DE102017125552A1

DE102017125552A1 - Gestaltung der tunnelanordnung für eine gleichmässigere verteilung des anpressdruckes im schnittpunkt zwischen metallwulstdichtung und tunnel

Info

Publication number: DE102017125552A1
Application number: DE102017125552.4A
Authority: DE
Inventors: Xi Yang; Liang Xi; Siguang Xu
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-11-03
Filing date: 2017-11-01
Publication date: 2018-05-03
Also published as: US20180123144A1; CN108023098A

Abstract

Eine Strömungsfeldplatte für eine Brennstoffzelle, die einen gleichmäßigen Gasströmungsdruck vorsieht, beinhaltet eine erste Metallplatte und eine zweite Metallplatte. Die erste Metallplatte definiert eine erste Öffnung zum Bereitstellen eines ersten Reaktionsgases an eine Brennstoffzelle mit einer ersten Metallwulst, die die erste Öffnung umgibt. Die erste Metallwulst ist eine Prägung in der zweiten Metallplatte die einen ersten Kanal definiert. Eine erste Vielzahl von Tunneln sieht einen Kanal in die und aus der ersten Metallwulst vor. Jeder Tunnel der ersten Vielzahl von Tunneln weist einen Tunneleingangsabschnitt auf, der zur ersten Metallwulst führt, und einen Tunnelausgangsabschnitt, der sich aus der ersten Metallwulst erstreckt, um das erste Reaktionsgas an erste Reaktionsgasströmungskanäle vorzusehen, die durch die erste Metallplatte definiert sind. Bezeichnenderweise ist der Tunneleingangsabschnitt versetzt vom Tunnelausgangsabschnitt angeordnet.

Description

TECHNISCHES GEBIET
In mindestens einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung Strömungsfeldplatten für eine Brennstoffzelle, die gleichmäßige Dichtungskontaktdruckverteilungen vorsehen.
HINTERGRUND
Brennstoffzellen werden in vielen Anwendungen als elektrische Energiequelle verwendet. Es wird insbesondere vorgeschlagen, als Ersatz für Verbrennungsmotoren Brennstoffzellen in Automobilen einzusetzen. Für den Ionentransport zwischen Anode und Kathode arbeitet eine häufig verwendete Brennstoffzellenausführung mit einer Festpolymerelektrolytmembran („Solid Polymer Electrolyte, SPE“) oder einer Protonenaustauschmembran („Proton Exchange Membrane, PEM“).
In Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (sog. „PEM“-Brennstoffzellen) wird der Anode Wasserstoff als Brennstoff zugeführt und der Kathode wird Sauerstoff als Oxidationsmittel zugeführt. Der Sauerstoff kann entweder in reiner Form (O2) oder als Luft (eine Mischung aus O2 und N2) vorliegen. PEM-Brennstoffzellen besitzen typischerweise eine Membran-Elektroden-Einheit („Membrane Elektrode Assembly, MEA“), in der eine feste Polymermembran auf einer Seite einen Anodenkatalysator und auf der gegenüberliegenden Seite einen Kathodenkatalysator aufweist. Die Anoden- und Kathodenschichten einer typischen PEM-Brennstoffzelle sind aus porösen leitenden Materialien ausgebildet, wie beispielsweise gewebtem Graphit, graphitisierten Blättern oder Kohlepapier, damit der Kraftstoff über die Oberfläche der Membran dispergieren kann, die der Kraftstoffversorgungselektrode zugewendet ist. Typischerweise beinhaltet die ionisch leitende Polymermembran ein Perfluorsulfonsäure („PFSA“)-Ionomer.
Die MEA ist zwischen einem Paar poröser Gasdiffusionsschichten („GDL“) angeordnet, die wiederum zwischen einem Paar elektrisch leitender Elemente oder Platten, die als Strömungsfelder bezeichnet werden, angeordnet sind. Die Strömungsfelder fungieren als Stromabnehmer für die Anode und die Kathode und enthalten darin ausgebildete geeignete Kanäle und Öffnungen, die darin zur Verteilung der gasförmigen Reaktanten der Brennstoffzelle über der Oberfläche der jeweiligen Anoden- und Kathodenkatalysatoren gebildet werden. Um effizient Elektrizität zu produzieren, muss die Polymerelektrolytmembran einer PEM-Brennstoffzelle dünn, chemisch stabil, protonendurchlässig, nicht elektrisch leitend und gasundurchlässig sein. In typischen Anwendungen werden Brennstoffzellen in Anordnungen von vielen einzelnen Brennstoffzellenstapeln vorgesehen, um ein hohes Maß an elektrischer Energie bereitzustellen.
In den Stromflussfeldauslegungen schneiden sich die Tunnel mit einer Metallwulst, damit das Kühlmittel und die Reaktanten durchlaufen. Die Tunnel/Kanäle weisen typischerweise einen nahezu quadratischen trapezförmigen Querschnitt (d. h., einen Wandwinkel größer als 45 Grad) auf. Der Querschnitt der Strömungstunnel/Kanäle ist hauptsächlich unter Berücksichtigung der Kühlmittel-/Reaktantströmung ausgelegt. Die primäre Funktion der Metallwulst ist das Abdichten des Kühlmittels oder der Reaktanten vor dem Auslaufen aus den Kollektoren. Die Dichtfunktion ist durch den Kontaktdruck auf die Metallwulst vorgesehen. Ein gleichmäßiger Kontaktdruck ist idealerweise der günstigste Fall. Das Vorhandensein von Tunneln verursacht jedoch eine große Kontaktdruckänderung am Schnittpunkt zwischen der Metallwulst und dem Tunnel. Insbesondere der Anpressdruck der Dichtung weist aufgrund der Störung der Wulst und des Tunnels große Schwankungen auf, da nahe den Tunnelwänden ein höherer Anpressdruck der Dichtung und in der Mitte des Tunnels ein relativ niedrigerer Anpressdruck der Dichtung zu finden ist. Die Stellen mit geringerem Anpressdruck der Dichtung können möglicherweise Undichtigkeiten verursachen. Eine große Kontaktdruckänderung kann an bestimmten Stellen einen extremen Niederdruck verursachen, was zu Undichtheit führen kann.
Dementsprechend sieht die vorliegende Erfindung einen verbesserten Kontaktdruck mit weniger Druckänderung am Schnittpunkt zwischen den Metallwulstdichtungen und den Strömungskanälen vor.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Erfindung löst eines oder mehrere der Probleme des Standes der Technik durch Bereitstellen einer Strömungsfeldplatte für eine Brennstoffzelle in mindestens einer Ausführungsform, die einen gleichmäßigen Kontaktdruck/Dichtdruckt vorsieht. Das Strömungsfeld beinhaltet eine erste Metallplatte und eine zweite Metallplatte. Die erste Metallplatte definiert eine erste Öffnung zum Vorsehen eines ersten Reaktionsgases an eine Brennstoffzelle mit einer ersten Metallwulst, die die erste Öffnung umgibt. Die erste Metallwulst ist eine Ausprägung in der ersten Metallplatte. Eine erste Vielzahl von Tunneln sieht einen Kanal in die und aus der ersten Metallwulst vor. Jeder Tunnel der ersten Vielzahl von Tunneln weist einen Tunneleingangsabschnitt auf, der zur ersten Metallwulst führt, und einen Tunnelausgangsabschnitt, der sich aus der ersten Metallwulst erstreckt, um das erste Reaktionsgas an erste Reaktionsgasströmungskanäle vorzusehen, die durch die erste Metallplatte definiert sind. Der Tunneleingangsabschnitt und der Tunnelausgangsabschnitt jedes Tunnels in der ersten Vielzahl von Tunneln sind zueinander versetzt. Die zweite Metallplatte weist typischerweise eine ähnliche Auslegung auf. Insbesondere definiert die zweite Metallplatte eine zweite Öffnung zum Bereitstellen eines zweiten Reaktionsgases an eine Brennstoffzelle mit einer zweiten Metallwulst, die die zweite Öffnung umgibt. Die zweite Metallwulst ist eine Ausprägung in der zweiten Metallplatte. Eine zweite Vielzahl von Tunneln sieht einen Kanal in die und aus der zweiten Metallwulst vor. Jeder Tunnel der zweiten Vielzahl von Tunneln weist einen Tunneleingangsabschnitt auf, der zur zweiten Wulst führt, und einen Tunnelausgangsabschnitt aufweist, der sich aus der zweiten Wulst erstreckt, um das zweite Reaktionsgas an zweite Reaktionsgasströmungskanäle vorzusehen, die durch die zweite Metallplatte definiert sind. Der Tunneleingangsabschnitt und der Tunnelausgangsabschnitt jedes Tunnels in der zweiten Vielzahl von Tunneln sind zueinander versetzt.
In einer anderen Ausführungsform ist eine Brennstoffzelle, die hierin beschriebene Strömungsfelder integriert, vorgesehen. Die Brennstoffzelle beinhaltet eine Kathodenkatalysatorschicht, eine Anodenkatalysatorschicht und eine Ionen-leitende Membran, die zwischen der Kathodenkatalysatorschicht und der Anodenkatalysatorschicht angeordnet ist. Eine erste Gasdiffusionsschicht wird über und benachbart der Kathodenkatalysatorschicht und eine zweite Gasdiffusionsschicht über und benachbart der Anodenkatalysatorschicht angeordnet. Ein erstes Strömungsfeld wird über und benachbart der ersten Gasdiffusionsschicht und ein zweites Strömungsfeld über und benachbart der zweiten Gasdiffusionsschicht angeordnet. Das erste Strömungsfeld beinhaltet eine erste Metallplatte und eine zweite Metallplatte. Die erste Metallplatte definiert eine erste Öffnung zum Vorsehen eines ersten Reaktionsgases an eine Brennstoffzelle mit einer ersten Metallwulst, die die erste Öffnung umgibt. Die erste Metallwulst ist eine Ausprägung in der ersten Metallplatte. Eine erste Vielzahl von Tunneln sieht einen Kanal in die und aus der ersten Wulst vor. Jeder Tunnel der ersten Vielzahl von Tunneln weist einen Tunneleingangsabschnitt auf, der zur ersten Wulst führt, und einen Tunnelausgangsabschnitt, der sich aus der ersten Wulst erstreckt, um das erste Reaktionsgas an erste Reaktionsgasströmungskanäle vorzusehen, die durch die erste Metallplatte definiert sind. Der Tunneleingangsabschnitt und der Tunnelausgangsabschnitt jedes Tunnels in der ersten Vielzahl von Tunneln sind zueinander versetzt. Die zweite Metallplatte weist typischerweise eine ähnliche Auslegung auf. Insbesondere definiert die zweite Metallplatte eine zweite Öffnung zum Bereitstellen eines zweiten Reaktionsgases an eine Brennstoffzelle mit einer zweiten Metallwulst, die die zweite Öffnung umgibt. Die zweite Metallwulst ist eine Ausprägung in der zweiten Metallplatte. Eine zweite Vielzahl von Tunneln sieht einen Kanal in die und aus der zweiten Metallwulst vor. Jeder Tunnel der zweiten Vielzahl von Tunneln weist einen Tunneleingangsabschnitt auf, der zur zweiten Wulst führt, und einen Tunnelausgangsabschnitt aufweist, der sich aus der zweiten Wulst erstreckt, um das zweite Reaktionsgas an zweite Reaktionsgasströmungskanäle vorzusehen, die durch die zweite Metallplatte definiert sind. Der Tunneleingangsabschnitt und der Tunnelausgangsabschnitt jedes Tunnels in der zweiten Vielzahl von Tunneln sind zueinander versetzt. Das erste Strömungsfeld weist typischerweise die gleiche Auslegung wie das zweite Strömungsfeld auf.
Figurenliste

1 sieht eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelle mit einem Strömungsfeld vor, das Strömungskanäle mit einer verbesserten Druckverteilung definiert;
2 ist eine perspektivische Ansicht einer Metallplatte, die verwendet wird, um ein Strömungsfeld einer Brennstoffzelle zu bilden;
3 ist eine Draufsicht eines Abschnitts eines Strömungsfeldes, das eine Öffnung zum Eingeben oder Ausgeben eines Reaktionsgases oder Kühlmittels an ein Strömungsfeld definiert;
4A ist eine Draufsicht von trapezförmigen Tunnelabschnitten mit Nullversatz;
4B ist eine Draufsicht von trapezförmigen Tunnelabschnitten mit einem Versatz gleich der Hälfte der durchschnittlichen Tunnelbreite;
4C ist eine Draufsicht von trapezförmigen Tunnelabschnitten mit einem Versatz gleich der durchschnittlichen Tunnelbreite;
5 ist ein Querschnitt eines Tunnelabschnitts mit einem trapezförmigen Querschnitt;
6A ist eine schematische Draufsicht eines gekrümmten Strömungskanals mit Nullversatz;
6B ist eine schematische Draufsicht eines gekrümmten Strömungskanals mit einem Versatz gleich der Hälfte der durchschnittlichen Tunnelbreite;
6C ist eine schematische Draufsicht eines gekrümmten Strömungskanals mit einem Versatz gleich der durchschnittlichen Tunnelbreite;
7A ist eine schematische Draufsicht eines Strömungskanals mit mehreren Kurven mit Nullversatz;
7B ist eine schematische Draufsicht eines Strömungskanals mit mehreren Kurven mit einem Versatz gleich der Hälfte der durchschnittlichen Tunnelbreite;
7C ist eine schematische Draufsicht eines Strömungskanals mit mehreren Kurven mit einem Versatz gleich der durchschnittlichen Tunnelbreite;
8A ist ein Querschnitt einer Metallplatte, die einen Tunnel mit einem runden Querschnitt definiert;
8B ist ein Querschnitt einer Metallplatte, die einen Tunnel mit einem Querschnitt mit zwei Nocken definiert;
9A ist ein Querschnitt einer Metallplatte, die einen Tunnel mit geraden Seiten und einer runden Oberseite definiert;
9B ist ein Querschnitt einer Metallplatte, die einen Tunnel mit geraden Seiten und zwei Nocken definiert;
10A stellt das Druckfeld für einen Nullversatz zwischen dem Tunneleingangsabschnitt und dem Tunnelausgangsabschnitt bereit;
10B stellt das Druckfeld für einen Nullversatz zwischen dem Tunneleingangsabschnitt und dem Tunnelausgangsabschnitt gleich der Hälfte der durchschnittlichen Tunnelbreite bereit; und
10C stellt das Druckfeld für einen Nullversatz zwischen dem Tunneleingangsabschnitt und dem Tunnelausgangsabschnitt gleich der durchschnittlichen Tunnelbasis bereit; und
10D stellt eine Formgebungskarte der Drücke in 8A-C bereit.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es wird nun im Detail auf derzeit bevorzugte Zusammensetzungen, Ausführungsformen und Verfahren der vorliegenden Erfindung Bezug genommen, welche die besten Arten der Durchführung der Erfindung darstellen, die den Erfindern gegenwärtig bekannt sind. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstäblich. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich exemplarisch für die Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden kann. Daher sind die spezifischen Details, die hierin offenbart werden, nicht als Beschränkungen zu verstehen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage für die verschiedenen Aspekte der Erfindung und/oder als repräsentative Grundlage, um Fachleuten auf dem Gebiet die verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten zu vermitteln.
Außer in den Beispielen oder wenn ausdrücklich erwähnt, sind alle numerischen Angaben über Materialmengen oder Reaktions- oder Nutzungsbedingungen in dieser Beschreibung so zu verstehen, dass sie durch den Zusatz „etwa“ modifiziert werden, sodass sie den weitest möglichen Umfang der Erfindung beschreiben. Das Ausführen innerhalb der angegebenen numerischen Grenzen wird im Allgemeinen bevorzugt. Ferner, wenn nicht ausdrücklich anders angegeben: Prozent, „Teile von“ und Verhältniswerte nach Gewicht; Wenn eine Gruppe oder Klasse von Materialien für einen bestimmten Zweck im Zusammenhang mit der Erfindung als geeignet oder bevorzugt beschrieben wird, bedeutet das, dass Mischungen von zwei oder mehreren Mitgliedern der Gruppe oder Klasse gleichermaßen geeignet oder bevorzugt sind; die erste Definition eines Akronyms oder einer anderen Abkürzung gilt für alle nachfolgenden Verwendungen derselben Abkürzung und gilt auch für normale grammatische Variationen der anfangs definierten Abkürzung entsprechend. Und schließlich wird, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, eine Eigenschaft anhand derselben Technik gemessen, wie vorher oder nachher für dieselbe Eigenschaft angegeben.
Es versteht sich ferner, dass diese Erfindung nicht auf die bestimmten Ausführungen und Verfahren beschränkt ist, die im Folgenden beschrieben werden, da bestimmte Komponenten bzw. Bedingungen natürlich variieren können. Des Weiteren dient die hier verwendete Terminologie nur zum Zweck der Beschreibung verschiedener Ausführungen der vorliegenden Erfindung und ist in keiner Weise als einschränkend zu verstehen.
Es ist ferner darauf hinzuweisen, dass die Singularformen „ein/e“ und „der/die/das“, wie in der Spezifikation und den angehängten Patentansprüchen verwendet, auch die Pluralreferenz umfassen, es sei denn, aus dem Kontext geht eindeutig etwas anderes hervor. Der Verweis auf eine Komponente im Singular soll beispielsweise eine Vielzahl von Komponenten umfassen.
Der Begriff „umfassend“ ist gleichbedeutend mit „beinhaltend“, „aufweisend“, „enthaltend“ oder „gekennzeichnet durch“. Diese Begriffe sind einschließlich und offen auszulegen, und schließen zusätzliche ungenannte Elemente oder Verfahrensschritte nicht aus.
Der Ausdruck „bestehend aus“ schließt jedes Element, jeden Schritt oder Bestandteil aus, der nicht in dem Anspruch spezifiziert ist. Wenn dieser Ausdruck in einem Abschnitt des Körpers eines Anspruchs erscheint, anstatt sofort nach dem Oberbegriff zu folgen, begrenzt er nur das Element, das in dem Abschnitt beschrieben ist; wobei andere Elemente nicht vom Anspruch insgesamt ausgeschlossen werden.
Der Ausdruck „im Wesentlichen bestehend aus“ begrenzt den Umfang eines Anspruchs auf die angegebenen Materialien oder Schritte, plus denjenigen, die nicht materialmäßig die Grund- und neuartigen Merkmal(e) des beanspruchten Gegenstands beeinflussen.
Die Begriffe „umfassend“, „bestehend aus“ und „im Wesentlichen bestehend aus“ können alternativ verwendeten werden. Wo einer von diesen drei Begriffen verwendet wird, kann der vorliegend offenbarte und beanspruchte Gegenstand die Verwendung eines der anderen beiden Begriffe beinhalten.
Offenbarungen der Veröffentlichungen, auf die in dieser Anwendung verwiesen wird, gelten durch Bezugnahme in vollem Umfang in diese Anwendung aufgenommen, um den Stand der Technik, auf die sich diese Erfindung bezieht, genauer zu beschreiben.
Mit Bezug auf 1 ist ein idealisierter schematischer Querschnitt einer Brennstoffzelle vorgesehen, die eine Ausführungsform einer Faserlage integriert. Die Protonenaustauschmembran (PEM)-Brennstoffzelle 10 enthält eine polymere Ionen-leitende Membran 12, die zwischen Kathodenkatalysatorschicht 14 und Anodenkatalysatorschicht 16 angeordnet ist. Brennstoffzelle 10 beinhaltet auch die Strömungsfelder 18, 20, die die Strömungskanäle 24 und 26 definieren. Die Gasdiffusionsschichten 28 und 30 sind zwischen den Strömungsfeldern 18, 20 und jeweils der Kathodenkatalysatorschicht 14 und Anodenkatalysatorschicht 16 angeordnet. Während des Betriebs der Brennstoffzelle 10 wird ein Kraftstoff, wie etwa Wasserstoff, der Anodenkatalysatorschicht 16 durch die Gasströmungskanäle 26 eingespeist, und ein Oxidationsmittel, wie etwa Sauerstoff, wird durch die Gasströmungskanäle 24 der Kathodenkatalysatorschicht 14 eingespeist. Die Strömungsfelder 18, 20 definieren auch Kühlkanäle 32, die verwendet werden, um Kühlmittel durch die Strömungsfeldplatten zu strömen. Es sollte beachtet werden, dass die Strömungsfelder 18, 20, jeweils typischerweise aus zwei Metallplatten gebildet, vorgesehen sind. Strömungsfeld 18 ist beispielsweise aus den Kanal-definierenden Platten 18a und 18b gebildet, während das Strömungsfeld 20 aus den Kanal-definierenden Platten 20a und 20b gebildet ist. In einer Verfeinerung weisen die Metallplatten 18a, 18b, 20a, 20b eine Dicke von etwa 0,05 mm bis 0,5 mm auf. Es sei auch darauf hingewiesen, dass 1 ein idealisiertes Schaubild ist und dass die Gasströmungskanäle 24 und 26 auch durch Prägeplatten 18a, 18b, 20a und 20b gebildet werden. 1 zeigt auch die Seitenabdichtung der Brennstoffzelle, in der die umlaufende Dichtung 34 an die Prägungen 36 befestigt wird. Wasserstoffionen werden durch die Anodenkatalysatorschicht 16 erzeugt, wandern durch die polymere Ionen-leitende Membran 12, wo sie auf der Kathodenkatalysatorschicht 14 reagieren und zu Wasser werden. Dieser elektrochemische Prozess erzeugt einen elektrischen Strom durch eine Last, die mit den Strömungsfeldplatten 18 und 20 verbunden ist.
Unter Bezugnahme auf 1, 2, 3A und 3B zeigen schematische Darstellungen, dass die Strömungsfelder 18, 20 jeweils typischerweise aus zwei Metallplatten gebildet sind. Strömungsfeld 18 ist beispielsweise aus den Kanal-definierenden Platten 18a und 18b gebildet, während das Strömungsfeld 20 aus den Kanal-definierenden Platten 20a und 20b gebildet ist. Diese Kanäle und andere Strukturen werden typischerweise durch Stanzen gebildet. Darüber hinaus beinhalten die Metallplatten eine Anzahl an Öffnungen zum Eingeben und Abgeben von Reaktionsgasen und Kühlmittel. 2 ist eine perspektivische Ansicht einer Metallplatte, die eine typische Auslegung der geprägten Platten 18a, 18b, 20a und 20b ist. Die Metallplatten 38, 40 definieren die Öffnungen 42-52 zum Eingeben oder Ausgeben eines flüssigen Kühlmittels oder Reaktanten in das Strömungsfeld. In einer Verfeinerung umgibt die erste Metallwulst 66 eine oder mehrere der Öffnungen 42-52. Die erste Metallwulst 66 ist eine Ausprägung in den Metallplatten 38, 40, die einen ersten Kanal 70 definiert. Das flüssige Kühlmittel oder die Reaktanten fließen durch diesen Kanal. In einer Verfeinerung wird ein weiches Material (z. B. Elastomer, Gummi, Schaum usw.) auf die Oberseite des Metallwulstes 66 aufgetragen, um eine Abdichtung zwischen benachbarten Strömungsfeldern herzustellen (siehe Item-Nummer 35 in 1).
Mit Bezug auf 3 sieht die Vielzahl von Tunneln 68 einen Kanal in die und aus der ersten Metallwulst 66 vor. Die erste Metallwulst 66 umgibt die Öffnungen 42-52. Die erste Metallwulst 66 ist eine Ausführungsform, die einen ersten Kanal 80 definiert. In einer Verfeinerung wird ein weiches Material (z. B. Elastomer, Gummi, Schaum usw.) auf die Oberseite des Metallwulstes 66 aufgetragen, um eine Abdichtung zwischen benachbarten Strömungsfeldern herzustellen. Die Vielzahl von Tunneln 68 sieht einen Kanal in den und aus dem Kanal 80 vor, der durch die erste Metallwulst 66 definiert ist. Jeder Tunnel 68 der ersten Vielzahl von Tunneln weist einen Tunneleingangsabschnitt 72 auf, der zum ersten Kanal 80 führt, und einen Tunnelausgangsabschnitt 74, der sich von dem ersten Kanal 80 erstreckt, um Reaktionsgas oder Kühlmittel an die Strömungskanäle 24, 26 vorzusehen.
Mit Bezug auf die 3, 4A-C und 5 sind schematische Darstellungen von Kanaltunnelabschnitten mit variierenden Versatzbeträgen zwischen dem Tunneleingangsabschnitt 72 und dem Tunnelausgangsabschnitt 74 in der Vielzahl von Tunneln 68 vorgesehen. In diesem Zusammenhang bezeichnet Versatz den Punkt zwischen dem Tunneleingangsabschnitt 72 und dem ersten Kanal 80 und dem Punkt zwischen dem Ausgangstunnelabschnitt 74 und dem ersten Kanal 80 als räumlicher Versatz entlang des Längsabstandes d₁ im ersten Kanal 80, so dass der Eingangstunnelabschnitt 72 und der Ausgangstunnelabschnitt 74 nicht vollständig ausgerichtet sind. In 4A verläuft eine Achse a₁ durch die Mitten sowohl des Tunneleingangsabschnitts 72 als auch des Tunnelausgangsabschnitts 74, sodass ein Nullversatz vorhanden ist. In den 4B und 4C, ist die Achse₁ die durch die Mitte des Tunneleingangsabschnitts 72 verläuft, von der Achse₂ versetzt, die durch die Mitte des Tunnelausgangsabschnitts 74 um einen Versatzabstand d₁verläuft. 4B veranschaulicht den Fall, wenn d₁ gleich der Hälfte der mittleren Breite (die kombinierte mittlere Breite basierend darauf an den Schnittpunkten mit dem ersten Kanal 80) des Tunneleingangsabschnitts 72 und des Tunnelausgangsabschnitts 74 an ihren jeweiligen Basen ist. 4B veranschaulicht den Fall, wenn d₁ gleich der mittleren Breite der Vielzahl von Tunneln 68 an der Basis (d. h. die Breite der Basis) ist. In einer Verfeinerung ist d₁ gleich 0,2- bis 2-mal die durchschnittliche Basisbreite der Vielzahl von Tunneln 68. In einer weiteren Verfeinerung ist d₁ gleich 0,3- bis 1,3-mal die durchschnittliche Basisbreite der Vielzahl von Tunneln 68. In einer weiteren Verfeinerung ist d₁ gleich 0,5- bis 1,0-mal die durchschnittliche Basisbreite der Vielzahl von Tunneln 68. 5 veranschaulicht den Fall, wenn der Tunneleingangsabschnitt 72 und der Tunnelausgangsabschnitt 74 der Vielzahl von Tunneln 68 einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen. Der trapezförmige Querschnitt wird durch die offene Basis 92, die trapezförmigen Wände 95, 96 und 98 definiert. Der Tunneleingangsabschnitt 72 und der Tunnelausgangsabschnitt 74 weisen einen Wandwinkel α (d. h. Winkel zwischen Wand 95 (oder 96) und offener Basis 92) von typischerweise 10 bis 80 Grad auf. In einer Verfeinerung beträgt die Basisbreite w etwa 0,4 mm bis etwa 3 mm. In einer weiteren Verfeinerung beträgt die maximale Höhe h etwa 0,1 mm bis etwa 3 mm. In einer Verfeinerung liegt die Länge der linearen Seite 124 bei etwa 0,1 bis 3 mm. In einer weiteren Verfeinerung weisen der Tunneleingangsabschnitt 72 und der Tunnelausgangsabschnitt 74 eine durchschnittliche Querschnittsfläche von etwa 0,005 bis 3 mm² auf.
Die 6A-C veranschaulichen eine Situation, wenn der erste Kanal 80 einen Bogen mit einem Tunneleingangsabschnitt 72 und einem daran angebrachten Tunnelausgangsabschnitt 74, wie vorstehend dargestellt, aufweist. Ähnlich veranschaulichen die 7A-C eine Situation, wenn der erste Kanal 80 mehrere Kurven mit dem Tunneleingangsabschnitt 72 und einem daran angebrachten Tunnelausgangsabschnitt 74, wie vorstehend dargestellt, beinhaltet.
Es sollte beachtet werden, dass der Querschnitt des Tunneleingangsabschnitts 72 und des Tunnelausgangsabschnitts 74 nicht auf trapezförmige Querschnitte beschränkt sind. US-Pat. Anm. Nr. 15285795 offenbart Tunnelabschnitte mit gebogenen Querschnitten; die vollständige Offenbarung dieser Anmeldung wird hiermit durch Verweis aufgenommen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung gelten die Versätze (einschließlich der vorstehend genannten Bereiche) für den Tunnelabschnitt mit gebogenen Querschnitten, wobei der Versatzabstand abhängig von den Basisbreiten ermittelt wird. In dieser Hinsicht sind in 8A und 8B schematische Querschnitte eines Strömungstunnels mit einem gebogenen Abschnitt vorgesehen. 8A zeigt den Strömungstunnel 100, der in einer der Platten 18a, 18b, 20a, 20b, wie vorstehend dargelegt, gebildet ist. Der Strömungstunnel 100 weist eine obere Wand auf, die einen einzelnen Bogen 102 im Querschnitt und eine offene Grundplatte 104 aufweist. 8A zeigt auch die Kanal-definierende Metallwulst 106, zu der Tunnel 100 fließt. Der Strömungstunnel 100 sieht eine Auslegung des Tunnels der Vielzahl von Tunneln 68 aus 3A und der Vielzahl von Tunneln 88 aus 3B vor. Insbesondere ist der Querschnitt der oberen Wand 102 durch einen Abschnitt eines Kreisumfangs abgerundet. In einer Verfeinerung beträgt die Breite w der offenen Grundplatte etwa 0,4 mm bis etwa 3 mm. Der Strömungstunnel 100 ist ebenfalls durch eine maximale Höhe definiert, die der senkrechte Abstand von der offenen Grundplatte 104 zur Oberseite des Kanals ist. In einer Verfeinerung beträgt die maximale Höhe h etwa 0,1 mm bis etwa 2 mm. Wenn ein Abschnitt des Strömungstunnels 100 durch einen Abschnitt des Kreisumfangs abgerundet wird, weist der Kreis einen Radius von etwa 0,2 bis etwa 3 mm auf.
8B zeigt den Strömungstunnel 110, der in einer der Platten 18a, 18b, 20a, 20b, wie vorstehend dargelegt, gebildet ist. Bei dieser Verfeinerung weist Strömungstunnel 110 einen Querschnitt mit mindestens zwei Nocken 112, 114 auf. Der Strömungstunnel 110 weist eine Grundplatte (z. B. eine imaginäre oder eine Wand) und eine maximale Höhe auf, die der senkrechte Abstand von der offenen Grundplatte 104 zur Oberseite des Kanals ist. 8B zeigt auch die Kanal-definierende Metallwulst 116, zu der Tunnel 110 fließt. In einer Verfeinerung beträgt die Breite w der offenen Grundplatte etwa 0,4 mm bis etwa 3 mm. In einer weiteren Verfeinerung beträgt die maximale Höhe h etwa 0,1 mm bis etwa 2 mm.
9A zeigt einen Strömungstunnel mit geraden Seiten und einer runden Oberseite im Querschnitt. Bei dieser Verfeinerung weist Strömungstunnel 120 einen Querschnitt mit einer oberen runden Oberfläche 122 auf. Der Strömungskanal 120 weist einen Wandwinkel α (d. h. einen Winkel zwischen Wand 124 und der offenen Basis 126) von 10 bis 80 Grad auf. Der Strömungskanal 120 ist durch eine Grundplatte und eine maximale Höhe definiert, die der senkrechte Abstand von der Grundplatte zur Oberseite des Kanals ist. 9A zeigt auch die Kanal-definierende Metallwulst 128, zu der Tunnel 120 fließt. In einer Verfeinerung beträgt die Breite der Grundplatte etwa 0,4 mm bis etwa 3 mm. In einer weiteren Verfeinerung beträgt die maximale Höhe h etwa 0,1 mm bis etwa 3 mm. In einer Verfeinerung liegt die Länge der linearen Seite 124 bei etwa 0,1 bis 3 mm.
9B zeigt einen Strömungstunnel mit geraden Seiten und einer mehrlappigen Oberseite im Querschnitt. Bei dieser Verfeinerung weist der Strömungskanal 130 einen Wandwinkel α von 10 bis 80 Grad auf. Der Strömungskanal 130 ist durch eine Grundplatte und eine maximale Höhe h definiert, die der senkrechte Abstand von der offenen Grundplatte zur Oberseite des Kanals ist. In einer Verfeinerung beträgt die Breite w der offenen Grundplatte etwa 0,4 mm bis etwa 3 mm. In einer weiteren Verfeinerung beträgt die maximale Höhe h etwa 0,1 mm bis etwa 3 mm. In einer Verfeinerung liegt die Länge der linearen Seite 124 bei etwa 0,1 bis 3 mm.
In einer Variation weisen die Tunnel der 8A, 8B, 9A und 9B eine Querschnittsfläche von etwa 0,005 bis 3 mm² auf. In einer Verfeinerung weisen die Tunnel der 8A, 8B, 9A und 9B eine Querschnittsfläche von etwa 0,01 bis 1 mm² auf. In noch einer weiteren Verfeinerung weisen die Tunnel der 8A, 8B, 9A und 9B eine Querschnittsfläche von etwa 0,01 bis 0,5 mm² auf. Es versteht sich weiterhin, dass die Querschnittsfläche des Tunnels entlang der Strömungsrichtung variieren kann. Die Querschnittsfläche kann beispielsweise nahe dem Eingang und Ausgang groß und nahe der Metallwulst klein sein.
Die Druckfelder wurden durch eine Finite-Elemente-Analyse mithilfe einer Kompressionshöhe von 100 Mikrometern ermittelt. 10A stellt das Druckfeld für einen Nullversatz zwischen dem Tunneleingangsabschnitt 72 und dem Tunnelausgangsabschnitt 74 bereit. Der Dichtungsanpressdruckbereich für die Konfiguration von 10A im Tunnelbereich beträgt etwa 0,89 MPa. 10B stellt das Druckfeld eines Versatzes zwischen Tunneleingangsabschnitt 72 und Tunnelausgangsabschnitt 74 gleich der Hälfte der durchschnittlichen Breite der Tunnelabschnitte bereit. Der Dichtungsanpressdruckbereich für die Konfiguration von 10B im Tunnelbereich beträgt etwa 0,65 MPa. 10C stellt das Druckfeld eines Versatzes zwischen Tunneleingangsabschnitt 72 und Tunnelausgangsabschnitt 74 gleich der Breite der Tunnelabschnitte bereit. Der Dichtungsanpressdruckbereich für die Konfiguration von 10C am Tunnelbereich beträgt etwa 0,49 MPa. 10D stellt eine Formgebungskarte der Drücke in 10A-C bereit.
Während oben exemplarische Ausführungsformen beschrieben sind, sollen diese Ausführungen nicht alle möglichen Ausgestaltungen der Erfindung beschreiben. Vielmehr dienen die in der Spezifikation verwendeten Worte der Beschreibung und nicht der Beschränkung. Es versteht sich, dass verschiedene Änderungen ohne Abweichen vom Geist und Umfang der Erfindung vorgenommen werden können. Zusätzlich können die Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen, Variationen und Verfeinerungen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden.

Claims

Strömungsfeld für eine Brennstoffzelle, das Strömungsfeld umfassend: eine erste Metallplatte, die eine erste Öffnung zum Bereitstellen eines ersten Reaktionsgases an eine Brennstoffzelle definiert, eine erste Metallwulst, welche die erste Öffnung umgibt, wobei die erste Metallwulst eine Verfeinerung in der ersten Metallplatte ist, die einen ersten Kanal definiert, eine erste Vielzahl von Tunneln, die einen Kanal in und aus der ersten Metallwulst vorsehen, wobei jeder Tunnel der ersten Vielzahl von Tunneln einen Tunneleingangsabschnitt aufweist, der zum ersten Kanal führt, und einen Tunnelausgangsabschnitt aufweist, der sich aus der ersten Metallwulst erstreckt, um das erste Reaktionsgas an erste Reaktionsgasströmungskanäle vorzusehen, die durch die erste Metallplatte definiert sind, wobei der Tunneleingangsabschnitt versetzt vom Tunnelausgangsabschnitt angeordnet ist; und eine zweite Metallplatte, die auf der ersten Metallplatte ausgerichtet ist.
Strömungsfeld nach Anspruch 1, worin der Tunnelausgangsabschnitt vom Tunneleingangsabschnitt um einen Versatzabstand versetzt ist, der das 0,2 bis 2-fache der durchschnittlichen Basisbreite der ersten Vielzahl von Tunneln ist.
Strömungsfeld nach Anspruch 1, worin der Tunnelausgangsabschnitt vom Tunneleingangsabschnitt um einen Versatzabstand versetzt ist, der die Hälfte der durchschnittlichen Basisbreite der ersten Vielzahl von Tunneln ist.
Strömungsfeld nach Anspruch 1, worin der Tunneleingangsabschnitt und der Tunnelausgangsabschnitt jeweils einen trapezförmigen Querschnitt mit einer geöffneten Basisseite aufweisen.
Strömungsfeld nach Anspruch 1, worin der Tunneleingangsabschnitt und der Tunnelausgangsabschnitt jeweils einen gebogenen Querschnitt mit einer geöffneten Basisseite aufweisen.
Strömungsfeld nach Anspruch 5, worin der gebogene Querschnitt mindestens zwei Nocken auf einer Seite aufweist, die eine Dichtwulst kontaktieren.
Strömungsfeld nach Anspruch 1, worin die zweite Metallplatte eine zweite Öffnung zum Bereitstellen eines zweiten Reaktionsgases an eine Brennstoffzelle definiert, eine zweite Metallwulst, die die zweite Öffnung umgibt, wobei die zweite Metallwulst eine Prägung ist, die einen zweiten Kanal definiert, eine zweite Vielzahl von Tunneln, die einen Kanal in die und aus der zweiten Metallwulst vorsehen, wobei jeder Tunnel der zweiten Vielzahl von Tunneln einen Tunneleingangsabschnitt aufweist, der zum zweiten Kanal führt, und einen Tunnelausgangsabschnitt aufweist, der sich aus der zweiten Metallwulst erstreckt, um das zweite Reaktionsgas an zweite Reaktionsgasströmungskanäle vorzusehen, die durch die zweite Metallplatte definiert sind, wobei der Tunneleingangsabschnitt versetzt vom Tunnelausgangsabschnitt angeordnet ist.
Strömungsfeld nach Anspruch 1, worin die erste Metallplatte ferner einen Kühlkanal für strömendes Kühlmittel definiert.
Strömungsfeld nach Anspruch 1, worin die erste Metallwulst mit einem weichen Material beschichtet ist.
Brennstoffzelle, umfassend das Strömungsfeld nach Anspruch 1.