DE69232293T2

DE69232293T2 - Anordnung für leichte brennstoffzellenmembranelektrode mit integralen durchflüssen für den reaktanten

Info

Publication number: DE69232293T2
Application number: DE69232293T
Authority: DE
Inventors: Keith Prater; Henry H. Voss; David P. Wilkinson
Original assignee: Ballard Power Systems Inc; Siemens VDO Electric Drives Inc
Current assignee: Ballard Power Systems Inc; Siemens VDO Electric Drives Inc
Priority date: 1991-09-13
Filing date: 1992-10-20
Publication date: 2002-08-08
Anticipated expiration: 2012-10-21
Also published as: JP3110760B2; EP0664928B1; US5252410A; DE69232293D1; AU3054092A; EP0664928A1; AU672958B2; EP0664928A4; JPH08507402A; WO1994009519A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Brennstoffzelle, wie sie durch den Oberbegriff des Anspruchs 1 definiert wird.

Hintergrund der Erfindung

Elektrochemische Brennstoffzellen erzeugen elektrische Energie durch direkte Umwandlung chemischer Energie, welche von einem Brennstoff abgeleitet wird, in elektrische Energie durch Oxidation des Brennstoffs in der Zelle. Eine typische Brennstoffzelle enthält eine Anode, eine Kathode und einen Elektrolyten. Brennstoff und ein Oxidans werden der Anode bzw. der Kathode zugeführt. An der Anode durchdringt der Brennstoff das Elektrodenmaterial und reagiert an der Katalysatorlage, um Kationen zu bilden, welche durch den Elektrolyten zur Kathode wandern. An der Kaihode reagiert der sauerstoffhaltige Gasvorrat an der Katalysatorlage zur Bildung von Anionen. Die an der Kathode gebildeten Anionen reagieren mit den Kationen unter Bildung eines Reaktionsprodukts. Die Brennstoffzelle erzeugt einen verwendbaren elektrischen Strom, und das Reaktionsprodukt wird aus der Zelle entfernt.
In elektrochemischen Brennstoffzellen, welche als Brennstoff Wasserstoff und als Oxidans sauerstoffhaltige Luft (oder im wesentlichen reinen Sauerstoff) verwenden, erzeugt eine katalytisch unterstützte Reaktion an der Anode aus dem Brennstoffvorrat Wasserstoff-Kationen. Die Ionenaustauschmembran erleichtert die Wanderung der Wasserstoffionen (Protonen) von der Anode zur Kathode. Außer daß sie Wasserstoff-Kationen leitet, isoliert die Membran den Wasserstoff-Brennstoffstrom vom Oxidansstrom, welcher typischerweise sauerstoffhaltige Luft enthält. An der Kathode reagiert Sauerstoff an der Katalysatorlage und bildet Anionen. Die an der Kaihode gebildeten Anionen reagieren mit den Wasserstoffionen, welche die Membran durchquert haben, zu flüssigem Wasser als Reaktionsprodukt.
Die in solchen Brennstoffzellen an der Anode und der Kathode stattfindenden Reaktionen sind in den folgenden Gleichungen (1) und (2) dargestellt:
Reaktion an der Anode H&sub2; -> 2H&spplus; + 2e&supmin; (1)
Reaktion an der Kathode 1/2 O&sub2; + 2H&spplus; + 2e&supmin; -> H&sub2;O (2)
Feststoffpolymer-Brennstoffzellen enthalten im allgemeinen eine Membran- Elektroden-Baugruppe ("MEA"), welche aus einem Feststoffpolymer-Elektrolyten bzw. -Ionenaustauschmembran zwischen zwei Elektroden besteht, welch letztere aus porösem und elektrisch leitfähigem Blatt- oder Plattenmaterial hergestellt wurden. Typischerweise werden die Elektroden aus Kohlefaserpapier hergestellt und sind üblicherweise mit einem hydrophoben Polymer, wie PTFE, imprägniert oder beschichtet. Die MEA enthält an jeder Grenzfläche zwischen Membran und Elektrode eine Katalysatorlage, um die gewünschte elektrochemische Reaktion in Gang zu setzen. Typischerweise wird fein verteiltes Platin als Katalysator eingesetzt.
In konventionellen Brennstoffzellen ist die MEA zwischen zwei steifen, elektrisch leitfähigen Trennplatten angeordnet, von denen jede in ihrer der MEA zugewandten Oberfläche mindestens einen Strömungsdurchgang bzw. mindestens eine Nut aufweist, der bzw. die in die der MEA zugewandte Oberfläche eingraviert, eingefräst oder eingeformt ist. Diese Trennplatten, welche zuweilen als Strömungsfeldplatten bezeichnet werden, sind typischerweise aus Graphit gebildet. Die Strömungsdurchgänge in den Trennplatten richten den Brennstoff und das Oxidans gegen die betreffenden Elektroden, nämlich die Anode an der Brennstoffseite und die Kathode an der Oxidansseite. Die Trennplatten sind elektrisch in Reihe geschaltet, um einen Elektronen zwischen den Elektroden leitenden Pfad zu schaffen.
In konventionellen Einzelzellenanordnungen sind die Trennplatten sowohl an der Anodenseite, als auch an der Kathodenseite jeder individuellen Brennstoffzelle angeordnet. Die Trennplatten befinden sich in intimem Kontakt mit den betreffenden Elektroden, um so einen leitenden Pfad zu schaffen, über den die an der Anode gebildeten Elektronen zur Kathode geleitet werden, um die elektrochemische Reaktion zu vervollständigen. Infolgedessen haben die Trennplatten mehrere Funktionen: (1) Sie wirken als Stromsammler, (2) sie bilden mechanische Stützen für die Elektroden, (3) sie bilden Zugangskanäle für den Brennstoff und das Oxidans zu den betreffenden Oberflächen von Anode und Kathode, und (4) sie bilden Kanäle für das Abführen von Wasser, welches im Betrieb der Zelle gebildet wird.
Zwei oder mehr einzelne Brennstoffzellen können in Reihe oder parallel geschaltet werden, um die Gesamtausgangsleistung der Anordnung zu vergrößern. In solchen Anordnungen sind die Zellen typischerweise in Reihe geschaltet, wobei eine Seite einer bestimmten Trennplatte die Anode einer Zelle und die andere Seite der Trennplatte die Kathode der benachbarten Zelle kontaktiert. Eine derartige Anordnung von mehreren in Reihe geschalteten Brennstoffzellen wird als Brennstoffzellenstapel bezeichnet und wird üblicherweise durch Spannstangen und Endplatten zusammengehalten. Typischerweise enthält der Stapel Zufuhrsammelleitungen bzw. -verzweigungsleitungen oder -einlässe, um Brennstoff (im wesentlichen reinen Wasserstoff, reformiertes Methanol oder reformiertes Erdgas) den Strömungsfelddurchgängen der Trennplatte auf der Anodenseite einer jeden Brennstoffzelle und ein Oxidans (im wesentlichen reiner Sauerstoff oder sauerstoffhaltige Luft) den Strömungsfelddurchgängen der Trennplatte auf der Kathodenseite einer jeden Brennstoffzelle zuzuführen. Ferner enthält der Stapel üblicherweise eine Zuführsammelleitung bzw. einen Zuführeinlaß zum Zuführen eines Kühlmittelfluids, typischerweise Wasser, zu inneren Kanälen innerhalb des Stapels, um Wärme zu absorbieren, welche durch die exotherme Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff innerhalb der Brennstoffzellen gebildet wird. Schließlich weist der Stapel im allgemeinen Auslaßsammelleitungen bzw. -auslässe auf, um nicht umgesetzten Brennstoff, welcher Wasser mitführt, und nicht umgesetztes Oxidans, welches Wasser mitführt, auszustoßen; schließlich hat der Stapel im allgemeinen eine Auslaßsammelleitung für den Stapel verlassendes Kühlwasser.
Perfluorsulfon-Ionenaustauschermembranen, wie diejenigen, welche von DuPont unter deren Marke Nation verkauft werden, haben sich für den Gebrauch in elektrochemischen Brennstoffzellen als effizient erwiesen. Nation- Membranen müssen mit Wassermolekülen hydratisiert sein, damit der Ionentransport stattfinden kann. Das Hydratisieren findet typischerweise dadurch statt, daß der Brennstoffstrom und der Oxidansstrom befeuchtet werden, ehe diese Ströme in die Zelle eingeleitet werden.
Ein neuer Typ einer experimentellen Perfluorsulfon-Ionenaustauschermembran, welche von Dow unter der Handelsbezeichnung XUS13204.10 verkauft wird, hat sich in elektrochemischen Brennstoffzellen gleichfalls als effizient erwiesen. Wie Nation-Membranen scheinen auch die experimentellen Dow-Membranen eine gewisse Hydratisierung erforderlich zu machen, um den Wasserstoffionentransport zu bewirken.
In Brennstoffzellen, welche Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidans verwenden, kann der Brennstoff in folgender Form zugeführt werden: im wesentlichen reiner Wasserstoff oder Wasserstoffhaltiges Reformat, wie z. B. das sich beim Reformieren von Methanol und Wasser oder beim Reformieren von Erdgas ergebende Produkt. Ähnlich kann das Oxidans in folgender Form zugeführt werden: im wesentlichen reiner Sauerstoff oder sauerstoffhaltige Luft. Typischerweise werden die Brennstoffzellen mit Brennstoff und Oxidans unter konstantem Druck geflutet. Der Druck wird im allgemeinen durch Drucksteuerungen oder -regelungen gesteuert bzw. geregelt, welche an der Quelle für den Brennstoffreaktantenstrom bzw. den Oxidansreaktantenstrom vorgesehen sind. Wird eine elektrische Last in den die Elektroden verbindenden Kreis geschaltet, werden Brennstoff und Oxidans direkt proportional zu dem über diese Last fließenden Strom verbraucht.
Wie bereits erwähnt, enthält ein Brennstoffzellenstapel üblicherweise eine Zuführsammelleitung zum Zuführen des Kühlmittelfluids (typischerweise Wasser) zu inneren Kanälen innerhalb des Stapels, um Wärme zu absorbieren, welche durch die exotherme Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff in den Brennstoffzellen erzeugt wird. In konventionellen Konstruktionen werden die inneren · Kühlmittelkanäle im allgemeinen gebildet durch zusammenwirkende Oberflächen zweier Trennplatten, von denen die eine eingravierte, eingefräste oder eingeformte Nuten in ihrer Oberfläche aufweist, während die andere eben ist. Die Kühlmittelkanäle sind längs des Stapels in periodischen Intervallen angeordnet.
Die "sich wiederholende Einheit" eines Brennstoffzellenstapels ist der kleinste wiederkehrende Abschnitt des Stapels, welcher mindestens eine MEA sowie die Trennplatten und ein bzw. die Kühlgehäuse umfaßt, welche der MEA zugeordnet sind. Da nicht für jede MEA ein Kühlgehäuse vorgesehen sein kann (d. h. in manchen Fällen kann ein Kühlgehäuse zum Kühlen mehrerer MEAs vorgesehen sein), kann eine sich wiederholende Einheit mehr als eine MEA enthalten.
Konventionelle sich wiederholende Einheiten, welche zwischen zwei steifen, im allgemeinen aus Graphit hergestellten Trennplatten angeordnete Membran- Elektroden-Baugruppen enthalten, sind in mehrfacher Hinsicht nachteilig. Zum einen müssen die Trennplatten dick genug gemacht werden, damit sich Strömungsdurchgänge eingravieren, einfräsen oder einformen lassen. Die Dicke der Trennplatten erhöht das Gewicht und das Volumen der Brennstoffzelle.
Die US-A-4 826 741 offenbart eine elektrochemische Brennstoffzelle mit einer Ionenaustauschmembran und auf jeder Seite der Membran einer katalytischen Elektrodenlage, einer porösen Reaktanten-Verteilplatte und einer gasundurchlässigen, elektrisch leitfähigen Folie oder Platte. Auf ihren der Membran zugewandten Seiten sind die porösen Reaktanten-Verteilplatten mit Reaktanten- Strömungsdurchgängen in Form von Nuten versehen, welche so gegen die benachbarten katalytischen Elektrodenlagen anliegen, daß die Reaktanten-Verteilplatten und die katalytischen Elektrodenladen zur Bildung von Kanälen zum Strömen der Reaktantenströme zusammenwirken. In der gesamten Beschreibung der US-A-4 826 741 werden die katalytischen Elektrodenlagen als Elektroden der bekannten Brennstoffzelle bezeichnet, und nach der Lehre der US-A-4 826 741 kann es sich bei den Reaktanten-Verteilplatten um Kunststoff- oder Keramikplatten handeln (siehe Sp. 4, Zeile 42), in denen die besagten Nuten nicht ausgebildet sind (siehe Sp. 4, Zeilen 29 und 30).
Zweck der Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, welche ein höheres Verhältnis von Leistung zu Volumen und/oder Leistung zu Gewicht hat, und erfindungsgemäß wird dieses Ziel durch eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1 erreicht.
Die vorliegende Erfindung erlaubt den Bau leichtgewichtiger Brennstoffzellen mit geringem Volumen, welche vorteilhafte Ausgangsleistungsmerkmale aufweisen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können die Trennplatten so dünn gemacht werden, daß sich in ihren Oberflächen Kühlmittelnuten nicht ausbilden lassen. folglich kann ein erfindungsgemäß gestalteter Brennstoffzellenstapel von separaten Kühlgehäusen oder -lagen Gebrauch machen, in denen Nuten ausgebildet sind, welche mit ebenen Oberflächen einer benachbarten Trennplatte zusammenwirken, um Kühlmittelkanäle zu bilden. Alternativ könnte auch die Membran-Elektroden-Baugruppe selbst mit Kühlmittelkanälen oder -kapillaren versehen sein, beispielsweise mit Röhrchen, welche durch das Elektrodenblattmaterial hindurch verlaufen, um das Kühlmittel durch die Anordnung zu führen, wodurch ein separates Kühlmittelgehäuse überflüssig wird. Zusätzlich könnte eine Kühlung dadurch bewirkt werden, daß ein Kühlmittelfluid, wie Luft, über Wärmetransferoberflächen geleitet wird, beispielsweise über Rippen, welche von den Trennplatten abstehen.
Weil sich die Reaktantenströmungsdurchgänge erfindungsgemäß in den Elektroden selbst befinden, müssen die Trennplatten die Strömungsdurchgänge nicht aufnehmen und können aus dünnerem Material hergestellt werden als für konventionelle Anordnungen. Erfindungsgemäβ werden die Trennplatten aus einem dünnen Blatt bzw. einer dünnen Platte aus elektrisch leitfähigem Material hergestellt. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die Elektroden einen Strömungsdurchgang auf, welcher in diejenige Oberfläche eingraviert, eingefräst oder eingeformt wurde, welche der benachbarten Trennplatte zugewandt ist. Die Elektrodenoberfläche wirkt mit der Oberfläche der Trennplatte zusammen, um den Reaktantenströmungsdurchgang zu vervollständigen. Als Trennplatte kann ein dünnes, leichtgewichtiges, elektrisch leitfähiges Blatt- oder Plattenmaterial verwendet werden, beispielsweise eine Graphitfolie oder ein Material aus einem geeigneten Metall, wie Niob oder Titan. Die erfindungsgemäße Verminderung des Gewichts und des Volumens der Trennplatten ermöglicht die Herstellung leichterer und kompakterer Brennstoffzellenstapel und sorgt für ein höheres Verhältnis von Leistung zu Gewicht und Leistung zu Volumen der Brennstoffzelle im Vergleich zu konventionellen Brennstoffzellen. Da die Trennplatten aus dünnerem Material hergestellt werden können, lassen sich erfindungsgemäß die Trennplatten billiger herstellen als die Trennplatten konventioneller Brennstoffzellen.
Ein zusätzlicher Vorteil der vorgeschlagenen Gestaltung ist die Nähe der Reaktantenströmung (Brennstoff und Oxidans) zum Ort des Katalysators. Da die Reaktanten durch Durchgänge im Elektrodenmaterial selbst strömen - im Gegensatz zu Kanälen in den Elektroden benachbarten Trennplatten -, müssen die Reaktanten nicht durch die gesamte Wandstärke des Elektrodenmaterials wandern, um die Katalysatorschichten zu erreichen. Eine Verminderung der Distanz, über die die Reaktanten wandern müssen, um die Katalysatorschicht zu erreichen, erleichtert die Erreichbarkeit der Katalysatorschicht für die Reaktanten und verbessert die mögliche Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung gegenüber konventionellen Brennstoffzellengestaltungen ist darin zu sehen, daß sich die Strömungsdurchgänge im Elektrodenmaterial verhältnismäßig leicht herstellen lassen - im Gegensatz zum Eingravieren, Einfräsen oder Einformen von Durchgängen in die steifen Trennplatten. Elektroden bestehen im allgemeinen aus porösem, elektrisch leitfähigem Blatt- bzw. Plattenmaterial, wie Kohlefaserpapier, während die steifen Trennplatten im allgemeinen aus Graphit oder einem geeigneten Metall hergestellt werden. Bei der vorliegenden Erfindung müssen die steifen Trennplatten nicht graviert, gefräst oder umgeformt werden, sondern sie lassen sich ersetzen durch dünne, leichtgewichtige Folien bzw. Platten aus nichtporösem, elektrisch leitfähigem Material, welches sich mit weniger Zeit- und Kostenaufwand bearbeiten läßt als im Falle des Fräsens von Trennplatten aus Graphit oder Metall.
Weitere Verbesserungen der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle werden durch die Ansprüche 2 bis 29 definiert.
Bei einer Ausführungsform umfassen die Strömungsmittel die interstitiellen Hohlräume innerhalb mindestens einer der ersten und zweiten Elektrodenlagen. Die Elektrodenlagen können Kapillaren enthalten, um den Reaktantenstrom innerhalb der Elektrodenlage längs mindestens eines Teils der Distanz zwischen Einlaß und Auslaß zu leiten. Solche Kapillaren können kontinuierlich oder diskontinuierlich sein und können in periodischen Abständen Öffnungen aufweisen, um ein Strömen des Reaktanten in die Elektroden und in Richtung auf die Katalysatorschicht zu ermöglichen.
In jeder Elektrode kann die Nut kontinuierlich sein und den Reaktanteneinlaß mit dem Reaktantenauslaß verbinden. Die Nut kann aber auch eine erste Nut umfassen, welche sich vom Reaktanteneinlaß weg erstreckt, sowie eine zweite Nut, welche sich vom Reaktantenauslaß weg erstreckt, wobei die zweite Nut nicht kontinuierlich in die erste Nut übergeht. Der Reaktantenstrom fließt von innerhalb der ersten Nut durch interstitielle Hohlräume der ersten Elektrodenlage zur zweiten Nut. Bei einer bevorzugten Ausführungsform verzweigt sich sowohl die erste Nut als auch die zweite Nut, und die Zweige der ersten Nut greifen zwischen die Zweige der zweiten Nut ein.
Die beiden Seitenwände der Nuten können beschichtet sein, um sie im wesentlichen für den Reaktanten undurchlässig zu machen, so daß die Reaktantenströmung durch den Boden der Nuten hindurch gegen die Katalysatorschicht gerichtet wird, um zu vermeiden, daß die Reaktantenströmung direkt zwischen einander benachbarten Nuten oder Zweigen verläuft.
Die erfindungsgemäße elektrochemische Brennstoffzelle weist ferner zweckmäßigerweise eine Kühlmittellage auf, welche mindestens einer der Trennlagen benachbart ist, und zwar der von der Membran-Elektroden-Baugruppe abgewandten Seite der Trennlage. Die Kühlmittellage wird vorzugsweise aus elektrisch leitfähigem Blattmaterial hergestellt, um die elektrische Reihenschaltung zwischen den sich wiederholenden Einheiten aufrechtzuerhalten. Die Kühlmittellage umfaßt Mittel, beispielsweise hohle Durchgänge, zum Strömen eines Kühlmittelfluids in der Kühlmittellage, wodurch von der MEA erzeugte Wärme durch das Kühlmittel absorbiert wird. Bevorzugtes Kühlmittelfluid ist Luft.
Die Kühlmittellage kann auch mit mindestens einer Nut versehen sein, welche in der der MEA zugewandten Oberfläche ausgebildet ist, wo die Oberfläche der benachbarten, der Kühlmittellage zugekehrten Trennlage im wesentlichen eben ist. In einer solchen Konfiguration wirken die genutete Oberfläche der Kühlmittellage und die ebene Oberfläche der benachbarten Trennlage zusammen, um einen Durchgang für die Kühlmittelströmung in der Kühlmittellage zu schaffen. Für eine solche Konfiguration wird Wasser als Kühlmittelfluid bevorzugt, jedoch können auch andere geeignete Kühlmittelfluide, wie Ethylenglycol oder Luft verwendet werden.
Eine Kühlung der Membran-Elektroden-Baugruppe kann auch dadurch bewirkt werden, daß man die Mittel zum Strömen eines Kühlmittelfluids innerhalb mindestens einer der Elektrodenlagen vorsieht, so daß von der MEA erzeugte Wärme durch das Kühlmittelfluid absorbiert wird. Die bevorzugten Strömungsmittel umfassen Röhrchen oder Kapillaren zum Aufnehmen des Kühlmittelfluids innerhalb der Membran-Elektroden-Baugruppe. Für diese Konfiguration werden Wasser und Ethylenglycol als Kühlmittelfluide bevorzugt.
Alternativ läßt sich die Membran-Elektroden-Baugruppe auch dadurch kühlen, daß man Wärmetransferoberflächen oder Rippen vorsieht, welche sich von denjenigen Oberflächen der Trennlagen weg erstrecken, die von der MEA abgekehrt sind, und daß man ein Kühlmittelfluid über diese Wärmetransferoberflächen strömen läßt. Von der Membran-Elektroden-Baugruppe erzeugte Wärme wird über die Wärmetransferoberflächen abgeleitet und durch das Kühlmittelfluid absorbiert. Bevorzugtes Kühlmittelfluid ist Luft, und bevorzugte Mittel zum Strömen des Kühlmittels über die Wärmetransferoberflächen sind ein Gebläse.
Erfindungsgemäß werden die Elektrodenlagen vorzugsweise aus Kohlefaserpapier hergestellt. Die Trennlagen werden vorzugsweise aus einer Graphitzusammensetzung, wie einer Graphitfolie, oder einem geeigneten Metall, wie einer Niob- oder Titan-Zusammensetzung gebildet. Bevorzugter Brennstoff ist Wasserstoff, und bevorzugtes Oxidans ist Sauerstoff. Der bevorzugte Katalysator enthält Platin oder eine platinhaltige Verbindung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Seitenansicht eines Brennstoffzellenstapels und zeigt diejenigen Abschnitte, welche elektrochemisch aktiv sind und die der Befeuchtung dienen.
Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht nach Art einer Explosionszeichnung einer konventionellen, bekannten Membran-Elektroden-Baugruppe zwischen zwei steifen Trennplatten, welche in den Elektroden zugekehrten Oberflächen Strömungsfeldnuten für die Reaktanten aufweisen.
Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht nach Art einer Explosionszeichnung einer leichtgewichtigen Membran-Elektroden-Baugruppe einer Brennstoffzelle mit erfindungsgemäßen integrierten (integralen bzw. eingeformten) Reaktantenströmungsdurchgängen, wobei die MEA zwischen zwei Trennlagen angeordnet ist.
Fig. 3A ist eine vergrößerte Schnittdarstellung des in Fig. 3 eingekreisten Elektrodenbereichs, welcher Reaktantenströmungsnuten mit beschichteten Seitenwänden aufweist.
Fig. 3B ist eine vergrößerte Schnittdarstellung; des in Fig. 3 eingekreisten Elektrodenbereichs, welcher Reaktantenströmungsnuten mit sich durch die Nuten erstreckenden Kapillaren aufweist.
Fig. 4 ist eine Seitenansicht einer konventionellen, bekannten sich wiederholenden Brennstoffzellen-Einheit, welche aus zwei Membran-Elektroden-Baugruppen besteht und zwischen zwei steifen Trennplatten angeordnet ist, von denen die eine Kühlmitteldurchgänge enthält.
Fig. 5 ist eine Seitenansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen, sich wiederholenden Brennstoffzellen-Einheit, welche aus zwei Membran-Elektroden-Baugruppen mit integrierten (integralen bzw. eingeformten) Reaktanten-Strömungsdurchgängen besteht, die zwischen zwei dünnen, leichtgewichtigen Trennlagen angeordnet sind, wobei ein einseitiges Kühlgehäuse vorgesehen ist.
Fig. 6 ist eine Seitenansicht einer anderen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen, sich wiederholenden Brennstoffzellen-Einheit, die aus zwei Membran-Elektroden-Baugruppen mit integrierten (integralen bzw. eingeformten) Reaktanten-Strömungsdurchgängen besteht, die zwischen drei dünnen, leichtgewichtigen Trennlagen angeordnet sind, wobei ein zweiseitiges Kühlgehäuse vorgesehen ist.
Fig. 7 ist eine Draufsicht auf eine nicht erfindungsgemäße Anode, welche aus porösem, elektrisch leitfähigem Blatt- oder Plattenmaterial hergestellt wurde und einen Einlaß und einen Auslaß aufweist, welche den betreffenden Brennstoffeinlaß- und Brennstoffauslaßsammelleitungen zugeordnet sind.
Fig. 7A ist eine Draufsicht auf die Anode gemäß Fig. 7 mit Sperrgliedern im porösen, elektrisch leitfähigen Blatt- oder Plattenmaterial zum Verteilen des Brennstoffstroms zwischen dem Einlaß und dem Auslaß (auch diese Anode ist nicht Teil der vorliegenden Erfindung).
Fig. 8 ist eine Draufsicht auf eine Kathode, welche der Anode nach Fig. 7 entspricht und aus porösem, elektrisch leitfähigem Blatt- oder Plattenmaterial hergestellt wurde sowie einen Einlaß und einen Auslaß aufweist, welche den entsprechenden Oxidanseinlaß- und Oxidansauslaßsammelleitungen zugeordnet sind (auch diese Kathode ist nicht Teil der vorliegenden Erfindung).
Fig. 8A ist eine Draufsicht auf die Kathode gemäß Fig. 8 mit Sperrgliedern im porösen, elektrisch leitfähigen Blatt- bzw. Plattenmaterial zum Verteilen des Oxidansstroms zwischen Einlaß und Auslaß (auch diese Kathode ist nicht Teil der vorliegenden Erfindung).
Fig. 9 ist eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anode, welche aus porösem, elektrisch leitfähigem Blatt- oder Plattenmaterial hergestellt wurde und Sammelnuten aufweist, welche sich von dem Einlaß und dem Auslaß weg erstrecken, die den entsprechenden Brennstoffeinlaß- und Brennstoffauslaßsammelleitungen zugeordnet sind.
Fig. 10 ist eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform einer der Anode nach Fig. 9 entsprechenden Kathode, welche aus porösem, elektrisch leitfähigem Blatt- bzw. Plattenmaterial hergestellt wurde und Sammelnuten aufweist, welche sich vom Einlaß und Auslaß weg erstrecken, die den entsprechenden Oxidanseinlaß- und Oxidansauslaßsammelleitungen zugeordnet sind.
Fig. 11 ist eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anode, welche aus porösem, elektrisch leitfähigem Blatt- bzw. Plattenmaterial hergestellt wurde und sich verzweigende, ineinandergreifende Nuten aufweist, die sich vom Einlaß und vom Auslaß weg erstrecken, welche den entsprechenden Brennstoffeinlaß- und Brennstoffauslaßsammelleitungen zugeordnet sind.
Fig. 12 ist eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform einer der Anode nach Fig. 11 entsprechenden Kathode, welche aus porösem, elektrisch leitfähigem Blatt- bzw. Plattenmaterial hergestellt wurde und sich verzweigende, ineinandergreifende Nuten aufweist, die sich vom Einlaß und vom Auslaß weg erstrecken, welche den entsprechenden Oxidanseinlaß- und Oxidansauslaßsammelleitungen zugeordnet sind.
Fig. 13 ist eine Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anode, welche aus porösem, elektrisch leitfähigem Blatt- bzw. Plattenmaterial hergestellt wurde und eine einzige, serpentinenförmig verlaufende Nut aufweist, welche den Einlaß und den Auslaß miteinander verbindet, die den entsprechenden Brennstoffeinlaß- und Brennstoffauslaßsammelleitungen zugeordnet sind.
Fig. 14 ist eine Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform einer der Anode gemäß Fig. 13 entsprechenden Kathode, welche aus porösem, elektrisch leitfähigem Blatt- bzw. Plattenmaterial hergestellt wurde und eine einzige, serpentinenförmig verlaufende Nut aufweist, die den Einlaß und den Auslaß miteinander verbindet, welche den entsprechenden Oxidanseinlaß- und Oxidansauslaßsammelleitungen zugeordnet sind.
Fig. 15 ist eine Zusammenstellung von drei Polarisationskurven der Zellenspannung als Funktion der Stromdichte in einer Zelleneinheit mit (1) Elektroden, welche integrierte Reaktantenströmungsdurchgänge aufweisen, wie dies in den Fig. 9 und 10 dargestellt ist (mit "A" bezeichnete Kurve), (2) Elektroden mit integrierten Reaktantenströmungsdurchgängen, wie sie in den Fig. 11 und 12 dargestellt sind (mit "B" bezeichnete Kurve) und (3) konventionellen (nicht mit Nuten versehenen) Elektroden und Graphit-Strömungsfeldplatten mit jeweils einem einzigen, kontinuierlichen Strömungskanal ähnlich den in den Fig. 13 und 14 gezeigten Strörnungskanälen (mit "X" bezeichnete Kurve).
Fig. 16 ist eine Zusammenstellung von vier Polarisationskurven der Zellenspannung als Funktion der Stromdichte in einer Zelleneinheit mit (1) Elektroden mit integrierten Reaktantenströmungsdurchgängen, wie sie in den Fig. 7 und 8 dargestellt sind (mit "C" bezeichnete Kurve), (2) Elektroden mit integrierten Reaktantenströmungsdurchgängen, wie sie in den Fig. 9 und 10 dargestellt sind (mit "E" bezeichnete Kurve), (3) Elektroden mit integrierten Reaktantenströmungsdurchgängen, wie sie in den Fig. 13 und 14 dargestellt sind (mit "D" bezeichnete Kurve) und (4) konventionellen (nicht mit Nuten versehenen) Elektroden und Graphit-Strömungsfeldplatten mit jeweils einem einzigen, kontinuierlichen Strömungskanal ähnlich den in den Fig. 13 und 14 dargestellten Strömungskanälen (mit "Y" bezeichnete Kurve).
Fig. 17 ist eine Zusammenstellung von zwei Polarisationskurven der Zellenspannung als Funktion der Stromdichte in einer sich wiederholenden Brennstoffzelleneinheit mit Elektroden mit integrierten Reaktantenströmungsdurchgängen, wie sie in den Fig. 13 und 14 dargestellt sind, und mit Trennlagen aus 2,54 mm (0,100 ") dickem Graphit, bei Verwendung von (1) sauerstoffhaltiger Luft als Oxidansstrom (mit "F" bezeichnete Kurve) und (2) im wesentlichen reinem Sauerstoff als Oxidansstrom (mit "G" bezeichnete Kurve).

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen

Zunächst sei auf Fig. 1 der Zeichnungen Bezug genommen, wonach eine Brennstoffzellenstapelanordnung 10 einen elektrochemisch aktiven Abschnitt 26 und einen Befeuchtungsabschnitt 28 aufweist. Die Stapelanordnung 10 hat einen modularen Platten- und Rahmenaufbau und umfaßt eine Kompressionsendplatte 16 und eine Fluidendplatte 18. Ein als Option vorgesehener Pneumatikkolben 17, welcher in der Kompressionsendplatte 16 angeordnet ist, bringt einen gleichförmigen Druck auf die Anordnung auf, um die Abdichtung zu fördern. Busplatten 22 und 24, welche an einander gegenüberliegenden Enden des aktiven Abschnitts 26 angeordnet sind, bilden einen negativen und einen positiven Kontakt, über die ein von der Anordnung erzeugter Strom zu einer nicht dargestellten Last fließt. Zwischen den Endplatten 16 und 18 erstrecken sich Spannstäbe 20, mit denen und Befestigungsmuttern 21 die Stapelanordnung 10 zusammengehalten und im zusammengebauten Zustand gesichert wird.
Der aktive Abschnitt 26 umfaßt zusätzlich zu den Busplatten 22 und 24 eine Anzahl von sich wiederholenden Brennstoffzelleneinheiten 12. Jede der sich wiederholenden Einheiten 12 besteht aus mindestens einer Membran-Elektroden-Baugruppe mit integrierten Reaktantenströmungsdurchgängen, Trennlagen und einem Kühlgehäuse, wie dies weiter unten noch im einzelnen beschrieben werden wird. Die sich wiederholenden Einheiten 12 sind elektrisch in Reihe geschaltet, und zwar durch den Kontakt zwischen den elektrisch leitfähigen Platten, welche die Trennlagen und die Kühlgehäuse bilden.
Der Befeuchtungsabschnitt 28 umfaßt eine Anzahl von Befeuchtungsanordnungen 14, von denen jede aus einer Brennstoff- oder Oxidans-Reaktantenströmungsfeldplatte, einer Wasser-Strömungsfeldplatte und einer Wasserdampf-Transportmembran besteht, welch letztere zwischen der Reaktantenströmungsfeldplatte und der Wasserströmungsfeldplatte angeordnet ist. Durch den Befeuchtungsabschnitt 28 wird dem dem aktiven Abschnitt 26 zugeführten Brennstoffstrom und Oxidansstrom Wasserdampf beigegeben, um die im aktiven Abschnitt enthaltenen Membranen vor dem Austrocknen zu schützen.
Die Fig. 2 zeigt eine konventionelle bekannte Brennstoffzelle 30. Die Brennstoffzelle 30 umfaßt eine Membran-Elektroden-Baugruppe 32, welche zwischen zwei steifen Trennplatten 34 und 36 angeordnet ist. Die Membran-Elektroden- Baugruppe 32 besteht aus einer Ionenaustauschmembran 42, die zwischen zwei Elektroden angeordnet ist, nämlich einer Anode 44 und einer Kathode 46. In konventionellen Brennstoffzellen sind die Anode 44 und die Kathode 46 aus porösem, elektrisch leitfähigem Blatt- bzw. Plattenmaterial gebildet, vorzugsweise aus Kohlefaserpapier, und sie haben ebene Oberflächen. Die Elektroden 44 und 46 haben eine dünne Schicht aus Katalysatormaterial auf ihren Oberflächen an der Grenzfläche zur Membran 42, um die Elektroden elektrochemisch aktiv zu machen.
Wie die Fig. 2 zeigt, hat die Trennplatte 34 mindestens eine Nut 34a, welche in ihre der Membran-Elektroden-Baugruppe 32 zugekehrte Oberfläche eingraviert, eingefräst oder eingeformt ist. Ähnlich hat die Trennplatte 36 mindestens eine Nut 36a, welche in ihre der Membran-Elektroden-Baugruppe 32 zugewandte Oberfläche eingraviert, eingefräst oder eingeformt ist. Nach dem Anlegen gegen die mitwirkenden Oberflächen der Elektroden 44 und 46 definieren die Nuten 34a und 36a Reaktantenströmungsfelddurchgänge für den Brennstoff bzw. das Oxidans. Bei den Nuten 34a und 36a handelt es sich vorzugsweise jeweils um eine einzige kontinuierliche Nut, die die Einlaß- und Auslaßsammelleitungen (nicht dargestellt) für der Brennstoffzelle 30 zugeführten Brennstoff bzw. Oxidans miteinander verbinden, wie dies in dem US-Patent 4 988 583 beschrieben ist, das Bestandteil der vorliegenden Schrift sein soll. Die Nuten 34a und 36a können durch Eingravieren, Einfräsen oder Einformen auch als mehrere, separate Nuten gestaltet werden, die die betreffenden Einlaß- und Auslaßsammelleitungen für Brennstoff und Oxidans miteinander verbinden.
Fig. 3 zeigt eine Brennstoffzelle 50 mit einer Membran-Elektroden-Baugruppe 52, welche integrierte (integrale) Reaktantenströmungsdurchgänge aufweist. Die Membran-Elektroden-Baugruppe 52 liegt zwischen leichtgewichtigen Trennlagen 54 und 56. Die Membran-Elektroden-Baugruppe 52 besteht aus einer Ionenaustauschmembran 68, welche zwischen zwei Elektroden liegt, nämlich einer Anode 64 und einer Kathode 66. Die Anode 64 und die Kathode 66 sind aus porösem, elektrisch leitfähigem Blatt- bzw. Plattenmaterial gebildet, vorzugsweise aus Kohlefaserpapier. Die Elektroden 64 und 66 haben eine dünne Schicht aus Katalysatormaterial auf ihren Oberflächen an der Grenzfläche zur Membran 62, um die Elektroden elektrochemisch aktiv zu machen.
Wie die Fig. 3 zeigt, hat die Anode 64 mindestens eine Nut 64a, welche in ihrer von der Membran 68 abgewandten Oberfläche ausgebildet ist. Ähnlich hat die Kathode 66 mindestens eine als Option vorgesehene Nut 66a, welche in ihrer von der Membran 68 abgekehrten Oberfläche ausgebildet ist. Wenn sie gegen die mitwirkenden Oberflächen der Trennschichten 54 und 56 angelegt sind, definieren die Nuten 64a und 66a Reaktantenströmungsfelddurchgänge für den Brennstoff bzw. das Oxidans. Die Nuten 64a und 66a können jeweils als eine einzige, kontinuierliche Nut oder eine Mehrzahl von separaten Nuten ausgebildet sein, welche die Einlaß- und Auslaßsammelleitungen miteinander verbinden, wie dies vorstehend für die in den Trennplatten konventioneller Brennstoffzellen ausgebildeten Nuten erörtert wurde. Alternativ können die Nuten 64a und 66a der Elektroden 64 und 66 vollständig entfallen, wobei Poren oder interstitielle Hohlräume innerhalb der Elektroden 64 und 66 als Reaktantenströmungsdurchgänge für den Brennstoff- bzw. Oxidansstrom dienen, ebenso aber auch der Entfernung des Reaktionsprodukts.
Die Fig. 3A stellt einen vergrößerten Schnitt des eingekreisten Bereichs der in Fig. 3 dargestellten Elektrode 64 dar, in dem die beiden Seitenwände einer Reaktantenströmungsnut 64a mit einer Versiegelungsschicht 65 beschichtet sind, welche für den durch die Nut 64a strömenden Reaktanten im wesentlichen undurchlässig ist. Die Anwesenheit der Versiegelungsschicht 65 hat zur Folge, daß die Reaktantenströmung gegen die in Fig. 3A nicht dargestellte Katalysatorschicht gerichtet wird, und zwar durch den Boden 63 der Nut 64a hindurch, um so einen Kurzschluß für die Reaktantenströmung zwischen einander benachbarten Nuten zu vermeiden.
Fig. 3B zeigt einen vergrößerten Querschnitt des in Fig. 3 eingekreisten Bereichs der Elektrode 64, in dem sich in den Nuten 64a Kapillaren 67 zum Leiten eines Reaktanten erstrecken. Die Kapillaren 67 weisen ihrer Länge entlang in periodischen Abständen nicht dargestellte Öffnungen auf, welche ein Strömen des Reaktanten in die Elektrode 64 hinein und in Richtung auf die nicht dargestellte Katalysatorschicht ermöglichen, an der die elektrochemische Reaktion stattfindet. Die Kapillaren 67 können kontinuierlich sein (d. h. sich über die ganze Länge der Nut zwischen Einlaß und Auslaß erstrecken), sie können aber auch diskontinuierlich sein (d. h. sich nur über einen Teil der Nut erstrecken), und zwar in Abhängigkeit von der Effizienz der Reaktantenströmung durch die Elektrode.
Die Fig. 4 zeigt eine konventionelle, sich wiederholende Brennstoffzelleneinheit 70 aus zwei Membran-Elektroden-Baugruppen 80 und 90. Die MEA 80 ist in ihrem Aufbau im wesentlichen identisch mit der in Fig. 2 dargestellten Membran-Elektroden-Baugruppe 32 und umfaßt eine Ionenaustauschmembran 82 zwischen einer Anode 84 und einer Kathode 86. Ähnlich ist die MEA 90 in ihrem Aufbau identisch mit der MEA 32 gemäß Fig. 2 und umfaßt eine Ionenaustauschmembran 92 zwischen einer Anode 94 und einer Kathode 96. Die Anoden 84, 94 und die Kathoden 86, 96 sind aus porösem, elektrisch leitfähigem Blatt- bzw. Plattenmaterial gebildet. In der konventionellen, sich wiederholenden Brennstoffzelleneinheit 70 liegt die MEA 80 zwischen steifen Trennplatten 102 und 104, während die MEA 90 sich zwischen Trennplatten 104 und 106 befindet. Die Trennplatte 102 hat Nuten 102a und 102b, welche, wie in Fig. 4 dargestellt, in ihre Hauptoberflächen eingraviert, eingefräst oder eingeformt sind. Die Platte 104 hat in ihre Hauptoberflächen eingravierte, eingefräste oder eingeformte Nuten 104a und 104b. Die Platte 106 hat einen in ihre eine Hauptoberfläche eingravierten, eingefrästen oder eingeformten Satz von Nuten 106b, während die andere Hauptoberfläche 106a unbearbeitet ist.
Wenn die Brennstoffzelle 70, wie in Fig. 4 dargestellt, zusammengebaut ist, wirkt die Oberfläche der MEA 80 mit Nuten 102a zusammen, um den Reaktantenströmungsdurchgang zu bilden, in dem der Oxidansstrom entlang der Hauptoberfläche der Kathode 86 strömt und der der Entfernung des an der Kathode 86 gebildeten Reaktionsprodukts dient. Die andere Oberfläche der MEA 80 wirkt mit Nuten 104b zusammen, so daß ein Reaktantenströmungsdurchgang gebildet wird, in dem der Brennstoffstrom entlang der Hauptoberfläche der Anode 84 strömt. Ähnlich wirkt die Oberfläche der MEA 90 mit Nuten 104a zusammen, um einen Reaktantenströmungsdurchgang zu bilden, in dem der Oxidansstrom längs der Hauptoberfläche der Kathode 96 strömt und der der Entfernung des an der Kathode 96 gebildeten Reaktionsprodukts dient. Die andere Oberfläche der MEA 90 wirkt mit Nuten 106b zusammen, um einen Reaktantenströmungsdurchgang zu bilden, in dem der Brennstoffstrom an der Hauptoberfläche der Anode 94 entlangströmt. Die nicht bearbeitete Oberfläche 106a der Platte 106 wirkt mit Nuten 102b in der benachbarten, sich wiederholenden Brennstoffzelleneinheit (nicht dargestellt) zusammen, um einen Durchgang zu bilden, in dem der Kühlmittelstrom fließt. Die Platte 102 wird auch als Kühlgehäuse bezeichnet.
Die Fig. 5 zeigt eine erste Ausführungsform einer sich wiederholenden Brennstoffzelleneinheit 110 aus zwei Membran-Elektroden-Baugruppen 120, 130 mit erfindungsgemäßen, integralen bzw. integrierten Reaktantenströmungsdurchgängen, wobei die Membran-Elektroden-Baugruppen zwischen zwei dünnen, leichtgewichtigen Trennschichten oder -lagen 142, 144 und einem einseitigen Kühlgehäuse 146 angeordnet sind. Die MEA 120 ist in ihrer Gestaltung im wesentlichen identisch mit der in Fig. 3 dargestellten MEA 52 und umfaßt eine Ionenaustauschmembran 122 zwischen einer Anode 124 und einer Kathode 126. Ähnlich ist die MEA 130 in ihrer Gestaltung identisch mit der in Fig. 3 dargestellten MEA 52 und umfaßt eine Ionenaustauschmembran 132 zwischen einer Anode 134 und einer Kathode 136. Die Anoden 124, 134 und die Kathoden 126, 136 sind aus porösem, elektrisch leitfähigem Blatt- bzw. Plattenmaterial gebildet. In der sich wiederholenden Einheit 110 ist die MEA 120 zwischen dünnen, leichtgewichtigen Trennlagen 142 und der nicht bearbeiteten Oberfläche des Kühlgehäuses der benachbarten, sich wiederholenden Einheit (nicht dargestellt) angeordnet. Die MEA 130 liegt zwischen dünnen, leichtgewichtigen Trennlagen 142 und 144. Die Anode 124 hat in ihre Hauptoberfläche, welche von der Membran 122 abgewandt ist, eingefräste Nuten 124a, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist, während die Kathode 126 Nuten 126a aufweist, welche in ihre von der Membran 122 wegweisende Hauptoberfläche eingefräst sind. Ähnlich hat die Anode 134 Nuten 134a, welche in ihre von der Membran 132 abgewandte Hauptoberfläche eingefräst sind, und die Kathode 136 hat Nuten 136a, welche in ihre von der Membran 132 wegweisende Hauptoberfläche eingefräst sind. Das Kühlgehäuse 146 hat einen Satz von Nuten 146a, welche, wie dargestellt, in eine Hauptoberfläche eingraviert, eingefräst oder eingeformt sind; die andere Hauptoberfläche 146b ist unbearbeitet.
Wenn die sich wiederholende Einheit 110 wie in Fig. 5 dargestellt zusammengebaut ist, wirkt die Oberfläche der dünnen, leichtgewichtigen Trennlage 142 mit Nuten 124a zusammen, um einen Reaktantenströmungsdurchgang zu definieren, in dem der Brennstoffstrom innerhalb der Anode 124 strömt. An der entgegengesetzten Oberfläche wirkt die Trennlage 142 mit Nuten 136a zusammen, um Reaktantenströmungsdurchgänge zu definieren, in denen der Oxidansstrom innerhalb der Kathode 136 strömt und die der Entfernung des an der Kathode 136 gebildeten Reaktionsprodukts dienen. Die Oberfläche der dünnen, leichtgewichtigen Trennlage 144 wirkt mit Nuten 134a zusammen, um einen Reaktantenströmungsdurchgang zu definieren, in dem der Brennstoffstrom innerhalb der Anode 134 strömt. An der entgegengesetzten Seite wirkt die Trennlage 144 mit Nuten 146a zusammen, um einen Durchgang zu bilden, in dem das Kühlmittelfluid innerhalb des einseitigen Kühlmittelgehäuses 146 strömt. Die entgegengesetzte Oberfläche 146b des Kühlmittelgehäuses 146 ist unbearbeitet (nutenlos) und wirkt mit Nuten 126a in der Kathode 126 der benachbarten, sich wiederholenden Brennstoffzelleneinheit (nicht dargestellt) zusammen, um Reaktantenströmungsdurchgänge zu definieren, in denen der Oxidansstrom innerhalb der Kathode 126 strömt.
Die Fig. 6 zeigt eine zweite Ausführungsform einer sich wiederholenden Brennstoffzelleneinheit 210 aus zwei Membran-Elekaroden-Baugruppen 220, 230 mit erfindungsgemäßen integralen bzw. integrierten Reaktantenströmungsdurchgängen, wobei diese Baugruppen zwischen drei dünnen, leichtgewichtigen Trennlagen 240, 242, 244 und einem zweiseitigen Kühlgehäuse 246 angeordnet sind. Die MEA 220 ist im wesentlichen identisch mit der in Fig. 5 dargestellten MEA 120 und umfaßt eine Ionenaustauschmembran 222 zwischen einer mit integrierten, eingearbeiteten Nuten 224a versehenen Anode 224 und einer mit eingearbeiteten, integrierten Nuten 226a versehenen Kathode 226. Ähnlich ist die MEA 230 im wesentlichen identisch mit der in Fig. 5 dargestellten MEA 130 und umfaßt eine Ionenaustauschmembran 232 zwischen einer mit integrierten Nuten 234a versehenen Anode 234 und einer mit integrierten Nuten 236a versehenen Kathode 236. Die MEA 220 liegt zwischen dünnen Trennlagen 240 und 242, während die MEA 230 zwischen Trennlagen 242 und 244 angeordnet ist. Die Trennlage 240 wirkt mit Nuten 226a zusammen, um einen Reaktantenströmungsdurchgang zu definieren, in dem der Oxidansstrom innerhalb der Kathode 226 strömt und der der Entfernung des an der Kathode 226 gebildeten Reaktionsprodukts dient. Wie die Fig. 6 zeigt, wirkt eine Oberfläche der Trennlage 242 mit Nuten 224a zusammen, um einen Reaktantenströmungsdurchgang zu definieren, in dem der Brennstoffstrom innerhalb der Anode 224 strömt. Die andere Oberfläche der Trennlage 242 wirkt mit Nuten 236a zusammen, um einen Durchgang zu definieren, in dem der Oxidansstrom innerhalb der Kathode 236 strömt und der der Entfernung des an der Kathode 236 gebildeten Reaktionsprodukts dient. Die Trennlage 244 wirkt mit Nuten 234a zusammen, um einen Durchgang zu definieren, in dem der Brennstoffstrom innerhalb der Anode 234 strömt. Auf der entgegengesetzten Seite wirkt die Trennlage 244 mit Nuten 246a zusammen, um einen Durchgang zu bilden, in dem ein Kühlmittelstrom innerhalb des zweiseitigen Kühlgehäuses 246 strömt. Die Trennlage 240 der benachbarten, sich wiederholenden Einheit (nicht dargestellt) wirkt mit Nuten 246b des Kühlmittelgehäuses 246 zusammen, um Durchgänge zu bilden, in denen ein zusätzlicher Kühlmittelstrom innerhalb des Kühlmittelgehäuses 246 strömt.
Fig. 7 zeigt eine Anode 260 mit integralen bzw. integrierten Reaktantenströmungsdurchgängen für den Brennstoff- (Wasserstoff-)Strom. Die Anode 260 ist aus porösem, elektrisch leitfähigem Blatt- bzw. Plattenmaterial 262 gebildet, in dem mehrere Öffnungen ausgebildet sind. Die Öffnungen fluchten mit korrespondierenden Öffnungen in angrenzenden Elektroden und Trennlagen, um Sammelleitungen für Wasserstoff-, Oxidans- (Sauerstoff enthaltende Luft) und Kühlmittel- (Wasser-)Ströme innerhalb des Brennstoffzellenstapels zu schaffen. Die Öffnungen in der Anode 260 umfassen eine Einlaßsammelleitung 268 für trockenen (nicht befeuchteten) Wasserstoff, eine Einlaßsammelleitung 270 für befeuchteten Wasserstoff, eine Auslaßsammelleitung 272 für befeuchteten Wasserstoff, eine Einlaßsammelleitung 274 für trockene (nicht befeuchtete) Luft, eine Einlaßsammelleitung 276 für befeuchtete Luft, eine Auslaßsammelleitung 278 für befeuchtete Luft, eine Einlaßsammelleitung 280 für Wasser, eine Wasser zu einem Befeuchter führende Sammelleitung 282 und eine Auslaßsammelleitung 284 für Wasser. Wie die Fig. 7 zeigt, sind in der Anode 260 auch Löcher 286 für Paßstifte vorgesehen. Die Einlaßsammelleitung 270 für befeuchteten Wasserstoff hat Einen Einlaufkanal 264, um den Wasserstoff-Brennstoffstrom von der Sammeleitung 270 zu den interstitiellen Hohlräumen des Anodenblattmaterials 262 und in diese hinein zu leiten. Ähnlich hat die Auslaßsammelleitung 272 für befeuchteten Wasserstoff einen Auslaufkanal 266, um den Brennstoffstrom von den interstitiellen Hohlräumen des Anodenblattmaterials 262 zur Auslaßsammelleitung 272 für den befeuchteten Wasserstoff zu leiten. Der Wasserstoff-Brennstoffstrom strömt in den interstitiellen Hohlräumen des porösen Blattmaterials 262 zwischen dem Einlaufkanal 264 und dem Auslaßkanal 266.
Die Fig. 7A zeigt die Anode der Fig. 7 mit Sperrgliedern 265 innerhalb des porösen, elektrisch leitfähigen Blatt- oder Plattenmaterials 263. Diese Sperrglieder verteilen den Brennstoffstrom zwischen dem Einlaufkanal 264 und dem Auslaßkanal 266 so, daß der Brennstoff die äußeren Regionen des Blattmaterials 263 gleichförmig durchdringt und erreicht - im Gegensatz zu einer Begrenzung auf Vorzugsströmungskanäle um die Linie herum, welche den Einlaß 264 mit dem Auslaß 266 verbindet.
Die Fig. 8 zeigt eine Kathode 290 entsprechend der in Fig. 7 dargestellten Anode 260. Die Kathode 290 ist aus porösem, elektrisch leitfähigem Blatt- oder Plattenmaterial 292 hergestellt, in dem mehrere Öffnungen ausgebildet sind, welche den vorstehend für die Anode 260 beschriebenen Öffnungen entsprechen. Eine Einlaßsammelleitung 276 für befeuchtete Luft hat einen Einlaufkanal 294, um den befeuchteten, Sauerstoff enthaltenden Luftstrom von der Sammelleitung 276 zu und in die interstitiellen Hohlräume des Kathodenblattmaterials 292 zu leiten. Ähnlich hat eine Auslaßsammelleitung 278 für befeuchtete Luft einen Auslaßkanal 296, um den befeuchteten Luftstrom von den interstitiellen Hohlräumen des Kathodenblattmaterials 292 zur Auslaßsammelleitung 278 für Luft zu leiten. Der befeuchtete, Sauerstoff enthaltende Luftstrom fließt innerhalb der interstitiellen Hohlräume des porösen Blattmaterials 292 zwischen dem Einlaufkanal 294 und dem Auslaßkanal 296.
Die Fig. 8A zeigt die Kathode der Fig. 8 mit Sperrgliedern 295 innerhalb des porösen, elektrisch leitfähigen Blattmaterials 293. Die Sperrglieder 295 verteilen den Oxidansstrom zwischen dem Einlaufkanal 294 und dem Auslaßkanal 296 so, daß das Oxidans die äußeren Regionen des Blattmaterials 293 gleichförmig durchdringt und erreicht - im Gegensatz zu einer Beschränkung auf Vorzugsströmungskanäle um die Linie herum, welche den Einlaß 294 mit dem Auslaß 296 verbindet.
Die Fig. 9 zeigt eine erste Ausführungsform einer Anode 310 mit integralen bzw. integrierten Reaktantenströmungsdurchgängen für den Brennstoff- (Wasserstoff-)Strom. Wie die Anode 260 ist die Anode 310 aus porösem, elektrisch leitfähigem Blattmaterial 312 hergestellt, welches mehrere Öffnungen aufweist, die den vorstehend beschriebenen Öffnungen der Anode 260 gemäß Fig. 7 entsprechen. Die Einlaßsammelleitung 270 für den befeuchteten Wasserstoff hat einen Einlaufkanal 314 und eine Sammelnut 318, welche sich vom Einlaufkanal 314 weg erstreckt, um den Wasserstoff-Brennstoffstrom von der Sammelleitung 270 zu den und in die interstitiellen Hohlräume des Anodenblattmaterials 312 zu leiten. Die Auslaßsammelleitung 272 für befeuchteten Wasserstoff hat einen Auslaufkanal 316 und eine Sammelnut 320, welche sich vom Auslaufkanal 316 weg erstreckt, um den Brennstoffstrom von den interstitiellen Hohlräumen des Anodenblattmaterials 312 zur Auslaßsammelleitung 272 für den befeuchteten Wasserstoff zu leiten. Der Wasserstoff- Brennstoffstrom strömt zwischen den Sammelnuten 318 und 320 in den interstitiellen Hohlräumen des porösen Blattmaterials 262.
Die Fig. 10 zeigt eine erste Ausführungsform einer Kathode 330, welche der Anode 310 der Fig. 9 entspricht. Die Kathode 330 ist aus porösem, elektrisch leitfähigem Blattmaterial 332 gebildet, welches mehrere Öffnungen aufweist, die den oben beschriebenen Öffnungen der Anode 260 entsprechen. Eine Einlaßsammelleitung 276 für befeuchtete Luft hat einen Einlaufkanal 334 und eine Sammelnut 338, welche sich vom Einlaufkanal 334 weg erstreckt, um den befeuchteten, sauerstoffhaltigen Luftstrom von der Sammelleitung 276 zu den und in die interstitiellen Hohlräume des Kathodenblattmaterials 312 zu leiten.
Ähnlich hat die Auslaßsammelleitung 278 für befeuchtete Luft einen Auslaßkanal 336 und eine Sammelnut 340, um den befeuchteten Luftstrom von den interstitiellen Hohlräumen des Kathodenblattmaterials 332 zu der Auslaßsammelleitung 278 für Luft zu leiten. Der befeuchtete, sauerstoffhaltige Luftstrom fließt in den interstitiellen Hohlräumen des porösen Blattmaterials 332 zwischen den Sammelnuten 338 und 340.
Die Fig. 11 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Anode 350 mit integrierten, d. h. mit der Anode einteiligen Reaktantenströmungsdurchgängen für den Brennstoff- (Wasserstoff-) Strom. Die Anode 350 ist aus porösem, elektrisch leitfähigem Blatt- bzw. Plattenmaterial 352 hergestellt, welches mehrere Öffnungen aufweist, die den oben beschriebenen Öffnungen der Anode 260 gemäß Fig. 7 entsprechen. Eine Einlaßsammelleitung 270 für befeuchteten Wasserstoff hat einen Einlaufkanal 354, eine sich von diesem weg erstreckende Sammelnut 358 und sich verzweigende Nuten 364, welche sich von der Sammelnut 358 weg erstrecken, um den Wasserstoff-Brennstoffstrom von der Sammelleitung 270 zu den und in die interstitiellen Hohlräume des Anodenblattmaterials 352 zu leiten. Eine Auslaßsammelleitung 272 für befeuchteten Wasserstoff hat einen Auslaßkanal 356, eine Sammelnut 360 und sich verzweigende Nuten 362, die sich von der Sammelnut 360 weg erstrecken, um den Brennstoffstrom von den interstitiellen Hohlräumen des Anodenblattmaterials 352 zur Auslaßsammelleitung 272 für den befeuchteten Wasserstoff zu leiten. Die sich verzweigenden Nuten 362 und die sich verzweigenden Nuten 364 greifen ineinander, wie dies in Fig. 11 dargestellt ist. Der Wasserstoff- Brennstoffstrom fließt zwischen den einzelnen sich verzweigenden Nuten 362 und 364 und auch zwischen den Sammelnuten und den benachbarten, sich verzweigenden Nuten in den interstitiellen Hohlräumen des porösen Blattmaterials 352.
Die Fig. 12 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Kathode 370, die der Anode 350 gemäß Fig. 11 entspricht. Die Kathode 370 ist aus porösem, elektrisch leitfähigem Blatt- bzw. Plattenmaterial 372 hergestellt und hat mehrere Öffnungen, welche den vorstehend für die Anode 260 beschriebenen Öffnungen entsprechen. Eine Einlaßsammelleitung 276 für befeuchtete Luft hat einen Einlaufkanal 374, eine Sammelnut 378 und sich verzweigende Nuten 384, welche sich von der Sammelnut 378 weg erstrecken, um den befeuchteten, Sauerstoff enthaltenden Luftstrom von der Sammelleitung 276 zu den und in die interstitiellen Hohlräume des Kathodenblattmaterials 372 zu leiten. Die Auslaßsammelleitung 278 für befeuchtete Luft hat einen Auslaufkanal 376, eine Sammelnut 380 und sich verzweigende Nuten 382, welche sich von der Sammelnut 380 weg erstrecken, um den befeuchteten Luftstrom von den interstitiellen Hohlräumen des Kathodenblattmaterials 372 zur Auslaßsammelleitung 278 für die Luft zu leiten. Die sich verzweigenden Nuten 382 und die sich verzweigenden Nuten 384 greifen so ineinander, wie dies in Fig. 12 dargestellt ist. Der befeuchtete, Sauerstoff enthaltende Luftstrom fließt zwischen den einzelnen sich verzweigenden Nuten 382 und 384 sowie zwischen den Sammelnuten und den benachbarten, sich verzweigenden Nuten innerhalb der interstitiellen Hohlräume des porösen Blattmaterials 372.
Die Fig. 13 zeigt eine dritte Ausführungsform einer Anode 390 mit integrierten Reaktantenströmungsdurchgängen für den Brennstoff- (Wasserstoff-) Strom. Die Anode 390 ist aus porösem, elektrisch leitfähigem Blattmaterial 392 hergestellt, das mehrere Öffnungen aufweist, die den oben beschriebenen Öffnungen der in Fig. 7 gezeigten Anode 260 entsprechen. Eine Einlaßsammelleitung 270 für befeuchteten Wasserstoff hat einen sich von letzterer weg erstreckenden Einlaufkanal 394, wie dies in Fig. 13 gezeigt wird. Eine Auslaßsammelleitung 272 für befeuchteten Wasserstoff hat, wie dargestellt, einen sich von letzterer weg erstreckenden Auslaßkanal 396. Eine einzige, kontinuierliche und serpentinenförmig verlaufende Nut 398 verbindet den Einlaufkanal 394 mit dem Auslaßkanal 396 und leitet den Wasserstoff-Brennstoffstrom vom Einlaufkanal 394 zum Auslaßkanal 396.
Die Fig. 14 zeigt eine dritte Ausführungsform einer Kathode 410, welche der Anode 390 gemäß Fig. 13 entspricht. Die Kathode 410 ist aus porösem, elektrisch leitfähigem Blattmaterial 412 hergestellt und hat mehrere Öffnungen, welche den vorstehend für die Anode 260 beschriebenen Öffnungen entsprechen. Eine Einlaßsammelleitung 276 für befeuchtete Luft hat einen sich von dieser weg erstreckenden Einlaufkanal 414, wie dies in Fig. 14 dargestellt ist. Eine Auslaßsammelleitung 278 für befeuchtete Luft hat einen sich von dieser weg erstreckenden Auslaßkanal 416, so wie dies dargestellt wurde. Eine einzige, kontinuierliche und serpentinenartig verlaufende Nut 418 verbindet den Einlaufkanal 414 mit dem Auslaßkanal 416 und leitet den sauerstoffhaltigen Luftstrom vom Einlaufkanal 414 zum Auslaßkanal 416.
In Fig. 15 wird das Verhalten zweier individueller Brennstoffzellen, welche Membran-Elektroden-Baugruppen mit unterschiedlichen Konfigurationen integrierter Reaktantenströmungsdurchgänge verwenden, verglichen mit dem Verhalten einer Brennstoffzelle, die eine Membran-Elektroden-Baugruppe verwendet, welche aufweist konventionelle (nicht mit Nuten versehene) Elektroden und Graphit-Strömungsfeldplatten mit jeweils einem einzigen, kontinuierlichen Strömungskanal ähnlich den in den Fig. 13 und 14 dargestellten Kanälen. Die Brennstoffzellen für die Fig. 15 verwendeten eine Nation 117 Ionenaustauschmembran (0,1778 mm bzw. 0,007 " dick) und wurden betrieben bei einem Druck von 206,8/206,8 kPa gauge (30/30 psig) Luft/Wasserstoff, einer Temperatur von 70ºC und einer Luft/Wasserstoff Stöchiometrie von 2,0/2,0. Ferner verwendeten die Brennstoffzellen für Fig. 15 Graphit-Trennlagen mit einer Dicke von 5,08 mm (0,20 "). Die Elektroden waren hergestellt aus Kohlefaserpapier mit einer Dicke von 6,86 mm (0,27"). Jede Brennstoffzelle war zwischen zwei einseitigen Graphit-Kühlgehäusen angeordnet.
Die mit "A" bezeichnete Kurve der Fig. 15 stellt die Spannung als Funktion der Stromdichte für die in den Fig. 9 und 10 dargestellte Elektrodenkonfiguration dar, d. h. für eine Anode und eine Kathode, von denen jede Gaseinlaufkanäle und Sammelnuten hat, die in ihren von der Membran abgewandten Oberflächen ausgebildet sind. Die in Fig. 15 mit "B" bezeichnete Kurve zeigt die Spannung als Funktion der Stromdichte für die in den Fig. 11 und 12 gezeigte Elektrodenkonfiguration, nämlich mit sich verzweigenden und ineinandergreifenden Nuten, welche in den von der Membran abgewandten Elektrodenoberflächen ausgebildet sind. In den Kurven "A" und "B" fällt die Zellenspannung leicht ab von ungefähr 1,0 V auf ungefähr 0,9 V, wenn die Stromdichte zunimmt. In der Kurve "A" fällt die Spannung scharf auf ungefähr Null ab, wenn die Stromdichte über den Wert von 64,6 mA/cm² (60 Ampere pro Quadratfuß) ansteigt. Das zur Kurve "B" gehörende Design mit ineinandergreifenden Nuten hält ein höheres Spannungsniveau über einen breiteren Bereich der Stromdichte als die zur Kurve "A" gehörende Konfiguration und zeigt einen scharfen Spannungsabfall auf ungefähr Null bei Stromdichten über 129,2 mA/cm² (120 Ampere pro Quadratfuß). Die zur Kurve "X" gehörende konventionelle Konfiguration mit in den Graphitplatten ausgebildeten Reaktantenströmungskanälen hält ein höheres Spannungsniveau über einen breiteren Bereich der Stromdichte als jede der zu den Kurven "A" und "B" gehörenden Konfigurationen.
Die Fig. 16 vergleicht das Verhalten dreier individueller Brennstoffzellen mit Membran-Elektroden-Baugruppen, welche unterschiedliche Konfigurationen integrierter Reaktantenströmungsdurchgänge aufweisen, mit dem Verhalten einer Brennstoffzelle mit einer Membran-Elektroden-Baugruppe, welche konventionelle (nicht mit Nuten versehene) Elektroden und Graphit-Strömungsfeldplatten mit jeweils einem einzigen, kontinuierlichen Strömungskanal ähnlich den in den Fig. 13 und 14 gezeigten Kanälen aufweist. Die Brennstoffzellen verwendeten eine Nation 117 Ionenaustauschmembran (0,1778 mm bzw. 0,007 " dick) und wurden betrieben bei einem Druck von 206,8/206,8 kPa gauge (30/30 psig) Luft/Wasserstoff, einer Temperatur von 72ºC und einer Luft/Wasserstoff Stöchiometrie von 2,0/2,0. Die Brennstoffzellen der Fig. 16 verwendeten auch Graphit-Trennlagen mit einer Dicke von 5,08 mm (0,20 "). Die Elektroden waren hergestellt aus 1,5 mm dickem Kohlefaserpapier. Jede der Brennstoffzellen befand sich zwischen zwei einseitigen Graphit-Kühlgehäusen.
Die in Fig. 16 mit "C" bezeichnete Kurve zeigt: die Spannung als Funktion der Stromdichte für die Elektrodenkonfiguration gemäß den Fig. 7 und 8, nämlich für eine Anode und eine Kathode, welche Gaseinlässe und Gasauslässe aufweisen, die sich von den betreffenden Sammelleitungen zu den interstitiellen Hohlräumen des Elektrodenmaterials erstrecken. Die in Fig. 16 mit "D" bezeichnete Kurve zeigt die Spannung als Funktion der Stromdichte für die Elektrodenkonfiguration gemäß den Fig. 13 und 14, nämlich mit einer Anode und einer Kathode, welche jeweils eine einzige, kontinuierliche und serpentinenförmig verlaufende Nut aufweisen, die die Einlässe mit den Auslässen verbinden. Die in Fig. 16 mit "E" bezeichnete Kurve zeigt die Spannung als Funktion der Stromdichte für die Elektrodenkonfiguration gemäß den Fig. 9 und 10, nämlich mit einer Anode und einer Kathode, welche beide Gaseinlässe und Sammelnuten haben, die in ihren von der Membran abgewandten Oberflächen ausgebildet sind. In den Kurven "C", "D" und "E" fällt die Zellenspannung im wesentlichen linear ab von ungefähr 1,0 V auf ungefähr 0,6 V, wenn die Stromdichte auf ungefähr 322,9 mA/cm² (300 Ampere pro Quadratfuß) ansteigt. Bei den Kurven "C" und "D" fällt die Spannung scharf ab auf ungefähr 0,2 V, wenn die Stromdichte über 322,9 mA/cm² (300 Ampere pro Quadratfuß) ansteigt. In der Kurve "E" fällt die Spannung scharf ab auf ungefähr 0,2 V, wenn die Stromdichte über 430,6 mA/cm² (400 Ampere pro Quadratfuß) ansteigt. Die zur Kurve "E" gehörende Konfiguration von Gaseinlaß und Sammelnut hält also ein höheres Spannungsniveau über einen breiteren Bereich der Stromdichte als die zu den Kurven "C" und "D" gehörenden Konfigurationen von Gaseinlaß und Einzelnut. Jede der zu den Kurven "C", "D" und "E" gehörenden Konfigurationen hält ein höheres Spannungsniveau über einen breiteren Bereich der Stromdichte als die zur Kurve "Y" gehörende konventionelle Konfiguration mit in den Graphitplatten ausgebildeten Reaktantenströmungskanälen.
Die Fig. 17 zeigt das Verhalten zweier Brennstoffzellen mit Membran-Elektroden-Baugruppen, welche integrierte Reaktantenströmungsdurchgänge aufweisen, wobei unterschiedliche Oxidansströme verwendet werden. In jeder der zur Fig. 17 gehörenden Brennstoffzellen hatten die Elektroden eine einzige, kontinuierliche und serpentinenförmig verlaufende Nut, welche in die von der Membran abgewandten Oberflächen eingefräst wurde, so wie dies die Fig. 13 und 14 zeigen. Die Brennstoffzellen verwendeten eine Ionenaustauschmembran vom Typ Nation 117 (0,1778 mm bzw. 0,007 " dick) und wurden betrieben bei einem Druck von 206,8/206,8 kPa gauge (30/30 psig) Oxidans/Wasserstoff, einer Temperatur von 720C und einer Luft/Wasserstoff Stöchiometrie von 2,0/2,0. Die Elektroden waren aus 1,5 mm dickem Kohlefaserpapier gebildet. Die Membran-Elektroden-Baugruppen waren zwischen nicht bearbeiteten, ebenen (nicht mit Nuten versehenen) Trennplatten aus 2,54 mm (0,100 ") dickem Graphit angeordnet. Jede der Brennstoffzellen befand sich zwischen zwei einseitigen Graphit-Kühlgehäusen.
Die in Fig. 17 mit "F" bezeichnete Kurve zeigt die Spannung als Funktion der Stromdichte für eine Anordnung, in der sauerstoffhaltige Luft (ungefähr 21% Sauerstoff) als Oxidans verwendet wurde. Die in Fig. 17 mit "G" bezeichnete Kurve zeigt die Spannung als Funktion der Stromdichte für eine Anordnung, in der im wesentlichen reiner Sauerstoff als Oxidans verwendet wurde. Die mit im wesentlichen reinem Sauerstoff als Oxidans betriebene Brennstoffzelle, nämlich die zur Kurve "G" gehörende Brennstoffzelle, zeigte höhere Spannungen über einen breiteren Stromdichtebereich als die mit sauerstoffhaltiger Luft betriebene Brennstoffzelle.
Zusammenfassend kann also festgestellt werden, daß eine dünne, leichtgewichtige Brennstoffzelle vorgeschlagen wurde, welche Gebrauch macht von einer Membran-Elektroden-Baugruppe, die integrale bzw. integrierte Reaktantenströmungsdurchgänge aufweist. Die räumliche Anordnung der Reaktantenströmungsdurchgänge im Elektrodenmaterial erlaubt es, dicke Trennplatten durch dünne, leichtgewichtigere und gasundurchlässige Trennlagen bzw. -schichten zu ersetzen. In Kombination mit anderen sich wiederholenden Einheiten schafft die vorliegende Erfindung einen Brennstoffzellenstapel mit höheren Verhältnissen von Leistung zu Volumen und Leistung zu Gewicht als konventionelle sich wiederholende Einheiten mit in die Trennplatten eingravierten, eingefrästen oder eingeformten Strömungsdurchgängen. Die örtliche Anordnung der Strömungsdurchgänge im Elektrodenmaterial verringert auch die Distanz, über die die Reaktanten wandern müssen, um die Katalysatororte zu erreichen, wodurch das potentielle Leistungsvermögen der Brennstoffzelle verbessert wird. Schließlich lassen sich Membran-Elektroden-Baugruppen mit integrierten Reaktantenströmungsdurchgängen billiger herstellen als konventionelle sich wiederholende Einheiten mit in steife Trennplatten eingefrästen Strömungsdurchgängen.

Claims

1. Elektrochemische Brennstoffzelle zur Umwandlung eines Brennstoffreaktantenstroms und eines Oxidansreaktantenstroms in einen Reaktionsproduktstrom und elektrische Energie, wobei die Brennstoffzelle umfaßt:

erste und zweite Trennlagen bzw. -platten (144, 142) aus elektrisch leitfähigem Blatt- bzw. Plattenmaterial, welches für die Reaktantenströme im wesentlichen undurchlässig ist;

eine Membran-Elektroden-Baugruppe (130), welche zwischen die Trennlagen eingefügt ist und eine Ionenaustauschmembran (132), eine erste Elektrodenlage (134) mit einem zugeordneten Katalysator auf einer ersten Seite der Membran (132) sowie eine zweite Elektrodenlage (136) mit einem zugeordneten Katalysator auf einer zweiten Seite der Membran (132) umfaßt;

Brennstoffstrom-Strömungsmittel (134, 134a) für ein Strömen des Brennstoffstroms zwischen der Membran (132) und der ersten Trennlage (144) von einem Brennstoffstromeinlaß zu einem Brennstoffstromauslaß, und Oxidansstrom-Strömungsmittel (136, 136a) für ein Strömen des Oxidansstroms zwischen der Membran (132) und der zweiten Trennlage (142) von einem Oxidansstromeinlaß zu einem Oxidansstromauslaß, wobei diese Strömungsmittel (134, 134a, 136, 136a) mindestens eine Nut oder Rille (134a, 136a) aufweisen,

und wobei die Brennstoffzelle dadurch gekennzeichnet ist, daß die erste Elektrodenlage (134) die Brennstoffstrom-Strömungsmittel (134, 134a) bildet und den Brennstoffstromeinlaß sowie den Brennstoffstromauslaß aufweist, indem sie als eine einzige einteilige Lage aus porösem, elektrisch leitfähigem Blatt- bzw. Plattenmaterial für ein Strömen des Brennstoffstroms innerhalb der ersten Elektrodenlage ausgebildet ist, daß

die zweite Elektrodenlage (136) die Oxidansströmungsmittel (136, 136a) bildet und den Oxidansstromeinlaß sowie den Oxidansstromauslaß aufweist, indem sie als eine einzige einteilige Lage aus porösem, elektrisch leitfähigem Blatt- bzw. Plattenmaterial für ein Strömen des Oxidansstroms innerhalb der zweiten Elektrodenlage ausgebildet ist, und daß

die von der Membran (132) wegweisende Oberfläche mindestens einer der einteiligen Elektrodenlagen (134, 136) mit wenigstens einer Nut (134a, 136a) der Strömungsmittel versehen ist und gegen eine Hauptoberfläche einer der Trennlagen (142, 144) anliegt, wodurch diese Oberfläche dieser Elektrodenlage und die angrenzende Oberfläche dieser Trennlage zur Bildung eines Durchgangs für einen der Reaktantenströme zusammenwirken.

2. Die elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei mindestens eine der Elektrodenlagen (64) außerdem Kapillaren (67) zur Aufnahme des Reaktantenstroms in der mindestens einen der Elektrodenlagen entlang mindestens eines Teils des Abstands zwischen Einlaß und Auslaß aufweist.

3. Die elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die der mindestens einen der einteiligen Elektrodenlagen (134, 136) zugekehrte Oberfläche der benachbarten Trennlage (144, 142) im wesentlichen eben ist.

4. Die elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Nut (64a) den Brennstoffstromeinlaß mit dem Brennstoffstromauslaß verbindet.

5. Die elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Nut eine erste, vom Brennstoffstromeinlaß (270) ausgehende Nut oder Rille (358, 364) und eine zweite, vom Brennstoffstromauslaß (272) ausgehende und nicht in die erste Nut übergehende Nut oder Rille (360, 362) aufweist, wodurch der Brennstoffreaktantenstrom von innerhalb der ersten Nut durch interstitielle Räume der ersten Elektrodenlage (350) zur zweiten Nut strömt.

6. Die elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 5, wobei die erste (358, 364) und die zweite (360, 362) Nut sich verzweigen und die Zweige (364) der ersten Nut zwischen die Zweige (362) der zweiten Nut eingreifen.

7. Die elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Nut (64a) den Oxidanseinlaß mit dem Oxidansauslaß verbindet.

8. Die elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Nut eine erste, vom Oxidanseinlaß (276) ausgehende Nut oder Rille (378, 384) und eine zweite, vom Oxidansauslaß (278) ausgehende und nicht in die erste Nut übergehende Nut oder Rille (380, 382) aufweist, wodurch der Oxidansstrom von innerhalb der ersten Nut durch interstitielle Räume der zweiten Elektrodenlage (370) zur zweiten Nut strömt.

9. Die elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 8, wobei die erste (378, 384) und die zweite (380, 382) Nut sich verzweigen und die Zweige (384) der ersten Nut zwischen die Zweige (382) der zweiten Nut eingreifen.

10. Die elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 1, welche mindestens einer der Trennlagen (144, 244) benachbart, und zwar auf der von der Membran-Elektroden-Baugruppe (130, 230) abgewandten Seite dieser Trennlage, eine Kühlmittellage (146, 246) enthält, welche aus elektrisch leitfähigem Blatt- bzw. Plattenmaterial gebildet ist und Mittel (146a, 246a, 246b) aufweist zum Strömen eines Kühlmittelfluids innerhalb der Kühlmittellage, wodurch von der Membran-Elektroden-Baugruppe erzeugte Wärme durch das Kühlmittel absorbiert wird.

11. Die elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 10, wobei das Kühlmittel Luft ist.

12. Die elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 10, in der die Kühlmittellage (146, 246) mindestens eine Nut oder Rille (146a, 246a) aufweist, welche in ihrer der Membran-Elektroden-Baugruppe (130, 230) zugewandten Oberfläche ausgebildet ist und wobei die dieser Kühlmittellage zugewandte Oberfläche der benachbarten Trennlage (144, 244) im wesentlichen eben ist, so daß die Oberfläche dieser Kühlmittellage und die benachbarte Oberfläche dieser Trennlage zur Bildung eines Durchgangs für eine Strömung des Kühlmittels innerhalb der Kühlmittellage zusammenwirken.

13. Die elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 12, bei der das Kühlmittel Wasser ist.

14. Die elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 12, bei der das Kühlmittel Ethylenglykol ist.

15. Die elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 1, bei der wenigstens eine der Elektrodenlagen (134, 136) Mittel zum Strömen eines Kühlmittelfluids in der Membran-Elektroden-Baugruppe aufweist, wodurch von der Membran-Elektroden-Baugruppe erzeugte Wärme durch das Kühlmittelfluid absorbiert wird.

16. Die elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 15, wobei diese Strömungsmittel das Kühlmittelfluid leitende Kapillaren aufweisen.

17. Die elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 15, wobei das Kühlmittelfluid Wasser ist.

18. Die elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 15, wobei das Kühlmittelfluid Ethylenglykol ist.

19. Die elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Trennplatten sich von diesen weg erstreckende Wärmetransferoberflächen aufweisen und wobei ferner Mittel zum Strömen eines Kühlmittelfluids über diese Wärmetransferoberflächen vorgesehen sind, wodurch von der Membran-Elektroden-Baugruppe erzeugte Wärme vom Kühlmittelfluid absorbiert wird.

20. Die elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 19, wobei das Kühlmittelfluid Luft ist und die Kühlmittelströmungsmittel ein Gebläse sind.

21. Die elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 1, bei der die Elektrodenlagen aus Kohlefaserpapier gebildet sind.

22. Die elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 1, bei der die Trennlagen aus einer Graphitzusammensetzung gebildet sind.

23. Die elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 22, bei der die Trennlagen aus Graphitfolie gebildet sind.

24. Die elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 1, bei der die Trennlagen aus einer Niobzusammensetzung gebildet sind.

25. Die elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 1, bei der die Trennlagen aus einer Titanzusammensetzung gebildet sind.

26. Die elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 1, bei der der Brennstoff Wasserstoff und das Oxidans Sauerstoff ist.

27. Die elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 1, bei der der Katalysator Platin enthält.

28. Die elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 1, bei der der Katalysator eine platinhaltige Verbindung enthält.

29. Die elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 1, bei der die Seitenwände der mindestens einen Nut (64a) mit einem Dichtungsmaterial (65) beschichtet sind, welches für den in der mindestens einen Nut strömenden Reaktanten im wesentlichen undurchlässig ist, wodurch die Reaktantenströmung gegen den Katalysator gerichtet wird.