DE102018101059A1

DE102018101059A1 - Sammelleitungskonstruktion, die allgemein regelmäßige Formen verwendet

Info

Publication number: DE102018101059A1
Application number: DE102018101059.1A
Authority: DE
Inventors: Masaaki Sakano; Xi Yang; Liang Xi; Siguang Xu; Joseph N. Lovria; Jeffrey D. Williams; Yu TOMANA; Kentaro Ishida
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-02-17
Filing date: 2018-01-18
Publication date: 2018-08-23
Also published as: CN108461774A; JP2018133337A; CN108461774B; US20180241055A1; JP7016719B2; US10529996B2

Abstract

Eine Platte umfasst eine Arbeitsfläche und einen Sammelleitungsabschnitt. Die Arbeitsfläche definiert eine Vielzahl von Reaktandenkanälen darauf. Der Sammelleitungsabschnitt ist in einem Umfangsbereich der Platte angeordnet und umfasst eine Mehrzahl von Flanschen und eine Mehrzahl von Wülsten. Die Flansche sind an dem Sammelleitungsabschnitt angeordnet und definieren eine Mehrzahl von Öffnungen durch die Platte. Jeder Flansch definiert eine jeweilige der Öffnungen. Mindestens eine der Öffnungen ist mit den Reaktandenkanälen fluidtechnisch verbunden. Die Mehrzahl von Wülsten ist auf der Arbeitsfläche angeordnet. Jeder Wulst ist um eine jeweilige der Öffnungen herum angeordnet und definiert dadurch jeweils einen der Flansche. Jeder Wulst definiert eine Form, die aus Wulstecken und Wulstseiten besteht. Jede Wulst hat eine Dichtoberfläche darauf. Die Dichtoberfläche ist so konfiguriert, dass sie sich verbiegt, wenn sie einem Kontaktdruck ausgesetzt wird, um dadurch eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung bereitzustellen.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung bezieht sich auf die gleichzeitig anhängige US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 15 / 436,205, eingereicht am 17. Februar 2017, mit dem Titel „Design of Header Flange to Evenly Distribute Contact Pressure Across Seals“ (Anwaltsaktenzeichen. P037735-US-NP / GM4412PUS), auf die hierin in ihrer Gesamtheit Bezug genommen wird.
Einführung
Die Offenbarung bezieht sich auf das Gebiet der Brennstoffzellen und insbesondere auf Sammelleitungsabschnitte, die regelmäßige Formen verwenden.
Brennstoffzellensysteme können als Energiequelle in einer breiten Mehrzahl von Anwendungen zur Bereitstellung von elektrischer Energie verwendet werden. Die erzeugte elektrische Energie kann sofort verwendet werden, um eine Vorrichtung, wie einen Elektromotor anzutreiben. Zusätzlich oder alternativ kann die erzeugte elektrische Energie zur späteren Verwendung gespeichert werden, indem beispielsweise Batterien verwendet werden.
In einigen Anwendungen sind Brennstoffzellen in stationären Anordnungen integriert, um Gebäude, Wohnungen und dergleichen mit elektrischer Energie zu versorgen. In einigen Anwendungen sind Brennstoffzellen in Vorrichtungen wie Smartphones, Videokameras, Computern und dergleichen eingebaut. In einigen Anwendungen werden Brennstoffzellen in Fahrzeuge eingebaut, um die Antriebskraft bereitzustellen oder zu ergänzen.
Brennstoffzellensysteme umfassen im Allgemeinen Brennstoffzellen, die in einem Brennstoffzellenstapel angeordnet sind. Der Brennstoffzellenstapel, der mehr als einhundert Platten enthalten kann, wird komprimiert, um einen Kontaktdruck auf Dichtungen zwischen benachbarten Komponenten des Brennstoffzellenstapels auszuüben, um ein Austreten von durch ihn strömenden Fluiden zu verhindern. Zum Beispiel verringert eine Kühlmittelmischung der Reaktanden oder der Reaktanden, die sich von den aktiven Bereichen der Brennstoffzellen wegvermischen, die Effektivität des Brennstoffzellenstapels. Aufgrund der Anzahl der Komponenten werden selbst geringfügige Unterschiede in der Kontaktdruckverteilung entlang der Dichtungen über den Stapel verstärkt, was die Bildung von fluiddichten Dichtungen verhindern kann.
Dementsprechend wäre es vorteilhaft, den Kontaktdruck gleichmäßig über Dichtungen des Brennstoffzellenstapels zu verteilen.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Platte eine Arbeitsfläche und einen Sammelleitungsabschnitt. Die Arbeitsfläche definiert eine Mehrzahl von Reaktandenkanälen darauf. Der Sammelleitungsabschnitt ist in einem Umfangsbereich der Platte angeordnet und umfasst eine Mehrzahl von Flanschen und eine Mehrzahl von Wülsten. Die Mehrzahl von Flanschen ist an dem Sammelleitungsabschnitt angeordnet. Die Mehrzahl von Flanschen definiert eine Mehrzahl von Öffnungen durch die Platte. Jeder der Mehrzahl von Flanschen definiert eine jeweilige der Mehrzahl von Öffnungen. Mindestens eine der Mehrzahl von Öffnungen ist fluidmäßig mit der Mehrzahl von Reaktandenkanälen verbunden. Die Mehrzahl von Wülsten ist auf der Arbeitsfläche angeordnet. Jede der Mehrzahl von Wülsten ist um eine jeweilige der Mehrzahl von Öffnungen angeordnet und definiert dadurch einen jeweiligen der mehreren Flansche. Jede der Mehrzahl von Wülsten definiert eine Form, die aus Wulstecken und Wulstseiten besteht. Jede der Mehrzahl von Wülsten hat eine Dichtoberfläche darauf. Die Dichtoberfläche ist so konfiguriert, dass sie sich verbiegt, wenn sie einem Kontaktdruck ausgesetzt wird, um dadurch eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung bereitzustellen.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist die Form im Allgemeinen hexagonal.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung definiert jede Wulstecke einen Winkel und jeden entsprechenden Winkel, der zwischen etwa 50 ° und etwa 70 ° misst.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung definiert jede Wulstkante einen Winkel, der ungefähr 60° misst.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung definiert jede Wulstecke einen jeweiligen Winkel und jeder jeweilige Winkel liegt innerhalb von etwa 10 ° von jedem anderen jeweiligen Winkel.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung sind die Wulstecken so konfiguriert, dass sie eine Kontaktdruckschwankung von weniger als etwa 50% entlang der Dichtoberfläche erzeugen.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung sind die Wulstecken so konfiguriert, dass sie eine Kontaktdruckschwankung von weniger als etwa 30% entlang der Dichtoberfläche erzeugen.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist jede der Wulstecken allgemein abgerundet.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung folgt jede der Wulstseiten einem Serpentinenweg.
Gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung umfasst ein System eine Platte, eine Komponente und ein Kompressionselement. Die Platte umfasst eine Arbeitsfläche und einen Sammelleitungsabschnitt, Die Arbeitsfläche definiert eine Mehrzahl von Reaktandenkanälen darauf. Der Sammelleitungsabschnitt ist in einem Umfangsbereich der Platte angeordnet. Der Sammelleitungsabschnitt umfasst eine Mehrzahl von Flanschen und eine Mehrzahl von Wülsten. Die Mehrzahl von Flanschen ist auf der Arbeitsfläche angeordnet. Die Mehrzahl von Flanschen definiert eine Mehrzahl von ersten Öffnungen durch die Platte. Jeder der Mehrzahl von Flanschen definiert eine jeweilige der mehreren ersten Öffnungen. Mindestens eine der Mehrzahl von ersten Öffnungen ist fluidmäßig mit der Mehrzahl von Reaktandenkanälen verbunden. Die Mehrzahl von Wülsten ist auf der Arbeitsfläche angeordnet. Jede der Mehrzahl von Wülsten ist um eine jeweilige der Mehrzahl von ersten Öffnungen angeordnet, um dadurch einen jeweiligen der Mehrzahl von Flanschen zu definieren. Jede der Mehrzahl von Wülsten definiert eine Form. Die Form besteht aus Wulstecken und Wulstseiten. Jede der Mehrzahl von Wülsten hat eine Dichtoberfläche darauf. Die Dichtoberfläche ist so konfiguriert, dass sie sich verbiegt, wenn sie einem Kontaktdruck ausgesetzt wird, um dadurch eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung bereitzustellen. Die Komponente liegt an der Platte an. Die Komponente enthält eine Mehrzahl von zweiten Öffnungen hindurch. Jede der mehreren zweiten Öffnungen ist mit einer jeweiligen der mehreren ersten Öffnungen ausgerichtet. Das Kompressionselement ist konfiguriert, um eine Kompressionskraft auf die Platte auszuüben, um dadurch den Kontaktdruck zu erzeugen.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung umfasst die Komponente ferner eine zweite Arbeitsfläche. Die zweite Arbeitsfläche weist eine Mehrzahl von darauf angeordneten zweiten Wülsten auf. Jede der Mehrzahl von zweiten Wülsten ist um eine jeweilige der Mehrzahl von zweiten Öffnungen herum angeordnet. Jede der mehreren zweiten Wülste definiert die Form.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist die zweite Arbeitsfläche in der Nähe der Arbeitsfläche angeordnet, wobei jede der Mehrzahl von zweiten Wülsten eine zweite Dichtoberfläche daran aufweist und die Komponente an der Platte anliegt, wenn die zweite Dichtoberfläche die Dichtoberfläche berührt, um den Kontaktdruck dazwischen zu erzeugen.
Gemäß weitere Aspekte der vorliegenden Offenbarung umfasst die Platte ferner eine erste hintere Fläche gegenüber der Arbeitsfläche und die Komponente umfasst ferner eine zweite hintere Fläche. Die zweite hintere Fläche ist an der ersten hinteren Fläche angebracht. Die erste hintere Fläche und die zweite hintere Fläche definieren eine Mehrzahl von Kühlmittelkanälen zwischen der Platte und der Komponente. Die Mehrzahl von Kühlmittelkanälen ist fluidmäßig mit wenigstens einer anderen der Mehrzahl von ersten Öffnungen verbunden.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung definiert jede Wulstecke einen Winkel und jeder Winkel misst zwischen etwa 50 ° und etwa 70 °.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung sind die Wulstecken so konfiguriert, dass sie eine Kontaktdruckschwankung von weniger als etwa 30% entlang der Dichtoberfläche erzeugen.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist die Komponente eine vereinheitlichte Elektrodenbaugruppe.
Gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Brennstoffzellenstapel eine erste Platte, eine zweite Platte, eine vereinheitlichte Elektrodenbaugruppe und ein Kompressionselement. Die erste Platte umfasst eine erste Arbeitsfläche und einen ersten Sammelleitungsabschnitt. Die erste Arbeitsfläche definiert eine Mehrzahl von ersten Reaktandenkanälen darauf. Der erste Sammelleitungsabschnitt ist in einem Umfangsbereich der ersten Platte angeordnet. Der erste Sammelleitungsabschnitt umfasst eine Mehrzahl von ersten Flanschen und eine Mehrzahl von ersten Kügelchen. Die Mehrzahl von ersten Flanschen ist an dem Sammelleitungsabschnitt angeordnet. Die Mehrzahl von ersten Flanschen definiert eine Mehrzahl von ersten Öffnungen durch die erste Platte. Jeder der mehreren ersten Flansche definiert eine jeweilige der mehreren ersten Öffnungen. Mindestens eine der Mehrzahl von ersten Öffnungen ist fluidmäßig mit der Mehrzahl von ersten Reaktandenkanälen verbunden. Die Mehrzahl von ersten Wülsten ist auf der ersten Arbeitsfläche angeordnet. Jede der Mehrzahl von ersten Wülsten ist um eine jeweilige der Mehrzahl von ersten Öffnungen herum angeordnet, um dadurch einen jeweiligen der Mehrzahl von ersten Flanschen zu definieren. Jede der mehreren ersten Wülste definiert eine Form. Die Form besteht aus Wulstecken und Wulstseiten. Jede der mehreren ersten Wülste weist eine erste Dichtoberfläche daran auf. Die erste Dichtoberfläche ist so konfiguriert, dass sie sich verbiegt, wenn sie einem Kontaktdruck ausgesetzt wird, um dadurch eine im Wesentlichen fluiddichte Dichtung bereitzustellen. Die zweite Platte umfasst eine zweite Arbeitsfläche und einen zweiten Sammelleitungsabschnitt. Die zweite Arbeitsfläche definiert eine Mehrzahl von zweiten Reaktandenkanälen darauf. Der zweite Sammelleitungsabschnitt ist in einem Umfangsbereich der zweiten Platte angeordnet. Der zweite Sammelleitungsabschnitt enthält eine Mehrzahl von zweiten Flanschen und eine Mehrzahl von zweiten Wülsten. Die Mehrzahl von zweiten Flanschen ist an dem zweiten Sammelleitungsabschnitt angeordnet. Die Mehrzahl von zweiten Flanschen definiert eine Mehrzahl von zweiten Öffnungen durch die zweite Platte. Jeder der Mehrzahl von zweiten Flanschen definiert eine jeweilige der Mehrzahl von zweiten Öffnungen. Mindestens eine der Mehrzahl von zweiten Öffnungen ist fluidmäßig mit der Mehrzahl von zweiten Reaktandenkanälen verbunden. Die Mehrzahl von zweiten Wülsten ist auf der zweiten Arbeitsfläche angeordnet. Jede der Mehrzahl von zweiten Wülsten ist um eine jeweilige der Mehrzahl von zweiten Öffnungen angeordnet, um dadurch einen jeweiligen der Mehrzahl von zweiten Flanschen zu definieren. Jede der mehreren zweiten Wülste definiert die Form. Die Form besteht aus Wulstecken und Wulstseiten. Jede der Mehrzahl von zweiten Wülsten weist eine zweite Dichtoberfläche darauf auf. Die zweite Dichtoberfläche ist so konfiguriert, dass sie sich biegt, wenn sie dem Kontaktdruck ausgesetzt wird, um dadurch eine im Wesentlichen fluiddichte Dichtung bereitzustellen. Die vereinheitlichte Elektrodenbaugruppe ist zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte angeordnet. Die vereinheitlichte Elektrodenbaugruppe umfasst eine erste Seite, die die Mehrzahl von ersten Reaktandenkanälen kontaktiert, und eine zweite Seite, die die Mehrzahl von zweiten Reaktandenkanälen kontaktiert. Das Kompressionselement ist konfiguriert, um eine Kompressionskraft auf die erste Platte, die zweite Platte und die vereinheitlichte Elektrodenbaugruppe auszuüben. Die Kompressionskraft ist konfiguriert, um den Kontaktdruck auf die Mehrzahl von ersten Wülsten und die Mehrzahl von zweiten Wülsten auszuüben.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung definiert jede Wulstecke einen Winkel, wobei jeder Winkel zwischen etwa 50 ° und etwa 70 ° misst.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung definiert jede Wulstkante einen Winkel, der ungefähr 60° misst.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist die Form ein Sechseck.
Die obigen Merkmale und Vorteile und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der vorliegenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen leicht deutlich werden.
Figurenliste
Die beigefügten Zeichnungen dienen der Veranschaulichung und sollen den durch die Ansprüche definierten Gegenstand nicht einschränken. Beispielhafte Aspekte sind in der folgenden detaillierten Beschreibung diskutiert und in den beigefügten Zeichnungen gezeigt, in denen:

1 eine schematische Explosionsansicht eines Brennstoffzellenstapels gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist;
2 eine schematische Draufsicht auf eine monopolare Platte des Brennstoffzellenstapels von 1 gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist;
3 eine schematische Querschnittsdarstellung der Platte von 2 ist;
4 eine schematische isometrische Ansicht einer Bipolarplatte ist, die in einem Teilquerschnitt gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung gezeigt ist;
5 eine schematische Draufsicht eines beispielhaften Sammelleitungsabschnitts ist, der im Allgemeinen regelmäßige Formen gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung verwendet;
6 eine schematische Draufsicht eines weiteren beispielhaften Sammelleitungsabschnitts ist, der im Allgemeinen regelmäßige Formen gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung verwendet;
7 ein Graph ist, der Kontaktdruckwahrscheinlichkeitsverteilungen für Sammelleitungsabschnitte vergleicht, die allgemein regelmäßige Formen und Sammelleitungsabschnitte verwenden, die nichtregelmäßige Formen verwenden.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
1 ist eine Explosionsansicht eines Brennstoffzellenstapels 10. Der Brennstoffzellenstapel 10 umfasst eine Mehrzahl von Platten 12, mindestens eine vereinheitlichte Elektrodenbaugruppe 14 und ein Kompressionselement 16. Die Mehrzahl von Platten 12 kann jede geeignete Kombination von Platten 12 umfassen. Zum Beispiel kann die Mehrzahl von Platten 12 Endplatten 18, monopolare Platten 20 (in 2 detaillierter gezeigt) und / oder bipolare Platten 22 (detaillierter in 4 gezeigt) umfassen. Gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung können einige oder alle Dichtungen zwischen der Mehrzahl von Platten 12, der mindestens einen vereinheitlichten Elektrodenbaugruppe 14 und dem Kompressionselement 16 so konfiguriert sein, dass sie den Kontaktdruck über die Dichtungen gleichmäßig verteilen, indem sie regelmäßige Sammelleitungsformen, wie hierin beschrieben, verwenden.
Die Endplatten 18 sind an der Ober- und Unterseite des Brennstoffzellenstapels 10 angeordnet. Die Endplatten 18 umfassen Brennstoffeinlässe 24a, Brennstoffauslässe 24c, Oxidationsmitteleinlässe 26a, Oxidationsmittelauslässe 26c, Kühlmitteleinlässe 28a und Kühlmittelauslässe 28c, die darauf angeordnet sind. Wie hierin verwendet, können sich „Fluide“ auf Brennstoffe, Oxidationsmittel, Kühlmittel oder eine beliebige Kombination davon beziehen, wie es der Kontext vorgibt, und „Reaktanden“ können sich je nach Kontext auf Brennstoffe, Oxidationsmittel oder beides beziehen. Zum Beispiel können sich „Fluideinlässe 24a, 26a, 28a“ auf irgendeinen oder alle Brennstoffeinlässe 24a, Oxidationsmitteleinlässe 26a oder Kühlmitteleinlässe 28a beziehen, wie es der Kontext vorgibt, und „Reaktandenkanäle 24b, 26b“ können sich auf eines oder beide von Brennstoffkanälen 24b und Oxidationsmittelkanälen 26b beziehen, wie es der Kontext vorgibt. Es wird in Betracht gezogen, dass bestimmte der Fluideinlässe 24a, 26a, 28a und Fluidauslässe 24c, 26c, 28c auf einer Endplatte 18 angeordnet sein können, wobei die verbleibenden Fluideinlässe 24a, 26a, 28a und Fluidauslässe 24c, 26c, 28c sich an der gegenüberliegenden Endplatte 18 befinden.
Die vereinheitlichte Elektrodenbaugruppe 14 umfasst eine Brennstoffzelle 30, die zwischen Diffusionsmedien 32 angeordnet ist. Die Brennstoffzelle 30 kann beispielsweise eine Membranelektrodenbaugruppe sein, die eine zwischen einer Kathode und einer Anode angeordnete Membran umfasst. Die Membran kann beispielsweise eine Protonenaustauschmembran sein. Die Kathode und die Anode können beispielsweise einen feinteiligen Katalysator enthalten, der auf Kohlenstoffpartikeln getragen wird und mit einem lonomer gemischt ist. Gemäß einigen Aspekten ist der Katalysator Platin.
Die Diffusionsmedien 32 sind poröse Schichten, die die Zufuhr von Reaktanden zu der Brennstoffzelle 30 erleichtern. Die Reaktanden können jede geeignete Kombination aus Brennstoff und Oxidationsmittel umfassen. Zum Beispiel kann der Brennstoff Wasserstoff sein und das Oxidationsmittel kann Sauerstoff sein. In einer Wasserstoffbrennstoffzelle 30 reagieren Wasserstoff und Sauerstoff unter Erzeugung von Elektrizität mit Wärme und Wasser als Nebenprodukten. Es können beispielsweise andere Brennstoffe verwendet werden, wie beispielsweise Erdgas, Methanol, Benzin und von Kohle abgeleitete synthetische Brennstoffe. Gemäß einigen Aspekten ist das Diffusionsmedium 32 an einer Oberfläche der Brennstoffzelle 30 unter Verwendung von Laminierung, Adhäsion oder irgendeinem anderen geeigneten Verfahren angebracht. Gemäß einigen Aspekten grenzt das Diffusionsmedium 32 an die Oberfläche der Brennstoffzelle an, haftet jedoch nicht daran. Zum Beispiel kann das Diffusionsmedium 32 an der Oberfläche der Brennstoffzelle 30 angeordnet sein und durch ein Halteelement 34 an Ort und Stelle gehalten werden. Das Halteelement 34 kann beispielsweise eine Dichtung sein.
Das Kompressionselement 16 übt eine Kompressionskraft auf den Brennstoffzellenstapel 10 entlang der Stapelrichtung aus. Die Kompressionskraft sichert die Platten 12 und die Brennstoffzellen 30 in Position durch einen Kontaktdruck zwischen benachbarten Komponenten. Gemäß einigen Aspekten umfasst das Kompressionselement 16 eine Mehrzahl von Gewindestangen, die mit Strukturen an den Endplatten 18 in Eingriff kommen. Durch Festziehen der Gewindestangen wird eine Kompressionskraft auf ein gewünschtes Niveau entlang der Stapelrichtung erhöht, was dazu führt, dass ein Kontaktdruck entlang Dichtungen zwischen benachbarten Komponenten verteilt wird. Gemäß einigen Aspekten greifen die Kompressionselemente 16 in weniger als den gesamten Brennstoffzellenstapel 10 ein. Zum Beispiel können Kompressionselemente 16 in zwei benachbarte Platten 12 eingreifen, um eine Kompressionskraft auf die zwei Platten 12 auszuüben, oder können mit einer Anzahl benachbarter Platten 12 in Eingriff kommen, um eine Kompressionskraft auf die Anzahl benachbarter Platten 12 auszuüben.
2 ist eine Draufsicht auf eine beispielhafte monopolare Platte 20 des Brennstoffzellenstapels 10. Die monopolare Platte 20 ist eine im Allgemeinen ebene Tafel mit einer Arbeitsfläche 36, einer der Arbeitsfläche gegenüberliegenden hinteren Fläche 38, Sammelleitungsabschnitten 40 und Wülsten 42. Die dargestellte monopolare Platte 20 ist ein Metallblech, das Strukturen darauf definiert. Die Strukturen werden durch Stanzen des Metallblechs gebildet. Es wird in Betracht gezogen, dass andere Materialien, wie etwa Kohlefasern und andere Verfahren zur Ausbildung, wie zum Beispiel Formen und additive Fertigung, verwendet werden können, um die monopolare Platte 20 zu bilden.
Die Reaktandenkanäle 24b, 26b sind auf der Arbeitsfläche 36 der monopolaren Platte 20 definiert. Die Reaktandenkanäle 24b, 26b einer bestimmten monopolaren Platte 20 sind entweder Brennstoffkanäle 24b oder Oxidationsmittelkanäle 26b. Die Reaktandenkanäle 24b, 26b verteilen das hindurchströmende Fluid über die Fläche einer benachbarten vereinheitlichten Elektrodenbaugruppe 14 oder Brennstoffzelle 30. Zum Beispiel verteilen die Brennstoffkanäle 24b Wasserstoff an die Anode der Brennstoffzelle 30 und die Oxidationsmittelkanäle 26b verteilen Sauerstoff an die Kathode der Brennstoffzelle 30.
Der Sammelleitungsabschnitt 40 ist in einem Umfangsbereich der monopolaren Platte 20 angeordnet und definiert eine Mehrzahl von Öffnungen 44, die sich durch die monopolare Platte 20 erstrecken. Die Öffnungen 44 ermöglichen, dass Fluid von einer Seite der monopolaren Platte 20 zu der anderen Seite der monopolaren Platte 20 fließt.
Die Wülste 42 erstrecken sich von der Arbeitsfläche 36 der monopolaren Platte 20. Mindestens ein Wulst 42 ist entlang eines Umfangs der Arbeitsfläche 36 der monopolaren Platte 20 angeordnet, um ein Austreten von Fluid von beispielsweise den Reaktandenkanälen 24b, 26b zur Außenseite der monopolaren Platte 20 zu verhindern (z. B. in die Umgebung oder in den Brennstoffzellenstapel 10 austreten). Zusätzliche Wülste 42 sind benachbart zu jeder Öffnung 44 angeordnet und umgeben diese. Die Wülste 42, die jede Öffnung umgeben, verhindern ein Austreten von Fluid von der Öffnung zu den Fluidkanälen 24b, 26b, 28b der monopolaren Platte 20. Zum Beispiel hemmt der Wulst 42, der eine Öffnung 44 umgibt, durch die Kühlmittel strömt, das Eindringen des Kühlmittels in die Reaktandenkanäle 24b, 26b der monopolaren Platte 20 und das Vermischen mit dem hindurchströmenden Reaktanden. Es wird in Betracht gezogen, dass ein Wulst 42 mehr als eine Öffnung 44 umgeben kann.
Optional können die Kühlmittelkanäle 28b auf der Rückseite 38 der monopolaren Platte 20 definiert sein. Die Kühlmittelkanäle 28b verteilen das hindurchströmende Kühlmittel über die hintere Fläche 38 der monopolaren Platte 20, um während der chemischen Reaktion erzeugte Wärme zu entfernen. Zusätzlich können die Kühlmittelkanäle 28b dazu verwendet werden, Wärme an die Brennstoffzellen 30 zu liefern, um die chemische Reaktion beispielsweise in kalten Betriebsbedingungen zu erleichtern. Es wird in Betracht gezogen, dass sich die Wülste 42 und andere Merkmale von der hinteren Fläche 38 der monopolaren Platte 20 erstrecken können.
3 ist eine Querschnittsdarstellung des Wulstes 42 der monopolaren Platte 20 entlang der Linie 3-3. Der Wulst 42 definiert eine allgemein bogenförmige Form. Der Wulst 42 definiert eine Dichtoberfläche 46 an der Arbeitsfläche 36. Die Dichtoberfläche 46 ist so konfiguriert, dass sie eine Komponente berührt, die an die Arbeitsfläche 36 der monopolaren Platte 20 angrenzt. Die Dichtoberfläche 46 bildet eine fluiddichte Dichtung mit der benachbarten Komponente, wenn der Kontaktdruck an allen Punkten auf der Wulst 42 eine bestimmte Schwelle überschreitet.
Die Wülste 42 bilden eine elastische Struktur, die sich ablenkt, wenn Druck ausgeübt wird. Die Ablenkung erhöht den Abschnitt der Dichtoberfläche 46 in Kontakt mit der benachbarten Komponente. Während der dargestellte Wulst 42 im Querschnitt allgemein gekrümmt ist, wird in Betracht gezogen, dass andere Formen verwendet werden können. In einigen nicht einschränkenden Beispielen ist das Querschnittsprofil des Wulstes 42 im Allgemeinen rechteckig, im Allgemeinen trapezförmig, im Allgemeinen lineare Seitenwände mit einem dazwischen spreizenden bogenförmigen Abschnitt, Kombinationen davon oder dergleichen. Ferner wird, während der dargestellte Wulst 42 im Allgemeinen symmetrisch ist, in Betracht gezogen, dass asymmetrische Wülste 42 verwendet werden können.
4 ist eine isometrische Ansicht der Bipolarplatte 22 im Teilquerschnitt. Bipolarplatten 22 können auf verschiedene Arten ausgebildet sein. Zum Beispiel können die hinteren Flächen 38 von zwei monopolaren Platten 20 zusammen platziert werden und die monopolaren Platten 20 können verbunden werden, um die bipolare Platte 22 zu bilden. Die Verbindung kann zum Beispiel durch Schweißen oder Verwendung eines Klebstoffs gebildet werden.
Die Bipolarplatte 22 umfasst eine erste Arbeitsfläche 36a gegenüber einer zweiten Arbeitsfläche 36b. Jede Arbeitsfläche 36 definiert Reaktandenkanäle 24b, 26b darauf. Zum Beispiel definiert die erste Arbeitsfläche 36a die Brennstoffkanäle 24b, während die zweite Arbeitsfläche 36b die Oxidationsmittelkanäle 26b definiert. Die gemeinsame Anordnung der Rückseiten 38 der zwei Monopolarplatten 20 führt dazu, dass die Kühlmittelkanäle 28b durch den Raum zwischen den zwei Monopolarplatten 20 definiert sind, wie es in 4 dargestellt ist.
Bipolarplatten 22 können auch unter Verwendung einer Mehrzahl von Verfahren, wie etwa 3D-Drucken, gebildet werden. Gemäß einigen Aspekten wird die Bipolarplatte 22 durch Prägen der Reaktandenkanäle 24b, 26b auf gegenüberliegenden Seiten einer einzelnen Tafel ohne das Vorhandensein von Kühlkanälen 28b dazwischen geformt.
Wenn der Brennstoffzellenstapel 10 zusammengebaut ist, sind die Öffnungen 44 in den Sammelleitungsabschnitten 40 jeder Platte 12 im Wesentlichen mit jeweiligen Öffnungen 44 benachbarter Platten 12 oder vereinheitlichten Elektrodenbaugruppen 14 ausgerichtet, um eine Mehrzahl von Einlassverteilern (nicht gezeigt) und eine Mehrzahl von Auslassverteilern (nicht gezeigt) zu bilden. Die Wülste 42 jeder Komponente werden gegen die Wulste 42 benachbarter Komponenten komprimiert, so dass fluiddichte Dichtungen gebildet werden, um eine Mehrzahl von Fluidströmungspfaden 24, 26, 28 zu definieren. Der Brennstoffströmungspfad 24 ist durch den Brennstoffeinlass 24a, einen Brennstoffeinlassverteiler (nicht gezeigt), Brennstoffkanäle 24b von jeweiligen Platten 12, einen Brennstoffauslassverteiler (nicht gezeigt) und Brennstoffauslass 24c definiert. Ähnlich ist ein Oxidationsmittelströmungspfad 26 durch den Oxidationsmitteleinlass 26a, einen Oxidationsmitteleinlassverteiler (nicht gezeigt), die Oxidationsmittelkanäle 26b und den Oxidationsmittelauslassverteiler (nicht gezeigt) und den Oxidationsmittelauslass 26c definiert. Der Kühlmittelströmungspfad 28 umfasst den Kühlmitteleinlass 28a, einen Kühlmitteleinlassverteiler (nicht gezeigt), die Kühlmittelkanäle 28b, einen Kühlmittelauslassverteiler (nicht gezeigt) und einen Kühlmittelauslass 28c.
Im Betrieb strömen mindestens zwei Fluide durch den Brennstoffzellenstapel 10 in separaten Fluidströmungspfaden 24, 26, 28. In einigen beispielhaften Brennstoffzellenstapeln 10 treten die Fluide in die Fluideinlässe 24a, 26a, 28a ein, strömen durch einen jeweiligen Verteiler entlang einer Umfangsseite des Brennstoffzellenstapels 10 und durchqueren die Komponenten in einer seitlichen Richtung über die Fluidkanäle 24b , 26b, 28b, fließen durch einen jeweiligen Verteiler auf einer gegenüberliegenden Umfangsseite des Brennstoffzellenstapels 10 und treten aus dem Brennstoffzellenstapel 10 über die Fluidauslässe 24c, 26c, 28c aus. In einigen Beispielen fließen mindestens zwei der Fluide in einer Gegenstromkonfiguration.
Eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung ist zwischen Komponenten des Brennstoffzellenstapels 10 ausgebildet, um ein unerwünschtes Mischen der durch den Brennstoffzellenstapel 10 strömenden Fluide zu verhindern. Diese im Wesentlichen fluiddichten Dichtungen werden durch Anlegen von Kontaktdruck an die Dichtoberflächen 46 gebildet. Es wird angenommen, dass Unterschiede in dem Kontaktdruck entlang der Dichtoberflächen 46 der Wülste 42 zu Lecks beitragen. Es wird auch angenommen, dass eine gleichmäßige Verteilung des Kontaktdrucks entlang der Dichtoberflächen 46 der Wülste 42 die Eigenschaften des Brennstoffzellenstapels 10 günstig beeinflussen kann. Zum Beispiel können Systeme, Komponenten und Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung die Dichtungswirksamkeit durch gleichmäßiges Verteilen des Kontaktdrucks über die Sammelleitungsabschnitte 40 der Platten 12 erhöhen. Ferner können Systeme, Komponenten und Verfahren, die mit der vorliegenden Offenbarung übereinstimmen, auch die Herstellungskosten von Bauteilen reduzieren, indem der Betrag an Kompressionskraft reduziert wird, der erforderlich ist, um einen angemessenen Kontaktdruck durch den Stapel aufrechtzuerhalten. Des Weiteren können Systeme, Komponenten und Verfahren, die mit der vorliegenden Offenbarung übereinstimmen, auch die Langlebigkeit des Brennstoffzellenstapels positiv beeinflussen, indem der maximale Kontaktdruck, der auf die Komponenten ausgeübt wird, reduziert wird.
Der Kontaktdruck, der auf die Dichtoberflächen 46 aufgebracht wird, resultiert aus der Kompressionskraft, die auf den Brennstoffzellenstapel 10 aufgebracht wird, und sollte über einem Schwellenpegel gehalten werden, um die im Wesentlichen fluiddichten Dichtungen aufrechtzuerhalten. Da der Brennstoffzellenstapel 10 eine wesentliche Anzahl von Komponenten umfassen kann, können sogar geringfügige Variationen in der Verteilung des Kontaktdrucks entlang der Wülste 42 stark verstärkt werden, wenn die Komponenten in dem Brennstoffzellenstapel 10 zusammengebaut werden.
Vorteilhafterweise kann die Kontaktdruckverteilung entlang der Dichtoberfläche 46 eines Wulstes 42 gleichmäßig verteilt werden, indem im Allgemeinen regelmäßige Formen in den Sammelleitungsabschnitten 40 verwendet werden. Es wird angenommen, dass die Verwendung von regelmäßigen Formen einen gleichmäßig verteilten Kontaktdruck entlang der Dichtoberfläche 46 durch Bereitstellen von geometrischen Merkmalen (z. B. Eckwinkeln) ergibt, die im Wesentlichen über den gesamten Sammelleitungsabschnitt 40 gleichmäßig sind.
5 ist eine schematische Draufsicht einer Platte 12 mit einem Sammelleitungsabschnitt 40a, der im Allgemeinen regelmäßige Formen anwendet. Die Platte 12 umfasst eine Arbeitsfläche 36, mehrere Reaktandenkanäle 24b, 26b, Sammelleitungsabschnitte 40a und einen Wulst 42, der im Allgemeinen um den Umfang der Platte 12 herum angeordnet ist.
Die Sammelleitungsabschnitte 40a sind an Enden der Platte 12 angeordnet. Die Sammelleitungsabschnitte 40a umfassen eine Mehrzahl von Wulsten 42 und eine Mehrzahl von Flanschen 50, die eine Mehrzahl von Öffnungen 44 durch die Platte 12 definieren. Jeder Flansch 50 ist zwischen einem Wulst 42 und einer entsprechenden Öffnung 44 mit einem Flanschrand 104 definiert, der die Öffnung 44 durch die Platte definiert. Jede der Öffnungen 44 ist so konfiguriert, dass ein Fluid dort hindurch fließen kann, und mindestens eine der Öffnungen 44 in jedem Sammelleitungsabschnitt 40a ist strömungstechnisch mit der Mehrzahl von Reaktandenkanälen 24b, 26b verbunden. Im Gebrauch strömen die Fluide durch jede der Öffnungen 44, so dass ein Reaktand, der durch die verbundene Öffnung 44 oder verbundenen Öffnungen 44 an einem Ende der Platte 12 strömt, in die Reaktandenkanäle 24b, 26b eintreten kann, das durch die Reaktandenkanäle 24b, 26b definierte Strömungsfeld durchquert und aus der Platte durch die verbundene Öffnung 44 oder verbundenen Öffnungen 44 an dem gegenüberliegenden Ende der Platte 12 austritt. Die Wulst 42, die um den Umfang der Platte 12 angeordnet ist, kann auch als eine äußere Wulst 42 bezeichnet werden, während die Wülste 42, die um die Flansche 50 angeordnet sind, als innere Wülste 42 bezeichnet werden können.
Die Wülste 42 sind konfiguriert, um eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung zwischen der Platte 12 und benachbarten Komponenten des Brennstoffzellenstapels 10 bereitzustellen. Jeder innere Wulst 42 ist um eine jeweilige der Öffnungen 44 angeordnet, um den jeweiligen Flansch 50 zu definieren.
Jede der Wülste 42 definiert eine jeweilige Form. Die Form kann beispielsweise ein Polygon sein, das aus den Wulstseiten 106 und den Wulstecken 108 besteht. Das Polygon kann eine beliebige Anzahl von Wulstseiten 106 und Wulstecken 108 aufweisen, wie zum Beispiel im Allgemeinen hexagonal, wie durch die regelmäßigen Sechsecke von 5 veranschaulicht ist. Die Wulstecken 108 definieren einen Winkel a. Der Winkel a ist durch eine erste Linie, die sich senkrecht zu einer ersten der Wulstseiten 106 erstreckt, und eine zweite Linie definiert, die sich senkrecht zu einer zweiten der Wulstseiten 106 erstreckt. Die erste Linie beginnt an einem Übergang zwischen der Wulstecke 108 und der ersten der Wulstseiten 106, und die zweite Linie beginnt an einem Übergang zwischen der Wulstecke 108 und der zweiten der Wulstseiten 106. In einigen Aspekten definiert jede Wulstecke einen Winkel a, der ungefähr 50° bis ungefähr 70° misst. In einigen Aspekten definiert jede Wulstecke einen Winkel α, der etwa 60° misst. Während das veranschaulichte Polygon im Allgemeinen hexagonal ist, wird in Betracht gezogen, dass andere polygonale Formen verwendet werden können. In einigen Aspekten umfasst die Form mehr als sechs Wulstecken 108 und jede Wulstecke 108 misst einen Winkel α innerhalb von etwa 10 ° von jedem anderen Winkel a.
Es wird in Betracht gezogen, dass der Sammelleitungsabschnitt 40 eine beliebige Anzahl von Flanschen 50 enthalten kann. Zum Beispiel kann eine Platte 12, die für den Betrieb mit zwei Reaktanden und einem Kühlmittel konfiguriert ist, einen Flansch 50 für das Kühlmittel, einen Flansch 50 für den ersten Reaktanden und einen Flansch 50 für den zweiten Reaktanden umfassen. Alternativ kann eine andere Platte 12, die für den Betrieb mit zwei Reaktanden und einem Kühlmittel konfiguriert ist, einen Flansch 50 für das Kühlmittel, zwei Flansche 50 für den ersten Reaktanden und einen Flansch 50 für den zweiten Reaktanden enthalten.
In einigen Aspekten ist die Wulstseite 106 im Allgemeinen linear und die Wulstecke 108 ist allgemein abgerundet. Während die Wulstkante 108 allgemein abgerundet ist, wird ein Durchschnittsfachmann leicht erkennen, dass die abgerundete Wulstecke 108 immer noch einen Winkel definieren würde. In einigen Aspekten weisen die Wulstseiten 106 Verstärkungsstrukturen oder" Schlängelungen " auf, die einem im Allgemeinen serpentinenförmigen Weg folgen. Diese Verstärkungsstrukturen sind konfiguriert, um das Auftauchen von Schwachstellen entlang gerader Bahnen der Wulst 42 zu verhindern, indem eine übermäßige Verformung der Wulst 42 verhindert wird, wenn die Platte 12 in dem Brennstoffzellenstapel 10 zusammengedrückt wird. Die Wulstseite 106 ist im Allgemeinen linear durch den Serpentinenweg. Bemerkenswerterweise teilen sich die „Schlängelungen“ entlang des Serpentinenweges einen bestimmten Radius, wobei erste Abschnitte nach innen zu dem Flansch 50 gerundet sind und zweite Abschnitte, die zwischen den ersten Abschnitten angeordnet sind, von dem Flansch 50 nach außen gerundet sind.
6 ist eine schematische Draufsicht einer Platte 12 mit einem Sammelleitungsabschnitt 40b, der im Allgemeinen regelmäßige Formen anwendet. Ähnlich wie in 5 gezeigt ist, umfasst die Platte 12 eine Arbeitsfläche 36, eine Mehrzahl von Reaktandenkanälen 24b, 26b, Sammelleitungsabschnitte 40b und einen Wulst 42, der im Allgemeinen um den Umfang der Platte 12 angeordnet ist.
Ähnlich wie in 5 sind die Sammelleitungsabschnitte 40b, die in 6 dargestellt sind, an Enden der Platte 12 angeordnet, und jede der Wülste 42 definiert eine jeweilige Form, wie etwa ein Polygon, das aus Wulstseiten 106 und Wulstecken 108 besteht. Die Polygone, die in 6 gezeigt sind, sind unregelmäßige Sechsecke. Diese unregelmäßigen Polygone können eine engere Gruppierung der Flansche 50 bereitstellen, wie z. B. die fünf Flansche 50, die in 6 dargestellt sind und den gleichen allgemeinen Raum einnehmen, wie die drei in Fig. 5dargestellten Flansche 50. Zusätzlich können die Flansche 50 versetzt sein, um eine engere Gruppierung der Flansche 50 zu ermöglichen.
Überraschenderweise gleichen die Sammelleitungsabschnitte 40, die regelmäßige Formen verwenden, Kontaktdrücke aus, die auf alle Wülste 42 des Sammelleitungsabschnitts 40 einschließlich der inneren Wülste 42 um den Flansch 50 und die äußeren Wülste 42 neben den inneren Wülsten 42 ausgeübt werden. In einigen Aspekten umfassen die regelmäßigen Formen Eckwinkel von etwa 60°, um die durch den Kontaktdruck ausgeübten Ecken mit verschiedenen Radien auszugleichen.
Verschiedene Wulstkonfigurationen können modelliert werden, um verschiedene Konfigurationen von Sammelleitungsabschnitten 40 zu vergleichen, beispielsweise Sammelleitungsabschnitte 40 mit zahlreichen Wulsteckenwinkeln, zahlreiche Wulsteckenradien und zahlreiche Merkmale zwischen Wulst 42 und Öffnung 44 zu vergleichen, um Federkonstanten für verschiedene Konfigurationen zu vergleichen und zu optimieren. Es wird angenommen, dass die Federkonstante im Allgemeinen abnimmt, wenn der Wulsteckenwinkel abnimmt. Zum Beispiel ist die Federkonstante für einen Wulst 42 mit einem Wulsteckenwinkel von 60° im Allgemeinen niedriger als die Federkonstante für den Wulst 42 mit einem Wulsteckenwinkel von 120°. Es wird ferner angenommen, dass die Federkonstante im Allgemeinen abnimmt, wenn der Wulsteckenradius zunimmt. Zum Beispiel ist die Federkonstante für eine Wulst 42 mit einem Wulsteckenradius von 15 mm im Allgemeinen niedriger als für die Wulst 42 mit einem Wulsteckenradius von 6 mm. Es wird zusätzlich angenommen, dass die Federkonstante für einen Wulst 42, der Merkmale (wie zusätzliche Wülste 42) zwischen dem Wulst 42 und der Öffnung 44 aufweist, im Allgemeinen niedriger ist als die Federkonstante für den Wulst 42, der keine Merkmale zwischen dem Wulst 42 und der Öffnung 44 aufweist. Zum Beispiel ist die Federkonstante für eine äußere Doppelwulst 42 (d.h. die äußerste Wulst 42 von zwei Wülsten 42 nahe dem modellierten Flansch 50) im Allgemeinen niedriger als die Federkonstante für einen einzelnen Wulst mit einem ähnlichen Wulsteckenradius und Wulsteckenwinkel.
Gemäß einem nicht einschränkenden Beispiel erzeugt das Modellieren der Federkonstante eines einzelnen inneren Wulstes 42 mit einem Radius von 6 mm eine Federkonstante von etwa 200 N/mm², wenn der Wulstwinkel etwa 120° beträgt, und eine Federkonstante von etwa 135 N/mm², wenn der Wulstwinkel etwa 60° beträgt. Gemäß einem nicht einschränkenden Beispiel erzeugt das Modellieren der Federkonstante eines doppelten äußeren Wulstes 42 mit einem Radius von 6 mm eine Federkonstante von etwa 180 N/mm², wenn der Wulstwinkel etwa 120° beträgt, und eine Federkonstante von etwa 95 N/mm², wenn der Wulstwinkel etwa 60° beträgt. Gemäß einem nicht einschränkenden Beispiel erzeugt das Modellieren der Federkonstante eines einzelnen inneren Wulstes 42 mit einem Radius von 10 mm eine Federkonstante von etwa 120 N/mm², wenn der Wulstwinkel etwa 120° beträgt, und eine Federkonstante von etwa 90 N/mm², wenn der Wulstwinkel etwa 60° beträgt. Gemäß einem nicht einschränkenden Beispiel erzeugt das Modellieren der Federkonstante einer doppelten äußeren Wulst 42 mit einem Radius von 10 mm eine Federkonstante von etwa 160 N/mm², wenn der Wulstwinkel etwa 120° beträgt, und eine Federkonstante von etwa 90 N/mm², wenn der Wulstwinkel etwa 60° beträgt. Gemäß einem nicht einschränkenden Beispiel erzeugt das Modellieren der Federkonstante eines einzelnen inneren Wulstes 42 mit einem Radius von 15 mm eine Federkonstante von etwa 90 N/mm², wenn der Wulstwinkel etwa 120° beträgt, und eine Federkonstante von etwa 80 N/mm², wenn der Wulstwinkel etwa 60° beträgt. Gemäß einem nicht einschränkenden Beispiel erzeugt das Modellieren der Federkonstante eines doppelten äußeren Wulstes 42 mit einem Radius von 15 mm eine Federkonstante von etwa 130 N/mm², wenn der Wulstwinkel etwa 120° beträgt, und eine Federkonstante von etwa 90 ° N/mm², wenn der Wulstwinkel etwa 60° beträgt.
Wie zu sehen ist, zeigen die modellierten Beispiele, dass die Federkonstanten für Wülste 42 verschiedener Radien und Wulstarten zu konvergieren beginnen, wenn sich die Wulsteckenwinkel von größeren Wulsteckenwinkeln 60° annähern. Insbesondere ist die Variation der Federkonstanten für die Wülste 42 verschiedener Radien und Konfigurationen bei 60° viel enger als die Variation der Federkonstanten für die Wülste 42 bei 120°. Beispielsweise variieren die Federkonstanten für die oben modellierten und beschriebenen Wülste 42 zwischen etwa 200 N/mm² und etwa 90 N/mm² bei 120°, während die Federkonstanten für die oben modellierten und beschriebenen Wülste 42 zwischen etwa 135 N/mm² und etwa 80 N/mm² bei 60° variieren. Insbesondere liegen die Federkonstanten für eine Teilmenge der oben modellierten und beschriebenen Wülste 42, nämlich einen einzelnen Wulst mit einem Radius von 6 mm, einen doppelten Wulst mit einem Radius von 6 mm, einen doppelten Wulst mit einem Radius von 10 mm und einen doppelten Wulst mit einem Radius von 15 mm innerhalb von etwa 10 N/mm². Dieser im Allgemeinen enge Bereich von Federkonstanten trägt zu einer Kontaktdruckverteilung entlang der Dichtoberflächen 46 der Wülste 42 bei. Vorteilhafterweise ermöglichen Flansche 50 mit Wülsten 42 mit Wulstecken zwischen 50° und 70°, dass mehr Tunnel gebildet werden, die den Flansch 50 mit den Reaktandenkanälen 24b, 26b verbinden, als Flansche mit Wülsten, die allgemein gekrümmte Grenzen haben.
Wie man ebenfalls sieht, haben die Trendlinien unterschiedliche Steigungen, und daher kann die Spreizung der Federkonstanten möglicherweise nicht kleiner als ein von Null verschiedener Minimalwert werden, da die Linien beginnen, voneinander wegzulaufen. Da die Winkel der Wulstecken schmal sind, werden außerdem Konstruktionsbeschränkungen wie die Umfangsdistanz für die Tunnel, die die Reaktandenkanäle 24b, 26b von den jeweiligen Flanschen 50 zuführen, sowie die Positionierung der Flansche 50 weniger günstig als Wulstecken von größeren Winkeln, wie zum Beispiel Winkel zwischen 50 ° und 70 °.
7 ist ein Graph, der Kontaktdruckwahrscheinlichkeitsverteilungen für Sammelleitungsabschnitte, die nicht regelmäßige Formen verwenden, die durch die Linie 802 dargestellt sind, und Sammelleitungsabschnitte vergleicht, die im Allgemeinen regelmäßige Formen verwenden, die durch die Linie 804 dargestellt sind. Die Kästen des Kontaktdrucks sind in MPa angegeben, und der Prozentsatz der Wulste, die jeden Kasten belegen, wird durch die Höhe des jeweiligen Balkens veranschaulicht. Die Linie 806 stellt die Kontaktdruckverteilung von Sammelleitungen dar, die unregelmäßige Formen verwenden, während die Linie 808 die Kontaktdruckverteilung von Sammelleitungen darstellt, die regelmäßige Formen verwenden. Wie zu sehen ist, ist die Kontaktdruckverteilung 808 von Sammelleitungen, die regelmäßige Formen verwenden, wesentlich schmaler als die Kontaktdruckverteilung 806 von Sammelleitungen, die nicht regelmäßige Formen verwenden. Wie man ebenfalls sehen kann, ist die Wahrscheinlichkeit, dass Punkte entlang der Dichtoberfläche 46 Kontaktdrücken ausgesetzt sind, die von dem Median abweichen (z. B. solche unter 2,8 MPa "und solche über 5,2 MPa), signifikant verringert. Diese verengte Verteilung und verringerte Wahrscheinlichkeit sorgt für weniger Lecks entlang der Dichtoberflächen 46 bei einer gegebenen Kompressionskraft für den Brennstoffzellenstapel 10, da weniger Abschnitte der Wülste 42 einem Kontaktdruck unterhalb der Dichtungsschwelle ausgesetzt sind.
In einigen Aspekten sind Wulstecken so konfiguriert, dass sie eine Kontaktdruckschwankung von weniger als etwa 50% entlang der Dichtoberfläche erzeugen. In einigen Aspekten sind die Wulstecken so konfiguriert, dass sie eine Kontaktdruckschwankung von weniger als etwa 30% entlang der Dichtoberfläche erzeugen. In einigen Aspekten sind die Wulstecken so konfiguriert, dass sie eine Kontaktdruckschwankung von weniger als etwa 15% entlang der Dichtoberfläche erzeugen.
Es wird in Betracht gezogen, dass der Wulst 42, der im Allgemeinen um den Umfang der Platte angeordnet ist (auch als der äußere Wulst bezeichnet), einen Pfad definieren kann, der den äußeren Wulst zwischen den Wülsten 42 der Mehrzahl von Flanschen 50 in dem Sammelleitungsabschnitt 40 einfügt. Zum Beispiel kann der äußere Wulst Abschnitte der Flansche 50 auf serpentinenartige Weise umgeben, so dass der äußere Wulst in einem Raum zwischen einem ersten Flansch 50 und einem äußeren Flansch der Platte 12, einem Raum zwischen dem ersten Flansch 50 und einem zweiten Flansch 50, einem Raum zwischen dem zweiten Flansch und den Reaktandenkanälen 24b, 26b, einem Raum zwischen dem zweiten Flansch 50 und einem dritten Flansch 50, einem Raum zwischen dem dritten Flansch 50 und dem äußeren Rand der Platte 12 angeordnet ist. Es wird in Betracht gezogen, dass dieser Serpentinenpfad auch so konfiguriert werden kann, dass er dazu beiträgt, den Kontaktdruck entlang der Dichtoberflächen 46 der Wülste gleichmäßig zu verteilen.
Während die besten Moden zur Ausführung der Offenbarung detailliert beschrieben worden sind, erkennt der Fachmann verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zur Ausführung der Offenbarung innerhalb des Schutzumfangs der angefügten Ansprüche.

Claims

Platte umfassend: eine Arbeitsfläche, die eine Mehrzahl von Reaktandenkanälen darauf definiert; einen Sammelleitungsabschnitt, der in einem Umfangsbereich der Platte angeordnet ist, wobei der Sammelleitungsabschnitt umfasst: eine Mehrzahl von darauf angeordneten Flanschen, wobei die Mehrzahl von Flanschen eine Mehrzahl von Öffnungen durch die Platte definiert, wobei jeder der Mehrzahl von Flanschen eine jeweilige der Mehrzahl von Öffnungen definiert, wobei mindestens eine der Mehrzahl von Öffnungen fluidtechnisch mit der Mehrzahl von Reaktandenkanälen verbunden ist; und eine Mehrzahl von Wülsten, die auf der Arbeitsfläche angeordnet sind, wobei jede der Mehrzahl von Wülsten um eine jeweilige der Mehrzahl von Öffnungen angeordnet ist, wodurch ein jeweiliger der mehreren Flansche definiert wird, wobei jede der Mehrzahl von Wülsten eine Form definiert, die aus Wulstecken und Wulstseiten besteht, wobei jede der Mehrzahl von Wülsten eine Dichtoberfläche darauf aufweist, wobei die Dichtoberfläche so konfiguriert ist, dass sie sich biegt, wenn sie einem Kontaktdruck ausgesetzt wird, um dadurch eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung bereitzustellen.
Platte nach Anspruch 1, wobei jede Wulstkante einen Winkel definiert, wobei jeder jeweilige Winkel zwischen etwa 50° und etwa 70° liegt.
Platte nach Anspruch 1, wobei: jede Wulstecke einen jeweiligen Winkel definiert; und jeder jeweilige Winkel innerhalb von etwa 10° von jedem anderen entsprechenden Winkel liegt.
Platte nach Anspruch 1, wobei die Wulstecken so konfiguriert sind, dass sie eine Kontaktdruckschwankung von weniger als etwa 30% entlang der Dichtoberfläche erzeugen.
System umfassend: eine Platte mit: einer Arbeitsfläche, die eine Mehrzahl von Reaktandenkanälen darauf definiert; und einem Sammelleitungsabschnitt, der in einem Umfangsbereich der Platte angeordnet ist, wobei der Sammelleitungsabschnitt umfasst: eine Mehrzahl von Flanschen, die darauf angeordnet sind, wobei die Mehrzahl von Flanschen eine Mehrzahl von ersten Öffnungen durch die Platte definiert, wobei jeder der Mehrzahl von Flanschen eine jeweilige der Mehrzahl von ersten Öffnungen definiert, wobei wenigstens eine der Mehrzahl von ersten Öffnungen mit der Mehrzahl von Reaktandenkanälen in Fluidverbindung steht; und eine Mehrzahl von Wülsten, die auf der Arbeitsfläche angeordnet sind, wobei jede der Mehrzahl von Wülsten um eine jeweilige der Mehrzahl von ersten Öffnungen angeordnet ist, wodurch ein jeweiliger der Mehrzahl von Flanschen definiert wird, wobei jeder der Mehrzahl von Wülsten eine Form definiert, die aus Wulstecken und Wulstseiten besteht, wobei jede der Mehrzahl von Wülsten eine Dichtoberfläche darauf aufweist, wobei die Dichtoberfläche so konfiguriert ist, dass sie sich biegt, wenn sie einem Kontaktdruck ausgesetzt wird, um dadurch eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung bereitzustellen; eine Komponente, die an der Platte anliegt, wobei die Komponente eine Mehrzahl von zweiten Öffnungen hindurch enthält, wobei jede der Mehrzahl von zweiten Öffnungen mit einer jeweiligen der mehreren ersten Öffnungen ausgerichtet ist; und ein Kompressionselement, das konfiguriert ist, um eine Kompressionskraft auf die Platte auszuüben, um dadurch den Kontaktdruck zu erzeugen.
System nach Anspruch 5, wobei die Komponente ferner umfasst: eine zweite Arbeitsfläche mit einer Mehrzahl von darauf angeordneten zweiten Wülsten, wobei jede der Mehrzahl von zweiten Wülsten um eine jeweilige der Mehrzahl von zweiten Öffnungen angeordnet ist, wobei jede der Mehrzahl von zweiten Wülsten die Form definiert.
System nach Anspruch 6, wobei die zweite Arbeitsfläche in der Nähe der Arbeitsfläche angeordnet ist; wobei jede der Mehrzahl von zweiten Wülsten eine zweite Dichtoberfläche darauf umfasst; und wobei die Komponente an der Platte anliegt, wenn die zweite Dichtoberfläche die Dichtoberfläche berührt, um den Kontaktdruck dazwischen zu erzeugen.
System nach Anspruch 5, wobei jede Wulstkante einen Winkel definiert, wobei die Winkel zwischen etwa 50° und etwa 70° liegen.
System nach Anspruch 5, wobei die Wulstecken so konfiguriert sind, dass sie eine Kontaktdruckschwankung von weniger als etwa 30% entlang der Dichtoberfläche erzeugen.
Brennstoffzellenstapel, umfassend: eine erste Platte mit: einer ersten Arbeitsfläche, die eine Mehrzahl von ersten Reaktandenkanälen darauf definiert; und einem ersten Sammelleitungsabschnitt, der in einem Umfangsbereich der ersten Platte angeordnet ist, wobei der erste Sammelleitungsabschnitt umfasst: einer Mehrzahl von ersten Flanschen, die darauf angeordnet sind, wobei die Mehrzahl von ersten Flanschen eine Mehrzahl von ersten Öffnungen durch die erste Platte definiert, wobei jeder der Mehrzahl von ersten Flanschen eine jeweilige der Mehrzahl von ersten Öffnungen definiert, wobei wenigstens eine von der Mehrzahl von ersten Öffnungen in Fluidverbindung mit der Mehrzahl von ersten Reaktandenkanälen steht; und einer Mehrzahl von ersten Wülsten, die auf der ersten Arbeitsfläche angeordnet sind, wobei jede der Mehrzahl von ersten Wülsten um eine jeweilige der Mehrzahl von ersten Öffnungen angeordnet ist, wodurch ein jeweiliger der mehreren ersten Flansche definiert wird, wobei jeder der Mehrzahl von ersten Wülsten eine Form definiert, die aus Wulstecken und Wulstseiten besteht, wobei jede der Mehrzahl von ersten Wülsten eine erste Dichtoberfläche darauf aufweist, wobei die erste Dichtoberfläche derart konfiguriert ist, dass sie sich biegt, wenn sie einem Kontaktdruck ausgesetzt wird, um dadurch eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung bereitzustellen; eine zweite Platte mit: einer zweiten Arbeitsfläche, die eine Mehrzahl von zweiten Reaktandenkanälen darauf definiert; und einem zweiten Sammelleitungsabschnitt, der in einem Umfangsbereich der zweiten Platte angeordnet ist, wobei der zweite Sammelleitungsabschnitt umfasst: einer Mehrzahl von zweiten Flanschen, die darauf angeordnet sind, wobei die Mehrzahl von zweiten Flanschen eine Mehrzahl von zweiten Öffnungen durch die zweite Platte definiert, wobei jeder der Mehrzahl von zweiten Flanschen eine jeweilige der Mehrzahl von zweiten Öffnungen definiert, wobei wenigstens eine von der Mehrzahl von zweiten Öffnungen in Fluidverbindung mit der Mehrzahl von zweiten Reaktandenkanälen steht; und eine Mehrzahl von zweiten Wülsten, die auf der zweiten Arbeitsfläche angeordnet sind, wobei jede der Mehrzahl von zweiten Wülsten um eine jeweilige der Mehrzahl von zweiten Öffnungen angeordnet ist, wodurch ein jeweiliger der Mehrzahl von zweiten Flanschen definiert wird, wobei jeder der Mehrzahl von zweiten Wülsten die Form definiert, die aus Wulstecken und Wulstseiten besteht, wobei jede der Mehrzahl von zweiten Wülsten eine zweite Dichtoberfläche darauf aufweist, wobei die zweite Dichtoberfläche derart konfiguriert ist, dass sie sich biegt, wenn sie einem Kontaktdruck ausgesetzt wird, um dadurch eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung bereitzustellen; eine vereinheitlichte Elektrodenbaugruppe, die zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte angeordnet ist, wobei die vereinheitlichte Elektrodenbaugruppe eine erste Seite, die die Mehrzahl von ersten Reaktandenkanälen kontaktiert, und eine zweite Seite aufweist, die die Mehrzahl von zweiten Reaktandenkanälen kontaktiert; und ein Kompressionselement, das konfiguriert ist, um eine Kompressionskraft auf die erste Platte, die zweite Platte und die vereinheitlichte Elektrodenbaugruppe auszuüben, wobei die Kompressionskraft konfiguriert ist, um den Kontaktdruck auf die Mehrzahl erster Wülste und die Mehrzahl zweiter Wülste auszuüben.