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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Fluidregulierungssystem für einen Brennstoffzellenstapel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Brennstoffzellenstapelanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Brennstoffzellenenergiesysteme wandeln einen Brennstoff und ein Oxidationsmittel (Reaktanden) in Elektrizität um. Ein Typ von Brennstoffzellenenergiesystem verwendet eine Protonenaustauschmembran (PEM), um eine Reaktion des Brennstoffs (wie Wasserstoff) und des Oxidationsmittels (wie Luft oder Sauerstoff) zu Erzeugung von Elektrizität katalytisch zu unterstützen. Wasser stellt ein Nebenprodukt der elektrochemischen Reaktion dar. Die PEM ist ein Festpolymerelektrolyt, der eine Übertragung von Protonen von einer Anodenelektrode zu einer Kathodenelektrode in jeder einzelnen Brennstoffzelle eines Stapels von Brennstoffzellen, die normalerweise in einem Brennstoffzellenenergiesystem eingesetzt sind, unterstützt.
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Bei der typischen Brennstoffzellenanordnung besitzen die einzelnen Brennstoffzellen Brennstoffzellenplatten mit Kanälen, durch die verschiedene Reaktanden und Kühlfluide strömen. Brennstoffzellenplatten können beispielsweise unipolar sein. Eine Bipolarplatte kann durch Kombination unipolarer Platten geformt werden. Das Oxidationsmittel wird an die Kathodenelektrode von einer Kathodeneinlasssammelleitung geliefert und der Brennstoff wird an die Anodenelektrode von einer Anodeneinlasssammelleitung geliefert. Eine Bewegung von Wasser von den Kanälen zu einer Auslasssammelleitung wird typischerweise durch die Strömung der Reaktanden durch die Brennstoffzellenanordnung bewirkt. Grenzschicht-Scherkräfte und der Druck des Reaktanden unterstützen einen Transport des Wassers durch die Kanäle, 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 dazwischen angeordnete Elektrolytmembran. Poröse Diffusionsmedien (DM) sind auf beiden Seiten der MEA positioniert, um eine Lieferung von Reaktanden für die elektrochemische Brennstoffzellenreaktion zu unterstützen.
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Eine Wasseransammlung in den Kanälen der Brennstoffzelle kann in einer Verschlechterung einer Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle resultieren. Insbesondere bewirkt eine Wasseransammlung eine Reaktandenströmungsfehlverteilung in einzelnen Brennstoffzellenplatten und innerhalb der Brennstoffzellenanordnung, die zu einer Spannungsinstabilität und einer Schädigung der Elektroden führen kann. Zusätzlich kann sich nach dem Betrieb in der Brennstoffzelle verbleibendes Wasser bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts verfestigen, was Schwierigkeiten während eines Neustarts der Brennstoffzelle erzeugt. Wasser, das sich in den Kanalgebieten ansammelt, umfasst das Wassernebenprodukt der elektrochemischen Reaktion und Wasser, das in den Strömen der Reaktandenströmung von der Kathodeneinlasssammelleitung und der Anodeneinlasssammelleitung mitgeführt wird.
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Es sind zahlreiche Techniken verwendet worden, um eine Wasseransammlung in der Brennstoffzelle zu managen. Diese Techniken umfassen beispielsweise druckbeaufschlagtes Spülen, Schwerkraftströmung sowie Verdampfung. Zusätzlich ist der Einsatz von Wassertransportstrukturen und Oberflächenbeschichtungen verwendet worden, die beispielsweise den Transport von Wasser von den Kanalgebieten der Brennstoffzelle in ein Austragsgebiet der Brennstoffzellenanordnung unterstützen. Die Verfahren zum Managen der Wasseransammlung sind typischerweise auf eine Entfernung von Wasser gerichtet, das sich in den Kanälen der Brennstoffzelle angesammelt hat, und erfordern zusätzliche Betriebsschritte und/oder Komponenten für die Brennstoffzelle. Von den zusätzlichen Betriebsschritten und Komponenten ist es bekannt, dass sie einen Wirkungsgrad des Betriebs der Brennstoffzelle reduzieren und Kosten der Herstellung der Brennstoffzelle erhöhen. In den Strömen der Reaktandenströmung mitgeführtes Wasser erhöht einen Bedarf, die verschiedenen Techniken, Transportstrukturen und Oberflächenbeschichtungen einzusetzen, um eine Wasserentfernung von den Tunnelgebieten der Brennstoffzelle zu unterstützen.
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Die
DE 103 04 657 A1 offenbart ein System gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Brennstoffzellenstapelanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5. Weiterer Stand der Technik ist aus
DE 10 2010 009 004 A1 bekannt.
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Es wäre erwünscht, einen kosteneffektiven Brennstoffzellenstapel herzustellen, der eine Ansammlung von Wasser in einer Brennstoffzelle sowie die Anzahl von erforderlichen Komponenten minimiert, um eine Entfernung von Wasser von der Brennstoffzelle zu unterstützen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist überraschend ein kosteneffektiver Brennstoffzellenstapel entdeckt worden, der eine Ansammlung von Wasser in einer Brennstoffzelle sowie die Anzahl erforderlicher Komponenten minimiert, um eine Entfernung von Wasser von der Brennstoffzelle zu unterstützen.
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Ein erfindungsgemäßes Fluidregulierungssystem für einen Brennstoffzellenstapel umfasst ein poröses Element, das in einem Fluideinlass des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist und dazu dient, ein flüssiges Wasser von einem hindurchströmenden Reaktandengas zu sammeln; und ein Fluidsammelelement, das in dem Fluideinlass angeordnet ist, wobei das Fluidsammelelement in Fluidkommunikation mit dem porösen Element steht. Das Fluidregulierungssystem umfasst außerdem eine Fluidleitung in Fluidkommunikation mit dem Fluidsammelelement, um einen Strömungspfad zum Ablassen des flüssigen Wassers von dem Fluidsammelelement vorzusehen, wobei ein Strömungsbegrenzer in der Fluidleitung angeordnet ist, um eine Strömung des Reaktandengases hindurch zu steuern, wobei der Strömungsbegrenzer eine Düse, ein Saugmaterial oder ein hydrophiles poröses Element ist.
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Eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapelanordnung umfasst eine erste Endplatte und eine beabstandete zweite Endplatte; zumindest eine Brennstoffzelle, die zwischen der ersten Endplatte und der zweiten Endplatte angeordnet ist; einen Fluideinlass, der einen Strömungspfad für ein Reaktandengas an die zumindest eine Brennstoffzelle bereitstellt; ein poröses Element, das in dem Fluideinlass angeordnet ist, wobei das Reaktandengas durch das poröse Element und in die zumindest eine Brennstoffzelle getrieben wird, wobei das poröse Element dazu dient, ein flüssiges Wasser von dem hindurchströmenden Reaktandengas zu sammeln; und ein Fluidsammelelement, das in dem Fluideinlass angeordnet und derart angepasst ist, dass es das flüssige Wasser von dem porösen Element aufnimmt. Außerdem weist die Brennstoffzellenstapelanordnung eine Fluidleitung in Fluidkommunikation mit dem Fluidsammelelement auf, um einen Strömungspfad zum Ablassen des flüssigen Wassers von dem Fluidsammelelement vorzusehen, wobei ein Strömungsbegrenzer in der Fluidleitung angeordnet ist, um eine Strömung des Reaktandengases hindurch zu steuern, wobei der Strömungsbegrenzer eine Düse, ein Saugmaterial oder ein hydrophiles poröses Element ist.
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Ein Verfahren zum Regulieren von in eine Brennstoffzelle strömendem flüssigem Wasser umfasst die Schritte, dass eine erste Endplatte und eine beabstandete zweite Endplatte vorgesehen werden; zumindest eine Brennstoffzelle zwischen der ersten Endplatte und der zweiten Endplatte vorgesehen wird; ein Fluideinlass in Fluidkommunikation mit der zumindest einen Brennstoffzelle vorgesehen wird, um eine Strömung eines Reaktandengases an die zumindest eine Brennstoffzelle bereitzustellen; ein poröses Element in dem Fluideinlass vorgesehen wird, das dazu dient, ein flüssiges Wasser von dem hindurchströmenden Reaktandengas zu sammeln; und ein Fluidsammelelement in dem Fluideinlass vorgesehen wird, das derart angepasst ist, dass es das flüssige Wasser von dem porösen Element aufnimmt.
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ZEICHNUNGEN
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Die obigen wie auch weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf die nachfolgend beschriebenen Zeichnungen leicht offensichtlich.
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1 ist eine schematische Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapels;
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2 ist eine Draufsicht des in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapels mit einer entfernten Endplatte;
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3 ist eine vergrößerte bruchstückhafte Schnittansicht eines in 1 gezeigten Bereichs A, die eine Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
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4 ist eine vergrößerte bruchstückhafte Schnittansicht eines in 1 gezeigten Bereichs A, die eine andere Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
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5 ist eine vergrößerte bruchstückhafte Schnittansicht des in 1 gezeigten Bereichs A, die eine andere Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht; und
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6 ist eine schematische Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapels, die eine andere Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur. Es sei auch zu verstehen, dass in den Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale angeben.
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1 zeigt eine Brennstoffzellenanordnung 10. Die Brennstoffzellenanordnung 10 umfasst eine Mehrzahl gestapelter Brennstoffzellen 12, die zwischen Endplatten 14, 16 angeordnet sind. Jede der Brennstoffzellen 12 umfasst ein Paar von Brennstoffzellenplatten (nicht gezeigt), die einen Einlassdurchlass 18 und einen Auslassdurchlass 20, die darin geformt sind, aufweisen. Die Brennstoffzellen 12 sind so gestapelt, dass der Einlassdurchlass 18 und der Auslassdurchlass 20 jeder Brennstoffzelle 12 im Wesentlichen mit dem jeweiligen Einlassdurchlass 18 und dem Auslassdurchlass 20 einer benachbarten Brennstoffzelle 12 ausgerichtet sind. Gemeinsam bilden die Einlassdurchlässe 18 von jeder der Brennstoffzellen 12 eine Einlasssammelleitung 22, und die Auslassdurchlässe 20 jeder der Brennstoffzellen 12 bilden eine Auslasssammelleitung 24. Die Einlasssammelleitung 22 ist derart angepasst, dass sie eine Strömung eines Reaktanden, wie beispielsweise eines Brennstoffs (wie Wasserstoff) von einer Brennstoffquelle oder eines Oxidationsmittels (wie Luft oder Sauerstoff) von einer Oxidationsmittelquelle, an die Brennstoffzellen 12 liefert. Die Brennstoffzellenanordnung 10, die gezeigt ist, veranschaulicht sowohl eine Anodeneinlasssammelleitung als auch eine Anodenauslasssammelleitung (für den Brennstoff) und eine Kathodeneinlasssammelleitung und eine Kathodenauslasssammelleitung (für das Oxidationsmittel).
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Die Endplatte 14 umfasst einen darin geformten Einlass 26 in Fluidkommunikation mit der Einlasssammelleitung 22 und einen darin geformten Auslass 28 in Fluidkommunikation mit der Auslasssammelleitung 24.
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Eine Einlassleitung (nicht gezeigt) sieht eine Fluidkommunikation von der Quelle des Reaktanden zu dem Einlass 26 der Endplatte 14 vor. Die Einlassleitung, der Einlass 26 der Endplatte 14 und die Einlasssammelleitung 22 bilden einen Fluideinlass von der Quelle des Reaktanden zu den Brennstoffzellen 12. Es sei zu verstehen, dass die Brennstoffzellenanordnung 10 typischerweise eine Kühlmitteleinlasssammelleitung in Fluidkommunikation mit einem in einer Endplatte geformten Kühlmitteleinlass und eine Kühlmittelauslasssammelleitung in Fluidkommunikation mit einem in einer Endplatte geformten Kühlmittelauslass aufweist.
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In dem Einlass 26 der Endplatte 14 ist ein Fluidsammelelement 30 vorgesehen. Bei der gezeigten Ausführungsform ist das Fluidsammelelement 30 eine Rinne, die sich von einer Fläche des Einlasses 26 der Endplatte 14 nach außen erstreckt. Ein poröses Element 34 mit einem ersten Ende 36, einem beabstandeten zweiten Ende 38 und gegenüberliegenden Seitenrändern 40, 42, wie in 2 gezeigt ist, ist in der Einlasssammelleitung 22 angeordnet. Das erste Ende 36 grenzt an einer Fläche der Endplatte 16 an, und das zweite Ende 38 grenzt an einer Fläche der Endplatte 14 benachbart dem Fluidsammelelement 30 an. Die Seitenränder 40, 42 grenzen an gegenüberliegende Seiten der Einlasssammelleitung 22 an. Das poröse Element 34 kann ein Schaum, ein Gewebe, ein Netz oder ein anderes Material mit geeigneten hydrophilen Eigenschaften sein. Ferner kann das poröse Element 34 eine Trägerstruktur, wie beispielsweise ein Gitter, aufweisen, um eine erwünschte Starrheit oder Formgebung für das poröse Element 34 vorzusehen. Das poröse Element 34 ist derart angepasst, dass es die Strömung des Reaktanden durch das poröse Element 34 und in die Brennstoffzellen 12 zulässt, während bewirkt wird, dass flüssiges Wasser 39, das in dem Reaktanden mitgeführt wird, darin/oder daran gesammelt wird. Günstige Ergebnisse sind mit der Verwendung eines hydrophilen Materials für das poröse Element 34 erhalten worden. Die Seitenränder 40, 42 des porösen Elements 34 können zwischen den Brennstoffzellen 12 aufgenommen sein, um einer Umgehung des porösen Elementes 34 durch Fluide durch Strömen um die Seitenränder 40, 42 in die Brennstoffzellen 12 entgegenzuwirken. Es sei zu verstehen, dass ein Dichtungselement verwendet werden kann, um eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung zwischen den Seitenrändern 40, 42 des porösen Elements 34 und der Oberfläche der Einlasssammelleitung 22 und/oder der Brennstoffzellen 12 zu bilden. Zusätzlich sei zu verstehen, dass das Dichtungselement verwendet werden kann, um eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung zwischen dem ersten Ende 36 und dem zweiten Ende 38 des porösen Elements 34 und der Endplatte 16 bzw. der Endplatte 14 zu bilden.
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2 zeigt die Brennstoffzellenanordnung 10 mit entfernter Endplatte 16, um eine Fläche einer Brennstoffzellenplatte 44 für eine der Brennstoffzellen 12 zu zeigen. Jede Brennstoffzellenplatte 44 in der Brennstoffzellenanordnung 10 umfasst ein daran geformtes Strömungsfeld 46 mit einer Mehrzahl von Strömungskanälen, die eine Fluidkommunikation von der Einlasssammelleitung 22 über die Fläche der Brennstoffzellenplatte 44 zu der Auslasssammelleitung 24 vorsehen. Das poröse Element 34 ist in der Einlasssammelleitung 22 benachbart einem Einlass des Strömungsfeldes 46 angeordnet. Es sei zu verstehen, dass das poröse Element 34 und das Fluidsammelelement 30 in entweder einer Kathodeneinlasssammelleitung oder einer Anodeneinlasssammelleitung verwendet werden können.
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Im Gebrauch wird der Reaktand von der Quelle durch die Einlassleitung und den Einlass 26 der Endplatte 14 in die Einlasssammelleitung 22 getrieben. Der durch die Einlasssammelleitung 22 strömende Reaktand wird zu einem Durchgang durch das poröse Element 34 vor Aufnahme in dem Strömungsfeld 46 der Brennstoffzellenplatten 44 der Brennstoffzellen 12 veranlasst. Wenn der Reaktand durch das poröse Element 34 gelangt, wird das darin mitgeführte Wasser 39 durch das poröse Element 34 gesammelt und/oder daran gesammelt, was Wasser minimiert, das in die Brennstoffzellen 12 von der Einlasssammelleitung 22 eintritt. Das poröse Element 34 wird aus einem Material mit einer gewählten Wassersammelcharakteristik geformt, um einem Eintritt von flüssigem Wasser in die Brennstoffzellen 12 entgegenzuwirken. Ferner kann das poröse Element 34 aus einem Material mit einem gewählten Widerstand gegenüber einer Strömung eines Fluides hindurchgeformt sein, um eine gewünschte Fluiddruckänderung über das poröse Element 34 vorzusehen und damit die Ausbildung einer gewünschten Strömungsverteilung des Reaktanden in den Brennstoffzellen 12 zu unterstützen.
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Das Fluidsammelelement 30 sieht eine Sammlung des Wassers 39, das in dem Reaktanden mitgeführt wird, vor. Das durch das poröse Element 34 gesammelte Wasser 39 kann in das Fluidsammelelement 30 durch Schwerkraft ablaufen. Eine Kapazität des Fluidsammelelements 30 kann so gewählt sein, dass eine gewünschte Menge an Wasser aufgenommen wird und einer Störung einer Strömung des Reaktanden zu den Brennstoffzellen 12 benachbart des Fluidsammelelements 30 durch das gesammelte Wasser, entweder in flüssiger oder fester Form, entgegengewirkt wird. Während Betriebsperioden der Brennstoffzellenanordnung 10, wenn die relative Feuchte des Reaktanden unter der gewählten maximalen relativen Feuchte liegt, wird flüssiges Wasser von dem porösen Element 34 in den Reaktand verdampft. Flüssiges Wasser in dem Fluidsammelelement 30 kann durch das poröse Element 34 wieder absorbiert und in den hindurchströmenden Reaktanden verdampft werden.
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Das poröse Element 34 und das Fluidsammelelement 30 wirken zusammen, um die Menge an Wasser 39, die von der Einlasssammelleitung 22 in die Brennstoffzellen 12 eintritt, zu minimieren und/oder zu regulieren.
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Das poröse Element 34 unterstützt auch eine gleichförmige Verteilung des Wassers 39, das von der Einlasssammelleitung 22 in die Brennstoffzellen 12 eintritt. Eine Regulierung des in die Brennstoffzellen 12 eintretenden Wassers 39 minimiert eine Ansammlung von flüssigem Wasser in dem Strömungsfeld 46 der Brennstoffzellenplatten 44, was die Strömung des Reaktanden hindurch unterbrechen kann. Durch Minimierung von Unterbrechungen in der Strömung des Reaktanden durch das Strömungsfeld 46 der Brennstoffzellenplatten 44 werden eine Elektrodenschädigung oder andere Ausfallmechanismen der Brennstoffzellenanordnung 10 minimiert, und eine elektrische Spannungsstabilität sowie ein effizienter Betrieb der Brennstoffzellenanordnung 10 werden maximiert. Zusätzlich wird durch Minimierung einer Ansammlung von flüssigem Wasser in dem Strömungsfeld 46 der Brennstoffzellenplatten 44 auch die Wahrscheinlichkeit minimiert, dass sich gefrorenes Wasser darin während Perioden eines Niedertemperaturbetriebs der Brennstoffzelle 10 bildet, wie beispielsweise bei einer Startperiode. Gefrorenes Wasser in dem Strömungsfeld 46 der Brennstoffzellenplatten 44 kann die Strömung des Reaktanden unterbrechen und eine Schädigung der Komponenten der MEA durch Aufbringen einer erhöhten Kompressionskraft darauf in Folge der volumetrischen Expansion bewirken, die mit dem Gefrieren von Wasser in Verbindung steht. Demgemäß kann das Minimieren der Ansammlung von flüssigem Wasser in dem Strömungsfeld 46 der Brennstoffzellenplatten 44 die Wahrscheinlichkeit minimieren, dass gefrorenes Wasser die Strömung der Reaktanden hindurch unterbricht oder eine Schädigung der Komponenten der MEA bewirkt. Ferner können durch Minimieren und/oder Regulieren der Menge des Wassers 39, das in die Brennstoffzellen 12 eintritt, Prozesse und Komponenten für die Brennstoffzellenanordnung 10, die derart angepasst sind, um Wasser von den Brennstoffzellen 12 zu managen und/oder zu entfernen, beseitigt oder minimiert werden. Die Beseitigung oder Minimierung derartiger Prozesse und Komponenten kann Kosten zur Herstellung der Brennstoffzellenanordnung 10 und/oder die Anzahl von Komponenten, die für die Brennstoffzellenanordnung 10 erforderlich sind, minimieren und kann einen Betriebswirkungsgrad der Brennstoffzellenanordnung 10 maximieren.
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3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung. Der Aufbau, der ähnlich dem ist, der in 1 gezeigt ist, umfasst dieselben Bezugszeichen sowie ein Strichindex-(')-Symbol zur Verdeutlichung. Bei der gezeigten Ausführungsform ist eine Fluidleitung 50 benachbart und in Fluidkommunikation mit dem Fluidsammelelement 30' geformt. Die Fluidleitung 50 sieht eine Fluidkommunikation zwischen dem Fluidsammelelement 30' und einer Wasseraustragsleitung (nicht gezeigt) vor. Bei der gezeigten Ausführungsform ist die Fluidleitung 50 in der Endplatte 14' geformt. Es sei zu verstehen, dass die Fluidleitung 50 ein längliches Rohr sein kann, das eine Fluidkommunikation zwischen dem Fluidsammelelement 30' und der Wasseraustragsleitung bereitstellt. Ein als Düse ausgebildeter Strömungsbegrenzer 52 ist in der Fluidleitung 50 vorgesehen, um die Fluidströmung durch die Fluidleitung 50 zu regulieren.
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Im Gebrauch sieht die Fluidleitung 50 einen Strömungspfad für in dem Fluidsammelelement 30' gesammeltes flüssiges Wasser zum Austrag davon vor. Ein Fluiddruck des durch die Einlasssammelleitung 22' strömenden Reaktanden sieht eine Treibkraft für die Strömung des flüssigen Wassers in dem Fluidsammelelement 30' durch die Fluidleitung 50 zu der Wasseraustragsleitung vor. Eine Menge an Reaktandengas kann auch durch die Fluidleitung 50 strömen, was die Menge an Reaktandengas, die an die Brennstoffzellen 12' geliefert wird, reduziert. Der Strömungsbegrenzer 52 minimiert die Reaktandenströmung durch die Fluidleitung 50, um die Menge des Reaktandengases zu minimieren, die die Brennstoffzellen 12' umgehen und in die Wasseraustragsleitung strömen kann. Der Strömungsbegrenzer 52 kann derart angepasst sein, dass er die Strömung des Reaktandengases durch die Fluidleitung 50 auf weniger als etwa 1% der Gesamtströmung des Reaktandengases in der Einlasssammelleitung 22' beschränkt, während dennoch eine Strömung von flüssigem Wasser zu der Wasseraustragsleitung bewirkt wird. Es sei zu verstehen, dass ein betätigtes Ventil mit der Fluidleitung 50 verwendet werden kann, um die Strömung von Fluid hindurch selektiv zu steuern. Die Fluidleitung 50 und der Strömungsbegrenzer 52 sind besonders effektiv beim Managen von Wasser in einer Kathodeneinlasssammelleitung, in der eine kleine Menge an Kathodenreaktand, typischerweise atmosphärische Luft oder Sauerstoff, der die Brennstoffzellen 12 umgeht, allgemein akzeptabel ist.
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4 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung. Der Aufbau, der ähnlich demjenigen ist, der in 1 gezeigt ist, umfasst dieselben Bezugszeichen sowie ein Strichindex-(')-Symbol zur Verdeutlichung. Wie gezeigt ist, ist eine Fluidleitung 60 benachbart und in Fluidkommunikation mit dem Fluidsammelelement 30' geformt. Die Fluidleitung 60 sieht eine Fluidkommunikation zwischen dem Fluidsammelelement 30' und einer Wasseraustragsleitung (nicht gezeigt) vor. Ein Saugelement 62 ist in der Fluidleitung 60 angeordnet, das einer Strömung des Reaktandengases durch die Fluidleitung 60 zu der Wasseraustragsleitung entgegenwirkt. Bei der gezeigten Ausführungsform ist die Fluidleitung 60 in der Endplatte 14' geformt. Es sei zu verstehen, dass die Fluidleitung 60 ein längliches Rohr sein kann, das eine Fluidkommunikation zwischen dem Fluidsammelelement 30' und der Wasseraustragsleitung bereitstellt.
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Im Gebrauch sieht die Fluidleitung 60 einen Strömungspfad für in dem Fluidsammelelement 30' gesammeltes flüssiges Wasser zum Austrag davon vor. Flüssiges Wasser in dem Fluidsammelelement 30' strömt durch das Saugelement 62, das in der Fluidleitung 60 angeordnet ist, durch Kapillarkräfte. Das flüssige Wasser strömt durch das Saugelement 62 und setzt dann eine Strömung durch die Fluidleitung 60 zu der Wasseraustragsleitung fort. Die Verwendung des Saugelements 62 wirkt einem Strömen des Reaktandengases durch die Fluidleitung 60 und einer Umgehung der Brennstoffzellen 12' durch das Reaktandengas entgegen. Das Saugelement 62 ist besonders zum Managen von Wasser in einer Anodeneinlasssammelleitung geeignet, in der es typischerweise erwünscht ist, dass kein Reaktand, typischerweise Wasserstoffgas, die Brennstoffzellen 12 umgeht.
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Das Saugelement 62 kann eine Menge des Reaktandengases, die eine gewünschte Menge überschreitet, zur Strömung in die Wasseraustragsleitung und Umgehung der Brennstoffzellen 12' zulassen, wie beispielsweise, wenn der Fluiddruck des Reaktandengases einen kritischen Fluiddruck in Bezug auf das Saugelement 62 überschreitet. Es sei angemerkt, dass ein kritischer Fluiddruck für ein typisches Saugelement 62 zwischen etwa 10 kPa und 20 kPa liegt. Wie in 5 gezeigt ist, kann in einer Brennstoffzellenanordnung 10', die ein Reaktandengas verwendet, das einen Fluiddruck besitzt, der den kritischen Fluiddruck des Saugelements 62 überschreitet, das Saugelement 62 durch eine Reihe von zwei oder mehr beabstandeten hydrophilen porösen Elementen 64 ersetzt werden, die in der Fluidleitung 60 angeordnet sind. Jedes hydrophile poröse Element 64 sieht einen gewählten Differenzdruck darüber vor. Die Reihe der hydrophilen porösen Elemente 64 ist derart angepasst, dass sie dem hindurchgelangenden Reaktandengas entgegenwirkt, während ein Durchgang von flüssigem Wasser hindurch zugelassen wird. Typischerweise werden die hydrophilen porösen Elemente 64 ausreichend mit flüssigem Wasser benetzt gehalten, um den gewünschten Differenzdruck darüber beizubehalten. Demgemäß kann zumindest ein Anteil der Fluidleitung 60, der die hydrophilen porösen Elemente 64 aufweist, in einer horizontalen Position orientiert sein, um das Halten von flüssigem Wasser darin zu unterstützen, um die hydrophilen porösen Elemente 64 ausreichend benetzt zu halten. Ferner kann das flüssige Wasser an die hydrophilen porösen Elemente 64 beispielsweise aus Wasser, das in Abgas mitgeführt wird, das von der Auslasssammelleitung strömt, und/oder einer anderen geeigneten Quelle für flüssiges Wasser bereitgestellt werden.
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6 zeigt eine alternative Ausführungsform der Erfindung. Der Aufbau, der ähnlich demjenigen ist, der in 1 gezeigt ist, umfasst dieselben Bezugszeichen sowie ein Strichindex-(')-Symbol zur Verdeutlichung. Bei der gezeigten Ausführungsform ist das poröse Element 34' in dem Einlass 26 der Endplatte 14' angeordnet. Das poröse Element 34' ist ein im Wesentlichen kegelförmiges Element mit einem Umfangsrand 70 und einer ersten Fläche 72. Der Umfangsrand 70 des porösen Elements 34' grenzt an einer Fläche des Einlasses 26' an. Es sei zu verstehen, dass andere Formen für das poröse Element 34' verwendet werden können, wie beispielsweise ein im Wesentlichen planares Element oder andere geeignete gekrümmte Formen. Eine Einlassleitung 74 ist in Fluidkommunikation mit dem Einlass 26' der Endplatte 14' vorgesehen. Die Einlassleitung 74 umfasst ein Fluidsammelelement 76 mit einer Fluidleitung 78 in Fluidkommunikation mit dem Sammelelement 76 und einer Wasseraustragsleitung (nicht gezeigt). Ein als Düse ausgebildeter Strömungsbegrenzer 80 ist in der Fluidleitung 78 vorgesehen, um einer Strömung des Reaktandengases hindurch entgegenzuwirken.
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Im Gebrauch sieht die Einlassleitung 74 einen Strömungspfad für das Reaktandengas zu dem Einlass 26' der Endplatte 14' vor. Der Reaktand wird zum Durchgang durch das poröse Element 34' vor Aufnahme durch die Einlasssammelleitung 22' veranlasst. Das Wasser 39', das durch das poröse Element 34' absorbiert oder an der ersten Fläche 72 des porösen Elements 34' gesammelt wird, kann durch Schwerkraft in das Fluidsammelelement 76 strömen. Ein Fluiddruck des durch die Einlassleitung 74 strömenden Reaktanden sieht eine Treibkraft für das flüssige Wasser in dem Fluidsammelelement 76 zur Strömung durch die Fluidleitung 78 zu der Wasseraustragsleitung vor. Eine Menge an Reaktandengas kann auch durch die Fluidleitung 78 strömen, was die Menge an Reaktandengas, die an die Brennstoffzellen 12' geliefert wird, reduziert. Der Strömungsbegrenzer 80 minimiert die Reaktandenströmung durch die Fluidleitung 78 zur Minimierung der Menge des Reaktandengases, das die Brennstoffzellen 12' umgehen und in die Wasseraustragsleitung strömen kann. Der Strömungsbegrenzer 80 kann derart angepasst sein, dass er die Strömung des Reaktandengases durch die Fluidleitung 78 auf weniger als etwa 1% der Gesamtströmung des Reaktandengases in der Einlasssammelleitung 22' beschränkt, während dennoch eine Strömung von flüssigem Wasser zu der Wasseraustragsleitung bewirkt wird. Es sei zu verstehen, dass ein betätigtes Ventil mit der Fluidleitung 78 verwendet werden kann, um die Strömung von Fluid hindurch selektiv zu steuern.
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Das poröse Element 34' in den in den 3–6 gezeigten Ausführungsformen kann ein hydrophiles oder ein hydrophobes Material sein. Bei Verwendung des hydrophoben Materials wird das in dem Reaktand mitgeführte Wasser 39 an einer Fläche des hydrophoben Materials gesammelt, wobei sich Wassertröpfchen darauf bilden, die durch Schwerkraft in die jeweiligen Fluidsammelelemente fallen. Das gesammelte flüssige Wasser wird an die Wasseraustragsleitung ausgetragen. Die Verwendung eines hydrophoben Materials ist besonders effektiv, wenn es nicht erwünscht ist, eine wesentliche Menge an gesammeltem flüssigem Wasser in den Reaktand zu verdampfen, der von der Einlasssammelleitung 22' in die Brennstoffzellen 12' eintritt. Der verbleibende Aufbau und die verbleibende Funktion der in den 3–6 gezeigten Ausführungsformen ist im Wesentlichen äquivalent zu dem Aufbau und der Funktion der in den 1–2 gezeigten Ausführungsform.
