專利名稱：具有微型結構元件的高功率密度燃料電池層設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池。更具體而言，本發明涉及在使用單多孔基底形成的不同通道內具有多個電池的燃料電池層。
背景技術：
長期以來一直需求高功率密度燃料電池。
現有的燃料電池通常是單個燃料電池的疊放組件，其中每個電池在低電壓下可產生較高的電流。一般的電池結構包括反應物分布和電流收集裝置，其可與層狀電化學組件接觸，并由氣體擴散層、第一催化劑層、電極層、第二催化劑層和第二氣體擴散層組成。除了諸如熔化的碳酸鹽電池等高溫燃料電池外，大多數質子交換膜、直接甲醇、固體氧化物或堿性燃料電池都包括層狀平面結構，其中各層首先形成作為不同的元件，然后通過使各層相互接觸而組裝成功能性燃料電池組。
層狀平面結構燃料電池的主要問題在于各層必須相互緊密電接觸，而如果不能緊密接觸，那么電池組的內阻將增加，從而降低了燃料電池的總效率。
層狀平面結構燃料電池第二個問題在于為進行密封并確保在層狀結構燃料電池內部溝槽中的反應物和冷卻劑的正確流動，各層間必須保持一致接觸。此外，如果電池的總面積過大，那么在產生接觸壓力方面就會有困難，而這是保持反應物氣體在電解質表面正確流體流動分布所需要的。
現有層狀平面結構燃料電池裝置的特征在于由于燃料和氧化劑都需要在層狀平面結構燃料電池的平面內流動，因此需要至少4到10但通常是8個不同的層以形成可工作的電池，通常是第一流動區層、第一氣體擴散層、第一催化劑層、第一電極層、第二催化劑層、第二氣體擴散層、第二流動區層和隔板。這些層通常被制成單個的燃料電池元件，然后再使各層相互接觸以形成燃料電池組。當使各層接觸時，必須小心以使氣體在各層內擴散的同時防止氣體從組裝的燃料電池組中泄漏。此外，電池組中燃料電池產生的所有電流必須穿過電池組中的每一層，這取決于不同層的簡單接觸以提供導電通路。因此，密封性和導電性都需要組裝的電池組被明顯的壓力夾緊，從而實現周圍密封并減小內接觸電阻。
現有燃料電池結構中各層的制造通常很昂貴并且困難。用作氧化劑和燃料流動區及隔板的雙極板經常用難于加工的石墨制成，從而顯著增加了燃料電池組的成本。膜電極組件(MEA)通常通過在任一側涂覆含有催化劑的固態聚合物電解質，然后將氣體擴散層壓在電解質上而形成。燃料電池組件需要將多個單個的雙極板和膜電極組件串聯連接在一起。通常在相鄰的雙極板和膜電極組件之間必須使用不連續的密封條，并在相當大的壓力下將密封的雙極和MEA層固定在一起。
存在對研發可選擇的燃料電池設計的需要，從而以串聯方式組裝離散層的技術不長久。滿足這種需要的一種方法是使用微型結構技術制造燃料電池，其中可將微型制造技術和納米結構材料結合從而產生新的裝置，而不會遇到通常與常規燃料電池設計相關的問題。微型技術應用到燃料電池上有很多明顯的優點。具體而言，由于薄層和新幾何結構的原因而使功率密度的提高、熱質傳輸的改善、改進和/或更精密催化劑的應用、較短導電通路長度損失的降低等趨勢都使燃料電池更有效率，并能得到較高體積功率密度。將輔助系統加進燃料電池設計的可能及新應用出現的趨勢使其呈現出更有益的優點。
存在對與層狀平面結構燃料電池相比僅有較少零件的微型燃料電池的需要。較少的零件將使微型燃料電池的制造成本比常規燃料電池更低。
存在對可使用多種電解質的微型燃料電池的需要。
存在基本上可降低燃料電池內接觸電阻的微型燃料電池的需要。
許多在先發明已使用了燃料電池的微型制造技術。US 5,861,221提出含有多個通過將一個MEA的負極邊緣和相鄰的MEA的正極邊緣相連而彼此串聯連接的常規MEAs的“膜帶”。可以使用兩種結構。第一種通過將MEA放在一起呈臺階狀結構而構成“膜帶”。第二種通過將MEA頭尾相邊地與其間的導電區域結合而構成“膜帶”，其與電池串聯。在某些進一步的研究中(US 5,925,477)，同一發明人在電極間混合分流器，從而提高電池的導電性。MEAs本身是常規的層狀結構設計，并且全部邊緣收集組件連續依賴于相鄰MEAs間的常規密封裝置。
US 5,631,099和US 5,759,721使用相仿的串聯連接構思，但是對燃料電池設計使用多種其它的微型技術。這樣做后，在單結構中同時形成多個燃料電池。燃料電池本身仍是置于載體上的層狀平面裝置，并在相鄰的燃料電池間需要穿過載體層的相互連接。這些專利中公開的大多數技術涉及產生耐甲醇的催化劑并在催化劑上使用鈀層來防止甲醇在電池內跨接。
WO 01/95406公開了一種單膜裝置，其被分成段以制得多個MEA結構。難于制造的復合雙極板可為MEA層的兩側提供燃料和氧化劑。US 6,127,058公開了一種相似的結構，但代替復合的多種反應氣體的是僅將一種反應物應用到MEA層的任一側。MEA層內形成的燃料電池的串聯連接可通過外電流收集器實現，其沿該裝置的周圍設置并可提供從MEA層頂部到MEA層底部的電連接。這種周圍電連接的效率很低。
某些現有技術中的燃料電池試圖通過使用微型制造技術來降低尺寸和制造成本。例如Case Western Reserve University裝置是使用與印刷和半導體制造相似的薄層過程在載體基底上形成多個燃料電池(Wainwright et al。“A micro fabricated Hydrogen/Air Fuel Cell”195Meeting of the Electrochemical Society，Seattle，WA，1999)。在這些設計中，除了將燃料電池形成在基礎基底上之外，燃料電池保留了常規的平面設計。陰極必須形成在平面電解質的頂部，然后必須與相鄰的陽極直接相互連接。
上述的所有電池都使用電極邊緣上的電流收集。這顯著地增加了這些電池的內電池電阻。每個電池也以固體聚合物電解質為基礎，因為這個唯一容易制造的電解質。此外，上述的所有電池通過在單電解質平面內形成多個燃料電池都實現了微型燃料電池設計。
過去已有使用非平面電解質的構思。GB 2,339,058提出一種帶有波浪形電極層的燃料電池。在這種結構中，常規層狀的MEA是波浪形。MEA置于雙極板之間。這種設計增加了活性面積，并可包裝成預定體積。然而，這種設計仍依賴于外部密封的昂貴復雜的層狀結構，并需要壓力以保持內部的電接觸和密封。JP 50903/1996提出一種固體聚合物燃料電池，其包括通常是平面并帶有交替的用以將能量產生元件(明顯是MEA)夾成非平面分段線型的突出零件。與此相同的是GB2,339,058，此文獻仍然依賴于昂貴復雜的層狀結構，但這種設計通過使用隔板將其壓成非平面裝置從而也對MEA施加了不恰當的壓力。
除了非平面設計之外，某些現有技術提出管狀結構。US 6,060,188提出一種圓柱形燃料電池，其帶有形成圓柱的單MEA層。燃料或氧化劑輸送到圓柱內部的凹陷處，而其它的反應物在外部輸送。在這種設計中，每個圓柱形結構產生一個單電池，電流通過燃料電池的環形圓柱壁流動。沒有公開在燃料電池間提供串聯的電學相互連接或密封單個燃料電池的方法。這種設計得自于公知的固體氧化物燃料電池的管狀設計。
存在對于可在相同的體積中增大活性面積(即活性面積的高密度)的燃料電池布局或燃料電池結構的需要。這將使燃料電池以不同于當前大多數燃料電池研發者所進行的方式被最優化。
發明概述本發明涉及具體的集成設計的燃料電池層結構，其中氣體擴散層、催化劑層和電極層的功能集成在單基底。這種集成設計可簡化制造過程并可按比例設計。
更具體而言，這種用于連接外部負載的燃料電池層包括燃料室；氧化劑室；與該燃料室和該氧化劑室相通過的多孔基底。該燃料電池層也包括多孔基底和多個使用該多孔基底形成的燃料電池。每個燃料電池包括不同的通道、設置在該第一通道壁上的第一催化劑層、設置在該第二通道壁上的第二催化劑層、從該第一催化劑層形成的陽極和從該第二催化劑層形成的陰極、在該不同通道中設置并可防止燃料輸送到陰極及可防止氧化劑輸送到陽極的電解質。該燃料電池也包括設置在該多孔基底至少一部分上的第一涂層，從而可防止燃料進入該多孔基底的至少一部分；設置在該多孔基底至少一部分上的第二涂層，從而可防止氧化劑進入該多孔基底的至少一部分；設置在第一側的第一密封擋板；設置在第二側的第二密封擋板；設置在燃料電池間的第三密封擋板；設置在第一側的正極電接頭和設置在第二側的負極電接頭。
當多個微尺寸的燃料電池形成在單基底中時，可得到較高的總功率密度。此外，單基底中的多個燃料電池可并聯形成，利用高體積自動化制造形成燃料電池層。單基底中燃料電池的組合可最小化對外部密封條和夾具的依賴。
可以預見到燃料電池層設計的多種變化。一些變化包括使燃料和氧化劑室末端被堵住，使燃料電池層包圍空間，使多孔基底是非平面或可選擇的平面結構，使燃料電池層是包圍空間的圓柱形。基底可用各種導電和不導電多孔介質形成。
就尺寸而言，該通道高度可以為1納米到10cm，寬度可以為1納米到1mm，長度可以為1納米到100米。本發明的單個燃料電池預期能夠產生約0.25伏到約4伏的電壓。
在這種設計中1～5000個燃料電池預期可用于一個燃料電池層中，然而在優選的實施方案中，燃料電池層包括75～150個相連的燃料電池。可以預期這種燃料電池層能夠產生0.25伏到2500伏的電壓。具有更多通道的燃料電池能夠產生更高的電壓。
適用于本發明中的電解質可以是凝膠、液體或固體材料。可以預期電解質層厚度可為1納米至1.0mm，或可選擇地簡單填充從第一壁到第二壁的每個通道而沒有間隙。由于通道較薄，因此薄的電解質可增加燃料電池的效率。
本發明的燃料電池可通過如下方式使用首先，將燃料源與燃料室進口相連；其次，將燃料室出口與再循環控制器相連；第三，將氧化劑室進口與氧化劑源相連；第四，將氧化劑室出口與流動控制系統相連；第五，將正極電接頭和負極電接頭與外部負載相連；第六，使燃料和氧化劑流入進口；及最后，用燃料電池產生的電流驅動負載。
附圖簡要說明下面將結合附圖通過實施例說明本發明的具體實施方案，其中


圖1本發明的燃料電池第一實施方案的剖視圖；圖1a是在多孔基底的第一深度處帶有催化劑的陽極的細節剖視圖；圖1b是在多孔基底的第二深度處帶有催化劑的陽極的細節剖視圖；圖1c是陰極的細節剖視圖；圖2是本發明的燃料電池末端被堵住的實施方案的剖視圖；圖2a是本發明燃料電池的實施方案，其中燃料和氧化劑室是固體的，并于其內帶有流動通道；圖3是末端被堵住的燃料電池另一實施方案的剖視圖；圖3a表明本發明中氧化劑室向周圍環境敞開的實施方案；圖3b表明本發明中燃料室向周圍環境敞開的實施方案；圖4是通過組合圖1所示的多個燃料電池而形成的燃料電池層的剖視圖；圖4a是多個多孔基底燃料電池層的剖視圖，其燃料室向周圍環境敞開；圖4b是多個多孔基底燃料電池層的剖視圖，其氧化劑室向周圍環境敞開；圖4c是帶有多達5000個燃料電池的燃料電池層的剖視圖；圖5是圖1所示的多個燃料電池形成在單基底中的燃料電池的剖視圖；圖5a是帶有多個電池的燃料電池的另一實施方案；圖6是含有圖1所示的多個燃料電池的燃料電池層的立體圖；圖7是本發明帶有波浪形通道的燃料電池的細節立體圖；圖8是本發明圓柱形燃料電池的立體圖；圖8a是圖1中燃料電池實施方案的剖視圖，其中基底是非規則形狀；圖9是本發明圓柱形燃料電池的剖視圖；圖10是本發明燃料電池的另一實施方案，其通道是一組疊放的圓環形式；
圖11是燃料電池的另一實施方案，其通道是環繞圓柱的螺旋形式；及圖12是雙層燃料電池結構的立體圖。
發明詳細說明本發明涉及一種帶有優選是多孔基底的微結構燃料電池，帶有單個或多個基底結構的燃料電池組件，及制造這種燃料電池和燃料電池層的方法。
本發明涉及具體的集成設計的燃料電池結構，其中氣體擴散層、催化劑層和電極層的功能集成在單基底。此結構使得其可能折疊形成各種工作燃料電池的“層”，并得到直線形、曲線形、波浪形或不規則形的電解質通路，從而通過增大了電化學活性表面積而得到較高的體積功率密度。此外，通過在單基底內形成各種燃料電池層，克服了燃料電池元件簡單接觸形成電連接的問題，從而實現了得到較低內電池電阻的可能。這些電池層本身可是平面、非平面或漸開線結構，從而為增大表面積提供了進一步的優點，并可提供靈活的應用性。這種集成設計可簡化制造過程并可按比例設計。
與現有的燃料電池設計不同，在一個實施方案中本發明提供旋繞的電極層，其不能平穩地波動。本發明的其它實施方案包括基本上非光滑的形狀。使用這種非光滑的電解質通路使得燃料電池反應的總表面積更大，并能包裝成平面電解質層用于常規燃料電池設計中時所能達到的預定體積。本發明也使得單個電極層之間的距離明顯降低，從而在預定體積中比常規設計的表面積更大。
本發明預期使用受不規則圖案所啟示的設計，其可提供較長的電解質通路長度。本發明包括一種形成燃料電池和“電池組”的方法，其不依賴于層狀的方法，也不需要在制造后組裝層狀元件。克服了MEA層和雙極板之間依賴多個分散層狀結構的常規關系。本發明也預期一種帶有單個燃料電池的設計，其相對于組裝的燃料電池裝置的總面積打開其側面。本發明預期通過平行制造方法在單基底上形成集成結構的燃料電池。
具體而言，可以預期使用用于燃料電池的多孔基底，通過該多孔基底反應氣體可用較小的驅動力進行擴散。基底可以是導電或不導電的。如果是導電的，可以預期使至少一部分基底絕緣，這通常將使陽極與陰極分開，這種絕緣可通過用電解質將陽極與陰極分開來形成，如果需要可以加入可選擇的絕緣結構元件。更具體而言，該燃料電池預期包括(a)含有燃料的燃料室；(b)含有氧化劑的氧化劑室；(c)與該燃料室和該氧化劑室相通的多孔基底，其還包括頂部、底部、第一側和第二側；(d)使用該多孔基底形成的通道，其中該通道包括第一通道壁和第二通道壁；(e)通過在該第一通道壁上的多孔基底上設置第一催化劑層形成的陽極；(f)通過在該第一通道壁上的多孔基底上設置第二催化劑層形成的陰極；(g)在該通道的至少一部分中設置并與該陽極和該陰極接觸的電解質，從而可防止燃料輸送到該陰極并可防止氧化劑輸送到該陽極；(h)設置在該多孔基底至少一部分上的第一涂層，從而可防止燃料進入該多孔基底的至少一部分；(i)設置在該多孔基底至少一部分上的第二涂層，從而可防止氧化劑進入該多孔基底的至少一部分；(j)在該第一側上設置的第一密封擋板，在該第二側上設置的第二密封擋板；(k)設于該第一側上的正極電接頭；(l)設于該第二側的負極電接頭；及其中制得的燃料電池可產生電流以驅動外部負載。
參照圖1，其是本發明一個實施方案的剖視圖，燃料電池8包括可選擇的含有燃料11的燃料室10。多孔基底12與可選擇的燃料室10相鄰。該燃料室可以包括可選擇的燃料室進口18。該燃料室也可包括可選擇的燃料室出口20。含有氧化劑13的可選擇的氧化劑室16與該多孔基底12相鄰。該氧化劑室可以包括可選擇的氧化劑室進口52。該氧化劑室也可包括可選擇的氧化劑室出口54。如果沒有使用氧化劑室，那么該燃料電池利用周圍環境作為氧化劑源。
該多孔基底12可以是矩形、正方形或直角形，或可選擇地，其可以是不規則的形狀。在這個實施方案中，其被描繪成在一個平面中，盡管可預見非平面基底或多種基底結構。
使用該多孔基底形成的通道14可以是直的或任意的設計。如果是任意設計，那么該通道在本申請中稱為“波浪形”。如果存在多個通道，那么至少一個通道是波浪形。該通道14包括第一通道壁22和第二通道壁24。此外，該多孔基底12包括頂部100、底部102、第一側104和第二側106。
該通道可以包括波浪形通道、直通道或不規則通道。如果是波浪形，那么該通道可以是正弦曲線形，并且如果是波浪形，那么該通道可以是至少在三個平面中的形狀。
陽極28設于該第一通道壁22表面上或可選擇地設于其中，盡管該陽極也可嵌在通道壁中。該陽極28是通過使用第一催化劑層38而設于該第一通道壁22表面上或其中的。
陰極30設于該第二通道壁24表面上或可選擇地設于其中。與該陽極28一樣，該陰極30可嵌在該第二通道壁24中。陰極30是使用第二催化劑層40而產生的。
圖1a、圖1b和圖1c說明了燃料電池的陰極和陽極的細節。圖1a表明在該多孔基底12內的第一深度的陽極28，圖1b表明在該多孔基底12內的第二深度的陽極28，圖1c表明陰極30。
催化劑層可沉積在第一通道壁上，或形成于該通道壁中。在一個實施方案中，該第一催化劑層和該第二催化劑層設置在該多孔基底中至少達最小深度，從而產生催化活性。
參照圖1，電解質32設置在該通道14中。
第一涂層34設置在該多孔基底12的至少一部分上，從而防止燃料進入該多孔基底12的至少一部分中。第二涂層36設置在該多孔基底12的至少一部分上，從而防止氧化劑進入該多孔基底12的至少一部分中。
第一密封擋板44設于該多孔基底的第一側上，第二密封擋板46設于該多孔基底的第二側。密封擋板可選擇地設于密封擋板通道43中。
正極電接頭50通過該多孔基底的第一側與該多孔基底12配合。
負極電接頭48通過該多孔基底的第二側與該多孔基底12配合。
制得的燃料電池可產生電流56從而驅動外部負載58。
圖2是本發明的另一實施方案，表明末端被堵住的燃料電池108，具體而言是不包括圖1實施方案的燃料出口20和氧化劑出口54。
在本發明這種實施方案的一種形式中，可以預期電解質32可以一定的角度76置于該通道14中，優選以垂直于該多孔基底12主要部分的縱軸或水平軸74的角度放置。
在圖2中，可選擇的支撐件26將第一通道壁22與第二通道壁24分開，然而該支撐件不需要存在于每一個實施方案中。在某些可選擇的實施方案中，可預見到如圖2a所示的多個支撐件。本文中預期1和50或更多個支撐件。
現在參照圖2a，燃料電池表示為帶有流動區126的固體燃料室10和帶有流動區126的固體氧化劑室16。也可以預見到燃料室包括含有燃料的可滲透材料。氧化劑室也可包括可滲透的材料。可以理解不需以相同方式建造燃料室和氧化劑室，可以使用各種氧化劑室和燃料室結構的組合。燃料室和氧化劑室每個都可包括各種形狀，如圓形、橢圓形、矩形或正方形。特別預期的是燃料室是矩形的截面。
圖3是表明末端被堵住的燃料110另一實施方案的剖視圖，其不包括圖1實施方案的燃料進口18、燃料出口20、氧化劑進口52和氧化劑出口54。圖3a表明氧化劑室16被全部除去的燃料電池的實施方案。在此實施方案中，電池使用周圍環境作為氧化劑源。圖3b表明燃料室10被全部除去的燃料電池的實施方案。在此結構中，燃料電池使用周圍環境作為燃料源。
圖4表明形成在基底12上的第一燃料電池66，其與形成在第二基底62上的第二燃料電池114相鄰。第一和第二燃料電池可形成在多個基底上，或者如圖5所示，該第一燃料電池66和該第二燃料電池114可通過在單基底12中產生多個通道14來形成。
在圖4，使用分離的多孔基底形成多個燃料電池結構，然后將它們在密封擋板44處相互連接，從而形成燃料電池層。在此圖中，第一燃料電池66與第二燃料電池114連接。多個燃料電池可按產生包括燃料側116和氧化劑側118的燃料電池層64的方式連接在一起。通過參照圖1說明中的標號很容易理解此圖中的細節，因此此處不再詳述。
在此實施方案中，可以預見燃料電池能夠串聯、并聯或其組合方式連接，從而使燃料電池層產生電流以驅動外部負載。
圖4a表明燃料室向周圍環境敞開的燃料電池層。燃料室可是滲透材料或帶有流動區的固體材料。燃料室可以是矩形截面。圖4b表明氧化劑室向周圍環境敞開的燃料電池層。在此圖中，表明了在至少一個燃料電池上的至少一個可選擇的支撐件26。圖4c表明燃料電池層的一個實施方案，其中多達5000個電池按圖4所示的方式連接在一起。
在圖5中，在單多孔基底12上形成了同樣的燃料電池結構。在此實施方案中，多個燃料電池按圖1所示的方式形成該多孔基底中。由于在這種情況下燃料電池形成于單基底中，因此不需要密封擋板和與每個燃料電池相關的電連接。用于代替的是，第一密封擋板44設于該多孔基底的第一側上，第二密封擋板46設于該多孔基底的第二側上，多個第三密封擋板45設于各燃料電池之間。密封擋板可在燃料電池層內的燃料電池間提供氣體不可滲透的隔板。
可以理解圖4a、圖4b和圖4c中的多個基底結構所示的同樣實施方案可應用于圖5所示的單基底結構中。
兩個燃料電池的組合，如圖4的結構或圖5的結構，可被擴充至放置任意數量的彼此組合的燃料電池。在這兩個實施方案中，多個結構的端部用密封擋板44和第二密封擋板46密封。在這兩個實施方案中，負極電接頭48固定于多個燃料電池組件的一端，正極電接頭50固定于多個燃料電池組件的另一端，從而使得多個燃料電池組件可以驅動外部電負載。
多個燃料電池的組合可制得燃料電池層64，其包括與燃料室10相關的燃料側116及與氧化劑室16相關的氧化劑側118。
如果燃料電池層64中的燃料電池形成于其上的基底材料是導電的，那么單個燃料電池產生的電流能夠直接通過基底材料和密封擋板44流動，從而在形成的燃料電池層中產生雙極燃料電池結構。如果燃料電池層中的燃料電池形成于其上的基底材料是不導電的，那么該第一涂層34和第二涂層36都應該由導電材料制成和形成，從而該第一涂層34可與該陽極40電接觸，同時該第二涂層36與該陰極38電接觸。該第一涂層34和該第二涂層36也與導電的密封擋板44電接觸。在任一種情況下，通過導電或不導電的基底由燃料電池產生的電流可傳輸至正極和負極電接頭。
圖5a是燃料電池層的可選擇結構。在這種結構中，該第一涂層34延伸并將第一燃料電池的陽極與第二燃料電池的陰極相連。相似地第二涂層36延伸并與第一燃料電池的陽極接觸。端部的第一涂層和端部的第二涂層能被用于將端部的燃料電池與正極電接頭50和負極電接頭48相連。在這種結構中，部分第一涂層是多孔的，從而可使燃料到達陽極，部分第二涂層是多孔的，從而可使氧化劑到達陰極。在這種結構中，多孔基底和密封擋板都不需要是導電的。也可以預見可僅有第一涂層被延伸，從而在電池間提供電接觸，或者僅有第二涂層被延伸，從而在電池間提供電接觸。
當多個燃料電池形成燃料電池層時，如圖4和圖5所示，得到單個燃料電池的串聯電連接。多個燃料電池的總電壓可在燃料電池層任一端處的正極和負極電接頭之間產生電勢差。較多個燃料電池可使燃料電池層在電接頭之間產生較高的電壓。可以使用導電或不導電基底、擋板和蓋子的任意組合，只要在相鄰的陽極和陰極間可產生導電通路。按這種方式可實現集成的邊緣或者燃料電池層中的每個燃料電池的雙極串聯電連接，而不需要將不同的元件夾在一起，并且不用使用獨立形成的層狀元件。此外，燃料電池層中電流的流動方向全部是在燃料電池層的平面中，而不是象大部分當前設計那樣與燃料電池層正交。也可以預見到可將燃料電池層中的燃料電池并聯或用串聯和并聯的組合方式電連接在一起。
圖6是燃料電池層64的立體剖面圖。在此圖中，第一燃料電池66與第二燃料電池114通過密封擋板44分開。第三燃料電池115與第二燃料電池114通過另一密封擋板44分開。這種層與圖4和圖5所示的層的結構相同。根據需要燃料電池層64可以含有多個密封擋板和電池。燃料電池層中單個燃料電池之間的間距取決于設計者的判斷，并受實際制造能力和多孔基底內物質傳輸的限制。
燃料電池層64的總體結構使得單個燃料電池串聯連接。正極電接頭50和負極電接頭48使得外部負載可與燃料電池層連接，其可產生電壓，該電壓是多個燃料電池層中的單電池電壓。
圖7是與圖6相似的燃料電池層64的圖，但是在此圖中每個燃料電池8包括通道14，其是不直的結構。此外，與圖6同樣，圖7基本上利用與圖4和圖5所示的相同結構，但重復多次以制成多電池結構。通道的不直結構可提高形成于通道壁上的陽極和陰極的電化學活性面積。這種不直通道可以是平滑的波浪形或與公知具有極高面積的不規則結構通路相似的不規則形狀。本發明中可使用任意的通道結構從而可最優化每個燃料電池的電極面積。優選的實施方案包括多個薄的通道，它們彼此平行延伸并沿不規則通路進行，并可按受不規則圖案所啟示的方式折疊其體身。本發明另一優選的實施方案包括至少在三個平面中的至少一條通道。
圖8表明多個燃料電池層的圓柱形式250的立體圖。在這種形式中，將多個非平面的燃料電池208組合以形成燃料電池層64，其包圍空間210。包圍的空間210可用作燃料室，同時電池外部的環境供應氧化劑。也可以預見到燃料可由圓柱外部的環境供應而包圍的空間210用作氧化劑室。圓柱形的燃料電池250可通過使用圓柱形的單個多孔基底按圖5中組合電池的方法來形成，或通過形成圓柱形的多個多孔基底按圖4中組合電池的方法來形成。
圖8a是燃料電池208非平面形式的剖視圖。該燃料電池包括帶有燃料進口18和燃料出口20的燃料室10和帶有氧化劑進口52和氧化劑出口54的氧化劑室16。非平面的多孔基底212與該燃料室10和該氧化劑室16相通。通道14形成在該非平面的多孔基底212內。該通道14包括按圖1所述而制成的陽極40和陰極38，并用電解質32填充。燃料電池包括支撐件26、第一涂層34和第二涂層36。負極電連接器48與密封擋板44接近。正極電連接器50與可選擇的密封擋板46接近。
盡管在圖中，用弧線表明燃料電池的非平面結構，但是可以使用任意的結構。與圖1的燃料電池相同，非平面燃料電池可用多個電池組合形成非平面燃料電池層，并可使用各種結構的燃料室和可選擇的氧化劑室。
圖9表明圓柱形式的燃料電池的剖視圖。在這種情況下，非平面基底212制成圓柱的形式以包圍空間210。在此圖中的燃料電池在包圍的空間210中含有燃料11，從而可將燃料供給燃料電池。在這種結構中，電池外部的周圍環境供應氧化劑。也可以預見到氧化劑可含在包圍的空間210中，而周圍環境供應燃料。
圖10是圓柱形燃料電池251的另一實施方案，其包括徑向配置并與圓柱體的軸正交的非平面燃料電池208的通道14。可以理解圖中的燃料電池208可按圖4所示的配置或組裝，或者它們也可形成在圖5所示的單個圓柱形基底中。
圖11是圓柱形燃料電池252的另一實施方案，其包括以彎曲或螺旋方式沿圓柱的周圍設置的非平面燃料電池的通道14。盡管在此圖中僅表明單個螺旋通道14，但是使用多孔基底可形成帶有多個通道的多個燃料電池。
盡管僅有圓柱形電池被表明可包圍空間，但是本文中可以預見到諸如擠壓的矩形、正方形、橄欖形、三角形和其它非擠壓形狀諸如圓錐、棱錐、足球形狀的物體及可包圍空間的其它形狀可作為本發明的一部分。
圖12是雙層燃料電池層結構254的剖視立體圖，其包括兩個燃料電池層，第一燃料電池層64和第二燃料電池層112每一層都包括陽極側和陰極側，其中該第一燃料電池層64疊放在第二燃料電池層112的頂部，從而該第一燃料電池層的陽極側264與該第二燃料電池層的陽極側268相連。
在圖12中，密封條130設于該第一燃料電池層和第二燃料電池層之間，從而形成燃料室124。兩個正極電接線頭與正極連接器120相連，兩個負極電接線頭與負極連接器122相連，從而單個燃料電池層現0在以電學并聯的結構連接。得到的組件是雙層燃料電池層結構254，其包括頂部70和底部72，頂部和底部是各個燃料電池層的陰極側。得到的結構是包圍空氣的透氣燃料電池，可以實現每個燃料電池層中的單個燃料電池的串聯電連接及兩個燃料電池層的并聯電連接。僅有燃料需要加到此結構的內部，并且電流可在兩個燃料電池層中的任一個中流動。在此結構中，除了正極電接頭和負極電接頭在燃料電池層的任一端并聯外，這兩個燃料電池層之間沒有電連接。
也可以預見到燃料電池層可以陰極對陰極的方式放置，從而產生共用的填充有氧化劑的室。在這種結構中，燃料電池夾層結構使用周圍環境作為燃料源。
盡管各種材料可用作本發明的多孔基底，但是適合的材料是導電材料。諸如金屬泡沫、石墨、石墨復合物、至少一層硅晶片、燒結的聚四氟乙烯、結晶聚合物、結晶聚合物的復合物、增強的酚醛樹脂、碳布、碳泡沫、碳溶膠、陶瓷、陶瓷復合物、碳和聚合物的復合物、陶瓷和玻璃的復合物、回收的有機材料及其組合等材料預期適用于本發明中。
通道預期可包括多達50個可選擇的用于分離通道壁的支撐件。該通道預期可形成于多孔基底中。通道可通過切割、燒蝕、模壓、蝕刻、擠壓、壓花、層壓、鑲嵌、熔化或其組合等技術來形成。該通道可以是波浪形或至少在三個平面中。
支撐件可位于通道的末端，如形成的頂部或底部，位于通道的中部，或以相對于通道中心的一定角度放置。可以預期該支撐件可以是絕緣材料。如果使用絕緣材料，那么可以預期硅、石墨、石墨復合物、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、結晶聚合物、結晶共聚物、交聯的聚合物、木材及其組合可用于本發明中。
就尺寸而言，該通道高度可以為1納米到10cm，寬度可以為1納米到1mm，長度可以為1納米到100米。
本發明可選擇地在燃料電池層中的單個燃料電池預期能夠產生約0.25伏到約4伏的電壓。在這種設計中1～5000個燃料電池預期可用于一個燃料電池層中，然而在優選的實施方案中，燃料電池層包括75～150個相連的燃料電池。可以預期這種燃料電池層能夠產生0.25伏到2500伏的電壓。具有更多通道的燃料電池能夠產生更高的電壓。
本發明可被設計成燃料是純氫氣、含有氫氣的氣體、甲酸、含有氨、甲醇、乙醇和硼氫化鈉和其組合的水溶液。本發明可設計成氧化劑是純氧氣、含有氧氣的氣體、空氣、富氧氣的空氣或其組合。
適用于本發明中的電解質可以是凝膠、液體或固體材料。預期可適用的各種材料包括含有磺酸基的全氟聚合物、pH至多為4的酸性水溶液、pH大于7的堿水溶液及其組合。此外，可以預期電解質層厚度可為1納米至1.0mm，或可選擇地簡單填充從第一壁到第二壁的每個波浪形通道而沒有間隙。
使用在多孔基底上的第一涂層和第二涂層制造燃料電池。這些涂層可是同種材料或不同種材料。至少一層涂層可以是聚合物涂層、環氧化合物、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、其共聚物、其交聯的聚合物、導電金屬或其組合。可選擇地，第一或第二涂層可以包括薄金屬層，如金、鉑、鋁、錫、這些或其它金屬或金屬組合的合金涂層。
可以預期適用于本發明中的第一和第二催化劑層可以是貴金屬、含貴金屬的合金、鉑、鉑合金、釕、釕合金及這些材料的組合。可以預期含有至少一種貴金屬的三元合金適于產生較好的電壓。鉑-釕合金和鉑也預期適用于本發明中。每層催化劑層應該包括催化劑加載量，其中每層催化劑的用量可以不同。
第一和第二催化劑層以至少最小的深度置于該多孔基底中，從而產生催化活性。該多孔基底與燃料室連接，從而進一步成為水平軸。置于通道中的電解質以垂直于水平軸的角度放置。該多孔基底可是平面形狀、可以包圍空間的形狀或圓柱形。該多孔基底也可以是導電材料。
可選擇的密封擋板材料預期可以是硅、環氧化合物、聚丙烯、聚乙烯、聚丁烯、其共聚物、其復合物或其組合。
一種制備燃料電池的方法預期包括如下步驟
a.形成多孔基底，其包括頂部和底部、第一側和第二側；b.用第一涂層涂覆頂部的至少一部分；c.用第二涂層涂覆底部的至少一部分；d.使用該多孔基底形成通道，其中該通道包括第一通道壁和第二通道壁；e.通過在該第一通道壁上設置第一催化劑層形成陽極；f.通過在該第二通道壁上設置第二催化劑層形成陰極g.在該通道的至少一部分中設置與該陽極和該陰極接觸的電解質；h.將一端的正極電接頭與該多孔基底的第一側固定，將一端的負極電接頭與該多孔基底的第二側固定；i.將燃料室與該多孔基底固定以形成燃料電池；j.將氧化劑室與該多孔基底固定；k.沿該燃料電池的至少一部分設置密封擋板；及l.將燃料裝入該燃料室中，將氧化劑裝入該氧化劑室中。
所述的操作順序可以按需要變化，并且步驟可以組合，以滿足特定材料的需要和所用的制造方法。此外，該方法可在該多孔基底中形成1至250或更多的通道。
本發明中另一種制備燃料電池的方法預期包括如下步驟a.根據需要在將該多孔基底與該燃料室固定前重復上述方法的步驟a至步驟h多次以形成至少一個另外的燃料電池；b.將密封擋板處的多孔基底與至少一個另外的燃料電池在其密封擋板處固定，以形成燃料電池層并延伸燃料電池層，從而將另外形成的燃料電池與燃料電池層在各自的密封擋板處固定；c.將燃料電池層的正極電接頭和負極電接頭固定在一起；d.將連接的燃料電池與燃料室固定；及e.將連接的燃料電池與氧化劑室固定。
燃料電池層中的燃料電池的正極電接頭和負極電接頭可以按串聯、并聯或串聯和并聯組合的方式連接。
另一種制備燃料電池的方法預期包括如下步驟a.形成多孔基底，其包括頂部和底部、第一側和第二側；b.用第一涂層涂覆頂部的至少一部分；c.用第二涂層涂覆底部的至少一部分；d.使用該多孔基底形成多個不同的通道，其中每一個不同的通道包括第一通道壁和第二通道壁；e.通過在該第一通道壁上設置多個第一催化劑層形成多個陽極；f.通過在該第二通道壁上設置多個第二催化劑層形成多個陰極；g.在每個不同通道的至少一部分中設置電解質；h.在該第一側的至少一部分上設置第一密封擋板；i.在該第二側的至少一部分上設置第二密封擋板；j.在不同通道之間形成多個第三密封擋板，從而在該多孔基底上產生多個彼此相鄰的獨立的燃料電池；k.將正極電接頭與該多孔基底的第一側固定；l.將負極電接頭與該多孔基底的第二側固定；m.將燃料電池正極電接頭與每個獨立的燃料電池固定；n.將燃料電池負極電接頭與每個獨立的燃料電池固定，從而形成燃料電池層；及o.沿該燃料電池層的至少一部分設置密封擋板。
在上述任一種方法中，可以使用多種不同的方法來形成該多孔基底。該多孔基底可通過澆鑄然后烘烤、從預形成的磚狀物中切層、模壓、擠壓或其組合的方法來形成。形成的多孔基底可以是非平面的或可以包圍空間。
上述的任何方法也可以包括任何附加的步驟。可以增加在涂覆基底頂部和底部之前掩膜該多孔基底的步驟。可以增加在第一通道壁和第二通道壁之間插入支撐件的步驟。可以增加在加入電解質之前選擇性地除去沉積在頂部和底部上的一部分涂層的步驟。
形成不同通道的步驟可以是壓花、燒蝕、蝕刻、擠壓、層壓、鑲嵌、熔化、模壓、切割或其組合等方法。蝕刻可以是激光蝕刻、深反應性離子蝕刻或堿性蝕刻。
燃料電池層中獨立的燃料電池的燃料電池正極電接頭和燃料電池負極電接頭可以按串聯、并聯或串聯和并聯組合的方式連接。
如果至少一層涂層是用薄膜沉積技術來沉積的，那么這種技術包括濺射、化學電鍍、電鍍、焊接、物理氣相沉積和化學氣相沉積。如果至少一層涂層是環氧化合物涂層，那么這種涂層可通過選自如下的方法設置在基底上絲網印刷、噴墨印刷、刮刀涂覆、噴濺槍沉積、真空裝袋及其組合。當將涂層涂覆到多孔基底上時也可使用掩膜。如果需要，在加入電解質前，可以除去部分涂層。
該多孔基底可通過澆鑄然后烘烤、從預形成的磚狀物中切薄層、模壓、擠壓來形成。在形成每個不同的通道前，該多孔基底可以形成非平面型。在形成每個不同的通道前，該多孔基底也可以形成包圍空間的形狀。
本發明也提供帶有燃料電池層的微型結構燃料電池體系。燃料電池層包括陽極側、陰極側、正極端和負極端。至少一個表面位于正極端和負極端之間，至少一個電子系統設于該至少一個表面上。
電子系統是便攜式電話、PDA、衛星電話、膝上型電腦、便攜式DVD、便攜式CD游戲機、便攜式個人護理電子設備、便攜式吊桿盒、便攜式電視、雷達、無線電發送器、雷達檢測器或其組合。系統安裝于其上的燃料電池層產生的電流對電子系統供應動力。電子系統也對燃料電池操作提供輔助功能。輔助功能包括燃料電池性能檢測、燃料電池控制、燃料電池故障檢測、燃料電池性能優化、燃料電池性能記錄或其組合。在燃料電池層的每一側可以安裝多于一個的電子系統。
本發明也提供帶有燃料電池層的多個燃料電池層結構。第一燃料電池層疊放在第二燃料電池層的頂部，從而該第一燃料電池層的陽極側與第二燃料電池層的陽極側相連。第三燃料電池層疊放在該第二燃料電池層上，從而該第三燃料電池層的陰極側與該第二燃料電池層的陰極側相連，從而與相鄰的燃料電池層形成電池組。然后另外的燃料電池層可按相似的方式設于該第一、第二和第三燃料電池層上。該第一燃料電池層疊放在第二燃料電池層頂部使得該第一燃料電池層的陽極側與第二燃料電池層的陽極側相連形成雙層電池組時形成雙層燃料電池層結構。
多個燃料層和雙層電池層結構也包括至少一個位于相鄰燃料電池層之間以形成至少一個室的密封條、用于連接電池組與外部負載的正極連接器、及用于連接電池組與外部負載的負極連接器。當燃料供應至多個燃料電池層的陽極側和氧化劑供應至多個燃料電池層的陰極側時，產生電流以驅動外部負載。
在另一個實施方案中，該多個燃料電池層結構或雙層電池層結構也包括至少一個形成在電池組的至少一個燃料電池層中的流動區。該流動區可通過切割、燒蝕、模壓、壓花、蝕刻、層壓、鑲嵌、熔化或其組合等形成。
燃料電池層結構中的室可以是燃料室、氧化劑室或其組合。正極端和負極端可串聯連接在正極連接器和負極連接器之間、與正極連接器和負極連接器并聯或二者組合。
本發明的燃料電池可通過如下方式使用首先，將燃料源與燃料室進口相連；其次，將燃料室出口與再循環控制器相連；第三，將氧化劑室進口與氧化劑源相連；第四，將氧化劑室出口與流動控制系統相連；第五，將正極電接頭和負極電接頭與外部負載相連；第六，使燃料和氧化劑流入進口；及最后，用燃料電池產生的電流驅動負載。
如果使用末端堵住形式的燃料電池，那么操作更簡單。首先，將燃料進口與燃料源相連其次將氧化劑進口與氧化劑源相連；第三，將正極電接頭和負極電接頭與外部負載相連；及最后，用燃料電池產生的電流驅動負載。
本發明的方法還可包括在燃料和氧化劑裝入各自的室后將室出口和進口密封的步驟，從而制備末端堵住的燃料電池。然后使用正極電接頭和負極電接頭將燃料電池與外部負載相連，從而驅動負載。
可以預見到在本發明中可以使用任何燃料和氧化劑進口和出口的組合以操作燃料電池。
雖然結合本發明某些優選實施方案詳細說明了本發明，但可以理解在本發明范圍內可做出變化和修改。
權利要求
1.一種燃料電池，其包括a.含有燃料的燃料室；b.含有氧化劑的氧化劑室；c.與所述的燃料室和所述的氧化劑室相通的多孔基底，其還包括頂部、底部、第一側和第二側；d.使用所述的多孔基底形成的通道，其中所述的通道包括第一通道壁和第二通道壁；e.通過在所述第一通道壁的所述多孔基底上設置的第一催化劑層形成的陽極；f.通過在所述第二通道壁的所述多孔基底上設置的第二催化劑層形成的陰極；g.在所述通道的至少一部分中設置并與所述陽極和所述陰極接觸的電解質，從而可防止燃料輸送到所述陰極并可防止氧化劑輸送到所述陽極；h.設置在所述多孔基底至少一部分上的第一涂層，從而可防止燃料進入所述多孔基底的至少一部分中；i.設置在所述多孔基底至少一部分上的第二涂層，從而可防止氧化劑進入所述多孔基底的至少一部分中；j.在所述第一側上設置的第一密封擋板，和在所述第二側上設置的第二密封擋板；k.設于所述第一側上的正極電接頭；及l.設于所述第二側的負極電接頭；及其中制得的燃料電池可產生電流以驅動外部負載。
2.如權利要求1所述的燃料電池，其中從所述的第一催化劑層形成的所述陽極設于所述第一通道壁的所述多孔基底中；及從所述的第二催化劑層形成的所述陰極設于所述第二通道壁的所述多孔基底中。
3.如權利要求2所述的燃料電池，其中所述第一催化劑層和所述第二催化劑層設置在所述多孔基底中達最小深度，從而產生催化活性，所述的最小深度選自從所述第一通道壁至所述第一側的距離及從所述第二通道壁至所述第二側的距離。
4.如權利要求1所述的燃料電池，其中所述的第一密封擋板相對所述陽極設置在所述第一側，所述的第二密封擋板相對所述陰極設置在所述第二側。
5.如權利要求1所述的燃料電池，其中所述的通道形成在所述的多孔基底中。
6.如權利要求5所述的燃料電池，其中所述的通道通過選自切割、燒蝕、模壓、蝕刻、擠壓、壓花、層壓、鑲嵌、熔化和其組合的技術來形成。
7.如權利要求1所述的燃料電池，其中所述的通道是波浪形。
8.如權利要求1所述的燃料電池，其中所述的通道至少在三個平面中。
9.如權利要求1所述的燃料電池，其中所述的氧化劑包括純氧氣、含有氧氣的氣體、空氣、富氧氣的空氣和其組合。
10.如權利要求1所述的燃料電池，其中所述的燃料包括純氫氣、含有氫氣的氣體、甲酸、含有氨、甲醇、乙醇和硼氫化鈉和其組合的水溶液。
11.如權利要求1所述的燃料電池，其中所述的多孔基底包括平面形。
12.如權利要求1所述的燃料電池，其中所述的多孔基底包括包圍空間的形狀。
13.如權利要求12所述的燃料電池，其中所述的多孔基底形狀包括圓柱形。
14.如權利要求1所述的燃料電池，其中所述的多孔基底是導電材料。
15.如權利要求1所述的燃料電池，其中所述的多孔基底包括金屬泡沫、石墨、石墨復合物、至少一層硅晶片、燒結的聚四氟乙烯、結晶聚合物、結晶聚合物的復合物、增強的酚醛樹脂、碳布、碳泡沫、碳溶膠、陶瓷、陶瓷復合物、碳和聚合物的復合物、陶瓷和玻璃的復合物、回收的有機材料及其組合。
16.如權利要求1所述的燃料電池，還包括設于所述第一通道壁和所述第二通道壁之間的支撐件，所述的支撐件包括硅、石墨、石墨復合物、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、結晶聚合物、結晶共聚物、交聯的聚合物、木材及其組合。
17.如權利要求1所述的燃料電池，還包括與所述燃料室相連的燃料室出口。
18.如權利要求1所述的燃料電池，還包括與所述燃料室相連的燃料室進口。
19.如權利要求1所述的燃料電池，還包括與所述氧化劑室相通的氧化劑室進口。
20.如權利要求1所述的燃料電池，還包括與所述氧化劑室相通的氧化劑室出口。
21.如權利要求1所述的燃料電池，其中所述的燃料室包括滲透性材料。
22.如權利要求1所述的燃料電池，其中所述的燃料室包括帶有流動區的固體材料。
23.如權利要求1所述的燃料電池，其中所述的燃料室向周圍環境敞開。
24.如權利要求1所述的燃料電池，其中所述的電解質是含有磺酸基的全氟聚合物、pH至多為4的酸性水溶液、pH大于7的堿水溶液及其組合。
25.如權利要求1所述的燃料電池，其中所述的第一涂層和所述的第二涂層材料相同。
26.如權利要求1所述的燃料電池，其中所述的第一涂層和所述的第二涂層材料不同。
27.如權利要求1所述的燃料電池，其中至少一層所述的涂層包括聚合物涂層、環氧化合物、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、其共聚物、其交聯的聚合物、導電金屬及其組合。
28.如權利要求1所述的燃料電池，其中至少一層所述的催化劑層是貴金屬、含貴金屬的合金、鉑、鉑合金、釕、釕合金及其組合。
29.如權利要求28所述的燃料電池，其中至少一層所述的催化劑層包括含有至少一種貴金屬的三元合金。
30.如權利要求28所述的燃料電池，其中至少一層所述的催化劑層包括鉑。
31.如權利要求28所述的燃料電池，其中至少一層所述的催化劑層包括鉑-釕合金。
32.如權利要求28所述的燃料電池，其中至少一層所述的催化劑層其催化劑加載量不同于另一層催化劑層。
33.如權利要求1所述的燃料電池，其中所述的通道其高度為1納米到10cm，寬度為1納米到1mm，長度以為1納米到100米。
34.如權利要求1所述的燃料電池，其中所述的燃料電池能夠產生約0.25伏到約4伏的電壓。
35.如權利要求1所述的燃料電池，其中所述的燃料室包括矩形截面。
36.如權利要求1所述的燃料電池，其中與所述的燃料室相通的所述多孔基底還包括水平軸，置于所述通道中的所述電解質以垂直于所述水平軸一定的角度放置。
37.如權利要求1所述的燃料電池，其中所述的氧氣室包括滲透性材料。
38.如權利要求1所述的燃料電池，其中所述的氧氣室包括帶有流動區的固體材料。
39.如權利要求1所述的燃料電池，其中所述的氧氣室向周圍環境敞開。
40.一種用于連接外部負載的燃料電池層，其包括至少兩個如權利要求1所述的燃料電池。
41.如權利要求40所述的燃料電池層，其中從所述的第一催化劑層形成的所述陽極設于所述第一通道壁的所述多孔基底中；及從所述的第二催化劑層形成的所述陰極設于所述第二通道壁的所述多孔基底中。
42.如權利要求40所述的燃料電池層，其中所述第一催化劑層和所述第二催化劑層設置在所述多孔基底中至少為最小深度，從而產生催化活性。
43.如權利要求40所述的燃料電池層，其中所述的通道形成在所述的多孔基底中。
44.如權利要求43所述的燃料電池層，其中所述的通道通過選自切割、燒蝕、模壓、蝕刻、擠壓、壓花、層壓、鑲嵌、熔化和其組合的技術來形成。
45.如權利要求40所述的燃料電池層，其中至少一個所述的通道是波浪形。
46.如權利要求40所述的燃料電池層，其中至少一個所述的通道是至少在三個平面中。
47.如權利要求40所述的燃料電池層，其中至少一個所述的燃料電池還包括設于所述第一通道壁和所述第二通道壁之間的支撐件，所述的支撐件包括硅、石墨、石墨復合物、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、結晶聚合物、結晶共聚物、交聯的聚合物、木材及其組合。
48.如權利要求40所述的燃料電池層，其中至少一個所述的燃料電池包括選自含有磺酸基的全氟聚合物、pH大于7的酸性水溶液、pH至多為4的堿水溶液及其組合的電解質。
49.如權利要求40所述的燃料電池層，其中至少一層所述的涂層包括聚合物涂層、環氧化合物、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、其共聚物、其交聯的聚合物、導電金屬及其組合。
50.如權利要求40所述的燃料電池層，其中至少一層所述的催化劑層是貴金屬、含貴金屬的合金、鉑、鉑合金、釕、釕合金及其組合。
51.如權利要求50所述的燃料電池層，其中至少一層所述的催化劑層包括含有至少一種貴金屬的三元合金。
52.如權利要求50所述的燃料電池層，其中至少一層所述的催化劑層包括鉑。
53.如權利要求50所述的燃料電池層，其中至少一層所述的催化劑層包括鉑-釕合金。
54.如權利要求50所述的燃料電池層，其中至少一層所述的催化劑層其催化劑加載量不同于另一層催化劑層。
55.如權利要求40所述的燃料電池層，其中至少一個所述的通道其高度為1納米到10cm，寬度為1納米到1mm，長度以為1納米到100米。
56.如權利要求40所述的燃料電池層，其中每個燃料電池層能夠產生約0.25伏到約2500伏的電壓。
57.如權利要求40所述的燃料電池層，其中所述的燃料電池層包括1～5000個燃料電池。
58.如權利要求57所述的燃料電池層，其中所述的燃料電池層包括75～150個燃料電池。
59.一種燃料電池層，其包括至少兩個如權利要求1所述的連接的燃料電池。
60.如權利要求59所述的燃料電池層，其中從所述的第一催化劑層形成的所述陽極設于所述第一通道壁的所述多孔基底中；及從所述的第二催化劑層形成的所述陰極設于所述第二通道壁的所述多孔基底中。
61.如權利要求60所述的燃料電池層，其中所述第一催化劑層和所述第二催化劑層設置在所述多孔基底中至少為最小深度，從而產生催化活性。
62.如權利要求59所述的燃料電池層，其中所述的通道形成在所述的多孔基底中。
63.如權利要求62所述的燃料電池層，其中所述的通道通過選自切割、燒蝕、模壓、蝕刻、擠壓、壓花、層壓、鑲嵌、熔化和其組合的技術來形成。
64.如權利要求59所述的燃料電池層，其中至少一個所述的通道是波浪形。
65.如權利要求59所述的燃料電池層，其中至少一個所述的通道是至少在三個平面中。
66.如權利要求59所述的燃料電池層，其中至少一個所述的多孔基底包括平面形。
67.如權利要求59所述的燃料電池層，其中所述的多個燃料電池包括包圍空間的形狀。
68.如權利要求59所述的燃料電池層，其中所述多個燃料電池的所述形狀包括圓柱形。
69.如權利要求59所述的燃料電池層，其中至少一個所述的多孔基底是導電材料。
70.如權利要求59所述的燃料電池層，其中至少一個所述的多孔基底包括金屬泡沫、石墨、石墨復合物、至少一層硅晶片、燒結的聚四氟乙烯、結晶聚合物、結晶聚合物的復合物、增強的酚醛樹脂、碳布、碳泡沫、碳溶膠、陶瓷、陶瓷復合物、碳和聚合物的復合物、陶瓷和玻璃的復合物、回收的有機材料及其組合。
71.如權利要求59所述的燃料電池層，其中至少一個所述的燃料電池還包括設于所述第一通道壁和所述第二通道壁之間的支撐件，所述的支撐件包括硅、石墨、石墨復合物、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、結晶聚合物、結晶共聚物、交聯的聚合物、木材及其組合。
72.如權利要求59所述的燃料電池層，其中至少一個所述的燃料電池包括選自含有磺酸基的全氟聚合物、pH大于7的酸性水溶液、pH至多為4的堿水溶液及其組合的電解質。
73.如權利要求59所述的燃料電池層，其中至少一個所述的燃料電池包括相同材料的第一涂層和第二涂層。
74.如權利要求59所述的燃料電池層，其中至少一個所述的燃料電池包括不同材料的第一涂層和第二涂層。
75.如權利要求59所述的燃料電池層，其中至少一層所述的涂層包括聚合物涂層、環氧化合物、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、其共聚物、其交聯的聚合物、導電金屬及其組合。
76.如權利要求59所述的燃料電池層，其中至少一層所述的催化劑層是貴金屬、含貴金屬的合金、鉑、鉑合金、釕、釕合金及其組合。
77.如權利要求76所述的燃料電池層，其中至少一層所述的催化劑層包括含有至少一種貴金屬的三元合金。
78.如權利要求76所述的燃料電池層，其中至少一層所述的催化劑層包括鉑。
79.如權利要求76所述的燃料電池層，其中至少一層所述的催化劑層包括鉑-釕合金。
80.如權利要求76所述的燃料電池層，其中至少一層所述的催化劑層其催化劑加載量不同于其它的催化劑層。
81.如權利要求59所述的燃料電池層，其中至少一個所述的通道其高度為1納米到10cm，寬度為1納米到1mm，長度以為1納米到100米。
82.如權利要求59所述的燃料電池層，其中所述的燃料電池層能夠產生約0.25伏到約2500伏的電壓。
83.如權利要求59所述的燃料電池層，中所述的燃料電池層包括1～5000個連接的燃料電池。
84.如權利要求83所述的燃料電池層，其中所述的燃料電池層包括75～150個連接的燃料電池。
85.一種制備燃料電池層的方法，包括如下步驟a.形成多孔基底，其包括頂部和底部、第一側和第二側；b.用第一涂層涂覆頂部的至少一部分；c.用第二涂層涂覆底部的至少一部分；d.使用所述多孔基底形成多個不同的通道，其中每一個不同的通道包括第一通道壁和第二通道壁；e.通過在所述第一通道壁上設置多個第一催化劑層形成多個陽極；f.通過在所述第二通道壁上設置多個第二催化劑層形成多個陰極；g.在每個不同通道的至少一部分中設置電解質；h.在所述第一側的至少一部分上設置第一密封擋板；i.在所述第二側的至少一部分上設置第二密封擋板；j.在不同通道之間形成多個第三密封擋板，從而在所述多孔基底上產生多個彼此相鄰的獨立的燃料電池；k.將正極電接頭與所述多孔基底的第一側固定；l.將負極電接頭與所述多孔基底的第二側固定；m.將燃料電池正極電接頭與每個獨立的燃料電池固定；n.將燃料電池負極電接頭與每個獨立的燃料電池固定，從而形成燃料電池層；及o.沿所述燃料電池層的至少一部分設置密封擋板。
86.如權利要求85所述的方法，其中所述多孔基底通過澆鑄、然后烘烤形成。
87.如權利要求85所述的方法，其中所述多孔基底通過從預形成的磚狀物中切層形成。
88.如權利要求85所述的方法，其中所述多孔基底通過模壓成型制備。
89.如權利要求85所述的方法，所述多孔基底通過擠壓成型制備。
90.如權利要求85所述的方法，其中在形成每個不同的通道前，所述多孔基底形成非平面形。
91.如權利要求85所述的方法，其中在形成每個不同的通道前，所述多孔基底形成包圍空間的形狀。
92.如權利要求85所述的方法，還包括對所述的第一涂層使用與所述的第二涂層不同的材料。
93.如權利要求85所述的方法，還包括對所述的第一涂層使用與所述的第二涂層相同的材料。
94.如權利要求85所述的方法，還包括使用選自導電金屬、環氧化合物、聚合物涂層、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、其共聚物、其交聯的聚合物及其組合的涂層。
95.如權利要求94所述的方法，其中所述的涂層是金屬涂層，所述的金屬涂層通過薄膜沉積法設置在所述的頂部上。
96.如權利要求95所述的方法，其中所述的薄膜沉積法包括濺射、化學電鍍、電鍍、焊接、物理氣相沉積和化學氣相沉積。
97.如權利要求94所述的方法，其中所述的涂層是環氧化合物涂層，所述的環氧化合物涂層通過選自絲網印刷、噴墨印刷、刮刀涂覆、噴濺槍沉積、真空裝袋及其組合的方法設置在所述的頂部上。
98.如權利要求85所述的方法，還包括在涂覆所述的基底頂部和底部之前掩膜所述多孔基底的步驟。
99.如權利要求85所述的方法，還包括在每個所述的第一通道壁和所述的第二通道壁之間插入支撐件的步驟。
100.如權利要求85所述的方法，還包括在加入所述的電解質之前選擇性地除去沉積在頂部和底部上的一部分涂層的步驟。
101.如權利要求85所述的方法，還包括在所述多孔基底中形成1至250或更多的通道。
102.如權利要求85所述的方法，其中所述的形成所述不同通道的步驟是選自壓花、燒蝕、蝕刻、擠壓、層壓、鑲嵌、熔化、模壓、切割及其組合的方法。
103.如權利要求102所述的方法，其中所述的蝕刻是選自激光蝕刻、深反應性離子蝕刻和堿性蝕刻的方法。
104.如權利要求85所述的方法，還包括使用用于所述密封擋板的選自硅、環氧化合物、金屬、聚丙烯、聚乙烯、聚丁烯、其共聚物、其復合物或其組合的材料。
105.如權利要求104所述的方法，還包括使用用于所述支撐件的選自硅、石墨、石墨復合物、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、結晶聚合物、結晶共聚物、交聯的聚合物、木材及其組合的材料。
106.如權利要求85所述的方法，還包括使用選自含有磺酸基的全氟聚合物、pH大于7的酸性水溶液、pH至多為4的堿水溶液及其組合的電解質。
107.如權利要求106所述的方法，其中所述的電解質通過包括壓力注射、真空成形、熱壓花及其組合的方法沉積在所述的不同通道中。
108.如權利要求85所述的方法，其中所述第一催化劑層和所述第二催化劑層沉積達最小深度，從而產生催化活性。
109.如權利要求85所述的方法，其中所述的在通道壁上沉積第一和第二催化劑層的步驟用在通道壁中形成第一和第二催化劑層的步驟來代替。
110.如權利要求85所述的方法，其中從所述的第一和第二催化劑層形成所述的陽極和所述的陰極步驟包括使用貴金屬、含貴金屬的合金、鉑、鉑合金、釕、釕合金及其組合。
111.如權利要求85所述的方法，其中每個所述的不同通道包括波浪形通道、直通道和不規則通道。
112.如權利要求111所述的方法，其中至少一個所述的波浪形通道是正弦曲線形。
113.如權利要求111所述的方法，其中至少一個所述的直通道是直線形。
114.如權利要求111所述的方法，其中至少一個所述的不規則通道是至少在三個平面中的形狀。
115.如權利要求85所述的方法，其中所述的形成所述的多孔基底的步驟包括使用選自如下的材料金屬泡沫、石墨、石墨復合物、至少一層硅晶片、燒結的聚四氟乙烯、結晶聚合物、結晶聚合物的復合物、增強的酚醛樹脂、碳布、碳泡沫、碳溶膠、陶瓷、陶瓷復合物、碳和聚合物的復合物、陶瓷和玻璃的復合物、回收的有機材料及其組合。
116.如權利要求85所述的方法，其中在燃料電池層中的所述獨立的燃料電池的所述燃料電池正極電接頭和所述燃料電池負極電接頭串聯連接。
117.如權利要求85所述的方法，其中在燃料電池層中的所述燃料電池的所述燃料電池正極電接頭和所述燃料電池負極電接頭并聯連接。
118.如權利要求85所述的方法，其中在燃料電池層中的所述燃料電池的所述燃料電池正極電接頭和所述燃料電池負極電接頭以串聯和并聯組合方式連接。
119.一種微結構燃料電池系統，其包括燃料電池層，其包括陽極側、陰極側、正極端和負極端；至少一個沉積在所述正極端和所述負極端之間的表面；及至少一個安裝在所述的至少一個表面上的電子系統。
120.如權利要求119所述的系統，其中所述的電子系統是便攜式電話。
121.如權利要求119所述的系統，其中所述的電子系統選自PDA、衛星電話、膝上型電腦、便攜式DVD、便攜式CD游戲機、便攜式個人護理電子設備、便攜式吊桿盒、便攜式電視、雷達、無線電發送器、雷達檢測器和其組合。
122.如權利要求119所述的系統，其中所述的電子系統通過所述系統安裝于其上的燃料電池層產生的電流來供應動力。
123.如權利要求119所述的系統，其中所述的電子系統對燃料電池操作提供輔助功能。
124.如權利要求123所述的系統，其中所述的輔助功能包括燃料電池性能檢測、燃料電池控制、燃料電池故障檢測、燃料電池性能優化、燃料電池性能記錄和其組合。
125.如權利要求119所述的系統，其中多個燃料電池層包括所述的系統。
126.如權利要求125所述的系統，其中至少安裝有兩個電子系統，每一個安裝在所述燃料電池層的每一側。
127.一種多個燃料電池層結構，其包括a.多個燃料電池層，每個燃料電池層包括陽極側和陰極側、正極端和負極端，及其中第一燃料電池層疊放在第二燃料電池層的頂部，從而所述第一燃料電池層的陽極側與第二燃料電池層的陽極側相連，第三燃料電池層疊放在所述第二燃料電池層上，從而所述第三燃料電池層的陰極側與第二燃料電池層的陰極側相連，從而與相鄰的燃料電池層形成電池組，然后另外的燃料電池層可按相似的方式設于所述第一、第二和第三燃料電池層上；b.至少一個位于相鄰燃料電池層之間以形成至少一個室的密封條；c.用于連接所述的電池組與外部負載的正極連接器；及d.用于連接所述的電池組與外部負載的負極連接器；從而當燃料供應至多個燃料電池層的陽極側和氧化劑供應至多個燃料電池層的陰極側時，產生電流以驅動所述的外部負載。
128.如權利要求127所述的多個燃料電池層結構，其中所述的至少一個室是燃料室、氧化劑室及其組合。
129.如權利要求127所述的多個燃料電池層結構，其中所述的至少一個室是滲透性材料。
130.如權利要求127所述的多個燃料電池層結構，其中所述的至少一個室是帶有流動區的固體材料。
131.如權利要求127所述的多個燃料電池層結構，其中所述的至少一個室向周圍環境敞開。
132.如權利要求127所述的多個燃料電池層結構，其中所述的正極端和負極端串聯連接在正極連接器和負極連接器之間。
133.如權利要求127所述的多個燃料電池層結構，其中所述的正極端和負極端與正極連接器和負極連接器并聯。
134.如權利要求127所述的多個燃料電池層結構，其中所述的正極端和所述的負極端以串聯和并聯的組合方式連接在正極連接器和負極連接器之間。
135.一種多個燃料電池層結構，其包括a.多個燃料電池層，每個燃料電池層包括陽極側和陰極側、正極端和負極端，及其中第一燃料電池層疊放在第二燃料電池層的頂部，從而所述第一燃料電池層的陽極側與第二燃料電池層的陽極側相連，第三燃料電池層疊放在所述第二燃料電池層上，從而所述第三燃料電池層的陰極側與第二燃料電池層的陰極側相連，從而與相鄰的燃料電池層形成電池組，然后另外的燃料電池層可按相似的方式設于所述第一、第二和第三燃料電池層上；b.至少一個位于相鄰燃料電池層之間以形成至少一個室的密封條；c.形成在所述的電池組的至少一個燃料電池層中的至少一個流動區；d.用于連接所述的電池組與外部負載的正極連接器；及e.用于連接所述的電池組與外部負載的負極連接器；從而當燃料供應至多個燃料電池層的陽極側和氧化劑供應至多個燃料電池層的陰極側時，產生電流以驅動所述的外部負載。
136.如權利要求135所述的多個燃料電池層結構，其中所述的至少一個室是燃料室、氧化劑室及其組合。
137.如權利要求135所述的多個燃料電池層結構，其中所述的至少一個室是滲透性材料。
138.如權利要求135所述的多個燃料電池層結構，其中所述的至少一個室是帶有流動區的固體材料。
139.如權利要求138所述的多個燃料電池層結構，其中所述的至少一個室向周圍環境敞開。
140.如權利要求135所述的多個燃料電池層結構，其中所述的正極端和負極端串聯連接在正極連接器和負極連接器之間。
141.如權利要求135所述的多個燃料電池層結構，其中所述的正極端和負極端與正極連接器和負極連接器并聯。
142.如權利要求135所述的多個燃料電池層結構，其中所述的正極端和所述的負極端以串聯和并聯的組合方式連接在正極連接器和負極連接器之間。
143.如權利要求135所述的多個燃料電池層結構，其中所述的流動區通過選自切割、燒蝕、模壓、壓花、蝕刻、層壓、鑲嵌、熔化及其組合的方法形成。
144.一種雙層燃料電池層結構，其包括a.第一燃料電池層和第二燃料電池層，每個燃料電池層包括陽極側和陰極側、正極端和負極端，及其中所述的第一燃料電池層疊放在所述的第二燃料電池層的頂部，從而所述第一燃料電池層的陽極側與所述第二燃料電池層的陽極側相連形成雙層電池組；b.位于所述的第一和第二燃料電池層之間以形成燃料室的密封條；c.用于連接所述的雙層電池組與外部負載的正極連接器；及d.用于連接所述的雙層電池組與外部負載的負極連接器；從而當燃料供應至燃料室，陰極側暴露于氧化劑中時，產生電流以驅動所述的外部負載。
145.如權利要求144所述的雙層燃料電池層結構，其中所述的燃料室是滲透性材料。
146.如權利要求144所述的雙層燃料電池層結構，其中所述的燃料室是帶有流動區的固體材料。
147.如權利要求144所述的雙層燃料電池層結構，其中所述的燃料室向周圍環境敞開。
148.如權利要求144所述的雙層燃料電池層結構，其中所述的正極端和負極端串聯連接在正極連接器和負極連接器之間。
149.如權利要求144所述的雙層燃料電池層結構，其中所述的正極端和負極端與正極連接器和負極連接器并聯。
150.如權利要求144所述的雙層燃料電池層結構，其中所述的燃料室包括含有氫氣儲存材料的空間。
151.如權利要求144所述的雙層燃料電池層結構，還包括至少一個形成在至少一個燃料電池層中的流動區。
152.如權利要求151所述的雙層燃料電池層結構，其中所述的流動區通過選自切割、燒蝕、模壓、壓花、蝕刻、層壓、鑲嵌、熔化及其組合的方法形成。
153.一種雙層燃料電池層結構，其包括a.第一燃料電池層和第二燃料電池層，每個燃料電池層包括陽極側和陰極側、正極端和負極端，及其中所述的第一燃料電池層疊放在所述的第二燃料電池層的頂部，從而所述第一燃料電池層的陰極側與所述第二燃料電池層的陰極側相連形成雙層電池組；b.位于所述的第一和第二燃料電池層之間以形成氧化劑室的密封條；c.用于連接所述的雙層電池組與外部負載的正極連接器；及d.用于連接所述的雙層電池組與外部負載的負極連接器；從而當氧化劑供應至氧化劑室，陽極側暴露于燃料中時，產生電流以驅動所述的外部負載。
154.如權利要求153所述的雙層燃料電池層結構，其中所述的氧化劑室是滲透性材料。
155.如權利要求153所述的雙層燃料電池層結構，其中所述的氧化劑室是帶有流動區的固體材料。
156.如權利要求153所述的雙層燃料電池層結構，其中所述的氧化劑室向周圍環境敞開。
157.如權利要求153所述的雙層燃料電池層結構，其中所述的正極端和負極端串聯連接在正極連接器和負極連接器之間。
158.如權利要求153所述的雙層燃料電池層結構，其中所述的正極端和負極端與正極連接器和負極連接器并聯。
159.如權利要求153所述的雙層燃料電池層結構，還包括至少一個形成在至少一個燃料電池層中的流動區。
160.如權利要求159所述的雙層燃料電池層結構，其中所述的流動區通過選自切割、燒蝕、模壓、壓花、蝕刻、層壓、鑲嵌、熔化及其組合的方法形成。
161.如權利要求4所述的裝置，其中所述的球閥還包括可活動地設于所述的環面內用以控制所述圓球活動的控制裝置；可活動地設于所述的球閥內并可沿縱向伸縮的管狀活塞，所述的管狀活塞與所述的控制裝置相連，用于相對于所述的控制信號使所述的管狀活塞延伸；及流體端口，通過所述端口從管狀支架上方遠端源加壓的流體可以可選擇地加入或排出，從而使閥封閉元件在開和閉的狀態之間移動。
162.如權利要求5所述的裝置，其中凸出球形段的曲率半徑與凹入球形段的曲率半徑匹配，從而允許各段的嵌套配合。
全文摘要
本發明公開一種燃料電池，其包括含有燃料的燃料室；含有氧化劑的氧化劑室；與該燃料室和該氧化劑室相通的多孔基底；使用該多孔基底形成的通道；陽極；陰極；在該通道的一部分中并與該陽極和該陰極接觸的電解質，從而可防止燃料輸送到該陰極并可防止氧化劑輸送到該陽極；用于防止燃料進入該多孔基底一部分的第一涂層；用于防止氧化劑進入該多孔基底一部分的第二涂層；兩個密封擋板；正極和負極電接頭。本發明也涉及多個燃料電池層結構、雙層燃料電池層結構和制備燃料電池層的方法。
文檔編號H01M8/02GK1647303SQ03803428
公開日2005年7月27日 申請日期2003年2月5日 優先權日2002年2月6日
發明者格拉爾德·弗朗西斯·麥克萊恩 申請人:昂斯特羅姆動力公司