CN107579263A - 燃料电池流动沟道和流场 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池阳极流场包括横截面积沿着其长度的至少一部分改变的至少一个流动沟道。在一些实施例中，沟道宽度根据自然指数函数沿着沟道长度的至少一部分减小。这种类型的阳极流场可以改善性能，减少燃料消耗和/或减小不良影响，诸如碳腐蚀和催化剂劣化，从而改善燃料电池的寿命和持久性。当对实质上纯净的或稀释的燃料流进行燃料电池操作时，这种类型的阳极流场可以提供更均匀的电流密度，这是进行高效燃料电池操作及改善燃料电池性能和寿命所需要的。描述了非传统反应物流动沟道的变型，以及将这种流动沟道合并到反应物流场板、燃料电池和燃料电池组的示例。

Description

燃料电池流动沟道和流场
本申请是申请日为2013年8月14的题为“燃料电池流动沟道和流场”的发明专利申请No.201380053699.1的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请涉及并要求保护2012年8月14日提交的美国临时专利申请No.61/683,156、2012年10月10日提交的美国临时专利申请No.61/712,010、以及2012年10月10日提交的美国临时专利申请No.61/712,236的优先权权益，其中每个临时申请通过全文引用合并于此。
技术领域
本发明总体上涉及燃料电池，具体地，涉及燃料电池的流场(flow field)设计和流场板。
背景技术
在典型的聚合物电解质膜(PEM)燃料电池中，膜电极组件(MEA)被布置在两个导电隔板(separator plates)之间。氧化剂和燃料流场提供用于将氧化剂和燃料引导到MEA的各电催化剂层的装置，具体地，引导到燃料侧的阳极和MEA的氧化剂侧的阴极。典型的反应物流体(reactant fluid)流场具有至少一个沟道，其中反应物流体流经该沟道。通常通过将多个面向开口的沟道设置在隔板的一面或两面上，来将流体流场与隔板相集成。面向开口的沟道面对电极，其中反应物在该电极处进行化学反应。通常向电极提供比燃料电池中的电化学反应实际消耗的反应物更多的反应物。化学计量(stoichiometry)(或化学计量比)可以被定义为提供给燃料电池的反应物的摩尔流率除以在燃料电池中消耗的反应物的摩尔流率；反应物的化学计量是反应物利用率的倒数。
在单个电池布置中，将隔板设置在每个阳极和阴极侧。将隔板用作集电器(current collectors)，提供电极的结构支撑。在燃料电池组中，两侧具有反应物流场的双极板通常夹有MEA。
在传统燃料电池流场中，反应物流动沟道沿其长度具有恒定的横截面面积和形状。通常，所述沟道的横截面为方形或矩形。然而，流动沟道的横截面面积沿其长度变化的燃料电池是已知的。例如，申请人已授权的美国专利No.6,686,082和美国专利申请公开No.US2006/0234107(每个文献通过全文引用合并于此)描述了梯形的燃料电池流场板，其中流动沟道的横截面是矩形，并横截面积沿流动方向连续减小。具体地，描述了多个实施例，其中，流动沟道宽度沿流动方向线性地减小。这种锥形沟道使得反应速度沿沟道增加，并用于提供蛇形流动沟道的一些优点，而没有显著压降以及通常与蛇形流动沟道相关联的寄生负载的相关增加。相对于大略覆盖相同流场区域的传统流场，蛇形流场提供更高的反应速度和改善的沟道除水性能。
还已知的是：有可能通过沿阴极流动沟道的长度改变它的横截面面积，来增强燃料电池性能。燃料电池通常在阴极处对稀释的氧化剂流(即，空气)进行操作。当空气沿着阴极流动沟道流动时，空气流中的氧含量倾向于大量减少，空气压力倾向于下降。这可导致燃料电池性能降低和电流密度在燃料电池中不均匀。申请人已授权的美国专利No.7,838,169(该申请通过引用合并于此)描述了沟道横截面具有更复杂变化的改善型阴极流场沟道，可以将该阴极流场沟道用来实现阴极处实质上恒定的氧气供应。描述了多种实施例，其中沟道的横截面面积沿沟道长度变化，使得对于给定沟道长度和空气化学计量，氧气供应保持为实质上恒定的。在一些实施例中，沟道宽度沿氧化剂流动方向根据指数函数减小。由于沿着该沟道保持实质上恒定的氧气供应，使用这种阴极流动沟道已被证明提供改善的电流密度均匀性，并增强燃料电池性能。
在对PEM燃料电池的长时间操作期间，存在可以导致不可逆的性能损失和/或电化学表面积(surface area)的损失的许多因素。这种损失主要由于催化剂层劣化，包括铂金属溶解和对碳载体的腐蚀。碳腐蚀是由电池逆转而引起的，而电池逆转可以是由阳极区域中的不均匀反应物分布和/或燃料不足而引起的。铂溶解可以是由于在阴极或阳极处的高电势而引起的，当存在异构电流分布时可以在阴极或阳极处发生高电势。单独地或相结合地，这些劣化速率可以是较大的，并且需要缓解以便进行长期稳定操作。用均匀电流密度操作燃料电池可以减少碳腐蚀和铂溶解，这两者对于燃料电池性能、寿命和耐久性都是不利的。可以推测：实现更均匀的电流密度会降低燃料电池劣化速率，从而改善燃料电池寿命。此外，增加沟道下游的速度可以减小在燃料电池启停顺序期间在阳极处氢气/空气前列在空气净化循环期间的停留时间，从而导致减小碳腐蚀速率和改善耐久性。
最初研发了在″169专利中描述的流场沟道，并将其用于燃料电池阴极，并不期望该流场沟道在阳极处提供特定优点，至少部分是因为对实质上纯净的氢气进行的燃料电池操作不会导致大量传送损耗，这是由于氢分子具有较高的浓度和较高的扩散率。然而，申请人现在确定可以对这种流场沟道进行修改以便用于阳极处，使得当燃料电池对稀释的燃料进行操作时增强燃料电池性能，当燃料电池对实质上纯净的燃料进行操作时提供更多性能优点。
通常，将实质上纯净的燃料流(诸如氢气)用于燃料电池阳极，沿阳极流动沟道的反应物耗尽和反应物供应的问题与阴极上的空气是不一样的。通常，对于对实质上纯净的燃料的操作，阳极流场是“死端(dead-ended)”，燃料电池或燃料电池组装配有用于除去杂质、污染物和/或水的排除阀或放气阀，由于在燃料电池的操作期间消耗燃料，杂质、污染物和/或水往往积聚在阳极流动沟道的下游部分。这种“惰性”的积累可导致电流密度不均匀，从而降低燃料电池性能。此外，在阳极流动沟道积累水可能导致其他问题，包括阻断燃料访问阳极催化剂，从而导致与碳腐蚀和贵金属催化剂溶解二者相关的燃料不足条件。申请人已确定可以修改与在“169专利中所述的流场沟道相似的流场沟道，以便用于阳极处来减少在阳极处的一部分不利影响，增强甚至在实质上纯净的燃料上的燃料电池性能。这种沟道可以用于增加燃料在沿沟道通过期间的燃料速度。据信这样可以提高燃料利用率，由于提高在阳极上的流速可以提供更高的燃料供应量，引起在较低流速下电流密度的均化。这可以减少针对给定功率输出的燃料消耗。此外，如果燃料电池对稀释的燃料流(如含有氢的重整流，或甲醇水溶液)进行操作，则由于该燃料流沿流动沟道流动，因此所述流中的氢含量趋于被耗尽，燃料流压力趋于下降。二者可导致燃料电池性能降低。本文所述的阳极流场沟道可以用来补偿燃料的消耗，从而实现了对稀释燃料的实质上恒定的燃料供应，从而提供了更均匀的电流密度。
除了针对在阳极处使用的修改之外，“169专利和本文还描述了对流场沟道和流场的其它改善和变型。具体地，描述了多种实施例，其中可以将这种流动沟道合并或改型到传统矩形燃料电池在阳极和/或阴极处的几何形状(而不是梯形燃料电池)中，燃料电池活性区域的利用率高并且有效地利用MEA和板材料。还描述了多种实施例，其中沟道的特性随着沿沟道的距离而变化，根据与“169专利和本文所述的相同或相似原理，但是仅沿着沟道长度的一部分。还描述了其它实施例，其中沟道的特性根据相同或相似原理随着沿沟道的距离而变化，但是这种变化是以阶梯的或不连续的方式。可以将这种实施例可以用来实现上述性能优势的至少一部分，还可以提供改善流场的选项，改善流场更易于制造或合并到矩形燃料电池板几何形状中。
发明内容
通过燃料电池阳极流场板，实现上述和其它优点，所述燃料电池阳极流场板包括：
(a)燃料入口；
(b)燃料出口；
(c)至少一个沟道，形成在所述阳极流场板的主表面中，所述至少一个沟道具有底板(floor)以及在底板与主表面之间延伸的一对侧壁，所述至少一个沟道具有将燃料入口和燃料出口流动性互连的长度，侧壁相隔的距离定义了沟道宽度，底板和主表面相隔的距离定义了沟道深度。
在上述阳极流场板中，所述至少一个沟道的横截面面积沿沟道长度的至少一部分呈指数减小。
在上述阳极流场板的优选实施例中，沟道深度是实质上恒定的，沟道宽度沿沟道长度的至少一部分呈指数减小。
在另一优选实施例中，沟道横截面面积根据自然指数函数而减小。优选地，在所述至少一个沟道的所选纵向位置处的沟道宽度与所选纵向位置的自然指数函数成正比。优选地，自然指数函数包括从燃料电池的燃料化学计量得到的常数。优选地，该常数是燃料化学计量函数的自然对数。
在另一个优选实施例中，沟道宽度根据沿沟道长度的所述至少一个部分的距离而改变，使得：
其中，W(x)是在纵向位置x处的沟道宽度，x是沿沟道长度的所选位置[m]，W(0)是在燃料入口处的沟道宽度，L是沟道长度，STOICH是燃料电池的燃料化学计量。
在另一个优选实施例中，横截面面积等于：
其中，A(x)是在纵向位置x处的沟道横截面面积，x是沿着沟道长度的所选位置[m]，C是氢的初始浓度(％)，ρfuel是燃料流密度[kg/m3]，I是整个沟道电流负载[A]，Id是电流密度[A/m2]，Stoich是燃料化学计量，W(x)是沟道在位置x处的宽度[m]，AVAILH2(x)是在位置x处的氢气供应[kg·m/s2]。
在另一个优选实施例中，优选地，底板和侧壁是非正交的。氢的初始浓度(C)优选为大约100％。沟道横截面区域的外形优选地是U形、多边形、半圆形、变化的圆角沟道角、变化的倒角沟道角、变化的侧壁倾角沟道和变化的底板斜角之一。
在另一优选实施例中，所述至少一个沟道是多个沟道。
还可以通过操作燃料电池以便产生电力的方法，实现上述和其它优点，其中，所述燃料电池包括夹在第一隔板和第二隔板之间的膜电极组件，所述膜电极组件包括阳极、阴极以及夹在阳极和阴极之间的质子交换膜。所述方法包括：
(a)将燃料电池连接到电学负载；
(b)经由形成在第一隔板的主表面中的至少一个阳极流动沟道，在阳极上引导燃料流，其中所述至少一个阳极流动沟道的横截面面积沿着在燃料流动方向上的长度减小；
(c)经由形成在第二隔板的主表面中的至少一个阴极流动沟道，在阴极上引导氧化剂流，
按一定燃料化学计量将燃料流提供给所述至少一个阳极流动沟道，这样使得电流密度在燃料电池两端基本上是均匀的。
还通过操作燃料电池以便产生电力的方法，实现上述和其它优点，其中所述燃料电池包括夹在第一隔板和第二隔板之间的膜电极组件，所述膜电极组件包括阳极、阴极以及夹在阳极和阴极之间的质子交换膜。该方法包括：
(a)将燃料电池连接到电学负载；
(b)经由形成在第一隔板的主表面中的至少一个阳极流动沟道，在阳极上引导燃料流，其中所述至少一个阳极流动沟道的横截面面积沿着在燃料流动方向上的长度减小；
(c)通过形成在所述第二隔板的主表面中的至少一个阴极流动沟道，在所述阴极上引导氧化剂流，
其中按一定燃料化学计量将所述燃料流提供给所述至少一个阳极流动沟道，使得将沿所述至少一个阳极流动沟道的逐渐下游的纵向位置处的燃料供应保持实质上恒定。
在上述方法中，优选地，至少一个阳极流动沟道的宽度沿燃料流动方向呈指数减小。燃料流可以包含氢气。燃料流也可以包含实质上纯净的氢气。燃料流还可以包括甲醇，使得所述燃料电池是直接甲醇燃料电池。优选地，所述至少一个阴极流动沟道的横截面面积沿其在氧化剂流动方向的长度减少，按一定氧化剂化学计量将氧化剂流提供给所述至少一个阴极流动沟道，使得将沿所述至少一个阴极流动沟道的逐渐下游的纵向位置处的氧化剂供应保持实质上恒定。所述至少一个阳极流动沟道可以是多个阳极流动沟道。
还可以通过燃料电池阳极流场板实现上述和其它优点，所述燃料电池阳极流场板包括：
(a)反应物入口；
(b)反应物出口；
(c)至少一个沟道，形成在所述阳极流场板的主表面中，所述至少一个沟道具有底板以及在底板与主表面之间延伸的一对侧壁，所述至少一个沟道具有将反应物入口和反应物出口流动性互连的长度，侧壁相隔的距离定义了沟道宽度，底板和主表面相隔的距离定义了沟道深度，
所述至少一个沟道在反应物入口和反应物出口之间沿曲折路径延伸，其中所述至少一个沟道的横截面面积沿沟道长度的至少一部分呈指数减小。
在上述阳极流场板的优选实施例中，沟道深度是实质上恒定的，沟道宽度沿着沟道长度的至少一部分呈指数减小。所述至少一个沟道优选地在反应物入口和反应物出口之间沿蛇形路径延伸，沟道宽度在反应物入口和反应物出口之间呈指数减小。所述至少一个沟道还可以在反应物入口和反应物出口之间沿正弦路径延伸，沟道宽度在反应物入口和反应物出口之间呈指数减小。所述至少一个沟道可以是多个沟道。优选地，多个沟道被布置为嵌套式配置，并限定了流场区，优选地，矩形流场区。
还可以通过燃料电池阳极流场板实现上述和其它优点，所述燃料电池阳极流场板包括：
(a)反应物入口；
(b)反应物出口；
(c)至少一个沟道，形成在所述阳极流场板的主表面中，所述至少一个沟道具有底板以及在底板与主表面之间延伸的一对侧壁，所述至少一个沟道具有将反应物入口和反应物出口流动性互连的长度，侧壁相隔的距离定义了沟道宽度，底板和主表面相隔的距离定义了沟道深度，
所述至少一个沟道的横截面面积沿沟道长度的第一部分是实质上恒定的，沿沟道长度的第二部分呈指数减小。
在上述阳极流场板的优选实施例中，沟道深度是实质上恒定的，沟道宽度沿着沟道长度的第二部分呈指数减小。优选地，沟道宽度是实质上恒定的，沟道深度优选地沿着沟道长度的第二部分呈指数减小。优选地，横截面面积呈指数减小的沟道部分接近反应物入口，横截面面积实质上恒定的沟道部分接近反应物出口。优选地，横截面面积实质上恒定的沟道部分也接近反应物入口，横截面面积呈指数减小的沟道部分接近反应物出口。
在另一优选实施例中，所述阳极流场板具有实质上圆形的平坦主表面，反应物出口被布置在所述阳极流场板的中心，反应物入口布置在阳极流场板的圆周边缘处。
在另一个优选实施例中，所述至少一个沟道是多个沟道。所述至少一个沟道优选地在反应物入口和反应物出口之间沿曲折路径延伸。所述至少一个沟道优选地沿着沟道长度的至少一部分沿蛇形路径延伸。所述至少一个沟道也可以沿着沟道长度的至少一部分沿正弦路径延伸。所述至少一个沟道可以是多个沟道。多个沟道优选地被布置为嵌套式配置，并限定了流场区，优选地，矩形流场区。
还可以通过包括燃料电池反应物流场板的燃料电池阳极流场板实现上述和其它优点，所述燃料电池阳极流场板包括：
(a)反应物入口；
(b)反应物出口；
(c)至少一个沟道，形成在所述阳极流场板的主表面中，所述至少一个沟道具有底板以及在底板与主表面之间延伸的一对侧壁，所述至少一个沟道具有将反应物入口和反应物出口流动性互连的长度，侧壁相隔的距离定义了沟道宽度，底板和主表面相隔的距离定义了沟道深度；
(d)肋结构，在所述至少一个沟道的至少一部分中纵向延伸，所述肋结构具有上表面、下表面以及将上表面和下表面互连的一对侧壁，肋结构侧壁相隔的距离定义了肋结构宽度，上表面和下表面相关的距离定义了肋结构深度，配置肋结构侧壁使得将所述至少一个沟道划分为横截面面积沿着沟道长度的至少一部分呈指数减小的一对沟道。
在上述阳极流场板的优选实施例中，肋结构深度是实质上恒定的，肋结构宽度沿沟道长度呈指数增加。优选地，肋结构宽度是实质上恒定的，优选地，肋结构深度沿着沟道长度呈指数增加。
还可以通过燃料电池阳极流场板实现上述和其它优点，燃料电池阳极流场板包括：
(a)反应物入口；
(b)反应物出口；
(c)至少一个沟道，形成在所述阳极流场板的主表面中，所述至少一个沟道具有底板以及在底板与主表面之间延伸的一对侧壁，所述至少一个沟道具有将反应物入口和反应物出口流动性互连的长度，侧壁相隔的距离定义了沟道宽度，底板和主表面相隔的距离定义了沟道深度；
(d)多个肋结构点，位于所述至少一个沟道的至少一部分中，每个肋结构点部分地阻隔所述至少一个沟道，在所述至少一个沟道中纵向布置所述肋结构点，使得至少一个沟道针对反应物流具有沿着所述沟道部分呈指数减小的横截面面积。
在上述阳极流场板的优选实施例中，肋结构点的密度和尺寸中的至少一个沿着所述至少一个沟道增加。
还可以通过燃料电池阳极流场板实现上述和其它优点，包括：
(a)反应物入口；
(b)反应物出口；
(c)至少一个沟道，形成在所述阳极流场板的主表面中，所述至少一个沟道具有底板以及在底板与主表面之间延伸的一对侧壁，所述至少一个沟道具有将反应物入口和反应物出口流动性互连的长度，侧壁相隔的距离定义了沟道宽度，底板和主表面相隔的距离定义了沟道深度。
所述至少一个沟道包括从反应物入口向反应物出口纵向延伸的一系列沟道部分，该系列中每个在后的沟道部分的横截面面积从在前的沟道部分的横截面面积减小，以便在从所述反应物入口到所述反应物出口纵向穿过所述沟道部分时，横截面面积近似呈指数减小。
在上述阳极流场板的优选实施例中，所述至少一个沟道在反应物入口和反应物出口之间沿曲折路径延伸。优选地，所述至少一个沟道沿着沟道长度的至少一部分沿蛇形路径延伸。所述至少一个沟道也可以沿着沟道长度的至少一部分沿正弦路径延伸。所述至少一个沟道可以是形成在平坦主表面中的多个沟道。多个沟道优选地被布置为嵌套式配置，并限定了流场区，优选地，矩形流场区。
附图说明
图1A是阳极流场板的简化示意图，该阳极流场板包括沿着其长度方向深度减小而宽度恒定的流动沟道。
图1B是阳极流场板的简化示意图，该阳极流场板包括沿着其长度方向宽度呈指数减小而深度恒定的流动沟道。
图2示出了包括宽度沿着其长度呈指数减小的多个流动沟道的梯形阳极流场板。
图3是示出了如何将蛇形流动沟道应用于矩形流场板的示例的简化示意图，在蛇形流动沟道中沟道宽度发生改变。
图4A是示出了如何将波状流动沟道应用于矩形流场板的示例的简化示意图，在波状流动沟道中沟道宽度发生改变。
图4B是示出如何将多个波状流动沟道嵌套在矩形流场板上的示例的简化示意图。
图5A(现有技术)示出了包括传统蛇形流场的方形流场板，其中3个流动沟道在供给歧管(manifold)开口和排出歧管开口之间延伸。
图5B示出了与图5A相似的蛇形流场，但每个蛇形流动沟道的宽度沿其长度呈指数减小。
图6A是包括流动沟道的流场板的简化示意图，其中沟道长度的第一部分的宽度呈指数下降，而沟道的第二部分的宽度是恒定的。
图6B是包括流动沟道的流场板的简化示意图，其中沟道长度的第一部分的宽度是恒定的，而沟道长度的第二部分的宽度呈指数下降。
图7A是示出了如何在环状流场板上辐射状布置图6B所示类型的3个流动沟道的简化示意图。
图7B是示出了如何在环状流场板上将图6B所示类型的多个流动沟道辐射状布置的简化示意图。
图8是包括两个流动沟道的流场板的简化示意图，其中两个流动沟道开始是具有恒定宽度的蛇形沟道，然后对于沟道长度的第二部分，沟道宽度呈指数减小。
图9是包括流动沟道的流场板的简化示意图，在该流动沟道中，沟道深度沿着沟道长度的第一部分是恒定的，然后沿第二部分的沟道长度减小。
图10A(现有技术)示出了包括多沟道蛇形流场的矩形流场板，其中多沟道蛇形流场在供给歧管开口和排出歧管开口之间延伸。
图10B示出对图10A的流场板的修改，其中每个沟道的宽度沿着每个沟道的长度的中间部分呈指数减小。
图11是包括实质上矩形的流动沟道的流场板的简化示意图，实质上矩形的流动沟道具有侧壁呈指数曲线的中心肋结构。
图12是包括流动沟道的流场板的简化示意图，在流动方向上，该流动沟道在一端是传统矩形横截面，并被逐渐切片以减小朝向另一端的横截面。
图13是包括矩形流动沟道的流场板的简化示意图，该矩形流动沟道合并了肋结构点，肋结构点的密度沿着流动方向增加。
图14是包括波状流动沟道的流场板的简化示意图，该波状流动沟道合并了肋结构点，肋结构点的密度沿着流动方向增加。
图15是流动沟道宽度沿流动方向以阶梯式、非线性的方式减小的示例的简化示意图。
图16是流动沟道宽度沿流动方向以阶梯式、非线性的方式减小的另一示例的简化示意图。
图17是示出了如何将沟道宽度的阶梯式或离散式改变用于近似指数型流动的图形示意图。
具体实施方式
阳极流动沟道——对纯净的或稀释的燃料进行燃料电池操作
根据一个实施例，PEM燃料电池的阳极流场沟道被设计用于当燃料电池对纯净的或稀释的燃料进行操作时，对于给定的沟道长度与燃料化学计量，沿着沟道长度的至少一部分针对燃料电池电化学反应保持实质上恒定的燃料供应。
推论得到：燃料供应与燃料电池性能成比例，均匀的燃料供应促使均匀的电流密度，这是高效燃料电池操作和改善后的性能所需要的。在以下等式和描述中，燃料是指氢，但是可以将其它燃料(诸如甲醇)应用于该描述(但常数值应当改变)。
氢供应量根据氢质量流和速度而改变，被定义为：
其中，
AVAILH2(x)在位置x处的氢供应量[kg·m/s2]
在位置x处的氢质量流率[kg/s]
v(x)在位置x处的流速[m/s]
ρfuel燃料流密度[kg/m3]
Id电流密度(常数)[A/m2]
I整个沟道的电流负载[A]
Stoich燃料化学计量
W(x)在位置x处的沟道宽度[m]
A(x)在位置x处的沟道横截面面积[m2]
C氢的初始浓度(％)
假设。为了推导公式(1b)，进行以下假设：
1.均匀的电流密度：目的在于提供一种能够实现或近似均匀电流密度的阳极流动沟道；
2.单相态(气体)：为了减少热力学复杂性，由燃料电池反应产生的液体水仅被认为是液体形式的流体；所有其它质量都被认为是气体形式；
3.氢浓度、速度和质量流在流动截面上均匀分布：为了减小质量流复杂性，不考虑复杂的流动模式；
4.认为仅在流动沟道处进行反应：该模型不考虑上述的肋结构活性(即，在沟道之间MEA与板接触的区域中，，并且不直接暴露于在流动沟道中流动的燃料)；
5.稳态系统：反应和流量都被认为是稳定状态或不变的。
H2供应量公式推导。将根据式1(a)推导式(1b)描述如下：
在推导中使用的其它变量的定义：
x沿沟道长度的位置[m]
一直到位置x所消耗的氢的质量流速率[kg/s]
燃料流在位置x处的体积流率[SLPM]
Iacc(x)一直到位置x所积累的电流[A]
如上所述，氢供应量被定义为氢质量流率乘以速度[kg·m/s2]：
在阳极流动沟道中，随着燃料流沿着流动沟道移动而消耗氢。氢在沿着沟道的给定位置x处的质量流率是：
在x处的H2质量流量＝在入口处的H2质量流-到x处所消耗的H2质量流量：
其中
其中
这些方程基于公知经验导出的燃料电池反应基本原理：氢气流量[SLPM]＝0.006965×燃料化学计量(Stoich)×电流负载(I)。通过将0.006965[SLPM]转换为[m3/s]，获得值1.16×10-7(单位m3/A.S)。
燃料流在沿沟道的给定位置x处的速度为：
在x处的速度＝在x处的燃料流体积流速率/在x处的流动面积
结合方程(2a)和(2b)，然后得到：
其中
方程(1b)示出了可以通过以下方式实现氢供应量的增加：
·增加电流密度(Id)
·提高燃料化学计量(Stoich)
·增加沟道长度(L)
·增加平均沟道宽度
·增加燃料流密度(ρfuel，)
·减小沟道深度(D)
如先前所讨论的，需要的是制造可以在操作中实现实质上均匀的电流密度的燃料电池。假设可以通过分别沿阳极和阴极流动沟道的长度(x)保持均匀的燃料和氧供应量，来实现均匀的电流密度，方程(1b)示出了沿x保持氢供应量恒定需要改变流动面积。可以通过解方程(1b)来确定针对沿沟道长度的每个位置的流动面积A(x)，如以下方程(7)示出了A(x)。对于矩形流动沟道的横截面(即，具有直底板和侧壁的沟道)，可以通过将面积A(x)定义为宽度W(x)和深度D(x)的乘积，然后改变沿着沟道长度x的沟道宽度或深度(W或D)，来确定沟道中的任意给定纵向位置x处的沟道宽度和深度：
具有变化深度剖面的阳极流动沟道
可以将阳极流动沟道制造为具有恒定宽度和变化的深度剖面，以便实现恒定的氢供应量。可以如下所示地计算这种沟道剖面：
使用先前在式(3)中得到的氢供应量方程：
求解沟道深度D(x)：
假定恒定的氢供应量AvailH2和沟道宽度W，得到以下方程4：
其中
其中I＝Id·W·L
结果是深度剖面相对x是线性的。
图1A是阳极流场板100A的简化示意图，该阳极流场板100A包括沿着其长度方向深度减小而宽度恒定的流动沟道110A。在给定具体的操作燃料化学计量STOICH和沟道长度L的情况下，并假定沟道宽度恒定，可以通过在沿沟道长度的每个位置(x)处求解方程4中的D(x)，来定义沟道剖面。参照图1A，所得到的阳极沟道110A在燃料供给歧管开口120A和排出歧管开口130A之间延伸，底板112A的深度从入口116A到出口118A线性减小，而侧壁114A是直的(平行的)。
对于变化的深度方法，为了增加氢供应量，需要沿着沟道进行以下操作(根据有效性排序)：
·增加电流密度(Id)；
·增加燃油化学计量(Stoich)；
·增加沟道长度(L)；
·增加沟道宽度(W)；
·增加燃料流密度(ρfuel，)；或，
·降低平均深度
具有变化宽度剖面的阳极流动沟道
为了减少或最小化燃料电池组中的隔板的厚度，需要的是将沟道深度保持为较浅。因此，代替改变沟道的深度(这种方法需要足够厚的板来适应沟道的最深部分)，优选的是将沟道深度保持为是恒定的，只改变沟道宽度，以实现氢供应量沿着沟道长度是恒定的。
此外，H2供应量方程(3)为：
应用恒定的氢供应量AvailH2和沟道深度D：
其中
求解W(x)，方程(5)如下：
可以简化方程(5)，得到：
图1B是阳极流场板100B的简化示意图，该阳极流场板100B包括宽度沿着其长度方向减小的流动沟道110B。在给定具体的操作燃料化学计量STOICH和沟道长度L的情况下，并假定沟道底板扁平(恒定宽度)，可以通过在沿沟道长度的每个位置(x)处求解方程(6)中的W(x)，来定义沟道剖面。参照图1B，所得到的阳极沟道110B在燃料供给歧管开口120B和排出歧管开口130B之间延伸，并具有恒定深度的底板112B，其中凸形弯曲的侧壁114B从入口向出口向内会聚。壁114B朝向出口端118B向内会聚，入口116B具有最大宽度，沟道剖面以递减速率构造。也就是说，根据方程(6)，沟道宽度从入口到出口沿着沟道长度呈指数减小。侧壁之一有可能是直的，而另一个侧壁是凸形弯曲的。
参照图2，将具有图1B所示的沟道剖面的多个沟道210应用于隔板200，以形成在燃料供给歧管开口220和排出歧管开口230之间延伸的阳极流场222。阳极流场222被排列为总体上梯形的几何形状以使得分离的肋结构224能够沿着它们的长度具有相对均匀的宽度；可以看出，使用具有变窄流动沟道的传统矩形流场几何形状需要肋结构也具有变窄的剖面。这种肋结构剖面可能导致大量MEA接触肋结构，从而导致减小膜活性区域和对膜材料的使用效率降低。由于MEA材料是相当昂贵的，需要的是使用总体上均匀的肋结构宽度最大化MEA的有效面积。采用总体上梯形的流场几何形状还使得流场222能够安装到梯形隔板200上，或安装到传统矩形隔板上，与隔板上空出的空间用于其它组件，诸如歧管(未示出)。
所述隔板200包括部分肋结构226，位于每个沟道210的入口区域。部分肋结构226用于减少沟道侧壁之间的距离，并作为针对相邻MEA(未示出)的桥接或支撑结构。
具有变化的横截面面积的阳极流动沟道
如果在没有矩形沟道横截面(平底板、垂直壁)的前提下将备选技术用于产生恒定的H2供应量曲线，则在方程((1b))中引入新的变量WR(x)。WR(x)被定义为在沿着沟道的给定纵向位置x处的氢反应区宽度(对于矩形流动沟道横截面，WR(x)＝W(x)，这是由于暴露于相邻MEA或气体扩散层的沟道的宽度与沟道宽度相同)。然后，通过基于沟道剖面的迭代，来计算A(x)。所得到的等式(7)包含多种沟道横截面流动形状，沿着沟道长度保持恒定的H2供应量。例如，备选的沟道横截面剖面可以包括但不限于：U形沟道、多边形沟道、半圆形沟道、变化的圆角沟道角、变化的倒角沟道角、变化的侧壁倾角沟道和变化的底板斜角。
由于方程考虑了浓度(C)，基于上述方程的优选阳极流动沟道尺寸或特征可应用于对纯净的或稀释的燃料进行操作。
改进的反应物流场设计
如本文所用，术语“指数型流动”，“基于指数型流动”，“基于指数型流动方程”，“根据指数型流动原理”，“指数型流动沟道”及类似短语用于表示基于上文关于阳极的和美国专利7,838,169关于阴极的方程和描述而选择的反应物流动沟道尺寸、流动特性和/或流场设计。可以将这种沟道或流场设计合并到燃料电池的阳极和阴极流场板或其它部件。
如果将流场容纳在传统流场板几何形状和传统燃料电池组架构(通常具有矩形流场板)中，则更可能使用基于指数型流动原理的流场。可以通过使用现有的流场设计(图案)并仅沿其长度改变沟道的深度属性(保持沟道宽度和肋结构与原始流场设计相同)，来适应深度属性沿沟道长度变化的流动沟道(如图1B所示)。然而，具有深度属性改变的沟道的板通常是更难以制造的。这样还导致需要更厚的板，以适应沟道的最深部分，从而引起减小燃料电池组功率密度和更高的成本。
图3-5示出了一些示例方式，可以将基于指数型流动的流场用于矩形反应流场板，在该流场中流动沟道宽度改变。图3示出了具有蛇形沟道310的矩形反应物流场板300，当蛇形沟道在供给歧管开口320和排出歧管开口330之间的板上蜿蜒曲折时，沟道宽度呈指数减小。图4A示出了具有波状沟道410A的流动场板400A，波状沟道410A在供给歧管开口420A和排出歧管开口430A之间延伸，其中沟道宽度沿其长度方向呈指数减小。图4A中，流动沟道410A的中心线的路径幅度随着沟道宽度减小而增加，使得沟道仍然占据板400A的宽度的大部分。令可变宽度的指数型流动沟道是蛇形的或波状的而不是直的允许沟道占据更矩形的形状，使得更有效地使用该板的表面面积。图3和图4A示出单个流动沟道，然而，明显的是可以重复这种沟道或将其排列在矩形板上，使得板区域的较大部分可以是“活性区”(例如，使得板表面的较大部分覆盖在沟道中，其中较大的开口沟道区域暴露于相邻电极或MEA)。图4B示出了具有多个流动沟道410B的矩形反应物流场板400B(类似地，重复图4A的流动沟道410A)，流动沟道410B在供给歧管开口420B和排出歧管开口430B之间延伸，被布置为使得将沟道嵌套在一起。这个实施例描述了一种单方向阵列(所示x轴)，生成整体近似矩形的活性区，并保持实质上均匀的肋结构宽度(沟道间隔)。这个结构不同于由于在图2的直型指数型流动沟道剖面中保持实质上均匀的肋结构宽度而引起的辐射形或弧形的阵列图案。图5A示出了包括传统(现有技术)蛇形流场的方形流场板500A，其中三个流动沟道510A在供给歧管开口520A和排出歧管开口530A之间延伸。图5B示出了类似的蛇形流场板500B，但其中当沟道从供给歧管开口520B向排出歧管开口530B延伸时，每个蛇形沟道510B的宽度沿其长度呈指数减小。
另一种方法是采用图2所示的宽度减小的辐射状沟道阵列，并在方形板上包括90°“风扇”型的这种沟道，其中排除在一个角落(变窄的沟道端口会聚的地方)的歧管开口，在相对的角落供给歧管开口，馈送头(feed header)沿着方形板的两侧延伸。类似地，可以将180°风扇型的沟道合并在矩形板上。由于矩形活性区形状在制造期间通常更高效地使用散装材料(bulk sheet material)(极少浪费)，对于流场板(和其它燃料电池组件)，矩形活性区形状通常是优选的。能够在矩形片上有效地“嵌套”圆形或梯形板，然而这样相较于用矩形剪切形状进行嵌套，通常存在更多的未使用区。
可以通过仅沿着反应物流动沟道的长度的一部分合并指数型流动，来获得对燃料电池性能的改善。性能改善不必与在沿着整个沟道长度使用指数型流动的情况下一样大，但是在一些情况下这种流场设计可以提供大部分优点，可以允许更有效地使用板的面积。例如，传统流场的电流密度图(诸如，具有蛇形或直型流动沟道的流场)通常示出电流密度在供给歧管周围的合理均匀性，随后是下游电流密度的进一步降低。这表明，如果用于沟道长度的后部，则指数型流动可以提供最大的益处，其中电流密度对于反应物供应量更敏感。然而，能够将指数型流动合并到在沟道长度开头附近的流场中，而之后的下游部分具有传统流动沟道。可以将这种实施例用于在燃料电池活性区的开始部分上保持实质上恒定的反应物供应量，并允许下游的“传统”部分即使在没有上游活性区的情况下进行操作。这样，指数型流动区域可以被看作是后续传统流场的功率产生“歧管”。
图6-8示出了一些示例，其中流动沟道宽度仅沿着沟道长度的一部分改变。图6A示出了具有流动沟道610A的矩形反应物流场板600A，流动沟道610A在供给歧管开口620A和排出歧管开口630A之间延伸。类似地，图6B示出了具有流动沟道610B的矩形反应物流场板600B，流动沟道610B在供给歧管开口620B和排出歧管开口630B之间延伸。图6A中，针对沟道长度的第一部分625A(在供给歧管附近)，沟道宽度呈指数减小；而对于沟道长度的第二部分635A(朝向排出歧管)，沟道宽度是恒定的。相反地，在图6B中，对于第一部分625B，流动沟道宽度是恒定的，而对于沟道长度的第二部分635B，沟道宽度呈指数减小。
图7A和图7B示出了如何在环状反应物流场板700上辐射状布置图6B所示的类型的流动沟道710。图7A是示出了仅几个沟道710的部分视图，图7B示出了完整的流场。
图8示出了包括两个流动沟道810的反应物流场板800。该沟道初始是蛇形的，在供给歧管开口820附近的部分825中具有恒定宽度，然后，在急剧增加之后，沟道宽度针对沟道长度的第二部分835(朝向排出歧管开口830)呈指数减小。图9示出了包括流动沟道910的反应物流场板900的示例，流动沟道910在供给歧管开口920和排出歧管开口930之间延伸。流动沟道深度沿着沟道长度的第一部分925是恒定的，然后沿着该沟道910的长度的第二部分935减小。
在一些实施例中，流动沟道可以沿着它们的整个长度或它们长度的一部分，合并基于指数型流动的宽度和深度变化。
图10A和10B示出了如何将现有的流场设计容易地修改为沿流动沟道的长度的一部分合并指数型流动。图10A(现有技术)示出了包括相当复杂的蛇形流场的矩形流场板1000A，其中多个蛇形沟道1010A在供给歧管开口和排出歧管开口之间延伸。图10B示出了修改，其中每个沟道1010B的宽度沿着每个沟道的长度的中间部分1025B呈指数减小。
还有能够采用“传统”流动沟道(例如，沟道沿着其长度具有矩形的且恒定的横截面形状和面积)，并在原始沟道的体积内合并成形的肋结构、带状结构或其它结构特征，以减少沟道横截面面积，从而提供指数型流动的至少一部分优点。图11示出了具有单个流动沟道1110的反应物流场板1100的示例，单个流动沟道1110在供给歧管开口1120和排出歧管开口1301之间延伸。沟道1110包括中心肋结构1140，其侧壁呈指数弯曲。肋结构将流动沟道1110拆分为两个，并根据指数型流动的原理，有效地沿着其长度的大部分逐渐减小其宽度。图12A和12B示出了具有单个流动沟道1210的流场板1200的另一示例，单个流动沟道1210在供给歧管开口1220和排出歧管开口1230之间延伸。根据指数型流动原理，沟道1210在一端1225具有传统的矩形横截面，并逐渐被切片以减小朝向另一端1235的横截面。
在上述示例中，根据指数型流动原理，流动沟道尺寸以平滑和连续的方式沿着沟道长度的至少一部分改变。然而，还可以通过使用合并了“离散近似”的指数型流动的反应物流动沟道，获得性能优点。换言之，沟道特性可以以阶梯式或间断的方式根据沿着沟道的距离而改变，但是无论是关于计算剖面的浮动或对指数型流动属性的离散近似，整体变化趋于平滑的指数型流动剖面(以便它是按照“宏”程度的指数型流动)。这种方法可以用来实现指数型流动的至少一部分性能优势，并且可以针对改善流场提供一些选项，其中改善流场是更容易制造或易于与现有燃料电池板的几何形状合并。在所有情况下，相较于入口或入口区域，出口或出口附近的区域是较小的或更狭窄的。在一些实施例中，沟道可以包含阻碍反应物流动的不连续结构，其中这些结构的密度和/或尺寸沿流动方向增大。图13示出了流场板1300的示例，在该流场板中，流动沟道合并了肋结构点或凸起的柱状物1350。根据指数型流动方程，肋结构点1350的密度可以沿着反应物流动方向(由箭头表示)增加。这种结构的高度可以与沟道深度一样(使得它们接触相邻电极)，或者可以仅阻塞沟道深度的一部分。在图13所示的示例中，“沟道”是整个活性区，肋结构点(或阻碍反应物流动的其它这种结构)以近似指数型流动的变化密度阵列分布在活性区上。在其它示例中，肋结构点或其它结构可以合并在一个或多个单独沟道中。图14是阳极流场板1400的简化示意图，阳极流场板1400包括合并了肋结构点1450的波状流动沟道1410，其中肋结构点的密度沿着流动方向(由箭头表示)增加。
在其它示例中，流动沟道尺寸(例如，宽度或深度)可以以阶梯式方式沿流动方向减小。选择尺寸变化的增量和阶梯改变之间的距离，使得沟道尺寸沿流动方向的改变与指数型流动方程一致。在一些实施例中，尺寸变化的增量可以沿着沟道长度是相同的，而在其他实施例中，它可以沿着沟道长度改变。类似地，在一些实施例中，沟道尺寸的阶梯改变之间的距离(或频率)可以沿着沟道长度是相同的，而在其他实施例中，它可以沿着沟道长度变化。
图15和16示出了沟道宽度根据指数型流动方程沿流动方向以阶梯式、非线性的方式减小的示例。图15是示出了示例性流场板1500的简化示意图，其中在供应歧管开口1520和排出歧管开口1530之间，流动沟道1510的宽度沿流动方向以阶梯式、非线性的方式减小。图16是示出了另一示例流场板1600的简化示意图，其中在供应歧管开口1620和排出歧管开口1630之间，流动沟道1610的宽度沿流动方向以阶梯式、非线性的方式减小。
图17是示出了如何将沟道宽度的阶梯式或离散式改变用于近似指数型流动的图形示意图1700。实线1710表示沟道宽度的改变和虚线1720示出了沟道宽度的平滑指数型变化。
在其它示例中，流动沟道的孔隙率(porosity)可以根据指数型流动原理，以连续或阶梯式的方式变化。
图1A、1B、3、4A、4B、6A、6B、7A、7B、8、9、11、12、13、15和16是简化图，为了清楚说明，夸大了流动沟道和歧管开口的尺寸和沟道特性基于指数型的变化。
在所有上述实施例中，流动沟道的流动特性实质上根据指数型流动方程，沿着沟道长度的至少一部分变化。这种变化可以是连续的或离散的。在后者情况下，拟合离散变化的连续曲线与指数型流动方程实质上一致。
可以将具有本文所述特性的流动沟道用在阳极或阴极或两者处。此外，可以将它们用于特定燃料电池组中的一些或所有的燃料电池。
通常相对反应物流场板上的肋结构或落地面积选择开口沟道面积，以便在所述反应物流场板和相邻MEA之间提供足够的电学接触，用于高效地收集电流，与此同时提供了对MEA电极的充分反应物访问，以便支持电化学反应。使用较宽的肋结构面积(在流动沟道之间)改善了燃料电池中的电连接和电流收集。
如本文所用，“入口”是指反应物进入沟道的流动沟道起点，或如本文所述沟道特性根据沟道长度改变的区域的起点；“出口”指的是沟道的下游端，或如本文所述沟道特性根据沟道长度改变的区域的末端。
本发明包括燃料电池流场板，该燃料电池流场板包括如上所述的任意反应物流动沟道或流场设计。这种板可以由任何合适材料或材料组合制成，并可以通过任何合适方法来制造。本发明还包括其它燃料电池组件，合并了如本文所述的流动沟道或路径。例如，这种沟道可以被合并在单元电池的气体扩散层或其它部件中。此外，本发明包括燃料电池和燃料电池组，燃料电池和燃料电池组合并这种流场板和/或其它部件。本文所述的反应物流动沟道和流场设计已被证实在PEM燃料电池中是特别有利的，但是它们可以用于其他类型的燃料电池或其它电化学器件，例如，电解槽(electrolyzer)。
在如上所述引用部件的情况下，除非另有说明，否则对该组件的引用应被解释为包括该组件的等同物和执行所述组件的功能(即，功能等同)的任意组件，包括结构上不等同于所公开的结构但是执行所示示例实施例的功能的组件。
尽管示出并描述了本发明的特定元件、实施例和应用，但应理解，由于本领域技术人员可以在不脱离本公开的范围内，具体地，根据上述教导，进行多种修改，因此本发明不限于此。

Claims (22)

1.一种操作燃料电池以产生电力的方法，所述燃料电池包括夹在第一隔板和第二隔板之间的膜电极组件，所述膜电极组件包括阳极、阴极以及夹在所述阳极和所述阴极之间的质子交换膜，所述方法包括：
(a)将所述燃料电池连接到电学负载；
(b)经由形成在所述第一隔板的主表面中的至少一个阳极流动沟道，在所述阳极上引导燃料流，其中所述至少一个阳极流动沟道的横截面面积沿其燃料流动方向上的长度减小；
(c)经由形成在所述第二隔板的主表面中的至少一个阴极流动沟道，在所述阴极上引导氧化剂流，
其中按一定燃料化学计量将所述燃料流提供给所述至少一个阳极流动沟道，使得电流密度在燃料电池上实质上均匀。
2.一种操作燃料电池以产生电力的方法，所述燃料电池包括夹在第一隔板和第二隔板之间的膜电极组件，所述膜电极组件包括阳极、阴极以及夹在阳极和阴极之间的质子交换膜，所述方法包括：
(a)将所述燃料电池连接到电学负载；
(b)经由形成在所述第一隔板的主表面中的至少一个阳极流动沟道，在所述阳极上引导燃料流，其中所述至少一个阳极流动沟道的横截面面积沿其燃料流动方向上的长度减小；
(c)通过形成在所述第二隔板的主表面中的至少一个阴极流动沟道，在所述阴极上引导氧化剂流，
其中按一定燃料化学计量将所述燃料流提供给所述至少一个阳极流动沟道，使得将沿所述至少一个阳极流动沟道的逐渐下游的纵向位置处的燃料供应保持实质上恒定。
3.根据权利要求1-2中的任一项所述的方法，其中所述至少一个阳极流动沟道的宽度沿燃料流动方向呈指数减小。
4.根据权利要求1-2中的任一项所述的方法，其中所述燃料流包含氢气。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述燃料流包含实质上纯净的氢气。
6.根据权利要求1-2中的任一项所述的方法，其中所述燃料流包括甲醇，燃料电池是直接甲醇燃料电池。
7.根据权利要求1-2中的任一项所述的方法，其中所述至少一个阴极流动沟道的横截面面积沿其氧化剂流动方向上的长度减少，按一定氧化剂化学计量将所述氧化剂流提供给所述至少一个阴极流动沟道，使得将沿所述至少一个阴极流动沟道的逐渐下游的纵向位置处的氧化剂供应量保持实质上恒定。
8.根据权利要求1-2中的任一项所述的方法，其中所述至少一个阳极流动沟道是多个阳极流动沟道。
9.一种燃料电池阳极流场板，包括：
(a)燃料入口；
(b)燃料出口；
(c)至少一个沟道，形成在所述阳极流场板的主表面中，所述至少一个沟道具有底板以及在所述底板与所述主表面之间延伸的一对侧壁，所述至少一个沟道具有将所述燃料入口和所述燃料出口流动性互连的长度，所述侧壁相隔的距离定义了沟道宽度，所述底板和所述主表面相隔的距离定义了沟道深度，
其中所述至少一个沟道的横截面面积沿沟道长度的至少一部分呈指数减小。
10.根据权利要求9所述的阳极流场板，其中所述沟道深度是实质上恒定的，所述沟道宽度沿着所述沟道长度的至少一部分呈指数减小。
11.根据权利要求9所述的阳极流场板，其中所述沟道横截面面积根据自然指数函数减小。
12.根据权利要求11所述的阳极流场板，其中在所述至少一个沟道的所选纵向位置处的所述沟道宽度与所述所选纵向位置的自然指数函数成正比。
13.根据权利要求12所述的阳极流场板，其中所述自然指数函数包括从燃料电池的燃料化学计量得到的常数。
14.根据权利要求13所述的阳极流场板，其中所述常数是所述燃料化学计量的函数的自然对数。
15.根据权利要求9所述的阳极流场板，其中所述沟道宽度根据沿所述沟道长度的所述部分的距离而改变，使得：
<mrow> <mi>W</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>W</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mn>0</mn> <mo>)</mo> </mrow> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mfrac> <mi>x</mi> <mi>L</mi> </mfrac> <mi>ln</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mi>S</mi> <mi>T</mi> <mi>O</mi> <mi>I</mi> <mi>C</mi> <mi>H</mi> </mrow> <mrow> <mi>S</mi> <mi>T</mi> <mi>O</mi> <mi>I</mi> <mi>C</mi> <mi>H</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </msup> </mrow>
其中，W(x)是在纵向位置x处的沟道宽度，x是沿沟道长度的所选位置[m]，W(0)是在燃料入口处的沟道宽度，L是沟道长度，STOICH是燃料电池的燃料化学计量。
16.根据权利要求9所述的阳极流场板，其中所述横截面面积等于：
<mrow> <mi>A</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1.35</mn> <mo>&amp;times;</mo> <msup> <mn>10</mn> <mrow> <mo>-</mo> <mn>14</mn> </mrow> </msup> <mo>)</mo> </mrow> <mi>C</mi> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&amp;rho;</mi> <mrow> <mi>f</mi> <mi>u</mi> <mi>e</mi> <mi>l</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mo>(</mo> <mrow> <mi>I</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>S</mi> <mi>t</mi> <mi>o</mi> <mi>i</mi> <mi>c</mi> <mi>h</mi> </mrow> <mo>)</mo> <mo>-</mo> <msub> <mi>I</mi> <mi>d</mi> </msub> <munderover> <mo>&amp;Integral;</mo> <mn>0</mn> <mi>x</mi> </munderover> <mi>W</mi> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo> <mi>d</mi> <mi>x</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mi>I</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>S</mi> <mi>t</mi> <mi>o</mi> <mi>i</mi> <mi>c</mi> <mi>h</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msub> <mi>AVAIL</mi> <mrow> <mi>H</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中，A(x)是在纵向位置x处的沟道横截面面积，x是沿着沟道长度的所选位置[m]，C是氢的初始浓度(％)，ρfuel是燃料流密度[kg/m3]，I是整个沟道电流负载[A]，Id是电流密度[A/m2]，Stoich是燃料化学计量，W(x)是沟道在位置x处的宽度[m]，AVAILH2(x)是在位置x处的氢气供应量[kg·m/s2]。
17.根据权利要求16所述的阳极流场板，其中所述底板和所述侧壁是非正交的。
18.根据权利要求16所述的阳极流场板，其中所述氢的初始浓度(C)大约为100％。
19.根据权利要求16所述的阳极流场板，其中所述沟道横截面区的剖面是U形、多边形、半圆形、变化的圆角沟道角、变化的倒角沟道角、变化的侧壁倾角沟道和变化的底板斜角之一。
20.根据权利要求17所述的阳极流场板，其中所述至少一个沟道是多个沟道。
21.一种包括根据权利要求9-20中的任一项所述的阳极流场板的燃料电池。
22.一种包括多个燃料电池的燃料电池组，每个所述燃料电池包括根据权利要求9-20中的任一项所述的阳极流场板。
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WO (1) WO2014026288A1 (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109390603A (zh) * 2018-11-15 2019-02-26 华南理工大学 一种波纹流场板
CN110137529A (zh) * 2018-02-08 2019-08-16 丰田自动车株式会社 燃料电池组
CN113809350A (zh) * 2021-08-30 2021-12-17 一汽解放汽车有限公司 燃料电池、电池单体及极板
CN114725424A (zh) * 2022-06-08 2022-07-08 爱德曼氢能源装备有限公司 一种燃料电池径向流场结构

Families Citing this family (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014026287A1 (en) 2012-08-14 2014-02-20 Powerdisc Development Corporation Ltd. Fuel cell components, stacks and modular fuel cell systems
CA2919875C (en) 2012-08-14 2021-08-17 Powerdisc Development Corporation Ltd. Fuel cell flow channels and flow fields
US9644277B2 (en) 2012-08-14 2017-05-09 Loop Energy Inc. Reactant flow channels for electrolyzer applications
DE102014206682A1 (de) * 2014-04-07 2015-10-08 Volkswagen Aktiengesellschaft Bipolarplatte und Brennstoffzelle
WO2017161449A1 (en) 2016-03-22 2017-09-28 Loop Energy Inc. Fuel cell flow field design for thermal management
JP6354797B2 (ja) 2016-06-24 2018-07-11 トヨタ自動車株式会社 燃料電池単セル
KR102140126B1 (ko) * 2016-11-14 2020-07-31 주식회사 엘지화학 연료전지용 분리판 및 이를 이용한 연료전지
JP6672193B2 (ja) * 2017-02-02 2020-03-25 株式会社東芝 二酸化炭素の電解セルと電解装置
CN109616685A (zh) * 2018-12-11 2019-04-12 中国科学院大连化学物理研究所 一种燃料电池双极板结构
FR3091627B1 (fr) * 2019-01-07 2021-07-23 Commissariat Energie Atomique Plaque de maintien de cellule electrochimique comportant un reseau de distribution fluidique optimise
JP7202226B2 (ja) 2019-03-13 2023-01-11 株式会社豊田中央研究所 燃料電池システム
CN110165242B (zh) * 2019-05-05 2022-06-03 武汉理工大学 一种多层次流道宽度的pem电池流场板结构
JP7136030B2 (ja) * 2019-07-19 2022-09-13 トヨタ車体株式会社 燃料電池スタック
CN110690488A (zh) * 2019-11-13 2020-01-14 上海海事大学 一种液流电池
CN112909286B (zh) * 2019-12-03 2023-01-24 未势能源科技有限公司 极板和燃料电池
US11404705B2 (en) * 2020-08-13 2022-08-02 Seoul National University R&Db Foundation Bipolar plate of polymer electrolyte membrane fuel cell
CN112133937B (zh) * 2020-09-01 2021-09-07 山东大学 质子交换膜燃料电池流道结构及质子交换膜燃料电池
TW202249331A (zh) 2021-03-22 2022-12-16 丹麥商托普索公司 具有燃料從外圍流向中心之固態氧化物電解電池(soec)堆疊
CN112952134B (zh) * 2021-04-07 2023-02-03 上海交通大学 一种纵横式可逆燃料电池阴极流场结构
EP4315465A1 (en) * 2021-04-10 2024-02-07 Loop Energy Inc. Fuel cell assemblies with fuel cell plates with reduced and/or eliminated transition regions
CN117425988A (zh) * 2021-06-04 2024-01-19 洁能氏公司 燃料电池双极板中的非一致反应物通道
CN114094135B (zh) * 2021-10-10 2023-06-09 北京工业大学 平行流场与蛇形流场自动切换的燃料电池液态水自适应流场板

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0616380A1 (en) * 1993-03-16 1994-09-21 FINMECCANICA S.p.A. AZIENDA ANSALDO A gas distributor for fused carbonates-fuel cells
AT407589B (de) * 1999-11-03 2001-04-25 Vaillant Gmbh Brennstoffzelle
US20050271909A1 (en) * 2004-06-07 2005-12-08 Hyteon Inc. Flow field plate for use in fuel cells
CN101099253A (zh) * 2005-01-05 2008-01-02 动力磁盘发展有限公司 改进的燃料电池阴极流场
CN101253645A (zh) * 2005-10-11 2008-08-27 丰田自动车株式会社 燃料电池用气体隔板和燃料电池
CN102623730A (zh) * 2012-04-20 2012-08-01 上海电机学院 一种变流道低温低压长方形燃料电池

Family Cites Families (167)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4324844A (en) 1980-04-28 1982-04-13 Westinghouse Electric Corp. Variable area fuel cell cooling
JPS57138782A (en) 1981-02-20 1982-08-27 Hitachi Ltd Fuel cell
US4490445A (en) 1982-05-24 1984-12-25 Massachusetts Institute Of Technology Solid oxide electrochemical energy converter
US4517229A (en) 1983-07-07 1985-05-14 Inland Steel Company Diffusion treated hot-dip aluminum coated steel and method of treating
JPS61256568A (ja) 1985-05-09 1986-11-14 Toshiba Corp 燃料電池
IE861475L (en) 1985-07-03 1987-01-03 Tsnii Kozhevenno Obuvnoi Ptomy Improved coolant passage structure especially for cast rotor¹blades in a combustion turbine
US4770955A (en) 1987-04-28 1988-09-13 The Standard Oil Company Solid electrolyte fuel cell and assembly
DE68909720T2 (de) 1988-07-23 1994-02-03 Fuji Electric Co Ltd Brennstoffzelle mit einem festen Elektrolyten.
US4953634A (en) 1989-04-20 1990-09-04 Microelectronics And Computer Technology Corporation Low pressure high heat transfer fluid heat exchanger
US4910100A (en) 1989-07-21 1990-03-20 Fuji Electric Co., Ltd. Solid electrolyte fuel cell
JPH03276569A (ja) 1990-03-26 1991-12-06 Fuji Electric Co Ltd 燃料電池
JP3055227B2 (ja) 1991-06-19 2000-06-26 石川島播磨重工業株式会社 燃料電池
US5268241A (en) 1992-02-20 1993-12-07 Electric Power Research Institute, Inc. Multiple manifold fuel cell
JPH06290798A (ja) 1993-02-08 1994-10-18 Fuji Electric Co Ltd 固体電解質型燃料電池
JP3553101B2 (ja) 1993-03-15 2004-08-11 三菱重工業株式会社 固体高分子電解質燃料電池
US5338622A (en) 1993-04-12 1994-08-16 Ztek Corporation Thermal control apparatus
US5589285A (en) 1993-09-09 1996-12-31 Technology Management, Inc. Electrochemical apparatus and process
JPH0950817A (ja) 1995-08-03 1997-02-18 Sanyo Electric Co Ltd 燃料電池
US5595834A (en) 1995-09-01 1997-01-21 The Regents Of The University Of Calif. Annular feed air breathing fuel cell stack
US5514486A (en) 1995-09-01 1996-05-07 The Regents Of The University Of California, Office Of Technology Transfer Annular feed air breathing fuel cell stack
US5549983A (en) 1996-01-22 1996-08-27 Alliedsignal Inc. Coflow planar fuel cell stack construction for solid electrolytes
US5957194A (en) 1996-06-27 1999-09-28 Advanced Thermal Solutions, Inc. Plate fin heat exchanger having fluid control means
US5851689A (en) 1997-01-23 1998-12-22 Bechtel Corporation Method for operating a fuel cell assembly
US6344290B1 (en) 1997-02-11 2002-02-05 Fucellco, Incorporated Fuel cell stack with solid electrolytes and their arrangement
JP3272980B2 (ja) 1997-06-26 2002-04-08 松下電器産業株式会社 燃料電池
US5910378A (en) 1997-10-10 1999-06-08 Minnesota Mining And Manufacturing Company Membrane electrode assemblies
EP0926755B1 (de) 1997-11-25 2002-06-05 Sulzer Hexis AG Brennstoffzellenmodul mit integrierter Zusatzheizung
US7138200B1 (en) 1997-12-18 2006-11-21 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell and separator for the same
EP1722436B1 (en) 1997-12-18 2011-04-27 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Polymer electrolyte fuel cell and bipolar separator for the same
JP4205774B2 (ja) 1998-03-02 2009-01-07 本田技研工業株式会社 燃料電池
JP3361475B2 (ja) 1998-05-18 2003-01-07 松下電器産業株式会社 熱交換器
US6234245B1 (en) 1998-07-02 2001-05-22 Fintube Technologies, Inc. Aero curve fin segment
WO2000026981A2 (en) 1998-10-29 2000-05-11 3M Innovative Properties Company Microstructured flow fields
JP3530054B2 (ja) 1999-02-09 2004-05-24 本田技研工業株式会社 燃料電池
JP3356721B2 (ja) 1999-06-25 2002-12-16 株式会社東芝 燃料電池装置
JP4590047B2 (ja) 1999-08-13 2010-12-01 本田技研工業株式会社 燃料電池スタック
US6291089B1 (en) 1999-10-26 2001-09-18 Alliedsignal Inc. Radial planar fuel cell stack construction for solid electrolytes
US6729383B1 (en) 1999-12-16 2004-05-04 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Fluid-cooled heat sink with turbulence-enhancing support pins
US6253835B1 (en) 2000-02-11 2001-07-03 International Business Machines Corporation Isothermal heat sink with converging, diverging channels
US6337794B1 (en) 2000-02-11 2002-01-08 International Business Machines Corporation Isothermal heat sink with tiered cooling channels
DE10007763B4 (de) 2000-02-20 2017-04-06 General Motors Corp. (N.D.Ges.D. Staates Delaware) Brennstoffzellenanordnung
CN1416604B (zh) 2000-03-07 2010-09-01 松下电器产业株式会社 高分子电解质型燃料电池及其制造方法
JP4572441B2 (ja) 2000-04-10 2010-11-04 トヨタ車体株式会社 燃料電池
US6586128B1 (en) 2000-05-09 2003-07-01 Ballard Power Systems, Inc. Differential pressure fluid flow fields for fuel cells
US6569298B2 (en) 2000-06-05 2003-05-27 Walter Roberto Merida-Donis Apparatus for integrated water deionization, electrolytic hydrogen production, and electrochemical power generation
JP4064038B2 (ja) 2000-06-09 2008-03-19 富士フイルム株式会社 固体撮像素子を用いた画像取得装置および画像取得方法並びにその方法を実行するためのプログラムを記録した記録媒体
US6551736B1 (en) 2000-10-30 2003-04-22 Teledyne Energy Systems, Inc. Fuel cell collector plates with improved mass transfer channels
CA2327962A1 (en) 2000-12-11 2002-06-11 Powerdisc Development Corp. Ltd. Fuel cell stack
CA2329058A1 (en) 2000-12-19 2002-06-19 Powerdisc Development Corp. Ltd. Fuel cell powered electrical motor
US7998635B2 (en) 2000-12-28 2011-08-16 Mitsubishi Materials Corporation Fuel cell structure for gas supply
US6423437B1 (en) 2001-01-19 2002-07-23 Enable Fuel Cell Corporation Passive air breathing fuel cells
DE60212001T2 (de) 2001-02-12 2006-12-07 The Morgan Crucible Co. Plc., Windsor Flüssigkeitsverteilungsplatte-geometrien
GB2372143B (en) 2001-02-12 2003-04-09 Morgan Crucible Co Flow field plate geometries for a fuel cell, including for a polymer electrolyte fuel cell
JP2004523069A (ja) 2001-02-12 2004-07-29 ザ・モーガン・クルーシブル・カンパニー・ピーエルシー フローフィールドプレートジオメトリ
JP3559246B2 (ja) 2001-03-09 2004-08-25 大同メタル工業株式会社 携帯型燃料電池
US6797027B2 (en) 2001-04-11 2004-09-28 Donaldson Company, Inc. Filter assemblies and systems for intake air for fuel cells
JP2002319551A (ja) 2001-04-23 2002-10-31 Nec Corp 半導体装置およびその製造方法
WO2002089244A1 (en) 2001-04-27 2002-11-07 Enable Fuel Cell Corporation Passive air breathing fuel cell system with switched fuel gas delivery
JP2004527883A (ja) 2001-05-03 2004-09-09 ザ・モーガン・クルーシブル・カンパニー・ピーエルシー 燃料電池または電解槽の構成
US6878477B2 (en) 2001-05-15 2005-04-12 Hydrogenics Corporation Fuel cell flow field plate
US6913847B2 (en) 2001-07-25 2005-07-05 Ballard Power Systems Inc. Fuel cell system having a hydrogen sensor
JP5098128B2 (ja) 2001-09-14 2012-12-12 トヨタ自動車株式会社 燃料電池
US6780536B2 (en) * 2001-09-17 2004-08-24 3M Innovative Properties Company Flow field
US6756149B2 (en) 2001-10-23 2004-06-29 Ballard Power Systems Inc. Electrochemical fuel cell with non-uniform fluid flow design
US6699614B2 (en) 2002-03-18 2004-03-02 General Motors Corporation Converging/diverging flow channels for fuel cell
JP3665769B2 (ja) 2002-03-22 2005-06-29 大同メタル工業株式会社 セル分割型燃料電池
GB2387959C (en) 2002-03-28 2005-02-09 Intelligent Energy Ltd Fuel cell compression assembly
US6849353B2 (en) 2002-03-29 2005-02-01 General Electric Company Polygonal fuel cell apparatus and method of making
CA2380637C (en) 2002-05-03 2003-12-23 Powerdisc Development Corporation Ltd. Fuel cell plates and assemblies
US6903931B2 (en) 2002-06-13 2005-06-07 Raytheon Company Cold plate assembly
GB2387476B (en) 2002-06-24 2004-03-17 Morgan Crucible Co Flow field plate geometries
JP4017458B2 (ja) 2002-07-05 2007-12-05 大同メタル工業株式会社 空気吸込み式燃料電池
DE10236998B4 (de) 2002-08-13 2008-01-31 Daimler Ag Elektrochemische Zelle
US7205062B2 (en) * 2002-11-22 2007-04-17 The Research Foundation Of State University Of New York Fuel cell stack
US7159444B2 (en) 2002-11-26 2007-01-09 Proton Energy Systems, Inc. Combustible gas detection systems and method thereof
JP3956864B2 (ja) 2003-02-13 2007-08-08 トヨタ自動車株式会社 流路構造を有する燃料電池のセパレータ
US7459227B2 (en) 2003-04-18 2008-12-02 General Motors Corporation Stamped fuel cell bipolar plate
US6722422B1 (en) 2003-06-10 2004-04-20 Feldmeier Equipment, Inc. Heat exchange system with improved flow velocity adjustment mechanism
WO2004114446A1 (en) 2003-06-18 2004-12-29 The Morgan Crucible Company Plc Flow field plate geometries
GB2413001A (en) 2004-04-02 2005-10-12 Morgan Crucible Co Flow field plate geometries
CA2527286C (en) 2003-06-25 2015-03-03 Hydrogenics Corporation Passive electrode blanketing in a fuel cell
US7083079B2 (en) * 2003-07-09 2006-08-01 Moore Wallace North America, Inc. Double postcard pressure seal form construction
EP1496558A1 (en) 2003-07-11 2005-01-12 Asia Pacific Fuel Cell Technologies, Ltd. Water draining structure for gas reaction plate of fuel cell stack
US6974648B2 (en) 2003-09-12 2005-12-13 General Motors Corporation Nested bipolar plate for fuel cell and method
WO2005028710A1 (en) 2003-09-22 2005-03-31 Hydrogenics Corporation Electrolyzer cell arrangement
US7108929B2 (en) 2003-09-22 2006-09-19 Utc Fuel Cells, Llc Fuel and air flow control in a multi-stack fuel cell power plant
US6951243B2 (en) 2003-10-09 2005-10-04 Sandia National Laboratories Axially tapered and bilayer microchannels for evaporative coolling devices
GB2407375B (en) 2003-10-22 2006-06-28 Motorola Inc Heat sinks
WO2005041339A1 (en) 2003-10-23 2005-05-06 Hydrogenics Corporation A fuel cell power system having multiple fuel cell modules
US7632596B2 (en) 2003-11-05 2009-12-15 Illinois Institute Of Technology Distributed feed fuel cell stack
CA2547141C (en) 2003-11-28 2009-06-30 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell having coolant channel for cooling the fuel cell
US7517602B2 (en) 2003-12-26 2009-04-14 Honda Motor Co., Ltd. Fuel cell and fuel cell stack
ATE435508T1 (de) 2004-03-03 2009-07-15 Ird Fuel Cells As Bipolare doppelfunktionstrennplatten für brennstoffzellen
JP2005268110A (ja) 2004-03-19 2005-09-29 Mitsubishi Electric Corp 燃料電池用セパレータ
US7618734B2 (en) 2004-05-19 2009-11-17 General Motors Corporation Branched fluid channels for improved fluid flow through fuel cell
US7410714B1 (en) 2004-07-15 2008-08-12 The United States Of America As Represented By The Administration Of Nasa Unitized regenerative fuel cell system
US20060093891A1 (en) * 2004-11-02 2006-05-04 General Electric Company Flow field design for high fuel utilization fuel cells
US7399547B2 (en) 2004-11-05 2008-07-15 Utc Fuel Cells, Llc Fuel and air flow control in a multi-stack fuel cell power plant
KR101181821B1 (ko) 2004-11-29 2012-09-11 삼성에스디아이 주식회사 연료 전지 시스템 및 그 스택
US7348094B2 (en) 2004-12-10 2008-03-25 Gm Global Technology Operations, Inc. Enhanced flowfield plates
JP2006172924A (ja) 2004-12-16 2006-06-29 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池セパレータ
US8182954B2 (en) 2004-12-29 2012-05-22 Utc Power Corporation Full cells evaporative cooling and combined evaporative and sensible cooling
KR20060081603A (ko) 2005-01-10 2006-07-13 삼성에스디아이 주식회사 연료 전지용 스택과 이를 갖는 연료 전지 시스템
CN1851965A (zh) * 2005-04-22 2006-10-25 比亚迪股份有限公司 燃料电池的流场板
US7593230B2 (en) 2005-05-05 2009-09-22 Sensys Medical, Inc. Apparatus for absorbing and dissipating excess heat generated by a system
GB0509747D0 (en) 2005-05-13 2005-06-22 Ashe Morris Ltd Variable volume heat exchangers
JP5322339B2 (ja) * 2005-10-28 2013-10-23 レオニダ アンドレイ 複雑な組成の燃料に適した燃料電池システム
US7659022B2 (en) 2006-08-14 2010-02-09 Modine Manufacturing Company Integrated solid oxide fuel cell and fuel processor
KR100718113B1 (ko) * 2006-01-27 2007-05-15 삼성에스디아이 주식회사 연료전지의 바이폴라 플레이트 및 연료전지
US7883813B2 (en) 2006-04-03 2011-02-08 Bloom Energy Corporation Fuel cell system ventilation scheme
CN101064369B (zh) 2006-04-26 2010-10-27 上海攀业氢能源科技有限公司 适合低温启动的无端板燃料电池堆
US8757246B2 (en) 2006-06-06 2014-06-24 Raytheon Company Heat sink and method of making same
JP2008010179A (ja) 2006-06-27 2008-01-17 Toyota Motor Corp 燃料電池セパレータ
KR100745738B1 (ko) 2006-07-10 2007-08-02 삼성에스디아이 주식회사 유로가 개선된 냉각판
US20080021364A1 (en) * 2006-07-17 2008-01-24 Industrial Technology Research Institute Fluidic device
US20080066888A1 (en) 2006-09-08 2008-03-20 Danaher Motion Stockholm Ab Heat sink
JP4240530B2 (ja) 2006-09-15 2009-03-18 Ｔｏｔｏ株式会社 燃料電池セル体、燃料電池セルユニット、燃料電池セルスタック及びそれらを含む燃料電池
JP5111826B2 (ja) 2006-10-18 2013-01-09 本田技研工業株式会社 燃料電池
TWM313322U (en) 2006-10-18 2007-06-01 Asia Vital Components Co Ltd Assembling structure used in fuel cell stack and fan
JP2008108571A (ja) 2006-10-25 2008-05-08 Toyota Motor Corp セパレータおよび燃料電池
JP5133551B2 (ja) 2006-11-08 2013-01-30 株式会社日立製作所 燃料電池発電システム
US7901549B2 (en) 2006-12-06 2011-03-08 General Electric Company Gas evolving electrolysis system
TW200838020A (en) 2007-03-09 2008-09-16 Coretronic Corp Fuel cell system
US7718298B2 (en) 2007-03-12 2010-05-18 Gm Global Technology Operations, Inc. Bifurcation of flow channels in bipolar plate flowfields
JP5029813B2 (ja) 2007-03-20 2012-09-19 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用セパレータ
US20080248371A1 (en) 2007-04-03 2008-10-09 Yuan Ze University Fuel cell with a passage structure
US7485387B2 (en) 2007-04-03 2009-02-03 Yuan Ze Univeersity Fuel cell module compatible with a dry cell
US8026020B2 (en) 2007-05-08 2011-09-27 Relion, Inc. Proton exchange membrane fuel cell stack and fuel cell stack module
US7851105B2 (en) 2007-06-18 2010-12-14 Daimler Ag Electrochemical fuel cell stack having staggered fuel and oxidant plenums
WO2009038198A1 (ja) * 2007-09-19 2009-03-26 Kabushiki Kaisha Toshiba 燃料電池
JP2009081061A (ja) 2007-09-26 2009-04-16 Honda Motor Co Ltd 燃料電池
US20090145581A1 (en) 2007-12-11 2009-06-11 Paul Hoffman Non-linear fin heat sink
US20090208803A1 (en) 2008-02-19 2009-08-20 Simon Farrington Flow field for fuel cell and fuel cell stack
US8053122B2 (en) 2008-04-11 2011-11-08 Bdf Ip Holdings Ltd. System and method of starting a fuel cell system
EP2113731B1 (en) 2008-04-30 2011-02-02 ABB Research LTD Heat exchanger device
US8157527B2 (en) 2008-07-03 2012-04-17 United Technologies Corporation Airfoil with tapered radial cooling passage
DE102008033211A1 (de) 2008-07-15 2010-01-21 Daimler Ag Bipolarplatte für eine Brennstoffzellenanordnung, insbesondere zur Anordnung zwischen zwei benachbarten Membran-Elektroden-Anordnungen
DE102009013586B4 (de) 2008-09-19 2014-06-05 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Brennstoffzellenanordnung mit modularem Aufbau
DE102009013598A1 (de) 2008-09-19 2010-03-25 Mtu Onsite Energy Gmbh Brennstoffzellenanordnung mit verbessertem katalytischen Brenner
US8986905B2 (en) 2008-11-11 2015-03-24 Bloom Energy Corporation Fuel cell interconnect
US8557462B2 (en) 2009-01-14 2013-10-15 Samsung Sdi Co., Ltd. Fuel cell stack and fuel cell system using the same
US8304122B2 (en) 2009-02-06 2012-11-06 Protonex Technology Corporation Solid oxide fuel cell systems with hot zones having improved reactant distribution
US8168344B2 (en) 2009-02-20 2012-05-01 Clearedge Power, Inc. Air-cooled thermal management for a fuel cell stack
CA2759411A1 (en) 2009-04-28 2010-11-04 Panasonic Corporation Fuel cell system and method for removing water of fuel cell system
US20110079370A1 (en) 2009-07-17 2011-04-07 Textron Inc. Non-Uniform Height And Density Fin Design For Heat Sink
US20110056669A1 (en) 2009-09-04 2011-03-10 Raytheon Company Heat Transfer Device
JP5909186B2 (ja) 2009-09-30 2016-04-26 ブルーム エナジー コーポレーション 燃料電池スタック圧縮装置および方法
JP5709879B2 (ja) 2009-10-20 2015-04-30 シーメンス エナジー インコーポレイテッド ガスタービンエンジン
US20110177417A1 (en) 2010-01-15 2011-07-21 4D Power, LLC Fuel cell stack system having multiple sub-stacks that are replaceable online
KR101554246B1 (ko) 2010-01-25 2015-09-21 라모트 앳 텔-아비브 유니버시티 리미티드 에너지 저장 및 발생 시스템
US8790840B2 (en) 2010-03-10 2014-07-29 Dcns Sa Systems and methods for fuel cell thermal management
US20110223508A1 (en) 2010-03-14 2011-09-15 Philip Mark Arnold Proton exchange membrane (pem) fuel cell
US8846269B2 (en) * 2010-03-17 2014-09-30 Panasonic Corporation Polymer electrolyte fuel cell and fuel cell stack comprising the same
US10103089B2 (en) 2010-03-26 2018-10-16 Hamilton Sundstrand Corporation Heat transfer device with fins defining air flow channels
US9083008B2 (en) 2010-04-22 2015-07-14 GM Global Technology Operations LLC Formed plate assembly for PEM fuel cell
JP5440452B2 (ja) 2010-08-31 2014-03-12 スズキ株式会社 燃料電池システム
US8968956B2 (en) 2010-09-20 2015-03-03 Nextech Materials, Ltd Fuel cell repeat unit and fuel cell stack
CN102035002B (zh) 2010-11-30 2013-01-30 新源动力股份有限公司 一种具有水热管理能力的燃料电池模块
JP5614462B2 (ja) 2011-12-26 2014-10-29 東レ株式会社 燃料電池用ガス拡散電極基材、膜電極接合体、および燃料電池
US20130252116A1 (en) 2012-03-21 2013-09-26 GM Global Technology Operations LLC Model Based Approach For In-Situ WVTD Degradation Detection In Fuel Cell Vehicles
US9644277B2 (en) 2012-08-14 2017-05-09 Loop Energy Inc. Reactant flow channels for electrolyzer applications
WO2014026287A1 (en) 2012-08-14 2014-02-20 Powerdisc Development Corporation Ltd. Fuel cell components, stacks and modular fuel cell systems
CA2919875C (en) 2012-08-14 2021-08-17 Powerdisc Development Corporation Ltd. Fuel cell flow channels and flow fields
CN107732270A (zh) 2012-10-10 2018-02-23 环能源公司 电解器应用的反应物流动沟道
FR2999341B1 (fr) 2012-12-10 2015-02-06 Commissariat Energie Atomique Cellule pour pile a combustible a membrane echangeuse de protons, avec des couches de diffusion gazeuse de rigidite differente a l'anode et a la cathode
GB2509319A (en) 2012-12-27 2014-07-02 Intelligent Energy Ltd Fluid flow plate for a fuel cell
CA3073071A1 (en) 2017-08-28 2019-03-07 Ballard Power Systems Inc. Flow field plate for electrochemical fuel cells

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0616380A1 (en) * 1993-03-16 1994-09-21 FINMECCANICA S.p.A. AZIENDA ANSALDO A gas distributor for fused carbonates-fuel cells
AT407589B (de) * 1999-11-03 2001-04-25 Vaillant Gmbh Brennstoffzelle
US20050271909A1 (en) * 2004-06-07 2005-12-08 Hyteon Inc. Flow field plate for use in fuel cells
CN101099253A (zh) * 2005-01-05 2008-01-02 动力磁盘发展有限公司 改进的燃料电池阴极流场
CN101253645A (zh) * 2005-10-11 2008-08-27 丰田自动车株式会社 燃料电池用气体隔板和燃料电池
CN102623730A (zh) * 2012-04-20 2012-08-01 上海电机学院 一种变流道低温低压长方形燃料电池

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110137529A (zh) * 2018-02-08 2019-08-16 丰田自动车株式会社 燃料电池组
CN109390603A (zh) * 2018-11-15 2019-02-26 华南理工大学 一种波纹流场板
CN113809350A (zh) * 2021-08-30 2021-12-17 一汽解放汽车有限公司 燃料电池、电池单体及极板
CN113809350B (zh) * 2021-08-30 2023-10-17 一汽解放汽车有限公司 燃料电池和电池单体
CN114725424A (zh) * 2022-06-08 2022-07-08 爱德曼氢能源装备有限公司 一种燃料电池径向流场结构

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Publication number Publication date
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GB201503751D0 (en) 2015-04-22
CA3123208A1 (en) 2014-02-20
US20230083155A1 (en) 2023-03-16
CA3123208C (en) 2023-10-03
WO2014026288A1 (en) 2014-02-20
US20200259188A1 (en) 2020-08-13
CN104718651B (zh) 2017-07-28
CN107591549B (zh) 2020-12-01

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