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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Offenlegung betrifft einen Brennstoffzellenstapel und im Spezielleren einen Brennstoffzellenstapel mit einem System, um zu verhindern, dass flüssiges Wasser in eine Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels gelangt.
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Hintergrund der Erfindung
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Brennstoffzellenanleistungssysteme wandeln einen Brennstoff und ein Oxidationsmittel (Reaktanden) in Elektrizität um. Eine Art von Brennstoffzellenanordnung verwendet eine Protonenaustauschmembran (PEM von proton exchange membrane), um die Reaktion zwischen dem Brennstoff (wie z. B. Wasserstoff) und dem Oxidationsmittel (wie z. B. Luft oder Sauerstoff) katalytisch zu erleichtern, um Elektrizität zu erzeugen. Ein Nebenprodukt der elektrochemischen Reaktion ist Wasser. Die PEM ist ein Festpolymerelektrolyt, der die Übertragung von Protonen von einer Anodenelektrode an eine Kathodenelektrode in jeder einzelnen Brennstoffzelle eines Stapels von Brennstoffzellen erleichtert, die normalerweise in einem Brennstoffzellenleistungssystem verwendet wird.
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In der typischen Brennstoffzellenanordnung weisen die einzelnen Brennstoffzellen Brennstoffzellenplatten mit Kanälen auf, durch die verschiedene Reaktanden und Kühlfluide strömen. Brennstoffzellenplatten können z. B. unipolar sein. Eine bipolare Platte kann durch Kombinieren unipolarer Platten gebildet werden. Das Oxidationsmittel wird von einem Kathodeneinlasssammler/verteiler an die Kathodenelektrode geliefert und der Brennstoff wird von einem Anodeneinlasssammler/verteiler an die Anodenelektrode geliefert. Die Bewegung von Wasser von den Kanälen zu einem Auslasssammler/verteiler wird typischerweise durch die Strömung der Reaktanden durch die Brennstoffzelleanordnung bewirkt. Grenzschichtscherkräfte und ein Druck des Reaktanden unterstützen dabei, das Wasser durch die Kanäle zu befördern, bis das Wasser durch den Auslasssammler/verteiler aus der Brennstoffzelle austritt.
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Eine Membranelektrolytanordnung (MEA) ist zwischen aufeinander folgenden Platten angeordnet, um die elektrochemische Reaktion zu erleichtern. Die MEA umfasst die Anodenelektrode, die Kathodenelektrode und eine dazwischen angeordnete Elektrolytmembran. Poröse Diffusionsmedien (DM) sind an beiden Seiten der MEA angeordnet, um eine Zufuhr von Reaktanden für die elektrochemische Brennstoffzellenreaktion zu erleichtern.
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Eine Wasseransammlung innerhalb der Kanäle der Brennstoffzelle kann eine Degradation eines Leistungsvermögens der Brennstoffzelle zur Folge haben. Im Speziellen verursacht eine Wasseransammlung eine Reaktandenströmungsfehlverteilung in den einzelnen Brennstoffzelleplatten und innerhalb der Brennstoffzellenanordnung, die zu einer Spannungsinstabilität führen kann, welche eine Degradation der Elektroden verursachen kann. Außerdem kann in der Brennstoffzelle zurückbleibendes Wasser bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt nach dem Betrieb fest werden und Probleme während eines Neustarts der Brennstoffzelle schaffen. Wasser, das sich in den Kanalbereichen ansammelt, umfasst das Wassernebenprodukt der elektrochemischen Reaktion, flüssiges Wasser, das sich an einer Innenfläche eines Einlassströmungspfades für die Reaktanden ansammeln kann, und Wasser, das in den Reaktandenflüssen mitgeführt wird.
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Es wurden viele Techniken verwendet, um mit einer Wasseransammlung innerhalb der Brennstoffzelle umzugehen. Diese Techniken umfassen z. B. Druckspülung, Abfluss durch Schwerkraft und Verdampfen. Außerdem kann die Verwendung von Wassertransportstrukturen und Oberflächenbeschichtungen eingesetzt werden, die z. B. den Transport von Wasser von den Kanalbereichen der Brennstoffzelle in einen Abgasbereich der Brennstoffzellenanordnung erleichtern. Die Verfahren zum Umgang mit einer Wasseransammlung konzentrieren sich typischerweise auf das Entfernen von Wasser, das sich innerhalb der Kanäle der Brennstoffzelle angesammelt hat, und erfordern zusätzliche Betriebsstufen und/oder Komponenten für die Brennstoffzelle. Es ist bekannt, dass die zusätzlichen Betriebsstufen und Komponenten eine Effizienz des Betreibens der Brennstoffzelle reduzieren und die Kosten zur Herstellung der Brennstoffzelle erhöhen. Flüssiges Wasser, das sich an einer Innenfläche des Einlassströmungspfades ansammelt, und Wasser, das in den Reaktandenflüssen mitgeführt wird, verstärken die Notwendigkeit, die verschiedenen Techniken, Transportstrukturen und Oberflächenbeschichtungen zu verwenden, um die Entfernung von Wasser aus den Kanälen der Brennstoffzelle zu erleichtern.
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Es wäre wünschenswert, einen kostengünstigen Brennstoffzellenstapel herzustellen, der eine Ansammlung von Wasser innerhalb einer Brennstoffzelle und die Anzahl der Komponenten, die erforderlich sind, um ein Entfernen von Wasser aus der Brennstoffzelle zu erleichtern, minimiert.
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Zusammenfassung der Erfindung
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In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung und dieser entsprechend wurde überraschenderweise ein kostengünstiger Brennstoffzellenstapel entdeckt, der eine Ansammlung von Wasser innerhalb einer Brennstoffzelle und die Anzahl der Komponenten, die erforderlich sind, um ein Entfernen von Wasser aus der Brennstoffzelle zu erleichtern, minimiert.
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In einer Ausführungsform umfasst ein Fluidregelsystem für einen Brennstoffzellenstapel einen Fluideinlass, der einen Strömungspfad für ein Reaktandengas zu einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels bereitstellt; ein Fluidabscheideelement, das in dem Fluideinlass gebildet ist und geeignet ist, eine durch den Fluideinlass strömende Flüssigkeit abzuscheiden; und eine Fluidleitung in fluidtechnischer Verbindung mit dem Fluidabscheideelement, die einen Strömungspfad bereitstellt, um die Flüssigkeit aus dem Fluidabscheideelement abzulassen.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst eine Brennstoffzellenstapelanordnung 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 zu der zumindest einen Brennstoffzelle bereitstellt; ein Fluidabscheideelement, das in dem Fluideinlass gebildet ist und geeignet ist, eine durch den Fluideinlass strömende Flüssigkeit abzuscheiden; eine Fluidleitung in fluidtechnischer Verbindung mit dem Fluidabscheideelement, die einen Strömungspfad bereitstellt, um die Flüssigkeit aus dem Fluidabscheideelement abzulassen; und einen Strömungsbegrenzer, der in der Fluidleitung angeordnet ist, um die Strömung des Reaktandengases dadurch zu steuern.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Regeln von flüssigem Wasser, das in eine Brennstoffzelle strömt, 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 fluidtechnischer Verbindung mit der zumindest einen Brennstoffzelle vorgesehen wird, um eine Strömung eines Reaktandengases zu der zumindest einen Brennstoffzelle vorzusehen; eine innerhalb des Fluideinlasses strömende Flüssigkeit in einem Fluidabscheideelement, das in dem Fluideinlass gebildet ist, abgeschieden wird; und die Flüssigkeit aus dem Fluidabscheideelement abgelassen wird.
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Zeichnungen
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Die obigen wie auch weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, insbesondere bei Betrachtung im Licht der hierin nachfolgend beschriebenen Zeichnungen, besser verständlich.
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1 ist eine schematische Querschnittsansicht im Aufriss eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 ist eine vergrößerte fragmentarische Querschnittsansicht eines in 1 gezeigten Bereiches A und veranschaulicht eine weitere Ausführungsform der Erfindung;
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3 ist eine vergrößerte fragmentarische Querschnittsansicht eines in 1 gezeigten Bereiches A und veranschaulicht eine weitere Ausführungsform der Erfindung; und
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4 ist eine schematische Querschnittsansicht im Aufriss eines Brennstoffzellenstapels und veranschaulicht eine weitere Ausführungsform der Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Die nachfolgende Beschreibung ist rein beispielhaft und soll die vorliegende Offenlegung, Anwendung oder Verwendungen nicht einschränken. Es sollte auch einzusehen sein, dass in den Zeichnungen durchweg entsprechende Bezugsziffern gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale bezeichnen.
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1 zeigt eine Brennstoffzellenanordnung 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung. Die Brennstoffzellenanordnung 10 umfasst eine Vielzahl von gestapelten Brennstoffzellen 12, die zwischen Endplatten 14, 16 angeordnet sind. Jede der Brennstoffzellen 12 umfasst eine Einlassöffnung 18 und eine Auslassöffnung 20. Die Brennstoffzellen 12 sind gestapelt, wobei die Einlassöffnung 18 und die Auslassöffnung 20 jeder Brennstoffzelle 12 mit der entsprechenden Einlassöffnung 18 und der Auslassöffnung 20 einer benachbarten Brennstoffzelle 12 im Wesentlichen ausgerichtet ist. Die Einlassöffnungen 18 aller Brennstoffzellen 12 bilden kollektiv einen Einlasssammler/verteiler 22 und die Auslassöffnungen 20 aller Brennstoffzellen 12 bilden einen Auslasssammler/verteiler 24. Der Einlasssammler/verteiler 22 ist z. B. geeignet, eine Strömung eines Reaktanden wie z. B. eines Brennstoffes (z. B. Wasserstoff) von einer Brennstoffquelle (nicht gezeigt) oder eines Oxidationsmittels (z. B. Luft oder Sauerstoff) von einer Oxidationsmittelquelle (nicht gezeigt) an die Brennstoffzellen 12 bereitzustellen. Die gezeigte Brennstoffzellenanordnung 10 ist sowohl für einen Anodeneinlasssammler/verteiler und einen Anodenauslasssammler/verteiler (für den Brennstoff) als auch für einen Kathodeneinlasssammler/verteiler und einen Kathodenauslasssammler/verteiler (für das Oxidationsmittel) illustrativ.
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Die Endplatte 14 umfasst einen darin gebildeten Einlass 26 in fluidtechnischer Verbindung mit dem Einlasssammler/verteiler 22 und einen darin gebildeten Auslass 28 in fluidtechnischer Verbindung mit dem Auslasssammler/verteiler 24. Eine Versorgungsleitung 30 stellt eine fluidtechnische Verbindung von der Quelle des Reaktanden zu dem Einlass 26 der Endplatte 14 bereit. Die Versorgungsleitung 30, der Einlass 26 der Endplatte 14 und der Einlasssammler/verteiler 22 bilden einen Strömungspfad oder einen Fluideinlass von der Quelle des Reaktanden zu den Brennstoffzellen 12. Es sollte einzusehen sein, dass die Brennstoffzellenanordnung 10 typischerweise einen Kühlmitteleinlasssammler/verteiler in fluidtechnischer Verbindung mit einem in einer Endplatte gebildeten Kühlmitteleinlass und einen Kühlmittelauslasssammler/verteiler in fluidtechnischer Verbindung mit einem in einer Endplatte gebildeten Kühlmittelauslass umfasst. Die Versorgungsleitung 30 kann eine Biegung 31 umfassen. Die Biegung erleichtert den Kontakt des Wassers 42 mit einer Innenfläche der Versorgungsleitung 30, um den Wasserfilm 44 zu bilden. Es sollte einzusehen sein, dass die Versorgungsleitung 30 einen Strömungspfad darin mit einer allgemein kreisförmigen, ovalen, rechteckigen oder einer anderen gewünschten Querschnittsform bilden kann, um den Kontakt des Wassers 42 mit einer Innenfläche der Versorgungsleitung 30 zu erleichtern. Die Versorgungsleitung 30 kann auch orientiert sein, um die Schwerkraft zu nutzen, um den Kontakt des Wassers 42 mit einer Innenfläche der Versorgungsleitung 30 zu erleichtern. Es kann z. B. die allgemein rechteckige Form für den Strömungspfad der Versorgungsleitung 30 vorgesehen sein, wobei zumindest ein Abschnitt der Versorgungsleitung 30 in einer horizontalen Position orientiert ist. Die kürzeren Seiten der allgemein rechteckigen Form sind in einer vertikalen Position orientiert, um den Weg zu minimieren, den das Wasser 42 durch Schwerkraftzug fallen muss, um mit der Innenfläche der Versorgungsleitung 30 in Kontakt zu gelangen. Es ist eine Querschnittsfläche des Strömungspfades durch die Versorgungsleitung 30 vorgesehen, um eine gewünschte Reaktandenströmung aufrechtzuerhalten und eine Druckabnahme des durch die Leitung 30 strömenden Reaktanden zu minimieren. Es sollte ferner einzusehen sein, dass die Querschnittsfläche des Strömungspfades durch die Leitung 30 maximiert sein kann, um eine Geschwindigkeit des dadurch strömenden Reaktanden zu minimieren. Die minimierte Geschwindigkeit erleichtert den Kontakt des Wassers 42 mit einer unteren horizontalen Innenfläche der Versorgungsleitung 30 durch Schwerkraftzug.
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Ein Fluidabscheideelement 32 ist in einer Fläche gebildet, die den Einlass 26 der Endplatte 14 bildet. In der veranschaulichten Ausführungsform ist das Fluidabscheideelement 32 eine allgemein v-förmige Nut mit einer oberstromigen Kante 34 und einer unterstromigen Kante 36, die in der den Einlass 26 bildenden Fläche gebildet ist und diese umschreibt. Es sollte einzusehen sein, dass die Nut andere Formen wie z. B. eine quadratisch geformte Nut aufweisen kann. Eine Fluidleitung 38 ist in der Endplatte 14 gebildet und stellt eine fluidtechnische Verbindung zwischen dem Fluidabscheideelement 32 und einer Wasserablaufleitung (nicht gezeigt) bereit. Ein Strömungsbegrenzer 40 wie z. B. eine Düse ist in der Fluidleitung 38 vorgesehen, um die Strömung von Fluid dadurch zu regeln.
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Im Gebrauch wird ein Reaktand dazu gebracht, von der Quelle durch die Versorgungsleitung 30, den Einlass 26 der Endplatte 14 und den Einlasssammler/verteiler 22 in die Brennstoffzellen 12 zu strömen. Der Reaktand kann ein Wasser 42 umfassen, das darin mitgeführt wird und sich abscheiden und einen Wasserfilm 44 an den Innenflächen der Versorgungsleitung 30, des Einlasses 26 und des Einlasssammlers/verteilers 22 bilden kann. Die Strömung von Reaktand kann den Wasserfilm entlang der Innenflächen der Versorgungsleitung 30 und des Einlasses 26 in Richtung des Einlasssammlers/verteilers 22 treiben. Wenn der Wasserfilm 44 in Richtung des Einlasssammlers/verteilers 22 getrieben wird, strömt der Wasserfilm 44 an der oberstromigen Kante 34 des Fluidabscheideelements 32 vorbei und wird darin aufgenommen. Die unterstromige Kante 36 des Fluidabscheideelements 32 ist geeignet, zu verhindern, dass der Wasserfilm 44 aus dem Fluidabscheideelement 32 hinaus in Richtung des Einlasssammlers/verteilers 22 getrieben wird. In der veranschaulichten Ausführungsform steht die unterstromige Kante 36 im Wesentlichen rechtwinklig zu der Innenfläche, die den Einlass 26 bildet. Es sollte einzusehen sein, dass die unterstromige Kante 36 andere Orientierungen in Bezug auf die Innenfläche, die den Einlass 26 bildet, aufweisen kann. Des Weiteren kann die unterstromige Kante 36 eine Lippe, die sich davon nach außen erstreckt, eine Vertiefung, die darin gebildet ist, oder ein beliebiges anderes Teil umfassen, das geeignet ist, zu verhindern, dass der Wasserfilm 44 aus dem Fluidabscheideelement 32 hinaus in Richtung des Einlasssammlers/verteilers 22 getrieben wird.
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Ein Fluiddruck des durch die Versorgungsleitung 30 und den Einlass 26 strömenden Reaktanden stellt eine Antriebskraft für den in dem Fluidabscheideelement 32 aufgenommenen Wasserfilm 44 bereit, sodass er durch die Fluidleitung 38 zu der Wasserablaufleitung strömt. Eine Menge an Reaktand kann auch durch die Fluidleitung 38 strömen, die die Menge an Reaktand, die den Brennstoffzellen 12 zugeführt wird, reduziert. Der Strömungsbegrenzer 40 minimiert die Strömung von Reaktand durch die Fluidleitung 38, um die Menge des Reaktanden, die die Brennstoffzellen 12 umgehen und in die Wasserablaufleitung strömen kann, zu minimieren. Der Strömungsbegrenzer 40 kann geeignet sein, die Strömung des Reaktanden durch die Fluidleitung 38 auf weniger als 1% der Gesamtströmung des durch die Versorgungsleitung 30 strömenden Reaktanden zu begrenzen und dennoch zu bewirken, dass der in dem Fluidabscheideelement 32 aufgenommene Wasserfilm 44 durch die Fluidleitung 38 und zu der Wasserablaufleitung strömt. Es sollte einzusehen sein, dass ein betätigtes Ventil mit der Fluidleitung 38 verwendet werden kann, um die Strömung von Fluid dadurch selektiv zu steuern. Die Fluidleitung 38 und der Strömungsbegrenzer 40 sind besonders wirkungsvoll, um mit Wasser in einem Kathodeneinlasssammler/verteiler umzugehen, wobei es allgemein akzeptabel ist, dass eine kleine Menge von Kathodenreaktand, typischerweise Umgebungsluft oder -sauerstoff, die Brennstoffzellen 12 umgeht. Eine Kapazität des Fluidabscheideelements 32 kann gewählt sein, um eine gewünschte Menge des Wasserfilmes 44 unterzubringen und zu verhindern, dass der Wasserfilm 44 an dem Fluidabscheideelement 32 vorbei strömt.
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Das Fluidabscheideelement 32 minimiert die Menge von flüssigem Wasser, das in die Brennstoffzellen 12 gelangt, indem es den an den Innenflächen der Leitung 30 und des Einlasses 26 befindlichen Wasserfilm 44 abscheidet. Die Minimierung der Menge von flüssigem Wasser, das in die Brennstoffzellen 12 gelangt, minimiert eine Ansammlung von flüssigem Wasser darin, welche die Strömung des Reaktanden dadurch unterbrechen kann. Durch das Minimieren von Unterbrechungen in der Strömung des Reaktanden durch die Brennstoffzellen 12 sind die Stabilität der elektrischen Spannung und ein effizienter Betrieb des Brennstoffzellenstapels maximiert. Darüber hinaus ist durch das Minimieren einer Ansammlung von flüssigem Wasser in den Brennstoffzellen 12 auch die Wahrscheinlichkeit minimiert, dass sich gefrorenes Wasser während Perioden eines Betriebes der Brennstoffzellenanordnung 10 bei niedrigen Temperaturen wie z. B. einer Inbetriebnahmeperiode darin bilden wird. Gefrorenes Wasser in den Brennstoffzellen 12 kann die Strömung des Reaktanden unterbrechen und kann eine Degradation der Komponenten der MEA verursachen, indem es diesen eine erhöhte Druckkraft infolge der volumetrischen Ausdehnung in Verbindung mit dem Gefrieren des Wassers auferlegt. Demzufolge kann das Minimieren der Menge des in von den Brennstoffzellen 12 aufgenommenen Wasserfilmes 44 die Wahrscheinlichkeit minimieren, dass gefrorenes Wasser die Strömung der Reaktanden dadurch unterbricht und eine Degradation der Komponenten der MEA verursacht. Ferner können durch Minimieren der Menge des in die Brennstoffzellen 12 gelangenden Wasserfilmes 44 Prozesse und Komponenten für die Brennstoffzellenanordnung 10, die geeignet sind, mit flüssigem Wasser aus den Brennstoffzellen 12 umzugehen und/oder dieses zu entfernen, eliminiert oder minimiert werden. Die Eliminierung oder Minimierung solcher Prozesse und Komponenten kann die Kosten zur Herstellung der Brennstoffzellenanordnung 10 und/oder die Anzahl von für die Brennstoffzellenanordnung 10 notwendigen Komponenten minimieren und kann eine Betriebseffizienz der Brennstoffzellenanordnung 10 maximieren.
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2 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform der Erfindung. Strukturen, die den in 1 veranschaulichten ähnlich sind, umfassen zum besseren Verständnis die gleiche Bezugsziffer und einen Strich ('). In der gezeigten Ausführungsform ist ein Dochtelement 50 in der Fluidleitung 38' angeordnet, welches verhindert, dass der Reaktand durch die Fluidleitung 38' zu der Wasserablaufleitung strömt. Abgeschiedenes flüssiges Wasser in dem Fluidabscheideelement 32' strömt durch Kapillarkräfte durch das Dochtelement 50. Das flüssige Wasser strömt durch das Dochtelement 50 und strömt dann weiter durch die Fluidleitung 38' zu der Wasserablaufleitung. Die Verwendung des Dochtelements 50 verhindert, dass Reaktand durch die Fluidleitung 38' strömt und die Brennstoffzellen 12' umgeht. Das Dochtelement 50 ist besonders geeignet, mit Wasser in einem Anodeneinlasssammler/verteiler 22 umzugehen, wo es typischerweise erwünscht ist, eine Menge von Reaktand, typischerweise Wasserstoffgas, welche die Brennstoffzellen 12' umgeht, zu minimieren.
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In bestimmten Anwendungen kann das Dochtelement 50 beispielsweise zulassen, dass eine Menge des Reaktanden in die Wasserablaufleitung strömt und die Brennstoffzellen 12' umgeht, die eine gewünschte Menge übersteigt, wie z. B. wenn der Fluiddruck eines Reaktanden einen kritischen Fluiddruck in Bezug auf das Dochtelement 50 überschreitet. Es ist davon auszugehen, dass ein kritischer Fluiddruck für ein typisches Dochtelement 50 zwischen etwa 10 kPa und 20 kPa liegen würde. Wie in 3 gezeigt, kann in einer Brennstoffzellenanordnung 10', die ein Reaktandengas mit einem Fluiddruck, der den kritischen Fluiddruck des Dochtelements 50 überschreitet, verwendet, das Dochtelement 50 durch eine Reihe von zwei oder mehr beabstandeten hydrophilen porösen Elementen 60 ersetzt sein. Jedes hydrophile poröse Element 60 stellt einen ausgewählten Differenzdruck darüber hinweg bereit. Die Reihe von hydrophilen porösen Elementen 60 ist geeignet, zu verhindern, dass das Reaktandengas dadurch gelangt, während zugelassen wird, dass flüssiges Wasser dadurch gelangen kann. Die hydrophilen porösen Elemente 60 werden typischerweise mit flüssigem Wasser ausreichend feucht gehalten, um die gewünschte Druckdifferenz darüber hinweg aufrechtzuerhalten. Demgemäß kann zumindest ein Abschnitt der Fluidleitung 38' mit den hydrophilen porösen Elementen 60 in einer horizontalen Position orientiert sein, um das Zurückhalten von flüssigem Wasser darin zu erleichtern, um die hydrophilen porösen Elemente 60 ausreichend feucht zu halten. Ferner kann flüssiges Wasser an die hydrophilen porösen Elemente 60 z. B. von flüssigem Wasser bereitgestellt werden, das in dem aus einem Auslasssammler/verteiler und/oder einer anderen geeigneten Quelle von flüssigem Wasser mitgeführt sein kann. Es sollte einzusehen sein, dass der Strömungsbegrenzer 40 und das Dochtelement 50, die in 1 bzw. 2 veranschaulicht sind, und die hydrophilen porösen Elemente 60 separat oder in einer beliebigen Kombination davon in der Fluidleitung 38' verwendet werden können, um zu verhindern, dass der Reaktand die Brennstoffzellen 12' umgeht. Die übrige Struktur und Funktion der in den 2–3 veranschaulichten Ausführungsform ist im Wesentlichen gleich der Funktion und Struktur der in 1 veranschaulichten, hierin zuvor beschriebenen Ausführungsform.
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4 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform der Erfindung. Strukturen, die den in 1 veranschaulichten ähnlich sind, umfassen zum besseren Verständnis die gleiche Bezugsziffer und einen Strich ('). In 4 ist ein poröses Element 70 im Einlass 26' der Endplatte 14' unterstromig von dem Fluidabscheideelement 32' angeordnet. In der veranschaulichten Ausführungsform ist das poröse Element 70 ein im Wesentlichen konisch geformtes Teil mit einem Umfang davon, der an der Fläche anliegt, welche den Einlass 26' bildet, wobei der Reaktand dazu gebracht wird, zuerst durch das poröse Element 70 zu strömen, bevor er durch den Einlasssammler/verteiler 22' aufgenommen wird. Es sollte einzusehen sein, dass andere Formen für das poröse Element 70 wie z. B. ein im Wesentlichen ebenes Teil oder andere geeignete gekrümmte Formen, von denen z. B. eine gewellte Flächen aufweisen kann, verwendet werden können. Das poröse Element 70 kann aus einem hydrophilen Material, einem hydrophoben Material oder einem beliebigen anderen geeigneten Material gebildet sein, welches geeignet ist, das in dem Reaktanden mitgeführte Wasser 42' abzuscheiden. Es kann beispielsweise ein zweites Fluidabscheideelement 72 oberstromig von dem porösen Element 70, z. B. innerhalb der Versorgungsleitung 30', vorgesehen sein, wobei das durch das poröse Element 70 abgeschiedene flüssige Wasser von dem zweiten Fluidabscheideelement 72 aufgenommen werden kann. Eine zweite Fluidleitung 74 in fluidtechnischer Verbindung mit dem zweiten Fluidabscheideelement 72 ist vorgesehen, um flüssiges Wasser, das in dem zweiten Fluidabscheideelement 72 abgeschieden ist, zu einer Wasserablaufleitung (nicht gezeigt) abzulassen. Es kann beispielsweise ein zweiter Strömungsbegrenzer 76 wie z. B. eine Düse innerhalb der zweiten Fluidleitung 74 angeordnet sein, um die Strömung von Fluid durch die zweite Fluidleitung 74 zu regeln.
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Im Gebrauch wird der Reaktand dazu gebracht, von der Quelle durch die Versorgungsleitung 30', den Einlass 26' der Endplatte 14' und den Einlasssammler/verteiler 22' in die Brennstoffzellen 12' zu strömen. Der Reaktand kann das Wasser 42' umfassen, das darin mitgeführt wird und sich abscheiden und einen Wasserfilm 44' an den Innenflächen der Versorgungsleitung 30', des Einlasses 26' und des Einlasssammlers/verteilers 22' bilden kann. Wie hierin zuvor für die in 1 gezeigte Ausführungsform erläutert, wirken das Fluidabscheideelement 32' und die Fluidleitung 38' zusammen, um zu verhindern, dass der Wasserfilm 44' an den Innenflächen der Versorgungsleitung 30' und des Einlasses 26' durch die Brennstoffzellen 12' aufgenommen wird.
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Der Reaktand wird dazu gebracht, durch das poröse Element 70 zu strömen, bevor er durch die Brennstoffzellen 12' aufgenommen wird. Wenn der Reaktand durch das poröse Element 70 strömt, wird das in dem Reaktanden mitgeführte Wasser 42' durch das poröse Element 70 abgeschieden, was das in die Brennstoffzellen 12' gelangende Wasser 42' minimiert. Es sollte einzusehen sein, dass das poröse Element 70 aus einem Material gebildet sein kann, das eine ausgewählte Wasserabscheidungscharakteristik aufweist, um eine gewünschte maximale relative Feuchtigkeit des in die Brennstoffzellen 12' gelangenden Reaktanden vorzusehen. Des Weiteren kann das poröse Element 70 aus einem Material gebildet sein, das einen ausgewählten Widerstand gegenüber einer Strömung von Fluid dadurch aufweist, um eine gewünschte Fluiddruckänderung über das poröse Element 70 hinweg vorzusehen, um die Bildung einer gewünschten Strömungsverteilung des Reaktanden in die Brennstoffzellen 12' hinein vorzusehen.
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Flüssiges Wasser, welches durch das poröse Element 70 abgeschieden ist, wird durch die Schwerkraft in das zweite Fluidabscheideelement 72 abgelassen. Außerdem wird auch das in dem Reaktanden mitgeführte Wasser 42', das abgeschieden sein und den Wasserfilm 44' an den Innenflächen der Fluidleitung 30' bilden kann, in dem zweiten Fluidabscheideelement 72 abgeschieden. Eine Kapazität des zweiten Fluidabscheideelements 72 kann gewählt sein, um eine gewünschte Menge von flüssigem Wasser unterzubringen und zu verhindern, dass das darin abgeschiedene Wasser, ob in flüssiger oder fester Form, eine Strömung des Reaktanden durch die Versorgungsleitung 30' stört. Während Perioden eines Betriebes der Brennstoffzellenanordnung 10', wenn die relative Feuchtigkeit des Reaktanden unter der gewählten maximalen relativen Feuchtigkeit liegt, kann Wasser aus dem porösen Element 70 und/oder dem zweiten Fluidabscheideelement 72 in den Reaktanden abgedampft werden.
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Ein Fluiddruck des durch die Versorgungsleitung 30' strömenden Reaktanden stellt eine Antriebskraft für flüssiges Wasser in dem zweiten Fluidabscheideelement 72 bereit, sodass es durch die zweite Fluidleitung 74 zu der Wasserablaufleitung strömt. Eine Menge von Reaktand kann auch durch die zweite Fluidleitung 74 strömen, die die Menge an Reaktand, die den Brennstoffzellen 12' zugeführt wird, reduziert. Der zweite Strömungsbegrenzer 76 minimiert die Strömung von Reaktand durch die zweite Fluidleitung 74, um die Menge von Reaktand zu minimieren, die die Brennstoffzellen 12' umgeht und in die Wasserablaufleitung strömt. Der zweite Strömungsbegrenzer 76 kann geeignet sein, die Strömung des Reaktanden durch die zweite Fluidleitung 74 auf weniger als 1% der Gesamtströmung des durch die Versorgungsleitung 30' strömenden Reaktanden zu begrenzen und dennoch zu bewirken, dass abgeschiedenes flüssiges Wasser zu der Wasserablaufleitung strömt. Es sollte einzusehen sein, dass ein betätigtes Ventil mit der zweiten Fluidleitung 74 verwendet werden kann, um die Strömung von Fluid dadurch selektiv zu steuern. Es sollte einzusehen sein, dass das Dochtelement 50 und die hydrophilen porösen Elemente 70, die in den 2 bzw. 3 veranschaulicht sind, separat oder in einer beliebigen Kombination miteinander und dem zweiten Strömungsbegrenzer 76 in der zweiten Fluidleitung 74 verwendet werden können, um zu verhindern, dass der Reaktand die Brennstoffzellen 12' umgeht.
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Das poröse Element 70 und das zweite Fluidabscheideelement 72 und das Fluidabscheideelement 32' minimieren und/oder regeln die Menge von in die Brennstoffzellen 12' gelangendem Wasser. Das poröse Element 70 und das zweite Fluidabscheideelement 72 und das Fluidabscheideelement 32' erleichtern auch eine gleichmäßige Verteilung des in die Brennstoffzellen 12' gelangenden Wassers. Die übrige Struktur und Funktion der in 4 veranschaulichten Ausführungsform ist im Wesentlichen gleich der Funktion und Struktur der in den 1–3 veranschaulichten, hierin zuvor beschriebenen Ausführungsformen.
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Während bestimmte repräsentative Ausführungsformen und Details gezeigt wurden, um die Erfindung zu veranschaulichen, wird für Fachleute offensichtlich sein, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der Offenlegung abzuweichen, der in den nachfolgenden beigefügten Ansprüchen weiter beschrieben ist.
