CN110571449B - 燃料电池堆组件 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池堆组件包括第一和第二双极板、有源区膜和可选的子垫片。第一双极板限定多个第一通道，并且第二双极板限定多个第二通道。多个第二通道可以与多个第一通道接合并且嵌套在多个第一通道之间。有源区膜可以设置在第一与第二双极板之间的子垫片的内周边内，其中子垫片可以可选地位于在多个第一通道与多个第二通道之间。

Description

燃料电池堆组件
技术领域
本公开总体上涉及PEM燃料电池，更具体地涉及用于分离燃料电池堆中相邻燃料电池的双极板。
背景技术
燃料电池已经在许多应用中用作电源。例如，已经提出将燃料电池用于电动车辆动力装置中以替代内燃机。在质子交换膜(PEM)型燃料电池中，氢气被提供到燃料电池的负极，氧气作为氧化剂被提供到正极。PEM燃料电池包括膜电极组件(MEA)，该膜电极组件包括薄的、质子可透过的、不导电的固体聚合物电解质膜，该膜在一个面上具有负极催化剂，在相反面上具有正极催化剂。MEA夹设在一对无孔导电元件或板之间。这对无孔导电元件或板(1)将电子从一个燃料电池的负极传递到燃料电池堆的相邻电池的正极；(2)包含形成于其中的适当通道和/或开口，用于将燃料电池的气态反应物分布在相应负极和正极催化剂的表面上；以及(3)包含形成于其中的适当通道和/或开口，用于在整个燃料电池堆中分配适当的冷却剂以保持温度。
根据上下文，术语“燃料电池”通常用于指单个电池或多个电池(堆)。多个单独的电池通常捆绑在一起以形成燃料电池堆，并且通常以电串联方式布置。电池堆内的每个电池包括前述的膜电极组件(MEA)，并且每个这种MEA提供其电压增量。电池堆内的一组相邻单元被称为簇。作为示例，美国专利第5,663,113号中示出并描述了电池堆中多个电池的一些典型布置。在PEM燃料电池中，氢气(H2)是负极反应物(即燃料)，氧气是正极反应物(即氧化剂)。氧气可以是纯态(O2)或空气(O2和N2的混合物)。
夹设MEA的导电板可以在其表面中包含凹槽阵列，该凹槽阵列在有源区区域中限定反应物流场，以将燃料电池的气态反应物(即，空气形式的氢气和氧气)分布在相应的正极和负极的表面上。在歧管入口/出口和有源区区域之间的区域中也限定有通道。冷却剂通道设置成在冷却剂入口/出口和有源区区域中的流场之间路由冷却剂流体。反应物通道设置成将每种反应物从特定反应物入口路由到流场，并且还将每种反应物从流场路由到特定反应物出口。这些通道通常是多个流道，气态反应物和/或冷却剂通过这些流道从位于流道一端的供应集管流向位于流道相对端的排出集管。反应物流场是在直接与气体扩散层的表面相邻的相邻双极板的负极半片和正极半片中的每一个中限定的预定流场图案，以便促进它们之间的反应。
在燃料电池堆中，多个燃料电池电以电气串联方式堆叠在一起，同时由不透气的导电双极板隔开。在某些情况下，双极板是通过固定一对薄金属片(负极半片和正极半片的形式)形成的组件，其中每个片/半片限定形成于其外表面上的反应物流场。当薄金属片(负极半片和正极半片)连接在一起时，用于冷却剂和反应物流体的通道限定在薄金属片之间。通常，在燃料电池堆中的各双极板的金属板之间设置内部冷却剂流场。还众所周知的是，在金属板之间设置隔板以优化传热特性，从而改善燃料电池冷却。
通常，与燃料电池堆相关联的冷却系统包括循环泵，用于使液体冷却剂通过燃料电池堆循环到热交换器，在热交换器中将废热能(即热量)传递到环境中。典型液体冷却剂的热性质要求较大的体积循环通过系统以排出足够的废能，以便将电池堆的温度保持在可接受的范围内，特别是在最大功率条件下。
常见类型的燃料电池称为质子交换膜(PEM)燃料电池。例如，PEM燃料电池包括设置在一对燃料电池板(诸如双极板)之间的组合电极组件(UEA)。UEA可以包括与膜电解质组件(MEA)的负极面和正极面相邻设置的扩散介质(也称为气体扩散层)。MEA包括薄的质子传导聚合物膜电解质，该膜电解质具有形成于其一面上的负极电极膜和形成于其相对面上的正极电极膜。通常，这种膜电解质由离子交换树脂制成，并且通常包含全氟磺酸聚合物，诸如可从杜邦公司获得的NAFIONTM。另一方面，负极膜和正极膜通常包括(1)细碎的碳颗粒、负载在碳颗粒的内表面和外表面上的非常细碎的催化颗粒、以及与催化颗粒和碳颗粒混合的质子传导材料(例如NAFIONTM)，或(2)分散在聚四氟乙烯(PTFE)粘合剂中的无碳催化颗粒。
如图所示，MEA可以夹设在多孔、透气的导电材料片(“气体扩散层”)之间，其中气体扩散层压靠在MEA的负极和正极面中的每一个上。如本领域中众所周知的，合适的这种初级集电器片或气体扩散介质可以包括碳或石墨纸或布、细目贵金属筛等。
所形成的夹设压在一对导电板(以下称为“双极板”)之间，这对导电板用作次级集电器以用于收集来自初级集电器的电流并在电池堆内部的相邻电池(即，在双极板的情况下)之间传导电流以及在电池堆端部的单极板的情况下在电池堆外部传导电流。如前所述，除了将燃料电池的气态反应物(例如H2和O2/空气)分布在负极和正极的表面上的至少一个所谓的“流场”之外，双极板分别限定用于冷却剂流体和各种反应物流体的专用通道。通道118、118'、168、168'将各种反应物流体和冷却剂流体从各个相应歧管入口路由到流场。蛇形流道可以但不一定用于流场中，其中可以限定多个发卡式转弯和转回，使得蛇形流道的各个支路与同一蛇形流道的至少一个其它支路邻接。
同样，在用作出口的歧管孔附近，通道被配置成将各种反应物产物流体和冷却剂流体从流场路由到用作出口的歧管孔。参照图1，应当理解，通道118可以是专用于两种特定反应物入口中的一个的通道(如果通道118设置在反应物入口/出口和流场之间)，使得通道118将反应物流体路由到反应物入口/从反应物入口路由到流场。同样，当通道168设置在冷却剂入口和流场之间时，冷却剂通道168可以设置在一定区域中(代替反应物通道)，使得通道168将冷却剂流体路由到冷却剂的出口/入口/从冷却剂的出口/入口路由到流场。然而，不管通道是冷却剂通道168还是反应物通道118，应当理解，通道118、118'、168、168'(如图1所示)传统上彼此直接堆叠(子垫片在130之间)，如图1所示。
因此，在图1中，示出了传统布置，其中第一双极板114由元件156、158构成，而第二双极板116由元件156'、158'构成，其中子垫片130设置在两个双极板114、116之间。在图1中的通道是反应物通道118、118'的情况下，应当理解，分别用于第一和第二双极板的反应物通道118、118'直接堆叠在彼此的顶部上。然而，在图1中的通道是冷却剂通道168、168'的情况下，通道168、168'也直接堆叠在彼此的顶部上。应当理解，当通道位于流场和歧管入口/出口之间时，反应气体131、133可以流经反应物通道118、118'。因此，在这种传统布置下，如图1所示的总长度194可以由跨越负极板半部、正极板半部和设置在它们之间的UEA的距离限定。总长度194通常称为电池重复距离。结果，横跨各个燃料电池的总长度取决于堆叠配置，其中各个冷却剂通道168直接堆叠在另一个冷却剂通道168'之上或之下。
然而，在工业上希望在提高在各个双极板处的三种流体(即H2、O2/空气和冷却剂)的流动能力的同时减小燃料电池堆的总体尺寸。
发明内容
本公开提供一种燃料电池堆组件，其包括第一和第二双极板、有源区膜和子垫片。第一双极板限定多个第一通道，并且第二双极板限定多个第二通道。多个第二通道可以与多个第一通道接合并且嵌套在多个第一通道之间。有源区膜可以设置在第一与第二双极板之间的子垫片的内周边内，其中子垫片可以可选地位于多个第一通道与多个第二通道之间。有源区膜包括膜电极组件、与膜电极组件的第一侧相邻设置的第一气体扩散层、以及与膜电极组件的第一侧相邻设置的第二气体扩散层。子垫片可以可选地限定配置为邻接第一双极板或第二双极板的其中一个的集成凸片。根据通道相对于歧管入口/出口的位置，上述通道可以是冷却剂通道和/或反应物通道。
此外，本公开还提供了一种燃料电池堆组件，其包括第一和第二双极板、有源区膜和子垫片。第一双极板限定多个第一冷却剂通道，并且第二双极板限定多个第二冷却剂通道。多个第二冷却剂通道可以与多个第一冷却剂通道接合并且嵌套在多个第一冷却剂通道之间。有源区膜可以设置在第一与第二双极板之间的子垫片的内周边内，其中子垫片位于多个第一冷却剂通道与多个第二冷却剂通道之间。有源区膜包括膜电极组件、邻近膜电极组件的第一侧设置的第一气体扩散层、以及邻近膜电极组件的第一侧设置的第二气体扩散层。子垫片可以可选地限定了被配置为邻接第一双极板或第二双极板中的一个的集成凸片。
在本公开的任何前述实施例中，如果包括了子垫片，则子垫片可以根据第一双极板和/或第二双极板的表面形成轮廓，也可以不根据第一双极板和/或第二双极板的表面形成轮廓。该轮廓可以在组装之前形成，或者在堆叠操作期间通过变形在平坦区域中产生。此外，多个第一和第二通道中的每个通道限定了具有第一端和第二端的上平台、与第一端成一体的第一侧壁、与第二端成一体的第二侧壁，其中第一和第二侧壁中的每个侧壁过渡到下平台区域，该下平台区域是限定在第一和第二双极板中的多个下平台区域中的一个。多个第一通道中的各个上平台可以与多个第二通道中的下平台区域接合，该下平台区域与多个第一通道中的上平台对齐--与设置在它们之间的子垫片对齐。同样，多个第二通道的各个上平台还可以可选地与多个第一通道中的下平台区域接合，该下平台区域与多个第二通道中的上平台对齐，使得子垫片也设置在它们之间。
在又一中可选布置中，第一双极板中的第一和第二侧壁可以与第二双极板的第一和第二侧壁接合，子垫片设置在它们之间。
本公开及其特定特征和优点从下面参照附图的详细描述中变得更加明显。
附图说明
从以下详细描述、最佳模式、权利要求和附图中，本公开的这些和其他特征和优点将变得显而易见，其中：
图1图示现有技术燃料电池堆的局部视图。
图2A是根据本公开的燃料电池堆组件的示例性的、扩展的非限制性简化图或示意图。
图2B是根据本公开的燃料电池堆组件的一部分的展开图。
图3A是根据本公开的示例性的非限制性嵌套通道(反应物或冷却剂)的剖视图。
图3B是图3A中的通道的放大图。
图4是根据本公开的嵌套通道的另一种非限制性示例的平面图。
在附图的几个视图的描述中，所有相同附图标记指示相同的部件。
具体实施方式
现在将详细参考本公开的当前优选的组合物、实施例和方法，它们构成了发明人目前已知的实践本公开的最佳模式。附图不一定按比例绘制。然而，应当理解，所公开的实施例仅仅是本公开的示例，本公开可以以各种替代形式来实施。因此，本文公开的具体细节不应被解释为限制性的，而仅仅是作为本公开的任何方面的代表性依据和/或作为用于教导本领域技术人员以各种方式使用本公开的代表性依据。
除非在示例中，或另外明确地指明，本说明书中指示材料量或反应和/或使用条件的所有数值量应理解为在描述本公开的最宽范围时由词语“约”修饰。在所述数值限制内的实践通常是优选的。此外，除非另有明确说明：百分比、“份数”和比值均以重量计；结合本公开，对适合或优选用于给定目的的一组或一类材料的描述意味着该组或类中任意两种或多种成员的混合物同样是适合或优选的；首字母缩写词或其它缩写词的第一种定义适用于相同缩写词在本文中的所有后续使用，并且经过必要的修改后适用于最初定义的缩写词的正常语法变化；并且，除非另有明确说明，否则性质的测量是通过与先前或稍后针对相同性质引用的相同技术来确定。
还应当理解的是，本公开不限于下面描述的特定实施例和方法，因为特定部件和/或条件当然可以变化。此外，本文使用的术语仅用于描述本公开的特定实施例的目的，而不旨在以任何方式进行限制。
还必须注意的是，如在说明书和所附权利要求书中使用的，单数形式“一”、“、一个”、“该”包括复数对象，除非上下文另外清楚地指出。例如，以单数形式提及的部件旨在包括多个部件。
术语“包括”与“包括”、“具有”、“包含”或“其特征在于”同义。这些术语是包含性的且开放式的，并且不排除附加的未列举的元件或方法步骤。
短语“由...组成”不包括在权利要求中未指定的任何元件，步骤或成分。当该短语出现在权利要求的升降器主体14的从句中而不是紧接在前序之后时，它仅限制在该从句中陈述的元件；从整体上看，其它元件不排除在权利要求之外。
短语“基本上由……组成”将权利要求的范围限制在指定材料或步骤，加上那些实质上不影响所要求保护的主题的基本和新颖特征的材料或步骤。
可替换地，可以使用术语“包括”、“由......组成”以及“基本上由......组成”。在使用这三个术语的其中一个的情况下，当前公开和要求保护的主题可以包括使用另外两个术语中的任何一个。
术语“上”和“下”可以相对于单个部件的区域使用，并且旨在广义地指示彼此相对的区域，其中“上”区域和“下”区域一起构成单个部件。这些术语不应理解为仅指垂直距离/高度。
在整个本申请中，在引用出版物的情况下，这些出版物的公开内容通过引用整体并入本申请，以更全面地描述本公开所属领域的现有技术。
下面的详细描述本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制本公开或者本公开的应用和使用。此外，不受前述背景技术或下面的详细描述中呈现的任何理论的约束。
下面的详细描述本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制本发明或本发明的应用和使用。此外，不受前述技术领域、背景技术、发明内容或下面的详细描述中呈现的任何明示或暗示的理论的约束。
本公开提供了一种PEM燃料电池组，其中嵌套通道70设置在与有源区区域相邻的区域中，如图2B的非限制性示例所示。图2A示意性地描述了PEM燃料电池堆11的展开图，该PEM燃料电池堆11具有通过无孔导电双极板12彼此隔开的有源区膜8。各有源区膜8可以由7层组成：聚合物电解质膜(PEM)10，其具有负极和正极催化剂层(分别为10a和10c)以及在负极侧10a上的气体扩散层(GDL)36和在正极侧10c上的气体扩散层34。子垫片26、28可以设置在有源区膜8的各侧上，或者单个子垫片30(图2A)可以围绕有源区膜8。有源区膜8堆叠在无孔、导电、液冷的双极板12、14、16之间。双极板12、14和16分别包括形成于双极板12、14、16的表面中的嵌套反应物通道40(图2B)以用于将燃料和氧化剂气体(即H2&O2)分配到有源区膜8的反应面。同样，双极板12、14和16分别包括形成于双极板12、14、16的表面中的嵌套冷却剂通道68(图2B)以用于将冷却剂分配到各个双极板12、14、16的中间区域17。由于所有通道70的嵌套配置，燃料电池堆11中各个燃料电池90的总长度94(图3A)减小，从而提供紧凑的、空间有效的燃料电池堆组件。
再参照图2A，子垫片26、28在燃料电池堆11的这几个双极板12、14、16之间提供密封和电绝缘。多孔透气导电片(气体扩散层)34、36向上压靠在聚合物电解质膜(PEM)10的电极面(负极和正极催化剂层10a、10c)上。气体扩散层34、36用作电极的初级集电器。如图2A所示，各子垫片26、28限定有源区膜8的内周边41。气体扩散层34、36还为聚合物电解质膜(PEM)和催化剂层提供机械支撑，特别是聚合物电解质膜(PEM)和催化剂层在流场中未被支撑的位置。合适的气体扩散层34、36包括碳/石墨纸/布、细目贵金属筛网、开孔贵金属泡沫等，它们在允许气体通过的同时传导来自电极的电流。
应当理解，气体扩散层34、36可以是通过将碳纤维编织成碳布(例如GDL-CT和ELAT)或者通过将碳纤维压在一起形成碳纸(例如，Sigracet、Freudenberg和Toray)而制成的多孔结构。目前生产的许多标准GDL都带有微孔层(MPL)和疏水处理(PTFE)。MPL和PTFE有助于与膜的接触和水管理。MPL通常提供光滑层，该光滑层具有用于催化剂的大量表面积和与膜的良好接触。MPL通常使用PTFE作为增加疏水性的粘合剂，这有助于防止膜内的水逃逸–使膜干燥并引起更高阻力(更低性能)。
再参照图2A，双极板14向上压靠在聚合物电解质膜(PEM)10的正极面10c上的气体扩散介质36和聚合物电解质膜(PEM)10的负极面10a上的气体扩散介质36上。双极板16向上压靠在聚合物电解质膜(PEM)10的负极面10a上的气体扩散介质34上。同样，双极板12向上压靠在聚合物电解质膜(PEM)10的正极面10c上的气体扩散介质34上。诸如氧气或空气等氧化剂气体(反应物)可以经由适当的供应管道42从储存罐46供应到燃料电池堆的正极侧。同样，诸如氢气等燃料(反应物)可以经由适当的供应管道44从储存罐48供应到燃料电池堆的负极侧。
在另一个实施例中，可以去除氧气罐46，并且将空气从周围环境供应到正极侧。同样，可以替代地去除氢气罐48，并且氢气可以从转化炉供应到负极侧，该转化炉从甲醇或液态烃(例如汽油)催化生成氢气。MEA的H2和O2/空气侧的排气管道(未示出)也可以提供从负极流场去除H2耗尽的负极气体并从正极流场去除O2耗尽的正极气体。冷却剂管道50、52被提供用于根据需要向双极板12、14、16供应和排出液体冷却剂流。
现在参照图2B，双极板12、14和16以放大视图示出，有源区膜8和子垫片30以阴影显示。流场18(图2B)也设置在各金属元件56、56'、56"、58、58'、58"(图3A)中，使得输入的反应气体(图2A中的H248和O246)由流场18引导，从而输入的反应气体沿着各燃料电池的有源区膜8的表面移动。流场18是预定流场图案18，该预定流场图案18可以是示例性的非限制性列表的形式：摆动图案、直线图案或蛇形图案。各双极板12、14、16中的预定流场18可以与气体扩散层34、36的表面相邻。还应当理解，金属元件56、56'、56”可以设计成彼此相同，而金属元件58、58'、58”也可以设计成彼此相同，使得各双极板12、14、16可以沿着堆叠方向(在堆叠过程期间)绕轴线75(见图2B)旋转180度，以实现只需要一个负极形成工具和一个正极形成工具。
如图2B所示，提供燃料歧管孔64(用于氢)以在各双极板中供应和移除。还提供氧化剂歧管孔66(用于氧气)以供应和移除。还提供冷却剂歧管孔67以用于冷却剂流体流的进入和离开。图2B所示的歧管孔64、66可以是圆形、矩形或任何形状。燃料歧管密封区和氧化剂歧管密封区位于燃料歧管孔64和氧化剂歧管孔66的外围。冷却剂通道68设置在冷却剂孔67(入口/出口)与流场18(或有源区区域)之间，从而将冷却剂从冷却剂入口67引导到流场18并且还将冷却剂从流场18引导到冷却剂出口67。氧化剂歧管孔66仅提供流入和流出正极室的氧化剂流。与前述冷却剂通道68相似，氧化剂/反应物通道40设置在两个区域中：(1)专用反应物入口66与流场18之间；以及(2)在流场18与专用反应物出口66之间。流场18的有源区膜8连同子垫片30一起在图2B中以阴影示出。因此，提供氢气/反应物通道40以在氢气入口/出口64与流场18之间引导氢气。在图2B所示的非限制性示例中，反应物通道40与反应物孔–氧化剂孔66和氢气孔64对准。
参照图3A，示出了图2B的嵌套通道70在双极板12、14、16中的放大局部剖视图。示出了非限制性示例第一双极板14的第一和第二元件56、58，并且示出了非限制性示例第二双极板16的第一和第二元件56'、58'。各个第一元件56、56'附接至相应的第二元件58、58'以限定通道70(如图2B和图3A-3B所示)。根据通道70是与反应物入口/出口64、66对准还是与冷却剂入口/出口67对准，通道可以用于基于通道70相对于各个开口64、66、67的位置来引导反应物(氢气或氧气/空气)或冷却剂中的一种。第一和第二元件56、58、56'、58'还限定了流场18(见图2A和2B)，流场18可以是但不一定是蛇形通道的形式，蛇形通道可操作地配置为将反应物分布在相应的有源区膜8上(如图2A-2B所示)。在图2B所示的示例中，流场18被限定在各双极板12、14、16的中间区域17中，而通道70被限定在其相应歧管孔64、66、67附近。
如图3A所示，各个双极板14、16的第一元件56、56'可以设置在子垫片30附近，其中双极板14设置在子垫片30的第一侧上，而双极板16设置在子垫片30的第二侧上。各个双极板12、14的第一或第二元件中的至少一个被压花(参见双极板14的示例性元件56和双极板16的元件56')，使得当第一和第二金属元件56、58、56'、58'接合时限定通道70、70'(图3)。因此，第二元件58、58'与第一元件56、56'接合以形成具有通道70、70'的双极板14、16。可以在冷却剂通道68、68'内提供冷却剂流以降低各燃料电池90处的温度(见图2A)。因此，燃料电池堆中的各个双极板12、14、16还包括形成在其中的多个通道70、70'、70"。
因此，本公开提供了一种燃料电池堆组件11，其包括至少第一和第二双极板14、16、子垫片30以及至少设置在子垫片30的内周边41内的膜电极组件8。第一双极板14限定多个第一冷却剂通道68。第二双极板16限定多个第二冷却剂通道68'。多个第二冷却剂通道68'可以与多个第一冷却剂通道68接合并且嵌套在多个第一冷却剂通道68之间，如图3所示。子垫片30可以可选地设置在至少在双极板12、14、16的限定有通道70、70'的区域中的第一与第二双极板14、16之间。
现在参见图3B，除了与第一端72、72'成一体的第一侧壁76、76'和与第二端74、74'成一体的第二侧壁78、78'之外，多个第一和第二通道70、70'中的各个通道还限定了具有第一端72、72'和第二端74、74'的上平台71、71'。如图所示，第一和第二侧壁76、76'、78、78'中的各个侧壁过渡到下平台区域80、80'，下平台区域80、80'是限定在第一和第二双极板14、16中的多个下平台区域80、80'中的一个。在一个实施例中，多个第一通道70中的各个上平台71可以与多个第二通道中的下平台区域80'接合，子垫片30设置在它们之间。应当理解，第一双极板14中的第一和第二侧壁76、78可以或可以不与第二双极板16的第一和第二侧壁76'、78'邻接/接合，子垫片30可选地设置在它们之间。还应当理解，多个第一和第二通道70、70'中的各个通道70、70'可以具有第三侧壁77和第四侧壁79，如图2B中的非限制性示例通道所示。
此外，多个第二冷却剂通道68'中的各个上平台71'也可以但不一定与多个第一通道70中的下平台区域80接合，该下平台区域80与多个第二冷却剂通道70'中的上平台71'对齐。同样，在又一个实施例中，应当理解，第一双极板14中的第一和第二侧壁76、78可以与第二双极板16的第一和第二侧壁77'、79'(以虚线示出)接合，子垫片30可选地设置在它们之间。在图示的具有通道73的这种布置下，第一和第二侧壁76、78、77'、79'沿着侧壁的整个长度邻接或接合，或者使用集成凸片31彼此局部邻接或结合，如图3B所示。因此，由于通道70、70'的尺寸增大，本公开的燃料电池堆组件11(见图1)提供了更高的流体(反应物或冷却剂)流速，同时还减小了各燃料电池的总长度94。因此，本公开的通道70可以具有最大高度20，并且可以可选地对于各个通道73具有最大宽度22。此外，应当理解，根据通道相对于各个歧管孔64、66、67的位置，示例性通道70、70'、73可以专用于反应气体或冷却剂。
不管侧壁是否如上所述彼此接合，第一和第二双极板14、16的通道70、70'的嵌套布置减小了燃料电池堆内各个燃料电池的总长度94(相对于图1中的长度194)，并且使得更大体积的流体(反应物或冷却剂)能够流经各个扩大的/嵌套的通道。应当注意，虽然通道70、70'在图3B中示出并详细描述，但是图3B中的通道布置可以是反应物通道40或冷却剂通道68，这取决于它们的位置。因此，关于多个第一和第二通道70、70'的嵌套和/或接合布置的描述应当被解释为包括冷却剂通道68、68'或反应物通道18、18'或冷却剂通道和反应物通道两者(分别示为元件68、68'和18、18')，这取决于通道70相对于歧管孔64、66、67的位置(见图2B)。还应当理解，通道70、70'可以具有不同的长度。然而，可以缩短一些或每个通道70、70'，使得通道70、70'不会干扰有源区区域中的气体扩散层34、36。应当理解，气体扩散层34、36可以对来自第一和第二双极板14、16的压缩力敏感，因此可能不希望包括设置在气体扩散层34、36上方或下方的通道70、70'。因此，作为图2B中通道70、70'的布置的一个替代方案，第一和/或第二通道70、70'可以沿基本垂直于金属珠密封件24的方向设置，如图4所示。在这些示例性可选布置中，通道70、70'可以设置在不干扰气体扩散层34、36的区域中。
此外，不管多个第一和第二通道70、70'如何嵌套，子垫片30可以由围绕膜电极组件的单个聚合物构件限定，如图2B所示；或者子垫片30可以由设置在膜电极组件的相对侧上的第一子垫片26和第二子垫片28构成，如图2A所示。此外，不管子垫片30的配置如何，子垫片30还可以可选地限定了被配置为邻接第一或第二双极板14、16中的一个双极板的一个或多个集成凸片31(图3A)，以便将子垫片30正确地定位在嵌套冷却剂通道内。除了将子垫片30定位到第一或第二双极板14、16中的一个双极板上(参见图3A中第一双极板14上的子垫片33)，子垫片30、32可以根据第一或第二双极板14、16中的一个双极板的相邻表面35(图3B)形成轮廓。该轮廓可以在组装之前形成，或者在堆叠操作期间通过变形在平坦区域中产生。然而，在这种情况下，在组装过程中，将有源区膜8至少设置在模制的子垫片30的内周边41内。
现在参考图4，提供了本公开的非限制性示例的平面图，其中气体扩散层34、36和子垫片30设置在具有波状金属珠密封件24的相应双极板14、16上，该波状金属珠密封件24具有形成于相应双极板中的通道70、70'。双极板12、14、16的通道70、70'(其可以具有各种配置)可以分别从双极板12、14、16的表面突出，使得各个通道70、70'与相对双极板的通道70、70'之间限定的相应下平台区域80、80'接合，如前面针对图3B描述的。因此，燃料电池堆中的各个第一和第二双极板14、16的通道70、70'与相邻板的通道70、70'接合并且嵌套相邻板的通道70、70'上。
关于本公开的所有实施例，应当理解，在多个第一通道70与多个第二通道70'之间的嵌套和/或接合布置可以替代地设置在位于金属珠密封件24的周边外侧的双极板12、14、16的区域中，即靠近双极板12、14、16的外边缘25。
虽然在前面的详细描述中已经提出了至少一个示例性实施例，但是应当理解的是存在大量的变化。还应当理解，一个或多个示例性实施例仅仅是示例，并不旨在以任何方式限制本公开的范围、适用性或配置。相反，前述的详细描述将为本领域技术人员提供用于实现一个或多个示例性实施例的便利路线图。应当理解，在不脱离所附权利要求及其合法等同物所阐述的本公开的范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。

Claims (9)

1.一种燃料电池堆组件，包括：
第一双极板，其限定多个第一通道；
第二双极板，其限定多个第二通道，所述多个第二通道与所述多个第一通道接合并嵌套在所述多个第一通道之间；
有源区膜，其设置在所述第一双极板与所述第二双极板之间并且设置在子垫片的内周边内，其中所述子垫片根据所述第一或第二双极板中的一个的表面形成轮廓，所述有源区膜包括膜电极组件、与膜电极组件的第一侧相邻设置的第一气体扩散层、以及与膜电极组件的第一侧相邻设置的第二气体扩散层；
根据所述第一通道和所述第二通道相对于歧管入口/出口的位置，所述第一通道和所述第二通道是冷却剂通道或反应物通道，其中所述子垫片位于所述多个第一冷却剂通道与所述多个第二冷却剂通道之间。
2.如权利要求1所述的燃料电池堆组件，其中所述子垫片限定了被配置为邻接所述第一或第二双极板中的一个的集成凸片。
3.如权利要求1所述的燃料电池堆组件，其中所述多个第一和第二通道中的各个通道限定具有第一端和第二端的上平台、与所述第一端成一体的第一侧壁、与所述第二端成一体的第二侧壁，其中所述第一和第二侧壁中的各个侧壁过渡到下平台区域，所述下平台区域是限定在所述第一与第二双极板中的多个下平台区域中的一个。
4.如权利要求2所述的燃料电池堆组件，其中所述子垫片根据所述第一或第二双极板中的一个的表面形成轮廓。
5.如权利要求3所述的燃料电池堆组件，其中所述多个第一通道中的各个上平台与所述多个第二通道中的所述下平台区域接合，所述下平台区域与所述多个第一通道中的所述上平台对齐，所述子垫片设置在它们之间。
6.如权利要求5所述的燃料电池堆组件，其中所述多个第二通道中的各个上平台与所述多个第一通道中的所述下平台区域接合。
7.如权利要求3所述的燃料电池堆组件，其中所述第一双极板中的所述第一和第二侧壁与所述第二双极板的所述第一和第二侧壁接合，所述子垫片设置在它们之间。
8.如权利要求5所述的燃料电池堆组件，其中所述第一双极板中的所述第一和第二侧壁与所述第二双极板的所述第一和第二侧壁接合，所述子垫片设置在它们之间。
9.如权利要求6所述的燃料电池堆组件，其中所述第一双极板中的所述第一和第二侧壁与所述第二双极板的所述第一和第二侧壁接合，所述子垫片设置在它们之间。
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