DE2927656A1

DE2927656A1 - Verfahren zum betreiben einer elektrochemischen zelle

Info

Publication number: DE2927656A1
Application number: DE19792927656
Authority: DE
Inventors: Hansray C Maru
Original assignee: Energy Research Corp
Current assignee: Fuelcell Energy Inc
Priority date: 1978-07-10
Filing date: 1979-07-09
Publication date: 1980-01-24
Also published as: GB2025119B; JPS6016705B2; DE2927656C2; JPS5512698A; FR2431193A1; FR2431193B1; US4192906A; GB2025119A

Description

DR.-ING. WALTER ABITZ BR. DIETER F. MORF DIPL.-PHYS. M. GRITSCHNEDER

Patentanwälte "

München,

9. Juli 1979

Postanschrift / Foetal Address Postfach 86Ο1ΟΘ. 8OOO München ββ

Fienzenauerstraße 2B

Telefon Θ8 32 22

Telegramme: Chemlndus München

Telex.-CO)623992

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ENERGY RESEARCH CORPORATION Danbury, Connecticut^ V.St.A.

Verfahren zum Betreiben einer elektrochemischen Zelle

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Die Erfindung betrifft elektrochemische Zellen, wie Brennstoffzellen bzw. -elemente und Batterien jenes Typs, bei welchem ein Reaktanten- oder Produktgas zu den Zellen geleitet oder von den Zellen abgeleitet wird. Im besonderen betrifft die Erfindung die Wärmeregelung für solche Zellen.

Bei der Konstruktion von Brennstoffzellen und ähnlichen Vorrichtungen zur Erzeugung elektrischer Energie, bei deren Betrieb ein einer elektrochemischen Reaktion unterliegendes Reakanten- oder Produktgas (Verfahrensgas) eine Rolle spielt, hat die Wärmeregelung eine herausragende Bedeutung. Die elektrochemischen Reaktionen in solchen Vorrichtungen sind aufgrund von die Umsetzung begleitenden Entropieänderungen und irreversiblen Vorgängen,welche durch Diffusions- und Aktivierungsüberpotentiale sowie ohmsche Widerstände verursacht werden, zwangsläufig mit einer Wärmeentwicklung oder Wärmeaufnahme verbunden. Es wurden bereits mehrere Methoden zur Erzielung einer angemessenen Wärmeregelung erprobt, von denen sich jedoch keine als völlig zufriedenstellend erwiesen hat.

Die Wärmeregelungstechnik macht sich anscheinend am zweckmässigsten die Eigenwärme des Verfahrensgases selbst als Medium für die thermische Kontrolle zu Nutze. Wenn eine Wärmeabfuhr von der Zelle erwünscht ist, kann man somit das zuströmende Verfahrensgas in die Zelle bei einer niedrigeren Temperatur als der Zellenbetriebstemperatur einspeisen, so dass das ausströmende Gas Wärme einfach durch Erhöhung seiner Temperatur während des Durchgangs durch die Zelle abführt. Bei dieser Methode stellt man die Verfahrens-

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gas-Strömungsmenge auf einen Wert oberhalb Jener Strömungsmenge ein, welche zur Erzeugung eines vorgewählten Ausmasses an elektrischer Energie benötigt wird; das zusätzliche Verfahrensgas erfüllt dabei die wärmeabführende Funktion. Zu Nachteilen dieser Arbeitsweise gehören unerwünschte Druckabfälle aufgrund des verstärkten Verfahrensgasstromes, zusätzlicher Energieaufwand und Elektrolytverluste durch Verdampfung oder Verschleppung. Unter ""zusätzlicher Energie" (Hilfsenergie) sind die Energieanforderungen der Zusatzeinrichtungen zur eigentlichen Brennstoffzelle, z.B. der Gaspumpen oder Druckerzeugungssysteme, zu verstehen. Was die Elektrolytverluste betrifft, steht das gesamte Verfahrensgas bei dieser auf der Gaseigenwärme beruhenden Methode bei seinem Durchgang durch die Zelle in Verbindung mit dem Zellelektrolyt, und wenn eine beträchtliche Menge an zusätzlichem Gas für die Wärmeregelung benötigt wird, ist im Elektrolytgas ein sehr hoher Elektrolytverlust aufgrund der Sättigung des Gases mit Elektrolytdampf festzustellen; auf diese Weise ergibt sich eine recht hohe Elektrolyteinbusse.

Bei einer zweiten bekannten Wärmeregelmethode wird versucht, das Temperaturgefälle in Brennstoffzellen durch Anwendung einer bipolaren Platte, welche eine ausgedehnte, ausserhalb der Zelle selbst angeordnete Rippe oder dergl. (fin) aufweist, zu begrenzen; vgl. die US-PS 3 623 913. Obwohl diese Methode für eine etwas gleichmässigere Zelltemperatur sorgt, kann ein direkt durch die Zelle verlaufender starker Gasstrom zu einem hohen Elektrolytverlust und erhöhtem Hilfsenergiebedarf führen.

Eine dritte Wärmeregelmethode beruht auf der Eigenwärme einer dielektrischen Flüssigkeit. Diese Methode erfordert eine wesentlich geringere Hilfsenergie als die ein gasförmiges Wärmeübertragungsmedium anwendende Technik, benötigt Jedoch einen gesonderten Wärmeübertragungskreislauf und ein elektrisch isoliertes Leitungssystem. Um Nebenschlussströme

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zwischen übereinandergestapelten Zellen zu vermeiden, wurden als Hitzeübertragungsmedien gemäss herkömmlicher Praxis dielektrische Flüssigkeiten, wie Fluorkohlenstoff- oder Silikonöle, verwendet. Da das Katalysatormaterial selbst durch Spurenanteile dieser dielektrischen Fluide stark vergiftet werden kann, können geringfügige Austritte aus dem Wärmeübertragungskreislauf verhängnisvolle Auswirkungen auf die Zelle haben. Dielektrische Flüssigkeiten sind ferner entflammbar und bilden toxische Reaktionsprodukte.

Eine vierte bekannte Methode zur Wärmeregelung beruht auf der latenten Wärme von Flüssigkeiten. Flüssigkeiten mit latenter Wärme (US-PSen 3 498 844, 3 507 702, 3 761 316 und 3 969 145) können eine Wärmeübertragung bei nahezu gleichmassiger Temperatur bewerkstelligen, obwohl bestimmte Temperaturgradienten in der Stapelrichtung auftreten können, wenn die Wärmeübertragungsplatte zwischen einer Gruppe von Zellen angeordnet ist. Es wird von einem extrem geringen Hilfsenergiebedarf ausgegangen. Geeignete dielektrische Flüssigkeiten mit Siedepunkten im Bereich der Zellbetriebstemperatur können verwendet werden; es muss jedoch auch in diesem Falle mit den Nachteilen gerechnet werden, die bei der Methode auftreten, welche auf der Eigenwärme einer Flüssigkeit beruht. Um diese Mängel zu überwinden, kann man nicht-dielektrische Medien, wie Wasser, einsetzen. Bei Verwendung von Wasser kann Dampf mit geeigneter Qualität zur Verwendung in anderen Teilen der Anlage erzeugt werden. Ein äusserer Wärmeaustausch wird aufgrund der hohen Wärmeübertragungskoeffizienten ebenfalls als wirksam angesehen. Bei Verwendung einer nicht-dielektrischen Flüssigkeit sind Jedoch aufwendige Korrosionsschutzmassnahmen (US-PSen 3 969 145, 3 923 546 und 3 940 285) und/oder die Verwendung einer Flüssigkeit mit extrem geringer Leitfähigkeit erforderlich. Während des Betriebs kann die Leitfähigkeit ansteigen, so dass ausserdem Massnahmen zur Wiederherstellung der geringen Leitfähigkeit notwendig werden können. Wenn der Kühlkreislauf unter Druck steht, sind gute Dichtungen

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erforderlich. Wenn sich aufgrund von durch Korrosion oder Zerstörung von Dichtungen hervorgerufenen Nadellöchern (Pinholes) während der Einsatzzeit des Stapels ein Leck bildet, kann dieses das gesamte System ausser Betrieb setzen. Aufgrund der Korrosionsschutzerfordernisse und des komplizierten Leitungssystems können die Kosten des auf Basis eines dielektrischen Kühlmittels arbeitenden Wärmeübertragungs-Nebensystems beträchtliche Ausmasse annehmen.

Die vorstehend beschriebenen Methoden zeigen, dass dem Stand der Technik nur in beschränktem Ausmass zuverlässige, einfache und kostengünstige Methoden zur Wärmeregelung von Brennstoffzellen zur Verfugung stehen und dass Bedarf an einer grundsätzlich verschiedenen Lösung für das Problem der Wärmeregelung besteht. .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben von elektrochemischen Zellen und ein dafür geeignetes Zellensystem zu schaffen, welche eine wirksame und vereinfachte Wärmeregelung gestatten.

Um das vorgenannte und andere Ziele zu erreichen, wird durch die Erfindung eine Methode zur Ergänzung des Stromes des Verfahrensgases durch eine elektrochemische Zelle geschaffen, welche in einem für die Wärmeregelung durch die Eigenwärme des Verfahrensgases erforderlichen Ausmass und in einer Weise erfolgt, dass sowohl ein Elektrolytverlust als auch eine Erhöhung des Druckabfalls über die Zelle vermieden werden. Bei dieser auf der Eigenwärme des Verfahrens-bzw. Prozessgases beruhenden Methode wird erfindungsgemäss zusätzlich zu dem herkömmlichen Verfahrensgasdurchgang, welcher in Verbindung mit dem Zellelektrolyt durch eine Elektrode verläuft, ein Verfahrensgasdurchgang in der Zelle errichtet, welcher vom Z.ellelektrolyt isoliert ist und in thermischer Verbindung mit einer Hitze erzeugenden Oberfläche der Zelle steht. Solche mit dem Elektrolyt kom-

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munizierende und vom Elektrolyt isolierte Durchgänge sind über ein gemeinsames Leitungssystem an eine unter Druck stehende Verfahrensgas-Zufuhreinrichtung angeschlossen. Die Strömungsmengen in den betreffenden Durchgängen werden individuell über Durchgangs- bzw. Strömungsparameter so eingestellt, dass sowohl für die gewünschte Zellabgabe an elektrischer Energie als auch für die gewünschte Wärmeabfuhr gesorgt wird.

Die vorgenannten und andere Ziele und Merkmale der Erfindung werden durch die nachfolgende detaillierte Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen, in welchen gleiche Bezugszahlen jeweils gleiche Teile bezeichnen, näher erläutert.

Von den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemässen elektrochemischen Zelle, wie längs der Ebene I-I von Figur 2 ersichtlich;

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Brennstoffzelle von Fig. 1, welche gemeinsam mit den Hilfseinrichtungen für die Verfahrensgaszufuhr und -behandlung veranschaulicht wird;

Fig. 3 einen Querschnitt durch die Brennstoffzelle von Fig. 1, wie längs der Ebene III-III von Fig. 1 ersichtlich; und

Fig. 4 und 5 perspektivische Darstellungen von erfindungsgemässen Brennstoffzellenstapeln.

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Es folgt eine Erläuterung bevorzugter Ausführungsformen und Verfahrensweisen.

In den Figuren 1 und 3 beinhaltet die Brennstoffzelle 10 die Elektroden (Anode und Kathode) 12 und 14 vom Gasdiffusionstyp und die dazwischen befindliche Elektrolytmatrix oder -schicht 16. Die Trennplatten 18 und 20 sind in der eine einzige Zelle umfassenden Ausführungsform von Fig. 1 als unipolare Platten dargestellt, welche die Kanäle bzw. Durchgänge 18a für die Zufuhr von Verfahrensgas zur Anode und die Durchgänge 20a für die Zufuhr von Verfahrensgas zur Kathode 14 begrenzen. Aufgrund des Gasdiffusionscharakters der Elektroden 12 und 14 stellen die Durchgänge 18a und 2Öa mit dem Elektrolyt in Verbindung stehende Durchgänge dar.

Gemäss der Erfindung werden die Wärmeregelplatten 22 und auf bzw. unter den Trennplatten 18 und 20 angebracht. Die Platte 22 beinhaltet den Leitungsdurchgang 22a, welcher in derselben Richtung (d.h. quer über die Ebene von Fig.1) wie die Durchgänge 18a verläuft, und ist mit den genannten Durchgängen durch das Anoden-Gaszufuhrleitungssystem 26 und das Anoden-Gasabfuhrleitungssystem 28 gemeinschaftlich verbunden.

Die Platte 24 beinhaltet einen Leitungsdurchgang 24a, welcher in gleicher Richtung (d.h. in der Ebene von Fig.1) wie die Durchgänge 20a verläuft und mit diesen Durchgängen gemeinsam, über das Kathoden-Gaszufuhrleitungssystem 30 (Fig.2) und das Kathoden-Gasabfuhrleitungssystem 32 verbunden ist. Da die Trennplatten 18 und 20 im wesentlichen gasundurchlässig sind, stellen die Wärmeregelplatten-Durchgänge 22a und 24a vom Elektrolyt isolierte Durchgänge dar. Somit können die Verfahrensgase (d.h. das vom Leitungssystem 26 zugeführte Anodengas und das vom Leitungssystem

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30 zugeführte Kathodengas), welche sich in den Durchgängen 22a und 24a befinden, durch die Brennstoffzelle geleitet werden, um eine Wärmeregelung ohne Beitrag zum Elektrolytverlust zu bewirken. Im Gegensatz dazu ergeben die durch die Kanäle 18a und 20a geleiteten Verfahrensgase ein Abgas, welches zwangsläufig teilweise mit Elektrolytdampf gesättigt ist.

Wie erwähnt, funktionieren bestimmte elektrochemische Systeme, beispielsweise Zink/Luft-Batterien, mit einem einzigen gasförmigen Reaktanten. Bei der Anwendung der vorliegenden Erfindung auf solche Systeme kann ein einziger, vom Elektrolyt isolierter Durchgang am Einlass und Auslass mit dem einzigen, mit dem Elektrolyt in Verbindung stehenden Gasdurchgang in ein gemeinsames Leitungssystem münden. Wie nachstehend erläutert wird, können ferner mehrere Gasreaktantenzellen, z.B. Brennstoffzellen, Wärmeregelplatten für das eine oder das andere der Verfahrensgase anwenden. Gewünschtenfalls kann man auf die am Auslass erfolgende Vermischung des Verfahrensgases, welches durch die mit dem Elektrolyt in Verbindung stehenden und die vom Elektrolyt isolierten Durchgänge geleitet wurde, verzichten und dafür ausschliesslich ein gemeinsames Leitungssystem für das zugeführte Verfahrensgas bereitstellen, mit dem die genannten Durchgänge unterschiedlicher Funktion beschickt werden. Wie nachstehend näher erläutert wird, sieht es die Erfindung auch vor, vom Elektrolyt isolierte Verfahrensgasdurchgänge, welche am Einlass gemeinsam über ein Leitungssystem an eine Verfahrensgas-Zufuhreinrichtung angeschlossen sind, einzeln für mehrere Zellen innerhalb eines Brennstoffzellenstapels für eines der verschiedenen Verfahrensgase oder für beide diese Gase anzubringen.

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Wieder bezugnehmend auf Fig. 2 wird die Anoden-Gaszufuhrleitung 26 über die Beschickungsleitung 34 versorgt, welche ihrerseits von der unter Druck stehenden Anoden-Gasversorgungseinrichtung 36 beschickt wird. Das Verfahrensgas von der Versorgungseinrichtung 36 kann mit Verfahrensgas, welches zuvor durch die Brennstoffzelle geleitet wurde, vermischt (und somit durch dieses Gas ergänzt) werden. Zu diesem Zweck wird das Abgas aus der Leitung 28 durch die Leitung 38 zur äusseren Wärmeaustauscheinrichtung 40 gefördert. Von dort wird das Gas zu einem Mischventil in der Gasversorgungseinrichtung 36 geleitet. Durch Betätigen des Ventils 42 kann Gas nach Bedarf zur Ablassleitung 44 geleitet werden. Wenn Wärme von dem durch die Leitung 38 strömenden Gas vor der Rezirkulierung abgeführt werden soll, wie im typischen Fall, hat die Einrichtung 40 eine wärmevermindernde Funktion, so dass das von der Einrichtung 40 zur Gasversorgungseinrichtung 36 geleitete Gas eine geringere Temperatur als die Zellbetriebstemperatur aufweist.

Für die thermische Behandlung, Abfuhr und Rezirkulierung des Kathoden-Verfahrensgases umfassen die entsprechenden Einrichtungen die Zufuhrleitung 46, die unter Druck stehende Kathoden-Gasversorgungseinrichtung 48, die Abgasleitung 50, das Abfuhrventil 52, die Abfuhrleitung 54 und die äussere Wärmeaustäuscheinrichtung 56.

Bei der Durchführung der erfindungsgemässen Methoden wird der Verfahrensgasstrom hinsichtlich der mit dem Elektrolyt in Verbindung stehenden Durchgänge 18a und/oder 20a auf ein solches Ausmass oder solche Ausmasse eingestellt, dass die durch die elektrochemische Zelle zu erzeugende elektrische Energie erzielt wird. Selbst bei angenommener Reversibilität der in Brennstoffzellen erfolgenden elektrochemischen Reaktionen wird eine Mindestwärmemenge freigesetzt.

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Wie erwähnt, führt ferner die durch eine Aktivierung, Konzentration und ohmsche Überpotentiale bewirkte Irreversibilität in Brennstoffzellen zu einer zusätzlichen Wärmeentwicklung. In Brennstoffzellen treten typischerweise etwa 50 % der zugeführten Enthalpie als Wärme und der Rest als die genannte vorbestimmte elektrische Energie auf. Die Wärmeenergie kann etwa zu einem Fünftel als reversible Wärme und zu etwa vier Fünftel als auf Irreversibilität zurückzuführende Wärme angesehen werden.

Wenn der Verfahrensgasstrom in den Durchgängen 18a und 20a gemäss der vorbestimmten gewünschten elektrischen Energieabgabe der Zelle eingestellt worden ist, stellt man nunmehr den Verfahrensgasstrom in den vom Elektrolyt isolierten Durchgängen 22a und/oder 24a so ein, dass in der elektrochemischen Zelle ein vorbestimmter Betriebstemperaturbereich erzielt wird. Der Strom in den vom Elektrolyt isolierten Durchgängen ist wesentlich grosser als der Strom in den mit dem Elektrolyt in Verbindung stehenden Durchgängen. Es ist kein vollständiges analytisches Verfahren anwendbar, da die Geometrie der Einlass- und Auslassöffnung, die Oberflächenreibung der Leitung, die Leitungslänge und die geometrischen Dimensionen des Leitungssystems einen empirischen Test erfordern. Die gewünschten Strömungen in den jeweiligen Durchgängen können dadurch erreicht werden, dass man die Grosse und geometrischen Dimensionen der Strömungsdurchgänge variiert und/oder in einem Durchgang oder in beiden Durchgängen fixierte oder variabel einstellbare Verengungen bzw. Hindernisse anbringt.

Fig. 4 veranschaulicht eine bevorzugte Ausführungsform eines Zellenstapels 56 ohne elektrische Ausgangsverbindungen und Gehäuse bzw. Verschalungen. Die Elektrolytschichten und Gasdiffusionsanoden und -kathoden werden gemeinsam als Zellanordnungen bzw. -baueinheiten 58a-58j bezeichnet. Die obere Trennplatte 60 gehört dem unipolaren Typ an und weist

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ORIGINAL INSPECTED

mit dem Elektrolyt in Verbindung stehende Kanäle bzw. Durchgänge 60a auf (wie im Falle der Trennplatte 18 von Fig.1) und ist über der Anode der obersten Zellanordnung 58a angebracht. Die Trennplatte 62 gehört dem bipolaren Typ an und begrenzt die mit dem Elektrolyt in Verbindung stehenden Kanäle bzw. Durchgänge 62a, welche sich unterhalb der Kathode der obersten Zellanordnung 58a befinden, und die Kanäle 62b, welche oberhalb der Anode der zweiten Zellanordnung 58b verlaufen. Die bipolaren Flatten 64, 66 und trennen die Zellanordnungen 58b, 58c und 58d, wobei sich die Gasdurchgänge 68b der Platte 68 oberhalb der Anode der Zellanordnung 58e befinden. Die Trennplatte 70 gehört dem unipolaren Typ an und weist Durchgänge 70a auf,welche unterhalb der Kathode der Zellanordnung 58e verlaufen. Auf diese Weise wird ein Teil-Stapel aus fünf Brennstoffzellen geschaffen. Die Wärmeregelplatte 72 ist unterhalb dieses Teil-Stapels angeordnet, wobei ihr Leitungsdurchgang 72a in Verbindung mit der wärmeerzeugenden Oberfläche des Teil-Stapels, d.h. der unteren Oberfläche der Trennplatte 70, steht. Ein entsprechender Teil-Stapel aus fünf Brennstoffzellen, welcher die Zellanordnungen 58f-58j einschliesst, ist unterhalb der Platte 72 angeordnet. Die unipolaren Trennplatten 74 und 76 befinden sich an den Enden des Teil-Stapels, während die bipolaren Trennplatten 78, 80 und 82 in Zwischenbereichen des Teil-Stapels angebracht sind. Die Wärmeregelplatte 84 ist so angeordnet, dass ihr Leitungsdurchgang 84a in Verbindung mit der unteren Oberfläche der Trennplatte 76 steht.

Die Anoden- und Kathoden-Gaszufuhrleitungen 86 und 88 sind schematisch und getrennt vom Stapel 56 dargestellt. Aufgrund der Einbeziehung der Wärmeregelplatten 70 und 84 mit den Anoden-Gasleitungsdurchgängen 72a und 84a fördert die Leitung 86 Verfahrensgas gemeinsam zu den mit dem Elektrolyt in Verbindung stehenden Durchgängen und zu den vom Elek-

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trolyt isolierten Durchgängen (und durch diese Durchgänge hindurch). Der Strom des Kathoden-Brennstoffs aus der Leitung 88 ist in dieser Darstellung auf die mit dem Elektrolyt in Verbindung stehenden Durchgänge beschränkt. In der gezeigten Anordnung ist ein vom Elektrolyt isolierter Durchgang mit jedem Teil-Stapel aus fünf Brennstoffzellen verbunden. Wenn eine Wärmeregelplatte zwischen den Teil-Stapeln (wie im Falle der Platte 72) angeordnet ist, dient diese Platte zur Kühlung beider Teil-Stapel. Gewünschtenfalls kann man eine andere Bau- und Funktionsweise der Wärmeregelplatten für die Brennstoffzellen anwenden. Wie Fig. 4 zeigt, können Versteifungselemente 73 in die Platte 72 zur Festigung des Stapels und Erhöhung der Wärmeübertragungsoberfläche eingebaut werden. Solche Elemente sind zweckmässig elektrisch leitfähig, damit der Durchgang des elektrischen Stroms durch die Platte 72 weiter verstärkt wird.

Fig. 5 zeigt eine umgekehrte Anordnung zu jener von Fig.4, wobei der Stapel 90 mit Ausnahme der Anordnung der Wärmeregelplatten identisch mit dem Stapel 56 von Fig.4 konstruiert ist. Gemäss Fig.5 haben die Leitungsdurchgänge 92a und 94a in den Wärmeregelplatten 92 und 94 somit die Funktion, da sie das Kathodengas durch den Stapel für die Wärmeabfuhr leiten. Die Ausführungsformen der Figuren 4 und können auch miteinander kombiniert werden.

Die Wärmeregelmethode und -vorrichtungen der Erfindung haben mehrere bedeutende Vorteile. Die Wärmeübertragung wird durch Verwendung eines zusätzlichen Verfahrensgasstromes erzielt, ohne dass - wie im Falle eines flüssigen Wärmeübertragungsmediums - ein getrenntes Leitungssystem erforderlich ist. Die Gefahren einer Korrosion durch Nebenschlussströme und jeglicher schädlichen Auswirkungen von Leckstellen

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bzw. Substanzaustritten werden vollständig beseitigt. Die Zuverlässigkeit des Systems ist daher wesentlich höher als bei Verwendung flüssiger Wärmeübertragungsmedien. Die Elektrolytverluste durch Verschleppung oder Verdampfung zu den Verfahrensgasen werden auf ein Minimum herabgesetzt, da nur eine begrenzte Verfahrensgasmenge mit dem Elektrolyt in Berührung kommt. Die durch die Wärmeregelplatten strömenden Verfahrensgase kommen mit dem Elektrolyt nicht in Kontakt, so dass keine DampfVerluste aufgrund des Strömens der Wärmeübertragungsgase auftreten. Die Wärmeregelplatten können als Versteifungseleinente dienen und verleihen der Stapelanordnung somit zusätzliche Festigkeit. Wenn man während des Betriebs einige defekte Zellen ersetzen muss, kann man ferner eine Gruppe von Zeilen zwischen zwei Wärmeregelplatten leicht entfernen und neue Zellen einfügen.

Die Erfindung kann generell in jeder beliebigen elektrochemischen Zelle ausgeführt werden, welche ein Reaktantengas beinhaltet. Speziell anwendbar ist die Erfindung auf Brennstoffzellen, wie Phosphorsäure-Brennstoffzellen, in denen das auch zur Wärmeregelung verwendete Verfahrensgas das Kathodengas und/oder ein wasserstoffreiches Anodengas ist, sowie auf mit geschmolzenem Carbonat arbeitende Brennstoffzellen, in denen das auch zur Wärmeregelung verwendete Verfahrensgas ein Luft/Kohlendioxid-Kathodengasgemisch und/ oder ein wasserstoffreiches Anodengasgemisch darstellt.

Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Abänderungen der beschriebenen Arbeitsweisen und in den dargestellten Systemen möglich. Man kann beispielsweise das von der Gasversorgung 36 und/oder 48 (Fig.1) zugeführte Gas ausschliesslich mit Verfahrensgas, das durch vom Elektrolyt isolierte Durchgänge geleitet wurde, ergänzen anstatt dafür das beschriebene Gemisch von Gasen zu verwenden, welche sowohl durch mit dem Elektrolyt in Verbindung stehende als

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auch vom Elektrolyt isolierte Durchgänge geleitet wurden. Bei der praktischen Durchführung dieser Variante werden die Zellabgase nicht in einem Leitungssystem vereinigt, sondern getrennt abgeführt, wobei die Abzugsleitung des vom Elektrolyt isolierten Durchgangs mit dem beide Durchgangstypen beschickenden Einlassleitungssystem verbunden wird. Die speziell offenbarten verfahrensmässigen und aparativen Ausführungsformen dienen daher nur zur Erläuterung und sind nicht im einschränkenden Sinne aufzufassen.

Ende der Beschreibung

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Claims

PATENTANSPRUCH, E

Verfahren zum Betrieb einer elektrochemischen Zelle zum Erzeugen elektrischer Energie aus einer elektrochemischen Reaktion, wobei ein Gas von einer Gasversorgungseinrichtung einem Strömungskanal in der Zelle zugeführt wird, welcher in Verbindung mit dem Zellelektrolyt steht, dadurch gekennzeichnet, dass man

a) ein Gasströmungsausmass durch die Zelle für Gas, welches durch den mit dem Elektrolyt in Verbindung stehenden Durchgang geleitet wird, gemäss der durch die Zelle zu erzeugenden vorbestimmten elektrischen Energie einstellt,

b) einen weiteren Strömungsdurchgang für Gas von der Versorgungseinrichtung durch die Zelle hindurch errichtet, welcher vom Elektrolyt isoliert ist und in thermischerVerbindung mit einer hitzeerzeu— genden Oberfläche der Zelle steht, und

c) ein Gasströmungsausmass durch die Zelle für Gas, welches durch den vom Elektrolyt isolierten Durchgang geleitet wird, zur Erzielung eines vorbestimmten Betriebstemperaturbereichs für die Zelle einstellt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

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man durch den mit dem Elektrolyt in Verbindung stehenden Strömungsdurchgang und durch den vom Elektrolyt isolierten Strömungsdurchgang geleitetes Gas vermischt, nachdem es durch die Zelle geleitet worden ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass man mindestens einen Teil der erhaltenen Gasmischung für die weitere Gaszufuhr zu dem mit dem Elektrolyt in Verbindung stehenden Strömungsdurchgang und zu dem vom Elektrolyt isolierten Strömungsdurchgang verwendet.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass man die Gasmischung vor der genannten weiteren Zufuhr einer thermischen Änderung unterwirft.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Änderung eine Temperaturverminderung der Gasmischung beinhaltet.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man mindestens einen Teil des durch den vom Elektrolyt isolierten Strömungsdurchgang geleiteten Gases für die weitere Gaszufuhr zu dem mit dem Elektrolyt in Verbindung stehenden Strömungsdurchgang und zu dem vom Elektrolyt isolierten Strömungsdurchgang verwendet.
7. Verfahren nach Anspruch ö_f dadurch gekennzeichnet, dass man den Gasanteil vor der genannten weiteren Zufuhr einer thermischen Änderung unterwirft.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass dis thermische Änderung eine Temp era turvercrinöerung des Gasanteils beinhaltet.

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9. Elektrochemisches Zellensystem, mit dessen Hilfe elektrische Energie durch elektrochemische Reaktion mit einem Verfahrensgas erzeugt werden kann, enthaltend

a) eine elektrochemische Zelle mit einem Elektrolyt und mindestens einer Elektrode,

b) eine erste Durchgangseinrichtung in der Zelle zum Leiten eines gasförmigen Mediums zur Elektrode für die Umsetzung mit dem Elektrolyt,

c) eine zweite Durchgangseinrichtung in der Zelle zum Leiten eines gasförmigen Mediums durch die Zelle, welche Einrichtung sowohl vom Elektrolyt isoliert ist als auch in thermischer Verbindung mit einer hitzeerzeugenden Oberfläche der Zelle steht, und

d) ein sowohl mit der ersten als auch der zweiten Durchgangseinrichtung in Verbindung stehendes Zufuhrleitungssystem für die Beschickung der Durchgangseinrichtungen mit dem Verfahrensgas.
10. System nach Anspruch 9_r dadurch gekennzeichnet, dass es ausserdem ein Abfuhrleitungssystem aufweisx, welcnes. mit sowohl der ersten als auch der zweiten Durchgangseinrichtung zum Vermischen des durch diese Einrichtungen geleiteten Gases in Verbindung steht.
11. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Leitung zur Verbindung zwischen dem Abfuhrleitungssystem und dem Zufuhrleitungssystem aufweist.
12. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass es zusätzlich Einrichtungen zum Herbeiführen einer Wärmeänderung in dem durch das Abfuhrleitungssystem geleiteten Gas aufweist. .

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13. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Abfuhrleitungssystem aufweist, welches in Verbindung mit der zweiten Durchgangseinrichtung zur Aufnahme von hindurchgeleitetem Gas in Verbindung steht.
14. System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass es zusätzlich eine Leitung für die Verbindung zwischen dem Abfuhrleitungssystem und dem Zufuhrleitungssystem .aufweist.
15. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass es zusätzlich Einrichtungen zum Herbeiführen einer Wärmeänderung in dem durch das Abfuhrleitungssystem geleiteten Gas aufweist.
16. System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen zum Herbeiführen einer Wärmeänderung Wärmeabfuhreinrichtungen beinhalten.
17. System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen zum Herbeiführen einer Wärrv.eände;rur.g Wärmeabfuhreinrichtungen beinhalten.

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