DE10220183A1

DE10220183A1 - Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE10220183A1
Application number: DE10220183A
Authority: DE
Inventors: Yasumitsu Ito; Yoshifumi Takai; Takeshi Ishikawa
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2001-05-08
Filing date: 2002-05-06
Publication date: 2002-11-28
Anticipated expiration: 2022-05-07
Also published as: JP2002334708A; JP4232137B2; DE10220183B4; US6926982B2; US20020172844A1

Abstract

Eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle besteht aus mehreren hintereinander gestapelten Einheitszellen, welche aufweisen: einen Abschnitt zur Wasserelektrolyse und einen Brennstoffzellenabschnitt, die in der einzigen Ebene jeder Einheitszelle angeordnet sind; eine auf einer Seite einer Protonenaustauschmembran angeordnete Sauerstoffelektrode und eine auf der anderen Seite in der Stapelrichtung der Einheitszellen angeordnete Wasserstoffelektrode; eine auf beiden Seiten jeder Elektrode angeordnete Diffusionsschicht, um erzeugte Elektronen durch diese fließen zu lassen; Verbindungselemente, die außen an den Diffusionsschichten angeordnet sind und einen Gasdurchgang aufweisen, um den Brennstoffzellenabschnitt mit einem Gas zu versorgen; und einen im Verbindungselement auf der Seite der Sauerstoffelektrode angeordneten Wasserdurchgang, um den Abschnitt zur Wasserelektrolyse mit Wasser zu versorgen. Ein Brennstoffzellensystem und ein Prozeß zu dessen Herstellung sind ebenfalls offenbart.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle und ein Brennstoffzellensystem. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Polymerelekt rolyt-Brennstoffzelle vom reversiblen Typ, die einen regenerativen Strom nutzen kann, und ein System aus solchen.

Fig. 2 ist eine schematische Ansicht, die den Aufbau einer herkömmlichen Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle veranschaulicht.

Als Ionenaustauschmembran, die eine Hauptkomponente der Polymer elektrolyt-Brennstoffzelle ist, wird gewöhnlich eine "Protonenaustauschmemb ran" 6 genannte Kationenaustauschmembran verwendet. Auf beiden Seiten die ser Protonenaustauschmembran 6 sind Katalysatorschichten 4, 5 angeordnet. Als diese Katalysatorschichten 4, 5 wird häufig eine Paste mit einem auf Kohle partikel aufgebrachten Katalysator aus Platin oder einer Platinlegierung verwen det. Auf der Außenseite jeder Katalysatorschicht ist eine Gasdiffusionsschicht 2 angeordnet. Diese Diffusionsschicht 2 besteht gewöhnlich aus Kohlepapier und wird auch Kollektorschicht genannt, durch die man auf den Katalysatoren er zeugte Elektronen passieren lässt.

Auf der Außenseite der Gasdiffusionsschicht gibt es eine Platte mit einem Gaskanal 3 darin, welche als "Interkonnektor bzw. Verbindungselement" 1 (engl. interconnector) bezeichnet wird. Das Verbindungselement 1 besteht aus einer stromführenden Substanz und hat die Funktion, Brennstoffgas von einem oxidierenden Gas zu trennen. Das Brennstoffgas besteht gewöhnlich aus Was serstoffgas und Wasserdampf. Die mit diesem Wasserstoffgas enthaltenden Brennstoffgas in Kontakt gebrachte Katalysatorschicht wird "Wasserstoffelekt rode" genannt. Der Ausdruck "oxidierendes Gas", wie er hierin verwendet wird, meint ein sauerstoffhaltiges Gas wie z. B. Luft, und die mit einem oxidierenden Gas in Kontakt gebrachte Katalysatorschicht wird "Sauerstoffelektrode" ge nannt.

Wenn diese Festelektrolyt-Brennstoffzelle mit einer externen Last verbun den wird, wird Wasserstoffgas (H₂) an der Wasserstoffelektrode 4 in Protonen (H⁺) und Elektronen (e^-) zerlegt, und die Protonen gelangen durch eine Elektro lytmembran in Richtung auf die Seite der Sauerstoffelektrode 5. Nach dem Transport verbinden sich die Protonen mit Sauerstoff (O₂) und Elektronen, die in die Seite der Sauerstoffelektrode 5 geflossen sind, so daß auf dieser Seite Wasser (H₂O) erzeugt wird. Brennstoffzellen lassen Elektronen (e^-) zirkulieren, die während Prozesse mit Reaktionen unter Bildung von Wasser durch eine ex terne Schaltung ausgetauscht worden sind, wobei sie somit als Batterie wirken.

Zu dieser Zeit fließen Protonen (H⁺) zusammen mit umgebenden Wasser molekülen in der Form von Clustern. Dies ist eine sogenannte Elektroosmose von Wasser. Bei diesem Phänomen trocknet die Membran auf der Seite der Wasserstoffelektrode 4 aus. Für den Protonentransport ist die Existenz von Wasser unabdingbar. Auf der getrockneten Filmoberfläche nimmt der Jonenwi derstand zu und stört den Durchgang von Ionen. Um dieses Problem zu über winden, wird gewöhnlich das Wasserstoffgas an der Wasserstoffelektrode 4 mit äußerer Befeuchtung (H₂ + H₂O) versorgt, die eine durch das Austrocknen der Membran verursachte Erhöhung des elektrischen Widerstands unterdrückt. Die Wärmetransportkapazität des Wasserstoffgases hängt vom Wasserdampfdruck ab. Je höher die Gastemperatur ist, desto größer ist der Wasserdampfdruck und eine desto größere Menge Wasser kann in die Brennstoffzelle eingeleitet wer den.

Im Gegensatz dazu verringert ein übermäßiger Anstieg des Wasserdampf drucks den Partialdruck von Wasserstoff (H₂) selbst, wodurch ein schlechter Einfluss auf die Leistung der Brennstoffzelle ausgeübt wird. Die von außen ex tern zuzuführende Wassermenge hat daher eine bestimmte Grenze.

An der Sauerstoffelektrode 5 wird eine Wassermenge aufgrund der Elekt roosmose von Wasser und Erzeugung von Wasser zu hoch. Dies erzeugt einen Wasserkonzentrationsgradienten zwischen der Seite der Wasserstoffelektrode 4 und der Seite der Sauerstoffelektrode 5 der Membran, der zu einem "Rückdiffu sion" genannten Phänomen führt, das eine physikalische Diffusion von Wasser in Richtung auf die Wasserstoffelektrode 4 ist. Ein Teil dieses überschüssigen Wassers wird durch Verdampfung als Gas an der Sauerstoffelektrode 5 nach außen abgeführt.

Falls mehr Wasser vorhanden ist, kann es jedoch nicht durch Verdamp fung oder Diffusion gesteuert werden und läuft als kondensiertes Wasser durch die Diffusionsschicht 2 oder den Gasdurchgang 3 des Verbindungselements 1 über. Dieses Phänomen wird "Überflutung" genannt, die verhindert, dass Sau erstoffgas die Membran 6 erreicht, wodurch die Leistung der Brennstoffzelle verschlechtert wird.

Unter Berücksichtigung der oben beschriebenen Probleme wurden gewisse Gegenmaßnahmen untersucht; aber sie sind nicht vollkommen frei von Proble men.

Eine normalerweise genutzte äußere Befeuchtung bringt das oben be schriebene Problem mit sich. Physikalische oder mechanische Zirkulation von Wasser innerhalb von Stapeln weist ebenfalls gewisse Probleme auf. Als weitere Gegenmaßnahmen sind bekannt (1) die Förderung einer Rückdiffusion von Wasser, indem die Membran dünner ausgebildet wird, wodurch die Größe des Wasserkonzentrationsgradienten vergrößert wird, (2) die Erzeugung von Was ser in der Membran und (3) die Befeuchtung innerhalb des Durchgangs durch Eindringen von Kühlwasser in das Verbindungselement.

Die Gegenmaßnahme (1) ist jedoch mit einem Problem einer "Gasquer strom" (engl. cross flow of gas) genannten physikalischen Permeation eines Rohgases verbunden. Eine solche Reaktion entsteht neben der Hauptreaktion einer Brennstoffzelle und verhindert, dass ein Teil der Elektronen in eine exter ne Schaltung fließt. Dies verringert die elektromotorische Kraft der Zelle. Bei der Gegenmaßnahme (2) wird die Feuchtigkeit der Membran durch Verteilen des Katalysators in der Membran und Umwandeln des Querstromgases in Wasser eingestellt. Bei diesem Verfahren treten im Film jedoch wegen der Reaktions wärme Löcher auf und verschlechtern die Lebensdauer der Brennstoffzelle. Die Gegenmaßnahme (3) ist mit dem gleichen Problem wie dem durch die äußere Befeuchtung hervorgerufenen verbunden, und zusätzlich kann eine gewisse Schwierigkeit bei der Gasabdichtung auftreten.

In Anbetracht der oben beschriebenen Probleme haben die Erfinder eine ausgedehnte Untersuchung durchgeführt in der Absicht, eine Brennstoffzelle zu entwickeln, die das Verringern des Wirkungsgrads der Energieerzeugung ver hindern kann, indem ein durch überschüssiges Wasser hervorgerufenes Über flutungsphänomen vermieden wird, das Problem eines Gasquerstroms nicht aufweist und eine verlängerte Lebensdauer wegen einer effizienten Wasserent fernung hat, die erreicht wird, indem eine Reduzierung der elektromotorischen Energie oder schlechte Einflüsse auf die Protonenaustauschmembran vermieden werden.

Als Ergebnis haben die Erfinder gefunden, dass die oben beschriebenen Probleme vermieden werden können, indem eine Brennstoffzelle vom reversib len Typ hergestellt wird, die einen regenerativen Strom nutzen kann, indem im Innern der Einheitszelle ein mit einem Wasserdurchgang versehener Abschnitt zur Wasserelektrolyse angeordnet wird. Die vorliegende Erfindung wurde auf der Grundlage eines solchen Befunds vervollständigt.

Die vorliegende Erfindung liefert eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle mit mehreren hintereinander gestapelten Einheitszellen, welche jeweils aufweisen: einen Abschnitt zur Wasserelektrolyse und einen Brennstoffzellenabschnitt in der gleichen Ebene der Einheitszelle; eine Sauerstoffelektrode auf einer Seite einer Protonenaustauschmembran und eine Wasserstoffelektrode auf der ande ren Seite, die jeweils in der Stapelrichtung der Einheitszellen angeordnet sind; Gasdiffusionsschichten auf der Außenseite der Elektroden, so dass auf einem Katalysator erzeugte Elektronen durch die Gasdiffusionsschichten gelangen können; und Verbindungselemente, die ferner außen an den Gasdiffusions schichten angeordnet sind und einen Gasdurchgang aufweisen, um den Brenn stoffzellenabschnitt mit einem Gas zu versorgen, wobei der Sauerstoffelektrode benachbarte Verbindungselemente einen Wasserdurchgang aufweisen, um den Abschnitt zur Wasserelektrolyse mit Wasser zu versorgen. In dieser Brennstoff zelle gelangt Wasser durch die nächst der Sauerstoffelektrode gelegenen Ver bindungselemente. Jede Einheitszelle hat in einer einzigen Ebene sowohl einen Abschnitt zur Wasserelektrolyse, der dazu dient, Wasser zu hydrolysieren, als auch einen Brennstoffzellenabschnitt, der als Brennstoffzelle dient. Der Elektro lyseabschnitt befindet sich auf der Peripherie eines Wasserdurchgangs (Vertei ler). Eine solche Konstruktion macht es möglich, den Abschnitt zur Wasserelekt rolyse anzuordnen, ohne die Elektrodenfläche der bestehenden Brennstoffzelle zu verringern, wodurch ermöglicht wird, einen Abschnitt zwischen dem Verteiler und der Elektrodenfläche effektiv zu nutzen, der ansonsten behindert durch eine Abdichtung nicht genutzt werden kann.

Wegen der Wasserelektrolyse ist die Brennstoffzelle der vorliegenden Er findung ein reversibler Typ, der einen regenerativen Strom nutzen kann. In die ser Brennstoffzelle kann Wasserstoff auf der Seite der Wasserstoffelektrode durch Membranbefeuchtung befeuchtet werden, und Sauerstoff im dazu be nachbarten Sauerstoffdurchgang kann ebenfalls befeuchtet werden. Außerdem weist sie einen Wasserdurchgang auf der Reaktionsseite, was ermöglicht, die Protonenaustauschmembran direkt zu kühlen und zu befeuchten.

In der vorliegenden Erfindung umfassen bevorzugte Ausführungsformen eine Brennstoffzelle, worin das nächst der Sauerstoffelektrode angeordnete Verbindungselement mit einem dem Wasserdurchgang benachbart angeordne ten Sauerstoffgasdurchgang versehen ist, um am Abschnitt zur Wasserelektro lyse erzeugten Sauerstoff zu empfangen, und eine Brennstoffzelle, worin das nächst der Wasserstoffelektrode angeordnete Verbindungselement mit einem Wasserstoffgasdurchgang versehen ist, um am Abschnitt zur Wasserelektrolyse erzeugten Wasserstoff zu empfangen. Der dem Wasserdurchgang benachbarte Gasdurchgang trägt nicht zu einer Brennstoffzellenreaktion bei und hat weniger Einfluss auf den Brennstoffzellenabschnitt, weil Wasser, falls überhaupt, nicht direkt darin eindringt.

In der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung hat die Protonenaus tauschmembran zwei funktional getrennte Abschnitte: den Abschnitt zur Was serelektrolyse und den Brennstoffzellenabschnitt, die innerhalb der Einheitszelle in der gleichen Ebene angeordnet sind. Bevorzugt wird eine Brennstoffzelle, bei der die Protonenaustauschmembran am Abschnitt zur Wasserelektrolyse dicker als die des Brennstoffzellenabschnitts ist. Der Ausdruck "funktional getrennt", wie er hierin verwendet wird, meint nicht nur Fälle, in denen die Protonenaus tauschmembran zwischen dem Abschnitt zur Wasserelektrolyse und dem Brennstoffzellenabschnitt physikalisch getrennt ist, sondern auch Fälle, in de nen, selbst wenn sie nicht physikalisch getrennt sind, ein Unterschied der Dicke oder des Durchgangs um diese sie jeweils verschiedene Funktionen erfüllen läßt.

Im Abschnitt zur Wasserelektrolyse ist es möglich, die Sauerstoffelektrode zwischen dem Sauerstoffgasdurchgang und der Protonenaustauschmembran, nicht zwischen dem Wasserdurchgang und der Protonenaustauschmembran anzuordnen, während die Wasserstoffelektrode zwischen dem Wasserstoffgas durchgang und der Protonenaustauschmembran angeordnet wird. Gemäß die ser Ausführungsform kann das Blockieren der Wasserpumpe mit Luft verhindert werden, weil im Wasserdurchgang kein Sauerstoffgas erzeugt und daher kein Zweiphasenstrom aus Dampf und Flüssigkeit gebildet wird; außerdem können Größen- und Kostenreduzierungen erreicht werden, weil der Einbau eines Dampf-Flüssigkeits-Separators stromabwärts der Einheitszelle oder des Stapels nicht notwendig ist.

In der vorliegenden Erfindung sind in einer Brennstoffzelle der Wasser durchgang und Gasdurchgang, um den Brennstoffzellenabschnitt mit einem Gas zu versorgen, vorzugsweise nicht einander benachbart angeordnet. Ein solcher Aufbau macht es möglich, eine Überflutung zu vermeiden. Insbesondere wer den in einer Brennstoffzelle von der Bauart mit parallelen Kanälen, die dazu neigt, eine Überflutung zu verursachen, die Wasser- und Gasdurchgänge vor zugsweise voneinander entfernt angeordnet. In der Brennstoffzelle mit dem Sauerstoffgasdurchgang kann z. B. eine benachbarte Anordnung vermieden werden, indem der Sauerstoffgasdurchgang zwischen dem Wasserdurchgang und dem Gasdurchgang zum Versorgen des Brennstoffzellenabschnitts mit ei nem Gas angeordnet wird.

In der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung kann der Sauerstoffgas durchgang mit dem Gasdurchgang verbunden sein, der auf der Seite der Sauer stoffelektrode vorhanden ist und dazu dient, den Brennstoffzeilenabschnitt mit einem Gas zu versorgen, oder der Wasserstoffgasdurchgang kann mit dem Gasdurchgang verbunden werden, der auf der Seite der Wasserstoffelektrode vorhanden ist und dazu dient, den Brennstoffzellenabschnitt mit einem Gas zu versorgen. Nach Bedarf kann ein Konvergenzpunkt je nach unterschiedlichem Steuerverfahren der Brennstoffzelle oder unter Berücksichtigung der ungleich mäßigen Verteilung eines Stroms oder einer Temperatur auf der Elektroden oberfläche gestaltet werden, so dass durch Einstellen der Feuchtigkeit oder Sauerstoff-Wasserstoff-Konzentration der Membran der Brennstoffzelle die Lei stung der Zelle weiter verbessert werden kann. Außerdem kann eine Zeitverzö gerung zwischen einer Energieerzeugung und Regeneration reduziert werden, indem man einmal Gas aus der Zelle durch einen unabhängig angeordneten Verteiler ausströmen lässt.

Die vorliegende Erfindung liefert auch ein Brennstoffzellensystem mit einer der oben beschriebenen Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen, das ferner strom abwärts der Brennstoffzelle einen Katalysatorbrenner aufweist, um einen Teil eines am Abschnitt zur Wasserelektrolyse erzeugten Gases oder das ganze zu zuführen. Ein solcher Aufbau macht es möglich, den Wirkungsgrad des gesam ten Systems zu verbessern, indem ein Teil der Wärmequelle geschaffen wird, der genutzt wird, um das Brennstoffzellensystem am Laufen zu halten.

In der vorliegenden Erfindung sind zwei bevorzugte Prozesse zum Herstel len der oben beschriebenen Brennstoffzelle vorgesehen, worin die Protonenaus tauschmembran nicht geteilt, sondern zwischen dem Abschnitt zur Wasserelekt rolyse und dem Brennstoffzellenabschnitt in der gleichen Ebene der Einheitszel le funktional getrennt ist, welche ein dickeres Ausbilden eines Abschnitts der Protonenaustauschmembran am Abschnitt zur Wasserelektrolyse verglichen mit demjenigen am Brennstoffzellenabschnitt umfassen. Ein Verbindungselement mit einer gekerbten Oberfläche wird gegen die Protonenaustauschmembran gepresst, die an einer als Abschnitt zur Wasserelektrolyse vorgesehenen Stelle dicker als an einem anderen Ort ausgebildet wurde, indem ebene Protonenaus tauschmembranen teilweise aufeinander gestapelt wurden, während zwischen dem Verbindungselement und der Protonenaustauschmembran eine Diffusions schicht angeordnet wurde, auf die eine Katalysatorschicht, die eine Wasser stoffelektrode oder Sauerstoffelektrode sein soll, aufgebracht wurde, wodurch eine Stapelstruktur in der Einheitszelle geschaffen wurde. Ein anderer Herstel lungsprozeß umfasst ein Einkerben der Oberfläche einer ebenen und gleichmä ßig dicken Protonenaustauschmembran, ein Pressen, gegen die Protonenaus tauschmembran, einer Diffusionsschicht, an der eine als Wasserstoffelektrode oder Sauerstoffelektrode vorgesehene Katalysatorschicht aufgebracht wurde, und ein Bilden einer Stapelstruktur über ein Verbindungselement. Da die Proto nenaustauschmembran in diesen Prozessen nicht geteilt wird, kann eine Be feuchtung der gesamten Membran durch Diffusion von Wasser in der Querrich tung beschleunigt werden. Diese Prozesse können die Anzahl Teile reduzieren und die Effizienz beim Zusammenbauen verbessern, was zu einer ausgezeichneten Effizienz bei der Herstellung führt.

Im herkömmlichen Herstellungsprozeß sind eine Elektrolytzelle und Brenn stoffzelle nicht in einem Körper, was eine Zunahme der Größe des Brennstoff zellensystems bewirkt. Gemäß der vorliegenden Erfindung haben diese Zellen andererseits einer Bindeplatte zum Fixieren des Stapels, ein Chassis und einen Gasdurchgang gemeinsam, was ein kompaktes System zu schaffen ermöglicht. Außerdem kann das erfindungsgemäße System einen regenerativen Strom durch Wasserelektrolyse sammeln, so dass eine Batterie oder ein Akkumulator wie z. B. ein Ultrakondensator nicht notwendig ist, der im herkömmlichen Sys tem wesentlich ist. Eine Verringerung der Zahl von Zubehörteilen oder ergän zenden Einheitszellen führt zu einer Platz- und Kostenreduzierung des Brenn stoffzellensystems.

Da jede Einheitszelle in der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung in nerhalb der gleichen Ebene sowohl den Brennstoffzellenabschnitt als auch den Elektrolyseabschnitt aufweist, kann das Verhältnis der effektiven Elektrodenflä che zur Zellenfläche kleiner werden. Ein regenerativer Strom ist jedoch ein Fünftel oder ein Sechstel des Spitzenstroms der Energieabgabe, was ein ent sprechendes Verhältnis der Elektrolysefläche zur Brennstoffzellenfläche ver langt. Der greifbare Einfluss eines solch kleinen Verhältnisses ist nicht groß. Als das Verbindungselement der vorliegenden Erfindung wird ähnlich der Diffusi onsschicht (Energiezuführung) kein Kohlenstoffmaterial mit niedriger Oxidati onsbeständigkeit, sondern eine Metallplatte bevorzugt, um eine Wasserelektro lyse im Innern der Brennstoffzelle auszuführen.

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden konkreter mit Beispielen be schrieben. Es sollte jedoch bedacht werden, dass der Umfang der vorliegenden Erfindung nicht auf oder durch sie beschränkt ist.

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun ausführlicher mit Verweis auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:

Fig. 1 eine Querschnittansicht ist, die ein Aufbaubeispiel in einer Einheits zelle veranschaulicht, die eine Grundkomponente der Brennstoffzelle der vorlie genden Erfindung ist;

Fig. 2 eine Querschnittansicht ist, die den Aufbau in einer Einheitszelle veranschaulicht, die eine Grundkomponente einer herkömmlichen Brennstoffzel le ist,

Fig. 3 die Funktionen des Brennstoffzellenabschnitts und des Abschnitts zur Wasserelektrolyse schematisch veranschaulicht;

Fig. 4 die Funktion der herkömmlichen Brennstoffzelle mit einem Wasser durchgang schematisch veranschaulicht;

Fig. 5 eine Querschnittansicht ist, die ein vorzuziehendes Aufbaubeispiel in einer Einheitszelle veranschaulicht, die eine Grundkomponente der Brennstoff zelle der vorliegenden Erfindung ist;

Fig. 6 ein Beispiel eines Preßschritts bei einer Herstellung der Brennstoff zelle der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;

Fig. 7 ein anderes Beispiel eines Preßschritts bei der Herstellung der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;

Fig. 8 die Funktion der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung bei der Regeneration schematisch veranschaulicht;

Fig. 9 die Funktion der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung bei der Energieabgabe schematisch veranschaulicht;

Fig. 10 den Aufbau eines Beispiels des Brennstoffzellensystems der vorlie genden Erfindung schematisch veranschaulicht;

Fig. 11 eine schematische Querschnittansicht ist, die den Aufbau eines an deren Beispiels der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;

Fig. 12 ein Beispiel eines Gasstroms auf der Seite der Sauerstoffelektrode in einer die Brennstoffzelle bildenden Einheitszelle schematisch veranschaulicht;

Fig. 13 schematisch ein Beispiel eines Gasstroms auf der Seite der Was serstoffelektrode in einer die Brennstoffzelle bildenden Einheitszelle veran schaulicht;

Fig. 14 ein Aufbaubeispiel in der Ebene einer Einheitszelle veranschaulicht, die die Brennstoffzelle bildet; und

Fig. 15 ein Aufbaubeispiel einer Brennstoffzelle von der Bauart mit paralle len Kanälen veranschaulicht.

In diesen Diagrammen ist mit einer Bezugszahl 1 ein Verbindungselement, 2, 20 je eine Diffusionsschicht (Energiezuführung), 3 ein Gasdurchgang, 4 eine Katalysatorschicht (Wasserstoffelektrode), 5 eine Katalysatorschicht (Sauer stoffelektrode), 6 eine Protonenaustauschmembran, 7 eine Energiezuführung, 10 eine Ionenaustauschmembran, 11 eine Sauerstoffelektrodenseite, 12 eine Wasserstoffelektrodenseite, 13 ein Wasserstoffgasdurchgang, 21 eine Katalysa torschicht, 22 eine Membran, 20 ein Isolator/eine Abdichtung, 31 ein Abschnitt zur Wasserhydrolyse, 32 ein Brennstoffzellenabschnitt, 33 ein Katalysatorbren ner, 34 ein Wasserstoffreservoir, 35 ein Wasserdurchgang, 36 ein Lufteinlass, 37 eine Auslassöffnung, 38 ein Wasserstoffeinlass, 39 eine Auslassöffnung, 40 ein Gasdurchgang, 41 ein regenerativer Strom, A ein Wasserdurchgang und B ein Sauerstoffdurchgang angegeben.

Die vorliegende Erfindung liefert eine Brennstoffzelle, welche eine Elektro lyse von Wasser in der Ebene einer Einheitszelle der Brennstoffzelle ausführt. Eines der baulichen Merkmale der vorliegenden Erfindung liegt in der Verwen dung eines Verbindungselements mit einem Kühlwasserdurchgang, der auf der gleichen Ebene mit dem Durchgang einer Sauerstoffelektrode angeordnet ist.

Eine wie in Fig. 4 veranschaulichte Brennstoffzelle kann als eine Struktur angegeben werden, die derjenigen der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle ähn lich ist. Sie weist einen Wasserstoffdurchgang und einen Wasserdurchgang auf, die in der Ebene der Wasserstoffelektrode 12 einander benachbart sind. Im Un terschied zur erfindungsgemäßen Brennstoffzelle ist jedoch Wasser in dieser Struktur hauptsächlich zur Befeuchtung einer Membran wirksam. Falls eine Elektrolyse von Wasser unter Verwendung dieses Aufbaus ausgeführt wird, wird nur Wasser der Membran nahe dem Katalysator der Sauerstoffelektrode einer Elektrolyse unterzogen, und eine Diffusionsrate von Wasser in der Membran vom Wasserdurchgang an der Wasserstoffelektrode wird ein Problem. Bei einer unzureichenden Diffusionsrate wird die Oberfläche der Membran an der Sauer stoffelektrode zu trocken, und die Leistung der Brennstoffzelle wird beeinträch tigt. Gemäß dem Aufbau der vorliegenden Erfindung kann wie in Fig. 3 veran schaulicht eine Energieabgabe oder Elektrizität erzeugende Funktion am Brenn stoffzellenabschnitt und eine Funktion zur Regeneration oder Wasserelektrolyse am Abschnitt zur Wasserelektrolyse effizient ausgeführt werden.

In Fig. 1 ist ein schematischer Grundaufbau der Einheitszellenstruktur ge mäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, während in Fig. 5 ein schematischer Aufbau eines vorzuziehenden Beispiels einer Einheitszellenstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht ist.

Die Anordnung eines Wasserdurchgangs A auf der Seite der Sauerstoff elektrode 5 der zu stapelnden Verbindungselemente 1 macht es möglich, die Einheitszelle mit beiden Funktionen einer Brennstoffzelle und Wasserelektrolyse auszustatten. Bei einer Wasserelektrolyse strömt so erzeugtes Wasserstoffgas in den Gasdurchgang 3 oder Wasserstoffdurchgang 13, während Sauerstoff in den Sauerstoff/Luft-Durchgang und Wasserdurchgang strömt. Der Sauerstoff wird hauptsächlich im Sauerstoffgasdurchgang B erzeugt, der wegen des Drucks einen Durchgang von Sauerstoff/Luft gestattet.

In der vorliegenden Erfindung ermöglicht das Vorhandensein einer ausrei chenden Wassermenge auf der Seite der Sauerstoffelektrode 5 eine Elektrolyse von Wasser, wodurch Reaktionen wie im folgenden beschrieben auftreten.
Ganze Zelle: H₂O → H₂ + ½ O₂
Wasserstoffelektrode: 2H⁺ + 2e^- → H₂
Sauerstoffelektrode: H₂O → 2H⁺ + e^- + ½ O₂

Folglich wird auf der Seite der Sauerstoffelektrode 5 Wasser zerlegt, und so erzeugte Protonen gelangen durch die Membran und erzeugen an der Was serstoffelektrode 4 Wasserstoffgas. Diese Reaktion läuft ohne Wasser auf der Seite 5 der Sauerstoffelektrode nicht ab. Diese Reaktion bewirkt einen Trans port von Protonen (H+) durch die Membran, und als Folge tritt ein Transport von Wasser durch Elektroosmose auf, was ermöglicht, das Wasserstoffgas selbst zu befeuchten.

Um diese Reaktion weiter zu fördern, ist ein zur Energieerzeugung und E lektrolyse von Wasser notwendiger Katalysator präpariert. Als die Diffusions schicht 2 (zur Elektrolyse von Wasser "Energiezuführung" 7 genannt) und der Katalysator ei ner Brennstoffzelle werden gewöhnlich Kohlepapier bzw. Platin oder eine Platin legierung verwendet, das oder die auf Kohlenstoffpartikel aufgebracht ist. We gen eines Problems bei der Oxidationsbeständigkeit ist es jedoch schwierig, Kohlenstoff zur Elektrolyse von Wasser zu verwenden. Im Hinblick auf den Ka talysator ist Platin nützlich, falls es nicht auf einem aus Kohlenstoff bestehenden Träger aufgebracht ist; da es aber eine hohe Zersetzungsspannung benötigt, wird eher ein anderer Katalysator verwendet. Es wird ein Katalysator verwen det, der einen Ablauf einer Wasserelektrolyse bei einer niedrigen Spannung gestattet. Typische Beispiele des Katalysators schließen eine Iridiumlegierung und Oxide für die Sauerstoffelektrode 5 (entsprechend der Kathode einer Was serelektrolyse) und Platinschwarz für die (einer Anode entsprechende) Wasser stoffelektrode ein. Es ist möglich, dass sich Kohlepapier oder Kohlegewebe zer setzt, und Materialien wie z. B. Nickelschaum, Titan und eine gesinterte Platte aus rostfreien Fasern werden bevorzugt. Daher wird ein Aufbau wie in Fig. 5 veranschaulicht bevorzugt, um eine reversible Reaktion zu gestatten.

Wenn der Zustand der Diffusionsschicht 2 berücksichtigt wird, ist die Dicke a (gewöhnlich etwa 50 bis 100 µm) der Membran 6 des Abschnitts zur Wasser hydrolyse vorzugsweise größer als die Dicke b (gewöhnlich etwa 20 bis 50 µm) der Membran des Brennstoffzellenabschnitts. Der erste Grund ist, dass, wenn die Membran dünner ist, ein so erzeugtes Gas in der Membran diffundiert, wo durch es unmöglich gemacht wird, ein vorbestimmtes Gas zu erhalten. Der zweite Grund ist, dass die Membran durch eine scharfe Oberfläche der Energie zuführung zerkratzt wird, was vermutlich einen Kurzschluß bewirkt. Es ist mög lich, diese Abschnitte aus einer einzigen Membran zu bilden, was jedoch die Gesamtdicke der Membran vergrößert, wodurch die Leistung der resultierenden Brennstoffzelle beeinträchtigt wird. Daher wird die Verwendung jeweiliger Membranen bevorzugt.

Falls die Membran nicht geteilt ist, ist sie mit verschiedenen Dicken ausge bildet. Indem sie z. B. durch einen Schritt wie in Fig. 6 oder 7 veranschaulicht präpariert wird, kann eine Einheitszelle mit sowohl einem Abschnitt zur Wasser elektrolyse als auch einem Brennstoffzellenabschnitt geschaffen werden, die aus der gleichen Membran bestehen. Falls verschiedene Katalysatoren verwen det werden, können sie an gewünschten Stellen der Membran oder Diffusions schicht (Energiezuführung) durch in der Position versetzte Schlitze jeweils mit tels des Siebdruckverfahrens aufgebracht werden.

Fig. 8 ist eine schematische Ansicht, die die Funktion der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung bei einer Regeneration veranschaulicht, während Fig. 9 eine schematische Ansicht ist, die ihre Funktion bei Energieabgabe veran schaulicht.

a) Der auf der Seite der Sauerstoffelektrode angeordnete Wasserdurch gang wird mit Wasser versorgt. Das Wasser benetzt die Membran und verur sacht gleichzeitig wegen eines Wärmeaustauschs mit der Außenseite homogeni sierende Effekte einer Temperaturverteilung in der Ebene der Zelle.
b) Der Wasserdurchgang enthält einen Luft/Sauerstoffdurchgang, der an einer Batteriereaktion nicht teilnimmt. Entlang diesem Durchgang wurde auf eine Membran ein Katalysator zur Elektrolyse aufgebracht. Die Wasserelektroly se findet auf dem Katalysator, der diesem Durchgang zugewandt ist, gemäß der Differenz in einem Reaktionspotential statt.
c) Eine Anordnung eines Wasserstoffdurchgangs auf der Seite der Was serstoffelektrode, die der Seite des Wasserdurchgangs gegenüberliegt, erleich tert eine Befeuchtung von Wasserstoffgas.
d) Die in (ii) mit Sauerstoff gespeiste Luft kann befeuchtet und zur Elekt rodenseite der Brennstoffzelle geschickt werden. Der Befeuchtungsgrad wird in Abhängigkeit von der Länge oder Temperatur des Luft/Sauerstoffdurchgangs gesteuert. Die Befeuchtung wird unterdrückt, indem der Durchgang verkürzt oder die Wasser/Zellenfeuchtigkeit verringert wird, während eine ausreichende Befeuchtung durch den dazu entgegengesetzten Betrieb erreicht werden kann. Der Zusammenfluss d wird je nach Betriebsbedingungen frei bestimmt. Wenn z. B. sehr feuchte Luft eingeführt wird, steigt eine Stromdichte in der Umgebung des Einlasses, was vorübergehend ein Trocknen der Membran hervorruft. In einem solchen Fall kann eine intermittierende Zufuhr solcher Luft verwendet werden. Trockene Luft mit einer hohen Stromrate wird am Einlaß eingeführt, weil ihre Feuchtigkeit am Einlaß am geringsten ist. Ein Zuführen zu einem Ort mit großer Wärmeentwicklung oder einer hohen Zellentemperatur ist ebenfalls effektiv.
e) Der Luftdurchgang ist mit dem Durchgang in der Brennstoffzelle ver bunden oder vereinigt, wodurch Elektrizität erzeugt wird.
f) Die Energieerzeugung (Energieabgabe) und Elektrolyse (Regenerati on) finden nicht gleichzeitig statt, so daß ein Umweg eingerichtet werden kann, um die Zeitverzögerung aufzufangen, wobei bei einer Regeneration erzeugter Sauerstoff und Wasserstoff genutzt werden.

Der so erzeugte Sauerstoff und Wasserstoff können nicht immer genutzt werden, was vom Zeitablauf einer Regeneration/Energieabgabe abhängt. In diesem Fall ist ihre Nutzung, wie in Fig. 10 veranschaulicht ist, durch einen Ka talysatorbrenner stromabwärts der Brennstoffzelle effektiv. Dieses Gerät wird verwendet, um die Temperatur einer Brennstoffzelle aufrechtzuerhalten, oder als eine Heizquelle eines Wasserstoffreservoirs, um eine endotherme Reaktion bei Freisetzung von Wasserstoff einschließlich MH zu bewirken.

Fig. 11 ist eine schematische Ansicht, die den Aufbau einer anderen Ausführungsform der Brennstoffzelle gemäß der Erfindung veranschaulicht. Da die Temperatur bei der Mitte der Zelle am höchsten wird, wird bevor zugt, den Wasserdurchgang 35 so anzuordnen, daß Wasser durch die Mitte der Zelle geleitet wird, falls ein Kühleffekt durch Wasser in Betracht gezogen wird. Der Wasserdurchgang ist von einem Abschnitt 31 zur Wasserelektrolyse umge ben, und an dessen Umfang ist ein Brennstoffzellenabschnitt 32 angeordnet. Selbst wenn außerhalb der Elektrodenoberfläche als ein typisches Layout beispiel einer Brennstoffzelle ein Gasdurchgang oder Wasserdurchgang ange ordnet wird, kann ein Abschnitt zur Wasserelektrolyse nur am Umfang des Was serdurchgangs ausgebildet werden. So erzeugtes Gas kann man durch einen Durchgang in der Ebene strömen lassen und kann zu einem Gasdurchgang (Verteiler) zwischen Einheitszellen geschickt werden.

In der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung ist gewöhnlich ein Dich tungsabschnitt ausgebildet, um einen ungehinderten Wasserstrom vom Was serverteiler in die Elektrodenoberfläche zu verhindern, oder der Elektrolyseab schnitt kann an einer Stelle, die ansonsten toter Raum ist, zwischen der abge dichteten Oberfläche und einem Durchgangsloch des Wasserverteilers angeord net sein. Daher ist es möglich, eine reversible Zelle aufzubauen, ohne vergli chen mit der herkömmlichen Gestaltung der Brennstoffzelle die Elektrodenflä che so sehr zu beeinträchtigen.

Die Einheitszelle der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle kann eine ebene Gestalt wie in Fig. 14 veranschaulicht aufweisen, wobei der Gas- oder Wasser durchgang auf der Außenseite angeordnet ist. In diesem Fall ist der Abschnitt zur Wasserelektrolyse am Umfang des Wasserdurchgangs angeordnet.

Es ist möglich, eine einfache Brennstoffzelle wie in Fig. 15 beschrieben zu entwerfen, wobei eine Kombination eines Luftdurchgangs für eine Brennstoff zelle, eines Luftdurchgangs zur Elektrolyse, eines Wasserdurchgangs, eines Luftdurchgangs zur Elektrolyse und eines Luftdurchgangs für eine Brennstoff zelle im parallelen Strömungskanal wiederholt angeordnet ist. Dieses Layout ermöglicht eine gleichmäßige Kühlung in der Zellenebene.

In der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung werden Einheitszellen mit einer Protonenaustauschmembran 6, die darin wie oben beschrieben ange ordnet ist, als Grundaufbau verwendet, und ein Stapel wird geschaffen, indem diese Einheitszellen nacheinander gestapelt werden, während dazwischen ein Verbindungselement 1 angeordnet wird. Durch eine Kontaktverbindungspresse oder dergleichen werden sie aneinander geklebt. Mehrere Kombinationen aus Einheitszelle/Verbindungselement werden in einen Brennstoffzellenstapel ge stapelt. Wenn eine Zelle beispielsweise eine elektromotorische Energie von 1 V aufweist, erzeugt ein aus 100 Zellen bestehender Stapel etwa 100 V Energie.

Dieses Verbindungselement 1 muß als Hauptfunktion eine einen Transport von Elektronen gestattende Elektronenleitfähigkeit aufweisen. Da die vorliegen de Erfindung auf eine Elektrolyse von Wasser innerhalb des Brennstoffzellensys tems abzielt, wird die Verwendung eines Kohlenstoffmaterials mit geringer Oxi dationsbeständigkeit ähnlich der Diffusionsschicht 2 (Energiezuführung 7) nicht bevorzugt, und beispielsweise wird eine Metallplatte vorgezogen. Außerdem muß sie mit einem Gasdurchgang 3 zum Zuführen von Wasserstoff und Sauer stoff zur Elektrode des Brennstoffzellenabschnitts versehen sein. Auf einer Seite des Verbindungselements 1, d. h. einer Seite, die mit der Wasserstoffelektrode 4 in Kontakt gebracht werden soll, ist ein Gaskanal 3 zum Zuführen von Wasser stoff vorgesehen, während auf der anderen Seite, d. h. der Seite, die mit der Sauerstoffelektrode 5 in Kontakt gebracht werden soll, ein Gasdurchgang 3 zum Zuführen von Sauerstoff vorgesehen ist. Diese Gasdurchgänge 3 ermöglichen es, Gase durch diese strömen zu lassen, wodurch die Wasserstoffelektrode 4 und Sauerstoffelektrode 5 mit einem Brennstoffgas bzw. oxidierenden Gas ver sorgt werden. Die Dicke des Verbindungselements 1 kann nach Bedarf be stimmt werden, beträgt aber gewöhnlich 1,0 bis 3,0 mm.

Als oxidierendes Gas kann gewöhnlich Luft wie sie ist eingeführt werden. Das Brennstoffgas kann gemäß verschiedenen Verfahren und ohne besondere Beschränkung zugeführt werden. Zum Beispiel kann ein Verfahren genutzt wer den, bei dem ein Rohmaterial wie z. B. Methanol gemäß einer Wasserdampf modifizierenden Reaktion in Wasserstoff umgewandelt wird, indem ein Wasser stoff erzeugendes Gerät genutzt und der resultierende Wasserstoff nach einer Reinigung durch ein Wasserstoff reinigendes Gerät oder dergleichen zugeführt wird.

Im herkömmlichen Brennstoffzellensystem sind eine Elektrolysezelle und Brennstoffzelle separat ausgebildet, und daher hat das Brennstoffzellensystem unvermeidlich eine große Größe, wohingegen in der Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung eine Bindeplatte zum Fixieren eines Stapels, ein Anschluß, ein Chassis und ein Gasdurchgangsabschnitt jeweils sowohl der Elektrolysezelle als auch den Brennstoffzellenabschnitten gemeinsam sind, so daß ein kompaktes Brennstoffzellensystem geschaffen werden kann. Außerdem ermöglicht die Übernahme einer Wasserelektrolyse, einen regenerativen Strom in der vorliegenden Erfindung zu sammeln, so daß eine Batterie oder ein Akku mulator wie z. B. ein Ultrakondensator, mit dem die herkömmliche Brennstoffzel le ausgestattet sein muß, nicht notwendig ist oder in der Größe reduziert wer den kann. Wegen einer Verringerung der Zahl von Zubehörteilen kann der Platz oder können Kosten des Brennstoffzellensystems reduziert werden.

Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden soweit be schrieben. Sie sind nur vorgesehen, um das Verständnis der vorliegenden Erfin dung zu erleichtern, nicht aber um den Umfang der vorliegenden Erfindung zu beschränken.

Claims

1. Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, die aus mehreren hintereinander ge stapelten Einheitszellen besteht, worin jede Einheitszelle einen Abschnitt zur Wasserelektrolyse und einen Brennstoffzellenabschnitt aufweist, die innerhalb einer einzigen Ebene der Einheitszelle angeordnet sind; eine Sauerstoffelektro de auf einer Seite einer Protonenaustauschmembran angeordnet ist und eine Wasserstoffelektrode auf der anderen Seite in der Stapelrichtung der Einheits zellen angeordnet ist; Diffusionsschichten auf der Außenseite der Elektroden angeordnet sind, um zu ermöglichen, daß Elektronen, die auf einem Katalysator erzeugt worden sind, hindurchfließen; Verbindungselemente auf einer Außen seite der Diffusionsschichten angeordnet sind, um dem Brennstoffzellenab schnitt ein Gas zuzuführen; und ein Wasserdurchgang in einem Verbindungs element nächst der Sauerstoffelektrode angeordnet ist, um dem Abschnitt zur Wasserelektrolyse Wasser zuzuführen.

2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, worin das Verbindungselement nächst der Sauerstoffelektrode dem Wasserdurchgang benachbart angeordnet einen Sauerstoffgasdurchgang aufweist, um im Abschnitt zur Wasserelektrolyse er zeugten Sauerstoff zu empfangen.

3. Brennstoffzelle nach Anspruch 2, worin das Verbindungselement nächst der Wasserstoffelektrode einen Wasserstoffgasdurchgang aufweist, um am Ab schnitt zur Wasserelektrolyse erzeugten Wasserstoff zu empfangen.

4. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die Protonenaustauschmembran zwei funktional getrennte Abschnitte des Abschnitts zur Wasserelektrolyse und des Brennstoffzellenabschnitts aufweist, die in der einzigen Ebene der Einheitszelle angeordnet sind, und die Protonenaustauschmembran am Abschnitt zur Wasserelektrolyse dicker als diejenige am Brennstoffzellenabschnitt ist.

5. Brennstoffzelle nach Anspruch 3 oder 4, worin am Abschnitt zur Was serelektrolyse die Sauerstoffelektrode nicht zwischen dem Wasserdurchgang und der Protonenaustauschmembran, sondern zwischen dem Sauerstoffgas durchgang und der Protonenaustauschmembran angeordnet ist, während die Wasserstoffelektrode zwischen dem Wasserstoffgasdurchgang und der Proto nenaustauschmembran angeordnet ist.

6. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin der Wasser durchgang und der Gasdurchgang zum Versorgen des Brennstoffzellenab schnitts mit einem Gas nicht einander benachbart angeordnet sind.

7. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 2 bis 6, worin der Sauer stoffgasdurchgang zwischen dem Wasserdurchgang und dem Gasdurchgang zum Versorgen des Brennstoffzellenabschnitts mit einem Gas angeordnet ist.

8. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 2 bis 7, worin der Sauer stoffgasdurchgang mit einem Gasdurchgang auf der Seite der Sauerstoffelekt rode zum Versorgen des Brennstoffzellenabschnitts mit einem Gas verbunden ist.

9. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 3 bis 8, worin der Wasser stoffgasdurchgang mit einem Gasdurchgang auf der Seite der Wasserstoffelekt rode verbunden ist, um dem Brennstoffzellenabschnitt Gas zuzuführen.

10. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, worin die Verbin dungselemente jeweils aus einer Metallplatte bestehen.

11. Brennstoffzellensystem mit einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, welches einen stromabwärts der Brenn stoffzelle angeordneten Katalysatorbrenner aufweist, so dass dem Katalysator brenner ein Teil eines Gases, das am Abschnitt zur Wasserelektrolyse erzeugt worden ist, oder das ganze Gas zugeführt werden kann.

12. Verfahren zum Herstellen der Brennstoffzelle nach Anspruch 1, worin die Protonenaustauschmembran entlang der einzigen Ebene der Einheitszelle nicht geteilt, sondern zwischen dem Abschnitt zur Wasserelektrolyse und dem Brennstoffzellenabschnitt funktional getrennt ist, wobei der Prozeß umfaßt:
partielles Hintereinanderstapeln ebener Protonenaustauschmembranen, wodurch ein Abschnitt geschaffen wird, der der Abschnitt zur Wasserelektrolyse werden soll, der verglichen mit einem anderen Abschnitt dicker ist, und
Pressen eines Verbindungselements, das eine gekerbte Oberfläche auf weist, gegen die Protonenaustauschmembran, während eine Diffusionsschicht dazwischen angeordnet ist, auf die eine Katalysatorschicht, die eine Wasser stoffelektrode oder Sauerstoffelektrode sein soll, zwischen dem Verbindungs element und der Protonenaustauschmembran aufgebracht worden ist, wodurch eine Stapelstruktur in der Einheitszelle gebildet wird.

13. Verfahren zum Herstellen der Brennstoffzelle nach Anspruch 1, worin die Protonenaustauschmembran entlang der einzigen Ebene der Einheitszelle nicht geteilt, sondern zwischen dem Abschnitt zur Wasserelektrolyse und dem Brennstoffzellenabschnitt funktional getrennt ist, wobei der Prozeß umfaßt:
Einkerben einer Oberfläche der ebenen und gleichmäßig dicken Protonen austauschmembran,
Pressen einer Diffusionsschicht, auf die eine Katalysatorschicht aufge bracht worden ist, die eine Wasserstoffelektrode oder Sauerstoffelektrode sein soll, gegen die Protonenaustauschmembran, und
Bilden einer Stapelstruktur über ein Verbindungselement.