專利名稱：微電池電化學(xué)裝置和組件及其制備和使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電化學(xué)微電池設(shè)備及其制備方法和使用。
背景技術(shù)：
在能量供應(yīng)及轉(zhuǎn)化設(shè)備領(lǐng)域，特別是燃料電池及其他類型電池的發(fā)展過程中，發(fā)展具有高能量輸出(大電流，高電壓)，大輸出體積比能量，大功率密度特性的設(shè)備一直是一個目標(biāo)。
電化學(xué)電池，例如原電池和燃料電池，具有結(jié)構(gòu)簡單的特性。在電池中，正負(fù)極都與電解質(zhì)接觸，但二者又相互隔開以避免電短路。通過電極中的化學(xué)反應(yīng)可將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，引起電子流動。當(dāng)外接負(fù)載時，電池可提供電能。
在電池各自的電極間使用隔離板，將多個平板型元件順序面對面地組件或(螺旋型)卷繞，可組成電池組。
燃料電池可用作電動車的電源，以及用在分布式電源產(chǎn)生的應(yīng)用中，因此人們對其越來越重視。
在燃料電池中，燃料接觸正極而氧化劑接觸負(fù)極，從而導(dǎo)致正負(fù)離子的流動。當(dāng)與負(fù)載相連時，電池輸出電流。很多因素可影響電流輸出，包括電極中的催化劑(在氫氣燃料電池中鉑是催化劑)以及燃料/氧化劑電化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)。
大多數(shù)燃料電池的單電池電壓為0.6到0.8伏。工作電壓取決于電流。電流密度增大時，電壓及電池效率降低。在高電流密度下，相當(dāng)一部分勢能轉(zhuǎn)化為熱，因此減少了電池的電能。
燃料電池可與燃料重整器一起使用，重整器將天然氣，甲醇，或其他燃料轉(zhuǎn)化為氫氣或其他燃料，提供給燃料電池用于發(fā)電。
現(xiàn)在已經(jīng)有很多種燃料電池，包括聚合物電解質(zhì)燃料電池其使用氟化磺酸高分子聚合物或相似聚合材料作為電解質(zhì)。
堿性燃料電池電解質(zhì)(如氫氧化鉀)存儲于正負(fù)電極之間的基體中，鎳，銀，金屬氧化物，尖晶石，或貴金屬可用作催化劑。
磷酸燃料電池其使用濃磷酸作為電解質(zhì)，運(yùn)行在高溫環(huán)境下。
熔融鹽燃料電池使用堿性碳酸鹽或鈉鹽/鉀鹽作為電解質(zhì)。電解質(zhì)存儲于陶質(zhì)的鋁酸鋰基體中，運(yùn)行在600到700攝氏度。堿性電解質(zhì)在高溫下為高導(dǎo)電率的熔融態(tài)。
固體氧化物燃料電池其使用金屬氧化物，例如氧化釔穩(wěn)定氧化鋯，作為電解質(zhì)，在高溫下運(yùn)行，以便于氧離子在正極(鈷-氧化鋯或鎳-氧化鋯)與負(fù)極(鍶攙雜錳酸鑭)之間傳遞。
作為一種理想的能量轉(zhuǎn)化裝置，燃料電池具有高效率和低污染的優(yōu)點(diǎn)。如果使用低熱值(LHV)的燃料，現(xiàn)有的燃料電池的能量轉(zhuǎn)化效率通常為40-50％。
燃料電池的另一個優(yōu)點(diǎn)是在恒溫過程中電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量可被再利用，以提高總體能量效率。其效率取決于燃料電池的大小。燃料電池可輸出小至幾瓦，大至兆瓦的能量。
小型的電化學(xué)微電池(電池，燃料電池，或其他電化學(xué)裝置)的發(fā)展是近年來電化學(xué)能量領(lǐng)域的一項創(chuàng)新。美國專利5916514，5928808，5989300，6004691(發(fā)明者Ray R. Eshraghi)詳述了微電池技術(shù)。在上述專利中提及的微電池具有中空纖維的結(jié)構(gòu)，其與電化學(xué)電池元件相連接。
Eshraghi的專利詳述了電化學(xué)電池的結(jié)構(gòu)，單個電池具有纖維狀結(jié)構(gòu)，其包括電極(或活性材料)，多孔薄膜分離器，電解質(zhì)，和另一電極(或活性材料)。Eshraghi的專利也描述了電池設(shè)計利用兩個相鄰的單個纖維，其中一個纖維含有一個電極(或活性材料)，薄膜分離器和電解質(zhì)，另一纖維含有另一個電極，從而形成了一個電池的正極和負(fù)極。
本發(fā)明也包含了Eshraghi微電池技術(shù)的其他進(jìn)展。


圖1-4顯示的是一個微電池組的纖維狀元件結(jié)構(gòu)的透視圖；圖5是連接微電池纖維組件的集流器或電極元件的連接器的透視圖；圖6所示為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的微電池組件，在組件的一端具有一個端子；圖7是微電池組件的剖面透視圖，展示了串聯(lián)的微電池片；圖8是一個具有層狀串聯(lián)結(jié)構(gòu)的微電池片的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是串聯(lián)排布的層狀結(jié)構(gòu)的微電池的三維示意圖；圖10所示是微電池片的密封結(jié)構(gòu)；圖11是在上表面開口的導(dǎo)槽的透視圖，其底面也可開口以構(gòu)成電化學(xué)電池的雙堆棧束構(gòu)造；圖12是一個密封于容器中的微電池纖維束的截面正視圖；圖13是圖12所示容器的側(cè)視圖；圖14是微電池片組成的雙堆棧的截面圖；
圖15顯示了雙堆棧的側(cè)視圖，由微電池裝置組成的兩個堆棧位于多孔導(dǎo)管的兩側(cè)；圖16所示的是多孔導(dǎo)管一側(cè)上的封好的纖維的透視圖；圖17所示的是把纖維放置在多孔導(dǎo)管兩側(cè)后形成的容器；圖18所示的是微電池組件組成的電化學(xué)電池裝置的側(cè)視圖；圖19所示的是將多孔進(jìn)料管用作軸以形成微電池結(jié)構(gòu)；圖20所示的是纖維狀微電池和外壁的集流器板，如圖21所示，它們能被卷起或裹在多孔管上(圖19)，最終形狀如圖22所示；圖23所示的是纖維狀微電池板，外壁的集流器板，和絕緣板(例如玻璃纖維或多孔性塑料材料)；圖24是這些板組件的透視圖，包括兩塊纖維狀微電池板和外壁集流器板；圖25是微電池組件的側(cè)視圖，它具有偏移纖維層片；圖26所示的是微電池束的截面圖；圖27是本發(fā)明的一個實施例中，串聯(lián)的微電池子束的側(cè)視圖；圖28是可用來串聯(lián)微電池束的連接器的透視圖；圖29是一個多束組件的截面圖。每一束有相應(yīng)的聯(lián)合進(jìn)料管；圖30是一個多束組件的截面圖。圖中所示的是各束串聯(lián)連接；圖31是由多個子束組成的燃料電池模塊的截面圖，圖中空白密封元件用以形成模塊的內(nèi)部空間；圖32是由多個微電池子束組成的燃料電池模塊的側(cè)面圖，模塊有一進(jìn)料管簇；圖33是本發(fā)明一個實施例中模塊的部分側(cè)視圖，進(jìn)料管伸入到含有微電池子束的模體的內(nèi)部空間中；圖34是微電池組件的截面圖，圖中顯示了如何將熱交換管/纖維分布在微電池束當(dāng)中；圖35是燃料電池模塊的解剖圖，圖中顯示了空氣/燃料通道和熱交換通道分布在子束之間；圖36是微電池束的剖面圖，其中中空纖維管用來作為外壁的電極，同時用來進(jìn)行熱交換；
圖37是用中空纖維作熱交換元件/集流器的燃料電池的剖面?zhèn)纫晥D；圖38是利用集流器的傳熱性進(jìn)行熱交換的燃料電池模塊的剖面圖；圖39是本發(fā)明的一種設(shè)計的燃料電池系統(tǒng)的簡圖；圖40是一個具有雙層膜設(shè)計的微電池的截面圖，其陰極元件或陽極元件是具有導(dǎo)電性的滲透選擇膜；圖41是具有雙層膜分離器的微電池的截面圖，雙層膜分離器具有滲透選擇以保護(hù)微電池的陰極或陽極元件；圖42是雙分離器設(shè)計的截面圖，微電池的陰極和陽極都裝有滲透選擇膜；圖43是具有雙層膜分離器的微電池的截面圖，其陰極和陽極都裝有滲透選擇膜，內(nèi)部的分離器多孔且具有導(dǎo)電性；圖44是具有雙層膜分離器的微電池的截面圖，其陰極和陽極都裝有滲透選擇膜，內(nèi)部的分離器的內(nèi)壁覆蓋有重整催化劑；圖45是溶液浸泡系統(tǒng)的流程簡圖，用以將NAFION或電催化劑浸泡入薄膜纖維中；圖46是一外表面具有聚合物涂層的金屬纖維的正視圖；圖47是圖46中纖維經(jīng)高溫?zé)峤夂笏玫降南鄳?yīng)的金屬纖維，其外表面覆蓋有一層熱解后形成的碳涂層；圖48顯示的是碳纖維集流器以及與之并排具有涂層的金屬纖維；圖49顯示的是圖48中的具有涂層的金屬纖維斷裂后纖維的組件；圖50是中空纖維和微電池管束的截面圖，中空纖維薄膜在這里用來將水從組件中導(dǎo)出；圖51顯示的是垂直向上伸展的微電池束，其可將水從模塊中排出，然后從下部的壓力通風(fēng)部分排除；
具體實施例方式
本文引用了Eshraghi的美國專利5,916,514，5,928,808，5,989,300，以及6,004,691。
本文所述的“微電池”(microcell)一詞是指一種電化學(xué)電池能量產(chǎn)生或轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)。其包括一含有電解質(zhì)的多孔性薄膜分離器。多孔性薄膜分離器與導(dǎo)電纖維接觸。導(dǎo)電纖維與電催化劑相連或?qū)щ娎w維外涂上電催化劑，形成電池的正負(fù)極。
盡管下面主要闡述本發(fā)明在燃料電池的應(yīng)用，其也適用于電池或其他類型的電化學(xué)電池裝置。
電池與燃料電池的區(qū)別在于電池中的(電極)活性物質(zhì)存貯于電池中，而燃料電池中則由外部提供活性物質(zhì)。
因此，當(dāng)用于電池時微電池中的纖維并不一定是空心的，其可簡化模塊組件中的纖維束。微電池用于燃料電池時在結(jié)構(gòu)及操作上均不同于電池中的微電池。
微電池可包含一個內(nèi)部電極活性元件，一個與內(nèi)電極活性材料接觸的微孔薄膜分離器，和一個外部電極活性元件。電解質(zhì)存在于微孔薄膜分離器孔內(nèi)。內(nèi)外電極活性元件至少包括下面所述元件中的一件電極，集流器，和電催化劑。
微電池也可以具有下列結(jié)構(gòu)微孔薄膜分離器包覆的纖維狀的內(nèi)電極，電催化劑涂覆在薄膜的內(nèi)外表面形成電極，其與導(dǎo)電材料接觸，電解質(zhì)存在于微孔薄膜分離器的孔內(nèi)。
當(dāng)用于燃料電池時，微電池的中空纖維的內(nèi)腔是氣態(tài)或液態(tài)反應(yīng)物(燃料或氧化劑)的流動通道。取決于具體的應(yīng)用，微電池可適用很多種電解質(zhì)。
微電池的所有部件最好在單一的纖維上制成。微電池的長度不限，但長度與直徑之比應(yīng)遠(yuǎn)大于1，并且應(yīng)適于制備微電池組。這些微電池組或很多微電池組，可采用與管狀熱交換器相似的結(jié)構(gòu)組成燃料電池模塊。
當(dāng)微電池元件以單元方式組成束狀的多組電池模塊，其結(jié)構(gòu)緊湊，具備高密度能量輸出特性，因而可減小束狀模塊構(gòu)成的燃料電池及其電化學(xué)設(shè)備所需的體積。
本發(fā)明所述的微電池裝置也可由被微孔薄膜分離器包覆的內(nèi)電極(或多個集流器纖維)來制備，內(nèi)電極的電催化劑涂覆或浸漬薄膜的內(nèi)壁(或涂覆在內(nèi)部的集流器纖維上)。
用含催化劑的溶液浸漬薄膜，或在薄膜擠出過程中讓催化劑糊狀物通過薄膜分離器的內(nèi)腔，可將催化劑涂在薄膜上。
涂覆催化劑在集流器表面可形成多孔性薄膜/電極組件。涂覆催化劑可在擠壓成型中完成，也可將鍍液或金屬催化劑的糊狀物涂覆在集流器纖維上。
在組成燃料電池堆?；蚰K時，微電池纖維被捆綁成束，并確保其內(nèi)部與外表面不接觸。在大型的燃料電池中，微電池可捆綁在多孔的柱子上，其可用作氣體的輸入裝置。
本發(fā)明提及的用于燃料電池或其他電化學(xué)電池的微孔薄膜分離器可采用適宜的方法進(jìn)行電解質(zhì)浸漬。當(dāng)使用浸漬方法時，傾向于使用溶液浸漬。
多孔性薄膜分離器可具有多種類型及結(jié)構(gòu)，依特定的燃料電池及電化學(xué)電池而進(jìn)行制備。例如當(dāng)用聚合物電解質(zhì)燃料電池時，傾向于使用具有非對稱性，通道狀的孔狀結(jié)構(gòu)，其有利于離子交換聚合物與相鄰的電催化劑層的接觸。泡沫狀結(jié)構(gòu)的多孔性薄膜分離器更適合于酸性及堿性電池。薄膜分離器的構(gòu)造及組成可由適當(dāng)?shù)膶嶒瀬磉x擇。
基于本發(fā)明的微電池組成的燃料電池，只需單一極板，而不需雙極流動板。由于電池和集流器都是纖維狀的，可同時達(dá)到小體積和高表面積。并行連接的束狀電池組(電流是各個電池組電流之和)可在單位體積內(nèi)提供高電流密度。因而微電池組可在高電壓及高效率下運(yùn)行。
各個微電池的內(nèi)電極可相互連接形成電池組的一個端子，而在纖維或微電池束的外壁的集流器可形成另一端子。當(dāng)如此構(gòu)造的電池組用于燃料電池時，燃料和氧化劑流過集束中相應(yīng)的外壁和內(nèi)腔。在單一燃料電池微電池中，電解質(zhì)進(jìn)入微孔薄膜中而形成屏蔽或分離器。取決于電解質(zhì)類型，微孔基體與電解質(zhì)可形成具有新結(jié)構(gòu)的固態(tài)基體或液/固基體。
當(dāng)含有單一纖維內(nèi)電極的微電池裝置用于燃料電池時，內(nèi)電極的尺寸應(yīng)大小適當(dāng)以確保含有電極的薄膜分離器的內(nèi)腔有足夠的空間。也可將多個纖維放入中空纖維薄膜分離器，空隙形成中空纖維的內(nèi)腔，這對于燃料電池很重要，因為這些內(nèi)腔是氧化劑或燃料(氣態(tài)或液態(tài))的流動通道。
另一電極的電催化劑和其他導(dǎo)電材料，可采用涂覆，擠壓成型，或浸漬等方法，將其置于微孔薄膜分離器的外壁。電解質(zhì)存在于薄膜分離器的微孔內(nèi)，以此方式可形成微電池結(jié)構(gòu)。
微孔薄膜分離器可選擇任何適合的材料，其可由半透的，離子交換膜，涂覆在具有滲透選擇性的或離子交換性的聚合物的外壁或內(nèi)壁上的多孔薄膜而形成。
在微電池中，內(nèi)電極或集流器在薄膜分離器內(nèi)緊密接觸，鄰近纖維內(nèi)壁，并與內(nèi)壁電解質(zhì)或電解質(zhì)/電催化劑層接觸。外電極或集流器與外壁的電解質(zhì)緊密接觸，或者，當(dāng)多個纖維狀的微電池捆綁在一起時，其與相鄰電池的電解質(zhì)/電催化劑相接。
因此，當(dāng)用于燃料電池時，微電池結(jié)構(gòu)中的內(nèi)腔應(yīng)有足夠的空間使氣態(tài)的氧化劑或燃料流動，為達(dá)到此目的，需要其他一些輔助設(shè)備，如泵，風(fēng)扇，吹風(fēng)機(jī)，壓縮機(jī)，導(dǎo)流機(jī)，或其他類似的設(shè)備。在燃料電池運(yùn)行中流動所引起的壓降很小，上述提及的流體驅(qū)動設(shè)備可滿足燃料電池的應(yīng)用需求。
將多個微電池相互并聯(lián)可以獲取在單一微電池電壓下的高電流密度。也可先將多個微電池捆綁成束，再并聯(lián)以獲取高電流。
將多個微電池相互串聯(lián)可以獲取高于單一微電池所能提供的電壓。很多方法可用來實現(xiàn)串聯(lián)，其取決于微電池組的形狀。例如可采用長方形或圓柱形結(jié)構(gòu)。
正如本發(fā)明描述的，可先將微電池并聯(lián)，以獲取所需的電流，再將這些子束串聯(lián)以獲取所需的電壓。
將多個微電池并行排列相互對齊排布在一個片上也可制成一個子束電池堆。集流器從同一端伸出，相互平行，這樣其端子在一個片上(從微電池伸出的長度大致相當(dāng))。由外集流器組成的第二層疊加在微電池的第一層上。外集流器伸出方向與內(nèi)集流器突出方向相反。外集流器向外伸出相同長度，其端部處于與電池堆相垂直的片上。
為形成上述片電池組結(jié)構(gòu)，第一個電池組中的每一個微電池相互固定以形成一個單元網(wǎng)或片。疊加在微電池上外部集流器也需要由相互編織，結(jié)網(wǎng)，或使用膠帶而相互固定為并聯(lián)組件。
必須指出片形的微電池組可由任何一種適合方法制成。層狀結(jié)構(gòu)的電池組可由編織微電池或集流纖維成平板狀，或?qū)⑺鼈兦度氩闹w活其他適合方法制成。
在微電池元件層疊加在外集流器層上后，可將該復(fù)合結(jié)構(gòu)卷繞成圓柱形，并將兩端固定以形成一個含有多個單一微電池的子束組件。
可使用固定中空纖維(如中空纖維固定過濾模板)的方法來固定上述微電池組。在固定后，電池組的一端是正極，一端是負(fù)極。一個端極是由伸出第一層的內(nèi)集流器構(gòu)成，另一個端極由在相反方向伸出的外集流器構(gòu)成。
將第一個電池組的一個端子與第二個電池組的相反的端子相聯(lián)以形成串聯(lián)結(jié)構(gòu)，在將這兩個電池組對折以使其相互平行。以此方式可將多個電池組串聯(lián)而形成圓柱型結(jié)構(gòu)。可以用與固定電池組相同的方式將這個含有多個電池組的電池堆棧的兩端固定。
以此方式制成的電池堆棧含有并聯(lián)和串聯(lián)的纖維微電池，其組成一單元結(jié)構(gòu)，可以用與殼管熱交換器相似的模式排布這些電池組。
顯而易見，為避免電池組之間短路，應(yīng)用多孔性的電絕緣材料包覆每個電池組，可用玻璃纖維或其他聚合材料來包覆電池組，電池組插入其中，或套裝材料包覆于其外。
也可以下列方式制備電池組將含有多個微電池的束狀電池捆綁在一起，并使一電池束的端子與相鄰的電池束的相反端子在同一側(cè)?？蓪㈦姵厥潭ê笤俅?lián)不同電池束的正負(fù)極以連接每個微電池，從而使整個電池束連接起來。(缺內(nèi)容，p18第二段末句)也可以下面方式固定微電池束。當(dāng)制備電池束時，在其兩端各放一個密閉的管片，每個電池束都裝入兩端開口的模套內(nèi)。這樣所有電池束的尺寸(外徑)大小相同?？捎肙型封套或其他密封元件將兩端密封，這樣就不用再密封電池子束了。根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，任何一個電池束都可從整個系統(tǒng)中裝入或移去，這樣就很容易增大或減少整個系統(tǒng)的能量產(chǎn)生容量。
也可將微電池與外集流器一層層交錯疊起，以形成長方形尺寸適中的構(gòu)造。在每一層中，微電池與外集流器可預(yù)先形成片結(jié)構(gòu)。
當(dāng)連接由纖維狀微電池和外集流器組成的每一層時，集流器與微電池應(yīng)長度相近，這樣便于連接。集流器與微電池每一層都相互錯開。纖維狀微電池的第一層(或最下一層)應(yīng)超過外集流器層的末端伸出。
因而在層狀排布的微電池的每一端都有一排由上一層或下一層組成的短端，可在此短端上固定密封整個電池組。
將第一層多孔性的電絕緣片型材料放在子層組件上，再將另一子層組件放在多孔電絕緣材料上。第二子層組件的底層與多孔電絕緣層直接接觸，并置于外集流器層上，以此排布使新子層的正極與第一子層的負(fù)極在同一側(cè)。以此方式連接直至達(dá)到所需的子層高度和電壓。集流器的正負(fù)極相互連接，然后和一導(dǎo)電棒或?qū)щ妿嗦?lián)。
在一層一層堆積子層之前，也可將相鄰層的正負(fù)極相互連接，以此方式制成電池堆棧，然后再固定密封兩端，使每一層的內(nèi)腔與外壁分開?？蓪⒚芊夂玫睦w維堆在一多孔性的導(dǎo)槽上，其可將反應(yīng)物導(dǎo)入內(nèi)腔。當(dāng)注入環(huán)氧樹脂或其他密封物使纖維形成層狀結(jié)構(gòu)時，纖維狀微電池元件與外部的集流器可相隔固定密封。密封材料的粘度應(yīng)大小適中，這樣可確保纖維微電池元件被完全潤濕而密封無泄漏。
在密封后，微電池層組成的束或棧被放入一個容器內(nèi)。這樣微電池的內(nèi)腔和外壁都不漏氣，并且相互絕緣。這樣制成的單元有著與方形殼管熱交換器相似的構(gòu)造。容器應(yīng)至少有一反應(yīng)物進(jìn)口，一反應(yīng)物出口用以移除外部用過的反應(yīng)物。
當(dāng)微電池元件具有層狀結(jié)構(gòu)時，可將其放置于兩端密封組件之間的一個多孔導(dǎo)渠上。導(dǎo)渠伸出腔室的部分是無孔的，其上具有提供微電池元件內(nèi)腔進(jìn)料的進(jìn)口或出口，或裝有提供微電池元件的外部進(jìn)料的進(jìn)口。層狀結(jié)構(gòu)的電池堆棧可放入多孔導(dǎo)渠的兩端以形成以對稱結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)后有詳述。
在本發(fā)明終，可將每個微電池組或燃料電池模塊串聯(lián)以提高總電壓。另一種提高總電壓的方法是以平行方式向?qū)ΨQ堆棧供氣，每個電池堆棧本身由很多串聯(lián)的電池束構(gòu)成。
導(dǎo)電纖維可與微電池裝置捆綁在一起，以起到外壁集流器的作用。外壁急流器或者涂覆有電催化劑的外電極可連于一共同平板以形成束狀集合物的一個端極。采用相應(yīng)方式，在微電池纖維內(nèi)腔的內(nèi)電極接于另一平板形成電池堆棧的另一端極。
在這樣一個燃料電池堆棧中，燃料或氧化劑流過纖維內(nèi)腔或外部的電極，含有電解質(zhì)的薄膜分離器可阻止燃料與氧化劑的相互混合。
在一個大的電池堆棧中，微電池先捆綁成束，形成一個較小的電池組。這些電池組再以串聯(lián)或并聯(lián)的方式連接。(小的電池組可先與平行連接的微電池組并聯(lián)，再與其他微電池組串聯(lián)；或串聯(lián)的微電池元件組成電池單元組，其再與其他元件并聯(lián)。
先制成微電池纖維結(jié)構(gòu)的子束，其再與其他子束組成燃料電池模塊。用于固定密封電池組的物質(zhì)可為任何一種適合的材料，例如環(huán)氧樹脂、尿烷、硅酮、EPDM橡膠或其他密封介質(zhì)。
在制備微電池子束時，每一端的管片可用O型封套密封。這個過程與用于最終電池堆過程類似。將微電池子束放入有孔的金屬或聚合物材料中形成電池堆。這樣制備的燃料電池膜套每一端都有一片，其孔的大小與平管電池片的外徑相仿。
如以此方式制備電池組，單元電池組可從整個模塊中加入或移除以增加或減少功率(如用作電站或電動車的能源來提供可調(diào)的能量)。如從電池堆棧中移除單元電池組，可用空白布將空隙填充。這種構(gòu)造具有能夠置換任何一個單元電池的優(yōu)點(diǎn)。單元電池可以更小的密封的電池組構(gòu)成。
圖1-4顯示的是一個微電池組的纖維狀元件結(jié)構(gòu)的透視圖。
如圖1所示，由纖維狀元件組成的平板狀電池組10由多個并肩排列的纖維狀微電池元件12組成?？墒褂盟镜尼樋p16，膠帶，膠粘，或其他固定方法制成一個單元纖維狀微電池元件平板。
在電池組10中，所有元件12的一端18應(yīng)相互橫向重合排布，即末端通常在軸向上與另一元件共同擴(kuò)張，以確保當(dāng)內(nèi)集流器14延伸出時，其處于由端子18組成的垂直片上。
電池組的另一端子20采用與端子18類似的排布方式。在與纖維微電池元件12的相對的片上，其端子在橫向延伸的垂直片上相互對齊。
以此方式，纖維狀微電池元件間片相鄰，形成一片型的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
可用針縫方式26，或膠帶，或其他固定方式將多個外集流器24并排排布在一起，形成如圖2所示的片型結(jié)構(gòu)22。在此片型結(jié)構(gòu)22中，集流器24的端子28和30相互重合，這樣處于網(wǎng)絡(luò)各末端的纖維狀集流器的端子處于該末端橫向延伸的垂直片上。
由纖維狀微電池元件12組成的片10與由纖維狀集流器元件24組成的片22相互迭加。集流器片22在微電池片10之上以形成如圖3所示的相互關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)32。
在此相互關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)32中，片10與22于縱向相互錯開，這樣片10中的內(nèi)集流器元件14可伸出超過片22的外集流器。在相反的方向上，片22的外集流器也相應(yīng)地超過片10的內(nèi)集流器14的末端。片22的外集流器與下一層的片電池組10的相關(guān)聯(lián)的纖維電池元件相接觸。
在圖4中，圖3中所示的相互關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)32是電池堆棧的底層結(jié)構(gòu)。將由平行排布的纖維狀元件38組成的第二層36迭加在結(jié)構(gòu)底層上，又在第二層上疊加由針縫方式40構(gòu)成的由外集流器48構(gòu)成的片可構(gòu)成電池堆棧。
在第二層中，纖維狀微電池元件38的端子42和44相互關(guān)聯(lián)，由外集流器48構(gòu)成的片與纖維微電池元件38構(gòu)成的片在縱向錯開。以此分布，外集流器48延伸超過纖維狀微電池元件38的端子42；纖維狀微電池元件38的內(nèi)集流器46延伸超過外集流器48的端子。
在縱向伸出的第一層與第二層的集流器相互同軸。由聚合物或纖維玻璃50組成的多孔性絕緣層可放于圖4中所示的層32和36之間。
圖5是連接微電池纖維堆棧的集流器或電極元件的連接器的透視圖。連接器52由兩個相互垂直的活動葉片54和56組成。將一組集流器或電極元件置于葉片之間，并且將葉片壓接在一起，集流器或電極元件可相互固定以形成電接觸。
圖6所示的是圖4的微電池堆棧。在圖右部的集流元件固定于連接器52，以此方式完成集流器的相互連接。
圖7是具有層狀結(jié)構(gòu)串聯(lián)的片微電池層60，62，64，和66的微電池堆棧70的剖面透視圖。底層電池單元層60含有連接在連接器72上的內(nèi)集流器，這一層的外集流器連接在連接器74上。
緊接底層的層包含連接在連接器78上的內(nèi)集流器。集流器78通過中間連接76與連接器74相接。外集流器接于連接器80。
連接器80通過中間連接82與上一層的連接器84相接。連接器84連接于上一層的內(nèi)集流器。在另一端的連接器86將此層外集流器通過中間連接88接于頂層連接器90上。
連接器90連接電池堆棧對頂層的內(nèi)集流器。電池堆棧頂層另一側(cè)的外集流器接于連接器92上。
在電池堆棧中每一層都被多孔性的絕緣層96，94，和98相互隔開。
以此構(gòu)造，圖7中所示的電池堆棧中的每一層頭尾相聯(lián)。如圖中所示的是每一個連接器的極性。
圖8是一個具有層狀串聯(lián)結(jié)構(gòu)的電池堆棧100的結(jié)構(gòu)示意圖。在電池堆棧中，電池單元層102，104被多孔性絕緣層110，104，106，112，106，108，以及114隔開。
圖9是串聯(lián)排布的層狀結(jié)構(gòu)130的微電池的三維示意圖。圖中所示底層含有一從左側(cè)伸出的內(nèi)集流器124，纖維微電池122組成的片層以及外集流器126組成的一層。如圖所示，底層被多孔性的絕緣層128與相鄰層隔開。其每一層都具有相似的結(jié)構(gòu)，最上一層130包括并行排布的三個纖維微電池元件，其他每層都依此構(gòu)造。依此方式可形成束狀的微電池結(jié)構(gòu)。
圖10所示是束狀微電池組138的固定密封排布136。在此電池組中，每一子束由各自相反的集流器元件140和142串行連接。相鄰子束由多孔性的絕緣布147隔開以避免電接觸及短路。然后用固定密封元件144和146完成在電池組138兩端的密封。
圖11是一在上表面152開口154的導(dǎo)槽150的俯視圖。其底端也可開口(未在圖11中示出)以構(gòu)成雙電池組構(gòu)造。另外兩個隔離壁156，158在兩側(cè)用于隔離電池組的位置。纖維電池元件相互堆積在開孔導(dǎo)槽上，直至達(dá)到所需電壓。流體的進(jìn)出導(dǎo)槽160連接在導(dǎo)槽150的腔體上。
由纖維組成的平板電池單元可由環(huán)氧樹脂密封固定。平板電池單元也可先集結(jié)成束，然后再密封固定。其每一端都密封固定，使開口端保持敞開。開孔導(dǎo)槽作為纖維外側(cè)的進(jìn)料口。
圖12是一個固定于容器150上的束狀微電池單元162的截面圖。電池束含有被外集流器層168及多孔性絕緣材料層170隔開的電池層164和166。電池束由元件163固定密封。
圖13是圖12所示容器的側(cè)視圖。其含有壁156，流體進(jìn)出的導(dǎo)槽160，和在面180，182上的端子連接點(diǎn)。
圖14顯示了纖維微電池組固定密封后的排布186。子束188和190在導(dǎo)槽196的兩端，可通過進(jìn)口198獲取氣體。導(dǎo)入槽的上下表面開孔。頂部的子束由元件192密封固定，而底部的子束由元件194完成密封固定。
圖15顯示了雙堆棧組成的電化學(xué)裝置200的側(cè)視圖。由微電池元素組成的兩個堆棧位于多孔導(dǎo)管的兩側(cè)。進(jìn)氣管198如圖所示。圖中所示包括連接/端子元件202，204，和206。它們是用來連接相應(yīng)的集流器的。
圖16所示的是封好的纖維狀微電池元素裝置210的透視圖。它的一面是多孔導(dǎo)管(包括進(jìn)氣口224)和隔離壁216。微纖維束的兩端，218和220，用密封物封成長方形狀。
圖17所示的是把纖維放置在多孔導(dǎo)管238兩側(cè)后形成的容器230。容器有一個中間部分232，其上有一出口242，可用來排出從微纖維外壁來的氣體。末端部分234的出口248可用來排出纖維內(nèi)腔用過的氣體。末端部分236的進(jìn)口246用來讓氣體進(jìn)入裝置中的纖維內(nèi)腔。多孔導(dǎo)管安排在容器中以讓進(jìn)氣能流入中間部分232而流過微纖維外壁。
圖18所示的是系統(tǒng)250的解剖圖。其中包括微電池束280，其兩端用密封元件266和268封住。和其接觸的O形封套270和272，用以保證容器的內(nèi)壁252不會泄漏。
裝置252有一個法蘭256用以連接末端部分258和中間部分。裝置的中間部分的內(nèi)部空間252以密封物268和末端空間278隔離，以密封物266和末端空間282隔離。進(jìn)氣口276與和末端空間278相連。廢氣出氣口284與和末端空間282相連。
廢氣出氣口264與內(nèi)部空間262相連。進(jìn)料管260連入位于內(nèi)部空間262內(nèi)的微電池束280的中間。進(jìn)料管260開有小孔以讓氣體進(jìn)入微電池束280的纖維外壁，廢氣然后從出口264排出。從進(jìn)口276進(jìn)入末端空間278的進(jìn)料流過微電池束280的纖維內(nèi)腔，進(jìn)入末端空間282，然后從出口284排出裝置252。
在末端空間282中，集流器被連接在一起形成端子292，端子292伸出到裝置252之外。在另一末端空間278內(nèi)，內(nèi)腔和外腔的集流器被連接在一起形成端子290，端子290伸出到裝置252之外。
圖19所示的是末端開口302的多孔進(jìn)料管300，其中間部分306沿管長開有小孔308。
圖20所示的是纖維狀微電池板312和集流器板314。如圖21所示，它們能被卷起裹在多孔進(jìn)料管上(圖19中的300)。最終形狀如圖22所示。
纖維狀微電池板和集流器板被交叉疊放在一起，其中一端纖維狀微電池板312的端子伸出到纖維外壁集流器板314之外，另外一端纖維外壁集流器板314的端子伸出到纖維狀微電池板之外。然后，纖維狀微電池板312和纖維外壁集流器板314被包在多孔進(jìn)料管300上，用密封物322和324封好。
圖23所示的是纖維狀微電池板332，外壁集流器板334，和絕緣板330(例如玻璃纖維或多孔性塑料材料)。圖24是板組件338，340，342，344，和346的剖視圖，包括兩塊纖維狀微電池板和纖維外壁集流器板。
圖25是微電池組件338，340，342，344，和346的側(cè)視圖，其中包括了纖維緩沖層。電絕緣板被放入在兩層纖維之間以形成電池。如圖25所示如果絕緣板兩邊的任何一塊板伸出到絕緣板邊緣之外，纖維板之間可以互相串聯(lián)起來。
圖26所示的是微電池束350的截面圖。其由正電極354分布在負(fù)電極352之中捆綁后形成。
圖27是串聯(lián)的微電池束360的側(cè)視圖。其包括微電池束362，366，370，和374，以及將之連接的連接器，364，368，和372。連接器最好很柔軟，各向能靈活轉(zhuǎn)動，能讓微電池束前后折疊。
圖28是可用來串聯(lián)微電池束的連接器376的透視圖。連接器376包括了一對可彎曲的葉狀元件378，380，其可用鉗子或類似工具彎曲以壓擠連接從微電池束伸出的集流器束。此葉狀元件是可導(dǎo)電的，它們之間用一導(dǎo)電且可活動的元件382連接，例如電線或金屬網(wǎng)，用以連接與葉狀元件378，380相連接的微電池束。
圖29是一個多束裝置390的剖面圖。多束微電池被安裝在一個管子中393，每一束391有相應(yīng)的進(jìn)料管394，每一束都用O形封套392封緊。
圖30是與圖29相同的一個多束裝置的剖面圖。圖中所示的是各束之間如何串聯(lián)，圖中的數(shù)字標(biāo)示與圖29相應(yīng)。對應(yīng)相鄰的微電池束之間用端子396，400和電線398以串聯(lián)形式相聯(lián)。
圖31是由多個微電池束組成的燃料電池模塊的截面圖，圖中數(shù)字標(biāo)示與圖29相應(yīng)。圖中，子電池束從容納模塊的管子393取出后留下的空白封上的元件402和404，能為其他電池束提供空間。
圖32是由多個微電池子束460，462，和464組成的燃料電池模塊410的側(cè)面圖。模塊有一進(jìn)料管450，模體422，中間內(nèi)空間424，和管子封口472。子束用O形封套438，474，和434封緊。
模體的末端是末端空間426和428。末端空間426內(nèi)有一分流裝置以使從進(jìn)料管450進(jìn)入的氣體能通過分流管452和支流管454，456，458流入三個子束460，462和464中的每一個子束。
子束之間互相串聯(lián)。連接線440將子束460和462連在一起，連接線442將子束462和464連在一起。如圖子束的外部可通過端子444和446再類似地相連。
模塊右邊的末端部分用法蘭430和模塊的中間部分相連。其他類型的機(jī)械固定件可同時使用以使模體的元件部分密封不漏。
模體上有一進(jìn)料口466用以讓燃料或氧化劑進(jìn)入末端空間426，從而流入子束的纖維內(nèi)腔。
模塊422的左邊部分有一出口468，可將用過的氣體排出模體的末端空間。
模體中間部分的廢氣出口470可排出模體的內(nèi)部空間424內(nèi)子束纖維外壁用過的氣體。
圖33是模塊的部分側(cè)視圖。如圖，模塊480由微電池子束494，496，489，和498組成，進(jìn)料管514伸入到模體515的內(nèi)部空間506中。子束被安裝到具有適合尺寸開口的管封層500和502中，用O形封套492固定在模體上以使之不漏。這樣，模體的內(nèi)部空間被分成中間空間506和末端空間526和528。
模塊提供了進(jìn)氣口510，廢氣口508和512。子束的纖維外壁用過的廢氣從出口508排出。氣體從進(jìn)口510進(jìn)入而流入子束的纖維內(nèi)腔，然后排入末端空間528，用過的廢氣最終從出口512排出到模塊外。
模體515內(nèi)的子束用連接線516，518，和520串聯(lián)，子束的外部可通過端子522和524再互相連接。
模塊515可從法蘭443處打開以拆下右邊的末端部分，這樣模體內(nèi)的子束就可以得到維修和更換。
這樣，此發(fā)明的微電池元件就可以很容易地互相串聯(lián)在一起。相鄰的元件(如纖維狀微電池板或子束)之間可用多孔性的電絕緣板/套使之絕緣，防止相鄰的微電池元件之間相互干擾。圖32和33中子束的數(shù)目只是一個例子，在具體的發(fā)明應(yīng)用中，依系統(tǒng)的能量，結(jié)構(gòu)，和操作參數(shù)的要求，子束的數(shù)目可以不同。
此發(fā)明中的一束或板狀的一組微電池元件可用來組裝高電壓的電化學(xué)電池。例如如果設(shè)計要求200安培的電流，一定數(shù)目的纖維狀微電池元件可并聯(lián)在一起以產(chǎn)生所需的電流。這些微電池元件的組件體可被包扎成圓筒狀的一束或形成一個多層板狀組件。微電池束中，纖維的正極部分和負(fù)極部分之間需要是電絕緣的，同時又需要互相緊密接觸在一起。微電池束或板可串聯(lián)(一個電池的正極聯(lián)到另一個電池的負(fù)極)在一起以得到所需的高電壓?；ハ啻?lián)的電池，電池束，或電池板然后可封在同一個模體形成模塊以提供高電壓電化學(xué)電池所需的電壓。熱管理當(dāng)微電池元件被捆綁或組裝在一起形成緊密結(jié)構(gòu)的電化學(xué)電池模塊組件時，此一電化學(xué)能量產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換裝置在操作中會產(chǎn)生大量的熱。
許多不同的方法可用于此發(fā)明以從微電池組中排除產(chǎn)生的熱。
一種方法是將熱交換管分布放置在微電池束，子束，或其他的微電池的組件體中。比較理想的做法是將熱交換管和纖維狀微電池元件平行安放在微電池組件中。
另一種做法是將熱交換管放置在組件的子束中間。熱交換管至少有一端要伸出到管封層之外。如專業(yè)人員所知，熱交換管的數(shù)目，尺寸，材料可以很容易地從熱交換量，燃料電池操作溫度，熱交換流體的種類，流體的流速和壓頭來決定。
為了使熱交換流體與進(jìn)入燃料電池模塊的微電池纖維內(nèi)腔的進(jìn)料不相混合，熱交換管的長度應(yīng)能伸到容納微纖維的管子之外。封好的熱交換管就能將熱交換管的內(nèi)腔與微電池中空纖維的內(nèi)腔分隔開。
最終包括有熱交換管的燃料電池模塊會有如下幾個腔體，一個腔體有一入口以讓熱交換流體從一端流入，另一腔體位于兩個密封點(diǎn)之間，即熱交換管的密封處和微電池元件的密封處之間，其上有一進(jìn)口讓進(jìn)料進(jìn)入到微電池的內(nèi)腔。相應(yīng)地在模體的另一端有另一腔體，其上有一出口以排出熱交換流體和用過的進(jìn)料。
此一發(fā)明的另一種熱管理設(shè)計是用中空的，無孔的，具有良好導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能的管子作為集流器。此種集流器可用于微電池纖維的內(nèi)腔或外腔，或者同時用于內(nèi)腔和外腔。因為集流器的末端伸到一端的管封層處，具有熱交換管的集流器可如上所述封好后即可將熱交換流體和內(nèi)腔的進(jìn)料在另一端分離。熱交換管的另一端伸到另一端的管封層處。
這種設(shè)計中，熱交換流體和內(nèi)腔的進(jìn)料會在出口處混合。但熱交換流體并沒有進(jìn)入微電池內(nèi)腔和催化劑或電解質(zhì)接觸。例如內(nèi)腔的進(jìn)料和熱交換流體可從模塊的同一方向流入，這樣內(nèi)腔的進(jìn)料和熱交換流體只會在微電池的出口處混合。
熱交換流體可在另一裝置中回收?；蛘?，可在腔體中安裝壓力通風(fēng)系統(tǒng)以回收熱交換流體。熱交換流體應(yīng)很容易和進(jìn)料分離，例如當(dāng)進(jìn)料是空氣或氫氣的時候。
另一種情況是當(dāng)內(nèi)腔的進(jìn)料和熱交換流體是相同的物質(zhì)，例如空氣。這種情況下，它們就毋須任何分離。
另一種情況是通過微電池單元的內(nèi)腔和外壁的集流器導(dǎo)熱性將熱從微電池模塊中排出。這種方法中，集流器的末端伸入到微電池模塊內(nèi)通風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)的熱交換流體里或伸入到位于纖維內(nèi)腔進(jìn)口/出口處的熱交換通道內(nèi)。在后一種情況下，熱交換通道的進(jìn)口和出口處須密封好以將之與模塊的內(nèi)部空間隔離。
如圖所示，圖34是微電池組件530的截面圖。圖中顯示了如何將熱交換管/纖維538分布在微電池束532當(dāng)中。
在所示的微電池組件中，每一微電池束都被安裝在一個具有許多合適尺寸小孔的封層536上，微電池束然后用O形封套封好以使不漏?；蛘撸㈦姵厥?32和熱交換管538可以封在一起以形成封層536。
圖35是燃料電池模塊的解剖圖，圖中顯示了空氣/燃料通道和熱交換通道。
燃料電池模塊540有一模體541，微電池組件550用密封物552和554固定在模體上，其周圍用O形封套556和558和模體的內(nèi)壁緊密相聯(lián)。這樣，模體內(nèi)密封物552和554之間部分就形成了內(nèi)部空間560。其上的排氣口586可用于排出流過微電池組件550中纖維外壁的氣體。
圖35中，燃料電池模塊還包括了封層562和578。封層562通過O形封套和模體541的內(nèi)壁相聯(lián)以密封，封層578通過O形封套580和模體541的內(nèi)壁相聯(lián)以密封。
這樣封層552和578之間形成了一個中間空間576，模體的左邊末端形成了一個末端空間。
相應(yīng)地，封層554和562之間形成了一個中間空間568，模體的右邊末端也形成了一個末端空間(見圖35)。
燃料電池模塊的右邊末端部分裝有一個冷卻液進(jìn)口582，左邊的末端部分裝有冷卻液出口590。
中間部分568裝有進(jìn)料口584，模塊另一端的中間空間576上裝有廢氣出口588。
沿微電池組550的軸向分布有許多導(dǎo)熱中空纖維管604，這些管比微電池組要長，穿過整個中間空間和封層562，578而延伸入末端空間566和565。
中心進(jìn)料管592從微電池組550中間的右邊進(jìn)入模體。管子在模體內(nèi)的部分有許多小孔，以使進(jìn)料可以進(jìn)入微電池組的微電池纖維的外壁。
集流器在中間空間568和576內(nèi)匯合形成端子600和602后，伸出到模體541之外。
模體541用法蘭570通過機(jī)械連接器與末端相聯(lián)，這樣右邊的中間空間和末端空間就可以打開以維修燃料電池模塊內(nèi)的內(nèi)部元件。
操作過程中，冷卻質(zhì)(來自外部源，未在圖35中示出)從末端空間566流入，沿軸向流過末端開放的熱交換管604而進(jìn)入相對的末端空間565，然后從出口590排出。冷卻質(zhì)可再從進(jìn)口582打入以循環(huán)使用。同時，進(jìn)料(氧化劑和燃料)進(jìn)入微電池組550中微電池的纖維外壁和內(nèi)腔而進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生能量，此能量可通過端子600和602傳輸?shù)酵怆娐贰?br> 圖36是微電池束610的剖面圖，其中中空纖維管614散布在微電池纖維管612之中，用來作為外壁的電極，同時可以導(dǎo)熱。中空纖維管可用噴涂或擠出等方式在其上制備電催化劑以作為電極之用，同時其中間有一通道可供傳熱介質(zhì)(如空氣)流過，以從微電池束中移除微電池組操作時電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量。
圖37是用中空纖維作熱交換元件的燃料電池模塊的剖面?zhèn)纫晥D。
圖中燃料電池模塊620含有一個模體625，其用法蘭624與右邊部分相聯(lián)，這樣右邊部分就能和主體部分分離以便與安裝和維修模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。模體625的密封處628和630之間含有一微電池束626，在密封處，用O形封套632和634將之與模體的內(nèi)壁封好，以使之不漏。這樣，在模體的內(nèi)壁和密封層628和630之間就形成了一個內(nèi)部空間636。
沿軸向分布的另一封層640和封層630之間形成了一個中間空間660，封層640用O形封套642與模體的內(nèi)壁封好。
組成集流器的熱交換管延伸至封層628，熱交換/集流器管與模體622的末端空間662相連。
模體內(nèi)封層640以外是另一末端空間658。
中心進(jìn)料管641從腔體一端的外壁622的中心伸入，穿入微電池束626。管子在腔體內(nèi)的部分有許多小孔，以使進(jìn)料可以進(jìn)入微電池組的微電池纖維的外壁。
腔體的右邊部分可從法蘭624處打開從而能夠進(jìn)入到模塊的內(nèi)部。
中間空間660有一進(jìn)口646以使燃料能流過電池組626，到達(dá)空間662，其上有出口648可排出用過的燃料。
腔體的中間空間636裝有出口638，可用來排出外壁用過的燃料。
腔體的末端空間658裝有進(jìn)口644可讓冷卻質(zhì)從此流進(jìn)中空纖維管單元沿軸向流到另一端的末端空間662。
這種情況下，中空纖維電極形成了中空纖維熱交換通道，這些電極匯合在一起形成了端子652和656(如圖所示)。
圖38是利用集流器的傳熱性進(jìn)行熱交換的燃料電池模塊的剖面圖。模塊700有一腔體702，其中含有微電池組704，用密封物706，O形封套710，密封物708，和O形封套712封好。它們之間形成了一個內(nèi)部空間720，其有一個出口740用以排出720中用過的進(jìn)料。
中心進(jìn)料管714從中心伸入微電池組704中。管子在腔體內(nèi)的部分有許多小孔，以使進(jìn)料可以進(jìn)入微電池組的外壁。
腔體702的末端空間724有一進(jìn)口742可讓進(jìn)料流過微電池組704的纖維內(nèi)腔到達(dá)末端空間722，從那里用過的燃料從出口732排出。
在此模塊中，末端空間724中有一熱交換器746，其與微電池組的集流器接觸而進(jìn)行熱交換。熱交換流體(未在圖38中顯示)從進(jìn)口748流入，從出口750流出并循環(huán)使用。
與此類似，另一端的末端空間722中有一熱交換器780，熱交換流從進(jìn)口728流入熱交換器780，然后從出口730流出。
集流器在兩端匯合而形成端子738和736。腔體702左邊部分用法蘭726連接從而能夠容易進(jìn)入到腔體的內(nèi)部。
圖39是此發(fā)明的一種設(shè)計的燃料電池系統(tǒng)的簡圖。
燃料電池系統(tǒng)780包含有一微電池模塊782，此模塊有一腔體784，其上裝有冷卻質(zhì)的進(jìn)口810及出口792，燃料的進(jìn)口794，氧化劑的進(jìn)口799，用過的燃料的出口786，和用過的氧化劑的出口804。排氣管道通過進(jìn)料出口786與腔體相連，其上裝有反向壓力閥788。類似地，排氣管道通過用過的氧化劑的出口804與卸料管線806相連，其上裝有反向壓力閥808。反向壓力閥788和808可用來控制燃料和氧化劑之間的電化學(xué)反應(yīng)的速率及程度。
系統(tǒng)含有燃料供應(yīng)箱798，其通過燃料進(jìn)料管796與進(jìn)料口794相連。類似地，氧化劑供應(yīng)箱902通過氧化劑進(jìn)料管800與氧化劑進(jìn)料口799相連。
系統(tǒng)裝有冷卻劑再循環(huán)系統(tǒng)，包括再循環(huán)管線816和與之相連的冷卻劑出口792，泵81 8和熱交換器820。熱交換器820用于冷卻被加熱的冷卻質(zhì)，然后將其打回到存貯箱814中，再通過進(jìn)料管線812從冷卻劑進(jìn)口810進(jìn)入。
這樣，圖39所示的系統(tǒng)在操作過程中，冷卻質(zhì)流過腔體中的中空纖維熱交換管，然后再循環(huán)回儲箱以不斷冷卻電化學(xué)氧化還原反應(yīng)。
雙層膜微電池的結(jié)構(gòu)和組件采用雙層膜的微電池結(jié)構(gòu)在此發(fā)明的某些應(yīng)用中會很有用。
一種制備雙層膜微電池結(jié)構(gòu)的方法是在微電池纖維的內(nèi)腔安放中空纖維分離器，其內(nèi)部是集流器，其外壁是電催化劑，用來作為電極。中空纖維分離器的外圍覆蓋有外中空纖維膜。外中空纖維膜的小孔中浸泡有電解質(zhì)，其外壁有電催化劑作為另一電極，從而形成雙層膜的微電池結(jié)構(gòu)。
雙層膜微電池結(jié)構(gòu)的一個優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)部的中空纖維分離器可用作一層薄膜以選擇性地讓進(jìn)料中的某些物質(zhì)(如氫氣或氧氣)通過。一種實現(xiàn)此功能的方法是在中空纖維分離器的內(nèi)壁或外壁涂上滲透選擇性材料，此材料可選擇性地讓所需氣體滲透過去而到達(dá)電極表面。這種雙層膜設(shè)計因而能減少或消除電催化劑/電解質(zhì)暴露于進(jìn)料中有毒的雜質(zhì)中?？捎米鬟x擇滲透膜的材料包括纖維素酯，聚酰亞胺，聚砜，和鈀。
另一種利用雙層膜的微電池結(jié)構(gòu)是內(nèi)部分離器的內(nèi)壁涂有或浸泡有CO-H2O低溫重整催化劑，內(nèi)部分離器的外壁涂有對陰極/陽極進(jìn)料具有選擇分離作用的材料。
另一種雙層膜微電池結(jié)構(gòu)的設(shè)計是同時在陰極和陽極涂上對氫氣或氧氣有選擇分離作用的材料。在外中空纖維膜的外壁上的保護(hù)性的選擇性滲透材料必須是導(dǎo)電的，這樣外電極集流器和外壁的電催化劑之間才能導(dǎo)電。選擇性滲透材料，如鈀，就是一個良好的選擇?；蛘?，導(dǎo)電性的選擇性滲透材料也可以只涂在陽極或陰極一邊。
另一種雙層膜設(shè)計是利用導(dǎo)電的中空纖維分離器?？捎媒饘偬沾?，炭，或石墨來形成此中空纖維分離器。在這種雙層膜設(shè)計的情況下，如果內(nèi)部中空纖維的導(dǎo)電性足夠好，內(nèi)腔可不需要集流器。
內(nèi)部及外部的中空纖維薄膜可以是任何適合的商業(yè)化的薄膜材料，例如聚丙烯，聚砜，或聚丙烯腈等。這些薄膜可以經(jīng)處理以具有滲透選擇性，例如可以選擇性地讓進(jìn)料氣中的燃料和氧化劑滲透過，讓其他的氣體及雜質(zhì)無法通過。一個具體的例子是可用溶液沉淀或電解的方法在薄膜表面鍍鈀以形成一層保護(hù)性的，氫氣能通過的保護(hù)層，而氮?dú)夂脱鯕鉄o法通過該層。詳例可見Gryaznov et a1.，“Selectivity in Catalysis by Hydrogen-Porous Membranes”，Discussions ofthe Faraday Society，no.72(1982)，pp.73-78；Gryaznov，“HydrogenPermeable Palladium Membrane Catalysts”，Platinum Metals Review，1986，30(2)，pp.68-72；and Armor，“Catalysis with PermselectiveInorganic Membranes”，Applied Catalysis，49(1989)，pp.1-25.
圖40是一個具有雙層膜的微電池900的截面圖，其陰極層和陽極層是具有導(dǎo)電性的滲透選擇膜。微電池900由以下部分組成電催化劑層912，微孔性薄膜/電解質(zhì)基體910，電催化劑908，內(nèi)層的氫氣/氧氣選擇性膜906，和在內(nèi)腔904里的集流器/電極元件902。
圖41是具有雙層膜分離器的微電池914的截面圖，雙層膜分離器具有滲透選擇膜以保護(hù)微電池的陰極或陽極層。微電池914由以下部分組成外層的電催化劑層930，微孔性薄膜/電解質(zhì)基體928，電催化劑926，集流器/電極元件922，內(nèi)層的多孔分離器920，內(nèi)層的氫氣/氧氣選擇性膜918，和內(nèi)腔916。
圖42是陰極和陽極都裝有滲透選擇膜的微電池932的截面圖。微電池932由以下部分組成外層對氫氣或氧氣具有選擇性的導(dǎo)電性的薄膜948，電催化劑層946，微孔性薄膜/電解質(zhì)基體944，電催化劑942，集流器/電極元件940，內(nèi)層的多孔分離器938，內(nèi)層的氫氣/氧氣選擇性膜936，和內(nèi)腔934。
圖43是具有雙層膜分離器的微電池950的截面圖，其陰極和陽極都裝有滲透選擇膜，內(nèi)部的分離器具有導(dǎo)電性。微電池950由以下部分組成外層對氫氣或氧氣具有選擇性的導(dǎo)電性的薄膜966，電催化劑層964，微孔性薄膜/電解質(zhì)基體962，電催化劑960，導(dǎo)電的多孔性的集流器/電極元件958，內(nèi)層的氫氣/氧氣選擇性膜956，和內(nèi)腔952。
圖44是具有雙層膜分離器的微電池970的截面圖，其陰極和陽極都裝有滲透選擇膜，內(nèi)部的分離器的內(nèi)壁覆蓋有重整催化劑。微電池970由以下部分組成外層的電催化劑層986，微孔性薄膜/電解質(zhì)基體984，電催化劑982，集流器/電極元件980，內(nèi)層的氫氣/氧氣選擇性膜978，內(nèi)部的多孔性的分離器976，CO/H2O重整催化劑974，和內(nèi)腔972。微電池的生產(chǎn)及組裝在工業(yè)化的大規(guī)模生產(chǎn)中，微電池裝置所需的大部分組件只需一個擠出步驟就能生產(chǎn)出來。大規(guī)模生產(chǎn)中的一個重要方面是要把內(nèi)電極覆蓋到微孔性的膜分離器上。
為實現(xiàn)這一目的，將一束導(dǎo)電性的纖維通過擠出模的內(nèi)腔形成管的中央。形成微孔性膜分離器主干的材料(我們稱之為“凝結(jié)”(DOPE))，圍繞內(nèi)腔形成管以連續(xù)的方式擠出到導(dǎo)電纖維束上。同時可將內(nèi)部凝結(jié)流體(例如氮?dú)鈿怏w或液體水)和內(nèi)部的纖維電極或纖維集流器一起通過內(nèi)腔形成管。
在如上操作中，微電池纖維的尺寸由擠出模開口的尺寸所決定。開口的尺寸可以在很大范圍內(nèi)變化，例如可以小到100微米甚至更小，相應(yīng)的膜厚度可以薄到幾微米。
如果在生產(chǎn)微電池中，使用電催化劑糊來制備催化劑，可將其同時從擠出模的內(nèi)腔中擠出。擠出的纖維然后浸入到冷卻槽或其他外部凝結(jié)介質(zhì)(如水)中。當(dāng)擠出的纖維通過冷卻/凝結(jié)介質(zhì)后，水溶性的孔形成物在冷卻/凝結(jié)介質(zhì)中被沖洗出來，微孔性的膜結(jié)構(gòu)圍繞著內(nèi)部電極周圍而形成。
膜分離器的孔結(jié)構(gòu)，多孔度，和孔尺寸可通過調(diào)整如下參數(shù)來精確控制凝結(jié)膜的組成，凝結(jié)介質(zhì)的類型，和擠出的操作溫度等。如專業(yè)人士所知，具體的條件可以通過一些簡單的實驗來決定。
很多材料都可用來制備多孔性的膜分離器，包括但不僅限于聚砜，聚丙烯腈，其他高溫聚合物，和玻璃/陶瓷材料。
以上所述的擠出過程可用來連續(xù)而快速地生產(chǎn)微電池元件。
具有內(nèi)電極結(jié)構(gòu)的微孔性膜分離器形成后，若將其用在聚合物電解質(zhì)燃料電池中，可將離子交換聚合物覆蓋或浸泡入其中，在其外覆蓋有電催化劑以作外電極。這種外部的覆蓋過程也可很好地用類似的擠出過程來實現(xiàn)。
圖45是溶液浸泡系統(tǒng)988的流程簡圖，用以將NAFION或電催化劑浸泡入薄膜纖維992中。薄膜纖維992從纖維卷990中由卷筒994抽出，經(jīng)過溶液浴箱996而得到浸泡。浸泡后的纖維經(jīng)由卷筒998，經(jīng)過加熱板999后，由卷繞機(jī)1000收集在一起。
此發(fā)明中的電化學(xué)電池的其他應(yīng)用還包括用來生產(chǎn)化學(xué)品。將此發(fā)明中的微電池用于化學(xué)合成有以下一些優(yōu)點(diǎn)化學(xué)合成所需要的單位體積內(nèi)的高電流密度，電極/薄膜的厚度小而形成的低內(nèi)阻，以及傳質(zhì)阻力小而帶來的高效性。
此外，依本發(fā)明而生產(chǎn)的微電池也可利用其他電源以生產(chǎn)氫氣和氧氣。電池所產(chǎn)生的氫氣可儲存起來用以發(fā)電。
一個實施例是多孔性的聚合物薄膜在微電池纖維的集流器周圍形成后，將其直接經(jīng)過一聚合物電解質(zhì)的水溶液，如5％NAFION溶液，以將聚合物電解質(zhì)浸泡入多孔性的聚合物薄膜的孔中。浸泡入孔中的聚合物電解質(zhì)的量可通過如下方法控制多孔性的聚合物薄膜在電解質(zhì)溶液中的停留時間，以及浸泡的次數(shù)(即一次或多次)。
用來浸泡電解質(zhì)的相同的生產(chǎn)線還可用在其他操作上。其中一種具體情況是可用來將微電池纖維烘干并利用含有H2PtCl6的電鍍液將電催化劑材料鉑浸泡入其中，然后讓纖維經(jīng)過還原劑溶液(如NaBH4)的浴箱，以將鉑化合物還原成鉑金屬。
此發(fā)明的連續(xù)操作技術(shù)可用來將鉑只浸泡入薄膜的外壁。薄膜的內(nèi)壁可在纖維封入管子后，將鉑的電鍍液打入纖維的內(nèi)腔而得到浸泡。
另一種情況是纖維的內(nèi)壁和外壁都在纖維封好后再浸泡。
離子交換性的NAFION電解質(zhì)溶液被浸泡入薄膜的孔中之后，具有合適尺寸的活性碳和鉑的混合物可作為電催化劑涂覆在其表面。鉑在活性碳中的比率通常占5％-10％(重量比)。由此制備的糊狀物通常由一些成分組成混有鉑的活性碳，作為聯(lián)合劑的NAFION離聚物，以及TEFLON聚四氟乙烯乳化液。糊狀物被涂覆或擠出而覆蓋在纖維的外壁之上。
許多不同的方法可用來將糊狀物涂覆在纖維的內(nèi)壁上。一種方法是在把多孔性的膜分離器擠出到集流器上時將糊狀物同時擠出。另一種方法是將糊狀物預(yù)先擠出到集流器上，然后將其插入到薄膜纖維中。第三種方法是在電池組裝封好后，將稀釋的糊狀物打入膜分離器元件的內(nèi)腔中。
另一種情況是將電解質(zhì)沉淀到多孔性的膜分離器的孔中，催化劑從含鉑離子的溶液中通過電鍍或無極電鍍過程來涂覆上去。微電池組中腐蝕的控制在傳統(tǒng)的燃料電池技術(shù)中，集流器通常只限于使用石墨類型的材料。涂有抗腐蝕涂層(如金)的由鋁或鈦制成的集流器，其涂層通常在燃料電池的操作條件下由于嚴(yán)重的腐蝕和熱條件而很容易剝落或分層。
微電池元件中則可使用石墨材料以外的其他材料制成的集流器。電化學(xué)電池模塊中微電池結(jié)構(gòu)的金屬纖維可采用不同的技術(shù)以涂覆上涂層以使其具有長期的抗腐蝕性。這些涂覆技術(shù)包括但不僅限于電化學(xué)電鍍，無電極電鍍，浸入涂覆，擠出等。使用的材料包括抗腐蝕的金屬及復(fù)合物，以及聚合物材料如POLYANALINE。
一種比較好的在集流器上涂覆金屬涂層的方法是使用淤漿噴涂(PLASMA COATING)的方法涂上一層無定形的金屬化合物。由于涂層的無定形特性使其通常具有更好的抗腐蝕性。此外，不同的無定形金屬化合物具有極大的表面積。例如鎳化氫電催化劑材料就是其中一種具有極大表面積的金屬化合物。這種具有極大表面積的金屬化合物以及微電池的纖維結(jié)構(gòu)所具有的極大表面積使得這種無定形的金屬涂層可有效地用來儲存燃料電池所需的氫氣。這極可能是一個結(jié)構(gòu)和操作上的優(yōu)點(diǎn)。
另一種增加金屬纖維底層的腐蝕性能的方法是將金屬纖維涂覆上一層聚合物的前聚物或其他有機(jī)涂層，然后將涂層炭化。聚合物炭化后在金屬纖維上形成一層具有抗腐蝕性的石墨，同時其比單獨(dú)的碳或石墨具有更好的導(dǎo)電性。
涂層技術(shù)中通常存在有針孔。它的存在會導(dǎo)致腐蝕及使微電池各部分之間斷路，從而降低電池的功率密度。另一種方法是在微電池的內(nèi)腔或外壁再放置碳纖維并和集流器緊密接觸。這樣，如果集流器在電化學(xué)電池操作中被腐蝕，碳/石墨纖維可以繼續(xù)傳導(dǎo)電流，集流器單元即使由於腐蝕而遭到破壞也可以繼續(xù)保持導(dǎo)電的連續(xù)性。
為了提高金屬集流器纖維在燃料電池的腐蝕性環(huán)境下的使用壽命，一種好的方法是在金屬纖維上涂覆一層化合物如聚合物材料，然后將其高溫?zé)峤?。利用傳統(tǒng)的制備碳纖維的技術(shù)可將涂層熱解而形成碳。
在金屬集流器纖維(可是任何尺寸)上形成的連續(xù)的碳層讓纖維同時在軸向和徑向上具有導(dǎo)電性，由于表面層的存在其也具有抗腐蝕性，以保護(hù)其下的金屬免受腐蝕的侵襲。
圖46是一導(dǎo)電單元1002的正視圖，包括一金屬纖維1004以及其外表面的聚合物涂層1006。纖維可用適宜的方式進(jìn)行涂覆，如噴涂，浸入涂覆，或卷筒涂覆等。
圖47是圖46中纖維1002經(jīng)高溫?zé)峤夂笏玫降南鄳?yīng)的導(dǎo)電單元，其外表面覆蓋有一層熱解后形成的碳涂層1008。
本發(fā)明的一個制備集流器和電極的實施例是用直徑100微米至10000微米的銅，鋁，或鈦纖維來作為微電池的導(dǎo)電金屬纖維，然后在其上涂覆一層厚度適宜的抗腐蝕材料，如金或鉑。
此外，也可使用具有良好導(dǎo)電性的，直徑100微米至10000微米的碳/石墨纖維，并在其上涂覆上金屬電催化劑，如鉑。此過程可通過如下方法來很好地實現(xiàn)將纖維與含有H2PtCl6的電解液接觸，然后將其與NaBH4溶液接觸以還原鉑化合物而得到鉑金屬元素。
就集流器來說，針孔和涂層缺陷的存在會加速金屬集流器的腐蝕。這種腐蝕會傷害纖維的連續(xù)性，從而使其不能操作。為了避免這種情況造成微電池部分電壓和電流的損失，將碳纖維集流器和具有涂層的金屬纖維并排放置會對其有所幫助。圖48顯示的一導(dǎo)電體1010，其包括碳纖維集流器1014以及與之并排具有涂層的金屬纖維1012，二者緊密接觸。
圖49顯示的是圖48中的具有涂層的金屬纖維1012斷裂后纖維的組件。當(dāng)腐蝕在具有涂層的金屬纖維上造成一斷點(diǎn)時，碳纖維1014與被腐蝕的金屬纖維1012的兩部分都繼續(xù)保持接觸，從而保證電流可以連續(xù)地沿碳纖維/金屬纖維進(jìn)行傳導(dǎo)。微電池組件中水的管理在微電池的電化學(xué)反應(yīng)中會產(chǎn)生反應(yīng)產(chǎn)物水，同時進(jìn)料也需要濕化以防止薄膜變干。因此，微電池組件中，最好要包括水管理系統(tǒng)，以便添加所需的水或排除剩余的水。
通常，在傳統(tǒng)的平板型燃料電池結(jié)構(gòu)中，微電池結(jié)構(gòu)的高表面積和低傳質(zhì)阻力就意味著水更容易從微電池模塊中排除。
其他不同的方法可用來進(jìn)一步提高微電池燃料電池模塊的水管理能力。例如，如果燃料電池組中使用了熱交換管，涂覆有NAFION或其他離子交換聚合物/材料的中空纖維薄膜可用來有選擇性地讓水滲透過去。如果熱交換液是水，則熱交換管可用來同時提供水和從燃料電池中排除熱。
另一種從燃料電池中排除水的方法是在微電池束中分布安置多孔性的中空纖維薄膜。這樣，在燃料電池操作中，水會通過虹吸而滲透過薄膜，經(jīng)中空纖維的內(nèi)腔流走，而不會吸附在活性表面積上。在內(nèi)腔匯集的水由模塊中的壓力通風(fēng)系統(tǒng)所收集，然后排出系統(tǒng)。
就從燃料電池中排出水來說，各種不同的方法可考慮用于此發(fā)明。為了將燃料電池中產(chǎn)生的水從微電池中排出，可將用親水化合物處理過的中空纖維膜與纖維狀電池(裝有電極和集流器)間隔放置在一起。這些中空纖維膜與電池的外壁緊密接觸，內(nèi)腔有開口。燃料電池中產(chǎn)生的水由于虹吸作用而被吸附，從而脫離電池的電極表面，而匯集在中空纖維膜的內(nèi)腔。這樣就能消除電池內(nèi)的水泛濫。
如果模塊是垂直安裝的，水可借助重力的作用匯集在電池的底部而排出。
圖50是中空纖維膜和微電池束1020的截面圖，其中中空纖維薄膜1026被分布安置在微電池纖維1022和外壁的電極1024之中，中空纖維薄膜在這里用來將水從組件中導(dǎo)出。圖51是微電池燃料電池模塊1030的剖面圖，包括腔體1032和垂直安裝在其中的微電池組1036。腔體1032上裝有法蘭1034，這樣腔體的上端可以移動，從而可以進(jìn)入到腔體的內(nèi)部以及腔體內(nèi)的其他內(nèi)部部件。
微電池組1036的上端用密封物1040封好，然后用O型封套1042和腔體的內(nèi)壁緊密相連以使不漏。類似地，其下端用密封物1044封好，然后用O型封套1046和腔體的內(nèi)壁緊密相連以使不漏。
微電池組1036裝有一根中間進(jìn)料管1080，其位于微電池組內(nèi)體積的部分上開有小孔。此外，進(jìn)料口1060用來從上部的末端空間1048給裝置中微電池單元的內(nèi)腔提供進(jìn)料。從中空纖維單元的下端排出的進(jìn)料進(jìn)入下端的末端空間1050，然后從出口1072或1070排出腔體。
腔體的內(nèi)部空間1038上裝有出口1078，用來排出內(nèi)部空間里纖維外壁用過的進(jìn)料。
腔體1032的下端裝有壓力通風(fēng)箱1076，用來接收由于重力而匯集到腔體下部的多余和凝結(jié)的水，然后從出口1072或1070排出。
微電池組兩端的集流器單元各自匯集在一起而形成端子1082和1084(如圖所示)。
相應(yīng)地，可在微電池組中安裝中空纖維單元，讓多余的水滲透到中空管的內(nèi)腔通道中而排出到壓力通風(fēng)箱，這樣可以更好地排除電化學(xué)燃料電池模塊中多余的水。
其他還有一些方法可用來將水導(dǎo)出到微電池組之外。其一是利用表面張力和毛細(xì)現(xiàn)象來將微電池束里的水匯集到某個容器或地點(diǎn)。一個例子是改進(jìn)的薄膜凝結(jié)裝置，詳情可見US專利，NO.4,253,519，MAR.3,1981,LESLIE C.KUN AND ELIAS G.RAGI.此種裝置可和微電池纖維/束/子束安裝在一起，用以將液體匯集而導(dǎo)出到燃料電池模塊之外，液體可以重復(fù)使用或直接排掉。
前述的每種方法中，電解質(zhì)/浸有催化劑的纖維可涂覆上TEFLON聚四氟乙烯的乳化液，薄膜/電極組件因而就具有了憎水性。這樣，從外面進(jìn)入電池以及在里面形成的水就會被排離催化劑的表面，從而增加可用于催化燃料和氧化劑(氫氣或氧氣)的催化劑面積。
此處所述的發(fā)明列舉了許多具體的實例，特征，和各種不同方面，但是，眾所周知，其應(yīng)用將不僅限于此。其運(yùn)用將延展到其他各種改良，變化，應(yīng)用，和實施例中。因此，其他各種改良，變化，應(yīng)用，和實施例也都在本發(fā)明所包括的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種微電池組件，其中每一個微電池都包含一個內(nèi)電極；一個與內(nèi)電極接觸的微孔薄膜分離器；分布于微孔薄膜分離器的微孔內(nèi)的電解質(zhì)；一個外電極，該微電池組件包含第一個電池，包含有由多個微電池纖維并行排列且相互連接而構(gòu)成的第一微電池片元件，其微電池纖維的內(nèi)集流器從軸向延伸超過第一個片元件的第一端，在第一微電池片元件之上有由外集流器組成的第二片元件，每一個外集流器與第一微電池片元件中的至少一個微電池纖維接觸并延伸超過第一個片元件的相反的第二端；一個將第一個電池與其上電池隔開的電絕緣層；第二個電池，包含有由多個微電池纖維并行排列且相互連接而構(gòu)成的第一微電池片元件，其微電池纖維的內(nèi)集流器從軸向延伸超過第二個片元件的一端之與第一個片元件的相反的第二端相鄰，在第一微電池片元件之上有由外集流器組成的第二片元件，每個外集流器與第一微電池片元件中的至少一個微電池纖維接觸并延伸超過與第一片元件的相反的另一端；依此方式，第一個電池的內(nèi)集流器與第二個電池的外集流器對齊并與之相連接，形成一個串聯(lián)結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的微電池組件中，可用焊接、導(dǎo)電膠粘或熔化連結(jié)方式將集流器相互連接。
3.如權(quán)利要求1所述的微電池組件，其含有多個電池結(jié)構(gòu)，多個第一個電池與第二個電池交替排布，而相鄰電池間串行連接。
4.如權(quán)利要求1所述的微電池組件中，固定密封連續(xù)電池的每一相反端，以此密封微電池的外壁和內(nèi)腔。
5.一個微電池模塊，其包含一個含有開孔板元件的氣體注入腔體；如權(quán)利要求1所述的一個微電池組件，將其放在開孔板元件上，用密封元件將其兩端固定密封，形成密封的平面，當(dāng)密封的平面的邊與腔體相連時，可形成外壁-內(nèi)腔結(jié)構(gòu)排布，開孔板元件處于兩個密封元件之間。
6.如權(quán)利要求5所述的微電池模塊，被包覆成一個外壁-內(nèi)腔結(jié)構(gòu)。
7.一個微電池子束，其包含一個片組件，其含有一個第一個微電池片元件，此片元件由平行排布，相互連接形成一個平面構(gòu)造的多個微電池纖維組成，該微電池纖維的內(nèi)集流器從軸向超出第一個片元件的第一邊，一個外集流器組成的第二個片元件疊加在第一個片元件上，每一個集流器至少與第一個片元件中的一個微電池纖維接觸，并延伸出第一個片元件的相對的第二邊，可以下列方式制備子束將片組件卷繞成圓柱體狀的預(yù)制形狀，再在圓柱體狀預(yù)制形狀的圓柱形的外表面施加一層多孔電絕緣層，然后再將圓柱體狀預(yù)制形狀的兩端各自固定密封以形成該子束，第一個片元件和第二個片元件形成一個電池。
8.如權(quán)利要求7所述的微電池子束，進(jìn)而含有一個中部管狀元件，其在密封的兩端之間開孔，但密封的兩端之外并不開孔。
9.如權(quán)利要求7所述的微電池子束，片組件進(jìn)一步包括一個在第二片元件上的多孔電絕緣層元件，第三片元件和第四片元件，第三片元件由平行排布，相互連接形成一個平面構(gòu)造的多個微電池纖維組成，該微電池纖維的內(nèi)集流器從軸向超出第三片元件的第一邊，外集流器組成的第四片元件疊加在第三片元件上，第三片元件的每一個集流器至少與第三片元件的一個微電池纖維接觸，并延伸超出第四片元件的相對的第二邊，第一和第三片元件的集流器伸出相同長度而第二和第四片元件的集流器也伸出相同長度，將第二片元件和第三片元件的集流器末端相連，這樣第三片元件和第四片元件組成第二個電池。
10.如權(quán)利要求7所述的微電池子束，其含有多個微電池纖維平面，可形成多個電池。
11.如權(quán)利要求7所述的微電池子束，其含有多個重復(fù)排布的第一和第二片元件，可形成多個電池，多孔電絕緣層將相鄰的兩個電池隔開。
12.一個串行連接的組件，其至少含有兩個如權(quán)利要求7所述的微電池子束。
13.一個微電池，其含有多個如權(quán)利要求11所述的微電池子束，子束正負(fù)極順次相連，并可延長。
14.如權(quán)利要求13所述的微電池，其連接包含一個活頁元件。
15.如權(quán)利要求13所述的微電池，其連接可采用焊接、導(dǎo)電膠粘或熔化連結(jié)方式。
16.一個微電池，其包含多個如權(quán)利要求11所述的微電池子束，子束正負(fù)極順次相連，在微電池束中，每一子束元件肩并肩平行排布，相互對齊，電池束的軸尺寸為所有子束軸尺寸之和。
17.如權(quán)利要求16所述的微電池中，電池束在端部分別固定密封。
18.一個微電池，其含有多個如權(quán)利要求11所述的肩并肩平行排布的微電池子束，相鄰子束的電極正負(fù)極順次相連，微電池在端部分別固定密封。
19.如權(quán)利要求18所述的微電池，其每一子束含有一個中央管狀元件，其在密封的兩端之間開孔，但在密封的兩端之外并不開孔。
20.如權(quán)利要求19所述的微電池，進(jìn)而含有一入料分布支管，其可將入料導(dǎo)入多個子束中的中央管狀元件。
21.如權(quán)利要求11所述的微電池子束，其密閉端成為一管平面，管平面周邊無泄漏。
22.一個微電池模塊，其包含一個含有多個如權(quán)利要求21所述的微電池子束的腔體，腔體包含由端板圍成的內(nèi)部空間，每一個端板都有一個開口，與相應(yīng)的子束的管平面密閉相連，各自端板的對應(yīng)開口在軸向相接，該腔體包括在其一端由端板圍成的第一末端空間，在另一端由端板圍成的第二末端空間，用于將入料導(dǎo)入子束的入料管，將消耗的入料從內(nèi)部空間排出的出口，腔體可選擇性地開口暴露于至少一個在端空間處的端板，以此方式可以移去裝在端盤上的子束，安裝一替代子束，在腔體內(nèi)的子束相互串聯(lián)，并與一端子相接，伸出到腔體之外，但不會引起泄漏。
23.如權(quán)利要求22所述的微電池模塊，其含有一入料分布支管，其與入料管相連，并將入料導(dǎo)入每一子束的中央管狀元件。
24.如權(quán)利要求22所述的微電池模塊中，入料管延伸穿過一個末端空間，并將氣流密閉導(dǎo)入內(nèi)部空間。
25.如權(quán)利要求22所述的微電池模塊中，端板之間的長度應(yīng)小于子束，在不含子束的開口處用一密閉板在每一端板的相應(yīng)的開口處將其密封。
26.一個制備電化學(xué)電池裝置的方法，其包括構(gòu)成一個具有層狀結(jié)構(gòu)的片元件組，其包括一個由多個并行排布，相互連接成平面構(gòu)造的由纖維微電池元件組成的第一片元件和一個由并行對齊、在空間錯開排布的外集流器形成的第二片元件；將第一片元件與第二片元件在縱向相互錯開，這樣該外集流器可延伸超過第一片元件的一邊，而纖維微電池元件的內(nèi)集流器可延伸超過第二片元件的相對的一邊；將其他第一片元件和第二片元件依次迭加在最初的第一片元件和第二片元件上，并將多孔電絕緣層置于其間以形成多層結(jié)構(gòu)；將此多層結(jié)構(gòu)制成預(yù)先確定的子束形狀，再固定密封成固定形狀，固定形狀提供了內(nèi)外集流器的局部構(gòu)造；依此方式制備多個子束；將這些子束串行連接；和將串行連接的子束定形以構(gòu)成電池束組件。
27.一種制備微電池組件的方法，其包括形成第一層，其包括一個第一微電池片元件和一個由外集流器組成的第二片元件，第一微電池片元件由多個并行排布、相互連接成平面構(gòu)造的纖維微電池元件，該纖維微電池元件的內(nèi)集流器從軸向伸出超過第一片元件的第一邊，而外集流器組成的第二片元件疊加在第一微電池片元件之上，并使每一個外集流器至少與第一微電池片元件中的一個微電池纖維接觸，延伸超出第一片元件層的相對的第二邊；在第一層上沉積一層絕緣層；形成第二層，其包括一個第一微電池片元件和一個由外集流器組成的第二片元件，第一個微電池片元件包含由多個并行排布，相互連接成平面構(gòu)造的纖維微電池元件，該纖維微電池元件的內(nèi)集流器從軸向延伸出第一片元件的一邊，外集流器組成的第二片元件迭加在第一微電池片元件上，并使每個外集流器與至少一個第一微電池元件中的纖維微電池接觸，并延伸出第一片元件的相對的第二邊；將第一層的內(nèi)集流器與第二層的外集流器相聯(lián)形成串聯(lián)結(jié)構(gòu)。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，可用焊接、導(dǎo)電膠粘或融化聯(lián)結(jié)方式將集流器相互連接。
29.如權(quán)利要求27所述的方法，包括形成一個組件，該組件包含多個交替排布，相互電連接的第一層和第二層。
30.如權(quán)利要求27所述的方法中，可將微電池組件固定密封以使纖維微電池元件的內(nèi)腔和外壁相互密閉。
31.一種制備微電池模塊的方法，其包括提供一個含有開孔板元件的氣體注入腔體；將一個微電池組件固定在開孔板元件上；該微電池組件含有多個纖維微電池元件及其相關(guān)的外集流器，微電池元件和外集流器組成微電池，用密封元件將微電池組件的兩端固定密封，形成各自的密封平面，當(dāng)密封平面的周邊與腔體相連時，可形成外壁-內(nèi)腔結(jié)構(gòu)排布，而開孔板元件處于兩個固定密封元件之間。
32.如權(quán)利要求31所述的方法，其包括將微電池模塊置入一腔體內(nèi)以形成一個外壁-內(nèi)腔構(gòu)造。
33.一種制備微電池子束的方法，其包括形成一個片元件組，其包括一個由多個并行排布、相互連接成平面構(gòu)造的多個微電池纖維組成的第一片元件，微電池纖維的內(nèi)集流器從軸向伸出超過第一片元件的第一邊，而外集流器形成的第二片元件疊加在第一片元件之上，并使其外集流器與至少一個第一片元件中的微電池纖維接觸，延伸超出第一片元件的相對的第二邊；將片元件組卷繞成圓柱體狀的預(yù)制形狀，再在圓柱體狀預(yù)制形狀的圓柱形的外表面施加一層多孔電絕緣層，然后再將圓柱體狀預(yù)制形狀的兩端各自固定密封以形成該電池子束，第一片元件和第二片元件形成一個電池。
34.如權(quán)利要求33所述的方法中，將片元件組卷繞在一個中央管狀元件，其在密封的兩端之間開孔，但密封的兩端之外并不開孔。
35.如權(quán)利要求34所述的方法，進(jìn)而包括制備片元件組，該片元件組進(jìn)而包含一個疊加在第二片元件之上的多孔電絕緣層，一個由多個并行排布，相互連接成平面構(gòu)造的微電池纖維組成第三片元件，微電池纖維的內(nèi)集流器從軸向延伸出第三片元件的一邊，將由外集流器構(gòu)成的第四片元件疊加在由微電池組件構(gòu)成的第三片元件上，使每個集流器與至少一個第三片元件中的微電池纖維接觸，并延伸出第四片元件的相對的第二邊，第一和第三片元件的集流器伸出長度相當(dāng)，而第二和第四片元件的集流器伸出長度相當(dāng)，將第二片元件集流器末端與第三片元件集流器末端相連，第三和第四片元件形成第二個電池。
36.如權(quán)利要求34所述的方法，其包括用多個微電池纖維平面制備微電池子束，從而構(gòu)成多個電池。
37.如權(quán)利要求34所述的方法，其包括制備一個重復(fù)排布第一和第二片元件的序列以構(gòu)成多個電池，并在相鄰的電池間施加一層多孔的電絕緣層。
38.如權(quán)利要求34所述的方法中，其至少含有兩個串聯(lián)連接的微電池子束。
39.如權(quán)利要求38所述的方法中，其含有至少兩個正負(fù)極順次相連的微電池子束，子束并可延長。
40.如權(quán)利要求38所述的方法中，當(dāng)串行電連接至少兩個子束時，可將子束連在含有活頁元件的連接器上。
41.如權(quán)利要求38所述的方法中，當(dāng)串行電連接至少兩個子束時，可用焊接、導(dǎo)電膠粘或熔化連結(jié)方式。
42.一個制備一個微電池的方法，微電池包括一組微電池子束，此方法包含制備含有正負(fù)電極的多個微電池子束，子束與相鄰子束并行對齊排布，從而形成一個由串聯(lián)子束構(gòu)成的電池束，再將子束串聯(lián)。
43.如權(quán)利要求42所述的方法中，進(jìn)而包括將子束每端都固定密封。
44.如權(quán)利要求1所述的微電池組件中，薄膜分離器包括半透膜，離子交換膜，多孔薄膜可涂覆在外壁，內(nèi)腔或二者之上。
45.如權(quán)利要求27所述的方法中，每一個纖維微電池元件都含有一個多孔薄膜分離器，其可為半透膜，離子交換膜，多孔薄膜可涂覆在外壁，內(nèi)腔或二者之上。
46.一個纖維微電池結(jié)構(gòu)，其包括至少一個由一多孔薄膜分離器包圍的導(dǎo)電纖維元件；在多孔薄膜分離器的內(nèi)表面用涂覆、浸漬或擠壓成型的方法施加第一個電催化劑層；在其上形成一導(dǎo)電的氫氣或氧氣的半透膜；電解質(zhì)存在于多孔薄膜分離器的孔內(nèi)；以此方式形成的結(jié)構(gòu)有一中央通道，其含有至少一個導(dǎo)電纖維元件，中間空隙可供入料流動，薄膜分離器的外表面與一個電催化劑和至少一個導(dǎo)電纖維接觸。
47.如權(quán)利要求46所述的纖維微電池結(jié)構(gòu)中，在多孔薄膜分離器的外表面上用涂覆、浸漬或擠壓成型的方法施加第二個電催化劑層。
48.如權(quán)利要求46所述的纖維微電池結(jié)構(gòu)中，電催化劑層含有一個電催化劑和至少一個導(dǎo)電材料或疏水材料。
49.如權(quán)利要求46所述的纖維微電池結(jié)構(gòu)，其外徑在100微米到10毫米之間。
50.如權(quán)利要求46所述的纖維微電池結(jié)構(gòu)中，可用無電沉積、電沉積、擠壓成型、蒸汽沉積、溶液沉積的方法在多孔薄膜上施加半透膜。
51.如權(quán)利要求46所述的纖維微電池結(jié)構(gòu)中，半透膜包括金屬和導(dǎo)電聚合物材料。
52.如權(quán)利要求46所述的纖維微電池結(jié)構(gòu)中，半透膜包括鈀。
53.如權(quán)利要求46所述的纖維微電池結(jié)構(gòu)中，疏水材料包括氟化物。
54.如權(quán)利要求53所述的纖維微電池結(jié)構(gòu)中，疏水材料包括聚四氟乙烯。
55.一個纖維微電池結(jié)構(gòu)，其含有一個內(nèi)部的多孔薄膜分離器，圍成中央通道，在其內(nèi)表面可用涂覆，浸漬，或擠壓成型的方法施加一層氫氣或氧氣的半透膜，第一個電催化劑材料和至少一個導(dǎo)電纖維與其外表面接觸以形成內(nèi)部結(jié)構(gòu)，一個外部的多孔薄膜分離器將內(nèi)部結(jié)構(gòu)包覆，其外表面與第二個電催化劑及至少一導(dǎo)電纖維接觸，電解質(zhì)存在于外部的多孔薄膜分離器內(nèi)。
56.如權(quán)利要求55所述的纖維微電池結(jié)構(gòu)中，氫氣或氧氣的半透膜可由纖維素酯、聚酰亞胺、聚砜和鈀制成。
57.如權(quán)利要求55所述的纖維微電池結(jié)構(gòu)中，在內(nèi)部多孔薄膜分離器的外表面上用涂覆、浸漬或擠壓成型的方法施加第一個電催化劑層。
58.如權(quán)利要求55所述的纖維微電池結(jié)構(gòu)中，在外部多孔薄膜分離器的外表面上用涂覆、浸漬或擠壓成型的方法施加第二個電催化劑層。
59.如權(quán)利要求55所述的纖維微電池結(jié)構(gòu)中，第一電催化劑層和第二個電催化劑層至少有一個含有一個電催化劑和至少一個導(dǎo)電材料或疏水材料。
60.如權(quán)利要求55所述的纖維微電池結(jié)構(gòu)，其外徑在100微米到10毫米之間。
61.如權(quán)利要求55所述的纖維微電池結(jié)構(gòu)中，可用無電沉積、電沉積、擠壓成型、蒸汽沉積、溶液沉積的方法在內(nèi)部多孔薄膜上施加半透膜。
62.如權(quán)利要求55所述的纖維微電池結(jié)構(gòu)中，半透膜包括金屬導(dǎo)電聚合物材料。
63.如權(quán)利要求55所述的纖維微電池結(jié)構(gòu)中，半透膜包括鈀。
64.如權(quán)利要求59所述的纖維微電池結(jié)構(gòu)中，疏水材料包括氟化物。
65.如權(quán)利要求64所述的纖維微電池結(jié)構(gòu)中，疏水材料包括聚四氟乙烯。
66.如權(quán)利要求58所述的纖維微電池結(jié)構(gòu)中，在第二個電催化劑上有一導(dǎo)電的氫氣或氧氣的半透膜。
67.如權(quán)利要求66所述的纖維微電池結(jié)構(gòu)中，內(nèi)部薄膜分離器可導(dǎo)電。
68.如權(quán)利要求67所述的纖維微電池結(jié)構(gòu)不含集流纖維。
69.一個纖維微電池結(jié)構(gòu)，其含有一個內(nèi)部的多孔薄膜分離器，圍成中央通道，在薄膜分離器內(nèi)表面可用涂覆，浸漬，或擠壓成型的方法施加一個重整催化劑，而其外表面有一氫氣或氧氣的半透膜，一個第一個催化劑和至少一種導(dǎo)電纖維與其外表面接觸以形成內(nèi)部結(jié)構(gòu)，一個外部的多孔薄膜分離器包覆內(nèi)部結(jié)構(gòu)，一個第二個電催化劑和至少一種導(dǎo)電纖維與外部的多孔薄膜分離器的外表面接觸；電解質(zhì)存在于外部的多孔薄膜分離器的孔內(nèi)。
70.如權(quán)利要求69所述的纖維微電池結(jié)構(gòu)中，重整催化劑包括金屬氧化物。
71.如權(quán)利要求69所述的纖維微電池結(jié)構(gòu)中，重整催化劑包括氧化銅，氧化鋅或其組件。
72.如權(quán)利要求69所述的纖維微電池結(jié)構(gòu)中，重整催化劑可將一氧化碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳。
73.如權(quán)利要求69所述的纖維微電池結(jié)構(gòu)中，多孔薄膜分離器包括玻璃，陶瓷和聚合物材料。
74.一種電化學(xué)裝置，包含至少如權(quán)利要求46所述的纖維微電池結(jié)構(gòu)。
75.一種電化學(xué)裝置，包含至少如權(quán)利要求55所述的纖維微電池結(jié)構(gòu)。
76.一種電化學(xué)裝置，包含至少如權(quán)利要求56所述的纖維微電池結(jié)構(gòu)。
77.一種電化學(xué)裝置，包含至少如權(quán)利要求57所述的纖維微電池結(jié)構(gòu)。
78.一種制備纖維微電池結(jié)構(gòu)的方法，其包括下列步驟用一個多孔薄膜分離器包圍至少一個導(dǎo)電纖維元件；在多孔薄膜分離器的內(nèi)表面用涂覆，浸漬，或擠壓成型的方法施加第一個電催化劑層；在其上形成一導(dǎo)電的氫氣或氧氣半透膜；電解質(zhì)存在于多孔薄膜分離器的孔內(nèi)；以此方式形成的結(jié)構(gòu)有一中央通道，其含有至少一個導(dǎo)電纖維元件，中間空隙可供進(jìn)料流動，該薄膜分離器的外表面與一個電催化劑和至少一個導(dǎo)電纖維接觸。
79.如權(quán)利要求78所述的方法包括在多孔薄膜分離器的外表面上用涂覆、浸漬或擠壓成型的方法施加第二個電催化劑層。
80.如權(quán)利要求78所述的方法中，電催化劑層含有一個電催化劑和至少一個導(dǎo)電材料或疏水材料。
81.如權(quán)利要求78所述的方法中，纖維微電池結(jié)構(gòu)的外徑在100微米到10毫米之間。
82.如權(quán)利要求78所述的方法中，可在多孔薄膜分離器的外表面上用涂覆、浸漬或擠壓成型的方法施加半透膜。
83.如權(quán)利要求78所述的方法中，半透膜包括金屬和導(dǎo)電聚合物材料。
84.如權(quán)利要求78所述的方法中，半透膜包括為鈀。
85.如權(quán)利要求80所述的方法中，疏水材料包括氟化物。
86.如權(quán)利要求80所述的方法中，疏水材料包括聚四氟乙烯。
87.一種制備纖維微電池結(jié)構(gòu)的方法，其包括提供一個內(nèi)部的多孔薄膜分離器，其圍成中央通道，在其內(nèi)表面用涂覆，浸漬，或擠壓成型的方法施加一氫氣或氧氣的半透膜，其外表面與一個第一個電催化劑材料和至少一種導(dǎo)電纖維以形成內(nèi)部結(jié)構(gòu)，用一個外部的多孔薄膜分離器包覆內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而外部的薄膜分離器的外表面與一個第二個電催化劑和至少一個導(dǎo)電纖維接觸，電解質(zhì)存在于外部的多孔薄膜分離器內(nèi)。
88.如權(quán)利要求87所述的方法中，氫氣或氧氣的半透膜可由纖維素酯、聚酰亞胺、聚砜和鈀制成。
89.如權(quán)利要求87所述的方法中，可在內(nèi)部多孔薄膜分離器的外表面上用涂覆、浸漬或擠壓成型的方法施加第一個電催化劑層。
90.如權(quán)利要求87所述的方法中，可在外部多孔薄膜分離器的外表面上用涂覆、浸漬或擠壓成型的方法施加第二個電催化劑層。
91.如權(quán)利要求87所述的方法中，第一個電催化劑層和第二個電催化劑層至少一個含有一個電催化劑和至少一個導(dǎo)電材料和疏水材料。
92.如權(quán)利要求87所述的方法中，纖維微電池結(jié)構(gòu)的外徑在100微米到10毫米之間。
93.如權(quán)利要求87所述的方法中，可用無電沉積、電沉積、擠壓成型、蒸汽沉積、溶液沉積的方法在內(nèi)部多孔薄膜上施加半透膜。
94.如權(quán)利要求87所述的方法中，半透膜包括金屬和導(dǎo)電聚合物。
95.如權(quán)利要求87所述的方法中，半透膜包括鈀。
96.如權(quán)利要求91所述的方法中，疏水材料包括氟化物。
97.如權(quán)利要求91所述的方法中，疏水材料包括聚四氟乙烯。
98.如權(quán)利要求90所述的方法中，第二個電催化劑層上有一個可導(dǎo)電的氫氣或氧氣的半透膜。
99.如權(quán)利要求98所述的方法中，內(nèi)部薄膜分離器可導(dǎo)電。
100.如權(quán)利要求99所述的纖維微電池結(jié)構(gòu)不含集流纖維。
101.一個制備纖維微電池結(jié)構(gòu)的方法，其包含提供一個內(nèi)部的多孔薄膜分離器，其圍成中央通道，在其內(nèi)表面用涂覆，浸漬，或擠壓成型的方法施加一個重整催化劑，并在其外表面形成一氫氣或氧氣的半透膜，該外表面與一個第一個電催化劑材料和至少一種導(dǎo)電纖維以形成內(nèi)部結(jié)構(gòu)，用一個外部的多孔薄膜分離器包覆內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而外部的薄膜分離器的外表面與一個第二個電催化劑和至少一個導(dǎo)電纖維接觸，電解質(zhì)存在于外部的多孔薄膜分離器內(nèi)。
102.如權(quán)利要求101所述的方法中，重整催化劑包括金屬氧化物。
103.如權(quán)利要求101所述的方法中，重整催化劑包括氧化銅，氧化鋅或其組件。
104.如權(quán)利要求101所述的方法中，重整催化劑可將一氧化碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳。
105.如權(quán)利要求101所述的方法中，多孔薄膜分離器包括玻璃，陶瓷和聚合物材料。
106.一種過程系統(tǒng)，其包括一個微電池前體供應(yīng)單元，其至少含有一個在以分離方式排布的，并存在于多孔薄膜分離器中的集流器；一個液體接觸單元，其用于接收微電池前體供應(yīng)單元提供的微電池前體，以分離方式排布的微電池前體與電催化劑和至少一種電催化劑還原劑和疏水材料接觸；一個可選的干燥單元，其用于干燥從液體接觸單元來的微電池前體；一個收集單元，其用來收集經(jīng)過液體接觸單元和可選的干燥單元的微電池前體。
107.如權(quán)利要求106所述的過程系統(tǒng)，液體接觸單元包含一個用于接觸前體的液體離子交換溶液浴。
108.如權(quán)利要求106所述的過程系統(tǒng)，液體接觸單元包含一個用于接觸前體的電催化劑溶液浴。
109.如權(quán)利要求106所述的過程系統(tǒng)，液體接觸單元包含一個用于接觸前體的電催化劑還原溶液浴。
110.如權(quán)利要求106所述的過程系統(tǒng)，液體接觸單元包含一個用于接觸前體的電催化劑溶液浴，其包括鉑酸溶液。
111.如權(quán)利要求106所述的過程系統(tǒng)，液體接觸單元包含一個用于接觸前體的電催化劑還原溶液浴，其包括硼氫化鉀。
112.如權(quán)利要求106所述的過程系統(tǒng)，液體接觸單元包含一個用于接觸前體的疏水材料液體浴，其包括聚四氟乙烯乳液。
113.如權(quán)利要求106所述的過程系統(tǒng)，液體接觸單元包含一個用于接觸前體的墨汁溶液浴，其含有電催化劑，碳粉，離子交換聚合物，和疏水材料。
114.一種制備纖維微電池的過程，其包括下列步驟將電解質(zhì)材料置于微電池前體的孔內(nèi)；干燥微電池前體；將溶液或墨汁漿液形式的電催化劑施加在微電池前體上；干燥微電池前體；將電催化劑材料還原成具有催化活性的催化劑。
115.如權(quán)利要求114所述的過程系統(tǒng)，可用擠壓成型的方法將含有電催化劑的溶液或墨汁漿液施加在微電池前體上。
116.如權(quán)利要求114所述的過程系統(tǒng)，可將一束纖維集流器和液態(tài)或氣態(tài)流體一同穿過一個中空纖維擠壓成型機(jī)的內(nèi)腔形成管制備微電池前體。
117.如權(quán)利要求114所述的過程中，可按下列步驟制備微電池前體提供一個纖維或集流器；將多孔成膜材料施加在纖維或集流器上；處理含有多孔成膜材料的纖維或集流器，形成孔隙。
118.如權(quán)利要求117所述的過程系統(tǒng)，多孔成膜材料的孔率適用于超過濾，微過濾和反滲透應(yīng)用。
119.如權(quán)利要求117所述的過程系統(tǒng)，多孔成膜材料包括聚合物材料、玻璃、陶瓷及其組件。
120.如權(quán)利要求117所述的過程系統(tǒng)，可使用濕法結(jié)絲拉長或熔融結(jié)絲拉長方法施加多孔成膜材料。
121.如權(quán)利要求117所述的過程系統(tǒng)，多孔成膜材料含有一摻雜物，其含有主鏈組分和一可瀝濾的組分，除去可瀝濾的組分可形成多孔薄膜的孔隙。
122.如權(quán)利要求117所述的過程系統(tǒng)，多孔成膜材料含有一摻雜物，可將凝結(jié)劑施加在至少一個所施加摻雜物的內(nèi)表面或外表面。
123.如權(quán)利要求117所述的過程系統(tǒng)，可采用熔融結(jié)絲拉長方法施加多孔成膜材料，在纖維上施加薄膜材料后將其置于淬火介質(zhì)中。
124.如權(quán)利要求117所述的過程系統(tǒng)，可將電催化劑漿液與凝結(jié)劑一同擠壓成型在該內(nèi)表面。
125.一個如權(quán)利要求117所述的過程系統(tǒng)，其進(jìn)而包括下列步驟用一個半透膜材料或一個離子交換聚合物涂覆多孔薄膜分離器。
126.如權(quán)利要求117中所述的過程，進(jìn)而包括制備一個微電池模塊，其含有多組微電池前體，將微電池前體固定密封以形成外壁-內(nèi)腔構(gòu)造，微電池前體相互平行對齊；電催化劑溶液，電催化劑墨汁，或還原劑可在該外壁-內(nèi)腔構(gòu)造中的內(nèi)腔或外壁之一中流過。
127.如權(quán)利要求117中的過程，進(jìn)而包括制備一個微電池模塊，其含有多組微電池前體，將微電池前體固定密封以形成外壁-內(nèi)腔構(gòu)造，微電池前體相互平行對齊；電催化劑材料可實時施加在外壁一內(nèi)壁構(gòu)造中的外壁或內(nèi)壁之一。
128.如權(quán)利要求117所述的過程系統(tǒng)，可用無電沉積、電沉積、擠壓成型、蒸汽沉積、溶液沉積的方法將電催化劑施加在外壁-內(nèi)腔構(gòu)造上。
129.如權(quán)利要求117所述的過程系統(tǒng)，多孔薄膜分離器可為半透膜和離子交換膜。
130.一個電化學(xué)電池模塊，包括多個微電池形成的組件；每個微電池包括一個內(nèi)電極；一個與內(nèi)電極接觸的微孔薄膜分離器；分布于微孔薄膜分離器的微孔內(nèi)的電解質(zhì)；一個外電極；此微電池組件中含有多個中空，無孔的管狀熱交換元件，以讓冷卻介質(zhì)流過其中央通道；中空，無孔的管狀熱交換元件分布于組件中用以從組件中移除在模塊運(yùn)行時電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量；冷卻介質(zhì)源；以及讓該冷卻介質(zhì)源和該中空無孔管狀熱交換元件或向連接的流動環(huán)路。
131.如權(quán)利要求130所述的電化學(xué)電池模塊中，冷卻介質(zhì)可為液態(tài)冷卻劑。
132.如權(quán)利要求130所述的電化學(xué)電池模塊中，冷卻介質(zhì)可為氣體。
133.如權(quán)利要求130所述的電化學(xué)電池模塊中，流動環(huán)路在該微電池組件的每一個相對端都含有一個支管。該中空管狀熱交換元件與對應(yīng)的支管在相對端相接，一個泵與該流動環(huán)路相接，可使冷卻介質(zhì)流過模塊中的中空管狀熱交換元件，以從該組件中除去微電池電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量。
134.如權(quán)利要求130所述的電化學(xué)電池模塊，其中組件固定安裝在腔體的軸向上，第一端被第一個密封元件密封固定，微電池纖維的開口末端穿過密封元件，流體可以從微電池纖維的開口處流入，而第一個密封元件將微電池纖維的內(nèi)腔與外壁隔開，集流器從軸向伸出第一個密封元件，該中空，無孔的管狀熱交換元件然后被固定密封在與第一個密封元件在空間錯開的第二個密封元件上，在第一和第二密封元件之間形成腔室的密閉空間，腔體有一個進(jìn)料口與密閉空間相通，以讓進(jìn)料進(jìn)入密閉空間，從而讓進(jìn)料流經(jīng)組件的微電池纖維的內(nèi)腔，第二個密封元件與腔體形成密閉的末端空間，中空，無孔的管狀熱交換元件延伸穿過第二個密封元件，其開口終止在密閉的末端空間，密閉末端空間與一冷卻介質(zhì)入口相通，可將冷卻介質(zhì)導(dǎo)入密閉的末端空間，沿軸向流過組件的管狀熱交換元件，組件的第二端固定密封在與第一個相對的密封元件上，其穿過密封元件，流微電池纖維的相對開口末端可讓流體流過，第一個相對的密封元件將微電池纖維的外壁與內(nèi)腔隔開，集流器從第一個相對的密封元件軸向穿過，該中空，無孔的管狀熱交換元件然后被固定密封在與第一個密封元件在空間錯開的第二個密封元件上，在第一和第二密封元件之間形成腔室的相對密閉空間，腔體有一出口與密閉空間相通，可用于從密閉空間中排出消耗的燃料，第二個相對密封元件與腔體形成腔體的相對密閉末端空間，中空、無孔管狀熱交換元件延伸穿過第二個相對密封元件，其開口末端終止在相對密閉末端空間，相對密閉末端空間與一冷卻介質(zhì)出口相通，可將冷卻介質(zhì)排出相對末端空間，從而除去組件中電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量。該集流器的端部相互串聯(lián)或并聯(lián)形成一端子，其伸出到腔體之外，但不會引起泄漏；一根進(jìn)料管與此組件的微電池的外壁密封連接以提供進(jìn)料。
135.如權(quán)利要求133所述的電化學(xué)電池模塊中，進(jìn)料管從軸向穿入腔體并穿過第一個和第二個密封元件。
136.如權(quán)利要求133所述的電化學(xué)電池模塊中，在軸向穿過第一個密封元件的集流器可為內(nèi)腔或外壁集流器，而在軸向穿過第一個相對的密封元件的集流器可為外壁或內(nèi)腔集流器，其與軸向穿過第一個密封元件的集流器相對。
137.如權(quán)利要求133所述的電化學(xué)電池模塊，其中位于在相對一端的每一根集流器可以(A)在第一個密封元件和第二個密封元件之間相對應(yīng)的密閉空間中終止，但其不當(dāng)作中空，無孔管狀熱交換元件；或者，(B)終止在一個末端空間內(nèi)，當(dāng)作中空，無孔管狀熱交換元件；并且，在相對一端的每一個集流器與其他集流器串聯(lián)或并聯(lián)形成一個端子，其穿出腔體但不會引起泄漏。
138.如權(quán)利要求133所述的電化學(xué)電池模塊中，進(jìn)而包括一個將氧化劑導(dǎo)入腔體中的微電池組件中的氧化劑入口，氧化劑在組件中纖維微電池的外壁或內(nèi)腔流動，其與接受反應(yīng)物一側(cè)相對；一個將消耗的氧化劑從腔體中的微電池組件中導(dǎo)出的氧化劑出口，消耗的氧化劑可流出腔體。
139.如權(quán)利要求133所述的電化學(xué)電池模塊中，腔體由獨(dú)自的組件組成，移去其中一個單獨(dú)的部件可接觸其內(nèi)部空間和模塊的元件。
140.如權(quán)利要求133所述的電化學(xué)電池模塊中，熱交換元件截面直徑在100微米和10毫米之間。
141.如權(quán)利要求133所述的電化學(xué)電池模塊中，熱交換元件和集流器為不同元件。
142.一個電化學(xué)電池模塊，包括一個組件中的多個微電池；每個微電池包括一個內(nèi)電極，一個與內(nèi)電極接觸的微孔薄膜分離器；分布于微孔薄膜分離器的微孔內(nèi)的電解質(zhì)；一個外電極；其中微電池組件固定安裝在腔體的軸向上，第一端被第一個密封元件密封固定，微電池纖維的末端穿過密封元件，流體可以從微電池纖維的開口處流入，而第一個密封元件將微電池纖維的內(nèi)腔與外壁隔開，集流器組成熱交換元件，并從軸向穿過第一個密封元件，并由第二個密封元件固定密封，在這兩個密封元件之間形成一個腔體的密閉空間，腔體的進(jìn)料口與密閉空間相通，將進(jìn)料導(dǎo)入密閉空間，然后流過微電池的內(nèi)腔，第二個密封元件與腔體構(gòu)成密閉端空間，集流器組成熱交換元件，延伸穿過第二個密封元件，并終止于密閉端空間，冷卻介質(zhì)的導(dǎo)入口可將冷卻劑導(dǎo)入封閉的末端空間，冷卻劑流過集流器可除去電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱，微電池組件的第二端固定密封在相對的密封元件上，流體可流過穿過密封元件的微電池纖維的另一開口端，相對的密封元件將微電池纖維的內(nèi)腔與外壁隔開，相對的集流器從軸向穿過相對的密封元件，集流器組成熱交換元件，并終止在相對的固定元件上，腔體出料口將消耗的燃料和冷卻介質(zhì)從密閉空間排出以移除在微電池組件中電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱，集流器的端部相互串聯(lián)或并聯(lián)形成一端子，其延伸出腔體，但不會引起泄漏，集流器的端部相互串聯(lián)或并聯(lián)形成一端子，其伸出到腔體之外，但不會引起泄漏；
143.一種電化學(xué)電池模塊，包括一個組件中的多個微電池；每個微電池包括一個內(nèi)電極，一個與內(nèi)電極接觸的微孔薄膜分離器；分布于微孔薄膜分離器的微孔內(nèi)的電解質(zhì)；一個外電極；其中微電池組件固定在腔室的軸向，其第一端被第一個密封元件固定，但微電池纖維的末端穿過密封元件，流體可以從微電池纖維的開口處流入，密封元件將微電池的內(nèi)腔與外壁隔開，集流器組成熱交換元件，并從軸向穿過密封元件伸入密閉端空間，與腔體的至少一個熱交換通道相接，冷卻劑可流過熱交換通道，腔體的進(jìn)料口可將進(jìn)料導(dǎo)入密閉端空間，并流過微電池纖維的內(nèi)腔，微電池組件的第二端固定密封在相對的密封元件上，流體可流過穿過密封元件的微電池纖維的另一開口端，相對的密封元件將微電池纖維的內(nèi)腔與外壁隔開形成一密閉端空間，集流器組成熱交換元件，從軸向穿過相對的密封元件進(jìn)入密閉端空間與至少一個腔體的第二熱交換通道相接，冷卻介質(zhì)可流過至少一個腔體的第二熱交換通道，腔體出料口可將剩余的燃料從密閉端空間排出，集流器的端部相互串聯(lián)或并聯(lián)形成一無泄漏的端子，其延伸出腔體，但不會引起泄漏。
144.如權(quán)利要求142所述的電化學(xué)電池模塊，其第一和第二熱交換通道互相連接。
145.如權(quán)利要求142所述的電化學(xué)電池模塊，其組件包括多個由微電池組成的子束，在組件中，子束之間互相以串聯(lián)方式連接；
146.如權(quán)利要求130所述的電化學(xué)電池模塊，其中管狀的熱交換元件分布于微電池子束之間，作為內(nèi)子束熱交換元件；
147.一個電化學(xué)電池模塊，包括一個組件中的多個微電池；每個微電池包括內(nèi)電極活性材料一個與內(nèi)電極活性材料接觸的微孔薄膜分離器分布于微孔薄膜分離器的微孔內(nèi)的電解質(zhì)一個外電極活性元件其中，每一個內(nèi)電極和外電極活性元件包含至少一個電極，集流器，或電催化劑組分，此組件中還包括延伸出其外的電極或集流器組分；將此組件置于一含有冷卻劑的存儲槽的腔體內(nèi)；一個冷卻劑的存儲槽；以及電極或集流器組分的端部與冷卻劑以固體熱傳導(dǎo)的方式相接，從而使電極或集流器組分以固體熱傳導(dǎo)的方式將熱量從微電池組件傳遞給冷卻劑，以除去在模塊運(yùn)行時微電池電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量。
148.如權(quán)利要求142所述的電化學(xué)電池模塊，其熱交換元件從以下一組材料選擇而形成，其包括金屬，涂覆有防腐材料的金屬，石墨和聚合物材料。
149.如權(quán)利要求142所述的電化學(xué)電池模塊，其中微電池的尺寸從大約100微米到大約10毫米。
150.如權(quán)利要求142所述的電化學(xué)電池模塊，其中微電池的尺寸從大約100微米到大約10毫米。
151.如權(quán)利要求142所述的電化學(xué)電池模塊，其中冷卻介質(zhì)是氣體或液體。
152.如權(quán)利要求142所述的電化學(xué)電池模塊，其密封元件從以下一組材料選擇而形成，包括環(huán)氧樹脂，聚氨酯，BISMALEIMIDE，橡膠，和彈性體材料。
153.一個電化學(xué)電池模塊，包括一個組件中的多個微電池；每個微電池包括內(nèi)電極活性材料一個與內(nèi)電極活性材料接觸的微孔薄膜分離器分布于微孔薄膜分離器的微孔內(nèi)的電解質(zhì)一個外電極活性元件其中每一個內(nèi)電極和外電極活性元件包含至少一個電極，集流器，或電催化劑組分，該微電池含有長形的電極或集流器；從組件中移除熱量的方式可從以下選擇，包括A.延伸穿過微電池組件的中空，無孔管狀熱交換元件，此管狀熱交換元件不構(gòu)成集流器；B.延伸穿過微電池組件的中空，無孔管狀熱交換元件，此管狀熱交換元件同時構(gòu)成集流器；C.從微電池組件中延伸出的固體集流器，其以熱交換方式與冷卻介質(zhì)相接；
154.一種產(chǎn)生電化學(xué)能量的過程，包括A.提供一個電化學(xué)電池模塊，其包括一個組件中的多個微電池；每個微電池包括一個內(nèi)電極，一個與內(nèi)電極接觸的微孔薄膜分離器；分布于微孔薄膜分離器的微孔內(nèi)的電解質(zhì)；一個外電極；其中微電池組件含有多個中空，無孔管狀熱交換元件，其排布可使冷卻介質(zhì)流過中央通道，中空，無孔管狀熱交換元件分布在微電池組件中可從組件中除去模塊運(yùn)行時電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量；冷卻介質(zhì)源；將該冷卻介質(zhì)源與該中空，無孔管狀熱交換元件相互連接的流動環(huán)路；B.將燃料供給此電化學(xué)電池模塊中該組件的微電池的內(nèi)腔或外壁；C.與此同時，將氧化劑提供給電化學(xué)電池模塊中與接收燃料的.微電池的外壁或內(nèi)腔相對應(yīng)的內(nèi)腔或外壁，這樣電化學(xué)反應(yīng)可產(chǎn)生電能和熱，D.將用過的進(jìn)料排出電化學(xué)電池模塊；E.此冷卻介質(zhì)從其貯存源，經(jīng)流通環(huán)路，流過中空，無孔管狀熱交換元件，以除去電化學(xué)電池模塊中的熱量；F.將該冷卻介質(zhì)排出此模塊；
155.如權(quán)利要求154所述的過程，其還另外包括步驟G.讓排出的冷卻介質(zhì)流過一個熱交換器以移除其中的熱量，以產(chǎn)生低溫的冷卻介質(zhì)；并且H.將低溫的冷卻介質(zhì)再循環(huán)進(jìn)入模塊，流過中空的管狀熱交換元件。
156.如權(quán)利要求154所述的過程，其中冷卻介質(zhì)包含水。
157.如權(quán)利要求154所述的過程，其中冷卻介質(zhì)包含乙二醇的水溶液。
158.如權(quán)利要求154所述的過程，其中管外壁和內(nèi)壁中至少一邊的壓力高于大氣壓。
159.一種電化學(xué)電池模塊的熱管理操作方法，此模塊包括多個微電池組成的組件，每個微電池包括一個內(nèi)電極，一個與內(nèi)電極接觸的微孔薄膜分離器，分布于微孔薄膜分離器的微孔內(nèi)的電解質(zhì)一個外電極此方法包括將多個中空纖維狀熱交換元件置于微電池組件中，冷卻介質(zhì)可流過中央通道；此中空，無孔纖維狀熱交換元件分布于組件中，可除去模塊運(yùn)行時電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量；并且在微電池組件中電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行時，冷卻介質(zhì)流過微電池組件中的中空纖維狀熱交換元件。
160.如權(quán)利要求159所述的方法，其中冷卻介質(zhì)是液體冷卻劑；
161.如權(quán)利要求159所述的方法，其中冷卻介質(zhì)是氣體；
162.如權(quán)利要求159所述的方法，其中組件固定安裝在腔體的軸向上，第一端被第一個密封元件密封固定，微電池纖維的開口末端穿過密封元件，流體可以從微電池纖維的開口處流入，而第一個密封元件將微電池纖維的內(nèi)腔與外壁隔開，集流器從軸向伸出第一個密封元件，與第一個密封元件在空間錯開的第二個密封元件和第一個密封元件之間形成腔體的密閉空間，腔體有一進(jìn)料口與密閉空間相通，以讓進(jìn)料進(jìn)入密閉空間，從而讓進(jìn)料流經(jīng)組件的微電池纖維的內(nèi)腔，第二個密封元件與腔體形成密閉的末端空間，中空，無孔的熱交換元件延伸穿過第二個密封元件，其開口末端終止在密閉的末端空間里，密閉末端空間與一冷卻介質(zhì)入口相通，可將冷卻介質(zhì)導(dǎo)入密閉的末端空間，沿軸向流過組件的熱交換元件，組件的第二端固定密封在與第一個相對的密封元件上，其穿過密封元件，微電池纖維的相對開口末端可讓流體流過，第一個相對的密封元件將微電池纖維的外壁與內(nèi)腔隔開，集流器從第一個相對的密封元件軸向穿過，與第一個相對密封元件在空間錯開的第二個相對密封元件和第一個相對密封元件之間形成腔體的密閉空間，腔體有一個出口與密閉空間相通，可用于從密閉空間中排出消耗的燃料，該第二個相對密封元件與腔體形成相對密閉末端空間，中空，無孔的熱交換元件延伸穿過第二個相對密封元件，其開口末端終止在相對密閉末端空間里，相對密閉末端空間與一冷卻介質(zhì)出口相通，可將冷卻介質(zhì)排出相對密閉末端空間，從而除去組件中電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，集流器的端部相互串聯(lián)或并聯(lián)形成一端子，其伸出到腔體之外，但不會引起泄漏；一根進(jìn)料管與此組件的微電池的外壁密封連接以提供進(jìn)料。
163.如權(quán)利要求162所述的方法，其中進(jìn)料管沿軸向伸入腔體內(nèi)，其穿過第一個和第二個密封元件。
164.如權(quán)利要求162所述的方法，其中沿軸向穿過第一個密封元件的集流器可以是內(nèi)腔的集流器或外壁的集流器，沿軸向穿過第一個相對密封元件的集流器可以是外壁的集流器或內(nèi)腔的集流器，但其與沿軸向穿過第一個密封元件的集流器相反。
165.如權(quán)利要求162所述的方法，其中每一個集流器的外端部終止在相應(yīng)的第一個密封元件和第二個密封元件之間的密閉空間，集流器的這個端部與其他集流器的端部相互串聯(lián)或并聯(lián)形成一端子，其伸出到腔體之外，但不會引起泄漏。
166.如權(quán)利要求162所述的方法，其另外還包括(I)在腔體內(nèi)，與組件相通的氧化劑的進(jìn)口，以使氧化劑流過組件的微電池元件的外壁或內(nèi)腔到達(dá)與進(jìn)口相對的另一端；(II)在腔體內(nèi)，與組件相通的用過的氧化劑的出口，以使用過的氧化劑流出腔體。
167.如權(quán)利要求162所述的方法，其另外還包括將腔體制成一個可以分離的組件，以使可分離的部件可以從中移除，這樣就可以進(jìn)入到模塊的內(nèi)部空間和組件。
168.如權(quán)利要求162所述的方法，其中熱交換元件由組件的集流器構(gòu)成。
169.如權(quán)利要求162所述的方法，其中熱交換元件截面的直徑介于大約100微米到大約10厘米。
170.如權(quán)利要求162所述的方法，其中熱交換元件和集流器分開并且為不同的元件。
171.一種產(chǎn)生電化學(xué)能量的方法，其包括步驟制備含有多個纖維微電池的電化學(xué)電池模塊，每個微電池含有向外伸出的內(nèi)，外集流器；運(yùn)行電化學(xué)電池模塊以產(chǎn)生電化學(xué)能量；并且在運(yùn)行中，從至少一個上面提及的內(nèi)，外集流器移去熱量，以此移除電化學(xué)電池模塊中電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量；
172.如權(quán)利要求171所述的方法，其中集流器和至少一個熱交換通道放置在一起，冷卻介質(zhì)流經(jīng)熱交換通道；
173.如權(quán)利要求171所述的方法，其中組件含有一系列的微電池。
174.一種在電化學(xué)電池模塊中產(chǎn)生電化學(xué)能量的方法，其中電化學(xué)電池模塊包括一個組件中的多個微電池，其每個微電池包括有一個內(nèi)電極活性材料，一個與內(nèi)電極接觸的微孔薄膜分離器，一種分布于微孔薄膜分離器的微孔內(nèi)的電解質(zhì)，以及一個外電極活性元件，其中每一個內(nèi)電極和外電極活性元件包含至少一個電極，集流器，或電催化劑成分，該組件包括端部延伸出其外的電極或集流器組分，所述方法包括將一個電池組件安裝在一含有冷卻劑存儲槽的腔體內(nèi)，該電極或集流器組分的端部置于存儲槽內(nèi)；并且在存儲槽內(nèi)，用冷卻劑淹沒電極或集流器的端部，從而使電極或集流器組分以固體熱傳導(dǎo)的方式將熱量從微電池組件傳遞給冷卻劑，以除去在模塊運(yùn)行時微電池電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量。
175.一種微電池模塊的熱管理方法，此模塊由一組微電池組成，每一個微電池包括一個內(nèi)電極活性材料一個與內(nèi)電極活性材料接觸的微孔薄膜分離器分布于微孔薄膜分離器的微孔內(nèi)的電解質(zhì)一個外電極活性元件其中每一個內(nèi)電極和外電極活性元件包含至少一個電極，集流器，或電催化劑組分，所述微電池還包括一個伸長的電極或集流器，所述方法采用下列方式中的一種從組件中除去熱量(d)延伸出微電池組件的中空，無孔管狀熱交換元件，此管狀熱交換元件不構(gòu)成集流器；(e)延伸出微電池組件的中空，無孔管狀熱交換元件，此管狀熱交換元件構(gòu)成集流器；以及從微電池組件中延伸出的固體集流器，其以熱交換方式與冷卻介質(zhì)相接。
176.一個電化學(xué)裝置，其包含有透水中空膜纖維，其分布在由多個微電池組成的微電池組件中，微電池的兩端固定密封，放置在一腔體內(nèi)，在密封的兩端之間形成一個內(nèi)部空間，其中中空纖維在微電池組件中平行對齊，每一根中空纖維的第一開口末端穿過管平面，而伸到內(nèi)部空間之外，而另一末端在相對的密封元件處(或之前)終止，依此排布的中空纖維通過虹吸作用吸收電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的水，水從電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行處依管道滲透過中空纖維的壁，流過中空纖維的內(nèi)腔，進(jìn)入到腔體內(nèi)的內(nèi)部空間之外的集水處。
177.如權(quán)利要求176所述的電化學(xué)裝置，其腔體依垂直方向放置以使微電池元件和中空纖維在垂直方向上對齊，其腔體的收集處位于腔體的下端，中空纖維內(nèi)腔的水借重力向下流到收集處。
178.如權(quán)利要求176所述的電化學(xué)裝置，其中每根中空纖維的外表面涂覆有親水介質(zhì)。
179.如權(quán)利要求176所述的電化學(xué)裝置，其中每根中空纖維從以下一組材料中選擇而形成，其包括聚合物材料，玻璃，和陶瓷。
180.如權(quán)利要求176所述的電化學(xué)裝置，其中中空纖維的多孔度的值位于適于如下應(yīng)用的范圍超過濾，微過濾，反相滲透。
181.如權(quán)利要求176所述的電化學(xué)裝置，其中中空纖維的外徑的范圍是大約100微米到大約10毫米。
182.如權(quán)利要求176所述的電化學(xué)裝置，其中每根中空纖維由親水材料形成。
183.一個電化學(xué)電池模塊，包括一個組件中的多個微電池，該組件包括多個微電池子束，每個微電池包括一個內(nèi)電極，一個與內(nèi)電極接觸的微孔薄膜分離器，分布于微孔薄膜分離器的微孔內(nèi)的電解質(zhì)，一個外電極，此微電池組件中含有多個中空纖維熱交換元件，以讓冷卻介質(zhì)流過其中央通道；中空纖維熱交換元件分布于該組件中用以從組件中移除在模塊運(yùn)行時電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量；冷卻介質(zhì)源；將該冷卻介質(zhì)源和該中空纖維熱交換元件互相連接的流動環(huán)路；其中空纖維熱交換元件由透水的多孔膜分離器組成，其水相冷卻介質(zhì)中的水從內(nèi)腔滲透過膜分離器的壁而進(jìn)入進(jìn)料流中，從而濕化電化學(xué)反應(yīng)的環(huán)境。
184.如權(quán)利要求183所述的電化學(xué)電池模塊，其中微電池組件固定安裝在腔體的軸向上，第一端被第一個密封元件密封固定，微電池纖維的開口末端穿過密封元件，流體可以從微電池纖維的開口處流入，而第一個密封元件將微電池纖維的內(nèi)腔與外壁隔開，集流器從軸向伸出第一個密封元件，該熱交換元件然后被固定密封在與第一個密封元件相對的第二個密封元件上，在第一和第二密封元件之間形成腔體的密閉空間，腔體有一進(jìn)料口與密閉空間相通，以讓進(jìn)料進(jìn)入密閉空間，從而讓進(jìn)料流經(jīng)組件的微電池纖維的內(nèi)腔，第二個密封元件與腔體形成密閉的末端空間，熱交換元件延伸穿過第二個密封元件，其開口末端終止在密閉的末端空間里，密閉的末端空間與一冷卻介質(zhì)入口相通，可將水相冷卻介質(zhì)導(dǎo)入密閉的末端空間，沿軸向流過組件的熱交換元件，微電池組件的第二端固定密封在與第一個相對的密封元件上，其穿過密封元件，微電池纖維的相對開口末端可讓流體流過，第一個相對的密封元件將微電池纖維的外壁與內(nèi)腔隔開，集流器從第一個相對的密封元件軸向穿過，該熱交換元件然后被固定密封在與第一個相對密封元件相對的第二個相對密封元件上，在第一和第二相對密封元件之間形成腔體的相對密閉空間，腔體有一個出口與密閉空間相通，可用于從密閉空間中排出消耗的燃料，第二個相對密封元件與腔體形成腔體的相對密閉末端空間，熱交換元件延伸穿過第二個相對密封元件，其開口末端終止在相對密閉末端空間里，相對密閉末端空間與一冷卻介質(zhì)出口相通，可將冷卻介質(zhì)排出相對密閉末端空間，從而除去組件中電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，該集流器的端部相互串聯(lián)或并聯(lián)形成一端子，其伸出到腔體之外，但不會引起泄漏；一根進(jìn)料管與此組件的微電池的外壁密封連接以提供進(jìn)料。
185.如權(quán)利要求183所述的電化學(xué)電池模塊，其每一個中空纖維熱交換元件由含有水選擇滲透性基團(tuán)的材料組成。
186.如權(quán)利要求183所述的電化學(xué)電池模塊，其中水選擇滲透性基團(tuán)由離子交換含氟聚合物構(gòu)成。
187.如權(quán)利要求183所述的電化學(xué)電池模塊，其中中空纖維的多孔度的值位于適于如下應(yīng)用的范圍超過濾，微過濾，反相滲透。
188.如權(quán)利要求183所述的電化學(xué)電池模塊，其中中空纖維的外徑的范圍是大約100微米到大約10毫米。
189.一種適用于含有多個微電池的電化學(xué)裝置的水管理的方法，此多個微電池被置于一腔體內(nèi)，其兩端固定密封，在其兩端之間形成一個內(nèi)部空間；該方法中，將中空纖維排布，以使其通過虹吸作用吸取電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的水，并將水從電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行處依管道滲透過中空纖維的壁，流過中空纖維的內(nèi)腔，進(jìn)入到腔體內(nèi)的內(nèi)部空間之外的集水處。
190.一種如權(quán)利要求189所述的方法，其中微電池元件和中空纖維在垂直方向上對齊，其腔體的收集處位于腔體的下端，中空纖維內(nèi)腔的水借重力向下流到收集處。
191.一種如權(quán)利要求189所述的方法，其中每根中空纖維的外表面涂有具有親水性的基團(tuán)。
192.一種如權(quán)利要求189所述的方法，其中每根中空纖維從以下一組材料中選擇而形成，其包括聚合物材料，玻璃，和陶瓷。
193.一種如權(quán)利要求189所述的方法，其中中空纖維的多孔度的值位于適于如下應(yīng)用的范圍超過濾，微過濾，反相滲透。
194.一種如權(quán)利要求189所述的方法，其中中空纖維的外徑的范圍是大約100微米到大約10毫米。
195.一種如權(quán)利要求189所述的方法，其中每根中空纖維由親水材料形成。
196.一種制備電化學(xué)電池模塊的方法，模塊包括一個組件中的多個微電池，該組件包括多個微電池子束，每個微電池包括一個內(nèi)電極，一個與內(nèi)電極接觸的微孔薄膜分離器，分布于微孔薄膜分離器的微孔內(nèi)的電解質(zhì)，一個外電極，此方法包括制備微電池組件，其含有多個中空纖維熱交換元件，其排布可使水相冷卻介質(zhì)流過中央通道，中空纖維熱交換元件分布在微電池組件中可除去模塊運(yùn)行時電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量；其中空纖維熱交換元件由透水的多孔膜分離器組成，其水相冷卻介質(zhì)中的水從內(nèi)腔滲透過膜分離器的壁而進(jìn)入進(jìn)料流中，從而濕化電化學(xué)反應(yīng)的環(huán)境。
197.如權(quán)利要求196所述的方法，還包括將微電池組件固定安裝在腔體的軸向上，第一端被第一個密封元件密封固定，微電池纖維的末端穿過密封元件，流體可以從微電池纖維的開口處流入，而第一個密封元件將微電池纖維的內(nèi)腔與外壁隔開，集流器從軸向伸出第一個密封元件，熱交換元件固定密封在第二個密封元件和第一個密封元件之間，在其之間形成腔體的密閉空間，腔體有一進(jìn)料口與密閉空間相通，以讓進(jìn)料進(jìn)入密閉空間，從而將物質(zhì)導(dǎo)入流過微電池纖維的內(nèi)腔，第二個密封元件與腔體形成密閉的末端空間，熱交換元件延伸穿過第二個密封元件，其開口端終止在密閉的末端空間里，密閉的末端空間與一冷卻介質(zhì)入口相通，可將水相冷卻介質(zhì)導(dǎo)入密閉的末端空間，沿軸向流過組件的熱交換元件，微電池組件的第二端固定密封在與第一個相對的密封元件上，流體可穿過密封元件而流過纖維微電池到其另一開口端，第一個相對的密封元件將微電池纖維的外壁與內(nèi)腔隔開，集流器從第一個相對的密封元件軸向穿過，熱交換元件固定在第二個相對的密封元件上，在這兩個密封元件之間的空間形成一個密閉空間，其上裝有一個出口，可用于從密閉空間中排出消耗的燃料，第二個相對的密封元件與腔體形成另一相對的密閉末端空間，熱交換元件穿過第二個相對的密封元件，其開口端終止在相對的密閉末端空間中，其上裝有冷卻介質(zhì)的出口，可將冷卻介質(zhì)排出相對的密閉末端空間，從而除去組件中電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，集流器的端部相互串聯(lián)或并聯(lián)形成一端子，其伸出到腔體之外，但不會引起泄漏；一根進(jìn)料管與此組件的微電池的外壁密封連接以提供進(jìn)料。
198.如權(quán)利要求197所述的方法，其每一個中空纖維熱交換元件由含有水選擇滲透性基團(tuán)的材料組成。
199.如權(quán)利要求197所述的方法，其中水選擇滲透性基團(tuán)由離子交換含氟聚合物構(gòu)成。
200.如權(quán)利要求197所述的方法，其中中空纖維的多孔度的值位于適于如下應(yīng)用的范圍超過濾，微過濾，反相滲透。
201.如權(quán)利要求197所述的方法，其中中空纖維的外徑的范圍是大約100微米到大約10毫米。
202.一種涂覆有涂層的纖維，其包括本身易于腐蝕的材料組成的金屬纖維，和由炭化的有機(jī)材料形成的連續(xù)碳涂層，其厚度能賦與金屬纖維抗腐蝕性。
203.一種如權(quán)利要求202所述的涂覆有涂層的纖維，其炭化的有機(jī)材料形成的連續(xù)涂層具有無定形性。
204.一種如權(quán)利要求202所述的涂覆有涂層的纖維，其炭化的有機(jī)材料形成的連續(xù)涂層具有結(jié)晶性。
205.一種如權(quán)利要求202所述的涂覆有涂層的纖維，其炭化的有機(jī)材料形成的連續(xù)涂層的外表面具有微孔性。
206.一種如權(quán)利要求202所述的涂覆有涂層的纖維，其炭化的有機(jī)材料形成的連續(xù)涂層的表面積至少有10m2/每克涂覆材料(根據(jù)BET等溫多孔性測量的方法)。
207.一種如權(quán)利要求202所述的涂覆有涂層的纖維，其直徑的范圍位於大約50微米到大約10毫米。
208.一種如權(quán)利要求202所述的涂覆有涂層的纖維，其炭化的有機(jī)材料形成的連續(xù)涂層由陶化的玻璃碳材料組成。
209.一種如權(quán)利要求202所述的涂覆有涂層的纖維，其炭化的有機(jī)材料形成的連續(xù)碳涂層還可包括電催化劑。
210.一種纖維微電池結(jié)構(gòu)，包括一個內(nèi)電極一個與內(nèi)電極接觸的微孔薄膜分離器分布于微孔薄膜分離器的微孔內(nèi)的電解質(zhì)一個外電極其中內(nèi)電極或外電極中至少有一個包括有一個集流器，此集流器包括一個涂覆有涂層的纖維，其包括本身易于腐蝕的材料組成的金屬纖維，和由炭化的有機(jī)材料形成的連續(xù)碳涂層，其厚度能賦與金屬纖維抗腐蝕性。
211.一個電化學(xué)電池裝置，其包括多個如權(quán)利要求210所述的纖維微電池結(jié)構(gòu)。
212.如權(quán)利要求210所述的電化學(xué)電池裝置，用作燃料電池。
213.如權(quán)利要求210所述的電化學(xué)電池裝置，用作電池。
214.一個電化學(xué)電池裝置，其包括有一集流器，此集流器由易于腐蝕的金屬和其上由炭化的有機(jī)材料形成的連續(xù)碳涂層而形成，涂層的厚度能賦與金屬集流器抗腐蝕性。
215.如權(quán)利要求214所述的電化學(xué)電池裝置，用作燃料電池。
216.如權(quán)利要求214所述的電化學(xué)電池裝置，用作電池。
217.如權(quán)利要求214所述的電化學(xué)電池裝置，其中的集流器具有平板的形狀。
218.如權(quán)利要求214所述的電化學(xué)電池裝置，其中的集流器具有纖維的形狀。
219.如權(quán)利要求214所述的電化學(xué)電池裝置，其中的集流器具有平面或網(wǎng)狀的形式。
220.如權(quán)利要求214所述的電化學(xué)電池裝置，其連續(xù)碳涂層具有無定形性。
221.如權(quán)利要求214所述的電化學(xué)電池裝置，其連續(xù)碳涂層具有結(jié)晶性。
222.如權(quán)利要求214所述的電化學(xué)電池裝置，其連續(xù)碳涂層具有陶化的玻璃碳的特性。
223.一個由微電池纖維有機(jī)構(gòu)成的燃料電池，其包括有一集流器或電極，其涂覆有無定形的金屬組分。
224.一個由微電池纖維元件構(gòu)成的燃料電池，其包括有一集流器或電極，其涂覆的金屬組分具有儲氫的能力。
225.一種微電池結(jié)構(gòu)，包括一個內(nèi)電極一個與內(nèi)電極接觸的微孔薄膜分離器分布于微孔薄膜分離器的微孔內(nèi)的電解質(zhì)一個外電極其中至少一個內(nèi)電極或外電極含有一個碳或石墨集流器，其與非碳或非石墨的集流器緊密接觸，此非碳或非石墨的集流器易于降解而導(dǎo)致導(dǎo)電的非連續(xù)性。
226.一個電化學(xué)電池，其含有多個如權(quán)利要求225中的微電池結(jié)構(gòu)。
227.一種制備抗腐蝕纖維的方法，包括提供一個本身易于腐蝕的材料組成的金屬纖維；在其上涂覆一層有機(jī)材料形成涂層，其厚度能使產(chǎn)生的炭化產(chǎn)物賦與金屬纖維抗腐蝕性；在金屬纖維上炭化有機(jī)材料以形成連續(xù)碳涂層。
228.如權(quán)利要求227所述的方法，其炭化的有機(jī)材料形成的連續(xù)涂層具有無定形性
229.如權(quán)利要求227所述的方法，其炭化的有機(jī)材料形成的連續(xù)涂層具有結(jié)晶性。
230.如權(quán)利要求227所述的方法，其炭化的有機(jī)材料形成的連續(xù)涂層的外表面具有微孔性。
231.如權(quán)利要求227所述的方法，其炭化的有機(jī)材料形成的連續(xù)涂層的表面積至少有10m2/每克涂覆材料(根據(jù)BET等溫多孔性測量的方法)。
232.如權(quán)利要求227所述的方法，其直徑的范圍位于大約50微米到大約10毫米。
233.如權(quán)利要求227所述的方法，其炭化的有機(jī)材料形成的連續(xù)涂層由陶化的玻璃碳材料組成。
234.如權(quán)利要求227所述的方法，炭化的有機(jī)材料形成的連續(xù)碳涂層還可包括電催化劑。
235.一種制備由以下部分組成的纖維狀微電池結(jié)構(gòu)的方法一個內(nèi)電極一個與內(nèi)電極接觸的微孔薄膜分離器分布于微孔薄膜分離器的微孔內(nèi)的電解質(zhì)一個外電極其中內(nèi)電極或外電極中至少有一個包括有一個集流器。此方法中，集流器由涂覆有涂層的纖維組成，其包括本身易于腐蝕的材料組成的金屬纖維，和由炭化的有機(jī)材料形成的連續(xù)碳涂層，其厚度能賦與金屬纖維抗腐蝕性。
236.一種制備電化學(xué)裝置的方法，其包括由易于腐蝕的金屬形成集流器，在其上由有機(jī)材料炭化而形成連續(xù)碳涂層，其厚度能賦與金屬集流器抗腐蝕性。
237.如權(quán)利要求236所述的方法，其電化學(xué)電池裝置用作燃料電池。
238.如權(quán)利要求236所述的方法，其電化學(xué)電池裝置用作電池。
239.如權(quán)利要求236所述的方法，其電化學(xué)電池裝置的集流器具有平板的形狀。
240.如權(quán)利要求236所述的方法，其電化學(xué)電池裝置的集流器具有纖維的形狀。
241.如權(quán)利要求240所述的方法，其電化學(xué)電池裝置的集流器具有平面或網(wǎng)狀的形式。
242.如權(quán)利要求236所述的方法，其電化學(xué)電池裝置的集流器具有無定形性。
243.如權(quán)利要求236所述的方法，其電化學(xué)電池裝置的集流器具有結(jié)晶性。
244.如權(quán)利要求236所述的方法，其連續(xù)碳涂層具有陶化的玻璃碳的特性。
245.如權(quán)利要求236所述的方法，其集流器或電極涂覆有無定形的金屬組分。
246.一種制備由微電池纖維元件構(gòu)成的燃料電池的方法，其包括有一集流器或電極，其涂覆的金屬組分具有儲氫的能力。
247.一種制備微電池結(jié)構(gòu)的方法，此結(jié)構(gòu)包括一個內(nèi)電極一個與內(nèi)電極接觸的微孔薄膜分離器分布于微孔薄膜分離器的微孔內(nèi)的電解質(zhì)一個外電極此方法包括提供至少一個內(nèi)電極或外電極，以及一個與非碳或非石墨的集流器緊密接觸的碳或石墨的集流器，其中非碳或非石墨的集流器易于降解而導(dǎo)致導(dǎo)電的非連續(xù)性。
全文摘要
微電池結(jié)構(gòu)和組件可有效地用于能量的電化學(xué)產(chǎn)生及轉(zhuǎn)化。本發(fā)明中的微電池結(jié)構(gòu)可容易地用下列方式制備多個纖維微電池元件形成一個片結(jié)構(gòu)(60，62，64，66)，再將其組成多層的子束和束狀構(gòu)造，以在燃料電池和電池系統(tǒng)的應(yīng)用中產(chǎn)生高電壓和大功率密度輸出。
文檔編號H01M8/04GK1466783SQ01816174
公開日2004年1月7日 申請日期2001年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月24日
發(fā)明者雷·埃什拉圭, 雷 埃什拉圭 申請人:微電池公司