DE19523317C2 - Brennstoffzelle - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzellenanordnung mit einem Festelektrolyt, der Ionenleitfähigkeit hat, und kann bei­ spielsweise bei einer Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle eingesetzt werden. Die Erfindung bezieht sich des weiteren auf eine Brennstoffzellenbatterie mit einer Vielzahl von solchen Brennstoffzellenanordnungen.

Die Fig. 16 veranschaulicht das Prinzip einer herkömmlichen Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle. Gemäß der Darstellung in Fig. 16 enthält die herkömmliche Polymerelektrolytmembran- Brennstoffzelle eine Polymerelektrolytmembran 100, die Ionenleitfähigkeit zeigt und die als Festelektrolyt wirkt, eine auf eine der einander gegenüberliegenden Oberflächen der Polymerelektrolytmembran 100 aufgeschichtete Brennstoffelektrode 102 und eine auf die andere Oberfläche der Polymerelektrolytmembran 100 aufgeschichtete Sauerstoffelektrode 104. Diese Brennstoffzelle erzeugt Elektrizität nach folgendem Prinzip: Der Brennstoffelektrode 102 wird Wasserstoff zugeführt. Der Wasserstoff ist ein Brennstoff, der als aktives Kathodenmaterial wirkt. Der Sauerstoffelektrode 104 wird Sauerstoff zugeführt. Der Sauerstoff wirkt als aktives Anodenmaterial. An der Brennstoffelektrode 102 tritt eine Reaktion, z. B. H₂ → 2H⁺ + 2e^-, auf. Die durch diese Reaktion entstehenden Wasserstoffionen H⁺ treten durch die Polymerelektrolytmembran 100 hindurch und gelangen zu der Sauerstoffelektrode 104. Die durch die Reaktion entstehenden Elektronen e^- gelangen über einen Leiter 106 zu der Sauerstoffelektrode 104. Infolgedessen entsteht an der Sauerstoffelektrode 104 eine Reaktion, z. B. 2H⁺ + (1/2)O₂ + 2e^- ® H₂O. Auf diese Weise wirkt diese Brennstoffzelle als Batteriezelle, da sie zum Erzeugen von elektrischem Strom die Elektronen e^- erzeugt.

Die herkömmliche Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle bildet unabhängige Zellen einer tatsächlichen Brennstoffzellenbatterie, erzeugt aber eine niedrige Ausgangsspannung. Daher werden bei der tatsächlichen Anwendung zum Erzeugen einer hohen Ausgangsspannung Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen in einer großen Anzahl von beispielsweise ungefähr 500 aufgeschichtet und elektrisch in Reihe geschaltet. Je mehr Polymerelektrolytmembran- Brennstoffzellen jedoch aufgeschichtet werden, um so größer und schwerer wird die tatsächliche Brennstoffzellenbatterie. Darüber hinaus werden gleichermaßen in der tatsächlichen Brennstoffzellenbatterie die Einrichtung zum Zuführen von Wasserstoff, die Einrichtung zum zuführen von Sauerstoff, die Abdichtung usw. kompliziert. Folglich waren bisher keine Brennstoffzellenbatterien erhältlich, die hinsichtlich der Leistungsfähigkeit und dergleichen zufriedenstellend waren.

Aus der älteren Patentanmeldung gemäß Druckschrift DE 43 29 819 A1 ist eine elektrochemische Zelle mit mindestens einer einen Kernbe­ reich bildenden Streifenmembran bekannt. Die Streifenmembran besteht aus mindestens zwei Einzelzellen, von denen jede einzelne aus einem beidseitig auf einer Membran aus einem polymeren Festelektrolyten aufgebrachten Elektrodenschicht und aus einer entsprechenden Anzahl flächiger elektronisch leitender Bezirke besteht. Die Einzelzellen der Streifenmembran sind in Reihe geschaltet.

In der weiteren älteren Anmeldung gemäß Druckschrift DE 43 14 745 C1 ist eine Brennstoffzellenanordnung beschrieben, die ebenfalls polymere Festelektrolyte in Form von Membranen aufweist. Die Brennstoffzellenanordnung hat als weitere Bauteile Stromableiter, Gasverteilerringe und Stromverteiler, wobei alle Bauteile aus einem Grundpolymer gefertigt sind. Das Grundpolymer ist für die einzelnen Bauteile so modifiziert, daß die Stromableiter elektrisch leitfähig, die Membrane ionenleitfähig, die Stromverteiler gasdurchlässig und elektrisch leitfähig und die Gasverteilerringe aus nicht modifiziertem und/oder elektrisch leitfähigem Grundpolymer sind. Alle Bauteile sind ohne Dichtungen durch ein Verbundverfahren zusammengefügt.

Aus der Druckschrift EP-0 406 523 A1 ist eine Brennstoffzellenanordnung bekannt, die eine elektrolytische Schicht aufweist, auf deren beiden Seiten ein Sauerstoffpol bzw. ein Brennstoffpol angeordnet sind. Zwischen dem Sauerstoffpol und einem darauf angebrachten Separator ist ein, ein sauerstoffhaltiges Gas aufnehmender Kanal ausgebildet. Der Separator und der Sauerstoffpol sind durch mehrere leitfähig sich im Kanal erstreckende Elemente miteinander verbunden.

Schließlich ist aus der Druckschrift EP-0 395 975 A1 eine Brennstoffzellenanordnung bekannt, bei der mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenblock zusammengefaßt sind. Der Brennstoffzellenblock besteht aus einer Vielzahl alternierend aufeinander gestapelter Folien, die als Kathoden, Festelektrolyte, Anoden und elektrisch leitende Schichten zur Verbindung der einzelnen Brennstoffzellen dienen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennstoffzellenanordnung zu schaffen, die hohe Ausgangsspannungen bei relative geringem Kontaktwiderstand zwischen den einzelnen Komponenten der einzelnen Brennstoffzellen liefern kann. Des weiteren soll auch eine Brennstoffzellenbatterie, die eine Vielzahl von derartigen Brennstoffzellenanordnungen aufweist, zur Verfügung gestellt werden.

Insbesondere soll mit der Erfindung die Schaffung einer Brennstoffzellenbatterie ermöglicht werden, bei der die Einrichtungen für das Zuführen von Sauerstoff und Brennstoff vereinfacht sind und eine fehlerhafte elektrische Verbindung zwischen verschiedenartigen Elektroden, die an benachbarten Zellen angeordnet sind, d. h. zwischen Sauerstoffelektroden und Brennstoffelektroden selbst dann verhindert wird, wenn ein zwischen benachbarten Zellen angebrachtes Trennelement schadhaft ist.

Weiterhin soll mit der Erfindung eine Brennstoffzelle geschaffen werden, in der auf vorteilhafte Weise der elektrische Kontaktwiderstand zwischen einem Stromkollektor und Sauerstoffelektroden und/oder Brennstoffelektroden durch Anwendung eines Systems verringert ist, bei dem ein sich aus einem Kühlmittel ergebender Druck genutzt wird.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.

Gemäß Ausführungsform der Erfindung sind die Sauerstoffelektroden der benachbarten Zellen einander unter Einfassung des Sauerstoffzufuhrkanals zwischen diesen gegenübergesetzt und sind die Brennstoffelektroden der benachbarten Zellen einander unter Einfassung des Brennstoffzufuhrkanals zwischen diesen gegenübergesetzt. Demzufolge ermöglicht diese Anordnung auf vorteilhafte Weise eine Verringerung der Dicke der Brennstoffzellenbatterie und zugleich eine zuverlässige Ausbildung des Sauerstoffzufuhrkanals und des Brennstoffzufuhrkanals in einer erwünschten Dicke. Daher können der Sauerstoffzufuhrkanal und der Brennstoffzufuhrkanal auf zweckdienliche Weise vereinfacht werden. Außerdem kann selbst dann, wenn ein zwischen benachbarten Zellen angebrachtes Trennelement schadhaft ist, eine fehlerhafte elektrische Verbindung zwischen verschiedenartigen Elektroden, nämlich zwischen Sauerstoffelektroden und Brennstoffelektroden der benachbarten Zellen verhindert werden. Folglich ist es mit dieser Gestaltung möglich, auf zuverlässige Weise eine Brennstoffzellenbatterie mit der erwünschten Leistungsfähigkeit zu erhalten.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird durch den Druck, der sich durch das in dem Kühlmitteldurchlaß fließende Kühlmittel ergibt, der Stromkollektor gegen die Sauerstoffelektroden und/oder die Brennstoffelektroden gedrückt. Infolgedessen werden an den Grenzflächen zwischen dem Stromkollektor und den Sauerstoffelektroden und/oder Brennstoffelektroden das enge Anliegen und die Kontaktierfähigkeit verstärkt. Dadurch wird auf vorteilhafte Weise der elektrische Kontaktwiderstand verringert. Das heißt, diese Gestaltung stellt auf vorteilhafte Weise die Betriebsfähigkeit in dem Stromkollektor sicher und ist für das Herstellen einer Brennstoffzelle zweckdienlich, die für die Abgabe einer hohen Ausgangsspannung geeignet ist. Da darüberhinaus das Kühlmittel in dem Kühlmitteldurchlag des Kühlelementes fließt, welches auf den Stromkollektor aufgeschichtet ist, ist auf nutzvolle Weise die Kühlungsfähigkeit in der Brennstoffzelle verbessert.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Draufsicht auf eine Polymerelektrolytmembran, an der in einer Brennstoffzelle gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung Brennstoffelektroden angebracht sind.

Fig. 2 ist eine Draufsicht auf die Polymerelektrolytmembran, an der in der Brennstoffzelle gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel Sauerstoffelektroden angebracht sind.

Fig. 3 ist eine Schnittansicht der Polymerelektrolytmembran, an der in der Brennstoffzelle gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel die Brennstoffelektroden und die Sauerstoffelektroden angebracht sind.

Fig. 4 ist eine schematische perspektivische Ansicht von hauptsächlichen Teilen in der Brennstoffzellenbatterie gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel und veranschaulicht, wie die Brennstoffelektroden und die Sauerstoffelektroden elektrisch in Reihe geschaltet sind.

Fig. 5 ist ein Schaltbild zur Darstellung der elektrischen Reihen­ schaltung der Brennstoffelektroden und der Sauerstoffelektroden in der Brennstoffzellenbatterie gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.

Fig. 6 ist eine schematische Schnittansicht, die hauptsächliche Teile der Brennstoffzellenbatterie gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt.

Fig. 7 ist eine vergrößerte schematische Schnittansicht der haupt­ sächlichen Teile der Brennstoffzellenbatterie gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.

Fig. 8 ist eine schematische Schnittansicht eines wesentlichen Teils eines Kühlmittelkreislaufs in der Brennstoffzellenbatterie gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.

Fig. 9 ist eine schematische Schnittansicht, die eine bauliche Ge­ staltung zeigt, welche für das Verbinden einer Stromkollektorplatte mit einer Brennstoffelektrode oder einer Sauerstoffelektrode in der Brennstoffzelle gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel geeignet ist.

Fig. 10 ist eine schematische Darstellung einer Kühlmittelzuführung in der Brennstoffzellenbatterie gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.

Fig. 11 ist eine Seitenansicht einer Polymerelektrolytmembran- Brennstoffzellenbatterie gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 12 ist eine Vorderansicht der Polymerelektrolytmembran- Brennstoffzellenbatterie gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.

Fig. 13 ist eine Seitenansicht eines Schraubelementes in der Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellenbatterie gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.

Fig. 14 ist eine Vorderansicht des Schraubelementes.

Fig. 15 ist eine Schnittansicht, die eine hauptsächliche Gestaltung von Trennelementen in der Polymerelektrolytmembran- Brennstoffzellenbatterie gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt und die veranschaulicht, wie die Trennelemente mittels der Schraubelemente verbunden sind.

Fig. 16 ist eine Darstellung einer herkömmlichen Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle und veranschaulicht das Funktionsprinzip nach dem Stand der Technik.

Die nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung sind Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen, in denen als Brennstoff Wasserstoff verwendet wird.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis 3 wird nachstehend als erstes Ausführungsbeispiel eine Zelle 1 beschrieben, die eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle bildet. Die Zelle 1 enthält eine dünne blattförmige Polymerelektrolytmembran 2, die als Festelektrolyt wirkt, welcher Wasserstoffionen H⁺ durchläßt. Die Polymerelektrolytmembran 2 kann beispielsweise aus einem Kationenaustauschharz bestehen (z. B. SPE (Solid Polymer Electrolyte)). Gemäß der Darstellung in Fig. 1 sind an einer der Oberflächen der blattförmigen Polymerelektrolytmembran 2, nämlich an der Oberfläche 2a nebeneinander fünf Brennstoffelektroden 3 angebracht. Die Brennstoffelektroden 3 wirken als Kathoden. Den Brennstoffelektroden 3 wird ein Brennstoff, z. B. Wasserstoff, zugeführt, der als aktives Kathodenmaterial wirkt.

Gemäß der Darstellung in Fig. 2 sind an der anderen Oberfläche der blattförmigen Polymerelektrolytmembran 2, nämlich an der Oberfläche 2b nebeneinander fünf Sauerstoffelektroden 4 angebracht. Die Sauerstoffelektroden 4 wirken als Anoden. Den Sauerstoffelektroden 4 wird Luft zugeführt. Die Luft enthält Sauerstoff, der als aktives Anodenmaterial wirkt. Die Sauerstoffelektroden 4 und die Brennstoffelektroden 3 sind jeweils beispielsweise Elektroden auf Kohlebasis.

In Fig. 4 sind schematisch wesentliche Teile der Brennstoffzellenbatterie dargestellt, deren geschichtete Zellen 1A, 1B und 1C auseinandergezogen dargestellt sind. Andererseits zeigt die Fig. 6 schematisch die wesentlichen Teile der Brennstoffzellenbatterie, deren Zellen 1A, 1B usw. aneinander geschichtet sind.

Gemäß der Darstellung in Fig. 6 sind an einer der Seiten der Polymerelektrolytmembran 2 fünf Brennstoffelektroden- Stromkollektorplatten 5, nämlich 5A, 5B, 5C, 5D und 5E, angeordnet und jeweils an den fünf Brennstoffelektroden 3 angebracht, die nebeneinander an einer der Oberflächen der Zellen 1A angeordnet sind. Ferner sind gemäß der Darstellung in Fig. 6 an der anderen Seite der Polymerelektrolytmembran 2 fünf Sauerstoffelektroden- Stromkollektorplatten 6, nämlich 6A, 6B, 6C, 6D und 6E, angeordnet, die jeweils auf die fünf Sauerstoffelektroden 4 aufgeschichtet sind, welche nebeneinander an der anderen Oberfläche der Zelle 1A angebracht sind. Die Brennstoffelektroden- Stromkollektorplatten 5 und die Sauerstoffelektroden- Stromkollektorplatten 6 sind rechteckförmig und bestehen aus Kupfer.

Das erste Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, daß in der Zelle 1A die Brennstoffelektroden 3, die nebeneinander an einer der Oberflächen der Polymerelektrolytmembran 2 angebracht sind, mit den Sauerstoffelektroden 4 elektrisch in Reihe geschaltet sind, die an der anderen Oberfläche der Polymerelektrolytmembran 2 nebeneinander angebracht sind. Gleichermaßen sind in den anderen Zellen 1 die Brennstoffelektroden 3 mit den Sauerstoffelektroden 4 elektrisch in Reihe geschaltet.

Die Fig. 4 ist eine schematische perspektivische Ansicht der hauptsächlichen Teile der Brennstoffzellenbatterie und veranschaulicht, wie die Brennstoffelektroden 3 mit den Sauerstoffelektroden 4 in Reihe geschaltet sind. Zuerst wird ausführlich die elektrische Verbindung in der Zelle 1A rechts in Fig. 4 beschrieben. In der Zelle 1A ist die Brennstoffelektroden- Stromkollektorplatte 5A durch einen Leiter 60a mit der Sauerstoffelektroden-Stromkollektorplatte 6B verbunden. Die Brenn­ stoffelektroden-Stromkollektorplatte 5B der Zelle 1A ist elektrisch durch einen Leiter 60b mit der Sauerstoffelektroden- Stromkollektorplatte 6C der Zelle 1A verbunden. Die Brennstoffelektroden-Stromkollektorplatte 5C der Zelle 1A ist elektrisch durch einen Leiter 60c mit der Sauerstoffelektroden- Stromkollektorplatte 6D der Zelle 1A verbunden. Die Brennstoffelektroden-Stromkollektorplatte 5D der Zelle 1A ist elektrisch durch einen Leiter 60d mit der Sauerstoffelektroden- Stromkollektorplatte 6E der Zelle 1A verbunden. Auf diese Weise sind in der Zelle 1A die verschiedenartigen Elektroden elektrisch zueinander in Reihe geschaltet.

Als zweites wird ausführlich die elektrische Verbindung in der Zelle 1B in der Mitte von Fig. 4 beschrieben. Eine Brennstoffelektroden-Stromkollektorplatte 5F der Zelle 1B ist elektrisch durch einen Leiter 61x mit der Sauerstoffelektroden- Stromkollektorplatte 6A der Zelle 1A verbunden, die neben der Zelle 1B angeordnet ist. Eine Brennstoffelektroden- Stromkollektorplatte 5G der Zelle 1B ist elektrisch durch einen Leiter 61a mit der Sauerstoffelektroden-Stromkollektorplatte 6F der Zelle 1B verbunden. Eine Brennstoffelektroden- Stromkollektorplatte 5H der Zelle 1B ist elektrisch durch einen Leiter 61b mit einer Sauerstoffelektroden-Stromkollektorplatte 6G der Zelle B verbunden. Eine Brennstoffelektroden- Stromkollektorplatte 51 der Zelle 1B ist elektrisch durch einen Leiter 61c mit einer Sauerstoffelektroden-Stromkollektorplatte 6H der Zelle 1B verbunden. Eine Brennstoffelektroden- Stromkollektorplatte 5J der Zelle 1B ist elektrisch durch einen Leiter 61d mit einer Sauerstoffelektroden-Stromkollektorplatte 61 der Zelle 1B verbunden. Auf diese Weise sind in der Zelle 1D die voneinander verschiedenen Elektroden elektrisch miteinander in Reihe geschaltet.

Als drittes sind bei der elektrischen Verbindung in der 10 Zelle 1C links in Fig. 4 Brennstoffelektroden-Stromkollektorplatten 5K, 5L, 5M und 5N der Zelle 1C jeweils elektrisch durch Leiter 62a, 62b, 62c und 62d mit Sauerstoffelektroden-Stromkollektorplatten 6L, 6M, 6N und 6P der Zelle 1C verbunden. Eine Brennstoffelektroden-Stromkollektorplatte 5P der Zelle 1C ist elektrisch durch einen Leiter 61y mit einer Sauerstoffelektroden- Stromkollektorplatte 6J der Zelle 1B verbunden, die zu der Zelle 1C benachbart ist. Auf diese Weise sind in der Zelle 1C die verschiedenartigen Elektroden elektrisch miteinander in Reihe geschaltet.

Gemäß der Darstellung in Fig. 4 ist jeweils an einem Ende der Brennstoffelektroden-Stromkollektorplatten 5 in deren Längsrichtung ein Vorsprung 5r ausgebildet. Gleichermaßen ist jeweils an einem Ende der Sauerstoffelektroden- Stromkollektorplatten 6 in deren Längsrichtung ein Vorsprung 6r ausgebildet. Mittels dieser Vorsprünge 5r und 6r werden die Leiter bzw. Leiterdrähte an die Brennstoffelektroden- Stromkollektorplatten 5 und die Sauerstoffelektroden- Stromkollektorplatten 6 angeschlossen.

Mittels dieser Verbindungen werden in jeder der Zellen 1 die Brennstoffelektroden-Stromkollektorplatten 5 für die Brennstoffelektroden 3, die an einer der Oberflächen der Polymerelektrolytmembran 2 angebracht sind, elektrisch mit den Sauerstoffelektroden-Stromkollektorplatten 6 für die Sauerstoffelektroden 4 in Reihe geschaltet, die an der anderen Oberfläche der Polymerelektrolytmembran 2 angebracht sind.

Wie aus der Fig. 4 ersichtlich ist, sind bei dem ersten Ausführungsbeispiel an einer einzigen blattförmigen Polymerelektrolytmembran 2 fünf Batteriezellen ausgebildet. Damit ist es möglich, die je Polymerelektrolytmembran 2 erzeugte Ausgangsspannung zu erhöhen. Folglich kann mit dieser Anordnung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel auf vorteilhafte Weise die Gesamt-Ausgangsspannung einer Polymerelektrolytmembran- Brennstoffzellenbatterie erhöht werden.

Die Fig. 5 zeigt schematisch, wie in dem ersten Ausführungsbeispiel die elektrisch Verbindung hergestellt wird. In Fig. 5 ist eine Kathode des ganzen ersten Ausführungsbeispiels mit P1 bezeichnet und durch eine der Brennstoffelektroden 3 und eine der Brennstoffelektroden-Stromkollektorplatten 5 gebildet, die eine Auslaßöffnung ausbilden. Ferner ist in Fig. 5 die Anode des gesamten Ausführungsbeispiels mit P2 bezeichnet und durch eine der Sauerstoffelektroden 4 und eine der Sauerstoffelektroden- Stromkollektorplatten 6 gebildet, die eine Auslaßöffnung ausbilden.

Die Brennstoffzellenbatterie gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist durch Übereinanderschichtung in Stapelbauweise von einer Vielzahl der auf diese Weise gestalteten Zellen 1 in Richtung ihrer Dicke, nämlich in Richtungen X1 und X2 nach Fig. 5 aufgebaut. Die Anzahl der geschichteten Zellen 1 kann nach Belieben bestimmt werden. Beispielsweise können die Zellen 1 zehnfach oder hundertfach aneinander angeschichtet werden. Nach Fig. 5 sind zum leichteren Verständnis die Zellen 1 in einer bestimmten Anzahl miteinander schichtweise verbunden. Wenn auf diese Weise eine Vielzahl der Zellen 1 verbunden wird, kann eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellenbatterie auf vorteilhafte Weise eine erhöhte Ausgangsspannung erzeugen, nämlich selbst bei verringerten Abmessungen eine hohe Ausgangsspannung von beispielsweise hunderten Volt oder darüber abgeben.

Bei dem ersten Ausführungsbeispiel ist gemäß der Darstellung in Fig. 6 zwischen den Zellen 1 eine Vielzahl von Trennelementen 8 angebracht. Die Trennelemente 8 dienen zur Trennung zwischen den Brennstoffzellen 3 und den Sauerstoffzellen 4, die voneinander verschiedenartige Elektroden sind. Ferner sind durch die Trennelemente 8 Brennstoffzufuhrkanäle 80 und Sauerstoffzufuhrkanäle 82 gebildet. Die Brennstoffzufuhrkanäle 80 stehen mit einer externen Brennstoffquelle, z. B. einer Wasserstoffgasquelle, in Verbindung. Die Sauerstoffzufuhrkanäle 82 stehen mit einer externen Sauerstoffquelle, z. B. der Außenluft, in Verbindung.

Nachstehend werden besondere Gestaltungen des ersten Ausführungsbeispiels beschrieben. Bei dem ersten Ausführungsbeispiel sind gemäß Fig. 7 die Sauerstoffelektroden 4 von benachbarten Zellen 1 derart angeordnet, daß sie einander in bezug auf die Sauerstoffzufuhrkanäle 82 gegenüberstehen. Gleichermaßen sind gemäß der Darstellung in Fig. 7 die Brennstoffelektroden 3 von benachbarten Zellen 1 derart ange­ ordnet, daß sie einander in bezug auf die Brennstoffzufuhrkanäle 80 gegenüberstehen.

Anders ausgedrückt sind bei dem ersten Ausführungsbeispiel 10 in der Schichtungsrichtung der Zellen 1 beiderseits der Sauerstoffzufuhrkanäle 82 die gleichartigen Elektroden, nämlich die Sauerstoffelektroden 4, angeordnet. Gleichermaßen sind in der Schichtungsrichtung der Zellen 1 beiderseits der Wasserstoffzufuhrkanäle 80 die gleichartigen Elektroden, nämlich die Brennstoffelektroden 3, angeordnet.

Durch diese Gestaltung, bei der die gleichartigen Elektroden einander gegenüber gesetzt sind, kann die Dicke der Brennstoffzellenbatterie gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel verringert werden und es kann zugleich auf zuverlässige Weise für die Sauerstoffzufuhrkanäle 82 eine geeignete Dicke vorgesehen werden. Daher ermöglichen es die dermaßen gestalteten Sauerstoffzufuhrkanäle 82 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, die Gestaltung des Systems für das Zuführen von Sauerstoff oder Luft in die Brennstoffzelle zu vereinfachen. Gleichermaßen kann die Dicke bei dem ersten Ausführungsbeispiel verringert und zugleich eine geeignete Dicke für die Wasserstoffzufuhrkanäle 80 vorgesehen werden. Daher kann mit den dermaßen gestalteten Brennstoffzufuhrkanälen 80 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel die Gestaltung des Systems für das Zuführen von Brennstoff oder Wasserstoff in die Brennstoffzelle vereinfacht werden. Außerdem kann mit dieser Gestaltung das durch die Reaktion an den Sauerstoffelektronen 4 entstehende Wasser auf praktische Weise abgeleitet werden, wodurch diese Brennstoffzellenbatterie auf vorteilhafte Weise eine gewährleistete Batterieleistung abgibt.

Andererseits sind in der bisher geschaffenen herkömmlichen Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellenbatterie, in der eine Vielzahl von Zellen in Schichten zusammengefaßt ist, in bezug auf die Trennelemente die verschiedenartigen Elektroden, nämlich die Sauerstoffelektroden und die Brennstoffelektroden der benachbarten Zellen, einander gegenübergesetzt. Wenn bei dieser herkömmlichen Anordnung die Trennelemente durch Risse infolge von unvorhergesehenen Ereignissen geschädigt sind, kann eine fehlerhafte elektrische Verbindung zwischen den verschiedenartigen Elektroden, nämlich den Sauerstoffelektroden und den Brennstoffelektroden der benachbarten Zellen, entstehen. Folglich kann die herkömmliche Polymerelektrolytmembran- Brennstoffzellenbatterie derart geschädigt sein, daß sie nicht auf zuverlässige Weise eine ausreichende Leistung abgibt. Darüber hinaus müssen bei dieser herkömmlichen Anordnung, bei der die verschiedenartigen Elektroden einander in bezug auf die Trennelemente gegenübergesetzt sind, in den Trennelementen die Brennstoffzufuhrkanäle und die Sauerstoffkanäle ausgebildet sein.

Demzufolge können sich bei einem Brechen der Trennelemente der Sauerstoff und der Wasserstoff vermischen, die in den beiden Kanälen strömen. Dadurch können der Sauerstoff und der Wasserstoff miteinander durch Verbrennung reagieren.

Wie aus der Fig. 7 ersichtlich ist, sind bei dem ersten Ausführungsbeispiel zum Vermeiden von möglichen Mängeln die Elektroden der gleichen Art, nämlich die Sauerstoffelektroden 4 der benachbarten Zellen 1, derart angeordnet, daß sie einander gegenüberliegen, während die Sauerstoffzufuhrkanäle 82 dazwischenliegen. Ferner sind die Elektroden der anderen Art, nämlich die Brennstoffelektroden 3 der benachbarten Zellen 1 einander gegenübergesetzt, während dazwischen die Brenn­ stoffzufuhrkanäle 80 angeordnet sind. Infolgedessen ist es möglich, selbst bei einer Beschädigung der Trennelemente 8 die Gefahr einer fehlerhaften elektrischen Verbindung zwischen den verschiedenartigen Elektroden, d. h. zwischen den Sauerstoffelektroden 4 und den Brennstoffelektroden 3, zu vermeiden. Auf diese Weise ermöglicht es diese Anordnung, daß eine Brennstoffzelle die geforderte Ausgangsspannung abgibt. Da ferner die gleichartigen Elektroden einander unter Einfügung der Trennelemente 8 gegenübergesetzt sind, ist es lediglich er­ forderlich, in den Trennelementen 8 entweder die Brennstoffzufuhrkanäle 82 oder die Sauerstoffzufuhrkanäle 80 auszubilden. Folglich ist selbst bei einer Beschädigung der Trennelemente 8 kein Vermischen von Wasserstoff und Sauerstoff zu befürchten. Somit besteht nur geringe Gefahr einer Verbrennungsreaktion von Wasserstoff und Sauerstoff.

Wie es im einzelnen aus Fig. 1 bis 3 zu ersehen ist, ist die Brennstoffzelle gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel für die Abgabe einer hohen Ausgangsspannung geeignet, da in jeder der Zellen 1 fünf Brennstoffelektroden 3 und fünf Wasserstoffelektroden 4 angebracht sind. Es muß jedoch nur ein Abdichtungsbereich vorgesehen werden, der sich gemäß der Darstellung durch einen in Fig. 1 und 2 mit N bezeichneten gestrichelten Bereich lediglich um den Außenumfang der Polymerelektrolytmembran 2 herum erstreckt. Diese Abdichtungsbereiche entsprechen denjenigen der herkömmlichen Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle. Auf diese Weise kann durch diese Gestaltung des ersten Ausführungsbeispiels eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellenanordnung eine hohe Ausgangsspannung abgeben und auf zweckdienliche Weise zugleich verhindert werden, daß das interne Abdichtungssystem kompliziert wird.

Weiterhin werden in der Brennstoffzelle gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel auf die Stromkollektorplatten 5 und 6 für die Brennstoffelektroden und die Sauerstoffelektroden dünne Kunstharzblätter 83 aufgeschichtet. Die Kunstharzblätter 83 haben die primäre Funktion, Dimensionsabweichungen auszugleichen.

Außerdem ist gemäß der Darstellung in Fig. 9 in der Brennstoffzelle gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel an den Brennstoffelektroden 3 zugewandten Oberflächen der Brennstoffelektroden-Stromkollektorplatten 5 eine Vielzahl von Nuten 52 und Vorsprüngen 53 ausgebildet. In die Nuten 52 wird über die Brennstoffzufuhrkanäle 80 der Wasserstoff eingeleitet. Der Wasserstoff in den Nuten 52 ist an der Kathode aktiv.

Gleichermaßen ist in den, den Sauerstoffelektroden 4 zugewandten Oberflächen der Sauerstoffelektroden-Stromkollektorplatten 6 eine Vielzahl von Nuten 62 und Vorsprüngen 63 ausgebildet. In die Nuten 62 wird über die Sauerstoffzufuhrkanäle 82 der Sauerstoff eingeleitet. Der Sauerstoff in den Nuten 62 ist an der Anode aktiv. Es ist anzumerken, daß in Fig. 6 und 7 die Nuten 52 und 62 sowie die Vorsprünge 53 und 63 zur vereinfachten Darstellung weggelassen sind.

Bei der Brennstoffzelle gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel werden die Polymerelektrolytmembran 2, die Brennstoffelektroden 3, die Sauerstoffelektroden 4, die Brennstoffelektroden- Stromkollektorplatten 5 und die Sauerstoffelektroden- Stromkollektorplatten 6 durch Druck, wie durch Heißpressen, zu einer Einheit zusammengepreßt, um dadurch eine der Zellen 1 zu bilden. Bei dem Pressen können die Vorsprünge 53 an den Brennstoffelektroden-Stromkollektorplatten 5 leicht in die auf Kohle basierenden Brennstoffelektroden 3 eindringen. Infolgedessen ermöglicht es das Eindringen der Vorsprünge 53, auf zuverlässige Weise eine Kontaktfläche zwischen den Brennstoffelektroden- Stromkollektorplatten 5 und den Brennstoffelektroden 3 zu bilden, den Kontakt zwischen diesen herzustellen und die Verbindung zwischen diesen zu einer Einheit zu erzielen, während zugleich zwischen diesen der elektrische Kontaktwiderstand verringert wird.

Gleichermaßen können bei dem Pressen die Vorsprünge 63 der Sauerstoffelektroden-Stromkollektorplatten 6 in die Kohle- Sauerstoffelektroden 4 eindringen. Folglich ermöglicht es das Eindringen der Vorsprünge 63, auf zuverlässige Weise eine Kontaktfläche zwischen den Sauerstoffelektroden- Stromkollektorplatten 6 und den Sauerstoffelektroden 4 zu bilden, den Kontakt zwischen diesen herzustellen und die Verbindung derselben zu einer Einheit zu erzielen, während zugleich der elektrische Kontaktwiderstand, zwischen diesen verringert wird.

Weiterhin werden in der Brennstoffzelle gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel auf die Brennstoffelektroden- Stromkollektorplatten 5 und die Sauerstoffelektroden- Stromkollektorplatten 6 Kühlelemente 85 gemäß der Darstellung in Fig. 10 aufgeschichtet. Die Kühlelemente 85 stehen mit einem Einlaßrohr 86 und einem Auslaßrohr 87 in Verbindung, welche in die Brennstoffzelle gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel eingebaut sind. Gemäß der Darstellung in Fig. 8 werden die Kühlelemente 85 durch Schichtung von zwei Kunstharzblättern gebildet, wobei dadurch zwischen den Kunstharzblättern ein Kühlmitteldurchlaß 85a geformt wird. Die Kühlelemente 85 werden an jeder der Zellen 1 angebracht. Es ist anzumerken, daß in Fig. 6 und 7 die Kühlelemente 85 durch gestrichelte Flächen dargestellt sind, aber die Kühlelemente tatsächlich als ein Durchlaß gemäß der Darstellung in Fig. 8 ausgebildet sind, so daß sie das Durchströmen von Wasser, nämlich eines als Kühlmittel wirkenden Fluids ermöglichen.

Wenn das Kühlmittel in den Kühlmitteldurchlaß 85a der Kühlelemente 85 eingespeist wird, wird der Druck in dem, Kühlmitteldurchlaß 85a erhöht und werden die Brennstoffelektroden-Stromkollektorplatten 5 zu den Brennstoffelektroden 5 und den Sauerstoffelektroden 4 hin gedrückt. Der Druck kann dabei nach Belieben, beispielsweise in einem Bereich von 1,5 bis 3 kg/cm², bestimmt werden. Die Drucksteigerung ergibt somit auf zuverlässige Weise den Kontakt zwischen den Brennstoffelektroden-Stromkollektorplatten 5 und den Brennstoffelektroden 3 sowie zwischen den Sauerstoffelektroden- Stromkollektorplatten 6 und den Sauerstoffelektroden 4. Als Ergebnis ist eine Verringerung des elektrischen Kontaktwiderstandes zwischen den Brennstoffelektroden- Stromkollektorplatten 5 und den Brennstoffelektroden 3 sowie zwischen den Sauerstoffelektroden-Stromkollektorplatten 6 und den Sauerstoffelektroden 4 zu erwarten. Insgesamt gesehen kann mit dieser Gestaltung auf praktische Weise eine verbesserte Betriebsfähigkeit in den Brennstoffelektroden- Stromkollektorplatten 5 und den Sauerstoffelektroden- Stromkollektorplatten 6 sichergestellt werden.

Insbesondere ist anzumerken, daß die Kühlelemente 85 mit dem Kühlmitteldurchlaß 85a an jeder der Zellen 1 angebracht sind. Demzufolge ist für jede der Zellen 1 die Verringerung des elektrischen Kontaktwiderstandes zu erwarten. Außerdem ist die Brennstoffzellenbatterie gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel hinsichtlich der internen Kühlung verbessert, da die Kühlelemente 85 an jeder der Zellen 1 angebracht sind.

Als Abwandlungform der Brennstoffzellenbatterie gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel können die Kühlelemente 85 allein an den Brennstoffelektroden-Stromkollektorplatten 5 angebracht sein.

Alternativ können die Kühlelemente 85 nur an den Sauerstoffelektroden-Stromkollektorplatten 6 angebracht sein.

In Fig. 11 und 12 ist eine Polymerelektrolytmembran- Brennstoffzellenbatterie als zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Bei dieser Brennstoffzellenbatterie ist eine Vielzahl von Trennelementen 8 und Zellen 1 in der Richtung ihrer Dicke geschichtet. Bei dem Zusammenbau wird die Brennstoffzellenbatterie an ihrem Umfang durch eine Vielzahl von Befestigungsvorrichungen 82 fest zusammengefaßt.

In Fig. 12 sind ein Rohrelement für das Zuführen von Sauerstoff, z. B. Luft, mit 95m und ein Rohrelement für das Zuführen von Wasserstoff mit 95n bezeichnet, während in Fig. 11 ein Rohrelement für das Abfahren von Wasserstoff mit 95p bezeichnet ist. Ferner sind eine Auslaßöffnung des Auslaßrohres 87 mit 86x und eine Einlagöffnung des Einlaßrohres 86 mit 86y bezeichnet. Es ist anzumerken, daß zwar in den Figuren kein Rohr für das Ableiten von Sauerstoff dargestellt ist, dieses aber neben dem Rohrelement 95p für das Ableiten von Wasserstoff angeordnet ist.

Gemäß der Darstellung in Fig. 15 ist an einer Seite der Trennelemente 8, nämlich an einer Seite 8w, eine Befestigungsbohrung 88 ausgebildet, die durch die Trennelemente 8 in der Richtung ihrer Dicke hindurchgeht. Die Befestigungsbohrung 88 hat eine Bohrung 88a größeren Durchmessers, eine Bohrung 88b kleineren Durchmessers und eine konische Fläche 88c. Ein Schraubelement 93 gemäß Fig. 13 und 14 hat einen Teil 93a großen Durchmessers, einen Teil 93b kleinen Durchmessers, eine konische Fläche 93c, eine mittige Anschlußbohrung 93f und einen vertikalen Schlitz 93e. Der Teil 93a großen Durchmessers entspricht der Bohrung 88a großen Durchmessers der Befestigungsbohrung 88 und enthält einen an der Breite abgeflachten Teilbereich 93ba, der es ermöglicht, mittels eines Werkzeuges wie eines Schraubenschlüssels das Schraubelement 93 zu drehen. Der vertikale Schlitz 93e ist an einer Stirnfläche 93d des Teils 93a mit dem großen Durchmesser ausgebildet. Der Teil 93b mit dem kleinen Durchmesser entspricht der Bohrung 88b mit dem kleineren Durchmesser der Befestigungsbohrung 88. Die konische Fläche 93c entspricht der konischen Fläche 88c der Befestigungsbohrung 88. Die konische Fläche 93c bewirkt das Positionieren des Schraubelementes 93 in der Schichtungsrichtung der Trennelemente 8. An der Innenumfangswand der mittigen Anschlußbohrung 93f des Teils 93a mit dem großen Durchmesser ist ein Innengewinde 93i ausgebildet. An der Außenumfangswand des Teils 93b mit dem kleinen Durchmesser ist ein Außengewinde 93k ausgebildet. Das Innengewinde 93i und das Außengewinde 93k können miteinander verschraubt werden. Wie aus Fig. 15 ersichtlich ist, sind die Trennelemente 8 in ihrer Schichtungsrichtung miteinander verbunden, wenn die Schraubelemente 93 in die Befestigungbohrungen 88 der Trennelemente 8 eingesetzt sind und das Außengewinde 93k und das Innengewinde 93i der benachbarten Schraubelemente 93 miteinander verschraubt sind. Auf diese Weise ist die Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellenbatterie gemäß diesem Ausführungsbeispiel zusammengebaut.

Die Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellenbatterie gemäß dem in Fig. 11 dargestellten Ausführungsbeispiel kann folgendermaßen zerlegt werden: Wenn die Trennvorrichtungen 8 von einem Ende in deren Schichtungsrichtung in der Brennstoffzellenbatterie her abgebaut werden, werden zuerst alle Befestigungsvorrichtungen 92 gelöst und dann eine an dem Ende angebrachte Andruckplatte 91x entfernt. Auf diese Weise können die Trennelemente 8 nacheinander entfernt werden. Alternativ werden bei dem Abbauen der Trennelemente 8 von dem anderen Ende dieser Brennstoffbatterie in der Schichtungsrichtung her zuerst alle Befestigungsvorrichtungen 92 gelöst und dann eine an dem anderen Ende angebrachte Andruckplatte 91y entfernt. Auf diese Weise können die Trennelemente 8 nacheinander abgehoben werden.

Die Fig. 15 zeigt einen Teil der Schichtung der Trennelemente 8. In der Figur sind Trennelemente 8S, 8T und 8U sowie Schraubelemente 93S, 93T und 93U dargestellt. Hinsichtlich der Wartung und Kontrolle ist es erwünscht, daß die geschichteten Trennelemente 8 entweder in einer Richtung A1 oder in einer Richtung A2 nach Fig. 15 abgenommen werden können.

Bei der Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellenbatterie gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die vorstehend genannte erwünschte Zerlegung ermöglicht. Der Abbauvorgang wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 15 folgendermaßen beschrieben:
Das Trennelement 8S wird in der Richtung A1 gemäß der Fig. 35 abgenommen und das Schraubelement 93S wird freigelegt. Zum Drehen des Schraubelementes 93S in dessen Umfangsrichtung 1 wird an den in der Breite abgeflachten Abschnitt 93ba des Schraubelementes 93S ein Werkzeug, wie ein Schraubenschlüssel, angesetzt. Auf diese Weise wird das Schraubelement 93S von dem Schraubelement 93T gelöst, welches in die Befestigungsbohrung 88 des Trennelementes 8T eingesetzt ist. Dann wird das Trennelement 8T in der Richtung A1 gemäß der Figur abgenommen und das Schraubelement 93T freigelegt. Auf die vorstehend genannte Weise wird das Schraubelement 93T in dessen Umfangsrichtung gedreht, um es von dem Schraubelement 93U zu lösen. Somit können die Schraubelement 93S, 93T und 93U in dieser Aufeinanderfolge voneinander gelöst werden und dementsprechend können die geschichteten Trennelemente 8 in der einen Richtung, nämlich in der Richtung A1 gemäß der Figur abgebaut werden.

Wenn die geschichteten Trennelement 8 in der zu der vorstehend ge­ nannten Richtung entgegengesetzten Richtung, nämlich in der Richtung A2, nach Fig. 15 abgenommen werden, wird ein Werkzeug, wie ein Schraubendreher, in den vertikalen Schlitz 93e des Schraubelementes 93U eingeführt und dieses in dessen Umfangsrichtung gedreht, wodurch das Schraubelement 93U von dem Schraubelement 93T gelöst wird. Dann wird das Trennelement 8U in der Richtung A2 nach Fig. 15 abgenommen. Im weiteren wird auf die gleiche Weise das Werkzeug, wie der Schraubendreher oder dergleichen, in den vertikalen Schlitz 93e des Schraubelementes 93T eingeführt und das Schraubelement 93T in dessen Umfangsrichtung gedreht, wodurch das Schraubelement 93T von dem Schraubelement 93S gelöst wird. Dann wird das Trennelement 8T in der Richtung A2 abgenommen. Danach wird das Werkzeug wie der Schraubendreher oder dergleichen in den vertikalen Schlitz 93e des Schraubelementes 93S eingeführt und das in die Befestigungsbohrung 88 des Trennelementes 8S eingesetzte Schraubelement 93S in dessen Umfangsrichtung gedreht, wodurch das Schraubelement 93S von einem (nicht dargestellten) Schraubelement gelöst wird. Dann wird das Trennelement 8S in der Richtung A2 nach Fig. 15 abgenommen. Auf diese Weise können die Schraubelementen 93U, 93T und 93S in dieser Aufeinanderfolge gelöst werden und dementsprechend die geschichteten Trennelemente 8 in der Gegenrichtung, nämlich in der Richtung A2 nach Fig. 15 entfernt werden.

Die vorstehend beschriebenen Gestaltungen ermöglichen es, die geschichteten Trennelemente 8 in deren Schichtungsrichtung von einem Ende der Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellenbatterie weg und auch in der zur Schichtungsrichtung entgegengesetzten Richtung von dem anderen Ende der Polymerelektrolytmembran- Brennstoffzellenbatterie weg abzunehmen. Damit sind die Gestaltungen hinsichtlich der Wartung und Prüfung der Brennstoffzellen nutzvoll.

In der Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle gemäß dem vorangehend beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsbeispiel sind an einer der Oberflächen der Polymerelektrolytmembran 2 nebeneinander fünf Brennstoffelektroden 3 und an der anderen Oberfläche der Polymerelektrolytmembran 2 nebeneinander fünf Sauerstoffelektroden 4 angebracht. Erfindungsgemäß sind jedoch die Anzahlen der Brennstoffelektroden 3 und der Sauerstoffelektroden 4 nicht auf die bei dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel vorgesehenen eingeschränkt. Vielmehr kann die Elektrodenanzahl nach Belieben in Abhängigkeit von den Arten der tatsächlichen Anwendung der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung bestimmt werden. Beispielsweise können drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht, neun, zehn oder mehr Brennstoffelektroden 3 oder Sauerstoffelektroden 4 vorgesehen werden. Anders ausgedrückt können sie nebeneinander in einer Anzahl von zwei oder mehr angebracht werden. Die an der Polymerelektrolytmembran 2 angebrachten Brennstoffelektroden 3 und Sauerstoffelektroden 4 müssen jedoch elektrisch in Reihe geschaltet werden.

Ferner wird in der Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle gemäß dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel als Festelektrolyt die Polymerelektrolytmembran 2 verwendet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Gestaltung eingeschränkt. Der Festelektrolyt kann nach Belieben gewählt werden, d. h. es können Festelektrolyte, z. B. feste kristalline Salze wie Silberjodid, Bleichlorid oder dergleichen verwendet werden, die üblicherweise in Brennstoffzellenanordnungen verwendet werden und die aus anderen Materialien als Polymer bestehen.

Weiterhin wird in der Polymerelektrolytmembran- Brennstoffzellenanordnung gemäß dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel als Brennstoff Wasserstoff verwendet. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Vielmehr kann der Brennstoff nach Belieben gewählt werden. Für bestimmte Zwecke kann die Erfindung bei dem Herstellen einer Brennstoffzellenanordnungen verwendet werden, in der als Brennstoff Kohlenmonoxid benutzt wird.

Für den Fachmann ist aus der vorstehenden Beschreibung der Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle bzw. Brennstoffzellenbatterie gemäß dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel ersichtlich, daß mancherlei Abänderungen und Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne von dem Grundgedanken der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise ergeben die vorstehend angeführten Lehren erfindungsgemäß folgende Ausführungsformen:
Eine Brennstoffzellenbatterie, die eine Vielzahl von in der Richtung ihrer Dicke geschichteten Brenstoffzellenanordnungen, welche jeweils einen Festelektrolyt mit einander gegenüberliegenden Oberflächen, der Ionenleitfähigkeit hat, eine an einer der Oberflächen des Festelektrolyts angebrachte Brennstoffelektrode, der ein aktiv wirkender Brennstoff zugeführt wird, und ein an der anderen Oberfläche des Festelektrolyts angebrachte und elektrisch mit der Brennstoffelektrode verbundene Sauerstoffelektrode enthalten, der ein aktiv wirkender Sauerstoff zugeführt wird, einen Sauerstoffzufuhrkanal und einen Brennstoffzufuhrkanal aufweist, wobei die Sauerstoffelektroden von benachbarten Brennstoffzellenanordnungen einander in bezug auf den Sauerstoffzufuhrkanal gegenübergesetzt sind und die Brennstoffelektroden von benachbarten Brennstoffzellenanordnungen einander in Bezug auf den Brennstoffzufuhrkanal gegenübergesetzt sind.

Eine andere Brennstoffzelle, die einen Festelektrolyt mit einander gegenüberliegenden Oberflächen, der Ionenleitfähigkeit zeigt, eine an einer der Oberflächen des Festelektrolyts angebrachte Brennstoffelektrode, der ein als aktiv wirkender Brennstoff zugeführt wird, eine an der anderen Oberfläche des Festelektrolyts angebrachte und elektrisch mit der Brennstoffelektrode verbundene Sauerstoffelektrode, der ein aktiv wirkender Sauerstoff zugeführt wird, einen Stromkollektor, der einer der Oberflächen des Festelektrolyts gegenübergesetzt ist und auf die +Brennstoffelektrode und/oder die Sauerstoffelektrode aufgeschichtet ist, und ein auf den Stromkollektor aufgeschichtetes Kühlelement aufweist, welches einen Kühlmitteldurchlaß enthält, in dem ein Kühlmittel fließt, wobei durch den Druck, der sich aus dem in dem Kühlmitteldurchlaß fließenden Kühlmittel ergibt, der Stromkollektor zu der Brennstoffelektrode und/oder der Sauerstoffelektrode hin gedrückt wird, wodurch der elektrische Kontaktwiderstand zwischen dem Stromkollektor und der Brennstoffelektrode und/oder Sauerstoffelektrode verringert wird.

Durch die vorangehende Beschreibung ist eine Brennstoffzellenanordnung angegeben, die einen blattförmigen Festelektrolyt mit einander gegenüberliegenden Oberflächen, der Ionenleitfähigkeit zeigt, eine Vielzahl von auf einer der Oberflächen des Festelektrolyts nebeneinander angebrachten Brennstoffelektroden, denen ein aktiv wirkender Brennstoff zugeführt wird, und eine Vielzahl von an der anderen Oberfläche des Festelektrolyts nebeneinander angebrachten Sauerstoffelektroden enthält, denen ein aktiv wirkender Sauerstoff zugeführt wird, wobei die Brennstoffelektroden elektrisch mit den Sauerstoffelektroden in Reihe geschaltet sind. Die Brennstoffzellenanordnung hat kleine Abmessungen und geringes Gewicht, kann jedoch eine hohe Ausgangsspannung abgeben, da in einer einzelnen Brennstoffzellenanordnung eine Vielzahl von Brennstoffelektroden und Sauerstoffelektroden enthalten ist. Eine Vielzahl der Brennstoffzellananordnung kann derart geschichtet werden, daß gleichartige Elektroden von benachbarten Zellen einander zugewandt sind. Die Brennstoffzellenanordnung kann ferner einen Stromkollektor, ein Kühlelement oder ein Trennelement enthalten, welches auf die Brennstoffelektroden und/oder die Sauerstoffelektroden aufgeschichtet ist.

Claims (18)

1. Brennstoffzellenanordnung, gekennzeichnet durch
einen blattförmigen Festelektrolyten (2) mit einander gegenüberliegenden Oberflächen, der Ionenleitfähigkeit hat,
mindestens zwei nebeneinander an einer der Oberflächen des Festelektrolyts angebrachte Brennstoffelektroden (3), denen ein als aktives Kathodenmaterial wirkender Brennstoff zugeführt wird, und
mindestens zwei nebeneinander an der anderen Oberfläche des Festelektrolyts angebrachte Sauerstoffelektroden (4), denen als aktives Anodenmaterial wirkender Sauerstoff zugeführt wird,
wobei die an der einen Oberfläche des Festelektrolyts angebrachten Brennstoffelektroden (3) elektrisch zu den an der anderen Oberfläche des Festelektrolyts angebrachten Sauerstoffelektroden (4) in Reihe geschaltet sind.

2. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der blattförmige Festelektrolyt (2) durch eine Polymerelektrolytmembran gebildet ist, welcher Wasserstoffionen durchläßt.

3. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffelektroden (3) und die Sauerstoffelektroden (4) Kohleelektroden sind.

4. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen auf die Brennstoffelektroden (3) und/oder die Sauerstoffelektroden (4) aufgeschichteten Stromkollektor (5, 6).

5. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromkollektor in Form von Brennstoffelektroden-Stromkollektorplatten (5), die mit den auf einer Oberfläche des Festelektrolyts (2) angeordneten Brennstoffelektroden (3) in Kontakt stehen, und Sauerstoffelektroden-Stromkollektorplatten (6) ausgebildet ist, die mit den auf der anderen Oberfläche des Festelektrolyts angeordneten Sauerstoffelektroden (4) in Kontakt stehen.

6. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem an den Brennstoffelektroden (3) und/oder den Sauerstoffelektroden (4) angebrachten Stromkollektor (5, 6) ein Trennelement (8) aufgeschichtet ist.

7. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Brennstoffelektroden- Stromkollektorplatten (5) einander gegenüberliegende Oberflächen hat, von denen die den Brennstoffelektroden (3) zugewandte Oberfläche eine Vielzahl von Vorsprüngen (53) und eine Vielzahl von zwischen den Vorsprüngen liegenden Nuten (52) hat, wodurch dann, wenn die Brennstoffelektroden-Stromkollektorplatten und die Brennstoffelektroden gegeneinander gepreßt werden, die Vorsprünge in die Brennstoffelektroden eindringen, um die Brennstoffelektroden-Stromkollektorplatten mit der Brennstoffelektroden zu verbinden, wobei die Nuten mit einem Brennstoffzufuhrkanal (80) in Verbindung stehen.

8. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Sauerstoffelektroden- Stromkollektorplatten (6) einander gegenüberliegende Oberflächen hat, von denen die den Sauerstoffelektroden (4) zugewandte Oberfläche eine Vielzahl von Vorsprüngen (63) und eine Vielzahl von zwischen den Vorsprüngen liegenden Nuten (62) hat, wodurch dann, wenn die Sauerstoffelektroden-Stromkollektorplatten und die Sauerstoffelektroden gegeneinander gepreßt werden, die Vorsprünge in die Sauerstoffelektroden eindringen, um die Sauerstoffelektroden-Stromkollektorplatten mit den Sauerstoffelektroden zu verbinden, wobei die Nuten mit einem Sauerstoffzufuhrkanal (82) in Verbindung stehen.

9. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, gekennzeichnet durch ein auf den Stromkollektor aufgeschichteten Kühlelement (85) mit einem Kühlmitteldurchlaß (85a), in welchem ein Kühlmittel fließt, wobei durch den Druck, der sich durch das in dem Kühlmitteldurchlaß fließende Kühlmittel ergibt, der Stromkollektor gegen die Brennstoffelektroden (3) und/oder Sauerstoffelektroden (4) gedrückt wird.

10. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlelement (85) mehrere miteinander verbundene Kunstharzblätter aufweist und der Kühlmitteldurchlaß (85a) innerhalb der Kunstharzblätter ausgebildet ist.

11. Brennstoffzellenbatterie mit einer Vielzahl von Brennstoffzellenanordnungen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.

12. Brennstoffzellenbatterie nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Brennstoffzellenanordnungen (1) zwischen einer anderen der Brennstoffzellenanordnungen und einer weiteren der Brennstoffzellenanordnungen festgelegt ist, daß die Sauerstoffelektroden (4) der einen Brennstoffzellenanordnung den Sauerstoffelektroden der anderen Brennstoffzellenanordnung zugewandt sind, und daß die Brennstoffelektroden (3) der einen Brennstoffzellenanordnung den Brennstoffelektroden der weiteren Brennstoffzellenanordnung zugewandt sind.

13. Brennstoffzellenbatterie mit einer Vielzahl von Brennstoffzellenanordnungen (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
das Trennelement (8) einander gegenüberliegende Oberflächen, eine Befestigungsbohrung (88), die durch das Trennelement in einer Schichtungsrichtung der Brennstoffzellenanordnungen hindurch dringt, und ein Schraubelement (93) aufweist, das um die axiale Mitte der Befestigungsbohrung drehbar in die Befestigungsbohrung eingesetzt ist,
daß die Befestigungsbohrung eine Bohrung (85a) größeren Durchmessers, die an einer der Oberflächen des Trennelements offen ist, und eine koaxial zu der Bohrung größeren Durchmessers ausgebildete Bohrung (85b) kleineren Durchmessers aufweist, die an der anderen Oberfläche des Trennelementes offen ist und die einer Bohrung größeren Durchmessers einer Befestigungsbohrung eines anderen benachbarten Trennelementes zugewandt ist, und
daß das Schraubelement einen in die Bohrung größeren Durchmessers eingesetzten Teil (93a) größeren Durchmessers mit einer Gewindebohrung (93f) und einen für das Drehen mittels eines Werkzeugs an dem Außenumfang ausgebildeten Abschnitt und einen in die Bohrung kleineren Durchmessers eingesetzten Teil (93b) kleineren Durchmessers mit einem Außengewinde (93k) aufweist, welches lösbar in die Gewindebohrung eines Schraubelementes eines anderen benachbarten Trennelementes eingeschraubt ist.

14. Brennstoffzellenbatterie nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil (93a) größeren Durchmessers des Schraubelementes (93) eine axiale Stirnfläche und eine in der axialen Stirnfläche ausgebildete Eingriffsausnehmung (93e) aufweist, die ein Werkzeug aufnimmt, mit dem der Teil größeren Durchmessers des Schraubelementes um die axiale Mitte der Befestigungsbohrung (85) drehbar ist.

15. Brennstoffzellenbatterie mit einer Vielzahl von Brennstoffzellenanordnungen nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Leitern (60, 61, 62), welche elektrisch die Sauerstoffelektroden-Stromkollektorplatten (6) und die Brennstoffelektroden-Stromkollektorplatten (5) in Reihe verbinden, die an benachbarten Brennstoffzellenanordnungen angebracht sind.

16. Brennstoffzellenbatterie mit einer Vielzahl von Brennstoffzellenanordnungen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Sauerstoffelektroden (4) der einen Brennstoffanordnung (1) und den Sauerstoffelektroden der anderen Brennstoffanordnung ein erstes Trennelement (8) eingefügt ist und zwischen den Brennstoffelektroden (3) der einen Brennstoffzellenanordnung und den Brennstoffelektroden der weiteren Brennstoffzellenanordnung ein zweites Trennelement (8) eingefügt ist.

17. Brennstoffzellenbatterie nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Trennelement (8) einen darin ausgebildeten Sauerstoffzufuhrkanal (82) enthält, und das zweite Trennelement (8) einen darin ausgebildeten Brennstoffzufuhrkanal (80) enthält.

18. Brennstoffzellenbatterie nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffelektroden (3) der einen Brennstoffzellenanordnung den Brennstoffelektroden der weiteren, in der anderen Richtung benachbarten Brennstoffzellenanordnung unter Zwischensetzung eines Brennstoffzufuhrkanals (80) gegenübergesetzt sind.