DE19628593A1 - Elektrodenanordnung, daraus hergestellte Brennstoffzelle und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Elektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ferner auf eine aus einer derartigen Elektrodenanordnung aufgebaute Brennstoffzelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10 und auf ein Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 13.

Bekannte Brennstoffzellen sind mit einer Matrix von in verschiedenen Ebenen senkrecht zueinander angeordneten offenen Kanälen für die Reaktanden, wie Wasserstoff und Sauerstoff, versehen, wobei diese Kanäle von einer flächigen Elektrode abgedeckt sind. Dabei ist zwischen benachbarten Elektroden eine flächige Elektrolytschicht angeordnet. Die reaktive Fläche der Elektroden entspricht dieser ebenen Fläche und ist daher relativ begrenzt, so daß der Wirkungsgrad einer derartigen Brennstoffzelle zu wünschen übrig läßt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Elektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle und eine mit einer derartigen Elektrodenanordnung hergestellte Brennstoffzelle der jeweils eingangs genannten Art zu schaffen, deren reaktive Fläche erheblich vergrößert ist und bei der die Brennstoffzelle eine höhere Leistungsausbeute erreicht. Desweiteren soll ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Brennstoffzelle geschaffen werden, das in einfacher Weise zu einem derartigen Aufbau einer Elektrodenanordnung führt.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei einer Brennstoffzelle der genannten Art bzw. bei einer eine derartige Elektrodenanordnung verwendenden Brennstoffzelle der genannten Art bzw. bei einem Verfahren zum Herstellen einer derartigen Brennstoffzelle die im Anspruch 1 bzw. im Anspruch 10 bzw. im Anspruch 13 angegebenen Merkmale vorgesehen.

Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen ist eine Ausgestaltung der hohlen Elektroden als räumlicher Körper erreicht, der eine große Oberfläche im Verhältnis zum eigenen Volumen aufweist. Das Volumen des räumlichen Körpers kann dabei soweit verringert werden, daß bis auf einen sehr geringen Trägeranteil das gesamte Volumen der beiden Elektroden aus an der elektrochemischen Reaktion beteiligtem Material besteht. Die beiden Elektroden sind räumlich derart ineinander verschachtelt, daß die Abstände zwischen den Elektroden sehr klein werden können, so daß eine Vielzahl von zellenartigen Reaktionsräumen entsteht, in denen die elektrochemische Reaktion abläuft.

Mit den Merkmalen gemäß Anspruch 2, wie sie bei einer bevorzugten Ausführungsform vorliegender Erfindung vorgesehen sind, ist in vorteilhafter Weise erreicht, daß die Vielzahl der zellenartigen Reaktionsräume jeweils gleich groß und vorzugsweise die Abstände der räumlichen Körper der beiden Elektroden an jedem Punkt bzw. Bereich im wesentlichen gleich groß sind. Dies führt zu im gesamten Raum der Elektrodenanordnung gleichmäßigen elektrochemischen Reaktionen, ohne daß irgendwelche Vorzugsrichtungen bestehen. Dies rührt auch daher, daß der gesamte Raum einer Brennstoffzelle von den beiden hohlen Elektroden gleichmäßig und zu gleichen Teilen eingenommen wird. Somit sind bei jedem Schnitt durch den Raum beide Elektroden-Schnittflächen gleich groß.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung sind die Merkmale gemäß Anspruch 3 vorgesehen. Dies bedeutet, daß der räumliche Körper eine immer wiederkehrende geometrische Form besitzt, die aus einem Knoten mit vier aus diesem ragenden Stegen besteht. Jeder dieser Stege hat zu jedem anderen Steg einen immer gleich bleibenden Winkel. Gemäß einer Variante mit den Merkmalen nach Anspruch 4 wird ausgehend von einem Knoten auf dessen Stege in jeder Richtung ein weiterer Knoten so aufgesetzt, daß die Stege des weiteren Knotens die Fortsetzung des Steges des ersten Knotens darstellt. Auf diese Weise ergibt sich ein vollständig regelmäßiger, räumlich gitterstrukturierter Körper, der so geformt ist, daß in den Zwischenräumen dieses Körpers ein weiterer Körper der gleichen Art eingelagert werden kann. Dieser eingelagerte Körper (der zweiten Elektrode) berührt den ersten Körper (der ersten Elektrode) an keiner Stelle. Die Abstände zwischen den sich überkreuzenden Stegen beider Körper sind stets innerhalb einer gleichbleibenden Toleranz.

Die Querschnitte der stegartigen Elementteile können gemäß den Merkmalen des Anspruchs 5 über die Länge gleichförmigen oder ungleichförmigen Querschnitt besitzen, wobei je nach Herstellungsart der Elektrodenanordnung nach Maßgabe der Herstellungskosten und der Produktanforderungen das eine oder andere bevorzugt wird.

Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 6 ist eine Möglichkeit des konstruktiven Aufbaus der Elektrodenanordnung gegeben. Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung des Elektrodenaufbaus, der zumindest für bestimmte Größen einer derartigen Brennstoffzelle zweckmäßig ist, ist durch die Merkmale des Anspruchs 7 vorgegeben. Auf diese Weise können Brennstoffzellen nahezu beliebiger Raumform hergestellt werden. Zweckmäßige Weiterbildungen ergeben sich mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und/oder 9.

Ein einfacher Aufbau einer Brennstoffzelle ergibt sich aus den Merkmalen gemäß einem der oder beider Ansprüche 10 und 11. Eine Brennstoffzellenanordnung aus mehreren Zellen ist durch die Merkmale nach Anspruch 12 gegeben.

Mit den zur Herstellung einer derartigen Brennstoffzelle oder mehrzelligen Brennstoffzellenanordnung unter Verwendung der vorgenannten Elektrodenanordnung verwendeten Merkmalen gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 17 ist eine einfache Möglichkeit vorgesehen, die räumlich gitterstrukturierten Körper der beiden Elektroden aus Vollmaterial herzustellen.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert ist. Es zeigen:

Fig. 1 in teilweise abgebrochener perspektivischer Darstellung eine Elektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung;

Fig. 2 in vergrößerter perspektivischer Darstellung ein Gitterelement einer der Elektroden der Elektrodenanordnung nach Fig. 1;

Fig. 3 in teilweise abgebrochener perspektivischer Darstellung eine Elektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung, wobei jedoch lediglich eine der beiden Elektroden dargestellt ist;

Fig. 4 eine Seitenansicht gemäß Pfeil IV der Fig. 3;

Fig. 5 ein an einem quaderförmigen Rohkörper als Ausgangswerkstück dargestelltes Bohrschema zur Herstellung einer Elektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle, jedoch gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung;

Fig. 6 in abgebrochener Darstellung eine schematische Draufsicht auf die Elektrodenanordnung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung;

Fig. 7 in vergrößerter perspektivischer Darstellung ein Gitterelement einer der Elektroden der Elektrodenanordnung gemäß dem zweiten und dritten Ausführungsbeispiel;

Fig. 8 und 9 jeweils in abgebrochener Darstellung eine Diagonalansicht, jedoch schematisch und von zwei zueinander senkrechten Seiten der Elektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel; und

Fig. 10 eine perspektivische Darstellung aus einem länglich quaderförmigen Rohkörper hergestellte Elektrodenanordnung für eine Brennstoffzellenanordnung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung.

Die in der Zeichnung gemäß dreier Ausführungsbeispiele dargestellte Elektrodenanordnung 10 bzw. 110 bzw. 210 bzw. 310 in Form eines jeweils identischen räumlichen Körpers für jede Elektrode 11, 12 bzw. 111, 112 bzw. 211, 212 bzw. 311, 312 dient zum Aufbau einer einzelligen (Fig. 1 bis 9) oder mehrzelligen (Fig. 10) Brennstoffzelle. Dabei sind die eine räumlich dreidimensionale gitterartige Struktur aufweisenden und selbsttragend ausgeführten, hohlen Elektroden 11 und 12 bzw. 111 und 112 bzw. 211, 212 bzw. 311, 312 derart ineinander verschachtelt, daß sie in jedem Bereich jeweils einen im wesentlichen gleichen bzw. gleichmäßigen Abstand voneinander aufweisen. Da bei den dargestellten Ausführungsbeispielen die beiden hohlen Elektroden 11 und 12 bzw. 111 und 112 bzw. 211, 212 bzw. 311, 312 jeweils identischen Aufbau besitzen, reicht es an sich aus, den konstruktiven Aufbau der Elektroden anhand jeweils einer hohlen Elektrode 11 oder 12 bzw. 111 oder 112 bzw. 211, 212 bzw. 311, 312 zu beschreiben.

Bei dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Elektrodenanordnung 10 ist die hohle Elektrode 11 (und entsprechend vorstehendem auch die hohle Elektrode 12) aus einer Vielzahl von Gitterelementen 15 aufgebaut, wobei gemäß Fig. 2 jedes Gitterelement 15 durch zwei etwa V-förmige Elementteilpaare 16 und 17, die in zueinander senkrechten Ebenen aneinander liegen und die in einem Knotenpunkt 18 zusammenlaufend miteinander verbunden sind, gebildet ist. Jedes V-förmige Elementteilpaar 16, 17 besitzt zwei in der gleichen Ebene liegende, identisch ausgebildete steg- bzw. stangenartige Elemententeile 19 und 20 bzw. 21 und 22, die jeweils vom in Fig. 1 teilweise geschnitten dargestellten Knotenpunkt 18 ausgehend unter einem bestimmten Winkel α auseinanderlaufen. Das Gitterelement 15 kann als symmetrisches strahlenförmiges Gebilde angesehen werden, dessen Knotenpunkt 18 den Mittelpunkt eines Würfels und dessen steg- bzw. stangenartigen Elemententeile 19 bis 22 zu jeweils diagonalen Ecken mehrerer Würfelflächen verlaufen. Dadurch bilden die stegartigen Elemententeile 19 bis 22 der Elemententeilpaares 16 und 17 vom Knotenpunkt 18 ausgehend jeweils zwischen sich denselben Winkel und besitzen gleiche Längen. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Querschnitt der stegartigen Elemententeile 19 und 20 bzw. 21 und 22 zylindrisch; es kann jedoch jeder beliebige andere hohle Querschnitt, bspw. ein polygonartiger Querschnitt (Fig. 3 bis 5) gewählt werden. Die Enden 25 der stegartigen Elemententeile 19 bis 22 sind jeweils mit Enden benachbarter stegartiger Elemententeile weiterer Gitterelemente 15 verbunden bzw. einstückig, so daß sich die (räumlich) dreidimensionale gitterartige Struktur aus einer Vielzahl von untereinander, übereinander und nebeneinander angeordneter Gitterelemente 15 ergibt. Es versteht sich, daß die Wahl der Anzahl der Gitterelemente 15 in den drei Richtungen des Raumes von den gewünschten Außenabmessungen der Elektrodenanordnung 10 abhängig ist. Wie oben erwähnt, ist die Elektrode 12 in derselben identischen Weise aufgebaut.

Die in allen Raumrichtungen ineinander verschachtelten Elektroden 11 und 12 der Elektrodenanordnung 10 werden bspw. folgendermaßen hergestellt: Aus einem in chemischer Weise oder durch Wärme auflösbaren Material, wie bspw. Wachs, wird die Gitterstruktur entsprechend der Fig. 1 aufgebaut. Dabei sind die einzelnen Strukturelemente außerhalb der Knoten im Querschnitt jeweils rund. Die gesamte Außenoberfläche der Gitterstruktur wird zur Bildung der Elektroden mit einem Metall, d. h. einem geeigneten Elektrodenmaterial beschichtet. Danach wird das Gitterstrukturmaterial, wie bspw. das Wachs mittels Wärme aufgelöst und aus der Gitterstrukturanordnung gebracht. Dadurch entstehen die hohlen Elektroden 11 und 12. Das verwendete Material und die verwendete Beschichtungsdicke richten sich auch nach dem Ziel, daß die Elektroden 11 und 12 der Elektrodenanordnung 10 nach Entnahme des bspw. wärmeauflösbaren Materials selbsttragend sind.

Bei dem in den Fig. 3, 4 und 7 dargestellten Ausführungsbeispiel der Elektrodenanordnung 110 ist die dreidimensional gitterartige Struktur der hohlen Elektroden 111 und 112 zwar ebenfalls in gleichförmiger Ausgestaltung und jeweiliger Aneinanderreihung einzelner aus stegartigen Elementteilen 119 bis 122 aufgebauter Gitterelemente 115 gebildet, deren an die Knotenpunkte 118 ansetzende V-förmige Elementteilpaare 116 und 117 im Querschnitt ebenfalls gleichmäßig sind. Der einzige Unterschied bei diesem Ausführungsbeispiel besteht darin, daß die hohlen Elektroden 111, 112 der Elektrodenanordnung 110 einen gleichmäßigen hohlen sechseckförmigen Querschnitt besitzen. Die Herstellung dieser Elektrodenanordnung 110 kann, wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 beschrieben, erfolgen, wobei die Gitterstruktur aus dem auflösbaren Material einen polygonartigen, hier sechseckigen Querschnitt aufweist.

Zur Herstellung einer Brennstoffzelle wird die Elektrodenanordnung 10, 110, wie in Fig. 3 strichpunktiert angedeutet, von einem Gehäuse 126 umgeben und der Innenraum 27 bzw. 127 der Elektrodenanordnung 10, 110 von einem flüssigen oder festen Elektrolyt ausgefüllt. Der Hohlraum 30, 130, der Elektroden 11, 111 und 12, 112 der Elektrodenanordnung 10, 110 werden von jeweils einem Reaktanden, bspw. Wasserstoff und Sauerstoff (oder statt Sauerstoff auch Luft) durchströmt. Gemäß Fig. 3 wird bspw. an den Seiten 141 und 142 über eine nicht dargestellte Verteileranordnung jeweils einer der Reaktanden zugeführt. An den gegenüberliegenden Seiten 143, 144 werden die jeweiligen Reaktionsprodukte über ebenfalls nicht dargestellte Sammler abgeführt. An zwei weiteren Seiten 145 und 146 sind die beiden gitterartigen, hohlen (positiven und negativen) Elektroden 11 und 12 jeweils mit einer elektrischen Verbindung und einem Anschluß zur Abnahme der elektrischen Spannung versehen.

Bei dem in den Fig. 5 bis 9 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel einer Elektrodenanordnung 210 ist die gitterartige Struktur der Elektroden 211 und 212 ebenfalls in gleichförmiger Ausgestaltung und jeweiliger Aneinanderreihung einzelner aus stegartigen Elemententeilen 219 bis 222 aufgebauter Gitterelemente 215 gebildet, deren an die Knotenpunkte 218 ansetzende V-förmige Elementteilpaare 216 und 217 aufgrund eines besonderen Herstellungsvorganges im Querschnitt gleichmäßig sind.

Bei diesem dritten Ausführungsbeispiel wird die Elektrodenanordnung 210 aus einem Rohkörper beliebiger Raumform und Größe hergestellt. Der Einfachheit halber ist dies an dem quaderförmigen Rohkörper 245 nach Fig. 5 dargestellt und beschrieben.

Der quaderförmige Rohkörper 245 wird von zwei zueinander senkrechten Seiten 250 und 251 gemäß den Richtungen C′ und D′ bzw. C′′ und D′′ mit jeweils mehreren Reihen 253 und 254 durchgehender Ausnehmungen 255 und 256, die hier quadratisch sind, versehen (vgl. Fig. 6, die auch die Ansicht aus der Richtung C′′, D′′ auf die Fläche 251 darstellt). Dabei sind von jeder Seite 250 und 251 die benachbarten Ausnehmungsreihen 253 und 254 derart mit quadratischen Ausnehmungen 255 und 256 versehen, daß die Ausnehmungen 255 und 256 benachbarter Ausnehmungsreihen 253 und 254 zueinander versetzt angeordnet sind. Desweiteren werden von zwei zueinander senkrechten diagonalen Richtungen A′ und B′ her, d. h. unter einem Winkel von 45° zur Seite 250 und 251 einerseits und zur Seite 250 und einer der Seite 251 gegenüberliegenden Seite andererseits Ausnehmungen 257 und 258 in mehreren parallelen Reihen eingebracht, wobei auch die Reihen der einen diagonalen Richtung A′ zu denen der anderen diagonalen Richtung B′ versetzt zueinander angeordnet sind, wie dies aus den Fig. 8 und 9 hervorgeht. Diese Ausnehmungen 257 und 258 sind sechseckförmig ausgebildet. Alle diese Ausnehmungen 255 bis 258 sind bspw. mittels eines Lasers in den Rohkörper 245 eingeschnitten.

Durch diese Anordnung der Ausnehmungen 255 bis 258 ergeben sich, wie die Fig. 6, 8 und 9, die gleichzeitig sozusagen die Bohrschablone darstellen, zeigen, körperliche Knoten 218′ und davon ausgehende Stege 219′ bis 222′, die im Querschnitt eine, bis auf die den Knotenpunkten 218′ unmittelbar benachbarten Bereichen, regelmäßige Sechseckform besitzen. Bei diesem dritten Ausführungsbeispiel wird die Mindestzahl der Ebenen bzw. Richtungen, aus denen die Ausnehmungen 255 bis 258 eingearbeitet werden müssen, durch die Querschnittsfläche der Ausnehmungen bestimmt. Ist bspw. eine Seite der quadratischen Ausnehmungen 255 und 256 mit a bezeichnet und haben die sechseckigen Bohrungen 257 und 258 eine Schmalseite mit der Größe a, so ergibt sich bei einem halben Abstand h der Ausnehmungsmitten zweier über einen Knoten 218 benachbarter Ausnehmungen 255 (Fig. 6) die Maßgabe, daß gelten muß: a<h/√. Die Verbindungslinien zwischen der Fig. 6 und den Fig. 8 und 9 zeigen einerseits die versetzte Anordnung der Ausnehmungen 255 bis 258 und andererseits die Zuordnung der Mittelpunkte der Ausnehmungen 255 bis 258 zu den Mitten der Stege 219′ bis 222′. In allen drei Raumachsen erfolgt von einer Ausnehmung zur jeweils benachbarten derselben Richtung A′, B′, C′, D′, C′′ bzw. D′′ ein Vorschub von 2·h. Desweiteren zeigen die Pfeile M in den Fig. 6, 8 und 9 die angenommene Mitte der mit in allen Raumrichtungen ineinanderverschachtelt versehenen Strukturen für die Elektroden 211 und 212 der Elektrodenanordnung 210.

Beim dritten Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung können die einzelnen Ausnehmungen auch in der Weise hergestellt werden, daß der Rohkörper 245 gemäß Fig. 5 nach dem Herstellen der Ausnehmungen in den Richtungen C′, D′ und C′′, D′′ zu beiden Seiten einer gedachten, hier punktiert eingezeichneten Diagonalen 246 eingespannt und um diese Diagonale in drei Schritten in einem Winkelabstand von jeweils 120° gedreht wird. Nach jeder 120°-Drehung werden die Ausnehmungen gemäß den Richtungen A′ und B′ eingearbeitet. Erfolgt diese Art der Einarbeitung der Ausnehmungen mit zylindrischen Ausnehmungen in Form von Bohrungen, ergibt sich eine Vergleichmäßigung des Durchmessers bzw. des Außenumfanges der stegartigen Elemententeile 219′ bis 222′ zwischen den Knotenpunkten 218′.

Sind, wie vorstehend beschrieben, die einzelnen Ausnehmungen 255 bis 258 in ihrer dreidimensional ineinanderverschachtelter Struktur hergestellt, werden die Innenwandungen dieser Ausnehmungen 255 bis 258 einschließlich deren Knoten oder (was dasselbe ist) die Außenwandungen der Stege 219′ bis 222′ einschließlich deren Knotenpunkten 218′ mit einer Schicht aus geeignetem Elektrodenmaterial versehen, was in den Fig. 6, 8 und 9 nicht verdeutlicht ist. Wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist das Elektrodenmaterial außerdem so gewählt und mit einer derartigen Wandstärke versehen, daß die sich ergebenden hohlen Elektroden 211 bis 212 jeweils in sich selbsttragend sind. Da auch bei diesem Ausführungsbeispiel der quaderförmige Rohkörper 245 aus einem Material ist, das durch chemische Mittel oder durch Wärme aufgelöst werden kann, wird nach erfolgter Beschichtung der Innenwandungen bzw. der Außenwandungen und damit nach erfolgter Herstellung hohler Elektroden das Rohkörpermaterial, bspw. Wachs, aufgelöst und abgeführt. Danach bleiben die Gitterstrukturelektroden 211 und 212, von denen ein Gitterelement 215 in Fig. 7 dargestellt ist, übrig, die selbsttragend sind und bspw. an Gehäusewänden gehalten werden können. Danach wird der Innenraum 227 zwischen den Gitterelektroden 211 und 212, durch deren Hohlraum 230 der betreffende Reaktand strömt, mit einem geeigneten festen oder flüssigen Elektrolyten ausgefüllt.

Bei dem in Fig. 10 dargestellten vierten Ausführungsbeispiel einer Elektrodenanordnung 310 ist die gitterartige Struktur der Elektroden 311 und 312 entsprechend dem dritten Ausführungsbeispiel der Fig. 5 bis 9 ausgebildet, mit der Ausnahme, daß beim vierten Ausführungsbeispiel die Ausnehmungen (in Fig. 6 : 255 bis 258) der Ausnehmungsreihen (in Fig. 6: 253 und 254) durch im Querschnitt kreisrunde Bohrungen gebildet sind. Der wesentliche Unterschied dieses vierten Ausführungsbeispieles 310 gegenüber dem genannten dritten Ausführungsbeispiel liegt in dem mehrzelligen Aufbau der durch die Elektrodenanordnung 310 gebildeten Brennstoffzellenanordnung.

Der Ausgangskörper ist auch hier ein langgestreckter Quader, ähnlich dem Rohkörper 245 in Fig. 5. Entsprechend dem dort dargestellten Bohrschema werden die Reihen der kreisrunden Ausnehmungen in den dort dargestellten Richtungen A′, B′, C′, D′, C′′ bzw. DM eingearbeitet. Diese Ausnehmungsreihen sind so gesetzt, daß sich, wie aus Fig. 10 hervorgeht, Endwände 366 und 367 und eine Zellentrennwand 365 ergeben. Die Trennwand 365 für die Zellen 336 und 337 ergibt sich dadurch, daß ein relativer Leervorschub zwischen dem Werkzeug zum Herstellen der Ausnehmungsreihen und dem Werkstück (Rohkörper) um bpsw. 3h erfolgt. Entsprechendes gilt bei der Herstellung der Endwände 366 und 367, die wegen ihrer ebenen Außenfläche dünnwandiger ausgeführt sein können.

Die Trennwand 365 ist gemäß einer Variante, bei der von den Endwänden 366 und 367 der eine Reaktand zugeführt wird, derart ausgebildet, daß der andere Reaktand in beide Zellen 336 und 337 geleitet wird. Gemäß einer anderen Variante wird über die eine Endwand 366 der eine Reaktand und über die Endwand 367 der andere Reaktand zugeführt, so daß die Trennwand 365 derart zweiteilig ausgebildet ist, daß sie den einen Reaktand in die Zelle 337 und den anderen Reaktand in die Zelle 336 führt.

Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen der Elektrodenanordnung 10, 110, 210, 310 wird das Verhältnis des Elektrodenvolumens zum Volumen der Zelle und damit des Elektrolyten durch das Verhältnis von Stegquerschnitt bzw. Stegdurchmesser zur Steghöhe bzw. -länge bestimmt. Durch die geometrisch gleichmäßige Form der beiden Elektroden 11 und 12 bzw. 111 und 112 bzw. 211 und 212 bzw. 311 und 312 wird der gesamte Raum der Zelle bzw. jeder Zellen gleichmäßig und zu gleichen Teilen von beiden Elektroden eingenommen. Dadurch ist der Anteil an reaktivem Teil der Elektroden im Vergleich zum verbleibenden Elektrolytanteil sehr groß. Durch die Reduzierung des nicht aktiven Materials der Elektroden ergibt sich eine Verringerung des Gewichts, eine gleichmäßige Form der Elektrode und eine gleichmäßige Stromdichte. Durch die Vergrößerung der Oberfläche aufgrund der möglichen Kleinheit der Lochung, bzw. der Gitterstrukturen ist eine hohe Stromentnahme möglich.

Wesentlich an der Elektrodenanordnung 10 bzw. 110 bzw. 210 bzw. 310 ist die räumlich dreidimensional gitterartige und selbsttragende Struktur aus den in allen Raumrichtungen ineinander verschachtelt angeordneten Elektroden, wobei auch unsymmetrische Gitterstrukturen möglich sind.

Wenn auch im Vorstehenden nicht im einzelnen auf die elektrochemische Seite einer Brennstoffzelle detailliert Bezug genommen worden ist, versteht es sich, daß die Elektrodenanordnung 10 bzw. 110 bzw. 210 bzw. 310 und die daraus hergestellte Brennstoffzelle in entsprechender Weise präpariert und mit den entsprechenden Elementen, wie Elektrolyt, elektrische Verbindungen und dgl. nicht nur konstruktiv sondern auch werkstoffmäßig in herkömmlicher Weise versehen sind.

Claims (17)

1. Elektrodenanordnung (10, 110, 210, 310) für Brennstoffzellen, mit mindestens einer ggf. mit einem Katalysator belegten negativen Elektrode (11, 12; 111, 112; 211, 212; 311, 312) und mindestens einer ggf. mit einem Katalysator belegten positiven Elektrode (12, 11; 112, 111; 212, 211; 311, 312), die in einem bestimmten Abstand zueinander gehalten sind, zur Aufnahme von Reaktanden dadurch gekennzeichnet, daß die beiden hohlen Elektroden (11, 12; 111, 112; 211, 212; 311, 312) je eine dreidimensional gitterartige Struktur aufweisen und in allen Raumrichtungen ineinander verschachtelt angeordnet sind.

2. Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektroden (11, 12; 111, 112; 211, 212; 311, 312) identische Struktur aufweisen und vorzugsweise im wesentlichen auf gleichem Abstand gehalten sind.

3. Elektrodenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Elektrode (11, 12; 111, 112; 211, 212; 311, 312) durch mehrere dreidimensionale Gitterelemente (15; 115; 215) aus von einem Knoten (18; 118; 218) in zwei zueinander senkrechten Ebenen verlaufenden, etwa V-förmigen, stegartigen Elementteilpaaren (16, 17; 116, 117; 216, 217) gebildet ist.

4. Elektrodenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die etwa V-förmigen, stegartigen Elementteilpaare (16, 17; 116, 117; 216, 217) an ihren jeweiligen Enden (25) zumindest teilweise mit weiteren Elemententeilpaaren bzw. Gitterelementen nebeneinander und/oder übereinander verbunden sind.

5. Elektrodenanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elementteile der Elementteilpaare (16, 17; 116, 117; 216, 217) durch im Querschnitt polygonartige oder zylindrische hohle Stege (19 bis 22; 119 bis 122; 219 bis 222) mit über die Länge gleich- oder ungleichförmigem Querschnitt gebildet sind.

6. Elektrodenanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dreidimensionale gitterartige Struktur der Elektroden (11, 12) abschnittsweise dreidimensional ineinandergeschachtelt aufgebaut und selbsttragend ist.

7. Elektrodenanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dreidimensionale gitterartige selbsttragende Struktur der Elektroden (111, 112; 221, 212; 311, 312) durch Beschichten der Innenwandung von zueinander versetzten durchgehenden Ausnehmungen (255 bis 258) in mindestens zwei zueinander senkrechten Ebenen (250, 251) und mindestens in zwei dazu um 45° verdrehten Ebenen (A, B) in einem Rohkörper (245) oder durch Beschichten der Außenwandung der die Ausnehmungen (255 bis 258) begrenzenden Stege (219′ bis 222′) und Knoten (218′) gebildet ist.

8. Elektrodenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (255 bis 258) durch Bohrungen gebildet sind.

9. Elektrodenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (255 bis 258) durch quadratische Ausnehmungen aus zwei zueinander senkrechten Richtungen (C′, D′; C′′, D′′) und durch sechseckige Ausnehmungen aus zwei zueinander senkrechten diagonalen Richtungen (A, B; A′, B′) gebildet und vorzugsweise lasergeschnitten sind.

10. Aus einer Elektrodenanordnung (10; 110; 210; 310) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche aufgebaute Brennstoffzelle, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den gitterartigen Strukturen der hohlen Elektroden (11, 12; 111, 112; 211, 212; 311, 312) ein fester oder flüssiger Elektrolyt angeordnet ist.

11. Brennstoffzelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die gitterartigen Strukturen der hohlen Elektroden (12, 11; 112, 111; 212, 211; 311, 312) von einem Gehäuse (126) umgeben sind, das an einer ersten und einer zweiten Seite (141, 142) mit einer gemeinsamen Zuführung der Reaktanden, an einer dritten und einer vierten Seite (143, 144) mit einer gemeinsamen Ableitung der Reaktionsprodukte und an einer fünften und sechsten Seite (145, 146) mit Abnahmen des elektrischen Stromes versehen ist.

12. Brennstoffzelle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere von einem Gehäuse (126) umgebene gitterartige Strukturen der hohlen Elektroden (12, 11; 112, 111; 212, 211; 312, 311) unmittelbar nebeneinander angeordnet und elektrisch in Reihe geschalten sind.

13. Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle aus einer Elektrodenanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß gitterartige ineinanderverschachtelte Strukturen als Träger aus einem bspw. chemisch, wärmetechnisch o. dgl. auflösbarem Material aufgebaut und an der Außenfläche mit einer gleichen oder unterschiedlichen Beschichtung aus Elektrodenmaterial versehen werden und daß dann die Trägerelemente aus der hohlen Beschichtung herausgelöst werden.

14. Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle aus einer Elektrodenanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5 und 7 bis 9, gekennzeichnet durch das Einarbeiten von zueinander versetzten durchgehenden Ausnehmungen in mindestens zwei zueinander senkrechten Ebenen und in mindestens zwei dazu um 45° versetzten Ebenen eines Rohkörpers zum Erreichen einer dreidimensional gitterartigen Gesamtstruktur und durch das Beschichten der Innenwandung der Ausnehmungen oder der Außenwandung der die Ausnehmungen begrenzenden Trägerelemente mit Elektrodenmaterial.

15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für den Rohkörper ein geeignetes festes Elektrolytmaterial verwendet wird.

16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für den Rohkörper ein bspw. chemisch, wärmetechnisch o. dgl. auflösbares Material verwendet wird.

17. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen gebohrt oder lasergeschnitten werden.