專利名稱：管狀燃料電池模塊及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及管狀燃料電池模塊及其制造方法。更具體地，本發(fā)明 涉及已經(jīng)改進(jìn)了密封可靠性的管狀燃料電池模塊及該管狀燃料電池模 塊的制造方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，為了將每單元的輸出密度至少提高一定水平，對(duì)管狀燃料電池(下文中也稱為"管狀PEFC")進(jìn)行了大量的研究。管狀PEFC 的單元電池(下文中也稱為"管狀電池")通常包括薄膜電極組件(MEA)， 其具有中空電極層和在該中空電極層的兩側(cè)(即，內(nèi)側(cè)和外側(cè))設(shè)置的催 化劑層。然后，將通過(guò)向MEA內(nèi)側(cè)供給包含氫的氣體和向MEA外側(cè) 供給包含氧的氣體所引起的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電能通過(guò)布置在MEA 內(nèi)側(cè)和外側(cè)上的集電器從單元電池提取。也就是說(shuō)，在管狀PEFC中， 通過(guò)向中的MEA的內(nèi)側(cè)供給一種反應(yīng)氣體(例如，含有氫的氣體)和向 設(shè)在各單元電池中的MEA的外側(cè)供給另一種反應(yīng)氣體(例如，含有氧 的氣體)提取發(fā)出的電能，這意味著可向兩個(gè)相鄰單元電池的外表面供 給相同的反應(yīng)氣體。因此，管狀PEFC無(wú)需傳統(tǒng)平板狀燃料電池所需并 且用來(lái)分離氣體的分離器，這能夠有效地使單元電池制作得更小。例如，PCT申請(qǐng)公開(kāi)的日本國(guó)際階段申請(qǐng)No.2004-505417描述了 與這種管狀PEFC相關(guān)的技術(shù)。更具體地，所述技術(shù)與燃料電池相關(guān)， 其中微電池的所有構(gòu)件構(gòu)造在單個(gè)纖維組件內(nèi)。所述技術(shù)能夠產(chǎn)生高 密度的能量輸出，從而使電化學(xué)電池設(shè)備(S卩，管狀燃料電池)的體積最小。管狀電池的電解質(zhì)薄膜在預(yù)定溫度范圍內(nèi)(例如，約80攝氏度的范圍內(nèi))具有質(zhì)子導(dǎo)電能力。因此，當(dāng)管狀PEFC運(yùn)行時(shí)，電解質(zhì)薄膜 的溫度必須保持在該溫度范圍內(nèi)。這樣，對(duì)于具有管狀電池的管狀PEFC模塊，為了將管狀電池或形成管狀電池一部分的電解質(zhì)薄膜的溫度保持在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，至少在管狀電池內(nèi)外側(cè)中的一側(cè)上布置傳熱 管，并且通過(guò)使用流過(guò)傳熱管的加熱/冷卻介質(zhì)加熱或冷卻管狀電池來(lái) 調(diào)節(jié)管狀電池的溫度。這樣，在管狀PEFC(模塊)中，除了含有氫的氣體和含有氧的氣體 之外，還使用加熱/冷卻介質(zhì)，所以在例如管狀電池或構(gòu)成管狀電池一 部分的MEA的端部必須設(shè)置將氣體從加熱/冷卻介質(zhì)分開(kāi)的密封部分。 例如，在所述的管狀PEFC模塊中，如PCT申請(qǐng)公開(kāi)的日本國(guó)際階段 申請(qǐng)No.2004-505417中描述的管狀PEFC模塊中，提供一個(gè)密封部分 用于分離兩種反應(yīng)氣體，提供另一密封部分用于將反應(yīng)氣體與加熱/冷 卻介質(zhì)分開(kāi)，并且提供再一密封部分用于將加熱/冷卻介質(zhì)與周圍空氣 分開(kāi)。但是，當(dāng)具有PCT申請(qǐng)公開(kāi)的日本國(guó)家階段申請(qǐng)No.2004-505417 中所述結(jié)構(gòu)的管狀PEFC操作時(shí)，由于以管狀電池和傳熱管等為代表的 構(gòu)成元件的溫度升高，所以管狀電池和傳熱管膨脹。因此，具有復(fù)雜 密封結(jié)構(gòu)(其中具有許多密封部分)的管狀PEFC內(nèi)的密封往往變得不太可靠。 發(fā)明內(nèi)容因此，本發(fā)明提供一種具有改進(jìn)的密封可靠性的管狀燃料電池模 塊以及該管狀燃料電池模塊的制造方法。因此，本發(fā)明的一方面涉及一種管狀燃料電池模塊，所述管狀燃 料電池模塊設(shè)有管狀燃料電池的管狀電池和傳熱管，選擇性地加熱和 冷卻所述管狀電池的加熱/冷卻介質(zhì)流過(guò)所述傳熱管。所述傳熱管包括 第一筆直部分、第二筆直部分和彎曲部分，所述彎曲部分將所述第一筆直部分與所述第二筆直部分連接。另外，所述管狀電池的至少一部 分布置在所述第一筆直部分和所述第二筆直部分中的至少一個(gè)筆直部 分上。
一種管狀燃料電池模塊可設(shè)有中空MEA和傳熱管，選擇性地加熱 和冷卻所述MEA的加熱/冷卻介質(zhì)流過(guò)所述傳熱管；所述傳熱管包括 第一筆直部分、第二筆直部分和彎曲部分，所述彎曲部分將所述第一 筆直部分與所述第二筆直部分連接；并且所述MEA布置在所述第一筆 直部分的外周表面和所述第二筆直部分的外周表面中的至少一個(gè)外周 表面上。
另外， 一種管狀燃料電池可設(shè)有管狀燃料電池的管狀電池和傳熱 管，選擇性地加熱和冷卻所述管狀電池的加熱/冷卻介質(zhì)流過(guò)所述傳熱 管；所述傳熱管包括第一筆直部分、第二筆直部分和彎曲部分，所述 彎曲部分將所述第一筆直部分與所述第二筆直部分連接；并且所述第 一筆直部分和所述第二筆直部分中的至少一個(gè)筆直部分的外周表面接 觸所述管狀電池的外周表面。
所述加熱/冷卻介質(zhì)的具體實(shí)例包括如水、乙二醇和兩者的混合 物。只要所述傳熱管由可承受管狀PEFC的操作環(huán)境的耐腐蝕材料制 成，就不特別地限定構(gòu)成材料。但是，如果傳熱管還用作外部集電器 或內(nèi)部集電器，那么就更容易將燃料電池模塊制得更小，所以傳熱管 還可由具有優(yōu)異的導(dǎo)電性且耐腐蝕的材料制成。耐腐蝕且具有良好導(dǎo) 電性的材料的具體實(shí)例除了 Au和Pt之外還包括將Ti涂布在Cu的表 面上的材料(如Cu-Ti覆層材料)。另外，為有效提高管狀燃料電池模塊 的輸出密度，傳熱管中第一筆直部分的軸向方向和第二筆直部分的軸 向方向可彼此平行。另外，從同一觀點(diǎn)來(lái)看，管狀電池可布置成使其 外周表面接觸傳熱管的第一筆直部分和第二筆直部分的外周表面。所 述管狀電池還可布置成使它們的軸向方向與第一筆直部分及第二筆直 部分的軸向方向平行。這里，術(shù)語(yǔ)"中空MEA"指的是至少包括下列部件的MEA:中
空內(nèi)側(cè)催化劑層、布置在內(nèi)側(cè)催化劑層外側(cè)的外側(cè)催化劑層、及夾在
內(nèi)側(cè)催化劑層與外側(cè)催化劑層之間的電解質(zhì)薄膜。所述MEA構(gòu)成了管 狀電池的一部分。
短語(yǔ)"所述MEA布置在所述第一筆直部分的外周表面和所述第二 筆直部分的外周表面中的至少一個(gè)外周表面上"意味著當(dāng)傳熱管還 用作內(nèi)部集電器時(shí)，所述MEA形成在傳熱管的第一筆直部分的外表面 和傳熱管的第二筆直部分的外表面中的至少一個(gè)外表面上(接觸所述至 少一個(gè)外表面)，并且當(dāng)在傳熱管與MEA之間設(shè)置內(nèi)部集電器時(shí)(即， 當(dāng)傳熱管不還用作內(nèi)部集電器時(shí))，所述MEA形成在內(nèi)部集電器的外 表面上，該內(nèi)部集電器布置在傳熱管的第一和第二筆直部分的外表面 上。
根據(jù)上述方面，相鄰的第一和第二筆直部分能夠通過(guò)彎曲部分連 接，所以能夠提供具有S形傳熱管的管狀燃料電池模塊，所述S形傳 熱管具有n個(gè)筆直部分和n-l個(gè)彎曲部分。這樣，通過(guò)以S形形成傳
熱管，能夠限制用于加熱/冷卻介質(zhì)的入口和出口(即，減少入口和出口 的數(shù)目)，這又能夠簡(jiǎn)化在反應(yīng)氣體與加熱/冷卻介質(zhì)之間形成的密封部 分的結(jié)構(gòu)。因此，能夠提供通過(guò)簡(jiǎn)化密封部分的結(jié)構(gòu)而具有改善的密 封可靠性的管狀燃料電池模塊。
而且，當(dāng)傳熱管接觸管狀燃料電池的管狀電池的內(nèi)側(cè)(即，MEA 的內(nèi)側(cè))時(shí)，能夠有效地冷卻管狀燃料電池的管狀電池的尤其容易熱聚 積的內(nèi)側(cè)。
在所述管狀燃料電池模塊中，通過(guò)彎曲單根傳熱管可以形成所述 第一筆直部分、第二筆直部分和彎曲部分。短語(yǔ)"通過(guò)彎曲單根傳熱管形成"意味著通過(guò)彎曲單根傳熱管， 所述傳熱管的至少一部分形成為字母"U"形，其包括第一筆直部分、 彎曲部分和第二筆直部分。
通過(guò)這樣彎曲單根傳熱管形成第一筆直部分、第二筆直部分和彎 曲部分避免了在第一及第二筆直部分與彎曲部分之間的連接，從而進(jìn) 一步提高了密封可靠性。
在所述管狀燃料電池模塊中，所述傳熱管的入口和出口可以相對(duì) 于所述管狀電池或MEA的沿軸向方向的中心位于同一側(cè)。
將所述傳熱管的入口和出口相對(duì)于管狀電池或MEA的軸向方向
的中心定位于同一側(cè)使得將反應(yīng)氣體與加熱/冷卻介質(zhì)分開(kāi)的密封部分 能夠只形成在所述入口和出口所在的一側(cè)上，從而能夠容易地簡(jiǎn)化密 封部分的結(jié)構(gòu)。
在所述管狀燃料電池模塊中，所述第一筆直部分和第二筆直部分 可布置在水平面上，當(dāng)從所述水平面的上方觀看時(shí)，所述傳熱管的入 口和出口還可形成為面向所述第一筆直部分和所述第二筆直部分中的 至少一個(gè)筆直部分的在與軸向方向相交的方向上的外側(cè)。
當(dāng)從所述水平面的上方觀看時(shí)所述傳熱管的入口和出口形成為面 向所述第一筆直部分和所述第二筆直部分中的至少一個(gè)筆直部分的在 與軸向方向相交的方向上的外側(cè)的情形的例子如下。當(dāng)所述傳熱管的 入口形成在所述第一筆直部分的不通向彎曲部分的端部上且所述傳熱 管的出口形成在所述第二筆直部分的不通向彎曲部分的端部上時(shí)，所 述傳熱管的入口形成為向與所述第一筆直部分相鄰的所述第二筆直部 分的相反側(cè)開(kāi)口，并且所述傳熱管的出口形成為向與所述第二筆直部 分相鄰的所述第一筆直部分的相對(duì)側(cè)開(kāi)口。在本發(fā)明中，并不特別限 定在所述傳熱管的入口和出口的開(kāi)口方向與所述第一筆直部分和所述第二筆直部分中的至少一個(gè)筆直部分的軸向方向之間形成的角度，但 是使該角度為90度使得更容易將多個(gè)管狀燃料電池模塊連接在一起。
因此，當(dāng)將多個(gè)管狀燃料電池模塊連接在一起時(shí)， 一個(gè)管狀燃料 電池模塊的傳熱管的入口能夠容易地連接到另一管狀燃料電池模塊的 傳熱管的出口。因此，除了上述效果之外，當(dāng)提供多個(gè)模塊時(shí)，還能 夠提供更容易連接到另一管狀燃料電池模塊的管狀燃料電池模塊。
本發(fā)明的另一方面涉及一種管狀燃料電池模塊的制造方法，所述
管狀燃料電池模塊設(shè)有至少一個(gè)中空MEA和傳熱管，選擇性地加熱和 冷卻所述MEA的加熱/冷卻介質(zhì)流過(guò)所述傳熱管。所述制造方法包括
步驟在筆直管狀構(gòu)件周圍形成所述MEA;和通過(guò)彎曲所述筆直管狀
構(gòu)件形成傳熱管，所述傳熱管包括第一筆直部分、第二筆直部分和彎 曲部分，所述彎曲部分將所述第一筆直部分與所述第二筆直部分連接，
從而產(chǎn)生在所述傳熱管周圍形成MEA的彎曲本體。當(dāng)形成所述MEA 時(shí)，或者以至少相當(dāng)于所述彎曲部分的長(zhǎng)度的距離的間隔來(lái)依次形成 所述MEA，或者在彎曲所述筆直管狀構(gòu)件之后去除在至少所述彎曲部 分周圍形成的所述MEA。
這里，"筆直管狀構(gòu)件"指的是在彎曲形成彎曲部分之前的傳熱 管。另外，在所述筆直管狀構(gòu)件的外側(cè)上形成MEA的方法可分為通過(guò)
彎曲所述筆直管狀構(gòu)件形成的傳熱管(下文簡(jiǎn)稱為"傳熱管")還用作內(nèi) 部集電器的情形和所述傳熱管不用作內(nèi)部集電器的情形。在所述傳熱
管還用作內(nèi)部集電器的情形下，例如，所述MEA可形成為使所述傳熱 管的外表面和所述MEA的內(nèi)側(cè)催化劑層彼此接觸。為了更容易去除形 成在與彎曲部分對(duì)應(yīng)且靠近入口和出口的位置處的MEA(下文中也稱 為"無(wú)MEA部分")，預(yù)先向無(wú)MEA部分涂敷防水處理或遮蔽構(gòu)件等。 然后，在無(wú)MEA部分的防水處理或遮蔽構(gòu)件之上、以及除無(wú)MEA部 分之外的部分處的傳熱管的外表面上形成MEA。相反，當(dāng)傳熱管不用 作內(nèi)部集電器時(shí)，必須在MEA與傳熱管之間布置內(nèi)部集電器。因此，所述MEA形成在內(nèi)部集電器的外表面上，該內(nèi)部集電器布置成接觸所 述傳熱管的外表面。此外，以距離與所述彎曲部分的長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的間隔
來(lái)依次形成MEA的方法的一個(gè)具體實(shí)例為將間歇地涂敷熔化的或溶 解的催化劑層組分和電解質(zhì)薄膜組分。去除在彎曲部分周圍形成的 MEA的具體實(shí)例包括將激光束聚焦在無(wú)MEA部分上和通過(guò)熱熔化 在該部分處的MEA的方法；通過(guò)將該部分浸泡在溶劑中而從無(wú)MEA 部分去除MEA的方法；和通過(guò)去除預(yù)先布置在無(wú)MEA部分上的遮蔽 構(gòu)件來(lái)去除形成在遮蔽構(gòu)件的表面上的MEA的方法。
這樣，制造了具有通過(guò)限制用于加熱/冷卻介質(zhì)的入口和出口(減少 入口和出口的數(shù)目)而實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)化密封結(jié)構(gòu)的管狀燃料電池模塊。因此， 該管狀燃料電池模塊比現(xiàn)有技術(shù)具有更少的密封部分和/或讓傳熱管穿 過(guò)密封部分的位置，這提高了密封的可靠性。因此，能夠提供具有改 進(jìn)的密封可靠性的管狀燃料電池模塊的制造方法。


參考附圖，從下面優(yōu)選實(shí)施例的描述可清楚理解本發(fā)明的上述及 其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)，其中相同的標(biāo)記用于表示相同的元件，并且 其中.-
圖1為示意性地示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的模塊的一部分的透
視圖2為示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的傳熱管和MEA的一部分的實(shí)例 的截面圖3為示意性地示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的模塊的密封部分的 截面圖4為示意性地示出所述模塊的密封部分的截面圖5為示意性地示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的模塊的一部分的透
視圖6為示意性地示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的模塊的一部分的透
視圖；圖7為本發(fā)明模塊制造過(guò)程的簡(jiǎn)例的示意圖； 圖8為根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的管狀燃料電池模塊的外視圖； 圖9A和圖9B分別為根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的模塊的密封部分和 所述模塊的密封部分的截面圖IO為根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的模塊的密封部分的截面圖；以及 圖11為本發(fā)明模塊制造過(guò)程的實(shí)例的示意圖。
具體實(shí)施例方式
為了將管狀電池的溫度保持在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，在管狀PEFC模塊
內(nèi)設(shè)有傳熱管，加熱/冷卻介質(zhì)流過(guò)傳熱管。在所述管狀PEFC模塊(下
文中簡(jiǎn)稱為"所述模塊")中，傳熱管是筆直的。因此，傳熱管穿過(guò)在
反應(yīng)氣體擴(kuò)散區(qū)域與加熱/冷卻介質(zhì)擴(kuò)散區(qū)域之間形成的密封部分或密 封元件(其將在后面描述)的位置的數(shù)目等于傳熱管的數(shù)目，這使得密封
結(jié)構(gòu)復(fù)雜。也就是說(shuō)，在所述模塊中，傳熱管在許多位置穿過(guò)密封部 分，所以那些位置之間的距離非常短。結(jié)果，密封結(jié)構(gòu)往往比較復(fù)雜， 這易于降低密封的可靠性，從而降低管狀PEFC系統(tǒng)(下文中簡(jiǎn)稱為"系 統(tǒng)")的穩(wěn)定性。有效提高密封可靠性的一種方式是減少傳熱管穿過(guò)密 封部分的位置的數(shù)目和/或密封部分(密封構(gòu)件)的數(shù)目。如果當(dāng)減少傳 熱管穿過(guò)密封部分的位置的數(shù)目和密封部分的數(shù)目的同時(shí)可確保系統(tǒng) 的穩(wěn)定性，那么系統(tǒng)本身可制得更小，并且提高其輸出密度。
所述模塊通常還對(duì)每個(gè)管狀電池都設(shè)有一個(gè)傳熱管。所述模塊中 的傳熱管也是筆直的，這意味著密封部分的數(shù)目至少要跟在反應(yīng)氣體 與加熱/冷卻介質(zhì)之間分界處設(shè)置的傳熱管的數(shù)目相同。也就是說(shuō)，所 述模塊設(shè)有許多密封部分，并且傳熱管穿過(guò)密封部分的位置全都集中 在一個(gè)小的區(qū)域中，所以其密封結(jié)構(gòu)不僅易于復(fù)雜，而且易于不太可 靠，這易于降低系統(tǒng)的可靠性。有效提高系統(tǒng)可靠性的一種方式是減 少密封部分的數(shù)目。如果當(dāng)減少密封部分?jǐn)?shù)目的同時(shí)可確保系統(tǒng)的穩(wěn) 定性，那么系統(tǒng)本身可制得更小，并且提高其輸出密度。因此，本發(fā)明提供了一種管狀燃料電池模塊，其通過(guò)提供S形傳 熱管和形成于傳熱管上的MEA或設(shè)置在傳熱管上的至少一個(gè)管狀電 池(即，通過(guò)將管狀電池的至少一部分設(shè)置在傳熱管上)，實(shí)現(xiàn)將傳熱管 穿過(guò)密封部分的位置的數(shù)目和密封部分的數(shù)目減少到少于所述模塊中 的數(shù)目，從而提高密封可靠性。通過(guò)同樣的方式，本發(fā)明還提供了該 管狀燃料電池模塊的制造方法。
在下文中，參考附圖詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明具體實(shí)施例的管狀燃料 電池模塊及其制造方法。
圖1為示意性示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的模塊的一部分的透視 圖。如圖中所示，根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的管狀燃料電池模塊(下文中
簡(jiǎn)稱為"模塊")100包括以反復(fù)的S形來(lái)回纏繞形成的傳熱管1、在傳 熱管周圍形成的MEA2、布置成接觸每個(gè)MEA2的外部集電器(未示 出)、以及布置成接觸傳熱管1的彎頭部分13的集電器3(見(jiàn)圖6)。根 據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的模塊100的傳熱管1還用作內(nèi)部集電器，并且 通過(guò)彎曲單根直管以形成彎管部分13來(lái)制成，所述直管的基礎(chǔ)材料為 Cu-Ti覆層材料。因此，傳熱管1包括第一筆直部分11、第二筆直部分 12和將第一筆直部分11與第二筆直部分12連接的彎曲部分13。在該 實(shí)施例中，傳熱管l形成為使得第一筆直部分ll、第二筆直部分12和 彎曲部分13布置在一個(gè)水平面上。另外，第一筆直部分11和第二筆 直部分12大致平行地布置。反應(yīng)氣體流動(dòng)通道16形成在傳熱管1的 外表面上用于在MEA2內(nèi)擴(kuò)散反應(yīng)氣體?？?7還形成在傳熱管1內(nèi)， 加熱/冷卻介質(zhì)(例如水；下文中也稱為"水")流過(guò)該孔17。在該實(shí)施 例的傳熱管l中，入口 14和出口 15都形成在前側(cè)。
這樣，根據(jù)該實(shí)施例的模塊100，傳熱管1的入口 14和出口 15 都位于前側(cè)。因此，在流過(guò)傳熱管1中的孔17的加熱/冷卻介質(zhì)與反應(yīng) 氣體之間提供密封的密封部分只需形成在MEA2前側(cè)上的端部處，這 減少了密封部分的數(shù)目，從而簡(jiǎn)化了密封結(jié)構(gòu)。此外，因?yàn)閭鳠峁?的入口和出口僅限于入口 14和出口 15,所以只有入口 14和15穿過(guò)在 加熱/冷卻介質(zhì)擴(kuò)散區(qū)域與反應(yīng)氣體擴(kuò)散區(qū)域之間形成的密封部分(其 將在后面描述)。因此，傳熱管在更少的位置處穿過(guò)密封部分，從而能 夠更加地簡(jiǎn)化密封結(jié)構(gòu)。
圖2為示意性地示出圖1中所示的傳熱管和MEA的一部分的截面 圖。MEA的軸向方向?yàn)榇怪庇诋?huà)有圖2的紙的方向。圖2中與圖1中 相同的那些部分和構(gòu)件由與圖1中相同的附圖標(biāo)記表示，并且省略其 描述。下文中，參考圖l和圖2描述根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的模塊。
如圖2中所示，形成在傳熱管1的外表面上的MEA2包括內(nèi)側(cè)催 化劑層21、形成在內(nèi)側(cè)催化劑層21外側(cè)上的電解質(zhì)薄膜22、形成在 電解質(zhì)薄膜22外側(cè)上的外側(cè)催化劑層23。內(nèi)側(cè)催化劑層21的內(nèi)表面 接觸傳熱管1的外表面。形成加熱/冷卻流動(dòng)通道的孔17以及反應(yīng)氣體 流動(dòng)通道16都形成在傳熱管1內(nèi)，該傳熱管l還用作內(nèi)部集電器。這 樣，使用本發(fā)明第一實(shí)施例中的模塊100，通過(guò)形成在傳熱管1中的反 應(yīng)氣體流動(dòng)通道16將反應(yīng)氣體(或者含有氫的氣體，或者含有氧的氣體) 供給到內(nèi)側(cè)催化劑層21，并且MEA2產(chǎn)生的電流沿著MEA2的軸向方 向被傳熱管l收集。另外，傳熱管1接觸內(nèi)側(cè)催化劑層21，所以可通 過(guò)經(jīng)過(guò)孔17供給冷水或熱水等來(lái)冷卻或加熱MEA2來(lái)調(diào)節(jié)MEA2的溫 度。
圖3為示意性地示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的模塊的密封部分的 截面圖，并且圖4為示意性地示出所述模塊的密封部分的截面圖。MEA 的軸向方向?yàn)楫?huà)有該圖的紙的縱向方向。圖3示出了設(shè)在根據(jù)本發(fā)明 第一實(shí)施例內(nèi)的模塊中的傳熱管、MEA和密封部分(密封構(gòu)件)的展開(kāi) 圖。該圖示出了具有三個(gè)彎曲部分的傳熱管，但設(shè)在本發(fā)明模塊中的 傳熱管不限于該結(jié)構(gòu)。另一方面，圖4示出了其筆直傳熱管的數(shù)目與 圖3中所示傳熱管的筆直部分的數(shù)目相同的所述模塊及其密封部分的 結(jié)構(gòu)。在圖3和圖4中，模塊的與圖1中所示相同的那些組成元件用與圖1相同的附圖標(biāo)記表示，并省略其描述。并且，在圖3和圖4中， 省略了用于氫、空氣(氧)和水的進(jìn)口和出口。另外，附圖著重示出了設(shè) 置在含氫氣體的擴(kuò)散區(qū)域與含氧氣體的擴(kuò)散區(qū)域之間，即在反應(yīng)氣體 擴(kuò)散區(qū)域之間的密封部分，以及設(shè)置在含氫氣體的擴(kuò)散區(qū)域與加熱/冷
卻介質(zhì)擴(kuò)散區(qū)域之間的密封部分。圖3和圖4中的直線箭頭指向傳熱
管內(nèi)水流動(dòng)的方向。
如圖3中所示，該實(shí)施例中的模塊100包括傳熱管1和設(shè)置在傳 熱管1的外表面上的MEA2。傳熱管1通過(guò)彎曲單根直管以形成彎管 部分13而制成，所述直管的基礎(chǔ)材料為Cu-Ti覆層材料。因此，傳熱 管1包括第一筆直部分11、第二筆直部分12和將第一筆直部分11與 第二筆直部分12連接的彎曲部分13。附圖中的模塊100構(gòu)造成使得中 間部分為含氧氣體的擴(kuò)散區(qū)域(下文中稱為"氧擴(kuò)散區(qū)域")7，并且在 氧擴(kuò)散區(qū)域兩側(cè)上的區(qū)域?yàn)楹瑲錃怏w的擴(kuò)散區(qū)域(下文中稱為"氫擴(kuò)散 區(qū)域")6。在氧擴(kuò)散區(qū)域7與氫擴(kuò)散區(qū)域6之間設(shè)置密封部分5a，并 且在氫擴(kuò)散區(qū)域6與加熱/冷卻介質(zhì)擴(kuò)散區(qū)域(下文中也稱為"水?dāng)U散區(qū) 域")之間設(shè)置密封部分5b。因此，根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的模塊100 能夠通過(guò)僅僅使傳熱管1的入口 14和出口 15穿過(guò)密封部分5b而簡(jiǎn)化 密封部分的結(jié)構(gòu)。
相反，圖4中所示的所述模塊900包括筆直傳熱管10和設(shè)置在傳 熱管10的外表面上的MEA2。與圖3中所示模塊100相類似，圖4中 的模塊900構(gòu)造成使得中間部分為氧擴(kuò)散區(qū)域7，在氧擴(kuò)散區(qū)域7兩側(cè) 上的區(qū)域?yàn)闅鋽U(kuò)散區(qū)域6，在氧擴(kuò)散區(qū)域7與氫擴(kuò)散區(qū)域6之間設(shè)置密 封部分5a，并且在氫擴(kuò)散區(qū)域7與水?dāng)U散區(qū)域8之間設(shè)置密封部分95b 和95b。在所述模塊900中，當(dāng)傳熱管10的數(shù)目為"t"時(shí)，傳熱管IO 穿過(guò)每個(gè)密封部分95b的位置的數(shù)目也為"t"，這使密封結(jié)構(gòu)變復(fù)雜， 并且易于使密封不太可靠。
如圖3和圖4中所示，根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的模塊100的傳熱管1沿反復(fù)的S形來(lái)回纏繞形成，這既增加了傳熱管1穿過(guò)密封部分 5b的位置之間的距離，又減少了那些位置的數(shù)目，從而提高了密封的 可靠性。另外，根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的模塊100還避免了在模塊的 兩端上設(shè)置加熱/冷卻介質(zhì)擴(kuò)散區(qū)域的需要，這減少了密封部分的數(shù)目， 并且使模塊能夠制得更小，以及提高了模塊100的輸出密度。
在前面的描述中，傳熱管的入口和出口相對(duì)于沿MEA的軸向方向 的中心位于同一側(cè)。但是，本發(fā)明模塊中的傳熱管不限于該結(jié)構(gòu)?？?選地，傳熱管的入口和出口相對(duì)于沿MEA的軸向方向的中心可位于相 對(duì)側(cè)上。然而，相對(duì)于沿MEA的軸向方向的中心將傳熱管的入口和出 口定位于同一側(cè)使得其更容易制得更小。
同樣，在上述模塊100中，傳熱管1包括布置在水平面上的第一 筆直部分11、第二筆直部分12和彎曲部分13。但是，本發(fā)明模塊中 的傳熱管不限于該結(jié)構(gòu)。圖5示出了本發(fā)明模塊內(nèi)的傳熱管可如何布 置的另一實(shí)施例。
圖5為示意性示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的模塊的一部分的透視 圖。圖5中所示模塊的與圖1中相同的構(gòu)成元件由圖1中使用的相同 的附圖標(biāo)記表示，并省略那些元件描述。
如圖5中所示，根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的模塊200包括傳熱管la、 形成在傳熱管la外側(cè)上的MEA2、布置成接觸每個(gè)MEA2的外部集電 器(未示出)、和布置成接觸傳熱管la的彎曲部分13a的集電器(也未示 出)。如圖中所示，根據(jù)該第二實(shí)施例的傳熱管la使得第一筆直部分 11、第二筆直部分12、和將第一筆直部分11與第二筆直部分12連接 的彎曲部分13a形成為大致圓柱形的形狀，并且傳熱管la的入口 14 和出口 15彼此相鄰。在該實(shí)施例中，傳熱管la還用作內(nèi)部集電器， 并且通過(guò)彎曲單根直管以形成彎曲部分13a而制成，其中所述直管的 基礎(chǔ)材料為Cu-Ti覆層材料。在傳熱管1的外表面上形成反應(yīng)氣體流動(dòng)通道16用于在MEA2內(nèi)擴(kuò)散反應(yīng)氣體。在傳熱管la內(nèi)還形成有孔17， 加熱/冷卻介質(zhì)例如水流過(guò)該孔17。
因此，根據(jù)該第二實(shí)施例的模塊200通過(guò)使傳熱管la的入口 14 和出口 15彼此相鄰而能夠簡(jiǎn)化密封的結(jié)構(gòu)。
此外，在根據(jù)第二實(shí)施例的該模塊200中，傳熱管la形成為大致 圓柱形，這提高了模塊整體的強(qiáng)度，并且使得模塊更加易于持握。另 一方面，對(duì)于根據(jù)第一實(shí)施例的模塊IOO，傳熱管l布置在水平面上， 這使得易于確保MEA2之間的空間。同樣在該情形中，在中間不具有 如同傳熱管la形成為大致圓柱形時(shí)那樣的空間，這使得更加易于提高 輸出密度。因此，從提高輸出密度的觀點(diǎn)來(lái)看，根據(jù)第一實(shí)施例的模 塊100是優(yōu)選的。另一方面，從使得模塊更加易于持握的觀點(diǎn)來(lái)看， 根據(jù)第二實(shí)施例的模塊200是優(yōu)選的。
為了使根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的模塊的結(jié)構(gòu)更加容易理解，省略圖1 至5中布置成接觸彎曲部分的集電器。雖然沒(méi)有示出，但在根據(jù)本發(fā) 明的實(shí)施例的模塊中設(shè)置該集電器，以提高沿與MEA的軸向方向相交 叉的方向的能量收集效率。圖6示意性地示出了設(shè)有布置成接觸彎曲 部分的集電器的模塊。
圖6為示意性示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的模塊的例子的透視 圖。圖中，本發(fā)明的模塊100設(shè)有集電器3，其在傳熱管1的入口 14 和出口 15所在一側(cè)的相對(duì)側(cè)上接觸彎曲部分13。因此，根據(jù)本發(fā)明該 實(shí)施例的模塊設(shè)有接觸傳熱管的彎曲部分的集電器，這提高了沿與 MEA的軸向方向相交叉的方向的能量收集效率。順便提及的是，圖6 中所示實(shí)施例為其中集電器3布置成在傳熱管1的入口 14和出口 15 所在一側(cè)的相對(duì)側(cè)上接觸彎曲部分13的實(shí)例。但是，本發(fā)明不限于該 結(jié)構(gòu)?？蛇x地，集電器可布置成在與傳熱管的入口和出口所在一側(cè)的 同一側(cè)上接觸彎曲部分，或者第一集電器可布置成在一側(cè)上接觸彎曲部分，并且第二集電器可布置成在另一側(cè)上接觸彎曲部分。對(duì)于這些 結(jié)構(gòu)，從進(jìn)一步提高能量收集效率的觀點(diǎn)來(lái)看，其中設(shè)置第一集電器 和第二集電器的結(jié)構(gòu)是優(yōu)選的。
在前面的描述中，向MEA的內(nèi)側(cè)供給氫，并且向MEA的外側(cè)供 給空氣(氧)，但本發(fā)明不限于此。相反地，可向MEA的內(nèi)側(cè)供給空氣， 并且向MEA的外側(cè)供給氫。
圖7示出了用于制造根據(jù)本發(fā)明上述實(shí)施例的管狀燃料電池模塊 的方法的簡(jiǎn)例。本發(fā)明的模塊也可設(shè)有只用于加熱或冷卻MEA的傳熱 管，但通過(guò)減少組成部件的數(shù)目使得模塊更加容易更小，所述傳熱管 優(yōu)選還用作上述的內(nèi)部集電器。因此，將描述設(shè)有還用作內(nèi)部集電器 的傳熱管的模塊的制造過(guò)程的實(shí)例。另外，在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的制 造方法中，可設(shè)想兩種方法，用于在傳熱管的筆直部分的表面上形成 MEA，同時(shí)使傳熱管的彎曲部分的表面不被覆蓋，例如如圖1中所示。 這些方法為(l)一種方法，只在需要覆有MEA的那些表面上形成 MEA，并且在不需覆有MEA的表面(即，無(wú)MEA部分)上不形成MEA; (2)—種方法，在整個(gè)傳熱管的外表面上形成MEA，然后從無(wú)MEA部 分去除MEA。第二方法(2)的具體例子(2a)是，首先在無(wú)MEA部分上 布置遮蔽構(gòu)件，其后形成MEA，然后在形成MEA之后去除遮蔽構(gòu)件(連 同形成在其上的MEA)。下面，詳細(xì)描述方法(2a)，而只描述其它方法 的概述。下文中，將使用圖1至3中的附圖標(biāo)記描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施 例的管狀燃料電池模塊的制造方法。當(dāng)傳熱管還用作內(nèi)部集電器時(shí)， 傳熱管的接觸加熱/冷卻介質(zhì)的表面(例如，內(nèi)表面)可覆有絕緣材料， 以防止電泄漏等。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的管狀燃料電池的制造方法，首先準(zhǔn)備具有孔 17和槽16的筆直傳熱管，然后在傳熱管外表面上形成MEA2。 MEA2 的電解質(zhì)薄膜22的構(gòu)成材料可以是例如含氟離子交換樹(shù)脂。內(nèi)側(cè)催化 劑層21和外側(cè)催化劑層23的構(gòu)成材料可以是例如含氟交換樹(shù)脂與碳基鉬的混合物。
為在筆直傳熱管的外表面上形成MEA2，例如，在傳熱管的無(wú)MEA 部分(即，對(duì)應(yīng)于彎曲部分13及靠近傳熱管的入口 14和出口 15的區(qū)域 的部分)的外表面上布置遮蔽構(gòu)件(步驟Sl;遮蔽過(guò)程)。然后，例如，
通過(guò)涂敷催化劑涂料，然后使所述催化劑涂料變干，從而在傳熱管的
外表面上形成內(nèi)側(cè)催化劑層21，其中所述傳熱管的外表面的一部分上
覆有遮蔽構(gòu)件，在所述催化劑涂料中催化劑例如碳基鉑散布在含有含 氟離子交換樹(shù)脂等的溶液中，所述含氟離子交換樹(shù)脂使用有機(jī)溶劑溶
解。然后，通過(guò)向內(nèi)側(cè)催化劑層21的表面涂敷含氟離子交換樹(shù)脂等(下 文中稱為"電解質(zhì)組分")并且使該電解質(zhì)組分變干，從而形成電解質(zhì) 薄膜22，其中該含氟離子交換樹(shù)脂已經(jīng)使用有機(jī)溶劑溶解。然后，通 過(guò)向電解質(zhì)薄膜22的表面涂敷催化劑涂料并使其變干，從而形成外側(cè) 催化劑層23，這樣，導(dǎo)致了形成于傳熱管的外表面上的MEA2(步驟S2; MEA形成過(guò)程)。
這樣，在筆直傳熱管的外表面上形成MEA2之后，在其中在步驟 Sl中布置遮蔽構(gòu)件的、與彎曲部分對(duì)應(yīng)的部分處，通過(guò)依次彎曲那些 部分形成彎曲部分13(步驟S3;彎曲部分形成過(guò)程)。然后，在步驟S3 之后，通過(guò)去除遮蔽構(gòu)件從而去除形成在無(wú)MEA部分的外表面上的 MEA2，形成圖1中所示模塊100(下文中也稱為"彎曲體")(步驟S4; 去除過(guò)程)。在這步中形成彎曲體之后，形成將氫與空氣(氧)分開(kāi)的密 封部分5a，并且環(huán)繞傳熱管的入口 14和出口 15形成密封部分5b(步驟 S5;密封部分形成過(guò)程)。在步驟S5完成之后，通過(guò)例如將設(shè)有在步 驟Sl至S5中制造的密封部分的彎曲體放入預(yù)定的殼體內(nèi)的過(guò)程，從 而制造本發(fā)明的模塊。因?yàn)橥ㄟ^(guò)這些步驟制造的模塊100設(shè)有S形的 傳熱管l，所以可減少密封部分的數(shù)目。因此，本發(fā)明的該實(shí)施例能夠 提高具有改善密封可靠性的管狀燃料電池模塊的制造方法。
至此，方法(2a)描述為本發(fā)明實(shí)施例的制造方法，但是本發(fā)明的制造方法不限于該方法。只在需要覆有MEA的表面上形成MEA而在不 需要覆有MEA的表面上不形成MEA的方法(S卩，上面的方法(l))的一 個(gè)具體實(shí)施例是，間歇地向筆直傳熱管的外表面涂敷催化劑涂料和電 解質(zhì)組分，同時(shí)避免無(wú)MEA部分(即，間歇涂敷)。同樣，首先在整個(gè) 傳熱管的外表面上形成MEA，然后從無(wú)MEA部分去除MEA的方法 (即，上面的方法(2))的其它具體實(shí)施例包括，只將無(wú)MEA部分浸泡在 溶液中，以從那些部分溶解掉和去除MEA，或者只將激光束集中在無(wú) MEA部分上，以從那些部分熔化和去除MEA。另外，上面方法(2)的 另一具體實(shí)施例是預(yù)先對(duì)無(wú)MEA部分進(jìn)行防水處理，該防水處理使得 MEA難以形成，然后通過(guò)使用高壓等清洗他們以去除那些部分處的 MEA。當(dāng)這里使用間歇涂敷方法時(shí)，可預(yù)先將遮蔽構(gòu)件涂敷到無(wú)MEA 部分上，然后在間歇涂敷之后去除。
當(dāng)在本發(fā)明的制造方法中使用遮蔽構(gòu)件時(shí)，只要它們阻止催化劑 涂料和電解質(zhì)組分粘附到熱導(dǎo)管的外表面上，就不特別限制遮蔽構(gòu)件 的材料和遮蔽的方式。遮蔽構(gòu)件由其制作的材料的具體實(shí)施例包括聚 乙烯樹(shù)脂、聚丙烯樹(shù)脂、和兩者的混合物。
在上述實(shí)施例中，給出一個(gè)例子，其中MEA形成在具有孔和槽的 傳熱管的外側(cè)上，并且所述MEA包括中空內(nèi)側(cè)催化劑層、中空電解質(zhì) 薄膜、以及與傳熱管軸心大致相同的中空外側(cè)催化劑層。但是，本發(fā) 明的模塊不限于此。也就是說(shuō)，本發(fā)明的模塊可選地可包括彎曲體， 其中，例如，由線材形成的多個(gè)內(nèi)部集電器布置成接觸以反復(fù)S形形 成的傳熱管的筆直部分的外表面，其上形成有內(nèi)側(cè)催化劑層的多個(gè)線 材布置(設(shè)置)在內(nèi)連接器的外側(cè)上，并以在線材的具有內(nèi)側(cè)催化劑層的 外側(cè)上順序形成電解質(zhì)薄膜和外側(cè)催化劑層。通過(guò)該結(jié)構(gòu)，只要傳熱 管為S形，那么就可減少密封部分的數(shù)目，使得既能提供具有改善的 密封可靠性的管狀燃料電池模塊，又能提供該管狀燃料電池模塊的制 造方法。圖8為示意性地示出根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的管狀燃料電池模塊 的一部分的外視圖。如圖中所示，根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的模塊300
包括多個(gè)管狀燃料電池單元31、和布置成接觸所述多個(gè)管狀燃料電池 單元31的外周表面的傳熱管32。所述傳熱管32通過(guò)彎曲單根直管形 成彎曲部分32c而形成，所以包括第一筆直部分32a、第二筆直部分32b、 及將第一筆直部分32a與第二筆直部分32b連接的彎曲部分32c，其中 所述直管的基礎(chǔ)材料為鉛-鈦覆層材料。傳熱管32的入口 32x和出口 32y位于附圖的上側(cè)，并形成為使得其開(kāi)口的方向與第一筆直部分32a 和第二筆直部分32b的軸向方向成卯度。根據(jù)第三實(shí)施例的傳熱管31 還用作外部集電器。
因此，在根據(jù)該實(shí)施例的模塊300中，傳熱管32的入口 32x和出 口 32y都位于附圖的上側(cè)。結(jié)果，在反應(yīng)氣體與流過(guò)傳熱管32(將在后 面描述)的加熱/冷卻介質(zhì)之間提供密封的密封部分只需形成在管狀電 池31處于圖中上側(cè)的端部處，這使得能夠簡(jiǎn)化密封結(jié)構(gòu)。此外，因?yàn)?傳熱管32的入口和出口只限于入口 32x和出口 32y，所以設(shè)在加熱/冷 卻介質(zhì)與反應(yīng)氣體擴(kuò)散區(qū)域之間的密封部分只需布置在入口 32x和出 口32y附近，從而能夠更加地簡(jiǎn)化密封結(jié)構(gòu)。另外，傳熱管32的入口 32x和出口 32y都面向外側(cè)，所以入口 32x和出口 32y的開(kāi)口方向與管 狀電池31的軸向方向交叉。結(jié)果，可形成在加熱/冷卻介質(zhì)與反應(yīng)氣體 之間提供密封的密封部分，使得密封部分的垂線沿著不同于管狀電池 31的軸向方向的方向延伸，這能夠減少沿管狀電池31的軸向方向形成 的密封部分的數(shù)目。以這種方式簡(jiǎn)化密封結(jié)構(gòu)提高了模塊300中密封 的可靠性。
圖9A和圖9B為分別示意性地示出根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的模塊 中的密封部分和所述模塊中密封部分的結(jié)構(gòu)實(shí)例的截面圖。圖9A示出 了根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的模塊中設(shè)置的僅一部分密封部分(密封部 件)、管狀電池和傳熱管的放大圖。圖中，傳熱管示出為具有三個(gè)彎曲 部分，但是本發(fā)明模塊中設(shè)置的傳熱管不限于該結(jié)構(gòu)。另一方面，圖9B示出了所述模塊的結(jié)構(gòu)以及所述模塊的密封部分的結(jié)構(gòu)，其中所述
模塊設(shè)有數(shù)目與圖9A中所示傳熱管的筆直部分的數(shù)目相同的筆直傳 熱管。在圖9A和9B中，模塊的與圖8中所示相同的那些組成元件由 與圖8相同的附圖標(biāo)記表示，并省略其描述。同樣，在圖9A和9B中， 省略了用于氫、空氣(氧)和水的進(jìn)口和出口，并且著重示出了氫擴(kuò)散區(qū) 域與空氣(氧)擴(kuò)散區(qū)域之間，即反應(yīng)氣體擴(kuò)散區(qū)域和圍繞傳熱管布置的 密封部分之間設(shè)置的密封部分。圖9A和圖9B中的直線箭頭指向傳熱 管內(nèi)加熱/冷卻介質(zhì)流動(dòng)的方向。
如圖9A中所示，根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的模塊300包括傳熱管 32和布置在傳熱管32的外周表面上的多個(gè)管狀電池31。所述傳熱管 32通過(guò)彎曲單根直管形成彎曲部分32c而形成，其中所述直管的基礎(chǔ) 材料為Cu-Ti覆層材料。因此，傳熱管32包括第一筆直部分32a、第 二筆直部分32b、及將第一筆直部分32a與第二筆直部分32b連接的彎 曲部分32c。圖中的模塊300構(gòu)造成中間部分為氧擴(kuò)散區(qū)域37，并且 兩端部分為氫擴(kuò)散區(qū)域36。在氧擴(kuò)散區(qū)域37與每個(gè)氫擴(kuò)散區(qū)域36之 間設(shè)置密封部分35a，并且繞著傳熱管32的入口 32x和出口 32y形成 密封部分35b。因此，第三實(shí)施例的模塊300使得能夠通過(guò)僅在傳熱管 32的入口 32x和出口 32y處繞著傳熱管32形成密封部分35b密封氫擴(kuò) 散區(qū)域。
相反，圖9B中所示所述模塊90包括筆直傳熱管33和布置在傳熱 管33的外周表面上的管狀電池31。與圖9A中所示的模塊300相類似， 圖9B中的模塊90構(gòu)造成中間部分為氧擴(kuò)散區(qū)域37，兩端部分為氫擴(kuò) 散區(qū)域36，在氧擴(kuò)散區(qū)域37與兩個(gè)氫擴(kuò)散區(qū)域36之間布置密封部分 35a,在氫擴(kuò)散區(qū)域36內(nèi)繞著傳熱管33布置密封部分395b。在所述模 塊90中，當(dāng)傳熱管33的數(shù)目為"t"時(shí)，傳熱管33穿過(guò)兩個(gè)密封部分 395b的位置的數(shù)目必為"2t"，所以傳熱管33穿過(guò)兩個(gè)密封部分395b 的位置的數(shù)目依據(jù)傳熱管33的數(shù)目增加。如圖9A和9B中所示，根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的模塊300的傳熱 管32以反復(fù)S形來(lái)回纏繞而成，這減少了傳熱管32穿過(guò)密封部分35b 的位置的數(shù)目，從而提高了密封的可靠性，并使模塊300能夠制得更 小，并且提高模塊300的輸出密度。
在上面第三實(shí)施例中，傳熱管的入口和出口相對(duì)于沿管狀電池的 軸向方向的中心位于同一側(cè)。但是，本發(fā)明的模塊中的傳熱管不限于 該結(jié)構(gòu)。可選地，傳熱管的入口和出口可相對(duì)于沿管狀電池的軸向方 向的中心位于相對(duì)側(cè)。然而，相對(duì)于沿管狀電池的軸向方向的中心將 傳熱管的入口和出口定位于同一側(cè)使得更容易將設(shè)在一個(gè)模塊中的傳 熱管的入口與設(shè)在另一模塊中的傳熱管的出口相連接。
同樣，在第三實(shí)施例中，傳熱管形成為使得第一筆直部分、第二 筆直部分和彎曲部分位于水平面內(nèi)，并且當(dāng)從所述水平面的上方觀看 時(shí)，傳熱管的入口和出口形成為面向傳熱管的第一和第二筆直部分的 在與軸向方向相交的方向上(即，更具體地，在與其軸向方向大致垂直 的方向上)的外側(cè)(見(jiàn)圖8、 9A和9B)。但是，傳熱管不限于該結(jié)構(gòu)。圖 IO示出了本發(fā)明的模塊中的傳熱管如何布置的另一實(shí)施例。
圖10為示意性地示出根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的模塊的密封部分 的示例結(jié)構(gòu)的截面圖。該圖僅放大地示出了一部分的密封部分、管狀 電池和傳熱管。對(duì)應(yīng)于圖9A的圖IO將傳熱管示出為具有三個(gè)彎曲部 分，但設(shè)在本發(fā)明的模塊內(nèi)的傳熱管不限于該結(jié)構(gòu)。在圖10中，模塊 的與圖9A中所示的相同的那些組成元件由與圖9A中相同的附圖標(biāo)記 表示，并省略其描述。同樣，在圖10中，省略了用于氫、空氣和水的 進(jìn)口和出口，并且著重示出布置在在氫擴(kuò)散區(qū)域與空氣(氧)擴(kuò)散區(qū)域之 間的密封部分，以及繞著傳熱管設(shè)置的密封部分。圖10中的直線箭頭 指向傳熱管內(nèi)加熱/冷卻介質(zhì)流動(dòng)的方向。
如圖10中所示，根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的模塊400包括傳熱管32'和布置在傳熱管32'的外周表面上的多個(gè)管狀電池31。所述傳熱管 32'通過(guò)彎曲單根直管形成彎曲部分32c而形成，因此包括第一筆直部 分32a、第二筆直部分32b、及將第一筆直部分32a與第二筆直部分32b 連接的彎曲部分32c，其中所述直管的基礎(chǔ)材料為Cu-Ti覆層材料。圖 中的模塊400構(gòu)造成中間部分為氧擴(kuò)散區(qū)域37，并且兩端部分為氫擴(kuò) 散區(qū)域36。在氧擴(kuò)散區(qū)域37與每個(gè)氫擴(kuò)散區(qū)域36之間設(shè)置密封部分 35a，并且繞著傳熱管32，的入口 32x和出口 32y形成密封部分35b，。 因此，即使在模塊400中，其中傳熱管32，的入口 32x和出口 32y開(kāi)口 的方向與第一筆直部分32a和第二筆直部分32b的軸向方向相同，傳 熱管32'的入口 32x與出口 32y之間的密封部分35b'的長(zhǎng)度也能夠比傳 統(tǒng)的要大。結(jié)果，可減少傳熱管32'穿過(guò)密封部分35b'的位置的數(shù)目， 所以可簡(jiǎn)化密封結(jié)構(gòu)。也就是說(shuō)，根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的模塊400 的傳熱管穿過(guò)密封部分的位置比所述模塊更少，這不僅提高了密封的 可靠性，還能夠?qū)⒛K制得更小，并提高了模塊的輸出密度。
圖11示出了根據(jù)上述第三或第四實(shí)施例的模塊的制造過(guò)程的簡(jiǎn) 例。在本發(fā)明的模塊中，可提供傳熱管，所述傳熱管僅用于選擇性地 加熱和冷卻管狀電池(即，調(diào)節(jié)其溫度)，但通過(guò)減少組成部件的數(shù)目， 可使得更加容易將模塊制得更小，所提供的傳熱管還可用作外部集電 器，如上所述。當(dāng)傳熱管還這樣用作外部集電器時(shí)，傳熱管的接觸加 熱/冷卻介質(zhì)的表面(例如，內(nèi)表面)可覆有絕緣材料，以防止電泄漏。 下面，描述設(shè)有還用作外部集電器的傳熱管的模塊的制造過(guò)程的實(shí)例。
根據(jù)上述第三或第四實(shí)施例的模塊設(shè)有傳熱管和設(shè)置在傳熱管外 周表面上的多個(gè)管狀電池。因此，必須在制造模塊時(shí)制成管狀電池。 設(shè)在管狀電池中的電解質(zhì)薄膜的構(gòu)成材料可為如含氟離子交換樹(shù)脂。 同樣，催化劑層的構(gòu)成材料可為如含氟離子交換樹(shù)脂與炭基鉑的混合 物。然后，例如，通過(guò)在內(nèi)部集電器的表面上形成催化劑層來(lái)制作管 狀電池，其中，在Cu-Ti覆層材料的外周表面中形成用于允許反應(yīng)氣體 流動(dòng)的空間(例如，槽)。通過(guò)涂敷催化劑涂料，然后使催化劑涂料變干，從而形成催化劑層，所述催化劑涂料中催化劑例如碳基鉑散布在含有 含氟離子交換樹(shù)脂等的溶液中，所述含氟離子交換樹(shù)脂使用有機(jī)溶劑 溶解。然后，通過(guò)向催化劑層的表面涂敷含氟離子交換樹(shù)脂等，再使 其變干，從而形成電解質(zhì)薄膜，其中含氟離子交換樹(shù)脂等已經(jīng)使用有 機(jī)溶劑溶解。然后，通過(guò)向電解質(zhì)薄膜的表面涂敷催化劑涂料并使其 變干，從而形成催化劑層。因此，在內(nèi)部集電器的外周表面上制成包 括催化劑層、電解質(zhì)薄膜和另一催化劑層的MEA。這樣，制成了布置 在傳熱管的外周表面上的管狀電池(步驟S10;管狀電池制作過(guò)程)。
一旦通過(guò)上述方法已經(jīng)制造了管狀電池，那么，例如，在筆直傳 熱管的外周表面上以能夠形成彎曲部分的間隔布置(即，固定)多個(gè)管狀 電池(步驟S20;管狀電池布置過(guò)程)。 一旦已經(jīng)在傳熱管的外周表面上 以預(yù)定間隔布置了多個(gè)管狀電池，就通過(guò)將傳熱管在未布置管狀電池 的位置依次地彎曲而形成反復(fù)的S形(步驟S30;彎曲部分形成過(guò)程)。 然后，形成將氫與空氣(氧)分離的密封部分，同時(shí)形成傳熱管的入口和
出口附近的密封部分(步驟S40;密封部分形成過(guò)程)。在步驟S40完成 之后，可通過(guò)將根據(jù)步驟S10至S40制造的制品放入預(yù)定的殼體內(nèi)而 制造本發(fā)明的該實(shí)施例內(nèi)的模塊。
在上述實(shí)施例中，給出設(shè)有由Cu-Ti覆層材料制成的傳熱管的模 塊作為實(shí)例，但本發(fā)明的傳熱管的構(gòu)成材料不限于此。例如，在本發(fā) 明的模塊中使用的傳熱管的構(gòu)成材料可為Au或Pt等來(lái)替代Cu-Ti覆層 材料。
另外，在前面的描述中，具有第一筆直部分、第二筆直部分和彎 曲部分的傳熱管通過(guò)彎曲單根直管來(lái)形成彎曲部分而制成。但是，本 發(fā)明的傳熱管不限于此。例如，本發(fā)明的傳熱管還可通過(guò)將U形管與 直管連接來(lái)形成。盡管具有這種結(jié)構(gòu)的傳熱管也能夠減少氫擴(kuò)散區(qū)域 與加熱/冷卻介質(zhì)之間的密封部分的數(shù)目和/或傳熱管穿過(guò)密封部分的 位置的數(shù)目，但是它在制造期間還需要將直管連接到U形管的過(guò)程。因此，從提高可加工性的觀點(diǎn)來(lái)看，當(dāng)制造本發(fā)明的模塊時(shí)，優(yōu)選通 過(guò)彎曲筆直傳熱管來(lái)形成彎曲部分。流過(guò)設(shè)在本發(fā)明模塊內(nèi)的傳熱管 的加熱/冷卻介質(zhì)當(dāng)冷卻管狀電池時(shí)可為如冷卻水、乙二醇、或兩者的 混合物，并且當(dāng)加熱管狀電池時(shí)可為熱水等。
在上述第三實(shí)施例中(見(jiàn)圖8)，繞著傳熱管的每個(gè)筆直部分設(shè)置有 六個(gè)管狀電池，但是本發(fā)明不限于此。也就是說(shuō)，繞著筆直部分設(shè)置 的管狀電池的數(shù)目可為考慮了各種因素(例如，反應(yīng)氣體的擴(kuò)散性和管 狀電池的冷卻效率)時(shí)的適當(dāng)?shù)臄?shù)目。
同樣，設(shè)在本發(fā)明模塊內(nèi)的密封部分的構(gòu)成材料可為例如熱固樹(shù) 脂例如環(huán)氧樹(shù)脂，或者通過(guò)混合兩種液體變硬的粘合劑例如耐熱環(huán)氧 基雙液熱固粘合劑等。
另外，在上述實(shí)施例中，描述了一模塊，其中空氣(氧)擴(kuò)散區(qū)域布 置在管狀電池的中間部分中，并且氫擴(kuò)散區(qū)域布置在空氣擴(kuò)散區(qū)域的 兩端部分處。但是，本發(fā)明不限于此。可選地，氫擴(kuò)散區(qū)域可布置在 中間部分中，并且氧擴(kuò)散區(qū)域可布置在兩端部分處。
盡管已經(jīng)參考其具體實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā) 明不限于具體實(shí)施例或構(gòu)造。相反，本發(fā)明旨在覆蓋了各種變形和等
效的布置。另外，盡管以各種組合和結(jié)構(gòu)示出了實(shí)施例的示例性的各 種元件，但是在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍內(nèi)還可有其它組合和結(jié)構(gòu)，包括 更多的、更少的或者只有單個(gè)元件。
權(quán)利要求
1.一種管狀燃料電池模塊，所述管狀燃料電池模塊設(shè)有管狀燃料電池的管狀電池和傳熱管，選擇性地加熱和冷卻所述管狀電池的加熱/冷卻介質(zhì)流過(guò)所述傳熱管，其特征在于所述傳熱管包括第一筆直部分、第二筆直部分和彎曲部分，所述彎曲部分將所述第一筆直部分與所述第二筆直部分連接；并且所述管狀電池的至少一部分布置在所述第一筆直部分和所述第二筆直部分中的至少一個(gè)筆直部分上。
2. 如權(quán)利要求l所述的管狀燃料電池模塊，其中所述管狀電池包 括中空MEA,并且所述MEA布置在所述第一筆直部分的外周表面和所述第二筆直 部分的外周表面中的至少一個(gè)外周表面上。
3. 如權(quán)利要求2所述的管狀燃料電池模塊，其中所述傳熱管用作 內(nèi)部集電器，并且所述MEA的內(nèi)周表面接觸所述第一筆直部分的所述 外周表面和所述第二筆直部分的所述外周表面中的所述至少一個(gè)外周 表面。
4. 如權(quán)利要求l所述的管狀燃料電池模塊，其中所述第一筆直部 分和所述第二筆直部分中的至少一個(gè)筆直部分的外周表面接觸所述管 狀電池的外周表面。
5. 如權(quán)利要求4所述的管狀燃料電池模塊，其中所述傳熱管用作 外部集電器。
6. 如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的管狀燃料電池模塊，其中通 過(guò)彎曲單個(gè)傳熱管形成所述第一筆直部分、所述第二筆直部分和所述彎曲部分。
7. 如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的管狀燃料電池模塊，其中所 述傳熱管的入口和出口相對(duì)于所述管狀電池的沿軸向方向的中心位于 同一側(cè)。
8. 如權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的管狀燃料電池模塊，其中所 述管狀電池包括多個(gè)管狀電池，每個(gè)管狀電池的至少一部分布置在所述第一筆直部分和所述第二 筆直部分中的一個(gè)上，并且所述多個(gè)管狀電池中的至少一個(gè)布置在所述第一筆直部分和所述 第二筆直部分中的每一個(gè)上。
9. 如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的管狀燃料電池模塊，其中所 述第一筆直部分和所述第二筆直部分布置在水平面上，并且當(dāng)從所述 水平面上方觀看時(shí)，所述傳熱管的入口和出口形成為面向所述第一筆 直部分和所述第二筆直部分中的至少一個(gè)筆直部分的在與軸向方向相 交的方向上的外側(cè)。
10. 如權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的管狀燃料電池模塊，其中 所述第一筆直部分、所述第二筆直部分和所述彎曲部分布置在一個(gè)平 面內(nèi)，并且所述第一筆直部分與所述第二筆直部分彼此大致平行地布 置。
11. 如權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的管狀燃料電池模塊，其中 所述第一筆直部分、所述第二筆直部分和所述彎曲部分分別包括多個(gè) 第一筆直部分、多個(gè)第二筆直部分和多個(gè)彎曲部分，并且所述多個(gè)第一筆直部分、所述多個(gè)第二筆直部分和所述多個(gè)彎曲 部分形成為大體圓柱形形狀。
12. 如權(quán)利要求2或3中的一項(xiàng)所述的管狀燃料電池模塊，其中所述傳熱管包括在所述傳熱管的外表面上的反應(yīng)氣體流動(dòng)通道，用于在所述MEA內(nèi)側(cè)擴(kuò)散反應(yīng)氣體。
13. —種管狀燃料電池模塊的制造方法，所述管狀燃料電池模塊 設(shè)有至少一個(gè)中空MEA和傳熱管，選擇性地加熱和冷卻所述MEA的 加熱/冷卻介質(zhì)流過(guò)所述傳熱管，該制造方法包括在筆直管狀構(gòu)件周圍形成所述MEA;和通過(guò)彎曲所述筆直管狀構(gòu)件形成傳熱管，所述傳熱管包括第一筆 直部分、第二筆直部分和彎曲部分，所述彎曲部分將所述第一筆直部 分與所述第二筆直部分連接，其中以距離與至少所述彎曲部分的長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的間隔依次形成所述 MEA。
14. 一種管狀燃料電池模塊的制造方法，所述管狀燃料電池模塊 設(shè)有至少一個(gè)中空MEA和傳熱管，選擇性地加熱和冷卻所述MEA的 加熱/冷卻介質(zhì)流過(guò)所述傳熱管，該制造方法包括在筆直管狀構(gòu)件周圍形成所述MEA;通過(guò)彎曲所述筆直管狀構(gòu)件形成傳熱管，所述傳熱管包括第一筆 直部分、第二筆直部分和彎曲部分，所述彎曲部分將所述第一筆直部分與所述第二筆直部分連接；和去除至少在所述彎曲部分周圍形成的所述MEA。
15. 如權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的管狀燃料電池模塊，其中 所述第一筆直部分和所述第二筆直部分分別包括多個(gè)第一筆直部分和 多個(gè)第二筆直部分，所述管狀燃料電池模塊還包括在反應(yīng)氣體與所述加熱/冷卻介質(zhì)之間密封的密封部分，其中所述 傳熱管穿過(guò)所述密封部分的位置的數(shù)目小于所述多個(gè)第一筆直部分的 數(shù)目與所述多個(gè)第二筆直部分的數(shù)目的和。
16. —種管狀燃料電池模塊，包括管狀燃料電池的管狀電池；和傳熱管，選擇性地加熱和冷卻所述管狀電池的加熱/冷卻介質(zhì)流過(guò) 所述傳熱管，所述傳熱管包括第一筆直部分、第二筆直部分和彎曲部 分，所述彎曲部分將所述第一筆直部分與所述第二筆直部分連接，其 中所述管狀電池的至少一部分布置在所述第一筆直部分和所述第二 筆直部分中的至少一個(gè)筆直部分上。
17. —種管狀燃料電池模塊，包括中空MEA;和傳熱管，選擇性地加熱和冷卻所述MEA的加熱/冷卻介質(zhì)流過(guò)所 述傳熱管，所述傳熱管包括第一筆直部分、第二筆直部分和彎曲部分， 所述彎曲部分將所述第一筆直部分與所述第二筆直部分連接，其中所述MEA布置在所述第一筆直部分的外周表面和所述第二筆直 部分的外周表面中的至少一個(gè)外周表面上。
18. —種管狀燃料電池模塊，包括 管狀燃料電池的管狀電池；和傳熱管，選擇性地加熱和冷卻所述管狀電池的加熱/冷卻介質(zhì)流過(guò) 所述傳熱管，所述傳熱管包括第一筆直部分、第二筆直部分和彎曲部 分，所述彎曲部分將所述第一筆直部分與所述第二筆直部分連接，其 中所述管狀電池的外周表面接觸所述第一筆直部分和所述第二筆直 部分中的至少一個(gè)筆直部分的外周表面。
全文摘要
管狀燃料電池模塊設(shè)有管狀燃料電池的管狀電池(2)和傳熱管(1)，選擇性地加熱和冷卻所述管狀電池的加熱/冷卻介質(zhì)流過(guò)所述傳熱管。所述傳熱管包括第一筆直部分(11)、第二筆直部分(12)和彎曲部分(13)，所述彎曲部分(13)將所述第一筆直部分與所述第二筆直部分連接。所述管狀電池(2)的至少一部分布置在所述第一筆直部分(11)和所述第二筆直部分(12)中的至少一個(gè)筆直部分上。結(jié)果，提高了所述管狀燃料電池模塊的密封可靠性。
文檔編號(hào)H01M8/24GK101300710SQ200680040537
公開(kāi)日2008年11月5日 申請(qǐng)日期2006年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月10日
發(fā)明者中西治通, 今西雅弘, 村田成亮, 田村佳久 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車株式會(huì)社