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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenplatten-Baugruppe und insbesondere eine bipolare Brennstoffzellenplatten-Baugruppe, die aus einer ersten unipolaren Platte und einer zweiten unipolaren Platte geformt ist, die zusammenwirken, um Kühlmittelströmungskanäle dazwischen zu bilden, wobei einer der Kühlmittelströmungskanäle einen zweiten Abschnitt aufweist, der zwischen einem ersten Abschnitt und einem dritten Abschnitt angeordnet ist, wobei der zweite Abschnitt benachbart einem Reaktandenauslass oder einem Reaktandenauslass und einem Reaktandeneinlass der bipolaren Brennstoffzellenplatten-Baugruppe angeordnet ist.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Brennstoffzellen sind bei vielen Anwendungen als eine Energiequelle verwendet worden. Beispielsweise sind Brennstoffzellen zur Verwendung in elektrischen Fahrzeugantriebsanlagen als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen worden. Bei Brennstoffzellen vom Typ mit Protonenaustauschmembran (PEM von engl.: ”proton exchange membrane”) wird Wasserstoff (oder ein wasserstoffhaltiges Gas) an eine Anodenseite der Brennstoffzelle geliefert und Sauerstoff wird als ein Oxidationsmittel an eine Kathodenseite geliefert. Der Sauerstoff kann entweder ein reiner Sauerstoff (O2) oder Luft sein. Das Oxidationsmittel und der Wasserstoff können separat als ein ”Reaktand” oder gemeinsam als die ”Reaktanden” bezeichnet werden. PEM-Brennstoffzellen weisen eine Membranelektrodenbaugruppe (MEA) mit einer dünnen, protonendurchlässigen, nicht elektrisch leitenden Festpolymerelektrolytmembran auf, die an einer Seite den Anodenkatalysator und auf der entgegengesetzten Seite den Kathodenkatalysator aufweist. Wenn ein Diffusionsmedium (DM) und/oder eine Barriereschicht an die MEA angebunden und optional mit einem Dichtungselement als eine Einheit abgedichtet ist, ist die Einheit als eine modulare Elektrodenbaugruppe (UEA von engl.: ”unitized electrode assembly”) bekannt. Um eine einzelne Brennstoffzelle zu bilden, wird eine MEA oder eine UEA zwischen einer Unipolarplattenbaugruppe oder einer Bipolarplattenbaugruppe angeordnet.
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Bipolarplatten weisen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel auf. 1 zeigt eine Anodenseite 100 einer Brennstoffzellenplatte 110, wie in der Technik bekannt ist. Die Brennstoffzellenplatte 110 ist aus einem Paar von Unipolarplatten gebildet, die beispielsweise durch einen Schweißprozess oder einen Klebeprozess miteinander gekoppelt sind. Strömungskanäle 112 sind an der Anodenseite 100 der Brennstoffzellenplatte 110 vorgesehen, um die Wasserstoffströmung zu der Anodenseite 100 jeder MEA oder UEA zu unterstützen. Strömungskanäle sind in der Kathodenseite der Brennstoffzellenplatte 110 vorgesehen, um die Sauerstoffströmung zu der Kathodenseite der MEA oder UEA zu unterstützen. Die Brennstoffzellenplatte 110 besteht aus einem leitenden Material, wie beschichtetem oder behandeltem rostfreiem Stahl, so dass die Brennstoffzellenplatte 110 die durch die Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität leiten kann. Zusätzlich definieren die die bipolare Brennstoffzellenplatte 110 bildenden Unipolarplatten Kühlmittelströmungskanäle (nicht gezeigt) dazwischen, um die Strömung eines Kühlfluides hindurch zu unterstützen und damit die Temperatur der Brennstoffzellenplatte 110 während des Gebrauchs zu steuern. Durch die Kühlmittelströmungskanäle strömendes Kühlfluid kann die Brennstoffzellenplatte 110 während eines Inbetriebnahmeprozesses bei Bedingungen unterhalb des Gefrierpunkts aufwärmen. Die Kühlmittelströmungskanäle sind typischerweise parallel zu den Strömungskanälen 112, die an der Anodenseite 100 und der Kathodenseite der Brennstoffzellenplatte 110 in einem aktiven Bereich der Zelle geformt sind.
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Die Brennstoffzellenplatte 110 weist eine Einlassdurchbrechung 118 und eine Auslassdurchbrechung 120 auf, um die Strömung des Wasserstoffs über die Brennstoffzellenplatte 110 zu unterstützen. Die Brennstoffzellenplatte 110 weist auch eine Einlassdurchbrechung 116 und eine Auslassdurchbrechung 114 auf, um die Strömung des Sauerstoffs über die Brennstoffzellenplatte 110 zu unterstützen. Die Brennstoffzellenplatte 110 weist auch einen Kühlmitteleinlass 124 und einen Kühlmittelauslass 122 auf, um die Strömung von Kühlmittel zwischen den die Brennstoffzellenplatte 110 bildenden Unipolarplatten zu unterstützen. Eine Mehrzahl einzelner Brennstoffzellenplatten ähnlich der Brennstoffzellenplatte 110 von 1 ist typischerweise miteinander gebündelt, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden. Die Einlassdurchbrechungen 116, 118, 124 von jeder der Brennstoffzellenplatten 110 wirken zusammen, um einen Sauerstoffeinlassverteiler, einen Wasserstoffeinlassverteiler bzw. einen Kühlmitteleinlassverteiler zu bilden, und die Auslassdurchbrechungen 114, 120, 122 von jeder der Brennstoffzellenplatten 110 wirken zusammen, um einen Sauerstoffauslasssammler, einen Wasserstoffauslasssammler bzw. einen Kühlmittelauslasssammler zu bilden. Eine Schweißnaht 126, die zwischen der Einlassdurchbrechung 118 und dem Kühlmittelauslass 122 gebildet ist, und eine Schweißnaht 128, die zwischen der Auslassdurchbrechung 120 und dem Kühlmitteleinlass 124 gebildet ist, bilden jeweils eine fluiddichte Abdichtung zwischen der Einlassdurchbrechung 118 und den Kühlmittelströmungskanälen und zwischen der Auslassdurchbrechung 120 und den Kühlmittelströmungskanälen. Es können zusätzliche Schweißnähte (nicht gezeigt) zwischen den unipolaren Platten der Brennstoffzellenplatte 110 geformt werden, um einen hermetisch abgedichteten Kühlmittelabschnitt zu erzeugen und dem Verlust des Reaktanden und/oder des Kühlmittels an die Atmosphäre entgegenzuwirken.
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Im Gebrauch wird Kühlmittel durch den Kühlmittelverteiler und in den Kühlmitteleinlass 124 von jeder der Brennstoffzellenplatten 110 des Brennstoffzellenstapels getrieben. Das Kühlmittel wird durch die Kühlmittelströmungskanäle, die zwischen den unipolaren Platten geformt sind, getrieben. Der Druck des Kühlmittels ist ausreichend, um zu bewirken, dass das Kühlmittel in jeden Kühlmittelströmungskanal, der parallel zu den Strömungskanälen 112 ist, strömt. Die Strömung von Kühlmittel ist allgemein durch Pfeile 130 gezeigt.
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Die Brennstoffzellenplatten
110 des Stapels sind üblicherweise in elektrischer Reihe angeordnet. Jede Zelle in dem Stapel kann eine UEA aufweisen, und jede UEA stellt ein Spannungsinkrement bereit. Eine Gruppe benachbarter Zellen in dem Stapel wird als ein Cluster bzw. eine Gruppierung bezeichnet. Eine typische Anordnung mehrerer Zellen in einem Stapel ist in dem in Gemeinschaftsbesitz befindlichen
U.S.-Patent 5,763,113 gezeigt und beschrieben, das hier durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit hierdurch eingeschlossen ist.
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Nachdem der Brennstoffzellenstapel in Betrieb war und anschließend bei gefrierenden atmosphärischen Bedingungen abgeschaltet worden ist, kann eine Kondensation in den Strömungskanälen 112 der Brennstoffzellenplatten 110 Eis bilden. Das Eis kann sich in den Strömungskanälen 112 und in den Einlassdurchlässen 132, den Einlasstunneln 133, in Auslassdurchlässen 134 und Auslasstunneln 135 ansammeln. Die Einlassdurchlässe 132 stehen in Fluidkommunikation mit den Einlasstunneln 133, die zwischen den Unipolarplatten gebildet sind und einer Fluidkommunikation zwischen der Einlassdurchbrechung 118 und den Strömungskanälen 112 bereitstellen. Die Auslassdurchlässe 134 stehen in Fluidkommunikation mit den Auslasstunneln 135, die zwischen den unipolaren Platten gebildet sind und eine Fluidkommunikation zwischen der Auslassdurchbrechung 120 und den Strömungskanälen 112 bereitstellen. Wenn der Brennstoffzellenstapel bei den Gefrierbedingungen hochgefahren wird, muss Eis, das in den Strömungskanälen 112, den Durchlässen 132, 134 und den Tunneln 133, 135 gebildet ist, geschmolzen werden, bevor die Reaktanden über die Brennstoffzellenplatten 110 strömen können. Sobald das Eis geschmolzen ist, kann der Brennstoffzellenstapel richtig und effizient funktionieren. Kühlmittel bei einer Temperatur, die größer als der Gefrierpunkt ist, das durch die Einlassdurchbrechung 124 jeder Platte 110 des Stapels strömt, schmilzt schließlich das Eis in den Durchlässen 132, 134 und den Tunneln 133, 135, um die Strömung von Reaktand hindurch zu unterstützen, wodurch die Inbetriebnahme des Brennstoffzellenstapels unterstützt wird. Eine Zeitdauer, die erforderlich ist, das Eis in den Durchlässen 132, 134 und den Tunneln 133, 135 mit der Kühlmittelströmung zu schmelzen, verzögert die Inbetriebnahme und einen effizienten Betrieb des Brennstoffzellenstapels. Um die Zeitdauer zu beschleunigen, kann ein Zusatzheizer verwendet werden, um eine Temperatur des Kühlmittels zu erhöhen, wodurch Kosten und Komplexität des Brennstoffzellenstapels gesteigert werden.
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Es wäre erwünscht, eine Brennstoffzellenplatte mit einem darin geformten Kühlmittelströmungskanal zu entwickeln, wobei zumindest ein Abschnitt des Kühlmittelströmungskanals benachbart einem Reaktandeneinlass angeordnet ist, um ein Schmelzen von Eis, das an der Brennstoffzellenplatte gebildet ist, zu unterstützen und eine Inbetriebnahmezeit eines Brennstoffzellenstapels, der die Brennstoffzellenplatte enthält, zu minimieren.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist überraschend eine Brennstoffzellenplatte mit einem darin geformten Kühlmittelströmungskanal entdeckt worden, wobei zumindest ein Abschnitt des Kühlmittelströmungskanals benachbart einem Reaktandeneinlass angeordnet ist, um ein Schmelzen von Eis, das an der Brennstoffzellenplatte gebildet ist, zu unterstützen und eine Inbetriebnahmezeit eines Brennstoffzellenstapels, der die Brennstoffzellenplatte enthält, zu minimieren.
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Bei einer Ausführungsform umfasst eine Brennstoffzellenplatte eine erste unipolare Platte, die Strömungskanäle aufweist, die an einer Fläche derselben geformt sind; eine zweite unipolare Platte, die Strömungskanäle aufweist, die an einer Fläche derselben geformt sind, und die mit der ersten unipolaren Platte verbunden ist, wobei die erste unipolare Platte und die zweite unipolare Platte zusammenwirken, um eine Bipolarplatte mit einem Kühlmitteleinlass, einem Kühlmittelauslass, einem Reaktandeneinlass und einem Reaktandenauslass zu bilden; und einen Kühlmittelströmungskanal, der zwischen der ersten unipolaren Platte und der zweiten unipolaren Platte in Fluidkommunikation mit dem Kühlmitteleinlass gebildet ist, wobei der Kühlmittelströmungskanal einen ersten Abschnitt, einen zweiten Abschnitt und einen dritten Abschnitt aufweist, wobei der zweite Abschnitt zwischen dem ersten Abschnitt und dem dritten Abschnitt benachbart dem Reaktandenauslass angeordnet ist, wobei der zweite Abschnitt von dem Reaktandenauslass mit einer ersten Distanz beabstandet ist und der erste Abschnitt und der dritte Abschnitt jeweils von dem Reaktandenauslass mit einer Distanz beabstandet sind, die größer als die erste Distanz ist.
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Bei einer anderen Ausführungsform umfasst eine Brennstoffzellenplatte eine erste unipolare Platte, die Strömungskanäle aufweist, die an einer Fläche derselben geformt sind; eine zweite unipolare Platte, die Strömungskanäle aufweist, die an einer Fläche derselben geformt sind, und die mit der ersten unipolaren Platte verbunden ist, wobei die erste unipolare Platte und die zweite unipolare Platte zusammenwirken, um eine Bipolarplatte mit einem Kühlmitteleinlass, einem Kühlmittelauslass, einem Reaktandeneinlass und einem Reaktandenauslass zu bilden; und einen Kühlmittelströmungskanal, der zwischen der ersten unipolaren Platte und der zweiten unipolaren Platte in Fluidkommunikation mit dem Kühlmitteleinlass gebildet ist, wobei der Kühlmittelströmungskanal einen ersten Abschnitt, einen gekrümmten zweiten Abschnitt und einen dritten Abschnitt aufweist, wobei der gekrümmte zweite Abschnitt zwischen dem ersten Abschnitt und dem dritten Abschnitt benachbart dem Reaktandenauslass angeordnet ist, wobei der gekrümmte zweite Abschnitt von dem Reaktandenauslass mit einer ersten Distanz beabstandet ist und der erste Abschnitt und der dritte Abschnitt jeweils von dem Reaktandenauslass mit einer Distanz beabstandet sind, die größer als die erste Distanz ist.
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Bei einer anderen Ausführungsform umfasst eine Brennstoffzellenplatte eine erste unipolare Platte; eine zweite unipolare Platte, die mit der ersten unipolaren Platte zusammenwirkt, um eine bipolare Platte mit einem Kühlmitteleinlass, einem Kühlmittelauslass, einem Reaktandeneinlass und einem Reaktandenauslass zu bilden; und einen Kühlmittelströmungskanal, der zwischen der ersten unipolaren Platte und der zweiten unipolaren Platte in Fluidkommunikation mit dem Kühlmitteleinlass gebildet ist, wobei der Kühlmittelströmungskanal einen ersten Abschnitt, einen zweiten Abschnitt und einen dritten Abschnitt aufweist, wobei der zweite Abschnitt zwischen dem ersten Abschnitt und dem dritten Abschnitt benachbart dem Reaktandeneinlass angeordnet ist, wobei der zweite Abschnitt von dem Reaktandeneinlass mit einer ersten Distanz beabstandet ist und der erste Abschnitt und der dritte Abschnitt jeweils von dem Reaktandeneinlass mit einer Distanz beabstandet sind, die größer als die erste Distanz ist.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die obigen wie auch weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen offensichtlich, in welchen:
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1 eine bruchstückhafte Draufsicht einer nach dem Stand der Technik bekannten Brennstoffzellenplatte ist;
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2 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist;
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3 eine bruchstückhafte Draufsicht einer Brennstoffzellenplatte des in 2 gezeigten Brennstoffzellenstapels ist;
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4 eine vergrößerte bruchstückhafte Draufsicht der in 3 gezeigten Brennstoffzellenplatte ist; und
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5 eine vergrößerte bruchstückhafte Draufsicht der in 3 gezeigten Brennstoffzellenplatte ist, wobei eine unipolare Platte entfernt ist, um einen Kühlmittelströmungskanal gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zu zeigen.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Die folgende detaillierte Beschreibung und die angefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen dazu, es einem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung durchzuführen und zu verwenden, und sind nicht dazu bestimmt, den Schutzumfang der Erfindung auf irgendeine Weise einzuschränken.
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2 zeigt einen Brennstoffzellenstapel 10 mit einem Paar von Membranelektrodenbaugruppen 12, die voneinander durch eine elektrisch leitende Bipolarplatte 14 getrennt sind. Der Einfachheit halber ist nur ein Zwei-Zellen-Stapel (d. h. eine Bipolarplatte) in 2 gezeigt und beschrieben, wobei zu verstehen sei, dass ein typischer Brennstoffzellenstapel 10 viel mehr derartige Zellen und Bipolarplatten besitzt.
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Die Membranelektrodenbaugruppen 12 und die bipolare Platte 14 sind zwischen einem Paar von Klemmplatten 16, 18 sowie einem Paar unipolarer Endplatten 20, 22 aneinander gestapelt. Die Klemmplatten 16, 18 sind von den Endplatten 20, 22 durch eine Dichtung oder eine dielektrische Beschichtung (nicht gezeigt) elektrisch isoliert. Die unipolare Endplatte 20, beide Arbeitsseiten der bipolaren Platte 14 sowie die unipolare Endplatte 22 umfassen jeweilige aktive Bereiche 24, 26, 28, 30. Die aktiven Bereiche 24, 26, 28, 30 sind typischerweise Strömungsfelder für die Verteilung von z. B. gasförmigen Reaktanden und Sauerstoff oder Luft über eine Kathode und Wasserstoff über eine Anode der Membranelektrodenbaugruppen 12. Der Wasserstoff und Sauerstoff/Luft können separat als ein ”Reaktand” oder gemeinsam als die ”Reaktanden” bezeichnet werden.
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Die bipolare Platte 14 wird typischerweise durch einen herkömmlichen Prozess zum Formen von Blech geformt, wie beispielsweise Stanzen bzw. Prägen, spanabhebendes Bearbeiten, Formgebung oder Photoätzen durch eine photolithographische Maske. Bei einer Ausführungsform wird die bipolare Platte 14 aus unipolaren Platten geformt, die dann durch einen beliebigen herkömmlichen Prozess, wie Schweißen oder Kleben, miteinander verbunden werden. Es sei ferner angemerkt, dass die bipolare Platte 14 auch aus einem Verbund- bzw. Kompositmaterial geformt sein kann. Bei einer bestimmten Ausführungsform ist die bipolare Platte 14 aus einem Graphit oder einem graphitgefüllten Polymer geformt.
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Mehrere nichtleitende Dichtungselemente 32, die eine Komponente der Membranelektrodenbaugruppen 12 sein können, wirken einer Brennstoffzellenleckage entgegen und sehen eine elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellenstapels 10 vor. Gaspermeable Diffusionsmedien 34 sind benachbart der Membranelektrodenbaugruppen 12 angeordnet. Die Endplatten 20, 22 sind ebenfalls jeweils benachbart der Diffusionsmedien 34 angeordnet, während die aktiven Bereiche 26, 28 der bipolaren Platte 14 benachbart des Diffusionsmediums 34 angeordnet sind.
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Die bipolare Platte 14, die unipolaren Endplatten 20, 22 und die Membranelektrodenbaugruppen 12 weisen jeweils einen Kathodeneinlass 36 und einen Kathodenauslass 38, einen Kühlmitteleinlass 42 und einen Kühlmittelauslass 40 und einen Anodeneinlass 44 und einen Anodenauslass 46 auf. Wie am besten in 3 gezeigt ist, ist die Konfiguration der Einlässe 36, 46 und der Auslässe 38, 44 eine Gegenstromkonfiguration. Es sei zu verstehen, dass für einen Parallelströmungskonfiguration die Einlässe 36, 46 an einem Ende der Brennstoffzellenplatte 14 angeordnet sein können und die Auslässe 38, 44 an einem anderen Ende der Brennstoffzellenplatte 14 angeordnet sein können. Lieferverteiler und Abgassammler des Brennstoffzellenstapels 10 werden durch eine Ausrichtung der jeweiligen Durchbrechungen 36, 38, 40, 42, 44, 46 in der Bipolarplatte 14, den unipolaren Endplatten 20, 22 und den Membranelektrodenbaugruppen 12 geformt. Das Wasserstoffgas wird an einen Anodenlieferverteiler über eine Anodeneinlassleitung 52 geliefert. Die Luft wird an einen Kathodenlieferverteiler des Brennstoffzellenstapels 10 über eine Kathodeneinlassleitung 54 geliefert. Eine Anodenauslassleitung 56 und eine Kathodenauslassleitung 58 sind ebenfalls für einen Anodenaustragssammler bzw. einen Kathodenaustragssammler vorgesehen. Eine Kühlmitteleinlassleitung 62 ist zur Lieferung von flüssigem Kühlmittel an einen Kühlmittellieferverteiler vorgesehen. Eine Kühlmittelauslassleitung 60 ist zur Entfernung von Kühlmittel von einem Kühlmittelaustragssammler vorgesehen. Es sei zu verstehen, dass die Konfigurationen der verschiedenen Einlässe 52, 54, 62 und Auslässe 56, 58, 60 in 2 dem Zweck der Veranschaulichung dienen und gegebenenfalls andere Konfigurationen gewählt sein können.
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Die Bipolarplatte 14 von 2 ist in den 3 bis 5 detaillierter gezeigt. Die Bipolarplatte 14 ist aus einem Paar von unipolaren Platten 13, 15 geformt. Die bipolare Platte 14 weist eine Mehrzahl von daran geformten Strömungskanälen 64 auf. In dem aktiven Bereich 26 sind die Strömungskanäle 64 wellenförmig. Außerhalb des aktiven Bereichs 26 sind die Strömungskanäle 64 im Wesentlichen linear und sehen eine Reaktandenströmung von dem Anodeneinlass 44 zu dem aktiven Bereich 26 und von dem aktiven Bereich 26 zu dem Anodenauslass 46 vor. Es sei zu verstehen, dass die Strömungskanäle 64 des aktiven Bereiches 26 nach Bedarf im Wesentlichen linear, serpentinenförmig sein können oder andere Konfigurationen besitzen können. Die Umfangsränder 66 der unipolaren Platten 13, 15 sind miteinander verbunden, um die bipolare Platte 14 zu bilden. Die unipolaren Platten 13, 15 können miteinander durch ein beliebiges herkömmliches Mittel verbunden werden, wie beispielsweise durch Schweißen, die Aufbringung eines Klebstoffs und den Gebrauch einer elastomeren Naht. Durch die Verbindung der unipolaren Platten 13, 15 miteinander werden Kühlmittelströmungskanäle 65 zwischen den unipolaren Platten 13, 15 gebildet. In dem aktiven Bereich 26 sind die Kühlmittelströmungskanäle im Wesentlichen parallel zu den Strömungskanälen 64. Außerhalb des aktiven Bereichs 26 ist ein Anteil der Kühlmittelströmungskanäle 78 derart ausgebildet, dass eine Kühlmittelströmung von dem Kühlmitteleinlass 40 zu den Kühlmittelströmungskanälen des aktiven Bereiches 26 und von den Kühlmittelströmungskanälen des aktiven Bereiches 26 zu dem Kühlmittelauslass 42 bereitgestellt wird. Der Abschnitt der Kühlmittelströmungskanäle 78 außerhalb des aktiven Bereichs 26 kann eine beliebige gewünschte Form besitzen, wie beispielsweise linear, bogenförmig und wellenförmig, um die Strömung von Kühlmittel von dem Kühlmitteleinlass 40 und dem Kühlmittelauslass 42 zu den Kühlmittelströmungskanälen 65 in dem aktiven Bereich 26 zu unterstützen. Schweißnähte 68, die zwischen dem Anodeneinlass 44 und den Strömungskanälen 64 und zwischen dem Anodenauslass 46 und den Strömungskanälen gebildet sind, bilden eine fluiddichte Abdichtung zwischen dem Anodeneinlass 44 und den Kühlmittelströmungskanälen und zwischen dem Anodenauslass 26 und den Kühlmittelströmungskanälen. Die Schweißnähte 68 unterstützen ferner das Verbinden der unipolaren Platten 13, 15 miteinander, um die Bipolarplatte 14 zu bilden. Es sei zu verstehen, dass die Schweißnähte 68 Dichtungen sind, und dass die Schweißnähte 68 nach Bedarf Klebstoffdichtungen, elastomere Dichtungen oder metallurgische Dichtungen sein können. Wie nachfolgend detaillierter erläutert ist, besitzen die Schweißnähte 68 eine Form im Wesentlichen ähnlich der Form eines Kühlmittelströmungskanals 70. Es sei zu verstehen, dass die Schweißnähte beliebige gewünschte Formen besitzen können. Zusätzliche Schweißnähte (nicht gezeigt) können zwischen den unipolaren Platten 13, 15 der Brennstoffzellenplatte 14 gebildet werden, um ein hermetisch abgedichtetes Kühlmittelteil zu erzeugen und dem Verlust des Reaktanden und/oder des Kühlmittels an die Atmosphäre entgegenzuwirken.
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Der Kühlmittelströmungskanal 70 ist außerhalb des aktiven Bereichs 26 geformt. Wie am besten in den 4 und 5 gezeigt ist, ist der Kühlmittelströmungskanal 70 der Kühlmittelströmungskanal 65, der am nächsten zu dem Anodenauslass 46 angeordnet ist. Der Kühlmittelströmungskanal 70 weist einen ersten Abschnitt 72, einen zweiten Abschnitt 74 und einen dritten Abschnitt 76 auf. Der zweite Abschnitt 74 ist zwischen dem ersten Abschnitt 72 und dem dritten Abschnitt 76 angeordnet. Wie am besten in 4 gezeigt ist, sind der erste Abschnitt 72 und der dritte Abschnitt 76 im Wesentlichen linear. Der zweite Abschnitt 74 ist im Wesentlichen gekrümmt mit einer allgemeinen U-Form. Der zweite Abschnitt 74 kann nach Bedarf eine rechtwinklige Form, eine V-Form oder eine beliebige andere Form besitzen. Zumindest ein Abschnitt des zweiten Abschnitts 74 des Kühlmittelströmungskanals 70 ist zwischen den in der Bipolarplatte 14 geformten Einlassdurchlässen 80 angeordnet. Die Abschnitte 72, 74, 76 des Kühlmittelströmungskanals 70 sind in der unipolaren Platte 13 geformt. Der Kühlmittelströmungskanal 70 ist durch das Zusammenwirken der unipolaren Platte 13 und der unipolaren Platte 15 gebildet. Es sei zu verstehen, dass die Abschnitte 72, 74, 76 in der unipolaren Platte 15 geformt sein können oder ein oder mehrere der Abschnitte 72, 74, 76 in der unipolaren Platte 15 geformt sein können, während die restlichen Abschnitte in der unipolaren Platte 13 geformt sind.
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Günstige Ergebnisse sind mit einer Brennstoffzellenplatte 14 erhalten worden, die einen zweiten Abschnitt 74 aufweist, der so nahe wie möglich an den Auslassdurchlässen 80 geformt ist, wobei sich nur die Schweißnaht 68 dazwischen befindet. Die Auslassdurchlässe 80 unterstützen eine Fluidströmung von den Strömungskanälen 64 durch die Tunnel 81, die zwischen den unipolaren Platten 13, 15 geformt sind, und zu dem Anodenauslass 46. Zumindest ein Abschnitt des zweiten Abschnitts 74 ist in der bipolaren Platte 14 eine erste Distanz von dem Anodenauslass 76 geformt. Der erste Abschnitt 72 und der dritte Abschnitt 76 sind in der Bipolarplatte 14 unter einer Distanz von dem Anodenauslass 46 geformt, die größer als die erste Distanz ist. Es sei zu verstehen, dass der Kühlmittelströmungskanal 70 einen vierten Abschnitt (nicht gezeigt) aufweisen können, der zwischen dem ersten Abschnitt 72 und dem dritten Abschnitt 76 angeordnet ist und eine Form besitzt, die im Wesentlichen ähnlich der Form des zweiten Abschnitts 74 ist.
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Ein zweiter Kühlmittelströmungskanal 82, der im Wesentlichen identisch zu dem Kühlmittelströmungskanal 70 ist, ist in der bipolaren Platte 14 außerhalb des aktiven Bereichs 26 geformt. Der zweite Kühlmittelströmungskanal 82 ist der Kühlmittelströmungskanal, der dem Anodeneinlass 44 am nächsten ist. Es sei zu verstehen, dass die Bipolarplatte 14 nur einen von dem Kühlmittelströmungskanal 70 und dem zweiten Kühlmittelströmungskanal 82 aufweisen kann, und dass die Kühlmittelströmungskanäle 70, 82 nach Bedarf dieselbe Form oder verschiedene Formen besitzen können.
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Im Gebrauch wird Kühlmittel von einer Quelle (nicht gezeigt) durch die Kühlmitteleinlassleitung 60 des Brennstoffzellenstapels 10 getrieben. Kühlmittel wird von der Kühlmitteleinlassleitung 60 in den Kühlmitteleinlass 42 der bipolaren Platte 14 getrieben. Die Strömung von Kühlmittel ist allgemein durch Pfeile 63 gezeigt. Kühlmittel wird durch den Abschnitt der Kühlmittelströmungskanäle 78 zu den Kühlmittelströmungskanälen in dem aktiven Bereich 26 der Bipolarplatte 14 getrieben. Kühlmittel wird auch von dem Kühlmitteleinlass 42 und in den Kühlmittelströmungskanal 70 getrieben. Das Kühlmittel wird dann durch den zweiten Abschnitt 74 und den dritten Abschnitt 76 des Kühlmittelströmungskanals 70 und dann zu den Kühlmittelströmungskanälen des aktiven Bereichs 26 getrieben. Während eines Inbetriebenahmevorgangs des Brennstoffzellenstapels 10 bei Bedingungen unterhalb des Gefrierpunkts überträgt das Kühlmittel, das durch den zweiten Abschnitt 74 des Kühlmittelströmungskanals 70 getrieben wird, thermische Energie an den Reaktanden, der durch den Anodenauslass 46 von den Tunneln 81 und den Durchlässen 80 benachbart dem zweiten Abschnitt des Kühlmittelströmungskanals 70 strömt, wodurch eine Temperatur des Reaktanden erhöht wird. Durch Erhöhung der Temperatur des Reaktanden in dem Anodenauslass 76 wird bewirkt, dass Eis, dass sich in den Strömungskanälen 64 oder in den Durchlässen 80 und den Tunneln 81 gebildet hat, schmilzt, und die Strömung von Reaktand durch die Durchlässe 80 und die Tunnel 81 ist maximiert, wodurch eine Inbetriebnahmezeit des Brennstoffzellenstapels 10 minimiert und der Wirkungsgrad des Betriebs des Brennstoffzellenstapels 10 maximiert werden. Ähnlich dem Kühlmittelströmungskanal 70 überträgt Kühlmittel, das durch den zweiten Kühlmittelströmungskanal 82 während eines Inbetriebnahmevorgangs des Brennstoffzellenstapels 10 bei Bedingungen unterhalb des Gefrierpunkts getrieben wird, thermische Energie an den Reaktanden, der durch den Anodeneinlass 44 strömt, wodurch eine Temperatur des Reaktanden erhöht wird. Durch Erhöhen der Temperatur des Reaktanden in dem Anodeneinlass 44 wird bewirkt, dass Eis, das sich in den Strömungskanälen 64 oder in den Durchlässen 86 oder in den Tunneln 84 gebildet hat, schmilzt, und die Strömung von Reaktand durch die Durchlässe 86 ist maximiert, wodurch eine Inbetriebnahmezeit des Brennstoffzellenstapels 10 minimiert und der Wirkungsgrad des Betriebs des Brennstoffzellenstapels 10 maximiert werden. Das Kühlmittel überträgt auch thermische Energie an das Paar von Durchlässen 86, die benachbart einem zweiten Abschnitt des zweiten Kühlmittelströmungskanals 82 angeordnet sind, um zu bewirken, dass jegliches Eis in den Paaren von Durchlässen 86 schmilzt, wodurch die Strömung von Reaktand durch das Paar von Durchlässen 86 maximiert wird, eine Inbetriebnahmezeit des Brennstoffzellenstapels 10 minimiert wird und der Wirkungsgrad des Betriebs des Brennstoffzellenstapels 10 maximiert wird.
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Aus der vorhergehenden Beschreibung kann der Fachmann leicht die wesentlichen Charakteristiken dieser Erfindung ermitteln und ohne Abweichung von dem Erfindungsgedanken und Schutzumfang derselben verschiedene Änderungen und Modifikationen an der Erfindung ausführen, um diese an verschiedene Gebräuche und Bedingungen anzupassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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