CN108461774B - 用于燃料电池堆的板和系统以及燃料电池堆 - Google Patents

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Abstract

公开一种板，包括工作面和头部部分。工作面在其上限定多个反应物通道。头部部分设置在板的周边区域且包括多个凸缘和多个凸肩。凸缘设置在头部部分上且限定穿过板的多个孔。每一个凸缘限定孔中的相应一个。孔中的至少一个流体连接到反应物通道。多个凸肩设置在工作面上。每一个凸肩绕孔中的相应一个设置且由此限定凸缘中的相应一个。每一个凸肩限定包括凸肩角部和凸肩侧边的形状。每一个凸肩具有在其上的密封表面。密封表面配置为在暴露到接触压力时挠曲，以由此提供基本流体密封。

Description

用于燃料电池堆的板和系统以及燃料电池堆
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，且更具体地涉及采用规则形状的头部部分。
背景技术
燃料电池系统可在各种应用中用作电源以提供电能。所产生的电能可以立即用于为例如电动机这样的装置供电。另外地或替换地，通过例如采用电池，所产生的电能可以存储，用于以后使用。
在一些应用中，燃料电池并入到静态结构中，以为建筑物、住宅等提供电功率。在一些应用中，燃料电池并入到例如智能电话、视频相机、计算机等的装置中。在一些应用中，燃料电池并入到载具中，以提供或补充机动力。
燃料电池系统通常包括以燃料电池堆(fuel-cell stack)布置的燃料电池。燃料电池堆(其可包含一百个以上的板)被挤压以对燃料电池堆的附近部件之间的密封件施加接触压力，以防止流过其中的流体泄露。例如，混合了反应物的冷却剂或远离燃料电池的活性区域混合的反应物会降低燃料电池堆的有效性。因为部件的数量，所以甚至沿密封件的接触压力分布方面的微小不同在跨经所述堆时也会被放大，这会防止流体密封的形成。
因而，有益的是让燃料电池堆上的密封件的接触压力均匀分布。
发明内容
根据本发明的一些方面，一种板包括工作面和头部部分。工作面在其上限定多个反应物通道。头部部分设置在板的周边区域且包括多个凸缘和多个凸肩。多个凸缘设置在头部部分上。多个凸缘限定穿过板的多个孔。多个凸缘每一个限定多个孔中的相应一个。多个孔中的至少一个流体连接到多个反应物通道。多个凸肩设置在工作面上。多个凸肩每一个绕多个孔中的相应一个设置且由此限定多个凸缘中的相应一个。多个凸肩每一个限定包括凸肩角部和凸肩侧边的形状。多个凸肩每一个具有在其上的密封表面。密封表面配置为在暴露到接触压力时挠曲，以由此提供基本流体密封。
根据本发明的进一步方面，形状大致为六边形。
根据本发明的进一步方面，每一个凸肩角部限定一角度，且每一个相应角度为约50°到约70°。
根据本发明的进一步方面，每一个凸肩角部限定约60°的角度。
根据本发明的进一步方面，每一个凸肩角部限定相应角度，且每一个相应角度在每个其他相应角度的约10°以内。
根据本发明的进一步方面，凸肩角部配置为产沿密封表面生产小于约 50％的接触压力差异。
根据本发明的进一步方面，凸肩角部配置为产沿密封表面生产小于约 30％的接触压力差异。
根据本发明的进一步方面，凸肩角部每一个为大致弧形。
根据本发明的进一步方面，凸肩侧边每一个遵循蜿蜒路径。
根据本发明的一些方面，系统包括板、部件和挤压构件。板包括工作面和头部部分。工作面在其上限定多个反应物通道。头部部分设置在板的周边区域中。头部部分包括多个凸缘和多个凸肩。多个凸缘设置在工作面上。多个凸缘限定穿过板的多个第一孔。多个凸缘每一个限定多个第一孔中的相应一个。多个第一孔中的至少一个流体连接到多个反应物通道。多个凸肩设置在工作面上。多个凸肩每一个绕多个第一孔中的相应一个设置以由此限定多个凸缘中的相应一个。多个凸肩每一个限定一形状。形状包括凸肩角部和凸肩侧边。多个凸肩每一个具有在其上的密封表面。密封表面配置为在暴露到接触压力时挠曲，以由此提供基本流体密封。部件邻接所述板。部件包括穿过其中的多个第二孔。多个第二孔每一个与多个第一孔中的相应一个对准。挤压构件配置为在板上施加挤压力以由此生产接触压力。
根据本发明的进一步方面，部件进一步包括第二工作面。第二工作面具有设置在其上的多个第二凸肩。多个第二凸肩每一个绕多个第二孔中的相应一个设置。多个第二凸肩每一个限定一形状。
根据本发明的进一步方面，第二工作面设置为靠近工作面，多个第二凸肩每一个包括在其上的第二密封表面，且在第二密封表面接触密封表面以在它们之间生产接触压力时部件邻接所述板。
根据本发明的进一步方面，所述板进一步包括与工作面相反的第一后面且部件进一步包括第二后面。第二后面附接到第一后面。第一后面和第二后面限定在所述板和部件之间的多个冷却剂通道来多个冷却剂通道流体连接到多个第一孔中的至少另一个。
根据本发明的进一步方面，每一个凸肩角部限定一角度，且每一个角度为约50°到约70°。
根据本发明的进一步方面，凸肩角部配置为产沿密封表面生产小于约 30％的接触压力差异。
根据本发明的进一步方面，部件是统一电极组件。
根据本发明的一些方面，燃料电池堆包括第一板、第二板、统一电极组件，且挤压构件。第一板包括第一工作面和第一头部部分。第一工作面在其上限定多个第一反应物通道。第一头部部分设置在板的周边区域中。第一头部部分包括多个第一凸缘和多个第一凸肩。多个第一凸缘设置在头部部分上。多个第一凸缘限定穿过第一板的多个第一孔。多个第一凸缘每一个限定多个第一孔中的相应一个。多个第一孔中的至少一个流体连接到多个第一反应物通道。多个第一凸肩设置在第一工作面上。多个第一凸肩每一个绕多个第一孔中的相应一个设置以由此限定多个第一凸缘中的相应一个。多个第一凸肩每一个限定一形状。形状包括凸肩角部和凸肩侧边。多个第一凸肩每一个具有在其上的第一密封表面。第一密封表面配置为在暴露到接触压力时挠曲，以由此提供基本流体密封。第二板包括第二工作面和第二头部部分。第二工作面在其上限定多个第二反应物通道。第二头部部分设置在第二板的周边区域中。第二头部部分包括多个第二凸缘和多个第二凸肩。多个第二凸缘设置在第二头部部分上。多个第二凸缘限定穿过第二板的多个第二孔。多个第二凸缘每一个限定多个第二孔中的相应一个。多个第二孔中的至少一个流体连接到多个第二反应物通道。多个第二凸肩设置在第二工作面上。多个第二凸肩每一个绕多个第二孔中的相应一个设置以由此限定多个第二凸缘中的相应一个。多个第二凸肩每一个限定一形状。形状包括凸肩角部和凸肩侧边。多个第二凸肩每一个具有在其上的第二密封表面。第二密封表面配置为在暴露到接触压力时挠曲，以由此提供基本流体密封。统一电极组件设置在第一板和第二板之间。统一电极组件包括接触多个第一反应物通道的第一侧和接触多个第二反应物通道的第二侧。挤压构件配置为配置为在第一板、第二板、和统一电极组件上施加挤压力。挤压力配置为施加接触压力到多个第一凸肩和多个第二凸肩。
根据本发明的进一步方面，每一个凸肩角部限定一角度，每一个角度为约50°到约70°。
根据本发明的进一步方面，每一个凸肩角部限定约60°的角度。
根据本发明的进一步方面，形状为六边形。
在下文结合附图进行的对实施本发明的较佳模式做出的详尽描述中能容易地理解上述的本发明的特征和优点以及其他的特征和优点。
附图说明
附图是示例性的且不是要限制权利要求所限定的主题。在后文的详细描述和所示附图中描述示例性方面，其中：
图1是根据本发明一些方面的燃料电池堆的分解示意图；
图2是根据本发明一些方面的图1的燃料电池堆的单极板的示意性平面图；
图3是图2的板的示意性截面图；
图4是根据本发明一些方面的以部分截面示出的双极板的示意性等轴视图；
图5是根据本发明一些方面的采用大致规则形状的示例性头部部分的示意性平面图；
图6是根据本发明一些方面的采用大致规则形状的另一示例性头部部分的示意性平面图；
图7是对采用大致规则形状的头部部分和采用不规则形状的头部部分的接触压力概率分布进行比较的图。
具体实施方式
图1是燃料电池堆10的分解视图。燃料电池堆10包括多个板12、至少一个统一电极组件14和挤压构件16。多个板12可以包括任何合适的板12 的组合。例如，多个板12可以包括端板18、单极板20(在图2中被更详细地示出)、和/或双极板22(在图4中被更详细地示出)。根据本发明的一些方面，通过采用如在本文所述的规则的头部形状，多个板12、至少一个统一电极组件14、和挤压构件16可被配置为将密封件上的接触压力均匀分布。
端板18设置在燃料电池堆10的顶部和底部处。端板18包括设置在其上的燃料入口24a、燃料出口24c、氧化剂入口26a、氧化剂出口26c、冷却剂入口28a、和冷却剂出口28c。如在本文使用的，按上下文所描述的，“流体”可以是指燃料、氧化剂、冷却剂或其任何组合，且按上下文所描述的，“反应物”可以是指燃料、氧化剂或两者。例如，按上下文所描述的，“流体入口24a、26a、28a”可以是指燃料入口24a、氧化剂入口26a、或冷却剂入口28a中的任何或所有，且按上下文所描述的，“反应物通道24b、26b”可以是指燃料通道24b和氧化剂通道26b中之任一或两者。
应理解，流体入口24a、26a、28a和流体出口24c、26c、28c中的某一个可位于一个端板18上，而其余流体入口24a、26a、28a和流体出口24c、 26c、28c位于相反端板18上。
统一电极组件14包括设置在扩散介质32之间的燃料电池30。燃料电池 30例如可以是膜电极组件，其包括设置在阴极和阳极之间的膜。膜例如可以是质子交换膜。阴极和阳极例如可以包括被支撑在碳颗粒上且与离子交换聚合物混合的细化催化剂。在一些方面，催化剂是铂。
扩散介质32是有助于反应物传递到燃料电池30到多孔层。反应物可包括任何合适的燃料和氧化剂组合。例如，燃料可以是氢，且氧化剂可以是氧。在氢燃料电池30中，氢和氧进行反应以生产电，热量和水为副产物。可使用其他燃料，例如天然气、甲醇、汽油、从煤炭获得的合成燃料。在一些方面，使用层叠、粘接或任何其他合适的方法，将扩散介质32附接到燃料电池30的表面。在一些方面，扩散介质32邻接燃料电池的表面，但是不与之粘接。例如，扩散介质32可以被置于抵靠燃料电池30的表面且通过保持构件34保持就位。保持构件34例如可以是垫圈。
挤压构件16沿堆叠方向对燃料电池堆10施加挤压力。挤压力通过邻近部件之间的接触压力而将板12和燃料电池30固定就位。在一些方面，挤压构件16包括多个螺纹杆，其与端板18上的结构接合。通过紧固螺纹杆，挤压力沿堆叠方向增加到期望水平，这使得接触压力沿附近部件之间的密封件分布。在一些方面，挤压构件16不完全与整个燃料电池堆10接合。例如，挤压构件16可以接合邻近的两个板12以向这两个板12施加挤压力，或可以接合多个邻近板12以向该多个邻近板12施加挤压力。
图2是燃料电池堆10的示例性单极板20的平面图。单极板20是大致平面的板材，其具有工作面36、与工作面相反的后面38、头部部分40和凸肩42。所示单极板20是在其上限定出一些结构的金属板件。所述结构通过对金属板件进行冲压而形成。应理解，例如碳纤维这样的其他材料和例如模制和增材制造这样的其他形成方法也可以用于形成单极板20。
反应物通道24b26b限定在单极板20的工作面36上。具体单极板20的反应物通道24b、26b为燃料通道24b或氧化剂通道26b。反应物通道24b、 26b将从中流过的流体分布在邻近的统一电极组件14或燃料电池30的面上。例如，燃料通道24b将氢分配到燃料电池30的阳极且氧化剂通道26b将氧分配到燃料电池30的阴极。
头部部分40设置在单极板20的周边区域中且限定延伸穿过单极板20 的多个孔44。孔44允许流体从单极板20的一侧流到单极板20的另一侧。
凸肩42从单极板20的工作面36延伸。至少一个凸肩42沿单极板20 的工作面36的周边设置，以防止流体例如从反应物通道24b、26b泄漏到单极板20以外(例如泄露到环境或燃料电池堆10)。额外的凸肩42设置为邻近且围绕每一个孔44。围绕每一个孔的凸肩42防止流体从孔泄漏到单极板 20的流体通道24b、26b、28b。例如，围绕孔44(冷却剂从中流过)的凸肩 42防止冷却剂泄露到单极板20的反应物通道24b、26b中并与从中流过的反应物混合。应理解，凸肩42可以围绕多于一个的孔44。
可选地，冷却剂通道28b可以限定在单极板20的后面38上。冷却剂通道28b将从中流过的冷却剂分配到单极板20的后面38上，以去除化学反应期间产生的热量。另外，冷却剂通道28b可用于将热量传递到燃料电池30，以有助于例如在冷运行状态下的化学反应。应理解，凸肩42和其他特征部可以从单极板20的后面38延伸。
图3是沿线3–3截取的单极板20的凸肩42的截面图。凸肩42限定了大致弓形形状。凸肩42限定了在工作面36上的密封表面46。密封表面46 配置为接触在单极板20的工作面36附近的部件。在凸肩42上的所有点处的接触压力超过一定临界值时，密封表面46将与邻近的部件形成流体密封。
凸肩42形成弹性结构，其在被施加压力时挠曲。挠曲能增加密封表面 46与邻近部件接触的部分。尽管所示凸肩42截面为大致弓形，但应理解，可以使用其他形状。在一些非限制性的例子中，凸肩42的截面轮廓为大致矩形、大致梯形、大致直线形侧壁(其具有跨过它们之间的弓形部分)、其组合等。进一步地，尽管所述的凸肩42是大致对称的，但是应理解可使用不对称的凸肩42。
图4是以部分截面示出的双极板22的等轴视图。双极板22可以以各种方式形成。例如，两个单极板20的后面38可被设置在一起且单极板20连结以形成双极板22。所述连结例如可通过焊接或使用粘接剂形成。
双极板22包括与第二工作面36b相反的第一工作面36a。每一个工作面 36在其上限定反应物通道24b、26b。例如，第一工作面36a限定燃料通道 24b，而第二工作面36b限定氧化剂通道26b。将两个单极板20的后面38 设置在一起使得，通过两个单极板20之间的空间限定出冷却剂通道28b，如图4所示。
还可使用例如3D打印这样的各种方法形成双极板22。在一些方面，通过在单个板材的相反面上冲压出反应物通道24b、26b而形成双极板22，而在它们之间不存在冷却通道28b。
在燃料电池堆10组装时，每一个板12的头部部分40中的孔44基本上对准邻近板12或统一电极组件14的相应孔44，以形成多个入口歧管(未示出)和多个出口歧管(未示出)。每一个部件的凸肩42挤压抵靠邻近部件的凸肩42，使得形成流体密封，以限定多个流体流动路径24、26、28。通过燃料入口24a、燃料入口歧管(未示出)、相应板12的燃料通道24b、燃料出口歧管(未示出)和燃料出口24c限定燃料流体路径24。类似地，通过氧化剂入口26a、氧化剂入口歧管(未示出)、氧化剂通道26b、和氧化剂出口歧管(未示出)、以及氧化剂出口26c限定氧化剂流体路径26。冷却剂流体路径28包括冷却剂入口28a、冷却剂入口歧管(未示出)、冷却剂通道28b、冷却剂出口歧管(未示出)和冷却剂出口28c。
在运行时，至少两种流体在分离的流体流动路径24、26、28中流动通过燃料电池堆10。在一些示例性燃料电池堆10中，流体进入流体入口24a、 26a、28a，沿燃料电池堆10的周边侧流动通过相应歧管，经由流体通道24b、 26b、28b沿侧向方向经过一些部件，流动通过燃料电池堆10的相反周边侧上的相应歧管，且经由流体出口24c、26c、28c离开燃料电池堆10。在一些例子中，流体中的至少两种以逆流方式流动。
在燃料电池堆10的部件之间形成基本流体密封，以防止流动通过燃料电池堆10的流体的不期望混合。通过向密封表面46施加接触压力而形成这些基本流体密封。应认为，沿凸肩42的密封表面46的接触压力差异会造成泄露。还应认为，沿凸肩42的密封表面46的均匀分布接触压力可有利地影响燃料电池堆10的性能。例如，通过让接触压力在板12的头部部分40上均匀分布，根据本发明的系统、部件和方法可增加密封有效性。进一步地，通过降低维持所述堆上的足够接触压力所需的挤压力的量，根据本发明的系统、部件和方法还可降低制造部件的成本。进一步地，通过降低施加到部件的最大接触压力，根据本发明的系统、部件和方法还会有利地影响燃料电池堆的寿命。
施加到密封表面46的接触压力是因施加到燃料电池堆10的挤压力造成的，且应该保持在临界水平以上，以维持基本流体密封。因为燃料电池堆10 可包括大量的部件，所以在部件组装在燃料电池堆10中时甚至沿凸肩42的接触压力分布的微小变化也会被极大地放大。
有利地，通过对头部部分40采用大致规则的形状，可使得沿凸肩42的密封表面46的接触压力分布均匀分布。据认为，通过在头部部分40中提供大致均匀的几何特征(例如角部角度)，采用规则形状能实现沿密封表面46 的均匀分布的接触压力。
图5是具有采用大致规则形状的头部部分40a的板12的示意性平面图。板12包括工作面36、多个反应物通道24b、26b、头部部分40a、和大致围绕板12的周边设置的凸肩42。
头部部分40a设置在板12的端部处。头部部分40a包括多个凸肩42且多个凸缘50限定穿过板12的多个孔44。每一个凸缘50限定在凸肩42和相应孔44之间，凸缘的边缘104限定穿过板的孔44。每一个孔44配置为允许流体从中流过，且每一个头部部分40a中的孔44中的至少一个流体连接到多个反应物通道24b、26b。在使用时，流体流动通过每一个孔44，使得流动通过板12的一个端部处的一个或多个经连接孔44的反应物可以进入反应物通道24b、26b，经过反应物通道24b、26b限定的流动区域，并通过在板 12的相反端部上的一个或多个经连接孔44离开所述板。围绕板12的周边设置的凸肩42还可被称为外凸肩42，而绕凸缘50设置的凸肩42可被称为内凸肩42。
凸肩42配置为在板12和燃料电池堆10的附近部件之间提供基本流体密封。每一个内凸肩42绕孔44中的相应一个设置，以限定相应凸缘50。
每一个凸肩42限定各自的形状。形状例如可以上多边形，包括凸肩侧边106和凸肩角部108。多边形可具有任何数量的凸肩侧边106和凸肩角部 108，例如是图5的规则六边形所示的大致六边形形状。凸肩角部108限定角度α。角度α通过垂直于凸肩侧边106中的第一个延伸的第一线和垂直于凸肩侧边106中的第二个延伸的第二线所限定。第一线在凸肩侧边106中的第一个和凸肩角部108之间的过渡部分开始，且第二线在凸肩侧边106中的第二个和凸肩角部108之间的过渡部分开始。在一些方面，每一个凸肩角部限定约50°到约70°的角度α。在一些方面，每一个凸肩角部限定约60°的角度α。尽管所示多边形为大致六边形，但是应理解可以使用其他多边形形状。在一些方面，形状包括多于六个的凸肩角部108，且每一个凸肩角部 108的角度α在每个其他角度α的约10°以内。
应理解，头部部分40可以并入任何数量的凸缘50。例如，配置为用于通过两种反应物和冷却剂进行操作的板12可以包括用于冷却剂的一个凸缘 50、用于第一反应物的一个凸缘50和用于第二反应物的一个凸缘50。替换地，配置为用于通过两种反应物和冷却剂进行操作的另一板12可以包括用于冷却剂的一个凸缘50、用于第一反应物的两个凸缘50和用于第二反应物的一个凸缘50。
在一些方面，凸肩侧边106是大致直线形的且凸肩角部108是大致弧形的(radiused)。尽管凸肩角部108是大致弧形的，但是本领域技术人员易于理解，弧形的凸肩角部108仍然限定出一角度。在一些方面，凸肩侧边106 包括遵循大致蜿蜒路径的加强结构或“扭曲结构(wiggle)”。这些加强结构配置为通过在板12于燃料电池堆10中被挤压时防止凸肩42的过度变形而防止沿凸肩42的笔直延伸部分出现脆弱点。凸肩侧边106是经过蜿蜒路径的大致直线形的。应注意，沿蜿蜒路径的“扭曲结构”与向内朝向凸缘50 呈弧形的第一部分和插置在第一部分之间的从凸缘50向外成弧形的第二部分共享一特定半径。
图6是板12的示意性平面图，板具有采用大致规则形状的头部部分40b。类似于图5，板12包括工作面36、多个反应物通道24b、26b、头部部分40b、和大致绕板12的周边设置的凸肩42。
类似于图5，图6所示的头部部分40b设置在板12的端部，且每一个凸肩42限定各自的形状，例如包括凸肩侧边106和凸肩角部108的多边形形状。图6所示的多边形为不规则的六边形。这些不规则的多边形可设置为用于使凸缘50更靠近地进行组合，如图6中示出的五个凸缘50，它们占据与图5中所示的三个凸缘50大致相同的空间。另外，凸缘50可错开，以提供凸缘50的更靠近的组合。
令人印象深刻的是，采用规则形状的头部部分40使得头部部分40的所有凸肩42上施加的接触压力平衡，所述凸肩包括围绕凸缘50的内凸肩42 和在内凸肩42附近的外凸肩42。在一些方面，规则形状包括约60°的角部角度，以使得施加到具有各种半径的角部上的接触压力平衡。
可对各种凸肩构造进行建模，以将各种头部部分40的构造进行比较，例如比较具有多种凸肩角部角度、多种凸肩角部半径和在凸肩42和孔44之间具有多种特征的头部部分40，以将用于各种构造的弹簧常数进行比较和优化。应理解，弹簧常数通常随凸肩角部角度的减小而减小。例如，用于具有 60°凸肩角部角度的凸肩42的弹簧常数通常比用于具有120°凸肩角部角度的凸肩42的弹簧常数更低。进一步应理解，弹簧常数通常随凸肩角部半径的增加而减小。例如，用于具有15mm的凸肩角部半径的凸肩42的弹簧常数相比通常比具有6mm的凸肩角部半径的凸肩42的弹簧常数更低。另外应理解，用于在凸肩42和孔44之间具有特征部(例如额外凸肩42)的凸肩 42的弹簧常数通常比用于在凸肩42和孔44没有特征部的凸肩42的弹簧常数更低。例如，用于外双凸肩(即两个凸肩42中的靠近所建模的凸缘50的最外凸肩42)的弹簧常数通常比用于单个凸肩(具有相似的凸肩角部半径和凸肩角部角度)的弹簧常数更低。
根据非限制性例子，对具有6mm半径的单个内凸肩42的弹簧常数进行建模，在凸肩角度为约120°时弹簧常数为约200N/mm2，且在凸肩角度为约60°时弹簧常数为约135N/mm2。根据非限制性例子，对具有6mm半径的双外凸肩42的弹簧常数进行建模，在凸肩角度为约120°时弹簧常数为约 180N/mm2，且在凸肩角度为约60°时弹簧常数为约95N/mm2。根据非限制性例子，对具有10mm半径的单个内凸肩42的弹簧常数进行建模，在凸肩角度为约120°时弹簧常数为约120N/mm2，且在凸肩角度为约60°时弹簧常数为约90N/mm2。根据非限制性例子，对具有6mm半径的双外凸肩42 的弹簧常数进行建模，在凸肩角度为约120°时弹簧常数为约160N/mm2，且在凸肩角度为约60°时弹簧常数为约90N/mm2。根据非限制性例子，对具有15mm半径的单个内凸肩42的弹簧常数进行建模，在凸肩角度为约120 °时弹簧常数为约90N/mm2，且在凸肩角度为约60°时弹簧常数为约80 N/mm2。根据非限制性例子，对具有15mm半径的双外凸肩42的弹簧常数进行建模，在凸肩角度为约120°时弹簧常数为约130N/mm2，且在凸肩角度为约60°时弹簧常数为约90N/mm2。
可见，经建模的例子表明，具有各种半径和凸肩类型的凸肩42的弹簧常数随凸肩角部角度从更大的凸肩角部角度接近60°而开始收敛。具体说，在60°下各种半径和构造的凸肩42的弹簧常数的变化比在120°下的该凸肩42的弹簧常数的变化小得多。例如，用于经建模且如上所述的凸肩42的弹簧常数在120°下在约200N/mm2到约90N/mm2的范围改变，而用于经建模且如上所述的凸肩42的弹簧常数在60°下在约135N/mm2到约80N/mm2的范围改变。应注意，用于经建模且如上所述的凸肩42的子组(即具有6mm 半径的单个凸肩，具有6mm半径的双凸肩，具有10mm半径的双凸肩，和具有15mm半径的双凸肩)的弹簧常数在约10N/mm2以内。这种通常较窄的弹簧常数范围有助于沿凸肩42的密封表面46的接触压力分布。有利地，与具有大致弯曲边界的凸肩的凸缘相比，具有凸肩角部为50°到70°的凸肩42的凸缘50允许形成更多的通道(tunnel)，以将凸缘50连接到反应物通道24b、26b。
还可看到，具有不同倾斜度的趋势线和弹簧常数的扩展随着线开始彼此离开而不会变得低于一些非零最小值。而且，随凸肩角部的角度变窄，与具有更大角度(例如50°到70°的角度)的凸肩角部相比，例如用于通道(其将反应物通道24b、26b从相应凸缘50进行馈送)的周边距离以及凸缘50 的定位这样的设计限制条件会变得更少。
图7是通过线802示出的针对采用不规则形状的头部部分的接触压力概率分布与通过线804示出的采用大致规则形状的头部部分的接触压力概率分布相比较的图。接触压力箱(bin of contact pressure)以MPa表示，且占据每一个箱的凸肩的百分比通过相应条(bar)的高度示出。线806代表采用不规则形状的头部的接触压力分布，而线808代表采用规则形状头部的接触压力分布。如图所示，采用规则形状的头部的接触压力分布808比采用不规则形状的头部的接触压力分布806窄得多。如图所示，沿暴露到偏离中间值的接触压力(例如低于2.8MPa和高于5.2MPa的接触压力)的密封表面46的点概率显著降低。这种变窄的分布和降低的概率使得在用于燃料电池堆10 的给定挤压力下沿密封表面46的泄露更少，因为凸肩42有更少的部分暴露到低于密封临界值的接触压力。
在一些方面，凸肩角部配置为沿密封表面生产小于约50％的接触压力差异。在一些方面，凸肩角部配置为沿密封表面生产小于约30％的接触压力差异。在一些方面，凸肩角部配置为沿密封表面生产小于约15％的接触压力差异。
所构思的是，通常围绕板的周边设置的凸肩42(也称为外凸肩)可以限定一路径，其将外凸肩置于头部部分40中的多个凸缘50的凸肩42之间。例如，外凸肩可以以蜿蜒方式包围凸缘50的一些部分，使得外凸肩设置在板12的外边缘和第一凸缘50之间的空间中，设置在第一凸缘50和第二凸缘50之间的空间中，设置在第二凸缘和反应物通道24b、26b之间的空间中，第二凸缘50和第三凸缘50之间的空间中，设置在板12的外边缘和第三凸缘50之间的空间中。所构思的是，该蜿蜒路径还可被配置为对使接触压力沿凸肩密封表面46均匀分布有贡献。
尽管已经对执行本发明的较佳模式进行了详尽的描述，但是本领域技术人员可得知在所附的权利要求的范围内的用来实施本发明的许多替换设计和实施例。
相关申请的交叉引用
本申请涉及2017年2月17日提交的标题为“Design of Header Flange to EvenlyDistribute Contact Pressure Across Seals”的美国专利申请序列号 15/436,205(事务所案号No.P037735-US-NP/GM4412PUS)，该申请通过引用全部合并于本文。

Claims (7)

1.一种用于燃料电池堆的板，包括：
工作面，在其上限定多个反应物通道；
头部部分，设置在板的周边区域中，头部部分包括：
设置在其上的多个凸缘，
多个凸缘限定穿过板的多个孔，
多个凸缘每一个限定多个孔中的相应一个，
多个孔中的至少一个流体连接到多个反应物通道；和
多个凸肩，设置在工作面上，
多个凸肩每一个绕多个孔中的相应一个设置，由此限定多个凸缘中的相应一个，
多个凸肩每一个限定包括凸肩角部和凸肩侧边的规则形状，其中，该规则形状为大致六边形，并且每个凸肩角部在垂直于凸肩侧边中的第一个延伸的第一线和垂直于凸肩侧边中的第二个延伸的第二线之间限定60°的角度，
多个凸肩每一个在其上具有密封表面，密封表面配置为在暴露到接触压力时挠曲，以由此提供基本流体密封。
2.如权利要求1所述的板，其中凸肩角部配置为沿密封表面生产小于30％的接触压力差异。
3.一种用于燃料电池堆的系统，包括：
板，包括：
工作面，在其上限定多个反应物通道；和
头部部分，沿板的周边区域设置，头部部分包括：
设置在其上的多个凸缘，多个凸缘限定穿过板的多个第一孔，多个凸缘每一个限定多个第一孔中的相应一个，多个第一孔中的至少一个流体连接到多个反应物通道；和
多个凸肩，设置在工作面上，多个凸肩每一个绕多个第一孔中的相应一个设置，由此限定多个凸缘中的相应一个，多个凸肩每一个限定包括凸肩角部和凸肩侧边的规则形状，其中，该规则形状为大致六边形，并且每个凸肩角部在垂直于凸肩侧边中的第一个延伸的第一线和垂直于凸肩侧边中的第二个延伸的第二线之间限定60°的角度，多个凸肩每一个在其上具有密封表面，密封表面配置为在暴露到接触压力时挠曲，以由此提供基本流体密封；
邻接所述板的部件，所述部件包括穿过其中的多个第二孔，多个第二孔每一个对准多个第一孔中的相应一个；和
挤压构件，配置为在板上施加挤压力，由此生产接触压力。
4.如权利要求3所述的系统，其中所述部件进一步包括：
第二工作面，具有设置在其上的多个第二凸肩，多个第二凸肩每一个绕多个第二孔中的相应一个设置，多个第二凸肩每一个限定所述规则形状。
5.如权利要求4所述的系统，其中第二工作面设置为靠近所述工作面；
其中多个第二凸肩每一个包括在其上的第二密封表面；和
其中所述部件在第二密封表面接触所述密封表面时邻接所述板，以在它们之间生产接触压力。
6.如权利要求3所述的系统，其中凸肩角部配置为沿密封表面生产小于30％的接触压力差异。
7.一种燃料电池堆，包括：
第一板，包括：
第一工作面，在其上限定多个第一反应物通道；和
第一头部部分，设置在第一板周边区域中，第一头部部分包括：
设置在其上的多个第一凸缘，多个第一凸缘限定穿过第一板的多个第一孔，多个第一凸缘每一个限定多个第一孔中的相应一个，多个第一孔中的至少一个流体连接到多个第一反应物通道；和
多个第一凸肩，设置在第一工作面上，多个第一凸肩每一个绕多个第一孔中的相应一个设置，由此限定多个第一凸缘中的相应一个，多个第一凸肩每一个限定包括凸肩角部和凸肩侧边的规则形状，其中，该规则形状为大致六边形，并且每个凸肩角部在垂直于凸肩侧边中的第一个延伸的第一线和垂直于凸肩侧边中的第二个延伸的第二线之间限定60°的角度，多个第一凸肩每一个在其上具有第一密封表面，第一密封表面配置为在暴露到接触压力时挠曲，以由此提供基本流体密封；
第二板，包括：
第二工作面限定多个第二反应物通道；和
第二头部部分，沿第二板的周边区域设置，第二头部部分包括：
设置在其上的多个第二凸缘，多个第二凸缘限定穿过第二板的多个第二孔，多个第二凸缘每一个限定多个第二孔中的相应一个，多个第二孔中的至少一个流体连接到多个第二反应物通道；和
多个第二凸肩，设置在第二工作面上，多个第二凸肩每一个绕多个第二孔中的相应一个设置，由此限定多个第二凸缘中的相应一个，多个第二凸肩每一个限定包括第二凸肩角部和第二凸肩侧边的规则形状，其中，每个第二凸肩角部在垂直于第二凸肩侧边中的第一个延伸的第一线和垂直于第二凸肩侧边中的第二个延伸的第二线之间限定60°的第二角度，多个第二凸肩每一个在其上具有第二密封表面，第二密封表面配置为在暴露到接触压力时挠曲，以由此提供基本流体密封；
统一电极组件，设置在第一板和第二板之间，统一电极组件包括与多个第一反应物通道接触的第一侧和与多个第二反应物通道接触的第二侧；和
挤压构件，配置为在第一板、第二板、和统一电极组件上施加挤压力，挤压力配置为将接触压力施加到多个第一凸肩和多个第二凸肩。
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