具有可变孔隙度气体分布层的燃料电池 【发明领域】
本发明涉及一种燃料电池系统，特别是一种具有多个消耗富H2气体来产生能量的电池的系统。
【发明背景】
燃料电池已经在许多应用中被用作电源。例如，人们已经提出将燃料电池用在电动车动力装置中来代替内燃发动机。在质子交换膜(PEM)型燃料电池中，氢被提供给燃料电池阳极，氧作为氧化剂被提供给阴极。PEM燃料电池包含一个膜电极组件(MEA)，MEA包括在其一个面上具有阳极催化剂而在另一面上具有阴极催化剂的质子传导性、非电子导电性固体聚合物电解质薄膜。MEA夹在一对导电元件之间，所述导电元件(1)充当阳极和阴极的集流器和(2)其中包含用于将燃料电池的气体反应物分布于相应阳极和阴极催化剂表面的适当地管道和/或孔。术语燃料电池，根据上下文，一般指单电池或多个电池(堆)。多个单电池通常捆在一起形成燃料电池堆且通常串联排列。堆内的各个电池都含有前述的膜电极组件(MEA)，且每个所述MEA都提供其电压增值。堆内相邻的一组电池称为一个簇。在通用汽车公司的美国专利US5,763,113中记述了多个电池在堆中的典型排列。
在PEM燃料电池中，氢(H2)是阳极反应物(即燃料)，氧是阴极反应物(即氧化剂)。氧可以是纯氧(O2)也可以是空气(O2和N2的混合物)。固体聚合物电解质一般由离子交换树脂如全氟磺酸制成。阳极/阴极一般含有细碎的催化颗粒，通常负载在碳颗粒上并与质子传导性树脂混合在一起。催化颗粒一般为昂贵的贵金属颗粒。膜电极组件制造起来相对比较昂贵，且其有效操作需要某些条件，包括适当的水管理和增湿以及控制催化剂污损组分如一氧化碳(CO)。
对于车辆应用，可取的是以液体燃料如醇(例如甲醇或乙醇)或烃(例如汽油)作燃料电池的氢源。这些车用液体燃料容易储存在车上，且具有全国性的液体燃料供给基础设施。不过，这些燃料必须解离释放其中的氢来向燃料电池提供燃料。解离反应是在化学燃料处理装置或重整装置中完成的。燃料处理装置包括一个或多个反应器，燃料在反应器中与蒸汽和有时是空气反应产生主要含有氢和二氧化碳的重整产物气体。例如在蒸汽甲醇重整过程中，甲醇和水(作为蒸汽)理想地反应生成氢和二氧化碳。实际上，还会产生一氧化碳和水。在汽油重整过程中，蒸汽、空气和汽油在包括两个部分的燃料处理装置中反应。一部分主要是部分氧化反应器(POX)，另一部分主要是蒸汽重整器(SR)。燃料处理装置产生氢、二氧化碳、一氧化碳和水。下游反应器可以包括水/气体转换器(WGS)和选择氧化器(PROX)反应器。在PROX中，用来自空气的氧作氧化剂由一氧化碳(CO)生成二氧化碳。在这里要选择性地将CO氧化成CO2，控制空气的供给很重要。
处理烃类燃料以产生富氢重整气以供PEM燃料电池消耗的燃料电池系统是已知的，且在1997年11月提交的序列号为08/975,422和08/980,087的未决美国专利申请和1998年11月提交的序列号为09/187,125的美国专利申请中有记述，这两件专利申请均转让给本发明的所有人，通用汽车公司；并记述在1998年3月5日公开的国际申请WO98/08771中。在分别于1993年12月21日和1994年5月31日公开的转让给通用汽车公司的美国专利US5,272,017和US5,316,871中记述了一种典型的PEM燃料电池及其膜电极组件(MEA)。
将MEA夹在中间的导电元件包括在其表面上用来将燃料电池的气体反应物(即氢和空气形式的氧)分布在相应的阴极和阳极表面上的一排沟槽。在燃料电池堆中，多个电池以串联形式堆在一起，但彼此间用不透气的导电双极板隔开。以前，双极板起几个作用，包括(1)作为两个相邻电池间的导电的气体隔离元件；(2)将反应气体分布在膜的基本整个表面；(3)在堆中的一个电池的阳极和下一个相邻电池的阴极之间传导电流；(4)保持反应气体隔离以防自燃；(5)对质子交换膜提供支撑；(6)在大多数场合下，提供其中由内部热交换面界定的内冷却通道，冷却剂从中流过从而将热量从堆中带走。双极板还承载了与重整过程有关的气压载荷以及加载在板上的压力。例如，双极板包括在一侧的许多管道和在另一侧的许多管道，在各侧的管道被台肩分开。台肩和管道在两个侧面上的排列必须使双极板可以承受加载的压力，因此台肩和通道排列成不会使双极板塌陷或翘曲的形式。双极板包含用来将氢和氧输送到覆于双极板之上的质子交换膜组件的蛇形管道。在蛇形管道上放置一张石墨纸，以防止膜塌入管道阻塞气流，并向双极板提供一个从覆盖管道的膜区域的电通路。
双极板可以由金属制成，不过也可以用其它材料制造。例如双极板经常由重量轻(与传统的金属板相比)、在PEM燃料电池环境中耐腐蚀的并且导电的石墨制成。不过，石墨非常脆，使其难以进行机械加工，而且与金属相比其导电率和导热率相对较低。最后，石墨非常多孔使得实际上不可能制造出重量轻、体积小、内阻低的燃料电池所期望的非常薄的不透气板。
Neutzler的美国专利US5,776,624公开了金属双极板和这种管道类型的PEM组件。这些现有技术的双极板和PEM组件重、大、难以生产和组装且制造成本高昂。
相比之下，燃料电池系统的有效运行取决于燃料电池在给定尺寸、重量和成本下产生大量电能的能力。在所有零部件的尺寸、重量和成本对于其有效地制造和运行都非常重要的电动车应用中，使燃料电池在给定尺寸、重量和成本下电能输出最大化尤其重要。因此，特别是对于电动车应用，希望提供一种可以用给定尺寸、重量和成本的燃料电池产生更多电能的燃料电池结构。
发明概述
本发明涉及一种质子交换膜燃料电池，它包括质子传导性膜、在膜的一个面上的催化阳极层、在膜的另一个面上的催化阴极层、以及分别在阴极和阳极层上的气体分布层，气体分布层界定出一个延伸至每个催化部件的气流场，其中膜、催化层和分布层形成具有第一和第二相对边沿的夹层结构。
根据本发明，每个气体分布层都包括一个被分成许多大致平行的段的导电多孔介质，其中每个段都从夹层结构的第一个边沿延伸至第二个边沿，从而界定出许多遍布每个催化层的大致平行的多孔反应物通道。这种排列保证了在平行的各段之间只有很少或没有交互渗移发生，从而确保了气体基本均匀地分布于催化层表面。
根据发明的另一特征，多孔介质包括泡沫介质。使用泡沫介质对本发明的排列的低成本、低重量方面做了进一步贡献。在本发明公开的实施方案中，泡沫介质由开室泡沫介质构成。
根据本发明的另一特征，每个气体分布层含有一片多孔介质，且每个分布层的各段通过空间地改变对由各片多孔介质提供的气流的阻力来界定。这种排列提供了一种简单便宜的提供多孔介质的各个平行段的方法。在本发明的一个实施方案中，通过空间地改变各片多孔介质的孔隙度从而空间地改变了气流阻力；在另一个实施方案中，通过空间地改变各片多孔介质的厚度从而空间地改变了气流阻力；在又一个实施方案中，通过空间地改变备片多孔介质的厚度和孔隙度从而空间地改变了气流阻力。
根据本发明的另一个特征，泡沫介质包括导电的石墨泡沫介质或者导电的金属泡沫介质。使用这些相对便宜的导电泡沫介质在不牺牲性能的同时进一步降低了燃料电池的成本。
根据本发明的另一个特征，该特征可适用于包含许多堆在一起的燃料电池的燃料电池堆，该燃料电池堆进一步包含一个歧管结构，该结构包括分别沿每个燃料电池的多孔片的入口和出口边沿布置的歧管带，运行时将反应气体传送到每个燃料电池的每个片的每个段的入口端并从每个燃料电池的每个片的每个段的出口端接收反应气体。这种歧管系统排列使得分段的气体分布层可以有效地运行而不显著增加燃料电池装置的重量、成本和尺寸。
根据本发明的另一个特征，歧管结构包括位于沿每个燃料电池的每个片的各段的入口端的入口歧管带和位于沿每个燃料电池的每个片的各段的出口端的出口歧管带；每个入口歧管带包括靠近各个段入口端的外沿和内沿；每个入口带靠近其外沿的外侧部分界定出许多用来将各种流体(包括反应气体)传送到各个段的串联排列的垂直入口通道；每个入口带接近其内沿的内侧部分界定出一个与各个片的各段的入口端相通的水平通道；某个入口带包括在某个垂直入口通道和水平通道之间的连通装置，同时封锁了剩余垂直入口通道和水平通道之间的连通，从而通过上述那个入口通道和水平通道将第一反应气体送到相应片的各段的入口端；某个其它入口带包括位于另一个垂直入口通道和水平通道之间的连通装置，同时封锁了剩余垂直入口通道和水平通道之间的连通，从而通过这个另外的入口通道和水平通道将第二反应气体送到相应片的各段的入口端。这种特定的歧管结构使得不同的反应气体被有选择性和有效地传送到燃料电池堆的不同层，并被有选择性和有效地从燃料电池堆中除去。
根据本发明的另一个特征，燃料电池堆还包括位于至少某些燃料电池之间的冷却剂层；一个入口歧管带，位于每个冷却剂层的一个入口边沿上，一个出口歧管带位于每个冷却剂层的一个出口边沿上；位于每个冷却剂层的入口边沿上的入口歧管带包括在另一个垂直入口通道和水平通道之间的连通装置，同时但封锁了剩余入口通道和水平通道之间的连通，从而通过这个另外的入口通道和水平通道将冷却液传送到冷却层。这种特殊的歧管结构使得冷却剂可以被有选择性和有效地传送到散布在燃料电池中间的冷却剂层和从中除去。
【附图说明】
参照以下说明和附图，本发明的各个特征、优点及其他用途将会更加明了，其中：
图1是装有根据本发明所述的燃料电池的燃料电池系统的简图；
图2是图1所示的燃料电池连接在一个电动车应用的图例中的简图。
图3是根据本发明所述的燃料电池堆的透视简图；
图4是沿图3的4-4线所作的剖视图；
图5是应用于燃料电池中的MEA的剖视图；
图6是燃料电池的部件分解图；
图7是应用于燃料电池中的气体分布层的透视图；
图8是沿图7的8-8线所作的剖视图；
图9是形成图7的气体分布层的方法；
图10和11是气体分布层的替换形式；
图12是与歧管框架结合在一起的气体分布层的透视图；
图13、14和15是在燃料电池中所采用的歧管的局部透视图；
图16是具有内置冷却的气体分布层的替换形式的剖视图；
图17是显示燃料电池堆中所采用的气体分布层与MEA以及与隔板的界面的局部剖视图；
图18是沿图13的18-18线所作的剖视图。
优选实施方案的详述
参照图1所示的燃料电池系统(只起举例作用)可以进一步理解本发明。因此在进一步说明本发明之前，了解本发明的燃料电池所运行的系统很有用。
图1是燃料电池系统的一个例子。该系统可以用在车辆(未显示)中作车辆驱动的动力源。在该系统中，烃类在燃料处理装置中进行处理，例如通过重整和选择氧化处理，产生氢含量(体积或摩尔比)相对较高的重整产物气体。因此，下文参照富氢或氢含量相对较高的情况。
下面将在以富H2的重整气为燃料的燃料电池的范围内对本发明进行说明，而不考虑这种重整气是通过何种方法制得的。应当理解，在这里所表述的原则对于以从其它来源，包括可重整的烃和含氢的燃料如甲醇、乙醇、汽油、烯烃或其它脂族或芳族烃，得到的H2为燃料的燃料电池同样适用。
如图1所示，燃料电池装置包括用来使可重整的烃类燃料流6和来自水流8的蒸汽形式的水进行催化反应的燃料处理装置2。在某些燃料处理装置中，空气也一起被用于选择氧化/蒸汽重整反应中。在这种情况下，燃料处理装置2还接受气流9。燃料处理装置包括一个或多个反应器12，燃料流6中的可重整的烃类燃料在有水/蒸汽8有时还有空气(在空气流9中)存在的情况下在反应器12中被分解生成富氢的重整气。此外，每个反应器12可以包含一个或多个反应床。反应器12可以具有一个或多个段或床，且有许多类型已知并可用。因此反应器12的选择和排列可以不同；下面紧接着对典型的燃料重整反应器14和下游反应器16进行说明。
举例来说，如前面在背景技术中所述，在典型的蒸汽/甲醇重整过程中，甲醇和水(以蒸汽形式)在反应器14中理想地反应产生氢和二氧化碳。实际上，还会产生一氧化碳和水。又例如，在典型的汽油重整过程中，蒸汽、空气和汽油在包含具有两个部分的反应器14的燃料处理装置中反应。反应器14的一部分主要是部分氧化反应器(POX)，另一部分主要是蒸汽重整装置(SR)。与甲醇重整的情况一样，汽油重整产生所需的氢，但此外还产生二氧化碳、水和一氧化碳。因此，在每种重整之后，都需要降低产品流中的一氧化碳含量。
因此，如先前在背景技术中所述，燃料处理装置一般还包含一个或多个下游反应器16，如用来由一氧化碳制备二氧化碳的水/气体转化器(WGS)和选择氧化(PROX)反应器。优选，最初的含有氢、二氧化碳、一氧化碳和水的重整产物气流进一步在选择氧化(PROX)反应器16中处理将其中的CO降低到可接受水平，例如低于20ppm。然后，在运行模式下，富H2的重整气体20通过阀31输入燃料电池堆22的阳极室。同时，来自氧化剂流24的氧(例如空气)被输入燃料电池22的阴极室。来自重整气体流20的氢和来自氧化剂流24的氧在燃料电池22中反应产生电。
来自燃料电池22的阳极一侧的废气或排放物26包含一些来反应的氢。来自燃料电池22的阴极一侧的废气或排放物28包含一些未反应的氧。氧化剂流24的空气是由空气供给源，优选压缩机30，提供的。来自空气供给源(压缩机30)的空气在正常操作条件下通过阀32通往燃料电池22。不过，在启动时，阀32将空气直接提供给燃烧室34的进料。空气用在燃烧室34中与通过管路46所供给的燃料反应。燃烧的热量用来对燃料处理装置2的不同部分进行加热。
应当注意到在燃料处理装置2中发生的一些反应是吸热反应因此需要加热；其它反应是放热反应需要排热。一般PROX反应器16需要排热。在反应器14中的一个或多个重整反应一般是吸热的，需要加热。这通常是通过对反应物，燃料6、蒸汽8和空气9预热，和/或加热所选择的反应器来实现的。
在启动时，来自燃烧室34的热对燃料处理装置2中所选择的反应器和反应床进行加热。根据需要，燃烧室34通过间接热传递完成对燃料处理装置中所选择的反应器和反应床的加热。通常这种间接加热的反应器包括一个带入口和出口的反应室。在该反应室内，反应床以载体元件基板的形式存在，每个都具有一个载有用来完成所需的化学反应的催化活性物质的第一表面。跟第一表面相对的第二表面用来将来自热气体的热传递给载体元件基板。此外，燃烧室34可用来对供给燃料处理装置2作反应物的燃料6、水8和空气9进行预热。
应注意到，提供给燃料处理装置2的空气9可以用在一个或多个反应器12中。如果反应器14是汽油重整反应器，则来自管路9的空气被提供给反应器14。PROX反应器16也使用空气将CO氧化成CO2，同样通过管路9从空气供给源(压缩机30)得到空气。
燃烧室34界定了一个带有入口端42、废气端44和位于两端之间的催化剂区域48的室41。烃类燃料被注入燃烧室。烃类燃料，如果是液态的，优选在注入燃烧室或在燃烧室的一个区域前汽化从而将燃料分散以便燃烧。汽化可以由电加热器完成。一旦系统开始运行和燃烧室变热，汽化就可以通过热交换用燃烧室废气中的热汽化进入的燃料来进行。优选提供一个燃料流量表43以控制烃类燃料向燃烧室的供给速率。
烃类燃料46和阳极排放物26在燃烧室34的催化剂区域48反应，催化剂区域48位于燃烧室34的入口端42与排气端44之间。根据系统操作条件不同，氧或者通过阀32从空气供给源(即压缩机30)或者从第二空气流，如阴极排放物流28提供给燃烧室34。在不需要加热燃料处理装置2中的反应器时，阀50允许将燃烧室废气36排入大气。
可以看出，烃类燃料流46补充阳极排放物26作为燃烧室34的燃料，以在需要时，满足燃料电池装置的瞬态和稳态需要。在某些情况下，废气在排入大气之前要通过调节器38、截止阀39和消声器48。图1中各符号的含义如下：V是阀，MFM是质量流量计，T是温度监测器，R是调节器，C是燃料电池的阴极侧，A是燃料电池的阳极侧，INJ是注射器，COMP是压缩机。
燃料处理装置2内所选择的反应器所需的热量由燃烧室34所供给，该热量取决于燃料和水的进料量以及最终所需的燃料处理机2内的反应温度。如前所述，有时空气也用在燃料处理反应器中，所以必须与燃料和水的进料一起考虑。为供给燃料处理装置2需求的热量，燃烧室34需要利用所有的阳极废气或排放物且可能还需要一些烃类燃料。由热焓方程式来确定为满足燃烧室34所要求的温度条件所要提供给燃烧室34的阴极废气的量，而燃烧室34最终满足燃料处理装置2所需的热量。根据装置是在其中只使用压缩机气流的启动模式下操作还是在使用阴极排放物28和/或压缩机空气的运行模式下操作，提供给燃烧室34的氧或空气包含阴极排放物废气28和压缩机输出气流中的一种或全部两种，其中阴极排放物废气28通常是提供给燃料电池22的阴极的总氧量的百分数。在运行模式下，任何不是由阴极排放物28所满足的燃烧室34所需的所有空气、氧或稀释剂需求，都由压缩机30提供直到满足燃烧室34和燃料处理装置2分别所要求的温度和热量。空气的控制是通过空气稀释阀47来实现的，空气稀释阀47优选是具有用来控制提供给燃烧室34的阴极废气28的泄放量的可变孔口的步进电机驱动阀。
在此燃料电池装置的示范模型中，其运行如下：开始当燃料电池装置是冷的和启动时：(1)压缩机30在由外部电源(例如，电池)供电的电动机的驱动下提供必要的系统空气；(2)将空气引入燃烧室34；将烃类燃料46(例如甲醇或汽油)注入燃烧室34；(3)空气和燃料在燃烧室34中反应，其中燃料基本上实现完全燃烧；(4)从燃烧室34出来的热废气被输送到燃料处理装置2申所选择的反应器12。
一旦燃料处理装置2中的反应器已经达到足够的温度，重整过程开始，该过程包括如下步骤：(1)起动阀32将空气导入燃料电池22的阴极侧；(2)将燃料和水提供给燃料处理装置2以使重整反应开始；(3)将从燃料处理装置2出来的重整产物输送到燃料电池22的阳极侧；(4)将来自燃料电池22的阳极排放物26导入燃烧室34；(5)将来自燃料电池22的阴极排放物28导入燃烧室34；(6)燃料、空气、阴极排放物28和阳极排放物26在燃烧室34中燃烧。在一种优选的顺序中，步骤(2)是与直接向燃烧室供应空气一起最先实施的。然后，当富氢流具有充分低的CO水平时，实施步骤(1)和(3)，继之以步骤(4)、(5)和(6)。
在一定条件下，燃烧室34可以完全依靠阳极和阴极排放物运行，而不需要额外的烃类燃料46。在此条件下，向燃烧室34的燃料注入被中止。在其它条件下，例如能量需求增加时，提供额外的燃料46以补充输入燃烧室34的Aout(26)。可见燃烧室34接受多种燃料，如烃类燃料以及来自燃料电池22的阳极的阳极排放物26。来自燃料电池22的阴极的贫氧废气28和来自压缩机30的空气也提供给燃烧室34。
根据本燃料电池系统的例子，图1所示的控制器52控制着图1所示系统的运行的各个方面。控制器52可以包括任何适合的，具有能够执行控制程序和存储在存储器中的数据的中央处理单元的微处理器、微控制器、个人电脑等。控制器52可以是图1所示的任一部件的专用控制器，或者是在存储于车辆电子控制主模块中的软件中实施。此外，尽管基于控制程序的软件对于在上述各种工作状态下控制系统部件很有用，还应当理解，所述控制也可以部分或全部通过专用电子线路来实现。
在一个优选实施方案中，燃料电池系统包括作为车辆推进系统60(参见图2)的一部分的燃料电池22。在这里，系统60的一部分包括电池62、电动机64及相关驱动电子设备，其包括建造和安排来从燃料电池系统特别是燃料电池22的DC/DC转换器61接受电能，并将其转化为由发动机64产生的机械能的倒相器65。电池62的建造和排列是用来接受和储存由燃料电池22供给的电能，接受和储存再生制动时发动机64供给的电能，并提供给发动机64电能。发动机64偶联在驱动轴66上以转动车辆(未显示)的车轮。电化学发动机操纵模块(EECM)70和电池组模块(BPM)71监视各个工作参数，包括但不限于，电池堆的电压和电流。例如，这是由电池组模块(BPM)71或由BPM71和EECM70共同完成的，根据BPM71所监视的情况向车辆控制器74传送一个输出信号(消息)。车辆控制器74控制电动机64、包含倒相器65的驱动电子设备、DC/DC转换器61，并从EECM70请求一个功率水平。
本发明涉及燃料电池22，特别是在不牺牲性能的条件下将燃料电池造得更轻、更小和更便宜所凭借的燃料电池结构。本发明的燃料电池的透视示意图如图3，截面示意图如图4。总的来看，重整产物20和空气24以前面所述的方式输给燃料电池堆，贫氧空气28和氢排放物26从堆中排出。
总的来看，电池堆包括多个MEA76、多个气体分布层78、多个阳极歧管80、多个阴极歧管82、多个冷却歧管84、多个垫片或隔板86、多个冷却层88、上下集电板90、上下绝缘板91和上下端板92，全部以图4所示的层叠关系排列。
具体地讲，端板92构成电池堆的基础或底板；绝缘板91位于端板92上；集电极板90位于绝缘板91上；垫片86位于集电极板88上；阴极歧管82围绕气体分布层78，位于垫片86上；MEA76位于阴极歧管/气体分布层上；阳极歧管80围绕气体分布层78，位于MEA上；垫片86位于阳极歧管上；冷却歧管84围绕冷却层88，位于垫片86上；另一个垫片86位于冷却歧管上，重复该序列以提供任意多的电池，电池堆的顶部是顶端集电极板90、位于集电极90上的绝缘板91和位于绝缘板91上的顶端端板92。所有部件都是通常的矩形形状，电池堆中电池的数目由所需的燃料电池输出电压决定。
每个MEA76(图5)包含一个薄的质子传导性、非电子导电性固体聚合物电解质形式的膜94、一个位置靠着膜底面的密封垫或衬垫构件96、另一个位置靠着膜顶面的密封垫或衬垫96、一个位于在上衬垫96之内的膜的顶面上的阳极催化剂层98和一个位于在下衬垫96之内的膜的底面上的阴极催化剂层。沿MEA的每条纵向边沿提供了许多组重复的通道h、i和j(图6)。
每个气体分布层78由一片导电的多孔介质特别是导电的泡沫介质构成。优选的泡沫是开室的，且包括导电的泡沫石墨介质或导电的金属泡沫介质。导电的泡沫石墨介质包括，例如石墨化的热解石墨，金属导电泡沫介质包括优质不锈钢或低接触电阻的金属合金如601铬镍铁合金或310不锈钢。
每个气体分布层或片78被分成许多大致平行的段78a，各自从层的第一个边沿78b伸向层的第二个边沿78c，从而界定出许多遍布各个催化层的、大致平行的多孔反应物通路。各个分布层的段通过空间地改变对由相应的片提供的气流的阻力来界定。空间地改变对流体的阻力可以通过空间地改变相应片的孔隙度、空间地改变相应片的厚度或既空间地改变片的厚度也空间地改变其孔隙度来实现。
在图7、8和9所示的气体分布层的优选结构中，通过空间地改变片的孔隙度从而空间地改变了孔隙度，具体地说，各片是以复合材料的形式制成的，包括交替放置的由高孔隙度泡沫材料制成的相对较宽的带78d和由相对低孔隙度泡沫材料制成的窄带78e。气体分布层78可以通过先形成一个高孔隙度和低孔隙度泡沫层交替的块，然后切除阻塞部分(如图9中短划线所示)从而形成气体分布层的各片的方法制成(如图9所示)。
或者，如图10所示，空间地改变对由片提供的气流的阻力可以通过空间地改变相应多片的厚度，特别是提供交替的厚部分178a和薄部分178b来实现。又或者，如图11所示，片内的空间变化可以通过沿片压出彼此隔开的带，以形成厚的高孔隙度的未压缩部分278a和薄的压缩的低孔隙度部分278b交替排列的结构来提供。在图10或图11的替换结构中，环氧带或珠93可以位于层的厚薄部分之间的沟槽中。
又或者，分段的气体分布层不是由单个分段的泡沫塑料片构成的，而可能是由许多单个泡沫带或段串联地并列且在分隔的带之间有适当的轮廓(delineations)构成的。
每个阳极歧管80(图6和13)优选由模制塑料材料制成且具有敞式框架矩形外形。每个歧管80包含入口歧管带部分80a、出口歧管带部分80b以及端带部分80c和80d。
每个入口歧管带部分80a包括外沿80e和内沿80f，在每个入口带部分接近其外沿处的外侧部分80g界定出许多串联排列的垂直入口通道80h、80i和80j，用来向气体分布层的各个段输送各种流体，包括反应气体。在每个入口带接近其内沿处的内侧部分80k，界定了用于与气体分布层的各段的入口端连通的水平通道80l。通道80l接着又被间隔排列的台肩80n分成许多水平的子通道80m，每个子通道的排列都与气体分布层的相应段的入口端对准并与之连通。垂直入口通道80j和通道80l之间的连通被壁80p阻断，垂直入口通道80i和通道80l之间的连通被入口壁80q阻断，但入口通道80h与水平通道80l导通，因此向上通过通道80h的流体可以自由地沿水平通道80l移动并穿过各个子通道80m，以与气体分布层的相应段相互作用。垂直入口通道80h、80i和80j与水平通道80l共同作用的子集沿入口歧管带部分的长度方向重复，重复的次数取决于入口歧管部分的总长。
出口分配通道部分80b在布局上与入口部分80a相似，具体讲包括入口通道80h’、80i’和80j’的子集、水平通道80l’和水平子通道80m’。
每个阴极歧管82与阳极歧管80相同，只不过(如图14所示)连通是建立在垂直通道80j/80j’和水平通道80l/80l’之间，而垂直通道80h/80h’和水平通道80l/80l’之间以及垂直通道80i/80i’和水平通道80l/80l’之间的连通被阻断。
各个冷却歧管84与阴极和阳极歧管80和82总体上相同，只不过(如图15所示)连通是建立在垂直入口通道84i/84i’和水平通道84l/84l’之间，而垂直入口通道84j/84j’和通道84l/84l’之间以及垂直入口通道84h/84h’和通道84l/84l’之间的连通被阻断。
冷却歧管直接结合在歧管的顶部和底部的隔板上。阳极和阴极歧管结合在歧管靠通道一侧的隔板上。相对一侧有一个结合在其上的密封垫，压在MEA或相对的歧管上。
如图18最清楚看到的，在每个歧管中，垂直通道h、i和j(以及h’、i’和j’)完全穿过相应的歧管部分，而通道i/i’和子通道m/m’是通过除去相应歧管部分的厚度方向的上半部分而形成的。
各个垫片或隔板86的形状为矩形，且优选由金属材料如不锈钢或钛制成。每个垫片86包括许多沿相应的对面纵向边沿的、在尺寸和间隔上与阴极、阳极和冷却歧管以及MEA中的垂直通道的子集相对应的垂直通道86h、i和j(以及86h’、i’和j’)的子集。
应当明确，在每个歧管、MEA和垫片中的垂直通道h、i和j(以及h’、i’和j’)的子集在尺寸、形状和间隔上相对应，并垂直对齐，界定出许多垂直延伸穿过燃料电池堆的相对边沿的通路H、I、J(以及H’、I’和J’)的子集，还应清楚，通道h、i和j(以及h’、i’和j’)的尺寸根据要穿过这些通道的各种流体的量的需求而改变。具体地说，要用来处理阴极空气的通道j/j’相对较宽，要用来处理冷却液的通道l/l’相对较窄，而要用来处理阳极氢的通道h/h’宽度居中。
各个冷却层88与气体分布层78相同且，具体地说，包括许多大致平行的段88a，各段从层的第一个边沿88b伸向层的第二个边沿88c，从而界定出许多遍布燃料电池堆的大致平行的多孔冷却剂通路。
集电板90的形状和结构已知，用来收集累积的由燃料电池堆中的电池产生的电能，以将其分配给适当的载荷如图2中的车辆发动机64。
如果端板由导电材料制成，则用绝缘板91来将端板与集电板电绝缘。如果端板是不导电的，则可以省去绝缘板。
端板92用来为燃料电池堆提供上板和下板，从而可以向电池堆上适当施加压力荷载(例如由捆带或夹具)，以在电池堆的所有层之间保持适当的分界面，保证电池堆内部流体的恰当分布，和保证电池堆内部适当的电导率。
在电池堆的各部件的装配关系中，如图4和图6所示，在每个阳极歧管80内有一个气体分布层78；在每个阴极歧管82内有一个气体分布层78；在每个冷却歧管84内有一个冷却层88；垫片86位于冷却层的侧面以防止反应气体和冷却液混合，并保持穿过电池堆的电导率；每个层中的垂直通道子集h、i和j(以及h’、i’和j’)对齐从而界定出在电池堆两侧的向上(H、I和J)和向下(H’、I’和J’)延伸贯穿电池堆的垂直通路子集；每个气体分布层的各个段78a的位置满足其入口端78f与相应的歧管的一个子通道80m/82m对齐、其出口端78g与相应歧管的一个子通道80m’/82m’对齐；每个冷却层88的各个段88a分别在其入口端与相应的冷却剂歧管对齐且在其出口端与相应的冷却剂歧管的一个子通道80m’对齐，每个气体分布层中远离相邻MEA的面可以结合到相邻垫片86与之相向的一面。该结合可以通过烧结、钎焊或使用导电性粘合剂来实现。
在运行中，氢向上穿过垂直通路H，空气向上穿过垂直通路J，冷却液如乙二醇/水混合液、氟里昂或甲醇向上穿过垂直通路I。
向上穿过垂直通路H的氢在每个阳极歧管层转向，穿过水平通道80l和子通道80m，尔后穿过相应段78a到达出口歧管带，在这里氢支流穿过子通道80m’、水平通道80l’并向下穿过通路H′，以通过管路26输送到燃烧室42。在氢从段78a的入口端移向出口端时，氢基本上被低孔隙度的带78e限制在相应的段78a中，因此在平行段之间只有很少或没有交互渗移发生，从而确保了氢在下层的阳极98的表面上基本均匀分布，而不考虑泡沫介质的泡沫材料的孔隙度存在不可避免的和显著的差异，从而使由氢和阳极之间的相互作用产生的电能最大化。气流在相应催化剂层上的分布基本均匀，因为流动阻力是沿各个段的限制的总和，因而孔隙度的变化在某个段的长度上是平均的而不允许局部扰动影响整个流场。
同时，阴极空气向上穿过通路J，由于通道82j和水平通道82l之间连通，向上移动的阴极空气在每个阴极歧管层转向，从而该空气穿过水平通道82l和子通道82m以穿过各个泡沫段78a，随后通过排放通路J′排放，然后通过导管28收集贫氧空气以按前述的方式进行适当分配。高孔隙度带78d之间的低孔隙度带78e又被用来阻止相邻带之间的空气发生交互渗移，保证均匀供给的空气和氧分配到其上覆盖的阴极100的所有区域，从而使由空气与电极100的反应产生的电能最大化，而不考虑气体分布层的泡沫材料存在固有的和显著的孔隙度变化。
对于氢和氧的分配来说，与段78d相比带78e较窄的宽度实际上保证了相应的MEA电极的所有区域都暴露于相应的反应气体下，因此使电能的产生最大化。由于窄分隔带78e是多孔的，反应气体会扩散进去，因此即使是带下的小电极区域也会产生电能，从而进一步使电池中电能的产生最大化。
同时，冷却液向上移动穿过通路I，由于通道84i和水平通道84l连通，冷却剂在每个冷却剂歧管层转向从而流过子通道84m和冷却剂层的各个段88a，以在冷却剂歧管的出口带处集中，并向下通过通路I′流出，以适当排放或再循环。高孔隙度带88d之间的低孔隙度带88e再次保证了冷却液在其上层和下层垫片的相邻面上的均匀分布，从而确保了相邻电池在整个区域的均匀冷却。
在图16所示的备选气体分布层结构中，泡沫层378被有选择性以一定的空间间隔压缩，以提供分隔开高孔隙度区域378b的高密度低孔隙度的区域378a。由导电材料制成的板380位于泡沫378上，板上各个间隔的回旋380a分别覆盖压缩的低孔隙度区域378a，垫片或隔板382位于板380上，界定出覆盖泡沫层的压缩区域的横向延伸的冷却剂通道384。这种排列的优点在于，冷却剂通道与气体分布层在同一水平上，从而消除了为向电池堆提供冷却而形成隔离层和歧管系统的需要。
本发明应被看作要提供一种比相应现有技术的燃料电池更轻、更小和更便宜、且同时不牺牲任何由燃料电池输出的电能的燃料电池。具体地说，通过用泡沫气体分布层替换具有蜿蜒的台肩和通道的现有技术金属双极板，既减轻了燃料电池的重量又减小了燃料电池的体积。泡沫气体分布层能将气体分布于膜的基本全部区域，而不象现有技术双极板的蜿蜒通道仅仅是将其分布于暴露于凹槽的区域，这种能力使得可以去掉在双极板和膜之间的现有技术的石墨纸或布，因为这种布的气体分布功能现在由泡沫层来满足，还因为这种布的防止膜塌到通道中阻断气流的功能现在由泡沫来满足(因为泡沫和膜之间的各个接触点78之间的跨度远小于分隔现有技术蜿蜒通道的各个凹槽部分的台肩区域的跨度(如图17所示))。除去这种布进一步减少了燃料电池的体积和重量，也进一步降低了燃料电池的成本。泡沫沿泡沫层的一个面结合到相邻垫片这上加上在泡沫层的另一面和MEA之间的多点和全面电接触具有降低穿过电池的接触电阻的效果，从而使为保持穿过电池的电导率所需的压缩载荷最小化，端板的尺寸和强度也最小化，从而节约了成本、降低了重量和体积。所需压缩载荷量的减少还使得端板可以采用更轻和更便宜的材料，例如合适的塑料。实际上，利用本发明的技术，已经建造和测试了一个与现有技术燃料电池相比小、轻和便宜得多却并没有降低燃料电池每一单位面积的电能输出水平的燃料电池堆。
尽管本发明已经描述了目前所认为的最实际的和最优选的实施方案，但应当理解本发明并不限于所公开的实施方案，相反本发明将覆盖附加的权利要求的精神和范围内所包括的各种变型和等价排列，如法律所允许的，附加权利要求的范围应与最宽的解释一致，以包含所有这些变体和等效结构。