DE19853458C2

DE19853458C2 - Polymerelektrolytmembran-Elektrolysezellenmodul und Polymerelektrolytmembran-Elektrolysevorrichtung mit einem solchen Modul

Info

Publication number: DE19853458C2
Application number: DE19853458A
Authority: DE
Inventors: Tetsuo Moriguchi; Tetsurou Ogushi
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1997-11-19
Filing date: 1998-11-19
Publication date: 2000-11-23
Anticipated expiration: 2018-11-20
Also published as: KR100287001B1; FR2771106A1; KR19990045335A; US6054025A; JP2883081B1; CA2253183A1; JPH11207133A; CN1219609A; DE19853458A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Polymerelektrolytmembran-Elektro lysezellenmodul zum elektrolytischen Zerlegen bzw. Elektro lysieren von Dampf in einer Atmosphäre durch die Anwendung einer ionenleitfähigen Festpolymerelektrolytmembran und Ableiten einer neuen Funktion zum Gebrauch unter Nutzung von Eigenschaften des Produkts der Elektrolyse, oder insbeson dere eine Modulkonfiguration, die eine Verkleinerung der Abmessungen eines Modulhauptkörpers und eines Gleichstrom versorgungssystems erlaubt. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Polymerelektrolytmembran-Elektrolysevorrichtung, die vorteilhafte Merkmale des Polymerelektrolytmembran-Elektro lysezellenmoduls in maximaler Weise nutzt und die Betriebs stabilität des Polymerelektrolytmembran-Elektrolysezellen moduls gewährleistet.

Die Fig. 14 und 15 sind ein Längsschnitt einer Gesamtkonfi guration bzw. ein Längsschnitt eines auseinandergezogenen Zustands einer Festpolyelektrolytmembran-Elektrolysevorrich tung, die Wasser durch Einsatz einer für Wasserstoffionen leitfähigen Festpolyelektrolytmembran elektrolysiert, wie es in der nichtgeprüften JP-Patentanmeldungs-Veröffentlichung Nr. 8-134 679 angegeben ist.

In den Fig. 14 und 15 hat eine Festelektrolytmembran-Elek trolysevorrichtung 1 einen Aufbau, bei dem eine Vielzahl von scheibenförmigen Festelektrolytmembraneinheiten 8 auf solche Weise angeordnet ist, daß Elektroden gleicher Polarität ein ander zugewandt sind, und jede der Festelektrolytmembranein heiten 8 weist folgendes auf: eine scheibenförmige Festelek trolymembran 2, scheibenförmige poröse Energieleiter 3 und 4, die an beiden Oberflächen der Membran 2 angebracht sind, eine scheibenförmige Anodenplatte 5 und eine scheibenförmige Kathodenplatte 6, die außerhalb der Energieleiter 3 und 4 angeordnet sind, und Dichtelemente 7, die jeweils eine scheibenförmige Dichtung aufweisen, die an der Außenseite der Elektrodenplatten 5 und 6 angebracht sind.

Die Festelektrolytmembran 2 und andere Elemente sind zwar scheibenförmig, können aber auch eine Viereckgestalt haben.

Beim Anordnen der Festelektrolytmembraneinheiten 8, wobei die Seiten gleicher Polarität einander gegenüberstehend an geordnet sind, wird zwischen zwei benachbarte Festelektro lytmembraneinheiten 8 ein isolierender Abstandhalter 9 aus einem Kunststoff eingefügt. Außerhalb der Festelektrolytmem braneinheiten 8 sind an den beiden Enden Endplatten 10 aus rostfreiem Stahl vorgesehen.

Ein Reinwasserspeisekanal 11 zur Zuführung von Reinwasser zu den porösen Energieleitern 3 auf der Anodenseite der Fest elektrolytmembraneinheit 8 und ein Sauerstoffauslaßkanal 12 zur Entnahme von Sauerstoffgas sind in der Festelektrolyt membran-Elektrolysevorrichtung 1 vorgesehen. Ebenso ist ein Wasserstoffauslaßkanal 13 zur Entnahme von Wasserstoffgas von dem porösen Energieleiter 4 auf der Kathodenseite der Festelektrolytmembraneinheit 8 angeordnet. Die Elektroden platten sind mit einem äußeren Draht 14 elektrisch verbun den, um dem Energieleiter Energie zuzuführen.

Bei der Festelektrolytmembran-Elektrolysevorrichtung 1, die wie vorstehend beschrieben ausgebildet ist, wird zuerst Reinwasser von einem Reinwasserspeisesystem (nicht gezeigt) durch den Reinwasserspeisekanal 11 zu dem porösen Ener gieleiter 3 auf der Anodenseite der Festelektrolytmem braneinheit 8 zugeführt. Das so zugeführte Reinwasser wird auf der Anodenseite der Festelektrolytmembraneinheit 8 zer legt, wobei die folgende Reaktion abläuft:

2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e,

so daß Sauerstoffgas erzeugt wird. Wasser und Sauerstoffgas werden aus dem porösen Energieleiter 3 durch den Kanal 12 entnommen, und auf diese Weise wird Sauerstoffgas aufgefan gen.

Auf der Kathodenseite der Festelektrolytmembraneinheit 8 da gegen geht H⁺, das auf der Anodenseite erzeugt wird, durch die Festelektrolytmembran 2 und führt zu der folgenden Reak tion:

4H⁺ + 4e → 2H₂.

Dadurch wird Wasserstoffgas erzeugt. Wasserstoffgas wird aus dem porösen Energieleiter 4 durch den Wasserstoffauslaßkanal 13 entnommen und aufgefangen.

Wasser wird durch die vorstehenden Vorgänge elektrolysiert, um Wasserstoff und Sauerstoff zu erhalten. Energie, die für die Elektrolyse erforderlich ist, wird durch den externen Draht über die Elektrodenplatten 5 und 6 zu den porösen Energieleitern 3 und 4 geleitet.

Die herkömmliche Festelektrolytmembran-Elektrolysevorrich tung ist also eine Vorrichtung, die angewandt wird, wenn Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zu zerlegen ist, und ist nicht dazu ausgebildet, in der Luft enthaltenen Dampf zu elektrolysieren.

Aufgabe der Erfindung ist das Elektrolysieren von in der Luft enthaltenem Dampf, um durch Nutzung von Eigenschaften des Produkts der Elektrolyse neue Funktionen abzuleiten und zu nutzen, sowie die Angabe von mechanisch festen, kompakten und kostengünstigen Polymerelektrolytmembran-Elektrolyse zellenmodulen, die für diese Zwecke geeignet sind.

Gemäß der Erfindung wird weiterhin eine Polyelektrolyse- Festvorrichtung angegeben, die elektrolytische Eigenschaften des vorgenannten Polymerelektrolytmembran-Elektrolysezellen moduls möglichst weitgehend nutzt und eine stabile Betriebs weise gewährleistet.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß einem Aspekt der Erfin dung ein Polymerelektrolytmembran-Elektrolysezellenmodul vorgesehen, das eine Vielzahl von Elementen mit festen Poly elektrolyten aufweist, die so gestapelt sind, daß sie einen Luftkanal zwischen zwei benachbarten Elementen mit festen Polyelektrolyten in einem Zustand bilden, in dem Abstandhal ter, die jeweils wenigstens teilweise als leitfähige Kon taktzonen dienen, dazwischen angeordnet sind, wobei jedes der Elemente mit festen Polyelektrolyten durch Thermokom pressionsbonden von porösen Elektroden mit den beiden Ober flächen einer für Wasserstoffionen leitfähigen Festpolyelek trolytmembran gebildet ist; wobei die Vielzahl von gestapel ten Elementen mit festen Polyelektrolyten auf solche Weise elektrisch miteinander in Reihe geschaltet sind, daß die eine poröse Elektrode von jedem der Elemente mit festen Polyelektrolyten mit der einen porösen Elektrode eines auf einer Seite daran angrenzenden Elementes mit festen Poly elektrolyten über die leitfähige Kontaktzone des Abstand halters elektrisch verbunden ist und die andere poröse Elektrode jedes der Elemente mit festen Polyelektrolyten mit der anderen porösen Elektrode eines auf der anderen Seite daran angrenzenden Elementes mit festen Polyelektrolyten über die leitfähige Zone des Abstandhalters elektrisch ver bunden ist; und wobei die zwischen den aneinandergrenzenden Elementen mit festen Polyelektrolyten ausgebildeten Luft kanäle eine solche Konfiguration haben, daß eine Luftströ mung entlang einer anodischen Oberfläche und eine Luftströ mung entlang der kathodischen Oberfläche jeweils separat und voneinander unabhängig gebildet werden, wenn einem Raum zwi schen der einen porösen Elektrode des Elementes mit festen Polyelektrolyten, das an dem einen Ende der Vielzahl von Elementen mit festen Polyelektrolyten angeordnet ist, und der anderen porösen Elektrode des Elementes mit festen Polyelektrolyten, das an dem anderen Ende der Vielzahl von Elementen mit festen Polyelektrolyten angeordnet ist, eine Gleichspannung zugeführt wird.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird eine Polymer elektrolytmembran-Elektrolysevorrichtung bereitgestellt, die folgendes aufweist: ein Polymerelektrolytmembran-Elektro lysezellenmodul, das eine Vielzahl von Elementen mit festen Polyelektrolyten hat, die so gestapelt sind, daß sie einen Luftkanal zwischen zwei benachbarten Elementen mit festen Polyelektrolyten in einem Zustand bilden, in dem Abstandhal ter, die jeweils wenigstens teilweise als leitfähige Kon taktzonen dienen, dazwischen angeordnet sind, wobei jedes der Elemente mit festen Polyelektrolyten durch Thermokom pressionsbonden von porösen Elektroden mit den beiden Ober flächen einer für Wasserstoffionen leitfähigen Festpolyelek trolytmembran gebildet ist; wobei die Vielzahl von gestapel ten Elementen mit festen Polyelektrolyten auf solche Weise elektrisch miteinander in Reihe geschaltet sind, daß die eine poröse Elektrode von jedem der Elemente mit festen Polyelektrolyten mit der einen porösen Elektrode eines auf einer Seite daran angrenzenden Elementes mit festen Poly elektrolyten über die leitfähige Kontaktzone des Ab standhalters elektrisch verbunden ist und die andere poröse Elektrode von jedem der Elemente mit festen Polyelektrolyten mit der anderen porösen Elektrode eines auf der anderen Seite daran angrenzenden Elementes mit festen Polyelektroly ten über die leitfähige Zone des Abstandhalters elektrisch verbunden ist; und wobei die zwischen den aneinandergrenzen den Elementen mit festen Polyelektrolyten ausgebildeten Luftkanäle eine solche Konfiguration haben, daß eine Luft strömung entlang einer anodischen Oberfläche und eine Luft strömung entlang der kathodischen Oberfläche jeweils separat und voneinander unabhängig gebildet werden, wenn einem Zwi schenraum zwischen der einen porösen Elektrode des Elementes mit festen Polyelektrolyten, das an dem einen Ende der Viel zahl von Elementen mit festen Polyelektrolyten angeordnet ist, und der anderen porösen Elektrode des Elementes mit festen Polyelektrolyten, das an dem anderen Ende der Viel zahl von Elementen mit festen Polyelektrolyten angeordnet ist, eine Gleichspannung zugeführt wird; und eine Bypass- oder Umgehungsschaltung, die eine Schaltungskonfiguration hat, bei der die Umgehungsschaltung elektrisch parallel zwischen die eine poröse Elektrode und die andere poröse Elektrode des Elementes mit festen Polyelektrolyten geschal tet ist und ein steil ansteigender Strom fließt, wenn die Spannung zwischen den beiden porösen Elektroden einen vorge gebenen Spannungswert überschreitet.

Die Erfindung wird nachstehend, anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:

Fig. 1 eine Perspektivansicht, die ein Polymerelektrolyt membran-Elektrolysezellenmodul einer ersten Aus führungsform der Erfindung zeigt;

Fig. 2 eine Perspektivansicht, die ein Element mit festen Polyelektrolyten zeigt, das in dem Polymerelektro lytmembran-Elektrolysezellenmodul der ersten Aus führungsform der Erfindung verwendet wird;

Fig. 3 eine perspektivische Explosionsansicht, die das Polymerelektrolytmembran-Elektrolysezellenmodul der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;

Fig. 4 eine Perspektivansicht, die ein Polymerelektrolyt membran-Elektrolysezellenmodul einer zweiten Aus führungsform der Erfindung zeigt;

Fig. 5 eine Perspektivansicht, die ein Polymerelektrolyt membran-Elektrolysezellenmodul einer dritten Aus führungsform der Erfindung zeigt;

Fig. 6 eine Perspektivansicht, die ein Element mit festen Polyelektrolyten zeigt, das in dem Polymerelektro lytmembran-Elektrolysezellenmodul der dritten Aus führungsform verwendet wird;

Fig. 7 eine perspektivische Explosionsansicht, die das Polymerelektrolytmembran-Elektrolysezellenmodul der dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt;

Fig. 8 eine Perspektivansicht, die eine Polymerelektro lytmembran-Elektrolysevorrichtung einer vierten Ausführungsform der Erfindung zeigt;

Fig. 9 eine perspektivische Explosionsansicht, die eine Polymerelektrolytmembran-Elektrolysevorrichtung der vierten Ausführungsform zeigt;

Fig. 10 ein Schaltbild, das eine Bypass- oder Umgehungs schaltung zeigt, die in der Polymerelektrolytmem bran-Elektrolysevorrichtung der vierten Ausfüh rungsform der Erfindung verwendet wird;

Fig. 11 ein Diagramm, das elektrische Eigenschaften der Umgehungsschaltung zeigt, die in der Polymerelek trolytmembran-Elektrolysevorrichtung der vierten Ausführungsform verwendet wird;

Fig. 12 ein Diagramm, das Spannung-Strom-Charakteristiken des Elementes mit festen Polyelektrolyten zeigt, das in der Polymerelektrolytmembran-Elektroly sevorrichtung der vierten Ausführungsform verwen det wird;

Fig. 13 eine perspektivische Explosionsansicht einer Poly merelektrolytmembran-Elektrolysevorrichtung einer fünften Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 14 einen Längsschnitt durch eine Gesamtkonfiguration einer herkömmlichen Festpolyelektrolytmembran- Elektrolysevorrichtung zum Zersetzen von Wasser unter Anwendung einer für Wasserstoffionen leitfä higen Festpolyelektrolytmembran; und

Fig. 15 einen Längsschnitt durch einen auseinandergezoge nen Zustand der herkömmlichen Festpolyelektrolyt membran-Elektrolysevorrichtung zum Zerlegen von Wasser unter Anwendung der für Wasserstoffionen leitfähigen Festpolyelektrolytmembran.

Ausführungsformen der Erfindung werden nunmehr unter Bezug nahme auf die Zeichnungen beschrieben.

Erste Ausführungsform

Fig. 1 ist eine Perspektivansicht einer ersten Ausführungs form eines Polymerelektrolytmembran-Elektrolysezellenmoduls.

In Fig. 1 hat ein Polymerelektrolytmembran-Elektrolysezel lenmodul 50 eine Konfiguration, bei der eine Vielzahl von Elementen 51 mit festen Polyelektrolyten gestapelt ist, wobei bestimmte Abstände durch Abstandhalter 52 eingehalten werden, und einen integralen Körper bildet, indem sie von beiden Enden in der Stapelrichtung mit Druck beaufschlagt sind.

Luftkanäle 53a und 53b für den Luftdurchtritt sind zwischen Elementen 51 mit festen Polyelektrolyten ausgebildet, die durch die Abstandhalter 52 in den bestimmten Abständen gebildet sind. Die Abstandhalter 52 sind an beiden Enden der Elemente 51 mit festen Polyelektrolyten kreuzweise angeord net, so daß Luftströme, die die benachbarten Luftkanäle 53a und 53b durchströmen, zueinander orthogonale Luftströme bil den.

Die Abstandhalter 52 werden gebildet, indem leitfähige Me tallplatten 52b an Oberflächen von viereckigen Isolier blöcken 52a angebracht sind, die beispielsweise aus einem Kunststoff bestehen und so angeordnet sind, daß dann, wenn die Elemente 51 mit festen Polyelektrolyten mit den Abstand haltern 52 dazwischen gestapelt sind, das obere und das untere Element mit festen Polyelektrolyten über die leit fähigen Metallplatten 52b elektrisch miteinander verbunden sind.

Der Abstandhalter 52 kann aus einem elektrischen Leiter, wie etwa einem Kohlenstoffstab bestehen. In Fig. 1 ist 57 eine Gleichstromquelle, und Pfeile B und C bezeichnen Luftströme.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird nachstehend eine Konfigura tion des Elementes 51 mit festen Polyelektrolyten beschrie ben.

Das Element 51 mit festen Polyelektrolyten wird zu der Form einer Verbundmembran durch Thermokompressionsbonden von einem Paar von porösen Elektroden 54a und 54b mit den beiden Oberflächen einer für Wasserstoffionen leitfähigen Festpoly elektrolytmembran 55, die selektiv durch Wasserstoffionen (Protonen) geschickt ist, hergestellt. Elektrische Kontakte 56a und 56b werden beispielsweise durch Löten jeweils an den beiden Enden der porösen Elektroden 54a und 54b angebracht, so daß sie mit den porösen Elektroden in elektrischen Kon takt gelangen.

Die porösen Elektroden 54a und 54b werden mit den beiden Oberflächen der Festpolyelektrolytmembran 55 unter rechten Winkeln durch Wärme und Druck verbunden, und ihre elektri schen Kontakte 56a und 56b werden so angeordnet, daß sie von den vier Seiten der Festpolyelektrolytmembran 55 vorstehen.

Eine nicht gezeigte Metallkatalysatorschicht auf Platinbasis ist an der verbindenden Zwischenfläche zwischen den porösen Elektroden 54a und 54b und der Festpolyelektrolytmembran 55 ausgebildet, um eine höhere Wirksamkeit der elektrolytischen Reaktion an den Elektrodenoberflächen zu gewährleisten.

Die porösen Elektroden 54a und 54b bestehen beispielsweise aus Titanstreckmetall, das mit Platin plattiert ist. Die poröse Elektrode 54b auf der Kathodenseite kann aus non- woven Kohlenstoff-Fasern bestehen. Eine Schicht aus NAPHION (eingetragenes Warenzeichen von DuPont Company) wird als Festpolyelektrolytmembran 55 verwendet.

Die elektrische Verbindung zwischen den Elementen 51 mit festen Polyelektrolyten wird nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben.

Die Elemente 51 mit festen Polyelektrolyten sind gestapelt und tragen Abstandhalter 52, die zwischen ihren beiden Enden einen Luftkanal 53a (53b) bilden. Die Abstandhalter 52 sind an den beiden Enden der Elemente 51 mit festen Polyelektro lyten so angeordnet, daß ihr Verlauf in einer Stapelrichtung alternierend ist, obwohl zur Vereinfachung der Darstellung nur der Abstandhalter 52 an der einen Seite in Fig. 3 gezeichnet ist.

Die elektrischen Kontakte 56a und 56b, die an den porösen Elektroden 54a und 54b angebracht sind, werden während des Stapelvorgangs mit der leitfähigen Metallplatte 52b des Ab standhalters 52 elektrisch verbunden. Die Elemente werden miteinander elektrisch in Reihe geschaltet, so daß die Ka thode des vorher positionierten Elements mit der Anode des nachpositionierten Elements in Kontakt gelangt und die Anode des vorher positionierten Elements in Kontakt mit der Ka thode des nachpositionierten Elements in Kontakt gelangt. Der Stromfluß verläuft entsprechend dem Pfeil A, so daß die Anoden oder die Kathoden solchen gleicher Polarität über die Abstandhalter 52 zwischen Stufen der Elemente mit festen Polyelektrolyten 51 gegenüberstehen.

Infolgedessen kreuzen der Luftstrom zwischen den Anoden ent sprechend dem Pfeil B und der Luftstrom zwischen den Katho den entsprechend dem Pfeil C einander unter rechten Winkeln. Die Luftströme zwischen gleichen Elektroden bilden Luft ströme in der gleichen Richtung.

Nachstehend wird die Betriebsweise des Polymerelektrolytmem bran-Elektrolysezellenmoduls 50 beschrieben.

Die Elemente 51 mit festen Polyelektrolyten, die das Polyme relektrolytmembran-Elektrolysezellenmodul 50 bilden, halten die Festpolyelektrolytmembran 55, die den selektiven Durch tritt von Wasserstoffionen (Protonen) zuläßt, zwischen den porösen Elektroden 54a und 54b und sind durch Thermokompres sionsbonden der porösen Elektroden 54a und 54b über eine Katalysatorschicht, die die elektrolytische Reaktion mit der Festpolyelektrolytmembran 55 beschleunigt, zu einer Verbund membran ausgebildet.

Die Elemente 51 mit festen Polyelektrolyten sind mit einer Gleichstromquelle 57 verbunden, so daß die entfeuchtete Seite als Anodenseite und die Befeuchtungsseite als Katho denseite dienen. Wenn von der Gleichstromquelle Energie zu dem Raum zwischen der porösen Elektrode 54a an der Anoden seite und der porösen Elektrode 54b an der Kathodenseite zu geführt wird, dann wird in der Luft an der Anodenseite ent haltener Dampf elektrolysiert. Das Wassermolekül wird durch die Reaktion gemäß der Formel (1) unter Erzeugung von Sauer stoff zerlegt, wobei eine Feuchtigkeitsabnahme erfolgt:

Anodenseite: 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e (1).

Gemeinsam mit den Wasserstoffionen, die von der Anodenseite durch die Festpolyelektrolytmembran 55 zu der Kathodenseite wandern, wandern außerdem ein bis drei Wassermoleküle von der Anodenseite zur Kathodenseite. Aufgrund des Verbrauchs von Wassermolekülen an der Anodenseite nimmt also die Feuch tigkeit ab, und trockene Luft ist verfügbar.

Auf der Anodenseite durch die vorgenannte elektrolytische Reaktion erzeugte Wasserstoffionen (H⁺) wandern durch die Festpolyelektrolytmembran 55 und erreichen die Kathode. Elektronen (e) erreichen andererseits die Kathode durch die externe Schaltung und verbrauchen Sauerstoff an der Katho denseite über die Reaktion nach der Formel (2), um Wasser zu erzeugen.

Kathodenseite: O₂ + 4H⁺ + 4e → H₂O (2).

Dadurch wird die auf der Kathodenseite strömende Luft be feuchtet, so daß Feuchtluft entsteht.

Als Folge der obigen Vorgänge wird der Luftstrom, der mit dem Pfeil B bezeichnet ist und durch den Luftkanal 53a strömt, der von den gegenüberstehenden Anoden des Festpoly elektrolytmoduls 50 gebildet ist, entfeuchtet und wird zu einem trockenen Luftstrom, weil in der Luft enthaltener Dampf durch die Elektrolyse verbraucht wird. Wenn man den Luftkanal beispielsweise mit einem vorgegebenen geschlosse nen Raum (nicht gezeigt) verbindet, kann man einen Trocken raum erhalten.

Der mit dem Pfeil C bezeichnete Luftstrom, der durch den Luftkanal 53b strömt, der aus den einander gegenüberstehen den Kathoden gebildet ist, wird andererseits befeuchtet und wird zu Feuchtluft, weil Sauerstoff verbraucht und Dampf er zeugt wird. Die Luftströme gemäß den Pfeilen B und C bilden zueinander orthogonale Luftströme, die einander unter rech ten Winkeln kreuzen, so daß diese Luftströme Luft aus ver schiedenen Richtungen aufnehmen, und die Luftkanäle sind in nerhalb des Moduls frei von Krümmungen, so daß Druckverluste verringert werden.

Die Energie, die für die durch die vorstehenden Formeln (1) und (2) ausgedrückten elektrolytischen Reaktionen notwendig ist, wird von der Gleichstromquelle 57 zugeführt. Da sämtli che Elemente 51 mit festen Polyelektrolyten in Reihe geschaltet sind, erlaubt die Zuführung einer Strommenge für ein einziges Element 51 mit festen Polyelektrolyten an das Polymerelektrolytmembran-Elektrolysezellenmodul 50 die Erzielung der vorstehenden elektrolytischen Reaktionen für sämtliche Elemente.

Die Speisespannung der Gleichstromquelle nimmt einen Wert an, der aus einer Multiplikation der Spannung, die einem einzigen Element 51 mit festen Polyelektrolyten aufgeprägt wird, mit der Anzahl der in Reihe geschalteten Elemente re sultiert. Wenn die einem einzigen Element 51 mit festen Polyelektrolyten aufgeprägte Spannung ca. 2 . V ist, und wenn man die Anzahl Elemente, die in Reihe geschaltet sind, mit N annimmt, wäre eine Gleichstromquelle mit einem Speisespan nungswert von ca. 2N V angeschlossen. Im allgemeinen ist die Größe einer Gleichstromquelle im wesentlichen von ihrer Strombelastbarkeit abhängig. Eine Verkleinerung der Gleich stromquelle wird daher erreicht, indem sämtliche Elemente 51 mit festen Polyelektrolyten in Reihe geschaltet werden und die Strommenge minimiert wird, die dem Polymerelektrolytmem bran-Elektrolysezellenmodul zugeführt wird.

Wenn bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform eine Vielzahl von Elementen 51 mit festen Polyelektrolyten gesta pelt und über die Abstandhalter 52, die leitfähige Metall platten 52b haben, mit Druck beaufschlagt werden, dann wird eine dreidimensionale elektrolytische Reaktionsoberfläche gebildet, bei der die gegenüberliegenden Elektroden 54a und 54b eine Elektrodenoberfläche der gleichen Polarität bilden. Luftkanäle 53a und 53b sind auf jeder Polaritätsseite gebil det, und die Elemente 51 sind elektrisch in Reihe geschal tet. Man erhält also ein Polymerelektrolytmembran-Elektroly sezellenmodul, das eine Vereinfachung der Modulmontage und der elektrischen Verbindung, eine Minimierung des zugeführ ten Stromwerts und eine Verkleinerung des Energiezuführungs systems ermöglicht.

Zweite Ausführungsform

Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist eine Vielzahl von ebenen, flächenkörperförmigen Stützelementen 58 in gleichen Abständen zwischen die Elemente 51 mit festen Polyelektrolyten parallel mit den Abstandhaltern 52 einge fügt, um einen Raum zwischen zwei benachbarten Elementen 51 mit festen Polyelektrolyten aufrechtzuerhalten, wie Fig. 4 zeigt. Hinsichtlich aller anderen Aspekte ist die zweite Ausführungsform ebenso wie die vorstehend beschriebene erste Ausführungsform aufgebaut.

Da eine Spannung zwischen gegenüberstehenden Elementen 51 mit festen Polyelektrolyten wirksam ist, weist das Stützele ment 58 eine Isolierplatte aus einem Kunststoff auf.

Bei dem oben erwähnten Polymerelektrolytmembran-Elektrolyse zellenmodul 50 der ersten Ausführungsform sind nur die Enden der Oberflächen der Elemente 51 mit festen Polyelektrolyten von den Abstandhaltern 52 abgestützt. Wenn zwischen dem Luftstrom B auf der Anodenseite und dem Luftstrom C auf der Kathodenseite eine Betriebsdruckdifferenz herrscht, wirkt daher ein Oberflächendruck auf die Oberflächen des Elements 51 und kann eine Formänderung bewirken.

Bei dem Polymerelektrolytmembran-Elektrolysezellenmodul 50A der zweiten Ausführungsform, bei dem die Stützelemente 58 in einer räumlichen Gitterform angeordnet sind, sind jedoch die Oberflächen der Elemente 51 mit festen Polyelektrolyten mul tilinear abgestützt, so daß die mechanische Festigkeit erhöht wird.

Auch wenn also zwischen dem Luftstrom B auf der Anodenseite und dem Luftstrom C auf der Kathodenseite eine Betriebs druckdifferenz vorhanden ist oder eine Teilverformung oder eine mechanische Schwingung auftritt, wird eine Formänderung der Elementoberflächen verhindert, was es ermöglicht, einen durch eine Verformung der Elementoberflächen verursachten Ausfall durch Bruch zu verhindern.

Die Stützelemente 58, die entlang dem Luftdurchfluß angeord net sind, beeinträchtigen zu keiner Zeit den Luftstrom und führen keinesfalls zu einer Stockung des Luftstroms.

In dieser Hinsicht ist die Anzahl der Stützelemente 58 auf die kleinste erforderliche Anzahl begrenzt, so daß eine Stockung des Luftstroms an den elektrolytischen Reaktions oberflächen der Elemente 51 mit festen Polyelektrolyten keinesfalls die elektrolytische Reaktionsfähigkeit beein trächtigt.

Bei der zweiten Ausführungsform ist die Vielzahl von ebenen, flächenkörperförmigen Stützelementen 58 in gleichen Abstän den zwischen die Elemente 51 mit festen Polyelektrolyten parallel mit den Abstandhaltern 52 eingesetzt, so daß die Gesamtoberflächen der Elemente mit festen Polyelektrolyten 51 multilinear abgestützt sind. Eine gleichartige Wirkung kann auch erreicht werden, indem eine Vielzahl von kleinen scheibenförmigen Stützelementen gleichmäßig zwischen den Elementen 51 mit festen Polyelektrolyten vorgesehen wird und die Gesamtoberflächen der Elemente mit festen Polyelektroly ten an einer Vielzahl von Stellen abgestützt werden.

Dritte Ausführungsform

Bei der vorstehend erläuterten ersten und zweiten Ausfüh rungsform werden bei der Bildung eines Polymerelektrolytmem bran-Elektrolysezellenmoduls 50 oder 50A gemäß den Fig. 1 und 4 die Elemente 51 mit festen Polyelektrolyten über die Abstandhalter 52 in bestimmten Abständen gestapelt, so daß die Luftkanäle 53a und 53b gebildet werden. Eine quadrati sche elektrolytische Reaktionsoberfläche wird gebildet, indem die Abstandhalter 52 an beiden Enden der Elemente 51 mit festen Polyelektrolyten in Form eines Raumgitters ange ordnet sind.

Infolgedessen haben zwei aneinandergrenzende Seiten der elektrolytischen Reaktionsfläche die gleiche Länge, was die Erzielung eines dünneren Moduls verhindert. Bei der dritten Ausführungsform erhält man ein Polymerelektrolytmembran- Elektrolysezellenmodul, das imstande ist, der Forderung nach einem dünn ausgebildeten Modul zu entsprechen.

Fig. 5 ist eine Perspektivansicht, die das Polymerelektro lytmembran-Elektrolysezellenmodul der dritten Ausführungs form zeigt; Fig. 6 ist eine Perspektivansicht, die das Ele ment mit festen Polyelektrolyten zeigt, das in dem Polymer elektrolytmembran-Elektrolysezellenmodul der dritten Ausfüh rungsform verwendet wird; und Fig. 7 ist eine perspektivi sche Explosionsansicht, die das Polymerelektrolytmembran- Elektrolysezellenmodul der dritten Ausführungsform verdeut licht.

Das Element 59 mit festen Polyelektrolyten der dritten Ausführungsform hat die gleichen elektrochemischen Funktio nen wie das vorher erläuterte Element 59 mit festen Poly elektrolyten. Dabei ist, wie Fig. 6 zeigt, ein Paar von porösen Elektroden 54a und 54b mit einer dazwischen befind lichen, für Wasserstoffionen leitfähigen Festpolyelektrolyt membran 55 durch Wärme und Druck verbunden und daher an den beiden Oberflächen der Festpolyelektrolytmembran 55 fest angeordnet.

Eine Wärme-Druck-Verbindung, d. h. ein Thermokompressionsbon den, wird so durchgeführt, daß jeweils eine Seite von jeder des Paars von porösen Elektroden 54a und 54b von der anderen Seite der Festpolyelektrolytmembran 55 vorsteht, und die an dere Seite ist auf der Oberfläche so verlagert, daß die Oberfläche der Festpolyelektrolytmembran 55 freiliegt.

Die so gebildete Verbundmembran ist in Richtung eines Pfeils D in der Mitte umgebogen, um ein U-förmiges Element 59 mit festen Polyelektrolyten zu bilden. Elektrische Kontakte 56a und 56b können an den Endflächen der porösen Elektroden 54a und 54b angebracht sein und stehen von der Endfläche der Festpolyelektrolytmembran 55 vor.

Der Abstandhalter 60 ist so gefertigt, daß elektrische Kon takte 60b entlang den Endflächen beider Seiten eines isolie renden U-förmigen Rahmens 60a angeordnet sind, und die bei den Enden davon sind an der Oberfläche und der Rückseite des isolierenden Rahmens 60a freigelegt. Andererseits ist der Abstandhalter 63 so gefertigt, daß ein elektrischer Kontakt 60b entlang der Endfläche einer Seite eines anderen isolie renden U-förmigen Rahmens 63a angeordnet ist, und die beiden Enden davon sind an der Oberfläche und der Rückseite des isolierenden Rahmens 63a freigelegt.

Das Polymerelektrolytmembran-Elektrolysezellenmodul 50B der dritten Ausführungsform wird hergestellt durch Anordnen einer Vielzahl von Elementen 59 mit festen Polyelektrolyten, die zu U-Gestalt geformt sind, so daß ihre umgebogenen Sei ten in die gleiche Richtung weisen, wie Fig. 7 zeigt, Ein setzen eines Abstandhalters 60 zwischen Oberflächen, die infolge des Umbiegens jedes Elementes mit festen Polyelek trolyten 59 einander gegenüberstehen, weiterhin Einsetzen eines Abstandhalters 63 zwischen zwei aneinandergrenzende Elemente 59 mit festen Polyelektrolyten und Druckbeaufschla gen derselben von beiden Enden in der Stapelrichtung, um das Modul dadurch integral zu formen.

Isolierende, einen Luftkanal bildende Elemente 64 werden zwischen Oberflächen der Elemente mit festen Polyelektroly ten, die einander in der Mitte an der sich öffnenden Seite der Abstandhalter 60 und 63 gegenüberstehen, eingefügt. Die Unterseite 60c des Abstandhalters 60 wird so eingesetzt, daß sie in den umgebogenen Bereich des U-förmigen Elementes 59 mit festen Polyelektrolyten paßt, und die Abstandhalter 60 und 63 werden so angeordnet, daß ihre sich öffnenden Seiten abwechseln.

Ein Luftkanal 53a ist durch den Raum zwischen den gegenüber stehenden Oberflächen durch das Umbiegen des Elementes 59 mit festen Polyelektrolyten und den Abstandhalter 60 gebil det, und ein Luftkanal 53b ist durch den Raum zwischen den gegenüberstehenden Oberflächen benachbarter Elemente mit festen Polyelektrolyten 59 und den Abstandhalter 63 gebil det. Die an den porösen Elektroden 54a und 54b des Elementes mit festen Polyelektrolyten 59 ausgebildeten elektrischen Kontakte 56a und 56b werden während des Stapelvorgangs der Elemente mit den elektrischen Kontakten 60b und 63b der Abstandhalter 60 und 63 elektrisch verbunden.

Die Kathode des vorher positionierten bzw. vorgeschalteten Elements ist mit der Anode des nachher positionierten bzw. nachgeschalteten Elements in Reihe geschaltet, und sonst ist die Anode des vorgeschalteten Elements mit der Kathode des nachgeschalteten Elements in Reihe geschaltet, so daß eine anodenseitige elektrolytische Reaktionsoberfläche und eine kathodenseitige elektrolytische Reaktionsoberfläche, die in Wellenform geformt sind, jeweils auf den Seiten gleicher Po larität liegen.

Indem beispielsweise Strom in Pfeilrichtung A in den Fig. 5 und 7 zugeführt wird, wird eine elektrische Verbindung her gestellt, so daß die anodenseitige elektrolytische Reakti onsoberfläche der Oberseite des Papiers zugewandt ist und die kathodenseitige elektrolytische Reaktionsoberfläche der Unterseite des Papiers zugewandt ist.

Bei dem Polymerelektrolytmembran-Elektrolysezellenmodul 50B, das die oben beschriebene und in Fig. 5 gezeigte Konfigura tion hat, sind einen Luftkanal bildende Elemente 64 an den sich öffnenden Mitten der Abstandhalter 60 und 63 ange bracht, und Strom wird in Richtung des Pfeils A zugeführt, so daß ein Luftkanal 53a an der Anodenseite über der Papier oberfläche gebildet wird. Wenn wie bei der oben erläuterten ersten Ausführungsform Luft entlang dem Pfeil B zugeführt wird, dann wird in der Luft enthaltener Dampf durch die Elektrolyse auf der Basis der elektrolytischen Reaktion nach der Formel (1) verbraucht, so daß die Luftfeuchtigkeit ver ringert und trockene Luft erhalten wird.

Der Luftkanal 53b auf der Kathodenseite ist unterhalb der Papieroberfläche ausgebildet. Wenn Luft entlang dem Pfeil C zugeführt wird, wird daher in der Luft enthaltener Sauer stoff durch die elektrolytische Reaktion nach der Formel (2) verbraucht, so daß Dampf erzeugt und der Luftstrom zu feuch ter Luft wird.

Da sämtliche Elemente 59 mit festen Polyelektrolyten in Reihe geschaltet sind, wird die elektrolytische Reaktion für sämtliche Elemente 59 durch Zuführen der Strommenge für ein einziges Element 59 mit festen Polyelektrolyten zu dem Poly merelektrolytmembran-Elektrolysezellenmodul 50B erreicht, und eine Verkleinerung der Gleichstromquelle wird erreicht, indem die Strommenge verringert wird, die dem Polymerelek trolytmembran-Elektrolysezellenmodul 50B zugeführt wird.

Wenn bei der oben beschriebenen dritten Ausführungsform die Vielzahl von Elementen 59 mit festen Polyelektrolyten über die Abstandhalter 60 und 63 gestapelt und mit Druck beauf schlagt wird, dann wird eine dreidimensionale elektrolytische Reaktionsoberfläche gebildet, in der die gegenüberstehenden porösen Elektroden 54a und 54b eine Elektrodenoberfläche der gleichen Polarität bilden. Gleichzeitig wird der Luftkanal 53a oder 53b an jeder Polarität ausgebildet, und die Ele mente 59 werden elektrisch in Reihe geschaltet.

Wie bei der vorher erläuterten ersten Ausführungsform erhält man daher ein Polymerelektrolytmembran-Elektrolysezellenmo dul, das eine Vereinfachung der Montage und der elektrischen Verbindung des Moduls, eine Herabsetzung des Werts des zuge führten Stroms und eine Verkleinerung des Energiezuführungs systems ermöglicht.

Da das Polymerelektrolytmembran-Elektrolysezellenmodul 50B durch Stapeln der umgebogenen Elemente 59 mit festen Poly elektrolyten mit den dazwischen befindlichen Abstandhaltern 60 und 63 gebildet ist, hat das Modul eine Dicke, die der halben Breite des Elementes 59 mit festen Polyelektrolyten entspricht, was es möglich macht, der Forderung nach einem dünneren Modul zu entsprechen.

Die Beschreibung dieser dritten Ausführungsform bezieht sich auf den Fall, in dem die zu einer U-Gestalt umgebogenen Ele mente 59 mit festen Polyelektrolyten mit den dazwischen be findlichen Abstandhaltern 60 in Reihe mit dazwischen befind lichen Abstandhaltern 63 angeordnet sind.

Die Gestalt des Elementes mit festen Polyelektrolyten ist aber nicht auf die U-Form beschränkt, sondern eine W-förmige Anordnung oder eine serielle Anordnung der Elemente, die mit einer Vielzahl von Biegungen mit Abstandhaltern 60 zwischen den Biegungen und außerdem mit Abstandhaltern 63 zwischen den Elementen ausgebildet sind, ist ebenfalls anwendbar.

Vierte Ausführungsform

Fig. 8 ist eine Perspektivansicht, die eine vierte Ausfüh rungsform einer Polymerelektrolytmembran-Elektrolysevorrich tung zeigt; und Fig. 9 ist eine perspektivische Explosions ansicht, die die Polymerelektrolytmembran-Elektrolysevor richtung der vierten Ausführungsform zeigt; in Fig. 9 sind der Einfachheit halber nur Abstandhalter 52 gezeigt.

In den Fig. 8 und 9 ist die Polymerelektrolytmembran-Elek trolysevorrichtung 100 aus einem Polymerelektrolytmembran- Elektrolysezellenmodul 50 und einer elektrischen Bypass- oder Umgehungseinheit 101 zusammengesetzt. Die elektrische Umgehungseinheit 101 hat Umgehungsschaltungen 102, deren Anzahl gleich derjenigen von Elementen mit festen Polyelek trolyten ist, die ein Polymerelektrolytmembran-Elektrolyse zellenmodul 50 bilden. Die Umgehungsschaltungen 102 sind mit Verbindungsleitungen 103 an leitfähige Metallplatten 52b der Abstandhalter 52 angeschlossen, die zwischen die Elemente mit festen Polyelektrolyten 51 eingefügt sind, und sind relativ zu den Elementen mit festen Polyelektrolyten 51 elektrisch parallelgeschaltet.

Wie Fig. 10 zeigt, umfaßt die Umgehungsschaltung 102 einen Transistor 104, eine Diode 105, die in einer positiven Rich tung relativ zum Basisstrom eingefügt ist, einen Widerstand 106a zur Justierung des Kollektorstroms, einen Widerstand 106b zur Justierung des Basisstroms und einen Widerstand 106c zur Justierung des Emitterstroms. Eine Kollektor-Emit ter-Strecke des Transistors 104 ist mit der leitfähigen Metallplatte 52b des zwischen den Stufen vorgesehenen Abstandhalters 52 so verbunden, daß sie mit Verbindungslei tungen 103a und 103b zu porösen Elektroden 54a und 54b jedes Elementes mit festen Polyelektrolyten 51 verbunden ist.

Wie Fig. 11 zeigt, hat die Umgehungsschaltung 102 eine elek trische Charakteristik, wobei der Kollektorstromwert I bei einem Spannungswert V zwischen den Verbindungsleitungen 103a und 103b, der unter einem vorgegebenen Wert Vt liegt, Null ist, und der Kollektorstromwert I steil ansteigt, wenn der Spannungswert V den vorgegebenen Wert Vt erreicht. Die Schaltungskomponenten und eine Schaltungskonstante sind so eingestellt, daß der vorgegebene Wert Vt geringfügig kleiner als ein noch zu beschreibender Spitzenspannungswert Vkp des Elementes 51 mit festen Polyelektrolyten ist: Die Anzahl von Dioden 105 und der Widerstandswert der Widerstände 106b und 106c sind eingestellt.

Die Arbeitsweise einer Polymerelektrolytmembran-Elektroly sevorrichtung, die keine elektrische Umgehungseinheit 101 hat, wird nachstehend mit der Absicht erläutert, die Wirkun gen der Polymerelektrolytmembran-Elektrolysevorrichtung 100 zu erläutern, die wie oben beschrieben ausgebildet ist.

Die für eine elektrolytische Reaktion gemäß den vorher ange gebenen Formeln (1) und (2) erforderliche Energie wird von einer Gleichstromquelle 57 zugeführt. Da sämtliche Elemente 51 mit festen Polyelektrolyten in Reihe geschaltet sind, werden diese elektrolytischen Reaktionen für sämtliche Ele mente 51 mit festen Polyelektrolyten dadurch erreicht, daß dem gesamten Polymerelektrolytmembran-Elektrolysezellenmodul 50 die Strommenge für ein einziges Element mit festen Poly elektrolyten 51 zugeführt wird.

Wenn sämtliche Elemente 51 mit festen Polyelektrolyten gleichförmige elektrische Charakteristiken haben, stellt sich kein Problem ein. Wenn die elektrischen Charakteristi ken der Elemente 51 mit festen Polyelektrolyten jedoch nicht gleichförmig sind, kann die elektrolytische Kapazität der einzelnen Elemente 51 mit festen Polyelektrolyten nicht vollständig genutzt werden, oder es werden Änderungen der Spannung zwischen den Elektroden verursacht, was zu einer Verschlechterung der elektrolytischen Eigenschaft gemeinsam mit einer Ausweitung dieser Fehler führt. Es ist also erfor derlich, einige Maßnahmen vorzusehen, um eine konstante Spannung zwischen den Elektroden zu halten.

Wie Fig. 12 zeigt, sind typische elektrische Charakteristi ken des Elementes 51 mit festen Polyelektrolyten, daß bei einer Spannung zwischen Elektroden unterhalb 1 V kein Strom fließt und beim Überschreiten von 1 V plötzlich Strom zu fließen beginnt, zwischen 2 und 2,5 V einen Maximalwert pro duziert und danach entgegengesetzt abnimmt. Zwischen den Elementen 51 mit festen Polyelektrolyten gibt es Schwankun gen des maximalen Spitzenwerts, obwohl der Verlauf der Span nung-Strom-Kurve im wesentlichen konstant bleibt.

Fig. 12 zeigt einen Fall, in dem Schwankungen, die mit drei Kurven K, L und M wiedergegeben sind, in dem Spannung-Strom- Verlauf für die das Polymerelektrolytmembran-Elektrolysezel lenmodul 50 bildenden Elemente 51 mit festen Polyelektroly ten vorhanden sind. Wenn ein Spitzenspannungswert Vkp auf das Element 51 mit festen Polyelektrolyten aufgeprägt wird, das die elektrischen Charakteristiken der Kurve K mit dem kleinsten Spitzenwert hat, fließt ein Strom Ikp zu sämtli chen Elementen 51 mit festen Polyelektrolyten, weil alle das Polymerelektrolytmembran-Elektrolysezellenmodul 50 bildenden Elemente 51 mit festen Polyelektrolyten in Reihe geschaltet sind.

Dabei ist die Spannung zwischen Elektroden der Elemente mit festen Polyelektrolyten, deren elektrische Charakteristiken durch die Kurven L und M repräsentiert sind, Vl1 bzw. Vm1 und ist kleiner als der Spitzenspannungswert. Infolgedessen arbeiten die Elemente 51 mit festen Polyelektrolyten, die die elektrischen Charakteristiken der Kurven L und M haben, mit Stromwerten, die kleiner als die Spitzenstromwerte Ilp bzw. Imp sind, was zu einem Betrieb in einem Zustand führt, in dem die Charakteristiken nicht vollkommen erhalten werden können. Anders ausgedrückt, es ist der Betriebszustand des Polymerelektrolytmembran-Elektrolysezellenmoduls 50 durch das Element 51 mit festen Polyelektrolyten begrenzt, das die elektrischen Charakteristiken der Kurve K mit dem kleinsten Spitzenwert hat.

Wenn auf das Element 51 mit festen Polyelektrolyten, das die elektrischen Charakteristiken der Kurve K hat, eine Spannung Vk aufgeprägt wird, die größer als der Spitzenspannungswert Vkp ist, nimmt der Stromwert entlang dem Pfeil in Fig. 12 auf Ik ab. In diesem Zustand verringert sich die Elektroden spannung der Elemente 51 mit festen Polyelektrolyten, die die elektrischen Charakteristiken der Kurven L und M haben, weiter auf Vl2 bzw. Vm2, was zu einer größeren Elektrodenspannungsdifferenz zwischen den Elementen 51 mit festen Polyelektrolyten führt. Ein niedrigerer Speisestrom wert bewirkt daher einen instabilen Zustand, was zu einer weiteren Verschlechterung von elektrischen Charakteristiken führt.

Bei dieser Polymerelektrolytmembran-Elektrolysevorrichtung 100 ist eine Umgehungsschaltung 102 parallel zwischen die Elektroden jedes Elementes 51 mit festen Polyelektrolyten geschaltet. Die Schaltungskomponenten und eine Schaltungs konstante sind für jede Umgehungsschaltung 102 so vorgege ben, daß der Spannungswert Vt, der den steilen Stromanstieg repräsentiert, geringfügig kleiner als der Spitzenspannungs wert des Elementes 51 mit festen Polyelektrolyten wird.

Wenn die Elektrodenspannung des Elementes 51 mit festen Polyelektrolyten während des Treibens des Polymerelektrolyt membran-Elektrolysezellenmoduls 50 ansteigt und den Span nungswert Vt überschreitet, beginnt der Strom zu der Umge hungsschaltung 102 zu fließen, und die Elektrodenspannung der Elemente mit festen Polyelektrolyten wird auf einen Wert unterhalb des Spitzenspannungswerts Vkp gesteuert.

Im Fall des Elementes 51 mit festen Polyelektrolyten, dessen Elektrodenspannung angestiegen ist und den Spannungswert Vt überschritten hat, fließt der Strom durch dieses elektroly tische Element und die Umgehungsschaltung 102 zu dem Element 51 mit festen Polyelektrolyten der nächsten Stufe (dem nach geschalteten Element 51). Infolgedessen wird die Spannung gleichmäßig auf sämtliche Elemente 51 mit festen Poly elektrolyten verteilt, und ein Strom nahe dem jeweiligen Spitzenstromwert wird jedem Element mit festen Polyelek trolyten 51 zugeführt.

Bei der oben beschriebenen vierten Ausführungsform ist die Umgehungsschaltung 102 mit jedem Element 51 mit festen Poly elektrolyten elektrisch parallelgeschaltet, so daß die Elek trodenspannung jedes Elementes 51 mit festen Polyelektro lyten auf einen Wert unter dem Spitzenspannungswert Vkp gesteuert wird. Infolgedessen wird verhindert, daß die Elek trodenspannung über den Spitzenspannungswert Vkp ansteigt und in den instabilen Bereich gelangt, und das Polymerelek trolytmembran-Elektrolysezellenmodul 50 kann in einem sta bilen Zustand betrieben werden.

Da dies zu einer gleichmäßigen Spannungsverteilung auf sämt liche Elemente 51 mit festen Polyelektrolyten sowie zur Zuführung von Strom mit einem Stromwert nahe dem Spitzen stromwert zu jedem Element 51 mit festen Polyelektrolyten führt, ist es möglich, das Polymerelektrolytmembran-Elektro lysezellenmodul 50 so zu treiben, daß die elektrolytische Eigenschaft jedes Elementes 51 mit festen Polyelektrolyten auch dann vollständig genutzt wird, wenn Schwankungen von elektrischen Charakteristiken des Elementes 51 mit festen Polyelektrolyten vorhanden sind.

Da die Umgehungsschaltung 102 billige Komponenten, wie etwa einen Transistor 104, Dioden 105 und Widerstände 106a, 106b und 106c aufweist, ist es möglich, niedrigere Gerätekosten zu erreichen.

Nachstehend wird die Einstellung eines Spannungswerts Vt der Umgehungsschaltung 102 beschrieben.

Der Spannungswert Vt jeder Umgehungsschaltung 102 nimmt den besten Wert an, wenn er mit dem Spitzenspannungswert Vkp des Elementes 51 mit festen Polyelektrolyten übereinstimmt, mit dem die Umgehungsschaltung 102 parallelgeschaltet ist. Da jedoch Schwankungen der elektrischen Charakteristiken des Elementes 51 mit festen Polyelektrolyten vorliegen, ist es sehr schwer, den Spannungswert Vt jeder Umgehungsschaltung 102 zu veranlassen, mit dem Spitzenspannungswert Vkp des Elementes mit festen Polyelektrolyten 51 in Übereinstimmung zu gelangen. In der Praxis wird daher der Spannungswert Vt jeder Umgehungsschaltung 102 innerhalb eines vorgeschriebe nen Bereichs gesteuert, der den Spitzenspannungswert Vkp des Elementes mit festen Polyelektrolyten enthält.

Bei typischen elektrischen Charakteristiken des Elementes mit festen Polyelektrolyten 51 liegt der Spitzenspannungs wert Vkp innerhalb eines Bereichs von 2 bis 2,5 V. Der Span nungswert Vt jeder Umgehungsschaltung 102 sollte bevorzugt innerhalb eines Bereichs von 2 bis 3 V gesteuert werden.

Auch wenn Abweichungen der elektrischen Charakteristiken des Elementes 51 mit festen Polyelektrolyten vorhanden sind, nimmt in diesem Fall der Spannungswert Vt der Umgehungs schaltung 102 einen Wert an, der dem Spitzenspannungswert Vkp des Elementes mit festen Polyelektrolyten 51 gleicht, und das Polymerelektrolytmembran-Elektrolysezellenmodul 50 kann so getrieben werden, daß die elektrolytische Eigen schaft jedes Elementes 51 mit festen Polyelektrolyten aus reichend genutzt wird.

Es ist also nicht notwendig, eine Umgehungschaltung in Über einstimmung mit den elektrischen Charakteristiken des Ele mentes 51 mit festen Polyelektrolyten herzustellen, so daß die Produktivität verbessert und das Erzielen niedrigerer Gerätekosten ermöglicht werden.

Fünfte Ausführungsform

Bei der vorstehenden vierten Ausführungsform wurden die Umgehungsschaltungen 102 als den einzelnen Elementen 51 mit festen Polyelektrolyten elektrisch parallelgeschaltet be schrieben. Bei der fünften Ausführungsform, die in Fig. 13 gezeigt ist, sind die Umgehungsschaltungen 102 nur mit zwei Elementen 51 mit festen Polyelektrolyten elektrisch paral lelgeschaltet.

Bei einem Polymerelektrolytmembran-Elektrolysezellenmodul 50 dieses Typs kann die Durchflußrate der durch einen Luftkanal 53a (53b) strömenden Luft abnehmen, oder es kann in dem Luftstrom in dem Luftkanal 53a (53b) aufgrund der Modulkon struktion eine Stagnation erzeugt werden. Das Betreiben eines solchen Polymerelektrolytmembran-Elektrolysezellen moduls 50 bewirkt, daß die Elektrodenspannung der Elemente 51 mit festen Polyelektrolyten, die dem Luftkanal 53a (53b) zugewandt sind, in dem die Durchflußrate niedrig ist oder eine Stagnation erfolgt, übermäßig ansteigt.

Bei dieser fünften Ausführungsform sind die Umgehungsschal tungen 102 mit den Elementen 51 mit festen Polyelektrolyten, die dem Luftkanal 53b zugewandt sind, in dem eine Stagnation des Luftdurchflusses stattfindet, parallelgeschaltet. Wenn die Elektrodenspannung der beiden Elemente mit festen Poly elektrolyten 51 den Spannungswert Vt überschreitet, beginnt daher ein Strom in die Umgehungsschaltung 102 zu fließen, was eine Blockierung eines übermäßigen Anstiegs der Elek trodenspannung ermöglicht.

Bei der vierten und der fünften oben beschriebenen Ausfüh rungsform weist die Umgehungsschaltung 102 einen Transistor 104, Dioden 105 und Widerstände 106a, 106b und 106c auf. Die Umgehungsschaltung ist aber nicht auf eine solche Konfigura tion beschränkt, und es kann jede Konfiguration verwendet werden, solange die Schaltung die Erzielung von elektrischen Charakteristiken einschließlich eines steilen Anstiegs des Stroms bei einem Spannungswert Vt erlaubt.

Auch bei der vierten und der fünften Ausführungsform wird das Polymerelektrolytmembran-Elektrolysezellenmodul 50 der ersten Ausführungsform verwendet. Die gleichen Wirkungen können aber erzielt werden, wenn das Polymerelektrolytmem bran-Elektrolysezellenmodul 50A oder 50B der zweiten oder der dritten Ausführungsform verwendet wird.

Gemäß der Erfindung wird ein Polymerelektrolytmembran-Elek trolysezellenmodul angegeben, das eine Vielzahl von Elemen ten mit festen Polyelektrolyten aufweist, die so gestapelt sind, daß sie einen Luftkanal zwischen zwei benachbarten Elementen mit festen Polyelektrolyten in einem Zustand bil den, in dem Abstandelemente, von denen wenigstens ein Teil als leitfähige Kontaktzonen dient, dazwischen angeordnet sind, wobei jedes der Elemente mit festen Polyelektrolyten durch Thermokompressionsbonden von porösen Elektroden mit den beiden Oberflächen einer für Wasserstoffionen leitfähi gen Festpolyelektrolytmembran ausgebildet ist; wobei die Vielzahl von gestapelten Elementen mit festen Polyelektroly ten auf solche Weise miteinander elektrisch in Reihe ge schaltet ist, daß die eine poröse Elektrode von jedem der Elemente mit festen Polyelektrolyten mit der einen porösen Elektrode eines an einer Seite daran angrenzenden Elementes mit festen Polyelektrolyten über die leitfähige Kontaktzone des Abstandhalters elektrisch verbunden ist und die andere poröse Elektrode von jedem der Elemente mit festen Poly elektrolyten mit der anderen porösen Elektrode eines daran an der anderen Seite angrenzenden Elementes mit festen Poly elektrolyten über die leitfähige Zone des Abstandhalters elektrisch verbunden ist; und wobei die zwischen den anein andergrenzenden Elementen mit festen Polyelektrolyten gebil deten Luftkanäle eine solche Konfiguration haben, daß ein Luftstrom entlang einer anodischen Oberfläche und ein Luft strom entlang der kathodischen Oberfläche bei Zuführung einer Gleichspannung zu einem Raum zwischen der einen porö sen Elektrode des Elementes mit festen Polyelektrolyten, das an einem Ende der Vielzahl von Elementen mit festen Poly elektrolyten angeordnet ist, und der anderen porösen Elek trode des Elementes mit festen Polyelektrolyten, das an dem anderen Ende der Vielzahl von Elementen mit festen Poly elektrolyten angeordnet ist, separat und unabhängig erzeugt wird.

Als Ergebnis bildet die Stapelung der Vielzahl von Elementen mit festen Polyelektrolyten über die Abstandhalter einen Luftkanal und eine dreidimensionale elektrolytische Reakti onsoberfläche. Da weiterhin die Elemente mit festen Poly elektrolyten elektrisch in Reihe geschaltet sind, werden die Montage und die elektrischen Verbindungsvorgänge verein facht. Die Möglichkeit der Minimierung des Speisestromwerts ergibt ein Polymerelektrolytmembran-Elektrolysezellenmodul, bei dem das Energiezuführungssystem kleiner gemacht werden kann.

Jedes der vorgenannten Vielzahl von Elementen mit festen Polyelektrolyten ist mit einer Viereckgestalt geformt, und die Vielzahl von Elementen mit festen Polyelektrolyten ist so gestapelt, daß die porösen Elektroden, die als Kathoden für die vorgeschalteten Elemente dienen sollen, und die porösen Elektroden, die als Anoden für die nachgeschalteten Elemente dienen sollen, oder die porösen Elektroden, die als Anoden für die vorgeschalteten Elemente dienen sollen, und die porösen Elektroden, die als Kathoden für die nachge schalteten Elemente dienen sollen, durch die leitfähigen Kontaktzonen des Abstandhalters verbunden sind, um eine elektrische Reihenverbindung zu bilden, und die porösen Elektroden gleicher Polarität sind einander zugewandt; und die Abstandhalter sind so angeordnet, daß der Luftstrom, der durch den von den Anodenoberflächen gebildeten Luftkanal strömt, und der Luftstrom, der durch den von den Kathoden oberflächen gebildeten Luftkanal strömt, zueinander orthogo nale Luftströme bilden. Infolgedessen ist die Fertigung der Elemente mit festen Polyelektrolyten einfach, und der Luft kanal kann mit einem geraden Verlauf gebildet werden, so daß nur ein geringer Druckverlust im Luftkanal erhalten wird, was die Verwendung eines Gebläses mit kleinem maximalem sta tischen Druckwert gestattet.

Das beschriebene Polymerelektrolytmembran-Elektrolysezellen modul umfaßt ferner ein Stützelement, das zwischen zwei benachbarten Elementen mit festen Polyelektrolyten in jedem der Luftkanäle angeordnet ist, um die Oberflächen von benachbarten Elementen mit festen Polyelektrolyten mecha nisch abzustützen. Es ist dadurch möglich, ein Polymerelek trolytmembran-Elektrolysezellenmodul bereitzustellen, das gegenüber einer aus einer Beanspruchung, die durch eine Betriebsdruckdifferenz, eine wärmebedingte Verformung oder eine mechanische Schwingung bewirkt wird, resultierenden Formänderung beständig ist.

Bei der vorher erwähnten Vielzahl von Elementen mit festen Polyelektrolyten ist jedes der Vielzahl von Elementen mit festen Polyelektrolyten zu einer U-Gestalt, einer W-Gestalt oder einer gewellten Gestalt geformt; die Abstandhalter sind zwischen die umgebogenen und gegenüberstehenden Oberflächen jedes Elementes mit festen Polyelektrolyten und zwischen benachbarte Elemente mit festen Polyelektrolyten eingefügt; die porösen Elektroden, die als Kathoden für die vorgeschal teten Elemente dienen sollen, und die porösen Elektroden, die als Anoden für die nachgeschalteten Elemente dienen sol len, oder die porösen Elektroden, die als Anoden für die vorgeschalteten Elemente dienen sollen, und die porösen Elektroden, die als Kathoden für die nachgeschalteten Ele mente dienen sollen, sind durch die leitfähigen Kontaktzonen der Abstandhalter so verbunden, daß eine elektrische Reihen schaltung gebildet ist; und der Luftkanal, der durch die Anodenoberfläche gebildet ist, und der Luftkanal, der durch die Kathodenoberfläche gebildet ist, sind alternierend in entgegengesetzter Richtung ausgebildet. Das Modul kann eine Dicke haben, die geringer als die halbe Breite des Elementes mit festen Polyelektrolyten ist, was die Erzielung eines dünnen Polymerelektrolytenmembran-Elektrolysezellenmoduls ermöglicht.

Die Polymerelektrolytmembran-Elektrolysevorrichtung der Erfindung weist ein Polymerelektrolytmembran-Elektrolysezel lenmodul auf, das eine Vielzahl von Elementen mit festen Polyelektrolyten hat, die so gestapelt sind, daß sie einen Luftkanal zwischen zwei benachbarten Elementen mit festen Polyelektrolyten in einem Zustand bilden, in dem Abstandhal ter, von denen wenigstens ein Teil als leitfähige Kontaktzo nen dient, jeweils dazwischen angeordnet sind, wobei jedes der Elemente mit festen Polyelektrolyten durch Thermokom pressionsbonden von porösen Elektroden an die beiden Ober flächen einer für Wasserstoffionen leitfähigen Festpolyelek trolytmembran gebildet ist, wobei die Vielzahl von gestapel ten Elementen mit festen Polyelektrolyten auf solche Weise miteinander elektrisch in Reihe geschaltet sind, daß die eine poröse Elektrode von jedem der Elemente mit festen Polyelektrolyten mit der einen porösen Elektrode eines an einer Seite daran angrenzenden Elementes mit festen Poly elektrolyten über die leitfähige Kontaktzone des Abstandhal ters elektrisch verbunden ist und die andere poröse Elek trode von jedem der Elemente mit festen Polyelektrolyten mit der anderen porösen Elektrode eines daran an der anderen Seite angrenzenden Elementes mit festen Polyelektrolyten über die leitfähige Zone des Abstandhalters elektrisch ver bunden ist, und wobei die Luftkanäle, die zwischen den aneinandergrenzenden Elementen mit festen Polyelektrolyten gebildet sind, eine solche Konfiguration haben, daß ein Luftstrom entlang einer anodischen Oberfläche und ein Luft strom entlang der kathodischen Oberfläche separat und von einander unabhängig erzeugt werden, wenn einem Raum zwischen der einen porösen Elektrode des Elementes mit festen Poly elektrolyten, das an dem einen Ende der Vielzahl von Elemen ten mit festen Polyelektrolyten angeordnet ist, und der anderen porösen Elektrode des Elementes mit festen Polyelek trolyten, das an dem anderen Ende der Vielzahl von Elementen mit festen Polyelektrolyten angeordnet ist, eine Gleichspan nung zugeführt wird; und eine Bypass- oder Umgehungsschal tung, die eine Schaltungskonfiguration hat, bei der die Umgehungsschaltung zwischen die eine poröse Elektrode und die andere poröse Elektrode des Elementes mit festen Poly elektrolyten elektrisch parallelgeschaltet ist, und bei der ein steil ansteigender Strom fließt, wenn die Spannung zwi schen den beiden porösen Elektroden einen vorgegebenen Span nungswert überschreitet. Es wird also eine Polymerelektro lytmembran-Elektrolysevorrichtung angegeben, die das Betrei ben des Polymerelektrolytmembran-Elektrolysezellenmoduls so ermöglicht, daß die elektrolytische Eigenschaft der Elemente mit festen Polyelektrolyten ausreichend genutzt wird, und die Vorrichtung gewährleistet einen stabilen Betrieb.

Bei der vorstehenden Polymerelektrolytmembran-Elektrolyse vorrichtung hat die Vorrichtung Umgehungsschaltungen, deren Anzahl gleich derjenigen der Vielzahl von Elementen mit festen Polyelektrolyten ist, und die Umgehungsschaltungen sind zwischen die eine poröse Elektrode und die andere poröse Elektrode von jedem der Elemente mit festen Polyelek trolyten jeweils elektrisch parallelgeschaltet. Es ist also möglich, das Polymerelektrolytmembran-Elektrolysezellenmodul so zu betreiben, daß die elektrolytische Eigenschaft der einzelnen Elemente mit festen Polyelektrolyten ausreichend genutzt wird.

Da der vorgegebene Spannungswert der Umgehungsschaltungen innerhalb eines Bereichs von 2 bis 3 V liegt, nimmt der vor gegebene Spannungswert einen Wert ähnlich dem Spitzenspan nungswert des Elementes mit festen Polyelektrolyten auch dann an, wenn Schwankungen der elektrischen Charakteristiken des Elementes mit festen Polyelektrolyten vorhanden sind, und es ist möglich, eine Umgehungsschaltung mit niedrigen Kosten auf einfache Weise herzustellen.

Die Umgehungsschaltung umfaßt einen Transistor, eine Diode, die in einer positiven Richtung in bezug auf die eines Ba sisstroms des Transistors eingefügt ist, einen Widerstand zur Justierung eines Kollektorstroms des Transistors, einen weiteren Widerstand zur Justierung eines Basisstroms des Transistors und noch einen weiteren Widerstand zur Justie rung eines Emitterstroms des Transistors, was die Erzielung niedrigerer Gerätekosten erlaubt.

Claims

1. Polymerelektrolytmembran-Elektrolysezellenmodul (50, 50A, 50B), gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Elementen (51, 59) mit festen Poly elektrolyten, die so gestapelt sind, daß sie einen Luftkanal (53a, 53b) zwischen zwei benachbarten Elemen ten mit festen Polyelektrolyten (51, 59) in einem Zustand bilden, in dem Abstandhalter (52, 60, 63), von denen wenigstens ein Teil als leitfähige Kontaktzonen (52b, 60b, 63b) dient, dazwischen angeordnet sind, wobei jedes der Elemente (51, 59) mit festen Polyelek trolyten durch Thermokompressionsbonden von jeweiligen porösen Elektroden (54a, 54b) mit den beiden Oberflä chen einer für Wasserstoffionen leitfähigen Festpoly elektrolytmembran (55) gebildet ist;

- wobei die Vielzahl von gestapelten Elementen (51, 59) mit festen Polyelektrolyten auf solche Weise miteinander elektrisch in Reihe geschaltet sind, daß die eine poröse Elektrode (54a) von jedem der Elemente (51, 59) mit festen Polyelektrolyten mit der einen porösen Elektrode (54a) eines daran an einer Seite angrenzenden Elementes mit festen Polyelektrolyten über die leitfähige Kontaktzone (52b, 60b, 63b) des Abstandhalters (52, 60, 63) elektrisch verbunden ist und die andere poröse Elektrode (54b) von jedem der Elemente (51, 59) mit festen Polyelektrolyten mit der anderen porö sen Elektrode (54b) eines daran an der anderen Seite angrenzenden Elementes mit festen Poly elektrolyten über die leitfähige Zone (52b, 60b, 63b) des Abstandhalters (52, 60, 63) elektrisch verbunden ist; und
- wobei die Luftkanäle (53a, 53b), die zwischen den aneinander angrenzenden Elementen (51, 59) mit festen Polyelektrolyten gebildet sind, eine solche Konfiguration haben, daß ein Luftstrom entlang einer anodischen Oberfläche und ein Luftstrom ent lang der kathodischen Oberfläche separat und unab hängig gebildet werden, wenn einem Raum zwischen der einen porösen Elektrode (54a) des Elementes mit festen Polyelektrolyten, das an dem einen Ende der Vielzahl von Elementen mit festen Polyelek trolyten angeordnet ist, und der anderen porösen Elektrode (54b) des Elementes mit festen Polyelek trolyten, das an dem anderen Ende der Vielzahl von Elementen mit festen Polyelektrolyten angeordnet ist, eine Gleichspannung zugeführt wird.

2. Modul (50, 50A) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß jedes der Vielzahl von Elementen (51) mit festen Polyelektrolyten zu einer Viereckgestalt geformt ist und die Vielzahl von Elementen mit festen Polyelektro lyten so gestapelt ist, daß die porösen Elektroden, die als Kathoden für die vorgeschalteten Elemente dienen sollen, und die porösen Elektroden, die als Anoden für die nachgeschalteten Elemente dienen sollen, oder die porösen Elektroden, die als Anoden für die vorgeschal teten Elemente dienen sollen, und die porösen Elektro den, die als Kathoden für die nachgeschalteten Elemente dienen sollen, durch die leitfähigen Kontaktzonen (52b) des Abstandhalters (52) so verbunden sind, daß eine elektrische Reihenschaltung gebildet ist, und daß die porösen Elektroden gleicher Polarität einander zuge wandt sind;
und daß die Abstandhalter (52) so angeordnet sind, daß der Luftstrom, der durch den von den Anodenoberflächen gebildeten Luftkanal (53a) strömt, und der Luftstrom, der durch den von den Kathodenoberflächen gebildeten Luftkanal (53b) strömt, zueinander orthogonale Luft ströme bilden.

3. Modul (50A) nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein Stützelement (58), das zwischen zwei aneinander grenzenden Elementen (51) mit festen Polyelektrolyten in jedem der Luftkanäle (53a, 53b) so angeordnet ist, daß es die benachbarten Oberflächen der Elemente mit festen Polyelektrolyten mechanisch abstützt.

4. Modul (50B) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß jedes der Vielzahl von Elementen (59) mit festen Polyelektrolyten zu einer U-Gestalt, einer W-Gestalt oder einer Wellengestalt geformt ist;
daß die Abstandhalter (60, 63) zwischen die umgebogenen und gegenüberstehenden Oberflächen jedes Elementes mit festen Polyelektrolyten und zwischen benachbarte Ele mente mit festen Polyelektrolyten eingefügt sind;
daß die porösen Elektroden, die als Kathoden für die vorgeschalteten Elemente dienen sollen, und die porösen Elektroden, die als Anoden für die nachgeschalteten Elemente dienen sollen, oder die porösen Elektroden, die als Anoden für die vorgeschalteten Elemente dienen sollen, und die porösen Elektroden, die als Kathoden für die nachgeschalteten Elemente dienen sollen, durch die leitfähigen Kontaktzonen (60b, 63b) der Abstandhal ter (60, 63) verbunden sind und eine elektrische Rei henschaltung bilden;
und daß der Luftkanal (53a), der von der Anodenoberflä che gebildet ist, und der Luftkanal (53b), der von der Kathodenoberfläche gebildet ist, alternierend in entge gengesetzten Richtungen gebildet sind.

5. Polymerelektrolytmembran-Elektrolysevorrichtung (100), gekennzeichnet durch ein Polymerelektrolytmembran-Elektrolysezellenmodul (50, 50A, 50B), das eine Vielzahl von Elementen (51, 59) mit festen Polyelektrolyten hat, die so gestapelt sind, daß sie einen Luftkanal (53a, 53b) zwischen zwei benachbarten Elementen (51, 59) mit festen Polyelektro lyten in einem Zustand bilden, in dem Abstandhalter (52, 60, 63), von denen wenigstens ein Teil als leit fähige Kontaktzonen (52b, 60b, 63b) dient, dazwischen angeordnet sind, wobei jedes der Elemente (51, 59) mit festen Polyelektrolyten durch Thermokompressionsbonden von jeweiligen porösen Elektroden (54a, 54b) mit den beiden Oberflächen einer für Wasserstoffionen leitfähi gen Festpolyelektrolytmembran (55) gebildet ist;

- wobei die Vielzahl von gestapelten Elementen (51, 59) mit festen Polyelektrolyten auf solche Weise miteinander elektrisch in Reihe geschaltet sind, daß die eine poröse Elektrode (54a) von jedem der Elemente (51, 59) mit festen Polyelektrolyten mit der einen porösen Elektrode (54a) eines daran an einer Seite angrenzenden Elementes mit festen Polyelektrolyten über die leitfähige Kontaktzone (52b, 60b, 63b) des Abstandhalters (52, 60, 63) elektrisch verbunden ist und die andere poröse Elektrode (54b) von jedem der Elemente (51, 59) mit festen Polyelektrolyten mit der anderen porö sen Elektrode (54b) eines daran an der anderen Seite angrenzenden Elementes mit festen Polyelek trolyten über die leitfähige Zone (52b, 60b, 63b) des Abstandhalters (52, 60, 63) elektrisch verbun den ist; und
- wobei die Luftkanäle (53a, 53b), die zwischen den aneinander angrenzenden Elementen (51, 59) mit festen Polyelektrolyten gebildet sind, eine solche Konfiguration haben, daß ein Luftstrom entlang einer anodischen Oberfläche und ein Luftstrom ent lang der kathodischen Oberfläche separat und unab hängig gebildet werden, wenn einem Raum zwischen der einen porösen Elektrode (54a) des Elementes mit festen Polyelektrolyten, das an dem einen Ende der Vielzahl von Elementen mit festen Polyelekt rolyten angeordnet ist, und der anderen porösen Elektrode (54b) des Elementes mit festen Polyelek trolyten, das an dem anderen Ende der Vielzahl von Elementen mit festen Polyelektrolyten angeordnet ist, eine Gleichspannung zugeführt wird; und

eine Umgehungsschaltung (102), die eine Schaltungskon figuration hat, bei der die Umgehungsschaltung zwischen die eine poröse Elektrode (54a) und die andere poröse Elektrode (54b) des Elementes (51, 59) mit festen Poly elektrolyten elektrisch parallelgeschaltet ist und ein steil ansteigender Strom fließt, wenn die Spannung zwi schen den beiden porösen Elektroden (54a, 54b) einen vorgegebenen Spannungswert überschreitet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (100) die Umgehungsschaltungen (102) in einer Anzahl gleich derjenigen der Vielzahl von Elementen (51, 59) mit festen Polyelektrolyten auf weist und die Umgehungsschaltungen (102) zwischen die eine poröse Elektrode (54a) und die andere poröse Elek trode (54b) von jedem der jeweiligen Elemente (51, 59) mit festen Polyelektrolyten elektrisch parallelgeschal tet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene Spannungswert der Umgehungsschal tung (102) innerhalb eines Bereichs von 2 bis 3 V liegt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Umgehungsschaltung (102) folgendes aufweist: einen Transistor (104), eine Diode (105), die in einer positiven Richtung relativ zu derjenigen eines Basis stroms des Transistors (104) eingefügt ist, einen Widerstand (106a) zur Justierung eines Kollektorstroms des Transistors (104), einen weiteren Widerstand (106b) zur Justierung eines Basisstroms des Transistors (104) sowie einen weiteren Widerstand (106c) zur Justierung eines Emitterstroms des Transistors (104).