DE3516765C2 - Brennstoffzelle - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle gemäß 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 ergibt sich die Dichtheit des Verteilsystems für den Elektrolyten mit seinen Rillen in den Rahmen, seinen Verteil- und Sammelkammern und seinen Mikro­ kanälen, indem der Elektrode, die auf der Oberseite des dieses Verteilsystem bildenden Rahmens aufliegt, solche Abmessungen verliehen werden, daß das System damit überdeckt wird, so daß die Dichtheit sich bei der Montage und dem Zusammenpressen der verschiedenen Bauteile ergibt.

Eine solche Lösung reicht jedoch nicht für Brennstoffzellen aus, in denen der Elektrolyt dauernd zirkuliert und parallel zwischen allen Elementen verteilt wird, da sich dadurch Ableit­ ströme, d. h. hohe Energieverluste aufgrund des Kontakts der Elektrode mit dem gemeinsamen Elektrolyten der verschiedenen Elemente ergeben, wobei der Elektrolyt in den Kanälen zirku­ liert, die durch alle Durchlässe in den verschiedenen Bauteilen der vollständigen Brennstoffzelle definiert sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle anzugeben, bei der die Ableitströme über den die Zellen durchströmenden Elektrolyten vermieden werden. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 definierte Brennstoffzelle gelöst.

Bezüglich von Merkmalen bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung wird auf die Unteransprüche verwiesen.

Die Erfindung wird nun anhand einiger Ausführungsbeispiele mit Hilfe der Zeichnungen näher erläutert.

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

Fig. 2 zeigt in Perspektive und in größerem Maßstab ein Detail II aus Fig. 1.

Fig. 3 zeigt die Gesamtheit der Bauteile aus. Fig. 1 im zusammen­ gebauten Zustand, wobei einzelne Bauteile an einer Ecke aufge­ faltet sind.

Fig. 4 zeigt in vergrößertem Maßstab einen Schnitt durch die Anordnung in Fig. 3 gemäß IV-IV.

Fig. 5 zeigt einen Schnitt entlang V-V aus Fig. 3.

Fig. 6 zeigt eine Variante zu Fig. 1.

Fig. 7 zeigt in Perspektive ein Detail VII aus Fig. 6.

Fig. 8 zeigt die verschiedenen Bauteile aus Fig. 6 im zusammen­ gebauten Zustand, wobei zwei Ecken einzelner Bauteile aufge­ faltet sind.

Fig. 9 zeigt in vergrößertem Maßstab einen Schnitt entlang IX-IX aus Fig. 8.

Fig. 10 zeigt in vergrößertem Maßstab einen Schnitt entlang X-X in Fig. 8.

Fig. 11 zeigt die Anordnung aus Fig. 8 von der Rückseite.

Fig. 12 zeigt einen bipolaren Stromkollektor von einer Seite.

Fig. 13 zeigt den Stromkollektor aus Fig. 12 von der Rückseite.

Fig. 14 zeigt in vergrößertem Maßstab ein Detail XIV aus Fig. 12.

Fig. 15 zeigt in Perspektive und in vergrößertem Maßstab das Detail XV aus Fig. 12.

Fig. 16 zeigt in Perspektive und vergrößertem Maßstab das Detail XVI aus Fig. 13.

Fig. 17 zeigt in Explosionsdarstellung ein Element der erfin­ dungsgemäßen Brennstoffzelle.

Fig. 18 zeigt schematisch eine vollständige Brennstoffzelle gemäß der Erfindung.

Die Fig. 1 bis 5 zeigen eine erste Ausführungsform der Erfindung. Zwei poröse Elektroden 1 und 2 begrenzen ein Ele­ ment 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 27 648 A1 und EP 28 729 A1 beschrieben sind.

Die beiden Elektroden liegen je von einer Seite an einem Rahmen 3 an, der einen zentralen vierseitigen Ausschnitt 4 besitzt, so daß die Elektroden mit dem Rahmen 3 ein Elektrolytabteil begrenzen.

Vorzugsweise besteht der Rahmen aus einem isolierenden Kunst­ stoff, beispielsweise auf der Basis von Polypropylen, von Polyvinylchlorid, Acrylonitril-Butadien-Styrol, Polyethylen, Polystyrol.

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. 2 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 Rinnen 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 Elektrolytverteilungsnetzes, bestehend aus den Rinnen 11, den Kammern 12 und den Mikrokanälen 13, wird einerseits durch einen dünnen Film 15 aus einem isolierenden Kunststoffmaterial sichergestellt, der mindestens dieses Ver­ teilnetz überdeckt und auf dem Rahmen 3 befestigt ist, und andererseits durch die Elektrode 1, die auf dem dünnen Film 15 sitzt und dicht mit diesem in Höhe der so gebildeten Über­ deckungszone verbunden ist.

Der Film 15 hat einen ähnlichen Umriß wie der Rahmen 3 und besitzt insbesondere Durchlässe 47, 48A, 48B und 49 entspre­ chend den Durchlässen 7, 8A, 8B und 9 im Rahmen 3. Auch ein zentraler Ausschnitt 61 entsprechend dem zentralen Ausschnitt 4 des Rahmens 3 ist vorgesehen.

Der dünne Film kann beispielsweise aus Polypropylen, aus Poly­ vinylchlorid, aus Acrylonitril-Butadien-Styrol, aus Polyethylen oder Polystyrol bestehen; seine Dicke kann in der Größenordnung von 20 bis 600 µm, vorzugsweise von 20 bis 60 µm liegen. Die Befestigung zwischen dem Film 15, der Elektrode 1 und dem Rahmen 3 kann durch jedes geeignete Mittel erfolgen, z. B. Kleben, Löten usw.

Um sicherzustellen, daß der Rahmen 3 während des Zusammenbaus der Zelle mit den Kollektoren zu beiden Seiten in Kontakt steht, besitzen der Rahmen 3 und/oder die Kollektoren abgesetzte Zonen, in denen die Elektroden liegen, wobei die Tiefe dieser abge­ setzten Zonen mindestens gleich der Dicke der Elektroden ist.

Der Rahmen 3 gemäß den Fig. 1 bis 5 besitzt keine derartigen abgesetzten Zonen, diese sind vielmehr auf den Stromkollektoren vorgesehen, die zu beiden Seiten des Rahmens liegen.

Der Grund der Rinnen 11 und der Verteil- und Sammelkammern 12 für den Elektrolyten besitzt Mittel wie Säulen oder Rippen, die bis in die Höhe der Oberfläche des Rahmens hochstehen und den Abstand zwischen dem dünnen Kunststoffilm 15 und dem Grund der Rinnen sowie die Zufuhr der Fluide gewährleisten sollen. So ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Rippe 16 vor­ gesehen, die durch die Rinne 11 über deren ganze Länge ver­ läuft. Die Kammern 12 sind mit einer Vielzahl von Rippen 17 versehen, die parallel zueinander liegen und die Zirkulation des Elektrolyten nicht beeinträchtigen. Die Oberkanten dieser Rippen 16 und 17 liegen in der Ebene der Oberseite 10 des Rahmens 3.

Die Verwendung von Rippen anstatt Säulen verringert die Gefahr einer Perforation des dünnen Films.

Im Inneren des Elektrolytabteils kann man eine poröse Waffel 18 anordnen, die als Separator wirkt.

Die Fig. 3, 4 und 5 zeigen eine Baugruppe 40, die aus den verschiedenen in Fig. 1 gezeigten Bauteilen, nämlich den Elek­ troden 1 und 2, dem Rahmen 3 und dem Film 15, zusammengesetzt ist.

In den Fig. 6 bis 10 ist eine Variante dargestellt, bei der der Rand des zentralen Ausschnitts 4 des Rahmens 3 einen Absatz auf beiden Rahmenseiten aufweist, in den die Elektroden 1 und 2 so eingesetzt sind, daß sie nicht mehr über die Oberfläche des Rahmens 3 vorstehen, so daß der dünne Film 15 ohne Gefahr der Beschädigung auf den abgesetzten Bereichen aufliegt und an der Elektrode 1 in Höhe dieser Bereiche befestigt ist.

Diese Struktur sieht man insbesondere gut in den Fig. 7, 9 und 10, in denen die abgesetzten Bereiche des Rahmens 3 das Bezugszeichen 19 tragen. In Höhe dieser abgesetzten Bereiche besitzen die Rippen 14, die die Mikrokanäle 13 begrenzen, einen Bereich 20, der nur bis in die Höhe des abgesetzten Be­ reichs 19, in den die Elektrode 1 eingreift, vorsteht. In der Verlängerung in Richtung auf die Kammern 12 besitzen diese Rippen 14 einen Bereich 21, der bis in die Höhe der Oberseite 10 des Rahmens 3 vorsteht.

Fig. 8 zeigt die Seite der Baugruppe 40, von der aus der Brenn­ stoff zugeführt wird, während Fig. 11 die Seite zeigt, von der der Sauerstoffträger zugeführt wird. Aus Fig. 11 ist zu ent­ nehmen, daß die unteren Bereiche 5 und oberen Bereiche 6 des Rahmens 3 zwischen den Durchlässen 7 Hohlräume 22 besitzen, die in Verbindung mit entsprechenden Hohlräumen oder Rinnen auf den Stromkollektoren den Eingangsquerschnitt bzw. den Aus­ gangsquerschnitt für den Sauerstoffträger des Elements ver­ größern. Diese Hohlräume 22 sind auch aus den vorhergehenden Figuren zu ersehen.

Die Fig. 12 bis 16 betreffen eine Ausführungsform der Strom­ kollektoren, die besonders geeignet ist in Verbindung mit den in den Fig. 6 bis 11 gezeigten Rahmen. Es handelt sich um nicht-permeable bipolare Stromkollektoren mit mindestens einer zentralen leitenden Zone, in der Rinnen auf jeder Kollektor­ seite 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 der Fig. 6 entspricht. Diese zentrale Zone ist von einer isolierenden Zone 25 umgeben. Der obere Bereich 26 und der untere Bereich 27 der isolieren­ den Zone 25 sind mit Durchlässen 28, 29A, 29B und 30 versehen, die den Durchlässen 7, 8A, 8B, 9 entsprechen.

Auf jeder Oberseite 31 oder 32 des Kollektors ist die zentrale leitende Zone 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 Bereiche 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. 16 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. Die Verteilrippen 39 für die Sauerstoffträgerströmung sind länglich und definieren Ver­ teilkanäle, 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.

Der Rahmen 3 sowie die isolierenden Teile des Stromkollektors bestehen vorzugsweise aus demselben isolierenden Kunststoff­ material, wodurch die gegenseitige Befestigung dieser Bauteile verbessert wird. Diese Bauteile können auf der Basis von Poly­ propylen, Polyethylen, Polystyrol, Polyvinylchlorid, Acrylo­ nitril-Butadien-Styrol, Polysulfon 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. 17 zeigt in Explosionsdarstellung ein Element der Zelle gemäß der Erfindung.

Die Bauteile gemäß Fig. 8 bilden eine Baugruppe 40, die den Rahmen 3, die Elektroden 1 und 2 sowie den Kunststoffilm 15 umfaßt. Zu beiden Seiten dieser Baugruppe wird je ein Strom­ kollektor wie oben beschrieben angebracht. Ein erster Kollektor 23′ steht mit den erhabenen Bereichen seiner kathodischen Ober­ seite 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 des Kollektors 23′ in den durch die im zentralen leitenden Be­ reich des Kollektors 23′ vorhandenen Riefen definierten Kanälen.

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. 18 zeigt eine Brennstoffzelle 50 gemäß der Erfindung, die sich durch Zusammenfügen einer Vielzahl von Elementen gemäß Fig. 17 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 55 und 56 für die Zufuhr und Abfuhr des Elek­ trolyten sowie Öffnungen 57 und 58 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.

Claims (7)

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 dem 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 und die Elektroden je auf einer Seite eines mit einem vierseitigen zentralen Ausschnitt versehenen Rahmens, vorzugsweise aus einem isolierenden Kunststoff, angeordnet sind, derart, daß die Elektroden mit dem Rahmen ein Elektrolyt­ abteil umgrenzen, wobei die unteren und oberen Bereiche des Rahmens Durchlässe für den Brennstoff und den Elektrolyten in Flucht zu den Durchlässen in den Kollektoren aufweisen und wobei auf einer Seite des Rahmens Mittel vorgesehen sind, um den Elektrolyten von einem der Durchlässe, Einlaß genannt, in das 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 Sammel­ kammern für den Elektrolyten bilden und im oberen oder unteren Bereich des Rahmens entlang von zwei entgegengesetzten Seiten des zentralen Ausschnitts liegen, sowie mit dem Elektrolytab­ teil über eine Vielzahl von parallelen, durch Rippen abgegrenz­ ten Mikrokanälen in Verbindung stehen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Dichtheit des Elektrolyt-Verteilungs­ netzes einerseits durch einen dünnen Film (15) aus einem iso­ lierenden Kunststoff, der sich mindestens über die Elektrolyt- Transportmittel, die sich zwischen den Einlässen (8A) und Auslässen (8B) und dem Elektrolytabteil befinden, erstrecken, wobei der Film (15) am Rahmen (3) befestigt ist, und andererseits durch eine der Elektroden sichergestellt wird, wobei diese Elektrode (1), die auf dem Rahmen (3) aufliegt, den Film (15) überdeckt und in dichter Form an diesem Film in Höhe der so gebildeten Überdeckungszone befestigt ist.

2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich des Rahmens (3), der den zentralen Ausschnitt (4) begrenzt, einen Absatz (19) zu beiden Seiten des Rahmens (3) besitzt, derart, daß die Elektroden (1, 2) nach ihrem Ein­ legen in den Rahmen (3) in Höhe dieser Absätze (19) über die Oberseiten des Rahmens (3) nicht vorstehen, und daß der dünne Film (15) ohne Beschädigung über einen dieser Absätze (19) verläuft und an der Elektrode (1) in Höhe dieses Absatzes be­ festigt ist.

3. Brennstoffzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Höhe der Absätze (19) des Rahmens (3) die Rippen (14), die die Mikrokanäle (13) begrenzen, einen Bereich (20) in Flucht mit den Absätzen besitzen, der in Richtung auf die Ver­ teil- und Sammelkammern (12) in einen Bereich (21) übergeht, der in Flucht zur Ebene der Oberseite (10) des Rahmens (13) liegt.

4. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen (11), die die Elektrolytein­ lässe (8A) in die, oder die Elektrolytauslässe (8B) aus den Verteil- und Sammelkammern (12) einen U-förmigen Verlauf nehmen, wobei das Mittelteil des U bezüglich dieser Ein- bzw. Auslässe jenseits des zentralen Ausschnitts (4) liegt, der das Elektrolytabteil begrenzt.

5. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen (11) und Verteil- und Sammel­ kammern (12) Mittel wie Säulen oder Rippen (16, 17), die sich bis in die Ebene der Oberseite (10) des Rahmens (3) erstrecken und dazu bestimmt sind, den Abstand zwischen dem dünnen Kunststoffilm (15) und dem Boden der Rillen und Kammern aufrechtzuhalten, aufweisen.

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

7. Brennstoffzelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteil- und Sammelkammern (12) eine Vielzahl von Rippen (17) aufweisen, die parallel zueinander verlaufen und die Verteilung des Elektrolyten auf die Mikrokanäle (13) nicht behindern.