CN107431222A - 具有可变容积的阳极室 - Google Patents

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Abstract

本文描述了与包括具有可变容积的阳极室的燃料电池系统有关的物品、系统及方法。阳极室的容积在启动时可以相对较小或基本上为零，以防止必须从系统清除的污染物流入。随着燃料被导入阳极室，腔室容积增大以容纳燃料流。

Description

具有可变容积的阳极室
技术领域
本发明的主题涉及包括具有可变容积的阳极室的燃料电池。
背景技术
便携式电子装置的世代更替趋于追求更小的尺寸，同时提供增进的性能。由于电子元件被设计为尺寸更小并且结合了精细与复杂的技术，因此对于相关的电源的要求通常也会提高。例如，电源可能需要占据较小的体积或者拥有较小的占地，以使得整个装置可以适应于附加工艺或缩小整体尺寸。此外，附加工艺可能要求电源工作较长的时间段或者以均一的速率传送电力，以使电子元件性能稳定。
为了产生电力，通常向燃料电池系统供应燃料，所述燃料在燃料电池反应中被消耗从而产生电力。在有些燃料电池系统架构中，燃料被导入至靠近燃料电池的阳极的腔室。一旦进入该阳极室中，燃料就与阳极接触并且在燃料电池反应中被消耗，从而产生电力。
然而，在启动过程的开始阶段，系统的阳极室可能包含有空气。空气可能经由燃料电池膜通过渗透而进入阳极室。阳极室内的这种空气会干扰燃料电池反应，因此通常必须以某种方式将其去除。空气中的氧气成分可以在燃料电池反应或者与燃料的副反应中被消耗，但是空气中的氮气成分通常必须从腔室中清除(purged)。为了清除氮气，燃料电池系统必须在启动时采用清除程序和/或包括将空气从阳极室清除的机构(例如清扫阀系统)。
由此，存在对于无需专门的清除程序或者额外的机构来清扫阳极室的简化的燃料电池系统和方法的需要。
发明内容
本发明包括与燃料电池系统有关的物品、系统及方法，所述燃料电池系统包括具有可变容积的阳极室。在启动时，阳极室的容积可以相对较小或者基本为零。随着燃料被导入阳极室，室容积增大以容纳燃料流。由于阳极室在系统启动的时候相对较小，并且借助燃料流而膨胀，因此阳极室将基本上没有空气或其它物质，从而避免了对阳极室进行清扫以容纳燃料流的需要。以这种方式，本发明提供了简化的燃料电池系统架构，这是因为本发明的系统不需要采用任何清扫部件或任何清扫程序。
在有些实施方案中，本发明包括燃料电池系统。该系统可以包括具有阴极侧、膜以及阳极侧的燃料电池。该系统还可以包括设置在阳极侧上并且至少部分地限定阳极室的壳体组件。燃料电池的阳极侧可以至少部分地限定阳极室。该系统还可以包括占据阳极室内的第一容积的可压缩充填器。该可压缩充填器配置为在阳极室内的燃料压力增大时变形，从而占据第二容积，其中第一容积大于第二容积。在有些实施方案中，第一容积等于或基本等于阳极室的容积，从而当阳极室内的燃料压力下降至预定阈值以下时，可压缩充填器配置为占据整个或基本上整个阳极室。
本发明包括利用本发明的系统来发电的方法。例如，本发明包括这样的发电方法，该方法包括：提供本文所描述的燃料电池系统，将燃料引导通过燃料管道并且进入阳极室，增大阳极室内的燃料压力直至可压缩充填器变形而占据阳极室内的第二容积，并且使阳极侧与燃料接触从而发电。该方法可以进一步包括减少进入阳极室的燃料流，直至可压缩元件膨胀至占据第一容积和/或可压缩充填器的第一主表面接触燃料电池的阳极侧。
附图说明
在附图中(其并不一定是按尺寸绘制的)，贯穿多幅视图，相同的附图标记描绘基本类似的元件。具有不同字母后缀的相同附图标记代表基本类似的元件的不同示例。附图以示例的方式而非限制的方式大体示出了本文所讨论各个实施方案。
图1示出了现有技术燃料电池系统的截面视图。
图2A和2B示出了本发明的燃料电池系统的一部分的截面视图。
图3A和3B示出了本发明的燃料电池系统的一部分的截面视图。
图4示出了本发明的燃料电池系统的一部分的截面视图。
图5示出了本发明的燃料电池系统的一部分的截面视图。
图6示出了本发明的方法的图形化表示。
图7示出了本发明的燃料电池系统的一部分的截面视图。
图8示出了本发明的燃料电池系统的截面的立体视图。
图9示出了本发明的燃料电池系统的截面的立体视图。
具体实施方式
贯穿下述说明，阐述了具体细节以便提供对本发明的更透彻理解。然而，本发明可以无需这些具体特征而实现。在其它示例中，为了避免不必要地使本发明难以理解，未示出或详细描述公知的元件。附图仅以说明的方式示出可以实现的本发明的具体实施方案。这些实施方案可以结合，可以采用其它元件或者可以进行结构上或逻辑上的改变，而不脱离本发明的范围。因此，本说明书和附图应当被看作是说明性的，而非限制性的。
如同通过引用而单独地并入那样，本文献中所引用的所有公开、专利及专利文献通过引用而以其全部内容并入本文。在本文献和如此通过引用而并入的这些文献之间出现不一致用法的情况下，被并入的参考文献中的用法应当被认为是对本文献的用法的补充；对于无法协调的不一致情况，本文献中的用法占主导作用。
在本文献中，术语“一”或“一个”旨在包括一个或多于一个，而独立于任何其它示例或“至少一个”或“一个或多个”的用法。在本文献中，除非另有指示，术语“或”用于指代非排他性的或，例如“A、B或者C”包括“仅A”、“仅B”、“仅C”、“A和B”、“B和C”、“A和C”以及“A、B和C”。术语“上方”和“下方”用于描述相对于部件的中心的两个不同的方向，而术语“上面”和“下面”或者“下部”和“上部”用于描述复合物的两个不同表面。然而，这些术语仅用于方便说明，而不应当理解为固定燃料电池层或所描述的实施方案的取向。在所附方面或权利要求中，术语“第一”、“第二”及“第三”等仅用作标签，而不意指在其的对象上施加数值要求。应当理解的是，本文献中明确公开的任何数值范围应当包括明确公开的范围的任何子集，如同这些子集范围也得到明确公开；例如，公开范围1-100应当也包括范围1-80、2-76或者落入1与100之间的任何其它数值范围。在另一示例中，公开范围“1,000或更小”应当也包括小于1,000的范围，例如为50-100、25-29或200-1,000的范围。在又一示例中，公开的无限范围应当包括大于下界的任何数值范围(例如，“100或更大”的范围应当包括大于100的任何范围，例如为100-200、200-500或650-10,000的范围)。
本发明包括与燃料电池系统有关的物品、系统及方法，所述燃料电池系统包括具有可变容积的阳极室。在启动时阳极室的容积可以相对较小或者基本为零。随着燃料导入阳极室，腔室容积增大以容纳燃料流。由于阳极室在系统启动的时候相对较小并且借助燃料流而膨胀，因此阳极室中将基本上没有空气或其它物质，从而避免了对阳极室进行清扫以容纳燃料流的需要。以此方式，本发明提供了经简化的燃料电池系统架构，这是因为本发明的系统不需要采用任何清扫部件或任何清扫程序。
图1示出了现有技术燃料电池系统100。燃料电池系统100包括燃料电池102和壳体组件104。燃料电池102包括阴极108、膜110和阳极112。密封件106提供壳体组件104与燃料电池102的阳极侧之间的气密性密封，从而形成阳极室114。在工作期间，燃料(例如，气体或液体燃料，例如氢气)流116被导入至阳极室114，在该处燃料流与阳极112接触。
在系统100启动时，阳极室114通常包含空气。空气可能借助系统100内的缝隙或者经过膜110通过扩散而进入阳极室114。空气中的氧气成分可以在工作期间去除(例如，借助于与燃料的反应)，但是必须清除空气中的氮气成分以使得燃料流116可以填充阳极室114的大部分或全部。该清除典型地借助于清扫系统(例如，清扫线路和/或阀)的使用和/或启动过程中的清扫步骤来完成。
图2A和2B示出了本发明的燃料电池系统200。燃料电池系统200包括燃料电池202和壳体组件204。燃料电池202包括阴极208、膜210和阳极212。密封件206提供壳体组件204与燃料电池202的阳极侧之间的气密性密封。在本发明的某些实施方案中，阴极和阳极层可以由具有互连的孔的网络的多孔材料形成，燃料、氧化剂或者其它气态或液态材料可以流动通过所述孔。
与燃料电池系统100一样，燃料电池系统200包括利用气密性密封件206而附接至燃料电池202的阳极侧从而限定阳极室214的壳体组件204。然而，与燃料电池系统100不同，燃料电池系统200包括设置在阳极室214内的可压缩充填器218。可压缩充填器218包括第一主表面224和与第一主表面224相对的第二主表面226。燃料细管或燃料管道220介于可压缩充填器218的第二主表面226与壳体组件204之间延伸通过壳体组件204的部分，并且延伸通过可压缩充填器218。燃料管道220在第一主表面224处终止。燃料管道220提供阳极室214与燃料源(例如，氢气存储器)之间的流体连通。
本发明的系统的可压缩充填器被设计为有弹性的，从而使其在阳极室内的燃料压力下降时膨胀而占据阳极室的更大部分。例如，本发明的可压缩充填器可以配置为：如果阳极室内的燃料压力下降至预定水平以下或者如果阳极室变得基本上没有燃料，则可压缩充填器膨胀以占据整个或基本上整个阳极室。利用这种方式，本发明的系统防止在系统关闭或未使用时阳极室填充空气或者其它污染物。
图2A示出了当在阳极室214内燃料较少或者没有燃料时(例如，在系统启动之前)的系统200。在这种状态下，可压缩充填器218占据整个或基本上整个阳极室214，其中可压缩充填器218的第一主表面224毗连阳极224，而第二主表面226毗连壳体组件204。可压缩充填器218的第二主表面226可以利用粘合剂或其它固定方式粘附或结合至壳体组件204，但是可压缩充填器218的第一主表面224不固定或者结合至阳极212。相反，可压缩充填器218的第一主表面224由于可压缩填充材料的膨胀特性而挤压在阳极212上。由于占据整个或基本上整个阳极室214，可压缩充填器218防止可能需要被清除的空气或其它污染物进入阳极室214。
图2B示出了工作期间(例如，在系统200启动之后不久)的系统200。在工作期间，借助燃料管道220将燃料流216导入至阳极室214。燃料流216穿过壳体组件204和可压缩充填器218并且在第一主表面224处离开燃料管道220，并且在可压缩充填器218的第一主表面224与阳极212之间流动。随着阳极室214内的燃料压力上升，增大的燃料压力挤压在第一主表面224上并且迫使该第一主表面远离阳极212，从而形成燃料子腔室222。以这种方式，增大的燃料压力通过将充填器218压缩至更小体积来将可压缩充填器218变形，从而在阳极212和第一主表面224之间于阳极室214内形成燃料子腔室222，如图2B中所示。当形成时，燃料子腔室222使阳极212的大部分或整个表面暴露在在子腔室222内的燃料下。可压缩充填器配置为在阳极室内的燃料压力到达约0.5至约60psig或者落入约0.5至约60psig的范围内的任何燃料压力子范围(例如，约0.5-1psig、约1-5psig、约5-10psig、约5-25psig、约20-30psig、约25-50psig或者约40-60psig)时变形并且压缩至更小体积。
如果至系统200的燃料流216减小或者完全停止，系统将消耗阳极室214内剩余的任何燃料量，并且阳极室214内的燃料压力将下降。随着阳极室214内的燃料压力下降，可压缩充填器218膨胀而占据阳极室214的更大容积。如果阳极室214内的燃料压力下降至预定阈值以下，或者如果阳极室214变得基本上没有燃料，则可压缩充填器218将膨胀，直至第一主表面224在燃料电池202的阳极侧接触阳极212。利用这种方式，可压缩充填器218将在系统200关闭期间或者当系统200不工作时防止空气或其它污染物进入阳极室214。
本发明的可压缩充填器可以由优选为对于系统200的燃料物质或者燃料电池反应产物为惰性的弹性材料(例如，橡胶、聚氨酯、硅胶等)形成。可压缩充填器可以由电绝缘材料形成。可压缩充填器可以是泡沫材料或者具有封闭式孔网络的其它材料。可以对可压缩充填器的一个或多个表面进行表面处理以赋予可压缩充填器所希望的特性。例如，可压缩充填器可以构造为在可压缩充填器表面中的一个或多个(例如，可压缩充填器的与燃料电池的阳极接触的第一主表面)上包括薄膜层，例如赋予可压缩充填器的该表面以亲水性或疏水性特性的薄膜，这能够有助于氢气子腔室的形成或协助燃料电池工作期间的水管理。
本发明的可压缩充填器可以包括一个或多个可充胀(inflatable)部件。例如，可压缩充填器可以包括能够利用流体(例如，液态或气态材料)来充胀的囊状物。在某些实施方案中，可压缩充填器可以包括连接至充胀控制系统的可充胀囊状物，从而能够主动地控制阳极室内被可压缩充填器占据的空间大小。通过对囊状物泵送气体或液体，可以使囊状物充胀或收缩，从而引起可压缩充填器在阳极室内部膨胀或收缩。当阳极室内的燃料压力相对较低时，主动缩小囊状物的体积能将燃料吸入至阳极室。主动增大囊状物的体积能够将燃料或其它化学物质从阳极室排出。在某些实施方案中，可压缩充填器包括具有多个分段区域的囊状物，其中一个或多个分段区域可以独立于其它分段区域而充胀或收缩，从而提供用于将气体与其它材料物质从阳极室清除或在阳极室中进行重新分布的装置。在某些实施方案中，包括可充胀部件的可压缩充填器可以不配置成响应于阳极室内的燃料压力来压缩或膨胀，而是通过主动充胀控制系统的运转来压缩或膨胀。
本发明的可压缩充填器可以包括具有雕刻的浮雕表面(embossed reliefsurface)和/或其它纹理特征的第一主表面(即，在可压缩充填器完全膨胀时与燃料电池的阳极部件接触的可压缩充填器的表面)。例如，可压缩充填器的第一主表面可以包括雕刻在其中的从燃料管道注入至阳极室的位置或者围绕该位置而延伸的局部管道网络。当可压缩充填器完全膨胀并且第一主表面挤压在燃料电池的阳极上时，雕刻的浮雕管道可以改善燃料从燃料管道的流出以及在第一主表面与燃料电池的阳极之间的流动。在这种实施方案中，雕刻的图案可以选择性地或优先地将燃料导入至燃料电池的各个区域，以例如确保跨越燃料电池的面积而获得均一或最佳的性能。
可以通过移除可压缩充填器和/或壳体组件的部分来在系统中形成燃料管道。例如，激光钻孔或其它机械切削装置可以用于移除可压缩充填器和/或壳体组件的部分。燃料管道可以具有正方形、圆形或其它几何形状的截面轮廓，并且直径可以介于50微米和2毫米之间。
虽然图2A和2B示出了穿过可压缩充填器220的燃料管道220，但是燃料管道也可以可选地仅延伸通过壳体组件，而不穿过可压缩充填器。图3以燃料电池系统300的形式示出了这种实施方案。类似于系统200，系统300包括燃料电池302和壳体组件304。燃料电池302包括阴极308、膜310和阳极312。密封件306提供壳体组件304与燃料电池302的阳极侧之间的气密性密封，从而限定阳极室314，可压缩充填器318设置在该阳极室314中。可压缩充填器318包括第一主表面324和与第一主表面324相对的第二主表面326。与系统200不同，系统300包括延伸通过壳体组件304的一部分而不延伸通过可压缩充填器318的燃料细管或燃料管道320。相反地，燃料管道320在靠近第一主表面324接触阳极312的位置处，在壳体组件304的内表面处终止。燃料管道320提供阳极室314与燃料源(例如，氢气存储器)之间的流体连通。当将燃料流316导入至管道320时，燃料将在第一主表面324与阳极312之间流动。随着阳极室314内的燃料压力增大，燃料将挤压在第一主表面324上并且迫使该第一主表面324远离阳极312，从而形成燃料子腔室。
图3B示出了工作期间的系统300(例如，在系统300启动之后不久)。在工作期间，借助燃料管道320将燃料流316导入至阳极室314。燃料流316穿过壳体组件304并且在正好在第一主表面324与阳极312之间的接触平面的侧向的位置处离开燃料管道320。随着燃料流316在可压缩充填器318的第一主表面324与阳极312之间流动，在阳极室314内燃料压力上升，并且经增大的燃料压力挤压在第一主表面324上并且迫使该第一主表面324远离阳极312，从而形成燃料子腔室322。这样一来，经增大的燃料压力通过将充填器318压缩至更小体积来使可压缩充填器318变形，从而在阳极312和第一主表面324之间于阳极室312内形成燃料子腔室322，如图3B中所示。当变形时，燃料子腔室322使阳极312的大部分或整个表面暴露在子腔室322内的燃料下。可压缩充填器配置为在阳极室内的燃料压力到达约0.5至约60psig或者落入0.5至约60psig的范围内的任何燃料压力子范围(例如，约0.5-1psig、约1-5psig、约5-10psig、约5-25psig、约20-30psig、约25-50psig或者约40-60psig)时变形并且压缩至更小体积。在本文中描述的所有实施方案中，壳体组件(例如壳体组件204或304)可以形成进一步调节或控制进入阳极室的燃料流的流体歧管。此外，虽然为了简易起见仅示出了一个或几个燃料入口，但是本发明的燃料电池系统也可以包括通向阳极室的一个、两个或多个入口，以促进燃料向燃料电池的阳极的有效分布。
如果至系统300的燃料流316减小或者完全停止，系统将消耗阳极室314内剩余的全部燃料量并且阳极室314内的燃料压力将下降。随着阳极室314内的燃料压力下降，可压缩充填器318膨胀而占据阳极室314的更大容积。如果阳极室314内的燃料压力下降至预定阈值以下或者如果阳极室314变得基本上没有燃料，则可压缩充填器318将膨胀直至第一主表面324在燃料电池302的阳极侧接触阳极312。利用这种方式，可压缩充填器318将在系统300关闭期间或者当系统300不工作时防止空气或其它污染物进入阳极室314。
在本发明的某些实施方案中，燃料电池系统包括多于一个的燃料电池，并且可压缩充填器可以配置成向每个燃料电池提供其自身的燃料子管道。图4以燃料电池系统400的形式示出了这种实施方案。燃料电池系统400包括三个单元燃料电池402的平面阵列401。平面阵列401的每个单元燃料电池402包括阴极408和阳极412。各阴极408和阳极412布置在膜410的相对两侧。
燃料电池系统400包括壳体组件404和设置于阳极室414中的可压缩充填器418。密封件406提供平面燃料电池阵列401的阳极侧与壳体组件404和可压缩充填器418的第一主表面424的部分之间的气密性密封。可压缩充填器418的第二主表面426利用粘合剂或其它固定方式粘附或结合至壳体组件404。第一主表面424的介于密封件406之间的位于阳极412下方的部分不固定或结合至平面燃料电池阵列401。
燃料细管或燃料管道420介于可压缩充填器418的第二主表面426与壳体组件404之间延伸通过壳体组件404的部分，并且延伸通过各自穿过可压缩充填器418的一系列子管道428。各个子管道428在第一主表面424处终止。应当理解的是，对于本发明中描述的所有实施方案，可以代替燃料细管或燃料管道而采用使燃料能够进入阳极室的任何合适的进入口。例如，其中采用流体歧管或流体歧管中的其它开口。可以采用的流体歧管的另一示例被收录在下述文献中：美国专利申请第12/238,241号，该专利申请由Schrooten等人于2008年9月25日提交，并且被公开为美国专利申请公开2009/0081493；美国专利申请第12/053,408号，该专利申请由McLean等人于2008年3月21日提交，并且获准为美国专利8,133,629；以及美国专利申请第13/361,808号，该专利申请由Schrooten等人于2012年1月30日提交，并且被公开为美国专利申请公开2012/0264036，这些文献各自公开的内容通过引用而以其全部内容并入本文中。
图4示出了工作期间(例如，在系统400启动之后)的系统400。在工作期间，借助燃料管道420将燃料流416导入至阳极室414。燃料流416穿过壳体组件404并且然后借助子管道428而穿过可压缩充填器418。燃料在第一主表面424处离开各个子管道428并且在可压缩充填器418与阳极412之间流动。随着阳极室414内燃料压力上升，经增大的燃料压力通过将可压缩充填器418压缩至更小的体积来使可压缩充填器418变形，从而在阳极412与第一主表面424之间于阳极室414内形成一系列的燃料子腔室422，如图4中所示。当形成时，各个燃料子腔室422使各个阳极412的大部分或整个表面暴露在对应的子腔室内的燃料下。
在工作之前，当阳极室414内存在很少或者不存在燃料的情况下(例如，在系统启动之前)，可压缩充填器418占据整个或基本上整个阳极室414，其中可压缩充填器418的第一主表面424毗连各个阳极424，而第二主表面426毗连壳体组件404。由于其占据整个或基本上整个阳极室414，所以可压缩充填器418防止可能需要被清除的空气或其它污染物进入阳极室414。
虽然系统400包括三个单元燃料电池402，但本发明的燃料电池系统也可以包括更多个单元燃料电池。例如，本发明的燃料电池系统可以包括仅一个单元燃料电池(如图2A和2B中所示)或者多个燃料电池(例如5个、10个、25个、50个、100个甚至数千个单元燃料电池)。本发明的燃料电池系统可以包括例如布置在平面阵列中的2至10,000个单元燃料电池。此外，虽然图4中所示的系统400的单元燃料电池402仅共享一个沿着平面燃料电池阵列401的整个长度延伸的膜410，但在本发明的某些实施方案中，平面阵列也包括一系列的不连续的膜，从而使得某些或全部单元燃料电池各自具有其自身的分立的膜。
在本发明的某些实施方案中，联接至阳极室的燃料电池可以是以下任意文献中所描述的燃料电池或燃料电池层中的一个：美国专利申请第12/238,241号，该专利申请由Schrooten等人于2008年9月25日提交，并且被公开为美国专利申请公开2009/0081493；美国专利申请第13/519,716号，该专利申请由Schrooten等人于2012年6月28日提交，并且被公开为美国专利申请公开2012/0288781；美国专利8,628,890，该专利作为美国专利申请第13/535,880号于2012年6月28日提交，并且于2014年1月14日授予McLean等人；美国专利8,148,436，该专利作为美国专利申请第12/063,885号于2006年8月11日提交为PCT申请，并且于2012年4月3日授予Capron等人；或者美国专利申请第12/085,035号，该专利申请作为PCT申请第PCT/FR2006/002640号于2006年12月4日提交，并且被公开为美国专利申请公开2009/0169945。这些文献中的每个的整体教导通过引用并入本文。此外，本发明的某些实施方案包括联接至非平面燃料电池(例如，燃料电池堆、非吸气式燃料电池或者包括燃料填充腔的任何其它燃料电池架构)的阳极室。
在某些实施方案中，本发明包括具有非对称架构的燃料电池，例如美国专利申请公开2012/0288781中描述的某些燃料电池，所述文献通过引用以其全部内容并入本文。图7以燃料电池系统700的形式示出了这种实施方案。燃料电池系统700包括燃料电池层702(其包括多个单元燃料电池)和壳体组件704。燃料电池702包括具有离子导通部分710(例如，膜)和电子导通部分751的复合层723。可选地，复合层723还可以包括界面或基底区域752，该界面或基底区域752可以包括电子不导通和/或离子不导通的材料。电子导通部分751和可选的界面或基底区域752可以形成集电系统。离子导通部分710各自都不对称，如同复合层723一样。燃料电池702的复合层723还包括阴极708和阳极712。
燃料电池系统700包括壳体组件704。密封件706提供壳体组件704和燃料电池702的阳极侧之间的气密性密封。可压缩充填器718设置于壳体组件704中。可压缩充填器718包括第一主表面724和与第一主表面724相对的第二主表面726。燃料细管或燃料管道720介于可压缩充填器718的第二主表面726与壳体组件704之间延伸通过壳体组件704的部分，并且穿过可压缩充填器718。燃料管道720在第一主表面724处终止。燃料管道720提供阳极室714与燃料源(例如，氢气存储器)之间的流体连通。
图7示出了当阳极室714内燃料较少或者没有燃料时(例如，在系统启动之前)的系统700。在这种状态下，可压缩充填器718占据整个或基本上整个阳极室714，其中可压缩充填器718的第一主表面724毗连阳极724，而第二主表面726毗连壳体组件704。可压缩充填器718的第二主表面726可以利用粘合剂或其它固定方式粘附或结合至壳体组件704，但是可压缩充填器718的第一主表面724不固定或者结合至阳极712。相反地，可压缩充填器718的第一主表面724挤压在阳极712上。由于其占据整个或基本上整个阳极室714，所以可压缩充填器718防止可能需要被清除的空气或其它污染物进入阳极室714。当燃料借助管道720进入阳极室714时，经增大的燃料压力将可压缩充填器718压缩至更小空间，从而形成毗邻阳极712的燃料填充腔。
在图7中，应当注意的是，虽然管道720示出为延伸通过流体歧管和可压缩充填器718以接触阳极724，但是贯穿阳极室714的整个长度，管道也可以是连续的或可以不是连续的。例如，壳体组件704可以具有管道的图案(例如直径约为0.5mm至5mm)，并且可以包括小孔(例如直径为0.1mm至～1mm)以将燃料导入至阳极室714内。这些孔(未示出)可以沿着第二主表面726跨越阳极室714的面积分布，以确保跨越阳极室714的燃料的均一导入，或者替选地可以例如沿着第二主表面726而位于每个单元燃料电池的端部处。在这种实施方案中，管道720可以以分布式方式跨越燃料电池层的面积而位于对应于孔的位置处，或者替选地位于每个单元燃料电池的端部处。在这些实施方案中，可压缩充填器718可以是沿着每个单元燃料电池延伸的材料的连续部分和/或贯穿阳极室714跨越燃料电池层的面积而延伸的材料的连续部分，其中可选地具有间断的通孔以设置管道720。在进一步的实施方案中，其中管道720设置在燃料电池层的一个端部处，可压缩充填器718可以不延伸至阳极室714的端部以设置管道720。
在又一实施方案中，本发明包括具有集电功能的可压缩充填器。图5以燃料电池系统500的形式示出了这种实施方案。燃料电池系统500包括燃料电池502和壳体组件504。燃料电池502包括阴极508、膜510和阳极512。密封件506提供壳体组件504与燃料电池502的阳极侧之间的气密性密封。
燃料电池系统500包括利用气密性密封件506而附接至燃料电池502的阳极侧从的壳体组件504从而限定阳极室514。燃料电池系统500包括设置在阳极室514内的可压缩充填器518。可压缩充填器518包括第一主表面524和与第一主表面524相对的第二主表面526。燃料细管或燃料管道520介于可压缩充填器518的第二主表面526与壳体组件504之间延伸通过壳体组件504的部分，并且借助多个燃料子管道528延伸通过可压缩充填器518。燃料子管道528在第一主表面524处终止。燃料管道520提供阳极室514与燃料源(例如，氢气存储器)之间的流体连通。
可压缩充填器518的第一主表面524上包括一个或多个集电器530。集电器530由一种或多种导电金属(例如Cu、Ni、Au、Pt、Pd、Ru或Al)和/或导电碳层制成。集电器530利用导电粘合部532而结合至或粘附至阳极512。
图5示出了工作期间的系统500(例如，在系统500启动之后)。在工作期间，借助燃料管道520将燃料流516导入至阳极室514。燃料流516穿过壳体组件504和可压缩充填器518并且在第一主表面524处离开燃料子管道528，并且在可压缩充填器518的第一主表面524与阳极512之间流动。随着阳极室514内的燃料压力上升，经增大的燃料压力挤压在第一主表面524上并且迫使该第一主表面524的未利用粘合部532而结合至阳极512的部分远离阳极512，从而形成燃料子腔室522。以此方式，经增大的燃料压力通过将充填器518压缩至更小体积来使可压缩充填器518变形，从而在阳极512和第一主表面524之间于阳极室514内形成燃料子腔室522，如图5中所示。当变形时，燃料子腔室522使阳极512的大部分表面暴露在燃料子腔室522内的燃料下。
集电器530与阳极512电性连通并且提供传导在阳极512处产生的电流的电路。随着系统500产生电力，电力借助于集电器530而从阳极512被收集并且被传输至期望的应用。以此方式，集电器530为可压缩充填器514提供集电功能。
本发明包括利用本文所描述的燃料电池系统来发电的方法。图6示出了这种方法的图形化表示。在602，该方法包括提供包括燃料电池的燃料电池系统，例如本文所描述的本发明的系统中的一个。燃料电池可以包括具有阴极侧、膜以及阳极侧。该系统还可以包括设置在燃料电池的阳极侧上的壳体组件，其中，所述壳体组件至少部分地限定阳极室，并且所述阳极侧至少部分地限定所述阳极室。该系统还可以包括占据阳极室内的第一容积的至少一个可压缩充填器，其中所述可压缩充填器配置为在阳极室内燃料压力增大时变形，从而占据第二容积，并且其中，所述第一容积大于所述第二容积。该系统还可以包括与阳极室流体连通的至少一个燃料管道。
在604，引导燃料通过燃料管道并且进入阳极室。如果阳极室基本上没有燃料(例如在系统启动时)，则将燃料导入阳极室会使阳极室内的燃料压力增大，直至可压缩充填器变形而占据阳极室内的第二容积。
在606，使燃料的阳极侧与已被导入至阳极室中的燃料接触。当燃料接触阳极侧时发生燃料电池反应，从而引起燃料电池发电。
在608，阳极室内的燃料压力下降，并且可压缩充填器膨胀而占据更大空间。例如，可以减小进入阳极室的燃料的流率，导致阳极室内的燃料压力下降，从而使可压缩充填器膨胀而占据更大的阳极室容积。如果阳极室内的燃料压力下降至预定水平以下或者如果阳极室变得基本上没有燃料，则可压缩充填器可以膨胀而占据阳极室的整个容积。在某些实施方案中，可压缩充填器可以逐渐膨胀或收缩，以保持阳极室内的恒定的燃料压力。
在某些实施方案中，本发明包括将阳极室分隔为两个或更多个燃料流场的壳体组件。即，壳体组件包括内部分隔结构，所述内部分隔结构部分地限定管道或管道网络，燃料一旦进入阳极室即流动通过这些管道或管道网络。图8A以燃料电池系统800的形式示出了这样的壳体组件。燃料电池系统800包括燃料电池802和壳体组件804。燃料电池802包括一个或多个阴极(未示出)、膜810以及阳极812。
与本文所描述的其它燃料电池系统一样，壳体组件804附接至燃料电池802的阳极侧并且由此限定阳极室814。可压缩充填器818设置于阳极室814中。此外，与本文所描述的其它燃料电池系统一样，可压缩充填器818配置为膨胀或收缩以防止不想要的物质进入阳极室814。
但是，与先前描述的燃料电池系统不同的是，壳体组件804包括分隔结构805，该分隔结构805将阳极室814分隔为流场814a和814b。随着燃料进入阳极室814，其将可压缩充填器818压缩为更小体积，推动可压缩充填器818远离阳极812从而在可压缩充填器818的第一主表面与阳极812之间形成子管道。燃料可以在大致平行于线849的方向上通过沿着子管道流动而沿着流场814a和814b的纵向长度行进。替选地，或者附加地，如果阳极812由具有孔的互连网络的材料形成，则燃料可以在大致平行于线849的方向上通过流动通过该多孔阳极的长度而沿着流场814a和814b的纵向长度行进。以这种方式，壳体组件可以充当帮助使燃料分布至整个阳极室以改善与阳极层的接触的歧管。
在本发明的某些实施方案中，壳体组件具有将阳极室分隔为流场网络的多个分隔结构和/或一个分隔结构。阳极室内的全部或某些流场可以互连以形成流场网络，所述流场网络帮助将燃料分布在燃料电池的阳极上。壳体组件的分隔结构可以在分隔结构与燃料电池之间的接触点处借助于粘合剂或机械附接装置而附接至燃料电池。
在又一实施方案中，充填器材料可以结合至壳体组件，所述壳体组件可以是有弹性的。在这种实施方案中，在阳极填充腔增压的情况下，可以是整个壳体组件(而不仅是填充材料)都变形以形成燃料的空间。例如，填充材料可以整合至弹性燃料电池层的弹性流体歧管(例如，2014年7月29日获准的名称为《包括节约空间的流体填充腔的燃料电池系统及相关方法》的由Schrooten等人共同拥有的美国专利8,790,842中所描述的那样)中，或者集成至燃料电池结构的弹性流体填充腔(例如，2013年4月2日获准的名称为《具有外部支承的弹性燃料电池结构》的由McLean等人共同拥有的美国专利8,410,747中所描述的那样)中。诸如此类的配置可以提供总体系统几何结构和体积的附加弹性，具有填充腔内的填充材料的组合益处。
虽然图8的系统800示出了分隔结构805在阳极812之间分隔与延伸并且接触膜810，但是在有些实施方案中，壳体组件的某些或全部分隔结构可以不接触燃料电池膜，并且可以仅从壳体组件的下表面经由阳极室延伸至燃料电池的阳极表面。图9以燃料电池系统900的形式示出了这种实施方案，所述燃料电池系统900包括燃料电池902和阴极壳体组件904。燃料电池902包括一个或多个阴极层(未示出)、膜910以及阳极层912。壳体组件904固定至燃料电池902的阳极侧并且包括分隔结构905，所述分隔结构905延伸通过阳极室914，从而将阳极室914分隔为流场914a和914b。可压缩充填器918设置于阳极室914中，并且与先前描述的实施方案中的可压缩充填器进行类似的配置(即，配置为响应于阳极腔内的燃料电池压力的变化和/或响应于使可压缩充填器充胀或收缩的主动控制器而膨胀与收缩)。燃料电池系统900与图8中所示的燃料电池系统800之间的一个差异在于，燃料电池系统900的分隔结构905邻接阳极912的表面，而不是延伸通过燃料电池阳极层而邻接膜。如果阳极层912包括互连孔的网络，则燃料可以通过扩散通过阳极层912并且经过分隔结构905的上边缘而从流场914a行进到914b。
上述说明旨在为说明性的，而非限制性的。例如本领域技术人员可以在回顾上述说明之后采用其它实施方案。例如，一个已描述的实施方案中的元素可以与其它已描述的实施方案中的元素相结合。并且，在上述具体实施方式中，不同特征可以归并到一起以简化本公开。这不应当被理解为意指未要求的公开特征对于任意权利要求来说是必不可少的。相反，发明主题内容可以基于少于具体公开的实施方案的所有特征。因此，所附权利要求在此并入具体实施方式中，其中，每项权利要求独立地作为单独的实施方案。本发明的范围应当参考所附权利要求以及这些权利要求所享有的等价形式的全部范围来确定。
提供摘要以满足37 C.F.R.§1.72(b)，使得读者能够快速地确定技术公开的本质。应当理解的是，该摘要并不用于解释或限制权利要求的范围或含义。

Claims (20)

1.一种燃料电池系统，包括：
燃料电池，其包括阴极侧、膜以及阳极侧；
壳体组件，其设置在所述阳极侧上并且至少部分地限定阳极室，其中，所述阳极侧至少部分地限定所述阳极室；
至少一个可压缩充填器，其占据所述阳极室内的第一容积，其中，所述可压缩充填器配置为，在阳极室内的燃料压力增大时，所述可压缩充填器变形从而占据第二容积，其中，所述第一容积大于所述第二容积；以及
至少一个燃料管道，其与所述阳极室流体连通。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述可压缩充填器配置为，在所述阳极室内的燃料压力下降至预定阈值以下时，所述可压缩充填器占据整个阳极室。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述壳体组件为燃料歧管。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述可压缩充填器包括可充胀的囊状物。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述燃料管道延伸通过所述可压缩充填器。
6.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其中，所述燃料歧管包括在所述阳极室内的至少一个分隔结构。
7.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述可压缩充填器由无孔材料、具有封闭孔隙的多孔材料或其组合而制备。
8.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述壳体组件配置为，在所述阳极室内的燃料压力超过预定阈值时，所述壳体组件变形。
9.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述可压缩充填器配置为压缩所述阳极室内的燃料，以将燃料压力保持在预定水平。
10.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述阳极室被分隔为多个可压缩区域。
11.根据权利要求10所述的燃料电池系统，其中，所述系统包括多个燃料管道，并且可压缩区域中的每个与燃料管道中的至少一个流体连通。
12.根据权利要求10所述的燃料电池系统，其中，所述系统包括多个可压缩充填器，可压缩充填器中的每个占据可压缩区域中一个内的容积。
13.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述燃料电池为布置在共面阵列内的多个单元燃料电池中的一个。
14.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述可压缩充填器包括为疏水性的第一主表面。
15.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述可压缩充填器包括为亲水性的第一主表面。
16.根据权利要求15所述的燃料电池系统，其中，所述可压缩充填器包括第一主表面，并且其中，所述第一主表面的至少某些部分固定至所述燃料电池的阳极侧。
17.根据权利要求16所述的燃料电池系统，其中，所述可压缩充填器包括集电器。
18.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述可压缩充填器包括第一主表面，当所述可压缩充填器占据第一容积时，所述第一主表面与所述燃料电池的阳极侧接触。
19.一种发电的方法，该方法包括：
提供燃料电池系统，所述燃料电池系统包括：
燃料电池，其包括阴极侧、膜以及阳极侧，
壳体组件，其设置在所述阳极侧上，并且至少部分地限定阳极室，其中，所述阳极侧至少部分地限定所述阳极室，
至少一个可压缩充填器，其占据所述阳极室内的第一容积，其中，所述可压缩充填器配置为，在阳极室内燃料压力增大时，所述可压缩充填器变形从而占据第二容积，其中，所述第一容积大于所述第二容积，以及
至少一个燃料管道，其与所述阳极室流体连通；
将燃料引导通过燃料管道并且进入阳极室；
增大所述阳极室内的燃料压力，直至所述可压缩充填器变形而占据所述阳极室内的第二容积；以及
使所述阳极侧与燃料接触以发电。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述可压缩充填器包括第一主表面，当所述可压缩充填器占据所述第一容积时，所述第一主表面与所述燃料电池的阳极侧接触。
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