專利名稱：螺旋纏繞式燃料電池組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池。本發(fā)明特別涉及一種具有運(yùn)行效率高且相對占用體積小的螺旋纏繞式燃料電池組。
背景技術(shù)：
燃料電池技術(shù)可潛在地為固定和牽引提供清潔高效的能量。為了適應(yīng)普遍使用，燃料電池最好采用一種在接近周圍環(huán)境溫度，最好是低于100℃時，可提供相當(dāng)高的反應(yīng)效率的形式。然而，催化劑和膜技術(shù)的現(xiàn)有技術(shù)需要在電極之間具有相當(dāng)大的工作區(qū)域，以在該溫度下獲取合理電壓下可用于商業(yè)用途的電流。目前技術(shù)一般采用很大的平板電極來獲取大的表面積，然而，這種方式需要精密制造的板材、很大的矩形密封及復(fù)雜的試劑流場來運(yùn)行。這些設(shè)計導(dǎo)致產(chǎn)品成本高、可靠性低。
一種公知的改進(jìn)燃料電池單位體積表面積的技術(shù)涉及螺旋纏繞式燃料電池的電極組。然而，該技術(shù)未包括從氧化劑中分離燃料氣體的機(jī)制，其對于安全和有效運(yùn)行燃料電池來說是一個必要因素。該技術(shù)假定導(dǎo)入燃料電池的易燃燃料和氧化劑流在介入催化劑表面之前已經(jīng)混合。而且，該技術(shù)未提供控制在整個放電過程中動態(tài)變化的燃料-氧化劑-惰性氣體混合物的方法。
一種用于生產(chǎn)商業(yè)上可行的大表面積電極產(chǎn)品的方法包括，在通常作為終端之一的心軸周圍螺旋式纏繞電極元件。雖然這是一種在商業(yè)化的電池工業(yè)中普遍采用而且易于自動化的技術(shù)，然而由于燃料電池的性質(zhì)，不可能使活性材料固定不動(假定為纏繞式電極)。此外，燃料電池典型的低反應(yīng)效率產(chǎn)生一種額外的需求，即要消除由于極化而產(chǎn)生的大量熱量浪費(fèi)。
因此，需要一種具有運(yùn)行效率高且相對占用空間體積小的螺旋纏繞式燃料電池組。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明總的來說涉及一種螺旋纏繞式燃料電池組。該螺旋纏繞式燃料電池組包括外罩和外罩內(nèi)多個互相電接觸的電池組。各電池組具有至少一個包括負(fù)極、正極及夾在正極和負(fù)極之間的質(zhì)子傳導(dǎo)膜的膜電極組。各電池組設(shè)有用于接收氧化劑氣體的氧化劑通道。電池組周圍形成用于接收燃料氣體的燃料氣體通路。
本發(fā)明還涉及一種制造燃料電池組的方法。該方法包括提供用于接收燃料氣體的心軸管；提供多個電池組，各組具有至少一個膜電極組及由膜電極組確定的用于接收氧化劑氣體的氧化劑通道；通過將電池組纏繞在心軸管周圍在電池組周圍形成燃料氣體通路；以及在心軸管和電池組之間建立流體連通。


本發(fā)明將參照附圖通過舉例進(jìn)行說明，其中圖1為根據(jù)本發(fā)明的螺旋纏繞式燃料電池組的一具體實(shí)施例的透視圖；圖2為圖1所示螺旋纏繞式燃料電池組的縱剖面圖；圖3為螺旋纏繞式燃料電池組的電極組一部分的剖面圖；圖4為電極組一部分的側(cè)面透視圖；圖5為電極組一部分的邊緣透視圖；以及圖6為螺旋纏繞式燃料電池組中多個卷折并互相連接的電極組的透視圖。
具體實(shí)施例方式
參照附圖，根據(jù)本發(fā)明的螺旋纏繞式燃料電池組的一具體實(shí)施例總體通過數(shù)字36標(biāo)記。如圖2所示，螺旋纏繞式燃料電池組36包括多個電池組18，該電池組在層狀結(jié)構(gòu)中互相物理及電連接并總體上卷折形成一個圓柱形結(jié)構(gòu)。如圖3所示，各電池組18包括一對膜電極組(MEAs)17，該膜電極組在沿著電池組18的多個凹穴4上互相連接，如圖4及圖5更詳細(xì)所示。如圖3所示，各MEA17包括多孔、化學(xué)惰性的傳導(dǎo)層2，該傳導(dǎo)層作為螺旋纏繞式燃料電池組36的負(fù)極或陰極。負(fù)極2具有高縱橫比，并盤繞形成多個槽型表面1和凹穴4，如圖3-5所示。多孔、化學(xué)惰性的傳導(dǎo)層11作為螺旋纏繞式燃料電池組36的正極或陽極，與凹穴4的外邊界匹配，并沖壓成與負(fù)極2的槽型表面1互相嵌套。
負(fù)極2上涂覆一層負(fù)催化劑層3。負(fù)催化劑層3可以采用電沉積、采用化學(xué)氣相沉積法(CVD)沉積、涂敷或其它方式設(shè)置到負(fù)極2上。正極11上涂覆一層正催化劑層10。正催化劑層10可以采用電沉積、采用化學(xué)氣相沉積法(CVD)沉積、涂敷或其它方式設(shè)置到正極11上。質(zhì)子傳導(dǎo)膜14夾在負(fù)極2上的負(fù)催化劑層3與正極11上的正催化劑層10之間。在各MEA17的形成中，負(fù)極2、負(fù)催化劑層3、質(zhì)子傳導(dǎo)膜14、正催化劑層10及正極11按照所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員所公知的技術(shù)壓接或粘接在一起。
在各電池組18中，MEAs17中的兩個以并列方式放置，這樣MEAs17在凹穴4上互相接合。在凹穴4之間，MEAs17互相分隔形成氧化劑通道12。如圖3所示，在各凹穴4上，MEAs17沿鄰接表面9通過任何合適的技術(shù)，例如焊接或鉚接互相接合。如圖2所示，鄰近的電池組18在螺旋纏繞式燃料電池組36中的層狀結(jié)構(gòu)中鄰近的電池組18的槽表面1之間的物理/電界面上互相物理及電連接。各凹穴4的凹穴表面5可以沖孔形成氣流開口(圖中未表示)，以使燃料氣體可以從各電池組18的一側(cè)直接流向另一側(cè)。各電池組18的短端(圖中未表示)被壓成錐形封閉。
如圖3所示，在各電池組18的長端，MEAs17的正極11之間設(shè)有具有氣體出入口7的隔片8，以固定電池組18的MEAs17。各隔片8形成一個傳導(dǎo)界面6，可使氧化劑氣體經(jīng)過氣體出入口7通過，并維持MEAs17間所需的空間。舉例來說，各隔片8可以是開孔沖壓金屬、澆鑄金屬、金屬化多孔陶瓷或高多孔性開孔金屬泡沫。
如圖2所示，導(dǎo)電性陰極管19，其為一導(dǎo)電性金屬條，插入各電池組18的隔片8和正極11之間，作為正電流采集條，與電接觸面19a電接觸。陰極管19可以焊接或以其它方式連接到正極11的表面。
如圖2及圖6所示，在螺旋纏繞式燃料電池組36中，在鄰近電池組18的長端之間設(shè)有非導(dǎo)電性橡膠密封條15，在各橡膠密封條15和各電池組18之間具有密封表面15a。已連接的電池組18繞導(dǎo)電性、末端封閉的具孔心軸管25卷折，其開口端連接到燃料源(圖中未表示)。沿心軸管25設(shè)有排放口26以使燃料氣體從心軸管25內(nèi)部流向外部，從而在已物理和電連接的電池組18之間及其上形成燃料氣體通路13?？蛇x擇地，可以在心軸管25上增加軸轂(圖中未表示)，以提供附加的組強(qiáng)度。最靠內(nèi)部的電池組18在多個電接觸點(diǎn)28上與心軸管25電連接。電接觸點(diǎn)28通過纏繞壓力或在電接觸點(diǎn)28應(yīng)用焊接來維持。心軸管25的外表面可以用絕緣聚合物25a涂覆，以減少短路的可能性。
如圖1及圖2所示，分層并卷折的電池組18插入可以是非導(dǎo)電性材料例如高密度聚乙烯的圓柱形、末端開口的外罩21中。外罩21封閉的陰性端容納心軸管25。相對的外罩21的開口端具有氧化劑輸送管30。此外，外罩21可以具有氧化劑排出口23或者可以裝配專用的氧化劑排放管(圖中未表示)。如圖2所示，可以在外罩21的外部提供環(huán)狀燃料排出口24及彈性同心管29來提供單向閥，從而有利于清洗或燃料氣流的循環(huán)。
在外罩21中插入分層、卷折并連接的電池組18之后，將陰極管19形成為陰極條束20。如圖1所示，氧化劑輸送管30典型地蓋有最好是絕緣材料的蓋子22，以封閉外罩21的開口端。蓋子22典型地沿環(huán)形焊縫連接到外罩21的開口端，從而確保陰極條束20可以穿過氧化劑輸送管30內(nèi)部。陰極條束20可以焊接或以其它方式連接到輸送管30的內(nèi)部。如圖2所示，假如蓋子22以絕緣材料制成或通過氣封及電絕緣材料使蓋子22及外罩21之間互相分離(圖中未表示)，外罩21可以是例如鍍鎳低碳鋼的導(dǎo)電性材料，以通過摩擦配件28a增加導(dǎo)電性。氧化劑輸送管30為導(dǎo)電性材料，連接到氧化劑氣體源(圖中未表示)。
在使用本發(fā)明時，螺旋纏繞式燃料電池組36能夠用于汽車或固定的應(yīng)用。心軸管25連接到包含例如氫的燃料氣體38的燃料氣體源(圖中未表示)。氧化劑輸送管30連接到包含例如氧的氧化劑氣體40的氧化劑氣體源(圖中未表示)。燃料氣體38從燃料氣體源流出并分別通過心軸管25和排放口26，其中燃料氣體38接觸最靠內(nèi)部的電池組18上的負(fù)極2(圖3)。部分燃料氣體38典型地通過各電池組18的凹穴表面5(圖3)上所設(shè)的燃料氣體開口(圖中未表示)，越過最靠內(nèi)部的電池組18逐漸流到螺旋纏繞式燃料電池組36內(nèi)靠外側(cè)的電池組18。同時，氧化劑氣體40從氧化劑氣體源(圖中未表示)流出并穿過氧化劑輸送管30，通過各電池組18的隔片8進(jìn)入各電池組18的氧化劑通道12。
在各電池組18中，燃料氣體38通過多孔負(fù)極2流動，并接觸負(fù)極2上的負(fù)催化劑層3。在負(fù)催化劑層3上，氫燃料氣體典型地分解成質(zhì)子和電子。電子通過外部電路發(fā)出(圖中未表示)，典型地驅(qū)動電動機(jī)(圖中未表示)，并返回到正極11上的正催化劑層10。質(zhì)子從負(fù)催化劑層3流出，通過質(zhì)子傳導(dǎo)膜14并到達(dá)正催化劑層10。
在正催化劑層10上，從外部電路返回的電子與來自質(zhì)子傳導(dǎo)膜14的質(zhì)子結(jié)合形成排水。未反應(yīng)的氧化劑氣體40通過電池組18排放端上的氣體出入口7從氧化劑通道12排水。未反應(yīng)的氧化劑氣體40和排水從螺旋纏繞式燃料電池組36通過外罩21的氧化劑排出口23排放。
所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以認(rèn)識到，本發(fā)明的螺旋纏繞式燃料電池組36可以適應(yīng)高效率制造的要求，因為該燃料電池組的運(yùn)行包括易于自動化的步驟。電池構(gòu)件的材料在所屬技術(shù)領(lǐng)域和傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝中是公知的。螺旋纏繞式燃料電池組在相對小的體積中具有很大的電極表面積。電池組的螺旋形結(jié)構(gòu)保存在圓柱形外罩內(nèi)，其在內(nèi)部均衡的壓力下具有極好的形狀保持力。
由于構(gòu)造均勻的平行逆流通路，氧化劑氣體供應(yīng)的流阻很低。這提供了均勻并高濃度的氧化劑以及利用輔助惰性氣體冷卻燃料電池的能力。氧化劑氣體通路可以通過改變隔片的流阻調(diào)整為最佳水處理。電通路最大化而不增加氣體流阻。電池組的構(gòu)造使得可以通過串聯(lián)多個電池使電壓，或通過增加電極表面積使電流，簡單地成比例擴(kuò)大。緣于附屬結(jié)構(gòu)(即GDL)的動態(tài)阻抗也被最小化。如果利用非導(dǎo)電性的活性材料，可以采用普通的分枝結(jié)構(gòu)得到串聯(lián)電壓。通過組合任意尺寸的構(gòu)件可以很容易地使燃料電池的概念實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。
盡管本發(fā)明的最佳實(shí)施例已說明如上，然而應(yīng)該認(rèn)識和理解，對發(fā)明還可以做出各種修改，權(quán)利要求用于涵蓋這些可能落入本發(fā)明的思想和范疇內(nèi)的修改。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池組，其特征是包含外罩；多個設(shè)于上述外罩內(nèi)的互相電接觸的電池組，各上述電池組具有至少一個包括負(fù)極、正極及處于上述正極和上述負(fù)極之間的質(zhì)子傳導(dǎo)膜的膜電極組；由各上述多個電池組提供的氧化劑通道，用于接收氧化劑氣體；以及在上述多個電池組周圍形成的燃料氣體通路，用于接收燃料氣體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池組，其特征是在上述外罩內(nèi)還包含多個氧化劑排出口，并與上述氧化劑通道流體連通。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池組，其特征是還包含由上述外罩所承載并與上述氧化劑通道流體連通的氧化劑輸送管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池組，其特征是還包含多個處于上述電池組之間的密封條。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池組，其特征是還包含心軸管，其與上述用于接收燃料氣體的燃料氣體通路流體連通；其中，上述電池組繞上述心軸管纏繞成總體上為圓柱形的形狀。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池組，其特征是還包含多個處于上述心軸管內(nèi)的排放口，在上述心軸管與上述燃料氣體通路之間建立流體連通。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池組，其特征是還包含由上述外罩承載的彈性管。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃料電池組，其特征是還包含多個處于與上述彈性管鄰接的上述外罩內(nèi)的燃料排放口。
9.一種燃料電池組，其特征是包含總體上呈圓柱形的外罩；多個設(shè)于上述外罩內(nèi)的互相電連接并總體上呈圓柱形狀的電池組，各上述電池組具有成對連接在一起的膜電極組，其每對包括負(fù)極、正極及處于上述正極和上述負(fù)極之間的質(zhì)子傳導(dǎo)膜；設(shè)于上述各多個電池組的氧化劑通道，用于接收氧化劑氣體；以及在上述多個電池組周圍形成的燃料氣體通路，用于接收燃料氣體。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的燃料電池組，其特征是每對上述成對連接在一起的膜電極組的上述正極正對上述氧化劑通道，每對上述成對連接在一起的膜電極組的上述負(fù)極正對上述燃料氣體通路。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的燃料電池組，其特征是還包含設(shè)于各上述電池組中的多個槽型表面和多個凹穴。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的燃料電池組，其特征是上述電池組在上述多個槽型表面上互相物理和電連接。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的燃料電池組，其特征是在上述外罩內(nèi)還包含多個氧化劑排出口，并與上述氧化劑通道流體連通。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的燃料電池組，其特征是還包含由上述外罩所承載并與上述氧化劑通道流體連通的氧化劑輸送管。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的燃料電池組，其特征是還包含心軸管，其與上述用于接收燃料氣體的燃料氣體通路流體連通；其中，上述電池組繞上述心軸管纏繞成總體上為圓柱形的形狀。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的燃料電池組，其特征是還包含多個處于上述心軸管內(nèi)的排放口，在上述心軸管與上述燃料氣體通路之間建立流體連通。
17.一種制造燃料電池組的方法，其特征是包含提供用于接收燃料氣體的心軸管；提供多個電池組，各組具有至少一個膜電極組以及由上述至少一個膜電極組形成的用于接收氧化劑氣體的氧化劑通道；通過將上述電池組纏繞在上述心軸管周圍在上述電池組周圍形成燃料氣體通路；以及在上述心軸管和上述電池組之間建立流體連通。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述方法，其特征是還包含提供總體上呈圓柱形的外罩，將上述電池組及上述心軸管置于上述外罩內(nèi)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述方法，其特征是還包含上述外罩內(nèi)的多個氧化劑排出口與上述氧化劑通道流體連通。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述方法，其特征是還包含在上述外罩上提供具有氧化劑輸送管的蓋子，并使上述氧化劑輸送管與上述氧化劑通道流體連通。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種螺旋纏繞式燃料電池組。該螺旋纏繞式燃料電池組包括外罩。多個互相電接觸的電池組設(shè)于外罩內(nèi)。各電池組具有至少一個包括負(fù)極、正極及夾在正極和負(fù)極之間的質(zhì)子傳導(dǎo)膜的膜電極組。各電池組設(shè)有用于接收氧化劑氣體的氧化劑通道。電池組周圍形成用于接收燃料氣體的燃料氣體通路。本發(fā)明還公開了一種制造燃料電池組的方法。
文檔編號H01M8/24GK1983701SQ20061013814
公開日2007年6月20日 申請日期2006年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月16日
發(fā)明者羅恩·布洛斯特, 威廉·項克, 詹姆斯·瓦爾德克, 布魯斯·布萊克莫爾 申請人:福特汽車公司