专利名称：螺旋缠绕式燃料电池组的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池。本发明特别涉及一种具有运行效率高且相对占用体积小的螺旋缠绕式燃料电池组。
背景技术：
燃料电池技术可潜在地为固定和牵引提供清洁高效的能量。为了适应普遍使用，燃料电池最好采用一种在接近周围环境温度，最好是低于100℃时，可提供相当高的反应效率的形式。然而，催化剂和膜技术的现有技术需要在电极之间具有相当大的工作区域，以在该温度下获取合理电压下可用于商业用途的电流。目前技术一般采用很大的平板电极来获取大的表面积，然而，这种方式需要精密制造的板材、很大的矩形密封及复杂的试剂流场来运行。这些设计导致产品成本高、可靠性低。
一种公知的改进燃料电池单位体积表面积的技术涉及螺旋缠绕式燃料电池的电极组。然而，该技术未包括从氧化剂中分离燃料气体的机制，其对于安全和有效运行燃料电池来说是一个必要因素。该技术假定导入燃料电池的易燃燃料和氧化剂流在介入催化剂表面之前已经混合。而且，该技术未提供控制在整个放电过程中动态变化的燃料-氧化剂-惰性气体混合物的方法。
一种用于生产商业上可行的大表面积电极产品的方法包括，在通常作为终端之一的心轴周围螺旋式缠绕电极元件。虽然这是一种在商业化的电池工业中普遍采用而且易于自动化的技术，然而由于燃料电池的性质，不可能使活性材料固定不动(假定为缠绕式电极)。此外，燃料电池典型的低反应效率产生一种额外的需求，即要消除由于极化而产生的大量热量浪费。
因此，需要一种具有运行效率高且相对占用空间体积小的螺旋缠绕式燃料电池组。
发明内容
本发明总的来说涉及一种螺旋缠绕式燃料电池组。该螺旋缠绕式燃料电池组包括外罩和外罩内多个互相电接触的电池组。各电池组具有至少一个包括负极、正极及夹在正极和负极之间的质子传导膜的膜电极组。各电池组设有用于接收氧化剂气体的氧化剂通道。电池组周围形成用于接收燃料气体的燃料气体通路。
本发明还涉及一种制造燃料电池组的方法。该方法包括提供用于接收燃料气体的心轴管；提供多个电池组，各组具有至少一个膜电极组及由膜电极组确定的用于接收氧化剂气体的氧化剂通道；通过将电池组缠绕在心轴管周围在电池组周围形成燃料气体通路；以及在心轴管和电池组之间建立流体连通。
本发明将参照附图通过举例进行说明，其中图1为根据本发明的螺旋缠绕式燃料电池组的一具体实施例的透视图；图2为图1所示螺旋缠绕式燃料电池组的纵剖面图；图3为螺旋缠绕式燃料电池组的电极组一部分的剖面图；图4为电极组一部分的侧面透视图；图5为电极组一部分的边缘透视图；以及图6为螺旋缠绕式燃料电池组中多个卷折并互相连接的电极组的透视图。
具体实施例方式
参照附图，根据本发明的螺旋缠绕式燃料电池组的一具体实施例总体通过数字36标记。如图2所示，螺旋缠绕式燃料电池组36包括多个电池组18，该电池组在层状结构中互相物理及电连接并总体上卷折形成一个圆柱形结构。如图3所示，各电池组18包括一对膜电极组(MEAs)17，该膜电极组在沿着电池组18的多个凹穴4上互相连接，如图4及图5更详细所示。如图3所示，各MEA17包括多孔、化学惰性的传导层2，该传导层作为螺旋缠绕式燃料电池组36的负极或阴极。负极2具有高纵横比，并盘绕形成多个槽型表面1和凹穴4，如图3-5所示。多孔、化学惰性的传导层11作为螺旋缠绕式燃料电池组36的正极或阳极，与凹穴4的外边界匹配，并冲压成与负极2的槽型表面1互相嵌套。
负极2上涂覆一层负催化剂层3。负催化剂层3可以采用电沉积、采用化学气相沉积法(CVD)沉积、涂敷或其它方式设置到负极2上。正极11上涂覆一层正催化剂层10。正催化剂层10可以采用电沉积、采用化学气相沉积法(CVD)沉积、涂敷或其它方式设置到正极11上。质子传导膜14夹在负极2上的负催化剂层3与正极11上的正催化剂层10之间。在各MEA17的形成中，负极2、负催化剂层3、质子传导膜14、正催化剂层10及正极11按照所属技术领域的技术人员所公知的技术压接或粘接在一起。
在各电池组18中，MEAs17中的两个以并列方式放置，这样MEAs17在凹穴4上互相接合。在凹穴4之间，MEAs17互相分隔形成氧化剂通道12。如图3所示，在各凹穴4上，MEAs17沿邻接表面9通过任何合适的技术，例如焊接或铆接互相接合。如图2所示，邻近的电池组18在螺旋缠绕式燃料电池组36中的层状结构中邻近的电池组18的槽表面1之间的物理/电界面上互相物理及电连接。各凹穴4的凹穴表面5可以冲孔形成气流开口(图中未表示)，以使燃料气体可以从各电池组18的一侧直接流向另一侧。各电池组18的短端(图中未表示)被压成锥形封闭。
如图3所示，在各电池组18的长端，MEAs17的正极11之间设有具有气体出入口7的隔片8，以固定电池组18的MEAs17。各隔片8形成一个传导界面6，可使氧化剂气体经过气体出入口7通过，并维持MEAs17间所需的空间。举例来说，各隔片8可以是开孔冲压金属、浇铸金属、金属化多孔陶瓷或高多孔性开孔金属泡沫。
如图2所示，导电性阴极管19，其为一导电性金属条，插入各电池组18的隔片8和正极11之间，作为正电流采集条，与电接触面19a电接触。阴极管19可以焊接或以其它方式连接到正极11的表面。
如图2及图6所示，在螺旋缠绕式燃料电池组36中，在邻近电池组18的长端之间设有非导电性橡胶密封条15，在各橡胶密封条15和各电池组18之间具有密封表面15a。已连接的电池组18绕导电性、末端封闭的具孔心轴管25卷折，其开口端连接到燃料源(图中未表示)。沿心轴管25设有排放口26以使燃料气体从心轴管25内部流向外部，从而在已物理和电连接的电池组18之间及其上形成燃料气体通路13。可选择地，可以在心轴管25上增加轴毂(图中未表示)，以提供附加的组强度。最靠内部的电池组18在多个电接触点28上与心轴管25电连接。电接触点28通过缠绕压力或在电接触点28应用焊接来维持。心轴管25的外表面可以用绝缘聚合物25a涂覆，以减少短路的可能性。
如图1及图2所示，分层并卷折的电池组18插入可以是非导电性材料例如高密度聚乙烯的圆柱形、末端开口的外罩21中。外罩21封闭的阴性端容纳心轴管25。相对的外罩21的开口端具有氧化剂输送管30。此外，外罩21可以具有氧化剂排出口23或者可以装配专用的氧化剂排放管(图中未表示)。如图2所示，可以在外罩21的外部提供环状燃料排出口24及弹性同心管29来提供单向阀，从而有利于清洗或燃料气流的循环。
在外罩21中插入分层、卷折并连接的电池组18之后，将阴极管19形成为阴极条束20。如图1所示，氧化剂输送管30典型地盖有最好是绝缘材料的盖子22，以封闭外罩21的开口端。盖子22典型地沿环形焊缝连接到外罩21的开口端，从而确保阴极条束20可以穿过氧化剂输送管30内部。阴极条束20可以焊接或以其它方式连接到输送管30的内部。如图2所示，假如盖子22以绝缘材料制成或通过气封及电绝缘材料使盖子22及外罩21之间互相分离(图中未表示)，外罩21可以是例如镀镍低碳钢的导电性材料，以通过摩擦配件28a增加导电性。氧化剂输送管30为导电性材料，连接到氧化剂气体源(图中未表示)。
在使用本发明时，螺旋缠绕式燃料电池组36能够用于汽车或固定的应用。心轴管25连接到包含例如氢的燃料气体38的燃料气体源(图中未表示)。氧化剂输送管30连接到包含例如氧的氧化剂气体40的氧化剂气体源(图中未表示)。燃料气体38从燃料气体源流出并分别通过心轴管25和排放口26，其中燃料气体38接触最靠内部的电池组18上的负极2(图3)。部分燃料气体38典型地通过各电池组18的凹穴表面5(图3)上所设的燃料气体开口(图中未表示)，越过最靠内部的电池组18逐渐流到螺旋缠绕式燃料电池组36内靠外侧的电池组18。同时，氧化剂气体40从氧化剂气体源(图中未表示)流出并穿过氧化剂输送管30，通过各电池组18的隔片8进入各电池组18的氧化剂通道12。
在各电池组18中，燃料气体38通过多孔负极2流动，并接触负极2上的负催化剂层3。在负催化剂层3上，氢燃料气体典型地分解成质子和电子。电子通过外部电路发出(图中未表示)，典型地驱动电动机(图中未表示)，并返回到正极11上的正催化剂层10。质子从负催化剂层3流出，通过质子传导膜14并到达正催化剂层10。
在正催化剂层10上，从外部电路返回的电子与来自质子传导膜14的质子结合形成排水。未反应的氧化剂气体40通过电池组18排放端上的气体出入口7从氧化剂通道12排水。未反应的氧化剂气体40和排水从螺旋缠绕式燃料电池组36通过外罩21的氧化剂排出口23排放。
所属技术领域的技术人员可以认识到，本发明的螺旋缠绕式燃料电池组36可以适应高效率制造的要求，因为该燃料电池组的运行包括易于自动化的步骤。电池构件的材料在所属技术领域和传统的生产工艺中是公知的。螺旋缠绕式燃料电池组在相对小的体积中具有很大的电极表面积。电池组的螺旋形结构保存在圆柱形外罩内，其在内部均衡的压力下具有极好的形状保持力。
由于构造均匀的平行逆流通路，氧化剂气体供应的流阻很低。这提供了均匀并高浓度的氧化剂以及利用辅助惰性气体冷却燃料电池的能力。氧化剂气体通路可以通过改变隔片的流阻调整为最佳水处理。电通路最大化而不增加气体流阻。电池组的构造使得可以通过串联多个电池使电压，或通过增加电极表面积使电流，简单地成比例扩大。缘于附属结构(即GDL)的动态阻抗也被最小化。如果利用非导电性的活性材料，可以采用普通的分枝结构得到串联电压。通过组合任意尺寸的构件可以很容易地使燃料电池的概念实现最优化。
尽管本发明的最佳实施例已说明如上，然而应该认识和理解，对发明还可以做出各种修改，权利要求用于涵盖这些可能落入本发明的思想和范畴内的修改。
权利要求
1.一种燃料电池组，其特征是包含外罩；多个设于上述外罩内的互相电接触的电池组，各上述电池组具有至少一个包括负极、正极及处于上述正极和上述负极之间的质子传导膜的膜电极组；由各上述多个电池组提供的氧化剂通道，用于接收氧化剂气体；以及在上述多个电池组周围形成的燃料气体通路，用于接收燃料气体。
2.根据权利要求1所述的燃料电池组，其特征是在上述外罩内还包含多个氧化剂排出口，并与上述氧化剂通道流体连通。
3.根据权利要求1所述的燃料电池组，其特征是还包含由上述外罩所承载并与上述氧化剂通道流体连通的氧化剂输送管。
4.根据权利要求1所述的燃料电池组，其特征是还包含多个处于上述电池组之间的密封条。
5.根据权利要求1所述的燃料电池组，其特征是还包含心轴管，其与上述用于接收燃料气体的燃料气体通路流体连通；其中，上述电池组绕上述心轴管缠绕成总体上为圆柱形的形状。
6.根据权利要求5所述的燃料电池组，其特征是还包含多个处于上述心轴管内的排放口，在上述心轴管与上述燃料气体通路之间建立流体连通。
7.根据权利要求1所述的燃料电池组，其特征是还包含由上述外罩承载的弹性管。
8.根据权利要求7所述的燃料电池组，其特征是还包含多个处于与上述弹性管邻接的上述外罩内的燃料排放口。
9.一种燃料电池组，其特征是包含总体上呈圆柱形的外罩；多个设于上述外罩内的互相电连接并总体上呈圆柱形状的电池组，各上述电池组具有成对连接在一起的膜电极组，其每对包括负极、正极及处于上述正极和上述负极之间的质子传导膜；设于上述各多个电池组的氧化剂通道，用于接收氧化剂气体；以及在上述多个电池组周围形成的燃料气体通路，用于接收燃料气体。
10.根据权利要求9所述的燃料电池组，其特征是每对上述成对连接在一起的膜电极组的上述正极正对上述氧化剂通道，每对上述成对连接在一起的膜电极组的上述负极正对上述燃料气体通路。
11.根据权利要求9所述的燃料电池组，其特征是还包含设于各上述电池组中的多个槽型表面和多个凹穴。
12.根据权利要求11所述的燃料电池组，其特征是上述电池组在上述多个槽型表面上互相物理和电连接。
13.根据权利要求9所述的燃料电池组，其特征是在上述外罩内还包含多个氧化剂排出口，并与上述氧化剂通道流体连通。
14.根据权利要求9所述的燃料电池组，其特征是还包含由上述外罩所承载并与上述氧化剂通道流体连通的氧化剂输送管。
15.根据权利要求9所述的燃料电池组，其特征是还包含心轴管，其与上述用于接收燃料气体的燃料气体通路流体连通；其中，上述电池组绕上述心轴管缠绕成总体上为圆柱形的形状。
16.根据权利要求15所述的燃料电池组，其特征是还包含多个处于上述心轴管内的排放口，在上述心轴管与上述燃料气体通路之间建立流体连通。
17.一种制造燃料电池组的方法，其特征是包含提供用于接收燃料气体的心轴管；提供多个电池组，各组具有至少一个膜电极组以及由上述至少一个膜电极组形成的用于接收氧化剂气体的氧化剂通道；通过将上述电池组缠绕在上述心轴管周围在上述电池组周围形成燃料气体通路；以及在上述心轴管和上述电池组之间建立流体连通。
18.根据权利要求17所述方法，其特征是还包含提供总体上呈圆柱形的外罩，将上述电池组及上述心轴管置于上述外罩内。
19.根据权利要求18所述方法，其特征是还包含上述外罩内的多个氧化剂排出口与上述氧化剂通道流体连通。
20.根据权利要求18所述方法，其特征是还包含在上述外罩上提供具有氧化剂输送管的盖子，并使上述氧化剂输送管与上述氧化剂通道流体连通。
全文摘要
本发明公开了一种螺旋缠绕式燃料电池组。该螺旋缠绕式燃料电池组包括外罩。多个互相电接触的电池组设于外罩内。各电池组具有至少一个包括负极、正极及夹在正极和负极之间的质子传导膜的膜电极组。各电池组设有用于接收氧化剂气体的氧化剂通道。电池组周围形成用于接收燃料气体的燃料气体通路。本发明还公开了一种制造燃料电池组的方法。
文档编号H01M8/24GK1983701SQ20061013814
公开日2007年6月20日 申请日期2006年11月14日 优先权日2005年11月16日
发明者罗恩·布洛斯特, 威廉·项克, 詹姆斯·瓦尔德克, 布鲁斯·布莱克莫尔 申请人:福特汽车公司