CN101479876B - 改进的电化学装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于平面构造吸气聚合物电解质电化学装置的燃料电池装置以及用于燃料电池装置的支承板、气体连接装置和夹紧装置。电化学装置可用作燃料电池或电解器。特别是它涉及包括串联配置在支承板的一个表面上的至少两个燃料电池的平面构造吸气聚合物电解质电化学装置，其特征在于燃料电池(2’、2”、2”’、943)配置成压靠具有大于支承板区域的区域的承载板(218、942)。

Description

改进的电化学装置

技术领域

本发明涉及一种用于平面构造的吸气聚合物电解质电化学装置的燃料电池装置，并涉及一种用于燃料电池装置的支承板、气体连接装置以及夹紧装置。电化学装置可作为燃料电池或电解器使用。

背景技术

通常，燃料电池是将化学反应的能量转换成电能的装置。燃料电池不同于电池之处在于燃料和氧化剂存储在电池外部，只要燃料和氧化剂供应，电池可产生电能。通过将燃料和氧化剂接触通过电解质分开的两个适当的电极，燃料电池产生电动力。电解器是具有燃料电池的相反功能的装置。它将电能转换成氢和氧形式的化学能。在聚合物电解质燃料电池中，例如氢气的燃料在一个电极处引入，其中它在负电极(阳极)的电催化表面上分解以便形成质子和电子，如等式1所示。电子进入电极的传导结构中，并且从中到达通过所述燃料电池激励的外部电路中。通过氢在第一电极处分解形成的质子经过电解质到第二电极。同时，例如氧气或空气的氧化剂被引导到第二电极，其中它在正电极(阴极)的电催化表面上吸收，并且电化学还原以便通过横过由燃料电池激励的外部电路的电子形成表面氧化物。这种表面氧化物与来自于电解质的质子反应，以便形成水(净反应的产品)。水从电极吸收并且在阴极离开电池。某些形成的水(凝结形式)保留在阴极和吸湿薄膜内。用于在两个电极处消耗氢的燃料电池的半电池反应分别如下表示：

H2’2H++2e-(1)；1/202+2h+2e-’H20(2)

经由外部电路将两个电极连接造成电流在电路中流动，并且从电路汲取电能。作为所述分开的半电池反应的总和的总燃料电池反应产生电能和热量。

虽然某些应用可利用单个电池，燃料电池实际上通常串联连接，以便另外组成单独的电池电位，并且实现更大、更多的有用电位。给定串联的电池可直接连接，其中单个部件的相对面接触一个电池的阳极以及相邻电池的阴极，或者经由外部电连接装置。以下燃料电池(称为燃料电池组)通常装备有歧管系统以便两种气体的分布。燃料和氧化剂通过歧管引导到正确电极，并且通过反应剂或者冷却介质提供冷却。同样位于电池组中的是电流收集器、电池与电池的密封件以及其它部件。电池组和相关硬件组成燃料电池模块。

在使用固体聚合物电解质的燃料电池中，薄膜用作电解质以及用于防止反应剂气体混合的阻挡件。在Dha r，U.S.Pa t.NO.5242764中更加详细地描述PEM燃料电池，该专利结合于此作为参考。许多研究和开发已经用来改善用于质子交换薄膜(PEM)燃料电池的功率-重量比率。大多数的这些研究涉及增加相对沉重的电池组每单位容积的功率。

本发明的聚合物电解质电化学装置是小型装置。不同于固定和运输应用的情况(1-200kW)，与主要的一次电池和二次电池的现有技术相比，开发小型聚合物电解质燃料电池(小到几百瓦)的主要动力不在于有利于环境，而是在于可预料的改进技术性能。同样与运输应用中的情况相比，材料成本是较小的障碍，这是由于电池相对昂贵。聚合物电解质燃料电池(PEFC)相对于电池的所需优点在于较高的能力密度(Wh g-1)并没有重新充电的时间。

迄今为止，PEFC主要开发用于大型电池，其中具有某些规定(温度、反应剂流动和湿度)的优点没有超过相关辅助部件的隐含重量和电消耗(冷却系统、压缩机和风扇、加湿器)。更近年来，通过由较薄和较轻的金属元件代替沉重的碳元件，以及尝试减小电池组的重量。但是，这些单元设计用于大型应用，某些在大约30kW的级别上，并且因此需要所述的相同电池组辅助装置。另外，在这些系统中包含在电池组内的辅助装置设计用来以千瓦的级别有效操作。在需要较小功率的应用尝试这些系统的缩小比例的模式，例如在大约50和150瓦的范围内。但是，这些系统不能很好地适用于几十或几百瓦的电池组输出，这是由于例如泵和压缩机的转动部件过于沉重，不适用于小型应用，例如便携式应用和个人使用。

因此，用于便携式和个人应用的最为重要的目的可能不是单位容积的瓦数，而是单位重量的瓦数，即W/g和W/cm3。小型燃料电池必须设计与小型化的控制器协作。该结构自然从电池组转换成平面电池，由于平面电池提供增加的热量去除以及接近阴极的空气。任何平面构造继而暗示一种用于串联的混合导体/绝缘体形式。平面电池中的串联可以两种方式实现。通常称为带式结构的第一种包括具有配置在任一侧上的阴极以及相对侧上的阳极，并且每个阴极连接到下一个相邻电池的阳极上。连接可通过在薄膜的中央区域内形成裂口或者通过有源区域旁边的电流引导超过薄膜边缘并在哪儿连接来形成。后面的选择避免穿过薄膜进行切开，并且由此避免每个阳极分开紧固的烦琐。形成平面电池的串联的第二种方式通常称为触发器结构，并且涉及两个电池容纳板的结构，其各自具有沿着其表面交替的阴极和阳极。无源PEFC不需要具有小电阻的薄膜，而不管选择平面内串联的结构，即使水只来自于燃料电池反应。此事实需要薄的薄膜，只要不涉及燃料交叉。如果PEFC通常以200mAcm-2或更大的电流密度操作时，燃料交叉不是问题，并且薄膜厚度只通过其机械整体性能来限制。

三种材料及其相关的技术已经用于小型PEFC：

(i)通过用于电流收集器和电池壳体的石墨或不锈钢板来小型化传统PEFC结构；

(ii)硅技术；硅薄片上形成传导/非传导路径或者在薄片上形成用于反应剂气体的通道顶部上的多孔硅层的复杂技术；

(iii)印刷电路板(PCB)技术；在电绝缘合成材料上使用铜薄层。

本发明不局限于这些技术，这是由于它只需要气体供应支承板，该支承板由任何足够气密材料(例如金属、塑料或者甚至纸张或纸张合成物)形成。

希望改善并简化燃料电池。已经进行了某些尝试，涉及通过粘合剂粘接来部分代替夹紧装置。一种方法在US2004/0161655中描述，其披露使用所需数量的薄膜电极组件和双极板，通过将薄膜电极电池组的组件粘接到双极板一侧的周边上来组装电化学电池组。可固化或热塑粘合剂的薄层放置在密封区域，并且电池框架和薄膜电极组件被压在一起，直到粘合剂完全固化并将电池框架和薄膜电极粘接在一起。以此方式，必须注意确保薄膜和电极组件正确定向，使得一个薄膜和电极组件的阴极侧面向粘接有薄膜和电极组件的双极网格或双极板的阴极侧。另外，粘合剂必须仔细施加在双极元件上的例如流动区域、歧管、通道及其组合的任何结构的周边上，以便提供所需的流体密封，保持局限于其各自区域内的反应剂流体、冷却流体或加热流体。此外，通过此方法形成的电池组还将需要夹紧力，特别是对于大型电池来说。因此，需要一种重量轻的燃料电池系统，提供改进的功率密度并消除辅助装置。还需要一种高性能燃料电池或电解器，制造简单并方便操作。本发明的目的因此在于提供一种改进的电化学装置，可以用作燃料电池或电解器。本发明的另一目的在于提供一种电化学装置，可以方便地代替有源部件。

所述目的在作为WO2006/041397公开的专利申请PCT/SE2005/001514中实现，其中燃料电池通过粘接地将有源部件(电流收集器、GDL和MEA)连接在支承板上。下面描述的本发明涉及所述发明的重要改进，并且还改善了其它平面构造的燃料电池。

发明内容

在本发明的描述中，聚合物电解质电化学装置是如下的电化学装置，具有传导离子的聚合物薄膜电解质，例如传导质子薄膜或聚合物薄膜由固定液体电解质的聚合物母体制成，例如固定的KOH和H20。这种装置的实例可以是供应氢聚合物电解质燃料电池、直接甲醇燃料电池和聚合物电解质电解器。为了简明，下面的文字指的是燃料电池的阳极和阴极，但是本领域的普通技术人员将理解到在参考电解器时这些名称应该交换。

本发明的电化学装置包括阳极电流收集器、具有阳极和阴极气体衬垫的薄膜电极组件以及阴极电极收集器。电化学装置最后设计用于多重电池串联配置。

在本发明的一个方面，提供一种平面构造吸气聚合物电解质电化学装置，包括在支承板211的一个表面上串联配置的至少两个燃料电池2’、2”。燃料电池2’、2”配置成压靠具有大于支承板的区域的区域的承载板218。承载板218最好包括位于每个燃料电池2’、2”的区域内的透气部分217，最好具有弧形形式。板218最好是例如移动电话的产品的弧形或弯曲的壳体。

在优选实施例中，支承板21包括层叠构造的至少三个层，其中第一外层包括燃料气体入口201，中间层包括形成气体通道的开口221、224，并且第二外层包括用于气体进入和离开每个燃料电池的燃料电池腔室的入口和出口的开口222、223。气体连接装置最好设置在支承板的一端处。

每个所述燃料电池最好包括阳极电流收集器207、206’、阳极气体扩散层208、阴极气体扩散层210、阴极电流收集器206’、206”以及薄膜电极组件209。薄膜电极组件包括固体离子传导聚合物薄膜电解质、阳极和阴极，并且薄膜电极组件209和气体扩散层208、210配置在阳极电流收集器207、206’和阴极电流收集器206’、206”之间，使得阳极气体扩散层朝着阳极电流收集器指向和连接，以便限定阳极气体腔室，并且阴极气体扩散层朝着阴极电流收集器指向和连接。

薄膜电极组件最好通过粘合剂密封并直接连接到阳极电流收集器上，粘合剂覆盖靠近并与阳极气体衬垫相对应的第一区域，以及围绕第一区域的第二区域，由此在薄膜电极组件和阳极电流收集器之间形成密封，因此形成阳极气体腔室，所述粘合剂在至少所述第一区域内是导电的。

在本发明的另一方面，提供一种平面构造的吸气聚合物电解质电化学装置，包括在支承板111上串联配置的至少两个燃料电池1’、1”。燃料电池1’、1”成对配置在支承板的相对表面上。在优选实施例中，支承板111包括层叠构造的至少三个层。第一外层309包括燃料气体入口301，中间层210包括形成气体通道的开口302、308，并且第二外层311包括用于气体进入和离开燃料电池气体腔室的入口和出口的开口303、304。支承板最好还包括配置有燃料电池1’、1”的主要支承板部分112、312以及端板部分113、313。第一燃料电池1’的阴极电流收集器105以及最后的燃料电池1”的阳极电流收集器107延伸到端板部分113、313的适用于连接到电流收集器触点的表面区域。气体连接装置最好设置在支承板的端板部分上。

在另一优选实施例中，该装置设置具有弧形夹紧杆或夹紧板形式的夹紧装置。

该装置的每个所述燃料电池1’1”最好包括阳极电流收集器106a、107、阳极气体扩散层108、阴极气体扩散层110、阴极电流收集器105、106b以及薄膜电极组件109。薄膜电极组件包括固体离子传导聚合物薄膜电解质、阳极和阴极，并且薄膜电极组件109和气体扩散层108、

110配置在阳极电流收集器106a、107以及阴极电流收集器105、106b之间，使得阳极气体扩散层朝着阳极电流收集器指向和连接，以便限定阳极气体腔室，并且阴极气体扩散层朝着引导电流收集器指向和连接。

薄膜电极组件最好通过粘合剂密封并直接连接到阳极电流收集器上，粘合剂覆盖靠近并与阳极气体衬垫相对应的第一区域，以及围绕第一区域的第二区域，由此在薄膜电极组件和阳极电流收集器之间形成密封，因此形成阳极气体腔室，所述粘合剂在至少所述第一区域内是导电的。

本发明还涉及用于所述平面构造的吸气聚合物电解质电化学装置的连接的电流收集器触点。触点包括其中设置触点装置704的细长开口703，以便在电化学装置的支承板311的端板部分313插入开口时与阳极电流收集器107和阴极电流收集器105接触。

本发明还涉及用于燃料电池夹紧的夹紧装置4a、b、c。夹紧装置包括在其端部43a、b、c具有装置41a、b、c以便接收安装元件从而贴靠燃料电池紧固和固定夹紧装置的夹紧杆40a、b、c，并且夹紧杆具有弧形形状。

夹紧杆40a、b、c最好在中央部分44a、b、c处具有高于端部43a、b、c的弯曲阻力。在一个实施例中，夹紧杆40a具有均匀厚度，并且由具有非均匀材料刚性的材料制成，使得中央部分44a具有高于端部43a的刚性。在另一实施例中，夹紧杆40b具有均匀材料刚性和非均匀厚度，使得中央部分43b具有高于端部43b的厚度。在又一实施例中，夹紧杆40c具有均匀厚度和非均匀弧形形状，使得中央部分44c具有高于端部43c的弯曲曲线。

用于接收安装元件的装置41最好是位于细长板40的每个端部处的开口。

按照另一实施例，提供夹紧装置4d，包括设置用于接近空气的开口并在其拐角部分43d处具有接收贴靠燃料电池紧固和固定夹紧装置的安装元件的装置41d的夹紧板40d。夹紧板是弯曲的，使得中央部分44d在两个垂直方向上弯曲。

按照另一实施例，提供夹紧装置4e，包括夹紧板40e，并具有大致平的第一侧47和后侧48。夹紧板包括实体部分45和开口部分46。开口部分包括弹性材料，并且是弧形和弯曲的，使得开口部分的中央部分44e在后侧48的方向上突起。

本发明还涉及一种包括任何所述夹紧装置的燃料电池。

本发明还涉及燃料电池支承板，包括燃料入口通道和燃料出口308。燃料入口通道具有用于连接到燃料供应装置的入口开口301和用于连接到燃料电池阳极气体腔室的出口开口303。支承板包括层叠构造的至少第一外层309、中间层310和第二外层311，并且燃料入口通道通过中间层210内的细长开口302与第一和第二外层309和311的表面相结合限定。入口开口301靠近细长开口302的一端配置在第一外层309内，出口开口303靠近细长开口的另一端配置在第二外层311内。在优选实施例中，支承板还包括燃料传送通道，以便将燃料从支承板的一侧传送到支承板的相对侧。支承板最好还包括电流收集器部分312，以便连接到电流收集器触点上，电流收集器部分从支承板延伸。燃料入口通道的入口开口301有利地设置在电流收集器部分312内。

附图说明

图1a是按照本发明第一实施例的燃料电池装置的截面图；

图1b是从下面看到的图1a所示的装置的局部剖去的水平视图；

图2a是按照本发明第二实施例的燃料电池装置的截面图；

图2b是用于图2a的装置的支承板的上部视图，其中气体腔室和气体通道通过虚线表示；

图3a-c是燃料电池装置支承板的部件的侧立视图；

图4a是夹紧装置的一个实施例的顶视图4a(I)和截面图4a(I I)；

图4b是夹紧装置的另一实施例的顶视图4b(I)和截面图4b(I I)；

图4c是夹紧装置的另一实施例的顶视图4c(I)和截面图4c(I I)；

图4d是夹紧装置的另一实施例的顶视图4d(I)和截面图4d(I I)；

图4e是夹紧装置的另一实施例的顶视图4e(I)、侧视图4e(I I)和透视图4e(I I)；

图5是气体连接器装置的分解侧立视图；

图6a-b是所示气体连接器的截面侧视图；

图7a是还具有气体连接器的电流收集器触点的侧视图；

图7b是沿着图7a的线A-A的截面侧视图；

图7c是图7a的电流收集器的顶视图；

图8是电流收集器触点的另一实施例，表示具有作为气体密封件812的圆形硅配件或O形圈的气体连接器装置；

图8a是电流收集器触点的顶视图；

图8b是电流收集器触点的侧视图；

图9是现有技术的燃料电池装置的截面侧视图；

图10a是支承板的顶层的顶视图；

图10b是支承板的中间层的顶视图；

图10c是支承板的底层的顶视图；以及

图11是放置在移动电话底板内的燃料电池装置的示意图。

具体实施方式

在国际申请PCT/SE2005/00154中描述平面构造的吸气聚合物电解质燃料电池。在本申请图9中表示的此燃料电池包括阳极电流收集器201、具有阳极和阴极气体衬垫206、208的薄膜电极组件204以及阴极电流收集器。薄膜电极组件通过粘合剂装置密封和连接到阳极电流收集器，由此形成阳极气体腔室。阳极气体衬垫设置在薄膜电极组件的下侧上，并且阴极气体衬垫设置在其上侧。阳极电流收集器包括连接有粘合剂带的支承板210，其包括传导箔片，具有面向薄膜电极组件的上侧和接触支承板的下侧。箔片的两侧具有粘合剂涂层，粘合剂涂层在面向薄膜电极组件的一侧上电传导。薄膜电极组件通过传导箔片的上侧上的粘合剂涂层与阳极电流收集器密封。阴极电流收集器包括镀覆导电金的不锈钢网格202以及夹紧杆219。夹紧杆包括设置用于接近空气的开口的印刷电路板。

连续地尝试增加燃料电池的功率密度，即功率输出/电池容积或电池重量，并且需要更加简单和紧凑结构的燃料电池装置。

本发明的目的在于提供一种改进的燃料电池装置，不受到所述问题的影响。

在现有技术的燃料电池装置中，支承板必须具有一定厚度，以便足够刚性，抵抗通过夹紧杆施加的弯曲力。如上所述实现增加的功率密度的努力需要燃料电池的可以提供较高功率密度的可选择结构。

本发明的燃料电池装置总体包括串联的至少两个燃料电池，燃料电池配置在支承板上。

图2表示按照本发明的一个方面的燃料电池装置的实施例，该装置包括串联且并排配置在支承板211的一个表面上的多个燃料电池，由此形成单侧的燃料电池装置。三个电池在图2中表示，但是应该注意到在此实施例的装置中可以配置任何所需数量的电池。图2的燃料电池指的是第一2’、第二2”和第三2’”燃料电池。每个燃料电池包括阳极电流收集器箔片、阳极GDL208、MEA209、阴极GDL210、阴极电流收集器箔片以及一对透气夹紧部件204。气体腔室形成在燃料电池内，其方式与图1所示的方式相同，并且气体腔室通过粘合剂装置密封。夹紧部件可以是具有开口的网、板或箔片的形式。夹紧部件还可具有弧形或弯曲形状。燃料电池配置成压靠承载板218，承载板具有包括每个燃料电池区域内的开口或孔口区域217的框架的形状。承载板的区域大于支承板的区域。承载板最好是移动电话的壳体的内表面。在最为优选的实施例中，承载板具有可以是凸出或凹入的弧形形状。承载板还可具有弯曲形状，类似于图4所示的夹紧板的形状。支承板和燃料电池通过卡扣连接或通过在支承板之下夹紧在产品(例如移动电话)中具有的其它部件上贴靠承载板连接和压靠，即在与承载燃料电池的一侧相对的支承板的一侧上。

燃料电池通过电流收集器箔片的配置串联。电流收集器箔片206’用作第一电池2’的阴极电流收集器，以及用于第二电池2”的阳极电流收集器，并且电流收集器箔片206”用作第二电池2”的阴极电流收集器以及作为第三电池2”’的阳极电流收集器。

图2b所示的支承板包括至少三个层，其中第一外层包括燃料气体入口201，中间层包括形成气体通道的开口221、224，并且第二外层包括用于气体进入和离开每个燃料电池的燃料电池气体腔室的入口和出口的开口222、223。燃料气体从气体入口开口201经由气体通道221传导，并且经由开口222进入形成在阳极电流收集器和第一燃料电池2’的MEA之间的气体腔室。燃料气体流经由气体腔室引导，并经由开口223离开，并接着进一步引导到下一个燃料电池2”的气体腔室。最后，气流经由支承板内的燃料气体出口通道225离开装置。气体连接器装置(最好是图4和5所示的类型)可与气体入口开口201相结合设置在支承板上。第一电池2’的阳极腔室区域通过虚线220表示。

按照本发明的另一方面通过设置燃料电池装置实现增加的功率密度，燃料电池装置包括具有施加在两侧的燃料电池的支承板，以便形成双侧燃料电池装置。燃料电池都包括燃料电池所需的所有部件，但是它们具有公共的支承板。燃料电池都通过其向外表面上的夹紧装置夹紧，但是通过夹紧装置施加的弯曲力由此相互抵消。支承板上的机械应力减小，并由此减小刚性要求。因此，可以使用具有较小厚度的支承板。这种双侧燃料电池装置可进一步与另外的双侧燃料电池串联，以便形成多重燃料电池装置。由于在两侧上采用支承板，燃料电池装置实现了较高的功率密度。

实现增加的功率密度的问题的另一解决方法通过按照本发明的另一方面的燃料电池装置来实现。由此，改进的燃料电池装置包括薄支承板(此后称为支承箔片)，包括将燃料气体提供给燃料电池装置的气体通道。燃料电池配置在支承箔片的一侧上。支承箔片最好包括层叠构造的三层或多层。支承箔片最好非常薄，大约0.3-1mm，并且不需要足够的机械刚性来抵抗夹紧力。支承箔片通过支承箔片后侧上的刚性板或杆支承，并且在一侧通过夹紧杆或夹紧板夹紧。

实现增加功率密度的问题的又一解决方法是通过按照本发明的另一方面的燃料电池装置来提供。此方面的装置包括如上所述的支承箔片。在此实施例中，支承箔片不被支承，而是阴极气体扩散层(GDL)压靠刚性板，具有大于支承箔片的区域，并且包括开口以便接近来往于阴极的气体。此板可例如在移动电话底板的内部。此解决方法因此提供将燃料电池装置放置在另一产品内的改进灵活性。

图1a表示按照本发明第一方面的燃料电池装置的一个实施例的截面分解视图。图1b表示从图1a下方看到的此实施例的局部剖去视图。燃料电池装置包括配置在支承板111的相对侧上的两个串联的电池1’和1”，以便形成双侧燃料电池装置。两个燃料电池具有类似的结构，使得每个电池包括阳极电流收集器箔片、阳极GDL(气体扩散层)、MEA(薄膜电极组件)、阴极GDL、阴极电流收集器箔片和夹紧装置。通过气体扩散层，气体腔室形成在阳极电流收集器箔片和MEA之间。电池的有效区域因此与GDL的区域相对应，并且通常具有大于1.5×5cm的尺寸。在图1a中，第一燃料电池1’表示在支承板11之下，而第二燃料电池1”表示在支承板之上。但是应该理解到燃料电池装置可以转到任何方向上，并且术语“之上”/“之下”以及“上部/下部”只用于简化描述。

第一下部电池1’因此包括阳极电流收集器箔片106a、阳极GDL108’、MEA109’、阴极GDL110’、阴极电流收集器箔片105和包括夹紧网104’的夹紧装置。第二上部电池1”包括阳极电流收集器箔片107a、阳极GDL108”’、MEA109”、阴极GDL110”、阴极电流收集器箔片106a和包括夹紧网104”的夹紧装置104。形成在阳极电流收集器箔片和每个电池的MEA之间的气体腔室通过粘合剂层密封，并且电流收集器105、106、107粘接在其相邻部件上。整个组件通过例如安装在开口117上的螺钉或螺栓102和螺母103的夹紧装置夹紧。重要的是在燃料电池组件上获得均匀的夹紧压力，以便在整个有效区域(即与GDL相对应的区域)上实现均匀和低的固有电阻。为此，图4d或4e所示的弯曲夹紧装置是优选的。

电池通过作为两个电池1’、1”的部件的电流收集器箔片106串联，使其配置成第一电池1’内的阳极电流收集器箔片106a，围绕支承板111折叠，并且配置成第二电池1”内的阴极电流收集器箔片106b。

支承板111包括定位燃料电池装置的有效区域的主要支承板部分112，即形成在每个阳极电流收集器箔片和阴极GDL之间的气体气体腔室区域；以及支承电池1’、1”的电流收集器箔片并适用于插入电流收集器触点的端板部分113。通过此构造，装置的第一阳极(负极)电流收集器定位在装置的上一个阴极电流收集器的相对侧上(正极)。这种双侧的板(此后称为端板部分)可容易安装成推入接触，以便引导电流。

这种电流收集器触点在图7a、7b、7c和8a、8b中表示。支承板包括用于连接到定位在端板部分112内气体供应装置(气体毛细管)上的装置101和将燃料气体引导到第一燃料电池1’的阳极腔室的气体通道302(见图3)。气体经过第一电池的气体腔室，并且接着在其经由出口通道308离开燃料电池装置之前，经由支承板内的开口304、305、306引导到第二燃料电池1”的气体腔室。支承板最好是下面描述的类型。

去往燃料电池装置的电池的气体供应装置可以并联或串联或其组合。在操作过程中电池具有小压力降时，有利的是将气体供应装置串联。这是例如由于水滴在气体通道内凝结，如果出现气体阻碍的情况，过压将从燃料(例如氢)源积累，将水滴推出通道。但是。如果多个电池上的压力降在操作过程中过高，那么第一电池内出现的过压造成气体泄漏。在这种情况下，更好的是将气体供应装置并联或者串联和并联的组合。

虽然图1a表示包括两个串联的燃料电池的燃料电池装置，应该明白的是燃料电池装置可包括任何偶数的燃料电池，并且通过略微的调整，也可以是奇数的电池。装置的输出电压可因此在广泛的电压范围上选择。

通过双侧燃料电池装置获得的一个优点在于它具有较高的功率密度，这是由于支承板在两侧使用。另一优点在于支承板可制成很薄，这是由于装置在两侧通过夹紧杆或夹紧板夹紧，其中弯曲力相互抵消。

图11是放置在移动电话底板内的燃料电池装置的示意图。941表示移动电话前部，942a是移动电话后板的内部，942b是移动电话后板的外部，943是压靠到移动电话后板上的燃料电池装置，944是入口孔。

夹紧杆

燃料电池装置的部件通常需要夹紧在一起。低的内部电阻是改善任何燃料电池装置的性能的关键参数。内部电阻是装置的部件的总体内在电阻，即有效层和GDL的电阻、薄膜和接触电阻。通常，夹紧力在燃料电池上的施加可用作两种作用：

i)通过压缩气体扩散层(GDL)并相互压靠部件(例如将电流收集器压靠GDL和/或将GDL压靠薄膜电极组件(MEA))，GDL和部件之间(即接触电阻)的内在电阻将减小；

ii)夹紧压力有助于修正围绕夹紧区域的密封件的功能。

在阳极隔室通过使用粘合剂来实现的燃料电池中，虽然氧侧通向空气，如专利申请PCT/SE2005/001514所述那样，出于密封目的不需要夹紧，但是有助于减小(i)所述的内在电阻。

为了增加燃料电池装置的功率密度，希望的是将夹紧杆制成尽可能薄。但是较薄的夹紧造成较弱的机械整体性和刚性，继而给出更加不均匀的夹紧压力。本发明改善夹紧的目的因此在于具有薄的夹紧杆，同时在整个夹紧杆区域之下获得局域的夹紧压力。

为了获得高的功率密度，同样希望的是使得夹紧杆窄小。较窄的夹紧杆还造成氧不太受到阻碍地扩散到阴极。如果夹紧杆窄小，定位在夹紧杆和阴极GDL之间的导电和多孔介质(例如金属网格)需要具有高机械整体性和刚性，以便在整个阴极GDL区域上均匀低分布夹紧力(通过夹紧杆提供)。

应该注意到虽然描述了夹紧杆，与其长度和厚度相比，此夹紧杆可具有显著的宽度，使其可覆盖整个电池区域。如果夹紧杆具有显著的宽度，它可以在两个垂直方向上弯曲，即一个方向沿着杆的长度，并且一个方向垂直于该长度。夹紧杆可具有一个或多个孔，以便改善空气去往阴极。夹紧杆不必须导电。

在类似于图9(现有技术)所示的燃料电池中，通过夹紧杆施加的压力具有不均匀的趋势，这是由于夹紧杆通过其端部处的螺栓贴靠燃料电池紧固或固定。因此，夹紧压力趋于在夹紧杆的中央区域较低，并且朝着螺栓较高。对于图1所示的PCB板来说，在夹紧杆长于20mm时，这种问题变得特别值得注意。

本发明的另一方面的目的在于提供燃料电池的不具有夹紧问题的解决方法。此目的通过下面描述的夹紧装置来实现。

按照本发明，可以使得夹紧装置略微弧形来实现更加均匀的夹紧。本发明的夹紧装置适用于需要夹紧以便减小内部电阻的燃料电池，例如图1和2所示的那些，或者PCT/SE2005/001514描述类型的燃料电池或者其它类型。

现在参考图4a-4d，夹紧装置包括具有端部43和中央部分44的夹紧杆，与其长度相比相对窄小。夹紧板设置用于接收例如螺栓或螺钉和螺母、卡扣连接、弹性连接等安装元件以便在其端部43处贴靠燃料电池紧固和固定夹紧装置的装置41，并且具有弯曲或弧形形状，使得定位弯曲中央部分的平面位于离开夹紧杆多端部平面的一定距离上。夹紧装置安装在燃料电池中，其中弯曲表面朝着阴极电流收集器的网格面向燃料电池内部。在未紧固状态下，夹紧杆的中央部分44将接触阴极电流收集器，同时端部43将离开阴极电流收集器一定距离上。在紧固状态下，安装装置被紧固，使得所需夹紧压力通过夹紧杆端部处的安装装置施加。由于夹紧杆的弧形形状，中央部分44通过比具有直线(非弧形)夹紧装置的情况更高的夹紧压力压靠阴极电流收集器。

为了获得均匀夹紧压力，夹紧杆最好具有在中央部分处具有高于端部处的弯曲阻力。这可按照图4a-4d所示的实施例以不同方式实现。在图4a-4c的实施例中，夹紧装置4的夹紧板40具有细长矩形形状。安装装置41是位于夹紧杆的每端处的开口。在图4a所示的实施例中，夹紧杆40a具有均匀的厚度，并且由具有不均匀的材料刚性的材料制成。由此例如通过将加强件结合到夹紧杆的材料中，中央部分44a具有高于端部43a的刚性以及较高的弯曲阻力。

在图4b所示的实施例中，夹紧杆40b具有均匀的材料刚性以及不均匀的厚度，使得中央部分44具有高于端部43b的厚度以及较高的弯曲阻力。

在图4c所示的实施例中，夹紧杆40c具有均匀的厚度和不均匀的弧形形状，使得中央部分44c具有高于端部43c的弯曲曲线。在此实施例中，夹紧杆具有抛物线形状，但是还可考虑造成中央部分的较高弯曲阻力的其它不均匀曲线。通过夹紧杆的抛物线形状，可以通过简单弯曲具有不均匀厚度和材料的夹紧杆来获得中央部分的所需较高的弯曲阻力。

图4d所示的实施例不同于图4a-4c的实施例之处在于夹紧杆41d更宽，并且更加类似于夹紧板。在此实施例中，夹紧杆的宽度大致与安装它的燃料电池的宽度相对应。夹紧杆因此是矩形或方形的，并且用于接收安装元件的装置41d定位在板40d的每个拐角部分处。如果所需的另外的安装螺栓可以连接。夹紧杆是弯曲的，使得中央部分44d在两个垂直方向上弯曲，即沿着板的出纳给定以及沿着宽度。此实施例的夹紧杆的宽度使得夹紧杆覆盖整个电池区域。

如果希望，夹紧杆的形状可以是如上所述的形状的组合，即夹紧杆可具有不均匀材料刚性和/或不均匀厚度和/或不均匀弧形形状。

夹紧杆具有一个或多个开口，以便改善空气接近阴极，并且不需要导电。

夹紧板

在图9所示的现有技术燃料电池中，阴极电流收集器的传导网格202(例如镀金的不锈钢网格)是平的，并且具有薄弱和柔性结构。因此，夹紧力在夹紧杆之下最高，并且在垂直于夹紧杆的方向上朝着网的周边减小。

在本发明的另一方面，因此提供不均匀夹紧压力问题的另一解决方法。按照本发明的此方面，金网格和夹紧杆通过将夹紧杆和网格的各自组合的夹紧板代替。

图4e所示的夹紧装置包括具有前侧47和后侧48的夹紧板40e。在安装在燃料电池时，前侧向外指向，并且大致是平的。在安装时，后侧向燃料电池内指向。夹紧板包括实体部分45和开口部分46。开口部分具有多个开口以便提供接近来往于阴极氧电极的气体。

实体部分45最好是矩形的，并且用作保持开口部分的框架。实体部分因此具有其中定位由开口部分46的开口(窗口)。此开口以及开口部分定位成使得在夹紧装置安装在燃料电池内时，开口部分位于燃料电池的薄膜电极组件(MEA)的区域内。在图4e所示的夹紧装置内，开口部分46位于实体部分45的一侧上。

开口部分包括弹性材料并且是弧形或弯曲的，使得开口部分的中央部分44e在后侧48的方向上突起。开口部分46的曲线可以与图4a-4d实施例相同的方式或者其组合成形。选择用于开口部分的弹性材料必须足够柔性，以便贴靠有效区域的表面形成其本身，但是同时足够刚性，以便能够在燃料电池部件上施加夹紧力。开口部分可以是网结构，或者穿孔或多孔部分。它可以具有与实体部分相同或不同的材料。

在一个优选实施例中，实体部分和开口部分分开制造，并且接着相互连接。由此开口部分可以由不同于实体部分的材料制成。这在希望非弹性实体部分的情况下是有利的。

在另一优选实施例中，实体部分和开口部分制成单个整体部件，两个部分具有相同材料。由于将开口部分安装在实体部分的步骤被省略，这简化了夹紧装置的制造。

开口部分46应该具有使其大致覆盖燃料电池的有效区域(例如气体扩散层、GDL)的尺寸。开口部分的材料可以是高度导电或不良导电。如果选择不良导电的材料，高度导电层应该最好连接在GDL上，以便相对于相邻的电池阳极的电流收集器，改善导电性能，并且改善电接触。

按照本发明的此方面的夹紧装置的另一结构适用于图1a所示的装置。在此结构中，夹紧板包括与通过夹紧板夹紧的燃料电池的位置相对应的多个窗口或开口部分。

此方面的夹紧装置具有如下优点：

简化结构，由于镀金网格和夹紧杆通过单个部件代替，并且因此省略燃料电池在的组装步骤，而且错误的危险较少，例如部件的错位；

增加功率密度，由于此方面的夹紧装置的使用造成更加紧凑的结构，继而造成燃料电池装置更高的功率密度。

所述本发明的另一改进在于使得所述夹紧装置(图4a-4e)的夹紧板由刚性和轻材料制成。

适当材料例如是碳，由于它与电池的GDL的固有接触阻力。在一个实施例中，夹紧装置的夹紧杆或夹紧板由整体或部分通过刚性粘合剂浸渍以便提供刚性的碳纤维网、碳纤维布、热解聚合物或碳纸制成。在局部浸渍的情况下，夹紧杆或夹紧板可以通过如所示在碳衬底一侧上涂覆蜡合成物、将衬底成形为所需弧形形状并接着在通过化学和/热处理去除蜡涂层之前将碳衬底浸入粘合剂来形成。在另一实施例中，夹紧杆或夹紧板由整体或部分浸渍可热解聚合物(酚醛树脂)的碳纤维网、碳纤维布、碳毛毡、热解聚合物或碳纸制成。在又一实施例中，夹紧杆或夹紧板由在模具中预先成形并热解的热解聚合物制成。

如图1示意所示那样，一对所示的夹紧装置还可在燃料电池装置内安装在支承板的每侧上，以便给出双侧燃料电池。夹紧杆还可按照所述实施例的组合来设计。

例如通过施加Teflon涂层，夹紧板可任选地制成疏水的。但是必须注意疏水涂层不给相邻部件(例如相邻电池的阴极或电流收集器或阳极的GDL)增加接触电阻。

为了在夹紧板和相邻电池的阳极的电流收集器的金属表面之间提供更好的电接触，例如通过等离子喷涂和/或蒸气沉积方法，夹紧板可任选地涂覆金属层。金属涂层可整体或部分覆盖夹紧板。

在另一实施例中，夹紧板由不导电、但刚性的塑料材料(例如硬的PVC)制成，该材料通过导电层(例如金属Cu或不锈钢)涂覆在面向GDL的一侧上。这种结构的优点在于塑料元件便宜以便大量制造，并且金属涂层通过夹紧或通过熔接或焊接而很好地连接到相邻电池的阳极电流收集器的金属表面上。金属离子从金属涂层中分解并危害MEA的危险可以通过添加例如金、碳或其它燃料电池技术中所使用的保护和减小接触电阻的层的保护层来克服。

在可选择实施例中，夹紧板的弯曲强度还可通过将型面引入夹紧板来实现。所述型面可具有不同深度，以便在中间给出较高强度。

支承板

在图9所示的现有技术燃料电池中，使用其中钻制气体通道并且连接气体毛细管以便将氢提供给电池的支承板。气体通道延伸经过支承板，并且气体通道与气体毛细管的连接位于支承板的侧部。支承板通常由刚性材料制成，例如树脂玻璃。气体通道必须具有超过气体毛细管直径的直径，以便进行连接。因此，支承板的厚度必须超过气体毛细管的外直径，并且因此多达几个毫米，例如2-3mm。支承板的厚度为图9所示的燃料电池的功率密度设置极限。

持续尝试获得具有增加功率密度的燃料电池，并且因此需要一种具有增加功率密度的燃料电池装置。

本发明的目的因此提供一种具有增加功率密度的燃料电池装置。此目的通过提供非常薄的支承板的本发明来实现。

本发明的燃料电池支承板包括层叠构造的至少三个层，即第一外层、中间层和第二外层。燃料入口通道和燃料出口通道包括在支承板层叠构造中。燃料入口通道通过层叠构造的中间层的细长开口与相邻第一和第二外层的表面相结合限定。连接燃料供应装置(例如气体毛细管)的燃料通道的入口开口在靠近中间层的细长开口的一端的区域内配置在第一外层内。燃料通道的出口开口配置在靠近细长开口的另一端的区域内配置在第二外层内。在支承板配置燃料电池内时，燃料通道的出口开口将位于阳极气体腔室的区域内，使得燃料可引导到阳极气体腔室。设置在支承板内的燃料出口通道从阳极气体腔室延伸到支承板内的出口开口，以便排出燃料流。本发明的思想因此在于通过层叠设置开口或孔口的三个或多个薄层来形成支承板，开口一起形成所需的燃料通道。燃料最好是气体，最为优选的是氢气。

支承板的各层最好由刚性材料制成，以便能够抵消所述的夹紧杆或夹紧板的弯曲力。通过夹紧杆施加的压力和夹紧力可以通常是50N/cm²。对于高功率燃料电池装置来说，支承板材料应该还最好是耐热的，以便经受50℃以上的温度。支承板的材料应该最好不释放任何有害于燃料电池装置的MEA的气体。支承板最好不导电。

按照本发明，各层可由聚合物箔片、金属箔片或层压在一起的涂覆聚合物蜡的纸张制成。每层最好具有0.1和1mm之间的厚度。支承板可包括层压在第一和第二外层之间的两个或四个或甚至更多的层。有利的是希望提供在不同方向上指向的气体通道或者相互交叉的气体通道。支承板的各层可以通过热密封通过粘接、或者通过使用粘合剂薄膜相互层压。

在优选实施例中，支承板设置在第一和第二外层之间延伸经过支承板层叠构造的燃料传送通道，使得燃料可从一个燃料电池的阳极气体腔室引导到配置在支承板的相对侧上的另一燃料电池的阳极气体腔室。

在图3中，支承板的一个优选实施例示意表示。在此实施例中，支承板适用于气体供应到配置在支承板的相对侧上的两个燃料电池单元。这种配置的视图在图1a中表示。在此实施例中，层叠支承板包括三个层：第一外层309、中间层310以及第二外层311。每层包括具有突片形式的端板313。电流收集器部分适用于插入电流收集器触点，例如图7所示。

在使用中，燃料气体进入位于第一外层的电流收集器部分313内的开口301，并且接着朝着作为设置在第二外层内的气体腔室入口开口的气体通道出口开口303引导经过气体通道302，由此气体进入其中配置支承板的燃料电池的阳极气体腔室。气体入口通道302通过设置在中间层内的细长开口与第一外层309和第二外层311的表面一起形成。气体通道的高度因此与中间层的厚度重合。气体通道的宽度与细长开口的宽度重合。气体通道的底壁和顶壁分别是第一和第二外层。

在离开气体入口通道302之后，燃料气体经过阳极气体腔室，并经由第二外层内的开口304离开。中间层和第一外层都具有与开口304重合的开口305、306。这些开口一起形成燃料传输通道，以便将燃料气体传输到配置在支承板的相对侧上的燃料电池的阳极气体腔室。气体因此经由开口306进入相对燃料电池的阳极气体腔室，并且经由设置在第一外层209内的开口307离开阳极气体腔室，并且经由以与气体入口通道302相同方式设置在支承板内的出口气体通道308离开燃料电池装置。

通过将气体毛细管连接到设置在平表面上的入口开口上，支承板的厚度可减小到小于1mm。

即使所述的支承板的各层的开口和孔口具有一定位置和形状，这具有一定的优点，应该理解到本发明的范围还包括具有不同定位的气体开口和气体形状和位置的孔口的支承板。

在此特定实施例中，电流收集器端板313具有突片的形式，简化了使用的燃料电池装置与新的燃料电池装置的交换。但是，希望的是例如通过只延伸支承板层的宽度，不同地成形电流收集器部分。

在本发明的可选择的实施例中，除了夹紧的那些部件之外，支承板的部分结合在装置的壳体内。支承板的顶部(最靠近燃料电池的层)与燃料电池部件(即MEA、GDL以及传导箔片/带部件)结合。夹紧部件包括具有开口部分的夹紧板。

在使用中，所述顶部通过粘合剂连接到壳体上。所述顶部由此容易在寿命到期之后更换。图10表示如何使用此实施例。

图10a是顶层视图。此层包括具有用于接近空气的开口部分921的夹紧板920。

图10b是中间层视图。此层包括MEA、GDL和传导带。方块922表示GDL和有效区域的相对尺寸。在燃料电池部件之下的是支承层923，具有用于接近氢气的孔924。支承板应该很大，使其覆盖进入/离开的气体以及底层处的通道。

图10c是底层视图。此层可以与装置的壳体(例如模制塑料壳体)结合。此层具有气体入口孔925和气体出口孔926。在它们之间是用于氢气流的凹槽图案927。所述图案还可中断，使得气体被迫经过电池。

重要的是中间层和底层之间的界面是气密的。这可以通过使用粘合剂和/或夹紧力来实现。

气体连接

在现有技术燃料电池装置中，燃料(例如氢气)经由板的短端进入支承板。采用此解决方法，支承板内的气体入口开口必须能够接收气体毛细管的尖端，指的是支承板的厚度超过气体毛细管的外直径。有利的是找出可选择的方式来为燃料电池装置提供气体，从而使用较薄的支承板。

按照本发明，提供使得燃料气体进入平表面而不是支承板的短边上的燃料电池装置的气体连接装置。气体连接器装置接收气体毛细管的尖端，并且对于支承板的厚度没有要求。此配置还使得燃料气体经过电流收集器触点部件供应，如下面描述那样。气体连接装置可与图1所示的燃料电池装置的实施例结合使用。

在可选择实施例中，气体连接器装置而是以推入接触方式放置，即燃料电池装置具有端板部分内的入口开口301，如图3所示。在装置被推入电流收集器触点802时(见图8)，开口定位成使得密封件812(例如O形圈或圆形硅密封件)接触，使得弹簧力确保气密，并围绕开口。

气体连接器装置500的另一实施例在图5和6中表示。气体连接器装置包括配置在支承板511和外部部件501之间的弹性密封部件503。气体连接器装置的部件503和501相互连接，并通过由粘合剂或胶形成的接触层502、504连接到支承板上，确保气体连接器的气密和机械整体性。弹性密封部件503最好由硅橡胶或任何其它弹性聚合物形成，在其中心具有开口507。开口507的直径小于连接到燃料电池装置上的气体毛细管508的外直径。密封部件的弹性性能确保气体毛细管的气密连接。

部件503、501配置在支承板上，使得支承板的气体入口开口505和部件的开口507和506重合并形成插入气体毛细管的短入口连接通道607(见图6a)。支承板和外部部件的开口505、507的直径与连接的气体毛细管508的外直径相同。外部部件最好由非弹性材料制成，最好是由与支承板相同的材料制成。顶层的目的在于气体毛细管的更加尖锐的插入角度，使其在连接时垂直(或以另一所需角度)插入到支承板。

顶层有利地显著大于硅橡胶板，使其周边部分可直接连接到支承板上。此结构提高了气体连接器装置的机械整体性。

在图6a和6b所述的优选实施例中，外部部件601通过粘合剂、胶或热压而直接连接到支承板611上，以便提供燃料连接器装置的改进的机械整体性。

电流收集触点

在图1所示的现有技术燃料电池装置中，燃料电池装置的端板电流收集器以相互离开一定距离的方式放置在不同位置上，使得来自于端部电流收集器的电导线的连接复杂化。本发明旨在提供一种简化的方法而将燃料电池装置的电流收集器连接到例如微型燃料电池系统的功率电子器件上。

图1a、1b所示的本发明的燃料电池装置的实施例包括配置在支承板上的串联的电池。支承板具有如上所述的伸出的电流收集器端板，端板适用于连接到电流收集器触点上。

图7a-c表示这种电流收集器触点702的一个实施例。电流收集器触点设计成细长推入触点。具有用于紧固装置的开口708的连接部分701设置在触点的每端处。触点包括沿着触点702延伸的触点凹口703。触点凹口最好具有纵向缝隙的形式，具有平的底部表面707。在触点凹口703内，触点装置704如图7c所示配置。触点装置最好是弹性金属凸舌，通过触点装置704在支承板的端板部分113上施加的弹簧力确保足够的接触压力。有利的是，触点凸舌具有减小接触电阻的涂层，例如金涂层。多个触点装置704最好设置在触点凹口703内，并配置在触点凹口的相对侧上，以便获得均匀的接触压力和固定接触。

配置有燃料电池的支承板的端板部分(图3中的313)插入触点凹口703，因此触点凹口的尺寸必须被选择成使得触点凹口可容纳端板部分。燃料电池装置的触点配置因此包括支承板的端板部分(突出触点)以及电流收集器触点(凹入触点)。

优选的实施例提供电流收集器触点内的气体连接709，使得具有配置在支承板的端板部分313上的气体连接器装置500(如图5-6所示)的燃料电池装置可连接到燃料气体供应装置上。气体连接709接着配置成自动安装在燃料电池装置的气体连接器装置500上。由此，电流收集器触点功能和气体提供给燃料电池装置可以通过相同部件来实现，因此进一步简化装置的构造。

特别有利的选择是气体连接器装置以推入接触的方式放置，即燃料电池装置具有端板部分内的入口开口301，如图3所示。在装置被推入电流收集器触点802(见图8)时，开口定位成使得密封件812(0形圈或圆形硅密封件)接触，使得弹簧力确保气密并围绕开口。

按照本发明，电池可以多种不同的构造定位。随后电池可例如定位成U或O(圆形)形结构。一种优选的构造是将四个电池定位成方形构造。(这在实例2中简化)。在此构造中，夹紧可不仅在夹紧板或支承板的周边提供，而且还可定位在支承板的中间。

在冷环境中操作燃料电池装置

图9所示的燃料电池装置敏感于周围环境的温度。如果温度接近或低于0℃，难以从该装置获得高功率，这是由于燃料电池装置内的催化反应和质子传导率是敏感于温度的。另外，如果装置在接近或低于0℃的温度下操作，会在燃料电池的使用过程中出现形成水(以凝结形式)的情况，造成性能减小。因此需要能够将燃料电池装置保持在高于环境温度的温度下。

此问题可通过经由例如粘合剂装置将电加热元件连接到支承板的后侧上的改进燃料电池装置来解决。加热元件可以在燃料电池装置启动之前和期间内使用，以便加热MEA，使得燃料电池装置可供应更多的功率以及更多的热量，以便继续操作。在操作过程中，加热元件可任选地保持接通，以确保水不以不希望的方式凝结。在燃料电池装置关闭过程中，加热元件可加热电池以便适当干燥电池。

有关在冷环境下操作的本发明的另一改进是将隔热但多孔的片材连接在阴极夹紧板或夹紧杆外部。这种覆盖片材可例如由多孔聚合物片材制成，例如多孔的Teflon。在双侧燃料电池装置的情况下，覆盖片材可以作为放入燃料电池装置的袋口制成。

本发明将进一步通过下面的非限定实例来描述。

实例1

具有钢板的4电池单元

在此实例中，组装4电池单元，每个电池具有2.1cm²的有效表面。极化曲线数据在下面的作为实例1的表格内提供。此燃料电池的夹紧装置是1mm厚的钢板，钢板具有与气体扩散层(GDL)相同尺寸(15mm×14mm)的矩形孔。在孔之上对中但通过双面粘合剂与钢板电绝缘，还使用17mm×23mm四个镀金钢网，并且具有每cm650个孔的网格。薄膜电极组件(MEA)是来自于Gore的Primea 58(0.4mgPtcm^-2阴极、0.4mgPtcm^-2阳极、18μm厚的薄膜)。GDL是来自于Gore的Carbel产品，其微孔侧朝着MEA。

为了形成钢板，我们以各自0.8mm厚的三个塑料片材开始。这三个片材将标示为顶层、中间层和底层。我们接着按照印刷模板在这些片材上切出孔。这些孔将形成氢气到达电池的通道。底层内的孔用于外部气体连接。使用有TESA提供的双侧带，我们将带附接在中间层的两侧上，其中孔和通道也穿过这些带，并且接着将其附接在顶层和底层上，因此以三层支承板层叠结构来结束。来自于3M的双侧不传导的粘合剂带接着附接在层叠结构上，完全覆盖其最上面的表面，并且由此封闭原来开启的通道。顶层表面的保护层接着被剥离，由此有TESA提供的铜箔片(产品号4384)被粘接，其中导电粘合剂背向支承板，因此形成阳极电流收集器。接着切制孔，因此形成用于每个电池的气体进入和气体离开通道。

燃料电池部件(MEA、GDL和导电带)如图2a所示定位。

我们使用4个具有20mm×21mm尺寸的MEA。MEA和GDL在120℃下热压以便使其粘接在一起。接着，在铜的最上面保护层去除之后，MEA/GDL部件对中，以便覆盖气体进入和气体离开的孔，并且仔细粘接在阳极铜箔片上。此衬垫的尺寸确定每个电池在此4单元电池中的有效区域，即每个电池的2.1cm²。MEA的不覆盖衬垫的表面接着通过例如平滑Teflon部件将MEA轻轻擦去而贴靠阳极铜箔片密封。

此四电池单元的夹紧来自于两个钢板，钢板各自具有1mm厚，具有大于支承板的尺寸。不导电的粘合剂带接着被粘接，以便将镀金钢网与钢板电绝缘。我们接着将三层、四电池单元连接在钢板上，并且通过将螺钉插入钢板内早期铣削的孔，将钢板紧固在一起，以便实现所需的夹紧压力。单纯和干燥的氢用于阳极，而阴极接触空气大气。氢流通过质量流量计(Brooks Instruments)控制。电流密度通过载荷传感器(TTI，LD300)控制。

实例2

具有位于方形内的电池的4电池单元

在另一实例中，组装并测试具有位于60mm×40mm尺寸的方形内的电池的4电池单元。此实例的夹紧不同于实例1，这是由于夹紧通过螺钉出现在方形的中央。同样，夹紧的阴极侧是刚性塑料箱的壳体，具有大于支承板的平的内表面。

镀金钢网和双侧粘合剂同样以与前面实例相同的方式用于此实例。除了气体流动通道以有利于方形结构的方式进行不同的设计之外，类似于MEA和GDL的部件以及此实例的组装类似于前面的实例。此实例和前面实例之间的另一不同之处在于燃料电池的总体有效区域；在此实例中是5.28cm²，小于实例1。

下面作为实例2给出极化曲线数据。

实例3

具有弯曲表面的4电池单元

此实例是类似于实例1的四电池装置，每个电池实际上具有2.1cm²的相同有效区域表面。镀金钢网和双侧粘合剂同样以与前面实例相同的方式用于此实例。但是，第一实例和此实例之间存在两个主要不同点。首先，电池在具有36mm外直径的弯曲支承板表面上制成。电池的组装类似于前面的情况完成，但是此时MEA和GDL围绕弯曲表面插入并也是弧形的。阴极侧上的夹紧是0.05mm厚的薄不锈钢箔片，在弯曲表面上捆扎。并且其次，用于此实例的MEA是来自于Gore的Primea 5710(0.4mgPtcm-²阴极、0.4mgPtcm-²阳极、18μm厚的薄膜)。

下面作为实例3给出极化曲线数据。

MEA：Primea 58，2.1cm2有效表面

MEA：Primea 58，1.32cm2有效表面

MEA：Primea 5710(不同载荷)，2.1cm2有效表面

Claims (11)

1.一种平面构造的吸气聚合物电解质电化学装置，包括串联配置在支承板的一个表面上的至少两个吸气聚合物电解质燃料电池(2’，2”，2”’)，燃料电池(2’、2”、2”’)配置成压靠具有大于支承板区域的区域的承载板，其中每个所述燃料电池包括：

阳极电流收集器；

阳极气体扩散层；

阴极气体扩散层；

阴极电流收集器；以及

薄膜电极组件(209)，其中薄膜电极组件包括固体离子传导聚合物薄膜电解质、阳极和阴极；

其中所述薄膜电极组件、阳极气体扩散层和阴极气体扩散层配置在所述阳极电流收集器和所述阴极电流收集器之间，使得阳极气体扩散层朝着阳极电流收集器指向和连接，以便限定阳极气体腔室，并且阴极气体扩散层朝着阴极电流收集器指向和连接，

其特征在于，

所述支承板包括层叠构造的至少三个层，其中所述至少三个层中的第一和第二外层用于形成气体进入口(201)和气体出口(223)，而所述至少三个层中的中间层用于在气体进入口和气体出口之间形成气体通道(221，224)；以及

其中每层具有0.1-1mm的厚度。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，承载板包括位于每个燃料电池的区域内的透气部分。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，透气部分为孔(944)

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，承载板是移动电话的弧形或弯曲壳体。

5.如权利要求1-4任一项所述的装置，其特征在于，气体连接装置设置在支承板的一端处。

6.如权利要求1-4任一项所述的装置，其特征在于，薄膜电极组件通过粘合剂密封和直接连接在阳极电流收集器上，粘合剂覆盖与阳极气体扩散层相对应的第一区域以及围绕第一区域的第二区域，由此在薄膜电极组件和阳极电流收集器直接形成密封，因此形成阳极气体腔室，所述粘合剂至少在所述第一区域内导电。

7.一种平面构造的吸气聚合物电解质电化学装置，包括串联配置在支承板(111)的一个表面上的至少两个吸气聚合物电解质燃料电池(1’、1”)，所述燃料电池(1’、1”)成对配置在支承板(111)的相对表面上，其中每个所述燃料电池包括：

阳极电流收集器；

阳极气体扩散层；

阴极气体扩散层；阴极电流收集器；以及

薄膜电极组件(109’、109”)，其中薄膜电极组件包括固体离子传导聚合物薄膜电解质、阳极和阴极；

其中所述薄膜电极组件、阳极气体扩散层和阴极气体扩散层配置在所述阳极电流收集器和所述阴极电流收集器之间，使得阳极气体扩散层朝着阳极电流收集器指向和连接，以便限定阳极气体腔室，并且阴极气体扩散层朝着阴极电流收集器指向和连接，

其特征在于，

所述支承板(111)包括层叠构造的至少三个层(309、310、311)，其中所述至少三个层中的第一和第二外层用于形成气体进入口(201)和气体出口(223)，而所述至少三个层中的中间层用于在气体进入口和气体出口之间形成气体通道(221，224)；以及

其中每层具有0.1-1mm的厚度。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，支承板(111)包括配置有燃料电池(1’、1”)的主要支承板部分(112、312)以及端板部分(113、313)，其中第一燃料电池(1’)的阴极电流收集器(105)和后面燃料电池(1”)的阳极电流收集器(107)延伸到端板部分(113、313)的表面区域，所述端板部分连接到电流收集器触点上。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，气体连接装置设置在支承板的端板部分上。

10.如权利要求7-9任一项所述的装置，其特征在于，设置有用于夹紧燃料电池的夹紧装置，夹紧装置具有弧形夹紧杆或夹紧板的形式。

11.如权利要求7-9任一项所述的装置，其特征在于，薄膜电极组件通过粘合剂密封和直接连接在阳极电流收集器上，粘合剂覆盖与阳极气体扩散层相对应的第一区域以及围绕第一区域的第二区域，由此在薄膜电极组件和阳极电流收集器直接形成密封，因此形成阳极气体腔室，所述粘合剂至少在所述第一区域内导电。

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