[发明专利]管状聚合物电解质燃料电池组件及其制造方法

说明书

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；