CN110537280B

CN110537280B - 用于燃料电池的基本模块

Info

Publication number: CN110537280B
Application number: CN201880024386.6A
Authority: CN
Inventors: V·福舍; O·布朗绍; 菲利普·卡普龙; J·希里
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2017-02-10
Filing date: 2018-02-07
Publication date: 2022-11-04
Anticipated expiration: 2038-02-07
Also published as: WO2018146118A1; US20200006790A1; US11158869B2; FR3062958A1; JP2020507897A; JP7025437B2; CN110537280A; EP3580799A1; FR3062958B1

Abstract

本发明涉及基本模块，该基本模块包括通过用氧化剂氧化燃料来产生电子的氧化单元(10)、夹置电解质膜(20)的阳极(15)和阴极(25)、包括用于将含有燃料的阳极进料流(C)输送到阳极室(105)的燃料输送器支撑件(35)以及附接在燃料输送器支撑件上的阳极电子收集器(70)的阳极块(75)、包括用于将含有氧化剂的阴极进料流(O)输送到阴极室(65)的氧化剂输送器支撑件(30)以及附接在氧化剂输送器支撑件上的阴极电子收集器(40)的阴极块(45)，基本模块分别在氧化单元与燃料输送器支撑件之间和氧化单元与氧化剂输送器支撑件之间限定阳极室和阴极室，阳极电子收集器和氧化单元、以及阴极电子收集器与氧化单元分别借助于阳极导电桥和阴极导电桥粘接地附接和电连接，阳极导电桥和阴极导电桥包含导电粘合剂。

Description

用于燃料电池的基本模块

技术领域

本发明涉及燃料电池的基本模块，并且还涉及包括至少一个基本模块的燃料电池。

背景技术

已知的两种主要类型的燃料电池通过用氧化剂(通常为氧气)氧化燃料(通常为氢气)来产生电流。

第一组电池由如在FR 3 000 615 A1和WO 2011/079377 A1中描述的“平面”电池形成。这种燃料电池很薄，这种燃料电池的长度和宽度相对于它们各自的厚度都很大。这种燃料电池通常通过自然对流而被供给氧气并且这种燃料电池的功率很低，限于最大值100W(瓦)。

第二组电池由包括多个薄的基本模块的电池构成，每个基本模块沿纵向方向延伸、彼此堆叠并且串联电连接。每个基本模块包括由夹置电解质膜的阳极和阴极形成的氧化单元，所述氧化单元本身夹置在双极板之间，该双极板首先确保将含有氧化剂的流供给一基本模块的阴极以及将含有燃料的流供给连续的基本模块的阳极，其次，确保氧化单元的电连接、用作阳极电子收集器和阴极电子收集器。为了减小氧化单元和双极板之间的接触电阻并确保燃料密封性，将双极板压在氧化单元上，通常借助于连接到夹置所有基本模块的端板的压缩拉杆将双极板压在氧化单元上，例如，如US 2005/0095485 A1中所描述的。作为变型，WO 2013/134789 A1描述了一种包括压缩带的燃料电池，该压缩带围绕并压缩由夹置基本模块的堆叠体的两个端板构成的组件。WO 03/083977 A1描述了一种燃料电池，该燃料电池包括容纳在壳体中的基本模块的堆叠体，该壳体包括盒子和用于封闭盒子的盖子，壳体的高度小于在封闭壳体之前的堆叠体的高度。盒子和盖子具有互补的凹凸部，从而通过将盖子卡扣式紧固在盒子上，对堆叠体施加压缩。

然而，在现有技术的燃料电池中，为了确保压缩基本模块的堆叠体，已证明有必要使用重元件(诸如端板或壳体)，这从而降低了电池的单位质量的功率密度，该功率密度定义为能够由电池产生的功率与电池的质量的比率。此外，现有技术的电池中使用的双极板通常具有复杂的形状，这需要许多复杂且昂贵的制造步骤。

因此，需要一种能够克服上述缺点的燃料电池。

发明内容

为此，本发明根据其第一方面提出了一种用于燃料电池的基本模块，该基本模块包括：

-氧化单元，所述氧化单元被配置为通过用氧化剂(优选为氧气)氧化燃料(优选为氢气)来产生电子，所述氧化单元包括夹置电解质膜的阳极和阴极；

-阳极块，所述阳极块包括适于将含有所述燃料的阳极进料流输送到阳极室的燃料输送器支撑件以及附接到所述燃料输送器支撑件的阳极电子收集器；

-氧化剂输送器支撑件，所述氧化剂输送器支撑件适于将含有所述氧化剂的阴极进料流输送到阴极室，以及附接到所述氧化剂输送器支撑件的阴极电子收集器；

所述基本模块被配置为使得，在所述氧化单元与所述燃料输送器支撑件之间限定阳极室，在所述氧化单元与所述氧化剂输送器支撑件之间限定阴极室；

所述阳极电子收集器与所述氧化单元二者借助于包含导电粘合剂的阳极导电桥而彼此粘接地附接并且彼此电连接，所述阴极电子收集器与所述氧化单元二者借助于包含导电粘合剂的阴极导电桥而彼此粘接地附接并且彼此电连接。

有利地，包括至少一个根据本发明的第一方面的基本模块的电池不需要任何压缩部件(诸如现有技术的那些压缩部件)来确保一方面阳极和阳极电子收集器之间以及另一方面阴极和阴极电子收集器之间的良好的电连接。特别地，阳极导电桥和阴极导电桥分别在阳极电子收集器与氧化单元之间以及阴极电子收集器与氧化单元之间提供完美的电接触。因此，根据本发明的基本模块具有低总电阻，而不需要施加外部压缩。这种低总电阻部分地与基本模块内部的低接触电阻有关。此外，阳极导电桥和阴极导电桥通过将阳极块和阴极块刚性连接到电解单元，至少部分地或甚至完全地提供基本模块的机械强度。此外，相对于确保压缩与现有技术的电池相同体积且包括与现有技术的电池相同数量的基本模块的电池所需的部件的质量，阳极导电桥和阴极导电桥的总质量较低。因此，包括根据本发明的第一方面的基本模块的电池具有更高的每单位质量的功率密度。

此外，所述氧化单元和所述燃料输送器支撑件二者可以借助包含密封燃料的电绝缘粘合剂的阳极防漏桥而彼此粘接地附接并且彼此电绝缘。

所述阳极防漏桥被配置为使得输送到所述阳极室的所述阳极进料流从所述燃料输送器支撑件基本上直接流到所述阳极。除了阳极防漏桥所确保的密封性之外，如下文将更清楚地显示的那样，阳极防漏桥还可以有利地参与基本模块的机械强度。

根据本发明的第二方面，本发明还涉及一种用于燃料电池的基本模块，该基本模块包括：

-被配置为通过用氧化剂(优选为氧气)氧化燃料(优选为氢气)来产生电子的氧化单元，所述氧化单元包括阳极；

-适于将包括所述燃料的阳极进料流输送到阳极室的燃料输送器支撑件；

所述模块被配置为使得在所述阳极和所述燃料输送器支撑件之间限定所述阳极室；

所述氧化单元和所述燃料输送器支撑件二者借助包含密封燃料的电绝缘粘合剂的阳极防漏桥彼此粘接地附接并且彼此电绝缘；

所述阳极防漏桥被配置为使得当阳极进料流通过燃料输送器支撑件输送到阳极室时，所述阳极进料流从燃料输送器支撑件基本上直接流到所述阳极。

有利地，包括至少一个根据本发明的第二方面的基本模块的电池不需要任何压缩部件(诸如现有技术的那些压缩部件)来确保燃料电池的密封性。特别地，阳极防漏桥确保了通过燃料输送器支撑件进入阳极室的燃料到达阳极，同时确保该燃料不会从阳极室泄露出。此外，在包括多个根据本发明的第二方面的基本模块的燃料电池内，相对于确保压缩与现有技术的电池相同体积且包括与现有技术的电池相同数量的基本模块的电池所需的部件的质量，阳极防漏桥的总质量较低。因此，对于与现有技术的电池的质量相同的质量、包括至少一个根据本发明的第二方面的基本模块的电池具有更高的每单位质量的功率密度。

此外，所述氧化单元可以包括与阳极接触的电解质膜，所述阳极置于阳极室和电解质膜之间，并且所述氧化单元可以可选地包括阳极收集层，所述阳极收集层与所述阳极的面向阳极室放置的一个面接触。

此外，所述基本模块可以包括阴极块，该阴极块包括适于将包含所述氧化剂的阴极进料流引入到阴极室的氧化剂输送器支撑件，所述氧化单元包括与电解质膜接触放置的阴极，所述电解质膜夹置在阳极和阴极之间；

所述模块被配置为使得在阴极和氧化剂输送器支撑件之间限定所述阴极室。

所述氧化单元和所述氧化剂输送器支撑件二者通过包含电绝缘粘合剂的阴极附接桥而彼此粘接地附接并且彼此电绝缘。

所述基本模块可以包括阳极块，该阳极块包括附接到燃料输送器支撑件的阳极电子收集器，并且所述阴极块可以包括附接到氧化剂输送器支撑件的阴极电子收集器。

本发明还涉及包括根据本发明的第一方面和第二方面中任一者的一基本模块的燃料电池，或者包括在堆叠方向上彼此堆叠的多个基本模块的燃料电池，所述多个基本模块中的至少一个基本模块、优选地全部基本模块均为根据本发明的第一方面和/或第二方面中的任一方面的基本模块。

本发明涉及一种包括在堆叠方向上彼此堆叠的多个基本模块的燃料电池，其中，所述多个基本模块中的至少一个基本模块、优选地全部基本模块包括：

-阴极块，所述阴极块包括适于将含有所述氧化剂的阴极进料流输送到阴极室的氧化剂输送器支撑件以及附接到所述氧化剂输送器支撑件的阴极电子收集器，

所述至少一个基本模块被配置为使得，在所述氧化单元与所述燃料输送器支撑件之间限定所述阳极室，在所述氧化单元与所述氧化剂输送器支撑件之间限定所述阴极室，

所述阳极块和所述阴极块分别与所述氧化单元相互附接，和/或所述至少一个基本模块使得，在组装所述燃料电池的所述多个基本模块中的所述至少一个基本模块之前，将所述阳极块与所述氧化单元彼此附接以及将所述阴极块与所述氧化单元彼此附接。

根据本发明的燃料电池不需要任何压缩部件来确保基本模块之间的电连接以及各个基本模块的燃料密封性。因此，根据本发明的燃料电池的每单位质量的功率密度高于现有技术的相同质量的燃料电池的每单位质量的功率密度。

此外，由于该燃料电池的基本模块不受竖直地放置在所述基本模块上方的其它基本模块的潜在重量之外的外力压缩，因此在所述基本模块有缺陷的情况下，容易更换所述基本模块。特别地，如下文将更清楚地所述，两个连续的基本模块可以在堆叠方向上彼此分离。因此，通过在相对于堆叠方向的横向方向上滑动基本模块，可以容易地从燃料电池中抽出该基本模块。所述基本模块可以是可移除的。出于本发明的目的，考虑两个构件，例如，一方面的阳极块或阴极块以及另一方面的氧化单元，当另一构件刚性地连接所述两个构件时，所述两个构件彼此附接。例如，所述另一构件为粘接桥、螺钉或铆钉。相反，例如通过施加垂直于其面的压缩力而保持在一起的两个平行板的组件不限定用于本发明目的的附件，因为当压缩力消除时，板可以显著地相对于彼此移动。

优选地，阳极块和氧化单元通过至少部分地或甚至完全地放置在阳极块和氧化单元之间的附接构件彼此附接，阴极块和氧化单元通过至少部分地或甚至完全地放置在阴极块和氧化单元之间的附接构件彼此附接。

所述附接构件可以包括导电粘合剂或电绝缘粘合剂，或者甚至可以由导电粘合剂或电绝缘粘合剂构成。

所述附接构件可以经由其至少一个面附接到阳极块和氧化单元，以及所述附接构件可以经由其至少一个面附接到阴极块和氧化单元。优选地，所述附接构件通过其彼此相对的两个面附接到阳极块和氧化单元，以及所述附接构件通过其彼此相对的两个面附接到阴极块和氧化单元。

所述附接构件可以放置在阳极块与氧化单元之间以及可以放置在阴极块与氧化单元之间并且可以包括导电粘合剂，以分别限定阳极导电桥和阴极导电桥。

所述附接构件可以放置在阴极块和氧化单元之间，并且可以包括电绝缘粘合剂，以便限定阴极附接桥。

所述附接构件可以放置在阳极块和氧化单元之间，并且可以包括电绝缘粘合剂，以便限定阳极防漏桥。

优选地，所述阳极块与所述氧化单元二者借助于包含导电粘合剂的阳极导电桥而彼此粘接地附接并且彼此电连接，所述阴极块与所述氧化单元二者借助于包含导电粘合剂的阴极导电桥而彼此粘接地附接并且彼此电连接。

优选地，所述阳极块和所述阴极块分别包括附接到所述燃料输送器支撑件的阳极电子收集器和附接到氧化剂输送器支撑件的阴极电子收集器，所述阳极导电桥和所述阳极电子收集器二者粘接地附接并且彼此电连接，所述阴极导电桥和所述阴极电子收集器二者粘接地附接并且彼此电连接。

优选地，所述氧化单元和所述燃料输送器支撑件二者借助于包含密封燃料的电绝缘粘合剂的阳极防漏桥而彼此粘接地附接并且彼此电绝缘，所述阳极防漏桥被配置为使得输送到所述阳极室的所述阳极进料流从所述燃料输送器支撑件基本上直接流到所述阳极。

最后，本发明涉及一种设备，特别是选自飞行物体的设备，例如无人驾驶飞机、自行车和发电机，例如用于对一组移动装置进行再充电的充电器，所述设备包括根据本发明的燃料电池。

根据上述本发明的任一方面的基本模块和燃料电池还可以包括下文描述的一个或多个特征。

优选地，基本模块为“平面的”，即基本模块通常在纵向平面中延伸。平面的基本模块特别适合于形成燃料电池堆。特别地，基本模块可以是“薄的”，即其被定义为在该基本模块的两个相对的纵向外表面之间的沿垂直于纵向平面的方向测量的距离的平均值的厚度至多为该基本模块的沿纵向平面测量的长度的50分之一，优选地至多为该基本模块的沿纵向平面测量的长度的2500分之一。

特别地，基本模块的长度和/或宽度和/或厚度可以分别在10mm和500mm(毫米)之间、10mm和500mm之间以及0.2mm和2mm之间。优选地，基本模块的相对的纵向外表面是平行的。

此外，当氧化块被供给燃料和氧化剂时，由氧化单元在阳极和阴极的与面对电解质膜的相应的面相对的面上产生的电子，分别称为阳极电子和阴极电子，该阳极电子和阴极电子分别经由阳极电子收集器和阴极电子收集器传输。为了收集更多的阳极电子和/或阴极电子，从而提高基本模块的能源产出，氧化单元优选地包括阳极收集层和/或阴极收集层，该阳极收集层放置在阳极的与阳极的面对电解质膜的面相对的面上，该阴极收集层放置在阴极的与面对电解质膜的面相对的面上。

优选地，阳极收集层通过阳极室与燃料输送器支撑件分离、阴极收集层通过阴极室与氧化剂输送器支撑件分离。

阳极收集层和/或阴极收集层可以是薄膜的形式，优选地厚度小于100μm(微米)，该薄膜是多孔的，以便分别允许阳极进料流到达阳极、阴极进料流到达阴极。阳极收集层可以通过3D打印或真空沉积(例如化学气相沉积或物理气相沉积)沉积在阳极的表面上，和/或阴极收集层可以通过3D打印或真空沉积(例如化学气相沉积或物理气相沉积)沉积在阴极的表面上。优选地，阳极收集层和/或阴极收集层由金属形成，优选地由金形成。

特别地，阳极收集层可以占据其覆盖的阳极面的面积的50％至100％，和/或，阴极收集层可以占据其覆盖的阴极面的面积的50％至100％。

对于阳极导电桥和阴极导电桥，它们分别允许阳极电子从阳极转移到阳极电子收集器、阴极电子从阴极转移到阴极电子收集器。

特别地，阳极导电桥可以通过粘接而附接到阳极和/或阳极收集层和/或电解质膜。就其本身而言，阴极导电桥可以通过粘接而附接到阴极和/或阴极收集层和/或电解质膜。

阳极导电桥可以放置在阳极和燃料输送器支撑件之间，以便部分地限定阳极室，特别是至少部分地或甚至完全地限定所述阳极室的壁，所述壁特别地在横向方向上延伸。就其本身而言，阴极导电桥可以放置在阴极和氧化剂输送器支撑件之间，以便部分地限定阴极室，特别是至少部分地或甚至完全地限定所述阴极室的壁，所述壁特别地在横向方向上延伸。

优选地，阳极导电桥夹置在氧化块和阳极电子收集器之间，和/或，阴极导电桥夹置在氧化块和阴极电子收集器之间。

优选地，阳极导电桥至少部分地或甚至完全地覆盖阳极电子收集器，和/或阴极导电桥至少部分地或甚至完全地覆盖阴极电子收集器。以这种方式，在阳极和阳极电子收集器之间的和/或阴极和阴极电子收集器之间的电子转移是最佳的。

阳极导电桥和/或阴极导电桥可以具有各种形式。它们均可以是至少一个螺柱或至少一个连续或不连续的条带的形式，或者是在两个垂直方向上延伸的至少一个表面的形式。

螺柱或条带可以形成规则或甚至周期性的图案。例如，螺柱可以布置在通过在方形图案的两个垂直方向上的周期性重复形成的网络中，以及布置在该网络的图案之一的每个顶点处。螺柱可以是特别具有正方形或矩形的底的直立棱柱的形式，或者是轴对称的圆柱形。螺柱的直径，对应于垂直于棱镜母线的方向上的最长长度，可以在0.1mm和10mm之间。在阳极导电桥和/或阴极导电桥为至少一个条带形式的变型中，优选地，至少一个条带的宽度、优选地每个条带的宽度在0.1mm和10mm之间。

特别地，阳极导电桥的投影面积与燃料输送器支撑件的投影面积之比可以在1％和50％之间，和/或，阴极导电桥的投影面积与燃料输送器支撑件的投影面积之比可以在1％和50％之间，所述投影是在基本模块延伸所在的纵向平面上以及在相对于所述纵向平面的横向方向上形成的。

阳极导电桥和/或阴极导电桥可以具有1μm和100μm之间的厚度。特别地，阳极导电桥可以从阳极的其上放置有该阳极导电桥的面凸出，和/或，阴极导电桥可以从阴极的其上放置有该阴极导电桥的面凸出。

此外，在阳极导电桥、阴极导电桥分别为至少一个不连续条带形式的变型中，在条带的两个部分之间限定的并且在平行于条带侧面的平面之间延伸的空间可以至少部分地或者甚至完全地分别填充有阳极绝缘桥、阴极绝缘桥。阳极导电桥和阳极绝缘桥可以至少部分地限定阳极室的横向壁，例如完全围绕阳极室，和/或，阴极导电桥和阴极绝缘桥可以至少部分地限定阴极室的横向壁，例如完全围绕阴极室。

阳极导电桥可以通过印刷有包括导电粘合剂的胶而形成在阳极块上或者氧化单元上，例如通过丝网印刷、通过喷涂或滴涂，和/或阴极导电桥可以通过印刷有包括导电粘合剂的胶而形成在阴极块上或者氧化单元上，例如通过丝网印刷、通过喷涂或滴涂。

阳极导电桥和阴极导电桥都包含导电粘合剂。

导电粘合剂可以特别具有各向异性导电性。优选地，阳极导电桥、阴极导电桥分别使得导电粘合剂的最大导电率方向分别平行于与阳极导电桥、阴极导电桥的厚度垂直的方向。

优选地，导电粘合剂包括聚合物树脂或者甚至由聚合物树脂组成，聚合物树脂中分散有碳颗粒(例如以石墨烯的形式)和/或金属颗粒。优选地，所述金属颗粒包括选自银、金及其合金的金属或者甚至由选自银、金及其合金的金属组成，或者，所述金属颗粒由金属芯形成，所述金属芯覆盖有碳涂层或金属涂层，所述金属芯优选地由选自铜和镍及其合金的金属制成，所述金属涂层优选地由选自金、银及其合金的金属制成。

特别地，阳极导电桥的导电粘合剂可以与阴极导电桥的导电粘合剂相同或不同。

例如，作为示例，粘合剂可以是由Tra-Con公司出售的Le TRA-DUCT 2902。

就其本身而言，所述氧化单元优选地放置在阳极块和阴极块之间。

优选地，氧化单元在与纵向平面平行或重合的平面中延伸。特别地，氧化单元可以是复合板的形式和/或阳极、阴极和电解质膜中的每一者都可以是在平行于纵向平面的平面中延伸的板的形式。

特别地，氧化单元的厚度可以大于或等于0.01mm和/或小于或等于0.5mm。

优选地，阳极附接到电解质膜上，例如通过干燥喷涂在阳极和/或电解质膜上沉积的并且含有基于镀铂碳(C/Pt)的催化剂的油墨来实现，和/或阴极附接到电解质膜上，例如通过干燥喷涂在阴极和/或电解质膜上沉积的并含有基于镀铂碳(C/Pt)的催化剂的油墨来实现。

阳极可以包括C/Pt和全氟磺酸(Nafion)的混合物，或者甚至可以由C/Pt和Nafion的混合物组成，和/或电解质膜可以至少部分地或者甚至完全地由Nafion形成，和/或阴极可以包括C/Pt和Nafion的混合物或者甚至可以由C/Pt和Nafion的混合物组成。

此外，对于燃料输送器支撑件和氧化剂输送器支撑件，优选地，燃料输送器支撑件和氧化剂输送器支撑件中的至少一者，优选地燃料输送器支撑件和氧化剂输送器支撑件两者都在平行于纵向平面的平面中延伸。

优选地，燃料输送器支撑件和/或氧化剂输送器支撑件均可以是板的形式。因此，这种燃料输送器支撑件和/或氧化剂输送器支撑件易于快速且便宜的制造。

燃料输送器支撑件和氧化剂输送器支撑件被配置为分别将包含燃料的阳极进料流引入到阳极室、将包含氧化剂的阴极进料流引入到阴极室。优选地，氧化剂输送器支撑件、燃料输送器支撑件分别是多孔的，使得燃料和氧化剂可以分别完全地通过燃料输送器支撑件、氧化剂输送器支撑件。为此，燃料输送器支撑件和/或氧化剂输送器支撑件可以包括孔，例如穿孔，这些孔在燃料输送器支撑件的厚度上穿过燃料输送器支撑件和/或在氧化剂输送器支撑件的厚度上穿过氧化剂输送器支撑件。作为变型，燃料输送器支撑件和/或氧化剂输送器支撑件均可以是至少在其厚度方向上具有开口和渗透孔隙度的泡沫形式。以这种方式，阳极进料流可在燃料输送器支撑件的厚度中流动，和/或阴极进料流可在氧化剂输送器支撑件的厚度中流动。

优选地，燃料输送器支撑件和/或氧化剂输送器支撑件由电绝缘材料制成。

燃料输送器支撑件和氧化剂输送器支撑件可以包括聚合物材料或者甚至可以由聚合物材料组成，所述聚合物材料例如热塑性的聚合物材料，特别是选自聚对苯二甲酸乙二醇酯PET、聚乙烯PE、聚碳酸酯PC、FR4、卡普顿(Kapton)及其混合物。

在一个变型中，燃料输送器支撑件和/或氧化剂输送器支撑件可以是扁平格栅的形式。优选地，该格栅的分别面向阳极室和阴极室的表面至少部分地或甚至优选地完全地分别被由电绝缘膜和限定阳极电子收集器的导电金属膜形成的组件、由电绝缘膜和限定阴极电子收集器的导电金属膜形成的组件所覆盖。优选地，电绝缘膜和可选地导电膜是多孔的，以便允许在其厚度上输送燃料或氧化剂。优选地，电绝缘膜的厚度和/或导电膜的厚度在10μm和500μm之间。优选地，导电膜和电绝缘膜覆盖格栅的面对阳极室的面的不同部分以及覆盖格栅的面对阴极室的面的不同部分，所述不同部分优选地不叠置。例如，阳极导电桥通过粘接而附接到燃料输送器支撑件的形成阳极电子收集器的导电膜，阴极导电桥通过粘接而附接到氧化剂输送器支撑件的形成阴极电子收集器的导电膜。优选地，阳极导电桥放置在距离燃料输送器支撑件的电绝缘导电膜的一定距离处，和/或阴极导电桥放置在距离氧化剂输送器支撑件的电绝缘导电膜的一定距离处。

如前所述，阳极电子收集器优选地通过粘接而附接到燃料输送器支撑件，阴极电子收集器优选地通过粘接而附接到氧化剂输送器支撑件。阳极电子收集器的至少一个端部和阴极电子收集器的至少一个端部可以分别从基本模块例如侧向地突出，并且可以电连接到重新接触连接器以将基本模块连接到电器或连接到另一基本模块，例如包括多个基本模块的燃料电池的基本模块的堆叠体的连续的基本模块。

在一个实施方式中，阳极电子收集器可以印刷到燃料输送器支撑件上和/或阴极电子收集器可以印刷到氧化剂输送器支撑件上，从而分别形成阳极块、阴极块。如此形成的阳极块和/或阴极块然后为印刷电路的形式，这有利于基本模块的制造，特别是有利于在组装基本模块的构成元件期间，所述燃料输送器支撑件和氧化剂输送器支撑件相对于氧化单元的相对定位。

优选地，阳极电子收集器和/或阴极电子收集器至少部分地呈彼此间隔开的条带的形式，所述条带优选地形成规则或甚至周期性的图案，例如栅格。例如，条带(一个或多个)在纵向平面中横向延伸，特别是在基本模块的两个相对的侧面之间。

此外，阳极电子收集器的投影的面积S_A与燃料输送器支撑件的投影的面积S的比率R优选地在0.01和0.50之间，和/或阴极电子收集器的投影的面积S’_A与燃料输送器支撑件的投影的面积S’的比率R’在0.01和0.50之间，所述投影在纵向平面上并且在相对于所述纵向平面的横向方向上形成。比率R和比率R’可以相同或不同。

因此，一方面减少了阳极电子收集器和氧化单元之间的接触电阻，和/或另一方面减少了阴极电子收集器和氧化单元之间的接触电阻。

优选地，阳极电子收集器优选地在横向方向上从燃料输送器支撑件的表面凸出，阴极电子收集器优选地在横向方向上向其上附接有该阴极电子收集器的氧化剂输送器支撑件的厚度凸出，所述凸出的高度例如分别等于所述阳极电子收集器的厚度和所述阴极电子收集器的厚度。因此，阳极电子收集器至少部分地限定将燃料输送器支撑件与氧化单元分隔的间隔件，阴极电子收集器至少部分地限定将氧化剂输送器支撑件与氧化单元分隔的间隔件，所述间隔件分别部分地限定阳极室和阴极室。

优选地，阳极电子收集器的厚度和/或阴极电子收集器的厚度小于100μm。

阳极电子收集器和/或阴极电子收集器优选为金属的，并且其超过99.0％的质量可以特别包括碳和/或选自银、钽、钼、铜及其合金的金属。这种金属或合金容易传导在阳极和阴极上收集的电子。在一个变型中，阳极电子收集器可以包括由所述金属形成的层，该层附接到燃料输送器支撑件并且覆盖有由另一种金属形成的保护性导电膜或者覆盖有层的叠置体，所述叠置体中的每层由不同于该膜的其它层的金属制成，所述膜可以具有小于10μm的厚度，和/或阴极电子收集器可以包括由所述金属形成的层，该层附接到氧化剂输送器支撑件并且覆盖有由另一种金属形成的保护性导电膜或者覆盖有层的叠置体，所述叠置体中的每层由不同于该膜的其它层的金属制成，所述膜可以具有小于10μm的厚度。

此外，如前所述，基本模块可以包括阳极绝缘桥和/或阴极绝缘桥，阴极绝缘桥由至少一种电绝缘材料形成。优选地，阳极绝缘桥放置在氧化单元和阳极电子收集器之间。阳极绝缘桥可以与氧化单元和阳极电子收集器直接接触。优选地，阴极绝缘桥放置在氧化单元和阴极电子收集器之间。阴极绝缘桥可以与氧化单元和阴极电子收集器直接接触。

优选地，阳极绝缘桥和/或阴极绝缘桥为薄膜形式，例如厚度在1μm和100μm之间的薄膜。优选地，阳极绝缘桥放置在阳极电子收集器的面向氧化单元的表面的一部分上，所述部分与覆盖有阳极导电桥的部分不同，和/或阴极绝缘桥放置在阴极电子收集器的面向氧化单元的表面的一部分上，所述部分与覆盖有阴极导电桥的部分不同。因此，阳极绝缘桥保护阳极电子收集器的该表面的未被阳极导电桥覆盖的部分，阴极绝缘桥保护阴极电子收集器的该表面的未被阴极导电桥覆盖的部分。

特别地，阳极绝缘桥和/或阴极绝缘桥可以是一个或多个间断的条带、螺柱的形式，特别是形成规则图案的条带或螺柱的形式，所述图案诸如为栅格。

就其本身而言，阳极室优选地放置在燃料输送器支撑件与氧化单元之间，阴极室优选地放置在氧化剂输送器支撑件与氧化单元之间。

优选地，阳极室和/或阴极室在平行于纵向平面的平面中延伸。优选地，阳极室至少部分地或甚至完全通过如下限定：

-阳极的与和电解质膜接触的面相对的外表面，并且所述外表面优选地在平行于纵向平面的平面中延伸；

-燃料输送器支撑件的面向阳极的外表面的面，并且该面优选地在平行于纵向平面的平面中延伸；以及

-阳极防漏桥。

阳极室被配置为使得当其被供给燃料时，该室中的燃料压大于大气压，这使得可以确保燃料在氧化单元中的有效氧化反应。优选地，阳极防漏桥限定了密封燃料的密封件，该密封件在阳极块和氧化单元之间相对于纵向平面横向地延伸，并且在平行于纵向平面的平面中围绕阳极室，优选地完全围绕阳极室。以这种方式，阳极防漏桥通过流体在纵向平面中包含的方向上的流动减少了燃料泄露出阳极室。

优选地，当燃料压强在0.1巴和5巴之间时，阳极导电桥和/或阳极防漏桥被配置成避免氧化单元与阳极块脱离。本领域技术人员容易知道如何确定密封燃料的电绝缘粘合剂和/或导电粘合剂的性质，以及为此目的如何限定阳极导电桥和/或阳极防漏桥的尺寸。

优选地，阳极防漏桥通过粘接而附接到阳极和/或阳极收集层和/或电解质膜。阳极防漏桥特别可以用包括密封燃料的电绝缘粘合剂的胶水印刷，特别是通过丝网印刷、喷涂或滴涂或施加粘合剂膜而获得。

密封燃料的电绝缘粘合剂可以特别地选自聚氨酯型或环氧型的粘合剂。例如，密封燃料的电绝缘粘合剂可以为Intertronics公司出售的IRS 2125胶水。

阳极防漏桥可以为各种形式。阳极防漏桥优选地呈连续条带的形式，该条带优选地自身封闭并且与阳极室的各个相对的纵向面接触。

此外，基本模块可以包括具有用于容纳燃料的内部容积的储存器，阳极室通过燃料输送器支撑件与储存器的内部容积流体连通。因此，储存器限定了用于确保将燃料供给至阳极室的燃料储备。

优选地，燃料输送器支撑件限定了储存器的一壁。在一个实施方式中，储存器和燃料输送器支撑件可以形成整体块。

优选地，储存器包括填充孔，该填充孔被配置为例如通过管道连接到燃料供给泵或燃料生成盒，例如连接到用于通过氢化物的水解产生氢气的盒。优选地，在填充孔被不透气地封闭的基本模块的结构中，由储存器的内部容积和阳极室的容积形成的组件是不透气地封闭的且密封燃料的。

就其本身而言，在一个实施方式中，氧化剂输送器支撑件和氧化单元可以均通过含有电绝缘粘合剂的阴极附接桥彼此粘接地而附接并且彼此电绝缘。阴极附接桥的电绝缘粘合剂可以与阳极防漏桥的电绝缘粘合剂相同或不同。

因此，阴极附接桥和/或阴极导电桥至少部分地，优选地完全确保氧化剂输送器支撑件和电解单元之间的连接的机械强度。

此外，优选地，阴极附接桥可以限定阴极室的横向壁，其可以自身封闭以限定密封氧化剂的密封件，或者相反，阴极附接桥可以具有孔以便促进氧化剂流出或流入阴极室。

此外，基本模块可以包括多个电解单元，这些电解单元共用同一电解质膜且优选地以平面布置进行放置。作为变型，基本模块可以包括单个电解单元。

基本模块还可以包括气体扩散层，该气体扩散层优选地放置在氧化剂输送器支撑件的与面向阳极室的面相对的面上，并且用多孔格栅覆盖。该气体扩散层和格栅参与维持适于发电的湿度水平。该气体扩散层可以是电绝缘的，或者相反，可以是导电的。该气体扩散层可以是亲水的，或者相反，可以是疏水的。多孔格栅可以是金属的，并且可选地用电绝缘材料覆盖，或者可以由塑料制成。

基本模块可以被配置产生介于1W和500W之间的电功率。

基本模块的质量可以在1g和1000g(克)之间。

对于燃料电池，优选地，多个模块中的每个基本模块在倾斜的纵向平面中延伸，该纵向平面优选地垂直于堆叠方向。

电池的各个基本模块可以串联或并联电连接在一起。

电池可以包括至少两个、至少10个、至少20个基本模块。

优选地，燃料电池不具有用于压缩所述多个基本模块的部件。特别地，燃料电池可以不具有放置在堆叠体的相对端的端板，并且特别地通过至少一个压缩构件连接。

例如，该堆叠体可以包括架子形式的底座，该底座包括在堆叠方向上一个接一个放置的多个鸽笼，每个鸽笼在相对于堆叠方向的横向平面中延伸。优选地，至少一个或者甚至优选地多个鸽笼被配置为每个鸽笼容纳至少一个基本模块。特别地，该堆叠体的至少两个连续模块可以彼此分离。这样，该堆叠体的基本模块不会相互倚靠，每个基本模块的重量由底座支撑。因此，便于更换有缺陷的基本模块。

在一个实施方式中，基本模块可以在堆叠方向上以规则的、特别是周期性的方式彼此间隔开。

此外，优选地，堆叠体的至少两个连续的基本模块在堆叠方向上头尾相接地放置。如下文将详细描述的，这种布置使得可以限制用燃料和/或氧化剂供给基本模块的堆叠体所需要的构件的数量。

此外，所述电池可以包括至少一个用于产生氧化剂进料流的部件，以及可选地包括用于产生燃料进料流的部件，以便确保由至少一个基本模块产生电能。电池还可以包括至少一个用于产生冷却流的部件，例如风扇，以便通过对流交换来恢复在燃料的氧化反应期间由所述至少一个基本模块产生的热。

优选地，所述电池被配置为限定至少一个阴极进料通道和/或至少一个冷却通道，该阴极进料通道被配置为将包含氧化剂的阴极进料流输送到至少一个基本模块，该冷却通道被配置为输送包括冷却流体的冷却流，优选空气，以便通过对流来与所述至少一个基本模块来交换热量。

特别地，阴极进料通道和/或冷却通道可以具有管状形状，该管状形状沿平行于基本模块延伸所沿的纵向平面的平面中包含的方向延伸，在所述基本模块之间放置分别放置有阴极进料通道和/或冷却通道。优选地，阴极进料通道由优选地与堆叠方向平行、与电池相对的两个侧面以及通过面向其间放置有所述阴极进料通道的基本模块的侧面限定。与阴极进料通道的管状形状和/或冷却通道的管状形状相关联的压力损失低，并且燃料电池可以分别免除用于产生阴极进料流的装置和/或用于产生冷却流的装置。

作为变型，阴极进料通道和/或冷却通道可以具有包括经由弯曲部分连接的多个管部分的形式。该管部分可以例如在电池的相对侧面之间来回运行。这种弯曲形式显著促进了冷却通道中的热交换。作为变型，阴极进料通道和/或冷却通道可以各自由分别在所述阴极进料通道和/或所述冷却通道的入口孔和出口孔之间延伸的多个线圈形成，所述多个线圈彼此平行。在另一变型中，阴极进料通道由多个管形成，两个相邻的管共用共同的壁。特别地，多个管可以彼此平行并且可以放置在面向两个连续基本模块的面之间。这种形式的阴极进料通道促进氧化剂的进料，和/或这种形式的冷却通道促进热交换。优选地，为了补偿与阴极进料通道和/或冷却通道中存在多个内壁和/或弯曲部所相关联的压力损失，燃料电池可以分别包括优选地包括压缩机的阴极进料生成器和/或优选地包括压缩机的冷却流生成器。

特别地，冷却流生成器和/或阴极进料流生成器可以选自风扇，特别是轴向或径向风扇、涡轮机和压缩机。

在氧化剂为氧气的优选变型中，阴极进料流优选为空气流。特别地，冷却流生成器和/或阴极进料流生成器可以通过以连续状态或脉冲宽度调制(PWM)模式抽空气或吹空气来起作用。

此外，电池可以包括一个或多个冷却流生成器和/或一个或多个阴极进料流生成器。例如，燃料电池可以包括多个冷却流生成器，使得多个生成器中的每个生成器供给由两个基本模块形成的单对。

优选地，所述至少一个基本模块放置在所述阴极进料通道和所述冷却通道之间。优选地，阴极进料通道沿倾斜延伸方向、优选地正交于延伸冷却通道的延伸方向而延伸。优选地，阴极进料通道大体上延伸所在的平面和冷却通道大体上延伸所在的平面是不同的并且平行的，并且优选地垂直于堆叠方向。

优选地，阴极进料通道具有至少一个入口孔、至少一个出口孔以分别用于电池的阴极进料流的入口流和出口流，冷却通道具有至少一个入口孔和至少一个出口孔以分别用于电池的冷却流的入口流和出口流，所述阴极进料通道的入口孔和出口孔和所述冷却通道的入口孔和出口孔被配置为使得电池入口和出口的阴极进料流在相对于电池入口和出口的冷却流的至少一个流动方向倾斜的、优选垂直的至少一个方向上流动。

优选地，所述阴极进料通道的入口孔和出口孔和冷却通道的入口孔和出口孔被配置为使得电池入口和出口的阴极进料流的流动的方向(一个或多个)和冷却流的流动方向(一个或多个)包含在不同且平行的平面中，这些平面优选地垂直于堆叠方向。

通过紧接的前面三个段落中描述的任何一个特征，阴极进料流和冷却流之间相互作用的风险因此受到限制，而阴极进料流和冷却流之间的相互作用可以对电池的能量产率产生负面影响。

所述阴极进料通道和冷却通道的入口孔和出口孔可以具有各种形状。例如，这些入口孔和出口孔具有圆形、矩形、正方形或椭圆形的轮廓。

此外，冷却通道和/或阴极进料通道可以具有多个入口孔和/或多个出口孔。

冷却通道的入口孔的形状和/或尺寸可以与冷却通道的出口孔的形状和/或尺寸相同或不同。阴极进料通道的入口孔的形状和/或尺寸可以与阴极进料通道的出口孔的形状和/或尺寸相同或不同。

冷却通道的入口孔和出口孔的形状和/或尺寸可以与阴极进料通道的入口孔和出口孔的形状和/或尺寸相同或不同。

此外，阴极进料通道可以在堆叠方向上放置在所述多个基本模块的至少两个连续基本模块的相应阴极块之间，并且可以配置为将所述阴极进料流输送到相应的所述两个基本模块中的每一者的所述氧化剂输送器，和/或，冷却通道可以在堆叠方向上放置在所述多个基本模块中的至少两个连续的基本模块之间，并被配置为输送冷却流以便通过对流来与所述两个基本模块交换热。因此，阴极进料通道可以为多个基本模块进料和/或冷却通道可以与多个基本模块交换热。从而限制了燃料电池的氧化剂供给部件和冷却装置的部件。

此外，所述燃料电池优选地包括：

-多个阴极进料通道，每个阴极进料通道被配置为向至少一个基本模块供给阴极进料流；

-阴极进料探针，所述阴极进料探针放置在所述多个阴极进料通道中的一通道中，并被配置为测量从湿度、温度和压力中选择的至少一种阴极进料特性；

-阴极进料流生成器，所述阴极进料流生成器被配置为产生待在所述多个阴极进料通道中的所述一通道或另一通道中输送的所述阴极进料流；以及

-用于控制所述阴极进料流生成器的单元，所述单元被配置为根据所述阴极进料特性的测量值来调节待在所述一通道中输送的所述阴极进料流的至少一个参数和/或待在所述另一通道中输送的所述阴极进料流的至少一个参数。

所述阴极进料流的至少一个参数可以选自温度、压力、流速、阴极进料流生成器出口处的阴极进料流的速度及其组合。

优选地，所述燃料电池包括：

-多个冷却通道，每个冷却通道被配置为输送冷却流，以通过对流来与至少一个基本模块交换热量；

-冷却探针，所述冷却探针放置在所述多个冷却通道的一通道中并被配置为测量从湿度、温度和压力中选择的至少一种冷却特性；

-冷却流生成器，所述冷却流生成器被配置为产生待在所述多个冷却通道的所述一通道或另一通道中输送的所述冷却流；以及

-用于控制所述冷却流生成器的单元，所述单元被配置为根据所述冷却特性的测量值来调节待在所述一通道中输送的所述冷却流的至少一个参数和/或待在所述另一通道中输送的所述冷却流的至少一个参数。

以这种方式，例如借助于有限数量的传感器，特别是通过单个传感器，来调节各个基本模块的氧化单元的温度。

所述冷却流的至少一个参数可以选自温度、压力、流速、冷却流生成器出口处的冷却流的速度及其组合。

此外，燃料电池可以包括放置在基本模块中的传感器，该基本模块与放置有阴极进料探针的阴极进料通道流体连通和/或能够通过对流与放置有冷却探针的冷却通道中流动的冷却流交换热，所述传感器被配置为测量从电池的内阻、电池的极化电阻或电池的总电阻中选择的电阻。优选地，用于控制所述阴极进料流生成器的单元被配置为根据所述阴极进料特性的测量值和电阻的测量值来调节待在所述一通道中输送的所述阴极进料流的和/或待在所述另一通道中输送的所述阴极进料流的至少一个参数，和/或用于控制所述冷却流生成器的单元被配置为根据所述冷却特性的测量值和所述电阻的测量值来调节待在所述一冷却通道中输送的所述冷却流的和/或待在所述另一冷却通道中输送的所述冷却流的至少一个参数。

在一个实施方式中，所述燃料电池包括至少一个隔膜和/或至少一个垫带，该至少一个隔膜和/或至少一个垫带被配置为限制阴极进料通道和/或冷却通道的入口处的流速。例如，在燃料电池放置在飞行物体中的变型中，飞行物体飞行期间的空气运动可能导致形成可能改变电池行为的虚假流。在这种实施方式中，一种用于产生阴极进料流和/或冷却流的手段可以为移动飞行物体。优选地，所有的垫带和/或隔膜由单个垫带控制模块和/或隔膜控制模块控制，该垫带控制模块和/或隔膜控制模块被配置为将垫带和/或隔膜放置在相同的打开或关闭配置中。垫带和/或隔膜可以全部面向电池的一侧面放置。特别地，面向冷却通道孔放置的垫带和/或隔膜可以与面向阴极进料通道孔放置的垫带和/或隔膜面向相同的面放置。在一个变型中，挡板和/或隔膜可以放置在其它侧面上，特别是放置在相对的面上。

对于燃料电池的尺寸，燃料电池可以具有20mm和600mm之间的高度和/或20mm和600mm之间的宽度、和/或20mm和600mm之间的深度。

最后，燃料电池的质量可以在0.01kg和10kg(千克)之间。燃料电池被配置为产生1W和50kW(千瓦)之间的电功率。

优选地，所述电池的每单位质量的功率密度在100W·kg^-1和500W·kg^-1之间。

本发明还涉及用于一种制造根据本发明的燃料电池的方法，包括制造至少一个优选地根据本发明的第一方面和第二方面中的任一方面的基本模块的步骤，用于制造基本模块的步骤包括分别将阳极块和阴极块附接到氧化单元，所述附接优选为粘接。

优选地，制造至少两个、优选地至少10个基本模块，且所述基本模块在堆叠方向上彼此堆叠。

优选地，将至少一种粘合剂组合物沉积在所述阳极块和/或所述氧化单元上以及沉积在所述阴极块和/或所述氧化单元上，然后将所述阳极块与所述氧化单元组装在一起以形成刚性地附接到所述阳极块和所述氧化单元的附接桥以及将所述阴极块与所述氧化单元组装在一起以形成刚性地附接到所述阴极块和所述氧化单元的附接桥。

粘合剂组合物可以具有液体或固体形式。

附图说明

本发明的其它特征和优点还将在阅读下面的详细描述时以及从附图中显现，其中：

-图1至图5以横截面视图示意性地示出了根据本发明的基本模块的不同实现方式变型；

-图6以沿着基本模块的堆叠方向的横截面视图示意性地示出了包括多个根据本发明的基本模块的燃料电池；

-图7至图9示意性地示出了根据本发明的燃料电池的变型的透视图；以及

-图10为根据本发明的一个实施方式的电池的照片。

在各个附图中，相同的附图标记用于表示相同或相似的构件。

具体实施方式

图1的基本模块5在包括纵向方向X的纵向平面P中延伸。该基板模块5包括氧化单元10，该氧化单元10由阳极15、电解质膜20和阴极25依次构成的堆叠体形成，阳极、电解质膜、阴极这三者都以板的形式在平行于所述纵向平面的平面中延伸。电解单元放置在氧化剂输送器支撑件30和燃料输送器支撑件35之间，氧化剂输送器支撑件30和燃料输送器支撑件35中的每一者都以多孔板的形式在平行于基本模块的所述纵向平面的平面中延伸。

阴极电子收集器40以在相对于所述纵向平面的横向方向T上突出的条带形式，附接到氧化剂输送器支撑件，因此与氧化剂输送器支撑件限定阴极块45。阴极电子收集器40通过由导电粘合剂形成的阴极导电桥50附接到阴极。阴极导电桥在两个相对面55和60之间沿所述横向方向延伸，其中一个面55与阴极电子收集器接触，另一个面60与阴极接触。因此，氧化单元和阴极块通过粘接和电连接而附接到彼此。

此外，氧化剂输送器支撑件、阴极电子收集器、阴极导电桥和阴极限定了阴极室65。因此，在运行期间，阴极进料流，例如由风扇产生并在阴极进料通道中输送的阴极进料流，如将在下文中所描述的，如箭头O所指示地通过多孔的氧化剂输送器支撑件，以渗透到阴极室中并与阴极接触，以确保燃料的氧化反应。可以收集在阴极处形成的由氧化反应产生的阴极电子，然后，如箭头Ec所指示的，然后可以通过阴极导电桥将阴极电子转移到阴极电子收集器。

阳极电子收集器70以在所述横向方向上突出的条带形式，附接到燃料输送器支撑件35，因此与燃料输送器支撑件限定阳极块75。阳极电子收集器通过由导电粘合剂形成的阳极导电桥80附接到阳极。阳极导电桥在两个相对面85和90之间沿所述横向方向延伸，其中一个面90与阳极电子收集器接触，另一个面85与阳极接触。因此，氧化单元和阳极块通过粘接彼此附接。此外，可以收集在阳极处形成的由燃料的氧化反应产生的阳极电子，然后，如箭头Ea所指示的，然后可以通过阳极导电桥将阳极电子转移到阳极电子收集器。

这样，通过利用相应的阳极导电桥和阴极导电桥将阳极块和阴极块粘接到氧化单元的附接方式确保了基本模块的机械强度，而不需要为此插入永久性的压缩部件。

此外，由密封燃料的电绝缘粘合剂密封件形成的阳极防漏桥100被夹置在阳极块和燃料输送器支撑件之间并且将阳极块和燃料输送器支撑件彼此保持一定距离，从而限定了在平行于所述纵向平面的平面中延伸的阳极室105。阳极防漏桥在相对于所述纵向平面的横向方向上，形成在面向阳极的面和面向燃料输送器支撑件的面之间延伸的防漏密封件。阳极防漏桥在平行于所述纵向平面的平面中围绕所述阳极室。除了下文所述的其防漏功能之外，阳极防漏桥还通过在阳极块和氧化单元之间增加附加的附接来增强基本模块的机械强度。在运行期间，借助于阳极防漏桥和阳极导电桥附接氧化单元，允许基本模块能够承受阳极室中的高于大气压的燃料压力。

此外，基本模块包括储存器108，储存器108限定了内部容积110，储存器108包括用于向储存器供给燃料的填充孔115。燃料输送器支撑件还限定了将阳极室与储存器的内部容积分开的壁118。

在运行期间，压缩机可以将燃料流通过填充孔注入到储存器的内部容积，从而将燃料储存在内部容积中。然后，含有燃料的阳极进料流通过多孔的燃料输送器支撑件，并且渗透到阳极室，在该阳极室中，该阳极进料流沿相对于所述纵向方向的横向方向流动，直到该阳极进料流与阳极接触，如箭头C所指示的。阳极防漏桥限制了阳极室中的燃料流在包含在纵向平面中的任一方向(诸如箭头L₁和箭头L₂所指示的方向)上的流动，因此减少了燃料从阳极室泄露出。

图2的基本模块与图1的基本模块的不同之处在于，阳极收集层120和阴极收集层125分别放置在阳极的面向阳极室的面130和阴极的面向阴极室的面135上。

阳极收集层和阴极收集层分别改善了与阳极电子收集器和阴极电子收集器远程地产生的阳极电子和阴极电子的收集。

为了使燃料和氧化剂能够分别与阳极和阴极接触，电子收集层可以部分地覆盖阳极和阴极的所述面，并且例如可以分别为密封燃料的或密封氧化剂的。在该变型中，燃料和氧化剂可分别在阳极的所述面的未被阳极收集层所覆盖的区域中和阴极的所述面的未被阴极收集层所覆盖的区域中分别与阳极和阴极接触。阳极收集层和阴极收集层也可以是相应地相对于燃料和氧化剂是多孔的薄膜的形式，并且，该薄膜例如相应地完全覆盖阳极的所述面和阴极的所述面。

在图2的示例中，阳极导电桥80和阳极防漏桥100通过粘接而附接到阳极收集层。

此外，为了进一步增强基本模块的机械强度，图2的基本模块包括由电绝缘粘合剂形成的阴极附接桥140，阴极附接桥140在相对于所述纵向平面的横向方向上在阴极室的两个相对的面之间延伸，阴极附接桥的其中一个面145与氧化剂输送器支撑件结合，所述阴极附接桥的另一个面150与阴极收集层125结合。

尽管未示出，但图1的基本模块可以包括结合到燃料输送器支撑件和阴极二者的这种阴极附接桥。

图3的基本模块与图2的基本模块的不同之处在于，阳极和阴极分别包括阳极窗155和阴极窗160，阳极窗155和阴极窗160分别穿过阳极和阴极的厚度并分别位于电解质膜上。阳极导电桥80和阴极导电桥50分别容纳在阳极窗和阴极窗中，并通过粘接而附接到电解质膜10。

在阳极和阴极分别与电解质膜之间的机械连接弱的变型中，由于阳极块和阴极块分别通过阳极导电桥和阴极导电桥而分别与氧化单元连接是直接与电解质膜进行的，因此基本模块的机械强度得到了改善。

阳极导电桥80和阴极导电桥50分别具有凸起165和凸起170，凸起165和凸起170分别纵向突出并且分别与阳极收集层和阴极收集层接触。阳极导电桥的凸起和阴极导电桥的凸起分别使阳极与阳极电子收集器电接触、阴极与阴极电子收集器电接触。

图4示出了燃料电池的实施方式，该燃料电池包括共享同一电解质膜20的多个基本模块5₁、5₂。相对于由均放置在不同的电解质膜上的两个模块构成的电池(所述两个模块中的每个模块为如图3中所示出的模块)，针对产生的相同的功率，图4中示出的布置使得可以增大由电池输送的电压。图4的燃料电池包括如图3所示的基本模块，该基本模块可以显然地与一个或多个基本模块(例如如图1和图2中所示出的模块)组合和/或由一个或多个基本模块(例如如图1和图2中所示出的模块)替换。此外，在未示出的变型中，多个基本模块可以共享同一燃料输送器支撑件和/或同一绝缘输送器支撑件。多个基本模块可以或可以不共享同一储存器。

图5示出了包括如图2所示的基本模块的燃料电池，该燃料电池还包括叠置的多孔气体扩散层170，该多孔气体扩散层与氧化剂输送器支撑件的与面向阳极室的面相对的面接触。此外，该气体扩散层放置在氧化剂输送器支撑件和与其接触的多孔格栅175之间。

图5的燃料电池还包括第一中空管180，该第一中空管的其中一个壁至少部分地由格栅175形成，第一中空管限定了用于输送包括氧化剂的阴极进料流的阴极进料通道185。该中空管包括用于阴极进料流(如箭头O_E所指示)的入口孔190，该入口孔面向能够产生所述阴极进料流的风扇200放置。该中空管还包括出口孔205，在阴极进料流已经通过多孔格栅175和气体扩散层之后且已经如箭头O所指示对基本模块的阴极室65进行供料之后、以及在已经充满氧化反应产物之后，阴极进料流可以通过该出口孔逸出，如箭头Os所示。特别地，在氧化剂为氧气且燃料为氢气的情况下，氧化反应产生水蒸气，该水蒸气通过阴极进料流从阳极室排出到出口孔，在本例中，阴极进料流为空气流。

该燃料电池还具有第二中空管210，第二中空管放置成使得基本模块5被夹置在第一中空管185和第二中空管210之间。第二中空管具有与储存器共同的壁。第二中空管限定了具有入口孔215的冷却通道212，入口孔215被配置成用于包括冷却流体(诸如空气)的冷却流R的入口，该入口孔215面向风扇220放置，该风扇220被配置成产生所述冷却流并且将所述冷却流分配到所述入口孔。

当冷却流如根据箭头R所示在冷却通道中流动时，基本模块通过该模块和第二中空管所共用的壁225上的对流，交换由放热氧化反应产生的热。如此加热的冷却流流到与入口孔相对放置的出口孔230，通过该出口孔，加热的冷却流从燃料电池中排出。

如图5中可见，为了避免阴极进料流O和冷却流R之间的任何相互作用，阴极进料通道和冷却通道在平行于所述纵向平面的不同平面P₁和P₂中延伸。

此外，在图5的示例中，用于产生冷却流的风扇和用于产生包括氧化剂的阴极进料流的风扇面向与燃料电池的堆叠方向D_E平行的同一侧面235。作为变型，用于产生冷却流的风扇可以放置在与用于产生阴极进料流的风扇面对的侧面相对的侧面上。

在未示出的变型中，特别是当电池用于在有限的工作温度范围内产生电流时，电池可以不具有所描述的部件，例如不具有图5中的用于通过冷却流冷却电池的部件。

图6的燃料电池250包括在堆叠方向D_E上彼此堆叠的多个(四个)基本模块5a-5d。

所述多个基本模块中的每个基本模块与图5中所示的基本模块相同，不同之处在于，冷却通道的入口孔和出口形成在垂直于其上形成阴极进料通道的入口孔和出口的那些面的面上。堆叠方向D_E垂直于各个基本模块的纵向平面P。

该燃料电池被配置成使得，该堆叠体的每对(两个)连续的基本模块从而所述两个基本模块(例如5a和5b)在堆叠方向上相对于彼此头尾相接地布置。

该堆叠体的模块通过电路(未示出)电连接，该电路将一个基本模块的阳极电子收集器连接到相邻基本模块的阴极电子收集器。

在图6的堆叠体中，具有彼此面对地放置的阴极块的两个连续的基本模块由在相对于堆叠方向的横向平面中延伸的阴极进料通道255₁-255₂分开。因此，借助于单个阴极进料通道，这两个基本模块的阴极室65a-65d在入口O处用单个阴极进料流进行进料。

此外，两个连续的基本模块(这两个基本模块的阳极块(例如75b和75c)彼此面对地放置)由在相对于堆叠方向的横向平面中延伸的冷却通道260分开。因此，借助于单个冷却通道，这两个基本模块5b和5c通过与在该通道中流动的冷却流R的对流交换而被冷却。

以这种方式，图6的燃料电池250被配置成使得阴极进料通道和冷却通道彼此隔开一定距离并沿着堆叠方向D_E交替放置。这样，阴极进料流O和冷却流R之间的相互作用受到限制。

关于阴极进料流和冷却流的产生，图6的燃料电池包括两个阴极进料风扇200₁-200₂和三个冷却风扇220₁-220₃，其中，每个阴极进料风扇均被配置成分别向相应的阴极进料通道255₁-255₂进料相关联的阴极进料流，每个冷却风扇均被配置成向冷却通道进料相关联的冷却流。此外，阴极进料风扇和冷却风扇面向电池的彼此垂直的侧面270、275放置。以这种方式，阴极进料流和冷却流沿相应倾斜的流动方向流动。所述阴极进料流和所述冷却流之间的相互作用受到限制，这优化了电池的能量产出。

此外，图6中所示的燃料电池包括放置在其中一个阴极进料通道中的阴极进料探针280，以测量所述阴极进料通道中的阴极进料流的温度。该阴极进料探针通过连接部件(未示出)电连接到用于控制电池的阳极进料风扇的单元285，所述控制单元被配置成根据阴极进料探针测量的温度调节例如燃料电池的每个阴极进料风扇的出口处的阴极进料流的流速。

这样，借助于单个阴极进料探针，可以容易地调节电池的多个阴极进料通道的阴极进料流的流速。

图6的燃料电池还包括冷却探针292，冷却探针292放置在与放置阴极进料探针的阴极进料通道连续的一个冷却通道中，以测量所述冷却通道中的冷却流的温度。冷却探针通过连接部件(未示出)电连接到用于控制燃料电池的冷却风扇298的单元，所述控制单元被配置成根据由冷却探针测量的温度调节例如燃料电池的每个冷却风扇的出口处的冷却流的流速。

这样，借助于单个冷却探针，可以容易地调节电池的多个冷却通道的冷却流的流速。

该燃料电池还包括放置在基本模块中的传感器300，以测量例如基本模块的内阻。该传感器连接到用于控制阴极进料风扇的单元和用于控制冷却风扇的单元，这些单元还均被配置为根据基本模块的内阻测量值来调节阴极进料流的流速和冷却流的流速。

图7示意性地示出了包括沿堆叠方向D_E堆叠的六个基本模块5a-5f的燃料电池250，每个基本模块薄且在垂直于堆叠方向的纵向平面P中延伸。

与图6的示例中一样，该燃料电池的基本模块首尾相接地成对地放置。

图7的燃料电池为具有四个侧面280a-280d的直立的厚板的总体形式，在侧面280a-280d上出现各种阴极进料通道和冷却通道的入口和出口。在图7的示例中，每个阴极进料通道分别具有入口孔290a-290c、每个冷却通道分别具有入口孔295a-295d，入口孔290a-290c分别出现在面向阴极进料风扇300的侧面上，入口孔295a-295d分别出现在面向冷却风扇305的侧面上，并且每个阴极进料通道分别具有出口孔310a-310c，每个冷却通道分别具有出口孔315a-315d，出口孔310a-310c、出口孔315a-315d分别出现在电池的另外三个侧面中的每一个侧面上。

在图7的示例中，一个或多个阴极进料风扇300面向垂直于另一侧面280a的侧面280b放置，一个或多个冷却风扇305面朝侧面280a放置。因此，一方面阴极进料流O、另一方面冷却流R在基本垂直的方向上在相应的通道中流动。

因此，尽管每个阴极进料通道和每个冷却通道在电池的四个侧面280a-280d上具有孔，但是对燃料电池的功能具有有害后果的阴极进料流和冷却流之间的相互作用是有限的。

图8的燃料电池是图7的燃料电池的改进且优选的实施方式，其中，对于每个阴极进料通道、相应地每个冷却通道，形成在与其上形成有所述通道的入口孔的面垂直的那些面上的孔通过侧壁封闭。因此，阴极进料流的流动、相应地冷却流的流动分别在出口孔310、出口孔315的方向上发生，出口孔310、出口孔315分别出现在电池的与分别出现入口孔290、相应地入口孔295的侧面相对的侧面上。以这种方式，阴极进料流和冷却流沿垂直的方向且在堆叠方向上的不同高度处流动，并且不相互作用。这种布置促进了燃料电池在扩展的工作温度范围内的运作。

例如，为了获得图8所示的电池，可以例如通过虚线之间标记为320a-320c的掩模，封闭图5的电池的各个阴极进料通道的形成在与形成有阴极进料流的入口孔的侧面垂直的一个或甚至两个侧面上的侧孔，以防止所述流流出，该掩模例如由聚合物制成、特别是由泡沫形成。此外，可以例如通过虚线之间标记为325a-325c的掩模，封闭图7的电池的各个冷却通道的形成在与形成有冷却流的入口孔的侧面垂直的一个或甚至两个侧面上的侧孔，以防止所述流流出，该掩模例如由聚合物制成、特别是由泡沫形成。

这样，阴极进料流和冷却流在垂直的方向上流动并且不会相互干扰。

在图8的示例中，将两个连续的基本模块头尾相接进行放置。在未示出的变型中，可以将两个连续的基本模块放置成使得第一基本模块的阳极块面向第二基本模块的阴极块。然后，优选地，为了将用于向所述阴极进料的阴极进料流与冷却流分开，在这两个连续的基本模块之间放置沿纵向延伸的固体分离板。

此外，可以通过在两个连续的基本模块之间放置两个交叉支撑来获得图8的堆叠体。该交叉支撑例如为固体杆。这些交叉支撑彼此间隔开，以便形成阴极进料通道或冷却通道的侧壁。

图9的燃料电池与图8的燃料电池的不同之处在于，每个模块的长度L至少是宽度l的两倍。为了确保基本模块的最佳冷却，在面向其上出现冷却通道的孔295a-295d的侧面280的纵向方向X上放置多个风扇。圆盘330₁-330₆示意性表示侧面上的冷却流指向的部分。

最后，图1至图4中描述的基本模块和图5至图9中示出的燃料电池均不包括用于压缩多个基本模块的部件，诸如通过压缩拉杆连接的夹板。

示例

燃料电池，其照片如图10所示，由12个基本模块的堆叠体形成，每个基本模块都是为长度117mm(毫米)、宽度74mm、厚度2mm的直立的薄板的形式。该燃料电池被配置为用大气中的氧气氧化作为燃料的氢气。

每个基本模块重8g(克)，能够产生8W的电功率。两个连续的基本模块在堆叠方向上头尾相接地放置，并通过由泡沫条形成的间隔件间隔1.2mm，间隔件的分别与所述两个连续的基本模块中的一者接触的相对的面覆盖有粘合剂。该堆叠体为长度117mm、宽度74mm、厚度45mm的直立板的形式。

所述燃料电池的体积为0.4升，质量小于150g。该燃料电池能够产生100W的电功率，并且每单位质量的功率密度为0.67W·g^-1。此外，该燃料电池适于在-20℃和50℃之间的温度范围内产生电能。

所述燃料电池具有175mΩ·cm²的内阻，类似于包括端部夹板并且对于相同的发电功率具有较低的每单位质量的功率密度的现有技术的电池的内阻。该内阻值表示电子的收集以及基本模块的电连接具有良好的质量。

此外，压力阻力测量值表示燃料电池可以承受每个基本模块的阳极室中的最大氢气压强为3巴。另外，关于阳极室的密封性，通过氦气渗透测量的密封性指示泄漏速率低，小于0.1厘米³/分钟(cm³/min)。

出于比较的目的，可以将本发明的燃料电池的性能质量与由Horizon FC公司销售的通过端板压缩的模块堆叠体形成的燃料电池进行比较。Horizon FC公司销售的燃料电池在0℃和40℃之间的较低温度范围内工作，并且能够产生200W的功率。然而，与本发明的燃料电池相比，Horizon FC公司销售的燃料电池具有470g的质量，因此每单位质量的低功率密度等于0.42W·g^-1。

显然，本发明不限于上述实施方式和示例。

例如，特别是在阴极进料通道和/或冷却通道具有弯曲形状的变型中，例如具有线圈或多个平行管的形状，电池可以包括压缩机，分配通道连接到该压缩机，该压缩机被配置为分配在阴极进料通道的入口的阴极进料流和/或分配在冷却通道的入口处的冷却流。

此外，优选地，冷却流可以包括除空气之外的冷却流体，例如，液体(例如水或油)。

此外，燃料不限于氢气。燃料还可以为选自例如甲烷、丙烷、丁烷及其混合物的烷烃，或者为选自例如乙醇、甲醇及其混合物的蒸汽形式的醇。氧化剂不限于氧气。氧化剂还可以是包括氧气的气体(例如，空气)或者由氧气和氮气构成的混合物。

最后，术语“包含一”、“含有一”和“包括一”应分别等同理解为具有“包含至少一个”、“含有至少一个”和“包括至少一个”的含义。

Claims

1.一种燃料电池的基本模块，该基本模块包括：

-氧化单元，所述氧化单元被配置为通过用氧化剂氧化燃料来产生电子，所述氧化单元包括夹置电解质膜的阳极和阴极；

-阳极块，所述阳极块包括适于将含有所述燃料的阳极进料流输送到阳极室的多孔的燃料输送器支撑件以及附接到所述燃料输送器支撑件的阳极电子收集器；

-阴极块，所述阴极块包括适于将含有所述氧化剂的阴极进料流输送到阴极室的多孔的氧化剂输送器支撑件以及附接到所述氧化剂输送器支撑件的阴极电子收集器；

所述基本模块被配置为使得，在所述氧化单元与所述燃料输送器支撑件之间限定所述阳极室，在所述氧化单元与所述氧化剂输送器支撑件之间限定所述阴极室；

所述阳极电子收集器与所述氧化单元二者借助于包含导电粘合剂的阳极导电桥彼此粘接地附接并且彼此电连接，所述阴极电子收集器与所述氧化单元二者借助于包含导电粘合剂的阴极导电桥彼此粘接地附接并且彼此电连接，

所述阳极导电桥将所述阳极块刚性连接到所述氧化单元，所述阴极导电桥将所述阴极块刚性连接到所述氧化单元，

所述导电粘合剂由聚合物树脂形成，在所述聚合物树脂中，分散有碳颗粒和/或金属颗粒。

2.如权利要求1所述的基本模块，其中，所述氧化单元包括阳极收集层和/或阴极收集层，所述阳极收集层放置在所述阳极的与面向所述电解质膜的面相对的面上，所述阴极收集层放置在所述阴极的与面向所述电解质膜的面相对的面上。

3.如权利要求1所述的基本模块，其中：

-所述阳极导电桥通过粘接而附接到所述阳极和/或附接到所述电解质膜；和/或

-所述阴极导电桥通过粘接而附接到所述阴极和/或附接到所述电解质膜。

4.如权利要求2所述的基本模块，其中：

-所述阳极导电桥通过粘接而附接到所述阳极和/或附接到所述阳极收集层和/或附接到所述电解质膜；和/或

-所述阴极导电桥通过粘接而附接到所述阴极和/或附接到所述阴极收集层和/或附接到所述电解质膜。

5.如权利要求1所述的基本模块，其中，所述阳极导电桥部分地或甚至完全地覆盖所述阳极电子收集器，和/或所述阴极导电桥部分地或甚至完全地覆盖所述阴极电子收集器。

6.如权利要求1所述的基本模块，其中，

-所述阳极电子收集器和/或所述阴极电子收集器至少部分地呈彼此间隔开的条带的形式；和/或

-所述阳极导电桥和/或所述阴极导电桥呈螺柱或条带的形式。

7.如权利要求1所述的基本模块，所述基本模块在纵向平面中延伸，其中：

-所述阳极电子收集器的投影面积S_A除以所述燃料输送器支撑件的投影面积S的比率R在0.01至0.50之间，和/或

-所述阴极电子收集器的投影面积S’_A除以所述燃料输送器支撑件的投影面积S’的比率R’在0.01至0.50之间，所述投影是沿着相对于所述纵向平面的横向方向在所述纵向平面上形成的投影。

8.如权利要求1所述的基本模块，其中，所述阳极导电桥夹置在所述氧化单元和所述阳极电子收集器之间和/或所述阴极导电桥夹置在所述氧化单元和所述阴极电子收集器之间。

9.如权利要求1所述的基本模块，包括：

-夹置在所述氧化单元和所述阳极电子收集器之间的阳极绝缘桥；和/或

-夹置在所述氧化单元和所述阴极电子收集器之间的阴极绝缘桥；

所述阳极绝缘桥和所述阴极绝缘桥分别由至少一种电绝缘材料形成。

10.如权利要求1所述的基本模块，其中，所述导电粘合剂具有各向异性导电性。

11.如权利要求1所述的基本模块，其中，所述颗粒由选自银、金及其混合物的金属组成，或者所述颗粒由金属芯形成，所述金属芯覆盖有碳涂层或金属涂层。

12.如权利要求1所述的基本模块，其中，所述氧化单元和所述燃料输送器支撑件二者借助于阳极防漏桥而彼此粘接地附接并且彼此电绝缘，所述阳极防漏桥包含密封燃料的电绝缘粘合剂；

所述阳极防漏桥被配置为使得输送到所述阳极室的所述阳极进料流基本上直接从所述燃料输送器支撑件流到所述阳极。

13.如权利要求1所述的基本模块，包括多个电解单元，所述多个电解单元共用同一电解质膜。

14.如权利要求1所述的基本模块，其中，所述燃料输送器支撑件和所述氧化剂输送器支撑件包括聚合物材料。

15.如权利要求14所述的基本模块，其中，所述聚合物材料为选自聚对苯二甲酸乙二醇酯PET、聚乙烯PE、聚碳酸酯PC、FR4、卡普顿及其混合物的热塑性的聚合物材料。

16.如权利要求13所述的基本模块，其中，所述阳极导电桥和所述阴极导电桥将所述阳极块和所述阴极块刚性连接到所述电解单元。

17.一种燃料电池，包括如权利要求1所述的基本模块；或者包括在堆叠方向上彼此堆叠的多个基本模块，每个基本模块为权利要求1所述的基本模块。

18.如权利要求17所述的燃料电池，不具有用于压缩所述多个基本模块的部件。