DE112012005583B4

DE112012005583B4 - Elektrochemische Zelle mit verbesserter Wasser- oder Gaswirtschaft

Info

Publication number: DE112012005583B4
Application number: DE112012005583.7T
Authority: DE
Inventors: William F. Smith; James F. McElroy; Jay W. LaGrange
Original assignee: INFINITY FUEL CELL AND HYDROGEN Inc
Current assignee: INFINITY FUEL CELL AND HYDROGEN Inc
Priority date: 2012-01-06
Filing date: 2012-11-02
Publication date: 2023-05-17
Anticipated expiration: 2032-11-03
Also published as: DE112012005583T5; US20130175164A1; US9118040B2; WO2013103439A1

Abstract

Elektrochemische Zelle, die einen porösen Wasser/Gas-Separator, der aus einem polymeren Material hergestellt ist, und eine oder mehrere leitfähige Zellenkomponenten umfasst, die durch den porösen Wasser/Gas-Separator hindurchgehen oder in dessen nächster Nachbarschaft angeordnet sind,wobei eine Wasserkammer oder ein Strömungsfeld auf einer Seite von dem Separator angeordnet ist, während eine Sauerstoff-Gitter/Rahmen-Baugruppe auf einer entgegengesetzten Seite angeordnet ist, wobei die Wasserkammer oder das Strömungsfeld und die Sauerstoff-Gitter/Rahmen-Baugruppe beide einen zentralen Abschnitt umfassen, der mehrere Fluidströmungsräume aufweist, und einen Rahmenabschnitt, der einstückig mit dem zentralen Abschnitt ist und diesen ringsum umgibt und wobei der Durchmesser des porösen Separators etwas größer als der Durchmesser der zentralen Abschnitte der Wasserkammer oder des Strömungsfeldes und der Sauerstoff-Gitter/Rahmen-Baugruppe ist und wobeider poröse Wasser/Gas-Separator eine Anzahl von Durchgangsbohrungen enthält und die eine oder mehreren leitfähigen Zellenkomponenten durch die Durchgangsbohrungen des porösen Wasser/Gas-Separators hindurchgehen, wobei eine Wasserkammer oder ein Strömungsfeld mit einer zusammenpassenden Struktur auf einer Seite des porösen Wasser/Gas-Separators angeordnet ist und eine Sauerstoff-Gitter/Rahmen-Baugruppe mit einer komplementären zusammenpassenden Struktur auf einer entgegengesetzten Seite des porösen Wasser/Gas-Separators angeordnet ist, wobei die Wasserkammer oder das Strömungsfeld, der poröse Wasser/Gas-Separator und die Sauerstoff-Gitter/Rahmen-Baugruppe zusammen eine Wassertransport-Baugruppe bilden, oderwobei die eine oder mehreren leitfähigen Zellenkomponenten in nächster Nachbarschaft des porösen Wasser/Gas-Separators angeordnet sind, und wobei die eine oder mehreren leitfähigen Zellenkomponenten eine leitfähige abdichtende Dichtung umfassen, die auf einem Umfang der Zelle angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine elektrochemische Zelle mit verbesserter Wasser- oder Gaswirtschaft und betrifft in einer beispielhaften Ausführungsform eine Brennstoffzelle, bei der polymere poröse Medien mit hohem Blasenpunkt bzw. Blasenbildungspunkt verwendet werden.
HINTERGRUND UND KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Elektrochemische Zellenvorrichtungen sind typischerweise aus mehreren elektrochemischen Zellen zusammengesetzt, die in Gruppen oder Stapeln angeordnet sind und gewöhnlich dazu dienen, Wasser oder eine andere Flüssigkeit (mit oder ohne gelöste Bestandteile) in seine bzw. ihre Komponenten zu zerlegen (d.h. Elektrolysezellen) oder Wasserstoff oder einen anderen Brennstoff und ein Oxidationsmittel katalytisch zu verbinden (d.h. Brennstoffzellen), wobei Elektrizität zugeführt bzw. erzeugt wird. Andere verwandte Funktionen von elektrochemischen Zellenvorrichtungen sind u.a ihre Benutzung als Kompressoren, Trenn- und/oder Reinigungshilfsmittel, Sensoren und Kombinationen dieser Funktionen.
Innerhalb angeordneter Gruppen oder Stapel beinhaltet jede elektrochemische Zelle eine Kathode, einen Elektrolyten (z.B. eine Membran) und eine Anode. In Protonenaustauschmembran- oder PEM-Zellen, wobei der Elektrolyt eine Kationenaustauschmembran ist, wird die Kathode/Membran/Anoden-Baugruppe (d.h. „Membranelektroden-Baugruppe“ oder „MEB“) typischerweise auf beiden Seiten von Strömungsfeldern gestützt, die aus Gitterpackungen oder Riffelplatten zusammengesetzt sind. Strömungsfelder, gewöhnlich in Form von expandierten Metall- oder Gewebegittern oder durch Klebung verbundenen, laminierten oder bearbeiteten Baugruppen, erleichtern die Fluidbewegung, die Entfernung von Produktwasser oder Produktgas und dienen auch zur Bereitstellung, beispielsweise in PEM-Zellen, von mechanischer Unterstützung für die MEB.
Elektrochemische Zellen, wenn sie als Brennstoffzellen oder Wasserelektrolysatoren betrieben werden, sind für verschiedene Anwendungen wünschenswert. Brennstoffzellen wurden für viele Anwendungen, beispielsweise als eine Energiequelle zur Versorgung eines Luftfahrzeuges mit elektrischer Energie, vorgeschlagen.
Im spezifischen Hinblick auf Brennstoffzellen mit Fähigkeiten der zellinneren statischen Wasserentfernung werden bei derartigen Zellen leitfähiges Metall oder metallische poröse Medien verwendet, die wirken, indem sie das Produktwasser der Brennstoffzelle mittels einer Druckdifferenz entfernen. Unglücklicherweise ist dieser Ansatz, mit dem versucht wird, den Blasenpunkt bzw. Blasenbildungspunkt mit akzeptablen Wassertransportgeschwindigkeiten auszugleichen, gewöhnlich auf einen niedrigen Blasendruck bzw. Blasenbildungsdruck von etwa 0,01 bis 0,06 Megapascal (MPa) begrenzt.
Der Blasendruck wird als ein Maß für den Widerstand der Strömung von Gasphasenfluiden durch Poren von Filter- oder filterartigen Materialien benutzt. Der Blasenpunktwert wird bestimmt, indem beobachtet wird, wann Blasen zuerst auf der Permeatseite oder stromabwärts gelegenen Seite eines vollständig benetzten Membranfilters oder filterartigen Materials aufzutreten beginnen, wenn sie auf der Zufuhrseite (stromaufwärts gelegenen Seite) des Materials mit einem Gas druckbeaufschlagt werden.
Materialien mit hohem Blasenpunkt und ausgezeichnetem Wassertransport existieren und sind im Handel erhältlich, jedoch im Vergleich zu Metall oder metallischen porösen Medien typischerweise weniger elektrisch leitfähig oder nicht leitfähig.
Die elektrische Kontaktierung der Zelle ist somit bei Verwendung von Materialien mit hohem Blasenpunkt erschwert.
In der US 2011 / 0 024 295 A1 wird dieses Problem durch eine elektrische Kontaktierung entweder über den Rand des porösen Wasser/Gas-Separators oder durch die aktive Fläche der Zelle gelöst. Beides bringt aber Nachteile mit sich: Für den ersten Ansatz ist es notwendig, die Komponenten der elektrochemischen Zelle mittels Diffusionsschweißen miteinander zu verbinden. Für den zweiten Ansatz müssen leitfähige Fasern in den Wasser/Gas-Separator eingebracht werden.
In der US 2006 / 0 199 061 A1 wird ein bipolarer, filterpressenartiger Brennstoffzellenstapel mit einer elektrisch leitenden Wasserrückhaltesperre vorgeschlagen, die in jeder Zelle zwischen der Kathodengasdiffusionsschicht und dem Oxidationsmittelströmungsfeld angeordnet ist. Alle Komponenten weisen den gleichen Durchmesser auf und können Kurzschlussströme daher nicht zuverlässig verhindern.
Diese Nachteile sollen durch die vorliegende Erfindung überwunden werden. Es soll eine Brennstoffzelle bereitgestellt werden, bei der polymere poröse Medien mit hohem Blasenpunkt und ausgezeichneter Wassertransportfähigkeit verwendet werden, und die ohne komplexe Modifizierung die Fähigkeit aufweisen, elektrischen Strom zu leiten.
Allgemein ausgedrückt, erfüllt die vorliegende Erfindung diesen Bedarf, indem sie eine elektrochemische Zelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bereitstellt. Diese elektrochemische Zelle umfasst unter anderem einen porösen Wasser/Gas-Separator, der aus einem polymeren Material hergestellt ist, und eine oder mehrere leitfähige Zellenkomponenten, die durch den porösen Wasser/Gas-Separator hindurchgehen oder in dessen nächster Nachbarschaft angeordnet sind, wobei die elektrochemische Zelle ein hohes Maß an zellinnerer elektrischer Leitfähigkeit bereitstellt.
In einer beispielhaften Ausführungsform wird die elektrochemische Zelle der Erfindung als eine Brennstoffzelle mit zellinnerer statischer Wasserentfernung betrieben, wobei der poröse Wasser/Gas-Separator aus einem polymeren Material mit hohem Blasenpunkt hergestellt ist.
Der poröse Wasser/Gas-Separator, der in dieser beispielhaften Ausführungsform eingesetzt ist, weist einen Blasenpunkt von größer als 0,06 MPa, vorzugsweise von etwa 0,07 bis etwa 0,55 MPa auf, was für ausgezeichnete Wasserentfernung sorgt.
Die Brennstoffzelle der Erfindung weist einen flächenspezifischen Widerstand (ASTM # B193-02 (2008) Standard Test Method for Resistivity of Electrical Conductor Materials) von kleiner als oder gleich etwa 100 mohms-cm², vorzugsweise kleiner als etwa 20 mohm-cm², vor.
Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden dem Durchschnittsfachmann aus der folgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen offensichtlich. Sofern nicht anders definiert, weisen alle technischen und wissenschaftlichen Ausdrücke, die hierin benutzt werden, dieselbe Bedeutung auf, die gewöhnlich vom Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet, zu dem die Erfindung gehört, verstanden wird. Alle Veröffentlichungen, Patentanmeldungen, Patentschriften und andere Literatur, die hierin erwähnt sind, sind durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hierin eingebunden. Im Falle eines Konfliktes ist die vorliegende Beschreibung einschließlich Definitionen maßgeblich. Außerdem sind die Materialien, Verfahren und Beispiele lediglich zur Veranschaulichung und nicht zur Einschränkung vorgesehen.
Figurenliste
Die vorliegende Offenbarung kann unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen besser verstanden werden. Komponenten in den Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabgerecht, sondern stattdessen ist Nachdruck auf eine deutliche Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Offenbarung gelegt. Obwohl beispielhafte Ausführungsformen in Verbindung mit den Zeichnungen offenbart sind, besteht keine Absicht, die vorliegende Offenbarung auf die Ausführungsform oder Ausführungsformen, die hierin offenbart sind, einzuschränken. Im Gegenteil: Absicht ist es, alle offenbarten Alternativen, Modifikationen und Äquivalente einzubeziehen.
Besondere Merkmale der offenbarten Erfindung sind durch Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen veranschaulicht, worin:

1 eine auseinandergezogene Ansicht einer beispielhaften „Aktivflächen-Stromabnahme“-Ausführungsform der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung ist, die einen porösen Wasser/Gas-Separator mit Durchgangsbohrungen zeigt, wobei die Durchgangsbohrungen Kontakt zwischen zwei zusammenpassenden Strukturen, die an einer Wasserkammer oder einem Strömungsfeld und an einer Sauerstoff-Gitter/Rahmen-Baugruppe zu finden sind, ermöglichen;
1A eine Schnittansicht der Brennstoffzelle von 1, betrachtet längs der Linien 1A, ist;
2 eine Draufsicht der Sauerstoff-Gitter/Rahmen-Baugruppe ist, die in 1 gezeigt ist;
3 eine auseinandergezogene Ansicht einer beispielhaften „Kantenstromabnahme“-Ausführungsform der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung ist, die eine leitfähige Dichtung oder Abdichtung auf dem Umfang der Sauerstoff-Gitter/Rahmen-Baugruppe zeigt; und
4 eine Draufsicht der Sauerstoff-Gitter/Rahmen-Baugruppe ist, die in 3 gezeigt ist;

AUSFÜRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Wie oben angemerkt, umfasst die elektrochemische Zelle der vorliegenden Erfindung einen porösen Wasser/Gas-Separator. Der poröse Wasser/Gas-Separator ist aus einem polymeren Material hergestellt, und die Brennstoffzelle der Erfindung umfasst ferner eine oder mehrere leitfähige Zellenkomponenten, die durch den porösen Wasser/Gas-Separator hindurchgehen oder in dessen nächster Nachbarschaft angeordnet sind. Die Brennstoffzelle der Erfindung stellt ein hohes Maß an zellinnerer elektrischer Leitfähigkeit bereit.
Die Brennstoffzelle der Erfindung kann unter Benutzen von Kohlenstoff-, Verbundstoff- oder Metall-basierten Materialien mit zusammengefügten Stapeln unter Benutzen von entweder Bipolarstrom- oder Kantenstromabnahme-Konstruktionsweise hergestellt sein.
Der poröse Wasser/Gas-Separator ist bevorzugt aus einem polymeren Material hergestellt, das einen hohen Blasenpunkt aufweist. Der Separator, der bei der Brennstoffzelle der Erfindung benutzt wird, bietet ausgezeichneten Wassertransport, während er einen Gasübertritt von der Sauerstoffkammer zu der Wasserkammer verhindert. In einer beispielhaften Ausführungsform ermöglicht der poröse Separator, dass Wasser bei niedrigen Drücken im Bereich von mindestens etwa 0,001 MPa durchtritt, während er für einen Gasblasenpunkt von größer als 0,06 MPa, vorzugsweise von etwa 0,07 bis etwa 0,55 MPa, sorgt.
In Betracht gezogene poröse Wasser/Gas-Separatoren sind u.a. Separatoren in Form von plattenartigen Strukturen, die einen Durchmesser im Bereich von etwa 2,54 bis etwa 76,2 Zentimetern (cm) (vorzugsweise von etwa 7,62 bis etwa 38,1 cm) und eine Dicke im Bereich von etwa 0,05 bis etwa 0,25 Millimetern (mm) (vorzugsweise von etwa 0,10 bis etwa 0,20 mm) aufweisen.
Die Porengröße oder der Durchmesser der Poren des porösen Wasser/Gas-Separators ist im Bereich von etwa 0,03 bis etwa 0,2 Mikrometern. Die Innenoberfläche der Poren ist von Wasser benetzbar, was eine inhärente Eigenschaft des Materials sein kann, das benutzt wird, um den Separator herzustellen. Wie oben angemerkt sind außerdem die offenen Poren des Separators in der Lage, für einen Blasendruck zu sorgen, der ausreicht, um zu verhindern, dass Gas aus der Sauerstoffkammer in die Wasserkammer übertritt.
In einer beispielhaften Ausführungsform ist der poröse Wasser/Gas-Separator aus einem Polyethersulfon-(PES)-Membranfiltermedium (0,1 Mikrometer Porengröße, Nenndurchfluss = 2,8 bis 7,4 Milliliter (ml)/min/cm² bei 0,7 bar) hergestellt, das unter dem Markennamen „SUPOR“ von der Firma PALL Specialty Materials aus Port Washington, New York, N.Y. 11050, U.S.A. vertrieben wird. PES ist eine inhärent hydrophile Membran, die schnell und vollständig benetzt wird und zu überlegenen Strömungsgeschwindigkeiten und hohen Durchsätzen führt.
In einer anderen beispielhaften Ausführungsform ist der poröse Wasser/Gas-Separator eine andere PES-Membran (0,03 Mikrometer Porengröße, Nenndurchfluss = 5,5 ml/min/cm² bei 0,07 MPa), die unter dem Markennamen „STERILITECH“ von GE Osmonics, 5951 Clearwater Drive, Minnetonka, MN 55343, vertrieben wird.
In einer ersten Ausführungsform enthält der poröse Separator eine Anzahl von Durchgangsbohrungen. Die Durchgangsbohrungen ermöglichen physischen Kontakt zwischen leitfähigen zusammenpassenden Strukturen (d.h. leitfähige Feder- und Nutstrukturen), die auf entgegengesetzten Seiten des porösen Separators angeordnet sind.
Es wird nun im Einzelnen auf 1 Bezug genommen, worin Bezugszeichen 10 benutzt wurde, um eine Ausführungsform der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellenstapels der vorliegenden Erfindung allgemein zu kennzeichnen, wohingegen das Bezugszeichen 12 benutzt wurde, um eine Ausführungsform des porösen Wasser/Gas-Separators allgemein zu kennzeichnen. Der poröse Separator 12 ist mit einer Reihe von parallelen, länglichen, ovalen Durchgangsbohrungen 14 gezeigt. Eine Wasserkammer oder ein Strömungsfeld 16 (mit einer zusammenpassenden Struktur) ist auf einer Seite von Separator 12 angeordnet, während eine Sauerstoff-Gitter/Rahmen-Baugruppe 18 (mit einer komplementären zusammenpassenden Struktur) auf einer entgegengesetzten Seite angeordnet ist, wodurch eine sogenannte Wassertransportbaugruppe gebildet ist. Allgemein ausgedrückt, beinhalten die Wasserkammer oder das Strömungsfeld 16 und die Sauerstoff-Gitter/Rahmen-Baugruppe 18 beide einen zentralen Abschnitt 20, der mehrere Fluidströmungsräume aufweist, und einen Rahmenabschnitt 22, der einstückig mit dem zentralen Abschnitt 20 ist und diesen ringsum umgibt. Der Durchmesser des porösen Separators 12 ist etwas größer als der Durchmesser der zentralen Abschnitte 20 der Wasserkammer oder des Strömungsfeldes 16 und der Sauerstoff-Gitter/Rahmen-Baugruppe 18. Eine MEB 24 ist auf einer entgegengesetzten Seite der Sauerstoff-Gitter/Rahmen-Baugruppe 18 gezeigt, während ein festes Separatorblatt 26 auf einer entgegengesetzten Seite der Wasserkammer oder des Strömungsfeldes 16 gezeigt ist.
Die Sauerstoff-Gitter/Rahmen-Baugruppe 18, die in 1 gezeigt ist und die vorzugsweise eine diffusionsgeschweißte laminare Baugruppe ist, weist eine Reihe von gebundenen (z.B. diffusionsgeschweißten) leitfähigen Federerweiterungen 28 längs einer oberen Fläche auf, die mit einer Reihe von leitfähigen Streifen 30 zusammenpassen, die auf einer unteren Fläche des zentralen Abschnitts 20 der Wasserkammer oder des Strömungsfeldes 16 gebunden (z.B. diffusionsgeschweißt) sind. Wie in 1A am besten gezeigt ist, werden nach dem Zusammenbau der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellenstapels der Erfindung diese zusammenpassenden Strukturen 28, 30 sich durch die Durchgangsbohrungen 14, die in dem porösen Separator 12 geschaffen sind, physisch einander berühren und dadurch eine elektrische Bahn zwischen der leitfähigen Sauerstoff-Gitter/Rahmen-Baugruppe 18 und der leitfähigen Wasserkammer oder des Strömungsfeldes 16 bilden. In dieser Ausführungsform fließt Strom durch die aktive Fläche der Zelle.
Eine isolierende abdichtende Dichtung 32 (z.B. eine TEFLON^®-Dichtung) (nicht gezeigt) ist zwischen dem Rahmenabschnitt 22 der Sauerstoff-Gitter/Rahmen-Baugruppe 18 und dem Rahmenabschnitt 22 der Wasserkammer oder des Strömungsfeldes 16 angeordnet, um eine gleichmäßige Passung und Abdichtung zwischen diesen Komponenten sicherzustellen.
In 2 ist eine Draufsicht der Sauerstoff-Gitter/Rahmen-Baugruppe 18 gezeigt. Hier ist die isolierende abdichtende Dichtung 32 gezeigt, wie sie sich um den Umfang von Baugruppe 18 herum erstreckt.

Ein zweizelliger „Bipolarstromaufnahme“-Hybridprüfstapel von 50 cm² wurde gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung hergestellt und geprüft. In einer Zelle des Prüfstapels wurden leitfähige Federerweiterungen 28 aus Gold verwendet, während in der anderen Zelle leitfähige Federerweiterungen 28 aus Kohlenstoff verwendet wurden. In der MEB 24 wurde für jede Zelle eine Membran NAFION 117 PFSA eingesetzt. Eine Befeuchter-Entgaser-Zelle (B/E-Zelle) wurde installiert, jedoch wurde der Entgaser außer Betrieb gesetzt, um Blasendetektion zu ermöglichen. Die Prüfbedingungen für den Stapel waren wie folgt: Temperatur = 70 °C; O₂-Druck = 0,21 MPa; H₂-Druck = 0,21 MPa; H₂O-Druck = 0 MPa (Differenz etwa 0,21 MPa von O₂ bis H₂O) . Der „Bipolarstromaufnahme“-Hybridprüfstapel schnitt erfolgreich ab, wie folgt:

I (mA/cm²)	Zelle 1 Spannung	Zelle 2 Spannung
0	0, 988	1, 007
104	0, 854	0, 867
208	0, 820	0, 829
312	0,791	0,797
417	0,768	0,771
500	0,746	0,748
604	0,723	0,724
708	0,701	0,700
812	0, 683	0, 678

Anstatt dass Strom durch die aktive Fläche der Zelle fließt, kann Strom in einer zweiten Ausführungsform auch um den Umfang der Zelle herum fließen. Es wird nun auf 3 Bezug genommen, worin Bezugszeichen 34 benutzt wurde, um ein Beispiel für die zweite Ausführungsform der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellenstapels der Erfindung allgemein zu kennzeichnen. Hier sind die leitfähige Feder- und Nutstruktur, die bei der Wasserkammer oder dem Strömungsfeld 36 und der Sauerstoff-Gitter/Rahmen-Baugruppe 38 benutzt wurde, und die Durchgangsbohrungen, die bei dem porösen Separator 40 benutzt wurden, vermieden, und nun wird Strom mittels einer leitfähigen abdichtenden Dichtung 42, die am Umfang der Zelle angeordnet ist, weitergeleitet. Diese leitfähige abdichtende Dichtung 42, die die nicht leitfähige isolierende Dichtung ersetzt, die in der ersten Ausführungsform benutzt wird, verbindet die Wasserkammer oder das Strömungsfeld 36 und die Sauerstoff-Gitter/Rahmen-Baugruppe 38 elektrisch. Wie der Fachmann leicht verstehen wird, vereinfacht diese Ausführungsform die Herstellung, indem sie die Abdichtungs- und Leitfähigkeitsfunktionen in einer Komponente vereinigt. Wie in der ersten Ausführungsform ist der Durchmesser des porösen Separators 40 in dieser Ausführungsform etwas größer als der Durchmesser der zentralen Abschnitte der Wasserkammer oder des Strömungsfeldes 36 und der Sauerstoff-Gitter/Rahmen-Baugruppe 38.
Wie in 4 am besten gezeigt ist, die eine Draufsicht der Sauerstoff-Gitter/Rahmen-Baugruppe 38 ist, erstreckt sich die abdichtende Dichtung 42 um den Umfang von Baugruppe 38 herum und gegebenenfalls auch um die Fluidöffnungen 44 herum.
Zwei zweizellige „Kantenstromleitung“-Prüfstapel von 50 cm² wurden ebenfalls gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung hergestellt und geprüft. In dem ersten Prüfstapel wurde in beiden Zellen eine Voll-PES-Scheibe und eine leitfähige abdichtende Dichtung 42, GRAFOIL GTA von 0,13 mm, die am Umfang der Zelle angeordnet war, verwendet, wohingegen im zweiten Prüfstapel in beiden Zellen zwei Voll-PES-Scheiben und eine leitfähige abdichtende Dichtung 42, GRAFOIL GTA von 0,25 mm, verwendet wurden. In der MEB 24 wurde für jede Zelle eine Membran NAFION 117 eingesetzt. Eine B/E-Zelle wurde installiert, jedoch wurde der Entgaser außer Betrieb gesetzt, um Blasendetektion zu ermöglichen. Die Prüfbedingungen für die Stapel waren wie folgt: Temperatur = 70 °C; O₂-Druck = 0,21 MPa; H₂-Druck = 0,21 MPa; H₂O-Druck = 0 MPa (Differenz etwa 0,21 und 0,31 MPa O₂ bis H₂O). Die „Kantenstromleitung“-Prüfstapel schnitten erfolgreich ab, wie folgt:

I (mA/cm²) E Kathode (V)

0 1,018

103 0, 862

205 0, 812

308 0,768

411 0,729

513 0, 693

616 0, 661

719 0, 632

801 0, 610

903 0,577

1027 0,545
Obwohl oben verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, versteht es sich, dass sie nur als Beispiele und nicht als Einschränkung dargeboten wurden. Daher sollte die Breite und der Umfang der vorliegenden Erfindung durch keine der beispielhaften Ausführungsformen eingeschränkt werden. Beispielsweise kann der gleiche Ansatz, wie oben beschrieben, für elektrochemische Zellen in der Elektrolyse-Betriebsart herangezogen werden, wobei anstelle von hydrophilen Membranen hydrophobe Membranen benutzt werden. Das heißt, durch Benutzen einer hydrophoben Membran, die Gas strömen lässt, Wasser jedoch sperrt, kann Wasser in die Zelle eingebracht, Gas erzeugt und anschließend das Gas dazu gebracht werden, die Zelle durch die Membran zu verlassen.

Claims

Elektrochemische Zelle, die einen porösen Wasser/Gas-Separator, der aus einem polymeren Material hergestellt ist, und eine oder mehrere leitfähige Zellenkomponenten umfasst, die durch den porösen Wasser/Gas-Separator hindurchgehen oder in dessen nächster Nachbarschaft angeordnet sind, wobei eine Wasserkammer oder ein Strömungsfeld auf einer Seite von dem Separator angeordnet ist, während eine Sauerstoff-Gitter/Rahmen-Baugruppe auf einer entgegengesetzten Seite angeordnet ist, wobei die Wasserkammer oder das Strömungsfeld und die Sauerstoff-Gitter/Rahmen-Baugruppe beide einen zentralen Abschnitt umfassen, der mehrere Fluidströmungsräume aufweist, und einen Rahmenabschnitt, der einstückig mit dem zentralen Abschnitt ist und diesen ringsum umgibt und wobei der Durchmesser des porösen Separators etwas größer als der Durchmesser der zentralen Abschnitte der Wasserkammer oder des Strömungsfeldes und der Sauerstoff-Gitter/Rahmen-Baugruppe ist und wobei der poröse Wasser/Gas-Separator eine Anzahl von Durchgangsbohrungen enthält und die eine oder mehreren leitfähigen Zellenkomponenten durch die Durchgangsbohrungen des porösen Wasser/Gas-Separators hindurchgehen, wobei eine Wasserkammer oder ein Strömungsfeld mit einer zusammenpassenden Struktur auf einer Seite des porösen Wasser/Gas-Separators angeordnet ist und eine Sauerstoff-Gitter/Rahmen-Baugruppe mit einer komplementären zusammenpassenden Struktur auf einer entgegengesetzten Seite des porösen Wasser/Gas-Separators angeordnet ist, wobei die Wasserkammer oder das Strömungsfeld, der poröse Wasser/Gas-Separator und die Sauerstoff-Gitter/Rahmen-Baugruppe zusammen eine Wassertransport-Baugruppe bilden, oder wobei die eine oder mehreren leitfähigen Zellenkomponenten in nächster Nachbarschaft des porösen Wasser/Gas-Separators angeordnet sind, und wobei die eine oder mehreren leitfähigen Zellenkomponenten eine leitfähige abdichtende Dichtung umfassen, die auf einem Umfang der Zelle angeordnet ist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, die als eine Brennstoffzelle mit zellinnerer statischer Wasserentfernung betrieben wird, wobei der poröse Wasser/Gas-Separator aus einem polymeren Material hergestellt ist und einen Blasenpunkt von größer als 0,06 MPa aufweist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 2, wobei der poröse Wasser/Gas-Separator eine hydrophile Membran ist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 3, wobei die hydrophile Membran eine Polyethersulfon-Membran ist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 2, wobei der poröse Wasser/Gas-Separator einen Blasenpunkt von 0,07 bis 0,55 MPa aufweist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, die als eine Elektrolysezelle mit zellinnerer statischer Gasentfernung betrieben wird.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 6, wobei der poröse Wasser/Gas-Separator eine hydrophobe Membran ist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei die Sauerstoff-Gitter/Rahmen-Baugruppe eine Reihe von gebundenen leitfähigen Federerweiterungen längs einer oberen Fläche aufweist, die mit einer Reihe von leitfähigen Streifen zusammenpassen, die auf eine untere Fläche eines zentralen Abschnitts der Wasserkammer oder des Strömungsfeldes gebunden sind.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei eine Wasserkammer oder ein Strömungsfeld auf einer Seite des porösen Wasser/Gas-Separators angeordnet ist und eine Sauerstoff-Gitter/Rahmen-Baugruppe auf einer entgegengesetzten Seite des porösen Wasser/Gas-Separators angeordnet ist, wobei die leitfähige abdichtende Dichtung die Wasserkammer oder das Strömungsfeld und die Sauerstoff-Gitter/Rahmen-Baugruppe elektrisch verbindet.