具有改進的反應物分布的燃料電池的製作方法
2023-04-26 02:18:41
本公開涉及燃料電池系統。更準確地說，但非排他地，本公開涉及一種利用交叉流動通道來改進在所述燃料電池系統內的反應物分布的燃料電池堆組件。
背景技術：
客運交通工具可以包括燃料電池（「FC」）系統來給交通工具的電氣和動力傳動系統的某些特徵提供動力。例如，FC系統可以被用於交通工具中來直接和/或者通過中間電池系統給所述交通工具的電氣傳動系統部件（例如，電動馬達諸如此類）提供動力。FC系統可以包括單個電池或者，可選地，可以包括布置在堆配置中的多個電池。
FC系統可以包括被提供在FC堆中的雙極板-隔離板之間的一個或多個單獨的燃料電池。雙極板可以限定多個平行的主要流動通道，所述主要流動通道促進反應物流動分布橫越在所述FC堆電池中的催化劑層區域。在某些實施例中，這些流動通道的設計可以包括通道/脊面配置（即，肋和通道配置）。所述流動通道可以促進在所述FC的有效面積中的反應物分布，而分隔所述流動通道的所述肋和/或脊面區域可以為在包括氣體擴散層的所述FC堆中的某些元素提供機械支持。在某些實施例中，所述流動通道可以包括螺旋形的、交錯對插的、和/或直的通道的配置。
常規的通道和脊面配置在保證反應物流動均勻性的同時通過所述主要流動通道的同時，可以減少在反應物和催化劑層之間的界面區域，從而減少可能達到的性能。此外，參加反應的催化劑面積的減少可以對FC系統相關的操作產生不利的影響（例如，通過增加局部過度的電流密度和/或者影響可以減少耐久性的反應物分布）。例如，在直的流動通道配置中，可以減少被設置在脊面區域下通過氣體擴散層的反應物對流。由於通過壓縮的氣體擴散層的較低的擴散，這可以限制反應物通向在所述肋下的催化劑。當所述FC系統操作於低溫時，水可以在脊面區域下的氣體擴散層中凝結，從而降低局部氣體滲透率，而且進一步減少被利用的活性催化劑表面積和在較高的電流密度的這樣的流場的性能。
在交錯對插的通道配置中（例如，其中每一個其他通道被連接到進氣歧管且其餘的通道被連接到出口歧管的通道配置），由於在所述脊面下在進和出口通道之間的無序的反應物的對流，在脊面區域下被利用的活性催化劑表面的比例增加。然而，在這種情況下，在體積功率密度中明顯的壓降增加和/或者減少也可以被引入。
在沒有限定的脊面和/或通道模式的流場設計中，反應物流動可以通過一層導電泡沫和/或網格進行分布。這樣的設計可以增加可到達反應物的活性催化劑表面積，但是也可以涉及某些設計讓步和/或增加的成本，以實現更均勻的反應物流動分布。鑑於以上情況，促進改進的反應物流動分布橫越所述FC堆的催化劑層，同時減少性能問題和/或成本的系統和方法是可取的。
技術實現要素：
在本文公開的系統和方法的實施例提供了FC堆組件，所述FC堆組件包括多個由雙極板彼此分隔的FC（例如，包括被夾在陽極和陰極氣體擴散層之間的具有陽極催化劑層在一側上和陰極催化劑層在另一側上的質子交換膜的質子交換膜燃料電池（「PEMFC」）系統），所述雙極板具有用於至少一個反應物流動的脊面通道流場配置。如在本文使用的，這樣的所述流場的脊面和通道可以，在某些情況下，被進一步稱為主要脊面和通道。某些實施例可以包括在主要流動通道之間的交叉流動通道。在某些實施例中，所述交叉流動通道可以促進改進的反應物流動分布橫越所述FC堆的催化劑層和/或者增加在反應物和催化劑層之間的界面區域，從而提高FC系統性能。例如，在一些實施例中，連接相鄰的主要流動通道與交叉流動通道可以通過增加催化劑層面積的利用、減少在所述FC系統中的局部過度電流密度提高FC系統性能、和/或者提高FC系統的耐久性。在本文公開的實施例可以進一步提高在低溫下FC的性能、在超溼操作中的FC性能、在低鉑負載下FC的性能、和/或與較薄的氣體擴散介質材料和/或其他膜電極組件材料的相容性。
在一些實施例中，可以在或者陽極或者陰極側或者在所述FC堆的雙極板的兩側流場中限定所述交叉流動通道。例如，在某些實施例中，所述交叉流動通道可以至少部分地被限定在一個或多個與所述FC堆的所述雙極板相關的脊面區域內。在某些實施例中，限定在所述雙極板的脊面內的交叉流動通道的部分可以足夠深以允許反應物通過在所述雙極板和氣體擴散介質之間的所述交叉流動通道。即，反應物可以自由地流動通過在由所述雙極板限定的平行的主要流動通道之間的所述交叉流動通道。在進一步的實施例中，氣體擴散介質的部分可以侵入到限定在雙極板的脊面區域內的交叉流動通道內。氣體擴散介質的這些部分與被設置在所述雙極板的脊面下的氣體擴散介質的其他部分相比可以被較少地壓縮和/或者以其他方式更具滲透性。因此，反應物可以流動通過在所述主要流動通道之間的所述交叉流動通道內的較少壓縮的和/或者以其他方式更具滲透性的氣體擴散介質。
本發明還公開了以下方案。
方案1. 一種燃料電池系統，包括：
第一雙極板，所述第一雙極板限定多個主要陰極流動通道和在所述主要陰極流動通道之間的多個陰極交叉流動通道，所述主要陰極流動通道和陰極交叉流動通道經配置用於為陰極反應物提供流動路徑；
陰極，其被設置與所述第一雙極板相鄰；
質子交換膜，其被設置與所述陰極相鄰；
陽極，其被設置與所述質子交換膜相鄰；以及
第二雙極板，其被設置與所述陽極相鄰，所述第二雙極板限定多個主要陽極流動通道，所述主要陽極流動通道經配置用於為陽極反應物提供流動路徑。
方案2. 如方案1所述的燃料電池系統，其特徵在於，所述第二雙極板進一步限定在所述主要陽極流動通道之間的多個陽極交叉流動通道，所述陽極交叉流動通道經配置用於為所述陽極反應物提供另一流動路徑。
方案3. 如方案1所述的燃料電池系統，其特徵在於，所述多個陰極交叉流動通道被限定在所述第一雙極板的脊面區域中。
方案4. 如方案3所述的燃料電池系統，其特徵在於，所述陰極包括被設置與所述多個主要陰極流動通道和所述多個陰極交叉流動通道相鄰的陰極氣體擴散介質。
方案5. 如方案4所述的燃料電池系統，其特徵在於，所述陰極進一步包括被設置與所述陰極氣體擴散介質相鄰的陰極微孔層和被設置與所述質子交換膜相鄰的陰極催化劑層。
方案6. 如方案4所述的燃料電池系統，其特徵在於，所述陰極氣體擴散介質的部分侵入到所述多個陰極交叉流動通道中。
方案7. 如方案6所述的燃料電池系統，其特徵在於，侵入到所述多個陰極交叉流動通道中的所述陰極氣體擴散介質的部分與被設置與所述第一雙極板的其他脊面區域相鄰的所述陰極氣體擴散介質的其他部分相比對於陰極反應物流動是更具滲透性的。
方案8. 如方案1所述的燃料電池系統，其特徵在於，所述陰極反應物包括空氣。
方案9. 如方案1所述的燃料電池系統，其特徵在於，所述陰極反應物包括氧。
方案10. 如方案2所述的燃料電池系統，其特徵在於，所述多個陽極交叉流動通道被限定在所述第二雙極板的脊面區域中。
方案11. 如方案10所述的燃料電池系統，其特徵在於，所述陽極包括被設置與所述多個主要陽極流動通道和所述多個陽極交叉流動通道相鄰的陽極氣體擴散介質。
方案12. 如方案11所述的燃料電池系統，其特徵在於，所述陽極氣體擴散介質的部分侵入到所述多個陽極交叉流動通道中。
方案13. 如方案12所述的燃料電池系統，其特徵在於，侵入到所述多個陽極交叉流動通道中的所述陽極氣體擴散介質的部分與被設置與所述第二雙極板的其他脊面區域相鄰的所述陽極氣體擴散介質的其他部分相比對於陽極反應物流動是更具滲透性的。
方案14. 如方案1所述的燃料電池系統，其特徵在於，所述陽極反應物包括氫。
方案15. 一種動力傳動系統，包括：
燃料電池系統，其包括：
第一雙極板，所述第一雙極板限定多個主要陰極流動通道和在所述主要陰極流動通道之間的多個陰極交叉流動通道，所述主要陰極流動通道和陰極交叉流動通道經配置用於為陰極反應物提供流動路徑；
陰極氣體擴散層，其被設置與所述第一雙極板相鄰；
質子交換膜，其被設置與所述陰極氣體擴散層相鄰；
陽極氣體擴散層，其被設置與所述質子交換膜相鄰；以及
第二雙極板，其被設置與所述陽極相鄰，所述第二雙極板限定多個主要陽極流動通道，所述主要陽極流動通道經配置用於為陽極反應物提供流動路徑。
方案16. 如方案15所述的系統，其特徵在於，所述第二雙極板進一步限定在所述主要陽極流動通道之間的多個陽極交叉流動通道，所述陽極交叉流動通道經配置用於為所述陽極反應物提供另一流動路徑。
方案17. 如方案15所述的系統，其特徵在於，所述陰極氣體擴散層包括被設置與所述多個主要陰極流動通道和所述多個陰極交叉流動通道相鄰的陰極氣體擴散介質，所述多個陰極交叉流動通道被限定在所述第一雙極板的脊面區域中，而且所述陰極氣體擴散介質的部分侵入到所述多個陰極交叉流動通道中。
方案18. 如方案17所述的系統，其特徵在於，侵入到所述多個陰極交叉流動通道中的所述陰極氣體擴散介質的部分與被設置與所述第一雙極板的其他脊面區域相鄰的所述陰極氣體擴散介質的其他部分相比對於陰極反應物流動是更具滲透性的。
方案19. 如方案16所述的系統，其特徵在於，所述陽極氣體擴散層包括被設置與所述多個主要陽極流動通道和所述多個陽極交叉流動通道相鄰的陽極氣體擴散介質，所述多個陽極交叉流動通道被限定在所述第二雙極板的脊面區域中，而且所述陽極氣體擴散介質的部分侵入到所述多個陽極交叉流動通道中。
方案20. 一種用於裝配燃料電池系統的方法，包括：
裝配所述燃料電池系統的燃料電池堆的部件，其中所述裝配包括：
提供第一雙極板，所述第一雙極板限定多個主要陰極流動通道和在所述主要陰極流動通道之間的多個陰極交叉流動通道，所述主要陰極流動通道和陰極交叉流動通道經配置用於為陰極反應物提供流動路徑；
設置陰極氣體擴散介質與所述多個主要陰極流動通道和所述多個交叉陰極流動通道相鄰；
設置陰極微孔層與所述陰極氣體擴散介質相鄰；
設置陰極催化劑層與所述陰極微孔層相鄰；
設置質子交換膜與所述陰極催化劑層相鄰；
設置陽極催化劑層與所述質子交換膜相鄰；
設置陽極微孔層與所述陽極催化劑層相鄰；
設置陽極氣體擴散介質與所述陽極微孔層相鄰；以及
設置第二雙極板與所述陽極氣體擴散介質相鄰，所述第二雙極板限定多個主要陽極流動通道和在所述主要陽極流動通道之間的多個陽極交叉流動通道，所述主要陽極流動通道和陽極交叉流動通道經配置用於為陽極反應物提供流動路徑；以及
固定所述燃料電池堆的裝配的部件。
附圖說明
描述了本公開的非限制性和非詳盡的實施例，包括參考附圖的本公開的各種實施例，在附圖中：
圖1示出了與在本文公開的實施例一致的FC堆的透視圖；
圖2示出了與在本文公開的實施例一致的包括交叉流動通道的雙極板的片的一部分的透視圖；
圖3示出了與在本文公開的實施例一致的多個示範性交叉流動通道的剖視圖；
圖4示出了與在本文公開的實施例一致的交叉流動通道配置的俯視圖；
圖5示出了與在本文公開的實施例一致的顯示對於在各種示範性交叉流動通道縱橫比的FC堆的示範性標準化性能增加的圖；
圖6示出了與在本文公開的實施例一致的裝配FC堆的示範性方法的流程圖。
具體實施方式
在下面提供了與本公開的實施例一致的系統和方法的詳細描述。雖然描述了幾個實施例，但是應當理解的，本公開並不局限於任何一個實施例，而是包括許多替換、修改和等價物。此外，雖然為了提供在本文公開的實施例的徹底的理解而在下面描述中闡述了許多具體細節，但是沒有一些或全部這些細節可以實行一些實施例。此外，為了明確的目的，在相關領域中已知的某些技術材料沒有進行詳細描述，以便避免不必要的使本公開含糊不清。
通過參考附圖本公開的實施例將得到最好地理解，其中相同的部分可以由相同的數字指定。本公開實施例的部件，如在本文的附圖中通常描述和示出的，可以以各種不同的配置進行布置和設計。因此，本公開的系統和方法的實施例的下面的詳細描述不旨在限制如申請的本公開的保護範圍，但僅代表本公開的可能實施例。此外，除非另有規定，方法的步驟不一定需要以任何特定的順序或甚至順序地執行，也不需要步驟只被執行一次。
在本文公開的系統和方法的實施例，提供了包括雙極板/隔離板的FC堆組件，所述雙極板/隔離板包括在主要流動通道之間的交叉流動通道。在某些實施例中，所述交叉流動通道可以促進改進的反應物流動分布橫越所述FC堆的催化劑層和/或者增加在反應物和催化劑層之間的界面區域，從而提高FC系統性能。結合本公開的實施例可以利用各種適合的交叉流動通道寬度、深度、方向（例如，相對於主要通道垂直的或成直角的）和/或頻率。在一些實施例中，所述交叉流動通道的具體配置可以至少部分地基於相關的主要流動通道的幾何形狀。
雖然其他類型的FC系統也可以被利用，但是可以結合PEMFC系統利用某些實施例。在PEMFC系統中，氫可以被提供給所述FC的陽極，而且氧可以作為氧化劑被提供給所述FC的陰極。PEMFC可以包括膜電極組件（「MEA」），所述膜電極組件包括質子但不是在其面中的一個上具有陽極催化劑和在相反的面上具有陰極催化劑的電子導電固體聚合物電解質膜。所述膜可以夾在陽極和陰極氣體擴散層之間來形成所述MEA。所述MEA可以被設置在形成雙極板的一部分和作為用於陽極和陰極的電流收集器的一對導電元素之間。所述雙極板可以限定一個或多個用於將氣態反應物分布在各自的陽極和陰極催化劑層的表面上的主要流動通道和/或交叉流動通道。
FC系統可以包括單個電池或，可選地，可以包括布置在堆配置中的多個電池。例如，在某些實施例中，多個電池可以被串聯地布置來形成FC堆。在FC堆中，多個電池可以以電氣串聯地被堆在一起，而且由氣體不可滲透的、導電雙極板分隔。所述雙極板可以實現各種功能且可以以各種方式進行配置。在某些實施例中，所述雙極板可以限定一個或多個內部冷卻通路和/或者包括一個或多個換熱表面的通道，冷卻劑可以流動通過所述內部冷卻通路和/或者通道來從FC堆中移除在其操作過程中產生的熱量。
圖1示出了與在本文公開的實施例一致的FC堆100的透視圖。除了別的以外，所述FC堆100可以是包括在交通工具中的FC系統的FC堆。所述交通工具可以是機動交通工具、海運交通工具、航空器和/或任何其他類型的交通工具，而且可以包括用於結合在本文公開的系統和方法的任何適合類型的動力傳動系統和/或固定電源。所述FC系統可以經配置用於提供電源到所述交通工具和/或者在本文共同描述的如FC供電設備（「FCPE」）的其他電動裝置的某些部件。例如，所述FC系統可以經配置用於提供電力到所述交通工具的電氣傳動系統部件。所述FC堆100可以包括單個電池或布置在堆配置中的多個電池，而且可以包括上述某些FC系統元素和/或特徵。特別地，圖1示出了包括單個FC的FC堆100的一部分的截面。
所述FC可以包括由質子交換膜（「PEM」）102分隔的陰極和陽極。所述陰極可以包括被設置緊貼著所述PEM 102的第一側的陰極側催化劑層104、被設置緊貼著所述陰極側催化劑層104的陰極側微孔層106、和被設置緊貼著所述陰極側微孔層106的陰極側擴散介質層108。所述FC的所述陽極可以包括被設置緊貼著所述PEM 102的第二側的陽極側催化劑層110、被設置緊貼著所述陽極側催化劑層110的陽極側微孔層112、和被設置緊貼著所述陽極側微孔層112的陽極側擴散介質層114。
所述FC堆100的FC可以以電氣串聯地被堆在一起，而且由氣體不可滲透的導電雙極板分隔。所述雙極板可以包括多片。例如，第一雙極板可以包括片116、118，而且第二雙極板可以包括片120、122。在某些實施例中，片116-122可以以包括機械加工、模壓、衝壓和/或諸如此類的各種方式進行製造。通過焊接和/或任何其他結合法，片116-122可以進一步被固定在一起。例如，片116和118可以在某些界面位置被焊接在一起。類似地，片120和122可以在某些界面位置被焊接在一起。
所述雙極板和/或組成片116-122可以包括任何適合的材料包括例如鋼，不鏽鋼，鈦，鋁，碳，石墨和/或諸如此類。在進一步的實施例中，所述雙極板和/或組成片116-122可以包括包括有導電保護層的材料，所述導電保護層經配置用於在相關的FC系統操作過程中抑制所述雙極板和或所述組成片116-122的降解。
在某些實施例中，第一雙極板的陰極側可以由片116限定。類似地，第二雙極板的陽極側可以由片120限定。片116可以限定多個主要陰極側流動通道124。類似地，片120可以限定多個平行的主要陽極側流動通道126。陰極反應物（例如，氧和/或空氣）可以流動通過所述平行的主要陰極側流動通道124，而且陽極反應物（例如，氫）可以流動通過所述平行的主要陽極流動通道126。所述陰極反應物（例如，氧和/或空氣）可以通過所述陰極側擴散介質層108和所述陰極側微孔層106擴散，而且與所述陰極側催化劑層104起化學反應。所述陽極反應物（例如氫）可以通過所述陽極側擴散介質層114和所述陽極側微孔層112擴散，而且與所述陽極側催化劑層110起化學反應。氫離子可以通過所述PEM 102傳播，從而產生電流。
在某些實施例中，所述第一雙極板的片118可以限定所述FC堆100的相鄰的FC（未示出）的陽極側的多個平行的主要流動通道。類似地，所述第二雙極板的片122可以限定所述FC堆100的另一個相鄰的FC（未示出）的陰極側的多個平行的主要流動通道。在一些實施例中，所述第一雙極板的所述片116、118和所述第二雙極板的所述片120、122可以限定多個用於在所述FC堆100的操作過程中促進液體冷卻劑的流動的冷卻流體跟蹤通道128。
在一些實施例中，所述片116-122可以包括多個脊面區域和通道區域。例如，如圖所示，片118可以包括多個脊面區域132和多個通道區域130。通道區域可以至少部分地限定相關的雙極板的一個或多個平行的主要流動通道。例如，片118的通道區域130可以至少部分地限定所述FC堆100的相鄰的FC（未示出）的陽極側的多個平行的主要陽極側流動通道。脊面區域可以與FC的陽極和/或陰極和/或與所述FC的陽極和/或陰極相關的氣體擴散介質交界。除了別的以外，所述脊面區域可以為相鄰設置的氣體擴散介質和/或相鄰的通道區域提供支持。例如，片118的脊面區域132可以與所述FC堆100的相鄰的FC（未示出）的陽極側氣體擴散介質層交界。
在常規的設計中，在所述FC堆100內的反應物流動可以大致上被包括於由所述雙極板限定的主要流動通道124、126內。在這樣的設計中，可以大幅減少和/或消除在由所述雙極板限定的被設置與脊面區域相鄰的氣體擴散介質的部分中的反應物流動。例如，在某些情況下，由所述雙極板限定的被設置與脊面區域相鄰的氣體擴散介質可以被大幅壓縮，從而使所述氣體擴散介質大致上對反應物流動滲透性較差。除了別的以外，這可以減少反應物流動通過所述FC堆100和/或所述主要流動通道124、126的均勻性，和/或者減少反應界面區域，從而對相關的FC系統的性能產生不利影響。
與在本文公開的實施例一致的，所述FC堆100的雙極板可以進一步限定多個交叉流動通道134。在某些實施例中，所述交叉流動通道134可以促進改進的反應物流動橫越所述FC堆100的催化劑層104、110。特別地，所述交叉流動通道134可以允許在所述雙極板的相鄰的平行的主要流動通道124、126之間的反應物的流動增加。例如，如圖所示，交叉流動通道134可以限定反應物流動路徑橫越在平行的通道區域130之間的片118的脊面區域132，從而允許在由片118限定的相鄰的平行的主要流動通道之間的反應物的流動增加和反應界面區域的增加。
在一些實施例中，所述交叉流動通道134可以被限定在所述雙極板的脊面區域132中，從而促進改進的反應物流動橫越所述脊面區域132。在進一步的實施例中，所述交叉流動通道134也可以被限定在通道區域130和/或者在所述雙極板的所述通道區域130和所述脊面區域132之間的界面區域（即，通道壁）中。
在一些實施例中，所述交叉流動通道134可以允許反應物自由地在平行的主要流動通道之間流動。即，所述交叉流動通道134可以允許反應物在所述交叉流動通道134內流動而不滲透任何被設置在所述交叉流動通道134內的氣體擴散介質。在進一步的實施例中，氣體擴散介質可以侵入到所述交叉流動通道134中，但是仍可以促進反應物流動在所述交叉流動通道134內通過所述氣體擴散介質。例如，侵入到所述交叉流動通道134的氣體擴散介質與被設置與其他脊面區域132相鄰的氣體擴散介質的其他部分相比可以被更少地壓縮和/或者以其他方式對反應物更具滲透性，從而允許在所述交叉流動通道134內的反應物流動通過所述氣體擴散介質。
在某些實施例中，交叉流動通道134可以被併入到主要陰極側流動通道124和主要陽極側流動通道126兩者之間。在進一步的實施例中，交叉流動通道134可以被併入到或者主要陰極側流動通道124或者主要陽極側流動通道126之間。
在一些實施例中，在主要流動通道124、126之間併入交叉流動通道134，這可以取決於相關的反應物的擴散係數。例如，如氧和/或空氣的陰極反應物與如氫的陽極反應物相比可以具有較低的擴散係數。因此，在某些實施例中，交叉流動通道134可以只被包括在主要陰極側流動通道126之間。在其他實施例中，在與反應物相關的FC側（即，陽極或陰極，其具有比與另一FC側相關的反應物更低的擴散係數）上的主要反應物流動通道之間可以包括增加數量的交叉流動通道134。在進一步的實施例中，所述交叉流動通道134的幾何形狀可以取決於相關的反應物的擴散係數。例如，與具有較低的擴散係數的反應物相關的交叉流動通道134與具有較高的擴散係數的反應物相關的交叉流動通道134相比可以具有較大的幾何形狀。如此，交叉流動通道134的包括物、交叉流動通道134的數量和/或位置、和/或交叉流動通道134的幾何形狀可以取決於相關的反應物（例如，空氣、氧、氫、重整產品，等等）的擴散率。
如上所述，在某些實施例中，公開的交叉流動通道134的幾何形狀（例如，通道壁的深度、間距和/或角度，間隔，寬度，等等）可以至少部分地取決於相關的反應物的擴散率。在進一步的實施例中，交叉流動通道134的幾何形狀可以至少部分地取決於用於形成相關的雙極板和/或其組成片116-122和/或相關的製造過程的材料。例如，限定所述交叉流動通道134和/或主要反應物流動通道124、126的雙極板的片可以通過引入一個或多個彎曲部分被衝壓、模壓、和/或機械加工來達到所需的形狀。在某些實施例中，在片116-122中引入彎曲部分（例如，通過衝壓）可以導致縮頸，由此片116-122的厚度可以被減少接近引入的彎曲部分。縮頸可以是受包括但不限於彎曲半徑和/或片材的多種因素的影響。例如，降低的彎曲半徑可以引入增加的縮頸。因此，與在本文公開的實施例一致的交叉流動通道134的幾何形狀可以被設計用於說明用於形成雙極板的特定材料的縮頸的影響。
將理解的，在創造性的工作的保護範圍內可以對結合圖1提出的公開的FC堆100的實施例做許多變化。例如，與在本文公開的實施例一致的交叉流動通道134可以被集成到具有各種其他的幾何形狀和/或配置的FC堆100中。因此，將理解的，圖1被提供用於說明和解釋而不是限制。
圖2示出了與在本文公開的實施例一致的包括交叉流動通道134的雙極板的片118的一部分200的透視圖。如圖所示，片118可以包括多個脊面區域132和多個通道區域130。通道區域130可以至少部分地限定相關的雙極板的一個或多個主要流動通道。與在本文公開的實施例一致的，一個或多個交叉流動通道134可以被包括在所述脊面區域132中，允許在相鄰的主要流動通道之間反應物流動的增加和/或者活性催化劑區域表面積的利用的增加。例如，如圖所示，交叉流動通道134可以限定反應物流動路徑橫越在平行的通道區域之間的片118的脊面區域132，從而允許在由片118限定的相鄰的平行的主要流動通道之間的反應物的流動增加和反應界面區域的增加。
圖3示出了與在本文公開的實施例一致的多個示範性交叉流動通道134a、134b的剖視圖300。如上所述，與在本文公開的實施例一致的形成於脊面區域134中的交叉流動通道134a、134b可以具有各種幾何形狀。例如，所述交叉流動通道134a、134b的深度可以從比較淺變化（由此相關的擴散介質層114的局部壓縮可以被減少，而且局部擴散可以被增強）到比較深（由此通過所述交叉流動通道134a、134b的一些跨脊面間隙可以允許反應物的對流通過交叉流動通道）。
在示出的示範性交叉流動通道134a、134b中，交叉流動通道134a可以比較淺，從而使所述擴散介質層114的部分能夠侵入到所述交叉流動通道134內具有較少的局部壓縮。因此，反應物可以流動通過所述較少壓縮的和/或者以其他方式更具滲透性的設置在所述交叉流動通道134a內的氣體擴散介質114。交叉流動通道134b可以比較深，從而使反應物的對流能夠通過在相關的平行的主要流動通道之間的所述交叉流動通道134b。
圖4示出了與在本文公開的實施例一致的交叉流動通道配置的俯視圖400。與在本文公開的實施例一致的，一個或多個流動通道134可以被設置在促進改進的反應物流動分布（例如，在主要流動通道124之間的反應物流動）的片118的脊面區域132中。在某些實施例中，交叉流動通道134可以被設置相對於相鄰的主要流動通道124垂直。在示出的實施例中，交叉流動通道134可以被設置在相對於相鄰的主要流動通道124任何適合的角度（例如，在相對於所述主要流動通道130 45-90度角）。雖然被示出沿所述主要流動通道124是均勻間隔的，在其他實施例中，交叉流動通道134和/或其他交叉流動通道幾何形狀的間隔（例如，寬度、間距和/或深度）可以沿所述主要流動通道124的長度變化（例如，從在所述流場的第一部分具有較大的間隔開始，而且在所述流場的第二部分具有較小的間隔，從而促進反應物可以被更多地耗盡的地方的擴散通路的增加）。
在其他實施例中，特徵可以被引入到促進增加的對流流動通過所述交叉流動通道134的所述主要流動通道124中。在一些實施例中，瓶頸特徵可以被引入到所述主要流動通道124中，所述主要流動通道124可以至少部分地引導反應物的流動通過所述交叉流動通道134和/或越過脊面區域。在進一步的實施例中，某些主要流動通道124（例如，每隔一個通道）可以包括封閉的端以促使反應物流動通過所述交叉流動通道134越過脊面區域132。
圖5示出了與在本文公開的實施例一致的顯示對於在各種示範性交叉流動通道縱橫比502的FC堆504的示範性標準化性能增加的圖500。如在示範性圖500中所示，在一些實施例中，對於所述FC堆504的標準化性能增加可以隨著交叉流動通道縱橫比502增加而增加。
圖6示出了與在本文公開的實施例一致的裝配FC堆的示範性方法600的流程圖。特別地，與在本文公開的實施例一致的，方法600可以被用於在FC堆內裝配FC。在602，可以啟動所述方法600。在604，可以提供限定多個主要陰極流動通道和在所述主要陰極流動通道之間的多個陰極交叉流動通道的第一雙極板。在某些實施例中，所述主要陰極流動通道和交叉流動通道可以經配置用於為陰極反應物提供流動路徑。
在606，可以裝配各種陰極部件。例如，陰極氣體擴散介質可以被設置與所述多個主要陰極流動通道和所述多個交叉流動通道相鄰，陰極微孔層可以被設置與所述陰極氣體擴散介質相鄰，而且陰極催化劑層可以被設置與所述陰極微孔層相鄰。在608，PEM可以被設置與所述陰極催化劑層相鄰。
在610，可以裝配各種陽極部件。例如，陽極催化劑層可以被設置與所述PEM相鄰，陽極微孔層可以被設置與所述陽極催化劑層相鄰，而且陽極氣體擴散介質可以被設置與所述陽極微孔層相鄰。在612，第二雙極板可以被設置與所述陽極氣體擴散介質相鄰。在某些實施例中，所述第二雙極板可以限定多個主要陽極流動通道和在所述主要陽極流動通道之間的多個陽極交叉流動通道。在一些實施例中，所述主要陽極流動通道和陽極交叉流動通道可以經配置用於為陽極反應物提供流動路徑。在614，所述方法600可以結束。
為了清楚的目的，雖然已經以一些細節描述了上述情況，但是將清楚的是，在不偏離其原則的情況下可以進行某些改變和修改。例如，在某些實施例中，在本文公開的系統和方法可以連同不包括在交通工具中的FC系統被利用。值得注意的是，有很多實施在本文公開的過程和系統兩者的替代方式。因此，本發明實施例被認為是說明性而非限制性的，而且本發明並不局限於在本文給出的細節，而可以在隨附權利要求和隨附權利要求的等價物的保護範圍內被修改。
參考各種實施例已經描述了上述說明書。然而，本領域普通技術人員中將理解可以在不偏離本公開的保護範圍的情況下做各種修改和改變。例如，各種操作步驟，以及用於執行操作步驟的部件，可以根據特定的應用或者考慮到與系統的操作相關的任意數量的成本函數以替代的方式實施。因此，任何一個或多個步驟可以被刪除、修改或與其他步驟相結合。進一步地，本公開被視為說明性的而不是限制性的意義，而且所有這些修改旨在被包括在其保護範圍之內。同樣地，權益、其他優勢和問題的解決方案已經關於各種實施例在上面進行了描述。然而，權益、優勢、問題的解決方案和任何可以導致任何權益、優勢或解決方案發生或變得更加顯著的（一個或多個）元素不被解釋為決定性的、必需的或本質特徵或元素。
如在本文使用的術語「包括」和「包含」及其任何其他變型旨在覆蓋非唯一的內含物，使得包括一系列元素的過程、方法、物品或裝置不僅包括這些元素，也可以包括其他未明確列出或固有於這樣的過程、方法、系統、物品或裝置的元素。另外，如在本文使用的術語「耦合」、「聯接」及其任何其他變型旨在覆蓋物理連接、電氣聯接、磁性連接、光學連接、通信連接、功能連接和/或任何其他連接。本領域技術人員將理解，可以在不偏離本發明的基本原則的情況下對上述實施例的細節做很多改變。因此，本發明的保護範圍應該只由所附的權利要求來確定。