DE1496124A1

DE1496124A1 - Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE1496124A1
Application number: DE19641496124
Authority: DE
Inventors: Holmes William Arthur; Philip Datowitz; Harrison John Ward
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1963-08-27
Filing date: 1964-08-27
Publication date: 1969-01-02
Also published as: SE331141B; FR1412583A; JPS4215068B1; US3392058A; CH440400A; GB1080958A

Description

DipL-lng. MARTIN LICHT Dr. REI N HOLD SCHMIDT

Dipl.-Wirtsch.-Ing. AXEL HANSMANN PATENTANWÄLTE _DipL._phy, _{s E BAST1AN H E RRMAN N}

PATENTANWÄLTE LICHT, HANSMANN, HERRMANN 8 MDNCHEN 2 · THERESI ENSTRASSE 33

München,den 27. AugUSt 1964

Ihr Zeichen Unser Zeichen

He/Sch

G-ENEIiAL ELECTRIC COMPANY Schenectady 5, N₀Y.
River Road 1,
Y. St. Α_β

Brennstoffzelle

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit ruhendem, d.h. nicht zirkulierendem, Elektrolyten, bei welcher der Feuchtigkeitsgehalt des Elektrolyten selbsttätig geregelt wird, um den Wirkungsgrad zu erhöhen und dabei eine Selbstzerstörung der Zelle zu verhindern,,

Bei Brennstoffzellen mit ruhenden Elektrolyten, beispielsweise Ionenaustauschmembranen, sind die Elektroden mit den Stirnflächen der Membran zu einem Stück verbunden

*-/ und ein Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, wird der

α) einen Elektrode und ein Oxydationsmittel, beispielsweise CT) O OO

Patentanwälte Dipl.-lng. Martin Licht, Dipl.-Wirfsch.-Ing. Axel Hansmann Dtpi.-Phys. Sebastian Herrmann 8 MÖNCHEN 2, THERESIENSTRASSE 33 ■ Telefon: 292102 · Telegramm-Adresse: llpotli/München

Bankverbindungen: Deutsche Bqnk AG, Filiale München/ .Dep.-Kqsse Viktualienmarkt, Konto-Nr. 716728 Bayer. Vereinsbank München, Zweigst. Oskar-von-Miller-Ring, Kfo.-Nr. 882495 - Poslscheck-Konlo: München Nr. 163397

Oppenauer Büro: PATENTANWALT DR. RHEtNHOLDSCHMtDT

Sauerstoff, der anderen Elektrode zugeführt. Die Membran karmann.onen- oder kationendurchlassig sein. Bei kationendurchlässiger Membran wird der Brennstoff an der Anode ionisiert und die Ionen wandern durch die Membran zu der auf der anderen Seite liegenden Katode, wo sie mit Sauerstoff reagieren. Bei Verwendung von Wasserstoff und Sauerstoff entsteht als Reaktionsprodukt Wasser, Bei Verwendung einer anionendurchlässigen Membran wird das Wasser an der Anode, d.h. an der mit Wasserstoff beschickten Elektrode, gebildet.

Durch die an den Elektroden auftretenden Reaktionen werden von der einen Elektrode Elektronen entfernt und an der anderen Elektrode angesammelt, wodurch die EMK der Zelle entsteht. Der grosse Vorteil der ein Ionenaustauschmembran enthaltenden Zellen besieht darin, dass sie bei Raumtemperatur und atmosphärischem Druck betrieben werden können. Weiterhin weisen sie eine hohe Volumenleistung auf·

Bisher konnte jedoch die hohe Volumenleistung noch nicht richtig ausgenutzt werden, da Brennstoffzellen mit Ionen— austauschermembranen ernstlich beschädigt und in manchen Fällen sogar zerstört werden, wenn sie mit maximaler Leistung betrieben werden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bei

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grosser Stromentnahme aus den Zellen in manchen Membranen grosse Wärmemengen erzeugt werden und dadurch den Membranen Wasser entzogen wird.

Die von einer Brennstoffzelle verbrauchte Brennstoffmenge ist unmittelbar proportional zum entnommenen elektrischen Strom. Da die in der Membran erzeugte Wärme mit dem Brennstoffverbrauch zunimmt, steigt auch die Temperaturdifferenz zwischen der Membran und zwei gegenüber den Elek-' trodenoberflächen angeordneten Wärmeabieitern an, die oft bei derartigen Zellen verwendet werden und in die die Wärme abgeleitet wir^., Dieser Temperaturunterschied ist an den Zwischenräumen vorhanden, die an den Elektrodenoberflächen angrenzen und zwischen den Elektroden und den Wärmeabieitern liegen« Durch diese Zwischenräume werden der Brennstoff und das Oxydationsmittel den Elektrodenoberflächen zugeführt. Der in diesen Zwischenräumen herrschende Temperaturgradient hat zur Folge, dass Feuchtigkeit aus der Membran durch die Elektroden in die Zwischenräume entweicht.

Die aus der Membran entweichende Feuchtigkeitsmenge hängt von der Grosse der in den Zwischenräumen herrschenden Temperaturgradienten ab. Falls genügend elektrischer Strom aus der Zelle entnommen wird, werden die Temperaturgradienten so hoch, dass der Membran mehr Feuchtigkeit entzogen wird

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als ihr durch die Wassererzeugung an den Elektroden zugeführt wird. In diesem Falle beginnt dann die Membran auszutrocknen. Dadurch sinkt der Wirkungsgrad der Zelle, wodurch wiederum die Wärmeerzeugung ansteigt und dadurch wieder die Verdampfung zunimmt. Wird nun eine Zelle nicht überwacht, dann nimmt dieser Kreislauf so lange seinen Portgang, bis die Membran vollständig ausgetrocknet ist und die Zelle zu arbeiten aufhört. Dies ist dann einer totalen Zerstörung der Zelle gleichzusetzen.

Zur Beseitigung dieses Problems wurden bereits verschiedene Vorschläge gemacht. Beispielsweise wurde bei einer mit Wasserstoff und Sauerstoff arbeitenden Zelle, bei welcher das Wasser an der Sauerstoffelektrode gebildet wird, der mit Wasserstoff gefüllte Zwischenraum wesentlich schmaler als der mit Sauerstoff gefüllte Zwischenraum gemacht wurde. Man würde erwarten, dass dadurch der Verlust an Feuchtigkeit herabgesetzt würde, da durch Verringerung der Breite des mit Wasserstoff gefüllten Zwischenraums das Wärmeleitvermögen des Zwischenraumes geringer und dadurch die Temperatur der Membran niedriger wird. Jedoch bleibt tatsächlich der Temperaturgradient des Zwischenraumes im wesentlichen unverändert und daher auch der Feuchtigkeitsverlust an der Wasserstoffseite der Membran. Falls man andererseits einen geringeren Temperaturunterschied zwischen der Membran und dem Wärmeableiter auf der Sauerstoffs ei te der Membran

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verringert und dadurcli den Temperaturgradienten am Säuerst off Zwischenraum und auf diese wiederum den Feuchtigkeitsverlust auf der Sauerstoffseite der Membran verringert, trocknet trotzdem die Membran aus., falls man der Brennstoffzelle eine nennenswerte Leistung entnimmt.

Es wurden auch andere ähnliche Versuche zur lösung dieses Problems durchgeführt. Beispielsweise wurde die Temperatur der an den Wasser st off Zwischenraum und an den SäuerstoffZwischenraum angrenzenden Wärmeableiter innerhalb verschiedener Bereiche geändert. Jedoch wurde auch dadurch kein Erfolg erzielt,

Oas vorliegende Problem ist nicht auf Ionenaustauschnembranen beschränkt. Auch bei Brennstoffzellen mit ruhenden flüssigen Elektrolyten ist das Problem der Regelung des Feuchtigkeitsgehaltes nicht gelöst. Bei Brennstoffzellen mit.einem Elektrolytenumwälzsystern kann der Wassergehalt des Elektrolyten ausserhalb der Zelle eingestellt werden, falls jedoch keine Zirkulation vorhanden ist, tritt das gleiche Problem wie bei den Ionenaustauschmembranen auf.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzelle mit ruhendem Elektrolyten, beispielsweise mit einer Ionenaustauschmembran, derart auszugestalten, dass sie längere Zeit ohne Überwachung betrieben werden kann und trotzdem in der gewünschten Weise weiterarbeitet.

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Die Erfindung wird nun anhand von Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:

Fig. 1 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Abhängigkeit der AusgangsSpannung, des Stromes und der Feuchtigkeit bei einer Brennstoffzelle mit Ionenaus tauschmembran,

Fig. 2 eine graphische Darstellung der aus Fig. 1 entnommenen Spannungs- Strom- Kennlinien der Brennstoffzelle,

Fig. 3 eine graphische Darstellung der aus Fig. 1 entnommenen Spannungs- Feuehtigkeits- Kennlinien der Brennstoffzelle,

Fig. 4 einen Schnitt durch eine Brennstoffzelle nach der Erfindung, " .

Fig. 5 im vergrösserten Massstab einen Teil der Brennstoffzelle nach Fig. 4, '

Fig. 6 eine Ansicht des in der Brennstoffzelle nach Fig· 4 verwendeten Wärmeubertragungselementes in. Richtung der PfeiLe 6-6 in Fig. 4,

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Pig. 7 eine auseinandergezogene Ansicht eines Teils eines Brennetoffstapels nach der Erfindung,

Pig, 8 eine Ansicht von unten eines Teils des Stapels nach Pig« 7 und

Pig. 9 eine schematische Darstellung eines Kühlsystems, das "bei den Brennstoffzellen verwendet werden kann.

Die Pig. 1,2 und 3 sind nicht massstabsgetreu gezeichnet, sondern dienen lediglich zur qualitativen Erläuterung der Abhängigkeit von Spannung, Strom und Peuchtigkeit.

Erfindungsgemäss wird ganz allgemein vorgeschlagen, ein Gebilde mit geringem Widerstand gegen Gasdurchgang und hoher thermischer Leitfähigkeit in einem der Gaszwischenräume, beispielsweise im BrennstoffZwischenraum, an der Oberfläche der Elektrode anzuordnen. Dadurch wird über den Zwischenraum eine hohe thermische Leitfähigkeit erzielt, so dass über den Zwischenraum ein vernachlässigbarer Temperaturgradient vorhanden ist und daher praktisch keine Peuchtigkeit aus der diesem Zwischenraum benachbarten Elektrodenoberfläche austreten kann. Da das Gebilde porös ist, kann das Gas ungehindert nach der benachbarten Elektrodenoberfläche strömen, an der eine der Brennstoffzellenreaktionen stattfindet. Der aktive Teil dieser Oberfläche ist im wesentlichen

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genauso gross wie im Falle eines nur G-as enthaltenden Zwischenraumes, wodurch die für Brennstoffzellen mit Ionenaustauschmembran charakteristische hohe Stromdichte erhalten "bleibt.

Falls durch eine Elektrodenfläche keine Feuchtigkeit austreten kann, muss natürlich die gesamte aus der Ionenaustauschmembran austretende Feuchtigkeit durch· die andere Elektrodenfläche hindurchgehen. Das heisst also, dass im vorliegenden Fall die Feuchtigkeit durch den Sauerstoffzwischenraum austritt. Der Temperaturgradient in diesem Zwischenraum kann durch Änderung der Breite des Zwischenraumes oder durch Änderung der Temperatur des Wärmeabieiters auf der anderen Seite des Zwischenraumes eingestellt werden. Da jedoch Einstellungen dieser Art aufgrund der Natur dieses Zwischenraumes keinen Einfluss auf die Feuchtigkeitsströmung durch den Wasserstoffzwischenraum haben, kann man erreichen, dass über den ?/ass ers toffzwis chenraum kein merkliches Temperaturgefälle vorhanden ist. Man kann daher die Änderung des Feuchtigkeitsgehalts der Membran, das heisst den Unterschied zwischen der von der Zelle erzeugten Wassermenge und der von der Membran verdampften Wassermenge, leicht durch Einstellung der Bedingungen im Sauerstoffzwischenraum steuern. Normalerweise werden diese Bedingungen so eingestellt, dass pro Zeiteinheit die gleiche Wassermenge erzeugt wie verdampft wird, wenn die Zelle mit dem höchstmöglichen Wirkungsgrad oder

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mit einem in der Mhe des höchstmöglichen Wirkungsgrades liegenden Wirkungsgrad "betrieben wird.

Pig, 1 zeigt eine dreidimensionale Darstellung der Abhängigkeit der Spannung, des Stromes und der Feuchtigkeit in einer Ionenaustauschmembran einer Brennstoffzelle· Die Feuchtigkeit umfasst dabei nicht nur das in der Membran vorhandene Hydratwasser, sondern auch die innerhalb und an den Oberflächen der Membran vorhandene zusätzliche Feuchtigkeit. Der geometrische Ort der Arbeitspunkte der Brennstoffzelle ist eine bei 10 angedeutete Fläche, in der die Schnittpunkte von Linien konstanten Stroms I mit Linien konstanter Feuchtigkeit M liegen. Die Energie, die bei in der Brennstoffzelle stattfindenden Reaktionen freigesetzt wird, ist in einer Ebene 12 konstanter Spannung eingetragen. Diese Energie entspricht einem Potential Vp. Die Höhe jedes Punktes auf der Fläche 10, d.h. sein vertikaler Abstand entlang der Spannungsachse, entspricht dem Seil des Potentials V™, das von der Zelle abgegeben wird. Umgekehrt entspricht der senkrechte Abstand 3edes Punktes auf der Fläche 10 von der Fläche 12 dem Teil der Energie Vp, der in der Ionenaus taus ehiaembran in Wärme umgewandelt wird. Der auf den Brennstoffverbrauch bezogene Wirkungsgrad der Brennstoffzelle ist daher proportional zur Ausgangsspannung»

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Insbesondere gilt für den auf dem Brennstoffverbrauch bezogenen Wirkungsgrad n:

(1) η =abgegebene elektr. Leistung = VI aufgenommener Brennstoff aufgenommener Brennstoff

wobei : V gleich Ausgangsspannung der Brennstoffzelle und I gleich abgegebener Strom ist«

Da jedoch der Strom angenähert proportional zum aufgenommenen (verbrauchten) Brennstoff ist, d.h.:

(2) Aufgenommener Brennstoff = k^I.

Es gilt daher:

wobei k.. und kp Proportionalitätskonstanten sind.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, nimmt der Wirkungsgrad, der proportional zur Ausgangsspannung ist, mit zunehmendem Strom ab. Da Jedoch die in der Zelle erzeugte Feuchtigkeit unmittelbar proportional zum Strom ansteigt, nimmt die in der Ionenaustauschmembran erzeugte Wärme mit grösaerer Geschwindigkeit zu. Wurde bei den bisher bekannten Brennstoffzellen

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mit I onenaus taus chmembran der Strom über einen "bestimmten kritischen Wert gesteigert, dann trocknete die Membran im Laufe der Zeit aus, da zwischen Färmeerzeugung und Feuchtigkeitserzeugung kein Gleichgewicht vorhanden war.

Bei den bisherigen Brennstoffzellen mit an die Elektroden angrenzenden GasZwischenräumen konnte die Ausgangsspannung nicht unter ungefähr 0,85 Volt abgesenkt werden, ohne dass Austrockungserscheinungen auftragen. Die Maximalspannung V-liegt dabei bei 0,93 Volt. Man erhält jedoch erst bei einer Ausgangsspannung in der Grössenordnung von 0,5 Volt eine maximale Leistungsabgabe bei einer mit Wasserstoff und Sauerstoff betriebenen Brennstoffzelle mit Ionenaustauschmembran. Diese Spannung ist in Jig. 1 mit V, bezeichnet. Der Spannung Ti ist dabei der Strom I^ zugeordnet.

Pig. 4 zeigt eine erfindungsgemäss ausgestaltete Brennstoffzelle. Zur näheren Erläuterung sei angenommen, dass eine kationendurchlässige Ionenaustausehmembran vorhanden ist, so dass Wasser an der Katode oder 7/asserstoffseite gebildet wird.

Wie aus den Pig. 4 und 5 ersichtlich ist, enthält die Brennstoffzelle eine Ionenaustauschmembran 14, auf deren einen Stirnfläche ein Gitter 16 befestigt ist, welche die ehe Elektrode der Zelle bildet«, Das Gitter 16 ist mit seinen

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Aussenkanten an einen Rahmen 18 geschweisst, der als Anschlussklemme dient und die Membran 14 umschliesst. Die Membran 14 steht über eine Gummidichtung 20 und ein dünnes plastisches Trennelement 22 hinaus und liegt an einem zweiten Gitter 24 an, das die andere Elektrode der !Brennstoffzelle dient.

Ein metallisches Wärmeübertragungseiement 26 steht im wesentlichen mit der gesamten Aussenfläche d^es Gitters 24 in Berührung. Das Wärmeübertragungselement 26 ist mit einer Trägerplatte .30 verschweisst und ermöglicht eine niederohmige elektrische Verbindung zwischen dem Gitter 24 und einer zweiten Anschlussklemme '28.

Wie aus Pig. 6 ersichtlich ist, sind in die am Gitter anliegende Stirnfläche 26a den Wärmeübertragungselementes 26 eine Reihe von sich kreuzenden Nuten 22 eingelassen. Diese Nuten ermöglichen eine ungehinderte Zirkulation des Brennstoffes, beispielsweise des Wasserstoffes, über die gesamte Oberfläche der dem Wärmeübertragungselement 26 zugekehrten Gitterelektrode 24, an der der Brennstoff in der Nähe der Membranoberfläche 14a ionisiert wird. Der Wasserstoff kann leicht an die Stellen gelangen, an denen sich die Membran 14 und die Drähte des Gitters 24 berühren (Fig. 5). An diesen Stellen und an den Stellen, an denen sich das Gitter 16 und die Membran 14 berühren, finden die Oxydations- und Reduktions-

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vorgänge in der Brennstoffzelle statt, wobei Elektronen an das eine Gitter abgegeben und vom anderen Gitter entfernt werden.

Wie die Fig« 4 und 6 zeigen, ist das Wärmeübertragungselement 26 von einem Rahmen 26 umschlossen, dessen Innenkanten im Abstand von den Aussenkanten des Wärmeübertragungs element es 26 verlaufen, wodurch, rundum das Wärmeübertragungselement 26 ein Ringkanal freibleibt. Diesem Ringkanal wird Wasserstoff über im Rahmen 34 verlaufende Leitungen 36 und 38 zugeführt. Das zugeführte Wasserstoffgas streicht entlang den Nuten und durch die verschiedenen Zwischenräume des Gitters 24 und gelangt dadurch an die verschiedenen Reaktionsstellen. Gleichzeitig wird aus der Membran 14 Wärme über das Gitter und das Wärmeübertragungsglied 26 an einen Wärmeableiter abgeleitet, der die Form eines Wassermantels 4Ö hat, der mit dem plattenförmig ausgebildeten Anschlussglied 28 in Berührung steht. Der Mantel 40 ist mit nicht gezeigten Innenkanälen versehen, durch welche über Einlass- und Auslagsstutzen 42 und 44 Wasser hindurchgeführt werden kann.

Das Gitter 24 ist vorzugsweise aus zwei nicht einzeln gezeigten Gittern zusammengesetzt, die derart aufeinandergelegt sind, dass die einzelnen Drähte nicht parallel zueinander, sondern schräg zueinander verlaufen,, Dadurch wird

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die wirksame Reaktionsfläche aiif der Wassers toffs ei te der Membran 14 vergrössert und dadurch, eine Verkleinerung dieser Fläche aufgrund der Verwendung des Elementes 26 ausgeglichen. Auf diese Weise entstehen nämlich zusätzliche Pfade, durch welche Gas an die Reaktionsstellen gelangen kann. Diese Pfade wären sonst durch die Stirnfläche 26a des Elementes 26 teilweise blockiert.

Jedes der beiden das G-iifeer 24 bildenden Gatter kann aus Draht mit einem Durchmesser von 0,075 mm bestehen. Das Wärmeübertragung^ element 26 kann eine Dicke von 3,18 mm besitzen. Der von Mitte zu Mitte gemessene Abstand der Nuten 32 kann 12,7 mm betragen. Die Nuten 32 können eine Tiefe von 0,76 mm und eine Breite von 1,52 mm aufweisen. Bei diesen Abmessungen beträgt die für die Wärmeleitung zwischen der Ionenaustauschmembran 14 und dem Wassermantel 40 zur Verfügung stehende Querschnitts fläche ungefähr 25 i» der Membranoberflächeo Das bedeutet also, der Wärmeleitungsquerschnitt entspricht 25 $ des Querschnitts eines die gesamte Oberfläche 14a der Membran 14 berührenden festen metallischen Körpers.

Aufgrund des für die Wärmeableitung innerhalb des Wasserstoff Zwischenraumes 45 zur Verfügung stehenden Querschnitts und der hohen thermischen Leitfähigkeit des Elementes 26 und des Gatters 24 ergibt sich ein vernachlässigbares Temperaturgefälle innerhalb des Zwischenraumes 45« Die Membran 14 und

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die auf der anderen Seite des WasserstoffZwischenraumes 45 "befindliche Platte 30 "befinden sich daher im wesentlichen auf der gleichen Temperatur. Aus der Membran 14 tritt daher kaum Feuchtigkeit in den Wasserstoffzwischenraum 45 aus.

Die Temperatur des durch den Wassermantel 40 strömenden Kühlmittels ist im allgemeinen wesentlich geringer als die optimale Betriebstemperatur der Ionenaustauschmembran 14· Vorzugsweise wird daher zwischen dem Wassermantel 40 und dem Anschluss element 28 eine Yfämieisolati ons schicht 46 angeordnet. Die Dicke der Schicht 46 wird so bemessen, dass die Wärmeableitung von der Membran 14 zum Kühlmantel 40 derart verringert wird, dass die gewünschte Membrantemperatur erzielt wird. Über die Isolationsschicht 46 entsteht also ein Temperaturgefälle, das zusammen mit der Temperatur des Kühlmittels im Wassermantel 40 die optimale Membrantemperatur ergibt. Das Temperaturgefälle entsteht dabei an einem ausserhalb des WasserstoffZwischenraumes 45 liegenden Element und trägt daher nicht zu einer Feuchtigkeitsströmung aus der Ionenaustauschmembran 14 bei.

Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, kann auf der Sauerstoffseite der Brennstoffzelle ein Docht 48 vorgesehen sein, der so nahe an der Oberfläche der Elektrode 16 angeordnet ist, dass an den Eeaktionssteilen des Elektrodengitters sich bildende Wasser tropfe hen sofort adsorbiert v/erden.

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Da Wassertröpfchen die Breite des Zwischenraumes und daher die Wasserdampfverteilung wirksam ändern, sollte die Bildung von Wassertröpfchen verhindert werden, was durch den Docht 48 erreicht wird. Der Docht 48 "befindet sich innerhalb eines Sauerstoffzwischenraum.es 50, der von einem Kühlmantel 52 umgeben ist. Der Kühlmantel 52 ist vom Anschluss element 18 durch eine Schaumgummidichtung 54 getrennt· Dem Sauerstoffzwischenraum 50 wird über ein Hohr 55 Sauerstoff zugeführt, der über eine Nut 56 im oberen Ende des Zwischenraumes 50 und der Dichtung 54, über einen rund um den Docht 48 verlaufenden Kanal, durch den Docht 48 selbst und durch Zwischenräume im Gitter 16 zu den Reaktionss'tellen auf der Sauerstoffseite der Membran 14 gelangt. Das vom Docht 48 aufgenommene V/asser tropft in den unteren Teil des Zwischenraumes 50 und wird mit Hilfe eines Rohrs 58 entfernt.

Anstelle des Dochtes 48 kann natürlich irgendeine andere Einrichtung verwendet werden, welche die Bildung von stehenden Wasserströpfchen verhindert, beispielsweise kann die Elektrodenoberfläche wasserabstossend gemacht werden, um ein sofortiges Ablaufen des gebildeten Wassers zu gewährleisten.

Der Wassermantel 52 enthält eine Trennplatte 60, welche den Zwischenraum 50 vom Kühlmittelkanal (nicht gezeigt) trennt,

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der mit einem Einlassstutzen 62 und einem Auslassstutzen 64 versehen ist. Der Kühlmittelkanal innerhall) des Kühlmantels 20 ist durch eine Deckplatte 66 abgedeckt.

Beim Betrieb der Brennstoffzelle nach Pig. 4 wandert der über die Leitungen 36 und 38 zugeführte Wasserstoff an die Reaktionsstellen in der Nähe der Kontaktstellen zwischen dem Gatter 24 und der Membran 14. Durch das Rohr 55 zugeführter Sauerstoff wandert in ähnlicher Weise an die Reaktionsstellen in der ITähe der Kontaktstellen zwischen Gitter 16 und Membran 14. An den entsprechenden Reaktionsstellen werden Wasserstoff und Sauerstoff durch die katalytische Wirkung der Gitterelektrode!! ionisiert, die zu diesem Zweck aus Platin hergestellt sind. Die Wasserstoffionen wandern durch die Membran auf die Sauerstoffseite und vereinigen sich dort mit Sauerstoffionen zu Wasser. Bei der Ionisierung werden an die eine Elektrode Elektronen abgegeben und von der anderen Elektrode Elektronen aufgenommen, wodurch zwischen den Anschlusselementen 18 und 28 ein Ausgangspotential entsteht.

G-leichzeitig wird eine Verdampfung von Wasser von der Oberfläche 14a der Ionenaustauschmembran 14 verhindert, da in dem von der Elektrode 24 und der Platte 30 begrenzten Wasserstoffzwischenraum 45 ein vernachlässigbares Temperaturgefälle herrscht. Die Yerdampfungsgeschwindigkeit auf der

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Sauerstoffseite der Membran 14 hängt von der Differenz zwischen der Temperatur der Membran und der Temperatur des Wärmeabieiters ab, der durch die gekühlte Zwischenplatte 60 dargestellt wird. Dabei ist die Temperatur der Membran eine 'Funktion der Wärmeleitfähigkeit der Isolationsschicht 46 und der Temperatur des V/ärmeableiters auf der Wasserstoffseite, d.h. des Wassermantels 40. ^i e Temperatur der Platte 60 entspricht im wesentlichen der Temperatur des Wärmeabieiters auf der Sauerstoffseite.

Bei vorgegebener optimaler Betriebstemperatur der Membran 14 und bei vorgegebenem Temperaturgefälle im Sauerstoffzwischenraum, d.h. zwischen der Membran 14 und der Platte 60, ist die Temperatur des durch den Kühlmantel 52 strömenden Kühlmittels vorgegeben. Falls im Wassermantel 40 das gleiche Kühlmittel verwendet wird, kann die Dicke der Isolationsschicht 46 so gewählt werden, dass sich die gewünschte Membrantemperatur ergibt.

. Von der Membran 14 wird auch eine bestimmte Vfärmemenge' über das Anschlusselement 18 abgeleitet. Diese Wärmemenge wird jedoch dadurch auf einen Mindestwert gehalten, dass der zur Wärmeleitung verfügende Querschnitt in dieser Richtung verhältnismässig gering gehalten ist. Die Wärme muss eine wesentliche Strecke längs der den Schirm 16 bildenden Drähte

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und auch längs der Membran wandern, so dass der zur Wärmeleitung in dieser Richtung zur Verfugung stehende Querschnitt der geringen Querschnittsfläche der Membran entspricht.

Es ist erwünscht, dass der G-rossteil der von der Membran 14 abgeführten Wärme senkrecht zu den Stirnflächen der Membran 14 abgeleitet wird und insbesondere der Wärmestrom aus der Membran 14 nicht auf verhältnismassig kleine Bereiche der Stirnflächen beschränkt ist. Es wurden nämlich sonst von anderen Bereichen der Membran Wärme in diese Bereiche strömen, wodurch beträchtliche Temperaturunterschiede auf den Membranstirnflächen zustande kämen. Dann würden sich lediglich einige Teile der Membran auf optimaler Betriebstemperatur befinden, während andere Teile wiederum bei einer wesentlich verschiedenen Temperatur arbeiten würden.

Wird der Zelle ein nennenswerter Strom entnommen, dann ist von wesentlich grösserer Wichtigkeit, dass Feuchtigkeit von den wärmeren zu den kälteren Teilen der Membran wandert und dadurch aufgrund der bei höherer Stromentnahme entstehenden zusätzlichen Wärme die wärmeren Teile austrocknen, während sich an de-· __A en Teilen Feuchtigkeit niederschlägt.

„er erfindungsgemässen Konstruktion erreicht man , dass die Temperatur auf der Oberfläche der Membran 14 im wesentlichen konstant ist, insbesondere bei hoher Strom-

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entnähme, und daher der Feuchtigkeitsgehalt verhältnismässig gleichmässig über die Membran verteilt ist.

Man nimmt an, dass bei nennenswerter Stromentnahme aus einer Brennstoffzelle mit. Ionenaustausehmembran der maximale Wirkungsgrad in bezug auf den Brennstoffverbrauch erzielt wird, wenn der Feuchtigkeitsgehalt der Membran und der Elektroden gleich dem Hydratwasser der Membran entspricht, d.h. wenn die Membran innerlich mit Wasser abgesättigt ist und auf den Oberflächen der Elektroden sich kein überschüssiges Wasser-befindet. Diese Theorie beruht auf der Überlegung, dass bei überschüssigem Wasser, d.h. bei Ansammlung von Wasser auf den Oberflächen einer oder beider Elektroden, der an dieser Oberfläche reagierende gasförmige Reaktionsteilnehmer durch die Flüssigkeit hindurchwandern muss, um die Reaktionsstellen zu erreichen. Das Wasser behindert die Gasströmung und bewirkt auf diese Weise eine Verringerung der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle,

Andererseits wird bei einer teilweisen Austrocknung der Membran der Feuchtigkeitsgehalt unter dem Gehalt an Hydratwasser verringert, wodurch die Ionenwanderung durch die Membran behindert wird. Eine teilweise Austrocknung der Membran verringert also in manchen Fällen die Anzahl der Reaktionsstellen, da für die an den Reaktionsstellen stattfindenden Reaktionen Feuchtigkeit erforderlich ist«

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Es hat sich herausgestellt, dass es ganz allgemein Torteilhaft ist die Feuchtigkeit von der Seite der Membran zu entfernen, an der sie erzeugt wird. Falls die Feuchtigkeit nämlich von der anderen Seite der Membran entfernt wird, kann nämlich auf der einen Seite ein leichter Feuchtigkeitsüberschuss vorhanden sein, während auf der anderen Seite ein geringer Austrocknungszustand vorherrschen kann.

Man nimmt an, dass die obige Theorie über den optimalen Feuchtigkeitsgehalt richtig ist. Die Arbeitsweise der Brennstoffzelle und das erfindungsgemässe System zur Regelung der Feuchtigkeit hängen gedoch nicht von dieser Theorie ab. Man muss jedoch den Feuchtigkeitsgehalt zur Verbesserung des Wirkungsgrades bei einer gegebenen Leistungsentnahme immer so einstellen, dass er einen optimalen Wert besitzt.

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Wie Figur 1 zeigt, hat die Fläche 10 entlang der einem Feuchtigkeitsgehalt M_Q entsprechenden Linie die größte Höhe und der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle ist daher hei diesem Feuchtigkeitsgehalt am größten. Der Wirkungsgrad sinkt mit zunehmender Feuchtigkeit ab, das heißt wenn die Feuchtigkeit ausgehend von M_Q auf M und Mg zunimmt. Der Wirkungsgrad nimmt jedoch auch ab, wenn die Feuchtigkeit auf die Werte M^ und l/L absinkt. Man nimmt an, daß die Feuchtigkeit M der optimalen Feuchtigkeit entspricht.

In Figur 3 ist der Wirkungsgrad und die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle in Abhängigkeit des Feuchtigkeitsgehaltes dargestellt, wenn der Ausgangsstrom einen der maximalen Leistungsabgabe entsprechenden Wert von I, besitzt. Die Temperatur der Trennplatte 60 (Fig. 4) ist vorzugsweise so eingestellt, daß der Feuchtigkeitsgehalt der Ionenaustauschmembran 14 den Wert M- hat, der etwas größer ist als der Wert M , bei welchem man den optimalen Wirkungsgrad erzielt.

Bei diesem Stromwert und Feuchtigkeitsgehalt ist die Temperatur der Membran 14 bei vorgegebener Wärmeleitfähigkeit der Isolationsschicht 46 proportional zum Temperaturunterschied zwischen der Membran und dem Wärmeableiter auf der Wasserstoffseite der Membran. Durch entsprechende Einstellung der Temperatur

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des Wärmeleiters auf der Wasserstoffseite der Membran kann man also bei I=I, und M = M₁ die Temperatur der Ionenaustauschmembran auf einem optimalen Wert halten. Gleichzeitig stellt man das Temperaturgefälle im Sauerstoffzwischenraum 50 derart ein, daß pro Zeiteinheit aus der Membran 14 die gleiche Wasserraenge verdampft wird wie pro Zeiteinheit in der Membran bei dem vorgegebenen Stromwert und Feuchtigkeitsgehalt gebildet wird. Man kann diese Bedingungen gleichzeitig erzielen, indem man entweder die Zühltemperatur im Wassermantel

40 und im Wassermantel 52 getrennt einstellt oder, falls die Kühlmitteltemperatur auf beiden Seiten der Membran gleich groß ist, indem man sowohl diese Temperatur als auch die Dicke der Isolationsschicht 46 einstellt«, Man kann auch die Dicke des SauerstoffZwischenraumes 50 ändern, um das gewünschte Temperaturgefälle im SauerstoffZwischenraum 50 zu erzielen»

Bei den vorgenannten Bedingungen wird die Brennstoffzelle an dem in Figur 3 gezeigten Arbeitspunkt betrieben, das heißt, beim feuchtigkeitsgehalt M... Der in Figur 3 gezeigte Arbeitspunkt ist stabil. Halls der Wirkungsgrad etwas zunimmt, wird in der Membran 14 weniger Wärme erzeugt, wodurch auch die Temperatur der Membran und das Temperaturgefälle im Säuerst off Zwischenraum abnimmt. Dadurch wird pro Zeiteinheit aus der Ionenaustauschmembran weniger Feuchtigkeit abgeführt, so daß der Feuchtigkeitsgehalt der Membran zunimmt und dadurch der Wirkungsgrad wieder abnimmt. Der Arbeitspunkt wird also in Figur 3 nach rechts verschoben. Dadurch wird der Anstieg

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des Wirkungsgrades ausgeglichen und die Ausgangsspannung wieder auf den früheren Wert zurückgeführt.

Sollte der Wirkungsgrad etwas abnehmen, dann steigt die Temperatur in der Membran e.twas an, wodurch mehr Feuchtigkeit aus der Membran entfernt wird. Der !Feuchtigkeitsgehalt der Membran nimmt dadurch ab, wodurch der Arbeitspunkt in Figur 3 nach links verschoben und dadurch der Wirkungsgrad erhöht wird, so daß der anfängliche Anstieg des Wirkungsgrades wieder ausgeglichen wird ο

Der Ärbeitspunkt der Brennstoffzelle ist also stabil, so daß eine Austrocknung und daher eine Zerstörung der Zelle nicht auftreten kann.

Durch die vorgenannte Betriebsweise wird auch die Spannungsregelung der Brennstoffzelle verbesserte Bei zunehmendem Strom nimmt der Wirkungsgrad der Zelle ab, wobei auch der Feuchtigkeitsgehalt abnimmt. Die entsprechende Verschiebung des Arbeitspunktes in Figur 3 nach links hat zur Folge, daß die Ausgangsspannung über den Wert ansteigt, den sie ohne diese Selbstregelungseigenschaft besitzen würde. Eine Stromabnahme würde eine Verschiebung in der entgegengesetzten Eichtung zur Folge haben. Der Stromänderung in Bezug auf irgendeinen gegebenen anfänglichen Arbeitspunkt sind jedoch Grenzen gesetzt. Falls

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der Stroignämlieh so zunimmt, daß der Feuchtigkeitsgehalt unter den Wert M absinkt, das heißt, der Arbeitspunkt links von der Ordinate in Figur 3 zu liegen kommt, liegt ein instabiler Zustand vor, so daß die Zelle vollkommen austrocknen kann.

Wenn also der Arbeitspunkt auf einen Feuchtigkeitsgehalt absinkt, der niedriger ist als BT₀, beispielsweise auf den We^t IL, hat eine Abnahme des Wirkungsgrades wie vorher zur Folge, daß pro Zeiteinheit mehr Feuchtigkeit aus der Ionenaustausehmembran entfernt wird. Dadurch wird jedoch der Arbeitspunkt weiter nach links in Richtung eines noch geringeren Wirkungsgrades verschoben. Es wird also daraufhin noch mehr Feuchtigkeit entfernt, so daß schließlich die Zelle austrocknet und zerstört wird.

Daraus dürfte nun ersichtlich sein, warum man den Arbeitspunkt auf der feuchteren Seite von M wählt. Zur Erzielung eines maximalen Wirkungsgrades sollte der Arbeitspunkt möglichst nahe an M liegen, man muß jedoch wegen der zu erwartenden Stromschwankungen dafür sorgen, daß der Arbeitspunkt entsprechend weit nach links auswandern kann.

Figur 7 zeigt eine auseinandergezogene Ansicht einer anderen Ausführungsform, die zur Erhöhung der Spannung ein Aufeinanderschichten einer Anzahl von Brennstoffzellen gestattet,

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Die dargestellte Ausführungsform enthält Teile von drei in Reihe geschalteten Brennstoffzellen. Jede einzelne Zelle ist ähnlich wie die in Figur 4 dargestellte Zelle aufgebaut. Die meisten der verwendeten Bezugszahlen unterscheiden sich lediglich durch eine vorgesetzte weitere Ziffer. In Figur 7 ist ganz links eine Ionenaustauschmem.bran 114 dargestellt, die mit einem Gitter 116 in Berührung steht, das an einen SauerstoffZwischenraum 150 angrenzt. Die andere Seite des Zwischenraumes 150 wird von einer Trennplatte 160 begrenzt, an deren linke Stirnfläche ein Docht 148 befestigt ist. Auf der rechten Seite der Platte 160 befindet sich ein Wärmeübertragungselement 226, dessen rechte Stirnfläche an einen WasserstoffZwischenraum 245 angrenzt, der einer Ionenaustauschmembran 214 zugeordnet ist. Die Membran 214 ist mit einem Gitter 224 versehen, das mit dem Wärmeübertragungselement 226 in Berührung steht.

Wie aus Figuren 7 und 8 ersichtlich ist, sind die Platte 160 und das Wärmeübertragungselement 226 mit einander gegenüberliegenden Flanschen 160b und 226b versehen, wodurch zwischen der Platte 160 und dem Element 226 ein Kühlkanal 70 entsteht« Durch diesen Kanal 70 wird ein geeignetes Kühlmittel hindurchgeleitet und der Kanal dient sowohl als Wärmeableiter für den Sauer s to ff Zwischenraum 150 der am weitesten links liegenden Brennstoffzelle als auch für den Wasser st off Zwischenraum 245 der nächst folgenden Brennstoffzelle. ,

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Die Platte 160 und das Wärmeübertragungselement 226 können etwas anders ausgebildet sein als die in den Figuren 4-6 gezeigten entsprechenden Bauteile. Insbesondere können sie aus einem Stück aus einem geeigneten plastischen Material durch Strangpressen hergestellt sein. Die Nuten 232 können durch geeignete Bearbeitungs- oder Stanzverfahren hergestellt sein. Das Element 226 ist dicker als die Platte 160, da das Temperaturgefälle im Element 226 größer sein soll. Dies ist erforderlich, weil auf den Brennstoff- und Sauerstoffseiten der Membranen 114 und 214 die gleiche Wärmeabieitertemperatur herrseht und trotzdem, wie bereits oben ausgeführt wurde, die Temperatur der Oberfläche 226a des Elementes 226 gleich der Temperatur der Membran 214 sein soll, während die Temperatur der linken Oberfläche der Platte 116 geringer sein soll als die der Membran 114 mit der gleichen Warmeableitertemperatur. Das größere Temperaturgefälle im Element 226 ergibt die höhere Temperatur der Hache 226a.

Die Platte 160 sollte so dünn wie möglich sein, um das Temperaturgefälle in der Platte möglichst klein zu halten und dadurch den Wärmedurchgang zu verbessern.

Um die Temperatur der Oberfläche 226a des Elementes 226 möglichst gleichmäßig zu halten, kann die Oberfläche 226a einen metallischen Überzug besitzen. Durch die hohe thermische leitfähigkeit des metallischen Überzuges wird erreicht, daß

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sich die gesamte Oberfläche auf der gleichen Temperatur wie das Gitter 224 befindet, so daß in dem Brennstoffzwischenraum 245 kein merkliches Temperaturgefälle herrschte

Die zwischen den Nuten 232 liegenden Teile der Oberfläche 226a sind vorzugsweise mit vielen gleiehmäßigver teilten Einbuchtungen und Erhebungen versehen, wobei die Einbuchtungen miteinander in Verbindung stehen und Kanäle bilden, durch welche von den Futen 232 aus Brennstoff über die gesamte Oberfläche 226a strömen kann. Dadurch kann auch Brennstoff an alle mit der Ionenaustauschmembran 214 in Berührung stehende Stellen des Gitters 224 strömen, wodurch die oben beschriebene Doppelgitterkonstruktion entfallen kann. Die Innenflächen des Kanals 70 sind vorzugsweise mit Dochten 72 und 74 ausgekleidet, die eine gleichmäßige Kühlung der Oberflächen der Platte 160 und des Elementes 226 gewährleisten, so daß man über die gesamten Flächen der entsprechenden Brennstoffzellen optimale Bedingungen erzielt.

Wie aus Figur 9 ersichtlich ist, kann der Kanal 70 an ein geschlossenes Kühlsystem angeschlossen sein, das einen Kondensator 76 enthält, dessen Ausgang und Eingang über Leitungen 78 und 80 mit dem Kühlkanal 70 in Verbindung steht. Die Atmosphäre im Kühlkanal 70 besteht aus gasförmigem Kühlmittel, das sich im wesentlichen im Gleichgewicht

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mit der auf der Unterseite des Kanals 70 befindlichen flüssigen Phase 82 des Kühlmittels befindet. Da die Atmosphäre innerhalb des Kanals 70 gesättigt ist, wandert gasförmiges Kühlmittel vom Kanal 70 über die Leitung 78 in ä.en Kondensator 76» da die Temperatur des Kondensators etwas geringer als die Temperatur im Kanal ist.

Die Temperatur des Kondensators 76 liegt unterhalb dem Taupunkt der im Kanal 70 und der Leitung 78 befindlichen Atmosphäre, so daß sieh das Kühlmittel im Kondensator kondensiert. Das kondensierte, das heißt flüssige, Kühlmittel läuft dann durch die Leitung 80, aus der sie auf die Dochte 72 und 74 tropft, so daß diese dauernd mit !Flüssigkeit gesättigt sind. Von der Platte 160 und dem Element 226 wird also dadurch Wärme abgeleitet, daß Kühlmittel von den Dochten 72 und 74 verdampft. Die Verdampfungswärme wird dann dem Kühlmittel im Kondensator 76 entzogen.

Die pro Zeiteinheit mit Hilfe des Kondensators 76 entzogene Wärmemenge hängt von der Temperatur des Kondensators ab. Ealls die Temperatur des Kondensators verringert wird, verläuft die Kondensation schneller, wobei dann wiederum mehr Kühlmitteldampf aus dem Kanal 70 in den Kondensator 76 strömen kann. Dadurch wird wiederum der Druck im Kanal verringert, so daß mehr Kühlmittel von den Dochten 72 und verdampfen kann, wodurch die Temperatur der mit den Dochten

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in Verbindung stellenden Flächen der Platte 160 und des Slementes 226 absinkt.

Das in den Figuren 7-9 dargestellte Kühlsystem gewährleistet eine gleichmäßige Temperatur der gekühlten Flächen. Falls die Platte 160 und das Element 226 unmittelbar durch ein durch den Kanal 70 strömendes- Kühlmittel gekühlt wurden, wäre, falls keine außerordentlich hohe Strömungsgeschwindigkeit aufrechterhalten würde, die Temperatur des Kühlmittels beim Eintritt in den Kanal 70 merklich geringer als die Temperatur des Kühlmittels beim.Verlassen des Kanals. Die gekühlten Elemente wurden also am Anfang des Kanals 70 eine niedrigere Temperatur aufweisen als am Ende des Kanals 70. Bei dem in den Figuren 7-9 dargestellten Kühlsystem hängt jedoch die Temperatur an irgendeinem Punkt lediglich von dem Druck des Kühlmittelgases in diesem Punkt ab, falls sich die Flüssigkeit auf dem Siedepunkt befindet. Da sich der Druck von einem Ende des Kanals zum anderen Ende des Kanals nur geringfügig ändert, ist die Temperatur gleichmäßig.

Die Gitter 116 und 224 sind vorzugsweise durch ein Verbindungselement 84 miteinander verbunden, das sich rund um die Platte 160 und das Wärmeübertragungselement 226 erstreckt. Durch das Verbindungselement 84 wird die Brennstoffzelle mit"' der Iönenaustauschmembran 114 in Reihe zur Brennstoffzelle Mit der Ionenaustausolimembran 214 geschaltet. ,

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Auf der rechten Seite der Membran 214 ist ein Elektrodengitter 216 eingebettet. Im Abstand vom Elektrodengitter ist eine Trennplatte 260 angeordnet, welche einen Sauerstoffzwischenraum 250 einschließt und dadurch die der Membran 214 zugeordnete Zelle vervollständigt. Anschließend folgt ein Wärmeübertragungselement 326, das zusammen mit der Platte 260 einen Kühlkanal 92 einschließt, und ein in die nächstfolgende Ionenaustausehmembran (nicht gezeigt) eingebettetes Elektrodengitter 324» Die Gitter 216 und 324 sind durch ein ähnlich wie das Verbindungselement 84 ausgebildetes Verbindungselement 86 miteinander verbunden, wodurch die das Gitter 324 enthaltende Brennstoffzelle in Reihe zu den links davon liegenden Brennstoffzellen geschaltet wird. Auf der dem SauerstoffZwischenraum 250 zugewandten Seite der platte 260 ist ein Docht 248 befestigt. An den den Kühlkanal 92 umschließenden Hächen der Platte 260 und des Wärmeübertragungselementes 326 sind ebenfalls Dochte 88 und 99 befestigt.

Aus Figur 8 ist ersichtlich, wie die einzelnen Teile des Brennstoffzellenstapels nach Figur 7 zusammengehalten sind. Von den Platten 160, 260 usw. stehen in Richtung auf die Gitter 116, 216 usw. Rippen 94 ab, durch welche die gewünschte Breite der Sauerstoff Zwischenräume 150, 250 usw. festgelegt wird. Der gesamte Stapel wird durch eine geeignete Klemmvorrichtung (nicht gezeigt) so zusammengehalten, daß sich benachbarte Teile berühren.

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Zur Verhinderung einer Verbindung zwischen dem Sauerstoff Zwischenraum 150 und dem Wasserstoffzwischenraum 24-5 über das Verbindungselement 84 zwischen dem Gitter 114 und dem Gitter 224 erstrecken sich die Plansche 160b und 226b vorzugsweise durch im Verbindungselement 84 angeordnete Schlitze. Zu diesem ^veck kann es zweckdienlich sein, die Mansche aus zwei Teilen herzustellen, von denen der eine aus einem das Verbindungselement 84 tränkenden Werkstoff besteht.

Aus Figur 8 ist auch die Reihenschaltung der entsprechend " Figur 7 aufeinandergeschichteten Brennstoffzellen ersichtlich. Die Stromkapazität des in Figur 7 dargestellten Systems kann dadurch erhöht werden, daß man den Zellenstapel in Richtung der Kanäle 70 und 92 fortsetzt und darüberhinaus auch quer zu dieser Richtung, das heißt, indem man die Kanäle in Richtung des Pfeiles 96 verbreitert«, Die räumlichen Abmessungen erfordern oft eine Ausdehnung in beide Richtungen.

Der Verbreiterung in Richtung des Pfeiles 96 sind jedoch praktische Grenzen gesetzt. Mit zunehmender Breite in dieser Richtung nimmt nämlich die Stromdichte in den Elektrodengittern und in den Verbindungselementen 84 und zu. Falls die Stromdichte zu hoch wird, entsteht ein Spannungsabfall in diesen Teilen, durch den die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels merklich verringert wird. Darüberhinaus

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nimmt der leistungsverlust im Zellenstapel zu. Dieses Problem wird jedoch, durch die in ilgur 8 dargestellte Konstruktion gelöst.

Die Ionenaustaascimembranen 114 und 214 erstrecken sich in Richtung des Pfeiles 96 über die gesamte Breite des Stapels, während die Gitter 116 und 224 dies nicht tun. Die Gitter sind nämlich an einem Ende mit dem Verbindungselement 84 verbunden und reichen bis au den gegenüberliegenden Enden der Platte 160 und des Elementes 226, wo sie an die Gitter 116a und 224a angrenzen, die durch ein Verbindungselement 84a miteinander in Verbindung stehen. Die Gitter 116a und 224a erstrecken sich entlang der Membranen 114 und 224 auf gegenüberliegenden Seiten eines Kanals 70b. Der Kanal 70b wird ähnlich wie der Kanal 70 von einer Trennplatte und einem Y/ärmeüb er tragung s element umschlossen und ist Brennstoffzellen zugeordnet, die in der gleichen Weise aufgebaut sind wie die dem Kanal 70 zugeordneten Brennstoffzellen. Die bei 70a_f 92a und 92b dargestellten Kanäle stäJLen auch Teile von weiteren Brennstoffzellen dar«

Durch diese inordnüng wird der in einem Brennstoffzellenstapel erzeugte Gesamtstrom in jeder Ebene auf eine Reihe von Verbindungselementen aufgeteilt, beispielsweise auf die Elemente 84 und 84a, durch welche benachbarte Brennstoffzellen hintereinander geschaltet sind. Der Spannungs-

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abfall entlang der Verbindungselemente ist im Vergleich zum Spannungsabfall, der bei Verwendung nur eines einzigen Verbindungselementes auftreten würde, wesentlich geringer. Weiterhin werden die■Leitungsstrecken in den Elektrodengittern verringert, das heißt, die durchschnittliche Streckenlänge zwischen einem Punkt auf einem anderen Gritter ist bei Verwendung von mehreren Verbindungselementen zwischen den Gittern geringer als bei nur einem einzigen Verbindungselemente Dadurch ergibt sich auch ein geringerer Spannungsabfall.

Zur Erleichterung der Herstellung der in Figur 8 dargestellten Anordnung wird jedes Elektrodengitter vorzugsweise aus zwei einzelnen Gittern hergestellt. Zunächst wird ein Gitter in eine Ionenaustauschmembran eingebettet. Das zweite Gitter, welches auf der Stirnfläche des ersten aufliegt, bildet einen Teil eines U-fÖrmigen Profils, das auch das Verbindungselement enthält, beispielsweise das Element 84. Die in die Ionenaustauschermembranen eingebetteten Gitter können sich über die gesamte länge der Membranen erstrecken.

Wie aus den Figuren 7 und 8 ersichtlich ist, können die BrennstoffZwischenräume 245 und 345 mit Hilfe von Zuleitungen mit Brennstoff versorgt werden, die in den oberen Teil der Zwischenräume einmünden. Der Boden der Zwischenräume ist in geeigneter Weise abgedichtet. Die Zwischenräume 150 und 250 sind andererseits vorzugsweise nach außen hin offen. Insbesondere

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ist vorgesehen, den Brennstoffzellenstapel in einem Sauerstoff enthaltenden Behälter anzuordnen. Das Kondenswasser tropft dann aus den SauerstoffZwischenräumen in den Behälter. Die Kanäle 70 und 92 sollten abgedichtet werden, um das Kühlsystem vom übrigen Brennstoffzellenstapel zu trennen.

Bei der Brennstoffzelle nach der vorliegenden Erfindung ist also in dem auf einer Seite der Membran liegenden Zwischenraum ein Stoff mit guter Wärmeleitfähigkeit angeordnet, damit über den Zwischenraum ein vernachlässigbares Temperaturgefälle gewährleistet ist. Dadurch wird erreicht, daß die Membran keine Feuchtigkeit in diesen Zwischenraum abgibt, sondern die gesamte Feuchtigkeit die Membran über den auf der anderen Seite der Membran befindlichen Zwischenraum verläßt. Das Temperaturgefälle über diesen anderen Zwischenraum kann so eingestellt werden, daß der Feuchtigkeitsgehalt der Membran konstant bleibt, das heißt, daß genausoviel Feuchtigkeit aus der Membran austritt wie in der Membran Feuchtigkeit gebildet wird.

Der Feuchtigkeitsgehalt der Membran und die Temperatur der Membran können sehr leicht auf optimale Werte eingestellt werden. Dies kann ohne Verwendung von äußeren Regeleinrichtungen erreicht werden, indem man einen etwas über den Optimalwert liegenden Feuchtigkeitsgehalt wählt. , . .. _-.,., .

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Die Erfindung wurde zwar anhand einer Brennstoffzelle beschrieben, bei welcher Wasser an der dem Sauerstoffzwischenraum zugekehrten Seite des EL ektrolytelementes gebildet wird, kann natürlich auch bei den Brennstoffzellen verwendet werden^ bei denen Wasser an der dem BrennstoffZwischenraum zugekehrten Oberfläche entsteht. Im letzteren Falle kann es wünschenswert sein, das Reaktion sprodukt von der Brennstoffseite zu entfernen und im Sauerstoff Zwischenraum ein Element mit guter Färmeleitfähigkei t anzuordnen.

Zur Erzielung einer raumsparenden Anordnung können einzelne Brennstoffzellen aneinandergereiht werden, wobei eine günstigere Ausgangsspannung erzielt wird.

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Claims

Patentanmeldung: Brennstoffzelle

PATENTANSPRÜCHE

Brennstoffzelle, gekennzeichnet durch:

ein Elektrolytelement, an dessen einer Stirnfläche eine erste Elektrode und an dessen anderer Stirnfläche eine zweite Elektrode anliegt,

Einrichtungen zum Zuführen eines Brennstoffes und eines Oxydationsmittels zu den Elektroden,

einen gegenüber der ersten Elektrode in Abstand von dieser angeordneten ersten Wärmeableiter und einen gegenüber der zweiten Elektrode in Abstand von dieser angeordneten zweiten Wärmeableiter,

ein zwischen der ersten Elektrode und dem ersten Wärmeableiter angeordnetes Wärmeübertragungsgebilde, das mit der ersten Elektrode in Berührung steht,

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Patentanwälte Dipl.-Ing. Martin Licht, Dipl.-Wirtsch.-Ing. Axel Hansmann Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann 8 MÖNCHEN 2, THERESIENSTRASSE 33 · Telefon: 292102 · Telegramm-Adresse: Lipotli/München

und weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß

das Wärmeübertragungsgebilde so durchlässig ist, daß einer der Reakti ons teilnehmer hindurchströmen und die erste Elektrode durchdringen kann,

das Wärmeübertragungsgebilde im Abstand von der ersten Elektrode angeordnete undurchlässige Mittel enthält, die eine Feuchtigkeitsströmung aus der ersten Elektrode verhindern, und

das Wärmeübertragungsgebilde einen so großen Querschnitt für die Wärmeleitung vom Elektrolytelement zu den undurchlässigen Mitteln besitzt, daß die Feuchtigkeitswanderung von der ersten Oberfläche des Elektrolytelementes zu den undurchlässigen Mitteln vernachlässigbar ist.
2. Brennstoffzelle, gekennzeichnet durch:

ein zwischen einer ersten und einer zweiten Elektrode angeordnetes und damit in Berührung stehendes Elektrolyt- -. element,

ein im Abstand von der Oberfläche der ersten Elektrode angeordnetes erstes Wärmeableitungselement und ein. im Abstand von der Oberfläche der zweiten Elektrode angeordnetes zweites Wärmeableitungselement, die beide zwei Zwischenräume festlegen, von denen jeder auf der einen Seite durch eine Elektrode und auf der gegenüberliegenden Seite von einem der Wärmeab-

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leitungselemente begrenzt ist,

ein Gebilde mit guter thermischer Leitfähigkeit, das im ersten Zwischenraum angeordnet ist, in wärmeleitender Beziehung mit einer Elektrode und der gegenüberliegenden Seite des ersten Zwischenraumes steht und durchlässig für den Eeaktionsteilnehmer ist, welcher der Elektrode über den ersten Zwischenraum zugeführt wird,

Mittel zum Abdichten der gegenüberliegenden Seite des ersten Zwischenraumes, um im wesentlichen eine Feuchtigkeitsströmung aus dem Elektrolytelement durch die gegenüberliegende Seite zu vermeiden.
3. Brennstoffzelle, gekennzeichnet durch:

eine Ionenaustauschmembran mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche,

ein an der ersten Oberfläche der Membran anliegendes erstes durchlässiges Elektrodengebilde und ein an der zweiten Oberfläche der Membran anliegendes zweites durchlässiges Elektrodengebilde,

Reaktionstellen in der Fähe der Berührungspunkte zwischen der Membran und den Elektrodengebilden,

ein rahmenartiges erstes Anschlußelement, das Innenabmessungen besitzt, die größer sind als die planaren Abmessungen

ο der Membran,

ο erste und zweite Wärmeableitungselemente, die im Abstand von den ersten und zweiten Elektrodengebilden angeordnet sind und ers'te und zweite Zwischenräume festlegen, die sich zwischen den ersten und zweiten Wärmeableitungselementen und

den Oberflächen der Elektrodengebilde erstrecken,

ein Wärmeübertragungselement, das im zweiten Zwischenraum angeordnet ist und am durchlässigen Elektronengebilde anliegt,
und weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass

das Wärmeübertragungselement eine gute Wärmeleitfähigkeit zwischen dem zweiten durchlässigen Elektrodengebilde und dem zweiten Wärmeabieitungselement gewährleistet,

das Wärmeübertragungselement durchlässig für den Reaktionsteilnehmer ist, der den Reaktionsstellen am zweiten Elektrodengebilde zugeführt wird,

das Wärmeübertragungselement Mittel zum Abdichten der dem Wärmeableitungselement benachbarten Grenzfläche des zweiten Zwischenraumes vorhanden sind, die eine Feuehtigkeitsströmung durch die Grenzfläche verhindern.
4. !Brennstoffzelle, gekennzeichnet durch:

ein Ionenaustauschmembran mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche,

eine an die erste Oberfläche der Ionenaustauschmembran anliegende erste Elektrode und eine an die zweite Oberfläche der Membran anliegende zweite Elektrode,

ein rahmenartiges erstes Anschlussglied mit Innenabmessungen, die grosser sind als die ebenen Abmessungen der Membran,

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Mittel vorgesehen sind, durch welche ein elektrischer Kontakt zwischen dem rahmenartigen Glied mit der ersten Elektrode entlang ihres Umfanges gewährleistet ist,

erste und zweite Wärmeableitungselemente, die im Abstand von den Elektroden angeordnet sind und Zwischenräume festlegen,

ein Wärmeubertraguripjsgebilde, das im zweiten Zwischenraum angeordnet ist und an .' ev zweiten Elektrode und am zweiten Wärmeableitungs element anli eg fc,

das Wärmeubertragungsgebilde LTittel enthalt, durch welche die gegenüber der Elektrode liegende Grenzflache des zweiten Zwischenraumes derart abgedichtet ist, dans keine Feuchtigkeit durch die Grenzfläche hindurchtreten kann und zwischen der Elektrode und der Grenzfläche eine gute ','/ärmeleitfähigkeit herrscht,

und weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass

die die zweite Elektrode berührende Oberfläche des 'Tärmeübertragungsgebild.es mit Nuten versehen ist, wodurch der der zweiten Elektrode zugeführte Reaktionsteilnehmer entlang der ITuten und durch Zwischenräume in der zweiten Elektrode strömen und dadurch an die Reaktionsstellen in der zweiten Elektrode in der Nähe der zweiten Oberfläche der Membran gelangen kann,

das zweite Wärmeableitungselement eine Substanz enthält, deren Temperatur geringer ist als die Temperatur der Membran.

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5. Brennstoffzellensystem, dadurch gekennzeichnet, dans ein-Stapel von Brennstoffzellen in Reihe hintereinandergeschaltet sind, wobei

jede Zelle enthält:

ein «wischen einer ersten und einer zweiten Elektrode angeordnetes und oiit den Elektroden in Berührung stehendes !Elektrolytelement,

ein im Abstand von der ersten Elektrode angeordnetes erstes Wärrneablei tungs element und ein im Abstand von der zweiten Elektrode angeordnetes zweites Wärmeableitungselement, von denen jedes einen Zwischenraum festlegt, der auf :1er einen Seite durch die Elektrode und auf der gegenüberliegenden Seite durch das Wärmeableitung element begrenzt ist, und

auf der gegenüberliegenden Seite des ersten Zwischenraumes angeordnete Dichtungsmittel, welche eine Peuchtigkeitsströmung aus dem Elektrolytelement durch die gegenüberliegende Seite verhindern,

an jede der innen liegenden Zellen des Stapels auf gegenüberliegenden Seiten erste und zweite benachbarte Zellen anliegen,

das erste Wärmeableitungselement jeder der innen liegenden Zellen an das zweite Wärmeableitungselement der ersten benachbarten Zelle angrenzt,

das zweite Wärmeabieitungselement jeder der innen liegenden Zellen an das erste. Wärmeabi ei tungs element der zweiten benach-

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barten Zelle anliegt.
6. Elektrisches Stromerzeugungssysteriij gekennzeichnet durch:

eine Reihe von hintereinandergeschalteten Brennstoffzellen, von denen jede enthält:

Eine I onenaus tauschtaembran, die zwischen zwei Elektroden in Kontakt mit diesen angeordnet ist,

zwei Wärmeableitungselemente, die im Abstand von den beiden Elektroden angeordnet sind und zwei Zwischenräume festlegen, von denen jeder durch eine Elektrode und der dieser Elektrode gegenüberliegenden Seite eines Wärmeableiters begrenzt ist,

ein Element mit guter thermischer Leitfähigkeit, das in dem ersten Zwischenraum zwischen der ersten Elektrode und der gegenüberliegenden Seite des Zwischenraumes derart angeordnet ist, dass ein guter Wärmeübergang zwischen der ersten Elektrode und der gegenüberliegenden Seite des Zwischenraumes gewährleistet wird, und dass für den durch den ersten Zwischenraum der ersten Elektrode zugeführten Reaktionsteilnehmer durchlässig ist,

Mittel zum Abdichten der gegenüberliegenden Seite des ersten Zwischenraumes, um ein Austreten von Feuchtigkeit aus der Membran durch die gegenüberliegende Seite im wesentlichen zu verhindern,

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durchlässige elektrische Leiter, die mit den Elektroden elektrisch verbunden sind und elektrische Anschlüsse für die Brennstoffzelle liefern,

und weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass

die Ionenauötauschmembranen der Brennstoffzellen in einem Stapel angeordnet und im wesentlichen aufeinander ausgerichtet sind und

Mittel zum Verbinden benachbarter Leiter benachbarter Brennstoffelemente im Stapel vorhanden sind.
7. Elektrisches Stromerzeugungssystem, dadurch gekennzeichnet, dass

eine Keihe von Brennstoffzellen in einem Stapel angeordnet sind, wobei benachbarte Elektroden benachbarter Brennstoffzellen entgegengesetzte Polarität besitzen und jede Brennstoffzelle enthält:

Einelonenaustauschmembran, die zwischen zwei Elektroden in Kontakt mit diesen angeordnet ist,

zwei Wärmeableitungselemente, die im Abstand von den beiden Elektroden angeordnet sind und zwei Zwischenräume festlegen,

einem in jedem Zwischenraum angeordneten durchlässigen elektrischen Leiter, der im wesentlichen mit der gesamten Oberfläche der entsprechenden Elektrode in Berührung steht, wobei . -

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der in dem einen Zwischenraum befindliche Leiter sich über den ganzen Zwischenraum erstreckt, während

der im anderen Zwischenraun befindliche elektrische Leiter sich nur teilweise über den Zwischenraum erstreckt,

bei jeder der innen liegenden Zellen des Stapels die beiden V/ärmeablei tungs elemente Planschteile aufweisen, die von den Elektroden abstehen,

die Planschteile der V/ärmeablei tungs elemente mit entsprechenden Planschteilen der benachbarten Brennstoffzellen in Berührung stehen, wodurch Kanäle zwischen benachbarten Wärmeabieitungselementen gebildet werden, und

Mittel vorhanden sind, durch welche benachbarte Leiter von benachbarten Brennstoffzellen verbunden werden und die Wärmeleitung zwischen benachbarten Zellen herabgesetzt wird.

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