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TECHNISCHES GEBIET
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Diese Offenbarung betrifft Brennstoffzellensysteme. Insbesondere, jedoch nicht ausschließlich betrifft diese Offenbarung eine Brennstoffzellenstapelbaugruppe, die Querströmungskanäle verwendet, um eine Reaktandenverteilung in dem Brennstoffzellensystem zu verbessern.
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HINTERGRUND
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Personenfahrzeuge können Brennstoffzellen-(”FC”)-Systeme aufweisen, um bestimmte Merkmale von elektrischen Systemen und Antriebsstrangsystemen eines Fahrzeugs mit Leistung zu beaufschlagen. Zum Beispiel kann ein FC-System in einem Fahrzeug verwendet werden, um Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs des Fahrzeugs direkt (zum Beispiel elektrische Antriebsmotoren und dergleichen) und/oder über ein Zwischenbatteriesystem mit Leistung zu beaufschlagen. Ein FC-System kann eine einzelne Zelle aufweisen oder kann alternativ mehrere Zellen aufweisen, die in einer Stapelkonfiguration angeordnet sind.
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FC-Systeme können eine oder mehrere einzelne Brennstoffzellen aufweisen, die zwischen Bipolarplatten-Separatoren in einem FC-Stapel vorgesehen sind. Die Bipolarplatten können eine Mehrzahl paralleler Primärströmungskanäle definieren, die eine Reaktandenströmungsverteilung über einen Katalysatorschichtbereich in FC-Stapelzellen unterstützen. Bei gewissen Ausführungsformen kann die Auslegung dieser Strömungskanäle eine Kanal/Steg-Konfiguration (d. h. eine Rippen- und Kanal-Konfiguration) aufweisen. Die Strömungskanäle können eine Reaktandenverteilung in einem aktiven Bereich der FC unterstützen, während die Rippen und/oder Stegbereiche, die die Strömungskanäle trennen, eine mechanische Abstützung für gewisse Elemente in dem FC-Stapel bereitstellen können, einschließlich der Gasdiffusionsschichten. Bei gewissen Ausführungsformen können die Strömungskanäle serpentinenartige, ineinander greifende und/oder gerade Kanalkonfigurationen aufweisen.
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Herkömmliche Kanal- und Stegkonfigurationen können, während sie die Gleichförmigkeit der Reaktandenströmung durch die Primärströmungskanäle unterstützen, Grenzflächenbereiche zwischen Reaktanden und Katalysatorschichten reduzieren, wodurch die potentiell erreichbare Leistungsfähigkeit reduziert wird. Überdies kann die Reduzierung der Katalysatorfläche, die in Reaktion steht, den Betrieb des zugeordneten FC-Systems (z. B. durch Erhöhung lokaler übermäßiger Stromdichten und/oder Einfluss auf die Reaktandenverteilung, was die Haltbarkeit reduzieren kann) beeinträchtigen. Beispielsweise kann bei Konfigurationen mit geradem Strömungskanal eine Reaktandenkonvektion durch die Gasdiffusionsschichten, die unter den Stegbereichen angeordnet sind, reduziert sein. Dies kann einen Reaktandenzugang zu dem Katalysator unterhalb der Rippe aufgrund geringerer Diffusion durch die komprimierte Gasdiffusionsschicht begrenzen. Wenn das FC-System bei geringen Temperaturen arbeitet, kann Wasser in den Gasdiffusionsschichten unter den Stegbereichen kondensieren, wodurch die lokale Gaspermeabilität vermindert und die genutzten aktiven Katalysatoroberflächenbereiche und die Leistungsfähigkeit derartiger Strömungsfelder bei höheren Stromdichten reduziert werden.
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Bei ineinander greifenden Kanalkonfigurationen (z. B. Kanalkonfigurationen, bei denen jeder zweite Kanal mit einem Einlasskrümmer verbunden ist und der Rest der Kanäle mit einem Auslasskrümmer verbunden ist) ist der Anteil der genutzten aktiven Katalysatorfläche unter den Stegbereichen aufgrund einer unregulierten Konvektion von Reaktanden zwischen Einlass- und Auslasskanälen unter dem Steg erhöht. Jedoch kann in diesem Fall auch eine signifikante Zunahme des Druckabfalls und/oder Abnahme der volumetrischen Leistungsdichte eingeführt werden.
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Bei Strömungsfeldkonstruktionen ohne definierte Steg- und/oder Kanalmuster kann die Reaktandenströmung über eine Schicht aus leitendem Schaum und/oder Gewebe verteilt werden. Derartige Auslegungen können die aktive Katalysatoroberfläche erhöhen, die für Reaktanden erreichbar ist, können jedoch auch gewisse Auslegungszugeständnisse und/oder erhöhte Kosten betreffen, um eine gleichförmigere Reaktandenströmungsverteilung zu erreichen. Angesichts des Obigen sind Systeme und Verfahren, die eine verbesserte Reaktandenströmungsverteilung über Katalysatorschichten des FC-Stapels unterstützen, während Leistungsprobleme und/oder Kosten reduziert werden, erwünscht.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ausführungsformen der Systeme und Verfahren, die hier offenbart sind, sehen eine FC-Stapelbaugruppe vor, die eine Mehrzahl von FCs (z. B. Protonenaustauschmembran-FC-(”PEMFC”)-Systeme, die eine Protonenaustauschmembran mit einer Anodenkatalysatorschicht auf einer Seite und der Kathodenkatalysatorschicht auf der anderen Seite aufweisen, die zwischen Anoden- und Kathodengasdiffusionsschichten angeordnet sind) umfassen, die voneinander durch Bipolarplatten getrennt sind, die Steg-Kanal-Strömungsfeldkonfigurationen für zumindest eine der Reaktandenströmungen aufweisen. Wie hier verwendet ist, können derartige Stege und Kanäle des Strömungsfeldes in gewissen Fällen weiter als primäre Stege und Kanäle bezeichnet werden. Gewisse Ausführungsformen können Querströmungskanäle zwischen Primärströmungskanälen umfassen. Bei gewissen Ausführungsformen können die Querströmungskanäle eine verbesserte Reaktandenströmungsverteilung über Katalysatorschichten des FC-Stapels unterstützen und/oder einen Grenzflächenbereich zwischen Reaktandenkatalysatorschichten erhöhen, wodurch die Leistungsfähigkeit des FC-Systems verbessert wird. Beispielsweise kann bei einigen Ausführungsformen ein Verbinden benachbarter Primärströmungskanäle mit Querströmungskanälen eine Leistungsfähigkeit des FC-Systems dadurch verbessern, dass der Gebrauch von Katalysatorschichtbereichen erhöht wird, lokale übermäßige Stromdichten in dem FC-System reduziert werden und/oder die Haltbarkeit des FC-Systems verbessert wird. Die hier offenbarten Ausführungsformen können ferner eine FC-Leistung bei geringen Temperaturen, eine FC-Leistung bei äußerst nassem Betrieb, FC-Leistung bei geringer Platinbeladung und/oder Kompatibilität mit dünneren Materialien für Gasdiffusionsmedien und/oder anderen Materialien für Membranelektrodenbaugruppen verbessern.
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Bei einigen Ausführungsformen können die Querströmungskanäle entweder in den anodenseitigen oder kathodenseitigen oder beidseitigen Strömungsfeldern der Bipolarplatten des FC-Stapels definiert sein. Beispielsweise können bei gewissen Ausführungsformen die Querströmungskanäle zumindest teilweise innerhalb eines oder mehrerer Stegbereiche definiert sein, die den Bipolarplatten des FC-Stapels zugeordnet sind. Bei gewissen Ausführungsformen können Abschnitte von Querströmungskanälen, die in Stegen der Bipolarplatten definiert sind, ausreichend tief sein, um einen Durchgang von Reaktanden durch die Querströmungskanäle zwischen der Bipolarplatte und einem Gasdiffusionsmedium zu ermöglichen. Dies bedeutet, die Reaktanden können durch die Querströmungskanäle zwischen parallelen Primärströmungskanälen, die von der Bipolarplatte definiert sind, frei strömen. Bei weiteren Ausführungsformen können Anteile des Gasdiffusionsmediums in Querströmungskanäle, die in den Stegbereichen einer Bipolarplatte definiert sind, eindringen. Diese Abschnitte von Gasdiffusionsmedien können weniger komprimiert sein und/oder anderweitig stärker permeabel sein, als andere Abschnitte der Gasdiffusionsmedien, die unter Stegen der Bipolarplatte angeordnet sind. Demgemäß können Reaktanden durch die weniger komprimierten und/oder anderweitig stärker permeablen Gasdiffusionsmedien innerhalb der Querströmungskanäle zwischen den Primärströmungskanälen strömen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es sind nicht beschränkende und nicht erschöpfende Ausführungsformen der Offenbarung einschließlich verschiedener Ausführungsformen der Offenbarung mit Bezug auf die Figuren beschrieben, in welchen:
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1 eine perspektivische Ansicht eines FC-Stapels gemäß hier offenbarten Ausführungsformen zeigt;
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2 eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts einer Lage einer Bipolarplatte mit Querströmungskanälen gemäß hier offenbarten Ausführungsformen zeigt;
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3 eine Schnittansicht einer Mehrzahl beispielhafter Querströmungskanäle gemäß hier offenbarten Ausführungsformen zeigt;
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4 eine Draufsicht einer Querströmungskanalkonfiguration gemäß hier offenbarten Ausführungsformen zeigt;
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5 ein Diagramm zeigt, das eine beispielhafte normalisierte Leistungszunahme für einen FC-Stapel bei einer Vielzahl beispielhafter Aspektverhältnisse des Querströmungskanals gemäß hier offenbarter Ausführungsformen zeigt; und
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6 ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Zusammenbauen eines FC-Stapels gemäß hier offenbarten Ausführungsformen zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Es ist eine detaillierte Beschreibung von Systemen und Verfahren in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung nachfolgend vorgesehen. Während verschiedene Ausführungsformen beschrieben sind, sei zu verstehen, dass die Offenbarung nicht auf irgendeine Ausführungsform beschränkt ist, sondern stattdessen zahlreiche Alternativen, Modifikationen und Äquivalente enthält. Zusätzlich können, während zahlreiche spezifische Details in der folgenden Beschreibung dargestellt sind, um ein vollständiges Verständnis der hier offenbarten Ausführungsformen bereitzustellen, einige Ausführungsformen ohne einige oder alle dieser Details ausgeführt werden. Überdies ist zu Zwecken der Klarheit bestimmtes technisches Material, das in der Technik bekannt ist, nicht detailliert beschrieben worden, um ein unnötiges Verschleiern der Offenbarung zu vermeiden.
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Die Ausführungsformen der Offenbarung werden am besten unter Bezugnahme auf die Zeichnungen verständlich, in denen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Die Komponenten der offenbarten Ausführungsformen, wie allgemein in den Figuren hier beschrieben und veranschaulicht ist, können in einer breiten Vielzahl verschiedener Konfigurationen angeordnet und ausgelegt sein. Somit ist die folgende detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen der Systeme und Verfahren der Offenbarung nicht dazu bestimmt, den Schutzumfang der Offenbarung, wie beansprucht ist, zu beschränken, sondern ist lediglich repräsentativ für mögliche Ausführungsformen der Offenbarung. Zusätzlich müssen die Schritte eines Verfahrens nicht unbedingt in einer spezifischen Reihenfolge oder sogar sequentiell ausgeführt werden, noch müssen die Schritte nur einmal ausgeführt werden, sofern es nicht anderweitig festgelegt ist.
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Ausführungsformen der hier offenbarten Systeme und Verfahren sehen eine FC-Stapelbaugruppe vor, die Bipolarplatten/Separatoren umfasst, die Querströmungskanäle zwischen Primärströmungskanälen aufweisen. Bei gewissen Ausführungsformen können die Querströmungskanäle eine verbesserte Reaktandenströmungsverteilung über Katalysatorschichten des FC-Stapels unterstützen und/oder Schnittstellenbereiche zwischen Reaktanden und Katalysatorschichten erhöhen, wodurch die Leistungsfähigkeit des FC-Systems verbessert wird. Es können eine Vielzahl geeigneter Querströmungskanalbreiten, -tiefen, -orientierungen (z. B. rechtwinklig oder angewinkelt relativ zu den Primärkanälen) und/oder -häufigkeiten in Verbindung mit den offenbarten Ausführungsformen verwendet werden. Bei einigen Ausführungsformen können die spezifischen Konfigurationen der Querströmungskanäle zumindest teilweise auf Geometrien zugeordneter Primärströmungskanäle basieren.
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Es können gewisse Ausführungsformen in Verbindung mit einem PEMFC-System verwendet werden, obwohl auch andere Typen von FC-Systemen verwendet werden können. In einem PEMFC-System kann Wasserstoff an eine Anode des FC geliefert werden und Sauerstoff kann als ein Oxidationsmittel an eine Kathode der FC geliefert werden. Eine PEMFC kann eine Membranelektrodenbaugruppe (”MEA”) aufweisen, die eine protonen- jedoch nicht elektronenleitende Festpolymerelektrolytmembran aufweist, die auf einer ihrer Seiten einen Anodenkatalysator und auf der entgegengesetzten Seite einen Kathodenkatalysator aufweist. Die Membran kann schichtartig zwischen Anoden- und Kathodengasdiffusionsschichten angeordnet sein, um die MEA zu bilden. Die MEA kann zwischen einem paar elektrisch leitender Elemente angeordnet sein, die Abschnitte einer Bipolarplatte bilden und als Stromkollektoren für die Anode und die Kathode dienen. Die Bipolarplatten können einen oder mehrere Primärströmungskanäle und/oder Querströmungskanäle zur Verteilung der gasförmigen Reaktanden über die Flächen der jeweiligen Anoden- und Kathodenkatalysatorschichten definieren.
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Ein FC-System kann eine einzelne Zelle aufweisen oder kann alternativ dazu mehrere Zellen, die in einer Stapelkonfiguration angeordnet sind, aufweisen. Beispielsweise können bei gewissen Ausführungsformen mehrere Zellen in Reihe angeordnet sein, um einen FC-Stapel zu bilden. Bei einem FC-Stapel kann eine Mehrzahl von Zellen in elektrischer Reihe aneinander gestapelt und durch gasundurchlässige elektrisch leitende Bipolarplatten getrennt sein. Die Bipolarplatten können eine Vielzahl von Funktionen ausführen und in einer Vielzahl von Wegen konfiguriert sein. Bei gewissen Ausführungsformen kann die Bipolarplatte einen oder mehrere interne Kühldurchgänge und/oder -kanäle definieren, die einen oder mehrere Wärmeaustauschflächen aufweisen, durch die ein Kühlmittel strömen kann, um Wärme von dem FC-Stapel, die während seines Betriebs erzeugt wird, zu entfernen.
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines FC-Stapels 100 gemäß hier offenbarten Ausführungsformen. Der FC-Stapel 100 kann unter anderem ein FC-Stapel 100 eines in einem Fahrzeug enthaltenen FC-Systems sein. Das Fahrzeug 100 kann ein Kraftfahrzeug, ein Wasserfahrzeug, ein Flugzeug und/oder irgendein anderer Typ von Fahrzeug sein und kann irgendeinen geeigneten Typ von Antriebsstrang und/oder stationärer Energieversorgung aufweisen, der zur Integration der hier offenbarten Systeme und Verfahren geeignet ist. Das FC-System kann so konfiguriert sein, um elektrische Leistung an bestimmte Komponenten des Fahrzeugs und/oder andere elektrisch angetriebene Vorrichtung kollektiv als FC Antriebsanlagen (”FCPE”) beschrieben, zu liefern. Beispielsweise kann das FC-System so konfiguriert sein, Leistung für Komponenten eines elektrischen Antriebsstrangs des Fahrzeugs bereitzustellen. Das FC-System 100 kann eine einzelne Zelle oder mehrere Zellen aufweisen, die in einer Stapelkonfiguration angeordnet sind, und kann gewisse FC-Systemelemente und/oder -merkmale, wie oben beschrieben ist, enthalten. Insbesondere zeigt 1 einen Querschnitt eines Abschnitts eines FC-Stapels 100, der eine einzige FC umfasst.
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Die FC kann eine Kathode und eine Anode, die durch eine Protonenaustauschmembran (”PEM”) 102 getrennt sind, umfassen. Die Kathode kann eine kathodenseitige Katalysatorschicht 104, die an einer ersten Seite der PEM 102 angeordnet ist, eine kathodenseitige mikroporöse Schicht 106, die an der kathodenseitigen Katalysatorschicht 104 angeordnet ist, sowie eine kathodenseitige Diffusionsmediumschicht 108 aufweisen, die an der kathodenseitigen mikroporösen Schicht 106 angeordnet ist. Die Anode der FC kann eine anodenseitige Katalysatorschicht 110, die an einer zweiten Seite der PEM 102 angeordnet ist, eine anodenseitige mikroporöse Schicht 112, die an der anodenseitigen Katalysatorschicht 110 angeordnet ist, sowie eine anodenseitige Diffusionsmediumschicht 114 umfassen, die an der anodenseitigen mikroporösen Schicht 112 angeordnet ist.
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Die FCs des FC-Stapels 100 können in elektrischer Reihe aneinander gestapelt und durch gasundurchlässige, elektrisch leitende Bipolarplatten getrennt sein. Die Bipolarplatten können eine Mehrzahl von Lagen umfassen. Beispielsweise kann eine erste Bipolarplatte Lagen 116, 118 umfassen, und eine zweite Bipolarplatte kann Lagen 120, 122 umfassen. Bei gewissen Ausführungsformen können die Lagen 116–122 auf eine Vielzahl von Wegen hergestellt werden, einschließlich spanabhebendem Bearbeiten, Formen, Prägen bzw. Stanzen und/oder dergleichen. Die Lagen 116–122 können ferner durch einen Schweiß- und/oder irgendeinen anderen Verbindungsprozess aneinander fixiert werden. Beispielsweise können die Lagen 116 und 118 an gewissen Schnittstellenorten aneinandergeschweißt werden. Gleichermaßen können die Lagen 120 und 122 an gewissen Schnittstellenorten aneinandergeschweißt werden.
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Die Bipolarplatten und/oder die Bestandteillagen 116–122 können ein beliebiges geeignetes Material umfassen, beispielsweise einschließlich Stahl, rostfreier Stahl, Titan, Aluminium, Kohlenstoff, Graphit und/oder dergleichen. Bei weiteren Ausführungsformen können die Bipolarplatten und/oder die Bestandteillagen 116–122 ein Material umfassen, das eine leitende Schutzbeschichtung aufweist, die derart konfiguriert ist, eine Schädigung bzw. Verschlechterung der Bipolarplatten und/oder der Bestandteillagen 116–122 während eines Betriebs eines zugeordneten FC-Systems zu mindern.
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Bei gewissen Ausführungsformen kann eine Kathodenseite der ersten Bipolarplatte durch die Lage 116 definiert sein. Gleichermaßen kann eine Anodenseite der zweiten Bipolarplatte durch die Lage 120 definiert sein. Die Lage 116 kann eine Mehrzahl primärer kathodenseitiger Strömungskanäle 124 definieren. Gleichermaßen kann die Lage 120 eine Mehrzahl paralleler primärer anodenseitiger Strömungskanäle 126 definieren. Kathodenreaktand (z. B. Sauerstoff und/oder Luft) kann durch die parallelen primären kathodenseitigen Strömungskanäle 124 strömen, und Anodenreaktand (z. B. Wasserstoff) kann durch die parallelen primären Anodenströmungskanäle 126 strömen. Der Kathodenreaktand (z. B. Sauerstoff und/oder Luft) kann durch die kathodenseitige Diffusionsmediumschicht 108 und die kathodenseitige mikroporöse Schicht 106 diffundieren und mit der kathodenseitigen Katalysatorschicht 104 reagieren. Der Anodenreaktand (z. B. Wasserstoff) kann durch die anodenseitige Diffusionsmediumschicht 114 und die anodenseitige mikroporöse Schicht 112 diffundieren, um mit der anodenseitigen Katalysatorschicht 110 zu reagieren. Wasserstoffionen können sich durch die PEM 102 ausbreiten, wodurch ein elektrischer Strom erzeugt wird.
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Bei gewissen Ausführungsformen kann die Lage 118 der ersten Bipolarplatte eine erste Mehrzahl paralleler primärer Strömungskanäle einer Anodenseite einer benachbarten FC (nicht gezeigt) des FC-Stapels 100 definieren. Gleichermaßen kann die Lage 122 der zweiten Bipolarplatte eine Mehrzahl paralleler primärer Strömungskanäle einer Kathodenseite einer anderen benachbarten FC (nicht gezeigt) des FC-Stapels 100 definieren. Bei einigen Ausführungsformen können die Lagen 116, 118 der ersten Bipolarplatte und die Lagen 120, 122 der zweiten Bipolarplatte eine Mehrzahl von Kühlfluidfolgekanälen 128 zur Unterstützung einer Strömung von flüssigem Kühlmittel während des Betriebs des FC-Stapels 100 definieren.
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Bei einigen Ausführungsformen können die Lagen 116–122 eine Mehrzahl von Stegbereichen und Kanalbereichen umfassen. Beispielsweise kann, wie gezeigt ist, die Lage 118 eine Mehrzahl von Stegbereichen 132 und eine Mehrzahl von Kanalbereichen 130 umfassen. Die Kanalbereiche können zumindest teilweise einen oder mehrere parallele primäre Strömungskanäle einer zugeordneten Bipolarplatte definieren. Beispielsweise können Kanalbereiche 130 der Lage 118 zumindest teilweise eine Mehrzahl paralleler primärer anodenseitiger Strömungskanäle einer Anodenseite einer benachbarten FC (nicht gezeigt) des FC-Stapels 100 definieren. Die Stegbereiche können mit einer Anode und/oder Kathode einer FC und/oder einem Gasdiffusionsmedium, das dieser zugeordnet ist, eine Schnittstelle bilden. Die Stegbereiche können unter anderem eine Abstützung für benachbart angeordnete Gasdiffusionsmedium und/oder benachbarte Kanalbereiche bereitstellen. Beispielsweise können die Stegbereiche 132 der Lage 118 mit einer anodenseitigen Gasdiffusionsmediumschicht einer benachbarten FC (nicht gezeigt) des FC-Stapels 100 eine Schnittstelle bilden. Bei herkömmlichen Auslegungen kann eine Reaktandenströmung in dem FC-Stapel 100 im Wesentlichen innerhalb primärer Strömungskanäle 124, 126 enthalten sein, die von den Bipolarplatten definiert sind. Bei solchen Auslegungen kann die Reaktandenströmung in Anteilen des Gasdiffusionsmediums, die benachbart der Stegbereiche angeordnet sind, die von den Bipolarplatten definiert sind, im Wesentlichen reduziert und/oder beseitigt sein. Beispielsweise kann in gewissen Fällen das Gasdiffusionsmedium, das benachbart den Stegbereichen angeordnet ist, die von den Bipolarplatten definiert sind, im Wesentlichen komprimiert sein, wodurch das Gasdiffusionsmedium im Wesentlichen weniger durchlässig für Reaktandenströmung gemacht wird. Dies kann unter anderem die Gleichförmigkeit der Reaktandenströmung durch den FC-Stapel 100 und/oder die primären Strömungskanäle 124, 126 reduzieren und/oder Reaktionsgrenzflächenbereiche reduzieren, wodurch die Leistungsfähigkeit eines zugeordneten FC-Systems beeinträchtigt wird.
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Gemäß hier offenbarten Ausführungsformen können die Bipolarplatten des FC-Stapels 100 ferner eine Mehrzahl von Querströmungskanälen 134 definieren. Bei gewissen Ausführungsformen können die Querströmungskanäle 134 eine verbesserte Reaktandenströmung über Katalysatorschichten 104, 110 des FC-Stapels 100 unterstützen. Insbesondere können die Querströmungskanäle 134 eine erhöhte Strömung von Reaktand zwischen benachbarten parallelen primären Strömungskanälen 124, 126 der Bipolarplatten ermöglichen. Beispielsweise können, wie gezeigt ist, die Querströmungskanäle 134 einen Reaktandenströmungspfad über Stegbereiche 132 der Lage 118 zwischen parallelen Kanalbereichen 130 definieren, wodurch eine erhöhte Strömung von Reaktand zwischen benachbarten parallelen primären Strömungskanälen, die von der Lage 118 definiert sind, zugelassen wird, sowie die Reaktandenschnittstellenbereiche erhöht werden.
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Bei einigen Ausführungsformen können die Querströmungskanäle 134 in Stegbereichen 132 der Bipolarplatte definiert sein, wodurch eine verbesserte Reaktandenströmung über die Stegbereiche 132 unterstützt wird. Bei weiteren Ausführungsformen können die Querströmungskanäle 134 auch in Kanalbereichen 130 und/oder Schnittstellenbereichen (d. h. Kanalwänden) zwischen den Kanalbereichen 130 und den Stegbereichen 132 der Bipolarplatte definiert sein.
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Bei einigen Ausführungsformen können die Querströmungskanäle 134 ermöglichen, dass die Reaktanden zwischen parallelen primären Strömungskanälen frei strömen können. Dies bedeutet, die Querströmungskanäle 134 können eine Reaktandenströmung innerhalb der Querströmungskanäle 134 ohne Durchdringung von Gasdiffusionsmedien, die in den Querströmungskanälen 134 angeordnet sind, ermöglichen. Bei weiteren Ausführungsformen können die Gasdiffusionsmedien in die Querströmungskanäle 134 eindringen, jedoch kann die Reaktandenströmung immer noch innerhalb der Querströmungskanäle 134 durch die Gasdiffusionsmedien unterstützt werden. Beispielsweise können die Gasdiffusionsmedien, die in die Querströmungskanäle 134 eindringen, weniger komprimiert sein und/oder anderweitig durchlässiger gegenüber Reaktanden sein, als andere Abschnitte der Gasdiffusionsmedien, die benachbart anderen Stegbereichen 132 angeordnet sind, wodurch eine Reaktandenströmung in den Querströmungskanälen 134 durch die Gasdiffusionsmedien ermöglicht wird.
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Bei gewissen Ausführungsformen können die Querströmungskanäle 134 zwischen sowohl primären kathodenseitigen Strömungskanälen 124 als auch primären anodenseitigen Strömungskanälen 126 enthalten sein. Bei weiteren Ausführungsformen können die Querströmungskanäle 134 zwischen entweder primären kathodenseitigen Strömungskanälen 124 oder primären anodenseitigen Strömungskanälen 126 enthalten sein.
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Bei einigen Ausführungsformen kann ein Einschluss der Querströmungskanäle 134 zwischen primären Strömungskanälen 124, 126 von einem Diffusionskoeffizienten eines zugeordneten Reaktanden abhängen. Beispielsweise kann ein Kathodenreaktand, wie Sauerstoff und/oder Luft, einen geringeren Diffusionskoeffizienten aufweisen, als ein Anodenreaktand, wie Wasserstoff. Demgemäß können bei gewissen Ausführungsformen Querströmungskanäle 134 nur zwischen primären kathodenseitigen Strömungskanälen 126 enthalten sein. Bei anderen Ausführungsformen kann eine erhöhte Anzahl von Querströmungskanälen 134 zwischen primären Reaktandenströmungskanälen auf einer FC-Seite (d. h. Anode oder Kathode) enthalten sein, die einem Reaktand zugeordnet ist, der einen geringeren Diffusionskoeffizienten besitzt, als der Reaktand, der der anderen FC-Seite zugeordnet ist. Bei noch weiteren Ausführungsformen kann eine Geometrie der Querströmungskanäle 134 von einem Diffusionskoeffizienten eines zugeordneten Reaktanden abhängen. Beispielsweise können Querströmungskanäle 134, die einem Reaktanden zugeordnet sind, der einen geringeren Diffusionskoeffizient aufweist, eine größere Geometrie besitzen, als Querströmungskanäle 134, die einem Reaktanden zugeordnet sind, der einen höheren Diffusionskoeffizienten besitzt. Auf diese Weise kann der Einschluss von Querströmungskanälen 134, die Anzahl und/oder Position von Querströmungskanälen 134 und/oder eine Geometrie von Querströmungskanälen 134 von einem Diffusionsvermögen eines zugeordneten Reaktanden (z. B. Luft, Sauerstoff, Wasserstoff, Reformat, etc.) abhängen.
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Wie oben diskutiert ist, kann bei gewissen Ausführungsformen die Geometrie der offenbarten Querströmungskanäle 134 (z. B. Tiefe, Steigung und/oder Winkel von Kanalwänden, Abstand, Breite, etc.) zumindest teilweise von dem Diffusionsvermögen eines zugeordneten Reaktanden abhängen. Bei weiteren Ausführungsformen kann die Geometrie von Querströmungskanälen 134 zumindest teilweise von einem Material abhängen, das dazu verwendet wird, die zugeordnete Bipolarplatte und/oder ihre Bestandteillagen 116–122 und/oder zugeordnete Herstellprozesse zu bilden. Beispielsweise kann eine Lage einer Bipolarplatte, die die Querströmungskanäle 134 und/oder primären Reaktandenströmungskanäle 124, 126 definiert, gestanzt bzw. geprägt, geformt und/oder spanabhebend bearbeitet sein, um eine gewünschte Form zu erreichen, indem eine oder mehrere Biegungen eingeführt werden. Bei gewissen Ausführungsformen kann ein Einführen einer Biegung in die Lagen 116–122 (z. B. über Prägen) ein Einschnüren bewirken, wodurch eine Dicke der Lagen 116–122 nahe der eingeführten Biegung reduziert werden kann. Das Einschnüren kann durch eine Vielzahl von Faktoren beeinflusst werden, einschließlich ohne Beschränkung Biegungsradius und/oder Lagenmaterial. Beispielsweise kann ein abnehmender Biegeradius eine verstärkte Einschnürung einführen. Demgemäß können Geometrien von Querströmungskanälen 134 gemäß hier offenbarten Ausführungsformen hier so ausgelegt sein, Wirkungen eines Einschnürens eines bestimmten Materials, das zur Ausbildung einer Bipolarplatte verwendet wird, zu berücksichtigen.
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Es sei angemerkt, dass eine Anzahl von Varianten an den Ausführungsformen des offenbarten FC-Stapels 100, der in Verbindung mit 1 dargestellt ist, innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung ausgeführt werden kann. Beispielsweise können Querströmungskanäle 134 gemäß hier offenbarten Ausführungsformen den FC-Stapel 100 mit einer Vielzahl anderer Geometrien und/oder Konfigurationen integriert werden. Somit sei angemerkt, dass 1 nur zu Zwecken der Veranschaulichung und Erläuterung und nicht zur Beschränkung vorgesehen ist.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts 200 einer Lage 118 einer Bipolarplatte mit Querströmungskanälen 134 gemäß hier offenbarten Ausführungsformen. Wie gezeigt ist, kann die Lage 118 eine Mehrzahl von Stegbereichen 132 und eine Mehrzahl von Kanalbereichen 130 umfassen. Die Kanalbereiche 130 können zumindest teilweise einen oder mehrere primäre Strömungskanäle einer zugeordneten Bipolarplatte definieren. Gemäß hier offenbarten Ausführungsformen können ein oder mehrere Querströmungskanäle 134 in den Stegbereichen 132 enthalten sein, die eine erhöhte Strömung von Reaktand zwischen benachbarten primären Strömungskanälen und/oder einen erhöhten Gebrauch von aktiver Oberfläche des Katalysatorbereiches ermöglichen. Beispielsweise können, wie gezeigt ist, die Querströmungskanäle 134 einen Reaktandenströmungspfad über die Stegbereiche 132 der Lage 118 zwischen parallelen Kanalbereichen definieren, wodurch eine erhöhte Reaktandenströmung zwischen benachbarten parallelen primären Strömungskanälen, die durch die Lage 118 definiert sind, ermöglicht wird, sowie Reaktionsschnittstellenbereiche erhöht werden.
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3 zeigt eine Schnittansicht 300 einer Mehrzahl beispielhafter Querströmungskanäle 134a, 134b gemäß hier offenbarten Ausführungsformen. Wie oben diskutiert ist, können die Querströmungskanäle 134a, 134b, die in Stegbereichen 134 gemäß hier offenbarten Ausführungsformen geformt sind, eine Vielzahl von Geometrien aufweisen. Beispielsweise kann die Tiefe der Querströmungskanäle 134a, 134b von relativ flach abweichen, wodurch eine lokale Kompression einer zugeordneten Diffusionsmediumschicht 114 reduziert und eine lokale Diffusion zu relativ tief gesteigert werden kann, wodurch ein gewisser Querstegzwischenraum durch die Querströmungskanäle 134a, 134b eine Konvektion von Reaktanden durch die Querströmungskanäle ermöglichen kann.
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In den gezeigten beispielhaften Querströmungskanälen 134a, 134b kann der Querströmungskanal 134a relativ flach sein, wodurch ermöglicht wird, dass Abschnitte der Diffusionsmediumschicht 114 in den Querströmungskanal 134a mit wenig lokaler Kompression eindringen. Demgemäß können Reaktanden durch die wenig komprimierten und/oder anderweitig durchlässigeren Gasdiffusionsmedien 114, die in dem Querströmungskanal 134a angeordnet sind, strömen. Der Querströmungskanal 134b kann relativ tief sein, wodurch eine Konvektion von Reaktand durch den Querströmungskanal 134b zwischen zugeordneten parallelen primären Strömungskanälen ermöglicht wird.
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4 zeigt eine Draufsicht 400 einer Querströmungskanalkonfiguration gemäß der hier offenbarten Ausführungsformen. Gemäß hier offenbarten Ausführungsformen können ein oder mehrere Querströmungskanäle 134 in Stegbereichen 132 einer Lage 118 angeordnet sein, wodurch eine verbesserte Reaktandenströmungsverteilung (z. B. Reaktandenströmung zwischen primären Strömungskanälen 124) unterstützt wird. In gewissen Ausführungsformen können die Querströmungskanäle 134 rechtwinklig relativ zu benachbarten primären Strömungskanälen 124 angeordnet sein. Bei den gezeigten Ausführungsformen können die Querströmungskanäle 134 unter einem beliebigen geeigneten Winkel relativ zu benachbarten primären Strömungskanälen 124 (z. B. unter einem Winkel von 45–90 Grad relativ zu den primären Strömungskanälen 130) angeordnet sein. Obwohl eine gleichförmige Beabstandung entlang der primären Strömungskanäle 124 gezeigt ist, kann bei anderen Ausführungsformen ein Abstand der Querströmungskanäle 134 und/oder anderer Querströmungskanalgeometrien (z. B. Breite, Teilung, und/oder Tiefe) entlang der Länge der primären Querströmungskanäle 124 abweichen (z. B. beginnend mit einem größeren Abstand über einen ersten Abschnitt des Strömungsfeldes und einem kleineren Abstand über einen zweiten Abschnitt des Strömungsfeldes, wodurch ein erhöhter Diffusionszugang unterstützt wird, wo Reaktanden stärker abgereichert werden können).
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Bei anderen Ausführungsformen können Merkmale in die Primärströmungskanäle 124 eingeführt werden, die erhöhte konvektive Strömungen durch die Querströmungskanäle 134 unterstützen. Bei einigen Ausführungsformen können Flaschenhalsmerkmale in die primären Strömungskanäle 124 eingeführt werden, die zumindest teilweise eine Strömung von Reaktand durch die Querströmungskanäle 134 und/oder über Stegbereiche führen können. Bei weiteren Ausführungsformen können gewisse primäre Strömungskanäle 124 (z. B. jeder zweite Kanal) blockierte Enden umfassen, um eine Reaktandenströmung über Stegbereiche 132 durch die Querströmungskanäle 134 zu unterstützen.
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5 zeigt ein Diagramm 500, das eine beispielhafte normalisierte Leistungszunahme für einen FC-Stapel 504 bei einer Vielzahl beispielhafter Aspektverhältnisse 502 des Querströmungskanals gemäß hier offenbarter Ausführungsformen zeigt. Wie in dem beispielhaften Diagramm 500 gezeigt ist, kann bei einigen Ausführungsformen die normalisierte Leistungszunahme für den FC-Stapel 504 zunehmen, wenn die Aspektverhältnisse 502 für den Querströmungskanal zunehmen.
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6 zeigt ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 600 zum Zusammenbauen eines FC-Stapels gemäß hier offenbarten Ausführungsformen. Insbesondere kann das Verfahren 600 dazu verwendet werden, einen FC in einem FC-Stapel gemäß hier offenbarten Ausführungsformen zusammenzubauen. Bei 602 kann das Verfahren 600 ausgelöst werden. Bei 604 kann eine erste Bipolarplatte, die eine Mehrzahl primärer Kathodenströmungskanäle und eine Mehrzahl von Kathodenquerströmungskanälen zwischen den primären Kathodenströmungskanälen definiert, vorgesehen sein. Bei gewissen Ausführungsformen können die primären Kathodenströmungskanäle und Querströmungskanäle derart konfiguriert sein, einen Strömungspfad für Kathodenreaktand bereitzustellen.
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Bei 606 können verschiedene Kathodenkomponenten zusammengebaut werden. Beispielsweise kann ein Kathodengasdiffusionsmedium benachbart der Mehrzahl von Primärkathodenströmungskanälen und der Mehrzahl von Querströmungskanälen angeordnet sein, eine mikroporöse Schicht der Kathode kann benachbart dem Kathodengasdiffusionsmedium angeordnet sein, und eine Kathodenkatalysatorschicht kann benachbart der mikroporösen Schicht der Kathode angeordnet sein. Bei 608 kann eine PEM benachbart der Kathodenkatalysatorschicht angeordnet sein.
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Bei 610 können verschiedene Anodenkomponenten zusammengebaut werden. Zum Beispiel kann eine Anodenkatalysatorschicht benachbart der PEM angeordnet sein, kann eine mikroporöse Anodenschicht benachbart zu der Anodenkatalysatorschicht angeordnet sein und kann ein Anodengasdiffusionsmedien benachbart der mikroporösen Anodenschicht angeordnet sein. Bei 612 kann eine zweite Bipolarplatte benachbart zu den Anodengasdiffusionsmedien angeordnet werden. Bei gewissen Ausführungsformen kann die zweite Bipolarplatte eine Mehrzahl von primären Anodenströmungskanälen und eine Mehrzahl von Anodenquerströmungskanälen zwischen den primären Anodenströmungskanälen definieren. Bei einigen Ausführungsformen können die primären Anodenströmungskanäle und Anodenquerströmungskanäle derart konfiguriert sein, um einen Strömungspfad für Anodenreaktand bereitzustellen. Bei 614 kann das Verfahren 600 enden.
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Obwohl das Vorhergehende detailliert für die Zwecke der Klarheit beschrieben worden ist, sei angemerkt, dass gewisse Änderungen und Modifikationen ohne Abweichung von den Grundsätzen hier gemacht werden können. Zum Beispiel können bei bestimmten Ausführungsformen die Systeme und Verfahren, die hierin offenbart sind, in Verbindung mit FC-Systemen, die nicht in einem Fahrzeug enthalten sind, verwendet werden. Es sei angemerkt, dass es viele alternative Wege zur Implementierung sowohl der hierin beschriebenen Prozesse als auch Systeme gibt. Dementsprechend sind die vorliegenden Ausführungsformen als veranschaulichend und nicht als einschränkend zu verstehen, und die Erfindung ist nicht auf die hierin gegebenen Details beschränkt, sondern kann innerhalb des Schutzumfangs und der Äquivalente der beigefügten Ansprüche modifiziert werden.
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Die vorangehende Beschreibung ist unter Bezugnahme auf verschiedene Ausführungsformen beschrieben worden. Jedoch erkennt der Fachmann, dass verschiedene Modifikationen und Änderungen ohne Abweichung von dem Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung durchgeführt werden können. Beispielsweise können verschiedene Betriebsschritte wie auch Komponenten zur Ausführung von Betriebsschritten in alternativen Wegen abhängig von der bestimmten Anwendung oder in Betrachtung einer beliebigen Anzahl von Kostenfunktionen, die dem Betrieb des Systems zugeordnet sind, implementiert sein. Demgemäß können einer oder mehrere der Schritte weggelassen, modifiziert oder mit anderen Schritten kombiniert werden. Ferner ist diese Offenbarung in einem illustrativen anstatt einem restriktiven Sinne zu betrachten, und alle derartigen Modifikationen sind dazu bestimmt, innerhalb des Schutzumfangs derselben enthalten zu sein. Gleichermaßen sind ein Nutzen, andere Vorteile und Lösungen für Probleme oben mit Bezug auf verschiedene Ausführungsformen beschrieben worden. Jedoch sind Nutzen, Vorteile, Lösungen für Probleme und jedes Element (e), die dazu führen können, dass irgendein Nutzen, Vorteil oder eine Lösung auftritt oder deutlicher hervortritt, nicht als ein kritisches, ein erforderliches oder ein wesentliches Merkmal oder Element auszulegen.
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Wie hierin verwendet, sind die Begriffe ”umfassen” und ”aufweisen” und irgendeine andere Variation davon dazu bestimmt, eine nicht ausschließliche Einbeziehung abzudecken, so dass ein Prozess, ein Verfahren, ein Gegenstand oder eine Vorrichtung, die eine Liste von Elementen umfasst, nicht nur diejenigen Elemente umfasst, sondern weitere Elemente, die nicht ausdrücklich aufgelistet oder einem solchen Prozess, Verfahren, System, Artikel oder Vorrichtung zueigen sind, umfassen kann. Auch, wie hierin verwendet, sind die Begriffe ”gekoppelt”, ”koppelnd” und andere Variation derselben dazu bestimmt, eine physikalische Verbindung, eine elektrische Verbindung, eine magnetische Verbindung, eine optische Verbindung, eine kommunikative Verbindung, eine funktionale Verbindung, und/oder jede andere Verbindung abzudecken. Der Fachmann erkennt, dass viele Änderungen an den Details der oben beschriebenen Ausführungsformen gemacht werden können, ohne von den zugrunde liegenden Prinzipien der Erfindung abzuweichen. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung sei daher nur durch die folgenden Ansprüche bestimmt.
