DE10026207A1

DE10026207A1 - Fuel cell arrangement with electrolyte reservoir

Info

Publication number: DE10026207A1
Application number: DE10026207A
Authority: DE
Inventors: Peter Kraus; Stefan Peterhans
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH; MTU Motoren und Turbinen Union Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2000-05-26
Filing date: 2000-05-26
Publication date: 2001-12-06
Also published as: WO2001093358A1

Abstract

The invention relates to a fuel-cell assembly comprising a number of fuel cells (12) that are arranged in a stack (10). Each fuel cell contains an anode (1), a cathode (2) and a porous electrolyte matrix (3) arranged therebetween. An electrolyte reservoir (11), which compensates the electrolyte losses from the fuel cells (12), is provided at the end, or in the vicinity of the end of the fuel cell stack (10), said electrolyte being transported to the individual fuel cells (12) by electrical forces within the fuel cell stack (10). According to a preferred embodiment of the invention, the electrolyte reservoir can be refilled externally.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a fuel cell arrangement according to the preamble of Claim 1.

Es sind Brennstoffzellenanordnungen, insbesondere Anordnungen von Schmelzkarbonatbrennstoffzellen bekannt, bei denen eine Anzahl von Brennstoffzellen, die jeweils eine Anode, eine Kathode und eine zwischen diesen angeordnete poröse Elektrolytmatrix enthalten, in Form eines Brennstoffzellenstapels angeordnet sind.There are fuel cell arrangements, in particular arrangements of Molten carbonate fuel cells are known in which a number of fuel cells in each case an anode, a cathode and a porous arranged between them Contain electrolyte matrix, are arranged in the form of a fuel cell stack.

Bei Schmelzkarbonatbrennstoffzellen werden Mischungen von Alkalikarbonaten als Elektrolyt verwendet, die bei der Betriebstemperatur der Brennstoffzellen flüssig sind. Der Elektrolyt ist in den porösen Elektrolytmatrizen sowie in den ebenfalls aus einem porösen Material hergestellten Anoden und Kathoden der Brennstoffzellen enthalten und wird durch Kapillarkräfte in diesen gehalten. Die Funktion und Leistungsfähigkeit einer Schmelzkarbonatbrennstoffzelle ist abhängig von einer vollständigen und richtigen Füllung des Elektrolyten, welche bei der Herstellung innerhalb schmaler Toleranzen eingehalten wird. Sowohl eine Überfüllung als auch eine Unterfüllung mit Elektrolyt sind für die Leistungsfähigkeit und Dauerhaftigkeit der Zellen schädlich.In molten carbonate fuel cells, mixtures of alkali carbonates are used as Electrolyte used, which are liquid at the operating temperature of the fuel cells. The Electrolyte is in the porous electrolyte matrices as well as in the porous one Material produced anodes and cathodes of the fuel cells contain and will held in it by capillary forces. The function and performance of a Molten carbonate fuel cell depends on a complete and correct filling of the electrolyte, which are maintained within narrow tolerances during production becomes. Both an overfill and an underfill with electrolyte are for the The performance and durability of the cells are harmful.

Während des Brennstoffzellenbetriebs gehen Teile des in den Zellen vorhandenen Elektrolyten verloren aufgrund verschiedener Mechanismen, von denen die wesentlichsten sind:
During fuel cell operation, parts of the electrolyte in the cells are lost due to various mechanisms, the most important of which are:

- aufgrund der starken Benetzungseigenschaft der geschmolzenen Alkalikarbonate hat der Elektrolyt die Tendenz am Randbereich und an den für die Zuführung und Abführung von Brenngas und Oxidationsgas vorgesehenen Öffnungen aus der Zelle zu kriechen, wobei er sich dann auf der äußeren Oberfläche des Brennstoffzellenstapels und der benachbarten Komponenten verteilt;- due to the strong wetting properties of the molten alkali carbonates the electrolyte has a tendency at the edge area and towards the supply and Removal of fuel gas and oxidizing gas provided openings from the cell crawl, then settling on the outer surface of the fuel cell stack and the neighboring components distributed;
- die Alkalikarbonate des Elektrolyten treten in chemische Reaktionen mit Konstruktionsmaterialien der Brennstoffzellen ein, wobei ein Teil des Elektrolyten in den sich ergebenden chemischen Verbindungen gebunden wird; und- The alkali carbonates of the electrolyte occur in chemical reactions Construction materials of the fuel cells, with part of the electrolyte in the resulting chemical compounds are bound; and
- Bestandteile der Alkalikarbonate verbinden sich mit als Reaktionsprodukt in den Brennstoffzellen entstehendem Wasser zu Hydroxiden, welche bei der Betriebstemperatur der Brennstoffzellen verdampfen.- Components of the alkali carbonates combine with as a reaction product in the Fuel cells form water into hydroxides, which at operating temperature of the fuel cells evaporate.

Der allmähliche Verlust von Elektrolyt während der Lebensdauer der Brennstoffzelle führt zu einer Verschlechterung von deren Leistung und wird möglicherweise zu einem die Brennstoffzellenlebensdauer begrenzenden Faktor.The gradual loss of electrolyte over the life of the fuel cell results will degrade their performance and may become one of them Fuel cell life limiting factor.

Eine Möglichkeit die genannten Schwierigkeiten zu überwinden ist es ein Elektrolytreservoir zum Ausgleichen von Elektrolytverlusten aus den Brennstoffzellen vorzusehen.One way to overcome the difficulties mentioned is one Electrolyte reservoir to compensate for electrolyte losses from the fuel cells to provide.

So ist aus der DE 195 45 658 A1 eine Schmelzkarbonatbrennstoffzelle bekannt, bei der an einer Stelle wenigstens ein poröser Körper mit einem Vorrat an Elektrolyt vorhanden ist, um Elektrolytverluste auszugleichen. Dieser den Elektrolytvorrat bildende poröse Körper ist der einzelnen Brennstoffzelle zugeordnet, bei einer Brennstoffzellenanordnung mit einer Anzahl von in Form eines Stapels angeordneten Brennstoffzellen wäre somit jede einzelne Brennstoffzelle mit einem solchen porösen Körper zum Vorhalten eines Vorrats an Elektrolyt vorzusehen. For example, DE 195 45 658 A1 discloses a molten carbonate fuel cell in which there is at least one porous body with a supply of electrolyte at one point, to compensate for electrolyte losses. This porous body that forms the electrolyte supply is assigned to the individual fuel cell, in the case of a fuel cell arrangement with a The number of fuel cells arranged in the form of a stack would thus each be individual Fuel cell with such a porous body to hold a supply To provide electrolyte.

Aus der JP 61074265 A ist eine Matrixanordnung für eine Brennstoffzelle bekannt, bei der der Elektrolyt von einem der Matrix zugeordneten Elektrolytreservoir in die Matrix verteilt wird, um Verluste auszugleichen. Auch hier wäre bei einer Brennstoffzellenanordnung mit einer Anzahl von in Form eines Stapels angeordneten Brennstoffzellen jede Matrix der einzelnen Brennstoffzellen mit einem solchen Elektrolytreservoir zu versehen.From JP 61074265 A a matrix arrangement for a fuel cell is known in which the electrolyte is distributed into the matrix from an electrolyte reservoir assigned to the matrix to compensate for losses. This would also be the case with a fuel cell arrangement a number of fuel cells arranged in a stack, each matrix of the to provide individual fuel cells with such an electrolyte reservoir.

Weitere Vorschläge, bei denen jeweils einzelne Brennstoffzellen mit Elektrolytreservoiren zum Ausgleichen von Elektrolytverlusten versehen sind, sind aus der US 5 468 573, der US 4 185 145, der US 4 548 877 und der JP 61277169 A bekannt.Other suggestions, each with individual fuel cells with electrolyte reservoirs to compensate for electrolyte losses are from US 5 468 573, the US 4 185 145, US 4 548 877 and JP 61277169 A are known.

Weiterhin sind aus der US 4 467 019 und der JP 07326374 A Brennstoffzellenanordnungen mit mehreren in Form eines Stapels angeordneten Brennstoffzellen bekannt, bei denen jeweils die Elektrolytmatrix einer jeden Brennstoffzelle mit einem außerhalb des Brennstoffzellenstapels vorgesehenen Elektrolytreservoir verbunden ist, um auftretende Elektrolytverluste auszugleichen.Furthermore, from US 4,467,019 and JP 07326374 A Fuel cell arrangements with several arranged in the form of a stack Known fuel cells, in each of which the electrolyte matrix of each fuel cell with an electrolyte reservoir provided outside the fuel cell stack is connected to compensate for occurring electrolyte losses.

Schließlich ist aus der US 4 761 348 eine Brennstoffzellenanordnung bekannt, bei der an den Enden des Brennstoffzellenstapels jeweilige Elektrolytreservoire, eines mit einem Überschuss an Elektrolyt und eines mit einem Unterschuss an Elektrolyt, vorgesehen sind, die von den vollständigen Zellen des Stapels durch impermeable, aber elektrisch leitende Trennelemente getrennt sind, jedoch einem Austausch von Elektrolyt mit den Brennstoffzellen unterliegen.Finally, a fuel cell arrangement is known from US Pat. No. 4,761,348 the ends of the fuel cell stack respective electrolyte reservoirs, one with a Excess electrolyte and one with a deficit of electrolyte are provided, that of the whole cells of the stack through impermeable but electrically conductive Separating elements are separated, but an exchange of electrolyte with the Subject to fuel cells.

Die bisherigen Lösungsvorschläge leiden verschiedene Nachteile. Bei einzelnen innerhalb einer jeden Brennstoffzelle vorgesehenen Elektrolytreservoiren kann nur eine begrenzte Menge von Elektrolyt vorgehalten werden, wenn nicht eine beträchtliche Zunahme bei Volumen und Kosten der Zellen in Kauf genommen werden sollen. Im Falle von Vorrichtungen zum Auffüllen des Elektrolytvorrats in den einzelnen Zellen ist es sehr schwierig die Nachfüllmenge genau auf die einzelnen Zellen innerhalb des Stapels zu verteilen und jede einzelne Zelle in korrekter Weise zu füllen. Kanäle oder Leitungen zum Auffüllen des Elektrolyten bilden Pfade für parasitäre Ströme entlang des Brennstoffzellenstapels, welche die Leistung der Brennstoffzellenanordnung schmälern und sogar diese zerstören können.The previous proposed solutions suffer from various disadvantages. For individuals within Each electrolyte reservoir provided for each fuel cell can only have a limited one Amount of electrolyte is retained, if not a significant increase Volume and cost of the cells should be accepted. In case of Devices for filling up the electrolyte supply in the individual cells are very much so the refill quantity is difficult to precisely target the individual cells within the stack distribute and fill each individual cell in the correct way. Channels or lines to Filling the electrolyte forms paths for parasitic currents along the Fuel cell stack, which reduce the performance of the fuel cell assembly and even destroy them.

Eine weitere Schwierigkeit im Zusammenhang mit dem Verlust und dem Nachfüllen von Elektrolyt besteht bei in einem Stapel angeordneten Brennstoffzellen darin, dass die elektrisch geladenen Teilchen des Elektrolyten unter dem Einfluss des durch die Brennstoffzellenspannung längs des Stapels erzeugten elektrischen Feldes in Richtung der entgegengesetzten Polarität wandern. Daher haben die in dem Elektrolyt enthaltenen Alkalionen die Tendenz unter dem Einfluss des elektrischen Feldes vom positiven Ende zum negativen Ende des Brennstoffzellenstapels zu wandern. Somit ist die Rate des Elektrolytverlusts in den Zellen am positiven Ende des Brennstoffzellenstapels wesentlich höher als die der Zellen am entgegengesetzten Ende. Bei einem einheitlichen Vorhalten oder Auffüllen von Elektrolyt für alle Zellen würden die Zellen in der Nähe des negativen Endes des Brennstoffzellenstapels überfüllt und diejenigen am positiven Ende nicht genügend gefüllt werden.Another difficulty associated with losing and refilling In the case of fuel cells arranged in a stack, electrolyte consists in the fact that the electrically charged particles of the electrolyte under the influence of the Fuel cell voltage generated along the stack in the direction of the electric field of opposite polarity. Therefore, those contained in the electrolyte Alkaline ions the tendency under the influence of the electric field from the positive end to hike to the negative end of the fuel cell stack. Hence the rate of Substantial loss of electrolyte in the cells at the positive end of the fuel cell stack higher than that of the cells at the opposite end. With a uniform supply or replenishing electrolyte for all cells would close the cells to the negative End of the fuel cell stack is overcrowded and those at the positive end are not be filled enough.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbesserte Brennstoffzellenanordnung mit einem Elektrolytreservoir zu schaffen.It is the object of the present invention to provide an improved fuel cell arrangement with an electrolyte reservoir.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Brennstoffzellenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.This object is achieved by a fuel cell arrangement with the features of Claim 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Advantageous developments of the fuel cell arrangement according to the invention are shown in marked the subclaims.

Durch die Erfindung wird eine Brennstoffzellenanordnung mit einer Anzahl von in Form eines Stapels angeordneten Brennstoffzellen geschaffen, die jeweils Elektroden in Form einer Anode und einer Kathode und eine zwischen diesen angeordnete poröse Elektrolytmatrix, sowie Stromkollektoren zum Kontaktieren der Elektroden enthalten, und wobei weiterhin ein Elektrolytreservoir zum Ausgleichen von Elektrolytverlusten aus den Brennstoffzellen vorgesehen ist. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass das Elektrolytreservoir an oder nahe einem Ende des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist, und dass der Elektrolyt durch elektrische Kräfte innerhalb des Brennstoffzellenstapels zu den einzelnen Brennstoffzellen transportiert wird.The invention provides a fuel cell arrangement with a number of in the form A stack of fuel cells arranged, each in the form of electrodes an anode and a cathode and a porous arranged between them Contain electrolyte matrix, and current collectors for contacting the electrodes, and an electrolyte reservoir for compensating for electrolyte losses from the Fuel cells is provided. According to the invention, it is provided that The electrolyte reservoir is arranged at or near one end of the fuel cell stack, and that the electrolyte increases due to electrical forces within the fuel cell stack the individual fuel cells is transported.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung ist es, dass der Elektrolyt unter Wirkung der in dem Brennstoffzellenstapel wirkenden elektrischen Kräfte automatisch unter Anpassung an die unterschiedlichen Elektrolytverlustraten in den Zellen an unterschiedlichen Positionen innerhalb des Stapels nachgeliefert wird. Ein weiterer Vorteil ist es, dass die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung einfach und kostengünstig herzustellen und leicht zu betreiben ist. Schließlich ist es ein wesentlicher Vorteil, dass aufgrund des Fehlens von Leitungen oder Kanälen entlang des Brennstoffzellenstapels zum Verteilen von Elektrolyt von außen auf die einzelnen Brennstoffzellen Pfade für nachteilige Kriechströme entfallen.A major advantage of the fuel cell arrangement according to the invention is that the electrolyte under the effect of the electrical ones acting in the fuel cell stack Forces automatically adapting to the different electrolyte loss rates in the Cells are delivered at different positions within the stack. On it is a further advantage that the fuel cell arrangement according to the invention is simple and is inexpensive to manufacture and easy to operate. After all, it's an essential one Advantage that due to the lack of lines or channels along the Fuel cell stack for distributing electrolyte from the outside to the individual Fuel cell paths for adverse leakage currents are eliminated.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung ist es vorgesehen, dass das Elektrolytreservoir auffüllbar ist. Hierdurch können während des Betriebs der Brennstoffzelle auftretende Elektrolytverluste kompensiert werden, so dass ein andauernd optimaler Betrieb der Brennstoffzellenanordnung durchführbar ist.According to a particularly advantageous development of the invention It is provided in the fuel cell arrangement that the electrolyte reservoir can be filled. This can result in electrolyte losses occurring during operation of the fuel cell be compensated for, so that the optimal operation of the Fuel cell arrangement is feasible.

Vorzugsweise ist eine mit dem Elektrolytreservoir verbundene, aus dem Brennstoffzellenstapel nach außen führende Elektrolytfüllleitung zum Auffüllen des Elektrolytreservoirs von außen vorgesehen ist.Preferably, one is connected to the electrolyte reservoir from which Fuel cell stack leading to the outside electrolyte fill line for filling the Electrolyte reservoirs are provided from the outside.

Eine bevorzugte Ausführungsform hiervon sieht es vor, dass die Elektrolytfüllleitung einen vertikalen oder nach außen ansteigenden Verlauf hat.A preferred embodiment of this provides that the electrolyte filling line has a vertical or outward gradient.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung ist es vorgesehen, dass die Elektrolytfüllleitung zum Auffüllen des Elektrolyten in bei Umgebungstemperatur fester Form, vorzugsweise in Form von Pellets, vorgesehen ist, wobei der feste Elektrolyt bei Betriebstemperatur im Brennstoffzellenstapel schmilzt und vom Elektrolytreservoir aufgenommen wird.According to a particularly advantageous development of the invention Fuel cell arrangement provides that the electrolyte fill line for filling of the electrolyte in solid form at ambient temperature, preferably in the form of Pellets, is provided, the solid electrolyte at the operating temperature in The fuel cell stack melts and is taken up by the electrolyte reservoir.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung ist das Elektrolytreservoir an oder nahe dem positiven Ende des Brennstoffzellenstapels (bei Brennstoffzellen die Kathode) angeordnet.According to a preferred embodiment of the invention Fuel cell assembly is the electrolyte reservoir at or near the positive end of the fuel cell stack (the cathode in the case of fuel cells).

Vorzugsweise besteht das Elektrolytreservoir aus einem porösen Körper, dessen Poren mit dem Elektrolyten gefüllt sind.The electrolyte reservoir preferably consists of a porous body whose pores coexist the electrolyte is filled.

Vorzugsweise ist die Porengröße des Elektrolytreservoirs größer als die der Poren der Elektrolytmatrix. Hierdurch wird aufgrund von Kapillarkräften der Transport des Elektrolyten vom Reservoir zu den Matrizen der Brennstoffzellen unterstützt.The pore size of the electrolyte reservoir is preferably larger than that of the pores Electrolyte matrix. As a result, the transport of the Supported electrolytes from the reservoir to the matrices of the fuel cells.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung besteht der poröse Körper des Elektrolytreservoirs aus Brennstoffzellenkathodenmaterial, das vollständig mit Elektrolyt getränkt ist.According to a preferred embodiment of the invention Fuel cell arrangement consists of the porous body of the electrolyte reservoir Fuel cell cathode material that is completely saturated with electrolyte.

Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung ist es vorgesehen, dass das Elektrolytreservoir aus einem elektrisch leitenden Material besteht und in dem Brennstoffzellenstapel als elektrische Verbindung zwischen der letzten Brennstoffzelle und dem Ende des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist. Hierdurch kann die Kontaktierung am Ende des Brennstoffzellenstapels direkt über den porösen Körper des Elektrolytreservoirs verlaufen.According to another preferred embodiment of the invention It is provided that the electrolyte reservoir consists of a fuel cell arrangement consists of electrically conductive material and in the fuel cell stack as electrical Connection between the last fuel cell and the end of the Fuel cell stack is arranged. As a result, the contacting at the end of The fuel cell stack runs directly over the porous body of the electrolyte reservoir.

Gemäß einem weiteren Aspekt der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung ist es vorgesehen, dass das Elektrolytreservoir aus einer Hohlräume bildenden tragenden Struktur, beispielsweise einem Stromkollektor und einem in dessen Hohlräume eingefüllten porösen Körper besteht. Da der Stromkollektor einerseits eine elektrisch leitende und andererseits eine mechanisch tragende Funktion hat, ist es nicht erforderlich, dass diese Funktionen von dem porösen Material ausgeübt werden. Das entsprechende Material wird somit mechanisch entlastet, was in Bezug auf die Kriechstabilität desselben vorteilhaft ist.According to a further aspect of the fuel cell arrangement according to the invention, it is provided that the electrolyte reservoir from a void-forming load-bearing Structure, for example a current collector and one in its cavities filled porous body. Because the current collector is electrical conductive and on the other hand has a mechanical supporting function, it is not necessary that these functions are performed by the porous material. The corresponding Material is thus mechanically relieved, which is the same in terms of creep stability is advantageous.

Vorzugsweise ist das Elektrolytreservoir im Stromkollektor der am positiven Ende des Brennstoffzellenstapels befindlichen Brennstoffzelle eingebaut ist.Preferably, the electrolyte reservoir in the current collector is at the positive end of the Fuel cell stack located fuel cell is installed.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung ist es vorgesehen, dass das Elektrolytreservoir an einem Ende des Brennstoffzellenstapels eingebaut ist, und dass am anderen Ende des Brennstoffzellenstapels das Elektrolytaufnahmereservoir mit einem porösen Körper zur Aufnahme von überschüssigem Elektrolyt vorgesehen ist. Hierdurch wird aufgrund der Wanderung des Elektrolyten vom Elektrolytreservoir zum anderen Ende des Brennstoffzellenstapels im Laufe der Zeit zuviel auftretender Elektrolyt entfernt. Auch hier gilt, dass, weil der Stromkollektor einerseits eine elektrisch leitende und andererseits eine mechanisch tragende Funktion hat, es nicht erforderlich ist, dass diese Funktionen von dem Material des porösen Körpers zur Aufnahme von überschüssigem Elektrolyt ausgeübt werden. Das Material des porösen Körpers zur Aufnahme von überschüssigem Elektrolyt wird somit mechanisch entlastet, was wiederum in Bezug auf die Kriechstabilität desselben vorteilhaft ist.According to a further advantageous aspect of the invention Fuel cell arrangement provides that the electrolyte reservoir at one end of the fuel cell stack is installed, and that at the other end of the Fuel cell stack the electrolyte reservoir with a porous body for Absorption of excess electrolyte is provided. This is due to the Migration of the electrolyte from the electrolyte reservoir to the other end of the Fuel cell stack removes too much electrolyte over time. Here too applies that because the current collector is on the one hand an electrically conductive and on the other hand a has mechanical load-bearing function, it is not necessary that these functions of the material of the porous body to absorb excess electrolyte become. The material of the porous body to absorb excess electrolyte is thus mechanically relieved, which in turn in terms of creep stability the same is advantageous.

Vorzugsweise ist das Elektrolytreservoir am positiven Ende des Brennstoffzellenstapels eingebaut, und das Elektrolytaufnahmereservoir zur Aufnahme von überschüssigem Elektrolyt ist am negativen Ende des Brennstoffzellenstapels vorgesehen.The electrolyte reservoir is preferably at the positive end of the fuel cell stack installed, and the electrolyte reservoir for absorbing excess Electrolyte is provided at the negative end of the fuel cell stack.

Gemäß einem anderen Aspekt der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung ist es vorgesehen, dass das Elektrolytreservoir und/oder das Elektrolytaufnahmereservoir zur Aufnahme von überschüssigem Elektrolyt durch Eingießen einer fließfähigen Masse in den Stromkollektor gebildet ist.According to another aspect of the fuel cell arrangement according to the invention, it is provided that the electrolyte reservoir and / or the electrolyte receiving reservoir for Absorption of excess electrolyte by pouring a flowable mass into the Current collector is formed.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung ist es vorgesehen, dass entlang des Brennstoffzellenstapels zwischen einzelnen Komponenten der Brennstoffzellen und/oder des Brennstoffzellenstapels vorhandene kapillare Wanderwege für den Elektrolyten in ihrer Dicke und/oder in ihrer Porengröße im Sinne einer Optimierung des Elektrolyttransports innerhalb des Brennstoffzellenstapels von dem Elektrolytreservoir zu den Brennstoffzellen ausgelegt sind. Hierdurch kann die Geschwindigkeit des Transports und die Art der Verteilung des von dem Elektrolytreservoir zu den einzelnen Brennstoffzellen gelieferten Elektrolyten optimiert werden.According to an advantageous development of the invention Fuel cell arrangement is provided that along the fuel cell stack between individual components of the fuel cells and / or the Fuel cell stack existing capillary trails for the electrolyte in their Thickness and / or in their pore size in the sense of optimizing the electrolyte transport within the fuel cell stack from the electrolyte reservoir to the fuel cells are designed. This allows the speed of transport and the type of Distribution of the delivered from the electrolyte reservoir to the individual fuel cells Electrolytes can be optimized.

Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung ist es vorgesehen, dass Mittel zum Überwachen der Spannung der am meisten positiven Brennstoffzelle oder einer Gruppe von am meisten positiven Brennstoffzellen vorgesehen sind, und dass ein Absinken dieser Spannung als Signal zum Auffüllen des Elektrolytvorrats im Elektrolytreservoir verwendet wird. Da aufgrund der elektrischen Kräfte innerhalb des Brennstoffzellenstapels der Elektrolytverlust der Brennstoffzellen um so höher ist, je höher diese am positiven Ende des Brennstoffzellenstapels befindlich sind, ist die Spannung einer oder mehrerer Brennstoffzellen am positiven Ende des Stapels ein zuverlässiges Signal für die Notwendigkeit des Auffüllens des Elektrolytvorrats.According to another preferred embodiment of the invention Fuel cell arrangement is provided that means for monitoring the voltage the most positive fuel cell or group of the most positive Fuel cells are provided, and that a drop in this voltage as a signal to Refilling the electrolyte reservoir in the electrolyte reservoir is used. Because of the electrical forces within the fuel cell stack the loss of electrolyte The higher the fuel cells, the higher these at the positive end of the Fuel cell stack are located, the voltage is one or more Fuel cells at the positive end of the stack provide a reliable signal for that The need to replenish the electrolyte supply.

Schließlich ist es gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung vorgesehen, dass der Elektrolyt im Elektrolytreservoir in einer Zusammensetzung aufgefüllt wird, die von der anfänglichen Zusammensetzung des Elektrolyten in den Elektrolytmatrizen der Brennstoffzellen verschieden ist, um disproportionale Elektrolytverluste während des Brennstoffzellenbetriebs auszugleichen. Der Elektrolyt, der zum Füllen des Elektrolytreservoirs verwendet wird, enthält somit diejenigen Komponenten in einer höheren Konzentration, die beim Betrieb mit einer größeren Rate verloren gehen, als es der anfänglichen oder normalen Zusammensetzung des Elektrolyten in den Elektrolytmatrizen entspricht.Finally, it is according to a further advantageous aspect of the invention Fuel cell arrangement provided that the electrolyte in the electrolyte reservoir in a Composition that is replenished from the initial composition of the Electrolytes in the electrolyte matrices of the fuel cells are different Compensate for disproportionate electrolyte losses during fuel cell operation. The electrolyte used to fill the electrolyte reservoir thus contains those components in a higher concentration that when operated with a greater rate than the initial or normal composition of the electrolyte in the electrolyte matrices.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen 3 Brennstoffzellenanordnung anhand der Zeichnung beschrieben: Exemplary embodiments of the third embodiment according to the invention are described below Fuel cell arrangement described with reference to the drawing:

Fig. 1 zeigt eine schematisierte perspektivische Explosionsansicht einer Brennstoffzellenanordnung mit in Form eines Stapels angeordneten Brennstoffzellen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei zum Zwecke der besseren Übersichtlichkeit nur einige wenige in dem Brennstoffzellenstapel enthaltene Brennstoffzellen dargestellt sind; Fig. 1 is a schematic exploded perspective view showing a fuel cell assembly having disposed in the form of a fuel cell stack according to an embodiment of the invention, wherein for purposes of clarity, only a few fuel contained in the fuel cell stack are shown;

Fig. 2 zeigt in einer vergrößerten seitlichen Schnittansicht eine aus einem Stromkollektor und einem Bipolarblech gebildete Bipolarplatte, in welcher gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung das Elektrolytreservoir bzw. ein poröser Körper zur Aufnahme von überschüssigem Elektrolyt vorgesehen ist. Fig. 2 shows an enlarged lateral sectional view of a bipolar plate formed of a current collector, and a bipolar separator, which is provided in the electrolyte reservoir and a porous body for receiving excess electrolyte according to another preferred embodiment of the invention.

In Fig. 1 bedeutet das Bezugszeichen 10 einen Brennstoffzellenstapel, der aus einer Anzahl von Brennstoffzellen 12 besteht, die jeweils eine Anode 1, eine Kathode 2 und eine dazwischen angeordnete Elektrolytmatrix 3 enthalten. Benachbarte Brennstoffzellen 12 sind durch eine Bipolarplatte 4 und daran anliegenden Stromkollektoren 17 voneinander getrennt, welche dazu dienen, die Ströme eines Brenngases B und eines Oxidationsgases O voneinander getrennt über die Anode 1 bzw. über die Kathode 2 der Brennstoffzellen zu führen, wobei die Anode 1 und die Kathode 2 benachbarter Brennstoffzellen durch die Bipolarplatte 4 gastechnisch voneinander getrennt sind. Die Stromkontaktierung erfolgt durch die Stromkollektoren 17, die beidseits der Bipolarplatte 4 liegen.In FIG. 1, reference numeral 10 denotes a fuel cell stack, which consists of a number of fuel cells 12 , each of which contains an anode 1 , a cathode 2 and an electrolyte matrix 3 arranged between them. Adjacent fuel cells 12 are separated from one another by a bipolar plate 4 and current collectors 17 , which serve to conduct the flows of a fuel gas B and an oxidizing gas O separately from one another via the anode 1 or the cathode 2 of the fuel cells, the anode 1 and the cathode 2 of adjacent fuel cells are separated from one another in terms of gas technology by the bipolar plate 4 . The current is contacted by the current collectors 17 , which are located on both sides of the bipolar plate 4 .

Der Brennstoffzellenstapel 10, der ein Vielzahl solcher Brennstoffzellen 12 enthält, von denen in der Figur zum Zwecke der Übersichtlichkeit jedoch nur einige wenige dargestellt sind, ist an seiner Oberseite und an seiner Unterseite jeweils durch eine Endplatte 6, 7 abgeschlossen, wobei diese Endplatten 6, 7 durch Zugstangen 5 miteinander verbunden und gegeneinander verspannt werden, so dass die einzelnen Brennstoffzellen 12 unter einem vorgegebenen Anpressdruck aneinander gehalten werden. An den Außenseiten des Brennstoffzellenstapels sind Gasverteiler 14 vorgesehen, welche über Gasverteilerdichtungen 15 gegen den Brennstoffzellenstapel 10 abgedichtet sind und dazu dienen, die Ströme von Brenngas B und Oxidationsgas O zuzuführen und abzuführen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist nur ein solcher Gasverteiler 14 nebst Gasverteilerdichtung 15 in der Figur gezeigt.The fuel cell stack 10 , which contains a large number of such fuel cells 12 , of which only a few are shown in the figure for the sake of clarity, is closed at its top and at its bottom by an end plate 6 , 7 , these end plates 6 , 7 are connected to one another by tie rods 5 and braced against one another, so that the individual fuel cells 12 are held against one another under a predetermined contact pressure. On the outer sides of the fuel cell stack, gas distributors 14 are provided, which are sealed against the fuel cell stack 10 via gas distributor seals 15 and serve to supply and discharge the streams of fuel gas B and oxidizing gas O. For reasons of clarity, only one such gas distributor 14 together with gas distributor seal 15 is shown in the figure.

An dem oberen Ende des Brennstoffzellenstapels 10, welches entsprechend der Orientierung der Brennstoffzellen 12 in Bezug auf die Lage ihrer Anode 1 und Kathode 2 das positive Ende des Brennstoffzellenstapels 10 ist, ist ein Elektrolytreservoir 11 angeordnet, welches sich zwischen der obersten, das heißt am meisten positiven Brennstoffzelle 12 und der oberen Endplatte 6 des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist.At the upper end of the fuel cell stack 10 , which is the positive end of the fuel cell stack 10 in accordance with the orientation of the fuel cells 12 with respect to the position of their anode 1 and cathode 2 , there is an electrolyte reservoir 11 which is located between the uppermost, that is to say the most positive fuel cell 12 and the upper end plate 6 of the fuel cell stack is arranged.

Das Elektrolytreservoir 11 besteht aus einem porösen Körper, dessen Poren mit dem Elektrolyten gefüllt sind. Von dem Elektrolytreservoir 11 wird der Elektrolyt durch elektrische Kräfte innerhalb des Brennstoffzellenstapels 10 zu den einzelnen Brennstoffzellen 12 transportiert, um die dort auftretenden Elektrolytverluste auszugleichen. Im einzelnen geschieht dies in der Weise, dass während des Betriebs der Brennstoffzellenanordnung der Elektrolyt, d. h. die in diesem enthaltenen Ionen unter dem Einfluss des innerhalb des Brennstoffzellenstapels vorhandenen elektrischen Feldes über Kapillarwege oder Oberflächenwege von dem positiven zu dem negativen Ende des Brennstoffzellenstapels wandern. Die Wege können z. B. an Dichtungsflächen mit externen Gasverteilern oder die Oberflächen von Gasverteilungskanälen innerhalb des Stapels im Falle einer Brennstoffzellenanordnung mit interner Gasverteilung sein.The electrolyte reservoir 11 consists of a porous body, the pores of which are filled with the electrolyte. The electrolyte is transported from the electrolyte reservoir 11 by electrical forces within the fuel cell stack 10 to the individual fuel cells 12 in order to compensate for the electrolyte losses that occur there. In particular, this is done in such a way that during the operation of the fuel cell arrangement the electrolyte, ie the ions contained therein, migrate from the positive to the negative end of the fuel cell stack under the influence of the electrical field present in the fuel cell stack via capillary paths or surface paths. The paths can e.g. B. on sealing surfaces with external gas distributors or the surfaces of gas distribution channels within the stack in the case of a fuel cell arrangement with internal gas distribution.

Die Porengröße des das Elektrolytreservoir 11 bildenden porösen Körpers ist größer als die Größe der Poren der Elektrolytmatrix 3 der Brennstoffzellen, so dass aufgrund des Verhältnisses der kapillaren Rückhaltekräfte, welche auf den Elektrolyten wirken, zwischen dem Elektrolytreservoir 11 und den Elektrolytmatrizen 3 der Brennstoffzellen 12 der längs des Brennstoffzellenstapels 10 wandernde Elektrolyt seine Quelle in dem Elektrolytreservoir 11 haben wird, anstelle in den aktiven Brennstoffzellenkomponenten. Andererseits werden jedwede Mangelzustände an Elektrolyt in den Matrizen und/oder Elektroden der Brennstoffzellen aufgrund der Kapillarkräfte aus der kleinen, aber stetig aus dem Elektrolytreservoir 11 nachwandernden Elektrolytmenge aufgefüllt werden bis alle kleinen Poren der Matrix 3 und/oder der Elektroden 1, 2 gefüllt sind. The pore size of the porous body forming the electrolyte reservoir 11 is larger than the size of the pores of the electrolyte matrix 3 of the fuel cells, so that due to the ratio of the capillary retaining forces which act on the electrolyte, the lengthways between the electrolyte reservoir 11 and the electrolyte matrices 3 of the fuel cells 12 of the fuel cell stack 10 migrating electrolyte will have its source in the electrolyte reservoir 11 instead of in the active fuel cell components. On the other hand, any deficiency of electrolyte in the matrices and / or electrodes of the fuel cells will be filled up due to the capillary forces from the small amount of electrolyte that is constantly migrating out of the electrolyte reservoir 11 until all small pores of the matrix 3 and / or the electrodes 1 , 2 are filled.

Der poröse Körper des Elektrolytreservoirs 11 besteht vorzugsweise aus dem Material der Brennstoffzellenkathoden, welches vollständig mit Elektrolyt getränkt ist. Die Zusammensetzung des in dem Elektrolytreservoir 11 vorgehaltenen Elektrolyten kann die des bei der Herstellung der Brennstoffzellen in die Elektrolytmatrizen eingebrachten Elektrolyten sein, vorzugsweise wird das Elektrolytreservoir 11 jedoch mit einem Elektrolyt aufgefüllt, der von der anfänglichen Zusammensetzung des Elektrolyten in den Matrizen 3 der Brennstoffzellen 12 verschieden ist, um disproportionale Elektrolytverluste während des Brennstoffzellenbetriebs auszugleichen. Das bedeutet, der Elektrolyt in dem Elektrolytreservoir 11 enthält diejenigen Komponenten in einem höheren Anteil, die während des Brennstoffzellenbetriebs schneller verloren gehen.The porous body of the electrolyte reservoir 11 preferably consists of the material of the fuel cell cathodes, which is completely impregnated with electrolyte. The composition of the electrolyte held in the electrolyte reservoir 11 can be that of the electrolyte introduced into the electrolyte matrices during the production of the fuel cells, but the electrolyte reservoir 11 is preferably filled with an electrolyte that differs from the initial composition of the electrolyte in the matrices 3 of the fuel cells 12 is to compensate for disproportionate electrolyte losses during fuel cell operation. This means that the electrolyte in the electrolyte reservoir 11 contains those components in a higher proportion which are lost more quickly during fuel cell operation.

Die der Verteilung des Elektrolyten über den Brennstoffzellenstapel 10 dienenden kapillaren Wanderwege sind in ihrer Dicke und/oder Porengröße im Sinne einer Optimierung des Elektrolyttransports von dem Elektrolytreservoir 11 zu den Brennstoffzellen 12 bemessen, so dass die über diese Wege transportierte Elektrolytmenge im wesentlichen der Elektrolytmenge entspricht, die in den Brennstoffzellen 12 verloren geht.The thickness and / or pore size of the capillary paths used to distribute the electrolyte over the fuel cell stack 10 are dimensioned in order to optimize the electrolyte transport from the electrolyte reservoir 11 to the fuel cells 12 so that the quantity of electrolyte transported via these paths essentially corresponds to the quantity of electrolyte. which is lost in the fuel cells 12 .

Mit dem Elektrolytreservoir 11 ist eine Elektrolytfüllleitung 13 verbunden, die aus dem Brennstoffzellenstapel 10 nach außen führt und zum Auffüllen des Elektrolytreservoirs 11 dient. Diese Elektrolytfüllleitung 13 steht im Inneren mit dem porösen Körper des Elektrolytreservoirs 11 in Kontakt und führt mit einem ansteigenden oder vertikalen Verlauf aufwärts nach außen. Die Elektrolytfüllleitung 13 ist zum Auffüllen des Elektrolyten in bei Umgebungstemperatur fester Form vorgesehen, vorzugsweise in Form von Pellets, die in die Füllleitung 13 eingefüllt werden können, in das Innere des Brennstoffzellenstapels 10 fallen und unter der dort herrschenden Betriebstemperatur schmelzen und unter Wirkung der Kapillarkräfte des das Elektrolytreservoir 11 bildenden porösen Körpers aufgenommen werden. Die Menge und die Häufigkeit, mit welcher der Elektrolyt über die Füllleitung 13 nachgefüllt werden muss, kann berechnet werden aus experimentellen Daten und Erfahrungswerten im Hinblick auf ein typischen Elektrolytverlust bei dem betreffenden Brennstoffzellenstapel. With the electrolyte reservoir 11, a Elektrolytfüllleitung 13 is connected, which leads from the fuel cell stack 10 to the outside and serves for filling of the electrolyte reservoir. 11 This electrolyte filling line 13 is in contact internally with the porous body of the electrolyte reservoir 11 and leads upwards with an increasing or vertical course to the outside. The electrolyte filling line 13 is provided for filling the electrolyte in a solid form at ambient temperature, preferably in the form of pellets, which can be filled into the filling line 13 , fall into the interior of the fuel cell stack 10 and melt under the operating temperature prevailing there and under the action of the capillary forces of the the porous body forming the electrolyte reservoir 11 can be accommodated. The amount and the frequency with which the electrolyte has to be refilled via the filling line 13 can be calculated from experimental data and empirical values with regard to a typical electrolyte loss in the fuel cell stack in question.

Da der poröse Körper des Elektrolytreservoirs 11 vorzugsweise aus einem elektrisch leitenden Material besteht, kann er gleichzeitig zur Kontaktierung der letzten Brennstoffzelle am positiven Ende des Brennstoffzellenstapels 10 verwendet werden, genauer gesagt zur Kontaktierung der Kathode 2 der am positiven Ende des Brennstoffzellenstapels 10 befindlichen Brennstoffzelle 12. Am anderen Ende des Brennstoffzellenstapels 10 kann zusätzlich ein Elektrolytaufnahmereservoir 11a in Form eines porösen Körpers zur Aufnahme von überschüssigem Elektrolyt vorgesehen sein.Since the porous body of the electrolyte reservoir 11 preferably consists of an electrically conductive material, it can simultaneously be used for contacting the last fuel cell at the positive end of the fuel cell stack 10 , more precisely for contacting the cathode 2 of the fuel cell 12 located at the positive end of the fuel cell stack 10 . At the other end of the fuel cell stack 10 , an electrolyte receiving reservoir 11 a in the form of a porous body for receiving excess electrolyte can additionally be provided.

Gemäß dem in Fig. 2 dargestellten weiteren Ausführungsbeispiel besteht das Elektrolytreservoir 11 aus einer Hohlräume bildenden Tragstruktur, vorzugsweise einem Stromkollektor 4a, in dessen Hohlräumen ein poröser Körper 16 angeordnet ist, in dessen Poren sich Elektrolyt befindet. Der Stromkollektor 4a liegt zwischen der Endplatte 6 und einer Bipolarplatte 4 der angrenzenden letzten Zelle. Zwischen Bipolarplatte 4 und Kathode 2 der angrenzenden Zelle liegt ein Stromkollektor, der aus Gründen der Übersichtlichkeit jedoch nicht dargestellt ist. Das Elektrolytreservoir 11 ist an einem Ende des Brennstoffzellenstapels 10, vorzugsweise in der am positiven Ende des Brennstoffzellenstapels 10 befindlichen Brennstoffzelle 12 eingebaut. Am anderen Ende des Brennstoffzellenstapels 10 kann zusätzlich der poröse Körper 16 zur Aufnahme von überschüssigem Elektrolyt ebenfalls in einem Stromkollektor 4a untergebracht vorgesehen sein.According to the further exemplary embodiment shown in FIG. 2, the electrolyte reservoir 11 consists of a support structure forming cavities, preferably a current collector 4 a, in the cavities of which a porous body 16 is arranged, in the pores of which there is electrolyte. The current collector 4 a lies between the end plate 6 and a bipolar plate 4 of the adjacent last cell. A current collector is located between the bipolar plate 4 and the cathode 2 of the adjacent cell, but is not shown for reasons of clarity. The electrolyte reservoir 11 is installed at one end of the fuel cell stack 10 , preferably in the fuel cell 12 located at the positive end of the fuel cell stack 10 . At the other end of the fuel cell stack 10 , the porous body 16 can also be provided in a current collector 4 a for receiving excess electrolyte.

Das Elektrolytreservoir 11 bzw. Elektrolytaufnahmereservoir 11a zur Aufnahme von überschüssigem Elektrolyt ist gemäß einer Ausführung der Erfindung durch Eingießen einer fließfähigen Masse in den Stromkollektor 4a gebildet. Diese Masse besteht zur Herstellung des Elektrolytreservoirs z. B. aus einem Keramikpulver (Porenbildner), dem Elektrolytmaterial und einem Binde- und/oder Lösungsmittel bzw. zur Herstellung des den überschüssigen Elektrolyt aufnehmenden Körpers z. B. aus einem Keramikpulver (Porenbildner) und einem Binde- und/oder Lösungsmittel, jedoch nicht oder nur zu einem sehr geringen Teil aus dem Elektrolytmaterial, welches dann lediglich die Funktion eines Hochtemperaturklebers für die Keramikpartikel übernimmt. Nach dem Aushärten des Bindemittels kann der mit dem porösen Körper 16 versehene Stromkollektor 4a bzw. der den überschüssigen Elektrolyt aufnehmende Körper 16 am positiven bzw. am negativen Ende des Brennstoffzellenstapels 10 eingebaut werden.The electrolyte reservoir 11 or electrolyte receiving reservoir 11 a for receiving excess electrolyte is formed according to one embodiment of the invention by pouring a flowable mass into the current collector 4 a. This mass exists for the production of the electrolyte reservoir z. B. from a ceramic powder (pore former), the electrolyte material and a binding and / or solvent or for the production of the excess electrolyte body z. B. from a ceramic powder (pore former) and a binder and / or solvent, but not or only to a very small extent from the electrolyte material, which then only takes on the function of a high-temperature adhesive for the ceramic particles. After the binder has hardened, the current collector 4 a provided with the porous body 16 or the body 16 receiving the excess electrolyte can be installed at the positive or at the negative end of the fuel cell stack 10 .

Als Information darüber, ob der Vorrat an Elektrolyt in dem Elektrolytreservoir 11 noch genügt, wird die Spannung der am meisten positiven Brennstoffzelle, d. h. der Brennstoffzelle, die sich am positiven Ende des Brennstoffzellenstapels 10 befindet, oder einer Gruppe von Brennstoffzellen an diesem Ende des Brennstoffzellenstapels 10 überwacht, wobei ein Absinken dieser Spannung als Signal zum Auffüllen des Elektrolytvorrats im Elektrolytreservoir 11 über die Füllleitung 13 verwendet wird. Ein Rückgang des Elektrolyten in einer Brennstoffzelle führt zu einem Abfall der Brennstoffzellenspannung und kann daher als repräsentatives Signal für einen Elektrolytverlust aus der Brennstoffzelle verwendet werden. Da die am positiven Ende des Brennstoffzellenstapels befindlichen Brennstoffzellenstapels 10 befindlichen Brennstoffzellen aufgrund des innerhalb desselben herrschenden elektrischen Feldes den größten Elektrolytverlust unterliegen, ist die Überwachung der Spannung einer oder mehrerer am positiven Ende des Brennstoffzellenstapels 10 befindlichen Zellen ein geeignetes Mittel, um ein entsprechendes Signal zum Auffüllen des Elektrolyten zu gewinnen. As information about whether the supply of electrolyte in the electrolyte reservoir 11 is still sufficient, the voltage of the most positive fuel cell, ie the fuel cell that is located at the positive end of the fuel cell stack 10 , or a group of fuel cells at this end of the fuel cell stack 10 is monitored, a drop in this voltage being used as a signal for filling up the electrolyte reservoir in the electrolyte reservoir 11 via the filling line 13 . A decrease in the electrolyte in a fuel cell leads to a drop in the fuel cell voltage and can therefore be used as a representative signal for an electrolyte loss from the fuel cell. Since the fuel cell stack 10 located at the positive end of the fuel cell stack 10 is subject to the greatest loss of electrolyte due to the electrical field prevailing within it, monitoring the voltage of one or more cells located at the positive end of the fuel cell stack 10 is a suitable means for a corresponding signal for filling up of the electrolyte.

BezugszeichenlisteReference list

11

Anode
anode

22

Kathode
cathode

33rd

Elektrolytmatrix
Electrolyte matrix

44

Bipolarplatte
Bipolar plate

44

a Stromkollektor
a current collector

55

Zugstange
pull bar

66

Endplatte
End plate

77

Endplatte
End plate

1010th

Brennstoffzellenstapel
Fuel cell stack

1111

Elektrolytreservoir.
Electrolyte reservoir.

1111

a Elektrolytaufnahmereservoir
a Electrolyte intake reservoir

1212th

Brennstoffzelle
Fuel cell

1313

Füllleitung
Filling line

1414

Gasverteiler
Gas distributor

1515

Gasverteilerdichtung
Gas distributor seal

1616

Poröser Körper
Porous body

1717th

Stromkollektoren
B Brenngas
O Oxidationsgas
Current collectors
B fuel gas
O oxidizing gas

Claims

1. Brennstoffzellenanordnung mit einer Anzahl von in Form eines Stapels (10) angeordneten Brennstoffzellen (12), die jeweils Elektroden in Form einer Anode (1) und einer Kathode (2) und eine zwischen diesen angeordnete poröse Elektrolytmatrix (3), sowie zwischen den Elektroden zweier Zellen angeordnete Stromkollektoren (17) und eine Bipolarplatte (4) enthalten, und mit einem Elektrolytreservoir (11) zum Ausgleichen von Elektrolytverlusten aus den Brennstoffzellen (12), dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrolytreservoir (11) an oder nahe einem Ende des Brennstoffzellenstapels (10) angeordnet ist, und dass der Elektrolyt durch elektrische Kräfte innerhalb des Brennstoffzellenstapels (10) zu den einzelnen Brennstoffzellen (12) transportiert wird.1. Fuel cell arrangement with a number of fuel cells ( 12 ) arranged in the form of a stack ( 10 ), each having electrodes in the form of an anode ( 1 ) and a cathode ( 2 ) and a porous electrolyte matrix ( 3 ) arranged between them, and between the Contain electrodes of two cells arranged current collectors ( 17 ) and a bipolar plate ( 4 ), and with an electrolyte reservoir ( 11 ) to compensate for electrolyte losses from the fuel cells ( 12 ), characterized in that the electrolyte reservoir ( 11 ) at or near one end of the fuel cell stack ( 10 ) is arranged, and that the electrolyte is transported by electrical forces within the fuel cell stack ( 10 ) to the individual fuel cells ( 12 ).

2. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrolytreservoir (11) auffüllbar ist.2. Fuel cell arrangement according to claim 1, characterized in that the electrolyte reservoir ( 11 ) can be filled.

3. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit dem Elektrolytreservoir (11) verbundene, aus dem Brennstoffzellenstapel (10) nach außen führende Elektrolytfüllleitung (13) zum Auffüllen des Elektrolytreservoirs (11) von außen vorgesehen ist.That is provided from the fuel cell stack (10) leading to the outside Elektrolytfüllleitung (13) for filling of the electrolyte reservoir (11) externally connected to the electrolyte reservoir (11) 3. A fuel cell assembly according to claim 2, characterized.

4. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolytfüllleitung (13) einen vertikalen oder nach außen ansteigenden Verlauf hat. 4. Fuel cell arrangement according to claim 3, characterized in that the electrolyte filling line ( 13 ) has a vertical or outwardly increasing course.

5. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolytfüllleitung (13) zum Auffüllen des Elektrolyten in bei Umgebungstemperatur fester Form, vorzugsweise in Form von Pellets, vorgesehen ist, wobei der feste Elektrolyt bei Betriebstemperatur im Brennstoffzellenstapel (10) schmilzt und vom Elektrolytreservoir (11) aufgenommen wird.5. Fuel cell arrangement according to claim 3 or 4, characterized in that the electrolyte filling line ( 13 ) for filling the electrolyte in solid form at ambient temperature, preferably in the form of pellets, is provided, the solid electrolyte melting at operating temperature in the fuel cell stack ( 10 ) and is received by the electrolyte reservoir ( 11 ).

6. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrolytreservoir (11) an oder nahe dem positiven Ende des Brennstoffzellenstapels (10) angeordnet ist.6. Fuel cell arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that the electrolyte reservoir ( 11 ) is arranged at or near the positive end of the fuel cell stack ( 10 ).

7. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrolytreservoir (11) aus einem porösen Körper (16) besteht, dessen Poren mit dem Elektrolyten gefüllt sind.7. Fuel cell arrangement according to one of claims 1 to 6, characterized in that the electrolyte reservoir ( 11 ) consists of a porous body ( 16 ) whose pores are filled with the electrolyte.

8. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Porengröße des Elektrolytreservoirs (11) größer als die der Poren der Elektrolytmatrix (3) ist.8. Fuel cell arrangement according to claim 7, characterized in that the pore size of the electrolyte reservoir ( 11 ) is larger than that of the pores of the electrolyte matrix ( 3 ).

9. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Körper (16) des Elektrolytreservoirs (11) aus Brennstoffzellenkathodenmaterial besteht, das vollständig mit Elektrolyt getränkt ist.9. Fuel cell arrangement according to claim 7 or 8, characterized in that the porous body ( 16 ) of the electrolyte reservoir ( 11 ) consists of fuel cell cathode material which is completely impregnated with electrolyte.

10. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrolytreservoir (11) aus einem elektrisch leitenden Material besteht und in dem Brennstoffzellenstapel (10) als elektrische Verbindung zwischen der letzten Brennstoffzelle und dem Ende des Brennstoffzellenstapels (10) angeordnet ist.10. Fuel cell arrangement according to one of claims 1 to 9, characterized in that the electrolyte reservoir ( 11 ) consists of an electrically conductive material and is arranged in the fuel cell stack ( 10 ) as an electrical connection between the last fuel cell and the end of the fuel cell stack ( 10 ) .

11. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrolytreservoir (11) aus einem Stromkollektor (4a) und in dessen Hohlräumen eingebrachtem porösem Körper (16) besteht. 11. Fuel cell arrangement according to one of claims 1 to 10, characterized in that the electrolyte reservoir ( 11 ) consists of a current collector ( 4 a) and in the cavities introduced porous body ( 16 ).

12. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrolytreservoir (11) am positiven Ende des Brennstoffzellenstapels (10) eingebaut ist.12. Fuel cell arrangement according to claim 11, characterized in that the electrolyte reservoir ( 11 ) is installed at the positive end of the fuel cell stack ( 10 ).

13. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrolytreservoir (11) an einem Ende des Brennstoffzellenstapels (10) eingebaut ist, und dass am anderen Ende des Brennstoffzellenstapels (10) ein Elektrolytaufnahmereservoir (11a) zur Aufnahme von überschüssigem Elektrolyt vorgesehen ist.13. Fuel cell arrangement according to one of claims 1 to 12, characterized in that the electrolyte reservoir ( 11 ) is installed at one end of the fuel cell stack ( 10 ) and that at the other end of the fuel cell stack ( 10 ) an electrolyte receiving reservoir ( 11 a) for receiving excess electrolyte is provided.

14. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrolytreservoir (11) am positiven Ende des Brennstoffzellenstapels (10) eingebaut ist, und dass das Elektrolytaufnahmereservoir (11a) zur Aufnahme von überschüssigem Elektrolyt am negativen Ende des Brennstoffzellenstapels (10) vorgesehen ist.14. The fuel cell arrangement according to claim 13, characterized in that the electrolyte reservoir ( 11 ) is installed at the positive end of the fuel cell stack ( 10 ), and that the electrolyte receiving reservoir ( 11 a) is provided for receiving excess electrolyte at the negative end of the fuel cell stack ( 10 ) .

15. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrolytreservoir (11) und/oder das Elektrolytaufnahmereservoir (11a) zur Aufnahme von überschüssigem Elektrolyt durch Eingießen einer fließfähigen Masse in den Stromkollektor (4a) gebildet ist.15. Fuel cell arrangement according to one of claims 11 to 14, characterized in that the electrolyte reservoir ( 11 ) and / or the electrolyte receiving reservoir ( 11 a) for receiving excess electrolyte is formed by pouring a flowable mass into the current collector ( 4 a).

16. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass entlang des Brennstoffzellenstapels (10) zwischen einzelnen Komponenten der Brennstoffzellen (12) und/oder des Brennstoffzellenstapels (10) vorhandene kapillare Wanderwege für den Elektrolyten in ihrer Dicke und/oder in ihrer Porengröße im Sinne einer Optimierung des Elektrolyttransports innerhalb des Brennstoffzellenstapels (10) von dem Elektrolytreservoir (11) zu den Brennstoffzellen (12) ausgelegt sind.16. Fuel cell arrangement according to one of claims 1 to 15, characterized in that along the fuel cell stack ( 10 ) between individual components of the fuel cells ( 12 ) and / or the fuel cell stack ( 10 ) existing capillary paths for the electrolyte in their thickness and / or in their pore size in the sense of optimizing the electrolyte transport within the fuel cell stack ( 10 ) from the electrolyte reservoir ( 11 ) to the fuel cells ( 12 ).

17. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Überwachen der Spannung der am meisten positiven Brennstoffzelle (12) oder einer Gruppe von am meisten positiven Brennstoffzellen vorgesehen sind, und dass ein Absinken dieser Spannung als Signal zum Auffüllen des Elektrolytvorrats im Elektrolytreservoir (11) verwendet wird.17. Fuel cell arrangement according to one of claims 1 to 16, characterized in that means are provided for monitoring the voltage of the most positive fuel cell ( 12 ) or a group of most positive fuel cells, and that a decrease in this voltage as a signal for filling the Electrolyte supply in the electrolyte reservoir ( 11 ) is used.

18. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt im Elektrolytreservoir (11) in einer Zusammensetzung aufgefüllt wird, die von der anfänglichen Zusammensetzung des Elektrolyten in den Elektrolytmatrizen (3) der Brennstoffzellen (12) verschieden ist, um disproportionale Elektrolytverluste während des Brennstoffzellenbetriebs auszugleichen.18. Fuel cell arrangement according to one of claims 1 to 17, characterized in that the electrolyte in the electrolyte reservoir ( 11 ) is filled in a composition which is different from the initial composition of the electrolyte in the electrolyte matrices ( 3 ) of the fuel cells ( 12 ) Compensate for disproportionate electrolyte losses during fuel cell operation.