CN114930589A - 具有用于平行流动的外部歧管的燃料电池组件 - Google Patents

Abstract

提供了一种燃料电池单体，其包括构造成能接收阳极工艺气体并允许阳极工艺气体通过的阳极、构造成能接收阴极工艺气体并允许阴极工艺气体通过的阴极、以及将阳极和阴极分隔开的电解质基质层。阳极和阴极中的一者具有伸出的边缘密封室，并且所述燃料电池单体构造成能在相对于彼此大致垂直的方向上接收阳极工艺气体和阴极工艺气体，并且伸出的边缘密封室构造成允许阳极工艺气体和阴极工艺气体以大致平行的流动路径通过阳极和阴极。

Description

具有用于平行流动的外部歧管的燃料电池组件

技术领域

本申请总体上涉及燃料电池组件领域，并且更具体地涉及具有外部歧管的燃料电池组件，所述外部歧管提供沿平行方向流动的阳极和阴极进料气体。

背景技术

传统的燃料电池堆组件可以由多个燃料电池单体形成，每个燃料电池单体都具有通过电解质层分隔开的阳极层和阴极层。多个燃料电池单体可以被布置成形成燃料电池堆。每个阳极层包括阳极入口(即，燃料电池堆的一个端面)和相对的阳极出口(即，燃料电池堆的相对端面)，并且阳极进料气体沿第一方向从阳极入口穿过阳极层到达阳极出口。类似地，每个阴极层都包括阴极入口(即，堆的另一个端面)和相对的阴极出口(即，堆的相对端面)，并且阴极进料气体沿垂直于第一方向的第二方向从阴极入口穿过阴极层到达阴极出口。阳极进料气体和阴极进料气体的垂直流动在燃料电池单体内产生电流的二维分布。例如，(由于增加的气体浓度)电流可能在靠近阳极入口和阴极入口两者的拐角处最高并且电流(由于降低的电化学活性)可能在靠近阳极出口和阴极出口的拐角处最低。然后，电流的二维分布在第一方向和第二方向上都发生变化，从而难以优化阳极和阴极进料气体的流动以减少流经每个燃料电池单体的电流的变化。

标准的垂直流动或交叉流动构型会跨电池单体表面产生二维电流，进而引发二维热梯度。由于不同的热膨胀，这种热梯度——其中一个拐角的温度比流场的平均温度低，而另一个拐角的温度比流场的平均温度高——在许多电池单体被堆叠时是有问题的。热拐角/侧面比冷拐角/侧面变长得更多，从而导致堆变形、倾斜和弯曲，因为各电池单体不再是平面的。这种变形也会带来接触损耗，并改变电池单体在不同区域上的局部压缩量。堆越高，这种效应就越明显。提供一种燃料电池组件将是有利的，该燃料电池组件提供沿平行方向流动的阳极进料气体和阴极进料气体，以便提供电流的一维分布并因此提供一维温度梯度。如果实现的话，堆内的电池单体将大致保持平坦，从而实现更好的接触、更可预测的运动，并减少维持均匀的堆压缩的挑战。

发明内容

根据本发明，提供了一种燃料电池堆，其包括多个燃料电池单体，所述燃料电池单体具有通过电解质基质层分隔开的阳极和阴极，并且所述阳极和阴极中的一者具有伸出的边缘密封室，所述伸出的边缘密封室构造成在运行期间当阳极工艺气体和阴极工艺气体沿相对于彼此基本上垂直的方向提供给燃料电池堆时，这些工艺气体能大致平行地流过燃料电池单体。

根据本发明的一个实施例，提供了一种用于燃料电池堆中的燃料电池单体，其中该燃料电池单体具有：第一层，该第一层具有构造成能接收和输出第一工艺气体的活性区域；第二层，该第二层构造成能接收和输出第二工艺气体；以及将第一层和第二层分隔开的电解质基质层。第一层包括从堆端面以悬臂方式向外延伸超出位于燃料电池单体的相对两侧的活性区域的边缘密封室(伸出的边缘密封室)。伸出的边缘密封室构造成能接收在相对于燃料电池堆的第一方向上提供给燃料电池堆的第一工艺气体，并且在大致垂直于第一方向并且与第二工艺气体大致平行的第二方向上将第一工艺气体输出到活性区域。活性区域构造成允许第一工艺气体与第二工艺气体发生反应。活性区域内的两种气体大致彼此平行地流动。

在另一方面，第二层构造成能在与第二方向大致平行的方向上接收和输出第二工艺气体。

在另一方面，第一层包括转向表面，该转向表面构造成能接收第一工艺气体并将第一工艺气体转向至伸出的边缘密封室中。

根据本发明的另一实施例，提供了一种用于燃料电池堆中的燃料电池单体，其中该燃料电池单体具有：阳极层，该阳极层具有构造成能接收和输出阳极工艺气体的阳极活性区域；阴极层，该阴极层构造成能接收和输出阴极工艺气体；以及将阳极层和阴极层分隔开的电解质基质层。阳极层包括在燃料电池单体的第一侧延伸离开阳极活性区域的第一伸出的边缘密封室。该第一伸出的边缘密封室构造成能接收在相对于燃料电池堆的第一方向上提供给燃料电池堆的阳极工艺气体，并且在大致垂直于第一方向的第二方向上将阳极工艺气体输出到阳极活性区域。阳极活性区域构造成允许阳极工艺气体与阴极工艺气体发生反应。

在另一方面，燃料电池单体包括在所述燃料电池单体的与所述第一侧相对的一侧延伸离开所述阳极活性区域的第二伸出的边缘密封室，其中所述第二伸出的边缘密封室构造成能在所述第二方向上接收所述阳极工艺气体并且将所述阳极工艺气体转向到相对于所述燃料电池堆的第一方向上。

在另一方面，阴极层构造成能在大致平行于第二方向的方向上接收阴极工艺气体。

在另一方面，阴极层构造成能在大致平行于第二方向的方向上输出阴极工艺气体。

在另一方面，阳极层包括第一转向表面，该第一转向表面构造成能在第一方向上接收阳极工艺气体并将阳极工艺气体重新定向成朝向第一伸出的边缘密封室。

在另一方面，阳极层包括第二转向表面，该第二转向表面构造成能接收来自第二伸出的边缘密封室的阳极工艺气体并将该阳极工艺气体重新定向到第一方向上。

附图说明

图1是燃料电池单体的示意图。

图2是传统燃料电池堆的透视图。

图3是根据一个示例性实施例的燃料电池堆的透视图。

图4A是根据一个示例性实施例的燃料电池组件的俯视平面图。

图4B是根据另一示例性实施例的燃料电池组件的俯视平面图。

图4C是图4A中示出的燃料电池组件的阴极层的俯视平面图。

图4D是图4A中示出的燃料电池组件的阳极层的俯视平面图。

图5示出了具有双极板的常规燃料电池组件中的电流分布，该双极板提供垂直于阴极进料气流的阳极进料气流。

图6示出了具有双极板的燃料电池组件中的电流分布，该双极板提供与阴极进料气流平行的阳极进料气流。

具体实施方式

图1示出了燃料电池单体1的示意图。燃料电池单体1包括电解质基质2、阳极3和阴极4。阳极3和阴极4通过基质2彼此分隔开。氧化剂(例如空气或来自燃烧排气供应单元的排气)被输送到阴极4。燃料气体(例如，碳氢化合物气体)被输送到阳极3。在燃料电池单体1中，在阴极中，呈CO3＝离子形式的CO2和O2从阴极转向到阳极，燃料气体和氧化剂气体在电解质基质2的孔隙中存在的电解质(例如碳酸盐电解质)的作用下发生电化学反应。

参照图2，传统的燃料电池堆10包括多个燃料电池单体11，每个燃料电池单体都具有阳极层12(包括未示出的阳极电极和阳极流动室/集流器)和阴极层14(包括未示出的阴极电极和阴极流动室/集流器)，其中燃料电池单体彼此上下堆叠。燃料电池堆10包括构造成能接收阳极进料气体的阳极入口侧(或堆端面)16和构造成能在阳极排气已通过阳极层12之后输出阳极排气的对向的阳极出口侧(或堆端面)18。阳极进料气体可以经由密封地抵靠阳极入口堆端面16的外部歧管(阳极入口歧管)116提供。出于参考目的，图2中示出的外部歧管已从燃料电池堆10移开。更清楚地说，在运行期间，外部歧管(例如，阳极入口歧管116)将密封地抵靠相应的燃料电池堆端面。阳极排气可由密封地抵靠阳极出口堆端面18的另一外部歧管(阳极出口歧管118)接收。燃料电池堆10还包括构造成能接收阴极进料气体的阴极入口侧(或堆端面)20和构造成能在阴极排气已通过阴极层14之后输出阴极排气的对向的阴极出口侧(或堆端面)22。阴极进料气体可以经由密封地抵靠阴极入口堆端面20的外部歧管(阴极入口歧管120)提供。阴极排气可由密封地抵靠阴极出口堆端面22的另一外部歧管(阴极出口歧管122)接收。在一些实施例中，四个堆端面中的至少三个可以具有密封地抵靠每个堆端面的外部歧管。例如，电池堆可容纳在密封壳体(例如，模块)中，并且阳极入口侧、阳极出口侧和阴极入口侧可以用外部歧管密封。本示例中的阴极出口侧可以通向密封的壳体。

在图2所示的燃料电池堆10中，阳极进料气体沿大致线性的方向从阳极入口堆端面16经每个阳极层12流到阳极出口堆端面18。(如本文所提及的，“大致线性的”是指大部分体积的气体沿特定方向流动)。类似地，阴极进料气体沿大致线性的方向从阴极入口堆端面20经阴极层14流到阴极出口堆端面22。阳极和阴极进料气体在它们位于堆内时大致彼此垂直地流动(即，大部分体积的阳极进料气体沿第一方向流动，大部分体积的阴极进料气体沿大致垂直于第一方向的第二方向流动)(也称为“交叉流动”)。正因为如此，电流密度可能在燃料电池堆10的靠近阳极入口侧16与阴极入口侧20的交汇处(区域I)的拐角处最高，并且在阳极进料气流和阴极进料气流中的每一者通过燃料电池组件11的方向上非线性地变化。因此，将阳极进料气体和阴极进料气体在堆内相对于彼此重新定向以使得阳极和阴极流以大致平行的配置通过燃料电池堆10(也称为“平行流动”、“并流”或“逆流”)将是有利的。

本发明允许两种工艺气体混合物在四面燃料电池堆内大致平行地流动，其中两种工艺气体混合物在彼此大致垂直的方向上供应和从堆中去除。换句话说，本发明允许燃料电池堆内大致平行的流动，而不会显著改变如关于图2所述的进出燃料电池堆(即，具有外部歧管)的工艺气体输送。

现在参照图3，燃料电池堆200示出了阳极进料气体如何通过燃料电池堆200的拐角以被重新定向成大致平行于阴极进料气体，并且阳极排气再次被重新定向以大致垂直于阴极排气输出。(为了便于参考，标有“A”的箭头代表阳极工艺气体的流动路径，标有“C”的箭头代表阴极工艺气体的流动路径)。燃料电池堆200包括多个燃料电池组件211，每个燃料电池组件都具有阳极层208和阴极层210，其中燃料电池单体彼此上下堆叠并通过钢隔板(steal separator sheet)(例如，双极板)彼此隔开。注意，最顶部的燃料电池组件211的顶面已被移除以显示该燃料电池组件内的流动路径。应当理解，除了阳极电极的多孔活性区域(阳极活性区域)213之外，每个燃料电池组件211的阳极层208另外是具有单个入口(下面讨论的部分阳极入口216)和单个出口(下面讨论的部分阳极出口218)的密封室。如本文所用，“活性区域”是燃料电池层(阳极、阴极)上的区域，该区域构造成允许工艺气体中的分子选择性扩散以扩散通过其中，即进料气体在活性区域中发生电化学反应。换句话说，燃料电池单体的阳极和阴极两者的前缘和后缘都具有狭窄的非活性区域，其对应于燃料电池单体上方和下方的相邻电池单体之间的湿密封件。进料气体通过湿密封件而不发生电化学反应。燃料电池单体的其余区域——其与阳极和阴极层两者重叠且为两者所共有——受到电化学活性的影响并且被称为“活性区域”。类似地，除了多孔活性阴极电极(未示出)之外，每个燃料电池组件211的阴极层210另外是具有阴极入口226和阴极出口228的密封室。应进一步注意，燃料电池组件211的侧壁部分已被移除以显示通过最顶部燃料电池组件211的阴极层的流动路径(以及直接在最顶部燃料电池组件211下方的燃料电池组件211的阳极层和阴极层的流动路径)。还应进一步注意，可参考对应于最顶部燃料电池组件211的列举特征，但此类列举特征可适用于包括在燃料电池堆200中的其它燃料电池组件211。

应当注意，本文描述的燃料电池组件211包括通过电解质基质层分隔的阳极层208和阴极层210，并且钢隔板形成燃料电池组件的上表面和下表面。然而，在其它实施例中，第一燃料电池组件可包括通过钢隔板分隔的阳极层208和阴极层210，并且阳极形成第一表面(例如，上表面)，而阴极形成第二表面(例如，下表面)。当第二燃料电池组件(具有与第一燃料电池组件相同的部件)堆叠在第一燃料电池组件的顶部或下方并且两个燃料电池组件通过电解质基质层分隔时，形成了单一功能的燃料电池单元。换句话说，当第一燃料电池组件的阴极与电解质基质连通时形成了单个燃料电池单元，所述电解质基质与第二燃料电池组件的阳极连通。

尽管图3示出了三个燃料电池组件211，但本发明不限于此，并且燃料电池堆可以包括更多或更少的燃料电池组件。每个燃料电池组件211都包括两个伸出的边缘密封室236、246，即位于燃料电池组件的第一侧的第一伸出的边缘密封室236(例如，上游伸出的边缘密封室)和位于燃料电池组件的相对侧的第二伸出的边缘密封室246(例如，下游伸出的边缘密封室)。如图3所示，伸出的边缘密封室从堆端面以悬臂方式向外延伸超出燃料电池单体的相对两侧上的活性区域。

与图2中描绘的燃料电池堆10一样，(图3中的)燃料电池堆200包括阳极入口侧(或堆端面)212和大致平行于阳极入口侧212的相对的阳极出口侧(或堆端面)214。然而，与燃料电池堆10的包括用于供阳极进料气体进入每个燃料电池单体的大致开放的端面/入口的阳极入口堆端面16不同，阳极入口堆端面212不是这样开放的，并且每个燃料电池组件211都包括第一部分密封件212a和部分阳极入口216。在一个示例性实施例中，外部歧管密封抵靠阳极入口堆端面212(未示出)，并且在外部歧管(未示出)中提供的阳极进料气体经由部分阳极入口216进入燃料电池的阳极区段。类似地，与燃料电池堆10的包括用于供阳极排气离开每个燃料电池单体的大致开放的端面/出口(未示出)的阳极出口堆端面18不同，阳极出口堆端面214不是这样开放的，并且每个燃料电池组件211都包括第二部分密封件214a和部分阳极出口218。

在燃料电池堆200的运行期间，每个阳极层208都构造成能在燃料电池堆200的阳极入口侧212处例如经由外部歧管(未示出)从阳极进料气体供应源(即源)接收阳极进料气体，并且在阳极进料气体已在燃料电池堆200中与阴极进料气体反应之后，例如经由另一外部歧管(未示出)在燃料电池堆200的阳极出口侧214处输出阳极排气。具体地，每个阳极层208都在阳极层208的上游部分处包括仅形成在阳极入口侧212的一部分中的部分阳极入口216(即，阳极入口开口)。每个阳极层208都在阳极层208的下游部分处进一步包括仅形成在阳极出口侧214的一部分中的部分阳极出口218(即，阳极出口开口)。

燃料电池堆200还包括阴极入口侧(或堆端面)222和大致平行于阴极入口侧222的对向的阴极出口侧(或堆端面)224。在一些实施例中，阴极层210在结构上与图2中描绘的燃料电池堆10的阴极层14类似，并且与其类似地运行。换句话说，在一些实施例中，阴极进料气体可从阴极入口堆端面222经阴极层210沿大致线性的方向流到阴极出口堆端面224。如图3所示，应当了解，第一伸出的边缘密封室236(在阳极层208处)悬伸在阴极入口226上方。此外，多个第一伸出的边缘密封室236沿着阴极入口堆端面22形成一系列悬臂式突伸部。类似地，多个第二伸出的边缘密封室246沿着阴极出口堆端面224形成一系列悬臂式突伸部。

在燃料电池堆200的运行期间，每个阴极层210都构造成能在燃料电池堆200的阴极入口侧222处例如经由外部歧管(未示出)从阴极进料气体供应源(即，源)接收阴极进料气体，并且在阴极进料气体已经在燃料电池堆200中与阳极进料气体反应之后，在燃料电池堆200的阴极出口侧224处例如经由外部歧管(未示出)输出阴极排气。具体地，每个阴极层210都包括在阴极层210的上游部分处形成在阴极入口侧222中的阴极入口226(即，阴极入口开口)。每个阴极层210都在阴极层210的下游部分处进一步包括形成在阴极出口侧224中的阴极出口228(即，阴极出口开口)。根据一个示例性实施例，阴极入口226和阴极出口228可以大致沿阴极层210的整个宽度延伸，不过根据另一些示例性实施例，阴极入口226和/或阴极出口228可以仅沿着阴极层210的一部分宽度延伸。

如图3所示，沿着通过燃料电池单体和燃料电池堆的大致平行的流动路径，阳极进料气体被供应到阳极层208并且阳极排气从阳极层208输出。例如，阳极进料气体从阳极入口歧管(未示出)沿着大致垂直于阳极入口堆端面212的流线供应到阳极层208。经部分阳极入口216供应的阳极进料气体由阳极入口转向器(转向表面)252重新定向而通过第一伸出的边缘密封室236并返回到燃料电池组件211的阳极活性区域213中，成为与阴极进料气体流大致平行的流，然后进入第二伸出的边缘密封室246，然后经部分阳极出口218输出。应当了解，利用阳极出口转向器(另一转向表面)266的第一侧将行进通过活性阳极区段的一部分阳极气体重新定向成进入第二伸出的边缘密封室246中并且可利用阳极出口转向器266的第二侧将行进通过第二伸出的边缘密封室246的阳极气体重新定向成通过部分阳极出口218。

在上述构型中，阳极排气被转向到大致垂直于燃料电池堆200的阳极出口堆端面214流动的流线中。如图3进一步所示，阴极入口堆端面222和阴极出口堆端面224大致垂直于燃料电池堆200的阳极入口堆端面212和阳极出口堆端面214。在此构型中，沿着彼此大致平行的流动路径，阴极进料气体被供应到阴极层210并且阴极排气从阴极层210输出。例如，阴极进料气体沿着大致垂直于阴极入口堆端面222的流线流动并且阴极排气沿着大致垂直于阴极出口堆端面224的流线流动。根据一个示例性实施例，通过阴极层210的阴极进料气流在其反应并转化为阴极排气时沿着大致线性的流线在阴极入口226与阴极出口228之间流动。

尽管图3中图示的第一和第二伸出的边缘密封室236、246具有延伸离开阳极活性区域的由一个长侧壁、两个较短侧壁、一个顶面和一个底面界定的梯形覆盖区，但是应当了解，本发明不限于此。第一伸出的边缘密封室236可具有围出这样的腔室的任何尺寸或任何形状，该腔室能够接收经由部分阳极入口216供应并由阳极入口转向器252重新定向的阳极工艺气体并将该阳极工艺气体经阳极活性区域入口272提供给阳极活性区域213。类似地，第二伸出的边缘密封室246可具有围出这样的腔室的任何尺寸或任何形状，该腔室能够接收经由阳极活性区域出口274供应的阳极工艺气体并经部分阳极出口218(经由阳极出口转向器266的重新定向)提供阳极工艺气体。

如图3所示，阳极入口转向器252相对于燃料电池堆200的阳极入口侧212和阴极入口侧222中的每一者成非垂直角度延伸。而且，如图3所示，阳极入口转向器252以直线方式从阳极入口侧212朝向阴极入口侧222延伸。然而，阳极入口转向器252可以是弯曲的(凹形或凸形)或任何其它形状，只要它将经部分阳极入口216供应的阳极工艺气体重新定向到第一伸出的边缘密封室236中即可。阳极入口转向器252沿着阳极层208的大致整个高度竖直地延伸，使得阳极进料气体不会在阳极入口转向器252上方或下方进入阳极层208的其余部分。

类似地，阳极出口转向器266相对于燃料电池堆200的阳极出口侧214和阴极出口侧224中的每一者成非垂直角度延伸。尽管图3中描绘的阳极入口转向器252以直线方式从阳极出口侧214朝向阴极出口侧224延伸，但是阳极入口转向器252可以是弯曲的(凹形或凸形)或任何其它形状，只要它将经第二伸出的边缘密封室236进给的阳极工艺气体重新定向通过部分阳极出口218即可。阳极出口转向器266沿着阳极层208的大致整个高度竖直延伸，使得阳极工艺气体不会在阳极出口转向器252上方或下方通过。

返回参照图2，应当了解，当工艺气体流过燃料电池单体时，该气体的组分将随着它行进穿过燃料电池单体并与燃料电池单体中的另一种工艺气体反应而改变。照此，流过(图2中的)燃料电池堆10的阳极工艺气体的组分随着它从堆的阳极入口侧16行进到阳极出口侧18而改变。然而，进入燃料电池堆10的阴极工艺气体的组分沿着阴极层14的宽度(从燃料电池堆10的阳极入口侧16到阳极出口侧18测量)均匀地分布。相反，在图3所示的实施例的运行期间，阳极工艺气体经活性阳极入口272而不是跨越燃料电池堆200的阳极入口侧212的开口(如图2所示)进入阳极活性区域213。与(图2中的)燃料电池堆10一样，阴极工艺气体以沿着阴极层210的整个宽度(从燃料电池堆200的阳极入口侧212到阳极出口侧214测量)大致均匀的流动分布(在阴极入口侧222处)进入燃料电池堆200。因此，进入阳极活性区域213的阳极工艺气体的组分和进入阴极层210的阴极工艺气体的组分在燃料电池堆200的整个宽度(从燃料电池堆200的阳极入口侧212到阳极出口侧214测量)上是大致均匀的。如下面将讨论的，以大致平行的方式(沿着阴极入口的宽度)进入堆内的工艺气体的均匀组分分布使得电流密度在阴极入口跨度上的分布更均匀，而不是靠近堆10的阳极入口侧16和阴极入口侧20(图2的区域I)的电流密度较高而远离入口的电流密度较低。

图4A是燃料电池堆200的俯视平面图，其中(最顶部的燃料电池组件211的)阳极层208的顶面被移除以显示(a)阳极进料气体从第一伸出的边缘密封室236进入阳极活性区域213，和(b)阳极排气从阳极活性区域213进入第二伸出的边缘密封室246。阳极工艺气体(其作为阳极进料气体进入并作为阳极排气离开)以大致线性的方式平行于通过燃料电池组件211的阴极层210的阴极工艺气流流过阳极活性区域。如上所述，这种流动布置可以被描述为并流。

图4B描绘了沿逆流方向通过燃料电池组件的阳极工艺气流。图4B是燃料电池堆300的俯视平面图，其中(最顶部的燃料电池组件311的)阳极层308的顶部表面被移除。类似于燃料电池堆200和燃料电池组件211，阳极工艺气体从阳极入口侧进入燃料电池堆300/燃料电池组件311，该阳极入口侧垂直于阴极工艺气体进入的一侧，阳极工艺气体离开与阳极入口侧相对的一侧并且阴极工艺气体离开与阴极入口侧相对的一侧。阳极工艺气体经由部分阳极入口316进入燃料电池组件311的阳极入口侧，该部分阳极入口316类似于(用于燃料电池组件211的)部分阳极入口216。然而，部分阳极入口316靠近燃料电池堆300的阳极入口侧和阴极出口侧之间的堆拐角。而(用于燃料电池组件211的)部分阳极入口216靠近燃料电池堆200的阳极入口侧和阴极入口侧之间的堆拐角。在进入燃料电池组件311之后，阳极工艺气体被重新定向(通过阳极入口转向器352)至第一伸出的边缘密封室326(位于燃料电池组件311的阴极出口侧)并进一步重新定向到阳极活性区域313中。反应的阳极工艺气体离开阳极活性区域313并进入第二伸出的边缘密封室346，并且被重新定向成朝向阳极出口转向器366和阳极部分出口318。在这种构型中，阳极工艺气体沿与穿过燃料电池组件311的阴极层的阴极工艺气体大致平行但相反的方向穿过阳极活性区域313。

在任一流动构型(并流或逆流)中，阳极进料气体和阴极进料气体中的每一者在从阳极入口侧到阳极出口侧的方向上横向跨越燃料电池堆大致均匀地分布，从而提供跨燃料电池堆(从阴极入口到阴极出口测量)的电流密度的一维分布。

应当理解，图4A中所描绘的并流构型和图4B中所描绘的逆流构型可以采用与文中关于燃料电池堆10(在图2中示出)所述相同的外部歧管布置。或者，可以通过重新安排阳极工艺气体通过燃料电池堆的方向(例如，将阳极入口歧管与阳极出口歧管切换)或通过重新安排阴极工艺气体通过燃料电池堆的方向(例如，切换阴极入口歧管与阴极出口歧管)利用图4A的实施例实现逆流构型。

图4C是(燃料电池组件211的)阴极层210的俯视平面图，其中阴极电极被移除以显示阴极活性区域2113。在运行期间，阴极工艺气体从阴极入口侧到阴极出口侧以大致线性的路径穿过阴极活性区域2113。第一阴极边缘密封件2115防止阴极工艺气体进入燃料电池组件211的阳极入口侧，例如阳极入口歧管(未示出)。第二阴极边缘密封件2117防止阴极工艺气体进入燃料电池组件211的阳极出口侧，例如阳极出口歧管(未示出)。

图4D是(燃料电池组件211的)阳极层208的俯视平面图，其中顶部表面的主要部分覆盖阳极活性区域313和伸出的边缘密封室236、246。在运行期间，如上文详细描述的，阳极工艺气体进入第一伸出的边缘密封室236并从(燃料电池组件211的)阴极入口侧到阴极出口侧以大致线性的路径穿过阳极活性区域313。当阳极工艺气体从部分阳极入口216行进到第一伸出的边缘密封室236和阳极活性区域313时，第一阳极边缘密封件3115防止阳极工艺气体进入燃料电池组件211的阴极入口侧，例如阴极入口歧管(未示出)。当阳极工艺气体从阳极活性区域313行进到第二伸出的边缘密封室246和阳极部分出口218时，第二阳极边缘密封件3117防止阳极工艺气体进入燃料电池组件211的阴极出口侧，例如阴极出口歧管(未示出)。

根据又一示例性实施例，应当理解，阴极层210可以以与阳极层208大致相同的方式并代替阳极层208构造，使得与阴极入口相关联的伸出的边缘密封室(例如，“阴极入口室”或第一伸出的边缘密封室236)设置在与阴极入口侧222相邻(并且垂直)的堆侧上并且构造成与阴极层210中的入口转向器配合以将其中的阴极进料气体重新定向成与直接在所述堆的阳极入口侧212处接收的阳极进料气体大致平行。类似地，与阴极出口相关联的伸出的边缘密封室(例如，“阴极出口室”或第二伸出的边缘密封室246)可以设置在与阴极入口室相对的堆侧上并且构造成与阴极层中的出口转向器配合以重新定向来自燃料电池堆200的阴极排气。

现在参照图5，示出了传统的燃料电池堆10上的电流密度的代表性分布，其中等值线代表相同值的电流密度的轮廓线。等值线501代表最高电流密度值，等值线502代表最低电流密度值。应当了解，501和502之间的中间等值线代表以规则间隔的中间电流密度值。在这种配置中，电流在靠近阳极入口侧16接触阴极入口侧20的拐角处(区域I)沿着阳极入口侧16具有最高密度。电流密度在从阳极入口侧16到阳极出口侧18的方向上非线性地下降。电流密度在从阴极入口侧20到阴极出口侧22的方向上也非线性地下降。这两个方向中的每一个方向上的电流密度的分布提供了二维电流分布，这使得燃料电池堆10难以优化。值得注意的是，即使燃料电池堆10的大部分能够被优化以使电流分布线性化，其中阳极入口侧16接触阴极出口侧22的拐角也会经历显著且突然的电流下降，这可能会破坏燃料电池堆10的性能。

现在参照图6，示出了根据一个示例性实施例的燃料电池堆200中的电流密度分布，其中等值线示出了相同值的电流密度的轮廓线。类似于图5，等值线501代表最高电流密度值，等值线502代表最低电流密度值。应当了解，501和502之间的中间等值线代表以规则间隔的中间电流密度值。这种配置可以显示当阳极进料气体和阴极进料气体两者在燃料电池堆200中从阴极入口侧222流向阴极出口侧224时的电流密度。阳极进料气体和阴极进料气体的大致平行的流动提供了在垂直于流动方向的横向方向测定的大致恒定的电流密度。例如，燃料电池堆200中任何给定点处的电流密度可以大致相同地在从阳极入口侧212直接朝向阳极出口侧214的方向上移动。

图5和6中描绘的CFD模型代表传统的燃料电池堆10和根据一个示例性实施例的燃料电池堆200内的典型燃料电池单体的电流密度曲线，其中两个堆都在跨电池单体的相似的总热梯度下运行。根据图示，应当理解，燃料电池堆200跨电池单体具有更均匀和更可预测的电流梯度。另外，燃料电池堆200被预测在以跨燃料电池单体的相似的总热梯度运行时能够产生比传统的燃料电池堆10总体上更高的总电流。这是可能的，因为燃料电池堆200提供了最高浓度的阴极气体和阳极气体共有的长前缘界面，与两种反应物都处于它们的最高浓度的传统的燃料电池堆10中的单个拐角位置(区域I，参见图5中的501)相比产生了更大的高电流密度区域(靠近阴极入口侧222，参见图6中的501)。具体地，最高电流密度可以建立在阳极进料气体和阴极进料气体首先被引入到电解质基质的相对两侧并且电流密度随着进料气体反应并转化为排气而下降的位置处。形成电流密度的一维分布的阳极进料气体和阴极进料气体的大致平行的流动路径增加了燃料电池堆200中阳极进料气体和阴极进料气体初始反应的表面积，因为在燃料电池堆200中，进料气体在燃料电池堆200的阴极入口侧222的大致全部长度上反应，而不是仅在拐角处。

另外的实施例

实施例1.一种燃料电池单体，包括：构造成能接收阳极工艺气体并允许阳极工艺气体通过的阳极、构造成能接收阴极工艺气体并允许阴极工艺气体通过的阴极、将所述阳极和所述阴极分隔开的电解质基质层，其中所述阳极和所述阴极中的一者具有伸出的边缘密封室，其中，所述燃料电池单体构造成能在相对于彼此大致垂直的方向上接收所述阳极工艺气体和所述阴极工艺气体，并且其中所述伸出的边缘密封室构造成允许所述阳极工艺气体和所述阴极工艺气体以大致平行的流动路径通过所述阳极和所述阴极。

实施例2.一种燃料电池堆，其包括燃料电池单体，所述燃料电池单体包括：具有构造成能接收和输出第一工艺气体的活性区域的第一层；构造成能接收和输出第二工艺气体的第二层；以及将所述第一层和所述第二层分隔开的电解质基质层，其中所述第一层包括在所述燃料电池单体的第一侧延伸离开所述活性区域的伸出的边缘密封室，其中所述伸出的边缘密封室构造成能在相对于所述燃料电池堆的第一方向上接收提供给所述燃料电池堆的第一工艺气体并且在大致垂直于所述第一方向的第二方向上将所述第一工艺气体输出到所述活性区域，并且其中所述活性区域构造成允许所述第一工艺气体与所述第二工艺气体发生反应。

实施例3.根据实施例2所述的燃料电池堆，其中，所述第二层构造成能在大致平行于所述第二方向的方向上接收和输出所述第二工艺气体。

实施例4.根据实施例2或3所述的燃料电池堆，其中，所述第一层包括转向表面，所述转向表面构造成能接收所述第一工艺气体并将所述第一工艺气体转向至所述伸出的边缘密封室。

实施例5.一种用于燃料电池堆中的燃料电池单体，所述燃料电池单体包括具有构造成能接收和输出阳极工艺气体的阳极活性区域的阳极层、构造成能接收和输出阴极工艺气体的阴极层以及将所述阳极层和所述阴极层分隔开的电解质基质层，其中，所述阳极层包括在所述燃料电池单体的第一侧延伸离开所述阳极活性区域的第一伸出的边缘密封室，其中所述第一伸出的边缘密封室构造成能在相对于所述燃料电池堆的第一方向上接收提供给所述燃料电池堆的阳极工艺气体，并且在大致垂直于所述第一方向的第二方向上将所述阳极工艺气体输出到所述阳极活性区域，并且其中所述阳极活性区域构造成能允许所述阳极工艺气体与所述阴极工艺气体发生反应。

实施例6.根据实施例5所述的燃料电池单体，其中，所述燃料电池单体还包括：在所述燃料电池单体的与所述第一侧相对的一侧延伸离开所述阳极活性区域的第二伸出的边缘密封室，其中所述第二伸出的边缘密封室构造成能在所述第二方向上接收所述阳极工艺气体并且将所述阳极工艺气体转向到相对于所述燃料电池堆的第一方向上。

实施例7.根据实施例5或6所述的燃料电池单体，其中，所述阴极层构造成能在大致平行于所述第二方向的方向上接收所述阴极工艺气体。

实施例8.根据实施例5-7中任一项所述的燃料电池单体，其中，所述阴极层构造成能在大致平行于所述第二方向的方向上输出所述阴极工艺气体。

实施例9.根据实施例5-8中任一项所述的燃料电池单体，其中，所述阳极层包括第一转向表面，所述第一转向表面构造成能在所述第一方向上接收所述阳极工艺气体并将所述阳极工艺气体重新定向成朝向所述第一伸出的边缘密封室。

实施例10.根据实施例5-9中任一项所述的燃料电池单体，其中，所述阳极层包括第二转向表面，所述第二转向表面构造成能接收来自所述第二伸出的边缘密封室的所述阳极工艺气体并且将所述阳极工艺气体重新定向成沿所述第一方向。

如文中所用，术语“大约”、“约”、“大致”和类似术语意在具有与本公开的主体所属领域的普通技术人员常见和接受的用法相一致的广泛含义。查阅本公开的本领域技术人员应当理解，这些术语意在允许对所描述和要求保护的某些特征进行描述，而不将这些特征的范围限制在所提供的精确数值范围内。因此，这些术语应被解释为表明对所描述和要求保护的主题的非实质性或无关紧要的修改或变更被认为处于如所附权利要求中所述的本公开的范围内。

应当注意，本文中用于描述各种实施例的术语“示例性”意在表明此类实施例是可能的实施例的可能的示例、表示和/或说明(并且这种术语并非意在暗示此类实施例必然是卓越或最高级的示例)。

如本文所用的术语“联接的”、“连接的”等是指两个构件直接或间接地彼此结合。这种结合可以是静止的(例如，永久的)或可移动的(例如，可移除的或可释放的)。这种结合可以通过两个构件或两个构件以及互相或与两个构件一体地形成为单个整体的任何另外的中间构件或两个构件和互相附接的任何另外的中间构件来实现。

本文对元件位置的引用(例如，“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”等)仅用于描述各种元件在附图中的取向。应当注意，根据另一些示例性实施例，各种元件的取向可以不同，并且此类变化旨在被本公开所涵盖。

应当理解，尽管已经针对其优选实施例对本发明进行了描述，但是本领域技术人员可以想到各种其它实施例和变型，它们在本发明的范围和精神内，并且此类其它实施例和变型旨在由相应的权利要求涵盖。本领域技术人员将容易了解，许多改型是可能的(例如，各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例、参数的值、安装布置、材料的使用、颜色、取向、制造工艺等)而不实质地脱离本文描述的主题的新颖教导和优点。例如，任何过程或方法步骤的次序或顺序均可以根据备选实施例改变或重新排序。也可在各种示例性实施例的设计、运行调节和布置中作出其它替代、修改、变更和省略而不脱离本发明的范围。

Claims (10)

1.一种燃料电池单体，包括：构造成能接收阳极工艺气体并允许所述阳极工艺气体通过的阳极；构造成能接收阴极工艺气体并允许所述阴极工艺气体通过的阴极；和将所述阳极和所述阴极分隔开的电解质基质层，其中所述阳极和所述阴极中的一者具有伸出的边缘密封室，其中，所述燃料电池单体构造成能在相对于彼此大致垂直的方向上接收所述阳极工艺气体和所述阴极工艺气体，并且其中所述伸出的边缘密封室构造成允许所述阳极工艺气体和所述阴极工艺气体以大致平行的流动路径通过所述阳极和所述阴极。

2.一种燃料电池堆，其包括燃料电池单体，所述燃料电池单体包括：具有构造成能接收和输出第一工艺气体的活性区域的第一层；构造成能接收和输出第二工艺气体的第二层；以及将所述第一层和所述第二层分隔开的电解质基质层，其中所述第一层包括在所述燃料电池单体的第一侧延伸离开所述活性区域的伸出的边缘密封室，其中所述伸出的边缘密封室构造成能在相对于所述燃料电池堆的第一方向上接收提供给所述燃料电池堆的第一工艺气体并且在大致垂直于所述第一方向的第二方向上将所述第一工艺气体输出到所述活性区域，并且其中所述活性区域构造成允许所述第一工艺气体与所述第二工艺气体发生反应。

3.根据权利要求2所述的燃料电池堆，其中，所述第二层构造成能在大致平行于所述第二方向的方向上接收和输出所述第二工艺气体。

4.根据权利要求3所述的燃料电池堆，其中，所述第一层包括转向表面，所述转向表面构造成能接收所述第一工艺气体并将所述第一工艺气体转向至所述伸出的边缘密封室。

5.一种用于燃料电池堆的燃料电池单体，所述燃料电池单体包括：具有构造成能接收和输出阳极工艺气体的阳极活性区域的阳极层；构造成能接收和输出阴极工艺气体的阴极层；以及将所述阳极层和所述阴极层分隔开的电解质基质层，其中，所述阳极层包括在所述燃料电池单体的第一侧延伸离开所述阳极活性区域的第一伸出的边缘密封室，其中所述第一伸出的边缘密封室构造成能在相对于所述燃料电池堆的第一方向上接收提供给所述燃料电池堆的阳极工艺气体，并且在大致垂直于所述第一方向的第二方向上将所述阳极工艺气体输出到所述阳极活性区域，并且其中所述阳极活性区域构造成允许所述阳极工艺气体与所述阴极工艺气体发生反应。

6.根据权利要求5所述的燃料电池单体，其中，所述燃料电池单体还包括：在所述燃料电池单体的与所述第一侧相对的一侧延伸离开所述阳极活性区域的第二伸出的边缘密封室，其中所述第二伸出的边缘密封室构造成能在所述第二方向上接收所述阳极工艺气体并且将所述阳极工艺气体转向到相对于所述燃料电池堆的第一方向上。

7.根据权利要求6所述的燃料电池单体，其中，所述阴极层构造成能在大致平行于所述第二方向的方向上接收所述阴极工艺气体。

8.根据权利要求7所述的燃料电池单体，其中，所述阴极层构造成能在大致平行于所述第二方向的方向上输出所述阴极工艺气体。

9.根据权利要求7所述的燃料电池单体，其中，所述阳极层包括第一转向表面，所述第一转向表面构造成能在所述第一方向上接收所述阳极工艺气体并将所述阳极工艺气体重新定向成朝向所述第一伸出的边缘密封室。

10.根据权利要求7所述的燃料电池单体，其中，所述阳极层包括第二转向表面，所述第二转向表面构造成能接收来自所述第二伸出的边缘密封室的所述阳极工艺气体并且将所述阳极工艺气体重新定向沿所述第一方向。

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