长期以来一直需求高功率密度燃料电池。
现有的燃料电池通常是单个燃料电池的叠放组件，其中每个电池 在低电压下可产生较高的电流。一般的电池结构包括反应物分布和电 流收集装置，其可与层状电化学组件接触，并由气体扩散层、第一催 化剂层、电极层、第二催化剂层和第二气体扩散层组成。除了诸如熔 化的碳酸盐电池等高温燃料电池外，大多数质子交换膜、直接甲醇、 固体氧化物或碱性燃料电池都包括层状平面结构，其中各层首先形成 作为不同的元件，然后通过使各层相互接触而组装成功能性燃料电池 组。
层状平面结构燃料电池的主要问题在于各层必须相互紧密电接 触，而如果不能紧密接触，那么电池组的内阻将增加，从而降低了燃 料电池的总效率。
层状平面结构燃料电池第二个问题在于为进行密封并确保在层状 结构燃料电池内部沟槽中的反应物和冷却剂的正确流动，各层间必须 保持一致接触。此外，如果电池的总面积过大，那么在产生接触压力 方面就会有困难，而这是保持反应物气体在电解质表面正确流体流动 分布所需要的。
现有层状平面结构燃料电池装置的特征在于由于燃料和氧化剂都 需要在层状平面结构燃料电池的平面内流动，因此需要至少4到10 但通常是8个不同的层以形成可工作的电池，通常是第一流动区层、 第一气体扩散层、第一催化剂层、第一电极层、第二催化剂层、第二 气体扩散层、第二流动区层和隔板。这些层通常被制成单个的燃料电 池元件，然后再使各层相互接触以形成燃料电池组。当使各层接触时， 必须小心以使气体在各层内扩散的同时防止气体从组装的燃料电池组 中泄漏。此外，电池组中燃料电池产生的所有电流必须穿过电池组中 的每一层，这取决于不同层的简单接触以提供导电通路。因此，密封 性和导电性都需要组装的电池组被明显的压力夹紧，从而实现周围密 封并减小内接触电阻。
现有燃料电池结构中各层的制造通常很昂贵并且困难。用作氧化 剂和燃料流动区及隔板的双极板经常用难于加工的石墨制成，从而显 著增加了燃料电池组的成本。膜电极组件(MEA)通常通过在任一侧涂 覆含有催化剂的固态聚合物电解质，然后将气体扩散层压在电解质上 而形成。燃料电池组件需要将多个单个的双极板和膜电极组件串联连 接在一起。通常在相邻的双极板和膜电极组件之间必须使用不连续的 密封条，并在相当大的压力下将密封的双极和MEA层固定在一起。
存在对研发可选择的燃料电池设计的需要，从而以串联方式组装 离散层的技术不长久。满足这种需要的一种方法是使用微型结构技术 制造燃料电池，其中可将微型制造技术和纳米结构材料结合从而产生 新的装置，而不会遇到通常与常规燃料电池设计相关的问题。微型技 术应用到燃料电池上有很多明显的优点。具体而言，由于薄层和新几 何结构的原因而使功率密度的提高、热质传输的改善、改进和/或更精 密催化剂的应用、较短导电通路长度损失的降低等趋势都使燃料电池 更有效率，并能得到较高体积功率密度。将辅助系统加进燃料电池设 计的可能及新应用出现的趋势使其呈现出更有益的优点。
存在对与层状平面结构燃料电池相比仅有较少零件的微型燃料电 池的需要。较少的零件将使微型燃料电池的制造成本比常规燃料电池 更低。
存在对可使用多种电解质的微型燃料电池的需要。
存在基本上可降低燃料电池内接触电阻的微型燃料电池的需要。
许多在先发明已使用了燃料电池的微型制造技术。US 5,861,221 提出含有多个通过将一个MEA的负极边缘和相邻的MEA的正极边缘 相连而彼此串联连接的常规MEAs的“膜带”。可以使用两种结构。 第一种通过将MEA放在一起呈台阶状结构而构成“膜带”。第二种 通过将MEA头尾相边地与其间的导电区域结合而构成“膜带”，其 与电池串联。在某些进一步的研究中(US 5,925,477)，同一发明人在电 极间混合分流器，从而提高电池的导电性。MEAs本身是常规的层状 结构设计，并且全部边缘收集组件连续依赖于相邻MEAs间的常规密 封装置。
US 5,631,099和US 5,759,721使用相仿的串联连接构思，但是对 燃料电池设计使用多种其它的微型技术。这样做后，在单结构中同时 形成多个燃料电池。燃料电池本身仍是置于载体上的层状平面装置， 并在相邻的燃料电池间需要穿过载体层的相互连接。这些专利中公开 的大多数技术涉及产生耐甲醇的催化剂并在催化剂上使用钯层来防止 甲醇在电池内跨接。
WO 01/95406公开了一种单膜装置，其被分成段以制得多个MEA 结构。难于制造的复合双极板可为MEA层的两侧提供燃料和氧化剂。 US 6,127,058公开了一种相似的结构，但代替复合的多种反应气体的 是仅将一种反应物应用到MEA层的任一侧。MEA层内形成的燃料电 池的串联连接可通过外电流收集器实现，其沿该装置的周围设置并可 提供从MEA层顶部到MEA层底部的电连接。这种周围电连接的效率 很低。
某些现有技术中的燃料电池试图通过使用微型制造技术来降低尺 寸和制造成本。例如Case Western Reserve University装置是使用与印 刷和半导体制造相似的薄层过程在载体基底上形成多个燃料电池 (Wainwright et al。“A micro fabricated Hydrogen/Air Fuel Cell”195 Meeting of the Electrochemical Society，Seattle，WA，1999)。在这些设计 中，除了将燃料电池形成在基础基底上之外，燃料电池保留了常规的 平面设计。阴极必须形成在平面电解质的顶部，然后必须与相邻的阳 极直接相互连接。
上述的所有电池都使用电极边缘上的电流收集。这显著地增加了 这些电池的内电池电阻。每个电池也以固体聚合物电解质为基础，因 为这个唯一容易制造的电解质。此外，上述的所有电池通过在单电解 质平面内形成多个燃料电池都实现了微型燃料电池设计。
过去已有使用非平面电解质的构思。GB 2,339,058提出一种带有 波浪形电极层的燃料电池。在这种结构中，常规层状的MEA是波浪 形。MEA置于双极板之间。这种设计增加了活性面积，并可包装成预 定体积。然而，这种设计仍依赖于外部密封的昂贵复杂的层状结构， 并需要压力以保持内部的电接触和密封。JP 50903/1996提出一种固体 聚合物燃料电池，其包括通常是平面并带有交替的用以将能量产生元 件(明显是MEA)夹成非平面分段线型的突出零件。与此相同的是GB 2,339,058，此文献仍然依赖于昂贵复杂的层状结构，但这种设计通过 使用隔板将其压成非平面装置从而也对MEA施加了不恰当的压力。
除了非平面设计之外，某些现有技术提出管状结构。US 6,060,188 提出一种圆柱形燃料电池，其带有形成圆柱的单MEA层。燃料或氧 化剂输送到圆柱内部的凹陷处，而其它的反应物在外部输送。在这种 设计中，每个圆柱形结构产生一个单电池，电流通过燃料电池的环形 圆柱壁流动。没有公开在燃料电池间提供串联的电学相互连接或密封 单个燃料电池的方法。这种设计得自于公知的固体氧化物燃料电池的 管状设计。
存在对于可在相同的体积中增大活性面积(即活性面积的高密度) 的燃料电池布局或燃料电池结构的需要。这将使燃料电池以不同于当 前大多数燃料电池研发者所进行的方式被最优化。
发明概述
本发明涉及具体的集成设计的燃料电池层结构，其中气体扩散 层、催化剂层和电极层的功能集成在单基底。这种集成设计可简化制 造过程并可按比例设计。
更具体而言，这种用于连接外部负载的燃料电池层包括燃料室； 氧化剂室；与该燃料室和该氧化剂室相通过的多孔基底。该燃料电池 层也包括多孔基底和多个使用该多孔基底形成的燃料电池。每个燃料 电池包括不同的通道、设置在该第一通道壁上的第一催化剂层、设置 在该第二通道壁上的第二催化剂层、从该第一催化剂层形成的阳极和 从该第二催化剂层形成的阴极、在该不同通道中设置并可防止燃料输 送到阴极及可防止氧化剂输送到阳极的电解质。该燃料电池也包括设 置在该多孔基底至少一部分上的第一涂层，从而可防止燃料进入该多 孔基底的至少一部分；设置在该多孔基底至少一部分上的第二涂层， 从而可防止氧化剂进入该多孔基底的至少一部分；设置在第一侧的第 一密封挡板；设置在第二侧的第二密封挡板；设置在燃料电池间的第 三密封挡板；设置在第一侧的正极电接头和设置在第二侧的负极电接 头。
当多个微尺寸的燃料电池形成在单基底中时，可得到较高的总功 率密度。此外，单基底中的多个燃料电池可并联形成，利用高体积自 动化制造形成燃料电池层。单基底中燃料电池的组合可最小化对外部 密封条和夹具的依赖。
可以预见到燃料电池层设计的多种变化。一些变化包括使燃料和 氧化剂室末端被堵住，使燃料电池层包围空间，使多孔基底是非平面 或可选择的平面结构，使燃料电池层是包围空间的圆柱形。基底可用 各种导电和不导电多孔介质形成。
就尺寸而言，该通道高度可以为1纳米到10cm，宽度可以为1 纳米到1mm，长度可以为1纳米到100米。本发明的单个燃料电池预 期能够产生约0.25伏到约4伏的电压。
在这种设计中1～5000个燃料电池预期可用于一个燃料电池层 中，然而在优选的实施方案中，燃料电池层包括75～150个相连的燃 料电池。可以预期这种燃料电池层能够产生0.25伏到2500伏的电压。 具有更多通道的燃料电池能够产生更高的电压。
适用于本发明中的电解质可以是凝胶、液体或固体材料。可以预 期电解质层厚度可为1纳米至1.0mm，或可选择地简单填充从第一壁 到第二壁的每个通道而没有间隙。由于通道较薄，因此薄的电解质可 增加燃料电池的效率。
本发明的燃料电池可通过如下方式使用：首先，将燃料源与燃料 室进口相连；其次，将燃料室出口与再循环控制器相连；第三，将氧 化剂室进口与氧化剂源相连；第四，将氧化剂室出口与流动控制系统 相连；第五，将正极电接头和负极电接头与外部负载相连；第六，使 燃料和氧化剂流入进口；及最后，用燃料电池产生的电流驱动负载。
附图简要说明
下面将结合附图通过实施例说明本发明的具体实施方案，其中：
图1本发明的燃料电池第一实施方案的剖视图；
图1a是在多孔基底的第一深度处带有催化剂的阳极的细节剖视 图；
图1b是在多孔基底的第二深度处带有催化剂的阳极的细节剖视 图；
图1c是阴极的细节剖视图；
图2是本发明的燃料电池末端被堵住的实施方案的剖视图；
图2a是本发明燃料电池的实施方案，其中燃料和氧化剂室是固 体的，并于其内带有流动通道；
图3是末端被堵住的燃料电池另一实施方案的剖视图；
图3a表明本发明中氧化剂室向周围环境敞开的实施方案；
图3b表明本发明中燃料室向周围环境敞开的实施方案；
图4是通过组合图1所示的多个燃料电池而形成的燃料电池层的 剖视图；
图4a是多个多孔基底燃料电池层的剖视图，其燃料室向周围环 境敞开；
图4b是多个多孔基底燃料电池层的剖视图，其氧化剂室向周围 环境敞开；
图4c是带有多达5000个燃料电池的燃料电池层的剖视图；
图5是图1所示的多个燃料电池形成在单基底中的燃料电池的剖 视图；
图5a是带有多个电池的燃料电池的另一实施方案；
图6是含有图1所示的多个燃料电池的燃料电池层的立体图；
图7是本发明带有波浪形通道的燃料电池的细节立体图；
图8是本发明圆柱形燃料电池的立体图；
图8a是图1中燃料电池实施方案的剖视图，其中基底是非规则 形状；
图9是本发明圆柱形燃料电池的剖视图；
图10是本发明燃料电池的另一实施方案，其通道是一组叠放的 圆环形式；
图11是燃料电池的另一实施方案，其通道是环绕圆柱的螺旋形 式；及
图12是双层燃料电池结构的立体图。
发明详细说明
本发明涉及一种带有优选是多孔基底的微结构燃料电池，带有单 个或多个基底结构的燃料电池组件，及制造这种燃料电池和燃料电池 层的方法。
本发明涉及具体的集成设计的燃料电池结构，其中气体扩散层、 催化剂层和电极层的功能集成在单基底。此结构使得其可能折叠形成 各种工作燃料电池的“层”，并得到直线形、曲线形、波浪形或不规 则形的电解质通路，从而通过增大了电化学活性表面积而得到较高的 体积功率密度。此外，通过在单基底内形成各种燃料电池层，克服了 燃料电池元件简单接触形成电连接的问题，从而实现了得到较低内电 池电阻的可能。这些电池层本身可是平面、非平面或渐开线结构，从 而为增大表面积提供了进一步的优点，并可提供灵活的应用性。这种 集成设计可简化制造过程并可按比例设计。
与现有的燃料电池设计不同，在一个实施方案中本发明提供旋绕 的电极层，其不能平稳地波动。本发明的其它实施方案包括基本上非 光滑的形状。使用这种非光滑的电解质通路使得燃料电池反应的总表 面积更大，并能包装成平面电解质层用于常规燃料电池设计中时所能 达到的预定体积。本发明也使得单个电极层之间的距离明显降低，从 而在预定体积中比常规设计的表面积更大。
本发明预期使用受不规则图案所启示的设计，其可提供较长的电 解质通路长度。本发明包括一种形成燃料电池和“电池组”的方法， 其不依赖于层状的方法，也不需要在制造后组装层状元件。克服了MEA 层和双极板之间依赖多个分散层状结构的常规关系。本发明也预期一 种带有单个燃料电池的设计，其相对于组装的燃料电池装置的总面积 打开其侧面。本发明预期通过平行制造方法在单基底上形成集成结构 的燃料电池。
具体而言，可以预期使用用于燃料电池的多孔基底，通过该多孔 基底反应气体可用较小的驱动力进行扩散。基底可以是导电或不导电 的。如果是导电的，可以预期使至少一部分基底绝缘，这通常将使阳 极与阴极分开，这种绝缘可通过用电解质将阳极与阴极分开来形成， 如果需要可以加入可选择的绝缘结构元件。更具体而言，该燃料电池 预期包括：(a)含有燃料的燃料室；(b)含有氧化剂的氧化剂室；(c)与 该燃料室和该氧化剂室相通的多孔基底，其还包括顶部、底部、第一 侧和第二侧；(d)使用该多孔基底形成的通道，其中该通道包括第一 通道壁和第二通道壁；(e)通过在该第一通道壁上的多孔基底上设置 第一催化剂层形成的阳极；(f)通过在该第一通道壁上的多孔基底上 设置第二催化剂层形成的阴极；(g)在该通道的至少一部分中设置并 与该阳极和该阴极接触的电解质，从而可防止燃料输送到该阴极并可 防止氧化剂输送到该阳极；(h)设置在该多孔基底至少一部分上的第 一涂层，从而可防止燃料进入该多孔基底的至少一部分；(i)设置在 该多孔基底至少一部分上的第二涂层，从而可防止氧化剂进入该多孔 基底的至少一部分；(j)在该第一侧上设置的第一密封挡板，在该第 二侧上设置的第二密封挡板；(k)设于该第一侧上的正极电接头；(l)设 于该第二侧的负极电接头；及其中制得的燃料电池可产生电流以驱动 外部负载。
参照图1，其是本发明一个实施方案的剖视图，燃料电池8包括 可选择的含有燃料11的燃料室10。多孔基底12与可选择的燃料室10 相邻。该燃料室可以包括可选择的燃料室进口18。该燃料室也可包括 可选择的燃料室出口20。含有氧化剂13的可选择的氧化剂室16与该 多孔基底12相邻。该氧化剂室可以包括可选择的氧化剂室进口52。 该氧化剂室也可包括可选择的氧化剂室出口54。如果没有使用氧化剂 室，那么该燃料电池利用周围环境作为氧化剂源。
该多孔基底12可以是矩形、正方形或直角形，或可选择地，其 可以是不规则的形状。在这个实施方案中，其被描绘成在一个平面中， 尽管可预见非平面基底或多种基底结构。
使用该多孔基底形成的通道14可以是直的或任意的设计。如果 是任意设计，那么该通道在本申请中称为“波浪形”。如果存在多个 通道，那么至少一个通道是波浪形。该通道14包括第一通道壁22和 第二通道壁24。此外，该多孔基底12包括顶部100、底部102、第一 侧104和第二侧106。
该通道可以包括波浪形通道、直通道或不规则通道。如果是波浪 形，那么该通道可以是正弦曲线形，并且如果是波浪形，那么该通道 可以是至少在三个平面中的形状。
阳极28设于该第一通道壁22表面上或可选择地设于其中，尽管 该阳极也可嵌在通道壁中。该阳极28是通过使用第一催化剂层38而 设于该第一通道壁22表面上或其中的。
阴极30设于该第二通道壁24表面上或可选择地设于其中。与该 阳极28一样，该阴极30可嵌在该第二通道壁24中。阴极30是使用 第二催化剂层40而产生的。
图1a、图1b和图1c说明了燃料电池的阴极和阳极的细节。图1a 表明在该多孔基底12内的第一深度的阳极28，图1b表明在该多孔基 底12内的第二深度的阳极28，图1c表明阴极30。
催化剂层可沉积在第一通道壁上，或形成于该通道壁中。在一个 实施方案中，该第一催化剂层和该第二催化剂层设置在该多孔基底中 至少达最小深度，从而产生催化活性。
参照图1，电解质32设置在该通道14中。
第一涂层34设置在该多孔基底12的至少一部分上，从而防止燃 料进入该多孔基底12的至少一部分中。第二涂层36设置在该多孔基 底12的至少一部分上，从而防止氧化剂进入该多孔基底12的至少一 部分中。
第一密封挡板44设于该多孔基底的第一侧上，第二密封挡板46 设于该多孔基底的第二侧。密封挡板可选择地设于密封挡板通道43 中。
正极电接头50通过该多孔基底的第一侧与该多孔基底12配合。
负极电接头48通过该多孔基底的第二侧与该多孔基底12配合。
制得的燃料电池可产生电流56从而驱动外部负载58。
图2是本发明的另一实施方案，表明末端被堵住的燃料电池108， 具体而言是不包括图1实施方案的燃料出口20和氧化剂出口54。
在本发明这种实施方案的一种形式中，可以预期电解质32可以 一定的角度76置于该通道14中，优选以垂直于该多孔基底12主要 部分的纵轴或水平轴74的角度放置。
在图2中，可选择的支撑件26将第一通道壁22与第二通道壁24 分开，然而该支撑件不需要存在于每一个实施方案中。在某些可选择 的实施方案中，可预见到如图2a所示的多个支撑件。本文中预期1 和50或更多个支撑件。
现在参照图2a，燃料电池表示为带有流动区126的固体燃料室10 和带有流动区126的固体氧化剂室16。也可以预见到燃料室包括含有 燃料的可渗透材料。氧化剂室也可包括可渗透的材料。可以理解不需 以相同方式建造燃料室和氧化剂室，可以使用各种氧化剂室和燃料室 结构的组合。燃料室和氧化剂室每个都可包括各种形状，如圆形、椭 圆形、矩形或正方形。特别预期的是燃料室是矩形的截面。
图3是表明末端被堵住的燃料110另一实施方案的剖视图，其不 包括图1实施方案的燃料进口18、燃料出口20、氧化剂进口52和氧 化剂出口54。图3a表明氧化剂室16被全部除去的燃料电池的实施方 案。在此实施方案中，电池使用周围环境作为氧化剂源。图3b表明 燃料室10被全部除去的燃料电池的实施方案。在此结构中，燃料电 池使用周围环境作为燃料源。
图4表明形成在基底12上的第一燃料电池66，其与形成在第二 基底62上的第二燃料电池114相邻。第一和第二燃料电池可形成在 多个基底上，或者如图5所示，该第一燃料电池66和该第二燃料电 池114可通过在单基底12中产生多个通道14来形成。
在图4，使用分离的多孔基底形成多个燃料电池结构，然后将它 们在密封挡板44处相互连接，从而形成燃料电池层。在此图中，第 一燃料电池66与第二燃料电池114连接。多个燃料电池可按产生包 括燃料侧116和氧化剂侧118的燃料电池层64的方式连接在一起。 通过参照图1说明中的标号很容易理解此图中的细节，因此此处不再 详述。
在此实施方案中，可以预见燃料电池能够串联、并联或其组合方 式连接，从而使燃料电池层产生电流以驱动外部负载。
图4a表明燃料室向周围环境敞开的燃料电池层。燃料室可是渗 透材料或带有流动区的固体材料。燃料室可以是矩形截面。图4b表 明氧化剂室向周围环境敞开的燃料电池层。在此图中，表明了在至少 一个燃料电池上的至少一个可选择的支撑件26。图4c表明燃料电池 层的一个实施方案，其中多达5000个电池按图4所示的方式连接在 一起。
在图5中，在单多孔基底12上形成了同样的燃料电池结构。在 此实施方案中，多个燃料电池按图1所示的方式形成该多孔基底中。 由于在这种情况下燃料电池形成于单基底中，因此不需要密封挡板和 与每个燃料电池相关的电连接。用于代替的是，第一密封挡板44设 于该多孔基底的第一侧上，第二密封挡板46设于该多孔基底的第二 侧上，多个第三密封挡板45设于各燃料电池之间。密封挡板可在燃 料电池层内的燃料电池间提供气体不可渗透的隔板。
可以理解图4a、图4b和图4c中的多个基底结构所示的同样实施 方案可应用于图5所示的单基底结构中。
两个燃料电池的组合，如图4的结构或图5的结构，可被扩充至 放置任意数量的彼此组合的燃料电池。在这两个实施方案中，多个结 构的端部用密封挡板44和第二密封挡板46密封。在这两个实施方案 中，负极电接头48固定于多个燃料电池组件的一端，正极电接头50 固定于多个燃料电池组件的另一端，从而使得多个燃料电池组件可以 驱动外部电负载。
多个燃料电池的组合可制得燃料电池层64，其包括与燃料室10 相关的燃料侧116及与氧化剂室16相关的氧化剂侧118。
如果燃料电池层64中的燃料电池形成于其上的基底材料是导电 的，那么单个燃料电池产生的电流能够直接通过基底材料和密封挡板 44流动，从而在形成的燃料电池层中产生双极燃料电池结构。如果燃 料电池层中的燃料电池形成于其上的基底材料是不导电的，那么该第 一涂层34和第二涂层36都应该由导电材料制成和形成，从而该第一 涂层34可与该阳极40电接触，同时该第二涂层36与该阴极38电接 触。该第一涂层34和该第二涂层36也与导电的密封挡板44电接触。 在任一种情况下，通过导电或不导电的基底由燃料电池产生的电流可 传输至正极和负极电接头。
图5a是燃料电池层的可选择结构。在这种结构中，该第一涂层34 延伸并将第一燃料电池的阳极与第二燃料电池的阴极相连。相似地第 二涂层36延伸并与第一燃料电池的阳极接触。端部的第一涂层和端 部的第二涂层能被用于将端部的燃料电池与正极电接头50和负极电 接头48相连。在这种结构中，部分第一涂层是多孔的，从而可使燃 料到达阳极，部分第二涂层是多孔的，从而可使氧化剂到达阴极。在 这种结构中，多孔基底和密封挡板都不需要是导电的。也可以预见可 仅有第一涂层被延伸，从而在电池间提供电接触，或者仅有第二涂层 被延伸，从而在电池间提供电接触。
当多个燃料电池形成燃料电池层时，如图4和图5所示，得到单 个燃料电池的串联电连接。多个燃料电池的总电压可在燃料电池层任 一端处的正极和负极电接头之间产生电势差。较多个燃料电池可使燃 料电池层在电接头之间产生较高的电压。可以使用导电或不导电基 底、挡板和盖子的任意组合，只要在相邻的阳极和阴极间可产生导电 通路。按这种方式可实现集成的边缘或者燃料电池层中的每个燃料电 池的双极串联电连接，而不需要将不同的元件夹在一起，并且不用使 用独立形成的层状元件。此外，燃料电池层中电流的流动方向全部是 在燃料电池层的平面中，而不是象大部分当前设计那样与燃料电池层 正交。也可以预见到可将燃料电池层中的燃料电池并联或用串联和并 联的组合方式电连接在一起。
图6是燃料电池层64的立体剖面图。在此图中，第一燃料电池 66与第二燃料电池114通过密封挡板44分开。第三燃料电池115与 第二燃料电池114通过另一密封挡板44分开。这种层与图4和图5 所示的层的结构相同。根据需要燃料电池层64可以含有多个密封挡 板和电池。燃料电池层中单个燃料电池之间的间距取决于设计者的判 断，并受实际制造能力和多孔基底内物质传输的限制。
燃料电池层64的总体结构使得单个燃料电池串联连接。正极电 接头50和负极电接头48使得外部负载可与燃料电池层连接，其可产 生电压，该电压是多个燃料电池层中的单电池电压。
图7是与图6相似的燃料电池层64的图，但是在此图中每个燃 料电池8包括通道14，其是不直的结构。此外，与图6同样，图7基 本上利用与图4和图5所示的相同结构，但重复多次以制成多电池结 构。通道的不直结构可提高形成于通道壁上的阳极和阴极的电化学活 性面积。这种不直通道可以是平滑的波浪形或与公知具有极高面积的 不规则结构通路相似的不规则形状。本发明中可使用任意的通道结构 从而可最优化每个燃料电池的电极面积。优选的实施方案包括多个薄 的通道，它们彼此平行延伸并沿不规则通路进行，并可按受不规则图 案所启示的方式折叠其体身。本发明另一优选的实施方案包括至少在 三个平面中的至少一条通道。
图8表明多个燃料电池层的圆柱形式250的立体图。在这种形式 中，将多个非平面的燃料电池208组合以形成燃料电池层64，其包围 空间210。包围的空间210可用作燃料室，同时电池外部的环境供应 氧化剂。也可以预见到燃料可由圆柱外部的环境供应而包围的空间210 用作氧化剂室。圆柱形的燃料电池250可通过使用圆柱形的单个多孔 基底按图5中组合电池的方法来形成，或通过形成圆柱形的多个多孔 基底按图4中组合电池的方法来形成。
图8a是燃料电池208非平面形式的剖视图。该燃料电池包括带 有燃料进口18和燃料出口20的燃料室10和带有氧化剂进口52和氧 化剂出口54的氧化剂室16。非平面的多孔基底212与该燃料室10和 该氧化剂室16相通。通道14形成在该非平面的多孔基底212内。该 通道14包括按图1所述而制成的阳极40和阴极38，并用电解质32 填充。燃料电池包括支撑件26、第一涂层34和第二涂层36。负极电 连接器48与密封挡板44接近。正极电连接器50与可选择的密封挡 板46接近。
尽管在图中，用弧线表明燃料电池的非平面结构，但是可以使用 任意的结构。与图1的燃料电池相同，非平面燃料电池可用多个电池 组合形成非平面燃料电池层，并可使用各种结构的燃料室和可选择的 氧化剂室。
图9表明圆柱形式的燃料电池的剖视图。在这种情况下，非平面 基底212制成圆柱的形式以包围空间210。在此图中的燃料电池在包 围的空间210中含有燃料11，从而可将燃料供给燃料电池。在这种结 构中，电池外部的周围环境供应氧化剂。也可以预见到氧化剂可含在 包围的空间210中，而周围环境供应燃料。
图10是圆柱形燃料电池251的另一实施方案，其包括径向配置 并与圆柱体的轴正交的非平面燃料电池208的通道14。可以理解图中 的燃料电池208可按图4所示的配置或组装，或者它们也可形成在图 5所示的单个圆柱形基底中。
图11是圆柱形燃料电池252的另一实施方案，其包括以弯曲或 螺旋方式沿圆柱的周围设置的非平面燃料电池的通道14。尽管在此图 中仅表明单个螺旋通道14，但是使用多孔基底可形成带有多个通道的 多个燃料电池。
尽管仅有圆柱形电池被表明可包围空间，但是本文中可以预见到 诸如挤压的矩形、正方形、橄榄形、三角形和其它非挤压形状诸如圆 锥、棱锥、足球形状的物体及可包围空间的其它形状可作为本发明的 一部分。
图12是双层燃料电池层结构254的剖视立体图，其包括两个燃 料电池层，第一燃料电池层64和第二燃料电池层112每一层都包括 阳极侧和阴极侧，其中该第一燃料电池层64叠放在第二燃料电池层112 的顶部，从而该第一燃料电池层的阳极侧264与该第二燃料电池层的 阳极侧268相连。
在图12中，密封条130设于该第一燃料电池层和第二燃料电池 层之间，从而形成燃料室124。两个正极电接线头与正极连接器120 相连，两个负极电接线头与负极连接器122相连，从而单个燃料电池 层现0在以电学并联的结构连接。得到的组件是双层燃料电池层结构 254，其包括顶部70和底部72，顶部和底部是各个燃料电池层的阴极 侧。得到的结构是包围空气的透气燃料电池，可以实现每个燃料电池 层中的单个燃料电池的串联电连接及两个燃料电池层的并联电连接。 仅有燃料需要加到此结构的内部，并且电流可在两个燃料电池层中的 任一个中流动。在此结构中，除了正极电接头和负极电接头在燃料电 池层的任一端并联外，这两个燃料电池层之间没有电连接。
也可以预见到燃料电池层可以阴极对阴极的方式放置，从而产生 共用的填充有氧化剂的室。在这种结构中，燃料电池夹层结构使用周 围环境作为燃料源。
尽管各种材料可用作本发明的多孔基底，但是适合的材料是导电 材料。诸如金属泡沫、石墨、石墨复合物、至少一层硅晶片、烧结的 聚四氟乙烯、结晶聚合物、结晶聚合物的复合物、增强的酚醛树脂、 碳布、碳泡沫、碳溶胶、陶瓷、陶瓷复合物、碳和聚合物的复合物、 陶瓷和玻璃的复合物、回收的有机材料及其组合等材料预期适用于本 发明中。
通道预期可包括多达50个可选择的用于分离通道壁的支撑件。 该通道预期可形成于多孔基底中。通道可通过切割、烧蚀、模压、蚀 刻、挤压、压花、层压、镶嵌、熔化或其组合等技术来形成。该通道 可以是波浪形或至少在三个平面中。
支撑件可位于通道的末端，如形成的顶部或底部，位于通道的中 部，或以相对于通道中心的一定角度放置。可以预期该支撑件可以是 绝缘材料。如果使用绝缘材料，那么可以预期硅、石墨、石墨复合物、 聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、结晶聚合物、结晶共聚物、交联的 聚合物、木材及其组合可用于本发明中。
就尺寸而言，该通道高度可以为1纳米到10cm，宽度可以为1 纳米到1mm，长度可以为1纳米到100米。
本发明可选择地在燃料电池层中的单个燃料电池预期能够产生约 0.25伏到约4伏的电压。在这种设计中1～5000个燃料电池预期可用 于一个燃料电池层中，然而在优选的实施方案中，燃料电池层包括 75～150个相连的燃料电池。可以预期这种燃料电池层能够产生0.25 伏到2500伏的电压。具有更多通道的燃料电池能够产生更高的电压。
本发明可被设计成燃料是纯氢气、含有氢气的气体、甲酸、含有 氨、甲醇、乙醇和硼氢化钠和其组合的水溶液。本发明可设计成氧化 剂是纯氧气、含有氧气的气体、空气、富氧气的空气或其组合。
适用于本发明中的电解质可以是凝胶、液体或固体材料。预期可 适用的各种材料包括：含有磺酸基的全氟聚合物、pH至多为4的酸 性水溶液、pH大于7的碱水溶液及其组合。此外，可以预期电解质 层厚度可为1纳米至1.0mm，或可选择地简单填充从第一壁到第二壁 的每个波浪形通道而没有间隙。
使用在多孔基底上的第一涂层和第二涂层制造燃料电池。这些涂 层可是同种材料或不同种材料。至少一层涂层可以是聚合物涂层、环 氧化合物、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚丙烯、聚丁 烯、其共聚物、其交联的聚合物、导电金属或其组合。可选择地，第 一或第二涂层可以包括薄金属层，如金、铂、铝、锡、这些或其它金 属或金属组合的合金涂层。
可以预期适用于本发明中的第一和第二催化剂层可以是贵金属、 含贵金属的合金、铂、铂合金、钌、钌合金及这些材料的组合。可以 预期含有至少一种贵金属的三元合金适于产生较好的电压。铂-钌合金 和铂也预期适用于本发明中。每层催化剂层应该包括催化剂加载量， 其中每层催化剂的用量可以不同。
第一和第二催化剂层以至少最小的深度置于该多孔基底中，从而 产生催化活性。该多孔基底与燃料室连接，从而进一步成为水平轴。 置于通道中的电解质以垂直于水平轴的角度放置。该多孔基底可是平 面形状、可以包围空间的形状或圆柱形。该多孔基底也可以是导电材 料。
可选择的密封挡板材料预期可以是硅、环氧化合物、聚丙烯、聚 乙烯、聚丁烯、其共聚物、其复合物或其组合。
一种制备燃料电池的方法预期包括如下步骤：
a.形成多孔基底，其包括顶部和底部、第一侧和第二侧；
b.用第一涂层涂覆顶部的至少一部分；
c.用第二涂层涂覆底部的至少一部分；
d.使用该多孔基底形成通道，其中该通道包括第一通道壁和第 二通道壁；
e.通过在该第一通道壁上设置第一催化剂层形成阳极；
f.通过在该第二通道壁上设置第二催化剂层形成阴极：
g.在该通道的至少一部分中设置与该阳极和该阴极接触的电解 质；
h.将一端的正极电接头与该多孔基底的第一侧固定，将一端的 负极电接头与该多孔基底的第二侧固定；
i.将燃料室与该多孔基底固定以形成燃料电池；
j.将氧化剂室与该多孔基底固定；
k.沿该燃料电池的至少一部分设置密封挡板；及
l.将燃料装入该燃料室中，将氧化剂装入该氧化剂室中。
所述的操作顺序可以按需要变化，并且步骤可以组合，以满足特 定材料的需要和所用的制造方法。此外，该方法可在该多孔基底中形 成1至250或更多的通道。
本发明中另一种制备燃料电池的方法预期包括如下步骤：
a.根据需要在将该多孔基底与该燃料室固定前重复上述方法的步 骤a至步骤h多次以形成至少一个另外的燃料电池；
b.将密封挡板处的多孔基底与至少一个另外的燃料电池在其密 封挡板处固定，以形成燃料电池层并延伸燃料电池层，从而将另外形 成的燃料电池与燃料电池层在各自的密封挡板处固定；
c.将燃料电池层的正极电接头和负极电接头固定在一起；
d.将连接的燃料电池与燃料室固定；及
e.将连接的燃料电池与氧化剂室固定。
燃料电池层中的燃料电池的正极电接头和负极电接头可以按串 联、并联或串联和并联组合的方式连接。
另一种制备燃料电池的方法预期包括如下步骤：
a.形成多孔基底，其包括顶部和底部、第一侧和第二侧；
b.用第一涂层涂覆顶部的至少一部分；
c.用第二涂层涂覆底部的至少一部分；
d.使用该多孔基底形成多个不同的通道，其中每一个不同的通 道包括第一通道壁和第二通道壁；
e.通过在该第一通道壁上设置多个第一催化剂层形成多个阳极；
f.通过在该第二通道壁上设置多个第二催化剂层形成多个阴极；
g.在每个不同通道的至少一部分中设置电解质；
h.在该第一侧的至少一部分上设置第一密封挡板；
i.在该第二侧的至少一部分上设置第二密封挡板；
j.在不同通道之间形成多个第三密封挡板，从而在该多孔基底上 产生多个彼此相邻的独立的燃料电池；
k.将正极电接头与该多孔基底的第一侧固定；
l.将负极电接头与该多孔基底的第二侧固定；
m.将燃料电池正极电接头与每个独立的燃料电池固定；
n.将燃料电池负极电接头与每个独立的燃料电池固定，从而形 成燃料电池层；及
o.沿该燃料电池层的至少一部分设置密封挡板。
在上述任一种方法中，可以使用多种不同的方法来形成该多孔基 底。该多孔基底可通过浇铸然后烘烤、从预形成的砖状物中切层、模 压、挤压或其组合的方法来形成。形成的多孔基底可以是非平面的或 可以包围空间。
上述的任何方法也可以包括任何附加的步骤。可以增加在涂覆基 底顶部和底部之前掩膜该多孔基底的步骤。可以增加在第一通道壁和 第二通道壁之间插入支撑件的步骤。可以增加在加入电解质之前选择 性地除去沉积在顶部和底部上的一部分涂层的步骤。
形成不同通道的步骤可以是压花、烧蚀、蚀刻、挤压、层压、镶 嵌、熔化、模压、切割或其组合等方法。蚀刻可以是激光蚀刻、深反 应性离子蚀刻或碱性蚀刻。
燃料电池层中独立的燃料电池的燃料电池正极电接头和燃料电池 负极电接头可以按串联、并联或串联和并联组合的方式连接。
如果至少一层涂层是用薄膜沉积技术来沉积的，那么这种技术包 括溅射、化学电镀、电镀、焊接、物理气相沉积和化学气相沉积。如 果至少一层涂层是环氧化合物涂层，那么这种涂层可通过选自如下的 方法设置在基底上：丝网印刷、喷墨印刷、刮刀涂覆、喷溅枪沉积、 真空装袋及其组合。当将涂层涂覆到多孔基底上时也可使用掩膜。如 果需要，在加入电解质前，可以除去部分涂层。
该多孔基底可通过浇铸然后烘烤、从预形成的砖状物中切薄层、 模压、挤压来形成。在形成每个不同的通道前，该多孔基底可以形成 非平面型。在形成每个不同的通道前，该多孔基底也可以形成包围空 间的形状。
本发明也提供带有燃料电池层的微型结构燃料电池体系。燃料电 池层包括阳极侧、阴极侧、正极端和负极端。至少一个表面位于正极 端和负极端之间，至少一个电子系统设于该至少一个表面上。
电子系统是便携式电话、PDA、卫星电话、膝上型电脑、便携式 DVD、便携式CD游戏机、便携式个人护理电子设备、便携式吊杆盒、 便携式电视、雷达、无线电发送器、雷达检测器或其组合。系统安装 于其上的燃料电池层产生的电流对电子系统供应动力。电子系统也对 燃料电池操作提供辅助功能。辅助功能包括燃料电池性能检测、燃料 电池控制、燃料电池故障检测、燃料电池性能优化、燃料电池性能记 录或其组合。在燃料电池层的每一侧可以安装多于一个的电子系统。
本发明也提供带有燃料电池层的多个燃料电池层结构。第一燃料 电池层叠放在第二燃料电池层的顶部，从而该第一燃料电池层的阳极 侧与第二燃料电池层的阳极侧相连。第三燃料电池层叠放在该第二燃 料电池层上，从而该第三燃料电池层的阴极侧与该第二燃料电池层的 阴极侧相连，从而与相邻的燃料电池层形成电池组。然后另外的燃料 电池层可按相似的方式设于该第一、第二和第三燃料电池层上。该第 一燃料电池层叠放在第二燃料电池层顶部使得该第一燃料电池层的阳 极侧与第二燃料电池层的阳极侧相连形成双层电池组时形成双层燃料 电池层结构。
多个燃料层和双层电池层结构也包括至少一个位于相邻燃料电池 层之间以形成至少一个室的密封条、用于连接电池组与外部负载的正 极连接器、及用于连接电池组与外部负载的负极连接器。当燃料供应 至多个燃料电池层的阳极侧和氧化剂供应至多个燃料电池层的阴极侧 时，产生电流以驱动外部负载。
在另一个实施方案中，该多个燃料电池层结构或双层电池层结构 也包括至少一个形成在电池组的至少一个燃料电池层中的流动区。该 流动区可通过切割、烧蚀、模压、压花、蚀刻、层压、镶嵌、熔化或 其组合等形成。
燃料电池层结构中的室可以是燃料室、氧化剂室或其组合。正极 端和负极端可串联连接在正极连接器和负极连接器之间、与正极连接 器和负极连接器并联或二者组合。
本发明的燃料电池可通过如下方式使用：首先，将燃料源与燃料 室进口相连；其次，将燃料室出口与再循环控制器相连；第三，将氧 化剂室进口与氧化剂源相连；第四，将氧化剂室出口与流动控制系统 相连；第五，将正极电接头和负极电接头与外部负载相连；第六，使 燃料和氧化剂流入进口；及最后，用燃料电池产生的电流驱动负载。
如果使用末端堵住形式的燃料电池，那么操作更简单。首先，将 燃料进口与燃料源相连：其次将氧化剂进口与氧化剂源相连；第三， 将正极电接头和负极电接头与外部负载相连；及最后，用燃料电池产 生的电流驱动负载。
本发明的方法还可包括在燃料和氧化剂装入各自的室后将室出口 和进口密封的步骤，从而制备末端堵住的燃料电池。然后使用正极电 接头和负极电接头将燃料电池与外部负载相连，从而驱动负载。
可以预见到在本发明中可以使用任何燃料和氧化剂进口和出口的 组合以操作燃料电池。
虽然结合本发明某些优选实施方案详细说明了本发明，但可以理 解在本发明范围内可做出变化和修改。