CN101273488A - 燃料电池组件 - Google Patents

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CN101273488A CNA2006800358602A CN200680035860A CN101273488A CN 101273488 A CN101273488 A CN 101273488A CN A2006800358602 A CNA2006800358602 A CN A2006800358602A CN 200680035860 A CN200680035860 A CN 200680035860A CN 101273488 A CN101273488 A CN 101273488A
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Abstract

一种燃料电池组件，包括被引入复合层压结构中的燃料电池，该复合层压结构包括将燃料电池嵌入其中的内核材料。该燃料电池包括具有第一和第二面的电解质膜以及邻近该电解质膜的相应面布置的第一和第二电极。该第一和第二电极可连接到电路上。该内核材料为嵌入在其中的燃料电池提供支撑以及提供穿过该内核材料的流体连通，以使得一种或多种流体到达该第一和第二电极。

Description

燃料电池组件
本发明涉及一种将燃料电池引入复合层压结构中的燃料电池组件。
复合物正逐渐在各种产业中得到普及，这是基于以下多种原因：与传统材料相比具有较低密度下的良好的机械强度，电绝缘性能，抗腐蚀性以及使用方便。在大多数应用中，它们为产品提供了无源的结构容积，并且在其上安装诸如电子系统之类的分离的功能元件。
复合材料是由两种或更多种组分制成的工程材料，这些组分共同作用后的性能超过其中任意一种的性能。一种组分通常是使复合物具有其抗拉强度的强力纤维，例如玻璃、石英、
Figure A20068003586000071
或碳纤维；而另一种组分(称为基体)通常是将纤维粘合到一起并且总体上使得材料具有刚度和硬度的树脂，例如聚酯或环氧树脂。某些复合物使用聚合物来替代纤维，或者除了使用纤维之外还使用聚合物。
复合层压结构是复合物的一种特殊形式，该复合物是由松散材料紧密粘合在一起所形成的整体。一般地，该复合层压结构具有面板或镶板的形式(该面板或镶板可以继续被引入某些其它产品中)。这些结构通常由两个外表层以及在这两外表层之间延伸的内核材料组成。在某些情况下，可以使用多内核材料，并且可以在每一内核之间加入附加的表层材料。在其它情况下，可以通过内核材料自身提供外表层(例如内核材料被诸如通过热处理而沿其表面密封)
适宜的表层材料包括复合层压板和金属板(例如铝、不锈钢、低碳钢)；实际上可以用聚酯胶片将铝板层压来形成类似于胶合板的结构。表层的选择将取决于最终的应用。
已知的内核材料包括蜂窝、泡沫、木材、桁架内核、层压内核、挤压体以及三维织物，这些内核材料根据与诸如强度、硬度、可燃性、可成形性以及易于加工性这些因素相关的最终的应用而选择。蜂窝、泡沫和某些三维织物通常可称为“多孔”材料。
“蜂窝”是使用蜂窝形式或六角形形式的一类产品的通称。已经研究出诸如圆形、椭圆形和正方形之类的形状，但六角形是优选的。可以利用芳族聚酰胺纸(例如是均由DuPont生产的
Figure A20068003586000081
或
Figure A20068003586000082
)、铝箔、牛皮纸、薄玻璃层压板和热塑性板来制造蜂窝内核。该材料可以被加工成波纹板或者在孔室节点处被粘合，被膨胀和热定形来形成六角形结构。
泡沫内核材料是以没有明显的孔室顺序或者周期性的多孔结构为基础的。存在三种不同的类型：开孔泡沫、闭孔泡沫和强化泡沫。在开孔泡沫中，空隙被连通在一起，允许空气等穿过泡沫。在闭孔泡沫中，空隙是分开的，由材料壁将其分割。强化泡沫通常是形成泡沫的两种或更多种材料的组合，其中该材料中的一种提供强化。例如，可以将玻璃和树脂组合到一起来形成一种通常称之为合成泡沫的强化泡沫，其中树脂提供强化。存在其它引入了金属强化物的强化泡沫，例如由铝和陶瓷制成的铝制泡沫。通常，闭孔结构提供最好的机械性能，而开孔泡沫提供最好的声音减小/衰减性能。泡沫可以由多种材料制成，这些材料包括聚氨酯橡胶、酚醛塑料和热塑性塑料。选择将取决于特定的应用需要。
三维织物，诸如稀松组织材料，已经使得工程师和设计者能够将更多的灵活性引入产品而不会损害功能性。该种内核可以为特定设计问题提供解决方案，但难以比更常见的蜂窝、泡沫或木材材料的内核提供更好的通用解决方案。
燃料电池是不用燃烧而将化学能转换成电能的电化学装置。与普通电池不同，只要有燃料供应到燃料电池，它就能连续地产生电流。质子交换膜燃料电池(“PEMFC”)，也称之为聚合物电解质膜燃料电池，是低温且通常紧凑的燃料电池，它是为了用于运输应用以及用于诸如移动电话之类的便携式应用的目的而被开发的。
常规PEMFC包括一个夹在阳极和阴极之间而且接触阳极和阴极的离子交换膜(薄聚合物膜，例如DuPont生产的
Figure A20068003586000083
)。这两个电极连接到一个电路。诸如氢气之类的燃料在阳极被引入，在阳极它根据以下的半电池反应离解，以形成穿过电解质膜的质子：
H2→2H++2e-
诸如氧气或空气之类的氧化剂同时在阴极被引入，在阴极发生补充的半电池反应：
1/2O2+2H++2e-→H2O
从而在阳极和阴极之间形成电流，并且当使用纯氢时电池唯一的副产物是水。
阳极和阴极通常是碳载铂基催化剂。这些可以被印到多孔碳纤维纸上，该多孔碳纤维纸形成气体扩散层(GDL)。阳极-膜-阴极组件，通常被称之为“膜电极组件”(MEA)，通常被置于导电石墨板之间。这些“分隔器”或者“流动场”板收集电流，有助于燃料和氧化剂分别到达阳极和阴极表面，并且能够去除在电池工作过程中形成的水。
例如，US-A-6,878,477中讨论了在阳极流动场板和阴极流动场板内的流动通道的分布。US-A-6,913,846公开了一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括适于提供在燃料到达阳极之前实施一个预备的反应步骤的装置的流动场板。在这两种情况下，如在常规燃料电池布置中所常见的那样，这些板在它们的表面设有通道，以在整个电极表面上分布流体。这些流动场板通常制造成本昂够，一般需要在固体石墨板上机械加工出复杂的气体流动路径。WO-A-03/073548提出了使用一种多孔气体分布材料来用于在整个电极上分散流体，其中该多孔气体分布材料具有在其内限定的用于在整个电极上分散流体的通道。但是，该多孔层需要复杂的构架来支撑它以及供应流体。同样地，几乎没得到好处。WO-A-2002/027838提出了使用一种安装在箔材上的薄金属泡沫层来将流体分散到电极上。但是这过于依靠用于提供支撑和提供流体供应的复杂构架结构。
在某些实例中，多个膜电极组件(MEA)被配置在一起形成一个堆，在该堆中相邻的MEA的相同电极彼此相对。然后燃料和氧化剂气体的供应和排放歧管可以在MEA之间的交替面上分别连接到该整个堆。该系列燃料电池，“燃料电池堆”，通常被封装在壳体内。该燃料电池堆、壳体和相关的硬件组成燃料电池单元。当考虑将燃料电池引入工业应用时，按照惯例将燃料电池看作一个以与蓄电池大致相同的方式引入该结构的独立的单元。为了提供所需的电源输出，将规定数量的燃料电池堆叠、封装成一个单元，然后引入装配好的结构中。
例如，US-A-6,811,918公开了一种具有聚合物复合双极板的PEMFC，该聚合物复合双极板是导电性的集电器，该集电器分隔多个以电串联堆叠在一起的MEA。在穿过石墨纸扩散层之前，流体通过该板表面上的蜿蜒路径分散到各个电极的整个上。US-A-6,838,204的目的在于通过一个接收器来限制与堆叠多个脆弱的PEMFC相关的问题，该接收器被成形为以交错或者螺旋的构形来接收PEMFC。这种复杂的布置是昂贵的并且不适于实际应用。实际上，大多数的PEMFC是样品和示范单元。为了使PEMFC进入大规模的商业应用，在引入各种材料的同时，有进展的改进将需要用于制造的设计变化。而且，PEMFC相对脆弱且可能不会自支撑，因此在装配燃料电池单元时PEMFC的支撑是尤其重要的。此外，由于需要框架和复杂的流动场板来将流体分布到MEA上，燃料电池组件是沉重而臃肿的。
与PEMFC相反，固体氧化剂电池(SOFC)在高温--大约1000℃--下工作，以使得膜的离子传导性最大，该膜由诸如掺有氧化锆之类的氧化钇的氧导体制成。该工作温度要求SOFC主要使用用于制造刚性结构的陶瓷材料来构造。SOFC电池单元彼此平行布置并且被刚性地和紧密地连接到一起，以形成一个发电室，其中氧化气体和燃料气体从该发电室的一侧供入，而燃烧的废气从其另一侧排放。SOFC通常针对发电区。
对于便携式应用，开发了一种PEMFC的变体，直接甲醇燃料电池(DMFC)。DMFC依靠直接供应到该装置的阳极的甲醇来工作。另一种其中使用了流体可渗透电解质膜的改型也正在开发。空气和燃料的混合物穿过该电池而不是分布在其整个表面。每一电极被设计成用于选择性地促进燃料或者氧化剂的反应。
类似于PEMFC，SOFC和DMFC的实际实施仍然需要适宜的流体流动机构来将燃料和空气以有效的方式输送至燃料电池。
根据本发明的第一方面，一种燃料电池组件，包括被引入复合层压结构中的燃料电池，该复合层压结构包括将该燃料电池嵌入其中的内核材料，该燃料电池包括具有第一和第二面的电解质膜，以及邻近该电解质膜的相应面布置的第一和第二电极，该第一和第二电极可连接到电路上，其中，该内核材料为嵌入在其中的燃料电池提供支撑以及提供穿过该内核材料的流体连通，以使得一种或多种流体到达该第一和第二电极。
通过以此方式将燃料电池引入复合结构中，可以获得多种优点。首先，一种另外的无源结构部件——复合层压结构，通过将内核材料用作用于该嵌入的燃料电池的流体输送机构(气体或液体)而使其自身具有功能。因此，通过将燃料电池容纳在产品结构中，可以减小需要燃料电池的产品所占用的总体积。这不仅将得到更紧凑的产品，而且也因为燃料电池可以更容易地应用于受限的空间中，而使得与可选的其它电源相比选择燃料电池更具有吸引力。能够选择燃料电池在结构部件中定位在何处的能力，也使得人们能够通过将燃料电池靠近由它供应电能的部件定位而来消除某些导线。这也减轻了整体结构的重量。
将燃料电池引入复合结构内同样为燃料电池部件提供了支撑和壳罩，以此方式消除了对复杂和昂贵的外壳和流体流动板的需要。通过内核材料的适当构形，可以容易地实现和控制流体输送到电极。该结构的固有强度在制造期间和使用中都为燃料电池提供了保护。此外，该复合结构可以用于储存气体或液体。
如将要描述的那样，内核材料可以以多种替代方式将流体输送至电极。在一个优选实施方案中，内核材料适于使得第一流体能够到达第一电极以及第二流体能够到达第二电极，同时维持该第一和第二流体之间的分离。这种布置尤其适用于需要不同流体到达各个电极的燃料电池。例如，大多数PEMFC需要燃料到达阳极，而空气或氧到达阴极。因此，优选地，第一流体包括燃料流体以及第二流体包括反应物流体。可设想的，可以使用上述那些流体的替代性化学物质：例如，反应物流体可以是还原剂。但是，优选地，该反应物流体是氧化剂。
根据所使用的内核材料类型，可以使用适于将两种流体单独地输送至燃料电池的单一内核材料。例如，可以使用有孔相互连通于其中的泡沫材料，以使得将第一流体限定在该材料的一个区域内，而将第二流体限定在另一区域内。类似地，内核材料可以具有限定在其内的用于第一和第二流体分别到达第一和第二电极的第一和第二通道。
但是，在一个优选实施方案中，内核材料包括第一和第二内核材料，在该第一和第二内核材料之间限定了一个交界面，该第一和第二内核材料被一个流体基本不可渗透的中间层沿着该交界面的至少一部分分离开。由于一种流体可以被中间层限定在各自内核材料内，这提供了一种分离开两种流体的特别便利的方式。尽管内核材料自身可以对流体的流动施加附加限制，例如，通过具有限制在其内的通道，但还是可以包括流体能够自由穿过流动的材料，例如开孔泡沫。
便利地，电解质膜置于该第一和第二内核材料之间的交界面上，该膜的至少一部分位于该交界面上的一个没有被中间层延伸到的区域中，以使得该电解质膜的第一面抵靠该第一内核材料，该第二面抵靠该第二内核材料。在此构形中，该膜本身局部地将该两个内核材料分离开，并且被良好定位以接收来自每一材料的流体。此外，通过交界面，和/或中间层可以支撑该膜。应注意的是，如果第一和第二面分别抵靠第一和第二内核材料，那么该膜不必被置于交界面或中间层的平面内，而是可被置于该交界面的任一侧上。
优选地，该电解质膜被布置得基本平行于该交界面，该第一和第二面被布置在该膜的相对侧上。但是，如果需要，该膜可以与交界面成角度布置，例如垂直地布置。例如，可以将两个电极布置在该膜的同一侧，在该情况下第一和第二面将被该膜的相同面限定。
有利地，中间层设有一个将电解质膜置于其中的全厚度直通孔。这为该膜在其所有边缘提供了支撑。替代地，该膜可被置于中间层的一端，或者在该中间层的附近。优选地，电解质膜被引入该中间层内。由于可以以中间层用作支撑来构造燃料电池MEA，这有助于制造。例如，该膜和可选地该电极，可以被共固化、粘接或焊接成一个层压中间层。也可以在中间层上设置导线或者导电轨，以将电极连接到电路上。
在另一实施方案中，有利地，选择一种流体可渗透的电解质膜，使得流体能够到达该膜的第一面后，穿过该膜到达其第二面，并且反之亦然。因此，只需要将流体通过内核材料直接输送至一个电极；通过膜本身就可完成到达第二个电极的输送。因此，内核材料有利地适于使得流体能够经由电解质膜到达第二电极。例如，内核材料可以限定一个单一通道。但是，优选地，内核材料适于提供到达第一电极和经由电解质膜到达第二电极的流体入口路径，以及提供从第二电极出来的流体出口路径，同时保持该入口路径和该出口路径之间的分离。这在单一方向上引导流体流过该膜。在一个优选实施方案中，这通过一种包括第一和第二内核材料的内核材料来实现，在该第一和第二内核材料之间限定了一个交界面，该第一和第二内核材料被一个流体基本不可渗透的中间层沿着该交界面的至少一部分分离开，其中该第一内核材料提供了流体入口路径，而该第二内核材料提供了流体出口路径。
这些构形尤其适用于基于单一输入流体的实施。因此，优选地，该流体包括第一和第二流体的混合物。适宜地，第一流体包括燃料流体，第二流体包括反应物流体。典型地，反应物流体是氧化剂。
在上述两个实施中的任一个中，优选地，第一电极选择性地与该第一流体反应，而该第二电极选择性地与该第二流体反应。在混合流体的情况下，这使得单一的组分能够在电极中的一个上反应，从而产生更大和更稳定的电流。在流体分离开的情况下，可以使用两个电极的选择性设计来优化它们的性能。
内核材料可以将流体直接输送到相应的电极。但是，在某些实施方案中优选的是，邻近该第一电极设置一个第一扩散区域，该第一扩散区域与该第一电极流体连通，该内核材料适于提供到达该第一扩散区域的流体通道。扩散区域有助于将流体分布到整个电极表面，从而提高了反应效率。
更优选地，邻近该第二电极设置一个第二扩散区域，该第二扩散区域与该第二电极流体连通，该内核材料适于提供到达该第二扩散区域的流体通道。
扩散区域可以包括一层扩散介质，例如石墨纸。但是，优选地，第一和/或第二扩散区域与内核材料成一整体，该内核材料在扩散区域内适于将流体基本分布在整个相应电极上。通过这种方式，可以减少部件的数量，从而可以降低组装的复杂性。此外，针对具体的应用可以调整扩散区域。
用于内核材料的具体材料将取决于特定的应用。有利地，内核材料或者该第一和第二内核材料中的至少一种包括多孔材料，至少一些孔室是互相连通的，以允许流体从其中贯穿通过。在一个特定实施方案中，该多孔材料通常是具有由流体不可渗透的孔室壁限定的孔室的蜂窝，该孔室中的至少一些通过在选定的孔室壁上穿孔而互相连通。例如，这种蜂窝可以由铝制成。
替代地，有利地，多孔材料可以是包括空隙的泡沫，该空隙中的至少一些被连通以允许流体通过。空隙之间的相互连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过激光或者机械加工而形成的。在另一实例中，多孔结构是一种三维织物，该三维织物具有至少一些由流体可渗透壁限定的孔室。例如，该织物可以由聚酯毡制成。优选地，该三维织物中的孔室的至少一部分被用树脂处理过，以防止流体从其中贯穿通过。因此，可以根据具体应用的需要限定材料中的流动通道。
进一步替代地，有利地，内核材料或者该第一和第二内核材料中的至少一个可以包括一种在其内引入流体流动通道的三维织物，例如网眼织物。在此情况下，该材料本身可以是流体可渗透的或者流体不可渗透的。
根据应用和选定的材料，改变内核材料的固有的流体流动性能可能是有利的。因此，优选地，内核材料或者该第一和第二内核材料中的至少一个设有机械加工出的流动通道。
当在一个结构中使用了多于一个的内核材料时，对于每一个内核材料可以使用不同的材料和/或加工。例如，当第一流体将由第一内核材料输送，而另一不同的流体由第二内核材料输送时，可能有利地是，选择第一和第二内核材料以适合它们所输送的流体的性能。替代地，第一和第二内核材料可以各自包括相同的材料。
优选地，第一和第二内核材料各自包括被分散在流体可渗透膜上的多孔催化剂。这确保了可以利用一个大的表面面积来催化该反应并且允许离子(通常是质子)到达电解质膜。有利地，邻近每一电极设置有一个流体扩散层。这使得流体更好地分散在整个电极上。
如上所述，电池反应会产生诸如水的废弃产品。因此，优选地，内核材料还适于使得废弃流体能够从该电极中的至少一个电极流走。这避免了流体在燃料电池堆积。
优选地，表层材料设置在内核材料的外侧。这起到了密封和保护内核材料并且强化该复合结构的作用。在某些实例中，内核材料自身可以提供该密封功能。表层可被设置在该结构的一侧，但是优选地设置在两侧。有利地，表层被粘合到内核材料上。
根据本发明的第二方面，提供了一种燃料电池阵列，该燃料电池阵列包括多个根据本发明的第一方面的燃料电池组件，其中该多个燃料电池组件被引入一个复合结构中，并且该内核材料适于使得一种或多种流体能够到达每一个燃料电池。因此，在一个复合结构中可以引入多个燃料电池。内核材料可以将流体供应到多个孤立地工作或者作为一整体工作的燃料电池。有利地，内核材料适于使得流体能够经由一个共用路径到达该燃料电池中的至少两个。这节省了附加空间并且降低了原本需要的各种通道的复杂性。
优选地，该内核材料包括多个内核材料，每一个内核材料通过交界面与下一个分离开，并且至少一个燃料电池被布置在该交界面的每一个上。布置在相邻的交界面上的燃料电池不需要彼此对准，而是有利地可以沿着该交界面横向偏移。在一个具体实例中，内核材料包括第一、第二和第三内核材料，各自被交界面分离开，至少一个燃料电池被布置在该交界面的每一个上。便利地，如参照本发明的第一方面所描述的，一个流体不可渗透的中间层被布置在每一交界面，每一燃料电池的电解质膜被引入该中间层。
也提供了制造根据本发明第一和第二方面的燃料电池组件和燃料电池阵列的方法。
根据本发明的第三方面，一种制造燃料电池组件的方法，包括的步骤有：
(A)设置允许流体从其贯穿通过的第一内核材料；
(B)在该第一内核材料中的流体能够接触燃料电池的第一侧的位置，将该燃料电池的第一侧固定到该第一内核材料，该燃料电池包括具有第一和第二面的电解质膜以及邻近该电解质膜的相应面布置的第一和第二电极，该第一和第二电极可连接到一个电路；以及
(C)设置允许流体从其贯穿通过的第二内核材料，以及在该第二内核材料中的流体能够接触该燃料电池的第二侧的位置，将该第二内核材料固定到该燃料电池的第二侧，
以使得该燃料电池被嵌入到所得到的内核材料中；以及将该组件引入一个复合层压结构中。
这一技术在整个制造过程中对脆弱的燃料电池提供了支撑，并且使得燃料电池能够被引入一个复合层压结构中。
优选地，设置第一内核材料包括的步骤有：
(A1)设置一种多孔材料；以及
(A2)将该材料中的至少一些孔室互相连通，以形成流体流动路径。因此可以为适合该应用而设计流动路径的构形。
有利地，固定燃料电池包括的步骤有：
(B1)设置一种流体不可渗透的中间层；
(B2)将电解质膜引入到该中间层中；
(B3)将第一和第二电极紧靠该膜的第一和第二面；
(B4)将集电器连接到第一和第二电极；以及
(B5)将中间层和燃料电池固定到该第一内核材料。
通过这种方式，燃料电池可以用中间层制造，该中间层为脆弱的膜和电极提供了保护和支撑。
优选地，设置第二内核材料包括的步骤有：
(C1)设置一种多孔材料；以及
(C2)将该材料中的至少一些孔室互相连通，以形成流体流动路径。因此可以为具体的应用选择第二流动路径的构形。
现将参照以下附图来说明根据本发明的燃料电池组件的实例，其中：
图1是常规燃料电池布置的示意图；
图2是为了清楚而放大地示出了常规复合结构的实例；
图3是以横截面的形式图示了根据本发明的燃料电池组件的第一实施方案；
图3a更详细地示出了图3中的一部分；
图4a、4b和4c各自是以俯视图和横截面的形式示出了在三种内核材料中的流动通道；
图5是以横截面的形式图示了燃料电池组件的第二实施方案；
图6是以横截面的形式显示了燃料电池组件的第三实施方案的一部分；
图7是以横截面的形式图示了燃料电池组件的第四实施方案；
图8a和8b示意性地显示了两个燃料电池阵列；
图9是以横截面的形式图示了燃料电池阵列；
图10a、10b和10c是以俯视图、立体图和截面图的形式示出了燃料电池阵列的一个实例；
图11a是以横截面的形式显示了燃料电池组件的第五实施方案；以及
图11b显示了沿线X-X取截面的第四实施方案的俯视图。
图1中示意性示出了典型PEMFC 1的功能部件。聚合物膜2置于阳极4和阴极6之间。该膜2包括能够传导离子但电气绝缘的电解质材料。典型的实例是
Figure A20068003586000171
，它是一种良好的质子(H+)导体。电极4、6通常包括分散在流体可渗透垫片上的铂基催化剂，该流体可渗透垫片诸如碳纤维纸。这提供了气体扩散层(未示出)，该气体扩散层有助于将流体均匀地分散到整个电极。该膜2、阳极4和阴极6合起来被称之为膜电极组件(MEA)5。
通常，流动场板8a和8b分别邻近一个电极设置。该板8a、8b分别控制穿过电极4、6的流体流动。第一流体A，包括诸如氢或甲醇的燃料，通过板8a引导至或者穿过阳极4。在图1中，显示了流体A在该图的平面内流动，而为此目的在板8a的表面内设置引导通道(未示出)。第二流体，包括诸如氧或空气的氧化剂，通过板8b引导至或穿过阴极6。图1显示了在板8b上的通道8b’的引导下而流出该纸面的平面的流体B。
电极4、6通过集电器(未示出)连接到一个电路。流体A和B如上所述分别在相应的电极4、6上反应，从而形成电流。
图2图示了一种典型的复合层压结构10，该层压结构具有夹在表层11之间的蜂窝内核13。蜂窝内核13由一系列孔室17组成，每一孔室是六方柱的形式。蜂窝内核提供了高刚度且低重量的层压体。由于在蜂窝13和表层11之间的可用粘合面积较小，所以使用诸如环氧树脂类的高性能树脂系统来实现必要的到层压表层的粘接，从而产生一个紧密粘合的整体。蜂窝内核可通过多种材料得到，所述材料包括铝、热塑性塑料、纸、诸如
Figure A20068003586000181
的形成蜂窝孔室的树脂以及织物。
铝蜂窝通常使用多阶段的工序制成。金属薄板被印上交替、平行的粘合剂细条，然后当粘合剂固化时在加热压力机中将这些板堆叠。接着将该薄板堆(称之为“块形状”)沿其厚度方向切割，随后使得这些板被逐渐拉伸和膨胀，以形成连续六角形孔室形状的板。热塑性塑料蜂窝通常是在被切割成所需厚度之后通过挤压来制造。
适宜的表层材料包括复合层压板或诸如铝、不锈钢或低碳钢的金属板。表层材料的选择将取决于使用该结构的具体应用。
图3中示出了燃料电池组件的第一实施方案，在该燃料电池组件中将燃料电池引入复合层压结构中。内核材料提供了气体或液体(即流体)输送机构，穿过该输送机构可以将流体供应到燃料电池。
在此实例中，两个表层21将内核23夹在中间，该内核被分成第一内核材料23a和第二内核材料23b。流体不可渗透的中间层28位于该两个内核材料之间的交界面。第一内核材料23a和第二内核材料23b在此处被描述为由蜂窝(对应于图2中示出的那些孔室17)制成，该蜂窝已经被穿孔，以使得流体能够在某些孔室内流动。但是，应理解的是，可以使用具有穿过它输送流体以及支撑复合结构的(固有的或其它方式)能力的任意适宜的内核材料。此外，应理解的是，表层21是可选的。在某些实例中，内核材料本身可以充当表层，或者替代地，内核材料可以靠在提供支撑的其它物体上定位。在其它情况下，外表层21可以是多功能的：提供防止气体或液体泄漏的密封，或者实际上提供一种能够去除诸如水或来自电子设备的热量的废产物的交换机构，以及提供空气或液体例如燃料电池所需要的氧化剂气体的入口。
膜电极组件(MEA)25置于两个内核材料23a和23b之间的交界面的一个区域中，中间层28没有延伸到该区域内，在此情况下一个孔在中间层28内。中间层28被认为是内核23的一部分，因此，可以说MEA 25被嵌入在内核23内。在本上下文中，“嵌入”是指如本说明书中所说明的，将MEA放置到内核23内。因此，即使内核可能包括两个或更多个部件，MEA通常完全被内核(也就是表层21之间的结构部分)包围。如图3a所示，MEA 25包括电解质膜22、阳极24和阴极26。这些部件中每一个的构造类似于上文中参照图1所述的部件。集电器27a和27b分别将阳极24和阴极26连接到一个电路(未示出)。实践中，便于将集电器27a和27b作为中间层28上的导线或导电轨来设置，而不是如图中所示出的那样将它们直接穿过内核和表层材料。但是，如果将要由燃料电池提供电力的部件布置到该结构的外侧或者附近(例如在表层21上)，可能优选的是，如图中所示的那样将集电器直接引出以减少所需的导线数量。
应理解的是，任意一种已知类型的燃料电池，例如PEMFC、DMFC或者SOFC，均可以以此方式引入复合结构中。
第一流体A，通常是诸如氢之类的燃料，被布置为穿过第一内核材料23a以到达阳极24。例如，通过泵送流体穿过材料或者向流体源施加压力，而得以实现。可以使用加压缸或容器来远离内核材料储存燃料和/或反应物流体(例如，分别是氢和氧)，其中通过调节器来控制压力，并且流体经由插头被输送至内核材料。替代地，可以以以下方式来储存燃料流体，可以从周围大气直接获得氧化剂，例如空气。此外，内核材料自身可以形成一种用于储存一种或多种流体的诸如井之类的储存结构，其中流体经由一个外部储存容器的调节器而被保持在某一压力下，从而将调节的更好的流体供应至MEA(与将外部燃料流体储存容器直接连接到供应MEA的通道不同)。可能会存在这样的场合，设想局部化流体储存以使得用燃料和/或反应物流体的离散供应来供应MEA。在此情况下，流体可以储存在复合结构自身内并且可以在需要时释放到MEA，而不需要外部储存容器。可以使用这些技术的任意组合来配合应用。
在蜂窝内核的情况下，流体借助于在孔室壁上的穿孔从一个孔室流到下一个孔室。在下文中将更详细地论述这种内核结构和替代内核结构。
类似地，第二流体B，通常是氧化剂或者诸如还原剂之类的其它此类反应物，被通过第二内核材料23b输送到阴极26。使用用于流体A的相同技术，或可以是优选的替代方式，可以影响第二流体B的输送。当一种流体是气体而另一种是液体时尤为如此。
如上文参照图1所述，流体A和B在它们各自的电极上的反应，在集电器27a、27b连接的电路内形成电流。集电器27a、27b可以以网格、导线或导电轨的形式设置，被固定、粘合或者喷涂到中间层28上。可以以两种或三种尺寸来加工复杂型式的导电的、半导电的或者绝缘的轨道，以能够执行多种任务。
可以设置排水装置29来使得反应产物，例如水，排出该结构。根据所选择的内核材料，可能会需要在材料内设置流动通道来将水从阴极26引导至排水装置29。
内核材料23可以是蜂窝、泡沫、网眼织物或者任意同功能的三维织物，该三维织物提供复合结构的最终应用所要求的必要力学性能，以及提供流体输送机构，经由该输送机构气体和/或液体能够被输送至所嵌入的燃料电池。
为了使得气体或液体能够通过蜂窝输送，在制造过程中将材料穿孔，以在所选的孔室17之间提供流体连通。因此，保持了内核的结构刚性，还形成了流动通道。图4a中提供了穿孔的蜂窝内核的图示。应注意到，虽然穿孔18被图示为圆形的，但是它们可以是槽、孔或者其它任意允许流体在孔室之间流动的切口的形式。
为了制造穿孔的铝蜂窝，将块形式的蜂窝切开，然后在节点(薄板的粘合区域)处进行机械钻孔或者功率射束(例如激光)钻孔，随后进行拉伸和膨胀，产生穿孔的蜂窝。热塑性塑料通常在挤压之后穿孔。也可以使用纸或布纹纸蜂窝内核材料，例如
Figure A20068003586000201
，其中在第一种情况下通过用穿孔的纸来制造蜂窝提供流动通道，或者通过对最终内核产品的后加工来提供流动通道。
网眼织物或者其它三维织物通过它们特殊的结构为气体或者液体提供流动通道。在某些情况下，这些三维织物被浸渍有树脂，以提供内核材料的强度，在这些情况下需要形成流动通道。这种实例会是一种聚酯毡的三维织物(流体可渗透)，该聚酯毡具有其上设有一薄层树脂膜的蜂窝结构。当加热时，树脂流动并且浸入孔室17。为了设置流动通道，如图4b所示，可以只在离散的位置将树脂膜设置到织物上，因此在加热时只有指定的孔室17a被浸渍有树脂，使得孔室17b能够自由输送流体。替代地，如图4c所示，可以对固化的内核进行机械加工，以根据需要提供一系列流动通道15a、15b。
通过适当地选择内核材料和流动通道构形，可以优化到达燃料电池的流体输送。通道的设计可以保证用需要的燃料或氧化剂流体充满燃料电池阳极或阴极，并且通道被设计为与使得最佳的气体或者液体能够输送至燃料电池的流道型式相配合。
在某些实施方案中，邻近每一电极设置扩散区域24A和26A。这些区域有助于将流体分布到相应电极的整个表面上。扩散区域可以包括邻近电极表面布置的一层扩散介质，例如石墨纸或者类似的多孔材料。但是，通过用内核材料整体成形区域24A和26A，例如通过将流动通道布置为使得流体在整个电极上均匀分布，可以消除对这些材料的需要。内核材料经由相应的扩散区域将流体输送至电极24、26。
此外，如对于图4示出的蜂窝结构所举例说明的那样，可利用流动通道使得不同的气体或液体能够在相同的内核材料中同时流动。
应指出的是，术语“流动通道”在本说明书中既用于描述由于材料的固有性能而存在的流动路径(例如开孔泡沫的连通孔)，又用于描述通过专门的加工步骤而引入的流动路径(例如在蜂窝中的穿孔或者机械加工出的通道)。
如上所述，在可以使用流动型式来为燃料电池提供燃料和氧化剂气体或液体的同时，也可以使用流动型式来从该结构中去除不需要的热量或流体。例如，内核材料23可以提供流体流动路径，以能够从燃料电池中去除水。在电子部件的本身区域中，内核可以包括用于冷却剂流体的流动路径，该冷却剂流体为这些电子部件或者实际上该结构自身提供冷却。内核材料也提供了把气体或液体一直容纳或储存到需要的时候的可能。
根据最终的应用要求，中间层28可以是刚性或者柔性的。此中间层28在一侧或者两侧，部分地或者全部地但至少在MEA 25附近，覆盖有使得流体供应到MEA 25的内核材料23。
中间层28可以由各种材料制成，例如热塑性塑料(例如聚乙烯)、复合层压板、浸渍织物、热固性塑料、或者甚至是诸如环氧树脂的增强结构树脂系统。通过粘合(例如通过粘合剂)或者焊接(例如通过使用激光)，可以将MEA 25引入中间层28。在加热的压力机或者炉子中固化层压板的过程中，MEA 25可以被分层堆积，而且也可以被冷固化到一起或者分离开。引入到中间层的MEA 25可以依次连接到第一内核材料23a和第二内核材料23b，或者可以在同时连接到两者。需要将内核材料充分地粘合到中间层来保持流动通道的整体性。
显然，第一和第二内核材料不需要是相同的类型。例如，图5示出了燃料电池组件30的第二实施方案，其中第一内核材料33a是开孔泡沫，而第二内核材料33b是穿孔的蜂窝内核。图6显示了第三实施方案40，其中第一内核材料43a是开孔泡沫，而第二内核材料43b是三维织物。两种内核材料43a和43b通过中间层48分隔，在该中间层中引入燃料电池。当然，根据流动的需要，可以利用内核的任意组合，包括相同类型的组合。
应指出的是，在图5中示出的燃料电池组件30内的MEA 35的布置不同于第一实施方案中的布置。在此处，MEA 35仍然设置在两个内核材料30a和30b之间的交界面上，但是是被嵌入在第二内核材料33b中，而不是被引入到中间层38中。然而，阳极34和阴极36仍然分别与第一内核材料33a和第二内核材料33b接触。此外，在某些变体中可能根本不需要设置中间层38。例如，可以将内核材料33a、33b中的流动路径设计为防止流体流动到材料之间的交界面。这种情况的实例可以是一种具有填充树脂的孔室的三维织物，该填充树脂的孔室将其流道与其它内核材料分开。同样地，单一内核材料可以设有被嵌入其内部的燃料电池和一个填充树脂的孔室的区域(或者其它这样的障碍物)，该填充树脂的孔室将一个流动路径与其它的流动路径分离开。
如在第一实施方案中的那样，可以设置集电器37a、37b来将电极34、36连接到一个电路，并且可以包括一个排水装置39。
图7图示了第四实施方案，该第四实施方案尤其适宜用于这样一种燃料电池，其中燃料和氧化剂流体的混合物被输送至其中一个电极，并且穿过流体可渗透的电解质膜到达第二个电极。在这种情况下，每一电极被设计成选择性地与燃料或者氧化剂流体反应。
因此，只需要将一种流体C(参照上文，该流体是流体A和B的混合物)输送至MEA 55。由于电极是选择性的，混合物C可以到达一个或者两个电极，并且仍然能够发生反应。因此，在一个简化实例中，可以将MEA嵌入一个诸如开孔泡沫的单一内核材料的内部，该单一内核材料使得流体能够到达、以及离开两个电极。然而，在图7中的优选实例中，内核被布置为设有入口路径56和出口路径57。这通过被中间层58分隔的第一内核材料53a和第二内核材料53b实现。以与上文关于第一实施方案所述的大致相同的方式，将MEA 55布置在中间层58内。每一内核材料53a、53b至少部分地由使得流体能够穿过其结构流动的三维织物形成。通过封闭每一内核的一端来形成输入和输出路径56、57。这可以通过树脂或者例如通过一块流体不可渗透的材料来实现。如上文关于第二实施方案所描述的，中间层58是可选的。
图11a和11b显示了第五实施方案，其中内核材料将流体A和B输送至在蜂窝层103和表层101之间的燃料电池105。流动通道103a和103b可以包括用于将蜂窝103连接到表层101的粘合剂层，或者可以引入管子的网格或者阵列。在所示出的实例中，粘合剂带104用于将层压结构粘合到一起，同时也限定了流动路径103a、103b。由于流体流动路径103a、103b在外表层之间并且是复合层压结构的组成部分，所以可以认为它们本身构成了内核材料。
在本说明书中所述的燃料电池组件允许将多个燃料电池定位在复合结构(燃料电池阵列)内，以与局部电源需要或者其它诸如在该结构内的重量平衡需要相结合。如图8a中所图示的，燃料电池65a、65b、65c等可以占据一个在复合物61内提供均匀重量分布的几何图案。替代地，如图8b所示，燃料电池75a、75b、75c等可以被群集起来为电子部件提供电源，尤其是为那些对复合产品的功能起关键作用的电子部件提供电源。
在其它实例中，多个燃料电池可以在不同层内被设置在一个复合结构中。例如，两个或更多个嵌入的中间层可以被设置在该复合结构内。图9中示出了这种实例，其中燃料电池组件80包括被夹在表层81之间的第一、第二和第三内核材料83a、83b和83c。中间层88a、88b被设置在每一对相邻内核之间的交界面处。MEA 85a、85b布置在每一中间层88a、88b上。如图9所示，这些MEA不需要彼此对准，而是可以横向偏移。也可以在每一中间层88内引入多于一个的MEA。
第一流体A，通常是燃料，被布置为穿过内内核材料83a流动。MEA 85a、85b各自相应的阳极被布置为面向此内内核材料83a，从而来接受流体A。第二和第三流体B和B’，两者通常是氧化剂，被穿过外内核材料83b、83c传送到MEA 85a、85b的各自的阴极。当然，氧化剂可以被布置为穿过内内核材料83a，而燃料可以由外内核材料83b和83c运送，在此情况下MEA 85a、85b的定位将是相反的。
应理解的是，如果需要，可以以此方式“堆叠”任意数量的内核材料，以及任意数量的中间层。
在图10a、10b和10c中显示了燃料电池组件的一个实例。将一个带有蜂窝结构的聚酯毡加热来制造内核材料90，其中该聚酯毡涂敷有一薄层树脂。强化物(表层)被粘合到一个面上。将所得到的材料90在树脂侧进行机械加工，以提供一系列流动路径91、92。引入了嵌入的燃料电池的中间层93由热固性塑料制成。一个两部分的环氧树脂围绕MEA的周边放置在中间层上，而且该中间层被定位粘接到上和下内核材料上。在图10c中显示了所得到的复合结构。
该燃料电池组件可用在许多应用中。在许多情况下，将构造一个引入该燃料电池(如所述的)的镶板，然后可以将此单元做成所需要的产品。可以将集电器连接到组成该产品一部分的负载电路，由燃料电池产生的电力可以用于运转该产品。
在其它实例中，可以将燃料电池嵌入到最终产品的组成零件中。例如，无人驾驶航空器(UAV)是利用空气动力来提供飞行器提升的无人驾驶动力飞行器。现代化的UAV使用了诸如复合材料的最新材料来制造外部结构。现在大多数应用是蓄电池供电的并且在监督下用于监测农作物、电缆和输气管道。不久前公开的燃料电池组件提供了将飞行器动力源引入飞行器结构自身中的可能，从而利用了“无源”结构部件并且使它具有二次功能，该二次功能是一种输送至嵌入的燃料电池的流体流动机构的功能。因此可以将备用动力源引入该飞行器中(除了蓄电池之外)或者燃料电池真正地可以为飞行器提供主电源，由于不再需要蓄电池或者常规的燃料电池组，为附加的装载物留出了空间。
由于可以将产品的动力需要构造到结构本体内，从而利用了已存在于该结构中的空间，因此任何含有复合层压结构的产品都可以受益于本文所公开的技术。

Claims (48)

1.一种燃料电池组件，包括被引入复合层压结构中的燃料电池，该复合层压结构包括将该燃料电池嵌入其中的内核材料，该燃料电池包括具有第一和第二面的电解质膜，以及邻近该电解质膜的相应面布置的第一和第二电极，该第一和第二电极可连接到电路上，其中，该内核材料为嵌入在其中的燃料电池提供支撑以及提供穿过该内核材料的流体连通，以使得一种或多种流体能够到达该第一和第二电极。
2.根据权利要求1的燃料电池组件，其中该内核材料适于使得第一流体能够到达第一电极以及第二流体能够到达第二电极，同时维持该第一和第二流体之间的分离。
3.根据权利要求2的燃料电池组件，其中该第一流体包括燃料流体以及该第二流体包括反应物流体。
4.根据权利要求3的燃料电池组件，其中该反应物流体是氧化剂。
5.根据前述权利要求中任一项的燃料电池组件，其中该内核材料包括第一和第二内核材料，在该第一和第二内核材料之间限定了一个交界面，该第一和第二内核材料被一个流体基本不可渗透的中间层沿着该交界面的至少一部分分离开。
6.根据权利要求5的燃料电池组件，其中该电解质膜置于该第一和第二内核材料之间的交界面上，该膜的至少一部分位于该交界面上的一个没有被中间层延伸到的区域中，以使得该电解质膜的第一面抵靠该第一内核材料，该第二面抵靠该第二内核材料。
7.根据权利要求6的燃料电池组件，其中该电解质膜被布置得基本平行于该交界面，该第一和第二面被布置在该膜的相对侧上。
8.根据权利要求6或7的燃料电池组件，其中该中间层设有一个将电解质膜置于其中的全厚度直通孔。
9.根据权利要求6至8中任一项的燃料电池组件，其中该电解质膜被引入该中间层内。
10.根据权利要求2至4中任一项的燃料电池组件，其中该内核材料具有限定在其内的第一和第二通道，以用于该第一和第二流体分别到达该第一和第二电极。
11.根据权利要求1的燃料电池组件，其中该电解质膜是流体可渗透的，使得流体能够到达该膜的第一面后，穿过该膜到达其第二面，并且反之亦然。
12.根据权利要求11的燃料电池组件，其中该内核材料适于使得流体能够经由该电解质膜到达该第二电极。
13.根据权利要求12的燃料电池组件，其中该内核材料适于提供到达该第一电极和经由该电解质膜到达该第二电极的流体入口路径，以及提供从该第二电极出来的流体出口路径，同时保持该入口路径和该出口路径之间的分离。
14.根据权利要求13的燃料电池组件，其中该内核材料包括第一和第二内核材料，在该第一和第二内核材料之间限定了一个交界面，该第一和第二内核材料被一个流体基本不可渗透的中间层沿着该交界面的至少一部分分离开，其中该第一内核材料提供了流体入口路径，而该第二内核材料提供了流体出口路径。
15.根据权利要求11至14中任一项的燃料电池组件，其中该流体包括第一和第二流体的混合物。
16.根据权利要求15的燃料电池组件，其中该第一流体包括燃料流体，该第二流体包括反应物流体。
17.根据权利要求16的燃料电池组件，其中该反应物流体是氧化剂。
18.至少根据权利要求2或权利要求15的燃料电池组件，其中该第一电极选择性地与该第一流体反应，而该第二电极选择性地与该第二流体反应。
19.根据前述权利要求中任一项的燃料电池组件，其中邻近该第一电极设置一个第一扩散区域，该第一扩散区域与该第一电极流体连通，该内核材料适于提供到达该第一扩散区域的流体通道。
20.根据权利要求19的燃料电池组件，其中邻近该第二电极设置一个第二扩散区域，该第二扩散区域与该第二电极流体连通，该内核材料适于提供到达该第二扩散区域的流体通道。
21.根据权利要求19或权利要求20的燃料电池组件，其中该第一和/或第二扩散区域包括一层扩散介质，例如石墨纸。
22.根据权利要求19或权利要求20的燃料电池组件，其中该第一和/或第二扩散区域与该内核材料成一整体，该内核材料在该扩散区域内适于将流体基本分布在整个相应电极上。
23.根据前述权利要求中任一项的燃料电池组件，其中该内核材料或者该第一和第二内核材料中的至少一个包括多孔材料，至少一些孔室是互相连通的，以允许流体从其中贯穿通过。
24.根据权利要求23的燃料电池组件，其中该多孔材料是具有由流体不可渗透的孔室壁限定的孔室的蜂窝，该孔室中的至少一些通过在选定的孔室壁上穿孔而互相连通。
25.根据权利要求23的燃料电池组件，其中该多孔材料是包括空隙的泡沫，该空隙中的至少一些被连通以允许流体通过。
26.根据权利要求23的燃料电池组件，其中该多孔结构是一种三维织物，该三维织物具有至少一些由流体可渗透壁限定的孔室。
27.根据权利要求26的燃料电池组件，其中该三维织物中的孔室的至少一部分被用树脂处理过，以防止流体从其中贯穿通过。
28.根据权利要求1至22中任一项的燃料电池组件，其中该内核材料或者该第一和第二内核材料中的至少一个包括一种在其内引入流体流动通道的三维织物。
29.根据权利要求23至28中任一项的燃料电池组件，其中该内核材料或者该第一和第二内核材料中的至少一个设有机械加工出的流动通道。
30.根据附属于权利要求5或14时的权利要求23至29中任一项的燃料电池组件，其中该第一和第二内核材料各自包括相同的材料。
31.根据前述权利要求中任一项的燃料电池组件，其中该第一和第二内核材料各自包括被分散在流体可透渗膜上的多孔催化剂。
32.根据前述权利要求中任一项的燃料电池组件，还包括邻近每一电极设置的流体扩散层。
33.根据前述权利要求中任一项的燃料电池组件，其中该内核材料还适于允许使得废弃流体能够从该电极中的至少一个电极流走。
34.根据前述权利要求中任一项的燃料电池组件，其中表层材料设置在该内核材料的外侧。
35.一种燃料电池阵列，该燃料电池阵列包括多个根据权利要求1至34中任一项的燃料电池组件，其中该多个燃料电池组件被引入一个复合层压结构中，并且该内核材料适于使得一种或多种流体到达每一个所述的燃料电池。
36.根据权利要求35的燃料电池阵列，其中该内核材料适于使得流体能够经由一个共用路径到达该燃料电池中的至少两个。
37.根据权利要求35或36的燃料电池阵列，其中该内核材料包括多个内核材料，每一个内核材料通过交界面与下一个分离开，并且至少一个燃料电池被布置在该交界面的每一个上。
38.根据权利要求37的燃料电池阵列，其中该内核材料包括第一、第二和第三内核材料，各自被交界面分离开，至少一个燃料电池被布置在该交界面的每一个上。
39.根据权利要求37或38的燃料电池阵列，还包括一个被布置在每一交界面的流体不可渗透的中间层，该每一燃料电池的电解质膜被引入该中间层中。
40.一种复合结构，包括一种根据权利要求1至34中任一项的燃料电池组件，或者一种根据权利要求35至39中任一项的燃料电池阵列。
41.一种制造根据权利要求1至34中任一项的燃料电池组件的方法。
42.一种制造根据权利要求35至39中任一项的燃料电池阵列的方法。
43.一种制造燃料电池组件的方法，包括的步骤有：
(A)设置允许流体从其贯穿通过的第一内核材料；
(B)在该第一内核材料中的流体能够接触燃料电池的第一侧的位置，将该燃料电池的第一侧固定到该第一内核材料，该燃料电池包括具有第一和第二面的电解质膜以及邻近该电解质膜的相应面布置的第一和第二电极，该第一和第二电极可连接到一个电路；以及
(C)设置允许流体从其贯穿通过的第二内核材料，以及在该第二内核材料中的流体能够接触该燃料电池的第二侧的位置，将该第二内核材料固定到该燃料电池的第二侧，
以使得该燃料电池被嵌入到所得到的内核材料中；以及将该组件引入一个复合层压结构中。
44.根据权利要求38的制造燃料电池组件的方法，其中设置第一内核材料包括的步骤有：
(A1)设置一种多孔材料；以及
(A2)将该材料中的至少一些孔室互相连通，以形成流体流动路径。
45.根据权利要求43或44的制造燃料电池组件的方法，其中固定燃料电池包括的步骤有：
(B1)设置一种流体不可渗透的中间层；
(B2)将电解质膜引入到该中间层中；
(B3)将第一和第二电极紧靠该膜的第一和第二面；
(B4)将集电器连接到该第一和第二电极；以及
(B5)将该中间层和燃料电池固定到该第一内核材料。
46.根据权利要求43的制造燃料电池组件的方法，其中设置第二内核材料包括的步骤有：
(C1)设置一种多孔材料；以及
(C2)将该材料中的至少一些孔室互相连通，以形成流体流动路径。
47.一种基本如参照附图在上文所描述的燃料电池组件。
48.一种基本如参照附图在上文所描述的燃料电池阵列。
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