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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft eine Strömungsfeldplatte für eine Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 8. Solch eine Strömungsfeldplatte ist beispielsweise aus der
DE 10 2005 047 118 A1 bekannt.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Brennstoffzellensysteme werden bei einer breiten Vielzahl von Anwendungen zunehmend als eine Energiequelle verwendet. Brennstoffzellensysteme sind zur Verwendung in Energieverbrauchern vorgeschlagen worden, wie beispielsweise in Fahrzeugen als ein Ersatz für Verbrennungsmotoren. Ein derartiges System ist in dem im Gemeinschaftsbesitz befindlichen U.S. Patent
US 2004/0209150 A1 offenbart, das hier durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit eingeschlossen ist. Brennstoffzellen können auch als stationäre Anlagen für elektrische Energie in Gebäuden und Wohnungen, als tragbare Energie in Videokameras, Computer und dergleichen verwendet werden. Typischerweise erzeugen die Brennstoffzellen Elektrizität, die dazu verwendet wird, Batterien zu laden oder Energie für einen Elektromotor vorzusehen.
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Brennstoffzellen sind elektrochemische Vorrichtungen, die einen Brennstoff, wie Wasserstoff, direkt mit einem Oxidationsmittel, wie Sauerstoff, kombinieren, um Elektrizität zu erzeugen. Der Sauerstoff wird typischerweise durch einen Luftstrom geliefert. Der Wasserstoff und Sauerstoff werden kombiniert, um in der Bildung von Wasser zu resultieren. Andere Brennstoffe können verwendet werden, wie beispielsweise Erdgas, Methanol, Benzin und von Kohle abgeleitete synthetische Brennstoffe.
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Der Grundprozess, der von einer Brennstoffzelle verwendet wird, ist effizient, im Wesentlichen schmutzfrei, leise, frei von beweglichen Teilen (anders als ein Luftkompressor, Kühlgebläse, Pumpen und Aktuatoren) und kann so ausgebildet sein, dass nur Wärme und Wasser als Nebenprodukte austreten. Der Begriff ”Brennstoffzelle” wird typischerweise dazu verwendet, entweder eine einzelne Zelle oder eine Vielzahl von Zellen abhängig vom Kontext, in dem er verwendet wird, zu bezeichnen. Die Vielzahl von Zellen ist typischerweise miteinander gebündelt und angeordnet, um einen Stapel zu bilden, wobei die Vielzahl von Zellen gemeinsam in elektrischer Reihe angeordnet sind. Da einzelne Brennstoffzellen in Stapel mit variierenden Größen zusammengebaut werden können, können Systeme konstruiert werden, um ein gewünschtes Energieabgabeniveau zu erzeugen, wodurch eine Flexibilität hinsichtlich der Konstruktion für verschiedene Anwendungen vorgesehen wird.
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Es können verschiedene Brennstoffzellentypen vorgesehen werden, wie beispielsweise Phosphorsäure-, Alkali-, Schmelzcarbonat-, Festoxid- und Protonenaustauschmembran-(PEM)-Typen. Die Grundkomponenten einer Brennstoffzelle vom PEM-Typ sind zwei Elektroden, die durch einen Polymermembranelektrolyt getrennt sind. Jede Elektrode ist auf einer Seite mit einer dünnen Katalysatorschicht beschichtet. Die Elektroden, der Katalysator und die Membran bilden gemeinsam eine Membranelektrodenanordnung (MEA).
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Bei einer typischen Brennstoffzelle vom PEM-Typ ist die MEA schichtartig zwischen ”Anoden”- und ”Kathoden”-Diffusionsmedien (nachfolgend ”DM's”) oder Diffusionsschichten angeordnet, die aus einem nachgiebigen, leitenden und gaspermeablen Material ausgebildet sind, wie Kohlefaser oder Kohlepapier. Die DM's dienen als die Primärstromkollektoren für die Anode und Kathode und sehen auch eine mechanische Abstützung für die MEA vor. Die DM's und die MEA werden zwischen einem Paar elektronisch leitender Platten gepresst, die als Sekundärstromkollektoren zum Sammeln des Stroms von den Primärstromkollektoren dienen. Die Platten leiten Strom zwischen benachbarten Zellen innerhalb des Stapels in dem Fall von Bipolarplatten und leiten Strom außerhalb des Stapels (in dem Fall von monopolaren Platten an dem Ende des Stapels).
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Die Sekundärstromkollektorplatten enthalten jeweils zumindest ein aktives Gebiet, das die gasförmigen Reaktanden über die Hauptseiten der Anode und Kathode verteilt. Diese aktiven Gebiete, auch als Strömungsfelder bekannt, umfassen typischerweise eine Vielzahl von Stegen, die mit dem Primärstromkollektor in Eingriff stehen und eine Vielzahl von Nuten oder Strömungskanälen dazwischen definieren. Die Kanäle liefern den Wasserstoff und den Sauerstoff an die Elektroden an jeder Seite der PEM. Insbesondere strömt der Wasserstoff durch die Kanäle an die Anode, an der der Katalysator eine Trennung in Protonen und Elektronen unterstützt. Auf der entgegengesetzten Seite der PEM strömt der Sauerstoff durch die Kanäle an die Kathode, an der der Sauerstoff die Wasserstoffprotonen durch die PEM anzieht. Die Elektronen werden als Nutzenergie durch eine externe Schaltung abgefangen und mit den Protonen und Sauerstoff kombiniert, um Wasserdampf an der Kathodenseite zu erzeugen.
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Wenn ein Muster für das Strömungsfeld entworfen wird, ist es gewünscht, dass alle Strömungskanäle als eine erste Näherung dieselbe Länge besitzen, um die Strömungen unter den Kanälen für eine gleichförmige Verteilung von Reaktandenströmung auszugleichen. In einigen Strömungsfeldern ist es jedoch erwünscht, Kanäle zu verzweigen oder Kanäle in einem aktiven Bereich mit weniger Zufuhrkanälen zu verbinden, um kleinere Sammelleitungen für eine kleinere Gesamtstapelgröße zu ermöglichen. Bei anderen Strömungsfeldkonstruktionen können die Zufuhrkanäle außerhalb des aktiven Bereichs des Strömungsfeldes positioniert sein, da das DM aus diesen Gebieten entfernt worden ist, um ein Ineinandersetzen der Plattenhälften für eine kleinere Gesamtstapelgröße zu ermöglichen. In diesem Fall können die Zufuhrkanäle verzweigt sein, müssen dies jedoch nicht sein.
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Bei den obigen Konfigurationen sehen gleichförmige Kanallängen keine gleichförmige Reaktandenverteilung für die Anode vor, wenn Wasserstoff verwendet ist. Für die Wasserstoffanodenströmung existiert eine signifikante Änderung des Volumens von dem Einlass zu dem Auslass, da das Wasserstoffgas in dem aktiven Bereich der Brennstoffzelle verbraucht wird. Die Strömung wird ungleichmäßig verteilt, wobei sich mehr Strömung auf einer Seite des Strömungsfeldes befindet. Die Volumenströmung ist in den verzweigten oder nicht aktiven Einlasskanälen größer, so dass ein größerer Druckabfall in diesen Kanälen pro Länge auftritt, als bei den verzweigten oder nicht aktiven Auslasskanälen. Daher wird für Kanäle auf einer Seite, die eine längere Einlasszufuhrkanallänge besitzen, die Strömung im Vergleich zu Kanälen auf der entgegengesetzten Seite reduziert, die längere Auslasskanallängen besitzen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Strömungsverteilung über eine Strömungsfeldplatte einer Brennstoffzelle zu vergleichmäßigen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Diese Aufgabe wird mit einer Strömungsfeldplatte gelöst, die die Merkmale des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 8 aufweist.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die obigen wie auch andere Vorteile der vorliegenden Erfindung sind für den Fachmann leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen offensichtlich, in welchen:
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1 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Brennstoffzellenstapels ist;
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2 eine schematische Ansicht eines Strömungsfeldes einer Anodenplatte, die eine verzweigte Strömung aufweist, gemäß dem Stand der Technik ist;
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3 ein Schaubild ist, das ein Anodenstöchiometrieprofil für das Strömungsfeld von 2 zeigt;
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4 eine schematische Ansicht eines Strömungsfeldes einer Anodenplatte ohne verzweigte Strömung gemäß dem Stand der Technik ist;
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5 eine schematische Ansicht eines Strömungsfeldes einer Anodenplatte mit einer verzweigten Strömung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist;
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6 eine schematische Ansicht eines Strömungsfeldes einer Anodenplatte mit einer verzweigten Strömung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist; und
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7 eine schematische Ansicht eines Strömungsfeldes einer Anodenplatte mit einer verzweigten Strömung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Die folgende detaillierte Beschreibung und die angefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen dazu, den Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung herzustellen und zu verwenden, und sind nicht dazu bestimmt, den Schutzumfang der Erfindung auf irgendeine Weise zu beschränken. In Bezug auf die offenbarten Verfahren sind die dargestellten Schritte beispielhafter Natur, und somit ist die Reihenfolge der Schritte nicht notwendig oder kritisch.
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1 zeigt einen zwei Zellen umfassenden Bipolar-PEM-Brennstoffzellenstapel 10. Obwohl ein Bipolar-PEM-Brennstoffzellenstapel gezeigt ist, sei zu verstehen, dass andere Brennstoffzellentypen und -konfigurationen ohne Abweichung von dem Schutzumfang und dem Erfindungsgedanken der Erfindung verwendet werden können. Es sei auch zu verstehen, dass Brennstoffzellenstapel, die mehr Zellen und Platten aufweisen, verwendet werden können und typischerweise auch verwendet werden.
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Der Brennstoffzellenstapel 10 umfasst eine erste Membranelektrodenanordnung (MEA) 12 und eine zweite Membranelektrodenanordnung 14. Eine elektrisch leitende, flüssigkeitsgekühlte Bipolarplatte 16 ist zwischen der ersten MEA 12 und der zweiten MEA 14 angeordnet. Die erste MEA 12, die zweite MEA 14 und die Bipolarplatte 16 sind zwischen Klemmplatten 18, 20 und monopolaren Endplatten 22, 24 aneinander gestapelt. Die Klemmplatten 18, 20 sind von den monopolaren Endplatten 22, 24 elektrisch isoliert.
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Eine Arbeitsseite von jeder der monopolaren Endplatten 22, 24 wie auch beide Arbeitsseiten der Bipolarplatte 16 umfassen eine Vielzahl von Nuten oder Kanälen 26, 28, 30, 32, die darin ausgebildet sind. Die Kanäle 26, 28, 30, 32 definieren ein so genanntes ”Strömungsfeld” zur Verteilung eines Brennstoffes und eines Oxidationsmittelgases über die Seiten der MEA's 12, 14. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform ist der Brennstoff Wasserstoff und das Oxidationsmittel Sauerstoff, obwohl zu verstehen sei, dass nach Bedarf andere Brennstoffe und Oxidationsmittel verwendet werden können.
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Nichtleitende Dichtungselemente 34, 36, 38, 40 sind jeweils zwischen der monopolaren Endplatte 22 und der ersten MEA 12, der ersten MEA 12 und der Bipolarplatte 16, der Bipolarplatte 16 und der zweiten MEA 14 und der zweiten MEA 14 und der monopolaren Endplatte 24 angeordnet. Die Dichtungselemente 34, 36, 38, 40 sehen eine Abdichtung vor und isolieren die monopolare Endplatte 22 und die erste MEA 12, die erste MEA 12 und die Bipolarplatte 16, die Bipolarplatte 16 und die zweite MEA 14 und die zweite MEA 14 und die monopolare Endplatte 24 elektrisch.
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Gaspermeable Diffusionsmedien 42, 44, 46, 48 grenzen an jeweilige Elektrodenseiten der ersten MEA 12 und der zweiten MEA 14 an. Die Diffusionsmedien 42, 44, 46, 48 sind jeweils zwischen der monopolaren Endplatte 22 und der ersten MEA 12, der ersten MEA 12 und der Bipolarplatte 16, der Bipolarplatte 16 und der zweiten MEA 14 und der zweiten MEA 14 und der monopolaren Endplatte 24 angeordnet.
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Die Bipolarplatte 16 ist typischerweise aus einer Anodenplatte (nicht gezeigt) und einer Kathodenplatte (nicht gezeigt) ausgebildet. Die Anodenplatte und die Kathodenplatte sind miteinander verbunden, um eine Kühlmittelkammer dazwischen zu bilden. Der Kanal 28 ist in der Anodenplatte ausgebildet und der Kanal 30 ist in der Kathodenplatte ausgebildet, um die jeweiligen Strömungsfelder zu bilden.
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2 zeigt ein Strömungsfeld 60 einer Anodenplatte (nicht gezeigt) gemäß dem Stand der Technik. Das Strömungsfeld 60 umfasst ein Einlasszufuhrgebiet 62 und ein Auslasszufuhrgebiet 64. Eine Vielzahl von Einlassströmungskanälen 66 ist in dem Einlasszufuhrgebiet 62 ausgebildet, und eine Vielzahl von Auslassströmungskanälen 68 ist in dem Auslasszufuhrgebiet 64 ausgebildet. Die Einlassströmungskanäle 66 stehen in Verbindung mit einer Anodeneinlasssammelleitung (nicht gezeigt), und die Auslassströmungskanäle 68 stehen in Verbindung mit einer Anodenaustragssammelleitung (nicht gezeigt). Jeder der Einlassströmungskanäle 66 und der Auslassströmungskanäle 68 steht in Verbindung mit einem Paar verzweigter Zwischenströmungskanäle 70. Die Strömungskanäle 66, 68, 70 sind derart ausgebildet, um einen Strömungspfad von einer Quelle eines Anodengases oder Brennstoffs (nicht gezeigt) an die Austragssammelleitung vorzusehen, wie durch die Pfeile I, E angegeben ist. Ein aktives Gebiet S ist durch den schattierten Bereich des Strömungsfeldes 60 dargestellt.
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Im Betrieb wird bewirkt, dass der Brennstoff in das Strömungsfeld 60 durch die Einlassströmungskanäle 66 von der Brennstoffquelle strömt. Wenn der Brennstoff die verzweigten Kanäle 70 unterstromig des Einlasszufuhrgebietes 62 erreicht, wird der durch die Einlassströmungskanäle 66 strömende Brennstoff in zwei verzweigte Kanäle 70 aufgeteilt. Der Brennstoff strömt weiter durch die verzweigten Kanäle 70 an die Auslassströmungskanäle 68, wo der Brennstoff von zwei verzweigten Kanälen 70 in einen der Auslassströmungskanäle 68 kombiniert wird.
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Wie es in der Technik gut bekannt ist, strömt der Brennstoff durch die Kanäle 66, 70, 68 in dem aktiven Gebiet S des Strömungsfeldes 60 und wird bei der elektrochemischen Reaktion verbraucht, die in der Bildung von Wasser und Elektrizität resultiert. Aufgrund dieses Verbrauchs von Brennstoff ist das Volumen von Brennstoff, der aus der Anodenaustragssammelleitung strömt, kleiner als das Volumen von Brennstoff, der an die Anodeneinlasssammelleitung strömt. Daher existiert eine Differenz des Volumenstroms zwischen der Anodeneinlasssammelleitung und der Anodenaustragssammelleitung. Da sich die Länge der Einlassströmungskanäle 66 von der der Auslassströmungskanäle 68, die mit denselben verzweigten Kanälen 70 in Verbindung stehen, unterscheidet, resultiert die Differenz zwischen dem Volumenstrom an der Anodeneinlasssammelleitung und der Anodenaustragssammelleitung in einem höheren Druckabfall in den Einlassströmungskanälen 66 und einem geringeren Druckabfall in den Auslassströmungskanälen 68. Dies resultiert in einer ungleichmäßigen Verteilung von Brennstoff zwischen jedem der einzelnen Strömungskanäle 66, 70, 68 über das Strömungsfeld 60 hinweg. Folglich besitzen einige Bereiche des Strömungsfeldes 60 höhere Strömungen von Brennstoff als andere Bereiche des Strömungsfeldes 60. Diese ungleichmäßige Verteilung von Brennstoff in dem Strömungsfeld 60 ist unerwünscht, da eine Anodenstöchiometrieverteilung beeinflusst ist. 3 ist ein Schaubild 72, das ein Anodenstöchiometrieprofil für das Strömungsfeld 60 von 1 zeigt.
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4 zeigt ein Strömungsfeld 80 einer Anodenplatte (nicht gezeigt) gemäß dem Stand der Technik. Das Strömungsfeld 80 umfasst ein Einlasszufuhrgebiet 82 und ein Auslasszufuhrgebiet 84. Eine Vielzahl von Einlassströmungskanälen 86 ist in dem Einlasszufuhrgebiet 82 ausgebildet, und eine Vielzahl von Auslassströmungskanälen 88 ist in dem Auslasszufuhrgebiet 84 ausgebildet. Die Einlassströmungskanäle 86 stehen in Verbindung mit einer Anodeneinlasssammelleitung (nicht gezeigt), und die Auslassströmungskanäle 88 stehen in Verbindung mit einer Anodenaustragssammelleitung (nicht gezeigt). Jeder der Einlassströmungskanäle 86 und der Auslassströmungskanäle 88 steht in Verbindung mit einem Zwischenströmungskanal 90. Die Strömungskanäle 86, 88, 90 sind derart ausgebildet, um einen Strömungspfad von einer Quelle eines Anodengases oder Brennstoffes (nicht gezeigt) zu der Austragssammelleitung vorzusehen, wie durch die Pfeile I, E angegeben ist. Ein aktives Gebiet S ist durch den schattierten Bereich des Strömungsfeldes 80 dargestellt. Das Einlasszufuhrgebiet 82 und das Auslasszufuhrgebiet 84 sind außerhalb des aktiven Gebietes S angeordnet und sind nicht aktiv. Typischerweise brauchen, wenn das Einlasszufuhrgebiet 82 und das Auslasszufuhrgebiet 84 inaktiv sind, die Diffusionsmedien diesen Gebieten nicht hinzugefügt werden, um ein Ineinandersetzen von Plattenhälften zu ermöglichen und damit die Gesamtstapelgröße der Brennstoffzelle zu reduzieren.
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Im Betrieb wird bewirkt, dass der Brennstoff von der Brennstoffquelle in das Strömungsfeld 80 durch die Einlassströmungskanäle 86 strömt. Der Brennstoff strömt dann durch die Zwischenkanäle 90 und durch die Auslassströmungskanäle 88.
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Wie es in der Technik gut bekannt ist, strömt der Brennstoff durch die Kanäle 90 in dem aktiven Gebiet S des Strömungsfeldes 80 und wird verbraucht. Wie oben für 2 beschrieben ist, ist das Volumen von Brennstoff, der aus der Anodenaustragssammelleitung strömt, kleiner als das Volumen von Brennstoff, der an die Anodeneinlasssammelleitung strömt, und es ist eine Differenz im Volumenstrom zwischen der Anodeneinlasssammelleitung und der Anodenaustragssammelleitung vorhanden. Zusätzlich sind sowohl die Längen jedes der Einlassströmungskanäle 86 als auch die Längen jedes der Auslassströmungskanäle 88 verschieden. Aufgrund der Differenz der Länge der Einlassströmungskanäle 86 und der Auslassströmungskanäle 88 wie auch der Differenz zwischen dem Volumenstrom an der Anodeneinlasssammelleitung und der Anodenaustragssammelleitung existiert eine Differenz des Druckverlustes zwischen den Einlassströmungskanälen 86 und den Auslassströmungskanälen 88. Somit existiert eine ungleichmäßige Verteilung von Brennstoff zwischen jedem der einzelnen Strömungskanäle 86, 90, 88 über das Strömungsfeld 80 hinweg. Als Ergebnis dessen besitzen einige Bereiche des Strömungsfeldes 80 höhere Strömungen von Brennstoff, als andere Bereiche des Strömungsfeldes 80.
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5 zeigt ein Strömungsfeld 100 einer Anodenplatte (nicht gezeigt) gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Strömungsfeld 100 umfasst ein Einlasszufuhrgebiet 102 und ein Auslasszufuhrgebiet 104. Eine Vielzahl von Einlassströmungskanälen 106 ist in dem Einlasszufuhrgebiet 102 ausgebildet, und eine Vielzahl von Auslassströmungskanälen 108 ist in dem Auslasszufuhrgebiet 104 ausgebildet. Die Einlassströmungskanäle 106 stehen in Verbindung mit einer Anodeneinlasssammelleitung (nicht gezeigt), und die Auslassströmungskanäle 108 stehen in Verbindung mit einer Anodenaustragssammelleitung (nicht gezeigt).
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Jeder der Einlassströmungskanäle 106 und der Auslassströmungskanäle 108 steht in Verbindung mit Zwischenströmungskanälen 110. Bei der gezeigten Ausführungsform stehen die Einlassströmungskanäle 106 und die Auslassströmungskanäle 108 mit mehreren verzweigten Zwischenströmungskanälen 110 zwischen zwei und acht in Verbindung. Es sei zu verstehen, dass die Einlassströmungskanäle 106 und die Auslassströmungskanäle 108 gegebenenfalls mit mehr oder weniger Zwischenströmungskanälen 110 in Verbindung stehen können. Die Strömungskanäle 106, 108, 110 sind derart ausgebildet, um einen Strömungspfad von einer Quelle eines Anodengases oder Brennstoffes (nicht gezeigt) zu der Austragssammelleitung vorzusehen, wie durch die Pfeile I, E angegeben ist. Ein aktives Gebiet S ist durch den schattierten Bereich des Strömungsfeldes 100 dargestellt und umgibt das Einlassgebiet 106 und das Auslassgebiet 108. Das aktive Gebiet S umfasst ein Diffusionsmedium benachbart diesen Gebieten. Es sei zu verstehen, dass das Einlassgebiet 106 und das Auslassgebiet 108 außerhalb des aktiven Gebietes S angeordnet sein können, wie hier für andere Ausführungsformen der Erfindung beschrieben ist.
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Im Betrieb wird bewirkt, dass der Brennstoff von der Quelle für Brennstoff in das Strömungsfeld 100 durch die Einlassströmungskanäle 106 strömt. Der Brennstoff strömt dann durch die Zwischenkanäle 110 und durch die Auslassströmungskanäle 108. Wenn der Brennstoff durch die Kanäle 106, 110, 108 in dem aktiven Gebiet S strömt, wird der Brennstoff verbraucht. Um die Differenzen des Volumens von durch die Anodeneinlasssammelleitung und die Anodenaustragssammelleitung strömendem Brennstoff aufgrund des Verbrauchs des Brennstoffs zu kompensieren, wird die Anzahl von Zwischenströmungskanälen 110 in Verbindung mit jedem der Einlassströmungskanäle 106 und jedem der Auslassströmungskanäle 108 gesteuert.
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In dem Einlasszufuhrgebiet 102 ist der Volumenstrom hoch. Somit steht, wenn der Einlassströmungskanal 106 relativ kurz ist, eine größere Anzahl von Zwischenströmungskanälen 110 damit in Verbindung. Wenn der Einlassströmungskanal 106 relativ lang ist, steht eine kleinere Anzahl von Zwischenströmungskanälen 110 in Verbindung damit. In dem Auslasszufuhrgebiet 104 ist der Volumenstrom gering. Somit steht, wenn der Auslassströmungskanal 108 relativ kurz ist, eine größere Anzahl von Zwischenströmungskanälen 110 in Verbindung damit. Wenn der Auslassströmungskanal 108 relativ lang ist, steht eine kleinere Anzahl von Zwischenströmungskanälen 110 in Verbindung damit. Dies gleicht den Druckabfall und daher die Strömung über jeden der Einlassströmungskanäle 106, der Zwischenströmungskanäle 110 und der Auslassströmungskanäle 108 aus, wodurch eine Anodenstöchiometrieverteilung für die Brennstoffzelle optimiert wird.
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Um das korrekte Gleichgewicht zu bestimmen, kann Gleichung 1 verwendet werden:
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C ist eine Konstante, μ ist die Viskosität, L ist eine Länge des Kanals, vol ist der Volumenstrom, Dh ist der hydraulische Durchmesser des Kanals und A ist die Kanalquerschnittsfläche. Diese Gleichung kann auch dazu verwendet werden, den gleichen Druckabfall zwischen Zufuhrkanälen zu erhalten, die mit verschiedenen ganzzahligen Anzahlen von nicht verzweigten Kanälen oder Kanälen des aktiven Bereichs verbunden sind. Als ein Beispiel erfordern, wenn die Einlassströmungskanäle 106 oder die Auslassströmungskanäle 108 verschiedene Längen besitzen, die längeren Kanäle eine proportional kleinere Strömung. Daher würde der Volumenstrom, der pro Kanal gemäß Gleichung 1 erforderlich ist, invers proportional zu der Länge der Kanäle eingestellt. Demgemäß können weniger Kanäle pro Zufuhrkanal für die längeren Kanäle beliefert werden. Es sei zu verstehen, dass die Länge eines Zufuhrkanals dadurch erhöht werden könnte, dass ein nicht direkter Pfad vorgesehen wird, um eine gewünschte Zufuhrkanallänge zu erreichen. Es sei auch zu verstehen, dass, obwohl die Konfiguration der Anodeneinlasszufuhrkanäle und der Anodenauslasszufuhrkanäle auch auf die Kathodenzufuhrkanäle angewendet werden kann, dies typischerweise nicht notwendig ist. Das Volumen der Luft, die für das Kathodenreaktandengas verwendet wird, ändert sich nicht so stark wie das des Wasserstoffbrennstoffs, da, obwohl der Sauerstoff aus der Luft verbraucht wird, der größte Teil der Luft, die verwendet wird, nicht reagierender Stickstoff ist.
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6 zeigt ein Strömungsfeld 120 einer Anodenplatte (nicht gezeigt) gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Das Strömungsfeld 120 umfasst ein Einlasszufuhrgebiet 122 und ein Auslasszufuhrgebiet 124. Eine Vielzahl von Einlassströmungskanälen 126 ist in dem Einlasszufuhrgebiet 122 ausgebildet, und eine Vielzahl von Auslassströmungskanälen 128 ist in dem Auslasszufuhrgebiet 124 ausgebildet. Die Einlassströmungskanäle 126 stehen in Verbindung mit einer Anodeneinlasssammelleitung (nicht gezeigt), und die Auslassströmungskanäle 128 stehen in Verbindung mit einer Anodenaustragssammelleitung (nicht gezeigt).
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Jeder der Einlassströmungskanäle 126 und der Auslassströmungskanäle 128 steht mit Zwischenströmungskanälen 130 in Verbindung. Bei der gezeigten Ausführungsform stehen die Einlassströmungskanäle 126 und die Auslassströmungskanäle 128 mit mehreren verzweigten Zwischenströmungskanälen 130 zwischen zwei und acht in Verbindung. Es sei zu verstehen, dass die Einlassströmungskanäle 126 und die Auslassströmungskanäle 128 gegebenenfalls mit mehr oder weniger Zwischenströmungskanälen 130 in Verbindung stehen können. Die Strömungskanäle 126, 128, 130 sind derart ausgebildet, um einen Strömungspfad von einer Quelle eines Anodengases oder Brennstoffs (nicht gezeigt) an die Austragssammelleitung vorzusehen, wie durch die Pfeile I, E angegeben ist. Ein aktives Gebiet S ist durch den schattierten Bereich des Strömungsfeldes 120 dargestellt. Das Einlasszufuhrgebiet 122 und das Auslasszufuhrgebiet 124 sind außerhalb des aktiven Gebietes S angeordnet und sind nicht aktiv. Das aktive Gebiet S umfasst ein Diffusionsmedium benachbart dazu. Typischerweise brauchen, wenn das Einlasszufuhrgebiet 122 und das Auslasszufuhrgebiet 124 inaktiv sind, die Diffusionsmedien diesen Gebieten nicht hinzugefügt werden, um ein Ineinandersetzen der Plattenhälften zu ermöglichen und damit die Gesamtstapelgröße der Brennstoffzelle zu reduzieren.
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Im Betrieb wird bewirkt, dass der Brennstoff von der Brennstoffquelle in das Strömungsfeld 120 durch die Einlassströmungskanäle 126 strömt. Der Brennstoff strömt dann durch die Zwischenkanäle 130 und die Auslassströmungskanäle 128. Wenn der Brennstoff durch die Zwischenströmungskanäle 130 in dem aktiven Gebiet S strömt, wird der Brennstoff verbraucht. Um die Unterschiede des Volumens von Brennstoff, der durch die Anodeneinlasssammelleitung und die Anodenaustragssammelleitung strömt, aufgrund des Verbrauchs des Brennstoffs zu kompensieren, wird die Anzahl von Zwischenströmungskanälen 130 in Verbindung mit jedem der Einlassströmungskanäle 126 und jedem der Auslassströmungskanäle 128 gesteuert.
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In dem Einlasszufuhrgebiet 122 ist der Volumenstrom hoch. Somit steht, wenn der Einlassströmungskanal 126 relativ kurz ist, eine größere Anzahl von Zwischenströmungskanälen 130 in Verbindung damit. Wenn der Einlassströmungskanal 126 relativ lang ist, steht eine kleinere Anzahl von Zwischenströmungskanälen 130 in Verbindung damit. In dem Auslasszufuhrgebiet 124 ist der Volumenstrom niedrig. Somit steht, wenn der Auslassströmungskanal 128 relativ kurz ist, eine größere Anzahl von Zwischenströmungskanälen 130 in Verbindung damit. Wenn der Auslassströmungskanal 128 relativ lang ist, steht eine kleinere Anzahl von Zwischenströmungskanälen 130 in Verbindung damit. Dies gleicht den Druckabfall und daher die Strömung über jeden der Einlassströmungskanäle 126, der Zwischenströmungskanäle 130 und der Auslassströmungskanäle 128 aus, wodurch eine Anodenstöchiometrieverteilung für die Brennstoffzelle optimiert wird.
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In 7 ist ein Strömungsfeld 140 einer Anodenplatte (nicht gezeigt) gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Das Strömungsfeld 140 umfasst ein Einlasszufuhrgebiet 142 und ein Auslasszufuhrgebiet 144. Eine Vielzahl von Einlassströmungskanälen 146 ist in dem Einlasszufuhrgebiet 142 ausgebildet, und eine Vielzahl von Auslassströmungskanälen 148 ist in dem Auslasszufuhrgebiet 144 ausgebildet. Die Einlassströmungskanäle 146 stehen in Verbindung mit einer Anodeneinlasssammelleitung (nicht gezeigt), und die Auslassströmungskanäle 148 stehen in Verbindung mit einer Anodenaustragssammelleitung (nicht gezeigt).
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Jeder der Einlassströmungskanäle 146 und der Auslassströmungskanäle 148 steht in Verbindung mit Zwischenströmungskanälen 150. Wie gezeigt ist, stehen die Einlassströmungskanäle 146 und die Auslassströmungskanäle 148 mit mehreren verzweigten Zwischenströmungskanälen 150 zwischen zwei und neun in Verbindung. Es sei zu verstehen, dass die Einlassströmungskanäle 146 und die Auslassströmungskanäle 148 gegebenenfalls mit mehr oder weniger Zwischenströmungskanälen 150 in Verbindung stehen können. Die Strömungskanäle 146, 148, 150 sind derart ausgebildet, um einen Strömungspfad von einer Quelle eines Anodengases oder Brennstoffes (nicht gezeigt) an die Austragssammelleitung vorzusehen, wie durch die Pfeile I, E angegeben ist. Ein aktives Gebiet S ist durch den schattierten Bereich des Strömungsfeldes 140 dargestellt und umschließt das Einlassgebiet 146 und das Auslassgebiet 148. Das aktive Gebiet S umfasst ein Diffusionsmedium benachbart diesen Gebieten. Es sei zu verstehen, dass das Einlassgebiet 146 und das Auslassgebiet 148 außerhalb des aktiven Gebietes S angeordnet sein können, wie hier vorher beschrieben ist.
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Im Betrieb wird bewirkt, dass der Brennstoff in das Strömungsfeld 140 durch die Einlassströmungskanäle 146 von der Brennstoffquelle strömt. Der Brennstoff strömt dann durch die Zwischenkanäle 150 und die Auslassströmungskanäle 148. Wenn der Brennstoff durch die Kanäle 146, 150, 148 in dem aktiven Gebiet S strömt, wird der Brennstoff verbraucht. Um die Unterschiede des Volumens des Brennstoffs, der durch die Anodeneinlasssammelleitung und die Anodenaustragssammelleitung strömt, aufgrund des Verbrauchs des Brennstoffs zu kompensieren, ist die Anzahl von Zwischenströmungskanälen 150 in Verbindung mit jedem der Einlassströmungskanäle 146 und jedem der Auslassströmungskanäle 148 gesteuert.
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In dem Einlasszufuhrgebiet 142 ist der Volumenstrom hoch. Somit steht, wenn der Einlassströmungskanal 146 relativ kurz ist, eine größere Anzahl von Zwischenströmungskanälen 150 in Verbindung damit. Wenn der Einlassströmungskanal 146 relativ lang ist, steht eine kleinere Anzahl von Zwischenströmungskanälen 150 in Verbindung damit. In dem Auslasszufuhrgebiet 144 ist der Volumenstrom niedrig. Somit steht, wenn der Auslassströmungskanal 148 relativ kurz ist, eine größere Anzahl von Zwischenströmungskanälen 150 in Verbindung damit. Wenn der Auslassströmungskanal 148 relativ lang ist, steht eine kleinere Anzahl von Zwischenströmungskanälen 150 in Verbindung damit. Dies gleicht den Druckabfall und daher die Strömung über jeden der Einlassströmungskanäle 146, der Zwischenströmungskanäle 150 und der Auslassströmungskanäle 148 aus, wodurch eine Anodenstöchiometrieverteilung für die Brennstoffzelle optimiert wird. Für die in 7 gezeigte Orientierung des Einlasszufuhrgebietes 142 und des Auslasszufuhrgebietes 144 besitzen die Zwischenströmungskanäle 150 verschiedene Längen. Die zusätzliche Strömung, die für die längeren Zwischenströmungskanäle 150 erforderlich ist, wird durch Verwendung von Gleichung 1 berücksichtigt, um den gewünschten Druckabfall für jeden Zufuhrkanal zu bestimmen, um die Strömung auszugleichen.
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Es sei zu verstehen, dass die Größe (der hydraulische Durchmesser oder die Fläche) der Zufuhrkanäle gemäß der Gleichung 1 für jede der hier beschriebenen Ausführungsformen eingestellt werden kann, um das gewünschte Gleichgewicht zwischen Zufuhrkanälen zu erreichen. Beispielsweise kann bei der in 7 gezeigten Ausführungsform eine Gruppe von Strömungskanälen 146, 148 mit derselben ganzzahligen Anzahl von Zwischenströmungskanälen 150 verbunden sein, da die Strömungskanäle verschiedene Längen besitzen. Die Größe der längeren Strömungskanäle 146, 148 dieser Gruppe ist im Vergleich zu den kürzeren Strömungskanälen 146, 148 dieser Gruppe erhöht. Auch kann, wenn die Strömungskanäle 146, 148 mit einer ganzzahligen Anzahl von Zwischenkanälen verbunden sind, eine gewisse Einstellung der Größen des Strömungskanals 146, 148 verwendet werden, um auf denselben Druckabfall wie andere Strömungskanäle 146, 148 einzustellen.