DE102008043873A1

DE102008043873A1 - Strömungsfeldplatte für eine Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102008043873A1
Application number: DE102008043873A
Authority: DE
Inventors: Frank Baumann; Raphaelle Satet; Peter Hiller; Wolfgang Friede; Uwe Limbeck
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-11-19
Filing date: 2008-11-19
Publication date: 2010-05-20
Anticipated expiration: 2028-11-20
Also published as: DE102008043873B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Strömungsfeldplatte (10, 10') für eine Brennstoffzelle (110), mit einem Dichtungselement (25), einem Reaktionsbereich (15) und einem Begrenzungsbereich (16), wobei der Begrenzungsbereich (16) den Reaktionsbereich (15) zumindest teilweise umgibt, das Dichtungselement (25) im Begrenzungsbereich (16) angeordnet ist, um in einem eingebauten Zustand die Strömungsfeldplatte (10, 10') innerhalb der Brennstoffzelle (110) abzudichten, der Reaktionsbereich (15) wenigstens einen Leitungskanal (20) aufweist, um einen Reaktanden für eine elektrochemische Reaktion zu leiten. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Begrenzungsbereich (16) wenigstens einen Kühlkanal (30) aufweist, wobei der Kühlkanal (30) zur Aufnahme wenigstens eines ersten Teiles (81) des Reaktanden ausgelegt ist und derart benachbart zum Dichtungselement (25) angeordnet ist, dass der durch den Kühlkanal (30) strömende erste Teil (81) des Reaktanden kühlend auf das Dichtungselement (25) wirkt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strömungsfeldplatte für eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1, mit einem Dichtungselement, einem Reaktionsbereich und einem Begrenzungsbereich, wobei der Begrenzungsbereich den Reaktionsbereich zumindest teilweise umgibt, das Dichtelement im Begrenzungsbereich angeordnet ist, um in einem eingebauten Zustand die Strömungsfeldplatte innerhalb der Brennstoffzelle abzudichten, der Reaktionsbereich wenigstens einen Leitungskanal aufweist, um einen Reaktanden für eine elektrochemische Reaktion zu leiten.
Stand der Technik
Bekannte Brennstoffzellen dienen zur Umwandlung von Wasserstoff in nutzbare elektrische Energie. Um diese elektrochemische Reaktion durchzuführen, weist die Brennstoffzelle zwei Elektroden auf, denen zwei Reaktanden, wie etwa Wasserstoff und Sauerstoff, zugeführt werden. Der an einer Elektrode – der Anode – zugeführte Wasserstoff spaltet sich unter Abgabe von Elektronen in H⁺-Ionen auf. Während die Elektronen über einen externen Stromkreislauf zur Energiegewinnung genutzt werden können, diffundieren die Protonen durch ein Membranelement zur zweiten Elektrode – der Kathode. An der Kathode kann im Anschluss eine Reaktion der Protonen mit Sauerstoff geschehen, so dass als Ergebnis Wasser entsteht. Die beiden Elektroden bilden mit dem Membranelement eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA – Membrane Electrode Assembly). Eine Strömungsfeldplatte dient dazu, die Reaktanden über eine aktive Fläche der Elektrode zu verteilen und für eine mechanische Stabilität zu sorgen. Um dieses zu ermöglichen, weisen bekannte Strömungsfeldplatten Leitungskanäle auf. Zwischen der Membran-Elektroden-Einheit und der Strömungsfeldplatte ist je eine Gasdiffusionsschicht angeordnet. Diese Gasdiffusionsschicht hat die Funktion, die Reaktanden Wasserstoff oder Sauerstoff gleichmäßig über die gesamte Fläche der Elektroden zu verteilen und die Reaktionsprodukte Strom, Wärme und Wasser von den Elektroden abzuführen.
Überdies sind Festoxydbrennstoffzellen bekannt, die bei einer Betriebstemperatur von 650–1000°C betrieben werden. Der Elektrolyt solcher Festoxydbrennstoffzellen besteht aus einem festen keramischen Werkstoff, der in der Lage ist, Sauerstoffionen zu leiten aber für Elektronen isolierend wirkt. Die Kathode ist ebenfalls aus einem keramischen Werkstoff gefertigt, der sowohl für Ionen als auch für Elektronen leitfähig ist. Aufgrund der hohen Arbeitstemperaturen stellen solche Art Festoxydbrennstoffzellen besondere Herausforderungen an die Materialauswahl der Komponenten. Dieses gilt auch für die Dichtungselemente, welche ein Ausströmen der Reaktanden nach Außen oder ein Mischen von Kathoden- und Anodengasstrom verhindern sollen. Als nachteilig hat es sich herausgestellt, dass die Lebensdauer solcher Dichtungselemente sehr gering ist, da die hohen Betriebstemperaturen zu einer schnellen Alterung der Dichtungselemente führen.
Aufgabe und Vorteile der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Strömungsfeldplatte für eine Brennstoffzelle bereitzustellen, welche die oben genannten Nachteile überwindet, insbesondere das Dichtungselement der Strömungsfeldplatte nicht den hohen Betriebstemperaturen aussetzt.
Diese Aufgabe wird durch eine Strömungsfeldplatte für eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Anspruches 1 in vorteilhafter Weise gelöst. Darüber hinaus wird die Aufgabe durch ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Anspruches 11 in vorteilhafter Weise gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Vorrichtungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen. Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Strömungsfeldplatte beschrieben sind, gelten dabei selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
Bei der erfindungsgemäßen Strömungsfeldplatte ist vorgesehen, dass der Begrenzungsbereich wenigstens einen Kühlkanal aufweist, wobei der Kühlkanal zur Aufnahme wenigstens eines ersten Teiles des Reaktanden ausgelegt ist und derart benachbart zum Dichtungselement angeordnet ist, dass der durch den Kühlkanal strömende erste Teil des Reaktanden kühlend auf das Dichtungselement wirkt.
Der Kerngedanke der erfindungsgemäßen Strömungsfeldplatte besteht darin, dass der in die Brennstoffzelle einfließende Reaktand dazu genutzt wird, das Dichtungselement zu kühlen. Dazu ist in die Strömungsfeldplatte wenigstens ein Kühlkanal eingebracht. Dieser Kühlkanal verläuft in der räumlichen Nähe zu dem Dichtungselement. Als Reaktand kann beispielsweise Sauerstoff Verwendung finden. Im Allgemeinen wird dieser Sauerstoff dadurch der Brennstoffzelle zugeführt, dass Umgebungsluft in den Reaktionsbereich geleitet wird. Da die Umgebungsluft ein deutlich niedrigeres Temperaturniveau als die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle aufweist, kann dieser Reaktand als Kühlmittel Verwendung finden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der der Strömungsfeldplatte zugeführte Reaktand zumindest teilweise durch den Kühlkanal strömt, dabei einen Teil der elektrochemisch erzeugten Wärme aufnimmt und so dafür Sorge trägt, dass das Dichtungselement nicht auf die Betriebstemperatur des Reaktionsbereiches aufgeheizt wird.
Eine erste vorteilhafte Variante der erfindungsgemäßen Strömungsfeldplatte zeichnet sich dadurch aus, dass die Strömungsfeldplatte wenigstens einen Eintrittsbereich aufweist. Dieser Eintrittsbereich dient dazu, den Reaktanden jenem Reaktionsbereich zuzuführen, in dem die elektrochemische Reaktion stattfindet. Erfindungsgemäß kann der Eintrittsbereich derart ausgestaltet sein, dass dieser einen einströmenden Reaktanden in den ersten Teil und einen zweiten Teil aufteilt. So kann beispielsweise die einströmende Luft in zwei verschiedene Luftströmungen – einen ersten und einen zweiten Teil – aufgeteilt werden. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass jeder der beiden Teile des Reaktanden für unterschiedliche Zwecke eingesetzt werden kann. Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn der erste Teil des Reaktanden in den Kühlkanal strömt und der zweite Teil des Reaktanden in den Leistungskanal strömt. Im Rahmen dieses Ausführungsbeispieles ist also vorgesehen, dass der erste Teil des Reaktanden zur Kühlung des Dichtungselementes Verwendung findet. Im Gegensatz dazu wird der zweite Teil des Reaktanden für die elektrochemische Umsetzung genutzt.
Da die elektrochemische Umsetzung des Reaktanden im Reaktionsbereich oftmals nicht vollständig ist, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Strömungsfeldplatte wenigstens einen Austrittsbereich aufweist, um einen Restteil des Reaktanden in eine Umgebung abzuleiten. Im Rahmen der Erfindung soll mit dem Restteil jener Anteil des Reaktanden bezeichnet werden, der nach Durchlauf des Leitungskanales aus dem Reaktionsbereich austritt. Dabei kann es sich um einen unverbrauchten Anteil des Reaktanden handeln und um Rest- und/oder Verschmutzungsprodukte, die mit dem Reaktanden in den Reaktionsbereich gelangt sind. Handelt es sich beispielsweise bei dem Reaktanden um Sauerstoff, der in Form von Umgebungsluft der Brennstoffzelle zugeführt wird, beinhaltet der Restteil z. B. Stickstoff. Der erfindungsgemäße Austrittsbereich ist dabei so ausgestaltet, dass der Restteil des Reaktanden nahezu ungehindert in die Umgebung der Brennstoffzelle ausströmen kann.
Im Reaktionsbereich der erfindungsgemäßen Strömungsfeldplatte findet die eigentliche elektrochemische Umsetzung des Reaktanden mit einem zweiten Reaktanden statt. Wie beschrieben, kann es sich beispielsweise bei diesem zweiten Reaktanden um Wasserstoff handeln. Der Reaktionsbereich ist somit der Bereich, in dem die elektrochemische Reaktion stattfindet. Dieser Reaktionsbereich ist umgeben von dem Begrenzungsbereich. Der Begrenzungsbereich dient dazu, eine mechanische Integration der Strömungsfeldplatte in der Brennstoffzelle sicherzustellen. Folglich kann der Begrenzungsbereich rahmenartig ausgestaltet sein, so dass eine mechanische Kopplung von mehreren Strömungsfeldplatten in einem Brennstoffzellensystem möglich ist. Wie dargelegt, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Strömungsfeldplatte einen Eintrittsbereich aufweist, der zur Zuführung des Reaktanden in die Brennstoffzelle dient. Eine weitere vorteilhafte Ausführungsvariante zeichnet sich dadurch aus, dass der Reaktionsbereich eine Zuflussregion aufweist. Diese Zuflussregion des Reaktionsbereiches weist dieselbe Funktion auf, wie der Eintrittsbereich bei der Strömungsfeldplatte. Der unverbrauchte Reaktand soll in die Zuflussregion strömen, um von dort aus über den Leitungskanal gleichmäßig über den Reaktionsbereich verteilt zu werden. Als vorteilhaft hat es sich dabei herausgestellt, wenn der Eintrittsbereich mit der Zuflussregion verbunden ist, um einen Zufluss des zweiten Teiles des Reaktanden in den Reaktionsbereich und/oder in den Leitungskanal zu ermöglichen. Wie dargelegt, wird im Eintrittsbereich der einströmende Reaktand in den ersten und den zweiten Teil aufgeteilt. Der erste Teil dient zur Kühlung des Dichtungselementes. Der zweite Teil dient der elektrochemische Umsetzung. Dieser zweite Teil wird der Zuflussregion zugeführt und strömt danach in den Reaktionsbereich und/oder den Leitungskanal.
Aufgrund der hohen Betriebstemperatur von Brennstoffzellen, insbesondere von Festoxydbrennstoffzellen, weist auch der Restteil des Reaktanden eine erhöhte Temperatur auf. Diese erhöhte Temperatur führt zu einer thermischen Belastung des Austrittsbereiches der Strömungsfeldplatte. Um diesen Nachteil zu überwinden ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Kühlkanal den Reaktionsbereich nahezu vollständig umschließt und strömungstechnisch den Eintrittsbereich und den Austrittsbereich verbindet. Diese Ausführungsvariante weist zum einen den Vorteil auf, dass durch das nahezu vollständige Umgeben des Reaktionsbereiches durch den Kühlkanal die thermische Belastung des Dichtungselementes signifikant reduziert wird. Zum anderen ermöglicht die Verbindung des Eintrittsbereiches und des Austrittsbereiches, dass der erste Teil des Reaktanden aus dem Eintrittsbereich in den Austrittsbereich strömt. Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Kühlkanal derart in den Austrittsbereich mündet, dass der erste Teil des Reaktanden kühlend auf den Austrittsbereich wirkt. Diese Ausführungsvariante weist somit zwei Vorteile auf. Zum einen wirkt der erste Teil des Reaktanden als Kühlmittel für das Dichtungselement. Das Dichtungselement wird vor den hohen Betriebstemperaturen des Reaktionsbereiches durch den Strom des ersten Teiles des Reaktanden in den Kühlkanal abgeschirmt. Gleichzeitig wird durch die Zuführung dieses ersten Teiles des Reaktanden in den Austrittsbereich jener ebenfalls abgekühlt.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsvariante zeichnet sich dadurch aus, dass der Kühlkanal den Reaktionsbereich nahezu vollständig umschließt und der Kühlkanal mit der Zuflussregion des Reaktionsbereiches verbunden ist, um den ersten Teil des Reaktanden in den Reaktionsbereich zu leiten. Bei dieser Ausführungsvariante führt der Kühlkanal den ersten Reaktanden zuerst nahezu vollständig um den Reaktionsbereich herum, damit dieser erste Teil des Reaktanden als Kühlmittel für das Dichtungselement dient. Im Anschluß daran wird dieser erste Teil des Reaktanden dem Reaktionsbereich zugeführt. Folglich dient der erste Teil des Reaktanden sowohl zur Kühlung des Dichtungselementes als auch für die elektrochemische Umsetzung. Dazu wird der erste Teil des Reaktanden nach Durchlaufen des Kühlkanales der Zuflussregion zugeführt. Von der Zuflussregion aus strömt der erste Teil des Reaktanden in den Reaktionsbereich. Im Rahmen dieser Ausführungsvariante mag auf eine Aufteilung des Reaktanden in einen ersten und einen zweiten Teil verzichtet werden. Die Gesamtmenge des der Strömungsfeldplatte zugeführten Erstreaktanden entspricht der Menge des ersten Teiles des Reaktanden. Diese Ausführungsvariante weist den Vorteil auf, dass der Reaktand, der der Strömungsfeldplatte zugeführt wird, vollständig in den Bereich der elektrochemischen Umsetzung einfließt.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsvariante zeichnet sich dadurch aus, dass ein zweiter Kühlkanal den Reaktionsbereich nahezu vollständig umschließt und in den Austrittsbereich mündet, um den Restteil des Reaktanden aus dem Reaktionsbereich abzuleiten. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist neben dem ersten Kühlkanal ein zweiter Kühlkanal auf der Strömungsfeldplatte angeordnet. Auch dieser zweite Kühlkanal umschließt den Reaktionsbereich nahezu vollständig. Erfindungsgemäß kann dieser zweite Kühlkanal näher an dem Reaktionsbereich angeordnet sein als der erste Kühlkanal. Somit ergebe sich eine Anordnung, bei der das Dichtungselement am weitesten von dem Reaktionsbereich entfernt ist, woran sich der erste und dann der zweite Kühlkanal anschließt. Der zweite Kühlkanal dient dazu, den aus dem Reaktionsbereich austretende Restteil des Reaktanden abzuleiten. Wie dargelegt weist der Restteil des Reaktanden eine sehr hohe Temperatur auf. Damit der Restteil nicht den Austrittsbereich unnötig thermisch belastet ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Restteil zuerst dem zweiten Kühlkanal zugeführt wird. Der zweite Kühlkanal führt den Restteil des Reaktanden in die Nähe des Kühlkanales. Folglich kühlt der erste Teil des Reaktanden nicht nur das Dichtungselement, sondern auch den Restteil des Reaktanden, der in den zweiten Kühlkanal strömt.
In einer besonders vorteilhaften Form dieser Ausführungsvariante ist der zweite Kühlkanal derart benachbart zum Kühlkanal angeordnet, dass der durch den Kühlkanal strömende erste Teil des Reaktanden kühlend auf den Restteil des Reaktanden wirkt. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der zweite Kühlkanal derart in den Austrittsbereich mündet, dass der Restteil des Reaktanden kühlend auf den Austrittsbereich wirkt.
Wie dargelegt kann sich diese Ausführungsvariante dadurch auszeichnen, dass der der Strömungsfeldplatte zugeführte Reaktand vollständig als jener erste Teil des Reaktand wirkt, der dem Kühlkanal zugeführt wird. Eine Unterscheidung zwischen dem ersten Teil des Reaktanden und dem Reaktanden ist somit hinfällig. In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Reaktand allerdings wieder in einen ersten und zweiten Teil aufgeteilt. Dabei strömt der erste Teil des Reaktanden in den Kühlkanal und im Anschluss daran in den Reaktionsbereich der Brennstoffzelle. Der zweite Teil des Reaktanden wird als Kühlmittel dem Restteil zugeführt. Dieser zweite Teil des Reaktanden strömt somit direkt, ohne elektrochemische Umsetzung, in den Restteil und/oder eine Mündungsregion der Strömungsfeldplatte.
Um einen Zufluss und/oder eine Aufteilung des Reaktanden in einen ersten und zweiten Teil zu ermöglichen hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, dass zwischen dem Eintrittsbereich und der Zuflussregion ein erstes Ventilelement angeordnet ist, um einen Fluss des zweiten Teiles des Reaktanden zu steuern. Somit ist sichergestellt, dass immer eine ausreichende Menge des zweiten Teils des Reaktanden dem Reaktionsbereich zugeführt wird. Alternativ und/oder zusätzlich ist es möglich, dass zwischen dem Eintrittsbereich und dem zweiten Kühlkanal ein zweites Ventilelement angeordnet ist, um einen Fluss des zweiten Teiles des Reaktanden zu steuern. Mittels des zweiten Ventilelementes kann somit die dem Restteil zugeführte Menge des ersten Teiles des Reaktanden gesteuert werden. Bei dem ersten und/oder zweiten Ventilelement kann es sich insbesondere um wenigstens eines der Folgenden handeln: eine Normblende, ein aktives Ventil oder eine Querschnittsverengung.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenfalls durch ein Brennstoffzellen-System mit wenigstens einer Brennstoffzelle gelöst, wobei die wenigstens eine Brennstoffzelle eine Strömungsfeldplatte gemäß einem der oben beschriebenen Ansprüche aufweist.
Ausführungsbeispiele
Weitere Vorteile, Merkmale oder Einzelheiten der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen erläutert werden, beschrieben. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen:
1 ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem,
2 eine erfindungsgemäße Strömungsfeldplatte,
3 eine Schnittzeichnung der in 2 gezeigten Strömungsfeldplatte,
4 eine zweite Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Strömungsfeldplatte und
5 eine Schnittzeichnung der in 4 gezeigten Strömungsfeldplatte.
In 1 ist ein Brennstoffzellensystem 100 dargestellt, welches hier zwei Brennstoffzellen 110 aufweist. Diese Brennstoffzellen 110 sind angrenzend zueinander in einem Gehäuse angeordnet. Jede der Brennstoffzellen 110 weist zwei Elektrodenelemente 130 auf. Zwischen den zwei Elektrodenelementen 130 ist eine ionendurchlässige Membran 120 angeordnet. Durch eine Beaufschlagung der Elektrodenelemente 130 mit zwei unterschiedlichen Reaktanden wird durch eine elektrochemische Reaktion ein elektrischer Strom erzeugt. Die beiden Reaktanden werden häufig in Form verschiedener Fluide bereitgestellt. Ein Beispiel für die zwei korrespondierenden Elektrodenreaktionen sind die folgenden: H₂ => 2H⁺ + 2e^– (Anodenreaktion) 2H⁺ + 2e^– + ½O₂ => H₂O (Kathodenreaktion).
Der gewonnene elektrische Strom kann in einem Lastelement verbraucht werden. Der Reaktand Sauerstoff kann in Form von Umgebungsluft der Brennstoffzelle zugeführt werden. Durch die serielle Verknüpfung der verschiedenen Brennstoffzellen 110 mittels eines Leitungselementes ist es möglich eine hohe Spannung zu erreichen, welche dem Lastelement, wie etwa einem Elektromotor zur Verfügung gestellt werden kann. Um eine gleichmäßige Verteilung der Reaktanden auf den Elektrodenelementen 130 zu erreichen, weist jeder der Elektrodenräume der Brennstoffzelle 110 eine Strömungsfeldplatte 10 auf. Weiterhin wird die Verteilung der Reaktanden mittels der Gasdiffusionsschicht 140 erleichtert.
Ausgangspunkt für die Erfindung ist die Tatsache, dass Brennstoffzellen 110 allgemein, im Besonderen aber Festoxydbrennstoffzellen, in Temperaturbereichen zwischen 650–1000°C arbeiten. Dadurch stellen sie besondere Herausforderungen an die Materialauswahl der Komponenten des Brennstoffzellensystemes 100. Dieses gilt auch und vor allem für die Dichtungenselemente, welche ein Ausströmen der Reaktanden nach außen oder ein Mischen von Kathoden und Anoden-Gas-Strom verhindern sollen. Als temperaturbeständige Dichtungselemente werden häufig Glaslote verwendet, die bei Betriebstemperaturen zwischen 700–800°C eingesetzt werden können. Allerdings erreichen auch diese Glaslote keine ausreichende Lebensdauer. Ziel der Erfindung ist es somit, eine Strömungsfeldplatte zu offenbaren, die die vorgenannten Nachteile überwindet. Erfindungsgemäß ist dafür vorgesehen, dass das Dichtungselement der Strömungsfeldplatte 10 durch den in die Brennstoffzelle 110 einströmenden Reaktanden gekühlt wird.
In 2 ist eine erfindungsgemäße Strömungsfeldplatte 10 dargestellt. Die Strömungsfeldplatte 10 weist einen etwa rechteckigen Querschnitt auf und wird, wie 1 verdeutlichte, in einem eingebauten Zustand in die Brennstoffzelle integriert. Die Strömungsfeldplatte 10 weist einen Reaktionsbereich 15 auf. Auf diesem Reaktionsbereich 15 verläuft ein Leitungskanal 20 mäanderförmig. Der Leitungskanal 20 dient dazu, einen Reaktanden möglichst gleichmäßig über den Reaktionsbereich 15 zu leiten. Der durch den Leitungskanal 20 geführte Reaktand reagiert im Reaktionsbereich 15 elektrochemisch, um einen elektrischen Strom zu erzeugen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Reaktionsbereich 15 von einem Begrenzungsbereich 16 rahmenartig umschlossen. Der Begrenzungsbereich 16 dient dazu, die Strömungsfeldplatte 10 in der Brennstoffzelle 110 mechanisch zu montieren. In dem Begrenzungsbereich 16 ist ein Dichtungselement 25 angeordnet. Das Dichtungselement 25 dient dazu in einem eingebauten Zustand die Strömungsfeldplatte 10 innerhalb der Brennstoffzelle 110 abzudichten. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Begrenzungsbereich 16 wenigstens einen Kühlkanal 30 aufweist, wobei der Kühlkanal 30 zur Aufnahme wenigstens eines ersten Teiles des Reaktanden ausgelegt ist und derart benachbart zum Dichtungselement 25 angeordnet ist, dass der durch den Kühlka nal 30 strömende erste Teil des Reaktanden kühlend auf das Dichtungselement 25 wirkt.
Die Strömungsfeldplatte 10 weist einen Eintrittsbereich 40 auf. Ein einströmender Reaktand 80 wird in dem Eintrittsbereich 40 aufgeteilt in einen ersten Teil 81 und einen zweiten Teil 82. Der zweite Teil des Reaktanden 82 wird einer Zuflussregion 50 des Reaktionsbereiches 15 zugeführt, um von dort in den Leitungskanal 20 einzufließen. Nach Durchlauf des Leitungskanales 20 werden unverbrauchte Restteile 85 des Reaktanden 80 von einer Mündungsregion 52 in einen Austrittsbereich 42 der Strömungsfeldplatte 10 geleitet. Von dort ist ein Ausströmen 87 in eine Umgebung möglich. Mit Restteilen 85 soll im Rahmen der Erfindung jener Anteil des Reaktanden 80 bezeichnet werden, der nicht elektrochemisch umgesetzt wurde. Der erste Teil 81 des Reaktanden 80 strömt innerhalb des Kühlkanales 30 um den Reaktionsbereich 16. Dabei verbindet der Kühlkanal 30 den Eintrittsbereich 40 mit dem Austrittsbereich 42. Diese strömungstechnische Verbindung ermöglicht, dass der Reaktand 80 in den Eintrittsbereich 40 einströmt, dort in den ersten Teil 81 und den zweiten Teil 82 aufgeteilt wird. Anschließend kann der erste Teil 81 durch den Kühlkanal 30 entlang des Dichtungselementes 25 strömen und in den Austrittsbereich 42 münden, wo sich der erste Teil 81 des Reaktanden mit dem Restteil 85 des Reaktanden 80 mischt.
Im Eintrittsbereich 40 findet eine Aufteilung des einströmenden Reaktanden 80 statt. Dieser wird aufgeteilt in einen ersten Teil 81 und einen zweiten Teil 82. Um einen Zufluss des zweiten Teiles und/oder das Aufteilungsverhältnis zwischen dem ersten Teil 81 und zweiten Teil 82 zu verändern, ist auf der Strömungsfeldplatte 10 ein erstes Ventilelement 70 angeordnet. Dieses erste Ventilelement 70 dient dazu, den Fluss des zweiten Teiles 82 des Reaktanden zu steuern.
Die 3 zeigt einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Strömungsfeldplatte 10 entlang der Schnittlinie I-I. Wie zu erkennen ist, weist der Begrenzungsbereich 16 das Dichtungselement 25 auf. In der Strömungsfeldplatte 10 ist ein Leitungskanal 20 angeordnet, durch den der Reaktand 80 in den Reaktionsbereich 15 strömt. Der Reaktionsbereich 15 wird in dem dargestellten Ausführungsbeispiel schematisch verdeutlicht durch die Gasdiffusionsschicht 140, die in einem eingebauten Zustand auf der Strömungsfeldplatte 10 angeordnet wäre. Da es sich bei der elektrochemischen Umsetzung des Reaktanden 80 um eine exotherme Re aktion handelt, wird Wärme 200 generiert. Diese Wärme 200 führt zu einer Erhitzung der Strömungsfeldplatte 10. Damit die Wärme 200 nicht zu einer Beeinflussung des Dichtungselementes 25 führt, ist erfindungsgemäß in dem Begrenzungsbereich 16 des Kühlungskanals 30 angeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Strömungsfeldplatte 10 im Bereich des Begrenzungsbereiches 16 überdeckt von einem Rahmenelement 150. Dieses Rahmenelement 150 soll nur schematisch verdeutlichen, dass in einem eingebauten Zustand der Kühlkanal 30 gegenüber einer Umgebung verschlossen ist. Durch den Kühlkanal 30 strömt wenigstens ein erster Teil 81 des Reaktanden 80 hindurch. Beispielhaft kann es sich bei diesem Reaktanden um eine Umgebungsluft handelt. Diese weist im Allgemeinen die Temperatur der Umgebung auf, und somit eine Temperatur, die deutlich unterhalb jener liegt, auf welche die Strömungsfeldplatte 10 aufgeheizt wird. Der durch den Kühlkanal 30 strömende erste Teil 81 des Reaktanden wirkt somit als ein Kühlmittel, welches zumindest einen Teil der Wärme 200 aufnehmen kann. Somit wirkt der durch den Kühlkanal 30 strömende erste Teil 81 des Reaktanden kühlend auf das Dichtungselement 25. Dieses soll in der Zeichnung durch die Pfeile 210 verdeutlicht werden, die die reduzierte Wärme verdeutlichen sollen.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Kühlkanales 30 findet nicht nur eine Kühlung des Dichtungselementes 25 statt. Zusätzlich kann durch die strömungstechnische Verbindung des Eintrittsbereiches 40 und des Austrittsbereiches 42 eine Kühlung des letzteren erreicht werden, was auch die 2 verdeutlicht. Der erste Teil 81 des Reaktanden fließt durch den Kühlkanal 30 durch den Begrenzungsbereich 16. Am Austritt des Kühlkanales 30 strömt der erste Teil 81 des Reaktanden in den Austrittsbereich 42 hinein. Dort findet eine Vermischung des ersten Teils 81 des Reaktanden mit dem Restteil 85 des Reaktanden statt. Dieses führt zu einer Reduktion der durch den Austrittsbereich ausfließenden Reste der elektrochemischen Reaktion. Dadurch wird die thermische Belastung des Austrittsbereiches 42 reduziert.
Eine zweite vorteilhafte Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Strömungsfeldplatte ist in der 4 dargestellt. Diese Strömungsfeldplatte 10' weist einen partiell anderen Verlauf des Kühlkanales 25 auf. Dennoch sollen für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen verwendet werden. Bei dem in 4 dargestellten Kühlkanal 30 ist vorgesehen, dass dieser den Reaktionsbereich 15 nahe zu vollständig umschließt und mit der Zuflussregion 50 des Reaktionsbereiches 15 verbunden ist, um den ersten Teil 81 des Reaktanden in den Reaktionsbereich 15 zu leiten. Bei dieser Ausführungsvariante ist nicht vorgesehen, dass der Kühlkanal 30 direkt in dem Austrittsbereich 42 der Strömungsfeldplatte 10 mündet. Vielmehr soll der durch den Kühlkanal 30 strömende erste Teil 81 des Reaktanden dazu genutzt werden, dem Reaktionsbereich 15 zugeführt zu werden. Somit übernimmt dieser erste Teil 81 sowohl die Funktion eines Kühlmittels als auch jenes Reaktanden, der für die elektrochemische Umsetzung genutzt wird. Um dieses zu ermöglichen, umschließt der Kühlkanal 30 den Reaktionsbereich 15 schneckenartig und ist mit der Zuflussregion 50 und/oder dem Leitungskanal 20 verbunden. Zusätzlich weist die Strömungsfeldplatte 10' einen zweiten Kühlkanal 60 auf. Dieser zweite Kühlkanal 60 umschließt den Reaktionsbereich 15 ebenfalls nahezu vollständig. Der zweite Kühlkanal 60 verbindet eine Mündungsregion 52 des Reaktionsbereiches 15 mit dem Austrittsbereich 42 der Strömungsfeldplatte 10'. Zweck des zweiten Kühlkanals 60 ist es, den aus dem Reaktionsbereich 15 ausströmenden Restteil 85 der elektrochemischen Reaktion zum Austrittsbereich 42 zu führen. Allerdings ist der zweite Kühlkanal 60 derart benachbart zum Kühlkanal 30 angeordnet, dass der durch den Kühlkanal 30 strömende erste Teil 81 des Reaktanden kühlend auf den Restteil 85 des Reaktanden wirkt. Somit erfüllt der Kühlkanal 30 nicht nur die Funktion, das Dichtungselement 25 von der Wärme 200 des Reaktionsbereiches 15 abzuschirmen. Vielmehr ermöglicht der Kühlkanal 30 auch eine Kühlung des Restteiles 85 des Reaktanden innerhalb des zweiten Kühlkanales 60. Auch hier wird erreicht, dass der Austrittsbereich 42 nicht stark thermisch belastet wird, da kein direkter Kontakt des Reaktionsbereiches 15 mit dem Austrittsbereich 42 vorhanden ist. Vielmehr werden der Restteil 85 zuerst durch den ersten Teil 81 des Reaktanden 80 in dem Kühlkanal 30 gekühlt.
In der 5 ist eine Schnittzeichnung durch die erfindungsgemäße Strömungsfeldplatte 10' entlang der Schnittlinie II-II dargestellt. In dem Reaktionsbereich 15 ist der Leitungskanal 20 angeordnet, der wiederum durch die Gasdiffusionsschicht 140 abgedeckt ist. Eine durch die elektrochemische Reaktion entstehende Wärme 200 heizt die Strömungsfeldplatte 10' auf und könnte negativ auf das Dichtungselement 25 wirken. Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Kühlkanal 30 kühlend auf das Dichtungselement 25 wirkt und nur noch eine reduzierte Wärme 210 auf dieses einwirken kann. Zusätzlich ist vorgesehen, dass in dem Begrenzungsbereich 16 ein zweiter Kühlkanal 60 angeordnet ist, durch den der Restteil 85 des Reaktanden strömt. Dieser Restteil 85 gibt eine Abwärme 220 ab. Diese Abwärme 220 wird ebenfalls von dem durch den Kühlkanal 30 strömenden ersten Teil 81 des Reaktanden aufgenommen. Somit wirkt der Kühlkanal 30 nicht nur kühlend auf das Dichtungselement 25, sondern auch auf den Restteil 85 des Reaktanden, der durch den zweiten Kühlkanal 60 strömt.
Bei der Strömungsfeldplatte 10' gemäß 4 wird der einströmende Reaktand 80 nahezu vollständig in den Kühlkanal 30 umgeleitet. Somit entspricht die Menge des zugeführten ersten Reaktanden 80 genau und/oder nahezu vollständig der Menge des ersten Teiles 81 des Reaktanden, der durch den Kühlkanal 30 fließt. Es kann vorgesehen sein, dass der zweite Teil 82 des einströmenden Reaktanden 80 durch ein zweites Ventilelement 71 in den zweiten Kühlkanal 60 geführt wird, um dort zu einer weiteren Temperaturreduktion des Restteiles 85 beizutragen.

Claims

Strömungsfeldplatte (10, 10') für eine Brennstoffzelle (110), mit einem Dichtungselement (25), einem Reaktionsbereich (15) und einem Begrenzungsbereich (16), wobei der Begrenzungsbereich (16) den Reaktionsbereich (15) zumindest teilweise umgibt, das Dichtungselement (25) im Begrenzungsbereich (16) angeordnet ist, um in einem eingebauten Zustand die Strömungsfeldplatte (10, 10') innerhalb der Brennstoffzelle (110) abzudichten, der Reaktionsbereich (15) wenigstens einen Leitungskanal (20) aufweist, um einen Reaktanden (80) für eine elektrochemische Reaktion zu leiten, dadurch gekennzeichnet, dass der Begrenzungsbereich (16) wenigstens einen Kühlkanal (30) aufweist, wobei der Kühlkanal (30) zur Aufnahme wenigstens eines ersten Teiles (81) des Reaktanden (80) ausgelegt ist und derart benachbart zum Dichtungselement (25) angeordnet ist, dass der durch den Kühlkanal (30) strömende erste Teil (81) des Reaktanden (80) kühlend auf das Dichtungselement (25) wirkt.
Strömungsfeldplatte (10, 10') nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsfeldplatte (10, 10') wenigstens einen Eintrittsbereich (40) aufweist, um einen einströmenden Reaktanden (80) in den ersten Teil (81) und einen zweiten Teil (82) aufzuteilen, insbesondere dass der erste Teil (81) des Reaktanden (80) in den Kühlkanal (30) strömt und der zweite Teil (82) des Reaktanden (80) in den Leitungskanal (20) strömt.
Strömungsfeldplatte (10, 10') nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsfeldplatte (10, 10') wenigstens einen Austrittsbereich (42) aufweist, um einen Restteil (85) des Reaktanden (80) in eine Umgebung abzuleiten.
Strömungsfeldplatte (10, 10') nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintrittsbereich (40) mit einer Zuflussregion (50) des Reaktionsbereiches (15) verbunden ist, um einen Zufluss des zweiten Teiles (82) des Reaktanden (80) in den Reaktionsbereich (15) und/oder in den Leitungskanal (20) zu ermöglichen.
Strömungsfeldplatte (10, 10') nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (30) den Reaktionsbereich (15) nahezu vollständig umschließt und strömungstechnisch den Eintrittsbereich (40) und den Austrittsbereich (42) verbindet.
Strömungsfeldplatte (10, 10') nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (30) derart in dem Austrittbereich (42) mündet, dass der erste Teil (81) des Reaktanden (80) kühlend auf den Austrittbereich (42) wirkt.
Strömungsfeldplatte (10, 10') nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (30) den Reaktionsbereich (15) nahezu vollständig umschließt und mit der Zuflussregion (50) verbunden ist, um den ersten Teil (81) des Reaktanden (80) in den Reaktionsbereich (15) zu leiten.
Strömungsfeldplatte (10, 10') nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Kühlkanal (60) den Reaktionsbereich (15) nahezu vollständig umschließt und in dem Austrittsbereich (42) mündet, um den Restteil (85) des Reaktanden aus dem Reaktionsbereich (15) abzuleiten.
Strömungsfeldplatte (10, 10') nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kühlkanal (60) derart benachbart zum Kühlkanal (30) angeordnet ist, das der durch den Kühlkanal (30) strömender ersten Teil (81) des Reaktanden kühlend auf den Restteil (85) des Reaktanden (80) wirkt, insbesondere dass der zweite Kühlkanal (60) derart in den Austrittsbereich (42) mündet, dass der Restteil (85) des Reaktanden (80) kühlend auf den Austrittbereich (42) wirkt, insbesondere dass der erste Teil (81) des Reaktanden (80) in den Kühlkanal (30) strömt und der zweite Teil (82) des Reaktanden (80) zu dem Restteil (85) strömt.
Strömungsfeldplatte (10, 10') nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Eintrittsbereich (40) und der Zuflussregion (50) ein erstes Ventilelement (70) angeordnet ist, um einen Fluss des zweiten Teil (82) des Reaktanden (80) zu steuern, insbesondere dass zwischen dem Eintrittsbereich (40) und dem zweiten Kühlkanal (60) ein zweites Ventilelement (71) angeordnet ist, um einen Fluss des zweiten Teil (82) des Reaktanden (80) zu steuern.
Brennstoffzellensystem (100) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (110), dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Brennstoffzelle (110) eine Strömungsfeldplatte (10, 10') gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 aufweist.