[0002] 该非临时
申请根据35U.S.C.§119(e)要求2006年1月9日提交的美国临时
专利申请第60/757,750号的优先权，该美国临时专利申请在此处整体上并入作为参考。
技术领域
[0003] 本发明通常涉及
燃料电池，更具体而言，但并非为了限制，涉及便携式或微型燃料电池系统及其方法。
背景技术
[0004] 燃料电池是利用燃料和
氧的反应来产生电
力的电化学
能量转换装置。只要燃料存在燃料电池就能持续运转。当用氢来做燃料时，唯一的副产品是
水蒸气。燃料电池的转化反应用电化学的方法发生，能量作为
电能和
热能的结合释放。电能能够直接做有用功而热能能够散开。
[0005] 诸如便携式电话和膝上型电脑(尤其)的便携式
电子设备需要相当大量的电力来运转。同时为这些设备提供功率的首要和任选次要电池到达性能极限。如此，未来的便携式设备将可能要求更大的电力需求，很可能的是，电池电源不能为其提供所需的功率。燃料电池是传统电池的可行的替代功率源，但目前为它们相对较大的尺寸、较低的能量
密度级以及不充足的功率输出所限制。其中，现有燃料电池的这些缺点是现有燃料电池元件的结合难以实施以及在电子设备中的设置需求的结果。
[0006] 认识到该技术的前述说明，已经想象到提供能够在包括一切的系统内保持高
能量密度以及提供足够的功率输出的便携式燃料系统的主题，现在在正文以及与本发明文件相关的
附图中说明该主题。
发明内容
[0007] 本主题的
实施例涉及燃料电池系统。在一个示例中，所述燃料电池系统包括：至少一个燃料电池或燃料电池层，其包括
阳极、
阴极以及置于两者之间的
电解质；燃料或燃料储存材料；燃料储存器，其包括至少一个表面邻近所述至少一个燃料电池或燃料电池层的第一部分放置，在所述至少一个燃料电池或燃料电池层中所述燃料储存器配置成储存燃料或燃料储存材料；
电流收集
电路，其
接触所述至少一个燃料电池或燃料电池层的第二部分，在所述至少一个燃料电池或燃料电池层中所述电流收集电路配置成接收和分配由所述燃料电池或燃料电池层产生的电流；燃料压力通
风系统，其置于所述至少一个储存器表面和所述至少一个燃料电池或燃料电池层的所述第一部分之间。
[0008] 在另一示例中，所述燃料系统包括燃料
存储器、系统盖、封闭区以及至少一个燃料电池。所述燃料储存器配置成储存燃料或燃料储存材料。所述系统盖配置成与所述燃料储存器是可附接的，藉此在那里形成封闭区。所述至少一个燃料电池包括一个或更多的包括所述燃料电池的阳极或阴极的柔性壁。所述柔性壁在结构上被设置成形成反应物压力
通风系统(reactant plenum)，当被
增压时，由所述燃料储存器或系统盖的一个或两个的一部分来支承。
[0009] 本主题的实施例还涉及制造燃料电池系统的方法。一个方法包括：形成燃料电池或燃料电池层；将燃料储存器耦合到所述燃料电池或燃料电池层的第一部分，使得所述燃料压力通风系统形成在两者之间；将电流收集电路邻近于所述燃料电池或燃料电池层的第二部分放置；将具有至少一个的进气口的系统盖放置在所述电流收集电路、所述燃料电池或燃料电池层、或者所述燃料储存器的一部分的一个或多个之上，包括将所述至少一个进气口(air access port)
定位成靠近所述燃料电池或所述燃料电池层的第二部分；以及将系统盖耦合到所述燃料储存器。
[0010] 另一方法包括：形成配置成在其中储存燃料的燃料储存器；形成系统盖；将所述系统盖耦合到包括形成封闭区的所述燃料储存器的一部分；放置至少一个在所述封闭区中的、包括设置一个或多个弹性燃料电池壁的燃料电池以形成至少一个反应物压力通风系统。在各种示例中，形成所述燃料储存器和系统盖包括形成用于所述一个或多个弹性燃料电池壁的支承。
[0011] 考虑以下说明和相关附图，本系统和方法的这些和其他的方面、优点以及特征将变得显而易见。
附图说明
[0012] 附图中，未必成比例绘制，各个视图中的相同数字描述类似元件。具有不同字母后缀的相同数字表示类似元件的不同实例。这些附图一般通过示例的方式而不是限制的方式示出了本专利文件中所讨论的各种实施例。
[0013] 图1示出了根据至少一个实施例构造的燃料电池系统的分解图。
[0014] 图2示出了根据至少一个实施例构造的一样燃料电池的诸如沿图1的2-2线的横截面图。
[0015] 图3示出了包括一个或更多的如根据各种实施例构造的燃料电池以及燃料储存器的燃料电池系统的部分的横截面图。
[0016] 图4示出了制造诸如图1所示的燃料电池系统的方法，如根据至少一个实施例构造的那样。
[0017] 图5A-5B示出了包括一个或多个燃料电池、燃料储存器以及系统盖的燃料电池系统的部分的横截面图，如根据各种实施例构造的那样。
[0018] 图6示出了制造诸如图5B所示的燃料系统的燃料系统的方法，如根据至少一个实施例构造的那样。
具体实施方式
[0019] 以下详细描述包括引用附图，该附图形成该详细描述的一部分。作为例证，附图示出了特定实施例，在该特定实施例中本系统和方法可以被实践。这些实施例，在这里还被称作“示例”，被足够详细地描述以使本领域技术人员能够实践本系统和方法。在不背离本系统和方法的范围的情况下，可以结合该实施例，可以利用其它实施例，或者做出结构和逻辑的改变。因此，以下详细说明并不采纳限制性的意义，本系统和方法的范围由所附的
权利要求以及它们的等同物所限定。
[0020] 在该文件中，术语“一”用于包括一个或多于一个，除非另有指示，术语“或者”用于指非排他性的。此外，应当理解，这里所使用的措词或术语，除非另有定义，仅是为了说明而非限制。
[0021] 如果它们将用于电力电子设备，诸如便携式电话、卫星电话、膝上型电脑、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、包括室外照明或
闪光灯的照明设备、电子玩具、电动工具或传统地以电池方式使用的任何设备，希望甚至需要燃料电池系统以仅占用整个电子设备体积的小体积、保持高能量密度以及提供充足的功率输出。然而，现有的燃料系统用于电子设备时不是太大就是不能保持高能量密度以及提供在时间的足够期间内对电子设备供电所需的能量。有利地，本主题提供燃料电池系统，其能够保持高能量密度以及提供足够的功率输出，但仅占用整个电子设备体积的相对较小的体积。此外，本燃料电池可以无需
泵、
阀以及加热器而被动地(passively)操作，无需依赖任何辅助电池(supplemental battery)或其它电源可迅速地启动。
[0022] 现在参见附图，尤其是图1，这里示出了燃料电池系统100，其中包括燃料电池层102以及燃料储存器(例如
燃料箱)104。燃料电池层102包括一个或更多的燃料电池，其每一个包括阳极107、阴极108以及置于两者之间的
电解质109(例如离子交换膜)。系统
100中所利用的燃料电池层102可以为平面燃料电池，诸如具有电载流结构的
电化学电池结构，其至少部分地位于电化学反应层之下。在一个这样的示例中，所述电池包括其每一边上均有催化剂层的离子交换膜。在另一这样的示例中，电化学电池结构包括多个单独的、形成于离子交换膜的片上的单元电池。在燃料电池系统100中，用含氧的空气作为
氧化剂提供给每一电池的阴极108，用诸如氢的燃料供给每一电池的阳极107。
[0023] 可以得到用于燃料储存器104的许多结构选择。例如，在一个示例中，燃料储存器104可以包括多孔的燃料箱，在该燃料箱中第一和第二多孔元件相互连通并被设置成基本上填充可利用的电子设备空间。在这样的一个示例中，一个或更多的内部端口流通地(fluidly)连接第一和第二多孔元件，而一个或更多的端盖耦合到元件的端部。在另一示例中，燃料储存器104可以包括不规则形状(例如非圆形、非矩形或非三
角形的形状)，其大致符合所
指定空间(allotted space)的可利用体积。所指定空间可以设置在便携式电话、卫星电话、膝上型电脑、电脑附件、显示器、个人音频或视频播放器、医疗设备、电视机、发射器、接收器、包括室外照明或闪光灯的照明设备、电子玩具或电动工具之中。在又一示例中，如图1所示，燃料储存器104可以包括空隙(void)152以容纳选择性的元件，诸如辅助能量电池122或电子调节电路120。
[0024] 在这些结构性的示例中的每一个，燃料储存器104密封诸如氢的燃料，或者诸如氢储存材料的燃料储存材料。在一个示例中，燃料储存器104密封包括一种或更多的活性物质粒子以及
粘合剂的合成氢储存材料，其中粘合剂固定活性物质粒子足以保持活性粒子之间的相对空间关系。在一个这样的示例中，氢储存材料包括金属氢化物。在其它技术之中，氢储存材料可以利用物理吸着或化学吸着的一个或两个来储存氢。
[0025] 来自燃料电池层102的功率可以由电流收集电路106来采集，该电流收集电路收集由燃料电池层102产生的电流以及经由功率输出连接器116将其发送出系统100或者替代地将其发送进调节电子部分120(例如电子调节电路)。在示出但可以变化的示例中，功率输出连接器116连接至电流收集器106和选择调节电子部分120。电流收集电路106可以是能
变形的以符合燃料电池层102或其它燃料电池系统元件的形状或
位置。在一个示例中，燃料电池系统100提供高达大约4瓦特的
峰值功率输出，而在其它的示例中，燃料电池系统100可以提供大约2-3瓦特的峰值功率输出。在各种示例中，燃料电池的
平均功率输出在大约0.2-1.8瓦特之间，诸如大约0.5-1.5瓦特、大约0.75-1.25瓦特或者大约1瓦特。在各种示例中，燃料电池系统100提供大约200-600瓦特-小时/升或更多的能量密度，诸如大约250-350瓦特-小时/升或者大约30瓦特-小时/升。在各种示例中，燃料电池系统100包括大约25立方厘米或更少的尺寸。在某个示例中，燃料电池系统100的尺寸为大约10立方厘米或更少。
[0026] 在各种示例中，燃料储存器104包括添加燃料口112和压力调节器110。添加燃料口112可以为压力激活阀，其允许诸如燃料流的液体流进入燃料储存器104。在一个示例中，添加燃料口112包括燃料入口和至少一个具有第一密封部位和第二燃料部位的可压缩构件。在这样一个示例中，当至少一个可压缩构件位于第一密封部位时，至少一个可压缩构件以密封的方式与燃料进口相耦合。在示出的示例中，添加燃料阀112与燃料储存器104的下壁114相耦合。
[0027] 压力调节器110可以设计成将燃料储存器压力减少到燃料电池层102所接受的更恒定的、更低的压力。在一个示例中，压力调节器110与燃料储存器104的上壁115结合，包括调节器
机体、弹性构件、隔膜、调节器阀以及密封构件。在这样的一个示例中，隔膜和调节器阀可移动地响应于第一腔室和第二腔室之间的压力差。
[0028] 在示出的示例中，燃料压力通风系统212(图2)通过邻近于燃料储存器104的至少一个表面150放置燃料电池层102来制造。邻近燃料电池层102的燃料储存器表面150的周边可以由诸如可压缩的或弹性的
密封圈或者粘合剂的密封构件126来密封，藉此形成燃料压力通风系统212。在这一示例的操作中，燃料储存器104通过对添加燃料口112增压来填满燃料。然后压力调节器110用于减少或保持燃料压力通风系统212中的压力至足以用于燃料电池层102的操作和移动的量级。燃料压力通风系统中的压力又促动或迫使燃料电池层102抵靠电流收集电路106，提供这些元件之间的接触。然后以这种方式，燃料电池系统100能够简单地通过将系统100暴露在周围空气中来激活(即例如氢和氧之间的电化学反应能够开始)。在替代的示例中，燃料电池层102可以直接粘合至电流收集电路106使得电流能够被收集而无需压力激活。
[0029] 任选地，燃料电池系统100可以包括系统盖124或多孔防护构件118。可以利用系统盖124以协助诸如燃料电池层102和燃料储存器104的元件之间的连接。其中，系统盖124可由包括
钢或
铝的坚硬但延展性好的材料构造。适于系统盖124的材料的其它示例包括硬质塑料，诸如 (通用电气公司的注册商标)或聚乙烯。在各种示例中，系统盖124包括一个或更多的进气口206(图2)，其允许燃料电池阴极108至少部分进入周围空气。如所示，系统盖124配置成围绕燃料电池层102以及通过诸如
焊接(welding)、
锡焊、
铜焊、卷边(crimping)、胶粘、热粘合、压敏粘合或者一个或更多的机械结构(例如扣件或突起)的任何物理的或化学的手段可以附接至燃料储存器104。机械结构可以任选地松开。
[0030] 当仍允许空气流到那时，多孔防护构件118可以提供对燃料电池阴极108的保护。在一个示例中，多孔防护构件118保护阴极108免受周围空气中的干扰物。在特定示例中，当仍允许燃料流经时，多孔防护构件118可以在阳极侧邻近于燃料电池层102放置以提供对阳极的保护。
[0031] 图2为根据一个示例的燃料电池系统100的诸如沿图1的线2-2的横截面图。在这一示例中，第一燃料储存器表面150在其周边接触密封构件126的第一侧。燃料电池层102的第一侧250接触密封构件126的第二侧，使得燃料压力通风系统212由此产生。燃料电池层102的第二侧252接触电流收集电路106。防护构件118保护燃料电池层102和它的元件免受来自环境的干扰物。系统盖124围绕燃料电池层102和燃料电池系统100的其它元件(例如防护性多孔构件118、电流收集电路106和燃料压力通风系统212)以及连接至燃料储存器104。系统盖124包括进气口206，其允许周围空气进入燃料电池层102元件，诸如阴极108(图1)。方向208的气流经过进气口206和多孔防护构件118以提供氧至燃料电池层102的阴极108。
[0032] 在这一示例中，当来自燃料储存器104的燃料(例如氢)气流210经过压力调节器110进入燃料压力通风系统212，燃料压力202在朝着电流收集电路106的方向在燃料电池层102上施加力，提供两者之间的接触。如所示，系统盖124至燃料储存器104的机械连接在电流收集电路106上施加朝着燃料电池层102(在与燃料压力202相反的方向上)的套压力204，进一步提供燃料电池系统100之间的有效接触。
[0033] 有很多用于燃料电池系统100的选择。例如，在特定示例中，燃料压力通风系统212包括宽度小于大约1mm的尺寸(其中宽度为基本上垂直于燃料储存器104以及从燃料储存器104延伸至燃料电池层102的距离)，而在其它示例中，燃料压力通风系统212包括大于1mm的宽度。在特定示例中，电流收集电路106可以放置在燃料电池层102的下面，与燃料电池层102结合，或者放置在燃料压力通风系统中，而不是接触燃料电池层102的第二侧252。在这样的示例中，燃料电池层102和电流收集电路106之间的连接可能不是由燃料压力所产生的向外的力202激活，而是经过连接的更积极的方式(例如粘结法)。
[0034] 图3A-3D示出了燃料电池系统100的部分的横截面图，其中包括一个或更多的燃料电池层102、诸如氢燃料储存器的燃料储存器104以及一个或更多的密封构件126。在图3A中，一个燃料电池层102邻近燃料储存器104放置。在图3B中，两个燃料电池层102在燃料储存器104的周围相对放置。在图3C中，三个燃料电池层102放置在燃料储存器104的三个分开的表面上。在图3D中，两个燃料电池层102放置在不规则形状(例如非正方形或非矩形形状)燃料储存器104的两个分开的表面上。其中，图1-2所示的燃料电池系统能够利用图3A-3B所示的配置。正如结合图2所讨论的，一个或更多的密封构件126可以放置在燃料电池层102和燃料储存器104之间，藉此形成燃料可以从储存器104流入210其中的燃料压力通风系统212。
[0035] 图4示出了制造诸如图1所示的便携式燃料电池系统100的燃料电池系统的一个方法400。402处，形成至少一个燃料电池。在各种示例中，形成多个燃料电池以产生燃料电池层。每一燃料电池包括阳极、阴极和置于两者之间的电解质。404处，燃料储存器与所述至少一个燃料电池的第一部分耦合，藉此形成两者之间的燃料压力通风系统。在一个示例中，燃料储存器使用导电粘合剂与所述至少一个燃料电池的第一部分耦合。在另一示例中，密封构件放置在燃料储存器和所述至少一个燃料电池的第一部分之间。
[0036] 406处，电流收集电路邻近与所述至少一个燃料电池的第二部分放置。在一个示例中，电流收集电路用电力与便携式电子设备耦合。在另一示例中，电流收集电路用电力与电子调节电路耦合。
[0037] 进一步地，408处，具有至少一个进气口的系统盖放置在电流收集电路、所述至少一个燃料电池、或者燃料储存器的一部分的一个或更多之上，在该系统盖中所述至少一个进气口靠近所述至少一个燃料电池的第二部分放置。在一个示例中，防护性多孔构件放置在所述至少一个进气口和所述至少一个燃料电池的第二部分之间。410处，系统盖与燃料储存器耦合。在一个示例中，系统盖通过焊接、
锡焊、铜焊、卷边、胶粘、热粘、
压敏粘合剂或者一个或更多的机械结构(例如扣件或突起)耦合至燃料储存器。机械结构可以任选地松开。
[0038] 现在参见图5A-5B，以横截面的形式示出了燃料电池系统100，其中包括带有一个或更多弹性壁502的燃料电池层102、配置成储存燃料或燃料储存材料的燃料储存器104、系统盖124以及密封区504。燃料电池层102包括一个或更多的燃料电池，其每一个包括阳极107、阴极108和置于阳极107和阴极108之间的电解质(未明白地示出)以及电流收集电路106。
[0039] 其中，经由焊接、锡焊、铜焊、卷边、使用粘合剂、或一个或更多的机械结构，系统盖124与燃料储存器104为可连接的，藉此形成封闭区504，如所示。所述一个或更多的燃料电池层102可以放置在封闭区504中使得它们相应的弹性壁502在结构上设置成形成至少一个反应物压力通风系统506。所述一个或多个弹性壁502由燃料储存器104或系统盖124的一个或两个的一部分来支承。在示出的示例中，阴极108是从弹性壁502的外部可以接近的以及经由系统盖124中的进气口暴露在周围空气中，而阳极107是从弹性壁502的内部可以接近的以及可以暴露在诸如氢燃料的反应物中。电流接收电路106(与燃料电池层
102结合)配置成接收由燃料电池层102产生的电流以及将这些电流分配至例如便携式电子设备。
[0040] 在各种示例中，压力通风系统进口550流通地连接反应物压力通风系统506和燃料储存器104或周围空气。当反应物经由压力通风系统入口进入时，反应物压力对燃料压力通风系统506增压，因此将所述燃料电池层102的一个或更多的弹性壁502推向燃料储存器104或系统盖124的一个或两个的支承部分。
[0041] 图6为示出制造诸如图5B所示的燃料电池系统的方法600的
流程图。602处，形成配置成储存燃料在其中的燃料储存器。604处，形成系统盖。606处，系统盖与燃料储存器的一部分耦合使得在其中形成密封区。在一个示例中，系统盖通过焊接、锡焊、铜焊、卷边、胶粘、热粘、压敏粘合剂、或者一个或更多的机械结构(例如扣件或突起)与燃料储存器耦合。机械结构可以任选地松开。
[0042] 608处，包括阳极、阴极和置于两者之间的电解质的至少一个燃料电池放置在密封区中。在各种示例中，形成多重燃料电池以产生燃料电池层。在一个示例中，一个或更多的弹性燃料电池壁包括燃料电池阳极或燃料电池阴极的一个或两个。据此，在另一示例中，将所述至少一个燃料电池放置进密封区包括设置所述一个或更多的弹性燃料电池壁以形成至少一个反应物压力通风系统。在各种示例中，形成燃料储存器和系统盖包括形成用于所述一个或更多的弹性燃料电池壁的支承使得当反应物进入压力通风系统入口并对反应物压力通风系统增压时，燃料电池壁延伸和符合所述一个或更多的支承的形状。
[0043] 610处，电流收集电路与所述至少一个燃料电池成一个整体。在各种示例中，电流收集电路配置成从所述至少一个燃料电池收集电流以及将该电流分配至一个或更多的电子设备，诸如便携式电子设备。
[0044] 这里提供对于它们的制造的燃料电池系统和方法。其中，本系统和方法提供用于燃料电池系统，其提供充足的功率输出和高能量密度，全部位于相对小的空间中。燃料电池系统能够作为独立电源操作或结合至电子设备中。进一步地，燃料电池系统并不需要依靠泵、阀或加热器用于其操作、节约宝贵的能量和电子设备体积。
[0045] 可以理解，上述说明是说明性的而非限制性的。例如，以上所描述的实施例(和/或其方面)可以在相互结合中使用。对本领域技术人员而言，依据审阅上述说明，许多其它的实施例将变得显而易见。因此，本发明的范围将参见所附的权利要求连同这些权利要求所包括的等同物的全部范围一起来确定。在所附的权利要求中，术语“包括”和“其中”用作相应术语“包括”和“其中”的简单英语等同物。此外，在以下权利要求中，术语“包括”和“其中”是没有限制的，也就是说，包括除了在权利要求的此类术语之后所列的那些元件之外的元件的系统、设备、物品或过程仍被认为在该权利要求范围内。另外，在以下权利要求中，术语“第一”、“第二”或“第三”等仅用作标记，并不意图强加大量的要求在它们的物体上。
[0046] 提供公开的
摘要以遵照1937年美国联邦法典第1.72(b)条，其要求将允许读者快速地确定技术公开的性质的摘要。带着其将不用于解释或限制权利要求的范围或意义的认识将其提交。另外，在前述详细说明中，各种特征可以聚合在一起以使公开简化。公开的方法不不应理解为所要求保护的实施方式要求比各权利要求中明白地列举的特征多的特征。相反地，如以下权利要求反映，发明主题可以处于少于单个公开的实施例的全部特征中。因此，以下权利要求由此并入详细说明，随着每一权利要求作为独立的实施例依赖其自身。
