DE2502738A1

DE2502738A1 - Brennstoffelement fuer einen brennstoff und atmosphaerische luft

Info

Publication number: DE2502738A1
Application number: DE19752502738
Authority: DE
Inventors: Bernard Warszawski
Original assignee: Cegelec SA
Current assignee: Cegelec SA
Priority date: 1974-01-25
Filing date: 1975-01-23
Publication date: 1975-07-31
Also published as: GB1489818A; JPS607349B2; JPS50104333A; NL165609C; SE419490B; DE2502738C3; ZA75525B; SE7900583L; NL7500893A; LU71632A1; CH607347A5; SU659110A4; BR7500505A; IT1031082B; DE2502738B2; SE7500785L; NL165609B; BE824178A; CA1038926A; SU686642A3

Description

PBO

F 8651 D

OfpL-fng. Jürgen WEINMILLER

PATENTASSESSOR

SOSPl GmbH

8OOO München 8O Zeppelinsir. 63

2 3. Jan. 1875

SOCIETE GENERALE DE CONSTRUCTIONS ELECTRIQUES ET MECANIQUES ALSTHOM & Cie

38, avenue Kleber, 75784 PARIS CEDEX 16 Frankreich

BRENNSTOFFELEMENT FÜR EINEN BRENNSTOFF UND ATMOSPHÄRISCHE LUFT

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffelement, in dem ein gasförmiger oder in den gasförmigen Zustand versetzter Brennstoff und ein ebensolcher Sauerstoffträger reagieren, sowie ein aus dem Element und den zugehörigen Hilfseinrichtungen bestehendes Aggregat, das einen autonomen Stromerzeuger bildet.

Es sind Brennstoffelemente bekannt, vor allem Brennstoffelemente der sog. Filterpressbauweise, die. aus mehreren

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mit einem beliebigen geeigneten Mittel miteinander verkeilten Einzelzellen bestehen, von denen jede einzelne eine Anode und eine von dieser durch einen Separator isolierte Kathode aufweist, wobei Stromkollektoren für den stetigen elektrischen Stromfluß zwischen benachbarten Einzelzellen sorgen. Anode und Kathode werden dabei von flüssigen Reaktionsstoffen umströmt, die den Elektrolyten und den Brennstoff bzw. den Elektrolyten und den Sauerstoffträger enthalten.

Solche Brennstoffelemente werden beispielsweise in den französischen Patentschriften Nr. 1 522 304, 1 522 305, 1 522 306 und 1 584 577 beschrieben.

Diese Konstruktionen wurden für verdünnte Reaktionsstoffe und Elektrolyten geplant, die im allgemeinen bei mäßigen Temperaturen reaktionsfähig sind und unter diesen Bedingungen Stromstärken (bei noch annehmbarer Polarisierung) von mindestens einigen zehn M/cm2 abgeben können. Solche Konstruktionen erwiesen sich vor allem bei Reaktionsstoffen wie Hydrazin, Wasserstoffsuperoxyd, atmosphärischer Luft usw. als vollkommen geeignet und führten zum Bau von elektrischen Hochleistungsgeneratoren, die insbesondere aufgrund ihrer Leistungsdichte von etwa einem Kilowatt pro Kubikdezimeter bemerkenswert sind.

Im Experiment aber zeigte es sich, daß solche Konstruktionen schlecht für die Verwendung konzentrierter Reaktionsstoffe und für Elektrolyten geeignet sind, die bei hohen Arbeitstemperaturen reagieren, und daß sie zahlreiche Nachteile aufweisen, wenn hohe Konzentrationen und hohe Temperaturen zur

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Erzielung annehmbarer Stromdichten notwendig sind, wie es z.B. bei einem Brennstoff wie Methanol erforderlich ist, der als Brennstoff im Zusammenspiel mit einem Sauerstoffträger wie Luft besonders interessant ist.

Ein erster Nachteil besteht in den beträchtlichen MethanolVerlusten durch Verdampfen in der das Brennstoffelement durchquerenden Luft, woraus sich ©ine ziemliche Beeinträchtigung der Leistung ergibt.

Ein zweiter Nachteil ist der Energieverlust durch Nebenschlüsse durch den allen Zellen ein und derselben Batterie gemeinsamen Elektrolyten, was wiederum zu einer Leistungsbeeinträchtigung führt.

Ein weiterer Nachteil besteht in den großen LuftdruckVerlusten, die zur Verwendung eines Kompressors zwingen, dessen Leistungsaufnahme, Raumaufwand, Kosten und Lärm den Wirkungsgrad, die Leistungsdichte, den Herstellungspreis und die Verwendungsmöglichkeiten des Brennstoffelements beeinträchtigen.

Ein anderer Nachteil ergibt sich aus der Tatsache, daß beim Einsatz von Methanol und ganz allgemein von jedem kohlenstoffhaltigen Brennstoff, der die Anwendung des in der französischen Patentschrift Nr. 1 522 309 beschriebenen Kohlensäureentzugszyklus zur Entfernung des entstehenden Kohlendioxyds erforderlich macht, die hohen hier vorgesehenen Konzentrationen die Wirksamkeit dieses ja in erster Linie für schwache Konzentrationen vorgesehenen Zyklus beeinträchtigen und eine Verringerung der Leistung sowie zu große Abmessungen des Stromerzeugers nach sich ziehen.

Ein weiterer Nachteil ergibt sich aus der Tatsache, daß die Lebensdauer des Brennstoffelements spürbar durch die sich

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aus einer zu starken gegenseitigen Beeinflussung der Bauteile, des Elektrolyten und der Reaktionsstoffe ergebenden Abnutzungsprozesse herabgesetzt wird.

Ein anderes Kennzeichen der bekannten Brennstoffelementbauweise besteht darin, daß sie zur Bildung eines autonomen vollständigen Generators einer großen Anzahl von Hilfseinrichtungen (wie beispielsweise Kühler, Kühlventilator, Kompressor für die chemisch wirksame Luft , Rekuperator für verdampftes Methanol,, Vorkondensator für Wasserdampf, Elektrolytpumpen, Einspritzpumpen, Konzentrationsmesser, Regelungselektronik usw.) bedarf., die viel Platz beanspruchen, kompliziert und teuer sind und spürbar Leistungsdichte, Zuverlässigkeit, Wartungskosten und Preis des Ganzen nachteilig beeinflussen.

Die Erfindung, mit der die oben genannten Nachteile gemildert oder beseitigt werden können, hat als erstes Ziel einen neuen Brennstoffelementenaufbau, bei dem gasförmige oder in den gasförmigen Zustand versetzte Reaktionsstoffe verwendet werden, wobei der Brennstoff kohlenstoffhaltig oder kohlenstofffrei sein kann.

Dabei sollen folgende Vorteile erzielt werden : - die Einzelzellen können in ein und derselben Batterie in großer Anzahl durch einfaches Aufeinanderstapeln gemäß der Filterpressenbauweise von einer Grundfolge von mehreren kleinen Grundbauteilen zusammengesetzt werden, wobei der Stapel automatisch die Reihenschaltung der Zellen bewirkt und wobei die Bauteile geeignete öffnungen und Erhebungen umfassen, deren

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Zusammenwirken innerhalb des Stapels die Zuführungs- und Ableitungskanäle für den Brennstoff und den Sauerstoffträger sowie für die Zuführung und Ableitung des Elektrolyten bestimmen; die Gesamtstärke einer Zelle in der Batterie bewegt sich in der Größenordnung eines Millimeters.

- Während des Betriebs ist der in jeder Einzelzelle vorhandene Elektrolyt vom in jeder anderen Einzelzelle vorhandenen. Elektrolyten isoliert, sodaß Nebenschlüsse über einen gemeinsamen Elektrolyten vermieden werden und daher ohne weiteres konzentrierte Elektrolyten verwendbar sind und hohe Arbeitstemperaturen ermöglicht werden.

- Anode und Kathode sind durch einen konvektionsfreien Elektrolytraum getrennt, dessen Stärke (etwa 5/10 ram) ausreicht, um zu erreichen, daß die Hindurchdiffundierung eines Brennstoffs wie Methanol durch diesen Elektrolytraum zwischen Anode und Kathode eine Störverdampfung von weniger als 10% des verbrauchten Methanols in die die Kathodenkammer durchströmende Luft mit sich bringt.

- Jede Einzelzelle enthält einen Austauschkondensator, der baulich in die Zelle integriert ist und mit dem elektrochemischen Teil der Zelle zusammenwirkt, diese durch Verdampfen von Elektrolytwasser in die die "Brennstoffzelle durchfließende Luft kühlt und das so entstehende Wasser nach der Kondensierung durch natürliche Vorgänge ohne Pumpmittel wieder zurückführt.

- Die von der chemisch aktiven Luft und der Kühlluft durchlaufenen Wege weisen eine minimale Länge und einen maximalen

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Querschnitt auf, sind frei von Verengungen oder Abknickungen und ermöglichen einen Gesamtdruckverlust von lediglich einigen Millimetern Wassersäule, sodaß die Strömung der chemisch aktiven Luft und der Kühlluft mit Hilfe eines preisgünstigen Niederdruckventilators erzielt wird und somit von der Verwendung eines Kompressors abgesehen werden kann.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist ein neues Kohlendioxydentzugsverfahren aus einem basischen Elektrolyten; dieses Verfahren kann bei der neuen erfindungsgemäßen Brennstoffelementenkonstruktion eingesetzt werden, falls ein kohlenstoffhaltiger Brennstoff verwendet wird; das Verfahren ist durch die Zuordnung eines Karbonationenfixierers wie beispielsweise eines Harzes zur Anode in Verbindung mit der Verwendung von Mitteln gekennzeichnet, mit denen dem Elektrolyten zwei unterschiedliche Zustände verliehen werden können.

Ferner ist es Ziel der Erfindung, ein vollständiges Brennstoff eleraentensystem zu liefern, das eine sehr geringe Anzahl von Hilfseinrichtungen benötxgt und so ein Höchstmaß an Leistungsdichte und Zuverlässigkeit bei einem sehr geringen Herstellungspreis bietet.

Die Erfindung betrifft also ein Brennstoffelement für einen Brennstoff und atmosphärische Luft, das aus mehreren miteinander in elektrischem Kontakt stehenden Einzelzellen aufgebaut ist, von denen jede umfaßt :

- eine Kathode und eine Anode, die jeweils einen spezifischen Katalysator enthalten,

- einen Elektrolyten, der den Zwischenraum zwischen den genannten

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Elektroden ausfüllt und aus einer wässrigen/ vorzugsweise alkalischen Lösung besteht, in die die Elektroden getaucht sind,

- eine trennende Rückha It emenibr an für den Elektrolyten, die zwischen den Elektroden im Elektrolyten angeordnet ist,

- zwei bipolare mit Prägedruck versehene Stromkollektoren, von denen der erste, kathodische, mit den Erhöhungen seiner kathodischen Seite auf die Außenfläche der Kathode und mit seiner anodischen Seite auf die Außenfläche der Anode einer daneben liegenden Zelle drückt, und von denen ein zweiter, anodischer Kollektor mit den Erhöhungen seiner anodischen Seite auf die Außenseite der genannten Anode und mit seiner kathodischen Seite auf die Kathode der anderen danebenliegenden Zelle drückt, wobei ein gasförmiger Sauerstoffträger zwischen der Kathode und dem kathodischen Kollektor und ein gasförmiger Brennstoff zwischen der Anode und dem anodischen Kollektor strömen, wobei diese beiden gasförmigen Medien parallel zueinander und in derselben Richtung, vorzugsweise senkrecht von unten nach oben strömen, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle darüber hinaus umfaßt :

- Mittel, mit denen das in Form von Dampf durch den Sauerstoffträger mitgerissene Wasser kondensiert wird,

- Mittel, mit denen das kondensierte Wasser dem Elektrolyten wieder zugeführt wird,

- Mittel, mit denen an Ort und Stelle die während des Reaktionsprozesses mit dem Elektrolyten entstandenen Karbonate allmählich

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entfernt werden,

- sowie Mittel, mit denen die Karbonate in Form von Kohlendioxyd abgeschieden werden.

Vorzugsweise besteht der Elektrolyt aus einer wässrigen Lösung, die eine basische, neutrale oder saure Lösung sein kann; in diesen Elektrolyten werden die Elektroden getaucht; enthalten ist der Elektrolyt in einem Kunststoffrahmen, der Vertiefungen für die Elektroden und einen massiven Teil aufweist, der sich bis zum inneren Umfang der Kollektoren verlängert.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Membran, die mit Hilfe der Kapillarkräfte den Elektrolyten zurückhält, mit einem Prägedruck versehen, so daß sie mit ihren Erhöhungen die beiden Elektroden berührt.

Es ist günstig, wenn die Kollektoren aus einer Metalloder mit Kohlenstoff versetzten Kunststoffolie gebildet werden, die leitend ist und einige zehn Mikron Dicke aufweist; sie trägt ein sich wiederholendes Prägemuster, vorzugsweise zickzackförmig verlaufende Rillen, die im Mittel senkrecht verlaufen; die Stärke der Folie erreicht auf diese Weise über alles 500 Mikron.

Das Zickzackförmige Prägemuster kann vorzugsweise asymmetrisch sein, wobei die kathodenseitigen Rillen einen größeren Durchmesser aufweisen als die anodenseitigen, so daß die Luftdruckverluste verringert werden.

Vortexlhafterweise verlängern sich die Kollektoren senkrecht über den elektrochemischen Bereich der Zelle um noch einmal dieselbe Länge hinaus und werden in diesem zweiten Bereich durch eine Leitung getrennt, deren Wandungen von einigen zehn

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Mücron vorzugsweise aus Kunststoff sind; diese horizontal verlaufende Leitung ist an ihren Enden geöffnet und kann mit einer ihrer Wandungen bis zum oberen Umfangsbereich der Kollektoren verlängert werden, so daß sie in diesem Bereich diese Kollektoren trennt.

Die Kollektoren werden auf ihrem Umfang mit Hilfe eines isolierenden Kunststoffmaterials mit einem Anguß versehen, wobei der untere äußere Umfang Öffnungen aufweist, die so zusammenwirken, daß sie kammartig verzahnte Zuführungskanäle (bzw. Ableitungskanäle) für den Sauerstoffträger bzw. den Brennstoff bilden, wobei die jeweils gleichartigen Kanalisierungen an einer Seite des Bauteils mit der entsprechenden Gaskammer über Mikrokanäle oder einen Stachelbereich in Verbindung stehen; dabei sind die Kanalisierungen für die Atmosphärenluft vorzugsweise weiter als die für den Brennstoff und vorzugsweise geöffnet, so daß die Luft durch eine Ein- bzw. Auslassöffnung großen Durchmessers und ohne Richtungswechsel ein- bzw. austreten kann, wobei die Kollektoren darüber hinaus weitere Öffnungen und Erhebungen aufweisen, die Kanalisierungen und Mikrokanäle für die Zufuhr und den Abfluß des Elektrolyten in die Elektrolytkammern sowie für deren Entleeren bilden? schließlich weisen sie evtl. noch. Öffnungen auf, durch die Ankerschrauben geführt werden können, mit denen die Batterie zwischen Spannplatten eingespannt werden kann.

Die Gesamtdicke der Bauteile einer Zelle ist konstant mit Ausnahme des Bereichs der Elektroden, wo die Dicke etwas

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größer als am mit Anguß versehenen Umfang ist, so daß nach dem Einspannen der Elemente ein Spanndruck erzielt werden kann, durch den ein guter elektrischer Kontakt zwischen jeder Elektrode und dem entsprechenden Stromkollektor erreicht wird.

Ferner ist die Membrane, deren Stärke von einigen zehn bis einigen hundert Mikron reicht, im Bereich der Elektroden mit einem Prägedruck versehen, vorzugsweise mit demselben Motiv und derselben mittleren senkrechten Ausrichtung wie die Kollektoren; die Membrane verlängert sich mit einem flachen Teil, der mit ihr ein Ganzes bildet oder auf ihr aufgebracht ist, in den oberen Bereich, wo sie zwischen die Kunststoffleitung und den kathodischen Kollektor gesteckt wird.

Weiter wird vorteilhafterweise der Anode ein Karbonationenfixierer, insbesondere ein Austauschharz, zugeordnet oder zugemischt.

Außerdem werden dem Brennstoffelement evtl. Mittel zum periodischen gleichzeitigen Zuführen und Ableiten des Elektrolyten ein und derselben Gruppe von Batteriekammern zugeordnet.

Schließlich kann die Batterie evtl. in elektrisch parallel geschalteten Mehrfachzellen unterteilt und über ihren gesamten Umfang hinweg mit einem Harz beschichtet sein, wobei jedoch die Ein- und Auslaßöffnungen für die chemisch wirksame Luft und Kühlluft frei bleiben.

Im nachfolgenden wird ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffelements beschrieben, bei dem Methanol und Luft verwendet werden, während es sich bei dem

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Elektrolyten um eine Kalilösung handelt? selbstverständlich können andere kohlenstoffhaltige oder kohlenstoffreie Brennstoffe, Sauerstoffträger und neutrale oder saure Elektrolyten verwendet werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu sprengen.

Die Beschreibung erfolgt an Hand der beiliegenden Zeichnungen. Dabei zeigen s

Fig. 1 : eine Vorderansicht einer Zelle des erfindungsgemäßen Brennstoffelementenaufbaus.

Fig. 2 : einen Teilschnitt durch die Zelle* Fig. 3 : in Vergrößerung einen Teil A der Fig. 2.

Fig. 4 : einen Schnitt durch die Zelle nach Entfernen des Elektrolyten.

Fig. 5 : eine Vergrößerung eines Teils B der Fig. 4.

Fig. 6 : eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Elektrolyaustauschsystems.

Fig. 7 : eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Elektrolytaustauschsystems.

Fig. 8 und Fig. 9 r schematische Darstellungen einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Elektrolytaustauschsystems.

Fig. 10 : einen mit Prägedruck und Anguß versehenen Kollektor, wie er in dem erfindungsgemäßen Brennstoffelementenaufbau verwendet wird.

Fig. 11 : einen Schnitt durch den mit Prägedruck und Anguß versehenen Kollektor.

Fig. 12 : den Befestigungsrahmen für die Elektroden so, wie er in der Zelle des erfindungsgemäßen Brennstoffele-

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mentenaufbaus verwendet wird.

Fig. 13 : den Rahmen nach Fig. 12 im Schnitt.

Fig. 14 : eine Vergrößerung des Bereichs C der Fig.

Fig. 15 : eine Voderansicht eines Austauschkondensators, der in der Zelle des erfindungsgemäßen Brennstoffelementenaufbaus verwendet wird.

Fig. 16 : eine Seitenansicht des Austauschkondensators gemäß Fig. 15.

Fig. 17 : die relative Lage der verschiedenen Bestandteile einer Zelle des erfindungsgemäßen Brennstoffelementenaufbau s.

Fig. 18 ; eine erste relative Zuordnung der Bauteile der Zellen der erfindungsgemäßen Brennstoffelementenauibaua.

Fig. 19 : eine zweite Zuordnung der Bauteile der Zellen des erfindungsgemäßen Brennstoffelementenaufbaus.

Fig. 20 : eine perspektivische Außengesamtansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffelements.

Fig. 21 : eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffelementenaggregats in Betrieb.

In den Figuren 1 und 2 wird eine als ganzes mit dem Bezugszeichen 1 versehene Zelle des erfindungsgemäßen Brennstoffelements dargestellt; dabei handelt es sich um ein Brennstoffelement der Filterpressenbauweise, die in Aufeinanderfolge mehrere mit der Zelle 1 identische Zellen aufweist, die, wie es weiter unten gezeigt wird, aneinander gepreßt werden.

Die Zelle 1 enthält eine Kathode 2 und eine Anode 3, die mit einem Boden 4 eine Elektrolytkammer 5 begrenzen, die

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den Elektrolyten 6 enthält.

Oberhalb der Elektrolytkammer 5 befindet sich ein Austauschkondensator 7, der zwei Wandungen 8 und 9 besitzt, zwischen denen Luft zirkuliert, die durch den Pfeil Fl angedeutet wird. Die Zelle 1 enthält darüber hinaus zwei metallische Stromkollektoren, d.h. einen kathodischen Kollektor 10 und einen anodischen Kollektor 11, durch die die elektrische Kontinuität mit den Nachbarzellen des Brennstoffelements erreicht wird.

Die Kollektoren sind mit einem Prägemuster versehen und weisen Rillen auf, deren allgemeine Richtung senkrecht verläuft. In Fig. 2 erkennt man, daß in der Elektrolytkammer. 5 zwischen den Elektroden.2 und 3 eine poröse und flüssigkeitsrückhaltende Membrane 12 angeordnet ist und daß sie sich in den oberen Bereich der Zelle 1 erstreckt, wo sie zwischen der Wandung des Austauschkondensators 8 und dem kathodischen Kollektor 10 liegt. Diese Membran 12 ist im Innern der Elektrolytkammer mit einem Prägedruck versehen und kommt mit diesem Profil abwechselnd mit der Oberfläche der Elektroden 2 und 3 in Berührung; diese Anordnung wird besonders deutlich in Fig. 3 gezeigt.

Das aus den beiden Elektroden 2 und 3, dem Kollektor 10 und dem Kollektor 11 bestehende Ganze wird in Rahmen 13, 14 , 15 gehalten oder mit Kunststoff vergossen; die relative Lage dieser Rahmen wird in dieser Figur nicht deutlich, jedoch später noch beschrieben.

Die Methanoldampf- bzw. Luftströmungen werden durch

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Pfeile F2 und F3, das Abscheiden des Kohlendioxyds und der verbrauchten sauerstoffärmeren Luft durch die Pfeile F4 und F5 dargestellt.

Die Methanolzufuhr und die Lufteinspeisung erfolgt über Kanäle 16 bzw. 17, während die Ableitung der sich bei der Reaktion ergebenden Gase durch Kanäle 18 und 19 erfolgt (Fig. 1).

Durch Kanäle 20 und 21 wird der Elektrolyt 6 in seine Elektrolytkammer 5 eingefüllt bzw. aus ihr entfernt, wie es an anderer Stelle näher erläutert wird*

Die Kathode 2 besteht aus einer Schicht eines Katalysators wie beispielsweise Kohlenstoff und einem Binder wie beispielsweise Polytetrafluoräthylen und Kohlenstoffasern 25. Solche Fasern, die in die zur Herstellung der Kathodenschicht dienende Paste gegeben werden, weisen eine geringe Länge auf und verteilen sich im Mittel in Längsrxchtung; sie sorgen einerseits für das Zusammenhalten der Kathode und andererseits für eine in Längsrxchtung hohe Leitfähigkeit unter gleichzeitigem Verbessern des Kontakts zwischen der Kathode 2 und dem Kollektor 10.

Die Anode 3 besteht aus zwei Schichten, einer ersten Schicht 3¹ , die aus Aktivkohle, die mit einem geeigneten Katalysator versetzt ist, beispielsweise mit Platinmetallen, und einem Binder sowie aus einem bestimmten Anteil eines wasserabstoßenden Harzes wie beispielsweise Polytetrafluoräthylen gebildet wird, sowie einer zweiten Schicht 3", die aus einem

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CO_ Ionenfixierer gebildet wird, bei dem es sich um ein starkbasisches Ionentauscherharz oder ein unlösliches Hydroxydpulver handeln kann, das ein unlösliches Karbonat bildet, wie es beispielsweise Kalziumhydroxyd tut.

Vorteilhafterweise sind Kohlenstoffasern 25 gleich denen der Kathode auch in der anodischen Schicht dispergiert; im Fall der Anode kann jedoch der Fixierer, das Harz bzw. das Hydroxyd innig mit dem Katalysator vermischt werden, wobei die Anode dann in Form einer einzigen Schicht vorliegt.

Der Elektrolyt 6, der die Elektrolytkammer 5 ausfüllt, -

1
besteht aus einer bis 2 N-Kalilösung, die darüber hinaus ein neutrales Salz wie beispielsweise Kaliumchlorid, Kaliumsulfat usw. mit einer Konzentration von bis zu mehreren Mol pro Liter enthält, das die Leitfähigkeit erhöhen, die Anzahl der bei der Kohlendioxyd-Entfernungsphase transportierten OH-Ionen verringern und die Neutralisationsanionen des Harzes oder des Hydroxyds beim Entfernen der gebundenen COL liefern soll. Ferner enthält der Elektrolyt einen pH-Puffer, dessen nichtkritische Konzentration gering ist (etwa einige Zehntel Mol pro Liter) und dessen pH-Wert vorzugsweise in der Nähe des pH-Werts liegt, bei dem CO₂ abgeschieden wird; bei diesem Puffer kann es sich beispielsweise um die Systeme Borat - Borsäure, Hydrogenorthophosphat — Dihydrogenorthophosphat, Essigsäure - Azetat usw. handeln.

In den Figuren 1 bis 3 wurde die Elektrolytkammer 5 mit Elektrolyt 6 angefüllt dargestellt.

Die Figuren 4 und 5 stellen die Elektrolytkammer 5 nach dem Entfernen des Elektrolyten dar; ein solcher Vorgang stellt

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eine Phase des Arbeitsprozesses dar, der an anderer Stelle erläutert wird.

In Fig. 5 ist insbesondere zu sehen, daß nach einem solchen Entleeren die poröse Membran 12 Elektrolyt zurückbehält und daß sich darüber hinaus an den Kontaktpunkten zwischen dieser Membran und den Elektroden Elektrolytmenisken wie beispielsweise 26 ausbilden; daraus ergibt sich eine ununterbrochene Elektrolytbrücke zwischen den Elektroden 2 und 3.

In Fig. 6 ist zu sehen, daß Elektrolyt 6 der Elektrolytkammer 5 der Zelle 1 in einen Behälter 27 überführt werden kann, der in einem Anguß 28 im äußeren Rahmen der Zelle angeordnet sein kann; eine solche Überführung geschieht durch einen siphonartigen Kanal 20 und unter der Wirkung eines mit Hilfe einer Pumpe an einer Kanalisierung 29 geschaffenen Unterdrucks.

Umgekehrt kann der Elektrolyt 6 von neuem in die Elektrolytkammer 5 durch einen über eine Kanalisierung 21 erzeugten Unterdruck zurückgeleitet werden (siehe auch Fig. 1).

Fig. 7 zeigt eine zweite Form, in der eine solche Elektrolytaustauschoperation vorgenommen werden kann; in diesem Fall kann der Elektrolyt 6 aus der Elektrolytkammer 5 der Zelle 1 eines ersten Brennstoffelements mit Hilfe eines dem zuvor beschriebenen analogen Verfahrens in die Elektrolytkammer 5, einer Zelle 1.. eines zweiten, im Parallelbetrieb mit dem ersten Element liegenden Brennstoffelements und umgekehrt gefüllt werden, wobei die dazu notwendigen Unterdrücke durch Kanalisierungen 21 bzw. 21, erzeugt werden.

Bei einer dritten Art und Weise, die in den Figuren 8

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und 9 dargestellt ist, ist jede Zelle des Brennstoffelements einer benachbarten Zelle desselben Brennstoffelements zugeordnet. So steht die Elektrolytkammer 5 der Zelle 1 mit der Elektrolytzelle 5¹ der Zelle I¹, die Kammer 5" der Zelle 1" mit der Kammer 5¹'' der. Zelle I¹'' über siphonartige Kanäle 20 bzw. 2O'₍in Verbindung, wobei die Kammer 5i der Zelle limit der Kammer 5i + 1 der Zelle für Ii + 1 über den Kanal 2Oi verbunden ist, usw. Die Kammern 5, 5¹, 5" ... 5i + 1 sind mit Kanälen 21, 21', 21", ... 21i + 1 versehen, die durch Leitungen 30 und 31 gespeist werden,, die abwechselnd mit der Unterdruckpumpe in Verbindung gesetzt werden können, so daß der Elektrolyt 6 von einer Kammer zur folgenden und umgekehrt geleitet werden kann.

Die Figuren 10 und 11 stellen die Struktur der mit Prägedruck versehenen Kollektoren 10 und 11 (siehe auch Fig. 1) dar, wie sie in der Zelle 1 des Brennstoffelements eingesetzt werden, beispielsweise den Aufbau des Kathodenkollektors 10, wobei der Aufbau des anodischen Kollektors 11 praktisch identisch ist.

Der Kollektor 10 ist in dem Anguß bzw. Rahmen 14 aus Kunststoff befestigt, der die Kanäle 20 und 21 für den Elektrolytaustausch (Fig. 1) sowie einen Kanal 32 aufweist, dessen Rolle an anderer Stelle näher erläutert wird. Der untere Teil des Angusses weist die Einlaß-Öffnungen 16 bzw. 17 für Methanol bzw. Luft auf, wobei die Kanäle 17 in ihrem unteren Bereich erweitert sind, um eine Einlaßöffnung mit großem^uerschnitt

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zu bilden, während der obere Teil mit Auslaßkanälen 18 und 19 für die bei der Reaktion entstehenden Gase versehen ist. Es ist festzustellen, daß die Verteilung und der Auslaß dieser gasförmigen Medien mit Hilfe von Stacheln 31, 33 erfolgt, mit denen eine gute Verteilung der Medien auf der Elektrodenoberfläche erreicht werden soll und gleichzeitig die Druckverluste möglichst klein gehalten werden sollen.

Die Einlaßkanäle 17 und die Auslaßkanäle 19 sind für die Luft offen, damit die Druckverluste der Luft möglichst gering sind, indem sie nicht durch enge und lange, darüber hinaus Winkel aufweisende Leitungen geführt wird; ebenso sind in derselben Absicht die Luftkanäle weiter als die.Kanäle für Methanol.

Außerdem weisen der Prägedruck bzw. die Rillen im Kollektor 10 eine, wie in der Figur 10 dargestellt, unsymmetrische Form, auf, wodurch die Druckverluste der dem Brennstoffelement zugeführten Luft möglichst klein gehalten werden sollen, während die Rillen des Kollektors 11 viel kleiner sind, damit das Methanol bei seiner Berührung mit der Anode möglichst weitgehend ausgenutzt wird.

Die Figuren 12 und 13 stellen den Rahmen 13 zur Befestigung der Elektroden 2 und 3 dar. Der Rahmen 13 weist eine Aussparung auf und begrenzt die Elektrolytkammer 5 mit den Elektroden und seinem Boden 4. Er weist selbstverständlich die Kanäle 16 und 17 für die Zufuhr von Methanol und Luft auf, wobei die Kanäle 17 in ihrem unteren Bereich ausgeweitet sind und einen Einlaß mit großem Durchmesser bilden; ferner

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besitzt er die Kanäle 20 und 21 für den Elektrolytaustausch sowie den Kanal 32 (Fig. 10), durch den die Füllstandshöhe zwischen den Elektrolytkammern der einzelnen Zellen des Brennstoffelements ausgeglichen werden soll? ein solcher Kanal 32 ist daher mit jeder der Kammern 5 über einen Mikrokanal 24 verbunden, der aufgrund seines sehr geringen Durchmessers lediglich vernachlässigbare Nebenschlußverluste mit sich bringt.

Fig. 14 zeigt in Vergrößerung den oberen Teil 35 des Rahmens 13, in den zwei Aussparungen 36 und 37 eingearbeitet sind, wobei die Aussparung 36 den Rand der Anode 3 aufnimmt, während die Aussparung 37 mit größerer Oberfläche die Kathode 2 und den Beginn des flachen Teils der Trennmembran 12 aufnimmt, bevor diese zwischen die Wandung 9 des Austauschkondensators 7 (Fig. 1) gesteckt wird.

Die Figuren 15 und 16 stellen den Austauschkondensator 7 dar, der unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben wurde und aus zwei dünnen Wandungen 8 und 9 besteht, zwischen denen die Kühlluft zirkuliert; der obere Teil 38 ist mit Kanälen 18 und 19 für die Abscheidung des bei der Verbrennung des Methanols entstehenden Kohlendioxyds bzw. der sauerstoffarmen verbrauchten Luft versehen.

Fig. 17 zeigt die Zelle 1 aufgeschnitten und in Explosionsdarstellung, so daß die relative Lage der Bauteile dieser Zelle sichtbar wird. Von links nach rechts folgen der anodische Kollektor 11 und sein Anguß 15, die Anode 3, der Austauschkondensator 7, der Befestigungsrahmen 13 für die Elektroden, die

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Trennmembran 12, die Kathode 2 und schließlich der kathodische Kollektor 10 und sein Anguß 14.

In Fig. 18 wird eine erste Anordnungsweise der Einzelzellen des Brennstoffelements dargestellt. Drei Zellen,1, 1' und 1" sowie ihre Hauptbauteile, d.h. die Kathoden 2, 2¹, 2", die Anoden 3, 3', 3", die Trennmembran 12, 12·, 12", die anodischen Kollektoren 11 und 11* und die kathodischen Kollektoren 10 und 10' gezeigt, wobei jeder dieser Kollektoren natürlich zwei Zellen gemeinsam ist, und schließlich die Austauschkondensatoren 7, 7' , 7 " .

Eine solche Anordnung ist symmetrisch, d.h., daß jeder Zelle ein Austauschkondensator zugeordnet ist, wobei die Membranen 12, 12*, 12" gegen eine der Wandungen jedes dieser Kondensatoren gedrückt werden.

Fig. 19 stellt eine zweite Anordnungsform, in diesem Fall eine asymmetrische dar, mit vier Zellen 1, I¹, 1" und 1"' des Brennstoffelements mit seinen Hauptbauteilen, d.h. mit den Kathoden 2, 2 · , 2 " , 2'", den Anoden 3, 3 · , 3 " , 3' ' ' , den Trennmembranen 12, 12', 12", 12''·, den Kollektoren 11, II¹, 11", 10, 10' sowie den beiden Austauschkondensatoren 39 und 39·. Bei dieser Ausführungsform steht eine der Seiten jedes Austauschkondensators in direktem Kontakt mit der Trennmembran einer Zelle, während die andere Seite mit der Trennmembran der benachbarten Zelle über den anodischen Kollektor dieser Zelle in Berührung steht.

Ferner weisen die Austauschkondensatoren 39 und 39' einen Querschnitt auf, der praktisch gleich dem Zweifachen des

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Querschnitts der Austauschkondensatoren gemäß Fig. 18 ist. Eine solche Ausführungsweise ermöglicht es, die Druckverluste der Kühlluft gering zu halten, während die Verluste in den kapillaren Zwischenräumen sich umgekehrt proportional zur dritten Potenz der Kapillarabmessung verhalten.

Fig. 20 zeigt perspektivisch eine Außenansicht einer praktischen Ausführungsweise eines erfindungsgemäßen Brennstoffelements. Ein solches Brennstoffelement enthält also mehrere aneinander gepreßte Zellen 1 (in der Figur nicht sichtbar); dieses Aneinanderpressen wird mit Hilfe von Endpia tten 40 und 41 erreicht. In der Fig. 20 sind die Öffnungen der Austauschkondensatoren 7 ... Ίί zu erkennen, die die durch den Pfeil Fl (siehe auch Fig. 1) angedeutete Kühlluft aufnehmen, sowie der untere erweiterte Teil bzw. die Einlaßöffnungen mit großem Durchmesser der Kanäle 17 für die Zuführung von Luft entlang dem Pfeil F3. Die Platte 41 weist eine Einspritzdüse 42 zur Zuleitung von Methanol, die in das Ende der Kanäle 16 (Fig. 1) mündet, zwei Stutzen 43 und 44, mit denen die Leitungen 30 und 31 für den Elektrolytaustausch (Fig. 9) mit einer Unterdruckpumpe verbunden werden, einen Stutzen 45, der mit den Öffnungen 18 und 19 (Fig. 1) in Verbindung steht, durch die das Kohlendioxyd und die Restluft nach der Reaktion im Brennstoffelement abgeführt werden, und schließlich einen Stopfen 46, der die Kanalisierung oder den Kanal 32 verschließt und es ermöglicht, den Elektrolyten aus der Zelle zu entfernen. Ferner sorgen zwei Ausgangsklemmen 47 und 48 für die Ableitung des in

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der Zelle erzeugten Stroms zum Verbraucher. Ein solches Brennstoffelement kann in ein Harz eingebettet sein, jedoch so, daß natürlich die Luft frei ein- und austreten kann.

Fig. 21 stellt in sehr allgemeiner schematischer Form die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Brennstoffelements dar.

Die Zelle 1 und ihre zuvor beschriebenen hauptsächlichen Bauteile sind hier schematisch dargestellt. Ferner ist ein Ventilator 49 vorhanden, mit dem einerseits für den Kühlluftdurchsatz entlang dem Pfeil Fl zum Austauschkondensator 7 und andererseits für den Verbrennungsluftdürchsatz zur Kathode 2 entlang dem Pfeil F3 gesorgt wird, während die bei der Reaktion entstehenden Gase entlang den Pfeilen F4 und F5 ausgeschieden werden.

Ein Methanolbehälter 50 versorgt über eine erste Pumpe 52 die Brennstoffzelle mit diesem Brennstoff. Eine zweite Pumpe 53, die einen unterdruck erzeugt, entfernt den Elektrolyten 6 aus der Elektrolytkammer 5 in einen Behälter oder in eine andere Elektrolytkammer der Zelle, wie an Hand der Figuren 6, 7 und 8 beschrieben wurde. Diese andere Kammer wird in der Fig. 21 mit der Bezugszahl 54 versehen.

Die Arbeitsweise umfaßt zwei Hauptphasen, d.h. eine aktive Phase und eine Phase, bei der das Kohlendioxyd aus dem Elektrolyten entfernt wird.

Was die erste, aktive Phase betrifft, so wird das Brennstoffelement mit Hilfe der Pumpe 52 (Fig. 21) durch die Einlassdüse 42 (Fig. 20) mit Methanol versorgt. Der Brennstoff

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verdampft auf der Stelle, da die im Brennstoffelement herrschende Temperatur etwa 75 C beträgt; selbstverständlich kann beim Starten am Eingang des Brennstoffelements ein an sich bekannter Heizwiderstand zur Zerstäubung des Methanols vorgesehen werden, bis die Temperatur im Innern -des Brennstoffelements die Betriebstemperatur erreicht hat. Die Methanoldämpfe werden dann durch die Kanäle 16 (Fig. 1) den verschiedenen Einzelzeilen wie beispielsweise 1 der Brennstoffzelle zugeführt, steigen entlang der Anode gemäß dem Pfeil F2 auf und erzeugen durch Oxydation auf der Anode

2_
insbesondere CO _ - Ionen, die den Elektrolyten karbonisieren, im vorliegenden Fall also die Kalilauge. Die restlichen Methanoldämpfe, die übrigens in sehr geringen Mengen übrigbleiben, steigen in den oberen Teil der Zelle auf, wo ihr Sättigungsdampfdruck kleiner wird als der Atmosphärendruck, so daß sie nicht die Zelle verlassen und so nicht verlorengehen.

2_

Die so gebildeten CO_ - Ionen werden von der Fixierschicht 3" der Anode 3 eingefangen, wobei der anfangs die Form

— 2—

OH aufweisende Fixierer nunmehr in die Form. C0_ übergeht. Kathodenseitig wird die Brennstoffzelle durch den Ventilator 49 (Fig. 21) mit Luft versorgt, wobei der Ventilator gleichfalls entlang dem Pfeil Fl dem Austauschkondensator 7 Kühlluft zuführt. Die durch die Kanäle 17 zugeführte Verbrennungsluft steigt entlang der Kathode gemäß dem Pfeil F3 auf und ihr Sauerstoff erzeugt mit dem Elektrolyten OH^-" - Ionen. Die Restluft wird dann durch die Kanäle 19 entlang dem Pfeil F5

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nach außen abgegeben.

Bei ihrem Transport entlang der Kathode 2 gibt die Luft Sauerstoff ab und nimmt den infolge der im Innern der Brennstoffzelle herrschenden hohen Temperatur entstandenen Wasserdampf auf. Wenn sie mit der Wandung 9 des Austauschkondensators 7 (Fig. 1) in Berührung kommt, wird der Wasserdampf kondensiert und durch den flachen Teil der Trennmembran 12 aufgefangen, der das Wasser dem Elektrolyten 6 der Elektrolytkammer 5 wieder zuführt. Eine solche aktive Phase der Brennstoffzelle setzt sich solange fort, bis praktisch der

2_
gesamte Fixierer in die Form CO _ überführt ist.

In einer solchen aktiven Phase fließt der Elektrolyt nicht, wodurch es möglich ist, einerseits eine gleichmäßige Reaktion auf der gesamten Oberfläche der Elektroden zu erhalten und andererseits die Nebenschlußverluste auszuschalten, da die Verbindung zwischen den Elektrolytkammern der Einzelzellen des Brennstoffelements lediglich durch den Mikrokanal für den Niveauausgleich 34 (Fig. 12) hergestellt wird. Daher ist man bei der Zusammensetzung der Elektrolyten keinerlei Beschränkungen ausgesetzt und man kann in dieser Hinsicht die günstigsten Bedingungen auswählen.

Durch die Verwendung einer Trennmembran 12 in senkrechter Richtung vermeidet man, daß Luft oder Methanol direkt die entgegengesetzte Elektrode erreichen, falls eine Elektrode bei einem Defekt durchlässig wird.

2_

Wenn dann der Fixierer der Anode 3 in Form von CO_

vorliegt, erreicht man die Phase, bei der das Kohlendioxyd

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abgeschieden wird. Zu diesem Zweck wird dann die Elektrolytkamraer 5 geleert, wobei der Elektrolyt 6 mit Hilfe der Saugpumpe 53 (Fig. 21) entweder in einen Hilfsbehälter 27 (Fig. 6) oder in eine Zelle 5, eines anderen Brennstoffelements (Fig. 7) oder in eine andere Zelle 5¹ desselben Brennstoffelements (Fig. 8 und 9) geleitet wird.

Bei diesen Umpumpvorgangen saugt die Pumpe 53 über die Stutzen 43 und 44 und die Leitungen 29, 21, bis 21. _ lediglich Luft an und verbraucht folglich nur wenig Leistung,

Aus Fig. 4 und 5 läßt sich erkennen, daß, wenn die Elektrolytkammer 5 leer ist, zwischen den Elektroden 2 und 3 eine durchgehende Elektrolytbrücke gewahrt bleibt, da die. Membran 12 mit Elektrolyt gesättigt bleibt und sich an den Berührungspunkten zwischen der Membran und den Elektroden Menisken 26 bilden.

Auf diese Weise hat man ein neues Elektrolytsystem geschaffen, das einen geringen Widerstand aufweist, bei dem jedoch die OH~* - Diffusion, die durch einen Faktor 50 im Verhältnis zum Stand der Technik verringert ist, vernachlässigbar klein geworden ist und bei dem der einzige OH - Zusatz durch die Wanderung gegeben ist, die aufgrund des Vorhandenseins des neutralen Salzes mit einer sehr geringen Transportzahl abläuft. Die Methanol-Oxydation, die eine Base verbrauchen muß, erfolgt daher hauptsächlich unter CO_ - Verbrauch, das durch den

2_ Fixierer eingefangen wurde; dieses CO₃ wird wegen des gelösten Puffers, der zwischen den Reaktionszonen der Anode und dem Fixierer als Relais dient, "mobilisiert": der Puffer geht von

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der basischen Form zur sauren Form in der Reaktionszone über;

2«.

diese saure Form reagiert mit dem CO₃ , das sich in CO» verwandelt hat und in dieser Form ausgeschieden wird, während die saure Form, die durch die Reaktion wieder basisch geworden ist, von neuem für denselben Zyklus verfügbar ist. In diesem Augenblick wird der Elektrolyt 6 wieder in seine Elektrolytkammer 5 mit Hilfe der Pumpe 53 eingeführt, die diese Flüssigkeit durch die Kanalisierung 21 bis 21. , ansaugt, und die Zelle 1 arbeitet von neuem in der aktiven Phase, womit ein neuer Zyklus beginnt usw.

Beim Einleiten des Elektrolyten in seine Elektrolytkammer kommt es zu einer Entladung zwischen den am Harz fixierten CH₃ COO~ - Ionen und den OH~ - Ionen des Elektrolyten, wobei der je nach -Fall in löslicher oder ungelöster Form durch das Anion des neutralen Salzes neutralisierte Fixierer wieder in die in allen Fällen unlösliche OH - Form übergeht.

Jede Einzelzelle der Brennstoffzelle durchläuft abwechselnd eine aktive Phase und eine Phase, bei der das Kohlendioxyd abgeschieden wird? dabei beträgt die Dauer der aktiven Phase vorzugsweise etwa einige zehn bis einige hundert Sekunden und die Phase,bei der das Kohlendioxyd abgeschieden wird, eine Dauer von etwa der Hälfte oder einem Drittel der aktiven Phase.

Die Regelung der verschiedenen Betriebsphasen des Brennstoffelements kann durch bekannte Vorrichtungen und Regelungen erreicht werden, die lediglich eine einfache Elektronik zum Einsatz bringen, die nicht teuer ist und einen minimalen Verbrauch an elektrischer Energie aufweist.

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Beispielsweise können die Pumpe 52 (Fig. 2x) für die Methanol-Injizierung und der Ventilator 49 in Abhängigkeit vom von dem Brennstoffelement erzeugten Strom gesteuert werden.

Ferner kann die Feststellung des Endes der aktiven Phase mit Hilfe eines Coulombmeters durchgeführt werden, das auf die Pumpe 53 einwirkt und die Phase in Gang setzt, bei der das Kohlendioxyd ausgeschieden wird.

Das Ende dieser letzteren Phase kann durch einen Kohlendioxyd-Druckmesser festgestellt werden, der in dem Stutzen 45 (Fig. 20) untergebracht ist und auf die Pumpe 52 einwirkt und so eine neue aktive Phase einleitet.

Das dargestellte Ausführungsbeispiel betrifft ein Brennstoffelement, das als Brennstoff Methanol und als Sauerstoff träger Luft verwendet; selbstverständlich können im Rahmen der Erfindung andere Stoffe vorgesehen werden.

Außer Methanol können insbesondere Kohlenwasserstoffe und Erdgas eingesetzt werden.

Das Brennstoffelement kann sogar mit einem kohlenstofffreien Brennstoff wie beispielsweise Hydrazin gespeist werden, wobei dann die Phase, bei der Kohlendioxyd abgeschieden wird, lediglich nach längerer Betriebsdauer durchgeführt wird, um das einzig durch die Luft zugeführte Kohlendioxyd wieder auszuscheiden.

Die Erfindung findet praktische Anwendung insbesondere als elektrischer Generator für umweltverschmutzungsfreie Fahrzeuge. -

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1 — Brennstoffelement für einen Brennstoff und atmosphärische Luft, das aus mehreren miteinander in elektrischem Kontakt stehenden Einzelzellen aufgebaut ist, von denen jede umfaßt :

- eine Kathode und eine Anode, die jeweils einen spezifischen Katalysator enthalten,

- einen Elektrolyten, der den Zwischenraum zwischen den genannten Elektroden ausfüllt und aus einer wässrigen, vorzugsweise alkalischen Lösung besteht, in die die Elektroden getaucht sind,

- eine trennende Rückhaltemembran für den Elektrolyten, die zwischen den Elektroden im Elektrolyten angeordnet ist,

- zwei bipolare mit Prägedruck versehene Stromkollektoren, von denen der erste, kathodische, mit den Erhöhungen seiner kathodischen Seite auf die Außenfläche der Kathode und mit seiner anodischen Seite auf die Außenfläche der Anode einer danebenliegenden Zelle drückt, und von denen ein zweiter, anodischer Kollektor mit den Erhöhungen seiner anodischen Seite auf die Außenseite der genannten Anode und mit seiner kathodischen Seite auf die Kathode der anderen danebenliegenden Zelle drückt, wobei ein gasförmiger Sauerstoffträger zwischen der Kathode und dem kathodischen Kollektor und ein gasförmiger Brennstoff zwischen der Anode und dem anodischen Kollektor strömen, wobei diese beiden gasförmigen Medien parallel zueinander und· in

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derselben Richtung, vorzugsweise senkrecht von unten nach oben strömen, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle darüber hinaus umfaßt :

- Mittel, mit denen das in Form von Dampf durch den Sauerstoffträger mitgerissene Wasser kondensiert wird,

- Mittel, mit denen das kondensierte Wasser dem Elektrolyten (6) wieder zugeführt wird,

- Mittel, mit denen an Ort und Stelle die während des Reaktionsprozesses mit dem Elektrolyten entstandenen Karbonate allmählich entfernt werden,

- sowie Mittel, mit denen die Karbonate in Form von Kohlendioxyd abgeschieden werden. .

2 - Brennstoffelement gemäß Anspruch 1, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die Mittel, die das in Form von Dampf durch den Sauerstoffträger mitgerissene Wasser kondensieren, aus einem Austauschkondensator (7) bestehen, der zwei Wandungen (8, 9) aufweist, die praktisch parallel zueinander liegen und zwischen denen vorzugsweise ein Luftstrom fließt.

3 - Brennstoffelement gemäß einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel, die das kondensierte Wasser dem Elektrolyten wieder zuführen, aus dem oberen Teil der Trennmembran (12) gebildet werden, die über das Niveau des Elektrolyten (6) herausragt.

4 - Brennstoffelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dieser obere

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Teil der Trennniembran (12) jeder Einzelzelle (1) des Brennstoffelements direkt gegen eine der Wandungen (9) eines Aus- -tauschkondensators (7) gedrückt wird und mit dieser Wandung durch den kathodischen Kollektor (10) in Berührung gehalten wird.

5 - Brennstoffelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Teil der Trennmembran (12¹) einer Einzelzelle (I¹) des Brennstoffelements direkt gegen eine der Wandungen eines Austauschkondensators (39) gedrückt wird und mit der Wandung durch einen kathodischen Kollektor (10¹) in Berührung gehalten wird, während der obere Teil der Trennmembran (12) der vorhergehenden Einzelzelle (1) des Brennstoffelements mit der anderen Wandung des Austauschkondensators (39) durch den anodischen Kollektor (11) der Zelle in Berührung gebracht wird.

6 - Brennstoffelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel, mit denen die allmähliche Abscheidung der während der Reaktionsprozesse mit dem Elektrolyten (6) gebildeten Karbonate an Ort und Stelle erreicht wird, aus einem Fixierer für diese Karbonate gebildet werden.

7 - Brennstoffelement gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Fixierer in Form einer Schicht (3") auf der inneren Oberfläche der Anode (3) angeordnet ist.

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8 - Brennstoffelement gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Fixierer innig mit dem Katalysator der Anode (3) gemischt ist.

9 - Brennstoffelement gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Fixierer ein stark basisches Ionenaustauschharz ist.

10 - Brennstoffelement gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Fixierer um ein unlösliches Hydroxyd handelt, das ein unlösliches Karbonat bildet.

11 - Brennstoffelement gemäß Anspruch 10, dad u r c h gekennzeichnet, daß es sich bei dem Hydroxyd um Kalziumhydroxyd handelt.

12 - Brennstoffelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennze ichnet, daß die Mittel, mit denen die Karbonate in Form von Kohlendioxyd abgeschieden werden, einerseits aus einem sauren Puffer bestehen, dessen Konzentration von 0>0l bis einigen Mol pro Liter gelöst in der wässrigen Lösung, die den Elektrolyten (6) bildet, variiert, wobei der saure Puffer sich mit dem Fixierer bindet und dabei die Karbonate in Form von Kohlendioxyd abscheidet, und andererseits aus einem neutralen Salz bestehen, das die Diffusion der an der Kathode gebildeten Hydroxydionen durch Verringerung ihrer Transportzahl begrenzt.

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13 - Brennstoffelement gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Puffer um das System Essigsäure-Azetat handelt.

14 - Brennstoffelement gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Puffer um das System Borsäure-Borat handelt.

15 - Brennstoffelement gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Puffer um das System Hydrogenorthophosphat - Dihydrogenorthophosphat handelt.

16 - Brennstoffelement gemäß einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem neutralen Salz um ein Alkali-Halogensalz handelt, vorzugsweise um Kaliumchlorid.

17 - Brennstoffelement gemäß einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem neutralen Salz um ein Alkali-Sulfat, vorzugsweise um Kaliumsulfat handelt.

18 - Brennstoffelement gemäß einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidung der Karbonate in Form von Kohlendioxyd durch Entfernung des Elektrolyten (6) aus der Zelle (1) geschieht.

19 - Brennstoffelement gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt in ein unabhängiges Gefäß (27) geleitet wird.

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20 - i. Brennstoffelement gemäß Anspruch 18, d a d u r c h gekennzeichnet, daß der Elektrolyt in eine Einzelzelle (1,) eines anderen Brennstoffelements geleitet wird.

21 - Brennstoffelement gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt in eine benachbarte Einzelzelle (I¹) desselben Brennstoffelements geleitet wird.

22 - Brennstoffelement gemäß einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Fixierer in seinen anfänglichen Anionenzustand durch Auffüllen der* · Einzelzelle (1) mit dem zuvor umgefüllten Elektrolyten umgewandelt wird.

23 - Brennstoffelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (2, 3) flache Form aufweisen und beide auf je eine Seite eines Rahmens (13) gedrückt werden, der aus einem Kunststoffmaterial gebildet ist, so daß sie mit dem Boden (4) dieses Rahmens eine Elektrolytkamraer (5) bilden.

24 - Brennstoffelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektoren (10, 11) einen Prägedruck oder Rillen aufweisen, die zickzackförmig und im wesentlichen senkrecht verlaufen, und daß die Kollektoren aus einer Metall- oder mit Kohlenstoff versehenen Kunststoffolie gebildet werden,, die elektrisch leitend

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ist und deren Stärke einige zehn Mikron beträgt.

25 - Brennstoffelement gemäß Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen des anodischen Kollektors (11) einen geringeren Querschnitt aufweisen als die Rillen des kathodischen Kollektors (10), so daß die Druckverluste des Sauerstoffträgers gering gehalten werden.

26 - Brennstoffelement gemäß Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß jede Rille des kathodischen Kollektors (1O) einen anderen Querschnitt aufweist als die der jeweils benachbarten Rille.

27 - Brennstoffelement gemäß einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektoren (10, 11) jeweils von einem Anguß (14) gehalten werden, der vorzugsweise aus Kunststoff hergestellt wird.

28 - Brennstoffelement gemäß einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Teil des Rahmens (13) zur Befestigung der Elektrode (2, 3) einerseits Kanäle zur Zuleitung des Sauerstoffträgers (17)bzw. des Brennstoffs (10) und andererseits einen Kanal (32) aufweist, der mit der Elektrolytkammer (5) jeder Einzelzelle (1) der Brennstoffzelle über einen Mikrokanal (34) verbunden ist.

29 - Brennstoffelement gemäß einem der Ansprüche 23 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Teil des Angusses (14) zur Befestigung der Kollektoren (10, 11)

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sowie der obere Teil der Austauschkondensatoren (7) Auslasskanäle (18, 19) für die beim Reaktionsprozeß entstehenden Gase aufweisen.

30 - Brennstoffelement gemäß einem der Ansprüche 28 und 29, dadurch gekennzeichnet, daß Stachel (31, 33) zur gleichmäßigen Verteilung des Gasstroms einerseits am Ausgang der Zuführungskanäle (16, 17) und andererseits am Eingang der Auslasskanäle (18, 19) angeordnet sind.

31 - Brennstoffelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß Kanäle (20, 21) die das Umfüllen des Elektrolyten in eine andere Kammer ermöglichen, im oberen Teil des Rahmens (13) zur Befestigung der Elektroden .(2, 3) einerseits und im mittleren Teil des Angusses

(14) zur Befestigung der Kollektoren (10, 11) andererseits eingearbeitet sind, wobei diese Kanäle abwechselnd an eine Saugpumpe (53) angeschlossen werden.

32 - Brennstoffelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß der in· den Elektrolyten (6) getauchte Teil der Trennmembran (12) eine gerillte Form aufweist, bei der sich das Motiv periodisch wiederholt, senkrecht verläuft und praktisch identisch mit dem Motiv der Kollektoren ist, derart, daß die Membran abwechselnd auf den Innenseiten der Kathode (2) und der Anode (3) aufliegt.

33 - Brennstoffelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß der kathoden- ,

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spezifische Katalysator (2) aus pulverförmigem Kohlenstoff und Kohlenstoffasern besteht.

34 - Brennstoffelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß der anodenspezifische Katalysator (3) pulverförmigen Kohlenstoff und Kohlenstoffasern enthält sowie mindestens einen Körper aus der Gruppe der Platinmetalle.

35 - Brennstoffelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß dem anodenspezifischen Katalysator ein Bindemittel zugegeben wird, insbesondere Polytetrafluoräthylen.

36 - Brennstoffelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Sauerstoffträger um Luft handelt, wobei die Luftversorgung der Kathode (2) und die Kühlluftströmung mit Hilfe eines Ventilators (49) erzeugt werden.

37 - Brennstoffelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Brennstoffen um Methanol handelt.

38 - Brennstoffelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 36, d a d".u r c h gekennzeichnet, daß es sich bei dem Brennstoff um mindestens einen Kohlenwasserstoff handelt.

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39 - Brennstoffelement gemäß Anspruch 38, d a d u r c h gekennzeichnet, daß es sich bei dem Kohlenwasserstoff um Erdgas handelt.

40 - Brennstoffelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Brennstoff um Hydrazin handelt.

41 - Brennstoffelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 40, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzmittel für den Brennstoff (52) und den Sauerstoffträger (40) in Abhängigkeit vom durch die Brennstoffzelle erzeugten Strom gesteuert werden. .

42 - Brennstoffelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 41, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststellung der Phase, bei der das Kohlendioxyd aus dem Elektrolyten abgeschieden wird, mit Hilfe eines Coulombmeters erfolgt, das eine Pumpe (53) betätigt, mit der der Elektrolyt aus der Einzelzelle entfernt wird.

43 - Brennstoffelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 42, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststellung des Endes der Phase, bei der das Kohlendioxyd aus dem Elektrolyten entfernt wird, mit Hilfe eines Kohlendioxyd— gasdruckmessers erfolgt, der insbesondere eine Pumpe (53) betätigt, durch die die Einzelzelle mit dem kohlendioxydfreien Elektrolyten gefüllt wird.

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25Ü2738

44 - Brennstoffelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 43, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelzellen elektrisch in Reihe geschaltet sind.

45 - Brennstoffelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 43, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelzellen zu Gruppen zusammengefaßt sind, die elektrisch parallel geschaltet sind.

46 - Brennstoffelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 45, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoffelement mit einer vorzugsweise aus einem Harz gebildeten Schutzhülle umgeben wird, wobei lediglich die Ein- und Ausgänge für die Reaktionsstoffe freibleiben.

47 - Kompakte Anordnung mit mindestens einem Brennstoffelement und Steuerorganen gemäß einem der vorstehenden Ansprüche.

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