CN105659421B - 燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池和用于由中空纤维薄膜组件制造燃料电池的方法。根据本发明的燃料电池具有壳体(1)，在所述壳体(1)内布置了由中空纤维薄膜(3)组成的束(2)。被壳体(1)封闭的体积通过将由中空纤维薄膜(3)组成的束(2)的一个端侧部分(2A)密封地包围的分隔壁(4)和将由中空纤维薄膜(3)组成的束(2)另一个端侧部分(2B)密封地包围的分隔壁(5)划分为流入空间(7)、中间空间(6)和流出空间(8)。流入空间(7)与中空纤维薄膜(3)的一个开口的端部(3A)流体连通，流出空间(8)与中空纤维薄膜(3)的另一个开口的端部(3B)流体连通。根据本发明的燃料电池的特征在于形成阳极和阴极的所有导电层(14、16)的简化的电连接。由此，燃料电池可以以很高的件数廉价地制造。形成阳极和阴极的导电层(14、16)在中空纤维薄膜(3)的内侧和外侧上的连接通过将界定了流入空间和流出空间(7、8)和中间空间(6)的壳体(1)的壁或两个分隔壁(4、5)以导电材料覆层(14、16)来进行。

Description

燃料电池
技术领域
本发明涉及燃料电池和由中空纤维薄膜组件制造燃料电池的方法。
背景技术
燃料电池已知用于产生电能，所述燃料电池将连续地供给的燃料和氧化剂的化学反应能转换为电能。
已知不同的燃料电池类型。最熟知的燃料电池是氢燃料电池和甲醇燃料电池。在具有发热相对低的特征的直接甲醇燃料电池(DMCF)中使用甲醇作为燃料。
燃料电池具有通过半透膜分隔开的两个电极板。一个电极板形成阳极，而另一个电极板形成阴极。阳极和阴极以催化剂涂覆。在阳极侧的催化剂上将甲醇氧化为二氧化碳，且在阴极侧的催化剂上将氧作为氧化剂吸收并还原为水。在此过程中，质子通过半透膜被传输且电子通过电路传导，使得产生了电能。
以单个燃料电池仅可以产生在1至1.2V的范围内的电压。因此，将多个单电池成堆布置。但此结构形式的特征是与对于质子传输且因此对于燃料电池的总功率起到决定性作用的薄膜表面相比的相对大的尺寸和相对高的重量。
从DE 199 51 687 A1中已知了带有多个被聚合物电解质薄膜分隔开的反应室的燃料电池，在所述反应室内交替地布置不同极性的电导体。在燃料电池中，半透膜由一束薄膜-中空纤维形成，其中在薄膜-中空纤维内和外分别设置了相同极性的电导体，所述电导体分别在形成阴极和阳极的情况下相互电连接。
DE 199 51 687 A1建议，在中空纤维薄膜内部和外部设置电导体作为阳极和阴极，所述电导体以由导电材料制成的薄箔或线构成。全部电导体相互连接，从而形成了公共的阳极以及阴极。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于以简单的方式廉价地制造以上所述类型的燃料电池，所述燃料电池的特征在于在降低的重量下的高功率密度和紧凑的结构形式。
此技术问题的解决根据本发明通过独立权利要求的特征实现。从属权利要求的对象涉及本发明的优选的实施形式。
根据本发明的燃料电池具有壳体，在所述壳体内布置了由中空纤维薄膜组成的束。
被壳体封闭的体积通过将由中空纤维薄膜组成的束的一个端侧部分密封地包围的分隔壁和将由中空纤维薄膜组成的束另一个端侧部分密封地包围的分隔壁划分为流入空间、中间空间和流出空间。流入空间与中空纤维薄膜的一个开口的端部流体连通，而流出空间与中空纤维薄膜的另一个开口的端部流体连通。
中空纤维薄膜的内侧和外侧具有至少一个包含催化剂材料和导电材料的层。中空纤维薄膜的内侧和中空纤维薄膜的外侧可以被涂覆以由催化剂材料制成的层，而由催化剂材料制成的层可以被涂覆以由导电材料制成的层。但也可以将带有两个特征的材料施加在单一的层内。例如，当催化剂材料本身导电时，可以省去单独的导电层。
在流入空间上具有第一流入连接部且在流出空间上具有第一流出连接部，而在中间空间上设置了第二流入连接部和第二流出连接部。
流入空间和流出空间通过中空纤维的空腔流体连通，使得介质可从流入连接部通过中空纤维的空腔流向流出连接部。通过中间空间的流入连接部流入且通过中间空间的流出连接部流走的介质可以绕中空纤维流过。
根据本发明的燃料电池的特征在于形成阳极和阴极的全部电导体的简化的电连接。由此，可以以很高的件数廉价地制造燃料电池。
通过将限定流入空间和流出空间以及中间空间边界的壳体壁或两个分隔壁以导电材料覆层而实现由导电材料在中空纤维薄膜的内侧和外侧上制成的、形成了阳极和阴极的覆层的连接。
为进行阳极和阴极的电连接，在壳体上形成了电连接触点，所述电连接触点与在流入空间和流出空间以及中间空间内的由导电材料制成的各层电连接。电接触可以例如以简单的方式在壳体的流入连接部和流出连接部上进行，所述壳体在内侧上涂覆导电材料。
由导电材料制成的层可以直接施加到壳体壁和分隔壁的表面上。但由于制造技术的原因，有利的是将由导电材料制成的层施加到已处在壳体壁和分隔壁的表面上的由催化剂材料制成的层上，尽管在中空纤维薄膜的内侧和外侧上的表面之外的由催化剂材料制成的层对于燃料电池的功能不是必需的。
根据本发明的用于制造燃料电池的方法的特征在于，形成阳极和阴极的各层在中空纤维薄膜的内侧和外侧上的电连接通过施加由导电材料制成的层来实现。
两个层有利地通过如下方式施加，即首先将含有催化剂材料的液体且然后将含有导电材料的液体一方面泵送通过第一和第二流入空间和中空纤维薄膜，且另一方面泵送通过中间空间。
本发明的特别的方面在于将透析器组件用作中空纤维薄膜组件来制造燃料电池。
在医疗技术(透析)中使用的透析器组件具有基本上适合于燃料电池的由中空纤维薄膜组成的束。本发明因此建议将(已使用的)透析器提供用于新的使用目的。
由透析器中空纤维薄膜组件制造燃料电池基本上仅需要以催化剂材料进行涂覆和以导电材料进行涂覆，或施加以同时起催化剂和导体作用的覆层。带有用于导入和导出介质的连接部的壳体在透析器组件中已具备。
此类由透析器组件制造的燃料电池具有低重量下的紧凑的结构形式，使得燃料电池可通用地使用。
作为以含有材料的液体对于中空纤维薄膜的内侧和外侧覆层的替代，也可以使用其中空纤维已具有两个材料层中的至少一个层的由中空纤维薄膜组成的束。此类多层的中空纤维可以在挤压方法中制造。但全部导体的电连接也通过在流入空间、流出空间以及中间空间内的由导电材料制成的层来实现，在所述流入空间、流出空间以及中间空间内中空纤维薄膜的相应端部流体连通。
在本发明的优选的实施形式中，燃料电池的壳体是圆柱形壳体，其中第一和第二分隔壁是圆柱体。由此得到了紧凑和简单的结构形式，其中分隔壁相对于壳体壁的密封特别地简单。有利地，第一和第二分隔壁由灌封材料形成。
催化剂材料优选地为铂或钯。但也可以使用其它的催化剂材料。由催化剂材料制成的层的层厚优选地在2nm至500nm之间。中空纤维薄膜的直径优选地在50μm至500μm之间。
导电材料优选的包含碳微粒或碳纤维。但导电材料也可以包含其它的导电微粒或纤维。基本上，可考虑所有导电材料，例如金属或导电的聚合物或陶瓷。
当使用透析器组件作为中空纤维薄膜组件来制造燃料电池时，优选地以离子导电材料填充存在于透析器组件的中空纤维薄膜内的孔。此填充可使用以聚砜润湿的粘合剂进行。
附图说明
在下文中通过参考附图详细解释本发明的实施例。
各图为：
图1在简化的示意图中示出了根据本发明的燃料电池的实施例，
图2在燃料电池的壳体的分隔壁的截面A的区域内示出了中空纤维薄膜的端侧部分的放大的图示，和
图3在放大的图示中示出了图1所示的部分B。
具体实施方式
根据本发明的燃料电池可由透析器组件制造。图1在简化的示意性图示中示出了由透析器组件制造的燃料电池。
在下文中首先描述透析器组件的结构。透析器组件具有延长的壳体1，所述壳体1带有中空圆柱形壳体部分1A和将所述中空圆柱形壳体部分1A在两个端部上密封地封闭的两个端部部件1B和1C。
在壳体1的中空圆柱形的部分1A内布置了由中空纤维薄膜3组成的束2。分别在端部上开口的中空纤维薄膜3平行于壳体1的纵向方向延伸。
中空纤维薄膜可以由聚砜(PSU)、聚酰亚胺(PI)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚砜(PES)等制成。
由中空纤维薄膜3组成的束2的一个端侧部分2A被第一板形分隔壁4密封地包围，所述第一分隔壁密封地安放在中空圆柱形壳体部分1A的一个端部部件1B内，而由中空纤维薄膜组成的束2的另一个端侧部分2B被第二分隔壁5密封地包围，所述第二分隔壁密封地安放在中空圆柱形壳体部分1A的另一个端部部件1C内。两个分隔壁4和5由优选为聚氨酯的灌封材料制成。
在两个分隔壁4和5之间具有中间空间6，中空纤维薄膜3延伸通过所述中间空间6。
壳体1的一个端部部件1B的壁与分隔壁4的外侧一起限定了流入空间7的边界，而壳体的另一个端部部件1C与第二分隔壁5的外侧一起限定了流出空间8的边界。在此，中空纤维薄膜3的开口的端部3A和3B分别通过流入空间和流出空间流体连通。
在壳体1的一个端部部件1B上设置了第一流入连接部9，且在壳体1的另一个端部部件1C上设置了第一流出连接部10。在中空圆柱形壳体部分1A上，第二流出连接部11在分隔壁4旁边，而第二流入连接部12在分隔壁5旁边。当燃料电池不以逆向流动而以同向流动运行时，中间空间的流入连接部和流出连接部的位置对调。
中空纤维薄膜3的内侧以由催化剂材料制成的层13覆层。作为催化剂材料可使用铂或钯或其合金。在由催化剂材料制成的层13上施加由导电材料制成的层14，所述导电材料可包含碳微粒或碳纤维(图2和图3)。但也可将作为催化剂和导体起作用的唯一的层施加到中空纤维薄膜3的内侧上。
在中空纤维薄膜3的外侧上也施加由催化剂材料制成的层15，且在由催化剂材料制成的层15上施加由导电材料制成的层16(图2和图3)。这两个层15和16不仅沿中空纤维薄膜的外侧延伸，而且在中空圆柱形壳体部分1A的整个壁上和在限定了中间空间6边界的两个分隔壁4和5的内侧上延伸。优选地，两个层15、16也延伸到构成了壳体的一体部分的第二流入连接部12和第二流出连接部11内。但也可以将起催化剂和导体作用的唯一的层施加到中空纤维薄膜3的外侧上。
也以由导电材料制成的层14对限定了流入空间7边界的端部部件1B的壁和一个分隔壁4的外侧、以及限定了流出空间8边界的端部部件1C的壁和另一个分隔壁5的外侧进行覆层。由导电材料制成的层14也可以施加到由催化剂材料制成的层13上，以所述由催化剂材料制成的层对端部部件1B和1C的壁和分隔壁4和5的外侧进行覆层。这可以由于制造技术的原因而具有优点，如下文中还将解释。在此，也可以仅设置唯一的层，所述层可以作为催化剂和导体起作用。
在流入空间7和流出空间8内的导电层14实现了中空纤维薄膜3的内侧上的导电层14之间的电连接，而中间空间6内的导电层16实现了中空纤维薄膜3的外侧上的导电层16之间的电连接。
燃料电池具有两个电连接触点18和19，其中第一连接接触部18与壳体1的两个端部部件7、8之一内的由导电材料制成的层14电连接，且第二连接接触部19与中空圆柱形壳体部分1A内的由导电材料制成的层16电连接。在电连接触点18和19上可以连接电导线20、21，从而可以将用电器连接在燃料电池上。在图1中仅示意地图示了电连接触点18和19。
在燃料电池中，中空纤维薄膜3的外侧上的层16形成了阳极，且中空纤维薄膜3的内侧上的层14形成了阴极。在此，全部纤维薄膜并联连接，以此实现了高的功率密度。
当使用常规的透析器组件制造燃料电池时，由导电材料和催化剂材料制成的层尚未存在。
因为透析器具有中空纤维薄膜，在所述中空纤维薄膜中设置了孔，所以需要以离子导电材料填充中空纤维的孔。以离子导电材料填充孔也可以通过制造足够的跨膜压力来实现。可以使用以聚砜润湿的粘合剂填充孔。
虽然在流入空间7和流出空间8内不需要由催化剂材料制成的层，但由于制造技术上的原因，有利的是在端部部件1B和1C的壁上以及在分隔壁4、5的邻接的内侧上既施加由催化剂材料制成的层又施加由导电材料制成的层。在分隔壁4和5的内侧上以及在圆柱形壳体部分1A的壁上也不需要由催化剂材料制成的层。
在第一步骤中，将含有催化剂材料的液体供给到第一流入连接部9且将其在第一流出连接部10导出，以此将流入空间7和流出空间8以及中空纤维薄膜3的内侧覆层。在第二步骤中将含有导电材料的液体泵送通过流入空间7、中空纤维薄膜3和流出空间8，使得在由催化剂材料制成的层13上施加由导电材料制成的层14。
由催化剂材料和导电材料制成的两个层15、16也施加在中间空间6内，在所述中间空间6内通过第二流入连接部12供给以含有催化剂材料的液体以及含有导电材料的液体，且通过第二流出连接部11将所述液体导出。
已知的透析器通常具有大致为1.5m2的薄膜表面积。以这样的薄膜表面积可实现制成如下燃料电池，所述燃料电池的功率在假定仅10％的效率下(但所述效率在实践中应更高)处在100至150瓦之间。
为产生电能，通过第二流入连接部12为燃料电池供给以甲醇-水混合物。在燃料电池内形成的二氧化碳通过第二流出连接部11导出。通过第一流入连接部9为燃料电池供给以空气。由质子和电子与空气中的氧所形成的水通过第一流出连接部10导出。但也可以交换流动路径，其中燃烧空气不被引导通过中空纤维薄膜。
在燃料电池内的化学反应通过如下反应式描述。
阳极：CH3OH+H2O→6H++6e-+CO2，
氧化/失电子
阴极：3O2+12H++12e-→6H2O，
还原/得电子
总反应：2CH3OH+3O2→4H2O+2CO2，
氧化还原反应/电池反应。

Claims (16)

1.一种燃料电池，所述燃料电池带有：
壳体(1)，在所述壳体(1)内布置了由中空纤维薄膜(3)组成的束(2)，
第一分隔壁(4)，所述第一分隔壁(4)将所述由中空纤维薄膜(3)组成的束(2)的一个端侧部分(2A)密封地包围，
第二分隔壁(5)，所述第二分隔壁(5)将所述由中空纤维薄膜(3)组成的束(2)的另一个端侧部分(2B)密封地包围，
其中
所述第一分隔壁(4)和第二分隔壁(5)将所述壳体(1)分隔为与所述中空纤维薄膜(3)的一个开口的端部(3A)流体连通的流入空间(7)、与所述中空纤维薄膜(3)的另一个开口的端部(3B)流体连通的流出空间(8)和处在所述第一分隔壁(4)和所述第二分隔壁(5)之间的中间空间(6)，
在所述流入空间(7)上的第一流入连接部(9)和在所述流出空间(8)上的第一流出连接部(10)，
在所述中间空间(6)上的第二流入连接部(12)和在所述中间空间(6)上的第二流出连接部(11)，
其特征在于，
所述中空纤维薄膜(3)的内侧和所述中空纤维薄膜(3)的外侧具有至少一个包含催化剂材料和导电材料的层(13、15；14、16)，
将由导电材料制成的层(14)施加到所述壳体(1)的限定所述流入空间(7)边界的壁上、所述第一分隔壁(4)的限定所述流入空间(7)边界的表面上、所述壳体(1)的限定了所述流出空间(8)边界的壁上、和所述第二分隔壁(5)的限定所述流出空间(8)边界的表面上，
将由导电材料制成的层(16)施加到所述壳体(1)的限定所述中间空间(6)边界的壁上和所述第一分隔壁(4)和第二分隔壁(5)的限定所述中间空间(6)边界的表面上，和
在所述壳体(1)上形成第一电连接触点(19)和第二电连接触点(18)，所述第一电连接触点与所述流入空间(7)和所述流出空间(8)内的由导电材料制成的层(14)电连接，所述第二电连接触点与所述中间空间(6)内的由导电材料制成的层(16)电连接。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，在所述流入空间(7)和所述流出空间(8)内的由导电材料制成的层(14)下和在所述中间空间(6)内的由导电材料制成的层(16)下设置由催化剂材料制成的层(13、15)。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池，其特征在于，所述壳体(1)是圆柱形壳体且所述第一分隔壁(4)和所述第二分隔壁(5)是圆柱体。
4.根据权利要求1或2所述的燃料电池，其特征在于，所述第一分隔壁(4)和所述第二分隔壁(5)由灌封材料形成。
5.根据权利要求1或2所述的燃料电池，其特征在于，所述催化剂材料是铂或钯。
6.根据权利要求1或2所述的燃料电池，其特征在于，由催化剂材料制成的层(13、15)的层厚在2nm至500nm之间。
7.根据权利要求1或2所述的燃料电池，其特征在于，所述导电材料包含碳微粒或碳纤维。
8.根据权利要求1或2所述的燃料电池，其特征在于，所述中空纤维薄膜(3)的直径在50μm至500μm之间。
9.一种用于由中空纤维薄膜组件制造燃料电池的方法，其中，所述中空纤维薄膜组件具有：
壳体(1)，在所述壳体(1)内布置了由中空纤维薄膜(3)组成的束(2)，
第一分隔壁(4)，所述第一分隔壁将所述由中空纤维薄膜(3)组成的束(2)的一个端侧部分(2A)密封地包围，
第二分隔壁(5)，所述第二分隔壁将所述由中空纤维薄膜(3)组成的束(2)的另一个端侧部分(2B)密封地包围，
其中，
所述第一分隔壁(4)和所述第二分隔壁(5)将所述壳体分隔为与所述中空纤维薄膜(3)的一个开口的端部(3A)流体连通的流入空间(7)、与所述中空纤维薄膜(3)的另一个开口的端部(3B)流体连通的流出空间(8)和处在所述第一分隔壁(4)和所述第二分隔壁(5)之间的中间空间(6)，
在所述流入空间(7)上的第一流入连接部(9)和在所述流出空间(8)上的第一流出连接部(10)，
在所述中间空间(6)上的第二流入连接部(12)和在所述中间空间(6)上的第二流出连接部(11)，
其特征在于，
以至少一个包含催化剂材料和导电材料的层(13、15；14、16)涂覆所述中空纤维薄膜(3)的内侧和所述中空纤维薄膜(3)的外侧，
将由导电材料制成的层(14)施加到所述壳体(1)的限定所述流入空间(7)边界的壁上、所述第一分隔壁(4)的限定所述流入空间(7)边界的表面上、所述壳体(1)的限定所述流出空间(8)的壁上、和所述第二分隔壁(5)的限定所述流出空间(8)边界的表面上，
将由导电材料制成的层(16)施加到所述壳体(1)的限定所述中间空间(6)的壁上和所述第一分隔壁(4)和第二分隔壁(5)的限定所述中间空间(6)边界的表面上，和
在所述壳体(1)上形成第一电连接触点(19)和第二电连接触点(18)，所述第一电连接触点与所述流入空间(7)和所述流出空间(8)内的由导电材料制成的层(14)电连接，所述第二电连接触点与所述中间空间(6)内的由导电材料制成的层(16)电连接。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在第一步骤中将含有催化剂材料的液体且在第二步骤中将含有导电材料的液体泵送通过所述流入空间(7)、所述流出空间(8)和所述中空纤维薄膜(3)，且在第一步骤中将含有催化剂材料的液体且在第二步骤中将含有导电材料的液体泵送通过所述中间空间(6)。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述催化剂材料是铂或钯。
12.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述催化剂材料以在2nm至500nm之间的层厚施加。
13.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述导电材料包含碳微粒或碳纤维。
14.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述中空纤维薄膜(3)的直径在50μm至500μm之间。
15.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述中空纤维薄膜组件是透析器组件。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，以离子导电材料填充所述透析器组件的中空纤维薄膜(3)的孔。
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