CN106207235A - 具有改进的反应物分布的燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有改进的反应物分布的燃料电池，更具体地涉及为燃料电池系统提供双极板的系统和方法，所述燃料电池系统包括促进在主要反应物流动通道之间反应物流动的交叉流动通道。在某些实施例中，所述交叉流动通道可以允许改进的反应物流动分布横越所述燃料电池系统的催化剂层。在进一步的实施例中，所述交叉流动通道可以增加在所述燃料系统中的反应物界面区域，从而提高系统的性能。

Description

具有改进的反应物分布的燃料电池

技术领域

本公开涉及燃料电池系统。更准确地说，但非排他地，本公开涉及一种利用交叉流动通道来改进在所述燃料电池系统内的反应物分布的燃料电池堆组件。

背景技术

客运交通工具可以包括燃料电池（“FC”）系统来给交通工具的电气和动力传动系统的某些特征提供动力。例如，FC系统可以被用于交通工具中来直接和/或者通过中间电池系统给所述交通工具的电气传动系统部件（例如，电动马达诸如此类）提供动力。FC系统可以包括单个电池或者，可选地，可以包括布置在堆配置中的多个电池。

FC系统可以包括被提供在FC堆中的双极板-隔离板之间的一个或多个单独的燃料电池。双极板可以限定多个平行的主要流动通道，所述主要流动通道促进反应物流动分布横越在所述FC堆电池中的催化剂层区域。在某些实施例中，这些流动通道的设计可以包括通道/脊面配置（即，肋和通道配置）。所述流动通道可以促进在所述FC的有效面积中的反应物分布，而分隔所述流动通道的所述肋和/或脊面区域可以为在包括气体扩散层的所述FC堆中的某些元素提供机械支持。在某些实施例中，所述流动通道可以包括螺旋形的、交错对插的、和/或直的通道的配置。

常规的通道和脊面配置在保证反应物流动均匀性的同时通过所述主要流动通道的同时，可以减少在反应物和催化剂层之间的界面区域，从而减少可能达到的性能。此外，参加反应的催化剂面积的减少可以对FC系统相关的操作产生不利的影响（例如，通过增加局部过度的电流密度和/或者影响可以减少耐久性的反应物分布）。例如，在直的流动通道配置中，可以减少被设置在脊面区域下通过气体扩散层的反应物对流。由于通过压缩的气体扩散层的较低的扩散，这可以限制反应物通向在所述肋下的催化剂。当所述FC系统操作于低温时，水可以在脊面区域下的气体扩散层中凝结，从而降低局部气体渗透率，而且进一步减少被利用的活性催化剂表面积和在较高的电流密度的这样的流场的性能。

在交错对插的通道配置中（例如，其中每一个其他通道被连接到进气歧管且其余的通道被连接到出口歧管的通道配置），由于在所述脊面下在进和出口通道之间的无序的反应物的对流，在脊面区域下被利用的活性催化剂表面的比例增加。然而，在这种情况下，在体积功率密度中明显的压降增加和/或者减少也可以被引入。

在没有限定的脊面和/或通道模式的流场设计中，反应物流动可以通过一层导电泡沫和/或网格进行分布。这样的设计可以增加可到达反应物的活性催化剂表面积，但是也可以涉及某些设计让步和/或增加的成本，以实现更均匀的反应物流动分布。鉴于以上情况，促进改进的反应物流动分布横越所述FC堆的催化剂层，同时减少性能问题和/或成本的系统和方法是可取的。

发明内容

在本文公开的系统和方法的实施例提供了FC堆组件，所述FC堆组件包括多个由双极板彼此分隔的FC（例如，包括被夹在阳极和阴极气体扩散层之间的具有阳极催化剂层在一侧上和阴极催化剂层在另一侧上的质子交换膜的质子交换膜燃料电池（“PEMFC”）系统），所述双极板具有用于至少一个反应物流动的脊面通道流场配置。如在本文使用的，这样的所述流场的脊面和通道可以，在某些情况下，被进一步称为主要脊面和通道。某些实施例可以包括在主要流动通道之间的交叉流动通道。在某些实施例中，所述交叉流动通道可以促进改进的反应物流动分布横越所述FC堆的催化剂层和/或者增加在反应物和催化剂层之间的界面区域，从而提高FC系统性能。例如，在一些实施例中，连接相邻的主要流动通道与交叉流动通道可以通过增加催化剂层面积的利用、减少在所述FC系统中的局部过度电流密度提高FC系统性能、和/或者提高FC系统的耐久性。在本文公开的实施例可以进一步提高在低温下FC的性能、在超湿操作中的FC性能、在低铂负载下FC的性能、和/或与较薄的气体扩散介质材料和/或其他膜电极组件材料的相容性。

在一些实施例中，可以在或者阳极或者阴极侧或者在所述FC堆的双极板的两侧流场中限定所述交叉流动通道。例如，在某些实施例中，所述交叉流动通道可以至少部分地被限定在一个或多个与所述FC堆的所述双极板相关的脊面区域内。在某些实施例中，限定在所述双极板的脊面内的交叉流动通道的部分可以足够深以允许反应物通过在所述双极板和气体扩散介质之间的所述交叉流动通道。即，反应物可以自由地流动通过在由所述双极板限定的平行的主要流动通道之间的所述交叉流动通道。在进一步的实施例中，气体扩散介质的部分可以侵入到限定在双极板的脊面区域内的交叉流动通道内。气体扩散介质的这些部分与被设置在所述双极板的脊面下的气体扩散介质的其他部分相比可以被较少地压缩和/或者以其他方式更具渗透性。因此，反应物可以流动通过在所述主要流动通道之间的所述交叉流动通道内的较少压缩的和/或者以其他方式更具渗透性的气体扩散介质。

本发明还公开了以下方案。

方案1. 一种燃料电池系统，包括：

第一双极板，所述第一双极板限定多个主要阴极流动通道和在所述主要阴极流动通道之间的多个阴极交叉流动通道，所述主要阴极流动通道和阴极交叉流动通道经配置用于为阴极反应物提供流动路径；

阴极，其被设置与所述第一双极板相邻；

质子交换膜，其被设置与所述阴极相邻；

阳极，其被设置与所述质子交换膜相邻；以及

第二双极板，其被设置与所述阳极相邻，所述第二双极板限定多个主要阳极流动通道，所述主要阳极流动通道经配置用于为阳极反应物提供流动路径。

方案2. 如方案1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述第二双极板进一步限定在所述主要阳极流动通道之间的多个阳极交叉流动通道，所述阳极交叉流动通道经配置用于为所述阳极反应物提供另一流动路径。

方案3. 如方案1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述多个阴极交叉流动通道被限定在所述第一双极板的脊面区域中。

方案4. 如方案3所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极包括被设置与所述多个主要阴极流动通道和所述多个阴极交叉流动通道相邻的阴极气体扩散介质。

方案5. 如方案4所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极进一步包括被设置与所述阴极气体扩散介质相邻的阴极微孔层和被设置与所述质子交换膜相邻的阴极催化剂层。

方案6. 如方案4所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极气体扩散介质的部分侵入到所述多个阴极交叉流动通道中。

方案7. 如方案6所述的燃料电池系统，其特征在于，侵入到所述多个阴极交叉流动通道中的所述阴极气体扩散介质的部分与被设置与所述第一双极板的其他脊面区域相邻的所述阴极气体扩散介质的其他部分相比对于阴极反应物流动是更具渗透性的。

方案8. 如方案1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极反应物包括空气。

方案9. 如方案1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极反应物包括氧。

方案10. 如方案2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述多个阳极交叉流动通道被限定在所述第二双极板的脊面区域中。

方案11. 如方案10所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阳极包括被设置与所述多个主要阳极流动通道和所述多个阳极交叉流动通道相邻的阳极气体扩散介质。

方案12. 如方案11所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阳极气体扩散介质的部分侵入到所述多个阳极交叉流动通道中。

方案13. 如方案12所述的燃料电池系统，其特征在于，侵入到所述多个阳极交叉流动通道中的所述阳极气体扩散介质的部分与被设置与所述第二双极板的其他脊面区域相邻的所述阳极气体扩散介质的其他部分相比对于阳极反应物流动是更具渗透性的。

方案14. 如方案1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阳极反应物包括氢。

方案15. 一种动力传动系统，包括：

燃料电池系统，其包括：

　　第一双极板，所述第一双极板限定多个主要阴极流动通道和在所述主要阴极流动通道之间的多个阴极交叉流动通道，所述主要阴极流动通道和阴极交叉流动通道经配置用于为阴极反应物提供流动路径；

　　阴极气体扩散层，其被设置与所述第一双极板相邻；

　　质子交换膜，其被设置与所述阴极气体扩散层相邻；

　　阳极气体扩散层，其被设置与所述质子交换膜相邻；以及

　　第二双极板，其被设置与所述阳极相邻，所述第二双极板限定多个主要阳极流动通道，所述主要阳极流动通道经配置用于为阳极反应物提供流动路径。

方案16. 如方案15所述的系统，其特征在于，所述第二双极板进一步限定在所述主要阳极流动通道之间的多个阳极交叉流动通道，所述阳极交叉流动通道经配置用于为所述阳极反应物提供另一流动路径。

方案17. 如方案15所述的系统，其特征在于，所述阴极气体扩散层包括被设置与所述多个主要阴极流动通道和所述多个阴极交叉流动通道相邻的阴极气体扩散介质，所述多个阴极交叉流动通道被限定在所述第一双极板的脊面区域中，而且所述阴极气体扩散介质的部分侵入到所述多个阴极交叉流动通道中。

方案18. 如方案17所述的系统，其特征在于，侵入到所述多个阴极交叉流动通道中的所述阴极气体扩散介质的部分与被设置与所述第一双极板的其他脊面区域相邻的所述阴极气体扩散介质的其他部分相比对于阴极反应物流动是更具渗透性的。

方案19. 如方案16所述的系统，其特征在于，所述阳极气体扩散层包括被设置与所述多个主要阳极流动通道和所述多个阳极交叉流动通道相邻的阳极气体扩散介质，所述多个阳极交叉流动通道被限定在所述第二双极板的脊面区域中，而且所述阳极气体扩散介质的部分侵入到所述多个阳极交叉流动通道中。

方案20. 一种用于装配燃料电池系统的方法，包括：

装配所述燃料电池系统的燃料电池堆的部件，其中所述装配包括：

　　提供第一双极板，所述第一双极板限定多个主要阴极流动通道和在所述主要阴极流动通道之间的多个阴极交叉流动通道，所述主要阴极流动通道和阴极交叉流动通道经配置用于为阴极反应物提供流动路径；

　　设置阴极气体扩散介质与所述多个主要阴极流动通道和所述多个交叉阴极流动通道相邻；

　　设置阴极微孔层与所述阴极气体扩散介质相邻；

　　设置阴极催化剂层与所述阴极微孔层相邻；

　　设置质子交换膜与所述阴极催化剂层相邻；

　　设置阳极催化剂层与所述质子交换膜相邻；

　　设置阳极微孔层与所述阳极催化剂层相邻；

　　设置阳极气体扩散介质与所述阳极微孔层相邻；以及

　　设置第二双极板与所述阳极气体扩散介质相邻，所述第二双极板限定多个主要阳极流动通道和在所述主要阳极流动通道之间的多个阳极交叉流动通道，所述主要阳极流动通道和阳极交叉流动通道经配置用于为阳极反应物提供流动路径；以及

固定所述燃料电池堆的装配的部件。

附图说明

描述了本公开的非限制性和非详尽的实施例，包括参考附图的本公开的各种实施例，在附图中：

图1示出了与在本文公开的实施例一致的FC堆的透视图；

图2示出了与在本文公开的实施例一致的包括交叉流动通道的双极板的片的一部分的透视图；

图3示出了与在本文公开的实施例一致的多个示范性交叉流动通道的剖视图；

图4示出了与在本文公开的实施例一致的交叉流动通道配置的俯视图；

图5示出了与在本文公开的实施例一致的显示对于在各种示范性交叉流动通道纵横比的FC堆的示范性标准化性能增加的图；

图6示出了与在本文公开的实施例一致的装配FC堆的示范性方法的流程图。

具体实施方式

在下面提供了与本公开的实施例一致的系统和方法的详细描述。虽然描述了几个实施例，但是应当理解的，本公开并不局限于任何一个实施例，而是包括许多替换、修改和等价物。此外，虽然为了提供在本文公开的实施例的彻底的理解而在下面描述中阐述了许多具体细节，但是没有一些或全部这些细节可以实行一些实施例。此外，为了明确的目的，在相关领域中已知的某些技术材料没有进行详细描述，以便避免不必要的使本公开含糊不清。

通过参考附图本公开的实施例将得到最好地理解，其中相同的部分可以由相同的数字指定。本公开实施例的部件，如在本文的附图中通常描述和示出的，可以以各种不同的配置进行布置和设计。因此，本公开的系统和方法的实施例的下面的详细描述不旨在限制如申请的本公开的保护范围，但仅代表本公开的可能实施例。此外，除非另有规定，方法的步骤不一定需要以任何特定的顺序或甚至顺序地执行，也不需要步骤只被执行一次。

在本文公开的系统和方法的实施例，提供了包括双极板/隔离板的FC堆组件，所述双极板/隔离板包括在主要流动通道之间的交叉流动通道。在某些实施例中，所述交叉流动通道可以促进改进的反应物流动分布横越所述FC堆的催化剂层和/或者增加在反应物和催化剂层之间的界面区域，从而提高FC系统性能。结合本公开的实施例可以利用各种适合的交叉流动通道宽度、深度、方向（例如，相对于主要通道垂直的或成直角的）和/或频率。在一些实施例中，所述交叉流动通道的具体配置可以至少部分地基于相关的主要流动通道的几何形状。

虽然其他类型的FC系统也可以被利用，但是可以结合PEMFC系统利用某些实施例。在PEMFC系统中，氢可以被提供给所述FC的阳极，而且氧可以作为氧化剂被提供给所述FC的阴极。PEMFC可以包括膜电极组件（“MEA”），所述膜电极组件包括质子但不是在其面中的一个上具有阳极催化剂和在相反的面上具有阴极催化剂的电子导电固体聚合物电解质膜。所述膜可以夹在阳极和阴极气体扩散层之间来形成所述MEA。所述MEA可以被设置在形成双极板的一部分和作为用于阳极和阴极的电流收集器的一对导电元素之间。所述双极板可以限定一个或多个用于将气态反应物分布在各自的阳极和阴极催化剂层的表面上的主要流动通道和/或交叉流动通道。

FC系统可以包括单个电池或，可选地，可以包括布置在堆配置中的多个电池。例如，在某些实施例中，多个电池可以被串联地布置来形成FC堆。在FC堆中，多个电池可以以电气串联地被堆在一起，而且由气体不可渗透的、导电双极板分隔。所述双极板可以实现各种功能且可以以各种方式进行配置。在某些实施例中，所述双极板可以限定一个或多个内部冷却通路和/或者包括一个或多个换热表面的通道，冷却剂可以流动通过所述内部冷却通路和/或者通道来从FC堆中移除在其操作过程中产生的热量。

图1示出了与在本文公开的实施例一致的FC堆100的透视图。除了别的以外，所述FC堆100可以是包括在交通工具中的FC系统的FC堆。所述交通工具可以是机动交通工具、海运交通工具、航空器和/或任何其他类型的交通工具，而且可以包括用于结合在本文公开的系统和方法的任何适合类型的动力传动系统和/或固定电源。所述FC系统可以经配置用于提供电源到所述交通工具和/或者在本文共同描述的如FC供电设备（“FCPE”）的其他电动装置的某些部件。例如，所述FC系统可以经配置用于提供电力到所述交通工具的电气传动系统部件。所述FC堆100可以包括单个电池或布置在堆配置中的多个电池，而且可以包括上述某些FC系统元素和/或特征。特别地，图1示出了包括单个FC的FC堆100的一部分的截面。

所述FC可以包括由质子交换膜（“PEM”）102分隔的阴极和阳极。所述阴极可以包括被设置紧贴着所述PEM 102的第一侧的阴极侧催化剂层104、被设置紧贴着所述阴极侧催化剂层104的阴极侧微孔层106、和被设置紧贴着所述阴极侧微孔层106的阴极侧扩散介质层108。所述FC的所述阳极可以包括被设置紧贴着所述PEM 102的第二侧的阳极侧催化剂层110、被设置紧贴着所述阳极侧催化剂层110的阳极侧微孔层112、和被设置紧贴着所述阳极侧微孔层112的阳极侧扩散介质层114。

所述FC堆100的FC可以以电气串联地被堆在一起，而且由气体不可渗透的导电双极板分隔。所述双极板可以包括多片。例如，第一双极板可以包括片116、118，而且第二双极板可以包括片120、122。在某些实施例中，片116-122可以以包括机械加工、模压、冲压和/或诸如此类的各种方式进行制造。通过焊接和/或任何其他结合法，片116-122可以进一步被固定在一起。例如，片116和118可以在某些界面位置被焊接在一起。类似地，片120和122可以在某些界面位置被焊接在一起。

所述双极板和/或组成片116-122可以包括任何适合的材料包括例如钢，不锈钢，钛，铝，碳，石墨和/或诸如此类。在进一步的实施例中，所述双极板和/或组成片116-122可以包括包括有导电保护层的材料，所述导电保护层经配置用于在相关的FC系统操作过程中抑制所述双极板和或所述组成片116-122的降解。

在某些实施例中，第一双极板的阴极侧可以由片116限定。类似地，第二双极板的阳极侧可以由片120限定。片116可以限定多个主要阴极侧流动通道124。类似地，片120可以限定多个平行的主要阳极侧流动通道126。阴极反应物（例如，氧和/或空气）可以流动通过所述平行的主要阴极侧流动通道124，而且阳极反应物（例如，氢）可以流动通过所述平行的主要阳极流动通道126。所述阴极反应物（例如，氧和/或空气）可以通过所述阴极侧扩散介质层108和所述阴极侧微孔层106扩散，而且与所述阴极侧催化剂层104起化学反应。所述阳极反应物（例如氢）可以通过所述阳极侧扩散介质层114和所述阳极侧微孔层112扩散，而且与所述阳极侧催化剂层110起化学反应。氢离子可以通过所述PEM 102传播，从而产生电流。

在某些实施例中，所述第一双极板的片118可以限定所述FC堆100的相邻的FC（未示出）的阳极侧的多个平行的主要流动通道。类似地，所述第二双极板的片122可以限定所述FC堆100的另一个相邻的FC（未示出）的阴极侧的多个平行的主要流动通道。在一些实施例中，所述第一双极板的所述片116、118和所述第二双极板的所述片120、122可以限定多个用于在所述FC堆100的操作过程中促进液体冷却剂的流动的冷却流体跟踪通道128。

在一些实施例中，所述片116-122可以包括多个脊面区域和通道区域。例如，如图所示，片118可以包括多个脊面区域132和多个通道区域130。通道区域可以至少部分地限定相关的双极板的一个或多个平行的主要流动通道。例如，片118的通道区域130可以至少部分地限定所述FC堆100的相邻的FC（未示出）的阳极侧的多个平行的主要阳极侧流动通道。脊面区域可以与FC的阳极和/或阴极和/或与所述FC的阳极和/或阴极相关的气体扩散介质交界。除了别的以外，所述脊面区域可以为相邻设置的气体扩散介质和/或相邻的通道区域提供支持。例如，片118的脊面区域132可以与所述FC堆100的相邻的FC（未示出）的阳极侧气体扩散介质层交界。

在常规的设计中，在所述FC堆100内的反应物流动可以大致上被包括于由所述双极板限定的主要流动通道124、126内。在这样的设计中，可以大幅减少和/或消除在由所述双极板限定的被设置与脊面区域相邻的气体扩散介质的部分中的反应物流动。例如，在某些情况下，由所述双极板限定的被设置与脊面区域相邻的气体扩散介质可以被大幅压缩，从而使所述气体扩散介质大致上对反应物流动渗透性较差。除了别的以外，这可以减少反应物流动通过所述FC堆100和/或所述主要流动通道124、126的均匀性，和/或者减少反应界面区域，从而对相关的FC系统的性能产生不利影响。

与在本文公开的实施例一致的，所述FC堆100的双极板可以进一步限定多个交叉流动通道134。在某些实施例中，所述交叉流动通道134可以促进改进的反应物流动横越所述FC堆100的催化剂层104、110。特别地，所述交叉流动通道134可以允许在所述双极板的相邻的平行的主要流动通道124、126之间的反应物的流动增加。例如，如图所示，交叉流动通道134可以限定反应物流动路径横越在平行的通道区域130之间的片118的脊面区域132，从而允许在由片118限定的相邻的平行的主要流动通道之间的反应物的流动增加和反应界面区域的增加。

在一些实施例中，所述交叉流动通道134可以被限定在所述双极板的脊面区域132中，从而促进改进的反应物流动横越所述脊面区域132。在进一步的实施例中，所述交叉流动通道134也可以被限定在通道区域130和/或者在所述双极板的所述通道区域130和所述脊面区域132之间的界面区域（即，通道壁）中。

在一些实施例中，所述交叉流动通道134可以允许反应物自由地在平行的主要流动通道之间流动。即，所述交叉流动通道134可以允许反应物在所述交叉流动通道134内流动而不渗透任何被设置在所述交叉流动通道134内的气体扩散介质。在进一步的实施例中，气体扩散介质可以侵入到所述交叉流动通道134中，但是仍可以促进反应物流动在所述交叉流动通道134内通过所述气体扩散介质。例如，侵入到所述交叉流动通道134的气体扩散介质与被设置与其他脊面区域132相邻的气体扩散介质的其他部分相比可以被更少地压缩和/或者以其他方式对反应物更具渗透性，从而允许在所述交叉流动通道134内的反应物流动通过所述气体扩散介质。

在某些实施例中，交叉流动通道134可以被并入到主要阴极侧流动通道124和主要阳极侧流动通道126两者之间。在进一步的实施例中，交叉流动通道134可以被并入到或者主要阴极侧流动通道124或者主要阳极侧流动通道126之间。

在一些实施例中，在主要流动通道124、126之间并入交叉流动通道134，这可以取决于相关的反应物的扩散系数。例如，如氧和/或空气的阴极反应物与如氢的阳极反应物相比可以具有较低的扩散系数。因此，在某些实施例中，交叉流动通道134可以只被包括在主要阴极侧流动通道126之间。在其他实施例中，在与反应物相关的FC侧（即，阳极或阴极，其具有比与另一FC侧相关的反应物更低的扩散系数）上的主要反应物流动通道之间可以包括增加数量的交叉流动通道134。在进一步的实施例中，所述交叉流动通道134的几何形状可以取决于相关的反应物的扩散系数。例如，与具有较低的扩散系数的反应物相关的交叉流动通道134与具有较高的扩散系数的反应物相关的交叉流动通道134相比可以具有较大的几何形状。如此，交叉流动通道134的包括物、交叉流动通道134的数量和/或位置、和/或交叉流动通道134的几何形状可以取决于相关的反应物（例如，空气、氧、氢、重整产品，等等）的扩散率。

如上所述，在某些实施例中，公开的交叉流动通道134的几何形状（例如，通道壁的深度、间距和/或角度，间隔，宽度，等等）可以至少部分地取决于相关的反应物的扩散率。在进一步的实施例中，交叉流动通道134的几何形状可以至少部分地取决于用于形成相关的双极板和/或其组成片116-122和/或相关的制造过程的材料。例如，限定所述交叉流动通道134和/或主要反应物流动通道124、126的双极板的片可以通过引入一个或多个弯曲部分被冲压、模压、和/或机械加工来达到所需的形状。在某些实施例中，在片116-122中引入弯曲部分（例如，通过冲压）可以导致缩颈，由此片116-122的厚度可以被减少接近引入的弯曲部分。缩颈可以是受包括但不限于弯曲半径和/或片材的多种因素的影响。例如，降低的弯曲半径可以引入增加的缩颈。因此，与在本文公开的实施例一致的交叉流动通道134的几何形状可以被设计用于说明用于形成双极板的特定材料的缩颈的影响。

将理解的，在创造性的工作的保护范围内可以对结合图1提出的公开的FC堆100的实施例做许多变化。例如，与在本文公开的实施例一致的交叉流动通道134可以被集成到具有各种其他的几何形状和/或配置的FC堆100中。因此，将理解的，图1被提供用于说明和解释而不是限制。

图2示出了与在本文公开的实施例一致的包括交叉流动通道134的双极板的片118的一部分200的透视图。如图所示，片118可以包括多个脊面区域132和多个通道区域130。通道区域130可以至少部分地限定相关的双极板的一个或多个主要流动通道。与在本文公开的实施例一致的，一个或多个交叉流动通道134可以被包括在所述脊面区域132中，允许在相邻的主要流动通道之间反应物流动的增加和/或者活性催化剂区域表面积的利用的增加。例如，如图所示，交叉流动通道134可以限定反应物流动路径横越在平行的通道区域之间的片118的脊面区域132，从而允许在由片118限定的相邻的平行的主要流动通道之间的反应物的流动增加和反应界面区域的增加。

图3示出了与在本文公开的实施例一致的多个示范性交叉流动通道134a、134b的剖视图300。如上所述，与在本文公开的实施例一致的形成于脊面区域134中的交叉流动通道134a、134b可以具有各种几何形状。例如，所述交叉流动通道134a、134b的深度可以从比较浅变化（由此相关的扩散介质层114的局部压缩可以被减少，而且局部扩散可以被增强）到比较深（由此通过所述交叉流动通道134a、134b的一些跨脊面间隙可以允许反应物的对流通过交叉流动通道）。

在示出的示范性交叉流动通道134a、134b中，交叉流动通道134a可以比较浅，从而使所述扩散介质层114的部分能够侵入到所述交叉流动通道134内具有较少的局部压缩。因此，反应物可以流动通过所述较少压缩的和/或者以其他方式更具渗透性的设置在所述交叉流动通道134a内的气体扩散介质114。交叉流动通道134b可以比较深，从而使反应物的对流能够通过在相关的平行的主要流动通道之间的所述交叉流动通道134b。

图4示出了与在本文公开的实施例一致的交叉流动通道配置的俯视图400。与在本文公开的实施例一致的，一个或多个流动通道134可以被设置在促进改进的反应物流动分布（例如，在主要流动通道124之间的反应物流动）的片118的脊面区域132中。在某些实施例中，交叉流动通道134可以被设置相对于相邻的主要流动通道124垂直。在示出的实施例中，交叉流动通道134可以被设置在相对于相邻的主要流动通道124任何适合的角度（例如，在相对于所述主要流动通道130 45-90度角）。虽然被示出沿所述主要流动通道124是均匀间隔的，在其他实施例中，交叉流动通道134和/或其他交叉流动通道几何形状的间隔（例如，宽度、间距和/或深度）可以沿所述主要流动通道124的长度变化（例如，从在所述流场的第一部分具有较大的间隔开始，而且在所述流场的第二部分具有较小的间隔，从而促进反应物可以被更多地耗尽的地方的扩散通路的增加）。

在其他实施例中，特征可以被引入到促进增加的对流流动通过所述交叉流动通道134的所述主要流动通道124中。在一些实施例中，瓶颈特征可以被引入到所述主要流动通道124中，所述主要流动通道124可以至少部分地引导反应物的流动通过所述交叉流动通道134和/或越过脊面区域。在进一步的实施例中，某些主要流动通道124（例如，每隔一个通道）可以包括封闭的端以促使反应物流动通过所述交叉流动通道134越过脊面区域132。

图5示出了与在本文公开的实施例一致的显示对于在各种示范性交叉流动通道纵横比502的FC堆504的示范性标准化性能增加的图500。如在示范性图500中所示，在一些实施例中，对于所述FC堆504的标准化性能增加可以随着交叉流动通道纵横比502增加而增加。

图6示出了与在本文公开的实施例一致的装配FC堆的示范性方法600的流程图。特别地，与在本文公开的实施例一致的，方法600可以被用于在FC堆内装配FC。在602，可以启动所述方法600。在604，可以提供限定多个主要阴极流动通道和在所述主要阴极流动通道之间的多个阴极交叉流动通道的第一双极板。在某些实施例中，所述主要阴极流动通道和交叉流动通道可以经配置用于为阴极反应物提供流动路径。

在606，可以装配各种阴极部件。例如，阴极气体扩散介质可以被设置与所述多个主要阴极流动通道和所述多个交叉流动通道相邻，阴极微孔层可以被设置与所述阴极气体扩散介质相邻，而且阴极催化剂层可以被设置与所述阴极微孔层相邻。在608，PEM可以被设置与所述阴极催化剂层相邻。

在610，可以装配各种阳极部件。例如，阳极催化剂层可以被设置与所述PEM相邻，阳极微孔层可以被设置与所述阳极催化剂层相邻，而且阳极气体扩散介质可以被设置与所述阳极微孔层相邻。在612，第二双极板可以被设置与所述阳极气体扩散介质相邻。在某些实施例中，所述第二双极板可以限定多个主要阳极流动通道和在所述主要阳极流动通道之间的多个阳极交叉流动通道。在一些实施例中，所述主要阳极流动通道和阳极交叉流动通道可以经配置用于为阳极反应物提供流动路径。在614，所述方法600可以结束。

为了清楚的目的，虽然已经以一些细节描述了上述情况，但是将清楚的是，在不偏离其原则的情况下可以进行某些改变和修改。例如，在某些实施例中，在本文公开的系统和方法可以连同不包括在交通工具中的FC系统被利用。值得注意的是，有很多实施在本文公开的过程和系统两者的替代方式。因此，本发明实施例被认为是说明性而非限制性的，而且本发明并不局限于在本文给出的细节，而可以在随附权利要求和随附权利要求的等价物的保护范围内被修改。

参考各种实施例已经描述了上述说明书。然而，本领域普通技术人员中将理解可以在不偏离本公开的保护范围的情况下做各种修改和改变。例如，各种操作步骤，以及用于执行操作步骤的部件，可以根据特定的应用或者考虑到与系统的操作相关的任意数量的成本函数以替代的方式实施。因此，任何一个或多个步骤可以被删除、修改或与其他步骤相结合。进一步地，本公开被视为说明性的而不是限制性的意义，而且所有这些修改旨在被包括在其保护范围之内。同样地，权益、其他优势和问题的解决方案已经关于各种实施例在上面进行了描述。然而，权益、优势、问题的解决方案和任何可以导致任何权益、优势或解决方案发生或变得更加显著的（一个或多个）元素不被解释为决定性的、必需的或本质特征或元素。

如在本文使用的术语“包括”和“包含”及其任何其他变型旨在覆盖非唯一的内含物，使得包括一系列元素的过程、方法、物品或装置不仅包括这些元素，也可以包括其他未明确列出或固有于这样的过程、方法、系统、物品或装置的元素。另外，如在本文使用的术语“耦合”、“联接”及其任何其他变型旨在覆盖物理连接、电气联接、磁性连接、光学连接、通信连接、功能连接和/或任何其他连接。本领域技术人员将理解，可以在不偏离本发明的基本原则的情况下对上述实施例的细节做很多改变。因此，本发明的保护范围应该只由所附的权利要求来确定。

Claims (10)

1. 一种燃料电池系统，包括：

第一双极板，所述第一双极板限定多个主要阴极流动通道和在所述主要阴极流动通道之间的多个阴极交叉流动通道，所述主要阴极流动通道和阴极交叉流动通道经配置用于为阴极反应物提供流动路径；

阴极，其被设置与所述第一双极板相邻；

质子交换膜，其被设置与所述阴极相邻；

阳极，其被设置与所述质子交换膜相邻；以及

第二双极板，其被设置与所述阳极相邻，所述第二双极板限定多个主要阳极流动通道，所述主要阳极流动通道经配置用于为阳极反应物提供流动路径。

2. 如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述第二双极板进一步限定在所述主要阳极流动通道之间的多个阳极交叉流动通道，所述阳极交叉流动通道经配置用于为所述阳极反应物提供另一流动路径。

3. 如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述多个阴极交叉流动通道被限定在所述第一双极板的脊面区域中。

4. 如权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极包括被设置与所述多个主要阴极流动通道和所述多个阴极交叉流动通道相邻的阴极气体扩散介质。

5. 如权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极进一步包括被设置与所述阴极气体扩散介质相邻的阴极微孔层和被设置与所述质子交换膜相邻的阴极催化剂层。

6. 如权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极气体扩散介质的部分侵入到所述多个阴极交叉流动通道中。

7. 如权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在于，侵入到所述多个阴极交叉流动通道中的所述阴极气体扩散介质的部分与被设置与所述第一双极板的其他脊面区域相邻的所述阴极气体扩散介质的其他部分相比对于阴极反应物流动是更具渗透性的。

8. 如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极反应物包括空气。

9. 一种动力传动系统，包括：

燃料电池系统，其包括：

　　第一双极板，所述第一双极板限定多个主要阴极流动通道和在所述主要阴极流动通道之间的多个阴极交叉流动通道，所述主要阴极流动通道和阴极交叉流动通道经配置用于为阴极反应物提供流动路径；

　　阴极气体扩散层，其被设置与所述第一双极板相邻；

　　质子交换膜，其被设置与所述阴极气体扩散层相邻；

　　阳极气体扩散层，其被设置与所述质子交换膜相邻；以及

　　第二双极板，其被设置与所述阳极相邻，所述第二双极板限定多个主要阳极流动通道，所述主要阳极流动通道经配置用于为阳极反应物提供流动路径。

10. 一种用于装配燃料电池系统的方法，包括：

装配所述燃料电池系统的燃料电池堆的部件，其中所述装配包括：

　　提供第一双极板，所述第一双极板限定多个主要阴极流动通道和在所述主要阴极流动通道之间的多个阴极交叉流动通道，所述主要阴极流动通道和阴极交叉流动通道经配置用于为阴极反应物提供流动路径；

　　设置阴极气体扩散介质与所述多个主要阴极流动通道和所述多个交叉阴极流动通道相邻；

　　设置阴极微孔层与所述阴极气体扩散介质相邻；

　　设置阴极催化剂层与所述阴极微孔层相邻；

　　设置质子交换膜与所述阴极催化剂层相邻；

　　设置阳极催化剂层与所述质子交换膜相邻；

　　设置阳极微孔层与所述阳极催化剂层相邻；

　　设置阳极气体扩散介质与所述阳极微孔层相邻；以及

　　设置第二双极板与所述阳极气体扩散介质相邻，所述第二双极板限定多个主要阳极流动通道和在所述主要阳极流动通道之间的多个阳极交叉流动通道，所述主要阳极流动通道和阳极交叉流动通道经配置用于为阳极反应物提供流动路径；以及

固定所述燃料电池堆的装配的部件。