CZ309461B6 - Rozvodná deska palivového článku - Google Patents

Abstract

Předmětem vynálezu je rozvodná deska v palivových článcích jako zdrojích elektrické energie do nichž se přivádí plynné palivo a vzduch jako okysličovadlo a vyvádí se generovaný elektrický proud. Jednou z výhod těchto článků je že zplodiny reakce neznečisťují ovzduší protože je to čistá voda. Tato voda ve formě kapek držených povrchovým napětím v dosavadních provedeních rozvodných desek blokuje dutiny pro průtok plynů. Tím zhoršuje účinnost přeměny a je žádoucí ji odstranit. Podle vynálezu je to řešeno zvláštním tvarováním dutin v rozvodných deskách, kterými se ve vstupní části dutin vyvolají samobuzené periodické oscilace protékajícího plynu. Po část periody oscilací krátkodobě zvýšený průtok působí intenzívní hydrodynamickou silou na kapky vody a strhává je s sebou směrem k vývodnímu otvoru z desky. Tím se potlačí dosavadní problémy způsobené zaplavením části dutin vodou. Oscilace průtoku také promícháváním zvyšují účinnost probíhajícího procesu přeměny.

Description

Rozvodná deska palivového článku

Oblast techniky

Předmětem vynálezu jsou rozvodné desky v palivových článcích. Tyto články jsou známé jako potenciálně výhodné zdroje elektrické energie v nej různějších technických oborech. Přivádí se do nich jednak palivo a jednak okysličovadlo, obvykle oboje v plynné fázi - a ven se pak z nich vyvádí generovaný elektrický proud. Tyto články - a z nich sestavené soustavy, tedy baterie článků - jsou zejména uvažovány pro blízkou budoucnost jako výhodná alternativa pro elektrický pohon motorových vozidel. Mají oproti chemickým článkům malou hmotnost a nevyžadují dlouhé nabíjecí časy - a také v principu negenerují žádné škodlivé zplodiny, neboť výsledným produktem probíhajících reakcí je čistá voda.

Dosavadní stav techniky

Jednotlivé palivové články i z nich vytvořené baterie jsou sestavovány z desek na sebe neskládaných a rozvodné desky podle vynálezu jsou jejich důležitou součástí. V článcích probíhají procesy generace elektrického proudu a/nebo napětí. Významnými jinými deskami v článku jsou zejména dvojice deskových elektrod, anoda a katoda. Mezi nimi je polymerová membrána, také tvarovaná jako deska stejného celkového tvaru. Na zvláštních vlastnostech této membrány závisí prováděná generace elektřiny. Elektrody jsou umístěny každá na své straně této membrány a jsou každá v kontaktu s rozvodnou deskou na své straně. Účelem této rozvodné desky jez malého otvoru, jímž je přiváděn reaktant-jímž bývá vodík na jedné straně a obdobně vzduch na protilehlé straně - rozvést je co možná po celém povrchu elektrody. K tomuto rozvádění slouží soustava kanálků zpravidla vytvořených vybráním materiálu na jedné straně desky. Jsou to právě tyto rozvodné desky, které jsou zde předmětem vynálezu.

Desky obou elektrod - anody a katody - v palivových článcích jsou obvykle porézní a tenké a po mechanické stránce proto značně choulostivé. Také membrána mezi nimi je nej častěji vytvořená z měkkého polymemího materiálu a nemá tedy také u současných provedení žádnou velkou mechanickou tuhost a pevnost. Aby byl svazek desek zpevněn je proto obvyklé dodat mu potřebnou mechanickou tuhost přidáním na obou koncích svazku pevné opěrné koncové desky - aby se tak s článkem dalo jednoduše zacházet, například v průběhu montáže a podobných situacích.

Dosti často se při návrhu a zhotovování článku kombinuje krajní rozvodná deska baterie se sousedící koncovou deskou. Obě tak tvoří jediný celek. Koncová deska dává této kombinaci mechanickou tuhost a současně soustava kanálků v ní zhotovených pokrývá povrch sousedící elektrodové desky tak jako u rozvodných desek. Jiná poměrně častá kombinace je také spojení dvou rozvodných sousedících rozvodných desek do jednoho mechanického celku. Výsledná taková deska se pak označuje jako bipolámí rozvodná deska. V obou případech takových kombinací se funkce rozvodných kanálků nijak nemění a nedosahuje se tím tedy žádné funkční výhody kromě toho, že tak lze dosáhnout větší prostorové kompaktnosti baterie článků.

Přiváděný vodík, s nímž se nejčastěji uvažuje jako palivem pro palivové články vozidel, je produkován s určitými náklady. V přírodě se sám nevyskytuje. Na jeho výrobu jsou tedy vynakládány sice ne velké, ale - zejména s očekávanou hromadnou výrobou - nezanedbatelné finanční prostředky, a to jak investiční, tak i provozní. Je proto žádoucí, aby byl vodík v palivovém článku co nejlépe využit, aby tak jeho spotřeba byla co možná malá. Ktomu se vyžaduje co nejvyšší účinnost procesů v článku probíhajících. I malé zlepšení účinnosti může být významné vzhledem k celkově očekávaným velkým produkovaným objemům pro provoz vozidel. Požadavek dobré účinnost také vyplývá i jinak, a sice z velmi velkého měrného objemu vodíku jaký má za normálního stavu. Tato jeho vlastnost přináší obtíže s jeho uskladněním, například ve vozidle nebo v jiných zařízeních kde má být po jistou dobu dočasně uchován pro pozdější spotřebu. Čím větší

- 1 CZ 309461 B6 je účinnost jeho využití v palivovém článku, tím menší může být ve vozidle (nebo ovšem i jinde) skladovaná zásoba vodíku. Jeho objem lze ovšem pro vhodnější skladování zmenšit stlačením, ale to přináší zase jiné problémy. Řešení této otázky fúnkční účinnosti je jedním z aspektů vynálezu.

Jedním z praktických problémů dosavadních uspořádání palivových článků je blokování protékaných dutin pro plyny v rozvodných deskách kapkami vody. Tato voda je přítomná v kapalné fázi jako produkt reakce probíhající na katodě a dostává se v podobě vodních kapek i do jiných dutin. Tyto kapky vody ovšem blokují dostupné dutiny pro vodík což zhoršuje proudění vodíku a tím snižuje celkovou účinnost článků. V literatuře jsou zmiňovány cesty k potlačení tohoto blokovacího efektu. Je jich sice známa řada, ale nepřinášejí úplné řešení. Nejvíce se uvažuje periodické otvírání dutiny v rozvodných deskách do atmosféry. Plynné palivo proudící pak ven velkou rychlostí s sebou strhává kapky vody a odnáší je pryč. Ovšem toto odstranění plynného paliva vypouštěním je z hlediska energetické bilance článku nepříznivé. Proudění musí být dosti intenzívní, a to způsobuje podstatnou ztrátu vodíku. Kromě dalších nežádoucích okolností jako je třeba komplikace s mechanickým pohonem nějakého k tomu potřebného otevíraného a zavíraného ventilu ve vývodu do atmosféry se také s vypouštěním vodíku zvětší takové potenciální problémy jako je třeba možnost vzniku požáru.

Podstata vynálezu

Uvedené dosavadní nedostatky jsou potlačeny rozvodnou deskou palivových článků s vytvořenými dutinami pro průtok tekutiny, jedním svým koncem napojenými na přívodní otvor a otevřenými z jedné své strany k povrchu sousedící elektrody s dutinami pro průtok tekutin jedním svým koncem napojených na přívodní otvor pro palivovou tekutinu a po jedné své straně otevřenými, jehož podstatou je, že dutiny mají v půdorysu tvar s rozvětvením do dvou větví, jimiž jsou první kanál a druhý kanál, kde každá z obou těchto větví vede samostatně do jednoho ze dvou vývodních otvorů přičemž místem tohoto rozvětvení do dvou větví je zúžení průřezu dutiny vytvořené vzájemným přiblížením proti sobě umístěných vstupních stěn které dosahují až k přívodnímu otvoru, přičemž první vstupní sténaje umístěna na jedné straně dutiny a druhá vstupní sténaje na druhé protilehlé straně dutiny a za tímto místem zúžení ve směru průtoku je mezi proti sobě umístěnými přídržnými stěnami - a to jednak první přídržnou stěnou a jednak druhou přídržnou stěnou - naopak ve směru průtoku rozšíření průřezu kde na konci tohoto rozšíření je oddělovač vytvořený mezi vstupy do prvního kanálu a druhého kanálu.

Může pňtom být účelné, aby rozvodná deska podle vynálezu mezi konci obou vstupních stěn a konci obou přídržných stěn v průtokovém směru měla na každé straně jedno ze dvou vybrání, vytvořených ve stěně rozvodné desky.

Také může být podle vynálezu účelné, aby rozvodná deska měla uvnitř svých vybrání obou stěn rozvodné desky na každé straně výstupek, mezi jehož vnější stěnou a vnitřní stěnou vybrání je prázdná mezera.

Rovněž může být účelné, aby rozvodná deska byla uspořádána podle vynálezu s oběma vstupními stěnami, jež jsou vytvořeny na opačných stranách části rozvodné desky vytvářející jeden spojitý výstupek, přičemž přívodní otvor je vytvořen v tomto spojitém výstupku a po vnější straně tohoto spojitého výstupku je mezi ním a ostatními částmi rozvodné desky prázdná mezera.

V tomto uspořádání podle vynálezu je problém přítomnosti vody v dutinách pro vodík, snižující účinnost palivového článku, řešen zvláštním tvarováním dutin v rozvodných deskách, kde se generují samobuzené periodické oscilace. V jednom z obou kanálů se vytváří po dobu trvání poloviny oscilační periody intenzivnější proudění směřující k vývodnímu otvoru - kdežto souběžně ve druhém ze dvou kanálů se vytváří krátkodobě proudění jež je méně intenzívní - nebo tam nastává až proudění ve zpětném směru. V následující polovině periody se pak tyto změny intenzity vlevo a vpravo navzájem vystřídají. Krátkodobě zvýšený průtok působí intenzívní

-2CZ 309461 B6 hydrodynamickou silou na jednotlivé kapky vody a strhává je s sebou k vývodnímu otvoru. Tím se potlačí problémy způsobované zaplavením dutin v desce a v elektrodě vodou, navíc vyvolávané oscilace průtoku umožní promícháváním protékajícího plynu a potlačením mezních vrstev v tekutině zvýšit účinnost probíhajícího procesu přeměny.

Objasnění výkresů

Na připojených celkem dvaceti pěti obrázcích je znázorněno celkem jedenáct alternativních příkladů uskutečnění rozvodné desky palivového článku podle vynálezu a dále jsou znázorněny příklady stohování rozvodných desek pro vytvoření palivového článku a baterie palivových článků.

Jednotlivé popisované příklady uskutečnění rozvodné desky se vzájemně liší ve dvou ohledech. Buď mají různé provedení dutin, v nichž dochází k samobuzeným oscilacím vyvolaným aerodynamickou nestabilitou v přiváděné tekutině (obr. 2, 10, 12, 14, 20, 21), nebo mají navzájem odlišné provedení kanálů (obr. 2, 10, 18), v nichž vodík a vzduch protékají, a tak proudí podél povrchu elektrod. Nařadě samostatných výkresů (obr. 4, 5, 6, 7, 11, 13, 15, 16, 17) jsou ve zvětšení vyobrazeny některé detaily uskutečnění rozvodných desek.

Stohování dvou rozvodných desek pro vytvoření jednoduchého palivového článkuje znázorněno v příčném řezu na obr. 1. Detaily stohování více rozvodných desek pro vytvoření vícečlánkové baterie jsou uvedeny v příčném řezu na obr. 3, 8, 9. Možnosti uložení sousedních rozvodných desek v palivovém článku jsou znázorněny na obr. 22, 23, 24, 25. Řešení prostupů pro přívod a odvod plynných reaktantů a produktů v rozvodné desce je znázorněno na obr. 19.

Příklady uskutečnění vynálezu

Příklad 1

V tomto příkladu, zobrazeném hlavně na obrázcích obr. 1 a 2 avšak s některými zvětšenými detaily také na obr. 4, 5, 6 a 7, jsou rozvodné desky podle vynálezu součástmi palivového článku určeného pro napájení jednak vodíkem jako palivem a jednak kyslíkem z atmosféry jako okysličovadlem. Palivový článek je v tomto případě určen pro aplikace vyžadující elektrické napájení velmi malým napětím, v úrovni kolem jednoho voltu. Při takto nízkém požadovaném napětí není třeba skládat baterii z více článků - jako je tomu u většiny jiných aplikací - neboť pro takové malé napětí postačí samotný článek jediný. Tato jednoduchost je jeho výhodou pro snadnější úvodní vysvětlení významu vynálezu. Všechny ostatní příklady uskutečnění mají jistou vzájemnou podobnost a liší se jen v provedení některých detailů.

Základem, na níž je myšlenka tohoto palivového článku postavena je selektivní propustnost membrány 60. Prostřednictvím katalyzátoru jsou atomy vodíku rozloženy na kladně nabité protony a na volné elektrony. Membrána 60 propouští jen protony ale nikoliv elektrony. Po obou stranách membrány 60 jsou umístěny ploché elektrody, anoda 50 a katoda 70 mezi nimiž v důsledku hromadění elektronů na anodě 50 vzniká využitelný napěťový rozdíl, který je možné odebírat na výstupních svorkách 400. Obě elektrody jsou porézní, průlinčité a mechanicky tedy choulostivé. Také membrána 60 má celkem malou mechanickou odolnost. Proto jsou obě elektrody, anoda 50 a katoda 70, na vnější straně podepřeny pevnými deskami, rozvodnou deskou 80 na straně anody 50 a druhou rozvodnou deskou 180 na opačné straně, tedy straně katody 70. Obě tyto rozvodné desky 80 a 180 jsou z pevného materiálu, takže se o ně mohou spolehlivě opírat matice nebo hlavy šroubů držící celý svazek všech desek pohromadě. Pro přívod jak paliva, tak okysličovadla a potom rozvedení obou plynů po povrchu elektrod 50, 70 mají rozvodné desky 80 a 180 na své vnitřní straně plynem protékané kanály - například vytvořené odebráním materiálu. V myšleném řezu tímto palivovým článkem je na obr. 1 viditelný první kanál 31 na straně anody 50 - kdežto na straně katody 70 je vidět první protilehlý kanál 91. Do prvního kanálu 31 je zaveden zleva přívod

-3 CZ 309461 B6 vodíku 200. který podle vynálezu prochází prvním oscilátorem 1000 v němž se proudění rozkmitá. Na opačné, spodní straně je do prvního protilehlého kanálu 91 zaveden přívod vzduchu 300. který prochází obdobně druhým oscilátorem 1001. Na pravé straně článku jsou pak na obr. 1 vývody produktů 600 probíhajících reakcí.

Na obr. 2 je zobrazena první rozvodná deska 80 podle vynálezu, obdélníkového tvaru, spolu sjedním zmožných uspořádání samobuzených oscilátorů. Tento obrázek obr. 2 má charakter celkového pohledu na tuto první rozvodnou desku 80 a zejména pohledu na dutiny jimiž přiváděné plynné palivo protéká od přívodního otvoru 20 do rozvětvení. Zvětšený detail této vstupní části je na obr. 4. Z tohoto místa rozvětvení průtoku pak jsou pro proudění plynného paliva vytvořeny dva souběžné kanály, první kanál 31 a druhý kanál 32. Oba tyto kanály jsou v tomto případě uspořádány do tvaru opakujících se meandrů. Účelem tohoto meandrového uspořádání je to, aby se jimi pokryla co možná nejvíce plocha povrchu anody 50. První kanál 31 vede z meandrů do prvního vývodního otvoru 41, kdežto konec druhého kanálu 32 je obdobně zaveden do druhého vývodového otvoru 42.

Do přívodního otvoru 20 je vodík přiváděn přívodem vodíku 200 ve směru kolmém k rovině první rozvodné desky 80. Za tímto přívodním otvorem 20 pak dráha průtoku vodíku vede mezi dvěma bočními stěnami, první vstupní stěnou 21 a druhou vstupní stěnou 22. Tyto stěny se (zejména podle obr. 4) k sobě ve směru průtoku navzájem přibližují. Za místem největšího zúžení průtoku se pak zase průřez kanálu rozšiřuje mezi proti sobě umístěnými bočními stěnami, první přídržnou stěnou 27 a druhou přídržnou stěnou 28. Uspořádání těchto dvou stěn, první přídržné stěny 27 a druhé přídržné stěny 28, ukazuje řez rovinou E - E vyznačenou na obr. 4. Obraz tohoto rovinného řezu je na obr. 7. Je tam patrné, že první přídržná stěna 27 je vytvořena na vnitřním povrchu prvního výstupku 25 a symetricky k tomu je druhá přídržná stěna 28 vytvořena na vnitřním povrchu druhého výstupku 26. První výstupek 25 je podle obr. 6 umístěn uvnitř prvního vybrání 23. které je na obr. 5. Symetricky k tomu je druhý výstupek 26 umístěn uvnitř druhého vybrání 24. Srafovaná oblast nakreslená na obr. 5 je umístěna výše kolmo k nákresně, než je plocha vybrání, která je na obrázku nakreslená jako prázdná. Naopak zase na obr. 6 je vyšrafovaná plocha povrchu níže proti nákresně než oblast nakreslená jako prázdná.

Je namístě si povšimnout na obr. 4, že mezi první vstupní stěnou 21 a první přídržnou stěnou 27 je úzká mezera umožňující průtok tekutiny. Za horním koncem největšího rozšíření protékaného průřezu mezi první přídržnou stěnou 27 a druhou přídržnou stěnou 28 daného vzájemným rozevřením těchto přídržných stěn 27 a 28 stojí pak v cestě přímého proudění oddělovač 29. Po obou stranách oddělovače 29 jsou vstupy do dvojice kanálů, prvního kanálu 31 a druhého kanálu 32, které pak odtud procházejí skrze své meandrové úseky. Na základě provedených experimentů je zjištěno, že oddělovač 29 má na svém vstupním čele žlábkovité vybrání. To usnadňuje náklon tekutinového proudu 121 a jeho obejití kolem oddělovače 29 do kanálů 31 a 32.

Po obou stranách dráhy pro vodík v první rozvodné desce 80 jsou pak na obou stranách přídržné stěny. Je to konkrétně první přídržná stěna 27 a druhá přídržná stěna 28. V celém svém rozsahu má jak první vybrání 23 tak i druhé vybrání 24 konstantní hloubku, jak je rozeznatelná v řezu rovinou E - E znázorněnou na obr. 4. Při tvarování prvního vybrání 23 při zhotovování první rozvodné desky 80 je v prvním vybrání 23 ponechán uvnitř první výstupek 25 tak, že mezi vnější stěnou prvního vybrání 23 a vnější stěnou prvního výstupku 25 je ponechána mezera o zhruba stálé šířce. Také při tvarování druhého vybrání 24 na opačné straně je ponechán druhý výstupek 26 tak, že mezi vnější stěnou druhého vybrání 24 a vnější stěnou druhého výstupku 26 je také ponechána mezera, která také má zhruba stálou šířku. Jediné významné zmenšení této šířky je u přívodního otvoru 20 na konci první vstupní stěny 21 a obdobně také na konci druhé vstupní stěny 22.

Funkce popsaného prvního příkladu uskutečnění je znázorněna na obr. 4 prostřednictvím zakreslených šipek, jak byly zjištěny při experimentálním vyšetřování. Vodík přiváděný přívodním otvorem 20 protéká zúžením mezi první vstupní stěnou 21 a druhou vstupní stěnou 22, jak ukazuje šipka mezi nimi. Tímto zúžením se jeho rychlost zvyšuje a s touto značně vysokou rychlostí

-4CZ 309461 B6 přichází jako tekutinový proud 121 do prostoru mezi první přídržnou stěnou 27 a druhou přídržnou stěnou 28. Úhel vzájemného rozšíření těchto dvou přídržných stěn 27 a 28 je tak velký, že se tekutinový proud 121 nemůže udržet současně u obou přídržných stěn 27 a 28. V situaci naznačené šipkami na obr. 4, tekutinový proud 121 přilnul k první přídržné stěně 27. Toto přilnutí je především závislé na tlakových poměrech daných tím, že do tekutinového proudu 121 je strhávána okolní tekutina. Protože tekutinový proud 121 je v důsledku svého naklonění velmi blízko k první přídržné stěně 27, nemůže se zde strháváním do proudu odnesený plyn nahradit jiným plynem z okolí. V tomto úzkém prostoru mezi proudem 121 a první přídržnou stěnou 27 je tak podtlak. Na protilehlé straně, mezi tekutinovým proudem 121 a druhou přídržnou stěnou 28 tak velký podtlak není, neboť tam může přicházet plyn jako vnější přisávání 124 ze druhého kanálu 32. Je to právě tento rozdíl tlaků mezi oběma stranami tekutinového proudu 121. který drží tekutinový proud 121 v jeho vychýlené poloze. Tímto skloněním je plyn veden od konce první přídržné stěny 27 jako kanálový průtok 123 do prvního kanálu 31. Tam ovšem plyn musí protékat do levé poloviny meandru, který způsobuje třením plynu o stěny jistý odpor proti průtoku. Část přiváděného tekutinového proudu 121 se proto u konce první přídržné stěny 27 odkloní a jako vratný průtok 127 prochází mezerou mezi vnější stěnou prvního vybrání 23 a vnější stěnou prvního výstupku 25. Vedou k tomu dvě okolnosti. Je to jednak jistá neschopnost překonávat třecí odpor prvního kanálu 31. Druhá okolnost je opět to, že tekutinový proud 121 přisává do sebe tekutinu ze svého okolí a vyvolává ve svém okolí podtlak, což je jev obecně známý z proudových ejektorů. Uplatňuje se jako vnitřní přisávání 128 a podtlak v mezeře mezi prvním vybráním 23 a výstupkem 25. Ve druhém kanálu 32 se již zmíněným přisávacím efektem vyvolá vnější přisávání 124, které způsobuje zpáteční proudění do prostoru mezi první přídržnou stěnou 21 a druhou přídržnou stěnou 22, odkud je tekutina trhávána do tekutinového proudu 121. V meandru druhého kanálu 32 se tak vyvolá zpáteční proudění, kdežto v prvním kanálu 31 převládá proudění směrované do prvního vývodního otvoru 41. Jen menší část se odkloní jako vratný průtok 127. který tak v mezeře mezi vnější stěnou prvního vybrání 23 a vnější stěnou prvního výstupku 25 vyvolá energické pulzující proudění dopadající z boku na tekutinový proud 121.

Tímto energickým prouděním přicházejícím z boku se způsobí, že se zruší podtlak, který tekutinový proud 121 dosud držel u první přídržné stěny 27. Dále se uplatní průtočná hybnost výtoku dopadajícího z boku na tekutinový proud 121. Oboje způsobí, že se tekutinový proud 121 dosud vedený do prvního kanálu 31 překlopí na druhou stranu. Začne být držen u druhé přídržné stěny 28. Od ní je pak veden do druhého kanálu 32. Protože tekutinový proud 121 je v důsledku svého překlopení velmi blízko ke druhé přídržné stěně 28, nemůže se tam nyní nahradit strháváním odnesený plyn plynem z okolí. V tomto úzkém prostoru mezi překlopeným tekutinovým proudem 121 a druhou přídržnou stěnou 28 tak nyní vznikne podtlak. Vzhledem ke geometrické symetrii vnitřního tvaru dutin se nyní úlohy obrátí. V meandru druhého kanálu 32 se tak obrátí směr proudění a vyvolá se dopředně proudění do druhého vývodního otvoru 41, kdežto v prvním kanálu 31 převládá zpětné proudění. Lze nyní brát postupně jednotlivé výše zmíněné detaily proudění jak se po překlopení tekutinového proudu 121 obrátí. Výsledkem takto změněných poměrů ovšem bude, že se vyvolá silový účinek na překlopený tekutinový proud 121, který jej zase vrátí do původního výchozího stavu, jaký je nakreslen na obr. 4. Je to stav s výtokem do prvního kanálu 31 a zpětným prouděním ve druhém kanálu 32.

Takto se střídající směry proudění mají dva žádoucí důsledky. Prvním z nich je intenzívní silové působení pulzací na jakékoliv náhodně přítomné kapičky vody, které se u palivových článků dostávají zejména zpětnou difúzí do dutin v první rozvodné desce 80 a způsobují tam ztrátu účinnosti palivového článku. Průtokový pulz oscilujícího vodíku s sebou strhne kapku vody a unáší ji do příslušného vývodního otvoru 41, 42. Tím se obnoví účinnost generování elektřiny v daném článku. Druhým příznivým důsledkem vyvolaných změn směru proudění je intenzívní difúze do anody 50. Toto zvýšení transportu je známý efekt, který se jinak dá dosáhnout - ovšem značně náročnějším - mechanickým mícháním nebo obdobnou agitací tekutiny v dutinách. Mechanické provedení oscilátoru je sice možné, ale po ekonomické stránce pro palivový článek nevýhodnou alternativou ve srovnání se samobuzenými oscilacemi podle vynálezu.

-5CZ 309461 B6

Příklad 2

V tomto druhém příkladu, jenž se týká vyobrazení na obr. 3, 8 a 9 jsou poněkud pozměněné, ale v zásadě podobné rozvodné desky podle vynálezu součástkami svazku desek tvořícího baterií palivových článků. Myšlený řez svazkem rozvodných desek je veden podle lomené čáry A - B C - D naznačené na obr. 2 a dostává se tak obraz příčného řezu na obr. 3. Svazek desek je ovšem schopen dodávat vyšší elektrické napětí než jediný článek ve výše popsaném prvním příkladu uskutečnění. Ve většině praktických aplikací jsou právě požadována vyšší elektrická napětí. Ta se nej snadněji dosáhnou seřazením více palivových článků za sebou do série. Na obr. 3 je tak baterie článků v níž jsou tři palivové články v sérii, spolu fyzicky spojené v baterii tvořící jeden svazek desek.

Navíc k výše popsaným deskám samostatného jednoho palivového článku jako je membrána 60 a elektrody 50, 70 jsou v tomto případě ve svazku ještě dva jiné druhy desek. V prvé řadě to jsou koncové desky, a to nahoře na obr. 3 nahoře první koncová deska 10 a naproti tomu pak dole druhá koncová deska 100. Jejich úlohou je vyztužit pevnostně celý svazek, stažený svorníky 54 procházející děrami pro šrouby 55. Je tam ovšem nezbytná elektrická izolace 155, aby nedošlo k vzájemnému zkratování jak přes svorníky 54 tak přes trubicové součástky v nichž jsou přívodní otvory 20. V koncových deskách 10. 100 jsou také připevněny vývody a přívody tekutin.

Vlastní fúnkční desky v baterii jsou v zásadě shodné s příkladem na obr. 1. Podstatný rozdíl však je však patrný na obr. 3 dole pod katodou 70, neboť tam je velmi odlišná bipolámí koncová deska 190. Na rozdíl od jiných rozvodných desek 80 má bipolámí koncová deska 190 v sobě dva systémy vytvořených dutin. Jeden je na horní straně této bipolámí koncové desky 190 aje zde z něj v řezu na obr. 3 vidět první protilehlý kanál 91. Druhý systém vytvořených dutin je pak na spodní straně bipolámí rozvodné desky 190. Je z něj v řezu na obr. 3 viditelný první kanál 31. Výhodou tohoto uspořádání v tomto dmhém příkladu uskutečnění, tedy s bipolámími deskami, j e větší kompaktnost výsledné baterie článků a menší objem, který tato baterie pak zaujímá. Porovnání obou příkladů uskutečnění vynálezu umožňují částečné příčné řezy na obr. 8 a obr. 9, kde na obr. 9 je svazek čtyř palivových článků sevřených v koncových deskách 10, 100. Jsou tam pouze jednostranné rozvodné desky 80. Naproti tomu na obr. 8 jsou bipolámí rozvodné desky 190 a na obou koncích svazku jsou kombinované desky, které přejímají úlohu jak koncových desek 10. 100 tak rozvodných desek 8CX Jsou to na obr. 8 nahoře horní kombinovaná deska 800 a dole dolní kombinovaná deska 801.

Příklad 3

Tohoto příkladu uskutečnění se týká jednak vyobrazení rozvodné desky 80 na obr. 10, jednak na obr. 11 detail dutin na vstupu plynu do kanálů 31, 32 rozvodné desky 80 v níž jsou generovány oscilace. Proudění uvnitř dutiny je tam vysvětleno pomocí zakreslených dlouhých zakřivených šipek okamžitého směru proudění. Jde o příklad provedení uspořádaný tak, že umožňuje dosáhnout velmi vysoké frekvence samobuzených oscilací. To vede k velmi intenzivnímu promíchávání protékajícího plynu a tím ke zvětšení účinnosti palivového článku s rozvodnými deskami 80 podle vynálezu. Základní princip generování oscilací má celkem blízko k principu vysvětleném u prvního příkladu provedení a liší se právě jen v detailech umožňujících vysokou frekvenci.

Frekvence oscilací jev zásadě určena délkou dráhy, kterou musí proudící plyn urazit, než na něj začne působit síla v opačném smyslu ve dmhé polovině oscilačního cyklu. Má-li tedy dojít k žádoucí vysoké frekvenci, je nutné u odpovídajícího provedení dráhy zkrátit. Tato zkrácení jsou na obr. 10 a 11 dvě. První z nich je jiné pokrytí plochy povrchu elektrod 50. 70 kanálky pro průtok plynu. Toto pokrytí stejně jako u výše popsaného prvního příkladu uskutečnění je i zde rozděleno do dvou symetrických polovin, a to prvního kanálu 31 na obr. 10 vlevo a druhého kanálu 32, který je na tomto obrázku vpravo. Krátká dráha a současně dobré pokrytí jsou dosaženy rozdělením průtoku do velkého počtu paralelně probíhajících kanálků, a sice celkem do třinácti prvních paralelních kanálků 35 na levé straně a shodných třinácti druhých paralelních kanálků 36 na protilehlé pravé straně. Obojí jsou velmi krátké ve srovnání s meandry na obr. 2. Na výstupu

-6CZ 309461 B6 z těchto soustav paralelních kanálků 35. 36 je vlevo první_shromažďovací větev 33 vedoucí do prvního vývodního otvoru 41. Vpravo pak je druhá shromažďovací větev 34 vedoucí do druhého vývodního otvoru 42. Druhé z obou výše zmíněných zkrácení dráhy je naznačeno v dolní části obr. 10 a současně ve zvětšení na obr. 11. Namísto dosti dlouhé plynem protékané mezery mezi vybráními 23, 24 a výstupky 25, 26 na obr. 4 jsou nyní na těchto obrázcích pouze krátká vybrání 23, 24 s vloženými výstupku 25, 26 s mezerou skrze kterou plyn může rychle procházet za velmi krátkou dobu k vstupní stěně 21, 22 jako vratný průtok 127 s vnitřním přisáváním 128.

Příklad 4

Tento příklad provedení dutin rozvodné desky 80 je zobrazen na obr. 12 a detail jeho dutin v nichž jsou vyvolány žádoucí oscilace proudění je ve zvětšení nakreslen na dalším obr. 13. Pro proudění plynu v zobrazených dutinách rozvodných desek 80 slouží také zde dva kanály, první kanál 31 a druhý kanál 32 se společným vstupním otvorem 20 ale s různými vývodními otvory - prvním vývodním otvorem 41 pro první kanál 31 a druhým vývodním otvorem 42 pro druhý kanál 32. Oba kanály 31. 32 jsou zase uspořádány do meandrů, aby co nejvíce pokryly plochu povrchu elektrod 50, 70 jimiž jsou dutiny rozvodných desek překryty. Pro generaci oscilací v protékajícím plynu slouží ta část dutin, za níž ve směru průtoku se proudění, zpočátku společné, rozvětvuje do prvního kanálu 31 a druhého kanálu 32. Toto rozvětvení je ve spodní části obr. 10. Ze vstupního otvoru 20 směřuje dutina pro průtok plynu směrem na obr. 10 nahoru mezi první vstupní stěnou 21 a druhou vstupní stěnou 22. Tyto stěny se ve směru proudění k sobě navzájem přiklánějí. Způsobuje to, že se rychlost plynu zde zvětšuje a klesá jeho tlak. Nad horním koncem obou vstupních stěn 21 a 22 j e úzká mezera a nad ní j sou pak počátky j iné dvoj ice stěn, první přídržné stěny 27 a druhé přídržné stěny 28. Obě tyto přídržné stěny 27 a 28 se ve směru proudění od sebe navzájem vzdalují._Uhel rozevření, který spolu svírají je natolik velký, že tato dvojice stěn nefunguje jako difúzor. Od jedné z obou přídržných stěn se proudící plyn odtrhne a přidržuje se jen u protilehlé zbývající stěny. Za horním koncem obou přídržných stěn 27 a 28 se pak v cestě svislého proudění nachází oddělovač 29 také zde se žlábkovitým vybráním na svém čele. Podstatná odlišnost od výše popsaných uspořádání vybrání a výstupků j e u tohoto čtvrtého příkladu provedení v tom, že zde j e oboustranné vybrání 39 dosahující vlevo i vpravo od přívodního otvoru 20 a uvnitř něj je spojitý výstupek 30. Přívodní otvor 20 je zde proveden v tomto spojitém výstupku 30. Při zhotovování oboustranného vybrání je přitom postupováno tak, že mezi jeho vnější konkávní svislou stěnou a konvexní vnější svislou stěnou spojitého výstupku 30 je vytvořena mezera, například jako na obr. 10, mezera o všude stejné šířce - s výjimkou zúžení šířky u vstupních stěn, tedy u první vstupní stěny 21 a druhé vstupní stěny 22.

Dlouhé a vesměs zakřivené šipky na obr. 13 naznačují charakter proudění právě v situaci, kde plyn přiváděný do přívodního otvoru 20 nemůže protékat navazujícími částmi dutin generujícími oscilace směrem přímo vzhůru neboť tam je v jeho cestě oddělovač 29. Musí se tedy odklonit od přímého směru a v situaci zakreslené na obr. 13 prochází do prvního kanálu 31. Uvnitř dutin je tento tekutinový proud 121 po výtoku z prostoru mezi první a druhou vstupní stěnou 21 a 22, skloněn na obr. 13 doleva kde po levé straně obtéká oddělovač 29, Po průchodu meandry prvního kanálu 31 vytéká do prvního vývodního otvoru 41. Ze druhého kanálu 32 je sacím účinkem tohoto tekutinového proudu 121 naopak přiváděno zpětně směřující vnější přisávání 124. Tím je tekutina přisáta do tekutinového proudu 121 a s ním odvedena společně s tímto hlavním prouděním do prvního kanálu 31. U první přídržné stěny 27 se v tekutinovém proudu 121 také projevuje vliv přisávacího účinku jako lokální podtlak. Plyn v podobě překlápěcího průtoku 129 je přisáván úzkou mezerou mezi první vstupní stěnou 21 a první přídržnou stěnou 27. Naproti tomu v mezeře na opačné straně, u začátku druhé přídržné stěny 28 je tlak větší. Vzniká tak vratný průtok 127 procházející od tohoto většího tlaku k překlápěcímu průtoku 129. Prochází přitom mezerou mezi okrajem spojitého výstupku 30 a vnitřní stěnou oboustranného vybrání 39. Toto proudění v mezeře nemá stálou velikost, ale jeho intenzita se postupně s časem zvyšuje. Dosahuje velmi vysoké kinetické energie v úzké mezeře mezi první vstupní stěnou 21 a první přídržnou stěnou 27. Tam naráží na tekutinový proud 121, který je právě v těchto místech velice citlivý na působení příčně směřujících sil. Pod tímto účinkem se tekutinový proud 121 nejprve napřímí, ovšem v napřímeném

-7 CZ 309461 B6 směru se nemůže udržet - už proto, že naráží na zahloubený žlábek na čele oddělovače 29. Jeho překlápění tedy pokračuje až skončí přilnutím ke druhé přídržné stěně 28. Tím se ovšem asymetrické poměry v jinak geometricky symetrických dutinách zcela změní. Projeví se to tím, že dojde k nasávání do prvního kanálu 31 z prvního vývodního otvoru 41. Naopak tekutinový proud 121 zvětšený o toto přisávání pak vytéká druhým kanálem 32. Obrátí se ovšem také tlakové poměry napříč tekutinovým proudem 121, kde pak je vyšší tlak vpravo a nižší tlak vlevo. To ovšem obrátí i proudění mezerou mezi okrajem spojitého výstupku 30 a vnitřní stěnou oboustranného vybrání 39. Intenzita tohoto obráceného proudění zase postupně narůstá a způsobí zpětné překlopení tekutinového proudu 121 do původní výše již popisované polohy. Takto dojde k samobuzeným oscilacím, při kterých se střídají směry proudění v kanálech 31, 32 s oběma výše již uvedenými žádoucími jevy, tedy intenzívním silovým působením na přilnuté kapičky vody a jejich odnesení - a zlepšení účinnosti článku zvýšením intenzity difúzního transportu.

Příklad 5

Tento další příklad provedení rozvodné desky s oscilačním promícháváním plynu v jejích dutinách je znázorněn na následujících obr. 14, 15, 16 a 17. Je tam v prvé řadě na obr. 14 celkový pohled na koncovou desku palivového článku, kde zejména zajímavý je ve spodní části obrázku integrálně tvarováním kanálu provedený generátor periodických oscilací. Na dalších obrázcích jsou pak dílčí obrázky proudění.

Převážná část dutin na povrchu rozvodné desky na obr. 14, zhruba v horních dvou třetinách jejího povrchu, má zcela stejný systém vyhloubením vytvořených dutin jako předcházející příklad provedení na obr. 10. Odlišnost - a to poměrně nevelká - je ve spodní třetině, kde je systém speciálně tvarovaných vstupních dutin fúngující jako samobuzený generátor oscilací. Jedná se i zde o oscilace s poměrně vysokou frekvencí. Plyn je přiváděn přívodním otvorem 20 odkud vychází ve směru na obr. 14 svislém jako tekutinový proud 121. Po obou stranách této dráhy tekutinového proudu 121 jsou obloukovitá vybrání 23. 24. Při zhotovování vybrání 23. 24 zde na rozdíl od obr. 10 nejsou ponechány výstupky 25, 26 s přídržnými stěnami 27, 28. Nicméně pozorovaná proudění ukázala, že děje v generátoru oscilací jsou prakticky shodné s tím, jako by tam výstupky 25, 26 byly. Pozorovaná proudění j sou naznačena dlouhými zakřivenými šipkami na obr. 15, 16 a 17. Zcela vlevo na obr. 15 je situace, kdy plyn (vodík nebo vzduch) přiváděný přívodním otvorem 20 průtokem přes zúžený průřez vytváří tekutinový proud 121. Ten nemůže proudit ve svém počátečním směru orientovaným přímo vzhůru na obr. 15, neboť tam j e proti němu oddělovač 29. Musí se proto naklonit, aby prošel do jednoho z kanálů, například do prvního kanálu 31 jak je tomu právě na obr. 15. Vstup do kanálu je na obou stranách ostrohranný. Ostré hrany z tekutinového proudu 121 odříznou okrajové části a vrací je nazpět. Menší část je takto oddělena doprava a vzhledem ke žlábku na čele oddělovače 29 vytváří malý stojatý recirkulační vír 125. Naproti tomu vlevo odříznutá část z tekutinového proudu 121 tvoří intenzívní vratný průtok 127 proudící po vnitřní straně obloukovitého prvního vybrání 23. Přisávání do tekutinového proudu 121 vyvolává v dutině podtlak. To vede se druhém kanálu 32 k dočasnému obrácení směru průtoku jakožto vnější přisávání 124. To trvá jen do okamžiku, kdy vratný průtok 127 dorazí po vnitřní straně obloukovitého prvního vybrání 23 ke zúženému místu. Tam je tekutinový proud 121 velice citlivý ne vnější podněty, které mohou měnit směr jeho proudění. Jak ukazuje obr. 16, vratným průtokem 127 je tekutinový proud 121 odkloněn doprava, a to jej zavede až ke vstupu do druhého kanálu 32. To nakonec vede až k situaci naznačené na obr. 17, která je vlastně zrcadlovým obrazem fáze naznačené na obr. 15. Dráhu pro vratný průtok 127 pak vymezuje zvnějšku stěna druhého vybrání 24 a na vnitřní straně stojatý vírový pohyb 225. Ostré hrany vtoku do druhého kanálu 32 zase z tekutinového proudu 121 odříznou okrajové části a nastává druhá fáze oscilačního cyklu.

Příklad 6

Tento příklad představuje kompletněji ukázku uspořádání desek - zejména ovšem rozvodných desek 80 - v malém palivovém článku. Příklad je nakreslen na celkem čtyřech obrázcích obr. 18, 19, 20 a 21. Přitom první z nich, obr. 18, sestává se dvou dílčích zobrazení s vysvětlujícím detailem

-8CZ 309461 B6 tohoto uspořádání. V horní z obou dílčích ilustrací jsou na obr. 18 vyobrazeny kontury dutin vytvořených v první rozvodné desce 80 odebráním materiálu. V těchto dutinách jsou generovány zejména na jejich počátku, u přívodního otvoru 20, samobuzené oscilace. V dále pak navazujícím kanálu rozvětveném do dvou částí, prvního kanálu 31 a druhého kanálu 32, pak probíhá generování elektrické energie. Kontury dutin na obr. 18 zde vyplňují celkový plošný útvar, který je možné popsat jako čtverec postavený nakoso najednu z jeho hran. Dutiny, v nichž jsou aerodynamickou nestabilitou generovány samobuzené oscilace průtoku vodíku jsou v dolní části tohoto myšleného opsaného čtverce. Touto dolní částí obrázku je veden rovinný myšlený řez označený jako G - G. Plochu tohoto řezu ukazuje na obr. 18 dolní z obou dílčích obrázků. Je tam viditelná střední část první rozvodné desky 80. Dutiny, v nichž probíhá děj jsou vytvořeny jednostranným vybráním do všude stejné hloubky. Dutiny jsou při montáži palivového článku uzavřeny tím, že ze strany, na které jsou tyto dutiny otevřené (neboť tam byl materiál desky odebírán - v řezu G - G. na obr. 18 je to horní strana první rozvodné desky 80) jsou uzavřeny proti úniku vodíku tím, že jsou přiloženy další desky, a sice anoda 50, membrána 60 a katoda 70. Ktěm je pak zvnějšku přiložena druhá koncová deska 100. Všech těchto pět desek v sobě má šest kruhových otvorů. Všechny také mají výše zmíněný vnější tvar, nakreslený na následujícím obr. 19. Tento tvar lze opět popsat jako čtverec se zaoblenými rohy postavený nakoso najeden z jeho rohů (zde ovšem rohů zaoblených). Stejný vnější čtvercový tvar mají i vnější obrysy koncových desek 10. 100 pokud jdou použity, aby dodaly potřebnou mechanickou tuhost celé baterii článků. Ukázka odpovídající koncové desky 10 je na obr. 19. Má čtyři díry pro šrouby 55 v zaoblených rozích čtverce a základní trojici přívodu s vývody, a sice přívodní otvor 20 a jemu odpovídající první vývodní otvor 41 - a naproti něj druhý vývodní otvor 42. Na obr. 19 je ještě druhá taková trojice využitá pro vzduch, je-li v první rozvodné desce rozváděn vodík a naopak. Je-li požadována nízká frekvence generovaných samobuzených oscilací, je zapotřebí útvar dutin s co možná dlouhou dráhou šíření nazpět proudících tlakových pulzů. Obrázky 20 a 21 ukazují, jak je možné u čtvercového provedení z obr. 18 délku smyček zpětného proudění zvětšit.

Příklad 7

V tomto posledním popisu uspořádání rozvodné desky s oscilujícím vstupním průtokem vodíku a vzduchu j sou shrnuty poznatky týkající se vzájemného vztahu kanálů 31, 32 v sousedících rovinách svazku desek. Aby mohlo dojít k žádoucímu katalytickému rozkladu na protony a elektrony, je nutné, aby se mohly výchozí plyny této reakce proudící v kanálech 31, 32 paralelní desek do vzájemné blízkosti. Běžně známé řešení ukazuje zvětšený lokální detail na obr. 22. Spočívá v tom, že směry prvního kanálu 31 a prvního protilehlého kanálu 91 se při pohledu ve směru šipky 160 křižují v navzájem kolmých směrech. Znamená to, že soustavě desek jsou malá místa, kde jsou vodík a vzduch vzájemně odděleny pouze membránou 60 a elektrodami 50, 70. Malá velikost těchto míst je dána podmínkou malého mechanického namáhání membrány 60 a elektrod 50, 70.

Uspořádání pak odpovídá příkladu na obr. 23. Vlevo je příklad z výše popsaného obr. 12, přes který je nakreslen na levé straně obrázku samotný jednoduchý první protilehlý kanál 91 vedoucí od protilehlého přívodního otvoru 90 až do prvního protilehlého vývodu 93. Jde opět o pohled ve směru šipky 160. kdy se jinak vzájemně neviditelné (odděleně umístěné v různých rovinách paralelních s rovinou nákresny obrázku) zobrazí současně. Protože požadavek je hospodárnost práce s vodíkem - kdežto vzduchuje k dispozici v jakémkoliv množství - je ekonomie zlepšené generace oscilací v rozvodné desce na obr. 23 provedena jen v desce pro vodík.

Další dva příklady uskutečnění malého palivového článku jsou na posledních obrázcích obr. 24 a 25. Jsou tam dva pohledy ve směru šipky 160 na přes sebe se překrývající kanály 31 a 32 čtvercovité rozvodné desky z obr. 18. Výhodou čtvercové konfigurace jsou dvě osy symetrie čtverce, lišící se úhlem a. Pod tímto úhlem mohou být vzájemně natočeny směry proudění v kanálech 31. 32 u vodíku a protilehlých kanálů pro vzduch jako je na obr. 24 první protilehlý kanál 91 při pohledu ve směru šipky 160. V příkladu na obr. 24 je o vzájemné natočení o úhel a = 90° při obvyklém uspořádání a o úhel a = 180° s opačnými směry průtoku. U tohoto druhého příkladu se dosahuje větší využití plochy rozvodné desky, ovšem membrána je o něco více

-9CZ 309461 B6 mechanicky namáhána tlakovým rozdílem. Spojovací kanálek 83 vedoucí do společného vývodu 40 a protilehlý spojovací kanálek 84 vedoucí do protilehlého spojovacího vývodu 47 jsou na obr. 24 naznačeny pouze symbolicky. Ve skutečnosti lze společné vývody provést krátkými vertikálními otvory, jaké jsou například na obr. 3.

Claims (4)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Rozvodná deska palivového článku s vytvořenými dutinami pro průtok tekutiny, jedním svým koncem napojeným na přívodní otvor (20) a otevřeným z jedné své strany k povrchu sousedící elektrody (50, 70), vyznačující se tím, že dutiny mají tvar rozvětvený do dvou větví, jimiž jsou první kanál (31) a druhý kanál (32), kde každá z obou těchto větví vede do jednoho ze dvou vývodních otvorů (41, 42), přičemž místem tohoto rozvětvení do dvou větví je zúžení průřezu dutiny vytvořené vzájemným přiblížením proti sobě umístěných vstupních stěn (21, 22) rozvodné desky, první vstupní stěny (21) umístěné na jedné straně dutiny a druhé vstupní stěny (22) na druhé protilehlé straně a za tímto místem zúžení ve směru průtoku je mezi proti sobě umístěnými přídržnými stěnami první přídržnou stěnou (27) a druhou přídržnou stěnou (28) naopak rozšíření průřezu a na konci tohoto rozšíření, mezi vstupy do obou dvou větví, je oddělovač (29).
2. 2. Deska podle nároku 1, vyznačující se tím, že mezi konci obou přídržných stěn (27, 28) a začátky obou vstupních stěn (21, 22) je na každé straně jedno ze dvou obloukovitě tvarovaných vybrání (23, 24).
3. 3. Deska podle nároku 2, vyznačující se tím, že uvnitř vybrání (23, 24) je na každé straně výstupek (25, 26), mezi jehož vnější stěnou a vnitřní stěnou vybrání (23, 24) je spojitá mezera.
4. 4. Deska podle nároku 3, vyznačující se tím, že oba výstupky (25, 26) na protilehlých stranách stěny desky jsou navzájem spolu spojené v jeden spojitý výstupek (30), přičemž přívodní otvor (20) je vytvořen v tomto spojitém výstupku (30).