CN104054192A - 平板式燃料电池的周边耦合及相关方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及将燃料电池层耦合到第二结构的方法和物品，燃料电池层包括上燃料电池表面、下燃料电池表面和周边燃料电池表面，粘合结构被粘附到上、下和周边燃料电池表面以在燃料电池层和第二结构之间形成耦合或密封。

Description

平板式燃料电池的周边耦合及相关方法
发明的优先权
本申请要求2011年11月18日申请的、申请号为61/561629的美国临时专利申请的优先权，在此通过引用将其全部并入。
技术领域
本发明的主题涉及平板式燃料电池的周边耦合和相关方法和物品。
背景技术
连续几代的便携式电子设备有尺寸更小同时提供的性能增强的趋势。由于电子元件被设计成尺寸上更小且包含尖端和复杂的技术，所以对相关电源的要求通常会增加。例如，电源可能需要占据较小的体积或占有较小的占地面积以使得整个设备可以容纳另外的技术或减小总体尺寸。此外，另外的技术可能要求电源持续更长的时间或以均匀的速率输送功率以获得稳定的电子元件性能。
电源的一个例子是燃料电池系统。燃料电池系统可以包括一个或多个燃料电池层，每个层包括一个或多个阳极和阴极，电解质膜布置在(多个)阳极和(多个)阴极之间。小的、成层的燃料电池系统可以是坚固耐用的，同时适应减小的空间要求。
存在对小的成层的燃料电池系统的需求，该燃料电池系统是坚固耐用的，同时符合现代的便携式电子设备的减小的空间要求。
发明内容
在一些实施方式中，本发明包括燃料电池系统，其包括燃料电池层、第二结构和将燃料电池层结合到第二结构的粘合密封层。燃料电池层可以包括上燃料电池表面，和下燃料电池表面，和周边燃料电池表面。第二结构可以位于下燃料电池表面之下。粘合密封层可以粘附到上燃料电池表面结合区域，下燃料电池结合区域，周边燃料电池结合区域，和第二结构表面结合区域。
在一些实施方式中，本发明包括利用本发明的燃料电池系统中的一种来产生电的方法。该方法包括提供一个或多个本发明的燃料电池系统，利用流体燃料给由燃料电池层和第二结构限定的包围结构(enclosure)增压，和使流体燃料与燃料电池层接触以产生电。
在进一步的实施方式中，本发明包括制造燃料电池系统的方法。该方法包括提供燃料电池层和位于燃料电池层的下表面之下的第二结构。将耦合材料的至少一部分布置在第二结构上以形成耦合层。耦合层接触并粘附到上燃料电池表面、周边燃料电池表面和第二结构表面。
附图说明
在图中，相似的数字在全部几幅视图中描述了基本上类似的部件，这些图不一定是按比例绘制的。具有不同的字尾的相似数字代表基本上类似部件的不同实例。作为例子而并非作为限制，这些图大体上示出了在本文献中讨论的各种实施方式。
图1和2分别表示燃料电池系统的分解图和横截面图；
图3表示包括传统的粘合耦合层的系统的一部分的横截面图；
图4表示系统的一部分的横截面图，该系统包括在两个主要侧面上封闭燃料电池层边缘的耦合层；
图5表示系统的一部分的横截面图，其包括处于增压状态中的燃料电池系统；
图6A-6C表示具有在此描述的本发明的耦合元件的燃料电池层的各种布置的横截面图；
图7A和7B表示形成周边密封的方法的顺序描绘；
图8A和8B表示制造具有周边密封的燃料电池系统的方法的顺序描绘；
图9A和9B表示利用预先形成的耦合元件的各个部分形成周边密封的方法的顺序描绘。
具体实施方式
在所有下面的描述中，为了提供对本发明更彻底的了解而阐明了具体细节。然而，本发明可以在没有这些细节的情况下实施。在其他实例中，公知的要素未被示出或详细描述以便避免不必要地模糊本发明。通过例证的方式，附图示出了具体实施方式，其中可以实施本发明。这些实施方式可以组合，在不背离本发明范围的情况下，可以采用其他元件或者可以作出结构上的或逻辑上的变化。因而，说明书和附图被看作说明性的而非限制性的。
在本文献中提到的所有出版物、专利和专利文献在此通过引用全部并入，就像通过引用单独并入一样。如果在本文献和通过引用而并入的那些文献之间有不一致的使用，那么在并入的引用文献中的使用应被看作对本文献的使用的补充；对于不可调和的矛盾，以本文献中的使用为准。
在本文献中，术语“一”用来包含一个或多于一个，而不受任何其他的实例或“至少一个”或“一个或多个”的使用的限制。在本文献中，术语“或”用来表示非排他性的或，从而“A、B或C”包含“只有A”、“只有B”、“只有C”、“A和B”、“B和C”、“A和C”和“A、B和C”，除非另有说明。术语“在……上面”和“在……下面”用来描述关于复合物的中心的两个不同方向，术语“上部”和“下部”或“下”和“上”可以用来描述复合物的两个不同表面。然而，这些术语仅仅为了便于描述而使用，不应被理解为固定了所描述的实施方式的燃料电池层的方向。在所附的方面或权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第三”等等仅仅用作标记，并不意味着对它们的对象强加数字性的要求。应该理解，在本文献中明确披露的任何数字范围应该包括该明确披露的范围的任何子集，就象这些子集范围也被明确披露一样；例如，披露的范围1-100也应该包括范围1-80，2-76，或落在1和100之间的任何其他数字范围。
便携式电子设备(例如，移动式电话、便携式电脑、电脑附件、显示器、个人音频或视频播放器、医疗设备、电视、发射器、接收器、包括室外照明设备或手电筒的照明装置、电子玩具、电动工具或传统上使用电池的任何设备)倾向于变得尺寸上更小同时对性能的要求增加，因而，燃料电池系统可能需要只占据整个电子设备体积的一个小体积。对于紧凑型电源的驱动要求燃料电池具有高的比功率(即，功率密度)以在最小的可能空间内提供所要求的功率并使可用于燃料的体积最大化。
优选地，除了尽可能小之外，燃料电池还具有有助于在便携式电源应用中良好地工作的整体形状。最好的形状倾向于是平板式的以使得燃料电池可以作为电源结合而不会对由燃料电池提供电力的整个系统的布局提出大的要求。当具有大功率输出的燃料电池构形为平板式的形式时，燃料电池的总表面积增加，其倾向于增加在内部产生的力，因为接触燃料电池的流体量会增加。这些力对平板式燃料电池的不同部分，例如用来将平板式燃料电池的各层保持在一起的周边密封部，施加应力。
减小燃料电池系统的体积要求的燃料电池系统和方法之前已经在2008年9月25日申请的、名称为FUEL CELL SYSTEMS INCLUDINGSPACE-SAVING FLUID PLENUM AND RELATED METHODS的、共同受让的公开号为2009/0081493的美国专利申请中描述过了，其公开内容在此通过引用全部并入。
用于便携式应用中的燃料电池可以具有通气式阴极，其直接地或经由某一低压损导管暴露于周围环境。为了驱动燃料进入电池中和在高功率操作时经受住燃料消耗，燃料(其可以是气体或液体)可以相对于外部环境维持在某一正压。因而，成层的燃料电池结构包含至少部分地通过由各个层形成的构造所限定的燃料增压室，其必须被密封以防止燃料从系统泄漏。
可以利用传统的面密封件来密封燃料电池系统的周边，但其要求通过对密封件施加某一力来启用(activation)(即，系统必须被从外部夹紧以防止泄漏)。替代地，某些自立式的(self-supported)燃料电池层尝试利用粘合密封元件创造非夹紧式的密封件。这些元件在燃料增压室被增压时承受显著的剥离负载。通过非夹紧式的密封件经受住这种负载是有挑战性的，特别是在燃料电池层由不同材料的复合物制成时，因为粘合材料可能不会以相同的结合力粘附到不同材料。例如，全氟磺酸(PFSA)型膜可以用于质子传导并且正在挑战利用粘合材料密封到第二结构。
希望减少燃料电池系统中部件的数量，从而减小系统的总尺寸。例如，利用改进的周边密封可以消除或减小对外部夹具或密封装置的需求。
本发明提供了改进的周边耦合，其容许平板式燃料电池被制造得尺寸更大或经受住更高的压力。本发明包括燃料电池系统，其包括能经受住施加的力而不需要任何外部支撑件或固定装置的自立式的周边耦合。这种耦合充当密封元件和结合元件。本发明提供了具有增大的机械强度的燃料电池系统。
定义
当用在本申请中时，“粘合材料”、“粘合密封”或“结合材料”是指一种物质，其通过作用在接触区域中的分子力结合到一个或多个部件。粘合材料可以包括聚氨酯、尿烷、环氧树脂、聚酰胺、聚酯、压力敏感型粘合剂、丙烯酸(acrylic)、氰基丙烯酸盐粘合剂、或其组合。
当用在本申请中时，“耦合”是指便于两个物体的结合和密封的隐含的(impicit)或明确的部件。在一个例子中，隐含的耦合元件可以包括连接两个物体的密封粘合剂或焊接。明确的耦合元件例如可以包括机械紧固件。耦合可以包括粘合材料。
当用在本申请中时，“柔性电化学层”是指全部或部分为柔性的电化学层，以便包含(embrace)例如具有一个或多个刚性部件的电化学层，所述刚性部件结合有一个或多个柔性部件。“柔性燃料电池层”是指一个层，其包括一个或多个集成到该层中的燃料电池。
当用在本申请中时，“柔性二维(2-D)燃料电池阵列”是指在一个维度上薄并支撑若干燃料电池的柔性薄片。柔性二维燃料电池阵列可以是柔性燃料电池层的例子。燃料电池具有可从薄片的一个面或主要表面接近的一种类型的活性区域(例如阴极)和可从薄片的相反的面或主要表面接近的另一种类型的活性区域(例如阳极)。活性区域可以布置成位于它们相应的薄片面上的区域内(例如，整个薄片由活性区域覆盖不是强制性的，但是，燃料电池的性能可以通过增大其活性区域而提高)。2-D燃料电池阵列的形状可以是平的或弯曲的。
当用在本申请中时，“平板式燃料电池层”是指在一个维度上薄的燃料电池层。平板式燃料电池层可以包括一个单元燃料电池或多于一个单元燃料电池。平板式燃料电池层可以是柔性的或刚性的并且其可以是平的或弯曲的。
当用在本申请中时，“自立式”是指一个部件，如果在耦合到基底时，不需要为了它们的功能而使用外部的固定装置。
当用在本申请中时，“基底”是指耦合到电化学电池层的部件，其足以产生被围起的(enclosed)空间。除了其它的东西，基底可以包括流体歧管、燃料电池系统结构元件、流体控制部件、流体储存器、电子设备的一部分，或其组合。流体控制部件可以包括压力调节设备，例如调节器阵列。
在一些实施方式中，本发明包括在平板式燃料电池层和第二结构之间的周边密封或耦合。周边密封或耦合元件将燃料电池层结合到第二结构并粘附到电池层的上表面和下表面。本发明的耦合元件可以将平板式燃料电池层的整个周边结合到第二结构，或者它可以结合平板式燃料电池层的周边的某部分(例如，四边形的平板式燃料电池层的一个边、两个边或三个边)。在一些实施方式中，平板式燃料电池层可以在一个边、两个边或三个边上结合到第二结构，而燃料电池层的(多个)剩余的边利用传统的耦合装置(例如，传统的面密封或外部夹紧装置)结合到第二结构。
图1表示燃料电池系统100的分解图。系统100包括流体储存器102、可选的流体压力调节器组件104、歧管密封层106、歧管管道层108、耦合元件110、燃料电池层112和外部的支撑结构114。可选的流体压力调节器组件104包括压力调节器或限流器126。
流体储存器102为燃料电池系统100提供燃料或其他反应物流体，并且可以经由填充口116填充或加燃料。流体储存器102可以包括蜂窝状燃料箱，其例如在共同拥有的公开号为2007/0178335的美国专利申请中被描述，该申请于2007年1月9日申请、申请序列号为11/621501、名称为“Cellular Reservoir and Methods Related Thereto”的、，或可以包括2009年7月21日授权的、名称为“Fluid Enclosure and Methods Related Thereto”的、由Zimmermann等人共同拥有的美国专利7563305中描述的其他流体封装结构之一。这两篇文献的全部内容在此通过引用并入。
流体歧管提供了燃料从流体储存器102到燃料电池层112的分配、调节和传输，流体歧管可以包括流体压力调节器组件104、歧管密封层106、和歧管管道层108。通过将存在于流体存储器102中的初级(较高的)流体压力减小成用于输出到燃料电池层112的更恒定的次级(较低的)流体压力，流体压力调节器组件104可以控制从流体存储器102出来的燃料压力。
流体歧管的不同部分通过材料引导凹槽120与燃料电池层112流体连通。流体歧管的材料引导凹槽120将来自流体分配组件104的燃料流引导到与燃料电池层112相邻的区域，并且可以通过在歧管管道层108中创建一个或多个通道来形成材料引导凹槽120。系统100的流体歧管具有成层的结构，其容许歧管的尺寸不占用不必要的体积也不占用不必要地大的占地面积，仍然容许燃料电池系统100的压力、体积或温度要求得到满足。虽然图1示出了流体歧管的一个实施方式，但本发明可以包括其它形式的流体歧管，如在共同拥有的公开号为2008/0211458的美国专利申请中描述的那些，该申请于2008年3月21日申请，美国专利申请序列号为12/053366，名称为“Fluid Manifold and Methods Therefore”。该文献的全部教导在此通过引用并入。
燃料电池层112包括电解质被置于其间的燃料电池层(即，包括至少一个阳极和阴极)。在系统100中使用的燃料电池层112可以是平板式燃料电池，如在共同拥有的公开号为2005/0250004的美国专利申请中描述的，该申请于2005年2月2日申请，美国申请序列号为11/047560，名称为“ELECTROCHEMICAL CELLS HAVING CURRENT-CARRYINGSTRUCTURES UNDERLYING ELECTROCHEMICAL REACTIONLAYERS”，其全部教导在此通过引用并入。
图2示出系统100的一部分的横截面图，其包括通过周边耦合元件110耦合到流体歧管122的燃料电池层112。为了清楚起见，在图2中未示出流体歧管122的替代(substituent)部件或层。被围起的区域124是流体增压室并且由燃料电池层112、耦合元件110和流体歧管122限定。在使用过程中，被围起的区域124的体积由于流体128的流入而变大，这种流入相对于外部压力增加了燃料电池层112内部的压力。流入的流体128迫使柔性燃料电池层112沿方向130弯曲远离流体歧管122。周边耦合元件110保持流体歧管122和燃料电池层112之间的气密密封。在一些实施方式中，可以在燃料电池层和歧管之间包括另外的耦合，以减小周边耦合上的应力。然而，即使有这些另外的耦合，周边耦合也遭受到当系统被增压且燃料电池层弯曲远离歧管时产生的负载。
图3示出了系统300的一部分的横截面图。系统300包括平板式燃料电池层302和呈歧管304形式的第二结构，其按照惯例利用粘合耦合层306结合在一起。粘合耦合层306位于层302和歧管304之间，粘合耦合层306接触并结合到燃料电池层302下侧的周边的一部分以形成下燃料电池表面结合区域308。粘合耦合层306还接触并结合到流体歧管304的上侧的周边的一部分以形成第二结构表面结合区域310。结合区域310具有长度312。
结合区域308最初具有长度314，但在系统300的增压过程中，燃料电池层302偏转远离歧管302并将拉伸和剥离负载318置于粘合耦合层306的上表面上。如果足够大，负载318可引起燃料电池层302的下表面的一部分从粘合耦合层306剥离或脱层(delaminate)，从而使粘合耦合层306的上表面316从燃料电池层302的下表面分开并减小下燃料电池表面结合区域308的尺寸，因此，通过粘合耦合层306形成的传统结合的强度由耦合层306沿着长度310抵抗负载318的能力来确定。如果结合失效，流体泄漏的路径长度是下燃料电池表面结合区域308的长度314，其大致等于任何剥离或脱层之前的长度312。
在本发明中，周边耦合可形成在平板式燃料电池层和第二结构例如流体歧管之间。耦合可以环绕组件的整个周边延伸或者它也可以被间断地放置。在一些实施方式中，周边耦合包括沿着燃料电池系统的两个边缘的本发明的耦合，而用某一其它方法耦合燃料电池系统的另外两个边缘(例如，传统的耦合或外部耦合可以用于密封系统的另外两个边缘)。
图4示出了本发明的一个实施方式，其包括处于减压状态(depressurized state)中的燃料电池系统400的一部分。系统400包括燃料电池层402、耦合层404和第二结构406，第二结构406可以是流体歧管。
耦合层404接触并粘附到燃料电池层402的上表面的一部分，以形成具有长度416的上燃料电池表面结合区域408。耦合层404还接触并粘附到燃料电池层403的下表面的一部分，以形成具有长度418的下燃料电池表面结合区域410。耦合层404还接触并粘附到燃料电池层402的周边的侧向或垂直表面，以形成具有长度420(大约等于燃料电池层402的厚度)的周边燃料电池表面结合区域412。耦合层404还接触并粘附到第二结构406的上表面，以形成第二结构表面结合区域424。以这种方式，耦合层404在两个主要侧面上封闭燃料电池层402的边缘。
在图4中，结合区域408的长度416大于结合区域410的长度418。然而，在本发明的一些实施方式中，上燃料电池表面结合区域的长度等于或小于下燃料电池表面结合区域的长度。
流体泄漏的路径长度是长度416、长度418和长度420的总和，因此，本发明的一个优点是，它提供的周边耦合所具有的泄漏路径长度比通过传统结合(例如图3中所示的结合)提供的泄漏路径长度长得多。至于失效，在周边结合失效之前，泄漏必须传播通过本发明的耦合的那三个长度的总和。
耦合层404的强度取决于它的材料特性。能良好地粘附到在燃料电池系统中使用的材料上的任何材料都可用来形成周边耦合层，这种材料可包含例如聚氨酯、环氧树脂或聚酰胺。
耦合层404的强度也是它的几何形状的函数。例如，形成上燃料电池表面结合区域408的层404的上部部分的厚度422和长度416可以影响层404的强度。此外，第二结构表面结合区域424的长度414和周边燃料电池表面结合区域412的长度420可以影响层404的强度，耦合层404的从燃料电池层402的下侧跨越到上侧的那个部分的宽度426同样可以影响层404的强度。取决于给定应用的要求，本发明的耦合层的这些和其它尺寸可以改变以产生具有所需强度特性的周边结合。
虽然本发明的耦合元件的尺寸可以根据需要改变以适应给定的应用，但在一些实施方式中，第二结构表面结合区域的长度(对应于图4中所示的长度414)为大约1.9mm±40％，下燃料电池表面结合区域的长度(对应于长度418)为大约0.9mm±40％，上燃料电池表面结合区域的长度(对应于长度416)为大约1.25mm±40％。在一些实施方式中，耦合元件的总厚度(对应于厚度422、长度420以及在下燃料电池表面410和第二结构表面结合区域424之间的最短距离的总和)为大约1.2mm±40％。
图5示出了本发明的另一个实施方式，其包括处于增压状态中的燃料电池系统500的一部分。燃料电池系统包括燃料电池层502、耦合层504和第二结构506。耦合层504包围燃料电池层502的周边并将层502与第二结构506结合，燃料电池层502已被加压并偏转远离第二结构506。
耦合层504的下燃料电池表面结合区域510经受拉伸和剥离负载518，而耦合层504的上燃料电池表面结合区域508经受剪切应力520和由燃料电池层502施加的压负载530。如图5中所示，拉伸和剥离负载518已引起下燃料电池表面的一部分从耦合层504剥离或脱层，露出表面564。虽然拉伸和剥离负载518引起表面564的剥离，但上燃料电池表面结合区域508上的压负载有助于保持结合。
相比于简单的传统的粘合剂面结合，本发明的周边耦合具有增大的结合长度，容许更大的结合表面积。要使燃料电池系统泄漏，周边耦合的粘合剂(adhesive)必须在燃料电池层的上表面和下表面都失效。因为在本发明的耦合中使用的材料的剪切强度可以比它们的剥离强度大大约10倍，所以周边耦合的完整性不取决于拉伸或剥离负载，而是取决于剪切应力(例如，图5中所示的剪切应力520)。
本发明的周边耦合可以与各种燃料电池层和流体歧管构造一起使用以防止组件的破裂，包括：包括内部支撑结构(例如，结合元件、垫片(spacer)、折叠式柱状件(collapsible column)等等，其用于限制组件中的燃料电池层的向外扩张)的构造或者包括刚性或柔性燃料电池和/或第二结构的构造。图6A-6C示出了具有在此描述的本发明的耦合元件的燃料电池层的各种布置的另外的横截面图(为清楚起见，耦合元件和燃料电池层之间的接触的性质的某些方面被省略)。
虽然在某些实施方式中第二结构可以是刚性的，但在其它实施方式中它是柔性的。图6A示出了本发明的一个实施方式，其包括具有柔性的第二结构606的增压燃料电池系统600的一部分。系统600包括柔性的第二结构606、耦合元件604和刚性的燃料电池层602。柔性的第二结构606是流体歧管的一部分。耦合元件604包围刚性的燃料电池层602的外部周界部分的两侧并将层602结合到结构606。
图6B示出了本发明的一个实施方式，其包括处于增压状态中的燃料电池系统610的一部分。燃料电池系统610包括两个柔性的燃料电池层612和618，其分别布置在第二结构616的相反的两侧上。耦合元件615将层618粘附到结构616，而耦合元件614将层612粘附到结构616的相反的表面。第二结构616可以是刚性的或柔性的。
图6C示出了本发明的一个实施方式，其包括燃料电池系统620的一部分。系统620包括燃料电池层622、耦合元件624和第二结构628。耦合元件624将层622的周界部分结合到结构616，层622也通过呈结合元件626形式的内部支撑件粘附到结构628。结合元件626限制燃料电池层622在跨越其长度的不同点处的向外扩张。
可能的燃料电池层和第二结构(例如，流体歧管)的构造在上面提到的共同受让的公开号为2009/0081493的美国专利申请中进一步描述。
适合于选择的粘合剂的任何制造过程都可以用于形成本发明的周边密封。这样的过程可以包括注射沉积或丝网印刷。
图7A和7B示出了本发明的一个实施方式的顺序描绘，其包括形成周边密封的方法。图7A示出了燃料电池层702和第二结构706，第二结构706例如可以是流体歧管。
图7A示出了沉积在第二结构706和燃料电池层702之间的第一数量732的耦合材料(例如，粘合剂)。第一数量732的耦合材料接触并粘附到第二结构706的上表面以形成第二结构表面边界区域724，第一数量732的耦合材料还接触并粘附到燃料电池层702的下表面以形成下燃料电池表面结合区域710，第一数量732的耦合材料还接触燃料电池层702的周边的侧表面以形成周边燃料电池表面结合区域712。
图7B示出了沉积在燃料电池层702上表面的一部分和第一数量712上表面的一部分上面的第二数量734的耦合材料。第二数量734的耦合材料接触并粘附到燃料电池层702的上表面的部分以形成上燃料电池表面结合区域708，第二数量734的耦合材料接触并粘附到第一数量712的上表面的部分。第一数量732的耦合材料和第二数量734的耦合材料可以是相同的材料或者可以是不同的材料，但在任何情况下都粘附起来以形成周边耦合。
图7A和7B还示出了布置在燃料电池层702和第二结构706之间的边界结构738。边界结构738防止第一部分732接触并粘附到第二结构706的上表面或燃料电池层702的下表面的更多部分，在一些实施方式中，边界结构是向最后得到的组件提供机械强度或其它结构支撑的内部支撑结构，例如结合元件、垫片或折叠式柱状件。在其它实施方式中，边界结构是带肋的基座层，如在共同拥有的公开号为WO2011/079377的PCT国际申请中描述的，其于2010年12月23日申请，名称为“Fuel Cells and FuelCell Components Having Asymmetric Architecture and Methods Thereof”，其公开的内容在此通过引用全部并入。
燃料电池组件的各个部件搁置在定位器782上，定位器782可以在第一和第二数量732和734的分配过程中将部件保持在合适位置中。位于第二结构706下面或之下但位于定位器782上面或之上的释放层780防止组件粘住定位器782。释放层780可以由各种材料形成，如微孔聚乙烯膜或多孔聚丙烯。某些释放层材料(如聚丙烯膜释放层)可重复使用以制造用于多个燃料电池阵列的多个周边密封件。
在一些实施方式中，本发明包括一种使用相对大量的耦合材料的制造方法，耦合材料布置在第二结构(例如，流体歧管)和燃料电池层之间。布置的耦合材料的部分足够大以既充满被第二结构和燃料电池层围成的空间又溢出到燃料电池层的周界边缘的侧表面周围并流到燃料电池层上表面的一部分上，从而覆盖燃料电池层的顶面的一部分。位于第二结构之上和燃料电池层之下或者位于燃料电池层之上的边界结构(例如，内部支撑结构)可以防止耦合材料不受控制地扩散到第二结构的表面上面。
本发明的另一个实施方式示于图8A和8B中，其显示了制造具有本发明的周边密封的燃料电池系统800的方法的顺序描绘。燃料电池层802布置在第二结构806上方并支撑在边界结构838上，具有垂直尺寸的周界边界结构836布置在第二结构806的上表面的周界部分周围。如图8A中所示，开放的通道842由第二结构806上表面的一部分、边界结构836和838以及燃料电池层802下表面的一部分限定。第二结构806通过释放层880支撑在定位器882上，释放层880布置在第二结构806和定位器882之间。边界结构838可以是内部支撑结构或基座层的一部分。
通道842限定了一开放的空间，耦合材料可以沉积在其中。图8B示出了这种沉积，其中耦合材料804布置在此前空的通道842内。耦合材料804接触并粘附到燃料电池层802下表面中限定通道842的部分，从而形成下燃料电池表面结合区域810。耦合材料804接触并粘附到第二结构806上表面中限定通道842的部分，从而形成第二结构表面结合区域824。耦合材料804还接触并粘附到燃料电池层802的上表面的一部分，从而形成上燃料电池表面结合区域808。注意，燃料电池层802稍小于第二结构806，以便允许有足够的空间用于耦合材料804流入通道842并封闭燃料电池802的周界部分。
在一些实施方式中，本发明的耦合利用预先形成的耦合元件形成，预先形成的耦合元件利用薄的粘合材料层结合到合适位置。图9A和9B示出了这种实施方式的顺序说明。在图9A中，呈第一结构元件932形式的耦合元件的一部分布置在燃料电池层902的表面上，而呈第二结构元件934形式的预先成形的耦合元件的另一部分布置在第二结构906上。元件932和/或934可以通过使用施加在元件932和/或934和层902或结构906的相应表面之间的粘合剂薄层而保持在它们的各自的位置上。在图9B中，通过使用例如粘合材料薄层耦合两个预先形成的结构元件，耦合元件或密封件在分界面936处形成在燃料电池层902和第二结构906之间。
作为选择，耦合元件可以由粘合材料整体地形成。
使用内部支撑结构可能是增加燃料电池系统的坚固性的补充方法。内部支撑结构可以是散布由流体气体压力施加的力的非导电性多孔层。内部支撑结构在共同受让的公开号为WO2011/079377的PCT申请中描述，其于2010年12月23日申请，名称为“Fuel Cells and Fuel Cell ComponentsHaving Asymmetric Architecture and Methods Thereof”，其全部内容在此通过引用并入。
上面的描述是说明性的而非限制性的，例如在阅读上面的描述的基础上，本领域普通技术人员可以使用其他实施方式。另外，在上面的详细说明中，各种特征可能组合在一起以使得公开有效率，这不应被解释为意指未被要求保护但公开的特征对任何权利要求而言是必需的。相反，本发明的主题可以在于少于被特别公开的实施方式的所有特征。因此，下面的权利要求据此被结合到详细说明中，每个权利要求作为单独的实施方式独立存在。本发明的范围应当参照所附的权利要求以及这些权利要求赋予的等价方案的全部范围来确定。
提供摘要是为了符合37C.F.R.§1.72(b)的规定，以允许读者迅速确定本技术公开的性质。应该认为：它不会被用来解释或限制权利要求的范围或含义。

Claims (31)

1.一种燃料电池系统，包括：
平板式燃料电池层，其包括上燃料电池表面、下燃料电池表面和周边燃料电池表面；
第二结构，其位于所述下燃料电池表面之下；和
耦合层，其将所述平板式燃料电池层结合到所述第二结构；
其中，所述耦合层接触并粘附到上燃料电池表面以形成上燃料电池表面结合区域，接触并粘附到下燃料电池表面以形成下燃料电池表面结合区域，接触并粘附到周边燃料电池表面以形成周边燃料电池表面结合区域，并且接触并粘附到第二结构表面以形成第二结构表面结合区域。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述耦合层粘附到整个周边燃料电池表面并将所述燃料电池层密封地结合到所述第二结构。
3.如权利要求2所述的燃料电池系统，其中燃料电池层、所述第二结构和所述耦合层限定了流体增压室。
4.如权利要求3所述的燃料电池系统，其中包含在所述流体增压室内的流体的泄漏路径长度大于所述下燃料电池表面结合区域的长度。
5.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述第二结构是流体歧管。
6.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述上燃料电池表面结合区域大于所述下燃料电池表面结合区域。
7.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述上燃料电池表面结合区域和所述下燃料电池表面结合区域总体大于所述第二结构表面结合区域。
8.如权利要求1所述的燃料电池系统，还包括布置在所述第二结构的上表面上的边界结构。
9.如权利要求8所述的燃料电池系统，其中所述边界结构环绕所述第二结构的周边的至少一部分延伸并且不接触所述燃料电池层。
10.如权利要求8所述的燃料电池系统，其中所述边界结构布置在所述第二结构和所述下燃料电池表面之间。
11.如权利要求8所述的燃料电池系统，其中所述边界结构是结构支撑元件。
12.如权利要求8所述的燃料电池系统，其中所述边界结构是基座层。
13.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述平板式燃料电池层是弯曲的。
14.如权利要求1所述的燃料电池系统，还包括耦合到所述第二结构的下表面的第二燃料电池层。
15.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述燃料电池层是柔性的。
16.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述第二结构是柔性的。
17.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述耦合层包括聚氨酯、尿烷、环氧树脂、聚酰胺、聚酯、压力敏感型粘合剂、丙烯酸、氰基丙烯酸盐粘合剂、或其组合。
18.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中
所述上燃料电池表面结合区域的长度在大约0.75mm和大约1.75mm之间，
所述下燃料电池表面结合区域的长度在大约0.54mm和大约1.26mm之间，并且
所述第二结构表面结合区域的长度在大约1.14mm和大约2.66mm之间。
19.一种产生电的方法，该方法包括：
提供如权利要求1-18中任一项所述的燃料电池系统，其中所述燃料电池系统包括由所述平板式燃料电池层和所述第二结构限定的包围结构；
利用流体燃料给所述包围结构增压；和
使所述流体燃料与所述燃料电池层接触以产生电。
20.如权利要求19所述的方法，其中所述下燃料电池表面结合区域同时承受由所述包围结构的增压产生的剥离负载和拉伸负载，而所述上燃料电池表面结合区域不承受由所述包围结构的增压产生的剥离负载或拉伸负载。
21.如权利要求19所述的方法，其中所述上燃料电池表面结合区域承受由所述包围结构的增压产生的压负载和剪切应力。
22.如权利要求21所述的方法，其中所述压负载和所述剪切应力通过所述耦合层应用到所述上燃料电池表面结合区域。
23.如权利要求19所述的方法，其中所述包围结构被增压到15和50psi之间的压力。
24.一种制造燃料电池系统的方法，所述方法包括：
提供平板式燃料电池层和位于所述燃料电池层的下表面之下的第二结构；
将耦合材料的至少一部分布置在所述第二结构上以形成耦合层，其中所述耦合层接触并粘附到上燃料电池表面、下燃料电池表面、周边燃料电池表面和第二结构表面。
25.如权利要求24所述的方法，还包括沉积第二部分耦合材料以形成所述耦合层。
26.如权利要求25所述的方法，其中第一部分耦合材料和第二部分耦合材料是不同的物质。
27.如权利要求24所述的方法，还包括将边界结构布置在所述第二结构的上表面上。
28.如权利要求27所述的方法，其中所述边界结构是结构支撑元件或基座层。
29.如权利要求27所述的方法，其中所述边界结构接触所述下燃料电池表面。
30.如权利要求27所述的方法，其中所述边界结构不接触所述燃料电池层并且布置在所述第二表面的周界边缘上。
31.如权利要求30所述的方法，其中在布置耦合材料的至少一部分之前，所述第二结构的上表面、所述下燃料电池表面和所述边界结构限定了开放的通道。
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