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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, ein Brennstoffzellensystem
sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle. Insbesondere
betrifft die Erfindung eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle vom
reversiblen Typ, die einen regenerativen Strom nutzen kann, und
ein System aus solchen.
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2 ist
eine schematische Ansicht, die den Aufbau einer herkömmlichen
Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle veranschaulicht.
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Als
Ionenaustauschmembran, die eine Hauptkomponente der Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle ist,
wird gewöhnlich
eine "Protonenaustauschmembran" 6 genannte
Kationenaustauschmembran verwendet. Auf beiden Seiten dieser Protonenaustauschmembran 6 sind
Katalysatorschichten 4, 5 angeordnet. Als diese
Katalysatorschichten 4, 5 wird häufig eine
Paste mit einem auf Kohlepartikel aufgebrachten Katalysator aus
Platin oder einer Platinlegierung verwendet. Auf der Außenseite
jeder Katalysatorschicht ist eine Gasdiffusionsschicht 2 angeordnet.
Diese Diffusionsschicht 2 besteht gewöhnlich aus Kohlepapier und
wird auch Kollektorschicht genannt, durch die man auf den Katalysatoren
erzeugte Elektronen passieren lässt.
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Auf
der Außenseite
der Gasdiffusionsschicht gibt es eine Platte mit einem Gaskanal 3 darin,
welche als "Interkonnektor
bzw. Verbindungselement" 1 (engl.
interconnector) bezeichnet wird. Das Verbindungselement 1 besteht
aus einer stromführenden Substanz
und hat die Funktion, Brennstoffgas von einem oxidierenden Gas zu
trennen. Das Brennstoffgas besteht gewöhnlich aus Wasserstoffgas und Wasserdampf.
Die mit diesem Wasserstoffgas enthaltenden Brennstoffgas in Kontakt
gebrachte Katalysatorschicht wird "Wasserstoffelektrode" genannt. Der Ausdruck "oxidierendes Gas", wie er hierin verwendet
wird, meint ein sauerstoffhaltiges Gas wie z. B. Luft, und die mit
einem oxidierenden Gas in Kontakt gebrachte Katalysatorschicht wird "Sauerstoffelektrode" genannt.
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Wenn
diese Festelektrolyt-Brennstoffzelle mit einer externen Last verbunden
wird, wird Wasserstoffgas (H2) an der Wasserstoffelektrode 4 in
Protonen (H+) und Elektronen (e–)
zerlegt, und die Protonen gelangen durch eine Elektrolytmembran
in Richtung auf die Seite der Sauerstoffelektrode 5. Nach dem
Transport verbinden sich die Protonen mit Sauerstoff (O2)
und Elektronen, die in die Seite der Sauerstoffelektrode 5 geflossen
sind, so daß auf
dieser Seite Wasser (H2O) erzeugt wird.
Brennstoffzellen lassen Elektronen (e–)
zirkulieren, die während
Prozesse mit Reaktionen unter Bildung von Wasser durch eine externe
Schaltung ausgetauscht worden sind, wobei sie somit als Batterie
wirken.
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Zu
dieser Zeit fließen
Protonen (H+) zusammen mit umgebenden Wassermolekülen in der
Form von Clustern. Dies ist eine sogenannte Elektroosmose von Wasser.
Bei diesem Phänomen
trocknet die Membran auf der Seite der Wasserstoffelektrode 4 aus.
Für den
Protonentransport ist die Existenz von Wasser unabdingbar. Auf der
getrockneten Filmoberfläche
nimmt der Innenwiderstand zu und stört den Durchgang von Ionen.
Um dieses Problem zu überwinden,
wird gewöhnlich
das Wasserstoffgas an der Wasserstoffelektrode 4 mit äußerer Befeuchtung
(H2 + H2O) versorgt,
die eine durch das Austrocknen der Membran verursachte Erhöhung des
elektrischen Widerstands unterdrückt.
Die Wärmetransportkapazität des Wasserstoffgases
hängt vom
Wasserdampfdruck ab. Je höher
die Gastemperatur ist, desto größer ist
der Wasserdampfdruck und eine desto größere Menge Wasser kann in die
Brennstoffzelle eingeleitet werden.
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Im
Gegensatz dazu verringert ein übermäßiger Anstieg
des Wasserdampfdrucks den Partialdruck von Wasserstoff (H2) selbst, wodurch ein schlechter Einfluss
auf die Leistung der Brennstoffzelle ausgeübt wird. Die von außen extern
zuzuführende
Wassermenge hat daher eine bestimmte Grenze.
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An
der Sauerstoffelektrode 5 wird eine Wassermenge aufgrund
der Elektroosmose von Wasser und Erzeugung von Wasser zu hoch. Dies
erzeugt einen Wasserkonzentrationsgradienten zwischen der Seite
der Wasserstoffelektrode 4 und der Seite der Sauerstoffelektrode 5 der
Membran, der zu einem "Rückdiffusion" genannten Phänomen führt, das
eine physikalische Diffusion von Wasser in Richtung auf die Wasserstoffelektrode 4 ist.
Ein Teil dieses überschüssigen Wassers
wird durch Verdampfung als Gas an der Sauerstoffelektrode 5 nach
außen
abgeführt.
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Falls
mehr Wasser vorhanden ist, kann es jedoch nicht durch Verdampfung
oder Diffusion gesteuert werden und läuft als kondensiertes Wasser
durch die Diffusionsschicht 2 oder den Gasdurchgang 3 des Verbindungselements 1 über. Dieses
Phänomen
wird "Überflutung" genannt, die verhindert,
dass Sauerstoffgas die Membran 6 erreicht, wodurch die
Leistung der Brennstoffzelle verschlechtert wird.
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Unter
Berücksichtigung
der oben beschriebenen Probleme wurden gewisse Gegenmaßnahmen
untersucht; aber sie sind nicht vollkommen frei von Problemen.
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Eine
normalerweise genutzte äußere Befeuchtung
bringt das oben beschriebene Problem mit sich. Physikalische oder
mechanische Zirkulation von Wasser innerhalb von Stapeln weist ebenfalls gewisse
Probleme auf. Als weitere Gegenmaßnahmen sind bekannt (1) die
Förderung
einer Rückdiffusion
von Wasser, indem die Membran dünner
ausgebildet wird, wodurch die Größe des Wasserkonzentrationsgradienten
vergrößert wird,
(2) die Erzeugung von Wasser in der Membran und (3) die Befeuchtung innerhalb
des Durchgangs durch Eindringen von Kühlwasser in das Verbindungselement.
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Die
Gegenmaßnahme
(1) ist jedoch mit einem Problem einer "Gasquerstrom" (engl. cross flow of gas) genannten
physikalischen Permeation eines Rohgases verbunden. Eine solche
Reaktion entsteht neben der Hauptreaktion einer Brennstoffzelle
und verhindert, dass ein Teil der Elektronen in eine externe Schaltung
fließt.
Dies verringert die elektromotorische Kraft der Zelle. Bei der Gegenmaßnahme (2) wird
die Feuchtigkeit der Membran durch Verteilen des Katalysators in
der Membran und Umwandeln des Querstromgases in Wasser eingestellt.
Bei diesem Verfahren treten im Film jedoch wegen der Reaktionswärme Löcher auf
und verschlechtern die Lebensdauer der Brennstoffzelle. Die Gegenmaßnahme (3)
ist mit dem gleichen Problem wie dem durch die äußere Befeuchtung hervorgerufenen
verbunden, und zusätzlich
kann eine gewisse Schwierigkeit bei der Gasabdichtung auftreten.
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Die
US 4,990,412 A offenbart
ein Kühlsystem
mit einem elektrochemischen Kompressor, der einen Wasserstoffeinlass,
einen Sauerstoffeinlass, einen Wasserstoffauslass sowie einen Sauerstoffauslass
umfasst. Der Wasserstoffeinlass ist mit einer ersten Kammer verbunden,
die durch eine eine erste Kathode, eine erste katalytische Membran
und eine erste Anode umfassende Anordnung von einer zweiten Kammer
getrennt ist, welcher über
den Sauerstoffeinlass Sauerstoff zugeführt wird. An der ersten Kathode
wird Wasserstoff unter Bildung von Wasserstoffionen aufgespalten,
die durch die erste katalytische Membran in Richtung der ersten
Anode diffundieren. An der ersten Anode reagieren die Wasserstoffionen
mit Sauerstoff zu Wasser, wobei bei der katalytischen Kombination
von Wasserstoff und Sauerstoff eine Potenzialdifferenz zwischen
der ersten Kathode und der ersten Anode entsteht. Die erste Kathode,
die erste katalytische Membran und die erste Anode bilden somit
eine als Brennstoffzelle betriebene Einheitszelle.
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Die
zweite Kammer des in der
US
4,990,412 A beschriebenen elektrochemischen Kompressors ist
ferner durch eine eine zweite Kathode, eine zweite katalytische
Membran und eine zweite Anode umfassende Anordnung von einer dritten
Kammer getrennt. Wenn an die zweite Kathode und die zweite Anode ein
von der als Brennstoffzelle betriebenen Einheitszelle erzeugter
elektrischer Strom angelegt wird, werden Wasser und Wasserstoffionen
durch die zweite katalytische Membran in die dritte Kammer transportiert.
Eine durch eine dritte Anode, eine dritte katalytische Membran sowie
eine dritte Kathode gebildete, an die dritte Kammer angrenzende
Anordnung bewirkt schließlich
eine Dissoziation des Wassers zu Sauerstoff und Wasserstoff. Die
zweite und die dritte Kathode, die zweite und die dritte katalytische
Membran sowie die zweite und die dritte Anode können somit als eine als Wasserelektrolysezelle
betriebene Einheitszelle des elektrochemischen Kompressors betrachtet
werden.
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Die
DE 40 27 655 C1 beschreibt
eine Zelle, die wechselweise als Elektrolysezelle oder Brennstoffzelle
verwendet werden kann. Die Zelle umfasst eine in einem Anodenraum
angeordnete bifunktionale Oxidationselektrode, eine Ionenaustauschmembran
sowie eine in einem Kathodenraum angeordnete bifunktionale Reduktionselektrode.
Im Elektrolysebetrieb der Zelle wird Wasser durch den Anodenraum geführt, so
dass der entstehende Sauerstoff und der entstehende Wasserstoff
gespeichert werden können.
Im Brennstoffzellenbetrieb wird einem Speicher Wasserstoff und Sauerstoff
entnommen und der Wasserstoff durch den Anodenraum und der Sauerstoff
durch den Kathodenraum geführt.
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Die
DE 195 33 097 A1 ist
auf ein Brennstoffzellensystem mit einer Elektrolyseeinrichtung
gerichtet, deren Wasserstoff abgebende Seite mit einer Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle
verbunden ist. Als Elektrolyseeinrichtung dient eine im Elektrolysebetrieb
betriebene weitere Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle.
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Die
nachveröffentlichte
DE 100 13 597 A1 offenbart
eine Kombinationsanlage, die eine Brennstoffzelle, einen Brenner
sowie eine Trenneinrichtung umfasst. Die Trenneinrichtung kann beispielsweise
in Form einer elektrochemischen Wasserstoffpumpe, d. h. in Form
einer mit Strom betriebenen Elektrolysezelle ausgebildet sein.
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Die
WO 97/20358 A1 beschreibt
ein Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektrodeneinheit, bei dem eine Gasdiffusionslage
mit einer Polymerelektrolytmembran verpresst wird.
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Die
Erfindung ist auf die Aufgabe gerichtet, eine Brennstoffzelle, ein
Brennstoffzellensystem sowie ein Verfahren zur Herstellung einer
Brennstoffzelle bereitzustellen, die es ermöglichen, das Absinken des Wirkungsgrads
der Energieerzeugung zu verhindern, indem ein durch überschüssiges Wasser
hervorgerufenes Überflutungsphänomen vermieden wird.
Ferner soll das Problem eines Gasquerstroms beseitigt werden. Schließlich soll
durch eine effiziente Wasserentfernung, die durch eine Reduzierung
der elektromotorischen Energie erreicht wird, oder durch die Vermeidung
negativer Einflüsse
auf die Protonenaustauschmembran eine verlängerte Lebensdauer erzielt
werden.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe werden eine Brennstoffzelle mit den im Anspruch 1
angegebenen Merkmalen, ein Brennstoffzellensystem mit den im Anspruch
11 angegebenen Merkmalen sowie zwei alternative Verfahren zur Herstellung
einer Brennstoffzelle mit den in den Ansprüchen 12 und 13 angegebenen
Merkmalen vorgeschlagen.
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Die
Erfinder haben gefunden, dass die oben beschriebenen Probleme vermieden
werden können, indem
eine Brennstoffzelle vom reversiblen Typ hergestellt wird, die einen
regenerativen Strom nutzen kann, indem im Innern der Einheitszelle
ein mit einem Wasserdurchgang versehener Abschnitt zur Wasserelektrolyse
angeordnet wird. Die vorliegende Erfindung wurde auf der Grundlage
eines solchen Befunds vervollständigt.
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Die
vorliegende Erfindung liefert eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle
mit mehreren hintereinander gestapelten Einheitszellen, welche jeweils
aufweisen: einen Abschnitt zur Wasserelektrolyse und einen Brennstoffzellenabschnitt
in der gleichen Ebene der Einheitszelle; eine Sauerstoffelektrode
auf einer Seite einer Protonenaustauschmembran und eine Wasserstoffelektrode
auf der anderen Seite, die jeweils in der Stapelrichtung der Einheitszellen
angeordnet sind; Gasdiffusionsschichten auf der Außenseite
der Elektroden, so dass auf einem Katalysator erzeugte Elektronen
durch die Gasdiffusionsschichten gelangen können; und Verbindungselemente,
die ferner außen
an den Gasdiffusionsschichten angeordnet sind und einen Gasdurchgang
aufweisen, um den Brennstoffzellenabschnitt mit einem Gas zu versorgen,
wobei der Sauerstoffelektrode benachbarte Verbindungselemente einen
Wasserdurchgang aufweisen, um den Abschnitt zur Wasserelektrolyse
mit Wasser zu versorgen. In dieser Brennstoffzelle gelangt Wasser
durch die nächst
der Sauerstoffelektrode gelegenen Verbindungselemente. Jede Einheitszelle
hat in einer einzigen Ebene sowohl einen Abschnitt zur Wasserelektrolyse,
der dazu dient, Wasser zu hydrolysieren, als auch einen Brennstoffzellenabschnitt,
der als Brennstoffzelle dient. Der Elektrolyseabschnitt befindet
sich auf der Peripherie eines Wasserdurchgangs (Vertei ler). Eine
solche Konstruktion macht es möglich,
den Abschnitt zur Wasserelektrolyse anzuordnen, ohne die Elektrodenfläche der
bestehenden Brennstoffzelle zu verringern, wodurch ermöglicht wird,
einen Abschnitt zwischen dem Verteiler und der Elektrodenfläche effektiv
zu nutzen, der ansonsten behindert durch eine Abdichtung nicht genutzt
werden kann.
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Wegen
der Wasserelektrolyse ist die Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung
ein reversibler Typ, der einen regenerativen Strom nutzen kann.
In dieser Brennstoffzelle kann Wasserstoff auf der Seite der Wasserstoffelektrode
durch Membranbefeuchtung befeuchtet werden, und Sauerstoff im dazu
benachbarten Sauerstoffdurchgang kann ebenfalls befeuchtet werden.
Außerdem
weist sie einen Wasserdurchgang auf der Reaktionsseite, was ermöglicht, die
Protonenaustauschmembran direkt zu kühlen und zu befeuchten.
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In
der vorliegenden Erfindung umfassen bevorzugte Ausführungsformen
eine Brennstoffzelle, worin das nächst der Sauerstoffelektrode
angeordnete Verbindungselement mit einem dem Wasserdurchgang benachbart
angeordneten Sauerstoffgasdurchgang versehen ist, um am Abschnitt
zur Wasserelektrolyse erzeugten Sauerstoff zu empfangen, und eine Brennstoffzelle,
worin das nächst
der Wasserstoffelektrode angeordnete Verbindungselement mit einem Wasserstoffgasdurchgang
versehen ist, um am Abschnitt zur Wasserelektrolyse erzeugten Wasserstoff zu
empfangen. Der dem Wasserdurchgang benachbarte Gasdurchgang trägt nicht
zu einer Brennstoffzellenreaktion bei und hat weniger Einfluss auf
den Brennstoffzellenabschnitt, weil Wasser, falls überhaupt,
nicht direkt darin eindringt.
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In
der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung hat die Protonenaustauschmembran
zwei funktional getrennte Abschnitte: den Abschnitt zur Wasserelektrolyse
und den Brennstoffzellenabschnitt, die innerhalb der Einheitszelle
in der gleichen Ebene angeordnet sind. Bevorzugt wird eine Brennstoffzelle, bei
der die Protonenaustauschmembran am Abschnitt zur Wasserelektrolyse
dicker als die des Brennstoffzellenabschnitts ist. Der Ausdruck "funktional getrennt", wie er hierin verwendet
wird, meint nicht nur Fälle,
in denen die Protonenaustauschmembran zwischen dem Abschnitt zur
Wasserelektrolyse und dem Brennstoffzellenabschnitt physikalisch
getrennt ist, sondern auch Fälle,
in denen, selbst wenn sie nicht physikalisch getrennt sind, ein Unterschied
der Dicke oder des Durchgangs um diese sie jeweils verschiedene
Funktionen erfüllen
läßt.
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Im
Abschnitt zur Wasserelektrolyse ist es möglich, die Sauerstoffelektrode
zwischen dem Sauerstoffgasdurchgang und der Protonenaustauschmembran,
nicht zwischen dem Wasserdurchgang und der Protonenaustauschmembran
anzuordnen, während
die Wasserstoffelektrode zwischen dem Wasserstoffgasdurchgang und
der Protonenaustauschmembran angeordnet wird. Gemäß dieser Ausführungsform
kann das Blockieren der Wasserpumpe mit Luft verhindert werden,
weil im Wasserdurchgang kein Sauerstoffgas erzeugt und daher kein
Zweiphasenstrom aus Dampf und Flüssigkeit gebildet
wird; außerdem
können
Größen- und
Kostenreduzierungen erreicht werden, weil der Einbau eines Dampf-Flüssigkeits-Separators
stromabwärts der
Einheitszelle oder des Stapels nicht notwendig ist.
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In
der vorliegenden Erfindung sind in einer Brennstoffzelle der Wasserdurchgang
und Gasdurchgang, um den Brennstoffzellenabschnitt mit einem Gas
zu versorgen, vorzugsweise nicht einander benachbart angeordnet.
Ein solcher Aufbau macht es möglich,
eine Überflutung
zu vermeiden. Insbesondere werden in einer Brennstoffzelle von der
Bauart mit parallelen Kanälen,
die dazu neigt, eine Überflutung
zu verursachen, die Wasser- und Gasdurchgänge vorzugsweise voneinander
entfernt angeordnet. In der Brennstoffzelle mit dem Sauerstoffgasdurchgang
kann z. B. eine benachbarte Anordnung vermieden werden, indem der
Sauerstoffgasdurchgang zwischen dem Wasserdurchgang und dem Gasdurchgang
zum Versorgen des Brennstoffzellenabschnitts mit einem Gas angeordnet
wird.
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In
der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung kann der Sauerstoffgasdurchgang
mit dem Gasdurchgang verbunden sein, der auf der Seite der Sauerstoffelektrode
vorhanden ist und dazu dient, den Brennstoffzellenabschnitt mit
einem Gas zu versorgen, oder der Wasserstoffgasdurchgang kann mit dem
Gasdurchgang verbunden werden, der auf der Seite der Wasserstoffelektrode
vorhanden ist und dazu dient, den Brennstoffzellenabschnitt mit
einem Gas zu versorgen. Nach Bedarf kann ein Konvergenzpunkt je
nach unterschiedlichem Steuerverfahren der Brennstoffzelle oder
unter Berücksichtigung der
ungleichmäßigen Verteilung
eines Stroms oder einer Temperatur auf der Elektroden- Oberfläche gestaltet
werden, so dass durch Einstellen der Feuchtigkeit oder Sauerstoff-Wasserstoff-Konzentration der
Membran der Brennstoffzelle die Leistung der Zelle weiter verbessert
werden kann. Außerdem kann
eine Zeitverzögerung
zwischen einer Energieerzeugung und Regeneration reduziert werden,
indem man einmal Gas aus der Zelle durch einen unabhängig angeordneten
Verteiler ausströmen
lässt.
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Die
vorliegende Erfindung liefert auch ein Brennstoffzellensystem mit
einer der oben beschriebenen Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen,
das ferner stromabwärts
der Brennstoffzelle einen Katalysatorbrenner aufweist, um einen
Teil eines am Abschnitt zur Wasserelektrolyse erzeugten Gases oder
das ganze zuzuführen.
Ein solcher Aufbau macht es möglich,
den Wirkungsgrad des gesamten Systems zu verbessern, indem ein Teil
der Wärmequelle
geschaffen wird, der genutzt wird, um das Brennstoffzellensystem
am Laufen zu halten.
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In
der vorliegenden Erfindung sind zwei bevorzugte Prozesse zum Herstellen
der oben beschriebenen Brennstoffzelle vorgesehen, worin die Protonenaustauschmembran
nicht geteilt, sondern zwischen dem Abschnitt zur Wasserelektrolyse
und dem Brennstoffzellenabschnitt in der gleichen Ebene der Einheitszelle
funktional getrennt ist, welche ein dickeres Ausbilden eines Abschnitts
der Protonenaustauschmembran am Abschnitt zur Wasserelektrolyse
verglichen mit demjenigen am Brennstoffzellenabschnitt umfassen.
Ein Verbindungselement mit einer gekerbten Oberfläche wird
gegen die Protonenaustauschmembran gepresst, die an einer als Abschnitt
zur Wasserelektrolyse vorgesehenen Stelle dicker als an einem anderen
Ort ausgebildet wurde, indem ebene Protonenaustauschmembranen teilweise
aufeinander gestapelt wurden, während
zwischen dem Verbindungselement und der Protonenaustauschmembran
eine Diffusionsschicht angeordnet wurde, auf die eine Katalysatorschicht,
die eine Wasserstoffelektrode oder Sauerstoffelektrode sein soll, aufgebracht
wurde, wodurch eine Stapelstruktur in der Einheitszelle geschaffen
wurde. Ein anderer Herstellungsprozeß umfasst ein Einkerben der
Oberfläche
einer ebenen und gleichmäßig dicken
Protonenaustauschmembran, ein Pressen, gegen die Protonenaustauschmembran,
einer Diffusionsschicht, an der eine als Wasserstoffelektrode oder
Sauerstoffelektrode vorgesehene Katalysatorschicht aufgebracht wurde,
und ein Bilden einer Stapelstruktur über ein Verbindungselement.
Da die Proto nenaustauschmembran in diesen Prozessen nicht geteilt wird,
kann eine Befeuchtung der gesamten Membran durch Diffusion von Wasser
in der Querrichtung beschleunigt werden. Diese Prozesse können die
Anzahl Teile reduzieren und die Effizienz beim Zusammenbauen verbessern,
was zu einer ausgezeichneten Effizienz bei der Herstellung führt.
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Im
herkömmlichen
Herstellungsprozeß sind eine
Elektrolytzelle und Brennstoffzelle nicht in einem Körper, was
eine Zunahme der Größe des Brennstoffzellensystems
bewirkt. Gemäß der vorliegenden Erfindung
haben diese Zellen andererseits einer Bindeplatte zum Fixieren des
Stapels, ein Chassis und einen Gasdurchgang gemeinsam, was ein kompaktes
System zu schaffen ermöglicht.
Außerdem
kann das erfindungsgemäße System
einen regenerativen Strom durch Wasserelektrolyse sammeln, so dass eine
Batterie oder ein Akkumulator wie z. B. ein Ultrakondensator nicht
notwendig ist, der im herkömmlichen
System wesentlich ist. Eine Verringerung der Zahl von Zubehörteilen
oder ergänzenden
Einheitszellen führt
zu einer Platz- und Kostenreduzierung des Brennstoffzellensystems.
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Da
jede Einheitszelle in der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung
innerhalb der gleichen Ebene sowohl den Brennstoffzellenabschnitt
als auch den Elektrolyseabschnitt aufweist, kann das Verhältnis der
effektiven Elektrodenfläche
zur Zellenfläche
kleiner werden. Ein regenerativer Strom ist jedoch ein Fünftel oder
ein Sechstel des Spitzenstroms der Energieabgabe, was ein entsprechendes
Verhältnis
der Elektrolysefläche
zur Brennstoffzellenfläche verlangt.
Der greifbare Einfluss eines solch kleinen Verhältnisses ist nicht groß. Als das
Verbindungselement der vorliegenden Erfindung wird ähnlich der
Diffusionsschicht (Energiezuführung)
kein Kohlenstoffmaterial mit niedriger Oxidationsbeständigkeit,
sondern eine Metallplatte bevorzugt, um eine Wasserelektrolyse im
Innern der Brennstoffzelle auszuführen.
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Die
vorliegende Erfindung wird im folgenden konkreter mit Beispielen
beschrieben. Es sollte jedoch bedacht werden, dass der Umfang der
vorliegenden Erfindung nicht auf oder durch sie beschränkt ist.
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nun ausführlicher mit Verweis auf die beiliegenden
Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 eine
Querschnittansicht ist, die ein Aufbaubeispiel in einer Einheitszelle
veranschaulicht, die eine Grundkomponente der Brennstoffzelle der vorliegenden
Erfindung ist;
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2 eine
Querschnittansicht ist, die den Aufbau in einer Einheitszelle veranschaulicht,
die eine Grundkomponente einer herkömmlichen Brennstoffzelle ist,
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3 die
Funktionen des Brennstoffzellenabschnitts und des Abschnitts zur
Wasserelektrolyse schematisch veranschaulicht;
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4 die
Funktion der herkömmlichen Brennstoffzelle
mit einem Wasserdurchgang schematisch veranschaulicht;
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5 eine
Querschnittansicht ist, die ein vorzuziehendes Aufbaubeispiel in
einer Einheitszelle veranschaulicht, die eine Grundkomponente der Brennstoffzelle
der vorliegenden Erfindung ist;
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6 ein
Beispiel eines Preßschritts
bei einer Herstellung der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung
veranschaulicht;
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7 ein anderes Beispiel eines Preßschritts
bei der Herstellung der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung
veranschaulicht;
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8 die
Funktion der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung bei der
Regeneration schematisch veranschaulicht;
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9 die
Funktion der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung bei der
Energieabgabe schematisch veranschaulicht;
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10 den
Aufbau eines Beispiels des Brennstoffzellensystems der vorliegenden
Erfindung schematisch veranschaulicht;
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11 eine
schematische Querschnittansicht ist, die den Aufbau eines anderen
Beispiels der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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12 ein
Beispiel eines Gasstroms auf der Seite der Sauerstoffelektrode in
einer die Brennstoffzelle bildenden Einheitszelle schematisch veranschaulicht;
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13 schematisch
ein Beispiel eines Gasstroms auf der Seite der Wasserstoffelektrode
in einer die Brennstoffzelle bildenden Einheitszelle veranschaulicht;
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14 ein
Aufbaubeispiel in der Ebene einer Einheitszelle veranschaulicht,
die die Brennstoffzelle bildet; und
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15 ein
Aufbaubeispiel einer Brennstoffzelle von der Bauart mit parallelen
Kanälen
veranschaulicht.
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In
diesen Abbildungen einer Bezugszahl 1 ein Verbindungselement, 2, 20 je
eine Diffusionsschicht (Energiezuführung), 3 ein Gasdurchgang, 4 eine
Katalysatorschicht (Wasserstoffelektrode), 5 eine Katalysatorschicht
(Sauerstoffelektrode), 6 eine Protonenaustauschmembran, 7 eine
Energiezuführung, 10 eine
Ionenaustauschmembran, 11 eine Sauerstoffelektrodenseite, 12 eine
Wasserstoffelektrodenseite, 13 ein Wasserstoffgasdurchgang, 21 eine Katalysatorschicht, 22 eine
Membran, 20 ein Isolator/eine Abdichtung, 31 ein
Abschnitt zur Wasserhydrolyse, 32 ein Brennstoffzellenabschnitt, 33 ein
Katalysatorbrenner, 34 ein Wasserstoffreservoir, 35 ein Wasserdurchgang, 36 ein
Lufteinlass, 37 eine Auslassöffnung, 38 ein Wasserstoffeinlass, 39 eine
Auslassöffnung, 40 ein
Gasdurchgang, 41 ein regenerativer Strom, A ein Wasserdurchgang
und B ein Sauerstoffdurchgang angegeben.
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Die
vorliegende Erfindung liefert eine Brennstoffzelle, welche eine
Elektrolyse von Wasser in der Ebene einer Einheitszelle der Brennstoffzelle
ausführt.
Eines der baulichen Merkmale der vorliegenden Erfindung liegt in
der Verwendung eines Verbindungselements mit einem Kühlwasserdurchgang, der
auf der gleichen Ebene mit dem Durchgang einer Sauerstoffelektrode
angeordnet ist.
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Eine
wie in 4 veranschaulichte Brennstoffzelle kann als eine
Struktur angegeben werden, die derjenigen der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle ähnlich ist.
Sie weist einen Wasserstoffdurchgang und einen Wasserdurchgang auf,
die in der Ebene der Wasserstoffelektrode 12 einander benachbart
sind. Im Unterschied zur erfindungsgemäßen Brennstoffzelle ist jedoch
Wasser in dieser Struktur hauptsächlich
zur Befeuchtung einer Membran wirksam. Falls eine Elektrolyse von
Wasser unter Verwendung dieses Aufbaus ausgeführt wird, wird nur Wasser der
Membran nahe dem Katalysator der Sauerstoffelektrode einer Elektrolyse
unterzogen, und eine Diffusionsrate von Wasser in der Membran vom
Wasserdurchgang an der Wasserstoffelektrode wird ein Problem. Bei
einer unzureichenden Diffusionsrate wird die Oberfläche der
Membran an der Sauerstoffelektrode zu trocken, und die Leistung
der Brennstoffzelle wird beeinträchtigt.
Gemäß dem Aufbau
der vorliegenden Erfindung kann wie in 3 veranschaulicht
eine Energieabgabe oder Elektrizität erzeugende Funktion am Brenn stoffzellenabschnitt und
eine Funktion zur Regeneration oder Wasserelektrolyse am Abschnitt
zur Wasserelektrolyse effizient ausgeführt werden.
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In 1 ist
ein schematischer Grundaufbau der Einheitszellenstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung
veranschaulicht, während
in 5 ein schematischer Aufbau eines vorzuziehenden
Beispiels einer Einheitszellenstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung
veranschaulicht ist.
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Die
Anordnung eines Wasserdurchgangs A auf der Seite der Sauerstoffelektrode 5 der
zu stapelnden Verbindungselemente 1 macht es möglich, die
Einheitszelle mit beiden Funktionen einer Brennstoffzelle und Wasserelektrolyse
auszustatten. Bei einer Wasserelektrolyse strömt so erzeugtes Wasserstoffgas
in den Gasdurchgang 3 oder Wasserstoffdurchgang 13,
während
Sauerstoff in den Sauerstoff/Luft-Durchgang und Wasserdurchgang
strömt. Der
Sauerstoff wird hauptsächlich
im Sauerstoffgasdurchgang B erzeugt, der wegen des Drucks einen Durchgang
von Sauerstoff/Luft gestattet.
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In
der vorliegenden Erfindung ermöglicht
das Vorhandensein einer ausreichenden Wassermenge auf der Seite
der Sauerstoffelektrode 5 eine Elektrolyse von Wasser,
wodurch Reaktionen wie im folgenden beschrieben auftreten.
Ganze
Zelle: H2O → H2 +
1/2 O2
Wasserstoffelektrode: 2H+ + 2e– → H2
Sauerstoffelektrode:
H2O → 2H+ + e– + 1/2 O2
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Folglich
wird auf der Seite der Sauerstoffelektrode 5 Wasser zerlegt,
und so erzeugte Protonen gelangen durch die Membran und erzeugen
an der Wasserstoffelektrode 4 Wasserstoffgas. Diese Reaktion
läuft ohne
Wasser auf der Seite 5 der Sauerstoffelektrode nicht ab. Diese Reaktion
bewirkt einen Transport von Protonen (H+)
durch die Membran, und als Folge tritt ein Transport von Wasser
durch Elektroosmose auf, was ermöglicht,
das Wasserstoffgas selbst zu befeuchten.
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Um
diese Reaktion weiter zu fördern,
ist ein zur Energieerzeugung und Elektrolyse von Wasser notwendiger
Katalysator präpariert.
Als die Diffusionsschicht 2 (zur
Elektrolyse von Wasser "Energiezuführung" 7 genannt)
und der Katalysator einer Brennstoffzelle werden gewöhnlich Kohlepapier
bzw. Platin oder eine Platinlegierung verwendet, das oder die auf
Kohlenstoffpartikel aufgebracht ist. We gen eines Problems bei der
Oxidationsbeständigkeit
ist es jedoch schwierig, Kohlenstoff zur Elektrolyse von Wasser
zu verwenden. Im Hinblick auf den Katalysator ist Platin nützlich,
falls es nicht auf einem aus Kohlenstoff bestehenden Träger aufgebracht
ist; da es aber eine hohe Zersetzungsspannung benötigt, wird
eher ein anderer Katalysator verwendet. Es wird ein Katalysator
verwendet, der einen Ablauf einer Wasserelektrolyse bei einer niedrigen
Spannung gestattet. Typische Beispiele des Katalysators schließen eine
Iridiumlegierung und Oxide für
die Sauerstoffelektrode 5 (entsprechend der Kathode einer
Wasserelektrolyse) und Platinschwarz für die (einer Anode entsprechende)
Wasserstoffelektrode ein. Es ist möglich, dass sich Kohlepapier
oder Kohlegewebe zersetzt, und Materialien wie z. B. Nickelschaum,
Titan und eine gesinterte Platte aus rostfreien Fasern werden bevorzugt.
Daher wird ein Aufbau wie in 5 veranschaulicht
bevorzugt, um eine reversible Reaktion zu gestatten.
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Wenn
der Zustand der Diffusionsschicht 2 berücksichtigt wird, ist die Dicke
a (gewöhnlich
etwa 50 bis 100 μm)
der Membran 6 des Abschnitts zur Wasserhydrolyse vorzugsweise
größer als
die Dicke b (gewöhnlich
etwa 20 bis 50 μm)
der Membran des Brennstoffzellenabschnitts. Der erste Grund ist,
dass, wenn die Membran dünner
ist, ein so erzeugtes Gas in der Membran diffundiert, wodurch es
unmöglich gemacht
wird, ein vorbestimmtes Gas zu erhalten. Der zweite Grund ist, dass
die Membran durch eine scharfe Oberfläche der Energiezuführung zerkratzt wird,
was vermutlich einen Kurzschluß bewirkt.
Es ist möglich,
diese Abschnitte aus einer einzigen Membran zu bilden, was jedoch
die Gesamtdicke der Membran vergrößert, wodurch die Leistung
der resultierenden Brennstoffzelle beeinträchtigt wird. Daher wird die
Verwendung jeweiliger Membranen bevorzugt.
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Falls
die Membran nicht geteilt ist, ist sie mit verschiedenen Dicken
ausgebildet. Indem sie z. B. durch einen Schritt wie in 6 oder 7 veranschaulicht präpariert wird, kann eine Einheitszelle
mit sowohl einem Abschnitt zur Wasserelektrolyse als auch einem
Brennstoffzellenabschnitt geschaffen werden, die aus der gleichen
Membran bestehen. Falls verschiedene Katalysatoren verwendet werden,
können sie
an gewünschten
Stellen der Membran oder Diffusionsschicht (Energiezuführung) durch
in der Position versetzte Schlitze jeweils mittels des Siebdruckverfahrens
aufgebracht werden.
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8 ist
eine schematische Ansicht, die die Funktion der Brennstoffzelle
der vorliegenden Erfindung bei einer Regeneration veranschaulicht,
während 9 eine
schematische Ansicht ist, die ihre Funktion bei Energieabgabe veranschaulicht.
- (i) Der auf der Seite der Sauerstoffelektrode
angeordnete Wasserdurchgang wird mit Wasser versorgt. Das Wasser
benetzt die Membran und verursacht gleichzeitig wegen eines Wärmeaustauschs
mit der Außenseite
homogenisierende Effekte einer Temperaturverteilung in der Ebene
der Zelle.
- (ii) Der Wasserdurchgang enthält einen Luft/Sauerstoffdurchgang,
der an einer Batteriereaktion nicht teilnimmt. Entlang dieses Durchgangs
wurde auf eine Membran ein Katalysator zur Elektrolyse aufgebracht.
Die Wasserelektrolyse findet auf dem Katalysator, der diesem Durchgang
zugewandt ist, gemäß der Differenz
in einem Reaktionspotential statt.
- (iii) Eine Anordnung eines Wasserstoffdurchgangs auf der Seite
der Wasserstoffelektrode, die der Seite des Wasserdurchgangs gegenüberliegt, erleichtert
eine Befeuchtung von Wasserstoffgas.
- (iv) Die in (ii) mit Sauerstoff gespeiste Luft kann befeuchtet
und zur Elektrodenseite der Brennstoffzelle geschickt werden. Der
Befeuchtungsgrad wird in Abhängigkeit
von der Länge
oder Temperatur des Luft/Sauerstoffdurchgangs gesteuert. Die Befeuchtung
wird unterdrückt,
indem der Durchgang verkürzt
oder die Wasser/Zellenfeuchtigkeit verringert wird, während eine
ausreichende Befeuchtung durch den dazu entgegengesetzten Betrieb
erreicht werden kann. Der Zusammenfluss d wird je nach Betriebsbedingungen frei
bestimmt. Wenn z. B. sehr feuchte Luft eingeführt wird, steigt eine Stromdichte
in der Umgebung des Einlasses, was vorübergehend ein Trocknen der
Membran hervorruft. In einem solchen Fall kann eine intermittierende
Zufuhr solcher Luft verwendet werden. Trockene Luft mit einer hohen
Stromrate wird am Einlaß eingeführt, weil
ihre Feuchtigkeit am Einlaß am
geringsten ist. Ein Zuführen
zu einem Ort mit großer
Wärmeentwicklung
oder einer hohen Zellentemperatur ist ebenfalls effektiv.
- (v) Der Luftdurchgang ist mit dem Durchgang in der Brennstoffzelle
verbunden oder vereinigt, wodurch Elektrizität erzeugt wird.
- (vi) Die Energieerzeugung (Energieabgabe) und Elektrolyse (Regeneration)
finden nicht gleichzeitig statt, so daß ein Umweg eingerichtet werden kann,
um die Zeitverzögerung
aufzufangen, wobei bei einer Regeneration erzeugter Sauerstoff und Wasserstoff
genutzt werden.
-
Der
so erzeugte Sauerstoff und Wasserstoff können nicht immer genutzt werden,
was vom Zeitablauf einer Regeneration/Energieabgabe abhängt. In diesem
Fall ist ihre Nutzung, wie in 10 veranschaulicht
ist, durch einen Katalysatorbrenner stromabwärts der Brennstoffzelle effektiv.
Dieses Gerät wird
verwendet, um die Temperatur einer Brennstoffzelle aufrechtzuerhalten,
oder als eine Heizquelle eines Wasserstoffreservoirs, um eine endotherme
Reaktion bei Freisetzung von Wasserstoff einschließlich MH
zu bewirken.
-
11 ist
eine schematische Ansicht, die den Aufbau einer anderen Ausführungsform
der Brennstoffzelle gemäß der Erfindung
veranschaulicht.
-
Da
die Temperatur bei der Mitte der Zelle am höchsten wird, wird bevorzugt,
den Wasserdurchgang 35 so anzuordnen, daß Wasser
durch die Mitte der Zelle geleitet wird, falls ein Kühleffekt
durch Wasser in Betracht gezogen wird. Der Wasserdurchgang ist von
einem Abschnitt 31 zur Wasserelektrolyse umgeben, und an
dessen Umfang ist ein Brennstoffzellenabschnitt 32 angeordnet.
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Selbst
wenn außerhalb
der Elektrodenoberfläche
als ein typisches Layoutbeispiel einer Brennstoffzelle ein Gasdurchgang
oder Wasserdurchgang angeordnet wird, kann ein Abschnitt zur Wasserelektrolyse
nur am Umfang des Wasserdurchgangs ausgebildet werden. So erzeugtes
Gas kann man durch einen Durchgang in der Ebene strömen lassen
und kann zu einem Gasdurchgang (Verteiler) zwischen Einheitszellen
geschickt werden.
-
In
der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung ist gewöhnlich ein
Dichtungsabschnitt ausgebildet, um einen ungehinderten Wasserstrom
vom Wasserverteiler in die Elektrodenoberfläche zu verhindern, oder der
Elektrolyseabschnitt kann an einer Stelle, die ansonsten toter Raum
ist, zwischen der abgedichteten Oberfläche und einem Durchgangsloch
des Wasserverteilers angeordnet sein. Daher ist es möglich, eine
reversible Zelle aufzubauen, ohne verglichen mit der herkömmlichen
Gestaltung der Brennstoffzelle die Elektrodenfläche so sehr zu beeinträchtigen.
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Die
Einheitszelle der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle
kann eine ebene Gestalt wie in 14 veranschaulicht
aufweisen, wobei der Gas- oder Wasserdurchgang auf der Außenseite
angeordnet ist. In diesem Fall ist der Abschnitt zur Wasserelektrolyse
am Umfang des Wasserdurchgangs angeordnet.
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Es
ist möglich,
eine einfache Brennstoffzelle wie in 15 beschrieben
zu entwerfen, wobei eine Kombination eines Luftdurchgangs für eine Brennstoffzelle,
eines Luftdurchgangs zur Elektrolyse, eines Wasserdurchgangs, eines
Luftdurchgangs zur Elektrolyse und eines Luftdurchgangs für eine Brennstoffzelle
im parallelen Strömungskanal
wiederholt angeordnet ist. Dieses Layout ermöglicht eine gleichmäßige Kühlung in
der Zellenebene.
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In
der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung werden Einheitszellen
mit einer Protonenaustauschmembran 6, die darin wie oben
beschrieben angeordnet ist, als Grundaufbau verwendet, und ein Stapel
wird geschaffen, indem diese Einheitszellen nacheinander gestapelt
werden, während
dazwischen ein Verbindungselement 1 angeordnet wird. Durch
eine Kontaktverbindungspresse oder dergleichen werden sie aneinander
geklebt. Mehrere Kombinationen aus Einheitszelle/Verbindungselement werden
in einen Brennstoffzellenstapel gestapelt. Wenn eine Zelle beispielsweise
eine elektromotorische Energie von 1 V aufweist, erzeugt ein aus
100 Zellen bestehender Stapel etwa 100 V Energie.
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Dieses
Verbindungselement 1 muß als Hauptfunktion eine einen
Transport von Elektronen gestattende Elektronenleitfähigkeit
aufweisen. Da die vorliegende Erfindung auf eine Elektrolyse von
Wasser innerhalb des Brennstoffzellensystems abzielt, wird die Verwendung
eines Kohlenstoffmaterials mit geringer Oxidationsbeständigkeit ähnlich der
Diffusionsschicht 2 (Energiezuführung 7) nicht bevorzugt, und
beispielsweise wird eine Metallplatte vorgezogen. Außerdem muß sie mit
einem Gasdurchgang 3 zum Zuführen von Wasserstoff und Sauerstoff
zur Elektrode des Brennstoffzellenabschnitts versehen sein. Auf
einer Seite des Verbindungselements 1, d. h. einer Seite,
die mit der Wasserstoffelektrode 4 in Kontakt gebracht
werden soll, ist ein Gaskanal 3 zum Zuführen von Wasserstoff vorgesehen,
während
auf der anderen Seite, d. h. der Seite, die mit der Sauerstoffelektrode 5 in
Kontakt gebracht werden soll, ein Gasdurchgang 3 zum Zuführen von
Sauerstoff vorgesehen ist. Diese Gasdurchgänge 3 ermöglichen
es, Gase durch diese strömen
zu lassen, wodurch die Wasserstoffelektrode 4 und Sauerstoffelektrode 5 mit einem
Brennstoffgas bzw. oxidierenden Gas versorgt werden. Die Dicke des
Verbindungselements 1 kann nach Bedarf bestimmt werden,
beträgt
aber gewöhnlich
1,0 bis 3,0 mm.
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Als
oxidierendes Gas kann gewöhnlich
Luft wie sie ist eingeführt
werden. Das Brennstoffgas kann gemäß verschiedenen Verfahren und
ohne besondere Beschränkung
zugeführt
werden. Zum Beispiel kann ein Verfahren genutzt werden, bei dem
ein Rohmaterial wie z. B. Methanol gemäß einer Wasserdampf modifizierenden
Reaktion in Wasserstoff umgewandelt wird, indem ein Wasserstoff
erzeugendes Gerät
genutzt und der resultierende Wasserstoff nach einer Reinigung durch
ein Wasserstoff reinigendes Gerät
oder dergleichen zugeführt
wird.
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Im
herkömmlichen
Brennstoffzellensystem sind eine Elektrolysezelle und Brennstoffzelle
separat ausgebildet, und daher hat das Brennstoffzellensystem unvermeidlich
eine große
Größe, wohingegen
in der Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung
eine Bindeplatte zum Fixieren eines Stapels, ein Anschluß, ein Chassis
und ein Gasdurchgangsabschnitt jeweils sowohl der Elektrolysezelle als
auch den Brennstoffzellenabschnitten gemeinsam sind, so daß ein kompaktes
Brennstoffzellensystem geschaffen werden kann. Außerdem ermöglicht die Übernahme
einer Wasserelektrolyse, einen regenerativen Strom in der vorliegenden
Erfindung zu sammeln, so daß eine
Batterie oder ein Akkumulator wie z. B. ein Ultrakondensator, mit
dem die herkömmliche
Brennstoffzelle ausgestattet sein muß, nicht notwendig ist oder
in der Größe reduziert
werden kann. Wegen einer Verringerung der Zahl von Zubehörteilen
kann der Platz oder können
Kosten des Brennstoffzellensystems reduziert werden.
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Die
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung wurden soweit beschrieben. Sie sind nur
vorgesehen, um das Verständnis
der vorliegenden Erfindung zu erleichtern, nicht aber um den Umfang
der vorliegenden Erfindung zu beschränken.