EP1529321A1 - Control of a fluid flow in an electrochemical cell - Google Patents

Control of a fluid flow in an electrochemical cell

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EP1529321A1
EP1529321A1 EP03794778A EP03794778A EP1529321A1 EP 1529321 A1 EP1529321 A1 EP 1529321A1 EP 03794778 A EP03794778 A EP 03794778A EP 03794778 A EP03794778 A EP 03794778A EP 1529321 A1 EP1529321 A1 EP 1529321A1
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EP
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electrochemical cell
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channels
fluid
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EP03794778A
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Felix Blank
Cosmas Heller
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Daimler AG
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DaimlerChrysler AG
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Abstract

The invention relates to an electrochemical cell, especially a proton exchange membrane fuel cell (PEM fuel cell) or an electrolysis cell which displays improved efficiency as a result of improved temperature or moisture distribution and/or reactant distribution inside said cell. The invention is characterized in that in an electrochemical cell, comprising a channel structure for feeding, circulating and discharging fluids necessary for the operation of said cell, at least one element (4, 7, 8, 9-14, 22, 23, 29, 40, 48, 49) modifying the flow cross-section is integrated into at least one channel (2, 15, 26, 27, 37) of the channel structure for automatic control of at least one fluid flow (5, 24, 33, 34).

Description

STEUERUNG EINES FLUIDSTROMES IN EINER ELEKTROCHEMISCHEN ZELLE CONTROLLING A FLUID CURRENT IN AN ELECTROCHEMICAL CELL
Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Proton-Exchange-Membran-Brennstoffzelle (PEM-Brenn- stoffzelle) oder eine Elektrolysezelle, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to an electrochemical cell, in particular a proton exchange membrane fuel cell (PEM fuel cell) or an electrolysis cell, according to the preamble of patent claim 1.
In einer Elektrolysezelle mit einer Kathode und einer Anode wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt . Durch elektrischen Strom wird durch eine Ionenentladung eine chemische Verbindung zerlegt . Beim Anlegen einer äußeren Spannung werden an der Kathode im Rahmen eines Reduktionsvor- ganges von den Ionen Elektronen aufgenommen. An der Anode werden im Rahmen eines Oxidationsvorganges von den Ionen E- lektronen abgegeben. Die Elektrolysezelle ist so aufgebaut, dass Reduktion und Oxidation voneinander getrennt ablaufen.In an electrolytic cell with a cathode and an anode, electrical energy is converted into chemical energy. A chemical compound is broken down by electric current through an ion discharge. When an external voltage is applied, the ions are picked up by the ions in the course of a reduction process. In the course of an oxidation process, the ions emit electrons at the anode. The electrolysis cell is constructed in such a way that reduction and oxidation take place separately.
Brennstoffzellen sind galvanische Elemente mit Plus- und Minuspol, bzw. mit einer Kathode und einer Anode, die chemische Energie in elektrische Energie umwandeln. Hierzu werden E- lektroden verwendet, die mit einem Elektrolyten und vorzugsweise einem Katalysator zusammenwirken. Am Pluspol findet ei- ne 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 .Fuel cells are galvanic elements with positive and negative poles, or with a cathode and an anode, which convert chemical energy into electrical energy. For this purpose, electrodes are used which interact with an electrolyte and preferably a catalyst. A reduction takes place at the positive pole, resulting in a lack of electrons. Oxidation takes place at the negative pole, causing an excess of electrons. The electrochemical processes take place in the fuel cell as soon as an external circuit is closed.
In DE 100 47 248 AI 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 Brennstoffzel- lenstapeln Zufuhrsammeikanäle, Verteilerkanäle und Abfuhrsammeikanäle vorgesehen, die durch Dichtmittel voneinander getrennt sind. Die Zufuhrsammeikanäle und Abfuhrsammeikanäle 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 Ab- fuhrsammelkanal 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.DE 100 47 248 AI shows a typical structure of a fuel cell. The fuel cell consists of a ca thodenelektrode, an anode electrode and a matrix, which together form a membrane electrode assembly (MEA). The cathode electrode and the anode electrode each consist of an electrically conductive body which serves as a carrier for a catalyst substance. The matrix is arranged between the cathode and anode electrodes and serves as a support for an electrolyte. Several fuel cells are stacked on top of one another with the interposition of separator plates. The supply, circulation and discharge of oxidants, reductants, reactants and coolants takes place via channel systems which are generated with the separator plates. For each liquid or gaseous operating medium, supply collecting channels, distribution channels and discharge collecting channels are provided in the fuel cell stacks, which are separated from one another by sealants. The feed collection channels and discharge collection channels are referred to as ports in English-speaking countries. The cells of a stack are supplied in parallel with an oxidant fluid, a reactant fluid and a coolant via at least one feed collecting channel. The reaction products, excess reactant and oxidant fluid and heated coolant are led out of the cells out of the stack via at least one discharge collecting duct. The distribution channels form a connection between the supply and discharge manifold and the individual active channels of a fuel cell. The fuel cells can be connected in series to increase the voltage. The stacks are closed off by end plates and housed in a housing, with positive and negative poles leading to a consumer on the outside.
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 Wär- meableitung über eine mechanische Berührung ist unvollkommen.Japanese patent application JP 60-041769 A describes a fuel cell system in which a fuel cell stack is surrounded by a thermal insulator. For heat dissipation, the fuel cell stack is surrounded by a good heat-conducting metallic body. U-shaped bimetallic bodies are attached to the body. If the temperature in the fuel cell stack exceeds a predetermined temperature, the bimetallic bodies are lost. forms and come into contact with radiator plates so that there is heat transfer from the heat-conducting metallic body of the fuel cell stack via the bimetallic bodies to the radiator plates. The arrangement is voluminous and the heat dissipation via mechanical contact is imperfect.
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 auszu- gleichen. Es wird jeweils nur die GesamtZellentemperatur gesteuert .In the liquid fuel cell system shown in Japanese patent application JP 61-058173 A, cooling air from a fan flows around a fuel cell stack. The cooling air flow can be controlled by means of fins which can be pivoted in the cooling air path with a coupling rod. The coupling rod is actuated with a bimetal which is in thermal contact with anode liquid. When the temperature of the anode liquid changes, the bimetal deforms so that the fins open more or less the cooling air path. The cooling system is arranged on the outside of a fuel cell stack and thus increases the size of a fuel cell system. The cooling system is unable to compensate for temperature inhomogeneities within a fuel cell stack. Only the total cell temperature is controlled at a time.
Es sind weiterhin Lösungen bekannt, die eine fluiddynamische Anströmung eines Brennstoffzellenstapels durch einen Kühl- luftström benutzen. Bei der Lösung nach der japanischen Patentanmeldung JP 58-100372 A wird der Strömungswiderstand der Kühlluft durch eine spezielle Gestaltung eines Einstrδmungs- bereiches 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 .Solutions are also known which use a fluid dynamic flow against a fuel cell stack through a cooling air flow. In the solution according to Japanese patent application JP 58-100372 A, the flow resistance of the cooling air is reduced by a special design of an inflow area. Japanese patent application JP 58-017964 A describes a uniform distribution of cooling air on fuel cells by air baffles. Japanese patent application JP 1185871 A shows a special flow of cooling air.
Bei all diesen Lösungen wird jeweils versucht, die Kühlluft- Strömung 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.In all of these solutions, attempts are made to design the cooling air flow in such a way that the individual cells are optimally temperature-controlled without, however, adapting the cooling flow to local needs. The object of the invention is to develop an electrochemical cell which has an improved efficiency due to an improved temperature or humidity distribution and / or reactant distribution within the cell.
Die Aufgabe wird mit einer elektrochemischen Zelle gelöst, welche die Merkmale nach Anspruch 1 aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.The object is achieved with an electrochemical cell which has the features of claim 1. Advantageous refinements result from the subclaims.
Die Erfindung erlaubt eine Steuerung oder Regelung von Fluid- strömen 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 .The invention permits control or regulation of fluid flows in the area of a single cell. By using at least one element that changes the flow cross section within at least one channel, the temperature distribution or moisture distribution, which depends on the cooling medium and operating state of the cell, can be set as desired.
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 Strömungs- querschnitte verändernden Elemente erreichen.A major advantage of the arrangement according to the invention is that each channel can be regulated individually, ie, by varying the pressure loss in the individual channels, the volume flows of the individual channels are varied and are supplied or disposed of with gas via collecting and distribution channels become. There is a homogenization of the temperature or humidity between the channels if a homogeneous temperature or humidity distribution is desired. If a specific temperature or humidity profile is required in more complex fuel cell systems, this can be achieved with an appropriate arrangement of the elements that change the flow cross-sections.
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 Zel- len. 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.An uneven temperature distribution in a fuel cell results, among other things, from an inhomogeneous heat discharge. For example, the heat emitted to the surroundings is greater in the edge cells of a fuel cell stack than in the case of cells located on the inside. In the case of air cooling in particular, there is an uneven heat discharge due to the heating of the cooling fluid. Furthermore, the reactions take place within a cell not everywhere to the same extent, so that the heat sources are unevenly distributed. The reactions depend, among other things, on the local temperature, the local partial pressures and the local humidity.
Mit den die Strömungsquerschnitte verändernden Elementen, wie z.B. Bimetallstreifen, kann in jedem Kühlkanal der Kühl- mittelstrom geregelt werden. Dadurch ergibt sich eine optimierte Temperaturverteilung.With the elements that change the flow cross-sections, e.g. Bimetal strip, the coolant flow can be regulated in each cooling channel. This results in an optimized temperature distribution.
Des weiteren können die den Strδmungsquerschnitt verändernden Elemente zur Steuerung oder Regelung der lokalen Gaszusammensetzung eingesetzt werden, indem die Gasströme beeinflusst werden. Z.B. können Bimetallstreifen in den Fluidkanälen ei- nes oder beider Reaktionsgase vorgesehen werden. Wenn die Fluidkanäle untereinander verbunden sind, kann ein Gas- austausch 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.Furthermore, the elements changing the flow cross section can be used to control or regulate the local gas composition by influencing the gas flows. For example, For example, bimetal strips can be provided in the fluid channels of one or both reaction gases. If the fluid channels are connected to one another, a gas exchange can take place between the channels. This leads to locally increased cell reactions and locally higher temperatures. Higher temperatures result in a narrowing of the cross-section of the gas channels through the bimetallic strips, which means that there are fewer reaction gases locally in this cell area and the gas flow increases in other areas. The cell reaction is reduced by the lowering of the gas flow, with the reactions intensifying in the more supplied areas. This results in an even reaction distribution.
In einer Variante der Erfindung kann die gewünschte Reaktionsverteilung durch eine Anordnung von Bimetallen und Verbin- düngen 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 vorteil- haft 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 ka- thodenseitig 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 Reakti- onsprodukt 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.In a variant of the invention, the desired reaction distribution can be set by arranging bimetals and connections between the gas channels. For this purpose, a flow field for a fluid can be divided into different areas, whereby communication of fluids over different areas is possible. The fluid channels in the areas can be parallel to one another, the elements for changing the cross sections of the channels advantageously being integrated in downstream areas. Another possibility to regulate both a cooling air flow and reaction gas flows locally results from the use of materials or components that change their volume or shape depending on the humidity. Depending on the reactants, a phase change occurs in the fuel cell on the cathode side in the course of the gas flow between the entrance and the exit of a channel, ie liquid water can occur. The amount of water generated depends on the reaction, since the water is a reaction product. If the said materials or components are used in such a way that they narrow duct cross sections depending on the humidity, the same effect can be achieved as with the use of bimetal strips.
Bei Regelung der lokalen Wärme können Bimetallstreifen in den Kanälen anöden- und kathodenseitig und in den Kühlmittel- kanälen 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.When regulating the local heat, bimetal strips can be used in the ducts on the bottom and cathode sides and in the coolant ducts. When controlling depending on the humidity, the cross-sectional changing materials or components are introduced directly into the cathode channels. If the anode fluid flow and / or the cooling fluid flow are also to be controlled as a function of moisture, then the moisture in the cathode fluid flow must be recorded in order to achieve a change in the cross-section of the duct on the anode side or on the cooling fluid side.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden, es zeigen:The invention will be explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments, in which:
Fig. 1: einen Kühlkanal einer Brennstoffzelle mit einem am Kanalboden angeordneten Bimetallplättchen bei niedrigerFig. 1: a cooling channel of a fuel cell with a bimetal plate arranged on the channel bottom at low
Kühlfluidtemperatur,Cooling fluid temperature,
Fig. 2: den Kühlkanal nach Fig. 1 bei hoher Kühlfluid- temperatur,2: the cooling duct according to FIG. 1 at high cooling fluid temperature,
Fig. 3: einen Kühlkanal einer Brennstoffzelle mit einem am Kanalboden integriertem Bimetallplättchen bei niedriger Kühlfluidtemperatur, Fig. 4: den Kühlkanal nach Fig. 3 bei hoher Kühlfluid- temperatur,3: a cooling channel of a fuel cell with a bimetal plate integrated on the channel bottom at a low cooling fluid temperature, 4: the cooling duct according to FIG. 3 at high cooling fluid temperature,
Fig. 5: einen Kühlkanal einer Brennstoffzelle mit einer Vielzahl am Kanalboden angeordneten Bimetallplättchen bei hoher Kühlfluidtemperatur,5: a cooling channel of a fuel cell with a large number of bimetal plates arranged on the channel bottom at a high cooling fluid temperature,
Fig. 6: den Kühlkanal nach Fig. 5 bei niedriger Kühlfluidtemperatur,6: the cooling duct according to FIG. 5 at a low cooling fluid temperature,
Fig. 7: einen Kathodenkanal einer Brennstoffzelle mit feuchteabhängigen Quellkörpern in Draufsicht bei trockenem Katho- denfluidstrom,7: a cathode channel of a fuel cell with moisture-dependent swelling bodies in plan view with a dry cathode fluid flow,
Fig. 8: den Kathodenkanal nach Fig. 7 bei feuchtem Katho- denfluidstrom,8: the cathode channel according to FIG. 7 with a moist cathode fluid flow,
Fig. 9 und 10: einen Kathodenkanal einer Brennstoffzelle mit feuchteabhängigen Quellkörpern in Draufsicht zwischen zwei Fluidkanälen bei zwei verschiedenen Temperaturen eines Kühlfluids, und9 and 10: a cathode channel of a fuel cell with moisture-dependent swelling bodies in plan view between two fluid channels at two different temperatures of a cooling fluid, and
Fig. 11-13: verschiedene Anordnungen von Bimetallelementen im Strömungsfeld eines Kühlfluids in einer Separatorplatte.Fig. 11-13: different arrangements of bimetallic elements in the flow field of a cooling fluid in a separator plate.
Fig. 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 Bimetallplätt- chen 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 Bimetall- plättchen 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 Fig. 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 Strömungs- querschnitt . Das Kuhlfluid 5 kann ohne großen Widerstand in der angegebenen Richtung 6 strömen.1 and 2 show a section of a separator plate 1 of a fuel cell with a rectangular cooling channel 2. A rectangular bimetal plate 4 is also attached to the channel bottom 3 at one end. The bimetallic plate 4 essentially has the width of the cooling channel 2, the width extending perpendicular to the plane of the drawing. A cooling fluid 5 circulates in the cooling channel 2. If the cooling fluid 5 has a temperature which is too low for the operation of the fuel cell, then the bimetal plate 4 bends up, so that the flow cross section of the cooling channel 2 is narrowed. In an extreme case, the bimetallic plate 4 bends so far that, as shown in FIG. 1, it completely closes the cooling channel 2. If the cooling fluid 5 does not flow or only flows slightly, then the cooling fluid 5 heats up the processes taking place in the fuel cell. The bimetal plate 4 bends with its free end in the direction of the channel bottom 3 and increases the flow cross section. The cooling fluid 5 can flow in the indicated direction 6 without great resistance.
In der nachstehenden Beschreibung werden für Elemente mit ä- quivalenter Funktion die gleichen Bezugszeichen von bereits beschriebenen Elementen verwendet .In the description below, the same reference numerals from elements already described are used for elements with an equivalent function.
Die Figuren 3 und 4 zeigen einen Ausschnitt aus einer Separatorplatte 1 einer Brennstoffzelle mit einem rechteckfδrmigen 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 Kuhlfluid 5 verbiegt sich die Ausklinkung 7, wie in Fig. 3 dargestellt, zusammen mit dem Plättchen 8 weg vom Kanalboden 3 und verengt den Strömungsquerschnitt. Fig. 4 zeigt den Zustand bei erwärmten Kuhlfluid 5. Die Ausklinkung 7 legt sich zusammen mit dem Plättchen 8 zurück in den Kanalboden 3, so dass nahezu der gesamte Strömungsquerschnitt freigegeben ist.Figures 3 and 4 show a section of a separator plate 1 of a fuel cell with a rectangular cooling channel 2. On the channel bottom 3 there is a tongue-shaped notch 7, which is freely movable at one end. Over the length, the notch 7 is connected on the channel side to a metallic, rectangular plate 8. The plate 8 has a coefficient of thermal expansion different from the material of the notch 7, so that the notch 7 and the plate 8 form a bimetallic element. When the cooling fluid 5 is cool, the notch 7, as shown in FIG. 3, bends together with the plate 8 away from the channel bottom 3 and narrows the flow cross section. 4 shows the state when the cooling fluid 5 is heated. The notch 7, together with the plate 8, lies back in the channel bottom 3, so that almost the entire flow cross section is released.
Fig. 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. Fig. 5 zeigt den Zustand der Bimetallplättchen 9-14 bei zu warmen Kuhlfluid 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 Wärme- Übergang in das Material der Separatorplatte 1. Aufgrund der geringen Länge der Bimetallplättchen 9-14 wird der Strδmungs- querschnitt 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 Fig. 6 gezeigt, an den Kanalboden 3 an, wodurch die Kontaktfläche mit dem Kuhlfluid 5 verringert wird. Das Kuhlfluid 5 wird in diesem Fall nur gering über den Kanalboden 3 abgekühlt.5 and 6 show a section of a separator plate 1 of a fuel cell with a rectangular cooling channel 2. A plurality of rectangular bimetallic plates 9-14 are fastened at one end to the channel bottom 3. The fastening ends of the bimetallic plates 9-14 point in the same direction. The bimetallic plates 9-14 can essentially have the width of the cooling channel 2 or a plurality of such bimetallic plates 9-14 can have the width of the Cooling channel 2 lie side by side. The lengths L of the bimetallic platelets 9-14 are significantly smaller compared to the height H of the cooling channel 2. 5 shows the state of the bimetal plates 9-14 when the cooling fluid 5 is too warm. Because of the high temperature of the cooling fluid 5, the bimetal plates 9-14 are set up. In this state, the bimetallic plates 9-14 which have been set up increase the effective heat-dissipating surface of the channel bottom 3. The bimetallic plates 9-14 which are set up increase the roughness of the wall and thus improve the heat transfer into the material of the separator plate 1. Because of the short length of the bimetallic plates 9-14 the flow cross section of the cooling channel 2 is only insignificantly reduced. The bimetallic plates 9-14 can of course also be arranged on the other channel walls of the cooling channel 2 in addition to the channel bottom 3. At a low temperature of the cooling fluid 5, the bimetallic plates 9-14, as shown in FIG. 6, lie against the channel bottom 3, as a result of which the contact area with the cooling fluid 5 is reduced. In this case, the cooling fluid 5 is cooled only slightly via the channel bottom 3.
Fig. 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 ver- läuft. 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 Fig. 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 Pro- duktwasser. Das bewirkt ein Anschwellen der Quellkörper 22, 23, wie in Fig. 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 Durch- flussmenge 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.7 shows a top view of a cathode channel 15 of a cathode channel system of a fuel cell, which is formed by a separator plate 16. The cathode channel 15 is delimited by webs 17, 18 which abut a membrane-electrode unit. The cathode gas 19 flowing through the cathode channel 15 contacts the membrane-electrode unit and there undergoes a chemical reaction with the formation of product water. The cathode channel 15 has a width B and a depth which runs in the direction perpendicular to the plane of the drawing. Source bodies 22, 23 are arranged opposite one another on the side walls 20, 21 of the cathode channel 15. The swelling bodies 22, 23 consist of an elastic material which swells when moisture is present. If, as shown in FIG. 7, the cathode gas 19 has a low water content, then the swelling bodies 22, 23 are drawn together, so that the flow cross section for the cathode gas 19 is hardly restricted. There is a large cathode gas flow 24, which favors the reaction at the membrane electrode assembly. The strong reaction produces more product water. This causes the swelling bodies 22, 23 to swell, as shown in FIG. 8. In this situation, the source bodies 22, 23 reduce the flow cross section, so that the cathode gas flow 24 is reduced. During normal operation of the fuel cell, there is a balance between the flow rate and water content of the cathode gas 19 in or between the cathode channels 15 of the cathode channel system, so that homogenization or adaptation to a selected profile of the temperature or humidity between the channels 15 occurs. The swelling bodies 22, 23 can be present multiple times in a cathode channel 15.
In den Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Durch- flussmenge 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.9 and 10 show part of a separator plate 25 in which a cathode channel 26 and a cooling channel 27 are formed, which are separated from one another by a web 28 made of the material of the separator plate 25. This arrangement of cathode channel 26, web 28 and cooling channel 27 is present several times on a separator plate 25. In the web 28, a swelling body 29 is installed, which has a wall 30 made of elastic, water-impermeable material on the side of the cooling channel 27 and a wall 31 made of rigid water-permeable material on the side of the cathode channel 26. The wall 30 can be made of rubber and the wall 31 can be made of metal mesh. Depending on the water content of the cathode gas 32 in the cathode channel 26, the swelling body 29 swells more or less. As shown in FIG. 9, there is little water in the cathode gas flow 33, so that the swelling body 29 is contracted and the wall 30 is contracted. The cooling fluid flow 34 can flow almost unhindered in the cooling channel 27, so that the cooling effect is increased in this area of a membrane-electrode unit. When the active area of the membrane electrode assembly is cooled, the saturated state of the cathode gas 32 is reached until there is water discharge in the cathode channel 26. The water passes through the wall 31 to the swelling body 29, which thereby swells as shown in FIG. 10. Due to the volume increase of the swelling body 29, the wall 30 expands in the direction of the cooling channel 27 and narrows its cross section. The narrowing of the cross section causes the cooling fluid flow 34 to decrease. In normal operation of the fuel cell, a balance is established between the water content of the cathode gas 32 in the cathode channels 26 and the flow rate in the cooling channels 27, so that homogenization or adaptation to a selected profile of the Temperature or humidity between the channels 26, 27 occurs.
In Fig. 11 ist eine Separatorplatte 1 gezeigt, auf der ein Strömungsfeld für ein Kuhlfluid 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 Fig. 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 Kuhlfluid Luft zum Einsatz kommt, dann wird die Luft mit einem Verdichter durch die Kühlkanäle 37 gedrückt. Je nach Erwärmung der Bimetall- streifen 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 Pro- fil an. Im Unterschied zu Fig. 11 hat das Strömungsfeld für ein Kuhlfluid in Fig. 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.11 shows a separator plate 1 on which a flow field for a cooling fluid is formed. Collection channels 35.1, 35.2, 36.1, 36.2 are provided for supplying and removing anode and cathode fluids. Cooling channels 37 are embossed in the separator plate for the passage of a cooling fluid. There are webs 38 between the cooling channels 37. Viewed in the direction of flow 39 of the cooling fluid, there are bimetal strips 40 at the outlet of the cooling channels 37, which are designed as described for FIG. 1. Since the heat dissipation in a fuel cell varies greatly depending on the operating conditions and ambient conditions from cooling channel 37 to cooling channel 37, it is advantageous if the cooling fluid flow can be regulated to the optimum temperature in each individual cooling channel 37. If air is used as the cooling fluid, then the air is forced through the cooling channels 37 with a compressor. Depending on the heating of the bimetal strips 40, the bimetal strips 40 are bent up to different heights and narrow the respective cooling channel 37 in such a way that the desired volume flows are established. This means that the temperatures in the individual channels 37 or cell areas are homogenized or adapt to a selected profile. In contrast to FIG. 11, the flow field for a cooling fluid in FIG. 12 has openings 41 between the cooling channels 37. This embodiment can be used advantageously if the heat on a separator plate 1 is not homogeneously distributed due to a non-homogeneous reaction or an inhomogeneous heat dissipation is or does not correspond to a desired profile.
Bei der in Fig. 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 verbun- den sind, kommt es bei unterschiedlichen Stellungen der Bimetallstreifen 40 zu Querströmungen 42 des Kühlfluids zwischen den Durchbrüchen 41.In the separator plate 1 shown in FIG. 12, heat is generated to a greater extent in the last third of the cooling channels 37, as seen in the direction of flow 39. It is therefore only necessary here to regulate the volume flows with bimetal strips 40 which are arranged in this third. Because the cooling channels 37 are connected to one another via the openings 41, cross-flows 42 of the cooling fluid between the openings 41 occur at different positions of the bimetal strips 40.
Bei der in Fig. 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.In the separator plate 1 shown in FIG. 13, channels 37 are each interrupted by two openings 43, 44. Viewed in flow direction 39, three sections 45-47 are created for each cooling channel 37. In the two downstream sections 46, 47, a bimetal strip 48, 49 is arranged in each cooling channel 37. In this way, the temperature on the surface of a membrane electrode unit can be regulated individually in each section 46, 47.
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, insbeson- dere der Temperatur- und Feuchteverteilung, angepasst werden. Liste der verwendeten BezugszeichenThe distribution of the bimetallic elements 4, 7, 8, 9-14, 40, 48, 49 or cross-sectional constricting elements 22, 23, 29 for controlling or regulating the moisture content or the temperature of fluids is only given as an example in the figures and the description , The distribution of the elements can be adapted to the respective conditions in an electrochemical cell, in particular the temperature and humidity distribution. List of the reference symbols used
1 Separatorplatte1 separator plate
2 Kühlkanal2 cooling channels
3 Kanalboden3 channel floor
4 Bimetallplättchen4 bimetal plates
5 Kuhlfluid5 cooling fluid
6 Richtung6 direction
7 Ausklinkung7 notch
8 Plättchen8 tiles
9-14 Bimetallplättchen9-14 bimetal plates
15 Kathodenkanal15 cathode channel
16 Separatorplatte16 separator plate
17, 18 Steg17, 18 bridge
19 Kathodengas19 cathode gas
20, 21 Seitenwand20, 21 side wall
22, 23 Quellkörper22, 23 swelling bodies
24 Kathodengasstrom24 cathode gas flow
25 Separatorplatte25 separator plate
26 Kathodenkanal26 cathode channel
27 Kühlkanal27 cooling channel
28 Steg28 footbridge
29 Quellkörper29 swelling bodies
30, 31 Wand30, 31 wall
32 Kathodengas32 cathode gas
33 Kathodengasstrom33 cathode gas flow
34 Kühlfluidstrom34 cooling fluid flow
35.1, 35.2, 36.1, 36.2 Sammeilkanal35.1, 35.2, 36.1, 36.2 collecting channel
37 Kanal37 channel
38 Steg38 footbridge
39 Fließrichtung39 Flow direction
40 Bimetallstreifen40 bimetal strips
41 Durchbruch41 breakthrough
42 QuerStrömung 43, 44 Durchbruch 45-47 Abschnitt 48, 49 Bimetallstreifen 42 cross flow 43, 44 breakthrough 45-47 section 48, 49 bimetal strips

Claims

Patentansprüche claims
1. Elektrochemische Zelle mit einer Kanalstruktur für die Zufuhr, Zirkulation und Abfuhr von für den Betrieb der Zelle notwendigen Fluiden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zur selbsttätigen Steuerung mindestens eines Fluid- Stromes (5, 24, 33, 34) mindestens ein den Strömungsquer- schnitt 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.1. Electrochemical cell with a channel structure for the supply, circulation and removal of fluids necessary for the operation of the cell, characterized in that for the automatic control of at least one fluid stream (5, 24, 33, 34) at least one that changes the flow cross-section Element (4, 7, 8, 9-14, 22, 23, 29, 40, 48, 49) is integrated in at least one channel (2, 15, 26, 27, 37) of the channel structure.
2. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , 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.2. Electrochemical cell according to claim 1, characterized in that in the case of a cell with a channel (2, 37) formed in a separator plate (1) in the channel (2, 37) at least one bimetal element (4, 7, 8, 9-14 , 40, 48, 49) is provided.
3. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , 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-Tempera- tur das Bimetallelement (4, 7, 8, 9-14, 40, 48, 49) durch eine thermisch bedingte Formänderung den Strömungsquerschnitt des Kanals (2, 37) verringert. 3. Electrochemical cell according to claim 2, characterized in that at least one of the cross-section of the channel (2, 37) adapted bimetal element (4, 7, 8, 9-14, 40, 48, 49) is provided, with the fluid being reduced Temperature the bimetallic element (4, 7, 8, 9-14, 40, 48, 49) reduces the flow cross-section of the channel (2, 37) due to a thermally induced change in shape.
4. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein separates, plattenförmiges Bimetallelement (4) mit einem Ende an einer Kanalwand (3) befestigt ist.4. Electrochemical cell according to claim 3, so that a separate, plate-shaped bimetal element (4) is attached at one end to a channel wall (3).
5. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Bimetallelement aus einer zungenförmigen Aus- klinkung (7) an einer Kanalwand (3) und einem flächig mit der Ausklinkung (7) verbundenen plattenförmigen Element (8) besteht.5. Electrochemical cell according to claim 3, so that the bimetallic element consists of a tongue-shaped notch (7) on a channel wall (3) and a flat-shaped element (8) connected to the notch (7).
6. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , 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.6. Electrochemical cell according to claim 2, characterized in that in the channel (2) a plurality of bimetallic elements (9-14) are each fixed at one end to a channel wall (3), the bimetallic elements (9-14) when the temperature rises of the fluid (5).
7. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass bei einer Zelle mit einem in einer Separatorplatte (16) ausgebildeten Kanal (15) in dem Kanal (15) minde- stens ein Element (22, 23, 29) vorgesehen ist, welches bei Feuchtigkeitszunahme eine Volumenvergrößerung erfährt .7. Electrochemical cell according to claim 1, characterized in that in a cell with a channel (15) formed in a separator plate (16) in the channel (15) at least one element (22, 23, 29) is provided, which at Increased moisture experiences an increase in volume.
8. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Element (22, 23) an einer Kanalwand (20, 21) befestigt ist.8. Electrochemical cell according to claim 7, so that the element (22, 23) is fastened to a channel wall (20, 21).
9. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 7 und 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zwei Elemente (22, 23) paarig gegenüberliegend in dem Kanal (15) angeordnet sind. 9. Electrochemical cell according to claim 7 and 8, characterized in that two elements (22, 23) are arranged in pairs opposite one another in the channel (15).
10. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Element (29) in eine Kanalwand (28) integriert ist .10. Electrochemical cell according to claim 7, so that the element (29) is integrated in a channel wall (28).
11. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Kanalwand (28) einer Brennstoffzelle einen Ka- thodenfluidkanal (26) von einem Kühlfluidkanal (27) trennt,wobei das Element (29) auf der Seite des Kathoden- fluidkanals (26) aus einem wasserdurchlässigen Material, vorzugsweise einem Metallgitter (31) , und auf der Seite des Kühlfluidkanals (27) aus einem elastischem, wasserundurchlässigem Material (30) besteht.11. Electrochemical cell according to claim 10, characterized in that the channel wall (28) of a fuel cell separates a cathode fluid channel (26) from a cooling fluid channel (27), the element (29) on the side of the cathode fluid channel (26) a water-permeable material, preferably a metal grid (31), and on the side of the cooling fluid channel (27) consists of an elastic, water-impermeable material (30).
12. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass bei einer Zelle mit parallelen Kanälen (37) für ein Kuhlfluid jedem Kanal (37) mindestens ein Element (40, 48, 49) zugeordnet ist.12. The electrochemical cell according to claim 1, which also means that in a cell with parallel channels (37) for each cooling fluid, at least one element (40, 48, 49) is assigned to each channel (37).
13. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Elemente (40, 48, 49) in Kanäle (37) einer aus mehreren Bereichen (45-47) bestehenden Kanalstruktur integriert sind.13. Electrochemical cell according to claim 1, so that the elements (40, 48, 49) are integrated in channels (37) of a channel structure consisting of several areas (45-47).
14. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zur Kommunikation (42) mindestens eines der Fluide über verschiedene Bereiche (45-47) eine Verbindung (41, 43, 44) zwischen den Kanälen (37) vorhanden ist.14. The electrochemical cell according to claim 13, so that at least one of the fluids has a connection (41, 43, 44) between the channels (37) for communication (42) via different areas (45-47).
15. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Kommunikation (42) zwischen den verschiedenen Bereichen (45-47) mittels der Elemente (48, 49) steuerbar ist .15. Electrochemical cell according to claim 14, characterized in that the communication (42) between the different Areas (45-47) can be controlled by means of the elements (48, 49).
16. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , 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 Flu- idströme die Elemente (48, 49) in stromabwärts liegenden Bereichen (46, 47) angeordnet sind.16. Electrochemical cell according to claim 13, characterized in that the channels (37) in the direction of flow (39) of the fluid run parallel in several areas (45-47) and after each area (45, 46) cross-connections (43, 44) of the channels (37) exist, the elements (48, 49) being arranged in downstream regions (46, 47) for the area-wise control of the fluid flows.
17. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , 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. 17. Electrochemical cell according to claim 16, characterized in that the channels (37) run parallel in a first area, are connected to one another via an opening (41) in a second area and run again in parallel in a third area, the elements ( 40) are arranged in the channels (37) in the third area.
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Families Citing this family (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU2003293468A1 (en) * 2003-01-31 2004-08-30 General Motors Corporation Flow restrictors in fuel cell flow-field
DE102004017434A1 (en) * 2003-05-03 2004-12-30 Daimlerchrysler Ag Fuel cell stack for cold start in motor vehicle internal combustion engine, consists of polymer electrolyte membranes with channel structures for guiding process gases and coolant
JP5038585B2 (en) * 2004-04-15 2012-10-03 トヨタ自動車株式会社 Cell, stack using the same, fuel cell, and vehicle
JP4576880B2 (en) * 2004-05-17 2010-11-10 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell system
DE102005046795A1 (en) * 2005-09-30 2007-04-12 Behr Gmbh & Co. Kg Coolable bipolar plate
JP4951925B2 (en) 2005-10-11 2012-06-13 トヨタ自動車株式会社 Gas separator for fuel cell and fuel cell
DE102006027034A1 (en) * 2006-06-08 2007-12-13 Daimlerchrysler Ag Fuel cell with a Separatorplatteneinheit and Separatorplatteneinheit
JP5189269B2 (en) 2006-07-26 2013-04-24 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell
DE102011009109B9 (en) * 2011-01-21 2013-06-06 Diehl Aerospace Gmbh Fuel cell with means for regulating the power output and fuel cell unit
FR2973583B1 (en) * 2011-03-30 2014-03-14 Peugeot Citroen Automobiles Sa FUEL CELL COMPRISING A STACK OF CELLS AND BIPOLAR CONDUCTIVE PLATES
CN104718651B (en) 2012-08-14 2017-07-28 环能源公司 Fuel cell flows raceway groove and flow field
US9644277B2 (en) 2012-08-14 2017-05-09 Loop Energy Inc. Reactant flow channels for electrolyzer applications
GB201503750D0 (en) 2012-08-14 2015-04-22 Powerdisc Dev Corp Ltd Fuel cells components, stacks and modular fuel cell systems
JP6064049B2 (en) * 2012-08-30 2017-01-18 アウディ アクチェンゲゼルシャフトAudi Ag Fuel cell components having a selected cooling capacity distribution
GB2528744B (en) * 2012-10-10 2021-07-07 Loop Energy Inc Reactant flow channels for electrolyzer applications
DE102013208996A1 (en) * 2013-05-15 2014-11-20 Volkswagen Aktiengesellschaft Temperature control device, battery pack, heat exchange element, supply and / or discharge and manufacturing method thereof
DE102014205543A1 (en) * 2014-03-25 2015-10-01 Volkswagen Ag Bipolar plate and fuel cell with such a
FR3033667B1 (en) * 2015-03-09 2019-05-31 Safran Aircraft Engines IMPROVED STACK FOR FUEL CELL FOR ESTABLISHING HOMOGENEOUS FLOW
WO2017161449A1 (en) 2016-03-22 2017-09-28 Loop Energy Inc. Fuel cell flow field design for thermal management
WO2019097271A1 (en) 2017-11-14 2019-05-23 Volvo Truck Corporation Three-way valve comprising a bi-material strip
DE102018203022A1 (en) * 2018-02-28 2019-08-29 Audi Ag Thermal leveling of cell modules
DE102018109472B4 (en) * 2018-04-20 2023-05-04 Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft Temperature control device for temperature control of a battery device, temperature control system and method for temperature control of a battery device
DE102018216099A1 (en) * 2018-09-21 2020-03-26 Robert Bosch Gmbh Electrode support device for a fuel cell and / or electrolyzer unit
DE102019128426A1 (en) * 2019-10-22 2021-04-22 Audi Ag Bipolar plate, fuel cell, fuel cell stack, fuel cell device and motor vehicle with a fuel cell device
CN111092243B (en) * 2019-12-24 2023-03-24 太原科技大学 Runner of fish scale bionic structure for fuel cell
DE102021100715A1 (en) 2021-01-15 2022-07-21 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Temperature control system for controlling the temperature of an energy store in a motor vehicle
DE102022101359A1 (en) 2022-01-21 2023-07-27 Audi Aktiengesellschaft Method for operating a fuel cell device, fuel cell device and motor vehicle with a fuel cell device

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS58100372A (en) * 1981-12-09 1983-06-15 Sanyo Electric Co Ltd Air cooled fuel cell
JPS58178964A (en) * 1982-04-13 1983-10-20 Sanyo Electric Co Ltd Air-cooled fuel cell
JPS6041769A (en) * 1984-07-20 1985-03-05 Hitachi Ltd Fuel cell
JPS6158173A (en) * 1984-08-29 1986-03-25 Shin Kobe Electric Mach Co Ltd Liquid fuel cell
JPS61185871A (en) * 1985-02-12 1986-08-19 Fuji Electric Co Ltd Air-cooled type fuel cell
JPS6316562A (en) * 1986-07-09 1988-01-23 Sanyo Electric Co Ltd Cooling device for fuel cell
US5837394A (en) * 1992-05-20 1998-11-17 Brooke Schumm, Jr. Electric appliance and fluid depolarized cell with low parasitic usage microactuated valve
JP3556570B2 (en) * 1993-03-10 2004-08-18 三菱電機株式会社 Fluid flow plate
JP2837625B2 (en) * 1994-03-08 1998-12-16 株式会社日立製作所 Fuel cell
JP3524305B2 (en) * 1996-12-03 2004-05-10 本田技研工業株式会社 Fuel cell
US5776625A (en) * 1997-06-18 1998-07-07 H Power Corporation Hydrogen-air fuel cell
US6635378B1 (en) * 1999-08-16 2003-10-21 Hybrid Power Generation System, Llc Fuel cell having improved condensation and reaction product management capabilities
JP3698038B2 (en) * 2000-09-12 2005-09-21 日産自動車株式会社 Solid polymer membrane fuel cell
DE10047248A1 (en) * 2000-09-23 2002-04-18 Dornier Gmbh Electrochemical cell stack
US6890674B2 (en) * 2002-02-19 2005-05-10 Mti Microfuel Cells, Inc. Methods and apparatuses for managing fluids in a fuel cell system

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO2004025763A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
WO2004025763A1 (en) 2004-03-25
JP4780579B2 (en) 2011-09-28
AU2003297586A1 (en) 2004-04-30
JP2005536033A (en) 2005-11-24
DE10236998A1 (en) 2004-03-04
CA2494196A1 (en) 2004-03-25
DE10236998B4 (en) 2008-01-31
US20110097648A1 (en) 2011-04-28

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