CN1813367A - 隔板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池导流装置(820)，该装置包含整体气密主体，其表面具有凹面(850)和围绕该凹面延伸的壁，该凹面和壁限定流体分散区(868)。该装置还包含从流体分散区中的凹面上凸起的多个空间分隔的突起(870)，使得部分凹面完全围绕每个突起延伸，每个突起具有离凹面一定距离的突起表面。该装置还包含入口(862)、入口导管、出口和出口导管。入口导管连通入口(862)和流体分散区(868)，以利于流体从入口流向流体分散区，出口导管连通流体分散区和出口，以利于流体在流体分散区和出口之间流动。

Description

隔板

发明背景

发明领域

本发明涉及电化学燃料电池，更具体涉及燃料电池的反应物供应装置以及使用该装置的燃料电池和燃料电池组。

现有技术描述

电化学燃料电池将燃料和氧化剂转化为电和反应产物。典型的燃料电池通常包含阴极、阳极和膜。其中膜置于阴阳两极之间。氢气形式的燃料进入阳极后由催化剂，通常为铂，催化进行如下阳极反应：

阳极反应：

氢气分解成为氢离子和电子。其中氢离子(阳离子)经膜迁移到阴极。而电子则通过外电路以电形式迁移。

供应至阴极的氧化剂，如纯氧或含氧的空气，与经膜迁移到阴极的氢离子和来自外电路的电子发生反应，生成反应产物液体水。该阴极反应通常也由铂催化。其反应方程如下：

阴极反应：

因此，通过该电化学反应，燃料电池产生电和水。水产生在阴极。

通常，该电化学反应还伴有称为水抽吸的现象。当每一个阳离子(质子)经膜迁移时会伴随迁移或拖曳几个水分子。因而水净迁移至阴极。水抽吸增加了阴极处由于燃料电池中电化学反应所形成的产物水。

固体聚合物燃料电池通常含有膜电极集合体(MEA)。该膜电极集合体由位于电极之间并与两个电极接触的固体聚合物电解质膜或离子交换膜构成，该用作阴极和阳极的两个电极是由多孔、导电的薄片材料制成。所述电极通常由碳纤维纸或碳纤维布制成。在电极与膜之间的界面处有加快电化学反应的催化剂层。膜电极集合体(MEA)放于两个通常由石墨制成的导电板之间。在所述导电板表面有一个或多个反应物流动通道。反应物流动通道引导反应物流到达电极表面，并把由于燃料电池反应和由于水抽吸而在阴极处产生的水排出。

传统的反应物流动通道一般是长而窄的蛇形。通常，由于毛细作用，水会附着在反应物流动通道壁，以致于要相当大的压力将水排出。如果排水失败则会使水在阴极富集，这会产生燃料电池运行的问题。催化剂层附近存在水会降低催化剂与反应物的接触率，这种现象一般叫做“水淹”。同样，水的存在(通常以液滴的形式)会明显妨碍氧化剂反应物通过反应物流动通道的流动。从而在通道被阻塞的区域形成“盲区(dead spot)”。另外，由于水的排出对燃料电池的冷却非常重要，如果从阴极排水失败，则会导致膜局部热点(hot spot)。局部热点会导致例如在膜上产生针孔缺陷。这些情况可能导致燃料电池可用功率下降或燃料电池运行失效。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供燃料电池中的导流装置。该装置包含整体气密主体，其表面具有凹面和围绕凹面延伸的壁，该凹面和壁限定流体分散区。该装置还包含从流体分散区中的凹面上凸出的多个空间分隔的突起，使得部分凹面完全围绕每个突起延伸，每个突起具有离凹面一定距离的突起表面。所述装置还包含入口、入口导管、出口和出口导管。入口导管连通入口和流体分散区，以利于流体从入口流向流体分散区，出口导管连通流体分散区和出口，以利于流体在流体分散区和出口之间流动。

所述凹面通常是平面。一般可以为矩形，也可以是梯形，或者从入口附近的第一宽度到出口附近的第二宽度其宽度逐渐减小。

入口导管可含有第一多个导管，并可以包含位于入口和第一多个导管之间的流体分散区，其用来将流体分配至第一多个导管，以便流入流体分散区。

出口导管可含有第二多个导管，并可以包含位于第二多个导管和出口之间的接收区，其用来接收来自第二多个导管的流体，以便经出口排出。

所述主体可以由可浇铸的导电防蚀材料如石墨制成，或者也可以由涂覆有石墨粉、钛和金中的至少一种的金属制成。

每一个突起表面可具有一般曲面形状，或者可具有矩形、圆形和三角形中的至少一种。各突起表面位于相同平面上并且离凹面距离大约为0.5-0.8毫米。凹面具有总凹面面积，并且每一突起表面具有各自的突起表面积，各突起表面积之和可近似等于总凹面面积。

多个空间分隔的突起以行和列的形式排列。其中相邻列之间的突起可交错排列。每一个突起与相邻突起之间的距离可相同。

主体可具有围绕凹面延伸的沟槽，用于填充密封圈来密封到气体扩散层的表面。

所述装置可以含有第一桥构件，并且所述表面可在入口导管附近具有第一支撑面，以支撑横跨入口导管的第一桥构件。所述凹槽可包含邻近第一支撑面的沟槽部分，并且密封圈可包括可操作地置于沟槽部分中的内部部分，第一桥构件可用来支撑密封圈的内部部分。

本体可包括板，所述表面在该板上并且通常是平面。所述板可包括冷却部件，该冷却部件可包含平行的间隔槽。

以阵列形式形成在平板上的突起限定所述板的有效区域，而冷却部件安置在所述有效区域的背面。

壳体可具有内表面侧和外表面侧，凹面形成在内表面侧。内表面侧可与燃料电池膜的气体扩散层接触，在外表面上形成沟槽以利于冷却。

冷却部件可形成在外表面侧，并可包括第二凹面和围绕第二凹面延伸的第二壁，第二凹面和第二壁限定第二流体分散区。冷却部件还可包括从第二流体分散区中的第二凹面凸出的第二多个空间分隔的突起，使得部分第二凹面完全围绕每个突起而延伸，每个突起具有离第二凹面一定距离的突起表面。冷却部件还可包括可操作地接收冷却流体的第二入口、第二入口导管、第二出口和第二出口导管。第二入口导管与第二入口和第二流体分散区连通，便于冷却流体从第二入口流向第二流体分散区，第二出口导管与第二流体分散区和第二出口连通，便于冷却流体在第二流体分散区和第二出口之间流动。

所述装置还可包括在凹面附近穿过所述平板延伸的开口，其用来容纳从中穿过的安装杆，以便将所述板装配在燃料电池或燃料电池组中。

所述装置可包含位于主体中的导管口，用于容纳可操作地传导来自燃料电池的电能的导管。

根据本发明的另一方面，提供燃料电池组装置。该装置包含第一燃料电池膜组件，该膜组件具有质子交换膜和在质子交换膜的两边的阳极和阴极气体扩散层。该装置还包括第一流体供应装置，其包含具有第一内表面侧和第一外表面侧的气密主体，第一内表面侧与阳极气体扩散层接触。第一内表面侧包括第一凹面和围绕第一凹面延伸的第一壁，第一凹面和第一壁限定第一流体分散区。第一内表面侧还包括凸出于流体分散区中凹面的第一多个空间分隔的突起，使得部分凹面完全围绕每一个突起而延伸。各突起具有离凹面一定距离的突起表面，突起表面可操作地接触阳极气体扩散层。第一流体供应装置还包括接收阳极反应物流体的第一入口、第一入口导管、第一出口和第一出口导管。第一入口导管与第一入口和第一流体分散区连通，以利于阳极反应物流体从第一入口流向第一分散区，并且第一出口导管与第一分散区和第一出口连通，以利于阳极反应物流体在第一流体分散区和第一出口之间流动。

燃料电池组装置还包括具有整体气密主体的第二流体供应装置。该主体具有第二内表面侧和第二外表面侧，第二内表面侧与阴极气体扩散层接触并具有第二凹面和围绕第二凹面延伸的第二壁。第二凹面和第二壁限定第二流体分散区。第二内表面侧还包括凸出于第二凹面的第二多个空间分隔的突起，使得部分第二凹面完全围绕每一个突起而延伸，各突起具有离第二凹面一定距离的突起表面。第二流体供应装置还包括可操作地接收阴极反应物流体的第二入口、第二入口导管、第二出口和第二出口导管。第二入口导管与第二入口和第二凹面连通，以利于阴极反应物流体从第二入口流向第二凹面，并且第二出口导管与第二凹面和第二出口连通，以利于过量的阴极反应物流体和来自阴极气体扩散层的冷却流体从第二凹面流向第二出口。

第二流体供应装置的第二外表面侧可包含冷却第二流体供应装置的冷却部件。

冷却部件可包括第二流体供应装置上的第三表面，第三表面具有第三凹面和围绕第三凹面延伸的第三壁。第三凹面和第三壁可以限定第三流体分散区。冷却部件还可包括凸出于第三流体分散区中第三凹面的第三多个空间分隔的突起，使得部分第三凹面全面围绕每一个突起而延伸。每一个突起可具有离第三凹面一定距离的突起表面。

冷却部件还可包括用来接收冷却流体的第三入口、第三入口导管、用来排出冷却流体的第三出口和第三出口导管。第三入口导管与第三入口和流体分散区连通，以利于冷却流体从第三入口流向第三流体分散区，并且第三出口导管与第三流体分散区和第三出口连通，以利于冷却流体在第三流体分散区和第三出口之间流动。

冷却部件可包含在第二流体供应装置的外表面侧上的多个平行沟槽。该沟槽可操作导流冷却流体，以利于冷却第二流体供应装置。

该导流装置还可包含分别与第一和第二流体供应装置接触的第一和第二导流板。每一个第一和第二导流板都可有内表面侧和外表面侧。可分别在第一和第二导流板的内表面侧或外表面侧的至少其中之一上安装第一和第二导线管。可分别将第一和第二绝缘体置于第一和第二导线管上。第一和第二导线管可固定在第一和第二导流板上，使得第一和第二导线管穿过燃料电池组件中的开孔并且通过第一和第二绝缘体而与其它组件绝缘，从而第一和第二导线管自燃料电池的同一端伸出。

根据本发明的另一方面，提供燃料电池组装置，包括第一燃料电池，该燃料电池包含第一膜组件，该膜组件具有第一膜和位于第一膜两侧的第一阳极气体扩散层和第一阴极气体扩散层。该装置还包括分别将阳极气体和阴极气体供应至第一阳极气体扩散层和第一阴极气体扩散层的第一阳极和第一阴极流体分配装置。第一阳极和阴极流体分配装置分别具有第一内表面侧和第一外表面侧。第一阳极流体分配装置的第一内表面侧与第一阳极气体扩散层接触，阴极流体分配装置的第一内表面侧与第一阴极气体扩散层接触。第一阴极流体分配装置的第一外表面侧具有形成在其中的第一多个沟槽，用于导流冷却流体来冷却第一阴极流体分配装置。

该燃料电池组还可以包含第二燃料电池，该燃料电池包含第二膜组件，该膜组件具有第二膜和位于第二膜两侧的第二阳极气体扩散层和第二阴极气体扩散层。该燃料电池组还可包括分别将阳极气体和阴极气体供应至第二阳极气体扩散层和第二阴极气体扩散层的第二阳极和第二阴极流体分配装置。第二阳极和第二阴极流体分配装置可分别具有第二内表面侧和第二外表面侧。第二阳极流体分配装置的第二内表面侧可以与第二阳极气体扩散层接触，第二阴极流体分配装置的第二内表面侧可以与第二阴极气体扩散层接触。第二阳极流体分配装置的第二外表面侧可以与第一阴极流体供应装置的第一外表面侧接触。第二阳极流体分配装置的第二外表面侧可具有形成在其中的第二多个沟槽，所述第二多个沟槽与第一阴极流体分配装置上的第一多个沟槽对齐，以形成用于导流冷却流体的冷却导管。

根据本发明的另一方面，提供燃料电池组装置，包括至少一个燃料电池，该燃料电池包含第一膜组件，该膜组件具有第一膜和位于第一膜两侧的第一阳极气体扩散层和第一阴极气体扩散层。该燃料电池组还包括分别将阳极气体和阴极气体供应至第一阳极气体扩散层和第一阴极气体扩散层的第一阳极和第一阴极流体分配装置。第一阳极和第一阴极流体分配装置分别具有第一内表面侧和第一外表面侧。第一阳极流体分配装置的第一内表面侧与第一阳极气体扩散层接触，第一阴极流体分配装置的第一内表面侧与第一阴极气体扩散层接触。该燃料电池组还包括分别与第一和第二流体供应装置接触的第一和第二导流板。第一和第二导流板的每一个分别具有内表面侧和外表面侧。第一和第二导线管可分别固定至第一和第二导流板的内和外表面侧的至少之一。第一和第二绝缘体可分别置于第一和第二导线管上。第一和第二导线管可固定至第一和第二导流板上，使得第一和第二导线管穿过燃料电池组件中的开孔并且通过第一和第二绝缘体而与其它组件绝缘，使得第一和第二导线管自燃料电池的同一端伸出。

根据本发明的另一方面，提供一种从燃料电池膜组件的阴极气体扩散层中排水的方法。该方法包括接收来自整体气密反应物供应装置分散区的阴极气体扩散层的水，所述反应物供应装置具有凸出于凹面的多个突起，所述凹面全面围绕各突起而延伸。该突起与燃料电池电极接触并相互之间分隔足够距离以使水自由流过分散区中的接触点。该方法还包括将用于燃料电池反应的足量加压阴极气体压入分散区，以供应阴极气体进行反应，同时利用过量的阴极气体将水排出与扩散区连通的反应物供应装置的出口。

根据本发明的另一方面，提供燃料电池系统，这一系统包括可操作地接收燃料电池反应物的燃料电池、引导冷却水从中流过的通道和与燃料电池相连的增湿器。增湿器有进水口、水扩散器和出水口。进水口可操作地接收来自水供应装置的水。水分散器可操作地使至少部分接收自进水口的水吸收到燃料电池的至少一些反应物中。出水口可操作地接收来自水扩散器的未被吸收的水并与冷却通道连通，以引导未被吸收的水进入冷却通道，用于冷却燃料电池。

所述燃料电池可包括第一和第二反应物供应入口，其中至少一个入口与分散器相连，以接收来自其中的增湿的燃料电池反应物。

所述燃料电池可具有第一和第二反应物供应入口，同样增湿器可含有第一和第二反应物供应端和第一和第二反应物供应通道，所述通道分别与第一和第二反应物供应端连通，以分别接收第一和第二燃料电池反应物。第一和第二反应物供应通道可分别与第一和第二反应物入口连通，使得第一和第二反应物和冷却水经过增湿器供应至燃料电池。

水扩散器可包含第一板、透水膜和第二板。第一板可具有延伸在进水口和出水口之间的多个通道。第二板可具有延伸在第一和第二反应物供应端的至少之一和相应的第一和第二反应物供应通道的其中一个之间的多个通道。第一和第二板可置于透水膜的两侧，以利于水从第一板的通道向第二板的通道中的反应物迁移，从而增湿第二板通道中的燃料电池反应物。

通过结合附图描述以下本发明的具体实施方案，本领域的技术人员将会清楚本发明的一些其它方面和特征。

附图说明

在具体描述本发明的实施方案的附图中，

图1是本发明第一实施方案的燃料电池装置的分解侧视图；

图2是图1所示燃料电池装置的端视图；

图3是图1所示燃料电池装置阳极端板的内表面侧平面图；

图4是图1所示燃料电池装置阳极导流板的外表面侧平面图；

图5是燃料电池装置阳极导流板的内表面侧平面图；

图6是图1所示燃料电池装置的第一流体供应装置的外表面侧平面图；

图7是图6-所示第一流体供应装置的内表面侧平面图；

图8是图1所示燃料电池的第二流体供应装置的内表面侧平面图；

图9是图8所示第二流体供应装置的外表面侧平面图；

图10是图1所示燃料电池装置的阴极导流板平面图；

图11是图1所示燃料电池装置的俯视图，示出形成在第一和第二流体供应装置中的冷却部件；

图12是本发明第二实施方案的燃料电池组的俯视图，示出形成用于冷却燃料电池组中各个燃料电池的流体供应装置的导管的配对沟槽；

图13是本发明一个可选实施方案的燃料电池装置的分解图，其中燃料电池的电路终端位于燃料电池的同一端；

图14是本发明第三实施方案的燃料电池装置或燃料电池组的分解图；

图15是图14所示燃料电池装置中的端板的平面图；

图16是图15所示燃料电池装置中端板的内表面侧平面图；

图17是图14所示燃料电池装置的增湿器的第一增湿器板的外表面侧平面图；

图18是图17所示第一增湿板的内表面侧平面图；

图19是图14所示燃料电池装置的第二增湿器板的外表面侧平面图；

图20是图19的第二增湿器板的内表面侧平面图；

图21是图1所示燃料电池装置的增湿器的第三增湿器板的外表面侧平面图；

图22是图21的第一增湿器板的内表面侧平面图；

图23是图14所示燃料电池装置的第一导流板的外表面侧平面图；

图24是图23所示导流板的内表面侧平面图；

图25是图14所示燃料电池装置的第一冷却板的外表面侧平面图；

图26是图25所示第一冷却板的内表面侧平面图；

图27是图14所示燃料电池装置的阳极流体供应装置的外表面侧平面图；

图28是图27所示燃料电池装置的阳极流体供应装置的内表面侧平面图；

图29是图14所示燃料电池装置的阴极流体供应装置的内表面侧平面图；

图30是图29所示燃料电池装置的阴极流体供应装置的外表面侧平面图；

图31是图14所示增湿器装置的第二冷却板的内表面侧平面图；

图32是图31所示增湿器板的外表面侧平面图；

图33是图14所示燃料电池装置的第二导流板的内表面侧平面图；

图34是图33所示导流板的内表面侧平面图；

图35是图14所示燃料电池装置的端板的内表面侧平面图；

图36是图14所示燃料电池装置的第二端板的平面图；

图37是图14所示燃料电池和增湿器的俯视图，该图示出水增湿和冷却通道；

图38是本发明第四实施方案的燃料电池装置的分解图，其中电路终端从燃料电池第一端板突出；

图39是替代图29所示阴极流体供应装置内表面侧的阴极反应物供应装置内表面侧的另一个可选构形的透视图。

具体实施方式

参照图1，根据本发明第一实施方案的燃料电池装置在分解侧视图中用10表示。该装置包含以12表示的膜电极集合体(MEA)，该膜电极集合体包含质子交换膜(14)、阳极和阴极碳布气体扩散层(16、18)，其分别形成MEA的阳极和阴极侧。燃料电池装置10还包括第一和第二流体供应装置20和22，其分别可运行地与阳极和阴极气体扩散层16和18相接触，用于分别向阳极和阴极气体扩散层输送阳极反应物(氢气)和阴极反应物(氧气)。

第一和第二流体供应装置20和22分别具有内和外表面侧24和26。在所示实施方案中，内表面侧24分别与阳极和阴极气体扩散层16和18相接触，外表面侧26朝向MEA外侧并分别与阳极和阴极导流板28和30相接触。阳极和阴极端板32和34则分别与阳极和阴极导流板28和30相接触。

阴极端板34包含位于阴极导流板30和阴极端板34之间的橡胶垫圈36。

阳极端板具有多个固定流体连接器的开口，本图只画出了其中两个开口38和40，所述开口分别连接供应反应物氢的管道和排出反应剩余物氧的管道。多个固定组件，只显示了42和44两个，分别延伸越过阳极和阴极端板32和34的外周，分别通过螺栓(只显示了43和48两个)连接在一起。将燃料电池的所有部件紧密连在一起，在机械上紧密接近。

参见图2，图2是图1所示燃料电池的端视图，用50表示。在该图中，可见阳极端板32上有4个开口，分别连接至氢气供应连接器38、氧气排放连接器40、氢气排放连接器52和氧气供应连接器54。

参见图3，示出了阳极端板32的内表面侧46。内表面侧46是平面，除了氢气和氧气入口56和58，氢气和氧气出口60和62分别与氢气和氧气供应连接器38和54及氢气和氧气排放连接器52和40相连通。内表面侧46紧邻图4所示的阳极导流板28的外表面侧47。

参见图4，阳极导流板28具有平坦的表面，并有四个矩形开口，包括氧供应入口64，氢供应入口66，氢排出出口68和氧排出出口70。

参照图3与图4，开口56和66，58和64，60和68，62和70在表面侧46和47相互接触时彼此相通。

参见图5，显示了阳极导流板28的内表面侧72。该内表面侧72具有一般平坦的表面，其中有从中延伸的四个矩形开口64、66、68和70。该内表面侧72与图6所示的第一供应装置20的外表面侧74相邻。

参照图6，在本实施方案中，第一流体供应装置20包含约3mm厚的板状整体气密主体。该主体可由导电、耐蚀、可浇铸的材料如石墨形成。作为选择，该本体也可以由金属形成，并涂覆例如石墨粉、钛或者金。第一流体供应装置20在其四个角上设有四个开口，分别是氢和氧供应入口76和78，氢和氧排出口80和82，它们分别与开口66、64、68和70相连通。外表面侧74的外缘形成沟槽84，该沟槽可运行地在其中容纳垫圈86。垫圈86具有围绕各开口76、78、80和82的相邻部分，图中仅示出88和90两个，使得部分垫圈绕所述表面外缘延伸并且相邻部分88和90完全围绕各开口76、78、80和82，以使外表面侧74顶在图5所示的阳极导流板28的匹配的内表面侧72而密封，从而防止在阳极导流板28的匹配的内表面侧72和第一流体供应装置20的外表面侧74之间的气体泄露。

参照图7，第一流体供应装置20的内表面侧24也可以称为第一表面侧，并具有平坦表面100和壁102，限定第一普通矩形凹面104。从第一凹面104凸出有第一多个空间分隔的接触点108，使得部分第一凹面完全围绕每一接触点108延伸。每一接触点108具有距离第一凹面104约0.5-0.8mm的接触表面110，每一接触表面110一般与平面100位于相同平面上。接触点108以行和列的形式排列，而且相邻列之间交错排列，使得当流体在同一列的两个相邻接触点之间通过时，就会被排列在这两个相邻接触点之间的相邻列中的一个接触点所分散。每个接触点与相邻接触点分开相同的距离，例如当接触平面110是圆形时，其值可为接触平面直径的大约两倍。在本实施方案中，每一接触表面110为直径大约4.76mm的圆形。然而，接触平面可以是例如普通曲面形状、矩形(如waffle形)或三角形。一般而言，希望各个接触平面的总面积应当与接触点之间的总面积即整个凹面面积大约相等。

氢供应口76作为本体中的入口。第一和第二入口导管112和114形成在第一内表面侧24并建立氢供应口76与第一凹面104之间的流体连通，以利于使反应物从氢供应口流向第一凹面。第一流体供应装置20还具有第一和第二出口导管116和118，其建立第一凹面104与氢排出口80之间的连通，以利于流体在第一凹面和氢排出口之间流动。第一内表面侧24与图1所示阳极气体扩散层16相接触，使得在第一凹面104和阳极气体扩散层之间形成第一反应物分散区，由此在氢供应口76处接收的反应物与第一反应物分散区连通并被供应至接触点108之间的阳极气体扩散层。

内表面侧24还有绕凹面104延伸并用于填充聚合物密封圈(未示出)的沟槽120，以密封与阳极气体扩散层16的表面。该沟槽例如可大约为4.76mm宽和深。在第一和第二入口导管112和114附近的第一内表面侧24中形成支撑面122、124和126，它们可运行地支撑横跨第一和第二入口导管112和114的第一桥构件128，从而支撑沟槽部分之间的第一和第二入口导管上方的密封圈内部部分。在第一和第二出口导管116和118附近也提供有类似的结构以支撑其上相应的密封圈。

回到图1，在本实施方案中，质子交换膜14由厚度为约0.050mm-0.1778mm的聚合物片形成。阳极和阴极气体扩散层16和18位于质子交换膜14的两边并为位于流体供应装置20、22的内表面侧和膜14之间的扩散层供应气体。阳极和阴极气体扩散层由碳纤维编织物构成，其中将少量聚四氟乙烯(PTFE)悬浮液印入并烧结在碳纤维编织物的缝隙中。从而，将质子交换膜14放在注入了碳和聚四氟乙烯悬浮液的垫“毯”之间，然后再分别夹在第一和第二流体供应装置20和22之间。通常为铂的催化剂以浆或糊剂形式应用，所述浆或糊剂是通过将铂黑和质子交换树脂稀溶液混合而制得。催化剂糊剂通常涂在气体扩散布和膜的表面。然后可将两布层分别置于膜的两边，一边一片，并将这样的三层夹层热压在一起。浆料中的聚合物组分与膜接合，合并所述三层以形成整体结构，称之为膜电极集合体(MEA)。

作为选择，将铂黑微粒悬浮于聚合物材料溶液中。将该浆液涂在膜的两面后进行热压，使浆液结合在膜上。浆液中的聚合物材料立刻与膜中的聚合物材料结合。以这种方法进行墨涂覆的膜称为膜电极集合体(MEA)。随后当进行电池组装时，将非催化的气体扩散布置于膜的每侧附近。

图8所示是第二流体供应装置22的内表面侧24，以130表示。该侧与图7所示的内表面侧相同。该装置分别包含氧供应口和氧排出口132和134、氢供应口和氢排出口136和138。该装置还包含沟槽配置140、凹面142和接触点144。纯氧从氧供应口132进入并经入口导管131和133引导进入形成在凹面142和阴极气体扩散层18之间的反应物分散区，用于燃料电池反应。燃料电池反应未消耗的过量氧经出口导管135和137引导至氧排出口134，并经其排空。

参见图1、图7和图8，第一和第二流体供应装置20和22分别与阳极和阴极气体扩散层16和18协同，使得各气体扩散层(16、18)允许反应物气体从限定在各气体扩散层与其相应的流体供应装置(20、22)的凹面104、142之间的分散区扩散，使得与各自流体供应装置的接触点108和144区域对齐的膜14的区域(有效区域)激活并产生电流。各气体扩散层16、18还为在有效区域中生成的电流形成导电通路，电流横向流向一定区域，在该区域处各流体供应装置20和22的各接触点108和114可传导电流垂直通过燃料电池或燃料电池组。各气体扩散层16和18还具有一定的弹性以使其与膜14的不规则表面接合更紧密，改善与膜的电接触性能并为膜提供一定的结构支撑作用。

另外，燃料电池在阴极扩散层18的燃料电池电化学反应所生成的水和由反应中的氢离子经膜拖曳的水都富集在接触点144之间的区域中的分散区里。例如在接触点的相邻行列间的水可在重力作用下下降，落向氧排出口134或者随分散区氧气的流动而简单直接流向氧排出口134。希望的是，接触点144之间的间距足够大，使得水滴的表面张力不足以使水保持在相邻接触点之间，当水滴受到重力作用，或受到分散区氧气的压力和/或受到其它力时就会在接触点之间下落。水自由地通过相对无阻碍的相邻接触点144之间，具有一般开放和可变的流动路径使水在分散区内较易流动，从而从氧排出口134排出。接触点144之间的空间中的任何地方都可能汇集水滴，因此从水滴进入分散区的点到氧排出口134的流动路径可以按要求变化，由于形成在扩散区其它区域的水滴能够通过低阻力途径到达氧排出口134，从而快速排空该汇集水的区域，这使得分散区中的氧能够到达阴极气体扩散层18。水从阴极气体扩散层的这种有效排出使氧气可以更好地流向阴极气体扩散层18，从而改善燃料电池电输出。

纯氧可在至少约5-30psi的压力下推入氧供应口132，它的流量大约为3.9毫升/分钟/安培/电池。该流量中大约10％被用于将水排出氧排出口134。

参照图9，第二气体流体供应装置22的外表面侧26分别形成有第一和第二沟槽配置150和152，其具有围绕开口132、134、136和138的部分，用于容纳其中相应的部分密封圈(未示出)。该密封圈可操作地接触阴极导流板30的内表面侧154的表面，如图10所示。

参照图10，如上所述，阴极导流板30的内表面侧154具有无开口的平坦平面。阴极导流板30的外表面侧(没有画出)与内表面侧相同。图1所示的阴极端板34的内外表面侧(没有画出)也是没有开口的平坦平面。

回到图9，第二流体供应装置22的外表面侧26可形成有冷却部件，本实施方案中，该冷却部件包含彼此间有一定距离的平行沟槽，其中之一如图9中156所示。沟槽156形成在凹面142背面的主体区域，在此因为在主体输送的气体和其接触的阴极气体扩散层18之间发生化学反应，导致热量聚集成为向主体供热的主要热源。第一流体供应装置20可以形成有如图11所示类似的沟槽。

从上面观察图1所示的燃料电池的，其中可见位于第一和第二流体供应装置20和22中的沟槽156彼此平行取向，使得冷却空气通过沟槽156流动，以冷却各流体供应装置20和22。

参照图12，可见包含多个燃料电池的燃料电池组可以通过重复第一流体供应装置20、MEA 12和第二流体供应装置22一定次数制成多个燃料电池或燃料电池组而制得。图12示出有三个燃料电池的燃料电池组。在该实施方案中，所有第一流体供应装置20和所有的第二流体供应装置22均形成有图9所示的沟槽，以分别在相邻流体供应装置之间形成冷却通道，如220和230所示。这提供更大体积的空气在冷却通道220和230中流过，以促进冷却。

图1所示装置的运行描述如下。参照图2，氢气从氢气连接器38进入，通过示于图3的氢供应口56，到达图4和图5所示的导流板28中的氢供应口66。来自氢供应口66的氢气被容纳于图6和图7所示的第一流体供应装置20的氢供应口76，在此氢气经入口导管112和114导入位于各接触点108之间的分散区，分散在各接触点之间以扩散进入MEA 12的阳极气体扩散层16。过量的氢气经出口导管116和118导入氢排出口80，在此氢气流经图4和图5所示氢排出口68，并进入图3所示的氢排出口60，从而在燃料电池10的端面处从图2所示的氢气排出连接器52抽出。

类似地，从氧气连接器54进入的氧气，通过图3的氧供应口58，再流过图4和图5所示的氧供应口64，然后通过图6和图7所示的氧供应口78，到达图8所示的第二流体供应装置22的氧供应口132。氧气经通道131和133进入位于多个接触点144之间的分散区，从而扩散进入MEA 12的阴极气体扩散层18。过量的氧气、燃料电池反应产生的水和经膜组件拖曳并容纳在扩散区中的水经导管135和137从扩散区流入氧排出口134，在这里流经图6和图7所示的阳极供应板20的氧排出口82。阴极反应物排出口82中的氧气再流经图4和图5所示导流板上相应的氧排出口70，最终流入图3所示的氧排出口62，从而经燃料电池端面处的氧气排出连接器40抽出。

参见图11，由于燃料电池反应释放能量，使得第二流体供应装置22升温，使冷却空气以对流的方式进入冷却通道156，帮助冷却第二流体供应装置22和整个燃料电池。

图13示出本发明第二实施方案，用300表示。该装置大体与图1所示的装置相同，只是装置300包含安装有第一导体304的阳极导流板302。第一导体304可以例如通过螺纹装置固定至阳极导流板302或可以压入其中。

装置300还包含安装有第二导体308的阴极导流板306，如通过上述螺纹或压合方法安装。装置300还包含第一流体供应装置310、一般性用312表示的MEA和第二流体供应装置314。装置300还包含端板316。上述各组件都有贯穿其中的相应开口，阴极导流板306形成有贯穿其中的开口，以经其容纳第一导体304，使得第一导体304的末端部分318从燃料电池的端板延伸或伸出。类似地，端板316上形成有让第二导体308通过的另一开口，使得第二导体308的末端部分320从燃料电池与第一导体304上的电路末端部分218相同的一端延伸。分别在部分第一和第二导体上安装绝缘衬套322和324，其穿过燃料电池的指定组件以防止第一和第二导体304和308分别与燃料电池的其它组件发生不希望的电接触。这样，燃料电池的接线端或电路端部分318和320位于燃料电池的同一侧或同一端，使得安装更容易。

参见图14，示出了本发明第三实施方案，用400表示。本实施方案中，燃料电池装置包括增湿组件402，燃料电池404，第一和第二冷却板406和408，第一和第二导流板410和412，第一和第二端板414和416。可见，可以通过在第一燃料电池404和冷却板408之间或第一燃料电池404和冷却板406之间加入如图418所示的其它燃料电池来形成燃料电池组。

上述方案中，燃料电池或燃料电池组的设计为用氢气作为阳极反应物并供应氧气的空气作为阴极反应物，并采用水冷却系统来运行。

参见图15，示出了第一端板414的平面图。端板414和416以及在两个端板间的所有组件含有全部贯穿的装配孔420、422、424、426、428和430。第一端板414还具有分别用虚线表示为432、434和436的氢供应、空气供应和水供应口，它们分别与流体连接器438、440和442相连。第一流体连接器438用于接收氢气，第二流体连接器440用于接收空气，第三流体连接器442用于接收水。板414还包含用于容纳图14所示的第一导体446的导体开口444，连接至第一导流板410的第一导体如下所述。

参见图16，示出了第一端板414的内表面侧，用450表示。

参见图17，示出了图14所示的增湿器402的第一增湿板452的外表面侧451的平面图。第一增湿板452包括装配孔，其数量与图15和图16中的装配孔相同，当第一端板414的内表面侧450与第一增湿板452的外表面侧451相互接触放置时，装配孔指示相互一致的位置。第一增湿板452还有长圆形的氢气导孔454和板上另一侧的长圆形进水口456。板452还包括传导空气的圆角三角形口458。板452还具有外围沟槽460，和如462和464所示的中间的垂直和水平沟槽，以形成沟槽配置，使得板上的每一个开口周围都有部分沟槽围绕。聚合物密封圈(未示出)容纳在沟槽中，以密封图17所示的侧面451，并靠住图16中的侧面450，防止氢气、空气和水从板450和452之间泄漏。

参见图18，示出了第一增湿板452的内表面侧465。该侧面465还包含沟槽系统466，其具有围绕板452上的每个开口的部分，并且可运行地容纳密封圈(未示出)，以便相对于图19所示的第二增湿板482的外表面侧467密封板452的该侧面465。再参照图18，所示侧面465包含多个表示为470的导管，其从水供应口456向各水通道阵列472、474和476延伸，每一通道阵列包括一般沿板宽度方向延伸并终止于一般表示为478的各出口导管的多个平行通道。导管470横向通过填充密封圈的沟槽延伸，因而沟槽形成有与入口和出口导管相邻的支撑部分480，用于支撑各个桥构件481。在本实施方案中，每一个桥构件均由长矩形不锈钢平组件构成，其跨越导管以支撑密封圈。可见，进入进水口456的水可流经入口导管470并流经各水通道阵列472、474和476，再进入导管478，导至图19所示相邻的第二增湿器板482中的匹配的长圆形水导流口480处。

图19示出第二增湿板482的外表面侧467。该板482包含装配口420至430共6个，还包含第二椭圆形水开口484、椭圆形氢气开口486和通常为三角形的空气开口488。外表面侧467还包含沟槽系统490，其中包含围绕与图18所示的第一增湿板452的内表面侧465接合以密封开口的沟槽。再参照图19，第二增湿板482的外表面侧467包含氢气入口导流槽492，它穿过沟槽部分分别延伸至径向排列的第一和第二氢气通道阵列494和496，然后终止于相应的导流槽498中，导流槽498穿过与氢气开口486相邻的沟槽部分并与其连通。与导流槽492和498相邻的部分沟槽形成有支撑面500和502，用于支撑其上相应的长方形不锈钢桥梁构件501和503，从而分别支撑在导流槽492和498上方的部分密封圈。可见，汇集在导流槽492处的氢气经阵列494和496引导，汇集到导流槽498中，并流入氢气出口486。

结合图18和图19，可见，当水流过水通道阵列472，474和476的同时，氢气流过氢气通道阵列494和496。参照图14、18和19，水渗透膜504位于图18所示表面侧465和图19所示表面侧467之间，有利于水从水通道阵列472，474和476渗透至氢气通道阵列494和496中，使得流入氢气通道阵列的氢气变得湿润。这样，进入氢气开口486的氢气得以增湿。

图20示出第二增湿板482的内表面侧505。该表面侧505包含装配口420至430，还包含沟槽系统506，其包含围绕各开口用于在其中填充密封圈(未示出)的沟槽。另外，该表面侧505包含多个入口导流槽508，其穿过与水开口484相邻的沟槽并与其连通，用于将水导向第二组横向排列的水通道阵列510，512和514。第二组横向排列的水通道阵列510，512和514终止于出口导流槽516并与其连通，所述导流槽516穿过与另一水开口480相邻的沟槽部分并与其连通。形成与导流槽508和516相邻的支撑面518和520，用于分别支撑跨越导流槽508和516的相应长方形不锈钢桥梁构件509和511，从而支撑相应部分的密封圈。

图21示出增湿器的第三增湿板522的外表面侧521。第三增湿板522包含装配口420至430，还包含水开口524、氢气开口526和通常为三角形的空气开口528。外表面侧521也包含沟槽系统530，其中包含围绕板上各开口延伸并可用来在其中填充密封圈(未示出)的沟槽部分。第三增湿板522的外表面侧521包含多个通道，其中一个以531表示，其从空气开口528的边缘532处沿板的长度方向穿过并与其连通。通道531简单终止于534处，与图20所示的第二增湿板的空气开口488相连并协同。通道531穿过相应的沟槽部分536和538，从而沟槽部分形成有支撑面，如与各通道531相邻的540和542，用于支撑可穿越所有通道531的长方形不锈钢桥梁构件541和543，并在外表面侧521的对侧上支撑相应部分的密封圈(未示出)。

结合图14，20和21，透水膜550被放在图20所示的第二增湿板482的内表面侧505和图21所示的第三增湿板522的外表面侧521之间，这样流入图20所示第二组通道阵列510，512和514的水可用透过透水膜550来增湿从通道531末端534处流入的空气。因而，经出口528排出的是增湿后的空气。

图22示出第三增湿板522的内表面侧543，其包含具有沟槽系统552的一般平坦表面，该沟槽系统552具有围绕板内各开口的沟槽部分。图22所示的第三增湿板522的内表面侧543与图23所示的导流板410的外表面侧545相接触。

参照图23，导流板410包含装配口420至430，还包含如通过压合或螺纹固定在导流板410上的第一导体446。导流板410还包含水开口560、空气开口562和氢气开口564。外表面侧545是光滑平坦的平面，以与图22所示的第三增湿板522的内表面543紧密配合，使得图22所示沟槽系统552中的密封圈密封板522和410之间的开口，以防止水、空气和氢气从中泄漏。

参照图24，导流板内表面侧547除了没有第一导体446外，其余与外表面侧545完全相同。

图25示出第一水冷却板406的外表面侧549。第一冷却板406包含装配口420至430，还包含水开口570、空气开口572和氢气开口574。外表面侧549还包含沟槽系统，其中具有围绕板406的每个开口的沟槽部分，并且可用来在其中填充密封圈(未示出)，以密封与图24所示的导流板410的外表面侧547接合的图25所示的外表面侧549。

图26示出第一水冷却平板406的内表面侧551。内表面侧551包含沟槽系统576，其中包含围绕板406上的每个开口的沟槽部分。内表面侧551还包含多个入口导流槽578，其穿过与开口570相邻的沟槽部分并延伸进入由凹面580所接合的凹陷部分，该凹面580由矩形壁582所限定。在由壁582所接合的区域中，有多个突起，其中之一以584表示。所有突起距离凹面0.5-0.8毫米，并以交错行列的阵列排列在凹面上。在多个出口导流槽586也与凹陷区域连通，并且出口导流槽穿过沟槽部分终止于板406一侧附近。支撑部分589位于由导流槽578和586穿过的沟槽部分附近，从而支撑相应的长方形不锈钢桥梁构件591和593，以支撑相应部分的密封圈。

图27示出阳极流体供应装置401的外表面侧587。阳极流体供应装置401由板状壳体形成，具有装配口420至430，还包含近似分布在导流板401对角位置上的加长的氢气开口600和602，还包含同样也近似分布在导流板401对角位置上的第一和第二水开口604和606。所述板还包含分布与板两端的第一和第二空气开口608和610。总体而言，外表面侧587是光滑、平坦的，可与图26所示的冷却板406的内表面侧551紧密配合。

图28示出阳极流体供应装置401的内表面侧611。内表面侧611包括沟槽系统612，其中包含围绕板中各开口的沟槽部分。内表面侧611还具有通常平坦的表面614和壁616，二者限定第一矩形凹面618。凹面上凸出有作为接触点620的多个空间分隔的突起，使得部分凹面完全围绕每一接触点延伸。每一接触点620具有距离凹面618约0.5-0.8mm的接触表面622，并且每一接触表面通常与平面614位于同一平面上。接触点620以行列的形式排列，而且相邻列之间接触点交错排列，这样在同一列的相邻接触点之间流动的流体被相邻列中位于上述两个接触点之间的另一接触点所分散。每个接触点620与相邻接触点的距离相同，例如当接触表面是圆形时，其值可能是接触表面直径的约两倍。在本实施方案中，每个接触表面为直径大约3/16″的圆形，但是接触表面例如可以是一般曲面形状、矩形、waffle形或三角形。通常希望总接触面积约等于接触点之间的总面积。该表面还形成有延伸在凹面618和氢气开口600之间的入口导流槽624。入口导流槽624使流体在开口600和凹面618之间流动。

板上内表面侧611在凹面618和第二氢气开口602之间具有多个出口导流槽626，以建立相互之间的连通。支撑面628形成在沟槽部分附近，入口导流槽624和出口导流槽626穿过该支撑面628，以支撑长方形不锈钢桥梁构件627和629，该工件可用来支撑填充在沟槽系统612中的密封圈的相应部分(未示出)。结合图14和图28，图28所示的内表面侧611可以贴着膜组件405的阳极层631。从开口602进入的接触点620之间区域的氢气可渗透过阳极层627，以用于燃料电池反应。

图29示出阴极流体供应装置403的内表面侧621。阴极流体供应装置403由形成在板上的壳体形成，具有分布其中的装配口420至430，还具有第一和第二长形水开口650和652、第一和第二氢气开口654和656、第一和第二空气开口658和660。内表面侧621包括沟槽系统，其中包含围绕板中各开口用来包容密封圈(未示出)的沟槽部分。此外，内表面侧621还具有通常平坦的表面664和壁666，二者限定矩形凹面668，其中凸出有类似于图28所示接触点的多个接触点670。接触点670的排列方式与图28所示相同并且具有相同的尺寸和间距等。入口导流槽，其中之一以672表示，例如延伸在空气开口658和凹面668之间。这样，导流槽穿过与空气开口658相邻的沟槽系统662的沟槽部分。内表面侧621在各导流槽672的对侧形成有支撑部分674，用来支撑跨越导流槽的拉长的不锈钢矩形桥梁构件673，以支撑密封圈的相应部分。内表面侧621还包含出口导流槽，其中之一以676表示，延伸在凹面和空气开口660之间。同样，内表面侧621在出口导流槽676附近形成有如674所示的支撑面，用来支撑第二长方形不锈钢桥梁构件675，以支撑密封圈的相应部分。参照图14和29，图29所示的内表面侧621与膜组件405的阴极层663接合，并且汇集在开口658处的空气经入口导流槽672流向凹面668，在此处分散在接触点670阵列中，从而分散进入膜组件405的阴极层。过量空气经出口导流槽676流入空气出口660。

由于单位体积空气中的氧气含量不超过如第一实施方案中使用纯氧时可达到的100％，因此该表面侧的设计对于在入口处接收的流体是空气的燃料电池的阴极侧尤其有用。在本实施方案中，具有5-30psi的压力和7ml/分钟/安培/电池单元的流速的空气可用于支持燃料电池的反应，并且将来自阴极气体扩散层的富集在扩散区的水排出。

由于本文所述的凹面668和接触点的空间结构有利于水的排出，因而空气经分散区良好交换，这有助于通过分散区排出空气中的氮气，减少通过时间从而减少氮气与阴极气体扩散层663的反应。

参照图30，阴极流体供应装置403的外表面侧671包括形成有沟槽配置680的平面，其中包含围绕每个开口并填充密封圈的沟槽部分。外表面侧671还形成有限定凹面684的壁682，其中多个突起686距离凹面684约0.5到0.8毫米以形成阵列。在水开口650和凹面684之间形成多个入口导管690，在凹面和水开口652之间形成多个出口导管692。如694所示的支撑面形成在开口650和652附近的沟槽部分中，以支撑各桥构件651和653，从而支撑在入口和出口导管690和692上方的密封圈的相应部分。阴极流体供应装置403的外表面侧671与图31所示的第二冷却板408的内表面侧699相邻。第二冷却板408包含装配口420至430，还包含氢气开口700、空气开口702和水开口704。一般而言，内表面侧699是平面。

参照图32，第二冷却板408的外表面侧以标记705表示，它包含用于填充密封圈(未示出)以710表示的的沟槽配置。外表面侧705与图33所示的第二导流板412的内表面侧711相邻。第二导流板412包含装配口420至430，还包含氢气开口712、空气开口714和水开口716。一般而言，该内表面侧是平面。

参照图34，示出了第二导流板412的外表面侧717。该外表面侧是图33所示的内表面侧的镜像，但是它包括与第二导流板412的外表面侧717的平滑平面成直角延伸的第二导体720。

参照图35，示出了第二端板416的内表面侧721。第二端板包含装配口420至430，还包含容纳图34所示的第二导管720的导管开口726、氢气排出口728、空气排出口730和排水口732。而且，内表面侧721是平滑的平面。

参照图36，示出了第二端板416的外表面侧733。该侧面733包含与氢排出口728相连通的氢气排出连接器738、与空气排出口730相连通的空气排出连接器740、与排水口732相连通的排水连接器742。显然，图34所示的导体720将穿过页面外朝向读者的开口726。

下面将描述根据图14-图36所示第四实施方案的燃料电池的运行。

参照图14和图15，汇集在氢气供应连接器438处的氢气通过图15和图16所示的氢气开口432流入，流过图17和图18所示的氢气开口454，再汇集在图19所示的第二冷却板482的外表面侧467中的导管492中。氢气流过氢气通道阵列494和496并由导管498通入氢气开口486。

参照图20和图21，氢气开口486内的氢气流至第三冷却板522中的氢气开口526，再参照图22和图23，氢气进一步流过图23所示的导流板410中的氢气开口564。

参照图24和25，氢气开口564中的氢气流至图25和26所示的第三冷却板上的氢气开口574，再流入图27和28所示的阳极流体分配板401上的氢气开口602。进入氢气开口602的氢气通过导流槽626流至凹面618，在此处分散在接触点620之间，从而分散进入膜组件405的阳极气体扩散层631。过量氢气经出口导管624流向氢气开口600，在此氢气穿过膜组件上的开口(未示出)到达图29和30所示的第二流体供应装置403的氢气排出口654。氢气排出口654中的氢气流至图31和32所示的第二冷却板408中的氢气排出口700，再流入图33和34所示的第二导流板412中的氢气排出口712。氢气排出口712中的氢气再流到图35和36所示的第二端板416上的氢气排出口728，在此处氢气可通过图36所示的氢气排出口连接器738排出燃料电池。

返回图14和15，进入空气入口连接器440的空气进入图15和16所示的第一端板414上的空气入口434。进入空气入口434的空气进入图17和18所示的第一增湿板452中的空气开口458，再进入图19和20所示的第二增湿板482中的空气开口488。然后空气开口488中的空气流入图21所示的第三增湿板的空气通道终端534。进入这些通道终端的空气经通道531沿从右向左跨过页面的方向导向图21所示的第三增湿板522中的空气出口528。进入空气排出口528的空气流入图23和24所示的第一导流板410上的空气排出口562，再流到图25和26所示的第三冷却板406中的空气出口572。空气再流入图27和28所示的第一流体供应装置401的空气供应口608，而后流到图29和30所示的第二流体供应装置的空气供应口658。进入空气供应口658的空气经入口导管672进入接触点670之间的扩散区，在此空气可扩散进入膜组件的阴极气体扩散层663。

由于燃料电池反应或氢穿过膜拖曳水而来自阴极气体扩散层的水经出口导管676排出，并汇集于空气排出口660处。汇集于空气排出口660处的空气流向图31和32所示的第二冷却板408中的空气排出口702，再流过图33和34所示的第二导流板412中的空气排出口714，到达图35和36所示的第二端板中的空气开口730。进入空气排出口730的空气通过图36所示的空气连接器740排出燃料电池。

回到图14和15，进入供水连接器442的水流往图15和16所示的第一端板414上的进水口436。水从进水口436流过图17和18所示的第一冷却板452中的进水口456。进入进水口456的水经导管470流过水通道阵列472、474和476，再经出口导管478流向图19和20所示的第二增湿板482的进水口480。同时，进水口456中的水流向图19和20所示的第二增湿板482中的进水口484，再经入口导管508引入水通道阵列510、512和514，再由出口导管516汇集后，流入进水口480。

如上所述，流过水通道阵列472、474和476的水运行地通过图18所示平面465和图19所示平面467之间的透水膜，导致流过图19所示第二增湿板482上的通道阵列494和496的氢气增湿。类似地，流过第二组水通道阵列510、512和514的水可通过图20所示第二冷却板482的平面505和图21所示第三冷却板522的平面521之间的透水膜，从而使流过通道531的空气变得湿润，这样，进入空气入口528的空气为增湿空气。

回到水通过燃料电池的流动的描述中，进入进水口480的水通过图21和22所示第三增湿板522上的进水口524，再进入图23和24所示导流板410中的进水口560。开口560中的水流向图25和26所示第一冷却板406上的进水口570。

参照图26，进入进水口570的水由入口导管578导入突起584阵列，在此处水分散在突起之间，以从中吸热。水进入出口导管586，再流到图27和28所示的第一流体供应装置401的排水口606。同时，进入图26所示第一冷却板406中的进水口570的一部分水流到图27和28所示的第一流体供应装置401的进水口604。开口604和606中的水流经膜上的相应开口(未示出)，再分别流经图29和30所示的第二流体供应装置403上的相应开口650和652。

参考图30，进入开口650的水经入口导管690导入突起686之间的分散区，然后进入出口导管692并流到第二水开口652。进入第二水开口652的水流过图31和32所示的第二冷却板408上的排水口704。排水口704中的水流过图33和34所示的第二导流板412上的排水口716，再流至图35和36所示端板上的排水口732。

参考图36，进入排水口732的水通过排水连接器742从燃料电池排出。

参考图37，从前面的描述中可知，组件406、401和403上的开口570、604和650作为引导冷却水流经燃料电池的流道的第一部分733。另外，开口606、652、704、716和732是流道的第二部分735。组件406和403上的凹面580和684作为将水从流道的第一部分733导向流道的第二部分735的部分流道。冷却水通过位于增湿器402和燃料电池之间的板410上的开口560进入流道的第一部分733。

增湿板452上的开口456作为进水口，第一和第二增湿板452和482上的阵列472、474、476和510、512、514用作水扩散器737，其可运行地使进入进水口的水至少有一部分被燃料电池的至少一种反应物吸收。开口524用作汇集来自水扩散器的未被反应物吸收的水的水出口，并与燃料电池冷却流道的第一部分733连通(通过本实施方案中的板410)，以将未被吸收的水导入用于冷却燃料电池的冷却流道。因而，可以向增湿器402提供单个进水口，而在增湿器中过量的未被吸收的水则被引入燃料电池用于冷却燃料电池。可以向增湿器供应具有合适流量的水，以保证向燃料电池提供足够的冷却水。

参照图38，示出了以800表示的本发明的可选实施方案的燃料电池。这种配置的燃料电池类似于图14所示燃料电池，只是它包含第二导流板814，该板具有连接至其内侧表面820的导体818，这样导体818就与连接至第一导流板806的导体807延伸在燃料电池的同一侧。

在本实施方案中，燃料电池由以下组件构成：第一端板802、增湿器804、第一导流板806、冷却板808、燃料电池模块810、第二冷却板812、第二导流板814和端板816。第一导流板806具有固定于其上以从其外表面侧809伸出的第一导体807。端板802和增湿器组件804具有对齐的相应开口，让导体807从中通过。绝缘体811放在导体807上，使其与第一端板802和增湿器组件804绝缘。第一端板802、增湿器804的所有部件、第一导流板806、第一冷却板808、燃料电池模块810、第二冷却板812中的每一个也都有对齐的相应开口，让第二导体818从中通过。绝缘体811放置在导体807上，使其与各组件802、804、806、808、810和812绝缘。

导体807和818从燃料电池800同一侧延伸和伸出，利于从燃料电池同一侧将电组件方便连接至导体。显然，可通过将适当反转导体807和818使其从相应板的相反方向伸出，通过适当调节导体的长度，通过在适当的中间组件上形成开口，可使导体807和818从燃料电池的另一侧伸出。

参照图29和图39，图29所示的第二流体供应装置403的平面结构可选择性地替换为图39所示的平面结构。在该替换结构中，流体供应装置820有类似于图29所示的装配口420、422、424、426、428和430，还有水开口650和652、氢气开口654和656。另外，装置820包含与图29所示相同的沟槽配置662，用于在其中容纳密封圈。

在该实施方案中，装置820还包含梯形凹面850，其由箭头852所指的长度、箭头854所指的第一宽度和由箭头856所指的第二宽度所限定。第二宽度856小于第一宽度854，并且从装置820的入口端858至出口端860逐渐减小。本实施方案中，进入空气入口862的空气经相邻凹面864导向多个入口通道866，分配到分散区868，其中空气分散在接触点870阵列中。凹面850逐渐减小的宽度有助于使遍布分散区868的空气保持相对恒定的压力，过量的空气与燃料电池反应生成的水和经膜组件拖曳的水通过出口导管，其中之一以872表示，流入作为汇集区的凹面874，从而汇集和引导空气和水流向出口876。

如前所述，可见这里描述的根据本发明的分散区可以用来在燃料电池各组件的不同表面上分散氢气、空气、氧气和/或水，执行流体分配功能并汇集流体从燃料电池中排出，以避免水淹。另外，描述了各种空气和水冷却方法和装置，以及有用的电路终端的结构。

虽然描述和图示了本发明的具体实施方案，但这些实施方案应被视为仅仅是本发明的示例而非限制本发明，本发明根据所附权利要求进行解释。

Claims (51)

1.一种燃料电池导流装置，所述装置包括：

整体气密主体，包含：

表面，具有凹面和围绕所述凹面延伸的壁，所述凹面和所述壁限定流体分散区；

多个空间隔开的突起，其在所述流体分散区中从所述凹面凸出，使得部分所述凹面完全围绕每一所述突起延伸，每一突起具有离所述凹面一定距离的突起表面；和

入口、入口导管、出口和出口导管，所述入口导管与所述入口和所述流体分散区连通，以利于流体从所述入口流向所述流体分散区，并且所述出口导管与所述流体分散区和所述出口连通，以利于流体在流体分散区和所述出口之间流动。

2.权利要求1的装置，其中所述凹面通常是平坦的。

3.权利要求2的装置，其中所述凹面具有一般矩形形状。

4.权利要求2的装置，其中所述凹面具有一般梯形形状。

5.权利要求2的装置，其中所述凹面具有一定长度和宽度，所述宽度从邻近所述入口的第一宽度至邻近所述出口的第二宽度逐渐减小。

6.权利要求1的装置，其中所述主体包含板。

7.权利要求1的装置，其中所述入口导管包括第一多个导管，其中所述主体还包含将流体分配至所述第一多个导管以流至所述流体分散区的分配区，其位于所述入口和所述第一多个导管之间。

8.权利要求7的装置，其中所述凹面具有一定长度和宽度，所述宽度从邻近所述入口的第一宽度至邻近所述出口的第二宽度逐渐减小。

9.权利要求7的装置，其中所述出口导管包含第二多个导管，其中所述主体还包含接收来自所述第二多个导管的流体以从所述出口排出的接收区，其位于所述第二多个导管和所述出口之间。

10.权利要求1的装置，其中所述主体由可浇铸的导电抗蚀材料制成。

11.权利要求1的装置，其中所述主体由石墨材料制成。

12.权利要求1的装置，其中所述主体由金属制成，所述金属涂覆有石墨粉末、钛和金中的至少一种。

13.权利要求1的装置，其中所述主体由复合材料制成。

14.权利要求1的装置，其中所述主体由复合材料制成，所述复合材料涂覆有石墨粉末、钛和金中的至少一种。

15.权利要求1的装置，其中每个所述突起表面具有一般曲面形状。

16.权利要求1的装置，其中每个所述突起表面具有矩形、圆形和三角形中的至少一种形状。

17.权利要求1的装置，其中每个所述突起表面位于同一平面。

18.权利要求1的装置，其中所述凹面具有总凹面面积，其中每个所述突起表面具有各自的表面积，其中所述的各自的表面积之和约等于所述总凹面面积。

19.权利要求1的装置，其中所述多个空间分隔的突起以行和列的形式排列。

20.权利要求19的装置，其中相邻列之间的突起交错排列。

21.权利要求1的装置，其中每个所述突起与相邻突起之间的距离相同。

22.权利要求1的装置，其中所述突起表面距离所述凹面约0.5-0.8mm。

23.权利要求1的装置，其中所述主体具有围绕所述凹面延伸的沟槽，用于容纳密封圈来密封所述表面到燃料电池中相邻部件。

24.权利要求23的装置，还包含第一桥构件，其中所述表面具有邻近所述入口导管的第一支撑面，用来支撑跨越所述入口导管的所述第一桥构件。

25.权利要求24的装置，还包含第二桥构件，其中所述表面具有邻近所述出口导管的第二支撑面，用来支撑跨越所述出口导管的所述第二桥构件。

26.权利要求24的装置，其中所述沟槽还包含所述第一支撑面附近的沟槽部分，所述密封圈包括可位于所述沟槽部分的内部部分，其中所述第一桥构件可用于支撑所述内部部分。

27.权利要求1的装置，其中所述主体包括板，所述表面位于所述板上并且一般是平坦的。

28.权利要求27的装置，其中所述板包括冷却所述板的冷却装置，位于所述板与所述表面相反的一侧。

29.权利要求28的装置，其中所述冷却装置包括形成在所述板上平行分隔的沟槽。

30.权利要求28的装置，其中所述突起以阵列形式形成，所述阵列限定所述板的有效区域，其中所述冷却装置位于所述有效区域的对侧。

31.权利要求29的装置，其中所述主体具有内表面侧和外表面侧，所述凹面形成在所述内表面侧，所述内表面侧可接触所述燃料电池膜的气体扩散层，并且所述沟槽形成在所述外表面侧以利于冷却。

32.权利要求28的装置，其中所述主体具有内表面侧和外表面侧，所述凹面形成在所述内表面侧，所述内表面侧可用来接触所述燃料电池的膜组件的气体扩散层，其中所述冷却装置形成在所述外表面侧并且包含：

第二凹面和围绕所述第二凹面延伸的第二壁，所述第二凹面和所述第二壁限定第二流体分散区；

从所述第二流体分散区中的所述第二凹面凸出的第二多个空间分隔的突起，使得部分所述第二凹面完全围绕每个所述突起延伸，每个突起具有距离所述第二凹面一定距离的突起表面；和

可接收冷却流体的第二入口、第二入口导管、第二出口和第二出口导管，所述第二入口导管与所述第二入口和所述第二流体分散区连通，以促进冷却流体从所述第二入口流到所述第二流体分散区，所述第二出口导管与所述第二流体分散区和所述第二出口连通，以利于所述冷却流体在所述第二流体分散区和所述第二出口之间流动。

33.权利要求27的装置，还包含穿过所述板在所述凹面附近的开口，用来在其中容纳安装装置，以便在所述燃料电池中安装所述板。

34.权利要求1的装置，还包含导线管固定件，用于将第一导线管装配至所述主体，使得所述第一导线管垂直于所述主体的所述表面延伸。

35.权利要求34的装置，还包含连接至所述导线管固定件的第一导线管，所述第一导线管具有第一电路接线端部分。

36.权利要求35的装置，还包含位于所述第一导线管上的绝缘体。

37.权利要求1的装置，还包含位于所述主体中的装配口，用于将所述主体装配至燃料电池。

38.权利要求1的装置，还包含位于所述主体中的导管开口，用于安放从所述燃料电池传导出电能的导管。

39.一种燃料电池组装置，包含：

第一燃料电池膜组件，该膜组件具有质子交换膜和位于所述质子交换膜相对两侧的阳极和阴极气体扩散层；

第一流体供应装置，包含具有第一内表面侧和第一外表面侧的透气主体，所述内表面侧与所述阳极气体扩散层接触，并且具有：

第一凹面和围绕所述第一凹面延伸的第一壁，所述第一凹面和所述第一壁限定第一流体分散区；

从所述流体分散区中的所述凹面凸出的第一多个空间分隔的突起，使得部分所述凹面完全围绕每个所述突起延伸，每个突起具有距离所述凹面一定距离的突起表面，所述突起表面可接触所述阳极气体扩散层；

接收阳极反应物流体的第一入口、第一入口导管、第一出口和第一出口导管，所述第一入口导管与所述第一入口和所述第一流体分散区连通，以利于阳极反应物流体从所述第一入口流向所述第一分散区，所述第一出口导管与所述第一分散区和所述第一出口连通，以利于阳极反应物流体在所述第一分散区和所述第一出口之间流动；和

第二流体供应装置，包含整体气密主体，该气密主体具有：

第二内表面侧和第二外表面侧，所述第二内表面侧与所述阴极气体扩散层接触并具有第二凹面和围绕第二凹面延伸的第二壁，所述第二凹面和第二壁限定第二流体分散区；

从所述第二凹面凸出的第二多个空间分隔的突起，使得部分所述第二凹面完全围绕每个所述突起延伸，每个突起具有距离所述第二凹面一定距离的突起表面；

可接收阴极反应物流体的第二入口、第二入口导管、第二出口和第二出口导管，所述第二入口导管与所述第二入口和所述第二凹面连通，以利于阴极反应物流体从所述第二入口流向所述第二凹面，所述第二出口导管与所述第二凹面和所述第二出口连通，以利于过量的阴极反应物流体和来自阴极气体扩散层的水从所述第二凹面流向所述第二出口。

40.权利要求39的装置，其中所述第二流体供应装置的所述第二外表面侧包含冷却所述第二流体供应装置的冷却装置。

41.权利要求40的装置，其中所述冷却装置包含：

位于所述第二流体供应装置上的第三表面，所述第三表面具有第三凹面和围绕所述第三凹面延伸的第三壁，所述第三凹面和第三壁限定第三流体分散区；

从所述第三流体分散区中的所述第三凹面凸出的第三多个空间分隔的突起，使得部分所述第三凹面完全围绕每个所述突起延伸，每个突起具有距离所述凹面一定距离的突起表面；

接收阴极反应物流体的第三入口、第三入口导管、第三出口和第三出口导管，所述第三入口导管与所述第三入口和所述流体分散区连通，以利于冷却流体从所述第三入口流向所述第三流体分散区，所述第三出口导管与所述第三流体分散区和所述第三出口连通，以利于冷却流体在所述第三流体分散区和所述第三出口之间流动。

42.权利要求40的装置，其中所述冷却装置包含位于所述第二流体供应装置的所述外表面侧的多个平行沟槽，所述沟槽可传导冷却流体以利于冷却所述第二流体供应装置。

43.权利要求39的装置，还包含：

第一和第二导流板，分别与所述第一和第二流体供应装置接触，所述第一和第二导流板的每一个具有内表面侧和外表面侧；

第一和第二导线管，分别固定至所述第一和第二导流板的所述内和外表面侧中的至少其一；

第一和第二绝缘体，分别位于所述第一和第二导管上；

所述第一和第二导管固定至所述第一和第二导流板，使得所述第一和第二导管延伸穿过燃料电池部件中的开口并通过所述第一和第二绝缘体与所述部件绝缘，使得所述第一和第二导管从所述燃料电池同一侧伸出。

44.一种燃料电池组，包含：

第一燃料电池，其包含第一膜组件，该膜组件具有第一膜和位于所述第一膜两侧的第一阳极气体扩散层和第一阴极气体扩散层；

第一阳极和阴极流体分配装置，用于分别将阳极气体和阴极气体供应至所述第一阳极气体扩散层和所述第一阴极气体扩散层，所述第一阳极和阴极流体分配装置分别具有第一内表面侧和第一外表面侧，所述第一阳极流体分配装置的所述第一内表面侧与所述第一阳极气体扩散层接触，所述第一阴极流体分配装置的所述第一内表面侧与所述第一阴极气体扩散层接触；和

所述第一阴极流体分配装置的所述第一外表面侧具有形成于其中的第一多个沟槽，用于导流冷却流体以冷却所述第一阴极流体分配装置。

45.权利要求44的燃料电池组，还包含：

第二燃料电池，其包含第二膜组件，该膜组件具有第二膜和位于所述第二膜两侧的第二阳极气体扩散层和第二阴极气体扩散层；

第二阳极和阴极流体分配装置，用于分别将阳极气体和阴极气体供应至所述第二阳极气体扩散层和所述第二阴极气体扩散层，所述第二阳极和阴极流体分配装置分别具有第二内表面侧和第二外表面侧，所述第二阳极流体分配装置的所述第二内表面侧与所述第二阳极气体扩散层接触，所述第二阴极流体分配装置的所述第二内表面侧与所述第二阴极气体扩散层接触；和

所述第二阴极流体分配装置的所述第二外表面侧与所述第一阴极流体供应装置的所述外表面侧接触，所述第二阳极流体分配装置的所述第二外表面侧具有形成于其中的第二多个沟槽，所述第二多个沟槽与位于所述第一阴极流体分配装置上的所述第一多个沟槽对准，以形成用于导流冷却流体的冷却导管。

46.一种燃料电池组装置，包含：

至少一个燃料电池，其包含第一膜组件，该膜组件具有第一膜和位于所述第一膜两侧的第一阳极气体扩散层和第一阴极气体扩散层；

第一阳极和第一阴极流体分配装置，用于分别将阳极气体和阴极气体供应至所述第一阳极气体扩散层和所述第一阴极气体扩散层，所述第一阳极和阴极流体分配装置分别具有第一内表面侧和第一外表面侧，所述第一阳极流体分配装置的所述第一内表面侧与所述第一阳极气体扩散层接触，所述第一阴极流体分配装置的所述第一内表面侧与所述第一阴极气体扩散层接触；和

第一和第二导流板，分别与所述第一和第二流体供应装置接触，每个所述的第一和第二导流板具有内表面侧和外表面侧；

第一和第二导线管，分别固定至所述第一和第二导流板的所述内表面侧和外表面侧中的至少其一；

第一和第二绝缘体，位于所述第一和第二导管上；

所述第一和第二导管固定至所述第一和第二导流板，使得所述第一和第二导管延伸穿过燃料电池部件中的开口并通过所述第一和第二绝缘体与所述部件绝缘，使得所述第一和第二导管从所述燃料电池同一侧伸出。

47.一种将水从燃料电池膜组件的阴极气体扩散层排出的方法，所述方法包括：

将来自所述阴极气体扩散层的水汇集到整体气密的流体供应装置的分散区中，所述分散区具有从凹面凸出的多个突起，所述凹面完全围绕每个所述突起延伸并与所述阴极气体扩散层接触，所述突起之间相隔足够距离以允许所述水自由流过所述分散区中的所述突起；和

使用于所述燃料电池中的反应的足量阴极气体进入所述分散区，以供应所述气体进行所述反应，同时利用过量的所述气体将所述水从与所述分散区连通的所述流体供应装置的所述出口排出。

48.一种燃料电池系统，包含：

可接收燃料电池反应物的燃料电池并包含将冷却水从中导过的流道；和

与所述燃料电池相连的增湿器，所述增湿器具有进水口、水扩散器和出水口，所述进水口可接收来自水供应装置的水，所述水扩散器可使至少部分进入所述进水口的所述水被所述燃料电池的至少一种反应物所吸收，并且所述出水口可接收来自所述水扩散器的未被吸收的水并与所述冷却流道连通，以将所述未被吸收的水导向所述冷却流道，用来冷却所述燃料电池。

49.权利要求48的燃料电池系统，其中所述燃料电池包含第一和第二反应物供应口，至少一个所述反应物入口与所述扩散器连通，以接收来自所述扩散器的增湿燃料电池反应物。

50.权利要求48的燃料电池系统，其中所述燃料电池具有第一和第二反应物供应口，其中所述增湿器具有第一和第二反应物供应端与第一和第二反应物供应通道，所述通道与所述第一和第二反应物供应口连通，用于分别接收第一和第二燃料电池反应物，所述第一和第二反应物供应通道分别与所述第一和第二反应物供应口连通，使得所述第一和第二反应物和所述冷却水经过所述增湿器供应至所述燃料电池。

51.权利要求50的装置，其中所述水扩散器包括第一板、透水膜和第二板，所述第一板具有延伸在所述进水口和所述出水口之间的多个通道，所述第二板具有延伸在所述第一和第二反应物供应端的至少其一和对应的所述第一和第二反应物供应通道的其中之一之间的多个通道，所述第一和第二板安置在所述透水膜两侧，以利于水从所述第一板的所述通道迁移至所述第二板的所述通道中的反应物，以增湿所述第二板中所述通道中的反应物。

Images