WO1995003638A1 - Verfahren und vorrichtung zur verringerung der mit den leckströmen verbundenen energieverluste elektrochemischer zellen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur verringerung der mit den leckströmen verbundenen energieverluste elektrochemischer zellen Download PDF

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Bossel Ulf Dr
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • Electrochemical cells for converting chemical energy into electrical energy and vice versa In particular fuel cells for the direct conversion of the chemical potential of a gaseous fuel into electrical energy.
  • the invention relates to the sealing problems and the leaks in the edge zones of electrochemical cells and the associated loss of material and energy. Particularly in the case of a large number of plate-shaped cells, these represent a constructively-technically and energetically-economically not negligible topic.
  • the invention relates to a method for reducing the at the joints and edge parts In the sealing area of the electrodes and the electrolyte of an electrochemical cell, material and exergy losses occurring as a result of leakage material flows and leakage energy flows.
  • the invention further relates to a device for performing the method in an electrochemical cell or in a stack or another arrangement consisting of a multiplicity of electrochemical cells.
  • the method and the constructive changes to the electrochemical cell or an entire cell assembly which are conditional on its implementation should be easy to carry out universally on all possible types and constructions of electrochemical cells, in particular on fuel cells and little or no additional costs, possibly even lower costs.
  • This object is achieved in that in the above-mentioned method, specifically without the aim of sealing as completely as possible and the lowest possible leakage currents in the edge parts of the chambers of adjacent oxygen electrodes and fuel electrodes in the said edge parts which come from the electrode chambers, perpendicular to Direction of the electric field strength flowing reactants, oxygen carriers and fuel are forced to continue and, if possible, complete their reaction, which takes place under the influence of the electric field strength, in such a way that all material flows escaping from the leak are not capable of any remaining undesired, unordered reaction , no longer have their own chemical potential and, overall, no longer have any exergy content representing a loss, and that the energy conversion to be carried out within the leak takes place in the sense of increasing the overall electrochemical efficiency.
  • the geometrical structure of the electrochemical cell mentioned at the outset ensures that the electrolyte, oxygen electrode, fuel electrode and the current collectors which supply and remove current to the electrodes are located right up to the edge of the edge area of the bipolar plates or the corresponding end plates are sufficient and are flush with the latter, and that the width determined perpendicular to the electrical field strength is determined by the interface of the supply or discharge of the gaseous reactants or reaction products and the outermost contour of the edge of the edge portion of the bipolar plates the edge part of the bipolar plates is determined in such a way that the electrochemical reactions taking place in this edge path in the edge part have come to an end completely when the edge is reached.
  • FIG. 1 is a perspective view / elevation section of a plate-shaped electrochemical cell (plate plane horizontal) with sealing area,
  • FIG. 2 shows a schematic section (elevation) through a high-temperature fuel cell with a ceramic solid electrolyte based on Zr0 2 ,
  • FIG. 3 shows a schematic section (elevation) through a fuel cell with a perfluorinated sulfonated cation exchanger (plastic polymer) as a solid electrolyte,
  • Fig. 4 is a schematic section (elevation) through a fuel cell with H-.PO. as a liquid electrolyte,
  • FIG. 5 shows a schematic section (elevation) through a fuel cell with a eutectic melt of Li 2 CO_ / K_C0 3 as liquid electrolyte
  • Fig. 6 is a schematic section (elevation) through a fuel cell with KOH as a liquid electrolyte.
  • FIG. 1 is a perspective illustration / elevation section of a plate-shaped electrochemical cell (plate plane horizontal). This figure represents the most general case of an electrochemical cell, which can be viewed both as a separate single cell and as a single cell section from a stack of a large number of cells.
  • a fuel cell is shown in this basic example. posed. It consists of the electrolyte 1 (in general), the oxygen electrode 2 which is negatively (-) charged in the present operating case and the positively (+) charged fuel electrode 3.
  • the current collectors 4 are used for current conduction and current distribution in the region of the electrodes 2 and 3 (Oxygen side) and 5 (fuel side).
  • part 6 shows the channeled part of the bipolar plate on the oxygen side, 7 the corresponding part on the fuel side.
  • part 6 and part 7 are of course a monolithic unit which separates two adjacent cells.
  • 8 represents the interface of the reactant supply in the region of the bipolar plates 6; 7, ie this is the outermost area in which the electrodes 2; 3 'the gaseous media are supplied.
  • 9 is the outermost edge of the edge part of the bipolar plate 6 (or 7), which at the same time forms the end of the stack of cells and coincides with the end of the "seal".
  • 10 is the edge part of the bipolar plate, the width of which corresponds to the otherwise conventional “sealing width” according to the prior art.
  • the oxygen carrier generally consists of air, technically pure oxygen or air enriched with oxygen
  • FIG. 2 shows a schematic section (elevation) through a high-temperature fuel cell with a ceramic solid electrolyte based on Zr0_.
  • the reference signs 1 to 12 essentially correspond to those in FIG. 1.
  • the electrolyte 1 consists of doped stabilized Zr0_ and is at an operating temperature of approximately 850 ° C.
  • the porous oxygen electrode 2 consists of a doped with SrO.
  • La / Mn-Perovskite, while also porous fuel electrode 3 consists of a Ni / ZrO_ cermet.
  • the current collectors 4 (oxygen side) and 5 (fuel side) generally consist of wire mesh, metal fabrics, nonwovens, etc.
  • the bipolar plate 6, 7 advantageously consists of a scaling-resistant material ⁇ against nickel or iron-based alloy.
  • the edge portion 10 of the latter is delimited by the dash-dot interface 8 of the reactant supply (gaseous media) and by the edge 9 also indicated.
  • the entire active part of the cell, in particular the solid electrolyte 1 and the electrodes 2; 3 continues to the edge 9 of the bipolar plate 6, 7.
  • the supply 11 of the oxygen carrier through the channels in the bipolar plate, oxygen side 6 is indicated schematically from the outside by the arrow 0_ + 4.N_ (air).
  • the solid electrolyte 1 is a conductor for oxygen ions at high temperatures.
  • the electrical field strength vector standing vertically on the plate plane in the present case is designated by 13, which at the same time indicates the direction of migration of the negative charge carriers
  • 2- (Pfeil2 ⁇ ) in the electrolyte in the active area of the cell. 14 is the removal of the reaction product (in the present case 2H, -0) in the active core area of the cell. This is indicated schematically with an arrow pointing downwards, in order to clarify that this removal still takes place within the active core area of the cell on the fuel side of the bipolar plate 7.
  • the removal 15 (and in certain cases the removal of the excess oxygen carrier; not shown in FIG. 2) of the ballast nitrogen also takes place in the core area of the cell, which is indicated by an upward-pointing arrow (N ⁇ .).
  • 16 represents the electric field strength gate and the direction of migration of the negative charge carriers (arrow ⁇ 20) in the electrolyte in the region of the edge part 10 of the bipolar plate.
  • FIG. 3 shows a schematic section (elevation) through a fuel cell with a perfluorinated sulfonated cation exchanger (plastic polymer) as a solid electrolyte.
  • the reference numerals 2 to 12 essentially correspond to those in FIG. 1.
  • the electrolyte 1 which is kept at approximately 80 ° C., consists of a membrane swollen in H 0 from a plastic polymer on the base a doped cation exchanger (eg "Nafion" from Du Pont). This is indicated in Figure 3 by oblique bars (plastic framework) and by horizontal interrupted lines (H_0 filling).
  • the electrodes 2 and 3 generally consist of platinum metals or corrosion-resistant alloys coated with platinum metals (eg titanium alloys) or of carbon or carbon-based composite materials. A mixture of iridium and ruthenium or their oxides, inter alia, has proven useful as the oxygen electrode.
  • the bipolar plate 6; 7 is monolithic or consists of different layers, again using titanium (oxygen side 6) or graphite (fuel side 7).
  • FIGS. 1 and 2 apply to reference numerals 8, 9, 10. The same relates to the supply 11 of the gaseous oxygen carrier (0-. + 4N_) and the feed 12 of the gaseous fuel (2 W).
  • the reaction product 2H.-0 and the ballast nitrogen 4N_ leave the cell on the same side of the bipolar plate 6, namely on the oxygen side (reference numerals 14; 15).
  • the solid electrolyte 1 swollen with HO is a conductor for hydrogen ions at temperatures below the evaporation temperatures of the water resulting at the respective pressure.
  • 19 in the present case represents the electrical field strength vector standing perpendicularly on the plate plane, which at the same time means the direction of migration of the positive charge carriers (arrow ⁇ ⁇ -W) in the electrolyte in the active area of the cell.
  • FIG. 20 shows the electric field strength vector and the direction of migration of the positive charge carriers (arrow ⁇ 4- ⁇ ) in the electrolyte in the region of the edge part 10 of the bipolar plate.
  • the oxygen part 6 passes over the edge part 10 of the bipolar plate through the current collector 4 in parallel Plate level of the energy-free total leakage flow 21 (arrow i H-, 0 + S 0_).
  • 22 is the water jacket caused by the reaction product (H-, 0) of the leakage stream. Except for the leakage stream, some excess water occasionally emerges directly from the electrolyte 1.
  • 23 represents a watertight sheathing of the water jacket 22 consisting of electrical insulating material. This is provided with inwardly directed circumferential ribs in the form of a labyrinth which serves to increase the path length between adjacent cells and to change the water cross section ⁇ to avoid smaller and harmful shunt circuits.
  • Fig. 4 shows a schematic section (elevation) through a fuel cell with H-.P0. as a liquid electrolyte.
  • the reference numerals 2 to 12 essentially correspond to those in FIG. 1.
  • the electrolyte 1 which is preferably kept at approximately 200 ° C., consists of liquid H - PO. (with a little% H_0 addition), which is indicated by horizontal broken lines in FIG. 4.
  • the electrolyte 1 is held in a fleece 24 made of ceramic material based on SiO 2 as a framework and thus takes up the space between the electrodes 2 and 3 as a kind of "liquid plate".
  • the liquid electrolyte 1 is a conductor for hydrogen ions.
  • the electrodes 2 and 3 consist of H-.PO. in the temperature range from room temperature to 200 C (operating temperature) corrosion-resistant material.
  • the reaction product 2H_0 and the ballast nitrogen 4N_ leave the cell on the bipolar plate oxygen side 6, while the energy-free total leakage flow 21 (arrow ⁇ H -... 0 + «f O via the edge part 10 of the bipolar plate oxygen side 6 through the current collector 4 25 is a ceramic frame for sealing the liquid electrolyte 1.
  • FIG. 5 shows a schematic section (elevation) through a fuel cell with a eutectic melt of Li_CO-NK-.CO., As a liquid electrolyte.
  • the reference numerals 2 to 12 essentially correspond to those of FIG. 1.
  • Electrolyte 1 held at 650 C in the present case consists of a molten mixture of Li-CO- and K-CO-. eutectic composition, the electrolyte 1 is indicated in FIG. 5 by horizontal broken lines. It is held as a framework in a fleece 26 (dashed hatching) made of corrosion-resistant ceramic material, forming a kind of "liquid plate" in the space between the electrodes 2 and 3.
  • the liquid electrolyte 1 is a conductor for carbonate ions and thus indirectly for oxygen ions.
  • 13 is the electrical field strength vector standing perpendicularly on the plate plane, which at the same time shows the direction of migration of the negative charge carriers (arrow
  • the electrodes 2 and 3 are of course made of corrosion-resistant materials with respect to Li_CO-./K-.CO ⁇ melt.
  • the oxygen electrode 2 must also be resistant to oxidation with respect to the oxygen carriers (0_ and CO-).
  • the discharge 14 of the reaction products 2 (H_0 + CO-,) in the active core area of the cell takes place via the bipolar plate fuel side 7, while the removal 15 of the ballast nitrogen (4.N "-,) takes place via the bipolar plate oxygen side 6.
  • the CO- drawn off on the fuel side is fed back to the cell on the oxygen side after liberation from H-, 0.
  • the CO-, - cycle is closed, and the energy-free partial leakage stream 17 [arrow ZKH-.
  • the electrolyte 1 which is preferably kept at approximately 80, consists of a 15 to 30% aqueous solution of KOH.
  • a diaphragm 29 made of a fleece made of asbestos or a ceramic material is arranged in the electrolyte 1.
  • the liquid electrolyte 1 is a conductor for OH ions and thus indirectly for oxygen ions.
  • 13 is the electrical field strength vector which is perpendicular to the plate plane and which simultaneously represents the direction of migration of the negative charge carriers (arrow 40H) in the electrolyte in the active region of the cell.
  • the 16 represents the electric field strength vector and the direction of migration of the negative charge carriers (arrow ⁇ 40H ⁇ ) in the electrolyte in the region of the edge portion 10 of the bipolar plate.
  • the electrodes 2 and 3 consist of material which is corrosion-resistant with respect to KOH solution.
  • the oxygen electrode 2 must also be resistant to oxidation with respect to the oxygen carriers (O ⁇ * and H_0).
  • the reaction product 4H-.0 is removed in the active core area of the cell via the bipolar plate fuel side 7, while the removal 15 of the ballast nitrogen (4N-,) takes place via the bipolar plate oxygen side 6. Half of the water drawn off on the fuel side is returned to the cell on the oxygen side.
  • the energy-free partial leakage stream 17 exits through the current collector 5 parallel to the plate plane and over the edge part 10 of the bipolar plate.
  • the energy-free partial leakage stream 18 (arrow S ? ) Leaves the cell through the current collector 4 parallel to the plane of the plate via the edge part 10 of the bipolar plate.
  • 30 is a frame made of alkali-resistant plastic for sealing the liquid electrolyte 1.
  • a plate-shaped stack consisting of 20 individual high-temperature fuel cells was available for the investigation of the operating behavior.
  • a single cell consisted of solid electrolyte 1, oxygen electrode 2, fuel electrode 3, current collectors 4 and 5 and two halves of a bipolar plate 6; 7.
  • the solid electrolyte 1 consisted of stabilized, doped ZrO-, was rectangular, plate-shaped, flat and had a width of HO mm, a length of 145 mm and a thickness of 0.25 mm.
  • the solid electrolyte 1 was coated on one side over its entire area with the porous oxygen electrode 2 made of SrO-doped La / Mn perovskite with a thickness of 0.08 mm.
  • the solid electrolyte 1 as a porous fuel electrode 3, had a coating made of Ni / ZrO ⁇ cermet with a thickness of 0.04 mm.
  • the current collector 4 on the oxygen side consisted of an elastic, fine-meshed metal mesh made of a scale-resistant, heat-resistant nickel-based alloy with approximately 30% Cr and approximately 9.5% Fe, while the current collector 5 on the fuel side consisted of an elastic mesh made of dispersion-hardened nickel duration.
  • the bipolar plate 6; equipped with channels for the gaseous media; 7 consisted of a scale-resistant iron-based alloy with approx. 20% Cr, approx. 5% Al and approx. 1% Si.
  • the fuel side 7 of the bipolar plate was covered with an approximately 0.05 mm thick nickel layer.
  • the edge section 10 Between the interface 8 of the reactant supply and the edge 9 of the bipolar plate was the edge section 10, which had a width of 7.5 mm parallel to the plane of the plate.
  • the supply 11 of the gaseous oxygen carrier to the stack of cells consisted of preheated air (0_ + 4-N -,) and the supply 12 of the gaseous fuel from likewise preheated water Fabric (2H 2 ).
  • the fuel cells were rated at a nominal current density
  • the energy-less partial leakage flow 18 (ff 0_) in the present case was approximately 15% of the supply 11 of the oxygen carrier, while the energy-less partial leakage flow 17 (£ H_0) was approximately 10% of the fuel consumed in the active core area of the cell (H- ,) corresponded and no longer contained any free hydrogen. This means that the electrochemical reaction came to an end practically after passing about 2/3 of the width of the edge portion 10 of the bipolar plate.
  • a plate-shaped stack consisting of 25 individual fuel cells with an ion exchange membrane was examined.
  • a single cell consisted of solid electrolyte 1, oxygen electrode 2, fuel electrode 3, current collectors 4 and 5 and two halves of a bipolar plate 6; 7.
  • the solid electrolyte 1 consisted of a cation exchange membrane in the form of a film of the type perfluorinated polymer with sulfonic acids (trade name Nafion from Du Pont), was of a square shape with a side length of 230 mm and a thickness of 0.35 mm.
  • the entire surface of the solid electrolyte 1 is coated with an electrocatalyst, which serves as a porous oxygen electrode 2 and consists of an IrO 2 / RuO --- mixture of 2 ⁇ m thickness.
  • the solid electrolyte 1 was provided over its entire surface with a gas-permeable coating serving as fuel electrode 3 and based on finely divided carbon powder with a total thickness of 15 ⁇ m.
  • the current collector 4 on the oxygen side consisted of a braid / fabric made of titanium, which had a platinum coating on the contact surfaces with the neighboring components.
  • the current collector 5 on the fuel side was made of a fleece made of nickel, which was reinforced with a resilient wire mesh made of nickel to reinforce the mechanical stability.
  • the bipolar plate 6; 7 provided with crosswise arranged channels for the gaseous and liquid media consisted on the oxygen side 6 of a plate densely sintered from titanium powder, which had a platinum coating at the points of contact with the current collector 4 for the purpose of depassivation, while the Fuel side 7 consisted of densely sintered graphite.
  • the two halves of the bipolar plate 6; 7 were assembled into a monolithic body by sintering.
  • the edge section 10 between the interface 8 of the reactant supply and the edge 9 of the bipolar plate had a width of 12.5 mm.
  • the supply 11 of the gaseous oxygen carrier to the cell consisted of air (0_ + 4N, the supply 12 of the fuel consisted of hydrogen (2 ⁇ .).
  • the watertight casing 23 for sealing the water jacket 22 consisted of insulating, corrosion-resistant plastic with a wall thickness of 3 mm and showed all-round, inwardly projecting ribs 2 mm wide and 1.5 mm thick.
  • the fuel cells were rated at a nominal current density
  • a plate-shaped battery consisting of 50 individual fuel cells of the type with H.-PO.
  • a single cell consisted of liquid electrolyte 1, oxygen electrode 2, fuel electrode 3 and current collectors 4 and 5 and two halves of the bipolar plate 6; 7.
  • the liquid electrolyte 1 consisted of H-PO, to which about 3% H_0 had been added. It was held in a fleece 24 made of ceramic material based on SiO_ as a framework which had a square shape with a side length of 800 mm and a thickness of 1.2 mm.
  • Both the oxygen electrode 2 and the fuel electrode 3 consisted of a 0.15 mm thick porous, gas-permeable film made of carbon, in which platinum particles were dispersed.
  • the oxygen electrode 2 was also platinized on the current collector side for better contact.
  • the current collector 4 on the oxygen side consisted of resilient corrugated fins made of a heat-resistant iron-based alloy with a high Cr and Al content, which were platinized at the points of contact with adjacent components.
  • the current collector 5 consisted of a spring-hard elastic wire mesh made of nickel on the fuel side.
  • the bipolar plate 6; 7 had cross-arranged channels for guiding the gaseous media and existed on the oxygen side
  • the edge portion 10 of the reactant supply and the edge 9 of the bipolar plate had a width of 25 mm parallel to the plane of the plate.
  • the oxygen carrier 11 was supplied to the cell stack in the form of air
  • the frame 25 made of oxide ceramic for sealing the liquid electrolyte 1 was firmly connected to the fleece 24 by sintering and had a rectangular cross section of 10 mm wide and 1.5 mm high (shown distorted in FIG. 4).
  • the stack of fuel cells was
  • the energy-free total leakage flow 21 (A H_0 + cf O ⁇ .) In the present case was approximately 10% of the supply 11 of the oxygen carrier or approximately 5% of the fuel (H_) consumed in the active core area of the cell. No free hydrogen could be found in the leakage stream.
  • the electrochemical reaction came to a standstill well before reaching the outer end of the edge zone 10 of the bipolar plate. 1 p
  • the operating behavior was investigated on a plate-shaped stack of 10 individual fuel cells of the type with a carbonate melt as the electrolyte.
  • a single cell consisted of liquid electrolyte 1, oxygen electrode 2, fuel electrode 3, current collectors 4 and 5 and two halves of a bipolar plate 6; 7.
  • the liquid electrolyte 1 consisted of a eutectic melt of Li_CO-. and K - CO., and was held in a fleece 26 made of a corrosion-resistant ceramic material as a framework. It was square in shape with a side length of 400 mm and a thickness of 0.8 mm.
  • the oxygen electrode 2 consisted of a porous, gas-permeable nickel layer of 0.2 mm thickness, which was platinum-coated on the current collector side for better contact.
  • the fuel electrode 3 consisted of a finely perforated, gas-permeable nickel sheet of 0.4 mm thickness.
  • the current collector 4 on the oxygen side consisted of spring-hard, corrugated fins which were platinized at the points of contact with the adjacent electrode and the adjacent bipolar plate and made of a heat-resistant nickel-based alloy with Al and Ti addition and a Cr content of at least 20%, while the current collector 5 on the Fuel side consisted of a spring-hard elastic wire mesh made of a dispersion-hardened nickel alloy.
  • the bipolar plate 6; 7 was equipped with channels for guiding the gaseous media and consisted on the oxygen side 6 of a plate densely sintered from titanium and carbon powder, while the fuel side 7 consisted of sintered carbon powder. Both halves of the bipolar plate 6; 7 formed a compact, monolithic sintered body.
  • the edge part 10 of the bipolar plate between the interface 8 and the edge 9 had a width of 15 mm 2
  • the feed 11 of the gaseous oxygen carrier consisted of preheated air and recycled carbon dioxide
  • the frame 28 made of corrosion-resistant high-temperature ceramic for sealing the liquid electrolyte 1 was firmly connected to the fleece 26 by sintering and had a rectangular cross section 10 mm wide and 1.4 mm high.
  • the fuel cells were rated at a nominal current density
  • the energy-free partial leakage stream 17 £ A (H 2 0 + C0 2 )] corresponded to approximately 8% of the fuel (H_) consumed in the active core area of the cell and contained no free hydrogen whatsoever.
  • the electrochemical reaction was thus completed before reaching the outer end of the edge zone 10 of the bipolar plate.
  • the energy-free partial leakage stream 27 (S 0_ + g CO_) in the present case was approximately 20% of the supply 11 of the oxygen carrier for the air and approximately 8% for the carbon dioxide.
  • the operating behavior of a battery of 40 individual plate-shaped fuel cells of the type with KOH as electrolyte was examined with regard to its operating behavior.
  • the individual cell consisted of liquid electrolyte 1, oxygen electrode 2, fuel electrode 3, current collectors 4 and 5, diaphragm 29 and two halves of the bipolar plate 6; 7.
  • the liquid electrolyte 1 consisted of a 25% aqueous solution of KOH.
  • the electrolyte enclosed between two adjacent electrodes 2; 3 occupied a square of 600 mm side length and had a thickness (electrode spacing) of 15 mm.
  • the oxygen electrode 2 consisted of a porous, gas-permeable fleece / felt made of nickel with a thickness of 0.5 mm, while the fuel electrode 3 was made of the same fleece made of steel of the same dimensions.
  • the current collector 4 on the oxygen side consisted of a spring-hard elastic fine-mesh wire mesh made of nickel, while the current collector 5 on the fuel side consisted of a steel one.
  • the bipolar plate 6; 7 had parallel channels for guiding the gaseous and liquid media and consisted of steel on the fuel side 7, while the oxygen side 6 was plated with nickel. Both halves of the bipolar plate 6; 7 formed a single, monolithic compact metal body.
  • the edge section 10 located between the interface 8 of the reactant supply and the edge 9 of the bipolar plate had a width of 30 mm parallel to the plane of the plate.
  • the feed 11 of the oxygen carrier consisted of air and cooled, partially recycled water (0 - + 4N -. + 2H_0) and the feed 12 of the gaseous fuel in the form of hydrogen (2H_).
  • the diaphragm 29 consisted of a fleece made of ceramic material, on the contour of which one completely closing frame 30 made of alkali-resistant plastic for sealing the liquid electrolyte
  • I connected with a rectangular cross-section of 12 mm wide and 17 mm high.
  • the stack of fuel cells was
  • the energy-free partial leakage stream 17 (A H_0) corresponded to approximately 12% of the fuel (H-) consumed in the active core area of the cell. It no longer contained any free hydrogen.
  • the energy-free partial leakage stream 18 (tf 0 2 ) was approximately 25% of the supply in the present case
  • the invention is not restricted to the exemplary embodiments, nor in any way to flat sealing areas.
  • the method for reducing the joints and edges in the sealing area of the electrodes 2; 3 and the electrolyte 1 of an electrochemical cell, which occur due to leakage and leakage flows and loss of material and exergy losses is carried out by deliberately avoiding the aim of sealing as completely as possible and the lowest possible leakage currents in the peripheral areas of the chambers of adjacent oxygen electrode 2 and fuel electrode 3 in the said edge parts 10 the reactants originating from the electrode chambers and flowing perpendicular to the direction of the electric field strength are forced to continue and, if possible, complete their reaction, which takes place under the influence of the electric field strength, in such a way that all of them leak outward from the leak incoming material flows are not capable of any remaining, undesired, unordered reaction, no longer have their own chemical potential and, overall, do not represent any loss End exergy content have more, and that the energy conversion to be carried out within the leak takes place in the sense of increasing the overall electrochemical efficiency.
  • the device for reducing the joints and edge areas in the sealing area of the electrodes 2; 3 and the electrolyte 1 of an electrochemical cell or a stack or another arrangement consisting of a multiplicity of electrochemical cells and material and exergy losses occurring due to leakage flows and leakage energy flows is designed in such a way that the geometric structure of the electrochemical cell is structurally ensured for this that electrolyte 1, oxygen electrode 2, fuel electrode 3 and the current supply and current discharge to the electrodes 2; 3 current collectors 4; 5 exactly to the edge 9 of the edge portion 10 of the bipolar plates 6; 7 or the corresponding end plates are sufficient and flush with the latter, and that through the interface 8 of the supply or discharge of the gaseous reactants or reaction products and the outermost contour of the edge 9 of the edge portion 10 of the bipolar plates 6; 7 determined, perpendicular to the electric field strength, measured width of the edge part 10 of the bipolar plates 6; 7 is determined in such a way that the electrochemical reactions taking place on this leak path in the edge area 10 have come to an
  • the device designed as an electrochemical cell (s) is preferably a high-temperature fuel cell consisting of plate-shaped components with doped and stabilized ZrO, as a solid electrolyte or a stack of a plurality of similar fuel cells with chambers for the gaseous media separating bipolar plates 6; 7, the supplied oxygen carrier on the side of the oxygen electrode 2 air, technically pure oxygen or air enriched with oxygen and the supplied gaseous fuel on the side of the fuel electrode 3 H-,, CO, CH.
  • the device is designed as one plate-shaped components existing fuel cell with perfluorinated sulfonated organic cation exchange polymer in membrane form as a solid electrolyte or as a stack of a plurality of similar fuel cells with chambers for the gaseous media and channels for separating bipolar plates 6 forming water outflow; 7 before, the supplied oxygen carrier on the side of the oxygen electrode 2 air, technically pure oxygen or oxygen-enriched air and the supplied gaseous fuel on the side of the fuel electrode 3 H-.
  • the device is a fuel cell consisting of plate-shaped components with liquid electrolytes in the form of H-.PO held in a fleece 24 made of a ceramic material based on SiO_ as a framework. or a stack of a plurality of similar fuel cells with chambers for the separating bipolar plates 6 forming the gaseous media; 7, the supplied oxygen carrier on the side of the oxygen electrode 2 air, technically pure oxygen or air enriched with oxygen and the supplied gaseous fuel on the side of the fuel electrode 3 H-. is, and in the immediate vicinity of the boundary of the fuel cell (s) for each cell an am 2
  • Edge of the electrolyte 1 is flush and tightly adjoining frame for sealing and retaining the latter, consisting of ceramic material based on SiO 2 and the distance between two bipolar plates 6 delimiting a fuel cell; 7 perpendicular to the plate plane at most 8 mm and the width of the edge part 10 of the bipolar plates 6 determined by the boundary surface 8 and the outer contour of the edge; 7 is at least 10 m.
  • the device present as an electrochemical cell is a fuel cell consisting of plate-shaped components with liquid electrolyte held in a fleece 26 made of a ceramic material as a framework in the form of a eutectic melt of Li_CO-.
  • the device designed as electrochemical cells is a fuel cell consisting of plate-shaped components with liquid electrolytes in the form of an aqueous KOH solution or a stack of one held in two spaces by a separating diaphragm 29 made of asbestos or a ceramic material
  • the method for reducing the losses in electrolytic cells is carried out by using in an electrochemical cell serving the electrolysis the edge part 10 which is completely separated from the active electrolysis part by an isolating gap on all sides and forms a closed frame ⁇ cell is operated in such a way that the leakage streams which come out of the active electrolysis part and which consist of the reactants oxygen carrier and fuel are intercepted and are forced to complete their orderly reaction under the influence of the electric field strength, and that the electrical energy obtained is used to support electrolysis and to increase its current efficiency and overall efficiency.

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Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Verringerung der im Dichtungsbereich der Elektroden (2; 3) und des Elektrolyten (1) elektrochemischer Zellen auftretenden Leck-Stoff- und Energieverluste, wobei unter Verzicht möglichst vollständiger Dichtung die aus den Elektrodenkammern senkrecht zur elektrischen Feldstärke ausströmenden Reaktanden Sauerstoffträger und Brennstoff in den Randpartien (10) der Bipolarplatten (6; 7) zur Fortführung und möglichst vollständigen Beendigung der im Bereich der Feldstärke geordnet ablaufenden Reaktionen gezwungen werden. Die innerhalb der Leckstelle erfolgende Energieumsetzung erhöht den elektrochemischen Gesamtwirkungsgrad. Die Breite der Randpartie (10) ist mit der Dicke der Leckstelle (Abstand der Bipolarplatten) derart abgestimmt, dass sämtliche Reaktionen vor Erreichen der Kante (9) abgeschlossen sind und lediglich energielose Leckstoffströme (17; 18) die Zelle verlassen. Anwendung auf Zellen des Elektrolyttyps ZrO2, Kationenaustauschermembran, H3PO4, Li2/K2CO3, KOH.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Verringerung der mit den
Leckströmen verbundenen Energieverluste elektrochemischer Zellen
Technisches Gebiet
Elektrochemische Zellen zur Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie und umgekehrt. Insbesondere Brenn¬ stoffzellen zur direkten Umwandlung des chemischen Poten¬ tials eines gasförmigen Brennstoffs in elektrische Energie.
Die Erfindung bezieht sich auf die Dichtungsprobleme und die Leckstellen in den Randzonen von elektrochemischen Zellen und die damit in Verbindung stehenden Stoff- und Energieverluste. Diese stellen besonders bei einer Viel¬ zahl plattenförmiger Zellen ein konstruktiv-technisch und energetisch-oekonomisch nicht zu vernachlässigendes Thema dar.
Im engeren Sinne betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Verringerung der an den Stosstellen und Randpartien im Dichtungsbereich der Elektroden und des Elektrolyten einer elektrochemischen Zelle auftretenden, durch Leck¬ stoffströme und Leckenergieströme auftretenden Stoff- und Exergieverluste.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durch¬ führung des Verfahrens in einer elektrochemischen Zelle oder in einem Stapel oder einer anderen Anordnung bestehend aus einer Vielzahl elektrochemischer Zellen.
Stand der Technik
Bei allen elektrochemischen Zellen ganz gleich welcher Art und welchen zur Anwendung gelangenden Verfahrens treten an gewissen Stellen Stoffverluste und Exergieverluste auf. Dies bezieht sich vor allem auf Stosstellen und Randpartien, wo entsprechende Verluste durch Leckstoff- ströme und Leckenergieströme beobachtet werden. Die ent¬ sprechenden Erscheinungen haben einen Rückgang der Strom¬ ausbeute, unerwünschte chemische Reaktionen, schädliche Wärmeentwicklung und im extremen Fall örtliche Explosions¬ gefahr zur Folge. Die Sicherheit des Betriebes der Zelle oder der Zellenanordnung muss durch möglichst gute Dichtun¬ gen an den kritischen Stellen gewährleistet werden. Es handelt sich somit im vorliegenden Fall vor allem um die Lösung eines Dichtungsproblems . Die Praxis zeigt indessen, dass zufolge beschränkten zur Verfügung stehenden Raumes, Anpressdruckes und eingeschränkter Freiheit für den Kon¬ strukteur keine Dichtung auf die Dauer vollkommen ist.
Es stellt sich daher das Bedürfnis ein, die durch Leck¬ ströme verursachten Verluste sowohl an Materie wie an Energie sowie die eventuell damit im Zusammenhang stehen¬ den Unsicherheiten und Gefahren durch weitere Massnahmen zu begrenzen. Diese Forderung ist umso gerechtfertigter, als die klassischen Dichtungen zusätzlichen toten Raum beanspruchen, materialtechnische Schwierigkeiten verur¬ sachen und im allgemeinen aufwendig und kostspielig sind.
Zum Stand der Technik werden die folgenden Dokumente zitiert:
- O. Antonsen, W. Baukai und W. Fischer, "Hochtemperatur- Brennstoffbatterie mit keramischem Elektrolyten". Brown Boveri Mitteilungen Januar/Februar 1966,
Seiten 21-30,
- US-A-4692274 '
- US-A-4395468
- US-A-4214969
- US-A-4039409
- US-A-4326943
- DE-A-2905168
Die bei bisherigen elektrochemischen Zellen üblichen her¬ kömmlichen Dichtungskonzepte befriedigen nicht. Insbeson¬ dere in Anbetracht der beabsichtigten Zukunftsentwicklung der Brennstoffzellen in Richtung grossindustrielle Ferti¬ gung und Verwendung besteht ein grosses Bedürfnis nach Vervollkommnung und Vereinfachung und optimaler konstruk¬ tiver Gestaltung der beteiligten Bauelemente.
Darstellung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vor¬ richtung anzugeben, womit die Leck-Stoffverluste und die Leck-Exergieverluste im Dichtungsbereich von Elektroden und Elektrolyt elektrochemischer Zellen namhaft gesenkt und gegebenenfalls ganz vermieden werden können . Das Ver¬ fahren sowie die zu dessen Durchführung bedingten konstruk¬ tiven Aenderungen der elektrochemischen Zelle oder eines ganzen Zellenverbandes sollen sich universell auf mög¬ lichst alle gängigen Typen und Konstruktionen elektro¬ chemischer Zellen, insbesondere auf Brennstoffzellen an¬ wenden lassen, einfach zu bewerkstelligen sein und keine oder nur geringe Mehrkosten, womöglich sogar Minderkosten verursachen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass im eingangs er¬ wähnten Verfahren gezielt unter Verzicht des Anstrebens möglichst vollständiger Dichtung und möglichst geringer Leckströme in den Randpartien der Kammern benachbarter Sauerstoffelektrode und Brennstoffelektrode in den be¬ sagten Randpartien die aus den Elektrodenkammern stammen¬ den, senkrecht zur Richtung der elektrischen Feldstärke strömenden Reaktanden Sauerstoffträger und Brennstoff zur Fortführung und möglichst vollständigen Beendigung ihrer unter dem Einfluss der elektrischen Feldstärke ge¬ ordnet ablaufenden Reaktion gezwungen werden, dergestalt, dass sämtliche aus der Leckstelle nach aussen gelangen¬ den Stoffströme zu keiner noch verbleibenden unerwünsch¬ ten ungeordneten Reaktion befähigt sind, kein eigenes chemisches Potential mehr besitzen und gesamthaft keinen, einen Verlust repräsentierenden Exergieinhalt mehr auf¬ weisen, und dass die innerhalb der Leckstelle zu erfolgen¬ de Energieumsetzung im Sinne der Erhöhung des elektro¬ chemischen Gesamtwirkungsgrades erfolgt.
Die Aufgabe wird ferner dadurch gelöst, dass im geometri¬ schen Aufbau der eingangs erwähnten elektrochemischen Zelle konstruktiv dafür gesorgt ist, dass Elektrolyt, Sauerstoffelektrode, Brennstoffelektrode sowie die die Stromzuführung und Stromabführung zu den Elektroden be¬ werkstelligenden Stromkollektoren genau bis zur Kante der Randpartie der Bipolarplatten oder der entsprechen¬ den Endplatten reichen und mit letzteren bündig ab- schliessen, und dass die durch die Grenzfläche der Zufuhr oder Abfuhr der gasförmigen Reaktanden oder Reaktionspro¬ dukte und der äussersten Kontur der Kante der Randpartie der Bipolarplatten bestimmte, senkrecht zur elektrischen Feldstärke gemessene Breite der Randpartie der Bipolar¬ platten derart bestimmt ist, dass die auf diesem Leckweg in der Randpartie sich abspielenden elektrochemischen Reaktionen beim Erreichen der Kante vollständig zum Ab- schluss gelangt sind. Weg zur Ausführung der Erfindung
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden, durch Figu¬ ren näher erläuterten Ausführungsbeispiele beschrieben.
Dabei zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung/Aufriss-Schnitt einer plattenförmigen elektrochemischen Zelle (Plattenebene horizontal) mit Dichtungsbereich,
Fig. 2 einen schematischen Schnitt (Aufriss) durch eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle mit keramischem Feststoffelektrolyt auf Zr02-Basis,
Fig. 3 einen schematischen Schnitt (Aufriss) durch eine Brennstoffzelle mit perfluoriertem sulfoniertem Kationenaustauscher (Kunststoff-Polymer) als Feststoffelektrolyt,
Fig. 4 einen schematischen Schnitt (Aufriss) durch eine Brennstoffzelle mit H-.PO. als Flüssigelektrolyt,
Fig. 5 einen schematischen Schnitt (Aufriss) durch eine Brennstoffzelle mit einer eutektischen Schmelze von Li2CO_/K_C03 als Flüssigelektrolyt,
Fig. 6 einen schematischen Schnitt (Aufriss) durch eine Brennstoffzelle mit KOH als Flüssigelektrolyt.
Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung/Aufriss-Schnitt einer plattenförmigen elektrochemischen Zelle (Platten¬ ebene horizontal). Diese Figur stellt den allgemeinsten Fall einer elektrochemischen Zelle dar, die sowohl als separate Einzelzelle wie als Einzelzellen-Ausschnitt aus einem Stapel einer Vielzahl von Zellen betrachtet werden kann. Entsprechend der Bedeutung der Erfindung ist in diesem grundsätzlichen Beispiel eine Brennstoffzelle dar- gestellt. Sie besteht aus dem Elektrolyten 1 (allgemein), der im vorliegenden Betriebsfall negativ (— ) geladenen Sauerstoffelektrode 2 und der positiv (+) geladenen Brenn¬ stoffelektrode 3. Zur Stromleitung und Stromverteilung im Bereich der Elektroden 2 und 3 dienen die Stromkollek¬ toren 4 (Sauerstoffseite) und 5 (Brennstoffseite) . 6 stellt den mit Kanälen versehenen Teil der Bipolarplatte auf der Sauerstoffseite, 7 den entsprechenden Teil auf der Brennstoffseite dar. Bei einem Stapel einer Vielzahl von Zellen sind Teil 6 und Teil 7 selbstverständlich eine m onolithische Einheit, die zwei benachbarte Zellen trennt. 8 stellt die Grenzfläche der Reaktandenzufuhr im Bereich der Bipolarplatten 6; 7 dar, d.h. dies ist der äusserste Bereich in dem den Elektroden 2; 3'die gasförmigen Medien zugeführt werden. 9 ist die äusserste Kante der Randpartie der Bipolarplatte 6 (bzw. 7), die zugleich den Abschluss des Stapels der Zellen bildet und mit dem Ende der "Dich¬ tung" zusammenfällt. Entsprechend ist 10 die Randpartie der Bipolarplatte, deren Breite der sonst herkömmlichen "Dichtungsbreite" gemäss Stand der Technik entspricht.
11 stellt die Zufuhr des gasförmigen Sauerstoffträgers,
12 die Zufuhr des gasförmigen Brennstoffs dar. Der Sauer¬ stoffträger besteht im allgemeinen aus Luft, technisch reinem Sauerstoff oder an Sauerstoff angereicherter Luft
(02-,; N,2- ) , der Brennstoff aus H2--, CO, CH4., CllHm oder einer
Mischung aus mindestens zweien- dieser Stoffe.
In Fig. 2 ist ein schematischer Schnitt (Aufriss) durch eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle mit keramischem Fest¬ stoffelektrolyt auf Zr0_-Basis dargestellt. Die Bezugs¬ zeichen 1 bis 12 entsprechen im wesentlichen denjenigen der Figur 1. Im vorliegenden Fall besteht der Elektrolyt 1 aus dotiertem stabilisierten Zr0_ und befindet sich auf einer Betriebstemperatur von durchschnittlich ca. 850 C. Die poröse Sauerstoffelektrode 2 besteht aus eine mit SrO dotierten. La/Mn-Perowskit, während die ebenfalls poröse Brennstoffelektrode 3 aus einem Ni/ZrO_-Cermet besteht. Die Stromkollektoren 4 (Sauerstoffseite) und 5 ( Brennstoffseite) bestehen in der Regel aus Drahtgeflech¬ ten, Metallgeweben, Vliesen etc. einer hochwarmfesten hochchromhaltigen Nickelbasislegierung bzw. aus Nickel (vorzugsweise oxyddispersionsgehärtet) , während die Bipo¬ larplatte 6, 7 vorteilhafterweise aus einer zunderbeständi¬ gen Nickel- oder Eisenbasislegierung besteht. Die Randpar¬ tie 10 der letzteren wird durch die strichpunktiert an¬ gedeutete Grenzfläche 8 der Reaktanden-Zufuhr (gasförmige Medien) und durch die ebenso angedeutete Kante 9 begrenzt. Der gesamte aktive Teil der Zelle, insbesondere der Fest¬ stoffelektrolyt 1 und die Elektroden 2; 3 setzt sich bis zur Kante 9 der Bipolarplatte 6, 7 fort. Die durch die Kanäle in der Bipolarplatte, Sauerstoffseite 6 erfolgende Zufuhr 11 des Sauerstoffträgers ist schematisch von aussen durch den Pfeil 0_ + 4.N_ (Luft) angedeutet. Desgleichen die durch die Kanäle in der Bipolarplatte, Brennstoff- seite 7 erfolgende Zufuhr 12 des Brennstoffs durch den Pfeil2H_ . Der Feststoffelektrolyt 1 ist bei hohen Tempe¬ raturen ein Leiter für Sauerstoffionen. Mit 13 ist der im vorliegenden Fall auf der Plattenebene senkrecht stehen¬ de elektrische Feldstärkevektor bezeichnet, was gleich¬ zeitig die Wanderungsrichtung der negativen Ladungsträger
2- (Pfeil2θ ) im Elektrolyt im aktiven Bereich der Zelle wiedergibt. 14 ist die Abfuhr des Reaktionsproduktes (im vorliegenden Fall2H,-0) im aktiven Kernbereich der Zelle. Dies ist schematisch mit einem nach unten weisenden Pfeil angedeutet, um zu verdeutlichen, dass diese Abfuhr noch innerhalb des aktiven Kernbereichs der Zelle auf der Brenn¬ stoffseite der Bipolarplatte 7 erfolgt. Die Abfuhr 15 (und die in gewissen Fällen erfolgende Abfuhr des Ueber- schuss-Sauerstoffträgers; in der Figur 2 nicht eingezeichnet; des Ballaststickstoffs erfolgt ebenfalls im Kernbereich der Zelle, was mit einem nach oben weisenden Pfeil ( N→. ) angedeutet ist. 16 stellt den elektrischen Feldstärkevek- tor und die Wanderungsrichtung der negativen Ladungsträger (Pfeil^20 ) im Elektrolyt im Bereich der Randpartie 10 der Bipolarplatte dar. Ueber diese Randpartie 10 der Bipolarplatte Brennstoffseite 7 tritt durch den Strom¬ kollektor 5 parallel zur Plattenebene der energielose Teil-Leckstoffström 17 (Pfeil ^ H.O) aus. Ein analoger energieloser Teil-Leckstoffström 18 (Pfeil 60-,) tritt im Bereich der Randpartie der Bipolarplatte Sauerstoff- seite 6 aus. Letzterer enthält gegebenenfalls noch zusätz¬ lich Ballaststickstoff (in der Figur 2 nicht eingezeichnet)
In Fig. 3 ist ein schematischer Schnitt (Aufriss) durch eine Brennstoffzelle mit perfluoriertem sulfoniertem Kationenaustauscher (Kunststoff-Polymer) als Feststoff- elektrolyt dargestellt. Die Bezugszeichen 2 bis 12 ent¬ sprechen im wesnetlichen denjenigen der Figur 1. Im vor¬ liegenden Fall besteht der auf ca. 80 C gehaltene Elektro¬ lyt 1 aus einer in H„0 gequollenen Membran aus einem Kunst¬ stoff-Polymer auf der Basis eines dotierten Kationenaus¬ tauschers (z.B. "Nafion" von Du Pont). Dies ist in Figur 3 durch schräge Balken (Kunststoff-Gerüst) und durch hori¬ zontale unterbrochene Striche (H_0-Füllung) angedeutet. Die Elektroden 2 und 3 bestehen in der Regel aus Platin¬ metallen oder mit Platinmetallen beschichteten korrosions¬ beständigen Legierungen (z.B. Titanlegierungen) bzw. aus Kohlenstoff oder Verbundwerkstoffen auf Kohlenstoffbasis . Als Sauerstoffelektrode hat sich unter anderem eine Mi¬ schung von Iridium und Ruthenium bzw. deren Oxyden be¬ währt. Als Stromkollektoren 4; 5 werden Drahtgewebe oder gewellte Lamellen aus korrosionsbeständigen Materialien (z.B. Titan) verwendet. Die Bipolarplatte 6; 7 ist mono¬ lithisch oder besteht aus verschiedenen Schichten, wobei wieder Titan ( Sauerstoffseite 6) bzw. Graphit (Brennstoff- seite 7) Verwendung finden. Für die Bezugszeichen 8, 9, 10 gilt das unter Figuren 1 und 2 Gesagte. Dasselbe be¬ zieht sich auf die Zufuhr 11 des gasförmigen Sauerstoff- trägers ( 0-. + 4N_) und die Zufuhr 12 des gasförmigen Brennstoffs( 2 W ) . Im vorliegenden Fall verlässt das Reak¬ tionsprodukt2H.-0 sowie der Ballaststickstoff 4N_ die Zelle auf der gleichen Seite der Bipolarplatte 6, nämlich auf der Sauerstoffseite (Bezugszeichen 14; 15). Der mit H-O gequollene Feststoffelektrolyt 1 ist bei Temperaturen unter dem beim jeweiligen Druck sich ergebenden Verdamp¬ fungstemperaturen des Wassers ein Leiter für Wasserstoff¬ ionen. 19 stellt im vorliegenden Fall den auf der Platten¬ ebene senkrecht stehenden elektrischen Feldstärkevektor dar, was gleichzeitig die Wanderungsrichtung der positiven Ladungsträger (Pfeil ή→-W ) im Elektrolyt im aktiven Bereich der Zelle bedeutet. 20 gibt den elektrischen Feldstärke¬ vektor und die Wanderungsrichtung der positiven Ladungs¬ träger (Pfeil Δ 4-Η ) im Elektrolyt im Bereich der Rand¬ partie 10 der Bipolarplatte dar. Ueber die Randpartie 10 der Bipolarplatte Sauerstoffseite 6 tritt durch den Stromkollektor 4 parallel zur Plattenebene der energie¬ lose Gesamt-Leckstoffström 21 (Pfeil i H-,0 + S 0_ ) aus. 22 ist der durch das Reaktionsprodukt (H-,0) des Leckstoff- stroms bedingte Wassermantel. Ausser über den Leckstoff- ström tritt gelegentlich etwas Ueberschusswasser direkt aus dem Elektrolyten 1 aus. 23 stellt eine aus elektri¬ schem Isoliermaterial bestehende wasserdichte Umhüllung des Wassermantels 22 dar. Diese ist mit nach innen ge¬ richteten umlaufenden Rippen in Form eines Labyrinths versehen, das dazu dient, die Weglänge zwischen benachbar¬ ten Zellen zu vergrössern, den Wasserquerschnitt zu ver¬ kleinern und schädliche Nebenschluss-Stromkreise zu ver¬ meiden.
Fig. 4 zeigt einen schematischen Schnitt (Aufriss) durch eine Brennstoffzelle mit H-.P0. als Flüssigelektrolyt. Die Bezugszeichen 2 bis 12 entsprechen im wesentlichen denjenigen der Figur 1. Im vorliegenden Fall besteht der vorzugsweise auf ca. 200 C gehaltene Elektrolyt 1 aus flüssiger H--PO. (mit wenig % H_0-Zusatz ) , was durch hori¬ zontale unterbrochene Striche in Figur 4 angedeutet ist. Der Elektrolyt 1 ist in einem Vlies 24 aus keramischem Stoff auf SiO-,-Basis als Gerüst gehalten und nimmt somit den Raum zwischen den Elektroden 2 und 3 als eine Art "flüssige Platte" ein. Der Flüssigelektrolyt 1 ist ein Leiter für Wasserstoffionen. 19 ist der auf der Platten¬ ebene senkrecht stehende elektrische Feldstärkevektor, der gleichzeitig die Wanderungsrichtung der positiven Ladungsträger (Pfeil 4H ) im Elektrolyt im aktiven Bereich der Zelle darstellt. 20 stellt den elektrischen Feldstärke¬ vektor und die Wanderungsrichtung der positiven Ladungs¬ träger (Pfeil ^4H ) im Elektrolyt im Bereich der Rand¬ partie 10 der Bipolarplatte dar. Die Elektroden 2 und 3 bestehen aus gegenüber H-.PO. im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 200 C (Betriebstemperatur) korrosions¬ beständigem Material. Das Reaktionsprodukt2H_0 sowie der Ballaststickstoff 4N_ verlässt die Zelle auf der Bipolar¬ platte Sauerstoffseite 6, während der energielose Gesamt- Leckstoffström 21 (Pfeil Δ H-..0 + «f O über die Randpartie 10 der Bipolarplatte Sauerstoffseite 6 durch den Strom¬ kollektor 4 seitlich austritt. 25 ist ein Rahmen aus Kera¬ mik zur Abdichtung des Flüssigelektrolyten 1.
Fig. 5 stellt einen schematischen Schnitt (Aufriss) durch eine Brennstoffzelle mit einer eutektischen Schmelze von Li_ CO-NK-.CO., als Flüssigelektrolyt dar. Die Bezugszeichen 2 bis 12 entsprechen im wesentlichen denjenigen der Figur 1. Der im allgemeinen auf ca. 650 C gehaltene Elektrolyt 1 besteht im vorliegenden Fall aus einer schmelzflüssigen Mischung von Li-CO-, und K-CO-. eutektischer Zusammensetzung, Der Elektrolyt 1 ist in Figur 5 durch horizontale unter¬ brochene Striche angedeutet. Er ist in einem Vlies 26 (gestrichelte Schraffur) aus korrosionsbeständigem kerami¬ schem Stoff als Gerüst gehalten, im Raum zwischen den Elektroden 2 und 3 eine Art "flüssige Platte" bildend. Der Flüssigelektrolyt 1 ist bei Betriebstemperatur ein Leiter für Karbonationen und somit mittelbar für Sauer- stoffionen. 13 ist der auf der Plattenebene senkrecht stehende elektrische Feldstärkevektor, der gleichzeitig die Wanderungsrichtung der negativen Ladungsträger (Pfeil
2- CO., ) im Elektrolyt im aktiven Bereich der Zelle dar¬ stellt. 16 stellt den elektrischen Feldstärkevektor und die Wanderungsrichtung der negativen Ladungsträger (Pfeil
2_ ifc2CO-, ) im Elektrolyt im Bereich der Randpartie 10 der
Bipolarplatte dar. Die Elektroden 2 und 3 bestehen selbst¬ verständlich aus gegenüber Li_CO-./K-.CO^-Schmelze korro¬ sionsbeständigen Werkstoffen. Die Sauerstoffelektrode 2 muss ausserdem gegenüber den Sauerstoffträgern (0_ und CO- ) oxydationsbeständig sein. Die Abfuhr 14 der Reaktions¬ produkte2(H_0 + CO-, ) im aktiven Kernbereich der Zelle erfolgt über die Bipolarplatte Brennstoffseite 7, während die Abfuhr 15 des Ballaststickstoffs (4.N"-,) über die Bipo¬ larplatte Sauerstoffseite 6 erfolgt. Das auf der Brenn- stoffseite abgezogene CO-, wird nach Befreiung von H-,0 der Zelle auf der Sauerstoffseite wieder zugeführt. Damit ist der CO-,-Kreislauf geschlossen. Auf der Brennstoffseite tritt der energielose Teil-Leckstoffström 17 [Pfeil ZKH-.0 + CO-. )~] durch den Stromkollektor 5 parallel zur Plat¬ tenebene über die Randpartie 10 der Bipolarplatte aus. Auf der Sauerstoffseite verlässt der energielose Teil- Leckstoffström 27 (Pfeil δ 0_ + S CO_) die Zelle durch den Stromkollektor 4 parallel zur Plattenebene über die Randpartie 10 der Bipolarplatte. Dieser Teil-Leckstoff- ström 27 ist bedingt durch Ueberschüsse an 0_ (Luft) und CO-, je nach Betriebsart der Zelle. 28 ist ein Rahmen aus Keramik zur Abdichtung des Flüsεigelektrolyten 1. In Fig. 6 ist ein schematischer Schnitt (Aufriss) durch eine Brennstoffzelle mit KOH als Flüssigelektrolyt darge¬ stellt. Die Bezugszeichen 2 bis 12 entsprechen im wesent¬ lichen denjenigen der Figur 1. Im vorliegenden Fall be¬ steht der vorzugsweise auf ca. 80 gehaltene Elektrolyt 1 aus einer 15 bis 30%-igen wässrigen Lösung von KOH. Zur Vermeidung der direkten ungeordneten Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff ist im Elektrolyt 1 ein Dia¬ phragma 29 aus einem Vlies aus Asbest oder einem kerami¬ schen Stoff angeordnet. Der Flüssigelektrolyt 1 ist ein Leiter für OH-Ionen und somit mittelbar für Sauerstoff¬ ionen. 13 ist der auf der Plattenebene senkrecht stehende elektrische Feldstärkevektor, der gleichzeitig die Wande¬ rungsrichtung der negativen Ladungsträger (Pfeil 40H ) im Elektrolyt im aktiven Bereich der Zelle darstellt. 16 stellt den elektrischen Feldstärkevektor und die Wande¬ rungsrichtung der negativen Ladungsträger (Pfeil Δ 40H~) im Elektrolyt im Bereich der Randpartie 10 der Bipolar¬ platte dar. Die Elektroden 2 und 3 bestehen aus gegenüber KOH-Lösung korrosionsbeständigem Material. Die Sauerstoff¬ elektrode 2 muss ausserdem gegenüber den Sauerstoffträgem ( O →* und H_0) oxydationsbeständig sein. Die Abfuhr 14 des Reaktionsprodukts 4H-.0 im aktiven Kernbereich der Zelle erfolgt über die Bipolarplatte Brennstoffseite 7, während die Abfuhr 15 des Ballaststickstoffs (4N-,) über die Bipolar¬ platte Sauerstoffseite 6 erfolgt. Die Hälfte des auf der Brennstoffseite abgezogenen Wassers wird der Zelle auf der Sauerstoffseite wieder zugeführt. Auf der Brennstoff- seite tritt der energielose Teil-Leckstoffström 17 (Pfeil £ HyO ) durch den Stromkollektor 5 parallel zur Platten¬ ebene über die Randpartie 10 der Bipolarplatte aus. Auf der Sauerstoffseite verlässt der energielose Teil-Leck¬ stoffström 18 (Pfeil S ? ) die Zelle durch den Stromkollek¬ tor 4 parallel zur Plattenebene über die Randpartie 10 der Bipolarplatte. 30 ist ein Rahmen aus laugenbeständigem Kunststoff zur Abdichtung des Flüssigelektrolyten 1. U
Ausführungsbeispiel 1:
Siehe Fig. 2!
Für die Untersuchung des Betriebsverhaltens stand ein aus 20 einzelnen Hochtemperatur-Brennstoffzellen bestehen¬ der plattenförmiger Stapel zur Verfügung. Eine einzelne Zelle bestand aus Feststoffelektrolyt 1, Sauerstoffelek¬ trode 2, Brennstoffelektrode 3, Stromkollektoren 4 und 5 und zwei Hälften einer Bipolarplatte 6; 7. Der Fest¬ stoffelektrolyt 1 bestand aus stabilisiertem, dotiertem ZrO-,, war rechteckig, plattenförmig, eben und hatte eine Breite von HO mm, eine Länge von 145 mm und eine Dicke von 0,25 mm. Der Feststoffelektrolyt 1 war auf einer Seite auf seiner ganzen Fläche mit der porösen Sauerstoffelek¬ trode 2 aus SrO-dotiertem La/Mn-Perowskit von 0,08 mm Dicke beschichtet. Auf der anderen Seite trug der Fest¬ stoffelektrolyt 1 als poröse Brennstoffelektrode 3 eine Beschichtung aus Ni/ZrO^-Cermet von 0,04 mm Dicke. Der Stromkollektor 4 auf der Sauerstoffseite bestand aus einem elastischen feinmaschigen Metallgewebe aus einer zunderbe¬ ständigen warmfesten Nickelbasislegierung mit ca. 30 % Cr und ca. 9,5 % Fe, während der Stromkollektor 5 auf der Brennstoffseite aus einem elastischen Gewebe aus disper- sionsgehärtetem Nickel bestand. Die mit Kanälen für die gasförmigen Medien ausgestattete Bipolarplatte 6; 7 be¬ stand aus einer zunderbeständigen Eisenbasislegierung mit ca. 20 % Cr, ca. 5 % AI und ca. 1 % Si. Die Brenn¬ stoffseite 7 der Bipolarplatte war mit einer ca. 0,05 mm dicken Nickelschicht belegt. Zwischen der Grenzfläche 8 der Reaktanden-Zufuhr und der Kante 9 der Bipolarplatte befand sich die parallel zur Plattenebene 7,5mm Breite aufweisende Randpartie 10. Die Zufuhr 11 des gasförmigen Sauerstoffträgers zum Stapel der Zellen bestand aus vor¬ gewärmter Luft ( 0_ + 4-N-, ) und die Zufuhr 12 des gas¬ förmigen Brennstoffs aus ebenfalls vorgewärmtem Wasser- Stoff (2H2).
Die Brennstoffzellen wurden mit einer Nennstromdichte
2 von 0,2 A/cm , bezogen auf einseitige Elektrodenoberfläche im aktiven Kernbereich der Zellen (vergl. elektrischer Feldstärkevektor 13) betrieben. Der Luftstrom (Zufuhr 11) wurde derart eingestellt, dass eine mittlere konstante Betriebstemperatur der Zellen von ca. 850 C gehalten wurde. Die Zellenspannung betrug ca. 0,7 V, diejenige des gesam¬ ten Stapels (20 Zellen) ca. 14 V. Betreffend die den Be¬ zugszeichen 14 bis 18 entsprechenden Grossen wird auf die Beschreibung der Fig. 2 verwiesen. Der energielose Teil-Leckstoffström 18 ( ff 0_) betrug im vorliegenden Fall ca.15 % der Zufuhr 11 des Sauerstoffträgers, während der energielose Teil-Leckstoffström 17 ( £ H_0) ca. 10 % des im aktiven Kernbereich der Zelle verbrauchten Brennstoffs (H-,) entsprach und keinerlei freien Wasser¬ stoff mehr enthielt. Das bedeutet, dass die elektrochemi¬ sche Reaktion praktisch nach Durchlaufen von ca.2/3 der Breite der Randpartie 10 der Bipolarplatte zum Abschluss kam.
Ausführungsbeispiel 2:
Siehe Fig. 3!
Es wurde ein aus 25 einzelnen Brennstoffzellen mit Ionen¬ austauscher-Membran bestehender plattenförmiger Stapel untersucht. Eine einzelne Zelle bestand aus Feststoff- elektrolyt 1, Sauerstoffelektrode 2, Brennstoffelektrode 3, Stromkollektoren 4 und 5 und zwei Hälften einer Bipolar¬ platte 6; 7. Der Feststoffelektrolyt 1 bestand aus einer Kationenaustauschermembran in Form einer Folie vom Typ perfluorierter Polymer mit Sulfosäuren (Handelsname Nafion von Du Pont), war von quadratischer Form von230 mm Seiten¬ länge und einer Dicke von 0,35 mm. Auf einer Seite war der Feststoffelektrolyt 1 auf seiner ganzen Fläche mit einem als poröse Sauerstoffelektrode 2 dienenden Elektro- katalysator aus einer Ir02/RuO---Mischung von 2 u Dicke beschichtet. Auf der anderen Seite war der Feststoffelek¬ trolyt 1 auf seiner ganzen Fläche mit einer als Brenn¬ stoffelektrode 3 dienenden gasdurchlässigen Beschichtung auf der Basis von feinverteiltem Kohlenpulver von total 15 jum Dicke versehen. Der Stromkollektor 4 auf der Sauer¬ stoffseite bestand aus einem Geflecht/Gewebe aus Titan, das an den Berührungsflächen zu den benachbarten Bauele¬ menten eine Platinbeschichtung aufwies. Der Stromkollektor 5 auf der Brennstoffseite war aus einem Vlies aus Nickel aufgebaut, das zur Verstärkung der mechanischen Stabilität mit einem federnden Drahtgeflecht aus Nickel armiert war. Die mit kreuzweise angeordneten Kanälen für die gasförmi¬ gen und flüssigen Medien versehene Bipolarplatte 6;7 be¬ stand auf der Sauerstoffseite 6 aus einer aus Titanpulver dicht gesinterten Platte, die an den Berührungsstellen zum Stromkollektor 4 zwecks Depassivierung eine Platinbe¬ schichtung trug, während die Brennstoffseite 7 aus dicht gesintertem Graphit bestand. Die beiden Hälften der Bipo¬ larplatte 6; 7 waren durch Sintern zu einem monolithischen Körper zusammengefügt. Die Randpartie 10 zwischen der Grenzfläche 8 der Reaktanden-Zufuhr und der Kante 9 der Bipolarplatte hatte eine Breite von 12,5mm. Die Zufuhr 11 des gasförmigen Sauerstoffträgers zur Zelle bestand aus Luft (0_ +4N , die Zufuhr 12 des Brennstoffs aus Wasserstoff(2 →. ) . Die wasserdichte Umhüllung 23 zur Abdichtung des Wassermantels 22 bestand aus isolierendem, korrosionsbeständigem Kunststoff von 3 mm Wandstärke und wies umlaufende, nach innen vorkragende Rippen von 2 mm Breite und 1,5 mm Dicke auf.
Die Brennstoffzellen wurden mit einer Nennstromdichte
2 von 1 A/cm , bezogen auf einseitige Elektrodenoberflach im aktiven Kernbereich der Zellen (Feldstärkevektor 19) betrieben. Die mittlere konstante Betriebstemperatur der Zellen war ca. 80 C. Die Zellenspannung betrug ca. 0,75V, die Spannung des gesamten Stapels (25 Zellen) ca. 18,75V. Betreffend Bezugszeichen 14; 15, 19, 20 siehe Beschrei¬ bung Fig. 3. Der energielose Gesamt-Leckstoffström 21 ( £ H_0 + Oy ) betrug hier ca.12 % der Zufuhr 11 des Sauerstoffträgers bzw. ca. 7 % des im aktiven Kernbereich der Zelle verbrauchten Brennstoffs (H,,). Der Leckstoff- ström enthielt keinerlei freien Wasserstoff, was bewies, dass die elektrochemischen Reaktionen innerhalb der Rand¬ partie zum Abschluss kamen. •
Ausführungsbeispiel 3
Siehe Fig. 41
Eine aus 50 einzelnen Brennstoffzellen bestehende platten- fömπige Batterie des Typs mit H.-PO. als Elektrolyt wurde auf ihr Betriebsverhalten hin untersucht. Eine einzelne Zelle bestand aus Flüssigelektrolyt 1, Sauerstoffelektro¬ de 2, Brennstoffelektrode 3 und Stromkollektoren 4 und 5 sowie aus zwei Hälften der Bipolarplatte 6; 7. Der Flüs¬ sigelektrolyt 1 bestand aus H-.PO., dem ca. 3 % H_0 bei¬ gemischt war. Er war in einem Vlies 24 aus keramischem Stoff auf SiO_-Basis als Gerüst festgehalten, das eine quadratische Form von 800 mm Seitenlänge und eine Dicke von 1,2 mm aufwies. Sowohl die Sauerstoffelektrode 2 wie die Brennstoffelektrode 3 bestand aus einer 0,15 mm dicken porösen, gasdurchlässigen Folie aus Kohlenstoff, in dem Platinpartikel dispergiert waren. Die Sauerstoffelektrode 2 war ausserdem auf der Stromkollektorseite zur besseren Kontaktgabe platiniert. Der Stromkollektor 4 auf der Sauerstoffseite bestand aus federnden, an den Berührungs¬ punkten zu benachbarten Bauelementen platinierten gewell¬ ten Lamellen aus einer warmfesten Eisenbasislegierung mit hohem Cr- und AI-Gehalt, während der Stromkollektor 5 auf der Brennstoffseite aus einem federharten elasti¬ schen Drahtgeflecht aus Nickel bestand. Die Bipolarplatte 6; 7 wies kreuzweise angeordnete Kanäle zur Führung der gasförmigen Medien auf und bestand auf der Sauerstoffseite
6 aus einer aus Titan- und Kohlepulver dicht gesinterten Platte, während die Brennstoffseite 7 aus gesintertem Kohlepulver allein bestand. Beide Hälften der Bipolar¬ platte 6; 7 bildeten einen einzigen, monolithischen kom¬ pakten Sinterkörper. Die sich zwischen der Grenzfläche
8 der Reaktanden-Zufuhr und der Kante 9 der Bipolarplatte befindliche Randpartie 10 wies parallel zur Plattenebene eine Breite von 25 mm auf. Die Zufuhr 11 des Sauerstoff- trägers zum Zellenstapel erfolgte in Form von Luft
( 0- + 4N-.) und die Zufuhr 12 des Brennstoffs in Form von Wasserstoff(2H-, ) . Der Rahmen 25 aus Oxyd-Keramik zur Abdichtung des Flüssigelektrolyten 1 war mit dem Vlies 24 durch Sintern fest verbunden und hatte einen recht¬ eckigen Querschnitt von 10 mm Breite und 1,5 mm Höhe (In Figur 4 verzerrt gezeichnet).
Der Stapel der Brennstoffzellen wurde mit einer Nennstrom-
2 dichte von 0,5 A/cm im aktiven Kernbereich der Zellen
(Feldstärkevektor 19) betrieben. Die mittlere Betriebs¬ temperatur der Zellen betrug 200 C. Die Zellenspannung war ca. 0,65 V, diejenige des ganzen Stapels (50 Zellen) 32,5 V. Die Bezugszeichen 14; 15 sowie 20 und 21 gehen aus der Beschreibung der Fig. 4 hervor. Der energielose Gesamt-Leckstoffström 21 ( A H_0 + cf O→. ) betrug im vor¬ liegenden Fall ca.10 % der Zufuhr 11 des Sauerstoffträgers bzw. ca. 5 % des im aktiven Kernbereich der Zelle ver¬ brauchten Brennstoffs (H_). Es konnte keinerlei freier Wasserstoff mehr im Leckstoffström festgestellt werden. Die elektrochemische Reaktion kam noch deutlich vor Er¬ reichen des äusseren Endes der Randzone 10 der Bipolar¬ platte zum Stillstand. 1 S
Ausführungsbeispiel 4:
Siehe Fig. 5!
Das Betriebsverhalten wurde an einem plattenförmigen Stapel von 10 einzelnen Brennstoffzellen des Typs mit Karbonat¬ schmelze als Elektrolyt untersucht. Eine einzelne Zelle bestand aus Flüssigelektrolyt 1 , Sauerstoffelektrode 2, Brennstoffelektrode 3, Stromkollektoren 4 und 5 und zwei Hälften einer Bipolarplatte 6;7. Der Flüssigelektro¬ lyt 1 bestand aus einer eutektischen Schmelze von Li_CO-. und K--CO., und war in einem Vlies 26 aus einem korrosions¬ beständigen keramischen Stoff als Gerüst festgehalten. Es war von quadratischer Form mit einer Seitenlänge von 400 mm und einer Dicke von 0,8 mm. Die Sauerstoffelektrode 2 bestand aus einer porösen, gasdurchlässigen Nickelschicht von o,2mm Dicke, die auf der Stromkollektorseite zwecks besserer Kontaktgabe platiniert war. Die Brennstoffelek¬ trode 3 bestand aus einem fein perforierten, gasdurch¬ lässigen Nickelblech von 0,4 mm Dicke. Der Stromkollektor 4 auf der Sauerstoffseite bestand aus federharten, an den Berührungsstellen zur benachbarten Elektrode und zur benachbarten Bipolarplatte platinierten gewellten Lamellen aus einer hochwarmfesten Nickelbasislegierung mit Al- und Ti-Zusatz und einem Cr-Gehalt von mindestens 20 %, während der Stromkollektor 5 auf der Brennstoffseite aus einem federharten elastischen Drahtgeflecht aus einer dispersionsgehärteten Nickellegierung bestand. Die Bipo¬ larplatte 6; 7 war mit Kanälen zur Führung der gasförmigen Medien ausgestattet und bestand auf der Sauerstoffseite 6 aus einer aus Titan- und Kohlepulver dicht gesinterten Platte, während die Brennstoffseite 7 aus gesintertem Kohlepulver bestand. Beide Hälften der Bipolarplatte 6;7 bildeten einen kompakten, monolithischen Sinterkörper. Die zwischen Grenzfläche 8 und Kante 9 vorhandene Rand¬ partie 10 der Bipolarplatte wies eine Breite von 15 mm 2
auf. Die Zufuhr 11 des gasförmigen Sauerstoffträgers be¬ stand aus vorgewärmter Luft und rückgeführtem Kohlendioxyd
{ 0- + 4N-, +2CO-.) und die Zufuhr 12 des gasförmigen Brennstoffs aus Wasserstoff(2 H-, ) . Der Rahmen 28 aus korro¬ sionsbeständiger Hochtemperatur-Keramik zur Abdichtung des Flüssigelektrolyten 1 war mit dem Vlies 26 durch Sintern fest verbunden und hatte einen rechteckigen Quer¬ schnitt von 10 mm Breite und 1,4 mm Höhe.
Die Brennstoffzellen wurden mit einer Nennstromdichte
2 von0,8A/cm im aktiven Kernbereich der Zellen (Feldstärke¬ vektor 13) betrieben. Die mittlere Betriebstemperatur der Zellen wurde mittels Steuerung der Stoffströme auf ca. 650 C, also deutlich oberhalb der eutektischen Tempe¬ ratur, gehalten. Die Zellenspannung betrug ca. 0,6 V, diejenige des ganzen Stapels (10 Zellen) 6 V. Die Bedeu¬ tung der Bezugszeichen 14, 15 und 16 geht aus der Figuren¬ beschreibung (Fig. 5) hervor. Der energielose Teil-Leck¬ stoffström 17 £ A (H20 + C02)] entsprach ca. 8 % des im aktiven Kernbereich der Zelle verbrauchten Brennstoffs (H_) und enthielt keinerlei freien Wasserstoff. Die elek¬ trochemische Reaktion war somit vor Erreichen des äusseren Endes der Randzone 10 der Bipolarplatte abgeschlossen. Der energielose Teil-Leckstoffström 27 ( S 0_ + g CO_) betrug im vorliegenden Fall ca.20 % der Zufuhr 11 des Sauerstoffträgers für die Luft und ca. 8 % für das Kohlen¬ dioxyd.
Ausführungsbeispiel 5:
Siehe Fig. 6!
Es wurde das Betriebsverhalten einer aus 40 einzelnen plattenförmigen Brennstoffzellen bestehenden Batterie des Typs mit KOH als Elektrolyt auf ihr Betriebsverhalten hin untersucht. Die einzelne Zelle bestand aus Flüssigelek¬ trolyt 1, Sauerstoffelektrode 2, Brennstoffelektrode 3, Stromkollektoren 4 und 5, Diaphragma 29 und zwei Hälften der Bipolarplatte 6; 7. Der Flüssigelektrolyt 1 bestand aus einer 25%-igen wässrigen Lösung von KOH. Der zwischen zwei benachbarten Elektroden 2;3 eingeschlossene Elektrolyt belegte ein Quadrat von 600 mm Seitenlänge und hatte eine Dicke (Elektrodenabstand) von 15 mm. Die Sauerstoffelektrode 2 bestand aus einem porösen, gasdurchlässigen Vlies/Filz aus Nickel von 0,5 mm Dicke, während die Brennstoffelektro¬ de 3 aus einem ebensolchen Vlies aus Stahl gleicher Ab¬ messungen gefertigt war. Der Stromkollektor 4 auf der Sauerstoffseite bestand aus einem federharten elastischen feinmaschigen Drahtgeflecht aus Nickel, während der Strom¬ kollektor 5 auf der Brennstoffseite aus einem ebensolchen aus Stahl bestand. Die Bipolarplatte 6; 7 wies parallel angeordnete Kanäle zur Führung der gasförmigen und flüssi¬ gen Medien auf und bestand auf der Brennstoffseite 7 aus Stahl, während die Sauerstoffseite 6 mit Nickel plattiert war. Beide Hälften der Bipolarplatte 6; 7 bildeten einen einzigen, monolithischen kompakten Metallkörper. Die sich zwischen der Grenzfläche 8 der Reaktanden-Zufuhr und der Kante 9 der Bipolarplatte befindliche Randpartie 10 wies parallel zur Plattenebene eine Breite von 30 mm auf. Die Zufuhr 11 des Sauerstoffträgers bestand aus Luft und ge¬ kühltem, teilweise rückgeführten Wasser (0--+4N-.+2H_0) und die Zufuhr 12 des gasförmigen Brennstoffs in Form von Wasserstoff ( 2H_ ) . Das Diaphragma 29 bestand aus einem Vlies aus keramischem Stoff, an dessen Kontur sich ein vollständig abschliessender Rahmen 30 aus laugenbeständi¬ gem Kunststoff zur Abdichtung des Flüssigelektrolyten
I mit rechteckigem Querschnitt von 12 mm Breite und 17 mm Höhe anschloss.
Der Stapel der Brennstoffzellen wurde mit einer Nennstrom-
2 dichte von 0,6 A/cm im aktiven Kernbereich der Zellen
(Feldstärkevektor 13) - *e trieben. Die mittlere Betriebs¬ temperatur der Zellen betrug 80 C. Die Zellenspannung war ca. 0,55 V, diejenige' es ganzen Stapels (40 Zellen) 22 V. Die Bedeutung der Bezugszeichen 14, 15 und 16 geht aus der Figurenbeschreibung (Fig. 6) hervor. Der energie¬ lose Teil-Leckstoffström 17 ( A H_0 ) entsprach ca. 12 % des im aktiven Kernbereich der Zelle verbrauchten Brennstoffs (H-). Er enthielt keinerlei freien Wasser¬ stoff mehr. Der energielose Teil-Leckstoffström 18 ( tf 02) betrug im vorliegenden Fall ca. 25 % der Zufuhr
II des Sauerstoffträgers für die Luft und ca. 10 % für das Wasser.
Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt, desgleichen keineswegs auf ebene Dichtungs* bereiche.
Das Verfahren zur Verringerung der an den Stosstellen und Randpartien im Dichtungsbereich der Elektroden 2; 3 und des Elektrolyten 1 einer elektrochemischen Zelle auftretenden, durch Leckstoffströme und Leckenergieströme auftretenden Stoff- und Exergieverluste wird durchgeführt, indem gezielt unter Verzicht des Anstrebens möglichst vollständiger Dichtung und möglichst geringer Leckströme in den Randpartien der Kammern benachbarter Sauerstoff- elektrode 2 und Brennstoffelektrode 3 in den besagten Randpartien 10 die aus den Elektrodenkammern stammenden, senkrecht zur Richtung der elektrischen Feldstärke strö¬ menden Reaktanden Sauerstoffträger und Brennstoff zur Fortführung und möglichst vollständigen Beendigung Ihrer unter dem Einfluss der elektrischen Feldstärke geordnet ablaufenden Reaktion gezwungen werden, dergestalt, dass sämtliche aus der Leckstelle nach aussen gelangenden Stoff- ströme zu keiner noch verbleibenden unerwünschten ungeord¬ neten Reaktion befähigt sind, kein eigenes chemisches Potential mehr besitzen und gesamthaft keinen, einen Ver¬ lust repräsentierenden Exergieinhalt mehr aufweisen, und dass die innerhalb der Leckstelle zu erfolgende Energie¬ umsetzung im Sinne der Erhöhung des elektrochemischen Gesamtwirkungsgrades erfolgt.
Die Vorrichtung zur Verringerung der an den Stosstellen und Randpartien im Dichtungsbereich der Elektroden 2; 3 und des Elektrolyten 1 einer elektrochemischen Zelle oder eines Stapels oder einer anderen Anordnung bestehend aus einer Vielzahl elektrochemischer Zellen auftretenden, durch Leckstoffströme und Leckenergieströme auftretenden Stoff- und Exergieverluste, ist derart konzipiert, dass im geometrischen Aufbau der elektrochemischen Zelle kon¬ struktiv dafür gesorgt ist, dass Elektrolyt 1, Sauerstoff- elektrode 2, Brennstoffelektrode 3 sowie die die Strom¬ zuführung und Stromabführung zu den Elektroden 2; 3 bewerk¬ stelligenden Stromkollektoren 4; 5 genau bis zur Kante 9 der Randpartie 10 der Bipolarplatten 6; 7 oder der ent¬ sprechenden Endplatten reichen und mit letzteren bündig abschliessen, und dass die durch die Grenzfläche 8 der Zufuhr oder Abfuhr der gasförmigen Reaktanden oder Reak¬ tionsprodukte und der äussersten Kontur der Kante 9 der Randpartie 10 der Bipolarplatten 6; 7 bestimmte, senkrecht zur elektrischen Feldstärke gemessene Breite der Rand¬ partie 10 der Bipolarplatten 6; 7 derart bestimmt ist, - dass die auf diesem Leckweg in der Randpartie 10 sich abspielenden elektrochemischen Reaktionen beim Erreichen der Kante 9 vollständig zum Abschluss gelangt sind.
In bevorzugter Weise ist die als elektrochemische Zelle (n) ausgebildete Vorrichtung eine aus plattenförmigen Bauelementen bestehende Hochtemperatur-Brennstoffzelle mit dotiertem und stabilisiertem ZrO-, als Feststoffelektro¬ lyt oder ein Stapel einer Vielzahl gleichartiger Brenn¬ stoffzellen mit Kammern für die gasförmigen Medien bil¬ denden separierenden Bipolarplatten 6; 7, wobei der zuge¬ führte Sauerstoffträger auf der Seite der Sauerstoffelek¬ trode 2 Luft, technisch reiner Sauerstoff oder an Sauer¬ stoff angereicherte Luft und der zugeführte gasförmige Brennstoff auf der Seite der Brennstoffelektrode 3 H-, , CO, CH. , CyjHj.- oder eine Mischung aus mindestens zweien der vorgenannten Stoffe ist und ferner der Abstand zweier eine Brennstoffzelle begrenzenden Bipolarplatten 6; 7 senkrecht zur Plattenebene höchstens 5 mm und die durch die Grenzfläche 8 und die äussere Kontur der Kante be¬ stimmte Breite der Randpartie 10 der Bipolarplatten 6; 7 mindestens 5 mm beträgt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der elektro¬ chemischen Zelle (n) liegt die Vorrichtung als eine aus plattenförmigen Bauelementen bestehende Brennstoffzelle mit perfluoriertem sulfoniertem organischen Kationenaus¬ tauscher-Polymer in Membranform als Feststoffelektrolyt oder als ein Stapel einer Vielzahl gleichartiger Brenn¬ stoffzellen mit Kammern für die gasförmigen Medien und Kanälen für den Wasserabfluss bildenden separierenden Bi¬ polarplatten 6; 7 vor, wobei der zugeführte Sauerstoff- träger auf der Seite der Sauerstoffelektrode 2 Luft-, tech¬ nisch reiner Sauerstoff oder an Sauerstoff angereicherte Luft und der zugeführte gasförmige Brennstoff auf der Seite der Brennstoffelektrode 3 H-. ist und zwecks Zusammen¬ haltens des aus dem Reaktionsprodukt gebildeten Wasser¬ mantels 22 in unmittelbarer Nähe der äusseren Begrenzung der Brennstoffzelle(n ) eine wasserdichte Umhüllung 23 mit nach innen gerichteten umlaufenden Rippen in Form eines Labyrinths, deren Ebenen parallel zur Plattenebene stehen, angeordnet ist und ferner der Abstand zweier eine Brenn¬ stoffzelle begrenzenden Bipolarplatten 6; 7 senkrecht zur Plattenebene höchstens 5 mm und die durch die Grenzfläche 8 und die äussere Kontur der Kante bestimmte Breite der Randpartie 10 der Bipolarplatten 6; 7 mindestens 5 mm beträgt.
In einer anderen Ausbildung der elektrochemischen Zelle(n) ist die Vorrichtung eine aus plattenförmigen Bauelementen bestehende Brennstoffzelle mit in einem Vlies 24 aus einem keramischen Stoff auf SiO_-Basis als Gerüst festgehaltenen Flüssigelektrolyten in Form von H-.PO. oder ein Stapel einer Vielzahl gleichartiger Brennstoffzellen mit Kammern für die gasförmigen Medien bildenden separierenden Bipolar¬ platten 6; 7, wobei der zugeführte Sauerstoffträger auf der Seite der Sauerstoffelektrode 2 Luft, technisch reiner Sauerstoff oder an Sauerstoff angereicherte Luft und der zugeführte gasförmige Brennstoff auf der Seite der Brenn¬ stoffelektrode 3 H-. ist, und in unmittelbarer Nähe der Begrenzung der Brennstoffzelle(n) für jede Zelle ein am 2
Rand des Elektrolyten 1 bündig und dicht anschliessender Rahmen zur Abdichtung und Zurückhaltung des letzteren, bestehend aus keramischem Material auf SiO_-Basis angeord¬ net ist und ferner der Abstand zweier eine Brennstoffzelle begrenzenden Bipolarplatten 6; 7 senkrecht zur Platten¬ ebene höchstens 8 mm und die durch die Grenzfläche 8 und die äussere Kontur der Kante bestimmte Breite der Randpartie 10 der Bipolarplatten 6; 7 mindestens 10 m beträgt.
Die als elektrochemische Zelle(n) vorliegende Vorrichtung ist in einer anderen Ausführung eine aus plattenförmigen Bauelementen bestehende Brennstoffzelle mit in einem Vlies 26 aus einem keramischen Stoff als Gerüst festgehaltenem Flüssigelektrolyten in Form einer eutektischen Schmelze von Li_CO-. und K--CO., oder ein Stapel einer Vielzahl gleich¬ artiger Brennstoffzellen mit Kammern für die gasförmigen Medien bildenden separierenden Bipolarplatten 6; 7, wobei der zugeführte Sauerstoffträger auf der Seite der Sauer¬ stoffelektrode 2 Luft, technisch reiner Sauerstoff oder an Sauerstoff angereicherte Luft und der zugeführte gas¬ förmige Brennstoff auf der Seite der Brennstoffelektrode 3 H_ oder CO ist und in unmittelbarer Nähe der Begrenzung der Brennstoffzelle(n) für jede Zelle ein am Rand des Elektrolyten 1 bündig und dicht anschliessender Rahmen zur Abdichtung und Zurückhaltung des letzteren, bestehend aus keramischem Material auf A1_0.,-Basis angeordnet ist und ferner der Abstand zweier eine Brennstoffzelle begren¬ zenden Bipolarplatten 6; 7 senkrecht zur Plattenebene höchstens 7 mm und die durch die Grenzfläche 8 und die äussere Kontur der Kante bestimmte Breite der Randpartie 10 der Bipolarplatten 6; 7 mindestens 10 mm beträgt. In einer weiteren Ausführung ist die als elektrochemische Zellen ausgebildete Vorrichtung eine aus plattenförmigen Bauelementen bestehende Brennstoffzelle mit durch ein trennendes Diaphragma 29 aus Asbest oder aus einem kera¬ mischen Stoff in zwei Räumen festgehaltenen Flüssigelek¬ trolyten in Form einer wässrigen KOH-Lösung oder ein Stapel einer Vielzahl gleichartiger Brennstoffzellen mit Kammern für die gasförmigen Medien bildenden sepa¬ rierenden Bipolarplatten 6; 7, wobei der zugeführte Sauer¬ stoffträger auf der Seite der Sauerstoffelektrode 2 Luft, technisch reiner Sauerstoff oder an Sauerstoff angereicher¬ te Luft und der zugeführte gasförmige Brennstoff auf der Seite der Brennstoffelektrode 3 H-, ist, und in un¬ mittelbarer Nähe der Begrenzung der Brennstoffzelle(n) für jede Zelle ein am Rand des Elektrolyten 1 bündig und dicht anschliessender Rahmen zur Abdichtung und Zurück¬ haltung des letzteren, bestehend aus laugenbeständigem Kunststoff angeordnet ist und ferner der Abstand zweier eine Brennstoffzelle begrenzenden Bipolarplatten 6;7 senkrecht zur Plattenebene höchstens 10 mm und die durch die Grenzfläche 8 und die äussere Kontur der Kante be¬ stimmte Breite der Randpartie 10 der Bipolarplatten 6;7 mindestens 15 mm beträgt.
Das Verfahren zur Verringerung der Verluste in elektro- lytischen Zellen wird durchgeführt, indem in einer elek¬ trochemischen, der Elektrolyse dienenden Zelle die vom aktiven Elektrolyseteil durch einen allseitigen isolieren¬ den Spalt elektrisch vollständig getrennte, einen ge¬ schlossenen Rahmen bildende Randpartie 10 als Brennstoff¬ zelle betrieben wird, dergestalt, dass die vom aktiven Elektrolyseteil nach aussen abgehenden, aus den Reaktanden Sauerstoffträger und Brennstoff bestehenden Leckstoff¬ ströme abgefangen und unter dem Einfluss der elektrischen Feldstärke zum vollständigen Ablauf ihrer geordneten Reaktion gezwungen werden, und dass die dadurch zurück- gewonnene elektrische Energie zur Unterstützung der Elektrolyse und zur Erhöhung ihrer Stromausbeute und ihres Gesamtwirkungsgrades herangezogen wird.
Vorteile der Erfindung
- Universelle Anwendbarkeit auf praktisch alle Typen und Konstruktionen von Brennstoffzellen.
- Markante Vereinfachung der Zellenkonstruktionen im Bereich der Dichtungen.
- Elegante Lösung der schwierigen Dichtungsprobleme bzw. Umgehung der letzteren durch vorteilhafte konstruktive Gestaltung der Randpartien und optimale Betriebsführung,
- Wegfall teurer temperatur- und/oder korrosionsbestän¬ diger, der physikalischen, mechanischen und chemischen Alterung unterworfener Dichtungsmaterialien.
- Vereinfachung der Führung strömender Medien im Randbe¬ reich der Zellen.
- Erhöhung der Zwischenüberholzeiten von Zellen und Zellenverbänden.
- Schwimmende Lagerung des Elektrolyten mit Möglichkeit der unterschiedlichen Längendehnung bei Temperatur¬ änderungen.
- Funktionstrennung.
- Schnelle, problemlose Montage.
- Vollständige Energienutzung der Leckstoffströme.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Verringerung der an den Stosstellen und Randpartien im Dichtungsbereich der Elektroden (2; 3) und des Elektrolyten (1) einer elektrochemischen Zelle auftretenden, durch Leckstoffströme und Leck¬ energieströme auftretenden Stoff- und Exergieverluste, dadurch gekennzeichnet, dass gezielt unter Verzicht des Anstrebens möglichst vollständiger Dichtung und möglichst geringer Leckströme in den Randpartien der Kammern benachbarter Sauerstoffelektrode (2) und Brenn¬ stoffelektrode (3) in den besagten Randpartien (10) die aus den Elektrodenkammern stammenden, senkrecht zur Richtung der elektrischen Feldstärke strömenden Reaktanden Sauerstoffträger und Brennstoff zur Fort¬ führung und möglichst vollständigen Beendigung ihrer unter dem Einfluss der elektrischen Feldstärke geord¬ net ablaufenden Reaktion gezwungen werden, dergestalt, dass sämtliche aus der Leckstelle nach aussen gelangen¬ den Stoffströme zuJceiner noch verbleibenden unerwünsch¬ ten ungeordneten Reaktion befähigt sind, kein eigenes chemisches Potential mehr besitzen und gesamthaft keinen, einen Verlust repräsentierenden Exergieinhalt mehr aufweisen, und dass die innerhalb der Leckstelle zu erfolgende Energieumsetzung im Sinne der Erhöhung des elektrochemischen Gesamtwirkungsgrades erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einer elektrochemischen, der Elektrolyse die¬ nenden Zelle die vom aktiven Elektrolyseteil durch einen allseitigen isolierenden Spalt elektrisch voll¬ ständig getrennte, einen geschlossenen Rahmen bildende Randpartie (10) als Brennstoffzelle betrieben wird, dergestalt, dass die vom aktiven Elektrolyseteil nach aussen abgehenden, aus den Reaktanden Sauerstoffträger und Brennstoff bestehenden Leckstoffströme abgefangen und unter dem Einfluss der elektrischen Feldstärke zum vollständigen Ablauf ihrer geordneten Reaktion gezwungen werden, und dass die dadurch zurückgewonnene elektrische Energie zur Unterstützung der Elektrolyse und zur Erhöhung ihrer Stromausbeute und ihres Gesamt¬ wirkungsgrades herangezogen wird.
3. Vorrichtung zur Verringerung der an den Stosstellen und Randpartien im Dichtungsbereich der Elektroden (2; 3) und des Elektrolyten (1) einer elektrochemi¬ schen Zelle oder eines Stapels oder einer anderen Anordnung bestehend aus einer Vielzahl elektrochemi¬ scher Zellen auftretenden, durch Leckstoffströme und Leckenergieströme auftretenden Stoff- und Exergie¬ verluste, dadurch gekennzeichnet, dass im geometri¬ schen Aufbau der elektrochemischen Zelle konstruktiv dafür gesorgt ist, dass Elektrolyt (1), Sauerstoff- elektrode (2), Brennstoffelektrode (3) sowie die die Stromzuführung und Stromabführung zu den Elektro¬ den (2; 3) bewerkstelligenden Stromkollektoren ( 4; 5) genau bis zur Kante (9) der Randpartie (10) der Bipolarplatten (6; 7) oder der entsprechenden End¬ platten reichen und mit letzteren bündig abschliessen, und dass die durch die Grenzfläche (8) der Zufuhr oder Abfuhr der gasförmigen Reaktanden oder Reaktions- produkte und der äussersten Kontur der Kante (9) der Randpartie (10) der Bipolarplatten (6; 7) be¬ stimmte, senkrecht zur elektrischen Feldstärke ge¬ messene Breite der Randpartie (10) der Bipolarplatten (6; 7) derart bestimmt ist, dass die auf diesem Leck¬ weg in der Randpartie (10) sich abspielenden elektro¬ chemischen Reaktionen beim Erreichen der Kante (9) vollständig zum Abschluss gelangt sind.
4.. Vorrichtung nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, dass als elektrochemische Zelle(n) eine aus platten- förmigen Bauelementen bestehende Hochtemperatur-Brenn¬ stoffzelle mit dotiertem und stabilisiertem ZrO-, als Feststoffelektrolyt oder ein Stapel einer Viel¬ zahl gleichartiger Brennstoffzellen mit Kammern für die gasförmigen Medien bildenden separierenden Bipolar¬ platten (6; 7) vorliegt, dass der zugeführte Sauer¬ stoffträger auf der Seite der Sauerstoffelektrode (2) Luft, technisch reiner Sauerstoff oder an Sauer¬ stoff angereicherte Luft und der zugeführte gasförmige Brennstoff auf der Seite der Brennstoffelektrode (3) H-., CO, CH., CnHfι oder eine Mischung aus mindestens zweien der vorgenannten Stoffe ist und dass ferner der Abstand zweier eine Brennstoffzelle begrenzenden Bipolarplatten (6; 7) senkrecht zur Plattenebene höchstens 5 mm und die durch die Grenzfläche (8) und die äussere Kontur der Kante bestimmte Breite der Randpartie (10) der Bipolarplatten (6; 7) minde¬ stens 5 mm beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrochemische Zelle(n) eine aus platten- förmigen Bauelementen bestehende Brennstoffzelle mit perfluoriertem sulfoniertem organischen Kationen¬ austauscher-Polymer in Membranform als Feststoffelek¬ trolyt oder ein Stapel einer Vielzahl gleichartiger Brennstoffzellen mit Kammern für die gasförmigen Medien und Kanälen für den Wasserabfluss bildenden separierenden Bipolarplatten (6; 7) vorliegt, dass der zugeführte Sauerstoffträger auf der Seite der Sauerstoffelektrode (2) Luft, technisch reiner Sauer¬ stoff oder an Sauerstoff angereicherte Luft und der zugeführte gasförmige Brennstoff auf der Seite der Brennstoffelektrode (3) H2 ist, und dass zwecks Zu¬ sammenhaltens des aus dem Reaktionsprodukt gebilde¬ ten Wassermantels (22) in unmittelbarer Nähe der äusseren Begrenzung der Brennstoffzelle(n ) eine wasserdichte Umhüllung (23) mit nach innen gerichteten umlaufenden Rippen in Form eines Labyrinths, deren Ebenen parallel zur Plattenebene stehen, angeordnet ist und dass ferner der Abstand zweier eine Brenn¬ stoffzelle begrenzenden Bipolarplatten (6; 7) senk¬ recht zur Plattenebene höchstens 5 mm und die durch die Grenzfläche (8) und die äussere Kontur der Kante bestimmte Breite der Randpartie (10) der Bipolarplatten (6; 7) mindestens 5 mm beträgt.
, Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrochemische Zelle(n) eine aus platten- förmigen Bauelementen bestehende Brennstoffzelle mit in einem Vlies (24) aus einem keramischen Stoff auf SiO^-Basis als Gerüst festgehaltenen Flüssig¬ elektrolyten in Form von H.-PO. oder ein Stapel einer Vielzahl gleichartiger Brennstoffzellen mit Kammern für die gasförmigen Medien bildenden separierenden Bipolarplatten (6; 7) vorliegt, dass der zugeführte Sauerstoffträger auf der Seite der Sauerstoffelektrode
(2) Luft, technisch reiner Sauerstoff oder an Sauer¬ stoff angereicherte Luft und der zugeführte gasförmige Brennstoff auf der Seite der Brennstoffelektrode
(3) H-, ist, und dass in unmittelbarer Nähe der Be¬ grenzung der Brennstoffzelle(n) für jede Zelle ein am Rand des Elektrolyten (1) bündig und dicht an¬ schliessender Rahmen zur Abdichtung und Zurückhaltung des letzteren, bestehend aus keramischem Material auf SiO-a-Basis angeordnet ist und dass ferner der Abstand zweier eine Brennstoffzelle begrenzenden Bipolarplatten (6; 7) senkrecht zur Plattenebene höchstens 8 mm und die durch die Grenzfläche (8) und die äussere Kontur der Kante bestimmte Breite der Randpartie (10) der Bipolarplatten (6; 7) min¬ destens 10 mm beträgt.
, Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrochemische Zelle(n) eine aus platten- förmigen Bauelementen bestehende Brennstoffzelle mit in einem Vlies (26) aus einem keramischen Stoff als Gerüst festgehaltenem Flüssigelektrolyten in Form einer eutektischen Schmelze von Li_CO-, und K_CO-, oder ein Stapel einer Vielzahl gleichartiger Brennstoffzellen mit Kammern für die gasförmigen Medien bildenden separierenden Bipolarplatten (6; 7) vorliegt, dass der zugeführte Sauerstoffträger auf der Seite der Sauerstoffelektrode (2) Luft, tech¬ nisch reiner Sauerstoff oder an Sauerstoff angerei¬ cherte Luft und der zugeführte gasförmige Brennstoff auf der Seite der Brennstoffelektrode (3) H2 oder CO ist, und dass in unmittelbarer Nähe der Begren¬ zung der Brennstoffzelle(n) für jede Zelle ein am Rand des Elektrolyten (1) bündig und dicht anschlies¬ sender Rahmen zur Abdichtung und Zurückhaltung des letzteren, bestehend aus keramischem Material auf Al_0-,-Basis angeordnet ist und dass ferner der Ab¬ stand zweier eine Brennstoffzelle begrenzenden Bipo¬ larplatten (6; 7) senkrecht zur Plattenebene höch¬ stens 7 mm und die durch die Grenzfläche (8) und die äussere Kontur der Kante bestimmte Breite der Randpartie (10) der Bipolarplatten (6; 7) mindestens 10 mm beträgt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrochemische Zelle(n), eine aus platten- förmigen Bauelementen bestehende Brennstoffzelle mit durch ein trennendes Diaphragma (29) aus Asbest oder aus einem keramischen Stoff in zwei Räumen festge¬ haltenen Flüssigelektrolyten in Form einer wässrigen KOH-Lösung oder ein Stapel einer Vielzahl gleichartiger Brennstoffzellen mit Kammern für die gasförmigen Me¬ dien bildenden separierenden Bipolarplatten (6; 7) vorliegt, dass der zugeführte Sauerstoffträger auf der Seite der Sauerstoffelektrode (2) Luft, technisch reiner Sauerstoff oder an Sauerstoff angereicherte Luft und der zugeführte gasförmige Brennstoff auf der Seite der Brennstoffelektrode (3) H_ ist, und dass in unmittelbarer Nähe der Begrenzung der Brenn¬ stoffzelle(n) für jede Zelle ein am Rand des Elektro¬ lyten (1) bündig und dicht anschliessender Rahmen zur Abdichtung und Zurückhaltung des letzteren, be¬ stehend aus laugenbeständigem Kunststoff angeordnet ist und dass ferner der Abstand zweier eine Brennstoff¬ zelle begrenzenden Bipolarplatten (6; 7) senkrecht zur Plattenebene höchstens 10 mm und die durch die Grenzfläche (8) und die äussere Kontur der Kante be¬ stimmte Breite der Randpartie (10) der Bipolarplatten (6; 7) mindestens 15 mm beträgt.
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