普通的燃料电池将氢气和氧气转化为水，在此过程中产生电能。 燃料电池有多种潜在的用途，其中包括汽车和发电站。有一种燃料电 池叫做质子交换膜燃料电池。标准的质子交换膜燃料电池含有一层表 面涂有催化剂的薄膜，薄膜被石墨板或陶瓷板封闭。薄膜的一面作为 阳极，并从外部向其输送氢气，薄膜的另一面作为阴极，从外部向其 输送空气以提供氧气。在阳极上，催化剂催化一种反应，使得氢气分 子释放其电子，并变成氢离子(质子)。质子通过薄膜到达阴极。迫 使电子绕着薄膜运动，到达阴极(通过一条电路)，形成电流。在阴 极上发生了另外一种反应，质子与氧气结合产生燃料电池废气(水)。 燃料电池产生直流电压，可以直接用来或者转换成交变电流供交流电 装置使用。

鉴于以上所述，市场上需求一种比现在的燃料电池系统更高效、 更轻便和更可靠的燃料电池。
在公开的实施方式中，燃料电池包括一个限定氢气管道位置的阳 极基片。氢气管道中的氢气催化剂能够在管道中电离氢气。阴极基片 限定了氧化剂管道的位置，氧化剂管道中的氧化催化剂能够催化氧化 剂与质子的反应。
氢气管道中可能会放置障碍物，以增强氢气与氢气催化剂的反 应。燃料电池可能含有多个这样的障碍物，在氢气流通过燃料电池时 将其分离。或者也可能含有多个障碍物将通过燃料电池的空气流分离。
阳极基片和阴极基片可以采用硅材料制成，一般情况下采用掺杂 硅，这种材料具有良好的导电性能，并且容易形成各种结构，如构槽 和柱状物等。阳极基片和阴极基片表面可以分别涂上一层阳极催化剂 和阴极催化剂。此外，燃料电池可能含有一个阳极质子吸收层和一个 阴极质子吸收层。阳极质子吸收层位于质子交换膜的阳极侧，阴极质 子吸收层位于该膜的阴极侧，来存储质子并方便质子穿过交换膜的运 动。
在另外一种公开的实施方式中，燃料电池模块包含一个外罩护盖 的燃料电池组。燃料电池组包含两个板形燃料电池，每个燃料电池包 含一对反向极性的电极，两个电极位于燃料电池的对立两侧。第一个 燃料电池上的电极与第二个燃料电池上的电极进行电连接。
燃料电池可以堆叠，这样第二个燃料电池与第一个燃料电池处于 并行位置。第一个燃料电池的阳极侧可以与第二个燃料电池的阴极侧 邻接，使两个燃料电池串联，以达到两个电池摆放紧凑的效果。
燃料电池模块还带有一个传感器，它能够检测模块的性能，并输 出这种性能的信号，比如模块的输出电流、输出电压或输出功率。此 外还可以检测模块中某个或多个位置的温度，或模块中某种物质的量， 如杂质量。
每个模块可能含有一个与氢汇流管相连的供氢管，汇流管又与每 个燃料电池相连。每个模块同样可能含有一个与每个燃料电池以及氧 化剂供应管相连的氧化剂汇流管。
所公开燃料电池系统的一种实施方式可能包含多个电连接的燃 料电池模块，每个模块含有一个装有燃料电池组的外罩。每个燃料电 池组可能含有多个电连接的燃料电池，这些燃料电池与氧化剂供应源 和氢气供应源相连。
在公开的实施方式中，某个模块中的燃料电池可以被停用，而同 时其他一个或多个模块中的燃料电池依然保持有效，这种功能的一个 优点例如是，在一个模块上进行维护工作时，整个系统不受影响，仍 然不断的产生电能。
系统中的模块可以并联，这样输出电压即使在一个模块被停用时 仍然恒定。在每个模块中串联燃料电池可能是有利的，以增强系统的 输出电压。
燃料电池系统可能含有一个产生氢气的反应器。反应器包含一个 能够与碳氢化合物燃料源相连的入口。入口下游的催化剂过滤器有一 个表面涂有第一催化剂和第二催化剂的膜结构，第一催化剂能够促使 碳氢化合物燃料产生反应，从而产生氢气，第二催化剂能够吸引反应 产生的副产物。气体必须通过膜结构才能到达反应器出口。
该系统还包括一个与清洗液供应源相连的清洗液供应管。清洗液 能够与燃料电池中的副产物发生反应，将这些副产物从燃料电池中去 除。比如，清洗液可以选用过氧化氢，便于将一氧化碳从燃料电池中 去除。
附图说明
图1是按照公开的实施方式的燃料电池系统示意图。
图2是按照公开的实施方式的燃料电池模块图。
图3是按照公开的实施方式的燃料反应器侧视图。
图4是图3的燃料反应器透视图，其中部分反应器外壳被拆离。
图5是按照公开的实施方式的燃料电池系统正面透视图。
图6是按照图5描述的燃料电池模块的和对应后背板透视图。
图7是按照图6描述的燃料电池模块和后背板后视分解图。
图8是按照图6描述的燃料电池模块右侧模块区透视图。
图9是按照图8描述的右侧模块区的另外一个透视图。
图10是按照图6描述的燃料电池模块左侧模块区透视图。
图11是按照图10描述的左侧模块的另外一个透视图。
图12是按照图6、7描述的燃料电池模块侧视图。
图13是沿图2中线条13-13拆离的燃料电池的截面图。
图14是燃料电池硅基片表面一部分的透视图，包括按照公开的 实施方式的支柱排列。
图15是按照公开的实施方式的燃料电池硅基片俯视图。
图16是图15中硅基片一部分的放大图。
图17是图13中燃料电池截面图的部分分解示意图。
图18是表面形成氧化层的硅基片的侧面剖视图。
图19是图18中氧化层上带有耐腐蚀物质的硅基片侧面剖视图。
图20是图19中未涂有耐腐蚀材料部位形成构槽图形的硅基片侧 面剖视图。
图21是图20中去除耐腐蚀材料的硅基片侧面剖视图。
图22是图21中氧化层表面形成一个环形耐腐蚀物质的硅基片侧 面剖视图。
图23是图22中硅基片侧面剖视图，图中未受到环形耐腐蚀材料 保护的部位的氧化层被去除，形成一种环形的氧化物质。
图24是图23中硅基片上形成催化剂结合层的侧面剖视图。
图25是图24中硅基片的侧面剖视图，图中部分催化剂结合层进 行了处理。
图26是图25中硅基片的侧面剖视图，图中被环形氧化物覆盖的 催化剂结合层部分被去除。
图27是图26中硅基片的侧面剖视图，图中环形氧化物上形成了 一个中空层。
图28是图27中硅基片的侧面剖视图，图中硅基片上形成了一个 催化剂层。
图29是图28中硅基片的侧面剖视图，图中中空层和沉积在中空 层上的催化物质被去除。
图30是图29中硅基片的侧面剖视图，图中硅基片上在催化剂层 对面形成了接触结合层和接触层，从而形成按照图17的实施方式的顶 部和底部燃料电池组件。
图31是按照图17的实施方式的中间燃料电池组件的侧面剖视 图。
图32是图31中的中间组件的侧面剖视图。
图33是按照公开的发明的燃料电池系统示意图，图中描述了系 统模块的控制。
图34是源自图33中实施方式的燃料电池模块的示意图。

参照图1，燃料电池系统100包括一个氢气发生子系统102(有 时称为装置平衡)，生成氢气。氢气源源不断的提供给燃料电池模块 104、106和108。此外，空气供应子系统110不断向燃料电池模块104、 106和108供应空气。如图2中所描述，上述三个电池模块中每个电 池模块104、106和108都包括多个圆盘形燃料电池112，电池在阳极 侧114上接收氢气113，在阴极侧116接收空气115。在阳极侧114 上，氢原子120释放电子122，并通过如下反应生成氢离子(质子) 124，反应方程式如下：
2H2→4H++4e-
质子124穿过质子交换膜130到达阴极侧116。迫使电子122通 过围绕交换膜的另外一条途径穿过电路132，从而生成电能。在阴极 侧116上发生另外一种反应：质子124和电子122结合氧气(即O2，来 自空气115)产生燃料电池废物(水136)，反应方程式如下：
O2+4H++4e-→2H2O
电路132根据所需的用途(燃料电池112产生电流)不同可能包 括多个电子元件，比如开关、逆变器、电容器和电池等。
现在回过头来参照图1并详细的描述燃料电池系统100，氢气生 成系统102包括一个主要的碳氢化合物燃料供应管140(可以采用标 准的天然气导管)。另外，燃料供应140可以是另外一种碳氢化合物 (比如甲醇或丙烷)燃料供应管。氢气也可以通过其它类型的氢气发 生装置生成并供应，比如压力或热回转吸收装置。而且，燃料供应140 可以通过气体或液气的形式供应碳氢化合物燃料。主燃料管142从燃 料供应140引出。主燃料管142和这里提到的所有其它燃料和碳氢化 合物管线最好采用(但不一定必须采用)四分之一英寸直径的不锈钢 管。采用其他材料(比如聚合材料)制成的供应管也可以使用。燃料 管142可以包含一个主燃料阀144，阀门位于主燃料管142上。144 和文中提供的其他阀门可以采用标准的螺管励磁不锈钢断路阀。
备用燃料供应146提供了后备燃料供应，以防主燃料供应140出 现供应中断。备用燃料供应146包括一对丙烷贮槽148和150，每个 贮槽分别有一个断路阀152和154位于两个贮槽与备用燃料供应管 156之间。备用燃料供应管156引向主燃料供应管142。值得注意的是， 系统100可以交互使用多种类型的碳氢化合物燃料，比如天然气、丙 烷、甲醇。因此，该系统能够从主天然气供应切换到备用丙烷供应， 而不会发生电力生产中断。在可选的一种实施方式中，备用燃料供应 146或主燃料供应140都可以省略。
在公开的实施方式中，主燃料管142引向过滤组合件160。在工 作状态下的实施方式中，过滤组合件160采用带有拧入式附件的汇流 管，用于燃料过滤器162、水过滤器164和清洗液供应166。燃料过滤 器162可以包括活性炭过滤器，将输入的燃料中的硫去除(添加这种 硫的目的是为了检测燃料的行迹)。从燃料过滤器162开始，主燃料 管142在到达燃料蒸发器172之前安置有蒸发器断路阀170。燃料蒸 发器172能够蒸发碳氢化合物燃料如丙烷和天然气。在工作状态下的 实施方式中，蒸发器的型号为0125A，制造商为位于加州Cerritos的 Impeo科技公司。此外，还可以使用其他类型能够蒸发碳氢化合物燃 料的蒸发器。
主燃料管142通过蒸发器172行进至压力调节器174，然后达到 反应器180。压力调节器174可以采用任何一种标准的压力调节装置。 在工作状态下的实施方式中，压力调节器174采用的是加州Cerritos 的Impeo科技公司制造的300312型压力调节器。燃料离开压力调节 器174时燃料压力(出口压力)一般情况下与到达燃料电池组104、 106和108的氢气压力相同。压力调节器174的出口压力值固定，从 而能够产生足够的氢气流通过104、106和108，这样电力产值达到最 大化，只是所有的氢气都在燃料电池112中的反应中消耗。在工作状 态下的实施方式中，压力调节器174的出口压力值在每平方英寸5英 镑和10英镑之间，最典型地在每平方英寸8英镑左右。
蒸发器172和反应器180会通过氢气生成系统102的供水子系统 186中产生的蒸汽加热。供水子系统186包括一个供水水源188，这个 水源可以通过与市政供水系统相连的标准水龙头提供。主水管190从 供水水源188处出发通过主断水阀192到达备选的滤水器164。滤水 器164可以采用标准的水过滤装置如制冰机中常用的过滤器。另外， 滤水器也可以采用逆渗透滤水器或其它类型的过滤器以提高水的纯 度。
从滤水器164开始，主水管190穿过断水阀193到达预热器194。 在工作状态下的实施方式中，预热器194是一种烧水器，能够产生温 度在240到400华氏温度的蒸汽(温度取决于蒸发器172和反应器180 中所需的热量)。预热器194接收来自主燃料供应140或后备燃料供 应146(通过预热器燃料供应管196，该供应管带有断流阀198)的燃 料。预热器194点燃燃料加热来水，从而产生蒸汽。蒸汽供应管210 从预热器194引出，穿过断流阀212到达蒸发器172。蒸汽供应管196 从蒸发器172引出，到达反应器180。回水管214从反应器180引出， 将水返回至预热器194。
在工作状态下的实施方式中，反应器180是一种催化剂反应器， 能够从碳氢化合物燃料和蒸汽中产生氢气。参照图3-4，反应器180 包括一个护罩220，在公开实施方式中这种护罩是一种圆柱形管。护 罩220采用坚固的材料如不锈钢制造。参照图4，位于反应器尾部的 反应器入口装置222与蒸汽供应管210和主燃料管142相连(图1)。 反应器入口装置222安装在位于护罩220尾部的入口圆盘或橡胶圆盘 224中。入口橡胶圆盘224与位于其前面的入口O形环连接。第一个 密封圈230与护罩220尾部内表面的第一个向内密封圈槽咬合，第二 个密封圈236与护罩220中230前面的第二个内向密封圈槽238咬合。 入口橡胶圆盘224和入口O形环226夹在230和236之间。
圆柱形活性炭过滤器242包括一个后部碳滤器型面244和一个前 部碳滤器型面246。后部碳滤器截面224位于第二个密封圈236的前 部，前部碳滤器型面246位于224的下游。在公开的实施方式中，碳 滤器型面244和246为CI型氢氧化钾活性碳过滤器。碳滤器型面244 和246可以采用坚固的过滤介质，如俄勒冈州伯特兰市卡迈隆大湖公 司(Cameron Great Lakes)生产的6×12压缩介质网状过滤器。此外， 还可以采用松散的介质，如1/16英寸孔径的松散介质。
催化剂过滤器250位于碳滤器242的下游。催化剂过滤器250通 过将水和碳氢化合物燃料混合物与催化剂发生反应的方法从碳氢化合 物燃料中产生氢气。催化剂过滤器250含有一种或多种催化剂的混合 物，通过催化碳氢化合物反应生成氢气，或者通过催化碳氢化合物燃 料反应的副产物(在过滤器250中获取或从反应器180中排出)的反 应生成氢气。而且，催化剂过滤器250最好采用能够允许氢气通过同 时阻止副产物(包括碳氢化合物燃料杂质)通过的材料制造。催化剂 过滤器250有三个过滤器型面依次排列，即，第一个催化剂过滤器型 面252、位于252前面的第二个型面254和位于254前面的第三个型 面256。第一个型面252含有一个与许多逆渗透过滤器系统使用的结 构类似的外凸的陶瓷蜂窝结构。这个陶瓷结构表层涂有铂和锡。铂和 锡可以采用喷射或汽化的方式涂于陶瓷结构的表面，也可以采用其他 涂层方法处理。在工作状态下的实施方式中，第一个型面252上的涂 层采用大约90％的铂和大约10％的锡。
第二个型面254也采用与252类似的陶瓷蜂窝结构。这个陶瓷结 构表层涂有钌和铂。钌和铂可以采用喷射或汽化的方式涂在铂膜上， 也可以采用其他涂层方法进行处理。在工作状态下的实施方式中，第 二个型面254上的涂层采用大约90％的铂和大约10％的钌。
同样，在工作状态下的实施方式中，第三个型面256也采用陶瓷 蜂窝结构，但不同的是采用铂和三氧化铬涂层。铂和三氧化铬可以采 用喷射或汽化的方式涂在陶瓷结构上。在工作状态下的实施方式中， 第三个催化剂过滤器型面256的涂层采用大约70％的铂和大约30％的 三氧化铬。
薄膜过滤器257包括多个薄膜圆盘或薄膜板258，位于催化剂过 滤器250的前部。薄膜圆盘或薄膜板258用于催化进一步提纯催化剂 过滤器250中产生的氢气的反应，以及允许氢气通过并阻止其他气体 通过的反应。在工作状态下的实施方式中，反应器180包括两个外表 涂有铂的铜金属薄膜圆片258。
在薄膜圆片258前方是一个出口O形环260和一个出口圆盘或 橡胶圆盘262。O形环260和出口圆盘262夹在第三个密封圈264(咬 合护罩220中的第三个密封圈槽266)和第四个密封圈268(咬合第四 个密封圈槽270)之间。出口装置280位于出口圆盘262的中心位置， 允许氢气离开反应器180。
排废装置282通过护罩220与薄膜板258相邻的一侧。过滤器 242、250和257的直径一般小于护罩的内直径，这样就在护罩220和 过滤器242、250和257之间形成间隙或管道，允许反应器180中的反 应副产物(包括碳氢化合物中的生成的杂质)从反应器180中排出。 值得注意的是，大多数副产物(不包括未处理水)都被过滤器242、 250和257保留了下来。具体地说，副产物一般情况下与催化剂在过 滤器中结合起来。反应器180中排出的废弃物大部分是水，还有少量 的二氧化碳(一般情况下为大约5ppm的数量级)和更少量的其他副 产物。
回过头来参照图1，图3-4中排废装置282中存在的废气物进入 回水管214并通过主水管190回到预热器194中。主氢气供应管310 从反应器180中的出口装置280引出，通往多个模块氢气供应管312、 314和316，每个模块供应管分别通往单个的模块104、106和108。 主氢气供应管310可以通过带有多个出口的汇流管来分流，或者采用 T形配件或其他分流配件分流。每个模块供应管312、314和316分别 带有氢气供应阀320、322和324。
空气供应子系统110带有一个空气源338，比如可以是一个进气 风扇。在工作状态下的实施方式中，空气源338是一个24伏特的进气 风扇，能够产生空气流通过主空气供应管340。空气源338也可以采 用抽气机或加压气筒。此外，也可以采用另外一种氧化剂源如纯氧气 来替代空气。在公开的实施方式中，主空气供应管340采用的是直径 为二分之一英寸的不锈钢管，也可以采用其他合适的材料。主空气供 应管340分流至多模块空气供应管342、344和346。如同氢气供应管 312、314和316一样，主空气供应管340可以通过带有多个出口的汇 流管来分流，或者采用T形配件或其他分流配件分流。每个空气供应 管342、344和346分别带有空气供应阀350、352和354。另外，主 空气供应管340带有一个主空气断流阀356。
清洗液供应子系统368包括一个清洗液供应源166，如安装在过 滤网160上的过氧化氢罐。主清洗液供应管370从清洗液供应源166 中引出，分流至多个模块清洗液供应管372、374和376，每个模块供 应管通向单个模块104、106和108。主清洗液供应管370可以通过通 过带有多个出口的汇流管来分流，或者采用T形配件或其他分流配件 分流。每个模块供应管372、374和376分别带有一个清洗液供给阀 380、382和384。主清洗液供应管370也带有一个主清洗液断流阀390。 每个清洗液供应管372、374和376接入相应的模块氢气供应管312、 314和316。
三个模块104、106和108如图1中所示。模块的数量根据人们 对燃料电池系统100的电力输出要求不同而变化。比如，如图5中所 示，机架400支持着包括一组402燃料电池组(包括四行三个模块) 的燃料电池系统。机架400可以采用足够结实、牢固和持久支撑燃料 电池系统100的材料制成。
图6-7中显示了一个模块(比如模块104、106或108)以及与燃 料电池系统100相关的其他元件。每个模块104、106和108包括一个 护罩408。护罩408包括一个右构件410(当从护罩408的前方看去时 位于右边)、一个左构件412、一个顶盖414和一个底盖416。每个构 件采用坚固而且易加工和铸模的材料制成，在工作状态下的实施方式 中，右构件410、左构件412、顶盖414和底盖416全都由铝材制成。 每个模块104、106和108还包括一对手柄418、一个前向用户界面420 (固定在面板422上)和一个后盖424。面板422采用坚固而且易加 工和铸模的材料制成，比如铝材。用户界面420可以显示模块104、 106和108的输出电压、电流和功率等。后盖424一般由价格低廉的 坚固材料制成，比如杜邦公司生产的Delron牌聚合材料。
参照图8-9，右构件410有一个水平顶平面430和一个对应的水 平底平面432。该构件还包括一个垂直的右侧表面434。右构件410 的主前面板也是垂直的，并与右侧表面434形成直角。面板支架438 从前面板436右侧伸出，右侧表面434沿着面板支架438方向延伸。 面板支架438有一个左向平面440和相对的右侧面434，前向面板表 面442从左向表面440和右侧表面434中间伸出。前布线通道444从 左向表面440开始延伸至面板支架438，并与屏幕接线孔446(通过右 构件410向后方伸出)连接。
左向前接触面448从主前表面436左侧向后方延伸。一对前销孔 450(尺寸能够容纳销钉，图中未显示)从前接触表面448延伸至右构 件410中。一对前螺丝孔452也从前接触表面448通过右构件410延 伸出来。图中所示实施方式中的前螺丝孔452采用埋头孔，这样右侧 的直径比左侧大。
半圆形垂直固定面454从前接触表面448向右延伸，并且呈曲线 直至向左方延伸，与后接触表面460交汇(与前接触表面448共面)。 顶面430上的O形通道沿着固定面454从前接触表面448延伸至后接 触表面460，与顶部O环(图中未显示)的右半面接合。同样，底面 432上的O形环通道464也沿着固定面454从前接触表面448延伸至 后接触表面460，并与底部O形环(图中未显示)的右半面接合。
排气歧管或空腔470沿对角线向前延伸，并从固定面454的右侧 延伸至右构件410中。排气管道472从歧管470的中心位置向右方延 伸，然后通过右构件410延伸至后方。排气孔474(图9)从右侧表面 434延伸至右构件410中，并与排气管道472接合。排气孔474在排 气管道472形成过程中采用滚轧机制成，可以通过排气管道472接入 排气密封通道。固定面454中的排气密封通道476外接排气歧管470， 并与密封层(如硅密封层)接合将排气歧管470密封。
同样，氢气供应歧管或空腔480沿对角线向后方延伸，并从右方 延伸从固定面454延伸至右构件410中。氢气供应管道482从歧管480 的中心位置通过右构件410向后方伸出。固定面454中的氢气供应密 封通道484外接氢气供应歧管480，并与硅密封层接合将氢供应歧管 470密封。
一对位于后部的销孔486(尺寸能够容纳销顶，图中未显示)， 从后接触表面460延伸至右构件410中。一对后部螺丝孔488也从后 接触表面460延伸至右构件410中。在图中显示的实施方式中，后部 螺丝孔488采用埋头孔，因此右侧的直径比左侧的大。
顶部半圆形电线通道490和底部半圆形电线通道492沿后接触表 面460的中轴线向后延伸。顶部和底部前电线接孔494和496延伸至 右构件410中，后接触表面460与固定面454在这里接合。同样，顶 部和底部后电线接孔498和500从右构件410的左后角延伸至410中。
右构件510的垂直主背面502从右侧面434向左方延伸，垂直后 盖安装面504从主背面502前方插入右构件410。后盖安装面504沿 着后布线通道506的顶侧、底侧和右侧(向后方开口)延伸，并与屏 幕布线孔446连接。
参照图10-11，左构件412与右构件410紧密接合。左构件412 有一个水平顶表面510和相对的水平底表面512。左构件412还包括 一个垂直的左侧表面514。左构件412的垂直主前面板516与左侧表 面514垂直。面板支架518从前面板516的左侧向前延伸，这样左侧 表面514沿着面板支架518延伸。面板支架518有一个正对左侧表面 514的右向表面510，前向面板安装面522从右向表面520和左侧表面 514之间伸出。
右向前接触表面528从主前面516的右侧向后延伸。一对前销钉 孔530(尺寸能够容纳销钉，图中未显示)从前接触表面528延伸至 左构件412中。右构件410的销钉孔450与左构件412的销钉孔530 (图8-9)排成直线，接纳伸入到左、右构件410和412中对应销钉 孔450和530中的销钉(图中未显示)。
一对前螺丝孔532也从前接触表面528延伸到左构件412中。前 螺丝孔532采用螺丝孔，这样通过右构件410中前螺丝孔452(参见 图8-9)伸出的螺丝钉与左构件412中前螺丝孔532咬合，以固定两 个构件及其成一条直线并相互邻接的前接触面448和528。
半圆形垂直固定表面534从前接触表面528向左方延伸，并且呈 曲线直至转向右方延伸，并与后接触表面540接合(与前接触表面528 同平面)。顶部表面510上的O形环通道沿着固定面534从前接触表 面528延伸至后接触表面540。同样，底部表面512中的O形环通道 也沿着固定表面534从前接触表面528延伸至后接触表面540。顶部 和底部O形环通道542和544与上述顶部和底部O形环的左半部接合。
排氢歧管550沿对角线向前延伸，并向右方从固定面534延伸至 左构件412中。排氢管道552从歧管550中的中心位置向左延伸，接 着通过左构件412向后延伸。排氢孔554从左侧表面514延伸至左构 件412中，并与排氢管道552交汇。排氢孔474在滚轧排氢管道552 的过程中附带形成，并且通常是插入式的。固定面534中的排氢密封 通道556外接排氢歧管550，并与硅密封层接合将排氢歧管550密封。
同样，空气供应歧管560沿对角线向后方延伸，并从固定面534 向左方延伸至左构件412中。空气供应管道562从歧管560的中心位 置通过左构件412向后延伸。固定面534中的空气供应密封通道外接 供气歧管560，并与硅密封层接合将空气供应歧管560密封。
一对后部销钉孔566从后接触表面540延伸至左构件412中。销 钉孔566接纳伸入到右构件410中后部销钉孔486中的销钉(参见图 8-9)。一对后部螺丝孔568也从后接触表面540延伸至左构件412中。 后螺丝孔568采用螺丝孔，这样通过右构件410中后螺丝孔488伸出 的螺丝钉与左构件412中后螺丝孔568咬合，以固定两个构件及其成 一条直线并相互邻接的后接触面460和540。
顶部半圆形电线通道570和底部半圆形电线通道572沿着后接触 表面540的轴线向后延伸。顶部和底部电线通道570和572与右构件 410上对应的顶部和底部电线通道490和492对齐，从而使电线能够 从构件410和412之间通过。顶部和底部前电线接入孔574和576分 别延伸至左构件412中，后接触表面540与固定面534在此处接合。 同样，顶部和底部后电线接入孔578和580分别从左构件412的右后 角延伸至左构件412中。
左构件412的垂直主背面582从左侧面514向右方延伸，垂直后 盖安装面584从主背面582前方插入左构件412。后盖安装面584沿 着后布线通道586的顶侧、底侧和右侧(向后方开口)延伸，并与左 构件412中的后布线通道506连接。
每个模块104、106和108还包括一个燃料电池组594(如图12 和图7的分解图所示)。每个燃料电池组594一般呈圆柱形，也可以 是其他形状。每个电池组594包括一个顶板596(带有一个顶部接线 托架)和一个对应的底面板600(带有一个底部接线托架)。顶部和 底部板596和600最好采用导电性良好的材料。在工作状态下的实施 方式中，顶部和底部板596和600采用铜或金制成。
参照图7、8、10和12，燃料电池组594夹在右构件410的固定 面454和左构件412的固定面534之间。顶部接线托架598位于顶部 前接线孔494和574中，从顶部电线通道490和570通过的导电连接 器为顶部接线托架598提供电连接，再连接至燃料电池组594的阴极。 同样，底部接线托架602位于底部前接线孔496和476中，从底部电 线通道492和572通过的导电连接器为底部接线托架602提供电连接， 再连接至燃料电池组594的阳极。在工作状态下的实施方式中，每个 导电连接器包括一个标准的速断电接头，如通常所说的香蕉插口。
每个电池模块104、106和108还可能包括一个位于顶板596上 的顶部绝缘片604和一个位于底板600下的底部绝缘片606(图7)。 绝缘片604和606采用橡胶等绝缘材料制成。
在顶板596和底板600之间，每个燃料电池组包括多个板形燃料 电池(最好是园板形)。燃料电池112最好按串联方式堆叠，每个燃 料电池112的阴极116与相邻的燃料电池的阳极114邻接，每个燃料 电池的阳极114与相邻燃料电池的阴极邻接。如图12-13所示，顶部 燃料电池112的阳极114与顶板596邻接，顶部燃料电池112的阴极 116与顶板600邻接。
或者，当燃料电池按这种方式堆叠时，可以采用一个硅基片作为 第一个燃料电池的顶部硅层，和相邻的第二个燃料电池的底部硅层。 在该实施方式中，接触层和第一、第二燃料电池的接触结合层可以除 去。
图13是燃料电池112的外围截面图，描绘了燃料电池中的各层。 每一层都是圆盘形，有几层的直径最好大于其他层。
从阳极侧114的顶部开始，燃料电池的顶层是接触层610，该层 最好采用导电性良好的导体，通过焊接方式能够轻易连接到其他电气 元件。在工作状态下的实施方式中，顶部接触层610采用3000厚度 的金层。在顶部接触层610的下方是顶部接触结合层612，一般情况 下该层采用的材料能够很好的与顶部接触层610及下一层顶部硅层 614结合。在工作状态下的实施方式中，顶部接触结合层612采用钛 金属制成。
顶部硅层614采用的造价低廉而且很容易以微尺度制作的材料， 属于一种导电性良好的导体。也可以选用硅以外的其他材料制作，最 好是选用硅片614，因为这种材料很容易制作成微型的几何形状，而 且经过上漆处理后导电性能良好。更理想的选择是采用110度方向掺 硼硅片，电阻值在大约0.01欧姆和大约0.02欧姆之间。这个电阻值范 围与一些燃料电池中使用的碳层电阻值一样低。但是，硅片614更容 易制作，形成理想的微型几何形状。
顶部硅层614的底面616在图中所示的实施方式中呈非平面状。 这种非平面的特点能够形成气流道，使氢气流经燃料电池112的阳极 侧。非平面的特点也为氢气流通过燃料电池112形成了阻碍，干扰和 减缓了氢气流速。非平面特点也增加了底面616的表面面积。在工作 状态下的实施方式中，底面616带有一个外凸缘618和向下凸出的柱 状物620，外凸缘618将620包围(参见图15)。柱状物620阻碍氢 气流，使氢气绕着柱状物流动。换句话说，柱状物620将氢气流分流 至通道625，气流在继续流经柱状物过程中再次分流。
参照图14，柱状物620可以排列成某种结构，优化流经通道625 的氢气流的流动特性。图14中描绘的柱状物620有方形截面，也有其 他几何图形的截面，如图15-16中描绘的六角形截面。
一般来说，六角形截面更普遍一些，因为这种形状的截面能够排 列成蜂窝状结构，有效的降低和混合或扩散氢气流。每个硅层614包 括多个柱状物620，数量一般在大约40000到大约70000个之间(通 过计算或计算机模型中得出)，更典型地情况是大约50000到大约 60000之间。
参照图15，顶部硅层614的向下凸出的外凸缘618沿着底面616 的外围延伸，但被一个入口间隙622和出口间隙624中断。在工作状 态下的实施方式中，每个入口间隙622和出口间隙624约350微米高、 2英寸宽。六角形柱状物620一般排列成蜂窝状结构，气流通道625 被620所限定。柱状物620的结构在入口间隙622附近更加密集，这 样足够的气流能够进入柱状物620的区域，但是气流逐渐减缓，并在 该结构中散开。
在工作状态下的实施方式中，顶部硅层614是一种8英寸直径的 硅圆片，外环宽度为0.25英寸(外半径和内半径之间的宽度)，高度 为350微米。每个柱状物620的六角形两点距离约为350微米，约350 微米高，相邻柱状物之间的气流通道约0.0156英寸宽。这种排列相对 于平面而言大约增加了一倍的底面裸露表面积，减缓了气流的速度， 使得与空气的反应在气流通过气流通道625时得以发生。然而，也可 以采用其它尺寸和几何形状排列，比如图14中所示的矩形排列。此外， 除柱状物620之外的其他阻碍物也可以用来增加底面的表面积，减缓 气流速度，比如山脊形或墙壁等。
参照图13，顶部硅层614的下面是顶部催化剂结合层626，该层 涂在顶部硅层614的底面616上。结合层626具有良好的导电性，能 够轻易的粘合在硅材料上，并与铂和氧化锡结合。在工作状态下的实 施方式中，顶部催化剂结合层626采用PtSi制成。顶部催化剂结合层 626的下面是顶部催化剂层628，该层涂于顶部催化剂结合层626。顶 部催化剂层628起到催化剂的作用将电子从氢分子中剥离，产生电子 和质子。此外，顶部催化剂层628可能含有某种材料(如氧化锡)来 防止催化剂被其他物质如一氧化碳(可能从反应器180进入燃料电池 112中)污染。在工作状态下的实施方式中，顶部催化剂层628采用 铂和氧化锡结合制成，最理想比例是90％的铂和10％的氧化锡。铂起 到分离氢分子的催化剂的作用，氧化锡催化一氧化碳的反应，形成二 氧化碳。此外，顶部催化剂层628也可以采用铂和三氧化铬结合制成。 顶部催化剂层628和顶部催化剂结合层626与顶部硅层614处于同心 位置，直径小于顶部硅层614的直径，这使得顶部硅层的外环没有被 顶部催化剂层628或顶部催化剂结合层626覆盖住。顶部催化剂层628 和顶部催化剂结合层626涂在柱状物620上，此外还包括底面616剩 余的部分。这样，顶部催化剂层628接触氢气流的表面一般情况下比 底面616为平面形状时的面积要大。
在顶部催化剂层628的下面是顶部质子吸收层630。630吸收质 子并使其通过质子吸收层630往来于质子交换膜130之间。在工作状 态下的实施方式中，顶部质子吸收层630采用毫微泡沫碳材料制成。 顶部质子吸收层630的直径最好与顶部催化剂结合层626和顶部催化 剂层628相近。尽管图中显示柱状物620呈不断延伸状，看起来好像 顶部催化剂层628几乎与顶部质子吸收层630邻接(这样一来柱状物 就覆盖了气流通道)，而实际上其中一些或全部柱状物620可能比较 短一些，这样这些柱状物上的顶部催化剂层628不会与顶部质子吸收 层邻接。
在顶部硅层外环的下面是顶部氧化物环632，它沿着顶部催化剂 层628和顶部质子吸收层630延伸。顶部质子吸收层630一般与顶部 氧化物层邻接，但一般情况下顶部催化剂层628和顶部氧化物环632 之间有一个间隙。顶部氧化物环632采用绝缘材料如二氧化硅制成。 顶部氧化物环632的下面是一个密封圈634，密封圈634应采用良好 的绝缘体，并能够粘合在顶部氧化物环632和质子交换膜130上。在 工作状态下的实施方式中，密封圈634采用硅材料制作。质子交换膜 130位于顶部质子吸收层630以下，并且后者的直径比130稍大，这 样质子交换膜的外环636延伸到密封圈634的凹槽638中。
在工作状态下的实施方式中，质子交换膜130和硅密封圈634以 下的层(即阴极侧116以上的层)为上述阳极侧114上相同的层。这 样简化了制造工序。阴极侧116因此包括一个底部接触层660、一个 底部接触结合层662和一个底部硅层664。底部硅层664还包括一个 顶面666(带有包围柱状物670的外凸缘668)。外凸缘668被入口间 隙672和出口间隙674中断，柱状物670限定了气流通道675(参见 图15-16)。阴极侧116还包括一个底部催化剂结合层676、一个底部 催化剂层678、一个底部质子吸收层680和一个底部氧化物环682。
尽管阴极侧116是阳极侧114的镜像，阴极侧116向对于阳极侧 114而言旋转了90度角。因此，阳极侧114上的入口间隙622向对于 阴极侧116上的入口间隙672也转动了90度角。当燃料电池112置于 燃料电池组594中时，燃料电池也旋转了一定角度，这样一来燃料电 池112的同类部件就处于一条直线上了(阳极侧入口间隙622完全对 齐，阴极侧入口间隙672完全对齐)。
参照图12-13，在燃料电池组594中，最底部的燃料电池112有 一个底部接触层660，该层与底板600邻接，还有一个顶部接触层610 与上一个燃料电池112的顶部接触层660邻接。上一个燃料电池112 的顶部接触层610第三个燃料电池112的底部接触层660邻接，如此 类推。最顶部的燃料电池112有一个顶部接触层610与顶板596邻接。 这样，电池组594就以串联方式排列，整个电池组在底板600上有一 个正极(或阴极)，在顶板596上有一个负极(或阳极)。此外，电 池组594也可以并联，或者串并联混合。毗连接触层610和660可以 有效地耦合在一起，比如相邻的燃料电池可以焊接在一起。在工作状 态下的实施方式中，顶板和底板596和600没有焊接到相邻的接触层 610和660上，但是如果需要的话也可以这样做。
图中显示的燃料电池组594还包括一个粘附层690，该层沿着燃 料电池组594的外围延伸，将燃料电池112粘合在一起。在工作状态 下的实施方式中，粘附层690采用环氧树脂制成。此外，燃料电池组 594还包括一个密封层692(比如采用硅材料)，该层将粘附层690 包围起来，防止液体从燃料电池112中渗出。
参照图7-12，燃料电池组594夹固在每个电池模块104、106和 108的固定面454和534之间，垂直的固定面454和534与板状的燃 料电池112成直角。燃料电池组594角度发生了旋转，这样一来，阳 极侧入口间隙622(图15)接入氢气供应歧管480，正相对的阳极出 口间隙624(图15)接入排氢歧管550。同样，阴极入口间隙622(图 15)接入空气供应歧管560，阴极出口间隙674(图15)接入空气排 放歧管470。燃料电池组594还可能在特定的半径位置带有一个标记， 如V字型槽口或其他位置标记，以方便定位电池组594及其燃料电池 112的角度。
电池组密封层692与固定面454和534，密封通道476、484、556 和564中的密封层与护罩408及燃料电池组594邻接，将护罩408中 的每个歧管470、480、550和560密封，同时也将接入相应歧管的入 口间隙622和672以及出口间隙624和674(图15)密封。
图中所示实施方式的模块104、106和108采用并联方式连接(也 可以采用串联或并串联的方式连接)。在工作状态下的实施方式中， 每个燃料电池112产生大约3.76毫安/cm2电流和大约1.8毫伏/cm2电 压，整个燃料电池产生大约0.94伏至大约1.14伏电压。在工作状态下 的实施方式中，每个燃料电池模块包括48个燃料电池，所以每个模块 产生48伏电压。因为模块属于并联，所以整个系统100的电压为48 伏。
参照图6-11，顶盖414使用螺纹紧固件固定在构件410和412的 顶表面430和510上。同样，底盖416也通过螺纹紧固件固定在构件 的底表面432和512。面板422通过螺纹紧固件固定在面板支架438 和518的面板表面442和522上。手柄418和用户界面屏幕420都安 装在面板422的前部。后盖424安装在后盖安装面504和584上，盖 住后部布线通道506和586中的线路。
参照图6-7，机架400(图5)支撑与右构件410中V形通道508 紧密接合的右导轨710(图6)以及与左构件412中V形通道588紧 密接合的左导轨712。机架400(图5)还支撑每个模块104、106和 108的背板720。背板720一般为矩形，分别位于构件410和420的主 背面502和582(图6)的后面与其平行的位置。背板720带有一个顶 部电线孔722，电线孔与构件410和412中的电线通道490和570对 齐。安装在顶部电线孔722中的电连接器(图中未显示)与顶部电线 通道490和570(图9和11)中的电连接器接合。背板720还包括一 个与底部电线通道492和572成一条直线的底部电线孔724。在工作 状态下的实施方式中，顶部和底部电线连接器采用香蕉形插座。
信号线插件726安装在每个背板720上。726与安装在后盖424 上的信号线凹件728配对。728与模块104、106和108的控制装置和 感应器以及用户界面屏幕连接。更具体地说，电线从信号线凹件728 引出通过后布线通道506和586、电线孔446、前布线通道444(参见 图8-11)到达用户界面屏幕420。信号线插件726连接到燃料电池系 统100的控制装置。
氢气供应插件730与氢气供应管道482(图9)相连，配对的氢 气供应凹件732安装在背板720上。同样，排气插件740与排气管道 472(图9)连接，配对的排气凹件742安装在背板720上。空气供应 插件744与空气供应管道562(图11)连接，配对的空气供应凹件746 安装在背板720上。最后，排氢插件750与排氢管道552(图11)连 接，配对的排氢凹件752安装在背板720上。所有的供气和排气配件 都采用快速释放类型，不需要手工操作进行连接和释放。
参照图6-7，每个模块104、106和108可以轻易地连接到系统 100上，只需将其沿着导轨710和712滑入。当模块沿着导轨向后方 滑动时，模块104、106和108相应的电气和液体配件和背板720成一 条直线并连接。除了导轨710和712，每个模块104、106和108最好 由机架400从下方支撑，同时模块与系统100相连。模块104、106 和108可以通过沿着导轨710和712向前滑动脱离系统100。
参照图1-2，每个燃料电池112中还可以装配各种控制件、微型 机械装置和微型电机装置，比如，温度感应器(铂热电偶)、压力感 应器、电压感应器、功率感应器、流量感应器、相关气体浓度感应器、 或燃料电池相关的其他属性和性能感应器。每个燃料电池模块104、 106和108还可以装配时间感应器，跟踪模块104、106和108的使用 时间。有关微型机械装置或微型电机装置的例子，流体通道625和675 中可以装配松紧口阀760(图16)。这种阀们能够改变流向燃料电池 特定部件的流量。举个例子，阀门能够根据燃料电池特定部位的温度 增加值限制流量，从而降低这些部位中的反应速度。
微型机械装置和微型电机装置的控件可以装配在每个燃料电池 112和模块104、106和108中。装置也可以通过整个系统100的总体 控件进行控制。此外，使用燃料电池中感应器获得的数据的逻辑电路 也可以应用到特定燃料电池112或模块104、106和108中。数据也可 以通过信号线配件726和728(图6)传输到系统100的总体控件并用 于调节系统100。此外，数据也可以传输到模块104、106和108中的 用户界面，比如用户界面屏幕420(图7)。也可以通过信号线配件 726和728传输到整个系统100的用户界面。这种数据传输可以在系 统100的内部进行，或是通过本地或广域计算机网进行。
此外，模块104、106和108中还可以装配各种电气和电子元件。 比如，可以在燃料电池112的硅层安装一系列电容器。另外，燃料电 池组594也可以装配带有电气或电子元件的硅圆片。
参照图1，从每个模块104、106和108中引出的排氢导管552(图 10)连接到各自排氢管834、836和838(分别带有排氢阀844、846 和848)。排氢管834、836和838引向一根主排氢管850。主排氢管 850也可以选择性的连接到引向反应器180的氢气回流管(图中未显 示)。氢气回流管可以在过量的未反应氢气通过燃料电池112时使用。 但是，如上所述，氢气流量的最理想状况是所有的氢气都在模块104、 106和108中全部反应。
同样，从模块104、106和108引出的排气导管472(图8)连接 到各自模块的排氢管道864、866和86(分别带有排气阀874、876和 878)。排气管道864、866和868引向主排氢管道880。
一般情况下，制造燃料电池可以利用标准半导体处理技术的优 势。这种优势意义重大，因为采用这种技术形成的生产能力已经形成 了较大规模。除了下述的特定工艺，还可以采用其他标准的半导体加 工工艺。
参照图17，一般而言，顶部组件910和底部组件912首先制成。 在工作状态下的实施方式中，这两个组件是相同的，因此制造工艺也 相同。顶部组件910和底部组件912组合起来将中间组件914夹在中 间，形成燃料电池112。
参照图18，在制作顶部和底部组件910和912的过程中，硅层 614和664的各自底面和顶面616和666形成氧化物层920，这一点可 以通过将底面和顶面在1000摄氏度条件下与纯氧接触实现。在工作状 态下的实施方式中，氧化物层920的厚度能够充分防止电子包围膜 130，厚度一般在6000。该氧化物层920的外环将会变成各自的氧化 物环632和682(图13)。
参照图19，在氧化物层920上，一种构槽结构接着在光刻技术作 用下形成。具体地说，将一种阻光材料喷涂在氧化物层920上，将其 完全覆盖。接着将一部分保护层裸露出来，然后逐渐浸蚀，形成一个 保护层结构922，覆盖以后将会形成外凸缘618和688以及柱状物620 的部位(参见图15)。
参照图20，采用湿性浸蚀法将未受保护剂922保护的氧化层920 去除，并在硅层614和664上形成沟槽，从而形成出口间隙624、674 和入口间隙622和672，以及流体通道675(参见图15-16)。
参照图21，图19-20中的光致抗蚀结构922采用灰蚀法(比如将 其暴露于高温下)去除。当暴露于高温下，光致抗蚀结构922变成灰 烬，很容易将其去除。加热的温度应该足以将其烧毁，但不能影响硅 层614和664或剩下的氧化物层920的属性。
参照图22，抗蚀材料通过障板喷涂形成抗蚀环924，覆盖氧化物 环632和682(图13)。参照图23，氧化层920剩下的部分采用氧化 腐蚀的方法去除(比如使用氢氧化钠液体)，留下氧化物环632和682。 抗蚀环924接着采用灰蚀法从氧化物环632和682上去除。接着采用 湿性浸蚀法去除在灰蚀过程中形成的氧化物，并形成粗糙平面616和 666，准备进行喷射沉积。
参照图24，接着采用喷射沉积的方式在整个粗糙平面616和666 (包括氧化物环632和682)上形成铂层926。铂层926约600A厚。 参照图25，对铂层926进行加热处理，使得硅扩散进入到铂中，形成 硅化铂(PtSi)催化剂结合层626和676，其厚度足以将催化剂层628 和678粘合到硅层614和664上。在工作状态下的实施方式中，催化 剂结合层626和676厚度约为1000。铂层926覆盖氧化物环632和 682的部分没有形成PtSi，也就是说未进行处理，因为它没有于下面 的硅邻接。
参照图26，该组件在85摄氏度条件下经过稀释王水浸蚀(在去 离子水中冲洗)。通过这种液体浸蚀将未经处理的铂层部分去除。
参照图27，中空层930采用障板喷涂的方法喷涂在氧化物环632 和682上。参照图28，催化剂层628和678采用反应喷射沉积处理工 艺进行喷涂。需注意的是，在反应性Ar-O2空气中采用Pt-Cr喷射靶 形成Pt-CrO3。在工作状态下的实施方式中，催化剂层628和678由 大约90％的铂和大约10％的CrO3构成，厚度足够含有有效的铂催化 剂量催化氢气反应生成氢离子。在工作状态下的实施方式中，催化剂 层628和678厚度约为5000。参照图29，中空层930连同在其上面 形成的Pt-CrO3被去除，留下裸露的氧化物环632和682以及催化剂 层628、678和氧化物环632和682之间的间隙。如果催化剂层628 和678太厚，则再次进行浸蚀处理。
参照图30，硅层614和664的平滑背面采用质子轰击的方法将其 干蚀，制备进行喷射沉积处理的表面。接触结合层612和662采用喷 射沉积的方法进行喷涂。这两层的厚度足以将硅层614和664粘合到 接触层610和660上。在工作状态下的实施方式中，接触结合层厚度 约为600。然后将接触层610和600与接触结合层612和662粘合， 分别制成顶部和底部组件910和912。接触层610和660厚度足够形 成良好的接触表面并焊接到相邻燃料电池的接触层上。在工作状态下 的实施方式中，接触层610和660厚度约3000。
参照图31，在工作状态下的实施方式中，质子交换膜130采用的 是杜邦公司生产的Naflon117牌聚合材料，此外也可以采用其他质子 交换膜材料。每个质子吸收层630和680外表可以涂上液体Naflon117 材料，以促进其粘合到质子交换膜130上。质子吸收层630和680与 质子交换膜130通过热压方式结合到一起，硅密封圈634与质子交换 膜130的外环636按照图32中所示结合。形成的中间组件914在240 华氏温度下处理约一小时。
参照图13和图17，顶部组件910、底部组件912和中间模块914 通过热压方式装配起来，中间组件位于顶部和底部组件之间。硅层的 非平面616和666面向中间组件914。这些组件经过足够高的温度处 理将各层结合在一起，比如在工作状态下的实施方式中以275华氏温 度加热约1个小时。
参照图2、12和13，将多个燃料电池112堆叠起来，使顶部接触 层610与相邻的底部接触层660邻接，形成燃料电池组594。邻接接 触层610和660可以焊接在一起。然后在燃料电池组594的侧面涂上 一个粘合层690和一个密封层692。参照图7-12，燃料电池组夹在右 构件固定面454和左构件固定面534之间，顶部接线托架598在顶部 前接线孔494和574中，底部接线托架602在底部前接线孔496和576 中。
参照图33，系统100一般带有一个控制器950。这个控制器可以 采用标准的系统控制器。在工作状态下的实施方式中，控制器950采 用的是日本东京Kodaira市Koyo电子设备实业株式会社生产的 DirectLOGIC205控制器。控制器950包括一个数据连接器952和一 个电源连接器954。主数据线956从数据连接器952中引出到达多路 转接器960，960与多个数据线964、966和968连接，每条数据线引 向各自模块104、106和108。电源连接器954与主电源线970连接， 主电源线分为数个模块输电线974、976和978(每条输电线有阳极、 阴极和接地线)。每条输电线引向各自模块104、106和108。
参照图34，数据线964、966和968和输电线974、976和978 分别引向模块104、106和108的信号线插接件726和728。从726和 728开始，多个显示数据线980引向用户界面屏幕420，在屏幕上显示 来自控制器950的数据(比如，模块104、106和108产生的电压、电 流和功率)。用户界面屏幕420和屏幕护罩接地。显示输电线982与 模块电源线974、976和978相连，为用户界面屏幕420提供电力。温 度传感器上下线984和986引向各自的温度传感器988和990。每条 传感器线984和986带有与相关传感器988和990相连的正和负引线。 上传感器984和下传感器986位于燃料电池组594(图12)的顶部和 底部。温度传感器988和990采用的是快速数据传感器。在工作状态 下的实施方式中，温度传感器采用的铂质快速数据传感器。传感器988 和990发出的信号返回到控制器950(图33)，并可以用来在用户界 面屏幕420上显示模块的温度。在这种情况下，传感器信号最好传输 到控制器950中(图33)，然后回传至用户界面屏幕420。
图33中的控制器能够接收和发送来自系统100其他元件的信号。 比如，可以接收来自模块104、106和108和电池组992(图5)的电 压、电流和功率数据。控制器950可以连接到一个主显示屏幕(图中 未显示)上，显示有关模块104、106和108以及系统100其他部分性 能的数据值。控制器950还可以跳转开关将电路132(图2)与电池 992(图5)或模块104、106和108连接起来。如果电池组992的电 压高于模块104、106和108的电压，最好是电路132连接到电池组 992，反之亦然。电池组992可以通过模块104、106和108的电源充 电。控制器950也可以用来控制图1中提到的各种阀门，以下阐述的 多种启动和运行过程可以利用来自控制器950的信号自动执行。
因为系统100的许多元件可以采用标准的现用元件(尽管许多此 种元件以新的方式使用)，而且其他元件也采用标准的生产和组装技 术，大部分装配程序对于具备一定技能的人说非常简便，再此不再赘 述。
参照图1，燃料电池系统100通过如下方式运行：启动预热器194， 开启阀门192和193，让水流进入预热器194。水从供水源188流入预 热器194，预热器194加热水产生蒸汽。当预热器中蒸汽加热后(最 好是加热到240摄氏度)，阀门212开启，蒸汽通过蒸汽供应管210 到达蒸发器172，蒸汽加热蒸发器172，然后离开蒸发器172，流经反 应器180，同时加热反应器180。在反应器中，蒸汽冷凝，产生的水返 回到预热器194，这样水就可以在供水子系统中循环。
当水加热蒸发器172(最好达到180摄氏度左右)和反应器180 后，阀门170开启，让燃料流经氢气发生子系统102，阀门320、322 和324开启，让氢气流经模块104、106和108。风扇338启动，阀门 350、352、354和356开启，让空气流经空气供应子系统110和模块 104、106和108。
在操作过程中，碳氢化合物燃料存在于燃料供应装置140中，并 流经燃料过滤器162，在过滤器中燃料中的硫被去除。燃料然后流至 蒸发器172，在蒸发器中蒸发，再流经压力调节器174，在压力调节器 中获得理想的燃料压力。碳氢化合物燃料接着与蒸汽混合，进入反应 器180。
参照图4，在反应器180中，碳氢化合物首先通过已经启动的碳 过滤器242。碳过滤器242将燃料中的硫去除，具体地说是硫化物在 碳过滤器中被吸附到硫化物吸附剂(比如氢氧化钠)上。因此，硫化 物一般附着在吸附剂上，并停留在碳过滤器242中。当碳氢化合物燃 料流经碳过滤器242时，其他一些副产物会从过滤器242中分离出去， 进入排废装置282，而其他物质可以继续停留在过滤器242中。
产生的清洁的碳氢化合物燃料进入催化剂过滤器250。当燃料流 经反应器时，催化剂促使氢和碳从燃料中分离。催化剂还吸附副产物， 并将一氧化碳转化为二氧化碳。铂、锡、钌和三氧化铬都催化碳氢化 合物燃料反应的副产物，其中包括各种碳氢化合物燃料中可能存在的 杂质。反应最好能将副产物粘附在催化剂上，产生其他能够从反应器 180中排出的副产物，或产生本身会粘附催化剂或在过滤器中会被俘 获的其他副产物。比如，如果纯净的丙烷(C3H8)通过催化剂过滤器 250，催化剂过滤器第一部分252中的锡将碳氢化合物燃料中的碳吸收 出来，碳与水中的氧气结合形成一氧化碳和二氧化碳。锡也促使一氧 化碳与水反应生成二氧化碳(一种比一氧化碳毒性小的副产物)。铂 一般吸附氢元素，催化形成氢气。在催化剂过滤器第二部分254和第 三部分256中，铂、钌和三氧化铬同样吸附副产物，并催化碳氢化合 物燃料中普遍存在的多种副产物(如天然器和甲醇)反应。一些副产 物会保留在催化剂过滤器250中，而其他副产物会通过排废装置282 排出。
在催化剂过滤器250中从碳氢化合物燃料中分离出来的氢气继续 通过过滤器250到达膜板258。从而，催化剂过滤器250产生基本上 纯净的氢气，一般在95％以上的含氢量。一些副产物可能存留在氢气 中。
接着，氢气通过膜板258，在此过程中，膜板258上的铂层发生 催化反应，将氢气中的副产物去除，生成纯度更大的氢气(一般情况 下在99％以上，理想状况下纯度超过99.5％)。少量的残留副产物包 括一氧化碳和二氧化碳，还有其他杂质。如上所述，燃料电池112的 催化剂层628和678中含有氧化锡，吸附一氧化碳并发生催化反应， 在燃料电池中将其转化为二氧化碳。
值得注意的是，氢气轻易地通过催化剂过滤器250的陶瓷结构并 通过膜板258。事实上，人们相信氢气是因为它与反应器180中各个 阶段存在的铂催化剂的化合性才促使其通过反应器180。的确，当反 应器180中发生反应时，反应器中的环境温度因加热而升高，特别是 氢气的温度升高。因为能量增加，受热的氢气比冷却的氢气能够更快 地通过反应器180。在工作状态下的实施方式中，反应器在100到750 摄氏度范围的温度下运作，大多数情况为350摄氏度。反应器180中 的温度可以通过改变离开预热器194的蒸汽的温度来改变。与氢气相 比，更大的分子如废弃物和杂质分子不能够轻易地通过催化剂过滤器 250的瓷结构或膜板258。因此，这些废弃物和杂质分子一般不能通行 到出口装置280。
此外也可以使用其他一些氢气源。比如，燃料电池系统可以采用 罐装的氢气来取代从碳氢化合物燃料中分离出来的氢气。
参照图1，氢气离开反应器180并进入到模块104、106和108 中。具体来说，参照图15-16，燃料通过每个模块104、106和108的 氢气供应歧管480(图8)并进入到燃料电池112中的入口间隙622。 当氢气继续进入到每个燃料电池中时，气体会遇到阻碍物620，干扰 了氢气流，并将其分成几股气流进入多个气流道625。氢气流速度在 通过气流道625时因此减缓。
参照图13，当氢气与顶部催化剂层628上的铂催化剂接触时，此 时产生质子，并被顶部质子吸收层630吸收。质子接着通过质子交换 膜130到达底部质子吸收层680，并进入到底部气流道675。
脱离的电子被吸附到阴极侧116(因为通过质子交换膜的质子的 存在而形成)的正电荷上。但是，电子不能穿过质子交换膜。而且， 绝缘氧化物环632和682以及绝缘硅密封圈634也阻止电子通过燃料 电池112中的质子交换膜。因此，当电子沿着电路132(图2)从顶部 接触面610到达底部接触面660时，它们就形成了一股电流，从顶部 流体通道625开始，穿过顶部组件910中的导电层628、626、614、 612和610，穿过电路132，底部组件912中的导电层660、662、664、 676和678到达底部流体通道675。通过电路132的电子形成电能。
参照图1，空气在风扇338的作用下被吹入主供气管道340，空 气接着进入模块104、106和108。更具体地说，参照图15-16，空气 通过每个模块104、106和108的空气供应歧管560(图10)并进入燃 料电池112的入口间隙672。此外，还可以采用其他氧化剂来源，如 加压氧气罐。当空气通过燃料电池112时遇到柱状物670，空气流受 到干扰，分成数股气流进入多个气流通道675。空气流在通过气流通 道和柱状物670之间时速度减缓。
参照图13，当空气与底部催化剂层678的铂催化剂相遇时，氧分 子在铂的作用下分解成氧原子，并与质子反应形成水。水和其他未处 理的空气通过底部出口间隙674(图15)离开燃料电池，接着通过排 气管道864、866和868以及主排气管道880从系统100中排出(图1)。
参照图1，当燃料电池系统100处于工作状态时(即产生电能)， 可以将模块104、106和108中的一个或多个停用(即不发电)，同时 整个系统照常运行，这个特点有利于运行过程中对模块进行维护。104、 106和108中某一个或多个可以从系统100断开，剩下未断开的模块 继续运行，产生电能。如果这三个模块处于并联状态，只要整个系统 100的负载不过大，那么去掉任何一个模块都不会影响系统所产生的 电压。
在运行过程中，如果系统100经过设定后燃料电池112不排出氢 气(图12-13)，排氢阀844、846和848会关闭。但是阀门会断断续 续开启，使燃料电池112(图12-13)中产生的气体得以释放。在工作 状态下的实施方式中，大约每两分钟排氢阀844、846和848会开启两 秒钟左右，然后再次关闭。
另外，在运行的过程中，顶部催化剂层628中会形成一氧化碳(图 13)。因此，周期性地(比如每运行400个小时，或当模块电压降到 预设电平一下)，每个模块需要用清洗液清洗，以去除一氧化碳。在 清洗某个模块过程中，剩下的模块继续运行。比如，要将模块104中 燃料电池112的一氧化碳清除，关闭模块104的模块氢气供应阀350 将其停用。相应的模块清洗液供应阀380和主清洗液供应阀390开启， 过氧化氢进入模块104燃料电池112中的阳极气流通道625，过氧化 氢引导一氧化碳从顶部催化剂层628分离出来(图13)并发生催化反 应从一氧化碳生成二氧化碳。过氧化氢和杂质通过模块排氢管834和 主排氢管道850从系统中排出。模块104的阳极气流通道625在过氧 化氢通过前后应用空气或其他气体冲刷。在清洗模块104的过程中， 剩下的模块106和108仍处于运行状态，因此整个系统100运行未中 断。
文中使用的各种方位名词如“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、 “右”“垂直”和“水平”是为了方便对已公开的实施方式的描述，不应理 解为将发明的装置限定于某个特定的方位。比如，一个模块可取向为 特定一个燃料电池的阳极侧定为顶部、底部和侧面等，即使所描述的 阳极侧位于燃料电池的顶部。
鉴于在描述发明时涉及工作状态下的实施方式，应该意识到发明 不限于这些实施方式。相反，本发明包括在权利要求书限定的本发明 的精神和范围内的所有改进、变动等。