CN1235703A - 管状聚合物电解质燃料电池组件及其制造方法 - Google Patents

管状聚合物电解质燃料电池组件及其制造方法 Download PDF

Info

Publication number
CN1235703A
CN1235703A CN97198772A CN97198772A CN1235703A CN 1235703 A CN1235703 A CN 1235703A CN 97198772 A CN97198772 A CN 97198772A CN 97198772 A CN97198772 A CN 97198772A CN 1235703 A CN1235703 A CN 1235703A
Authority
CN
China
Prior art keywords
fuel cell
collector
anode
fuel
substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN97198772A
Other languages
English (en)
Inventor
威廉·J·斯泰恩
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
WL Gore and Associates Inc
Original Assignee
WL Gore and Associates Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by WL Gore and Associates Inc filed Critical WL Gore and Associates Inc
Publication of CN1235703A publication Critical patent/CN1235703A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1007—Fuel cells with solid electrolytes with both reactants being gaseous or vaporised
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2404—Processes or apparatus for grouping fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/2418—Grouping by arranging unit cells in a plane
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065—Solid electrolytes
    • H01M2300/0082—Organic polymers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/249—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells comprising two or more groupings of fuel cells, e.g. modular assemblies
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002—Electrical device making
    • Y10T29/49108—Electric battery cell making
    • Y10T29/49114—Electric battery cell making including adhesively bonding

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

一种燃料电池组件,包括由流体可渗透材料制成的多孔管状衬底(12)以及多个以并排关系缠绕在衬底上的细长而柔软的聚合物电解质燃料电池(14)。每个细长的电池包括中心质子交换膜、设置在所述膜的一侧的阴极单元和设置在所述膜的另一侧的阳极单元。在一种较佳的安排中,使第一个细长的缠绕燃料电池的阳极单元与相邻的缠绕燃料电池的阴极单元电接触。

Description

管状聚合物电解质燃料电池组件及其制造方法
发明领域
本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种制造燃料电池组件(特别是聚合物电解质或质子交换膜(PEM)燃料电池)的改进的方法。
发明背景
燃料电池是电化学能转换装置，对于能量转换，曾将它视为受其自身固有的热力学的限制的热机的替代物。自六十年代初以来，当把燃料电池作为储能装置引入NASA空间计划的双子星座航天器部分时，人们就一般知道了燃料电池的概念。
典型的燃料电池包括三个部分，即，阴极元件、阳极元件和夹在它们之间的桥接的电解质。在历史上，曾由所用的电解质对燃料电池进行分类。到目前为止，已知五种类型的燃料电池：聚合物电解质膜燃料电池(亦称为质子交换膜燃料电池)(PEM)、碱性燃料电池(AFC)、磷酸碱性电池(PAFC)、熔融碳酸盐碱性电池(MCFC)以及固体氧化物燃料电池(SOFC)。
PEM型燃料电池比其余的燃料电池特别有利，有各种原因。一个有利之处是在燃料电池中使用的电解质的固体性质，它减少了在PAFC和AFC中存在的液体电解质引起的工作复杂性。此外，当与其他的类型的燃料电池相比，PEM型燃料电池的性质允许在较低的温度(摄氏80度)下工作，最为特别的是，MCFC和SOFC只能在很高的温度下工作。此外，PEM型燃料电池一般更有效能，它具有较长的工作寿命并且能够比其他形式的燃料电池保持较高的功率密度。
然而，由于在目前已知的设计中发现的限制，PEM型燃料电池在商业上未曾取得成功。这些设计中的大部分使用使用平板几何形状，它们按平行的布局(所谓的“平板和框”方法)装配。这些设计使用很复杂和昂贵的“反应物流平板”设计。
目前的“平板和框”方法的另一个缺点是这些燃料电池组件必须由技术熟练的人手工制造，这使得组件很贵并且制造起来很费时。
还有一个缺点是用“平板和框”燃料电池设计生产的结构都具有刚性并且很笨重。即，为了产生合适的功率，必须把一系列的平板装配在一起，然后将它们保持在一个既硬又大的外壳内。无法在便携式应用(例如便携式电脑)中容易地保留这些外壳。
最后，要使目前的燃料电池设计有效工作，需要热管理。虽然热交换器的平板和框设计一般是已知的，但这种类型的燃料电池具有竞争性的关系，其中，必须同时管理电负荷和热负荷。其结果是时常需要一个单独的冷却回路，它需要额外的冷却板，这使得设计额外笨重和昂贵。
现在，已知的PEM型燃料电池各自产生数量较小的电压。为了产生足够数量的能量，必须把这些电池以某种方式在电气上连接。在第5,338,570号美国专利中描述了燃料电池电气互连的一种揭示的方法，其中，燃料电池相互堆叠。平板和框方法使用一种类似的方法，使得这种类型的燃料电池十分笨重。如今，诸如在第5,336,570号美国专利中描述的已知的管状燃料电池结构有较大的功率损失，这是由于需要一个较大的缠绕在衬底上的横截面。
最后，通常燃料电池使用通过膜的离子传递以产生所要的电化学反应。为了发生这些反应，必须从膜的每个电极侧由外部源或容器分开供给反应物(通常在阳极处是氢气，而在阴极处是来自周围空气的氧气)。
发明概述
本发明的一个主要目的是提供一种燃料电池(尤其是聚合物电解质膜(PEM)型燃料电池)的改进结构。
本发明的另外一个主要目的是提供一种燃料电池，这种电池制造起来较便宜，并且消除了在当前的“平板和框”设计中的那些复杂性。
本发明的另外一个主要目的是提供一种燃料电池组件，并且相应地提供一种制造方法，该方法容易适用于自动化的大量生产。
本发明的另外一个主要目的是提供一种燃料电池组件，它允许在分开排列的燃料电池之间进行电气互连，以得到较高的电压输出。
本发明的又一个主要目的是提供一种燃料电池设计，它不需要分开的外部反应物源。
所以，并且按照本发明的一个较佳的方面，提供了一种制造燃料电池组件的方法，该方法包括下述步骤：
提供管状衬底，该衬底允许气体经它扩散；
在所述管状衬底上缠绕第一个细长的燃料电池，所示燃料电池包括中心质子交换膜、设在所述膜的一侧的阴极单元和设在所述膜的相对侧的阳极单元；
以与所述第一个细长的燃料电池并排对齐的方式在所述管状衬底上缠绕多个所述细长的燃料电池；以及
把所述的已缠绕的细长的燃料电池在电气上连接起来，以产生燃料电池组件。
按照本发明的另一个较佳的方面，提供了一种燃料电池组件，它包括：
管状衬底，它由一种允许气体经其扩散的材料制成；
多个细长的柔软的聚合物电解质燃料电池，它们以并排的关系缠绕，每个燃料电池包括中心质子交换膜、设在所述膜的一侧的阴极单元和设在所述膜的另一侧的阳极单元；以及
用于以电接触方式连接第一个细长的柔软的燃料电池的阳极单元和下一个相邻电池的阴极单元的装置，以增加在所述组件中产生的功率。
按照本发明的还有一个方面，提供了一种燃料电池组件，它包括至少一个细长的柔软的燃料电池，该电池有多层构成，这些层包括：中心部分导电膜、附于所述膜一侧的阳极单元、附于所述膜第二相对侧的阴极单元以及用于支撑所述燃料电池的支撑衬底，衬底具有管状截面。
本发明的一个实现了的好处是能够以这样的方法更便宜地制造一系列柔软的燃料电池，与传统的已知的PEM型燃料电池相比，本发明的方法占用的空间要小得多。
本发明的另一个好处是能够制造完全自备的燃料电池，它能够包括至少一个燃料源，而不需要单独地从位于外部的源用管子输送燃料。
通过下面结合附图所作的本发明的详细描述，对于那些熟悉本领域的人而言，本发明的附加的目的、好处和特征将是显而易见的。
附图概述
图1是按照本发明的第一较佳实施例制作的管状燃料电池的部分切除的透视图；
图2是按照图1的燃料电池的系统图；
图3是与图1和2的组件相关的各别的多层燃料电池的部分截面图；
图4是图1至3的燃料电池的部分截面图，描绘了将各别的燃料电池组件在电气上互连的一种较佳的方法；
图5是按照本发明的第二实施例的一种燃料电池组件的部分截面图；以及
图6是按照本发明的第三实施例的一种燃料电池组件的部分截面图。
发明详述
这里按照某些特殊的实施例描述本发明。然而，显然可知，在所附权利要求的精神和范围内，能够作其他的改变。
这里参照图1-4描述按照本发明的燃料电池组件的第一实施例。
具体地参照图1，燃料电池组件包括一个多孔中空管状衬底12，它部分地以截面图示出，该衬底12由诸如聚乙烯或聚丙烯等气体可渗透材料制成。简言之，且按照本实施例，管状衬底12形成了用于多个各别的柔软且细长的燃料电池组件14(后面称之为膜电极组件或MEA)的支撑物，如下面要详细描述的那样，把这些燃料电池组件14如此加以安排，诸如把柔软的MEA用并排缠绕带子的方式绕在衬底的外表面19上，以形成完整的电源。
参照见图2，把管状衬底容纳在一个包含一对支承端帽21、23的安装架内。虽然显见，其他的几何形状也适合，但按照本发明，安装架的截面是圆柱形状的。端帽之一21包括一个入口22，而其余一个与之相对设置的端帽23包括一个出口24，入口和出口的每一个都从管状衬底的内部18延伸。工作时，把入口21与一个外部源(图中未示出)作流体上的互连，该外部源供给大量的反应物流体。如这里所叙述的，流体定义为气体和流体两者。虽然为了达到合适的电化学反应，也能有效地使用诸如甲醇等其他反应物，但为了本实施例的目的，使用氢气(H2)。
仍然参见图2，周围空气或任何其他合适的反应物在安装架20的外部循环；即，在管状衬底12外循环，以提供例如按本实施例所使用的氧离子，由氧离子提供接下来的电化学反应用的电子。
在图3中示出各别的柔软且细长的MEA14的截面图。组件14包括多个片状或带状的组成层，从组件的底部算起，包括阳极集电器单元30、阳极电极单元34、离子导电电解质膜40、阴极电极单元42和阴极集电器单元46。如下所述，阴极电极和阴极集电器单元42、46最好分别相对于阳极电极和阳极集电器单元34、30错开，以允许相邻放置的MEA14作电气上的互连。
离子导电电解质膜40例如是质子导电单元，诸如全氟磺酸聚合物(perfluorosulfonic acid polymer)(例如，特拉华州Wilmington的E.I.Dupont deNemours and Co.制造的Nafion No.117)，它允许0.1安/厘米2或更大的电流密度。然而，也能使用其他已知的膜，诸如Dow Chemical Co.的Expermental XUS13204.10。按照本实施例，膜40是厚度约为20微米的离聚物(ionomer)，在其每个相对侧施加150微米厚的多孔的气体扩散层(未示出)。
按照本实施例的阳极电极和阴极电极单元34、42每一个都由多孔的碳或石墨纤维带构成，把它们设置在膜40的每个相对侧上。每个单元42、34的纤维用改善离子输送用的离子导电材料和催化成份层浸渍。虽然也可使用诸如银、钯、金和铜和或它们的氧化物等其他催化材料，但按照本实施例，使用铂催化剂作为浸渍材料。阴极40和阳极层32的每一个的背侧41、33最好做成疏水性的，其做法是用诸如喷涂等已知方法将铂与诸如聚四氟乙烯(Teflon塑料)等聚合物复盖物共同淀积在其上。虽然可打算使用其他合适的厚度，但按照本实施例的每个单元42、34的厚度约为5微米，而浸渍物的厚度大约等于质子导电单元的厚度(即，20微米)。在本领域中，已知大量不同的材料或材料的组合以及方法。这些材料必需是导电的，还允许流体扩散至界面区域，以引起电化学反应。
在描述把各别的燃料电池组件互连在管状衬底12上之前，藉于先前的图1-3，现在提供电化学反应机制的一般说明，假设已经在衬底12的外部缠绕了至少一个MEA14，诸如图1的截割的部分所示。
如已指出的，从外部源提供大量氢反应物气体(H2)进入多孔的衬底12的内部19。由流体可渗透材料制成的衬底12例如允许气体流动，与此同时，从组件10的外部将氧气向内朝电解质膜40输送。
由于在阳极电极单元34上存在着催化剂铂层，把到达阳极的氢分子离解为氢原子并剥夺它们的电子，形成H+离子。这些离子能透过膜40的离子可渗透电解质层。
类似地，使包含氧分子的周围空气流经纤维阴极电极元件42。由于阴极电极单元42的浸渍催化剂(铂)层的存在，使得氧分子离解为氧原子并接受电子，当与到达电解质膜40的H+离子起反应的，生成水分子。
如已知的那样，由氢分子离解产生的电子被输送至在安装架20端部的外电路(未示出)。正在进行的反应继续把在阳极电极单元34中产生的氢离子(H+)引至阴极单元42的催化部分。
为了达到上述的电化学反应，最低限度MEA14能与夹在纤维状电极单元34、42之间的膜40一起存在，电极单元34、42用导电材料、催化剂和疏水性涂层材料作所需的浸渍，以允许气体(但不允许水)经它扩散。按照本实施例，把MEA14逐个制成带状，该形状允许把带缠绕在管状衬底12的外部。但是，并且也按照本实施例，必需收集作为反应结果形成的电子。
因此并且回过来参照图3，MEA14还包括阳极集电器带或单元30，它附于阳极电极34的背侧33，并且用于输送由反应物气体在阳极电极34处产生的电荷。阳极集电器单元34由诸如高等级钛、铝、敷钽的铝、不锈钢等导电材料和导电聚合物合成物制成，可以将阳极集电器单元34由编织线、编织管或有孔的箔制得。
类似地，把阴极集电器单元46类似地邻近阴极电极单元42的背侧41放置，以收集从膜40流出的电子，并且把这些电子以本领域中的人已知的方式引至上述的外电路(未示出)。集电器46、30中的每一个具有一个宽度尺寸，它与阴极和阳极电极单元42、34的宽度尺寸共同延伸。然后最好把集电器46、30安排得呈现如图3所示的错开的结构。
在图5中用截面图示出另一种设计的MEA70，它除了前面所述的那些层之外，还有另一些层。为清楚起见，相似的部分用相同的标号标出。除了电解质膜40、阴极和阳极电极42、34以及阴极和阳极集电器46、30之外，MEA70还包括多孔的内覆盖层50和类似的多孔的外覆盖层54，当缠绕时，内覆盖层50覆盖管状衬底(在图5中未示出)的外部，而外覆盖层54覆盖阴极集电器层46的背侧。在阴极电极层42和阴极集电器层46之间还提供由PTFE或其他合适的材料制成的绝缘器层60，以防止跨越电路。
如已指出的那样，每个各别的MEA14以并排的方式排列在管状衬底12上，如图1的略图所示，其中，每个组件是以图1或图5的带状形式制造，并且以缠绕或卷绕带子的方式绕在管状衬底12的外部19。应该注意，可在把MEA14施加至管状衬底12之前把MEA14全部或部分组装好；即，组件被部分或全部贴附。换一种做法，可把每个各别的MEA14的每一层以一系列相继施加的方式在原来的位置处施加至管状衬底12。
还应注意，能够使用单个MEA14，它比已描述的那些具有较大的宽度，它允许在管状衬底12的外部作单个卷绕，而不是积聚数个MEA14。另一种做法可以把组件安装成一系列平板。
然而，并且不管施加的方法(例如，施加各别的层，把整个或部分的各别的MEA带卷绕至管状衬底12)如何，必需把每个MEA14在电气上连在一起，以积聚适合作电源的合适的电荷。
对于单个MEA14设置在管状衬底12上的情形，把每个正(阴极)部分和负(阳极)部分在管的端部(未示出)以平行的安排加以连接，并且在图2的端帽21、23处，在卷绕的端部在电气上加以聚集。虽然这种连接方式不是最佳的方式(因为在这种设计中，可以有显著的功耗)，但它是一种可行的方式。使用在单个多电池组件中的串联连接的另一种设计示于图6，并在下面加以详细描述。
图4描述了在相邻卷绕的按图1～3的第一实施例的MEA14之间的一种较佳的串联互连。
首先，按照本实施例，把阳极集电器带30以间隔的关系缠绕在管状的多孔衬底12上，如图所示，在相邻的带之间有间隙。可以通过粘合方法或其他已知的技术把这些带子放置在衬底上。
第二个缠绕操作是装入各别的MEA14，每个MEA包括预先制成的膜40，该膜分别被夹在阳极和阴极电极34、42之间。如以前指出的，每个MEA14以错开的方式构造，由此膜40具有的宽度尺寸跨过MEA的宽度，而把阴极和阳极电极40、34偏移一预定的量。
当按照图4放置时，每个MEA14的相同的阳极部分与每个缠绕集电器带30的前边沿37对齐。通过间隔阳极集电器带子30，使相邻MEA的阳极部分51与阴极部分53接触。
最后，通过与阴极部分53(露出的阴极集电器层42)对齐地卷绕带子的前边沿，把阴极集电器带46缠绕在组件10上。在这种安排中，单个电池组件14的阳极与下一个电池的阴极电气上相连。上述结构提供了串联连接，增大了燃料电池组件10的电压输出。典型地，各别的PEM型燃料电池装置产生小于1伏的电压，因此如上所述提供串联连接是提高整个燃料电池组件的电压的一种极为有利和简单的方法。
在图6中示出在各别的燃料电池组件之间提供电气互连的另一种方法。
单个多电池组件90包括多孔的膜92，该膜部分地把用电解质媒质浸渍，并且把它夹在阳极和阴极电极单元96、98之间。然而，膜92呈现出导电性，其做法是增添一系列分立的段。膜92能够由多孔材料制造，用诸如全氟磺酸聚合物(Nafion)等材料浸渍，该膜允许穿过它输送离子，但它包括一系列带状的部分94，这些部分包括导电材料，诸如碳、钛、300系列不锈钢以及诸如polyaniline等导电聚合物。通过已知的化学淀积或机械的方法施加导电材料；例如，能够把导电材料的精细分散的粒子的悬浮液以液体形式(例如，如墨水)加入多孔膜。另一种做法是把导电部分94镀在膜92上或膜92中。
提供诸如组件90的连续的层允许已完工的组件内各别的组成的燃料电池之间有较好的密封。
此外，通过分别相对于阳极和阴极电极96、98的前边沿提供电气部分而在相邻电池之间提供更有效的电气连接。如上所述，能够通过丝网或其他施加技术施加阳极和阴极单元96、98。
按照本实施例，膜92大约是20微米厚，因此能够使电荷经膜运送，以形成电气桥路。
在操作中，以上面叙述的方式发生电化学反应，其做法是通过电极单元移动电荷。通过把导电材料加入电解质膜而提供串联电气连接，允许达到一电压值。多孔的电薄膜层约为100微米厚，而每个含催化剂的电极约为5微米厚，虽然可以用其他更厚的厚度。此外，上述实施例最好包括一个流体扩散层(未示出)，把它施加在催化剂的顶部，以允许反应物进行反应。膜92的其余部分保持不导电。
下面的权利要求确定了在这里描述的本发明。很显然，在本发明的精神和范围内，很容易设想其他的变更或改变。例如，在前面的第一实施例中，如果阳极集电器部分足够硬，诸如由编织线制成阳极集电器，则不需要多孔的管状衬底。

Claims (30)

1．一种燃料电池，其特征在于包括：
由流体可渗透材料制成的管状衬底；
多个细长的柔软的聚合物电解质燃料电池，把它们按并排的关系缠绕在所述衬底上，每个所述电池包括中心质子交换膜、设置在所述膜一侧的阴极单元和设置在所述膜的另一侧的阳极单元；以及
用于以电接触方式连接第一个所述细长的柔软的燃料电池的所述阳极单元和下一个相邻的所述电池的所述阴极单元的装置。
2．如权利要求1所述的组件，其特征在于，每个所述电池的所述阴极单元和所述阳极单元是由包含炭层的催化剂形成的，它沿长度延伸，并且与每个所述电池的所述质子交换膜接触。
3．如权利要求1所述的组件，其特征在于，每个所述电池的设置的所述阴极和阳极单元包含疏水的覆盖物，它沿所述单元的不与所述质子交换膜接触的一侧涂覆。
4．如权利要求1所述的组件，其特征在于，包括对每个所述阴极单元设置的柔软的阴极电荷集电器以及对每个所述阳极单元设置的阳极电荷集电器，其中，把所述阴极、所述阳极和所述膜夹在所述集电器之间。
5．如权利要求4所述的组件，其特征在于，每个所述电荷集电器由柔软的，能缠绕在所述管状衬底上的导电材料制成。
6．如权利要求4所述的组件，其特征在于，一个缠绕电池的所述阳极集电器放置得与下一个相邻电池的所述阴极电荷集电器电接触。
7．如权利要求4所述的组件，其特征在于，每个所述电荷集电器由多股中空的管子制成，并且还包括使流体通过所述管子以从所述电池回收热量的装置。
8．如权利要求1所述的组件，其特征在于，它还包括装在所述管状衬底上的相对的端帽，一个所述端帽包含流体入口，而另一个所述端帽包含流体出口。
9．如权利要求1所述的组件，其特征在于，它还包括多孔的外覆盖层，它设置在每个所述电池的外电荷集电器之上，所述外覆盖层由柔软的塑料材料制成。
10．如权利要求9所述的组件，其特征在于，每个所述缠绕电池的所述阳极面对所述多孔的衬底，并且还包括使所述反应物流体通过所述多孔衬底的装置。
11．如权利要求4所述的组件，其特征在于，所述阴极电荷集电器向反应流体暴露。
12．一种制造燃料电池组件的方法，其特征在于包括下述步骤：
提供允许气体经其扩散的管状衬底；
在所述管状衬底上缠绕第一个柔软的细长的燃料电池，该电池包括中心质子交换膜、设置在所述膜一侧的阴极单元以及设置在所述膜的相对侧的阳极单元；
以与所述第一个已缠绕的燃料电池对齐的方式在所述管状衬底上缠绕多个柔软的细长的燃料电池；以及
电气连接所述燃料电池。
13．如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括这样的步骤，即，形成阴极和阳极单元的多孔层，并且使所述层与导电材料接触。
14．如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括这样的步骤，即，把每个背对所述膜的所述单元的背侧用疏水性材料覆盖。
15．如权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括这样的步骤，即，用多孔的导电集电器覆盖每个所述单元。
16．如权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括这样的步骤，即，把覆盖至少一个所述燃料电池的所述阴极的所述集电器与覆盖相邻的所述燃料电池的所述阳极的所述集电器相连。
17．如权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括这样的步骤，即，制作管网的集电器，并且使冷却流体流经所述管网。
18．如权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括这样的步骤，即，用多孔外保护层卷绕最外面的集电器。
19．如权利要求18所述的方法，其特征在于，包括这样的步骤，即，使所述反应流体通过所述多孔的衬底的内部，并且把所述已卷绕的燃料电池的外部向所述反应流体暴露。
20．一种燃料电池装置，包括至少一个细长的柔软的燃料电池，所述燃料电池由多层构成，所述多层包括中心离子导电膜和用于支撑所述燃料电池的柔软的流体可渗透衬底，所述中心离子导电膜夹在阳极和阴极层之间。
21．如权利要求20所述的燃料电池装置，其特征在于，所述衬底是与所述阳极和阴极层之一接触的第一电荷集电器，所述衬底还包括与另一个所述阳极和阴极层接触的第二电荷集电器。
22．如权利要求20所述的燃料电池装置，其特征在于，所述装置包括多个燃料电池以及用于在装置中电气互连每个所述燃料电池的装置。
23．如权利要求20所述的燃料电池装置，其特征在于，所述离子导电膜是质子导电膜。
24．如权利要求21所述的燃料电池装置，其特征在于，根据配方制成所述层，在所述配方中包括炭，所述层与催化覆盖层和外疏水材料接触。
25．如权利要求24所述的燃料电池装置，其特征在于，所述集电器由导电材料的组中选出的材料制成，包括金属丝网、多孔的金属箔、聚合物复合材料或网状管子。
26．如权利要求24所述的燃料电池装置，其特征在于，所述燃料电池装置包括用于使反应流体与所述炭层之一作扩散接触，以及使所述反应流体与另一所述炭层作扩散接触的装置。
27．如权利要求20所述的燃料电池装置，其特征在于，所述中心膜具有由导电材料制成的部分，至少一个所述部分构成所述电池的所述阳极和相邻电池的所述阴极之间的电气桥路。
28．如权利要求1所述的燃料电池组件，其特征在于，所述管状衬底包括用于为所述燃料电池保持内部反应物源的装置。
29．如权利要求1所述的燃料电池组件，其特征在于，所述管状衬底的截面是圆柱形的。
30．如权利要求24所述的燃料电池，其特征在于，所述催化覆盖物是铂。
CN97198772A 1996-10-16 1997-10-08 管状聚合物电解质燃料电池组件及其制造方法 Pending CN1235703A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US08/731,588 1996-10-16
US08/731,588 US6007932A (en) 1996-10-16 1996-10-16 Tubular fuel cell assembly and method of manufacture

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN1235703A true CN1235703A (zh) 1999-11-17

Family

ID=24940148

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN97198772A Pending CN1235703A (zh) 1996-10-16 1997-10-08 管状聚合物电解质燃料电池组件及其制造方法

Country Status (7)

Country Link
US (1) US6007932A (zh)
EP (1) EP0932914B1 (zh)
KR (1) KR100392748B1 (zh)
CN (1) CN1235703A (zh)
AU (1) AU4800497A (zh)
DE (1) DE69720489T2 (zh)
WO (1) WO1998016963A1 (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101305491B (zh) * 2005-11-10 2010-06-02 丰田自动车株式会社 管状燃料电池
CN110431699A (zh) * 2017-03-02 2019-11-08 沙特阿拉伯石油公司 新型模块化电化学电池单元和堆叠设计

Families Citing this family (63)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19833064C2 (de) * 1998-07-22 2001-10-11 Fraunhofer Ges Forschung Brennstoffzelle für hohe Ausgangsspannungen
DE19909930B4 (de) * 1999-03-06 2004-09-02 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Herstellung von tubulären PEM-Brennstoffzellen und Ionentauschermembranen
DE19916239C2 (de) * 1999-04-10 2001-07-05 Piller Gmbh Brennstoffzelle
US6322918B1 (en) * 1999-10-18 2001-11-27 Motorola, Inc. Water management system for fuel cells
US6468682B1 (en) 2000-05-17 2002-10-22 Avista Laboratories, Inc. Ion exchange membrane fuel cell
US6403248B1 (en) 2000-07-24 2002-06-11 Microcell Corporation Microcell electrochemical devices assemblies with water management subsystem, and method of making and using the same
US6399232B1 (en) 2000-07-24 2002-06-04 Microcell Corporation Series-connected microcell electrochemical devices and assemblies, and method of making and using the same
US6444339B1 (en) 2000-07-24 2002-09-03 Microcell Corporation Microcell electrochemical device assemblies with thermal management subsystem, and method of making and using the same
US6338913B1 (en) 2000-07-24 2002-01-15 Microcell Corporation Double-membrane microcell electrochemical devices and assemblies, and method of making and using the same
US6403517B1 (en) 2000-07-24 2002-06-11 Microcell Corporation System and process for manufacturing microcell electrochemical devices and assemblies
US6495281B1 (en) 2000-07-24 2002-12-17 Microcell Corporation Microcell electrochemical devices assemblies with corrosion management subsystem, and method of making and using the same
US6531238B1 (en) * 2000-09-26 2003-03-11 Reliant Energy Power Systems, Inc. Mass transport for ternary reaction optimization in a proton exchange membrane fuel cell assembly and stack assembly
FR2819107B1 (fr) * 2000-12-29 2003-09-05 Commissariat Energie Atomique Procede de fabrication d'un assemblage d'elements de base pour un etage de pile a combustible
US20040038104A1 (en) * 2001-04-06 2004-02-26 Qinbai Fan Low cost metal bipolar plates and current collectors for polymer electrolyte membrane fuel cells
US6723462B2 (en) * 2001-04-06 2004-04-20 Gas Technology Institute Low cost metal bipolar plates and current collectors for polymer electrolyte membrane fuel cells
AUPR435101A0 (en) * 2001-04-11 2001-05-17 Rmg Services Pty. Ltd. Further additions to the modified proton electrolytic membrane fuel cell
JP2002343378A (ja) * 2001-05-18 2002-11-29 Hitachi Ltd 燃料電池，燃料電池発電装置及びそれを用いた機器
US6620542B2 (en) * 2001-05-30 2003-09-16 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Flex based fuel cell
GB0117939D0 (en) * 2001-07-24 2001-09-19 Rolls Royce Plc A solid oxide fuel cell stack
FR2828013B1 (fr) * 2001-07-24 2003-09-12 Commissariat Energie Atomique Pile a combustible miniature a geometrie cylindrique
FR2832549B1 (fr) * 2001-11-16 2004-05-28 Commissariat Energie Atomique Pile a combustible a surface active importante et a volume reduit et son procede de fabrication
DE10200404A1 (de) * 2002-01-08 2003-07-17 H2 Interpower Brennstoffzellen Vorrichtung zur Erwärmung von Luft mit einer Brennstoffzelle
US6824907B2 (en) 2002-01-16 2004-11-30 Alberta Reasearch Council, Inc. Tubular solid oxide fuel cell stack
US6893762B2 (en) * 2002-01-16 2005-05-17 Alberta Research Council, Inc. Metal-supported tubular micro-fuel cell
US6846588B2 (en) 2002-01-16 2005-01-25 Alberta Research Council Inc. Hollow inorganic membranes produced by metal or composite electrodeposition
US7736772B2 (en) * 2002-02-14 2010-06-15 Alberta Research Council, Inc. Tubular solid oxide fuel cell stack
US6884745B2 (en) * 2002-06-28 2005-04-26 Advanced Energy Technology Inc. Perforated cylindrical fuel cells
US20040053100A1 (en) * 2002-09-12 2004-03-18 Stanley Kevin G. Method of fabricating fuel cells and membrane electrode assemblies
US7001687B1 (en) 2002-10-04 2006-02-21 The Texas A&M University System Unitized MEA assemblies and methods for making same
US7005209B1 (en) 2002-10-04 2006-02-28 The Texas A&M University System Fuel cell stack assembly
DE10256940A1 (de) * 2002-12-05 2004-07-15 Enocean Gmbh Verfahren und Anordnung zur Umwandlung thermischer in elekrische Energie
US7105249B2 (en) * 2003-06-03 2006-09-12 Hall David R Pressure-compensated downhole battery
US7147965B2 (en) * 2003-06-03 2006-12-12 Hall David R Pressure-balanced battery for downhole tools
JP4405196B2 (ja) * 2003-08-22 2010-01-27 新光電気工業株式会社 固体電解質燃料電池
ES2247928B1 (es) * 2004-06-03 2007-06-01 Celaya Emparanza Y Galdos, S.A. (Cegasa) Pila de consumo con tecnologia de pila de combustible.
US8247135B2 (en) * 2004-09-14 2012-08-21 Case Western Reserve University Light-weight, flexible edge collected fuel cells
DE102005018291A1 (de) * 2005-04-18 2006-10-19 Varta Microbattery Gmbh Brennstoffzellensystem
US8709674B2 (en) * 2005-04-29 2014-04-29 Alberta Research Council Inc. Fuel cell support structure
JP4929644B2 (ja) * 2005-08-10 2012-05-09 トヨタ自動車株式会社 集電電極を兼ねたスペーサを備えたチューブ型燃料電池セル及び燃料電池モジュール
US20100136444A1 (en) * 2005-09-21 2010-06-03 Nash David A Electrical bridge for fuel cell plates
AU2012200840B2 (en) * 2005-11-08 2012-04-05 Alan Devoe Solid oxide fuel cell device comprising an elongated substrate with a hot and a cold portion
US8153318B2 (en) 2006-11-08 2012-04-10 Alan Devoe Method of making a fuel cell device
WO2007056518A2 (en) * 2005-11-08 2007-05-18 Alan Devoe Solid oxid fuel cell device comprising an elongated substrate with a hot and a cold portion
WO2007109215A2 (en) * 2006-03-20 2007-09-27 Rasirc Fluid connector
US8293415B2 (en) 2006-05-11 2012-10-23 Alan Devoe Solid oxide fuel cell device and system
BRPI0714382A2 (pt) * 2006-07-11 2013-03-05 Bic Soc conjunto de cÉlula de combustÍvel, màdulo de energia e mÉtodo de fornecimento de eletricidade a um dispositivo eletrânico
US8389180B2 (en) * 2006-09-11 2013-03-05 Battelle Energy Alliance, Llc Electrolytic/fuel cell bundles and systems including a current collector in communication with an electrode thereof
US8278013B2 (en) 2007-05-10 2012-10-02 Alan Devoe Fuel cell device and system
US8227128B2 (en) 2007-11-08 2012-07-24 Alan Devoe Fuel cell device and system
US8343684B2 (en) 2008-03-07 2013-01-01 Alan Devoe Fuel cell device and system
KR101014800B1 (ko) 2008-06-09 2011-02-15 재단법인서울대학교산학협력재단 유로를 구비한 원통형 고분자 전해질막 연료전지
WO2010062639A1 (en) 2008-10-28 2010-06-03 Alan Devoe Fuel cell device and system
KR20120101012A (ko) * 2009-11-16 2012-09-12 램버트 드보 연료 전지 장치
EP2553751A4 (en) 2010-04-01 2014-07-16 Trenergi Corp HIGH TEMPERATURE MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY WITH HIGH POWER DENSITY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME
DE102010046610B4 (de) * 2010-09-25 2013-06-20 Daimler Ag Brennstoffzellenanordnung und Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzellenanordnung
JP6166272B2 (ja) 2011-11-30 2017-07-19 アラン・デヴォー 燃料電池デバイス
US9023555B2 (en) 2012-02-24 2015-05-05 Alan Devoe Method of making a fuel cell device
WO2013176715A2 (en) 2012-02-24 2013-11-28 Alan Devoe Method of making a fuel cell device
JP5825524B2 (ja) * 2012-02-29 2015-12-02 一般財団法人電力中央研究所 溶融炭酸塩形燃料電池
US9450265B2 (en) * 2012-04-24 2016-09-20 Audi Ag Compact fuel cell system with fuel cell in fluid tank
CN105839136B (zh) * 2016-04-08 2017-12-01 中国工程物理研究院材料研究所 一种用于spe电解的中心对称式辐射状双极板流场结构
US20230012017A1 (en) * 2019-12-20 2023-01-12 Totalenergies Onetech Tubular electrochemical separation unit and manufacturing method therefor
CN113488674B (zh) * 2021-07-07 2022-06-17 哈尔滨工业大学（深圳） 一种圆柱形自呼吸燃料电池的装配方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3185593A (en) * 1962-03-16 1965-05-25 Servel Inc Primary voltaic cell having spirally wound electrodes and method of making same
US3281271A (en) * 1962-05-02 1966-10-25 Yardney International Corp Electrode assembly for electrochemical device having wound filamentary spacing means arranged in a spiral
US4988582A (en) * 1990-05-04 1991-01-29 Bell Communications Research, Inc. Compact fuel cell and continuous process for making the cell
US5336570A (en) * 1992-08-21 1994-08-09 Dodge Jr Cleveland E Hydrogen powered electricity generating planar member
DE19502391C1 (de) * 1995-01-26 1996-05-23 Fraunhofer Ges Forschung Membranelektrodeneinheit gebildet durch die Zusammenfassung von flächigen Einzelzellen und deren Verwendung
DE19624887A1 (de) * 1995-06-21 1997-01-02 Fraunhofer Ges Forschung Elektrochemisches Festelektrolyt-Zellsystem

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101305491B (zh) * 2005-11-10 2010-06-02 丰田自动车株式会社 管状燃料电池
CN110431699A (zh) * 2017-03-02 2019-11-08 沙特阿拉伯石油公司 新型模块化电化学电池单元和堆叠设计

Also Published As

Publication number Publication date
KR100392748B1 (ko) 2003-07-28
US6007932A (en) 1999-12-28
KR20000048968A (ko) 2000-07-25
DE69720489D1 (de) 2003-05-08
AU4800497A (en) 1998-05-11
WO1998016963A1 (en) 1998-04-23
DE69720489T2 (de) 2004-03-04
EP0932914B1 (en) 2003-04-02
EP0932914A1 (en) 1999-08-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN1235703A (zh) 管状聚合物电解质燃料电池组件及其制造方法
KR101462133B1 (ko) 전기화학 전지 및 관련 멤브레인
AU2004202981B2 (en) Microcell electrochemical devices and assemblies, and method of making and using the same
US7201986B2 (en) Electrochemical cells formed on pleated substrates
EP1025605B1 (en) Fuel cell system for low pressure operation
US6444339B1 (en) Microcell electrochemical device assemblies with thermal management subsystem, and method of making and using the same
US8129065B2 (en) Electrochemical cell assemblies including a region of discontinuity
US6338913B1 (en) Double-membrane microcell electrochemical devices and assemblies, and method of making and using the same
KR100760132B1 (ko) 복합막, 복합막을 이용한 연료 전지
GB2339058A (en) Electrochemical fuel cellassembly having an undulate membrane electrode assembly
CN1886845A (zh) 燃料电池端板组件
US20040018415A1 (en) Flat fuel cell assembly and connection structure thereof
CN1797829A (zh) 液体式直接燃料电池和包括这种电池的便携式电子设备
CN100463265C (zh) 单极的膜电极组件
US20100009230A1 (en) Fuel cells based on hollow conductive carbon fibres
JP2004014148A (ja) 液体燃料電池
JP2007066723A (ja) 燃料電池
JP2007134182A (ja) 燃料電池、及びその製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication