CN111937200A - 高电压燃料电池堆 - Google Patents

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Abstract

电化学电池堆组件具有电化学电池子堆。第一电化学电池子堆和第二电化学电池子堆电气串联并流体并联连接。第一电化学电池子堆和第二电化学电池子堆具有电化学电池。电化学电池具有膜电极组件，膜电极组件具有阴极催化层、阳极催化层以及在阴极催化层和阳极催化层之间的聚合物膜。电化学电池具有阳极板和阴极板、阴极流场以及阳极板，膜电极组件插入阳极板和阴极板之间。

Description

高电压燃料电池堆
本申请要求于2018年2月20日提交的美国临时申请号62/632,937的权益，其全部内容通过引用而并入。
技术领域
本公开内容针对燃料电池堆，更具体地，针对高电压燃料电池堆。
背景技术
电化学电池，通常分为燃料电池或电解池，是用于通过化学反应产生电流或使用电流诱导化学反应的装置。例如，燃料电池可以将燃料(例如氢、天然气、甲醇、汽油等)和氧化剂(空气或氧)的化学能转换成电以及废热和废水。基本的燃料电池可包括带负电的阳极、带正电的阴极以及称为电解质的离子导电材料。
不同的燃料电池技术利用不同的电解质材料。例如，质子交换膜(PEM)燃料电池利用聚合物离子导电膜作为电解质。在氢PEM燃料电池中，氢原子在阳极被电化学分解为电子和质子(氢离子)。然后，电子通过电路流到阴极并产生电，而质子则通过电解质膜扩散到阴极。在阴极，氢质子与电子和(供应至阴极的)氧结合，以产生水和热量。
电解池代表反向运行的燃料电池。当施加外部电势时，通过将水分解为氢气和氧气，基本的电解池可以起氢气发生器的作用。氢燃料电池或电解池的基本技术可以应用于电化学氢操纵，如电化学氢压缩、纯化或膨胀。电化学氢操纵已作为传统上用于氢管理的机械系统的可行替代品出现。氢作为能源载体的成功商业化以及“氢经济”的长期可持续性在很大程度上取决于燃料电池、电解池和其他氢操纵/管理系统的效率和成本效益。
在运行中，单个燃料电池通常能够在无负载时(即不向电负载供应电流时)产生约1伏特或者在负载下(即向电负载提供电流时)产生约0.75伏特。每个燃料电池可包括阴极、电解质膜和阳极。阴极/膜/阳极组件构成通常在两侧由双极板支撑的“膜电极组件”或“MEA”。MEA的一平方厘米的有效面积通常可以承受1安培的电流。为了产生所需的电功率，单独的燃料电池可以组合在一起以形成燃料电池堆，其中燃料电池按顺序堆叠在一起。产生的功率通常可以与所堆叠的燃料电池的数量和所用的MEA的有效面积成比例。所堆叠的燃料电池的数量通常可以与燃料电池堆产生的电压成比例。所用的MEA的有效面积通常可以与燃料电池堆可以承受的电流成比例。反应气体或燃料(例如氢)和氧化剂(例如空气或氧)通过流场供应至MEA的电极。除了提供机械支撑外，双极板(也称为流场板或分离板)在物理上将堆叠中单独的电池分开，同时使它们电连接。典型的燃料电池堆包括歧管和进口端口，用于将燃料和氧化剂分别引导至阳极流场和阴极流场。燃料电池堆还包括排气歧管和出口端口，用于排出多余的燃料和氧化剂。燃料电池堆还可包括歧管，用于循环冷却流体以帮助排出由燃料电池堆产生的热量。
在某些燃料电池应用中，可能希望向电负载输送大量的功率。这可以通过在高电势、高电流或两者都有下输送功率来实现。在某些应用中，可能希望在高电势下但以低电流输送高功率。这样做可以减小承载电流的电导体的尺寸，从而减小使用燃料电池堆的机构或装置的尺寸。因此，可能希望堆叠燃料电池，以增加燃料电池堆产生的电势。然而，堆叠燃料电池可能会增加运送燃料、氧化剂和冷却液的歧管的长度。增加歧管的长度可能会增加在其中流动的流体的速度，并导致燃料电池对流体的利用不均匀。燃料电池对流体的利用不均匀可能导致MEA有效面积使用不均匀，效率降低。增加歧管的尺寸以降低流体速度可能导致更大的燃料电池堆。进一步地，一个维度大幅度长于其他维度的燃料电池堆可能是不希望的，因为当前可能很少有可容纳这种燃料电池堆的现有的外壳。因此，改进高电压燃料电池堆的设计面临着持续的挑战。
发明内容
所公开的高电压燃料电池堆设计旨在克服上述一个或多个问题和/或现有技术的其他问题。
在一个方面，本公开内容针对一种电化学电池堆组件。电化学电池堆组件可包括多个电化学电池子堆。第一电化学电池子堆和第二电化学电池子堆可以电气串联连接并流体并联连接。第一电化学电池子堆和第二电化学电池子堆可包括多个电化学电池。电化学电池可包括膜电极组件，膜电极组件可包括阴极催化层、阳极催化层和聚合物膜，聚合物膜插入阴极催化层和阳极催化层之间。第一电化学电池子堆和第二电化学电池子堆可包括阳极板和阴极板，膜电极组件插入阳极板和阴极板之间。第一电化学电池子堆和第二电化学电池子堆可包括定位在阴极板和阴极催化层之间的阴极流场。电流可从第一电化学电池子堆流到第二电化学电池子堆。第一导电结构可设置于第一电化学电池子堆的第一端，第二导电结构可设置于第二电化学电池子堆的第一端。第一导电结构可电耦合至第二导电结构。导电结构可设置于第一电化学电池子堆的第一端和第二电化学电池子堆的第一端。导电结构可设置于第一电化学电池子堆或第二电化学电池子堆中的至少一个的第一端。导电结构可电耦合至容纳电化学电池堆组件的机构的框架。导电结构可与容纳电化学电池堆组件的机构的框架的电势相同。第一集电器可设置于第一电化学电池子堆的第一端，第二集电器可设置于第二电化学电池子堆的第一端。第一集电器的电势可以高于容纳电化学电池堆组件的机构的框架。第二集电器的电势可以低于容纳电化学电池堆组件的机构的框架。第一集电器的电势可以为约-1000伏特至约+1000伏特，第二集电器的电势可以为约-1000伏特至约+1000伏特。电子可以(i)在第一方向上从第一集电器流动到第一电化学电池子堆的第二端并(ii)在第二方向上从第二电化学电池子堆的第二端流动到第二集电器。第一方向可以与第二方向相反。电绝缘器可以设置在第一电化学电池子堆和第二电化学电池子堆之间。燃料、氧化剂或冷却液中的至少一种的供给可以在流体并联连接的第一电化学电池子堆和第二电化学电池子堆之间分流。歧管分配板可以连接至第一电化学电池子堆的第一端和第二电化学电池子堆的第一端。歧管分配板可以将燃料、氧化剂或冷却液中的至少一种的供给流体上分流至第一电化学电池子堆和第二电化学电池子堆。阴极流场可包括多孔结构。所述多个电化学电池子堆可产生约0安培至约1000安培的电流。
在另一个方面，本公开内容针对一种布置电化学电池堆组件的方法。该方法可包括使第一电化学电池子堆与第二电化学电池子堆电气串联连接。该方法进一步包括使第一电化学电池子堆与第二电化学电池子堆流体并联连接。第一电化学电池子堆和第二电化学电池子堆可包括多个电化学电池。电化学电池可包括膜电极组件，膜电极组件包括阴极催化层、阳极催化层和聚合物膜，所述聚合物膜插入阴极催化层和阳极催化层之间。电化学电池可包括阳极板和阴极板、阴极流场以及阳极流场，膜电极组件插入阳极板和阴极板之间。该方法可进一步包括在第一电化学电池子堆的第一端设置第一导电结构，在第二电化学电池子堆的第一端设置第二导电结构，以及将第一导电结构电耦合至第二导电结构。该方法可进一步包括在第一电化学电池子堆的第一端和第二电化学电池子堆的第一端设置导电结构。该方法可进一步包括在第一电化学电池子堆或第二电化学电池子堆中的至少一个的第一端设置导电结构。导电结构可以电耦合至容纳电化学电池堆组件的机构的框架。导电结构可以与容纳电化学电池堆组件的机构的框架的电势相同。该方法可进一步包括在第一电化学电池子堆的第一端设置第一集电器以及在第二电化学电池子堆的第一端设置第二集电器。第一集电器的电势可以高于容纳电化学电池堆组件的机构的框架。第二集电器的电势可以低于容纳电化学电池堆组件的机构的框架。该方法可进一步包括在第一电化学电池子堆和第二电化学电池子堆之间设置电绝缘器。
应当理解，前文的一般描述和下文的详细描述都仅是示例性和说明性的，并且不限制所要求保护的公开内容。
附图说明
并入本文并构成本说明书一部分的附图示出了本公开内容的实施例，并且与说明书一起用于解释本公开内容的原理。
图1为根据一示例性实施例的堆叠在一起的多个电化学电池(例如燃料电池)的侧面示意图。
图2为根据一示例性实施例的图1的阳极板的主视图。
图3为根据一示例性实施例的燃料电池堆的透视主视图。
图4为根据另一示例性实施例的燃料电池堆的透视主视图。
图5为根据另一示例性实施例的燃料电池堆的透视主视图。
图6为根据另一示例性实施例的具有导电板的燃料电池堆的透视主视图。
图7为根据一示例性实施例的歧管分配板的示意图。
具体实施方式
现在将详细参考本公开内容的示例性实施例，其示例在附图中示出。在所有附图中，将尽可能使用相同的附图标记指代相同或相似的部件。尽管针对用于产生电的电化学燃料电池堆进行了描述，但是应当理解，本公开内容的装置和方法可以与各种类型的燃料电池或电化学电池一起使用，包括但不限于电解池、氢纯化器、氢膨胀机和氢泵。
图1为多个电化学电池的侧面示意图，例如，根据一示例性实施例，燃料电池10沿纵轴5堆叠在一起，以形成燃料电池堆11的至少一部分。燃料电池10可包括阴极催化层12、阳极催化层14以及设置在阴极催化层12和阳极催化层14之间的质子交换膜(PEM)16，它们统称为膜电极组件(MEA)18，阴极催化层12在本文也可称为阴极，阳极催化层14在本文也可称为阳极。PEM 16可包括纯聚合物膜或具有其他材料的复合膜。例如，二氧化硅、杂多酸、层状金属磷酸盐、磷酸盐和磷酸锆可以嵌入聚合物基质中。PEM 16可以渗透质子而不会传导电子。阴极催化层12和阳极催化层14可包括含有催化剂的多孔碳电极。催化剂材料，例如铂，可以增加氧与燃料的反应。在一些实施例中，阴极催化层12和阳极催化层14可以具有约1μm的平均孔径。
燃料电池10可包括两个双极板，例如阴极板20和阳极板22。阴极板20可定位成邻近阴极催化层12，阳极板22可定位成邻近阳极催化层14。MEA 18可以在阴极板20和阳极板22之间插入并封闭。在MEA 18和阴极板20之间可以形成阴极隔室19，在MEA 18和阳极板22之间可以形成阳极隔室21。阴极板20和阳极板22可以充当集电器，为燃料和氧化剂提供通向各个电极表面(例如阳极催化层14和阴极催化层12)的流道，以及为燃料电池10的运行期间形成的水的去除提供流道。不同的导电结构(或不同的多个导电结构)可起到集电器的作用，而不是起到阴极板20和阳极板22的作用，或者另外起到阴极板20和阳极板22的作用。阴极板20和阳极板22还可以形成用于冷却流体(例如水、乙二醇或水和乙二醇的混合物)的流道。例如，在阴极板20和相邻的燃料电池10的阳极板22之间可以形成冷却隔室23，冷却隔室23配置为使冷却流体在相邻的燃料电池10之间循环。燃料电池10产生的热量可以传递至冷却流体，并通过冷却流体的循环带走。阴极板20和阳极板22可由例如铝、钢、不锈钢、钛、铜、Ni-Cr合金、石墨或任何其他合适的导电材料制成。
在某些实施例中，例如如图1所示，燃料电池10还可以在MEA18两侧包括在燃料电池10内的导电气体扩散层(例如阴极气体扩散层24和阳极气体扩散层26)。气体扩散层(GDL)24、26可用作使气体和液体能够在电池内传输的扩散介质，在阴极板20、阳极板22和MEA 18之间提供电传导，有助于去除来自于燃料电池10的热量和工艺用水，并在某些情况下为PEM 16提供机械支撑。气体扩散层24、26可包括织造或非织造碳布，在面向PEM 16的侧面上涂覆有阴极催化层12和阳极催化层14。在某些实施例中，可以在相邻的GDL24、26或PEM16上涂覆阴极催化层12和阳极催化层14。在某些实施例中，气体扩散层24、26可以具有约10μm的平均孔径。
燃料电池10可进一步包括定位在MEA18的每一侧上的流场。流场可以配置为使得MEA 18的每一侧上的燃料和氧化剂能够流经流场并到达MEA 18。这些流场可以促进燃料和氧化剂均匀地分配到阴极催化层12和阳极催化层14。燃料和氧化剂均匀地分配到催化层12、14可以提高燃料电池10的性能。在某些实施例中，燃料电池10可以包括阴极流场28，阴极流场28包括定位在阴极板20和GDL 24之间的多孔结构。在某些实施例中，燃料电池10可以包括形成在阴极板20中的阴极流场，而不是单独的多孔结构。在某些实施例中，燃料电池10可以包括阳极流场30，阳极流场30可以由阳极板22形成，如在本文关于图2进一步描述的。在某些实施例中，燃料电池10可以包括阳极流场，该阳极流场包括定位在阳极板22和GDL 26之间的多孔结构。可以预期，在燃料电池10的各种实施例中，可以利用上述流场的任何组合。GDL 24可以从阴极流场28提供阴极催化层12的机械保护。
应当理解，尽管在图1中只有一个燃料电池10包括阴极催化层12、阳极催化层14、质子交换膜16、膜电极组件(MEA)18、阴极隔室19、阴极板20、阳极隔室21、阳极板22、冷却隔室23、气体扩散层24、气体扩散层26、阴极流场28和阳极流场30的附图标记，但是堆11的其他燃料电池10可以包括相同的元件。
燃料电池堆11还可以包括沿纵轴5延伸的多个流体歧管31a、31b，纵轴5由燃料电池10的一系列堆叠的阴极板20和阳极板22限定。流体歧管31a、31b可以配置为用于为每个燃料电池10的MEA 18供给燃料(例如氢)和氧化剂(例如氧)，并从每个燃料电池的MEA 18排放反应产物(例如未反应的燃料、未反应的氧化剂和水)。流体歧管31A、31B还可以配置为用于供给并排放冷却流体。通过流体歧管31a、31b的流动方向可能会有所不同。例如，在某些实施例中，流动通过歧管和隔室可以是同时的，而在其他实施例中，一个或多个流动路径可以是逆流。例如，在某些实施例中，燃料通过(下文关于图3所讨论的)阳极供给歧管32a、32b的流动可以与氧化剂通过(下文关于图3所讨论的)阴极供给歧管44a、44b的流动逆流。流体歧管31a、31b可以通过通道和端口流体连接至MEA 18。具体的歧管、通道和端口在本文中可以被识别为“供给”、“排放”、“进口”或“出口”，但应当理解，这些命名可以基于流动方向来确定，并且可以切换流动方向。改变流动方向可能会改变这些命名。
图2为根据一示例性实施例的阳极板22的主视图。图2中可见的一侧是配置为面向MEA 18的阳极侧(即阳极催化层14和气体扩散层26)并限定阳极隔室21的一侧(参见例如图1)的那一侧。阳极板22可以包括几个分段。这些分段例如可包括第一歧管分段31A和第二歧管分段31B；分配通路分段，如第一阳极分配通路69和第二阳极分配通路71；以及阳极流场30。如图2所示，阳极板22可在第一歧管分段31A包括阳极供给歧管32、阴极排放歧管54和冷却液供给歧管56，而第二歧管分段31B可包括阳极排放歧管42、阴极供给歧管44和冷却液排放歧管62。应当理解，可以通过例如切换流动通过燃料电池10的燃料、氧化剂或冷却流体的各自的流动方向来切换每个歧管的进口和出口的命名。
如图2所示，设置在第一歧管分段31A和第二歧管分段31B与阳极流场30之间的是第一阳极分配通路69和第二阳极分配通路71。第一阳极分配通路69可以配置为将从阳极供给歧管32供应的燃料经由阳极进口端口35分配至阳极流场30。第二阳极分配通路71可以配置为从阳极流场30收集燃料(例如未反应的燃料)并将燃料通过阳极出口端口37引导至阳极排放歧管42。第一阳极分配通路69和第二阳极分配通路71可以夹入MEA 18和阳极板22之间并由MEA 18和阳极板22限定。第一阳极分配通路69和第二阳极分配通路71的周界可以通过表面垫片43密封，如图2所示。在某些实施例中，第一阳极分配通路69的宽度和第二阳极分配通路71的宽度通常可以等于阳极流场30的宽度。
图3示出了长度34、宽度36和高度38的燃料电池堆11的图。燃料电池堆11可包括堆叠的电池，其面积与燃料电池堆11的前端39的面积大体上相似。燃料电池堆11可包括在概念上分为两个的电池，每个电池的一半包括第一子堆40和第二子堆41。子堆40可以在子堆41旁边。子堆(如子堆41)可具有一组流体歧管。在子堆40、41中的歧管31a可分别包括阳极供给歧管32a、32b，阴极排放歧管54a、54b和冷却液供给歧管56a、56b。在子堆40、41中的歧管31b可分别包括阳极排放歧管42a、42b，阴极供给歧管44a、44b和冷却液排放歧管62a、62b。应当理解，例如通过切换流动通过燃料电池10的燃料、氧化剂或冷却流体的各自的流动方向，可以切换每个歧管的进口和出口的命名。
每个歧管的横截面积可以有所不同。例如，如图3所示，阴极供给歧管44a、44b和阴极排放歧管54a、54b可以具有比冷却液供给歧管56a、56b和冷却液排放歧管62a、62b更大的横截面积。冷却液供给歧管56a、56b和冷却液排放歧管62a、62b可以具有比阳极供给歧管32a、32b和阳极排放歧管42a、42b更大的横截面积。
子堆40、41中歧管的布置可以有所不同。如图3所示，歧管的布置在歧管分段31a、31b之间可以不同。在一个说明性示例中，如图3所示，冷却液供给歧管56a可以定位在阳极供给歧管32a和阴极排放歧管54a之间，冷却液排放歧管62a可以定位在阳极排放歧管42a和阴极供给歧管44a之间。在某些实施例中，阴极排放歧管54a可以在冷却液供给歧管56a的左侧，阳极供给歧管32a可以在冷却液供给歧管56a的右侧，而阴极供给歧管44a可以在冷却液排放歧管62a的右侧，阳极排放歧管42a在冷却液排放歧管62a的左侧。在第一歧管分段31a和第二歧管分段31b之间交换阳极歧管和阴极歧管相对于冷却液歧管的定位可以促进对角线交叉逆流或“z流”，而不是直线流。对角交叉逆流可在整个有效面积内提供燃料和氧化剂的改善的均匀分布，这可以改善燃料电池的性能。可以改善性能，因为对角交叉逆流可以最大化所利用的有效面积。
将冷却液歧管56a、62a定位在第一流体歧管31a和第二流体歧管31b的中心可能导致冷却隔室的中心区域接收最多的冷却流体流。冷却隔室的中心区域可以对应于燃料电池10的有效面积的中心区域。燃料电池10的有效面积的中心区域可能经历更多的热量产生。在某些实施例中，燃料电池堆11内燃料电池可能产生最多热量的区域可以与接收最多冷却流体流的区域相对应。
可以在燃料电池堆11的前端39和后端66之间产生电势。当燃料电池堆11在负载下(例如将电流输送至外部电负载)，电流可以从燃料电池堆11上具有较高电势的一点流动通过负载并流到燃料电池堆11上具有较低电势的一点。例如，电流可以从前端39流动通过外部负载(未示出)并流到后端66。发生这种情况时，电子可以沿从前端39到前端66的方向流过燃料电池10。
燃料电池堆11可产生功率。产生的功率可由横跨燃料电池堆11产生的电势以及流经燃料电池堆11的电流确定。燃料电池堆11的替代配置可能能够通过产生较高的电势并传递较小的电流来输送相同的功率。例如，图4为根据一示例性实施例的燃料电池堆11的另一配置的图。如果图3所示的燃料电池堆11的电池被分为两个部分，使得每个电池的面积与每个子堆40的前端的面积大体上相似(例如分成两半)，则子堆41内的电池可以定位在子堆40内的电池后面(即子堆41可以定位在子堆40后面)。在某些实施例中，子堆41可以定位在子堆40的前面。在任何一种布置中，所产生的电势都比图3所示的实施例中的高，因为有更多的电池电气串联连接。所传递的电流可能比图3所示的实施例中的低，因为有效面积仅限于子堆40中的电池的面积，而不是子堆40和子堆41中的电池的面积。在图4所示的实施例中，歧管54a、56a、32a、42a、62a、44a的长度可以比图3所示的实施例的长度增加，以将燃料、冷却液和氧化剂经更大的距离输送至子堆41。增加这些歧管的长度可以增加燃料、冷却液或氧化剂中的至少一种通过燃料电池堆11的速度。速度增加可能导致这些物质中一种或多种的消耗不均。为了降低速度并提高这些物质的消耗均匀性，可以增加歧管的尺寸。然而，增加歧管的尺寸可能增加燃料电池堆11的整体尺寸。增加长度34以容纳子堆41可能使长度68远远大于高度38和/或宽度70。在某些实施例中，对于燃料电池堆11可能优选的是，两个或更多个维度彼此相似。例如，在某些实施例中，对于燃料电池堆11可能优选的是，长度68与高度38相差不到一英尺。在某些实施例中，于燃料电池堆11可能优选的是，长度68与宽度70相差不到一英尺。在某些实施例中，维度之间的关系可能没有偏好。
图5为根据一示例性实施例的燃料电池堆11的另一配置。子堆40、41可以彼此并排布置。在某些实施例中，子堆40的前端39a可以与子堆41的后端66b相邻。以这种方式，可以在子堆40的前端39a和子堆40的后端66a之间构建电势，可以在子堆41的前端39b和子堆41的后端66b之间构建电势。为了在子堆40的前端39a和子堆41的后端66b之间构建电势，子堆40的后端66a和子堆41的前端39b可以电耦合。例如，子堆40的后端66a和子堆41的前端39b可以硬连线在一起。在某些实施例中，导电材料(例如金属板)可以横跨子堆40的后端66a的至少一部分以及子堆41的前端39b的至少一部分来放置。如图6所示，导电金属板104可以横跨子堆40的后端66a和子堆41的前端39b放置。通过这种布置，子堆40和子堆41可以被认为是电气串联连接的。子堆40的前端39a处的电势可能比子堆41的后端66b高。在某些实施例中，子堆40的前端39a处的电势可以是约-1000伏特至约+1000伏特。在某些实施例中，子堆41的后端66b处的电势可以是约-1000伏特至约+1000伏特。当燃料电池堆11在电负载下，电流可以从子堆40的前端39a流动通过电负载并从电负载流到子堆41的后端66b。电子可以沿子堆40的前端39a到子堆40的后端66a的方向流过子堆40中的电池。该方向由箭头106a指示。电子可以例如在导电材料上按箭头106b所指示的方向从子堆40的后端66a横过到子堆41的前端39b。电子可以沿从子堆41的前端39b到子堆41的后端66b的方向流过子堆41中的电池。该方向由箭头106c指示。子堆40、41可以产生约0安培至约1000安培的电流。
在某些实施例中，电绝缘材料72可以设置在子堆40、41之间。绝缘材料72可以是诸如聚四氟乙烯(PTFE)之类的塑料。绝缘材料72可以防止在子堆40、41之间形成短路。
在某些实施例中，子堆41的后端66b可以保持在一个或多个电势，例如通过将子堆41的后端66b硬连线或耦合至另一点，该点处于子堆41的后端66b要保持的电势。例如，该电势可以是容纳燃料电池堆11的机构的框架(例如车辆底盘)的电势。在某些实施例中，子堆40、41彼此连接的点可以保持在一个或多个电势。例如，该电势可以是容纳燃料电池堆11的机构的框架(例如车辆底盘)的电势。建立这种连接可能会促使子堆41的电势66b低于容纳燃料电池堆11的机构的框架的电势。建立这种连接可能会促使子堆40的前端39a的电势高于容纳燃料电池堆11的机构的框架的电势。建立这种连接而不是将子堆41的后端66b连接至框架可能允许燃料电池堆11上的某些或全部位置更接近容纳燃料电池堆11的机构的框架(例如车辆底盘)的电势。例如，如果横跨燃料电池堆11的电势为560V并且子堆40的前端39a和后端66a之间的电势与子堆41的前端39b和后端66b之间的电势相同，那么将子堆40、41彼此连接的点连接至容纳燃料电池堆11的车辆底盘可能使燃料电池堆11上的一点与车辆底盘之间电势的最大差值大体上等于280V(560V除以2)。在该示例中，子堆40的前端39a的电势可能比车辆底盘高280V，子堆41的后端66b的电势可能比车辆底盘低280V。如果子堆41的后端66b连接至车辆底盘而不是子堆40、41彼此连接的点连接至车辆底盘，燃料电池堆11上的一点与车辆底盘之间电势的最大差值可能是560V。在该示例中，子堆40的前端39a的电势可能比车辆底盘高560V。如果在燃料电池堆11与保持在与框架相同的电势的组件或在其他较低电势的组件之间发生短路，那么使燃料电池堆11上的某些或全部位置更接近容纳燃料电池堆11的机构的框架(例如车辆底盘)的电势可能会减少损坏或伤害的程度。
在某些实施例中，歧管44a、44b可以分别将氧化剂输送至子堆40、41。歧管54a、54b可以分别从子堆40、41接收氧化剂。歧管32a、32b可以分别将燃料输送至子堆40、41。歧管42a、42b可以分别从子堆40、41接收燃料。歧管62a、62b可以分别将冷却液输送至子堆40、41。歧管56a、56b可以分别从子堆40、41接收冷却液。在某些实施例中，子堆40、41可以各自接收它们自己的氧化剂、燃料和/或冷却液的流。在这种布置中，可以认为子堆40、41流体并联连接。
在图5所示的实施例中，燃料电池堆11可具有彼此相似的两个或更多个维度。例如，宽度70和长度34可能彼此相差一英尺之内。
图7为歧管分配板74的示例性实施例的图。歧管分配板74可以将燃料、冷却液和氧化剂分配至各自的供给歧管，并从各自的排放歧管接收燃料、冷却液和氧化剂，用于图5的燃料电池堆11。歧管分配板74可以抵靠图5所示的燃料电池堆11的子堆40的后端66a和子堆41的前端39b放置，使得板后端76上的端口与燃料电池堆11的歧管对齐。在某些实施例中，歧管分配板74可以抵靠导电金属板104放置。在某些实施例中，可以在歧管分配板74和子堆40、41之间和/或在歧管分配板74和导电金属板104之间插入电绝缘材料(未示出)。板前端78上的端口用实线表示，板后端76上的端口用虚线表示。歧管分配板74可以允许单个流体源连接(例如燃料源连接)，将流体供应至多个歧管。歧管分配板74可以具有在板前端78上用于接收流体的单个端口以及在板后端76上用于释放流体的两个端口，其中用于接收流体的单个端口流体耦合至用于释放流体的两个端口。例如，位于板前端78上的阳极接收端口80可以接收燃料并将燃料引导至位于板后端76上的阳极释放端口84a、84b。燃料可以从阳极释放端口84a、84b导入燃料电池堆11的歧管32a、32b中。位于板前端78上的阴极接收端口88可以接收氧化剂并将氧化剂引导至位于板后端76上的阴极释放端口92a、92b。氧化剂可以从阴极释放端口92a、92b导入燃料电池堆11的歧管44a、44b。位于板前端78上的冷却液接收端口96可以接收冷却液并将冷却液引导至位于板后端76上的冷却液释放端口98a、98b。冷却液可以从冷却液释放端口98a、98b导入燃料电池堆11的歧管62a、62b。歧管分配板74可以具有在板后端76上用于接收流体的两个端口以及在板前端78上用于释放流体的一个端口，其中用于接收流体的两个端口流体耦合至用于释放流体的单个端口。例如，位于板后端76上的阳极接收端口82a、82b可从燃料电池堆11的歧管42a、42b接收燃料并将燃料引导至位于板前端78上的阳极释放端口86。燃料可以释放到配置为接收从燃料电池堆11排出的燃料的外部系统中。位于板后端76上的阴极接收端口90a、90b可以从歧管54a、54b接收氧化剂并将氧化剂引导至位于板前端78上的阴极释放端口94。氧化剂可以释放到配置为接收从燃料电池堆11排出的氧化剂的外部系统中。位于板后端76上的冷却液接收端口100a、100b可以从歧管56a、56b接收冷却液并将冷却液引导至位于板前端78上的冷却液释放端口102。冷却液可以释放到配置为接收从燃料电池堆11排出的冷却液的外部系统中。
尽管前述内容将歧管分配板74描述为具有多组的耦合至板后端76上的两个端口的板后端78上的单个端口，但是应当理解，可以设想其他布置。例如，可以是板前端78上更多的端口耦合至板后端76上更少的端口。在歧管分配板74中，可以在端口的不同布置中分配不同的流体。
出于说明的目的提出了前面的描述。其不是穷举的并且不限于所公开的精确形式或实施例。通过考虑所公开的实施例的说明和实践，可以对实施例进行修改和改写。
此外，尽管在本文描述了说明性实施例，但是范围包括具有基于本公开内容的等同要素、修改、省略、组合(例如各个实施例的各方面)、改写和/或变更的任何和全部实施例。权利要求中的要素应基于权利要求中使用的语言来广义地解释，并且不限于在本说明书中或在本申请的申请过程中描述的示例；这些示例应理解为非排他性的。此外，可以以任何方式修改所公开的方法的步骤，包括重新排序步骤和/或插入或删除步骤。
本文所用的术语“约”或“大约”意味着本领域普通技术人员所确定的特定值在可接受的误差范围内，这将部分取决于如何测量或确定该值，例如，测量系统的局限性。例如，根据本领域的实践，“约”可以表示一个或多个标准偏差。或者，“约”可以意味着给定值的最高20％、例如最高10％、最高5％和最高1％。
根据详细的说明书，本公开内容的特征和优点是显而易见的，因此，所附权利要求旨在覆盖落入本公开内容的真实精神和范围内的所有系统和方法。如本文所用，不定冠词“一”、“一种”意味着“一个或多个”。类似地，除非在给定的上下文中是明确的，否则复数形式的使用不一定表示复数形。除非另有明确指示，否则“和”或“或”之类的词表示“和/或”。此外，由于从研究本公开内容将容易发生许多修改和变型，因此不希望将本公开内容限制为所示出和描述的确切构造和操作，因此，可以采用所有合适的修改和等同形式，落在本发明的范围内。
通过考虑本文的公开内容的说明书和实践，本公开内容的其他实施例对于本领域技术人员将是显而易见的。说明书和示例旨在仅被认为是示例性的，本公开内容的真实范围和精神由所附权利要求书表明。

Claims (20)

1.一种电化学电池堆组件，包括：
多个电化学电池子堆，其中：
第一电化学电池子堆和第二电化学电池子堆电气串联连接并流体并联连接；
所述第一电化学电池子堆和所述第二电化学电池子堆包括多个电化学电池，所述电化学电池包括：
膜电极组件，所述膜电极组件包括阴极催化层、阳极催化层和聚合物膜，所述聚合物膜插入所述阴极催化层和所述阳极催化层之间；
阳极板和阴极板，所述膜电极组件插入所述阳极板和阴极板之间；以及
阴极流场，所述阴极流场定位在阴极板和阴极催化层之间。
2.根据权利要求1所述的电化学电池堆组件，其中电流从第一电化学电池子堆流到第二电化学电池子堆。
3.根据权利要求1所述的电化学电池堆组件，进一步包括：
第一导电结构，所述第一导电结构设置于第一电化学电池子堆的第一端；以及
第二导电结构，所述第二导电结构设置于第二电化学电池子堆的第一端，
其中所述第一导电结构电耦合至所述第二导电结构。
4.根据权利要求1所述的电化学电池堆组件，进一步包括导电结构，所述导电结构设置于第一电化学电池子堆的第一端和第二电化学电池子堆的第一端。
5.根据权利要求1所述的电化学电池堆组件，进一步包括导电结构，所述导电结构设置于第一电化学电池子堆或第二电化学电池子堆中至少一个的第一端，其中所述导电结构电耦合至容纳所述电化学电池堆组件的机构的框架。
6.根据权利要求5所述的电化学电池堆组件，其中所述导电结构与容纳所述电化学电池堆组件的所述机构的框架的电势相同。
7.根据权利要求1所述的电化学电池堆组件，进一步包括：
第一集电器，所述第一集电器设置于第一电化学电池子堆的第一端；以及
第二集电器，所述第二集电器设置于第二电化学电池子堆的第一端。
8.根据权利要求7所述的电化学电池堆组件，其中所述第一集电器的电势高于容纳所述电化学电池堆组件的机构的框架，并且其中所述第二集电器的电势低于容纳所述电化学电池堆组件的所述机构的框架。
9.根据权利要求7所述的电化学电池堆组件，其中所述第一集电器的电势为约-1000伏特至约+1000伏特，所述第二集电器的电势为约-1000伏特至约+1000伏特。
10.根据权利要求7所述的电化学电池堆组件，其中电子(i)在第一方向上从第一集电器流动到第一电化学电池子堆的第二端并(ii)在第二方向上从第二电化学电池子堆的第二端流动到第二集电器，其中所述第一方向与所述第二方向相反。
11.根据权利要求1所述的电化学电池堆组件，其中电绝缘器设置在第一电化学电池子堆和第二电化学电池子堆之间。
12.根据权利要求1所述的电化学电池堆组件，其中燃料、氧化剂或冷却液中的至少一种的供给在流体并联连接的第一电化学电池子堆和第二电化学电池子堆之间分流。
13.根据权利要求1所述的电化学电池堆组件，进一步包括歧管分配板，所述歧管分配板连接至第一电化学电池子堆的第一端和第二电化学电池子堆的第一端，其中所述歧管分配板将燃料、氧化剂或冷却液中的至少一种的供给流体上分流至第一电化学电池子堆和第二电化学电池子堆。
14.根据权利要求1所述的电化学电池堆组件，其中所述阴极流场包括多孔结构，所述多个电化学电池子堆产生约0安培至约1000安培的电流。
15.一种布置电化学电池堆组件的方法，包括：
使第一电化学电池子堆与第二电化学电池子电气串联连接；以及
使所述第一电化学电池子堆与所述第二电化学电池子堆流体并联连接，
其中所述第一电化学电池子堆和所述第二电化学电池子堆包括多个电化学电池，所述电化学电池包括：
膜电极组件，所述膜电极组件包括阴极催化层、阳极催化层和聚合物膜，所述聚合物膜插入所述阴极催化层和所述阳极催化层之间；
阳极板和阴极板，所述膜电极组件插入所述阳极板和阴极板之间；以及
阴极流场和阳极流场。
16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：
在第一电化学电池子堆和第二电化学电池子堆之间设置电绝缘器；
在第一电化学电池子堆的第一端设置第一导电结构；
在第二电化学电池子堆的第一端设置第二导电结构；以及
将所述第一导电结构电耦合至所述第二导电结构。
17.根据权利要求15所述的方法，进一步包括在第一电化学电池子堆的第一端和第二电化学电池子堆的第一端设置导电结构。
18.根据权利要求15所述的方法，进一步包括在第一电化学电池子堆或第二电化学电池子堆中的至少一个的第一端设置导电结构，其中所述导电结构电耦合至容纳所述电化学电池堆组件的机构的框架。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述导电结构与容纳所述电化学电池堆组件的所述机构的框架的电势相同。
20.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：
在第一电化学电池子堆的第一端设置第一集电器，以及
在第二电化学电池子堆的第一端设置第二集电器，
其中所述第一集电器的电势高于容纳所述电化学电池堆组件的机构的框架，并且其中第二集电器的电势低于容纳所述电化学电池堆组件的所述机构的框架。
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