CN106030886A - 电化学电池 - Google Patents

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Abstract

提供了用于电化学电池的隔板和框构件。隔板包括从所述隔板延伸以限定流场的多个突起。沿着所述流场的相对的两侧布置的成对的端结构，每个端结构基本上延伸所述流场的长度。提供了具有第一组开口和第二组开口的周部。其中所述多个突起和所述成对的端结构从由所述周部限定的平面延伸。框构件包括为了便于组装并且减少过分约束条件的风险的结构。框构件还具有通过桥接构件划分的端口以在工作压力下支承框构件。

Description

电化学电池
背景技术
本公开内容一般性涉及电化学电池，并且更具体地涉及具有隔板和框的电化学电池。
电化学电池是能量转换装置，通常分类为电解池或燃料电池。质子交换膜电解池可以通过电解水来产生氢气和氧气而用作氢气发生器，并且可以通过氢气与氧气的电化学反应来产生电力而用作燃料电池。参照图1，图1是典型的阳极供给电解池100的部分截面，工艺用水102被供给到电池100的在氧电极(阳极)116的一侧上以形成氧气104、电子和氢离子(质子)106。反应通过电源120的电连接至阳极116的正极端子和电源120的连接至氢电极(阴极)114的负极端子而促进。氧气104和工艺用水的一部分108离开电池100，而质子106和水110跨越质子交换膜118迁移至形成氢气112的阴极114。
利用与在图1中所示出的构造相同的构造的另一典型的水电解池是阴极供给池，其中工艺用水被供给在氢电极的一侧上。一部分水从阴极跨越膜迁移至阳极，在阳极处由于通过跨阳极和阴极与电源连接而促进的反应来形成氢离子和氧气。一部分工艺用水在阴极侧离开电池而没有穿过膜。
典型的燃料电池使用与在图1中示出的构造相同的一般构造。氢气被引入到氢电极(在燃料电池中的阳极)，而氧气或者含氧气体(例如空气)被引入到氧电极(在燃料电池中的阴极)。水也可以与供给气体一起引入。用于燃料电池工作的氢气可以源自纯的氢源、烃、甲醇或以适合于用于燃料电池工作的纯度(即，不毒害催化剂或者不干扰电池工作的纯度)供给氢气的任意其他氢源。氢气在阳极处电化学反应以生成质子和电子，其中电子从阳极流动通过电连接的外部负载，质子通过膜迁移至阴极。在阴极处，质子和电子与氧反应以形成水，另外包括通过膜拉入阴极的任意供给水。可以利用越阳极和阴极之间的电势对外部负载供电。
在其他的实施方案中，一个或更多个电化学电池可以被用在系统内以既电解水来产生氢和氧，又根据需要通过将氢和氧转化成水来产生电力。这样的系统通常被称为再生燃料电池系统。
电化学电池系统通常包括布置以堆叠体的形式布置的多个单电池，工作流体经由形成在堆叠体结构内的输入和输出导管或者端口直接通过电池。堆叠体内的电池顺次布置，每个电池包括阴极、质子交换膜和阳极。阴极和阳极可以是隔开的层或者可以与膜一体地设置。每个阴极/膜/阳极组合件(下文中“膜电极组合件”或“MEA”)通常具有与阴极流体连通的第一流场和与阳极流体连通的第二流场。MEA可以另外通过设置在流场内或者可替选地限定流场的筛网组(screen pack)或隔板而被支承在两侧上。筛网组或隔板可以促进流体向MEA移动或者从MEA移动，膜的水化，并且还可以提供对MEA的机械支承。
为了保持在多种工作压力下和长的时间周期内电池部件之间的紧密接触，可以向电池部件施加均匀的压缩。通常使用压垫或者其他的压缩装置以提供来自电化学电池内的压缩力。
虽然现有的内部部件适用于其预期目的，但是仍存在改进的需求，特别是涉及提供成本有效的隔板和用于高压力电化学电池的电池框。
发明内容
本发明的实施方案包括用于电化学电池的隔板。该隔板包括从所述隔板延伸以限定流场的多个突起。成对的端结构沿着所述流场的相对的两侧布置，每个端结构基本上延伸所述流场的长度。提供具有第一组开口和第二组开口的周部。第一组开口具有沿着所述流场的第一侧的第一多个开口和沿着所述流场的相对的第二侧的第二多个开口。第二组开口具有与成对的端结构中之一相邻的第三多个开口和布置为与成对的端结构中之另一相邻的第四多个开口。其中所述多个突起和成对的端结构从由所述周部限定的平面延伸。
本发明的其他实施方案包括用于电化学电池的框。该框包括具有限定中心开口的内边缘的周部。第一多个开口延伸通过所述框，所述第一多个开口布置在围绕中心开口的周部的四个侧上，第一多个开口均具有第一直径。第二开口布置在周部的第一角中，第二开口具有第二直径，第二直径小于第一直径。布置在与第一角相对的第二角中的槽，所述槽具有比第二直径大的宽度。
本发明的其他的实施方案包括电化学电池。提供有多个膜电极组合件(MEA)，每个膜电极组合件布置在第一电池隔板与第二电池隔板之间。其中第一隔板和第二隔板中至少之一包括从所述隔板延伸以限定流场的多个突起。沿着所述流场的相对的两侧布置的成对的端结构，每个端结构基本上延伸流场的长度。提供具有第一组开口和第二组开口的周部，第一组开口具有沿着所述流场的第一侧的第一多个开口和沿着所述流场的相对的第二侧的第二多个开口，第二组开口具有与所述成对的端结构中之一相邻的第三多个开口和布置为与所述成对的端结构中之另一相邻的第四多个开口。
在又一实施方案中，提供了具有多个电池的电化学电池。每个电池包括布置在第一电池隔板与第二电池隔板之间的膜电极组合件(MEA)。所述多个电池中的至少一个电池包括第一框构件和多孔板。第一框构件包括外周和内周，第一框构件还具有从内周远离外周延伸的第一唇缘。多孔板布置在第一框构件的内周内并且可操作地耦接至MEA。多孔板具有第一平面中心部和围绕所述第一平面中心部延伸的第一台阶部，所述第一台阶部被设置成与所述第一唇缘交叠的尺寸。
附图说明
参照示例性附图，其中相似的元件用相似的附图标记表示，在附图中：
图1示出了根据本发明的实施方案示出所使用的电化学反应的部分电化学电池的示意图；
图2示出了根据本发明的实施方案的示例性电化学电池的分解组装等轴视图；
图3示出了单个电池组合件的分解侧视图；
图4示出了图3的单个电池组合件的部分截面形式的透视图；
图5示出了图3的单个电池组合件的侧截面图；
图6示出了根据本发明的实施方案所使用的隔板的一个侧的平面图；
图7示出了图6的隔板的一部分的放大图；
图8示出了图6的隔板的部分截面图；
图9示出了根据本发明的实施方案所使用的电化学电池框的平面图；以及
图10示出了图9的电化学电池框的一部分的部分放大的图。
具体实施方式
本发明的实施方案提供了用于电化学电池的隔板，其中隔板限定通过支承多孔板的多个曲线凸起或凹陷形成的流场。该隔板在如下方面提供了优势：利用液压成形工艺由单个材料板形成的成本有效的一体的(unitary)隔板。另外的实施方案包括可以用在电化学电池的阳极和阴极两个侧上的电池框。该电池框还包括支承水和气体通路的桥接元件。电池框进一步包括非对称的连接杆开口，该非对称的连接杆开口促进电化学电池堆叠体的可靠且一致的组装。该隔板在如下方面提供了优势：在电化学电池堆中集成数个单独部件并且还减小了在组装方面的制造成本和劳动力成本。
首先参照图2，以分解组合件等距视图对可以适于操作为阳极供给电解池、阴极供给电解池、燃料电池、或再生燃料电池的示例性电化学电池200进行了描绘。因此，虽然下文的讨论可以针对阳极供给电解池，但是也可以设想阴极供给电解池、燃料电池、以及再生燃料电池。电池200通常是布置成电池堆作为电化学电池系统的一部分的多个电池中的一个。当电池200被用作电解池时，电源输入通常在约1.48伏至约3.0伏之间，电流密度在约50A/ft2(安培每平方英尺)至约4000A/ft2之间。当用作燃料电池时，电源输出在约0.4伏至约1伏之间，并且电流密度在约0.1A/ft2至约10000A/ft2之间。堆叠体内的电池的数目以及单个电池的尺寸可调节以适应所需的电池电源输出和/或气体输出要求。因此，电化学电池200的应用可以涉及根据应用以电串联或者电并联布置的多个单电池200。例如，电池200可以在各种压力下进行操作，所述压力例如高达或超过50psi(磅每平方英寸)，高达或超过约100psi，高达或超过约500psi，高达或超过约2500psi，或甚至高达或超过约10000psi。
在一个实施方案中，电池200包括在第一电池隔板215与第二电池隔板220之间与多个流场构件210交替布置的多个膜电极组合件(MEA)205。在示例性实施方案中，第一隔板215和第二隔板220是相同的。同时图2示出了流场构件210作为单个部件，如以下更详细地讨论的，流场构件210可以由多个单独部件形成，并且还可以与隔板220协作以限定流体流动路径。衬垫225可以通常用于增强第一电池隔板215和第二电池隔板220与相关联的双极板210之间的密封，以及MEA 205与相邻的隔板210之间的密封。
MEA 205具有第一电极(例如，阳极或氧电极)230和设置在质子交换膜(膜)240的相反侧的第二电极(例如，阴极或氢电极)235，参照图3清楚可见。与相邻的MEA 205的电极230和235流体连通的流场构件210，其具有待在以下更详细地讨论的限定相邻于电极230和235的流场和它们的密封的结构。电池部件，特别是电池隔板215、220、流场210、以及衬垫225可以与适合用于流体流动的歧管或其他导管一起形成。在多个电池200被布置成电化学电池堆的实施方案中，隔板215、220中的一个可以是该组合件的端板。
在实施方案中，膜240包括电解质，该电解质在电化学电池的操作条件下优选为固体或凝胶。有用的材料包括质子传导性离聚物和离子交换树脂。有用的质子传导性离聚物包括包含碱金属盐、碱土金属盐、质子酸或质子酸盐的配合物。有用的配合物形成试剂包括碱金属盐、碱土金属盐、以及质子酸和质子酸盐。可用于上述盐中的平衡离子包括卤离子、高氯酸根离子、硫氰酸根离子、三氟甲磺酸根离子、氟硼酸根离子等。这类盐的代表性示例包括，但不限于，氟化锂、碘化钠、碘化锂、高氯酸锂、硫氰酸钠、三氟甲磺酸锂、氟硼酸锂、六氟磷酸锂、磷酸、硫酸、三氟甲磺酸等。碱金属盐、碱土金属盐、质子酸、或质子酸盐与一种或多种极性聚合物如聚醚、聚酯、或聚酰亚胺，或者与含有上述极性聚合物作为一个段的网络或交联的聚合物络合。有用的聚醚包括聚氧化烯，如聚乙二醇、聚乙二醇单醚和聚乙二醇二醚；这些聚醚中的至少一种的共聚物，如聚(氧乙烯-共-氧丙烯)二醇、聚(氧乙烯-共-氧丙烯)二醇单醚、和聚(氧乙烯-共-氧丙烯)二醇二醚；乙二胺与上述聚氧化烯的缩合产物；以及酯，例如磷酸酯、脂族羧酸酯、或上述聚氧化烯芳族羧酸酯。以下物质的共聚物在本领域中已知可表现出足够可用的离子传导性：例如，马来酸酐、二烷基硅氧烷与聚乙二醇、或者聚乙二醇单乙醚与甲基丙烯酸。
用作质子传导材料的离子交换树脂包括烃类树脂和氟碳型树脂。烃类离子交换树脂包括酚醛树脂，缩合树脂如苯酚-甲醛，聚苯乙烯，苯乙烯-二乙烯基苯共聚物，苯乙烯-丁二烯共聚物，苯乙烯-二乙烯基苯-氯乙烯三元共聚物等，上述树脂通过磺化而被赋予(imbued)了阳离子交换能力，或者通过氯甲基化随后转化成相应的季胺而被赋予了阴离子交换能力。
氟碳型离子交换树脂可以包括四氟乙烯-全氟磺酰乙氧基乙烯基醚的水合物或四氟乙烯-羟基化(全氟乙烯基醚)共聚物。当需要氧化和/或酸耐受性时，例如，在燃料电池的阴极，具有磺酸、羧酸和/或磷酸官能性的氟碳型树脂是优选的。氟碳型树脂通常表现出对由卤素、强酸和碱氧化的优异耐受性。具有磺酸基官能性的氟碳型树脂中的一类是NAFIONTM树脂(购自E.I.du Pont de Nemours and Company,Wilmington,DE)。
电极230和235可以包含适用于进行所需的电化学反应(即，电解水和产生氢)的催化剂。合适的催化剂包括，但不限于，包含铂、钯、铑、碳、金、钽、钨、钌、铱、锇、前述催化剂中的至少一种的合金等的材料。电极230和235可以形成在膜240上，或者可以以层的方式相邻于膜240，但与膜240接触。
现参照图4和图5，示出了电池200的示例性实施方案。在这个实施方案中，电池200包括由单个的一体的钛板形成的隔板220。在这个实施方案中，存在布置在电池200的相反侧上的相同的隔板215(为清楚起见而未示出)。如将参照图6至图8更加详细讨论的，隔板215包括一体地形成在隔板215中的多个曲线突起300或凹陷。这些突起300提供以下优点：在电池的阳极侧形成流场，同时还在通过氢气产生的压力下支承电池结构。
多孔板构件302与隔板220相邻并接触。在示例性实施方案中，多孔板302具有在工作期间支承膜240的通常为平面的中心部304。多孔板302可还包括围绕多孔板302的周缘延伸的台阶部306。台阶部306被设定成与在框构件320上的唇缘318交叠的尺寸。多孔板可以由例如烧结钛形成。隔板220和多孔板302限定使得水能够从在框中的入口向电极230流动并且氧气与水混合以流向出口的流场。在一个实施方案中，可以在隔板220与电极之间设置一层或多层的筛网。该筛网可以例如由金属(例如，铌，锆，钽，钛，碳钢，不锈钢，镍，钴，以及相关合金)制成。在示例性实施方案中，隔板220、多孔板302和多孔构件由导电材料制成。
在电池200的相反侧上与隔板215相邻并接触的是碳插入部308。碳插入部308由例如传导性热固性塑料(例如，BMC 8649石墨/环氧树脂复合材料)制成。碳插入部308可以包括跨越碳插入部308的长度延伸的通道(未示出)以促进来自电池200的氢气的流动。一个或更多个多孔构件310可设置在碳插入部308与电极235之间，例如但是不限于碳纸312，无规碳纤维的布314、碳束的织造布、多束碳的织造布或具有任意前述材料的任意组合。在这个实施方案中，碳插入部308和多孔构件310是导电的。
在示例性实施方案中，碳插入部308包括围绕周缘延伸的凹入部分(recessed portion)316。凹入部分316被设置成作为辅助(relief)使得碳流场材料312(例如，碳布或碳纸)能够延伸通过电极235的边缘并且与框构件320上的唇缘318交叠的尺寸。如以下将更加详细讨论的，在示例性实施方案中，可以在MEA 205的两个侧上使用相同的框构件320。框构件320限定电池200的周缘。例如，在框构件320与相邻部件(例如，隔板215、220)之间可以设置一个或更多个密封件322。此外，电池200可以包括设置在框构件320与MEA 205之间的衬垫324、326。在示例性实施方案中，衬垫324、326从框构件320的外边缘向内通过唇缘318向电极230、235的边缘延伸。衬垫324、326可以与在与此同时提交的共同拥有的题目为“电化学电池堆叠体保护衬垫(Electrochemical Cell StackProtector Gasket)”的美国专利申请(代理案卷号PES0350US)中描述的衬垫相同。
在一个实施方案中，碳插入部308包括从与多孔构件310相反的表面延伸的至少一个肋状物。该至少一个肋状物被设置成适应于隔板215的形成端结构338(图7)的侧上产生的凹陷的纵向部分内的尺寸。在一个实施方案中，该至少一个肋状物线形地且横跨中心部336的长度延伸。在另一实施方案中，该肋状物可以被成形为包括布置在延伸部342内的凸起。
现在参照图6至图8，示出了隔板215的一个实施方案。应该理解的是，虽然示出了该实施方案并且关于隔板215进行了描述，但是在示例性实施方案中隔板220是相同的。隔板215包括基本上与框构件320的尺寸和形状相同的外周部328。在周部328中形成有多个开口330。开口330被设置成接纳如在本领域公知的连接杆(未示出)的尺寸。如以下关于框构件320更详细讨论的，开口330A之一形成为具有稍小的直径和较小的容差。另外，另一开口330B形成为细长槽。开口330、330A、330B的布置使得能够精确组装而不具有由于容差叠加而导致的过度约束的情况(over constrained condition)。
与开口330相邻的是第一组矩形开口332和第二组矩形开口334。在每一组中的开口332、334中的每一个均被布置在中心部336的相对两侧上。换言之，中心部336通过围绕中心部336的周缘延伸的矩形开口332、334的组的来限定。矩形开口332、334与在框构件320中的相应开口和端口以及任意衬垫协作以形成向电池200提供反应物(水)并且从电池200移出产物(氢气、氧气+水混合物)的通路。
中心部336由多个凸起形成。所述多个凸起包括凹陷或突起300和成对的端结构338。应该理解的是，虽然图6示出了中心部336作为仅具有在边缘上的突起300，但是这是为了清楚起见，并且应该理解的是突起300延伸跨越端结构338之间的整个中心部336并且基本上填充端结构338之间的整个中心部336。端结构338沿着与第一组矩形开口332相邻的中心部336的长度延伸。在示例性实施方案中，端结构338的横轴基本上平行于反应物(水)的流动。换言之，反应物水经由第二组矩形开口334A进入电池200跨越中心部336流动(经由至少部分地通过在突起300之间的空间)并且产物经由相对的矩形开口334B离开电池200。
端结构338包括具有朝着中心部336的中心延伸的多个延伸部342的本体部340(图7)。延伸部342具有与突起300的形状互补的基本弯曲的形状。在示例性实施方案中，延伸部具有0.1英寸(2.54mm)的半径346，并且端结构338具有从平面外周部328的0.0325英寸(0.826mm)的高度“H”。端结构338的每个端344被弯曲为具有与突起300互补的形状。
突起300形成重复跨越中心部336的两个分离的交替的行350、352。行350与延伸部342之间的谷对齐，而行352与延伸部342的峰对齐。因而行350、352是相邻且彼此偏移的。在示例性实施方案中，每个突起300包括基本圆形的底部，该底部向基本平面的端部348逐渐变窄。突起300具有从平面端部348以角度θ向下延伸的侧壁。应该理解的是，平面端部348提供关于多孔板302的支承表面。在一个实施方案中，在相邻侧壁之间的角度θ是60度。在给定行350、352内的相邻突起300的中心之间的距离“D1”基本上稍大于在相邻的行350、352中的突起300之间的距离“D2”以限定促进反应物水沿着隔板215的长度流动的流体流通路径。在示例性实施方案中，距离D1是0.127英寸(3.226mm)，距离D2是0.111英寸(2.819mm)并且突起300的底部直径“D3”是0.126英寸(3.2mm)。在一个实施方案中，隔板215由液压成形的钛板制成。应该理解的是，在本文中所设置的尺寸提供以下方面的优点：使得隔板215能够经由液压成形工艺形成而不使钛材料开裂并且同时仍提供足够的强度来支承多孔板302。
现在参照图9至图10，示出了示例性框构件320。如上所述，框构件320是“可翻转的(reversible)”使得其可以用在电池200的阴极和阳极两个侧上。框构件320包括基本上与隔板215的尺寸和形状相同的外周部354。在外周部354中形成有多个开口356。外周部354的内边缘355限定开口357。开口356被设置成接纳如在本领域中公知的连接杆(未示出)的尺寸。应该理解的是，开口356与隔板215的开口330对准。在框构件320的一个角中，开口356A形成为具有稍小的直径并且具有较小的容差。另外，另一开口356B形成为细长槽。开口356、356A、356B的布置使得能够精确组装，而不具有由于容差叠加而导致的过度约束的情况。
布置在开口356与边缘355之间的是第一组矩形开口558和第二组开口560。在第一组矩形开口558与开口357中的每一个之间延伸的是多个流动通道362。流动通道362被取向为朝向框构件320的中心区域以限定用于流体进入和离开电池200的流通路径。应该理解的是，当框构件320被布置在电池200的阳极侧上时，流动通道362A使得反应物(例如，水)能够从由矩形开口558限定的导管流动并且进入由隔板220的突起300限定的流场中。反应物跨电池200的宽度流动，其中一部分反应物被电极230电解。所产生的水加氧气的混合物被传输至流动通道362B并且进入连接的开口558，混合物从连接的开口558离开电池200。
类似地，当框构件320被用在电池200的阴极侧上时，氢气形成在阴极电极235(图3)处。氢流经碳纸312和纤维324并且进入形成在碳插入部中的通道(未示出)到达流动通道362，使氢气能够离开电池200。在示例性实施方案中，各个矩形开口358流体地耦接至八个(8)流动通道362，各个流动通道362具有在0.001英寸至0.0070英寸(0.0254mm至1.778mm)之间的宽度和在0.001英寸至0.070英寸(0.0254mm至1.778mm)之间的深度。在一个实施方案中，流动通道362为0.020英寸(0.508mm)宽并且0.020英寸(0.508mm)深。
在示例性实施方案中，第二组矩形开口560中的每一个均由第一端口364和第二端口366组成。每对端口364、366协作以与在相邻的框构件320中的开口558中之一流体地耦接以限定用于反应物(水)或产物的流体通道。相邻的端口的对由壁368隔开。布置在端口364、366之间的是桥接部370。在示例性实施方案中，桥接部370的宽度小于壁368的宽度。桥接部370提供以下方面的优点：支承框构件320的壁以耐受在工作期间由产物(例如，氢气)生成的内部压力。在示例性实施方案中，端口364小于端口366。在一个实施方案中，端口364具有0.269英寸(6.833mm)的宽度，并且端口366具有0.361英寸(9.169mm)的宽度。
框构件320还包括用于促进对电池200密封的结构。在一个实施方案中，密封结构372、374、376围绕各个开口356、358、360布置。这些密封结构372、374、376可以包括围绕开口356、358、360的周缘延伸的多个脊状物。这些脊状物与例如衬垫构件(例如密封件322(图4))啮合或者与例如膜249啮合。密封结构372、374、376有助于在工作压力下使衬垫/密封构件和膜保持在原位。
因此，如所公开的，本发明的一些实施方案可以包括以下优点中的一些：通过液压成形由单个钛板形成具有由多个凸起限定的流场的隔板；具有沿着流场的相对的两侧延伸的支承构件的隔板，支承构件被设定为支承多孔板的尺寸；可以用在电池的阳极和阴极两个侧上的框构件；具有通过桥接构件支承的多个开口的框构件。
在一个实施方案中，电化学电池被设置为具有多个电池。每个电池包括布置在第一电池隔板与第二电池隔板之间的膜电极组合件(MEA)。所述多个电池中的至少一个电池包括第一框构件和多孔板。第一框构件包括外周和内周，第一框构件还具有从内周远离外周延伸的第一唇缘。多孔板被布置在第一框构件的内周内并且可操作地耦接至MEA。多孔板具有第一平面中心部和围绕第一平面中心部延伸的第一台阶部，第一台阶部被设置成与第一唇缘交叠的尺寸。
在另一实施方案中，所述多个电池中的至少一个电池还包括第二框构件和多孔构件。第二框构件具有外周和内周，第二框构件还具有从内周远离外周延伸的第二唇缘。多孔构件布置在第二框构件的内周内并且可操作地耦接至与多孔板相对的MEA。多孔构件具有第二平面中心部和围绕第二平面中心部延伸的第二台阶部，第二台阶部被设定成与第二唇缘交叠的尺寸。在一个实施方案中，多孔构件可以选自：碳纸、无规碳纤维的布、碳束的织造布、多束碳的织造布以及前述组合。第二框构件可以与第一框构件相同。
在另一实施方案中，MEA包括设置在质子交换膜与多孔板之间的第一电极，第一电极被设置成适应于由第一唇缘限定的区域内的尺寸。MEA还包括可操作地耦接至所述质子交换膜的与所述第一电极相反的第二电极，第二电极被设置成适应于由第二唇缘限定的区域内的尺寸。在一个实施方案中，多孔构件被设置成适应于由第二台阶部限定的区域内的尺寸。
在又一实施方案中，多孔构件由所述多孔构件的多个层组成。所述多孔构件的多个层可以包括由无规碳纤维的布制成的层和碳纸层，所述碳纸层设置在所述无规碳纤维的布的层与第二电极之间。
在另一实施方案中，所述多个电池中的至少一个电池还包括布置为与多孔板相对的多孔构件相邻的碳插入部。碳插入部包括围绕碳插入部的周缘延伸的凹入部分，所述凹入部分具有至少部分地与第二台阶部平行并且相对于第二台阶部偏移的表面。
虽然已经参照示例性实施方案描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以做出各种改变并且等同物可以取代本发明的元件。另外，在不脱离本发明的实质范围的情况下，可以做出各种更改以使特定的情形或者材料来适应本发明的教导。因此，旨在本发明不限于作为最好的实施方案公开的特定实施方案或者用于执行本发明而构思的模式，而是本发明将包括落在所附权利要求范围内的所有的实施方案。另外，术语第一、第二等的使用不表示任何顺序或重要性，而是使用术语第一、第二等用于区分一个元件与另一个元件。此外，单数形式的使用不表示数量的限制，而是表示存在所指的项中至少之一。

Claims (30)

1.一种用于电化学电池的隔板，包括：
多个突起，所述多个突起从所述隔板延伸以限定流场；
沿着所述流场的相对侧布置的成对的端结构，每个端结构基本上延伸所述流场的长度；
具有第一组开口和第二组开口的周部，所述第一组开口具有沿着所述流场的第一侧的第一多个开口和沿着所述流场的相对的第二侧的第二多个开口，所述第二组开口具有与所述成对的端结构中之一相邻的第三多个开口和布置为与所述成对的端结构中之另一相邻的第四多个开口；并且其中所述多个突起和所述成对的端结构从由所述周部限定的平面延伸。
2.根据权利要求1所述的隔板，其中所述多个突起包括具有圆形底部和基本平面的端部的多个突起。
3.根据权利要求2所述的隔板，其中所述多个突起由第一行突起和第二行突起的交替的对组成，其中所述第二行突起相对于所述第一行突起偏移。
4.根据权利要求3所述的隔板，其中所述偏移大于沿着基本平行于反应物流动的方向的从所述第一行突起至所述第二行突起的距离。
5.根据权利要求1所述的隔板，其中所述隔板由钛制成。
6.根据权利要求1所述的隔板，其中所述周部包括多个连接杆开口，所述多个连接杆开口包括在第一角中具有第一直径的第一连接杆开口和布置在与所述第一连接杆开口相对的角中的连接杆槽。
7.一种用于电化学电池的框，包括：
具有限定中心开口的内边缘的周部；
延伸通过所述框的第一多个开口，所述第一多个开口布置在围绕所述中心开口的所述周部的四个侧上，所述第一多个开口均具有第一直径；
布置在所述周部的第一角中的第二开口，所述第二开口具有第二直径，所述第二直径小于所述第一直径；以及
布置在与所述第一角相对的第二角中的槽，所述槽的宽度大于所述第二直径。
8.根据权利要求7所述的框，其还包括第一组矩形开口，所述第一组矩形开口包括第一多个矩形开口和相对的第二多个矩形开口，所述第一多个矩形开口布置在所述第一多个开口与所述中心开口之间，所述第二多个矩形开口与所述第一多个矩形开口相对地布置在所述第一多个开口和所述中心开口之间。
9.根据权利要求8所述的框，其还包括设置在所述中心开口与在所述第一组矩形开口中的每个所述开口之间的流动通道。
10.根据权利要求9所述的框，其还包括第二组矩形开口，所述第二组矩形开口包括第三多个矩形开口和相对的第四多个矩形开口，所述第三多个矩形开口布置在所述第一多个开口与所述中心开口之间，所述第四多个矩形开口与所述第三多个矩形开口相对地布置在所述第一多个开口和所述中心开口之间。
11.根据权利要求10所述的框，其中在所述第二组矩形开口中的每个所述开口由被至少一个桥接构件隔开的第一端口和第二端口组成。
12.根据权利要求11所述的框，其中所述第一端口大于所述第二端口。
13.根据权利要求9所述的框，其中在所述中心开口与在所述第一组矩形开口中的每个所述开口之间设置有八个流动通道。
14.根据权利要求13所述的框，其中所述流动通道中的每一个为0.001英寸至0.070英寸宽和0.001英寸至0.070英寸深。
15.根据权利要求7所述的框，其中所述周部具有基本正方形的形状。
16.根据权利要求15所述的框，其中所述框具有基本正方形的形状。
17.一种电化学电池，包括：
多个膜电极组合件(MEA)，所述膜电极组合件中的每一个均布置在第一电池隔板与第二电池隔板之间；
其中所述第一电池隔板和所述第二电池隔板中至少之一包括：
多个突起，所述多个突起从所述隔板延伸以限定流场；
沿着所述流场的相对侧布置的成对的端结构，每个端结构基本上延伸所述流场的长度；以及
具有第一组开口和第二组开口的周部，所述第一组开口具有沿着所述流场的第一侧的第一多个开口和沿着所述流场的相对的第二侧的第二多个开口，所述第二组开口具有与所述成对的端结构中之一相邻的第三多个开口和布置为与所述成对的端结构中之另一相邻的第四多个开口。
18.根据权利要求17所述的电化学电池，其中：
所述多个突起包括具有圆形底部和基本平面的端部的多个突起；并且
所述多个突起由第一行突起和第二行突起交替的对组成，其中所述第二行突起相对于所述第一行突起偏移。
19.根据权利要求17所述的电化学电池，还包括：
设置在每个MEA与所述第一电池隔板之间的框构件；
其中每个框构件包括：
具有限定中心开口的内边缘的周部；
延伸通过所述框构件的第五多个开口，所述第五多个开口布置在所述周部的四个侧上，所述第五多个开口均具有第一直径；
布置在所述周部的第一角中的第二开口，所述第二开口具有第二直径，所述第二直径小于所述第一直径；以及
布置在与所述第一角相对的第二角中的槽，所述槽的宽度大于所述第二直径。
20.根据权利要求19所述的电化学电池，其中所述框构件还包括：
第一组矩形开口，所述第一组矩形开口包括第一多个矩形开口和相对的第二多个矩形开口，所述第一多个矩形开口布置在所述第五多个开口与所述中心开口之间，所述第二多个矩形开口与所述第一多个矩形开口相对地布置在所述第五多个开口和所述中心开口之间；以及
设置在所述中心开口与在所述第一组矩形开口中的每个所述开口之间的流动通道。
21.一种电化学电池，包括：
多个电池，每个电池具有布置在第一电池隔板与第二电池隔板之间的膜电极组合件(MEA)；
其中所述多个电池中的至少一个电池包括：
具有外周和内周的第一框构件，所述第一框构件还具有从所述内周远离所述外周延伸的第一唇缘；以及
多孔板，所述多孔板布置在所述第一框构件的所述内周内并且可操作地耦接至所述MEA，所述多孔板具有第一平面中心部和围绕所述第一平面中心部延伸的第一台阶部，所述第一台阶部被设置成与所述第一唇缘交叠的尺寸。
22.根据权利要求21所述的电化学电池，其中所述多个电池中的至少一个电池还包括：
具有外周和内周的第二框构件，所述第二框构件还具有从所述内周远离所述外周延伸的第二唇缘；以及
多孔构件，所述多孔构件在所述第二框构件的所述内周内并且与所述多孔板相反地可操作地耦接至所述MEA，所述多孔构件具有第二平面中心部和围绕所述第二平面中心部延伸的第二台阶部，所述第二台阶部被设置成与所述第二唇缘交叠的尺寸。
23.根据权利要求22所述的电化学电池，其中所述多孔构件选自：碳纸、无规碳纤维的布、碳束的织造布、多束碳的织造布以及前述的组合。
24.根据权利要求22所述的电化学电池，其中所述MEA包括设置在质子交换膜与所述多孔板之间的第一电极，所述第一电极被设置成适应于由所述第一唇缘限定的区域内的尺寸。
25.根据权利要求24所述的电化学电池，其中所述MEA还包括可操作地耦接至所述质子交换膜的与所述第一电极相反的第二电极，所述第二电极被设置成适应于由所述第二唇缘限定的区域内的尺寸。
26.根据权利要求25所述的电化学电池，其中所述多孔构件被设置成适应于由所述第二台阶部限定的区域内的尺寸。
27.根据权利要求26所述的电化学电池，其中所述多孔构件由多孔构件的多个层组成。
28.根据权利要求27所述的电化学电池，其中所述多孔构件的多个层包括由无规碳纤维的布制成的层和碳纸的层，所述碳纸的层设置在所述无规碳纤维的布的层与所述第二电极之间。
29.根据权利要求22所述的电化学电池，其中所述多个电池中的至少一个电池还包括布置为相邻于所述多孔构件的与所述多孔板相反的碳插入部，所述碳插入部具有围绕所述碳插入部的周缘延伸的凹入部分，所述凹入部分具有至少部分地平行于所述第二台阶部并且相对于所述第二台阶部偏移的表面。
30.根据权利要求22所述的电化学电池，其中所述第二框构件与所述第一框构件相同。
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