具有可变孔隙率气体分配层的燃料电池 【相关申请的交叉引用】
本申请是于2000年8月31日提交的美国专利申请No.09/651,934和于2000年10月23日提交的美国专利申请No.09/694,386的部分继续申请。
【技术领域】
本发明涉及一种燃料电池系统，特别涉及包括燃料电池的系统，所述燃料电池具有可变孔隙率的泡沫气体分配介质，所述分配介质用于传输气体至膜电极组件的反应面或用于传输冷却剂通过所述燃料电池。
背景技术
燃料电池已在许多应用中被用作电源，其中包括燃料电池替代内燃机作为电动车辆的电源。在质子交换膜(PEM)燃料电池中，氢被提供到燃料电池阳极，同时作为氧化剂的氧被提供到燃料电池阴极。PEM燃料电池中包括膜电极组件(MEA)，所述膜电极组件具有较薄的、能传送质子的非导电型固体聚合物电解质隔膜，在所述隔膜的一侧上有阳极催化剂，在所述隔膜的相对侧上有阴极催化剂。所述膜电极组件被夹在一对导电元件或双极板组件之间。
燃料电池堆包括数个串联叠放在一起且相互间被双极板组件隔开地燃料电池。所述双极板组件一般包括能透气的、导电扩散介质和能透气的、导电隔板。所述双极板组件具有多项功能，包括(1)在所述隔膜的几乎整个表面上分配反应气体；(2)在燃料电池堆中的一个电池的阳极和另一相邻电池的阴极之间传导电流；(3)保持反应气体相互间隔开，以防止发生自燃；(4)提供对质子交换膜的支承；(5)承载与重整工艺相关的内部压力载荷和施加在燃料电池堆上的外部载荷；(6)提供内部冷却通道以从燃料电池堆中除去热量。
所述隔板在其表面中包括一排脊面和凹槽，所述脊面和凹槽限定了用于分配反应气体(即氢和空气形式的氧)的流场。在两侧上的脊面和凹槽的布置使得所述隔板能够承受住所述压缩载荷。在所述流场上放置一张石墨纸或其它扩散介质用以防止膜电极组件跌落到通道中并阻塞气流，并且用以提供跨过覆盖所述通道的隔膜表面至隔板的导电通路。
隔板由金属制成。然而，所述金属相对较重且腐蚀性环境要求所述金属板上带有较昂贵的涂层。隔板还可以由石墨制成，所得石墨隔板重量轻于传统的金属板，并且所得石墨隔板在PEM燃料电池环境中耐蚀和导电。但是，石墨很脆，使得难于进行加工，且与金属相比，石墨的电导率和热传导率相对较低。同时，石墨是多孔性的，这使得提供具有燃料电池堆所需重量和体积特征的较薄的不透气板比较困难且成本较高。
燃料电池系统的高效运行取决于给定尺寸、重量和成本的燃料电池所能产生电量的能力。使给定尺寸、重量和成本的燃料电池的电能输出最大化在机动车辆应用中特别重要，其中车辆中各种部件的尺寸、重量和成本对于车辆的高效制造和运行特别关键。因此特别是在车辆应用中所希望的是提供一种燃料电池结构，所述燃料电池结构可以增加给定尺寸、重量和成本的燃料电池的电能输出量。
【发明内容】
本发明涉及一种具有改进的双极板组件的燃料电池。所述燃料电池包括质子传输隔膜。所述质子传输隔膜具有在所述隔膜的一个表面上的阳极催化层和在所述隔膜的另一个表面上的阴极催化层。双极板组件包括气体分配层，所述气体分配层被设置在膜电极组件的每一侧上并限定了延伸在所述催化剂构件之上的反应气体流场。膜电极组件被设置在气体分配层之间，以形成具有第一和第二相对边缘的夹层结构件。
根据本发明，所述气体分配层包括被分成数个基本上平行的段的导电多孔介质或横向延伸通过所述介质的支路。每一条支路限定了延伸通过催化层表面的流动通路。这种布置使在所述平行段之间的交叉流动减至最少，以便在所述催化层的表面上提供基本上均匀的气体分布。
根据本发明的另一特征，所述多孔介质包括开孔泡沫介质。泡沫介质的使用还有助于本发明装置的低成本和较轻的重量。
根据本发明的另一特征，所述气体分配层为多孔介质薄板，其中通过薄板在空间中改变气体流动的阻力而限定所述支路。所述可变流阻提供了一种简单且便宜的方式，通过所述方式提供由多孔介质构成的单独的平行支路。在本发明的一种实施方案中，通过在空间中改变所述薄板的孔隙率来改变流阻。在本发明的另一种实施方案中，通过在空间中改变所述薄板的厚度来改变流阻。在另一种实施方案中，通过在空间中改变所述薄板的厚度和孔隙率来改变流阻。
根据本发明的另一特征，所述多孔介质为导电石墨或金属开孔泡沫介质的形式。使用这些相对廉价的导电泡沫介质还有助于在保持燃料电池性能的同时降低成本。
根据本发明的另一特征，所述气体分配层包括隔板和结合到所述隔板上的多孔介质。所述多孔介质具有形成至少一个通道的第一部分，所述多孔介质的平均孔径大小小于或等于0.25毫米(0.010英寸)且孔隙度等于或大于85％。这种气体分配层装置保证通过在聚合物电介质隔膜整个表面上的多孔介质中的通道的气体基本上分布均匀。这种装置廉价且易于制造。
根据本发明的另一特征，具有数个层叠的燃料电池的燃料电池堆包括沿每一燃料电池多孔薄板的进口和出口边缘设置的歧管。所述歧管输送反应气体通过所述燃料电池的每一块薄板。这种歧管装置有助于被分成段的气体分配层在不明显增大燃料电池装置的重量、成本或尺寸的条件下能够高效运行。
根据本发明的另一特征，所述燃料电池堆还包括在相邻电池之间的冷却剂层和沿每一冷却剂层的进口和出口边缘设置的歧管。在所述冷却剂层内设置冷却剂通道以将冷却流体输送至冷却剂层。
根据本发明的另一特征，所述膜电极组件和气体分配层被构造成互补的弯绕构形，以使在给定燃料电池堆表面积条件下的反应物层的有效平面面积达到最大。
根据本发明的另一特征，形成PEM燃料电池的气体分配层的方法包括将隔板结合到多孔介质上。所述多孔介质形成一个部分，所述部分限定了至少一条通道和数个孔，且所述多孔介质的平均孔径大小小于或等于0.25毫米(0.010英寸)且孔隙度等于或大于85％。这种形成气体扩散层的方法保证通过在膜电极组件整个表面上的多孔介质中的通道的气体基本上分布均匀，且所述膜电极组件廉价且易于制造。
【附图说明】
通过以下说明并参考附图，本发明的各种特征、优点或其它用途变得更加明显，其中：
图1是包括了根据本发明所述的燃料电池的燃料电池系统的示意图；
图2是根据本发明所述的燃料电池堆的透视示意图；
图3是沿图2中线3-3的剖视图；
图4是在燃料电池中所使用的膜电极组件(MEA)的剖视图；
图5是燃料电池的分解视图；
图6是在燃料电池中所使用的气体分配层的第一优选形式的透视图；
图7是沿图6中线7-7的剖视图；
图8是单个重复单元和冷却剂分配层的局部剖视图；
图9是具有在膜电极组件和所述气体分配层之间的中间层的单个重复单元和冷却剂分配层的局部剖视图；
图10是所述气体分配层的第二优选形式的剖视图；
图11是所述气体分配层的第三优选形式的剖视图；
图12是具有内置冷却功能的所述气体分配层的第四优选形式的剖视图；
图13是所述燃料电池的第五优选形式的剖视图；
图14是如图13所示的第五优选实施方案的第一备选形式的剖视图；
图15是如图13所示的第五优选实施方案的第二备选形式的剖视图；
图16是如图13所示的第五优选实施方案的第三备选形式的剖视图；和
图17是如图13所示的第五优选实施方案的第四备选形式的剖视图。
【具体实施方式】
可比照普通燃料电池系统进一步理解本发明。因此，在对本发明作进一步描述之前，提供所述系统的总体概述，在所述系统中工作着根据本发明所述的改进型燃料电池。在于2000年8月31日提交的美国专利申请No.09/541,934中提出了与本发明相关的燃料电池系统的更详细说明，所述专利申请已转让给通用汽车公司，并且所述专利申请的公开内容在此作为参考而被直接引用。
在所述系统中，在燃料处理器中例如采用重整和优先氧化工艺，对烃燃料进行处理，以产生具有相对较高氢的体积或摩尔含量的重整气。因此，下文主要参照的是富氢或相对较高氢含量的情况。下文中，在添加富H2重整燃料，而不考虑这种重整燃料的制造方法的前提下，对本发明进行描述。应理解在此包含的原理可适用于加H2燃料的燃料电池的情况，所述H2燃料可由任何燃料源获得，例如可进行重整的烃和含有氢的燃料，例如甲醇、乙醇、汽油、碱、或其它脂肪族烃或芳香族烃。
如图1所示，燃料电池系统10包括燃料处理器12，所述燃料处理器用于使可重整性烃燃料流14和来自水流16的以蒸汽形式存在的水进行催化反应。在一些燃料处理器中，在优先氧化/蒸汽重整组合反应中还使用空气。在这种情况下，燃料处理器12还接收空气流18。所述燃料处理器12包含一个或多个反应器，其中燃料流14中的可重整性烃燃料在存在水流16形式的蒸汽和空气流18形式的空气的条件下发生裂解，以生成富氢重整燃料，所述富氢重整燃料从燃料处理器12中以重整燃料流20的形式被排出。燃料处理器12一般还包括一个或多个下游反应器，例如水/气转化(WGS)和/或优先氧化(PrOx)反应器，所述这些反应器被用于将重整燃料流20中的一氧化碳含量降低至可接受的水平，例如低于20ppm。富H2重整燃料20被引入到燃料电池堆22的阳极室。同时，以气流24中的空气的形式存在的氧被引入到燃料电池22的阴极室。源于重整燃料流20的氢和源于氧化剂流24的氧在燃料电池22中进行反应产生电能。
燃料电池22阳极侧的阳极废气或排放物26中包含一些未反应的氢。燃料电池22阴极侧的阴极废气或排放物28中可包含一些未反应的氧。这些未反应的气体是能够以热能的形式被回收到燃烧器30中用于系统10内各种热量需要的附加能源。
具体而言，根据系统工作条件，烃燃料32和/或阳极排放物26在燃烧器30中可与或是通过空气流34，或是通过阴极排放物流28供给到燃烧器30中的氧以催化或放热的方式进行燃烧。燃烧器30将废气流34排放到环境中，并且由此产生的热量可根据需要被引至燃料处理器12中。
参见图2-5，本发明涉及燃料电池22，且特别涉及燃料电池22的结构，以改进其重量、体积和成本参数。从广义方面进行考虑，重整燃料20和空气24以如前所述的方式被输送到燃料电池堆22中，并且氢排放物26和耗尽氧的空气28从燃料电池22中排出。
总体上说，燃料电池22包括多个重复的单元或电池40，所述单元或电池具有膜电极组件42和一对设置在所述膜电极组件42相对侧上的双极板组件44。每一个双极板组件44由设置在两个气体分配层46之间的冷却剂分配层54组成。所述冷却剂分配层54被包绕在冷却剂歧管板56中，所述冷却剂歧管板将冷却剂引入所述冷却剂分配层54。在冷却剂歧管板56和冷却剂分配层54的每一侧上是一块不可渗透的隔板48，所述隔板含有冷却剂并分隔开阳极和阴极气流。阳极歧管板50和阴极歧管板52分别将反应气体引导至阳极和阴极气体分配层46a，46c。当膜电极组件42插入到一个电池的阳极气体分配层46a和相邻电池的阴极气体分配层46c之间时，形成电池。燃料电池堆22的每一端设有集电板58、绝缘板60和端板62。按照这种方式，多个包括冷却剂层54的重复单元40按照层叠方式进行布置，如图3所示。熟练的专业人员将意识到：如果提供了足够的热传递以将电池保持在所需工作范围内，那么可从重复单元中略去所述冷却剂层。由此，术语燃料电池堆被用来指代多电池装置。
在所述燃料电池堆的各种部件装配好时，最佳效果如图3和5所示，阳极分配层46a位于每一块阳极歧管板50内，阴极分配层46c位于每一块阴极歧管板52内，冷却分配层54位于每一块冷却歧管板54内。隔板48位于冷却层54侧面，以在保持通过所述电池堆22的导电性的同时，阻止反应气体和冷却流体相混合。
现在参见图4-5和图8，膜电极组件42包括以薄层质子传输非导电型固体聚合物电解质形式存在的隔膜64，一对紧贴在隔膜64表面上的密封件或垫圈构件66。阳极催化层68形成在隔膜64的上表面上，阴极催化层70形成在隔膜64的下表面上。最佳效果如图5所示，沿双极板组件44的侧缘设置了多个进入孔和排出孔，以允许反应气体和冷却剂轴向流动通过如下文所述的燃料电池堆22。
现在参见图3和图6-8，气体分配层46由导电泡沫介质制成。优选泡沫材料为开孔泡沫材料，其具有连续分散的孔并且可包含导电石墨泡沫介质或导电金属泡沫介质。所述导电石墨泡沫介质可包括例如石墨化的热解石墨。所述导电金属泡沫介质可包括高级(即高铬/高镍)不锈钢如SS310或SS904L不锈钢，或者具有低接触电阻的金属合金如Inconel 601，或钛基合金，或FeCrAlY合金。各种合适的导电泡沫材料可从俄亥俄州辛辛那提的Astromet，或北卡罗来纳州Hendersonville的Porvair Advanced Materials，或加利福尼亚州Pacoima的Ultramet得到。
所述导电泡沫介质46由这样一种材料制成，所述材料耐流经燃料电池22的反应物和冷却剂的腐蚀相对较好，且还具有以下性能，如下表1所示： 表1 性能 所需范围 优选范围 气体渗透率 ≤10.0KPa/cm 在5m/s面速度条件下 ≤1.0KPa/cm 在5m/s面速度条件下 压缩屈服强度 ≥2.5MPa ≥5.0MPa 表观面积接触电阻率 ≤50mΩ·cm2 ≤5mΩ·cm2 体电阻率 ≤5mΩ·cm ≤0.5mΩ·cm 材料密度 ≤0.75g/cm3 ≤0.45g/cm3
在这里，表观面积被定义为在泡沫介质46和膜电极组件42之间的接触面积总和。体电阻率指的是包含导电泡沫介质46的单根带的电阻率。
为了提高所述燃料电池堆22中的体积功率密度，将重复单元40的间距减至最小。目前，对于要求多孔介质46的厚度约为0.475毫米的未冷却的电池，优选单个电池之间距离为1.0毫米。此外，所述多孔介质46必须具有至少两个穿过其厚度的孔，以保持足够的结构完整性。因此，所需的是平均孔径≤0.25毫米和孔隙率≥85％的多孔介质，优选的是平均孔径≤0.125毫米和孔隙率≥90％的泡沫介质。在这里术语孔隙率指的是空隙体积或气隙与所述气体分配层总体积的比值。
由于膜电极组件42被支承在带上(即在泡沫介质中邻近孔的材料)，因此所述带之间的距离随孔径减小而成比例地减小，从而使膜电极组件42上的应力集中较小。因此，优选泡沫介质在全部三个方向上具有高孔密度，使得不需要在所述泡沫和所述膜电极组件之间的中间层。
如前所述，对于泡沫介质进行适当的选择应进一步考虑的是其低接触电阻。具有足够低的接触电阻和高耐蚀性的独立泡沫介质是最经济的解决方案。然而，可在膜电极组件和泡沫介质之间任选设置多孔中间层。所述中间层的厚度优选在25-50微米范围内并用于将接触电阻减少至如表1所列出的所需或优选范围内，以在膜电极组件上分配压缩载荷和/或增加控制通过电池的压力降的灵活性。
如前所述，对于泡沫介质进行适当的选择应进一步考虑的是所述泡沫材料的电导率或换句话说，体电导率。在这方面，可在所述泡沫介质中加入导电带或导电纤维以增大体电导率(减小体电阻)。所述带优选是长股导电材料例如高镍含量合金或碳，其平均厚度小于25微米。
现在参见图9，重复电池40’包括膜电极组件42和一对设置在所述膜电极组件42相对侧上的双极板组件44’。每一块双极板组件44’包括气体分配层46’和隔板或垫片48’，所述气体分配层具有形成在面对膜电极组件42的表面上或结合在面对膜电极组件42的表面上的中间层46.2’，所述隔板或垫片与所述中间层46.2’相对地被结合到气体分配层44’的表面上。所述中间层46.2’可采取蚀刻箔片或细孔滤网形式覆盖在泡沫介质上，由低接触电阻材料制成，并且通过烧结、铜焊、扩散结合或其他适当的不会明显增大结合界面处电阻的工艺进行结合。当前优选贵金属层，例如金镀层、高合金不锈钢或镍合金如Inconel601镀层、或多孔金属材料从如北卡罗来纳州Hendersonville的Porvair Advanced Materials公司购买的GPM的镀层。所述多孔金属材料比其它优选材料更具优势，原因在于在多孔金属材料的烧结阶段就可将所述中间层46.2’结合到泡沫介质上。另一种选择是，所述泡沫介质和所述多孔金属材料可同时进行烧结，由此形成具有统一中间层46.2’的气体分配层46’。
再次参见图5-8，气体分配层或薄板46被分成多段或多个支路72，所述支路从第一边缘74横向延伸至第二边缘76，限定了多条基本上平行的多孔反应物通路或通道。通过在空间中改变薄板46内气体交叉流动(即大体垂直于支路72流动)的阻力而限定支路72。可以通过在空间中改变所述薄板的孔隙率、在空间中改变所述薄板的厚度以及在空间中改变所述薄板的厚度和孔隙率，从而在空间中改变交叉流动的阻力。
冷却层54基本上与所述气体分配层46相似。冷却剂层54包括多个支路，每一支路从第一边缘延伸至第二边缘。所述支路限定了多条大体上平行的横向延伸穿过所述燃料电池堆的多孔冷却剂通路。熟练的专业人员易于认识到：由于二者之间的相似性，因此在此对气体分配层44的讨论同样适用于冷却剂层54。
在双极板组件44的第一优选结构中，气体分配层46如图6和7所示，通过在空间中改变所述薄板的孔隙率而形成支路72。所述导电气体分配层46包括一行一行交替布置的由高孔隙率泡沫材料制成的相对较宽的宽条46.4和由低孔隙率泡沫材料制成的相对较窄的窄条46.6。低孔隙率泡沫材料46.6在高孔隙率泡沫材料46.4的两侧上形成阻挡层，以渠化通过膜电极组件42表面的反应气体流。由此形成了基本上平行的反应气体流动通路。低孔隙率泡沫介质可以由相似的材料制成，但是低孔隙率泡沫介质的平均孔径小于或等于0.1毫米(0.004英寸)且优选小于或等于0.05毫米(0.002英寸)。换一种说法，所述高孔隙率导电泡沫介质的渗透率比低孔隙率导电泡沫介质的渗透率至少大250％。
本发明可考虑使用各种制造所述气体分配层的方法。在第一优选制造方法中，可以通过组合装配一块交替排列的高孔隙率和低孔隙率泡沫层，并如虚线所示分割开所述块体截面以形成单独的分配层薄板，从而制造出气体分配层46。现有的多种分割方法包括锯切、磨削、放电加工(EDM)、层切和喷水切割。在第二优选制造方法中，已分割开的分配层可由并排布置的数个单独的泡沫带或段构成，在分隔开的带之间显示出适当的轮廓。然后将所述段结合在一起以形成气体分配层。在第三优选制造方法中，将泡沫坯件前体切至适当的尺寸(应考虑到在烧结过程中产生收缩)，然后将所述泡沫坯件在高温和任选的高压条件下进行涂布和烧结。在涂布工艺中可使用化学气相沉积(CVD)法，或另一种选择是使用淤浆法，其中所述泡沫坯件在干燥过程中压制成形。
在双极板组件144的第二优选结构中，气体分配层146如图10所示，通过在空间中改变相应薄板的厚度而形成支路。所述薄板包括交替排列的厚部分146.4和薄部分146.6以形成分配层。所述泡沫材料的薄部分146.6在所述泡沫材料厚部分146.4的两侧上形成阻挡层，以渠化通过膜电极组件42表面的反应气体流。环氧条或小珠146.8可设置在凹槽中，在厚部分146.4和薄部分146.6之间限定出所述凹槽。由此形成大致平行的反应气流通路。
在双极板组件244的第三优选结构中，气体分配层246如图11所示，通过沿所述薄板压缩彼此隔开的条，从而形成交替排列的较厚的、具有高孔隙率的未压缩的部分246.4和较薄的、具有低孔隙率的经压缩的部分246.6而形成支路。所述较薄的、具有低孔隙率的泡沫材料246.6在所述较厚的、具有高孔隙率泡沫材料246.4的两侧上形成阻挡层，以渠化通过膜电极组件42表面的反应气体流。环氧条或小珠246.8可设置在凹槽中，在所述层的厚部分246.4和薄截面246.6之间限定出所述凹槽。由此形成大致平行的反应气流通路。
现参见图12，图中示出了所述双极板组件344的第四优选结构。有选择地以一定间隔距离压缩泡沫层346，以形成隔开高孔隙率区346.4的高密度、低孔隙率的区域346.6。导电材料板346.8置于泡沫材料346上面，具有分别位于经压缩的低孔隙率区346.6之上的单独的被隔开的弯绕部346.10。隔板348被定位在板346.8上面以限定横向延伸的冷却剂通道354，所述通道位于经过压缩的区域346.6之上。这种布置的优点在于将冷却剂通道354和气体分配层设置在同一水平上，由此减少所述燃料电池堆的总厚度。
在本发明的第五优选结构中，如图13所示，膜电极组件42横截面具有弯绕的构形。具体而言，它具有不平的或不对称的梯形构形，所述构形中包括交替布置的相对较宽的弯绕部442.4和相对较窄的弯绕部442.2。所述膜电极组件弯绕构形的一个重要特征在于：使得隔膜表面积与燃料电池的有效平面面积的比值最大，由此增大了在给定燃料电池表面积条件下的燃料电池的电力输出。
气体分配层446的横截面具有与膜电极组件的梯形构形相一致的梯形构形，所述气体分配层446与膜电极组件442互补以便以拼板的方式嵌套或配合在一起。具体而言，上气体分配层446具有对应于膜电极组件442的梯形构形的梯形下表面446.2，并且下气体分配层446具有对应于膜电极组件442的梯形构形的梯形上表面446.6和大致平的下表面446.8。隔板448具有平面构形，且优选由导电金属材料如不锈钢或钛构成。
在燃料电池22的装配关系中，上气体分配层446的梯形下表面446.2被定位贴在膜电极组件的梯形上表面442.6上，下气体分配层446的梯形上表面446.6被定位贴在膜电极组件的梯形下表面442.8上，上气体分配层446的上平面446.4被定位贴在上隔板448的下平底面上，且下气体分配层446的下平面446.8被定位贴在下气体隔板448的上平面上。使用烧结、铜焊工艺或导电粘合剂将隔板448结合到气体分配层446的相邻面上。
如图13可见：膜电极组件442的最高沿442.10被定位接近上气体隔板448处，以限定一系列平行隔开的横向延伸穿过气体分配层的通道或支路472.2，且膜电极组件的最低沿442.12被定位接近下气体隔板448处，以限定一系列平行隔开的横向延伸穿过气体分配层的通道或支路472.4。由于膜电极组件的梯形构形具有不平或非对称的特性，所述平行隔开的通道472.4比所述平行隔开的通道472.2宽，由此提供更大的气体流量。根据目前优选方式，膜电极组件的所述非对称构形使传输到膜电极组件阴极的空气量比传送到膜电极组件阳极的H2或重整气的量要多，从而补偿由于空气中仅含有21％的氧气造成的问题。
如图13所示的燃料电池结构包括层叠的两个燃料电池440的一部分，所述两个燃料电池被位于燃料电池气体隔板448之间的冷却层454分隔开。冷却层454可包括与冷却剂分配层54中所用结构相似的开孔泡沫结构，且通过位于彼此隔开的点处沿冷却层的相对密实的泡沫构件454.2可将所述冷却层分成横向延伸穿过冷却剂分配层454的平行段。
在使用中，如下文所述，富氢重整物20经过适当的歧管装置被输送通过小通道472.2，用以与膜电极组件442的阳极产生反应，而同时空气经过适当的歧管装置通过相对较大的通道472.4，用以与膜电极组件442的阴极产生反应。富氢重整物移动通过通道442.2时受到膜电极组件442的弯绕构形的限制，使得在平行通道之间几乎不发生或不存在迁移。不管泡沫介质中的泡沫材料的孔隙率是否存在不可避免的且明显的变化，在阳极电极表面上均保证了氢的大致均匀的分布，由此使基于氢与阳极电极之间的相互作用而产生的电能最大化。由于沿每条通道流阻为主要约束，并且由此孔隙率的变化在通道长度上得到平均，而不是使局部扰动影响整个流场，因此在阳极电极上的气流分布大致是均匀的。
与之相似，移动通过所述宽通道472.4的空气受到相应通道中膜电极组件442的弯绕构形的限制，使得在平行通道之间几乎不发生或不存在迁移。不管泡沫介质中的泡沫材料的孔隙率是否存在不可避免的且明显的变化，在阴极电极表面上均保证了氧的大致均匀的分布，由此使基于氧与阴极电极之间的相互作用而产生的电能最大化。
除膜电极组件542具有均一或均匀的梯形构形以外，如图14所示的第五优选实施方案的第一备选燃料电池结构大体上相应于如图13所示的结构。所述均一或均匀的梯形构形使得由膜电极组件542所限定的通道572.2和572.4的体积大致相等，从而使大致相同量的重整物和空气分别被输送至阳极和阴极电极处。
除了膜电极组件642具有均匀的正弦曲线构形以及气体分配层646具有互补形状，所述互补形状又产生出用于传送重整物和空气通过所述燃料电池的较小尺寸的通道以外，如图15所示的第五优选实施方案的第二备选燃料电池结构与如图13所示的结构大体上相对应。所述冷却剂分配层654还由多条形成在气体隔板648中的通道654.2和654.4所限定。如此，通道654.2和654.4以同样的方式起如图13所示出的平行段的作用，以将冷却流体分配到燃料电池堆的单个电池中。
除膜电极组件742具有均匀的三角形构形以外，如图16所示的第五优选实施方案的第三备选燃料电池结构与如图13所示的结构大体上相对应。所述均匀的三角形构形还提供了使重整物和空气流过大致相同大小的燃料电池的通道。
除了形成泡沫气体分配层846，使得所述泡沫气体分配层846的密度从接近膜电极组件842最大密度(最小孔隙率)的峰值842.10变化到与峰值842.10相对的最小密度(最大孔隙率)以外，如图17所示的第五优选实施方案的第四备选燃料电池结构与如图8所示的结构大体上相对应。结果是最大密度区域进一步增强了在连续的平行氢重整物通道872.2之间和在连续的平行氧通道872.4之间的分隔，由此进一步将在平行通道之间的交互渗移减至最少并且确保通过相应电极表面的重整物和氧的大致均匀分配。
应理解的是：在歧管板50，52，56中、在膜电极组件42中以及在隔板48中形成进口和排放口，其尺寸、形状、间距和排列相一致，从而限定出数个轴向延伸穿过燃料电池堆22的通道。在美国专利申请No.09/541,934中可以找到关于歧管和进入端口的其它细节，所述申请在此引入作为参考。还应理解的是：这些端口的尺寸根据通过其中的不同流体的流速和压力要求而变化。例如，连通阴极空气的阴极端口相对较宽；而连通冷却液体的冷却端口相对较窄；连通阳极氢的阳极端口窄于所述阴极端口，但是宽于所述冷却端口。
具有传统构形和结构的集电板58收集燃料电池堆22中由电池40产生的累积电能，用以分配给适当的负载例如车辆马达。同样具有传统构形和结构的绝缘板60将端板62与集电板58电绝缘。具有传统构形结构的端板92赋予用于保持在所述燃料电池堆的所有层之间适当接口的压缩载荷，以确保在所述燃料电池堆中适当分配流体和适当的电导率。若端板92不导电，那么可省去绝缘板60。
在操作中，氢沿轴向通过阳极进口并在每一阳极歧管进口部分80处转向通过所述横向通道的通道和通至支路72的次通道，此后流动至阳极歧管出口部分82，在该处氢的汇流通过所述横向次通道和所述通道流至阳极排放口。在氢从支路72的进口端74移动到出口端76时，氢被低孔隙率的条46.6大致限制在相应段46.4中，使得在所述平行段之间几乎没有或不发生交叉流动，由此不管泡沫介质中的泡沫材料的孔隙率是否存在不可避免的且明显的变化，均保证氢大致均匀分布在下面的阳极表面上。所述氢的均匀分布使基于氢与阳极电极之间的相互作用而产生的电能最大化。
同时，阴极空气沿轴向通过阴极进口并在每一阴极歧管层处转向通过所述横向通道和通至支路的次通道，然后通过阴极排气口进行排放。在高孔隙率的条46.4之间的所述低孔隙率的条46.6起到防止相邻条之间的空气发生交互渗移的作用，由此确保空气和氧的供给在阴极电极之上的整个表面上均匀分布。由于沿每一段的流阻为主要约束，并且由此孔隙率的变化在各段长度上得到平均，而不是使局部扰动影响整个流场，因此在催化层上的气流分布基本上是均匀的。此外，与条46.4相比，条46.6较窄的宽度确保了相应膜电极组件电极的几乎全部面积都将被暴露于相应的反应气体中，其结果是使产生的电能最大化。且由于反应气体将扩散进入较窄的多孔分隔条46.6中，即使所述条下面较小的电极面积也会产生电能，由此进一步使电池中电能的产生最大化。
同时，冷却流体沿轴向通过冷却剂进口并在每一冷却剂歧管层处转向，在此冷却剂流过所述横向通道和次通道，然后流经单独支路至冷却剂排放歧管并排出冷却剂排放口。在高孔隙率的条46.4之间的所述低孔隙率的条46.6再一次确保冷却流体均匀分布在隔板上方和下方的相邻表面上，由此确保相邻电池总面积的均匀冷却。
可以看到，本发明提供一种比现有技术中的燃料电池更轻、更小且更便宜的燃料电池，同时不需要牺牲燃料电池的电能输出。具体而言，使用泡沫气体分配层代替现有技术中具有蛇形脊面和通道的金属双极板同时减小了燃料电池的重量和体积。所述泡沫气体分配层在所述隔膜的大致整个面积上分配气体的能力与现有技术中的双极板仅在暴露于蛇形通道凹槽的面积上分配气体形成对比，这还使得可以省去现有技术中在所述双极板和隔膜之间的石墨纸或石墨布，这是由于现在泡沫层已可以满足这种布的气体分配和隔膜支承功能。去掉这种石墨纸或石墨布还减小了燃料电池的体积、重量和成本。
沿泡沫层的一面将所述泡沫结合到相邻隔离物上以及在所述泡沫层的另一表面和膜电极组件之间的多点和全面电接触减小了通过燃料电池的接触电阻。因此，需要用以保持通过燃料电池的电导率的压缩载荷减小，使得端板的尺寸和强度可减至最小，由此节省体积、重量和成本。在这方面，较低的压缩载荷要求使得端板可以使用较轻的、较便宜的材料，例如适当的塑料来制备。本发明技术的最终目的在于提供一种明显比现有技术中的燃料电池更轻、更小且更便宜的燃料电池，同时不减少燃料电池单位面积的电能输出水平。
虽然已经通过目前被认为是最实际的和优选的实施方案对本发明进行了说明，但是应该理解本发明并不限于所公开的实施方案，而是相反，本发明旨在包括在所附权利要求的精神和范围内的各种变型和等效装置。