具有选择为使有用面积最大化的尺寸的燃料电池部件

摘要

一种示例性的燃料电池部件，包括大致平面的本体，其具有由该本体的长度和宽度所定义的总面积。总面积的第一部分由使第一部分不可用于至少一个燃料电池功能的第一燃料电池特征部所占据。总面积的第二部分由使第二部分不可用于燃料电池功能的第二燃料电池特征部所占据。总面积的第三部分被认为是可用于燃料电池功能的所述部件的有效区域。大致平面的本体的长度对宽度的长宽比依赖于第一部分的尺寸和第二部分的尺寸。

说明书

背景技术

燃料电池被用来基于电化学反应而发电。在燃料电池单元中包含多种部件。这些部件中有许多典型地是呈板或片的形式而实现。存在用于制备燃料电池部件的多种公知的工艺。

与操作燃料电池相关联的一个挑战是维持流体在电池堆组件内的适当流动。存在公知的歧管(manifold)和密封布置来保持流体在燃料电池的所需部分内并且防止它们泄漏到燃料电池的其它部分。流体在燃料电池内流动的方式典型地是沿着在一个或多个燃料电池部件中所形成的通道来进行引导。

在燃料电池部件内提供通道的典型方法包括形成板或片并且以凹槽(groove)方式进行切削或机械加工，这些凹槽创建用于在燃料电池内引导流体流动(fluid flow)的通道(channel)。与这种方法相关联的一个缺点是切削或机械加工工艺花费大量时间。这种工艺倾向于增加与燃料电池部件相关联的成本。

发明内容

一种示例性燃料电池部件，包括：大致平面的本体，其具有由该本体的长度和宽度所定义的总面积。总面积的第一部分由第一燃料电池特征部所占据，该第一燃料电池特征部使第一部分不可用于至少一个燃料电池功能。总面积的第二部分由第二燃料电池特征部所占据，该第二燃料电池特征部使第二部分不可用于燃料电池功能。总面积的第三部分被认为是可用于燃料电池功能的部件的有效区域。大致平面的本体的长度对宽度的长宽比依赖于第一部分的尺寸和第二部分的尺寸之间的关系。

一种制备燃料电池部件的示例性方法，包括：确定部件的总面积的第一部分的尺寸。第一部分必须由第一燃料电池特征部所占据，该第一燃料电池特征部使第一部分不可用于至少一个燃料电池功能。方法包括：确定总面积的第二部分的尺寸，该第二部分必须由第二燃料电池特征部所占据，该第二燃料电池特征部使第二部分不可用于燃料电池功能。选择用于部件的总长度和总宽度的尺寸以确立满足关系式的长度对宽度的长宽比，关系式依赖于第一部分的尺寸和第二部分的尺寸之间的关系。

所公开示例的各种特征和优点，对于本领域技术人员而言从下列详细说明将变得显而易见。伴随于该详细说明的附图可以简要地描述如下。

附图说明

图1示意性地示出燃料电池的选定部分。

图2示意性地示出示例燃料电池部件的选定特征部(feature)。

图3示意性地示出另一示例燃料电池部件的选定特征部。

图4示意性地示出图3中所示的燃料电池部件的相反侧的选定特征部。

图5是来自图3的示例燃料电池部件的选定部分的端视图。

具体实施方式

图1是可用于产生电能的诸如燃料电池10的电化学电池的示意性的横截面表示。该示例燃料电池10包括多个部件，诸如流体输送板12、14。在一个示例中，流体输送板12被认为是阴极水输送板，而流体输送板14被认为是阳极水输送板。阴极与阳极水输送板12、14处于膜电极组件16的相反侧，该膜电极组件16包括诸如质子交换膜18的电解质、阴极催化剂20以及阳极催化剂22。诸如气体扩散层的额外公知部件也可以包括在内，但却在图1中没有示出。

阴极水输送板12包括多个流体流通道32，它们彼此而且与阴极催化剂20流体连通(fluid communication)。示例流体输送板12还包括流体流通道34，它们在本示例中被构造成运送冷却剂。同样地，阳极输送板14包括流体流通道36，它们彼此而且与阳极催化剂22流体连通。冷却剂通道38被设置在输送板14上。在一个示例中，通道32在燃料电池内引导诸如空气的氧化剂，而通道36贯穿燃料电池引导诸如氢气的燃料。

对于为多于一个功能(例如，反应物分布和冷却剂传送)提供服务的诸如流体输送板12、14的燃料电池部件，可能存在与那些功能的每个相关联的矛盾要求，使得燃料电池部件的一个部分可能对某一燃料电池功能有用而对另一功能则无用。所公开的示例示范了本发明的一个实施例如何通过选择部件的尺寸长宽比(aspect ratio)使其面积最大化，而在用于所选定的燃料电池功能的燃料电池部件上提供最大面积(maximum area)。

图2示出一个示例流体输送板14的示例构型。图2示出这种板的一侧。多个通道36被创建在板14的一侧。整体上，板14具有长度L和宽度W，其确立该板14的总面积。在图2所示的视图中板14的至少两个边缘需要进行密封以贯穿通道36并且在其中装入板14的燃料电池内控制流体分布(fluid distribution)。密封区域在标号50处示出并且沿着长度L具有尺寸s。板14的部分50被专用于燃料电池部件的密封功能，因而对沿着通道36分布流体而言无法利用或没有用。换句话说，板12的部分50不能利用于电化学反应功能。

图3-5示出示例流体输送板12的示例构型。图3示出示例流体输送板12的一侧。图4示出同一板的相反侧。图5是示意性地示出示例板12的一个部分的特征部的端视图。

图3中所示的板12的那一侧被用于反应物分布以促进燃料电池内的电化学反应。作为示例燃料电池功能的电化学反应要求经由图3中所示的通道32分布一种反应物，以及经由图2中所示的通道36分布另一种反应物。在本示例中，如箭头54所示意性地示出那样，通道32引导反应物流动。由通道32所占据或直接处于通道32之间的板12上的区域和由通道36所占据或直接处于通道36之间的板14上的区域的交叉处(intersection)被认为是用于电化学反应燃料电池功能的燃料电池10的有效区域(active area)。如从图2和图3可以理解那样，有效区域并没有占据由板14、12的长度L和宽度W所确立的总面积。在板14的顶部和底部存在因没有通道36而使得无效的区(region)，并且在板12的左侧和右侧存在因没有通道32而使得无效的区。

板12、14的总面积的一部分由该板的部分50所占据，该部分50是用于密封板的边缘以便在板12、14的有效部分之内容纳(contain)反应物所必需的。密封部分50沿板的边缘具有某一尺寸，在附图中被表示为s。该尺寸s乘以部分50的全长(overall length)确立密封部分50的面积，其无法利用于电化学反应燃料电池功能。

通道32具有图3中所示的构型的原因之一是，如图4中所示在板12的相反侧的冷却剂分布通道34包括在60处的入口和在62处的出口。通道34被构造成如箭头64示意性所示沿着板12的一侧引导冷却剂流动。从图5中可以理解在板12的两个边缘设置通道32、34的方式。在本示例中，在板12的相应边缘处在通道32和34之间不能有任何重叠。歧管(未示出)以预期的方式引导各自的流体。如果通道32和34在图5中所示的边缘处重叠的话流体就会混合，这是不希望的。入口60和出口62的存在导致在板12的左侧和右侧(根据附图)不能由通道32所占据的大致三角形区或部分(如从图3中可以最佳理解)。

入口和出口62的尺寸在附图中被表示为c。入口60和出口62的尺寸贡献给不能被用于电化学反应功能的燃料电池板12的一部分。取而代之，示例板12的那些部分被专用于冷却剂分布燃料电池功能。

如果采用一次创建一个通道的切削或机械加工操作来创建通道32的话，就有可能使用相对复杂的通道几何形状或构型在板12上占据相当大的面积，同时仍然适应在板12的边缘上在通道32和34的端部之间具有间距(separation)这种需要。然而，能够使用更快的通道形成工艺将会更加经济。根据本发明所设计的一个示例包括采用用于在板12上同时切削或机械加工多个通道32的排式铣削操作。排式铣削操作能够显著地减少制备板12所需要的时间量，这将减少与燃料电池部件相关联的成本。

然而，在排式铣削技术上存在不允许创建通道34的复杂几何形状或构型的局限性。从而，如从图3中可以理解那样，通道32具有相对简单的构型(例如，在所图示示例中为一组直线平行通道)。

使可用于电化学反应燃料电池功能的燃料电池10的面积量最大化是有益的。所公开的示例包括通过选择使(在所涉及的燃料电池部件上)可利用于所选定的燃料电池功能(例如电化学反应)的有效区域最大化的总长度L对总宽度W的长宽比来实现燃料电池10的最大有效区域。

一个示例方法包括采用长宽比r，其中L=rW。燃料电池部件的总面积A用A=LW=rW²来进行描述。因此，W=(A/r)^1/2。

通过在除去具有尺寸s和c的部分以后可利用的长度L的大小乘以在除去具有尺寸s的相应部分以后剩余的宽度W的大小来定义有效区域a(根据所图示示例)。其遵循的是有效区域a用等式a=(L-2s-c)(W-2s)=(rW-2s-c)(W-2s)=rW²-(2sr+2s+c)W+2s(2s+c)来进行描述。

有效区域a对总面积A之比被认为是U=a/A。其遵循的是由有效区域a所占据的燃料电池部件的比例可以用等式U=1+2s(2s+c)A^-1–2s(r/A)^1/2–(2s+c)(Ar)^-1/2来进行描述。

为了使有效区域a最大化，下列的关系式(relationship)是有用的。0=dU/dr=-s(Ar)^-1/2+(s+c/2)A^-1/2r^-1.5，其可以进行求解以使有效区域最大化可得出r=1+c/(2s)，其中r是总长度L对总宽度W的长宽比(aspect ratio)。

使用于所选定的燃料电池功能(诸如电化学反应)的有效区域最大化包括选择用于燃料电池部件的长度L和宽度W，其满足取决于尺寸c和尺寸s的长宽比r的关系式。换句话说，选择燃料电池部件的整体尺寸，使得长度对宽度的长宽比依赖于对所选定的燃料电池功能不可用的总面积第一部分的尺寸以及对所选定的燃料电池功能没有用的总面积第二部分的尺寸。在本示例中，该关系式包括尺寸c除以尺寸s。

如上所述，基于对所选定的燃料电池功能没有用的燃料电池部件的诸部分的尺寸的关系式来选择该部件的整体尺寸，使作为有效区域对所选定的燃料电池功能有用的燃料电池部件的面积大小最大化。该方法允许采用不同的制造技术，其可以减少与燃料电池部件相关联的成本。最大化燃料电池部件上的有效区域大小允许实现降低制造成本的诸益处而不会损害或缩减从这样的部件可利用的有效性能。

前述说明在本质上是示例性而非限制性。对于本领域技术人员而言，针对所公开示例的变化和修改可能变得显而易见，却无需脱离本公开的实质。因此，给予本发明的法律保护的范围只能通过研究以下权利要求来加以确定。