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VERWANDTE
ANMELDUNG
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Dies
ist eine Continuation-In-Part der U.S. Patentanmeldung 10/356403
(nun fallengelassen), die am 31. Januar 2003 im Namen von Jeffrey
Rock eingereicht wurde und an die Inhaberin dieser Anmeldung übertragen
wurde.
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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 Tech nik allgemein bekannt
und sind etwa in den U.S. Patenten 5,272,017 und 3,134,697 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 NAFIONTM, 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. NAFIONTM), 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 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 verän dern, 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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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 Durchflusskanäle
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 Kanäle 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 anhängigen
U.S. Patentanmeldung Nr. (Aktenzeichen des Anwalts GP-303028) beschrieben
ist, die gleichzeitig mit dieser Anmeldung eingereicht wurde, und
deren Offenbarungsgehalt hierin durch Bezugnahme vollständig mit
eingeschlossen 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 Entleerungsver teiler 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 Einlass endes 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 Platzie rung 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.
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Zusammenfassung
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Strömungsfeld
für eine
PEM-Brennstoffzelle mit mehreren Strömungskanälen, die Durchflussbegrenzer
umfassen, die überall
strategisch angeordnet sind, um gewünschte Druckdifferenzen zwischen Versorgungs-
und Entleerungsverteilern für
Brennstoff und Oxidationsmittel und zwischen benachbarten Strömungskanälen zu erzielen.
Ein bevorzugter Durchflussbegrenzer umfasst eine Verengung in dem Strömungskanal,
die eine Querschnittsfläche
aufweist, die kleiner ist als die Querschnittsfläche des Strömungskanals.