燃料电池盖的制作方法

专利名称：燃料电池盖的制作方法
燃料电池盖
背景技术：
电化学电池一如燃料电池一可利用环境中的氧作为反应物。在发电的时候， 在电池中发生的电化学反应还会生成水，这些水可被用于其他的电化学电池用途，如膜水 合，或者用于湿润该系统中的各个部件。燃料电池更广泛地用于向电子设备供电，目前这使 燃料电池处于各种环境条件下，这些环境条件会影响反应物的气体运输特性以及水管理系 统。燃料电池可要求在阴极的至少一部分和环境之间的气体扩散层或者界面是导电 的以便实现适当的电池功能。由于界面可能是导电的，所以界面对变化的环境条件的适应 性就会被限制。


在附图中，这些图未必按比例画出，相同的数字可描述在多个附图中基本相似的 部件。具有不同字母后缀的相同数字可代表基本相似部件的不同实例。这些图通过举例的 方式，而非通过限制的方式，总体示出了本文本中所 讨论的各种实施方案。图1示出了根据各种实施方案的具有多个特征的燃料电池盖的立体图。图2示出了根据各种实施方案的包括一个可拆卸的检查口盖板(access plate) 的燃料电池盖的立体图。图3示出了根据各种实施方案的包括一个燃料电池盖的电子设备的立体图。图4示出了根据各种实施方案的一个电子设备的立体图，该电子设备包括一个基 本与其齐平的燃料电池盖。图5示出了根据各种实施方案的一个电子设备的立体图，该电子设备具有一个包 括可拆卸的检查口盖板的燃料电池盖。图6示出了根据各种实施方案的一个电子设备系统的分解图。

发明内容
各种实施方案涉及如下一个燃料电池盖，该燃料电池盖包括接近于一个或多个燃 料电池的界面结构。所述界面结构可影响在所述一个或多个燃料电池附近或者与所述一个 或多个燃料电池相接触的一个或多个环境条件。各种实施方案涉及如下一个燃料电池盖，该燃料电池盖包括接近于一个或多个燃 料电池的界面结构，其中，所述盖可包括一个或多个特征，以增强所述一个或多个燃料电池 在一个或多个环境条件的选定组合中的性能。各种实施方案还涉及如下一个燃料电池盖，该燃料电池盖包含与一个或多个燃料 电池相接触的一个盖。所述盖具有一个或多个特征，其可响应于在所述一个或多个燃料电 池附近或者与所述一个或多个燃料电池相接触的一个或多个环境条件中的变化，以便提高 燃料电池的性能。各种实施方案还可涉及如下一个电子系统，该电子系统包括一个电子设备、与该电子设备接触的一个或多个燃料电池，以及一个自适应的界面结构。盖可影响在所述一个 或多个燃料电池附近或者与所述一个或多个燃料电池相接触的一个或多个环境条件。各种实施方案可涉及一种制造电子系统的方法，该方法包括形成一个电子设备； 形成与该电子设备接触的一个或多个燃料电池；形成一个界面结构；使所述一个或多个燃 料电池与电子设备相接触；以及使盖与一个或多个燃料电池或者电子设备相接触。
具体实施例方式下面的详细说明包括参照随附的附图，这些附图构成了本详细说明书的一部分。 通过示例的方式，这些附图示出了可被实施的各种实施方案。这些实施方案，在此也被称作 “实施例”，被足够详细地描述，以使本领域技术人员能够实施这些方案。在不背离各种实施 方案的范围的情况下，可对这些实施方案进行组合，可利用其他的实施方案，或者也可进行 结构上和逻辑上的改变。 因此，下面的详细说明不应被理解为限制的含义，各种实施方案的 范围由附加的权利要求及其等同物限定。在本文本中，词语“一个(a) ”和“一个(an) ”用来包括一个或一个以上，词语“或 (or)”用来指非排除性的“或”，除非另有所指。此外，应理解，除非另定义，在此使用的措辞 和术语仅仅是为了描述而非限制。再者，在本文本中涉及到的所有公开出版物、专利、专利 文件都以全文引用的方式纳入本文件，好像各自通过引证被纳入本文件一样。当本文本和 所述通过引用纳入的那些文件在用法上不一致时，通过引证纳入的文件中的用法应视为对 本文本的补充；为了避免不可调和的不一致，本文本中的用法占主导地位。各种实施方案涉及一个燃料电池盖。燃料电池系统——包括被动式燃料电池系统 (passive fuel cell systems)——的性能，会受到环境条件的影响。所述环境条件包括如 湿度、周围环境温度、周围环境气压，或者其他的一些环境条件。为了从一个燃料电池的有 效面积(active area)，以及在一电池堆或者一燃料电池层中的基本所有燃料电池的有效 面积中获取合适的性能，反应物可被大致平坦地分布在每个有效面积、以及均勻地分布在 每个电池上。燃料电池可利用被配置用于实现该目的的某种形式的气体扩散层(GDL)。较 大的燃料电池可使用一个“双极板”或者限定有流场的“隔离”板来辅助实现该目的。归因 于大多数燃料电池系统的设计，GDL以及双极板(如果使用的话)可是导电的，以便收集在 燃料电池反应中生成的电子。因此，这可能会限制可被用来制造这种燃料电池中的GDL的 材料。一种合适的材料是一种碳纤维纸，该碳纤维纸被配置为多孔且导电的。在其中所产生的电流是在电池的边缘处被收集到的一个燃料电池结构中，(而非 进入到GDL或进入到相关联的载流结构中被收集)，可获得燃料电池盖的自适应性和互换 性。例如，一个薄层的燃料电池结构可包括一个离子交换膜，在该离子交换膜的两侧都放置 有电化学反应层。所述离子交换膜可包括一个具有整体结构的层，或者可包括一个由不止 一种材料制作的复合层。所述离子交换膜可包括，例如一个质子交换膜。根据各种实施方 案的电化学电池可包括如下一个薄层的燃料电池结构，在该燃料电池结构中，电载流结构 至少部分位于电化学反应层(这里被叫做“催化剂层”)的下面。各种实施方案可允许构造 如下一个电化学电池层，其具有形成在离子交换膜材料薄板上的多个单独的单元电池。相 邻的单元燃料电池可通过如下方式被并联连接在一起即，或者通过提供由相邻单元电池 共用的载流结构，或者通过将相邻电池的载流结构相互电连接。相邻的单元电池还可以互相电绝缘，在该情况下它们可被串联连接。单元电池结构的电绝缘可通过如下方式来提供 艮口，通过使催化剂层的一部分不导电；通过使催化剂层在单元电池之间的部分不连续；和/ 或通过在单元电池结构之间提供电绝缘屏障。在这种情况下，可将这些单元电池相互电连 接为除了并联布置之外的其他布置。过孔(vias)可被用来将相邻的单元电池串联互连。在 各种实施方案中，单元电池可被串联连接，这些串联连接的电池的相邻催化剂层可被彼此 电绝缘。
由于在这种燃料电池中的载流结构位于燃料电池的边缘处，平面燃料电池层可利 用可能不导电的气体扩散层(GDL)。上述特征可允许使用根据各种实施方案的具有互换性 或者适应性的盖，所述盖可包括原本不适用于与GDL—起使用的材料或者配置。此外，各种 实施方案还可被用在具有GDL的常规燃料电池中，作为一种提高电池在变化的环境条件下 的性能的特征。根据各种实施方案的盖可用来使氧化剂——如空气一一与燃料电池的阴极接触。 盖的材料、结构以及其他一些物理性质会影响燃料电池的性能。燃料电池的性能会受到接 近于燃料电池的环境条件——如温度、湿度——以及在燃料电池上的反应物分布的影响， 所述在燃料电池上的反应物分布会受到所选择的盖或者气体扩散层的影响。根据各种实施方案的盖可包括如下一个界面结构，该界面结构可具有互换性或者 适应性，或者既具有互换性也具有适应性，使得一般地说，所述盖响应于会影响燃料电池或 者由燃料电池供电的电子设备的变化环境条件。可互换的盖——其可被可拆卸联接至一个 或多个燃料电池——可被配置用来基于一组选定的环境条件增强所述一个或多个燃料电 池的性能。具有适应性的盖可包括响应于环境条件的一种或多种自适应材料，使得从而提 高所述一个或多个燃料电池的性能。所述盖可被用于一个或多个燃料电池，这些燃料电池 可不要求阴极环境界面应是导电的。这种燃料电池可利用一个集成的阴极、催化剂层和载 流子，使得在阴极和环境之间的界面或者盖除了保持合适的气体传输特性之外，可以是不 导电的。因此，所述盖可与被动式“吸收空气”的燃料电池一起使用，这种燃料电池不主动 控制燃料电池层的一种或者两种反应物的分布。在各种实施方案中，其中气体扩散层可是不导电的，材料和结构的选择是灵活的 以辅助改变邻近于燃料电池或者燃料电池供电的设备的环境。另外，所述盖可与一个导电 层一起使用、或者盖本身就是导电的，以与常规的燃料电池系统一起运行。该盖可被配置为 基于结构、材料或者既基于结构也基于材料都是可定制的或者具有适应性的。例如，具有互 换性或者适应性的盖会影响与燃料电池接触的温度、湿度、污染物或杂质水平。在本公开文 本中，影响接近于燃料电池的环境条件指的是增加、减少、增强、调节、控制，或者去除接近 于电池的环境条件。在各种实施方案中，燃料电池盖可包括一个多孔的界面结构，该界面结构被布置 在燃料电池层的反应面上，或者接近于燃料电池层的反应面，或者被集成入燃料电池的常 规气体扩散层(⑶L)。该多孔层可被配置为使用一种自适应材料。该多孔层可被配置为使 用一种热响应的聚合物。该聚合物可包括许多孔。包含在盖中的自适应材料可响应于盖外 面的条件、在燃料电池上的条件、或者接近于燃料电池的条件。自适应材料和结构也可包括 主动控制装置、其他激励或者其任意组合。这些条件的一些例子可包括温度、湿度、电流，或 其他条件。
定义如此处使用的，“电化学阵列”可指一有序分组的电化学电池。所述阵列可以是例 如平面的或者圆柱形的。所述电化学电池可包括燃料电池，如边缘收集(edge-collected) 的燃料电池。所述电化学电池可包括蓄电池。所述电化学电池可以是原电池、电解器、电解 电池，或者其组合。燃料电池的示例包括质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池、碱性燃 料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池，或者其组合。电化学电 池可包括金属-空气电池，如锌空气燃料电池、锌空气蓄电池，或者其组合。如此处使用的，术语“柔性电化学层”(或者其变体)可包括全部或者局部柔性的 一电化学层，该电化学层可包括例如如下一个电化学层，其具有与一个或多个柔性部件集 成在一起的一个或多个刚性部件。“柔性燃料电池层”可指的是如下一个层，该层包括集成 在该层中的多个燃料电池。术语“柔性二维(2-D)燃料电池阵列”可指在一个方向上尺寸较薄的柔性薄板，并 且其可支撑多个燃料电池。这些燃料电池可具有一种类型(如阴极)有效面积——其可从 薄板的第一面进入，以及另一种类型(如阳极)有效面积——其可从薄板的相反第二面进 入。这些有效面积可被配置为位于在薄板的各自面上。例如，没有必要将整个薄板都覆盖 有有效面积；但是通过增加其有效面积，燃料电池的性能会被改善。如此处使用的，“界面结构”或者“界面层”可指如下一个流体界面，该流体界面被 配置为影响接近于燃料电池部件——例如燃料电池的阳极和/或者阴极——的本地环境。如此处使用的，“盖，，可指如下一种装置，该装置封闭、或者接触、或者接近于一个 或多个燃料电池，该燃料电池包括被配置为影响接近于所述一个或多个燃料电池的环境条 件的界面结构。如此处使用的，“特征”可指燃料电池盖的一个方面，该特征可被构建进燃料电池 盖，或者是在盖中所使用的材料的固有特性。特征的示例可包括口、孔、槽、网孔、多孔材料、 过滤器，以及错综复杂的通道。如此处使用的，“外部环境”、“外部条件”、“环境条件”、或者“周围环境”可指在盖或 界面结构附近的大气条件，无论是位于设备或壳的内部或者外部的环境。相应地，外部条件 可包括温度、气压、湿度水平、污染物水平、杂质水平或其他外部条件中的一个或多个。“外 部环境”、“外部条件”、“环境条件”、或者“周围环境”也可指温度、气压、湿度水平、污染物水 平、杂质水平、或者其他外部条件组合中的不止一个。参照图1，根据各种实施方案的一个燃料电池盖100的立体图。燃料电池盖100可 包括一个界面结构102，该界面结构102可被构建到外壳104中，是用于形成外壳104的材 料所固有的，或者以其他方式接近于一个燃料电池或者一个燃料电池层。燃料电池盖100 可被部分或者全部地与燃料电池或者燃料电池层的表面整合为一体。合适的燃料电池结构 可包括，例如被柔性墙封闭的空间，其中柔性墙中的至少一个包括支撑一个或多个燃料电 池的第一柔性薄板。燃料电池可被配置以从第一柔性薄板的第一侧可接近的阳极，以及从 第一柔性薄板的第二侧可接近的阴极。可提供一个用于将该空间连接至反应物源的入口。 也可提供一个布置用于限制该空间向外膨胀的外部支撑结构。一个柔性燃料电池层可包括 两个或更多个燃料电池，其基本集成在二维层和联接至该层的衬底中，进而在所述衬底和 所述层之间形成一个封闭的区域。所述层可被布置成平面的或者非平面的配置，使得该层可被配置以使得当层自支撑时其可被使用。柔性燃料电池层可进一步包括与柔性层接触的一个或多个内部支撑。根据各种实施方案的电动设备可包括一个壳(其限定一个具有表面的壳层)以及 位于该壳内部的至少一个电动部件。一个薄层燃料电池阵列可被放置在壳上并被壳所支 撑，同时燃料电池阵列可与该表面得区域共同延伸并基本上与该表面的区域一致。燃料电 池阵列可包括多个单元燃料电池，每个单元燃料电池包括一阴极和一阳极，并且连接起来 以向电动部件供电。所述单元燃料电池的阴极被放置在燃料电池阵列的朝向外部的外表层 上，并且可与壳外面的周围空气直接接触。所述单元燃料电池的阳极可被放置在燃料电池 阵列的朝向壳内部的内侧上。在各种实施方案中，燃料电池盖可被放置在接近于燃料电池 阵列的外表面处，使得与周围空气的直接接触可通过燃料电池盖100完成。例如，燃料电池盖100可包括一个界面层，其被放置为接近于燃料电池设备。界面 结构102可基本延伸在外壳104的整个外表面上，或者也有可能仅延伸在外壳104的一部 分外表面上。界面结构102可被配置用来增强位于外壳104内部的、处于一个或多个环境 条件的选定组中的一个或多个燃料电池(未示出)的性能。因此，界面结构102可包含如 下特征，如口、孔、槽、网孔、多孔材料、过滤网，或者其任意组合。界面结构102也可包括一 种自适应材料，该材料将在下面被更加详细描述。界面结构102可用来不让选定物质进入，如外部环境中的空气污染物或过多的水 分(如湿度)。当盖100被置于干燥的外部环境中时，界面结构102还可用来允许选定物质 进入，如水分。取决于预期条件，可改变在界面结构102中的特征的大小、孔隙率和方向，以 影响流量或者控制进入燃料电池的物质流。界面结构102可用于影响一个或多个选定的本地环境条件。例如，界面结构102 可被包含到外壳104中，使得其可拆卸并且可被更换以提供具有不同物理特征的另一界面 结构102，该不同物理特征可取决于在燃料电池运作时所存在的环境条件。例如，一种界面 结构102可被配置用于在炎热又干燥的环境，如沙漠；而另一种界面结构102可被配置用于 炎热又潮湿的环境，如雨林。再一种界面结构102可被配置用于凉爽又潮湿的环境中；而另 一种界面结构102可被配置用于寒冷又干燥的环境中。上述例子说明了可互换的界面结构 102的可能变体，这取决于周围环境。可选择和/或调整与界面结构102相关联的材料以及 特征以使燃料电池能够在广泛的环境条件中运作。虽然图1示出界面结构102被放置在外 壳104的一部分上，但是应理解在各种实施方案中，界面结构102和外壳104可以是重合结 构，使得整个外壳104可构成界面结构102，从而前面提到的互换性的范围就可延伸到整个 燃料电池盖100。还应理解，在各种实施方案中，界面结构102可直接接触(或者可被集成 进)封装在外壳104内的一个或多个燃料电池，或者界面结构102可与封装在外壳104内 的一个或者多个燃料电池间隔开。在界面结构102中的一个或多个特征可响应于在一个或 多个燃料电池附近或者与一个或多个燃料电池相接触的一个或多个环境条件的变化，从而 增强燃料电池的性能。这些特征可被包含进界面结构102中，或者可以是一种或多种自适 应材料所固有的。外壳104可包括如下材料，例如纸、各种聚合物诸如尼龙(由特拉华州威尔明市的 Ε. I. du Pont de Nemours and Company公司所制造)；人造纤维，其中纤维形成的物质是一 种长链合成聚酰亚胺，其中低于85%的酰胺键合直接附接(-C0-NH-)至两个脂族基)；聚四氟乙烯(PTFE)；聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乙烯醇或者聚乙烯。外壳104可包括如下特征，例 如，所述特征可被实施为上述所列材料的某种组合、一种或多种自适应材料，或者可被形成 在界面结构102中。
界面结构102可由如下自适应材料构成。该自适应材料可物理地或化学地响应于 在一个或多个环境条件中的变化，所述一个或多个环境条件可包括温度、压力(如大气压 力，空气中氧气的分压力)、湿度、PH值、各种化合物和/或光。因此，界面结构102可增强可 被放置在外壳104内的一个或多个燃料电池的性能。合适的自适应材料的实例可包括蜡、 纤维或涂层。热响应聚合物也可被用作自适应材料。热响应聚合物通常会随着温度的升高 呈现出正膨胀特性。这种材料在如下一篇论文中被描述，即作者为Young Moo Lee等人的 “Synthesis andSwelling Characteristics of pH and Thermo-responsiveInterpenetra ting Polymer Network Hydrogel Composed of Poly(vinyl alcohol)and Poly(acrylic acid) ”(Journal of AppliedPolymer Science 1996, Vol. 62,301 311)。除了呈现正膨 胀的热响应材料，也可使用具有负膨胀反应的热响应材料。当使用具有负膨胀性状的材料 时，材料层的边界条件应是这样的从而允许孔随着温度的升高而收缩。呈现正热膨胀特性 和负热膨胀特性的材料的组合也可被用来实现GDL的预期可变的孔隙率特性。另外一些呈 现可变的孔隙率特性的材料在如下文章中被描述，即，Hisao Ichijo等人的“S印aration of Organic Substances with Thermo responsivePolymer Hydrogel，，(Polymer Gels and Networks 2，1994，315 322Elsevier Science Limited)；以及作者为Masaru Yoshida等人 的"Novel Thin Film with Cylindrical Nanopores That Open and CloseDepending on Temperature :First Successful Synthesis “(Macromolecules 1996，29，8987 8989)。热响应聚合物也可被定义为或者具有上临界溶解温度(UCST)、或者具有下临界溶 解温度(LCST)的聚合物。例如，在LCST以下时，一些热响应聚合物材料会完全与水结合； 而在LCST以上时，该聚合物材料会脱水、聚合、并沉淀。对于UCST聚合物，观察到相反现象。 也就是说，在UCST以上时，热响应聚合物材料会完全与水结合；而在UCST以下时，聚合物材 料会脱水、聚合、并沉淀。UCST(正)热响应聚合物随着温度增加将变得亲水，而LCST(负) 热响应聚合物随着温度增加将变得疏水。例如在生物系统中，已经公知有随着温度增加而呈现出在疏水性方面的变化的聚 合物。例如，LCST聚合物已被用来在“一分钟”照相中制造一个定时层(timing layer), 该定时层允许在一个比较大的温度范围内进行均勻处理(参见由Lloyd D. Talor在 PolymerPreprints,Division of Polymer Chemistry,American ChemicalSociety, ν 39, η 2, Aug. 1998ASC pp. 754-755"PreparationOf Polymers, The Film Of Which Exhibit A Tunable TempratureDependence To Permeation，，)。在出片反于 Proceedings of SPIE, TheInternational Society for Optical Engineering ν 2716Feb. 26-27, 1996， Bellingham，华盛顿州的“Designing For AdevancedMaterials By The Delta Tt-Mechnism" 一文中，Urry和Hayes描述了一种响应于温度增加呈现出疏水性折叠和组 装(hydrophobicfolding and assembly)的相反转变的聚合物，以及该聚合物在生物系统 的智能功能中的应用。高级材料的设计被体现在控制特定温度的能力方面，在该特定温 度下，通过控制聚合物的疏水性以及通过利用相关联的疏水性引导的改变，发生相反的温 度转变。“智能材料”被定义为如下的材料，其中该材料在规定的温度、PH、气压等条件下的、响应于特定感兴趣的变量。通过合理地设计聚合物，可结合两种可区别的智能功能，使 得改变一种功能的能量输入造成第二种功能的改变作为输出。为了使两种可区别的功能 结合，它们需要成为相同的疏水性折叠域的一部分。通过示例的方式，一个蛋白基聚合物 (protein-based polymer)被用来在特定的温度、pH条件下，使用自由能量换能的delta Τ. sub. t机制，进行从电化学能量到化学能量的转变，即，电化学换能。Aoki等人以及Katono等人已在正温度敏感系统中对以下材料进行了研究，但不 限于此由聚(丙烯酸)(PAAc)和聚(N，N 二甲基丙烯酰胺)(PDMAAm)所组成的互穿聚合物 网络(IPN)，以及PAAc和聚(丙烯酰胺- 钴-丙烯酸丁酯)(聚(Aam-coBMA))。这些研究 表明吸引的分子间聚合物-聚合物的交互作用，尤其是通过氢键结合的复杂形成过程。在 IPN中的复杂形成和分离造成了可逆的收缩和膨胀变化。聚乙烯醇(PVA)和PAAc IPN显示出热敏性的水凝胶特性，这之前已被报导 过(Yamaguchi 等人，Polym. Gels Networks, 1247(1993) ；Tsunemoto 等人，POLYMER. Gels Networks, 2, 247 (1994) ；Ping 等人，Polym. Adv. Tech.，5320 (1993) ；Rhim 等人， J. Appl. Polym. Sci. ,50679(1993))。近来的研究已表明，PVA被加热进而溶解、然后冷冻、 解冻，形成物理交联的聚合链的基体从而生成高弹性凝胶(Stauffer等人，Polymer, 33, 3932(1992))。这种PVA凝胶在室温下是稳定的，并且可以膨胀至其初始形状的6倍。PVA 凝胶的性质取决于分子重量、水溶液的浓度、温度、冷冻时间，以及冷冻-解冻循环的次数。 由于其无毒且不致癌的生物兼容性，这种PVA凝胶在生物医学以及中医药领域具有特殊价 值。也可使用诸如PEBAX的聚醚酰胺弹性体、以及聚氨酯弹性体。其他合适的自适应材料可包括各种形状记忆聚合物(SMP)。形状记忆聚合物可被 温度、PH值、各种化合物和/或光所刺激。通常，形状记忆聚合物是被配置为以预定方式感 测并响应于外界刺激的聚合物材料。合适的形状记忆聚合物的其他实例是任意的聚氨酯基 热塑性聚合物(SMPU)。这种材料展示了一种形状记忆效果，该效果是基于聚合物的玻璃转 化温度(可在大约-30°C到+65°C之间)受温度刺激的。由SMP制成的纤维可被用来制造 形状记忆织物和纺织品，例如一种含水的SMPU。合适的SMP的另一实例可包括聚乙烯/尼 龙-66接枝共聚物。SMP可被合理地配置，使得其物理性质，如透湿性、透气性、体积膨胀系数、弹性模 量，以及折光率可在玻璃转化温度之上和之下变化。用于控制透湿性的SMP可包括弹性体、 嵌段共聚物，例如聚醚酰胺弹性体或聚氨酯弹性体。形状记忆合金(SMA)是可用在根据各种实施方案的界面结构102中的材料的又 一实例。例如，可使用一种或多种SMA来响应于环境条件——如温度、湿度或者其他物理刺 激——配置界面结构102中的孔径。可使用具有多个转化温度的多种SMA来提供在一温度 范围内的环境适应性。例如，具有不同转换温度的至少两种SMA可以合作组成提供环境适 应性的执行器(actuator)。从而，随着温度的上升，包括SMA执行器的界面结构102会被 加热。当达到第一个SMA执行器的转化温度时，该SMA执行器收缩以减少进入阴极的空气。 随着温度继续再增加，也可达到第二个SMA执行器的转化温度，导致第二个SMA执行器收缩 从而进一步减少进入阴极的空气。或者，SMA执行器可被配置为被施加在SMA执行器上的 电流控制，该电流可被例如响应于所施加的信号而施加。根据各种实施方案，自适应材料的性质可响应于在阵列的电化学电池的附近的环境条件而变化。自适应材料的性质可包括，如多孔性、疏水性、亲水性、热导率、电导率、电阻 率、整体材料形状或结构。环境条件可包括温度、湿度或者环境污染物水平中的一个或多 个。根据各种实施方案，例如，自适应材料的性质也可响应于所施加的信号而改变。自 适应材料响应于信号可被加热。例如，通过加热自适应材料，自适应材料的一种或多种性质 可被改变。电化学电池阵列的性能也可被周期性决定或者被连续监测。自适应材料的其他实例可包括具有纤维或缎带的纺织材料，该纤维或缎带可随着 湿度的增加而增加长度，从而也增加了织物的孔隙率并增加了进入燃料电池的阴极的空 气。相反，当湿度减少时，纤维变短，从而减少织物的孔隙率并减少进入燃料电池的阴极的 空气，使得膜可以自已调整湿度。在各种实施方案中，界面结构102可利用机械装置具有自适应能力，所述机械装 置例如为具有可变孔的百叶窗或者端口。这种机械的自适应性可通过响应于施加的信号而 自动完成，该施加的信号可以诸如来自于传感器，或者通过手工输入。
燃料电池盖100也可选择性地包括一个连接装置(attachmentmechanism) 106，该 连接装置106被适当配置为物理地和/或电气地联接至外部电子设备。连接装置106可以 是一个夹子、锁、按扣或者其他合适的连接装置。参照图2，示出了根据各种实施方案的燃料电池盖200的立体图。燃料电池盖102 可包括第一界面结构202，该界面结构202被形成在外壳204的至少一部分外表面上。燃 料电池盖200还可包括一个可拆卸的检查口盖板206，该检查口盖板允许进入外壳204的 内部。该检查口盖板206可包括第二界面结构208，该界面结构208具有与第一界面结构 202不同的性质(如不同的孔隙率、不同的材料或者对环境条件不同的响应特性)。因此， 在各种实施方案中，可拆卸的检查口盖板206可被互换成其他的具有不同特性的检查口盖 板206，以使接近于外壳204内的燃料电池的环境条件可被“微调”。由于可利用可互换材 料、网孔、多孔材料、筛网(screen)、通风口或者过滤器，因此检查口盖板206可能容许定制 燃料电池盖200。可包括可选的连接装置210和212，其可被配置为分别将检查口盖板206 联接至外壳204，将外壳204联接至其他电子设备。燃料电池盖200或者其一部分可由一种自适应材料制成，并且可拆卸的检查口盖 板206可被配置为考虑到一组选定的环境条件，并且可包括能够在上述条件下实现优化性 能的特征。这种布置允许燃料电池盖200具有自适应和可互换的能力。另外，应理解，当燃 料电池盖200和/或界面结构是可互换时，可以完成前述的优化。或者，盖200、其特征、材料或者部件对于一组特定的环境条件都是可被修改或者 可被优化的。根据环境条件，燃料电池盖可被配置为允许或多或少的氧化剂进入燃料电池 层的阴极。例如，在炎热和/或干燥的条件下，燃料电池的离子交换膜可能会变干。在这种 环境条件下，盖200 (和/或第一界面结构202和第二界面结构208)可被配置用来减少流 至阴极的空气，或者用来增加离子交换膜自加湿的能力。相反，在包含高湿度水平的环境条 件下，离子交换膜可能会溢流，因此盖200可被配置用来增加流至阴极的空气，例如，通过 增加包括第一界面结构202和第二界面结构208的自适应材料的孔径，或者利用一个更多 孔的第一界面结构202和/或第二界面结构208。在各种实施方案中，应理解，第二界面结 构208是可选的。
燃料电池盖200 (和/或第一界面结构202和第二界面结构208)会影响电化学反 应的反应物和产物在面内以及通过面的导电性和移动性。例如，在各种实施方案中，产物水 的面内分布可被推进到在整个燃料电池层上，除了能够实现从燃料电池系统中的均衡蒸发 之外，还提供离子交换膜在整个燃料电池上的均勻加湿，。另外，在各种实施方案中，上述讨论的燃料电池盖200的各种属性可被配置为在 整个燃料电池层上以不均勻和/或不对称的样式分布。例如，根据各种实施方案，与靠近燃 料电池有效面积的中心的特征相比，靠近燃料电池的有效面积的边缘的特征(如，孔、穿孔 或者其他开口)可具有相对较高或者较低的孔隙率。根据相对于电池几何性状的位置，所 述特征的性质可被改变以增加或者减少进入电池的空气。在各种实施方案中，盖200的某些方面可以是可更换的或者一次性的。例如，盖200可包括一个过滤器元件，该过滤器元件可以是一次性的。过滤器可用在具有超标污染物 或杂质的环境中，以阻止这种污染物到达燃料电池层的阴极。该过滤器可被配置成根据便 携式电子设备的用户的判断或者根据需要是现场可更换的。在各种实施方案中，过滤器可 被包含进可拆卸的检查口盖板206，或者通过可拆卸的检查口盖板206可以接触到。参照图3，根据各种实施方案的一个电子系统300的立体图。电子系统300可包括 一个燃料电池盖302，该电池盖302可包括，例如，与图1和图2相关所公开的任一实施方 案。电子设备304可与一个燃料电池盖302相接触。该电子设备304可被配置为可拆卸地 联接至燃料电池盖302。如前所述，燃料电池盖302可包括一个或多个如前所述的界面结构 306。一个可选的连接装置308可被配置用来将燃料电池盖302联接至电子设备304。例如，电子设备304可包括蜂窝电话、卫星电话、个人数字助理、膝上型电脑、超移 动个人电脑、电脑配件、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、照明设备、手电筒、电池充电器、便携式电源或者电子玩具等。盖302可含有燃料电池或 者燃料电池系统的全部或者一部分，例如包括燃料外壳。或者，盖302也可不包括燃料电池 系统的任何元件，正如将在下面更详细说明的。现在参照图4，根据各种实施方案的一个电子系统400的立体图。电子系统400可 包括一个电子设备402，该电子设备402可进一步包括燃料电池盖404，该燃料电池盖404 可选地与电子设备402的表面基本齐平。燃料电池盖404可包括一个或多个如前所述的界 面结构406，以及一个可选的连接装置308来将燃料电池盖404联接至电子设备402。盖 404可与电子设备402齐平或者基本齐平，从而使盖404的较少外部轮廓或者没有外部轮廓 从电子设备402的表面突出来。参照图5，示出了根据各种实施方案的一个电子系统500的立体图。电子系统500 可包括一个电子设备502，该电子设备可操作地联接至燃料电池盖504。盖504可包括一个 可拆卸的检查口盖板506以及一个可选的连接装置510，该检查口盖板506可进一步包括一 个或多个界面结构508。盖504还可包括一个或多个界面结构510。盖504可以是可互换 的，检查口盖板502也可是可互换的，从而增加了调整在封闭于盖504内的燃料电池的附近 或者与封闭于盖504内的燃料电池相接触的环境条件的能力。参照图6，示出了根据各种实施方案的一个电子系统600的分解图。系统600可包 括一个电子设备602，该电子设备602可进一步包括凹槽604，该凹槽被配置为接受一个或 多个燃料电池层606以及可选的一个或多个燃料盒(fuel cartridge)、射控技术、功率调节，或者上述的组合，所述这些都可被可操作地联接至燃料电池层。因此，燃料电池层606 可被可操作地联接至电子设备602。燃料电池盖608可被放在电子设备602上或者被放在 燃料电池层606上。如前所述，燃料电池盖608可包括一个或多个界面结构610。连接装置 612也可选择地将盖608联接至电子设备602。在这种情况下，燃料电池层、燃料电池盖，以 及可 选的其他方面(例如，燃料盒、流体歧管、阀、调压器等)的组合可形成一个燃料电池系 统，其接下来可作为一燃料电池系统被联接至电子设备。
遵循37C. F. R. § 1. 72(b)提供了摘要，以使读者快速明确本技术公开文本的本质 和主旨。提交该摘要，应理解的是，摘要将不会被用来解释或者限制权利要求的范围或者含
辰、ο
权利要求
燃料电池盖，其包括界面结构，该界面结构接近于一个或多个燃料电池，其中该界面结构被配置用来影响接近于所述一个或多个燃料电池的一个或多个环境条件。
2.如权利要求1所述的燃料电池盖，其中所述界面结构包括自适应材料和可拆卸的多 孔结构中的至少一种，所述自适应材料和所述可拆卸的多孔结构被配置用来影响接近于所 述一个或多个燃料电池的一个或多个环境条件。
3.如权利要求1所述的燃料电池盖，其中所述界面结构包括一个过滤器元件，其被配 置用来不让大气污染物进入。
4.如权利要求1所述的燃料电池盖，其中所述界面结构包括机械致动通风孔和具有机 械致动孔的多孔材料中的至少一种。
5.如权利要求1所述的燃料电池盖，其中所述界面结构包括一种形状记忆自适应材料。
6.如权利要求2所述的燃料电池盖，其中所述自适应材料响应于接近于所述一个或多 个燃料电池的一个或多个环境条件的变化。
7.如权利要求5所述的燃料电池盖，其中所述形状记忆自适应材料包括形状记忆合金 (SMA)和形状记忆聚合物(SMP)中的至少一种。
8.如权利要求1所述的燃料电池盖，其中所述界面结构被配置用来影响接近于所述一 个或多个燃料电池的湿度水平、温度、污染物水平以及杂质水平。
9.如权利要求1所述的燃料电池盖，进一步包括一个放置在燃料电池盖上的检查口盖 板，该检查口盖板包括另一界面结构。
10.如权利要求9所述的燃料电池盖，其中在所述检查口盖板上的另一界面结构包括 自适应材料和可拆卸的多孔结构中的一种。
11.如权利要求9所述的燃料电池盖，其中所述检查口盖板与燃料电池盖可拆卸地接合。
12.如权利要求1所述的燃料电池盖，其中所述界面结构是导电的。
13.如权利要求1所述的燃料电池盖，其中所述界面结构是不导电的。
14.燃料电池盖，其包括界面层，其联接至一燃料电池层，其中所述界面层被配置用来增强所述燃料电池层相 关于一个或多个选定环境条件的性能。
15.如权利要求14所述的燃料电池盖，其中所述界面层包括自适应材料和多孔结构中 的至少一个，所述自适应材料和所述多孔结构被配置用来增强所述燃料电池层的性能。
16.如权利要求14所述的燃料电池盖，其中所述界面层是导电的。
17.如权利要求14所述的燃料电池盖，其中所述界面层是不导电的。
18.如权利要求14所述的燃料电池盖，其中所述界面层被可拆卸地联接至所述燃料电 池层。
19.电子系统，其包括 电子设备；一个或多个燃料电池，其可操作地联接至所述电子设备；以及 一个界面结构，其接近于所述一个或多个燃料电池，其中所述界面结构影响在所述一个或多个燃料电池附近或者与所述一个或多个燃料电池相接触的一个或多个环境条件。
20.如权利要求19所述的电子系统，其中所述电子设备包括蜂窝电话、卫星电话、个人 数字助理(PDA)、手提电脑、超移动个人电脑、电脑配件、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、照明设备、手电筒、电池充电器、便携式电源和电子玩具中 的一个。
21.如权利要求19所述的电子系统，其中所述界面结构的至少一部分是导电的。
22.如权利要求19所述的电子系统，其中所述界面结构是不导电的。
23.如权利要求19所述的电子系统，其中所述界面结构可拆卸地联接至所述一个或多 个燃料电池。
24.如权利要求23所述的电子系统，其中所述界面结构包括一种自适应材料。
25.如权利要求24所述的电子系统，其中所述自适应材料包括一种形状记忆材料。
26.如权利要求19所述的电子系统，进一步包括一个导电的气体扩散层，该气体扩散 层与不导电的界面结构和所述一个或多个燃料电池相接触。
27.一种用于优化燃料电池系统的性能的方法，其包括 提供一个燃料电池层；接近于该燃料电池层放置一个界面层，其中所述界面层响应于接近于所述燃料电池层 的至少一个环境条件。
28.如权利要求27所述的方法，其中放置一个界面层包括将所述燃料电池层和所述界 面层相接触。
29.如权利要求27所述的方法，其中放置一个界面层包括接近于所述燃料电池层放置 一种自适应材料。
30.如权利要求27所述的方法，其中放置一个界面层包括相邻于所述燃料电池层放置 一个可拆卸联接的界面层。
31.如权利要求27所述的方法，包括通过手动更换所述界面层来选择所述界面层的性质。
32.如权利要求27所述的方法，包括响应于在接近于所述燃料电池层的至少一种环境 条件中的变化来自动选择所述界面的性质。
全文摘要
公开了燃料电池盖、电子系统以及用来优化燃料电池系统的性能的方法。在各种实施方案中，燃料电池盖包括接近于一个或多个燃料电池的界面结构。该界面结构被配置为影响接近于一个或多个燃料电池的一个或多个环境条件。一种电子系统包括电子设备、与该电子设备可操作地联接在一起的一个或多个燃料电池，以及接近于所述一个或多个燃料电池的界面结构。所述界面结构影响在所述一个或多个燃料电池附近或者与所述一个或多个燃料电池相接触的一个或多个环境条件。一种方法包括提供一个燃料电池层；以及接近于该燃料电池层放置一个界面层。
文档编号H02J7/00GK101836316SQ200880112997
公开日2010年9月15日 申请日期2008年9月25日 优先权日2007年9月25日
发明者A·斯图卡斯, G·F·麦克莱恩 申请人:昂斯特罗姆动力公司