DE10236998A1

DE10236998A1 - Elektrochemische Zelle

Info

Publication number: DE10236998A1
Application number: DE10236998A
Authority: DE
Inventors: Felix Dipl.-Ing.(FH) Blank; Cosmas Dipl.-Ing. Heller
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2002-08-13
Filing date: 2002-08-13
Publication date: 2004-03-04
Anticipated expiration: 2022-08-14
Also published as: JP2005536033A; DE10236998B4; US20110097648A1; AU2003297586A1; WO2004025763A1; EP1529321A1; CA2494196A1; JP4780579B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Proton-Exchange-Membran-Brennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) oder eine Elektrolysezelle, die durch eine verbesserte Temperatur- oder Feuchteverteilung und/oder Reaktantenverteilung innerhalb der Zelle einen verbesserten Wirkungsgrad aufweist. Die Erfindung besteht darin, dass bei einer elektrochemischen Zelle, mit einer Kanalstruktur für die Zufuhr, Zirkulation und Abfuhr von für den Betrieb der Zelle notwendigen Fluiden, zur selbsttätigen Steuerung mindestens eines Fluidstromes (5, 24, 33, 34) mindestens ein den Strömungsquerschnitt veränderndes Element (4, 7, 8, 9-14, 22, 23, 29, 40, 48, 49) in mindestens einem Kanal (2, 15, 26, 27, 37) der Kanalstruktur integriert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Proton-Exchange-Membran-Brennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) oder eine Elektrolysezelle, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In einer Elektrolysezelle mit einer Kathode und einer Anode wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt. Durch elektrischen Strom wird durch eine Innenentladung eine chemische Verbindung zerlegt. Beim Anlegen einer äußeren Spannung werden an der Kathode im Rahmen eines Reduktionsvorganges von den Ionen Elektronen aufgenommen. An der Anode werden im Rahmen eines Oxidationsvorganges von den Ionen Elektronen abgegeben. Die Elektrolysezelle ist so aufgebaut, dass Reduktion und Oxidation voneinander getrennt ablaufen.

Brennstoffzellen sind galvanische Elemente mit Plus- und Minuspol, bzw. mit einer Kathode und einer Anode, die chemische Energie in elektrische Energie umwandeln. Hierzu werden Elektroden verwendet, die mit einem Elektrolyten und vorzugsweise einem Katalysator zusammenwirken. Am Pluspol findet eine Reduktion statt, wodurch Elektronenmangel besteht. Am Minuspol findet eine Oxidation statt, wodurch Elektronenüberschuß besteht. Die elektrochemischen Vorgänge laufen in der Brennstoffzelle ab, sobald ein äußerer Stromkreis geschlossen ist.

In DE 100 47 248 A1 ist ein typischer Aufbau einer Brennstoffzelle gezeigt. Die Brennstoffzelle besteht aus einer Ka thodenelektrode, einer Anodenelektrode und einer Matrix, die zusammen eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA) bilden. Die Kathodenelektrode und die Anodenelektrode besteht jeweils aus einem elektrisch leitenden Körper, der als Träger für einen Katalysatorstoff dient. Die Matrix ist zwischen der Kathoden- und Anodenelektrode angeordnet und dient als Träger für einen Elektrolyten. Mehrere Brennstoffzellen werden unter Zwischenlage von Separatorplatten aufeinandergestapelt. Die Zuführung, Zirkulation und Abführung von Oxidanten, Reduktanten, Reaktanten und Kühlmitteln erfolgt über Kanalsysteme, welche mit den Separatorplatten erzeugt sind. Für jedes flüssige oder gasförmige Betriebsmittel sind in den Brennstoffzellenstapeln Zufuhrsammelkanäle, Verteilerkanäle und Abfuhrsammelkanäle vorgesehen, die durch Dichtmittel voneinander getrennt sind. Die Zufuhrsammelkanäle und Abfuhrsammelkanäle werden im englischsprachigen Raum als Ports bezeichnet. Über mindestens einen Zufuhrsammelkanal werden die Zellen eines Stapels parallel mit einem Oxidant-Fluid, einem Reaktant-Fluid und einem Kühlmittel versorgt. Die Reaktionsprodukte, überschüssiges Reaktant- und Oxidant-Fluid und erwärmtes Kühlmittel werden aus den Zellen über mindestens einem Abfuhrsammelkanal aus dem Stapel geführt. Die Verteilerkanäle bilden eine Verbindung zwischen dem Zu- und Abfuhrsammelkanal und den einzelnen aktiven Kanälen einer Brennstoffzelle. Die Brennstoffzellen können zur Spannungserhöhung in Reihe geschaltet sein. Die Stapel sind durch Endplatten abgeschlossen und in einem Gehäuse untergebracht, wobei Plus- und Minuspol nach außen zu einem Verbraucher geführt sind.

In der japanischen Patentanmeldung JP 60-041769 A ist ein Brennstoffzellen-System beschrieben, bei dem ein Brennstoffzellenstapel von einem thermischen Isolator umgeben ist. Zur Wärmeableitung ist der Brennstoffzellenstapel von einem gut wärmeleitenden metallischen Körper umgeben. An dem Körper sind U-förmig ausgebildete Bimetallkörper befestigt. Wenn die Temperatur in dem Brennstoffzellenstapel eine vorgegebene Temperatur überschreitet, dann werden die Bimetallkörper ver formt und kommen mit Radiatorplatten in Kontakt, so dass ein Wärmeübergang vom wärmeleitenden metallischen Körper des Brennstoffzellenstapels über die Bimetallkörper zu den Radiatorplatten besteht. Die Anordnung ist voluminös und die Wärmeableitung über eine mechanische Berührung ist unvollkommen.

Bei dem in der japanischen Patentanmeldung JP 61-058173 A gezeigtem Flüssig-Brennstoffzellen-System wird ein Brennstoffzellenstapel von Kühlluft eines Ventilators umströmt. Der Kühlluftstrom ist mittels Lamellen steuerbar, die mit einer Koppelstange im Kühlluftpfad verschwenkbar sind. Die Koppelstange wird mit einem Bimetall betätigt, welches wärmemäßig mit Anodenflüssigkeit in Kontakt steht. Bei Temperaturänderung der Anodenflüssigkeit verformt sich der Bimetall, so dass die Lamellen mehr oder weniger den Kühlluftpfad öffnen. Das Kühlsystem ist außen an einem Brennstoffzellenstapel angeordnet und vergrößert damit die Baugröße eines Brennstoffzellensystems. Das Kühlsystem vermag nicht, Temperatur-Inhomogenitäten innerhalb eines Brennstoffzellenstapels auszugleichen. Es wird jeweils nur die Gesamtzellentemperatur gesteuert.

Es sind weiterhin Lösungen bekannt, die eine fluiddynamische Anströmung eines Brennstoffzellenstapels durch einen Kühlluftstrom benutzen. Bei der Lösung nach der japanischen Patentanmeldung JP 58-100372 A wird der Strömungswiderstand der Kühlluft durch eine spezielle Gestaltung eines Einströmungsbereiches verringert. In der japanischen Patentanmeldung JP 58-017964 A wird eine gleichmäßige Verteilung von Kühlluft auf Brennstoffzellen durch Luftleitbleche beschrieben. In der japanischen Patentanmeldung JP 1185871 A wird eine spezielle Strömungsführung von Kühlluft gezeigt.

Bei all diesen Lösungen wird jeweils versucht, die Kühlluftströmung so zu gestalten, dass die einzelnen Zellen optimal temperiert werden; ohne jedoch den Kühlstrom an die lokalen Bedürfnisse anzupassen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrochemische Zelle zu entwickeln, die durch eine verbesserte Temperatur- oder Feuchteverteilung und/oder Reaktantenverteilung innerhalb der Zelle einen verbesserten Wirkungsgrad aufweist.

Die Aufgabe wird mit einer elektrochemischen Zelle gelöst, welche die Merkmale nach Anspruch 1 aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung erlaubt eine Steuerung oder Regelung von Fluidströmen im Bereich einer einzelnen Zelle. Durch den Einsatz mindestens eines den Strömungsquerschnitt veränderndes Element innerhalb mindestens eines Kanals kann die Temperaturverteilung bzw. Feuchteverteilung, welche vom Kühlmedium und Betriebszustand der Zelle abhängt, wie gewünscht eingestellt werden.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist, dass jeder Kanal einzeln geregelt werden kann, d.h., durch eine Variation des Druckverlustes in den einzelnen Kanälen erfolgt eine Variation der Volumenströme der einzelnen Kanäle, die gemeinsam über Sammel- und Verteilerkanäle mit Gas ver- bzw. entsorgt werden. Es kommt zu einer Homogenisierung der Temperatur bzw. Feuchte zwischen den Kanälen, falls eine homogene Temperatur bzw. Feuchteverteilung gewünscht ist. Wenn bei komplexeren Brennstoffzellensystemen ein bestimmtes Temperatur- bzw. Feuchteprofil gewünscht ist, dann lässt sich dies mit einer entsprechenden Anordnung der die Strömungsquerschnitte verändernden Elemente erreichen.

Eine ungleiche Temperaturverteilung in einer Brennstoffzelle resultiert u.a. aus einem inhomogenen Wärmeaustrag. Z.B. ist die Wärmeabgabe an die Umgebung bei den Randzellen eines Brennstoffzellenstapels größer als bei innen liegenden Zellen. Insbesondere bei Luftkühlung ist ein ungleichmäßiger Wärmeaustrag durch die Erwärmung des Kühlfluids zu verzeichnen. Weiterhin finden die Reaktionen innerhalb einer Zelle nicht überall in gleichem Maße statt, so dass die Wärmequellen ungleich verteilt sind. Die Reaktionen hängen u.a. von der lokalen Temperatur, der lokalen Partialdrücke und der lokalen Feuchte ab.

Mit den die Strömungsquerschnitte verändernden Elementen, wie z.B. Bimetallstreifen, kann in jedem Kühlkanal der Kühlmittelstrom geregelt werden. Dadurch ergibt sich eine optimierte Temperaturverteilung.

Des weiteren können die den Strömungsquerschnitt verändernden Elemente zur Steuerung oder Regelung der lokalen Gaszusammensetzung eingesetzt werden, indem die Gasströme beeinflusst werden. Z.B. können Bimetallstreifen in den Fluidkanälen eines oder beider Reaktionsgase vorgesehen werden. Wenn die Fluidkanäle untereinander verbunden sind, kann ein Gasaustausch zwischen den Kanälen stattfinden. Dadurch erreicht man lokal erhöhte Zellreaktionen und lokal höhere Temperaturen. Höhere Temperaturen bewirken eine Querschnittsverengung der Gaskanäle durch die Bimetallstreifen, was zur Folge hat, dass lokal in diesem Zellbereich weniger Reaktionsgase anliegen und in anderen Bereichen der Gasstrom ansteigt. Durch das Absinken des Gasstromes wird die Zellreaktion herabgesetzt, wobei sich die Reaktionen in den stärker versorgten Bereichen verstärken. Damit stellt sich eine gleichmäßige Reaktionsverteilung ein.

In einer Variante der Erfindung kann die gewünschte Reaktionsverteilung durch eine Anordnung von Bimetallen und Verbindungen zwischen den Gaskanälen eingestellt werden. Hierzu kann ein Strömungsfeld für ein Fluid in verschiedene Bereiche aufgeteilt werden, wobei eine Kommunikation von Fluiden über verschiedenen Bereiche möglich ist. Die Fluidkanäle in den Bereichen können parallel zu einander liegen, wobei vorteilhaft die Elemente zum Verändern der Querschnitte der Kanäle in stromabwärts gelegenen Bereichen integriert sind.

Eine weitere Möglichkeit sowohl einen Kühlluftstrom als auch Reaktionsgasströme lokal zu regeln ergibt sich durch den Einsatz von Materialien oder Bauteilen, die ihr Volumen oder ihre Form in Abhängigkeit von Feuchte verändern. Abhängig von den Reaktionspartnern kommt es bei einer Brennstoffzelle kathodenseitig im Verlauf des Gasstromes zwischen dem Eingang und dem Ausgang eines Kanals zu einem Phasenwechsel, d.h., es kann Flüssigwasser entstehen. Die Menge des anfallenden Wassers ist abhängig von der Reaktion, da das Wasser ein Reaktionsprodukt ist. Werden die besagten Materialien oder Bauteile so eingesetzt, dass sie Kanalquerschnitte in Abhängigkeit von der Feuchte verengen, so ist damit der gleiche Effekt zu erzielen, wie mit dem Einsatz von Bimetallstreifen.

Bei Regelung der lokalen Wärme können Bimetallstreifen in den Kanälen anoden- und kathodenseitig und in den Kühlmittelkanälen zu Einsatz kommen. Bei der Regelung in Abhängigkeit von der Feuchte werden die querschnittsverändernden Materialien oder Bauteile direkt in den Kathodenkanälen eingebracht. Wenn auch der Anodenfluidstrom und/oder der Kühlfluidstrom feuchteabhängig geregelt werden sollen, dann muss die Feuchte im Katodenfluidstrom erfasst werden, um anodenseitig oder kühlfluidseitig eine Kanalquerschnittsveränderung zu erreichen.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden, es zeigen:
1: einen Kühlkanal einer Brennstoffzelle mit einem am Kanalboden angeordneten Bimetallplättchen bei niedriger Kühlfluidtemperatur,
2: den Kühlkanal nach 1 bei hoher Kühlfluidtemperatur,
3: einen Kühlkanal einer Brennstoffzelle mit einem am Kanalboden integriertem Bimetallplättchen bei niedriger Kühlfluidtemperatur,
4: den Kühlkanal nach 3 bei hoher Kühlfluidtemperatur,
5: einen Kühlkanal einer Brennstoffzelle mit einer Vielzahl am Kanalboden angeordneten Bimetallplättchen bei hoher Kühlfluidtemperatur,
6: den Kühlkanal nach 5 bei niedriger Kühlfluidtemperatur,
7: einen Kathodenkanal einer Brennstoffzelle mit feuchteabhängigen Quellkörpern in Draufsicht bei trockenem Kathodenfluidstrom,
8: den Kathodenkanal nach 7 bei feuchtem Kathodenfluidstrom,
9 und 10: einen Kathodenkanal einer Brennstoffzelle mit feuchteabhängigen Quellkörpern in Draufsicht zwischen zwei Fluidkanälen bei zwei verschiedenen Temperaturen eines Kühlfluids, und
11–13: verschiedene Anordnungen von Bimetallelementen im Strömungsfeld eines Kühlfluids in einer Separatorplatte.
1 und 2 zeigen einen Ausschnitt aus einer Separatorplatte 1 einer Brennstoffzelle mit einem rechteckförmigen Kühlkanal 2. Am Kanalboden 3 ist ein ebenfalls rechteckförmiges Bimetallplättchen 4 an einem Ende befestigt. Das Bimetallplättchen 4 weist im wesentlichen die Breite des Kühlkanals 2 auf, wobei sich die Breite senkrecht zur Zeichnungsebene erstreckt. In dem Kühlkanal 2 zirkuliert ein Kühlfluid 5. Wenn das Kühlfluid 5 eine für den Betrieb der Brennstoffzelle zu niedrige Temperatur aufweist, dann biegt sich das Bimetallplättchen 4 auf, so dass der Strömungsquerschnitt des Kühlkanals 2 verengt wird. Im Extremfall biegt sich das Bimetallplättchen 4 so weit auf, dass es, wie in 1 gezeigt, den Kühlkanal 2 ganz verschließt. Wenn das Kühlfluid 5 nicht oder nur gering strömt, dann erwärmt sich das Kühlfluid 5 durch die in der Brennstoffzelle ablaufenden Prozesse. Das Bimetallplättchen 4 verbiegt sich dadurch mit seinem freien Ende in Richtung des Kanalbodens 3 und vergrößert den Strömungsquerschnitt. Das Kühlfluid 5 kann ohne großen Widerstand in der angegebenen Richtung 6 strömen.
In der nachstehenden Beschreibung werden für Elemente mit äquivalenter Funktion die gleichen Bezugszeichen von bereits beschriebenen Elementen verwendet.
Die 3 und 4 zeigen einen Ausschnitt aus einer Separatorplatte 1 einer Brennstoffzelle mit einem rechteckförmigen Kühlkanal 2. Am Kanalboden 3 befindet sich eine zungenförmige Ausklinkung 7, die an einem Ende frei beweglich ist. Über die Länge ist die Ausklinkung 7 kanalseitig mit einem metallischen, rechteckförmigen Plättchen 8 verbunden. Das Plättchen 8 weist eine von dem Material der Ausklinkung 7 verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, so dass die Ausklinkung 7 und dass Plättchen 8 ein Bimetallelement bilden. Bei kühlem Kühlfluid 5 verbiegt sich die Ausklinkung 7, wie in 3 dargestellt, zusammen mit dem Plättchen 8 weg vom Kanalboden 3 und verengt den Strömungsquerschnitt. 4 zeigt den Zustand bei erwärmten Kühlfluid 5. Die Ausklinkung 7 legt sich zusammen mit dem Plättchen 8 zurück in den Kanalboden 3, so dass nahezu der gesamte Strömungsquerschnitt freigegeben ist.
5 und 6 zeigen einen Ausschnitt aus einer Separatorplatte 1 einer Brennstoffzelle mit einem rechteckförmigen Kühlkanal 2. Am Kanalboden 3 sind eine Vielzahl rechteckförmiger Bimetallplättchen 9–14 jeweils an einem Ende befestigt. Die Befestigungsenden der Bimetallplättchen 9–14 weisen in die gleiche Richtung. Die Bimetallplättchen 9–14 können im wesentlichen die Breite des Kühlkanals 2 aufweisen oder mehrere solcher Bimetallplättchen 9–14 können über die Breite des Kühlkanals 2 nebeneinander liegen. Die Längen L der Bimetallplättchen 9–14 sind im Vergleich zur Höhe H des Kühlkanals 2 wesentlich geringer. 5 zeigt den Zustand der Bimetallplättchen 9–14 bei zu warmen Kühlfluid 5. Aufgrund der hohen Temperatur des Kühlfluids 5 sind die Bimetallplättchen 9–14 aufgestellt. In diesem Zustand vergrößern die aufgestellten Bimetallplättchen 9–14 die effektive wärmeableitende Fläche des Kanalbodens 3. Die aufgestellten Bimetallplättchen 9–14 vergrößern die Wandrauhigkeit und verbessern damit den Wärmeübergang in das Material der Separatorplatte 1. Aufgrund der geringen Länge der Bimetallplättchen 9–14 wird der Strömungsquerschnitt des Kühlkanals 2 nur unwesentlich verkleinert. Die Bimetallplättchen 9–14 können selbstverständlich außer am Kanalboden 3 auch an den anderen Kanalwänden des Kühlkanals 2 angeordnet sein. Bei niedriger Temperatur des Kühlfluids 5 legen sich die Bimetallplättchen 9–14, wie in 6 gezeigt, an den Kanalboden 3 an, wodurch die Kontaktfläche mit dem Kühlfluid 5 verringert wird. Das Kühlfluid 5 wird in diesem Fall nur gering über den Kanalboden 3 abgekühlt.
7 zeigt einen Kathodenkanal 15 eines Kathodenkanalsystems einer Brennstoffzelle in Draufsicht, der von einer Separatorplatte 16 gebildet ist. Der Kathodenkanal 15 ist von Stegen 17, 18 begrenzt, die an einer Membran-Elektroden-Einheit anliegen. Das durch den Kathodenkanal 15 strömende Kathodengas 19 kontaktiert die Membran-Elektroden-Einheit und geht dort unter Bildung von Produktwasser eine chemische Reaktion ein. Der Kathodenkanal 15 hat eine Breite B und eine Tiefe, die in senkrechter Richtung zur Zeichnungsebene verläuft. An den Seitenwänden 20, 21 des Kathodenkanals 15 sind Quellkörper 22, 23 gegenüberliegend angeordnet. Die Quellkörper 22, 23 bestehen aus einem elastischen Material, welches beim Vorhandensein von Feuchtigkeit quillt. Wenn, wie in 7 gezeigt, das Kathodengas 19 einen geringen Wasseranteil aufweist, dann sind die Quellkörper 22, 23 zusammengezogen, so dass der Strömungsquerschnitt für das Kathodengas 19 kaum eingeengt ist. Es besteht ein großer Kathodengasstrom 24, der die Reaktion an der Membran-Elektroden-Einheit begünstigt. Durch die kräftig ablaufende Reaktion entsteht verstärkt Produktwasser. Das bewirkt ein Anschwellen der Quellkörper 22, 23, wie in 8 dargestellt. Die Quellkörper 22, 23 verringern in dieser Situation den Strömungsquerschnitt, so dass sich der Kathodengasstrom 24 verringert. Im Normalbetrieb der Brennstoffzelle stellt sich ein Gleichgewicht zwischen Durchflussmenge und Wassergehalt des Kathodengases 19 in bzw. zwischen den Kathodenkanälen 15 des Kathodenkanalsystems ein, so dass eine Homogenisierung oder eine Angleichung an ein gewähltes Profil der Temperatur bzw. Feuchte zwischen den Kanälen 15 eintritt. Die Quellkörper 22, 23 können mehrfach in einem Kathodenkanal 15 vorhanden sein.
In den 9 und 10 ist ein Teil einer Separatorplatte 25 dargestellt, in der ein Kathodenkanal 26 und ein Kühlkanal 27 ausgebildet ist, die von einem Steg 28 aus dem Material der Separatorplatte 25 voneinander getrennt sind. Diese Anordnung aus Kathodenkanal 26, Steg 28 und Kühlkanal 27 ist auf einer Separatorplatte 25 mehrfach vorhanden. In den Steg 28 ist ein Quellkörper 29 eingebaut, der auf der Seite des Kühlkanals 27 eine Wand 30 aus elastischem, wasserundurchlässigem Material und auf der Seite des Kathodenkanals 26 eine Wand 31 aus starrem wasserdurchlässigem Material aufweist. Die Wand 30 kann aus Gummi bestehen und die Wand 31 kann aus Metallgitter aufgebaut sein. In Abhängigkeit vom Wassergehalt des Kathodengases 32 im Kathodenkanal 26 quillt der Quellkörper 29 mehr oder weniger auf . Wie in 9 gezeigt, befindet sich wenig Wasser im Kathodengasstrom 33, so dass der Quellkörper 29 zusammengezogen ist und die Wand 30 eingezogen ist. Der Kühlfluidstrom 34 kann nahezu ungehindert im Kühlkanal 27 fließen, so dass in diesem Bereich einer Membran-Elektroden-Einheit die Kühlwirkung verstärkt wird. Wenn der aktive Bereich der Membran-Elektroden-Einheit abgekühlt wird, dann wird der Sättigungszustand des Kathodengases 32 erreicht, bis es zum Wasseraustrag im Kathodenkanal 26 kommt. Das Wasser tritt durch die Wand 31 zum Quellkörper 29, der dadurch, wie in 10 dargestellt, aufquillt. Durch die Volumenvergrößerung des Quellkörpers 29 dehnt sich die Wand 30 in Richtung des Kühlkanals 27 aus und verengt dessen Querschnitt. Die Querschnittsverengung bewirkt eine Absenkung des Kühlfluidstromes 34. Im Normalbetrieb der Brennstoffzelle stellt sich ein Gleichgewicht zwischen dem Wassergehalt des Kathodengases 32 in den Kathodenkanälen 26 und der Durchflussmenge in den Kühlkanälen 27 ein, so dass eine Homogenisierung oder eine Angleichung an ein gewähltes Profil der Temperatur bzw. Feuchte zwischen den Kanälen 26, 27 eintritt.
In 11 ist eine Separatorplatte 1 gezeigt, auf der ein Strömungsfeld für ein Kühlfluid ausgebildet ist. Zur Zufuhr und Abfuhr von Anoden- und Kathodenfluid sind Sammelkanäle 35.1, 35,2, 36.1, 36.2 vorgesehen. Zur Durchleitung eines Kühlfluids sind in die Separatorplatte Kühlkanäle 37 eingeprägt. Zwischen den Kühlkanälen 37 bestehen Stege 38. In Fließrichtung 39 des Kühlfluids gesehen, befinden sich am Ausgang der Kühlkanäle 37 Bimetallstreifen 40, die so, wie zu 1 beschrieben, ausgeführt sind. Da bei einer Brennstoffzelle die Wärmeabfuhr abhängig von den Betriebsbedingungen und Umgebungsbedingungen von Kühlkanal 37 zu Kühlkanal 37 stark unterschiedlich ist, ist es von Vorteil, wenn in jedem einzelnen Kühlkanal 37 der Kühlfluidstrom auf die optimale Temperatur geregelt werden kann: Wenn als Kühlfluid Luft zum Einsatz kommt, dann wird die Luft mit einem Verdichter durch die Kühlkanäle 37 gedrückt. Je nach Erwärmung der Bimetallstreifen 40 werden die Bimetallstreifen 40 unterschiedlich hoch aufgebogen und verengen den jeweiligen Kühlkanal 37 so, dass sich die gewünschten Volumenströme einstellen. D.h., die Temperaturen in den einzelnen Kanälen 37 bzw. Zellbereichen werden homogenisiert oder gleichen sich einem gewähltem Profil an.
Im Unterschied zu 11 hat das Strömungsfeld für ein Kühlfluid in 12 Durchbrüche 41 zwischen den Kühlkanälen 37. Diese Ausführung kann vorteilhaft angewendet werden, wenn die Wärme auf einer Separatorplatte 1 aufgrund einer nicht homogen verlaufenden Reaktion oder einer inhomogenen Wärmeabfuhr nicht homogen verteilt ist bzw. nicht einem gewünschtem Profil entspricht.
Bei der in 12 gezeigten Separatorplatte 1 entsteht Wärme zu einem größeren Anteil in Fließrichtung 39 gesehen im letzten Drittel der Kühlkanäle 37. Deshalb ist es auch nur hier notwendig, die Volumenströme mit Bimetallstreifen 40 zu regeln , die in diesem Drittel angeordnet sind. Dadurch, dass die Kühlkanäle 37 über die Durchbrüche 41 miteinander verbunden sind, kommt es bei unterschiedlichen Stellungen der Bimetallstreifen 40 zu Querströmungen 42 des Kühlfluids zwischen den Durchbrüchen 41.
Bei der in 13 gezeigten Separatorplatte 1 sind Kanäle 37 jeweils von zwei Durchbrüchen 43, 44 unterbrochen. In Flussrichtung 39 gesehen entstehen je Kühlkanal 37 drei Abschnitte 45–47. In den beiden stromabwärts gelegenen Abschnitten 46, 47 sind in jedem Kühlkanal 37 ein Bimetallstreifen 48, 49 angeordnet. Damit ist in jedem Abschnitt 46, 47 die Temperatur auf der Oberfläche einer Membran-Elektroden-Einheit für sich regelbar.
Die Verteilung der Bimetallelemente 4, 7, 8, 9–14, 40, 48, 49 bzw. querschnittsverengenden Elemente 22, 23, 29 zum Steuern oder Regeln des Feuchtigkeitsgehaltes bzw, der Temperatur von Fluiden ist in den Figuren und der Beschreibung nur beispielhaft angegeben. Die Verteilung der Elemente kann den jeweiligen Gegebenheiten in einer elektrochemischen Zelle, insbesondere der Temperatur- und Feuchteverteilung, angepasst werden.

1: Separatorplatte
2: Kühlkanal
3: Kanalboden
4: Bimetallplättchen
5: Kühlfluid
6: Richtung
7: Ausklinkung
8: Plättchen
9–14: Bimetallplättchen
15: Kathodenkanal
16: Separatorplatte
17, 18: Steg
19: Kathodengas
20, 21: Seitenwand
22, 23: Quellkörper
24: Kathodengasstrom
25: Separatorplatte
26: Kathodenkanal
27: Kühlkanal
28: Steg
29: Quellkörper
30, 31: Wand
32: Kathodengas
33: Kathodengasstrom
34: Kühlfluidstrom
35.1, 35.2, 36.1, 36.2: Sammelkanal
37: Kanal
38: Steg
39: Fließrichtung
40: Bimetallstreifen
41: Durchbruch
42: Querströmung
43, 44: Durchbruch
45–47: Abschnitt
48, 49: Bimetallstreifen

Claims

Elektrochemische Zelle mit einer Kanalstruktur für die Zufuhr, Zirkulation und Abfuhr von für den Betrieb der Zelle notwendigen Fluiden, dadurch gekennzeichnet, dass zur selbsttätigen Steuerung mindestens eines Fluidstromes (5, 24, 33, 34) mindestens ein den Strömungsquerschnitt veränderndes Element (4, 7, 8, 9–14, 22, 23, 29, 40, 48, 49) in mindestens einen Kanal (2, 15, 26, 27, 37) der Kanalstruktur integriert ist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Zelle mit einem in einer Separatorplatte (1) ausgebildeten Kanal (2, 37) in dem Kanal (2, 37) mindestens ein Bimetallelement (4, 7, 8, 9–14, 40, 48, 49) vorgesehen ist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein dem Querschnitt des Kanals (2, 37) angepasstes Bimetallelement (4, 7, 8, 9–14, 40, 48, 49) vorgesehen ist, wobei bei Erniedrigung der Fluid-Temperatur das Bimetallelement (4, 7, 8, 9–14, 40, 48, 49) durch eine thermisch bedingte Formänderung den Strömungsquerschnitt des Kanals (2, 37) verringert.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein separates, plattenförmiges Bimetallelement (4) mit einem Ende an einer Kanalwand (3) befestigt ist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bimetallelement aus einer zungenförmigen Ausklinkung (7) an einer Kanalwand (3) und einem flächig mit der Ausklinkung (7) verbundenen plattenförmigen Element (8) besteht.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kanal (2) eine Vielzahl von Bimetallelementen (9–14) jeweils mit einem Ende an einer Kanalwand (3) befestigt sind, wobei sich die Bimetallelemente (9–14) bei Temperaturerhöhung des Fluides (5) aufstellen.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Zelle mit einem in einer Separatorplatte (16) ausgebildeten Kanal (15) in dem Kanal (15) mindestens ein Element (22, 23, 29) vorgesehen ist, welches bei Feuchtigkeitszunahme eine Volumenvergrößerung erfährt.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (22, 23) an einer Kanalwand (20, 21) befestigt ist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Elemente (22, 23) paarig gegenüberliegend in dem Kanal (15) angeordnet sind.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (29) in eine Kanalwand (28) integriert ist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalwand (28) einer Brennstoffzelle einen Kathodenfluidkanal (26) von einem Kühlfluidkanal (27) trennt wobei das Element (29) auf der Seite des Kathodenfluidkanals (26) aus einem wasserdurchlässigen Material, vorzugsweise einem Metallgitter (31), und auf der Seite des Kühlfluidkanals (27) aus einem elastischem, wasserundurchlässigem Material (30) besteht.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Zelle mit parallelen Kanälen (37) für ein Kühlfluid jedem Kanal (37) mindestens ein Element (40, 48, 49) zugeordnet ist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente (40, 48, 49) in Kanäle (37) einer aus mehreren Bereichen (45–47) bestehenden Kanalstruktur integriert sind.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kommunikation (42) mindestens eines der Fluide über verschiedene Bereiche (45–47) eine Verbindung (41, 43, 44) zwischen den Kanälen (37) vorhanden ist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikation (42) zwischen den verschiedenen Bereichen (45–47) mittels der Elemente (48, 49) steuerbar ist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (37) in Flussrichtung (39) des Fluids in mehreren Bereichen (45–47) parallel laufen und nach jedem Bereich (45, 46) Querverbindungen (43, 44) der Kanäle (37) bestehen, wobei zur bereichsweisen Steuerung der Fluidströme die Elemente (48, 49) in stromabwärts liegenden Bereichen (46, 47) angeordnet sind.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (37) in einem ersten Bereich parallel verlaufen, in einem zweiten Bereich über einen Durchbruch (41) miteinander in Verbindung stehen und in einem dritten Bereich wieder parallel laufen, wobei die Elemente (40) in den Kanälen (37) im dritten Bereich angeordnet sind.