DE2834551C2 - Brennstoffzellenanlage - Google Patents

Brennstoffzellenanlage

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DE2834551C2 DE2834551A DE2834551A DE2834551C2 DE 2834551 C2 DE2834551 C2 DE 2834551C2 DE 2834551 A DE2834551 A DE 2834551A DE 2834551 A DE2834551 A DE 2834551A DE 2834551 C2 DE2834551 C2 DE 2834551C2
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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Brennstoffzellenanlagen.
  • Im allgemeinen besteht die Brennstoffzelle aus einer Anode, einer Kathode mit einem zwischen der Anode und der Kathode angeordneten Zwischenraum, in welchem sich der Elektrolyt befindet. Eine jede Elektrode umfaßt eine dünne Katalysatorschicht auf der dem Elektrolyten zugewandten Seite, wobei diese Katalysatorschicht sich auf einer Trägerschicht, im allgemeinen Substrat genannt, befindet. Hinter dem Substrat ist eine Kammer für Reaktionsgas vorgesehen. Das Substrat ist, senkrecht zu seiner Ebene, gasdurchlässig so daß Reaktionsgas aus der Kammer hinter dem Substrat durch das Substrat an die Katalysatorschicht diffundieren kann. An der Grenzfläche Gas/Elektrolyt/Katalysator findet eine elektrochemische Reaktion statt wobei Ionen von einer Elektrode zu der entgegengesetzten Elektrode durch den Elektrolyten wandern.
  • Um wirtschaftlich verwertbare Strommengen zu erhalten, müssen eine Anzahl solcher Einzelzellen in einer Anlage zusammengebaut und elektrisch in Serie miteinander verbunden werden. Hierbei werden gasundurchlässige, elektrisch leitfähige Platten zwischen einer jeden Anode einer Zelle und der Kathode der benachbarten Zelle eingebaut. Im allgemeinen weisen diese Trennplatten Rippen (oder andersartig ausgebildete Vorsprünge), welche an den jeweiligen Substraten anliegen, auf einer jeden Seite auf. Durch diese Rippen kann der Strom aus einer Zelle zur benachbarten Zelle fließen, wobei diese Rippen auch Reaktionsgaskammern (wie z. B. Durchgänge, Kanäle) hinter einem jeden Substrat bilden. Somit wird das Gas über die gesamte Oberfläche des Elektrodensubstrates verteilt. Die Rippen oder Vorsprünge verleihen der Brennstoffzellenanlage auch die notwendige strukturelle Starrheit. Auch stützen diese Rippen oder Vorsprünge die Elektrode, welche meist so dünn als möglich ausgebildet wird. Eine solche Brennstoffzellenanlage wurde z. B. in der US-Patentschrift Nr. 39 94 748 beschrieben.
  • Die Herstellung von Rippenplatten ist jedoch kostspielig und durch die Rippen (oder andersartig ausgebildete Vorsprünge) treten weitere Probleme auf, wie z. B. eine schlechte Verteilung des Reaktionsgases an die Katalysatorschicht. An den Stellen, an welchen die Rippen an dem Elektrodensubstrat anliegen wird, z. B., ein direkter, senkrechter Durchfluß (durch die Ebene) des Reaktionsgases an die Katalysatorschicht unterbunden. Das Reaktionsgas muß somit durch die Ebene des Substrates unter die Rippen diffundieren um so an den Katalysator, welcher sich unmittelbar unter den Rippen befindet, zu gelangen. Die Diffusion der Reaktionsgase in der Ebene des Substrates wird noch dadurch erschwert, daß die Substratschicht auch unmittelbar unter den Rippen komprimiert wird und dadurch, daß die Substratschicht auch im unkomprimierten Zustand nur eine Dicke von einigen Millimetern oder weniger aufweist.
  • Die Spannung einer Brennstoffzellenanlage, welche die Summe der Spannungsgewinne der verschiedenen Zellen darstellt, ist eine Funktion des von einer jeden Zelle erzeugten Stromes. Der Strom gelangt senkrecht zur Ebene der einzelnen Zellen von einem Ende der Anode an das gegenüberliegende Ende. Die Stromdichte einer Brennstoffzellenanlage ist gleich dem Strom dividiert durch den Querschnitt, durch welchen der Strom in einer beliebigen Querschnittsebene wandern muß. Die Stromdichte ist eine Konstante bei einem gegebenen Querschnitt und einem gegebenen Strom. Falls der Querschnitt in einer Querschnittsebene kleiner wird und die erzeugte elektrische Energie konstant gehalten wird, so steigt die Stromdichte in der Querschnittsebene. Spannungsverluste sind direkt proportional zur Stromdichte, so daß bei konstantem Strom ein Spannungsverlust auftritt, falls der Querschnitt, durch welchen der Strom fließen muß, reduziert wird. Eine solche Reduktion des Querschnittes wird an der Grenzfläche zwischen den Elektroden und den Rippen oder andersartig ausgebildeten Vorsprüngen der Trennplatten erhalten, da die Kontaktfläche zwischen den Trennplatten und Elektroden nur etwa 50% oder weniger des Elektrodenquerschnitts ausmacht. Da weiterhin ein perfekter Kontakt zwischen flachen, aufeinander abgestimmten Oberflächen unmöglich ist, entstehen auch Kontaktverluste an einer jeden Grenzfläche zwischen benachbarten Komponenten, insbesondere wenn diese Komponenten nicht miteinander verbunden sind.
  • In der Vergangenheit wurde immer wieder versucht befriedigende Lösungen für diese Probleme zu finden ohne daß diese Untersuchungen bis jetzt von Erfolg gekrönt waren.
  • Es ist somit ein Ziel der vorliegenden Erfindung Brennstoffzellenanlagen mit größeren Kontaktflächen zwischen den einzelnen Zellenkomponenten, zur Vermeidung von Stromverlusten, zu beschreiben. Weiterhin beschreibt die vorliegende Erfindung eine Anlage, welche wirtschaftlicher hergestellt werden kann als bekannte Anlagen. Durch die vorliegende Erfindung können auch in der Höhe oder Länge kleiner dimensionierte Brennstoffzellenanlagen hergestellt werden, wobei gleichzeitig eine verbesserte Verteilung der Reaktionsgase an die Katalysatorschichten erhalten wird.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine gasundurchlässige Trennplatte zwischen der Anode und der Kathode benachbarter Zellen angeordnet. Der Raum auf einer jeden Seite der Trennplatte ist mit einem porösen Material gefüllt, wobei das poröse Material in ununterbrochenem Kontakt an der Trennplatte sowie an der dazugehörigen Katalysatorschicht anliegt. Das poröse Material umfaßt eine Gasverteilerschicht, dessen Eigenschaften so ausgewählt sind, daß die Dicke, die Anzahl Poren und die Porengröße einen im wesentlichen freien Durchfluß des Reaktionsgases in paralleler und senkrechter Richtung zur Ebene der Oberflächen erlauben.
  • Durch die vorliegende Erfindung werden die Gaskammern zwischen der Trennplatte und den Elektroden, welche in der Vergangenheit von den Rippenplatten gebildet wurden, hinfällig. Die Reaktionsgase werden, z. B., an einem Punkt am Rande der Gasverteilerschicht parallel zur Ebene der Gasverteilerschicht in die Zelle eingeführt. Die Gasverteilerschicht ist, sowohl in dieser Richtung als auch senkrecht zur Ebene der Schicht, hochporös, so daß Gas an die gesamte Oberfläche der Katalysatorschicht geleitet wird. Ein ununterbrochener Kontakt (d. h. keine Rippen) zwischen dem porösen Material und der Trennplatte führt zu einer wesentlichen Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen diesen Komponenten, wodurch Spannungsverluste vermieden und die Stromverteilung durch die Anlage verbessert werden. Das poröse Material kann auch als Substratmaterial für die Katalysatorschicht verwendet werden.
  • Es ist zu erwarten, daß die Herstellungskosten solcher Zellen niedriger liegen als dies in der Vergangenheit der Fall war, da jetzt flache, dünne Blätter oder Schichten aus gasundurchlässigem Material als Trennplatten eingesetzt werden können. Im Gegensatz hierzu ist die Gasverteilerschicht natürlich einiges stärker als die bekannten Elektrodensubstratschichten. Auch weisen die Gasverteilerschichten größere Poren auf als die bekannten Elektrodensubtrate, so daß ein im wesentlichen freier Gasdurchfluß parallel zur Ebene der Verteilerschicht ohne unannehmbare Druckverluste ermöglicht wird. Die stärkeren Gasverteilerschichten übernehmen hierbei die Funktion der Rippenplatten, indem sie der Anlage die strukturelle Starrheit verleihen. Auch ist zu erwarten, daß die Höhe der Anlage durch Verwendung der Komponenten der Erfindung erniedrigt wird.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das poröse Material zu beiden Seiten der Trennplatte an diese gebunden werden und die Katalysatorschichten können auf die entgegengesetzten Seiten dieser porösen Materialien gebunden werden, so daß eine einzige, aus diesen Komponenten zusammengesetzte, Brennstoffzellenkomponente entsteht. Eine elektrolytspeichernde Matrixschicht könnte ebenfalls an eine der Katalysatorschichten gebunden werden, so daß ein Brennstoffzellenblock für den Aufbau einer Brennstoffzellenanlage zur Verfügung steht.
  • In der nachfolgenden Beschreibung sowie in den Ansprüchen soll der Ausdruck "Schicht" im weitesten Sinne des Wortes ausgelegt werden, so daß er dünne oder dicke Überzüge sowie selbsttragende Platten umfaßt. Obschon der Ausdruck "Schicht" in der Einzahl verwendet wird sollen hierunter auch mehrschichtige Materialien verstanden werden. Zum besseren Verständnis wird Bezug genommen auf die nachfolgende Beschreibung von Beispielen und auf die beiliegenden Figuren wobei
  • Fig. 1 einen Querschnitt einer Brennstoffzellenanlage gemäß der vorliegenden Erfindung und
  • Fig. 2 einen Querschnitt einer Brennstoffzellenanlage gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung darstellen.
  • Die Fig. 1 zeigt eine Brennstoffzellenanlage gemäß einem Beispiel der vorliegenden Erfindung. Die Zellenanlage 10 umfaßt eine Anzahl Brennstoffzellen 12, welche elektrisch in Serie über eine Belastung 14 verbunden sind. Elektrisch leitfähige Trennplatten 16 sind zwischen benachbarten Zellen angeordnet, um ein Vermischen der Reaktionsmittel, welche sich auf den beiden Seiten dieser Trennplatte befinden, zu verhindern. Eine jede Zelle 12 umfaßt eine Anodenkatalysatorschicht 18 und eine Kathodenkatalysatorschicht 20, welche durch eine elektrolytspeichernde Matrixschicht 22, welche zwischen und in Kontakt mit den Oberflächen der Katalysatorschichten liegt, getrennt sind. Eine jede Zelle 12 umfaßt auch eine poröse Komponente 24 hinter der Anodenkatalysatorschicht 18, welche den Zwischenraum zwischen dieser Katalysatorschicht und der Trennplatte 16 füllt, sowie eine poröse Komponente 26 welche hinter der Kathodenkatalysatorschicht 20 liegt und den Zwischenraum zwischen dieser Schicht und der Trennplatte 16 füllt. Die porösen Komponenten 24 und 26 befinden sich dabei im wesentlichen in ununterbrochenem Kontakt mit den Oberflächen der ihnen zugeordneten Katalysatorschichten und Trennplatten.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung weisen die porösen Komponenten 24, 26 Gasverteilerschichten 28, 30 auf. Eine jede Gasverteilerschicht liegt hierbei im wesentlichen in ununterbrochenem Kontakt an der gesamten Oberfläche der ihr zugeordneten Katalysatorschicht 18, 20 an. Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung umfaßt eine jede Zelle 12 eine Elektrolytspeicherschicht 32 auf der Anodenseite der Zelle, in welcher überschüssiger Elektrolyt während dem Betrieb der Anlage gespeichert wird. Die Speicherschicht 32 ist eine flache, kontinuierliche Schicht aus einem hydrophilen Material, welches sich zwischen der Trennplatte 16 und der Gasverteilerschicht 28 befindet und in kontinuierlichem Kontakt an den Oberflächen der Gasverteilerschicht und der Trennplatte anliegt. Die Gasverteilerschicht 28 weist an gleichmäßig verteilten Punkten eine hydrophile Tränkung auf, so daß kleinporige Durchgänge 34 durch die Gasverteilerschicht zur Katalysatorschicht 18 und der Speicherschicht 32 vorliegen wie dies, z. B., in den Fig. 2 oder 3 der US-Patentschrift Nr. 39 05 832 der Anmelderin beschrieben wurde.
  • Speicher für überschüssigen Elektrolyten sind gut bekannt. So beschreibt, z. B., die US-Patentschrift der Anmelderin Nr. 36 34 139 einen außerhalb der Zelle liegenden Elektrolytspeicher. In einer Brennstoffzelle mit einem außerhalb der Zelle liegenden Speicher wird natürlich eine Speicherschicht 32 nicht benötigt. Weitere Arten und Typen von Speicherschichten sind, z. B., in den US-Patentschriften 37 48 179 und 39 05 832 beschrieben. Gemäß diesen Patentschriften weisen die Brennstoffzellen Speichermaterial hinter wenigstens einem der Elektrolyten der Zelle auf. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß hinter einer jeden Elektrode auch immer eine Reaktionsgaskammer angeordnet ist. Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung ist wesentlich einfacher als die Anordnungen, welche in den oben genannten US-Patentanschriften beschrieben wurden.
  • Die Gasverteilerschichten 28, 30 sind sowohl senkrecht als auch parallel zur Ebene der Schichten (Oberflächen) sehr gasdurchlässig. Reaktionsgas wird den Katalysatorschichten so zugeführt, daß dieses Gas in einem Punkt am Rande der Gasverteilerschicht 28, 30 in diese Schichten eingeleitet wird, wie in der Figur mit Pfeilen 31 gekennzeichnet. Das Reaktionsgas wird durch die Zelle ( horizontal in der Figur) und zur Katalysatorschicht (vertikal in der Figur) durch die Poren der Gasverteilerschichten geleitet und nicht umgesetzte Reaktionsmittel werden am entgegengesetzten Ende der Zelle an einem Punkt, durch Pfeile 33 gekennzeichnet, abgeführt. Die kritischen Eigenschaften der Gasverteilerschichten müssen dabei so bemessen sein, daß die Dicke, die Anzahl der Poren und die Porengröße einen im wesentlichen freien Durchfluß der Reaktionsgase sowohl in paralleler als auch in senkrechter Richtung zu den Oberflächen der Schicht erlauben. Natürlich müssen die Gasverteilerschichten auch die weiteren Bedingungen von Brennstoffzellenkomponenten erfüllen, wie z. B. elektrische Leitfähigkeit, thermische Leitfähigkeit, Verträglichkeit mit dem Elektrolyten usw. Der Ausdruck "im wesentlichen freier Durchfluß" soll angeben, daß der Druckverlust über die Gasverteilerschicht (sowohl in als auch senkrecht zur Ebene in annehmbar niedrigen Grenzen liegt, wobei diese Grenzen von den Zellenbestandteilen, der Zellenstruktur als auch von der Verwendung der Anlage usw. abhängen. So wird, z. B., bei einem höheren Druckverlust von dem Eingang der Reaktionsgase in die Gasverteilerschicht bis zum Ausgang der Reaktionsgase aus dieser Schicht mehr Energie aufgewendet werden müssen, um die Gase durch die Zelle zu pumpen. Die zum Pumpen notwendige Energie ist jedoch verloren, so daß die Wirksamkeit des Systems erniedrigt wird. Höhere Druckverluste vom Eingang zum Ausgang führen auch zu höheren Druckunterschieden über die Matrixschicht 22, so daß entweder Gas von einer Seite der Matrix auf die andere Seite gelangt oder Elektrolyt durch den zu hohen Druckunterschied aus der Matrix herausgedrückt wird.
  • In einer mit Phosphorsäure als Elektrolyten betriebenen Brennstoffzellenanlage gemäß der vorliegenden Erfindung können die Gasverteilerschichten, z. B., aus dem in der US-Patentschrift 39 72 375 beschriebenen faserartigen Kohlenstoffpapiermaterial bestehen. Hierbei müßte jedoch das Substrat eine größere Stärke aufweisen, auch müßten bei der Herstellung des Substrates Kohlenstoffaser eines größeren Durchmessers eingesetzt werden, um so größere Poren zu erhalten. Unter der Annahme einer quadratischen Zelle von 47 cm Seitenlänge, Reaktionsmitteln bei 3,5 bar, Phosphorsäure als Elektrolyten, einer Betriebstemperatur von 190°C, einer Sauerstoffumwandlung von 0.7, und einer Wasserstoffumwandlung von 0,9 wurden Berechnungen durchgeführt. Die Reaktionsmittelumwandlung (H&sub2; oder O&sub2;) ist der Massendurchsatz des Reaktionsmittels an der Anode bzw. der Kathode, welcher während dem Betrieb der Zelle umgesetzt wird, dividiert durch den Massendurchsatz der Reaktionsmittel in die Zelle. Unter diesen Bedingungen wurde berechnet, daß ein Kohlenstoffpapiersubstrat (hergestellt nach der oben genannten US-Patentschrift) eine Porosität von 80%, eine Stärke von 1,3 mm und einen Druckabfall von einem Rand zum andern (parallel zur Ebene der Oberfläche) von 1,3 cm Wasser bei einer Stromdichte von 0,11 A/cm2 aufweisen müßte, falls der Durchmesser der Kohlenstoffasern 0,25 mm für die Gasverteilerschicht für Wasserstoff betragen würde. Größere Stärken und größere Faserdurchmesser wären auch annehmbar.
  • Die Gasverteilerschichten gemäß der vorliegenden Erfindung können auch, wie von der Mandantin anderwertig beschrieben, aus offenzelligem, glasartigem Kohlenstoffschaumstoff bestehen. Gemäß der Ausführungsform der Erfindung können jetzt dünne, flache Trennplatten 16 anstatt der relativ dicken Rippentrennplatten eingesetzt werden. Die Trennplatten können jedoch aus dem gleichen Material gefertigt werden, welches zur Herstellung der Rippentrennplatten in der Vergangenheit eingesetzt wurde. So können diese Trennplatten, z. B., gemäß den in den US-Patentschriften 38 01 374 und 36 34 569 beschriebenen Verfahren hergestellt werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Trennschicht 16 mit einer Seite der Oberfläche der porösen Komponenten 24, 26 und die Katalysatorschicht 18, 20 benachbarter Zellen mit den entgegengesetzten Oberflächen der porösen Komponenten verbunden werden, so daß sie nur noch eine einzige Komponente bilden. Diese Komponenten könnten leicht, mit einer Matrix als Zwischenschicht, aufeinander zu einer Brennstoffzellenanlage aufgebaut werden. Die Katalysatoren können durch eine Anzahl bekannter Verfahren an die porösen Komponenten gebunden werden, wie z. B., durch Aufsprühen, Filtrationsübertragung oder Siebdruck. Falls gewünscht, kann auch die Matrix an eine der Katalysatorenschichten gebunden werden. Auch könnte eine Hälfte der in zwei geteilten Matrix (mit Bezug auf die Stärke) an den einen Katalysator und die andere Hälfte an den anderen Katalysator gebunden werden. Falls als Matrix mit Harz verbundenes Siliciumkarbid eingesetzt wird, könnte diese auch mit dem Siebdruckverfahren, wie in der US-Patentschrift Nr. 40 01 042 beschrieben, an eine der Katalysatorenschichten gebunden werden. Die so erhaltenen Brennstoffzellenblöcke könnten zum Aufbau der Anlage aufeinander gelegt werden. Dadurch, daß die einzelnen Schichten miteinander verbunden sind, wird der Oberflächenkontakt zwischen den einzelnen Schichten verbessert, welches zu einer Erniedrigung der Spannungsverluste und zu einer Verbesserung der Stromverteilung durch die Anlage führt. Das Verbinden der einzelnen Schichten ist jedoch für die Ausübung der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich.
  • Die Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Gemäß dieser Ausführungsform wird keine separate Elektrolytspeicherschicht verwendet und hierdurch eignet sich diese Ausführungsform insbesondere für Brennstoffzellen mit außerhalb der Zelle liegendem Elektrolytspeicher. Diese Ausführungsform kann jedoch auch eingesetzt werden, falls die Gasverteilerschicht eine beliebige Porengrößenverteilung in beliebiger Verteilung durch die gesamte Schicht aufweist, so daß überschüssiger Elektrolyt in den kleinen Poren gespeichert wird, wohingegen die größeren Poren offen bleiben.
  • Die Fig. 2 zeigt elektrochemische Zellen 100, welche aufeinander liegen und so die Zellenanlage bilden. Eine jede Zelle 100 umfaßt ein Paar Gasverteilerschichten 102, eine Anodenkatalysatorschicht 104 und eine Kathodenkatalysatorschicht 106. Im Zwischenraum zwischen den Katalysatorschichten ist eine Elektrolytmatrixschicht 108 angeordnet. Zwischen benachbarten Zellen 100 sind Gastrennplatten 110 vorgesehen. Die Gasverteilerschichten auf einer jeden Seite der Trennplatte 110 befinden sich im wesentlichen in ununterbrochenem Kontakt mit den entgegengesetzten Oberflächen 112, 114 der Trennplatte.
  • Gemäß dieser Ausführungsform ist eine jede Katalysatorschicht 104, 106 an die Oberfläche der ihr zugeordneten Gasverteilerschicht 102 gebunden, so daß die Anode bzw. eine Kathode gebildet wird. Falls die Poren der Gasverteilerschicht zu groß sind, können unannehmbare Mengen Katalysator bei der Auftragung in die Gasverteilerschicht gelangen. Gemäß Fig. 2 wird dies dadurch vermieden, daß die Gasverteilerschicht 102 auf der, der Trennplatte 110 zugewandten Seite, eine relativ dicke, großporige Schicht 116 und, auf der dem Katalysator zugewandten Seite, eine dünnere, feinporige Schicht 118 aufweist. Die Eigenschaften der Gasverteilerplatte sollten so bemessen sein, daß die Dicke, die Anzahl der Poren und die Porengröße der großporigen Schicht 116 einen im wesentlichen freien Durchfluß von Reaktionsgas, sowohl in senkrechter als auch in paralleler Richtung zu den Oberflächen der Verteilerschicht, erlauben. Die großporige Schicht der Gasverteilerschicht 102 kann aus dem mit Bezug auf die Gasverteilerschicht 26 aus Fig. 1 beschriebenen Material bestehen. Die Katalysatorschichten 104 bzw. 106 können ohne ein Eindringen von wesentlichen Mengen an Katalysatormaterial in die Gasverteilerschicht 102 auf die Oberfläche 120 der feinporigen Schicht 118, welche eine Stärke von weniger als 0,5 mm aufweisen sollte, aufgebracht werden. Hierdurch kann eine maximal auswertbare Katalysatoroberfläche erhalten werden. Die Schichten 116, 118können aus dem gleichen Material hergestellt werden. So können diese Schichten, z. B., wie weiter oben beschrieben aus offenzelligem, glasartigem Kohlenstoffschaumstoff bestehen. Die großporige Schicht 116 könnte auch aus offenzelligem glasartigem Kohlenstoffschaumstoff und die feinporige Schicht könnte, gemäß bekannten Verfahren zur Herstellung von Elektrodensubstratmaterial welches mit einem Katalysatorüberzug versehen werden kann, wie z. B. in der US-Patentschrift 39 72 735 beschrieben, hergestellt werden. Als feinporige Schicht kann eine separate Schicht eingesetzt werden oder aber die feinporige Schicht kann durch eine geeignete Tränkung, zu einer geringen Tiefe, der dem Katalysator zugewandten Seite der großporigen Schicht 116 ausgebildet werden, wobei durch die Tränkung die Porengröße an der dem Katalysator zugewandten Oberfläche der großporigen Schicht 116 erniedrigt wird. Wie schon mit Bezug auf Fig. 1 angegeben, können auch die verschiedenen Komponenten und Schichten gemäß diesem Aspekt der Erfindung aneinander gebunden werden. Um zu entscheiden, ob auf der dem Katalysator zugewandten Seite der Gasverteilerschicht 102 eine feinporige Oberfläche benötigt wird, hängt von verschiedenen Faktoren wie 1) ob und gemäß welchem Verfahren die Katalysatorschicht auf die Oberfläche der Gasverteilerschicht aufgebracht (d. h. gebunden) wird; 2) der Zusammensetzung der Katalysatorschicht, und 3) der Porengröße der großporigen Schicht 116 ab.

Claims (9)

1. Brennstoffzellenanlage bestehend aus einer Anzahl Brennstoffzellen, wobei eine jede Zelle einen Anodenkatalysator, einen Kathodenkatalysator und eine Elektrolytkammer zwischen diesen beiden Katalysatoren aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine jede Zelle (12) ein Paar Gasverteilerschichten (28, 30) mit einer ersten und zweiten entgegengesetzten Oberfläche aufweist, wobei die ersten Oberflächen der beiden Verteilerplatten (28, 30) benachbarter Zellen einander zugewandt sind und eine kontinuierliche Schicht eines gasundurchlässigen Materials (16) zwischen und in ununterbrochenem Kontakt an diesen beiden ersten Oberflächen liegt und wobei die zweite Oberfläche einer der Gasverteilerplatten (28 bzw. 30) in ununterbrochenem Kontakt an der Kathodenkatalysatorschicht (20) einer der Brennstoffzellen (12) und die zweite Oberfläche der anderen Gasverteilerschicht (28 bzw. 30) in ununterbrochenem Kontakt an der Anodenkatalysatorschicht (18) der benachbarten Zelle (12) liegt und wobei die Gasverteilerschichten (28, 30) gasdurchlässig und so bemessen sind, daß die Stärke, die Anzahl Poren und die Porengröße einen im wesentlichen freien Durchfluß der Reaktionsgase, sowohl in senkrechter als auch in paralleler Richtung zur Ebene der Oberflächen der Verteilerschichten, erlauben.
2. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Gasverteilerplatten (28, 30) eine Elektrolytspeicherschicht (32), welche mit der Elektrolytkammer (22) zwischen den Katalysatorschichten (18, 20) in Verbindung steht, aufweist.
3. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen der Elektrolytspeicherschicht (32) und der Elektrolytkammer (22) aus einer Anzahl gleichmäßig verteilter Tränkungen (34) aus hydrophilem Material besteht.
4. Brennstoffzellenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasverteilerschichten (28, 30) über die gesamte erste Oberfläche an das gasundurchlässige Material ( 16) gebunden sind.
5. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anoden- (18) und Kathodenkatalysatorschichten (20) über die gesamte Oberfläche an die ihr zugeordneten Gasverteilerschichten (28 bzw. 30) gebunden sind.
6. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine jede Zelle (12) eine Elektrolytmatrixschicht (22) aufweist und daß die Matrixschicht (22) über eine gesamte Oberfläche an eine der beiden Katalysatorschichten (18 bzw. 20) gebunden ist und daß die zweite Oberfläche der Matrixschicht (22) in ununterbrochenem Kontakt an der anderen Katalysatorschicht (18 bzw. 20) anliegt.
7. Brennstoffzellenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasverteilerschichten (28, 30) aus fasrigem Kohlenstoffpapier bestehen.
8. Brennstoffzellenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das gasundurchlässige Material (16) aus einem Graphitverbundstoff besteht.
9. Brennstoffzellenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasverteilerschichten (28, 30) eine dünne, feinporige Schicht (118) welche die zweite Oberfläche bildet, und eine stärkere, großporige Schicht (116) hinter der feinporigen Schicht ( 118) aufweisen, wobei die feinporige Schicht (118) so bemessen ist, daß beim Auftragen der Katalysatorschicht (18 bzw. 20) keine wesentlichen Mengen Katalysator in die Verteilerplatten (28, 30) eindringen.
DE2834551A 1977-08-15 1978-08-07 Brennstoffzellenanlage Expired DE2834551C2 (de)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
US05/824,766 US4129685A (en) 1977-08-15 1977-08-15 Fuel cell structure

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Publication Number Publication Date
DE2834551A1 DE2834551A1 (de) 1979-03-01
DE2834551C2 true DE2834551C2 (de) 1987-03-26

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DE2834551A Expired DE2834551C2 (de) 1977-08-15 1978-08-07 Brennstoffzellenanlage

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