CN102479966A - 燃料电池分隔器板 - Google Patents

Abstract

本发明提供燃料电池堆和双极板组件，其可以包括直接贯通沟道以将流体从集管密封件的一侧输送到集管密封件的另一侧，流体连接燃料电池堆反应物集管和双极板反应物流动通道。

Description

燃料电池分隔器板

技术领域

本发明总的涉及燃料电池和燃料电池堆，并且更具体而言涉及沿着燃料电池双极板的反应物流动。

背景技术

氢是有吸引力的燃料，因为其是清洁的并且可以用于在燃料电池中高效地产生电。汽车工业在开发氢燃料作为车辆功率源中耗费了大量资源。这样的车辆将比采用内燃机的车辆更有效并且产生更少的排放。

氢燃料电池是可以包括阳极和阴极的电化学设备，在阳极和阴极之间具有电解质。阳极接收氢气并且阴极接收氧气或空气。氢气在阳极中离解以产生自由质子和电子。质子通过电解质到阴极。质子在阴极中与氧气和电子反应以产生水。来自阳极的电子不能经过电解质，并且因此被引导通过电负载以在被发送到阴极之前做功。该功可以以各种方式起作用以操作车辆。

质子交换膜（PEM）燃料电池是可以在车辆中使用的燃料电池的一种类型。PEM燃料电池通常包括固态聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极典型地包括支撑在碳颗粒上并与离聚物混合的精细分割的催化剂颗粒，通常为铂。催化剂混合物沉积在膜的相对两侧上。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物和膜的结合限定了膜电极组件（MEA）。MEA制造相对昂贵，并且需要特定条件进行有效操作。这些条件包括适当的水管理和湿度，以及催化剂有毒成分（例如一氧化碳）的控制。

数个燃料电池单元通常结合为燃料电池堆以产生所需功率。燃料电池堆接收阳极输入气体，通常为诸如氢的燃料，其流入电池堆的阳极侧。燃料电池还接收阴极输入气体，通常为压缩空气流。并非阴极气体中的全部氧气都被电池堆消耗，而是部分空气被输出为阴极废气，其可能包括作为电池堆副产物的水。

燃料电池堆可以包括位于电池堆中数个MEA之间的一系列流场板或双极板组件。双极板包括用于电池堆中相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流动通道可以.设置位于双极板的阳极侧，其允许阳极气体流动到每个MEA的阳极侧。阴极气体流动通道可以设置于双极板的阴极侧，其允许阴极气体流动到每个MEA的阴极侧。双极板通常由导电材料制成（例如不锈钢或其他导电材料）和/或具有由导电材料制成的表面，使得它们将燃料电池产生的电从一个燃料电池传导至下一个燃料电池以及输出电池堆。

燃料电池堆的燃料电池单元可以经由各个反应物集管接收和释放反应物气体和/或其他燃料电池流体。反应物集管可以在燃料电池堆的长度旁边或者内部延伸，以按照并联配置分配反应物气体到每个单个燃料电池单元或从每个单个燃料电池单元接收反应物气体。

已经开发出各种配置来输送燃料电池流体（例如气态燃料、反应物和反应物副产物）到反应物集管和燃料电池反应物流动通道或者从反应物集管和燃料电池反应物流动通道接收燃料电池流体。

发明内容

根据一个实施例，一种产品可以包括燃料电池堆。燃料电池堆可包括反应物集管和多个相邻的双极板。所述反应物集管可包括在每个双极板中的第一集管开口和布置在每个相邻双极板之间并且环绕其相邻第一集管开口中的每一个的集管密封件。个双极板还可包括反应物流动通道和第一沟道区域，所述第一沟道区域将反应物流动通道和反应物集管流体连接。所述第一沟道区域中的至少一个包括直接贯通沟道。

根据另一个实施例，一种产品可包括双极板。双极板可包括冲压阳极反应物板和阴极反应物板。每个反应物板可包括反应物流动通道和集管开口，集管开口与另一个反应物板的集管开口对齐。所述双极板还可包括位于对齐的集管开口和反应物流动通道之间的沟道区域。所述沟道区域可包括一个或多个沟道。双极板的全部沟道可均仅形成在反应物板之一中。

根据另一个实施例，一种产品可包括燃料电池堆。燃料电池堆可包括多个相邻的双极板和多个反应物集管。每个反应物集管可包括穿过每个相邻双极板形成的多个相邻集管开口和布置在每个相邻双极板之间并且环绕其相邻集管开口的集管密封件。每个集管密封件的一部分可位于每个相邻双极板的沟道区域中。每个反应物集管的每个集管密封件可在堆叠方向上彼此对齐。

本发明涉及下述技术方案。

1. 一种产品，包括：

燃料电池堆，包括反应物集管和多个相邻的双极板，所述反应物集管包括在每个双极板中的第一集管开口和布置在每个相邻双极板之间并且环绕其相邻第一集管开口中的每一个的集管密封件，其中每个双极板还包括反应物流动通道和第一沟道区域，所述第一沟道区域将反应物流动通道和反应物集管流体连接，并且其中所述第一沟道区域中的至少一个包括直接贯通沟道。

2. 根据技术方案1所述的产品，其中反应物集管的每个集管密封件在堆叠方向上彼此对齐。

3. 根据技术方案1所述的产品，其中反应物集管是阳极入口集管或阴极入口集管，并且燃料电池堆还包括对应的阳极出口集管或阴极出口集管，出口集管包括在每个双极板中的第二集管开口和和布置在每个相邻双极板之间并且环绕其相邻第二集管开口中的每一个的集管密封件，其中每个双极板还包括将反应物流动通道和出口集管流体连接的第二沟道区域，并且其中所述第二沟道区域中的至少一个包括直接贯通沟道。

4. 根据技术方案3所述的产品，其中每个双极板内的所述第一和第二沟道区域彼此基本上相同。

5. 根据技术方案3所述的产品，其中每个双极板是对称的，使得当被放置在燃料电池堆中时其能够在双极板的平面内旋转180度而不会改变燃料电池堆的结构。

6. 根据技术方案3所述的产品，其中所述反应物集管是阳极集管，反应物流动通道是阳极流动通道，并且燃料电池堆还包括：

阴极入口集管，包括在每个双极板中的第三集管开口和和布置在每个相邻双极板之间并且环绕其相邻第三集管开口中的每一个的集管密封件；和

阴极出口集管，包括在每个双极板中的第四集管开口和和布置在每个相邻双极板之间并且环绕其相邻第四集管开口中的每一个的集管密封件；

其中每个双极板还包括阴极流动通道，以及分别将阴极流动通道流体连接到阴极入口集管和阴极出口集管的第三沟道区域和第四沟道区域，并且第三沟道区域和第四沟道区域的每一者中的至少一个包括直接贯通沟道。

7. 根据技术方案6所述的产品，其中每个双极板包括阳极反应物板和阴极反应物板，并且全部沟道均仅形成在反应物板之一中。

8. 根据技术方案6所述的产品，其中每个双极板包括阳极反应物板和阴极反应物板，并且其中将阳极集管流体连接到阳极气体流动通道的沟道区域的沟道形成在阳极反应物板中，和阴极集管流体连接到阴极气体流动通道的沟道区域的沟道形成在阴极反应物板中，使得在燃料电池堆的操作期间当流体流过每个沟道区域时不存在高度变化。

9. 根据技术方案6所述的产品，其中每个集管的密封件在堆叠方向上彼此对齐。

10. 根据技术方案6所述的产品，其中每个沟道区域包括多个直接贯通沟道，并且电池堆中相邻双极板的沟道沿堆叠方向上相对于彼此成对齐或交错关系。

11. 根据技术方案1所述的产品，其中双极板中的一个或多个包括以嵌套配置布置的冲压阳极和阴极反应物板。

12. 一种产品，包括：

双极板，包括冲压阳极反应物板和阴极反应物板，每个反应物板包括反应物流动通道和集管开口，集管开口与另一个反应物板的集管开口对齐，所述双极板还包括位于对齐的集管开口和反应物流动通道之间的沟道区域，所述沟道区域包括一个或多个沟道，其中双极板的全部沟道均仅形成在反应物板之一中。

13. 根据技术方案12所述的产品，其中每个沟道配置为允许在燃料电池堆中在燃料电池堆反应物集管和在相应沟道区域中穿过反应物板之一形成的端口之间直接贯通集管密封件的流体流。

14. 根据技术方案13所述的产品，其中穿过与全部沟道相同的反应物板形成的每个端口位于最接近反应物流动通道的沟道的端部处或者位于该沟道的两端之间。

15. 根据技术方案14所述的产品，其中穿过与全部沟道相同的反应物板形成的每个端口横向越过所述沟道并且在反应物板中延伸超过沟道的宽度。

16. 根据技术方案13所述的产品，其中穿过与全部沟道相同的反应物板形成的至少一个端口位于最接近反应物流动通道的沟道的端部处，并且该端部包括扩大部分。

17. 根据技术方案13所述的产品，其中所述双极板包括阳极集管开口、阴极集管开口、阳极流动通道、阴极流动通道、位于阳极集管开口与阳极流动通道之间的沟道区域、和位于阴极集管开口与阴极流动通道之间的沟道区域，其中位于阳极集管开口与阳极流动通道之间的沟道区域的端口穿过阳极反应物板形成，并且位于阴极集管开口与阴极流动通道之间的沟道区域的端口穿过阴极反应物板形成。

18. 根据技术方案13所述的产品，其中双极板还包括定位为邻近至少一个端口的支撑特征，以有助于防止其他燃料电池部件堵塞所述至少一个端口。

19. 一种产品，包括：

燃料电池堆，包括多个相邻的双极板和多个反应物集管，每个反应物集管包括穿过每个相邻双极板形成的多个相邻集管开口和布置在每个相邻双极板之间并且环绕其相邻集管开口的集管密封件，其中每个集管密封件的一部分位于每个相邻双极板的沟道区域中，并且每个反应物集管的每个集管密封件在堆叠方向上彼此对齐。

20. 根据技术方案19所述的产品，其中每个沟道区域将反应物集管之一流体连接到在双极板之一中形成的反应物通道，并且每个沟道区域包括一个或多个直接贯通沟道。

21. 根据技术方案20所述的产品，其中每个双极板的全部沟道形成在双极板的相同侧上。

22. 根据技术方案19所述的产品，其中每个集管密封件包括垫圈或者能够以粘性液体形式沉积的固化弹性体材料。

其他示例性实施例将从本说明书提供的详细描述变得显而易见。应当理解，这些详细描述和具体示例虽然公开了具体的示例性实施例，但仅用于举例说明目的，而并非旨在限制本发明的范围。

附图说明

图1是示例性燃料电池堆的局部横截面视图；

图2是具有嵌入反应物板的示例性燃料电池堆的局部横截面视图；

图3是根据一个实施例的具有沟道区域的双极板的示例性反应物板的反应物侧的平面图；

图4是根据另一个实施例的具有沟道区域的双极板的示例性反应物板的反应物侧的平面图；

图5是图3的示例性反应物板的一部分的放大视图，示出示例性密封位置；

图6是根据一个实施例示例性双极板沟道区域的横截面透视图；

图7是示出具有对齐沟道的示例性沟道区域的示例性燃料电池堆的横截面透视图；

图8是示出具有交错沟道的示例性沟道区域的示例性燃料电池堆的横截面透视图；和

图9是根据另一个实施例示出双极板沟道区域的示例性燃料电池堆的横截面透视图。

具体实施方式

实施例的下述描述本质上仅是示例性的并且不意于限制本发明、应用或使用。

燃料电池堆可以包括多个双极板，布置为与相邻的多个双极板彼此相邻，并在其间布置有膜电极组件（MEA）。双极板可以形成为多种形状、大小和配置，但是通常为在相对两侧上可以包括阳极和阴极反应物流动通道的导电部件。一些双极板是可以包括多于一个部件的双极板组件。例如，双极板组件可以包括附接在一起的一对反应物板。该对反应物板可以包括阳极反应物板和阴极反应物板。

双极板和/或它们的各个部件可以使用多种技术形成，包括但不限于铸造、机加工、模制、成形和/或冲压工艺。本领域技术人员将认识到，冲压是一种将材料成形为所需形状的方法，但是其他已知技术可以用于将材料成形为通常由冲压工艺成形的形状。如此次所用，描述性术语“冲压”用于描述可以由冲压工艺成形的任何结构，但也描述包括通常由冲压工艺表征的特征的任何结构，例如在材料的两侧上存在通常一致的材料厚度和/或互补形状（例如在材料的一个表面上的突出和在材料的相对表面上的凹入）。

双极板也可以包括冷却剂流动通道。包括冲压反应物板的双极板组件可以包括形成在组装好的反应物板之间的冷却剂流动通道，这些流动通道至少部分由每个反应物板的反应物流动通道的相对侧形成。

图1是穿过包括双极板组件20的燃料电池堆10的一个实施例的局部剖视图。燃料电池堆10可以包括用于电池堆10中相邻燃料电池单元的两个MEA12和14。每个MEA12和14可以包括电解质膜、阳极侧催化剂层和阴极侧催化剂层。阳极侧气体扩散介质（GDM）层16可以定位为邻近MEA12，并且阴极侧GDM层18可以定位为邻近MEA14。GDM层16和18可以是多孔层，其提供输入气体输送到MEA12和14以及离开MEA12和14的水输送。在本领域中已知各种技术用于将催化剂层沉积在MEA12和14的膜上和/或GDM层16和18上。

双极板组件20可以定位在GDM层16和18之间。双极板组件20可以包括阳极反应物板（或阳极侧）22和阴极反应物板（或阴极侧）24。在一个实施例中，反应物板和包括在其中的任何特征可以通过冲压工艺形成，或者以其他工艺制造以形成冲压的反应物板。阳极板22可以包括反应物侧26和冷却剂侧28。阴极板24也可以包括反应物侧30和冷却剂侧32。反应物板22和24可以至少部分限定大体平行的阳极气体流动通道34和大体平行的阴极气体流动通道36。阳极气体流动通道34可以提供氢气流到MEA12的阳极侧，并且阴极气体流动通道36可以提供空气或者氧气流到MEA14的阴极侧。反应物板22和24可以至少部分地限定位于反应物板之间的冷却剂流动通道38，冷却流体可以通过冷却剂流动通道38流动以帮助冷却或以其他方式控制燃料电池堆10及其各种部件的温度。

图2示出了穿过包括双极板组件20的燃料电池堆10的另一个实施例的局部横截面，其中相似的特征用途1实施例的相似数字标示。在此示例性实施例中，反应物板22、24以嵌套配置布置为彼此相邻，但是燃料电池堆也可以包括多个与图1中示出和描述的实施例相同的部件和特征。诸如图2所示的嵌套配置可以用于燃料电池的有效区域中（有效区域通常可以位于燃料电池的与MEA相同的突出区域内）。如图所示，嵌套配置可以减小整个燃料电池堆高度或者厚度。当然，这只是双极板嵌套配置的一个示例，其他配置也是可能的。任何双极板，不管是嵌套的或非嵌套的，冲压的或以其他方式成形的，可以从此处提供的教导受益。

虽然在图中并未示出，但在燃料电池堆中可选地包括的是子垫圈，其与MEA和/或GDM层一起可以布置在燃料电池堆10中的相邻双极板20之间。典型的子垫圈通常成形或配置为确保相邻双极板的导电部件彼此不进行接触。在相邻双极板的有效区域中，MEA或GDM可以将双极板彼此隔开，同时子垫圈可以在双极板的其他（非有效）区域将双极板彼此隔开。子垫圈可以由非导电材料和/或非渗透性材料形成，例如某些聚合材料。在一个实施例中，子垫圈可以由诸如Kapton?的基于聚酰亚胺的材料构成，但也可以由各种适当的聚合和/或非聚合材料制成。子垫圈可以包括或者可以为厚度在约25至约75μm范围内的薄膜形式。例如，其通常可以为其相邻双极板的形状，具有在MEA和/或GDM的区域中的切除口以及与双极板中的集管开口相对应的切除口。

在上述实施例的任何一个中，以及在其他实施例中，阳极流动通道34可以与在燃料电池堆10的双极板的每个端部处的阳极集管流体连通，其中一个阳极集管可以接收阳极气体流以将其分配到阳极气体流动通道34，并且另一个阳极集管可以接收来自阳极流动通道的阳极废气。类似地，阴极气体流动通道36可以与在电池堆10的双极板的每个端部处的阴极集管流体连通，并且冷却流动通道38可以与在电池堆10的双极板的每个端部处的冷却剂集管流体连通。

图3和图4分别示出了示例性阳极反应物板22和阴极反应物板24的反应物侧的平面图，每个均包括有效区域52、非有效区域54、集管开口60-70和沟道区域72-78。反应物板22和24可以通过焊接或其他适当手段附接在一起，其中它们各自的反应物侧彼此背离以形成可以进一步包括形成在反应物板22、24之间的冷却剂流动通道的双极板组件。流动通道的一部分可以具有如上所述的嵌套配置，但这并非必须的。

有效区域52可以通常为矩形形状，与将布置为相邻于燃料电池堆中双极板的MEA的尺寸和形状相对应，并且可以包括形成在相应反应物板22和24中的阳极反应物流动通道34和阴极反应物流动通道36。非有效区域54可以位于每个反应物板的相对两端处，如图所示。这些区域可以称为供应区域，因为它们可以包括反应物流动通道34和36的一部分，并且在燃料电池操作期间可以供应反应物流体到有效区域52或者从有效区域52传送走反应物流体。

集管开口60-70可以包括阳极集管开口60、62；阴极集管开口64、66；和冷却剂集管开口68、70。阳极集管开口60、62可以分别包括阳极入口集管开口60和阳极出口集管开口62。阴极集管开口64、66可以分别包括阴极入口集管开口64和阴极出口集管开口66。冷却剂集管开口68、70可以分别包括冷却剂入口集管开口68和冷却剂出口集管开口70。入口集管开口60、64和68与出口集管开口62、66和70可以位于每个反应物板的相对两端。

通常，当反应物板被组装成为双极板组件时和当双极板组件被组装成为燃料电池堆时，相似的集管开口可以通常彼此对齐。燃料电池堆中相邻双极板组件可以具有布置在其间的集管密封件，集管密封件可以环绕每个相邻的集管开口。被联系在一起时，燃料电池堆中相邻或相继双极板的相似集管开口，与对应于每个集管开口的集管密封件一起，可以至少部分限定燃料电池堆的反应物集管。例如，在燃料电池堆中通常彼此对齐的一系列的阳极入口集管开口60与布置在相邻双极板组件20之间并且环绕每个相邻阳极入口集管开口60的集管密封件一起，可以形成燃料电池堆10的阳极入口集管。

类似的描述适用于阳极出口集管、阴极入口和出口集管以及冷却剂入口和出口集管。这样的反应物入口集管可以沿着燃料电池堆的长度延伸以并联配置提供反应物气体（例如氢燃料或含氧气体）到各个燃料电池单元。类似地，这样的反应物出口集管可以沿着燃料电池堆的长度延伸以并联配置从各个燃料电池单元去除反应物或副产物气体，例如过量氢燃料、过量氧气携带气体或水副产物。冷却剂集管以相似方式操作，以并联配置提供和去除各个燃料电池单元的冷却剂。

如图3-4中集管开口的集管开口的示例性配置所示，双极板组件可以具有反向流动配置。也就是说，阳极气体越过阳极反应物板22在一个方向上流动，而阴极气体越过阴极反应物板24在相反方向上流动。在其他实施例中，集管开口可以包括共同流动配置，其中阳极和阴极气体沿相同方向越过双极板流动。如图所示，冷却剂流体和阴极流体是共同流动配置，但其他配置也是可以的。

当然，为了阳极气体和阴极气体从入口集管经由相应反应物流动通道34和36到出口集管而越过双极板的表面行进，气体必须首先输送越过相应集管密封件，即在入口侧上从密封件的集管侧到密封件的流动通道侧，以及在出口侧上从密封件的流动通道侧到密封件的集管侧。

沟道区域72-78可以将燃料电池堆的反应物集管与它们适当的反应物流动通道34、36流体连接，以将反应物流体从相应集管密封件的一侧输送到另一侧。沟道区域72可以位于阳极入口集管开口60和阳极流动通道34之间，并且沟道区域74可以位于阳极出口集管开口62和流动通道34之间。沟道区域76可以位于阴极入口集管开口64和阴极流动通道36之间，并且沟道区域78可以位于阴极出口集管开口66和流动通道36之间。如此实施例中所示，沟道区域可以与双极板组件的非有效区域流体连通。但其他实施例可以包括燃料电池堆集管与双极板的有效区域之间经由沟道区域的直接流体连通。

数个竞争因素可以帮助确定沟道区域的配置。一个因素可以是沟道区域最小化流体流动的任何限制，由此最小化燃料电池堆中的压力损失。另一个因素可以是沟道区域对冲压或者其他制造公差不敏感，由此允许可靠的性能并且允许使用较低成本的制造技术。再一个考虑可以是水积蓄的约束点被最小化以提供更好的低功率和冷冻性能，并且最小化可能由沟道区域中约束的水所产生（尤其是阴极侧上）的反应物流动通道堵塞。如此处所公开，减小约束点的一个方法是配置沟道区域使得它们在尽可能少的燃料电池高度水平中存在（在堆叠方向上存在的水平）；即，流体从集管密封件的一侧达到另一侧所必须采取的路径应当具有尽可能少的高度变化或其他流体方向变化。

现在参考图5，例如如图所示的区域74和76的沟道区域可以在横向上位于密封的冷却剂区域80外侧，在此示例中密封的冷却剂区域84包括反应物板和冷却剂集管开口68之间的冷却剂流动通道区域。限定密封的冷却剂区域的密封由虚线82示出。密封82可以形成在双极板组件20的阳极和阴极反应物板之间，并且可以包括或由连续的焊接、粘合剂、弹性体或其它类型的垫圈、或任何其它适当的密封件。图5还示出了集管密封件84的示例性位置。集管密封件84可以围绕它们相应的集管开口并且可以包括位于沟道区域之一中的部分。集管密封件84可以采取各种形式，包括预成形的垫圈和/或到位硬化（CIP）弹性体材料，例如基于硅树脂的材料、UV硬化材料或其它材料。到位硬化材料可以以粘性液体的形式被应用，粘性液体能够流动以适形于在其被硬化之前所应用到的沟道的形状或多种形状。通常，预成形的垫圈也可以包括相应的卸载区域以适应下述各种沟道区域特征，或者可以由适当低硬度的材料构成以适形于这样的沟道区域特征。CIP材料可以沉积到各个双极板的所需阳极和/或阴极侧上以被组装到燃料电池堆中。CIP材料可以被允许在燃料电池堆组装之前硬化，但其可以形成可以被允许在电池堆组装之后硬化的湿密封件。当然，这些仅仅是密封件和密封件位置的示例。其他密封件可以包括在双极板的两部分和/或电池堆中相邻板之间。例如，额外的集管密封件（未示出）可以被提供，其环绕冷却剂集管开口以隔离冷却剂流动，将其保持在冷却剂集管和冷却剂流动通道内并且从反应物流动通道和大气分开。类似地，额外的密封件（未示出）可以包括在位于每个反应物集管开口周围的给定双极板组件的反应物板之间以将反应物气体从大气隔离。

现在参考图6，示出了示例性沟道区域的一部分。此示例中示出的具体沟道区域从示例性双极板组件20的阳极侧示出，该双极板组件20包括附接到彼此的图3和4的示例性阳极和阴极反应物板。在沟道区域74中，阳极和阴极反应物板22、24的冷却剂侧28、32可以布置为大体紧密相邻并且彼此相对。优选地仅在一个反应物板中形成一个或多个沟道86。在描述的实施例中，沟道86仅在阳极板22中以细长凹陷形式形成，而阴极板24的相邻部分基本平坦或平面。但是，沟道86可以替代地仅形成在阴极板24中，或者在两个板22、24中。

图6中所示的箭头表示从密封件84的反应物流动通道侧到密封件的集管侧朝向阳极出口集管开口62和其相应集管的流体流的方向。沟道86可以为直接贯通的沟道，如图所示，是指它们行进“直接贯通”集管密封件84而没有高度变化。在邻近阴极入口集管的沟道区域72中可以利用相似或在某些实施例中相同的配置，使得流体流将在相反方向上通过沟道区域。事实上，利用邻近入口和出口集管的相同沟道区域配置对于对称性是有用的，使得即使反应物板中的一个被旋转180度阳极和阴极板也可以组装为具有相同配置的双极板。并且如此配置的双极板可以在被旋转180度时组装到燃料电池堆中，而不会改变电池堆的结构。利用邻近入口和出口集管开口的相同沟道区域还在平衡流入和流出相应燃料电池单元的流体流上是有用的。此外，图6的配置可以在其他沟道区域中被使用，例如邻近阴极入口和出口集管开口的那些沟道区域。

示例性沟道86可以具有如图所示大体平坦的顶部88和倾斜侧面90，但沟道86可以具有任何数量的形状或形式。端口92可以形成在阳极板22中以有助于流体流进入（或离开）沟道86。换言之，端口92可以有助于流体流从阳极板22的反应物侧26到阳极板22的冷却剂侧28（或反之亦然），并且由此通过密封件84或者在密封件84之下。沟道可以包括邻近端口92的扩大部分94，如图所示。扩大部分94可以有助于防止诸如子垫圈的其他燃料电池部件侵入到端口92上或者堵塞端口92，和/或其可以设计为具有特定横截面以改进燃料电池中的整个流体流。端口92可以横向地越过沟道86，如图所示，并且可以在阳极板22中延伸超过沟道86的宽度。沟道区域还可以包括支撑特征96、98。支撑特征可以为凹入或小丘形式，并具有各种形状和尺寸，例如小圆形特征96和/或相对较大泪滴形特征98，后者可以如图所示在相邻沟道86之间延伸。支撑特征通常可以定位为接近端口92并且布置在端口92周围，并且可以有助于最小化或防止端口被燃料电池的其他层（例如垫圈、电解质膜、衬垫或沟道区域中的其他部件）的任何堵塞。

密封件84可以包括位于沟道区域中并且越过沟道86的部分，并且可以起作用以包围其相应集管开口，在此情况中为阳极集管开口62。如上所述，密封件84可以通过分配、模制、印制或者以其他方式将其装配到板上。密封件84还可以为预成形垫圈形式，其被模切、模制等，可以或者可以不包括切口或凹入以容纳沟道86。

在图6的实施例中，其中沟道86仅在反应物板之一中形成，板组件公差不敏感。换言之，此示例配置中的沟道86在双极板组装期间不必与其他反应物板的任何特定特征对齐。图6中描述的直接贯通沟道配置由于数个原因是有用的，包括最小化压力损失、最小化水约束点和减小的整体沟道区域尺寸等。这样的沟道区域配置还对低轮廓双极板配置有用，例如具有嵌套反应物板的那些双极板配置，因为与先前已知的沟道配置相比直接贯通配置可以具有较小的整体高度或厚度，先前已知的沟道配置通常包括多个高度变化并且因此要求在燃料电池的厚度方向上和在双极板的长度方向上有增大的空间。

此处公开的这个和其他实施例中示出的沟道区域的另一个特征是集管密封件对齐，例如，如下面将结合附图7-9示出和描述。这样的直接贯通沟道配置与具有多个高度变化的先前已知沟道配置不同，可以有助于相继的集管密封件（例如密封件84）在堆叠方向上彼此大体对齐。先前已知的沟道配置通常需要集管密封件在电池堆中的一个双极板与下一个双极板交错开，以允许沿着整个连续密封具有恒定厚度。交错的集管密封件有时候已知在对电池堆中相邻板均匀传递密封负载上引起困难。这样的非均匀负载分布可能导致不完美的密封，以及相邻双极板之间潜在的电短路。此处公开的直接贯通沟道配置可以允许集管密封件在其被组装和压缩时彼此对齐用于在电池堆中产生更均匀的负载分布。

图7图示了包括直接贯通沟道的双极板沟道区域的另一个示例性实施例，其中100被增加到用于指示先前讨论实施例的相似特征的部件标号。示出的示例性燃料电池堆110的该部分可以包括具有沟道区域的多个双极板组件120。与图6所示实施例相同，示出的沟道区域是邻近于阳极出口集管开口162，但这样的沟道配置当然可以用于邻近其他集管开口。每个双极板组件120可以包括阳极和阴极反应物板122、124。沟道186形成在阳极板122中，而相邻的阴极板124是平坦的。如前所述，沟道186可以替代地形成在阴极板124中，或者在两个反应物板中。端口192可以形成在阳极板122中以有助于流体流从阳极板122的反应物侧到阳极板122的冷却剂侧（或者反之亦然），并且因此通过密封件184或者在密封件184之下。端口192可以横向越过沟道186，如图所示，并且在阳极板122中延伸超过沟道186的宽度。在此实施例中，端口192位于沿着沟道186的长度的某处，在两个端部之间，而非如图6的实施例的情况中那样在沟道的端部处。沟道区域也可以包括接近端口192定位并且围绕端口192设置的支撑特征，但是此处它们并未被示出。其他燃料电池堆特征也在附图中被省略以更清楚。在此实施例中，在电池堆中的相继或相邻双极板中形成的沟道186大体在堆叠方向上彼此对齐，并且直接贯通沟道配置可以允许在电池堆中板与板之间有对齐的集管密封件184。

图8图示了图7的燃料电池堆110的该部分的替代示例性实施例。在此特定附图中，密封件184尚未被压缩以适形于它们相应的沟道186。在此实施例中，电池堆中相继双极板的沟道186在堆叠方向上彼此成交错关系，而电池堆中相继的密封件184保持彼此对齐。沟道的这样的交错配置可以用于更好地分配相应密封件184中的压缩负载，并且还可以有利于排出液体水到集管中并且更均匀分配反应物气体。

参考图9，示出了示例性燃料电池堆210的一部分，其包括沟道区域278的另一个实施例。此实例示出的具体沟道区域从双极板220的阴极侧224示出。沟道区域278可以位于双极板的阴极出口集管开口262和阴极气体流动通道之间。在示例性的沟道区域278中，阳极和阴极反应物板222、224的冷却剂侧228、232可以布置为通常紧密相邻并且彼此相对。优选地仅在一个反应物板中形成一个或多个沟道286。在此所述实施例中，沟道286仅在阳极板222中以细长凹陷形式形成，而阴极板224的相邻部分基本平坦或平面。当然，沟道286可以替代地仅形成在阴极板224中，或者在两个板222、224中。图9中所示的箭头表示从集管密封件284的反应物流动通道侧到集管密封件284的集管侧并朝向阳极出口集管开口262和其相应集管的流体流的方向。但是，相同的配置可以在邻近阴极入口开口的沟道区域中使用，使得流体流将在相反方向上流动通过沟道区域。事实上，利用邻近入口和出口集管的相同沟道区域配置对于对称性是有用的，如上所述。

如图9所示，沟道286的整体形状可以类似于其他公开实施例中的那些形状，例如细长凹陷。在此实施例中，端口292可以形成在阴极板222中以有助于流体流进入（或离开）沟道286。换言之，端口292可以有助于流体流从阴极板224的反应物侧230到阴极板224的冷却剂侧232（或反之亦然），并且由此通过集管密封件284或者在集管密封件284之下。在此实施例中，与前述实施例不同，端口292不横向越过沟道286。相反，它们形成在相反的反应物板中，在此示例中为阴极板。端口292可以包括形成为在相对沟道286的突出区域内穿过适当反应物板的孔。示例性沟道区域278也可以包括支撑特征296、298。支撑特征可以为凹入或小丘形式，并具有各种形状和尺寸，例如小圆形特征296和/或相对较大的细长或椭圆特征298，后者可以如图所示在相邻端口292之间延伸。支撑特征通常可以定位为接近端口292并且布置在端口292周围，并且可以有助于最小化或防止端口被燃料电池的其他层（例如垫圈、电解质膜、衬垫或沟道区域中的其他部件）的任何堵塞。

在图9的实施例中，即使当流体流从反应物板的反应物侧到冷却剂侧以进入沟道286时可能争议地存在一个高度变化，沟道区域仍然可以被视为“直接贯通”配置，因为沟道286直接行进直接贯通集管密封件。即使包括单个高度变化的此实施例仍然可以是优于先前已知的沟道区域，该先前已知的沟道区域通常包括多个高度变化以使得流体从集管密封件的一侧到达另一侧。这样，图9的此实施例包括此处公开的其他直接贯通沟道配置的许多优点和使用，例如最小化压力损失、最小化水约束点和在长度和高度上减小的整体沟道区域尺寸等。

在一个实施例中，在给定双极板中包括的全部沟道区域均包括仅仅在双极板的一侧上形成的沟道，例如，仅仅在阳极或阴极反应物板之一上。例如，在给定双极板组件中包括的全部沟道区域均可以包括仅在阳极反应物板中形成的沟道。特别地，诸如图6所示的沟道区域实施例可以被包括以邻近阳极入口和出口集管与集管开口，并且诸如图9所示的沟道区域实施例可以被包括以邻近阴极入口和出口集管与集管开口。在这样的配置中，其中双极板的各个沟道区域中的全部沟道均仅在双极板的一个反应物板上形成，集管密封件被极大简化，因为密封件可以被应用到每个双极板的单侧。例如，在利用CIP密封件的情况下，其可以通过将其应用到双极板组件的单侧而被应用到全部沟道的顶部。例如在刚才描述的实施例中，其中沟道均形成在阳极反应物板中，CIP密封件可以仅应用在双极板的阳极侧上。当然，全部沟道可以替代性地形成在阴极反应物板中以实现相同优点。

本发明的上述实施例的描述本质上仅仅是示例性的，并且因此其变化不被视为背离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种产品，包括：

燃料电池堆，包括反应物集管和多个相邻的双极板，所述反应物集管包括在每个双极板中的第一集管开口和布置在每个相邻双极板之间并且环绕其相邻第一集管开口中的每一个的集管密封件，其中每个双极板还包括反应物流动通道和第一沟道区域，所述第一沟道区域将反应物流动通道和反应物集管流体连接，并且其中所述第一沟道区域中的至少一个包括直接贯通沟道。

2.根据权利要求1所述的产品，其中反应物集管的每个集管密封件在堆叠方向上彼此对齐。

3.根据权利要求1所述的产品，其中反应物集管是阳极入口集管或阴极入口集管，并且燃料电池堆还包括对应的阳极出口集管或阴极出口集管，出口集管包括在每个双极板中的第二集管开口和和布置在每个相邻双极板之间并且环绕其相邻第二集管开口中的每一个的集管密封件，其中每个双极板还包括将反应物流动通道和出口集管流体连接的第二沟道区域，并且其中所述第二沟道区域中的至少一个包括直接贯通沟道。

4.根据权利要求3所述的产品，其中每个双极板内的所述第一和第二沟道区域彼此基本上相同。

5.根据权利要求3所述的产品，其中每个双极板是对称的，使得当被放置在燃料电池堆中时其能够在双极板的平面内旋转180度而不会改变燃料电池堆的结构。

6.根据权利要求3所述的产品，其中所述反应物集管是阳极集管，反应物流动通道是阳极流动通道，并且燃料电池堆还包括：

阴极入口集管，包括在每个双极板中的第三集管开口和和布置在每个相邻双极板之间并且环绕其相邻第三集管开口中的每一个的集管密封件；和

阴极出口集管，包括在每个双极板中的第四集管开口和和布置在每个相邻双极板之间并且环绕其相邻第四集管开口中的每一个的集管密封件；

其中每个双极板还包括阴极流动通道，以及分别将阴极流动通道流体连接到阴极入口集管和阴极出口集管的第三沟道区域和第四沟道区域，并且第三沟道区域和第四沟道区域的每一者中的至少一个包括直接贯通沟道。

7.根据权利要求6所述的产品，其中每个双极板包括阳极反应物板和阴极反应物板，并且全部沟道均仅形成在反应物板之一中。

8.根据权利要求6所述的产品，其中每个双极板包括阳极反应物板和阴极反应物板，并且其中将阳极集管流体连接到阳极气体流动通道的沟道区域的沟道形成在阳极反应物板中，和阴极集管流体连接到阴极气体流动通道的沟道区域的沟道形成在阴极反应物板中，使得在燃料电池堆的操作期间当流体流过每个沟道区域时不存在高度变化。

9.一种产品，包括：

双极板，包括冲压阳极反应物板和阴极反应物板，每个反应物板包括反应物流动通道和集管开口，集管开口与另一个反应物板的集管开口对齐，所述双极板还包括位于对齐的集管开口和反应物流动通道之间的沟道区域，所述沟道区域包括一个或多个沟道，其中双极板的全部沟道均仅形成在反应物板之一中。

10.一种产品，包括：

燃料电池堆，包括多个相邻的双极板和多个反应物集管，每个反应物集管包括穿过每个相邻双极板形成的多个相邻集管开口和布置在每个相邻双极板之间并且环绕其相邻集管开口的集管密封件，其中每个集管密封件的一部分位于每个相邻双极板的沟道区域中，并且每个反应物集管的每个集管密封件在堆叠方向上彼此对齐。

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