專利名稱：燃料電池組件的制作方法
燃料電池組件本發(fā)明涉及一種將燃料電池引入復(fù)合層壓結(jié)構(gòu)中的燃料電池組件,復(fù)合物正逐漸在各種產(chǎn)業(yè)中得到普及，這是基于以下多種原因 與傳統(tǒng)材料相比具有較低密度下的良好的機械強度，電絕緣性能，抗 腐蝕性以及使用方便。在大多數(shù)應(yīng)用中，它們?yōu)楫a(chǎn)品提供了無源的結(jié) 構(gòu)容積，并且在其上安裝諸如電子系統(tǒng)之類的分離的功能元件。復(fù)合材料是由兩種或更多種組分制成的工程材料，這些組分共同 作用后的性能超過其中任意一種的性能。 一種組分通常是使復(fù)合物具 有其抗拉強度的強力纖維，例如玻璃、石英、Kevla^或碳纖維；而另 一種組分(稱為基體)通常是將纖維粘合到一起并且總體上使得材料 具有剛度和硬度的樹脂，例如聚酯或環(huán)氧樹脂。某些復(fù)合物使用聚合 物來替代纖維，或者除了使用纖維之外還使用聚合物。復(fù)合層壓結(jié)構(gòu)是復(fù)合物的一種特殊形式，該復(fù)合物是由松散材料 緊密粘合在一起所形成的整體。 一般地，該復(fù)合層壓結(jié)構(gòu)具有面板或 鑲板的形式(該面板或鑲板可以繼續(xù)被引入某些其它產(chǎn)品中)。這些在某些情況下，可以使用多內(nèi)核材料，并且可以在每一內(nèi)核之間加入 附加的表層材料。在其它情況下，可以通過內(nèi)核材料自身提供外表層 (例如內(nèi)核材料被諸如通過熱處理而沿其表面密封)適宜的表層材料包括復(fù)合層壓板和金屬板(例如鋁、不銹鋼、低 碳鋼)；實際上可以用聚酯膠片將鋁板層壓來形成類似于膠合板的結(jié) 構(gòu)。表層的選擇將取決于最終的應(yīng)用。已知的內(nèi)核材料包括蜂窩、泡沫、木材、桁架內(nèi)核、層壓內(nèi)核、 擠壓體以及三維織物，這些內(nèi)核材料根據(jù)與諸如強度、硬度、可燃性、 可成形性以及易于加工性這些因素相關(guān)的最終的應(yīng)用而選擇。蜂窩、 泡沫和某些三維織物通?？煞Q為"多孔"材料。"蜂窩，，是使用蜂窩形式或六角形形式的一類產(chǎn)品的通稱。已經(jīng)研究出諸如圓形、橢圓形和正方形之類的形狀，但六角形是優(yōu)選的?？梢岳梅甲寰埘０芳?例如是均由DuPont生產(chǎn)的^016叉@或Tyvec )、 鋁箔、牛皮紙、薄玻璃層壓板和熱塑性板來制造蜂窩內(nèi)核。該材料可 以被加工成波紋板或者在孔室節(jié)點處被粘合，被膨脹和熱定形來形成 六角形結(jié)構(gòu)。泡沫內(nèi)核材料是以沒有明顯的孔室順序或者周期性的多孔結(jié)構(gòu)為 基礎(chǔ)的。存在三種不同的類型開孔泡沫、閉孔泡沫和強化泡沫。在 開孔泡沫中，空隙被連通在一起，允許空氣等穿過泡沫。在閉孔泡沫 中，空隙是分開的，由材料壁將其分割。強化泡沫通常是形成泡沫的 兩種或更多種材料的組合，其中該材料中的一種提供強化。例如，可 以將玻璃和樹脂組合到一起來形成一種通常稱之為合成泡沫的強化泡 沫，其中樹脂提供強化。存在其它引入了金屬強化物的強化泡沫，例 如由鋁和陶乾制成的鋁制泡沫。通常，閉孔結(jié)構(gòu)提供最好的機械性能， 而開孔泡沫提供最好的聲音減小/衰減性能。泡沫可以由多種材料制 成，這些材料包括聚氨酯橡膠、酚醛塑料和熱塑性塑料。選擇將取決 于特定的應(yīng)用需要。三維織物，諸如稀松組織材料，已經(jīng)使得工程師和設(shè)計者能夠?qū)?更多的靈活性引入產(chǎn)品而不會損害功能性。該種內(nèi)核可以為特定設(shè)計 問題提供解決方案，但難以比更常見的蜂窩、泡沫或木材材料的內(nèi)核 提供更好的通用解決方案。燃料電池是不用燃燒而將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的電化學(xué)裝置。與普 通電池不同，只要有燃料供應(yīng)到燃料電池，它就能連續(xù)地產(chǎn)生電流。 質(zhì)子交換膜燃料電池("PEMFC")，也稱之為聚合物電解質(zhì)膜燃料電 池，是低溫且通常緊湊的燃料電池，它是為了用于運輸應(yīng)用以及用于 諸如移動電話之類的便攜式應(yīng)用的目的而被開發(fā)的。常規(guī)PEMFC包括一個夾在陽極和陰極之間而且接觸陽極和陰極的 離子交換膜(薄聚合物膜，例如DuPont生產(chǎn)的Nafion )。這兩個電 極連接到一個電路。諸如氫氣之類的燃料在陽極被引入，在陽極它根 據(jù)以下的半電池反應(yīng)離解，以形成穿過電解質(zhì)膜的質(zhì)子//2 — 27/ + + 2e —諸如氧氣或空氣之類的氧化劑同時在陰極被引入，在陰極發(fā)生補充的半電池反應(yīng)%(92 +2//+ +2e— //2(9 從而在陽極和陰極之間形成電流，并且當(dāng)使用純氫時電池唯一的副產(chǎn) 物是水。陽極和陰極通常是碳載鉑基催化劑。這些可以被印到多孔碳纖維 紙上，該多孔碳纖維紙形成氣體擴散層(GDL)。陽極-膜-陰極組件， 通常被稱之為"膜電極組件"(MEA),通常被置于導(dǎo)電石墨板之間。 這些"分隔器"或者"流動場"板收集電流，有助于燃料和氧化劑分 別到達陽極和陰極表面，并且能夠去除在電池工作過程中形成的水。例如，US-A-6, 878， 477中討論了在陽極流動場板和陰極流動場板 內(nèi)的流動通道的分布。US-A-6， 913， 846公開了一種燃料電池系統(tǒng)，該 燃料電池系統(tǒng)包括適于提供在燃料到達陽極之前實施一個預(yù)備的反應(yīng) 步驟的裝置的流動場板。在這兩種情況下，如在常規(guī)燃料電池布置中 所常見的那樣，這些板在它們的表面設(shè)有通道，以在整個電極表面上 分布流體。這些流動場板通常制造成本昂夠， 一般需要在固體石墨板 上機械加工出復(fù)雜的氣體流動路徑。W0-A-03/073548提出了使用一種 多孔氣體分布材料來用于在整個電極上分散流體，其中該多孔氣體分 布材料具有在其內(nèi)限定的用于在整個電極上分散流體的通道。但是， 該多孔層需要復(fù)雜的構(gòu)架來支撐它以及供應(yīng)流體。同樣地，幾乎沒得 到好處。WO-A-2002/027838提出了使用一種安裝在箔材上的薄金屬泡 沫層來將流體分散到電極上。但是這過于依靠用于提供支撐和提供流 體供應(yīng)的復(fù)雜構(gòu)架結(jié)構(gòu)。在某些實例中，多個膜電極組件(MEA )被配置在一起形成一個堆， 在該堆中相鄰的MEA的相同電極彼此相對。然后燃料和氧化劑氣體的 供應(yīng)和排放歧管可以在MEA之間的交替面上分別連接到該整個堆。該 系列燃料電池，"燃料電池堆"，通常被封裝在殼體內(nèi)。該燃料電池 堆、殼體和相關(guān)的硬件組成燃料電池單元。當(dāng)考慮將燃料電池引入工 業(yè)應(yīng)用時，按照慣例將燃料電池看作一個以與蓄電池大致相同的方式 引入該結(jié)構(gòu)的獨立的單元。為了提供所需的電源輸出，將規(guī)定數(shù)量的 燃料電池堆疊、封裝成一個單元，然后引入裝配好的結(jié)構(gòu)中。例如，US-A-6,811，918公開了 一種具有聚合物復(fù)合雙極板的PEMFC，該聚合物復(fù)合雙極板是導(dǎo)電性的集電器，該集電器分隔多個以 電串聯(lián)堆疊在一起的MEA。在穿過石墨紙擴散層之前，流體通過該板 表面上的蜿蜒路徑分散到各個電極的整個上。US-A-6， 838， 204的目的 在于通過一個接收器來限制與堆疊多個脆弱的PEMFC相關(guān)的問題，該 接收器被成形為以交錯或者螺旋的構(gòu)形來接收PEMFC。這種復(fù)雜的布 置是昂貴的并且不適于實際應(yīng)用。實際上，大多數(shù)的PEMFC是樣品和 示范單元。為了使PEMFC進入大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用，在引入各種材料的 同時，有進展的改進將需要用于制造的設(shè)計變化。而且，PEMFC相對 脆弱且可能不會自支撐，因此在裝配燃料電池單元時PEMFC的支撐是 尤其重要的。此外，由于需要框架和復(fù)雜的流動場板來將流體分布到 MEA上，燃料電池組件是沉重而臃腫的。與PEMFC相反，固體氧化劑電池(S0FC)在高溫--大約lOO(TC--下工作，以使得膜的離子傳導(dǎo)性最大，該膜由諸如摻有氧化鋯之類的 氧化釔的氧導(dǎo)體制成。該工作溫度要求S0FC主要使用用于制造剛性結(jié) 構(gòu)的陶瓷材料來構(gòu)造。S0FC電池單元彼此平行布置并且被剛性地和緊 密地連接到一起，以形成一個發(fā)電室，其中氧化氣體和燃料氣體從該 發(fā)電室的一側(cè)供入，而燃燒的廢氣從其另一側(cè)排放。SOFC通常針對發(fā) 電區(qū)。對于便攜式應(yīng)用，開發(fā)了一種PEMFC的變體，直接甲醇燃料電池 (DMFC)。 DMFC依靠直接供應(yīng)到該裝置的陽極的曱醇來工作。另 一種 其中使用了流體可滲透電解質(zhì)膜的改型也正在開發(fā)?？諝夂腿剂系幕?合物穿過該電池而不是分布在其整個表面。每一電極被設(shè)計成用于選 擇性地促進燃料或者氧化劑的反應(yīng)。類似于PEMFC，SOFC和DMFC的實際實施仍然需要適宜的流體流動 機構(gòu)來將燃料和空氣以有效的方式輸送至燃料電池。根據(jù)本發(fā)明的第一方面， 一種燃料電池組件，包括被引入復(fù)合層 壓結(jié)構(gòu)中的燃料電池，該復(fù)合層壓結(jié)構(gòu)包括將該燃料電池嵌入其中的 內(nèi)核材料，該燃料電池包括具有第一和第二面的電解質(zhì)膜，以及鄰近 該電解質(zhì)膜的相應(yīng)面布置的第一和第二電極，該第一和第二電極可連 接到電路上，其中，該內(nèi)核材料為嵌入在其中的燃料電池提供支撐以及提供穿過該內(nèi)核材料的流體連通，以使得一種或多種流體到達該第 一和第二電極。通過以此方式將燃料電池引入復(fù)合結(jié)構(gòu)中，可以獲得多種優(yōu)點。 首先， 一種另外的無源結(jié)構(gòu)部件一一復(fù)合層壓結(jié)構(gòu)，通過將內(nèi)核材料 用作用于該嵌入的燃料電池的流體輸送機構(gòu)(氣體或液體)而使其自 身具有功能。因此，通過將燃料電池容納在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中，可以減小需 要燃料電池的產(chǎn)品所占用的總體積。這不僅將得到更緊湊的產(chǎn)品，而 且也因為燃料電池可以更容易地應(yīng)用于受限的空間中，而使得與可選 的其它電源相比選擇燃料電池更具有吸引力。能夠選擇燃料電池在結(jié) 構(gòu)部件中定位在何處的能力，也使得人們能夠通過將燃料電池靠近由 它供應(yīng)電能的部件定位而來消除某些導(dǎo)線。這也減輕了整體結(jié)構(gòu)的重 量。將燃料電池引入復(fù)合結(jié)構(gòu)內(nèi)同樣為燃料電池部件提供了支撐和殼 罩，以此方式消除了對復(fù)雜和昂貴的外殼和流體流動板的需要。通過 內(nèi)核材料的適當(dāng)構(gòu)形，可以容易地實現(xiàn)和控制流體輸送到電極。該結(jié) 構(gòu)的固有強度在制造期間和使用中都為燃料電池提供了保護。此外， 該復(fù)合結(jié)構(gòu)可以用于儲存氣體或液體。如將要描述的那樣，內(nèi)核材料可以以多種替代方式將流體輸送至 電極。在一個優(yōu)選實施方案中，內(nèi)核材料適于使得第一流體能夠到達 第一電極以及第二流體能夠到達第二電極，同時維持該第一和第二流 體之間的分離。這種布置尤其適用于需要不同流體到達各個電極的燃料電池。例如，大多數(shù)PEMFC需要燃料到達陽極，而空氣或氧到達陰極。因此，優(yōu)選地，第一流體包括燃料流體以及第二流體包括反應(yīng)物流體。可設(shè)想的，可以使用上述那些流體的替代性化學(xué)物質(zhì)例如，反應(yīng)物流體可以是還原劑。但是，優(yōu)選地，該反應(yīng)物流體是氧化劑。根據(jù)所使用的內(nèi)核材料類型，可以使用適于將兩種流體單獨地輸送至燃料電池的單一內(nèi)核材料。例如，可以使用有孔相互連通于其中的泡沫材料，以使得將第一流體限定在該材料的一個區(qū)域內(nèi)，而將第二流體限定在另一區(qū)域內(nèi)。類似地，內(nèi)核材料可以具有限定在其內(nèi)的 用于第一和第二流體分別到達第一和第二電極的第一和第二通道。但是，在一個優(yōu)選實施方案中，內(nèi)核材料包括第一和第二內(nèi)核材料，在該第一和第二內(nèi)核材料之間限定了一個交界面，該第一和第二 內(nèi)核材料被一 個流體基本不可滲透的中間層沿著該交界面的至少 一部 分分離開。由于一種流體可以被中間層限定在各自內(nèi)核材料內(nèi)，這提 供了一種分離開兩種流體的特別便利的方式。盡管內(nèi)核材料自身可以 對流體的流動施加附加限制，例如，通過具有限制在其內(nèi)的通道，但 還是可以包括流體能夠自由穿過流動的材料，例如開孔泡沫。便利地，電解質(zhì)膜置于該第一和第二內(nèi)核材料之間的交界面上， 該膜的至少一部分位于該交界面上的一個沒有被中間層延伸到的區(qū)域 中，以使得該電解質(zhì)膜的第一面抵靠該第一內(nèi)核材料，該第二面抵靠 該第二內(nèi)核材料。在此構(gòu)形中，該膜本身局部地將該兩個內(nèi)核材料分 離開，并且被良好定位以接收來自每一材料的流體。此外，通過交界 面，和/或中間層可以支撐該膜。應(yīng)注意的是，如果第一和第二面分別 抵靠第一和第二內(nèi)核材料，那么該膜不必被置于交界面或中間層的平 面內(nèi)，而是可被置于該交界面的任一側(cè)上。優(yōu)選地，該電解質(zhì)膜被布置得基本平行于該交界面，該第一和第 二面被布置在該膜的相對側(cè)上。但是，如果需要，該膜可以與交界面 成角度布置，例如垂直地布置。例如，可以將兩個電極布置在該膜的 同一側(cè)，在該情況下第一和第二面將被該膜的相同面限定。有利地，中間層設(shè)有一個將電解質(zhì)膜置于其中的全厚度直通孔。 這為該膜在其所有邊緣提供了支撐。替代地，該膜可被置于中間層的 一端，或者在該中間層的附近。優(yōu)選地，電解質(zhì)膜被引入該中間層內(nèi)。由于可以以中間層用作支撐來構(gòu)造燃料電池MEA，這有助于制造。例 如，該膜和可選地該電極，可以被共固化、粘接或焊接成一個層壓中 間層。也可以在中間層上設(shè)置導(dǎo)線或者導(dǎo)電軌，以將電極連接到電路 上。在另一實施方案中，有利地，選擇一種流體可滲透的電解質(zhì)膜，使得流體能夠到達該膜的第一面后，穿過該膜到達其第二面，并且反之亦然。因此，只需要將流體通過內(nèi)核材料直接輸送至一個電極；通過膜本身就可完成到達第二個電極的輸送。因此，內(nèi)核材料有利地適于使得流體能夠經(jīng)由電解質(zhì)膜到達第二電極。例如，內(nèi)核材料可以限 定一個單一通道。但是，優(yōu)選地，內(nèi)核材料適于提供到達第一電極和經(jīng)由電解質(zhì)膜到達第二電極的流體入口路徑，以及提供從第二電極出 來的流體出口路徑，同時保持該入口路徑和該出口路徑之間的分離。 這在單一方向上引導(dǎo)流體流過該膜。在一個優(yōu)選實施方案中，這通過 一種包括第一和第二內(nèi)核材料的內(nèi)核材料來實現(xiàn)，在該第一和第二內(nèi) 核材料之間限定了 一個交界面，該第一和第二內(nèi)核材料被一 個流體基 本不可滲透的中間層沿著該交界面的至少一部分分離開，其中該第一 內(nèi)核材料提供了流體入口路徑，而該第二內(nèi)核材料提供了流體出口路 徑。這些構(gòu)形尤其適用于基于單一輸入流體的實施。因此，優(yōu)選地， 該流體包括第一和第二流體的混合物。適宜地，第一流體包括燃料流 體，笫二流體包括反應(yīng)物流體。典型地，反應(yīng)物流體是氧化劑。在上述兩個實施中的任一個中，優(yōu)選地，第一電極選擇性地與該 第一流體反應(yīng)，而該第二電極選擇性地與該第二流體反應(yīng)。在混合流 體的情況下，這使得單一的組分能夠在電極中的一個上反應(yīng)，從而產(chǎn) 生更大和更穩(wěn)定的電流。在流體分離開的情況下，可以使用兩個電極 的選擇性設(shè)計來優(yōu)化它們的性能。內(nèi)核材料可以將流體直接輸送到相應(yīng)的電極。但是，在某些實施 方案中優(yōu)選的是，鄰近該第一電極設(shè)置一個第一擴散區(qū)域，該第一擴 散區(qū)域與該第 一 電極流體連通，該內(nèi)核材料適于提供到達該第 一擴散 區(qū)域的流體通道。擴散區(qū)域有助于將流體分布到整個電極表面，從而 提高了反應(yīng)效率。更優(yōu)選地，鄰近該第二電極設(shè)置一個第二擴散區(qū)域，該第二擴散 區(qū)域與該第二電極流體連通，該內(nèi)核材料適于提供到達該第二擴散區(qū) 域的流體通道。擴散區(qū)域可以包括一層擴散介質(zhì)，例如石墨紙。但是，優(yōu)選地， 第一和/或第二擴散區(qū)域與內(nèi)核材料成一整體，該內(nèi)核材料在擴散區(qū)域 內(nèi)適于將流體基本分布在整個相應(yīng)電極上。通過這種方式，可以減少 部件的數(shù)量，從而可以降低組裝的復(fù)雜性。此外，針對具體的應(yīng)用可 以調(diào)整擴散區(qū)域。用于內(nèi)核材料的具體材料將取決于特定的應(yīng)用。有利地，內(nèi)核材 料或者該第一和第二內(nèi)核材料中的至少一種包括多孔材料，至少一些孔室是互相連通的，以允許流體從其中貫穿通過。在一個特定實施方 案中，該多孔材料通常是具有由流體不可滲透的孔室壁限定的孔室的 蜂窩，該孔室中的至少一些通過在選定的孔室壁上穿孔而互相連通。 例如，這種蜂窩可以由鋁制成。替代地，有利地，多孔材料可以是包括空隙的泡沫，該空隙中的 至少 一 些被連通以允許流體通過?？障吨g的相互連通可以是在材料 中自然形成的，或者可以是在材料成形之后例如通過激光或者機械加 工而形成的。在另一實例中，多孔結(jié)構(gòu)是一種三維織物，該三維織物 具有至少一些由流體可滲透壁限定的孔室。例如，該織物可以由聚酯 氈制成。優(yōu)選地，該三維織物中的孔室的至少一部分被用樹脂處理過，以防止流體從其中貫穿通過。因此，可以;限據(jù)具體應(yīng)用的需要限定材 料中的流動通道。進一步替代地，有利地，內(nèi)核材料或者該第一和第二內(nèi)核材料中 的至少一個可以包括一種在其內(nèi)引入流體流動通道的三維織物，例如 網(wǎng)眼織物。在此情況下，該材料本身可以是流體可滲透的或者流體不 可滲透的。根據(jù)應(yīng)用和選定的材料，改變內(nèi)核材料的固有的流體流動性能可 能是有利的。因此，優(yōu)選地，內(nèi)核材料或者該第一和第二內(nèi)核材料中 的至少 一個設(shè)有機械加工出的流動通道。當(dāng)在一個結(jié)構(gòu)中使用了多于一個的內(nèi)核材料時，對于每一個內(nèi)核 材料可以使用不同的材料和/或加工。例如，當(dāng)?shù)谝涣黧w將由第一內(nèi)核 材料輸送，而另一不同的流體由第二內(nèi)核材料輸送時，可能有利地是， 選擇第 一和第二內(nèi)核材料以適合它們所輸送的流體的性能。替代地， 第一和第二內(nèi)核材料可以各自包括相同的材料。優(yōu)選地，第一和第二內(nèi)核材料各自包括被分散在流體可滲透膜上 的多孔催化劑。這確保了可以利用 一個大的表面面積來催化該反應(yīng)并 且允許離子(通常是質(zhì)子)到達電解質(zhì)膜。有利地，鄰近每一電極設(shè) 置有一個流體擴散層。這使得流體更好地分散在整個電極上。如上所述，電池反應(yīng)會產(chǎn)生諸如水的廢棄產(chǎn)品。因此，優(yōu)選地， 內(nèi)核材料還適于使得廢棄流體能夠從該電極中的至少一個電極流走。 這避免了流體在燃料電池堆積。優(yōu)選地，表層材料設(shè)置在內(nèi)核材料的外側(cè)。.這起到了密封和保護 內(nèi)核材料并且強化該復(fù)合結(jié)構(gòu)的作用。在某些實例中，內(nèi)核材料自身 可以提供該密封功能。表層可被設(shè)置在該結(jié)構(gòu)的一側(cè)，但是優(yōu)選地設(shè) 置在兩側(cè)。有利地，表層被粘合到內(nèi)核材料上。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種燃料電池陣列，該燃料電池 陣列包括多個根據(jù)本發(fā)明的第一方面的燃料電池組件，其中該多個燃 料電池組件被引入一個復(fù)合結(jié)構(gòu)中，并且該內(nèi)核材料適于使得一種或 多種流體能夠到達每一個燃料電池。因此，在一個復(fù)合結(jié)構(gòu)中可以引 入多個燃料電池。內(nèi)核材料可以將流體供應(yīng)到多個孤立地工作或者作 為一整體工作的燃料電池。有利地，內(nèi)核材料適于使得流體能夠經(jīng)由 一個共用路徑到達該燃料電池中的至少兩個。這節(jié)省了附加空間并且 降低了原本需要的各種通道的復(fù)雜性。優(yōu)選地，該內(nèi)核材料包括多個內(nèi)核材料，每一個內(nèi)核材料通過交 界面與下一個分離開，并且至少一個燃料電池被布置在該交界面的每 一個上。布置在相鄰的交界面上的燃料電池不需要彼此對準(zhǔn)，而是有 利地可以沿著該交界面橫向偏移。在一個具體實例中，內(nèi)核材料包括 第一、第二和第三內(nèi)核材料，各自被交界面分離開，至少一個燃料電 池被布置在該交界面的每一個上。便利地，如參照本發(fā)明的第一方面 所描述的， 一個流體不可滲透的中間層被布置在每一交界面，每一燃 料電池的電解質(zhì)膜被引入該中間層。也提供了制造根據(jù)本發(fā)明第一和第二方面的燃料電池組件和燃料 電池陣列的方法。根據(jù)本發(fā)明的第三方面， 一種制造燃料電池組件的方法，包括的步驟有(A) 設(shè)置允許流體從其貫穿通過的第一內(nèi)核材料；(B) 在該第一內(nèi)核材料中的流體能夠接觸燃料電池的第一側(cè)的位置，將該燃料電池的第一側(cè)固定到該第一內(nèi)核材料，該燃料電池包括 具有第一和第二面的電解質(zhì)膜以及鄰近該電解質(zhì)膜的相應(yīng)面布置的第一和第二電極，該第一和第二電極可連接到一個電路；以及(C) 設(shè)置允許流體從其貫穿通過的第二內(nèi)核材料，以及在該第二 內(nèi)核材料中的流體能夠接觸該燃料電池的第二側(cè)的位置，將該第二內(nèi)核材料固定到該燃料電池的第二側(cè)，以使得該燃料電池被嵌入到所得到的內(nèi)核材料中；以及將該組件 引入一個復(fù)合層壓結(jié)構(gòu)中。這一技術(shù)在整個制造過程中對脆弱的燃料電池提供了支撐，并且 使得燃料電池能夠被引入一個復(fù)合層壓結(jié)構(gòu)中。優(yōu)選地，設(shè)置第一內(nèi)核材料包括的步驟有 (Al)設(shè)置一種多孔材料；以及(A2)將該材料中的至少一些孔室互相連通，以形成流體流動路 徑。因此可以為適合該應(yīng)用而i殳計流動路徑的構(gòu)形。 有利地，固定燃料電池包括的步驟有(Bl)設(shè)置一種流體不可滲透的中間層；(B2)將電解質(zhì)膜引入到該中間層中；(B3)將第一和第二電極緊靠該膜的第一和第二面；(B4)將集電器連接到第一和第二電極；以及(B5)將中間層和燃料電池固定到該第一內(nèi)核材料。 通過這種方式，燃料電池可以用中間層制造，該中間層為脆弱的膜和 電極提供了保護和支撐。優(yōu)選地，設(shè)置第二內(nèi)核材料包括的步驟有(Cl)設(shè)置一種多孔材料；以及(C2)將該材料中的至少一些孔室互相連通，以形成流體流動路 徑。因此可以為具體的應(yīng)用選擇笫二流動路徑的構(gòu)形。現(xiàn)將參照以下附圖來說明根據(jù)本發(fā)明的燃料電池組件的實例，其中圖l是常規(guī)燃料電池布置的示意圖； 圖2是為了清楚而放大地示出了常規(guī)復(fù)合結(jié)構(gòu)的實例； 圖3是以橫截面的形式圖示了根據(jù)本發(fā)明的燃料電池組件的第一 實施方案；圖3a更詳細地示出了圖3中的一部分；圖4a、 4b和4c各自是以俯視圖和橫截面的形式示出了在三種內(nèi) 核材料中的流動通道；圖5是以橫截面的形式圖示了燃料電池組件的第二實施方案； 圖6是以橫截面的形式顯示了燃料電池組件的第三實施方案的一 部分；圖7是以橫截面的形式圖示了燃料電池組件的第四實施方案； 圖8a和8b示意性地顯示了兩個燃料電池陣列； 圖9是以橫截面的形式圖示了燃料電池陣列；

圖10a、 10b和10c是以俯視圖、立體圖和截面圖的形式示出了燃 料電池陣列的一個實例；圖lla是以橫截面的形式顯示了燃料電池組件的第五實施方案；以及圖llb顯示了沿線X-X取截面的第四實施方案的俯視圖。圖1中示意性示出了典型PEMFC 1的功能部件。聚合物膜2置于 陽極4和陰極6之間。該膜2包括能夠傳導(dǎo)離子但電氣絕緣的電解質(zhì) 材料。典型的實例是Nafior^，它是一種良好的質(zhì)子(H+)導(dǎo)體。電極 4、 6通常包括分散在流體可滲透墊片上的鉑基催化劑，該流體可滲透 墊片諸如碳纖維紙。這提供了氣體擴散層(未示出)，該氣體擴散層 有助于將流體均勻地分散到整個電極。該膜2、陽極4和陰極6合起 來被稱之為膜電極組件(MEA) 5。通常，流動場板8a和8b分別鄰近一個電極設(shè)置。該板8a、 8b分 別控制穿過電極4、 6的流體流動。第一流體A,包括諸如氫或曱醇的 燃料，通過板8a引導(dǎo)至或者穿過陽極4。在圖1中，顯示了流體A在 該圖的平面內(nèi)流動，而為此目的在板8a的表面內(nèi)設(shè)置引導(dǎo)通道(未示 出)。第二流體，包括諸如氧或空氣的氧化劑，通過板8b引導(dǎo)至或穿 過陰極6。圖l顯示了在板8b上的通道8b，的引導(dǎo)下而流出該紙面的 平面的流體B。電極4、 6通過集電器(未示出)連接到一個電路。流體A和B如 上所述分別在相應(yīng)的電極4、 6上反應(yīng)，從而形成電流。圖2圖示了一種典型的復(fù)合層壓結(jié)構(gòu)10，該層壓結(jié)構(gòu)具有夾在表 層11之間的蜂窩內(nèi)核13。蜂窩內(nèi)核13由一系列孔室17組成，每一 孔室是六方柱的形式。蜂窩內(nèi)核提供了高剛度且低重量的層壓體。由于在蜂窩13和表層11之間的可用粘合面積較小，所以使用諸如環(huán)氧 樹脂類的高性能樹脂系統(tǒng)來實現(xiàn)必要的到層壓表層的粘接，從而產(chǎn)生 一個緊密粘合的整體。蜂窩內(nèi)核可通過多種材料得到，所述材料包括鋁、熱塑性塑料、紙、諸如^1116又@的形成蜂窩孔室的樹脂以及織物。鋁蜂窩通常使用多階段的工序制成。金屬薄板被印上交替、平行 的粘合劑細條，然后當(dāng)粘合劑固化時在加熱壓力機中將這些板堆疊。 接著將該薄板堆(稱之為"塊形狀")沿其厚度方向切割，隨后使得 這些板被逐漸拉伸和膨脹，以形成連續(xù)六角形孔室形狀的板。熱塑性 塑料蜂窩通常是在被切割成所需厚度之后通過擠壓來制造。適宜的表層材料包括復(fù)合層壓板或諸如鋁、不銹鋼或低碳鋼的金 屬板。表層材料的選擇將取決于使用該結(jié)構(gòu)的具體應(yīng)用。圖3中示出了燃料電池組件的第一實施方案，在該燃料電池組件 中將燃料電池引入復(fù)合層壓結(jié)構(gòu)中。內(nèi)核材料提供了氣體或液體(即 流體)輸送機構(gòu)，穿過該輸送機構(gòu)可以將流體供應(yīng)到燃料電池。在此實例中，兩個表層21將內(nèi)核23夾在中間，該內(nèi)核被分成第 一內(nèi)核材料23a和第二內(nèi)核材料23b。流體不可滲透的中間層28位于 該兩個內(nèi)核材料之間的交界面。第一內(nèi)核材料23a和第二內(nèi)核材料23b 在此處被描述為由蜂窩(對應(yīng)于圖2中示出的那些孔室17)制成，該 蜂窩已經(jīng)被穿孔，以使得流體能夠在某些孔室內(nèi)流動。但是，應(yīng)理解 的是，可以使用具有穿過它輸送流體以及支撐復(fù)合結(jié)構(gòu)的(固有的或 其它方式)能力的任意適宜的內(nèi)核材料。此外，應(yīng)理解的是，表層21 是可選的。在某些實例中，內(nèi)核材料本身可以充當(dāng)表層，或者替代地， 內(nèi)核材料可以靠在提供支撐的其它物體上定位。在其它情況下，外表 層21可以是多功能的提供防止氣體或液體泄漏的密封，或者實際上 提供一種能夠去除諸如水或來自電子設(shè)備的熱量的廢產(chǎn)物的交換機 構(gòu)，以及提供空氣或液體例如燃料電池所需要的氧化劑氣體的入口 。膜電極組件(MEA) 25置于兩個內(nèi)核材料23a和23b之間的交界 面的一個區(qū)域中，中間層28沒有延伸到該區(qū)域內(nèi)，在此情況下一個孔 在中間層28內(nèi)。中間層28被認(rèn)為是內(nèi)核23的一部分，因此，可以說 MEA 25被嵌入在內(nèi)核23內(nèi)。在本上下文中，"嵌入，，是指如本說明 書中所說明的，將MEA放置到內(nèi)核23內(nèi)。因此，即使內(nèi)核可能包括兩個或更多個部件，MEA通常完全被內(nèi)核(也就是表層21之間的結(jié)構(gòu)部 分)包圍。如圖3a所示，MEA 25包括電解質(zhì)膜22、陽極24和陰極 26。這些部件中每一個的構(gòu)造類似于上文中參照圖1所述的部件。集 電器27a和27b分別將陽極24和陰極26連接到一個電路(未示出)。 實踐中，便于將集電器27a和27b作為中間層28上的導(dǎo)線或?qū)щ娷墎?設(shè)置，而不是如圖中所示出的那樣將它們直接穿過內(nèi)核和表層材料。 但是，如果將要由燃料電池提供電力的部件布置到該結(jié)構(gòu)的外側(cè)或者 附近(例如在表層21上)，可能優(yōu)選的是，如圖中所示的那樣將集電 器直接引出以減少所需的導(dǎo)線數(shù)量。應(yīng)理解的是，4壬意一種已知類型的燃料電池，例如PEMFC、 DMFC 或者S0FC，均可以以此方式引入復(fù)合結(jié)構(gòu)中。第一流體A，通常是諸如氫之類的燃料，被布置為穿過第一內(nèi)核 材料23a以到達陽極24。例如，通過泵送流體穿過材料或者向流體源 施加壓力，而得以實現(xiàn)。可以使用加壓缸或容器來遠離內(nèi)核材料儲存 燃料和/或反應(yīng)物流體(例如，分別是氫和氧)，其中通過調(diào)節(jié)器來控 制壓力，并且流體經(jīng)由插頭被輸送至內(nèi)核材料。替代地，可以以以下 方式來儲存燃料流體，可以從周圍大氣直接獲得氧化劑，例如空氣。 此外，內(nèi)核材料自身可以形成一種用于儲存一種或多種流體的諸如井 之類的儲存結(jié)構(gòu)，其中流體經(jīng)由一個外部儲存容器的調(diào)節(jié)器而被保持 在某一壓力下，從而將調(diào)節(jié)的更好的流體供應(yīng)至MEA (與將外部燃料 流體儲存容器直接連接到供應(yīng)MEA的通道不同)?？赡軙嬖谶@樣的 場合，設(shè)想局部化流體儲存以使得用燃料和/或反應(yīng)物流體的離散供應(yīng) 來供應(yīng)MEA。在此情況下，流體可以儲存在復(fù)合結(jié)構(gòu)自身內(nèi)并且可以 在需要時釋放到MEA，而不需要外部儲存容器?？梢允褂眠@些技術(shù)的 任意組合來配合應(yīng)用。在蜂窩內(nèi)核的情況下，流體借助于在孔室壁上的穿孔從一個孔室 流到下一個孔室。在下文中將更詳細地論述這種內(nèi)核結(jié)構(gòu)和替代內(nèi)核 結(jié)構(gòu)。類似地，第二流體B,通常是氧化劑或者諸如還原劑之類的其它 此類反應(yīng)物，被通過第二內(nèi)核材料23b輸送到陰極26。使用用于流體 A的相同技術(shù)，或可以是優(yōu)選的替代方式，可以影響第二流體B的輸送。當(dāng)一種流體是氣體而另一種是液體時尤為如此。如上文參照圖1所述，流體A和B在它們各自的電極上的反應(yīng)，在 集電器27a、 27b連接的電路內(nèi)形成電流。集電器27a、 27b可以以網(wǎng) 格、導(dǎo)線或?qū)щ娷壍男问皆O(shè)置，被固定、粘合或者噴涂到中間層28上。 可以以兩種或三種尺寸來加工復(fù)雜型式的導(dǎo)電的、半導(dǎo)電的或者絕緣 的軌道，以能夠執(zhí)行多種任務(wù)?？梢栽O(shè)置排水裝置29來使得反應(yīng)產(chǎn)物，例如水，排出該結(jié)構(gòu)。根 據(jù)所選擇的內(nèi)核材料，可能會需要在材料內(nèi)設(shè)置流動通道來將水從陰 極26引導(dǎo)至排水裝置29。內(nèi)核材料23可以是蜂窩、泡沫、網(wǎng)眼織物或者任意同功能的三維 織物，該三維織物提供復(fù)合結(jié)構(gòu)的最終應(yīng)用所要求的必要力學(xué)性能， 以及提供流體輸送機構(gòu)，經(jīng)由該輸送機構(gòu)氣體和/或液體能夠被輸送至 所嵌入的燃料電池。為了使得氣體或液體能夠通過蜂窩輸送，在制造過程中將材料穿 孔，以在所選的孔室17之間提供流體連通。因此，保持了內(nèi)核的結(jié)構(gòu) 剛性，還形成了流動通道。圖4a中提供了穿孔的蜂窩內(nèi)核的圖示。應(yīng) 注意到，雖然穿孔18被圖示為圓形的，但是它們可以是槽、孔或者其 它任意允許流體在孔室之間流動的切口的形式。為了制造穿孔的鋁蜂窩，將塊形式的蜂窩切開，然后在節(jié)點(薄 板的粘合區(qū)域)處進行機械鉆孔或者功率射束(例如激光)鉆孔，隨 后進行拉伸和膨脹，產(chǎn)生穿孔的蜂窩。熱塑性塑料通常在擠壓之后穿 孔。也可以使用紙或布紋紙蜂窩內(nèi)核材料，例如Nomex⑧，其中在第一 種情況下通過用穿孔的紙來制造蜂窩提供流動通道，或者通過對最終 內(nèi)核產(chǎn)品的后加工來提供流動通道。網(wǎng)眼織物或者其它三維織物通過它們特殊的結(jié)構(gòu)為氣體或者液體 提供流動通道。在某些情況下，這些三維織物被浸漬有樹脂，以提供 內(nèi)核材料的強度，在這些情況下需要形成流動通道。這種實例會是一 種聚酯氈的三維織物(流體可滲透)，該聚酯氈具有其上設(shè)有一薄層 樹脂膜的蜂窩結(jié)構(gòu)。當(dāng)加熱時，樹脂流動并且浸入孔室17。為了設(shè)置 流動通道，如圖4b所示，可以只在離散的位置將樹脂膜設(shè)置到織物上， 因此在加熱時只有指定的孔室17a被浸漬有樹脂，使得孔室Ub能夠自由輸送流體。替代地，如圖4c所示，可以對固化的內(nèi)核進行機械加 工，以根據(jù)需要提供一系列流動通道15a、 15b。通過適當(dāng)?shù)剡x擇內(nèi)核材料和流動通道構(gòu)形，可以優(yōu)化到達燃料電 池的流體輸送。通道的設(shè)計可以保證用需要的燃料或氧化劑流體充滿 燃料電池陽極或陰極，并且通道被設(shè)計為與使得最佳的氣體或者液體 能夠輸送至燃料電池的流道型式相配合。在某些實施方案中，鄰近每一電極設(shè)置擴散區(qū)域24A和26A。這 些區(qū)域有助于將流體分布到相應(yīng)電極的整個表面上。擴散區(qū)域可以包 括鄰近電極表面布置的一層擴散介質(zhì)，例如石墨紙或者類似的多孔材 料。但是，通過用內(nèi)核材料整體成形區(qū)域24A和26A,例如通過將流 動通道布置為使得流體在整個電極上均勻分布，可以消除對這些材料 的需要。內(nèi)核材料經(jīng)由相應(yīng)的擴散區(qū)域?qū)⒘黧w輸送至電極24、 26。此外，如對于圖4示出的蜂窩結(jié)構(gòu)所舉例說明的那樣，可利用流 動通道使得不同的氣體或液體能夠在相同的內(nèi)核材料中同時流動。應(yīng)指出的是，術(shù)語"流動通道"在本說明書中既用于描述由于材 料的固有性能而存在的流動路徑(例如開孔泡沫的連通孔)，又用于 描述通過專門的加工步驟而引入的流動路徑(例如在蜂窩中的穿孔或 者機械加工出的通道)。如上所述，在可以使用流動型式來為燃料電池提供燃料和氧化劑 氣體或液體的同時，也可以使用流動型式來從該結(jié)構(gòu)中去除不需要的 熱量或流體。例如，內(nèi)核材料23可以提供流體流動路徑，以能夠從燃 料電池中去除水。在電子部件的本身區(qū)域中，內(nèi)核可以包括用于冷卻 劑流體的流動路徑，該冷卻劑流體為這些電子部件或者實際上該結(jié)構(gòu) 自身提供冷卻。內(nèi)核材料也提供了把氣體或液體一直容納或儲存到需 要的時候的可能。根據(jù)最終的應(yīng)用要求，中間層28可以是剛性或者柔性的。此中間 層28在一側(cè)或者兩側(cè)，部分地或者全部地但至少在MEA 25附近，覆 蓋有使得流體供應(yīng)到MEA 25的內(nèi)核材料23。中間層28可以由各種材料制成，例如熱塑性塑料(例如聚乙烯)、 復(fù)合層壓板、浸漬織物、熱固性塑料、或者甚至是諸如環(huán)氧樹脂的增 強結(jié)構(gòu)樹脂系統(tǒng)。通過粘合(例如通過粘合劑)或者焊接(例如通過使用激光)，可以將MEA 25引入中間層28。在加熱的壓力機或者爐 子中固化層壓板的過程中，MEA 25可以被分層堆積，而且也可以被冷 固化到 一起或者分離開。引入到中間層的ME A 2 5可以依次連接到第一 內(nèi)核材料23a和第二內(nèi)核材料23b，或者可以在同時連接到兩者。需 要將內(nèi)核材料充分地粘合到中間層來保持流動通道的整體性。顯然，第一和第二內(nèi)核材料不需要是相同的類型。例如，圖5示 出了燃料電池組件30的第二實施方案，其中第一內(nèi)核材料33a是開孔 泡沫，而第二內(nèi)核材料33b是穿孔的蜂窩內(nèi)核。圖6顯示了第三實施 方案40，其中第一內(nèi)核材料43a是開孔泡沫，而第二內(nèi)核材料43b是 三維織物。兩種內(nèi)核材料43a和43b通過中間層48分隔，在該中間層 中引入燃料電池。當(dāng)然，根據(jù)流動的需要，可以利用內(nèi)核的任意組合， 包括相同類型的組合。應(yīng)指出的是，在圖5中示出的燃料電池組件30內(nèi)的MEA 35的布 置不同于第一實施方案中的布置。在此處，MEA 35仍然設(shè)置在兩個內(nèi) 核材料30a和30b之間的交界面上，但是是被嵌入在第二內(nèi)核材料33b 中，而不是被引入到中間層38中。然而，陽極34和陰極36仍然分別 與第一內(nèi)核材料33a和第二內(nèi)核材料33b接觸。此外，在某些變體中 可能根本不需要設(shè)置中間層38。例如，可以將內(nèi)核材料33a、 33b中 的流動路徑設(shè)計為防止流體流動到材料之間的交界面。這種情況的實 例可以是一種具有填充樹脂的孔室的三維織物，該填充樹脂的孔室將 其流道與其它內(nèi)核材料分開。同樣地，單一內(nèi)核材料可以設(shè)有被嵌入 其內(nèi)部的燃料電池和一個填充樹脂的孔室的區(qū)域(或者其它這樣的障 礙物)，該填充樹脂的孔室將一個流動路徑與其它的流動路徑分離開。如在第一實施方案中的那樣，可以設(shè)置集電器37a、 37b來將電極 34、 36連接到一個電路，并且可以包括一個排水裝置39。圖7圖示了第四實施方案，該第四實施方案尤其適宜用于這樣一 種燃料電池，其中燃料和氧化劑流體的混合物被輸送至其中 一個電極， 并且穿過流體可滲透的電解質(zhì)膜到達第二個電極。在這種情況下，每 一電極被設(shè)計成選擇性地與燃料或者氧化劑流體反應(yīng)。因此，只需要將一種流體C (參照上文，該流體是流體A和B的 混合物)輸送至MEA 55。由于電極是選擇性的，混合物C可以到達一個或者兩個電極，并且仍然能夠發(fā)生反應(yīng)。因此，在一個簡化實例中，可以將MEA嵌入一個諸如開孔泡沫的單一內(nèi)核材料的內(nèi)部，該單一內(nèi) 核材料使得流體能夠到達、以及離開兩個電極。然而，在圖7中的優(yōu) 選實例中，內(nèi)核被布置為設(shè)有入口路徑56和出口路徑57。這通過凈皮 中間層58分隔的第一內(nèi)核材料53a和第二內(nèi)核材料53b實現(xiàn)。以與上 文關(guān)于第一實施方案所述的大致相同的方式，將MEA 55布置在中間層 58內(nèi)。每一內(nèi)核材料53a、 53b至少部分地由使得流體能夠穿過其結(jié) 構(gòu)流動的三維織物形成。通過封閉每一內(nèi)核的一端來形成輸入和輸出 路徑56、 57。這可以通過樹脂或者例如通過一塊流體不可滲透的材料 來實現(xiàn)。如上文關(guān)于第二實施方案所描述的，中間層58是可選的。圖lla和lib顯示了第五實施方案，其中內(nèi)核材料將流體A和B 輸送至在蜂窩層103和表層101之間的燃料電池105。流動通道103a 和103b可以包括用于將蜂窩103連接到表層101的粘合劑層，或者可 以引入管子的網(wǎng)格或者陣列。在所示出的實例中，粘合劑帶104用于 將層壓結(jié)構(gòu)粘合到一起，同時也限定了流動路徑103a、 103b。由于流 體流動路徑103a、 103b在外表層之間并且是復(fù)合層壓結(jié)構(gòu)的組成部 分，所以可以認(rèn)為它們本身構(gòu)成了內(nèi)核材料。合結(jié)構(gòu)(燃料電池陣列)以與局部電源需要或i其它諸如:該結(jié)構(gòu)內(nèi)的重量平衡需要相結(jié)合。如圖8a中所圖示的，燃料電池65a、65b、 65c等可以占據(jù)一個在復(fù)合物61內(nèi)提供均勻重量分布的幾何圖案。替 代地，如圖8b所示，燃料電池75a、 75b、 75c等可以被群集起來為電 子部件提供電源，尤其是為那些對復(fù)合產(chǎn)品的功能起關(guān)鍵作用的電子 部件提供電源。在其它實例中，多個燃料電池可以在不同層內(nèi)被設(shè)置在一個復(fù)合 結(jié)構(gòu)中。例如，兩個或更多個嵌入的中間層可以被設(shè)置在該復(fù)合結(jié)構(gòu) 內(nèi)。圖9中示出了這種實例，其中燃料電池組件80包括被夾在表層 81之間的第一、第二和第三內(nèi)核材料83a、 83b和83c。中間層88a、 88b被設(shè)置在每一對相鄰內(nèi)核之間的交界面處。MEA 8h、 布置在 每一中間層88a、 88b上。如圖9所示，這些MEA不需要彼此對準(zhǔn)，而 是可以橫向偏移。也可以在每一中間層88內(nèi)引入多于一個的MEA。第一流體A,通常是燃料，被布置為穿過內(nèi)內(nèi)核材料83a流動。 MEA 85a、 85b各自相應(yīng)的陽極被布置為面向此內(nèi)內(nèi)核材料83a，從而 來接受流體A。第二和第三流體B和B，，兩者通常是氧化劑，被穿過 外內(nèi)核材料83b、 83c傳送到MEA 85a、 85b的各自的陰極。當(dāng)然，氧 化劑可以被布置為穿過內(nèi)內(nèi)核材料83a，而燃料可以由外內(nèi)核材料83b 和83c運送，在此情況下MEA 85a、 85b的定位將是相反的。應(yīng)理解的是，如果需要，可以以此方式"堆疊"任意數(shù)量的內(nèi)核 材料，以及任意數(shù)量的中間層。在圖10a、 10b和10c中顯示了燃料電池組件的一個實例。將一個 帶有蜂窩結(jié)構(gòu)的聚酯氈加熱來制造內(nèi)核材料90，其中該聚酯氈涂敷有 一薄層樹脂。強化物(表層)被粘合到一個面上。將所得到的材料90 在樹脂側(cè)進行機械加工，以提供一系列流動路徑91、 92。引入了嵌入 的燃料電池的中間層93由熱固性塑料制成。 一個兩部分的環(huán)氧樹脂圍 繞MEA的周邊放置在中間層上，而且該中間層被定位粘接到上和下內(nèi) 核材料上。在圖10c中顯示了所得到的復(fù)合結(jié)構(gòu)。該燃料電池組件可用在許多應(yīng)用中。在許多情況下，將構(gòu)造一個 引入該燃料電池(如所述的)的鑲板，然后可以將此單元做成所需要 的產(chǎn)品?？梢詫⒓娖鬟B接到組成該產(chǎn)品一部分的負(fù)載電路，由燃料 電池產(chǎn)生的電力可以用于運轉(zhuǎn)該產(chǎn)品。在其它實例中，可以將燃料電池嵌入到最終產(chǎn)品的組成零件中。 例如，無人駕駛航空器(UAV)是利用空氣動力來提供飛行器提升的無 人駕駛動力飛行器?，F(xiàn)代化的UAV使用了諸如復(fù)合材料的最新材料來 制造外部結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在大多數(shù)應(yīng)用是蓄電池供電的并且在監(jiān)督下用于監(jiān) 測農(nóng)作物、電纜和輸氣管道。不久前公開的燃料電池組件提供了將飛 行器動力源引入飛行器結(jié)構(gòu)自身中的可能，從而利用了 "無源，，結(jié)構(gòu) 部件并且使它具有二次功能，該二次功能是一種輸送至嵌入的燃料電 池的流體流動機構(gòu)的功能。因此可以將備用動力源引入該飛行器中(除 了蓄電池之外)或者燃料電池真正地可以為飛行器提供主電源，由于 不再需要蓄電池或者常規(guī)的燃料電池組，為附加的裝載物留出了空間。由于可以將產(chǎn)品的動力需要構(gòu)造到結(jié)構(gòu)本體內(nèi)，從而利用了已存 在于該結(jié)構(gòu)中的空間，因此任何含有復(fù)合層壓結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品都可以受益于本文所公開的技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池組件，包括被引入復(fù)合層壓結(jié)構(gòu)中的燃料電池，該復(fù)合層壓結(jié)構(gòu)包括將該燃料電池嵌入其中的內(nèi)核材料，該燃料電池包括具有第一和第二面的電解質(zhì)膜，以及鄰近該電解質(zhì)膜的相應(yīng)面布置的第一和第二電極，該第一和第二電極可連接到電路上，其中，該內(nèi)核材料為嵌入在其中的燃料電池提供支撐以及提供穿過該內(nèi)核材料的流體連通，以使得一種或多種流體能夠到達該第一和第二電極。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池組件，其中該內(nèi)核材料適于使得第 一流體能夠到達第一電極以及第二流體能夠到達第二電極，同時維持 該第 一 和第二流體之間的分離。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的燃料電池組件，其中該第一流體包括燃料流 體以及該第二流體包括反應(yīng)物流體。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3的燃料電池組件，其中該反應(yīng)物流體是氧化劑。
5. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的燃料電池組件，其中該內(nèi)核材料 包括第一和第二內(nèi)核材料，在該第一和第二內(nèi)核材料之間限定了一個 交界面，該第一和第二內(nèi)核材料被一個流體基本不可滲透的中間層沿 著該交界面的至少一部分分離開。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5的燃料電池組件，其中該電解質(zhì)膜置于該第一 和第二內(nèi)核材料之間的交界面上，該膜的至少一部分位于該交界面上 的一個沒有被中間層延伸到的區(qū)域中，以使得該電解質(zhì)膜的第一面抵 靠該第一內(nèi)核材料，該第二面抵靠該第二內(nèi)核材料。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6的燃料電池組件，其中該電解質(zhì)膜被布置得基 本平行于該交界面，該第一和第二面被布置在該膜的相對側(cè)上。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6或7的燃料電池組件，其中該中間層設(shè)有一個 將電解質(zhì)膜置于其中的全厚度直通孔。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6至8中任一項的燃料電池組件，其中該電解質(zhì) 膜被引入該中間層內(nèi)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求2至4中任一項的燃料電池組件，其中該內(nèi)核材 料具有限定在其內(nèi)的第一和第二通道，以用于該第一和第二流體分別 到達該第一和第二電極。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池組件，其中該電解質(zhì)膜是流體可滲透的，使得流體能夠到達該膜的第一面后，穿過該膜到達其第二面， 并且反之亦然。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11的燃料電池組件，其中該內(nèi)核材料適于使得 流體能夠經(jīng)由該電解質(zhì)膜到達該第二電極。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12的燃料電池組件，其中該內(nèi)核材料適于提供 到達該第 一 電極和經(jīng)由該電解質(zhì)膜到達該第二電極的流體入口路徑， 以及提供從該第二電極出來的流體出口路徑，同時保持該入口路徑和 該出口路徑之間的分離。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13的燃料電池組件，其中該內(nèi)核材料包括第一 和第二內(nèi)核材料，在該第一和第二內(nèi)核材料之間限定了一個交界面， 該第一和第二內(nèi)核材料被一個流體基本不可滲透的中間層沿著該交界 面的至少一部分分離開，其中該第一內(nèi)核材料提供了流體入口路徑， 而該第二內(nèi)核材料提供了流體出口路徑。
15. 根據(jù)權(quán)利要求11至14中任一項的燃料電池組件，其中該流體 包括第一和第二流體的混合物。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15的燃料電池組件，其中該第一流體包括燃料 流體，該第二流體包括反應(yīng)物流體。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16的燃料電池組件，其中該反應(yīng)物流體是氧化劑。
18. 至少根據(jù)權(quán)利要求2或權(quán)利要求15的燃料電池組件，其中該 第 一 電極選擇性地與該第 一流體反應(yīng)，而該第二電極選擇性地與該第 二流體反應(yīng)。
19. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的燃料電池組件，其中鄰近該第一 電極設(shè)置一個第一擴散區(qū)域，該第一擴散區(qū)域與該第一電極流體連通， 該內(nèi)核材料適于提供到達該第 一擴散區(qū)域的流體通道。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19的燃料電池組件，其中鄰近該第二電極設(shè)置 一個第二擴散區(qū)域，該第二擴散區(qū)域與該第二電極流體連通，該內(nèi)核 材料適于提供到達該第二擴散區(qū)域的流體通道。
21. 根據(jù)權(quán)利要求19或權(quán)利要求20的燃料電池組件，其中該第一 和/或第二擴散區(qū)域包括一層擴散介質(zhì)，例如石墨紙。
22. 根據(jù)權(quán)利要求19或權(quán)利要求20的燃料電池組件，其中該第一和/或第二擴散區(qū)域與該內(nèi)核材料成一整體，該內(nèi)核材料在該擴散區(qū)域 內(nèi)適于將流體基本分布在整個相應(yīng)電極上。
23. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的燃料電池組件，其中該內(nèi)核材料 或者該第一和第二內(nèi)核材料中的至少一個包括多孔材料，至少一些孔 室是互相連通的，以允許流體從其中貫穿通過。
24. 根據(jù)權(quán)利要求2 3的燃料電池組件，其中該多孔材料是具有由 流體不可滲透的孔室壁限定的孔室的蜂窩，該孔室中的至少一些通過 在選定的孔室壁上穿孔而互相連通。
25. 根據(jù)權(quán)利要求23的燃料電池組件，其中該多孔材料是包括空 隙的泡沫，該空隙中的至少 一些被連通以允許流體通過。
26. 根據(jù)權(quán)利要求23的燃料電池組件，其中該多孔結(jié)構(gòu)是一種三 維織物，該三維織物具有至少 一 些由流體可滲透壁限定的孔室。
27. 根據(jù)權(quán)利要求26的燃料電池組件，其中該三維織物中的孔室 的至少一部分被用樹脂處理過，以防止流體從其中貫穿通過。
28. 根據(jù)權(quán)利要求1至22中任一項的燃料電池組件，其中該內(nèi)核 材料或者該第 一和第二內(nèi)核材料中的至少一個包括一種在其內(nèi)引入流 體流動通道的三維織物。
29. 根據(jù)權(quán)利要求23至28中任一項的燃料電池組件，其中該內(nèi)核 材料或者該第 一和第二內(nèi)核材料中的至少 一個設(shè)有機械加工出的流動 通道。
30. 根據(jù)附屬于權(quán)利要求5或14時的權(quán)利要求23至29中任一項 的燃料電池組件，其中該第一和第二內(nèi)核材料各自包括相同的材料。
31. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的燃料電池組件，其中該第一和第 二內(nèi)核材料各自包括被分散在流體可透滲膜上的多孔催化劑。
32. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的燃料電池組件，還包括鄰近每一 電極設(shè)置的流體擴散層。
33. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的燃料電池組件，其中該內(nèi)核材料 還適于允許使得廢棄流體能夠從該電極中的至少一個電極流走。
34. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的燃料電池組件，其中表層材料設(shè) 置在該內(nèi)核材料的外側(cè)。
35. —種燃料電池陣列，該燃料電池陣列包括多個根據(jù)權(quán)利要求1至34中任一項的燃料電池組件，其中該多個燃料電池組件被引入一個 復(fù)合層壓結(jié)構(gòu)中，并且該內(nèi)核材料適于使得一種或多種流體到達每一 個所述的燃料電池。
36. 根據(jù)權(quán)利要求35的燃料電池陣列，其中該內(nèi)核材料適于使得 流體能夠經(jīng)由 一 個共用路徑到達該燃料電池中的至少兩個。
37. 根據(jù)權(quán)利要求35或36的燃料電池陣列，其中該內(nèi)核材料包括 多個內(nèi)核材料，每一個內(nèi)核材料通過交界面與下一個分離開，并且至 少一個燃料電池被布置在該交界面的每一個上。
38. 根據(jù)權(quán)利要求37的燃料電池陣列，其中該內(nèi)核材料包括第一、 第二和第三內(nèi)核材料，各自被交界面分離開，至少一個燃料電池被布置在該交界面的每一個上。
39. 根據(jù)權(quán)利要求37或38的燃料電池陣列，還包括一個被布置在 每一交界面的流體不可滲透的中間層，該每一燃料電池的電解質(zhì)膜被 引入該中間層中。
40. —種復(fù)合結(jié)構(gòu)，包括一種根據(jù)權(quán)利要求1至34中任一項的燃 料電池組件，或者一種根據(jù)權(quán)利要求35至39中任一項的燃料電池陣 列。
41. 一種制造根據(jù)權(quán)利要求1至34中任一項的燃料電池組件的方法。
42. —種制造根據(jù)權(quán)利要求35至39中任一項的燃料電池陣列的方法。
43. —種制造燃料電池組件的方法，包括的步驟有(A) 設(shè)置允許流體從其貫穿通過的第一內(nèi)核材料；(B) 在該第一內(nèi)核材料中的流體能夠接觸燃料電池的第一側(cè)的位置，將該燃料電池的第一側(cè)固定到該第一內(nèi)核材料，該燃料電池包括 具有第一和第二面的電解質(zhì)膜以及鄰近該電解質(zhì)膜的相應(yīng)面布置的第一和第二電極，該第一和第二電極可連接到一個電路；以及(C) 設(shè)置允許流體從其貫穿通過的第二內(nèi)核材料，以及在該第二 內(nèi)核材料中的流體能夠接觸該燃料電池的第二側(cè)的位置，將該第二內(nèi) 核材料固定到該燃料電池的第二側(cè)，以使得該燃料電池被嵌入到所得到的內(nèi)核材料中；以及將該組件引入一個復(fù)合層壓結(jié)構(gòu)中。
44. 根據(jù)權(quán)利要求38的制造燃料電池組件的方法，其中設(shè)置第一內(nèi)核材料包括的步驟有(Al)設(shè)置一種多孔材料；以及(A2)將該材料中的至少一些孔室互相連通，以形成流體流動路徑。
45. 根據(jù)權(quán)利要求43或44的制造燃料電池組件的方法，其中固定 燃料電池包括的步驟有(Bl)設(shè)置一種流體不可滲透的中間層；(B2)將電解質(zhì)膜引入到該中間層中；(B3)將第一和第二電極緊靠該膜的第一和第二面；(B4)將集電器連接到該第一和第二電極；以及(B5)將該中間層和燃料電池固定到該第一內(nèi)核材料。
46. 根據(jù)權(quán)利要求43的制造燃料電池組件的方法，其中設(shè)置第二 內(nèi)核材料包括的步驟有(Cl)設(shè)置一種多孔材料；以及(C2)將該材料中的至少一些孔室互相連通，以形成流體流動路徑。
47. —種基本如參照附圖在上文所描述的燃料電池組件。 4 8. —種基本如參照附圖在上文所描述的燃料電池陣列。
全文摘要
一種燃料電池組件，包括被引入復(fù)合層壓結(jié)構(gòu)中的燃料電池，該復(fù)合層壓結(jié)構(gòu)包括將燃料電池嵌入其中的內(nèi)核材料。該燃料電池包括具有第一和第二面的電解質(zhì)膜以及鄰近該電解質(zhì)膜的相應(yīng)面布置的第一和第二電極。該第一和第二電極可連接到電路上。該內(nèi)核材料為嵌入在其中的燃料電池提供支撐以及提供穿過該內(nèi)核材料的流體連通，以使得一種或多種流體到達該第一和第二電極。
文檔編號H01M8/10GK101273488SQ200680035860
公開日2008年9月24日 申請日期2006年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月28日
發(fā)明者A·G·岡納, P·M·柏林 申請人:焊接研究院