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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft Brennstoffzellen und insbesondere eine Brennstoffzellenplatte,
die Merkmale besitzt, die einer Flüssigkeitsrückhaltung
an Einlässen und Auslässen von Bipolarplatten
entgegenwirken.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Brennstoffzellenenergiesysteme
wandeln einen Brennstoff und ein Oxidationsmittel in Elektrizität um.
Ein Typ von Brennstoffzellenenergiesystem verwendet eine Protonenaustauschmembran
(nachfolgend ”PEM”), um eine Reaktion des Brennstoffes (wie
Wasserstoff) und des Oxidationsmittels (wie Luft oder Sauerstoff)
katalytisch zu unterstützen und damit Elektrizität
zu erzeugen. Wasser ist ein Nebenprodukt der elektrochemischen Reaktion.
Die PEM ist ein Festpolymerelektrolyt, der eine Übertragung von
Protonen von einer Anodenelektrode zu einer Kathodenelektrode in
jeder einzelnen Brennstoffzelle eines Stapels aus Brennstoffzellen,
der normalerweise in einem Brennstoffzellenenergiesystem eingesetzt
ist, unterstützt.
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Bei
dem typischen Brennstoffzellenstapel besitzen die einzelnen Brennstoffzellen
Brennstoffzellenplatten mit Kanälen, durch die verschiedene Reaktanden
und Kühlfluide strömen. Brennstoffzellenplatten
können beispielsweise unipolar sein. Eine bipolare Platte
kann durch Kombination mehrerer unipolarer Platten gebildet werden.
Eine Bewegung von Wasser von den Kanälen zu einer Auslasssammelleitung
und durch ein Tunnelgebiet, das durch die Brennstoffzellenplatten
gebildet wird, wird durch die Strömung der Reaktanden durch
die Brennstoffzellenanordnung bewirkt. Grenzschicht-Scherkräfte
sowie der Reaktandendruck unterstützen einen Transport
des Wassers durch die Kanäle und durch das Tunnelgebiet,
bis das Wasser die Brennstoffzelle durch die Auslasssammelleitung
verlässt.
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Eine
Membranelektrolytanordnung (MEA) ist zwischen aufeinander folgenden
Platten angeordnet, um die elektrochemische Reaktion zu unterstützen. Die
MEA umfasst die Anodenelektrode, die Kathodenelektrode und eine
Elektrolytmembran, die dazwischen angeordnet ist. Poröse
Diffusionsmedien (DM) sind auf beiden Seiten der MEA positioniert,
die eine Lieferung von Reaktanden, typischerweise Wasserstoff und
Sauerstoff aus Luft, für eine elektrochemische Brennstoffzellenreaktion
unterstützen.
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Aufgrund
einer resultierenden schlechten Leistungsfähigkeit der
Brennstoffzelle darf sich kein Wasser in den Tunnelgebieten der
Brennstoffzelle ansammeln. Eine Wasseransammlung bewirkt eine Fehlverteilung
von Reaktandenströmung in einzelnen Brennstoffzellenplatten
und innerhalb des Brennstoffzellenstapels. Zusätzlich kann
sich in einer Brennstoffzelle nach einem Betrieb verbleibendes Wasser
bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes verfestigen, wodurch
Schwierigkeiten erzeugt werden, wenn die Brennstoffzelle erneut
gestartet werden soll. Bisherige Lösungen zur effektiven
Entfernung von Wasser von einer Brennstoffzelle haben zu erhöhten
Herstellkosten und der Verwendung zusätzlicher Komponenten
geführt.
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Es
sind zahlreiche Techniken verwendet worden, um Wasser von den Tunnelgebieten
der Brennstoffzelle zu entfernen. Diese Techniken umfassen druckbeaufschlagtes
Spülen, Schwerkraftströmung sowie Verdamp fung
bzw. Verdunstung. Eine Druckgasspülung bei Abschaltung
kann dazu verwendet werden, Wasser effektiv von den Tunnelgebieten
von Brennstoffzellen zu entfernen. Umgekehrt erhöht diese
Spülung die notwendige Abschaltzeitdauer des Stapels und
verschwendet Brennstoff. Eine geeignete Positionierung des Stapels
erlaubt, dass Wasser durch Schwerkräfte von den Tunnelgebieten
entfernt wird. Eine Schwerkraftentfernung von Wasser kann auf Tunnel
begrenzt sein, die zumindest einen gewissen Durchmesser besitzen.
Kapillarkräfte der Leitung sowie eine Eckenbenetzung durch die
gut bekannte Concus-Finn-Bedingung wirken einer Schwerkraftentfernung
von Wasser entgegen. Eine Wasserentfernung durch Verdampfung stellt ebenfalls
eine unzureichende Technik dar. Eine Verdampfung kann teure Heizer
benötigen und kann zu einem unerwünschten Austrocknen
der Elektrolytmembran führen. Ein trockener Brennstoffzellenstapel
wirkt einer Protonenleitung und einem schnellen Start entgegen.
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Die
Verwendung von Wassertransportstrukturen und Oberflächenbeschichtungen
stellen zwei Verfahren dar, die auch ermöglichen, dass
das Tunnelgebiet einer Brennstoffzellenplatte Wasser in ein Sammelleitungsgebiet
des Brennstoffzellenstapels transportieren kann.
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Wassertransportstrukturen,
typischerweise in der Form eines hydrophilen oder hydrophoben Schaums,
können in die Bipolarplatte integriert sein. Wassertransportstrukturen
können zwischen einem aktiven Gebiet der Brennstoffzelle
und der Auslasssammelleitung angeordnet sein. Wassertransportstrukturen
verbessern eine Entfernung von flüssigem Wasser von einer
Brennstoffzelle durch eine Kapillarwirkung. Ein Hinzufügen
von Wassertransportstrukturen zu dem Brennstoffzellenstapel erhöht,
während es für den Betrieb wie eine Neustartzeitdauer
der Brennstoffzelle nützlich ist, die Anzahl von Komponenten,
die erforderlich sind, um die Bipolarplatte auszubilden. Herstell-
und Montagekosten des Brennstoffzellenstapels steigen folglich,
wenn die Komponenten hinzugefügt werden.
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Es
können auch Oberflächenbeschichtungen verwendet
werden, um eine Entfernung von Wasser von der Brennstoffzelle zu
unterstützen. Hydrophobe oder hydrophile Oberflächenbeschichtungen
können dazu verwendet werden, den Oberflächenkontaktwinkel
der bipolaren Platte zu erhöhen oder zu verringern, wodurch
die Fähigkeit von Reaktanden-Grenzschicht-Scherkräften
und -Druck zur Entfernung von Wasser aus dem Inneren der Brennstoffzelle
unterstützt wird. Es können auch hydrophobe Oberflächenbeschichtungen
verwendet werden, um einer Bildung eines Wasserfilms entgegenzuwirken.
Beschichtungsvorläufer können auf die bipolare Platte
durch Sprühen, Tauchen oder Bürsten bzw. Streichen
aufgetragen und durch sekundäre Betriebsabläufe
in eine hydrophobe oder hydrophile Oberflächenbeschichtung
geformt werden. Alternativ dazu können die Beschichtungen
direkt aufgetragen werden. Während Oberflächenbeschichtungen
weniger komplex und teuer als Wassertransportstrukturen sind, erhöhen
sie die Herstellkosten der bipolaren Platte.
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Es
existiert ein fortwährender Bedarf nach einer kosteneffektiven
Brennstoffzellenplatte, die einen Wassertransport durch das Tunnelgebiet
einer Brennstoffzelle unterstützt, kostengünstig
ist, die Anzahl erforderlicher Komponenten minimiert sowie eine
Plattenherstellung vereinfacht.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Vorliegend
ist durch die Erfindung eine kosteneffektive Brennstoffzellenplatte,
die einen Wassertransport durch das Tunnelgebiet der Brennstoffzellenplatte
unterstützt, die die Anzahl erforderlicher Komponenten
mini miert und eine Plattenherstellung vereinfacht, überraschend
entdeckt worden.
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Bei
einer Ausführungsform umfasst die Brennstoffzellenplatte
eine erste Platte, die eine Einlassöffnung besitzt, und
eine zweite Platte, die an der ersten Platte anliegt und eine Leitung
dazwischen bildet, wobei die Leitung in Fluidkommunikation mit der Einlassöffnung
und einer Auslassöffnung der Brennstoffzellenplatte steht,
wobei die Leitung eine zwischen der ersten Platte und der zweiten
Platte geformte kontinuierliche Naht besitzt, um einen Wassertransport
zu der Auslassöffnung zu unterstützen.
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Bei
einer anderen Ausführungsform umfasst die Brennstoffzelle
ein Paar von Brennstoffzellenplatten, wobei eine der Brennstoffzellenplatten
eine erste Platte, die eine Einlassöffnung besitzt, und
eine zweite Platte aufweist, die an der ersten Platte anliegt und eine
Leitung dazwischen bildet, wobei die Leitung in Fluidkommunikation
mit der Einlassöffnung und einer Auslassöffnung
der Brennstoffzellenplatte steht, wobei die Leitung eine zwischen
der ersten Platte und der zweiten Platte geformte kontinuierliche
Naht besitzt, um einen Wassertransport zu der Auslassöffnung
zu unterstützen, und eine Elektrolytmembran sowie ein Paar
von Elektroden, die zwischen dem Paar von Brennstoffzellenplatten
angeordnet sind.
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Bei
einer anderen Ausführungsform umfasst der Brennstoffzellenstapel
eine Vielzahl von Brennstoffzellen, wobei eine der Zellen ein Paar
von Brennstoffzellenplatten aufweist, wobei eine der Brennstoffzellenplatten
eine erste Platte, die eine Einlassöffnung besitzt, und
eine zweite Platte aufweist, die an der ersten Platte anliegt und
eine Leitung dazwischen bildet, wobei die Leitung in Fluidkommunikation
mit der Einlassöffnung und einer Auslassöffnung der
Brennstoffzellenplatte steht, wobei die Leitung eine zwischen der
ersten Platte und der zweiten Platte geformte kontinuierliche Naht
besitzt, um einen Wassertransport zu der Auslassöffnung
zu unterstützen, und eine Elektrolytmembran und ein Paar
von Elektroden aufweist, die zwischen dem Paar von Brennstoffzellenplatten
angeordnet sind.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
obigen wie auch weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
dem 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
Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung ist;
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2 eine
bruchstückhafte perspektivische Ansicht einer Brennstoffzellenplatte
von dem in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapel
ist;
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3 eine
vergrößerte bruchstückhafte perspektivische
Ansicht der in 2 gezeigten Brennstoffzellenplatte
ist, die einen Abschnitt im Querschnitt entlang der Schnittlinie
3-3 zeigt;
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4 eine
vergrößerte bruchstückhafte Draufsicht
der in 2 gezeigten Brennstoffzellenplatte ist;
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5 eine
bruchstückhafte perspektivische Ansicht der in 2 gezeigten
Brennstoffzellenplatte ist, die eine kon tinuierliche Naht zwischen
einer ersten Platte und einer zweiten Platte zeigt; und
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6 eine
vergrößerte bruchstückhafte Schnittansicht
einer Leitung der in 2 gezeigten Brennstoffzellenplatte
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 durchzuführen
und anzuwenden, und sind nicht dazu bestimmt, den Schutzumfang der
Erfindung auf irgendeine Weise einzuschränken.
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1 zeigt
eine Brennstoffzellenanordnung 10 gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Die Brennstoffzellenanordnung 10 umfasst
mehrere gestapelte Brennstoffzellenplatten 12. Jede der
Brennstoffzellenplatten 12 umfasst einen Einlassdurchlass 14 und
einen Auslassdurchlass 16. Gemeinsam bilden die Einlassdurchlässe 14 von
jeder der Brennstoffzellenplatten 12 eine Einlasssammelleitung 18,
und die Auslassdurchlässe 16 von jeder der Platten
bilden eine Auslasssammelleitung 20. Ein Einlass 22 steht
in Fluidkommunikation mit der Einlasssammelleitung 18,
und ein Auslass 24 steht in Fluidkommunikation mit der
Auslasssammelleitung 20. Die Brennstoffzellenanordnung 10,
die in 1 gezeigt ist, ist veranschaulichend für
eine Anodeneinlasssammelleitung und eine Anodenauslasssammelleitung,
eine Kathodeneinlasssammelleitung und eine Kathodenauslasssammelleitung
sowie eine Kühlmitteleinlasssammelleitung und eine Kühlmittelauslasssammelleitung.
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2 zeigt
eine der Brennstoffzellenplatten 12, die eine erste Platte 26 und
eine zweite Platte 28 aufweist. Die erste Platte 26 und
die zweite Platte 28 umfassen beide aktive Gebiete 30 und
inaktive Gebiete 32. Die erste Platte 26 und die
zweite Platte 28 können aus einem beliebigen herkömmlichen
Material hergestellt sein, wie beispielsweise gestanztem bzw. geprägtem
Metall, Graphit oder einem Kohlenstoffkomposit- bzw. Verbundstoff.
Es sei zu verstehen, dass das Material zum Aufbau, die Größe,
die Form, die Menge wie auch der Typ von Brennstoffzellenplatten 12 in
der Brennstoffzellenanordnung 10 wie auch die Konfiguration
der Brennstoffzellenplatten 12 innerhalb der Anordnung 10 auf
Grundlage von Konstruktionsparametern variieren können,
wie beispielsweise der Menge an zu erzeugender Elektrizität,
der Größe der mit der Brennstoffzellenanordnung 10 zu
betreibenden Maschine, dem Soll-Volumendurchfluss von Gasen durch
die Brennstoffzellenanordnung 10 wie auch anderen ähnlichen
Faktoren.
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Die
zweite Platte 28 ist benachbart der ersten Platte 26 angeordnet
und mit dieser durch ein beliebiges herkömmliches Mittel
verbunden, wie Schweißen, einen Klebstoff oder dergleichen,
um die Brennstoffzellenplatte 12 zu bilden. Eine Anordnung einer
Membranelektrodenanordnung und eines Diffusionsmediums zwischen
zwei aufeinander folgenden Brennstoffzellenplatten 12 bildet
eine einzelne Brennstoffzelle. Eine der ersten Platte 26 und
der zweiten Platte 28 kann für eine Anodenseite
oder für eine Kathodenseite der Brennstoffzellenanordnung 10 verwendet
werden. Die erste Platte 26 und die zweite Platte 28 können
beabstandet sein, und ein dazwischen existierender Kühlmittelkanal
kann zur Flüssigkeitskühlung der Brennstoffzelle
oder zur Erzeugung eines Tunnelgebietes 34 verwendet werden.
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Das
Tunnelgebiet 34 ermöglicht, dass Reaktanden sowie
während der elektrochemischen Reaktion erzeugtes Wasser
in die Brennstoffzelle von der Einlasssammelleitung 18 eintreten
und die Zelle zu der Auslasssammelleitung 20 verlassen
können. Merkmale, die die Tunnelgebiete 34 definieren,
sind einteilig an der ersten Platte 26 und der zweiten
Platte 28 geformt. Die Tunnelgebiete 34 sind von
den Kühlmittelkanälen durch die Verwendung von Schweißstellen
oder Klebstoffen getrennt, die die Platten 26, 28 selektiv
verbinden. Wie in den 3, 4, 5 und 6 gezeigt
ist, kann die Brennstoffzellenplatte 12 eine Anzahl von
zwischen der ersten Platte 26 und der zweiten Platte 28 geformten Leitungen 36 aufweisen,
die gemeinsam das Tunnelgebiet 34 formen. Die Leitungen 36 können
beispielsweise entlang eines linearen Randes der Auslassöffnung 16 geformt
sein oder können ringförmig um eine im Wesentlichen
kreisförmige Öffnung geformt sein. Die Tunnelgebiete 34 können
um die Einlasssammelleitung 18 oder die Auslasssammelleitung 20 geformt sein.
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Die 3 und 4 zeigen
die erste Platte 26, die mehrere Einlassöffnungen 38 aufweist.
Die erste Platte 26 kann auch Ausstülpungen 40 der
ersten Platte sowie erste planare Abschnitte 41 aufweisen.
Wie in 2 gezeigt ist, umfasst das aktive Gebiet 30 eine
Vielzahl von Strömungskanälen 42, die Reaktanden
effektiv über das aktive Gebiet 30 verteilen.
Zusätzlich führen die Strömungskanäle 42 während
der elektrochemischen Reaktion erzeugtes Wasser in Richtung des
inaktiven Gebietes 32. Flüssiges Wasser wird durch
das aktive Gebiet 30 und das inaktive Gebiet 32 durch
Reaktandenmitreißkräfte bewegt. Die Reaktanden
und das Wasser treten in das Tunnelgebiet 34 der Platte 12 durch
die Einlassöffnungen 38 ein. Die Einlassöffnungen 38 können beispielsweise
während dem Prägen bzw. Stanzen der Platte oder
durch andere sekundäre Prozesse geformt werden. An dem
ersten planaren Abschnitt 41 der ersten Platte 26 oder
an einem anderen planaren Abschnitt der Platte 12 kann
ein Dichtungselement angeordnet sein. Das Dichtungselement kann einem
Umfang der Auslasssammelleitung 20 oder einem Umfang der
Platte 12 folgen. Das Dichtungselement wirkt einer Leckage
der Reaktanden und des Wassers von der Brennstoffzelle entgegen
und isoliert die Brennstoffzellenplatte 12 elektrisch von
einer benachbarten Brennstoffzellenplatte 12.
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Die
zweite Platte 28 umfasst eine Vielzahl von Vertiefungen 44 der
zweiten Platte. Die Vertiefungen 44 der zweiten Platte
können beispielsweise entlang eines linearen Randes der
Auslassöffnung 16 geformt sein oder können
ringförmig um eine im Wesentlichen kreisförmige Öffnung
geformt sein. Ein Vorderrand 45 der Vertiefung 44 der
zweiten Platte kann im Wesentlichen mit einem Rand der Einlassöffnung 38 ausgerichtet
sein. Bei Anordnung der zweiten Platte 28 benachbart der
ersten Platte 26 sind die Vertiefungen 44 der
zweiten Platte von der ersten Platte 26 beabstandet. Mehrere
Kontaktrippen 46 zwischen den Vertiefungen 44 der
zweiten Platte definieren eine Kopplungsfläche 48 der
zweiten Platte in der Nähe der Vertiefungen 44 der
zweiten Platte. Die zweite Platte 28 kann auch eine Vielzahl
von Ausstülpungen 50 der zweiten Platte aufweisen,
die benachbart der Vertiefungen 44 der zweiten Platte geformt
sind und im Wesentlichen mit den Ausstülpungen 40 der
ersten Platte ausgerichtet sind. Die Ausstülpungen 50 der
zweiten Platte sorgen dafür, dass eine Querschnittsfläche
der Leitung 36 im Wesentlichen konstant bleibt, wodurch
Geschwindigkeitsänderungen eines sich darin bewegenden
Fluides entgegengewirkt wird.
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Die
Leitungen 36 werden durch ein Zusammenwirken der Vertiefungen 44 der
zweiten Platte, der ersten Platte 26, der Einlassöffnungen 38 und
einer Vielzahl von Auslassöffnungen 52 geformt.
Die Leitungen 36 können auch die Ausstülpungen 40 der ersten
Platte und die Ausstülpungen 50 der zweiten Platte
aufweisen. Es sei zu verstehen, dass ein Kontakt zwischen der ersten
Platte 26 und der zweiten Platte 28 eine kontinuierliche
Naht 54 von der Einlassöffnung 38 zu
der Auslassöffnung 52 definiert. Die kontinuierliche
Naht 54 zwischen der ersten Platte 26 und der
zweiten Platte 28 kann auf verschiedenen Wegen erreicht
werden. Beispielsweise kann eine planare Fläche der ersten
Platte 26 auf einen Rand der Vertiefungen 44 der
zweiten Platte treffen, eine planare Fläche der zweiten
Platte 28 kann auf einen Rand der Ausstülpungen 40 der
ersten Platte treffen, ein Rand der Ausstülpungen 40 der
ersten Platte kann auf einen Rand der Vertiefungen 44 der
zweiten Platte treffen, und der Vorderrand 45 von einer
der Vertiefungen 44 der zweiten Platte kann auf einen Rand
von einer der Einlassöffnungen 38 treffen. Die kontinuierliche
Naht 54 isoliert jede der Leitungen 36 von anderen
der Leitungen 36. Die Auslassöffnungen 52 können
zwischen der ersten Platte 26 und der zweiten Platte 28 geformt
sein. Wie gezeigt ist, bildet ein Anschlussende der Leitung 36 zumindest
einen Abschnitt der Auslassöffnung 52. Alternativ
dazu kann die Auslassöffnung 52 einzeln in der
zweiten Platte 28 geformt sein. Ein Rand der Auslassöffnung 52 hält
einen Kontakt mit der kontinuierlichen Naht 54 aufrecht. Ähnlicherweise
können die Einlassöffnungen 38 in der
Ausstülpung 40 der ersten Platte geformt sein,
vorausgesetzt, dass der Rand der Einlassöffnung 38 einen
Kontakt mit der kontinuierlichen Naht 54 beibehält.
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Die
Leitungen 36 sehen eine Fluidkommunikation zwischen den
Einlassöffnungen 38 und den Auslassöffnungen 52 vor.
Beispielsweise kann eine Fluidströmung einen der Reaktanden
sowie eine Wasserbewegung zu und von der Brennstoffzelle aufweisen.
Die Reaktanden können in die Brennstoffzelle während
des Betriebs der Brennstoffzelle eintreten oder diese verlassen.
Wasser kann von der Brennstoffzelle durch Kapillarströmung
nach einem Brennstoffzellenbetrieb abgelassen werden. Die diskreten
Leitungen 36 sind gegenüber nicht diskreten Leitungen
vorteilhaft, da sie eine Fehlverteilung von Strömung in
dem Tunnelgebiet 34 verhindern und eine Kapillarströmung
gefördert wird.
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Die
Kapillarströmung wird durch die Verwendung der diskreten
Leitungen 36 der Tunnelgebiete 34 unterstützt.
Die zwischen der ersten Platte 26 und der zweiten Platte 28 geformte
kontinuierliche Naht 54 stellt einen beispielhaften Ort
für einen Prozess dar, der als spontane Benetzung oder
spontane Imbibition bezeichnet ist. Dieser Prozess, wenn er offene Kapillaren
betrifft, die durch V-förmige oder dreieckige Oberflächennuten
gebildet werden, ist in Rye et al., Langmuir, 12: 555–565
(1996) beschrieben, der hierdurch in seiner Gesamtheit
hier durch Bezugnahme eingeschlossen ist. Die physikalischen Anforderungen
zur Unterstützung einer spontanen Benetzung in den Ecken
eines Strömungskanals sind durch die Concus-Finn-Bedingung β + α/2 < 90° gekennzeichnet,
wobei β ein statischer Kontaktwinkel ist, der zwischen
einer Flüssigkeitsfläche und einer festen Fläche
gebildet ist. Ein Winkel α ist der Eckenwinkel der Leitung 36 und
bei bestimmten Ausführungsformen der Winkel, der durch
die Überschneidung der ersten Platte 26 mit der
zweiten Platte 28 geformt wird. Der statische Kontaktwinkel β ist
eine für eine bestimmte Oberfläche und ein bestimmtes Material
spezifische Eigenschaft, die beispielsweise dadurch experimentell
bestimmt wird, dass ein Flüssigkeitströpfchen
auf der Oberfläche angeordnet wird und aufgezeichnet wird,
wann ein Gleichgewichtszustand erfüllt ist, an dem keine
weitere Ausbreitung des Tröpfchens stattfindet.
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Als
ein nicht beschränkendes Beispiel besitzt ein rechtwinkliger
Kanal ein α/2 von 45°, was angibt, dass eine spontane
Benetzung auftritt, wenn der statische Kontaktwinkel kleiner als
45° ist. Wie in den 3 bis 6 gezeigt
ist, besitzt die Überschneidung zwischen der ersten Platte 26 und
der zweiten Platte 28 αβ + α/2 < 90°, wodurch
die Concus-Finn-Bedingung erfüllt ist. Illustrativ kann
die Überschneidung zwischen der ersten Platte 26 und der
zweiten Platte 28 einen spitzen Winkel besitzen. Wie in 6 gezeigt
ist, bildet eine spontane Benetzung entlang der kontinuierlichen
Naht 54 gemeinsam ein kontinuierliches Band 56 aus
Wasser, das von der Einlassöffnung 38 zu der Auslassöffnung 52 strömt.
Das kontinuierliche Band 56 unterstützt eine konstante
und ununterbrochene Strömung von Wasser durch die Leitung 36 von
einer Vereinigungsfläche 58 der ersten Platte 26 zu
der Auslasssammelleitung 20. Die kontinuierlichen Bänder 56 können
sich an beiden Seiten der Leitung 36 bilden.
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Im
Gebrauch unterstützt das kontinuierliche Band 56 eine Entfernung
von Wasser von dem Tunnelgebiet 34 und der Vereinigungsfläche 58 nach
einem Betrieb des Brennstoffzellenstapels 10. Bei einer
Stapelabschaltung kann sich Wasser innerhalb der Brennstoffzelle
in der Vereinigungsfläche 58 oder innerhalb des
Tunnelgebietes 34 aufgrund einer Entfernung der Mitreißkräfte
und des Mitreißdrucks der Reaktandenströmung sammeln.
Wasser in dem Tunnelgebiet 34 benetzt spontan die kontinuierliche
Naht 54 und bildet das kontinuierliche Band 56.
Alternativ dazu kann das kontinuierliche Band 56 während
des Betriebs des Brennstoffzellenstapels 10 gebildet werden.
Wasser an der Vereinigungsfläche 58 tritt in die Einlassöffnung 38 aufgrund
einer Bildung eines Flüssigkeitsfilmes oder einer Schwerkraft
ein. Das Wasser tritt mit dem Vorderrand 45 in Kontakt
und benetzt spontan die kontinuierliche Naht 54. Die Kapillarwirkung
sammelt weiterhin das Wasser und breitet dieses entlang der kontinuierlichen
Naht 54 aus, wobei das kontinuierliche Band 56 gebildet
wird. Wasser dringt von der Auslassöffnung 52 in
die Einlasssammelleitung 18 oder die Auslasssammelleitung 20, wenn
das Volumen von Wasser, das die kontinuierliche Naht 54 bildet,
zunimmt. Wasser, das von der Auslassöffnung 52 vordringt,
ist im Wesentlichen frei von den Kapillarkräften, die das
konti nuierliche Band 56 bilden. Das Wasser bewegt sich
in die Einlasssammelleitung 18 oder die Auslasssammelleitung 20 durch
Grenzschicht-Scherkräfte, Schwerkräfte sowie Kapillarmechanismen.
Wasser wird von dem Tunnelgebiet 34 und der Vereinigungsfläche 58 so
lange kontinuierlich entfernt, bis die verbliebene Menge an Wasser
die kapillarbasierte Entfernung von Wasser nicht weiter unterstützen
kann. Demgemäß liegt Wasser, das nach Beendigung
der kapillarbasierten Entfernung zurückbleibt, in einer
Menge vor, die nicht in der Lage ist, die Leistungsfähigkeit
der Brennstoffzelle bei Bedingungen unterhalb des Gefrierpunktes zu
beeinträchtigen.
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Eine
Fehlverteilung von Strömung kann in nicht diskreten Leitungen
aufgrund einer Wasservereinigung in einer oder mehreren Leitungen
auftreten. Tunnelgebiete mit nicht diskreter Leitung können eine
Leitungs-Sammelleitung, überbrückte Leitungen oder
andere gemeinsame Plattenmerkmale aufweisen, die angeordnet sind,
bevor die Leitung in der Auslassöffnung 52 endet.
Diese Merkmale, die im Vergleich zu der Größe
der Leitung selbst relativ groß sein können, bewirken,
dass die Strömungsgeschwindigkeit von Reaktanden durch
die Leitung signifikant reduziert wird. Flüssiges Wasser
kann sich in Bereichen mit einer reduzierten Strömungsgeschwindigkeit
vereinigen, was zur Folge hat, dass Reaktandengase Abschnitte von
Leitungen, gesamte Leitungen oder Bereiche mit reduzierter Strömungsgeschwindigkeit
umgehen. Tunnelgebiete mit diskreter Leitung sehen eine im Wesentlichen
konstante Reaktandenströmungsgeschwindigkeit vor, wodurch
einer Wasseransammlung, eine Reaktandenumgehung sowie eine Strömungsvariation
zwischen den Brennstoffzellen entgegengewirkt wird.
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Eine
Querschnittsfläche der Leitungen 36 kann so gewählt
sein, um die Entfernung von flüssigem Wasser von dem Tunnelgebiet 34 zu
unterstüt zen. Die Leitungen 36 können
beispielsweise eine im Wesentlichen konstante Querschnittsfläche
besitzen, die ermöglicht, dass die Strömungsgeschwindigkeit der
sich darin bewegenden Fluide relativ konstant bleibt. Eine relative
konstante Strömungsgeschwindigkeit in der Leitung 36 wirkt
einer Vereinigung von Wasser entgegen. Alternativ dazu können
die Leitungen 36 eine abnehmende Querschnittsfläche
besitzen. Eine erste Querschnittsfläche nahe der Einlassöffnung 38 kann
eine größere Querschnittsfläche besitzen,
als eine zweite Querschnittsfläche nahe der Auslassöffnungen 52.
Die Leitungen 36 mit einer abnehmenden Querschnittsfläche
unterstützen gleichermaßen eine Entfernung von
flüssigem Wasser davon durch Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit
in der Leitung 36, wenn sich das Fluid entlang einer Länge
der Leitung 36 in Richtung der Auslassöffnung 52 bewegt.
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Es
kann eine Vielzahl von Übergangsabschnitten 60 der
Leitungen 36 durch eine Überlappung der Ausstülpungen 40 der
ersten Platte und der Vertiefungen 44 der zweiten Platte
geformt sein, wie in den 3 und 4 gezeigt
ist. Die Ausstülpungen 50 der ersten Platte und
die Vertiefungen 44 der zweiten Platte werden demgemäß geformt,
um die im Wesentlichen konstante oder abnehmende Querschnittsfläche
der Leitungen 36 in den Übergangsabschnitten 60 aufrechtzuerhalten.
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Es
sei angemerkt, dass die vorliegende Brennstoffzellenplatte 12 aufgrund
einer Beseitigung eines Bedarfs nach zusätzlichen Komponenten,
wie Wassertransportstrukturen, Oberflächenbeschichtungen
und dergleichen, kosteneffektiv ist. Es ist überraschend
herausgefunden worden, dass die Brennstoffzellenplatte 12 effektiv
dazu dient, einer Wasseransammlung in dem Tunnelgebiet 34 der Brennstoffzelle
sowie einer Fehlverteilung von Reaktanden entgegenzuwirken. Die
Brennstoffzellenplatte 12 maximiert dadurch eine Startleistungsfähigkeit
der Brennstoffzelle bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes.
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Aus
der vorhergehenden Beschreibung kann der Fachmann leicht die wesentlichen
Charakteristiken dieser Erfindung ermitteln und ohne Abweichung von
dem Erfindungsgedanken und Schutzumfang derselben verschiedene Änderungen
und Abwandlungen an der Erfindung ausführen, um diese an
verschiedene Gebräuche und Bedingungen anzupassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Rye et al.,
Langmuir, 12: 555–565 (1996) [0031]