DE3516758C2 - Brennstoffzelle - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE 25 02 738 B2 ist eine Brennstoffzellenbatterie be­ kannt, die aus der Stapelung von zahlreichen identischen Ein­ zelzellen besteht, wobei jede Zelle aus Stromkollektoren, Elektroden und einem Separator besteht. Durch die Zwischenräu­ me zwischen den Elektroden und Separatoren fließen Reaktions­ stoffe wie Wasserstoff und Sauerstoff. Die Elektroden und Separatoren sind dicht in Kunststoffrahmen eingefügt, über die die Reaktionsstoffe verteilt sowie zu- und abgeführt werden.

Einen ähnlichen Aufbau zeigt die US-PS 3.489.614.

In bekannten Brennstoffzellen kann die Dichtheit des Verteil­ systems für den Elektrolyten, das auf den Rahmen die Rinnen, die Verteil- und Sammelkammern und die Mikrokanäle enthält, dadurch sichergestellt werden, daß die zweite Elektrode auf diejenige Seite des Rahmens aufgelegt wird, auf der das Ver­ teilsystem angeordnet ist, und indem die Elektrode so gestaltet wird, daß sie dieses System überdeckt. Die Dichtheit ergibt sich dann bei der Montage und dem Zusammenpressen der verschie­ denen Bauteile.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß eine solche Lösung für Brenn­ stoffzellen ungeeignet ist, in denen der Elektrolyt permanent zirkuliert und parallel zwischen allen Elementen verteilt wird, da dies zu Ableitströmen und damit zu hohen Energieverlusten aufgrund des Kontakts der Elektrode mit dem den verschiedenen Elementen gemeinsamen Elektrolyten führen kann. Dieser Elektro­ lyt zirkuliert in den Kanälen, die durch Zusammenwirken der in den verschiedenen Bauteilen vorgesehenen Durchlässe in der fertig montierten Brennstoffzelle definiert sind.

Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine Brennstoff­ zelle anzugeben, bei der diese Ableitströme vermieden werden. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Brennstoffzelle gelöst. Bezüglich von Merkmalen bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung wird auf die Unteransprüche verwiesen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in Explosionsdarstellung mehrere Bauteile eines Elements der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle.

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt II aus Fig. 1 in Perspektive und vergrößertem Maßstab.

Fig. 3 zeigt eines der in Fig. 1 dargestellten Bauteile von der Rückseite.

Fig. 4 zeigt eine durch den Zusammenbau der verschiedenen Bau­ teile aus Fig. 1 entstandene Baueinheit, wobei einzelne Bau­ teile hochgebogen oder weggeschnitten sind.

Fig. 5 zeigt in vergrößertem Maßstab einen Schnitt entlang der Linie V-V durch die Baueinheit gemäß Fig. 4.

Fig. 6 zeigt in vergrößertem Maßstab einen Schnitt entlang der Linie VI-VI durch die Baueinheit gemäß Fig. 4.

Fig. 7 zeigt die Baueinheit gemäß Fig. 4 von hinten.

Fig. 8 zeigt einen bipolaren Stromkollektor.

Fig. 9 zeigt den Stromkollektor aus Fig. 8 von hinten.

Fig. 10 zeigt einen Schnitt entlang dem Linie X-X durch den Stromkollektor gemäß Fig. 8.

Fig. 11 zeigt in vergrößertem Maßstab und in Perspektive ein Detail XI aus Fig. 8.

Fig. 12 zeigt im vergrößerten Maßstab und in Perspektive ein Detail XII aus Fig. 9.

Fig. 13 zeigt in Explosionsdarstellung ein Element der erfin­ dungsgemäßen Brennstoffzelle.

Fig. 14 zeigt schematisch und in Perspektive eine erfindungs­ gemäße Brennstoffzelle.

Zwei poröse Elektroden 1 und 2 begrenzen ein Element einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle. Die Anode 1 steht über eine Seite in Kontakt mit dem Elektrolyten und über die andere Seite in Kontakt mit einem gasförmigen Brennstoff, während die Kathode 2 über eine Seite mit dem Elektrolyten und über die andere Seite mit einem gasförmigen Sauerstoffträger in Kontakt steht.

Die Elektroden können enthalten Kohlenstoff oder Graphit oder Kunststoff, beispielsweise Polytetrafluorethylen, und besitzen je einen spezifischen Katalysator.

Beispielsweise können die Elektroden eine biegsame Struktur gemäß EP 29 124 A1 aufweisen. Sie können nach Verfahren herge­ stellt sein, die beispielsweise in EP 27648 A1 und EP 28 729 A1 beschrieben sind.

Die Elektrode 2 liegt auf einem Rahmen 3 auf, der einen zen­ tralen vierseitigen Ausschnitt 4 besitzt.

Der Rahmen 3 besteht vorzugsweise aus einem isolierenden Kunst­ stoffmaterial, beispielsweise auf der Basis von Polypropylen, von Polyvinylchlorid, Acrylonitril-Butadien-Styrol, Polyethylen, Polystyrol, Polysulfonen.

Die Dicke des Rahmens liegt in der Größenordnung von 0,2 bis 5 mm, vorzugsweise von 0,5 bis 1,5 mm. Im vorliegenden Beispiel ist der zentrale Ausschnitt 4 quadratisch.

Die unteren Bereiche 5 und oberen Bereiche 6 des Rahmens 3 sind mit Durchlässen versehen, um den Brennstoff und den Elek­ trolyt durch die Brennstoffzelle leiten zu können. Im vorlie­ genden Beispiel besitzen die Brennstoffdurchlässe 7 eine läng­ liche Form. Der Durchlaß 8A dient der Elektrolytzirkulation in der Zelle und der Elektrolytzuführung zum Elektrolytabteil. Der Durchlaß 8B dient der Elektrolytabfuhr aus dem Elektrolyt­ abteil und der Elektrolytzirkulation in der Zelle.

Weitere Durchlässe 9 können beispielsweise zum Zentrieren der Bauteile während des Zusammenbaus und/oder zur Einführung von Zugbolzen verwendet werden.

Auf der Oberseite 10 des Rahmens 3 sind Mittel vorgesehen, um den Elektrolyten vom Durchlaß 8A zum Elektrolytabteil und von diesem zum Durchlaß 8B zu bringen. Zu diesen Mitteln gehören Rinnen 11, die in Hohlräume münden, welche Verteil- und Sammel­ kammern 12 für den Elektrolyten bilden und auf dem unteren Teil 5 bzw. dem oberen Teil 6 des Rahmens entlang zweier einander gegenüberliegender Seiten des zentralen Ausschnitts liegen. Diese Kammern stehen mit dem Elektrolytabteil über eine Viel­ zahl paralleler Mikrokanäle 13 in Verbindung, die von Rippen 14 begrenzt werden, wie dies klar aus Fig. 5 hervorgeht.

Die Grate der Rippen 14 liegen in Höhe der Ebene der Seite 10 des Rahmens 3.

Die Rinnen sind vorzugsweise ziemlich lang und besitzen einen geringen Querschnitt. Es ist nämlich wichtig, die Elektrolyt­ strecke zu verlängern und den Querschnitt für den Elektrolyten zwischen den Einlässen und den Auslässen einerseits und dem Elektrolytabteil andererseits zu verringern, falls der Elektro­ lyt parallel in die Elemente eingespeist werden soll. Dadurch bekommt man einen hohen Widerstand gegenüber Ableitströmen zwischen den Elementen und verringert soweit als möglich die entsprechenden Energieverluste. Im übrigen ergibt sich aufgrund des geringen Querschnitts und der großen Länge des Elektrolyt­ kanals ein definierter und gegenüber den Abteilen hoher Druck­ verlust, durch den ein sehr gleichmäßiger Durchfluß des Elek­ trolyten durch die verschiedenen Elemente der Zelle erreicht wird.

Im vorliegenden Beispiel sind die Ringen 11 U-förmig gestaltet, wobei der zentrale Bereich des U bezüglich der Ein- und Aus­ lässe 8A und 8B jenseits des zentralen Ausschnitts 4 liegt, der das Elektrolytabteil begrenzt. Diese Anordnung in Form eines U ermöglicht eine Verdopplung der Strecke für den Elektrolyten ohne nennenswerte Vergrößerung der Bauteile. Weitere Vorteile dieser Maßnahme sind, daß man auf Wunsch den Elektrolytkreis­ lauf unterbrechen kann, ohne daß das Elektrolytabteil sich entleert, und daß auf Wunsch der Elektrolyt von unten nach oben durch das Abteil fließen kann, ohne daß bei einem versehent­ lichen Einlaß von Gas das ganze Abteil entleert wird.

So kann beispielsweise die Länge jedes Zweigs des U gleich der Höhe des Elektrolytabteils sein, während die Breite der Rinne zwischen 0,5 mm und 10 mm variieren kann.

Die Dichtheit des Verteilnetzes für den Elektrolyten, bestehend aus den Rinnen 11, den Kammern 12 und den Mikrokanälen 13 auf dem Rahmen 3, wird durch einen zweiten Rahmen 55 aus isolieren­ dem Kunststoffmaterial sichergestellt, der mindestens das Ver­ teilnetz abdeckt und mit dem Rahmen 3 eine Einheit bildet. Der Rahmen 55 besitzt ähnliche Umrisse wie der Rahmen 3 und insbe­ sondere Durchlässe 67, 68A, 68B und 69 entsprechend den Durch­ lässen 7, 8A, 8B und 9 auf dem Rahmen 3. Der Rahmen 55 besitzt außerdem einen zentralen Ausschnitt 71, der dem Ausschnitt 4 des Rahmens 3 entspricht. Die Dicke des Rahmens 55 kann zwischen 0,1 und 5 mm liegen, vorzugsweise zwischen 0,3 und 0,6 mm. Er besteht vorzugsweise aus demselben Material wie der Rahmen 3.

Die Verbindung des Rahmens 55 mit dem Rahmen 3 kann durch jedes geeignete Mittel erfolgen, wie z. B. Kleben, Schweißen usw. Die Rinnen 11 und die Verteil- und Sammelkammern für den Elektro­ lyten 12 besitzen Stützsäulen oder Rippen, die von ihrem Grund bis in Höhe der Oberseite des Rahmens 3 aufragen und insbesondere dazu bestimmt sind, den Abstand zwischen dem Rahmen 55 und dem Grund dieser Kanäle und damit die Strömung der Fluide aufrecht­ zuerhalten. So verläuft eine Rippe 16 über die ganze Länge der Rinne 11, und zahlreiche Rippen 17 sind in den Kammern 12 parallel zueinander so angeordnet, daß sie die Zirkulation des Elektro­ lyten nicht beeinträchtigen.

Die Grate der Rippen 16 und 17 liegen in der Ebene der Ober­ seite 10 des Rahmens 3.

Die Verwendung von Rippen anstelle von Stützsäulen verringert die Gefahr einer Perforation des dünnen Films.

Die Anode 1 liegt auf dem Rahmen 55 auf.

Das Elektrolytabteil 64 wird durch die beiden Elektroden 1 und 2 sowie durch die Rahmen 3 und 55 begrenzt. Im Inneren dieses Abteils kann man einen Separator vorsehen, der bei­ spielsweise aus einer porösen Folie mit Waffelstruktur be­ steht.

Auf der der Seite 10 gegenüberliegenden Seite 72 besitzt der Teil des Rahmens 3, der den zentralen Ausschnitt 4 umgrenzt und auf dem die Kathode 2 aufliegt, einen Absatz 60 derart, daß die Kathode 2 nicht über die Oberseite des Rahmens 3 nach deren Auflegen auf den Rahmen 3 im Bereich dieses Absatzes 60 vorsteht.

Dagegen gibt es keinen Absatz auf der Seite 10 des Rahmens 3, die keine Elektrode trägt, sondern auf die der Rahmen 55 auf­ gesetzt ist.

Diese Struktur ist besonders gut aus Fig. 2 zu erkennen, wo man außerdem sieht, daß die Rippen 14, die die Mikrokanäle 13 begrenzen, bis in die Ebene der Oberseite des Rahmens 3 auf­ ragen. Gleiches gilt für die Rippen 16 und 17.

Fig. 3 zeigt diejenige Seite 57 des Rahmens 55, die der in Fig. 1 sichtbaren Seite 56 gegenüberliegt. Die Seite 57, die auf der das Verteilnetz für den Elektrolyten aufweisenden Seite des Rahmens 3 aufliegt, ist eben und besitzt keine ab­ gesetzten Bereiche.

Dagegen besitzt die andere Seite 56 des Rahmens 55, auf der die Anode 1 aufliegt, um den zentralen Ausschnitt herum einen Absatz 70, derart, daß die Anode 1 nicht über die Oberseite des Rahmens 55 nach deren Auflegen auf diesen Rahmen 55 vor­ steht.

Die Fig. 4 bis 7 betreffen eine Baueinheit 40, die aus dem Zusammenbau der verschiedenen Bauteile gemäß Fig. 1 ge­ bildet wird, nämlich den Elektroden 1 und 2 und den Rahmen 3 und 55. Fig. 4 zeigt die Seite der Baueinheit 40, die mit Brennstoff versorgt wird, während Fig. 7 die Seite zeigt, die mit dem Sauerstoffträger versorgt wird.

In Fig. 7 ist zu erkennen, daß der untere Bereich und der obere Bereich des Rahmens 3 zwischen den Durchlässen 7 Aus­ höhlungen 22 aufweist, durch die in Kombination mit den ent­ sprechenden Aushöhlungen oder Rinnen, die auf den Stromkollek­ toren vorgesehen sind, die Eingangs- und Ausgangsquerschnitte für den Sauerstoffträger vergrößert werden können. Diese Aus­ höhlungen 22 sind auch aus den Fig. 1 und 2 zu ersehen. Im Inneren dieser Aushöhlungen 22 kann man Längsrippen 61 vor­ sehen, die senkrechte Kanäle begrenzen, wie in Fig. 7 darge­ stellt.

Die Fig. 8 bis 12 betreffen die Stromkollektoren. Es handelt sich um nicht-permeable bipolare Stromkollektoren mit mindestens einer zentralen leitenden Zone, in der Riefen auf jeder Kollek­ torseite vorgesehen sind. Die unteren Bereiche und die oberen Bereiche dieser Kollektoren zu beiden Seiten der zentralen lei­ tenden Zone sind mit Durchlässen für die Zirkulation des Elek­ trolyten und des Brennstoffs durch die Zelle versehen.

Die Stromkollektoren 23 weisen eine zentrale leitende Zone 24 auf, deren Form der der Elektroden 1 und 2 entspricht. Diese zentrale Zone ist von einer isolierenden Zone 25 umgeben. Der obere Bereich 26 und der untere Bereich 27 der isolierenden Zone 25 sind mit Durchlässen 28, 29A, 29B und 30 versehen, die den Durchlässen 7, 8A, 8B und 9 entsprechen.

Auf jeder Oberseite 31 oder 32 des Kollektors ist die zentrale leitende Zone 24 mit Riefen versehen, die Kanäle einer im Mittel senkrechten Richtung für die Zirkulation der Gasströmungen definieren. Die Riefen 33 verlaufen senkrecht. Sie definieren Kanäle 34, die ebenfalls senkrecht verlaufen. Das Netz von Riefen und Kanälen kann durch Verwendung eines gewellten Trä­ gers erhalten werden, wie er in Fig. 12 gezeigt ist, aber es ist auch möglich einen zentralen ebenen Kern zu verwenden, der zu beiden Seiten mit reliefartigen Vorsprüngen versehen ist. Die Dicke des Trägers kann zwischen 50 µm und 3 mm liegen, vor­ zugsweise zwischen 0,1 und 0,5 mm.

Es ist auch möglich, anstelle der senkrechten Riefen auch pfeil­ förmige Riefen oder Riefen einer anderen Form vorzusehen. Der Abstand und die Tiefe der Riefen d. h. also der Kanäle, kann zwischen 0,2 und 5 mm, vorzugsweise zwischen 0,5 und 1,5 mm gewählt werden.

Die Oberseite 31 des Kollektors wird mit dem Sauerstoffträger, beispielsweise Luft oder Sauerstoff, versorgt, während die Seite 32 mit Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, versorgt wird.

Die oberen Bereiche 26 und unteren Bereich 27 der kathodischen Seite 31 des Kollektors sind mit Rinnen oder Hohlräumen 35 versehen, die nach außen führen und die Versorgung der katho­ dischen Seite des Kollektors mit dem Sauerstoffträger sowie die Abfuhr dieses Sauerstoffträgers gemäß einer praktisch geradlinigen Strecke ermöglichen, so daß Druckverluste aufgrund von Richtungsänderungen vermieden werden. Solche Druckverluste könnten insbesondere stören, wenn als Sauerstoffträger atmosphä­ rische Luft verwendet wird, da der benötigte Durchsatz sehr hoch ist.

Die oberen Bereiche und unteren Bereiche der Seite 32 des Kollek­ tors sind mit Rinnen oder Hohlräumen 36 versehen, durch die die anodische Seite des Kollektors ausgehend von Zufuhr-Durch­ lässen 28 mit Brennstoff versorgt werden kann und durch die der Brennstoff abgeführt wird.

In diesen Rinnen und Hohlräumen 35 und 36 sind Strömungsver­ teilungsmittel vorgesehen, die aus länglichen Rippen bestehen. Diese Rippen bilden Verteilungskanäle, wobei die Oberseite dieser Rippen bis in die die Rippen und Hohlräume tragende Ober­ seite des Kollektors reichen. Mit diesen Mitteln kann der Ab­ stand zwischen dem Grund des Kollektors, von dem die- Rippen aufragen, und den benachbarten Bauteilen der Zelle gewahrt werden. Die so gebildeten Kanäle verlaufen im wesentlichen senkrecht.

Da die von den Riefen in den leitenden Bereichen des Kollek­ tors definierten Kanäle ebenfalls im Mittel senkrecht verlaufen, behalten der Sauerstoffträger und der Brennstoff im wesentlichen dieselbe senkrechte Richtung über die ganze Länge der Seiten des Kollektors 2.

Aus Fig. 12 ist zu ersehen, daß die Brennstoffeinlässe 28 eine längliche Form aufweisen; die Rinnen oder Hohlräume 36, die den Brennstoff weiterleiten, münden in der Nähe derjenigen Be­ reiche der länglichen Durchlässe, die der zentralen leitenden Zone 24 des Kollektors 23 benachbart sind. Die Brennstoffver­ teilungsrippen definieren ein Netzwerk, das sich von den Durchlässen 28 bis zum leitenden Teil 24 des Kollektors aus­ weitet. Rippen 37 in der Nähe der Durchlässe 28 definieren Kanäle, die ihrerseits eine größere Zahl von Zwischenkanälen versorgen. Diese Zwischenkanäle werden durch längere Rippen 38 definiert und führen in die Nähe der Kanäle des leitenden Bereichs 24 des Kollektors, wobei ein Zwischenkanal mindestens einen Kanal 34 des leitenden Bereichs 24 des Kollektors ver­ sorgt.

Die Verlängerung der Verteilkanäle für den Brennstoff ermög­ licht das Übereinanderstapeln von vielen Elementen, wobei die Druckverluste des Gases in den Zirkulationskanälen gering bleibt, die allen Elementen gemeinsam sind. Außerdem ermöglicht dies eine bessere Abführung von störenden Flüssigkeiten zum unteren Bereich der unteren länglichen Kanäle, ohne den Gas­ fluß im übrigen zu beeinträchtigen.

Wie in Fig. 11 zu sehen, sind die Verteilrippen 39 für die Sauerstoffträgerströmung länglich und definieren Verteil­ kanäle, die im wesentlichen senkrecht in der Figur verlaufen und sich in der Nähe des leitenden Bereichs des Kollektors er­ weitern. Die Strömungsstrecke des Sauerstoffträgers entlang der kathodischen Seite des Kollektors ist praktisch geradlinig, d. h. ohne deutliche Richtungsänderung und ohne Schikanen. Zwischen den Enden der Rippen 39 in der Nähe des leitenden Bereichs 24 kann man Stützsäulen 62 vorsehen. Da im übrigen die Verteilkanäle über die ganze waagerechte Seite des leiten­ den Bereichs des Kollektors einmünden, ergibt sich eine vor­ zügliche Verteilung des Sauerstoffträgers über die kathodische Oberseite. Aus gleichen Gründen gilt dieselbe Bemerkung für den Brennstoff auf der anodischen Seite.

Vorzugsweise überlagern sich die Enden der Rippen 38 in der Nähe des leitenden Bereichs 24 mit den Enden der Rippen 39 und den Stützsäulen 62, so daß diese Kollektorzonen während der Montage und dem Zusammenpressen der verschiedenen Bauteile der Zelle mechanisch stabilisiert werden.

Die beiden Rahmen 3 und 55, sowie die isolierenden Teile der Stromkollektoren bestehen vorzugsweise aus demselben isolie­ renden Kunststoffmaterial, wodurch die gegenseitige Befestigung dieser Bauteile verbessert wird.

Diese Bauteile können auf der Basis von Polypropylen, Poly­ ethylen, Polyvinylchlorid, Acrylonitril-Butadien-Styrol, Poly­ sulfonen, Polystyrol usw. hergestellt sein.

Diese Materialien können in geeigneter Form mit Partikeln befrachtet sein, beispielsweise mit einem inerten Material wie Talk, um die mechanischen und thermischen Eigenschaften in gewünschter Weise zu ändern und insbesondere um einen Wärmeausdehnungs­ koeffizienten zu erreichen, der möglichst dem der zentralen leitenden Zone der Kollektoren angenähert ist. Beispielsweise können diese Teile aus Polypropylen bestehen, das mit 5 bis 90% Talk, vorzugsweise 35 bis 45% Talk, befrachtet ist.

Der zentrale leitende Bereich der Stromkollektoren kann vorzugs­ weise auf der Basis desselben Kunststoffmaterials wie das des Rahmens 3 hergestellt sein, wobei jedoch eine leitende Befrach­ tung, beispielsweise mit einem Metallpulver, einem Graphit­ pulver, Ruß oder Acetylenruß, Kohlenstoffasern, Graphitfasern oder eine Mischung dieser verschiedenen Stoffe vorgesehen ist. So kann dieser leitende Bereich etwa aus Polypropylen bestehen, das mit 10 bis 90% Kohlenstoffruß, vorzugsweise 30 bis 50% Kohlenstoffruß, befrachtet ist.

Der Rahmen und die Kollektoren können durch Thermokompression oder Druckguß hergestellt sein. Dieses letztere Verfahren ist besonders vorteilhaft für die Herstellung der Stromkollektoren, da man gleichzeitig in flüssiger Form die einerseits die lei­ tende zentrale Zone und andererseits die isolierende Randzone bildenden Grundstoffe in die Gießform einbringt. Dadurch lassen sich die beiden Materialien gut verschweißen und Diskontinui­ täten zwischen den beiden Zonen vermeiden. Im übrigen ist dies ein besonders wirtschaftliches Verfahren.

Fig. 13 zeigt in Explosionsdarstellung ein Element der Zelle gemäß der Erfindung.

Die Bauteile gemäß Fig. 7 bilden eine Baugruppe 40, die den Rahmen 3, der die Elektroden 2 trägt, und den Rahmen 55, der die Elektrode 1 trägt, umfaßt. Zu beiden Seiten dieser Bau­ gruppe wird je ein Stromkollektor wie oben beschrieben ange­ bracht. Ein erster Kollektor 23′ steht mit den erhabenen Be­ reichen seiner kathodischen Oberfläche in elektrischem Kontakt mit der äußeren Oberfläche der (nicht sichtbaren) Kathode und mit seiner anodischen Seite in elektrischem Kontakt mit der äußeren Oberfläche der Anode eines (nicht dargestellten) benachbarten Elements. Ein zwei­ ter Kollektor 23′′ steht mit den erhabenen Bereichen seiner anodischen Seite (nicht sichtbar) in elektrischem Kontakt mit der äußeren Oberfläche der Anode 1 und mit seiner kathodischen Oberseite 31′′ in elektrischem Kontakt mit der Kathode des ande­ ren benachbarten Elements (nicht dargestellt).

Ein gasförmiger Sauerstoffträger, z. B. Luft, strömt zwischen der Kathode der Baugruppe 40 und der kathodischen Oberseite 31′ des Kollektors 23′ in den durch die im zentralen leitenden Bereich 24′ des Kollektors 23′ vorhandenen Riefen definierten Kanäle.

Ein gasförmiger Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, zir­ kuliert zwischen der Anode 1 und der anodischen Seite des Kollektors 23′′ in den Kanälen, die durch die im zentralen lei­ tenden Bereich des Kollektors 23′′ vorgesehenen Riefen definiert sind.

Die Elektroden sind elektrisch mit den Stromkollektoren in Höhe der erhabenen Bereiche der Riefen ihrer zentralen leitenden Zonen durch ein geeignetes Mittel verbunden, beispielsweise durch Druck, Verschweißen, Verkleben usw.

Es kann jedoch vorteilhaft sein, einen Randbereich der Elek­ troden in Form einer Krone unverbunden zu erhalten, so daß unterschiedliche Ausdehnungen ohne Bruch oder Riß der Elektroden während der Montage und während des Betriebs möglich bleiben.

Fig. 14 zeigt eine Brennstoffzelle 50 gemäß der Erfindung, die sich durch Zusammenfügen einer Vielzahl von Elementen gemäß Fig. 16 ergibt. Man erkennt Endplatten 51 und 52 sowie Endklemmen 53 und 54, die je mit einem äußersten Stromkollek­ tor am Stapelende verbunden sind. Gemäß einer Ausführungsform kann sich dieser Endkollektor von den beschriebenen bipolaren Kollektoren im Inneren des Stapels dadurch unterscheiden, daß er auf seiner Außenseite ein metallisches Element geringer Dicke und einer Oberfläche besitzt, die mindestens gleich der der aktiven Zone des Kollektors ist. Dieses metallische Element liegt vorzugsweise in Form einer Folie, eines Gitters, eines Metallplättchens oder eines Metallniederschlags vor, das auf diese Seite aufgebracht ist oder Bestandteil des Kollektors ist. Dieses metallische Element kann auch eine seitliche Verlänge­ rung besitzen, an die die Klemme angeschlossen ist. Man erkennt auch Öffnungen 56 und 57 für die Zufuhr und Abfuhr des Elek­ trolyten sowie Öffnungen 58 und 59 für die Zufuhr und Abfuhr des gasförmigen Brennstoffs.

Die Öffnungen, durch die der Sauerstoffträger in die Zelle ein­ tritt, werden durch die Kombination der Aussparungen oder Hohl­ räume 35 und 22 gebildet, die einerseits auf den Stromkollek­ toren 23 und andererseits auf den diesen gegenüberliegenden Oberflächen der Rahmen 3, auf denen die Elektroden 2 aufliegen, gebildet werden.

Die Rippen 61, die in den Aushöhlungen 22 vorgesehen sind, entsprechen den Rippen 39, die in den Hohlräumen 35 vorgesehen sind, und das Zusammenwirken dieser Rippen, die sich aufeinander abstützen, sichert die Erhaltung des Öffnungsquerschnitts des durch die Hohlräume 35 und 22 gebildeten Kanals.

Claims (8)

1. Brennstoffzelle, die aus zahlreichen miteinander in elektrischem Kontakt stehenden Elementen besteht, die je enthalten

• - zwei poröse Elektroden von vorzugsweise ebener Form und mit zueinander parallelen Oberflächen, und zwar eine Kathode und eine Anode, mit je einem spezifischen Katalysator,
• - einen den Raum zwischen den Elektroden füllenden Elektro­ lyten,
• - zwei nicht-permeable, bipolare Stromkollektoren, die mindestens eine leitende zentrale Zone mit Riefen auf beiden Seiten auf­ weisen, wobei ein erster Kollektor mit den erhabenen Bereichen seiner kathodischen Oberseite in elektrischem Kontakt mit der Außenseite der Kathode und mit seiner anodischen Oberseite in elektrischem Kontakt mit der Außenseite der Anode eines be­ nachbarten Elements steht, während ein zweiter Kollektor mit den erhabenen Bereichen seiner anodischen Oberseite in elek­ trischem Kontakt mit der Außenseite der Anode und mit seiner kathodischen Oberseite in elektrischem Kontakt mit der Kathode des anderen benachbarten Elements steht, wobei ein gasförmiger Sauerstoffträger zwischen der Kathode und der kathodischen Oberseite des ersten Kollektors zirkuliert, während ein gas­ förmiger Brennstoff zwischen der Anode und der anodischen Ober­ seite des zweiten Kollektors zirkuliert, wobei die unten lie­ genden und die oben liegenden Bereiche der Kollektoren jenseits der zentralen leitenden Zone mit Durchlässen für die Zirkula­ tion des Elektrolyten und des Brennstoffs durch die Zelle ver­ sehen sind, wobei eine erste Elektrode auf einem mit einem vierseitigen zentralen Ausschnitt versehenen Rahmen, vorzugs­ weise aus einem isolierenden Kunststoff, angeordnet ist, wo­ bei die unteren und oberen Bereiche des Rahmens Durchlässe für den Brennstoff und den Elektrolyten in Flucht zu den Durch­ lässen in den Kollektoren aufweisen und wobei auf einer Seite des Rahmens Mittel vorgesehen sind, um den Elektrolyten von einem der Durchlässe, Einlaß genannt, in ein zwischen den bei­ den Elektroden liegendes Elektrolytabteil und von diesem Abteil zu einem anderen Durchlaß, Auslaß genannt, zu bringen, wobei diese Mittel Rinnen aufweisen, die in Hohlbereiche münden, die Verteil- und Sammelkammern für den Elektrolyten bilden und im oberen oder unteren Bereich des Rahmens entlang von zwei ent­ gegengesetzten Seiten des zentralen Ausschnitts liegen, sowie mit dem Elektrolytabteil über eine Vielzahl von parallelen, durch Rippen abgegrenzten Mikrokanälen in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Rahmen (55), vorzugsweise aus einem isolierenden Kunststoffmaterial und mit denselben Umrissen wie der erste Rahmen (3), auf dem die erste Elektrode (2) aufliegt, und mit Durchlässen für den Brennstoff und den Elektrolyten (67, 68A, 68B), die denen (7, 8A, 8B) des ersten Rahmens (3) entsprechen, mit einer ebenen Fläche (57) auf diejenige Oberseite (10) des ersten Rahmens (3) aufgelegt ist, die die Rinnen (11) und Verteil- und Sammel­ kammern für den Elektrolyten aufweist, und daß dieser zweite Rahmen (55) mit dem ersten Rahmen (3) derart fest verbunden ist, daß er das Verteilnetz für den Elektrolyten abdichtet, wobei die zweite Elektrode (1) auf der anderen Oberseite (56) des zweiten Rahmens (55) aufliegt und das Elektrolytabteil (64) durch die Elektroden (1, 2) und die zentralen Ausschnitte der beiden Rahmen (3, 55) definiert ist.

2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diejenige Oberseite (56) des zweiten Rahmens (55), auf der die zweite Elektrode (1) aufliegt, in der Nähe des zentralen Ausschnitts (71) einen abgesetzten Bereich (70) einer Höhe auf­ weist, die im wesentlichen der Dicke der zweiten Elektrode (1) entspricht, so daß letztere nach ihrem Einlegen in den zweiten Rahmen (55) über die Oberseite (56) des zweiten Rahmens (55) nicht vorsteht, und daß die Oberseite (72) des ersten Rahmens (3), auf die die erste Elektrode (2) aufgelegt ist, ebenfalls in der Nähe des zentralen Ausschnitts (4) einen zurückgesetzten Bereich (4) einer Höhe aufweist, die im wesentlichen der Dicke der ersten Elektrode (2) entspricht, derart, daß diese letztere nach ihrem Auflegen auf den ersten Rahmen (3) über die Ober­ seite des ersten Rahmens (3) nicht vorsteht.

3. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rinnen (11) auf dem ersten Rahmen (3), die die Einlässe und Auslässe für den Elektrolyten (8A, 8B) mit den Verteil- und Sammelkammern (12) verbinden, U-förmig ausge­ bildet sind, wobei der zentrale Bereich des U bezüglich der Ein- und Auslässe jenseits des zentralen Ausschnitts (4) liegt, der das Elektrolytabteil begrenzt.

4. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Grund der Rinnen (11) und Verteil- und Sammelkammern (12) Mittel (16, 17) in Form von Stützsäulen oder Rippen, die bis in die Ebene der Oberseite (10) des ersten Rahmens (3) vorragen und dazu bestimmt sind, den Ab­ stand zwischen dem zweiten Rahmen (55) und dem Grund dieser Rinnen und Kammern aufrechtzuerhalten, aufweist.

5. Brennstoffzelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Rippe (16) in den Rinnen (11) vorgesehen ist, die sich über deren ganze Länge erstreckt.

6. Brennstoffzelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteil- und Sammelkammern (12) eine Vielzahl von Rippen (17) aufweisen, die parallel zueinander verlaufen und die Ver­ teilung des Elektrolyten auf die Mikrokanäle nicht beeinträch­ tigen.

7. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromkollektoren (23) Hohlräume (35, 36) aufweisen, die dazu bestimmt sind, den Sauerstoffträger und den Brennstoff durchzulassen, und daß Rippen (39, 38) in diesen Hohlräumen (35) vorhanden sind, die die im wesentlichen senkrechten Kanäle begrenzen, welche die durch die Riefen de­ finierten Kanäle (34) versorgen.

8. Brennstoffzelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektoren (23) zwischen den den leitenden Bereichen (24) benachbarten Enden der Rippen (39) Stützsäulen (62) auf­ weisen, und daß die den leitenden Bereichen, (24) nahen Enden der Rippen (38) sich auf jedem Kollektor über die Enden der Rippen (39) und über die Stützsäulen (62) legen.