的薄膜是合适的。来自du Pont de Nemours的Nafion(R)，阳离子交换含氟聚合物是合适的，这是因为其高质子可导性、韧性和化学惰性。PEM材料带被缠绕到管结构上以便每个连续线圈重叠于前一线圈（例如，图5A和5B中的605）。在完成的燃料电池中，该层处于压缩状态，并且该压缩可以阻止气体通过线圈之间的接口明显泄漏。然而，在某些实施方式中，希望提高该密封以进一步减少其他泄漏。如果使用有机聚合物隔膜，例如，离子交联聚合物隔膜，那么加热重叠区域的隔膜是实现该密封的合适方法，这是因为其可以使得聚合物层部分或全部融化以创建改善的密封。这种热可以通过任何便捷的方法来施加，其允许热被定位于隔膜的重叠区域。合适的方法包括，但不限于，激光通过对准该区域的光束来对重叠区域施加热。接触在重叠区域上的热出点施加热或加热的气体流直接到重叠区域。热源可以相对于管结构移动以沿着缝隙进行密封，或者管结构可以移动通过固定热源。典型方法是在管结构移动通过热源时转动管结构，以此方式，在重叠区域移动通过热源时，热源跟踪着重叠区域。密封的改进可选地是通过施加黏合剂到重叠区域的PEM带的一个或两个面来实现的。如果使用黏合剂，那么在密封区域保留PEM的离子传导功能是有利的，虽然这不是必须的。这样做的一种方式是使用如黏合剂那样的离子传导材料，例如聚合物电解质。例如，这种黏合剂可以被周围聚合物电解质溶液或悬浮液来使用，其主要形成了重叠区域面之间的密封层。在某些实施方式中，该黏合剂是用于形成PEM的材料的溶液。重叠区域代表了比非重叠区域更厚的隔膜区域，因此，其可能具有对于离子流增加的电阻。因此，希望减小重叠区域。这可以通过限制重叠的宽度到仅需要获得可接受的密封并减少或减小每节燃料电池的缝隙长度来完成的。最小长度可以通过让重叠区域沿着燃料电池单元的长度方向成直线来实现。然而，在某些实施方式中，这产生了制造困难，因为很难采用合适的张力以连续基础执行此类型的缠绕。从可制造性角度考虑，优选地，还是螺旋地在管结构周围缠绕PEM。满足这些考虑的可接受折中方法是以相对于管结构的长轴方向以浅角度缠绕PEM以允许连续缠绕，同时每节燃料电池单元具有最小可能的重叠区域长度。在某些实施方式中PEM层的合适厚度是5微米到500微米，或者10微米到200微米，或者25微米到100微米。

外部电流收集层（或外部电流收集器）（614）可以由具有合适导电性、强度和抗腐蚀性的电传导材料构成。图5D所示外部电流收集器（641）是采用在外部大孔电传导层周围缠绕金属线的形式。然而，这仅仅是外部电流收集层的一个可能的典型实施方式。其他例子是穿孔金属材料或具有缠绕之间的空隙的扁平固态材料的窄带。金属线是优选材料，因为其在多种材料中是易于获得的，并且易于缠绕。圆形横截面金属线是优选的，这是因为金属线的缠绕可以紧密相互相邻或相互接触，但是仍然保留空隙以便气体自由通过。圆形横截面也可以降低或减小金属线在被紧紧缠绕时穿过其他层的趋势。不锈钢是外部电流收集器的合适采用，因为其具有极好的抗腐蚀性。然而，如果采用金属线的形式，那么其有限的导电性会由于金属线的长度而引入比所希望电阻更高，电流不得不退出电流收集器。为了改善这种情况，可以在初始缠绕时以相对于管轴心浅角度低回缠绕金属线。这种回缠绕提供了电子流动在多点横穿主要线圈的相对较短的路径，因此，有效地收集来自主要线圈的电子并将它们传送到燃料电池元件的末端。

图6显示了形成管组并串行或并行连接电池管的相对简单方法。在这些电信实施方式中，可以将多个电池管（650）装配成捆。如果希望并行连接，那么电池管（650）的外部可以被电接触，例如，通过接触地相互接近或通过分离的电连接，例如金属线连接于他们之间。如果希望串行连接，那么可以在一个电池管（650）的外表面和第二电池管（650）的内表面之间连接金属线或其他电连接片。电池管（650）包括单个燃料电池单元，或可以包括装配成电池管的多个燃料电池单元，如图4A-4F和图5A-5D所示那样。如在图6中所描述的那样，密封板（660）可以形成在沿着电池管（650）的长度方向在捆的点上以便能够隔离电池管（650）的末端和围绕在电池管（650）至少一部分的外部空间。这些密封板（660）的周围进一步被密封进外壳以便堵塞密封板（660）之间的空间。通过这种方式，反应气体（第一剂或第二剂）与电池管（650）的末端接触，从而电池管（650）的孔心（内部）可以隔离于与电池管（650）的外壳（外部）侧至少部分接触的气体。仅仅作为例子，氢气可以被引入到围绕电池管（650）的一个或多个末端的空间中，氧气可以被引入到隔离于电池管（650）的末端的外壳（外部）侧空间。固态（无孔）电传导片，例如，多节固态金属管，可以被连接到电池管的末端，或被插入到沿着电池管的长度方向的点上以便固态片与密封板接触。这有助于在密封板材料和通过它的管之间获得不漏的密封。这些固态片也可以充当电连接片，其中，如果在电池管（650）的多个末端，或者电池管的一个末端使用，末端片与外部大孔电传导层电连接，并在另一末端，另一末端片与内部大孔传导层接触。这种固态片类似于例如图5B中的612。

当将电池管装配层管组时，在电池管之间包括隔离物以阻止他们相互之间足够近以造成管组内电短路是有利的。这些隔离物可以采用任何方便的形式，但是通常可以包括能够插入在管组相邻电池管之间的电绝缘材料。隔离物可以采用环的形式，其放置在电池管的外侧，网格套被放置在每一对相邻电池管的至少其中一个上，分离的隔离物棒被插入在电池管之间，密封板具有用于电池管的开口，使用间隔的开口穿通，以便阻止相邻电池管接触，或其他合适的手段。隔离物整体由电绝缘材料构成，或仅仅其外表面或部分外表面是电绝缘的。仅作为包括电绝缘和电传导材料的隔离物的例子，隔离物可以是在其外表面涂覆有电绝缘材料的金属管。

用作管组中的隔离物的管也可以执行冷却功能。在某些实施方式中，冷却介质可以被引入到隔离管的孔心以助于移走来自管组的过多热量。在本发明的这一方面，可以将水之类的冷却介质引入到散布与管组内并与电池管平行走向的隔离管内。液体可以采用任何方便的方法引入。图7以示意图的形式显示了包含本发明该方面的管组的典型实施方式。参考图7，显示了管组900的纵向横截面。管组具有外壳901。外壳由密封板904（第一密封板）和密封板905（第二密封板）分割成5个主要隔室（901、911、912、913和914）。电池管902通过密封板904密封。具有对角线902的一栏代表一个电池组。冷却管903通过密封板904和905密封。电池管的外壳侧打开到隔室912（第一部分）、电池管的孔心侧打开到隔室911和914（第二部分），冷却管的孔心侧打开到隔室910和913（第三部分）。冷却介质可以通过开口906引入到隔室910，通过冷却携带路径中的任何过多热量并并进入隔室913，最终通过隔室913中的开口909排出。在通过909退出之后，在通过906返回之前，冷却介质被允许浪费或被泵到外部冷却电路，例如包含辐射器的设备。气体可以通过隔室911中的开口907被提供给电池管的孔心侧。如果该气体是氢气或纯氧气，其可以被完全转化为管组内的水，以便可以关闭隔室914内的开口908，可选地，在之后用于冲洗电池管，或一起省略。如果该气体是空气或其他包含不能在管组中消耗掉的成分的气体，那么不反应的气体可以在通过电池管的孔心之后从908排出。气体可以通过开口915被提供到电池管912的外侧侧。再者，如果该气体是纯氢气或氧气，那么选择第二开口916排出气体，并且必须要对系统进行初始清洗。然而，如果气体包含了不能由燃料电池消耗的成分，例如，空气中的氮气，那么开口916就可以排出多余的气体。在管组中形成的水可以通过气体出口908和/或906排出管组。在某些实施方式中，并不是在每对电池管间都需要冷却管。他们可以被插入到所选择的电池管对之间以提供隔离和冷却或仅仅提供冷却。在其他对电池管之间的间隔可以通过在此公开的其他方式来提供，如果需要的话。仅仅作为例子，其中可以循环冷却介质的冷却管可以被间隔放置在整个管组中以提供冷却和间隔，并且具有材料的环或臂可以放置在电池管对之间，在他们之间不放置冷却管，或添加冷却管以有助于提供间隔。

在某些实施方式中，冷却管还可以提供加湿功能。在这些实施方式中，冷却管具有在其墙壁上的开口以允许水蒸气通过但是阻止液态水从冷却管的外壁出去。仅仅作为例子，冷却管可以由不易被水沾湿的微孔模管构成，其管壁上的孔有不易被水沾湿的材料形成，或他们被处理为不易被水沾湿的，以阻止液态水进入到这些孔中，但是允许水蒸气通过。根据这些实施方式，诸如烧结金属管的具有相对不易被水沾湿孔的管也适用作冷却管。当使用具有不易被水沾湿的孔的冷却管时，液态水能够穿过冷却管壁的孔，但是毛细管作用使其保留在墙壁上的孔内，阻止了液态水流出管组的外壳侧。由于干燥气体通过了有孔冷却管的外部，所以冷却管中的液态水可以蒸发并加湿空气流。由于水的蒸发可以带走热量，因此冷却了管组。如果使用不易被水沾湿的隔膜管作为冷却管，那么就可以使用由诸如特氟龙、聚砜、聚偏二乙烯二氟化物、聚丙烯等构成的有孔冷却管，其中孔是通过例如倒相溶液铸造、机械扩展、溶性相滤去或其他现有技术已知的方法包含在管壁中的。当使用例如硅烷化或不易被水沾湿的塑胶涂层之类的不易被水沾湿表面覆盖处理时，可以使用由例如金属之类的相对不易被水沾湿的材料构成的有孔冷却管。如果在工作时管壁中的孔小的足够阻止液态水总体流出管壁，那么也可以使用由金属构成的有孔冷却管，而无需进行处理使得他们不易被水沾湿。由熔接不锈钢构成的冷却管是有利的，这是因为他们具有机械强度、抗腐蚀性、并可以制成合适的孔尺寸并易于导热。希望阻止冷却管在电池管之间产生不需要的电连接。如果冷却管材料是导电的并且希望电池管靠近冷却管，那么将电绝缘材料环放置在冷却管或电池管，或两者的周围以阻止不希望的短路。应当理解，并不是所有冷却管的壁都必须允许水通过，只要壁上有足够的部分作为孔。例如，冷却管可以组合两种类型的管，其中组合管的某些部分允许水通过，而其他部分不允许。可选地，冷却管可以被焊接为固态管，并且在管中例如通过使用激光在管壁上穿孔来引入洞以形成允许水通过的管壁部分。在另一替换方式中，冷却管被与均匀孔壁焊接在一起，并例如通过使用涂覆或覆盖孔并变硬以阻塞孔的树脂来后续阻塞管壁上的部分孔。在某些实施方式中，树脂环可以间隔放置在有孔墙壁冷却管的周围，其中树脂环是电绝缘的，并且充当了电池管之间的隔离物，因此有助于阻止不希望的电短路。

在其他实施方式中，管组的外壳侧填满了水和分散于外壳侧的液体中以给电池管提供反应气体的反应气泡。填满外壳侧的液体可以收集过多的热量并将从管组中带走热量。包含本发明这些方面的管组的典型实施方式以示意他的形式显示在图8中。参考图8，显示了纵向通过管组1000的横截面。管组具有外壳1001。外壳由密封板1004（第一密封板）和密封板1005（第二密封板）分割成5个主要隔室（1010、1011、1012、1013和1014）。电池管1002通过密封板1004密封。填满对角线的一栏1002代表一个电池管。允许反应气体和/或液体引入和退出外壳侧的管1003（气管）被通过密封板1004和1005密封。电池管的外壳侧打开到隔室1012（第一部分）、电池管的孔心侧打开到隔室1011和1014（第二部分），气管的孔心侧打开到隔室1010和1013（第三部分）。气体和/或液体可以通过开口1006引入到隔室1010，通过气管并进入隔室1012。过多的气体可以从隔室1013的开口1009退出。液体也可以通过气管1003退出，然后通过隔室1013的开口1009，并循环通过外部冷却电路。气体可以被通过隔室1011中的开口1007提供给电池管的孔心侧。如果该气体是氢气或纯氧气，其可以被完全转化为管组内的水，以便可以关闭隔室1014内的开口1008，可选地，在之后用于冲洗电池管，或一起省略。如果该气体是空气或其他包含不能在管组中消耗掉的成分的气体，那么不反应的气体可以在通过电池管的孔心之后从1008排出。在管组中形成的水可以通过气体出口1008和/或1009排出管组。

作为电解槽的应用

在此公开的燃料电池单元（和/或其配件、和/或管组）适合用做分解水的电解槽以及用作燃料电池。大孔电极结构具有与催化剂（例如，铂）和离子导体密切接触的高表面面积。当用作电解槽时，这能使得该结构支持具有低内阻损耗的高电流密度，从而提高水分解以形成氢气和氧气的能量效率。

与现有技术中金属板-框架类型的燃料电池不同，在此公开的燃料电池的管结构有助于将燃料电池单元（和/或配件和/或管组）产生的气体排出，降低或减小了气泡阻塞结构并降低用作电解槽时的性能的问题。

此外，由于离子传导是由PEM提供的，所以在这种电解槽系统中使用相对纯的水是可接受的。这可以降低或减小在分解盐的条件下对催化剂的污染，其中纯净水可以被分离产生或在更换燃料电池部件期间收集并被存储以在更换电解槽部件期间使用。

依赖于可获得的电源，相比于燃料电池管组，在电解槽管组中，采用更少的串行燃料电池单元和更多的并行燃料电池单元是有利的。在此公开的某些实施方式中，这可以通过对各个燃料电池单元使用较长的部分或者通过使用同样组合的电池管，而不是连接更多并行而非串行的的组合电池管来实现。

为了使用管组作为电解槽，将水注入与电池管（或管状燃料电池单元）接触并在电池元件的外部和内部导体之间施加足够的电压以将水分解为氢气和氧气。如此产生的气体然后被通过电池管（或管状燃料电池单元）的孔心（内）侧输入到管组的外侧以及电池管（或管状燃料电池单元）的外壳（外部）侧，并分别被收集和存储。在某些实施方式中，将液态水引入到电池管（管状燃料电池单元）的外壳（外部）侧和孔心（内部）侧。在这些实施方式中，优选地，电池管（或管状燃料电池单元）被垂直放置以助于从电池管（或管状燃料电池单元）的孔心（内部）侧排出气体。在某些实施方式中，仅仅引入液态水到电池管的外壳侧或孔心侧。

在某些实施方式中，水可以作为水蒸汽被引入到电池管（或管状燃料电池单元）的外壳（外部）侧和/或孔心（内部）侧。这便于从用作电解槽的管组转换成燃料电池，或者反之，这是因为不需要从管组中流程液体或对其用液体填充，而仅仅通过移走电源并替换为电负载，或者反之亦然。

例子

下面提供非限制性例子以进一步展示在此公开的本发明的实施方式。本领域技术人员应当理解，在跟随发明人所发现的代表性方法的例子中所公开的技术在实施本申请的过程中起到很好的作用，因此其被认为构成了其实施的模式示例。然而，本领域技术人员应当理解，根据当前的公开，在所公开的具体实施方式中可以做出多种变化，并且可以获得相同或类似的结果，而不脱离本申请的精神和范围。

例1

根据当前发明的一个典型实施方式的燃料电池单元被焊接并测试作为燃料电池。通过使用一串针对薄片穿洞来留下洞结构来焊接具有80微米厚的304不锈钢薄片。使用以1毫米间隔开的排内的洞来形成多排0.4毫米直径圆孔。相邻排间隔1.5毫米，并且在一排中洞的位置与在相邻排中洞的位置偏移。以此方式，形成了30毫米长9.5毫米宽的洞孔直角坐标网。然后切割50毫米长9.5毫米宽的该穿孔不锈钢薄板，以便这些穿孔覆盖了薄片的所有宽度，但这些穿孔距离薄片的每一末端10毫米的位置停止。电连接线的一段被焊接到在一末端的不锈钢薄板的非穿孔部分以充当完整燃料电池的内部电连接。然后将穿孔薄片形成于在3毫米直径钢棍的周围的管结构内并缠绕以便在穿孔不锈钢薄板的处理过程中所形成的冠材料处于管结构的外部。管结构的缝隙通过在其任意末端熔化聚丙烯来平填在一起。所述聚丙烯使用烙铁熔化并被传送以覆盖所述缝隙。确保一些聚丙烯插入薄片的穿孔中产生足够的联结强度是重要的。在此方式中，形成具有3毫米内部直径的50毫米长度的管结构。该管结构将来形成完整燃料电池单元中的内部电流收集层。

在管结构的一个端上（在内部电流收集层中没有齿孔的部分上）捆绑宽度为10毫米长度为100毫米的EC2019纺织碳纤维布电极材料（燃料电池接地）带，该带螺旋缠绕在管结构上以形成沿着管结构长度方向的连续层，其中相邻缠绕相互接触，但不重叠。该带被捆绑在管结构的另一端以保持其位置。EC2019是具有在其上覆盖了由碳颗粒支撑的重量为20%的铂到其一侧的纺织炭丝材料。所覆盖的EC2019的一侧是在缠绕层的外侧。该层形成了内部大孔电传导层和内部电极层。

接着，在管结构的一个末端捆绑宽度为11毫米长度为100毫米的50微米厚的Nafion(R)隔膜NRE-212(DuPont)带，以便形成相邻线圈大约1到2毫米的重叠。然后在另一端捆绑NRE-212带以使其固定。这形成了燃料电池单元的PEM层

接着，将宽度为10毫米长度为100毫米的第二张EC2019以类似于第一条EC2019的方式缠绕在管结构上。通过这张EC2019，在缠绕带的内侧上支撑催化剂，以面对PEM。该层形成在外边大孔电传导层和外部电极层。

接着，在管结构的周围缠绕直径长度为05毫米的镀锡铜线。在开始缠绕时，铜线被拧在一起以在管结构的一端的带子上形成线圈紧环。然后施加2公斤强度围绕其外部螺旋缠绕金属线以便其紧紧被缠绕，并在金属线圈之间留出大约0.5到1毫米的缝隙。当环绕到达管结构的远端时，缠绕金属线以便多个相邻线圈相互接触并在一个点上在相邻线圈上焊接以阻止线圈在移走张力时而松解。然后，金属线被以更小的角度在主圈的顶部向回环绕并从开始回环绕的地方在管结构的另一端填充焊料。这一层形成了外部电流收集层。在回环绕操作之后留下的这条金属线的额外长度作为到外部电流收集层的电连接。

然后从3毫米直径的钢条移走现在配件的燃料电池单元以形成独立的燃料电池单元。为了能够将单个燃料电池单元的孔心连接到氢电源，将圆锥聚丙烯管结构粘结到使用环氧树脂的燃料电池单元的每一个末端，并使其干燥。之前被焊接到不锈钢页内表面的金属线被穿过其中一个圆锥聚丙烯管结构的孔心。

燃料电池单元以下面的方式进行测试。在室温下将燃料电池单元悬浮放置在密封容器内的水面上以让Nafion(R)在高湿度环境中吸收水来初始化其使用条件。然后将燃料电池单元取出，并将内部和外部电流收集器连接金属线加载连接块上。由气缸提供的氢气被起泡通过水以对其进行适度加湿，然后通过连接圆锥聚丙烯管结构的小头端的管结构输送到燃料电池单元的孔心侧，所述圆锥聚丙烯管结构不具有穿过其的内部连接金属线。过多的氢气被允许通过连接到燃料电池单元另一端的第二管结构退出燃料电池单元。在燃料电池单元周围的室内空间用作氧气源。将万用表跨接在连接金属线上以测量内部和外部电流收集器之间的电压，并将氢气输送到电池的孔心。在所测量的连接金属线之间放置0.13欧姆到0.92欧姆的不同负载电阻，就可以测量电压。不放置负载电阻也可以测量开路电压。流过电路的电流是从在负载电阻上测量的电压差和电阻的已知电阻值推导出来的。燃料电池的面积是通过使用PEM层的周长4毫米和可接触PEM区域的长度30毫米来估计的。这给出了3.8平方厘米的区域。将所计算的电流除以面积就可以得到电流密度每平方厘米的毫安数。图9显示了在负载电阻上测量的电压与流过的电流密度之间的绘制图。以下面的方式测试燃料电池单元。

例2

根据当前发明的第二典型实施方式的燃料电池单元被焊接并测试作为燃料电池。采用长度部分为30毫米外部直径为12毫米，并具有1毫米壁厚的大孔烧结不锈钢管结构作为燃料电池单元的内部电流收集器。

在管结构的一个端上捆绑宽度为10毫米长度为100毫米的EC2019纺织碳纤维布电极材料（燃料电池接地）带，该带螺旋缠绕在管结构上以形成沿着管结构长度方向的连续层，其中相邻缠绕相互接触，但不重叠。该带被捆绑在管结构的另一端以保持其位置。EC2019是具有在其上覆盖了由碳颗粒支撑的重量为20%的铂到其一侧的纺织炭丝材料。所覆盖的EC2019的一侧是在缠绕层的外侧。该层形成了内部大孔电传导层和内部电极层。

接着，在碳纤维布层周围包裹宽度为40毫米长度为30毫米的50微米厚的Nafion(R)隔膜NRE-212(DuPont)带，以便其在沿着管结构的长度方向的直接口处重叠1到2毫米。所包裹的Nafion(R)在任意端被捆绑以将其容纳在暴露给在所捆绑端之间的EC2019的12毫米长度的部分的位置。这形成了燃料电池单元的PEM层。

接着，将宽度为10毫米长度为100毫米的第二张EC2019以类似于第一条EC2019的方式缠绕在管结构上。通过这张EC2019，在缠绕带的内侧上支撑催化剂，以面对PEM。该层形成在外边大孔电传导层和外部电极层。

接着，在管结构的周围缠绕直径长度为05毫米的镀锡铜线。在开始缠绕时，铜线被拧在一起以在管结构的一端的带子上形成线圈紧环。然后施加2公斤强度围绕其外部螺旋缠绕金属线以便其紧紧被缠绕，并在金属线圈之间留出大约0到0.5毫米的缝隙。当环绕到达管结构的远端时，金属线被以更小的角度在主圈的顶部向回环绕并从开始回环绕的地方直到管结构的另一端，拧在一起的一定长度的金属线距离主环绕开始的地方具有较长的距离。这一层形成了外部电流收集层。在回环绕操作之后留下的这条金属线的额外长度作为到外部电流收集层的电连接。

外直径滑动配件到烧结的不锈钢管结构的孔心的铝管结构被插入到烧结的不锈钢管结构的末端并使用环氧黏合剂粘在一起。还放置黏合剂以便堵塞不锈钢管结构末端的大孔来减少其他泄漏到管结构的外部。镀锡铜线被缠绕在其中一个铝尾端件上并旋转以使其收紧。流出一定长度的线作为到内部电流收集器的电连接。

燃料电池单元以下面的方式进行测试。在室温下将燃料电池单元悬浮放置在密封容器内的水面上以让Nafion(R)在高湿度环境中吸收水来初始化其使用条件。然后将燃料电池单元取出，并将内部和外部电流收集器连接金属线加载连接块上。由气缸提供的氢气被起泡通过水以对其进行适度加湿，然后通过连接圆锥聚丙烯管结构的小头端的管结构输送到燃料电池单元的孔心侧，所述圆锥聚丙烯管结构不具有穿过其的内部连接金属线。过多的氢气被允许通过连接到燃料电池单元另一端的第二管结构退出燃料电池单元。在燃料电池单元周围的室内空间用作氧气源。将万用表跨接在连接金属线上以测量内部和外部电流收集器之间的电压，并将氢气输送到电池的孔心。在所测量的连接金属线之间放置0.13欧姆到4欧姆的不同负载电阻，就可以测量电压。不放置负载电阻也可以测量开路电压。流过电路的电流是从在负载电阻上测量的电压差和电阻的已知电阻值推导出来的。燃料电池的面积是通过使用PEM层的周长12.2毫米和可接触PEM区域的长度12毫米来估计的。这给出了4.6平方厘米的区域。将所计算的电流除以面积就可以得到电流密度每平方厘米的毫安数。图10显示了在负载电阻上测量的电压与流过的电流密度之间的绘制图。

正如本领域技术人员所理解的那样，在此公开的元件和结构可以多种组合的方式来使用并能意识到这些构成了当前发明的部分。

上述各种方法和技术提供了执行本申请的多种方式。当然，应当明白，并不是所描述的所有目的或优点都可以根据在此描述的任意特定实施方式都可以实现。因此，例如，本领域技术人员将认识到，这些方法可以实现或优化在此所教导的一个优点或一组优点而不必实现在此所教导或建议的其他目的或优点的方式来执行。在此提到了多种替换方式。应当明白，某些优选实施例具体包括一个、另一个或多个特征，其他具体实施方式排除了一个、另一个或多个特征，而更其他的实施方法通过包括一个、另一个或多个有利的特征来减少某一特定特征。

进一步，本领域技术人员将认识到来自不同实施方式的各种特征的可用性。同样，上述公开的各种元件、特征和步骤，以及其他对于这些元件、特征或步骤已知的等同物可以由本领域技术人员其中之一以各种实施方式来实施以执行根据在此公开的原理的方法。在这些不同的元件、特征和步骤中，在不同的实施方式中，一些将具体被包括，而其他将具体被排除在外。

虽然本申请已经在特定实施方式和例子的环境中进行公开，但是本领域熟练技术人员应当明白，本申请的这些实施方式除了这些具体公开的实施方式之外还可以扩展到其他替换实施方式和/或使用及其修改和等同物。

在某些实施方式中，用于描述和要求本申请的特定实施方式所使用的表示配料的量、诸如分子量之类的属性、反应条件等的数字应当理解为在某些情况下可以修改为大约。因此，在某些实施方式中，在书面描述和所附权利要求书中阐述的数字参数是可以根据由特定实施方式所需的属性变化的近似数。在某些实施方式中，数字参数应当根据所报告的具体位的数量并应用普通的舍入技术来解释。尽管阐述本申请的某些实施方式的宽范围的数字范围和参数是近似值，但是在具体例子中所阐述的数值在实施时应当报告为精确的。

在某些实施方式中，术语“一个”和“所述”以及在描述本申请的特定实施方式的环境（尤其是下面一些权利要求环境中）所使用的相同参考可以被解释为覆盖单数和多数。在此所引用值的范围目的仅仅在于作为分别指代落入该范围的每一个单独的值速记方法。除非在此指出，否则每个单独的值都是包括在本说明书中的，这与他们单独在此被引用是一样的。在此所描述的所有方法都可以任意合适的顺序来执行，除非在此指出或明确地与上下文抵触。根据在此的特定实施方式提供任意和所有例子或典型语言（例如，“诸如”）的使用目的仅仅在于更好地阐释本申请，并不对本申请的范围产生限制，除非专门指出。在本说明书中的语言不应当解释为指代与本申请的实施本质非常重要的任何非要求的元件。

在此描述了本申请的优选实施方式，包括对于发明人已知的用于执行本申请的最佳模式。一旦阅读了前述描述，对于本领域普通技术人员来说，在这些优选实施方式上进行变换将变得明显。应当预料到熟练的技术人员只要是合适就可以采用这些变换方式，并在除了在此具体描述的方式之外实施本申请。因此，本申请的多种实施方法包括了所附权利要求中所引用主题的所有修改和等同物，只要是专利法允许即可。然而，本申请包括在其所有可能的变换方式中的上述元件的任意组合，除非在此专门指出或者明显与上下文抵触。

所有专利、专利申请、专利申请的公开，和其他材料，诸如文章、书籍、说明书、出版物、文献、论文等在此所参考的，为了所有的目的，在此通过整体引用包含于此，除了任何相同关联的声明文件历史，任何与当前文献不一致或冲突的部分或具有与现在或将来与当前文献相关的权利要求书的宽范围相关的限制效果的部分。作为例子，无论在说明书、定义和/或与任何所包含的材料相关并与当前文献相关的术语的使用之间的任何不一致或冲突，说明书、定义和/或在当前文献中术语的使用都应当是具有说服力的。

最后，应当明白，在此公开的本申请的实施方式展示了本申请实施方式的原理。在本申请的范围内，可以实施其他修改方式。因此，作为例子，但不是限制，根据在此的教导，可以利用本申请的实施方式的替换配置。因此，在此公开的本发明的实施方式并不限于精确展示和描述的那样。

Claims (53)

1.一种管状电池元件，包括内部电传导层、外部电传导层、电绝缘层，和离子传导层。

2.根据权利要求1的管状电池元件，进一步包括内部电流收集层和外部电流收集层的至少其中一个。

3.利要求1或2的管状电池元件是管状燃料电池或电解槽。

4.根据权利要求1的管状电池元件，其中所述内部电传导层、外部电传导层、离子传导层、内部电流收集层和外部电流收集层的至少其中一个包括一张螺旋形地缠绕以形成管结构的材料。

5.根据权利要求1的管状电池元件，其中所述内部电传导层和所述外部电传导层的至少其中一个包括固态无孔材料的不完整层，其中所述不完整层包括金属丝。

6.根据权利要求1的管状电池元件，其中所述内部电传导层和所述外部电传导层的至少其中一个包括有孔材料。

7.根据权利要求6的管状电池元件，其中所述有孔材料是大孔或小孔。

8.根据权利要求1的管状电池元件，其中硕士内部电传导层、外部电传导层、内部电流收集层和外部电流收集层的至少其中一个包括从碳、不锈钢、钛、镍、铜、锡及其合金中选择的至少一种材料。

9.根据权利要求1的管状电池元件，其中所述内部电传导层和外部电传导层的至少其中一个包括纺织炭丝材料。

10.根据权利要求1所述的管状电池元件，其中所述离子传导层可以包括电绝缘层。

11.根据权利要求10所述的管状电池元件，其中所述电绝缘层可以防止在电绝缘层不同侧的第一剂和第二剂相互之间过度混合。

12.根据权利要求11所述的管状电池元件，其中所述第一剂和第二剂的至少其中一个可以包括液体、蒸汽或气体。

13.根据权利要求12所述的管状电池元件，其中所述第一剂或第二剂可以包括甲醇液体，或从氢气、甲醇、氧气和空气中选择的一种气体或蒸汽。

14.根据权利要求10或权利要求11所述的管状电池元件，其中所述离子传导层可以包括无机离子交换材料和有机聚合离子交换材料。

15.根据权利要求14所述的管状电池元件，其中所述离子传导层包括从硅酸盐材料、铝矽酸盐、金属氧化物、陶瓷材料、大孔聚合物、离子交换聚合物中选择的至少一种材料。

16.根据权利要求11所述的管状电池元件，其中所述离子传导层包括置于所述电绝缘层的气孔内离子交换材料。

17.根据权利要求14所述的管状电池元件，其中所述电绝缘层包括有孔陶瓷层或有孔粘土层。

18.根据权利要求1所述的管状电池元件，其中所述离子传导层通过在包括所述内部电传导层的管结构周围卷曲一张离子传导材料来形成，其中放置了所述离子传导页的相邻缠绕以便至少部分相互重叠以形成重叠区域。

19.权利要求1所述的管状电池单元包括催化剂。

20.根据权利要求19所述的管状电池单元，其中所述催化剂置于所述传导层、所述内部电传导层、和所述外部电传导层的至少其中一个之上。

21.根据权利要求19所述的管状电池元件，其中所述催化剂与所述离子传导层相接触。

22.根据权利要求19所述的管状电池单元，其中所述催化剂可以包括铂和/或钌。

23.根据权利要求2所述的管状电池元件，其中所述内部电流收集层包括第一突出，其中所述第一突出可以插入所述内部电传导层。

24.根据权利要求2或23所述的管状电池元件，其中所述外部电流收集层包括第二突出，其中所述第二突出可以插入所述外部电传导层。

25.一种包括多个根据前述权利要求任何一个所述的管状电池元件的电池管，其中所述管状电池元件被首尾相连地电连接组装在一起，其中将多个管状电池元件组装在一起形成具有外壳侧和孔心侧的管状结构，其中在所述电池管的外壳侧上的第一剂可以基本上被阻止来与该电池管的孔心侧的第二剂混合。

26.根据权利要求25所述的电池管，其中所述第一剂和第二剂的至少其中一个可以包括液体、蒸汽或气体。

27.根据权利要求26所述的电池管，其中所述第一剂和第二剂包括甲醇液体、或从氢气、氧气、甲醇和空气中选择的一种气体或蒸汽。

28.根据权利要求25所述的电池管，其中所述电连接包括从串行连接和并行连接中选择的至少一种连接。

29.根据权利要求28所述的电池管，其中所述电连接包括至少一种串行连接，其中一个管状电池元件的正极可以连接到相邻管状电池元件的负极。

30.根据权利要求25所述的电池管，其中所述电连接包括电传导连接片。

31.根据权利要求30所述的电池管，进一步包括至少一个电绝缘密封片，其中所述至少一个电绝缘密封片包括至少两个面，其中一个面形成具有电传导连接片的密封，另一面形成具有管状电池元件的离子传导层的密封。

32.一种包括多个如权利要求25所述的多个电池管的管组，其中所述多个电池管的末端被封装到至少一个第一密封盘中，其中所述第一密封盘将所述管组分割成至少第一部分和第二部分，其中所述电池管的外壳被开放给所述第一部分，并且所述电池管的孔心侧被开放给所述第二部分。

33.根据权利要求32所述的管组，其中所述电池管被基本上相互平行地放置。

34.根据权利要求32所述的管组，进一步包括一个或多个冷却管。

35.根据权利要求34所述的管组，其中所述一个或多个冷却管的末端被封装到至少一第二密封盘中，其中所述第一密封盘和所述第二密封盘可以将所述管组分割成第一部分、第二部分和第三部分，其中所述冷却管的孔心侧被开放给第三部分。

36.根据权利要求35所述的管组，其中所述管组包括不止一个冷却管，其中所述冷却管被基本上相互平行地布置。

37.根据权利要求35所述的管组，其中所述一个或多个冷却管的墙的至少一部分允许冷却介质从所述一个或多个冷却管的孔心侧退出以加湿所述一个或多个冷却管的外侧。

38.根据权利要求37所述的管组，其中所述冷却介质可以包括液态水。

39.根据权利要求32所述的管组，其中所述多个电池管包括一个或多个管状燃料电池单元。

40.根据权利要求32所述的管组，其中所述多个电池管包括管状电解槽电池元件。

41.根据权利要求40所述的管组，其中所述电池管孔心侧和所述电池管的外壳的至少其中一个使用液态水充满。

42.根据权利要求40所述的管组，其中所述电池管孔心侧和所述电池管的外壳的两者都使用液态水充满。

43.一种制造根据权利要求1的管状电池元件的方法，包括：

使用第一电传导材料形成管结构以形成内部电传导层；

在包括所述内部电传导层的管结构周围缠绕一张离子传导材料；和

缠绕第二电传导材料以形成外部电传导层。

44.根据权利要求43所述的方法，其中布置所述离子传导页的相邻缠绕以便相互之间至少部分地重叠以形成所述重叠区域。

45.一种制造根据权利要求25所述电池管的方法。

46.一种制造根据权利要求32所述的管组的方法。

47.一种使用根据权利要求32的管组的方法，包括：

提供第一剂给第一部分，其中所述第一剂可以进入所述电池管的外壳侧；和

提供第二剂给所述第二部分，其中所述第二剂可以进入所述电池管的孔心侧。

48.根据权利要求47所述的方法，包括从所述管组散热。

49.根据权利要求48所述的方法，其中所述散热包括在引入进入所述管组或进入所述电池管之前精确喷洒小滴冷却介质到所述第一剂和第二剂的至少其中一个。

50.根据权利要求48所述的方法，其中所述散热包括使得所述第一剂和第二剂的至少其中一个在进入所述管组或进入所述电池管之前流过所述冷却介质。

51.根据权利要求48所述的方法，其中所述管组包括一个或多个冷却管，其中所述散热包括在所述一个或多个冷却管中运送冷却介质。

52.根据权利要求49所述的方法，其中所述一个或多个冷却管的墙壁的至少一部分允许冷却介质从所述一个或多个冷却管的孔心侧退出以加湿所述一个或多个冷却管的外侧，其中所述散热就包括引入多滴冷却介质到所述第一剂和第二剂的至少其中一个，同时其通过所述管组。

53.根据权利要求49-52任何一个所述的方法，其中所述冷却介质可以包括液态水。

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