包括至少兩個具有多個相互連接燃料電池單元的堆疊印刷電路板的燃料電池的制作方法
【專利摘要】公開了一種燃料電池，其包括至少兩個堆疊的燃料電池板（22），每個燃料電池板（22）包括基本上透氣的電解質(zhì)材料膜和至少兩個電極對，其中，每個所述電極對的陽極和陰極布置在所述膜的各表面上。每個電極對的電極通過直通膜的連接器（13）或通過印刷電路板上的外部連接器連接到相鄰電極對的電極上，直通膜的連接器（13）包括所述電解質(zhì)材料的導(dǎo)電區(qū)域。還公開了一種方法，用于在電解質(zhì)膜中形成直通膜的電連接器。
【專利說明】包括至少兩個具有多個相互連接燃料電池單元的堆疊印刷電路板的燃料電池
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及燃料電池，例如，涉及固體聚合物電解質(zhì)燃料電池。本發(fā)明還涉及印刷電路板(PCB)技術(shù)在本發(fā)明的燃料電池制造中的應(yīng)用、耐腐蝕涂層的應(yīng)用、以及形狀記憶合金(SMA)在燃料電池的小側(cè)面閥中的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池是一種電化學(xué)裝置，其通過氧化劑(如，純氧或空氣)和燃料(如氫氣或含氫混合物、或碳?xì)浠衔锘驘N衍生物)產(chǎn)生電能和熱能。燃料電池可應(yīng)用于便攜、移動和固定場合，如可應(yīng)用于發(fā)電站、車輛和膝上型電腦。
[0003]通常，電池包括兩個電極，即陽極和陰極，它們被電解質(zhì)膜分開，這使得離子(如氫離子，但不是自由電子)可穿過電解質(zhì)膜，從一個電極移到另一個電極上。電極上的催化劑層促進燃料(位于陽極電極上)和氧化劑(位于陰極電極上)之間的反應(yīng)，從而產(chǎn)生或消耗離子和電子。陽極上的自由電子形成電流，可使用電流來執(zhí)行工作，然后電流流向消耗電子的陰極處。
[0004]被電解質(zhì)膜分開的一對電極稱之為膜電極組(MEA)。在合適負(fù)載下運行的燃料電池MEA產(chǎn)生的輸出電壓大致為0.7V，對于許多實際情況而言，該電壓值過低。為了增加該電壓，傳統(tǒng)上，MEA被組裝成圖1所示的堆。每個MEAl具有一層“電解質(zhì)膜”la，該層膜是夾置在兩個電極層之間的離子滲透膜，陽極2和陰極3位于電解質(zhì)膜的相對表面上。相鄰的MEA被導(dǎo)電雙極隔板4分開，氫氣燃料5和氧氣6穿過設(shè)置在雙極板的相對表面上的通道。端板9通過電連接器7，8連接到外部電路上。燃料電池堆中的這些MEA的數(shù)量決定總電壓、每個膜電極的表面積決定總電流。
[0005]現(xiàn)有的燃料電池幾何結(jié)構(gòu)涉及到的問題是，當(dāng)燃料電池以這種方式堆疊在一起時，電流垂直MEA的表面流動。因此，這種堆疊結(jié)構(gòu)要求讓電流從一個電池的正極流到下一個電池的負(fù)極。另外，例如，由于膜電極中形成小孔或者由于膜兩側(cè)的電極之間的短路，會讓MEA出現(xiàn)故障，從而需要讓整個堆關(guān)閉。另外，如果一個MEA不運行，其他MEA也不運行，那么電流就直接穿過MEA，這樣MEA就會迅速退化。如果一個MEA被破壞，那么整個燃料電池堆就不能使用。
[0006]在公知結(jié)構(gòu)中，雙極板通常由石墨碳或不銹鋼制成，雙極板必須導(dǎo)電、透氣，并具有流場通道，這些通道用于分配反應(yīng)物經(jīng)過MEA的表面，也可以用于分配冷卻劑經(jīng)過MEA的表面。因此，雙極板的材料成分受到限制，板復(fù)雜、制造成本高昂。另外，為了讓電解質(zhì)膜的性能最優(yōu)，需要保持電解質(zhì)膜中的含水量合適。膜要求具有一定的濕度，以有效地運行和傳導(dǎo)離子電流，這樣電池電流就不會降低。電池產(chǎn)生的水可通過沿陰極流動的氣流被去除，或被吸走。金屬雙極板在電池的潮濕環(huán)境下出現(xiàn)腐蝕是常見的問題，因而，雙極板的制造材料受到限制。另一個問題是燃料電池堆會出現(xiàn)過熱，因而需要進行冷卻。為了達到冷卻效果，通常的做法是，配置其他板，使這些板包括可讓冷卻劑(水)在電池堆中循環(huán)流通的通道；但是在許多應(yīng)用場合中這會讓電池笨重、不實用。另外，通過使用整體式電力電子元件來調(diào)節(jié)和調(diào)整電池堆的電輸出。這樣成本就高昂，這些電力電子元件出現(xiàn)點故障也會引起整個燃料電池系統(tǒng)出現(xiàn)故障。
[0007]K.Ledjeff和R.Nolte于1995年在燃料電池系統(tǒng)材料第一屆國際研討會論文集的第128-134頁所發(fā)表的“新的固體聚合物燃料電池(SPFC)技術(shù)與材料”(NewSPFC-Technology with Plastics, by K.Ledjeff and R.Noltej Proceedings of the FirstInternational Symposium on New Materials for Fuel Cell Systems， 1995，pl28-134)描述了一種公知的替換手段。文章作者描述了一種單一電解質(zhì)膜的帶狀結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生高的輸出電壓，但沒有使用堆技術(shù)。標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的燃料電池的電極和雙極板安裝在共面結(jié)構(gòu)上，每個燃料電池MEA以帶的結(jié)構(gòu)形式呈現(xiàn),每個MEA帶連接到相鄰的第二 MEA帶上。這種方法出現(xiàn)的問題是，膜結(jié)構(gòu)要求小心組裝、并要求密封相鄰帶以避免氧化劑和燃料混合。
[0008]權(quán)利要求書中闡釋了本發(fā)明。與復(fù)雜、昂貴的雙極板不同的是，在本發(fā)明中，塑料或其他非導(dǎo)電墊片使用在相鄰的MEA之間，因此，大大簡化了堆疊的燃料電池的結(jié)構(gòu)。由于本發(fā)明的燃料電池采用這種結(jié)構(gòu)，因而燃料與氧氣混合的風(fēng)險低。燃料電池堆中的各MEA或燃料電池板也可與單獨的開關(guān)組合在一起，從而可輔助控制燃料電池。
[0009]下面參照三個實施例描述了本發(fā)明。應(yīng)該理解為，對這些實施例的描述并沒有限制本發(fā)明的范圍，僅用于作為例子來闡釋本發(fā)明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]現(xiàn)在將參照附圖描述本發(fā)明的具體實施例，附圖如下:
[0011]圖1是公知類型的堆疊燃料電池的示意性側(cè)視圖；
[0012]圖2(a)是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的燃料電池板的側(cè)部截面圖；
[0013]圖2(b)是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的燃料電池板的透視圖；
[0014]圖3是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的燃料電池板的側(cè)部截面圖，該燃料電池包括一堆燃料電池板；
[0015]圖4是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的燃料電池系統(tǒng)的透視圖；
[0016]圖5(a)是帶有表面通道的墊片的側(cè)部截面圖；
[0017]圖5(b)是帶有表面通道的墊片的透視圖；
[0018]圖5(c)從上部或下部示出了塑料墊片，該墊片設(shè)置有用于冷卻劑的內(nèi)部通道；
[0019]圖6是局部分解透視圖，示出了第一實施例的燃料電池堆的一部分的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；
[0020]圖7是本發(fā)明的第二實施例的燃料電池堆的局部透視圖；
[0021]圖8是燃料電池的一部分的分解圖，詳細(xì)示出了本發(fā)明的第二實施例的MEA的布
置結(jié)構(gòu)；
[0022]圖9是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的PCB板和MEA的各層的分解圖；
[0023]圖10(a)和10(b)是根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的集電和配電層的平面圖；
[0024]圖11是本發(fā)明的第二實施例的反應(yīng)物分配層的平面圖；
[0025]圖12是本發(fā)明的第二實施例的分解圖，示出了具有反應(yīng)物流的PCB板的各層；
[0026]圖13(a)和13(b)示出了本發(fā)明的第三實施例的截面圖；
[0027]圖13 (C)示出了本發(fā)明第三實施例的染料電池板的各層的平面圖；[0028]圖14示出了反應(yīng)物通道下半部分，示出了使用形狀記憶合金(SMA)作為小側(cè)面閥的方式。
【具體實施方式】
[0029]可參照圖2(a)和2(b)理解本發(fā)明的第一實施例，在圖2 (a)和2 (b)中，沿單一層聚合物電解質(zhì)10 (如Nafion?膜)的兩側(cè)串聯(lián)設(shè)置有電極對，以形成膜或板，在此稱之為燃料電池板22。陽極11位于膜的一個表面上，它們之間間隔間隙15 ;陰極12位于膜片的另一個表面上，它們之間間隔間隙15。兩相鄰電極對的對應(yīng)陽極和陰極可以局部重疊。直通膜的電連接器13在重疊區(qū)域穿過膜將電極連接起來。電連接器13通過均相化學(xué)沉積過程制成，下面將對此進行更詳細(xì)描述?？拷姌O的催化層14促進發(fā)生在電極處的反應(yīng)。燃料16 (如氫氣)沿支撐陽極的燃料電池板22的表面流動；氧化劑17 (如氧氣或空氣)沿支撐陰極的燃料電池板22的表面流動。燃料電池板上表面邊緣處的一個電極和燃料電池板下表面的另一邊緣處的一個電極通過電連接器18，19連接到外部電路上。在這種串聯(lián)布置結(jié)構(gòu)中，電極對的表面積決定燃料電池板22的電流大小,但是產(chǎn)生的電壓對應(yīng)于燃料電池板22上的電極對數(shù)量。
[0030]在該優(yōu)選實施例中，電解質(zhì)膜層10的厚度在1-200 μ m之間，優(yōu)選在5_200 μ m之間。電極帶11，12的寬度為Imm至5cm,優(yōu)選為2mm-lcm。電極帶之間的間隙15的寬度在
0.1mm至1.5cm之間，優(yōu)選在0.2mm_lcm之間。直通膜的電連接器13的寬度為I μ m-2mm,優(yōu)選為10 μ m-lmm。
[0031]圖3和4示出了燃料電池，其中，多個燃料電池板22堆疊在兩個端板21之間，以增加電流。電絕緣墊片20與電池堆組合成一體，位于各燃料電池板之間，即，每個燃料電池板包括由電絕緣材料制成的墊片。電絕緣墊片20可組合到反應(yīng)物分配系統(tǒng)中，也可根據(jù)情況含有與冷卻系統(tǒng)相連的通道或管道，可根據(jù)情況含有用于輸送或去除水的分配系統(tǒng)。墊片20可以采用任何合適的布置方式設(shè)置，也可以含有與水設(shè)備相連的通道或管道，水設(shè)備滿足膜的水化或排出產(chǎn)物水的需要，下面將對此進行更詳細(xì)描述。單個電池的尺寸(即，一對電極的表面積)決定燃料電池板的電流大小。燃料電池板上的這些單個電池的數(shù)量決定所產(chǎn)生的電壓大小。電池堆中的燃料電池板的數(shù)量決定燃料電池堆的總電流大小。任何合適結(jié)構(gòu)形式(圖3和4中未示出)的支管分別供應(yīng)并收集電池入口和出口處的反應(yīng)物，所述支管還可具有用于冷卻劑和水化產(chǎn)物/產(chǎn)物水的其他入口和出口。
[0032]因為本發(fā)明不要求燃料電池板之間存在電接觸，因此，目前的燃料電池設(shè)計結(jié)構(gòu)中采用的雙極板可由普通塑料墊片取代，普通塑料墊片制造容易，因而便宜。類似地，因為不再需要將一個燃料電池板的陽極靠近下一個燃料電池的陰極堆疊，因而，相鄰的燃料電池板的陽極側(cè)(或陰極側(cè))相互相對，這種情況下，由于不存在氣體混合的風(fēng)險，因而可設(shè)置多孔墊片20。由于一股氣流可用于兩個燃料電池板，這樣可減小密封件數(shù)量并增加功率密度，從而可大大增加燃料電池的組裝密度。重復(fù)距離(即，燃料電池板和供送區(qū)域的重合部分的厚度)可以大致低至0.2_。因而，燃料電池系統(tǒng)可達到相當(dāng)高的體積功率密度。另夕卜，在表面上易形成通道以便于氣體循環(huán)，墊片上易組合有內(nèi)部管道，可讓冷卻劑和/或水循環(huán)，從而為電池堆提供冷卻和水分配系統(tǒng)。為反應(yīng)氣體配置的通道和與冷卻和/或水分配系統(tǒng)相連的通道或管道是分開的，下面將對此進行更詳細(xì)描述。[0033]每個燃料電池板上的端部陰極12和陽極11通過電連接器18，19分別連接到第一和第二輸出線路23，24上。電池堆中的每個燃料電池板與第二輸出管線24之間的連接可由轉(zhuǎn)換機構(gòu)25控制，轉(zhuǎn)換機構(gòu)25例如為場效晶體管(FET)開關(guān)，可對電池直接進行功率處理和控制。這些開關(guān)分別通過各控制管線26控制。為此，各燃料電池板可被單獨“關(guān)閉”或其負(fù)載可被單獨降低，這樣，燃料電池板的故障就不會嚴(yán)重，從而，可使用便宜的低電流開關(guān)對電池進行功率處理和控制。
[0034]圖5(a)至(C)更詳細(xì)地示出了絕緣墊片20，絕緣墊片20的表面上蝕刻有通道27，以讓反應(yīng)物流經(jīng)其中，圖中示出了內(nèi)部冷卻通道28的一種可能布置方式(如虛線所示)，可讓冷卻氣體或液體在燃料電池板疊層之間循環(huán)流動。為了達到最高效的冷卻效果，這些通道設(shè)置墊片上、位于在燃料電池堆的每層燃料電池板之間或多層之間(如，每隔兩、三或四層設(shè)置有這種通道)。
[0035]可供選擇地，如圖7所示，可通過位于燃料電池堆的一個或多個邊緣處的風(fēng)扇46將空氣吹到電池堆中進入通道，從而進行冷卻。與冷卻系統(tǒng)使用的雙極板或其他分離板相t匕，反應(yīng)物所需的單通道可讓氣體更快地流入電池堆的層中，因而，這樣可達到有效的冷卻效果。另外，可使用體積更大的氣體，這樣也可提高冷卻效果。冷卻劑被泵送到冷卻通道中以保持電池堆處于所需的操作溫度下。
[0036]圖6示出了燃料電池堆的部分內(nèi)部結(jié)構(gòu)的局部分解截面圖。布置帶狀MEA30，使垂直相鄰的MEA的陽極相互相對、垂直相鄰的陰極也相互相對。氧氣或空氣A被輸送到陰極，燃料B如氫氣被輸送到陽極。多孔的非導(dǎo)電墊片31具有氣體分配通道，墊片31通過彈性的非導(dǎo)電材料制成的肋片32形成氣體分配層。肋片沿電極帶之間的間隙33布置。每個燃料電池板通過密封件34密封、與大氣隔離，每個燃料電池板例如通過場效晶體管(FET)開關(guān)36連接到外部電路或母線35上。
[0037]多孔的非導(dǎo)電墊片31可由硬質(zhì)塑料材料制成。優(yōu)選地，肋片32和密封件34可由聚二甲基硅氧烷(PDMS)或可進行嚴(yán)密密封的類似彈性材料制成。
[0038]為了制造燃料電池堆，例如，可將多個電極帶絲網(wǎng)印刷到膜的上下表面上，使帶結(jié)構(gòu)形式的陽極和陰極在相同方向上伸展，并通過直通膜的連接器讓它們成對連接。直通膜的電連接器沿電解質(zhì)膜形成在帶上，下面將對此進行描述。用一組電極覆蓋每個膜，這樣就形成了燃料電池板。一完成這些燃料電池板，就通過由吹模塑料形成的絕緣墊片將它們交
替地堆疊在一起。
[0039]為了沉積直通膜的導(dǎo)體，需要將金屬或其他導(dǎo)電材料化學(xué)沉積在膜內(nèi)。在燃料電池運行條件下，這種材料在膜內(nèi)必須化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，這種材料通常為貴金屬(如鉬、金、釕、銥、銠、鈀)或貴金屬的氧化物。一般的方法是將膜放置在罩內(nèi)，然后將罩暴露在導(dǎo)電材料前體中?？勺屒绑w擴散到膜中，然后使膜接觸反應(yīng)物種類，反應(yīng)物種類與前體反應(yīng)，這樣顆粒就沉積在膜材料內(nèi)。這種反應(yīng)物種類可以是酸或堿基，可以是氧化劑或還原劑，或者可以使含有前體的絡(luò)合物不穩(wěn)定。第二步驟是“固定”直通膜的導(dǎo)體的位置。該固定步驟也可以是電化學(xué)過程一將兩個電極放置在膜的兩側(cè)上，讓電流通過，從而在直通膜的導(dǎo)體將要被定位的位置上還原或氧化前體。在“固定”步驟中產(chǎn)生的顆?？梢曰虿豢梢允菍?dǎo)電的?？筛鶕?jù)情況采用涉及另外的化學(xué)種類的后處理過程或處理步驟，使沉積在膜中的這些顆粒導(dǎo)電或增強被沉積的顆粒的導(dǎo)電性(例如，可采用化學(xué)還原劑使非導(dǎo)電的前體顆粒還原至導(dǎo)電狀態(tài))?？梢圆恢挂淮沃貜?fù)前體的引入-固定-后處理這一連續(xù)過程，從而增強直通膜的連接器的導(dǎo)電性。
[0040]現(xiàn)在將描述用來將導(dǎo)電帶沉積在膜中的優(yōu)選方法。將膜放置到罩內(nèi)，之后，將罩浸入溶液中或讓溶液漫過罩。該溶液含有高濃度金屬絡(luò)合物，如金絡(luò)合物或鉬絡(luò)合物(如Pt (NH3) 4(:12或AuCl2)。在膜不被罩保護的區(qū)域，金屬離子/絡(luò)合物擴散到膜中。金屬絡(luò)合物溶液然后被含有高濃度強還原劑(如，NaBH4或!10)0!1)的溶液置換。還原劑將金屬離子還原至其金屬狀態(tài)，使金屬顆粒沉積在膜中。這些金屬顆粒聚集，能傳導(dǎo)電流。
[0041]根據(jù)溶液中的膜材料附近的離子濃度、膜材料中的分子的擴散系數(shù)、以及膜材料的厚度，將貴金屬絡(luò)合物或鹽注入膜中。注入溫度影響離子的擴散系數(shù)，即，擴散系數(shù)隨溫度增加而增加。
[0042]對于距離L而言，特征擴散時間為:t=L2/D，其中，D為離子交換聚合物中的分子的擴散系數(shù)。因此，假定擴散系數(shù)為KT6Cm2iT1,膜厚度為200 μ m，讓金屬絡(luò)合物溶液從膜兩側(cè)擴散到膜中，那么，特征時間為100秒。通常讓膜處于此狀態(tài)維持多倍特征時間，以讓系統(tǒng)達到平衡，從而，將大致花250秒的時間將金屬離子注入膜材料中。
[0043]將膜厚度減至一半可使特征時間τ減至四分之一，因此，使用更薄的膜能帶來顯著益處。薄的Nafion?膜在現(xiàn)代燃料電池系統(tǒng)中是普通的，使用這種膜可讓特征時間大致為20秒。隨后的反應(yīng)物擴散時間等于貴金屬前體所要求的擴散時間，從而，注入、還原和清洗這一循環(huán)過程花費2至3分鐘。該過程可重復(fù)幾次，以增強直通膜接觸。
[0044]為了避免形成十分分散的直通膜的連接器，在要求布置直通膜的連接器的位置上，通過被引導(dǎo)到電解質(zhì)膜上的電子束或可見光或UV光束交替還原金屬絡(luò)合物，從而，可準(zhǔn)確限定并精確定位直通膜的連接器。該方法的另一優(yōu)點是:可將整個電解質(zhì)膜浸入金屬絡(luò)合物溶液中，因而可以不需要采用罩，可以選擇性地形成導(dǎo)電的直通連接器。
[0045]另一種替換方式是，可讓含有還原劑(其由可見光或UV光激活)和金屬絡(luò)合物的合成物擴散到電解質(zhì)膜中。從而，當(dāng)可見光或UV光照射到膜上時，金屬離子被還原。將膜放置到罩中之后，將可見光或UV光引導(dǎo)到罩上，可形成被精確、準(zhǔn)確限定的直通膜的連接器；或者，不采用罩，而通過光束幾何形狀來形成這種連接器。
[0046]在沒有影響膜的整體性的情況下，電連接器組合到膜中，因而，燃料與氧氣混合的風(fēng)險低。
[0047]在本發(fā)明的第二實施例中，配置有燃料電池堆40。圖7示出了局部透視圖，參照圖8更詳細(xì)示出了該視圖。圖8是燃料電池的一部分的分解圖，詳細(xì)示出了 MEA的布置方式。燃料電池堆的每個燃料電池板41包括一組聚合物電解質(zhì)膜50a，50b, 50c等，每個這種膜支撐陽極51和陰極52?？晒┻x擇地，每個燃料電池板可以包括一個單一的聚合物電解質(zhì)膜，其支撐一組陽極和陰極。但這并沒有改變下述操作模式。
[0048]為清楚起見，在此根據(jù)“水平”和“垂直”面來描述圖中所示實施例的燃料電池板和燃料電池堆的結(jié)構(gòu)。但是，僅為清楚起見使用這些術(shù)語，并沒有限制本發(fā)明的范圍。讀者可明顯看出，燃料電池板可布置在任何平面上，不僅僅只是布置在水平面上。另外，術(shù)語“正好相對”并沒有限制電極一定要對準(zhǔn)。
[0049]陽極位于聚合物電解質(zhì)的一個表面上，與同一電解質(zhì)膜層的相對表面上的陰極正好相對。陽極、陰極和電解質(zhì)層一起形成MEA59。在一個(水平)平面上，電解質(zhì)層50a的一個表面上的陽極靠近相鄰電解質(zhì)層50b的相同表面上的陰極。即，在水平平面上，相鄰MEA之間上的陽極和陰極交錯布置。如果使用一個單一的聚合物電解質(zhì)膜，沿每個表面布置的陽極和陰極順序是交錯的，相對表面上的相應(yīng)陰極和陽極也是交替布置的。
[0050]因此，每個燃料電池板的兩相對表面上包括交替布置的陽極和陰極。在水平面上，電解質(zhì)膜的每個表面上的陽極和陰極之間間隔間隙55。在相應(yīng)的垂直面上，一個MEA54a上的陽極面向相鄰MEA54b上的陽極，一個MEA54b上的陰極面向相鄰MEA54c上的陰極。因此，當(dāng)一組燃料電池板堆疊在一起時，在垂直于單獨地交替布置的陽極和陰極的平面上，由相鄰的陽極構(gòu)成的陽極對和由相鄰的陰極構(gòu)成的陰極對交替地布置。
[0051]如圖9所示，由三個單層構(gòu)成的PCB板60位于MEA59的每個平面層之間。PCB板包括第一集電和配電層61、反應(yīng)物分配層62和第二集電和配電層63。這三層粘結(jié)在一起形成單一的PCB板60。由于具有集電和配電層，電流不經(jīng)過電解質(zhì)層，但是平行于電極的水平面從陽極側(cè)向流到陰極。從而，不需要采用直通膜的連接器也可讓電流流動。
[0052]采用含環(huán)氧樹脂的玻璃纖維復(fù)合物，將PCB板的各層(即，第一和第二集電和配電層以及反應(yīng)物分配層)粘結(jié)在一起，形成堅固結(jié)構(gòu)。PCB可由預(yù)浸潰的復(fù)合纖維制成，使它們含有一定量的用來將各層粘結(jié)在一起并將MEA粘結(jié)到PCB上的材料；或者，預(yù)浸潰的復(fù)合纖維罩可應(yīng)用到PCB上。MEA可以采用激光方式粘結(jié)到PCB上，從而形成燃料電池板41。為了形成燃料電池堆，將一組電池板疊壓在一起。由于電極之間的間隙、以及通過環(huán)氧樹脂在這些間隙之間達到的密封效果，可防止燃料和氧化劑氣流混合、防止燃料接觸陰極并防止氧化劑接觸陽極，下面將對此進行更詳細(xì)描述。因為這種疊壓的步驟可形成堅固結(jié)構(gòu)，使各層之間充分接觸，因此，通常需要的重質(zhì)端板就顯得多余。從而，形成了一種輕質(zhì)、完全密封的整體式結(jié)構(gòu)。單一的PCB可用作端板。
[0053]在組裝成燃料電池堆的過程中，第一燃料電池板上的第一 MEA的陽極與第二燃料電池板的第二 MEA的陽極正好垂直相對，其中，在燃料電池堆中第一和第二燃料電池板在水平方向上相鄰。同樣地，第一燃料電池板上的第一 MEA的陰極與第二燃料電池板上的第二 MEA的陰極正好垂直相對，其中，在燃料電池堆中第一和第二燃料電池板在水平方向上相鄰。
[0054]圖9中更詳細(xì)示出了集電和配電層61的結(jié)構(gòu)。圖9示出了層61的一部分，該部分對應(yīng)于兩個相鄰的MEA59。參照圖9，層61包括框架65，配電導(dǎo)軌66的板將一個MEA的陽極59a連接到垂直相鄰的MEA的陰極59b上。通過集電和分配層的配電導(dǎo)軌，每個燃料電池板上的MEA串聯(lián)地電連接。如圖9中的箭頭所示，陽極59a和陰極59b位于所示的MEA下側(cè)。MEA的上側(cè)分別承載相應(yīng)的陰極59c和陽極59d。
[0055]圖1Oa和IOb示出了集電和配電層61的平面圖，該集電和配電層61用于16個MEA的平面層。在圖1Ob (以及圖1Oa所示的層的左手側(cè))中，示出了粘結(jié)在一起的第一和第二集電和配電層的平面圖。即，第一和第二集電和配電層的導(dǎo)軌66是可見的。圖1Oa(除該層的左手側(cè)以外)示出了僅具有一個集電和配電層的平面圖。即，僅一層導(dǎo)軌是可見的。
[0056]孔67以固定間距設(shè)置在框架65上以形成整體式冷卻系統(tǒng)的一部分。這些孔可形成垂直的冷卻通道42，如圖7所示。包括一個或多個風(fēng)扇46，以迫使空氣進入冷卻系統(tǒng)中。
[0057]靠近電極帶的窄端處，集電和配電層61的兩相對邊緣上還包括孔68，孔68形成垂直的反應(yīng)物通道43 (如圖7所示)的一部分。[0058]當(dāng)燃料電池板41堆疊時，形成這些垂直通道42，43。在圖7所示的實施例中，垂直的燃料吸入和排出通道靠近層的一個邊緣44伸展，垂直的氧化劑吸入和排出通道靠近該層的相對邊緣45伸展。在圖7-12所不的實施例中，對于每個電極而言，設(shè)置有兩個垂直的燃料和氧化劑通道。這些垂直的反應(yīng)物通道與反應(yīng)物分配層上的通道相連。
[0059]圖9和11詳細(xì)示出了反應(yīng)物分配層62的結(jié)構(gòu)，示出了該層62的一部分，該部分與兩個相鄰的MEA59的電極對對應(yīng)。重復(fù)該部分，使反應(yīng)物分配通道的數(shù)量與平面上的MEA或電極對數(shù)量相對應(yīng)。反應(yīng)物分配層62包括框架70、兩個通道71、72、以及孔；每個通道形成分配反應(yīng)物的平面環(huán)路；孔位于分配環(huán)路的窄端處、靠近框架的兩相對邊緣，從而形成了垂直的反應(yīng)物通道。
[0060]沿框架70的一個邊緣布置的孔依次分別為燃料反應(yīng)物(如氫氣)通道的入口73a, 74a和出口 73b，74b，沿框架的相對邊緣布置的孔依次分別為氧化劑反應(yīng)物(如氧氣或空氣)通道的入口 75a，76a和出口 75b，76b。上述結(jié)構(gòu)如圖9和12所示。反應(yīng)物分配層62上的孔73、74、75、76與集電和配電層61上的孔68對齊，從而形成垂直的反應(yīng)物分配通道43(如圖7所示)。
[0061]在圖12所示的反應(yīng)物分配層中，反應(yīng)物(如燃料)流經(jīng)框架70的一個邊緣上的垂直通道80。當(dāng)垂直通道的位置與兩個陽極59a，59a’之間的位置對應(yīng)時，垂直通道就連接到反應(yīng)物分配層的反應(yīng)物分配環(huán)路72上。從而，燃料將從垂直的吸入通道73a流入反應(yīng)物分配層的分配環(huán)路72的入口 81中，沿反應(yīng)物分配層的正上方和正下方的平面上的陽極59a，59a’的表面流動。分配環(huán)路的出口 82與垂直的燃料排出通道73b相連。位于框架相對側(cè)上的垂直通道76a，76b例如用于傳送氧化劑，它們是框架70上的孔，沒有連接到分配環(huán)路72上。
[0062]在同一平面上相鄰的MEA上，面向分配通道71的電極是陰極59b，59b’。因此，與這些電極相連的分配通道71的布置方式與分配環(huán)路72是相反的。在圖9、11和12所示的反應(yīng)物分配層中，氧化劑流經(jīng)框架右手邊緣上的垂直通道90。當(dāng)垂直通道的位置與兩陰極59b, 59b’之間的反應(yīng)物分配層62的位置對應(yīng)時，垂直通道就連接到反應(yīng)物分配層62的反應(yīng)物分配環(huán)路71上。從而，氧化劑從垂直的入口通道75a流入反應(yīng)物分配層的分配環(huán)路的入口 91中，沿反應(yīng)物分配層正上方和正下方的平面上的陰極的表面流動。分配環(huán)路的出口92靠近分配環(huán)路的入口 91，并連接到垂直的燃料排出通道75b上，燃料排出通道75b靠近垂直的吸入通道75a?？蚣芟鄬吘壣系拇怪蓖ǖ?4a，74b傳送燃料，沒有連接到分配環(huán)路71上。
[0063]在燃料電池堆的相鄰燃料電池板中，陽極和陰極的布置順序是相反的。因而，反應(yīng)物分配通道的上述布局在水平面和垂直面上是依次交錯的，從而，可將燃料和氧化劑分別供送給垂直定位的陽極和陰極對。
[0064]正如本發(fā)明的第一實施例中所述，聚合物電解質(zhì)層可以是任何電解質(zhì)膜，例如，可讓離子(如氫離子，但不是自由電子)穿過一張Nafion?膜，從一個電極流到另一個電極上。采用上面的第一實施例中所述的相同優(yōu)選尺寸。
[0065]由于相鄰MEA的電極之間的間隙中的密封件，反應(yīng)物氣流保持分離。通過將環(huán)氧化合物注入PCB板中形成這些密封件，PCB板一與MEA疊壓并粘合在一起，環(huán)氧化合物就被激活，這樣就產(chǎn)生嚴(yán)密密封效果。如果合適，可組合其他密封方式，即，例如在燃料電池板的外邊緣處使用PDMS制成的密封件。
[0066]垂直通道沿電池堆的兩相對邊緣連接到一個或多個用于供送并收集反應(yīng)物的反應(yīng)物支管上。
[0067]反應(yīng)物分配層的框架還包括一系列孔100，它們以固定間距布置在框架上，形成整體式冷卻系統(tǒng)的一部分，如下所述。
[0068]為冷卻系統(tǒng)配置的孔67，100可以位于水平面上的每個電極之間，或者，根據(jù)冷卻要求，每隔兩個、三個、四個、五個、六個、七個、八個、九個或十個電極配置有這種孔。這些孔不需要以規(guī)則間距布置在電極之間，它們之間可以是任何合適間距。
[0069]在本發(fā)明的第三實施例中，燃料電池堆的每個燃料電池板41包括一個或一組設(shè)置在一個平面上的聚合物電解質(zhì)膜。在第一替換實施方案a)中，對于每個燃料電池板而言，一系列膜排列在一個平面上，使陽極位于膜的一個表面上、陰極位于膜的相對側(cè)面上。在第二替換實施方案b)中，每個燃料電池板設(shè)置有一個單一的膜，一系列陽極位于膜的一個表面上，一系列陰極位于膜的相對側(cè)面上，在實施方案a)和b)中，所有陽極位于水平面上的一個或多個聚合物電解質(zhì)膜的一個表面上，所有陰極位于水平面上的一個或多個聚合物電解質(zhì)膜的相對表面上。與第二實施例相同，陽極和陰極正好相對布置。
[0070]在第三實施例中，與第一實施例相同的是，燃料電池板堆疊在一起，使兩相鄰燃料電池板的陽極側(cè)面相互面向?qū)Ψ剑瑑上噜徣剂想姵匕宓年帢O側(cè)面相互面向?qū)Ψ?。以這種方式，可簡單地將燃料輸送給兩相鄰燃料電池板的所有陽極、將氧化劑輸送給兩相鄰燃料電池板的所有陰極。
[0071 ] 在第三實施例中，與第二實施例相同的是，MEA連接到由三個單獨層形成的PCB板上，形成燃料電池板。在燃料電池堆中，同一平面上的每一連串MEA位于兩個PCB板之間。如第二實施例中所述，通過PCB板的反應(yīng)物分配層向電極輸送反應(yīng)物。因而，第一實施例中的電絕緣墊片(參照圖3和4，S卩，每個墊片20)由PCB層取代。
[0072]與第二實施例相同，在第三實施例中，不需要重質(zhì)端板，這是因為燃料電池板疊置在一起可形成堅固結(jié)構(gòu)。使用單一的PCB，而不使用重質(zhì)端板。
[0073]在第三實施例的實施方案a)中，每個燃料電池板包括一系列膜。由于孔可容易地加工到PCB板上，因而，可通過膜之間的間隙在陽極和陰極之間建立電連接；或者，可通過將陽極側(cè)的PCB板的集電層外部連接到陰極側(cè)的PCB板的集電層上，從而在陽極和陰極之間建立電連接。
[0074]在第三實施例的實施方案b)中，每個燃料電池板配置有一個單一的膜。可通過直通膜的連接器在陽極和陰極之間建立電連接(如第一實施例中所述)；或者，通過將陽極側(cè)的PCB板的集電層外部電連接到陰極側(cè)的PCB板的集電層上，從而可在陽極和陰極之間建立電連接。
[0075]將參照本發(fā)明的第二實施例更詳細(xì)描述PCB反應(yīng)物分配層。但是，由于在第三實施例中陽極和陰極的布局不同，因而，通過直通膜的電連接器進行電連接或通過PCB板進行電連接的情況下，不需要集電和配電層。通過將陽極側(cè)的PCB板外部連接到陰極側(cè)的PCB板上來進行電連接的情況下，面向陽極的PCB板將具有被反應(yīng)物分配層分開的第一和第二集電層，面向陰極的PCB板將具有被反應(yīng)物分配層分開的第一和第二集電層。根據(jù)燃料電池板上的電極對的數(shù)量，第一 MEA的陽極和第二 MEA的陰極之間、第二 MEA的陽極和第三MEA的陰極之間等建立電連接。
[0076]圖13(a)示出了燃料電池堆的兩層，包括MEAl 10、PCB材料111、導(dǎo)電層112和反應(yīng)物分配通道113，導(dǎo)電層112將電流從第一電池的陽極傳導(dǎo)到下一電池的陰極，反應(yīng)物分配通道113將反應(yīng)物傳送給電極。
[0077]圖13(b)示出了替換的布置方式。
[0078]圖13(c)示出了燃料電池結(jié)構(gòu)的一部分，一組燃料電池電極夾置在由三個分離的板構(gòu)成的兩組板之間。每個節(jié)段疊壓在一起。四個燃料電池電極120串聯(lián)電連接。下端陰極接觸板121和上端陽極接觸板122靠近陰極側(cè)。槽口切入到接觸板上，使來自于吸入通道的反應(yīng)物流入排出通道中。板承載有側(cè)向傳導(dǎo)電流的導(dǎo)電桿123，124。在圖13(c)中，示出了陰極板帶有朝上的導(dǎo)體層，實際上導(dǎo)體朝向電極120。內(nèi)部空氣分配層125靠近下端陰極接觸板121。該空氣分配層125具有多個用于空氣(氧氣)的吸入和排出通道組127、以及用于氫氣吸入和排出通道的孔128。每個通道通向相應(yīng)的反應(yīng)物室。內(nèi)部的氫氣分配層126靠近上端陽極接觸板122，內(nèi)部的氫氣分配層126包括氫氣吸入和排出通道129以及空氣吸入和排出通道130。上端陰極接觸板131靠近內(nèi)部空氣分配層125，下端陽極接觸層132靠近內(nèi)部氫氣分配層126。下端陰極接觸板121的下端上的觸點被設(shè)計成連接到上端陽極接觸板122的連接器上，使MEA120電串聯(lián)地布置。
[0079]與本發(fā)明的第一實施例相同，聚合物電解質(zhì)層可以是任何電解質(zhì)膜，例如可讓離子(如氫離子，但不是自由電子)穿過一張Nafion?膜，從一個電極流到另一個電極上。可以采用相同的優(yōu)選尺寸，但是附加條件是，膜可設(shè)置在各部分中，而不是設(shè)置在一個完整部分中。 [0080]印制板電路(PCB)技術(shù)(或其他類似技術(shù))可用來制造第二和第三實施例的燃料電池堆的元件。這樣可以低成本地大量生產(chǎn)這些元件。例如，采用薄層板，將它們堆疊在一起，然后同時對它們布置線路，這樣就可同時生產(chǎn)多個流場板。各個已被布線的板然后被疊
壓在一起。
[0081]本發(fā)明的PCB可以采用公知方式生產(chǎn)。絕緣層可由介質(zhì)基片(如，F(xiàn)R-1, FR-2, FR-3，F(xiàn)R-4, FR-5, FR-6, CEM-1, CEM-2, CEM-3, CEM-4, CEM-5、聚四氟乙烯和 G-10)制成，這些介質(zhì)基片通過環(huán)氧樹脂半固化片疊壓在一起。為了產(chǎn)生導(dǎo)電區(qū)域，薄銅層可涂覆到整個絕緣基片上，然后使用罩蝕刻掉銅層，以保持所需的導(dǎo)電模式；或者通過電鍍術(shù)涂覆薄銅層。
[0082]PCB板的各層的厚度為30 μ m-2mm,優(yōu)選為50 μ m-lmm,更優(yōu)選為0.lmm-0.8mm,最好大致為0.4mm。因此,每個PCB板的厚度為90 μ m-6mm,優(yōu)選為150 μ m-3mm,更優(yōu)選為0.3mm-2.4cm,最好大致為1.2cm。電極層厚度為0.1mm-1mm,優(yōu)選為0.3-0.6mm,更優(yōu)選為0.4_。因此，電池厚度優(yōu)選為1.6_(1.2+0.4mm)，因而，每英寸范圍內(nèi)可布置16個電池。
[0083]對于本發(fā)明的第一、第二和第三實施例而言，電極帶寬度為lmm-5cm，優(yōu)選為
更優(yōu)選大致為1cm。電極帶之間的間隙尺寸取決于電極帶是否具有冷卻通道。帶有冷卻通道的電極帶之間的間隙寬度在lmm-1.5cm之間,優(yōu)選在2mm至1.2cm之間，更優(yōu)選在5mm至Icm之間。不帶冷卻通道的電極帶之間的間隙寬度在0.5mm至Icm之間，優(yōu)選在2mm至8mm之間，更優(yōu)選在3mm至6mm之間。
[0084]對于本發(fā)明的第一、第二和第三實施例而言，催化劑層優(yōu)選設(shè)置在電極上。燃料電池制造領(lǐng)域的研究者通常能理解到，考慮到反應(yīng)效果，催化劑層可由合適的催化材料制成。例如，催化劑層可由沉積在碳上、與質(zhì)子導(dǎo)電聚合物(如Nafion?)粘合的鉬納米顆粒構(gòu)成，如“PEM燃料電池電化學(xué)催化劑及催化劑層的原理與應(yīng)用”(作者:Jiujun Zhang ；第一版；2008年，XXII，1137 ;出版社:施普林格出版公司；出版地:倫敦；國際標(biāo)準(zhǔn)書號(ISBN):978-1-84800-935-6)第489頁(〃PEM Fuel Cell Electrocatalysts and CatalystLayers Fundamentals and Applications'Jiujun Zhang(Ed.), 1st Edition., 2008, XXII，1137p.489illus.，Springer-Verlag London, ISBN:978-1-84800-935-6)所述。
[0085]可以包括氣體擴散層，使其靠近催化劑層?？梢圆捎帽绢I(lǐng)域的讀者所熟悉的任何合適方式來制造或沉積氣體擴散層。例如，典型的燃料電池上的氣體擴散層由碳構(gòu)成，多種形態(tài)中的一種碳與許多粘結(jié)劑和添加劑混合，這樣可以改變層的濕潤特性。通常，靠近催化劑層的氣體擴散層由與聚四氟乙烯(PTFE)粘合的碳粉末的微孔層(該層具有十分小的孔)構(gòu)成。另外的永久層靠近該微孔層，永久層通常由碳纖維構(gòu)成，該碳纖維被編織成布，或者，該碳纖維在某些非編織材料如紙上粘合在一起。該層具有尺寸更大的孔。兩個這樣的層組合在一起，可以在從氣體通道向催化劑層移動的方向上使孔尺寸逐漸變化。有時候不采用兩個離散的層，而使微孔層和多孔永久層相互滲透。
[0086]通常，氣體擴散層的厚度大致為100-1000μπι，在常用的現(xiàn)代燃料電池中，由于其他限制條件，即，電流必須從催化劑層傳導(dǎo)到雙極板的肋上，因此要選擇碳作為氣體擴散層的主要成分。可能使用的其他材料中，大多數(shù)(許多其他金屬)耐腐蝕性能不強，或者(金、鉬等)太昂貴。
[0087]在本發(fā)明的設(shè)計結(jié)構(gòu)中，氣體擴散層可以由相同材料構(gòu)成，即，由碳粉和/或纖維構(gòu)成，它們通過合適的粘結(jié)劑粘合在一起，然后通過合適的化學(xué)劑處理，以改變其親水性。但是，由于不要求在垂直于電極表面的方向上進行電子傳送，因而，替換地，氣體擴散層可由非導(dǎo)電材料構(gòu)成，但是這些材料具有合適屬性。由于必須沿MEA表面?zhèn)鲗?dǎo)電流，因而要求表面層的導(dǎo)電性足夠強，以使電阻損耗(表面電流層電阻)小(即，<10-20mV)，從而，嚴(yán)格規(guī)定了表面層的類型和導(dǎo)電屬性。
[0088]構(gòu)成氣體擴散層的材料的例子是以下多孔形態(tài)材料:無機氧化物(Al2O3, SiO2)、塑料(聚四氟乙烯、聚乙烯、聚砜等)、其他無機材料(氮化物、碳化物、磷酸鹽、硫酸鹽等)。在一些情況下，例如，對于厚的催化劑層，催化劑層具有足夠強的導(dǎo)電性，這種情況下，氣體擴散層可以不需要導(dǎo)電，甚至可以省掉氣體擴散層。在其他情況下，需要通過氣體擴散層傳導(dǎo)電流，這種情況下，氣體擴散層(至少局部)由碳或其他導(dǎo)電材料構(gòu)成。在所有情況下，氣體擴散層可被制得相當(dāng)薄，例如，小于100 μ m，更優(yōu)選小于25 μ m。更薄的氣體擴散層可促進反應(yīng)物被輸送到催化劑層或促進來自于催化劑層的反應(yīng)物的輸送。
[0089]在典型的操作條件下，需要提供冷卻機構(gòu)來防止燃料電池過熱。一些公知燃料電池中使用冷卻板，因而冷卻板可組合到本發(fā)明的燃料電池堆中。但是，這些板的厚度會限制燃料電池的密度。因為包括一個或多個冷卻板、冷卻通道和/或熱管，因而可讓本發(fā)明的第一、第二和第三實施例中的燃料電池堆達到冷卻效果。另外，第二和第三實施例的PCB板還組合有冷卻劑通道。
[0090]在本發(fā)明的第二和第三實施例中，由于采用印制板電路(PCB)技術(shù)(孔)，因而，燃料電池堆的整體式冷卻方式簡單?？墒褂每绽浠蛩浞绞剑虿捎脽峁?。例如，配置有用于空冷的風(fēng)扇，將空氣吹入充氣室，例如迫使空氣進入穿過燃料電池堆的垂直通道中。如上所述，板框架帶有孔，將這些板水平堆疊在一起可形成這些冷卻通道。熱管可與冷卻通道組合使用，或用熱管取代冷卻通道。
[0091]“熱管導(dǎo)論:建模、測試和應(yīng)用”(作者:G.P.Peterson;出版社:威立出版社(Wiley);出版地:紐約；出版年:1994年；國際標(biāo)準(zhǔn)書號(ISBN):047130512X)中詳細(xì)描述了熱管。熱管是一種密封式中空管，管兩端由導(dǎo)熱系數(shù)高的材料制成，管內(nèi)填充有一定體積百分比的工作流體(或冷卻劑)，從而形成閉環(huán)毛細(xì)管再循環(huán)系統(tǒng)。當(dāng)管兩端出現(xiàn)溫差時，熱管以蒸發(fā)式冷卻方式運行，通過蒸發(fā)和冷凝工作流體或冷卻劑，將熱能從管的一端傳遞給另一端?？晒┻x擇地，可使用平坦的位于同一平面上的熱管。
[0092]本發(fā)明的第一、第二和第三實施例的每個燃料電池板通過其第一個陰極和最后一個陽極連接到外部電路上。這些電連接器通過公知方法制成。轉(zhuǎn)換機構(gòu)(如FET開關(guān))以及任何合適的公知類型的電壓測量裝置組合到燃料電池板中。當(dāng)每個燃料電池板連接到電池堆總線或從電池堆總線上斷開時，電壓測量裝置可迅速簡單地檢測每個燃料電池板的電壓輸出值。然后使用該電壓測量值來調(diào)節(jié)燃料電池板的負(fù)載模式，下面將對此進行描述。開關(guān)位于電極的電連接器和電池堆總線之間，電壓測量裝置連接到每個燃料電池板的第一個陰極和最后一個陽極上。使用各控制線來操作各開關(guān)。
[0093]操作中，燃料電池封閉在殼體中，與外界大氣隔絕。反應(yīng)物通過密封式連接器被供入燃料電池通道中。密封件例如由聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成。具體而言，燃料(如氫氣)和氧化劑(如氧氣)被供入燃料電池堆的合適通道中，燃料被供送到陽極，氧化劑被供送到陰極。這樣形成的電流可直接采用，或者，使用上述開關(guān)可調(diào)節(jié)燃料電池板的輸出。利用(直接甲醇燃料電池中的)重整油或甲醇或隨著時間推移會毀壞燃料電池的其他燃料來運行電池的情況下，調(diào)節(jié)燃料電池板的輸出可顯著增強性能。
[0094]可通過各種方式實現(xiàn)電池堆的穩(wěn)定功率輸出。例如，所有燃料電池板可在任何時間被加載?？晒┻x擇地，可將燃料電池板分成組，可依次以同步方式“打開”這些組(即，在預(yù)定時間轉(zhuǎn)換所有燃料電池板)。也可異步或準(zhǔn)異步地轉(zhuǎn)換電池板一即，在各燃料電池板所規(guī)定的預(yù)定期間和頻率下，將各燃料電池板連接到負(fù)載上或從該負(fù)載上斷開。通過轉(zhuǎn)換燃料電池板，使它們連接到負(fù)載上僅保持一定比例的工作周期，這樣就可連續(xù)調(diào)節(jié)電池堆的輸出功率。例如，如果在指定的樣本周期內(nèi)，僅50%的燃料電池板連接到負(fù)載上，那么，燃料電池堆的輸出功率將同樣減小?？梢酝ㄟ^許多方式產(chǎn)生這種情況(50%的燃料電池板連接到負(fù)載上，如上所述)一例如，在整個期間內(nèi)，一半燃料電池板從負(fù)載上斷開，一半燃料電池板連接到負(fù)載上；可供選擇地，所有燃料電池板連接到負(fù)載上，但是每個燃料電池的連接狀態(tài)僅保持二分之一樣本周期?？晒┻x擇地，一半燃料電池板連接到負(fù)載上保持四分之一樣本周期，另一半燃料電池板連接到負(fù)載上保持四分之三樣本周期，等等。所采用的具體方案或工作周期的選擇取決于各燃料電池板的性能、避免局部加熱或“過熱點”的需要、避免產(chǎn)物水漫過陰極位置的需要、防止膜脫水的需要、或防止電極被污染的需要。請注意:工作周期可以是預(yù)定的；或者，例如，在帶有上述電壓檢測裝置的反饋閉環(huán)中，可以根據(jù)燃料電池的檢測性能實時控制工作周期。每個燃料電池板(而不是燃料電池堆)能達到最優(yōu)的負(fù)載狀況和能量轉(zhuǎn)換，因而在部分時間內(nèi)使用燃料電池板也可提高效率；現(xiàn)行設(shè)計結(jié)構(gòu)的一個限制因素是，只能讓燃料電池堆達到最優(yōu)的負(fù)載狀況和能量轉(zhuǎn)換。燃料電池板上包括其他轉(zhuǎn)換和過濾元件，因而，可以平穩(wěn)地改變輸出，例如產(chǎn)生正弦波，另外還可簡單地“轉(zhuǎn)換”或從一個電壓變換到另一個電壓下。
[0095]如果燃料電池板出現(xiàn)故障，可完全斷開出現(xiàn)故障的該燃料電池板。也可根據(jù)診斷或預(yù)測模型提前執(zhí)行上述操作。
[0096]每個燃料電池板可承載各自的電子電路，每個模塊將電能供應(yīng)給電子總線。即，每個電池板具有各自的電力電子元件和控制器?？刂破鳈z測燃料電池的電極性能、局部濕度和溫度?？刂破饕部煽刂菩螤钣洃浐辖?SMA)閥來限制反應(yīng)物流到板上的電極的流量，下面將更詳細(xì)對此進行描述。因此，電力電子元件可直接放置到每個水平板上。以這種方式，可檢測到每個電極的退化狀態(tài)。該信息提供反饋，這樣就可調(diào)節(jié)電子元件使某特定電極板被少量使用，從而可放慢退化過程；或者，該信息提供反饋使電極板被完全關(guān)閉。這種控制可保護運行性能差的電極板，從而增加整個燃料電池堆的使用壽命。
[0097]將電子元件直接布置在每個板上的另一個優(yōu)點是，每個板可以分別以不同方式輸送電能。一個例子是，采用燃料電池來讓多相電動機運行，在不同時間將電流提供給不同線圈，從而提高了效率，增強了對性能的控制，在低扭矩下可提高控制性能。包括一串電極的每個水平板將驅(qū)動一個相位。
[0098]例如，如果電極運行性能不佳或出現(xiàn)故障，不僅能使用各電子元件來斷開受影響的板，而且也可停止將燃料或氧化劑供送給特定電極。在這種情況下，具體而言，優(yōu)選停止讓氫氣流流入已經(jīng)被切斷的電池中。由于氣體入口剖面小，因而難以停止氣流。但是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可以采用形狀記憶合金(SMA)作為小側(cè)面閥，這樣可以阻礙氣流流入入口中。形狀記憶合金是一種金屬合金，響應(yīng)于溫度(如，熱)或電磁場(或電流)而發(fā)生變形，在熱或電流停止之后恢復(fù)至其初始形狀。將參照圖14對此進行描述，圖14示出了反應(yīng)物通道的下半部分的三個視圖(為清楚起見，未示出上半部分)。圖14(a)示出反應(yīng)物入口閥打開。箭頭表示反應(yīng)物流動。SMA可以是金屬薄片，如圖14(b)所示，其受熱就變形，從而關(guān)閉通道；或者，SMA可以是金屬絲結(jié)構(gòu)形式，其連接到瓣閥上，金屬絲一受熱就變形，從而拖動物體(如瓣閥)以使通道關(guān)閉，如圖14(c)所示?？墒褂迷诒景l(fā)明中的SMA包括鎳鈦合金、銅鋁鎳合金、銅鋅鋁合金和鐵鎂硅合金。優(yōu)選地，所使用的SMA是鎳鈦合金。
[0099]本發(fā)明的燃料電池包括至少兩個燃料電池板，每個燃料電池板包括:
[0100]a) 一個基本上透氣的電解質(zhì)膜，該膜的第一表面上支撐有至少兩個陽極，該膜的第二表面上支撐有至少兩個陰極；或
[0101]b)至少兩個基本上透氣的電解質(zhì)膜，每個膜的第一表面上支撐一個陽極，每個膜的第二表面上支撐一個陰極。
[0102]優(yōu)選地，燃料電池包括至少三個燃料電池板。更優(yōu)選地，燃料電池包括4至50個燃料電池板，例如，包括8、10、16或20個燃料電池板。
[0103]優(yōu)選地，每個燃料電池板包括:
[0104]a) 一個基本上透氣的電解質(zhì)膜，該膜的第一表面上支撐有至少三個陽極，該膜的第二表面上支撐有至少三個陰極；或
[0105]b)至少三個基本上透氣的電解質(zhì)膜，每個膜的第一表面上支撐一個陽極，每個膜的第二表面上支撐一個陰極。
[0106]更優(yōu)選地，每個燃料電池板包括:
[0107]a) 一個基本上透氣的電解質(zhì)膜，該膜的第一表面上支撐有至少三個陽極，該膜的第二表面上支撐有至少三個陰極；例如，膜的第一表面上支撐有至少四個陽極，膜的第二表面上支撐有至少四個陰極；例如，膜的第一表面上支撐有至少十個陽極，膜的第二表面上支撐有至少十個陰極；例如，膜的第一表面上支撐有至少十六個陽極，膜的第二表面上支撐有至少十六個陰極；例如，膜的第一表面上支撐有至少二十個陽極，膜的第二表面上支撐有至少二十個陰極；或
[0108]b)至少三個基本上透氣的電解質(zhì)膜，每個膜的第一表面上支撐一個陽極，每個膜的第二表面上支撐一個陰極；例如，具有至少四個基本上透氣的電解質(zhì)膜，每個膜的第一表面上支撐一個陽極，每個膜的第二表面上支撐一個陰極；例如，具有至少十個基本上透氣的電解質(zhì)膜，每個膜的第一表面上支撐一個陽極，每個膜的第二表面上支撐一個陰極；例如，具有至少十六個基本上透氣的電解質(zhì)膜，每個膜的第一表面上支撐一個陽極，每個膜的第二表面上支撐一個陰極；例如，具有至少二十個基本上透氣的電解質(zhì)膜，每個膜的第一表面上支撐一個陽極，每個膜的第二表面上支撐一個陰極。
[0109]根據(jù)具體的實施例，當(dāng)通過集電和配電層傳導(dǎo)電流時，一個膜(或至少兩個膜)上的電極的表面積應(yīng)該基本上與反應(yīng)物分配層上的反應(yīng)物分配通道的尺寸、集電和配電層上的配電導(dǎo)軌的板的尺寸、或集電層和配電層上的板的尺寸對應(yīng)。優(yōu)選地，電極的表面積將被配置成，使該表面積的盡可能多的部分接觸反應(yīng)物分配通道。
[0110]本發(fā)明的易適應(yīng)性可讓本發(fā)明應(yīng)用到要求適應(yīng)性強和故障容差大且功率密度高的場合。例如，可在固定電源系統(tǒng)中使用本發(fā)明，這種系統(tǒng)要求在長時間范圍內(nèi)運行，不需要人工干預(yù)，或者，可應(yīng)用到要求在局部受損所致的退化條件下運行的場合中。
[0111]因為能檢測出燃料電池出現(xiàn)退化并能切斷含有故障電極的整個板，因此，與公知燃料電池相比，可將電極公差降得更低。從而，與公知的燃料電池相比，本發(fā)明的燃料電池的制造成本降低。
[0112]因此，本發(fā)明的所有實施例具有下述優(yōu)點:能容易分離燃料和氣流，從而系統(tǒng)更簡單、成本更低；能檢測燃料電池堆的每個元件的運行狀態(tài)(如，退化)；以及，能單獨控制燃料電池堆的元件。
[0113]將能理解到，本發(fā)明的各方面可適當(dāng)?shù)亟粨Q使用或并列使用。所使用的燃料不局限于氫氣，可以是任何合適的燃料。例如，文中所述的這種新幾何結(jié)構(gòu)的燃料電池堆也適用于直接甲醇燃料電池中所用的甲醇。沉積在膜上的電極不需要是筆直的帶形狀，可以是任何合適的形狀，例如是彎曲的，或者其寬度可以隨位置而變化。同樣地，任何冷卻通道或氣體擴散通道不需要是筆直的，例如可以是彎曲結(jié)構(gòu)。另外，本發(fā)明的第一實施例并不局限于每個墊片上僅具有一個冷卻或氣體擴散通道的結(jié)構(gòu)。
[0114]膜材料并不局限于Nafion?，可以采用任何合適的離子交換電解質(zhì)，如氟聚合物磺酸膜。
[0115]在第一實施例中，堆疊的板之間的墊片可以是塑料，但也可使用任何合適的電絕緣材料。墊片任一表面上的通道不需要排成行或尺寸相等。
[0116]用于控制燃料電池板的電子元件的轉(zhuǎn)換機構(gòu)不局限于場效應(yīng)晶體管(FET)式開關(guān)，可以采用任何合適的開關(guān)，如結(jié)式晶體管。
[0117]含有乳化劑(solutions)的金或鉬金屬絡(luò)合物優(yōu)選用于制造直通膜的電子連接器，但也可采用任何合適的貴金屬或合適的合成物。催化劑優(yōu)選為鉬或鉬合金，根據(jù)情況可支撐在碳上，但是并不局限于這些例子。
[0118]本發(fā)明的另一方面涉及防腐蝕涂層，可應(yīng)用到本發(fā)明的第一、第二和第三實施例中。該涂層可用于鈍化PCB的銅表面，阻止銅表面腐蝕。燃料電池中的環(huán)境酸性強，在這種環(huán)境下，氧化反應(yīng)會讓銅腐蝕，因此該涂層是重要的。如果銅從Cu°被氧化成Cu2+，會導(dǎo)致PCB的銅表面分解，從而導(dǎo)致燃料電池分解。
[0119]因而，需要涂層來防止H2O到達PCB的銅表面，但是仍保持良好的導(dǎo)電性能。PCB的銅表面例如可以是集電和/或配電層或“板”。在燃料電池環(huán)境中，該涂層必須穩(wěn)定、必須不發(fā)生任何電化學(xué)或化學(xué)降解。同時，涂層材料必須耐磨損，因為涂層一定不能從銅表面上被去掉。重要的是，涂層上不能具有會讓水進入的任何裂縫或孔。
[0120]下面將詳細(xì)描述達到這些效果的三種不同方法。為了達到最優(yōu)性能，可以考慮組合使用其中的兩個方法或者這三個方法。
[0121]在第一種方法中，銅層涂覆有由導(dǎo)電顆粒構(gòu)成的墨或涂料。這些顆粒必須是耐腐蝕的，必須不能發(fā)生明顯的氧化腐蝕或酸性腐蝕。
[0122]合適顆粒的例子包括碳(石墨顆粒的結(jié)構(gòu)形式)或?qū)щ姷蛢r氧化鈦，如Ti4O7,商業(yè)上可獲得的低價氧化鈦為Ebonex?。也可考慮采用其他材料，如抗腐蝕性更強的Tia9NbaiO2、摻雜有其他成分的二氧化錫(摻雜有銻、氟、或銦以提高導(dǎo)電性)、或由導(dǎo)電聚合物顆粒構(gòu)成的墨。合適的聚合物的例子包括聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩和聚乙撐二氧噻吩(PEDOT)。
[0123]用于涂覆PCB的銅導(dǎo)軌的碳墨是公知的，在商業(yè)上可以獲取。
[0124]將導(dǎo)電成分(如石墨、或鈦、或上述鈦合成物)與溶劑和聚合物粘結(jié)劑混合，形成漿或墨。墨中所用的顆粒濃度(體積分?jǐn)?shù))通常大于20%,例如，在20%和70%之間，例如，在20%和60%之間。選擇該體積分?jǐn)?shù)，可讓顆粒與顆粒之間充分接觸以進行導(dǎo)電,也可容納足夠的粘結(jié)劑以形成穩(wěn)定涂層。當(dāng)墨涂覆到基片上時，顆粒使涂層處于導(dǎo)電狀態(tài)。聚合物粘結(jié)劑可以是任何合適的聚合物，例如，可以是聚乙烯或環(huán)氧聚合物(如熱固性環(huán)氧聚合物)。
[0125]含有導(dǎo)電聚合物的墨應(yīng)用于電子工業(yè)，用于顯示器，但是，先前還未使用于燃料電池集電板中。術(shù)語“集電板”用于包括燃料電池中的一些元件，也可稱之為雙極板、單極或單電極集電器、氣體擴散層、氣體輸送層等。
[0126]在墨、PCB的鈍化涂層和燃料電池集電和/或配電層或板領(lǐng)域，上面被舉例說明的其他材料不是公知的。
[0127]第二種方法是，將導(dǎo)電聚合物直接電沉積到PCB的銅表面上。可以考慮采用許多可能的聚合物，包括聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩和聚乙撐二氧噻吩(PEDOT)。
[0128]加入帶負(fù)電荷的聚合物(如聚磺苯乙烯或Nafion?')，可以穩(wěn)定聚合物的電化學(xué)氧化和還原反應(yīng)、增強導(dǎo)電性能。
[0129]以前，已經(jīng)考慮過在燃料電池中使用這種導(dǎo)電聚合物，主要是在催化劑層中使用這種導(dǎo)電聚合物。文獻中已經(jīng)公開，通常使用這些材料作為防腐蝕層，但是并沒有公開使用這些材料作為燃料電池中的防腐蝕層。
[0130] 申請人:已經(jīng)針對氟化聚合物的衍生物用作為導(dǎo)電防腐蝕層進行研究分析，發(fā)現(xiàn):通過添加配對的全氟烷基鏈可氟化聚合物，從而增加最終涂層的表面能，使其防水。從而，減小了腐蝕的可能性。表面能更高也可使摩擦減小，從而提高抗磨損性能。[0131]在某優(yōu)選實施例中，選擇氟含量高的導(dǎo)電聚合物，例如，聚合物包括全氟烷基鏈。
[0132]由于聚乙撐二氧噻吩(PEDOT)穩(wěn)定、導(dǎo)電性高，因此，先前已經(jīng)考慮采用聚乙撐二氧噻吩(PEDOT)作為鈍化層。 申請人:已經(jīng)針對氟化的聚乙撐二氧噻吩(PEDOT)用作為直接電沉積到燃料電池集電和/或配電層上的鈍化層進行研究分析。
[0133]“Benedetto et 等電化學(xué)學(xué)報，第 53，11 卷，2008 年 4 月 20 日，3779-3788”(Benedetto et al., Electrochimica Acta, Vol53, 11，20April2008, 3779-3788)中描述了
二氧噻吩(EDOT)單體及其聚合體的制造方法，二氧噻吩(EDOT)單體的例子如下:
[0134]
【權(quán)利要求】
1.一種燃料電池，包括: a)至少兩個燃料電池板，每個燃料電池板包括至少一個離子滲透膜和一組陽極和一組陰極，其中，陽極和陰極成對布置，使得每個陽極相對于陰極位于膜的相對側(cè)上； b)氣流通道，其設(shè)置在相鄰燃料電池板之間，用于將可氧化的氣體供送到每個陽極上，將可還原的氣體供送到每個陰極上；以及 c)電連接器，其用于連接同一燃料電池板上的相鄰的陽極和陰極對； 其中，每個燃料電池板被布置成，使一個板上的陽極和陰極分別與相鄰板上的陽極和陰極相對。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池，其中，電連接器包括: i)直通膜的連接器，其包括至少一個位于膜上的導(dǎo)電區(qū)域，或者 ii)外部連接器，其通過印刷電路板設(shè)置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的燃料電池，其中，燃料電池包括至少三個燃料電池板。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一權(quán)利要求的燃料電池，其中，每個燃料電池板包括: a)一個離子滲透膜，該膜的第一表面上支撐有至少兩個陽極，該膜的第二表面上支撐有至少兩個陰極；或 b)至少兩個離子滲透膜，每個離子滲透膜的第一表面上支撐有一個陽極，每個離子滲透膜的第二表面上支撐有一個陰極。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中的任一權(quán)利要求的燃料電池，其中，每個燃料電池板包括: a)一個離子滲透膜，該膜的第一表面上支撐有至少三個陽極，該膜的第二表面上支撐有至少三個陰極；或 b)至少三個離子滲透膜，每個離子滲透膜的第一表面上支撐有一個陽極，每個離子滲透膜的第二表面上支撐有一個陰極。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中的任一權(quán)利要求的燃料電池，其中，相鄰電極對中的被連接的電極局部重疊。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至5中的任一權(quán)利要求的燃料電池，其中，燃料電池板的膜連接到多層的印刷電路板上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的燃料電池，其中印刷電路板(PCB)包括: a)第一集電和配電層、反應(yīng)物分配層以及第二集電和配電層； b)第一和第二集電層，它們被反應(yīng)物分配層分開；或 c)第一和第二配電層，它們被反應(yīng)物分配層分開； 其中，各層粘結(jié)在一起形成一個單一的印刷電路板。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中的任一權(quán)利要求的燃料電池，其中，每個PCB的每層包括孔，燃料電池板堆疊時，這些孔對齊以形成穿過燃料電池的管路，所述管路基本上垂直于燃料電池板的平面伸展。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的燃料電池，每個PCB的每層包括一組孔，燃料電池板堆疊時，這些孔對齊以形成一組穿過燃料電池的管路。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的燃料電池，其中，管路起到用于反應(yīng)物的流入和排出通道的作用。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的燃料電池，其中，管路起到用于冷卻劑的流入和排出通道的作用。
13.一種多層的印刷電路板，其中，該印刷電路板包括: a)第一集電和配電層、反應(yīng)物分配層以及第二集電和配電層； b)第一和第二集電層，它們被反應(yīng)物分配層分開；或 c)第一和第二配電層，它們被反應(yīng)物分配層分開； 其中，各層粘結(jié)在一起形成一個單一的印刷電路板。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13的多層的印刷電路板，其中，集電和配電層包括框架，框架支撐配電導(dǎo)軌的板，以將第一對電極的陽極連接到相鄰的電極對的陰極上，從而將燃料電池板上的電極串聯(lián)地電連接。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14的多層的印刷電路板，其中，集電和配電層包括孔，當(dāng)一組燃料電池板堆疊在一起時，這些孔形成基本上垂直于燃料電池板的平面伸展的管路。
16.根據(jù)權(quán)利要求13至15中的任一權(quán)利要求的多層的印刷電路板，其中，反應(yīng)物分配層包括框架和孔，框架界定一組反應(yīng)物分配通道，當(dāng)一組燃料電池板堆疊在一起時，這些孔形成基本上垂直于燃料電池板的平面伸展的管路。
17.根據(jù)權(quán)利要求13至16中的任一權(quán)利要求的多層的印刷電路板，其中， a)具有一個由基本上透氣的電解質(zhì)材料構(gòu)成的膜，該膜的第一表面上支撐有至少兩個陽極，該膜的第二表面上支撐有至少兩個陰極；或 b)具有至少兩個由基本上透氣的電解質(zhì)材料構(gòu)成的膜，每個膜的第一表面上支撐有一個陽極、第二表面上支撐有一個陰極； 上述膜連接到印刷電路板上，其中，膜的第一表面上的一個陽極和膜的第二表面上的一個陰極基本上相互相對，形成一對電極。
18.根據(jù)權(quán)利要求12至17中的任一權(quán)利要求的多層的印刷電路板，其中，該膜或該至少兩個膜連接到印刷電路板上，使每對電極的表面積與集電和配電層上的配電軌道的板、以及反應(yīng)物通道對應(yīng)。
19.根據(jù)權(quán)利要求1至12中的任一權(quán)利要求的燃料電池，其中，將燃料電池板堆疊在一起形成通道，通過通道將反應(yīng)物輸送給電極，其中，管路基本上垂直于燃料電池板的平面伸展。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的燃料電池，其中，所述管路連接到燃料電池板的反應(yīng)物分配層上的反應(yīng)物分配通道上。
21.根據(jù)權(quán)利要求19或20的燃料電池，其中，對于燃料電池板的每對電極而言，設(shè)置有第一管路、第二管路、第三管路和第四管路，第一管路用于將第一反應(yīng)物提供給第一反應(yīng)物分配通道的第一端，第二管路用于從所述第一反應(yīng)物分配通道的第二端接收所述第一反應(yīng)物，第三管路用于將第二反應(yīng)物提供給第二反應(yīng)物分配通道的第一端，第四管路用于從所述第二反應(yīng)物分配通道的第二端接收所述第二反應(yīng)物。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的燃料電池，其中，所述第一管路將第一反應(yīng)物提供給至少兩個第一反應(yīng)物分配通道的第一端，所述第二管路從所述至少兩個第一反應(yīng)物分配通道的第二端接收所述第一反應(yīng)物，所述第三管路將第二反應(yīng)物提供給至少兩個第二反應(yīng)物分配通道的第一端，所述第四通道從至少兩個第二反應(yīng)物分配通道的第二端接收所述第二反應(yīng)物。
23.根據(jù)權(quán)利要求1至12、19至22中的任一權(quán)利要求的燃料電池，其中，每個燃料電池板連接到電路中，以進行電輸出。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的燃料電池，其中，連接到所述電路上的每個所述燃料電池板可被單獨轉(zhuǎn)換。
25.一種燃料電池，其包括至少兩個燃料電池板，將至少一個開關(guān)設(shè)置在每個所述燃料電池板上，從而可單獨地轉(zhuǎn)換每個電池板。
26.根據(jù)權(quán)利要求1至12或19至22中的任一權(quán)利要求的燃料電池，其中，催化劑層被設(shè)置成靠近電極。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的燃料電池，其中，催化劑層導(dǎo)電并包括靠近反應(yīng)物管路的外層。
28.根據(jù)權(quán)利要求26或27的燃料電池，其中，氣體擴散層被設(shè)置成作為外層，該外層的一側(cè)靠近反應(yīng)物管路，該外層的另一側(cè)靠近催化劑層。
29.根據(jù)權(quán)利要求28的燃料電池,其中，所述氣體擴散層包括一種或多種導(dǎo)電或非導(dǎo)電材料。
30.一種電絕緣墊片，用于分離相鄰的堆疊電池板。
31.根據(jù)權(quán)利要求30的墊片，其具有整體式冷卻劑管路。
32.根據(jù)權(quán)利要求30或31的墊片，其被形成為助于分配反應(yīng)物。
33.根據(jù)權(quán)利要求30-32中的任一權(quán)利要求的墊片，還包括供水或排水管路。
34.根據(jù)權(quán)利要求1至12或19至29中的任一權(quán)利要求的燃料電池，其中，電池堆中的相鄰燃料電池板通過權(quán)利要求30至33中的任一權(quán)利要求所述的絕緣墊片分離。
35.根據(jù)權(quán)利要求1至12或19至29中的任一權(quán)利要求的燃料電池，其中，每個燃料電池板的每個表面上，陽極和陰極的布置次序交錯，從而，除了燃料電池板邊緣上的陽極以外，每個陽極位于兩個陰極之間，除了燃料電池板邊緣上的陰極以外，每個陰極位于兩個陽極之間；以及 燃料電池中的燃料電池板堆疊在一起，使得兩個相鄰電池板的陽極基本上相互相對，兩個相鄰電池板的陰極基本上相互相對。
36.根據(jù)權(quán)利要求35的燃料電池，其中，通過一個反應(yīng)物分配層上的一個第一反應(yīng)物分配通道將第一反應(yīng)物輸送給相鄰的第一和第二燃料電池板上的一對陽極，通過所述反應(yīng)物分配層上的一個第二反應(yīng)物分配通道將第二反應(yīng)物輸送給所述的相鄰的第一和第二燃料電池板上的一對陰極。
37.根據(jù)權(quán)利要求1至12或19至29中的任一權(quán)利要求的燃料電池，其中，每個燃料電池板的每個表面僅支撐陽極或僅支撐陰極，燃料電池中的燃料電池板被布置成，使兩個相鄰燃料電池板的陽極基本上相對布置、使兩個相鄰燃料電池板的陰極基本相對布置。
38.一種用于在膜中形成直通膜的電連接器的方法，該膜由電解質(zhì)材料構(gòu)成，該方法包括:將所述膜的選定區(qū)域暴露在含有導(dǎo)電材料前體的溶劑中，之后，通過電化學(xué)還原或電化學(xué)氧化所述膜的選定區(qū)域，使至少一種反應(yīng)物種類中含有溶劑。
39.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，還包括步驟:處理膜以讓電連接器導(dǎo)電或增強電連接器的導(dǎo)電性。
40.根據(jù)權(quán)利要求38或39的方法，其中，含有導(dǎo)電材料前體的所述溶劑含有金、鉬、銣、銥、錯或鈕絡(luò)合物。
41.一種控制燃料電池的功率輸出特性的方法，該燃料電池具有至少兩個燃料電池板，燃料電池板包括可被選擇地轉(zhuǎn)換的一個或多個燃料電池板。
42.一種根據(jù)權(quán)利要求41的方法，包括步驟:根據(jù)工作周期轉(zhuǎn)換燃料電池板。
43.一種制造燃料電池的方法，包括步驟:堆疊一組燃料電池板，每個燃料電池板具有至少一個直通膜的電連接器，燃料電池板之間插入有絕緣墊片。
44.一種制造燃料電池的方法，包括以下步驟:制造和加工印刷電路板的各層；將這些層疊壓在一起形成多層的印刷電路板；將支撐至少一個陽極和至少一個陰極的至少一個膜粘結(jié)到所述多層的印刷電路板上。
45.根據(jù)權(quán)利要求44的方法，其中，該多層的印刷電路板包括: a)第一集電和配電層、反應(yīng)物分配層和第二集電和配電層； b)第一和第二集電層，它們被反應(yīng)物分配層分開；或者 c)第一和第二配電層，它們被反應(yīng)物分配層分開。
46.根據(jù)權(quán)利要求44或45的方法，其中，該方法包括步驟:將 a)支撐至少兩個陽極和至少兩個陰極的一個膜或 b)每個支撐一個陽極和一個陰極的至少兩個膜 粘結(jié)到所述多層的印刷電路板上。
47.根據(jù)權(quán)利要求46的方法，其中，該方法包括步驟:將 c)至少支撐三個陽極和至少三個陰極的一個膜或 d)每個支撐一個陽極或一個陰極的至少三個膜 連接到所述多層的印刷電路板上。
48.一種使用形狀記憶材料作為閥的方法，該閥用于關(guān)閉燃料電池板的反應(yīng)物分配層上的反應(yīng)物分配通道的反應(yīng)物入口。
49.根據(jù)權(quán)利要求1至12、19至37中的任一權(quán)利要求的燃料電池，其包括形狀記憶合金，能控制或防止氣體進入燃料電池中的氣流通道中。
50.根據(jù)權(quán)利要求16至18中的任一權(quán)利要求的多層的印刷電路板，其包括形狀記憶合金，能控制或防止氣體進入反應(yīng)物分配通道中。
51.—種沉積方法，用于將耐腐蝕層沉積到燃料電池的集電和/或配電層的表面上。
52.根據(jù)權(quán)利要求51的方法，其中，耐腐蝕層沉積到權(quán)利要求7至12，34至37中的任一權(quán)利要求所述的燃料電池的集電和/或配電層上，或沉積到根據(jù)權(quán)利要求13至18中的任一權(quán)利要求的印刷電路板上。
53.根據(jù)權(quán)利要求43至47中的任一權(quán)利要求的方法，其中，該方法還包括步驟:將耐腐蝕層沉積到燃料電池的集電和/或配電層的表面上。
54.根據(jù)權(quán)利要求51至53中的任一權(quán)利要求的方法，其中，將包括導(dǎo)電聚合物或?qū)щ娊饘傺趸锏哪蛱紝?dǎo)電油墨涂覆到集電和/或配電層的表面上。
55.根據(jù)權(quán)利要求54的方法，其中，導(dǎo)電聚合物從聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩和聚乙撐二氧噻吩(PEDOT)中選擇。
56.根據(jù)權(quán)利要求54的方法，其中，導(dǎo)電金屬氧化物從Ti407、Tia9NbaA、或摻雜有銻、氟或銦的氧化錫中選擇。
57.根據(jù)權(quán)利要求51-53中的任一權(quán)利要求的方法，其中，導(dǎo)電聚合物被電沉積到集電和/或配電層的表面上之后，被加溫退火，從而熔化膜以形成耐腐蝕層。
58.根據(jù)權(quán)利要求57的方法，其中，導(dǎo)電聚合物具有全氟取代基，特別地，全氟取代基是全氟脂族鏈或含有全氟脂族鏈。
59.根據(jù)權(quán)利要求58的方法，其中，形成導(dǎo)電聚合物的單體包括全氟烷基鏈。
60.根據(jù)權(quán)利要求51至53中的任一權(quán)利要求的方法，使用硅烷或重氮試劑使集電和/或配電層的表面發(fā)生衍生反應(yīng)，以形成耐腐蝕層。
61.根據(jù)權(quán)利要求60的方法，其中，硅烷或重氮試劑具有全氟屬性。
62.根據(jù)權(quán)利要求61的方法，其中，硅烷或重氮試劑包括全氟苯，或芳基環(huán)還包括全氟烷基鏈。
63.根據(jù)權(quán)利要求51至53中的任一權(quán)利要求的方法，其中，多個耐腐蝕層組合在一起涂覆到集電和/或配電層的表面上，該方法包括步驟:將墨涂覆到根據(jù)權(quán)利要求54的集電和/或配電層的表面上；和/或?qū)?dǎo)電聚合物電沉積到根據(jù)權(quán)利54，55或57的集電和/或配電層的表面上；和/或，根據(jù)權(quán)利要求60，使用硅烷或重氮試劑使集電和/或配電層的表面直接發(fā)生衍生反應(yīng)。
64.一種耐腐蝕涂層，其包括導(dǎo)電聚合物、導(dǎo)電金屬氧化物、碳導(dǎo)電碳油墨，或全氟硅烷或重氮試劑。
65.根據(jù)權(quán)利要求64的耐腐蝕涂層，其中，導(dǎo)電聚合物從聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩和聚乙撐二氧噻吩(PEDOT)中 選擇；導(dǎo)電金屬氧化物從導(dǎo)電金屬氧化物從Ti407、Tia9NbaiO2或摻雜有銻、氟或銦的氧化錫中選擇；硅烷或重氮化合物從全氟辛基三乙氧基硅烷(1H，1H,2H, 2H-Perf luorooctyltriethoxysilane)、1H, I H, 2H, 2H-全氟辛基三氯硅烷(Trichloro(1H, 1H, 2H, 2H-perf luorooctyl) si lane) > (3，3，3-三氟丙基)三甲氧基硅烷(Trichloro(3，3，3-trifluoropropyl) silane)、(3，3，3-三氟丙基)三甲氧基硅烷(Trimethoxy-methyl (3, 3, 3-trif luoropropyl) silane)、或五氟苯基三乙氧基硅烷((Pentafluorophenyl)triethoxysilane)中選擇。
66.根據(jù)權(quán)利要求64或65的耐腐蝕涂層，其中，該涂層涂覆到燃料電池的集電和/或配電層上。
67.根據(jù)權(quán)利要求13至18中的任一權(quán)利要求的多層的印刷電路板，其中，集電層包括根據(jù)權(quán)利要求64至66中的任一權(quán)利要求的耐腐蝕涂層。
68.基本上如說明書中所述和圖2至14所示的本發(fā)明。
【文檔編號】H01M8/02GK103620842SQ201280015509
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2012年2月29日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月1日
【發(fā)明者】丹尼爾·約翰·萊斯利·布雷特, 安東尼·羅伯特·約翰·庫森那可 申請人:帝國創(chuàng)新有限公司, Ucl商業(yè)有限公司