CN101036249A - 用于燃料电池的反应物输送的模压桥接件以及板 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种限定燃料电池板上的集管和流场之间流路的模压桥接。该桥接件提供了密封件可以定位于其上的支撑表面以便将板密封到相邻板或MEA上。燃料电池板可以是带有其上分别具有流场的两个表面的模压板。流场保持在板的单个表面上的供给集管和返回集管之间流动的流体。该流场的端部相对供给开孔和返回开孔变窄以便提供经流场的所需流分布。

Description

用于燃料电池的反应物输送的模压桥接件以及板
技术领域
本发明涉及燃料电池，并且更具体地涉及其上具有流场的模压板以及提供密封支撑表面和提供用于燃料电池的板上的集管(header)和流场之间的反应物输送的流路的模压桥接件。
背景技术
燃料电池已经在许多应用中用来作为动力源。例如，已经提议将燃料电池用在电动车动力设备中以取代内燃机。在质子交换膜(PEM)类型的燃料电池中，氢气供给到燃料电池的阳极，而氧气作为氧化剂供给到阴极。PEM燃料电池包括膜电极组件(MEA)，其包括一面上具有阳极催化剂而在反面上具有阴极催化剂的薄的透质子的不导电固态聚合物电介质膜。MEA夹在一对无孔导电元件或板之间，该元件(1)作为阳极和阴极的集流器，并且(2)包含形成于其内的用于将燃料电池的气态反应物分配到相应阳极和阴极催化剂表面上方的适当通道和/或开口。
术语”燃料电池”通常依据情况用来指单个电池或者多个电池(堆栈)。多个单个电池通常捆扎在一起以便形成燃料电池堆栈，并且一般配置成电串联。堆栈内的各电池包括上述膜电极组件(MEA)，并且各MEA分别提供其电压增量。堆栈内的相邻电池的群组被称为簇(cluster)。
在PEM燃料电池中，氢气(H2)是阳极反应物(即，燃料)，而氧气是阴极反应物(即，氧化剂)。氧气可以是纯净形式(O2)或者是空气(O2和N2的混合物)。固体聚合物电解质通常由离子交换树脂(例如，全氟磺酸)制成。阳极/阴极通常包括细分的催化微粒，该微粒经常支撑于碳微粒上并且与导质子的树脂混合。该催化微粒通常是贵重的金属微粒。由于这些MEA制造相对昂贵并且需要特定的条件，包括适当的水管理和湿度，以及催化剂污损组分例如一氧化碳碳(CO)，以便进行有效操作。
夹层MEA的导电板可以包含位于其表面的限定用于在相应阴极和阳极表面上分配燃料电池的气态反应物(即，氢气和氧气)或冷却剂的流场的沟槽阵列。这些反应物流场一般包括其间限定多个流动通道的多个槽脊，气态反应物经该通道从位于流动通道一端的供给集管流到位于流动通道相对端的排气集管。流到流场的流体通过板上的开口以使流体沿板两面的一部分流动。然而，流体经开口的流动导致代表不希望的能量损失的压降。
通常，非导电性垫圈或密封件在燃料堆栈的几个板之间提供密封和电绝缘。此外，密封件为气态反应物提供从供给集管到相应阳极和阴极流场表面的流路。传统上，密封件包括模制的顺从材料，例如橡胶。然而，由于需要几分钟的固化时间以及将松软的密封件迅速并准确地放在板上的难度，成型的橡胶密封件不适于大量制造。此外，由于在流场和集管之间的单片板部分上缺少密封件支撑零件，成型的橡胶密封件不适于与单片导电板一起使用。
发明内容
本发明针对限定燃料电池板的集管和流场之间流路的模压桥接件。根据本发明原理的桥接件还提供了密封件可以定位于其上以便将该板相对相邻板或MEA密封的支撑表面。本发明还针对一种在两个表面上具有保持在板的单个表面上的供给集管和返回集管之间流动的流体的流场的模压板。
根据本发明原理的燃料电池包括至少一个具有其上带有流场的流场部分的板。该流场沿板的表面导引流体。还存在至少一个具有至少一个流体经其流动的开孔的集管部分。存在包围开孔并密封到板的表面的至少一个桥接件。该桥接件具有流体经其在开孔和流场之间流动的多个通路。
在另一方面，根据本发明原理的燃料电池包括具有其上带有流场的流场部分的板。该流场沿板的表面导引流体。存在至少一个具有至少一个流体经其流动的开孔的集管部分。流场的端部的一部分还沿该表面远离开孔变细。流场的该部分端部与开孔之间的距离沿表面改变。
在根据本发明原理的另一方面，一种燃料电池包括至少一个具有相对的第一和第二表面的板。该板具有供给集管部分和返回集管部分。各表面具有流场部分。在供给集管部分中存在多个用于将流体供给到板的供给开孔。在返回集管部分中还存在多个用于接收由供给开孔供给到板的流体的返回开孔。存在位于第一表面的流场部分上的第一流场。第一流场导引第一流体横穿第一表面。第一流场具有多个由槽脊分隔的通道并且第一流体流经这些通道。存在位于第二表面的流场部分上的引导第二流体横穿第二表面的第二流场。第二流场具有多个由槽脊分隔的通道，并且第二流体流经这些通道。该第一流场的通道和槽脊分别形成第二流场的槽脊和通道，这导致第二流场是第一流场的倒转(inverse)。第一和第二流体在供给开孔和返回开孔之间流动时分别保持在第一和第二表面上。
通过下文提供的详细描述，本发明的适用性的其它方面显而易见。应该理解，尽管指出了本发明的优选实施例，但详细描述以及特定实例倾向于仅出于说明目的，并不倾向于限制本发明的范围。
附图说明
通过详细描述和附图将更全面地理解本发明，其中：
图1是根据本发明原理的燃料电池堆栈的分解图；
图2是组合的MEA的分解图；
图3A和图3B是根据本发明原理的A板的两个表面的平面图；
图4A和图4B是根据本发明原理的B板的两个表面的平面图；
图5A-图5D分别是阴极桥接件、冷却剂桥接件、阳极桥接件以及无流动阳极桥接件的平面图；
图6A-图6C分别是图5A的阴极桥接件沿线6A-A、线6B-6B以及线6C-C的截面图；
图7A是根据本发明原理的燃料电池堆栈的平面图；
图7B是图7A的燃料电池堆栈沿线7B-7B的截面图；以及
图7C是图7A的燃料电池堆栈沿线7C-7C的截面图。
具体实施方式
以下优选实施例的描述实质上仅是示范性的，并且决不倾向于限制本发明、其应用或使用。
图1描述根据本发明原理的燃料电池堆栈20的分解图。堆栈20由以重复顺序配置的两种不同的板组成。具体说来，燃料电池堆栈20具有以重复顺序配置的多个A板22和多个B板24以便形成彼此堆叠在顶部的燃料电池。板22、24是无孔导电板。存在定位于相邻板22、24之间的组合MEA 26。如图2所示，各组合MEA 26包括MEA28、一对垫圈30以及一对扩散介质片32。MEA 28定位在垫圈30之间，垫圈30是在燃料电池堆栈的若干板之间提供密封和电绝缘的非导电性垫圈。扩散介质片32定位在MEA20的主面上以便覆盖其活性面。扩散介质片32是紧压在MEA 28的电极面上并作为电极的主要集流器的多孔透气导电片。扩散介质片32还为MEA 28提供机械支撑，特别是在否则MEA 28在流场没有支撑的位置。适当的扩散介质片32包括碳/石墨、纸/布、细网孔贵金属屏、开孔贵金属泡沫以及从电极传导电流同时允许气体经其通过的类似材料。MEA28、垫圈30和扩散介质片32预先组装到一起以便形成用于相邻板22、24之间以便形成燃料电池堆栈20的组合MEA 26。
板22、24以特定顺序配置以使A板22的第一表面34始终面向组合MEA 26，并且阴极反应物气体在第一表面34和组合MEA 26之间流动。A板22的第二表面面向组合MEA 26(在阳极反应物气体在第二表面36和组合MEA 26之间流动的情况下)或者面向B板24的第一表面38(在冷却剂在A板22的第二表面36和B板24的第一表面36之间流动的情况下)。当A板22的第二表面36面向B板24的第一表面38时，两个板形成从定位在冷却剂板的外表面上的组合MEA 26去除热量的双极冷却剂板39。B板24配置成使得第一表面38始终面向A板22的第二表面36并且具有在B板24的第一表面38和A板22的第二表面36之间流动的冷却剂。B板24的第二表面40始终面向组合MEA 26并具有在第二表面40和组合MEA26之间流动的阳极反应物气体。
存在多个定位在板22、24的集管部分并且包围集管部分内的一个或多个开孔的桥接件。具体说来，存在阴极桥接件42、冷却剂桥接件44、阳极桥接件46以及无流动阳极桥接件48。如下文所讨论的，桥接件42、44、46、48定位在板22、24的集管部分内以便为组合MEA 26的垫圈构件提供支撑表面并且在板22、24的集管部分内的开口和板22、24上的流场之间提供所需流路。
在图3A和图3B、图4A和图4B、图5A-图5D以及图7A中，存在高程(elevation)变化，并且较黑的线代表相对于代表较低表面的较轻或较细的线的较高或突起表面。换句话说，较黑线和较浅线之间存在高程差，其中在所描述的视图中较黑的线代表较高的高程。
现在参照图3A和图3B，详细显示了A板22的第一和第二表面34、36。A板22具有大致位于A板22的中间的流场部分50、位于A板22的端部边缘(margin)附近的供给集管部分52以及位于A板22的另一端部边缘附近的返回集管部分54。供给集管部分52包括阴极反应物气体(氧气或空气)、冷却剂以及阳极反应物气体(氢气)分别流经的多个供给开孔56、58、60。类似地，返回集管部分54包括阴极反应物气体、冷却剂以及阳极反应物气体分别流经的返回开孔62、64、66。如下文所谈论的，供给集管部分52内的开孔56、58、60可操作为将所需流体供给到A板22的表面，同时开孔62、64、66可操作为接收在A板22上方流动的流体。存在位于A板22的第一表面34上的流场部分50内的第一流场68。第一流场68包括可操作为支撑组合MEA 26的多个槽脊70以及其间的为流经第一流场68的流体提供流路的多个通道72。如上文所提到的，A板22的第一表面34始终面向组合(unitized)MEA 26并始终接收经第一流场68内的通道72的阴极反应物流。
类似的，如图3B所示，存在位于A板22的第二表面36的流场部分50的第二流场74。如下文所描述的，第二流场74具有多个支撑组合MEA 26或者接触B板24的第一表面38上的相对槽脊的槽脊76。如下文所描述的，第二流场74还具有位于槽脊76间并且阳极反应物气体或冷却剂流经其流动的多个通道78。
A板22优选由刚性金属片(例如不锈钢)模压并包覆有导电材料以便提供低接触电阻。因为A板22是模压的，第一表面34的槽脊和通道70、72形成第二表面36的相应通道和槽脊78、76。换句话说，第一表面34上的各通道72对应第二表面36上的槽脊76，而第一表面34上的各通道72对应于第二表面36上的槽脊76。这导致第二流场74是第一流场68的倒转。流场68、74为在供给集管部分和返回集管部分52、54之间流动的流体提供单流式蜿蜒流路。
A板22的各表面34、36具有相应的周边密封表面80、82，其中第二表面36上的密封表面82宽于第一表面34上的密封表面80。密封表面80、82用于密封到组合MEA 26上或者密封到B板22的相反表面。
随着流场68、72的端部部分沿相应第一和第二表面34、36朝相应冷却剂开孔60，64延伸，与集管部分52、54相邻的第一流场和第二流场68、74的端部部分的大部分远离阴极开孔56，62变细。流场68、74的端部部分的变细可沿着向最大数量的通道供给的流场端部部分提供较大的流动体积，同时减小了沿为减小数量的通道供给的流场端部部分的流动体积。换句话说，流场的端部部分的变细促进冷却剂从冷却剂开孔58流入到流场的通道内，同时足够数量的冷却剂流经所有的通道。类似的，与返回集管部分54相邻的流场端部的变细促进流经通道并进入冷却剂返回开孔64的冷却剂的收集。因而，流场的端部部分变细促进冷却剂经包含流场的各种通道更均匀的分布和流动。
现在参照图4A和图4B，显示了B板24的相应第一和第二表面38、40。B板24包括用于导引流体横穿B板24的表面的流场部分90，用于将流体供给到B板24的供给集管部分92以及用于接收流过B板24的流体的返回集管部分94。供给集管部分92具有阴极反应物气体、冷却剂流体、阳极反应物气体分别流经的多个开孔96、98、100。类似的，返回集管部分94包括分别接收已经流过B板24的表面的阴极反应物气体、冷却剂流体和阳极反应物气体的多个返回开孔102、104、106。
B板24的第一表面38的流场部分90内存在第一流场108。第一流场108包括与A板22的第二表面36上的槽脊76啮合的多个槽脊110以及位于槽脊110之间并且冷却剂流体经其流动的多个通道112。利用设计为与相邻A板22的第二表面36上的槽脊76啮合的B板24的第一表面38的槽脊110，B板24上的第一流场108基本上是A板22的第二流场74的镜像。换句话说，第一流场108的大部分是A板22上的第二流场74的大部分的镜像，以便当A板22的第二表面36相邻B板24的第一表面38定位时，A板22上的槽脊76与B板22的槽脊110大致对齐并啮合，同时相应通道78、112也大致对齐，以使冷却剂流体流经由结合的槽脊76、110隔开的结合通道78、112。第二流场114位于B板24的第二表面40的流场部分90上。第二流场114包括为组合MEA 26提供支撑的多个槽脊116以及位于槽脊116之间的多个通道118，阳极反应物气体经该通道在阳极供给开孔100和阳极返回开孔106之间流动。
B板24的第一和第二表面38、40分别具有相应周边密封表面120、122。第一表面38上的密封表面120宽于第二表面40上的密封表面122。如下文所描述的，B板24的第一表面38上的密封表面120啮合相邻A板22的第二表面36上的密封表面82。B板24的第二表面40上的密封表面122密封在组合MEA 26上。
B板24也优选由刚性金属片，例如不锈钢模压，并且包覆有导电材料以便提供低接触电阻。因为B板24是模压的，第一流场108的第一表面38上的槽脊110和通道112形成第二流场114的相应通道118和槽脊116。换句话说，第一表面38上的槽脊110对应于第二表面40上的通道118，而第一表面38上的通道112对应于第二表面40上的槽脊116。利用这种配置，第二流场114是第一流场108的倒转。流场108、114为在供给集管部分和返回集管部分92、94之间流动的流体提供单流式蜿蜒流路。
现在参照图5A-图5D，显示了桥接件42、44、46、48的顶部平面图。如下文所讨论的，桥接件在A板和B板22、24内的一个或多个开孔周围提供密封并设计成与板的突起部分平齐以便提供密封件可以定位于其上以便在相邻板或组合MEA 26之间进行密封的支撑表面。各桥接件42、44、46、48附着到板22、24的一个表面上。桥接件42、44、46、48可以通过粘合剂、铜焊或者其它方式附着到板22、24的表面。此外，桥接件42、44、46、48具有在桥接件和板之间提供流体紧密密封的粘合剂覆层。桥接件42、44和46在集管部分内的一个开孔和流场之间提供流体通路以便允许流体在开孔和流场之间流动。然而，无流动阳极桥接件48不提供流体通路，而是防止阳极反应物气体流过该无流动阳极桥接件48定位在其周围的阳极开孔。
桥接件42、44、46、48优选刚性金属模压而成，例如不锈钢或类似材料。桥接件42、44、46、48的模压提供两个不同的高程水平，其中一侧上的低点对应于另一侧上的高点，并且反之亦然。使用模压金属产生桥接件42、44、46、48提供了大规模生产用于组装燃料电池和燃料电池堆栈的桥接件的低成本效率方式。
现在参照图5A，显示了阴极桥接件42。阴极桥接件42插在A板22的第一表面34和组合MEA 26之间。阴极桥接件42配置为安装在A板22的第一表面34的集管部分52、54内，同时包围其中的阴极开孔和冷却剂开孔。阴极桥接件42包括包围阴极桥接件42定位于其上的集管部分内的相应阴极开孔和冷却剂开孔并允许阴极反应物气体和冷却剂流体流经相邻板的集管部分的阴极开口130和冷却剂开口132。阴极桥接件42包括沿阴极桥接件42的外围延伸的下周边密封表面134，包围冷却剂开孔的周边的下冷却剂密封表面136以及包围阴极开孔的周边的下阴极密封表面138。如上文所提到的，阴极桥接件42通过例如粘合剂或铜焊以密封方式紧固到板上。阴极桥接件42到板的密封导致下密封表面134、136、138相对板的表面形成流体紧密密封，由此防止从集管部分到其上的流场的流动。类似地，阴极桥接件42具有沿桥接件42的外围延伸并包围冷却剂开口132的外围和阴极开口130的外围的上密封表面140。上密封表面140提供与包围阳极开孔的集管部分的突起区域基本平齐并由此在定位到A板22上时提供可以密封到组合MEA 26上的基本平坦的表面的上升支撑表面。因而，如图6B所示的，阴极桥接件42具有用于在A板22的第一表面34的各集管部分52、54和组合MEA 26的各部分之间提供相应流体紧密密封的上、下密封表面。
除了提供上、下密封表面，阴极桥接件42还允许阴极反应物气体从阴极供给开孔56流动到第一流场68并进入阴极返回开孔62。为了促进这种流动，如图5A和图6A所示，阴极桥接件42具有形成在与阴极开口130相邻的内周壁140i内的第一组端口146以及形成在与第一流场68相邻的外周壁140o内的第二组端口148。通路146、148代表上密封表面140和下密封表面138、134之间的阴极桥接件42内的开口。当定位在供给集管部分52上时，这些开口允许阴极反应物气体从阴极开孔流经第一组通路146，随后在阴极桥接件42和A板22的第一表面34之间，并随后经第二组通路148并进入第一流场68的通道72，并且当定位在返回集管部分54上则反之亦然。如图5A和图6C所示，为了为第一通路和第二通路146、148之间的上密封表面的大跨度部分提供附加支撑，阴极桥接件包括在上高程和下高程之间延伸以便在A板22的第一表面34和阴极桥接件42的上密封表面140之间提供支撑的多个卷折结构(convolution)152。换句话说，卷折结构152包括与A板22的第一表面34接触的下部分154以及形成阴极桥接件42的上密封表面140的一部分的上部分156。如图6C所示，卷折结构152的端部开放以允许阴极反应物气体经其流动。卷折结构152大致定向阴极开孔和流场之间的阴极反应物流动方向上以便最小化阴极反应物气流的阻碍。因而，阴极桥接件42形成提供与A板22的第一表面34的突起高程零件平齐的上密封表面同时允许阴极反应物气体在A板22的第一表面34和阴极桥接件42的上表面之间流动并防止冷却剂流体进入第一流场68的桥。
现在参照图5B，显示了冷却剂桥接件44。冷却剂桥接件44具有与阴极桥接件42相同的外围轮廓。当形成冷却剂板39时，冷却剂桥接件44插入到B板24的第一表面38和A板22的第二表面36之间。冷却剂桥接件44配置成安装到包围其内的冷却剂开孔和阴极开孔的B板24的第一表面38的集管部分内。冷却剂桥接件44包括配置为包围B板24的第一表面38内的阴极开孔的阴极开口160以及配置为包围B板24的第一表面38内的冷却剂开孔的冷却剂开口162。冷却剂桥接件44包括沿冷却剂桥接件44的外围延伸的下周边密封表面164、绕冷却剂开口162的外围延伸的下冷却剂密封表面166以及绕阴极开口160延伸的下阴极密封表面168。如上文所提到的，下密封表面164、166、168通过粘合剂、铜焊或类似方法密封到B板24的第一表面38以便提供流体紧密密封。冷却剂桥接件44具有沿冷却剂桥接件44的外围延伸并包围冷却剂开口162的外围和阴极开口160的外围的上密封表面170。上密封表面170提供了与包围阳极开孔的集管部分的突起区域平齐并由此提供在形成冷却剂板39时可以密封到A板22的第二表面36的集管部分的突起区域上的基本平坦的表面的上升支撑表面。上密封表面170具有弹性体材料或者涂附于其上的密封粘合剂以便促进上密封表面170和A板22的第二表面36上的集管部分的突起区域之间的密封。因而，冷却剂桥接件44具有用于提供B板24的第一表面38的各集管部分92、94的部分和A板22的第二表面36的集管部分52、54的突起部分之间的相应流体紧密密封的上、下密封表面。
冷却剂桥接件44包括相邻冷却剂开口162的外围定位的第一组端口176和沿当定位在B板24上时与第一流场108相邻的冷却剂桥接件44的外围的一部分定位的第二组端口178。第一和第二组端口176、178允许冷却剂流体在冷却剂开孔98、104和B板24上的第一流场108之间流动。当冷却剂流体在第一和第二端口176、178之间流动时，冷却剂流体在B板24的第一表面38和冷却剂桥接件44的上密封表面170的下侧之间流动。冷却剂桥接件44还包括多个具有为阴极开口160和第二组端口178之间的上密封表面170提供附加支撑的下部分和上部分184、186的卷折结构182。卷折结构182配置为大致平行于阴极开口160延伸，由此大致平行于冷却剂流体流动方向并且最小化对在第一和第二组端口176、178之间流动的冷却剂流体的阻碍。因而，冷却剂桥接件44提供B板24的第一表面38上的凹陷集管部分和A板22的第二表面36的突起集管部分之间的流体紧密密封，防止阴极反应物进入B板24的第一流场108并允许冷却剂流体从冷却剂供给开孔98，经第一流场108并流入到冷却剂流体返回开孔104。
现在参照图5C，显示了阳极桥接件46。阳极桥接件46插入A板22的第二表面36和组合MEA 26之间或者B板24的第二表面40和组合MEA 26之间。阳极桥接件46配置为安装在板22、24的第二表面36、40的凹陷集管部分内并且包围其内的阳极开孔。阳极桥接件46具有在定位与其上时包围板22、24上的阳极开孔的阳极开口190。阳极桥接件46包括沿阳极桥接件46的外围延伸的下周边密封表面192以及绕阳极开口190的外围延伸的下阳极密封表面194。下密封表面192、194例如通过粘合剂或铜焊密封在板22、24的第二表面36、40上，并且在其间提供流体紧密密封。阳极桥接件46还具有与组合MEA 26啮合并在其间提供流体紧密密封的上密封表面196。上密封表面196提供与包围相应A板22或B板24中的一个的第二表面36、40上的阴极开孔和冷却剂开孔的集管部分的突起区域基本平齐的上升并且提供可以密封在组合MEA 26上的上升密封表面的密封表面。存在经上密封表面196延伸的一组端口198以便允许阳极反应物气体在板上阳极开孔和流场之间流动。因而，阳极桥接件46提供了在板22、24的表面和组合MEA 26之间形成流体紧密密封同时允许阳极反应物气体在阳极反应物开孔和其上的流场之间流动并防止冷却剂流入的流场的上、下密封表面。
现在参照图5D，显示了无流动(no-flow)阳极桥接件48。无流动阳极桥接件48在形成冷却剂板39时插入到A板22的第二表面36和B板24的第一表面38之间。无流动阳极桥接件48配置为定位在包围其上的阳极开孔的A板22的第二表面36上的凹陷集管部分内。无流动阳极桥接件48防止阳极反应物流经其所紧固的板上的流场。无流动阳极桥接件48包括包围无流动阳极桥接件48定位于其上的板上的阳极开孔的阳极开口200。无流动阳极桥接件48还具有包围无流动阳极桥接件48的外围的下周边密封表面202，包围阳极开口202的外围的下阳极密封表面204以及其间的包围阳极开口200的上密封表面206。如上文所讨论的，下密封表面202、204通过粘合剂或铜焊密封在A板22的第二表面36上。上密封表面206提供与A板22的第二表面36上的集管部分内的上升部分平齐的密封表面。上密封表面206设有粘合剂或弹性体材料以便在上表面206和包围B板24的第一表面38上的阳极开孔的上升集管部分之间提供流体紧密啮合。然而，无流动阳极桥接件48不包含任何端口并且不允许流体在其包围的阳极开孔和相邻流场之间流动。因而，无流动阳极桥接件48作为垫圈或密封件以便允许阳极反应物气体流经集管部分，但不允许阳极反应物气体流经相邻流场。
现在参照图1，将讨论燃料电池堆栈20的构造。A板和B板22、24以重复图案配置，以便形成彼此相邻的多个燃料电池并形成燃料电池堆栈20。具体说来，如下文所讨论的，板22、24配置成形成燃料电池堆栈的BAABA重复图案，其中在其一侧对各组合MEA 26进行冷却。该图案可以进行重复和简化以便提供所需数量的燃料电池的堆栈。
接下来对形成根据本发明原理的燃料电池的讨论将从使用B板24开始。然而，应该知道这种讨论仅是示范性的，并且可以使用其它起点描述本发明。通过将组合MEA 26定位在相对的B板和A板24、22之间形成第一燃料电池。具体说来，一对阳极桥接件46紧固到B板24的第二表面40的集管部分92、94上的凹陷区域并由此在B板24的第二表面40上提供基本水平的密封表面，其包括包围阴极开孔96、102和冷却剂开孔100、104的集管部分92、94的突起区域、阳极桥接件46的上密封表面196以及B板24的第二表面40上的周边密封表面122。这些平齐密封表面相对组合MEA 26定位并在压紧燃料电池堆栈时形成流体紧密密封。一对阴极桥接件42紧固在A板22的第一表面34的集管部分52、54的凹陷区域内并由此提供大致平坦或平齐的密封表面，其包括阴极桥接件42的上密封表面140、A板22的第一表面34上的集管部分52、54的上升区域以及在相对组合MEA 26压紧时形成流体紧密密封的A板22的第一表面34的周边密封表面80。阳极桥接件46允许阳极反应物气体沿B板24上的第二流场114流动，同时阴极桥接件42允许阴极反应物气体流经A板22上的第一流场68，因而形成第一电池。
通过将另一组合MEA 26定位在第一燃料电池的A板22的第二表面36和不同A板22’的第一表面34之间形成另一燃料电池。然而，在这种情况下，不同的A板22’结合到不同的B板24’以形成冷却剂板39。也就是说，通过将不同A板22’的第二表面36定位成面向不同B板24’的第一表面38形成冷却剂板39。一对无流动阳极桥接件48附着到不同A板22’的第二表面36上的集管部分52、54的凹陷区域，同时一对冷却剂桥接件44附着到不同B板24’的第一表面38上的集管部分92、94的凹陷区域。相邻的A板和B板22’、24’例如通过激光焊接、铜焊或者粘合剂附着到一起以便形成冷却剂板39。由于B板24’的第一流场108基本上是A板22’的第二流场74的镜像，流场108、74上的槽脊110、76和通道112、78基本对齐。冷却剂桥接件44允许冷却剂流体从冷却剂供给开孔98、58经相对的流场108、74流入冷却剂返回开孔104、64。因而，冷却剂板39形成从其接触的组合MEA 26去除热量的冷却单元。
利用形成的冷却剂板39，随后可通过将组合MEA 26’夹在用于第一燃料电池的A板22的第二表面和形成冷却剂板39的A板22’的第一表面34之间构建第二燃料电池。具体说来，一对阳极桥接件46附着到A板22的第二表面36上的集管部分52、54的凹陷区域并由此提供基本平坦的密封表面，该密封表面包括阳极桥接件46的上密封表面196、A板22的第二表面36上的集管部分52、54的突起区域以及在相对组合MEA 26’压紧时形成流体紧密密封的A板22的第二表面36上的周边密封表面82。一对阴极桥接件42附着到作为冷却剂板39的部件的A板22’的第一表面34上的集管部分52、54的凹陷区域内并由此提供大致平坦的密封表面，该密封表面包括阴极桥接件42的上密封表面140、A板22’的第一表面34的集管部分52、54的突起区域以及相对组合MEA 26’压紧以便在其间形成流体紧密密封的A板22的第一表面34上的周边密封表面80。阳极桥接件46允许阳极反应物气体在阳极开孔60、66之间并经A板22上的第二流场74沿组合MEA 26的一个表面流动，同时阴极桥接件42使阴极反应物气体能够在阴极开孔56、62之间经冷却剂板39的A板22’上的第一流场68沿组合MEA 26’的另一侧流动，由此形成第二燃料电池。第二燃料电池由流经冷却剂板39的冷却剂流体进行冷却。
通过在冷却剂板39的另一侧和第三A板22”之间压紧另一组合MEA 26”形成第三燃料电池。具体说来，一对阳极桥接件46附着到作为冷却剂板39的部件的B板24’的第二表面40上的集管部分92、94的凹陷区域内并且相对组合MEA 26的一侧压紧以在其间形成流体紧密密封。一对阴极桥接件42附着到第三A板22”的第一表面34的集管部分52、54的凹陷区域内并且相对组合MEA 26的相反侧面压紧。阳极插入物46使阳极反应物气体能够在阳极开孔100、106之间经B板24’上的第二流场114并沿组合MEA 26的一个表面流动，同时阴极桥接件42使阴极反应物气体能够在阴极开孔56、62之间并经A板22”上的第一流场68沿组合MEA 26”的另一表面流动，因而形成第三燃料电池。通过遵循BAABA图案可以完成根据本发明原理的附加燃料电池。
现在参照图7A，显示了根据本发明原理的燃料电池堆栈20的平面图，其中显示A板22的第一表面34。在图7B中显示了合成的阴极供给集管的一部分以及流到包含燃料电池堆栈20的不同燃料电池的阴极反应物气体。也就是说，图7B是沿线7B-7B贯穿图7A的燃料电池堆栈20的截面图，其中该截面延伸到页面内。如所看到的，沿图7B右侧的阴极集管向燃料电池提供阴极反应物气体。其上具有阴极桥接件42的板允许阴极反应物气体从阴极集管流到相关板上的流场，其通过经第一组端口146并随后在上密封表面140和板之间，然后经第二组端口148流入相关流场而实现。相反，在阴极反应物气体遇到冷却剂桥接件44时，从阴极集管进入该板上的流场的流动被禁止。冷却剂桥接件44和阴极桥接件42允许冷却剂流动并防止阴极反应物气体流动的操作与这种情况基本一致，并因而没有显示。类似地，阳极桥接件46和无流动阳极桥接件48的操作与针对阴极桥接件和冷却剂桥接件42、44描述的操作基本相同，因而也没有显示。
现在参照图7C，显示了沿线7C-7C进入页面的图7A的燃料电池堆栈的截面图。因而，显示了合成的燃料电池配置和经流场的不同流体流。如可以看到的，各组合MEA 26的一个表面与包含冷却剂流的通道接触，同时各MEA的相反侧面与阴极反应物气体和阳极反应物气体接触。因而，本发明提供了以堆栈结构进行配置的燃料电池，其中对各MEA的一个表面进行冷却。
尽管已经参照特定示例对本发明进行了讨论，但应该知道不脱离本发明精神的变形倾向于在本发明的范围内。例如，A板和B板之间采用的特定重复图案可以进行变化。此外，其上流场的结构也可以进行调整以便沿板表面提供所需数量的流体通过。而且，集管部分的凹陷和上升区域的配置也可以变化以便提供所需结构。此外，集管部分内的不同开孔的结构或定向也可以改变，因而本发明的描述本质上仅是示范性的，并且不脱离本发明原理的变形不应认为是脱离本发明的精神和范围。

Claims (46)

1.一种用于燃料电池内的隔离板组件，包括：
板，所述板具有边缘以及形成于所述板的表面内的流场，所述边缘带有经其形成的开孔；以及
桥接件，与所述边缘密封接触并包围所述开孔以便在所述开孔周围提供突起的表面，所述桥接件具有一组形成于其中的端口以便在所述边缘和所述突起表面之间提供从所述开孔到所述流场的流体连通。
2.根据权利要求1所述的隔离板组件，其特征在于：所述桥接件包括在所述边缘和所述突起表面之间延伸的外围壁，所述端口组形成在所述外围壁内。
3.根据权利要求2所述的隔离板组件，其特征在于：所述桥接件进一步包括从所述外围壁延伸并与所述表面密封接触的密封表面。
4.根据权利要求1所述的隔离板组件，其特征在于：所述桥接件进一步包括形成在所述突起表面内以便提供与所述边缘接触的局部凹陷区域的卷折结构，由此为所述桥接件提供支撑，同时允许其间的流体连通。
5.根据权利要求1所述的隔离板组件，其特征在于：所述边缘包括经其形成的第二开孔以便提供经所述板的流体连通，所述桥接件的一部分包围所述第二开孔以便将所述流场相对所述第二开孔进行密封。
6.根据权利要求1所述的隔离板组件，其特征在于：所述边缘包括形成于其内的与所述桥接件相邻的密封表面，所述密封表面和所述突起表面平放在大致平行并间隔于所述板的所述表面的平面内。
7.根据权利要求6所述的隔离板组件，其特征在于：所述密封表面具有形成于其内的第二开孔以便提供经所述板的流体连通。
8.根据权利要求7所述的隔离板组件，其特征在于：进一步包括设置在与所述流场相反的所述板的表面上的密封件，所述密封件包围所述第二开孔并与所述板密封接触。
9.根据权利要求8所述的隔离板组件，其特征在于：所述密封件包括与所述板密封接触的第二桥接件。
10.一种燃料电池，包括至少一个根据权利要求1所述的隔离板组件。
11.一种用于燃料电池中的隔离板组件，包括：
板，具有带经其形成的入口开孔的入口边缘，带经其形成的返回开孔的返回边缘以及形成于所述板的表面的流场；
入口桥接件，与所述入口边缘密封接触并包围所述入口开孔以便在所述入口开孔周围提供第一突起表面，所述入口桥接件具有一组形成于其内的入口端口以便在所述入口边缘和所述第一突起表面之间提供从所述入口开孔到所述流场的流体连通；以及
返回桥接件，与所述返回边缘密封接触并包围所述返回开孔以便在所述返回开孔周围提供第二突起表面，所述返回桥接件具有一组形成于其中的返回端口以便在所述返回边缘和所述第二突起表面之间提供从所述流场到所述返回开孔的流体连通。
12.根据权利要求11所述的隔离板组件，其特征在于：所述入口桥接件和所述返回桥接件均包括在所述边际边缘和所述突起表面之间延伸的外围壁，所述端口组形成在所述外围壁内。
13.根据权利要求12所述的隔离板组件，其特征在于：所述入口桥接件和所述返回桥接件均进一步包括从所述外围壁延伸并与所述表面密封接触的密封表面。
14.根据权利要求11所述的隔离板组件，其特征在于：所述入口桥接件和所述返回桥接件均进一步包括形成于所述突起表面内以便提供与所述边缘接触的局部凹陷区域的卷折结构，由此为所述入口和返回桥接件的各桥接件提供支撑，同时允许其间的流体连通。
15.根据权利要求11所述的隔离板组件，其特征在于：所述入口边缘包括经其形成的第二入口开孔以便提供经所述板的流体连通，所述入口桥接件的一部分包围所述第二入口开孔以便相对所述第二入口开孔密封所述流场。
16.根据权利要求15所述的隔离板组件，其特征在于：所述返回边缘包括经其形成的第二返回开孔以便提供经所述板的流体连通，所述返回桥接件的一部分包围所述第二返回开孔以便相对所述第二返回开孔密封所述流场。
17.根据权利要求11所述的隔离板组件，其特征在于：所述入口边缘包括形成于其内与所述入口桥接件相邻的密封表面，所述密封表面和所述第一突起表面平放在大致平行并间隔于所述板的所述表面的平面内。
18.根据权利要求17所述的隔离板组件，其特征在于：所述密封表面具有经其形成的第二入口开孔以便提供经所述板的流体连通。
19.根据权利要求18所述的隔离板组件，其特征在于：进一步包括设置在与所述流场相反的所述板的表面上的密封件，所述密封件包围所述第二入口开孔并与所述板密封接触。
20.根据权利要求19所述的隔离板组件，其特征在于：所述密封件包括与所述板密封接触的第二入口桥接件。
21.根据权利要求11所述的隔离板组件，其特征在于：所述返回边缘包括形成于其内与所述返回桥接件相邻的密封表面，所述密封表面和所述第二突起表面平放在大致平行并间隔于所述板的所述表面的平面内。
22.根据权利要求21所述的隔离板组件，其特征在于：所述密封表面具有形成于其内的第二返回开孔，以便提供经所述薄板的流体连通。
23.根据权利要求22所述的隔离板组件，其特征在于：进一步包括设置在与所述流场相反的所述板的表面上的密封件，所述密封件包围所述第二返回开孔并与所述板密封接触。
24.根据权利要求23所述的隔离板组件，其特征在于：所述密封件包括与所述板密封接触的第二返回桥接件。
25.一种燃料电池，包括至少一个根据权利要求11所述的隔离板组件。
26.一种用于燃料电池中的双极板组件，包括：
板，所述板具有带经其形成的第一开孔和第二开孔的第一边缘，形成于所述板的第一表面内的第一流场以及形成于所述板的第二表面内的第二流场；
第一桥接件，与所述第一表面上的所述第一边缘密封接触并包围所述第一开孔以便在所述第一开孔周围提供第一突起表面，所述第一桥接件具有形成于其内的第一组端口以便在所述第一边缘和所述第一突起表面之间提供从所述第一开孔到所述第一流场的流体连通；以及
第二桥接件，与所述第二表面上的所述第一边缘密封接触并包围所述第二开孔以便在所述第二开孔周围提供第二突起表面，所述第二桥接件具有形成于其内的第二组端口以便在所述第一边缘和所述第二突起表面之间提供从所述第二开孔到所述第二流场的流体连通。
27.根据权利要求26所述的隔离板组件，其特征在于：所述第一和第二桥接件均包括在所述第一边缘和所述突起表面之间延伸的外围壁，所述端口组形成于所述外围壁内。
28.根据权利要求27所述的隔离板组件，其特征在于：所述桥接件进一步包括从所述外围壁延伸并与所述表面密封接触的密封表面。
29.根据权利要求27所述的隔离板组件，其特征在于：所述第一桥接件进一步包括在所述外围壁之间形成于所述第一突起表面内的卷折结构以便提供与所述第一边缘接触的局部凹陷区域，由此为所述第一桥接件提供支撑并允许其间的流体连通。
30.根据权利要求26所述的隔离板组件，其特征在于：所述板具有带经其形成的第三开孔和第四开孔的第二边缘，并且所述隔离板组件进一步包括：
第三桥接件，与所述第一表面上的所述第二边缘密封接触并包围所述第三开孔以便在所述第三开孔周围提供第三突起表面，所述第三桥接件具有形成于其内的第三组端口以便在所述第二边缘和所述第三突起表面之间提供从所述第一流场到所述第三开孔的流体连通；以及
第四桥接件，与所述第二表面上的所述第二边缘密封接触并包围所述第四开孔以便在所述第四开孔周围提供第四突起表面，所述第四桥接件具有形成于其内的第四组端口以便在所述第二边缘和所述第四突起表面之间提供从所述第二流场到所述第四开孔的流体连通。
31.根据权利要求30所述的隔离板组件，其特征在于：所述第三和第四桥接件均包括在所述第二边缘和所述突起表面之间延伸的外围壁，所述端口组形成在所述外围壁内。
32.根据权利要求31所述的隔离板组件，其特征在于：所述桥接件进一步包括从所述外围壁延伸并与所述表面密封接触的密封表面。
33.根据权利要求31所述的隔离板组件，其特征在于：所述第三桥接件进一步包括在所述外围壁之间形成于所述第三突起表面内的卷折结构以便提供与所述第二边缘接触的局部凹陷区域，由此为所述第三桥接件提供支撑，同时允许其间的流体连通。
34.根据权利要求30所述的隔离板组件，其特征在于：所述板包括形成于所述第一表面内以便限定所述第一流场的第一组槽脊和通道以及形成于所述第二表面内以便限定所述第二流场的第二组槽脊和通道。
35.根据权利要求34所述的隔离板组件，其特征在于：所述板包括薄模压板以使所述第一表面内的第一组槽脊对应于所述第二表面内的第二组通道，而所述第一表面内的第一组通道对应于所述第二表面内的第二组槽脊。
36.根据权利要求35所述的隔离板组件，其特征在于：所述第一流场在所述第一开孔和所述第三开孔之间提供单流式蜿蜒流路，而所述第二流场在所述第二开孔和所述第四开孔之间提供单流式蜿蜒流路。
37.根据权利要求26所述的隔离板组件，其特征在于：所述板包括形成于所述第一表面内以便限定所述第一流场的第一组槽脊和通道以及形成于所述第二表面内以便限定所述第二流场的第二组槽脊和通道。
38.根据权利要求37所述的隔离板组件，其特征在于：所述板包括薄模压板以使所述第一表面内的第一组槽脊对应于所述第二表面的第二组通道，而所述第一表面内的第一组通道对应于所述第二表面的第二组槽脊。
39.一种燃料电池，包括至少一个根据权利要求26所述的隔离板组件。
40.一种用于燃料电池内的双极板组件，包括：
第一板，具有带经其形成第一开孔和第二开孔的的第一边缘以及形成于所述第一板的第一表面内的第一流场；
第二板，具有带经其形成的第三开孔和第四开孔的第二边缘以及形成于所述第二板的第二表面内的第二流场，所述第二板定位成与所述第一板成相对关系以使所述第一流场和所述第二流场向外面向；
第一桥接件，与所述第一表面的所述第一边缘密封接触并包围所述第一开孔以便在所述第一开孔周围提供第一突起表面，所述第一桥接件具有形成于其内的第一组端口以便在所述第一边缘和所述第一突起表面之间提供从所述第一开孔到所述第一流场的流体连通；
第二桥接件，与所述第二表面上的所述第二边缘密封接触并包围所述第二开孔以便在所述第二开孔周围提供第二突起表面，所述第二桥接件具有形成于其内的第二组端口以便在所述第二边缘和所述第二突起表面之间提供从所述第二开孔到所述第二流场的流体连通；
第三桥接件，介于所述第一板和所述第二板之间并与其密封接触，所述第三桥接件包围所述第一开孔和所述第三开孔；以及
第四桥接件，介入所述第一板和所述第二板之间并与其密封接触，所述第四桥接件包围所述第二开孔和所述第四开孔。
41.根据权利要求40所述的双极板，其特征在于：所述第一板和所述第二板紧固到一起以便在其间形成封闭的体积。
42.根据权利要求41所述的双极板，其特征在于：所述第一板具有形成于所述第一边缘内以便提供经其的流体连通的第五开孔，所述第二板具有形成于所述第二边缘内以便提供经其的连通的第六开孔，并且所述第三桥接件和所述第四桥接件中的一个包围所述第五开孔和所述第六开孔。
43.根据权利要求42所述的双极板，其特征在于：所述第三桥接件和所述第四桥接件中的所述一个具有形成于其内以便在所述第五开孔和所述第六开孔与所述封闭体积之间提供流体连通的一组端口。
44.一种燃料电池，包括至少一个如权利要求40所述的双极板。
45.一种燃料电池的隔离板内的流场几何结构，所述流场几何结构包括：
具有多个通道的流场；
在所述流场和第一集管之间提供流体连通的第一供给；
在所述流场和第二集管之间提供流体连通的第二供给；以及
所述第一给料供给和给料第二给料供给中的一个具有随着所述端部部分和所述相应集管之间距离沿所述表面的变化而沿所述表面远离相应集管变细的端部部分。
46.根据权利要求45所述的流场几何结构，其特征在于：所述第一供给和所述第二供给均具有随着所述所述端部部分和所述相应集管之间距离沿所述表面的变化而沿所述表面远离相应集管变细的端部部分。
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