CN101142342A - 流场板布置 - Google Patents

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Abstract

反应物和冷却剂流场结构的常规布置产生了需要将流场板制造得相对厚的许多问题。然而，通过将流场板制造得较厚，增加了电化学池堆的尺寸和重量，其难以减小。但是，常规设计的薄板易于开裂和/或断裂。相比而言，根据本发明的一些实施方案，提供了一种能够减少在单个流场板上的应力的、反应物流场通道和肋与冷却剂流场通道和肋的协作布置，因而允许使用较薄的流场板。更具体地，根据本发明的一些实施方案，在同一流场板上的在各自的反应物流场结构和冷却剂流场结构内包括的大多数肋彼此对准。

Description

流场板布置
技术领域
本发明涉及电化学电池，具体而言涉及适于在该电化学电池中使用的各种流场板布置。
背景技术
电化学电池，如此处所限定的，是一种可以被配置成要么是燃料电池要么是电解电池的电化学反应器。通常，该两种变体的电化学电池包括阳极电极、阴极电极和布置在该阳极电极和阴极电极之间的电解质层(例如质子交换膜)。该阳极电极和阴极电极通常是以流场板的形式提供的。在下文中应该的理解的是，流场板的“前表面”和“后表面”名称指示特定流场板相对于电解质层的方向。该“前表面”是指面向该电解质层的活性表面，而该“后表面”是指背向该电解质层的非活性表面。
通过布置在特定流场板的前表面上的流场结构，向该电解质层的附近供应和从该电解质层的附近排出过程气体/液体(反应物和产物)。该流场结构典型地包括若干由肋限定的称为流场通道的开面通道(open-faced channel)，这些开面通道被布置为将过程气体/液体散布在该电解质层上。
燃料电池反应和电解反应典型地是放热的，因此温度调节是需要考虑的重要事项。适当的温度调节为期望的电化学反应的调节提供了控制点。通常必须提供MEA的非活性周边区域部分来隔离流过冷却剂流场通道的冷却剂流，以散逸在工作过程中产生的热量，其中所述冷却剂流场通道被布置在某些组成流场板的后表面上。
按照惯例，在相应的阳极板和阴极板上的各自流场通道典型地具有不同的构造。在每个板上具有不同流场结构的结果是，阳极流场板上限定流场结构的肋通常偏移对应的阴极流场板上的肋。作为为了确保足够密封而施加到组装的电化学电池堆的端部的压力的结果，各个阳极板和阴极板之间的电解质层受到由每个板上的流通道之间的偏移所引起的剪切力，这会损害电解质膜和/或导致退化更快。在某些具体情况下，流场板上的通道之间的偏移也阻碍了过程气体/液体在电化学电池内的分布，从而降低了效率。而且，这些差异使得流场板的制造和组装复杂而且成本高昂。
此外并且常规地，流场板(例如阳极或者阴极)的后表面上的冷却剂流场通道是独立于前表面(即反应物流场)上的流场通道来设计的。具体地，除了具有不同的布局之外，冷却剂流场内的通道和肋有时与反应物流场内的通道和肋具有不同的尺寸。这导致了在单个板中反应物流场的肋和通道与冷却剂流场的肋和通道之间存在偏移。反应物流场通道和冷却剂流场通道之间的偏移会导致冷却不充分并产生热点，这进而导致差的温度调节并且缩短了燃料电池堆的寿命。此外，当电化学电池堆被组装好并且施加压力来将该堆保持在一起时，该压力被传递到反应物流场和冷却剂流场内的肋上。该压力在各个板上引起一系列内应力，这些内应力是直接由各自的反应物流场和冷却剂流场内的偏移肋产生的。为了补偿这些应力，并且从而降低开裂和/或断裂的风险，流场板被制作得较厚。较厚的板增大了燃料电池堆的尺寸和重量，使燃料电池堆不能容易地被移动。
发明内容
根据本发明的实施方案的一方面，提供了一种电化学流场板，包括：前表面和后表面；在该前表面上的反应物流场，其具有各自的多个由相应的多个肋限定的主开面反应物流通道；以及在该后表面上的冷却剂流场，其具有各自的多个由相应的多个肋限定的主开面冷却剂流通道，其中该主开面冷却剂流通道的至少一部分与各自的主开面反应物流通道的至少一部分成镜像。
在一些实施方案中，该电化学流场板还包括多个支管孔，其中在该前表面上该反应物流场与两个反应物支管孔流体连接，并且其中在该后表面上该冷却剂流场与两个冷却剂支管孔流体连接。在更具体的实施方案中，在该前表面上该反应物流场包括多个入口反应物流通道，提供了该反应物流场到该两个反应物支管孔之一的流体连接；以及其中在该后表面上该冷却剂流场包括多个入口冷却剂流通道，提供了该冷却剂流场到该两个冷却剂支管孔之一的流体连接；并且其中该入口冷却剂流通道的至少一部分与该多个入口反应物流通道的至少一部分成镜像。在其它具体实施方案中，在该前表面上该反应物流场包括多个出口反应物流通道，提供了该反应物流场到该两个反应物支管孔之一的流体连接；以及其中在该后表面上该冷却剂流场包括多个出口冷却剂流通道，提供了该冷却剂流场到该两个冷却剂支管孔之一的流体连接；并且其中该出口冷却剂流通道的至少一部分与该多个出口反应物流通道的至少一部分成镜像。
在某些非常具体的实施方案中，该反应物流通道和冷却剂流通道的镜像部分包括彼此相对设置的反应物流通道部分和冷却剂流通道部分。在其它非常具体的实施方案中，该反应物流通道和冷却剂流通道的镜像部分由该前表面上的部分肋限定，该前表面上的肋被设置为与该后表面上的部分肋相对。在还一些其它具体实施方案中，未镜像的该反应物流场通道部分和冷却剂流场通道部分的至少一部分被布置为彼此半垂直。
在某些实施方案中，该反应物流通道和冷却剂流通道中的至少一个在流通道拐角处设有倒角，以保持基本不变的流通道横截面，而且其中该肋的端部是圆形的，以减少紊乱。
根据本发明的实施方案的一方面，提供了一种电化学电池，包括：第一电化学流场板，其具有各自的前表面和后表面，该前表面具有包括有各自的多个第一主开面反应物流通道的第一反应物流场，以及该后表面具有包括有各自的多个主开面冷却剂流通道的冷却剂流场，其中该主开面冷却剂流通道的至少一部分与该第一主开面反应物流通道的至少一部分成镜像；以及第二电化学流场板，其具有各自的前表面，该前表面具有包括有各自的多个第二主开面反应物流通道的第二反应物流场，该第二主开面反应物流通道的至少一部分与该多个第一主开面反应物流通道的至少一部分成镜像。
在某些实施方案中，该第一和第二电化学流场板每一个还包括相应的多个支管孔，并且其中该第一反应物流场与在该第一电化学流场板上的两个第一反应物支管孔流体连接，其中在该第一板上该冷却剂流场与两个冷却剂支管孔流体连接，并且其中在该第二电化学流场板上该第二反应物流场与两个第二反应物支管孔流体连接。
在更具体的实施方案中，在该前表面上该第一反应物流场包括多个第一入口反应物流通道，提供了该第一反应物流场到该两个第一反应物支管孔之一的流体连接；以及其中在该后表面上该冷却剂流场包括多个入口冷却剂流通道，提供了该冷却剂流场到该两个冷却剂支管孔之一的流体连接；并且其中该入口冷却剂流通道的至少一部分与该多个第一入口反应物流通道的至少一部分成镜像。在更具体的实施方案中，在该第二电化学流场板上该第二反应物流场还包括多个第二入口反应物流通道，将该第二反应物流场流体连接到该两个第二反应物支管孔之一，同时该第二入口反应物流通道的至少一部分与该第一入口反应物流通道的至少一部分成镜像。
在某些实施方案中，在该前表面上该第一反应物流场包括多个第一出口反应物流通道，提供了该第一反应物流场到该两个第一反应物支管孔之一的流体连接；以及其中在该后表面上该冷却剂流场包括多个出口冷却剂流通道，提供了该冷却剂流场到该两个冷却剂支管孔之一的流体连接，并且其中该出口冷却剂流通道的至少一部分与该多个第一出口反应物流通道的至少一部分成镜像。
在某些实施方案中，多个第二出口反应物流通道被设置在该第二电化学流场板上，将该第二反应物流场流体连接到该两个第二反应物支管孔之一，同时该第二出口反应物流通道的至少一部分与该第一出口反应物流通道的至少一部分成镜像。
在阅读了本发明的具体实施方案的以下描述后，本发明的其它方面和特征对于本领域内的普通技术人员将变得明显。
附图说明
为了更好地理解本发明，并且为了更清楚地显示它如何被实现，现在将通过实例并参考示出了本发明的各实施方案的方面的附图，其中：
图1是燃料电池模块的简化示意图；
图2是燃料电池模块的分解的立体图；
图3A是根据本发明的实施方案的方面适于用于图2中图解的燃料电池模块的阳极流场板的前表面示意图；
图3B是图3A中图解的阳极流场板的后表面示意图；
图3C是图3A中沿线A-A所得到的阳极流场板的放大的局部截面图；
图3D是仅图3A中示出的阳极流场板的前表面的端部放大的断裂视图的示意图；
图4A是根据本发明的实施方案的方面适于用于图2中图解的燃料电池模块的阴极流场板的前表面示意图；
图4B是仅图4A中示出的阴极流场板的前表面的端部放大的断裂视图的示意图；
图4C是图4A和4B中示出的阴极流场板的前表面的一部分放大立体图；
图4D是图4A中图解的阴极流场板的后表面的示意图；
图4E是仅图4B中示出的阴极流场板的后表面的端部放大的断裂视图的示意图；
图4F是图4B中示出的阴极流场板的后表面的一部分的放大立体图；
图4G是图4A中沿线B-B所得到的阴极流场板的放大的局部截面图；
图5A是示出了在单个燃料电池中的现有技术的流场板的横截面的示意图；
图5B是示出了使用根据本发明的实施方案所设置的流场板的一对燃料电池的横截面的示意图；
图5C是根据本发明的实施方案的穿过包括在邻近的阳极流场板和阴极流场板上的主阳极、阴极和冷却剂通道的截面立体图；
图5D是根据本发明的实施方案的穿过包括在邻近的阳极流场板和阴极流场板上的出口阳极、阴极和冷却剂通道的截面立体图；
图6A是图4F中示出的单独凸出的端部部分的放大立体图；以及
图6B显示了根据本发明的替代实施方案的各个流通道肋的肋端部。
具体实施方式
反应物流场结构和冷却剂流场结构对于分别在包括在电化学电池内的流场板的相应前表面和后表面上分配过程气体/液体和冷却剂是有用的。反应物流场结构和冷却剂流场结构的常规布置需要将流场板被制造得相对地厚而产生了许多问题。但是，通过将流场板制造得较厚，增加了电化学电池堆的尺寸和重量，所增加的尺寸和重量难以降低。然而，由于压力传递到反应物流场结构和冷却剂流场结构中的肋上而导致产生内应力的结果，常规设计的薄板易于开裂和/或断裂。
相比而言，根据本发明的一些实施方案，提供了一种流场板反应物流场通道和肋与冷却剂流场通道和肋相协作的布置，该布置能够减少各个流场板上的应力，因而允许使用较薄的流场板。具体地，根据本发明的一些实施方案，包括在同一流场板上的各自的反应物流场结构和冷却剂流场结构内的大多数肋彼此对准；因此，由该相应的肋限定的大多数通道也彼此对准。反应物流场结构和冷却剂流场结构的相对对准可以提供在反应物通道和冷却剂通道之间增强的热传递，从而改善温度调节。由于在板两侧的对准肋能够增强在该板的整个区域上的支撑而不需要相对厚的板，所以反应物流场结构和冷却剂流场结构的相对对准也可以增加每个板的结构集成度。也就是说，通过匹配在同一板两侧上的肋，该板能够被制造得更坚固，从而能够制造得更薄。
可以使用根据在申请人的共同未决美国专利申请10/109,002(2002年3月29日提交)中描述的实施例的流场结构和板布置方面，以提供膜上减小的剪切力并简化流场板之间的密封。申请人的共同未决美国专利申请10/109,002的所有内容通过引用而并入本说明书中。
如在申请人的共同未决美国专利申请10/109,002中所公开的，在组装之后，阳极流场通道和阴极流场通道的主要部分被直接彼此相对设置，同时膜被设置在该两个电极之间。因此，阳极流场板的肋的主要部分与阴极流场板上的肋的相应主要部分相匹配。
也可以使用根据在申请人的共同未决美国专利申请09/855,018(2001年5月15日提交)中描述的实施例的流场板布置方面，以提供流场板和布置在两个电极间的膜之间的有效密封。申请人的该共同未决美国专利申请09/855,018的所有内容通过引用而并入本说明书中。
如在申请人的共同未决美国专利申请09/855,018中所公开的，来自各个支管孔的特定过程气体/液体的入口流不直接发生在流场板的前(活性)表面上；相反地，过程气体/液体首先被从各个支管孔导向到该流场板的后(非活性)表面部分上，然后穿过从该后表面延伸到该前表面的“背面馈送”孔。该前表面部分限定一活性区域，当电化学电池堆被组装时该区域与在该前表面上的相应支管孔密封隔离。其上发生过程气体/液体的入口流的后表面部分具有与相应支管孔流体连通的开面气体/流体流场通道。该背面馈送孔从该后表面延伸到该前表面，以提供该活性表面和该开面气体/液体流场通道之间的流体连通，其中该开面气体/液体流场通道与相应的支管孔流体连通。因此，如在申请人的共同未决美国专利申请09/855,018中所提供的实施例中所描述的，可以在围绕膜边缘的不中断路径内制造该膜和流场板之间的密封。
在现有技术的实例中，膜和流场板的前表面上的活性区域之间的密封，通常是围绕该膜边缘，被从该流场板前表面上的活性区域通向各个支管孔的开面流场通道中断。相比而言，根据申请人的前述共同未决申请，过程气体/液体通过背面馈送孔从每个流场板的后表面馈送到前表面上的活性区域，其中围绕背面馈送孔和相应支管孔进行密封。
在本说明书中，这种从后(被动的或非活性)表面向前(活性)表面流动液体的方法被称之为“背面馈送”。本领域内的技术人员将理解，以类似的方式气体/液体可以从前表面上的活性区域排出到该后表面，并且然后排入到另一相应的支管孔。
也可以使用根据在申请人的共同未决美国专利申请10/845,263(2004年5月14日提交)中描述的实施例的流场板布置方面，以提供流场板和布置在两个电极间的膜之间的有效密封。申请人的该共同未决美国专利申请10/845,263的所有内容通过引用而并入本说明书中。
还如在申请人的共同未决美国专利申请10/845,263中所公开的，来自各个支管孔的特定过程气体/液体的入口流并不直接发生在流场板的前(活性)表面上；相反，过程气体/液体首先被从相对朝向的互补活性表面的一部分上的各个支管孔导向，所述互补活性表面属于邻近的电化学电池，然后穿过贯穿该流场板的前表面的“互补活性面馈送”孔。根据申请人的共同未决美国专利申请10/845,263中所描述的实施例，可以在围绕该膜边缘不中断路径内制造该膜和流场板之间的密封，而不需要该流场板具有被动表面，如申请人的共同未决美国专利申请09/855,018中所描述的实施例。
根据申请人的共同未决美国专利申请10/845,263中描述的实施例的流场板布置的多个方面，提供了一种对称流场板布置，使得能够对电化学电池堆中所使用的阳极流场板和阴极流场板两者都使用单一流场板设计。也就是说，在一些实施方案中，在电化学电池堆中所使用的阳极流场板和阴极流场板是基本相同的。
而且，申请人的共同未决美国专利申请09/854,362中所教导的“适当位置密封(seal-in-place)”技术可以有利地用于与本发明的实施方案方面结合。美国专利申请09/854,362的所有内容通过引用而并入本说明书中。
通常理解的是，在实践中，所有同一类型的多个电化学电池可以被布置在具有诸如过程气体/液体馈送、排放、电连接和调节装置等共同的特征的电池堆内。也就是说，电化学电池模块典型地由许多单个的电化学电池串联连接组成以形成电化学电池堆。电化学电池模块也包括用于支持该电化学电池模块的功能和运转的相关联的结构元件、机械系统、硬件、固件和软件的适当组合。这样的零件包括而不限于管路、传感器、调节器、集流器、密封件、绝缘体和机电控制器。
如上所述，流场板典型地包括许多支管孔，每一个支管孔用作特定过程气体/液体的相应延伸分配通道部分。在一些实施方案中，电解电池的阴极不需要供应输入过程气体/液体，而只需要从其中排出氢气和水。在这样的电解电池中，流场板不需要阴极入口支管孔，但需要出口支管孔。相比而言，燃料电池的典型实施方案对阳极和阴极都使用了入口和出口支管孔。但是，燃料电池也可以以封闭模式来运行，其中过程反应物被供应到该燃料电池但不会从该燃料电池循环离开。在这样的实施方案中，只设置了入口支管孔。
已有许多不同的电化学电池技术，总体而言，本发明期望可适用于所有类型的电化学电池。已经阐述了用于质子交换膜(PEM)燃料电池的本发明的非常具体的示例性实施方案。其它类型的燃料电池包括但不限于：碱性燃料电池(AFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)以及再生燃料电池(RFC)。类似地，其它类型的电解电池包括但不限于：固体聚合物水电解槽(SPWE)。
参考图1，所示出的是质子交换膜(PEM)燃料电池模块的简化示意图，该电池模块在下文中简称为燃料电池模块100，在此描述该燃料电池模块来说明与电化学电池模块相关的一些总体考虑。应该理解的是，本发明可应用于各种构造的电化学电池模块，每一个电化学电池模块包括一个或多个电化学电池。本领域内的技术人员将理解，PEM电解槽模块具有与图1中所示出的PEM燃料电池模块100相类似的构造。
燃料电池模块100包括阳极电极21和阴极电极41。该阳极电极21包括气体输入端口22和气体输出端口24。类似地，该阴极电极41包括气体输入端口42和气体输出端口44。电解质膜30被布置在该阳极电极21和该阴极电极41之间。
该燃料电池模块100还包括在该阳极电极21和该电解质膜30之间的第一催化剂层23，以及在该阴极电极41和该电解质膜30之间的第二催化剂层43。在一些实施方案中，该第一和第二催化剂层23、43被分别直接设置在该阳极电极21和阴极电极41上。
负载115可连接在阳极电极21和阴极电极41之间。
在工作时，在某些预定的条件下，经由气体输入端口22将氢燃料引入阳极电极21中。这些预定条件的示例包括而不限于：诸如流速、温度、压力、相对湿度等因素以及氢与其它气体的混合物。氢在电解质膜30和第一催化剂层23参与的情况下，根据以下给出的反应(1)发生电化学反应。
(1)H2-＞2H++2e-
反应(1)的化学产物是氢离子(即阳离子)和电子。该氢离子穿过电解质膜30到达阴极电极41，而电子穿过负载115被吸引。多余的氢(有时与其它气体和/或液体结合)通过气体输出端口24引出。
同时，在某些预定的条件下，经由气体输入端口42将氧化剂(例如空气中的氧气)引入到阴极电极41中。这些预定条件的示例包括而不限于：诸如流速、温度、压力、相对湿度等因素以及氧化剂与其它气体的混合物。多余的气体，包括未反应的氧化剂和所生成的水，通过气体输出端口44被引出阴极电极41。
氧化剂在电解质膜30和第二催化剂层43参与的情况下，根据以下给出的反应(2)发生电化学反应。
(2)1/2O2+2H++2e--＞H2O
反应(2)的化学产物是水。在阳极电极21中通过反应(1)产生的电子和离子化的氢原子，在阴极电极41内以反应(2)被电化学消耗。电化学反应(1)和(2)是彼此互补的，并且显示了对于每电化学消耗一个氧分子(O2)，电化学消耗两个氢分子(H2)。
在类似构造的水供应电解槽中，在阳极和阴极内反应(2)和(1)分别相反。这是通过用电压源替代负载115并且向该两个电极中的至少一个供应水来实现的。该电压源用于提供电势，该电势具有分别与图1中的阳极电极21和阴极电极41所示出的极性相反的极性。这样的电解槽的产物包括氢(H2)和氧(O2)。
现在参考图2，图2图解了燃料电池模块100’的分解立体图。为了简洁和简单起见，在图2中只示出了一个电化学电池的元件。也就是说，该燃料电池模块100’只包括一个燃料电池；但是，一个燃料电池堆通常包括多个堆叠在一起并且电串联连接的燃料电池。该燃料电池模块100’的燃料电池包括阳极流场板120、阴极流场板130和布置在该阳极流场板120和阴极流场板130之间的膜电极组件(MEA)124。
同样，与阳极流场板120和阴极流场板130相关的“前表面”和“后表面”名称指示它们各自相对于该MEA 124的方向。流场板的“前表面”是面向MEA 124的一侧，而“后表面”是背向MEA 124。
简单地，每个流场板120、130具有入口区域和出口区域。在该具体实施方案中，为了清楚起见，入口区域和出口区域被分别放置在每个流场板的相对端上。但是，各种其他的布置也是可能的。每个流场板120、130还包括许多开面流通道，这些流通道将入口区域流体连接到出口区域并且提供了用于将过程气体/液体分配到MEA 124的结构。
MEA 124包括布置在阳极催化剂层(未示出)和阴极催化剂层(未示出)之间的固体电解质(例如质子交换膜)125。
燃料电池模块100’的燃料电池包括布置在阳极催化剂层和阳极流场板120之间的第一气体扩散介质(GDM)122，以及布置在阴极催化剂层和阴极流场板130之间的第二GDM 126。GDM 122、126有助于过程气体(例如燃料、氧化剂等)向MEA 124的催化剂表面扩散。GDM 122、126也增强了在该阳极和阴极流场板120、130中的每一个和固体电解质125(例如质子交换膜)之间的电导率。
燃料电池的元件被燃料电池模块100’的支撑元件封闭。具体地，燃料电池模块100’包括阳极端板102和阴极端板104，在它们之间适当地布置燃料电池和其他元件。在本实施方案中，阴极端板104设有用于供应和排出过程气体/液体的连接端口。这些连接端口将在下文中更详细地描述。
布置在阳极端板102和阴极端板104之间的其它元件分别包括阳极绝缘板112、阳极集流器板116、阴极集流器板118和阴极绝缘板114。在不同的实施方案中，不同数量的电化学电池被布置在集流器板116和118之间。在这些实施方案中，组成每个电化学电池的元件被适当地顺序重复，以提供产生期望输出的电化学电池堆。在多个实施方案中，如果需要，在板之间设置密封装置，以确保过程气体/液体彼此隔离。
为了将燃料电池模块100’保持在一起，设置了多个连杆131，该多个连杆穿过阴极端板104上的相应平孔被拧入阳极端板102内螺纹孔(或者其它紧固件)。设置了多个螺母和垫圈(或者其它紧固装置)用于拧紧整个组件并确保单个电化学电池的不同元件被保持在一起。连杆131和相应的紧固装置用于向端板102和104施加压力，以将该电化学电池的所有上述板一起保持在密封装置中。
如上所述，包括到电化学电池堆的各种连接端口，来提供一种用于供应和排出气体、液体、冷却剂等的装置。在一些实施方案中，到电化学电池堆的各种连接端口被成对设置。每对连接端口中的一个被布置在阴极端板(例如阴极端板104)上，而另一个被适当布置在阳极端板(例如阳极端板102)上。在其它实施方案中，这些不同的连接端口只被设置在阳极端板或阴极端板上。本领域内的技术人员将理解，在本发明的不同实施方案中可以设置这些连接端口的不同布置。
继续参考图2，阴极端板104具有第一和第二空气连接端口106、107，第一和第二冷却剂连接端口108、109以及第一和第二氢连接端口110、111。这些端口106-111被布置为使得它们与被包括在MEA124，第一和第二气体扩散介质122、126，阳极和阴极流场板120、130，第一和第二集流器板116、118以及第一和第二绝缘板112、114上的支管孔流体连通。在所有上述板上的支管孔成一直线，以形成用于氧化剂流、冷却剂流和燃料流的相应延伸的入口和出口通道。
一旦在适当的条件下被供应适当的过程气体/液体，该燃料电池模块100’可操作地有助于催化反应。在这样的催化反应中，诸如氢之类的燃料在MEA 124的阳极催化剂层被氧化，以形成质子和电子。固体电解质(例如质子交换膜)125有助于质子从阳极催化剂层迁移到阴极催化剂层。大部分自由电子将不会穿过该固体电解质125，而是经由集流器板116、118流过外部电路(例如图1中的负载115)，从而提供电流。在MEA 124的阴极催化剂层，氧气与自该电路中返回的电子进行反应，以形成阴离子。在该MEA 124的阴极催化剂层形成的阴离子与已经穿过该固体电解质125的质子发生反应，以形成作为反应产物的液体水。
同时，经由连接端口108、109和上述多个板中的冷却剂支管孔向燃料电池提供流过燃料电池模块100’的冷却剂流。由于燃料电池反应是放热的并且该反应速率对温度敏感，流过的冷却剂带走了该燃料电池反应中产生的热量，避免了该燃料电池堆的温度升高，从而将该燃料电池的反应调节在稳定的水平。冷却剂是能够提供足够热交换的气体或液体，这将能够冷却电池堆。已知的冷却剂的示例包括但不限于：水、去离子水、油、乙二醇和丙二醇。
在图3A中图解了阳极流场板120的前表面。阳极流场板120具有三个靠近其一端的入口，即阳极空气入口支管孔136、阳极冷却剂入口支管孔138和阳极氢入口支管孔140，这些入口在阳极流场板上被布置成当燃料电池模块被组装好时分别与该第一空气连接端口106、该第一冷却剂连接端口108和该第一氢连接端口110流体连通。阳极流场板120还具有三个靠近其对置端的出口，即阳极空气出口支管孔137、阳极冷却剂出口支管孔139和阳极氢出口支管孔141，这些出口在阳极流场板上被布置成当燃料电池模块被组装好时分别与该第二空气连接端口107、该第二冷却剂连接端口109和该第二氢连接端口111流体连通。
参考图3C和3D，同时还参考图3A，阳极流场板120的前表面设有一个氢流场132，该氢流场包括许多开面通道。该流场132将该阳极氢入口支管孔140流体连接到该阳极氢出口支管孔141。但是，氢不是直接从入口支管孔140流到阳极流场板120的前表面上的流场132。本发明的本实施方案有利地使用了如申请人的共同未决美国专利申请No.09/855,018中所描述的“背面馈送”，其内容通过上述引用而并入本说明书的。在下文将更详细地描述在该流场132、入口支管孔140和出口支管孔141之间的氢流。
围绕流场132和各种入口支管孔和出口支管孔设置密封面200，以提供用于避免泄漏和过程气体/液体彼此之间以及和冷却剂之间的混合的密封。该密封面200被形成为完全封闭该流场132以及入口和出口支管孔136-141。在本具体实施方案中，该密封面200意味着完全将入口和出口支管孔136-141彼此隔开以及将该支管孔与阳极流场板120的前表面上的流场132完全隔开。在一些实施方案中，该密封面200可以在围绕阳极流场板120的不同位置处具有不同的深度(在垂直于图3A的平面的方向上)和/或宽度(在图3A的平面内)。
缝隙180、180’分别邻近氢入口支管孔140和氢出口支管孔141设置。缝隙180、180’贯穿阳极流场板120的厚度，从而提供在阳极流场板120的前表面和后表面之间的流体连通。如上文参考申请人的共同未决美国申请No.09/855,018所述，缝隙180、180’被作为“背面馈送”孔。在其它实施方案中，不是只设置一个缝隙180或180’，而是可以邻近氢入口支管孔140或氢出口支管孔141分别设置多个缝隙。
再参考图3A和3D，其图解了能够被用于阳极流场板120的前表面上的氢流场132上的一个示例性结构。该氢流场132包括若干与缝隙180流体连通的燃料入口分配流通道170。该燃料入口分配流通道170由相应的肋270限定。为了偏移和容纳所有的入口分配流通道170，入口分配流通道170中的每一个具有不同的纵向和横向延伸。具体地，如图3A和3D所示，一些入口分配流通道170具有紧接邻近缝隙180的较短纵向延伸部分170a，以及相应的较长横向延伸部分170b。该较短纵向延伸部分170a和该较长横向延伸部分170b分别由相应的肋270a和270b限定。每个入口分配流通道170分成了多个由许多肋173限定的主流通道172。这些主流通道172是直的并且沿着流场132的长度平行延伸。
在流场132的出口端，设置有多个与缝隙180’流体连通的燃料出口收集流通道171。燃料出口分配流通道171由相应的肋271限定。类似于入口分配流通道170，如图3A和3D所示，为了偏移和容纳所有的燃料出口收集流通道171，一些燃料出口收集流通道171具有紧接邻近缝隙180’的较短纵向延伸部分171a，以及相应的较长横向延伸部分171b。该较短纵向延伸部分171a和该较长横向延伸部分171b分别由相应的肋271a和271b限定。出口收集流通道171以与入口分配流通道170互补对应的方式定位。从每个入口分配流通道170分出的多个主流通道172汇聚到出口收集流通道171中。与每个分配和收集流通道170、171相关联的主流通道的数量可以是一样的或者是不一样的。从入口分配流通道170中的一个分出的所有主流通道172不必都连接到出口收集流通道171中的相应一个上，反之亦如此。
在优选的实施方案中，与主流通道172的长度相比，入口分配和出口收集流通道170、171的纵向延伸部分170a、171a明显更短。而且，可以调整肋173和/或流通道172的宽度，以获得不同的通道与肋的比值。优选地，肋和通道的宽度是大致相等的，因为这样的构造提供了相对短的电流路径(由此减小了寄生性电阻负载)和过程反应物到达电极的相对大的进入通道(从而降低了扩散阻力)，这可以提高性能。如下所述的，阴极流场板也将是如此。对于一些实施方案，尽力使主流通道在长度上几乎相同，以使得穿过流场板的过程气体/液体在该板的整个表面上经历相同的热交换变化。这进而可以在流场板的整个区域内提供相对均匀的热分布。
图3B中示出了阳极流场板120的后表面。在该具体实施方案中，阳极流场板120的后表面是基本平坦和光滑的。具体地，在该具体实施方案中，在阳极流场板120的后表面上没有设置密封垫圈槽。如通过图4B中的实施例所图解的，利用相应阴极板的后表面上的密封面来获得对相应阴极板的密封。在其它实施方案中，阳极流场板120的后表面是不平坦和不光滑的。在这样的实施方案中，阳极流场板120的后表面可以具有与下文参照图4B所描述的阴极流场板130的后表面相互补的设计。
参照图3D，主流通道172与燃料入口分配流通道170b间隔开。该间距优选是该主流通道172的宽度的1.5-2倍。此外，该主流通道172的对置端也与燃料出口收集流通道171b间隔开，并且该间距优选是该主流通道172的宽度的1-2倍。
在工作中，氢从缝隙180中流出，进入入口分配流通道170。在流过入口分配流通道170之后，该氢流被进一步分开进入主流通道172。氢流过该主流通道172并且然后在阳极流场板120的对置端汇聚到出口收集流通道171中。氢流过出口收集流通道171，穿过缝隙180’到达阳极流场板120的后表面。
进一步参照图2，当氢流过流场132的通道时，至少一部分氢穿过第一GDM 122扩散并且在MEA 124的阳极催化剂层反应以产生质子和电子。质子然后穿过固体电解质膜125朝向阴极催化剂层迁移。未使用的氢继续穿过流场132的通道流动，并且最终经由如上所述的阳极氢支管孔141排出阳极流场板120。
图4A中图解了阴极流场板130的前表面。阴极流场板130具有三个靠近其一端的入口，即阴极空气入口支管孔156、阴极冷却剂入口支管孔158和阴极氢入口支管孔160，这些入口被设置成当燃料电池模块被组装好时分别与第一空气连接端口106、第一冷却剂连接端口108和第一氢连接端口110流体连通。阴极流场板130具有三个靠近其对置端的出口，即阴极空气出口支管孔157、阴极冷却剂出口支管孔159和阴极氢出口支管孔161，这些孔被布置成当燃料电池模块被组装好时分别与第二空气连接端口107、第二冷却剂连接端口109和第二氢连接端口111流体连通。尽管所有这些入口和出口被布置在阴极流场板130的对置端，但是本领域内的技术人员应理解可以有各种其它布置。
类似于阳极流场板120的前表面，阴极流场板130的前表面也设有包括若干开面通道的氧化剂流场142。流场142将阴极空气入口支管孔156流体连接到阴极空气出口支管孔157。但是，类似于阳极流场板120的设计，空气不直接从入口支管孔156流到阴极流场板130的前表面上的流场142。相反，根据申请人的共同未决美国申请No.09/855,018中所公开的“背面馈送”的原理，该原理通过引用而并入本文中，来自入口支管孔157的空气在阴极流场板130的后表面部分上移动，然后穿过阴极流场板流出并进入到该前表面上。在下文参照图4D详细地描述了关于阴极流场板130的后表面的细节。
也包括有分别邻近空气入口支管孔156和空气出口支管孔157设置的缝隙280和280’。缝隙280和280’贯穿阴极流场板130的厚度，从而将阴极流场板130的前表面和后表面流体连接。缝隙280和280’中的每一个被显示为单一的孔。但是，在其它实施方案中，缝隙280和280’中的每一个也可以被设置为一组延伸穿过阴极流场板130的多个孔。参考申请人的共同未决美国申请No.09/855,018，缝隙280和280’以其他方式被称为“背面馈送”孔。
阴极流场板130也设置有密封面300，该密封面围绕流场142和各种入口和出口支管孔布置，以提供用于避免泄漏、过程气体/液体彼此之间以及与冷却剂之间的混合的密封。类似于阳极流场板120的设计，如果需要，该密封面300也可以在围绕阴极流场板130的不同位置处具有不同的深度和/或宽度。
图4A和4B中图解了阴极流场板130的前表面上的氧化剂流场142的结构。进一步参考图3A和3D，氧化剂流场142基本上类似于氢流场132。如图4A中所示，氧化剂流场142包括多个与缝隙280流体连通的氧化剂入口分配流通道186。氧化剂入口分配流通道186由相应的肋286限定。为了偏移和容纳所有的入口分配流通道186，入口分配流通道186中的每一个具有不同的纵向和横向延伸。具体地，一些出口分配流通道186具有紧接邻近缝隙280的较短纵向延伸部分186a和较长横向延伸部分186b。该较短纵向延伸部分186a和该较长横向延伸部分186b分别由相应的肋286a和286b限定。每一个入口分配流通道186分成多个由相应的多个肋189限定的主流通道188。这些主流通道188是直的并且沿着流场142的长度平行延伸。
继续参照图4A和4B，并且还参照图4C，在阴极流场板130的出口端处，氧化剂流场142包括多个被设置为与缝隙280’流体连通的氧化剂出口收集流通道187。氧化剂出口分配流通道187由相应的肋287限定。为了偏移和容纳所有的出口收集流通道187，每个出口收集流通道具有不同的纵向和横向延伸。具体地，一些出口收集流通道187具有紧接邻近缝隙280’的较短纵向延伸部分187a，以及较长横向延伸部分187b。该较短纵向延伸部分187a和该较长横向延伸部分187b分别由相应的肋287a和287b限定。出口收集流通道187以与入口分配流通道186互补对应的方式定位。因此，从每个入口分配流通道186分出的主流通道188然后汇聚到出口收集流通道187中。
应该注意的是，与主流通道188的长度相比，入口分配和出口收集流通道186、187的纵向延伸部分明显更短。与每个入口分配和出口收集流通道相关联的主流通道188的数量可以是一样的或者是不一样的。可以调整肋189和/或流通道188的宽度，以获得不同的通道与肋的比值。优选地，该肋和通道的宽度是大致相同的，因为这样的构造提供了相对短的电流通路(由此减小了寄生性电阻负载)和过程反应物到达电极的相对大的进入通道(从而降低了扩散阻力)，这可以提高性能。如上所述的，阳极流场板也将是如此。
此外，类似于氢流场132，从入口分配通道186中的一个分出的所有主流通道188不必都连接到出口收集通道187中的特定的一个上，反之亦如此。对于一些实施方案，尽力使主流通道在长度上几乎相同，以使得穿过流场板的过程气体/液体在该板的整个表面上经历相同的热交换变化。这进而可以在流场板的整个区域内提供相对均匀的热分布。
图4B和4C示出了阴极流场板130的前表面上的氧化剂出口收集流通道187a和187b的放大视图。在该具体实施例中，每个出口收集流通道187b被分成四个由三个相应肋189限定的主流通道188。沿着主流通道188的纵向，每个主流通道188的相应的端部与出口收集流通道187b中的一个间隔开。在该具体实施方案中，所有主流通道188的端部部分与它们相应的出口收集流通道187b间隔开基本相同的距离。该具体布置不是必须的，因此每个主流通道可以在相对于它们相应出口收集流通道187b不同的位置处结束。在该具体实施方案中，出口收集通道186b和主流通道188的端部部分之间的距离优选是该主流通道188的宽度的1.5-2倍，这会产生较好的流分配以及降低阴极流场板130两端的压降。类似地，出口收集流通道187a、187b的宽度优选是主流通道188的宽度的1-2倍。
继续参照图4C，在每个出口收集流通道187a和187b之间的每个接合处，设置倒角187c。类似地，在每个主流通道188和出口收集流通道187b之间的每个接合处也设置倒角187d。倒角187c和187d有助于产生较小的湍流构型，并且因此降低整个流场142的压力。具体地，构型倒角187c，以便于在各个肋之间穿过该拐角提供均匀尺寸的通道。也就是说，在该非常具体的实施方案中，当每个通道187a过渡到相应的通道187b时，它穿过拐角的宽度不改变。进一步参照图3A，在阳极流场板120的前表面上的燃料入口分配流通道170和燃料出口收集流通道171中以及阴极流场板130的前表面上的空气入口分配流通道186中也可以设置类似的倒角。
在上文中，从这些通道通常将在流场板的中心并且通常将组成所设置的流通道的主要部分的意义上来说，将用于燃料气体、氧化剂和冷却剂的通道指定为“主”流通道。选择这些主流通道来在整个表面上提供均匀的燃料分布。
包括在流场板上的入口分配和出口收集流通道构造提供了一种分支结构，其中气体流首先沿着一个通道(入口分配流通道)流过，然后分支到许多较小的通道(主流通道)内。这一结构可以包括进一步的细分级别。例如，入口分配流通道可以连接到许多被设置在入口分配流通道和主流通道之间的第二分配流通道。类似地，可以有布置在主流通道和出口收集流通道之间的第二收集流通道组。
现在参照图4D，所示出的是阴极流场板130的后表面。在该具体实施方案中，阴极流场板130的后表面设有包括多个开面流通道的冷却剂流场144。类似于阳极和阴极流场板120、130的前表面，密封面400围绕冷却剂流场144和各种入口和出口支管孔156-161布置。而且，如果需要，该密封面400可以在围绕阴极流场板130的不同位置处具有不同深度和/或宽度。但是，尽管密封面200、300分别将入口和出口支管孔136-141、156-161与相应的阳极和阴极流场132、142完全分隔开，但密封面400仅仅将入口和出口支管孔156、157、160和161(用于空气和氢)与冷却剂流场144完全密封分隔开，使得冷却剂能够在流场144与冷却剂入口和出口支管孔158、159之间流动。
也就是说，流场144将阴极冷却剂入口支管孔158流体连接到阴极冷却剂出口支管孔159。简要地，在工作中，冷却剂进入阴极冷却剂入口支管孔158，在流场144内沿着这些通道流动，最终经由阴极冷却剂出口支管孔159排出到冷却剂流场144外。
现在参照图4D和4E，空气入口和出口支管孔156、157具有各自的被布置在阴极流场板130的后表面上的孔延伸部281、281’。该孔延伸部281、281’设有在相应的缝隙280、280’之间延伸的各自的多个凸起282、282’。凸起282、282’限定了各自的多个流通道284、284’，所述流通道284、284’分别未到达空气入口支管孔156和空气出口支管孔157的相应边缘，从而有助于空气在各自的缝隙280、280’与相应的空气入口支管孔156和空气出口支管孔157之间的流动。密封面400将孔延伸部281、281’与冷却剂流场144和其它入口和出口支管孔158-161完全分隔开，从而将该相应的缝隙280、280’与冷却剂流场和其它入口和支管孔完全分隔开。
继续参照图4D和4E，并且还参照图4F，阴极氢入口支管孔160和出口支管孔161也具有各自的孔延伸部181、181’。类似地，孔延伸部181、181’设有各自的多个凸起182、182’。这些凸起182、182’被布置在阴极流场板130上，以使得当阴极流场板130的后表面与阳极流场板120的后表面彼此抵靠(一旦安装好)时，这些凸起182、182’延伸到阳极流场板120的相应缝隙180、180’。当密封面400在板130的顶平面以下时，凸起182、182’限定了各自的多个具有基本相同深度的流通道184、184’。凸起182、182’分别从氢入口支管孔160和氢出口支管孔161的相应边缘延伸，从而有助于氢分别在缝隙180、180’与氢入口支管孔160和氢出口支管孔161之间流动。密封面400将孔延伸部181、181’与冷却剂流场144以及其它入口和出口支管孔156-159完全隔开，从而也将各自的缝隙180、180’与冷却剂流场和其它入口和出口支管孔完全隔开。相对于上述的阳极流场板120上的各自的缝隙180、180’的位置来加工邻近各组的凸起182、182’的端部的相应的间隙(clearance)183、183’的尺寸。该间隙183、183’不是必须的，但可以改善在流通道184、184’和各自的缝隙180、180’之间的流动。
图4D、4E和4F显示了阴极流场板130的后表面上的冷却剂流场144的构型。冷却剂流场包括多个与冷却剂入口支管孔158流体连通的冷却剂入口分配流通道190。冷却剂入口分配流通道190由相应的肋(未具体标示出)限定。入口分配流通道190具有纵向延伸部分190a和横向延伸部分190b，该纵向延伸部分与冷却剂入口支管孔158流体连通，该横向延伸部分不同程度地延伸到冷却剂流场144的中央部分中。该入口分配流通道190在它们的纵向延伸部分190a具有不同的长度，以适应流场144的长度并且彼此适应。入口分配流通道190中的每一个被分成由多个肋193限定的多个主流通道192。主流通道192是直的，并且沿着流场144的长度平行延伸。对于一些实施方案，主流通道在长度上是可以是几乎相同的，以使得穿过流场板的过程气体/液体在该板的整个表面上经历相同的热交换变化。这进而可以在流场板的整个区域内提供相对均匀的热分布。
冷却剂流场144也包括多个与冷却剂出口支管孔159流体连通的冷却剂出口收集流通道191。出口收集流通道191具有纵向延伸部分191a和横向延伸部分191b，纵向延伸部分191a与冷却剂出口支管孔159流体连通，横向延伸部分191b不同程度地延伸到冷却剂流场144的中央部分中。冷却剂出口收集流通道191在它们的纵向延伸部分191a具有不同的长度，以适应流场144的长度并且彼此适应。主流通道192汇聚到出口收集流通道191内。而且，冷却剂出口收集流通道191以与入口分配流通道190互补对应的方式定位。
在该具体实施方案中，与主流通道192的长度相比，分配和收集流通道190、191的纵向延伸部分190a、191a明显更短。从每个入口分配流通道190分出的主流通道192的数目可以是相同的或可以是不同的。而且，从每个入口分配流通道190分出的所有主流通道192都不是必须连接到出口收集流通道191中相应的一个上，反之亦如此。而且，如果需要，可以调整肋193和/或流通道192的宽度，以获得不同的通道与肋的比值。
另外参照图4G，显然，后表面上的冷却剂流场144的主流通道192被对准，以与前表面上的阴极流场142的主流通道188成镜像。由于每个流场被连接到各自的一对与其他支管孔隔离开的支管孔，所以所有的通道完全对准是极度困难的并且通常是不现实的。因此，包括在冷却剂流场和反应物流场内的入口分配流通道和出口分配流通道必须有必要地被布置得稍微不同，用来为流到和来自各自支管孔的过程气体/液体提供必要的各自流通路。但是，靠近板的端部的部分对准是可能的。也就是说，至少是一些肋，这将在下文中通过进一步参考图5A-5D来进行更详细地描述。
参照图4A，在工作中，空气从缝隙280流出，进入入口分配流通道186。然后在每个空气入口分配流通道186中行进的空气被进一步分进主流通道188中。在空气流过主流通道188之后，空气汇聚到出口收集流通道187中。然后空气流过出口收集流通道187、流过缝隙280’，到达阴极流场板130的后表面。空气流分流到入口分配流通道186中并然后分流到主流通道188中，并相应地在阴极流场板130的出口端收集，改善了空气的分布并在整个GDM 126上获得了更均匀的空气分布，从而降低了整个阴极流场板130的横向的压力差并且提高了燃料电池的效率。
当空气流过流场142中的通道时，其中的至少一部分氧气在整个第二GDM 126上扩散并且在阴极催化剂层与从外部电路返回的电子反应，以形成阴离子。这些阴离子然后与已经穿过MEA 124所迁移的质子反应，以形成液态水和热量。如上所述，未使用的空气继续沿着流场142流动，并且最终经由阴极空气出口157排出到阴极流场板120外。
同时，参照图4D，冷却剂分开地从冷却剂入口孔158流入到冷却剂入口分配流通道190中。冷却剂流入到每个入口分配流通道190中并且进一步分开到主流通道192中。一旦冷却剂流过主流通道192，冷却剂在冷却剂流场144的相对端处被收集在出口收集流通道191内。然后冷却剂通过出口收集流通道191流到冷却剂出口孔159。冷却剂流从入口分配流通道190分流到主流通道192中，改善了冷却剂的分布并在整个流场144上获得了更均匀和有效的热传递。
通常，在组装燃料电池堆时，一个燃料电池的阳极流场板的后表面抵靠在相邻的燃料电池的阴极流场板的后表面。各种入口和出口支管孔被布置为彼此对准，以形成延伸穿过该燃料电池堆的管道或者细长的通道，这些管道或者细长的通道在它们的端部可流体连接到包括在一个或更多个端板上的各自端口。
参考图3B和4D，阳极和阴极流场板120、130具有被设置为彼此抵靠的后表面。而且，在阳极流场板120和阴极流场板130上，各种支管孔136-141和156-161分别彼此对准以形成六个延伸穿过该燃料电池堆的管道或者细长的通道，这些管道或者细长的通道在它们的端部可流体连接到相应的端口106-111。
在阴极流场板130的后表面上的密封面400和阳极流场板120的光滑后表面之间设置密封，以实现在这两板之间的密封。接着，阴极流场板130的氢入口支管孔160、出口支管孔161和各自的孔延伸部181、181’与阳极流场板120的后表面的不同部分，分别限定了两个相应的腔室。替代地，阳极和阴极流场板120、130的后表面可以使用一种导电性粘合剂来粘合到一起。
在一个类似的布置中，阴极流场板130的空气入口支管孔156、出口支管孔157和各自的孔延伸部281、281’与阳极流场板120的后表面的其它不同部分，分别限定了两个其它腔室。
参照图2、3A和4A，在工作中，氢通过第一氢连接端口110进入，流过由阳极和阴极氢入口支管孔140和160形成的管道，流到上述由阳极和阴极流场板120、130的后表面所限定的腔室。对于每个燃料电池，如上所述，氢流到阳极流场板120的前表面上。一旦未使用的氢从燃料电池排出，它流过由阳极和阴极氢出口支管孔141和161形成的管道，并且通过第二氢连接端口111离开燃料电池堆。
类似地，空气通过第一空气连接端口106进入，流过由阳极和阴极空气入口支管孔136和156形成的管道，流到上述由阳极和阴极流场板120、130的后表面所限定的腔室。然后，如上所述，对于每个燃料电池，空气流到各自的阴极流场板130的前表面上。一旦空气从燃料电池排出，它流过由阳极和阴极空气入口支管孔137和157形成的管道，并且通过第二空气连接端口107离开燃料电池堆。
在一个替代实施方案中，例如，孔延伸部181、181’和各自的凸起182、182’被布置在阳极流场板120的后表面上，而不是布置在阴极流场板130的后表面上。在这些实施方案中，阴极流场板130的后表面上的密封面400被构形为使得它封闭阳极氢入口支管孔140、出口支管孔141和相关联的孔延伸部180、181’，各自的凸起182、182’以及相应的缝隙180、180’。
在其它实施方案中，阳极和阴极流场板是相同的。在这些实施方案中，可以期望使得在该阳极和阴极流场板的每一个上的冷却剂通道的深度，是在仅仅在阴极流场板130的后表面上设有冷却剂流场的情况下的冷却剂通道的深度的一半。在这两个板上的通道和肋将彼此对准。这将为冷却剂流保持相同的间隔量，还能够使得每个流场板制造得更薄。
作为另一个替代方案，用于特定气体的孔延伸部被设置在流场板的后表面上，该流场板在工作时在它的前表面需要该种特定气体。参照图3A和3B，作为实例，氢入口和出口支管孔140和141可以在阳极流场板120的后表面上设置有各自的孔延伸部181、181’(如图4D所示)。类似地，如在图4D中已经示出的，对于阴极流场板130，氧化剂入口和出口支管孔156、157可以在其后表面上设置有各自的孔延伸部281、281’。在这两种情况下，可以在每个板上设置将流场板的前表面流体连接到流场板的后表面的适当缝隙。
在另一替代实施方案中，阳极和阴极流场板的每一个设置有用于燃料气体流和氧化剂气体流的孔延伸部。实际上，然后将设置延伸腔室，部分地在该两个板的其中一个板内并且部分地在该两个板内的另一个板内设置，该延伸腔室从各自的支管孔向缝隙延伸，所述缝隙延伸穿过流场板的前表面。当流场板中的每一个的厚度降低时这一构造可能是理想的。
此外，由于根据本发明的一些实施方案，燃料和氧化剂入口和出口孔具有相同的尺寸，从而具有相同的面积，所以在这样的构造中阳极流场板和阴极流场板可以被制造为是相同的。具体地，阳极流场板的后表面也设置有冷却剂流场，该冷却剂流场与阴极流场板的后表面上的冷却剂流场具有相同的构型。
也可以以相同的构型将密封面设置在两个流场板上。如果阳极和阴极流场板是相同的，如在一些实施方案中可能是该情况，可以使用单一的流场板设计来组成燃料电池堆中的所有燃料电池。该简化进而可以导致生产步骤的简化，这可以导致降低生产成本并缩短组装时间。
由于在每个板上的密封是相同的，所以上述方案也简化了密封布置。因此，在一些实施方案中，为了确保当组装燃料电池堆时在流场板上的支管孔对准，燃料支管孔和氧化剂支管孔不仅具有相同的尺寸，而且它们还被对称放置，以使得当两个相同的板的前表面彼此相对设置并且MEA布置在它们之间时，与一个板的前表面上的流场流体连通的支管孔与跟另一个板的前表面上的流场封离的支管孔对准。可以理解地，当组装燃料电池堆时，冷却剂孔也必须对准。这也意味着冷却剂孔也相对于相同的虚轴对称。
上述布置的另一有利之处在于，用于过程气体/液体的各支管孔，甚至于该液体自身，可以被翻转或反向。存在某些在到流场结构的入口处膜降解明显更快的迹象。如果板或者仅仅是过程气体/液体的流动可以被翻转或反向，使得入口支管孔变为出口支管孔并且反之亦如此，则可以延长膜(和燃料电池堆)的寿命。
现在参考图5A和5B，所示出的是常规设计的燃料电池和根据本发明的实施方案的两个燃料电池的各自横截面视图。具体地，图5A是示出了用于燃料电池的现有技术布置的横截面的示意图，图5B是示出了一对使用了根据本发明的实施方案设计的流场板的燃料电池的横截面的示意图。
再参考图5C，根据本发明的一些实施方案，流场板的流通道纵向延伸(相对于该流场板)，并且优选地，阳极、阴极和冷却剂主流场结构具有基本相等的构造。具体地，图5分别是穿过在阳极、阴极和冷却剂流场132、142和144内的各自的主阳极、阴极和冷却剂流通道172、188、192的横截面。由此，在相应流场132、142和144中的很多的各自的肋173、189和193成一条直线。也就是说，阳极流场132内的肋173与阴极流场142内的肋189以及冷却剂流场144内的肋193直接相对。
图5D是分别穿过出口阳极、阴极和冷却剂通道171、187和191的横截面。与图5C相比，如图5D中看出的，只能够部分地彼此匹配入口分配流通道171、187和191的一部分。类似地，能够部分地彼此匹配出口分配流通道171、187和191的一部分(未示出)。由于各个入口和出口流通道连接到的支管孔分布在板的整个端部，从而在板的端部附近，流通路需要稍微不同，因此冷却剂入口和出口通道与过程气体/液体的通道之间不可能完全匹配。对于其中阳极和阴极流场132和142相同的实施方案，入口分配流通道和出口收集流通道的横向延伸部分在将燃料电池组装在一起时简单地匹配并且可以完全匹配，虽然由于用于阳极过程气体/液体的支管孔在尺寸上不同于用于阴极过程气体/液体的支管孔而没有在附图中示出。
匹配阳极、阴极流场132、142和144的肋可以提供许多优于常规非匹配设计的优点(在图5A中示出)。在常规设计中，由于分别包括在板52和50上的非匹配的反应物通道肋64和66所引起的剪切效应，导致GDM 122和126以及MEA 124是过度压缩和过度拉伸的。此外，板52必须被制造得相对较厚，以适应在冷却剂肋62和反应物肋64之间的偏移，否则传递到板52上的压力(一旦燃料电池被组装好)会引起板52开裂或断裂。另一方面，如图5B中所示，在采用“肋对肋”式构型匹配的燃料电池中，期望在GDM 122和126以及MEA 124上具有较小的应力。而且，也期望提高燃料电池的性能和效率。
在本发明中，阳极和阴极流场板120和130具有相同的构型和相同的通道与肋的比值。优选地，该通道与肋的比值为1.5∶1。但是，应该注意的是，当阳极和阴极流场板120和130相同时会产生问题。从燃料电池反应的反应式(1)和(2)中可以得知，氢和氧的化学计量比是2∶1。在实际工作中，以相对于反应物消耗速度以及由此产生的燃料电池的功率输出来说是过剩的流速将燃料和氧化剂气体供入电池堆，以确保燃料电池堆具有足够的反应物。这需要在阴极流场142上流过的氧化剂气体比在阳极流场132上流过的燃料气体的量多。常规地，这通常通过扩大阴极氧化剂入口和出口孔156、157以及通过扩大阴极流通道的宽度来提供更大活性面积而获得的。在本发明的一些实施方案中，由于流场的构型以及通道和肋的比值是一样的，而且燃料和氧化剂的入口孔和出口孔是基本相同的，所以流场板对于化学计量不是最优化的。但是，如上文所提到的，本发明的一些实施方案所提供的流场板的设计可以显著地简化燃料电池堆的制造和组装，并且也可以巨大地降低成本。因此，进行这种折衷是合理的。此外，它也能够缓解由调整所供入的反应物的化学计量比和/或供入反应物时的条件所产生的任意的性能问题。
图6A和6B示出了凸起和肋的端部的各自放大立体图。具体地，图6A示出了图4F中示出的单个凸起182的端部182a，图6B示出了根据本发明的替代实施方案的各个肋189的肋端部189a。该凸起和肋都具有成角度的侧面和平坦的顶面。已知成角度的侧面有助于在制造期间模制和印刷板。各自的凸起182和肋189的端部282a和189a被倒角和光滑化，以减少对过程气体/液体产生影响的紊乱。通常，本领域内的技术人员应该理解，凸起和肋的端部的各种设计能够减少紊乱。
虽然以上的描述提供了示例性实施方案，应该理解的是，在不脱离所随附的权利要求的公允含义和范围情况下，可以对本发明进行修改和改变。因此，所描述的仅仅是本发明的实施方案的各方面应用的说明性描述。根据上述教导本发明可以有许多的变型和改体。因此应该理解的是，在所附权利要求书的范围内，可以不以在此所具体描述的方式实施本发明。
提供不同流场内的肋匹配的效果在于提供了垂直于流场板延伸穿过燃料电池堆的连续支撑，该连续支撑确保了负载被通过MEA直接传递而没有任何剪切作用。在冷却剂和反应物流场中的流通道匹配的情况下，这可以改善温度调节，这会降低各单个电池的整体阻抗，从而降低整个电池堆的整体阻抗。
在权利要求中，各流通道被描述和定义为彼此相对“成镜像”。这一术语意味着每个流场的肋和相应的流通道中的任意一个或两者都与另一流场中相应的肋和流通道相对。也应该理解的是，当流通道具有不同尺寸时这些镜像也可以产生，至少在某种程度上可以产生。例如，在一个流场中具有相应的插入肋的相对宽的流通道可以与具有自身的插入肋的相对窄的流通道相对，其中在较窄的流通道之间的肋只是每隔一个与分开该较宽通道的肋相对。
此外，在包含权利要求的说明书中，提及了流通道的至少一部分与其它流通道的至少一部分成镜像。这包括并不是一个或两个流场内的所有通道是成镜像的实施方案，而且即使对于成镜像的通道，在许多情况下也只有每个通道的一部分是成镜像的。由于每个流场的流通道必须连接到各自支管孔对，并且这些支管孔对于每个流场是不同的，所以这一情况必然增加。同样地，至少入口和出口流通道被指向不同方向，因此实现精确和完全的成镜像的对应通常是不可能的。
因此，本发明的另一方面认为完全成镜像通常是不可能的。因此，对于各通道未成镜像的部分，优选地将它们布置为使得它们半垂直或垂直地延伸。因此，对于以相同方向延伸的流通道，本发明使得这些镜像达到最大可能的程度，否则流通道应被布置成垂直延伸，以避免平行但可以偏移的肋和流通道的发生，它们会导致膜的剪切和不希望的负载分布。

Claims (15)

1.一种电化学流场板，包括：
前表面和后表面；
在该前表面上的反应物流场，其具有各自的多个由相应的多个肋限定的主开面反应物流通道；以及
在该后表面上的冷却剂流场，其具有各自的多个由相应的多个肋限定的主开面冷却剂流通道，其中该主开面冷却剂流通道的至少一部分与各自的主开面反应物流通道的至少一部分成镜像。
2.根据权利要求1所述的电化学流场板，还包括多个支管孔，其中在该前表面上该反应物流场与两个反应物支管孔流体连接，并且其中在该后表面上该冷却剂流场与两个冷却剂支管孔流体连接。
3.根据权利要求2所述的电化学流场板，其中在该前表面上该反应物流场包括多个入口反应物流通道，提供了该反应物流场到该两个反应物支管孔之一的流体连接；以及其中在该后表面上该冷却剂流场包括多个入口冷却剂流通道，提供了该冷却剂流场到该两个冷却剂支管孔之一的流体连接；并且其中该入口冷却剂流通道的至少一部分与该多个入口反应物流通道的至少一部分成镜像。
4.根据权利要求2所述的电化学流场板，其中在该前表面上该反应物流场包括多个出口反应物流通道，提供了该反应物流场到该两个反应物支管孔之一的流体连接；以及其中在该后表面上该冷却剂流场包括多个出口冷却剂流通道，提供了该冷却剂流场到该两个冷却剂支管孔之一的流体连接；并且其中该出口冷却剂流通道的至少一部分与该多个出口反应物流通道的至少一部分成镜像。
5.根据权利要求4所述的电化学流场板，其中该反应物流通道和冷却剂流通道的镜像部分包括彼此相对设置的反应物流通道部分和冷却剂流通道部分。
6.根据权利要求4所述的电化学流场板，其中该反应物流通道和冷却剂流通道的镜像部分由该前表面上的部分肋限定，该前表面上的肋被设置为与该后表面上的部分肋相对。
7.根据权利要求4所述的电化学流场板，其中未镜像的该反应物流场通道部分和冷却剂流场通道部分的至少一部分被布置为彼此半垂直。
8.根据权利要求4所述的电化学流场板，其中该反应物流通道和冷却剂流通道中的至少一个在流通道拐角处设有倒角，以保持基本不变的流通道横截面，而且其中该肋的端部是圆形的，以减少紊乱。
9.一种电化学电池，包括：
第一电化学流场板，其具有各自的前表面和后表面，该前表面具有包括有各自的多个第一主开面反应物流通道的第一反应物流场，以及该后表面具有包括有各自的多个主开面冷却剂流通道的冷却剂流场，其中该主开面冷却剂流通道的至少一部分与该第一主开面反应物流通道的至少一部分成镜像；以及
第二电化学流场板，其具有各自的前表面，该前表面具有包括有各自的多个第二主开面反应物流通道的第二反应物流场，该第二主开面反应物流通道的至少一部分与该多个第一主开面反应物流通道的至少一部分成镜像。
10.根据权利要求9所述的电化学电池，其中该第一和第二电化学流场板每一个还包括相应的多个支管孔，并且其中该第一反应物流场与在该第一电化学流场板上的两个第一反应物支管孔流体连接，其中在该第一板上该冷却剂流场与两个冷却剂支管孔流体连接，并且其中在该第二电化学流场板上该第二反应物流场与两个第二反应物支管孔流体连接。
11.根据权利要求10所述的电化学电池，其中在该前表面上该第一反应物流场包括多个第一入口反应物流通道，提供了该第一反应物流场到该两个第一反应物支管孔之一的流体连接；以及其中在该后表面上该冷却剂流场包括多个入口冷却剂流通道，提供了该冷却剂流场到该两个冷却剂支管孔之一的流体连接；并且其中该入口冷却剂流通道的至少一部分与该多个第一入口反应物流通道的至少一部分成镜像。
12.根据权利要求11所述的电化学电池，其中在该第二电化学流场板上该第二反应物流场还包括多个第二入口反应物流通道，将该第二反应物流场流体连接到该两个第二反应物支管孔之一，同时该第二入口反应物流通道的至少一部分与该第一入口反应物流通道的至少一部分成镜像。
13.根据权利要求12所述的电化学电池，其中，在该前表面上该第一反应物流场包括多个第一出口反应物流通道，提供了该第一反应物流场到该两个第一反应物支管孔之一的流体连接；以及其中在该后表面上该冷却剂流场包括多个出口冷却剂流通道，提供了该冷却剂流场到该两个冷却剂支管孔之一的流体连接，并且其中该出口冷却剂流通道的至少一部分与该多个第一出口反应物流通道的至少一部分成镜像。
14.根据权利要求13所述的电化学电池，还包括多个在该第二电化学流场板上的第二出口反应物流通道，将该第二反应物流场流体连接到该两个第二反应物支管孔之一，同时该第二出口反应物流通道的至少一部分与该第一出口反应物流通道的至少一部分成镜像。
15.一种包括多个根据权利要求9所述的电化学电池的电化学电池堆。
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