CN111971831B - 电化学电池堆的阴极流场分布 - Google Patents

Abstract

提供了一种电化学电池堆。电化学电池堆包括多个电化学电池。每个电化学电池具有膜电极组件，膜电极组件包括阴极催化剂层、阳极催化剂层以及插置于阴极催化剂层与阳极催化剂层之间的聚合物膜。每个电化学电池还具有阳极板和阴极板，阳极板与阴极板之间插置有膜电极组件；以及阴极流场，阴极流场位于阴极板与阴极催化剂层之间。阴极流场包括多孔结构，多孔结构具有多个孔，多个孔具有平均孔径。多个电化学电池具有第一电化学电池，第一电化学电池位于堆的第一端处。第一电化学电池的多孔结构的平均孔径大于多个电化学电池的多孔结构的平均孔径。并且，第一电化学电池的多孔结构的流动阻力小于多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力。

Description

电化学电池堆的阴极流场分布

本申请要求于2018年1月17日提交的美国临时申请第62/618,146号和于2018年1月17日提交的美国临时申请第62/618,228号的权益，其全部内容各自通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及电化学电池和电化学电池堆，更具体地，涉及电化学电池堆的阴极流场分布。

通常分为燃料电池或电解电池的电化学电池是用于根据化学反应生成电流或使用电流流动引发化学反应的设备。例如，燃料电池将燃料(例如，氢、天然气、甲醇、汽油等)和氧化剂(空气或氧气)的化学能转化为电以及热和水的废产物。基本燃料电池包括带负电的阳极、带正电的阴极、以及称为电解质的离子传导材料。

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传导膜作为电解质。在氢PEM燃料电池中，氢原子在阳极处电化学分解为电子和质子(氢离子)。然后，电子流经电路到达阴极并且发电，而质子则通过电解质膜扩散到阴极。在阴极处，氢质子与(供应到阴极的)电子和氧气结合以产生水和热量。

电解电池表示反向操作的燃料电池。当施加外部电势时，基本电解电池通过将水分解为氢气和氧气而充当氢气发生器。氢燃料电池或电解电池的基本技术可以应用于电化学氢操纵，诸如电化学氢压缩、纯化或膨胀。电化学氢操纵已经成为传统上用于氢管理的机械系统的可行备选方案。氢作为能源载体的成功商业化以及“氢经济”的长期可持续发展在很大程度上取决于燃料电池、电解电池和其他氢操纵/管理系统的效率和成本效益。

在操作中，单个燃料电池通常可以生成约1伏特。为了获得期望电功率量，对各个燃料电池进行组合以形成燃料电池堆，其中燃料电池顺序堆叠在一起。每个燃料电池可以包括阴极、电解质膜、以及阳极。阴极/膜/阳极组件构成“膜电极组件”或“MEA”，其通过双极板通常支撑在两侧上。反应气体或燃料(例如，氢)和氧化剂(例如，空气或氧)通过流场供应到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器板)把堆中的各个电池物理分开，同时电连接它们。通常，燃料电池堆包括歧管和入口端口，其用于将燃料和氧化剂分别引导到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，其用于排出过量燃料和氧化剂。燃料电池堆还可以包括歧管，其用于循环冷却剂流体以帮助排出燃料电池堆所生成的热量。

如上文所描述的，在阴极处生成水，作为燃料和氧化剂转化为电的副产物。通常，凭借反应气体(例如，氧气)的流动从电化学电池中除去水。水除去效率低下可能导致电化学电池充满。充满电化学电池会导致反应气体流动减少或完全停止。积聚过多的水会导致单个电化学电池发生故障，进而导致电化学电池堆的不稳定和/或故障。

在典型的电化学电池堆中，端部电化学电池的操作温度可能与位于其间的电化学电池的操作温度不同。通常，由于端部电化学电池仅具有一个发热相邻电化学电池，而位于其间的电化学电池经受来自两个发热相邻电化学电池的热量，所以这些端部电化学电池的操作温度低于位于端部电化学电池之间的电化学电池的操作温度。端部电池不仅会经受来自一个发热相邻电化学电池的热量，而且还会通过电化学电池堆组件的端部部件(诸如容纳电化学电池堆的电流提取板和端板)与大气更直接接触，因此进行传导冷却。

在不受任何特定理论所束缚的情况下，增加对端部电池的冷却可能导致水的积聚，这可能对单个电池和电化学电池堆的性能造成不利影响。解决该问题的尝试包括添加与端部电池相邻定位的加热器，以努力在所有电化学电池中维持均匀的操作温度。然而，添加这样的加热器给电化学电池堆组件增加了不必要的复杂性、重量、寄生能量以及空间消耗。因而，需要改进的电化学电池堆设计，其控制电化学电池中(特别是端部电化学电池中)水的积聚量。

发明内容

鉴于前述电化学电池堆设计的考量，本公开涉及一种电化学电池堆，其旨在克服现有技术中为上述问题和/或其他问题中的一个或多个问题。

在一个方面中，本公开涉及一种电化学电池堆。该电化学电池堆可以包括沿着纵轴堆叠的多个电化学电池。每个电化学电池可以包括膜电极组件，该膜电极组件包括阴极催化剂层、阳极催化剂层以及插置于阴极催化剂层与阳极催化剂层之间的聚合物膜。每个电化学电池还可以包括阳极板和阴极板，该阳极板与阴极板之间插置有膜电极组件；以及阴极流场，该阴极流场位于阴极板与阴极催化剂层之间，其中阴极流场包括多孔结构，该多孔结构具有多个孔，该多个孔具有平均孔径。在一些实施例中，多个电化学电池可以包括第一电化学电池，该第一电化学电池位于堆的第一端处。在一些实施例中，第一电化学电池的多孔结构的平均孔径可能大于多个电化学电池的多孔结构的平均孔径。在一些实施例中，第一电化学电池的多孔结构的流动阻力可能小于多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力。在一些实施例中，第一电化学电池的多孔结构的流动尺寸(即，厚度)可能大于多个电化学电池的多孔结构的流动尺寸(即，厚度)。

在一些实施例中，第一电化学电池的多孔结构的平均孔径比多个电化学电池的多孔结构的平均孔径大约5％至约50％。在其他实施例中，第一电化学电池的多孔结构的流动阻力比多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力小约5％至约50％。在其他实施例中，第一电化学电池的多孔结构的流动阻力比多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力小约15％。

在一些实施例中，多个电化学电池包括最后一个电化学电池，该最后一个电化学电池位于堆的与第一电化学电池相对的一端处，其中最后一个电化学电池的多孔结构的平均孔径大于多个电化学电池的多孔结构的平均孔径。在一些实施例中，最后一个电化学电池的多孔结构的平均孔径比多个电化学电池的多孔结构的平均孔径大约5％至约50％。在一些实施例中，最后一个电化学电池的多孔结构的流动阻力比多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力小约5％至约50％。在一些实施例中，最后一个电化学电池的多孔结构的流动阻力比多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力小约15％。

在一些实施例中，多个电化学电池包括第二电化学电池，该第二电化学电池与第一电化学电池相邻定位，其中与第一电化学电池相邻定位的第二电化学电池的多孔结构的平均孔径大于多个电化学电池的多孔结构的平均孔径。在一些实施例中，第二电化学电池的多孔结构的平均孔径比多个电化学电池的多孔结构的平均孔径大约5％至约50％。在一些实施例中，第二电化学电池的多孔结构的流动阻力比多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力小约5％至约50％。在一些实施例中，最后一个电化学电池的多孔结构的流动阻力比多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力小约15％。

在一些实施例中，多个电化学电池包括第三电化学电池，该第三电化学电池与最后一个电化学电池相邻定位，其中与最后一个电化学电池相邻定位的第三电化学电池的多孔结构的平均孔径大于多个电化学电池的多孔结构的平均孔径。在一些实施例中，第三电化学电池的多孔结构的平均孔径比多个电化学电池的多孔结构的平均孔径大约5％至约50％。在一些实施例中，第三电化学电池的多孔结构的流动阻力比多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力小约5％至约50％。在一些实施例中，第三电化学电池的多孔结构的流动阻力比多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力小约5％。

在一些实施例中，多个电化学电池中的至少一个电化学电池的多孔结构包括镍和铬。在一些实施例中，镍浓度的范围为质量的约60％至质量的约80％，而铬浓度的范围为质量的约20％至质量的约40％。在一些实施例中，至少一个电化学电池的多孔结构的第一表面的铬浓度高于相对的第二表面的铬浓度。在一些实施例中，第一表面的铬浓度的范围为质量的约3％至质量的约50％。在一些实施例中，相对的第二表面的铬浓度小于质量的约3％。在一些实施例中，铬浓度的范围为约3％至约6％，而镍浓度的范围为约74％至约87％。

在一些实施例中，多个电化学电池中的至少一个电化学电池的多孔结构还包括锡。在一些实施例中，锡浓度的范围为质量的约10％至质量的约20％。

在一些实施例中，多孔结构具有多个相互交错的供给通道和排出通道，该多个相互交错的供给通道和排出通道被冲压到面向阴极板的多孔结构的表面中，其中供给通道开始于第一阴极分布通道并与之流体连通，并且朝向第二阴极分布通道延伸，而排出通道终止于第二阴极分布通道处并与之流体连通，并且朝向第一阴极分布通道延伸。在一些实施例中，供给通道和排出通道的宽度和/或深度可以沿着多孔结构的长度发生变化。在一些实施例中，供给通道的宽度可以朝向第二阴极分布通道远离第一阴极分布通道延伸而变小，而排出通道的宽度朝向第二阴极分布通道远离第一阴极分布通道延伸而变大。在一些实施例中，供给通道的深度可以朝向第二阴极分布通道从第一阴极分布通道延伸而减小，而排出通道的深度可以朝向第二阴极分布通道从第一阴极分布通道延伸而增大。

在一些实施例中，供给通道的横截面面积可以朝向第二阴极分布通道远离第一阴极分布通道延伸而减小，而排出通道的横截面面积可以朝向第二阴极分布通道远离第一阴极分布通道延伸而增大。在一些实施例中，供给通道的横截面面积可以以一速率减小，该速率约等于氧化剂从供给通道流出并扩散到多孔结构中的速率，而排出通道可以以一速率增加，该速率约等于氧化剂从多孔结构流出到排放通道中的速率，从而使氧化剂通过供给通道和排出通道的速度维持约恒定。

在一些实施例中，多孔结构可以包括供给通道和排出通道之间形成的一个或多个肩台段，其中该肩台段的厚度沿着多孔金属泡沫结构的长度发生变化。

在另一方面中，本公开涉及一种电化学电池堆。该电化学电池堆可以包括多个电化学电池。每个电化学电池可以包括膜电极组件，该膜电极组件包括阴极催化剂层、阳极催化剂层以及插置于阴极催化剂层与阳极催化剂层之间的聚合物膜。每个电化学电池还可以包括阳极板和阴极板，该阳极板与阴极板之间插置有膜电极组件，其中阳极板限定多个通道，该多个通道形成面向阳极催化剂层的阳极流场。每个电化学电池还可以包括阴极流场，该阴极流场位于阴极板与阴极催化剂层之间，其中阴极流场包括多孔结构。在一些实施例中，形成阳极流场的多个通道可以大体上为正方形的波纹状通道，多个通道包括通向阳极侧的阳极通道，该阳极通道被配置为引导燃料流动通过阳极催化剂层，多个通道还包括通向反侧的冷却剂通道，该冷却剂通道被配置为引导冷却液流动。在一些实施例中，多个电化学电池包括第一电化学电池，该第一电化学电池位于电化学电池堆的第一端处。在一些实施例中，第一电化学电池的多孔结构的平均孔径大于多个电化学电池的多孔结构的平均孔径。在一些实施例中，第一电化学电池的多孔结构的流动阻力小于多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力。

在一些实施例中，冷却剂通道可以各自具有冷却剂通道宽度A，而阳极通道可以各自具有阳极通道宽度B，并且冷却剂通道宽度A与阳极通道宽度B的比例大于约1且小于约6。

附图说明

应当理解，前面的一般描述和下面的详细描述都仅仅是示例性和说明性的，并不约束所要求保护的本公开。

并入本说明书中并且构成本说明书的一部分的附图示出了本公开的各个实施例，并且与说明书一起用于解释本公开的原理。

图1是根据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)的示意性侧视图。

图2是根据示例性实施例的图1的相邻燃料电池的各个部分的局部分解侧面透视图。

图3是示出了根据示例性实施例的燃料通过燃料电池的流动路径的图2的侧面透视图。

图4是示出了根据示例性实施例的氧化剂通过燃料电池的流动路径的图2的侧面透视图。

图5是示出了根据示例性实施例的冷却剂流体通过相邻燃料电池的流动路径的图2的侧面透视图。

图6A是根据示例性实施例的图2的阴极流场的正视图。

图6B是根据示例性实施例的阴极流场的另一实施例的正视图。

图6C是根据示例性实施例的阴极流场的另一实施例的正视图。

图6D是根据示例性实施例的沿着图6C的横截面A-A的横截面视图。

图6E是根据示例性实施例的沿着图6C的横截面B-B的横截面视图。

图6F是根据示例性实施例的阴极流场的另一实施例的正视图。

图7是根据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)的示意性侧视图。

具体实施方式

现在，详细参考本公开的当前示例性实施例，附图中对其示例进行说明。在所有附图中，相同的附图标记尽可能用于是指相同或相似的部件。尽管关于电化学电池(特别是关于采用氢、氧和水的燃料电池)进行了描述，但是应当理解，本公开的设备和方法可以与各种类型的燃料电池和电化学电池一起使用，这些类型的燃料电池和电化学电池包括但不限于电解电池、氢净化器、氢膨胀器、以及氢压缩机。

图1是根据示例性实施例的多个电化学电池(例如，沿着纵轴5堆叠在一起以形成燃料电池组11的至少一部分的燃料电池10)的示意性侧视图。燃料电池10可以包括阴极催化剂层12(其在本文中还可以称为阴极)、阳极催化剂层14(其在本文中还可以称为阳极)、以及插置于阴极催化剂层12与阳极催化剂层14之间的质子交换膜(PEM)16(其可以统称为膜电极组件(MEA)18)。PEM16可以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可以透过质子而不会传导电子。阴极催化剂层12和阳极催化剂层14可以包括含有催化剂的多孔碳电极。催化剂材料(例如，铂、铂-钴合金、非PGM)可以增加氧气与燃料的反应。在一些实施例中，阴极催化剂层12和阳极催化剂层14的平均孔径可以为约1μm。

燃料电池10可以包括两个双极板，例如，阴极板20和阳极板22。阴极板20可以与阴极催化剂层12相邻定位，而阳极板22可以与阳极催化剂层14相邻定位。MEA18插置并围合在阴极板20与阳极板22之间。MEA18与阴极板20之间可以形成有阴极室19，并且MEA18与阳极板22之间可以形成有阳极室21。阴极板20和阳极板22可以用作集电器，为燃料和氧化剂提供通向各个电极表面(例如，阳极催化剂层14和阴极催化剂层12)的进入流动通路，并且提供用于除去在燃料电池10操作期间形成的水的流动通路。阴极板20和阳极板22还可以限定用于冷却剂流体(例如，水、乙二醇、或水乙二醇混合物)的流动通路。例如，在相邻燃料电池10的阴极板20与阳极板22之间，可以形成冷却剂室23，冷却剂室23被配置为在相邻燃料电池10之间循环冷却剂流体。燃料电池10所生成的热量可以传递到冷却剂流体，并且通过循环冷却剂带走该热量。阴极板20和阳极板22可以由例如铝、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。

在一些实施例中，例如，如图1所示，燃料电池10还可以包括设置在MEA18的每侧上的燃料电池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24、26可以用作使得能够在电池内输送气体和液体的扩散介质，在阴极板20、阳极板22和MEA 18之间提供导电，有助于从燃料电池10中除去热量和工艺水，并且在一些情况下，向PEM 16提供机械支撑。气体扩散层24、26可以包括纺织碳布或无纺碳布，其中阴极催化剂层12和阳极催化剂层14涂覆在面向PEM 16的侧面上。在一些实施例中，阴极催化剂层12和阳极催化剂层14可以涂覆到相邻GDL 24、26或PEM 16上。在一些实施例中，气体扩散层24、26的平均孔径可以为约10μm。

燃料电池10还可以包括位于MEA18的每侧上的流场。例如，燃料电池10可以包括阴极流场28，阴极流场28可以包括多孔结构，该多孔结构位于阴极板20与GDL 24之间；以及阳极流场30，如本文中进一步描述的，阳极流场30可以由阳极板22形成。流场可以被配置为使得MEA18的每侧上的燃料和氧化剂能够流过并到达MEA18。期望这些流场方便燃料和氧化剂均匀分布到阴极催化剂层12和阳极催化剂层14，以便实现燃料电池10的高性能。GDL 24可以提供对阴极催化剂层12的机械保护免受阴极流场28的影响。

应当理解，尽管图1中的仅一个燃料电池10包括用于阴极催化剂层12、阳极催化剂层14、质子交换膜16、膜电极组件(MEA)18、阴极室19、阴极板20、阳极室21、阳极板22、冷却剂室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还可以包括多个流体歧管31A、31B，该多个流体歧管31A，31B沿着燃料电池10的一系列堆叠的阴极板20和阳极板22所限定的纵轴5延伸。流体歧管31A、31B可以被配置为用于向每个燃料电池10的MEA 18供给燃料(例如，氢)和氧化剂(例如，氧)并且从每个燃料电池的MEA 18排出反应产物(例如，未反应的燃料、未反应的氧化剂、以及水)。流体歧管31A，31B还可以被配置为用于通过冷却剂室23供给和排出冷却剂流体。通过流体歧管31A、31B、阴极室19、阳极室21和冷却剂室23的流动方向可能发生变化。例如，在一些实施例中，通过歧管和隔室的流动可以并行，而在其他实施例中，一个或多个流动路径可以逆向。例如，在一些实施例中，通过阳极室21的燃料流动可以与通过阴极室19的氧化剂流动逆向。流体歧管31A、31B可以经由通路和端口流体连接到MEA 18。特定歧管、通路和端口在本文中可以通过“供给”或“排出”以及“入口”或“出口”来标识，但是应当理解，这些标号可以基于流动方向来确定，而流动方向可能会切换。改变流动方向可能会改变这些标号。

图2示出了相邻燃料电池10的各个部分的局部分解侧视图。例如，图2示出了一个燃料电池10的MEA 18、GDL 24和阳极板22以及相邻燃料电池10的阴极板20、阴极流场、MEA18和GDL 24。相邻MEA 18与阳极板22之间可以形成有阳极室21。相邻阳极板22与阴极板20之间可以形成有冷却剂室23。相邻阴极板20与MEA18之间可以形成有阴极室19，该阴极室19可以包含阴极流场28。如图2所示，燃料电池10可以包括流体歧管31A、31B，其还可以称为上流体歧管和下流体歧管。流体歧管31A，31B可以沿着纵轴延伸。

图3至图5示出了根据一个说明性实施例的燃料、氧化剂和冷却流体通过燃料电池10的流动路径。但是应当理解，对于其他实施例，可以例如通过反转流动方向来切换一个或多个流动路径的方向。图3示出了通过燃料电池10的MEA18的阳极侧循环的燃料的流动路径，图4示出了通过燃料电池10的MEA18的阴极侧循环的氧化剂的流动路径，并且图5示出了在相邻燃料电池10之间循环的冷却剂流体的流动路径。

现在，参考图3，第一流体歧管31A可以包括至少一个阳极供给歧管32，该至少一个阳极供给歧管32可以将燃料流体连接到阳极室21并引导该燃料通过至少一个阳极入口端口36通过至少一个阳极入口通路34进入阳极室21。来自阳极室21的燃料(例如，未反应的燃料)可以从阳极室21引导通过至少一个阳极出口端口38通过至少一个阳极出口通路40进入至少一个阳极排出歧管42。阳极入口通路34和阳极出口通路40可以位于相邻燃料电池10的阳极板22和阴极板20之间。如图3所示，阳极入口通路34和阳极出口通路40的周边以及阳极供给歧管32和阳极排出歧管42的周边通过表面垫圈43密封。

如图4所示，第二流体歧管31B可以包括至少一个阴极供给歧管44，至少一个阴极供给歧管44可以将氧化剂流体连接到阴极室19并引导氧化剂通过至少一个阴极入口端口48通过至少一个阴极入口通路46进入阴极室19。来自阴极室19的氧化剂可以从阴极室19引导通过至少一个阴极出口端口50通过至少一个阴极出口通路52进入至少一个阴极排出歧管54。阴极入口通路46和阴极出口通路52可以位于相邻燃料电池10的阳极板22和阴极板20之间。如图4所示，阴极入口通路46和阴极出口通路52的周边以及阴极供给歧管44和阴极排出歧管54的周边可以通过表面垫圈43密封。

如图5所示，第二流体歧管31B可以包括至少一个冷却剂供给歧管56，至少一个冷却剂供给歧管56可以将冷却剂流体流体连接到冷却剂室23内的冷却剂流场86并引导冷却剂流体通过至少一个冷却剂入口通路58到达冷却剂室23内的冷却剂流场86。如在本文中所进一步描述的，在冷却剂室23内，冷却剂流体可以通过包括由阳极板22限定的多个冷却剂通道的冷却剂流场86在阳极板22与阴极板20之间流动。相邻燃料电池10所生成的热量可以传递到冷却剂流体并且通过循环冷却剂流体从燃料电池10中除去。来自冷却剂室23的冷却剂流体可以引导通过至少一个冷却剂出口通路60进入至少一个冷却剂排出歧管62。冷却剂入口通路58和冷却剂出口通路60可以位于相邻燃料电池10的阳极板22和阴极板20之间。如图5所示，冷却剂入口通路58和冷却剂出口通路60的周边以及冷却剂供给歧管56和冷却剂排出歧管62的周边可以通过表面垫圈43密封。

图6A是根据示例性实施例的阴极流场28的正视图。图6A中可见的一侧是被配置为面向相邻阴极板20的一侧(例如，参见图2)。阴极流场28可以包括多孔结构，特别是具有多孔三维网络结构的多孔金属泡沫结构。在一些实施例中，多孔结构可以选自筛网、膨胀金属网和/或三维成形的穿孔金属片。在一些实施例中，多孔结构可以由选自不锈钢、NiCr、NiSnCr和钛的材料制成。多孔结构可以为具有两个相对表面的片状。在一些实施例中，多孔金属泡沫结构的平均孔径可以为约50μm至约500μm。在一些实施例中，多孔金属泡沫结构的平均孔径可以为约100μm。阴极流场28可以包括凹入多孔金属泡沫结构的面向阴极板20的表面中的第一阴极分布通道90和第二阴极分布通道92。阴极流场28的厚度可以为约0.2mm至约1.5mm，并且第一阴极分布通道90和/或第二阴极分布通道92可以凹入阴极流场中的深度介于厚度的约10％至约75％之间。

通常，第一阴极分布通道90可以沿着阴极流场28的底部边缘从阴极流场28的一侧延伸到另一侧。通常，第二阴极分布通道92可以沿着阴极流场28的顶部边缘从阴极流场28的一侧延伸到另一侧。当阴极流场28与阴极板20相邻定位时，阴极入口端口48可以与第一阴极分布通道90对齐，而阴极出口端口50可以与第二阴极分布通道92对齐。

阴极流场28可以包括在整个第一阴极分布通道90和/或第二阴极分布通道92中形成的多个支撑特征94。支撑特征94可以大体上为圆柱形、凹坑形或其他合适的形状。一个或多个支撑特征94的高度可以约等于第一阴极分布通道90和/或第二阴极分布通道92的凹入深度。第一阴极分布通道90、第二阴极分布通道92和支撑特征94可以通过冲压、辊压或以其他方式使形成阴极流场28的多孔金属泡沫结构塑性变形来形成。

第一阴极分布通道90和第二阴极分布通道92可以被配置为通过提供氧化剂在流入多孔金属泡沫结构的孔之前沿着其流动的开放流动路径来促进氧化剂沿着阴极流场28的宽度的均匀流动分布。支撑特征94可以被配置为在机械压缩期间以及在操作期间提供足够的支撑，以当通过防止或减少阴极板20的变形或挠曲进入第一阴极分布通道90和第二阴极分布通道92而压缩燃料电池10时，维持第一阴极分布通道90和第二阴极分布通道92所提供的开放流动路径。

图6B、图6C和图6F是阴极流场28′、28″、28″′的其他实施例的正视图。在一些实施例中，可以在燃料电池10中利用阴极流场28′、28″、28″′代替阴极流场28。阴极流场28′、28″、28″′可以包括如本文中所描述的阴极流场28的所有特征以及如下文所描述的其他功能。图6B、图6C和图6F中可见的一侧可以是被配置为面向相邻阴极板20的一侧或被配置为面向相邻MEA18的一侧。

阴极流场28′、28″可以包括多个供给(或第一)通道101和多个排出(或第二)通道102。供给通道101和排出通道102可以被冲压、切割、模制或以其他方式形成在面向阴极板20的表面上的阴极流场28′中。如图6B和图6C所示，供给通道101可以开始于第一阴极分布通道90并且与之流体连通，并且朝向第二阴极分布通道92延伸。排出通道102可以终止于第二阴极分布通道92并与之流体连通，并且朝向第一阴极分布通道90延伸。如图6B所示，供给通道101和排出通道102可以相互交错，使得排出通道102可以位于相邻供给通道101之间。在一些实施例中，供给通道101和排出通道102基本上不会阻碍流体流动，以使得能够改善氧化剂分布。在一些实施例中，供给通道101和排出通道102可以包括类似于在第一阴极分布通道90和第二阴极分布通道92中发现的凹坑94的凹坑(未示出)。

应当设想，在某些实施例中，多个供给通道101和排出通道102可以具有不同的布置、形状和/或横截面面积。例如，在图6B中，供给通道101和排出通道102的宽度可以沿着阴极流场28′的长度发生变化。在图6B中，供给通道101在第一阴极分布通道90处或附近开始变宽，并且朝向第二阴极分布通道92延伸开始变窄到一点，而排出通道在一点处开始，并且朝向第二阴极分布通道92延伸变宽。在一些实施例中，如图6B所示，供给通道101的远端除了点之外可以是平坦的。同样，在一些实施例中，如图6B所示，排出通道102的近端除了点之外可以是平坦的。通过这种布置，供给通道101和排出通道102之间没有直接的流体连通。相反，第一阴极分布通道90分布到供给通道101的氧化剂可以流过多个供给通道101，并且迫使其扩散通过阴极流场28′的多孔结构到达相邻排出通道102。

图6C示出了用于阴极流场28″的供给通道101和排出通道102的另一布置，其中供给通道101和排出通道102的宽度沿着阴极流场28″的长度保持约相同。尽管供给通道101和排出通道102的宽度保持约相同，但供给通道101和排出通道102的深度可以沿着阴极流场28″的长度发生变化。例如，图6D示出了沿着通过供给通道101的横截面AA的阴极流场28″的横截面。如图6D所示，供给通道101可以在第一阴极分布通道90处或附近开始最深(即，最大深度fd₁)，并且朝向第二阴极分布通道92延伸的深度可以减小。如图6D所示，深度可以以恒定比率(例如，线性地)减小，或者在一些实施例中，深度可以以可变比率(例如，非线性地、指数地)减小。如图6D所示，供给通道101可以以最小深度(fd₂)在远端处平坦终止。在其他实施例中，供给通道101可以在最小深度fd₂为0的情况下终止于远端。

图6E示出了沿着通过排出通道102的横截面BB的阴极流场28″的横截面。如图6E所示，排放通道102可以在第一阴极分布通道90处或附近开始最浅(即，最小深度dd₁)，并且朝向第二阴极分布通道92延伸的深度可以增加。排放通道102可以在第二阴极分布通道92处或附近最深(即，最大深度dd₂)。如图6E所示，深度可以以恒定比率(例如，线性地)增加，或在一些实施例中，深度可以以可变比率(例如，非线性地、指数地)增加。如图6E所示，排出通道102可以以最小深度(dd₁)在近端处开始变平。在其他实施例中，排出通道101可以在最小深度dd₁为零的情况下开始于近端。

通过变化供给通道101和排出通道102的宽度(例如，参见图6B)或深度(例如，参见图6C至图6E)，可用于氧化剂沿着阴极流场28′、28″流动的横截面面积可以发生变化(例如，排出通道102的增加或供给通道101的减小)。沿着阴极流场28′、28″的长度，供给通道101和排出通道102中的可用流动面积的增加或减少可以被配置为与已经从供给通道101扩散到多孔结构中并且从多孔结构扩散到排出通道102中的氧化剂的体积相对应，使得氧化剂沿着供给通道101和排出通道102的流动速率保持约恒定。换句话说，供给通道101的横截面面积减小的比率等于氧化剂从供给通道101流出并且扩散到多孔结构中的比率，使得氧化剂的速率保持约恒定。同样，排出通道102的横截面面积的增加比率可以等于氧化剂从多孔结构流出进入排出通道102中的比率，使得氧化剂的速度保持约恒定。在一些实施例中，供给通道101和排出通道102的宽度和深度都可以发生变化。例如，在一些实施例中，除了图6C之外，图6D和图6E还可以表示图6B的横截面。

如图6B和图6C所示，供给通道101和排出通道102之间可以形成有分离段，其可以被称为肩台段104。供给通道101和排出通道102之间的肩台段104的厚度可以是固定的，或在一些实施例中，厚度可以发生变化。例如，最接近第一阴极分布通道90(例如，供给通道101的近端与排出通道的远端之间)的厚度可以最大，并且朝向第二阴极分布通道92的厚度可以减小。在其他实施例中，最靠近第一阴极分布通道90的厚度可以最小，并且朝向第二阴极分布通道92的厚度可以增加。在其他实施例中，肩台段104的厚度可以在第一阴极分布通道90与第二阴极分布通道92之间的中途最大或最小。

在一些实施例中，可以在肩台段104中的阴极流场28′，28″中形成多个微通道106。可以沿着肩台段104的整个长度或仅沿其一部分形成微通道106。微通道106可以被配置为将供给通道101与排出通道102流体连接，以便与阴极流场28′、28″所提供的多孔网络相比较，产生氧化剂的优选流动路径。对于这些实施例，与扩散结合或除了扩散之外，氧化剂可以从供给通道101流过微通道到达排出通道102。微通道106的尺寸和间隔可以被设计为使得提供可用于否则被阴极流场28′、28″的肩台段遮盖的大多数催化剂部位的氧化剂。

供给通道101和排出通道102的数目可以基于一个或多个不同参数来调整，该一个或多个不同参数包括例如阴极流场28′、28″的宽度、供给通道101的宽度、排出通道102的宽度、燃料电池10的应用、氧化剂的预期操作压力或设计操作压力、氧化剂的预期操作流动比率或设计操作流动比率、燃料电池10的预期功率输出或设计功率输出、或这些参数的任何组合。

阴极流场28′、28″可能具有若干种益处。例如，供给通道101和排出通道102提供了氧化剂可以流过的较大的横截面面积，与其他多孔流场结构相比较，这可以减小多孔流场两端的压降。另外，微通道还可以向供给通道101和排出通道102提供增加的横截面面积，氧化剂气体可以通过该横截面面积在供给通道101和排出通道102之间流动，这可以进一步减小多孔流场两端的压降。通过减小压降，可以减少增压氧化剂所需的能量数量(例如，鼓风机功率)，从而又可以提高燃料电池10的整体性能和效率(例如，提高功率密度并且减少寄生负载)。另外，阴极流场28′、28″的特征可以使新鲜的氧化剂更均匀地分布在多孔流场内，以便增加阴极流场的出口附近(例如，供给通道101、排出通道102和微通道)的氧气浓度。这可以使进入氧化剂流动保持例如富氧，直到该流动通过多孔体分布为止，这可以产生更好的电池电压和可能更高的电流密度。

如图6F所示，阴极流场可以包括形成(例如，压制、压花或切割)到阴极流场28″′的表面中的多个通道110。多个通道110可以包括第一通道集合110A，其从第一阴极分布通道90开始并且向第二阴极分布通道92延伸到约中途。第一通道集合110A被配置为使得新鲜氧化剂(例如，尚未消耗掉)直接流向阴极流场28″′的后半部分，其中氧化剂通常具有较低的氧气浓度。第一通道集合110A的尺寸可以被设计为使得它们位于肩台的顶部上。其他通道110可以被配置为减小总压降并且方便混合和/或均匀分布。对于一些实施例，用于阴极流场28″′的原料可能具有不均匀性，其可能导致不均匀的压降和流动特性。通道110被设计为通过使得压降和流动特点能够更均匀来帮助解决该问题。第一通道集合110A还帮助降低了流速，因此降低了活性区域的前缘处的流动速率，其又减少了该区域中水分的除去，从而在干燥条件下提供了更好的操作和性能。这也有助于平衡沿着阴极流场28″′的流动路径的湿度和氧气浓度分布，其作为电化学反应的结果，平衡了整个活性区域的电流和温度分布。这提高了燃料电池和堆的耐久性和可靠性。在一些实施例中，第一通道集合110A可以与燃料电池的阳极侧或冷却剂侧上的任何流动通道相对定位，以避免高速率效应相长干涉的可能性并且增加电池潜在干燥的风险。

构成阴极流场28的多孔结构可以包括一种或多种金属和/或合金。例如，多孔结构可以包括至少镍(Ni)和铬(Cr)(例如，NiCr)或镍、锡(Sn)、以及铬(例如，NiSnCr)的组合。对于多孔结构的NiCr实施例，铬的质量浓度范围可以为约20％至约40％，而剩余余量可以为镍，其为约60％至约80％。对于多孔结构的NiSnCr实施例，铬的浓度范围可以为约3％至约6％，锡的浓度范围可以为约10％至约20％，而余量可以为镍，其为约74％至约87％。

在一些实施例中，多孔结构的至少一个表面可以包括质量的约3％至质量的约50％的铬浓度。例如，形成阴极流场28的多孔结构的一个或两个表面的铬浓度范围可以为质量的约3％至质量的约50％、质量的约5％至质量的约40％、或质量的约7％至质量的约40％。增加多孔金属体的表面的铬浓度可能是有利的，因为它增加了酸性环境中多孔结构的耐腐蚀性。例如，当形成阴极流场的多孔结构的至少一个表面的铬浓度范围为质量的约3％至质量的约50％时，包括多孔结构的双极板的阴极在基本为酸性的环境中可以具有抗腐蚀性。如本文中所描述的，多孔结构所提供的改进的耐腐蚀性可以有利地使得阴极板能够由未涂覆的不锈钢形成，而非由由于其耐腐蚀性而传统上已经使用的涂覆的不锈钢形成。

在一些实施例中，多孔结构的一个表面的铬浓度可以高于多孔结构的另一表面的铬浓度。在这种情况下，有利地，铬浓度较高的表面的耐腐蚀性更好。铬浓度较高的表面可以被布置为面向MEA 18。在一些实施例中，多孔结构的耐腐蚀性更好的表面的铬浓度的范围可以为质量的约3％至质量的约50％，而金属多孔结构的耐腐蚀性较低的表面的铬浓度可以小于质量的约3％。

本文中所描述的多孔结构的各种实施例可以通过一种或多种电镀工艺形成。例如，在一些实施例中，树脂成型体最初可以用作三维网络结构的基板。树脂成型体可以包括聚氨酯、三聚氰胺、聚丙烯、聚乙烯等中的一种或多种。树脂成型体在其三维网络结构中可以包括孔。在一些实施例中，树脂成型体的孔隙率的范围可以为约80％至约98％，并且孔径可以为约50μm至约500μm。在一些实施例中，树脂成型体的厚度可以为约150μm至约5000μm、约200μm至2000μm、或约300μm至约1200μm。

为了形成多孔结构，金属层可以镀覆到树脂成型体上。对于多孔结构的NiCr实施例，例如，镍层和铬层可以镀覆到树脂成型体上。对于多孔结构的NiSnCr实施例，例如，镍层、锡层和铬层可以镀覆到树脂成型体上。可以对树脂成型体进行导电处理，诸如化学镀覆(自动催化镀覆)、气相沉积、溅射和/或施加导电金属(例如，镍颗粒、锡颗粒和/或碳颗粒)。然后，镍层和/或锡层可以电镀覆在三维结构的表面或经处理的树脂成型体的骨架上。例如，当树脂成型体涂覆有导电层时，随后可以通过电镀工艺在树脂成型体的骨架上形成镍层。在形成镍层之后，可以随后通过另一电镀工艺在树脂成型体的骨架上形成锡层。可替代地，当树脂模制体涂覆有导电层时，可以首先电镀锡层，然后电镀镍层。在一些实施例中，化学气相沉积可以用于将铬添加到基本上为镍的结构中。例如，在一些实施例中，铬可以经由化学气相沉积以质量的约15％至质量的约50％的浓度添加到基本上为镍的结构中。

在一些实施例中，在一个或多个金属层镀覆到树脂成型体的骨架(诸如镍层和/或锡层)上之后，可以通过电镀工艺添加铬层。在一些实施例中，可以形成镀铬层，使得多孔结构的至少一个表面的铬浓度的范围为质量的约3％至质量的约50％。在镀覆了镀铬层之后或在镀覆了镀镍层和/或镀锡层之后，可以通过热处理除去初始树脂成型体来形成多孔结构。例如，可以在惰性气氛或还原气氛中在约900℃至约1300℃的温度下加热多孔结构。

关于图7，描绘了根据本公开的示例性实施例的电化学电池堆组件11，该电化学电池堆组件11可以包括多个电化学电池。按照出现次序，可以沿着纵轴5布置的是第一端112、第一电化学电池116、与第一电化学燃料电池120相邻定位的第二电化学电池、一个或多个电化学电池124、与最后一个电化学电池118相邻定位的第三电化学电池122、以及相对端114。如上文所描述的，图7中所描述的多个电化学电池(例如，电池116、118、120、122和124)中的每个电化学电池可以包括阴极催化剂层12、阳极催化剂层14、质子交换膜16、阴极气体扩散层24、以及阳极扩散层28，所有它们共同构成膜电极组件18。电化学电池中的每个电化学电池还可以包括阴极流场28、阴极板20、以及阳极板22。电化学电池堆组件11内的电化学电池中的一个或多个电化学电池的阴极流场28可以是多孔结构，并且每个多孔结构可以平均孔径，并且电化学电池堆组件11内的多个电化学电池一起可以具有平均孔径。

在一些实施例中，第一电化学电池116的多孔结构的平均孔径可以大于多个电化学电池的多孔结构的平均孔径。在一些实施例中，第一电化学电池116的多孔结构的平均孔径可以比多个电化学电池的多孔结构的平均孔径大约5％至约50％。

在一些实施例中，第一电化学电池116的多孔结构的的流动阻力小于多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力。在一些实施例中，第一电化学电池116的多孔结构的流动阻力可以比多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力小约5％至约50％。在一些实施例中，第一电化学电池116的多孔结构的流动阻力可以比多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力小约5％、6％、7％、8％、9％、10％、15％、20％、25％、30％、40％或50％。例如，在一些实施例中，可以采用具有例如相互交错的通道的阴极流场来实现小于平均的流动阻力，该相互交错的通道导致诸如阴极流场28'、28”或28”'之类的多孔流场内的氧化剂压降减小，如图6B至图6F所示。

在一些实施例中，与第一电化学电池116相邻定位的第二电化学电池120的多孔结构的平均孔径可以与多个电化学电池的多孔结构的平均孔径约相同。在一些实施例中，第二电化学电池120的多孔结构的平均孔径可以大于多个电化学电池的多孔结构的平均孔径。在一些实施例中，第二电化学电池120的多孔结构的平均孔径可以大于多个电化学电池的多孔结构的平均孔径，但小于第一电化学电池的多孔结构的平均孔径。在一些实施例中，第二电化学电池120的多孔结构的平均孔径可以比多个电化学电池的多孔结构的平均孔径大约5％至约50％。

在一些实施例中，第二电化学电池120的多孔结构的流动阻力可以小于多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力。在一些实施例中，第二电化学电池120的多孔结构的流动阻力可以小于多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力，但大于第一电化学电池116的多孔结构的流动阻力。在一些实施例中，第二电化学电池120的多孔结构的流动阻力可以比多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力小约5％至约50％。在一些实施例中，第二电化学电池120的多孔结构的流动阻力可以比多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力小约5％、6％、7％、8％、9％、10％、15％、20％、25％、30％、40％或50％。例如，在一些实施例中，可以采用具有例如相互交错的通道的阴极流场来获得小于平均的流动阻力，该阴极流场导致诸如阴极流场28'，28”或28”'之类的多孔流场内的氧化剂压降减小，如图6B至图6F所示。

在一些实施例中，最后一个电化学电池118的多孔结构的平均孔径与多个电化学电池的多孔结构的平均孔径约相同。在一些实施例中，最后一个电化学电池118的多孔结构的平均孔径可以大于多个电化学电池的多孔结构的平均孔径。在一些实施例中，最后一个电化学电池118的多孔结构的平均孔径与第一电化学电池116和/或第二电化学电池120的多孔结构的平均孔径约相同。在一些实施例中，最后一个电化学电池单元118的多孔结构的平均孔径可以比多个电化学电池单元的多孔结构的平均孔径大约5％至约50％。

在一些实施例中，最后一个电化学电池118的多孔结构的流动阻力可以小于多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力。在一些实施例中，最后一个电化学电池单元118的多孔结构的流动阻力可以比多个电化学电池单元的多孔结构的平均流动阻力小约5％至约50％。在一些实施例中，最后一个电化学电池118的多孔结构的流动阻力可以比多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力小约5％、6％、7％、8％、9％、10％、15％、20％、25％、30％、40％或50％。例如，在一些实施例中，可以采用具有例如相互交错的通道的阴极流场来获得小于平均的流动阻力，该阴极流场导致诸如阴极流场28'、28”或28”'之类的多孔流场内的氧化剂压降减小，如图6B至图6F所示。

在一些实施例中，第三电化学电池122的多孔结构的平均孔径可以与多个电化学电池的多孔结构的平均孔径约相同。在一些实施例中，第三电化学电池122的多孔结构的平均孔径可以大于多个电化学电池的多孔结构的平均孔径。在一些实施例中，第三电化学电池122的多孔结构的平均孔径可以大于多个电化学电池的多孔结构的平均孔径，但小于最后一个电化学电池的多孔结构的平均孔径。在一些实施例中，第三电化学电池122的多孔结构的平均孔径可以比多个电化学电池的多孔结构的平均孔径大约5％至约50％。

在一些实施例中，第三电化学电池122的多孔结构的流动阻力可以小于多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力。在一些实施例中，第三电化学电池122的多孔结构的流动阻力可以小于多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力，但大于最后一个电化学电池122的多孔结构的流动阻力。在一些实施例中，第三电化学电池122的多孔结构的流动阻力可以比多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力小约5％至约20％。在一些实施例中，第三电化学电池122的多孔结构的流动阻力可以比多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力小约5％、6％、7％、8％、9％、10％、15％、20％、25％、30％、40％或50％。例如，在一些实施例中，可以采用具有例如相互交错的通道的阴极流场来获得小于平均的流动阻力，该阴极流场导致诸如阴极流场28'、28”或28”'之类的多孔流场内的氧化剂压降减小，如图6B至图6F所示。

增加多个电池(例如，第一电化学电池116、第二电化学电池120、第三电化学电池122和/或最后一个电化学电池118)中的一个或多个电池的多孔结构的平均孔径可能导致这些多孔结构内的流动阻力比多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力小约5％至约20％。流动阻力的这种差异继而可以导致通过用于反应气体(例如，氧气)的这些多孔结构的流动路径更加有利，这可以导致更高的流动速率。通过多个电池(例如，第一电化学电池116、第二电化学电池120、第三电化学电池122和/或最后一个电化学电池118)中的一个或多个电池的较高反应气体流动速率可以有利地防止发生由于其位于堆组件11的端部处而降低其操作温度导致充满这些电池或使其概率最小。防止发生充满这些电池或使其概率最小可以整体提高这些电化学电池和电化学电池堆的稳定性并延长其使用寿命。

本领域普通技术人员应当领会，本文中所描述的平均孔径和流动阻力的差异仅是示例性的，并且可以基于针对电化学电池堆而设计的特定应用进行优化。例如，要求高电流密度的应用可能要求端部电池中的流动阻力较低，以提供更多流动，因为更高的电流密度可能会导致端部电化学电池与其间的多个电化学电池之间的温度差更大，从而导致充满概率更高。附加地，本领域的普通技术人员应当认识到，图7中所描述的电化学电池堆组件11仅是示例性的，并且在多个电化学电池内可以存在平均孔径大于多个电化学电池的多孔结构的平均孔径且流动阻力小于多个电化学电池的平均流动阻力的其他电化学电池。

示例1：测量电化学电池流动阻力。

组装好的电化学燃料电池可以经由阴极供给歧管连接到反应气体(例如，氧气)。可以启动、增加并测量氧气流动，以模拟电化学电池在典型的电化学电池堆组件中经受的流动速率。可以使用例如压力计来测量例如阴极供给歧管和阴极排出歧管处的压力，并且供给和排出处的压力差可以向电池提供阴极流场的多孔结构。然后，所测量的压降与所测量的流动速率的比例表示操作中期望来自电池的流动阻力。

出于说明的目的已经给出了前面的描述。它并非是穷举的，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，实施例的修改、改编和其他应用将是显而易见的。例如，所描述的燃料电池10的实施例可以适于与多种电化学电池一起使用。例如，尽管本公开主要集中于具有阳极通道流场和阴极多孔流场的燃料电池，但是应当设想，这些特征中的一些特征可以用于利用阳极流场和阴极流场的燃料电池或利用阳极多孔流场和阴极多孔流场的燃料电池。同样，本文中所描述的电池和电化学堆的布置仅仅是示例性的，并且可以应用于一系列其他燃料电池配置。

此外，虽然本文已经描述了说明性实施例，但是范围包括基于本公开的具有等同要素、修改、省略、组合(例如，各个实施例的各方面)、改编和/或变更的任何和所有实施例。权利要求中的要素应当基于权利要求中所采用的语言来广义地解释，并且不限于本说明书中或在本申请的追诉期间描述的示例，这些示例应当理解为非排他性的。进一步地，可以以任何方式修改所公开的方法的步骤，其包括对步骤进行重新排序和/或插入或删除步骤。

根据详细的说明书，本公开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的真实精神和范围内的所有电池和电池堆。如本文中所使用的，不定冠词“一”和“一个”意指“一个或多个”。同样，除非在上下文中明确给出，否则使用复数术语不一定表示复数。除非另有明确指示，否则诸如“和”或“或”之类的词意指“和/或”。进一步地，由于根据本公开内容的研究，容易想到许多修改和变型，所以不希望将本公开内容限制为示出和描述的确切构造和操作，因而，可以采用落入本公开的范围之内的所有合适的修改和等同物。

在整个说明书中，术语“大体上平行”和“大体上垂直”可以用于描述一个或多个部件相对于轴线、平面或其他部件的布置。当将布置描述为“大体上平行”或“大体上垂直”时，可以容许的平行和垂直的偏移程度可能发生变化。可允许偏移可以是例如小于约20度的偏移，诸如小于约10度的偏移、小于约5度的偏移、小于约3度的偏移、小于约2度的偏移、以及小于约1度的偏移。

如本文中所使用的，术语“约”用于修改数值高于或低于所述值20％、10％、5％或1％的变化。在一些实施例中，术语“约”用于修改数值高于或低于所述值10％的变化。在一些实施例中，术语“约”用于修改数值高于或低于所述值5％的变化。在一些实施例中，术语“约”用于修改数值高于或低于所述值1％的变化。

如本文中所使用的，术语“相邻”和“与...相邻”可互换使用，并且将两个或更多个对象的相对位置描述为紧挨或邻接。例如，在一些实施例中，如果在电化学电池燃料堆中，两个电化学燃料电池被描述为“相邻”或“彼此相邻”，则这应当理解为意指所述电化学燃料电池堆之间没有电化学燃料电池。

如本文中所使用的，术语“燃料电池”和“电化学燃料电池”及其多个变体可以互换使用，并且应当理解为含义相同。

通过考虑本文中的本公开的说明书和实践，本公开的其他实施例对于本领域技术人员而言将是显而易见的。说明书和示例旨在仅被认为是示例性的，其中本公开的真实范围和精神由所附权利要求指示。

Claims (33)

1.一种电化学电池堆，包括：

沿着纵轴堆叠的多个电化学电池，每个电化学电池包括：

膜电极组件，膜电极组件包括阴极催化剂层、阳极催化剂层以及插置于阴极催化剂层与阳极催化剂层之间的聚合物膜；

阳极板和阴极板，阳极板与阴极板之间插置有膜电极组件；以及

阴极流场，阴极流场位于阴极板与阴极催化剂层之间，其中阴极流场包括多孔结构，多孔结构具有多个孔，多个孔具有平均孔径；

其中多个电化学电池包括第一电化学电池，第一电化学电池位于堆的第一端处；

其中第一电化学电池的多孔结构的平均孔径大于多个电化学电池的多孔结构的平均孔径；以及

其中第一电化学电池的多孔结构的流动阻力小于多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力。

2.根据权利要求1所述的电化学电池堆，其中第一电化学电池的多孔结构的平均孔径比多个电化学电池的多孔结构的平均孔径大5％至50％。

3.根据权利要求1或2所述的电化学电池堆，其中第一电化学电池的多孔结构的流动阻力比多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力小5％至50％。

4.根据权利要求3所述的电化学电池堆，其中第一电化学电池的多孔结构的流动阻力比多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力小15％。

5.根据权利要求1所述的电化学电池堆，其中多个电化学电池包括最后一个电化学电池，最后一个电化学电池位于堆的与第一电化学电池相对的一端处，其中最后一个电化学电池的多孔结构的平均孔径大于多个电化学电池的多孔结构的平均孔径。

6.根据权利要求5所述的电化学电池堆，其中最后一个电化学电池的多孔结构的平均孔径比多个电化学电池的多孔结构的平均孔径大5％至50％。

7.根据权利要求5所述的电化学电池堆，其中最后一个电化学电池的多孔结构的流动阻力比多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力小5％至50％。

8.根据权利要求7所述的电化学电池堆，其中最后一个电化学电池的多孔结构的流动阻力比多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力小15％。

9.根据权利要求1所述的电化学电池堆，其中多个电化学电池包括第二电化学电池，第二电化学电池与第一电化学电池相邻定位，其中与第一电化学电池相邻定位的第二电化学电池的多孔结构的平均孔径大于多个电化学电池的多孔结构的平均孔径。

10.根据权利要求9所述的电化学电池堆，其中第二电化学电池的多孔结构的平均孔径比多个电化学电池的多孔结构的平均孔径大5％至50％。

11.根据权利要求9所述的电化学电池堆，其中第二电化学电池的多孔结构的流动阻力比多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力小5％至50％。

12.根据权利要求11所述的电化学电池堆，其中最后一个电化学电池的多孔结构的流动阻力比多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力小15％。

13.根据权利要求1所述的电化学电池堆，其中多个电化学电池包括第三电化学电池，第三电化学电池与最后一个电化学电池相邻定位，其中与最后一个电化学电池相邻定位的第三电化学电池的多孔结构的平均孔径大于多个电化学电池的多孔结构的平均孔径。

14.根据权利要求13所述的电化学电池堆，其中第三电化学电池的多孔结构的平均孔径比多个电化学电池的多孔结构的平均孔径大5％至50％。

15.根据权利要求13所述的电化学电池堆，其中第三电化学电池的多孔结构的流动阻力比多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力小5％至50％。

16.根据权利要求15所述的电化学电池堆，其中第三电化学电池的多孔结构的流动阻力比多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力小5％。

17.根据权利要求1所述的电化学电池堆，其中多个电化学电池中的至少一个电化学电池的多孔结构包括镍和铬。

18.根据权利要求17所述的电化学电池堆，其中镍浓度的范围为质量的60质量％至质量的80％，而铬浓度的范围为质量的20％至质量的40％。

19.根据权利要求17所述的电化学电池堆，其中至少一个电化学电池的多孔结构的第一表面的铬浓度高于相对的第二表面的铬浓度。

20.根据权利要求19所述的电化学电池堆，其中第一表面的铬浓度的范围为质量的3％至质量的50％。

21.根据权利要求20所述的电化学电池堆，其中相对的第二表面的铬浓度小于质量的3％。

22.根据权利要求17所述的电化学电池堆，其中铬浓度的范围为3％至6％，而镍浓度的范围为74％至87％。

23.根据权利要求22所述的电化学电池堆，还包括锡。

24.根据权利要求23所述的电化学电池堆，其中锡浓度的范围为质量的10％至质量的20％。

25.根据权利要求1所述的电化学电池堆，其中多孔结构具有多个相互交错的供给通道和多个相互交错的排出通道，多个相互交错的供给通道和多个相互交错的排出通道被冲压到面向阴极板的多孔结构的表面中，其中供给通道开始于第一阴极分布通道并与之流体连通，并且朝向第二阴极分布通道延伸，而排出通道终止于第二阴极分布通道处并与之流体连通，并且朝向第一阴极分布通道延伸。

26.根据权利要求25所述的电化学电池堆，其中供给通道和排出通道的宽度和/或深度沿着多孔结构的长度发生变化。

27.根据权利要求26所述的电化学电池堆，其中供给通道的宽度朝向第二阴极分布通道远离第一阴极分布通道延伸而变小，而排出通道的宽度朝向第二阴极分布通道远离第一阴极分布通道延伸而变大。

28.根据权利要求26所述的电化学电池堆，其中供给通道的深度朝向第二阴极分布通道从第一阴极分布通道延伸而减小，而排出通道的深度朝向第二阴极分布通道从第一阴极分布通道延伸而增大。

29.根据权利要求26所述的电化学电池堆，其中供给通道的横截面面积朝向第二阴极分布通道远离第一阴极分布通道延伸而减小，而排出通道的横截面面积朝向第二阴极分布通道远离第一阴极分布通道延伸而增大。

30.根据权利要求29所述的电化学电池堆，其中供给通道的横截面面积以等于氧化剂从供给通道流出并扩散到多孔结构中的速率的速率减小，而排出通道以等于氧化剂从多孔结构流出到排放通道中的速率的速率增加，从而使氧化剂通过供给通道和排出通道的速度维持恒定。

31.根据权利要求25所述的电化学电池堆，其中多孔结构包括供给通道和排出通道之间形成的一个或多个肩台段，其中肩台段的厚度沿着多孔金属泡沫结构的长度发生变化。

32.一种电化学电池堆，包括：

多个电化学电池，每个电化学电池包括：

膜电极组件，膜电极组件包括阴极催化剂层、阳极催化剂层以及插置于阴极催化剂层与阳极催化剂层之间的聚合物膜；

阳极板和阴极板，阳极板与阴极板之间插置有膜电极组件，其中阳极板限定多个通道，多个通道形成面向阳极催化剂层的阳极流场；以及

阴极流场，阴极流场位于阴极板与阴极催化剂层之间，其中阴极流场包括多孔结构；

其中形成阳极流场的多个通道大体上为正方形的波纹状通道，多个通道包括通向阳极侧的阳极通道，阳极通道被配置为引导燃料流动跨过阳极催化剂层，多个通道还包括通向反侧的冷却剂通道，冷却剂通道被配置为引导冷却液流动；

其中多个电化学电池包括第一电化学电池，第一电化学电池位于电化学电池堆的第一端处；

其中第一电化学电池的多孔结构的平均孔径大于多个电化学电池的多孔结构的平均孔径；以及

其中第一电化学电池的多孔结构的流动阻力小于多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力。

33.根据权利要求32所述的电化学电池堆，其中冷却剂通道各自具有冷却剂通道宽度A，而阳极通道各自具有阳极通道宽度B，并且冷却剂通道宽度A与阳极通道宽度B的比例大于1且小于6。