DE3516758A1 - Brennstoffzelle - Google Patents

Description

BRENNSTOFFZELLE

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

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

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

Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, solche Nachteile zu vermeiden. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Brennstoffzelle gelöst. Bezüglich von Merkmalen bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung wird auf die Unteransprüche verwiesen.

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

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

ORIGINAL

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

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

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

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

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

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

Fig. 8 zeigt einen bipolaren Stromkollektor.

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

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

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

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

Fig. 13 zeigt in Explosionsdarstellung ein Element der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle.

Fig. 14 zeigt schematisch und in Perspektive eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle.

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

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

Beispielsweise können die Elektroden eine biegsame Struktur gemäß dem FR-PS 79 25 879 aufweisen.■Sie können nach Verfahren hergestellt sein, die beispielsweise in den FR-PS 79 25 877 und 79 25 878 beschrieben sind.

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

Der Rahmen 3 besteht vorzugsweise aus einem isolierenden Kunststoff material, beispielsweise auf der Basis von Polypropylen, von Polyvinylchlorid, Acrylonitril-Butadien-Styrol, Polyäthylen, Polystyrol, Polysulfonen ...

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

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

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

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

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

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

Im vorliegenden Beispiel sind die Rinnen 11 U-förmig gestaltet, wobei der zentrale Bereich des ü bezüglich der Ein- und Auslässe 8A und 8B jenseits des zentralen Ausschnitts 4 liegt, der das Elektrolytabteil begrenzt. Diese Anordnung in Form eines

U ermöglicht eine Verdopplung der Strecke für den Elektrolyten ohne nennenswerte Vergrößerung der Bauteile. Weitere Vorteile dieser Maßnahme sind, daß man auf Wunsch den Elektrolytkreislauf unterbrechen kann, ohne daß das Elek.trolytabteil sich entleert, und daß auf Wunsch der Elektrolyt von unten nach oben durch das Abteil fließen kann, ohne daß bei einem versehentlichen Einlaß von Gas das ganze Abteil entleert wird.

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

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

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

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

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

Die Anode 1 liegt auf dem Rahmen 55 auf.

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

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

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

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

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

Dagegen besitzt die andere Seite 56 des Rahmens 55, auf der die Anode 1 aufliegt, um den zentralen Ausschnitt herum einen

Absatz 70, derart, daß die Anode 1 nicht über die Oberseite des Rahmens 55 nach deren Auflegen auf diesen Rahmen 55 vorsteht.

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

In Fig. 7 ist zu erkennen, daß der untere Bereich und der , obere Bereich des Rahmens 3 zwischen den Durchlässen 7 Aushöhlungen 22 aufweist, durch die in Kombination mit den entsprechenden Aushöhlungen oder Rinnen,· die auf den Stromkollektoren vorgesehen sind, die Eingangs- und Ausgangsquerschnitte für den Sauerstoff träger vergrößert werden können. Diese Aushöhlungen 22 sind auch aus den Figuren 1 und 2 zu ersehen. Im Inneren dieser Aushöhlungen 22 kann man Längsrippen 61 vorsehen, die senkrechte Kanäle begrenzen, wie in Fig. 7 dargestellt.

Die Figuren 8 bis 12 betreffen die Stromkollektoren. Es handelt sich um nicht-permeable bipolare Stromkollektoren mit mindestens einer zentralen leitenden Zone, in der Riefen auf jeder Kollek¹* torseite vorgesehen sind. Die unteren Bereiche und die oberen Bereiche dieser Kollektoren zu beiden Seiten der zentralen leitenden Zone sind mit Durchlässen für die Zirkulation des Elek"· trolyten und des Brennstoffs durch die Zelle versehen.

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

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

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

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

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

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

In diesen Rinnen und Hohlräumen 35 und 36 sind Strömungsverteil ungsmittel vorgesehen, die aus länglichen Rippen bestehen. Diese Rippen bilden Verteilungskanäle, wobei die Oberseite dieser Rippen bisjin die die Rippen und Hohlräume tragende Oberseite des Kollektors reichen. Mit diesen Mitteln kann der Abstand zwischen dem Grund des Kollektors, von dem die Rippen aufragen, und den benachbarten Bauteilen der Zelle gewahrt werden. Die so gebildeten Kanäle verlaufen im wesentlichen senkrecht.

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

Aus Fig. T2 ist zu ersehen, daß die Brennstoffeinlasse 28 eine längliche Form aufweisen; die Rinnen oder Hohlräume 36, die den Brennstoff weiterleiten, münden in der Nähe derjenigen Be* reiche der länglichen Durchlässe, die der zentralen leitenden Zone 24 des Kollektors 23 benachbart sind. Die Brennstoffverteilungsrippen definieren ein Netzwerk, das sich von den Durchlässen 28 bis zum leitenden Teil 24 des Kollektors ausweitet. Rippen 37 in der Nähe der Durchlässe 28 definieren Kanäle, die ihrerseits eine größere Zahl von Zwischenkanälen versorgen. Diese Zwischenkanäle werden durch längere Rippen 38 definiert und führen in die Nähe der Kanäle des leitenden Bereichs 24 des Kollektors, wobei ein Zwischenkanal mindestens einen Kanal 34 des leitenden Bereichs 24 des Kollektors versorgt.

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

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

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

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

Diese Bauteile können auf der Basis von Polypropylen, Polyäthylen, Polyvinylchlorid, Acrylonitril-Butadien-Styrol, PoIysulfonen, Polystyrol usw. hergestellt sein.

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

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

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

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

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

Ein gasförmiger Sauerstoffträger, z.B. Luft, strömt zwischen

der Kathode der Baugruppe 40 und der kathodischen Oberseite 31' des Kollektors 23' in den durch die im zentralen leitenden Bereich 24· des Kollektors 23' vorhandenen Riefen definierten Kanäle.

Ein gasförmiger Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, zirkuliert zwischen der Anode 1 und der anodischen Seite des Kollektors 23" in den Kanälen, die durch die im zentralen leitenden Bereich des Kollektors 23" vorgesehenen Riefen definiert sind.

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

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

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

Die öffnungen, durch die der Sauerstoffträger in die Zelle eintritt, werden durch die Kombination der Aussparungen oder Hohlräume 35 und 22 gebildet, die einerseits auf den Stromkollektoren 23 und andererseits auf den diesen gegenüberliegenden Oberflächen der Rahmen 3, auf denen die Elektroden 2 aufliegen, gebildet werden.

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

Claims (8)

Fo 13709 D ALSTHOM-ATLANTIQUE 38, avenue Kleber F - 75784 PARIS CEDEX 16 BRENNSTOFFZELLE PATENTANSPRÜCHE

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

- zwei poröse Elektroden von vorzugsweise ebener Form und mit zueinander parallelen Oberflächen, und zwar eine Kathode und eine Anode, mit je einem spezifischen Katalysator,

- einen den Raum zwischen den Elektroden füllenden Elektrolyten,

- zwei nicht-permeable bipolare Stromkollektoren, die mindestens eine leitende zentrale Zone mit Riefen auf beiden Seiten aufweisen, wobei ein erster Kollektor mit dem erhabenen Bereichen seiner kathodischen Oberseite in elektrischem Kontakt mit der Außenseite der Kathode und mit seiner anodischen Oberseite in elektrischem Kontakt mit der Außenseite der Anode eines benachbarten Elements steht, während ein zweiter Kollektor mit den erhabenen Bereichen seiner anodischen Oberseite in elektrischem Kontakt mit der Außenseite der Anode und mit seiner kathodischen Oberseite in elektrischem Kontakt mit der Kathode des anderen benachbarten Elements steht, wobei ein gasförmiger Sauerstoffträger zwischen der Kathode und der kathodischen Oberseite des ersten Kollektors zirkuliert, während ein gasförmiger Brennstoff zwischen der Anode und der anodischen Oberseite des zweiten Kollektors zirkuliert, wobei die unten liegenden und die oben liegenden Bereiche der Kollektoren jenseits der zentralen leitenden Zone mit Durchlässen für die.Zirkulation des Elektrolyten und des Brennstoffs durch die Zelle ver-

sehen sind, wobei eine erste Elektrode auf einem mit einem vierseitigen zentralen Ausschnitt versehenen Rahmen, vorzugsweise aus einem isolierenden Kunststoff, angeordnet ist, wobei die unteren und oberen Bereiche des Rahmens Durchlässe für den Brennstoff und den Elektrolyten i,n Flucht zu den Durchlässen in den Kollektoren aufweisen und wobei auf einer Seite des Rahmens Mittel vorgesehen sind, um den Elektrolyten von einem der Durchlässe, Einlaß genannt, in ein zwischen den beiden Elektroden liegendes Elektrolytabteil und von diesem Abteil zu einem anderen Durchlaß, Auslaß genannt, zu bringen, wobei diese Mittel Rinnen aufweisen, die in Hohlbereiche münden, die Verteil- und Sammelkammern für den Elektrolyten bilden und im oberen bzw. unteren Bereich des Rahmens entlang von zwei entgegengesetzten Seiten des zentralen Ausschnitts liegen, sowie mit dem Elektrolytabteil über eine Vielzahl von parallelen, durch Rippen abgegrenzten Mikrokanälen in Verbindung stehen, dadurch gekennze ichnet, daß ein zweiter Rahmen (55), vorzugsweise aus einem isolierenden Kunststoffmaterial und mit denselben Umrissen wie der erste Rahmen (3), auf dem die erste Elektrode (2) aufliegt, und mit Durchlässen für den Brennstoff und den Elektrolyten (67, 68A, 68B), die denen (7, 8A, 8B) des ersten Rahmens (3) entsprechen, mit einer ebenen Fläche (57) auf diejenige Oberseite (10) des ersten Rahmens (3) aufgelegt ist, die die Rinnen (11) und Verteil- und Sammelkammern für den Elektrolyten aufweist, und daß dieser zweite Rahmen (55) mit dem ersten¹Rahmen (3) derart fest verbunden ist, daß er das Verteilnetz für den Elektrolyten abdichtet, wobei die zweite Elektrode (1) auf der anderen Oberseite (56) des zweiten Rahmens (55) aufliegt und das Elektrolytabteil (64) durch die Elektroden (1, 2) und die zentralen Ausschnitte der beiden Rahmen (3, 55) definiert ist.

2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diejenige Oberseite (56) des zweiten Rahmens (55), auf der die zweite Elektrode (1) aufliegt, in der Nähe des zentralen Ausschnitts (71) einen abgesetzten Bereich (70) einer Höhe aufweist, die im wesentlichen der Dicke der zweiten Elektrode (1)

entspricht, so daß letztere nach ihrem Einlegen in den zweiten Rahmen (55) über die Oberseite (56) des zweiten Rahmens (55) nicht vorsteht, und daß die Oberseite (72) des ersten Rahmens (3),auf die die erste Elektrode (2) aufgelegt ist, ebenfalls in der Nähe des zentralen Ausschnitts, (4). einen zurückgesetzten Bereich (4) einer Höhe aufweist, die im wesentlichen der Dicke der ersten Elektrode (2) entspricht, derart, daß diese letztere nach ihrem Auflegen auf den ersten Rahmen (3) über die Oberseite des ersten Rahmens (3) nicht vorsteht.

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

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

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

6. Brennstoffzelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteil- und Sammelkammern[eine Vielzahl von Rippen (17) aufweisen, die parallel zueinander verlaufen und die Verteilung des Elektrolyten auf die Mikrokanäle nicht beeinträchtigen.

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

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