DE2140988A1

DE2140988A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE2140988A1
Application number: DE19712140988
Authority: DE
Inventors: Otto J. Newark; Terry Peter L. Madison; N.J. Adlhart (V.St.A.). HOIm 39-00
Original assignee: Engelhard Minerals and Chemicals Corp
Current assignee: BASF Catalysts LLC
Priority date: 1970-08-17
Filing date: 1971-08-16
Publication date: 1972-02-24
Also published as: CA1003897A; GB1361208A; US3709736A; CH531794A; FR2102287A1; FR2102287B1; JPS5639033B1; DE2140988C2; AU3237771A; AU461660B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät aus einer gestapelten Brennstoffzellenbatterie und einer Einrichtung zur Regelung der Feuchtigkeit, der Temperaturverteilung und der Brennstoff- und Luftzufuhr zur Zelle. Im besonderen ist die Erfindung auf ein zuverlässiges, ge-, drängtes und in sich abgeschlossenes Brennstoffzellensystem gerichtet, das nicht auf die Lieferung elektrischer Energie für einen wartungsfreien Langzeit-* betrieb, wie er für abgelegene Gebiete erforderlich ist, beschränkt, jedoch hierfür besonders geeignet ist.

Brennstoffzellen haben verschiedene attraktive Vorteile, durch welche sie als Energiequelle für viele Anwendungsfälle potentiell nutzbar gemacht werden können.

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Zu den Verwendungsmöglichkeiten gehört die Verwendung als Energiequelle in abgelegenen Gebieten, in welchen die herkömmlichen Energiequellen nicht zur Verfügung stehen und die Bedienung und Wartung der Anlage Beschränkungen unterliegt. Beispiele hierfür sind wartungsfreie Nachrichten-Relaisstationen, Navigationshilfen und Wetter- sowie ozeanographische Stationen. Für solche Anwendungsfälle muß das Energiesystem in sich abgeschlossen und unabhängig sein und die Zuverlässigkeit des Systems ist von größtmöglicher Bedeutung.

Zu den bei Brennstoffzellen bestehenden Problemen gehören die Regelung der Temperatur in den Zellen und die Beseitigung von Abfallprodukten. Ein weiteres Problem ist die Fähigkeit des Systems zur ständigen Zufuhr und Verteilung der zugeführten Reaktionsteilnehmer über die Elektroden. Bekanntlich ist jedes dieser Probleme sehr kompliziert» Beispielsweise ist es für die Temperatur·=- regelung nicht nur erforderlich, die bei der Reaktion erzeugte Wärme abzuleiten, sondern dies auch mit einem . geringstmöglichen Temperaturgradienten über die Elektroden zu erzielen. Es ist wichtig, daß die Temperatur-. verteilung über den Zellenbereich so gleichmässig wie * möglich ist, so daß eine gleichmässige Stromdichte aufrecht erhalten und damit jede Degradation auf ein Mindestmaß herabgesetzt wird. Im Falle von Zellen, die mit einem wasserstoffhaltigen Brennstoff und einem sauerstoff haltigen Oxydationsmittel arbeiten, ist das Produkt Wasser. Die genaue Regelung der Wasserwegführung ist seit langem ein Problem. Die Schwierigkeit besteht in dem Umstand, daß die Geschwindigkeit der Wasserbeseitigung mit der Geschwindigkeit der Wasserbildung genau abgestimmt werden muß. Wenn die Reaktionsteilnehmergase dazu verwendet werden, das Wasser aus der Zelle zu

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entfernen, wird die gleichmässige Verteilung der Reaktionsteilnehmergase und der Temperatur-über den aktiven Zellenbereich besonders schwierig. Eine genaue Regelung dieser Faktoren ist notwendig, um Ungleichgewichte und damit schädliche Wirkungen auf die Zelle zu vermeiden. Die Lösung dieser kritischen Betriebsprobleme wird besonders akut, wenn Beschränkungen hinsichtlich Grosse, Gewicht und der komplexen Erfordernisse der Abgeschlossenheit bei der Gestaltung des Energiesystems auferlegt werden.

Zur Lösung dieser Probleme sind verschiedene Mittel vorgeschlagen worden. Die vorgeschlagenen Verfahren zur Wärmeregelung waren zum Teil von der Art des verwendeten Elektrolyten abhängig. Beispielsweise wurde für flüssige Elektrolyten vorgeschlagen, den Elektrolyten durch ein äusseres Kühlsystem in Umlauf zu setzen. Bei einem unbeweglichen Elektrolyten wurden ein Satz kalter Platten, beispielsweise Platten, die mit einem Kühlrohr, durch welches ein Kühlmittel fließt, thermisch verbunden sind, oder bipolare Platten mit Kühlrippen, die sich in eine gesonderte Kühlkammer erstrecken, vorgeschlagen. Im allgemeinen waren die bisher zur Lösung der Probleme vorgeschlagenen Mittel nicht zufriedenstellend, hauptsächlich deswegen, weil sie eine zusätzlüie Komplizierung bedeuten und die Zuverlässigkeit des Systems verringern.

Bei der USA-Patentanmeldung Ser. No. 859 111 wird die verbesserte Wärmeableitung durch die besondere Gestaltung der bipolaren Platten von hoher Wärmeleitfähigkeit erzielt. Diese Platten sind mit Kühlrippen versehen und haben Abmessungen, welche durch eine gegebene Formel bestimmt werden, um einen Mindest-Wärmeübergangspfad vom

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Einlaß zum Auslaß der Luft über den aktiven Bereich der Zelle zu schaffen. Auf diese Weise wird die Temperaturdifferenz in der Zelle niedrig gehalten. Es ist bekannt, daß für einen erfolgreichen Betrieb, insbesondere um die Langzeit-Leistungsstabilität.so hoch wie möglich zu machen, eine gleichmässige Stromdichte über den Bereich jeder Zelle erforderlich ist. Die bipolaren Platten müssen daher aus einem hochwärmeleitenden Material bestehen und der horizontale Wärmeübergangspfad muß kurz gehalten werden, um die Temperatur über die ganze' Brennstoffzelle so gleichmässig wie möglich zu w halten. Obwohl solche Brennstoffzellen gebaut und erfolgreich über viele tausende von Stunden betrieben wurden, müssen Zellenstapel ziemlich knapp gestaltet werden,

so daß hinsichtlich des Leistungsvermögens praktische # ...

Beschränkungen bestehen. '·

Bei dem erfindungsgemässen Brennstoffzellensystem wird die Regelung der Temperatur, des Produktwassers und die Verteilung von ausreichend Sauerstoff auf die und über die Kathoden ohne die Verwendung eines äusseren Kühlsystems, gesonderter Kühlmittel oder komplizierter Vorrichtungen erzielt. Darüber hinaus sind die vorerwähnfe ten Beschränkungen weitgehend ausgeschaltet. Die Zellenplatten brauchen leine KühlripperVund ferner sind die Dicke und die Wärmeleitfähigkeit nicht mehr so kritisch. Ferner hängt die Länge des Strömungsweges der Oxydationsmittelzufuhr durch die Zelle nur von Druckabfallrücksichten ab, so daß die Zellenstapelgestaltung in Anpassung an besondere Erfordernisse bei geringer, wenn überhaupt einer Wirkung auf die gleichmässige Temperaturverteilung über die ganze Zelle gemacht werden kann.

Erfindungsgemäß hat die Oxydationsmittelzufuhrströmung

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die dreifache Funktion der BEseitigung der Abwärme und des Produktwassers sowie die Oxydatiorismittelversorgung der Zellen. Dies wird durch die besondere Art des verwendeten Elektrolyten und durch das verbesserte Verfahren zur Wärmeableitung aus den Zellen ermöglicht. Diese verbesserte Wärmeableitung wird durch eine neuartige Anordnung der Oxydationsmittelzufuhr zum Brennstoffzellenstapel, wie nachfolgend beschrieben, erzielt.

In den beiliegenden Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht, bei der Teile weggeschnitten sind und welche den Aufbau einer Einzelzelle von der Brennstoffeintrittsseite mit einer bipolaren « Platte an der Fläche jeder der Elektroden zeigt;

Fig. 2. in vergrössertem Maßstab und in schematischer Darstellung eine Einzelheit eines Zellenstapels im Schnitt und teilweise im Abstand;

Fig. 3 eine Draufsicht der Seite der bipolaren Platte, welche einer Säuerstoffelektrode zugekehrt ist;

Fig. 4 eine Einzelheit in ahematischer und schaubildlicher Darstellung, teilweise weggeschnitten, welche-die Strömungskanäle für den Eintritt der lift und des Brennstoffs mit der erfindungsgemässen Gegenstrom-Luftströmung zeigt; bei dieser bevorzugten Ausführungsform ist die Brennstoffströmung senkrecht zur Luftströmung gerichtet;

Fig. 5 eine schematische Skizze, welche die erfindungsgemässe Gegenstrom-Luftströmung und den vertikalen

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Wärmefluß für einen Zellenstapel von 9 Zellen zeigt, wobei die Luftströmung zu drei Gruppen von je drei Zellen zusammengefaßt ist; .

Fig.6a und 6b in schematischer Darstellung eine Ansicht von der Seite und im Aufriß eines Achtzellenstapels, in beiden Fällen teilweise weggeschnitten, welche ein Verfahren zur Leitung der Luft-" strömung zur Gegenstromluftspülung in den er

findungsgemässen Zellen zeigen;

Fig.7a und 7b in schematischer Darstellung eine Seitenansicht und eine Endansicht eines Brennstoffzellenstapels, in beiden Fällen teilweise weggeschnitten, welche ein anderes erfindungsgemässes Verfahren zum "Leiten der Luftströmung als Gegenstromströmung zeigen;

Fig. 8 und 9 graphische Darstellungen, welche das Temperaturprofil in den Zellen eines sechzehnzeiligen

| . Stapels mit einer erfindungsgemässen Gegenstrom-

luftströmung zeigen.

Bei dem erfindungsgemässen Brennstoffzellensystem wird eine Vielzahl einzelner Brennstoffzellen verwendet, von denen jede eine. Brennstoff elektrode, eine Sau°.rstoffelektrode und ein immobilüertes stabiles Flüssigelektrolytsystem besitzt. Jede benachbarte Zelle trennend und in Kontakt mit den Elektroden befindet sich eine wärmeleitende undurchlässige Zellenplatte zur Reaktionsteilnehmerverteilung und Temperaturregelung. Diese Platte ist an den Elektrodenkontaktflächen mit Gas-

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Strömungskanälen ausgebildet. Diese Kanäle haben vorzugsweise die Form von Nuten. Diese Nuten stehen mit dem aktiven Bereich der Zelle in Verbindung. Die Gasströmungskanäle erstrecken sich über die Zellenplatte am aktiven Bereich der Zelle;' An der Zellenplattenflache, die sich mit einer Sauerstoffelektrode in Kontakt befindet, erstrecken sich die Gasströmungskanäle von der Kante der Platte auf der Lufteinlaßseite zur entgegengesetzten Seite der Platte. Die Gasströmungskanäle auf der Fläche der Zellenplatte, die sich mit einer Brennstoffelektrode in Kontakt befindet, erstrecken sich von den Einlaßöffnungen zu den Auslaßöffnungen in der Zellenplatte.

Die Zellen verwenden vorzugsweise eine wasserstoffhaltige Beschickung als Brennstoff und Luft als Oxydationsmittel. Wasser ist das Produkt, das beseitigt werden muß. Der Stapel ist sowohl mit Brennstoff- als auch mit Lufteinlaß- und Auslaßorganen versehen. Die Einlaß- und Auslaßorgane sind vorzugsweise zur Brennstoff- und Luftströmung in senkrechter Richtung zuein-r ander angeordnet.

Wie ersichtlich, wird das Brennstoffzellensystem hier durch Zellen gebildet beschrieben, die eine wasser stoff haltige Beschickung als Brennstoff und Luft als säuerstoffhaltige Beschickung verwenden. In Übereinstimmung mit bekannten Brennstoffzellensystemen kann der Brennstoff auch ein Kohlenwasserstoff wie Propan oder ein Leichtöl sein. Ammoniak kann ebenfalls als Brennstoff verwendet werden. Die Beschickung zur Oxydationsmittelelektrode kann irgendein inertes Gas, beispielsweise Stickstoff oder Argon, sein, welches das erforderliche Oxydationsmittel mi,t sich führt.

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Die mehrfache Funktion, die von der Luftströmung ausgeführt beschrieben ist, wird dann durch die Beschickung zur Oxydationsmittelelektrode durchgeführt.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird die Luftströmung für die Zufuhr des Oxydationsmittels, zur Regelung der Temperatur der Brennstoffzelle und zur Beseitigung der Abfallprodukte aus der Zelle verwendet.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird die " Geschwindigkeit der Luftströmung zur Brennstoffzelle entsprechend der Temperatur in dieser geregelt.

Gemäß ebenfalls einem weiteren Merkmal der Erfindung wir\i die Einlaßluft so geleitet, daß eine parallele Gegenstrom-Luftströmungsanordnung in der Zelle erhalten wird. Um dies zu erreichen, wird die Luft so geleitet, daß sie in abwechselnde Zellen oder Zellengruppen im Brennstoffzellenstapel von gegenüberliegenden Seiten eintritt.

Gemäß wieder einem weiteren Merkmal der Erfindung richten die benachbarten Lufteinlässe zur Zelle und Luftauslässe aus der Zelle die ankommende und abgehende Luft auf der gleichen Seite der Zelle in senkrechter Richtung zueinander.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird der Brennstoffzellenstapel in elektrischer Kombination mit einemGenerator verwendet, der wasserstoffhaltiges Gas aus einem Wasserstoff in einem chemisch gebundenen Zustand enthaltenden Brennstoff freimacht. Beispielsweise, kann Ammoniak oder ein Kohlenwasserstoff als Wasserstoff quelle verwendet werden,.· Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der Wasserstoff durch katalytische

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Dissoziation von wasserfreiem Ammoniak erzeugt und ein Teil der durch die Brennstoffzelle erzeugten elektrischen. Energie kann dem Generator als Energie zum Dissoziieren des Brennstoffs zugeführt werden. Die Verwendung elektrischer Energie zur Regelung der Reaktion im Wasserstofferzeuger trägt zur Zuverlässigkeit des Systems bei..

A. Immobilisierter stabiler flüssiger Elektrolyt

Ein wesentliches Merkmal der erfindungsgemässen Brennstoffzellenstapel ist die Verwendung eines immobilisierten stabilen flüssigen Elektrolyten. Wie erwähnt, ist es_#die Verwendung eines solchen Elektrolyten, welche den Bau einer Zelle ermöglicht, in der die Luftströmung allein dazu verwendet werden kann, die dreifache Funktion der Zufuhr des Oxydationsmittels und der Wärme- und Wasserableitung aus der Zelle auszuführen.

Das immobilisierte stabile Flüssigelektrolytsystem, das in einer erfindungsgemässen Zelle verwendet wird, unterscheidet sich durch chemische und physikalische Stabilität bei den Betriebsbedingungen der Zelle, d.h. in einer Brennstcffzelle mit massigen Temperaturbereich und in Gegenwart von Luft. Ferner unterscheidet es sich durch einen niedrigen Dampfdruck und durch eine geringe Volumenveränderung, wenn es den Betriebsbedingungenäer Zelle unterzogen wird. Obwohl die Zelle in dieser Beziehung nicht beschränkt ist, wurde festgestellt, daß konzentrierte Phosphorsäure, beispielsweise 90 bis 100 %ige Phosphorsäure als Elektrolyt für das erfindungsgemässe Brennstoffzellensystem besonders geeignet ist. Es wurde z.B. gefunden, daß die Eigenschaf-

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ten der konzentrierten Phosphorsäure hinsichtlich ihres Verhältnisses zur Luftströmung derart ist, daß die Strömungserfordernisse zur Wärmeableitung bei weitem diejenigen überschreiten, welche für die Oxydationsmittelzufuhr- und Wasserbilanz notwendig ist. Die Luftströmung kann daher so eingestellt werden, daß ausreichend Oxydationsmittel der Zelle zugeführt, ausreichend Produktwasser aus der Zelle abgeleitet und ausreichend Wärme weggeführt werden kann, um die Zelle k auf.optimalen Betriebsbedingungen zu halten, ohne die

physikalischen und chemischen Eigenschaften des Elektrolyten zu beeinträchtigen, so daß stabile elektrische Eigenschaften im System erhalten werden. Ein Beispiel eines Elektrolyten, der hinsichtlich Wärme- und Wasserbilanz in der Zelle besonders geeignet ist, ist die Elektrolytmembran nach dem USA-Patent 3

B. Die Zellenplatten

Die Luft- und BrennstoffbeSchickungen, die in den Brennstoffzellenstapel gelangen, werden über die Elektroden " durch GasStrömungskanäle an der Oberfläche der Zellenplatten verteilt. Wie erwähnt, trennen wärmeleitende Platten jede benachbarte Zelle im Zellenstapel und befinden sich diese in Kontakt mit den Elektroden. Die Platten sind aus wärmeleitenden Materialien hergestellt und weisen GasStrömungskanäle an den Kontaktflächen mit den Elektroden auf. Bei der Wahl eines geeigneten Materials zur Herstellung der Zellenplatten müssen die korrodierend wirkende Umgebung der Zelle, die elektrische und die Wärmeleitfähigkeit des Materials, die Kosten des Materials und die Herstellungskosten berücksichtigt werden. In den Fällen, in denen auch das Gewicht eine Rolle spielt, wird die Platte zweckmässig aus AIu-

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minium öder Magnesium mit einem Schutzüberzug beispielsweise aus Gold hergestellt. Weitere geeignete Materialien sind u.a. Titan, Niob, Tantal und Legierungen hiervon, Graphit, kohlenstoffhaltige Kunststoffmassen u, dgl.. Bisher war Graphit aus wärmetechnischen Gründen kein bevorzugtes Material. Es ist"ein besonderer Vorteil > der erfindungsgemässen Brennstoffzelle mit Gegenstrom-Luftströmung, daß Graphit wirksam als Material für die Zellenplatten verwendet werden kann. Graphit ist im Vergleich zu geeigneten Metallen wegen seiner geringeren Kosten und der leichten Herstellung einer geeigneten mit Kanälen versehenen Bauform sowie wegen der hohen Beständigkeit gegen die korrodierend wirkende Umgebung. der Zelle günstig. Die Zellenplatten können mit Kühlrippen versehen sein, jedoch sind, wenn die Luftverteilung so vorgesehen ist, daß eine Ge gen st rom-Lu ft-, ' strömung in der Zelle erhalten wird, Kühlrippen nicht erforderlich.

Die Zellen und Zellenplatten können so angeordnet werden, d£ Strom aus dem Stapel bei parallel oder.in Reihe .geschalteten Zellen oder durch die Verwendung einer Kombination von parallel- und in Reihe geschalteten Zellen entnommen werden kann. Der Fachmann kann beurteilen, ob unipolare oder bipolare Platten 5^e nach der gewünschten besonderen elektrischen Anordnung .verwendet werden sollen. Bei einer Ausführungsform, beispielsweise zur Parallelschaltung, sind benachbarte Zellen durch die Verwendung von Zellenplatten vom unipolaren Typ getrennt sowie durch Zellenplatten, welche sich an beiden Flächen mit Anoden in Kontakt befinden und mit Zellenplatten abwechseln, die sich an beiden Flächen mit Kathoden in Kontakt befinden. Bei einer. Aus führungs form zur Reihenschaltung sind be-

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nachbarte Zellen durch bipolare Platten getrennt, die auf der einen Fläche mit einer Anode und auf der anderen Fläche mit einer Kathode Kontakt haben.

Zur Vereinfachung wird die nachfolgende Beschreibung hauptsächlich auf Brennstoffzellenstapel gerichtet, die elektrisch in Reihe geschaltet sind und bei denen bipolare Platten verwendet sind. Für den Fachmann ist jedoch erkennbar, daß die bei dieser Ausführungsform t offenbarten Prinzipien auch auf verschiedene Kombinationen von Zellen mit unipolaren Platten angewendet werden können, die Reihenschaltung, Parallelschaltung oder eine Kombination hiervon haben.

C» Die Gegenstrom-Luftströmung

Unter Gegenotrom-Luftströmung ist zu verstehen, daß die Luft zu ,den einzelnen Zellen bzw. Unterabschnitten im Stapel geleitet wird, um einen Gegenstrom-Luftspülverlauf im Zellenstapel zu erhalten. Der Gegenstromverlauf kann für abwechselnde Zellen bzw. Gruppen von ψ Zellen vorgesehen werden. Die Luft tritt in die Zelle, vorzugsweise mit Umgebungstemperatur, ein, bestreicht bzw. bespült die Elektrode, liefert Sauerstoff und nimmt Feuchtigkeit und Wärme auf und verläßt die Zelle auf deren entgegengesetzten Seite. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zur Herabsetzung des Wärmeaustausches zwischen der Einlaß- und der Auslaßluft auf der gleichen Seite der Zelle auf ein Mindestmaß die Leitungsfrequenz für den Lüfteintritt für Gruppen von Zellenlaminaten statt für abwechselnde Zellen vorgesehen und sind der Lufteintritt und der Luftaustritt auf jeder Seite des Stapels senkrecht zueinander gerichtet.

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Der Hauptvorteil des erfinöungsgemässen Luftströmungsverlaufs beruht in der wirksamen Beseitigung der Abwärme aus der Zelle mit einem geringen Temperaturgefälle. Die Bedeutung einer solch wirksamen Wärmeableitung kann nicht überbetont-werden» Wie vorangehend erwähnt, wird durch die Temperaturgleichmässigkeit die Zellenlebensdauer wesentlich verbessert. In der Tat ist dies wesentlich für die Gestaltung einer Brennstoffzelle, diehinsichtlich Grosse, Gewicht und Kosten ausführbar ist, da die Temperaturgleichmässigkeit auch unerläßlich für einen Betrieb mit hoher Stromdichte ist.

Bei der erfindungsgemässen Gegenstrom-Luftströmung wird sowohl die vertikale als auch die horizontale Wärmeleitfähigkeit im Zellenstapel ausgenutzt. Daher besteht zusätzlich zu dem horizontalen Wärmefluß durch die Zellenplatten vom Auslaß zum Einlaß für jeden Luftstrom über den aktiven Bereich der Zellen ein zweiter viel kürzerer Weg vertikal durch die Zellen, der in der Nähe des Bereiches am meisten ausgeprägt ist, an welchem die Zellen beginnen, so daß die Temperaturen der eintretenden und austretenden Luftströme sich vertikal durch die Zellen angleichen und dadurch eine relativ gleichmässige Wärmeverteilung über den Bereich der Zellen herbeiführen, Dies hat zum Ergebnis, daß die gewünschte gleichmässige Stromdichte und der gewünschte gleichmässige Brennstoffverbrauch über den Gesamtbereich jeder Zelle im Stapel erzielt wird. Es wurde festgestellt, daß infolge des.verbesserten stärkeren Wärmeflusses keine Kühlrippen erforderlich sind und verhältnismässig dicke Zellenplatten von massiger Wärmeleitfähigkeit, z.B. aus Graphit, verwendet werden können.

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Zum besseren Verständnis der erfindungsgemässen Gegenstrom-Luftströmung wird auf die beiliegenden Zeichnungen und die nachfolgend gegebenen Beispiele verwiesen.

In Fig. 1 ist eine Zelle 1 dargestellt, die aus einer Brennstoffelektrode 2, einer Sauerstoffelektrode 3 und aus einem Elektrolytteil 4 besteht, welcher durch einen immobilisierten Elektrolyten gebildet wird, beispielsweise 85 - 100 %ige Phosphorsäure, die von einer mikroporösen Matrix, z.B. Polytetrafluoräthylen, gehalten wird, wie in dem USA-Patent 3.453.149 beschrieben. Brauchbare Elektroden für diesen Zellenaufbau werden aus durch ein Metall der Platingruppe katalysiertes poröses Polytetrafluoräthylen hergestellt, das an den Oberflächen und über die ganzen Poren mit einem Goldüberzug metallisiert ist. Elektroden dieser Art sind in der USA-Patentanmeldung Ser. No. 685 220 vom 27. September 1987 und in einem Artikel von Dr. O.J. Adlhart in Engelhard Industrie Technical Bulletin Vol. VIII (1967) auf Seite 57 beschrieben. Zellen, bei denen eine Membran und Elektroden, wie vorangehend beschrieben, verwendet werden, arbeiten bei einer Temperatur von etwa 100 bis 200⁰C und vorzugsweise " bei etwa 125°C. Fig. 1 zeigt die Zellenelemente 2, 3 und 4, welche die Zelle 1 bilden und nachfolgend auch als Zellenlaminat bezeichnet werden, zwischen bipolaren Platten 5 und 6. Die bipolaren Platten sind undurchlässige, elektrisch und wärmeleitende Platten, z.B. aus Graphit oder aus goldbeschichtetem Aluminium, welche benachbarte Zellen trennen, wie Fig. 2 zeigt, wobei sich jede Platte zwischen einer Brennstoffelektrode der einen Zelle, z.B. C^, und einer Oxydationsmittelelektrode der benachbarten Zelle, z.B. C₂, befindet. In der weggeschnittenen Darstellung der Fig. 1 sind nur die Flächen 7 und 8 der Platten, welche Kontakt mit den Brennstoffelektroden ha-

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ben, gezeigt. Nuten 9 dienen als GasStrömungskanäle für den wasserstoffhaltχgen Brennstoff, z.B. H₂ der in die Zelle an einer ovalen öffnung 10 eintritt. Nuten 11, die zu den Nuten 9 senkrecht sind, bilden eine kreuz und quer verlaufende Anordnung, die zur Verteilung des Brennstoffes über die Elektroden beiträgt. Ein Auslaß 12 ist für nicht benutztes Beschickungsgas vorgesehen.

Fig. 3 zeigt eine gekreuzte Anordnung der bipolaren Platte 6 auf ihrer Fläche 13, die mit einer Sauerstoffelektrode Kontakt hat. Wie in Fig. 3 gezeigt, erstrecken sich die Nuten 16 von der Aussenkante 14 zur entgegengesetzten Seite 15 der bipolaren Platte 6. Die zu den Nuten 16 senkrechten Nuten 18 ergeben eine gekreuzte Anordnung für die Oxydationsmittelverteilung an der Oxydationsmittelelektrode.

Obwohl die Gasströntun^kanäle bei den Ausfuhrungsformen nach Fig. 1, 2,3 und U als Nuten dargestellt sind, können die Kanäle natürlich auch andere Formen haben, z.B. kann die Platte hohlgeprägt sein oder es können Siebe oder Streckmetallgebxlde auf die bipolare Platte aufgebracht werden. Bei den Brennstoffzellen, bei denen elektrisch leitende Metallsiebe auf der Oberfiche der Zellenplatten verwendet werden, ist es nicht erforderlich, daß die Zellenplatten elektrisch leitend sind. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind jedoch die Kanäle für die Verteilung der Beschickung Nuten in den Zellenplatten, sind die Zellenplatten elektrisch leitend und dienen die Zellenplatten als Stromsammler sowie zur Verteilung der Beschickung über die Elektroden und zur Wärmeableitung aus der Zelle. Der in Fig. 1 beispielsweise dargestellte gekreuzte Verlauf ist nur eine Anordnung einer Vielzahl von Gestaltungen, die für die Oberflächen der Platte ge-

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eignet sind. Der Zweck des gekreuzten Verlaufes ist die Verteilung der Reaktionsteilnehmerbeschickungen über die Elektroden. Ein wichtiges Merkmal der gekreuzten Nuten besteht darin, daß die Gasströmungskanäle miteinander fir eine gute Gasverteilung über den aktiven Bereich der Zelle in Verbindung stehen. Wie vorangehend erwähnt, kann bei dem erfindungsgemässen Brennstoffzellensystem Graphit als Konstruktionsmaterial verviendet werden. Der Graphit kann mit der gewünschten Gestalt preßgeformt werden.

Fig. 2 zeigt die Anordnung der Zellenteile und der bipolaren Platten in einem Stapel. Wie ersichtlich., sind die Nuten der bipolaren Platte auf derjenigen Seite, di^e der Oxydationsmittelelektrode zugekehrt ist, tiefer als die Nuten auf der der Brennstoffelektrode zugekehrten Seite. Beispielsweise haben bei einer beschichteten Aluir.iniumplatte mit einer Dicke von etwa 3 mm (etwa 1/8 ") die Nuten auf der Oxydationsmittelelektroden· fläche eine Breite von 0,75 mm (0,03 ") und eine Tiefe von 1,25 mm (0,05 ") bei Mittenabständen von 1,25 mm (0,05 "). Auf der Brennstoffelektrodenflache haben die k Nuten eine Breite von 0,75 mm (0,03 ") und eine Tiefe von 0,75 mm (0,03 ") bei Mittenabständen von 1,25 mm (0,05 "), Der Zweck der tieferen Nuten auf der der Oxydationsmittelelektrode zugekehrten Fläche der Platte ist, den Druckabfall auf der Sauerstoffseite auf ein Mindestmaß herabzusetzen, ohne daß dies auf Kosten der effektiven Wärmeleitfähigkeit der Platte geht. Diese Gestaltung der Luftströmung ist insofern besonders vorteilhaft, als sie den Rückdruck selbst bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten herabsetzt, welcher Rückdruck etwa 2,5 mm bis 50 mm (0,1 " bis 2,0 ") Wassersäule je nach der Stromdichte und der Zellengrösse beträgt,

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Ein erfindungsgemäßer Brennstoffzellenstapel wird durch eine Anzahl Einzelzellen von der in Fig. 1 und 2 dargestellten Art gebildet, welche aussen mit Endplatten (nicht gezeigt) verschraubt und durch Führungen ausgefluchtet sind, die beispielsweise in Bohrungen 19 der Platten 5 und 6 vorgesehen sind. Dünne schmale Zwischenbleche 17, 17a und 17b sind zwischen den Elektroden und den Platten vorgesehen, um zu verhindern, daß das Zellenlaminat in die Nuten eindringt. Eine Dichtung 32, welche das Zellenlaminat umgibt, dient als Abdichtung zwischen benachbarten Platten 5 und 6 und dem Umfang des Zellenlaminats. Fig. 1 und 3 zeigen ovale Öffnungen 10 und 12 in den bipolaren Platten 5 und 6. In dem Stapel dienen diese ovalen öffnungen als Brennstoffsammelleitungen. Es ist natürlich möglich, mehrere kleinere Öffnungen für den Brennstoffeinlaß und -Auslaß statt der in den Zeichnungen gezeigten ovalen öffnungen vorzusehen. Beim Stapeln der bipolaren Platten bilden diese Öffnungen Kammern auf jeder Seite des Stapels. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Brennstoffströmung zum Stapel in der Weise zu leiten, daß Zellengruppen in Reihe angeordnet sind. Dies ermöglicht eine maximale Ausnutzung des Wasserstoffs in verdünnten Wasserstoffströmen.

Erfindungsgemässe Luft- und Brennstoffstromungsanordnungen sind schematisch in Fig. 4, 5, 6a, 6b, 7a und 7b dargestellt. Der in Fig. 4 gezeigte Zellenstapel 20 besitzt eine Abdeckplatte 21 und eine bipolare Platte 2 2 sowie ein Zellenlaminat bestehend aus einer Anode 25, einer Kathode 26 und einem Elektrolytteil 27. Die Abdeckplatte

21 weist Luftströmungskanäle 23 auf. Die bipolare Platte

22 ist mit Luftströmungskanälen 23 und mit Brennstoffströmungskanälen 24 versehen. Wie vorangehend erwähnt, wird der Eiektrolytteil 27 durch ein stabiles Flüssigelektrolytsystem, z.B. aus immobilisierter Phosphorsäure,

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gebildet. Die Wirkungsweise des Zellenelements gemäß dieser Ausführungsform ist wie folgt: Umgebungsluft tritt in jedes Zellenelement durch Nuten 23 ein, strömt durch die Zelle unter Sauerstoffabgabe und nimmt Wärme und Feuchtigkeit auf und verläßt die Zelle auf der entgegengesetzten Seite. Aus Fig. H ergibt sich ferner, daß die Brennstoffströmung senkrecht zur Luftströmung ist. Obwohl dies kein wesentliches Merkmal der Zelle ist, handelt es sich um eine zweckmässige Gestaltung zum einfachen Leiten der Beschickungen zur Zelle. Die Luft

t tritt in das Zellenlaminat an der Kante der bipolaren Platten und in einer Richtung ein, welche mit dem Verlauf der Nuten 23 übereinstimmt, und verläßt die Zelle auf der entgegengesetzten Seite mit einer erhöhten Temperatur. Wie ersichtlich, ist bei dieser Ausführungsform die Gegenstrom-Luftströmung für benachbarte Zellen vorgesehen. Der Brennstoff, z.B. H„, tritt in die Zelle durch Nuten 24 ein. Wie vorangehend erwähnt, muß für einen stetigen Betrieb der gestapelten Zellen unabhängig von der Umgebungstemperatur, der Luftfeuchtigkeit und der Belastungsbedingungen lediglich sichergestellt werden, daß die Temperatur konstant bleibt. Dies kann leicht

^ dadurch geschehen, daß die Kaltluftströmung zum Stapel verändert wird. Vor kurzem wurden bürstenlose Gleichstrommotoren mit langer Lebensdauer, die sich ziemlich leicht durch ein Thermopaar regeln lassen, entwickelt, beispielsweise von der SIEMENS 1 AD Serie, die von der Firma Siemens America Incorporated, New York, N.Y,, bezogen werden kann, welche Motoren zur Regelung der Luftströmung zu den Zellen ideal geeignet sind. Dichtungen 31 (Fig. U) verhindern ein Lecken der Reaktionsteilnehmer. Die Dichtung kann die Form eines Materials, z.B. aus Polytetrafluoräthylen, haben, das das ZeIlenlaminat, welches aas der Matrix und den beiden Elektroden besteht, völlig umgibt und umhüllt. Dünne Zwischen- bzw.

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Abstandsscheiben, (nicht gezeigt) an sich bekannter Art können dazu verwendet werden, die Dichtungen und das Zellenlaminat daran zu hindern, die Nuten der bipolaren Platte zu blockieren.

Wie vorangehend erwähnt, ist es die Gegenstromleitung der Luftströmung in der Zelle, welche eine wirksame Wärmeableitung ermöglicht. In Fig. 5 zeigt eine schematische Skizze einen erfindungsgemässen Luftströmungsverlauf in einem neunzelligen Stapel mit drei je aus drei Zellen bestehenden Gruppen, Die Zellengruppen sind in Fig. 5 mit A, B und C bezeichnet. In den Gruppen A und C ist die Luftströmung über die Zellenlaminate in der gleichen Richtung, während die Luftströmung in der Gruppe B zu der der beiden anderen Zellengruppen im wesentlichen parallel,jedoch im Gegenstrom ist. Der vertikale Wärmefluß ist durch die Pfeile Q angegeben. Die Luft sterne am Einlaß und Auslaß auf der gleichen Seite der Zelle sind zueinander senkrecht gerichtet.

In Fig. 6a und b sowie 7a und b sind zwei Verfahren zum Leiten der Luftströmung schematisch dargestellt. In beiden Figurensätzen sind die Luftströmungen von je zwei Zellen kombiniert. Sie sind von der Luftströmung der benachbarten Zweizellengruppen durch lange Abstandsstücke zwischen jedem zweiten Satz von bipolaren Platten getrennt. Die abwechselnden bipolaren Platten sind durch kurze Abstandsstücke getrennt. Die langen Ab standsstücke dienen zur Bildung -von Sammelkammern abwechselnd für die ankommende und die abgehende Luft. Auf diese Weise wird ein direkter Wärmeübergang zwischen der ankommenden und der abgehenden Luft auf einem Mindestmaß gehalten (die Brennstoffverteilung ist in diesen Zeichnungen nicht gezeigt).

Fig. 6a zeigt eine Seitenansicht eines Brennstoffzellen-

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stapeis 70 mit Lufteinlaßöffnungen 71 und Einlaßöffnungen 72 in einer Einlaßplatte 7 3 für die Luftverteilung zu den Zellen. Die zu den Zellen von der entgegengesetzten Seite (nicht gezeigt) des Stapels zugelassene Kaltluft wird als Warmluft durch Luftauslaßöffnungen 74 in Auslaßplatten 73a abgeleitet. Fig. 6b zeigt in schematischer Darstellung eine Ansicht im Schnitt nach der Linie 6-6 in Fig. 6a, welche einen Aufriß, teilweise weggeschnitten, des Brennstoffzellenstapels 70 zeigt. Der Zellenstapel 70 ist aus Zellenlaminaten 7 5 zusammengesetzt, die durch bipolare Platten 76 mit Nuten 77

" (mit gestrichelten Linien dargestellt) und 78 für die Luft- bzw. Brennstoffströmung in den und aus dem aktiven Bereich der einzelnen Zellen getrennt sind. Die Glieder der Stapel werden zwischen genuteten Endplatten 79 mittels nicht gezeigter Schrauben zusammengehalten. Luft, vorzugsweise von Umgebungstemperatur, tritt von Einlassen auf entgegengesetzten Seiten der Zelle ein. Bei der in Fig. 6b gegebenen Ansicht gelangt Luft in den Zellenstapel 70 durch eine Kammer 80 und durch öffnungen 7 2 in der Einlaßplatte 73. Durch lange Abstandsstücke 83 werden abwechselnde Luftsammeikammern 81 und 82 für den Lufteinlaß bzw, Luftauslaß auf der gleichen Seite des

| Stapels gebildet.

Dichtungen 85 sowie kurze Abstandsstücke 8 4 und lange Abstandsstücke 8 3 dienen zur Abdichtung der Brennstoffströmungswege gegen Lufteintritt. Die Abstandsstücke sind aus Polypropylen hergestellt und die Gasverteilerplatten aus einem undurchlässigen feuerfesten Isoliermaterial, beispielsweise aus einem Material, das mit NEMA Qualität G-7 bezeichnet wird, das ein verstärktes Silikon- und Glasmaterial ist, welches von der Firma National Electrical Manufacturing Association lieferbar ist, um den Wärmeübergang zwischen der ankommenden

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und der abgehenden Luft auf einem Mindestmaß zu halten.

Fig. 7a und 7b zeigen eine weitere Ausfuhrungsform· eines Brennstoffzellenstapels mit einer Gegenstrom-Luftströmung, die von einem nicht gezeigten Gebläse ausgeht.

Fig. 7a ist eine schematische Zeichnung, teilweise weggeschnitten, welche eine Seitenansicht mit. einem Gebläsekanal zeigt. Luft tritt auf zwei Seiten (in Fig. 7a ist nur eine Seite gezeigt) des Zellenstapels 90 durch einen Gebläsekanal 91 ein. Die Luft tritt durch Öffnungen 92 in einer Einlaßplatte 9 3 hindurch und in Lufteinlaßsammelkammern 94 ein, welche durch lange Abstandsstücke 95 gebildet werden. Die Luft tritt in die Zellen durch Nuten 96 in bipolaren Platten 9 8 ein. Luft, die in den Zellenstapel von der entgegengesetzten Seite (nicht gezeigt) eingetreten ist, tritt als Warmluft aus Öffnungen 99 in einer Auslaßplatte 100 aus.

Fig. 7b zeigt in schematischer Darstellung, teilweise weggeschnitten, eine Endansicht bei abgenommenen Gebläsekanal. Wie ersichtlich, tritt die Luft an den beiden Seiten des Zellenstapels 90 durch Öffnungen 92 in die Lufteinlaß-Sammelkammern 94 ein und verläßt die beiden Seiten aus Luftauslaßsammelleitungen 10 3 durch Öffnungen 99 in Auslaßplatten 100. Lange Abstandsstücke 9 5 auf jeder Seite trennen Lufteinlaßsammelleitungen 94 und Luftauslaßsammelleitungen 103, die abwechselnd angeordnet sind, so daß eine GegenStromströmung zwischen je zwei benachbarten Luftströmen erzielt wird. Die ais der Zelle austretende Luft ist natürlich teilweise von Sauerstoff befreit und hat Feuchtigkeit sowie Wärme aus der Reaktion in den Zellen aufgenommen. Die Dichtungen 102 sowie die kurzen Abstandsstücke 101 und die langen Abstandsstücke 9

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dienen zur Abdichtung der BrennstoffStrömungswege gegen Lufteintritt.

, Beispiel 1

Zur Prüfung des Wärmeableitungswirkungsgrades der erfindungsgemässen Gegenstrom-Luftströmung wurde ein achtzeiliger Stapel gebaut, der der Anordnung nach Fig. 6a und 6b ähnlich war. Die Zellenlaminate aus Luft- und Brennstoffelektroden und einem Elektrolyt- h teil in Form einer Phosphorsäurematrix waren von der in dem vorerwähnten Aufsatz von Dr, Adlhart beschriebenen Arvt. Die Elektroden waren aus porösem PoIytetrafluoräthylen hergestellt, das mit Gold metallisiert und durch haftendes Aufbringen einer dünnen Schicht Platinmohr als Katalysator auf die eine Fläche der metallisierten Folie aktiviert war. Im Stapel war die katalysierte Fläche der Elektrode benachbart dem Elektrolytteil angeordnet. Die Gesamtdicke des Zellenlaminats betrug etwa 1 mm.

Zwischen jedem benachbarten Zellenlaminat befand sich k eine bipolare Platte aus Graphit mit einer Dicke von

H,75 mm (3/16 "), die aus Purebone L56 Kohlenstoff hergestellt (von der Firma Pure Carbon Co., St. Mary's PA/ USA lieferbar) und mit "Teflon" imprägniert war. Durch die Imprägnierung wurde die Porosität der Platten herabgesetzt und dadurch die Diffusion von Wasserstoff in die Kathodenkammer auf ein Mindestmaß herabgesetzt. Jede Kohleplatte hatte Brennstoffsammelleitungsöffnungen in Abständen an den Seiten der Platte für den Brennstoffeintritt senkrecht zum Lufteintritt; die bipolaren Platten waren mit Nuten, durch Preßformen in der Platte erhalten, für die Brennstoff- und Luftströmung über die Elektroden

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ausgebildet.

Dichtungsmaterial aus einem mit Peroxyd gehärtetem Hochtemperatur-Äthylen-Polyäthylen-Polymeren umhüllte das Zellenlaminat und diente- als Dichtung zwischen den benachbarten bipolaren Platten, Abstandsstücke aus Polypropylen mit den Maßen 27,94 cm χ 0,76 mm (11 " mal 0,030 "), die in Verbindung mit Fig. 6b als lange und kurze Abstandsstücke bezeichnet wurden, dienten ferner als Dichtungsmittel gegen das Eintreten von Luft zu den Brennstoffelektroden. Dünne schmale Zwischenbleche mit einer Dicke von 0,127 mm (0,00 5 ") aus goldplattiertem Messing waren zwischen den Elektroden und den bipolaren Platten vorgesehen, um zu verhindern, daß das Zellenlaminat in die Nuten eindringt. Der Stapel wurde zwischen einer Platte aus Aluminium mit einer Dicke von 25,4 mm (1 ") und einer Aufspannplatte eingespannt, wobei die Einspannkraft durch 3/8 zöllige Bolzen erzeugt wurde.

Der Brennstoff, nämlich reines H„, wurde der Brennstoffs amme lleitung mit Geschwindigkeiten von etwa 6 und 9 Gramm je Stunde zugeführt.

Wie vorangehend erwähnt, wurde die Luftströmung übereinstimmend mit dem in Fig. 6a und 6b schematisch dar-. gestellten Verlauf geleitet.

Der Stapel wurde mitfeiner Stromdichte von 20 Ampere, äquivalent etwa 100 Ampere je 929 cm² (etwa 100 ASF). Nach einem Betrieb von etwa 300 Stunden wurde die Zelle thermisch und hinsichtlich des Druckabfalls bei verschiedenen Betrxebsstromdichten analysiert, nämlich mit 20 A (etwa 100 ASF), 30 A (etwa 150 ASF) und 42 A (etwa 210 ASF).

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Der Druckabfall wurde am Einlaß zum Lufthohlrauin der bipolaren Platten und am Auslaßschlitz aus der Luftsammelleitung gemessen. Die Werte sind in der nachfolgenden Tabelle I angegeben.

	1,	Tabelle I	Druckabfall	an	")
Stapelstrom	Druckabfall	der Platte
	am Auslaß
*	schlitz	0 8,89 mm (0,	35
20 A	27 mm (0,05 ") H₂	0 22,86 mm (0,	90
42 A	78 mm (0,07 ") H₀

Dieser Druckabfall ist mit den beabsichtigten Zielen vereinbar und demonstriert, daß die Luftströmung und der Motor, die vorangehend in Verbindung mit Fig. 4 beschrieben wurden, bei diesem System verwendet werden können.

Zur Bestimmung des Wirkungsgrades der Wärmeableitung, der Temperatur der Luft an der Einlaß- und an der Auslaßsammelleitung und des Temperaturgefälles über die Platte in der dritten Zelle wurden bei mit verschiedenen Strombelastungen betriebener Zelle bestimmt. Die thermischen Werte sind in der Tabelle II zusammengefaßt.

Bei 20A betrug das Temperaturgefälle über den tatsächlichen Betriebsbereich weniger als 5 ⁰C. Bei 30 A war das Gefälle etwa 7°C.

Tabelle II

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Tabelle II Thermoanalyse des Kohlestapeis

Packungsgrösse: 95,25 mm χ 203,20 mm (3-3/4 χ 8

•Plattendicke: 4,76 mm ( 3/16 ") '. w

Sammelfrequenz: 2 Platten * ^

Zahl der Zellen: 8 ο

Stapel- erforderliche

Amps Volt Luftströmung max.Temp. C Einlaßsammei- Auslaßsammel-κ> leitung ⁰C , leitung ⁰C

ο
co
co
ο
co

20	5,	9	H5,	3	l/min.	.(	!■.	CFM)	128	in cm	(Zoll)	über	63-70	Zelle	7,62 3	98-105	10,16 4	12,7 5	⁰C
30	5,	5	119			(	4.	")	12 8			0	-	5,08 2	126	-	" " 124 .	121	⁰C
42	5,	1	206,	8	ti	(	7.	")	136			121	60-65	126	128	93-115	——	121
					,6	Temperaturverteilung		121	die dritte	126	ι»
Abstand von	der	,2	Plattenkante		2,54 1
		»3			123
			124
2'OA
30A

CD CO CO

Beispiel 2

Ein Brennstoffzellenstapel, der für den Betrieb mit

2
20 A bei 100 mA/cm oder etwa 95 ASF bestimmt war, wurde aus 17 Zellenlaminaten je mit einer aktiven Fläche von

2
200 cm hergestellt. Die Zellenlaminate waren von der in Beispiel 1 beschriebenen Art.

Zwischen jedem benachbarten Zellenlaminat befand sich eine bipolare Platte aus einer 3,18 mm (1/8 ") dicken goldbeschichteten 6061 Aluminiumlegierung und haausge-" arbeiteten Nuten mit einer Breite von 0,762 mm (0,030 ") bei Mittenabständen von 1,27 mm (0,050 ") in der Richtung der Reaktionsteilnehmerströmung und Mittenabständen von 3,302 mm (0,130 ") senkrecht zur Richtung der Reaktionsteilnehmerströmung. Die Nuten hatten eine Tiefe von 1,27 mm (0,050 ") an der Luftströmungsfläche der Platte und eine Tiefe von 0,762 mm (0,030 ") an der Brennstoffströmungsflache. Die Maße der Platte betrugen etwa 29 2 mm χ 184 mm (etwa 11 1/2 " χ 7 l/U ") bei einer Länge von 9 5 mm (3 3/4 ") an der aktiven Fläche der Zelle vom Einlaß zum Auslaß für die Luft und einer Länge von 203 mm (8 ") an der aktiven Fläche der Zelle vom Einlaß zum Auslaß für den Brennstoff, wobei eine Wärmeaustauschrippe mit einer Breite von 203 mm (8 ") um 50 mm (2 ") über die Vorderkante des Zellenlaminats hinausragte. Jede Platte hatte BrennstoffSammelleitungsöffnungen mit einem engsten Abstand von 260 mm (10 1/4 ") auf entgegengesetzten Seiten der Platte für den Brennstoffeintritt senkrecht zum Lufteintritt zur Platte. Wie erwähnt, ist es zweckmässig und zu bevorzugen, daß die Luftströmung und die Brennstoffströmung zueinander senkrecht gerichtet sind und es ist ersichtlich, daß bei dieser Zelle der Brennstoffströmungsweg, der durch die bipolare Platte zwischen den Einlaß- und Auslaßöffnungen bestimmt wird, länger als der Luftströ-

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mungsweg, der auf der entgegengesetzten Fläche der Platte zwischen dem Lufteinlaß- und -Auslaß in der aktiven Fläche der Zelle begrenzt ist. Die Zellenlaminate und die Platten waren in ähnlicher Weise zusammengebaut wie zu Beispiel 1 beschrieben. Luft von der Umgebungstemperatur wurde auf der einen Seite der Zelle nur den Rippen der bipolaren Platten zugeführt. Die Luft trat aus der Zelle auf der entgegengesetzten Seite der Platten aus. Auf diese Weise wurde ein herkömmlicher Gleichstrom-Luftströmungsverlauf im Stapel erhalten. Der"Wirkungsgrad der Wärmeableitung wurde in ähnlicher Weise bestimmt, wie in Verbindung mit dem Beispiel 1 beschrieben.

Bei der Abgabe von 20 Ampere bei 12 Volt wurde als maximale Betriebstemperatur 133°C mit einer Temperaturdifferenz von 11°C bei einer Luftströmung von 42,5 l/min (1,5 CFM) gemessen. Bei der Erhöhung der Leistungsentnahme auf 30 Ampere mußte die Luftströmung auf 85 l/min (3 CFM) erhöht werden. In diesem Falle stieg die Betriebstemperatur auf etwa 15 6°C an und die Temperaturdifferenz betrug 29°C. Bei einem Betrieb mit diesem Leistungspegel und dem daraus resultierenden Temperaturgefälle kann der Zellenstapel nur eine begrenzte Lebenserwartung haben.

Beispiel 3

Es wurde ein Brennstoffzellenstapel mit bipolaren Platten aus dem gleichen Material und von der gleichen Ausbildung wie in Beispiel 2 beschrieben, verwendet. Statt alle Luft über die Rippen der bipolaren Platten nur von der einen Seite eintreten und auf der entgegengesetzten Seite austreten zu lassen, wurde die Richtung der Luftströmung für jede aufeinanderfolgende Gruppe von drei Laminatzellen umgekehrt. Die Luft wurde durch jede Gruppe von Zellen in der erfindungsgemässen Weise abwechselnd in Gegenstromrich-

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tung geleitet.

Zur Umkehrung der Luftströmung nach jeweils drei Zellen wurden die bipolaren Platten so angeordnet, daß die Rippen der ersten drei Platten in der einen Richtung gerichtet waren, während die Rippen der nächsten drei Platten in der entgegengesetzten Richtung gerichtet waren. Die Rippen der folgenden drei Platten waren wieder in der gleichen Richtung wie die ersten drei Rippen angeordnet.

. Es wurde beim Betrieb der Brennstoffzelle mit Gegenstrom- * Luftströmen festgestellt, daß eine sehr gleichmässige Temperaturverteilung· über die Bereiche der einzelnen Zellen erzielt werden konnte. Temperaturverteilungsmessungen bei einem neunzeiligen Brennstoffzellenstapel zur Erzeugung von 30 Ampere bei 6,07 Volt und einer Gesamtgegenstrom-Luftströmung von 70,8 l/min (2,5 CFM) gemäß der Erfindung und bei einem Betrieb bei einer Temperatur von etwa 131 bis 132°C maximal ergaben, daß die Temperaturdifferenz zwischen 4 - 5°C in den beiden mittlersten Zellen gehalten wurde.

Bei einem Unterdruckbetrieb.mit' der gleichen Brennstoffzelle wurde statt die Luft am Lufteinlaß einzuleiten, eine Saugpumpe an die Einlaßsammelleitung angeschlossen, so daß die Luftströmung durch die Zellen vollständig umgekehrt war und alle Einlasse Auslässe wurden und umgekehrt. Dies hatte zur Folge, daß alle Rippen der bipolaren Platten auf der nunmehrigen Auslaßseite der bipolaren Platten zu liegen kamen, so daß sie als.Zellenkühlorgane völlig unwirksam wurden, da sie während des Betriebs die gleiche Temperatur wie die austretende Luft hatten.

Es wurde festgestellt, daß selbst wenn die Kühlrippen bei der umgekehrten Strömung der Luft während des Saugbetriebs unwirksam waren, die Temperaturdifferenz über

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die geprüften Zellen nur vier bis sechs Grad Celsius maximal ergab. Durch Erhöhen der mit 31°C ankommenden Luftströmung auf 138,8 l/min (4,9 CFM) betrug die maximale Betriebstemperatur weniger als 139 C bei der Abgabe von 30 Ampere bei 6 Volt. *.· ' \ - .

Beispiel h

Es wurde ein sechzehnzelliger Brennstoffzellenstapel mit rippenlosen Bipolarplatten gebaut» Ferner wurden im wesentlichen die gleichen Materialien wie für die Herstellung der Brennstoffzelle nach Beispiel 2 verwendet, jedoch mit grösseren Maßen, so daß die aktive Fläche

je Zelle 21,6 χ 21,6 cm (8,5 " χ 8,5 ··) oder etwa 466 cm²

* 2

gegenüber 200 cm der Zelle nach Beispiel 2 betrug, und der Wärmeübergangsweg für die Luftströmung wurde von 9,5 cm (3,75 ") auf 21,6 cm (8,5 ") vergrössert. Die Zelle wurde mit reinem H₂ betrieben, der mit einem Durchsatz von 39 g stündlich zugeführt wurde. Die Luftzufuhr wurde mit Gegenstromluftzufuhr zu je 2 Zellen geleitet. Es wurden Temperaturmessungen vorgenommen, um den Wirkungsgrad der Wärmeableitung im Stapel zu be-' stimmen. Die Ergebnisse der Messungen sind in Fig. 8 und gezeigt.

Fig. 8 ist eine graphische Darstellung des Temperaturprofils über die vierte Zelle in dem Stapel vom Lufteinlaß zum Luftauslaß. Das Zellenpaket bezieht sich auf die aktive Fläche der Zelle. Die graphische Darstellung zeigt, daß die gemessene maximale Betriebstemperatur etwa 142°C betrug. Die maximale Temperaturdifferenz zwischen dem Lufteinlaß und der Mitte der Zelle betrug

8°C.

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Fig. 9 vergleicht die Temperatur von 2 benachbarten Gegenstrom-Luftströmen über die vierte und fünfte Zelle. Die Messungen wurden über die Mitte der Zelle in der Ebene der Luftströmung und 10 cm (4 ") von der Mitte vorgenommen. Beide Sätze'von Messungen sind in Fig. 9 gezeigt.

Die Ergebnisse zeigen, daß die Gegenstrom-Luftströmung, welche einen vertikalen Wärmeübergang über die Zellen ermöglicht, das Bestreben hat, die Temperaturverteilung ™ während des Betriebs der Zelle anzugleichen.

Wegen des Vergleichs der Leistung der Brennstoffzelle nach diesem Beispiel mit der nach Beispiel 2 wurde die Zelle dieses Beispiels bei 65 A und etwa 130 ASF betrieben, während die Brennstoffzelle nach Beispiel 2 für den Betrieb bei 20 A mit 100 mA/cm² oder etwa 95 ASF bestimmt war. Bei Gleichstrom-Luftströmung konnte die Zelle nach Beispiel 2 nicht mit einer ausreichend guten Wärmeableitung bei einem Leistungspegel von 30 A betrieben werden, während die Zelle nach diesem Beispiel bei 65 A mit gleichmässiger Temperaturverteilung und guter ) Wärmeableitung arbeitete. Dieser Vergleich zeigt, daß in der Zelle nach diesem Beispiel die gleichmässige Temperaturverteilung über die Fläche der einzelnen Zellen weniger von der Länge der Wärmeübergangswege in der Richtung der Luftströmung abhängig ist.

Bei der erfindungsge'mässen Zelle werden unter den meisten Umständen die praktischen Grenzen für die Zellenabmessungen durch die Druckabfallrücksichten für den Oxydationsmittelstrom statt durch die thermischen Erfordernisse bestimmt, die bisher so kritisch waren.

2 0 9 8 0 9 /-1 IdB 0

Claims

Patentanspr ü c h e

a) eine Vielzahl von Einzelzellenlaminaten, die im wesentlichen parallel zueinander gestapelt sind, wobei jede Zelle eine katalytische Brennstoffe lektrode, der Brennstoff zugeführt wird, eine katalytische Sauerstoffelektrode, der ein Sauerstoffhaltiges Gas zugeführt wird, und einen Elektrolytteil zwischen den Elektroden aufweist, der durch eine immobiliserte stabile flüssige Säure gebildet wird, in welcher Zelle ein aktiver Bereich begrenzt wird;

b) wärmeleitende undurchlässige Zellenplatten, welche benachbarte Zellen im Stapel trennen und von denen jede Flächen auf ihren entgegengesetzten Seiten aufweist, die sich mit den Elektroden der Zellen im Stapel in Kontakt befinden, wobei die Sauerstoff elektroden Kontakt mit den Sauerstoffkontaktflächen der Platten haben und die Brennstoffelektroden Kontakt mit den Brennstoffkontaktflächen der Platten haben;

c) eine Einrichtung für die Zufuhr von Sauerstoff zu den Elektroden an den Sauerstoffkontaktflächen der Zellenplatten mit einer Vielzahl von Gasströmungskanälen an den SauerstoffeLektroden-Kontaktflächen, die sich von der einen Kante der erwähnten Fläche der Zellenplatte zur Kante auf der entgegengesetzten Seite der Fläche erstrecken;

d) eine Einrichtung für die Zufuhr von Brennstoff zu

2 0 9 8 0 9/1 f 5;⁵

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den Elektroden an der Brennstoffkontaktfläche der Zellenplatten mit Brennstoffeinlaßsammel-IeitungsÖffnungen und Brennstoffauslaßsammelleitungsöffnungen, die sich in der Zellenplatte in Abstand"voneinander befinden, und einer Vielzahl von GasStrömungskanälen an der Brennstoffelektrodenkontaktfläche, welche Kanäle sich von den Einlaß- zu den Auslaßsammelleitungsöffnungen erstrecken;

e) Oxydationsmitteleinlässe zur Verteilung des sauer· stoffhaltigen Gases auf die Kanäle an der Fläche jeder der Zellenplatten, die Kontakt mit einer

_# Sauerstoffelektrode hat, und Brennstoffeinlässe zur Brennstoffverteilung auf die Brennstoffeinlaßöffnung in jeder der Zellenplatten, die Kontakt mit einer Brennstoffelektrode hat; und

f) eine Einrichtung zur Regelung der Strömung des Sauerstoffhaltigen Gases zu den Oxydationsmitteleinlässen.

Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitenden Platten elektrisch leitende bipolare Platten sind, deren eine Fläche Kontakt mit einer Sauerstoffelektrode hat, während ihre entgegengesetzte Fläche Kontakt mit einer Brennstoffelektrode hat.

3. Brennstoffzellensysbem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitenden Platten elektrisch

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3S

leitende unipolare Platten sind, von denen jede mit ihren entgegengesetzten Flächen Kontakt mit Elektroden von der gleichen Polarität hat, wobei mindestens eine der Platten Kontakt mit Brennstoffelektroden auf ihren entgegengesetzten Flächen hat und mindestens eine weitere der Platten Kontakt mit Sauerstoffelektroden auf ihren entgegengesetzten Flächen hat.

. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, daß der Elektrolytteil konzentrierte

* Phosphorsäure ist, die in einer mikroporösen Matrix immobilisiert ist.

5, Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsregeleinrichtung für das säuerstoffhaltige Gas eine temperaturbetätigte Vorrichtung ist.

6, Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxydationsmitteleinlässe bzw, daß der Sammelleitungseinlaß für das Oxydationsmittel wechselweise mit entgegengesetzten Seiten benachbarter Zeilenlaminate in Verbindung steht, um dadurch einen Gegenstrom-Oxydationsmittelströmungsverlauf im Stapel zu erhalten.

7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die benachbarten Zellenlaminate

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sich in Zellengruppierungen befinden, die zumindest zwei Zellen enthalten.

8. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die benachbarten Oxydationsmitteleinlässe zur Zelle und die Oxydationsmittelauslasse aus der Zelle das ankommende und abgehende Oxydations· mittel in senkrechter Richtung zueinander leiten.

9. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die undurchlässigen wärmeleitenden Zellenplatten aus Graphit hergestellt sind.

10. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das sauerstoffhaltige Gas Luft ist

11. Brennstoffzellensystem nach Anspruch I^ dadurch ge-P kennzeichnet, daß der Brennstoff ein wasserstoff-

haltiges Gas ist.

12. Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit einer Vielzahl von Brennstoffzellenlaminaten in einem Stapel, dadurch gekennzeichnet, daß Umgebungsluft im Überschuß zu der Menge zugeführt wird, die als Oxydationsmittel zu den Zellenlaminaten erforderlich ist, und die Luftströmung so geregelt wird, daß ein^ konstante Temperatur in der Zelle aufrechterhalten wird, wobei die Luftströmung einer

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dreifachen Funktion dient, nämlich der Lieferung von Sauerstoff, der Ableitung von Wasser und der Wärmeableitung aus dem Brennstoffzellensystem.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftströmungsregelung auf eine tempe raturbetätigte Einrichtung in der Zelle anspricht,

IH. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft der Lufteinlaßsammelleitung zugeführt wird, welche die Luftströmung mit einem parallelen Gegenstrom-Strömungsverlauf im Stapel leitet.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstrom-Strömungsverlauf für benachbarte Zellenlaminate im Stapel vorgesehen ist.

16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstrom-Strömungsverlauf für benachbarte Gruppen von Zellenlaminaten im Stapel vorgesehen ist.

17. Verfahren zur Wärmeableitung aus einem luftatmenden Brennstoffzellensystem aus einer Reihe von Brennstoffzellenlaminaten in einem Stapel, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftzufuhr zu entgegengesetzten Seiten der Zellen im Stapel geleitet wird, derart, daß die Luftströmung einen Gegenstrom-Strömungsverlauf im Stapel hat.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstrom-Luftströmungsverlauf für benachbarte Zellenlaminate im Stapel vorgesehen ist.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstrom-Luftströmungsverlauf für benachbarte Gruppen von Zellenlaminaten im Stapel vorgesehen ist.

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