DE3808991A1 - Elektrolytzellenstapel - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Brennstoffzellen und Elektroly­ se-Zellenstapel. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Verbesserungen in Brennstoffzellenstapel mit geschmolzenem Carbonat, um die Effekte der Elektrolytwanderung zu verzögern und zu steuern.

Brennstoffzellen mit geschmolzenem Carbonat und Stapel aus solchen Zellen sind bekannt und bereits in verschiedenen US-Patenten beschrieben, wie beispielsweise den folgenden: 44 78 776 und 44 11 968. Poröse, gesinterte Nickel-Chrom-Ano­ den und poröse Nickeloxid-Kathoden sind auf entgegengesetzt liegenden Hauptoberflächen einer porösen Elektrolytmatrix an­ geordnet. Eine Matrix, wie beispielsweise Lithiumaluminat (LiAlO₂) oder ein anderes inertes Keramikmaterial ist mit ge­ schmolzenem Alkalimetallcarbonat-Elektrolyt (beispielsweise Li₂CO₃/K₂CO₃) in jeder Brennstoffzelle eines Stapels gefüllt. Stapel mit mehreren hunderten Brennstoffzellen werden für eine typische Leistungsversorgung ins Auge gefaßt. Eine sehr starke Elektrolytruckverteilung wurde selbst in experimentellen Sta­ peln mit wesentlich weniger Zellen als in einer zu erwartenden für Normalbetrieb geeigneten Leistungsversorgung beobachtet.

Der genaue Mechanismus, gemäß welchem der Elektrolyt wandert, ist nicht völlig erklärt. Nichtsdestoweniger ist es bekannt, daß die Zellen nach dem negativen Ende des Stapels überflutet werden, wohingegen die Zellen zum positiven Ende des Stapels hin an geschmolzenem Elektrolyt verarmen oder trocken werden. Es ist bekannt, daß ein elektrischer Shunt-Strom durch die Sammelleitungsdichtung eine Elektrolytwanderung zum negativen Ende des Stapels bewirkt. Das Überfluten und das Verarmen hin­ sichtlich des Elektrolyten stört die Leistungsfähigkeit der beeinflußten Zellen und erhöht den Gesamtwiderstand des Sta­ pels.

Bei bekannten Brennstoffzellenstapeln wurde die Sammelleitungs­ dichtung derart ausgewählt, daß sie eine gute Dichtung gegen­ über Gasleck vorsah. Eine solche Dichtung war porös, mit klei­ nen Poren derart bemessen, daß eine signifikante Anfüllung mit geschmolzenem Elektrolyt erfolgt. Obwohl ein hoher Elektrolyt­ gehalt Gaslecks minimiert, wird unglücklicherweise die Elek­ trolytwanderung gefördert.

Die Versuche zur Eliminierung der Elektrolytrückverteilung war nicht volltändig erfolgreich, da die meisten porösen Dichtun­ gen, die mit Elektrolyt benetzt sind, den Elektrolyt zum nega­ tiven Ende des Stapels leiten. Wenn die Brennstoffzelle mit ihrem positiven Ende am Boden und ihrem negativen Ende oben angeordnet ist, so wird die Schwerkraft der Wanderung des Elektrolyten zu den negativeren Zellen hin entgegenwirken. Es ist jedoch nicht ausreichend, die Rückverteilung des Elektro­ lyten zu den oberen Zellen hin zu verhindertn.

Im Hinblick auf obige Ausführungen ist es ein Ziel der Erfin­ dung, einen Brennstoffzellenstapel vorzusehen, der eine ver­ besserte Elektrolytwanderungssteuerung aufweist. Ferner be­ zweckt die Erfindung einen Brennstoffzellenstapel vorzusehen, bei dem die Geschwindigkeit der Elektrolytwanderung begrenzt ist. Ferner bezweckt die Erfindung einen Brennstoffzellensta­ pel anzugeben, um den Effekt der Elektrolytwanderung über den normalen Betriebszyklus des Brennstoffzellenstapels hinaus zu verzögern.

Zusammenfassung der Erfindung. Gemäß der Erfindung wird ein verbesserter Brennstoffzellenstapel vorgesehen, der eine Viel­ zahl von Brennstoffzellen aufweist, die sich vom positiven zum negativen Ende des Stapels erstrecken. Individuelle Zellen weisen ein poröses Anodenglied, ein poröses Kathodenglied und eine poröse Matrix aus Keramikmaterial auf, um den Elektrolyt zwischen den Anoden- und Kathodenpaaren zu enthalten. Benach­ barte Zellen sind voneinander getrennt durch impermeable elek­ trisch leitende Trennflächenelemente in dem Stapel aus Zellen. Poröse Abdichtmittel sind an den äußeren Rändern der Stapel­ stirnfläche angeordnet, um die Gasversorgung und die Gasabgabe abzudichten. Der Brennstoffzellenstapel weist Mittel auf, um die Wanderung des geschmolzenen Elektrolyten zu verzögern und zu steuern.

Der Brennstoffzellenstapel weist ferner poröse Reservoirs auf, und zwar in Elektrolyt leitender Verbindung mit den Zellen an den am meisten negativen und den Zellen an den am meisten po­ sitiven Endteilen des Stapels. Die Reservoirs sind geeignet, um Elektrolyt, der zu den am meisten negativen Zellen hinwan­ dert, einzulassen und zu enthalten und um Elektrolyt den posi­ tiven Zellen, von denen der Elektrolyt auswandert, zurückzuge­ ben.

Gemäß anderer Aspekte der Erfindung weist der Elektrolytzel­ lenstapel poröse Abdichtmittel auf, und zwar mit einem Teil eines erhöhten porösen Volumens am negativen Endteill des Stapels und mit einem Teil von dessen Länge mit einem gerin­ geren Volumen am Mittelteil des Stapels. Der Teil mit erhöhtem Volumen dient als ein Reservoir für den Einlaß und das Enthal­ ten von Elektrolyt, der zu den am meisten negativen Zellen im Stapel läuft.

Gemäß weiterer Aspekte der Erfindung weisen die porösen Ab­ dichtmittel am Mittelteil des Stapels einen fasrigen Keramik­ streifen auf, der in der Lage ist, nicht mehr als ungefähr 4 Vol.% geschmolzenen Elektrolyt zu enthalten. Der Keramik­ streifen weist glatte Fasern von ungefähr 5 bis 20 Mikron Durchmesser, einer porosität von mehr als 90%, einer Breite von ungefähr 1 bis 2 cm und einer Dicke von ungefähr 0,1 bis 0,2 cm auf. Die Keramikfasern sind aus Keramikmaterialien aus­ gewählt, wie beispielsweise Lithiumaluminat, Lithiumzirconat, Aluminiumoxid, Ceroxid und Calcium oder Yttrium stabilisiertes Zirconoxid.

Gemäß weiterer Aspekte der Erfindung weisen die Reservoirs eine erste poröse Schicht aus elektronisch leitendem Material am negativen Endteil des Stapels auf, und zwar freiliegend ge­ genüber der Oxidationsgasversorgung und mit einer zweiten po­ rösen Schicht aus elektronisch leitendem Material am positiven Endteil des Stapels, freiliegend gegenüber der Brennstoffgas­ versorgung. Die ersten und zweiten porösen Schichten oder La­ gen sind jeweils von benachbarten Elektroden und Elektrolytma­ trizen durch eine elektrolytimpermeable, elektrisch leitende Schicht getrennt.

Gemäß weiterer Aspekte der Erfindung ist eine zusätzliche po­ röse Schicht aus elektronisch leitendem Material an dem nega­ tiven Endteil des Stapels, freiliegend gegenüber der Brenn­ stoffgasversorgung angeordnet, und zwar getrennt gegenüber der benachbarten porösen Schicht, die gegenüber der Oxidationsgas­ versorgung freiliegt, und zwar erfolgt dies durch eine für Elektrolytat impermeable elektrisch leitende Schicht.

Gemäß einem weiteren speziellen Aspekt der Erfindung ist ein Elektrolytreservoir in Elektrolytverbindung mit einem Anoden­ glied in dem negativen Endteil des Stapels freiliegend gegen­ über der Anodegasversorgung angeordnet.

Bei einer alternativen Konfiguration ist das Elektrolytreser­ voir am negativen Ende des Stapels ein Anodenglied von größe­ rer Dicke als ein individuelles Anodenglied im Mittelteil des Stapels.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf einen Elektro­ lytzellenstapel mit einer Vielzahl von Zellen aus einem posi­ tiven bis zu einem negativen Endteil, wobei die Kantenoberflä­ chen der Zellen eine erste vertikale Stirnfläche, abgedichtet gegenüber der Oxidationsgasversorgung und eine zweite vertika­ le Stirnfläche, abgedichtet gegenüber der Brennstoffgasversor­ gung bilden. Der Brennstoffzellenstapel beweist in Kombination Elektrolytreservoirs in dem negativen Endteil, dem positiven Endteil und Abdichtmittel im Mittelteil davon auf. Die Elektrolytreservoirs weisen poröse Schichten (Lagen) aus elek­ trisch leitendem Material, benetzbar durch geschmolzenen Elek­ trolyt auf, und zwar getrennt gegenüber benachbarten Elektro­ denmatrizen durch eine für Elektrolyt undurchdringliche elek­ trisch leitende Schicht. Die sich zwischen den Reservoirs an den negativen und den positiven Endteilen des Stapels erstrek­ kenden Abdichtmittel sind beständig gegenüber der Elektrolyt­ wanderung zwischen positiven und negativen Endteilen. Das Elektrolytreservoir in dem negativen Endteil des Stapels ent­ hält anfangs wesentlich weniger Elektrolyt als das Elektrolyt­ reservoir am positiven Endteil des Stapels.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weisen die Abdicht­ mittel einen fasrigen Keramikstreifen auf, und zwar längs der Randteile der Stapelstirnfläche zum Zwecke der Abdichtung ge­ genüber den Brennstoff- und Oxidationsgasvorräten oder -ver­ sorgungen. Der Streifen besteht aus glatten Fasern von unge­ fähr 5 bis 20 Mikron Durchmesser, und zwar unter Definition einer porosität von mehr als 90% und einer Breite von unge­ fähr 1 bis 2 cm, einer Dicke von ungefähr 0,1 bis 0,2 cm, um so der Wanderung längs der Höhe des Stapels Widerstand entge­ genzusetzen.

Gemäß weiterer Aspekte der Erfindung weisen die porösen Ab­ dichtmittel einen fasrigen porösen Keramikstreifen auf, der nur ungefähr 4 Vol.% geschmolzenen Elektrolyt enthält.

Gemäß weiterer Aspekte der Erfindung wird die Breite und der Querschnitt des porösen Keramikstreifens am negativen Endteil des Brennstoffzellenstapels erhöht, um eine zusätzliche Kapa­ zität für Elektrolyt zu schaffen.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Brennstoffzellensta­ pels, wobei Teile weggebrochen sind;

Fig. 2 einen vergrößerten Teilschnitt der positiven und nega­ tiven Endteile des Brennstoffzellenstapels;

Fig. 3 einen Teilschnitt gemäß Linie 3-3 in Fig. 2; Fig. 4 eine vergrößerte Teilquerschnittsansicht eines oberen Teils eines Brennstoffzellenstapels;

Fig. 5 eine Teilexplosionsansicht einer alternativen Elektro­ den-Reservoiranordnung für einen Brennstoffzellensta­ pel.

Im folgenden sei die Erfindung anhand eines bevorzugten Aus­ führungsbeispiels beschrieben. Die Fig. 1 und 2 stellen einen Brennstoffzellenstapel 10 dar, der erfindungsgemäß verbesser­ bar ist. Der Stapel weist eine Vielzahl von individuellen Brennstoffzellen 12 auf, und zwar zwischen Endplatten 14 und 15 an den negativen und positiven Enden des Stapels. Der Sta­ pel 10 ist normalerweise derart angeordnet, daß die individu­ ellen Zellen 12 durch elektrisch leitende impermeable Schich­ ten 21 getrennt sind, die Anoden sind derart angeordnet, daß sie an der Oberseite der Kathode in jeder Zelle liegen. Dies baut eine negative Polarität an der Stapeloberseite und eine positive Polarität am Stapelboden auf.

Der dargestellte Brennstoffzellenstapel hat vier Vertikal­ stirnflächen 20 für das Zusammenpassen mit (nicht gezeigten) Sammelleitungen, um Oxidations- und Brennstoffgase anzuliefern und um die Reaktionsprodukte und die nicht-verbrauchten Reak­ tionsgase abzuziehen. Abdichtglieder 18 sind an den Stapel­ stirnflächen vorgesehen, um die Abdichtung gegenüber der Gas­ versorgung und der Sammelleitungen vorzusehen.

In bei hoher Temperatur arbeitenden, geschmolzenen Elektrolyt verwendenden Zellen sind die Abdichtglieder 18 aus porösem Ke­ ramikmaterial ausgewählt, beispielsweise aus Lithiumaluminat, Lithiumzirconat, Aluminiumoxid, Ceroxid oder aus Zirconoxid stabilisiert mit Calciumoxid oder mit Yttriumoxid. Zudem ist ein (nicht gezeigter) Rahmen in US-PS 44 14 294 beschrieben, der in Verbindung mit dem Abdichtglied 18 vorgesehen sein kann.

Der geschmolzene Elektrolyt, typischerweise geschmolzenes Carbonat, Li₂CO₃/K₂CO₃ in einem Verhältnis von 1,6 bis 1,0 wird in einer porösen Matrix 19 angeordnet zwischen Anode 17 und der Kathode 13 jeder Zelle zurückgehalten, wie dies in Fig. 2 und 3 dargestellt ist. Die Matrix 19 erstreckt sich seitlich zu der Zellenstapelstirnfläche 20 und dient als eine Naßdichtung mit geschmolzenem Carbonatelektrolyt zwischen je­ dem Anoden- und Kathodenpaar. Infolgedessen ist der geschmol­ zene Elektrolyt an der Stapelstirnfläche 20 in Berührung mit der Sammelleitungsdichtung 18 vorhanden. Trennflächenelemente 21 aus für Elektrolyt nicht permeablem korrosionsbeständigem Metall, wie beispielsweise aus Nickel oder rostfreiem Stahl, sind zwischen einzelnen Zellen innerhalb des Stapels vorgese­ hen. Schienen 23 aus korrosionsbeständigem für Gas impermeab­ lem Material sehen eine Gasabdichtfunktion vor, um Anoden- und Kathodenelektroden von den Oxidationsgasen bzw. Brennstoffga­ sen zu trennen oder isolieren.

Die porösen Matrizen können ein Band sein oder kompakt aus teilchenförmigem Material bestehen, inert gegenüber der ge­ schmolzenen Carbonatumgebung. Lithiumaluminat ist ein geeig­ netes Matrixmaterial, aber Ceroxid, stabilisiertes Zirconoxid, Lithiumzirconat usw. können auch verwendet werden.

Die Anoden und Kathoden können aus porösem Nickel bestehen. Ein kleiner Prozentsatz an Chrom kann der Anodenstruktur Sta­ bilität erteilen, wie dies in US-PS Ser. No. 8 23 718, einge­ reicht am 29.1.1986 von Swarr et al, beschrieben ist. Eine Nickelkathode wandelt sich bei der Aussetzung gegenüber dem Oxidationsgas unter den Bedingungen der geschmolzenen Carbo­ natbrennstoffzelle in Nickeloxid um.

In Fig. 1 sind die oberen Teile 16 der porösen Abdichtglieder 18 mit einer vergrößerten Querschnittsfläche und Volumen aus­ gestattet, um als Reservoirs für geschmolzene Elektrolyt zu dienen, der zum negativen Ende des Zellenstapels wandert. Ob­ wohl dies nicht gezeigt ist, kann ein ähnliches Abdichtglied­ teil von erhöhtem porösem Volumen an dem positiven Ende des Stapels vorgesehen sein, um Extraelektrolyt für die am posi­ tivsten Zellen vorzusehen, die typischerweise im Betrieb als erste trocken werden. Im Betrieb eines Elektrolytzellenstapels dieser Form werden die Zellen im unteren positiven Stapelteil anfangs auf ein hohes Niveau mit Elektrolyt angefüllt, wohin­ gegen die Zellen im oberen negativen Teil anfangs wenig Elek­ trolyt enthalten. Wie sich aus der untenstehenden Beschreibung ergibt, sind Abdichtglieder 18 vorteilhafterweise im Mittel­ teil des Stapels mit vermindertem Querschnitt vorgesehen, um die Geschwindigkeit oder Rate der Elektrolytwanderung zu be­ grenzen.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 und 3 seien weitere Aspekte der Erfindung beschrieben. Die Reservoirs 25 und 27 sind an den oberen, negativen und an den unteren positiven Endteilen des Brennstoffzellenstapels vorgesehen. Zudem ist ein weiteres Re­ servoir 26 unterhalb und getrennt gegenüber dem Reservoir 25 dargestellt, und zwar getrennt durch eine elektronisch leiten­ de für Elektrolyt impermeable Trennplatte 21 A. Das Reservoir 26 liegt gegenüber der Oxidationsgasversorgung frei und sieht daher eine Sammlung für Elektrodenwanderung an der Oxidations­ gasstirnfläche des Stapels vor.

Die Reservoirs 25, 26 und 27 können von ähnlichem Aufbau wie das für den Anodengebrauch ausgewählte sein. Vorzugsweise be­ sitzen die Reservoirs eine größere Dicke als die Dicke einer Anode, angeordnet im Mittelteil des Stapels. Poröse elektrisch leitende Strukturen solcher Nickel oder Nickel-Chrom-Legierun­ gen mit mehr als 50% Porosität, beispielsweise 50 bis 60% Porosität, können für den Reservoiergebrauch ausgewählt wer­ den. Vorteilhafterweise ist das Reservoir 26 am negativen Ende des Stapels dem Oxidationsgas ausgesetzt, um elektrolytisch die Elektrolytwanderung in das Reservoir zu betreiben. Es gibt jedoch auch einen Vorteil, mindestens ein Reservoir offen für den wandernden Elektrolyt zu halten, und zwar an jeder Stapel­ stirnfläche in den negativen Endteilen. Wenn Nickelstrukturen verwendet werden, so sollten diejenigen, die dem Brennstoffgas ausgesetzt sind, die strukturelle Integrität besser beibehal­ ten, als diejenigen, die dem Oxidationsgas ausgesetzt sind. Es ist klar, daß eine Vielzahl von Reservoirschichten oder -lagen an sowohl den oberen und unteren Teilen des Brennstoffzellen­ stapels vorgesehen sein müssen.

Demgemäß sieht das innerhalb des Reservoirs 27 enthaltende ge­ schmolzene Carbonat die Nachfüllung vor, wenn Elektrolyt vom unteren Teil des Zellenstapels wandert. Dementsprechend werden die Reservoirs 25 und 26 am oberen Ende anfangs nicht gefüllt sein und dienen zur Aufnahme der Elektrolytwanderung während des Stapelbetriebs. Es ist daher zu erwarten, daß die Verwen­ dung dieser Reservoirs den Betrieb des Brennstoffzellenstapels zwischen Wartungsabschaltungen für die erneute Verteilung des Elektrolyten beträchtlich verlängert.

Fig. 4 veranschaulicht eine alternative Reservoiranordnung mit einer Brennstoffzelle 31 nahe der Oberseite eines Stapels, de­ finiert zwischen elektrolytimpermeablen Trennmitteln 33. Eine Anode 35 ist mit der Elektrolyrmatrix 37 in Kontakt stehend dargestellt und ferner mit Schutzschienen 39, die sowohl die Anode als auch die Kathode (nicht gezeigt) gegenüber Oxidations- bzw. Brennstoffgasen abschirmen. Eine zusätzliche poröse Platte 41 ist oberhalb der Anode 35 mit der Anodenpolarität vorgesehen, um als ein Reservoir für wanderenden Elektrolyt zu dienen. Das Reservoir 41 ist an seiner Kantenoberfläche zur Stapelstirnfläche hin offen, wo das Brennstoffgas in die Anode eintritt. Diese Konfiguration sieht ein Elektrolytreservoir als Teil der Anodenstruktur vor, ohne daß zusätzliche Trennplatten benötigt werden.

Fig. 5 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel, bei dem ein Elektrolytreservoir 45 Kanäle 47 aufweist, um Reaktionsgas­ durchlässe zu bilden, wenn die Schichtanordnung auf einen Elektrolyt 49 erfolgt. Diese Anordnung kann anstelle der in Fig. 4 gezeigten Anodenreservoirkombination Verwendung finden.

Erfindungsgemäß wurde festgestellt, daß die Verwendung von Ab­ dichtgliedern von modifiziertem Aufbau die Elektrolytwander­ rate beträchtlich beschränken kann. Im Mittelteil des Stapels sind Abdichtglieder 18 von wesentlich kleinerem Querschnitt vorgesehen und von einem speziellen Aufbau, um die Kapazität für geschmolzenem Elektrolyt zu reduzieren und um dadurch die Elektrolytwanderung zu begrenzen. Typischerweise sind die Ab­ dichtglieder 18 im Stapelmittelteil Streifen von ungefähr 0,1 bis 0,2 cm Dicke, einer Breite von ungefähr 1 bis 2 cm und einer Porosität von mehr als 90%. Diese Abdichtglieder sind aus großen, glatten Fasern von ungefähr 5 bis 20 Mikron Durch­ messer hergestellt, um in effektiver Weise ihre Elektrolytka­ pazität zu begrenzen. Während des Betriebs in einem Brenn­ stoffzellenstapel enthalten solche Abdichtglieder nicht mehr als ungefähr 4 Vol.% geschmolzenen Elektrolyt. Dies steht im Gegensatz zu vorausgegangenen Abdichtglied-Konstruktionen mit niedriger Porosität und kleinen Porengrößen, die sich mit Elektrolyt anfüllen und dadurch die Elektrolytwanderung för­ dern.

Die einen großen Durchmesser aufweisenden Fasern gemäß der Erfindung werden wärmebehandelt oder gesintert in einer Matte oder Filz, um glatte große Fasern vorzusehen, die keinen Elek­ trolyt absorbieren und sich mit diesem anfüllen.

Als ein Arbeitsbeispiel für das erfindungsgemäße neue Abdicht­ glied wird ein Brennstoffzellenstapel gewählt, der zwanzig Brennstoffzellen aufweist, und zwar mit einer Dichtung oder einem Dichtglied mit ungefähr 0,2 cm Dicke, ungefähr 1 cm Breite und mit ungefähr 20 Mikron Faserdurchmesser. Der obere Abschnitt der Dichtung über dem negativen Endteil des Stapels hat ungefähr 4 cm Breite, um ein Reservoir für den wandernden Elektrolyt vorzusehen. Anfangs waren die niedrigen Zellen hoch mit geschmolzenem Elektrolyt gefüllt, wohingegen die oberen negativsten Zellen wenig Elektrolyt hatten, nur genug, um die elektrolytische Reaktion zu gestatten. Der Stapel arbeitete über 5000 Stunden, bevor eine substantielle Eelektrolytwan­ derung das Überfluten der oberen Brennstoffzellen bewirkte und das Austrocknen der unteren Brennstoffzellen im Stapel.

Aus den obigen Ausführungen ergibt sich, daß die Erfindung für verschiedene Arten von Elektrolytzellenstapeln geeignet ist. Sowohl Brennstoff und Elektrolysezellen, die einen großen Be­ reich an geschmolzenen oder flüssigen Elektrolyten verwenden, können vorteilhafterweise mit der Erfindung ausgestattet wer­ den.

Abwandlungen der Erfindung, insbesondere hinsichtlich der gewählten Materialien liegen im Rahmen der Erfindung.

Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor:

Ein Elektrolytzellenstapel mit inaktiven Elektrolytreservoirs an den oberen und unteren Endteilen desselben. Die Reservoirs sind vom Stapel aus den kompletten Zellen durch impermeable elektrisch leitende Trennmittel getrennt. Die Reservoirs an dem negativen Ende sind anfangs niedrig hinsichtlich des Elek­ trolyten und die Reservoirs am positiven Ende sind hoch hin­ sichtlich der Elektrolytfüllung. Während des Stapelbetriebs wird die Elektrolytwanderung vom positiven zum negativen Ende durch die inaktive Reservoirkapazität ausgeglichen. In Kombi­ nation mit den inaktiven Reservoirs wird ein Abdichtglied hoher Porosität und niedriger Elektrolytzurückhaltung verwen­ det, um die Elektrolytwandergeschwindigkeit zu begrenzen.

Claims (13)

1. Elektrolytzellenstapel (10) mit einer Vielzahl von Elek­ trolytzellen (12), die elektrisch leitende elektrolytim­ permeable Trennflächenelemente (21) zwischen benachbarten Zellen im Stapel (10) aufweisen, wobei die Elektrolytzel­ len ein poröses Anodenglied (17), ein poröses Kathoden­ glied (13) und eine poröse Matrix (19) für geschmolzenen Elektrolyt, angeordnet im Stapel zwischen den Hauptober­ flächen der Anoden- und Kathodenglieder aufweisen, wobei der Stapel (10) an entgegengesetzten Seiten ein negatives Endteil und ein positives Endteil aufweist, und zwar bil­ den die Kantenoberflächen der Zellen eine erste Stapel­ stirnfläche (20) für den Einlaß eines Vorrats an Oxida­ tionsgas und die Kantenoberflächen bilden eine zweite Stapelstirnfläche (20) für den Einlaß eines Vorrats an Brennstoffgas, und poröse Abdichtmittel (18) an den äußeren Rändern der ersten Stapelstirnfläche und an den äußeren Rändern der zweiten Stapelstirnfläche dienen zur Abdichtung gegenüber dem Vorrat an Oxidationsgas und dem Vorrat an Brennstoffgas, gekennzeichnet durch
eine erste poröse Reservoirschicht (25) in dem negativen Endteil des Stapels mit einer Kantenoberfläche derselben, freiliegend gegenüber dem Vorrat an Oxidationsgas an der ersten Stapelstirnfläche und in Elektrolytverbindung mit den Abdichtmitteln (18) zur Aufnahme und zum Enthalten von Elektrolyt, der zum negativen Ende des Stapels hinwandert, wobei die erste poröse Reservoirschicht (25) von allen be­ nachbarten Elektroden und Matrizen durch eine für Elektro­ lyt undurchlässige (impermeable) elektrisch leitende Schicht (21 A) getrennt ist, und
eine zweite poröse Reservoirschicht (27) in dem positiven Endteil des Stapels mit einer Kantenoberfläche, freilie­ gend an der zweiten Stapelstirnfläche und in Elektrolyt­ verbindung mit den Abdichtmitteln (18) zum Vorsehen von Reserveelektrolyt für Brennstoffzellen in dem positiven Endteil des Stapels, wobei die zweite poröse Schicht (27) von sämtlichen benachbarten Elektroden und Matrizen durch eine elektrolytimpermable elektrisch leitende Schicht (21) getrennt ist.

2. Stapel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die porösen Abdichtmittel einen Teil von vergrößertem Volumen am negativen Endteil des Stapels besitzen und mit einem Teil von dessen Länge von geringerem Volumen an dem Mit­ telteil des Stapels, wobei der Teil von erhöhtem Volumen als Reservoirmittel dient für die Zufuhr und das Enthalten von Elektrolyt, der zu den am meisten negativen Zellen in dem Stapel wandert.

3. Stapel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die porösen Abdichtmittel an dem Mittelteil des Stapels einen fasrigen Keramikstreifen aufweisen, der nicht mehr als ungefähr 4 Vol.% geschmolzenen Elektrolyt enthält, um die Elektrolytwanderung zu beschränken.

4. Stapel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbeson­ dere nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die po­ rösen Abdichtmittel im Mittelteil des Stapels einen fasri­ gen Keramikstreifen aufweisen, und zwar mit glatten Fasern von ungefähr 5 bis 20 Mikron Durchmesser, einer Porosität von mehr als 90%, einer Breite von ungefähr 1 bis 2 cm und einer Dicke von ungefähr 0,1 bis 0,2 cm.

5. Stapel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbeson­ dere nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die porösen Abdichtmittel aus der folgenden Gruppe von Kera­ mikmaterialien ausgewählt sind: Lithiumaluminat, Lithium­ zirconat, Aluminiumoxid, Ceroxid und Calciumoxid oder mit Yttrium stabilisiertes Zirconoxid.

6. Stapel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbeson­ dere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sta­ pel eine erste vertikale Stirnfläche besitzt, und zwar mit Mitteln zum Abdichten eines Vorrats an Oxidationsgas mit Oxidationsgasverteilungsmitteln zu Kathodengliedern in dem Stapel und einer zweiten vertikalen Stirnfläche mit Mit­ teln zum Abdichten gegenüber einer Versorgung von Brenn­ stoffgas mit Brennstoffgasverteilungsmitteln zu Anoden­ gliedern in dem Stapel, und wobei die Reservoirmittel eine erste poröse Schicht aus elektrisch leitendem Material am negativen Endteil des Stapels aufweisen, und zwar freilie­ gend gegenüber dem Oxidationsgas und ferner mit einer zweiten porösen Schicht aus elektrisch leitendem Material am positiven Endteil des Stapels, freiliegend gegenüber Brennstoffgas, wobei die ersten und zweiten porösen Schichten jeweils von benachbarten Elektroden und Elektro­ lytmatrizen durch eine für Elektrolyt undurchlässige elek­ trisch leitende Schicht getrennt sind.

7. Stapel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbeson­ dere nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine zusätzli­ che poröse Schicht aus elektrisch leitendem Material am negativen Endteil des Stapels, freiliegend gegenüber Brennstoffgas an der zweiten Vertikalstirnfläche und ge­ trennt gegenüber der ersten porösen Schicht und benachbar­ ten Elektroden und Elektrolytmaterizen durch eine für Elektrolyt undurchlässige elektrisch leitende Schicht.

8. Stapel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbeson­ dere nach Anspruch 7, wobei die zusätzliche poröse Schicht aus kompaktierten Teilchen aus Nickel-Chrom-Legierung mit einer Porosität größer als 50% besteht.

9. Stapel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbeson­ dere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sta­ pel eine erste vertikale Stirnfläche besitzt, und zwar mit Mitteln zum Abdichten einer Versorgung an Oxidationsgas und mit einer zweiten Vertikalstirnfläche mit Mitteln zum Abdichten einer Brennstoffgasversorgung, und wobei die Re­ servoirmittel eine Schicht aus porösem elektrisch leiten­ dem Material in elektrolytleitender Verbindung mit einem Anodenglied in dem negativen Endteil des Stapels, frei­ liegend gegenüber der zweiten Vertikalstirnfläche aufweisen.

10. Stapel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbeson­ dere nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Re­ servoirmittel ein Glied in dem negativen Endteil des Sta­ pels mit größerer Dicke als ein individuelles Anodenglied in dem Mittelteil des Stapels aufweisen.

11. Elektrolytzellenstapel, insbesondere nach einem oder meh­ reren der vorhergehenden Ansprüche, mit eine Vielzahl von Zellen aus einem positiven bis zu einem negativen Endteil, wobei die Kantenoberflächen der Zellen eine erste vertika­ le Stirnfläche mit Abdichtmitteln für Oxidationsgas bilden und eine zweite vertikale Stirnfläche mit Abdichtmitteln für Brennstoffgas, wobei der Zellenstapel ferner die Kom­ bination eines elektronisch leitenden Elektrolytreservoirs in dem negativen Endteil desselben, ein elektronisch lei­ tendes Elektrolytreservoir in dem positiven Endteil des­ selben und Abdichtmittel im Mittelteil davon aufweist, wo­ bei das Elektrolytreservoir poröse Schichten aus elektro­ nisch leitendem Material besitzt, und zwar benetzbar durch Elektrolyt und getrennt von benachbarten Elektroden und Matrizen durch eine elektrolytundurchlässige elektronisch leitende Schicht, wobei ferner die Abdichtmittel sich zwi­ schen den Reservoirs in den negativen und positiven Sta­ pelendteilen erstrecken und gegenüber der Elektrolytwan­ derung zwischen den positiven und negativen Endteilen des Stapels resistent sind.

12. Stapel oder Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Elektrolytreservoir am positiven Endteil des Stapels anfangs mit wesentlich mehr Elektrolyt gefüllt ist als das Elektrolytreservoir am negativen Endteil des Stapels.

13. Stapel nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprü­ che, insbesondere nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß die Abdichtmittel einen fasrigen Keramikstreifen längs Randteilen der Stapelstirnflächen aufweisen, wobei der Streifen aus glatten Fasern von ungefähr 5 bis 20 Mi­ kron Durchmesser besteht und eine Porosität von mehr als 90% definiert, sowie eine Breite von ungefähr 1 bis 2 cm und eine Dicke von ungefähr 0,1 bis 0,2 cm, um so die Elektrolytwanderung längs der Höhe des Elektrolytzellen­ stapels zu beschränken.