DE202019001642U1

DE202019001642U1 - Fuel cell module

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Publication number: DE202019001642U1
Application number: DE202019001642.2U
Authority: DE
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Priority date: 2019-03-29
Filing date: 2019-03-29
Publication date: 2019-07-24
Anticipated expiration: 2029-03-30

Abstract

Brennstoffzellen- oder Elektrolysezellen-Modul, nachfolgend als Brennstoffzelle (1) bezeichnet, umfassend wenigstens zwei Gasverteilerschichten (2), wenigstens zwei Elektroden (3), wenigstens zwei Stromleitbleche (5), wenigstens einem Elektrolytrahmen (6), wenigstens eine Stützstruktur (7), wenigstens eine Gas-Separator-Membran (8), zwei Endplatten (9), Schrauben (10) und Rohrverbinder (11) für die Zufuhr und Abfuhr von Gasen und flüssigem Elektrolyten, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasverteilschichten (2), die Stromleitbleche (5), der Elektrolytrahmen (6) und die Endplatten (9) aus flachem Plattenmaterial ausgeschnitten sind, wodurch eine besonders kostengünstige Herstellung sowohl bei niedrigen, als auch bei hohen Stückzahlen möglich ist.

Fuel cell or electrolysis cell module, hereinafter referred to as fuel cell (1) comprising at least two gas distributor layers (2), at least two electrodes (3), at least two Stromleitbleche (5), at least one electrolyte frame (6), at least one support structure (7) , at least one gas separator membrane (8), two end plates (9), screws (10) and tube connectors (11) for the supply and removal of gases and liquid electrolyte, characterized in that the gas distribution layers (2), the Stromleitbleche (5), the electrolyte frame (6) and the end plates (9) are cut out of flat plate material, whereby a particularly cost-effective production is possible in both low and high quantities.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellen- oder Elektrolysezellen-Modul mit flüssigem Elektrolyten, deren Komponenten überwiegend aus flachem Plattenmaterial zugeschnitten sind, wodurch eine besonders kostengünstige Herstellung bei niedrigen und bei hohen Stückzahlen möglich ist.The invention relates to a fuel cell or electrolysis cell module with liquid electrolyte whose components are mainly tailored from flat plate material, whereby a particularly cost-effective production at low and high volumes is possible.

Heutige Elektrolyse- und Brennstoffzellen sind üblicherweise aus Bipolarplatten aufgebaut, mit denen einerseits die Elektroden über die Fläche elektrisch kontaktiert werden und andererseits die Gase über eine 3-dimensionale Struktur gleichmäßig über die Elektrodenfläche verteilt werden. Aufgrund der vielfachen zu erfüllenden Funktionen sind diese Bipolarplatten in der Regel konstruktiv aufwendig gestaltet und kostenintensiv in der Herstellung. Zudem bestehen hohe Anforderungen an die eingesetzten Materialien, da sie aggressiven Medien und vor allem bei der Elektrolyse einem stark oxidierenden Potenzial ausgesetzt sind. Für den Bau von reversiblen Brennstoffzellen, die als effiziente Energiespeicher im Elektrolyse- wie auch im Brennstoffzellenbetrieb arbeiten, gelten besonders hohe Anforderungen and die eingesetzten Materialien.Today's electrolysis and fuel cells are usually constructed of bipolar plates with which, on the one hand, the electrodes are electrically contacted via the surface and, on the other hand, the gases are distributed uniformly over the electrode surface via a 3-dimensional structure. Due to the multiple functions to be fulfilled, these bipolar plates are usually structurally complex and expensive to manufacture. In addition, there are high demands on the materials used, as they are exposed to aggressive media and especially in electrolysis a strong oxidizing potential. For the construction of reversible fuel cells, which work as efficient energy storage in electrolysis as well as in fuel cell operation, particularly high demands are placed on the materials used.

In [Dihrab2009] ist eine Übersicht verschiedener Materialien für Bipolarplatten gegeben, die in reversiblen Brennstoffzellen eingesetzt werden können. Reversible Brennstoffzellen funktionieren in beiden Richtungen: Gaserzeugend im Elektrolysebetrieb und gasverbrauchend im Brennstoffzellenbetrieb. Aufgrund der üblicherweise eingesetzten PEM-Membranen (PEM = Polymer-Elektrolyt) herrscht vor allem auf der Sauerstoffseite ein saures Milieu, das auf beinahe alle Metalle zersetzend wirkt. Die Autoren kommen zu dem Schluss, dass gefräste Titanplatten mit einer Beschichtung aus Gold langfristig am stabilsten sind. Da Titan äußerst schwierig zu bearbeiten ist, werden auf diese Weise sehr hohe Herstellkosten generiert.[Dihrab2009] gives an overview of different materials for bipolar plates that can be used in reversible fuel cells. Reversible fuel cells work in both directions: gas generating in electrolysis operation and gas consuming in fuel cell operation. Due to the commonly used PEM membranes (PEM = polymer electrolyte) prevails, especially on the oxygen side, an acidic environment, which acts on almost all metals decomposing. The authors conclude that milled titanium plates with a gold coating are the most stable over the long term. Since titanium is extremely difficult to process, very high production costs are generated in this way.

In DE102017130489A1 ist die Konstruktion einer Bipolar-Platte beschrieben, die aus gewellten Blechen aus rostfreiem Stahl mit einer speziellen Anordnung an Lochreihen zur Verteilung der Gasströme aufgebaut ist. Die Herstellung von Blechen dieser Art erfordert aufwendige Stanz- und Prägewerkzeuge, die mit hohen Investitionskosten verbunden sind. Kurzfristige Anpassungen und Änderungen der Geometrie sind hierbei nicht möglich. Die Platten eignen sich daher ausschließlich für die Serienproduktion in sehr großen Stückzahlen. Zudem müssen auch diese Bleche nachfolgend in mehrstufigen Prozessen behandelt werden, um Korrosionsbeständigkeit und Kontaktwiderstände zu optimieren.In DE102017130489A1 the construction of a bipolar plate is described, which is constructed of corrugated sheets of stainless steel with a special arrangement of rows of holes for the distribution of the gas streams. The production of sheets of this type requires expensive stamping and embossing tools, which are associated with high investment costs. Short-term adjustments and changes to the geometry are not possible here. The plates are therefore only suitable for mass production in very large quantities. In addition, these sheets must also be subsequently treated in multi-stage processes in order to optimize corrosion resistance and contact resistance.

In DE112005002612T5 ist beschrieben, wie unter Verwendung eines kinetischen/Kaltspritzprozesses Bipolarplatten aus rostfreiem Stahl zusätzlich beschichtet werden können, um eine Beständigkeit gegenüber Fluorid-Ionen zu erzielen, die im Polymer-Elektrolyt (PEM) Brennstoffzellen auftreten. Es wird empfohlen, eine weitere Kontaktschicht aus Gold aufzutragen, um den Kontaktwiderstand zu erhöhen. Auch bei diesen Herstellungsverfahren werden kostenintensive Materialien und Prozesse eingesetzt.In DE112005002612T5 describes how, using a kinetic / cold spray process, stainless steel bipolar plates can be additionally coated to provide resistance to fluoride ions that occur in polymer electrolyte (PEM) fuel cells. It is recommended to apply another gold contact layer to increase the contact resistance. Cost-intensive materials and processes are also used in these production processes.

In [Kurzw2016] sind die wichtigsten Entwicklungen alkalischer Brennstoffzellen der vergangenen Jahrzehnte zusammenfassend dargestellt. In alkalischen Brennstoffzellen mit monopolarer Bauweise ist jede Elektrode einzeln über einen Stromleitbleche nach außen geführt. Die Gasverteilung ist somit von der Stromführung entkoppelt und auf den Einsatz von teuren Bipolarplatten kann verzichtet werden. Die belgische Firma ELENCO stellte auf Basis dieses Prinzips in den 1970 bis 1990er Jahren Brennstoffzellen für verschiedenste Anwendungen her. Die Elektroden bestanden aus Aktivkohle und Platin mit PTFE zur Hydrophobierung und waren auf Nickelnetze aufgewalzt. Die einzelnen Elektroden wurden in ABS Spritzgussrahmen gefasst und zu Modulen verschweißt. Es wurden verhältnismäßig geringe Stromdichten bis 150 mA/cm² erzielt. In den 1980er Jahren wurde von der Firma VARTA für die Herstellung von Zink-Luft-Batterien ein Verfahren entwickelt, bei dem RANEY-Nickel und weitere pulverförmige Katalysatormaterialien durch „reaktives Mischen“ in einer Messermühle von PTFE-Fäden umsponnen werden. Die Mixtur wird anschließend in einem Walzenstuhl kontinuierlich auf Drahtnetze aufgewalzt, wodurch ein flexibles Band entsteht. Die Firma GASKATEL aus Kassel stellt bis heute Gasdiffusionselektroden nach diesem Verfahren her. Diese Elektrodenbänder wurden unter anderem zur Herstellung der sogenannten EloFlux-Brennstoffzellen eingesetzt, wobei die Elektroden lediglich von einer Membran getrennt, aufeinandergepresst und mit Epoxidharz zu Blöcken vergossen wurden. Es konnten Stromdichten bis 250 mA/cm² erzielt werden, der Herstellungsprozess war jedoch aufwändiger als ursprünglich geplant. Die Firma SIEMENS entwickelte in den 1990er Jahren ein Brennstoffzellensystem mit mobilem Elektrolyten, der in einen schmalen Spalt zwischen den Elektroden gepumpt wurde, um Wärme und Reaktionswasser zu- und abzuführen. Es konnten Stromdichten bis 400 mA/cm² erzielt werden. Durch ein zusätzliches eingesetztes Druckkissen mit Stickstoff als Pressgas wurde das Gesamtsystem jedoch aufwendig und schwer. Zu Gunsten deutlich höherer Energiedichten hat sich daher die Brennstoffzellenforschung in den letzten 2 bis 3 Jahrzehnten fast ausschließlich auf die Entwicklung von PEM-Brennstoffzellen konzentriert. Mittels sehr dünner Polymer-Elektrolyt-Membranen können heute Stromdichten von über 1500 mA/cm² erzielt werden.In [Kurzw2016] the most important developments of alkaline fuel cells of the past decades are summarized. In alkaline fuel cells with monopolar construction, each electrode is individually led to the outside via a Stromleitbleche. The gas distribution is thus decoupled from the power supply and the use of expensive bipolar plates can be dispensed with. Based on this principle, the Belgian company ELENCO produced fuel cells for various applications in the 1970s and 1990s. The electrodes were made of activated carbon and platinum with PTFE for hydrophobization and were rolled on nickel nets. The individual electrodes were set in ABS injection-molded frames and welded into modules. Relatively low current densities up to 150 mA / cm ^{2 were} achieved. In the 1980s, VARTA developed a process for the production of zinc-air batteries, in which RANEY nickel and other powdered catalyst materials are wrapped by "reactive mixing" in a knife mill of PTFE filaments. The mixture is then rolled in a roll mill continuously on wire nets, creating a flexible band. The company GASKATEL from Kassel still produces gas diffusion electrodes according to this method. These electrode bands were used inter alia for the production of the so-called EloFlux fuel cells, wherein the electrodes were separated only from a membrane, pressed together and potted with epoxy resin into blocks. Current densities up to 250 mA / cm ² could be achieved, but the manufacturing process was more complex than originally planned. The company SIEMENS developed in the 1990s a fuel cell system with mobile electrolyte, which was pumped into a narrow gap between the electrodes to supply and remove heat and water of reaction. Current densities up to 400 mA / cm ² could be achieved. However, by an additional pressure pad with nitrogen used as a compressed gas, the entire system was complicated and difficult. In favor of significantly higher energy densities, therefore, fuel cell research has focused almost exclusively on the development of PEM fuel cells in the past 2 to 3 decades. By means of very thin polymer electrolyte membranes current densities of over 1500 mA / cm ² can be achieved today.

In [DWV2018] findet sich ein Hinweis, dass die jüngsten Entwicklungen und F&E-Investitionen wieder in die Richtung der alkalischen Brennstoffzellen gehen. So hat das Center for Alkaline-Based Energy Solutions, CABES, an der amerikanischen Cornell-Universität, gerade eine Förderung über 10 Millionen US-Doller für die Weiterentwicklung der alkalischen Brennstoffzellentechnologie erhalten. Da in PEM-Brennstoffzellen das sehr teure Platin als Katalysator und kostenintensive Bipolarplatten unverzichtbare Bestandteile sind, können die Herstellkosten, auch bei Massenproduktion, nicht wesentlich weiter gesenkt werden. Bei alkalischen Brennstoffzellen können grundsätzlich günstige Nickel-Katalysatoren und einfache Kunststoffe eingesetzt werden. In [DWV2018], there is an indication that recent developments and R & D investment are returning to the direction of alkaline fuel cells. For example, the Center for Alkaline-Based Energy Solutions, CABES, at Cornell University in the US, has just received a grant of over US $ 10 million for the further development of alkaline fuel cell technology. Since the very expensive platinum catalyst and costly bipolar plates are indispensable components in PEM fuel cells, the production costs, even in mass production, can not be significantly reduced. In alkaline fuel cells can basically be used cheap nickel catalysts and simple plastics.

In [ EP2398101A1 ] ist eine Gasdiffusionselektrode beschrieben, die auf der Rückseite mit einem wässrigen alkalischen Elektrolyten und auf der Vorderseite mit einem sauerstoffreichen Gas in Verbindung steht. Die Elektrode besteht im Wesentlichen aus einem elektrisch leitenden Träger und einer porösen Beschichtung auf Basis eines elektrochemisch aktiven Katalysators und eines hydrophoben Materials. Als katalytisch aktives Material für die Sauerstoffreduktion wird insbesondere Silber als Ersatz für Platin vorgeschlagen. Durch gezielte Einstellung von Hydrophobierung, Porengröße, Flüssigkeits- und Gasdruck kann die Benetzung der porösen Struktur und damit die elektrochemische Leistung der Gasdiffusionselektrode optimiert werden. Die Elektrode eignet sich besonders für den Bau von monopolaren Zellanordnungen, bei denen der flüssige Elektrolyt in einen Spalt zwischen die Elektroden gepumpt wird. Vorteilhafterweise wird hierfür die Gasseite der Elektrode mit einer PTFE-Membran abgedeckt, um die Gasräume frei von Flüssigkeit zu halten. Hierfür ist ein geeigneter konstruktiver Aufbau erforderlich.In [ EP2398101A1 ] describes a gas diffusion electrode which is connected on the back with an aqueous alkaline electrolyte and on the front with an oxygen-rich gas. The electrode consists essentially of an electrically conductive support and a porous coating based on an electrochemically active catalyst and a hydrophobic material. As a catalytically active material for the oxygen reduction, in particular silver is proposed as a substitute for platinum. By targeted adjustment of hydrophobing, pore size, liquid and gas pressure, the wetting of the porous structure and thus the electrochemical performance of the gas diffusion electrode can be optimized. The electrode is particularly suitable for the construction of monopolar cell assemblies in which the liquid electrolyte is pumped into a gap between the electrodes. Advantageously, for this purpose, the gas side of the electrode is covered with a PTFE membrane in order to keep the gas spaces free of liquid. For this purpose, a suitable structural design is required.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Brennstoffzellen- oder elektrolysezellen-Modul mit flüssigem Elektrolyten für Laboruntersuchungen, zur Charakterisierung von Elektroden, vorzugsweise im alkalischen Milieu und für den Aufbau von Stacks und Brennstoffzellensystemen bereitzustellen. Die einzelnen Komponenten, insbesondere die Gasdiffusionselektroden, sollen hierbei einfach und praktikabel austauschbar und möglichst als gerahmte und vorgefertigte Module erhältlich sein. Konstruktive Änderungen sollen in angemessener Zeit und kostengünstig umgesetzt und aufwendige mehrstufige Fertigungsprozesse vermieden werden. Es soll auch bei kleinen Stückzahlen möglich sein, mit geringen Herstellkosten einfache Laborzellen und Anschauungsmodelle aufzubauen. Auf der anderen Seite soll eine modulare Erweiterbarkeit und Skalierbarkeit gegeben sein, um kostengünstige Stacks und Brennstoffzellensysteme auch in größeren Stückzahlen herstellen zu können.The object of the present invention is therefore to provide a fuel cell or electrolysis cell module with liquid electrolyte for laboratory investigations, for the characterization of electrodes, preferably in an alkaline environment and for the construction of stacks and fuel cell systems. The individual components, in particular the gas diffusion electrodes, should be easily and practically replaceable and possibly available as framed and prefabricated modules. Constructive changes should be implemented within a reasonable time and cost-effective and complex multi-level manufacturing processes should be avoided. It should also be possible for small quantities to build simple laboratory cells and visual models with low production costs. On the other hand, modular extensibility and scalability should be given in order to be able to produce cost-effective stacks and fuel cell systems in larger quantities.

Gelöst wird die Aufgabe durch ein Brennstoffzellen- oder Elektrolysezellen-Modul, nachfolgend als Brennstoffzelle (1) bezeichnet, umfassend wenigstens zwei Gasverteilerschichten (2), wenigstens zwei Elektroden (3), wenigstens zwei Stromleitbleche (5), wenigstens einem Elektrolytrahmen (6), wenigstens eine Stützstruktur (7), wenigstens eine Gas-Separator-Membran (8), zwei Endplatten (9), Schrauben (10) und Rohrverbinder (11) für die Zufuhr und Abfuhr von Gasen und flüssigem Elektrolyten, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasverteilschichten (2), die Stromleitbleche (5), der Elektrolytrahmen (6) und die Endplatten (9) aus flachem Plattenmaterial ausgeschnitten sind, wodurch eine besonders kostengünstige Herstellung sowohl bei niedrigen, als auch bei hohen Stückzahlen möglich ist.The object is achieved by a fuel cell or electrolysis cell module, hereinafter referred to as fuel cell ( 1 ) comprising at least two gas distributor layers ( 2 ), at least two electrodes ( 3 ), at least two baffles ( 5 ), at least one electrolyte frame ( 6 ), at least one support structure ( 7 ), at least one gas separator membrane ( 8th ), two end plates ( 9 ), Screws ( 10 ) and pipe connectors ( 11 ) for the supply and removal of gases and liquid electrolyte, characterized in that the gas distribution layers ( 2 ), the flow baffles ( 5 ), the electrolyte frame ( 6 ) and the end plates ( 9 ) are cut out of flat plate material, whereby a particularly cost-effective production is possible both at low, as well as in high quantities.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungsfiguren näher erläutert. Diese zeigen

1 eine Explosionszeichnung der Brennstoffzelle mit den wesentlichen Komponenten,
2 eine Schnittdarstellung (nicht maßstabsgetreu) gemäß Schnittlinie A-A in 1,
3 eine Schnittdarstellung der Brennstoffzelle (nicht maßstabsgetreu) mit einer dicken Endplatte und darin integrierte Systemkomponenten.

The invention is explained in more detail with reference to embodiments in the drawing figures. These show

1 an exploded view of the fuel cell with the essential components,
2 a sectional view (not to scale) according to section line AA in 1 .
3 a sectional view of the fuel cell (not to scale) with a thick end plate and system components integrated therein.

Das insgesamt mit 1 bezeichnete Brennstoffzellen- oder Elektrolysezellen-Modul, nachfolgen als Brennstoffzelle bezeichnet, besteht aus wenigstens zwei Elektroden 3, die zusammen mit einem dazwischen angeordneten Elektrolytrahmen 6 eine elektrochemische Zelle bilden. Bei den Elektroden 3 handelt es sich bevorzugt um Gasdiffusionselektroden, bei denen eine katalytisch aktive Mixtur auf einen elektrisch leitenden Träger aufgebracht wird. Die Elektroden 3 werden hierzu beidseitig auf einen Elektrolytrahmen 6 gepresst, wobei eine im Elektrolytrahmen 6 befindliche Stützstruktur 7 für einen definierten Flächenabstand der Elektroden 3 sorgt und der Elektrodenabstand 0,5 bis 5 mm, bevorzugt 1 bis 2 mm aufweist. Der Elektrolytrahmen 6 ist aus Flachdichtungsmaterial zugeschnitten, dessen Dicke dem Elektrodenabstand und damit der Dicke der Stützstruktur 7 entspricht, oder der Elektrolytrahmen 6 besteht aus einem harten Kunststoff und wird mit zwei dünnen Flachdichtungen jeweils zwischen Elektrode 3 und Elektrolytrahmen 6 abgedichtet, wobei in diesem Fall die Gesamtdicke aus Elektrolytrahmen 6 und den beiden dünnen Flachdichtungen dem Elektrodenabstand und damit der Dicke der Stützstruktur 7 entspricht. Im Betrieb wird der Elektrolytrahmen 6 durch Bohrungen 18 mit flüssigem Elektrolyten befüllt, so dass die beiden gegenüberliegenden Elektroden 3 elektrochemisch miteinander in Kontakt stehen.The generally designated 1 fuel cell or electrolysis cell module, hereinafter referred to as a fuel cell, consists of at least two electrodes 3 , which together with an electrolyte frame in between 6 form an electrochemical cell. At the electrodes 3 These are preferably gas diffusion electrodes in which a catalytically active mixture is applied to an electrically conductive carrier. The electrodes 3 Be on both sides of an electrolyte frame 6 pressed, with one in the electrolyte frame 6 located support structure 7 for a defined surface spacing of the electrodes 3 ensures and the electrode spacing 0.5 to 5 mm, preferably 1 to 2 mm. The electrolyte frame 6 is cut from flat sealing material whose thickness is the electrode spacing and thus the thickness of the support structure 7 corresponds, or the electrolyte frame 6 It is made of a hard plastic and comes with two thin flat gaskets each between the electrode 3 and electrolyte frame 6 sealed, in which case the total thickness of electrolyte frame 6 and the two thin gaskets the electrode spacing and thus the thickness of the support structure 7 equivalent. In operation, the electrolyte frame 6 through holes 18 filled with liquid electrolyte, leaving the two opposite electrodes 3 electrochemically in contact with each other.

Eine Elektrode 3 ist jeweils eingerahmt von einem Stromleitblech 5, wobei die bevorzugt rechteckig ausgeführte Elektrode in Breite B und Höhe H bevorzugt 2 bis 5 mm kleiner zugeschnitten ist als Breite und Höhe der bevorzugt rechteckigen Aussparung des jeweiligen Stromleitbleches 5. Ein elektrisch leitender Träger, vorzugsweise ein Drahtnetz 4, das auf die Rückseite der Elektrode 3 aufgewalzt ist, zeigt zum Elektrolytrahmen 6 und ist in Breite B und Höhe H größer zugeschnitten als die Elektrode 3, so dass eine Überlappung von Drahtnetz 4 und Stromleitblech 5 gegeben ist, wie schematisch und nicht maßstabsgetreu in 2 gezeigt, wobei die Überlappung von Drahtnetz 4 und Stromleitblech 5 ringsum, in einem Streifen mit einer Breite von 2 bis 10 mm, bevorzugt 3 bis 5 mm beträgt. Die Dicke der Elektrode 3 entspricht der Dicke des Stromleitbleches 5 und beträgt bevorzugt 0,1 bis 0,5 mm, besonders bevorzugt 0,3 mm. Die Stromleitbleche 5 sind aus Metallblech mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit, bevorzugt vernickeltes Kupferblech, besonders bevorzugt Nickelblech, gefertigt. An electrode 3 is framed by a power baffle 5 , wherein the preferably rectangular running electrode in width B and height H preferably 2 to 5 mm smaller than the width and height of the preferably rectangular recess of the respective Stromleitbleches 5 , An electrically conductive carrier, preferably a wire mesh 4 on the back of the electrode 3 rolled up points to the electrolyte frame 6 and is cut larger in width B and height H than the electrode 3 , so that an overlap of wire mesh 4 and Stromleitblech 5 given as schematic and not to scale in 2 shown, with the overlap of wire mesh 4 and Stromleitblech 5 all around, in a strip having a width of 2 to 10 mm, preferably 3 to 5 mm. The thickness of the electrode 3 corresponds to the thickness of the Stromleitbleches 5 and is preferably 0.1 to 0.5 mm, particularly preferably 0.3 mm. The flow baffles 5 are made of sheet metal with a high electrical conductivity, preferably nickel-plated copper sheet, particularly preferably nickel sheet.

Auf der Vorderseite der Elektroden 3, der Gasseite, sind jeweils eine Gasverteilschicht 2 auf die Elektroden 3 und Stromleitbleche 5 gepresst. Die Gasverteilschichten 2 sind aus weichem Dichtungsmaterial zugeschnitten oder aus einem härteren Material in Kombination mit einer dünnen Flachdichtung. Die Gasverteilung erfolgt vorzugsweise über eine Mäanderstruktur, wobei die Stege abwechselnd linkseitig und rechtsseitig am Hauptrahmen anhängen, da auf diese Weise fertigungstechnisch aufwendige 3D-Strukturen vermieden werden können. Eine PTFE-Membran, die undurchlässig für den flüssigen Elektrolyten und durchlässig für die Reaktionsgase ist, wird bevorzugt gasseitig auf die Elektrode aufgewalzt, um eine Abdichtung zum Gasraum zu erzielen. Ein darunter liegende, hydrophobe, Schicht der Elektrode, verhindert zusammen mit der PTFE-Membran, dass flüssiger Elektrolyt in die Gasräume gelangt. Die Gasverteilschichten 2 werden direkt dichtend auf die gasseitig aufgebrachte PTFE-Membran der Elektrode 3 gepresst oder zusätzlich verklebt. Eine Elektrode 3 kann vorteilhafterweise eingerahmt von einem Stromleitblech 5 und zusammen mit einer Gasverteilschicht 2 verklebt und verpresst als Halbzelle vorgefertigt werden.On the front of the electrodes 3 , the gas side, are each a gas distribution layer 2 on the electrodes 3 and Stromleitbleche 5 pressed. The gas distribution layers 2 are made of soft sealing material or made of a harder material in combination with a thin flat gasket. The gas distribution preferably takes place via a meandering structure, the webs alternately hanging on the left side and the right side on the main frame, since in this way production-consuming 3D structures can be avoided. A PTFE membrane, which is impermeable to the liquid electrolyte and permeable to the reaction gases, is preferably rolled on the gas side of the electrode in order to achieve a seal to the gas space. An underlying hydrophobic layer of the electrode, together with the PTFE membrane, prevents liquid electrolyte from entering the gas chambers. The gas distribution layers 2 be directly sealing on the gas side applied PTFE membrane of the electrode 3 pressed or glued additionally. An electrode 3 can be advantageously framed by a Stromleitblech 5 and together with a gas distribution layer 2 glued and pressed to be prefabricated as a half cell.

Eine Gas-Separator-Membran 8 wird elektrolytseitig auf eine der Elektroden 3 aufgelegt, bevorzug auf der Wasserstoffseite und zusätzlich zwischen Elektrode 3 und Elektrolytrahmen 6 oder zwischen Dichtung und Elektrolytrahmen 6 oder zwischen Elektrode 3 und Dichtung abdichtend eingeklemmt, um zu verhindern, dass im Elektrolyten befindliches Gas zur gegenüberliegenden Elektrode 3 gelangt und dort zur einer Knallgasreaktion führt.A gas separator membrane 8th becomes the electrolyte side on one of the electrodes 3 applied, preferably on the hydrogen side and in addition between the electrode 3 and electrolyte frame 6 or between gasket and electrolyte frame 6 or between electrode 3 and seal sealingly clamped to prevent gas in the electrolyte to the opposite electrode 3 reaches and there leads to a detonating gas reaction.

Zwei Halbzellen bilden zusammen mit je einem Elektrolytrahmen 6, einer Stützstruktur 7 und einer Membran 8 eine elektrochemische Zelle. Mehrere elektrochemische Zellen können aufeinander gestapelt zu einem Stack kombiniert werden, wobei zwischen den Gasverteilschichten zweier benachbarter Zellen zusätzliche Gasleitplatten (nicht dargestellt) eingefügt werden. Durch die monopolare Bauweise kann jede einzelne Halbzelle elektrisch kontaktiert werden. Die Zellen können elektrisch beliebig in Reihe oder parallel verschaltet werden.Two half cells form together with one electrolyte frame each 6 , a support structure 7 and a membrane 8th an electrochemical cell. A plurality of electrochemical cells can be stacked and combined into a stack, with additional gas guide plates (not shown) inserted between the gas distribution layers of two adjacent cells. Due to the monopolar design, each individual half-cell can be electrically contacted. The cells can be electrically interconnected in series or in parallel.

Endplatten 9 werden direkt oder mit einer zusätzlichen Flachdichtung auf die Gasverteilschichten 2 der jeweils äußeren Halbzellen gedrückt und diese mit Schrauben 10 miteinander verschraubt. Für die Zu- und Abfuhr der Gase und des flüssigen Elektrolyten sind Rohrverschraubungen 11 in die Endplatten 9 eingeschraubt. Zur Vermeidung von unerwünschter Korrosion, sind die Schrauben 10 und Rohrverschraubungen 11 bevorzugt aus Kunststoff, besonders bevorzugt aus Polypropylen gefertigt.endplates 9 be directly or with an additional gasket on the Gasverteilschichten 2 the outer half cells pressed and these with screws 10 screwed together. For the supply and discharge of gases and the liquid electrolyte are tube fittings 11 in the end plates 9 screwed. To avoid unwanted corrosion, the screws are 10 and pipe fittings 11 preferably made of plastic, particularly preferably made of polypropylene.

Für den Betrieb der Brennstoffzelle 1 muss diese über Rohrverschraubungen 11 und Bohrungen 18 in den Endplatten 9 mit flüssigem Elektrolyten befüllt und die Elektroden beidseitig mit Reaktionsgasen versorgt werden, wie in 3 dargestellt. Der flüssige Elektrolyt stellt hierbei die elektrochemische Verbindung zwischen zwei Elektroden 3 einer elektrochemischen Zelle dar, wobei der durch den Elektrolytrahmen 6 entstehende Spalt mit der Stützstruktur 7 vorteilhafterweise von unten mit flüssigem Elektrolyten gefüllt wird. Hierzu wird der flüssige Elektrolyt, bevorzugt wässrige Kaliumhydroxidlösung (KOH), in einem Elektrolytbehälter 13 bevorratet und über einen Temperaturregler 17 temperiert. Brennstoffzellen- oder Elektrolysezellen-Modul bei denen wenigstens eine Elektrode mit einer Flüssigkeit in Verbindung steht, wobei die Flüssigkeit reines Wasser, eine ionenleitender Elektrolyt, eine organische Flüssigkeit oder eine Mischung aus diesen Flüssigkeiten sein kann, werden ebenfalls mit temperierter Flüssigkeit versorgt. Erfindungsgemäß ist hierzu eine der beiden Endplatten 9 deutlich dicker ausgeführt, so dass der Elektrolytbehälter 13 und der Temperaturregler 17 darin integriert werden können. Hierzu ragt eine große Bohrung 18 vorzugsweise von oben in die Endplatte, wobei die Bohrung einen bevorzugten Durchmesser von 10 bis 50 mm aufweist, so dass die große Bohrung mit flüssigem Elektrolyt befüllt werden kann und damit als Elektrolytbehälter 13 fungiert. Am unteren Ende der großen Bohrung 18 befindet sich eine Querbohrung 18 die zu einer Pumpe 14 führt. Die Pumpe ist entweder direkt auf die Endplatte dichtend aufgeflanscht, oder sie ist mittels einer Rohrverschraubung 11 und eine Leitung 12 mit der Endplatte verbunden, so dass flüssiger Elektrolyt aus dem Elektrolytbehälter 13 durch die Bohrung 18 zur Saugseite der Pumpe 14 geleitet werden kann. Die Druckseite der Pumpe ist entweder durch eine direkte Verbindung, oder ebenfalls durch eine Rohrverschraubung 11 und eine Leitung 12 mit der Endplatte verbunden, so dass flüssiger Elektrolyt von der Druckseite der Pumpe 14, durch eine weitere Bohrung 18 zu wenigstens einer Elektrochemischen Zelle geleitet werden kann. Auf diese Weise kann intern temperierter Elektrolyt vorzugsweise von unten in die wenigstens eine elektrochemische Zelle gefördert werden, wobei am Ausgang der wenigstens einen elektrochemischen Zelle, vorzugsweise oben, überschüssiger Elektrolyt austritt und über eine weitere Bohrung 18 zurück in den Elektrolytbehälter geleitet werden kann. An dieser Bohrung 18, am Austritt des Elektrolyten aus der wenigstens einen elektrochemischen Zelle wird vorteilhafter Weise die Temperatur des Elektrolyten gemessen, so dass der Temperaturregler 17 durch Heizen oder Kühlen, zum Beispiel über einen in den Elektrolyten ragenden Wärmeübertrager die Temperatur der wenigstens einen elektrochemischen Zelle regeln kann. Mittels einer weiteren Bohrung, einer Rohrverschraubung 11 und einer Leitung 12 ist zusätzlich ein Zugang nach außen geschaffen durch den der Elektrolytbehälter 13 befüllt und entleert werden kann. Dieser Zugang dient auch zum Ausgleich von starken Schwankungen des Pegelstandes im Elektrolytbehälter, die durch Temperaturänderungen oder durch die Produktion oder den Verbrauch von Reaktionswasser verursacht werden können. Vorzugsweise befindet sich im unteren Bereich der Brennstoffzelle, nahe der Pumpe 13 eine zusätzliche Bohrung 12 oder ein Ventil (nicht in der Zeichnung dargestellt) über die der Elektrolytbehälter 13 entleert werden kann.For the operation of the fuel cell 1 this must be via pipe fittings 11 and drilling 18 in the end plates 9 filled with liquid electrolyte and the electrodes are supplied on both sides with reaction gases, as in 3 shown. The liquid electrolyte in this case represents the electrochemical connection between two electrodes 3 an electrochemical cell, wherein the through the electrolyte frame 6 resulting gap with the support structure 7 is advantageously filled from below with liquid electrolyte. For this purpose, the liquid electrolyte, preferably aqueous potassium hydroxide solution (KOH), in an electrolyte container 13 stocked and via a temperature controller 17 tempered. Fuel cell or electrolysis cell module in which at least one electrode in communication with a liquid, wherein the liquid may be pure water, an ion-conducting electrolyte, an organic liquid or a mixture of these liquids are also supplied with tempered liquid. According to the invention, this is one of the two end plates 9 significantly thicker, so the electrolyte tank 13 and the temperature controller 17 can be integrated in it. For this purpose, a large hole protrudes 18 preferably from above into the end plate, wherein the bore has a preferred diameter of 10 to 50 mm, so that the large bore can be filled with liquid electrolyte and thus as an electrolyte container 13 acts. At the bottom of the big hole 18 there is a transverse bore 18 to a pump 14 leads. The pump is flanged sealingly either directly on the end plate, or it is by means of a pipe fitting 11 and a line 12 connected to the end plate, allowing liquid electrolyte from the electrolyte container 13 through the hole 18 to the suction side of the pump 14 can be directed. The Pressure side of the pump is either by a direct connection, or also by a pipe fitting 11 and a line 12 connected to the end plate, allowing liquid electrolyte from the pressure side of the pump 14 , through another hole 18 can be conducted to at least one electrochemical cell. In this way, internally tempered electrolyte can preferably be conveyed from below into the at least one electrochemical cell, with excess electrolyte emerging at the outlet of the at least one electrochemical cell, preferably at the top, and via a further bore 18 back into the electrolyte container can be passed. At this hole 18 , at the outlet of the electrolyte from the at least one electrochemical cell, the temperature of the electrolyte is advantageously measured, so that the temperature controller 17 can regulate the temperature of the at least one electrochemical cell by heating or cooling, for example via a heat exchanger projecting into the electrolyte. By means of another hole, a pipe fitting 11 and a line 12 In addition, an access to the outside is created by the electrolyte container 13 can be filled and emptied. This access is also used to compensate for large fluctuations in the level in the electrolyte tank, which can be caused by temperature changes or by the production or consumption of water of reaction. Preferably, located in the lower region of the fuel cell, near the pump 13 an additional hole 12 or a valve (not shown in the drawing) over the electrolyte container 13 can be emptied.

Die Gaszufuhr der Brennstoffzelle 1 erfolgt ebenfalls über Rohrverschraubungen 11 in den Endplatten 9 sowie über Bohrungen 18, die eine Verbindung zur den Gasverteilschichten 2 herstellen. Als Brenngas wird bevorzugt Wasserstoffgas an die eine Elektrode 3 der wenigstens eine elektrochemische Zelle geführt, als Oxidatorgas wird ein sauerstoffreiches Gas, bevorzugt reiner Sauerstoff, an die andere Elektrode 3 der jeweiligen elektrochemischen Zellen geführt. Ist die Brennstoffzelle 1 aus mehreren elektrochemischen Zellen aufgebaut, so sind Bohrungen 18 und zusätzliche Gasleitplatten (nicht dargestellt) so auszuführen, dass die Gasverteilschichten 2 von jeder elektrochemischen Zelle eine Verbindung zu den Rohrverschraubungen der jeweiligen Gasart haben, so dass alle elektrochemischen Zellen in gleicher Weise jeweils auf der einen Seite von Brenngas und auf der anderen Seite von Oxidatorgas angeströmt werden. Die Brennstoffzelle 1 ist hierbei so zu gestalten, dass für jede der beiden Gasarten wenigstens ein Eingang und ein Ausgang in Form von Rohrverbindern 11 ausgeführt sind.The gas supply of the fuel cell 1 also takes place via pipe fittings 11 in the end plates 9 as well as drilling 18 that connect to the gas distribution layers 2 produce. As the fuel gas, hydrogen gas is preferably applied to the one electrode 3 the at least one electrochemical cell led, as the oxidant gas, an oxygen-rich gas, preferably pure oxygen, to the other electrode 3 guided the respective electrochemical cells. Is the fuel cell 1 built from several electrochemical cells, so are holes 18 and additional gas guide plates (not shown) to be designed such that the gas distribution layers 2 of each electrochemical cell have a connection to the pipe fittings of the respective gas type, so that all the electrochemical cells are in the same way respectively flowed on the one side of fuel gas and on the other side of oxidant gas. The fuel cell 1 is to be designed so that for each of the two types of gas at least one input and one output in the form of pipe connectors 11 are executed.

Zur Einstellung der Gasdrücke in der Zelle wird vorteilhafterweise je ein elektronisches oder mechanisches Druckregelventil 16, über eine Leitung 12 mit dem entsprechenden Rohrverbinder 11 des Ausgangs der entsprechenden Gasart verbunden. Die Eingänge der beiden Gasarten sind über Leitungen 12 mit den Gasquellen verbunden, wobei zusätzlich je Gasart eine Abzweigung zu einem Druckaufnehmer 19 ausgeführt ist. Die Abzweigungen zu den Druckaufnehmern 19 können auch in den Leitungen zwischen Ausgängen und Druckregelventilen 16 abgezweigt werden. Als Gasquellen werden bevorzugt Druckgasflaschen in Kombination mit je einem Druckminderer eingesetzt. Ein Elektrolyseur kann ebenfalls bevorzugt eingesetzt werden, um die Brennstoffzelle mit reinem Wasserstoff und reinem Sauerstoff zu versorgen.To adjust the gas pressures in the cell is advantageously ever an electronic or mechanical pressure control valve 16 , via a wire 12 with the corresponding pipe connector 11 connected to the output of the corresponding gas type. The inputs of the two gas types are via lines 12 connected to the gas sources, in addition, each gas type a branch to a pressure transducer 19 is executed. The branches to the pressure transducers 19 can also be in the lines between outputs and pressure control valves 16 be diverted. As gas sources compressed gas cylinders are preferably used in combination with one pressure reducer. An electrolyzer may also be preferably used to supply the fuel cell with pure hydrogen and pure oxygen.

Die Brennstoffzelle 1 kann sowohl gasverbrauchend im Brennstoffzellenbetrieb als auf gaserzeugend im Elektrolysebetrieb arbeiten. Hierbei stellt jeweils eine Elektrode 3 mit einem Stromleitblech 5 einer elektrochemischen Zelle den Pluspol und die andere Elektrode 3 mit Stromleitblech 5 den Minuspol dar. Sind mehrere elektrochemische Zellen in Reihe geschaltet, so ist jeweils der Minuspol der einen Zelle mit dem Pluspol einer anderen Zelle verschaltet. Sind mehrere elektrochemische Zellen parallelgeschaltet, so werden jeweils die Pluspole mit den Pluspolen und die Minuspole mit den Minuspolen verschaltet. Die Verschaltung erfolgt bevorzugt durch elektrische Kontaktierung der entsprechenden Stromleitbleche 5. Im Brennstoffzellenbetrieb wird der Pluspol und der Minuspol der Brennstoffzelle 1 an einen elektrischen Verbraucher 15 angeschlossen. Für Laboruntersuchungen wird der elektrische Widerstand des Verbrauchers, bevorzugt über einen spannungsgeführten oder besonders bevorzugt über einen stromgeführten elektronisch geregelten Lastwiderstand, schrittweise verändert, so dass Strom-Spannungs-Kennlinien als charakteristisches Merkmal der Brennstoffzelle 1 aufgenommen werden können. Im Elektrolysebetrieb wird der Pluspol und der Minuspol der Brennstoffzelle 1 an die entsprechenden Pole einer Spannungsquelle 15 angeschlossen. Für Laboruntersuchungen wird die elektrische Spannung bevorzugt über ein spannungsgeführtes oder besonders bevorzugt über ein stromgeführtes elektronisch geregeltes Netzgerät, schrittweise verändert, so dass Strom-Spannungs-Kennlinien als charakteristisches Merkmal der Brennstoffzelle 1 aufgenommen werden können.The fuel cell 1 can work both gas consuming in fuel cell operation as gas generating in the electrolysis operation. Hereby each represents an electrode 3 with a Stromleitblech 5 one electrochemical cell the positive pole and the other electrode 3 with power baffle 5 the negative pole. If several electrochemical cells are connected in series, then each of the negative pole of one cell is connected to the positive pole of another cell. If several electrochemical cells are connected in parallel, the plus poles and the minus poles are connected to the negative poles. The interconnection is preferably carried out by electrical contacting of the corresponding Stromleitbleche 5 , In fuel cell operation, the positive pole and the negative pole of the fuel cell 1 to an electrical consumer 15 connected. For laboratory tests, the electrical resistance of the load, preferably via a voltage-controlled or particularly preferably via a current-controlled electronically controlled load resistor, gradually changed, so that current-voltage characteristics as a characteristic feature of the fuel cell 1 can be included. In electrolysis operation, the positive pole and the negative pole of the fuel cell 1 to the corresponding poles of a voltage source 15 connected. For laboratory tests, the electrical voltage is preferably changed over a voltage-controlled or more preferably via a current-controlled electronically controlled power supply, stepwise, so that current-voltage characteristics as a characteristic feature of the fuel cell 1 can be included.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Brennstoffzellefuel cell
22: GasverteilerschichtGas distribution layer
33: Elektrodeelectrode
44: Drahtnetzwire mesh
55: StromleitblechStromleitblech
6 6: Elektrolytrahmenelectrolyte frame
77: Stützstruktursupport structure
88th: Gas-Separator-MembranGas separator membrane
99: Endplatteendplate
1010: Schraubenscrew
1111: Rohrverschraubungentube fittings
1212: Leitungencables
1313: Elektrolytbehälterelectrolyte container
1414: Pumpepump
1515: Spannungsquelle / elektrischer VerbraucherVoltage source / electrical consumer
1616: DruckregelventilPressure control valve
1717: Temperaturreglerthermostat
1818: Bohrungendrilling
1919: DruckaufnehmerPressure transducer

Referenzenreferences

[Dihrab2009] S. Dihrab, K. Sopian, M.A. Alghoul, M.Y. Sulaiman: Review of membrane bipolar plates materials for conventional und unitized regenerative fuel cells. Renewables and Sustainable Energy Reviews 13 (2009) 1663-1668 [Dihrab2009] S. Dihrab, K. Sopian, MA Alghoul, MY Sulaiman: Review of membrane bipolar plates materials for conventional and unitized regenerative fuel cells. Renewables and Sustainable Energy Reviews 13 (1663-1668)
[DWV2018] Deutscher Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Verband: Nicht mehr sauer. Wasserstoff-Spiegel Nr. 5 (2018)[DWV2018] German Hydrogen and Fuel Cell Association: No more acidic. Hydrogen Mirror No. 5 (2018)
[Kurzw2016] P. Kurzweil: Brennstoffzellentechnik. Springer Vieweg, Wiesbaden (2016)[Kurzw2016] P. Kurzweil: Fuel Cell Technology. Springer Vieweg, Wiesbaden (2016)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102017130489 A1 [0004]DE 102017130489 A1 [0004]
DE 112005002612 T5 [0005]DE 112005002612 T5 [0005]
EP 2398101 A1 [0008]EP 2398101 A1 [0008]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

S. Dihrab, K. Sopian, M.A. Alghoul, M.Y. Sulaiman: Review of membrane bipolar plates materials for conventional und unitized regenerative fuel cells. Renewables and Sustainable Energy Reviews 13 (2009) 1663-1668 [0021]S. Dihrab, K. Sopian, M.A. Alghoul, M.Y. Sulaiman: Review of membrane bipolar plates for conventional and unitized regenerative fuel cells. Renewables and Sustainable Energy Reviews 13 (2009) 1663-1668 [0021]

Claims

Brennstoffzellen- oder Elektrolysezellen-Modul, nachfolgend als Brennstoffzelle (1) bezeichnet, umfassend wenigstens zwei Gasverteilerschichten (2), wenigstens zwei Elektroden (3), wenigstens zwei Stromleitbleche (5), wenigstens einem Elektrolytrahmen (6), wenigstens eine Stützstruktur (7), wenigstens eine Gas-Separator-Membran (8), zwei Endplatten (9), Schrauben (10) und Rohrverbinder (11) für die Zufuhr und Abfuhr von Gasen und flüssigem Elektrolyten, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasverteilschichten (2), die Stromleitbleche (5), der Elektrolytrahmen (6) und die Endplatten (9) aus flachem Plattenmaterial ausgeschnitten sind, wodurch eine besonders kostengünstige Herstellung sowohl bei niedrigen, als auch bei hohen Stückzahlen möglich ist.Fuel cell or electrolysis cell module, hereinafter referred to as fuel cell (1) comprising at least two gas distributor layers (2), at least two electrodes (3), at least two Stromleitbleche (5), at least one electrolyte frame (6), at least one support structure (7) , at least one gas separator membrane (8), two end plates (9), screws (10) and tube connectors (11) for the supply and removal of gases and liquid electrolyte, characterized in that the gas distribution layers (2), the Stromleitbleche (5), the electrolyte frame (6) and the end plates (9) are cut out of flat plate material, whereby a particularly cost-effective production is possible in both low and high quantities.

Brennstoffzelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (3) Gasdiffusionselektroden sind, bei denen eine katalytisch aktive und mit einem hydrophoben Material versetzte Substanz mit poröser Struktur auf einen elektrisch leitenden Träger, bevorzugt ein Drahtnetz (4), aufgetragen ist, wobei die zur Gasverteilschicht (2) zeigenden Vorderseite der Elektrode (3) optional mit einer Membran abgedeckt ist, die durchlässig für die Reaktionsgase und undurchlässig für einen flüssigen Elektrolyten ist und die bevorzugt aus PTFE hergestellt ist.Fuel cell (1) after Claim 1 Characterized in that the electrodes (3) are gas diffusion electrodes in which a catalytically active and mixed with a hydrophobic material substance with a porous structure on an electrically conductive support, preferably a wire mesh (4) is applied, wherein the (for Gasverteilschicht 2 ) is optionally covered with a membrane which is permeable to the reaction gases and impermeable to a liquid electrolyte and which is preferably made of PTFE.

Brennstoffzelle (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, mit gerahmten Elektroden, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine, bevorzugt rechteckig zugeschnittene Elektrode (3), mit einer Breite (B) und einer Höhe (H), von jeweils einem Stromleitblech (5), mit einer ebenfalls bevorzugt rechteckigen Aussparung, eingefasst ist, wobei die bevorzugt rechteckige Aussparung im Stromleitblech (5) in der Breite (B) und in der Höhe (H) bevorzugt 1 bis 10 mm, besonders bevorzugt 2 bis 6 mm, größer dimensioniert ist als die Elektrode (3), sowie mit einem rückseitig auf die Elektrode (3) aufgebrachten elektrisch leitenden Träger, bevorzugt ein Drahtnetz (4), das in Breite (B) und Höhe (H) 1 bis 20 mm, bevorzugt 4 bis 10 mm größer zugeschnitten ist als die Aussparung im Stromleitblech, so dass durch die Überlappung von Drahtnetz (4) und Stromleitblech (5) eine gute elektrische Kontaktierung von Elektrode (3) und Stromleitblech (5) gegeben ist, wobei die Dicke des Stromleitbleches (5) der Gesamtdicke aus Elektrode (3) und Drahtnetz (4) entspricht.Fuel cell (1) according to one of the preceding claims, with framed electrodes, characterized in that in each case one, preferably rectangular cut electrode (3), having a width (B) and a height (H), each of a Stromleitblech (5), with a likewise preferably rectangular recess, wherein the preferably rectangular recess in the Stromleitblech (5) in the width (B) and in the height (H) preferably 1 to 10 mm, particularly preferably 2 to 6 mm, is larger than the electrode (3), as well as with an electrically conductive support applied to the back of the electrode (3), preferably a wire mesh (4), which in width (B) and height (H) 1 to 20 mm, preferably 4 to 10 mm larger is cut as the recess in Stromleitblech, so that by the overlap of wire mesh (4) and Stromleitblech (5) a good electrical contact of electrode (3) and Stromleitblech (5) is given, wherein the thickness of Stromleitbleches (5 ) corresponds to the total thickness of electrode (3) and wire mesh (4).

Brennstoffzelle (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, mit elektrochemischen Halbzellen, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils auf die Vorderseite der Elektrode, die optional mit einer Membran abgedeckt ist, die durchlässig für die Reaktionsgase und undurchlässig für den eingesetzten flüssigen Elektrolyten ist, eine Gasverteilschicht (2) aufgepresst ist, die wenigstens einen, bevorzugt mäanderförmig gestalteten, Gaskanal aufweist, wobei die Stege jeweils abwechselnd links und rechts am Rahmen anhängen und die Gasverteilschicht (2) aus einer weichen Flachdichtung ausgeschnitten ist, oder aus einem härteren Material ausgeschnitten ist und mit zwei beidseitig aufgelegten dünnen Flachdichtungen kombiniert wird, wobei die Gasverteilschicht (2) auf die Vorderseite der Elektrode (3), bevorzugt auf die Membran, dichtend aufgepresst wird oder zusätzlich verklebt wird, so dass jeweils eine Elektrode (3) mit einem Drahtnetz (4), einem Stromleitblech (4) und einer Gasverteilschicht (2) eine elektrochemische Halbzelle bilden.Fuel cell (1) according to one of the preceding claims, with electrochemical half cells, characterized in that in each case on the front of the electrode, which is optionally covered with a membrane which is permeable to the reaction gases and impermeable to the liquid electrolyte used, a gas distribution layer ( 2) is pressed, which has at least one, preferably meander-shaped, gas channel, wherein the webs alternately left and right attach to the frame and the Gasverteilschicht (2) is cut out of a soft flat gasket, or cut out of a harder material and with two combined thin gaskets on both sides, wherein the Gasverteilschicht (2) on the front of the electrode (3), preferably on the membrane, sealingly pressed or is additionally glued, so that in each case one electrode (3) with a wire mesh (4), a Stromleitblech (4) and a Gasverteilschi (2) form an electrochemical half-cell.

Brennstoffzelle (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, umfassend wenigstens eine elektrochemische Zelle, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei gerahmte Elektroden (3) mit den Rückseiten auf einen Elektrolytrahmen (6) gepresst werden, der aus einer weichen Flachdichtung ausgeschnitten ist, oder der aus einem härteren Material ausgeschnitten ist und mit zwei beidseitig aufgelegten dünnen Flachdichtungen kombiniert wird, wobei der Elektrolytrahmen (6) eine, bevorzugt rechteckige, besonders bevorzugt sechseckige, Aussparung aufweist, in der eine Stützstruktur (7) angeordnet ist, die Kanäle oder Poren enthält, so dass sie leicht von flüssigem Elektrolyten durchströmt werden kann und deren Dicke der Dicke des Elektrolytrahmens (6) oder der Dicke des Elektrolytrahmens (6) in Kombination mit zwei beidseitig aufgelegten dünnen Flachdichtungen entspricht, wobei die Dicke der Stützstruktur (7) den Elektrodenabstand definiert und bevorzugt 0,5 bis 4 mm, besonders bevorzugt 1 bis 2 mm beträgt, wobei wenigstens eine Elektrode (3), in jeder elektrochemischen Zelle, auf der zum flüssigen Elektrolyten zeigende Rückseite mit einer Gas-Separator-Membran (8) abgedeckt ist, die durchlässig für gelöste Ionen und undurchlässig für Gasmoleküle ist, wobei diese jeweils zwischen einer Elektrode (3) und dem Elektrolytrahmen (6) oder zwischen einer Elektrode und einer der dünnen Flachdichtungen auf dem Elektrolytrahmen (6), oder zwischen einer dünnen Flachdichtungen und dem Elektrolytrahmen (6) dichtend eingeklemmt wird.Fuel cell (1) according to one of the preceding claims, comprising at least one electrochemical cell, characterized in that in each case two framed electrodes (3) are pressed with their backs on an electrolyte frame (6) which is cut out of a soft flat gasket, or of a harder material is cut out and combined with two thin flat gaskets placed on both sides, wherein the electrolyte frame (6) has a, preferably rectangular, particularly preferably hexagonal, recess in which a support structure (7) containing channels or pores is arranged that it can easily be traversed by liquid electrolyte and whose thickness corresponds to the thickness of the electrolyte frame (6) or the thickness of the electrolyte frame (6) in combination with two thin gaskets applied on both sides, wherein the thickness of the support structure (7) defines and prefers the electrode spacing 0.5 to 4 mm, more preferably 1 to 2 mm, wherein at least one electrode (3), in each electrochemical cell, is covered on the rear facing the liquid electrolyte with a gas separator membrane (8) which is permeable to dissolved ions and impermeable to gas molecules this is in each case sealingly clamped between an electrode (3) and the electrolyte frame (6) or between an electrode and one of the thin flat gaskets on the electrolyte frame (6), or between a thin flat gaskets and the electrolyte frame (6).

Brennstoffzelle (1) nach einem vorherigen Ansprüche, umfassend mehrere elektrochemische Zellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbzellen in monopolarer Bauweise einzeln elektrisch kontaktiert werden können, so dass die elektrochemischen Zellen, durch elektrische Kontaktierung der Stromleitbleche, beliebig elektrisch in Reihe oder parallel verschaltet werden können, wobei die mehreren elektrochemischen Zellen zu einem Zellstapel aufeinandergeschichtet und zwischen zwei miteinander verschraubten Endplatten verpresst werden und wobei jeweils zwei benachbarte Halbzellen über eine zusätzlich vorzusehende, zwischen den Halbzellen angeordnete Gasleitpatte und über Bohrungen (18) jeweils mit derselben Gasart versorgt werden.Fuel cell (1) according to any preceding claim, comprising a plurality of electrochemical cells, characterized in that the half-cells can be contacted individually in a monopolar manner, so that the electrochemical cells, by electrical contacting of the Stromleitbleche, can be electrically interconnected in series or in parallel wherein the plurality of electrochemical cells are stacked into a cell stack and compressed between two end plates bolted together, and wherein each two adjacent half cells are additionally provided between the half cells arranged gas guide plate and holes (18) are each supplied with the same gas.

Brennstoffzelle (1) mit einem flüssigem Medium wie Wasser, einer organischen Flüssigkeit, einer ionenleitenden Flüssigkeit oder einer Mischung aus diesen Flüssigkeiten, nachfolgend als Elektrolyt bezeichnet, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der beiden Endplatten (9) eine größeren Dicke, vorzugsweise im Bereich zwischen 20 und 100 mm, aufweist, sowie zusätzliche Bohrungen (18) umfasst, wobei eine größere Bohrung (18), vorzugsweise einen Durchmesser im Bereich zwischen 10 und 50 mm aufweist und mit Elektrolyt angefüllt ist, so dass sie als Elektrolytbehälter (13) fungiert, der mit einem Temperaturregler (17) über eine Heizung oder Kühlung temperiert werden kann, wobei eine weitere Bohrung (18) das untere Ende des Elektrolytbehälters (13) mit einer Pumpe (14) verbindet, die vorzugsweise direkt auf die Endplatte (9) dichtend aufgeschraubt, oder über Rohrverbinder (11) und Leitungen (12) mit der Endplatte (9) verbunden ist, wobei eine weitere Bohrung (18) eine Verbindung des Ausgangs der Pumpe (14) mit dem Eingang der wenigstens einen elektrochemischen Zelle darstellt, so dass die wenigstens eine elektrochemische Zelle auf diese Weise mit temperiertem Elektrolyt versorgt werden kann.Fuel cell (1) with a liquid medium such as water, an organic liquid, an ion-conducting liquid or a mixture of these liquids, hereinafter referred to as electrolyte, characterized in that at least one of the two end plates (9) has a greater thickness, preferably in the range between 20 and 100 mm, and additional bores (18), wherein a larger bore (18), preferably has a diameter in the range between 10 and 50 mm and is filled with electrolyte, so that it acts as an electrolyte container (13), which can be tempered with a temperature controller (17) via a heater or cooling, wherein a further bore (18) connects the lower end of the electrolyte container (13) with a pump (14), preferably screwed sealingly directly to the end plate (9) , or via pipe connector (11) and lines (12) is connected to the end plate (9), wherein a further bore (18) has a Ve Binding of the output of the pump (14) with the input of at least one electrochemical cell, so that the at least one electrochemical cell can be supplied in this way with tempered electrolyte.

Brennstoffzelle (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, umfassend reversibel arbeitende Elektroden (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (3) so gestaltet und mit speziellen Katalysatoren ausgestattet sind, dass sie sowohl gasverbrauchend im Brennstoffzellenbetrieb als auch gaserzeugend im Elektrolysebetrieb arbeiten können, so dass eine reversible Brennstoffzelle realisiert ist, die innerhalb kürzester Zeit zwischen Brennstoffzellenbetrieb und Elektrolysebetrieb umschalten kann, wobei Reaktionswasser und Wärme in beiden Betriebsarten über den flüssigen Elektrolytfluss zwischen den Elektroden (3) zugeführt und abgeführt werden.Fuel cell (1) according to one of the preceding claims, comprising reversibly operating electrodes (3), characterized in that the electrodes (3) are designed and equipped with special catalysts that they can work both gas consuming in fuel cell operation and gas generating in the electrolysis, so that a reversible fuel cell is realized, which can switch between fuel cell operation and electrolysis within a very short time, wherein water of reaction and heat in both modes via the liquid electrolyte flow between the electrodes (3) are supplied and removed.

Brennstoffzelle (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einer Gasversorgung, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (1) jeweils für Brenngas, bevorzugt Wasserstoff, einen Gaseingang und einen Gasausgang, sowie für Oxidatorgas, bevorzugt Sauerstoff, einen Gaseingang und einen Gasausgang mit Rohrverschraubungen (11) und Leitungen (12) umfasst, wobei für jede Gasart entweder die Leitung (12) zum Gaseingang oder die Leitung (12) zum Gasausgang mit einem mechanischen oder elektronischen Druckregelventil (16) verbunden ist, so dass die jeweiligen Gasdrücke an den Elektroden (3) im Brennstoffzellenbetrieb und im Elektrolysebetrieb konstant gehalten werden.Fuel cell (1) according to one of the preceding claims, with a gas supply, characterized in that the fuel cell (1) each for fuel gas, preferably hydrogen, a gas inlet and a gas outlet, and for oxidant gas, preferably oxygen, a gas inlet and a gas outlet with pipe fittings (11) and conduits (12), wherein for each type of gas, either the conduit (12) to the gas inlet or the conduit (12) to the gas outlet is connected to a mechanical or electronic pressure regulating valve (16) so that the respective gas pressures at the electrodes (3) are kept constant in fuel cell operation and electrolysis operation.