CN109390609A - 具有成角度的偏移流动通道的燃料电池单元 - Google Patents

具有成角度的偏移流动通道的燃料电池单元 Download PDF

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Abstract

本公开提供了由以电堆配置设置的多个流动板组件形成的燃料电池单元，其中电堆配置中的相邻流动板组件相对于彼此以偏斜角设置。燃料电池电堆可由多个燃料电池单元形成，所述多个燃料电池单元放置成在没有偏移的情况下彼此对齐的电堆。本公开还提供了形成燃料电池单元、燃料电池电堆和包含前者的燃料电池系统的方法。

Description

具有成角度的偏移流动通道的燃料电池单元
技术领域
本公开在电化学燃料电池领域中。具体地，本公开涉及用于在电化学燃料电池组件中使用的装置和方法，其包括允许多个流体流动通道及其布置的流体流动板。
背景技术
燃料电池电堆组件能够由与膜电极组件层交替的一系列流体流动板形成。在蒸发冷却(EC)质子交换膜(PEM)燃料电池中，通过阳极流体流动路径或阴极流体流动路径可将水引入燃料电池电堆中，以便水合膜以及冷却电池。与具有介于其间的密封液体冷却通路的液体冷却式燃料电池相比，因为简单的单板布置和减小的电池间距，EC电池可提供良好的质量功率密度和体积功率密度。在典型的EC燃料电池布置中，冷却水从沿燃料电池电堆的侧面向下延伸的一个或更多个公共歧管被喷射到阳极或阴极流体流动通道中。这种歧管内的水、阴极流体和阳极流体的流率会产生潜在的问题。水可被进给到歧管的一个端部处的入口中，水从该歧管被进给到电堆中的各个电池中。由于腐蚀风险增加，特别是在使用去离子水的情况下，以及细菌累积的风险增加，水流停滞或接近停滞的任何区域都可出现问题。EC燃料电池电堆将阴极流体和阳极流体上的压降施加为与通过活性区域相同的水平，这造成了对电池周边歧管的一致性和电池与电池性能一致性的合成压降的依赖性。
燃料电池电堆件中要解决的一些问题包括：确保用于燃料、氧化剂和冷却剂管线中的流体分布的均匀流场；使进气歧管上的压降最小化；使确保气密操作所需的密封压力最小化；考虑到需要在制造燃料电池电堆组件时精确地组装的大量单元，使得流体流动板的构造与机械化组装过程兼容；减少组成电堆的燃料电池的间距，同时将操作保持在期望参数内；减少部件的数量；减轻整体重量；减少材料使用和损耗；简化设计、制造和组装；以及大体上降低燃料电池电堆组件的总成本。
本发明的目的是解决上述问题中的一个或更多个。
发明内容
在典型的燃料电池电堆组件中，各个流动板以相同的取向对齐，以便为流入和流出电堆组件的流体流提供共用的入口歧管和出口歧管。典型的布置具有在流动板中形成的基本上平行的轨道或通道，或者作为跨越(across，在其上)板的面延伸的通道，或者作为在板的面上交替改变方向的蛇形路径。已经观察到，在这种布置中，使用相同组的基本平行的轨道或通道能够导致燃料电池电堆的性能降低。在膜电极组件的整个表面上的压缩会是不一致的，这是由于在机械压缩下通过电堆的刚性不足，导致电堆中的流动板的横向不稳定性、屈曲或弯曲。在这些配置中，膜电极组件能够在通道结构之间变形并且符合并嵌套在流场之间。该变形能够导致在膜电极组件上的较低的平均应力和最大应力，而这是不希望的，这是因为膜电极组件需要阈值量的接触压力以避免由于现实世界操作中通常发生的膨胀/收缩循环引起的针孔，并且提供电接触。通过在膜电极组件的表面上提供更高且更一致的接触压力可改善电性能。此外，膜电极组件寿命的一个因素是产生应力集中或局部应力。这些应力集中能够由几个来源引起，包括在某方面(in spots)由于来自气体扩散层的任何粗糙表面的膜内的较大压缩的区域或流动板的通道设计引起的薄膜电极组件的变薄。由于电堆中相邻流动板的冷却流体分布特征的紧密相邻，所以已经观察到了进一步的性能问题，这可在电池间距被最小化时限制流体流动通路。在一些现有系统中，附加的气体扩散层作为“间隙填充物”是必要的，以实现有效的电池高度，以便提供进入电池的必要的流体流。使用这种附加的气体扩散层增加了总的部件数目，并且使得自动装配和制造方法更成问题。
在本公开的一些实施方式中，通过提供电堆组件可提供增加的电流密度和电池间一致性，其中相邻的流动板组件以偏斜角取向。在相邻的板组件之间提供偏斜角的情况下，相邻板中的基本上平行的通道或轨道不直接彼此啮合和重叠，而是与多个交叉点相交，其中相邻板组件的基本上平行的通道的波纹峰彼此交叉。因此，偏斜角布置可减少板组件之间的MEA的嵌套，并且增加MEA上的最大法向应力和接触压力。偏斜角的使用允许在相邻的板组件中使用相同的板，从而不需要利用两个或更多个不同的板设计，这将需要多个单独的加工设备并使制造过程复杂。偏斜角的使用还实现流体通路的高度增加，并且可提高堆叠和压缩期间的电池间机械稳定性。这可导致改善的机械负载和电堆中的更一致的电池姿态和间距。另外的益处可包括减少部件数目，这是因为由于流体通路的高度增加，可消除“间隙填充物”部件。降低流过电池周边的流体的压降可实现电池间更一致的性能，并且实现更高的电流汲取。
本公开提供燃料电池单元的方面，所述燃料电池单元包括设置成电堆配置的多个流动板组件，其中每个流动板组件包括相同的流动板和膜电极组件。每个流动板可包括波纹板，所述波纹板具有在波纹板的第一面上的阴极流体流动通道以及跨越波纹板的第二面的阳极流体流动通道。阴极流体流动通道和阳极流体流动通道可被布置成提供从流动板入口区域到流动板出口区域的流体流，并且流动板可还包括一对或更多对侧密封区域。每个膜电极组件可设置在波纹板的第一面上。每个流动板组件可还包括流体歧管周边板，该流体歧管周边板具有被配置成与流动板入口区域接合的入口歧管部分、被配置成与流动板出口区域接合的出口歧管部分以及被配置成与一对或更多对侧密封区域接合的一对或更多对通过歧管部分。燃料电池单元中的相邻流动板组件可以偏斜角设置。
本公开提供了包括本公开的多个燃料电池单元的燃料电池电堆。燃料电池单元可在没有偏斜角的情况下布置在彼此相邻的燃料电池电堆中。燃料电池电堆内的燃料电池单元可以是相同的。
本公开提供了包括本公开的燃料电池电堆的燃料电池系统的方面。燃料电池系统可还包括：包含阳极流体并且流体地连接到燃料电池电堆的阳极入口的阳极流体供应装置；包含阴极流体并且流体地连接到燃料电池电堆的阴极入口的阴极流体供应装置；以及包含冷却剂流体并且流体地连接到燃料电池电堆的冷却剂入口的冷却剂流体供应装置。阳极流体可包含燃料，阴极流体可包含氧化剂，并且冷却剂流体可包含水。
本公开提供了形成燃料电池单元的方法，该方法包括：形成多个相同的流动板；形成多个流体歧管周边板；形成多个流动板组件，其中每个流动板组件包括设置在流体歧管周边板中的一个上的相同的流动板和设置在流动板上的膜电极组件中的一个；以及通过将多个形成的流动板组件组装成电堆配置而形成燃料电池单元，其中相邻的流动板组件以偏斜角设置。
本公开提供了形成燃料电池电堆的方法，该方法包括将根据本公开的方法形成的多个相同的燃料电池单元对齐，其中每个相同的燃料电池单元与相邻的燃料电池单元在没有偏斜角的情况下对齐。
本公开提供了形成燃料电池单元的方法，该方法包括根据本公开的方法形成燃料电池电堆，将包含阳极流体的阳极流体供应装置流体地连接到燃料电池电堆的阳极入口，将包含阴极流体的阴极流体供应装置流体地连接到燃料电池电堆的阴极入口，以及将包含冷却剂流体的冷却剂流体供应装置流体地连接到燃料电池电堆的冷却剂入口。
一般性描述和下面的详细描述仅是示例性和解释性的，并不限制如所附权利要求中所限定的本公开。鉴于本文提供的对本公开的详细描述，本公开的其他方面对于本领域技术人员将是显而易见的。
附图说明
当结合附图阅读时，进一步理解概述以及以下详细描述。为了说明本公开的目的，在附图中示出了本公开的示例性实施方式；然而，本公开不限于所公开的具体方法、组成和装置。另外，附图不一定按比例绘制。在附图中：
图1以剖切透视图示出了燃料电池单元的实施方式的方面；
图2作为图1的视图A1的近距离视图示出了图1的燃料电池单元的方面；
图3作为图1的视图B1的近距离视图示出了图1的燃料电池单元的方面；
图4示出了图1的燃料电池单元的有限元分析建模的结果；
图5以剖切透视图示出了燃料电池单元的实施方式的方面；
图6作为图1的视图A2的近距离视图示出了图5的燃料电池单元的方面；
图7作为图1的视图B2的近距离视图示出了图5的燃料电池单元的方面；
图8示出了图5的燃料电池单元的有限元分析建模的结果；
图9示出三个示例性燃料电池流动板组件的示意图；
图10示出了由图9所示的多个流动板组件形成的三个示例性燃料电池电堆的透视剖视图的示意图；
图11示出了本公开的燃料电池电堆的一部分的方面；以及
图12示出了图11的燃料电池电堆的方面的分解剖视图；
图13以沿着阴极入口的剖面透视图示出了图11的燃料电池电堆的方面，以示出阴极流体流动路径的方面；
图14以沿着阳极入口的剖面透视图示出了图11的燃料电池电堆的方面，以示出阳极流体流动路径的方面；
图15以沿着冷却剂入口的剖面透视图示出了图11的燃料电池电堆的方面，以示出冷却剂流体流动路径的方面；
图16示出了在没有流体歧管周边板的情况下所示的流动板的俯视图中的图11的燃料电池电堆的方面；
图17以图16的视图A3的分解组装透视图示出了图16的燃料电池电堆流动板的方面；
图18示出了图16中所示的俯视图的局部视图，其具有沿着图1中所示的线D1和D2的切口；
图19以图18的视图C2的分解组装侧视图示出了图18的燃料电池电堆流动板的方面；
图20以图18的视图C1的分解组装侧视图示出了图18的燃料电池电堆流动板的方面；
图21A和图21B示出了示例性流动板组件的示意图；以及
图22A、图22B和图22C示出了示例性流动板组件的示意图。
在附图中，贯穿不同的视图，相似的附图标记表示对应的部分。附图中的所有描述和标注由此通过引用方式并入本文，如同在本文完全阐述一样。
实施方式方式
结合形成本公开的一部分的附图和示例，参考下面的详细描述，可更容易地理解本公开。应当理解，本公开不限于在本文描述和/或示出的具体装置、方法、应用、条件或参数，并且本文使用的术语仅用于通过举例方式描述特定示例的目的，并且并非旨在限制所要求保护的公开内容。另外，如在包括所附权利要求的说明书中所使用的，单数形式“一个/种(a)”、“一个/种(an)”和“该”包括复数形式，并且对特定数值的引用至少包括该特定值，除非上下文清楚地另有指明。本文使用的术语“多个”是意指多于一个。当表达值的范围时，另一个示例包括从一个特定值和/或到另一个特定值。类似地，当值通过使用先行词“约”被表示为近似值时，应当理解，该特定值形成另一个示例。所有范围都包括端值在内并且可组合。
应当认识到，为了清楚起见，本文在单独示例的上下文中描述的本公开的某些特征也可在单个示例性实施方式中组合提供。相反地，为了简洁起见，在单个示例性实施方式的上下文中描述的本公开的各种特征也可单独地或者以任何子组合来提供。此外，对范围中所述的值的引用包括该范围内的每个值。
图1-3示出了燃料电池电堆的方面。相同的流动板300a、300b和300c以相同的取向彼此相邻地堆叠，使得流动板入口区域310、流动板侧密封区域305和流动板出口区域320(未示出)跨越流动板300a、300b和300c对齐。流动板300被提供作为波纹板，该波纹板具有在波纹板的第一面上的阴极流体流动通道330和跨越波纹板的第二面的阳极流体流动通道315。电极膜400(图1中未示出)设置在相邻的流动板300之间。如图2所示，在膜400任一侧面上的流体流动通道315/330中提供阴极流体流和阳极流体流。流体流动通道315/330可被提供作为在流动板中形成的基本上平行的轨道或通道，或者是作为跨越板的面延伸的通道，或者是作为在流动板入口区域310和流动板出口区域320之间跨越板的面交替改变方向的蛇形路径。膜400可具有一个或更多个阳极气体扩散层401、一个或更多个阴极气体扩散层402或两者(图1-3中未示出)。如图3所示，在与流动板300的第一面和第二面正交的压缩下，膜400能够变形并且符合相邻流动板300a、300b和300c的相互交错空间(interleavinginteraction)。图4示出了在具有如图1-3所示的对齐的平行轨道的两个流动板之间的静态压缩下的膜电极组件的有限元分析(FEA)建模，其中平行轨道在图4中左右延伸。如图4所示，在较高的法向应力的区域450的任一侧面上产生较低的法向应力的区域451。
图5-8示出了本公开的示例性燃料电池单元的方面。以替代性布置提供与图1-4中所示相同的流动板300a、300b和300c以提供改进的性能。类似于图1-4，膜400设置在相邻的流动板300之间，并且可具有如上面参考图1-4所讨论的气体扩散层401/402。相比之下，相邻的板以偏斜角设置，使得以偏斜角提供跨越特定膜400的阴极流体流和阳极流体流。如图7所示，相邻板的阴极流体流动通道330和阳极流体流动通道315以偏斜角延伸。在图5-8所示的实施方式中，相邻的流动板300a/300b或300b/300c之间的偏斜角为90°，同时每个其他流动板(诸如流动板300a和300c)以相同的取向设置，即没有相对的偏斜角。如在图3中示意性示出，膜400未设置在相邻的流动板300a、300b和300c的任何相互交错空间内，如在图1-4的布置中出现的那样。相反，膜400在多个交叉点处接触，其中相邻板中波纹的波峰在流动板的平面中相交。图8示出了如图4中的FEA分析建模，但是其中流动板的偏斜角布置提供了静态压缩。多个较高的法向应力区域460导致在膜上提供较高的最大法向应力(接触压力)。如上所述，与具有图1-4的布置的电堆相比，较高的最大法向应力可为具有图5-8所示的布置的燃料电池电堆提供改善的电气性能。
根据一些示例性实施方式，本公开提供了具有以电堆配置设置的多个流动板组件的燃料电池单元。每个流动板组件包括流动板300、膜电极组件400/401/402和流体歧管周边板200，流体歧管周边板200具有入口歧管部分205、出口歧管部分210和一对或更多对通过歧管部分215。每个入口歧管部分被配置成与流动板入口区域310接合以向流动板的适当面提供阴极、阳极和冷却剂流体流。每个出口歧管部分210被配置成与流动板出口区域320接合以允许来自流动板的阴极和阳极排气。通过歧管部分215被配置成与流动板侧密封区域305接合。如在图9和图10中示意性示出的，可提供不同形状的流场区域。流场区域可具有任何偶数(2n)个边。燃料电池单元由以电堆配置设置的(n个)流动板组件形成，其中每个相邻流动板组件以(360°/2n)的偏斜角取向。
在图9中，示出了三个不同流动板组件实施方式的俯视图。每个俯视图显示在具有流动板300、流体歧管周边板200和膜电极组件(在所示组件的下侧上不可见)的流动板组件上。示意性示出为图9的左侧部分的方形/四边形流场区域实施方式利用具有被配置成与一对通过歧管区域215接合的一对流动板侧密封区域305的流动板。因此，提供了四边流动板(n＝2)，并且燃料电池单元可由所示的流动板组件(n＝2)形成，其中第二流动板组件以(360°/2n＝90°)的偏斜角取向，使得第二流动板组件的轴线A-A将从第一流动板组件的轴线A-A以90°偏移。六边形流场区域实施方式在图9的中心部分中被示意性地示出，并且具有流动板，该流动板具有被配置成与两对通过歧管区域215接合的两对流动板侧密封区域305。因此，提供了六边流动板(n＝3)，并且燃料电池单元可由所示的流动板组件(n＝3)形成，其中第二流动板和第三流动板组件以(360°/2n＝60°)的偏斜角取向，使得第二流动板组件的轴线B-B将以60°从第一板组件的轴线B-B偏移，并且第三板的轴线B-B将从第二板组件的轴线B-B进一步偏移60°(以及从第一流动板组件的BB轴线偏移120°)。类似地，图9的右部部分中所示的十边形流场区域实施方式具有流动板，该流动板具有被配置成与四对通过歧管区域215接合的四对流动板侧密封区域305。使用十边形流场区域流动板的燃料电池单元将由所示的流动板组件的(n＝5)形成，其中第二流动板组件、第三流动板组件、第四流动板组件和第五流动板组件各自以(360°/2n＝36°)的偏斜角偏移，使得每对相邻流动板组件的轴线C-C偏移36°。在由电堆配置中的(n个)流动板组件形成的每个燃料电池单元中，电堆中的(n个)流动板组件的入口歧管部分205步进通过(n个)连续的旋转位置，以位于电堆的周边圆周的180°部分内，同时出口歧管部分210步进通过电堆的周边圆周的相对的180°部分中的(n个)连续的旋转位置。因此，燃料电池单元中的流体歧管周边板的180°部分可用于入口流体流，而相对的180°部分可用于出口流体流。
重要的是，燃料电池单元内的每个流动板组件可利用相同的或基本上相同的部件，从而允许在制造时并行组装和针对每个部件类型使用类型相同的工具或建模。此外，每个燃料电池单元可并行组装，且然后可通过以对齐的取向堆叠相同的燃料电池单元来组装燃料电池电堆，使得用于入口流体流的每个燃料电池单元中的流体歧管周边板的180°部分被对齐，同时用于出口流体流的相对的180°部分被对齐。因此，具有多个偏移流动板的燃料电池电堆可使用由相同工具或模具制成的相同的流动板来组装，但与非偏移布置相比提供改进的膜压缩轮廓，并且提供在堆叠和压缩期间的改进的电池间机械稳定性，以及减小的流动板屈曲或弯曲(如上面更全面地描述的)。
图21A-B和图22A-C示意性示出了在一些实施方式中可利用的流动板组件。图21A和图21B示出了在方形流场区域实施方式中可利用的一组两个流动板组件。流动板组件500a和500b各自都由流动板300、流体歧管周边板200和膜电极组件(在所示部件的下侧上不可见)的实施方式形成，如图9所示和所述。每个燃料电池单元中的流体歧管周边板的180°部分510用于入口流体流，而相对的180°部分510用于出口流体流。流动板组件500a和500b可与对齐的180°入口部分和出口部分510/512一起堆叠以形成燃料电池单元。图9的成对的通过歧管区域215被实现为入口通过歧管区域501a和出口通过歧管区域502a。当两个流动板组件500a/500b的入口歧管部分205a步进通过两个连续的旋转位置以位于180°入口部分510内，并且出口歧管部分210a步进通过在相对的180°出口部分中的两个连续旋转位置时，入口通过歧管区域501a和出口通过歧管区域502a被定位在180°入口部分和出口部分510/512的其余节段中。流动板组件500a和500b内的流体歧管周边板可不相同，因为区域的连续排序是流动板组件500a中的205a、501a、210a和502a，以及流动板组件500b中的501a、205a、502a和210a。在由流动板组件500a和500b形成的多个燃料电池单元形成的燃料电池电堆中，入口区域将具有区域205a和501a构成的交替层，而出口区域将具有210a和502a构成的交替层。在制造用于流动板组件500a和500b的流体歧管周边板中，流体歧管周边板可用相同的整体工具形成，但是使用不同的插入位置(类似于印刷机排版)来制造两个不同的部分。在一些实施方式中，通过歧管区域501a和502a可具有相同的设计，在这种情况下，流体歧管周边板将是相同的并且仅需要一组制造工具来生产。图22A、图22B和图22C示出了可在六边形流场区域实施方式中利用的一组三个流动板组件。流动板组件520a、520b和520c各自都由流动板300、流体歧管周边板200和膜电极组件(在所示部件的下侧上不可见)的实施方式形成，如图9所示和所述。每个燃料电池单元中的流体歧管周边板的180°部分510用于入口流体流，而相对的180°部分510用于出口流体流。流动板组件520a、520b和520c可与对齐的180°入口部分和出口部分510/512堆叠在一起以形成燃料电池单元。图9的成对的通过歧管区域215被实现为入口通过歧管区域501a和501b以及出口通过歧管区域502a和502b，其中501a和502a彼此面对面(across from each other)成对，并且501b和502b彼此面对面成对。当三个流动板组件520a/520b/520c的入口歧管部分205a步进通过三个连续的旋转位置以位于180°入口部分510内，并且出口歧管部分210a步进通过相对的180°出口部分中的三个连续旋转位置时，入口通过歧管区域501a/501b和出口通过歧管区域502a/502b被定位在180°入口部分和出口部分510/512的其余节段中。流动板组件520a、520b和520c内的流体歧管周边板可不相同，因为区域的连续排序是在流动板组件520a中为205a、501a、501b、210a、502a、502b，区域的连续排序是在流动板组件520b中为区域501b、205a、501a、502b、210a和502a，并且区域的连续排序是在流动板组件520c中为501a、501b、205a、502a、502b和210a。在由流动板组件520a、520b和520c形成的多个燃料电池单元形成的燃料电池电堆中，入口区域将具有连续重复的区域205a、501b和501a构成的连续层，而出口区域将具有连续重复的区域210a、502b和502a构成的连续层。在制造用于流动板组件520a、520b和520c的流体歧管周边板中，流体歧管周边板可用相同的整体工具形成，但是使用不同的插入位置(类似于印刷机排版)来制造两个不同的部分。在一些实施方式中，通过歧管区域501a、502a、501b和502b可具有相同的设计，在这种情况下，流体歧管周边板将是相同的并且仅需要一组制造工具来生产。
图10示意性地示出了图9所示的实施方式的一些进一步的益处。通过使用流动板组件的偏移布置可增加流体歧管深度610。对于数量(n)，流动板深度是燃料电池单元的电池间距深度的n倍，例如，对于(n＝2)方形流场区域(在图10的左侧部分示意性地示出)，流动板深度610a是电池间距深度的两倍，对于(n＝3)六边形流场区域(在图10的中心部分示意性地示出)，流动板深度610b是电池间距深度的三倍，并且对于(n＝5)十边形流场区域(在图10的右侧部分示意性示出)，流动板深度610c是电池间距深度的五倍。如上面更全面地描述的，为来自用于阴极流体、阳极流体和冷却剂流体的流体入口歧管路径的流体流提供增加的深度可降低通过电池周边的流体流的压降，以实现更一致的电池间性能，并且实现较高的电流汲取。这些更深的流体流动路径的益处被增加，因为电池间距深度被最小化以提供燃料电池系统的最大化的体积功率密度。歧管宽度随着流场的边的数量(2n)增加而减小，但是通过电堆组件的流体的总流率围绕流体歧管周边板的180°部分分裂在(n个)入口歧管部分205上。
图11-20示出了利用燃料电池单元的燃料电池电堆组件的方面，每个燃料电池单元具有以90°偏斜角取向的两个方形流场区域流动板组件。在上面关于图9和图10所讨论的术语中，示出的示例性实施方式具有(n＝2)，其中，每个流动板具有一对流动板侧密封区域305，其被配置成与一对通过歧管区域215接合。本领域技术人员可理解，通过改变入口歧管部分205、出口歧管部分210和通过歧管部分215以及其中的特征的几何形状来符合流体歧管周边板的可用角部分，所示的示例性实施方式可被修改以提供具有更多对流动板侧密封区域305的实施方式，诸如图9和图10中示意性示出的六边形或十边形流场区域实施方式。用于提供进入跨越流场的全部宽度的通道中的多个不同流体流的部件特征和方法可包括在标题为“用于燃料电池的流体流动板(Fluid Flow Plate for a Fuel Cell)”的美国专利预授权公开US2015/0333344A1中描述的那些，该专利全部内容并入本文。
图11-20示出了本公开的燃料电池电堆的示例性实施方式的一部分的方面，并且示出了两个燃料电池单元的组合的方面，其中每个燃料电池单元由以90°偏斜角取向的两个方形流场区域流动板组件形成。图11示出了被堆叠布置中的最上面的流动板组件的透视图。示出了流体歧管周边板800，其对应于图9-10中的示意性示出的流体歧管周边板200。在流体歧管周边板800中，入口歧管部分205由阳极入口810、阴极入口820和冷却剂入口830形成。在流体歧管周边板800中，出口歧管部分210由阳极出口811和阴极出口821形成。每个流体歧管周边板800形成有保持电池间密封元件801的密封保持特征802。在流体歧管周边板800中，一个通过歧管部分215也形成有阳极入口810、阴极入口820和冷却剂入口830，其对应于与其直接相邻的流体歧管周边板800的入口810、820和830。在流体歧管周边板800中，另一个通过歧管部分215形成有阳极出口811和阴极出口821，其对应于与其直接相邻的流体歧管周边板800的出口810和821。如图12所示，最上面的燃料电池单元形成有流体歧管周边板800a和800b，而下面的相邻燃料电池单元形成有流体歧管周边板800c和800d。流体歧管周边板800a/b/c/d中的每一个具有膜电极组件400/401/402和设置在其上的相应的流动板300a/b/c/d。
图12示出了图11的示例性实施方式的燃料电池电堆的方面的分解剖视图，具有沿着阴极入口提供的剖面。膜400具有一个或更多个阳极气体扩散层401和一个或更多个阴极气体扩散层402。阳极支撑框架元件803设置在流动板入口区域310或流动板300下方，以在电堆处于压缩状态时支撑所述部件，并且提供形成流体流动路径的部件的正确对齐。可看到阴极歧管进口822的一部分，其可具有突起或突出部850，突起或突出部850提供抵抗电堆上的压缩力的支撑，同时允许沿着阴极歧管进口822通过阴极流体流动路径到通向阴极流体流动通道330的阴极歧管通路827的阴极流体流。图13以沿着阴极入口的剖面透视图示出了图11的燃料电池电堆的方面，以示出阴极流体流动路径的方面，其中阴极流体流动路径用图13中的箭头示意性示出。阴极流体流动路径通过燃料电池单元中的相邻流体歧管周边板800的接触面形成，例如，板800a的下侧和板800b的上侧与突起850接合并且形成具有大约两倍的电池间距深度的路径，其接收来自阴极入口820的阴极流体流，并且通向流动板300c的阴极歧管通路827和阴极流体流动通道330。
图14以沿着阳极入口的剖面透视图示出了图11的燃料电池电堆的方面，以示出阳极流体流动路径的方面，其中阳极流体流动路径在图14中用箭头示意性地示出。可看到阳极歧管进口826的一部分，其可具有突起或突起850，突起或突起850提供抵抗电堆上的压缩力的支撑，同时允许沿着阳极歧管进口826通过阳极流体流动路径到上述流动板300的阳极流体流动通道315的阳极流体流。阳极流体流动路径由燃料电池单元中的相邻流体歧管周边板800的接触面形成，例如板800a的下侧和板800b的上侧与突起850接合并且形成具有大约两倍的电池间距深度的路径，其接收来自阳极入口810的阳极流体流并且通向流动板300a的阳极流体流动通道315。
图15以沿着冷却剂入口的剖面透视图示出了图11的燃料电池电堆的方面，以示出冷却剂流体流动路径的方面，其中冷却剂流体流动路径用图15中的箭头示意性示出。可看到冷却剂歧管进口823的一部分和冷却剂歧管孔824。冷却剂歧管进口823被形成为将冷却剂入口830连接到冷却剂歧管孔824的导管，冷却剂歧管孔824与板冷却剂流进口孔325对齐。冷却剂流体流动路径由燃料电池单元中的相邻流体歧管周边板800的接触面形成，例如，板800a的下侧和板800b的上侧(其具有冷却剂歧管进口823)接合以形成具有大约两倍的电池间距深度的路径，其接收来自冷却剂入口830的冷却剂流体流，并且通向流动板300c的板冷却剂流动进口孔325c，即，在整个燃料电池电堆中的下一个相同的燃料电池单元的最上部的流动板的冷却剂流动进口孔。在所示的实施方式中，冷却剂流体流入由流动板入口区域310中的折叠板边缘形成的冷却剂进口体积，其包含通向板冷却剂流出口327的内部冷却剂流体分配通道(未示出)。在离开板冷却剂流出口时，冷却剂流体与阴极流动通道330中的阴极流体流混合，以提供蒸发冷却并且水合膜。在替代布置中，除了阴极流体流之外或代替阴极流体流，冷却剂流体可被提供到阳极流体流中。
图16-20示出了作为两个燃料电池单元的组合的图11-15的燃料电池电堆的一部分的方面，其中每个燃料电池单元由以90°偏斜角取向的两个方形流场区域流动板组件形成。图16-20示出了流动板300a、300b、300c和300d的分解组装视图的方面，其中为了说明的目的将流动板分离得比在最终组装和压缩中分开地更远。图16示出了可看到流动板300a和300b的俯视图。图17示出了来自图16中示出的视图A3的透视图。图18示出了图16的俯视图，但是沿着图16中示出的线D1和D2剖开。图19示出了沿着图18所示的视图C2观察的流动板300a/b/c/d的一部分的侧视图。图20示出了沿着图18所示的视图C1观察的流动板300a/b/c/d的一部分的侧视图。流动板300a/b/c/d的波纹通常被示出为截头正弦曲线形状，从而向阴极流动通道和阳极流动通道315/330提供大致相等的体积。据信，截头正弦曲线形状通过在相邻流动板中的相邻交叉流动通道之间提供较大的平坦-平坦的接触表面干涉区域而提供益处。这种布置为膜电极组件层400/401/402的正常压缩提供了更大的接触面积，以防止膜的变形/构造。提供阴极流动通道和阳极流动通道315/330的波纹的替代性成型的轮廓可用于其他实施方式中，以在各种操作条件下优化电性能，例如诸如针对不同的流率下的不同的阴极流体(空气或氧气)。通过从片材原材料的板形成的拉伸和聚束限制可限制成型的轮廓。
流动板300可通过冲压/压制制造工艺由金属板形成。在所示的实施方式中，冷却剂进口体积可由流动板入口区域310中的折叠板边缘形成，以提供通向板冷却剂流出口327的内部冷却剂流体分配通道(未示出)。公布为国际公开No.WO 2007/129030 A1的国际专利申请No.PCT/GB2007/001573、公布为国际公开No.WO 2013/140135 A2的国际专利申请No.PCT/GB2013/050634、公布为国际公开No.WO 2016/097716 A1的国际专利申请No.PCT/GB2015/054020以及申请人与本申请同时提交的标题为“具有通流燃料进给的塑料框架组件和双极板(PLASTIC FRAME ASSEMBLY AND BIPOLAR PLATE WITH THROUGH-FLOW FUELFEED)”的共同未决申请中更全面地描述了用于冷却剂进口体积的流动板300和折叠板边缘形成的合适结构，这些申请的全部内容并入本文用于所有目的。合适的金属包括不锈钢，其提供必要的延展性以在冲压/压制期间根据需要伸长以形成波纹。另选地，流动板300可通过其他制造方法形成，并且由与燃料电池电堆的机械压缩和操作温度以及用作流体反应物的化学品相容的其他材料形成。
流体歧管周边板800可由刚性材料形成。合适的刚性材料包括可提供支撑和电绝缘的聚合物。通过本领域已知的任何方法(包括注塑或增材制造)可形成材料。电池间密封元件801由可压缩材料形成，以便提供围绕周边的连续密封特征。在一些实施方式中，电池间密封元件801独立于流体歧管周边板800形成，然后随后定位到密封保持特征802中。在其他实施方式中，电池间密封元件801可通过包覆成型工艺、增材制造工艺或流体分配工艺而形成在流体歧管周边板上的适当位置。在另外的实施方式中，流体歧管周边板800和电池间密封元件801可在二次模制(2K模制)工艺中一起形成。
在一些实施方式中，本文所述的燃料堆组件可在蒸发冷却的燃料电池操作中使用。标题为“进给到燃料电池电堆的冷却剂流体(Coolant fluid feed to fuel cellstack)”的美国专利预授权公开US2015/0236361A1以及标题为“燃料电池系统(Fuel cellsystem)”的国际专利公开WO2016/034853A1以及标题为“燃料电池电堆(Fuel cellstack)”的国际专利公开WO2015/140529A1中更全面地描述了操作EC燃料电池的方法，这些专利的全部内容并入本文用于所有目的。燃料电池电堆组件可通过流量控制组件具有阴极流体、阳极流体和冷却剂流体输入，该流量控制组件为每种流体提供期望的流率以用于最佳操作。可经由阳极出口811和阴极出口821从出口歧管装置收集排气流，并且排气流中的水含量可被捕获并且在进一步的操作中被重新使用以冷却或水合电堆。
在一些方面，本公开提供了用于燃料电池电堆组件的改进的制造工艺。通过使用多个流体歧管周边板200/800和膜组件部件400/401/402，多个流动板300可被并行形成并且组装成流动板组件。该组装操作可被并行完成。然后通过使用以彼此成偏斜角提供的设置在电堆中的多个(n)流动板组件能够组装燃料电池单元，如上面更全面地描述的。刚性流体歧管周边板200/800通过阳极入口810、阴极入口820、冷却剂入口830、阳极出口811和阴极出口821提供通过电堆高度的入口流和出口流的正确对齐。燃料电池单元可在制造过程中并行组装，然后一起组合成燃料电池电堆。部件、子组件和组件的这种并行制造处理在操作中提供了商业益处。
本领域的普通技术人员将认识到，在制造本文公开的装置和系统中的部件中可使用各种材料。任何合适的结构和/或材料都可用于本文描述的各种特征，并且本领域技术人员将能够基于各种考虑来选择适当的结构和材料，包括本文所公开的系统的预期用途，他们将要使用在其内的预期场所，他们预期与其一起使用的设备和/或附件，以及其他考虑事项。常规的聚合物、金属-聚合物复合材料、陶瓷和金属材料适用于各种部件。以下被发现和/或开发的被确定为适用于本文所描述的特征和元件的材料也被认为是可接受的。
当范围在本文中用于诸如分子量的物理性质或诸如化学式的化学性质时，旨在包括其中特定示例的范围的所有组合和子组合。
该文件中引用或描述的每个专利、专利申请和公布的公开内容的全部内容通过引用方式并入本文。
本领域的普通技术人员将认识到，可对本公开的示例进行许多改变和修改，并且在不偏离本公开的精神的情况下可做出这样的改变和修改。因此，所附权利要求旨在覆盖落入本公开的真实精神和范围内的所有这样的等同变型形式。

Claims (24)

1.一种燃料电池单元，其包括：
被设置成电堆配置的多个流动板组件；
其中每个流动板组件包括相同流动板(300)以及膜电极组件(400/401/402)；
其中每个流动板(300)包括波纹板，所述波纹板具有在所述波纹板的第一面上的阴极流体流动通道(330)以及跨越所述波纹板的第二面的阳极流体流动通道(315)，
其中所述阴极流体流动通道(330)和所述阳极流体流动通道(315)被布置成提供从流动板入口区域(310)到流动板出口区域(320)的流体流，并且所述流动板还包括一对或更多对侧密封区域(305)；
其中每个膜电极组件(400/401/402)被设置在所述波纹板的所述第一面上；
其中每个流动板组件还包括流体歧管周边板(200/800)，所述流体歧管周边板(200/800)具有被配置成与所述流动板入口区域(310)接合的入口歧管部分(205)、被配置成与所述流动板出口区域(320)接合的出口歧管部分(210)以及被配置成与所述一对或更多对侧密封区域(305)接合的一对或更多对通过歧管部分(215)；
其中相邻的流动板组件以偏斜角设置。
2.根据权利要求1所述的燃料电池单元，其中每个流动板组件还包括设置在所述流体歧管周边板(200/800)的第一表面上的电池间密封元件(801)。
3.根据权利要求2所述的燃料电池单元，其中每个流动板组件的所述电池间密封元件(801)被保持在所述流体歧管周边板(200/800)的密封保持特征(802)内。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的燃料电池单元，其中：
每个流动板包括方形流场并且具有一对侧密封区域(305)；
每个流体歧管周边板(200/800)具有一对通过歧管部分(215)；
所述偏斜角为90°；并且
所述燃料电池单元具有以电堆配置设置的两个流动板组件。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的燃料电池单元，其中：
每个流动板包括六边形流场并且具有两对侧密封区域(305)；
每个流体歧管周边板(200/800)具有两对通过歧管部分(215)；
所述偏斜角为60°；并且
所述燃料电池单元具有以电堆配置设置的三个流动板组件。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的燃料电池单元，其中：
每个流动板包括八边形流场并且具有三对侧密封区域(305)；
每个流体歧管周边板(200/800)具有三对通过歧管部分(215)；
所述偏斜角为45°；并且
所述燃料电池单元具有以电堆配置设置的四个流动板组件。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的燃料电池单元，其中：
每个流动板包括十边形流场，并且具有四对侧密封区域(305)；
每个流体歧管周边板(200/800)具有四对通过歧管部分(215)；
所述偏斜角为36°；并且
所述燃料电池单元具有以电堆配置设置的五个流动板组件。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的燃料电池单元，其中：
每个流体歧管周边板(200/800)的所述入口歧管部分(205)包括多个阳极入口(810)、多个阴极入口(820)和冷却剂入口(830)；
每个流体歧管周边板(200/800)的所述出口歧管部分(210)包括多个阳极出口(811)和多个阴极出口(821)；
所述多个阳极入口(810)、所述冷却剂入口(830)和所述多个阳极出口(811)流体地连接到相关联的流动板(300)的所述阳极流动通道(315)；并且
所述多个阴极入口(820)和所述多个阴极出口(821)流体地连接到相关联的流动板(300)的所述阴极流动通道(330)。
9.一种燃料电池电堆，其包括多个相同的前述权利要求中任一项所述的燃料电池单元，其中每个相同的燃料电池单元与相邻的燃料电池单元在没有偏斜角的情况下对齐。
10.一种燃料电池系统，其包括权利要求9所述的燃料电池电堆。
11.根据权利要求10所述的燃料电池系统，其还包括：
阳极流体供应装置，其包含阳极流体并且流体地连接到所述燃料电池电堆的所述阳极入口(810)；
阴极流体供应装置，其包含阴极流体并且流体地连接到所述燃料电池电堆的所述阴极入口(820)；以及
冷却剂流体供应装置，其包含冷却剂流体并且流体地连接到所述燃料电池电堆的所述冷却剂入口(830)。
12.根据权利要求11所述的燃料电池系统，其中：
所述阳极流体包含燃料；
所述阴极流体包含氧化剂；并且
所述冷却剂流体包含水。
13.根据权利要求12所述的燃料电池系统，其中：
所述燃料包含氢气；并且
所述氧化剂包含氧气。
14.根据权利要求11-12中任一项所述的燃料电池系统，其中：
所述氧化剂包含空气。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的燃料电池系统，其中所述阳极流体供应装置、所述阴极流体供应装置和所述冷却剂流体供应装置中的所述一个或更多个包括泵，所述泵被配置成控制所述相关联的阳极流体递送、阴极流体递送以及冷却剂流体递送到所述燃料电池电堆中的速率。
16.一种形成燃料电池单元的方法，所述方法包括：
形成多个相同的流动板(300)，每个流动板(300)包括波纹板，所述波纹板具有在所述波纹板的第一面上的阴极流体流动通道(330)以及跨越所述波纹板的第二面的阳极流体流动通道(315)；
其中所述阴极流体流动通道(330)和所述阳极流体流动通道(315)被布置成提供从流动板入口区域(310)到流动板出口区域(320)的流体流，并且所述流动板还包括一对或更多对侧密封区域(305)；
形成多个流体歧管周边板(200/800)；
其中每个流体歧管周边板(200/800)包括被配置成与所述流动板入口区域(310)接合的入口歧管部分(205)、被配置成与所述流动板出口区域(320)接合的出口歧管部分(210)以及被配置成与所述一对或更多对侧密封区域(305)接合的一对或更多对通过歧管部分(215)；
形成多个流动板组件，每个流动板组件包括以下项中的一个：设置在所述流体歧管周边板中的一个上的相同的流动板，和设置在所述波纹板的所述第一面上的膜电极组件(400/401/402)；
其中所述形成每个流动板组件包括使所述入口歧管部分(205)与所述流动板入口区域(310)接合、使所述出口歧管部分(210)与所述流动板出口区域(320)接合并且使所述一对或更多对通过歧管部分(215)与所述一对或更多对侧密封区域(305)接合；并且
通过将多个所述形成的流动板组件组装成电堆配置来形成所述燃料电池单元，其中相邻的流动板组件以偏斜角设置。
17.根据权利要求16所述的形成燃料电池单元的方法，其中，所述形成每个流动板组件还包括在所述流体歧管周边板(200/800)的第一表面上设置电池间密封元件(801)。
18.根据权利要求17所述的形成燃料电池单元的方法，其中，所述形成每个流动板组件还包括将每个流动板组件的所述电池间密封元件(801)保持在形成在所述流体歧管周边板(200/800)中的密封保持特征(802)内。
19.根据权利要求16-18所述的形成燃料电池单元的方法，其中：
每个流动板形成为具有一对侧密封区域(305)的方形流场；
每个流体歧管周边板(200/800)形成为具有一对通过歧管部分(215)；
所述偏斜角为90°；并且
通过将两个流动板组件组装成电堆配置形成所述燃料电池单元。
20.根据权利要求16-18所述的形成燃料电池单元的方法，其中：
每个流动板形成为具有两对侧密封区域(305)的六边形流场；
每个流体歧管周边板(200/800)形成为具有两对通过歧管部分(215)；
所述偏斜角为60°；并且
通过将三个流动板组件组装成电堆配置形成所述燃料电池单元。
21.根据权利要求16-18所述的形成燃料电池单元的方法，其中：
每个流动板形成为具有三对侧密封区域(305)的八边形流场；
每个流体歧管周边板(200/800)形成为具有三对通过歧管部分(215)；
所述偏斜角为45°；并且
通过将四个流动板组件组装成电堆配置形成所述燃料电池单元。
22.根据权利要求16-18所述的形成燃料电池单元的方法，其中：
每个流动板形成为具有四对侧密封区域(305)的十边形流场；
每个流体歧管周边板(200/800)形成为具有四对通过歧管部分(215)；
所述偏斜角为36°；并且
通过将五个流动板组件组装成电堆配置形成所述燃料电池单元。
23.一种形成燃料电池电堆的方法，所述方法包括：
将根据权利要求16-22中任一项所述的方法形成的多个相同的燃料电池单元对齐，其中每个相同的燃料电池单元与相邻的燃料电池单元在没有偏斜角的情况下对齐。
24.一种形成燃料电池系统的方法，所述方法包括：
根据权利要求23所述的方法形成燃料电池电堆；
将包含阳极流体的阳极流体供应装置流体地连接到所述燃料电池电堆的所述阳极入口(810)；
将包含阴极流体的阴极流体供应装置流体地连接到所述燃料电池电堆的所述阴极入口(820)；并且
将包含冷却剂流体的冷却剂流体供应装置流体地连接到所述燃料电池电堆的所述冷却剂入口(830)。
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