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Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellen mit Flüssigelektrolyten, vorzugsweise, jedoch nicht ausschließlich, alkalische Brennstoffzellen und das Anordnen derartiger Brennstoffzellen in Stapeln.
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Brennstoffzellen haben sich als relativ saubere und effiziente Quelle für elektrischen Strom erwiesen. Alkalische Brennstoffzellen sind von besonderem Interesse, da sie bei relativ niedrigen Temperaturen arbeiten und theoretisch eine hohe Effizienz im Vergleich mit anderen Brennstoffzellentechnologien haben. Säurehaltige Brennstoffzellen und Brennstoffzellen, die andere wässrige Elektrolyten verwenden, sind ebenfalls interessant. Derartige Brennstoffzellen arbeiten mit einer Spannung von normalerweise weniger als einem Volt (typischerweise 0,5–0,9 V). Um höhere Spannungen zu erzielen, werden die Brennstoffzellen typischerweise elektrisch in Reihe geschaltet, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden. Brennstoffzellen, die einen flüssigen Elektrolyten verwenden, umfassen typischerweise eine Elektrolytkammer, die von einer Brenngaskammer (die ein Brenngas, typischerweise Wasserstoff, enthält) getrennt ist, sowie eine weitere Gaskammer (die ein Oxidationsgas, normalerweise Luft, enthält). Die Elektrolytkammer ist von den Gaskammern unter Verwendung von Elektroden getrennt, die gasdurchlässig sind und mit einem Katalysator, wie beispielsweise Platin, beschichtet sind. Innerhalb eines Brennstoffzellenstapels kann der Elektrolyt von einem Sammler oder von Verteilerkanälen aus durch die Elektrolytkammern zirkulieren, so dass der Elektrolyt parallel durch alle Zellen strömt.
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Ein Problem bei einer derartigen Anordnung besteht darin, dass es einen gewissen elektrischen (d. h. ionischen) Leckstrom zwischen den Zellen durch den sich in den Sammlern oder den Verteilerkanälen befindenden Elektrolyten gibt. Dieser kann minimiert werden, indem die Strömungswege des Elektrolyten so gestaltet werden, dass ihr ionischer Widerstand erhöht wird, jedoch kann diese Maßnahme nicht die gesamten ionischen Leckströme unterbinden. Ein anderes Problem bei derartigen Brennstoffzellenstapeln besteht darin, die Zellen so zu gestalten, dass ein gleichmäßiger Druck und eine gleichmäßige Durchflussgeschwindigkeit zwischen den Zellen und innerhalb jeder Zelle gewährleistet sind.
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Die
WO 2011/141727 (AFC Energy) beschreibt einen Brennstoffzellenstapel, bei dem der Elektrolyt den einzelnen Zellen durch mehrere Sammler parallel zugeführt wird, wobei der Elektrolyt aus jeder Zelle in einen am oberen Ende der Zelle vorgesehenen Kanal austritt und dann über den Rand des Stapels rinnt oder fällt. Diese Anordnung verhindert jedoch nicht die ionischen Leckströme und der austretende Elektrolyt kann Korrosion verursachen, beispielsweise an den elektrischen Kontakten.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellenstapel vorgesehen, der eine Anzahl von Brennstoffzellen, die jeweils eine Kammer für den Elektrolyten mit mindestens einem Einlass und mindestens einem Auslass und einem Einlasssammler aufweisen, um alle Zellen parallel mit Elektrolyt zu versorgen, umfasst, wobei jede Zelle eine erste Platte zum Definieren einer Elektrolytkammer, eine zweite Platte zum Definieren einer Oxidationsgaskammer und eine dritte Platte zum Definieren einer Brenngaskammer umfasst, wobei jede erste Platte, jede zweite Platte und jede dritte Platte auch mindestens eine Seitenkammer definiert, die an die Elektrolytkammer bzw. die Oxidationsgaskammer bzw. die Brenngaskammer angrenzt, jedoch diesen gegenüber abgedichtet ist, wobei die entsprechenden Seitenkammern von benachbarten Platten des Stapels miteinander in Verbindung stehen, um einen Auslasskanal für den Elektrolyten zu bilden, wobei der Elektrolyt so angeordnet ist, dass er senkrecht nach oben oder nach unten durch die Elektrolytkammer strömt; wobei ein Elektrolytströmungskanal vorgesehen ist, um den aus der Elektrolytkammer herausfließenden Elektrolyten aufzunehmen, wobei der Elektrolytströmungskanal mit dem Elektrolytauslasskanal in der Nähe des oberen Teils des Elektrolytauslasskanals in Verbindung steht, so dass der Elektrolyt aus dem Elektrolytströmungskanal in den Elektrolytauslasskanal fällt.
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Bei einer Ausführungsform ist der Elektrolytströmungskanal oberhalb und in Verbindung mit der Elektrolytkammer stehend ausgebildet und so angeordnet, dass während der Verwendung eine freie Oberfläche des Elektrolyten innerhalb des Elektrolytströmungskanals vorhanden ist, wobei der Elektrolytströmungskanal von den entsprechenden Elektrolytströmungskanälen der anderen Zellen in dem Stapel getrennt ist, jedoch mit der Seitenkammer in Verbindung steht, so dass die freien Oberflächen sämtlicher Elektrolytströmungskanäle unter einem gemeinsamen Druck stehen, der Elektrolyt senkrecht nach oben durch die Elektrolytkammer strömt und dann aus dem Elektrolytströmungskanal in den Elektrolytauslasskanal fällt.
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An der Stelle, an der der Elektrolytströmungskanal in Verbindung mit der Seitenkammer steht, können Mittel vorgesehen sein, um den Strom in Tröpfchen zu zerteilen. Beispielsweise kann der Strom über eine vorspringende Lippe fließen, von der aus der Elektrolyt in Form von einzelnen Tröpfchen frei in die Seitenkammer fällt. Das Zerteilen des Elektrolytstromes auf diese Weise verhindert in effektiver Weise Leckströme durch den austretenden Elektrolyten. Wenn der Elektrolyt über die Oberfläche der Elektrolytauslasskammer rinnt, bildet er, sogar ohne dass der Elektrolyt zerteilt wird, eine dünne Schicht, so dass es einen erheblichen ionischen Widerstand gibt, der dazu beiträgt, Leckströme zu unterbinden.
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Der Elektrolytströmungskanal kann den obersten Teil der Elektrolytkammer bilden, jedoch steht die Elektrolytkammer vorzugsweise über eine Anzahl von Auslasskanälen mit dem Elektrolytströmungskanal in Verbindung.
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Der Elektrolyt kann von dem Sammler der Elektrolytkammer über einen langen schmalen Strömungskanal, beispielsweise mit einer Querschnittsfläche von weniger als 12 mm2, beispielsweise 8 mm2, und einer Länge von mehr als 50 mm, beispielsweise zwischen 75 mm und 60 mm, zugeführt werden. Es kann einen einzigen Sammler geben, der mit mehreren in die Elektrolytkammer führenden Einlässen in Verbindung steht, beispielsweise durch einen langen schmalen Strömungskanal, der über eine Anzahl von aufeinander folgenden Abzweigen mit den Einlässen in Verbindung steht. Hierdurch wird eine Weglänge zwischen dem Sammler und jedem der Einlässe von mindestens 200 mm geschaffen. Innerhalb der Elektrolytkammer können Ablenkplatten vorgesehen sein, um die Gleichförmigkeit der Strömung innerhalb der Kammer zu verbessern, beispielsweise quer verlaufende Ablenkplatten, um die Elektrolytströmung von jedem der Einlässe zu verbreiten.
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Bei einer alternativen Ausführungsform ist der Elektrolyt so angeordnet, dass er senkrecht nach unten durch die Elektrolytkammer fließt, wobei der Elektrolytströmungskanal eine Verbindung zwischen dem Boden der Elektrolytkammer und einer Stelle nahe des oberen Teils des Elektrolytauslasskanals herstellt. In diesem Fall kann die Stelle, an der der Elektrolytströmungskanal mit dem Elektrolytauslasskanal in Verbindung steht, auf einem Niveau unterhalb des oberen Teils der Elektrolytkammer sein, so dass es einem Zwischenraum zwischen dem Flüssigkeitspegel in der Elektrolytkammer und dem oberen Teil der Elektrolytkammer gibt. Der Elektrolyt kann dem oberen Teil der Elektrolytkammer in Form von Tropfen zugeführt werden.
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Bei dieser alternativen Ausführungsform zerteilt sich der Elektrolyt in Tröpfchen sowohl beim Hineinfließen in die Zelle als auch dem Herausfließen aus der Zelle, so dass die Gefahr von ionischen Leckströmen unterbunden wird.
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Der Brennstoffzellenstapel umfasst ebenfalls Elektroden, nämlich jeweils eine an jeder Seitenfläche der Elektrolytkammer, um die Elektrolytkammer von der benachbarten Brenngaskammer bzw. von der benachbarten Oxidationsgaskammer zu trennen. Jede Elektrode kann in einer in einer benachbarten Platte vorgesehenen Vertiefung angeordnet sein. Wenn sich die Elektrode bis zur Außenseite des Stapels erstreckt, muss die Elektrode ebenfalls eine Seitenkammer, die der Seitenkammer der benachbarten Platten entspricht, definieren.
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Der Brennstoffzellenstapel muss ebenfalls mit Brenngas und Oxidationsgas versorgt werden. Diese können über in dem Stapel vorgesehene Verteilerkanäle zugeführt werden. Als Alternative können, wenn es sich bei dem Oxidationsgas um Luft handelt, die Luftkammern direkt mit der Umgebungsluft in Verbindung stehen. Beispielsweise kann es der Luft gestattet sein, in jede der Oxidationsgaskammern über einen oder mehrere Einlasskanäle, die mit einer Fläche des Stapels, wie beispielsweise der Oberseite oder der Unterseite, in Verbindung stehen, zu strömen; und sie kann über einen oder mehrere Auslasskanäle, die mit einer Fläche des Stapels in Verbindung stehen, austreten. Beispielsweise kann die Luft einer Fläche des Stapels mit einem höheren Druck als die Luft bei einer anderen Fläche des Stapels zugeführt werden, so dass die Luft durch die Luftkammern von der einen Fläche des Stapels zu der anderen strömt. Dies vermeidet die Notwendigkeit, dass irgendwelche Luftverteilerkanäle in den den Stapel bildenden Platten ausgebildet werden müssen, wodurch die Struktur der Platten vereinfacht wird.
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Bei einer Ausführungsform ist der Brennstoffzellenstapel in einem Gehäuse angeordnet, das einen Deckel oder eine Abdeckung aufweist, wobei der Deckel einen sich nach unten ersteckenden Flansch aufweist, der gegenüber der Deckfläche des Brennstoffzellenstapels abgedichtet ist, so dass eine unter Hochdruck stehende Luftversorgungskammer definiert wird. Folglich können der Rest des Gehäuses und damit die Seiten und die Bodenflächen des Brennstoffzellenstapels im Wesentlichen unter Umgebungsluftdruck stehen.
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Die Erfindung wird nachstehend weiter und in näheren Einzelheiten an Hand eines bloßen Beispiels und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigt:
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1 eine Querschnittsansicht, die senkrecht zu der Ebene der Zellen durch einen Brennstoffzellenstapel der Erfindung verläuft;
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2 eine Querschnittsansicht, die parallel zu der Ebene der Zellen verläuft, eines Gehäuses, das den Brennstoffzellenstapel der 1 umschließt;
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3 eine Seitenansicht einer Elektrolytplatte des Brennstoffzellenstapels der 1;
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4 eine Seitenansicht einer Luftplatte des Brennstoffzellenstapels der 1 (in einem kleineren Maßstab als dem der 3)
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5 eine Seitenansicht einer Brennstoffplatte des Brennstoffzellenstapels der 1 (in einem kleineren Maßstab als dem der 3), und
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6 eine Seitenansicht einer Elektrolytplatte einer modifizierten Version des Brennstoffzellenstapels der 1.
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Unter Bezugnahme auf die 1 ist eine Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapels 10 gezeigt, wobei die Komponenten aus Gründen der Klarheit einzeln dargestellt sind. Der Stapel 10 besteht aus einem Stapel Rahmen 12, 13 und 14, die jeweils durch eine Platte aus einem isolierenden Kunststoffmaterial gebildet sind, wobei jeder einen rechteckigen Durchlass definiert. Die abwechselnd angeordneten Rahmen 12 bilden Elektrolytkammern (mit K bezeichnet) und zwischen den aufeinanderfolgenden Elektrolytkammern sind Gaskammern angeordnet, bei denen es sich abwechselnd um Luftkammern (mit O bezeichnet) und Brennstoffkammern (mit H bezeichnet) handelt. Alle Kammern sind von ihren benachbarten Kammern durch Elektroden 18, 19 getrennt, die angrenzend an die Elektrolytkammern K durchlässige Bereiche aufweisen und undurchlässige Seitenränder haben. Die in Kontakt mit den Brennstoffkammern H stehenden Elektroden sind Anoden 18, während die in Kontakt mit den Luftkammern O stehenden Elektroden Kathoden 19 sind, wobei jede mit geeigneten Katalysatormaterialien ausgestattet ist, wie nachstehend beschrieben wird. Wie schematisch angedeutet ist, sind sie paarweise elektrisch miteinander verbunden, d. h. eine Anode 18 ist mit einer Kathode 19 verbunden, wobei die Paare als einstückiges Teil ausgebildet sein können, bei dem die Anode 18 und die Kathode 19 an gegenüberliegenden Enden eines Elektrodenelements ausgebildet sind, oder sie können als Alternative einfach elektrisch verbunden sein, beispielsweise durch Verbindungselemente zwischen hervorstehenden Laschen. Die Elektroden 18 und 19 ragen ausnahmslos teilweise über die Rahmen 12, 13 und 14 hinaus, um derartige elektrische Kontakte herzustellen.
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Es ist daher zu erkennen, dass jede Elektrolytkammer K zwischen einer Sauerstoffkammer O und einer Brennstoffkammer H liegt und von diesen durch eine Kathode 19 bzw. eine Anode 18 getrennt ist, wobei diese Teile eine einzelne Brennstoffzelle bilden. Im Stapel aufeinanderfolgende Brennstoffzellen haben eine entgegengesetzte Ausrichtung, jedoch ist die Anordnung derart, dass die Zellen elektrisch in Reihe geschaltet sind. Bei Zugrundelegung einer elektromotorischen Kraft (EMF) von 1 V bei einer einzelnen Brennstoffzelle, steigen die Spannungen entlang des Stapels 10 an den Verbindungselementen zwischen den Elektroden 18 und 19 ständig, wie eingezeichnet wurde, so dass der aus sieben Zellen bestehende Zellenstapel 10 eine Ausgangsspannung von 7 V erzeugt.
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Jeder Rahmen 12 definiert ebenfalls einen Schlitz oder Kanal 15 in dem sich über der Elektrolytkammer K befindenden Abschnitt des Rahmens 12, wobei dieser Kanal 15 einen Teil des Elektrolytströmungswegs definiert, wie nachstehend beschrieben wird.
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An den Enden des Stapels 10 sind Endplatten 16, 17 angeordnet, die ein Sackloch definieren, und es gibt dort Endelektroden, nämlich eine Anode 18 an dem einen und eine Kathode 19 an dem anderen Ende. Dichtungen (nicht dargestellt) stellen sicher, dass die Rahmen 12, 13 und 14 und die Endplatten 16 und 17 gegenüber den Elektroden 18 und 19 abgedichtet sind. Die Strömung des Elektrolyten zu den Elektrolytkammern K und die Strömung des Brenngases zu und von den Brennstoffkammern H findet jeweils über entsprechende Fluidströmungskanäle statt, die durch die Rahmen 12, 13 und 14 hindurchführen und von ausgerichteten Öffnungen 42–45 (in 3 dargestellt) definiert werden. An einem Ende des Stapels 10 stehen vier Kanäle mit den entsprechenden Fluidströmungskanälen in Verbindung: ein Wasserstoffzufuhrkanal 110, ein Wasserstoffauslasskanal 112, ein Elektrolytzufuhrkanal 114 und ein Elektrolytauslasskanal 116. Die Bestandteile des Zellenstapels 10 werden nach dem Zusammenbau durch Schrauben, die durch ausgerichtete Öffnungen 34 (in 3 dargestellt) führen, aneinander befestigt.
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Die Anoden 18 und die Kathoden 19 haben eine Katalysatorbeschichtung, die auf der Oberfläche vorgesehen sein kann, die der jeweiligen Gaskammer H oder O zugewandt ist, oder auf der gegenüberliegenden Oberfläche. Die Katalysatorbeschichtung sowohl für die Kathoden- als auch für die Anodenelektroden kann eine Kombination aus Katalysatorpartikeln und einem Bindemittel umfassen. Beispielsweise kann die Beschichtung auf den Kathoden 19 10% Palladium/Platin oder Silber auf Aktivkohle umfassen, während die Beschichtung auf den Anoden 18 10% Palladium/Platin auf Aktivkohle umfassen kann, wobei in jedem Fall 10% Bindemittel vorgesehen sind. Die Katalysatorbeschichtung kann direkt auf eine Metallkomponente der Anode 18 oder der Kathode 19 aufgebracht werden oder sie kann auf eine fluiddurchlässige elektrisch leitende Schicht aufgebracht werden, die ihrerseits auf die Metallkomponente aufgebracht wird. Eine derartige fluiddurchlässige elektrisch leitende Schicht kann Carbon Black (Industrieruß) oder Kohlenstoff-Nanoröhren und ein Bindemittel umfassen und kann sowohl als Gasdiffusionsschicht als auch als Grundlage für die Katalysatorbeschichtung dienen.
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Unter Bezugnahme auf die 2, in der die baulichen Einzelheiten innerhalb des Zellenstapels nicht dargestellt sind, ist der Zellenstapel 10 so in einem Gehäuse 20 angeordnet, dass er auf Haltevorrichtungen 21 ruht. Das Gehäuse 20 umfasst einen Kasten 22 mit einer im Wesentlichen rechteckigen Form, der etwas größer als der Zellenstapel 10 ist und eine(n) vorspringende(n) Lippe oder Flansch 23 um seine Öffnung herum aufweist. Das Gehäuse 20 umfasst einen Deckel oder eine Abdeckung 24, der bzw. die auf dem Flansch 23 ruht und diesem gegenüber abgedichtet ist. Eine vorspringende Leiste oder ein Flansch 25 erstreckt sich von der Abdeckung 24 nach unten und weist eine elastische Dichtung 26 entlang seines unteren Rands auf, die eine Abdichtung gegenüber der Deckfläche des Zellenstapels 10 bildet. Der Flansch 25 definiert damit eine umschlossene Kammer 27 zwischen der Deckfläche des Zellenstapels 10 und der Unterseite der Abdeckung 24. Über eine Pumpe (nicht dargestellt) wird Luft durch einen Kanal 28 der umschlossenen Kammer 27 zugeführt, um durch die Luftkammern O zu strömen und in den Rest des Gehäuses 20 zu entweichen, von wo aus sie durch einen Abluftkanal 29 abgeführt wird.
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Der flüssige Elektrolyt wird dem einen Ende des Stapels 10 über den Kanal 114 zugeführt und (wie nachstehend beschrieben wird) fließt nach dem Durchströmen der Elektrolytkammern K und der Kanäle 15 schließlich durch den Auslasskanal 116 an einem Ende des Stapels 10 hinaus. Das Brenngas (Wasserstoff) wird ebenfalls einem Ende des Stapels 10 über den Kanal 110 zugeführt und der Auslasskanal 112 ist ebenfalls mit diesem Ende des Stapels 10 verbunden.
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Unter Bezugnahme auf die 3 ist eine Seitenansicht eines Rahmens 12 dargestellt, der eine derartige rechteckige Elektrolytkammer K definiert. Alle Rahmen 12, 13 und 14 haben einige gemeinsame Merkmale zusätzlich zu dem Definieren der jeweiligen rechteckigen Kammern K, O und H und die gemeinsamen Merkmale werden zuerst beschrieben. Bei dieser Ausführungsform hat jeder Rahmen 12, 13 und 14 eine Außenform, die ebenfalls im Wesentlichen rechteckig ist, die jedoch auch eine vorspringende rechteckige Lasche 32 in der Nähe der Mitte der Unterseite des Rahmens 12, 13 oder 14 definiert. Jeder Rahmen 12, 13 oder 14 definiert ebenfalls mehrere kreisförmige Öffnungen 34, die mit Abstand zueinander um die rechteckige Kammer K, O und H herum angeordnet sind und durch die Schrauben (nicht dargestellt) geführt sind, um den Stapel 10 zusammen zu halten. Jeder Rahmen 12, 13 und 14 definiert ebenfalls zwei rechteckige Seitenkammern 36, von denen eine auf jeder Seite der rechteckigen Kammer K, O und H angeordnet ist, wobei die Höhe jeder Seitenkammer 36 größer als die der rechteckigen Kammer K, O oder H ist. Eine Dichtung 37 (von der nur ein Teil durch eine Schraffur angedeutet ist) ist in einer Nut 38 angeordnet, die jede kreisförmige Öffnung 34 umgibt und die sich ebenfalls bis in den Teil des Rahmens 12, 13 und 14 fortsetzt, der zwischen den rechteckigen Kammern K, O und H und der benachbarten Seitenkammer 36 liegt, wobei sich eine Verlängerung 38a dieser Nut um die Außenseite der rechteckigen Seitenkammer 36 herum erstreckt, um eine entsprechende Verlängerung der Dichtung 37 aufzunehmen. Eine identische Nut 38 ist auf der gegenüberliegenden Fläche angeordnet, die eine identische Dichtung 37 aufnimmt und die Nuten 38 auf sich gegenüberliegenden Flächen sind durch kleine Löcher 39 verbunden. Zusätzlich gibt es halbkreisförmige Einbuchtungen 40, die mit Abstand zueinander entlang der seitlichen und oberen Kanten jedes Rahmens 12, 13 und 14 angeordnet sind, um zusätzliche Befestigungsschrauben aufzunehmen.
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Jeder Rahmen 12, 13 und 14 definiert ebenfalls sechs oberhalb der rechteckigen Kammer K, O oder H angeordnete Öffnungen 42 und sechs unterhalb der rechteckigen Kammer K, O oder H angeordnete Öffnungen, nämlich vier im Wesentlichen quadratische Öffnungen 43 und zwei im Wesentlichen rechteckige Öffnungen 44. Durch diese Öffnungen 42, 43 und 44 wird das Brenngas, wie beispielsweise Wasserstoff, geführt. Jeder Rahmen 12, 13 und 14 definiert ebenfalls eine Öffnung 45 in der Lasche 32 und diese Öffnungen 45 definieren einen Kanal zum Durchleiten der Elektrolytzufuhr.
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Die Elektroden 18 und 19 sind flache Metallplatten mit durchlässigen Bereichen und mit einem Katalysator in den den Kammern K, O und H benachbarten Bereichen sowie mit undurchlässigen umlaufenden Rändern. Bei dieser Ausführungsform hat jede Elektrode 18 und 19 eine äußere Form, die sich über die Außenkante des Stapels 10 hinaus fortsetzt und weit genug herausragt, um die elektrischen Kontakte herzustellen. Jede Elektrode 18 und 19 definiert ebenfalls Öffnungen 34 für Schrauben und Öffnungen 42, 43, 44 und 45 für das Brenngas und den Elektrolyten, die auf die entsprechenden Öffnungen 34, 42, 43, 44 und 45 in den Rahmen 12, 13 und 14 ausgerichtet sind. Jede Elektrode 18 und 19 definiert ebenfalls zwei rechteckige Öffnungen, die auf die Seitenkammern 36 in den Rahmen 12, 13 und 14 ausgerichtet sind, so dass die Seitenkammern 36 eine durch den Stapel 10 zwischen den Endplatten 16 und 17 durchgehende Kammer bilden. Wie durch eine unterbrochene Linie in 3 dargestellt ist, definiert jede Elektrode 18, 19 ebenfalls einen Vorsprung 46 am oberen Ende der Seitenkammer.
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Bei Betrachtung der speziell bei den Rahmen 12 vorhandenen Merkmale, umgeben die in jedem Rahmen 12 vorhandenen Nuten 38 und Dichtungen 37 jede der Öffnungen 43 und 44; und oberhalb der rechteckigen Kammer K umgibt eine Nut 38b nicht nur jede kreisförmige Öffnung 34, sondern auch eine benachbarte Öffnung 42 und nimmt eine entsprechende Dichtung (nicht dargestellt) auf. Es gibt in Querrichtung des Rahmens 12 Zwischenräume zwischen aufeinanderfolgenden Nuten 38b und in jedem dieser Zwischenräume gibt es parallele Nuten 60, die eine Verbindung zwischen der Kammer K und dem Schlitz oder Kanal 15 herstellen.
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Der Elektrolyt wird allen in dem Stapel 10 vorhandenen Elektrolytkammern K durch den Verteilerkanal zugeführt, der von den aufeinander ausgerichteten Öffnungen 45 in allen Laschen 32 gebildet wird. Bei jedem Rahmen 12 wird die Verbindung für die Öffnung 45 durch einen langen schmalen zickzackförmigen Schlitz 52 hergestellt, der sich in Nuten 54 verzweigt, die ihrerseits zu Öffnungen 56 führen, die mit dem unteren Rand der Elektrolytkammer K in Verbindung stehen; wobei es aufeinanderfolgende Abzweigungen in den Nuten 54 gibt, um die Verbindung zu einer Vielzahl von Öffnungen 56 herzustellen, die mit gleichem Abstand über die gesamte Breite der Elektrolytkammer K angeordnet sind. Der Elektrolyt tritt aus der Kammer K an ihrem oberen Ende durch parallele in den Schlitz oder Kanal 15 führende Nuten 60 aus.
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Innerhalb der Elektrolytkammer K definiert der Rahmen 12 ebenfalls Ablenkplatten: es gibt Ablenkplatten 62, die sich rechtwinklig zu dem oberen Rand der Kammer K über etwas mehr als die halbe Höhe der Kammer erstrecken und die den Elektrolytstrom dazu zwingen, nach oben in Richtung auf die Auslassnuten 60 zu fließen; und es gibt auch T-förmige Ablenkplatte 64, die sich von dem unteren Rand aus nach oben erstrecken. Jede Ablenkplatte 62, 64 ist dünner als die benachbarten Bereiche des Rahmens 12. Diese Anordnung der Ablenkplatten 62, 64 trägt dazu bei, eine im Wesentlichen gleichmäßige Strömung des Elektrolyten durch die Kammer K zu erzielen und trägt dazu bei, die Elektroden 18 und 19 auf einem gleichmäßigen Abstand zu halten.
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Oberhalb der Elektrolytkammer K erstreckt sich der Schlitz oder Kanal 15 über die gesamte Breite der Kammer K, mit Ausnahme eines schmalen Rahmenteils 66 in der Mitte und setzt sich über die Seiten der Kammer K hinaus fort, um mit den oberen Teilen der Seitenkammern 36 in Verbindung zu stehen. An jedem Ende des Kanals 15 definiert der Rahmen 12 eine gebogene Lippe 68, die bis ungefähr in die Mitte der Seitenkammer 36 herausragt und die etwas kleiner als der Vorsprung 46 an den benachbarten Elektroden 18, 19 ist. Auf jeder Seite des schmalen Rahmenabschnitts 66 sind die sich oberhalb und unterhalb des Schlitzes oder Kanals 15 befindenden Abschnitte des Rahmens 12 mit drei Leisten 67 verbunden, die dünner als der Abschnitt des Rahmens 12 unterhalb des Schlitzes oder Kanals 15 sind. Die Nut 38a erstreckt sich zusammen mit der entsprechenden Dichtung in diesem Fall nicht nur auf der Außenseite der Seitenkammer 36 sondern auch über die Breite des Rahmens 12 oberhalb des Schlitzes oder Kanals 15.
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Bei der Verwendung des Zellenstapels 10 fließt der Elektrolyt durch alle Öffnungen 56 in die Elektrolytkammer K und tritt durch alle Nuten 60 in den Schlitz oder Kanal 15 aus. Der Elektrolyt füllt diesen Kanal 15 nicht vollständig, so dass es einen Gasraum oberhalb des Elektrolyten und eine freie Oberfläche des Elektrolyten gibt; der Elektrolyt strömt den Kanal 15 entlang, um über die vorspringende Lippe 68 in die Seitenkammer 36 zu fließen. Der Elektrolyt fällt frei auf den Boden der Seitenkammer 36, wobei er sich zu Tröpfchen zerteilt, und strömt dann durch die Länge des Stapels 10 den Kanal entlang, der durch die Seitenkammern 36 definiert wird, um dann durch den Auslasskanal 116 auszutreten. Der Auslasskanal führt den Elektrolyten zu einem Vorratsbehälter (nicht dargestellt) zurück. Die Abmessungen des Auslasskanals 116 und die Strömungsgeschwindigkeit des Elektrolyten durch den Stapel 10 sind so bemessen, dass der Auslasskanal 116 nie vollständig mit dem Elektrolyten gefüllt ist, so dass es immer eine freien Zugang für Gas von der Oberfläche des im Vorratsbehälter vorhandenen Elektrolyten zu den Seitenkammern 36 und damit in den Schlitz oder Kanal 15 gibt.
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Sämtliche elektrischen Verbindungen zwischen aufeinander folgenden Elektroden befinden sich außerhalb des Stapels 10, wie in der 2 gezeigt sind, und damit werden sie nicht dem Elektrolyten ausgesetzt.
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Die vorstehende Beschreibung hat primär die Merkmale der Rahmen 12, die die Elektrolytkammer K definieren, hervorgehoben, es wurde jedoch betont, dass die anderen Rahmen 13, 14 viele gemeinsame Merkmale haben. Sie unterscheiden sich darin, dass sie keinen Schlitz oder Kanal 15 oberhalb der Kammer O oder H definieren. Sie unterscheiden sich ebenfalls in der genauen Gestaltung der Nuten 38 und der Dichtung 37, indem sie beispielsweise eine Dichtung 70 rings um die Öffnung 45 herum vorsehen, und darin, dass sich die Nut 38a quer über die Oberseite der Seitenkammer 36 fortsetzt, um auf die Nut 38 zu treffen, so dass die Seitenkammer 36 vollständig von einer Dichtung 37 umgeben ist.
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Unter Bezugnahme auf die 4 und hinsichtlich des Rahmens 13, der die Oxidationskammer O definiert, unterscheidet sich dieser von dem Rahmen 12 darin, dass es Zwischenräume bei der Nut 38 und der Dichtung 37 zwischen der die Öffnung 44 umgebenden Dichtung und der die benachbarten Öffnungen 34 umgebenden Dichtung gibt. In jedem dieser Zwischenräume gibt es eine schmale Nut 72, die sich zwischen der Gaskammer O und der Außenseite des Rahmens 13 erstreckt, um einen Luftauslass zu bilden. Es gibt ebenfalls eine Nut 72 neben jeder Seite der Lasche 32 und eine ähnliche Nut 73 auf jeder Seite der die Öffnung 45 umgebenden Dichtung 70. Ähnliche schmale Nuten 74 erstrecken sich in den Zwischenräumen zwischen aufeinander folgenden Nuten 38b, so dass Luft aus der umschlossenen Kammer 27 (siehe 2) oberhalb des Stapels 10 in die Oxidationsgaskammer O strömen kann.
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Unter Bezugnahme auf die 5 und hinsichtlich des Rahmens 14, der die Brenngaskammer H definiert, unterscheidet sich dieser von dem Rahmen 12 darin, dass sich die Nut 38 und die Dichtung 37 kontinuierlich um den gesamten Umfang der Kammer H herum erstrecken, jede kreisförmige Öffnung 34 umgeben und ein Stück Dichtung 37 in einer Nut 38c zwischen den Öffnungen 34 auf beiden Seiten der Lasche 32 vorgesehen ist, wogegen jedoch keine Dichtung zwischen den Öffnungen 42 und 43 und der Kammer H vorgesehen ist. Schmale verzweigte Nuten 76 bzw. 77 verbinden die Öffnungen 42 und 43 mit der Kammer H. Das als Brennstoff verwendete Wasserstoffgas wird durch die Öffnungen 42 zugeführt und durch die Öffnungen 43 abgeleitet; der Wasserstoff strömt durch den von den Öffnungen 43 gebildeten Kanal zu der Endplatte 16 (in 1 dargestellt), die Kanäle definiert, die die Öffnungen 43 und 44 verbinden, so dass der hinaus strömende Wasserstoff durch den von den Öffnungen 44 definierten Kanal zu dem Auslasskanal 112 fließt.
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Es sollte zur Kenntnis genommen werden, dass der oben beschrieben Zellenstapel lediglich als Beispiel anzusehen ist und auf verschiedene Weise modifiziert werden kann. Die Rahmen 12, 13 und 14 und auch die Kammern K, O und H können eine Form aufweisen, die sich von der hier gezeigten unterscheidet, und der Auslass aus der Elektrolytkammer K kann über eine oder mehrere breite Nuten oder Schlitze anstelle der Anzahl schmaler Nuten 60 erfolgen. Bei einer Ausführungsform kann die Elektrolytkammer K mit einem porösen Material oder einem Gewebe gefüllt sein, das als Docht fungiert.
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Unter Bezugnahme auf die 6 ist eine Seitenansicht eines Rahmens 120 eines Zellenstapels 100 gezeigt, der eine Modifikation des Zellenstapels 10 ist; viele Merkmale sind im Wesentlichen äquivalent zu denen des Zellenstapels 10 und werden mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Der Rahmen 120 definiert eine rechteckige Elektrolytkammer K. Der Rahmen 120 unterscheidet sich von dem Rahmen 12 hauptsächlich darin, dass die Lippe 68, über die der ausströmende Elektrolyt in die Seitenkammer 36 fällt, auf einem Niveau vorgesehen ist, das unterhalb des oberen Teils der Elektrolytkammer K liegt. Die entlang des Bodens der Elektrolytkammer K vorgesehenen Öffnungen 56 stehen über eine Nut 154 in Verbindung, die sich entlang der Seiten der Elektrolytkammer bis knapp oberhalb der Lippe 68 erstreckt. Der Elektrolyt strömt durch die Elektrolytkammer K nach unten, durch die Öffnungen 56 nach außen, die Nut 154 entlang und fällt in Tröpfchenform über die Lippe 68 in die Seitenkammer 36.
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Wie durch die unterbrochene Linie K1 angedeutet ist, ist die Oberfläche des Elektrolyten in jeder Elektrolytkammer K bei der Verwendung daher knapp oberhalb des Niveaus der Lippe 68 und befindet sich unterhalb des oberen Teils der Elektrolytkammer K. Der Elektrolyt wird jeder Zelle durch aufeinander ausgerichtete Öffnungen 160, die in den Rahmen vorgesehen sind, wobei diese den Rahmen 13 und 14 äquivalent sind (die Anordnung von sechs derartigen Öffnungen 160 ist in unterbrochenen Linien dargestellt) zugeführt, wobei die Öffnungen mit dem Schlitz oder dem Kanal 15 in Verbindung stehen, so dass der Elektrolyt in die Elektrolytkammer K über die parallelen Nuten 60 strömt und in Tröpfchenform durch den Raum zwischen dem oberen Teil der Elektrolytkammer K und der Oberfläche K1 des Elektrolyten fällt.
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Die den Rahmen 13 und 14 des Zellenstapels 100 äquivalenten Rahmen (nicht dargestellt) unterscheiden sich von den Rahmen 13 und 14 darin, dass sich die Seitenkammern 36 nicht so weit nach oben erstecken, und sie unterscheiden sich ebenfalls darin, dass sie keine Öffnungen 45 definieren, sondern stattdessen die Öffnungen 160 zu die Zufuhr des Elektrolyten definieren. Die Funktionsweise des Zellenstapels 100 ist im Wesentlichen identisch mit der des Zellenstapels 10, mit der Ausnahme, dass der Elektrolyt durch die Elektrolytkammer K nach unten statt nach oben strömt und dass der Elektrolyt daher nicht nur am Auslass, an dem er in die Seitenkammer 36 fällt, in Tröpfchen zerteilt wird, sondern auch am Einlass, an dem er zwischen die parallelen Nuten 60 und die Oberfläche K1 des Elektrolyten fällt.
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Die Zellenstapel 10 und 100 können in der Praxis mehr als einhundert Zellen ausweisen, so dass die Stapel 10 oder 100 eine elektromotorische Kraft (EMF) von mehr als 100 V bereitstellen. Bei dem Zellenstapel 10 wird sowohl durch das Anordnen einer einzelnen langen schmalen Nut 52 zum Zuführen des Elektrolyten zu der Zelle als auch durch den frei fallenden Elektrolyten, der von der gebogenen Lippe 68 in die Seitenkammer 36 fällt, jeglicher Leckstrom unterbunden. Bei einem Beispiel liefert ein Brennstoffzellenstapel 10 mit einhundert Zellen einen elektrischen Strom von 50 A bei ungefähr 100 V mit einem Leckstrom von weniger als 1 A. Bei dem Zellenstapel 100 ist der Leckstrom wesentlich geringer.
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Bei einer Modifikation können die Zellenstapel 10 und 100 ebenfalls einen Luftauslass in die Seitenkammern 36 aufweisen. Bei dem Zellenstapel 10 kann ein derartiger Luftauslass durch das Definieren von zwei schmalen Nuten in dem der Endplatte 16 am nächsten liegenden oberen Teil des Rahmens 12 vorgesehen werden, wobei jede Nut mit der umschlossenen Kammer 27 oberhalb des Brennstoffzellenstapels 10 und dem Schlitz oder Kanal 15 in diesem Rahmen 12 in Verbindung steht, wobei jeweils eine Nut auf jeder Seite des schmalen Rahmenabschnitts 66 vorgesehen ist. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Luft durch alle Seitenkammern 36 strömt und aus dem Auslasskanal 116 am entgegengesetzten Ende des Brennstoffzellenstapels 10 herausströmt und dabei jegliches Wasserstoffgas mit sich nimmt.
