一种管状单元电池及管状燃料电池的制作方法

1.本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种管状单元电池及管状燃料电池。


背景技术：

2.现有的质子交换膜燃料电池为由质子交换膜、催化基层、气体扩散层及双极板构成的平板结构。其中，为了提高燃料电池的体积功率，平板结构的燃料电池的整体厚度要求较薄，需要使质子交换膜、催化基层、气体扩散层或双极板的厚度较薄。例如，为了使每单位体积的发电反应面积增大而需求薄的质子交换膜。作为现在可实用的质子交换膜，广泛使用nafion膜。但是，nafion膜当其膜厚变为一定以下时，气体透过性变得过大。因此，在燃料电池的内部，燃料气体和氧化性气体很容易出现泄漏，存在发电电压降低的问题。即，从功能和工艺加工方面考虑，厚度较薄的燃料电池在功能和工艺加工方面来说并不是择优选择。
3.为了解决以上问题，现有技术研制出了管状单元电池，即将燃料电池做成直筒状结构，通过将其制成直径较小的管状结构，以能够增大发电反应面积，以使管状单元电池的功能及加工工艺均较为适宜。
4.目前的管状单元电池包括由催化剂电极层和电解质层制得的电池主体、及设置在电池主体的内外侧的内集电体和外集电体，且在内集电体的外周面上形成有通槽，以使通槽与电池主体之间能够形成用于反应气体(空气或氢气)流通的气体流道；由于在内集电体的中心位置没有设置结构或通道，由此可见，现有技术对内集电体的中心位置没有进行有效利用，导致内集电体的体积利用率较低。
5.综上所述，亟需设计一种管状单元电池及管状燃料电池，来解决上述问题。


技术实现要素：

6.本发明的一个目的在于提出一种管状单元电池，能够提高内集电体的体积利用率。
7.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
8.一种管状单元电池，包括：
9.电池主体；
10.外集电体，所述外集电体套设于所述电池主体的外周侧；
11.内集电体，所述内集电体穿设于所述电池主体内；
12.所述电池主体的外周面设置有通槽，所述通槽与所述外集电体的内壁共同形成第一气体流道，所述内集电体内部设置有与所述电池主体连通的第二气体流道。
13.进一步地，所述第一气体流道和/或所述第二气体流道为螺旋形流道。
14.进一步地，所述电池主体内部沿轴向贯通设置有容纳腔，所述内集电体穿设于所述容纳腔内。
15.进一步地，所述第二气体流道的内壁上形成有若干个气体流动孔，以连通所述第
二气体流道和所述电池主体。
16.进一步地，所述外集电体的一端设置有与所述第一气体流道连通的第一通孔，且所述内集电体的一端的外周连接有挡盘，所述挡盘上设置有与所述第一气体流道连通的第二通孔。
17.进一步地，所述第二气体流道沿所述内集电体的轴向贯通设置于所述内集电体的内部，所述外集电体的一端还设置有与所述第二气体流道连通的第三通孔。
18.进一步地，所述外集电体由具有导电性的弹性材质制得。
19.进一步地，所述通槽的数量设置有多个，多个所述通槽间隔设置于所述电池主体的外周面。
20.进一步地，所述电池主体由内向外依次包括第一催化剂电极层、电解质层和第二催化剂电极层。
21.进一步地，所述电解质层由吸水材质形成，所述电解质层被配置为吸收所述管状单元电池反应产生的水以用作氢离子的输送载体。
22.进一步地，所述第一催化剂电极层为氧化剂极，所述第二催化剂电极层为燃料极；或所述第一催化剂电极层为燃料极，所述第二催化剂电极层为氧化剂极。
23.本发明的另一个目的在于提出一种管状燃料电池，其能够提高内集电体的体积利用率。
24.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
25.一种管状燃料电池，包括壳体及多个如上所述的管状单元电池，多个所述管状单元电池设置于所述壳体内，多个所述管状单元电池之间电连接。
26.本发明的有益效果为：
27.本发明提供一种管状单元电池，通过使外集电体套设于电池主体的外周侧，
28.内集电体穿设于电池主体内，并在电池主体的外周面设置有通槽，通槽与外集电体的内壁共同形成第一气体流道，第一气体流道用于为电池主体提供氧化性气体或者还原性气体，内集电体内部设置有与电池主体连通的第二气体流道，第二气体流道用于为电池主体提供还原性气体或者氧化性气体，以使还原性气体和氧化性气体在电池主体上进行化学反应，从而实现管状单元电池的功能；且将第二气体流道设置在内集电体内部，实现了对内集电体的中心位置的有效利用，以使内集电体的体积利用率较高；同时，将通槽设置在电池主体上，相对于现有技术在内集电体上设置通槽，以便于在内集电体上设置第二气体流道，从而能够在管状单元电池上设置有第一气体流道及第二气体流道的情况下，使管状单元电池的整体结构布局较为合理，以使管状单元电池的体积较小。
附图说明
29.图1是本发明提供的管状单元电池的结构示意图；
30.图2是本发明提供的管状单元电池的部分分解示意图；
31.图3是本发明提供的内集电体的结构示意图；
32.图4是本发明提供的电池主体的结构示意图。
33.附图标记：
34.1-电池主体；11-通槽；12-容纳腔；2-外集电体；21-第一通孔；22-第三通孔；3-内
集电体；31-挡盘；32-第二通孔；33-第二气体流道；34-气体流动孔。
具体实施方式
35.本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
36.本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而己。在整个说明书中，同样的附图标记指示同样的元件。
37.为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
38.目前，管状单元电池包括由催化剂电极层和电解质层制得的电池主体、及设置在电池主体的内外侧的内集电体和外集电体，且在内集电体的外周面上形成有通槽，以使通槽与电池主体之间能够形成用于反应气体(空气或氢气)流通的气体流道；然而由于在内集电体的中心位置没有设置结构或通道，由此可见，现有技术对内集电体的中心位置没有进行有效利用，导致内集电体的体积利用率较低。
39.为解决上述技术问题，如图1和图2所示，本实施例中提出了一种管状单元电池。该管状单元电池包括电池主体1、外集电体2及内集电体3；外集电体2套设在电池主体1的外周侧；内集电体3穿设在电池主体1内部；在电池主体1的外周面设置有通槽11，通槽11从电池主体1的外周面的一端延伸至其另一端，且通槽11与外集电体2的内壁共同形成用于反应气体流动的第一气体流道，内集电体3内部设置有与电池主体1连通的第二气体流道33。
40.本实施例中的管状单元电池相对于现有技术改变了内集电体3上的结构设置，通过使外集电体2套设于电池主体1的外周侧，内集电体3穿设于电池主体1内，并在电池主体1的外周面设置有通槽11，通槽11与外集电体2的内壁共同形成第一气体流道，第一气体流道用于为电池主体1提供氧化性气体或者还原性气体，内集电体3内部设置有与电池主体1连通的第二气体流道33，第二气体流道33用于为电池主体1提供还原性气体或者氧化性气体，以使还原性气体和氧化性气体在电池主体1上进行化学反应，从而实现管状单元电池的功能；且将第二气体流道33设置在内集电体3内部，实现了对内集电体3的中心位置的有效利用，以使内集电体3的体积利用率较高；同时，将通槽11设置在电池主体1上，相对于现有技术在内集电体3上设置通槽11，以便于能够提供设置空间，以在内集电体3上设置第二气体流道33，从而能够在管状单元电池上设置有第一气体流道及第二气体流道33的情况下，使管状单元电池的整体结构布局较为合理，以使管状单元电池的体积较小。
41.由于在管状单元电池的工作过程中，在电池主体1上发生反应的是位于第一气体流道和第二气体流道33的内壁处的气体，当第一气体流道和第二气体流道33的内壁处的气体在电池主体1上发生反应后，会导致气体流道内的气体产生浓度梯度差，即气体流道的内壁处的气体浓度低于，气体流道内的中间位置处的气体浓度，从而使用于在电池主体1上进行反应的气体量较少，导致管状单元电池的反应效率较低，不能提升管状单元电池的有效功率。其中，如图3所示，在第二气体流道33的内壁上形成有若干个气体流动孔34，气体流动孔34用于连通第二气体流道33和电池主体1，以使第二气体流道33内的反应气体通过气体流动孔34流至电池主体1上，以能够在电池主体1上进行反应。
42.为此，将第一气体流道和/或第二气体流道33设置为螺旋形流道。通过形成螺旋形流道，以使流道能够形成旋转角度，以使螺旋形流道内的反应气体产生旋转混合，以将螺旋形流道内的位于中部位置处的反应气体挤压至螺旋形流道的内壁处，从而使螺旋形流道内的中部位置的反应气体能够分散至螺旋形流道的内壁处，以增加螺旋形流道的内壁处的反应气体的浓度，从而使用于在电池主体1上进行反应的气体量较多，使管状单元电池的反应效率较高，能够提升管状单元电池的有效功率。
43.本实施例中，第一气体流道设置为螺旋形流道。其它实施例中，还可以使第二气体流道33设置为螺旋形流道。值得注意的是，当向管状单元电池内通入的氧化性气体为空气时，由于在空气中氧气仅占21％，且当空气在电池主体1上发生反应后，会导致气体流道的内壁处的空气浓度就会较低，导致了在气体流道的内壁处用于反应的氧气量会更少，因此，当通入的氧化性气体为空气时，需要将空气通入设置为螺旋形流道的气体流道内，以保证供给电池主体1的氧气量，以使管状单元电池的反应效率较高，能够提升管状单元电池的有效功率。
44.具体地，将第一气体流道设置为螺旋形流道，将第二气体流道33设置为直线形流道，以在第一气体流道内通入空气，在第二气体流道33内通入氢气；一方面使氢气能够位于管状单元电池的最内侧，从而通过外侧的电池主体1及外集电体2对其进行防护，以能够避免将氢气通入外侧流道内而容易出现易燃易爆的安全问题；另一方面由于氢气的纯度较高，且相对于氧气量而言，在反应中需要的量较少，将氢气通入直线形流道，对管状单元电池的反应效率影响不大，且不会增加气体流道的加工难度。
45.在其它实施例中，可以通过将内集电体3的杆状结构整体设置为螺旋形结构，并在形成的螺旋形结构内侧设置沿其螺旋方向延伸的第二气体流道33，从而使第二气体流道33为螺旋形流道。在其它实施例中，还可以在内集电体3内设置沿其长度方向延伸的放置腔，再在放置腔内设置具有螺旋形结构的流道主体，并在流道主体内侧设置沿其螺旋方向延伸的第二气体流道33，从而使第二气体流道33为螺旋形流道。
46.进一步地，如图2-4所示，电池主体1内部沿轴向贯通设置有容纳腔12，管状单元电池还包括内集电体3，内集电体3穿设在容纳腔12内。通过在电池主体1内设置容纳腔12，以将内集电体3穿设在容纳腔12内，实现了对电池主体1的中心位置的有效利用，以使电池主体1的体积利用率较高。
47.具体地，如图2和图3所示，在外集电体2的一端设置有与第一气体流道连通的第一通孔21，第一通孔21形成第一气体流道的入口或者出口；且在内集电体3的一端的外周连接有挡盘31，在挡盘31上设置有与第一气体流道连通的第二通孔32，第二通孔32形成第一气体流道的出口或者入口。第一气体流道的出口或者入口需要根据具体公开进行设置，在此不作具体限定。
48.具体而言，如图2和图3所示，第二气体流道33沿内集电体3的轴向贯通设置于内集电体3的内部，以使内集电体3上与第二气体流道33连通的开口形成第二气体流道33的入口或者出口；且在外集电体2的一端还设置有与第二气体流道33连通的第三通孔22，以形成第二气体流道33的出口或者入口。第二气体流道33的出口或者入口需要根据具体公开进行设置，在此不作具体限定。
49.进一步地，如图4所示，通槽11的数量设置有多个，多个通槽11间隔设置在电池主
体1的外周面；通过设置多个通槽11，以能够形成多个第一气体流道，从而能够从多个方位均匀地为电池主体1提供气源，以使反应较为充分。本实施例中，通槽11的数量设置有六个。其它实施例中，还可以使通槽11的数量设置为四个或者其它数量。
50.具体地，电池主体1由内向外依次包括第一催化剂电极层、电解质层及第二催化剂电极层；其中，第一催化剂电极层覆盖在内集电体3的外周面上，第二气体流道33用于为第一催化剂电极层提供气源，以使气体在第一催化剂电极层进行反应；电解质层覆盖在第一催化剂电极层的外周面上，以用于传输氢离子；第二催化剂电极层覆盖在电解质层的外周面上，且外集电体2设置在第二催化剂电极层的外周面，第一气体流道用于为第二催化剂电极层提供气源，以使气体在第二催化剂电极层进行反应。
51.具体地，外集电体2由具有导电性的弹性材质制得，能够使电池主体1的电解质层、第一催化剂电极层及第二催化剂电极层均可维持一定的强度，同时可改变某种程度的截面形状，从而能够在将多个管状单元电池进行并列捆束在壳体内时，邻接的外集电体2由于受到由壳体的限制所引起的外力会发生弹性变形，从而能够使相邻两个管状单元电池之间的接触面积变大，以抑制由于接触面积较小而产生的能量损失，以保证管状单元电池的体积功率。其中，内集电体3由高导电性和耐腐蚀的材质制得。其中，外集电体2与内集电体3之间通过外部电路电连接。
52.进一步地，电解质层由吸水材质形成，以能够使电解质层吸收管状单元电池反应产生的水以用作氢离子的输送载体，一方面能够吸收反应产生的水，以避免反应产生的水过多而无法排除至管状单元电池外侧；另一方面能够吸收水以形成氢离子的载体，不需要额外对电解质层进行加湿，实现了电解质层的自加湿功能。本实施例中，电解质层由含有磺酸基的材料形成，磺酸基可以吸附大量的水以用作氢离子的输送载体，且管状单元电池反应产生的过多的水可通过气体的吹扫而直接带出状单元电池外，从而不会影响状单元电池的使用性能。
53.具体地，第一催化剂电极层为氧化剂极，第二催化剂电极层为燃料极；或者也可以使第一催化剂电极层为燃料极，第二催化剂电极层为氧化剂极。本实施例中，第一催化剂电极层为燃料极，第二催化剂电极层为氧化剂极，即，在第二气体流道33内可以通入氢气或者甲烷等还原性气体，在第一气体流道内可以通入氧气或空气等氧化性气体。催化剂电极层的具体设置情况需要根据实际工况决定。
54.本实施例中的管状单元电池的工作过程如下，其中，在第二气体流道33内通入氢气，在第一气体流道内通入空气：
55.首先，氢气经第二气体流道33及各个气体流动孔34流至第一催化剂电极层上，以使氢气在第一催化剂电极层上发生电化学反应，在第一催化剂电极层上发生的反应如下：
56.h2→
2h
+
+2e-57.由氢气h2产生氢离子h
+
与电子e-，电子e-由内集电体3通过外部电路传送至外集电体2，再由外集电体2导出至第二催化剂电极层上，且氢离子h
+
通过电解质层中含有磺酸基的聚合物并通过h2o作为载体，将h
+
由第一催化剂电极层传送至第二催化剂电极层。
58.同时，空气经气体流道流至第二催化剂电极层上，并在第二催化剂电极层上，由气体流道内的空气中的氧气、通过电解质层流至的氢离子以及导出的电子进行反应，具体反应如下：
59.4h
+
+o2+4e-→
h2o
60.通过上述反应，在气体流道内生产水，没有其它生成物，对环境友好。
61.其中，电解质层中的磺酸基能够吸收反应产生的水以形成氢离子的载体，以吸收掉部分水，以不需要额外对电解质层进行加湿，实现了电解质层的自加湿功能；且反应产生的过多的水可通过空气的吹扫而直接带出状单元电池外。
62.本实施例中还提出了一种管状燃料电池，管状燃料电池包括壳体及多个如上实施例中的管状单元电池，多个管状单元电池设置在在壳体内，多个管状单元电池之间电连接，以形成管状燃料电池。
63.以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。