改进型燃料电池设计中的用于进行密封件支承的扩散介质

摘要

一种燃料电池堆，所述燃料电池堆包括通过所述燃料电池堆中的双极板之间的密封区域的直的阴极流道和直的阳极流道。所述燃料电池堆包括围绕所述燃料电池堆的活性区域且在所述燃料电池堆的集管与所述活性区域之间进行延伸的密封件。在所述阴极流道延伸通过密封区域到达阴极输入集管和阴极出口集管，以及所述阳极流道延伸通过密封区域到达阳极输入集管和阳极输出集管的位置处，位于膜的一侧上的扩散介质层进行延伸以提供所述密封件载荷。另一种可选方式是，可利用垫片承受所述密封件载荷。

说明书

技术领域

本发明主要涉及一种燃料电池堆，且特别是，本发明涉及一种包括通过燃料电池堆中的燃料电池的密封区域的直的阴极流道和阳极流道以便减轻流道中的积水情况的燃料电池堆。

背景技术

氢由于其清洁以及可用于在燃料电池中高效发电的性能而是一种非常有吸引力的燃料。氢燃料电池是包括阳极和阴极以及位于其间的电解质的电化学装置。阳极接收氢气且阴极接收氧或空气。氢气在阳极产生离解以产生自由氢质子和电子。氢质子通过电解质到达阴极。氢质子在阴极与氧和电子进行反应以产生水。来自阳极的电子不能通过电解质，且因此在被传送至阴极之前被引导通过负载而作功。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种普遍采用的用于车辆的燃料电池。质子交换膜燃料电池通常包括固体聚合物电解质质子传导膜，如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括担载在碳颗粒上且与离聚物混合在一起的极细分散的催化颗粒，所述催化颗粒通常为铂(Pt)。催化混合物被沉积在膜的相对侧上。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合限定出膜电极组件(MEA)。膜电极组件的制造成本相对较为昂贵且需要特定条件以实现有效操作。

多个燃料电池通常被组合在燃料电池堆中以产生所需功率。例如，用于车辆的典型燃料电池堆可具有两百或更多叠置在一起的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入气体，所述阴极输入气体通常为在压缩机的作用下受力通过燃料电池堆的空气流。燃料电池堆并未消耗所有的氧且一些空气作为阴极排气被输出，所述阴极排气可包括作为燃料电池堆副产物的水。燃料电池堆还接收阳极氢输入气体，所述阳极氢输入气体流入燃料电池堆的阳极侧。

燃料电池堆包括位于燃料电池堆中的多个膜电极组件之间的一系列双极板，其中双极板和膜电极组件位于两块端板之间。双极板包括用于燃料电池堆中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流道被设置在双极板的阳极侧上，所述阳极气体流道允许阳极反应剂气体流至相应的膜电极组件。阴极气体流道被设置在双极板的阴极侧上，所述阴极气体流道允许阴极反应剂气体流至相应的膜电极组件。一块端板包括阳极气体流道，且另一块端板包括阴极气体流道。双极板和端板由传导材料如不锈钢或传导复合物制成。端板将由燃料电池产生的电力传导出燃料电池堆。双极板还包括供冷却流体流动通过的流道。

本领域中存在多种已公知的用于制造双极板的技术。在一种设计中，双极板由复合材料如石墨制成，其中两个板半件被独立成型且随后胶粘在一起以使得阳极流道被设置在一个板半件的一侧处、阴极流道被设置在另一个板半件的相对侧处、并且冷却流体流道被设置在板半件之间。在另一种设计中，两个独立的板半件受到冲压且随后被焊接在一起以使得阳极流道被设置在一个板半件的一侧处、阴极流道被设置在另一个板半件的相对侧处、并且冷却流体流道被设置在板半件之间。

正如本领域中易于理解地，燃料电池内的膜需要具有特定相对湿度以使得穿过膜的离子阻力足够低从而有效地传导质子。在燃料电池的操作过程中，来自膜电极组件和外部湿化装置的湿气可能进入阳极和阴极流道。在低电池功率需求下，通常低于0.2A/cm²，水可积聚在流道内，原因在于反应剂气体的流速过低从而无法使水受力离开通道。随着水的积聚，其形成了由于板材具有的相对疏水的本质而产生持续膨胀的液滴。液滴以大体上垂直于反应剂气体流的方式在流道中形成。当液滴尺寸增加时，流道受到阻塞，且由于通道在共用的入口和出口歧管之间是平行的，因此使得反应剂气体转向其它流道。由于反应剂气体可能不流动通过受到水堵塞的通道，因此反应剂气体不能使水受力离开通道。由于通道受到堵塞而不接收反应剂气体的膜的那些区域将不产生电力，因此导致产生不均匀的电流分布且降低了燃料电池的总效率。随着越来越多的流道受到水的堵塞，燃料电池产生的电力下降，在电池电压低于200mV的情况下则认为电池失效。由于燃料电池被电串联在一起，因此如果一个燃料电池停止工作，则整个燃料电池堆可能停止工作。

燃料电池堆通常包括围绕燃料电池堆的活性区域且在燃料电池堆集管与每个燃料电池的活性区域之间进行延伸的密封件以防止气体从燃料电池堆泄漏出来。因此，为了使阴极流、阳极流和冷却流体流从相应的入口集管进入燃料电池的活性区域，流道有必要在不影响密封完整性(seal integrity)的情况下通过密封区域。通常围绕密封件设置通过双极板的孔，这需要流道产生弯曲以使得它们与活性区域中的流道对齐。阴极和阳极流道中产生的这种弯曲使得产生了水可能积聚且被捕获的区域从而导致倾向于阻塞流道并减少到达所述流道的反应剂气体流。因此，需要更好的横穿燃料电池堆的密封区域的技术。

发明内容

根据本发明的教导，披露了一种燃料电池堆，所述燃料电池堆包括通过所述燃料电池堆中的双极板之间的密封区域的直的阴极流道和阳极流道。所述燃料电池堆包括围绕所述燃料电池堆中的所述燃料电池的活性区域且在所述燃料电池堆的集管与所述活性区域之间进行延伸的密封件。在所述阴极流道延伸通过所述密封区域到达阴极入口集管和阴极出口集管，以及所述阳极流道延伸通过所述密封区域到达阳极入口集管和阳极出口集管的位置处，位于膜的一侧上的扩散介质层进行延伸以提供所述密封件载荷。

通过以下描述和所附权利要求书并结合附图将易于理解本发明的附加特征。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的包括复合双极板的燃料电池堆的剖视图；

图2是通过图1所示的燃料电池堆的线2-2的剖视图；

图3是通过图1所示的燃料电池堆的线3-3的剖视图；

图4是通过图1所示的燃料电池堆的线4-4的剖视图；

图5是通过图1所示的燃料电池堆的线5-5的剖视图；

图6是通过图1所示的燃料电池堆的线6-6的剖视图；

图7是通过图1所示的燃料电池堆的线7-7的剖视图；

图8是根据本发明的另一个实施例的包括复合双极板和集管密封圈的燃料电池堆的剖视图；

图9是通过图8所示的燃料电池堆的线9-9的剖视图；

图10是通过图1所示的燃料电池堆的线2-2的剖视图，其中燃料电池堆包括复合双极板和垫片(shim)；

图11是通过图1所示的燃料电池堆的线3-3的剖视图，所述燃料电池堆包括复合双极板和垫片；

图12是通过图1所示的燃料电池堆的线4-4的剖视图，所述燃料电池堆包括复合双极板和垫片；

图13是通过图1所示的燃料电池堆的线5-5的剖视图，所述燃料电池堆包括复合双极板和垫片；

图14是通过图1所示的燃料电池堆的线6-6的剖视图，所述燃料电池堆包括复合双极板和垫片；

图15是通过图1所示的燃料电池堆的线7-7的剖视图，所述燃料电池堆包括复合双极板和垫片；

图16是根据本发明的另一个实施例的包括冲压双极板的燃料电池堆的剖视图；

图17是通过图16所示的燃料电池堆的线17-17的剖视图；

图18是通过图16所示的燃料电池堆的线18-18的剖视图；

图19是通过图16所示的燃料电池堆的线19-19的剖视图；

图20是通过图16所示的燃料电池堆的线20-20的剖视图；

图21是通过图16所示的燃料电池堆的线21-21的剖视图；

图22是通过图16所示的燃料电池堆的线22-22的剖视图；

图23是根据本发明的另一个实施例的包括冲压双极板和集管密封圈的燃料电池堆的剖视图；

图24是通过图23所示的燃料电池堆的线24-24的剖视图；

图25是通过图16所示的燃料电池堆的线17-17的剖视图，其中燃料电池堆包括冲压双极板和垫片；

图26是通过图16所示的燃料电池堆的线18-18的剖视图，其中燃料电池堆包括冲压双极板和垫片；

图27是通过图16所示的燃料电池堆的线19-19的剖视图，其中燃料电池堆包括冲压双极板和垫片；

图28是通过图16所示的燃料电池堆的线20-20的剖视图，其中燃料电池堆包括冲压双极板和垫片；

图29是通过图16所示的燃料电池堆的线21-21的剖视图，其中燃料电池堆包括冲压双极板和垫片；

图30是通过图16所示的燃料电池堆的线22-22的剖视图，其中燃料电池堆包括冲压双极板和垫片；

图31是根据本发明的另一个实施例的包括冲压双极板的燃料电池堆的剖视图，其中双极板为燃料电池堆提供了密封件；

图32是通过图31所示的燃料电池堆的线32-32的剖视图；

图33是通过图31所示的燃料电池堆的线33-33的剖视图；

图34是通过图31所示的燃料电池堆的线34-34的剖视图；

图35是通过图31所示的燃料电池堆的线35-35的剖视图；

图36是通过图31所示的燃料电池堆的线36-36的剖视图；

图37是通过图31所示的燃料电池堆的线37-37的剖视图；

图38是根据本发明的另一个实施例的包括冲压双极板和集管密封圈的燃料电池堆的剖视图，其中双极板为燃料电池堆提供了密封件；

图39是通过图38所示的燃料电池堆的线39-39的剖视图；

图40是通过图31所示的燃料电池堆的线32-32的剖视图，其中燃料电池堆包括冲压双极板和垫片，且其中双极板为燃料电池堆提供了密封件；

图41是通过图31所示的燃料电池堆的线33-33的剖视图，其中燃料电池堆包括冲压双极板和垫片，且其中双极板为燃料电池堆提供了密封件；

图42是通过图31所示的燃料电池堆的线34-34的剖视图，其中燃料电池堆包括冲压双极板和垫片，且其中双极板为燃料电池堆提供了密封件；

图43是通过图31所示的燃料电池堆的线35-35的剖视图，其中燃料电池堆包括冲压双极板和垫片，且其中双极板为燃料电池堆提供了密封件；

图44是通过图31所示的燃料电池堆的线36-36的剖视图，其中燃料电池堆包括冲压双极板和垫片，且其中双极板为燃料电池堆提供了密封件；和

图45是通过图31所示的燃料电池堆的线37-37的剖视图，其中燃料电池堆包括冲压双极板和垫片，且其中双极板为燃料电池堆提供了密封件。

具体实施方式

下面针对一种包括通过密封区域的直的反应剂气体流道的燃料电池堆对本发明的多个实施例进行的讨论在本质上仅是示例性的，且绝不旨在限制本发明或其应用或使用。

图1是通过燃料电池堆10的燃料电池50的剖视图，其中燃料电池堆10包括活性区域12和复合双极板。燃料电池堆10包括接收阴极反应剂气体流的阴极入口集管14和接收阴极出口气体流的阴极出口集管16，其中阴极气体流动通过活性区域12中的流道。燃料电池堆10还包括接收阳极反应剂气体流的阳极入口集管18和接收阳极排气流的阳极出口集管20，其中阳极流道延伸通过活性区域12。燃料电池堆10还包括接收冷却流体的冷却流体入口集管22和从燃料电池堆10中输出冷却流体的冷却流体出口集管24，其中冷却流体流动通过冷却流体通道，所述冷却流体通道是通过活性区域12的，正如本领域中易于理解地。

为了包含并分开反应剂气体流和冷却流体流，多个密封件被设置在燃料电池堆10中的双极板之间。特别是，密封件30被设置在围绕燃料电池50的周部的位置处，密封件32被设置在阴极入口集管14与活性区域12之间，密封件34被设置在阴极出口集管16与活性区域12之间，密封件36被设置在阳极入口集管18与活性区域12之间，密封件38被设置在阳极出口集管20与活性区域12之间，密封圈40被设置在围绕冷却流体入口集管22的位置处，且密封圈42被设置在围绕冷却流体出口集管24的位置处。密封件可由任何适当的弹性体或弹性材料制成。

图2是通过燃料电池50的线2-2的剖视图。燃料电池50包括阳极侧复合双极板52和阴极侧复合双极板54。如图所示的双极板是双极板半件，原因在于图中并未示出用于相邻燃料电池的双极板半件。燃料电池50还包括阳极侧扩散介质层56、阴极侧扩散介质层58以及位于其间的膜60。阳极侧双极板52包括阳极流道62且阴极侧双极板54包括冷却流体流道64的一部分，其中冷却流体流道的另一半由另一个板半件提供。

密封件32被设置在阳极侧双极板52中的通道66中。在包括复合双极板的已公知的燃料电池堆中，密封件将更厚且膜60将沿循围绕密封件的弯曲路径进行延伸。根据本发明，膜60平直地延伸通过密封区域且阴极侧扩散介质层58已经延伸至阴极侧双极板54的外边缘。经过延伸的扩散介质层58在密封区域的阴极侧处提供了密封完整性。作为该构型的结果，从阴极入口集管14延伸至活性区域12的阴极流道68是直的。阴极出口集管16与活性区域12之间的密封区域看起来情况相同。

图3是通过燃料电池堆10的线3-3的剖视图，图中示出了阳极入口集管18与燃料电池50的活性区域12之间的密封区域。根据本发明，密封件36更窄且阳极侧扩散介质层56已经延伸至阳极侧双极板52的外边缘。经过延伸的扩散介质层56在密封区域的阳极侧处提供了密封完整性。进一步地，从集管18延伸至活性区域12的阳极流道62是直的。阳极出口集管20与活性区域12之间的密封区域看起来情况相同。

图4是通过燃料电池堆10的线4-4的剖视图，图中示出了冷却流体入口集管22与活性区域12之间的密封区域。在该位置处，密封件30包括阴极密封半件72和阳极密封半件74且密封件40包括阴极密封半件76和阳极密封半件78。设置了从冷却流体入口集管22通过密封区域到达活性区域12的具有平直流特征的冷却流体通道64。在该位置处的燃料电池50的剖视图将与本领域中已公知的一些燃料电池近似相同。冷却流体出口集管24与活性区域12之间的密封区域看起来情况相同。

图5是通过线5-5的剖视图，图中示出了阴极出口集管16与活性区域12之间的接合密封区域，在接合区域中，在扩散介质层58与密封件30之间可能形成间隙70，其中扩散介质层58支承在膜60的相对侧上的密封件。由于流以任何方式通过该区域，因此间隙70本身不存在密封问题。可有必要为膜60的相对侧上的密封件提供连续表面以使所述密封件密封靠在所述连续表面上。因此，可在间隙70中设置填充材料以提供密封件支承。填充材料可以是在已经放置密封件30和扩散介质层58之后在适当位置处进行固化的弹性体。如果具有子垫圈支承件的膜具有足够刚硬性，则其可跨过间隙70而不会损失密封功能，且可不需要填充材料。处理间隙70的另一可选解决方案是将集管密封件作为完整的环而嵌套在独立且连续的周环内。正如上面讨论地，在该位置处，扩散介质层58已经进行延伸。

图6是通过位于活性区域12的边缘处的燃料电池堆10的线6-6的剖视图。在该位置处，密封件30包括两个密封半件72和74。在该位置处的燃料电池50的剖视图将与本领域中已公知的一些燃料电池大致相同。

图7是通过位于阴极出口集管16的外边缘处的燃料电池堆10的线7-7的剖视图。在该位置处，密封件30包括两个密封半件72和74。在该位置处的燃料电池50的剖视图将与本领域中已公知的一些燃料电池大致相同。

正如上面讨论地，扩散介质层跨过其反应剂气体入口和出口区域的通道承受密封件载荷。如果有必要，可对密封件支承区域中的扩散介质层进行填充以提供附加刚硬性。这允许在没有隧道或孔口的情况下提供进入活性区域12内的直接通道，且不需要在板内制造孔或提供附加的桥接插入件。消除板中的孔口和隧道将改进水管理过程，原因在于已经发现水会积聚在这些位置处。进一步地，消除板中的孔简化了板的制造过程。在没有隧道的情况下，仅板的一侧需要在上面施涂亲水性涂层。

在阳极密封件和阴极密封件交叠的那些位置处，两种反应剂气体都受到了密封。阴极反应剂气体可流动通过不存在阴极密封件的位置处的阳极密封件，因此提供了从阴极入口集管14至阴极出口集管16的流径。相似地，阳极反应剂气体可流动通过不存在阳极密封件的位置处的阴极密封件，因此提供了从阳极入口集管18至阳极出口集管20的流径。对于固体复合板设计而言，独立于反应剂流型对冷却流体流径进行限定以使得冷却流体通道64可在密封件之间通过而不会影响反应剂气体侧上的密封表面。两个板半件将被结合在一起以防止冷却流体从板半件之间泄漏出来。对于实心板而言，并未示出这种结合，原因在于板半件将通常在整个板至板的界面表面上进行结合从而确保两个双极板半件之间存在低接触电阻。

在某些燃料电池设计中，阳极集管和阴极集管包括围绕集管进行完全延伸以增加密封完整性的密封圈。图8是通过燃料电池82的燃料电池堆80的剖视图，其中与燃料电池堆10相似的元件由相同的附图标记表示。在该燃料电池堆设计中，位于阴极入口集管14处的密封件32由密封圈84取代，位于阴极出口集管16处的密封件34由密封圈86取代，位于阳极入口集管18处的密封件36由密封圈88取代，且位于阳极出口集管20处的密封件38由密封圈90取代。

对于燃料电池堆80而言，阴极集管14和16与活性区域12之间的密封区域、阳极集管18和20与活性区域12之间的密封区域、以及冷却流体集管与活性区域12之间的密封区域与燃料电池堆10中的那些密封区域相同，在所述密封区域处扩散介质层56和58进行延伸以提供密封完整性。然而，位于集管14、16、18和20的外边缘处的密封区域将是不同的，在所述密封区域处存在附加的密封件。为了示出这种情况，图9示出了通过根据本发明的一个实施例的燃料电池堆80的线9-9的剖视图。燃料电池82包括阳极侧双极板92、阴极侧双极板94和位于其间的膜96。由于阴极侧扩散介质层98将延伸至集管16的边缘，因此扩散介质层98被示出延伸通过由密封圈86提供的密封区域以提供连续的密封完整性。

在密封区域处的密封件与膜之间设置垫片本领域中是已公知的。然而，利用跨过通道的垫片形成隧道并支承密封件载荷尚不是已知的。根据本发明的另一个实施例，可在该区域中使用独立的垫片以代替使扩散介质层进行延伸从而实现密封件支承的方式。为了确保实现足够强的密封件支承，可能需要更厚的垫片(约0.1mm)，以便形成更大的厚度变化从而容纳密封接合处。为了解决该问题，围绕密封件周部的垫片可以是连续的。垫片和密封件可优选被结合到膜上。该方法可利用位于两侧或仅一侧上的垫片。更薄的子垫圈可根据需要被用于一侧或两侧上以提供所需的活性区域边缘构造。如果仅使用一块垫片，则在材料需求不允许膜和密封件直接接触的情况下将需要在膜的相对侧上设置子垫圈。对于具有弹性体密封件的受到垫片支承的构型而言，可设置横跨区域。这仅意味着由垫圈密封装置形成的跨距应小于典型的通道跨距(0.5-1.5mm)，原因在于垫片必须提供足够的刚硬性以跨过通道跨距提供支承。如果密封件被结合到垫片和膜上，则密封件本身将为密封表面提供附加刚硬性，原因在于在该构型中该表面将靠在板上而不是膜上。由于这些密封件是受到垫片支承而不是受到扩散介质支承的密封件，因此该区域中的通道可在垫片处更深，原因在于垫片不像扩散介质层一样厚。在该区域中，通道底部还可升高以保持通道尺寸。

绝大多数膜具有位于两侧上的围绕周部的薄(25μm)的子垫圈(塑料膜)以提供机械强度且避免酸性离聚物膜与板或密封件之间产生直接接触。对于本发明而言，使用垫片将涉及使用更厚的子垫圈以提供足够的刚硬性从而横跨通道和支承密封件载荷。

图10-图15示出了通过与燃料电池堆10相似的燃料电池堆的燃料电池110的剖视图，其中多条集管被设置在燃料电池堆的相同位置处且由相同的附图标记表示。图10示出了在燃料电池110的位置2-2处的剖视图，图11示出了在燃料电池110的位置3-3处的剖视图，图12示出了在燃料电池110的位置4-4处的剖视图，图13示出了通过燃料电池110的位置5-5的剖视图，图14示出了在燃料电池110的位置6-6处的剖视图，且图15示出了在位置7-7处的燃料电池110的剖视图。

图10示出了燃料电池110的活性区域12与阴极入口集管14之间的密封区域。燃料电池110包括阳极侧双极板112、阴极侧双极板114和位于其间的膜116。阳极侧扩散介质层118被设置在阳极侧上的双极板112与膜116之间且阴极侧扩散介质层120被设置在阴极侧上的膜116与双极板114之间。阳极流道132被设置在阳极侧双极板112中且冷却流体流道134被设置在阴极侧双极板114中。

在该实施例中，垫片122被设置在密封区域处的膜116与阳极密封件124之间且垫片126被设置在膜116与阴极侧双极板114的升高部分128之间。阴极流道130延伸通过升高部分128且提供了通过密封区域到达燃料电池110的活性区域12的平直流。垫片126和升高部分128的组合保持了在该位置处的燃料电池110的阴极侧的密封完整性。

图11示出了燃料电池110的活性区域12与阳极入口集管18之间的密封区域，其中阳极侧双极板112包括升高部分140。升高部分140与垫片122的组合提供了保持该区域处的密封完整性的结构以使得阳极流道132具有通过阳极集管18的密封区域到达燃料电池110的活性区域的平直流。阴极侧双极板114包括通道144，密封件146被设置在所述通道中。

图12示出了位于冷却流体入口集管22处的密封半件148和150与膜116之间的垫片152和154。该剖面图中示出了冷却流体流道134。

图13示出了位于冷却流体出口集管24与阴极出口集管14之间的接合区域处的膜116与密封件164和166之间的垫片162和162。

图14示出了位于燃料电池110的活性区域的外边缘处的膜116与密封半件174和176之间的垫片170和172。

图15示出了位于阴极出口集管16的外边缘处的密封半件184和184与膜116之间的垫片180和182。

图16是通过燃料电池堆200的燃料电池202的燃料电池堆200的剖视图。在该实施例中，燃料电池堆200包括冲压双极板。燃料电池堆200包括活性区域204、阴极入口集管206、阴极出口集管208、阳极入口集管210、阳极出口集管212、冷却流体入口集管214和冷却流体出口集管216。在另一可选实施例中，燃料电池堆200可包括穿过密封件的结合部，正如本领域的技术人员易于理解地。密封件220围绕燃料电池202的外周进行延伸。进一步地，密封件222被设置在阴极入口集管206与活性区域204之间，密封件224被设置在阴极出口集管208与活性区域204之间，密封件226被设置在阳极入口集管210与活性区域204之间，密封件228被设置在阳极出口集管212与活性区域204之间，密封件230被设置在冷却流体入口集管214与活性区域204之间，且密封件232被设置在冷却流体出口集管216与活性区域204之间。

图17是通过燃料电池200的线17-17的剖视图。燃料电池200包括阳极侧冲压双极板240和阴极侧冲压双极板242。如图所示的双极板是双极板半件，原因在于图中并未示出用于相邻燃料电池的冲压双极板。燃料电池200包括阳极侧扩散介质层244、阴极侧扩散介质层246和位于其间的膜248。阳极侧双极板240包括阳极流道250和冷却流体流道252的一部分，其中冷却流体流道的另一半由另一个板半件提供。板结合部238被设置以将双极板结合在一起。

密封件222被设置在阳极侧双极板240的外边缘处。根据本发明，密封件222比该位置处通常存在的密封件更薄，以使得膜248在通过密封区域的位置处是直的。进一步地，阴极侧扩散介质层246已经延伸至阴极侧双极板242的外边缘以在密封区域的阴极侧处提供密封完整性。通过使扩散介质246以这种方式进行延伸，阴极流道254可在通过密封区域进入活性区域204的位置处是直的从而减少可能在流道254中积聚水的区域。阴极出口集管208与活性区域204之间的密封区域看起来情况相同。

图18是通过燃料电池堆200的线18-18的剖视图，图中示出了阳极入口集管210与燃料电池202的活性区域204之间的密封区域。根据本发明，密封件226与在该位置处通常设置的密封件相比厚度有所减少以使得膜248从活性区域204平直地延伸通过密封区域。进一步地，阳极侧扩散介质层244延伸通过密封区域以使得阳极流道250平直地延伸通过密封区域以便实现上面讨论的目的。阳极出口集管212与活性区域204之间的密封区域看起来情况相同。

图19是通过燃料电池堆200的线19-19的剖视图，图中示出了冷却流体入口集管214与活性区域204之间的密封区域。根据本发明，密封件230和220的厚度减少以使得膜248从冷却流体入口集管214平直地延伸通过密封区域到达活性区域204。冷却流体出口集管216与活性区域204之间的密封区域看起来情况相同。

图20是通过燃料电池堆200的线20-20的剖视图，图中示出了阴极出口集管208与活性区域204之间的接合密封区域。在该实施例中，阳极侧扩散介质层246已经延伸至密封件220，如图所示。间隙264被设置在扩散介质层246与密封件220之间，且可填充有适当的填充材料。在该构型中，膜248平直地延伸通过密封区域。

图21是通过在燃料电池202的边缘部段处的燃料电池堆200的线21-21的剖视图。在该实施例中，密封件220包括允许膜248平直地延伸通过密封区域进入活性区域204的两个密封半件270和272。

图22是通过在阴极出口集管208的外边缘部分处的燃料电池堆200的线22-22的剖视图。在该实施例中，密封件220由两个密封半件270和272制成以提供通过密封区域的直的膜248。

对于冲压板而言，图中示出了结合部，在所述结合部的位置处，板半件需要被密封在一起以防止泄漏冷却流体。这可利用焊接或粘结结合的方式实现。对于具有弹性体密封件的冲压板而言，结合线的一种可选方案是横穿密封装置。为了确保对于冲压板而言实现足够的密封件支承，板半件在密封件的任一侧上彼此接触。在冷却流体入口集管214中，提供冷却流体流径以使得由虚线所示的板半件示出这种情况。由于路径未被板堵塞，因此冷却流体可流动通过。此外，对于具有弹性体密封件的冲压板构型而言，阴极密封件被示出在两端上更为向内，但相对于流向而言的密封件顺序不是关键因素且可基于其它需求进行限定。

在另一种燃料电池设计中，阳极集管、阴极集管和冷却流体集管可包括完全围绕集管进行延伸以增加密封完整性的密封圈。图23是根据本发明的另一个实施例的通过燃料电池282的燃料电池堆280的剖视图，其中与燃料电池堆200相似的元件由相同的附图标记表示。在该燃料电池堆设计中，位于阴极入口集管206处的密封件222由密封圈286取代，位于阴极出口集管208处的密封件224由密封圈288取代，位于阳极入口集管210处的密封件226由密封圈290取代，位于阳极出口集管212处的密封件228由密封圈292取代，位于冷却流体入口集管214处的密封件230由密封圈294和296取代，且位于冷却流体出口集管216处的密封件232由密封圈298和300取代。由于设置集管环的动机在于避免出现例如图20所示的接合部，所述接合部仅出现在反应剂集管与活性区域邻接的角部处，因此冷却剂集管可保持无环的状态，如图16所示。

燃料电池堆280的集管与活性区域之间的密封区域与燃料电池堆200中的那些区域相同，扩散介质层244和246延伸至所述密封区域以提供密封完整性。然而，在集管的外边缘处的密封区域将是不同的，在所述密封区域处存在附加的密封件。为了表明这种情况，图24示出了通过燃料电池堆280的线24-24的剖视图。燃料电池282包括阳极侧双极板302、阴极侧双极板304和位于其间的膜306。由于阳极侧扩散介质层308将延伸至集管208的边缘，因此阴极侧扩散介质层308被示出延伸通过由密封圈288提供的密封区域以提供连续的密封完整性。在该实施例中，外部密封圈220由该位置处的两个密封半件310和312构成。

正如上面所讨论地，在密封区域的密封件与膜之间设置垫片是本领域中已公知的，但利用跨过通道的垫片以形成隧道并支承密封件载荷尚不是已知的。图25-图30示出了通过与燃料电池堆200相似的燃料电池堆的燃料电池320的剖视图，其中多条集管被设置在燃料电池堆的相同位置处。因此，图25示出了在燃料电池320的位置17-17处的剖视图，图26示出了在燃料电池320的位置18-18处的剖视图，图27示出了在燃料电池320的位置19-19处的剖视图，图28示出了在燃料电池320的位置20-20处的剖视图，图29示出了在燃料电池320的位置21-21处的剖视图，且图30示出了在燃料电池320的位置22-22处的剖视图。

燃料电池320包括阳极侧冲压双极板322、阴极侧冲压双极板324和位于其间的膜326。阳极侧扩散介质层328被设置在双极板322与膜326之间且阴极侧扩散介质层330被设置在膜326与双极板324之间。阳极侧双极板322限定出阳极侧流道340和冷却流体通道342。在该实施例中，垫片332被设置在密封区域处的膜326与密封件334之间且垫片336被设置在膜326与阴极侧双极板324的升高部分338之间。阴极流道344围绕升高部分338进行延伸且提供了通过密封区域到达燃料电池320的活性区域的平直流。垫片336和升高部分338的组合保持了在该位置处的燃料电池320的阴极侧的密封完整性。

图26示出了燃料电池320的活性区域与阳极入口集管之间的密封区域，其中阳极侧双极板322包括升高部分346。垫片348被设置在升高部分346与膜326之间且垫片350被设置在膜326与密封件352之间。升高部分346与垫片348的组合提供了保持该区域处的密封完整性的结构以使得阳极流道340具有从阳极入口集管通过密封区域到达燃料电池320的活性区域的直线流。

图27示出了密封件220与阳极侧双极板322之间的垫片354、膜326与阳极侧双极板322之间的垫片356以及膜326与密封件230之间的垫片358。

图28示出了密封件224与膜326之间的垫片360和密封件220与膜326之间的垫片362。

图29示出了密封件270与膜326之间的垫片364和膜326与密封件272之间的垫片366。

图30示出了密封半件270与膜326之间的垫片368，和膜326与密封半件272之间的垫片370。

图31是通过燃料电池382的燃料电池堆380的剖视图。在该实施例中，燃料电池堆380包括冲压双极板，其中板本身提供密封件。燃料电池堆380包括活性区域384、阴极入口集管386、阴极出口集管388、阳极入口集管390、阳极出口集管392、冷却流体入口集管394和冷却流体出口集管396。密封件398围绕燃料电池382的周部进行延伸。密封件400被设置在阴极入口集管386与活性区域384之间，密封件402被设置在阴极出口集管388与活性区域384之间，密封件404被设置在阳极入口集管390与活性区域384之间，密封件406被设置在阳极出口集管392与活性区域384之间，密封件408被设置在冷却流体入口集管394与活性区域384之间，且密封件410被设置在冷却流体出口集管396与活性区域384之间。正如上面所提到地，该设计中的所有密封件由双极板的构型提供。

图32是通过燃料电池382的线32-32的剖视图。燃料电池382包括阳极侧冲压双极板420和阴极侧冲压双极板422。燃料电池382还包括阳极侧扩散介质层424和阴极侧扩散介质层426，以及位于其间的膜428。阳极侧双极板420包括阳极流道430和冷却流体流道432的一半，其中冷却流体流道的另一半由另一个冲压板半件提供。

密封件400由阳极侧双极板420的一部分限定。根据本发明，阴极侧扩散介质层426延伸通过与密封件400相对的密封区域以在膜428的该侧提供密封完整性。因此，阴极流道434可从阴极入口集管386平直地延伸通过密封区域到达活性区域384从而使得它们不会围绕板部件产生凹凸起伏，所述凹凸起伏将起到收集水的作用。阴极出口集管388与活性区域384之间的密封区域看起来情况相同。

图33是通过燃料电池382的线33-33的剖视图，图中示出了阳极入口集管390与燃料电池堆380的活性区域384之间的密封区域。根据本发明，阳极侧扩散介质层424在该位置处进行延伸以在与由双极板422的结构构型提供的密封件404相对的燃料电池382的阳极侧处提供密封完整性。阳极出口集管392与活性区域384之间的密封区域看起来情况相同。

图34是通过燃料电池堆380的线34-34的剖视图，图中示出了冷却流体入口集管394与活性区域384之间的密封区域。在燃料电池382的该位置处，阳极侧双极板420和阴极侧双极板422提供了密封件408和398。冷却流体流道432延伸通过板且以平直流的方式通过密封区域到达活性区域384。由于在该实施例中，板420和422提供了密封件，因此这使相邻的双极板在燃料电池382中的特定位置处产生了电接触且将形成电短路。因此，不导电隔板438被设置在密封件位置408处以防止出现电短路。冷却流体出口集管396与活性区域384之间的密封区域看起来情况相同。

图35是通过阴极出口集管388与活性区域384之间的接合密封区域处的线35-35的剖视图。阴极侧扩散介质层426在该位置处进行延伸，以使阳极侧双极板420和阴极侧双极板422限定出密封件402和398。扩散介质层426与板422的密封部分之间的间隙440可能需要填充有适当材料。

图36是在燃料电池382的边缘部段处的剖视图，且将与包括具有冲压密封件的冲压双极板的已公知燃料电池堆的边缘部段相似。

图37是通过在阴极出口集管388的外边缘处的燃料电池堆380的线37-37的剖视图。在该位置处，密封件398由阳极侧双极板420和阴极侧双极板422提供。

对于某些燃料电池设计而言，正如上面所讨论地，阳极集管、阴极集管和冷却流体集管包括完全围绕集管进行延伸以增加密封完整性的密封圈。图38是通过燃料电池452的燃料电池堆450的剖视图，其中与燃料电池堆380相似的元件由相同的附图标记表示。在该燃料电池堆设计中，位于阴极入口集管386处的密封件400由密封圈454取代，位于阴极出口集管388处的密封件402由密封圈456取代，位于阳极入口集管390处的密封件404由密封圈458取代，位于阳极出口集管392处的密封件406由密封圈460取代，位于冷却流体入口集管394处的密封件408由密封圈462取代，且位于冷却流体出口集管396处的密封件410由密封圈464取代。由于设置集管环的动机在于避免出现例如图35所示的接合部，所述接合部仅出现在反应剂集管与活性区域邻接的角部处，因此冷却剂集管可保持无环的状态，如图31所示。

阴极集管386和388与活性区域384之间、阳极集管390和392与活性区域384之间、以及冷却流体集管394和396与活性区域384之间的密封区域与燃料电池堆380中的那些密封区域相同。然而，位于集管386、388、390、392、394和396的外边缘处的密封区域将是不同的，在所述密封区域处存在附加的密封件。为了表明这种情况，图39示出了通过根据本发明的一个实施例的燃料电池堆450的线39-39的剖视图。燃料电池452包括阳极侧双极板470、阴极侧双极板472和位于其间的膜474。由于阴极侧扩散介质层476将延伸至集管388的边缘，因此扩散介质层476被示出延伸通过由密封圈456提供的密封区域以提供连续的密封完整性。

正如上面所讨论地，在密封件与膜密封区域之间设置垫片是本领域中已公知的。图40-图45示出了通过与燃料电池382相似的燃料电池500的剖视图，其中多条集管被设置在燃料电池堆380的相同位置处。图40示出了在燃料电池500的位置32-32处的剖视图，图41示出了在燃料电池500的位置33-33处的剖视图，图42示出了在燃料电池500的位置34-34处的剖视图，图43示出了在燃料电池500的位置35-35处的剖视图，图44示出了在燃料电池500的位置36-36处的剖视图，且图45示出了在位置37-37处的燃料电池500的剖视图。

图40示出了燃料电池500的活性区域384与阴极入口集管386之间的密封区域。燃料电池500包括阳极侧双极板502、阴极侧双极板504和位于其间的膜506。阳极侧扩散介质层508被设置在双极板502与膜506之间且阴极侧扩散介质层510被设置在膜506与双极板504之间。阳极侧双极板502限定出阳极流道522和冷却流体流道524。在该实施例中，垫片512被设置在膜506与板502的密封部段514之间且垫片516被设置在膜506与密封部段518之间。阴极流道520延伸通过密封区域且提供了到达燃料电池500的活性区域的平直流。

图41示出了燃料电池500的活性区域384与阳极入口集管390之间的密封区域。垫片530被设置在板502的密封部段532与膜506之间，且垫片534被设置在板504的密封部段536与膜506之间。

图42示出了燃料电池500的活性区域与冷却流体入口集管394之间的密封区域。垫片540被设置在双极板502的密封部段542与隔板538之间，且垫片544被设置在阴极侧双极板504的密封部段546与隔板538之间。同样地，垫片550被设置在板502的密封部分552与膜506之间，且垫片554被设置在密封部段556与膜506之间。冷却流体流道524延伸通过板502和504且以平直流的方式通过密封区域到达活性区域。

图43示出了阳极侧双极板502的密封部分562与膜506之间的垫片560以及阴极侧双极板504的板504的密封部段566与膜506之间的垫片564。

图44示出了阳极侧双极板502的密封部段572之间的垫片570以及阴极侧双极板504的密封部段576与膜506之间的垫片574。

图45示出了位于阳极侧双极板502的密封部段582与膜506之间的垫片580，以及位于阴极侧双极板504的密封部段586与膜506之间的垫片584。

前面的讨论仅披露和描述了本发明的典型实施例。本领域的技术人员将易于通过这种讨论且通过附图以及权利要求书意识到：可在不偏离由以下权利要求书限定的本发明的精神和范围的情况下，对本发明作出多种改变、变型和变化。