DE102011012812A1

DE102011012812A1 - Wasserstoffverteilungseinsatz für pem-brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE102011012812A1
Application number: DE102011012812A
Authority: DE
Inventors: Daniel P. Miller; Anthony G. Chinnici; Steven G. Goebel; Daniel J. Darga; Gary M. Robb; Clipson M. Class
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-03-10
Filing date: 2011-03-02
Publication date: 2011-10-27
Anticipated expiration: 2031-03-03
Also published as: DE102011012812B4; US20110223513A1; CN102195051A; CN102195051B; US8470491B2

Abstract

Ein Fluidverteilungseinsatz ist zur Aufnahme in einer Einlasssammelleitung einer Brennstoffzellenanordnung angepasst. Der Fluidverteilungseinsatz weist einen hohlen Einsatz mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende auf. Ein Einlass ist an dem ersten Ende des hohlen Einsatzes in Fluidkommunikation mit einer Quelle eines Reaktandengases geformt und zur Aufnahme des Reaktandengases darin angepasst. Ein Auslass ist zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende geformt. Der Auslass ist zur Lieferung des Reaktandengases an eine Mehrzahl von Brennstoffzellen der Brennstoffzellenanordnung angepasst, wobei der hohle Einsatz das Reaktandengas an die Brennstoffzellen in einer im Wesentlichen simultanen und gleichförmigen Weise liefert.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Brennstoffzellenstapel und insbesondere einen Brennstoffzellenstapel, der einen Einsatz aufweist, der in einer Einlasssammelleitung davon angeordnet ist, um eine im Wesentlichen simultane und gleichförmige Strömung von Fluid zu Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels zu unterstützen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Brennstoffzellenleistungssysteme wandeln einen Brennstoff und ein Oxidationsmittel (Reaktanden) in Elektrizität um. Ein Typ von Brennstoffzellenleistungssystem verwendet eine Protonenaustauschmembran (PEM), um eine Reaktion des Brennstoffs (wie Wasserstoff) und des Oxidationsmittels (wie Luft oder Sauerstoff) zur Erzeugung von Elektrizität katalytisch zu unterstützen. 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 von Brennstoffzellen unterstützt, die normalerweise in einem Brennstoffzellenleistungssystem eingesetzt sind.
In der typischen Brennstoffzellenanordnung besitzen die einzelnen Brennstoffzellen Brennstoffzellenplatten mit Kanälen, durch die verschiedene Reaktanden und Kühlfluide strömen. Beispielsweise können Brennstoffzellenplatten unipolar sein. Eine Bipolarplatte kann durch Kombination von Unipolarplatten gebildet werden. Das Oxidationsmittel wird an die Kathodenelektrode von einer Kathodeneinlasssammelleitung geliefert, und der Brennstoff wird an die Anodenelektrode von einer Anodeneinlasssammelleitung geliefert. Eine Bewegung des Wassernebenproduktes von den Kanälen zu einer Auslasssammelleitung wird typischerweise durch die Strömung der Reaktanden durch die Brennstoffzellenanordnung bewirkt. Grenzschicht-Scherkräfte und ein Druck des Reaktanden unterstützen einen Transport des Wassers durch die Kanäle, bis das Wasser die Brennstoffzelle durch die Auslasssammelleitung verlässt.
Eine Membranelektrodenanordnung (MEA) ist zwischen aufeinanderfolgenden Platten angeordnet, um die elektrochemische Reaktion zu unterstützen. Die MEA weist die Anodenelektrode, die Kathodenelektrode und eine dazwischen angeordnete Elektrolytmembran auf. Poröse Diffusionsmedien (DM) sind an beiden Seiten der MEA positioniert, um eine Lieferung von Reaktanden für die elektrochemische Brennstoffzellenreaktion zu unterstützen.
Beim Auslösen der elektrochemischen Brennstoffzellenreaktion in dem Brennstoffzellenstapel ist es typischerweise erwünscht, den Wasserstoff-Brennstoff auf eine Weise bereitzustellen, die bewirkt, dass die einzelnen Brennstoffzellen den Wasserstoff in den aktiven Bereichen derselben im Wesentlichen in der gleichen Zeit aufnehmen. Jedoch füllt sich die Einlasssammelleitung typischerweise mit Wasserstoff auf eine solche Weise, die zur Folge hat, dass Brennstoffzellen, die sich am nächsten zu einem Wasserstoffeinlass der Einlasssammelleitung befinden, die ersten Brennstoffzellen sind, die den Wasserstoff aufnehmen, und die Brennstoffzellen, die sich am weitesten von dem Wasserstoffeinlass der Einlasssammelleitung entfernt befinden, die letzten Brennstoffzellen sind, die den Wasserstoff aufnehmen.
Wenn der Wasserstoff in die aktiven Bereiche der Brennstoffzellenplatten strömt, kann ein lokaler Spannungsanstieg gemessen werden. Wenn eine elektrische Last an den Brennstoffzellenstapel angelegt wird, erzeugt der Spannungsanstieg einen Strom, der durch die verbleibenden Brennstoffzellenplatten des Brennstoffzellenstapels getrieben wird. Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels, die keine ausreichende Wasserstoffmenge aufweisen, um den Strom zu unterstützen, können einem lokalen umgekehrten Strom ausgesetzt sein, wodurch eine Elektrodenkohlenstoffkorrosion resultiert. Eine Verzögerung des Starts der elektrochemischen Brennstoffzellenreaktion bis zu der Zeit, wenn alle der Brennstoffzellen mit Wasserstoff beliefert sind, resultiert typischerweise in einer unerwünschten Emission von Wasserstoff durch die Austragssammelleitung des Brennstoffzellenstapels.
Es sind verschiedene Techniken verwendet worden, um Wasserstoff simultan zu jeder der Brennstoffzellen bei der Inbetriebnahme der elektrochemischen Brennstoffzellenreaktion in dem Brennstoffzellenstapel zu liefern. Eine derartige Technik umfasst, dass ein Einlasssammelleitungsspülventil bereitgestellt wird, wie in der U.S.-Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer 2005/0129999 offenbart ist. Das Spülventil ermöglicht ein Spülen der Einlasssammelleitung mit Wasserstoff kurz vor einem Auslösen der elektrochemischen Brennstoffzellenreaktion. Das Spülventil erhöht Kosten des Brennstoffzellensystems und fügt dem Brennstoffzellensystem zusätzliche bewegbare Teile bei. Eine alternative Technik hat eine Mehrzahl von Fluiddurchgängen verwendet, um eine externe Sammelleitung zu bilden, die den Wasserstoff an verteilte Stellen in der Einlasssammelleitung des Brennstoffzellenstapels liefert. Das U.S.-Patent Nr. 6,924,056 und die U.S.-Patentanmeldungen Veröffentlichungsnummern 2005/0118487 und 2006/0280995 zeigen allgemein eine derartige Technik. Die externe Sammelleitung kann schwierig gegenüber dem Brennstoffzellenstapel abzudichten sein und erhöht Kosten sowie die Gesamtgröße des Brennstoffzellenstapels.
Es wäre erwünscht, einen kosteneffektiven Einlasssammelleitungseinsatz für einen Brennstoffzellenstapel zu erzeugen, der eine im Wesentlichen simultane Lieferung eines Wasserstoffbrennstoffes an jede Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellenstapel bei der Auslösung einer elektrochemischen Brennstoffzellenreaktion unterstützt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist überraschend ein kosteneffektiver Einlasssammelleitungseinsatz für einen Brennstoffzellenstapel entdeckt worden, der eine im Wesentlichen simultane Lieferung eines Wasserstoffbrennstoffes an jede Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellenstapel bei der Auslösung einer elektrochemischen Brennstoffzellenreaktion unterstützt.
Bei einer Ausführungsform umfasst ein Fluidverteilungseinsatz für eine Brennstoffzellenanordnung einen hohlen Einsatz mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, wobei der hohle Einsatz zur Aufnahme in einer Einlasssammelleitung einer Brennstoffzellenanordnung angepasst ist; einen Einlass, der an dem ersten Ende des hohlen Einsatzes geformt und zur Aufnahme eines Fluids darin angepasst ist; und einen Auslass, der zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende geformt ist, wobei der Auslass derart angepasst ist, dass er das Fluid an eine Mehrzahl von Brennstoffzellen der Brennstoffzellenanordnung liefert, wobei der hohle Einsatz das Fluid an die Brennstoffzellen bei einem im Wesentlichen konstanten Druck liefert.
Bei einer anderen Ausführungsform umfasst ein Fluidverteilungseinsatz für eine Brennstoffzellenanordnung einen hohlen Einsatz mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, wobei der hohle Einsatz zur Aufnahme in einer Einlasssammelleitung einer Brennstoffzellenanordnung angepasst ist; einen Einlass, der an dem ersten Ende des hohlen Einsatzes geformt und zur Aufnahme eines Fluids darin angepasst ist; zumindest einen Wandabschnitt, der sich von einer Außenfläche des hohlen Einsatzes auswärts erstreckt, um einen Strömungskanal daran zu bilden; und einen Auslass, der in dem hohlen Einsatz in dem Strömungskanal geformt ist, wobei der Auslass derart angepasst ist, eine Fluidkommunikation zwischen einem Inneren des hohlen Einsatzes und dem Strömungskanal bereitzustellen, wobei der Strömungskanal das Fluid an eine Mehrzahl von Brennstoffzellen der Brennstoffzellenanordnung bei einem im Wesentlichen konstanten Druck liefert.
Bei einer anderen Ausführungsform umfasst eine Brennstoffzellenanordnung eine erste Endplatte und eine beabstandete zweite Endplatte; eine Mehrzahl von Brennstoffzellen, die zwischen der ersten Endplatte und der zweiten Endplatte angeordnet ist; eine Einlasssammelleitung in Fluidkommunikation mit den Brennstoffzellen zur Lieferung eines Reaktandengases an die Brennstoffzellen; einen hohlen Einsatz mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, wobei der hohle Einsatz zur Aufnahme in der Einlasssammelleitung der Brennstoffzellenanordnung angepasst ist; einen Einlass, der an dem ersten Ende des hohlen Einsatzes geformt und zur Aufnahme des Reaktandengases darin angepasst ist; zumindest einen Wandabschnitt, der sich von einer Außenfläche des hohlen Einsatzes auswärts erstreckt, um einen Strömungskanal daran zu bilden; und einen Auslass, der in dem hohlen Einsatz in dem Strömungskanal geformt ist, wobei der Auslass derart angepasst ist, dass er eine Fluidkommunikation zwischen einem inneren des hohlen Einsatzes und dem Strömungskanal bereitstellt, wobei der Strömungskanal das Reaktandengas an die Einlasssammelleitung der Brennstoffzellenanordnung bei einem im Wesentlichen konstanten Druck entlang einer Länge davon liefert.
ZEICHNUNGEN
Die obigen wie auch andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung insbesondere unter Bezug auf die hier nachfolgend beschriebenen Zeichnungen offensichtlich.
1 ist eine bruchstückhafte perspektivische Ansicht eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, die einen Verteilungseinsatz zeigt, der in einer Einlasssammelleitung der Brennstoffzelle angeordnet ist;
2 ist eine Draufsicht des in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapels mit einer entfernten Endplatte;
3 ist eine vergrößerte perspektivische Vorderansicht des in 1 gezeigten Verteilungseinsatzes;
4 ist eine vergrößerte perspektivische Vorderansicht im Schnitt des in 1 gezeigten Verteilungseinsatzes entlang der Linie 4-4 von 3;
5 ist eine vergrößerte perspektivische Explosionsdarstellung von unten des in 1 gezeigten Verteilungseinsatzes;
6 ist eine perspektivische Vorderansicht eines Verteilungseinsatzes gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung;
7 ist eine Schnittseitenansicht des in 6 gezeigten Verteilungseinsatzes entlang der Linie 7-7 von 6;
8 ist eine vergrößerte Stirnansicht des in 6 gezeigten Verteilungseinsatzes;
9 ist eine perspektivische Vorderansicht eines Verteilungseinsatzes gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung;
10 ist eine perspektivische Vorderansicht in Explosionsdarstellung des in 9 gezeigten Verteilungseinsatzes;
11 ist eine Seitenansicht des in 9 gezeigten Verteilungseinsatzes;
12 ist eine Vorderansicht im Schnitt des in 9 gezeigten Verteilungseinsatzes entlang der Linie 12-12 in 11;
13 ist eine Schnittansicht des in 9 gezeigten Verteilungseinsatzes entlang der Linie 13-13 in 11;
14 ist eine Schnittansicht des in 9 gezeigten Verteilungseinsatzes entlang der Linie 14-14 in 11; und
15 ist eine Schnittansicht des in 9 gezeigten Verteilungseinsatzes entlang der Linie 15-15 in 11.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die vorliegende Offenbarung, Anwendung oder Gebräuche zu beschränken. Es sei zu verstehen, dass in allen Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale angeben.
Die 1 bis 2 zeigen eine Brennstoffzellenanordnung 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Die Brennstoffzellenanordnung 10 weist eine Mehrzahl gestapelter Brennstoffzellen 12 auf, die zwischen Endplatten 14, 16 angeordnet sind. Jede der Brennstoffzellen 12 weist einen Einlassdurchlass 18 und einen Auslassdurchlass 20 auf. 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 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 beispielsweise eine Strömung eines Reaktanden, wie eines Brennstoffs (beispielsweise Wasserstoff) von einer Brennstoffquelle (nicht gezeigt), oder eines Oxidationsmittels (beispielsweise Luft oder Sauerstoff) von einer Oxidationsmittelquelle (nicht gezeigt), an eine Mehrzahl von Einlasskanälen 23 der Brennstoffzellen 12 liefert. In der gezeigten Ausführungsform ist die Einlasssammelleitung 22 eine Anodeneinlasssammelleitung, die eine Strömung eines Brennstoffes an die Brennstoffzellen 12 liefert.
Die Endplatte 14 weist einen darin geformten Einlass 26 in Fluidkommunikation mit der Einlasssammelleitung 22 und einen darin geformten Auslass 28 in Fluidkommunikation mit der Auslasssammelleitung 24 auf. Der Einlass 26 und der Auslass 28 sind im Wesentlichen mit der jeweiligen Einlasssammelleitung 22 und der Auslasssammelleitung 24 ausgerichtet. Die Endplatte 16 kann einen hindurch geformten Fluiddurchgang in Fluidkommunikation mit der Einlasssammelleitung 22 aufweisen. Es sei zu verstehen, dass beispielsweise ein Druckentlastungsventil, ein Spülventil und dergleichen in dem Fluiddurchgang vorgesehen werden können, um selektiv eine Strömung eines Fluids hindurch zuzulassen.
Ein Fluidverteilungseinsatz 32, der deutlicher in den 3 bis 5 gezeigt ist, ist in der Einlasssammelleitung 22 angeordnet. Wie gezeigt ist, erstreckt sich der Verteilungseinsatz 32 von dem Einlass 26 der Endplatte 14 zu der Endplatte 16. Der Verteilungseinsatz 32 ist ein allgemein hohler länglicher Einsatz mit einem Innenrohr 34 und einem Außenrohr 36. Das Innenrohr 34 weist ein erstes Ende 38 und ein zweites Ende 40 auf, wobei das erste Ende 38 benachbart dem Einlass 26 der Endplatte 14 angeordnet ist und das zweite Ende 40 benachbart der Endplatte 16 angeordnet ist. Eine Lieferleitung 42 stellt eine Fluidkommunikation von der Quelle des Brennstoffs zu einem Einlass an dem ersten Ende 38 des Innenrohres 34 bereit. Das Innenrohr 34 ist derart angepasst, dass es einen Fluidströmungspfad von der Lieferleitung 42 durch ein Inneres des Verteilungseinsatzes 32 bereitstellt.
Ein Kopplungselement 44 ist an dem ersten Ende 38 des Innenrohres 34 geformt, das derart angepasst ist, eine Kopplung des Innenrohres 34 mit der Lieferleitung 42 zu unterstützen. Ein erstes Dichtungselement 46, wie beispielsweise ein O-Ring, kann vorgesehen sein, um eine Ausbildung einer im Wesentlichen fluiddichten Abdichtung zwischen dem ersten Kopplungselement 44 und der Lieferleitung 42 zu unterstützen. Es sei zu verstehen, dass andere Kopplungselemente, wie beispielsweise eine Gewindekopplung, eine Schnappverschlusskopplung und dergleichen vorgesehen sein können, um eine Kopplung des Innenrohres 34 mit der Lieferleitung 42 zu unterstützen.
Das Innenrohr 34 ist in eine Mehrzahl von Abschnitten entlang einer Längsachse desselben unterteilt. Bei der gezeigten Ausführungsform ist das Innenrohr 34 in vier Abschnitte unterteilt. Es sei zu verstehen, dass das Innenrohr 34 in weniger oder mehr Abschnitte unterteilt sein kann. Ein erster Abschnitt 50 erstreckt sich von dem ersten Ende 38 zu einem Punkt zwischen dem ersten Ende 38 und dem zweiten Ende 40. Eine Lippe 52 erstreckt sich lateral auswärts von einer Außenfläche des Innenrohres 34 und definiert ein Ende des ersten Abschnittes 50. Bei der gezeigten Ausführungsform beträgt eine Länge des ersten Abschnittes 50 etwa eine Hälfte der Länge des Innenrohres 34. Es sei zu verstehen, dass andere Längen des ersten Abschnittes 50 vorgesehen sein können. Wandabschnitte 54, 56 sind an der Außenfläche des Innenrohres 34 geformt. Die Wandabschnitte 54, 56 erstrecken sich von gegenüberliegenden Enden der Lippe 52 im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse des Innenrohres 34 zu dem ersten Ende 38 davon. Bei der gezeigten Ausführungsform beträgt eine Länge der Wandabschnitte 54, 56 etwa eine Hälfte der Länge des ersten Abschnittes 50. Es sei zu verstehen, dass andere Längen für die Wandabschnitte 54, 56 verwendet werden können. Die Lippe 52 und die Wandabschnitte 54, 56 bilden einen Strömungskanal 57 an der Außenfläche des Innenrohres 34. Ein Auslass 58 ist in dem Innenrohr 34 benachbart der Lippe 52 zwischen dem ersten Ende 38 und der Lippe 52 geformt. Ein zweiter Abschnitt 60 und ein dritter Abschnitt 62 sind vorgesehen, die im Wesentlichen denselben Aufbau wie der erste Abschnitt 50 besitzen. Ein gleicher Aufbau, der für den zweiten Abschnitt 60 und den dritten Abschnitt 62 wiederholt ist, umfasst dieselben Bezugszeichen sowie ein Strichindex-(')-Symbol bzw. Doppelstrichindex-('')-Symbole. Eine Länge der jeweiligen Abschnitte 60, 62 ist durch eine Distanz zwischen aufeinanderfolgenden Lippen 52, 52', 52'' definiert. Eine Länge des zweiten Abschnittes 60 ist kürzer als eine Länge des ersten Abschnittes 50, und eine Länge des dritten Abschnittes 62 ist kürzer als die Länge des zweiten Abschnittes 60. Bei der gezeigten Ausführungsform beträgt die Länge des zweiten Abschnittes 60 etwa eine Hälfte der Länge von der Lippe 52 zu dem zweiten Ende 40, und die Länge des dritten Abschnittes 62 beträgt etwa eine Hälfte der Länge von der Lippe 52' zu dem zweiten Ende 40. Es sei zu verstehen, dass andere Längen des zweiten Abschnittes 60 und des dritten Abschnittes 62 vorgesehen sein können. Ein vierter Abschnitt 64 (oder der letzte Abschnitt des Innenrohres 34) erstreckt sich von der Lippe 52'', die das Ende des dritten Abschnittes 62 definiert, zu dem zweiten Ende 40 des Innenrohres 34. Ein Auslass 66 ist in dem Innenrohr 34 an etwa einem Mittelpunkt des vierten Abschnittes 64 geformt, wobei der Auslass 66 in im Wesentlichen Längsausrichtung mit den Auslässen 58, 58', 58'' steht.
In 4 ist ein Inneres des Innenrohres 34 gezeigt. Das Innere des Innenrohres 34 umfasst eine Wand 68, die ein Abteil 69 in dem Innenrohr 34 bildet. Das Abteil 69 ist geformt, um eine Querschnittsfläche des Strömungspfades entlang der Längsachse des Innenrohres 34 zu reduzieren, wobei eine Querschnittsfläche des Strömungspfades in dem ersten Abschnitt 50 des Innenrohres 34 maximal ist und in dem vierten Abschnitt 64 des Innenrohres 34 minimal ist.
Das Innenrohr 34 des Verteilungseinsatzes 32 kann als ein einzelnes Teil beispielsweise durch Spritzgießen eines Kunststoffmaterials geformt werden. Es sei auch zu verstehen, dass das Innenrohr 34 unter Verwendung anderer Prozesse und Materialien geformt werden kann. Es sei zu auch zu verstehen, dass das Innenrohr 34 als separate Teile geformt werden kann, die miteinander gekoppelt sind, um das Innenrohr 34 zu bilden. Beispielsweise kann jeder Abschnitt 50, 60, 62, 64 einzeln geformt und dann in einer im Wesentlichen Längsausrichtung beispielsweise unter Verwendung eines Klebstoffes, einer Schweißnaht und einer Schnapppassung miteinander gekoppelt werden. Zusätzlich kann das Innenrohr 34 des Verteilungseinsatzes 32 aus einem saugenden Material geformt sein, das derart angepasst ist, Wasser, das in dem Brennstoff mitgeführt wird, zu sammeln. Es sei zu verstehen, dass das saugende Material ein hydrophiles Material, ein hydrophobes Material und ein beliebiges anderes geeignetes Material sein kann, das derart angepasst ist, um Wasser, das in dem Recktand mitgeführt wird, zu sammeln.
Das Außenrohr 36 weist einen ersten Abschnitt 71 und einen zweiten Abschnitt 73 auf, die miteinander verbunden sind, um zumindest einen Anteil des Innenrohres 34 zu umgeben. Das Außenrohr 36 weist ein offenes Ende 70 und ein geschlossenes Ende 72 auf, wobei das zweite Ende 40 des Innenrohres 34 benachbart dem geschlossenen Ende 72 des Außenrohres 36 ist. Der erste Abschnitt 71 des Außenrohres 36 weist eine Mehrzahl von darin geformten Durchbrechungen 74 auf. Das Außenrohr 36 ist in Bezug auf das Innenrohr 34 orientiert, um die Durchbrechungen 74 gegenüberliegend der Seite des Innenrohres 34 zu positionieren, das die Lippen 52, 52', 52'' und die Auslässe 58, 58', 58'', 66 aufweist. Eine Lippe 76, die sich lateral auswärts von einer Innenfläche des Außenrohres 36 erstreckt, ist benachbart dem offenen Ende 70 davon geformt, wobei die Lippe 76 derart angepasst ist, dass sie an der Außenfläche des Innenrohrs 34 anliegt, um eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung dazwischen zu bilden. Es sei zu verstehen, dass ein Dichtungselement (nicht gezeigt) zwischen der Lippe 76 und der Außenfläche des Innenrohres 34 angeordnet sein kann, um die Bildung der im Wesentlichen fluiddichten Abdichtung zu unterstützen. Es sei zu verstehen, dass eine Lippe, die sich von einer Außenfläche des Innenrohres 34 nach außen erstreckt, benachbart dem ersten Ende 38 davon geformt werden kann, wobei die Lippe derart angepasst ist, dass sie an einer Fläche des Außenrohres 36 anliegt, um eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung dazwischen zu bilden. Die Lippe 72 wirkt gemeinsam mit den Lippen 52, 52', 52'' und den Wandabschnitten 54, 54', 54'', 56, 56', 56'' um eine Innenfläche des Außenrohres 36 beabstandet von einer Außenfläche des Innenrohres 34 zu positionieren, wobei ein Fluid von dem Strömungspfad in dem Innenrohr 34 durch die Auslässe 58, 58', 58'', 66 und die Strömungskanäle 57, 57', 57'' um die Außenfläche des Innenrohres 34 zu der Vorderseite des Innenrohres 34 und durch die Durchbrechungen 74 des Außenrohres 36 strömen kann. Es sei zu verstehen, dass das Außenrohr 36 von dem Verteilungseinsatz 32 weggelassen werden kann, wobei die Lippen 52, 52', 52'' und die Wandabschnitte 54, 54', 54'', 56, 56', 56'' zusammenwirken, um eine Außenfläche des Innenrohres 34 beabstandet von einer Innenfläche der Einlasssammelleitung 22 zu positionieren, und das Fluid zwischen der Außenfläche des Innenrohres 34 und der Innenfläche der Einlasssammelleitung 22 strömt.
Das Außenrohr 36 des Verteilungseinsatzes 32 kann beispielsweise durch Spritzgießen eines Kunststoffmaterials geformt werden, wobei das erste Element 71 und das zweite Element 73 einzeln geformt und dann beispielsweise unter Verwendung eines Klebstoffes, einer Schweißnaht oder einer Schnapppassung miteinander gekoppelt werden, um zumindest einen Anteil des Innenrohres 34 zu umgeben. Es sei zu verstehen, dass das Innenrohr 34 unter Verwendung anderer Prozesse und Materialien geformt werden kann. Es sei auch zu verstehen, dass das Außenrohr als ein einheitlicher Aufbau geformt werden kann. Zusätzlich kann das Außenrohr 36 des Verteilungseinsatzes 32 aus einem saugenden Material geformt werden, das derart angepasst ist, um Wasser, das in dem Brennstoff enthalten ist, zu sammeln. Es sei zu verstehen, dass das saugende Material ein hydrophiles Material, ein hydrophobes Material und ein beliebiges anderes geeignetes Material sein kann, das derart angepasst ist, Wasser, das in dem Reaktanden mitgeführt wird, zu sammeln.
Es sei zu verstehen, dass die Querschnittsform des Verteilungseinsatzes 32 beispielsweise im Wesentlichen kreisförmig, oval, dreieckig, quadratisch, rechtwinklig oder eine Kombination gekrümmter und im Wesentlichen planarer Flächen sein kann, wobei die Querschnittsform des Verteilungseinsatzes 32 derart angepasst ist, dass sie in der Einlasssammelleitung 22 der Brennstoffzellenanordnung 10 aufgenommen werden kann.
Im Gebrauch wird der Verteilungseinsatz 32 in die Einlasssammelleitung 22 eingesetzt, um das geschlossene Ende 72 des Außenrohres 34 benachbart der Endplatte 16 zu positionieren. Es sei zu verstehen, dass die Endplatte 16 oder das Außenrohr 34 ein Element aufweisen können, das derart angepasst ist, um den Verteilungseinsatz 32 mit der Endplatte 16 zu koppeln. Das Kopplungselement 44 wird zum abdichtenden Eingriff mit der Lieferleitung 42 veranlasst, um eine Brennstoffströmung von einer Quelle durch die Lieferleitung 42 und in das Innenrohr 34 des Verteilungseinsatzes 32 bereitzustellen. Das Kopplungselement 44 unterstützt eine Sicherung des Verteilungseinsatzes 32 in der Einlasssammelleitung 22. Der Verteilungseinsatz 32 ist bezüglich der Einlasssammelleitung 22 orientiert, um die Durchbrechungen 74, die in dem ersten Abschnitt 71 des Außenrohres 36 geformt sind, benachbart den Einlasskanälen 23 der Brennstoffzellen 12 zu positionieren. Ferner ist der Verteilungseinsatz 32 in Bezug auf die Einlasssammelleitung 22 orientiert, wobei die Auslässe 58, 58', 58'', 66, die in dem Innenrohr 34 geformt sind, zu einer Innenfläche der Einlasssammelleitung 22 weisen, die den Einlasskanälen 23 der Brennstoffzellen 12 im Wesentlichen entgegengesetzt ist.
Brennstoff strömt in und durch das Innenrohr 34, wobei ein Anteil des Brennstoffes durch die Auslässe 58, 58', 58'' strömt, die in jedem der jeweiligen Abschnitte 50, 60, 62 geformt sind. Der Brennstoff wird in den Strömungskanälen 57, 57', 57'' zwischen der Außenfläche des Innenrohres 34 und der Innenfläche des Außenrohres 36 aufgenommen. Die Strömungskanäle 57, 57', 57'' jedem der Abschnitte 50, 60, 62 lenken den Brennstoff zu dem ersten Ende 38 des Innenrohres 34 zu etwa dem Mittelpunkt der jeweiligen Abschnitte 50, 60, 62. Wenn der Brennstoff an den Enden der Wandabschnitte 54, 54', 54'', 56, 56', 56'' vorbeiströmt, strömt der Brennstoff um die Außenfläche des Innenrohres 34 zu dem vorderen Bereich des Verteilungseinsatzes 32 und den Durchbrechungen 74, die in dem ersten Abschnitt 71 des Außenrohres 36 geformt sind. Ein Anteil des Brennstoffes strömt auch durch den Auslass 66, der in dem Innenrohr 34 in dem vierten Abschnitt 64 geformt ist. Der Brennstoff strömt durch den Auslass 66 und um die Außenfläche des Innenrohres 34 zu dem vorderen Bereich des Verteilungseinsatzes 32 und den Durchbrechungen 34, die in dem ersten Abschnitt 71 des Außenrohres 36 geformt sind. Der Brennstoff strömt durch die Durchbrechungen 74 in die Einlasssammelleitung 22 benachbart den Einlasskanälen 23 der Brennstoffzellen 12.
Da Brennstoff durch den Auslass 58 in dem ersten Abschnitt 50 strömt, ist das Volumen des Brennstoffes in dem Strömungspfad, der in dem Innenrohr 34 geformt ist, reduziert. Das reduzierte Volumen an Brennstoff bewirkt normalerweise eine Zunahme eines statischen Fluiddrucks und eine Reduzierung einer Geschwindigkeit des durch die verbleibenden Abschnitte 60, 62, 64 des Innenrohres 34 strömenden Brennstoffes. Jedoch bewirkt das Abteil 69 in dem Inneren des Innenrohres 34 eine Reduzierung eines Volumens des Strömungspfades in jedem der nachfolgenden Abschnitte 60, 62, 64. Das reduzierte Volumen des Strömungspfades in jedem nachfolgenden Abschnitt 60, 62, 64 unterstützt die Beibehaltung eines gewählten Fluiddrucks und einer gewählten Geschwindigkeit des Brennstoffes durch die gesamte Länge des Innenrohres 34, da das Volumen des Brennstoffes aufgrund des durch die Auslässe 58, 58', 58'' strömenden Brennstoffes reduziert ist. Ferner minimiert die Einführung des Brennstoffes in den vorderen Bereich des Verteilungseinsatzes 32 benachbart dem Mittelpunkt von jedem der Abschnitte 50, 60, 62, 64 Unterschiede zwischen Längen des Fluidströmungspfads von der Lieferleitung 42 zu den Punkten, an denen der Brennstoff den Verteilungseinsatz 32 verlässt und in die Einlasssammelleitung 22 benachbart der Einlasskanäle 23 der Brennstoffzellen 12 eingeführt wird.
Durch Beibehaltung eines gewählten Fluiddrucks und einer gewählten Fluidgeschwindigkeit des Brennstoffes entlang der gesamten Länge des Innenrohres 34 und durch Einführen des Brennstoffes in die Einlasssammelleitung 22 an vier Stellen entlang ihrer Länge ist eine Zeitdifferenz zwischen der Einführung des Brennstoffes zu den Brennstoffzellen 12 minimiert. Ferner wird durch Minimierung einer Zeitdifferenz zwischen der Einführung des Brennstoffes zu den Brennstoffzellen 12 ein lokaler umgekehrter Strom in den Brennstoffzellen 12 sowie eine zugeordnete Elektrodenkohlenstoffkorrosion minimiert, und eine unerwünschte Emission von Wasserstoff durch die Abgassammelleitung wird minimiert.
Die 6 bis 7 zeigen eine alternative Ausführungsform eines Verteilungseinsatzes für die Brennstoffzellenanordnung 10. Bei der gezeigten Ausführungsform ist der Verteilungseinsatz 100 ein allgemein hohler länglicher Einsatz mit einem ersten Ende 102 und einem zweiten Ende 104. Der Verteilungseinsatz 100 ist in der Einlasssammelleitung 22 der Brennstoffzellenanordnung 10 angeordnet, wobei das erste Ende 102 benachbart dem Einlass 26 der Endplatte 14 angeordnet ist und das zweite Ende 104 benachbart der Endplatte 16 angeordnet ist. Die Lieferleitung 42 stellt eine Fluidkommunikation von der Quelle des Brennstoffes zu einem Einlass an dem ersten Ende 102 des Verteilungseinsatzes 100 bereit. Der Verteilungseinsatz 100 ist derart angepasst, dass er einen Strömungspfad 106 von der Lieferleitung 42 durch den Verteilungseinsatz 100 und in die Einlasssammelleitung 22 an etwa einem Mittelpunkt entlang der Länge der Einlasssammelleitung 22 bereitstellt.
Ein erstes Kopplungselement 108 ist benachbart dem ersten Ende 102 des Verteilungseinsatzes 100 geformt, das derart angepasst ist, dass es eine Kopplung des Verteilungseinsatzes 100 mit der Lieferleitung 42 unterstützt. Ein erstes Dichtungselement 112, wie beispielsweise ein O-Ring, kann vorgesehen sein, um die Bildung einer im Wesentlichen fluiddichten Abdichtung zwischen dem ersten Kopplungselement 108 und der Lieferleitung 42 zu unterstützen. Es sei zu verstehen, dass andere erste Kopplungselemente, wie beispielsweise eine Gewindekopplung, eine Schnappverschlusskopplung und dergleichen, vorgesehen sein können, um eine Kopplung des Verteilungseinsatzes 100 mit der Lieferleitung 42 zu unterstützen. Ein zweites Kopplungselement 110 ist benachbart dem zweiten Ende 104 des Verteilungseinsatzes 100 geformt, das derart angepasst ist, eine Kopplung des Verteilungseinsatzes 100 mit der Endplatte 16 zu unterstützen. Ein zweites Dichtungselement 114, wie beispielsweise ein O-Ring, kann vorgesehen sein, um die Bildung einer im Wesentlichen fluiddichten Dichtung zwischen dem zweiten Kopplungselement 110 und der Endplatte 16 zu unterstützen. Es sei zu verstehen, dass andere zweite Kopplungselemente, wie beispielsweise eine Gewindekopplung, eine Schnappverschlusskopplung und dergleichen, vorgesehen sein können, um eine Kopplung des Verteilungseinsatzes 100 mit der Endplatte 16 zu unterstützen.
Wände 116 sind an einer Außenfläche des Verteilungseinsatzes 100 geformt. Die Wände 116 erstrecken sich parallel zu einer Längsachse des Verteilungseinsatzes 100 und bilden einen Fluidströmungskanal 118, der sich von benachbart des ersten Endes 102 zu dem zweiten Ende 104 des Verteilungseinsatzes 100 erstreckt. Ein Auslass 120 ist in dem Verteilungseinsatz 100 geformt, um eine Fluidkommunikation zwischen dem Strömungspfad 106 und dem Fluidströmungskanal 118 bereitzustellen, wobei der Auslass 120 bei etwa dem Mittelpunkt entlang der Länge des Strömungskanals 118 positioniert ist. Der Fluidströmungskanal 118 ist allgemein verjüngt, wobei eine Höhe der Wände 116 benachbart dem Auslass 120 maximal ist und benachbart den Enden des Fluidströmungskanals 118 minimal ist. Die Verjüngung in dem Fluidströmungskanal 118 sieht eine allgemeine Reduzierung einer Querschnittsfläche des Strömungskanals 118 im Verlauf in einer Richtung von dem Auslass 120 zu den jeweiligen Enden 102, 104 des Verteilungseinsatzes 100 vor. Wie in der veranschaulichten Ausführungsform gezeigt ist, müssen die Anteile des Fluidströmungskanals 118 nicht verjüngt sein, wie beispielsweise die Anteile benachbart dem Auslass 120 und die Anteile benachbart den Enden des Strömungskanals 118. Eine Ablenkeinrichtung 122 ist an dem Verteilungseinsatz 100 geformt und erstreckt sich über den Strömungskanal 118 benachbart einem oberen Rand der Wände 116 und beabstandet von dem Auslass 120. Ein Mittelpunkt entlang der Länge der Ablenkeinrichtung 122 ist in im Wesentlichen vertikaler Ausrichtung mit eifern Mittelpunkt entlang der Länge des Auslasses 120.
Der Verteilungseinsatz 100 kann als ein einzelnes Teil beispielsweise durch Spritzgießen eines Kunststoffmaterials geformt werden. Es sei zu verstehen, dass der Verteilungseinsatz 100 als separate Teile geformt sein kann, die beispielsweise unter Verwendung eines Klebstoffes, einer Schweißnaht und einer Schnapppassung miteinander gekoppelt sind. Zusätzlich kann der Verteilungseinsatz 100 aus einem saugenden Material geformt sein, das derart angepasst ist, dass es Wasser, das in dem Brennstoff mitgeführt wird, gesammelt. Es sei zu verstehen, dass das saugende Material ein hydrophiles Material, ein hydrophobes Material und ein beliebiges anderes geeignetes Material sein kann, das derart angepasst ist, dass es Wasser, das in dem Reaktanden mitgeführt wird, sammelt.
Es sei zu verstehen, dass die Querschnittsform des Verteilungseinsatzes 100 beispielsweise im Wesentlichen kreisförmig, oval, dreieckig, quadratisch, rechtwinklig oder eine Kombination gekrümmter und im Wesentlichen planarer Flächen sein kann, wobei die Querschnittsform des Verteilungseinsatzes 100 derart angepasst ist, dass sie in der Einlasssammelleitung 22 der Brennstoffzellenanordnung 10 aufgenommen werden kann.
Im Gebrauch ist der Verteilungseinsatz 100 in die Einlasssammelleitung 22 eingesetzt, um einen Eingriff des zweiten Kopplungselementes 110 mit der Endplatte 16 zu bewirken. Das erste Kopplungselement 108 wird zu einem abdichtenden Eingriff mit der Lieferleitung 42 veranlasst, um eine Strömung von Brennstoff von einer Quelle durch die Lieferleitung 42 und in den Verteilungseinsatz 100 bereitzustellen. Das erste Kopplungselement 108 und das zweite Kopplungselement 110 unterstützen ein Sichern des Verteilungseinsatzes 100 in der Einlasssammelleitung 22. Ein Rand der Wände 116 liegt an der Innenfläche der Einlasssammelleitung 22 an, um eine Positionierung einer unteren Fläche des Strömungskanals 118 und der Ablenkeinrichtung 122 in beabstandeter Beziehung in Bezug auf die Innenfläche der Einlasssammelleitung 22 zu unterstützen. Der Verteilungseinsatz 100 ist in Bezug auf die Einlasssammelleitung 22 orientiert, um die Wände 116 und den Strömungskanal 118 benachbart der Einlasskanäle 23 der Brennstoffzellen 12 zu positionieren.
Brennstoff strömt in und durch den Strömungspfad 106 des Verteilungseinsatzes 100. Der Brennstoff strömt durch den Auslass 120 und wird in dem Strömungskanal 118 aufgenommen. Die Ablenkeinrichtung 122 bewirkt eine Strömung eines Anteils des Brennstoffs durch den Strömungskanal 118 zu dem ersten Ende 102 des Verteilungseinsatzes 100 und die Strömung eines anderen Anteils des Brennstoffs durch den Strömungskanal 118 zu dem zweiten Ende 104 des Verteilungseinsatzes 100. Der Brennstoff wird von den Einlasskanälen 23 der Brennstoffzellen 12 aufgenommen, wenn der Brennstoff durch den Strömungskanal 118 zu den jeweiligen Enden 102, 104 des Verteilungseinsatzes 100 strömt. Da der Brennstoff durch den Strömungskanal 118 strömt, strömt ein Anteil des Brennstoffs um die Enden der Ablenkeinrichtung 122 und wird zwischen der Ablenkeinrichtung 122 und der Innenfläche der Einlasssammelleitung 22 benachbart der Einlasskanäle 23 der Brennstoffzellen 12 aufgenommen, die in dem Zentralabschnitt der Brennstoffzellenanordnung 10 angeordnet sind.
Da der Brennstoff durch den Strömungskanal 118 strömt und Brennstoff durch die Einlasskanäle 23 der Brennstoffzellen 12 aufgenommen wird, ist das Volumen des Brennstoffes in dem Strömungskanal 118 reduziert. Das reduzierte Brennstoffvolumen bewirkt normalerweise eine Zunahme eines statischen Fluiddrucks und eine Reduzierung einer Geschwindigkeit des Brennstoffes, wenn der Brennstoff zu den Enden 102, 104 des Verteilungseinsatzes 100 strömt. Jedoch unterstützt die Reduzierung der Querschnittsfläche des Fluidströmungskanals 118, die sich von dem Auslass 120 weg bewegt, die Beibehaltung eines gewählten Fluiddrucks und einer gewählten Fluidgeschwindigkeit des Brennstoffes durch die gesamte Länge des Strömungskanals 118, da das Volumen des Brennstoffes aufgrund des in die Einlasskanäle 23 der Brennstoffzellen 12 strömenden Brennstoffes reduziert ist. Ferner minimiert die Einführung des Brennstoffes in die Einlasssammelleitung 22 benachbart ihren Mittelpunkt und das Treiben eines Anteils des Brennstoffs um die Ablenkeinrichtung 122 herum Differenzen zwischen Längen des Fluidströmungspfads von dem Auslass 120 zu den Einlasskanälen 23 der Brennstoffzellen 12.
Durch Beibehaltung eines gewählten Fluiddrucks und einer gewählten Fluidgeschwindigkeit des Brennstoffs entlang der gesamten Länge des Strömungskanals 118 des Verteilungseinsatzes 100 und durch Einführen des Brennstoffes in die Einlasssammelleitung 22 bei etwa ihrem Mittelpunkt ist eine Zeitdifferenz zwischen der Einführung des Brennstoffes zu den Brennstoffzellen 12 minimiert. Ferner sind durch Minimierung einer Zeitdifferenz zwischen der Einführung des Brennstoffes in die Brennstoffzellen 12 ein lokaler umgekehrter Strom in den Brennstoffzellen 12 sowie eine zugeordnete Elektrodenkohlenstoffkorrosion minimiert, und eine unerwünschte Emission von Wasserstoff durch die Abgassammelleitung ist minimiert.
Die 8 bis 15 zeigen eine alternative Ausführungsform eines Verteilungseinsatzes für die Brennstoffzellenanordnung 10. Bei der gezeigten Ausführungsform ist der Verteilungseinsatz 200 ein allgemein hohler länglicher Einsatz mit einem ersten Ende 202 und einem zweiten Ende 204. Der Verteilungseinsatz 200 ist in der Einlasssammelleitung 22 der Brennstoffzellenanordnung 10 angeordnet. Das erste Ende 202 ist benachbart dem Einlass 26 der Endplatte 14 angeordnet, und das zweite Ende 204 ist benachbart der Endplatte 16 angeordnet. Die Lieferleitung 42 stellt eine Fluidkommunikation von der Quelle des Brennstoffes zu einem Einlass an dem ersten Ende 202 des Verteilungseinsatzes 200 bereit. Der Verteilungseinsatz 200 ist derart angepasst, dass er einen Strömungspfad 206 von der Lieferleitung 42 durch ein Inneres des Verteilungseinsatzes 200 in die Einlasssammelleitung 22 bereitstellt.
Ein erstes Kopplungselement 208 ist benachbart dem ersten Ende 202 des Verteilungseinsatzes 200 geformt, das derart angepasst ist, dass es eine Kopplung des Verteilungseinsatzes 200 mit der Lieferleitung 42 unterstützt. Ein erstes Dichtungselement 212, wie beispielsweise ein O-Ring, kann vorgesehen werden, um die Ausbildung einer im Wesentlichen fluiddichten Abdichtung zwischen dem ersten Kopplungselement 208 und der Lieferleitung 42 zu unterstützen. Es sei zu verstehen, dass andere erste Kopplungselemente, wie beispielsweise eine Gewindekopplung, eine Schnappverschlusskopplung und dergleichen, vorgesehen sein können, um die Kopplung des Verteilungseinsatzes 200 mit der Lieferleitung 42 zu unterstützen. Ein zweites Kopplungselement 210 ist benachbart dem zweiten Ende 204 des Verteilungseinsatzes 200 geformt, das derart angepasst ist, dass es eine Kopplung des Verteilungseinsatzes 200 mit der Endplatte 16 unterstützt. Ein zweites Dichtungselement 214, wie beispielsweise ein O-Ring, kann vorgesehen sein, um eine Ausbildung einer im Wesentlichen fluiddichten Abdichtung zwischen dem zweiten Kopplungselement 210 und der Endplatte 16 zu unterstützen. Es sei zu verstehen, dass andere zweite Kopplungselemente, wie beispielsweise eine Gewindekopplung, eine Schnappverschlusskopplung und dergleichen, vorgesehen sein können, um die Kopplung des Verteilungseinsatzes 200 mit der Endplatte 16 zu unterstützen.
Der Verteilungseinsatz 200 ist in eine Mehrzahl von Verteilerabschnitten 216 entlang seiner Längsachse unterteilt. Bei der gezeigten Ausführungsform ist der Verteilungseinsatz 200 in zehn Verteilerabschnitte 216 unterteilt. Es sei zu verstehen, dass der Verteilungseinsatz 200 in weniger oder mehr Verteilerabschnitte 216 unterteilt sein kann. Eine Wand 218 erstreckt sich auswärts von einem Rand des Verteilungseinsatzes 200 im Wesentlichen parallel zu seiner Längsachse, um einen Strömungskanal 220 an einer Außenfläche des Verteilungseinsatzes 200 zu bilden. Die Wand 218 ist derart angepasst, dass sie an der Innenfläche der Einlasssammelleitung 22 anlegt und einen Spalt zwischen der Innenfläche der Einlasssammelleitung 22 und einer unteren Fläche des Strömungskanals 220 beibehält. Ein Auslass 222 ist in jedem der Verteilerabschnitte 216 benachbart der Wand 218 geformt. Der Auslass 222 sieht eine Fluidkommunikation zwischen dem Inneren des Verteilungseinsatzes 200 und dem Strömungskanal 220 vor.
Jede der Verteilerabschnitte 216 weist ein Wandelement 224 auf, das sich auswärts von einer Innenfläche des Verteilungseinsatzes 200 erstreckt, um einen Fluiddurchgang 226 zu bilden, der eine Fluidkommunikation von dem Strömungspfad 206 zu dem Auslass 222 bereitstellt. Es sei zu verstehen, dass das Wandelement 224 so geformt sein kann, dass es eine Neigung zu einer unteren Fläche des Fluiddurchgangs 226 bereitstellt, wobei die untere Fläche des Fluiddurchgangs 226 von dem Strömungspfad 206 zu der Öffnung 222 allgemein ansteigt. Die Neigung in der Bodenfläche des Fluiddurchgangs 226 unterstützt eine Drainage von flüssigem Wasser, das sich in dem Fluiddurchgang 226 sammeln kann, in den Strömungspfad 206 durch Schwerkraft und wirkt einer Strömung des flüssigen Wassers in die Einlasssammelleitung 22 entgegen. Zusätzlich weist jeder der Verteilerabschnitte 216 mit Ausnahme des Verteilerabschnittes 216 benachbart dem ersten Ende 202 des Verteilungseinsatzes 200 ein Abteil 228 auf. Ein Volumen des Abteils 228 steigt in nachfolgenden Verteilerabschnitten 216 im Verlauf zu dem zweiten Ende 204 des Verteilungseinsatzes 200. Das Abteil 228 reduziert ein Volumen des Strömungspfades 206 und eine Länge des Fluiddurchgangs 226 in nachfolgenden Verteilerabschnitten 216.
Der Verteilungseinsatz 200 kann als ein einzelnes Teil beispielsweise durch Spritzgießen eines Kunststoffmaterials geformt werden. Es sei zu verstehen, dass die Verteilerabschnitte 216 als separate Teile beispielsweise unter Verwendung eines Spritzgießprozesses geformt sein können, wobei die Verteilerabschnitte 216 miteinander gekoppelt sind, um den Verteilungseinsatz 200 zu bilden. Beispielsweise kann jeder der Verteilerabschnitte 216 einzeln geformt und in im Wesentlichen Längsausrichtung beispielsweise unter Verwendung eines Klebstoffes, einer Schweißnaht und einer Schnapppassung miteinander gekoppelt werden. Zusätzlich kann der Verteilungseinsatz 200 aus einem saugenden Material geformt sein, das derart angepasst ist, dass es Wasser, das in dem Brennstoff mitgeführt wird, sammelt. Es sei zu verstehen, dass das saugende Material ein hydrophiles Material, ein hydrophobes Material und ein beliebiges anderes geeignetes Material sein kann, das derart angepasst ist, dass es Wasser, das in dem Recktand mitgeführt wird, sammelt.
Es sei zu verstehen, dass die Querschnittsform des Verteilungseinsatzes 200 beispielsweise im Wesentlichen kreisförmig, oval, dreieckig, quadratisch, rechtwinklig oder eine Kombination gekrümmter und im Wesentlichen planarer Flächen sein kann, wobei die Querschnittsform des Verteilungseinsatzes 200 zur Aufnahme in der Einlasssammelleitung 22 der Brennstoffzellenanordnung 10 angepasst ist.
Im Gebrauch ist der Verteilungseinsatz 200 in die Einlasssammelleitung 22 eingesetzt, um einen Eingriff des zweiten Kopplungselementes 210 mit der Endplatte 16 zu bewirken. Das erste Kopplungselement 208 wird zu einem abdichtenden Eingriff mit der Lieferleitung 42 veranlasst, um eine Strömung von Brennstoff von einer Quelle durch die Lieferleitung 42 und in den Einlass des Verteilungseinsatzes 200 bereitzustellen. Das erste Kopplungselement 208 und das zweite Kopplungselement 210 unterstützen eine Sicherung des Verteilungseinsatzes 200 in der Einlasssammelleitung 22. Ein Rand der Wand 218 liegt an der Innenfläche der Einlasssammelleitung 22 an, um eine Positionierung einer unteren Fläche des Strömungskanals 220 in beabstandeter Beziehung in Bezug auf die Innenfläche der Einlasssammelleitung 22 zu unterstützen. Der Verteilungseinsatz 200 ist in Bezug auf die Einlasssammelleitung 22 orientiert, um den Strömungskanal 220 benachbart der Einlasskanäle 23 der Brennstoffzellen 12 zu positionieren.
Brennstoff strömt durch den Strömungspfad 206 zu jedem der Verteilerabschnitte 216 des Verteilungseinsatzes 200. Ein Anteil des durch den Strömungspfad 206 strömenden Brennstoffes strömt durch den Fluiddurchgang 226 und den Auslass 222 von jedem der Verteilerabschnitte 216 und wird in dem Strömungskanal 220 aufgenommen, wobei der Brennstoff durch die Einlasskanäle 23 der Brennstoffzellen 12 benachbart der jeweiligen Verteilerabschnitte 216 aufgenommen wird.
Da der Brennstoff durch den Strömungspfad 206 zu dem zweiten Ende 204 des Verteilungseinsatzes 200 strömt und ein Anteil des Brennstoffes durch die Verteilerabschnitte 216 zu den Einlasskanälen 23 der Brennstoffzellen 12 geführt wird, ist das Volumen des Brennstoffes in dem Strömungspfad 206 reduziert. Das reduzierte Volumen an Brennstoff bewirkt normalerweise eine Zunahme eines statischen Fluiddrucks und eine Reduzierung einer Geschwindigkeit des Brennstoffes, wenn der Brennstoff zu dem zweiten Ende 204 des Verteilungseinsatzes 200 strömt. Jedoch reduzieren beginnend mit dem zweiten Verteilerabschnitt 216 von dem ersten Ende 202 die Abteile 228 ein Volumen des Strömungspfades 206 in jedem aufeinanderfolgenden Verteilerabschnitt 216. Das reduzierte Volumen des Fluidströmungspfads 206 im nachfolgenden Verteilerabschnitt 216 unterstützt die Beibehaltung eines gewählten Fluiddrucks und einer gewählten Geschwindigkeit des Brennstoffes durch die gesamte Länge des Strömungspfades 206, da das Volumen des Brennstoffes aufgrund des in die Einlasskanäle 23 der Brennstoffzellen 12 strömenden Brennstoffes reduziert ist. Ferner ist eine Länge des Fluiddurchgangs 226 in jedem nachfolgenden Verteilerabschnitt 216 reduziert, um Unterschiede zwischen Längen der Strömungspfade von der Lieferleitung zu dem Auslass 222 in jedem der Verteilerabschnitte 216 zu minimieren.
Durch Beibehaltung eines gewählten Fluiddrucks und einer gewählten Fluidgeschwindigkeit des Brennstoffs entlang der gesamten Länge des Strömungspfades 206 des Verteilungseinsatzes 200 und durch Minimierung der Unterschiede zwischen Längen der Fluidströmungspfade von der Lieferleitung 42 zu dem Auslass 222 in jedem der Verteilerabschnitte 216 ist eine Zeitdifferenz zwischen der Einführung des Brennstoffes zu den Brennstoffzellen 12 minimiert. Ferner sind durch Minimierung einer Zeitdifferenz zwischen der Einführung des Brennstoffes zu den Brennstoffzellen 12 ein lokaler umgekehrter Strom in den Brennstoffzellen 12 wie auch eine zugeordnete Elektrodenkohlenstoffkorrosion minimiert, und es ist eine unerwünschte Emission von Wasserstoff durch die Abgassammelleitung minimiert.
Während bestimmte repräsentative Ausführungsformen und Einzelheiten zu Zwecken der Veranschaulichung der Erfindung gezeigt worden sind, sei dem Fachmann offensichtlich, dass verschiedene Änderungen ohne Abweichung von dem Schutzumfang der Offenbarung durchgeführt werden können, der ferner in den folgenden angefügten Ansprüchen beschrieben ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6924056 [0007]

Claims

Fluidverteilungseinsatz für eine Brennstoffzellenanordnung, umfassend: einen hohlen Einsatz mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, wobei der hohle Einsatz zur Aufnahme in einer Einlasssammelleitung einer Brennstoffzellenanordnung angepasst ist; einen Einlass, der an dem ersten Ende des hohlen Einsatzes geformt und zur Aufnahme eines Fluids dann angepasst ist; und einen Auslass, der zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende geformt ist, wobei der Auslass zur Lieferung des Fluids an eine Mehrzahl von Brennstoffzellen der Brennstoffzellenanordnung angepasst ist, wobei der hohle Einsatz das Fluid an die Brennstoffzellen bei einem im Wesentlichen konstanten Druck liefert.
Fluidverteilungseinsatz nach Anspruch 1, wobei sich zumindest ein Wandabschnitt auswärts von einer Außenfläche des hohlen Einsatzes erstreckt, um einen Strömungskanal an der Außenfläche des hohlen Einsatzes zu bilden.
Fluidverteilungseinsatz nach Anspruch 2, wobei der hohle Einsatz eine Mehrzahl von Abschnitten entlang seiner Länge aufweist, wobei jeder der Abschnitte einen Strömungspfad hindurch aufweist, und wobei eine Mehrzahl der Auslässe in dem hohlen Einsatz geformt ist, wobei jeder der Abschnitte einen der Auslässe aufweist.
Fluidverteilungseinsatz nach Anspruch 3, ferner mit einem Abteil, das in einem Inneren des hohlen Einsatzes in zumindest einem der Abschnitte geformt ist, wobei das Abteil ein Volumen des Strömungspfades durch den zumindest einen der Mehrzahl von Abschnitten reduziert.
Fluidverteilungseinsatz nach Anspruch 3, ferner mit einem Fluiddurchgang, der in einem Inneren des hohlen Einsatzes in jedem der Abschnitte geformt ist, wobei der Fluiddurchgang eine Fluidkommunikation zwischen dem Strömungspfad durch den zumindest einen der Abschnitte und den Auslass bereitstellt, wobei eine Länge des Fluiddurchgangs in jedem nachfolgenden Abschnitt im Verlauf weg von dem ersten Ende des hohlen Einsatzes verkürzt ist.
Fluidverteilungseinsatz nach Anspruch 2, ferner mit einem Außenrohr, das zumindest einen Anteil des hohlen Einsatzes umgibt, wobei das Außenrohr eine Mehrzahl von darin geformten Durchbrechungen aufweist, wobei der zumindest eine Wandabschnitt des hohlen Einsatzes an einer Innenfläche des Außenrohres anliegt, um die Innenfläche des Außenrohres beabstandet von der Außenfläche des hohlen Einsatzes beizubehalten.
Fluidverteilungseinsatz nach Anspruch 2, wobei zumindest ein Anteil des Strömungskanals verjüngt ist, um eine Änderung des Fluidströmungsvolumens darin entlang seiner Länge zu bewirken.
Fluidverteilungseinsatz nach Anspruch 2, ferner mit einer Ablenkeinrichtung, die in dem Strömungskanal beabstandet von und in Ausrichtung mit dem Auslass geformt ist.
Brennstoffzellenanordnung, umfassend: eine erste Endplatte und eine beabstandete zweite Endplatte; eine Mehrzahl von Brennstoffzellen, die zwischen der ersten Endplatte und der zweiten Endplatte angeordnet sind; eine Einlasssammelleitung in Fluidkommunikation mit den Brennstoffzellen zur Lieferung eines Reaktandengases an die Brennstoffzellen; einen hohlen Einsatz mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, wobei der hohle Einsatz zur Aufnahme in der Einlasssammelleitung der Brennstoffzellenanordnung angepasst ist; einen Einlass, der an dem ersten Ende des hohlen Einsatzes geformt und zur Aufnahme des Reaktandengases darin angepasst ist; zumindest einen Wandabschnitt, der sich auswärts von einer Außenfläche des hohlen Einsatzes erstreckt, um einen Strömungskanal daran zu bilden; und einen Auslass, der in dem hohlen Einsatz in dem Strömungskanal geformt ist, wobei der Auslass derart angepasst ist, dass er eine Fluidkommunikation zwischen einem Inneren des hohlen Einsatzes und dem Strömungskanal bereitstellt, wobei der Strömungskanal das Reaktandengas an die Einlasssammelleitung der Brennstoffzellenanordnung bei einem im Wesentlichen konstanten Druck entlang seiner Länge liefert.
Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 9, wobei der hohle Einsatz eine Mehrzahl von Abschnitten entlang seiner Länge aufweist, wobei jeder der Abschnitte einen Strömungspfad hindurch aufweist, und wobei eine Mehrzahl der Auslässe in dem hohlen Einsatz geformt ist, wobei jeder der Abschnitte einen der Auslässe aufweist.