燃料电池的制作方法

专利名称：燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种包括管状燃料电池的燃料电池，具体涉及一种能够改 善管状燃料电池的热交换效率的燃料电池。
背景技术：
在常规固体聚合物电解质燃料电池中(以下，称为"PEFC (聚合物 电解质燃料电池)")，通过在膜电极组件(以下称为"MEA")中发生 的电化学反应产生的电能，经由设置在所述MEA两侧的隔离体被提取到 所述PEFC的外部，所述膜电极组件包括平的电解质膜和在电解质膜两側 设置的电极(阴极和阳极)。PEFC可以在低温区域工作。此外，由于具 有高能量转换效率、短的启动时间、小尺寸和轻质系统，作为电瓶车或者 便携式的电源的电源，PEFC引起了注意。同时，上述PEFC的单元电池包括例如电解质膜、阴极、由至少一层 催化剂层构成的阳极和隔离体等构成元件，并且它的理论电动势是1.23伏。 然而，如此低的电动势作为电瓶车等的电源是不够的。因此，通常使用堆 叠的PEFC(以下简称为"燃料电池")作为电源，所述堆叠PEFC被配 置为在堆叠体的两端设置端板或类似装置，在所述堆叠体中，单元电池按 照堆叠方向串联堆叠。另外，为了进一步提高燃料电池的发电效率，优选 减小所述单元电池的尺寸，并增加每单位面积的发电反应(输出密度)面 积。为了提高常规平板燃料电池(以下有时称为"平板FC")的每单位面 积的输出密度，并提高其发电效率，必须减小所述平板FC中上面所述的 构成元件的尺寸。然而，如果设定所述平板FC的构成元件的厚度小于或等于预设的厚度，那么每个构成元件的功能、强度等有可能降低。因此， 将具有上述配置的燃料电池的每单位面积的输出密度增加到等于或大于某 一密度，在结构上是比较困难的。根据这些方面，近年来，进行了关于管状类型的PEFC (下文有时称 为"管状PEFC")的研究。所述管状PEFC的单元电池(下文有时称为 "管状电池")包括中空状的MEA (下文简称为"中空MEA")，所述 MEA具有中空状的电解质层以及分别在所述电解质层内部和外部设置的 中空状的电极层。通过向中空MEA的内部和外部供应反应气体(氩基气 体和氧基气体)引发电化学反应，并且将所述电化学反应产生的电能经过 设置在中空MEA的内部和外部的集电器提取到外面。也就是说，管状 PEFC通过向每个单元电池中的中空MEA的内部供应一种反应气体(氢 基气体或者氧基气体)以及向外部中空MEA供应另一种反应气体(氢基 气体或者氧基气体)帮助提取电能。换句话说，由于管状PEFC允许两个 相邻的单元电池的外部具有相同的反应气体，因此可以省略在常规平板 PEFC中的具有气体屏蔽功能的隔离体。从而，管状PEFC能有效地减小 单元电池的尺寸。已经公开了几种与所述管状燃料电池(下文中可简称为"管状FC") 相关的技术，例如管状PEFC。例如，公布的PCT申请No. 2004-505417 的日本译文公开了一种技术，该技术被配置为，使多个管状燃料电池(微 电池)成束，并在束中设置圆状热传输管道，以形成模块电化学电池组件。 据此，该技术使得可以消除微电池束产生的大量热量。然而，在公布的PCT申请No. 2004-505417的日本译文中公开的技术 中，因为冷却管是柱状，管状燃料电池之一与冷却管之一仅仅在线上相互 接触，所以难于提高冷却效率。因此，本发明的目标是提供一种能够提高管状燃料电池热交换效率的 燃料电池。发明内容为了解决上述问题，本发明采用了下述方法。本发明的第一方案是包括如下的燃料电池多个平行设置的管状电池；以及被设置在所述管状电 池的外面的热交换器，其中，所述管状电池的外周表面的至少一部分与所 述热交换器的外表面具有相对于彼此的面接触。在本发明的第一方案中，术语"^^殳置在所述管状电池的外面的热交 换器"是指，热交换器被设置为，使得与所述管状电池的外周表面的至少 一部分面接触。在本发明中(包括本发明的第一方案和下面描述的第二方 案)，术语"热交换器"指内部具有热介质通道的部件。当冷却^h质通过 所迷通道流动时，热交换器作为冷却管工作以冷却管状电池。同时，当热 介质通过所述通道流动时，热交换器作为加热管道工作以加热管状电池。 本发明的热交换器类型(包括本发明的第一方案和下面描述的第二方案) 不限定，只要其内部具有热介质通道。它不仅具有单个中空部分的冷却管， 而且，如下文所述，它可包括一种热交换器，在该热交换器中，提供多个 热介质通道，并且所述热交换器通过连接多个管状热交换器的厚壁部分形 成。此外，在本发明的第一方案中，对于与热交换器面接触的管状电池的 数量没有特别限定。热交换器可以只与单个管状燃料电池面接触，也可以 与多个(例如，大于等于四个)管状电池面接触。本发明的第二个方案是一种燃料电池，其包括多个平行设置的管状 电池；以及,皮i殳置在所述管状电池的外面的热交换器，其中，在所述热交 换器的外表面上提供有与所述管状电池的外周表面直接接触的凹面。在本发明的第二方案中，术语"祐i殳置在所述管状电池的外面的热交 换器，，是指，热交换器被设置为与所述管状电池的外周表面的至少一部分 面接触。更具体是，其指热交换器之一的外表面和管状电池之一的外周表 面通过至少两条线线接触或者相对于彼此面接触。此外，术语"在所述热 交换器的外表面上提供有与所述管状电池的外周表面直接接触的凹面"是 指，在热交换器外表面上提供有具有凹面的表面，在所述凹面上可放置柱 形的管状电池(以下，称作"凹面，，)。这也意味着所述凹面和管状电池 的外周表面彼此直接接触(参考图8)。通过在平面中切割获得的所述凹面的横截面是曲线轮廓(参考图8(A))和多边线形状(参考图8(B))， 所述平面包括垂直于所述热交换器的轴方向的方向。并且，在本发明的第 二方案，与本发明的第一方案类似，与热交换器面接触的管状电池的数量 没有特别限定。热交换器可以只与单个管状燃料电池面接触，也可以与多 个(例如，大于等于四个)管状电池面接触。并且，在本发明的上述第二方案中，通过在平面中切割获得的所述凹 面的^f黄截面是多边线形状，所述平面包括垂直于所述热交换器的轴方向的 方向，并且，所述凹面之一和所述管状电池之一的所述外周面通过至少两 条线彼此线接触。在本发明上述第二方案中(包括变化)，所述管状燃料电池的所述外 周面和所述凹面都可构造成弯曲的表面。也就是说，在本发明上述第二方案中，其中，所述管状电池的所述外 周面和所述凹面构造成弯曲的表面，如果所述管状电池的所述外周面的曲 率半径被定义为Rl，且用于接收所述管状电池的所述凹面的曲率半径被定 义为R2，则存在关系式R2《R1。在本发明的这些方案(包括第一和第二方案，以及其中的变化以下 与此相同)，所述管状电池的所述外周面和所述热交换器的外表面的接触 面积大于等于所述热交换器的外表面面积的2%,并且小于等于所述热交 换器的外表面面积的50%。在本发明中，术语"接触面积大于等于所述热交换器的外表面面积的 2%，并且小于等于所述热交换器的外表面面积的50%"是指，所述热交 换器的外表面与所述管状电池的外周面面接触的面积大于或等于全部所述 热交换器的外表面面积的2%，小于或等于全部所述热交换器的外表面面 积的50%。术语"全部所述热交换器的外表面面积，，是指在热交换器外 表面中，如果与管状电池的外周表面接触的面积定义为"A"，并且，如 果与管状电池的外周面不接触的另外的面积定义为"B，，，那么"全部外 表面面积"指"A + B，，表示的全部面积。换句话说，通过使用A和B，本 发明上面方案的条件可用"0.02 < A/(A+B) < 0.5"来表示。在本发明的上述方案中，在与管状电池具有面接触的热交换器的外表 面上，可形成有反应气体通道。并且，在本发明的上述方案中，反应气体通道可在与所述管状电池的 轴方向交叉的方向上形成。在本发明的上述方案中，热交换器被置于通过多个平行设置的管状电 池形成的孔隙中。同样，在本发明的上述方案中，多个热介质通道可被提供在热交换器 的内部。在本发明的上述方案中，热交换器的外表面和大于等于四个的管状电 池的外周面,皮设置为彼此接触。另外，在本发明的上述方案中，所述热交换器具有导电特性。在本发明的上述方案中，所述热交换器可由导电材料构成，所述导电 材料的外表面镀有贵金属。贵金属的实例包括铂和金。并且，在本发明的上述方案中，冷却介质在所述热交换器的内部流动， 以及与所述冷却介质接触的至少一部分内表面由电绝缘材料构成。 冷却介质的实例包括水、乙二醇等等。并且，在本发明的上述方案中，所述电绝缘材料可以是硅橡胶。 本发明的效果根据本发明的第一方案，由于管状电池之一和热交换器之一相互具有 面接触，与常规技术中这些管状电池的外周面与热交换器仅仅只有一条线 接触相比，可以显著提高管状电池的热交换效率。因此，根据本发明的第 一方案，能够提供可提高管状电池的热交换效率的燃料电池。根据本发明的第二方案，由于管状电池之一和热交换器之一通过至少 两条线彼此线接触或者面接触，与常规技术中这些管状电池的外周面与热 交换器仅仅只有线接触相比，可以显著提高管状电池的热交换效率。因此， 根据本发明的第二方案，能够提供可提高管状电池的热交换效率的燃料电池。在本发明的第二方案中，由于通过在平面中切割获得的所述凹面的横 截面是多边线形状，所述平面包括垂直于所述热交换器的轴方向的方向， 并且，所述凹面之一和所述管状电池之一的所述外周面通过至少两条线彼 此线接触，从而可提高管状电池的热交换效率。在本发明的第二方案中，由于管状电池的外周面和所述凹面是弯曲的 表面，所述管状电池之一的外周面和所述热交换器之一的外表面(凹面) 可通过至少两条线彼此线接触或者面接触。因此，通过这种构造，能够提 高管状电池的热交换效率。 1在上述本发明的第二方案中，其中对管状电池外周面和热交换器提供凹面，由于在所述管状电池的外周面的曲率半径R1和凹面的曲率半径R2 之间存在关系式R2<R1，因此，管状电池之一的外周面和热交换器之一 的外表面(凹面部分)通过至少两条线彼此线接触或者面接触。在上述本发明的所述方案中，所述管状电池的所述外周面和所述热交 换器的外表面的接触面积大于等于所述热交换器的外表面面积的2%，并 且小于等于所述热交换器的外表面面积的50%。因此，能够提高管状电池 的热交换效率，并且能提高供应给管状电池的气体供应效率。从而，本发 明的所述方案能够提供可提高发电效率的燃料电池。此外，在上述本发明的,斤述方案中，因为在所述热交换器的所述外表 面上形成有反应气体通道，所以当管状电池的外周面和热交换器的外表面 彼此面接触时，能够通过这些反应气体通道向管状电池的外周面供应反应 气体。因此，根据本发明的所述方案，可以提供一种燃料电池，其能够防 止反应气体的扩散的下降并提高管状电池的热交换效率。而且，在上述本发明的所述方案中，由于反应气体通道在与管状电池 轴方向交叉的方向上形成，从而可以佳反应气体以高流速扩散，并降〗級 应气体的气压损失。在上述本发明的所述方案中，通过将热交换器置于通过多个平行设置 的管状电池形成的孔隙中，能够提高热交换效率并且减小燃料电池的尺寸。并且，在上述本发明的所述方案中，通过配置为在热交换器中配置多 个反应气体通道，能够通过将热交换器的厚壁部分连接到其他的热交换器 而形成配置。如果热交换器具有这样的配置，在热交换器外表面中的反应 气体通道可以不断地形成。因此，可以容易地以高流速扩散反应气体并容 易地降低反应气体的气压损失。在上述本发明的所述方案中，由于热交换器的外表面和大于等于四个 的管状电池的外周面被设置为彼此接触，从而能够提高热交换器效率并且 减小燃料电池的尺寸。在上述本发明的所述方案中，由于设置在管状电池外部的热交换器具 有导电特性，可以使热交换器具有集电器的作用。因此，根据本发明的所 述方案，能够提供能提高电流收集效率的燃料电池。并且，在上述本发明的所述方案中，因为与冷却介质接触的热交换器 的表面由电绝缘材料构成，其除了具有上述效果以外，还可以提供一种能 防止电流泄漏并且提高发电效率的燃料电池。并且，在上述本发明的所述方案中，与冷却介质接触的热交换器的表 面由电绝缘材料构成，通过使用硅橡胶作为电绝缘材料，能够防止电流泄 漏并且容易提高发电效率。


图1 (A)是本发明的燃料电池的示意图，图1 (B)是作为比较的常规技术的燃料电池的示意图；图2是示出本发明第一实施例的燃料电池中设置的管状电池和冷却管的透^L图；图3是示出本发明第一实施例的冷却管的透视图； 图4是示出本发明第一实施例的燃料电池中设置的管状电池和冷却管 的透^L图；图5是示出本发明第一实施例的燃料电池中设置的管状电池和冷却管 的透^f见图；图6示出本发明第二实施例的冷却管配置的俯视图图7 (A) ~图7 (E)是示出构成本发明的冷却管的部件的示意图；以及图8 (A)和8 (B)示出了设置到热交换器的凹面之一和管状电池之 一的按比例放大的横截面图。图8(A)是示出具有弯曲表面的凹面的配置 的示意图；图8 (B)是示出具有多边形形状的凹面的配置的示意图。在所附的图中，参考数字1表示管状燃料电池，10a和10b表示冷却 管(热交换器)，11和12表示表示反应气体通道，13表示洞孔，15a和 15b表示孔隙，16和17表示在热交换器中设置的凹面，20表示管部件， 21a和21b表示板部件。
具体实施方式
为了提高单位体积的输出密度，进行了关于管状FC的研究。在管状 FC中，与平板FC—样，电解液的类型确定用于电化学反应的最佳温度范 围(例如，对于PEFC大约100'C )。因此，为了提高发电效率，需要冷 却管状FC的电池，并且将电池的温度控制在预定的范围内。同时，>^提 高燃料电池的冷启动性能的角度，在燃料电池启动时，管状电池的预热有 时候是必要的。因此，管状FC具有热交换器(下文有时称为"冷却管") 以冷却/加热管状FC的电池。然而，常规冷却管是柱状的，冷却管与管状 电池仅仅通过一条线接触。因此，冷却管的外周面与管状电池的外周面的 接触面积较小；从而热交换效率变差。为了提高所述管状电池的热交换效 率，特别是，为了提高其冷却效率，在电池和冷却管之间的接触面积必须 增大。因此，本发明的目标是提供一种燃料电池，其能够通过热交换器冷却/ 加热管状电池并且提高热交换效率，所述热交换器配置为与所述管状电池 面接触或者通过至少两条或者更多的线线接触。这里，如果在上述配置中， 所述管状电池和热交换器彼此接触，存在反应气体向外周面的扩散可能会 被中断的问题。因此，在本发明中，通过在所述热交换器的外表面上形成反应气体通道，保证了反应气体的扩散并且提高了热交换器效率。并且， 通过在通过多个平行设置的管状电池形成的孔隙中将所述热交换器设置为 这样的结构，能够提高热交换效率并且减小燃料电池的尺寸。此外，如果 热交换器由导电材料构成，则可以使热交换器具有集电器的功能。因此， 能够进一步提高电流收集的效率并且减小燃料电池的尺寸。下面将参考附图详细地描述本发明的所述燃料电池。在描述中，通过在热交换器中循环冷却介质，而将热交换器用作冷却管；不过，通过在热 交换器中循环热介质，也可将所述热交换器用来加热管状电池。为了使本发明更容易理解，将参考图1 (A)和1 (B)描述在常规燃 料电池和本发明的燃料电池之间的差异。图1 (A)是示出本发明燃料电池的示意图，并且图1 (B)是作为比 较的常M明的燃料电池的示意图。图1 (A)是示出本发明的燃料电池中 的管状电池和冷却管的配置的示意性正视图。同时，图1(B)是示出在常 规燃料电池中的管状电池和冷却管的配置的示意性正视图。从图1 (A)可 见，本发明的冷却管10a的外表面形成为能够与管状电池l、 1、 1、 l的外 周面面接触。每个管状电池l、 1、 1、 l和冷却管10a相互具有面接触。另 一方面，如图1 (B)所示，尽管柱状的常规冷却管90被置于通过多个平 行设置的管状电池l、 1、 1、 l形成的孔隙中，由于冷却管90和管状电池 1都是柱状(管状)，因此他们仅仅具有线邻接(线接触)。可见，在常 规燃料电池中，冷却管和管状电池的接触面积显著小于本发明中的接触面 积；因此提高冷却效率是困难的。图2是示出在本发明第一实施例的燃料电池中设置的管状电池和冷却 管的透视图。图3是示出在图2中示出的冷却管的透视图。在图2和图3 中，与在图1中所示的燃料电池采用同样构造的元件具有与图1中使用的 相同的参考数字，并且，省略对每个元件的描述。在下文中，将参考图2 和图3描述本发明第一实施例的燃料电池。如图2所示，在本发明第一实施例的燃料电池中设置的冷却管10a被 置于通过平行设置的相邻管状电池形成的孔隙中。例如，冷却管10a形成为，多个由导电材料(例如，Ti等)构成的平板部件被固定到管状部件， 使得所述多个平板部件相隔预定距离，其中所述板部件的外表面上镀有贵 金属(例如，镀Au)，所述管状部件由导电材料(例如，Ti等)构成并 且其外表面上镀有贵金属(例如，镀Au)，在所述平板部件之间以预定的 距离间隔。在冷却管10a形成的孔隙13中，电绝缘管状部件(例如，硅橡 胶制成的管道等等)被设置，并且，例如水的冷却介质在所述部件内部流 动，所述冷却管在管状电池l、 1、 1、 1的轴方向具有与其长度类似的长度。 然后，通过在,皮冷却介质冷却的冷却管10a的外表面和管状电池l、 1、 1、 l的外周面之间面接触，能够有效地冷却这四个管状电池l、 1、 1、 1。如图3所示，在第一实施例的冷却管10a的外表面中，在管道轴方向 的交叉方向和在管道轴方向的平行方向上，都形成了反应气体通道11、 11、…和12、 12、…。通过这些反应气体通道ll、 11、...和12、 12、…， 将反应气体供应到管状电池l、 1、…的外周面。通过这种方式，如果在冷 却管lOa的外表面中形成反应气体通道ll、 11、…和12、 12、…，那么反 应气体不仅可以供应给面向孔隙15a、 15a、 15b、 15b的管状电池的外周 面，而且也可以供应给面向冷却管10a的外表明的管状电池1、 1、 1、 1 的外周面。因此，能够避免由于反应气体供应不足引起的发电效率的下降。 也就是说，通过在平行相邻的管状电池1， 1、 1、…之间的孔隙中将冷却 管10a放置为具有特定的结构，则可以提供一种燃料电池，其能够保持反 应气体的扩散并且提供冷却效率。并且，对于第一实施例的冷却管10a， 反应气体通道不仅在与轴方向交叉的方向上，而且也在与轴方向平行的方 向形成。因此，例如，在与冷却管10a接触的每个管状电池l、 1、…中产 生的水蒸气生成的水滴，会沿着反应气体通道ll、 11、…移动以将水滴收 集进反应气体通道12、 12、…；然后，可以将在反应气体通道12、 12、… 中收集的水滴排出到外面。如上所述，冷却管10a由导电材料构成，其与每个管状电池l、 1、 1、 l具有面接触。因此，使用所述冷却管10a，能够收集管状电池l、 1、 1、 1的外周面的圆周方向和轴方向的电流。从而，当冷却管10被允许用作集电器时，燃料电池的构造可以被简化。并且，依靠根据与管状电池l、 1、1、 l具有面接触的冷却管10a，能够提高电流收集的效率。在如图3所示的配置中，作为形成至冷却管10的外表面的反应气体通 道ll、 11、…和反应气体通道12、 12、…的结果，可发现，其中管状电池 1、 1、…的外周面和冷却管10a的外表面相对彼此面接触的结构为，多个 凹面(下文参考图3的描述中简称为"凹面，，)和管状电池1、 1、 1、 1 的外周面相互接触，所述凹面形成在多个凸起部分的顶部，所述凸起部分 #^应气体通道11、 11、…夹在中间。即，在本发明中，术语"具有面接 触，，表示，包括设置多个凹面以使得冷却管10a的外表面和管状电池1、1、… 的外周面彼此接触的配置。通过在这样的配置中使得冷却管10a的外表面 与管状电池l、 1、…的外周面具有面接触，能够提高冷却效率。通过这种 方式，在图3中，所示的是多个凹面和管状电池l、 1、…的外周面相对彼 此具有面接触的结构，所述凹面被反应气体通道ll、 11、…夹在中间、并 在管道轴方向的交叉方向上形成。然而，本发明可具有一种配置，在该配 置中，多个凹面和管状电池的外周面相对彼此具有面接触，所述凹面由在成。并且，本发明还可以具有另一个配置，在该配置中，多个凹面和管状 电池的外周面相对彼此具有面接触，所迷凹面在祐反应气体通道包围的岛 状凸起部分的顶部构成，所述反应气体通道在管道轴方向的交叉方向和在 管道轴方向的平行方向上形成。图4是示出在本发明第一实施例的燃料电池中设置的管状电池和冷却 管的透视图。如图4所示，在第一实施例的燃料电池中，管状电池l、 1、… 和冷却管10a被设置为具有这样的配置，在该配置中，冷却管10a被置于 所有由包括四个管状电池l、 1、 1、 1的每个单元形成的孔隙中。通过这样 的配置，能够确保反应气体的扩散，并且能够有效地冷却所有的管状电池 1、 1、…。当以图中从上到下的方向堆叠管状电池l、 1、…时，与上面一 样，管状电池和冷却管可以;汰置为具有这样的配置，在该配置中，冷却管 10a被置于所有由包括四个管状电池l、 1、 1、 1的每个单元形成的孔隙中。在上面的描述中，所描述的是通过在相对于孔隙15a、 15a、 15b、 15b 的端面上，在与轴方向平行的方向上形成反应气体通道12、 12、...而配置 冷却管10a。反应气体通道12、 12、…形成的区域不限定在以上区域；它 们也可在相对管状电池l、 1、…的外周面的面上形成。此外，在上面的描 述中，示出了其中将冷却管置于所有被管状电池形成的孔隙中的结构，本 发明的燃料电池不限定于这种结构，也可配置为，将冷却管放置到孔隙的 特定部分。图5是示意性示出本发明第二实施例的燃料电池中设置的管状电池和 冷却管的透视图。图6是示意性示出本发明第二实施例的冷却管结构的俯 视图。在图5和图6中，具有与图2中示出的本发明的燃料电池的相同组 成的元件采用与图2中相同的参考数字，因此省略了其描述。以下，将参考图5和图6，描述本发明的第二实施例的燃料电池。在 图中示出的冷却管通过使用，例如，表面镀有贵金属(例如，镀Au)的导 电材料(例如，Cu等)而形成。如图5所示，本发明第二实施例的燃料电池所设置的冷却管10b具有 波状的结构，从而图3中所示的多个冷却管10a可集成地连接到图的右和 左方向，其中反应气体通道在表面上形成。然后，在多个洞孔13、 13、… 的内部，形成电绝缘管状部件(例如，硅橡胶制成的管道等等)，例如水 的冷却介质在该部件中流动。因此，即使本发明的冷却管10b具有这样的 结构，由于冷却管10b和多个管状电池l、 1、…具有相对彼此的面接触， 仍能够提供能提高管状电池l、 1、…冷却效率的燃料电池。同样，如图6所示，根据第二实施例的燃料电池，由于反应气体通道 11、 11、…在与轴方向平行的方向上在第二实施例的冷却管10b的外表面 上连续形成，因此可以以高流速将反应气体扩散到与轴方向交叉的方向， 并且减少反应气体的气压损失。当反应气体以高流速扩散时，在反应气体 通道中可能存在的水滴可以容易地^L^应气体移出；因此能够有效地避免 溢流的出现。并且，与第一实施例的冷却管10a相同，第二实施例的冷却管10b也由导电材料构成；冷却管10b与多个管状电池l、 1、…彼此面接触。因此， 在管状电池l、 1、…的外周面中的电流收集可通过冷却管10b来完成。因 此，第二实施例的燃料电池也可使燃料电池的构造简单化并且提高电流收 集的效率。在上面第二实施例的燃料电池的描述中，描述了仅仅具有在与轴方向 交叉的方向上形成的反应气体通道ll、 11、…的冷却管10b，本发明的冷 却管的结构不限于此，反应气体通道也可在平行于轴方向的方向上形成。 然而，如果在第二实施例的冷却管10b集成形成的外表面上，在平行于轴 方向的方向上形成反应气体通道，那么反应气体的流动分布在所述反应气 体通道和在热交换器的轴方向的交叉方向上的另 一反应气体通道的交叉点 上。因此，气压损失增加，并且反应气体的流速可能降低。因此，从具有 反应气体高流速和气压损失降低效果的角度看，第二实施例的燃料电池优 选具有包括冷却管10b的组成，其中，反应气体通道ll、 11、…仅仅在轴 方向的交叉方向上形成。在本发明的第一和第二实施例的燃料电池的描述中，描述了电绝缘管 状部件净皮i殳置到冷却管10a的洞孔13、 13、…中的结构，本发明不限定于 这些结构。例如，当电绝缘体部件设置在每个洞孔13、 13、…中时，仅仅 洞孔13、 13、…的部分表面被电绝缘材料涂敷。如果电绝缘材料被提供在 洞孔13、 13、…中，那么冷却管10a、 10b的导电性和热导性可能下降。 同时，如果不提供电绝缘材料，可能发生电流泄漏。因此，在洞孔13、 13、… 中设置或者不设置电绝缘部件根据这些属性的理解考虑而优选合适地确 定。通过这种方法，如上所述，如果对洞孔13、 13、…提供电绝缘材料， 则存在冷却管10a、 10b的导热率下降的问题。所以，当洞孔13、 13、… 被电绝缘材料涂敷时，优选选择具有电绝缘和优选导热率的材料(例如， 通过高热导率硅橡胶形成的管等)。另一方面，当认为确保冷却管的导电 性和导热率更加重要时，则可能存在一种配置，其中，对冷却管的洞孔13、 13、…不提供电绝缘材料。在上面的描述中，描述了表面镀有贵金属的导电材料的冷却管；本发明的冷却管不限定于该结构。只要冷却管对于燃料电池的工作环境具有一 定的抗腐蚀性和强度，则可以合适地选择该组成材料。具有良好抗腐蚀性 性的组成材料的实例包括金、铂、钛、不锈钢等等。如果利用钛或者不锈 钢的抗腐蚀性不够，那么可优选在上述材料构成的冷却管表面上，涂敷(电 镀)材料以提高抗腐蚀性(例如，金，铂等)。并且，当冷却管,皮设计为在包括上述功能的同时还具有集电器功能时， 优选冷却管包括良好的导电材料。良好的导电材料的实例包括金、铂、铜 等等。如果冷却管用铜形成，由于对于燃料电池的工作环境，铜不是抗腐 蚀性的，因此将其用作本发明的冷却管是困难的。因此，在这样的情况下， 例如，通过用具有良好抗腐蚀性和导电性的材料涂敷(电镀)铜制冷却管 的表面，从而确保提高抗腐蚀性。所述提高由上述具有良好抗腐蚀性的材 料形成的冷却管的导电性的方法的具体实例，除了上面的涂敷方法，还包 括在冷却管的厚壁部分设置具有良好导电性的材料的方法(例如，将冷却 管的中心形成为塞满由同样材料构成的线材，作为具有同样材料的多层结 构)。制造上面第一和第二实施例的冷却管10a的方法没有特别限定；例如， 冷却管10a可通过将材料以熔化状态浇铸到模具中制造，所述模具能够形 成冷却管10a的特定结构。然而，通过这种方法，形成具有高精度的反应 气体通道似乎是困难的。因此，将在下面描述本发明的冷却管的其他制造 方法。图7(A) ~7 (E)是示出组成本发明冷却管的部件的示意图。图7 (A)是组成第一实施例的冷却管10a的部件的正视图。图7 (B)是图7 (A)中所示部件从箭头VIIB、 VIIB方向看的侧-f见图。图7 (C)具有用 于构成第一和第二实施例的洞孔的管道部件的透浮见图。图7(D)是用于构 成第二实施例冷却管10b的部件的正视图。图7 (E)是图7 (D)所示部 件从箭头VIIE 、 VIIE方向看的侧视图。通过在一个方向上以相等间隔将如图7 (A)和7 (B)所示的多个平 板部件21a、 21a、…固定到如图7 ( C )所示的管道部件20的外表面上，能够制造第一实施例的冷却管10a。当管道部件20和平板部件21a、21a、... 都由金属制成时，上述固定方法的具体例子可以是焊接。同时，通过在一个方向上以相等间隔设置如图7 (D)和7 (E)所示 的多个平板部件21b、 21b、…，然后将图7 (C)所示的管道部件20固定 到每个平板部件21b中开口的洞孔中，则能够制造第二实施例的冷却管 10b。当管道部件20和平板部件21b、 21b、…都由金属制成时，上述固定 方法的具体实例可以是焊接。在本发明的上面描述中，描述了燃料电池的实例，其中，管状电池l、 1、…以栅格的形式设置，并且冷却管设置到由这些管状电池1、 1、…所 形成的孔隙中。在本发明中，管状电池的设置不限定于上述方式，其也可 以是蜂巢状。当管状电池以蜂巢形状设置时，由管状电池所形成的孔隙的 轮廓不同于图中所示出的。在这样的情况下，可提供这样的冷却管来制造 燃料电池，所述冷却管被成形为在能够设置成变化的孔隙中的形状。然而， 如果管状电池以蜂巢形状设置，那么反应气体的气压损失会增加，反应气 体的流速降低并且溢流抑制效果降低，并且，上面提到的单个的孔隙将变 小，用于通过冷却管中流动的冷却介质的空间将变小；这存在冷却效率提 高效果降低的可能性。为了避免这些影响，从降低反应气体的气压损失、 获得足够的溢流抑制效果并且容易地提高冷却效率的角度，优选具有以栅 格形式设置的管状燃料电池的燃料电池。通过本发明的冷却管流动的冷却 介质不限于水也可以是其他另外的冷却介质，例如乙二醇。在本发明中，从提高管状电池冷却效率的角度，优选扩大在冷却管外 表面和管状电池外周面之间的接触面积(以下，有时候称作"接触面积A")。 同时，从容易向管状电池外周面扩lt^应气体的角度，优选减少在冷却管 外表面和管状电池外周面之间的接触面积A，并且扩大非接触面积(冷却 管的外周面区域，其与管状电池的外周面不接触；以下，有时称作"非接 触面积B")。然而，如果非接触面积B过于扩大，则可能达不到本发明 的目标，即，提高管状电池的冷却效率。因此，在本发明中，优选将接触 面积A和非接触面积B的比率调节为能够提高整个燃料电池的发电效率的。考虑到提高管状电池的冷却效率，优选将接触面积A设置为整个冷却 管外表面面积(A + B)的大于或等于2%。另外，考虑到保证气体的扩散 效率，优选将接触面积A设置为整个冷却管外表面面积(A + B)的小于 或等于50%。从而，在本发明中，优选0.02 <A/(A+B)< 0.5，更优选0.02 <A/(A+B)《0.4。而且，在本发明上面的描述中(图1 (A) 、 1 (B) 、 2~6、 7 (A) ~ 7 (E)以及对其的描述)，示出弯曲表面形状的热交换器的凹面，其具有 与管状电池外周面基本相同的曲率半径；然而，本发明的热交换器不限于 该结构。在图8 (A)和8 (B)中，也示出了热交换器凹面可能具有的其 他结构。图8 (A)和8 (B)示出了设置到热交换器的凹面之一和管状电 池之一的按比例放大的横截面图，通过在平面中切割获得凹面的横截面图， 所述平面包括垂直于所述热交换器的轴方向的方向。图8 (A)示出了具有 弯曲表面的凹面16的示意性结构；图8 (B)示出了具有多边形形状的凹 面的示意性结构。在图8 (A)和8 (B)中，采用与图1中所示的燃料电 池相同的构成的元件采用与图1中相同的参考数字，并且省略了对每个元 件的描述。当图8(A)中所示的管状电池1的外周面的曲率半径定义为 Rl,凹面16的曲率半径定义为R2时，本发明的热交换器的凹面16可表 达为R2《R1。如图8(A)所示，当R2〈R1时，凹面16和管状电池1的 外周面通过至少两条线彼此线接触；并且，当R2-R1时，凹面16和管状 电池l的外周面彼此面接触。另一方面，从图8 (B)的横截面视图可见， 即4吏凹面17的^f黄截面形状是多边形形状，凹面17和管状电池1的外周面 仍可通过至少大于或等于两条的线彼此线接触。因此，即使燃料电池具有 其中热交换器具有如图8 (B)所示横截面的凹面17的配置，显著提高管 状电池的热交换器效率仍然时可能的。工业应用性如上可见，本发明的燃料电池适用于作为，例如电瓶车或者便携式电 源的电源。
权利要求
1.一种燃料电池，包括多个平行设置的管状电池；以及被设置在所述管状电池的外面的热交换器，其中，所述管状电池的外周表面的至少部分与所述热交换器的外表面具有相对于彼此的面接触。
2. —种燃料电池，包括多个平行设置的管状电池；以及被设置在所 述管状电池的外面的热交换器，其中，在所述热交换器的外表面上提供有与所述管状电池的外周表面 直接接触的凹面。
3. 根据权利要求2的燃料电池，其中，通过在平面中切割获得的所述 凹面的横截面是多边线形状，所述平面包括垂直于所述热交换器的轴方向 的方向，并且，所述凹面之一和所述管状电池之一的所述外周面通过至少两条线彼此线接触。
4. 根据权利要求2的燃料电池，其中，所述管状电池的所述外周面和 所述凹面具有弯曲的表面。
5. 根据权利要求4的燃料电池，其中，如果所述管状电池的所述外周 面的曲率半径^皮定义为Rl，且用于接收所述管状电池的所述凹面的曲率半 径被定义为R2，则存在关系式R1《R2。
6. 根据权利要求1-5中任一项的燃料电池，其中，所述管状电池的 所述外周面和所述热交换器的外表面的接触面积大于等于所述热交换器的 外表面面积的2%,并且小于等于所述热交换器的外表面面积的50%。
7. 根据权利要求l-6中任一项的燃料电池，其中，在与所述管状电 池具有面接触的所述热交换器的所述外表面上，形成有反应气体通道。
8. 根据权利要求7的燃料电池，其中，所述反应气体通道在与所述管 状电池的轴方向交叉的方向上形成。
9. 根据权利要求1-8中任一项的燃料电池，其中，所述热交换器被 置于通过多个平刊 没置的所述管状电池形成的孔隙中。
10. 根据权利要求l-9中任一项的燃料电池，其中，在所述热交换器 的内部具有多个热介质通道。
11. 根据权利要求1-10中任一项的燃料电池，其中，所述热交换器 的所述外表面和大于等于四个的所述管状电池的所述外周面纟皮设置为彼此 接触。
12. 根据权利要求l-ll中任一项的燃料电池，其中，所述热交换器 具有导电特性。
13. 根据权利要求12的燃料电池，其中，所述热交换器由导电材料构 成，所述导电材料的外表面镀有贵金属。
14. 根据权利要求1-13中任一项的燃料电池，其中，冷却介质在所 述热交换器的内部流动，以及与所述冷却介质接触的所述热交换器的至少 一部分内表面由电绝缘材料构成。
15，根据权利要求14的燃料电池，其中所述电绝缘材料是硅橡胶。
全文摘要
本发明提供了一种能够提高管状燃料电池的热交换效率的燃料电池。尤其公开了这样的燃料电池，包括管状燃料电池(1)；在所述管状燃料电池(1)外部设置的热交换器(10a)。在该燃料电池中，所述管状燃料电池(1)的外周面和所述热交换器(10a)的外表面的至少一部分面接触。
文档编号H01M8/10GK101253649SQ20068003195
公开日2008年8月27日 申请日期2006年8月31日 优先权日2005年8月31日
发明者中西治通, 今西雅弘, 村田成亮, 田村佳久 申请人:丰田自动车株式会社