CN116895775A - 用于电池堆组件的单片双极板及其制造和使用方法 - Google Patents

用于电池堆组件的单片双极板及其制造和使用方法 Download PDF

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Abstract

代理人案号：29766‑374045(CN)摘要本公开涉及一种用于电池堆组件的单片电化学电池双极板，包括一个单片可成型材料，该材料具有一个阳极侧和一个阴极侧(与阳极侧相对)，其中，阳极侧和阴极侧具有不同的结构配置；多个水通道，位于阳极侧；多个氢气通道，位于阴极侧；多个槽脊，包括凹槽和凸缘；以及一个密封件，位于凸缘内，为槽脊提供可变的凹槽深度。

Description

用于电池堆组件的单片双极板及其制造和使用方法
技术领域
本公开涉及一种用于电池堆组件的单片双极板及其制造和使用方法。
背景技术
电化学电池和电解池提供包括电在内的化学反应。例如，燃料电池使用氢气和氧气来发电。电解槽使用水和电来产生氢气和氧气。
电解槽包括一个或多个电解池，这些电解池通过化学方法，利用电从水中产生基本纯净的氢气和氧气。电解槽的电源通常来自于电力或发电系统。反过来，电解槽产生的纯氢气通常又作为燃料或能源，用于那些相同的发电系统，例如燃料电池系统。
典型的电解池，也称为“电解槽电池”，由许多组件压缩捆绑而形成。电解池包括一个多部件的膜电极组件(MEA)，该组件具有阳极、阴极和电解质。通常，膜电极组件(MEA)的阳极、阴极和电解质配置为多层布置，以通过与一个或多个气体扩散层的接触来激活电化学反应，从而产生氢气。气体扩散层(GDL)和/或多孔传输层(PTL)通常位于MEA的一侧或两侧。双极板(BPP)通常位于GDL的两侧，并使电池堆的各个电解池彼此分离。
在传统的电解槽中，相邻的双极板(BPP)容纳MEA(例如阳极、阴极、电解质)和气体扩散层(GDL)，使电池部件保持整体对齐，从而实现电解槽的最佳运行状态和性能。要确保电池到电池特征(例如歧管和活性区域)以及外部接口设备与整个电解槽电池堆组件兼容，电解槽电池部件对齐至关重要。因此，减少电解槽电池的MEA中的这类分层组件，以改善电解池内部和之间的接触、对齐、热保留和/或热传递，将有利于提升电解槽的运行状态和性能。所以，提供具有较少部件层的电解槽组件将十分有益。
本公开涉及一种用于电池堆组件的单片双极板，以解决这一未满足的需求。具体而言，本公开中用于电池堆组件的单片双极板提供了流动和密封管理解决方案，包括可变流动深度、反应物交叉流动和反应物密封，这是对现有电解槽技术的改进。此外，本公开中用于电池堆组件的单片双极板还改善了热传递和/或热保留，减少了压降，维持了抗塌陷的机械性能，并以更低的成本实现了电池到电池特征的精确对齐。
概述
为了满足这些以及其他需求，本文包括了本公开的实施例。本公开涉及一种用于电池堆组件的电化学电池双极板，其中包括单片可成型材料、多个水通道、多个氢气通道、多个槽脊和一个密封件。电化学电池可以是燃料电池或电解槽电池。
单片可成型材料有一个阳极侧和一个阴极侧(与阳极侧相对)，分别具有不同的结构配置。可成型材料可以是导电材料。导电材料可以是金属。不同的配置可以是偏移配置或互补配置。
多个水通道位于阳极侧，而多个氢气通道位于阴极侧。水通道和氢气通道具有交叉流动配置。水通道可以包括水分配通道或水主流场通道。同样，氢气通道可以包括氢气分配通道或氢气主流场通道。
水通道和氢气通道由多个槽脊提供。每个槽脊都包括一个凹槽和一个凸缘。两个或多个凹槽可以是密封槽。
密封件位于凸缘内，为槽脊提供可变的凹槽深度。密封件可以是内密封件或外密封件。密封件可以封闭电化学电池双极板组件的阳极侧和阴极侧，形成封闭系统。
本公开还涉及一种用于电池堆组件的电化学电池双极板，其中包括单片可成型材料、多个水通道和多个氢气通道。电化学电池可以是燃料电池或电解槽电池。
单片可成型材料包括一个阳极侧和一个阴极侧(与阳极侧相对)。阳极侧和阴极侧具有不同的结构配置。可成型材料可以是金属或非金属导电材料。金属导电材料可以包括钛、镍、铝、钢或其组合。钢可以是不锈钢。不同的配置可以包括偏移配置或互补配置。
多个水通道包括阳极侧上的多个隆起部位。多个氢气通道包括阴极侧上的多个空腔。水通道和氢气通道具有交叉流动配置，可改善双极板中一种或多种流体的热管理和热传递。水通道可以包括水分配通道或水主流场通道。水主流场通道可以包括隆起部位。氢气通道可以包括氢气分配通道或氢气主流场通道。氢气主流场通道可以包括空腔。水可以流过隆起部位，氢气可以在空腔中流动。
本公开还涉及一种用于电池堆组件的电化学电池双极板，其中包括单片可成型材料、多个水分配通道和水主流场通道，以及多个氢气分配通道和氢气主流场通道。
单片可成型材料包括一个阳极侧和一个阴极侧(与阳极侧相对)。阳极侧和阴极侧具有互补或偏移结构配置。可成型材料可以是导电的。
多个水分配通道和水主流场通道位于阳极侧，而多个氢气分配通道和氢气主流场通道位于阴极侧。水分配通道和水主流场通道与氢气分配通道和氢气主流场通道具有交叉流动配置。
交叉流动配置可以包括一个角度。角度的范围可以从大约0度到大约180度。交叉流动配置的角度可以是大约90度。
水分配通道和氢气分配通道包括多个槽脊。每个槽脊都包括一个凹槽、一个凸缘和一个密封件，该密封件位于凸缘内，用于提供可变的凹槽深度。多个槽脊中的两个或更多槽脊可以形成水分配通道和氢气分配通道。密封件可以包括内密封件或外密封件。
水主流场包括多个隆起部位，氢气主流场包括多个空腔，以改善双极板中一种或多种流体的热管理和热传递。该一种或多种流体可以包括水、氢气、氧气、氮气、二氧化碳、冷却剂或电解质。隆起部位可以包括可能影响一种或多种流体的流动方向的任何可成型特征。
本公开还涉及一种电池堆组件，其中包括第一单片可成型材料、电解质膜和第二单片可成型材料。第一单片可成型材料包括第一阳极侧和第一阴极侧(与第一阳极侧相对)。第二单片可成型材料包括第二阳极侧和第二阴极侧(与第二阳极侧相对)。电池堆组件可以包括电解槽电池或燃料电池。可成型材料可以是导电材料。导电材料可以是金属。该组件还可以包括一个或多个内密封件或外密封件。
第一单片和第二单片具有互补或偏移结构配置，其中包括多个水通道和多个氢气通道。水通道和氢气通道具有交叉流动配置，可改善电池堆中一种或多种流体的热管理和热传递。该一种或多种流体可以包括液体或气体。该一种或多种流体可以包括水、氢气、氧气、氮气、二氧化碳、冷却剂或电解质。第一单片和第二单片的互补或偏移配置可以防止或减少电池堆塌陷。
多个水通道包括第一阳极侧和第二阳极侧上的多个隆起部位。多个水通道在第一阳极侧和第二阳极侧交替设置，使得第一单片和第二单片的水通道不对齐。水可以流过隆起部位。隆起部位可以包括可能影响一种或多种流体的流动方向的任何可成型特征。
多个氢气通道包括第一阴极侧和第二阴极侧上的多个空腔。多个氢气通道在第一阳极侧和第二阳极侧交替设置，使得第一单片和第二单片的氢气通道不对齐。氢气可以在空腔中流动。
最后，本公开还涉及一种制造单片双极板的方法，包括第一步：在单片成型或多件成型工艺中形成单片可成型材料，以创建一种成型结构。成型结构包括一个阳极侧和一个阴极侧，分别包括多个流动分配通道和主流场通道。每个流动分配通道都包括一个凹槽、一个凸缘和一个槽脊。每个主流场通道都包括多个隆起部位和空腔。成型步骤可以通过液压成型、冲压、自然成型、打印或渐进成型来进行。
该方法还包括第二步：密封分配通道或主流场通道，以建立一个封闭系统。密封步骤可以通过将密封件应用于分配通道的凸缘、凹槽或槽脊来进行。密封件可以应用于凸缘。密封件可以是内密封件。密封步骤可以通过将密封件应用于双极板的外密封区域来进行。密封件可以是外密封件。密封步骤可以通过平行凹槽成型来进行。密封步骤可以包括密封阳极侧。密封步骤可以包括密封阴极侧。密封步骤可以包括水密封或氢气密封。
附图简要说明
当参照附图阅读以下详细说明时，可以更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，相应字符代表整个附图中的相应部分，其中：
图1A是根据本公开的电解槽电池堆的透视图；
图1B是配置为使用图1A所示电解槽电池堆的电解系统的示意图；
图1C是图1B所示电解系统的附加部分的示意图；
图2A是单片双极板的实施例的俯视平面图，该单片双极板用于电池堆组件，具有进水口、出水口和氢气出口；
图2B是图2A所示用于电池堆组件的单片双极板的底侧平面图；
图3A是用于电池堆组件的单片双极板的详细俯视平面图，其中显示了入口和流动分配通道；
图3B是图3A所示用于电池堆组件的单片双极板的详细底侧平面图；
图3C是图3A所示流动分配通道的详细透视图，其中显示了凹槽深度可变的板和带内密封件的凸缘，这两者将用于电池堆组件的单片双极板的顶侧和底侧分开；
图3D是双极板背面的交叉流动配置的详细平面图，该板具有阳极侧主流场(水在这里自上而下流动)和阴极侧主流场(氢气在这里从右向左流动)；
图4A是用于电池堆组件的单片双极板的另一个实施例的俯视(水流一侧)平面图；
图4B是图4A所示双极板的详细俯视(水流一侧)平面图，其中显示了水的分配通道和主流场通道；
图4C是图4A所示用于电池堆组件的单片双极板的详细平面图，其中显示了位于双极板水流一侧的没有密封件的氢气密封槽；
图5A是具有密封件的图4A所示用于电池堆组件的单片双极板的俯视(水流一侧)平面图；
图5B是图5A和4C所示双极板的详细平面图，其中显示了位于双极板水流一侧的具有密封件的氢气密封槽；
图6A是图3A所示双极板的底部(氢气一侧)平面图；
图6B是图6A所示双极板的详细底部(氢气一侧)平面图，其中显示了氢气的分配通道和主流场通道；
图6C是图6A所示双极板的详细底部(氢气一侧)平面图，其中显示了位于双极板氢气一侧的没有密封件的水密封槽；
图7A是具有密封件的图4A所示用于电池堆组件的单片双极板的底部(氢气一侧)平面图；
图7B是图7A和6C所示双极板的详细底部(氢气一侧)平面图，其中显示了位于双极板氢气一侧的具有密封件的水密封槽；
图8A是用于电池堆组件的单片双极板的另一个实施例的平面图，其中显示了流动分配区域(包括沿线A-A截取的剖面长度区域、沿线B-B截取的剖面宽度区域)和流动特征F；
图8B是图8A所示双极板的流动和分配区域中，流动特征F的详细剖面图；
图8C是图8A所示沿线B-B截取的流动特征E的剖面图；
图8D是图8C所示双极板的流动和分配区域中，沿线B-B截取的流动特征E的详细剖面图；
图8E是图8A所示沿线A-A截取的密封特征C和流动特征D的剖面图；
图8F是图8E所示双极板的密封区域中，沿线A-A截取的密封特征C的详细剖面图；
图8G是图8E所示双极板的凸缘区域中，沿线A-A截取的流动特征D的详细剖面图；
图9A是A类板(板A)的平面图，其中显示了布置在板A顶侧的主流场通道中的隆起部位；
图9B是图8A所示板A的顶侧详细透视图，其中显示了隆起部位；
图9C是图9A所示板A的底侧详细透视图，其中显示了由板A顶侧的隆起部位形成的空腔；
图9D是用于电池堆组件的单片双极板的平面图，其中显示顶侧具有替代主流场通道，由椭圆形槽脊构建而成；
图9E是图8D所示双极板的详细平面图，其中显示了由椭圆形槽脊构建而成的主流场通道的交错图案；
图9F是用于电池堆组件的单片双极板的平面图，其中显示顶侧具有替代主流场通道，由矩形槽脊构建而成；
图9G是图8G所示双极板的详细平面图，其中显示了由矩形槽脊构建而成的主流场通道的交错图案；
图10A是用于电池堆组件的单片双极板的另一个实施例的俯视平面图，其中显示了水主流场通道；
图10B是图10A所示双极板的详细俯视平面图，水流经主流场通道并流过其中形成的隆起部位；
图10C是图10A所示双极板的顶侧详细透视图，其中显示了在主流场通道中形成的隆起部位；
图10D是图10A所示用于电池堆组件的单片双极板的剖面图，其中显示了布置在双极板顶侧的隆起部位在底侧形成了空腔；
图11A是图10A所示双极板的详细底侧平面图，其中显示了氢气流动分配通道；
图11B是图11A所示双极板的详细底侧平面图，其中显示了氢气流经由顶侧隆起部位在底侧主流场通道中形成的空腔；
图11C是图11A所示双极板的底侧详细透视图，其中显示了由隆起部位在主流场通道中形成的空腔；
图12A是另一个电池堆实施例的剖面图，该电池堆实施例组装为具有三个单片双极板(采用两种不同的成型配置和成型结构，即A类和B类)，包括两个A类板和夹在两个A类板中间的单个B类板，其中每个板的主流场中都包括隆起部位以便流动，板与板之间还有一个软膜层；
图12B是电池堆的剖面图，该电池堆具有三个单片双极板(采用不同的成型配置)和主流场通道，这些主流场通道包括促进介质流动的任何可成型特征；
图12C是电池堆的剖面图，该电池堆具有三个单片双极板，这些单片双极板采用不同的成型配置，以及与图8D和8E相同的主流场通道设计配置(椭圆形槽脊)；
图12D是电池堆的剖面图，该电池堆具有三个单片双极板，这些单片双极板采用不同的成型配置，以及与图8F和8G相同的主流场通道设计配置(矩形槽脊)；
图13A是用于电池堆组件的单片双极板中，板A的第一设计配置平面图，其中显示了具有密封件的顶侧，配置为接收和分配水；
图13B是图13A所示板A的底侧平面图，其中显示了具有密封件的底侧，配置为接收和分配氢气；
图13C是用于电池堆组件的单片双极板中，板B的第二设计配置平面图，其中显示了具有密封件的底侧，配置为接收和分配氢气；
图13D是图13C所示板B的顶侧平面图，其中显示了具有密封件的顶侧，配置为接收和分配水；
图14A是电池堆的剖面图，该电池堆的板A(图13A和13B所示)与板B(图13C和13D所示)相堆叠，并显示了板A和板B之间的密封件到密封件对齐以及密封件到板压缩；
图14B是电池堆的另一个剖面图，该电池堆的板A(图13A和13B所示)与板B(图13C和13D所示)相堆叠，并显示了板A和板B之间的密封件到密封件对齐以及密封件到板压缩接触；
图15是用于电池堆组件的图3A-3B所示单片双极板的俯视平面图，具有槽脊凹槽比；
图16A是单片双极板的另一个实施例的俯视平面图，该单片双极板用于电池堆组件，具有进水口、出水口和氢气出口；
图16B是图16A所示用于电池堆组件的单片双极板的底部平面图；
图17A是用于电池堆组件的单片双极板的另一个实施例的俯视(水流一侧)平面图；
图17B是图17A所示双极板的详细俯视(水流一侧)平面图，
其中显示了水的分配通道和主流场通道；
图17C是图17A所示用于电池堆组件的单片双极板的详细平面图，其中显示了位于双极板水流一侧的没有密封件的氢气密封槽；
图18A是具有密封件的图17A所示用于电池堆组件的单片双极板的俯视(水流一侧)平面图；
图18B是图18A和图17C所示双极板的详细平面图，其中显示了位于双极板水流一侧的具有密封件的氢气密封槽；
图19A是图17A所示双极板的底部(氢气一侧)平面图；
图19B是图19A所示双极板的详细底部(氢气一侧)平面图，
其中显示了氢气的分配通道和主流场通道；
图19C是图19A所示双极板的详细底部(氢气一侧)平面图，其中显示了位于双极板氢气一侧的没有密封件的水密封槽；
图20A是具有密封件的图17A所示用于电池堆组件的单片双极板的底部(氢气一侧)平面图；
图20B是图20A和19C所示双极板的详细底部(氢气一侧)平面图，其中显示了位于双极板氢气一侧的具有密封件的水密封槽；
图21A是用于电池堆组件的单片双极板的另一个实施例的平面图，显示了流动分配区域(包括沿线A-A截取的剖面长度区域、沿线B-B截取的剖面宽度区域)和流动特征A；
图21B是图21A所示双极板的流动和分配区域内，流动特征A的详细剖面图；
图22A是用于电池堆组件的单片双极板的另一个实施例的详细底部平面图，其中显示了氢气流动分配通道；
图22B是图22A所示双极板的详细底侧平面图，其中显示了氢气流经由顶侧隆起部位在底侧主流场通道中形成的空腔；
图22C是图22A所示双极板的底侧详细透视图，其中显示了由隆起部位在主流场通道中形成的空腔；
图23A是用于电池堆组件的单片双极板中，板A的第三设计配置平面图，其中显示了具有密封件的顶侧，配置为接收和分配水；
图23B是图23A所示板A的底侧平面图，其中显示了具有密封件的底侧，配置为接收和分配氢气；
图23C是用于电池堆组件的单片双极板中，板B的第四设计配置平面图，其中显示了具有密封件的底侧，配置为接收和分配氢气；
图23D是图23C所示板B的顶侧平面图，其中显示了具有密封件的顶侧，配置为接收和分配水；
图24是用于电池堆组件的图16A-16B所示单片双极板的俯视平面图，具有槽脊凹槽比；
图25A是双极板的平面图，该板具有附加成型特征和定位销；
图25B是图25A所示双极板的详细平面图，该板具有附加成型特征和定位销；
图26A展示了当使用工具与模具时，从金属片到双极板的形成方式；
图26B展示了当使用工具与模具时，从金属片形成双极板期间的应力结果；
图26C展示了阐明当使用工具与模具时，从金属片到双极板的形成方式的计算机模拟；
图26D展示了阐明当使用工具与模具时，从金属片形成双极板期间的应力结果的计算机模拟；
图26E是该双极板的缩小模型，包含用于制造的主要成型特征；
图26F展示了图26E所示双极板的缩小模型的应力结果；以及
图27是双极板流场和分配区域部分的剖面图，其中标明了该板的各种设计参数。
当参照本文所描述的附图阅读以下详细说明时，可以更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点。此外，还请参照构成本文一部分的附图，其中通过图示的方式展示了可以实施本发明的具体实施例。
详细说明
本公开涉及用于任何电化学反应，特别是利用电荷(+或-)来生成新产物(例如氢气)的任何电解反应的电化学电池双极板100和/或101组件。例如，使用本双极板的电化学电池可以是燃料电池或电解槽电池80。
如图1A和图1B所示，电解系统10通常配置为利用水和电来产生氢气和氧气。电解系统10通常包括一个或多个电解槽电池80，这些电解槽电池通过化学方法，利用电从水30(例如去离子水)中产生基本纯净的氢气13和氧气15。电解系统10的电源通常来自于电力或发电系统，包括用于生产绿色氢气的可再生能源系统，例如风能、太阳能、水电和地热源。反过来，电解系统
10产生的纯氢气通常又作为燃料或能源，用于那些相同的发电系统，例如燃料电池系统。或者，电解系统10产生的纯氢气可以存储起来以备后用。
典型的电解槽电池80或电解池80由多个组件构成，这些组件经压缩捆绑形成单个组件。多个电解槽电池80可以彼此堆叠，连同其间的双极板(BPP)84、85形成电解槽电池堆(例如图1B中的电解槽电池堆11、12)。每个电解槽电池堆11、12均可容纳串联和/或并联在一起的多个电解槽电池80。电解系统10中，电解槽电池堆11、12的数量可以根据满足任何负载(例如燃料电池堆)功率需求所需的功率量而变化。电解槽电池堆11、12中，电解槽电池80的数量可以根据电解系统10(包括电解槽电池堆11、12)运行所需的功率量而变化。
电解槽电池80包括多部件膜电极组件(MEA)81，该组件具有电解质81E、阳极81A和阴极81C。通常，膜电极组件(MEA)81的阳极81A、阴极81C和电解质81E配置为多层布置，以通过水与一个或多个气体扩散层82、83的接触来激活电化学反应，从而产生氢气和/或氧气。气体扩散层(GDL)82、83也可称为多孔传输层(PTL)，通常位于MEA 81的一侧或两侧。双极板(BPP)84、85通常位于GDL的两侧，并使电解槽电池堆11、12的各个电解槽电池80彼此分离。一个双极板85与相邻的气体扩散层82、83和MEA 81可形成一个重复单元88。
如图1B和1C所示，示例性电解系统10可包括两个电解槽电池堆11、12和流体回路10FC，该流体回路包括各种流体通道13(如图1B和1C所示)。流体通道13配置为向电解系统10传送、注入和/或从中排出流体和其他成分。本领域技术人员应当理解，电解系统10可以使用流体回路10FC中的一种或多种若干组件，以及多于或少于两个电解槽电池堆11、12。例如，电解系统10可以包括一个电解槽电池堆11，而在其它示例中，电解系统10可以包括三个或更多电解槽电池堆。
电解系统10中可以包括其中一种或多种类型的电解槽电池堆11、12。在图示说明的实施例中，电池堆11、12可以使用聚合物电解质膜(PEM)电解槽电池80。PEM电解槽电池80通常在约4℃至约150℃的温度下运行，包括其中所包含的任何特定温度或温度范围。PEM电解槽电池80通常还在约100bar或更低的压力下运行，但压力高达约1000bar时亦可，包括其中所包含的任何特定压力或压力范围。这个压力范围降低了系统的总能量需求。
在PEM电解槽电池80中发生的产生氢气的标准电化学反应如下。
·阳极：2H2O→O2+4H++4e–
·阴极：4H++4e–→2H2
·整体：2H2O(liquid)→2H2+O2
另外，电解系统10中也可以使用固体氧化物电解槽电池80。固体氧化物电解槽电池80将在约500℃至约1000℃的温度下运行，包括其中所包含的任何特定温度或温度范围。在固体氧化物电解槽电池80中发生的产生氢气的标准电化学反应如下。
·阳极：2O2-→O2+4e–
·阴极：2H2O→4e–+2H2+2O2-
·整体：2H2O(liquid)→2H2+O2
此外，还可以使用采用碱性介质的AEM电解槽电池80。示例性AEM电解槽电池80是碱性电解槽电池80。碱性电解槽电池80采用水溶液作为电解质，例如氢氧化钾(KOH)和/或氢氧化钠(NaOH)溶液。
碱性电解槽电池80通常在约0℃至约150℃的工作温度下运行，包括其中所包含的任何特定温度或温度范围。碱性电解槽电池80通常在约1bar至约100bar的压力范围内运行，包括其中所包含的任何特定压力或压力范围。在碱性电解槽电池80中发生的产生氢气的典型电化学反应如下。
·阳极：4OH-→O2+2H2O+4e–
·阴极：4H2O+4e–→2H2+4OH-
·整体：2H2O 2H2+O2
如图1B所示，电解槽电池堆11、12包括一个或多个电解槽电池80，这些电解槽电池通过化学方法，利用电从水中产生基本纯净的氢气和氧气。反过来，电解槽产生的纯氢气又可以用作燃料或能源。如图1B所示，电解槽电池堆11、12将产生的氢气沿流体连接管线13输出到氢气分离器16。电解槽电池堆11、12还将产生的氧气沿流体连接管线15输出到氧气分离器14。
氢气分离器16可以配置为输出纯氢气，并将其他输出流体排放到氢气排放槽20，随后，该氢气排放槽会将流体124、138输出到去离子水排放管21。氧气分离器14可以将流体输出到氧气排放槽24，而该氧气排放槽又将流体输出到去离子水排放管25。本领域技术人员应当理解，流体的某些输入和输出可以是纯水或其他流体，例如冷却剂或电解槽电池堆11、12的化学反应的副产物。例如，氧气和氢气可以从电池堆11、12流向各自的分离器14、16。系统
10还可以包括整流器32，该整流器配置为将流向电池堆11、12的电33从交流电(AC)转换为直流电(DC)。
去离子水排放管21、25分别向去离子水槽40输出，该去离子水槽是流体回路10FC中抛光回路36的一部分，如图1C所示。当离子水与电解槽电池堆11、12的内部部件相互作用时，含有离子的水会损坏电解槽电池堆11、12。图1C更详细地显示，抛光回路36配置为对水进行去离子处理，使其可以用于电池堆11、12且不会损坏电池堆11、12。
在图示说明的实施例中，去离子水槽40将流体，特别是水，输出到去离子水抛光泵144。去离子水抛光泵144又将水输出到水抛光热交换器46进行抛光和处理。随后，水流向去离子水树脂槽48。
冷却剂被引导通过电解系统10，特别是通过与氧气分离器14流体相连的去离子水热交换器72。用于冷却上述水流的冷却剂也可以随后经由冷却剂输入管27送入水抛光热交换器46，用于抛光。然后，冷却剂又回输到去离子水热交换器72，以冷却其中的水。
当水从去离子水抛光热交换器46输出并接着进入去离子水树脂槽48之后，其中一部分水可以送入去离子水高压供给泵60。另一部分水可以送入去离子水压力控制阀52，如图1C所示。送入去离子水压力控制阀52的这部分水会流经再循环流体连接管54，该连接管可让水流回去离子水槽40，用于继续抛光。
在一些实施例中，电解系统10可以增设去离子水橇，用于抛光水流，以更快的速度冲洗掉水中的离子。然后，送入去离子水高压供给泵60的这部分水会输出到去离子水供给管64，随后流入氧气分离器14进行再循环，并最终在电解槽电池堆11、12中重复使用。这个过程可能会不断重复。
本文所述的电解系统10可用于固定和/或不可移动的电力系统，诸如工业应用和发电厂。电解系统10也可以与其它电解系统10联合实施。
本电解系统10可以包括在固定或移动应用中。电解系统10可以包括在车辆或动力总成100中。包括电解系统10的车辆或动力总成100可以是汽车、通行车、公共汽车、卡车、火车、机车、飞行器、轻型车辆、中型车辆和/或重型车辆。此外，本领域的普通技术人员可以理解，本公开中所描述的电解系统10、电解槽电池堆11、12和/或电解槽电池80可以分别替代任何电化学系统，诸如燃料电池系统、燃料电池堆和/或燃料电池(FC)。因此，在一些实施例中，本公开中所描述和教导的关于电解系统10、电解槽电池堆11、12和/或电解槽电池80的特征和方面，也涉及燃料电池系统、燃料电池堆和/或燃料电池(FC)。在其他实施例中，本公开中所描述和教导的特征和方面与燃料电池系统、燃料电池堆和/或燃料电池(FC)的特征和方面无关，因此可与之区分开来。
在示例性实施例中，电化学电池是电解槽电池80。电解槽电池80的双极板(BPP)84、85可以包括单片双极板100和/或101。电解槽电池80可以包括用于电池堆11、12组件的单片双极板100和/或101。此外，用于堆组件的单片双极板100和/或101可以用于电解槽电池80(也称为电解池或电解电池)、电解槽电池堆11、12和/或电解系统10(也称为电解槽系统)。
用于电池堆11、12组件的本单片双极板100和/或101可以在操作上和功能上并入电解槽电池80或燃料电池系统。燃料电池通常需要至少三个室或流场来容纳与液体冷却剂分开的气态阳极(氢气)和阴极(氧气)反应物。由于电解槽可以不需要冷却剂，或者在必要时可以将冷却剂加入阳极和/或阴极反应物流场，因此对于电解系统10、电解槽电池堆11、12和/或电解槽电池80来说，并不是绝对需要单独的冷却剂流场，而这是当前市场上大多数标准燃料电池系统的运行要求。
所以，对于通常只需要为阳极和阴极反应物流提供两个流场的电解槽系统10、电池堆11、12和电池80来说，虽然用于电解槽电池堆11、12组件的本单片双极板100和/或101十分理想，但是它也可以用于只需要两个单独流场的其他类型的电化学系统(例如燃料电池系统)和/或电解系统。例如，由于系统经过空气冷却，因此不包括或不需要为液体冷却剂单独提供流场的风冷燃料电池系统也可以使用用于电池堆11、12组件的本单片双极板100和/或101。
用于电池堆11、12组件的本单片双极板100和/或101帮助阳极和阴极反应物流场实现了必要的分离，以通过单片可成型材料102催化上述产生氢气的化学反应。本公开的单片可成型材料102是指用来生产最终电解双极板组件(用于电解槽运行)的仅一(1)、约一(1)和/或不超过一(1)片或单片材料。任何单片可成型材料102均可以包含多层，这些层预先和/或以机械、电化学、化学、自动化、自动和/或手动方式邻接，以提供单片可成型材料，用于如本文所述的进一步操作。
通过一个(例如单个成型)或多个(例如多个成型)成型工艺，以手动或机械方式将单片可成型材料102同时、共同和/或均匀地成型为本文所述的电解双极板100和/或101组件。在说明性实施例中，仅使用单个成型工艺来形成本双极板100和/或101。在其他实施例中，可能需要一个以上、若干、几个、多种和/或多个(例如三个或更多)成型工艺来形成本双极板100和/或101。此外，可能需要一种或多种不同类型的成型工艺的多个阶段，或是多种不同的方法来创建双极板100和/或101的成型结构。用于电池堆组件的单片双极板一旦成型，就可以封装阳极114、阴极116和/或电解质118部件。
用于电池堆11、12组件的本单片双极板100和/或101的可成型材料102可以是机械领域中已知的，用于形成耐热、抗损坏和/或抗塌陷结构的任何材料。可成型材料102可以是任何导电材料，例如金属、塑料、复合材料、包覆材料、混合材料、合金和/或涂层材料。在一些实施例中，可成型材料102是非金属的，而在示例性实施例中，可成型材料是金属的。
例如，用于电池堆11、12组件的单片双极板100和/或101的可成型材料102可以是金属。虽然可以使用任何贵金属、半贵金属或非贵金属，但用于电池堆11、12组件的单片双极板100和/或101的示例性金属包括钛、镍、铝、钢和/或其组合。示例性钢可成型材料102是不锈钢。
可成型材料102是在成型之前没有或具有最小结构特征或缺陷的单片材料。无结构可成型材料102随后可以经过配置和/或成型，来生产用于电池堆11、12组件的单片双极板100和/或101，该双极板则具有反应物流和电解槽性能所需的结构特征。例如，单片可成型材料102将配置为在多侧具有结构特征。具体而言，用于电池堆组件的单片双极板将成型为在两侧具有结构特征。
值得注意的是，用于电池堆11、12组件的单片双极板100和/或101的第一或顶侧104将与板的另一侧(例如板的第二或底侧106)具有相同、基本相似、互补、相反和/或镜像的结构特征。同样，用于电池堆11、12组件的单片双极板100和/或101的第二或底侧106也将与该片双极板的相对侧(例如双极板100和/或101的第一或顶侧104)具有相同、基本相似、互补、相反和/或镜像的结构特征。通过一个或多个成型工艺在单个双极板100和/或101或薄片102的第一/顶侧104和第二/底侧106上形成的相同、基本相似、互补、相反和/或镜像的结构特征，消除了对多个不同部件层的需求，而这是目前传统电化学电池的形成和/或制造所需的。
在一些实施例中，用于电池堆11、12组件的单片双极板100和/或101的第一/顶侧104或第二/底侧106可以包括电解槽电池的阳极(水)114或阴极(氢气)116。重要的是，阳极114和阴极116必须包括在用于电池堆11、12组件的单片双极板100和/或101的相对侧。在优选实施例中，用于电池堆11、12组件的单片双极板100和/或101的第一/顶侧104包括阳极(水)114，而第二/底侧106可以包括电解槽电池的阴极(氢气)116。
图2A展示了用于电池堆11、12组件的单片双极板100的一个实施例的第一/顶侧104。图2B展示了用于电池堆11、12组件的同一单片双极板100的第二/底侧106。图16A展示了用于电池堆11、12组件的单片双极板101的另一实施例的第一/顶侧104。图16B展示了用于电池堆11、12组件的同一单片双极板101的第二/底侧106。双极板100和/或101的顶侧和底侧104、106具有一个或多个进水口和出水口108或出入口108，以便根据制氢(H2)所需让水进出双极板。
双极板100和/或101的顶侧和底侧104、106还包括一个或多个氢气出口或输出端口110，以便氢气(H2)在双极板100和/或101内产生后离开板100和/或101。图2A和2B所示的双极板100实施例显示了多个(例如大约6个)进水口/出水口和多个(例如大约8个)氢气输出端口。图16A和16B所示的双极板101实施例显示了多个(例如大约6个)进水口/出水口和多个(例如大约4个)氢气输出端口。然而，用于电池堆11、12组件的本单片双极板100和/或101的顶侧104或底侧106可以包括任意数量的水和/或氢入口和/或出口108、110，以确保电解槽电池80、电池堆11、12或系统10的适当性能。
图3A显示了用于电池堆11、12组件的单片双极板100和/或101的顶侧104的更详细视图。如图2A和2B所示，双极板100和/或101的顶侧104具有进水口/出水口108。此外，图3A显示了位于双极板100和/或101顶侧104上的一个或更多、几个、多种和/或多个(三个以上)流动和分配通道112及主流场通道120。同样，图3B显示了位于双极板100和/或101底侧106上的多个(三个以上)密封槽130(例如凹槽)。
虽然本双极板100和/或101可以提供任意数量的流动和分配通道112及主流场通道120，但通常位于双极板100和/或101两侧104、106的流动和分配通道及主流场通道120可介于约5至约5000个之间，包括其中所包含的任何特定数量。在一些实施例中，分配通道的数量可以在约50至约500、约250至约3000、约1000至约2500以及约2500至约5000的范围内，包括其中所包含的任何数量。
参考图3C，其中提供了分配通道112和主流场通道120，以使反应物和/或流体(例如液体或气体)流过双极板100的第一/顶侧/阳极侧114或第二/底侧/阴极侧116。本双极板100和/或101的示例性液态流体124是水、电解质、冷却剂和/或其组合。本双极板100和/或101的示例性气态流体138是氢气、氧气、二氧化碳、氮气和/或其组合。
冷却剂可以是液态或气态。电解质可以是具有任何浓度的任何液态、固态或气态溶液。通道112、120的水124也可以包含一种或多种气体，例如氧气(O2)。具体而言，双极板100和/或101阳极侧104上的水124也可以包含氧气(O2)，两者都可以从双极板100和/或101中排出。
重要的是，流动和分配通道112及/或主流场通道120可以采用交叉流动配置126(见图3D)，在双极板100和/或101中提供。在示例性实施例中，流体124、138的交叉流动配置126仅在内部活性区域122的主流场通道120而非分配通道112中提供。在其它实施例中，流体124、138的交叉流动配置126在双极板100和/或101的分配通道112和主流场通道120中提供。
流动通道112、120的这种交叉流动配置126让双极板100和/或101两侧104、106的流体124多方向或至少双向流动，这样流体124、138就会朝不同方向流动，且不产生接触。例如，在双极板100和/或101顶侧/阳极侧104的水流分配和/或主流场通道112、120中，水流124可以垂直流动，例如自上而下和从北到南，或者自下而上和从南到北。同时，在双极板100和/或101底侧/阴极侧106的氢气流动分配通道中，氢气流138可以水平流动，例如从左到右和从东到西，或者从右到左和从西到东。
相反，在双极板100和/或101顶侧/阳极侧104的水流分配和/或主流场通道112、120中，水流124可以水平流动，例如从左到右和从东到西，或者从右到左和从西到东。同时，在双极板100和/或101底侧/阴极侧106的氢气流动分配和/或主流场通道112、120中，氢气流138可以垂直流动，例如自上而下和从北到南，或者自下而上和从南到北。
在示例性的交叉流动配置126中，双极板相对侧的分配和/或主流场通道112、120可以使流体124、138以直角(即，90°角)的取向和/或方向流动。图3D展示了示例性交叉流动配置126，其中阳极侧104的流体，即双极板100和/或101顶侧104的水124，以自上而下或与此相反的方向流动(垂直箭头)。同时，阴极侧106的流体，即双极板100和/或101底侧106的氢气138，以从右到左的方向流动(水平箭头)。
在其他交叉流动配置126中，双极板100和/或101两侧104、106的流体124、138可以以任何角度和/或方向交叉流动126。具体而言，流体124、138在其通道112、120中的交叉流动配置126可以是大约0度(0°)至大约180度(180°)之间的任何角度，包括其中所包含的任何特定角度或角度范围。例如，流体124、138可以以任何角度流动，使得流体124、138在双极板100和/或101一侧流动的角度和/或方向不同于流体124、138在双极板100和/或101相对侧104、106流动的角度和/或方向。在一些其他实施例中，双极板100和/或101相对侧104、106的流体124、138也可以以相同方向(例如平行)流动，这样就不具有交叉流动配置126。
双极板100和/或101的流动和分配通道112(“分配通道”)与主流场通道120分离且不同。具体而言，分配通道112位于双极板100和/或101顶侧和底侧104、106的外边缘，以使流体124、138从双极板100和/或101的入口108或其他部分或区域流入双极板100和/或101的内部活性部分122。双极板100和/或101的内部活性部分122包括发生产生氢气的电化学反应的多个主流场通道120。
重要的是，多个分配通道112和/或主流场通道120中的每一个，都是通过联接在两个槽脊128之间而形成。每个槽脊128都代表双极板100和/或101在其成型结构内形成的一个区域或部分。在双极板100和/或101的两侧104、106，槽脊128从保持相对或基本未成形的部分136向上垂直凸起。通常，至少由两个槽脊128采用邻接配置以形成分配通道112或主流场通道120。因此，双极板100和/或101两侧104、106的两个槽脊120之间的低矮交替区域，就构成了多个分配通道112中的一个和/或多个主流场通道120中的一个。
分配通道112的槽脊128包括凹槽130和凸缘132。凹槽130是槽脊128的顶部，也在用于电池堆11、12组件的单片双极板100和/或101的成型结构中提供。在相邻分配通道112、相邻主流场通道120和/或双极板100和/或101的相对侧104、106，凹槽130还代表容纳最大体积的流体124、138的最大高度。
对于分配通道112，槽脊128的凹槽130高度可以与主流场通道120槽脊128的凹槽130高度相同、基本相似和/或不同。在示例性实施例中，分配通道112和主流场通道120槽脊128的凹槽130高度为相同或基本相似。在替代实施例中，分配通道112和主流场通道120槽脊128的凹槽130高度是不同的。例如，分配通道112的槽脊128和/或凹槽130的高度可以大于或小于主流场通道120的槽脊128和/或凹槽130的高度。
凸缘132在双极板100和/或101的成型结构中提供，以便改变或延伸槽脊128或凹槽130的高度、分配通道112的深度和/或主流场通道120的深度。凸缘132是槽脊128的底部。凸缘132位于分配通道112和/或主流场通道120区域中，具体用于延伸槽脊128和凹槽130的高度以及通道112、120的深度。
在一个实施例中，凸缘132位于分配通道112、槽脊128和凹槽130的底部，以便向这些部件提供相同的高度或深度延伸。在优选实施例中，槽脊128的凸缘132是槽脊128的底部。更具体地说，槽脊128的凸缘132位于槽脊128的凹槽130部分下方。凸缘132用于影响和/或改变在相邻分配通道112、主流场通道120和/或槽脊128内流动的流体124、138的数量和/或方向。
在另一实施例中，凸缘132在分配通道112和主流场通道120的底部可以具有不同的高度。因此，在分配区域200中，槽脊128和凹槽130的高度以及通道112的深度可以大于内部活性区域122中，槽脊128和凹槽130的高度以及通道120的深度。或者，在分配区域200中，槽脊128和凹槽130的高度以及通道112的深度可以小于内部活性区域122中，槽脊128和凹槽130的高度以及通道120的深度。
凸缘132可以在主流场通道120中提供，但不在分配通道112中提供。在示例性实施例中，凸缘132在分配通道112中提供，但凸缘132不在主流场通道120中提供(见图3C)。在双极板100和/或101的分配通道112背面，位于凹槽130下方的凸缘132充当止挡件，为密封件134提供阻挡，从而构建密封槽130或凹槽130，该槽还可以再包括一个密封件134。
双极板100和/或101的可变凹槽深度是指可以改变和/或减小槽脊128的凹槽130部分和/或通道112、120的最大面积、深度和/或容量，以便促进或控制流体124、138的数量、体积和/或流动方向。可变凹槽深度可以机械、手动和/或自动方式操控，使得流经槽脊128的凹槽130、分配通道112和/或主流场通道120的流体124、138的最大深度、数量或体积，在双极板100和/或101的分配通道112和/或主流场通道120内改变和/或变化。例如，包括凸缘132的分配通道112的凹槽130深度可以配置为小于主流场通道120槽脊128的完整或最大凹槽130深度。在示例性实施例中，分配通道112深度构建为小于主流场通道120深度，以使凸缘132、密封槽130和/或密封件134能够停止或阻止密封件在流体124、138流动方向上的移动。
凸缘132是一种结构特征，能够独立影响和/或增加双极板100和/或101凹槽130和槽脊128部分的可变凹槽深度。例如，包括凸缘132的凹槽130、槽脊128和/或通道112、120深度大于没有凸缘132的凹槽130、槽脊128和/或通道112、120深度。然而，在示例性实施例中，凸缘132还配置为与密封件134联接，以影响、改变和/或减小双极板100和/或101凹槽130和槽脊128部分的可变凹槽深度。
密封件134可由本领域已知的任何材料制成，用于密封或封闭歧管、管道、孔口和/或隔室。密封件134材料是可以密封部件的任何聚合物、橡胶、环氧树脂和/或凝胶材料。在示例性实施例中，密封件134由橡胶制成。
密封件134可以由一个或多个密封件134组成，以便在双极板100和/或101内提供部分或完全封闭的系统。例如，密封件134可以包括单个密封件134，诸如位于双极板100和/或101氢气侧106或水流侧104的单个密封件134。密封件134还可以由一个或多个、一个以上、多种和/或多个密封件组成，包括在双极板100和/或101内提供部分或完全封闭系统所需的任何数量的密封件134。示例性的多个密封件134实施例可以包括位于双极板100和/或101水流侧104或氢气侧106的大约两个、三个、四个、五个或更多密封件。
回到图3C，双极板100和/或101上的密封件134可以是任何类型，并且可以位于影响流体124、138流动所需的任何位置。密封件134可以是内密封件134。分配通道凸缘132上的内密封件134就是一个示例性实施例。密封件134还可以是外密封件144，例如双极板100和/或101边缘的密封件144，用于帮助在电池堆11、12的多个双极板100和/或101之间进行密封件到密封件对齐和/或密封件到板压缩。
如图3C所示，密封件134可以位于接触槽脊128的附近位置，以便封闭或密封槽脊128区域。例如，密封件134可以设置为与槽脊128的凸缘132区域接触。优选情况下，密封件134的布置提供了与槽脊128凸缘132区域(例如内凸缘)以及在该区域内的接触，这可以部分、基本、完全和/或整体密封槽脊128的凸缘132部分。
在图3C所示的示例性实施例中，密封件134整体和完全密封或封闭槽脊128的凸缘132部分，因此双极板100和/或101是气密、耐压且/或完全封闭在凸缘132区域中的。在这样的双极板100和/或101实施例中，凸缘132通过密封件134密封，但槽脊128的凹槽130部分仍然可以打开，供流体124、138流动。在这样的实施例中，双极板100和/或101将提供封闭系统，能够使槽脊128和通道112、120不同部分130、132中的流体124、138保持分离，以便减少和/或防止流体124、138泄漏和/或交叉污染。
重要的是，本双极板100和/或101能够完全和整体分离氢气(H2)和氧气(O2)。如前所述，在电解槽内发生的产生氢气的电化学反应中，水是主要反应物。水被电化学分解时，会产生纯氢气(H2)以及作为化学副产物的氧气(O2)和水蒸气。
此外，氧气(O2)作为副产物，通过出口或输出端口108从阳极侧104和/或阴极侧104流出或排出。在示例性实施例中，氧气(O2)从阳极侧104排出，以防氧气(O2)与双极板100和/或101阴极侧106的氢气138混合。要在双极板100和/或101的阳极侧104和阴极侧106提供压力边界，以防止位于阳极侧104和阴极侧106的氢气(H2)和氧气(O2)等流体泄漏、交叉污染和/或混合，双极板100和/或101的密封件134和密封配置至关重要。因此，本双极板100和/或101的密封件134和密封配置提高了电解槽双极板100和/或101、电池80、电池堆11、12和系统10的安全性和功能性。此外，在一些实施例中，密封件134能够促进水124和氢气138在双极板100和/或101任意一侧和/或两侧104、106的流动。
图4A展示了没有密封件134的单片电解双极板100实施例的顶侧/阳极侧/水流侧104。图17A展示了没有密封件134的单片电解双极板101实施例的顶侧/阳极侧/水流侧104。图4B和17B也详细展示了水流/阳极侧104的水分配通道112和水主流场通道120。图4C和17C还分别展示了位于双极板100和101阳极侧104的没有密封件134的氢气密封槽130。
图5A还展示了具有密封件134的双极板100实施例(图4A所示)的顶侧/阳极侧/水流侧104。具体而言，图5B所示底侧/氢气侧/阴极侧106的氢气密封槽130中有一个或以上、两个或以上或者三个或以上(例如多个)密封件134。同样，图18A展示了具有密封件134的双极板101实施例(图17A所示)的顶侧/阳极侧/水流侧104。在该密封和封闭双极板100和/或101的配置中，双极板100和/或101的氢气密封件134和通道112、120允许水124在阳极侧104流动。
图6A展示了没有密封件134的单片双极板100实施例的底侧/氢气侧/阴极侧106。图19A展示了没有密封件134的单片双极板101实施例的底侧/氢气侧/阴极侧106。图6B和19B也详细展示了阳极侧106的氢气分配通道112和氢气主流场通道120。图6C和19C还分别展示了位于双极板100和101阴极侧106背面的没有密封件134的水密封槽130。
图7A还展示了具有密封件134的单片双极板100实施例(图6A所示)的底侧/氢气侧/阴极侧106。图20A展示了具有密封件134的单片双极板101实施例(图19A所示)的底侧/氢气侧/阴极侧106。具体而言，图7B和20B所示顶侧/水流侧/阳极侧104的水密封槽130中有一个或以上、两个或以上或者三个或以上(例如多个)密封件134。在该密封和封闭双极板100和/或101的配置中，双极板100和/或101的水密封件134和通道112、120允许氢气138在阴极侧106流动。
双极板100和/或101的分配通道112、主流场通道120、密封件134、槽脊128、凹槽或密封槽130和/或凸缘132的尺寸，可以是促进流体124、138流向和流经双极板100和/或101以实现电池80、电池堆11、12或系统10最佳性能所必需的任何大小、形状或尺寸。例如，双极板100和/或101的分配通道112、密封件134、凹槽130、槽脊128、主流场通道120和/或凸缘132，可以是让阳极和阴极流体124、138(例如水和氢气)在双极板100和/或101的整个内部活性部分122流动和分配所需的任何大小。图8A-8G和图21A-21B展示了双极板100中，流动和分配通道112、密封件134和凸缘132的尺寸及深度详情。
虽然不限于任何这样的具体尺寸，但图8A所示的双极板实施例100具有沿线A-A截取的剖面长度和沿线B-B截取的剖面宽度。双极板100还包括特征F。同样，图21A所示双极板实施例101具有沿线A-A截取的剖面长度和沿线B-B截取的剖面宽度。双极板101还包括如图21A和21B所示的特征A。
具体而言，图8B展示了主流场通道120和分配通道112之间的双极板100未成形区域136的实施例，其间距离为大约0.8mm 至大约1.4mm，包括其中所包含的任何特定距离或距离范围。此外，凹槽130剖面宽度(2)的一个实施例可以是大约1mm至大约4mm，包括其中所包含的任何特定距离或距离范围。槽脊128剖面宽度(3)的一个实施例可以是大约0.4mm至大约2mm，包括其中所包含的任何特定距离或距离范围。同样，图21B展示了主流场通道120和分配通道112之间的双极板101未成形区域136的实施例，其尺寸与双极板100类似。
图8C展示了穿过剖面B-B的凹槽深度的实施例，缩放比例为0.25。此外，图8D展示了主流场通道120的剖面高度的实施例可以是大约0.3mm至大约0.7mm，包括其中所包含的任何特定距离或距离范围。双极板100分配通道112的实施例的剖面高度可以是大约0.4mm。图8E-8F显示了沿剖面A-A的双极板100和/或101厚度的实施例可以是大约0.2mm至大约0.7mm，包括其中所包含的任何特定距离或距离范围。密封槽130和凸缘132的深度或厚度范围为大约0.7mm至大约5mm，包括其中所包含的任何特定距离或距离范围。
与分配通道112的槽脊128、凹槽130和凸缘132类似，用于电池堆11、12组件的单片双极板100和/或101的主流场通道120还可以包括有助于和/或促进流体124、138流动的结构特征。隆起部位140和/或空腔142属于结构特征，在用于电池堆11、12组件的单片双极板100和/或101的主流场通道120成型结构中提供。具体而言，隆起部位140和/或空腔142影响流体124、138经过双极板100和/或101内部活性部分122的流动和分配，特别是在主流场通道120内。
位于双极板100和/或101一侧104、106的隆起部位140和/或空腔142配置为影响、增加和/或促进流体124、138在双极板100和/或101相同和/或相对侧104、106的主流场通道120中的流动。具体而言，当流体124、138流过双极板100和/或101第一侧104、106的主流场通道120中的隆起部位140时，由于这些通道120中存在一个或多个隆起部位140，速度和/或速率可能会局部升高。
当流体124、138流过双极板100和/或101的通道112、120时，虽然速度和/或速率将在整个路径中发生改变，但流体124、138的流量不会改变。流体124、138在双极板100和/或101通道112、120内的运行流量通常由操作员、生产商、制造商或个人以自动、电子和/或手动方式预先确定，并且可以在整个运行过程中改变。只要其它双极板100和/或101功能参数(例如流体速率和压降)保持在运行限制内，流体124、138的流量就没有限制。
值得注意的是，流体124、138的流量也与双极板100和/或101中的通道112、120数量和/或电池堆11、12中的双极板100和/或101数量相关和/或成比例(例如取决于这些参数)。电池堆11、12可以是任何数量的双极板100和/或101。例如，一个电池堆11、12可以具有大约10个至大约10,000个双极板100和/或101，包括其中所包含的任何数量。虽然双极板100和/或101可以使用流体124、138的任何流量，但流体124、138在双极板100和/或101中的示例性流量范围可以从每块双极板大约1L/min到大约200L/min，包括其中所包含的任何流量。
此外，当流体124、138流过主流场通道120中的隆起部位140时，可以促进双极板100和/或101第二侧/相对侧104、106主流场通道120的空腔142中的流体138交叉流动126。如图9A所示，双极板100和/或101的主流场通道120可以包括一个或以上、两个或以上或者多个隆起部位140和/或两侧104、106的空腔142。主流场通道120的隆起部位140和空腔142促进流体124、138(例如水和氢气)交叉流动，使得流体124、138可以在单片双极板100和/或101上沿不同方向流动(见图10D)。
图9B展示了位于双极板100和/或101顶侧/水流侧/阳极侧104的水主流场通道120中的多个隆起部位140。图9C展示了位于氢气/阴极主流场通道120中的同一双极板100和/或101底侧/相对侧106的多个空腔142。值得注意的是，流经阳极侧104主流场通道120中的隆起部位140的水124，与流经双极板100和/或101阴极侧106主流场通道120的空腔142的氢气138具有不同的移动方向或取向(例如交叉流动126)。流经隆起部位140的水124沿垂直或从北到南的方向流动，而氢气在空腔142中沿水平或从东到西的方向流动。
隆起部位140可以由促进介质(例如液体或气体)、水、电解质和/或冷却剂以任何预定方向流动的任何可成型特征提供。例如，隆起部位140的形状和/或大小可以是促进、改变、降低和/或提高流体124、138的速度或速率的任何形状或大小(虽然流体124、138的流量保持不变)。具体而言，隆起部位140可以是任何形状，包括但不限于正方形、矩形、三角形、椭圆形、圆形、V形、酒窝形、心形、线条形等等。
图9A-9C所示的示例性隆起部位140实施例采用了曲线形状，在双极板100和/或101顶侧104，从保持相对或基本未成形136的主流场通道120部分向上垂直凸起。值得注意的是，隆起部位140的凸起高度不能超过内部活性区域122中主流场通道120槽脊128或凹槽130的最大高度。在一些实施例中，隆起部位140的凸起高度没有超过双极板100和/或101的主流场通道120。
除了具有连续、线性和/或笔直流路的主流场通道120(见图2A-9B、图16A-21B)外，双极板100和/或101还可以采用主流场通道120替代实施例。例如，主流场通道120可以是流体124、138流动所需的任何轮廓、大小、形状、尺寸和/或深度。例如，形成主流场通道120的槽脊128可以具有任何形状，例如分别如图9D-9E和图9F-9G所示的椭圆形或矩形。
此外，主流场通道120可以在结构上由沿主流场的截断的、分离的且/或单独的槽脊128(见图9D-9G)提供，而非形成单个线性主流场通道120的单个连续槽脊128(见图2A-9B、图16A-21B)。如图9D-9G所示，主流场通道120中的这些分离的槽脊128在双极板100和/或101的单侧104、106构建了通道120的交错图案146。因此，在双极板100和/或101的顶侧104和底侧106，流体124、138可以沿两个方向(例如垂直和水平)在主流场通道120的交错图案146中流动。
在包括图9D-9G所示交错图案146的示例性替代主流场通道120中，水124可以在双极板的顶侧104沿垂直方向(例如自上而下和从北到南，或者自下而上和从南到北)和水平方向(例如从左到右和从东到西，或者从右到左和从西到东)流动。同时，氢气138可以在双极板100和/或101的底侧106沿垂直方向(例如自上而下和从北到南，或者自下而上和从南到北)和水平方向(例如从左到右和从东到西，或者从右到左和从西到东)流动。
主流场通道120也可以以任何角度、取向和/或方向流动。在一些实施例中，主流场通道120可供流体124、138流动，使流体转弯或以各种模式流动(例如之字形、十字形、曲线、拐角等)。在其他实施例中，双极板100和/或101的分配通道112和密封槽130也可以采用、仿造和/或呈现主流场通道120提供的轮廓、大小、尺寸、深度和/或方向。
隆起部位140主要设置在双极板100和/或101顶侧104的主流场通道120中，用于形成空腔142以促进和/或使得氢气138流动。但是，为保持恒定和预定的流量，在双极板100和/或101整个内部活性区域122的隆起部位140，流体124、138的流动速度和/或速率将会提升。当流体124、138的速度和速率在隆起部位140提升，同时也会增大双极板100和/或101中的热传递，这是十分有益的，并且可以改善电池80、电池堆11、12或系统10的运行。
图10B中的箭头表示，水124从分配通道112流入主流场通道120，并流过位于其中的隆起部位140。图10C还展示了位于双极板100和/或101顶侧104的水主流场通道120中的隆起部位140。图10D是用于电池堆组件的单片双极板100和/或101的剖面图，其中展示了布置在双极板100和/或101顶侧104的隆起部位140，该隆起部位同时形成了位于双极板100和/或101底侧106的空腔142。
图11A和11B展示了氢气138从分配通道112水平和/或从东向西流入(如箭头所示)双极板100底侧106的主流场通道120。图22A和22B展示了氢气138从分配通道112水平和/或从东向西流入(如箭头所示)双极板101底侧106的主流场通道120。进入主流场通道120后，氢气138会继续在双极板100和/或101底侧106的隆起部位140下方(例如在多个空腔142内)流动。图11C和22C还展示了分别位于双极板100和101底侧106的氢气主流场通道120中的空腔142。
重要的是，图3D、10B、11B和22B展示了双极板100和/或101底侧106的氢气138以与水124不同、相反和/或交叉的方向(例如水平和/或从东到西)流动。具体而言，图3D展示了水124在双极板100和/或101顶侧104以与氢气138在双极板100和/或101底侧106(例如水平和/或从东到西)不同、相反和/或交叉的方向126流动(例如垂直和/或从北到南)。所以，水和氢气流体124、138在双极板100和/或101的两侧104、106具有交叉流动配置126，使得这些流体124(例如水和氢气)以不同方向流动。
因此，流体124的这种交叉流动配置126还有助于改善双极板100和/或101内流体124、138的热管理。主流场通道120的隆起部位140和空腔142还有助于进一步改善双极板100和/或101对流体124的热管理。具体而言，当流体124(例如水)高速流过隆起部位140时，可以促进流体124、138之间的对流热传递。隆起部位140还起到延伸主流场通道120长度的作用(例如用作翅片)，这样可以进一步促进传导性热传递。因此，双极板100和/或101第一侧104的隆起部位140及其在双极板100和/或101相对侧/第二侧106形成的空腔142，特别有助于改善电解槽双极板100和/或101以及电解槽电池80的热管理和热传递能力。
总的来说，用于电池堆11、12组件的本单片双极板100和/或101的成型结构特征，验证了用于电池堆组件的双极板100和/或101的可行性和功能实用性，提高了电解槽电池80、电池堆11、12或系统10的运行效率和最佳性能、功能、寿命以及耐用性；这些成型结构特征包括：分配通道112、凸缘132、密封槽130(特别是与密封件134联接的密封槽)以及主流场通道120(包括隆起部位140和空腔142)。本文所述的双极板100和/或101可维持或实现电解槽双极板100和/或101成型、制造和/或运行所必需的预期流场配置和密封要求，同时将其他可成型性参数保持在可接受的阈值限制内(例如材料管理、流动压降、侵蚀和/或局部速率、热管理，以及电化学板部件的机械板负载和维护)。
用于电池堆11、12组件的本单片双极板100和/或101所带来的附加运行或生产效益包括：成本效益(例如由于硬件工具减少)，穿过膜或电解质118的压降更小，以及轻量和/或紧凑的设计。同样，本双极板100和/或101改进了热管理，并更加适合大规模商业生产。重要的是，双极板100和/或101提供了包含封闭反应物的开放、部分密封或完全密封和/或封闭的系统，以及在更高功率或电流密度(例如从大约5Amp/cm2到大约20Amp/cm2，包括其中所包含的任何电流密度)下运行的能力。
本公开还涉及电解槽电池堆11、12，包括本文所描述的用于电池堆11、12组件的单层双极板100和/或101的一个或多个实施例。更具体地说，电解槽电池堆11、12组件可以包括一个或多个、两个或多个用于电池堆组件的单片双极板100和/或101，这些双极板具有一个、两个或多个不同和/或互补的板设计、图案或配置。例如，参考图12A，电池堆11、12可以包括具有不同成型结构的一个或两个双极板100和/或101实施例。
具体而言，图12A所示的双极板100和/或101具有两种成型配置，即A类111板配置和B类113板配置。与B类113板的成型配置所提供的成型结构相比，A类111板的成型配置为板100和/或101产生的成型结构有所不同。具体而言，A类111板和B类113板之间具有偏移位置配置。例如，A类111板的通道112、120配置与B类113板的通道配置之间略有偏移。
如图12A所示，A类111板的第一流场通道120的位置要比B类113板的第一流场通道120推后或顺延一(1)个通道。换句话说，A类111板从槽脊128开始，而B类113板从通道120或凹槽130开始，以此构建一个偏移板组件配置。这种偏移板堆叠或组件配置让一个双极板100和/或101的槽脊128堆叠在另一个双极板100和/或101的凹槽130或通道128上方(反之亦然)，使得双极板100和/或101在电池堆中相互支撑，又不会彼此塌陷。
回到图12A，第一A类111板包括一个配置为接收和分配水124的顶侧104，而板A111的底侧106则配置为接收和分配氢气138。B类113板同样包括一个配置为接收和分配水124的顶侧104，且板B 113的底侧106也配置为接收和分配氢气138。然而，在电池堆11、12中，A类111板的主流场通道120与B类113板的主流场通道120之间偏移大约半(1/2)个至一(1)个完整通道(宽度)。在其他实施例中，主流场通道可以偏移任何宽度或数量的通道，使电池堆11、12中的双极板100和/或101能够互补并且不会彼此塌陷。
在该说明性实施例中，A类111板100和/或101的主流场通道120成型为当布置在电池堆11、12中时，与B类113板配置的主流场通道120交替或相偏移(大约1/2到大约1个通道宽度)。因此，包括多个隆起部位140的A类111板和B类113板主流场通道120的定位或布置方式是互补、偏移和/或交替堆叠，从而构成一个抗损坏(例如弯曲或断裂)的电池堆11、12。图12B展示了另一个电池堆11、12实施例，其中包括采用不同的布置定位和/或取向的双配置双极板100和/或101(例如板A和B)。值得注意的是，图12B的双极板100和/或101也具有主流场通道120，这些通道采用交替形状，例如酒窝形或人字形图案。
如上所述，具有相同或不同成型结构或成型配置的堆叠双极板100和/或101可以在运行电池堆11、12中提供不同的板组件配置。具体而言，双极板100和/或101可以设计为具有两种、三种、四种、五种或更多不同的成型结构或成型配置。在图13A-14B和23A-23D所示的示例性实施例中，双极板100和/或101将具有至少两种不同的成型结构或成型配置，例如A类111板或板A 111，以及B类113板或板B 113(例如多配置或双配置设计或结构形式)。
图13A-13D展示了双极板100(例如板A 111和板B 113)的制造、成型和/或密封配置如何进一步改善电池堆11、12中双极板100之间的压缩，并由此提升双极板100和电池堆11、12的耐久性和性能。同样，图23A-23D展示了双极板101(例如板A 111和板B 113)的制造、成型和/或密封配置如何进一步改善电池堆11、12中双极板101之间的压缩，并由此提升双极板101和电池堆11、12的耐久性和性能。
具体而言，要实现双极板100和/或101的顶侧104、底侧106或两侧104、106的外部密封，可以采用平行凹槽成型。板A111和板B 113外密封区域144上的不同平行凹槽成型配置，可用于促进和/或支持电池堆11、12中双极板100和/或101(例如板A111和板B 113)之间的密封件到密封件对齐和/或密封件到板(例如密封件到金属)压缩。这种制造、堆叠和/或密封可提高用于电池堆11、12组件的单片双极板100和/或101密封件134、144的柔性和可行性。
外密封件144可以应用在双极板100和/或101或薄片102的外边缘，构成外密封区域144。外密封件144还针对双极板100和/或101外边缘的任何机械负载，提供必要的或所需的机械支撑和/或阻力。因此，外密封件144有利于双极板100和/或101的结构完整性和保存。
例如，图13A和23A展示了位于板A 111实施例水流侧104的外密封件144和内密封件134。同样，图13B和23B展示了位于同一板A 111氢气侧106的外密封件144和内密封件134。此外，图13C和23C展示了位于板B 113实施例氢气侧106的外密封件144和内密封件134。图13D和23D也展示了位于同一板B 113水流侧104的外密封件144和内密封件134。外密封件144和内密封件134中的每一个都可以包括一个以上的密封件。或者，外密封件144和内密封件134可以是相同的，以便形成单个组合密封件，如图13B和23B所示。
在具有不同密封配置的示例性双极板实施例中，图13A和23A所示板A 111的水流侧104总共包括5个密封件：1)一(1)个单个全板边缘密封件(P)；2)两(2)个氢气端口窗口密封件(HW)，位于4-窗口氢气端口的四侧周围；以及3)两(2)个中间窗口密封件，位于窗口密封件(W)的外部，但仅围绕在氢气端口窗口(I)的外部三侧周围。图13B和23B所示板A 111的氢气侧106包括一(1)个围绕所有边缘、水流窗口端口和中间窗口端口(P')的单个连续密封件，使得氢气可以流动。
相比之下，图13D和23D所示板B 113的水流侧104总共包括三(3)个密封件：1)一(1)个单个全板边缘密封件(P+HW)，包括位于4-窗口氢气端口四侧周围的两个氢气端口窗口密封件(HW)；以及2)两(2)个中间窗口密封件，位于氢气窗口密封件(HI)的外部，但仅围绕在氢气端口窗口(HI)的外部三侧周围。此外，图13C和23C中所示的板B 113的氢气侧106也包括三(3)个总密封件：1)单个全板边缘密封件(P+WW)，包括位于3-窗口水端口的四侧周围的两个水端口窗口密封件(WW)；以及2)两个中间窗口密封件，位于窗口密封件(WW)的外部，但是正好在水端口窗口(WI)的外部三侧周围。
图14A和14B展示了电池堆11、12配置中的板A 111和板B 113。具体而言，图14A展示了不同的成型配置，用于为板A 111和板B 113构建外密封件144和/或内密封件134。图14A和14B展示了外部氢气或水密封件144或外部水密封件144，这些密封件在电池堆11、12中具有密封件到密封件对齐和/或压缩。此外，图14A和14B清楚展示了板A和板B的外密封件到板压缩。外密封件144和/或内密封件134可以是平坦的，如图14A和14B所示，或者可以具有单个或多个突起、凹陷和/或凸块。
图2-14B以及图23A-23D中描述和展示了电池堆11、12组件实施例，其中每一个都包括至少两个不同的双极板100和/或101成型结构配置(例如A类111板、板A 111、B类113板、板B 113)。在A类111和B类113板以及/或者板A和B 100和/或101的设计配置中，分配通道112和/或主流场通道
120的互补、偏移和/或交替定位可对电池堆11、12组件进行加强，并防止双极板100和/或101在堆叠或组装时出现弯曲和/或塌陷。
具体而言，A类和B类板以及板A和B的分配通道112和/或主流场通道120的互补、偏移和/或交替设计可防止双极板100和/或101(特别是槽脊128或通道112、120)在堆叠时向彼此弯曲或塌陷。因此，这种互补、偏移和/或交替的电池堆11、12双极板配置(其中包括具有不同和/或互补设计特征和配置[例如密封件、分配通道和/或主流场]的双极板100和/或101，例如板A111和板B 113)，可改进所维持和/或保存的电解槽电池堆11、12的结构完整性。双极板100和/或101或薄片102边缘的外密封区域(例如双极板100和/或101的外密封区域)的密封件到密封件对齐，有助于进一步提高机械强度，这种机械强度由至少两个互补的双极板100和/或101配置提供。
图25A和25B展示了附加成型特征160，该特征可以帮助提高双极板101的板刚度和/或强度。水和氢气流经端口108、110时产生的压力可以施加到双极板101的角落和边缘。在双极板101中提供的附加成型特征160可以增加局部刚度。因此，由于附加成型特征160的存在，双极板101的强度可以得到提升，并且在厚度相同的情况下，双极板101能够适应更高的压力和负载。
图25A和25B还展示了包括一个或多个定位销162的双极板101。定位销162可以设置在双极板101的边缘，用于容纳垂直和水平的电池堆11、12组件。在使用水平电池堆11、12组件的情况下，定位销162可以适应附加的双极板101负载，并且还有助于对齐双极板101。因此，双极板101可用于水平或垂直电池堆组件，因为定位销162可保持紧密的组件公差，以支持两种堆叠方向。
双极板101的结构和温度完整性评估如图26A-26F所示。通过考虑不同的槽脊宽度、凹槽宽度、间距、内部和外部成型半径、成型角度等因素，分析了双极板101的各种成型配置。此外，还对不锈钢和钛材料进行了测试。将成型过程中产生的一个或多个应力与双极板的容许应力进行了比较(例如，1级钛的最小抗拉强度为大约241Mpa，316L不锈钢的最小抗拉强度为大约480Mpa)。在成型和/或生产过程中，也考虑了成型公差。
此外，还分析了各种成型特征对软膜和整体电池堆性能的验收标准的影响，并且基于这些参数选择了最佳的双极板101特征。图26A和26B展示了当使用工具168与模具170时，从金属片166形成双极板101期间的应力结果。图26C和26D展示了在电池堆11、12形成期间，双极板101上产生应力的计算模拟。图26E是所生产的双极板101的图像。图26F展示了双极板101拐角上的应力。
图27是双极板100和/或101的一个实施例中，流场和分配区域部分200的剖面图，其中标明了双极板100和/或101的各种设计参数。具体而言，双极板100和/或101的槽脊宽度180可以在大约0.3mm至大约3mm的范围内，包括其中所包含的任何宽度或宽度范围。双极板100和/或101的凹槽宽度182可以在大约0.5mm至大约6mm的范围内，包括其中所包含的任何宽度或宽度范围。双极板100和/或101的间距184可以在大约0.8mm至大约9mm的范围内，包括其中所包含的任何宽度或宽度范围。双极板100和/或101的凹槽深度186可以在大约0.3mm至大约2mm的范围内，包括其中所包含的任何宽度或宽度范围。
双极板100和/或101的板厚度188可以在大约0.1mm至大约2mm的范围内，包括其中所包含的任何宽度或宽度范围(见图27)。双极板100和/或101的内部半径190可以在大约0.1mm至大约1mm的范围内，包括其中所包含的任何宽度或宽度范围。双极板100和/或101的外部半径192是内部半径190的值与板厚度188的值之和。图27所示双极板100和/或101的特征194，是双极板100和/或101的流场和分配区域部分200的平坦区域。
本公开还涉及一种制造、形成和/或生产本文所述的用于电池堆11、12组件的单片双极板100和/或101的成型结构的方法。用于电池堆11、12组件的单片双极板100和/或101的成型结构是通过成型或成型制造工艺直接所得(如下文详述)，没有进一步的机械成型操作。本公开的示例性成型工艺采用单个成型工艺(例如可以具有多个阶段)或多个成形工艺形成用于电池堆11、12组件的单片双极板100和/或101的成型结构。
虽然可以利用任何机器、材料和/或金属成型方法来生产本双极板100和/或101的成型结构，但是制造、形成和/或生产本双极板100和/或101的方法可以包括任何冲压、打印和/或成型方法，这些方法能够使用单片可成型材料102(例如金属)并构建或生产双面双极成型结构，以放置或容纳电化学反应(例如电解)所需的阳极114和阴极116流体124、138。例如，构建本双极板100和/或101的成型结构的成型方法可以包括冲压、液压成型、自然成型、平行凹槽成型、橡胶成型、滚压成型、3D打印或渐进成型。本双极板100和/或101的形成过程可以包括任何增材(例如3D打印)或减材(例如化学蚀刻)制造技术。
用于电池堆11、12组件的本单片双极板100和/或101的成型结构的设计、制造、形成和/或生产方法实施例还考虑了所使用的可成型材料102的可成型性。具体而言，必须考虑可在单片可成型材料102中形成以生产双极板100和/或101的结构特征的数量。具体而言，必须考虑在保持机械支撑的同时，提供如本文所描述的必要反应物通道112、120所需的槽脊(即单片材料102的一侧104、106区域)凹槽130(即结构特征，包括通道112、120、凸缘132、隆起部位140、空腔142等)比。
因此，如图15和24所示，设计、制造、形成和/或生产用于电池堆11、12组件的本单片双极板100和/或101的成型结构的本方法，包括保持适当的槽脊凹槽比。当在电池堆11、12内时，适当的槽脊凹槽比可为软膜电解质118和双极板10(包括阳极114和阴极116)提供合适的机械支撑。只要可成型材料102的材料特性提供了必要的承载能力来支撑电池堆11、12的软膜，那么双极板100和/或101可以使用任何深度和/或槽脊凹槽比。
在设计、制造、形成和/或生产用于电池堆11、12组件的本单片双极板100和/或101的当前方法中，必须特别考虑任何可成型材料102的适当槽脊凹槽比。例如，钛是经常用于制造和/或生产用于电化学电池的双极板100和/或101的金属，其最佳深度是大约2mm。用于设计、制造、成形和/或生产双极板100和/或101的可成型材料102的实施例可以采用任意槽脊凹槽比，例如大约1:1、1:1.5、1:2、1:5、1:10等。值得注意的是，在本方法中，可以提供半径和曲率来制造、形成和/或生产双极板100和/或101，以便满足流动和密封管理、更好的机械支撑以及成型可行性的要求(这可以通过考虑双极板100和/或101形成时的槽脊凹槽比来解决)。
设计、制造、形成和/或生产用于电池堆11、12组件的本单片双极板100和/或101的本方法还包括将密封件134、144添加或应用到双极板100和/或101的成型结构，或用于密封这种成型结构。在一个实施例中，密封双极板100和/或101的成型结构是在通过上述成型和/或制造工艺可成型地构建和/或生产该结构之后进行的。在示例性实施例中，密封包括将密封件134、144应用于双极板100和/或101的凸缘132、凹槽130、槽脊128、通道112、120、两侧104、106和/或任何其他结构部件或特征。
在形成双极板100和/或101的成型结构之后，密封双极板100和/或101包括按需以机械、自动和/或手动方式添加、应用、布置和/或定位到双极板100和/或101的任何和/或所有区域，以实现流体124、138的流动。在替代实施例中，密封件可以在成型结构完成之前(例如当正在形成成型结构时)添加或应用到双极板100和/或101的成型结构。
例如，密封可包括将密封件134、144应用到为双极板100和/或101实现运行流体124、138所需的任何密封配置、位置和/或地点中。具体而言，密封件134、144和/或特定的密封配置和/或设计可以配置到双极板100和/或101的设计或结构中，以便实现和/或改善流体124、138的流动。此外，重要的是，在本系统和方法使用密封件134、144来提供一个可以包括多个不同深度的流场和/或通道112、120的封闭系统。
虽然不同深度或可变凹槽130深度可以包括不同通道112、120中的不同深度，但如本文所述，短语“可变凹槽深度”指的是本双极板100和/或101利用单片材料的两侧来提供多个封闭且分离的流场或通道112、120的能力，这些流场或通道的深度在其连续流动路径(例如从入口108到出口110)中会发生变化或有所不同。在示例性实施例中，可变凹槽深度是通过与密封件134、144联接的双极板100和/或101配置(例如凸缘132)来实现的。
例如，如前所述，内密封件134可以添加到凹槽130或槽脊128的凸缘132区域，以便封闭和/或密封该区域并进一步影响或改变流体124、138流动的数量或方向。同样，当电池堆11、12组件中包括多个双极板100和/或101时，外密封件144可以添加到双极板100和/或101的边缘，以实现密封件到密封件和/或板到板接触和/或对齐。
上述实施例的描述足够详细，以使本领域的技术人员能够实施权利要求的内容，而且应该理解，在不偏离权利要求的精神和范围的情况下，可以利用其他实施例，并且可以进行逻辑、机械和电气方面的变化。因此，详细的描述不应认为具有限制性意义。
如本文所用，以单数形式列举并以词汇“一个”或“一种”(a/an)开头的元件或步骤应理解为不排除所述元件或步骤的复数形式，除非明确说明了这种排除。
此外，对本文所述主题的“一个实施例”的引用并不意味着解释为排除也包含所列举特征的其他实施例的存在。单位、测量和/或值的指定数值范围包括、基本上由所有数值、单位、测量和/或范围组成或由所有数值、单位、测量和/或范围组成，所有数值、单位、测量和/或范围包括这些范围和/或端点或在这些范围和/或端点内，无论这些数值、单位、测量和/或范围是否在本公开中明确规定。
除非另有定义，本文所用技术和科学术语具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同。本文所用的术语“第一”、“第二”、“第三”等并不表示任何顺序或重要性，而是用于将一个元件与另一个元件区分开来。术语“或”与“和/或”是指包含并意指所列项目中的任何一个或所有项目。此外，术语“连接”和“联接”并不只限于物理或机械连接或联接，也可以包括直接或间接的电气连接或联接。
此外，除非明确说明相反，否则“包括”、“包含”或“具有”具有特定属性的一个元件或多个元件的实施例可以包括不具有该属性的其它这样的元件。术语“包括”或“包含”(comprising/comprises)是指包含但不排除其它元件、组分和/或方法步骤的组合物、化合物、制剂或方法。术语“包括”也可以指本公开中包含但不排除其它元件、组分和/或方法步骤的组合物、化合物、制剂或方法实施例。短语“由...组成”或“由...构成”(consistingof/consists of)是指排除任何其它元件、组分或方法步骤存在的混合物、组合物、制剂或方法。
短语“由...组成”是指排除任何附加元件、组分或方法步骤存在的化合物、组合物、制剂或方法。短语“主要由...组成”或“主要由...构成”(consisting esse ntiallyof/consists essentially of)是指包含对组合物、化合物、制剂或方法的特性没有实质性影响的其它元件、组分或方法步骤的组合物、化合物、制剂或方法。短语“主要由...组成”也指本公开中包含对组合物、化合物、制剂或方法的特性没有实质性影响的其它元件、组分或方法步骤的组合物、化合物、制剂或方法。
在本文说明书和权利要求书中使用的近似语言可用于修改可允许变化而不会导致与其相关的基本功能发生变化的任何定量表示。因此，由一个或多个术语(如“大约”(about)和“基本上”(substantially))修饰的数值不应局限于指定的精确数值。在一些情况下，近似语言可能对应于用于测量数值的仪器的精度。在本说明书和权利要求书中，范围限制可以合并和/或互换。除非上下文或语言另有说明，这种范围被识别并包括其中所含的所有子范围。
如本文所用，术语“可以”(may)和“可能是”(may be)表示在一系列情况下发生的可能性；拥有特定的属性、特征或功能；和/或通过表达与限定动词相关的一个或多个能力或可能性来限定另一个动词。因此，“可以”和“可能是”的用法表明修改后的术语显然是适当的、能够的或适合于指示的能力、功能或用法，同时考虑到在一些情况下，修改后的术语有时可能不合适、不能够或不恰当。
应当理解，上述描述是说明性的，而非限制性的。例如，上述实施例(和/或其各方面)可以单独使用、一起使用或彼此配合使用。此外，可以进行许多修改，以使特定情况或材料适应本文所述主题的教导，而不会偏离其范围。尽管本文所述材料的尺寸和类型旨在限定所公开主题的参数，但它们绝不是限制性的，而是示例性实施例。在回顾上文描述后，本领域技术人员将明白许多其它实施例。因此，本文所述主题的范围应参照所附权利要求书以及这样的权利要求书有权享有的全部等同物范围来确定。
本书面说明书使用示例来公开本文所述主题的几个实施例(包括最佳模式)，并且还使本领域普通技术人员能够实践所公开主题的实施例，包括制造和使用设备或系统以及执行方法。本文所述主题的可专利范围由权利要求书限定，并且可以包含本领域普通技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例的结构元件与权利要求书的字面语言没有区别，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言没有实质性差异的等效结构元件，则这些其它示例旨在在权利要求书的范围之内。
尽管本文只图示和描述了本发明的某些特征，但对于本领域的技术人员来说，会有许多修改和变化。因此，应当理解，所附的权利要求书旨在涵盖属于本发明真正精神范围的所有这样的修改和变化。

Claims (15)

1.一种用于电池堆组件的电化学电池双极板，包括：
一个单片可成型材料，具有一个阳极侧和一个阴极侧
(与阳极侧相对)，其中，阳极侧和阴极侧具有不同的结构配置；
多个水通道，位于阳极侧；
多个氢气通道，位于阴极侧，其中，水通道和氢气通道具有交叉流动配置；
多个槽脊，配置为提供水通道和氢气通道，其中，每个槽脊都包括一个凹槽和一个凸缘；以及
一个密封件，位于凸缘内，为槽脊提供可变的凹槽深度。
2.权利要求1所述的电化学电池双极板组件，其中，在多个凹槽中有两个或以上包括密封槽。
3.权利要求1所述的电化学电池双极板组件，其中，水通道包括水分配通道或水主流场通道。
4.权利要求1所述的电化学电池双极板组件，其中，氢气通道包括氢气分配通道或氢气主流场通道。
5.权利要求1所述的电化学电池双极板组件，其中，密封件是内密封件或外密封件。
6.权利要求1所述的电化学电池双极板组件，其中，密封件封闭电化学电池双极板组件的阳极侧和阴极侧，形成封闭系统。
7.一种用于电池堆组件的电化学电池双极板，包括：
一个单片可成型材料，具有一个阳极侧和一个阴极侧
(与阳极侧相对)，其中，阳极侧和阴极侧具有不同的结构配置；
多个水通道，包括阳极侧上的多个隆起部位；
多个氢气通道，包括阴极侧上的多个空腔，其中，水通道和氢气通道具有交叉流动配置，可改善双极板中一种或多种流体的热管理和热传递。
8.权利要求7所述的电化学电池双极板组件，其中，可成型材料包括金属或非金属导电材料。
9.权利要求8所述的电化学电池双极板组件，其中，金属导电材料包括钛、镍、铝、钢或其组合。
10.权利要求9所述的电化学电池双极板组件，其中，不同的配置包括偏移配置或互补配置。
11.权利要求10所述的电化学电池双极板组件，其中，水通道包括水分配通道或水主流场通道。
12.权利要求7所述的电化学电池双极板组件，其中，氢气通道包括氢气分配通道或氢气主流场通道。
13.一种制造用于电池堆组件的单片双极板的方法，包括：
使用单片成型工艺形成单片可成型材料，以创建一种成型结构，该成型结构具有一个阳极侧和一个阴极侧，分别包括多个流动分配通道和主流场通道，
其中，每个流动分配通道都包括一个凹槽、一个凸缘和一个槽脊，每个主流场通道都包括多个隆起部位和空腔；以及
密封流动分配通道或主流场通道，以构建封闭系统。
14.权利要求13所述的方法，其中，通过将密封件应用于分配通道的凸缘、凹槽或槽脊来进行密封。
15.权利要求13所述的方法，其中，通过平行凹槽成型来进行密封。
CN202310355142.9A 2022-04-06 2023-04-04 用于电池堆组件的单片双极板及其制造和使用方法 Pending CN116895775A (zh)

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