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TECHNISCHES GEBIET
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Diese Erfindung betrifft PEM-Brennstoffzellen und im Besonderen die Reaktandenströmungsfelder dafür.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Brennstoffzellen sind für viele Anwendungen als Energiequelle vorgeschlagen worden. Eine derartige Brennstoffzelle ist die PEM-Brennstoffzelle (PEM = Protonenaustauschmembran). PEM-Brennstoffzellen sind in der Technik allgemein bekannt und umfassen in jeder Zelle eine so genannte ”Membranelektrodenanordnung” (nachstehend als MEA bezeichnet), die einen dünnen (d. h. ca. 0,0015–0,007 Zoll), protonenleitenden, polymeren Membranelektrolyten umfasst, der einen Anodenelektrodenfilm (d. h. ca. 0,002 Zoll), der auf einer seiner Flächen gebildet ist, und einen Kathodenelektrodenfilm (d. h. ca. 0,002 Zoll) aufweist, der auf der entgegengesetzten Seite davon gebildet ist. Derartige Membranelektrolyten sind in der Technik allgemein bekannt und sind etwa in den
U.S. Patenten 5,272,017 A und
3,134,697 A sowie in dem Journal of Power Sources, Band 29 (1990), Seiten 367–387, inter alia, beschrieben. Im Allgemeinen werden derartige Membranelektrolyten aus Ionenaustauscherharzen hergestellt und umfassen typischerweise ein Polymer aus perfluorierter Sulfonsäure, wie etwa NAFION
TM, das von E. I. DuPont de Nemours & Co. erhältlich ist. Die Anoden- und Kathodenfilme umfassen andererseits typischerweise (1) fein verteilte Kohlenstoffpartikel, sehr fein verteilte katalytische Partikel, die auf inneren und äußeren Oberflächen der Kohlenstoffpartikel getragen sind, und protonenleitendes Material (z. B. NAFION
TM), das mit den katalytischen und Kohlenstoffpartikeln vermengt ist, oder (2) katalytische Partikel ohne Kohlenstoff, die überall in einem Bindemittel aus Polytetrafluorethylen (PTFE) verteilt sind. Eine derartige MEA und eine derartige Brennstoffzelle sind in
U.S. Patent 5,272,017 A beschrieben, das am 21. Dezember 1993 erteilt wurde und an die Inhaberin der vorliegenden Erfindung übertragen wurde.
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Die MEA ist zwischen Lagen aus porösem, gasdurchlässigem, leitendem Material, die als ”Diffusionsschicht” bekannt ist, angeordnet, die gegen die Anoden- und Kathodenflächen der MEA pressen und (1) als primärer Stromsammler für die Anode und Kathode und (2) als mechanischer Träger für die MEA dienen. Derartige geeignete primäre Stromkollektorlagen umfassen Kohlenstoff- oder Graphitpapier oder Stoff, feinmaschiges Edelmetallsieb und dergleichen, durch die das Gas diffundieren oder hindurchgetrieben werden kann, so dass es mit der MEA in Kontakt gelangt, die unter den Stegen liegt, wie es in der Technik allgemein bekannt ist.
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Die derart gebildete Schichtanordnung ist zwischen ein Paar elektrisch leitende Platten gepresst, die als sekundäre Stromkollektoren zum Sammeln des Stroms von den primären Stromkollektoren und zum Leiten von Strom zwischen benachbarten Zellen innerhalb des Stapels (d. h. in dem Fall von bipolaren Platten) und außerhalb des Stapels (in dem Fall von monopolaren Platten am Ende des Stapels) dienen. Die sekundären Stromsammelplatten enthalten jeweils mindestens einen aktiven Bereich, der ein so genanntes ”Strömungsfeld” (flow field) umfasst, das die gasförmigen Reaktanden (z. B. H2 oder O2/Luft) der Brennstoffzelle über die Oberflächen der Anode und Kathode verteilt. Das Strömungsfeld umfasst mehrere Stege, die mit dem primären Stromkollektor in Eingriff stehen und dazwischen mehrere Nuten oder Strömungskanäle definieren, durch die die gasförmigen Reaktanden zwischen einem Versorgungsverteiler in einem Sammelleitungsbereich der Platte an einem Ende des Kanals und einem Entleerungsverteiler in einem Sammelleitungsbereich der Platte am anderen Ende des Kanals strömen.
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Die Druckdifferenzen (1) zwischen dem Versorgungsverteiler und dem Entleerungsverteiler (2) zwischen benachbarten Strömungskanälen oder Segmenten desselben Strömungskanals sind von beträchtlicher Bedeutung bei der Konstruktion einer Brennstoffzelle. Serpentinenartige Kanäle sind dazu verwendet worden, gewünschte Druckdifferenzen von Verteiler zu Verteiler sowie Druckdifferenzen zwischen Kanälen zu erzielen. Serpentinenartige Strömungskanäle weisen eine ungerade Anzahl von Schenkeln auf, die sich hin- und hergehend zwischen den Versorgungs- und Entleerungsverteilern des Stapels erstrecken. Serpentinenartige Strömungskanäle benutzen verschiedene Breiten, Tiefen und Längen, um die Druckdifferenzen zwischen den Versorgungs- und Entleerungsverteilern zu verändern, und können dafür konstruiert sein, gewisses Reaktandengas über den Steg zwischen benachbarten Kanälen oder zwischen benachbarten Segmenten des gleichen Kanals über die Strom sammelnde Diffusionsschicht zu treiben, um die MEA, die dem Steg, der die Schenkel trennt, gegenübersteht, dem Reaktanden auszusetzen. Beispielsweise kann etwas Gas von einem oberstromigen Schenkel eines Kanals (d. h. wo der Druck höher ist) zu einem parallelen unterstromigen Schenkel des gleichen Kanals (d. h. wo der Druck niedriger ist) strömen, indem es sich durch die Diffusionsschicht, die mit dem Steg in Eingriff steht, der den oberstromigen Schenkel von dem parallelen unterstromigen Schenkel trennt, bewegt. Es sind nicht serpentinenartige Strömungskanäle vorgeschlagen worden, die sich mehr oder weniger direkt zwischen den Versorgungs- und Entleerungsverteilern erstrecken, d. h. ohne jede Haarnadelkurve/scharfe Kurve darin, und somit in kürzeren Längen als die serpentinenartigen Strömungskanäle. Das Druckdifferenzmanagement ist mit nicht-serpentinenartigen Strömungskanälen schwieriger als mit serpentinenartigen Strömungskanälen.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Druckdifferenzmanagement mit nicht-serpentinenartigen Strömungskanälen zu verbessern.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung ist auf ein Strömungsfeld einer PEM-Brennstoffzelle gerichtet, das eine beträchtliche Flexibilität bei der Konstruktion zum Erzielen gewünschter Druckdifferenzen zwischen den Versorgungs- und Entleerungsverteilern und zwischen benachbarten Strömungskanälen bietet. Die Erfindung benutzt Durchflussbegrenzer, die strategisch überall in dem Strömungsfeld angeordnet sind, um die gewünschten Druckdifferenzen zu erzielen, und ist bei nicht serpentinenartigen Strömungskanälen besonders nützlich.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine PEM-Brennstoffzelle von der Art, die umfasst (1) eine Protonenaustauschmembran mit entgegengesetzten Kathoden- und Anodenflächen, (2) einen gasdurchlässigen, elektrisch leitenden Stromkollektor, der mit mindestens einer der Flächen in Eingriff steht, und (3) eine Stromsammelplatte, die mit dem gasdurchlässigen Stromkollektor in Eingriff steht und auf der ein Gasströmungsfeld vorgesehen ist, das dem gasdurchlässigen Stromkollektor gegenübersteht. Das Strömungsfeld umfasst mehrere Stege, die mit dem gasdurchlässigen Stromkollektor in Eingriff stehen und mehrere Gasströmungskanäle definieren, durch die die gasförmigen Reaktanden (d. h. H2 und O2) strömen. Die Strömungskanäle besitzen jeweils (a) ein Einlassende, das mit einem Versorgungsverteiler in Verbindung steht, der den Strömungskanälen ein Reaktandengas mit einem ersten Druck zuführt, und (b) ein Austrittsende, das mit einem Entleerungsverteiler in Verbindung steht, der das Reaktandengas von den Strömungskanälen aufnimmt. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind vorgesehen: (1) ein erster Durchflussbegrenzer in einem ersten Strömungskanal zum Verringern des ersten Drucks auf einen zweiten Druck unterstromig des ersten Durchflussbegrenzers, der niedriger ist als der erste Druck; und (2) ein zweiter Durchflussbegrenzer in einem zweiten Strömungskanal unmittelbar benachbart zu dem ersten Strömungskanal zum Aufrechterhalten eines dritten Drucks in dem zweiten Strömungskanal oberstromig des zweiten Durchflussbegrenzers ausreichend über dem zweiten Druck, damit er einiges von dem Gas von dem zweiten Strömungskanal in den ersten Strömungskanal durch den gasdurchlässigen Stromkollektor treibt, der mit dem Steg in Eingriff steht, der die beiden Strömungskanäle trennt. Der Durchflussbegrenzer wird vorzugsweise eine Verengung in dem Strömungskanal umfassen, die eine kleinere Querschnittsfläche als der Strömungskanal selbst aufweist. Alternativ könnte der Durchflussbegrenzer ein gewundenes Segment eines Strömungskanals oder Anschlüsse am Eingang in und Ausgängen von den Strömungskanälen sein, die kleiner sind als die Strömungskanäle selbst. Die Durchflussbegrenzer werden vorzugsweise in der Nähe der Einlass- und Austrittsenden der Strömungskanäle angeordnet sein, wo sie die oberstromigen und unterstromigen Drücke über die längsten Längen des Strömungskanals beeinflussen können.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist ein nicht serpentinenartiges Strömungsfeld mehrere Strömungskanäle auf, von denen jeder besitzt (a) einen Einlassschenkel, der mit dem Versorgungsverteiler in Verbindung steht, (b) einen Austrittsschenkel, der mit dem Entleerungsverteiler in Verbindung steht, (c) mindestens einen mittleren Schenkel zwischen den Einlass- und Austrittsschenkeln, (d) einen ersten Durchflussbegrenzer in dem Einlassschenkel eines ersten Strömungskanals zum Erzeugen eines zweiten Drucks unterstromig des ersten Durchflussbegrenzers, der niedriger ist als ein erster Druck in dem Versorgungsverteiler, und (e) einen zweiten Durchflussbegrenzer in dem Austrittsschenkel eines zweiten Strömungskanals unmittelbar benachbart zu dem ersten Strömungskanal zum Aufrechterhalten eines dritten Drucks in dem zweiten Strömungskanal oberstromig des zweiten Durchflussbegrenzers, der ausreicht, um das Gas zwischen dem ersten und zweiten Strömungskanal durch den gasdurchlässigen Stromkollektor zu treiben, der mit dem Steg in Eingriff steht, der die beiden Durchflusskanale trennt. Am stärksten bevorzugt weist jeder Strömungskanal ein verzweigtes Mittelteilstück auf, um einen mittleren Schenkel bereitzustellen, der zumindest erste und zweite Zweige aufweist, von denen jeder ein erstes Ende, das mit dem Einlassschenkel des Strömungskanals in Verbindung steht, und ein zweites Ende aufweist, das mit dem Entleerungsschenkel des Strömungskanals in Verbindung steht. In diesem Zusammenhang (d. h. einem Strömungsfeld mit einem verzweigten Mittelteilstück) heißt das: (i) eine Ausführungsform der Erfindung weist Durchflussbegrenzer auf, die nur in den Einlass- und Auslassschenkeln der Strömungskanäle angeordnet sind, (ii) eine andere Ausführungsform weist Durchflussbegrenzer auf, die nur in den Zweigen des gegabelten Mittelteilstücks angeordnet sind, und (iii) in einer noch weiteren Ausführungsform sind die Durchflussbegrenzer sowohl in den Einlass/Auslass-Schenkeln als auch in den Zweigen des gegabelten Mittelteilstücks angeordnet.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung wird besser verstanden werden, wenn sie im Lichte der folgenden ausführlichen Beschreibung von bestimmten besonderen Ausführungsformen desselben betrachtet wird, die nachstehend in Verbindung mit mehreren Figuren angegeben ist, in denen:
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1 eine schematische perspektivische Explosionsdarstellung eines PEM-Brennstoffzellenstapels ist (es sind nur zwei Zellen gezeigt),
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2 eine perspektivische Explosionsansicht einer MEA und einer bipolaren Platte eines PEM-Brennstoffzellenstapels ist;
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3 eine Vergrößerung eines Teils der bipolaren Platte von 2 an der angegebenen Stelle ist,
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4 eine Draufsicht der bipolaren Platte von 2 ist;
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5 eine vergrößerte Perspektivansicht einer Ausführungsform eines Durchflussbegrenzers (d. h. einer kurzen Verengung) gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
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6 eine Perspektivansicht einer anderen Ausführungsform eines Durchflussbegrenzers (einer lang gestreckten Verengung) gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
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7 eine vergrößerte Perspektivansicht einer nochmals weiteren Ausführungsform eines Durchflussbegrenzers (d. h. gewundenen Weges) gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
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8 schematisch ein Layout eines Strömungsfelds gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei aber nur die Mittellinien eines jeden Strömungskanals und die Stellen der Durchflussbegrenzer dargestellt sind;
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9 schematisch ein anderes Layout eines Strömungsfeldes gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei nur die Mittellinien eines jeden Strömungskanals und die Stellen der Durchflussbegrenzer dargestellt sind; und
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10 schematisch ein nochmals weiteres Layout eines Strömungsfeldes gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei aber nur die Mittellinien eines jedes Strömungskanals und die Stellen der Durchflussbegrenzer dargestellt sind.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Der Einfachheit halber ist nachstehend nur ein Zweizellenstapel (d. h. eine bipolare Platte) veranschaulicht und beschrieben, wobei zu verstehen ist, dass ein typischer Stapel viel mehr derartige Zellen und bipolare Platten aufweisen wird. 1 zeigt einen Bipolar-PEM-Brennstoffzellenstapel mit zwei Zellen, der ein Paar Membranelektrodenanordnungen (MEA) 4 und 6 aufweist, die durch eine elektrisch leitende, flüssigkeitsgekühlte bipolare Platte 8 voneinander getrennt sind. Die MEA 4 und 6 und die bipolare Platte 8 sind zwischen Klemmplatten 10 und 12 aus rostfreiem Stahl und monopolaren Endplatten 14 und 16 aufeinander gestapelt. Die Klemmplatten 10, 12 sind von den Endplatten 14, 16 durch eine Dichtung oder dielektrische Beschichtung (nicht gezeigt) elektrisch isoliert. Die monopolaren Endplatten 14 und 16 sowie die Arbeitsflächen der bipolaren Platte 18 enthalten mehrere Nuten oder Konäle 18, 20, 22 und 24, die ein so genanntes ”Strömungsfeld” (flow field) definieren, um Kraftstoff- und Oxidationsmittelgase (d. h. H2 & O2) über die Flächen der MEA 4 und 6 zu verteilen. Nichtleitende Dichtungen 26, 28, 30 und 32 stellen Dichtungen und eine elektrische Isolation zwischen den mehreren Bauelementen des Brennstoffzellenstapels bereit. Gasdurchlässige Kohlenstoff/Graphit-Diffusionspapiere 34, 36, 38 und 40 pressen auf die Elektrodenflächen der MEA 4 und 6. Die Endplatten 14 und 16 pressen jeweils gegen die Kohlenstoff/Graphit-Papiere 34 bzw. 40, während die bipolare Platte 8 gegen das Kohlenstoff/Graphit-Papier 36 auf der Anodenfläche der MEA 4 und gegen das Kohlenstoff/Graphit-Papier 38 auf der Kathodenfläche der MEA 6 presst.
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Die bipolaren Platten 8 können Graphit, graphitgefülltes Polymer oder Metall umfassen. Die bipolaren Platten werden vorzugsweise zwei getrennte Metalllagen/Metalltafeln umfassen, die miteinander verbunden sind, um einen Kühlmittelströmungsdurchgang dazwischen bereitzustellen. Das Verbinden kann beispielsweise durch Löten, Diffusionsbonden oder Kleben mit einem leitenden Klebstoff bewerkstelligt werden, wie es in der Technik allgemein bekannt ist.
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2 ist eine perspektivische Explosionsansicht einer bipolaren Platte 8, eines ersten primären porösen Stromkollektors 42, einer MEA 43 und eines zweiten primären porösen Stromkollektors 44, wie sie in einer Brennstoffzelle aufeinander gestapelt sind. Eine zweite bipolare Platte (nicht gezeigt) würde unter dem zweiten primären Stromkollektor 44 liegen, um eine vollständige Zelle zu bilden. Ähnlich wird ein weiterer Satz von primären Stromkollektoren und einer MEA (nicht gezeigt) über der oberen Lage 58 liegen. Die bipolare Platte 8 umfasst eine erste äußere Metalllage 58, eine zweite äußere Metalllage 60 und eine optionale, perforierte, innere Metalllage 62, die benachbart zwischen die erste Metalllage 58 und die zweite Metalllage 60 gelötet ist. Die Metalllagen 58, 60 und 62 sind so dünn wie möglich (z. B. ungefähr 0,002–0,02 Zoll dick) hergestellt und können durch Stanzen, durch Fotoätzen (d. h. durch eine Fotolithographiemaske hindurch) oder durch irgendein anderes herkömmliches Verfahren zum Formen von Blech gebildet werden. Die äußere Lage 58 ist derart gebildet, dass sie ein Reaktandengas-Strömungsfeld bereitstellt, das durch mehrere Stege 64 gekennzeichnet ist, die dazwischen mehrere nicht serpentinenartige Gasströmungskanäle 66 definieren, durch die eines der Reaktandengase der Brennstoffzelle (d. h. O2) von der Nähe einer Kante 68 der bipolaren Platte in die Nähe ihrer entgegengesetzten Kante 70 strömt. Wenn die Brennstoffzelle vollständig zusammengebaut ist, pressen die Stege 64 gegen die primären Stromkollektoren, die darüber liegen (nicht gezeigt), welche wiederum gegen die MEA pressen, die diesem zugeordnet ist (nicht gezeigt). Im Betrieb fließt Strom von dem primären Stromkollektor durch die Stege 64 und dann durch den Stapel. Das O2-Gas wird den Strömungskanälen 66 von einer Sammelleitung oder einem Versorgungsverteiler zugeführt, der durch ausgerichtete Öffnungen 72 in den mehreren Platten, Dichtungen, usw. gebildet ist, und verlässt die Kanäle 66 über einen Entleerungsverteiler, der durch ausgerichtete Öffnungen 74 in den mehreren Platten, Dichtungen, usw. gebildet ist. H2 wird den Strömungskanälen an den Unterseiten der Platte 60 von einer Sammelleitung oder einem Versorgungsverteiler zugeführt, der durch ausgerichtete Öffnungen 76 in den mehreren Platten, Dichtungen usw. gebildet ist und durch einen Entleerungsverteiler ausgestoßen, der durch ausgerichtete Öffnungen 78 in den mehreren Platten, Dichtungen usw. gebildet ist. Kühlmittel strömt zwischen den Lagen 58 und 60 von einem Einlassverteiler, der durch ausgerichtete Öffnungen 75 in den mehreren Ebenen, Dichtungen usw. gebildet ist, zu einem Entleerungsverteiler, der durch Öffnungen 77 in den mehreren Platten, Dichtungen, usw. gebildet ist. In dieser Hinsicht weist die bipolare Platte 8 (z. B. siehe 2) einen zentralen aktiven Bereich ”A” auf, der mit dem primären Stromkollektor in Eingriff steht, und ist durch inaktive Sammelleitungsbereiche ”B” und ”C” begrenzt. Der aktive Bereich A weist eine Arbeitsfläche mit einem Kathodenströmungsfeld 20 auf, das mehrere Strömungskanäle 66 aufweist, um O2 über die Fläche der MEA 4, die ihr gegenübersteht, zu verteilen. Eine ähnliche Arbeitsfläche 22 auf der entgegengesetzten (d. h. Anoden-)Seite (nicht gezeigt) der bipolaren Platte 8 dient dazu, Luft über die Fläche der MEA 6, die ihr gegenübersteht, zu verteilen. Der aktive Bereich A der bipolaren Platte 8 ist durch zwei inaktive Sammelleitungsbereiche oder Randabschnitte B und C begrenzt, durch die mehreren Öffnungen 72, 74, 75, 76, 77 und 78 vorgesehen sind. Wenn die Platten aufeinander gestapelt sind, sind die Öffnungen in einer bipolaren Platte mit ähnlichen Öffnungen in den anderen bipolaren Platten ausgerichtet. Weitere Bauteile des Stapels, wie etwa Dichtungen 26, 28, 30 und 32 sowie die Membran der MEA 4 und 6 und die Endplatten 14, 16 weisen entsprechende Öffnungen auf (siehe 1), die mit den Öffnungen 72, 74, 75, 76, 77 und 78 in den bipolaren Platten in dem Stapel ausgerichtet sind und zusammen mit diesen die vorstehend genannten Verteiler zum Zuführen und Ausstoßen von gasförmigen Reaktanden und flüssigem Kühlmittel zu/von dem Stapel bilden. Nach 1 wird dem Luftversorgungsverteiler 72 des Stapels über geeignete Versorgungsleitungen 82 Sauerstoff/Luft zugeführt, während dem Wasserstoffversorgungsverteiler 76 über Versorgungsleitung 80 Wasserstoff zugeführt wird. Es sind ebenfalls Entleerungsleitungen für sowohl das H2 (86) und O2/Luft (84) für die H2- und Luftentleerungsverteiler vorgesehen. Zusätzliche Leitungen 88 und 90 sind vorgesehen, um jeweils flüssiges Kühlmittel zu den Verteilern des Kühlmitteleinlasses 75 und -auslasses 77 zuzuführen bzw. dieses von dort zu entfernen.
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Die Metalllage 60 ist ähnlich wie die Lage 58. Wie die Lage 58 weist die Unterseite der Lage 60 eine Arbeitsfläche 22 auf, die mit dem ersten Stromkollektor 42 in Eingriff steht. Eine optionale, perforierte, innere Metalllage 62 kann benachbart zwischen den äußeren Lagen 58 und 60 verwendet werden und umfasst mehrere Durchbrechungen 92, die eine turbulente Strömung des Kühlmittels für einen effektiveren Wärmeaustausch mit den jeweiligen äußeren Lagen 58 bzw. 60 bewirken. Die mehreren Lagen 58, 60 und 62 sind vorzugsweise miteinander verlötet.
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Die
3 und
4 sind jeweils eine vergrößerte Perspektivansicht der Ecke der Platte
58 an der in
2 angegebenen Stelle und eine Draufsicht der Platte
58, die folgendes deutlicher zeigt: mehrere Durchflussbegrenzer
94 in den Einlassschenkeln
96 der Strömungskanäle
66, die mehreren Durchflussbegrenzer
98 in den Austrittsschenkeln
100 der Strömungskanäle
66 und die mehreren Durchflussbegrenzer
102 in den Zweigen/mittleren Schenkeln
104 und
106 der gegabelten Strömungskanäle
66. In dieser Hinsicht weist jeder Strömungskanal einen Einlassschenkel
96 auf, der mit dem Versorgungsverteiler
72 in Verbindung steht, einen Austrittsschenkel
100, der mit dem Entleerungsverteiler
74 in Verbindung steht, und mittlere Schenkel/Zweige
104 und
106, die in den Mittelteilstücken der Strömungskanäle, die mit den Einlass- und Austrittsschenkeln
96 und
100 in Verbindung stehen, wie es vollständiger in der
WO 2004/070859 A1 beschrieben ist. Die Einlassschenkel
96 kommunizieren mit dem Versorgungsverteiler
72 über mehrere Öffnungen
108 und einen Schlitz
110, der mit dem Verteiler
72 über einen Durchgang (nicht gezeigt) in Verbindung steht, der unter dem Teilstück
112 der Platte
60 liegt. Ähnlich stehen die Austrittsschenkel
100 mit dem Entleerungsverteiler
74 über mehrere Öffnungen
114 in Verbindung, die wiederum mit dem Entleerungsverteiler
74 über mehrere Öffnungen
114 in Verbindung, die wiederum mit dem Entleerungsverteiler
74 über einen Schlitz
116 in Verbindung stehen, der mit dem Verteiler
74 über einen Durchgang (nicht gezeigt) in Verbindung steht, der unter dem Teilstück
118 der Platte
60 liegt. Die Durchflussbegrenzer sind strategisch überall in dem Strömungsfeld wie notwendig positioniert/angeordnet, um darin die gewünschten Druckdifferenzen zu erzielen. Mehrere, aber nicht alle, derartige Positionen/Stellen werden nachstehend in Verbindung mit den
8–
10 diskutiert.
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Die Durchflussbegrenzer 94, 98, 102 werden vorzugsweise Verengungen in den Strömungskanälen umfassen. In dieser Hinsicht weist jeder Strömungskanal 66 eine erste Querschnittsfläche (d. h. quer zur Richtung der Gasströmung darin) auf, die über den größten Teil der Länge des Strömungskanals 66 vorherrscht, und die Verengungen 94, 96, 102 werden eine zweite Querschnittsfläche aufweisen, die kleiner ist als die erste Querschnittsfläche. Idealerweise sind die mehreren Verengungen derart bemessen, dass sie in allen mittleren Schenkeln 104, 106 der Strömungskanäle 66 zu der gleichen Strömungsgeschwindigkeit und in den Einlassschenkeln 96 und Austrittsschenkeln 100 der Strömungskanäle 66 zu der gleichen Strömungsgeschwindigkeit führen werden. In manchen Fällen kann es notwendig sein, dass eine oder mehrere der Durchflussbegrenzer einen unterschiedlichen Druckabfall als die anderen Durchflussbegrenzer aufweisen. Somit kann eine Verengung eine unterschiedliche Querschnittsfläche als andere Verengungen aufweisen. Beispielsweise können Unterschiede zwischen Einlass- und Auslassströmungsgeschwindigkeiten es notwendig machen, die unterstromigen Verengungen stärker (d. h. enger) einzurichten als die oberstromigen Verengungen, um den gleichen Gesamtdruckabfall zu erzielen.
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Die 5–7 zeigen alternative Arten von Durchflussbegrenzern. 5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Durchflussbegrenzers gemäß der vorliegenden Erfindung und stellt eine kurze Verengung 120 in dem Strömungskanal 66 dar. Die Verengung 122 in 6 ist ähnlich wie die von 5, mit der Ausnahme, dass sie verlängert ist, um einen etwas größeren Druckabfall darüber hinweg für den gleichen Querschnitt wie in 5 zu erzielen. 7 zeigt einen Durchflussbegrenzer 124, der ein verschlungenes Segment des Strömungskanals 66 ist, das eine zusätzliche Strömungskanallänge und mehrere Haarnadelkurven 125 benutzt, um einen gewünschten Druckabfall in einem kurzen Segment des Strömungskanals 66 bereitzustellen. Eine andere Alternative für die Einlassschenkel 96 und Austrittsschenkel 100 der Strömungskanäle 66 ist es, die Eintritts- und Austrittsöffnungen 109 und 115 (siehe 4) zu/von den Strömungskanälen 66 kleiner als den Kanal selbst herzustellen.
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8 ist eine vereinfachte Darstellung eines Strömungsfelds, das nur zeigt (a) die Versorgungs- und Entleerungsverteiler, (b) die Mittellinien jedes Strömungskanals und (c) eine Ausführungsform der Platzierung von Durchflussbegrenzern gemäß der vorliegenden Erfindung. Im Besonderen zeigt 8 einen Versorgungsverteiler 126, einen Entleerungsverteiler 128 und mehrere Strömungskanäle 130 (d. h. nur deren Mittellinien sind gezeigt), die sich dazwischen erstrecken. Jeder Strömungskanal 130 weist ein Einlassende 132 auf, das mit dem Versorgungsverteiler 126 in Verbindung steht, und ein Austrittsende 134, das mit dem Entleerungsverteiler 128 in Verbindung steht. Mehrere Durchflussbegrenzer 136, 138 sind strategisch in den Strömungskanälen 130 angeordnet, um gewünschte Druckdifferenzen durch das gesamte Strömungsfeld hindurch zu erzielen. Im Besonderen ist ein Durchflussbegrenzer 136 in der Nähe des Einlassendes 132 von jedem zweiten Strömungskanal 130 (z. B. den ungeradzahligen Strömungskanälen) angeordnet. Ähnlich ist ein Durchflussbegrenzer 138 in der Nähe des Austrittsendes 134 aller anderen Strömungskanäle 130 (z. B. den geradzahligen Strömungskanälen) angeordnet. Somit weist der erste Strömungskanal 130(a) einen Durchflussbegrenzer 136(a) in der Nähe seines Einlassendes 132 auf, während ein unmittelbar benachbarter zweiter Strömungskanal 130(b) einen Durchflussbegrenzer 138(a) in der Nähe seines Austrittsendes 134 aufweist. Ein Reaktandengas wird den Strömungskanälen von dem Versorgungsverteiler 126 mit einem ersten Druck zugeführt. Der Durchflussbegrenzer 136a in dem ersten Strömungskanal dient dazu, den Druck in dem ersten Strömungskanal 130(a) unterstromig des Durchflussbegrenzers 136a unmittelbar abzusenken, während der Druck in dem zweiten Strömungskanal 130b im Wesentlichen gleich wie in dem Versorgungsverteiler 126 bleibt (d. h. abgesehen von irgendwelchen Verlusten, die auf die Länge des zweiten Strömungskanals zurückzuführen sind), der größer ist als in dem ersten Strömungskanal 130a unterstromig des Durchflussbegrenzers 136a. Ein richtiges Bemessen der Durchflussbegrenzer führt zu einer ausreichenden Druckdifferenz zwischen den ersten und zweiten Strömungskanälen 130a, 130b, um Gas dazwischen durch den dazwischen liegenden gasdurchlässigen Stromkollektor zu treiben, und einem gleichen Druckabfall zwischen den Enden des Einlasses 132 und des Ausgangs 134 der ersten und zweiten Strömungskanäle. Die gleichen Prinzipien gelten für die restlichen Sätze von benachbarten Strömungskanälen des Strömungsfeldes.
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Wie 8 ist 9 eine vereinfachte Darstellung des Strömungsfeldes, die nur zeigt (a) die Versorgungs- und Entleerungsverteiler, (b) die Mittellinien jedes Strömungskanals und (c) eine andere Ausführungsform der Platzierung der Durchflussbegrenzer gemäß der vorliegenden Erfindung. Im Besonderen zeigt 9 einen Versorgungsverteiler 140, einen Entleerungsverteiler 142 und mehrere Strömungskanäle 144, die sich dazwischen erstrecken. Jeder Strömungskanal 144 weist auf: einen Einlassschenkel 143 mit einem Einlassende 148, das mit dem Versorgungsverteiler 140 in Verbindung steht, einem Austrittsschenkel 150 mit einem Austrittsende 152, das mit dem Entleerungsverteiler 142 in Verbindung steht, und mindestens einen mittleren Schenkel 146. In der gezeigten Ausführungsform ist jeder Strömungskanal 144 an seinem Mittelteilstück gegabelt, um zwei Zweige oder mittlere Schenkel 146(a) und 146(b) für jeden Strömungskanal 144 bereitzustellen. Die mittleren Schenkel/Zweige 146(a) und 146(b) kommunizieren jeweils mit den Einlass- und Austrittsschenkeln 143 und 150, um ein Reaktandengas von und zu dem Versorgungsverteiler 140 bzw. Entleerungsverteiler 142 aufzunehmen bzw. auszustoßen. In dieser Ausführungsform sind Durchflussbegrenzer 154 in einem der Zweige/mittleren Schenkel 146(1) in der Nähe des Einlassschenkels 143 angeordnet, und Durchflussbegrenzer 156 sind in einem weiteren, unmittelbar benachbarten Zweig 146b in der Nähe des Austrittsschenkels 150 angeordnet. Ein richtiges Bemessen der Durchflussbegrenzer 154, 156 stellt eine Druckdifferenz zwischen benachbarten Zweigen 146a, 146b des gleichen gegabelten Strömungskanals 144 her, die ausreicht, um ein Reaktandengas dazwischen durch den dazwischen liegenden, gasdurchlässigen Stromkollektor zu treiben. Die gleichen Prinzipien gelten für die übrigen gegabelten Durchflusskanäle des Strömungsfeldes.
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10 ist eine vereinfachte Darstellung eines Strömungsfeldes, das nur zeigt (a) die Versorgungs- und Entleerungsverteiler, (b) die Mittellinien jedes Strömungskanals und (c) eine nochmals weitere und bevorzugte Ausführungsform der Platzierung der Durchflussbegrenzer gemäß der vorliegenden Erfindung. Im Besonderen zeigt 10 eine Kombination der Durchflussbegrenzerplatzierungen der in den 8 und 9 gezeigten Ausführungsformen. In dieser Hinsicht sind Durchflussbegrenzer 158 und 160 in den Einlass- und Austrittsschenkeln 162 bzw. 164 angeordnet, und Durchflussbegrenzer 166 und 168 sind an dem Beginn eines mittleren Schenkels 146(a) und an dem Ende eines weiteren mittleren Schenkels 146(b) des gleichen gegabelten Strömungskanals 144 angeordnet.
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Wenn Durchflussbegrenzer 154, 156 nur in den Zweigen 146a, 146b des gegabelten Mittelteilstücks (siehe 9) der Strömungskanäle 144 verwendet werden, würde keiner der Einlassschenkel 143 und Austrittsschenkel 150 Druckdifferenzen aufweisen. Wenn Durchflussbegrenzer nur in den Einlass- und Austrittsschenkeln verwendet werden, aber nicht in den Zweigen eines gegabelten Strömungskanals würde die Hälfte der Zweige keine Druckdifferenz zu seinem Nachbar aufweisen. Wenn Durchflussbegrenzer 158, 160, 166, 168 sowohl in den Einlass-/Austrittsschenkeln als auch in den Zweigen des gegabelten Mittelteilstücks (siehe 10) verwendet werden, würden die Einlassschenkel 162 und Austrittsschenkel 164 gleichmäßige Druckdifferenzen aufweisen, und die Hälfte der Gabelzweige 146a, 146b würde eine größere Druckdifferenz als der Rest aufweisen. Dies ist als der bevorzugte Zustand anzusehen, da das Kriterium für eine Druckdifferenz ist, dass sie eine ausreichende Strömung antreiben sollte, um das Leistungsvermögen des Stapels zu verbessern, als es nur durch Diffusion durch den gasdurchlässigen Stromkollektor erzielbar wäre, jedoch nicht so viel Strömung, dass sie bewirkt, dass die Membranen austrocknen.
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Es gibt praktisch unbegrenzte Möglichkeiten der Platzierung der Lage der verschiedenen Durchflussbegrenzer abhängig von dem Druckdifferenzprofil, das durch den Konstrukteur des Strömungsfeldes zu erzielen angestrebt wird. Jedoch ist die Erfindung nicht auf die oben ausgeführten besonderen Ausführungsformen begrenzt, sondern vielmehr nur auf das Ausmaß, das in den nachstehenden Ansprüchen zum Ausdruck gebracht wird.
