DE1671961A1

DE1671961A1 - Brennstoffelement

Info

Publication number: DE1671961A1
Application number: DE19671671961
Authority: DE
Inventors: Hirschenhofer John Harold; Gelting Raymond Lauman; Lane John William
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1966-11-07
Filing date: 1967-11-04
Publication date: 1972-03-09
Also published as: FR1547776A; US3573102A; CH482311A; GB1140829A; SE339059B

Description

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United Aircraft Corporation, East Hartford, Connecticut/USA

Brennstoffelement

Die Erfindung "betrifft Brennstoffelemente und bezieht sich m insbesondere auf ein Leitungssystem zur Verteilung· der das Brennstoffelement durchsetzenden Ströme der gasförmigen Reaktanten, um ein Austrocknen des Elementes zu verhindern.

Bei den bekannten Brennstoffelementen befindet sich die wässrige Lösung eines Elektrolyten zwischen und in Berührung mit zwei porösen Elektroden, die den Gasströmen des Brennstoffes bzw. des Oxydationsmittels ausgesetzt sind.

Zu den Brennstoffelementen, die mit gasförmigem Brennstoff ^ und gasförmigem Oxydationsmittel arbeiten, gehören die Elemente mit festgehaltenem oder eingeschlossenem Elektrolyten, bei denen der Elektrolyt in einem abgegrenzten Bereich zwischen ^! den Elektroden des Elementes eingeschlossen oder festgelegt ist. Dieser festgelegte Elektrolyt überträgt die bei den Elektrodenreaktionen gebildeten Ionen zwischen den Elektroden. Bei diesen kompakten mit festgelegten Elektrolyten

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arbeitenden Brennstoffelementen wird die Elektrolytlösung in einem porösen Körper zwischen den Elektroden und auch innerhalb der porösen Elektroden durch kapillare Kräfte gehalten. Die Grenzschicht zwischen dem Elektrolyten und dem gasförmigen Oxydationsmittel und die Grenzschicht zwischen dem Elektrolyten und dem gasförmigen Brennstoff befinden sich innerhalb der Oxydationsmittelelektrode und der Brennstoffelektrode, wobei die spezielle Lage dieser Grenzschichten durch die Konzentration des Elektrolyten bestimmt wird. Die Aufrechterhaltung der Gas-Elektrolyt-Grenzschicht innerhalb der betreffenden Elektrode verhindert einen direkten Kontakt zwischen den gasförmigen Reaktanten in dem Element.

Bei Betrieb eines solchen Brennstoffelementes v/ird ein gasförmiger Brennstoff,z.B. Wasserstjff der Brennstoffelektrode, durch geeignete Gaszuführungsanrichtungen zugeleitet und ein gasförmiges Oxydationsmittel, z.B. Sauerstoff oder Luft wird gleichzeitig der Oxydationsmittelelektrode durch entsprechende Zuführungseinrichtungen zugeführt. Der Sauerstoff reagiert mit dem Wasser des Elektrolyten an der Oxydationselektrode des Elementes (der Katode), wobei Elektronen aufgenommen und negativ geladene IlydroTcyl-Ioner. gebildet werden. Diese Ionen wandern durch den wässrigen Elektrolyten zu der Brennstoffelektrode des Elementes (der Anode), wo sie mit dem Wasserstoff reagieren, der dieser Elektrode zugeführt wird. Die Reaktion an der Anoüe

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ergi"bt Wasser unter Bildung"von Wärme und !Freisetzung von Elektronen.

Die an der Anode gebildeten Elektronen wandern durch einen äußeren elektrischen Stromkreis, der die Elektroden verbindet und den gewünschten Strom in dem Element erzeugt. Die gesamte Reaktion des Elementes kann wie folgt zusammengefaßt werden:
(H₂ + 1/2 O₂ > H₂O + elektrischer Energie + Wärme)

Das bei der Reaktion erzeugte überschüssige Wasser muß ständig aus dem Brennstoffelement mit festgelegten Elektrolyten

Konzentration ι

entfernt werden, um eine gleichförmige/in dem wässrigen Elektrolyten im Bereich des ganzen Elementes aufrecht zu erhalten. Das überschüssige Wasser wird z.B. entweder durch Verdampfung in dem Gasstrom des Oxydationsmittels entfernt, das eine Gaskammer in der Nähe der Katode des Elementes durchsetzt, oder durch Verdampfung in einem Gasstrom von überschüssigem Brennstoff, der durch eine Brennstoffkammer in der Nähe der Anode des Elementes hindurchgeleitet wird. Wenn die Konzentration des Elektrolyten in fern Element auf einem konstanten Wert gehalten wird, indem das erzeugte Wasser entfernt wird, dann bleiben beide Gas-Elektrolyt-Zwischenschiehten innerhalb der Elektroden des Elementes und halten auf diese V/eise die gewünschte Trennung zwischen den reagierenden Gasen aufrecht. Wenn jedoch zuviel Wasser durch den Gasstrom in der Nähe einer

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der¹" Elektroden des Elementes entfernt wird, dann trocknet das Element aus, und die Gas-Elektrolyt-Zwischenschicht wird aus den Elektroden herausgezogen und wandert in den Körper des Elementes. Diese Bewegung oder Wanderung der Zwischenschicht kann u.U. die Trennung der gasförmigen Reaktanten beeinträchtigen. Wenn der Elektrolyt nicht mehr in der Lage ist, die "beiden gasförmigen Reaktanten zu trennen, dann findet ein Gasaustausch statt. Die Reaktion setzt sich dann als Reaktion zwischen den Gasen fort, ohne daß es zur Erzeugung von Strom kommt, wobei eine starke Überhitzung des Elementes eintritt.

Eine dem Austrocken des Elementes entgegengesetzte Schwierigkeit besteht in der Überflutung des Elementes. Wenn nur eine ungenügende Menge des erzeugten Wassers aus dem Element durch den Gasstrom hinweggeführt wird, wird der Elektrolyt verdünnt und das Element kann überlaufen. Die Verdünnung des Elektrolyten treibt die Gas-Elektrolyt-Zwischenschicht durch die porösen Elektroden und drängt sie in die Gaskammern, welche die Ellktroden umgeben. Dieses Überlaufen und der dadurch bedingte Verlust an Elektrolyten beeinträchtigt das Arbeiten des Elementes.

TJm die Konzentration des Elektrolyten zu regeln und einen einwandfreien Betrieb des Elementes sicherzustellen, ist es daher notwendig, den Wasserhaushalt des Elementes dadurch

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genau zu kontrollieren, daß die Beseitigung des erzeugten Wassers genau überwacht und gesteuert wird.

Bei einem bekannten Wasserstoff-Luft-Brennstoffelement wird das erzeugte Wasser aus dem Element in dem an Sauerstoff vasrmten Luftstrom abgeführt, der die Kammer des gasförmigen Oxydationsmittels duithsetzt und der Oxydationsmittelelektrode den Sauerstoff zuführt. Wenn auch die Verwendung normaler atmosphärischer Luft als gasförmiges Oxydationsmittel bei einem solchen Brennstoffelement wünschenswert ist, so ist die Luft doch zu trocken und trocknet das Elementrasch aus, indem das erzeugte Wasser zu schnell entfernt wird. Hierdurch verschiebt sich die Lage der Elektrolyt-Sas-Zwischenschicht in unerwünschter Weise. Wenn die verhältnismäßig trockene Luft das Element durchsetzt, ruft sie incfer Nähe der Einlaßöffnung eine stärkere Verdampfung des erzeugten Wassers hervor, als in der Nähe der AuslaßÖffnung, und zwar infolge der Anreicherung mit absorbiertem Wasser. Dieser Unterschied in der Absorptionsgeschwindigkeit erzeugt ein Austrocknen in der Nähe der Einlaßöffnung des Elementes und ein Anfeuchten in der Nähe der Auslaßöffnung de3 Elementes, so daß sich ein Abfall bzw. Anstieg der Konzentration des Elektrolyten innerhalb des Elementes ergibt. Je nach der Stärke des Konzentrationsgradienten innerhalb des Elementes kann das Austrocknen des Elementes in der Nähe

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der Einlaßöffnung bewirken, daß die Gas-Elektrolyt-Zwisehensiiicht sich in das Brennstoffelement zurückzieht, wodurch das Verhalten des Elementes "beeinträchtigt und schließlich die Trennung der gasförmigen Reaktanten durch die Flüssigkeit unmöglich gemacht wird.

Um dieses örtliche Austrocknen in der Nähe der Einlaßöffnung des Elementes zu verhindern, ist es im allgemeinen notwendig, die Luft anzufeuchten, toevor sie in das Element eintritt. Es ist bekannt, einen Luftbefeuchter in die Zuleitung der Luft einzuschalten, um der Luft die notwendige Feuchtigkeit zuzuführen. Die Luft, die den Befeuchter verläßt, wird in der Luftkammer des Elementes in Umlauf gesetzt, wobei sie Wärme und Wasser aufnimmt und das Element mit höherer Temperatur wieder verläßt. Die Temperatur und Feuchtigkeit der Luft, welche den Anfeuchter verläßt, müssen überwacht werden, um ein Austrocknen des Elementes in der Nähe der Einlaßöffnung zu verhindern.

Ferner muß ein Temperaturgradient indem Element aufrechterhalten und überwacht werden, damit nur das erzeugte Wasser durch den Luftstrom abgeführt wird. Es ist üblich, ein flüssiges Kühlmittel durch hohle Kühlplatten in dem Element umlaufen zu lassen, um den Temperaturgradienten des Elementes auf dem gewünschten Wert zu halten.

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Wenn auch die Luftbefeuchter ein örtliches Austrocknen des Brennstoffelementes am Eingang verhindern, so sind sie doch wegen ihres Gewichtes_f ihres Umfanges und der Kosten unerwünscht, da sie nicht nur einen Wasseranschluß "benötigen, sondern da auch komplizierte Regel- und Kühleinrichtungen notwendig sind, um den Temperaturgradienten in dem Element auf dem gewünschten Wert zu halten.

Ein ähnliches bekanntes Verfahren, das angewandt worden ist, um das erzeugte Wasser aus einem Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffelement, welches mit reinem Sauerstoff arbeitet, zu entfernen, bedient sich des Rückumlaufs von überschüssigem Wasserstoff durch das Element, wobei der Wasserstoff erwärmt wird und das in dem Element erzeugte Wasser aufnimmt. Die Feuchtigkeit des rückzirkulierten Wasserstoff-Gasstroms wird so geregelt, daß ein Austrocknen des Elementes am Eingang verhindert wird. Der Feuchtigkeitsgrad wird so einreguliert, daß der Partialdruck des Wasserdampfes in dera Wasserstoff gleich dem Partialdruck des Wassers in dem Elektrolyten am Eingag des Elementes ist. Da auch bei diesem Verfahren das erzeugte überschüssige Wasser durch die Herstellung eines Temperaturgradienten in dem Element beseitigt wird und da dieser Temperaturgralient durch den Strom eines Kühlmittels durch das Element beeinflusst wird, ist auch bei diesem Verfahren notwendigerweise eine komplizierte Regeleinrichtung wie bei den Wasserstoff-Luft-Brennstoffelementen, die mit äinem Befeuchter arbeiten, erforderlich.

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Aus dieser Schilderung ergibt sich, daß es wünschenswert wäre, trockene gasförmige Reaktanten und iiBbesondere trockene atmosphärische Luft als gasförmiges Oxydationsmittel für das Brennstoffelement zu verwenden, die bezüglich einer Erhöhung der'Feuchtigkeit nicht vorbehandelt ist (und die cfeber als unbehandelte Luft bezeichnet werden kann). Es ist außerdem·!gleichzeitig wünschenswert, die zusätzlichen Regeleinrichtungen und Befeuchtungsgeräte zu vermeiden, um das gesamte Gewicht der Anlage zu verhindern und den Betrieb des Brennstoffelementes zu vereinfachen und wirksamer zu gestalten. Ein Brennstoffelement, welches Wasserstoff und Sauerstoff als gasförmige Reaktanten benutzt, kann besonders vorteilhaft in Raumfahrzeugen angewendet werden, bei denen es sehr wichtig ist, das Gewicht, die Kosten und den Aufwand der Betriebsanlage zu vermindern.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Brennstoffelement anzugeben, das mit trockenen gasförmigen Reaktanten, z.B. trockener Luft arbeiten kann und bei dem das erzeugte Wasser ohne ein Austrocknen des Elementes beseitigt werden kann und ohne daß es notwendig ist, die Feuchtigkeit oder die Temperatur des Gases beim Durchströmen des Elementes zu regeln. Ein solches Brennstoffelement hat ein geringeres Gewicht, der Betrieb ist vereinfacht, die Herstellungskosten werden vermindert und der Gesamtwirkungsgrad des Elementes verbessert.

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Außerdem soll eine gleichmäßigere Konzentration des Elektrolyten in dem kompakten Brennstoffelement aufrecht erhalten werden, welches trockene, nicht voitehandelte Luft als gasförmiges Oxydationsmittel benutzt.

In dem Wasserstoff-Luft-Brennstoffelement gemäß der Erfindung sind keine Befeuchter erforderlich und es ist auch nicht notwendig, einen bestimmten Temperaturgradienten innerhalb des Wasserstoff-Luft- bzw. Wasserstoff-Sauerstoff-Elementes aufrecht zu erhalten. Es ist auch nitht notwendig, einen solchen Gradienten in dem Element zu erzeugen, um das Wasser aus der Zelle zu entfernen.

Gemäß der Erfindung vertalt ein Leitungssystem das unbehandelte trockene gasförmige Oxydationsmittel in dem Brennstoffelement, um das örtliche Austrocknen in der Nähe der Einlaßöffnung des Elementes und das örtliche Oberlaufen in der Nähe der Auslaßöffnung des Elementes zu verhindern, und um eine im wesentlichen gleichförmige Konzentration des Elektrolyten in dem Element aufrechtzuerhalten. Das bei einem Brennstoffelement gemäß der Erfindung benutzte Leitungssystem zur Verteilung der trockenen, unbehandelten Luft in dem Element hat gedrängte Bauweise und stellt eine bessere Trennung des . Wasserstoffes und der Lift in dem Element sicher. Das Leitungssystem benutzt gemäß der Erfindung eine

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Gegenströmung der gasförmigen Reaktanten, um das örtliche Austrocknen des Brennstoffelementes zu vermindern und eine gleichmäßigere Reaktion des Elektrolyten in dem Brennstoffelement sicherzustellen. Das Leitungssystem für die gasförmigen Reaktanten in dem Brennstoffelement verhindert, daß der wässrige Elektrolyt, der durch eine Überflutung des Elementes aus den Elektroden, austritt, aus dem El' ment austritt und "bewirkt eine Rückführung des austretenden Elektrolyten in den porösen Körper des Elementes, wenn das Wassergleichgewicht des Elementes wieder hergestellt wird.

ITm die Schwierigkeiten zu vermeiden, die bei der Verwendung von trockener Atmosphärenluft beim Betrieb von Brennstoffelementen auftreten, und um die oben angegebenen Vorteile zu erzielen, ist gemäß der Erfindung ein Leitungssystem . für die Verteilung der trockenen gasförmigen Reaktanten in dem Brennstoffelement mit festgelegtem Elektrolyten vorgesehen, welches ein örtliches Austrocknen verhindert, und die Konzentration des Elektrolyten in dem Element vergleichmäßigt·

Das Brennstoffelement gemäß der Erfindung geht von einem Element mit äner Brennstoffelektrode, der der gasförmige Brennstoff zugeführt wird, und mit einer Oxydationsmittelelektrode, welcher das gasförmige Oxydationsmittel zugeführt wird, aus, die eine wässrige Lösung eines Elektrolyten zum Trennen der Elektroden enthält.

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Gemäß der Erfindung enthält die Zuführungseinrichtung, welche die gasförmigen Reaktanten den betreffenden Elektroden zurleitet, eine Gasleitung oder Kammer in der Nähe der Oberfläche der Elektroden, die eine Einlaßöffnung und eine Ausl3ßöfinung aufweist, und die derart ausgeführt ist , daß sie die Elektrode dem Strom des gasförmigen Reaktanten aussetzt. Gemäß der Erfindung ist die Einlaßöffnung mindestens einer dieser Leitungen dicht neben der Auslaßöffnung der Leitung angeordnet, um das örtliche Austrocknen des Brennstoffelementes zu verhindern.

Bei einer derartigen Anordnung kann trockene unbehandite Luft oder ein anderes gasförmiges Oxydationsmittel in dem Brennstoffeiern nt verwendet waden, ohne daß es notwendig ist, die Feuchtigkeit des betreffenden Mittels zusätzlich zu erhöhen. Dadurch, daß die Einißöffnung für die trockene Luft dicht neben der Auslaßöffnung und nahe bei der Elektrode angeordnet ist, ergibt sich gemäß der Erfindung, daß die Eigenschaften des Elementes gegenüber dem Austrocknen und Überfluten wesentlich verbessert werden, und daß sich daher keine Veränderungen der Konzentration des Elektrolyten innerhalb des Elementes ergeben. Dadurch, daß die Lufteinlaßöffnung in der Nähe der Luftauslaßöffnung angeordnet ist, wird das überschüssige Wasser in dem Peuchtluftausgangsbereich des Elementes durch Kapillarwirkung über den verhältnismäßig kurzen Weg duaii den

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porösen Elektrolytkörper zum Trockenlufteinlaßbereich befördert, so daß das Wasser gleichmäßig innerhalb des Elementes verteilt und ein Austrocknen des Elementes in der Nahe des Einlasses.vermieden wird.

Die Erfindung wird nun auch anhand der beiliegenden Abbildungen ausführlich beschrieben, wobei alle aus der Beschreibung und ■: den Abbildungen hervorgehenden Einzelheiten oder Merkmale zur Lösung der Aufgabe im Sinne der Erfindung beitragen können uid mit dem Willen zur Patentierung in die Anmeldung aufgenommen wurden.

In den Zeichnungen ist:

Fig. 1 eine Ansicht der einen Seite einer Leitungsfiihrungsplatte gemäß der Erfindung.

P Fig. 2 ist ein- Teilschnitt nach der Linie 2-2 der Fig. 1, der .die Teile des Brennstoffelementes zeigt und

Fig. 3 ist ein Teilschnitt nach der Linie 3-3 der Pig. 1.

Die Zeichnung zeigt ein BrennstoffelenE nt mit mehreren Zellen, das aus einer Anzahl von kompakten Brennstoffzellen aufgebaut ist. Das Element arbeitet bei einer tiefen

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Temperatur von etwa 66⁰O bis 93⁰O (150 - 200°]?) aufgrund einer Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff (der entweder als reiner Sauerstoff oder in Form von Luft zugeführt wird). Die einzelnen Teile des Brennstoffelementes 10 sind gasdicht durch Verbindungselemente, z.B. Schrauben miteinander verbunden, die in Öffnungen 11 der Bauteile eingesetzt sind. Eine einzelne Zelle des Brennstoffelementes, die in Pig. 2 dargestellt ist, enthält Katalysator-Siebeelektroden 12 und 14, die durch einen porösen Körper 16 voneinander getrennt sind, welcher mit einem wässrigen Elektrolyten getränkt ist. Die Elektroden 12 und 14 und der poröse Körper 16 sind innerhalb eines Rahmens 17 befestigt, so daß sie einen einheitlichen plattenförmigen Bauteil bilden, der zum Aufbau des vielzelligen Brennstoffelementes dient. Aufeinanderfolgende Elektroden 12 und 14 sind elektrisch verbunden, um den Stromfluß in dem Element zu ermöglichen.

Die Elektroden des Elementes enthalten als Katalysator Platin oder Palladium, das in einem Teflonbindemittel dispergiert und auf ein feinmaschiges Mittelsieb aufgepreßt oder aufgesprüht ist, welches eine Dicke von etwa 0,152 cm (0,6 Zoll) aufweist. Es können auch Katalysator-Sin^erelektroden in dem Brenaetoffelement verwendet werden.

Jede Elektrode steht mit dem wässrigen Elektrolyten in Berührung, der in dem Körper 16 durch Imprägnierung afge-

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BAD ORfGINAU

nommen iet. Die elektrolytlache Lösung ist im allgemeinen eine wässrige Lösung eines Alkalimetallhydroxide, ν rzugsweise eine 3O$ige Kaliumhydroxidlösung (KOH). Es kann jedoch irgend ein Alkaliimetallhydroxid anstelle des Kaliumhydroxids als Elektrolyt verwendet werden , und zwar Natriumhydroxid (FaOH), Rubidiumhydroxid (RbOH), Cäsiumhydroxid (CsOH) und Lithiumhydroxid (LiOH). Die Erfindung ist auch bei Brennstoffelementen anwendbar, welche saure Elektrolyte verwenden, in diesem EaIl bestehen die Siebelektroden z.B. aus Tantal.

Der Körper, welcher den Elektrolyten enthält, besteht z.B. aus Asbest oder irgendeinem porösen nichtleitenden Material, das mit dem Elektrolyten verträglich ist und hat eine Dicke von etwa o,254 bis o,508 cm (0,10 bis 0,20 Zoll).

Auf beiden Seiten der Elektroden 12 und 14 befinden sich Ktihlleitungsplatten 20 mit Kammern oder Leitungen 22 und 24 auf beiden Seiten der Platte für die Zirkulation der gasförmigen Reaktanten durch das Brennstoffelement.

Eine Gas-Elektrolyt-Zwischenschicht befindet sich innerhalb jeder El&brode 12 und 14. Die Lage der Zwischenschicht wird durch die Konzentration des Elektrolyten sowie durch den Druck bestimmt, unter dem die gasförmigen Reaktanten dem Element zugeführt werden.

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Bei einem "bevorzugten Ausführungebeispiel der Erfindung wird Wasserstoff als Brennstoff der Brennstoff elektrode durch die Leitung 22 zugeführt; es bildet sich eine Zwischenschicht zwischen Wasserstoff und dem Elektrolyten in der Brennstoffelektrode 12. Gleichzeitig wird trockene unbehandelte Luft der Oxydationsmittelelektrode 14 durch die Leitung 24 zugeführt, so daß sich eine Zwischenschicht zwischen dem Elektrolyten und Luft innerhalb der Elektrode 14 ausbildet.

Gemäß der Erfindung sind Einrichtungen vorgesehen, um das trockene gasförmige Oxydationsmittel, vorzugsweise atmosphärische Luft, der OxydationsmitteleleJfcrode des Brennstoffelementes zuzuführen und das Wasser, welches sich bei der Reaktion bildet, aus dem Element zu entfernen. Diese Zuführungseinrichtung verhindert ein örtliches Alistrocknen des Elementes und ermöglicht es, daß eine gleichmäßige Konzentration des Elektrolyten in dem Element aufrechterhalten wird.

Die Einrichtung enthält ein Leitungssystem zum Zuführen der trockenen Luft. Bei diesem Leitungssystem liegt die Einlaßöffnung der Luftleitung dicht neben der Auslaßöffnung der Luftleitung. Wie sich insbesondere aus dem Beispiel der ]?ig. 1 ergibt, ist die Gasleitung des einen Reaktanzen, z.B. die Luftleitung 24, mit einer

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zentralen Rippe 25 versehen, so daß sich eine U-förmige Kammer ergibt und die Einlaßöffnung 26 dicht neben dem Auslaß 28 für die feuchte Luft liegt. Wie weiterhin aus Pig. 1 hervorgeht, kann das Element mit mehreren U-förmigen

Luftkammern 24 versehen seil, um die Strömung der Luft über die Oberfläche der Oxydationsmittelelektrode 14 zu verteilen. Die Luft wird dem Element über ein äußeres Leitungssystem 30 zugeführt, das mit den'Lufteintrittsöffnungen 26 in Verbindung steht und sie wird über ein inneres Leitungssystem 32 weggeführt, welches mit den Luftauslaßöffnungen 28 in Verbindung steht. Gemäß der Erfindung ist die Bahn, auf welcher die Luft bei der Bewegung durch die Luftkammer des Elementes geführt wird, U-förmig und rückläufig, so daß die trockenst Luft {in der Mähe der Einlaßöffnung) und die feuchteste Luft (in der Nähe der Auslaßöffnung) direkt einander benachbart sind. Durch diese Ausbildung wird sichergestellt, daß die Kräfte, welche für ein¹ Gleichgewicht der Peuchtigkeitsbedingungen innerhalb des Elementes sorgen, dort am größten sind, wo sie am notwendigsten sind, nämlich im Bereich des Elementes in der Nähe der Lufteintritts- und Luftaustrittsöffnung.

Wie sich am besten aus Pig. 3 ergibt, beginnt die trockene Luft, wenn sie durch die Öffnung 26 in das Element eintritt, das Wasser aus dem Elektrolytkörper 16 durch die Oxydationsmittelelektrode 14 aufzunehmen und dns Element trocknet daher

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in der Nähe der Lufteinlaßöffnung 26, weil das Wasser in diesem Bereich am schnellsten aufgenommen wird. Wenn die ■ Luft dann die Kammer 24 in der. Pf eil richtung 27 (Mg. 1) durchsetzt, nimmt sie weiterhin Wasser auf, so daß sie schließlich in der Nähe dex Auslaßöffnung 28 nahezu gesättigt ist und daher weniger Wasser aus dem Element aufnimmt. Hierdurch findet eine Wasseranreicherung $n der Nähe der Luftaustrittsöffnung 28 und ein Trocknen in der Nähe der Lufteintrittsöffnung 26 statt. Wenn durch die Absorption weniger Wasser in der Nähe der Lufteinlaßöffnung als in der Nähe der Luftauslaßöffnung aufgenommen wird, muß normalerweise ein Konzentrationsgradient erwartet werden, der sich in dem ElektroHyfckörper des Elementes ausbildet, wobei eine höhere Konzentration in der Nähe der Lufteinlaßöffnung vorhanden ist.

Wie sich jedoch aus Pig. 1 und 2 ergibt, kann durch Anordnung der Lufteintrittaöffnung 26 in unmittelbarer Nähe der Luftaustrittsöffnung 28 und durch die Verwendung von U-förmig gebogenen Leitungen 24 gemäß der Erfindung das überschüssige Wasser aus dem feuchten Bereich in der Nähe der Austrittsöffnung des Elementes durch den Elektrolytkörper 16 Buf dem kurzen Weg zwischen der Einlaßöffnung und der Auslaßöffnung 28 transportiert werden, so daß der • Feuchtigkeitsgehalt in dem ganzen Element vergleichmäßigt wird. Der Transport des Wassers wird durch Kapillarwirkung

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des porösen Körpers 16 bewirkt, v/elcher das Wasser aus dem feuchten Bereich in den trockenen Bereich des Elementes befördert. Dadurch, daß das Sas über die Oberfläche der Elektrode durch eine U-förmige leitung 24 geführt v/ird, wird auch der Oxydationsmittelelektrode 14 eine solche Menge Sauerstoff zugeleitet, daß die elektrochemische Reaktion des Elementes in der gewünschten V/eise stattfinden kann, während gleichzeitig die feuchte Auslaßöffnung für das Oxydationsmittel dicht neben der Einlaßöffnung des Elemeifes liegt, um eine gleichmäßige Konzentration des Elektrolyten in dem ganzen Element zu bewirken.

Bei einem Brennstoffelement, welches Luft als Oxydationsmittel benutzt, kann durch die Verwendung der U-förmigen Leitungen gemäß der Erfindung die Notwendigkeit der Anordnung eines Befeuchters vermieden werden, der die trockene Dft vor dem Eintritt in die Zelle anfeuchtet. Außerdem können gemäß der Erfindung komplizierte Regeleinrichtungen in Portfall kommen, Sie bei bekannten Einrichtungen erforderlich sind, um den Temperaturgradienten im Innern des Elementes aufrechtzuerhalten, der vorhanden sein muß, wenn ein Anfeuchter benutzt wird, um die Menge des weggeführten Wassers zu regeln.

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Wb aus Fig. 1 und 2 hervorgeht, können die IT-förmigen Leitungen in den Kühl- oder Führungsplatten 20 angeordnet sein, welche die einzelnen Zellen des Brennstoffelementes, voneinander trennen. Die Kühlplatten 20 sind vorzugsweise aus Metall gefertigt und mit Kühlrippen 34 versehen (Pig. und 3)f um die in dem Element erzeugte Wärme abzuleiten. Die Kühlplatten 20 sind auf der einen Seite mit den U-förmigen Luftleitungen 24 und auf der anderen Seite mit Leitungen 22 versehen, welche das Brennstoffgas der nächsten benachbarten Zelle des Elementes zuleiten.

Da es nicht notwendig ist, einen gerichteten Temperaturgradit-nten im inneren des Elementes aufrechtzuerhalten, um die Wasserabfuhr entsprechend zu regeln, sind de internen Kühlanordnungen und die komplizierten Regelanordnungen, die bei bekannten Brennstoffelementen erforderlich sind, nicht mehr nötig und können in Fortfall kommen. Es ist auch nicht erforderlich, einen Temperaturgradienten in dem Element zu erzeugen und die in dem Element erzeugte Wärme kann durch einfachere Kühleinrichtungen z.B. die Sippen 34 der Kühlplatten abgeleitet werden. Es können auch Verfahren der internen Kühlung benutzt werden, ohne daß komplizierte Regeleinrichtungen" erforderlich sind.

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Die Erfindung wird vorzugsweise dadurch verwirklicht, daß der Strom des trockenen gasförmigen Oxydationsmittels durch ein Leitungssystem der Oxydationsmittelelektrode in der beschriebenen Weise zugeführt wird, so daß die Einlaßöffnung für das gasförmige Oxydationsmittel in unmittelbarer Nachbarschaft der Auslaßöffnung für dieses Mittel liegt.

Es wurde jedoch gefunden, daß der Betrieb des Brennstoffelementes dadurch weiter verbessert werden kann, daß der gasförmige Brennst off _t z.B. Wasserstoff, in einer Richtung geführt wird, die der Strömungsrichtung des trockenen Oxydationsmittels in dem Brennstoffelement entgegengesetzt ist.

So sind in weiterer Ausgestaltung der Erfindung Einrichtungen vorgesehen, durch die tter Wasserstoff in einer Richtung geführt wird, die gegenläufig zur Richtung der Luftströmung gerichtet ist, so daß der Wasserstoff in das Element in Gegenrichtung und auf der anderen Seite des Elektrolytkörpers eintritt, wie die feuchte Luft, die das Brennstoffeiern nt verläßt. Die Wasserstoffleitungen 22 sind ebenfalls U-förmig und mi1/&iner zentralen Rippe 23 (Fig. 3) versehen. Die Leitungen 22 haben eine Einlaßöffnung 36, die mit einem Wasserstoffvorrat über eine Einlaßleitung 40 (Pig. 1 ) in Verbindung steht und eine Auslaßöffnung 30, die zu einer Auslaßleitung

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führt.

Wie aus Mg. 2 und 3 hervorgeht, befinden sich die Wasserstoffleitungen 22 direkt hinter und auf der entgegengesetzten Seite der Kühlplatten 20, wie die U-förmigen Luftleitungen 24. Der Wasserstoff fließt über die Leitungen 22 (Pfeilrichtung 37) im Gegenstrom zur Richtung, in der die Luft die Leitungen 24 (Pfeilrichtnng 27) auf der entgegengesetzten Seite der Platte 20 durchströmt und auf der entgegengesetzten Seite des porösen Körpers in jeder Zelle des Brennstoffelementes. Die Einlaßöffnung 36 für den Brennstoff (Pig. 3) befindet sich direkt gegenüber der Auslaßöffnung 28 der Luftleitung auf der anderen Seite des Elektrolytkörpers 16, so daß der Wasserstoff in der Nähe cfer Stelle in die Zelle eintritt, wo die feuchte Lift austritt. Die Brennst offauslaßöffnung 38 befindet sich auf der anderen Seite des Elektrolytkörpers in der Fähe der Lufteinlaßöffnung

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung sind Einrichtungen vorgesehen, die in dem Element den Elektrolyten festhalten, der aus dem Elektrolytkörper bei Überflutung der Zelle herausgedrückt wird.Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die TJ-förmigen Zuführungsleitungen 23 und 24 für die gasförmigen Reaktanten, wie aus Pig. 1 hervorgeht, vertikal im Raum angeordnet, so daß die

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Einlaß- und Auslaßöffnungen jeder Leitung in der If"he des oberen Endes des Elementes angeordnet sind.

Die Biegung der U-förrnigen Leitung 22 und 24 am Boden des Elementes "bilden dann eine Sammelstelle für überschüssigen Elektrolyten, der gegebenenfalls aus dem Körper austritt und die porösen Elektroden verläßt, wenn überschüssiges Wasser in dem Element enthalten ist. Wenn das Wassergleichgewicht in dem Element wieder hergestellt wird, wird der Elektrolyt, der sich in der Biegung der Gasleitungen 22 und 24 befindet, durch Kapillarwirkung in den Elektrolytkörper 16 und die Elektroden 12 und 14 aufgesogen, so daß eine gleichförmige Konzentration des Elektrolyten wieder hergestellt wird. Dieser Aufbau des Elementes verhindert daher, daß der Elektrolyt aus dem Element ausgestoßen wird und entweder dauernd verloren geht, oder andere Teile der Anlage beschädigt.

Die Vorteile der Erfindung können auch bei Elementen erzielt werden, die einen geschlossenen Kreislauf für* den Wasserstoff aufweisen und mit reinem Sjuerstoff arbeiten. Bei dieser Art von Elementen wird überschüssiger Wasserstoff oder ein anderer gasförmiger Brennstoff durch das Element zurückgeleitet, um das erzeugte Wasser zu entfernen.

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Durch die Rückzirkulation des Wassastoffs mit Hilfe der TJ-förmigen Leitungen, die erfindungsgemäß so ausgeführt sind, daß die Einlaßöffnung für den gasförmigen Brennstoff den Auslaßöffnungen für diesen Brennstoff dicht benachbart sind, wird das überschüssige Wasser,welches sich in der JTrhe der Auslaßöffnung des Brennstoffes ansammelt, in die liähe der Brennst of feinlaßöffnung in derselben Weise transportiert, wie dies oben beschrieben worden ist, so daß der Wassergehalt in dem ganzen Element vergleichmäßigt wird.

Bas Leitungssystem gemäß der Erfindung kann daher bei Br-.nnstoffelementen mit festgehaltenem Elektrolyten benuust werden, bei denen die Gefahr eines Austrocknens durch Verwendung von relativ trockenen gasförmigen Hesktanten besteht, und zwar unabhägngig davon, ob aas erzeugte V«^rasser durch Rückzirkulation des gasförmigen Brennstoffes oder durch das gasförmige Oxydationsmittel beseitigt wird.

g ist in Verbindung mit sogenannten kompakten ?r nnstoffelementen beschrieben worden; sie kann jeoch r-uch bei Brennstoffelementen der Bakontype im mittleren Temperaturbereich verwendet v/erden, die auch mit festgehaltenen Elektrolyten arbeiten, und bei denen Schwierigkeiten bezüglich des Austrooknens auftreten. Es sei

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darauf hingewiesen, daß die Erfindung ganz im allgemeinen "bei allen Brennstoffelementen mit gasförmigem Brennstoff verwendet werden kann, die entweder Wasserstoff oder andere Brennstoffe benutzen und die entsprechende Oxydationsmittel wie reinen Sauerstoff oder Luft verwenden.

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BADORfGfNAt

Claims

Patentansprüche

1. Brennstoffelement mit einem wässrigen Elektrolyten, der zwischen einer Brennstoffelektrode und einer Oxydationsmittelelektrode angeordnet ist, und mit einer Zuführungsvorrichtung zur Zuführung des gasförmigen Brennstoffes zur Brennstoffelektrode und des gasförmigen Oxydationsmittels zur Oxydationsmittelelektrode, da durch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Zuführungsvorrichtungen für die gasförmigen Beaktanten eine Gasleitung in unmitterbarer Nähe der Oberfläche der Elektrode (12, 14) enthält, die den gasförmigen Heaktanten über die Elektrode verteilt, und deÄen Einlaßöffnung (26,36) dicht "benachbart zur Auslaßöffnung (28, 38) angeordnet ist, wobei beide Öffnungen in unmittelbarer Nähe des Elektrolyten liegen, um ein Austrocknen des Elementes zu verhindern.

2. Brennstoffelement nach Ansprch 1, dadurch gekennzeic hn e t, daß das gasförmige Oxydationsmittel trockene Luft ist.

3. Brennstoffelement nach Anspruch 1 und 2, d a d ur ch gekennz e i ohnet, daß das Brennstoffelement

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bei einer Temperatur von 66° C bis 93⁰C unter Reaktion von Wasserstoff mit trockener Luft arbeitet, und daß ein- mit wässrigem Alkalimetall-Elektrolyten getränkter poröser Körper (16) zwischen und in Berührung mit der Brennstoffelektrode und der Oxydationsmittelelektrcfe angeordnet ist.

4. Brennstoffelement nach Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Leitungsführungsplatte (20) für des gasförmige Oxydationsmittel mit mindestens einer Gasleitung in der Sähe der Oberfläche der Oxydationsmittelelektrode, die den Strom des gasförmigen Oxydationsmittels über die Oxydationsmittelelektrode verteilt.

5. Brennstoffelement nach Ansprüchen 1 bis 4, da durch gekennz eichnet, daß die Gasleitungen ab U-förmige Kammern (24) ausgebildet sind.

6. Brennstoffelement nach Ansprüchen 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß die U-förmigen Kammern (22, 24) vertikal im Baust gerichtet sind, wobei die Einlaß- und Auslaßöffnungen in der Nähe der Oberseite des Elementes und in unmittelbarer Nachbarschaft des Elektrolytkörpers angeordnet sind, so daß ein örtliches Austrocknen des Elementes in dem Bereich in der Nähe der Einlaßöffnungen vermieden wird.

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7. Brennstoffelement nach. Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Element eine Leitungsplatte in der Nähe der Oberfläche der Brennstoffelektrode aufweist, die eine Anzahl von U-förnijgen Kammern (22) besitzt, welche den gasförmigen Brennstoff der Oberfläche der Brennstoffelektrode zuführen, wobei jede Kammer eine Einlaßöffnug und eine Aulaßöffnung aufweist und die Einlaßöffnungen unmittelbar gegenüber den AuslaßÖffnungen für das Oxydations- Λέ mittel auf der anderen Seite des Elektrolyten liegen.

8. Brennstoffelement nach Ansprüchen 1 bis 7_f da dur ch gekennz eichnet, daß eine Anzahl von Zellen ein mehrzelliges Brennstoffelement (10) bilden.

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