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Die
Erfindung betrifft Brennstoffzellenanordnungen, die Wärmetauscher
enthalten, um eines oder beide der Anoden- und Kathoden-Reaktanzgase
aufzubereiten, und betrifft spezifischer Brennstoffzellenanordnungen,
bei welchen die Wärmetauscher zur
Reaktionspartneraufbereitung strukturell und funktionell mit dem
Brennstoffzellenstapel integriert sind.
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Brennstoffzellen
sind typischerweise in der Form von Stapeln von Platten, die zwischen
ein Paar von Endplatten eingelegt sind. In einer typischen Brennstoffzelle
wird Wasserstoff oder ein wasserstoffreicher Gasstrom zu der Brennstoffzellenanode zugeführt oder
wird Luft zu der Brennstoffzellenkathode zugeführt. Bevor sie zu dem Brennstoffzellenstapel
eingeführt
werden, werden diese Reaktionspartner vorzugsweise durch einen oder
mehrere Wärmetauscher
auf die Betriebstemperatur der Brennstoffzellen abgekühlt oder
aufgeheizt. Die Wärmetauscher
und der Brennstoffzellenstapel sind typischerweise separate Komponenten,
die durch Rohrleitungen miteinander verbunden sind. Die Verwendung
von separat ausgebildeten Wärmetauschern kann
dort problematisch sein, wo ein Platz beschränkt ist, und kann das Brennstoffzellensystem komplizierter
machen und seine Kosten erhöhen.
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Der
Brennstoffzellenstapel muss innerhalb eines engen Temperaturbereichs
gehalten werden, um effizient zu arbeiten. Die Endplatten sind jedoch in
Kontakt mit sowohl der Außenumgebung
als auch mit den Brennstoffzellenplatten an dem obersten Ende und
dem untersten Ende des Brennstoffzellenstapels. Somit können die
Brennstoffzellenplatten, die im Nahbereich zu den Endplatten sind,
auf einer Temperatur sein, die unterschiedlich von der optimalen
Temperatur der zentralen Teilbereiche des Stapels ist, was in verlorener
Effizienz resultiert.
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Die
Erfindung stellt eine Brennstoffzellenanordnung zur Verfügung, die
einen Brennstoffzellenstapel und einen ersten Wärmetauscher aufweist, wobei
ein erster gasförmiger
Reaktionspartner und ein zweiter gasförmiger Reaktionspartner in
dem Brennstoffzellenstapel einer Reaktion unterzogen werden, um
elektrische Energie zu erzeugen und um ein erstes Abgas und ein
zweites Abgas zu erzeugen. Die Brennstoffzellenanordnung besteht
aus einer Vielzahl von Platten mit einer ersten Plattenwand und einer
gegenüberliegenden
zweiten Plattenwand, die voneinander beabstandet sind, um einen
hohlen Innenraum zu definieren. Jede der Platten hat drei Paare
von Einlass- und Auslassöffnungen,
einschließlich einer
Kühlmittel-Einlassöffnung und
einer Kühlmittel-Auslassöffnung,
die über
einen im hohlen Innenraum der Platte vorgesehenen Kühlmittelflussdurchgang
in Durchflusskommunikation miteinander stehen.
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Der
Brennstoffzellenstapel weist einen ersten Stapel der Platten auf,
wobei die Einlass- und Auslassöffnungen
weiterhin eine erste Reaktanzgas-Einlassöffnung,
eine erste Abgas-Auslassöffnung,
eine zweite Reaktanzgas-Einlassöffnung und eine
zweite Abgas-Auslassöffnung
enthalten. Die Platten sind in dem ersten Stapel mit ihren Einlass- und
Auslassöffnungen
ausgerichtet angeordnet, um eine Vielzahl von entsprechenden, sich
axial erstreckenden Rohrverzweigungen bzw. Verteilern auszubilden,
einschließlich
eines ersten Reaktanzgas-Einlassverteilers, eines ersten Abgas-Auslassverteilers, eines
zweiten Reaktanzgas-Einlassverteilers, eines zweiten Abgas-Auslassverteilers,
eines Kühlmittel-Einlassverteilers
und eines Kühlmittel-Auslassverteilers.
Benachbarte Paare der Platten im ersten Stapel sind um ihre Peripherien
mit zwischen den benachbarten Platten vorgesehenen elektrolytischen Membranen
gegenseitig abgedichtet, so dass ein erster Gasflussdurchgang zwischen
einer Außenfläche der
ersten Plattenwand jeder Platte und einer der Membrane definiert
wird und ein zweiter Gasflussdurchgang zwischen einer Außenfläche der
zweiten Plattenwand jeder Platte und einer anderen der Membrane
definiert wird, so dass der erste Reaktanzgas-Einlassverteiler und
der erste Abgas-Auslassverteiler über die
ersten Gasflussdurchgänge
in Durchflusskommunikation miteinander stehen und der zweite Reaktanzgas-Einlassverteiler
und der zweite Abgas-Auslassverteiler über die zweiten Gasflussdurchgänge in Durchflusskommunikation
miteinander stehen und so dass die ersten und zweiten Gasflussdurchgänge durch
den gesamten ersten Stapel hindurch über die elektrolytischen Membrane in
Reaktionskommunikation miteinander stehen.
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Der
erste Wärmetauscher
ist an einem ersten Ende des Brennstoffzellenstapels angeordnet und
weist einen zweiten Stapel der Platten und ein Paar von Endplatten
auf. Im zweiten Stapel der Platten enthalten die Einlass- und Auslassöffnungen
weiterhin eine erste Reaktanzgas-Einlassöffnung, eine erste Reaktanzgas-Auslassöffnung,
eine Abgas-Einlassöffnung
und eine Abgas-Auslassöffnung für entweder
das erste oder das zweite Abgas. Die Platten sind in dem zweiten
Stapel mit ihren Einlass- und Auslassöffnungen ausgerichtet angeordnet,
um eine Vielzahl von entsprechenden, sich axial erstreckenden Rohrverzweigungen
bzw. Verteilern auszubilden, einschließlich eines ersten Reaktanzgas-Einlassverteilers,
eines ersten Reaktanzgas-Auslassverteilers, eines Abgas-Einlassverteilers,
eines Abgas-Auslassverteilers, eines Kühlmittel-Einlassverteilers und eines Kühlmittel-Auslassverteilers.
Benachbarte Paare der Platten im zweiten Stapel sind um ihre Peripherien
mit zwischen den benachbarten Platten vorgesehenen wärmedurchlässigen Abtrennungen
gegenseitig abgedichtet, wobei ein erster Gasflussdurchgang zwischen
einer Außenfläche der
ersten Plattenwand jeder Platte und einer der Abtrennungen definiert
wird und ein zweiter Gasflussdurchgang zwischen einer Außenfläche der
zweiten Plattenwand jeder Platte und einer anderen der Abtrennungen
definiert wird, so dass die ersten Reaktanzgas-Einlass- und Auslassverteiler über die
ersten Gasflussdurchgänge
in Durchflusskommunikation miteinander sind und die Abgas-Einlass-
und Auslassöffnungen über die
zweiten Gasflussdurchgänge
in Durchflusskommunikation miteinander sind und so dass die ersten
und zweiten Gasflussdurchgänge
durch den gesamten zweiten Stapel über die Abtrennungen in Wärmeübertragungskommunikation
miteinander stehen.
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Die äußere Endplatte
ist an einem äußeren Ende
des zweiten Stapels entfernt von dem ersten Stapel vorgesehen und
hat eine erste Reaktanzgas-Öffnung
in Durchflusskommunikation mit dem ersten Reaktanzgas-Einlassverteiler
des zweiten Stapels, eine Abgas-Öffnung
in Durchflusskommunikation mit dem Abgas-Auslassverteiler des zweiten Stapels
und eine Kühlmittel-Öffnung in
Durchflusskommunikation mit entweder dem Kühlmittel-Einlassverteiler oder
dem Kühlmittel-Auslassverteiler
des zweiten Stapels, wobei die äußere Endplatte
ein äußeres Ende
jedes des Abgas-Einlassverteilers, des ersten Reaktanzgas-Auslassverteilers
und eines anderen der Kühlmittel-Verteiler
des zweiten Stapels abdichtet.
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Die
innere Endplatte ist an einem inneren Ende des zweiten Stapels vorgesehen
und ist zwischen dem ersten und dem zweiten Stapel angeordnet. Die
innere Endplatte hat eine erste Reaktanzgas-Öffnung, die eine Durchflusskommunikation
zwischen dem ersten Reaktanzgas-Auslassverteiler des zweiten Stapels
und dem ersten Reaktanzgas-Einlassverteiler des ersten Stapels zur
Verfügung
stellt, eine Abgas-Öffnung,
die eine Durchflusskommunikation zwischen dem Abgas-Einlassverteiler
des zweiten Stapels und entweder dem ersten oder dem zweiten Abgas-Auslassverteiler
des ersten Stapels zur Verfügung
stellt, und eine Kühlmittel-Öffnung,
die eine Durchflusskommunikation entweder zwischen dem Kühlmittel-Einlassverteiler
des ersten Stapels und dem Kühlmittel-Auslassverteiler
des zweiten Stapels oder zwischen dem Kühlmittel-Auslassverteiler des ersten Stapels
und dem Kühlmittel-Einlassverteiler
des zweiten Stapels zur Verfügung
stellt. Dabei dichtet die innere Endplatte ein inneres Ende von jedem
des Abgas-Auslassverteilers, des ersten Reaktanzgas-Einlassverteilers
und eines der Kühlmittel-Verteiler
des zweiten Stapels ab.
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Die
Erfindung wird nun, nur anhand eines Beispiels, unter Bezugnahme
auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben werden, wobei:
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1 eine
perspektivische Draufsicht auf eine Brennstoffzellenplatte zur Verwendung
bei der vorliegenden Erfindung ist;
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2 ein
Querschnitt entlang der Linie H-H der 1 ist;
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3 ein
Querschnitt entlang der Linie C-C der 1 ist;
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4 ein
Querschnitt entlang der Linie O-O der 1 ist;
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5 eine
auseinander gezogene perspektivische Ansicht, teilweise im Querschnitt,
ist, die einen Teilbereich eines Stapels von Platten zur Verwendung
bei der vorliegenden Erfindung zeigt;
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6 eine
schematische, vereinfachte Ansicht einer Brennstoffzellenplatte
zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung ist;
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7 eine
schematische, auseinander gezogene Ansicht einer Brennstoffzellenanordnung
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, einschließlich eines Paars von Wärmetauschern
zur Reaktionspartneraufbereitung, ist;
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8 eine
schematische, perspektivische Ansicht der Brennstoffzellenanordnung
der 7, gezeigt in ihrem zusammengebauten Zustand,
ist;
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9 ein
Querschnitt durch die Brennstoffzellenanordnung der 7 ist,
der den Anodengas-(Wasserstoff-)Flusspfad darstellt;
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10 ein
Querschnitt durch die Brennstoffzellenanordnung der 7 ist,
der den Kathodengas-(Sauerstoff-)Flusspfad zeigt;
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11 ein
Querschnitt durch die Brennstoffzellenanordnung der 7 ist,
der den Kühlmittel-Flusspfad
zeigt;
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12 eine
schematische, auseinander gezogene Ansicht einer Brennstoffzellenanordnung
gemäß einer
Variante des ersten Ausführungsbeispiels ist;
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13 eine
schematische, auseinander gezogene Ansicht einer Brennstoffzellenanordnung
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist;
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14 ein
Querschnitt durch die Brennstoffzellenanordnung der 13 ist,
der den Kathodengas-(Sauerstoff-)Flusspfad darstellt;
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15 ein
Querschnitt durch die Brennstoffzellenanordnung der 13 ist,
der den Kühlmittel-Flusspfad
zeigt;
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16 ein
Querschnitt durch die Brennstoffzellenanordnung der 13 ist,
der den Anodengas-(Wasserstoff-)Flusspfad zeigt;
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17 eine
schematische, auseinander gezogene Ansicht einer Brennstoffzellenanordnung
gemäß einer
ersten Variante des zweiten Ausführungsbeispiels
ist;
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18 eine
schematische, auseinander gezogene Ansicht einer Brennstoffzellenanordnung
gemäß einer
zweiten Variante des zweiten Ausführungsbeispiels ist;
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19 eine
Vergrößerung der
dritten Kühlmittel-Ablenkplatte
und der zweiten Zwischenplatte bei dem Ausführungsbeispiel der 13 ist;
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20 ein
Längsquerschnitt
entlang der Linie 20-20' der 19 ist;
und
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21 ein
transversaler Querschnitt entlang der Linie 21-21' der 19 ist.
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Es
folgt nun eine detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.
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Brennstoffzellenanordnungen
gemäß der Erfindung
weisen einen Brennstoffzeilenstapel und wenigstens einen strukturell
und funktionell mit dem Brennstoffzellenstapel integrierten Wärmetauscher zur
Reaktionspartneraufbereitung auf. Ein erstes Reaktanzgas und ein
zweites Reaktanzgas werden in dem Brennstoffzellenstapel einer Reaktion
unterzogen, um elektrische Energie zu erzeugen. Die Reaktion der
Gase erzeugt als Nebenprodukte auch Abwärme, Wasser und Abgase. Jeder
Wärmetauscher zur
Reaktionspartneraufbereitung transferiert Wärme zwischen einem heißen Abgas,
einem relativ kühlen Reaktanzgas
und einem flüssigen
Kühlmittel.
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Eines
der Gase, das durch die Brennstoffzellenanordnung fließt, ist
das Anodengas, das hierin auch allgemein das Wasserstoff enthaltende
Gas oder, in den Zeichnungen, einfach H2 genannt
wird. Das Anodengas, das in die Brennstoffzellenanordnung eintritt,
ist relativ reich an Wasserstoff und wird hierin Reaktanzgas der
Anode genannt. Das Anodengas wird bezüglich Wasserstoff teilweise
abgereichert, wenn es durch den Brennstoffzellenstapel fließt, und
das Anodengas in seinem abgereicherten Zustand wird hierin Anodenabgas
genannt.
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Das
andere Gas, das durch die Brennstoffzellenanordnung fließt, ist
das Kathodengas, das hierin auch allgemein Sauerstoff enthaltendes
Gas oder, in den Zeichnungen, einfach O2 genannt
wird. Das Kathodengas, das in die Brennstoffzellenanordnung eintritt,
ist relativ reich an Sauerstoff und wird hierin Reaktanzgas der
Kathode genannt. Das Kathodengas wird bezüglich Sauerstoff teilweise
abgereichert, wenn es durch den Brennstoffzellenstapel fließt, und
das Kathodengas in seinem abgereicherten Zustand wird hierin Kathodenabgas
genannt. Es wird erkannt werden, dass das Reaktanzgas der Kathode
vorzugsweise Luft aufweisen kann.
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Das
flüssige
Kühlmittel
kann vorzugsweise entionisiertes Wasser aufweisen, optional in Kombination
mit einem Glykol-Kühlmittel
oder einem Kühlmittel-Fluidöl. Wie es
erkannt werden wird, absorbiert das Kühlmittel durch die Reaktion
des Reaktanzgases der Anode und des Reaktanzgases der Kathode erzeugte
Wärme,
um dadurch erwärmt
zu werden, wenn es durch den Brennstoffzellenstapel fließt.
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Die
Brennstoffzellenanordnungen gemäß der Erfindung
bestehen aus einer Vielzahl von Brennstoffzellenplatten 10,
die nun unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 beschrieben
werden. Die Brennstoffzellenplatte 10 weist eine erste
Plattenwand 12 und eine gegenüberliegende zweite Plattenwand 14 auf,
die entlang einer Achse A voneinander beabstandet sind, um einen
hohlen Innenraum 16 zu definieren (2 bis 4).
Die Platte 10 hat drei Paare von Einlass- und Auslassöffnungen,
die nachfolgend in Zusammenhang mit einem Brennstoffzellenstapel 62 beschrieben
werden, der aus einem Stapel der Platten 10 aufgebaut ist.
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Jede
Platte 10 enthält
eine Anodenreaktanzgas-Einlassöffnung 18,
eine diagonal gegenüberliegende
Anodenabgas-Auslassöffnung 20,
eine Kathodenreaktanzgas-Einlassöffnung 22,
eine diagonal gegenüberliegende
Kathodenabgas-Auslassöffnung 24,
eine Kühlmittel-Einlassöffnung 26 und
eine direkt gegenü berliegende
Kühlmittel-Auslassöffnung 28. Obwohl
die Einlass- und Auslassöffnungen
für die Recktanz-
und Abgase bei den hierin beschriebenen Platten diagonal gegenüberliegend
sind, wird es erkannt werden, dass dies nicht wesentlich ist. Beispielsweise
können
die Platten so konfiguriert sein, dass Einlass- und Auslassöffnungen
direkt gegenüberliegend
zueinander sind und andere Typen von Anordnungen auch möglich sind.
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Die
Platte 10 definiert auch eine Vielzahl von Flussdurchgängen, von
welchen sich jeder zwischen einem Paar von Einlass- und Auslassöffnungen
erstreckt. Wie es in 3 gezeigt ist, stehen die Kühlmittel-Einlassöffnung 26 und
die Kühlmittel-Auslassöffnung 28 über einen
im hohlen Innenraum 16 der Platte 10 vorgesehenen
Kühlmittel-Flussdurchgang 30 in
Durchflusskommunikation miteinander. Gleichermaßen steht die Anodenreaktanzgas-Einlassöffnung 18 über einen
entlang einer Außenfläche 34 der ersten
Plattenwand 12 vorgesehenen Anodengas-Flussdurchgang 32 in
Durchflusskommunikation mit der Anodenabgas-Auslassöffnung 20.
Wie es in den Zeichnungen gezeigt ist, ist der Anodengas-Flussdurchgang 32 durch
eine Vielzahl von Nuten 36 definiert, die in der Außenfläche 34 der
ersten Plattenwand 12 ausgebildet sind, von welchen in 1 nur
einige gezeigt sind. Die Nuten 36 erstrecken sich zwischen
den diagonal gegenüberliegenden
Einlass- und Auslassöffnungen 18, 20.
Die Nuten 36 sind in einem zentralen Teilbereich der ersten Plattenwand 12 ausgebildet,
der von den Einlass- und Auslassöffnungen 18 und 20 beabstandet
ist, und stehen über
ein Paar von Kanälen 38, 40 mit
offenen Enden in Durchflusskommunikation mit den Öffnungen 18, 20.
Der Kanal 40 ist in 5 am besten
zu sehen.
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Der
Kanal 38 (der in den 1 und 2 am
besten zu sehen ist) stellt eine Durchflusskommunikation zwischen
der Anodenreaktanzgas-Einlassöffnung 18 und
den Nuten 36 über
einen in der axialen Seitenwand der Einlassöffnung 18 vorgesehenen engen
Schlitz und einen in der Außenfläche 34 der ersten
Plattenwand 12 vorgesehenen engen Schlitz zur Verfügung. Gleichermaßen erstreckt
sich der Kanal 40 zwischen der Anodenabgas-Auslassöffnung 20 und
den Nuten 36. Der Kanal 40 steht mit der Auslassöffnung 20 über einen
in der axialen Seitenwand der Öffnung 20 vorgesehenen
engen Schlitz und einen in der Außenfläche 34 der ersten
Plattenwand 12 vorgesehenen engen Schlitz in Kommunikationsverbindung.
Dies ist in den 2 und 5 am besten zu
sehen.
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Ein
Kathodengas-Flussdurchgang 42 ist an der Außenfläche 44 der
zweiten Plattenwand 14 vorgesehen und ist in den 4 und 5 am
besten zu sehen. Die Struktur des Kathodengas-Flussdurchgangs 42 ist
im Wesentlichen identisch zu der Struktur des oben beschriebenen
Anodengas-Flussdurchgangs 32. Insbesondere ist der Kathodengas-Flussdurchgang
aus einer Vielzahl von Nuten 46 aufgebaut, die in der Außenfläche 44 der
zweiten Plattenwand 14 ausgebildet sind und sich von der
Kathodenreaktanzgas-Einlassöffnung 22 über einem
zentralen Teilbereich der Außenfläche 44 zu
der diagonal gegenüberliegenden
Kathodenabgas-Auslassöffnung 24 erstrecken.
Ein Kanal 48 stellt eine Durchflusskommunikation zwischen
einer axialen Seitenwand der Einlassöffnung 22 und den
Nuten 46 zur Verfügung
und ein Kanal 50 stellt eine Durchflusskommunikation zwischen
einer axialen Seitenwand der Auslassöffnung 24 und den
Nuten 46 zur Verfügung.
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Wie
es in 1 gezeigt ist, ist die Außenfläche 34 der ersten
Plattenwand 12 mit einer elastischen bzw. federnden Dichtung 52 versehen,
die sich um die äußere Peripherie
der Platte 10 erstreckt und die Zwischenelemente 54 enthält, die
den zentralen Teilbereich der Platte von den Teilbereichen am Ende trennen,
in welchen die Einlass- und Auslassöffnungen vorgesehen sind, sowie
Zwischenelemente 56, die zwischen den benachbarten Einlass-
und Auslassöffnungen
angeordnet sind. Eine identische Dichtung 58 ist auch an
der Außenfläche 44 der
zweiten Plattenwand 14 vorgesehen. Es wird erkannt werden,
dass die Dichtungen 52, 58 nicht notwendigerweise
einen Teil der Platte 10 bilden. Vielmehr können sie
separat ausgebildet sein oder können
sie an den nachfolgend beschriebenen Abtrennungselementen 60 angebracht
sein, die zwischen benachbarten Platten 10 vorgesehen sind.
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Bei
den Brennstoffzellenanordnungen gemäß der Erfindung ist, wie es
in 5 gezeigt ist, eine Vielzahl von Platten 10 in
einem Brennstoffzellenstapel mit ihren Einlass- und Auslassöffnungen ausgerichtet
angeordnet, um eine Vielzahl von entsprechenden, sich axial erstreckenden
Verteilern auszubilden. Die Dichtungen 52, 58 stellen
Abdichtungen zwischen benachbarten Platten im Stapel zur Verfügung und
die Zwischenelemente 54, 56 der Dichtungen 52, 58 stellen
Abdichtungen zwischen benachbarten Verteilern zur Verfügung und
stellen auch Abdichtungen zwischen den Verteilern und den zentralen
Teilbereichen der Platte zur Verfügung, entlang welchen die Anoden-
und Kathodengase durch Durchgänge 32, 42 fließen.
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Eine
direkte Durchflusskommunikation zwischen dem Anodengas-Flussdurchgang 32 von
einer Platte 10 und dem Kathodengas-Flussdurchgang 42 einer
benachbarten Platte 10 wird durch ein Abtrennungselement 60 verhindert,
das zwischen den zentralen Teilbereichen der benachbarten Platten 10 aufgenommen
ist und zwischen den Dichtungen 58 der benachbarten Platten 10 abgedichtet
ist. 5 stellt zwischen benachbarten Platten 10 positionierte
Abtrennungselemente 60 dar.
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Das
erste Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 5 bis 11 weiter
beschrieben. Die Brennstoffzellenanordnung gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung enthält
eine Vielzahl von Stapeln, die aus Platten 10 aufgebaut
sind. Der Einfachheit halber lassen die 6 bis 11 mit
der Ausnahme der Einlass- und Auslassöffnungen 18, 20, 22, 24, 26 und 28 und
der entsprechenden Verteiler alle Details der Platten 10 weg.
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Wie
es in 7 gezeigt ist, enthält die Brennstoffzellenanordnung
einen Brennstoffzellenstapel 62, der eine erste Vielzahl
von Platten 10 umfasst. Die Identitäten der Einlass- und Auslassöffnungen
der Platten 10 im Brennstoffzellenstapel sind so, wie es
oben unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 beschrieben
ist. Um die Platten 10 des Brennstoffzellenstapels 62 von
anderen Platten der Brennstoffzellenanordnung zu unterscheiden,
sind sie in der folgenden Beschreibung und in den 6 bis 11 mit
dem Bezugszeichen 10a bezeichnet und sind ihre Öffnungen
mit 18a, 20a, 22a, 24a, 26a und 28a bezeichnet.
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Die
Platten 10a des Brennstoffzellenstapels 62 sind
mit ihren Einlass- und Auslassöffnungen
ausgerichtet gestapelt, um eine Vielzahl von entsprechenden, sich
axial erstreckenden Verteilern auszubilden. Demgemäß sind die
Anodenreaktanzgas-Einlassöffnungen 18a der
Platten 10a ausgerichtet, um einen entsprechenden Anodenreaktanzgas-Einlassverteiler 18a' auszubilden;
sind die Anodenabgas-Auslassöffnungen 20a ausgerichtet,
um einen entsprechenden Anodenabgas-Auslassverteiler 20a auszubilden;
sind die Kathodenreaktanzgas-Einlassöffnungen 22a ausgerichtet,
um einen entsprechenden Kathoden reaktanzgas-Einlassverteiler 22a' auszubilden;
sind die Kathodenabgas-Auslassöffnungen 24a ausgerichtet,
um einen entsprechenden Kathodenabgas-Auslassverteiler 24a' auszubilden;
sind die Kühlmittel-Einlassöffnungen 26a ausgerichtet, um
einen entsprechenden Kühlmittel-Einlassverteiler 26a' auszubilden;
und sind die Kühlmittel-Auslassöffnungen 28a ausgerichtet,
um einen entsprechenden Kühlmittel-Auslassverteiler 28a' auszubilden.
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Wie
es erkannt werden wird, sind der Anodenreaktanzgas-Einlassverteiler 18a' und der Anodenabgas-Auslassverteiler 20a über die
Vielzahl von Anodengas-Flussdurchgänge 32 der
gestapelten Platten 10a in Durchflusskommunikation miteinander;
sind der Kathodenreaktanzgas-Verteiler 22a' und der Kathodenabgas-Auslassverteiler 24a' über die
Vielzahl von Kathodengas-Flussdurchgängen 42 der Platten 10a in
Durchflusskommunikation miteinander; und sind die Kühlmittel-Einlass-
und -Auslassverteiler 26a', 28a' über die
Vielzahl von Kühlmittel-Flussdurchgängen 30 der
Platten 10a in Durchflusskommunikation miteinander.
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Bei
dem Brennstoffzellenstapel 62 sind die Abtrennungselemente 60,
die die Anoden- und Kathodengas-Flussdurchgänge 32, 42 trennen,
in der Form von elektrolytischen Membranen. Während eines Betriebs des Brennstoffzellenstapels
werden Protonen von Wasserstoff, der durch den Anodengas-Flussdurchgang 32 fließt, durch
die elektrolytische Membran zu dem Kathodengas-Flussdurchgang gezogen
und reagieren sie mit Sauerstoff, um Wasser zu erzeugen. Durch diese
Reaktion freigesetzte Elektronen laufen durch den externen Kreis, um
einen elektrischen Strom auszubilden. Die elektrolytische Membran
kann eine Membranelektrodenanordnung aufweisen, die eine Ionenaustauschmembran
aufweist, oder ein Festkörperpolymerelektrolyt, das
zwischen zwei Elektroden angeordnet ist, mit einer Schicht eines
Katalysators an den Membran/Elektroden-Schnittstellen, um die erwünschte elektrochemische
Reaktion zu induzieren.
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In
Betrieb treten das Anodenreaktanzgas und das Kathodenreaktanzgas
durch jeweilige Verteiler 18a', 22a' in den Brennstoffzellenstapel 62 ein und
fließen
durch die jeweiligen Anoden- und Kathodengas-Flussdurchgänge 32, 42.
Wenn sie durch die Durchgänge 32, 42 fließen, stehen
das Anodengas und das Kathodengas über die elektrolytischen Membrane,
die Abtrennungselemente 60 umfassen, in Reaktionskommunikation
miteinander. Der Wasserstoff und der Sauerstoff in den Reaktanzgasen
werden einer Reaktion unterzogen, um Elektrizität (Elektronen), Wasser und
Abwärme
zu erzeugen. Das Wasser ist in gasförmiger Form und ist in den
Anoden- und Kathodenabgasen vorhanden, die durch die Reaktion erzeugt
werden und die jeweils in den Anodenabgas-Auslassverteiler 20a' und den Kathodenabgas-Auslassverteiler 24a' eintreten.
Von den jeweiligen Verteilern 20a', 24a' aus verlassen die relativ heißen Abgase
den Brennstoffzellenstapel 62.
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Die
Brennstoffzellenanordnung gemäß dem ersten
bevorzugten Ausführungsbeispiel
weist weiterhin einen ersten Wärmetauscher
zur Reaktionspartneraufbereitung 64 auf, der bei dem ersten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ein Wärmetauscher zur
Anodenreaktanzgasaufbereitung zum Heizen und optionalen Befeuchten
des Wasserstoff enthaltenden Anodenreaktanzgases, bevor es in den
Anodenreaktanzgas-Einlassverteiler 18a' des Brennstoffzellenstapels 62 eintritt,
ist. Es wird jedoch erkannt werden, dass der erste Wärmetauscher 64 stattdessen
einen Wärmetauscher
zur Kathodenreaktanzgasaufbereitung zum Heizen und optionalen Befeuchten
des Kathodenreaktanzgases, bevor es in den Kathodenreaktanzgas-Einlassverteiler 22a' des Brennstoffzellenstapels 62 eintritt,
aufweisen kann.
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Der
erste Wärmetauscher 64 besteht
aus einem zweiten Stapel von Platten 10. Zum Unterscheiden
der Platten 10 des ersten Wärmetauschers 64 von
anderen Platten der Brennstoffzellenanordnung, sind sie in der folgenden
Beschreibung und in den Zeichnungen mit dem Bezugszeichen 10b bezeichnet.
Die Öffnungen
der Platten 10b sind mit 18b, 20b, 22b, 24b, 26b und 28b bezeichnet
und die entsprechenden Verteiler sind mit 18b', 20b', 22b', 24b', 26b' und 28b' bezeichnet.
Wie es nachfolgend vollständiger
erklärt
wird, unterscheidet sich die Benennung der Öffnungen und Verteiler der
Platten 10b des ersten Wärmetauschers 64 von
derjenigen der Platten 10a des Brennstoffzellenstapels 62.
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Der
erste Wärmetauscher 64 weist
auch ein Paar von Endplatten 68, 70 auf, zwischen
welchen der zweite Stapel 66 von Platten 10b eingelegt
ist. Die äußere Endplatte 68 ist
an einem äußeren Ende des
zweiten Stapels 66 von Platten 10 entfernt von dem
Brennstoffzellenstapel 62 vorgesehen und die innere Endplatte 70 ist
an einem inneren Ende des zweiten Stapels 66 zwischen dem zweiten
Stapel 66 und dem Brennstoffzellenstapel 62 vorgesehen.
Die äußere und
die innere Endplatte 68, 70 sind von den oben
beschriebenen Platten 10 sowohl bezüglich der Anzahl als auch der
Stelle der Einlass- und Auslassöffnungen
und auch bezüglich
der Struktur unterscheidbar. Spezifisch sind die Endplatten 68, 70 vorzugsweise
flache, offene Platten ohne innere oder äußere Flussdurchgänge, welche
Platten jeweils drei Öffnungen
haben, wie es nachfolgend weiter beschrieben wird. Die Endplatten 68, 70 haben
Umfänge,
die denjenigen der Platten 10a, 10b eng folgen, welche
den Brennstoffzellenstapel 62 und den ersten Wärmetauscher 64 bilden.
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Die
Platten 10b, die den ersten Wärmetauscher 64 ausbilden,
sind vorzugsweise bezüglich
der Struktur zu den oben beschriebenen Platten 10 und 10a identisch.
Jedoch aufgrund der Tatsache, dass der primäre Zweck des Wärmetauschers 64 im
Aufbereiten des Anodengases besteht, bevor es in den Brennstoffzellenstapel 62 eintritt,
unterscheiden sich die Funktionen der Öffnungen und der Verteiler
im ersten Wärmetauscher 64 etwas
von denjenigen des Brennstoffzellenstapels 62. Demgemäß unterscheiden
sich die Benennungen der verschiedenen Öffnungen, Verteiler und Flussdurchgänge der
Platten 10b im Stapel 66 etwas von den Platten 10a,
die den Brennstoffzellenstapel 62 bilden. Die Platten 10b und der
Stapel 66 des Wärmetauschers 64 enthalten
folgendes: Anodenreaktanzgas-Einlassöffnungen 20b und einen
entsprechenden Verteiler 20b',
die über eine
Vielzahl von Anodenreaktanzgas-Flussdurchgängen 32b (nicht
gezeigt) in Durchflusskommunikation mit Anodenreaktanzgas-Auslassöffnungen 18b und
einem entsprechenden Verteiler 18b' stehen; Kathodenabgas-Einlassöffnungen 24b und
ein entsprechender Verteiler 24b', die über eine Vielzahl von Kathodenabgas-Flussdurchgängen 42b (nicht
gezeigt) mit den Kathodenabgas-Auslassöffnungen 22b und einem
entsprechenden Verteiler 22b' in Durchflusskommunikation
stehen; und Kühlmittel-Einlassöffnungen 28b und
ein entsprechender Verteiler 28b, die über eine Vielzahl von internen Kühlmittel-Flussdurchgängen 30b (nicht
gezeigt) mit Kühlmittel-Auslassöffnungen 26b und
einem entsprechenden Verteiler 26b' in Durchflusskommunikation stehen.
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Der
zweite Stapel 66 von Platten 10 ist strukturell
identisch zu dem Brennstoffzellenstapel 62, außer dass
Abtrennungselemente 60 nicht in der Form von elektrolytischen
Membranen sind. Vielmehr weisen die Abtrennungselemente 60 vorzugsweise
wärmedurchlässige Abtrennungen
auf, die einen Wärmetransfer
von dem relativ heißen
Kathodenabgas, das durch die Durchgänge 42b fließt, und
dem relativen kühlen
Anodenreaktanzgas, das durch die Durchgänge 32b fließt, zulassen.
Die wärmedurchlässigen Abtrennungen
sind optional wasserdurchlässig,
um einen Transfer von Wasser von dem relativ feuchten Kathodenabgas
zu dem relativ trockenen Anodenreaktanzgas zu erlauben, um dadurch
eine Befeuchtung des Anodenreaktanzgases zur Verfügung zu
stellen.
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Wie
es oben angegeben ist, weisen die Endplatten 68, 70 des
ersten Wärmetauschers 64 einfache
offene Platten mit Einlass- und Auslassöffnungen auf, die sich mit
ausgewählten
Einlass- und Auslassverteilern des zweiten Stapels 66 ausrichten.
Insbesondere lässt
die äußere Endplatte 68 zu,
dass das Anodenreaktanzgas in den Wärmetauscher 64 eintritt,
und hat daher eine Anodenreaktanzgas-Öffnung 72, die mit
dem Anodenreaktanzgas-Einlassverteiler 20b' des ersten Wärmetauschers 64 ausgerichtet und
in Durchflusskommunikation mit diesem steht. Um eine Entfernung
des Kathodenabgases von der Brennstoffzellenanordnung zuzulassen,
ist die äußere Endplatte 68 mit
einer Kathodenabgas-Öffnung 74 versehen,
die mit dem Kathodenabgas-Auslassverteiler 22b' des ersten
Wärmetauschers 64 ausgerichtet
und in Durchflusskommunikation mit diesem steht. Letztlich ist,
um zuzulassen, dass das Kühlmittel
aus der Brennstoffzellenanordnung austritt, die äußere Endplatte 68 mit
einer Kühlmittel-Öffnung 76 versehen,
die mit dem Kühlmittel-Auslassverteiler 62b' des ersten
Wärmetauschers 64 ausgerichtet und
in Durchflusskommunikation mit diesem steht. Es wird erkannt werden,
dass die äußere Endplatte 68 die äußeren Enden
der anderen drei Verteiler des Wärmetauschers 64,
nämlich
des Kathodenabgas-Einlassverteilers 24b', des Kühlmittel-Einlassverteilers 28b' und des Anodenreaktanzgas-Auslassverteilers 18b', abdichtet.
Es wird erkannt werden, dass die äußere Endplatte 68 mit
Anschlussstücken versehen
sein kann, oder mit Mitteln zur Verbindung an Anschlussstücke, die
eine Verbindung zu Rohrleitungen (nicht gezeigt) zum Tragen bzw.
Führen
von Gasen und Kühlmitteln
zu und von der Brennstoffzellenanordnung zulassen.
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Die
innere Endplatte 70 hat auch drei Öffnungen und kann bezüglich der
Struktur ähnlich
oder identisch zu der äußeren Endplatte 68 sein.
Um einen Fluss des Anodenreaktanzgases vom Wärmetauscher 64 zum
Brennstoffzellenstapel 62 zuzulassen, hat die innere Endplatte 70 eine
Anodenreaktanzgas-Öffnung 78,
die eine Durchflusskommunikation zwischen dem Anodenreaktanzgas-Auslassverteiler 18b' des ersten
Wärmetauschers 64 und
dem Anodenreaktanzgas-Einlassverteiler 18a' des Brennstoffzellenstapels 62 zur
Verfügung
stellt. Um einen Fluss des Kathodenabgases vom Brennstoffzellenstapel 62 zum
Wärmetauscher 64 zuzulassen,
ist die innere Endplatte 70 mit einer Kathodenabgas-Öffnung 80 versehen,
die ausgerichtet ist mit dem Kathodenabgas-Einlassverteiler 24b' des ersten
Wärmetauschers 64 und
dem Kathodenabgas-Auslassverteiler 24a' des Brennstoffzellenstapels 62 und eine
Durchflusskommunikation zwischen diesen zur Verfügung stellt. Letztlich ist,
um zuzulassen, dass das Kühlmittel
zwischen dem Brennstoffzellenstapel 62 und dem Wärmetauscher 64 fließt, die
innere Endplatte 70 mit einer Kühlmittel-Öffnung 82 versehen, die
ausgerichtet ist mit dem Kühlmittel-Auslassverteiler 28a' des Brennstoffzellenstapels 62 und
dem Kühlmittel-Einlassverteiler 28b' des Wärmetauschers 64 und
eine Durchflusskommunikation zwischen diesen zur Verfügung stellt.
Die innere Endplatte 70 dichtet die inneren Enden des Anodenreaktanzgas-Einlassverteilers 20b', des Kathodenabgas-Auslassverteilers 22b' und des Kühlmittel-Auslassverteilers 26b' des ersten
Wärmetauschers
ab und verhindert dadurch eine Durchflusskommunikation mit den Verteilern 20a', 22a' und 26a' des Brennstoffzellenstapels 62.
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Es
kann bevorzugt sein, dass die Brennstoffzellenanordnung gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung auch mit einem zweiten Wärmetauscher zur Reaktionspartneraufbereitung 84 zum
Heizen und optionalen Befeuchten des zweiten Reaktanzgases versehen
ist. Bei dem in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiel ist das zweite Reaktanzgas
das Kathodenreaktanzgas. Daher ist der zweite Wärmetauscher 84 ein
Wärmetauscher zur
Kathodenreaktanzgasaufbereitung 84 zum Heizen und optionalen
Befeuchten eines Sauerstoff enthaltenden Kathodengases, bevor es
in den Brennstoffzellenstapel 62 eintritt.
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Der
zweite Wärmetauscher 84 besteht
aus einem dritten Stapel 86 von Platten 10. Zum
Unterscheiden der Platten 10 des zweiten Wärmetauschers
von anderen Platten der Brennstoffzellenanordnung sind sie in der
folgenden Beschreibung und in den Zeichnungen mit dem Bezugszeichen 10c bezeichnet.
Die Öffnungen
der Platten 10c sind mit 18c, 20c, 22c, 24c, 26c und 28c bezeichnet
und die entsprechenden Verteiler sind mit 18c', 20c', 22c', 24c', 26c' und 28c' bezeichnet.
Wie es nachfolgend vollständiger
erklärt
wird, unterscheidet sich die Namensgebung bzw. Benennung der Öffnungen
und Verteiler der Platten 10c des zweiten Wärmetauschers 84 von
derjenigen der Platten 10a und 10b.
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Der
zweite Wärmetauscher 84 weist
auch ein Paar von Endplatten 88, 90 auf, zwischen
welchen der zweite Stapel 86 von Platten 10c eingelegt
ist. Eine äußere Endplatte 88 ist
an einem äußeren Ende des
dritten Stapels 86 entfernt von dem Brennstoffzellenstapel 62 vorgesehen
und eine innere Endplatte 90 ist an einem inneren Ende
des dritten Stapels 86 zwischen dem Brennstoffzellenstapel 62 und
dem dritten Stapel 86 vorgesehen. Die Endplatten 88 und 90 des
zweiten Wärmetauschers 84 sind
vorzugsweise strukturell identisch zueinander und zu den Endplatten 68, 70 des
ersten Wärmetauschers 64.
Die Endplatten 88, 90 sind bevorzugt flache, offene
Platten ohne innere oder äußere Flussdurchgänge, wobei
die Platten jeweils drei Öffnungen
haben, wie es nachfolgend weiter beschrieben wird. Die Endplatten 88, 90 haben
Umfänge,
die denjenigen der Platten eng folgen, die den Brennstoffzellenstapel 62 und den
ersten Wärmetauscher 64 bilden.
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Die
Platten 10c, die den zweiten Wärmetauscher 84 ausbilden,
sind bezüglich
der Struktur bevorzugt identisch zu den Platten 10, 10a und 10b,
die oben beschrieben sind. Jedoch aufgrund der Tatsache, dass der
primäre
Zweck des Wärmetauschers 84 im
Aufbereiten des Kathodengases besteht, bevor es in den Brennstoffzellenstapel 62 eintritt,
unterscheiden sich die Funktionen der Öffnungen und Verteiler im zweiten
Wärmetauscher 84 etwas
von denjenigen des Brennstoffzellenstapels 62 und des ersten
Wärmetauschers 64.
Demgemäß unterscheiden sich
die Benennungen der verschiedenen Öffnungen, Verteiler und Flussdurchgänge der
Platten 10c im Stapel 86 etwas von denjenigen
des Brennstoffzellenstapels 62 und des ersten Wärmetauschers 64. Die
Platten 10c und der Stapel 86 des zweiten Wärmetauschers 84 enthalten
folgendes: Kathodenreaktanzgas-Einlassöffnungen 24c und einen
entsprechenden Verteiler 24c',
die über
eine Vielzahl von Kathodenreaktanzgas-Flussdurchgängen 42c in
Durchflusskommunikation mit den Kathodenreaktanzgas-Auslassöffnungen 22c und
einem entsprechenden Verteiler 22c' stehen; Anodenabgas-Auslassöffnungen 20c und
ein entsprechender Verteiler 20c', die über eine Vielzahl von Anodenabgas-Flussdurchgängen 32c in
Durchflusskommunikation mit den Anodenabgas-Auslassöffnungen 18c und
einem ent sprechenden Verteiler 18c' stehen; und Kühlmittel-Einlassöffnungen 28c und
ein entsprechender Verteiler 28c', die über eine Vielzahl von Kühlmittel-Flussdurchgängen 30c (nicht
gezeigt) in Durchflusskommunikation mit Kühlmittel-Auslassöffnungen 26c und
einem entsprechenden Verteiler 26c' stehen.
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Wie
bei dem ersten Wärmetauscher 64 sind die
Abtrennungselemente 60 des dritten Stapels 86 nicht
in der Form von elektrolytischen Membranen. Vielmehr weisen die
Abtrennungselemente 60 vorzugsweise wärmedurchlässige Abtrennungen auf, die
einen Wärmetransfer
von dem relativ heißen
Anodenabgas, das durch die Durchgänge 32c fließt, und
dem relativ kühlen
Kathodenreaktanzgas, das durch die Durchgänge 42c fließt, zulassen.
Die wärmedurchlässigen Abtrennungen
sind optional wasserdurchlässig,
um einen Transfer von Wasser von dem relativ feuchten Anodenabgas
zu dem relativ trockenen Kathodenreaktanzgas zuzulassen, um dadurch
eine Befeuchtung des Kathodenreaktanzgases zur Verfügung zu
stellen.
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Wie
es oben angegeben ist, weisen die Endplatten 88 und 90 des
zweiten Wärmetauschers 84 einfache
offene Platten mit Einlass- und Auslassöffnungen auf, die sich mit
ausgewählten
Einlass- und Auslassverteilern des dritten Stapels ausrichten. Insbesondere
lässt die äußere Endplatte 88 zu,
dass das Anodenabgas den Wärmetauscher 84 verlässt, und
hat daher eine Anodenabgas-Öffnung 92,
die ausgerichtet ist mit dem Anodenabgas-Auslassverteiler 18c' des zweiten
Wärmetauschers 84 und
in Durchflusskommunikation mit diesem steht; eine Kathodenreaktanzgas-Öffnung 94,
die ausgerichtet ist mit dem Kathodenreaktanzgas-Einlassverteiler 24c' des zweiten
Wärmetauschers 84 und
in Durchflusskommunikation mit diesem steht; und eine Kühlmittel-Öffnung 86,
die ausgerichtet ist mit dem Kühlmittel-Einlassverteiler 28c' des zweiten
Wärmetauschers 84 und
in Durchflusskommunikation mit diesem steht. Somit lässt die äußere Endplatte 88 zu, dass
Kühlmittel
und Kathodenreaktanzgas in die Brennstoffzellenanordnung eintritt,
und sie lässt
zu, dass Anodenabgas die Brennstoffzellenanordnung verlässt. Es
wird erkannt werden, dass die äußere Endplatte 88 die äußeren Enden
der anderen drei Verteiler des Wärmetauschers 84 abdichtet,
nämlich des
Anodenabgas-Auslassverteilers 20c, des Kathodenreaktanzgas-Auslassverteilers 22c' und des Kühlmittel-Auslassverteilers 26c'. Die äußere Endplatte 88 kann
mit Anschlussstücken
oder mit Mitteln zur Verbindung an Anschlussstücke versehen sein, um eine
Verbindung mit Rohr leitungen (nicht gezeigt) zum Tragen bzw. Führen von
Gasen und Kühlmittel zu
und von der Brennstoffzellenanordnung zuzulassen.
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Die
innere Endplatte 90 hat auch drei Öffnungen und kann bezüglich der
Struktur ähnlich
oder identisch zu der äußeren Endplatte 88 sein.
Um einen Fluss des Kathodenreaktanzgases vom Wärmetauscher 84 zum
Brennstoffzellenstapel 62 zuzulassen, hat die innere Endplatte 90 eine
Kathodenreaktanzgas-Öffnung 98,
die ausgerichtet ist mit dem Kathodenreaktanzgas-Auslassverteiler 22c' des dritten Stapels 86 und
dem Kathodenreaktanzgas-Einlassverteiler 22a' des Brennstoffzellenstapels 62 und eine
Durchflusskommunikation zwischen diesen zur Verfügung stellt; eine Anodenabgas-Öffnung,
die ausgerichtet ist mit dem Anodenabgas-Einlassverteiler 20c' des dritten
Stapels 86 und dem Anodenabgas-Auslassverteiler 20a' des Brennstoffzellenstapels 62 und
eine Durchflusskommunikation zwischen diesen zur Verfügung stellt;
und eine Kühlmittel-Öffnung 102, die ausgerichtet
ist mit dem Kühlmittel-Auslassverteiler 26c' des dritten
Stapels 86 und dem Kühlmittel-Einlassverteiler 26a' des Brennstoffzellenstapels 62 und
eine Durchflusskommunikation zwischen diesen zur Verfügung stellt.
Die innere Endplatte 90 dichtet die inneren Enden der anderen
drei Verteiler (18c', 24c' und 28c') sowie der
Verteiler 18a', 24a' und 28a' des Brennstoffzellenstapels 62 ab.
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Die
Flusspfade der Anodenreaktanz- und -abgase, der Kathodenreaktanz-
und -abgase und des Kühlmittels
durch die Brennstoffzellenanordnung sind in den 8 bis 11 dargestellt. 8 stellt die
Eintritts- und Austrittsstellen für die Anoden- und Kathodengase
und das Kühlmittel
dar. Die 9 bis 11 stellen
die Flusspfade detaillierter dar, denen durch das Anodengas, das
Kathodengas und das Kühlmittel
gefolgt wird, wenn sie durch die Brennstoffzellenanordnung gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung fließen.
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Es
wird erkannt werden, dass die relativen Positionen des Wärmetauschers
zur Anoden- und Kathodenreaktanzgasaufbereitung 64 und 84 vertauscht
sein können
und/oder dass die Richtung des Kühlmittelflusses
durch die Brennstoffzellenanordnung auch vertauscht sein kann. Insbesondere
kann veranlasst werden, dass das Kühlmittel durch den Wärmetauscher
zur Anodenreaktanzgasaufbereitung in die Brennstoffzellenanordnung
eintritt und die Brennstoffzellenanordnung durch den Wärmetauscher
zur Kathodenreaktanzgasaufbereitung verlässt. Dies wird nachfolgend
unter Bezugnahme auf eine Variante des ersten Ausführungsbeispiels,
die in 12 dargestellt ist, detaillierter
beschrieben. Die in 12 gezeigte Brennstoffzellenanordnung
weist einen Brennstoffzellenstapel 62 auf, der identisch
zu dem oben beschriebenen ist, der aus einer ersten Vielzahl von
Platten 10a besteht. Die Brennstoffzellenanordnung der 12 enthält weiterhin
einen ersten Wärmetauscher 104,
der an einem ersten Ende des Brennstoffzellenstapels 62 angeordnet
ist, und einen zweiten Wärmetauscher 106,
der an einem zweiten, gegenüberliegenden
Ende des Brennstoffzellenstapels 62 angeordnet ist.
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Der
erste Wärmetauscher 104 weist
einen zweiten Stapel 66 von Platten 10b identisch
zu dem Stapel 66 des Wärmetauschers 64 auf,
sowie eine äußere Endplatte 108 und
eine innere Endplatte 116. Die äußere Endplatte 108 hat
eine Kühlmittel-Öffnung 110,
die ausgerichtet ist mit dem Kühlmittel-Einlassverteiler 28b' des zweiten
Stapels 66 und in Durchflusskommunikation mit diesem steht;
eine Anodenreaktanzgas-Öffnung 112,
die ausgerichtet ist mit dem Anodengas-Einlassverteiler 20b' des zweiten
Stapels 66 und in Durchflusskommunikation mit diesem steht;
und eine Kathodenabgas-Öffnung 114, die
ausgerichtet ist mit dem Kathodenabgas-Auslassverteiler 22b des
zweiten Stapels 66 und in Durchflusskommunikation mit diesem
steht. Die innere Endplatte 116 hat drei Öffnungen,
wie es folgt: eine Kühlmittel-Öffnung 118,
die ausgerichtet ist mit dem Kühlmittel-Auslassverteiler 26b' des zweiten
Stapels 66 und dem Kühlmittel-Auslassverteiler 26a' des Brennstoffzellenstapels 62 und
eine Durchflusskommunikation zwischen diesen zur Verfügung stellt; eine
Anodenreaktanzgas-Öffnung 120,
die ausgerichtet ist mit dem Anodenreaktanzgas-Auslassverteiler 18b' des zweiten
Stapels 66 und dem Anodenreaktanzgas-Einlassverteiler 18a' des Brennstoffzellenstapels 26 und
eine Durchflusskommunikation zwischen diesen zur Verfügung stellt;
und eine Kathodenabgas-Öffnung 122,
die ausgerichtet ist mit dem Kathodenabgas-Einlassverteiler 24b' des zweiten
Stapels 66 und dem Kathodenabgas-Auslassverteiler 24a' des Brennstoffzellenstapels 62 und
eine Durchflusskommunikation zwischen diesen zur Verfügung stellt.
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Der
in 12 gezeigte zweite Wärmetauscher 106 weist
einen dritten Stapel 86 von Platten 10c auf und
ist strukturell identisch zu dem in Verbindung mit 6 beschriebenen
Stapel 86. Der zweite Wärmetauscher 106 weist
weiterhin eine äußere Endplatte 124 und
eine innere Endplatte 132 auf.
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Die äußere Endplatte 124 des
zweiten Wärmetauschers 106 enthält die folgenden Öffnungen: eine
Kühlmittel-Öffnung 126,
die ausgerichtet ist mit dem Kühlmittel-Auslassverteiler 26c' des dritten
Stapels 86 und in Durchflusskommunikation mit diesem steht;
eine Anodenabgas-Öffnung 128,
die ausgerichtet ist mit dem Anodenabgas-Auslassverteiler 18c' des dritten
Stapels 86 und in Durchflusskommunikation mit diesem steht;
und eine Kathodenreaktanzgas-Öffnung 130,
die ausgerichtet ist mit dem Kathodenreaktanzgas-Einlassverteiler 24c' des dritten
Stapels 86 und in Durchflusskommunikation mit diesem steht.
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Die
innere Endplatte 132 des zweiten Wärmetauschers 106 hat
die folgenden Öffnungen:
eine Kühlmittel-Öffnung 134,
die ausgerichtet ist mit dem Kühlmittel-Einlassverteiler 28c' des dritten
Stapels 86 und dem Kühlmittel-Auslassverteiler 28a' des Brennstoffzellenstapels 62 und
eine Durchflusskommunikation zwischen diesen zur Verfügung stellt; eine
Anodenabgas-Öffnung 136,
die ausgerichtet ist mit dem Anodenabgas-Einlassverteiler 20c' des dritten
Stapels 86 und dem Anodenabgas-Auslassverteiler 20a' des Brennstoffzellenstapels 62 und
eine Durchflusskommunikation zwischen diesen zur Verfügung stellt;
und eine Kathodenreaktanzgas-Öffnung 138,
die ausgerichtet ist mit dem Kathodenreaktanzgas-Auslassverteiler 22c' des dritten
Stapels 86 und dem Kathodenreaktanzgas-Einlassverteiler 22a' des Brennstoffzellenstapels 62 und
eine Durchflusskommunikation zwischen diesen zur Verfügung stellt.
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Der
Fluss der Anoden- und Kathodengase durch die Brennstoffzellenanordnung
der 12 ist genau derselbe wie derjenige durch die
Brennstoffzellenanordnung der 7. Der Kühlmittelfluss
ist jedoch vertauscht und tritt in die Brennstoffzellenanordnung
der 12 durch den Wärmetauscher
zur Anodenreaktanzgasaufbereitung 104 ein und verlässt die Brennstoffzellenanordnung
durch den Wärmetauscher
zur Kathodenreaktanzgasaufbereitung 106. Die Richtung des
Flusses des Kühlmittels
durch die einzelnen Plattenstapel 62, 66 und 86 der
Brennstoffzellenanordnung der 12 ist
dieselbe wie die Richtung des Flusses der Anoden- und Kathodengase,
wie es für
einen optimalen Wärmetransfer
bevorzugt ist.
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13 stellt
eine zweite bevorzugte Brennstoffzellenanordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung dar, die wie die oben beschriebenen Brennstoffzellenanordnungen
vorzugsweise auch einen Brennstoffzellenstapel aufweist, der zwischen
zwei Wärmetauschern
zur Reaktanzgasaufbereitung positioniert ist. Genauer gesagt enthält die Brennstoffzellenanordnung
der 13 einen Brennstoffzellenstapel 140,
einen ersten Wärmetauscher 104,
der an einem ersten Ende des Brennstoffzellenstapels vorgesehen ist,
und einen zweiten Wärmetauscher 84,
der an einem zweiten Ende des Brennstoffzellenstapels vorgesehen
ist. Die Brennstoffzellenanordnung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel
unterscheidet sich bezüglich
einer Anzahl von Gesichtspunkten von den Brennstoffzellenanordnungen
des oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiels. Zuerst wird
das Anodenreaktanzgas eher durch das Anodenabgas im ersten Wärmetauscher 104 als
durch das Kathodenabgas, wie beim ersten Ausführungsbeispiel, aufbereitet.
Als zweites wird das Kathodenreaktanzgas eher durch das Kathodenabgas
im zweiten Wärmetauscher 84 als
durch das Anodenabgas, wie beim ersten Ausführungsbeispiel, aufbereitet.
Als drittes tritt das Kühlmittel
nicht in ein Ende der Brennstoffzellenanordnung ein und tritt vom
anderen Ende aus, wie beim ersten Ausführungsbeispiel. Vielmehr enthält die Brennstoffzellenanordnung
gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
zwei separate Kühlschleifen,
wobei jede einen Kühlmittelflusspfad
durch einen der Wärmetauscher 104, 84 und
einen Teilbereich des Brennstoffzellenstapels 140 definiert.
Somit wird bei dem in 13 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel
der Fluss von relativ heißem
Kühlmittel von
dem Brennstoffzellenstapel zu einem der Wärmetauscher vermieden. Um die
obigen Merkmale bzw. Eigenschaften zur Verfügung zu stellen, weist die
Brennstoffzellenanordnung der 13 eine
Anzahl von zusätzlichen
strukturellen Elementen auf, die bei den Brennstoffzellenanordnungen
gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
nicht vorhanden sind.
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Der
erste Wärmetauscher 104 der
Brennstoffzellenanordnung der 13 ist
strukturell identisch zu dem ersten Wärmetauscher 104 der
in 11 gezeigten Brennstoffzellenanordnung. In Bezug
auf eine Funktion unterscheidet sich der Wärmetauscher 104 der 13 nur
diesbezüglich,
dass eher das Anodenabgas durch den Wärmetauscher 104 der 13 zirkuliert
wird als das Kathodenabgas wie in 12. Somit
gilt die Beschreibung von Verteilern und Öffnungen beim Wärmetauscher 104 der 12 für 13 mit
der Ausnahme, dass die Öffnung 114 in
der äußeren Endplatte 108 eine
Anodenabgas-Öffnung
ist, Verteiler 22b' und 24b' im zweiten Stapel 66 jeweils
ein Anodenabgas-Auslassverteiler und ein Anodenabgas-Einlassverteiler
sind und die Öffnung 122 in
der inneren Endplatte 116 eine Anodenabgas-Öffnung ist.
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Gleichermaßen ist
der zweite Wärmetauscher 84 der 13 strukturell
identisch zu dem Wärmetauscher 84 der 7 und
ist funktionsmäßig identisch,
außer
dass eher das Kathodenabgas durch den Wärmetauscher 84 der 13 fließt als das
Anodenabgas. Somit ist in 13 die Öffnung 100 in
der inneren Endplatte 90 eine Kathodenabgas-Öffnung,
sind Verteiler 20c' und 18c' jeweils ein Kathodenabgas-Einlassverteiler
und ein Kathodenabgas-Auslassverteiler; und ist die Öffnung 92 der äußeren Endplatte 88 eine
Kathodenabgas-Öffnung.
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Die
Brennstoffzellenanordnung der 13 weist
weiterhin eine erste Kühlmittel-Ablenkplatte 142 auf,
die innerhalb des Brennstoffzellenstapels 140 angeordnet
ist, um den Brennstoffzellenstapel in einen ersten Teilbereich 140a,
durch welchen ein erster Teil des Kühlmittels zirkuliert, und einen
zweiten Teilbereich 140b, durch welchen ein zweiter Teil
des Kühlmittels
zirkuliert, zu unterteilen. Bei dem in 13 gezeigten
Ausführungsbeispiel
ist die erste Kühlmittel-Ablenkplatte 142 ungefähr in der
Mitte durch den Brennstoffzellenstapel 140 angeordnet.
Es wird erkannt werden, dass dies nicht notwendigerweise der Fall
ist. Der erste Teilbereich 140a des Brennstoffzellenstapels 140 ist
benachbart zu dem ersten Wärmetauscher 104 angeordnet
und empfängt
Kühlmittel
von dem ersten Wärmetauscher
und der zweite Teilbereich 104b des Brennstoffzellenstapels 140 ist
entfernt von dem ersten Wärmetauscher 104 und
benachbart zu dem zweiten Wärmetauscher 84 angeordnet
und empfängt
Kühlmittel
von dem zweiten Wärmetauscher 84.
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Die
erste Kühlmittel-Ablenkplatte 142 weist vorzugsweise
eine flache, offene Platte auf, die bezüglich der Struktur gleich der
inneren und der äußeren Endplatte
der Wärmetauscher 104, 84 ist,
außer dass
sie vier Öffnungen
anstelle von drei Öffnungen hat.
Die Platte 142 beeinträchtigt
den Fluss der Reaktanz- und
Abgase durch den Stapel nicht und enthält daher eine Anodenreaktanzgas-Öffnung 144, eine Kathodenreaktanzgas-Öffnung 146,
eine Anodenabgas-Öffnung 148 und
eine Kathodenabgas-Öffnung 150.
Die Anodenreaktanzgas-Öffnung 144 ist
in Ausrichtung mit den Öffnungen 18a der Platten 10a,
die den Anodenreaktanzgas-Einlassverteiler 18a' des Brennstoffzellenstapels 140 bilden. Die
Kathodenreaktanzgas-Öffnung 146 ist
in Ausrichtung mit den Öffnungen 22a der
Platten 10a, die den Kathodenreaktanzgas-Einlassverteiler 22a' des Brennstoffzellenstapels 140 bilden.
Die Anodenabgas-Öffnung 148 der
Platte 142 ist in Ausrichtung mit den Öffnungen 20a der Platten 10a,
die den Anodenabgas-Auslassverteiler 20a' des Brennstoffzellenstapels 140 bilden.
Die Kathodenabgas-Öffnung 150 der Platte 142 ist
mit den Öffnungen 24a der
Platten 10a ausgerichtet, die den Kathodenabgas-Auslassverteiler 24a' des Brennstoffzellenstapels 140 bilden.
Auf diese Weise erstrecken sich die Einlassverteiler 18a' und 22a' für die Anoden-
und Kathodenreaktanzgase sowie die Auslassverteiler 20a' und 24a' für die Anoden-
und Kathodenabgase durch den gesamten Brennstoffzellenstapel 140.
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Die
erste Kühlmittel-Ablenkplatte 142 hat
jedoch keine Öffnungen
für Kühlmittel,
um dadurch eine Barriere zur Verfügung zu stellen, die jeden
des Kühlmittel-Einlassverteilers 26a' und des Kühlmittel-Auslassverteilers 28a' des Brennstoffzellenstapels 140 in
zwei Teilbereiche unterteilt. Somit verhindert die Platte 142 einen
Fluss von Kühlmittel
durch den Brennstoffzellenstapel und stellt eine Trennung zwischen
den zwei Kühlmittelschleifen
bzw. Kühlmittelkreisen
zur Verfügung.
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Wenn
das Kühlmittel
einmal durch einen Teilbereich des Brennstoffzellenstapels 140 zirkuliert, wird
es gezwungen, denselben Teilbereich des Brennstoffzellenstapels 140 zu
verlassen, und es muss die Brennstoffzellenanordnung verlassen, ohne
einen zweiten Durchlauf durch einen der Wärmetauscher 104, 84 durchzuführen. Aus
diesem Grund sind zusätzliche
Kühlmittel-Ablenkplatten
vorgesehen, um zuzulassen, dass das Kühlmittel die Brennstoffzellenanordnung
verlässt,
ohne erneut in den Wärmetauscher
einzutreten, durch welchen es zuerst in die Brennstoffzellenanordnung
eingetreten ist. Wie es in 13 gezeigt
ist, ist eine zweite Kühlmittel-Ablenkplatte 152 zu
dem Zweck eines Zulassens vorgesehen, dass ein erster Teil des Kühlmittels die
Brennstoffzellenanordnung verlässt,
ohne einen zweiten Durchlauf durch den ersten Wärmetauscher 104 durchzuführen. Gleichermaßen ist
eine dritte Kühlmittel-Ablenkplatte 154 zu
dem Zweck eines Zulassens vorgesehen, dass ein zweiter Teil des
Kühlmittels
die Brennstoffzellenanordnung verlässt, ohne einen zweiten Durchlauf
durch den zweiten Wärmetauscher 84 durchzuführen.
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Die
zweite Kühlmittel-Ablenkplatte 152 ist eine
flache, offene Platte, die zwischen dem ersten Wärmetauscher 104 und
den Brennstoffzellenstapel 140 angeordnet ist, und hat
eine Vielzahl von Öffnungen.
Die Platte 152 weist eine erste Kühlmittel-Öffnung 162 auf, die
ausgerichtet ist mit der Kühlmittel-Öffnung 118 der
inneren Endplatte 116 des ersten Wärmetauschers 104,
dem Kühlmittel-Auslassverteiler 26b' des ersten
Wärmetauschers 104 und
dem Kühlmittel-Einlassverteiler 26a' in dem ersten
Teilbereich 140a des Brennstoffzellenstapels 140 und
in Durchflusskommunikation mit diesen steht. Die Platte 152 weist
weiterhin eine zweite Kühlmittel-Öffnung 158 auf,
die ausgerichtet ist mit dem Kühlmittel-Auslassverteiler 28a' des ersten
Teilbereichs 140a des Brennstoffzellenstapels 140 und
in Durchflusskommunikation mit diesem steht. Die zweite Kühlmittel-Ablenkplatte 152 weist
weiterhin eine Kühlmittel-Auslassöffnung 160 auf,
die sich durch eine Seitenfläche
der Platte 152 erstreckt, um eine Durchflusskommunikation
zwischen der zweiten Kühlmittel-Öffnung 158 und
einem äußeren Rand
der Platte 152 zur Verfügung
zu stellen, durch welche der erste Teil des Kühlmittels die erste Brennstoffzellenanordnung
verlässt.
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Es
wird erkannt werden, dass die Dicke der Platte 152 aufgrund
des Vorsehens der Kühlmittel-Öffnung 160 in
der Seitenfläche
der Platte 152 größer als
die Dicke der Endplatten der Wärmetauscher
sein kann. Es wird auch erkannt werden, dass sich die zweite Kühlmittel-Öffnung 158 der
Platte 152 vollständig
durch die Platte 152 erstrecken kann, während sie auf einer Seite durch
die innere Endplatte 116 des ersten Wärmetauschers 104 abgeschlossen
ist. Alternativ dazu kann die Öffnung 158 eine Blindöffnung sein,
die an der oberen Oberfläche
der Platte 152 abgeschlossen ist. Auf jeden Fall wird ein Fluss
von Kühlmittel
zwischen der zweiten Kühlmittel-Öffnung 158 der
Ablenkplatte 152 und dem Kühlmittel-Einlassverteiler 28b' des ersten
Wärmetauschers 104 verhindert.
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Die
zweite Kühlmittel-Ablenkplatte 152 stellt weiterhin Öffnungen
zur Verfügung,
durch welche zugelassen wird, dass das Anodenreaktanzgas und das
Anodenabgas zwischen dem ersten Wärmetauscher 104 und
dem Brennstoffzellenstapel 140 durchlaufen. Zu diesem Zweck
ist die zweite Kühlmittel-Ablenkplatte 152 mit
einer Anodenreaktanzgas-Öffnung 156 versehen,
die ausgerichtet ist mit dem Anodenreaktanzgas-Auslassverteiler 18b' des ersten Wärmetauschers 104 und
dem Anodenreaktanzgas-Einlassverteiler 18a' des Brennstoffzellenstapels 140 und
eine Durchflusskommunikation zwischen diesen zur Verfügung stellt.
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Die
zweite Kühlmittel-Ablenkplatte 152 ist auch
mit einer Anodenabgas-Öffnung 164 versehen, die
ausgerichtet ist mit dem Anodenabgas-Auslassverteiler 20a' des Brennstoffzellenstapels 140 und dem
Anodenabgas-Einlassverteiler 24b' des ersten Wärmetauschers 104 und
eine Durchflusskommunikation zwischen diesen zur Verfügung stellt.
Es wird beachtet werden, dass der Anodenabgas-Auslassverteiler 20a' des Brennstoffzellenstapels 140 und der
Anodenabgas-Einlassverteiler 24b' des ersten Wärmetauschers 104 nicht
in direkter axialer Ausrichtung miteinander sind. Daher ist die
Anodenabgas-Öffnung 164 der
zweiten Kühlmittel-Ablenkplatte 152 in
der Form einer "Übergangsöffnung bzw. Überschneidungsöffnung" einschließlich einer
ersten Öffnung 166,
die ausgerichtet ist mit dem Anodenabgas-Auslassverteiler 20a' des Brennstoffzellenstapels 140 und
in Durchflusskommunikation mit diesem steht, einer zweiten Öffnung 168,
die ausgerichtet ist mit dem Anodenabgas-Einlassverteiler 24b' des Wärmetauschers 104 und
in Durchflusskommunikation mit diesem steht, und eines Übergangskanals 170,
der zulässt,
dass das Anodenabgas zwischen den zwei Öffnungen 166, 168 fließt.
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Es
wird erkannt werden, dass, um die erforderliche Übergangsfunktion durchzuführen, die Öffnung 166 auf
der Seite der Platte 152 geschlossen sein muss, die entfernt
von dem Brennstoffzellenstapel 140 ist, und dass die Öffnung 168 auf
der Seite der Platte 152 geschlossen sei muss, die benachbart zu
dem Brennstoffzellenstapel 140 ist. Es wird auch erkannt
werden, dass der Übergangskanal 170 auf sowohl
der entfernten als auch der benachbarten Seite der Platte 152 geschlossen
sein muss. Wie in dem Fall der oben beschriebenen Öffnung 158 kann die
Platte 152 so aufgebaut sein, dass sich die Öffnungen 166, 168 und
der Kanal 170 vollständig
durch die Platte 152 erstrecken, oder sie können Blindöffnungen
aufweisen, die auf der entfernten und/oder benachbarten Seite der
Platte 152 geschlossen sind. Wo sich die Öffnungen 166, 168 und
der Kanal 170 vollständig
durch die Platte 152 erstrecken, wie es in 13 gezeigt
ist, wird es erkannt werden, dass die erste Öffnung 166 durch die
innere Endplatte 116 des ersten Wärmetauschers 104 geschlossen
wird. Um das benachbarte bzw. nächste
Ende der Öffnung 168 zu
schließen,
ist jedoch eine Zwischenplatte 172 zwischen der zweiten
Kühlmittel-Ablenkplatte 152 und dem
Brennstoffzellenstapel 140 vorgesehen. Die Zwischenplatte 172 hat
eine Vielzahl von Durchflussöffnungen,
wie es folgt: eine Anodenreaktanzgas-Öffnung 174, die ausgerichtet
ist mit dem Anodenreaktanzgas-Auslassverteiler 18b' des ersten
Wärmetauschers 104 und
dem Anodenreaktanzgas-Einlassverteiler 18a' des Brennstoffzellenstapels 140 und
eine Durchflusskommunikation zwischen diesen zur Verfügung stellt;
eine erste Kühlmittel-Öffnung 176,
die ausgerichtet ist mit dem Kühlmittel-Auslassverteiler 26b' des ersten
Wärmetauschers 104 und
dem Kühlmittel-Einlassverteiler 26a' im ersten Teilbereich 140a des
Brennstoffzellenstapels 140 und eine Durchflusskommunikation
zwischen diesen zur Verfügung
stellt; eine Anodenabgas-Öffnung 178,
die ausgerichtet ist mit dem Anodenabgas-Auslassverteiler 20a des
Brennstoffzellenstapels 140 und der Anodenabgas-Einlassöffnung 164 in
der zweiten Kühlmittel-Ablenkplatte 152 und
eine Durchflusskommunikation zwischen diesen zur Verfügung stellt;
und eine zweite Kühlmittel-Öffnung 180,
die ausgerichtet ist mit dem Kühlmittel-Auslassverteiler 28a' im ersten Teilbereich 140a des
Brennstoffzellenstapels 140 und der zweiten Kühlmittel-Öffnung 158 der
zweiten Kühlmittel-Ablenkplatte 152 und
eine Durchflusskommunikation zwischen diesen zur Verfügung stellt.
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Es
wird erkannt werden, dass die Zwischenplatte 152 eliminiert
werden kann, wenn die Öffnung 168 eine
Blindöffnung
ist, die an der nächsten
bzw. proximalen Oberfläche
der Platte 152 geschlossen ist. Die Endplatte 116 des
Wärmetauschers 104 könnte gleichermaßen eliminiert
werden, wenn die Öffnung 164 als
Blindöffnung
konfiguriert ist, die an der entfernten bzw. distalen Oberfläche der
Platte 152 geschlossen ist. Optional könnte eine oder könnten beide
der Platten 116 und 172 durch Konfigurieren der Öffnungen 164, 168 als
Blindöffnungen
auf die oben beschriebene Weise eliminiert werden.
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Wie
es oben angegeben ist, enthält
die Brennstoffzellenanordnung der 13 auch
eine dritte Kühlmittel-Ablenkplatte 154,
die bezüglich
der Struktur und der Funktion der oben beschriebenen zweiten Kühlmittel-Ablenkplatte 152 entspricht.
Die Platte 154 hat eine erste Kühlmittel-Öffnung 192, eine zweite
Kühlmittel-Öffnung 202 in
Kommunikation mit einer Kühlmittel-Auslassöffnung 204,
die sich durch die Seitenfläche
der Platte 154 erstreckt, eine Kathodenreaktanzgas-Öffnung 194 und
eine Kathodenabgas-Öffnung 196.
Die Öffnung 196 ist
in der Form einer Übergangsöffnung einschließlich einer ersten Öffnung 200, die
das Kathodenabgas von dem Stapel 140 empfängt, einer
zweiten Öffnung 198,
die zulässt,
dass das Kathodenabgas durch den Wärmetauscher 84 fließt, und
eines Übergangskanals 206, der
zulässt,
dass das Kathodenabgas transversal bzw. quer zwischen den zwei Öffnungen 200, 198 fließt. Die
Platte 154 ist zwischen dem zweiten Wärmetauscher 84 und
dem Brennstoffzellenstapel 140 positioniert, um einen Auslass
für das
Kühlmittel
zur Verfügung
zu stellen, das durch den zweiten Teilbereich 140b des
Brennstoffzellenstapels 140 fließt. Eine zweite Zwischenplatte 182,
die bezüglich
der Struktur der oben beschriebenen Platte 172 entspricht,
kann vorgesehen sein, um einen Übergang des
Kathodenabgases zuzulassen und um eine Durchflusskommunikation zwischen
dem Kathodenabgas-Einlassverteiler 20c' des zweiten Wärmetauschers 84 und
dem Anodenabgas-Auslassverteiler 208' des Brennstoffzellenstapels 140 zu
verhindern. Die zweite Zwischenplatte 182 hat eine Vielzahl
von Durchflussöffnungen,
wie es folgt: eine erste Kühlmittel-Öffnung 184,
die mit der Kühlmittel-Öffnung 192 der Platte 154 ausgerichtet
ist; eine Kathodenreaktanzgas-Öffnung 186,
die mit der Öffnung 194 der Platte 154 ausgerichtet
ist; eine zweite Kühlmittel-Öffnung 188,
die mit der Kühlmittel-Öffnung 202 der
Platte 154 ausgerichtet ist; und eine Kathodenabgas-Öffnung 190,
die mit der Öffnung 200 der Übergangsöffnung 19 der
Platte 154 ausgerichtet ist. Vergrößerte Ansichten der Platten 154 und 182 sind
in den 19–21 gezeigt.
Die 20 und 21 zeigen
die dritte Kühlmittel-Ablenkplatte 154,
die zwischen der zweiten Zwischenplatte 182 und der inneren
Endplatte 90 des Wärmetauschers 84 eingelegt ist.
Es wird aus den 20 und 21 gesehen
werden, dass die dritte Kühlmittel-Ablenkplatte 154 integral
mit einer oder beiden der Platten 90 und 182 ausgebildet
sein könnte,
um die Anzahl von Komponenten zu reduzieren, die die Brennstoffzellenanordnung
bilden.
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Die 14 bis 16 stellen
die Flusspfade detaillierter dar, denen durch das Anodengas, das Kathodengas
und das Kühlmittel
gefolgt wird, wenn sie durch die Brennstoffzellenanordnung gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung fließen, das
in 13 dargestellt ist.
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Es
wird erkannt werden, dass das Vorsehen von mehreren Kühlkreisen
und die erneute Zirkulation der Anoden- und Kathodengase beim zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung zwei separate Funktionen sind, die nicht notwendigerweise
in einer einzigen Brennstoffzellenanordnung verkörpert sind. Bei einer ersten
Variante des zweiten Ausführungsbeispiels,
die in 17 dargestellt ist, sind mehrere Kühlkreise
vorgesehen, wie in 13, aber die Anoden- und Kathodengase
fließen
durch die gesamte Brennstoffzellenanordnung von einem Ende zu dem anderen,
wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung, das oben beschrieben ist.
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17 stellt
eine Brennstoffzellenanordnung mit einem Brennstoffzellenstapel 140,
einem ersten Wärmetauscher 104 und
einem zweiten Wärmetauscher 84 dar,
von welchen alle bereits oben detailliert beschrieben worden sind.
Es wird aus 17 gesehen werden, dass das
Anodenreaktanzgas durch den Wärmetauscher 104 in
die Anordnung eintritt und das Anodenabgas durch den zweiten Wärmetauscher 84 aus
der Anordnung austritt. Gegensätzlich
dazu tritt das Kathodenreaktanzgas durch den zweiten Wärmetauscher 84 in
die Anordnung ein und tritt durch den ersten Wärmetauscher 104 aus der
Anordnung aus. Die Unterschiede zwischen den Brennstoffzellenanordnungen
der 13 und 17 sind
relativ unbedeutend und sind wie folgt. Als erstes sind die Zwischenplatten 172 und 182 bei der
Variante der 17 eliminiert, sind der Übergangskanal 170 und
die Öffnung 166 der
Platte 152 in einer entsprechenden Platte 152a der 17 eliminiert
und sind der Übergangskanal 206 und
die Öffnung 200 der
Platte 154 in der Platte 154a der 17 eliminiert.
Diese Modifikationen entfernen Elemente des zweiten Ausführungsbeispiels,
welche in einer erneuten Zirkulation eines Flusses der Anoden- und
Kathodengase resultieren, um dadurch zuzulassen, dass sie von Ende-zu-Ende
durch die Wärme-Brennstoffzellenanordnung
fließen.
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Bei
einer zweiten Variante des zweiten Ausführungsbeispiels, die in 18 dargestellt
ist, werden die Anoden- und Kathodengase erneut zirkuliert, wie
es oben unter Bezugnahme auf 13 beschrieben
ist, wird aber veranlasst, dass das Kühlmittel von Ende-zu-Ende durch
die Brennstoffzellenanordnung fließt, wie bei dem oben beschriebenen
ersten Ausführungsbeispiel.
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18 stellt
eine Brennstoffzellenanordnung mit einem Brennstoffzellenstapel 62,
einem ersten Wärmetauscher 104 und
einem zweiten Wärmetauscher 106 dar,
von welchen alle bereits oben detailliert beschrieben worden sind.
Es wird aus 18 gesehen werden, dass das
Anodenreaktanzgas durch den ersten Wärmetauscher 104 in
die Brennstoffzellenanordnung eintritt und durch den Stapel 62 zirkuliert
wird und dann erneut zurück
zu dem ersten Wärmetauscher 104 zirkuliert
wird, bevor es die Brennstoffzellenanordnung verlässt. Gleichermaßen tritt
das Kathodenreaktanzgas durch den zweiten Wärmetauscher 106 in
die Brennstoffzellenanordnung ein, wird durch den Stapel 62 zirkuliert
und wird dann erneut zurück
zu dem zweiten Wärmetauscher 106 zirkuliert,
bevor es die Anordnung verlässt.
Das Kühlmittel
tritt andererseits durch den ersten Wärmetauscher 104 in
die Brennstoffzellenanordnung ein, zirkuliert durch den Stapel 62 und
verlässt
die Brennstoffzellenanordnung durch den zweiten Wärmetauscher 106.
Die Unterschiede zwischen der in 18 gezeigten
Brennstoffzellenanordnung und derjenigen, die in 13 gezeigt
ist, sind relativ unbedeutend und werden nun nachfolgend diskutiert.
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Beispielsweise
enthält
der Stapel 82 der 18 das Äquivalent
einer Platte 142 nicht, um einen Fluss von Kühlmittel
von Ende-zu-Ende durch den Stapel zu blockieren, und es gibt auch
keinerlei Notwendigkeit für
Kühlmittel-Auslasstore
auf der Seite der Brennstoffzellenanordnung. Demgemäß enthält die Variante
der 18 Platten 152b und 154b, die
keine Kühlmittel-Ablenkfunktion
haben und daher keine Kühlmittel-Auslasstore 160, 204 haben
und, eher als zwei, nur eine Kühlmittel-Öffnung haben. Insbesondere
enthält
die Platte 152b eine Kühlmittel-Öffnung 162,
eliminiert aber die Öffnung 158,
und enthält
die Platte 154b die Kühlmittel-Öffnung 202, eliminiert
aber die Öffnung 192.
Zwischenplatten 172b und 182b sind auf gleiche
Weise konfiguriert, um nur eine Kühlmittel-Öffnung
zu enthalten. Insbesondere enthält
die Platte 172b eine Kühlmittel-Öffnung 176, eliminiert
aber die Öffnung 180,
und enthält
die Platte 182b eine Kühlmittel-Öffnung 188,
eliminiert aber die Öffnung 184.
Diese Modifikationen lassen zu, dass das Kühlmittel von Ende-zu-Ende durch
die Anordnung von dem Wärmetauscher 104 zu
dem Wärmetauscher 106 fließt, wobei
der Kühlmittelfluss
durch die drei Plattenstapel 66, 62 und 86 in
derselben Richtung wie der Fluss der Anoden- und Kathodengase erfolgt.
Es wird erkannt werden, dass die Richtung eines Kühlmittelflusses
durch die Anordnung umgekehrt werden kann, d. h. zum Eintreten durch
den Wärmetauscher 106 und
zum Austreten durch den Wärmetauscher 104,
indem einfach die Stellen bzw. Anordnungen der Kühlmittel-Öffnungen in den Platten 152b, 154, 172b und 182b und
der Endplatten der Wärmetauscher 104, 106 vertauscht werden,
und z. B. würde
in der Platte 108 die Kühlmittel-Öffnung 110 zu
dem entgegengesetzten Ende der Platte bewegt werden, die der Öffnung 114 am nächsten ist,
etc.
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Es
wird erkannt werden, dass zahlreiche Modifikationen an den hierin
beschriebenen Brennstoffzellenanordnungen durchgeführt werden
können,
um verschiedene Flusspfadkonfigurationen für die Anoden- und Kathodengase
und das Kühlmittel
zur Verfügung
zu stellen, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
Die Brennstoffzellenanordnungen gemäß der Erfindung stellen eine
Anzahl von potentiellen Vorteilen zur Verfügung, einschließlich einer
Reduzierung bezüglich
der Größe und der Komplexität der Brennstoffzellenanordnung
sowie einer verbesserten Effizienz. Insbesondere erreichen die oben
beschriebenen Brennstoffzellenanordnungen eine Reduktion bezüglich der
Anzahl von Komponenten, wie z. B. von externen Wärmetauschern und zugehörigen Rohrleitungen,
die in dem Brennstoffzellensystem erforderlich sind. Ebenso kann deshalb,
weil die integrierten Wärmetauscher
gemäß der Erfindung
dieselben Platten verwenden bzw. nutzen können, wie sie in dem Brennstoffzellenstapel verwendet
werden, die Anzahl von unterschiedlichen Plattenkonfigurationen,
die in dem Brennstoffzellensystem verwendet werden, reduziert werden,
und kann eine Platzierung von Wärmetauschern
mit ähnlichen
bzw. gleichen Dimensionen an den Enden des Brennstoffzellenstapels
zulassen, dass eine Platzeinsparung erreicht wird. Weiterhin wird
es erkannt werden, dass die oben beschriebenen Brennstoffzellenanordnungen
vorzugsweise zwischen den Endplatten des Brennstoffzellenstapels
in einem Brennstoffzellensystem platziert sind, wobei die Endplatten des
Brennstoffzellenstapels in Kontakt mit der Außenumgebung sein können. Somit
sind die integrierten Wärmetauscher
zur Reaktionspartneraufbereitung gemäß der Erfindung zwischen dem
Brennstoffzellenstapel und den Endplatten des Stapels angeordnet.
Dies hat den Effekt eines Isolierens der Platten nahe den Enden
des Brennstoffzellenstapels von einem Kontakt mit der Außenumgebung
und mit den Endplatten. Somit können
die Brennstoffzellenplatten nahe den Enden des Brennstoffzellenstapels
einfacher auf derselben Temperatur wie die Platten gehalten werden,
die bei dem zentralen Teilbereich des Stapels angeordnet sind, was
in einer größeren Effizienz
des Brennstoffzellensystems resultiert.
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Obwohl
die Erfindung in Bezug auf bestimmte spezifische Ausführungsbeispiele
beschrieben worden ist, ist sie nicht darauf beschränkt. Vielmehr enthält die Erfindung
alle Ausführungsbeispiele,
die unter den Schutzumfang der folgenden Ansprüche fallen.