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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Offenbarung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung
und insbesondere eine Platte, wie eine Bipolarplatte für
eine Brennstoffzellenanordnung, die mehrere aktive Gebiete besitzt, die
elektrisch voneinander isoliert sind.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Eine
Brennstoffzelle ist als eine reine, effiziente sowie umweltfreundliche
Energiequelle für Elektrofahrzeuge und verschiedene andere
Anwendungen vorgeschlagen worden. Insbesondere ist die Brennstoffzelle
als eine potentielle Alternative zu den herkömmlichen Verbrennungsmotoren,
die in modernen Fahrzeugen verwendet werden, erkannt worden.
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Ein
Typ von Brennstoffzelle ist als eine Protonenaustauschmembran(PEM)-Brennstoffzelle
bekannt. Die PEM-Brennstoffzelle umfasst typischerweise drei Grundkomponenten:
eine Kathode, eine Anode und eine Elektrolytmembran. Die Kathode
und die Anode umfassen typischerweise einen fein geteilten Katalysator,
wie Platin, der auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem
Ionomer gemischt ist. Die Elektrolytmembran ist schichtartig zwischen
der Kathode und der Anode angeordnet, um eine Membranelektrolytanordnung
(MEA) zu bilden. Die MEA ist oftmals zwischen porösen Diffusionsmedien
(DM) angeordnet, die eine Zufuhr von gasförmigen Reaktanden,
typischerweise Wasserstoff und Sauerstoff aus Luft, für
eine elektrochemische Brennstoffzellenreaktion erleichtern.
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Wie
es in dem
U.S. Patent Nr. 6,127,058 beschrieben
ist, können einzelne Brennstoffzellen in einer Planaren
Gruppierung ausgerichtet sein, die über Verbindungsstecker
elektrisch verbunden ist. Auch in den
U.S.
Patenten Nr. 6,080,503 und
6,495,278 sind elektrochemische
Brennstoffzellenstapel, die verklebte Schichten, die für
einzelne Brennstoffzellenmodule geformt sind, besitzen, beschrieben
worden. Brennstoffzellenanordnungen vom PEM-Typ mit mehreren parallelen
Brennstoffzellen-Unterstapeln, die geteilte Fluidplattenanordnungen
und geteilte Membranelektrodenanordnungen verwenden, sind auch in
dem
U.S. Patent Nr. 5,945,232 offenbart.
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Bei
Kraftfahrzeuganwendungen werden einzelne Brennstoffzellen oftmals
in Reihe aneinandergestapelt, um einen Brennstoffzellenstapel mit
einer Spannung zu bilden, die ausreichend ist, um Leistung an ein
Elektrofahrzeug zu liefern. Eine Verbindung einzelner Brennstoffzellen
in Reihe erfordert jedoch die Herstellung wie auch Handhabung einer
Vielzahl einzelner Brennstoffzellen. Eine Höhe des resultierenden
Brennstoffzellenstapels, der die Vielzahl einzelner Brennstoffzellen
aufweist, kann eine Anordnung des Brennstoffzellenstapels in einem
Elektrofahrzeug beschranken. Ferner werden typischerweise DC/DC-Spannungswandler
in Brennstoffzellensystemen verwendet, um zu ermöglichen,
dass der Brennstoffzellenstapel die ausreichende Spannung erreicht.
Spannungswandler und damit in Verbindung stehende Komponenten tragen
zu einer unerwünschten Komplexität des Brennstoffzellensystems
bei.
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Es
existiert ein fortwährender Bedarf nach einer einfachen
Brennstoffzellenanordnung, die dem Bedarf nach DC/DC-Wandlern und
dem Bedarf zur Herstellung einer Vielzahl einzelner Brennstoffzellen entgegenwirkt
sowie eine Platzierung der Brennstoffzellenanordnung in einem Fahrzeug
erleichtert.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Offenbarung ist überraschend eine
vereinfachte Brennstoffzellenanordnung entdeckt worden, die der
Notwendigkeit nach DC/DC-Wandlern entgegenwirkt, der Notwendigkeit
entgegenwirkt, mehrere einzelne Brennstoffzellen herzustellen, und
eine Platzierung der Brennstoffzellenanordnung in einem Fahrzeug erleichtert.
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Bei
einer Ausführungsform umfasst eine modularisierte bzw.
vereinheitlichte Brennstoffzellenplatte mehrere aktive Gebiete,
die daran geformt und elektrisch voneinander isoliert sind. Die
modularisierte Brennstoffzellenplatte umfasst ferner mehrere darin
geformte Einlass- und Auslassdurchbrechungen. Jedes der mehreren
aktiven Gebiete steht in Fluidverbindung mit einer der Einlassdurchbrechungen. Die
eine der Einlassdurchbrechungen ist derart ausgebildet, um Reaktanden
selektiv an das eine der mehreren aktiven Gebiete zu liefern.
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Bei
einer anderen Ausführungsform ist eine Brennstoffzellenanordnung
vorgesehen. Die Brennstoffzellenanordnung umfasst mehrere Brennstoffzellenstapeleinheiten,
die benachbart zueinander angeordnet und elektrisch in Reihe verbunden
sind. Die Brennstoffzellenstapel können mit mehreren der
modularisierten Platten geformt sein. Die mehreren Brennstoffzellenstapel
erzielen eine Spannung, die ausreichend ist, um ein Elektrofahrzeug
mit Leistung zu beaufschlagen.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum
Betreiben der Brennstoffzellenanordnung die Schritte, dass mehrere
Brennstoffzellenstapel bereitgestellt werden, die mehrere modularisierte
Bipolarplatten und mehrere modularisierte Membranelektrodenanordnungen
aufweisen, die Brennstoffzellenstapel in elektrischer Reihe verschaltet
werden, und gasförmige Reaktanden selektiv an jeden der
mehreren Brennstoffzellenstapel geliefert werden. Dadurch wird eine
Brennstoffzellenanordnung bereitgestellt, die eine Spannung besitzt,
die ausreichend ist, um ein Elektrofahrzeug mit Leistung zu beaufschlagen.
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ZEICHNUNGEN
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Die
obigen wie auch andere Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden
dem Fachmann leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung,
insbesondere angesichts der nachfolgend beschriebenen Zeichnungen
leicht offensichtlich, in welchen:
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1 eine
schematische perspektivische Explosionsdarstellung eines PEM-Brennstoffzellenstapels
nach dem Stand der Technik zeigt, wobei nur zwei Zellen gezeigt
sind;
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2 eine
perspektivische Ansicht einer Brennstoffzellenanordnung mit mehreren
in Reihe verschalteten Brennstoffzellenstapeln gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Offenbarung ist;
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3 eine
perspektivische Ansicht einer Brennstoffzellenanordnung mit mehreren
in Reihe verschalteten Brennstoffzellenstapeln gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Offenbarung ist; und
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4 eine
vergrößerte perspektivische Ansicht einer modularisierten
Brennstoffzellenplatte und einer modulari sierten Membrananordnung
der in 3 gezeigten Brennstoffzellenanordnung ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und nicht
dazu bestimmt, die vorliegende Offenbarung, die vorliegende Anwendung oder
den vorliegenden Gebrauch zu beschranken. Es sei auch zu verstehen,
dass in allen Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen gleiche oder
entsprechende Teile und Merkmale angeben. In Bezug auf die offenbarten
Verfahren sind die dargestellten Schritte beispielhafter Natur und
somit nicht notwendig oder kritisch.
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1 zeigt
einen illustrativen Brennstoffzellenstapel 2 mit einem
Paar von MEAs 4, 6, die voneinander durch eine
elektrisch leitende Bipolarplatte 8 getrennt sind. Der
Einfachheit halber ist nur ein zwei Zellen umfassender Stapel (d.
h. eine Bipolarplatte) in 1 gezeigt
und beschrieben, wobei zu verstehen sei, dass der typische Brennstoffzellenstapel 2 viel
mehr derartige Zellen und Bipolarplatten besitzt.
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Die
MEAs 4, 6 und die Bipolarplatte 8 sind zwischen
einem Paar von Klemmplatten 10, 12 und einem Paar
von unipolaren Endplatten 14, 16 aneinander gestapelt.
Die Klemmplatten 10, 12 sind von den Endplatten 14, 16 durch
ein Dichtungselement oder eine dielektrische Beschichtung (nicht
gezeigt) elektrisch isoliert. Die unipolare Endplatte 14,
beide Arbeitsseiten der Bipolarplatte 8 sowie die unipolare Endplatte 16 umfassen
jeweilige aktive Bereiche 18, 20, 22, 24.
Die aktiven Bereiche 18, 20, 22, 24 sind typischerweise
Strömungsfelder zur Verteilung gasförmiger Reaktanden,
wie Wasserstoffgas und Luft, über eine Anode bzw. eine
Kathode der MEAs 4, 6.
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Die
Bipolarplatte 8 wird typischerweise durch einen herkömmlichen
Prozess zur Formgebung von Blech geformt, wie beispielsweise Prägen,
Stanzen, Zerspanen, maschinelle Bearbeitung, Formen oder Photoätzen
durch eine photolithografische Maske. Bei einer Ausführungsform
wird die Bipolarplatte 8 aus Unipolarplatten geformt, die
dann verbunden werden. Es sei ferner zu verstehen, dass die Bipolarplatte 8 auch
aus einem Kompositmaterial geformt sein kann. Bei einer bestimmten
Ausführungsform wird die Bipolarplatte 8 aus einem
Graphit oder graphitgefüllten Polymer geformt.
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Nichtleitende
Dichtungselemente 26, 28, 30, 32 sehen
Dichtungen wie auch eine elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen
Komponenten des Brennstoffzellenstapels 2 vor. Gaspermeable
Diffusionsmedien 34, 36, 38, 40 befinden
sich benachbart der Anoden und der Kathoden der MEAs 4, 6. Die
Endplatten 14, 16 sind benachbart der Diffusionsmedien 34 bzw. 40 angeordnet,
während die Bipolarplatte 8 benachbart der Diffusionsmedien 36 an
der Anodenseite der MEA 4 angeordnet ist. Die Bipolarplatte 8 ist
ferner benachbart der Diffusionsmedien 38 auf der Kathodenseite
der MEA 6 angeordnet.
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Die
Bipolarplatte 8, die unipolaren Endplatten 14, 16 wie
auch die Dichtungselemente 26, 28, 30, 32 umfassen
jeweils eine Kathodenzufuhrdurchbrechung 72 und eine Kathodenaustragsdurchbrechung 74,
eine Kühlmittelzufuhrdurchbrechung 75 und eine
Kühlmittelaustragsdurchbrechung 77 und eine Anodenzufuhrdurchbrechung 76 und
eine Anodenaustragsdurchbrechung 78. Zufuhrverteiler und Austragsverteiler
des Brennstoffzellenstapels 2 werden durch eine Ausrichtung
der jeweiligen Durchbrechungen 72, 74, 75, 77, 76, 78 in
der Bipolarplatte 8, der unipolaren Endplatten 14, 16 und
der Dichtungselemente 26, 28, 30, 32 ge formt.
Das Wasserstoffgas wird über eine Anodeneinlassleitung 80 an
einen Anodenzufuhrverteiler geliefert. Die Luft wird über
eine Kathodeneinlassleitung 82 an einen Kathodenzufuhrverteiler
des Brennstoffzellenstapels 2 geliefert. Es sind auch eine
Anodenauslassleitung 84 und eine Kathodenauslassleitung 86 für
einen Anodenaustragsverteiler bzw. einen Kathodenaustragsverteiler vorgesehen.
Eine Kühlmitteleinlassleitung 88 ist zur Zufuhr
von flüssigem Kühlmittel an einen Kühlmittelzufuhrverteiler
vorgesehen. Eine Kühlmittelauslassleitung 90 ist
zur Entfernung von Kühlmittel von einem Kühlmittelaustragsverteiler
vorgesehen. Es sei zu verstehen, dass die Konfigurationen der verschiedenen
Einlässe 80, 82, 88 und Auslässe 84, 86, 90 in 1 dem
Zweck der Veranschaulichung dienen und gegebenenfalls andere Konfigurationen
gewählt werden können.
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2 zeigt
mehrere einzelne Brennstoffzellenstapel-(2)-Einheiten in
einer Brennstoffzellenanordnung 200. Die mehreren einzelnen
Brennstoffzellenstapel 2 können benachbart zueinander
angeordnet sein, um eine "Bank" aus Brennstoffzellenstapeln 2 zu
bilden, wodurch eine passende Platzierung der Brennstoffzellenanordnung 200 in
einem Fahrzeug ermöglicht wird. Jeder der Brennstoffzellenstapel 2 ist
derart ausgebildet, um eine zugeordnete Zufuhr von gasförmigen
Reaktanden aufzunehmen. Das zugeordnete Zuführen von gasförmigen
Reaktanden ermöglicht eine unabhängige Steuerung
der Brennstoffzellenstapel-(2)-Einheiten der Brennstoffzellenanordnung 200.
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Die
Brennstoffzellenstapel 2 sind in Reihe mit einem ersten
Anschluss 202 und einem zweiten Anschluss 204 elektrisch
verschaltet. Beispielsweise kann der erste Anschluss 202 mit
einer der Endplatten 14 der Brennstoffzellenstapel 2 verbunden
sein und der zweite Anschluss 204 kann mit einer der Endplatten 16 der
Brennstoffzellenstapel 2 verbunden sein. Der erste Anschluss 202 und
der zweite Anschluss 204 stehen in elektrischer Verbindung
mit einer externen Last (nicht gezeigt), wie beispielsweise einem
Antrieb eines Elektrofahrzeugs oder einer Batteriebank.
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3 zeigt
mehrere Brennstoffzellenstapel 2, die miteinander verbunden
sind, um die Brennstoffzellenanordnung 200 gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zu bilden.
Bei der gezeigten Ausführungsform umfasst die Brennstoffzellenanordnung 200 zumindest
eine elektrisch isolierende Schicht 300, die zwischen benachbarten Brennstoffzellenstapeln 2 angeordnet
ist. Die elektrisch isolierende Schicht 300 ist aus einem
beliebigen herkömmlichen, elektrisch isolierenden Material geformt,
das in der Technik bekannt ist, wie beispielsweise einem thermoplastischen
Material und einem duroplastischem Material. Es sei zu verstehen,
dass das thermoplastische Material und das duroplastische Material
starr oder elastisch sein können. Der Fachmann kann erkennen,
dass gegebenenfalls andere geeignete Isolationsmaterialien verwendet
werden können.
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4 zeigt
eine modularisierte Platte 400 der Brennstoffzellenanordnung 200.
Die modularisierte Platte 400 ist derart ausgebildet, dass
sie mit entsprechenden Brennstoffzellenkomponenten, wie MEAs, Dichtungselementen
und Endplatten, in einer Konfiguration gestapelt werden kann, die
im Wesentlichen so ist, wie in 1 gezeigt
ist. Der hier verwendete Begriff "modularisiert" bedeutet, dass
die modularisierten Platten 400 im gestapelten Zustand, um
die Brennstoffzellenanordnung 200 zu bilden, unabhängig
arbeitende Brennstoffzellenstapel-(2)-Einheiten bereitstellen.
Es sei zu verstehen, dass die modularisierte Platte 400 gegebenenfalls
eine Bipolarplatte oder eine Unipolarplatte sein kann. Bei der gezeigten
Ausführungsform ist die modularisierte Platte 400 mit
mehreren aktiven Gebieten 402, 404 geformt. Die
aktiven Gebiete 402, 404 der modulari sierten Platte 400 sind
elektrisch leitend und dienen als Stromkollektoren für
die Brennstoffzellenstapel 2 in der Brennstoffzellenanordnung 200.
Die aktiven Gebiete 402, 404 sind voneinander
elektrisch isoliert.
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Sammelleitungen 406 sind
an einem ersten Ende und einem zweiten Ende der modularisierten Platte 400 angeordnet.
Bei bestimmten Ausführungsformen sind die Sammelleitungen 406 aus
einem elektrisch isolierenden oder dielektrischen Material geformt,
das einen elektrischen Widerstand besitzt, der ausreichend ist,
um einem Fluss von elektrischem Strom hindurch entgegenzuwirken.
Die aktiven Gebiete 402, 404 sind ferner durch
elektrisch isolierende Teiler 408 getrennt. Die elektrisch
isolierenden Teiler 408 können aus einem beliebigen
herkömmlichen, elektrisch isolierenden Material geformt sein,
das in der Technik bekannt ist, wie beispielsweise einem thermoplastischen
Material oder einem duroplastischen Material. Es sei zu verstehen,
dass das thermoplastische Material und das duroplastische Material
starr oder elektrometrisch sein können. Der Fachmann kann
erkennen, dass gegebenenfalls andere geeignete Isolationsmaterialien
verwendet werden können.
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Die
Brennstoffzellenanordnung 200 kann eine Einfassung oder
einen Rahmen (nicht gezeigt) aufweisen. Bei bestimmten Ausführungsformen
hält der Rahmen die modularisierte Platte 400.
Der Rahmen kann aus einer Anzahl geeigneter Materialien aufgebaut
sein, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt,
dieelektrischen Materialien, wie starren Thermoplasten, Duroplasten,
Elastomeren sowie thermoplastischen Elastomeren. Bei bestimmten Ausführungsformen
ist der Rahmen einteilig mit zumindest einer der Sammelleitungen 406 und
den elektrisch isolierenden Teilern 408 ausgebildet. Es kann
ferner angestrebt werden, eine einteilige Dichtung an die modularisierten
Platten 400, beispielsweise über den Rahmen, anzuformen.
Die einteilige Dichtung kann durch einen in der Technik bekannten Formgebungsprozess
geformt werden.
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Die
Sammelleitungen 406 können mehrere Einlassdurchbrechungen 410 und
mehrere Auslassdurchbrechungen 412 aufweisen, die mehrere
Einlassverteiler bzw. mehrere Auslassverteiler definieren, wenn
die Brennstoffzellenanordnung 200 vollständig
zusammengebaut ist. Bei einer anderen Ausführungsform sind
die Einlass- und Auslassdurchbrechungen 410, 412 in
der Einfassung oder dem Rahmen geformt. Bei einer Ausführungsform
umfassen die Sammelleitungen 406 eine daran einteilig angeformte
Dichtung.
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Die
Einlass- und Auslassdurchbrechungen 410, 412 entsprechen
im Wesentlichen den Einlass- und Auslassdurchbrechungen 72, 74, 76, 78.
Es sei angemerkt, dass jede Brennstoffzellenstapel-(2)-Einheit
eine Zufuhr von Reaktanden über zugeordnete Zufuhrverteiler
aufnimmt, die durch die Einlassdurchbrechungen 410 geformt
sind. Die mit den modularisierten Platten 400 geformten
Brennstoffzellenstapel 2 werden daher unabhängig
betreibbar.
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Bei
einer bestimmten Ausführungsform steht jedes der aktiven
Gebiete 402, 404 in Fluidverbindung mit einer
zugeordneten Einlassdurchbrechung 410. Die Einlassdurchbrechungen 410 sind
dadurch derart ausgebildet, dass sie selektiv gasförmige
Reaktanden, wie Luft und Wasserstoff, nach Bedarf an die aktiven
Gebiete 402, 404 liefern. Jedes der mehreren aktiven
Gebiete 402, 404 kann ferner in Fluidverbindung
mit einer zugeordneten Auslassdurchbrechung 412 stehen.
Bei einer illustrativen Ausführungsform liefert die einzelne
Einlassdurchbrechung 410 die gasförmigen Reaktanden
an eines der aktiven Gebiete 402. Die einzelne Auslass durchbrechung 412 kann
derart ausgebildet sein, um einen Abgasstrom unabhängig
von dem einzelnen aktiven Gebiet 402 aufzunehmen.
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Der
Fachmann kann erkennen, dass die Brennstoffzellenanordnung 200 dadurch
auf eine gewünschte Spannung eingestellt werden kann, dass eine
Zufuhr von gasförmigen Reaktanden an einen Anteil der mit
den modularisierten Platten 400 geformten Brennstoffzellenstapel 2 begrenzt
wird. Beispielsweise können gasförmige Reaktanden
selektiv an einige Brennstoffzellenstapel 2 geliefert werden und
nicht an andere Brennstoffzellenstapel 2 geliefert werden,
die durch die modularisierte Platte 400 geformt sind. Beispielsweise
können, wenn eine einzelne Brennstoffzellenstapel-(2)-Einheit
betriebsunfähig wird oder beginnt, ein unerwünschtes
Betriebsverhalten aufzuweisen, die gasförmigen Reaktanden
von der betriebsunfähigen Einheit weggelenkt werden und
die Zufuhr an andere Einheiten kann dementsprechend eingestellt
werden.
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Ähnlicherweise
sei dem Fachmann angemerkt, dass die modularisierten Platten 400,
die die Einlassdurchbrechungen 410 besitzen, die derart ausgebildet
sind, um gasförmige Reaktanden selektiv an die aktiven
Gebiete 402, 404 zu liefern, Betriebsstrategien
ermöglichen, wie beispielsweise einen Strömungswechsel
oder ein Umschalten der Stapelreihenfolge. Ein Strömungswechsel
betrifft eine wechselweise Strömung von gasförmigen
Reaktanden durch einen ersten Stapel und einen zweiten Stapel, die
in Reihe verschaltet sind, wobei eine Richtung der Strömung
durch die Stapel abwechselt. Ein Schalten der Stapelreihenfolge
betrifft eine wechselweise Strömung von gasförmigen
Reaktanden durch den ersten Stapel zu dem zweiten Stapel, die in
Reihe verschaltet sind, wobei die Richtung der Strömung
durch die Brennstoffzellenstapel 2 konstant bleibt. Diese
Verfahren zum Betreiben der Brennstoffzellenstapel 2 können
eine Feuch tigkeitssteuerung erleichtern sowie eine Betriebsfähigkeit der
Brennstoffzellenstapel 2 optimieren.
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Wie
ferner in 4 gezeigt ist, kann eine einzelne,
modularisierte MEA 414 mehrere Katalysatorgebiete 416, 418 besitzen,
die die Anoden und Kathoden der Brennstoffzellenstapel-(2)-Einheiten
bilden. Die mehreren Katalysatorgebiete 416, 418 können
durch eine Elektrolytmembran getrennt sein, wobei die Katalysatorgebiete 416, 418 beispielsweise durch
einen Patch-Coating-Prozess aufgebracht werden. Bei einer anderen
Ausführungsform besitzt die MEA 414 den Katalysator
im Wesentlichen gleichmäßig entlang einer Länge
der Flächen der MEA 414 angeordnet, wobei die
Katalysatorgebiete 416, 418 durch Öffnungen
in einer Matrix- oder einer Siebschicht, die mit den Flächen
der MEA 414 verbunden ist, geformt sind. Die Matrix- oder
Siebschicht ist über dem Katalysator angeordnet und besitzt Öffnungen,
die die Grenzen der Katalysatorgebiete 416, 418 freilegen
und definieren. Die Matrix oder der Sieb können an einem
dielektrischen Material geformt sein, wie hier beschrieben ist.
Gegebenenfalls können auch andere geeignete Mittel zum
Aufbringen der Katalysatorgebiete 416, 418 verwendet
werden.
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Die
modularisierte MEA 414 ist zur Montage mit den modularisierten
Platten 400 konfiguriert. Die modularisierte Platte 400 ist
allgemein zwischen einem Paar der modularisierten MEAs 414 angeordnet.
Als ein nicht beschränkendes Beispiel sind die Katalysatorgebiete 416, 418 mit
den aktiven Gebieten 402, 404 der modularisierten
Platte 400 ausgerichtet und derart ausgebildet, dass sie
an die aktiven Gebiete 402, 404 der modularisierten
Platte 400 angrenzen, wenn die modularisierte Platte 400 und
die modularisierte MEA 414 in der Brennstoffzellenanordnung 200 angeordnet
sind.
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Dem
Fachmann sei angemerkt, dass die modularisierten Platten 400 und
die modularisierten MEAs 414 im zusammengebauten Zustand
mehrere unabhängig voneinander funktionierende Brennstoffzellenstapel 2 bilden.
Somit können die Brennstoffzellenstapel 2, die
mit den modularisierten Platten 400 geformt sind, im Wesentlichen
unabhängig voneinander betrieben werden, indem eine Strömung der
gasförmigen Reaktanden zu den Brennstoffzellenstapeln 2 gesteuert
wird. Die unabhängigen Brennstoffzellenstapel 2,
die aus den modularisierten Platten 400 und den MEAs 414 geformt
sind, können auch elektrisch in Reihe verschaltet sein,
um eine gewünschte Spannung bereitzustellen.
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In
einer typischen Brennstoffzellenanordnung wird ein Spannungswandler
(nicht gezeigt) verwendet, um die elektrische Spannung des Brennstoffzellenstapels
zu verstärken. Bei der vorliegenden Erfindung bilden mehrere
Brennstoffzellenstapel-(2)-Einheiten, die in Reihe verschaltet
sind, eine Brennstoffzellenanordnung 200, wobei eine erzeugte Spannung
maximiert ist. Bei einer bestimmten Ausführungsform kann
die Brennstoffzellenanordnung 200 mit mehreren modularisierten
Platten 400 und mehreren der MEAs 414 aufgebaut
sein. Beispielsweise sind die aktiven Gebiete 402, 404 elektrisch
in Reihe verschaltet, um die elektrische Spannung der Brennstoffzellenanordnung 200 gemäß dem
Ohmschen Gesetz zu verstärken. Als ein weiteres nicht beschrankendes
Beispiel kann ein einzelner 230 Zellen umfassender Stapel
mit etwa 800 cm2 aktiver Fläche
pro Zelle durch drei 200 Zellen umfassende Stapel mit etwa
300 cm2 aktiver Fläche pro Zelle
ersetzt werden. Dem Fachmann wird dadurch offensichtlich, dass ein
einzelner Brennstoffzellenstapel mit einem Spannungswandler, um
die elektrische Spannung zu verstärken, durch die Brennstoffzellenanordnung 200 der
vorliegenden Offenbarung ersetzt werden kann. Es sei ferner zu verstehen,
dass ein Aufbau der Brennstoffzellenanordnung 200 aus den
modularisierten Platten 400 und den modularisierten MEAs 414 dessen
Komplexität minimiert.
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Die
vorliegende Offenbarung umfasst ferner ein Verfahren zum Betreiben
der Brennstoffzellenanordnung 200. Bei einer Ausführungsform
umfasst das Verfahren die Schritte, dass die Brennstoffzellenanordnung 200,
wie hier beschrieben ist, mit den mehreren Brennstoffzellenstapeln 2 bereitgestellt wird,
die mit den modularisierten Platten 400 ausgebildet sind.
Jeder der Brennstoffzellenstapel 2 der Anordnung 200 ist
derart ausgebildet, um eine Zufuhr von gasförmigen Reaktanden
aufzunehmen. Die Brennstoffzellenstapel 2 werden dann in
elektrischer Reihe verschaltet. Die gasförmigen Reaktanden
können gegebenenfalls selektiv an jeden der mehreren Brennstoffzellenstapel 2 geliefert
werden. Beispielsweise können die gasförmigen
Reaktanden selektiv geliefert werden, um die Spannung auf einen
Sollpegel einzustellen. Bei anderen Ausführungsformen können
die gasförmigen Reaktanden gemäß einer oder
mehrerer Betriebsstrategien, wie Umschalten der Stapelreihenfolge,
wie vorher hier beschrieben wurde, selektiv geliefert werden. Es
sei zu verstehen, dass andere geeignete Betriebsstrategien mit der Brennstoffzellenanordnung 200 der
Offenbarung verwendet werden können, indem die gasförmigen
Reaktanden selektiv an einen oder mehrere der Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln 2 geliefert
werden.
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Während
bestimmte repräsentative Ausführungsformen und
Einzelheiten zu Zwecken der Veranschaulichung der Erfindung gezeigt
worden sind, sei dem Fachmann angemerkt, dass verschiedene Änderungen
ohne Abweichung vom Schutzumfang der Offenbarung durchgeführt
werden können, der in den folgenden angefügten
Ansprüchen weiter beschrieben ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6127058 [0004]
- - US 6080503 [0004]
- - US 6495278 [0004]
- - US 5945232 [0004]