CN116420254A - 具有改进的接触压力分布的燃料电池组件 - Google Patents

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Abstract

本技术涉及用于在燃料电池堆中的燃料电池部件之间提供接触压力分布的设备和方法。在一些实施例中，该技术涉及燃料电池流场板设计和燃料电池堆的压缩系统，该压缩系统可以单独或组合使用，以在燃料电池堆中的燃料电池的有源区域上提供更均匀的接触压力分布。

Description

具有改进的接触压力分布的燃料电池组件
相关申请的交叉引用
本申请涉及序列号为63/110,379，申请日为2020年11月6日，标题为“Fuel CellAssemblies with Improved Contact Pressure Distribution(具有改进的接触压力分布的燃料电池组件)”的美国临时专利申请，并且要求其优先权。该美国临时专利申请的全部内容通过引用并入本文中。
技术领域
本技术涉及用于在燃料电池堆中的燃料电池部件之间提供有利的接触压力分布的设备和方法。特别地，该技术涉及燃料电池流场板设计和用于燃料电池堆的压缩系统，该压缩系统可以单独地或组合地使用，以至少在一些实施例中在燃料电池堆中的燃料电池的有源区域上提供更均匀的接触压力分布。
背景技术
固体聚合物燃料电池是一种电化学装置，其从燃料(如氢气和氧气)中产生电力和水。一种单独的固体聚合物燃料电池包括分离阳极和阴极的离子交换膜电解质，该阳极和阴极包括催化剂层。阳极-电解质-阴极通常设置于一对导电反应物流场板之间，这一对导电反应物流场板收集电流，促进燃料和氧化剂分别进入阳极和阴极催化剂层，并且被设置成去除在燃料电池操作期间形成的水。除了有助于将反应物分配到燃料电池电极并且去除堆叠中单个电池产生的水之外，流场板还有助于热管理(冷却)和电流收集。
流场板通常在其一个或两个主表面上包括一个或多个开口沟道。这些沟道通常在入口和出口之间延伸，尽管有时也使用其他布置，例如叉指形沟道。通常，多孔的、可压缩的流体分布层(在本文中称为气体扩散层(GDL))设置于流场板和相应的电极之间，并且反应物经由该多孔GDL从板中的沟道进入催化剂层。膜、阳极和阴极催化剂层以及一对GDL通常被组合以形成膜电极组件(MEA)，然后将膜电极组件放置在一对流场板之间以形成单独的燃料电池组件。
可以布置多个燃料电池组件以形成燃料电池堆。压缩组件通常用于将燃料电池保持在堆叠布置中，并且施加压缩力以在堆叠部件之间提供适当的接触，并且压缩密封件和/或垫圈，该密封件和/或垫圈用于防止流体从堆叠中或在阳极和阴极之间泄漏。
在常规燃料电池流场板中，在有源区域内，反应物沟道通常沿其长度具有恒定的宽度(和横截面积)。着落部是流场板上沟道(或沟道区段)之间的肋或区域，通常也具有恒定的宽度。对于具有直沟道的燃料电池和具有蛇形沟道的燃料电池通常都是这种情况。有时，在流场板上有一个过渡区域(例如，在入口和出口歧管开口之间，或入口端口和出口端口之间，以及流场的其余部分之间)。
改进的燃料电池(如美国专利No.7,838,769和美国专利No.10,686,199中描述的那些)可以具有带有反应物沟道的流场板，该反应物沟道具有沿着入口和出口之间的沟道长度的至少一部分变化的横截面积。与常规燃料电池流场相比，包含具有变化横截面积的反应物沟道的燃料电池可以提供数个优点，包括例如提供更均匀的电流密度，通过增加总电流密度来增强性能，和/或改善整个有源区域的水管理和反应物可用性。在一些具有流场板的燃料电池中，所述流场板具有反应物沟道，所述反应物沟道具有沿着入口和出口之间的沟道长度的至少一部分变化的横截面积，变化的是沟道宽度。
在设计燃料电池流场板时，沟道尺寸和沟道几何形状的选择可能是重要的。例如，沟道的间距、尺寸和几何形状以及沟道之间的着落部的尺寸和几何形状会影响燃料电池的性能和耐用性。着落部区域是流场板的表面上与相邻GDL接触的区域。这些着落部区域对于电流收集和热管理(例如，从燃料电池MEA到冷却剂的热传导，冷却剂通常与流场板的背面接触流动)可能是重要的。流场板的着落部区域和GDL之间的低接触压力可能是不希望的，因为它增加了这些部件之间的电接触电阻和热接触电阻。另一方面，着落部区域和GDL之间的高接触压力可以压缩并降低GDL的孔隙率，从而阻碍反应物通过GDL的进入和水的去除。它还可能损坏或导致GDL或MEA的机械故障，和/或导致GDL侵入到流动沟道中，这可能不利地增加沿着沟道的压降。因此，在选择施加到燃料电池堆中的燃料电池的压缩力时需要进行权衡，因为除其他外，它会影响着落部区域和GDL之间的接触压力。
发明内容
在一些实施例中，燃料电池组件包括至少一个单元电池，其中，该单元电池包括膜电极组件，该膜电极组件包括设置于第一电极和第二电极之间的质子交换膜。在一些实施例中，第一电极包括第一气体扩散层和第一催化剂层，并且第二电极包括第二气体扩散层和第二催化剂层。在一些实施例中，第一催化剂层和第二催化剂层限定单元电池的有源区域。在一些实施例中，单元电池还包括与第一气体扩散电极相邻的第一流场板和与第二电极相邻的第二流场板。在一些实施例中，第一流场板具有与第一气体扩散层相邻的第一表面，并且第一流场板包括形成在其第一表面中的多个第一沟道。第一沟道中相邻的沟道被着落部间隔开。
在燃料电池组件的一些实施例中，第一沟道具有第一沟道长度，以及沿着第一沟道长度的至少一部分变化的宽度。如果或当基本均匀的压缩力被施加到单元电池以将第一流场板和第二流场板推向彼此时，第一气体扩散层和第一流场板的着落部之间的接触压力在单元电池的有源区域上基本上是均匀的。在一些实施例中，当燃料电池组件处于非操作状态时，例如，在操作之前和/或当其未被加压和/或未被供应反应物时，第一气体扩散层和第一流场板的着落部之间的接触压力基本上是均匀的。在一些实施例中，在燃料电池组件操作以产生电力期间，例如当燃料电池被供应有反应物并且被连接到电负载时，第一气体扩散层和第一流场板的着落部之间的接触压力基本上是均匀的。
在燃料电池组件的第一方面的一些实施例中，着落部-沟道宽度比(LCWR)沿着第一沟道长度基本上是恒定的。在一些实施例中，第一流场板的第一表面上的着落面积分数(LAF)在单元电池的整个有源区域上基本上是均匀的。在一些实施例中，第二流场板具有与第二气体扩散层相邻的第一表面，并且第二流场板包括形成在其第一表面中的多个第二沟道。第二沟道中相邻的沟道被着落部间隔开，并且第二沟道具有第二沟道长度。在一些实施例中，第二沟道具有沿着第二沟道长度的至少一部分变化的宽度，并且当基本均匀的压缩力被施加到单元电池以将第一流场板和第二流场板推向彼此时，第二气体扩散层和第二流场板的着落部之间的接触压力在单元电池的有源区域上基本上是均匀的。
在燃料电池组件的第一方面的一些实施例中，第一沟道具有沿着第一沟道的整个长度变化的宽度。在一些实施例中，第一沟道具有在反应物流动方向上沿着第一沟道长度的至少一部分或沿着它们的整个长度减小的宽度。在一些实施例中，第一沟道具有根据自然指数函数在反应物流动方向上沿着第一沟道长度的至少一部分或沿着它们的整个长度减小的宽度。
在燃料电池组件的第一方面的一些实施例中，燃料电池组件包括燃料电池堆，燃料电池堆包括多个单元电池。
在燃料电池组件的第二方面中，第一沟道具有第一沟道长度，以及沿着第一沟道长度的至少一部分变化的宽度，并且燃料电池组件还包括压缩系统，该压缩系统将第一流场板和第二流场板推向彼此，并且在单元电池的有源区域上施加不均匀的压缩力，其中，第一气体扩散层和第一流场板的着落部之间的接触压力在单元电池的有源区域上基本上是均匀的。在一些实施例中，当燃料电池组件处于非操作状态时，例如，在操作之前和/或当其未被加压和/或未被供应反应物时，第一气体扩散层和第一流场板的着落部之间的接触压力基本上是均匀的。在一些实施例中，在燃料电池组件操作以产生电力期间，例如当燃料电池被供应有反应物并且被连接到电负载时，第一气体扩散层和第一流场板的着落部之间的接触压力基本上是均匀的。
在燃料电池组件的一些实施例中，着落部-沟道宽度比(LCWR)沿着第一沟道长度的至少一部分变化。在一些实施例中，在第一流场板的第一表面上的着落面积分数(LAF)在单元电池的整个有源区域上变化。在一些实施例中，第二流场板具有与第二气体扩散层相邻的第一表面，并且第二流场板包括形成在其第一表面中的多个第二沟道，第二沟道中相邻的沟道被着落部间隔开，第二沟道具有第二沟道长度，并且第二沟道具有沿着第二沟道长度的至少一部分变化的宽度，并且第二气体扩散层和第二流场板的着落部之间的接触压力在单元电池的整个有源区域上基本上是均匀的。
在燃料电池组件的一些实施例中，第一沟道具有沿着第一沟道的整个长度变化的宽度。在一些实施例中，第一沟道具有在反应物流动方向上沿着第一沟道长度的至少一部分或沿着它们的整个长度减小的宽度。在一些实施例中，第一沟道具有根据自然指数函数在反应物流动方向上沿着第一沟道长度的至少一部分或沿着它们的整个长度减小的宽度。
在燃料电池组件的一些实施例中，燃料电池组件包括燃料电池堆，该燃料电池堆包括多个单元电池。在一些这样的实施例中，压缩系统包括一对端板组件，燃料电池堆设置于它们之间，其中端板组件中的至少一个包括并排定位在燃料电池堆的一端处的多个板区段。在一些实施例中，多个板区段中的每个板区段可以包括具有不同的力-位移特性的弹簧组，板区段中的每个板区段及其相关联的弹簧组在燃料电池堆上施加不同的压缩力。在一些实施例中，压缩系统包括第一端板组件和第二端板组件以及并排定位并设置于第一端板组件和燃料电池堆之间的第一弹簧组件和第二弹簧组件，第一弹簧组件覆盖单元电池的有源区域的第一部分，并且第二弹簧组件覆盖单元电池的有源区域的第二部分，其中，第一弹簧组件具有与第二弹簧组件不同的力-位移特性。
在燃料电池组件的一些实施例中，燃料电池组件还包括压缩系统，该压缩系统将第一流场板和第二流场板推向彼此，并在燃料电池组件操作以产生电力期间在单元电池的有源区域上施加不均匀的压缩力，其中在燃料电池组件的操作期间，第一气体扩散层和第一流场板的着落部之间的接触压力在单元电池的有源区域上基本上是均匀的。不均匀的压缩力可以补偿接触压力的变化，例如由燃料电池的有源区域上的不均匀的反应物流压力引起的接触压力变化。
在燃料电池组件的一些实施例中，第一沟道具有沿着第一沟道的整个长度变化的宽度。在一些实施例中，第一沟道具有在反应物流动方向上沿着第一沟道长度的至少一部分或沿着它们的整个长度减小的宽度。在一些实施例中，第一沟道具有根据自然指数函数在反应物流动方向上沿着第一沟道长度的至少一部分或沿着它们的整个长度减小的宽度。
在燃料电池组件的一些实施例中，燃料电池组件包括燃料电池堆，该燃料电池堆包括多个单元电池。在一些这样的实施例中，压缩系统包括一对端板组件，燃料电池堆设置于它们之间，其中端板组件中的至少一个包括并排定位在燃料电池堆的一端处的多个板区段，其中，多个板区段中的每个板区段包括具有不同的力-位移特性的弹簧组，板区段中的每个及其相关联的弹簧组在燃料电池堆上施加不同的压缩力。在一些实施例中，多个板区段中的每个板区段可以包括具有不同的力-位移特性的弹簧组，板区段中的每个及其相关联的弹簧组在燃料电池堆上施加不同的压缩力。在一些实施例中，压缩系统包括第一端板组件和第二端板组件以及并排定位并设置于第一端板组件和燃料电池堆之间的第一弹簧组件和第二弹簧组件，第一弹簧组件覆盖单元电池的有源区域的第一部分，并且第二弹簧组件覆盖单元电池的有源区域的第二部分，其中，第一弹簧组件具有与所述第二弹簧组件不同的力-位移特性。
在燃料电池组件的一些实施例中，燃料电池有源区域是非矩形的。在一些这样的实施例中，有源区域是梯形的。
一种用于在固体聚合物燃料电池组件操作以产生电力期间减少燃料电池组件中的部件之间的接触压力变化的方法，该方法可以包括：在燃料电池组件的有源区域上施加不均匀的压缩力，以至少部分地补偿由燃料电池组件操作引起的接触压力的变化。
附图说明
图1是燃料电池堆的分解透视图。
图2是燃料电池组件的分解截面图。
图3A是燃料电池流场板的俯视图。
图3B是燃料电池流场板的俯视图。
图3C是燃料电池流场板的俯视图。
图4A-4C是具有流场A的燃料电池的三个位置处的截面图，示出了沟道宽度和着落部宽度在入口附近、出口附近和中间附近的变化。
图5A-5C是具有流场B的燃料电池的三个位置处的截面图，示出了沟道宽度和着落部宽度在入口附近、出口附近和中间附近的变化。
图6A-6C是具有流场C的燃料电池的三个位置处的截面图，示出了沟道宽度和着落部宽度在入口附近、出口附近和中间附近的变化。
图7A-7C是具有流场D的燃料电池的三个位置处的截面图，示出了沟道宽度和着落部宽度在入口附近、出口附近和中间附近的变化。
图8是示出对于流场A，作为归一化沟道长度的函数的沟道宽度和着落部宽度的曲线图。
图9是示出对于流场A-D，作为归一化相邻沟道长度的函数的着落部宽度的曲线图。
图10是示出对于流场A-D和常规流场，作为归一化相邻沟道长度的函数的着落部-沟道宽度比(LCWR)的曲线图。
图11是示出对于流场A-D和常规流场，作为归一化相邻沟道长度的函数的着落部上的接触压力的曲线图。
图12是示出对于流场A-D，作为归一化相邻沟道长度的函数的着落部有源率的曲线图。
图13是示出对于流场A-D和常规流场，作为归一化相邻沟道长度的函数的着落部电接触电阻的曲线图。
图14A是示出作为压缩力的函数的GDL电接触电阻的曲线图。
图14B是示出作为归一化压缩GDL厚度的函数的压缩力的曲线图。
图15A是示出作为弹簧行进距离的函数的弹簧负载的曲线图。
图15B是示出作为另一个弹簧的行进距离的函数的弹簧负载曲线图。
图16A是利用拉杆、垫圈和端板向燃料堆施加压缩力的燃料电池堆组件的分解透视图。
图16B是图16A的组装好的燃料电池堆组件的透视图。
图16C是利用端板、碟形弹簧和条带向燃料堆施加压缩力的燃料电池堆组件的分解透视图。
图17是利用活塞向燃料堆提供压缩力的燃料电池堆组件的透视局部截面图。
图18是沿流场长度向下变化的楔形气体扩散层的剖视图。
图19是示出包括具有流场A的燃料电池的燃料电池堆的性能与包括具有流场D的燃料电池的燃料电池堆的性能的曲线图。
具体实施方式
图1示出了燃料堆100，该燃料堆包括堆叠在一对端板120、130之间的多个单独的燃料电池组件。在一些实施例中，(多个)碟形弹簧(在图1中不可见)和带140用于将端板120、130保持在适当位置，并将它们推向彼此，以在多个燃料电池110上施加压缩力。在一些实施例中，其他类型的压缩系统可以用于燃料电池堆中，例如但不限于拉杆、液压系统和/或夹具。
图2示出了单个燃料电池200的简化分解截面图，其中，膜电极组件(MEA)210设置于一对流场板220a、220b之间。MEA包括膜电解质夹层，在阳极侧具有膜电解质250和气体扩散层(GDL)230a，其中，阳极催化剂层240a设置于GDL 230a和膜250之间，在阴极侧具有另一个GDL 230b，其中，阴极催化剂层240b设置于GDL 230和膜250之间。在一些制造燃料电池的方法中，催化剂层沉积在膜上。在一些制造方法中，催化剂层沉积在GDL上。流场板220a、220b具有形成在其中的沟道(分别为260a和260b)，以用于将燃料和氧化剂引导至相应的GDL和催化剂层。着落部270a、270b将每个板上的沟道间隔开，并且当燃料电池200组装在一起和/或垂直于部件的平面施加压缩力时，相应着落部的表面275a、275b接触相邻的GDL。
在许多燃料电池和燃料电池堆中，还设置了冷却剂沟道，以用于输送或循环冷却剂流体，例如水或空气，以用于操作燃料电池或燃料电池堆的热管理。冷却剂沟道可以设置在例如阳极或阴极流场板的背面上(换句话说，在反应物沟道的相对面上)，或者设置在插入在堆叠中的相邻燃料电池之间的单独的冷却剂流场板中。
着落面积比(LAF)和着落部-沟道宽度比(LCWR)
图3A是燃料电池流场板300a的平面图，示出了由着落部320a间隔开并由边界区域315a包围的多个沟道310a。沟道在入口区域350a和出口区域355a之间延伸，其中，流体(例如，反应物)经由入口歧管开口330a供应并经由出口歧管开口335a排出。额外的歧管开口340a和345a可以设置在流场板300a中，例如，用于向流场板300a的相对表面上的沟道供应流体和从流场板300a的相对表面上的沟道排出流体。沟道可以通过适当的方法(例如冲压、压花、成型、机加工等)形成在流场板中，这取决于板的材料。
板的特定区域上的着落面积分数(或LAF)可以定义为：板的特定区域内的[着落部的表面面积]与[总面积(着落部表面面积和板的表面处的开口沟道面积)]的比率。
Figure BDA0004211933510000091
例如，可以在特定燃料电池中的流场板的有源面积上计算或以其他方式确定LAF分数。有源区域可以定义为流场板的覆盖在燃料电池中的相邻电极的催化剂层上的区域。例如，在图3A中，可以为标记为350a的区域确定LAF。在该示例中，区域350a上的LAF(由虚线轮廓指示)近似为[着落部320a的宽度]与[着落部320a的宽度加上沟道310a的宽度]的比率。LAF分数也可以在流场板的整个区域上计算或以其他方式确定，在这种情况下，着落部区域将包括板的将接触GDL的所有表面面积(例如，包括流场周围的边界区域)。
对于给定的施加的压缩力(例如，由燃料电池堆中的压缩机构施加的力)，对于在其整个面积上具有较低LAF的板，流场板和相邻GDL之间的接触压力通常较高，因为与具有较高LAF的板相比，压缩力在较小的接触面积上传递到GDL。
对于图3A中示出的流场板300a，LAF在由虚线轮廓指示的区域350a上基本上是均匀的。图3B是具有蛇形沟道310b的另一流场板300b的平面图，其中沟道的扫掠由着落部320b间隔开，并且边界区域315b围绕流场区域350b(由虚线轮廓指示)。同样，流场板300b的区域350b上的LAF基本上是均匀的。例如，区域350b的在虚线355b上方的部分中的LAF与区域350b的在虚线355b下方的部分中的LAF大致相同。
在一些流场板中，LAF可以在板上变化，或者在板的有源区域或流场区域上变化。例如，LAF可以在反应物入口和出口之间的有源区域上变化。图3C是(已知的)圆形流场板330c的平面图，该圆形流场板具有恒定宽度的径向叉指形入口和出口沟道310c以及沟道之间的着落部320c。可以看出，在白色虚线圆形350c和355c之间的流场板300c的外部环形区域中的LAF大于在白色虚线圆形355c和360c之间的环形区域中。
也可以在流场板中沿着每个沟道的长度(例如，从入口到出口)的每个位置处定义着落部-沟道宽度比(LCWR)。沿着沟道的特定点处的LCWR可以定义为：
Figure BDA0004211933510000101
这些距离是在沿着沟道的那个位置处垂直于沟道的方向测量的。例如，对于图2中所示的横截面图中的沟道260a：
Figure BDA0004211933510000102
参考图3A和3B，这些流场板中的LCWR分别沿着沟道310a和310b的长度保持基本上是恒定的。对于图3C中所示的流场板，当沟道朝向板300c的中心穿过时，LCWR沿着每个沟道减小；沟道具有恒定的宽度，但着落部宽度越来越窄。
流场板设计
在设计燃料电池流场板时，沟道尺寸和沟道几何形状的选择很重要。应该考虑沟道的间距、尺寸和几何形状以及沟道之间的着落部的尺寸和几何形状，以及这些参数(以及整个燃料电池形状和结构)对整个燃料电池有源区域上的接触压力分布的影响。在至少一些实施例中，着落部区域对于电流收集和热管理是重要的。如上所述，在至少一些实施例中，流场板的着落部区域和GDL之间的低接触压力可能是不希望的，因为它增加了这些部件之间的电接触电阻和热接触电阻。着落部区域和GDL之间的高接触压力可以压缩并降低GDL的孔隙率，从而阻碍反应物通过GDL的进入和水的去除。它还可能损坏或导致GDL或MEA的机械故障，和/或导致GDL侵入流动沟道中，这可能不利地增加沿着沟道的压降。因此，在选择施加到燃料电池堆中的燃料电池的压缩力时需要进行权衡，因为除其他外，它会影响着落部区域和GDL之间的接触压力。
流场设计以及整个燃料电池的形状和结构也会影响整个燃料电池有源区域上的接触压力分布(接触压力的变化)。例如，如果着落部的宽度在流场板上变化，这可能导致接触压力低和高的区域。例如，在着落部较宽的地方，板和GDL之间的接触压力可以较低，而在着落部较窄的地方，接触压力可以较高。如上所述，局部接触压力的这些变化会影响电接触电阻和热接触电阻以及GDL的压实等类似项。有源区域上的接触压力的高变化可能是不希望的。
着落部的宽度可能会影响与燃料电池性能相关的其他因素。尽管更宽的着落部可以在板和GDL之间提供更大的接触面积，以用于电流收集和热量去除，并且不太可能损坏MEA，但它会抑制反应物到达催化剂层的位于宽着落部的中心下方的部分的能力。
在沟道宽度沿着沟道长度的至少一部分变化的燃料电池中，在燃料电池的有源区域上提供有利的接触压力分布可能是具有挑战性的。
例如，在沟道宽度沿着沟道长度朝着出口减小的燃料电池中，保持相邻沟道之间的沟道间距相同(即，使相邻沟道的中心线保持间隔开固定距离)会导致着落部朝着出口变宽。如果着落部宽度是恒定的，则沟道收敛，并且如果LCWR保持基本恒定，则沟道更加收敛。
在燃料电池中，当沟道宽度以指数方式减小时，沿着沟道保持恒定的LCWR，同时保持沟道或着落部间距恒定或沿其长度以线性方式改变间距是不切实际的。例如，在沟道宽度以指数方式减小并且LCWR在沟道的出口处与在入口处相同的实施例中，着落部宽度在入口和出口之间至少略微增加。
有时，在沟道和/或着落部的宽度沿着沟道长度的至少一部分变化的燃料电池中，使用非矩形流场板，例如，具有径向沟道/着落部的圆形流场板、等腰梯形板或只有板的两侧具有相同长度的梯形板。由于这些板的形状，在这些板的有源区域上提供有利的接触压力分布可能是具有挑战性的。
MEA上的着落部与着落部对准也是一个考虑因素。如果MEA的相对面上的相邻板的着落部没有足够的重叠，它们可能会相互嵌套并使MEA机械断裂。
图4A-7C示出了在上部板上具有四个不同流场的流场板：流场A、流场B、流场C和流场D。图4A-7C中所示的流场具有从入口直接延伸穿过流场板的表面到出口的沟道。在这些示例中的全部四个示例中，沟道的宽度从入口到出口减小，并且沟道从入口会聚到出口。在流场A中，着落部宽度从入口到出口增加，而在流场B-D中，着落部宽度从入口到输出减小。
本文描述的方法、技术、流场设计考虑因素以及对燃料电池和燃料电池堆设计的改进的多个方面也可以应用于包括其他类型流场和流场沟道的燃料电池。例如，它们可以应用于燃料电池，其中流场包括沿整个沟道长度、仅沿着沟道长度的一部分和/或沿着沟道长度的若干部分在宽度上发生变化的沟道。宽度的变化可以是例如线性的、指数的或逐步的，并且是在任何方向上。沟道可以是例如直的、波浪形的、蛇形的，并且在一些实施例中可以是叉指形的。
图4A、4B和4C是在上部流场板上具有流场A的燃料电池400的一部分的截面图。燃料电池400包括设置于第一(上部)流场板410和第二(下部)流场板420之间的膜电极组件440。膜电极组件440包括设置于两个电极414和424之间的离子交换膜430。第一流场板410具有多个具有着落部宽度412的着落部和具有宽度416的沟道，第二流场板420具有多个具有宽度422的着落部和具有宽度426的沟道。
图4A示出了燃料电池400在入口附近的横截面。图4B示出了燃料电池400在中间附近的横截面。图4C示出了燃料电池400在出口附近的横截面。从这些图示中可以明显看出，在第一板410上，沟道宽度416从入口到中间减小，并且再次从中间到出口减小。着落部宽度412从入口到中间增加，并且在中间和出口之间几乎不变。第一(上部)流场板410的沟道宽度416和着落部宽度412沿着(归一化)沟道长度的变化在图8中示出。
图5A、5B和5C是燃料电池500的在上部流场板上具有流场B的一部分的截面图。燃料电池500包括设置于第一(上部)流场板510和第二(下部)流场板520之间的膜电极组件540。膜电极组件540包括设置于两个电极514和524之间的离子交换膜530。第一流场板510具有多个具有宽度512的着落部和具有宽度516的沟道，第二流场板520具有多个具有宽度522的着落部和具有宽度526的沟道。
图5A示出了燃料电池500在入口附近的横截面。图5B示出了燃料电池500在中间附近的横截面。图5C示出了燃料电池500在出口附近的横截面。从这些图示中可以明显看出，在第一流场板510上，沟道宽度516和着落部宽度512从入口到中间减小，并且再次从中间到出口减小。
图6A、6B和6C是燃料电池600的在上部流场板上具有流场C的一部分的截面图。燃料电池600包括设置于第一(上部)流场板610和第二(下部)流场板620之间的膜电极组件640。膜电极组件640包括设置于两个电极614和624之间的离子交换膜630。第一流场板610具有多个具有宽度612的着落部和带有宽度616的沟道，第二流场板620具有多个具有宽度622的着落部和具有宽度626的沟道。
图6A示出了燃料电池600在入口附近的横截面。图6B示出了燃料电池600在中间附近的横截面。图6C示出了燃料电池600在出口附近的横截面。从这些图示中可以明显看出，在第一流场板610上，沟道宽度616从入口到中间减小，并且再次从中间到出口减小。从这些图示中可以明显看出，在第一流场板610上，沟道宽度616和着落部宽度612从入口到中间减小，并且再次从中间到出口减小。
图7A、7B和7C是燃料电池700的在上部流场板上具有流场D的一部分的截面图。燃料电池700包括设置于第一(上部)流场板710和第二(下部)流场板720之间的膜电极组件740。膜电极组件740包括设置于两个电极714和724之间的离子交换膜730。第一流场板710具有多个具有宽度712的着落部和具有宽度716的沟道，第二流场板720具有多个具有宽度722的着落部和具有宽度726的沟道。
图7A示出了燃料电池700在入口附近的横截面。图7B示出了燃料电池700在中间附近的横截面。图7C示出了燃料电池700在出口附近的横截面。从这些图示中可以明显看出，在第一流场板710上，沟道宽度716和着落部宽度712从入口到中间减小，并且再次从中间到出口减小。
图4-7中所示的这些实施例中的每一个中的流场的沟道宽度可以通过等式(1)来描述：
Figure BDA0004211933510000141
其中，w是沟道宽度，w0是反应物入口处的沟道宽度，λ是(设计)化学计量，l是沿着沟道长度的选定位置，并且lm是沟道长度。
流场B和C彼此相似。流场B是通过基于沿着沟道的每个点处的局部沟道宽度的缩放值来设置着落部宽度而设计的(以实现基本恒定的LCWR)，而流场C是通过基于沿着沟道长度的预测局部氧气浓度来缩放着落部宽度而设计的(用于基本恒定的着落部区域有源性)。
图8是示出对于流场A，作为沟道长度的函数的沟道宽度和着落部宽度的曲线图。
图9是示出了对于流场A-D中的每一个，作为(归一化的)沟道长度的函数的着落部宽度的曲线图。这示出了沿着沟道长度的着落部宽度的变化，而不是如图4-7中的情况那样示出了仅在沿着沟道的三个位置处的着落部宽度。与流场A相反，在流场B、C和D中，当沿着流场从入口移动到出口时，着落部的宽度减小。在具有恒定宽度的沟道的常规流场中，通常着落部宽度也是恒定的(参见例如图3A)。
为了更好地图示着落部宽度会对燃料电池产生的影响，具有四个流场(流场A、流场B、流场C和流场D)的燃料电池如以下所讨论的被建模。
图10是示出了对于流场A-D，作为沟道长度的函数的着落部-沟道宽度比(LCWR)的曲线图。在流场B-D中，与流场A相比，在从入口沿着沟道长度向下给定距离处，LCWR保持相对恒定。
在流场A中，LCWR的变化系数为0.23。在流场B中，LCWR的变化系数为0.00。在流场C中，LCWR的变化系数为0.01。在流场D中，LCWR的变化系数为0.08。
在一些实施例中，着落面积分数(LAF)在流场板的流场区域上基本上是均匀的(其中流场区域是板中存在反应物沟道的区域)。在一些这样的实施例中，LAF在流场板的流场区域上的变化小于15％。在一些这样的实施例中，LAF在流场板的流场区域上的变化小于10％。在一些这样的实施例中，LAF在流场板的流场区域上的变化小于5％。在一些实施例中，LAF在流场板的流场区域上是均匀的。
在一些实施例中，LCWR沿着流场板的表面上的(多个)流动沟道的长度基本上是恒定的。在一些这样的实施例中，着落部-沟道宽度比(LCWR)沿着流场板的表面上的(多个)流动沟道的长度变化小于15％。在一些这样的实施例中，LCWR沿着流场板的表面上的(多个)流动沟道的长度变化小于10％。在一些这样的实施例中，LCWR沿着流场板的表面上的(多个)流动沟道的长度变化小于5％。在一些实施例中，LCWR沿着流场板的表面上的(多个)流动沟道的长度是恒定的。
着落部压力是当燃料电池被压缩时由着落部施加在GDL上的压力。着落部压力根据着落部-沟道宽度比(LCWR)而变化。对于相同的力，与具有较大LCWR的区域相比，具有较小LCWR的着落部的区域经历更高的接触压力。
Figure BDA0004211933510000151
图11是示出了对于流场A-D，作为着落部或相邻沟道长度的函数的着落部处的接触压力(着落部压力)的曲线图。在流场B-D中，着落部压力与流场A相比保持相对恒定。
在流场A中，着落部压力的变化系数为0.27。在流场B中，着落部压力的变化系数为0.00。在流场C中，着落部压力的变化系数为0.01。在流场D中，着落部压力的变化系数为0.08。
在一些实施例中，着落部压力在流场板的流场区域上基本上是均匀的。在一些这样的实施例中，着落部压力在流场板的流场区域上的变化小于15％。在一些这样的实施例中，着落部压力在流场板的流场区域上的变化小于10％。在一些这样的实施例中，着落部压力在流场板的流场区域上的变化小于5％。在一些实施例中，着落部压力在流场板的流场区域上是均匀的。
在燃料电池或燃料电池有源区域上保持着落部和GDL之间的接触压力均匀或至少较均匀的一个好处是，着落部和GDL之间的电接触电阻通常是均匀的，或至少较一致。此外，在至少一些实施例中，如果接触压力较均匀，则整个燃料电池的热接触电阻通常较均匀。
图12是示出对于流场A-D，作为沟道长度的函数的着落部有源比的曲线图。在流场B-D中，着落部有源比在整个流场区域上比在流场A中更均匀。
Figure BDA0004211933510000161
沿着反应物流场沟道的反应物浓度的变化可以基于燃料电池的热流体模型来计算，该模型考虑了由于燃料电池电化学反应引起的反应物消耗、由于移动通过沟道的气体的摩擦引起的压降以及由于水的产生引起的沟道中的气体的组成的变化。基于初始反应物浓度和反应物浓度的变化，可以确定局部反应物浓度。
在流场A中，着落部有源率的变化系数为0.41。在流场B中，着落部有源率的变化系数为0.02。在流场C中，着落部有源率的变化系数为0.00。在流场D中，着落部有源率的变化系数为0.13。
在一些实施例中，着落部有源率在流场板的流场区域上基本上是均匀的。在一些这样的实施例中，着落部有源率在流场板的流场区域上变化小于15％。在一些这样的实施例中，着落部有源率在流场板的流场区域上变化小于10％。在一些这样的实施例中，着落部有源率在流场板的流场区域上变化小于5％。在一些实施例中，着落部有源率在流场板的流场区域上是均匀的。
在至少一些实施例中，由于所消耗的反应物的局部可用性的改变，反应物在着落部区域下方扩散的能力沿着沟道的长度变化。在至少一些实施例中，改变着落部宽度可以至少部分地补偿反应物沿电池长度的降低的可用性。
例如，由于反应物从沟道行进到催化剂层的该部分所需的额外平面内扩散距离，如果着落部较宽，则反应物在着落部下方接近催化剂的能力可能会降低。保持着落部的宽度与沟道反应物浓度成比例一致可以帮助补偿这一点。
图13是示出了对于流场A-D，作为沟道长度的函数的着落部接触电阻的曲线图。在流场B-D中，与流场A相比，着落部接触电阻保持相对恒定。在一些实施例中，通过在燃料电池有源区域上保持着落部和GDL之间的电接触电阻均匀或至少较均匀，可以实现较均匀的反应和电流密度。
接触电阻＝局部着落部压力×压缩力下的界面电阻
在流场A中，着落部接触电阻的变化系数为0.12。在流场B中，着落部接触电阻的变化系数为0.00。在流场C中，着落部接触电阻的变化系数为0.01。在流场D中，着落部接触电阻的变化系数为0.04。
在一些实施例中，着落部接触电阻在流场板的流场区域上基本上是均匀的。在一些这样的实施例中，着落部接触电阻在流场板的流场区域上的变化小于0.10％。在一些这样的实施例中，着落部接触电阻在流场板的流场区域上的变化小于0.05％。在一些这样的实施例中，着落部接触电阻在流场板的流场区域上的变化小于0.01％。在一些实施例中，着落部接触电阻在流场板的流场区域上是均匀的。
在具有宽度沿其长度的至少一部分变化的反应物沟道的燃料电池组件的一些实施例中，流场可以被设计为使得LCWR沿着着落部或相邻沟道长度基本上是恒定的，和/或使得LAF在燃料电池的有源区域上或在流场板的流场区域上基本上是均匀的，和/或使得着落部和GDL之间的接触压力在燃料电池的有源区域上或在流场板的流场区域上基本上是均匀的，和/或使得着落部有源率在燃料电池的有源区域上或在流场板的流场区域上基本均匀，和/或使得着落部接触电阻在燃料电池的有源区域上或者在流场板的流场区域上基本上是均匀的。在其他实施例中，流场可以被设计为使得在不同区域中满足这些条件中的各种条件。例如，可以设计流场，使得LCWR沿着着落部或相邻沟道长度的一部分基本恒定，并且使得着落部有源率沿着着落部或邻近沟道长度的另一部分基本均匀。
图14A是示出代表性GDL的在压缩力下的GDL通过平面电阻的曲线图。作为压缩力的函数的GDL通过平面电阻是每个GDL特有的材料特性，通常是在原位测量的。GDL/着落界面的电接触电阻是接触压力的非线性函数。
图14B是示出作为施加到GDL的压缩力的函数的归一化压缩GDL厚度的曲线图。它表明，随着GDL被压缩以及其厚度的减小，进一步压缩和压实它变得更加困难(需要更多的力)。考虑压缩力下的GDL通过平面电阻(图14A)和压缩力下的GDL厚度(图14B)的组合可以用于设计燃料电池，该燃料电池同时降低或最小化电阻，同时不超过可以使GDL机械断裂和/或消除水和反应物管理所需的孔隙率的接触压力。压缩力下的GDL厚度数据也可以用于设计密封件，使得机械负载主要传递到堆中的燃料电池的有源区域。
流场A-D具有宽度沿着其长度变化的沟道。然而，本文所公开的各方面可以用于具有宽度和/或横截面积仅沿着沟道长度的一部分变化的沟道的流场，或者用于具有宽度和/或横截面积沿其长度恒定的沟道的流场。在一些实施例中，沟道深度可以是恒定的，并且在一些实施例中，它可以沿着沟道长度的至少一部分变化。
在本文描述的燃料电池的实施例中，流场可以包括除了细长沟道和着落部之外的其他特征。例如，诸如立柱、销、圆柱、微沟道等的特征可以结合在沟道壁之间，以增加给定横截面处的着落部面积。在一些实施例中，可以使用沿其长度的至少一部分具有T形横截面的着落部。这在沟道宽度较宽的情况下可以是有益的，并且GDL可以受益于额外的支撑，例如引入或引出燃料电池有源区域的入口或过渡区域。
可变压缩系统和方法
在燃料电池或燃料电池堆的一些实施例中，在穿过流场板的GDL到板着落部界面处产生均匀(或较均匀)的接触压力是有益的。这可以提高燃料电池的性能和/或耐久性。如上所述，在一些燃料电池中，可以通过调整流场设计(例如，针对特定沟道几何形状选择着落部几何形状)来部分或完全补偿着落部压力不均匀的趋势。
在燃料电池中，其中，特定的流场板形状和/或流场设计(例如着落部和沟道几何形状)使得通过在板上施加基本均匀的压缩力在流场板上存在不均匀的接触压力，一种方法是利用燃料电池堆压缩系统，该系统在板上施加不均匀的压缩力以使流场板上的接触压力更加均匀。例如，这样的压缩系统可以将较小的力施加到板的否则接触压力将是高的一个或多个区域，而将较大的力施加到板的否则接触压力将是低的一个或多个区域。
当试图通过使用非均匀压缩技术来产生均匀的接触压力时，也可以考虑由于有源面积减少而导致的接触压力的变化。例如，有时在沟道和/或着落部的宽度沿着沟道长度的至少一部分变化的燃料电池中，使用非矩形流场板。例如，可以使用等腰梯形板或只有板的两侧具有相同长度的梯形板。当这种板与常规压缩系统一起使用时，燃料电池可能不会被均匀地压缩。
在一些实施例中，例如，在燃料电池堆中，氧化剂和燃料(以及可选的冷却剂)基本上共同流过堆中的流场板，压缩系统可以施加在反应物流动方向上变化的压缩力。在一些实施例中，压缩力在反应物流动的方向上减小。
图15A和图15B示出了两种不同类型的弹簧的弹簧特性的曲线图，这两种不同类型的弹簧可以用于非均匀压缩系统的一些实施例。如图所示，弹簧曲线在弹簧的最大行程末端附近变平。因此，在弹簧预计要被加载的区域中，它们会偏转相同的量。即使当燃料电池组进一步压缩时，每个弹簧仍然施加与最初安装时基本相同的力。即使每个弹簧可以行进相同的距离，施加的力也接近原始力，并且与对于相同位移具有不同的力的另一弹簧相比，每个弹簧可以保持不同的施加力。图15A中所示的弹簧比图15B中所示的弹簧更硬，并且在更高的偏转下具有更高的力。
在一些实施例中，弹簧(例如图15A中所示的弹簧)可以朝向堆的入口使用，并且弹簧(例如图15B中所示的弹簧)可以朝向出口使用。在至少一些实施例中，这允许通过堆压缩系统将不同的压缩力施加到流场板的不同区域，例如，对于否则将具有不均匀接触压力的流场(例如，LAF在板的不同区域中不同的流场)，实现基本上均匀的接触压力。
在一些实施例中，多个弹簧可以用于堆压缩系统。在一些实施例中，可以在堆压缩系统中使用具有不同刚度或弹簧刚度的多个压缩弹簧。在一些实施例中，弹簧可以被放置在横跨燃料电池的区域的各种位置。在一些实施例中，具有较大内径的弹簧可以用于具有较大有源区域的燃料电池堆。在一些实施例中，可以使用可变压缩弹簧(具有随着偏转增加而增加的力速率)。在一些实施例中，可以使用碟形弹簧。
在一些实施例中，燃料电池堆压缩系统可以包括具有不同张力的多个带。
在一些实施例中，燃料电池堆压缩系统可以包括具有不同张力的多个拉杆。在一些实施例中，不同的拉杆具有不同的几何形状。
在一些实施例中，燃料电池堆压缩系统可以包括分段的端板硬件。例如，不是包括与燃料电池流场板共同延伸(或延伸超过堆叠的流场板的周边)的一对端板，而是可以将燃料电池堆的一端或两端处的(多个)端板分割成至少两个部分，每个部分覆盖堆叠的流场板的不同区域。例如，在一些实施例中，燃料电池堆压缩系统包括端板硬件，该端板硬件包括并排定位在燃料电池堆的一端处的两个端板区段。
在一些实施例中，例如图16A和16B中所示的实施例，与拉杆1630组合的各种垫圈1620可以与燃料电池堆组件1600一起使用，以对燃料电池堆1610中的燃料电池的不同区域施加不同程度的压缩力。在一些实施例中，可以在需要更大压缩力的区域中放置更多的垫圈1620。在一些实施例中，垫圈1620是弹簧垫圈。
在一些实施例中，例如图16C中的部分分解透视图所示的燃料电池堆组件1650，堆压缩系统包括上端板组件，上端板组件包括一对板1660和1665，其中一对碟形弹簧1670a和1670b定位于它们之间。燃料电池堆1675中的燃料电池被置于端板1665和1680之间。压缩带1690a、1690b和1690c在板1660上延伸，并且在每一端处固定到下端板1680上的附接点1685，并且与上端板组件和下端板16800协作以向燃料电池堆1675施加压缩力。在一些实施例中，碟形弹簧1670a和1670b可以具有不同的弹簧刚度，使得对于碟形弹簧的相同位移，不同程度的压缩力被施加到燃料电池堆1675中的燃料电池的不同区域。也可以选择带1690a、1690b和1690c中的张力，使得不同程度的压缩力被施加到燃料电池堆1675中的燃料电池的不同区域。在一些实施例中，可以有两个以上并排布置的碟形弹簧，和/或可以有在燃料电池堆的一端或两端处并排布置的两个或多个堆或碟形弹簧组。在一些实施例中，压缩带或条带的数量和布置可以与所示实施例不同，和/或它们可以围绕燃料电池堆和端板，而不是附接到端板。
在一些实施例中，例如图17中的部分截面图所示的堆组件1700，可以使用液压囊状物和/或气缸-活塞布置来对燃料电池堆1710施加压缩力。在一些实施例中，液压流体可以经由入口1760供应到活塞1750。在一些实施例中，液压流体可以被供应到具有不同面积的一个或多个其他活塞(图17中未示出)，从而在燃料电池堆1710中的燃料电池上施加不均匀的压缩力。
压缩系统元件，如上述的那些元件(例如，弹簧、拉杆、带、活塞、囊状物、分层和/或分段端板)和其他合适的元件，可以以各种组合配置，以提供压缩系统，该压缩系统可以用于在燃料电池堆中的燃料电池上施加不均匀的压缩力。
在具有宽度沿其长度的至少一部分变化的反应物沟道的燃料电池组件的一些实施例中，压缩系统可以与流场结合设计，使得着落部和GDL之间的接触压力在燃料电池的有源区域上或流场板的流场区域上基本均匀，和/或使得着落部有源率在燃料电池的有源区域上或在流场板的流场区域上基本均匀，和/或使着落部接触电阻在燃料电池的有源区域上或者在流场板的流场区域上基本均匀。在其他实施例中，压缩系统可以与流场结合设计，从而在不同区域中满足这些条件中的各种条件。
图18示出了燃料电池组件1800的简化横截面图，该燃料电池组件包括在阴极和阳极侧的楔形气体扩散层1820和1825(具有可变厚度)。楔形GDL在较厚区域中具有与在较薄区域中不同的可压缩性。燃料电池组件1800包括阴极沟道1830和阳极沟道1835，这些沟道分别形成在阴极流场板1860和阳极流场板1865中。膜电极组件1850设置于阴极流场板1860和阳极流场板1865之间。膜电极组件1850可以包括设置于两个GDL 1820和1825之间的离子交换膜1870。电催化剂层(图18中未示出)设置在每个GDL和离子交换膜1870之间。因为GDL的厚度在其整个区域内变化——在本例中，沿着沟道1830和1835的方向从左到右减小——所以它们可以抵消由例如流场上的不同着落部宽度引起的变化的接触压力。楔形GDL可以在不同的区域中被压缩到不同的程度，以实现均匀的厚度。例如，如果特定流场倾向于朝向出口具有较低的接触压力(例如，由于较高的LAF)，并且因此在GDL上提供较低的压缩力，则可以使GDL朝向出口被更多地压缩，以抵消仅来自朝向出口的着落部力的贡献。
在一些实施例中，密封系统的体积和几何形状可以作为密封力的函数来改变，以平衡从入口到出口的密封反作用力，因为密封反作用力随着压缩力的增加而增加。在一些实施例中，压缩力下的密封反作用负载基于密封件的体积和形状而变化。较宽或较浅的密封件可以比较高或较窄的密封件在更高的压缩负载下抵抗挠曲。在一些实施例中，可以使用负载一平衡密封件。在至少一些实施例中，负载一平衡密封件充当局部反作用力。
根据燃料电池堆是处于无源状态还是有源状态，燃料电池堆压缩方面的理想或最佳情况可能会发生变化。例如，在动态操作中，在气体压力、阳极和阴极之间的MEA上的压差、沿着沟道的压降和相对湿度中可能存在瞬变，这些瞬变可以影响在堆压缩方面所期望的(例如，实际压缩力和压缩力分布)。
在一些实施例中，燃料电池流场或燃料电池堆压缩系统，或二者的组合，可以被设计为当燃料电池堆在操作之前被组装和压缩时(例如在没有反应物和冷却剂的情况下)，在燃料电池上实现期望的接触压力分布。在一些实施例中，燃料电池流场或燃料电池堆压缩系统，或两者的组合，可以被设计为当燃料电池堆在操作中时，在燃料电池上实现期望的接触压力分布。在一些实施例中，堆压缩系统是可调节的，并且可以被配置和调节以在不同的操作条件下，或者在操作之前和操作期间，在燃料电池上实现期望的接触压力分布。
在操作中，即使是使用沿其长度具有恒定宽度和基本上恒定的LCWR(和/或在有源区域上均匀的LAF)的沟道的常规燃料电池，也可以看到有源区域上(或沿着着落部的长度)的接触压力变化，例如，由于操作期间沿着沟道出现的流体压力、相对湿度和压差的变化。在一些实施例中，当燃料电池正在操作时，具有沿其长度的至少一部分变化的沟道宽度的燃料电池往往在整个板上表现出比常规燃料更均匀的条件。然而，情况并非总是如此。在操作中，整个有源区域上的接触压力可能会发生变化，即使在组装堆时接触压力相当均匀。在任何一种情况下，向燃料电池施加不均匀压缩力的燃料电池堆压缩系统的实施例都可以用于完全或部分补偿接触压力的变化，该接触压力的变化预计将在堆在其预期操作条件下的操作期间发生。
在燃料电池中，沟道的宽度沿着沟道长度的至少一部分变化，沟道之间的着落部的尺寸和几何形状的选择会影响接触压力分布(如上所述)和/或其他参数，例如，着落部下方的反应物通道、电接触电阻和电流收集，热接触电阻和热管理。类似地，压缩系统可以影响这些参数。尽管在一些实施例中，流场和/或压缩系统可以被设计为针对可能影响燃料电池性能的一个特定参数来改进或优化，但是在其他实施例中流场或压缩系统(或这些的组合)可以被设计成通过进行适当的权衡来在数个竞争参数上实现可接受的水平。
图19示出了包括具有流场A的燃料电池的燃料电池堆(堆A)的性能与包括具有流场D的燃料电池的燃料电池堆(堆D)的性能。参考图9-12描述了流场A和流场D中的沟道/着落部几何形状之间的差异。堆在相同的条件下操作，使用相同的膜电极组件(MEA)，并且两个堆中的流场板的外部尺寸相同。两个堆都有相同数量的电池堆。图19中的比较堆电压(伏特)与电流(安培)的曲线图显示，相对于堆A(使用具有流场A的电池)，堆D(使用具有流场D的电池)提供了改进的性能。发现堆D的电池内阻比堆A低14.3％。
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·“或”指的是两个或两个以上项目的列表，涵盖了对该词的所有以下解释：列表中的任何项目、列表中的所有项目以及列表中的项目的任何组合；
·单数形式“一”、“一个”和“所述”也包括任何适当复数形式的含义。
在本说明书和任何随附的权利要求中使用的表示方向的词语(如果存在的话)，诸如“竖直”、“横向”、“水平”、“向上”、“向下”、“向前”、“向后”、“向内”、“向外”、“垂直”，“横过”，“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“下”、“上”、“下方”等，取决于所描述和图示的设备的特定取向。本文所描述的主题可以采用各种可选择的取向。因此，这些方向性术语的定义并不严格，不应作狭义解释。
如果上文提及部件(例如流场板、气体扩散层、弹簧、组件、装置等)，除非另有说明，否则对该部件的提及(包括对“手段”的提及)应该解释为包括任何执行所描述的部件的功能(即，功能等效)的部件作为该部件的等效物，包括在结构上不等同于执行所描述的部件的功能的所公开的结构的部件。
为了便于说明，本文已经描述了系统、方法和设备的具体示例。这些仅是示例。本文提供的技术可以应用于除上述示例性系统之外的系统。在本发明的实践中，许多改变、修改、添加、省略和排列是可能的。本发明包括对所描述的实施例的变化，这些变化对技术人员来说是显而易见的，包括通过以下方式获得的变化：用等效的特征、元件和/或动作替换特征、元件和/或动作；来自不同实施例的特征、元件和/或动作的混合和匹配；将本文所述实施例的特征、元件和/或动作与其他技术的特征、元件和/或动作相结合；和/或省略来自所描述的实施例的组合特征、元件和/或动作。
虽然已经示出和描述了本发明的特定元件、实施例和应用，但应该理解，本发明不限于此，因为本领域技术人员可以在不脱离本公开的范围的情况下进行修改，特别是根据前述教导进行修改。

Claims (41)

1.一种包括单元电池的燃料电池组件，其中，所述单元电池包括：
膜电极组件，其包括设置于第一电极和第二电极之间的质子交换膜，所述第一电极包括第一气体扩散层和第一催化剂层，并且所述第二电极包括第二气体扩散层和第二催化剂层，所述第一催化剂层和第二催化剂层限定所述单元电池的有源区域；
第一流场板，其具有与所述第一气体扩散层相邻的第一表面，所述第一流场板包括形成于所述第一流场板的所述第一表面中的多个第一沟道，所述第一沟道中相邻的第一沟道被着落部间隔开，所述第一沟道具有第一沟道长度，并且所述第一沟道具有沿着所述第一沟道长度的至少一部分变化的宽度；和
与所述第二电极相邻的第二流场板，
其中，当向所述单元电池施加基本均匀的压缩力以将所述第一流场板和所述第二流场板推向彼此时，所述第一气体扩散层和所述第一流场板的所述着落部之间的接触压力在所述单元电池的所述有源区域上基本上是均匀的。
2.如权利要求1所述的燃料电池组件，其中，着落部-沟道宽度比(LCWR)沿着所述第一沟道长度基本上是恒定的。
3.如权利要求1所述的燃料电池组件，其中，所述第一流场板的所述第一表面上的着落面积分数(LAF)在所述单元电池的所述有源区域上基本上是均匀的。
4.如权利要求1所述的燃料电池组件，其中，所述第二流场板具有与所述第二气体扩散层相邻的第一表面，并且所述第二流场板包括形成于所述第二流场板的所述第一表面中的多个第二沟道，所述第二沟道中相邻的第二沟道被着落部间隔开，所述第二沟道具有第二沟道长度，并且所述第二沟道具有沿着所述第二沟道长度的至少一部分变化的宽度，并且
其中，当所述基本均匀的压缩力被施加到所述单元电池以将所述第一流场板和所述第二流场板推向彼此时，所述第二气体扩散层和所述第二流场板的所述着落部之间的接触压力在所述单元电池的所述有源区域上基本上是均匀的。
5.如权利要求1-4中任一项所述的燃料电池组件，其中，所述第一沟道具有沿着所述第一沟道的整个长度变化的宽度。
6.如权利要求1-4中任一项所述的燃料电池组件，其中，所述第一沟道具有在反应物流动方向上沿着所述第一沟道长度的至少一部分减小的宽度。
7.如权利要求1-4中任一项所述的燃料电池组件，其中，所述第一沟道具有在反应物流动方向上沿着所述第一沟道长度的至少一部分根据自然指数函数减小的宽度。
8.如权利要求1-4中任一项所述的燃料电池组件，其中，所述燃料电池组件包括燃料电池堆，所述燃料电池堆包括多个所述单元电池。
9.如权利要求1-4中任一项所述的燃料电池组件，其中，所述有源区域是非矩形的。
10.如权利要求1-4中任一项所述的燃料电池组件，其中，所述有源区域是梯形的。
11.如权利要求1-4中任一项所述的燃料电池组件，其中，当所述基本均匀的压缩力被施加到所述单元电池以将所述第一流场板和所述第二流场板推向彼此时，当所述燃料电池组件处于非操作状态时，所述第一气体扩散层和所述第一流场板的所述着落部之间的所述接触压力在所述单元电池的所述有源区域上基本上是均匀的。
12.如权利要求1-4中任一项所述的燃料电池组件，其中，当所述基本均匀的压缩力被施加到所述单元电池以将所述第一流场板和所述第二流场板推向彼此时，在所述燃料电池组件操作以产生电力期间，所述第一气体扩散层和所述第一流场板的所述着落部之间的所述接触压力在所述单元电池的所述有源区域上基本上是均匀的。
13.一种包括单元电池的燃料电池组件，其中，所述单元电池包括：
膜电极组件，其包括设置于第一电极和第二电极之间的质子交换膜，所述第一电极包括第一气体扩散层和第一催化剂层，并且所述第二电极包括第二气体扩散层和第二催化剂层，所述第一催化剂层和第二催化剂层限定所述单元电池的有源区域；
第一流场板，其具有与所述第一气体扩散层相邻的第一表面，所述第一流场板包括形成于所述第一流场板的所述第一表面中的多个第一沟道，所述第一沟道中相邻的第一沟道被着落部间隔开，所述第一沟道具有第一沟道长度，并且所述第一沟道具有沿着所述第一沟道长度的至少一部分变化的宽度；
与所述第二电极相邻的第二流场板；和
压缩系统，其将所述第一流场板和所述第二流场板推向彼此，并在所述单元电池的所述有源区域上施加不均匀的压缩力，其中，所述第一气体扩散层和所述第一流场板的所述着落部之间的接触压力在所述单元电池的所述有源区域上基本上是均匀的。
14.如权利要求13所述的燃料电池组件，其中，着落部-沟道宽度比(LCWR)沿着所述第一沟道长度的至少一部分变化。
15.如权利要求13所述的燃料电池组件，其中，所述第一流场板的所述第一表面上的着落面积分数(LAF)在所述单元电池的所述有源区域上变化。
16.如权利要求13所述的燃料电池组件，其中，所述第二流场板具有与所述第二气体扩散层相邻的第一表面，并且所述第二流场板包括形成于所述第二流场板的所述第一表面中的多个第二沟道，所述第二沟道中相邻的第二沟道被着落部间隔开，所述第二沟道具有第二沟道长度，并且所述第二沟道具有沿着所述第二沟道长度的至少一部分变化的宽度，
其中，所述第二气体扩散层和所述第二流场板的所述着落部之间的接触压力在所述单元电池的所述有源区域上基本上是均匀的。
17.如权利要求13-16中任一项所述的燃料电池组件，其中，所述第一沟道具有沿着所述第一沟道的整个长度变化的宽度。
18.如权利要求13-16中任一项所述的燃料电池组件，其中，所述第一沟道具有在反应物流动方向上沿着所述第一沟道长度的至少一部分减小的宽度。
19.如权利要求13-16中任一项所述的燃料电池组件，其中，所述第一沟道具有在反应物流动方向上沿着所述第一沟道长度的至少一部分根据自然指数函数减小的宽度。
20.如权利要求13-16中任一项所述的燃料电池组件，其中，所述燃料电池组件包括燃料电池堆，所述燃料电池堆包括多个所述单元电池。
21.如权利要求13-16中任一项所述的燃料电池组件，其中，所述有源区域是非矩形的。
22.如权利要求13-16中任一项所述的燃料电池组件，其中，所述有源区域是梯形的。
23.如权利要求13-16中任一项所述的燃料电池组件，其中，当所述燃料电池组件处于非操作状态时，所述第一气体扩散层和所述第一流场板的所述着落部之间的所述接触压力在所述单元电池的所述有源区域上基本上是均匀的。
24.如权利要求13-16中任一项所述的燃料电池组件，其中，在所述燃料电池组件操作以产生电力期间，所述第一气体扩散层和所述第一流场板的所述着落部之间的所述接触压力在所述单元电池的所述有源区域上基本上是均匀的。
25.如权利要求13-16中任一项所述的燃料电池组件，其中，所述燃料电池组件包括燃料电池堆，所述燃料电池堆包括多个所述单元电池，并且所述压缩系统包括一对端板组件，所述燃料电池堆设置于所述一对端板组件之间，其中，所述端板组件中的至少一个包括并排定位在所述燃料电池堆的一端处的多个板区段。
26.如权利要求13-16中任一项所述的燃料电池组件，其中，所述燃料电池组件包括燃料电池堆，所述燃料电池堆包括多个所述单元电池，并且所述压缩系统包括一对端板组件，所述燃料电池堆设置于所述一对端板组件之间，所述端板组件中的至少一个端板组件包括并排定位在所述燃料电池堆的一端处的多个板区段，其中，所述多个板区段中的每个板区段包括具有不同的力-位移特性的弹簧组，所述区段中的每个区段及其相关联的弹簧组在所述燃料电池堆上施加不同的压缩力。
27.如权利要求13-16中任一项所述的燃料电池组件，其中，所述燃料电池组件包括燃料电池堆，所述燃料电池堆包括多个所述单元电池，并且所述压缩系统包括第一端板组件和第二端板组件以及并排定位并设置在所述第一端板组件和所述燃料电池堆之间的第一弹簧组件和第二弹簧组件，所述第一弹簧组件覆盖在所述单元电池的所述有源区域的第一部分上方并且所述第二弹簧组件覆盖在所述单元电池的所述有源区域的第二部分上方，其中，所述第一弹簧组件具有与所述第二弹簧组件不同的力-位移特性。
28.一种包括单元电池的燃料电池组件，其中，所述单元电池包括：
膜电极组件，其包括设置于第一电极和第二电极之间的质子交换膜，所述第一电极包括第一气体扩散层和第一催化剂层，并且所述第二电极包括第二气体扩散层和第二催化剂层，其中，所述第一催化剂层和第二催化剂层限定所述单元电池的有源区域；
第一流场板，其具有与所述第一气体扩散层相邻的第一表面，所述第一流场板包括形成于所述第一流场板的所述第一表面中的多个第一沟道，所述第一沟道中相邻的第一沟道被着落部间隔开，并且所述第一沟道具有长度；
与所述第二电极相邻的第二流场板；和
压缩系统，其在所述燃料电池组件操作以产生电力期间将所述第一流场板和所述第二流场板推向彼此并且在所述单元电池的所述有源区域上施加不均匀的压缩力，其中，在所述燃料电池组件的操作期间，所述第一气体扩散层和所述第一流场板的所述着落部之间的接触压力在所述单元电池的所述有源区域上基本上是均匀的。
29.如权利要求28所述的燃料电池组件，其中，所述第一沟道具有沿着所述第一沟道的所述长度的至少一部分变化的宽度。
30.如权利要求28所述的燃料电池组件，其中，所述第一沟道具有沿着所述第一沟道的整个长度变化的宽度。
31.如权利要求28所述的燃料电池组件，其中，所述第一沟道具有在反应物流动方向上沿着所述第一沟道的所述长度的至少一部分减小的宽度。
32.如权利要求28所述的燃料电池组件，其中，所述第一沟道具有在反应物流动方向上沿着所述第一沟道的所述长度的至少一部分根据自然指数函数减小的宽度。
33.如权利要求28-32中任一项所述的燃料电池组件，其中，所述燃料电池组件包括燃料电池堆，所述燃料电池堆包括多个所述单元电池。
34.如权利要求28-32中任一项所述的燃料电池组件，其中，所述有源区域是非矩形的。
35.如权利要求28-32中任一项所述的燃料电池组件，其中，所述有源区域是梯形的。
36.如权利要求28-32中任一项所述的燃料电池组件，其中，所述燃料电池组件包括燃料电池堆，所述燃料电池堆包括多个所述单元电池，并且所述压缩系统包括一对端板组件，所述燃料电池堆设置于所述一对端板组件之间，其中，所述端板组件中的至少一个包括并排定位在所述燃料电池堆的一端处的多个板区段。
37.如权利要求28-32中任一项所述的燃料电池组件，其中，所述燃料电池组件包括燃料电池堆，所述燃料电池堆包括多个所述单元电池，并且所述压缩系统包括一对端板组件，所述燃料电池堆设置于所述一对端板组件之间，所述端板组件中的至少一个端板组件包括并排定位在所述燃料电池堆的一端处的多个板区段，其中，所述多个板区段中的每一个包括具有不同的力-位移特性的弹簧组，所述区段中的每一个及其相关联的弹簧组在所述燃料电池堆上施加不同的压缩力。
38.如权利要求28-32中任一项所述的燃料电池组件，其中，所述燃料电池组件包括燃料电池堆，所述燃料电池堆包括多个所述单元电池，并且所述压缩系统包括第一端板组件和第二端板组件以及并排定位并设置在所述第一端板组件和所述燃料电池堆之间的第一弹簧组件和第二弹簧组件，所述第一弹簧组件覆盖在所述单元电池的所述有源区域的第一部分上方，并且所述第二弹簧组件覆盖在所述单元电池的所述有源区域的第二部分上方，其中，所述第一弹簧组件具有与所述第二弹簧组件不同的力一位移特性。
39.一种用于在固体聚合物燃料电池组件操作以产生电力期间减少所述燃料电池组件中的部件之间的接触压力变化的方法，所述方法包括在所述燃料电池组件的有源区域上施加不均匀的压缩力，以至少部分地补偿由所述燃料电池组件的操作引起的接触压力的变化。
40.一种具有如本文中描述的任何新的和创造性的特征、特征的组合、或特征的子组合的设备。
41.具有如本文中描述的任何新的和创造性的步骤、动作、步骤的和/或动作的组合、或者步骤和/或动作的子组合的方法。
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