DE3321984A1

DE3321984A1 - Brennstoffzellenbatterie mit verbesserter membrankuehlung

Info

Publication number: DE3321984A1
Application number: DE19833321984
Authority: DE
Inventors: James Frederick Hamilton Mass. Mcelroy
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1982-06-23
Filing date: 1983-06-18
Publication date: 1983-12-29
Also published as: DE3321984C2; JPH0425673B2; JPS5931568A

Description

Brennstoffzellenbatterie mit verbessertes Membrankühlung
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenbatterie und mehr im besonderen eine solche, die innen gekühlte bipolare Separatorelemente zwischen den Brennstoffzellen aufweist.
Um die Beschreibung zu vereinfachen, wird im folgenden auf eine B2/02-Brennstoffzelle Bezug genommen, in der der Brennstoff Wasserstoff und das Oxidationsmittel reiner Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiger Luftstrom ist. Die Erfindung ist jedoch auch auf andere Brennstoffzellen unabhängig von den Reaktanten anwendbar, wie z. B. auf H2/Cl-2, H2/Br2- und andere Brennstoffzellen.
Elektrochemische Brennstoffzellen, die Eneraie durch die elektrochemische Umsetzung eines Brennstoffes, wie Wasserstoff und eines Oxidationsmittels, wie Sauerstoff an der Oberfläche katalytischer Elektroden erzeugen, die durch eine ionentransportierende Membran voneinander getrennt sind, sind gut bekannt. Auch sind Brennstoffzellenbatterien, in denen eine Vielzahl von Zellen mittels bipolarer Platten in Reihe verbunden sind, die die einzelnen Zellen trennen, bekannt. Eine solche Brennstoffzellenbatterie ist in der US-PS 3 134 696 beschrieben. Die dort beschriebene Batterie weist Zellen auf, deren- jede eine hydratisierte Ionenaustauschermembran enthält, mit deren gegenüberliegenden Oberflächen aus Teilchen bestehende katalytische Elektroden verbunden sind. Leitende bipolare Separatoren stehen in Berührung mit der Brennstoff-(Anode)- und der Oxidationsmittel-(Kathode)-Elektrode, die an den Membranen benachbarter Zellen angebracht sind. Jedes leitende bipolare Element besteht aus einer leitenden Platte mit leitenden Vorsprüngen auf den gegenüberliegenden Seiten. Die Vorsprünge berühren die Elektroden benachbarter Zellen, um das Fließen von Anoden- und Kathodenstrom in den Zellen zu zu gestatten. Die Vorsprünge sorgen auch für das Vorhandensein paralleler Strömungspfade für den Brennstoff und das Oxidationsmittel über die Oberfläche der Elektroden.
Die Begriffe "Anode" und "Kathode" sind in ihrem elektrochemischen Sinne benutzt, wonach die Reduktion durch Zugabe von Elektronen an der Kathode und die Oxidation durch Verlust von Elektronen an der Anode stattfindet.
In der US-PS 4 175 165 ist eine Brennstoffzellenbatterie gezeigt, die mehrere Membranzellen umfaßt, wobei die Membranen benachbarter Zellen durch bipolare strömungsmittelverteilende Elemente getrennt sind und diese Elemente aus gebundenen Aggregaten von Graphit- und polymeren Binderteilchen bestehen. Jede Seite der bipolaren Graphitplatte enthält mehrere parallele Rillen, die Strömungskanäle für den Brennstoff und das Oxidationsmittel bilden, wobei die Rillen auf den gegenüberliegenden Seiten der bipolaren Platte im rechten Winkel zueinander liegen.
Die bipolaren Elemente nach dem Stand der Technik, die in den beiden obengenannten US-PS beschrieben sind, Sind jedoch groß und massig. Es besteht daher ein Bedarf an bipolaren und den Strömungsmittelfluß verteilenden Elementen für eine Brennstoffzellenbatterie, die ein geringes Gewicht haben und sehr dünn sind, um eine möglichst große Zahl von Zellen in einer Batterie gegebenen Gewichtes und Volumens zusammenfassen zu können.
Die Wärmeentfernung aus einer Brennstoffzellenbatterie ist ein kritischer Aspekt beim Entwurf einer solchen Batterie.
Die aufgrund der elektrochemischen Umsetzungen in der Zelle erzeugte Wärme entzieht, wenn sie nicht rasch entfernt wird, der hydratisierten Ionenaustauschermembran Wasser. Mit zunehmendem Verlust an Hydratationswasser nimmt der Widerstand der Membranen zur unddie Leistungsfähigkeit der Zellen bei einer gegebenen Stromdichte vermindert sich.
Es sind verschiedene Anordnungen vorgeschlagen worden, um die Wärme aus den Zellen zu entfernen. Wärmefallen, die Kontrolle des thermischen Widerstandes der Durchgänge für die Reaktanten und andere Strukturen sind typische Beispiele für die im Stand der Technik benutzten Mittel zur Förderung der Wärmeentfernung.
Die US-PS 3 392 058 ist typisch für eine solche Anordnung nach dem Stand der Technik, bei der wärmeübertragende Platten benachbart der Oxidationsmittelseite der Zelle angeordnet sind, um die Wärme zu entfernen und das Austrocknen der Membran möglichst gering zu halten. Diese Anordnungen nach dem Stand der Technik sind jedoch, obwohl sie zu einem gewissen Ausmaß die WSrme,entfernung erleichtern, massig und sie haben zum Gewicht und den Kosten der Zelle und der Batterie beigetragen.
Die Dehydratation der Zellenmembranen durch die bei der elektrochemischen Umsetzung erzeugte Wärme ist jedoch nur ein Aspekt des Problems. Ein subtilerer und vielleicht schwierigerer Aspekt des Problems besteht darin, daß die Membran aufgrund des ionischen Stromflusses selbst austrocknet. Das bedeutet, daß der an der Brennstoffseite zu H+-Kationen bzw. Protonen oxidierte Wasserstoff beim Transportieren durch die Membran mehrere Moleküle Membranwasser als Hydratationswasser mitnimmt. Ein Proton kann von etwa 8 bis 10 Molekülen Wasser transportieren, so daß auf einer Mol zu Mol oder einer Mol/Faraday-Basis 8 bis 10 Mole Wasser für jedes an der Anode oxidierte Mol Wasserstoff transportiert werden. Es besteht daher eine starke Neigung zum Austrocknen der Wasserstoffseite der Membran. Dieses Austrocknen wird durch zunehmende Stromdichte erschwert. Das Austrocknen der Brennstoffseite der Membran kann daher ein wichtiger begrenzender Faktor in der Leistungsabgabe einer Brennstoffzellenbatterie mit irgendeiner festgelegten Zahl von Zellen sein. In einem Versuch, das Austrocknen der Membran zu vermeiden, wird das eingeleitete Brennstoffgas üblicherweise angefeuchtet, um Wasser zum Hydratisieren der Wasserstoffseite der Membran zur Verfügung zu haben. Das Anfeuchten des Brennstoffgases stellt jedoch nur eine Teillösung dar, da die Menge an Wasser, die dem Brennstoffgasstrom hinzugegeben werden kann, ohne den Zellbetrieb zu beeinflussen, begrenzt ist. Das bedeutet, daß sich bei der Anwesenheit von zuviel Wasserdampf in dem eingeleiteten Brennstoffgas ein Wasserfilm über der Anode bildet, der den Zugang des Wasserstoffes zur Elektrode hindert. Während daher der Protonentransport durch die Membran ein Herausziehen von 8 bis 10 Molen H20/Faraday zur Folge haben kann, kann eine bedeutend geringere Menge durch den angefeuchteten Reaktantenstrom wieder zurückgeführt werden.
In der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, daß das Austrocknen der Wasserstoffseite der Membran selbst bei hohen Stromdichten und einer hohen Leistungsabgabe beträchtlich verringert werden kann, indem man die Wasserstoffseite der Membran ausreichend kühlt, um einen Temperaturgradienten einzurichten, der die Rückwanderung von Wasser von der Kathoden- zur Anodenseite verursacht und dadurch das Austrocknen verhindert. Dieses in hohem Maße erwünschte Ergebnis wird vorzugsweise durch Einsatz eines innen gekühlten, Strömungsmittel verteilenden bipolaren Separators erreicht, der zwischen den Membranen benachbarter Zellen angeordnet ist. Der Kühlmittelseparator ist durch die Tatsache charakterisiert, daß das durch sein Inneres strömende Kühlmittel in einer solchen Weise gesteuert wird, daß die die Wasserstoffelektrode berührende Seite kälter ist als die Seite, die die Sauerstoffelektrode berührt, die an der Membran der benachbarten Brennstoffzelle angebracht ist. Die Membran einer Brennstoffzelle befindet sich daher in Berührung mit der kälteren Seite des einen bipolaren Separators und der wärmeren des benachbarten bipolaren Separators, wodurch ein Temperaturunterschied über die Membran aufrechterhalten wird, bei dem die Wasserstoffseite kälter ist als die Sauerstoffseite.
Jederbipolare Separator weist eine innere Kühimittelkammer auf, die einen Kühlmittelströmungseinlaß enthält, der so gestaltet ist, daß er eine dynamische Strömung auf der einen Seite und eine begrenztere oder statischere Strömung auf der anderen Seite erzeugt, was zu unterschiedlichen Kthlgeschwindigkeiten auf den gegenüberliegenden Seiten der Kammer führt.
Die bipolare KUhmittelseparatoreinheit ist eine abgedichtete Einheit mit dünnen. metalllischen, Strömungsfelder für die Reaktanten bildenden Folien oder Platten, die von einem Rahmen getragen sind. Diese Konstruktion gestattet die Herstellung sehr inner bipolarer Separatoreinheiten für das Kühlmittel, die die offensichtlichen Vorteile der verminderten Größe und des verminderten Gewichtes für die Brennstoffzellenbatterie haben. Dies ist besonders b3xzkea>ert im Vergleich zu den bipolaren Strömungsmittel verteilenden Elementen, wie# sie in der US-PS 4 175 165 dargestellt sind, in der die Baueinheit ein massiges Agglomerat aus Graphit- und polymeren Binderteilchen ist.
Der vorliegenden Erfindung lag daher hauptsächlich die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzellenbatterie mit einer Membran zu schaffen, die einen kontinuierlichen Betrieb bei größeren Stromdichten und einer höheren Leistungsabgabe gestattet, als die bekannten Brennstoffzellenbatterien mit Membran. In diesem Zusammenhang sollte eine wirksame Temperaturkontrolle erzielt werden, die das Austrocknen der Membran auf der Seite des Brennstoffgases möglichst gering hält.
Es sollte ein verbessertes bipolares Separatorelement für das Kühlmittel für eine Brennstoffzellenbatterie geschaffen werden, mit der ein gesteuertes Kühlen der Zellenmembran möglich ist.
Das gesteuerte Kühlen gegenüberliegender Seiten der Membran sollte eine wirksame Steuerung des Feuchtigkeitsgehaltes der Membran auf der Brennstoffseite bewirken.
Schließlich sollte eine Brennstoffzellenbatterie geschaffen werden, deren Größe und Gewicht für eine gegebene Leistungsabgabe möglichst gering ist.
Durch die vorliegende Erfindung wird eine Brennstoffzellenbatterie mit einer Vielzahl von Zellen geschaffen, von denen jede eine hydratisierte, Kationen befördernde Membran aufweist, mit deren gegenüberliegenden Seiten Elektroden verbunden sind. Die Membranen der verschiedenen Zellen sind durch innen gekühlte bipolare Separatoren getrennt. Die Separatoren bilden Strömungsfelder für die Reaktanten der einzelnen Zellen, extrahieren Wärme und verbinden die Zellen in Reihen. Eine Seite jeder bipolaren Separatoreinheit und eine Membran mit der zusammen verbundenen Elektrode bilden die Anodenkammer einer Zelle. Die andere Seite der Einheit bildet zusammen mit der benachbarten Membran und der damit verbundenen Elektrode die Kathodenkammer der benachbarten Zelle Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen: Figur 1 eine auseinandergezogene Ansicht verschiedener Zellen einer Brennstoffzellenbatterie, die die vorliegende Erfindung enthält, Figur 2 eine Draufsicht auf die die Sauerstoffströmung bestimmende Seite eines bipolaren Kühlmittelseparators, Figur 3 einen Querschnitt längs der Linie 3 - 3 in Figur 2, wobei die Figur 3 die Kühlmittelkammer und den Kühlmittelströmungseinsatz zeigt, Figur 4 einen Querschnitt längs der Linie 4-4 in Figur 2 durch die Wasserstoffeinlaßleitung, Figur 5 eine Querschnittsansicht längs der Linie 5 - 5 in Figur 2 durch die Sauerstoffauslaßleitung und Figur 6 eine Querschnittsansicht längs der Linie 6 - 6 in Figur 2 durch den Kühlmitteleinlaß.
Figur 1 zeigt eine auseinandergezogene Ansicht zweier Brennstoffzellen, die Bestandteil einer größeren Batterie sind.
Sie zeigen dabei die neuen intern gekühlten, bipolaren, ein Strömungsfeld für den Reaktanten bildenden Separatoren. Die Batterie schließt eine erste Brennstoffzelle 10 ein, die eine Kationenaustauschermembran 11 aufweist, die zwischen den intern gekühlten bipolaren Separatoren 12 und 13 angeordnet ist. Die nächst benachbarte Zelle besteht aus der Membran 16, die sich zwischen den bipolaren Separatoren 13 und 17 befindet. Die Membran 18 befindet sich zwischen dem Separator 12 und einem nicht-dargestellten weiteren Separator, die jeweils Bestandteil einer anderen Zelle der Batterie sind.
In der Brennstoffzelle 10 ist eine Anodenelektrode 19, die ein flüssigkeits- und gasdurchlässiges gebundenes Aggregat aus katalytischen und polymeren Binderteilchen umfaßt, an einer Oberfläche der Membran 11 angebracht. Mambran 11, Anode 19 und die eine Seite des Separators 12 begrenzen eine Anodenkammer 14. Ein der besseren Übersichtlichkeit halber nicht gezeigtes leitendes Trägerteil ist zwischen der Anode 19 und der in der Figur 1 rückwärtigen Seite des Separators 12 angeordnet.
Der Hauptzweck dieses Trägerteiles besteht darin, die Deformation der Membran 11 durch Vorsprünge, die sich auf dem Separator 12 befinden und die das Anodenströmungsfeld begrenzen, zu verhindern.
Eine mit der anderen Seite der Membran 11 verbundene, in der Figur 1 aber nicht ersichtliche Kathode und der Separator 13 begrenzen die Kathodenkammer 15.
In ähnlicher Weise begrenzen der Separator 13, die eine Seite der Membran 16 sowie der Separator 17 und die andere Seite der Membran 16 die Anoden bzw. die Kathodenkammer der Zelle, die sich in Figur 1 rechts von der Zelle 10 befindet.
An der Anode 19 wird Wasserstoff unter Abgabe von Elektronen an einen äußeren, nicht dargestellten Lastschaltkreis oxidiert.
Die durch die Oxidation des Wasserstoffgases gebildeten Wasser stoffionen H+ werden durch die Membran 11 zu der in Figur 1 nicht gezeigten flüssigkeits- und gasdurchlässigen Kathode transportiert, die auf der gegenüberliegenden Seite der Membran 11 angebracht ist. Sauerstoff wird in die Kathodenkammer 15 eingeführt, reagiert mit den zur Kathode fließenden Elektronen und bildet mit den Wasserstoffionen Wasser.
Dieses Wasser kann, wenn es nicht sofort entfernt wird, über der Kathode einen Wasserfilm bilden, der den Zugang des Sauerstoffes zu dieser Elektrode blockiert und die Kathodenreaktion behindert oder beendet. Um ein solches sogenanntes Fluten der Kathode zu verhindern, wird eine poröse, imprägnierte stromleitende Kohlenstoffolie 21 zwischen der Kathode und der das Sauerstoff-Strömungsfeld bildenden Oberfläche des Separators 13 angeordnet.
Diese Kohlenstoffolie ist etwa 0,25 bis 0,30 mm dick und sie besteht aus Kohlenstoff und einem hydrophoben Binder, wie Polytretrafluoräthylen, das unter Handelsbezeichnung Teflon von der DePont Company erhältlich ist. Der hydrophobe Teflonbilder läßt das gebildete Wasser zu perlenförmigen Gebilden zusammenlaufen, so daß die Ausbildung eines Wasserfilmes verhindert ist und Sauerstoff durch die Poren zur Kathode diffundieren kann. Das an der Kathode gebildete Produkt Wasser kann durch die poröse Folie 21 wandern, ohne die Poren zu fluten. Es wird im diesem Zusammenhang auf die US-PS 4 215 183 Bezug genommen, in der ein solches stromsammelndes Element aus einem imprägnierten Kohlenstoffpapier zusammen mit einem Verfahren zu seiner Herstellung beschrieben ist. Die Schicht 21 aus dem imprägnierten Kohlenstoffpapier wird vorzugsweise durch Anwenden von Wärme und Druck mit der Oberfläche von Kathode und Membran verbunden, um eine einheitliche aus mehreren Schichten bestehende Baueinheit zu bilden.
Eine zylindrische Sauerstoff-Einlaßleitung 22, wie sie am deutlichsten beim Separator 12 erkennbar ist, ist in einer Ausnehmung 23 im Oberteil der Separatoren angeordnet. Die Leitung 22 steht in Verbindung mit einem Sauerstoffströmungskanal 24, der sich über den Oberteil des Separators erstreckt. Durchgänge in der Leitung 22 stehen in Verbindung mit einer Sauerstoffeinlaßbohrung 25. Der Sauerstoff aus der Bohrung 25 fließt in die Ausnehmung 23, längs des Kanales 24 und dann über die Oberfläche des Separators, die mehrere Vorsprünge oder Vertiefungen 26 aufweist, die das Strömungsfeld bilden, nach unten.
Mehrere Abstandsgrate oder -leisten 27, die sich über die Vorsprünge 26 erstrecken, bilden mehrere Stromungsfelder für das Oxidationsmittel. Der strömende Sauerstoff tritt mit dem imprägnierten Stromleiter 21 und der an die Membran 11 in der Kathodenkammer 15 gebundenen Kathode in Berührung. Die bipolaren Separatoren 12 und 13 enthalten auch Wasserstoffeinlässe 28, durch die Wasserstoff in die Anodenkammer 14 eintritt. Die Kühlmittel-Einlaß- und -auslaßleitungen 29 (Fig. 2) in jedem der Separatoren gestatten das Strömen des Kühlmittelwassers durch die innere Kühlmittelkammer der bipolaren Separatoren 12 und 13.
Wie in dem weggebrochenen Abschnitt der dem Betrachter zugewandten Seite des bipolaren Separators 12 besser erkennbar, besteht der Separator aus einer mit Erhebungen versehenen, der Kathode zugewandten Strömungsfeldplatte 30, einer mit Vertiefungen oder Erhebungen versehenen, der Anode zugewandten Platte 31, die beide von einem rechteckigen Rahmen 32 getragen sind. Dieser Rahmen kann metallisch sein, z. B. kann er aus Niob bestehen oder er kann aus einem nicht leitenden Material, wie Polysulfon bestehen. Die Kombination aus Rahmen 32 und den Platten 30 und 31 begrenzt eine innere Kühlmittelkammer. Ein mit Vertiefungen versehener Kühlmittelströmungsfeld-Einsatz 33 ist innerhalb der Kammer angeordnet und erzeugt unterschiedliche Kühlmittelströmungsgeschwindigkeiten auf den gegenüberliegenden Seiten der Kammer, so daß die Anodenplatte stärker gekühlt wird als die Kathodenplatte. Dadurch wird die Anodenseite der Zellmembran auf einer tieferen Temperatur gehalten als die Kathodenseite. Dies führt zu einer Rückdiffusion von Wasser von der Kathoden- zur Anodenseite der Membran und kompensiert damit das wegen der Entfernung von Membranhydratationswasser durch den Ionenstrom ansonsten auftretende Austrocknen der Anodenseite.
Geeignete Öffnungen in dem nicht aktiven Membranrand sind mit den Strömungsleitungen für Kühlmittel, Wasserstoff und Sauerstoff ausgerichtet. Der nicht aktive Membranrand ist mit einem Silikonkleber bedeckt und die Membranen und die Separatoren werden durch nicht dargestellte geeignete metallische Endplatten zusammengehalten. Mit Ventilen versehene Einlaßleitungen in den Endplatten stehen in Verbindung mit den Leitungen für Brennstoff, Oxidations- und Kühlmittel, um das Strömen der Gase in die einzelenen Zellkammern und das Strömen des Kühlmittels in die bipolaren Separatoren zu gestatten.
Die Membranen sind vorzugsweise Perfluorsulfonsäuregruppen aufweisende Kationenaustauschermembranen, wie sie von der DuPont Company unter der Handelsbezeichnung Nafion vertrieben werden. Diese Membranen weisen ein Fluorkohlenstoffgerüst mit funktionellen Sulfonsäuregruppen auf, die an dem Gerüst sitzen und als ionenaustauschende Stellen wirken.
Die Elektroden bestehen vorzugsweise aus gebundenen Agglomeraten von katalytischen Platingruppenmetall- und polymeren Binderteilchen. Die katalytischen Teilchen können Platinschwarz oder Teilchen anderer Platingruppenmetalle oder von Oxiden von Platingruppenmetallen sein. Der polymere Binder ist vorzugsweise ein hydrophober Binder, wie Polytetrafluoräthylen.
Eine Mischung aus katalytischen und polymeren Binderteilchen wird in einer dünnen Titanfolie angeordnet und dann legt man eine Seite der Membran über die Mischung auf der Folie. Durch Anwenden von Wärme und Druck für eine Dauer von 3 bis 5 Minuten werden die Teilchen miteinander und mit der Membran unter Bildung einer gas- und flüssigkeitsdurchlässigen Elektrode verbunden, Der Druck ist nicht wesentlich und er kann im Bereich von etwa 28 bis etwa 70 kg/cm2 liegen, wobei ein Druck 2 von etwa 56 kg/cm2 bevorzugt ist. Auch die Temperatur ist nicht entscheidend und sie kann im Bereich von 200 bis 6000C variieren, wobei der bevorzugte obere Teil des Bereiches zumindest die Temperatur ist, bei der die polymeren Binderteilchen mit den katalytischen Teilchen zusammen,gesintert werden. Das untere 0 Ende des Temperaturbereiches liegt grob um 250 C, und zwar bei der Temperatur, bei der das Zusammenhaften der Teilchen fraglich wird.
Figur 2 zeigt die Oxidationsmittel- oder Kathodenseite des intern gekühlten bipolaren Separators 12. Die Kathodenströmungsplatte 30 besteht vorzugsweise aus handelsüblich reinem Niob und sie kann etwa 0,125 mm dick sein. Die Anodenströmungsplatte, die in Figur 2 nicht gezeigt ist, besteht vorzugsweise aus Zirkonium, da Zirkonium ausgezeichnet beständig ist gegenüber Wasserstoffversprödung, obwohl auch andere Metalle, wie Niob, hierfür benutzt werden können. Die Beständigkeit von Niob gegenüber Wasserstoffversprödung ist nicht so gut wie die von Zirkonium, so daß Zirkonium für die Anodenströmungsplatte bevorzugt ist.
Die Sauerstoffeinlaßleitung 22 ist in der Ausnehmung 23 angeordnet, die in Verbindung steht mit dem Sauerstoffverteilungskanal 24, der sich längs der oberen Kante des Separators 12 erstreckt. Mehrere Grate 27 erstrecken sich längs des Strömungsfeldes und wirken als blockierende Rippen, um die Sauerstoffströmung in im allgemeinen parallelen Pfaden über die Oberfläche des Kathodenströmungsfeldes zu drücken. Das heißt, daß die Grate 27 höher sind als die das Strömungsfeld bildenden Projektionen 26 (vgl. Figur 1) und daß sie mehrere Pfade für das Oxidationsmittel bilden. Die Vorsprünge oder Erhebungen können halbkugelförmig, oval oder rautenförmig ausgebildet sein. Die genaue Konfiguration ist nicht kritisch, solange Strömungskanäle für Sauerstoff sich über die gesamte Elektrodenoberfläche erstrecken.
Eine Sauerstoffauslaßleitung 35 ist in einer ähnlichen Ausnehmung 36 am Boden der Baueinheit angeordnet und steht in Verbindung mit dem Sauerstoffauslaßverteilungskanal 37, der sich über den Bodenteil der Platte erstreckt. Einlaß- und Auslaßleitungen enthalten jeweils mehrere Durchgänge, die in Verbindung stehen mit zentralen Bohrungen, um die Sauerstoffströmung von der Einlaßleitung über die Oberfläche des Kathodenströmungsfeldes und das Entfernen überschüssigen Sauerstoffes und gebildeten Wassers durch die Auslaßleitung 35 zu gestatten.
Wasserstoffeinlaß- und -auslaßleitungen 28 und 34 befinden sich in gegenüberliegenden Ecken des Separators, um eine Brenn-Btoffströmung aus Wasserstoff über das Strömungsfeld der Anodenseite des Separators, das in der Figur 2 nicht ersichtlich ist, zu schaffen.
Wird sehr reiner Wasserstoff benutzt, dann kann man die Wasserstoff-Auslaßleitungen weglassen, da sich dann keine zu entfernenden inerten Stoffe ansammeln. Der nicht gezeigte Einlaß zu den Wasserstoffgasleitungen der Batterie wird durch ein Druckventil gesteuert, das betätigt wird, mehr Wasserstoff zu liefern, wenn Wasserstoff in den Zellen verbraucht wird.
Die Kühlmitteleinlaß- und -auslaßleitungen 29 stehen, wie besser in Figur 4 erkennbar)mit mitdem inneren Kühlmittelhohlraum in Verbindung, der den Kühlmittel-Strömungsfeldeinsatz 33 enthält.
Figur 3, die einen Querschnitt längs der Linie 3 - 3 der Figur 2 zeigt, gibt einen Abschnitt der bipolaren Separatoren 12 und 13 und der Membran 11 wieder, die zwischen den Separatoren unter Bildung der Brennstoffzelle 10 angeordnet ist. Kathoden- und Anodenplatten 30 und 31 des Separators 12 begrenzen die innere Kühlmittelkammer, die einen mit Erhebungen versehenen Strömungsfeldeinsatz 33 aus Titan für das Kühlmittel enthält. Die Vorsprünge 39 auf der Anodenpiatte 31 berühren einen nicht gezeigten Kohlenstoffpapierträger, der direkt an der Anodenelektrode 19 anliegt, die an eine Oberfläche der Membran 11 gebunden ist.
Die in der oberen Kathodenplatte 30 des Separators 12 gezeigten Vorsprünge 26 sind auch beim in Figur 3 unteren Separator 13, vorhanden, dort aber nicht gezeigt'und sie stehen in Berührung mit der porösen imprägnierten Graphitfolie 21, die direkt an der Kathodenelektrode 40 anliegt, die an die andere Seite der Membran 11 gebunden ist.
Der Kühlmittelströmungsfeldeinsatz 33 besteht vorzugsweise aus Titan und weist mehrere halbkugelförmige Vorsprünge 38 auf, die den Kühlmittelstrom längs der gegenüberliegenden Seiten der Trennung bestimmen. Die hohle Seite der halbkugelförmigen Vorsprünge neigt dazu, Wasser zu sammeln, so daß die Strömung längs dieses Seite statischer ist, als längs der anderen Seite der Vorsprünge. Als Ergebnis erhält man einen Unterschied im Kühlungsgrad auf den gegenüberliegenden Seiten der Baueinheit. Der Kühlmittelströmungseinsatz 33 ist nicht an dem Rahmen der Kammer befestigt, sondern lose zwischen den Strömungsfeldplatten der Anode und der Kathode gehalten.
Die verschiedenen Strömungsverteilungsplatten bestehen, wie oben bereits erwähnt, aus mit Erhebungen versehenen, etwa 0,125 mm dicken Blechen aus Zirkonium, Nldb oder Titan. Die Tiefe der verschiedenen Erhebungen und die Abstände sind offensichtlich eine Funktion der erwünschten Strömungsgeschwindigkeit und der erwünschten Masseströmung für die verschiedenen Reaktanten und Kühlmittel. So können z. B. die Vorsprünge in den Verteilungsplatten der Anode und Kathode zum Beispiel einen Abstand von etwa 2 mm und eine Tiefe von etwa 0,25 mm haben.
Die Kühlmittelströmunqsverteilungsplatte hat andererseits eine Tiefe von etwa 0,75 mm und einen Abstand von etwa 6 mm einfach deshalb, weil der Massentransfer des Kühlmittels sehr viel größer ist als der der Reaktantengase. Wie ersichtlich befinden sich die Vorsprünge in versetzten Reihen, wobei der genaue Abstand durch das erwünschte Strömungsmuster für die Strömungsmittel bestimmt ist. Der Fachmann kann Höhe, Abstand und Form der Erhebungen variieren, um sowohl auf der Oberfläche als auch im Inneren des bipolaren Separators das gewünschte# Strösungsmuster zu erhalten. Die Gestalt der Erhebungen braucht daher nicht halbkugelförmig zu sein.
Figur 4 gibt eine Querschnittsansicht durch die Zuführungsleitung für das Brennstoffgas wieder, durch die Wasserstoff in die Anodenkammer eingeleitet wird, die durch die Membran und eine Platte des bipolaren Separators gebildet wird. Kathoden-und Anoden-Strömungsverteilungsplatten 30 und 31 erstrecken sich über den aus Polysulfon bestehenden Rahmen 32 und sind an den Kanten verschweißt. Der Rahmen 32 und die aus Metall bestehenden Strdaungsverteilungsplatten sind durch Dichtungen 41 eas Teflon und/oder Silikon. Die auf der oberen und der unteren Oberfläche des Rahmens 32 angeordnet sind, voneinander getrennt. Das Oberteil des Leitungsknopfes bzw. Endstückes 42 der Wasserstoffzuführungsleitung ist bündig mit der Kathodenplatte 30. Die Platte bildet zusammen mit peripheren Abschnitten der Zellmembran und einem Silikonklebstoff über der Peripherie eine lecksichere Abdichtung, die das Eindringen von Wasserstoff in die Kathodenkammer verhindert. Auf der Anodenplattenseite steht eine Ausnehmung oder Vertiefung 43 in Verbindung mit einem Verteilungskanal 40, der sich längs des Oberteiles der Strömungsverteilungsplatte der Anode in einer ähnlichen Weise erstreckt, wie der in Figur 1 gezeigte Verteilungskanal 24 für den Sauerstoff. Der Leitungsabschluß bzw.
Knopf 42 erstreckt sich in eine Ausnehmung 43 und weist mehrere seitliche Durchgänge 44 auf, die mit einer zentralen Bohrung 45 in Verbindung stehen. Der Wasserstoff strömt durch die Durchgänge 44 in die Ausnehmung 43 und in den Wasserstoffverteilungskanal, der sich über den Oberteil der Anodenströmungsplatte erstreckt, so daß der Wasserstoff gleichmäßig über die Oberfläche der Anodenströmungsplatte verteilt wird.
Die Wasserstoffauslaßleitung hat eine ähnliche Konstruktion, indem überschüssiger WasserNtoff in einen horizontal verlaufenden Wasserstoffverteilungskanal einströmt, der längs dem Boden des Strömungsfeldes horizontal angeordnet ist und von dort aus strömt der Wasserstoff in eine Auslaßleitung, die in einer Ausnehmung angeordnet ist. Horizontale Durchgänge in der Auslaßleitung gestatten den Durchgang des verbliebenen Wasserstoffes aus der Zelle. Wird reiner Wasserstoff als Brennstoff benutzt, dann gibt es nur eine geringe Konzentration inerter Restprodukte, so daß man die Auslaßleitung weglassen kann.
figur 5 zeigt einen Querschnitt durch den Separator und die Sauerstoffauslaßleitung gemäß der Linie 5 - 5 in Figur 2. Die Konstruktion von Sauerstoffeinlaß- und -auslaßleitung ist identisch. Die zylindrische Leitung befindet sich in einer Ausnehmung 36 und steht in Verbindung mit einem Kanal 37, der das unverbrauchte Oxidationsmittel sammelt und sich horizontal längs dem Boden der Kathodenströmungsverteilungsplatte erstreckt. Eine zentrale Bohrung 62 in der Leitung steht in Verbindung mit der Ausnehmung 36 über mehrere Durchgänge 63, so daß überschüssiger Sauerstoff und das entstandene Wasser in die Bohrung und aus der Zelle gelangt. Die Leitung 35 ist bündig mit der Strömungsfeldverteileroberfläche der Anode, so daß beim Zusammenbauen der Zelle die Membranperipherie mittels eines Silikonklebstoffes am Rahmen befestigt wird und dadurch weder Sauerstoff noch entstandenes Wasser in den Anodenhohlraum gelangen kann.
Figur 6 schließlich zeigt eine Querschnittsansicht der Wasser einlaßleitung 29 längs der Linie 6 - 6 in Figur 2, die in Verbindung steht mit der inneren Kühlmittelkammer. Die Leitung 29 weist eine zentrale Bohrung und mehrere Durchgänge 71 auf, die mit dem Inneren der Kammer in Verbindung stehen, die durch den Rahmen 32 und die Strömungsverteilungsplatten 30 und 31 der Kathode und Anode gebildet wird. Die Kühlmittelströmungsverteilungsplatte 33, die in Figur 6 nicht gezeigt ist, wird zwischen den Platten 30 und 31 gehalten, und steuert die Kühlmittelströmung unter Erzeugung einer unterschiedlichen Kühlung auf den gegenüberliegenden Seiten des Separators. Die Konstruktion der Wassereinlaßleitung ist identisch der der Wasserauslaßleitung in der gegenüberliegenden Ecke des bipolaren Separators.
Insgesamt wird eine neue Batterieanordnung geschaffen, die mehrere innen gekühlte bipolare Separatorelemente benutzt, die die Reaktantenströmungsverteilung bestimmen und zwischen Elektroden angeordnet sind, die an den Membranen benachbarter Brennstoffzellen befestigt sind. Das durch den bipolaren Separator strömende Kühlmittel begründet einen Temperaturunterschied auf den gegenüberliegenden Seiten des Separators, was einen Temperaturunterschied zwischen der Anoden- und Kathodenelektrode der einzelnen Brennstoffzellen bedingt, so daß die Anodenelektrode, an der der Brennstoffreaktant (Wasserstoff) verbraucht wird, kühler ist als die Kathodenelektrode, der das Oxidationsmittel zugeleitet wird und an der Wasser entsteht. Die durch diesm Temperaturunterschied bedingte Rückdiffusion von Wasser von der Kathoden- zur Anodenseite minimalisiert das Austrocknen der Wasserstoffseite der Membran, die sonst durch die Entfernung des Hydratationswåssers durch den Protonenfluß eintreten könnte. Diese Anordnung hat sich als sehr wirksam erwiesen, eine hohe Packungsdichte der Zellen und bipolaren Elemente zu erreichen, sowie den Betrieb der Zelle zu optimieren, indem das Austrocknen der Wasserstoffseite der Membran minimalisiert wird.

Claims

Brennstoffzellenbatterie mit verbesserter Membrankühlung Patentansprüche 1. Brennstoffzellenbatterie mit mindestens zwei benachbarten Brennstoffzellen, wobei jede dieser Brennstoffzellen die folgenden Bestandteile umfaßt: a) eine hydratisierte isnenaustauschende Membran (11), b) eine Anoden-(19) und eine Kathodenelektrode (40) in innigem Kontakt mit den gegenüberliegenden Oberflächen der Membran (11), c) jeweils eine Einrichtung zum Zuführen von Brennstoffgas zu der Anode und einemaxidierendenGas zu der Kathode jeder Zelle und d) eine Einrichtungum umeinen Temperaturunterschied über der Membran (11) einzurichten, damit die Anodenelektroden-Seite der Membran kälter gehalten wird als die Kathoden-Seite.
2. Brennstoffzellenbatterie mit mindestens zwei benachbarten Reihen verbundener Brennstoffzellen, bei denen jede Zelle die folgenden Bestandteile aufweist: a) eine hydratisierte ionenaustauschende Membran (11), b) eine Anoden-(19) und eine Kathodenelektrode (40) in innigem Kontakt mit den gegenüberliegenden Oberflächen der Membran (11) c) jeweils eine Einrichtung zum Zuführen von Brennstoffgas zu der Anode und eines oxidierenden Gases zu der Kathode jeder Zelle, d) bipolare Separatoren (12; 13) mit Vorsprüngen (26; 39) die mit den Anoden- und Kathodenelektroden benachbarter Zellen in Berührung stehen und e) eine Einrichtung, um eine Wasserdiffusion durch die Membran zur Anodenseite der Zellmembran zu erzeugen, die eine Einrichtung einschließt, um die Anodenseite stärker zu kühlen als die Kathodenseite.
3. Brennstoffzellenbatterie mit mindestens zwei benachbarten Brennstoffzellen der Art, die eine Membran einschließt, die Anode und Kathode in innigem elektrischem Kontakt damit aufweist, gekennzeichnet durch: a) jeweils eine Einrichtung, um Brennstoff- und oxidierendes Gas zu der Anoden- und Kathodenelektrode jeder Zelle zu leiten und b) eine Einrichtung, um die Temperatur der Anodenseite der Membran unterhalb der der Kathodenseite zu halten, um das Austrocknen der Anodenseite minimal zu halten, wobei diese Einrichtung differentiell gekühlte elektrisch leitende bipolare Separatoren (12, 13) einschließt, die zwischen den Elektroden benachbarter Zellen angeordnet sind und Vorsprünge aufweisen, die diese Elektroden berühren, wobei die kältere Seite des bipolaren Separators die im Kontakt mit der Membran einer Zelle stehende Anode berührt und die andere Seite die Kathode der benachbarten Zelle berührt, wodurch ein Temperaturunterschied über die Membran eingerichtet wird.
4. Brennstoffzellenbatterie nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Separator (12) eine innere Kammer und eine Einrichtung aufweist, den Kühiiaittelstrom durch die Kammer so zu richten, daß die gegenüberliegenden Seiten der Kammer unterschiedlich gekühlt werden.
5. Brennstoffzellenbatterie nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Kühlmittelströmung auf den gegenüberliegenden Seiten der Kammer in dem bipolaren Separator verschieden ist.
6. Brennstoffzellenbatterie nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Kühlmittelkainmer des bipolaren Separators eine die Strömung richtende Einrichtung aufweist, die untersch edliche Strömungsgeschwindigkeiten längs den gegenüberliegenden Seiten der Kammer erzeugt.
7. Elektrisch leitendes bipolares Separatorelement für chemische Zellen mit elektrisch leitenden Wänden, die Vorsprünge aufweisen, um die Elektroden der Zellen zu berühren, wobei die genannten Wände eine innere Kühlmittelkammer für den Separator begrenzen, g e k e n n z e i c h n e t durch: a) eine Einrichtung'um eine Verbindung mit dem Inneren der Kammer zu schaffen, die das Einführen und Entfernen des Kühlmittels gestattet und b) eine Einrichtung in der inneren Kammer, um unterschiedliche Kühlmittelstromungsgeschwindigkeiten längs den Wänden der Kammer zu erzeugen, um so diese Wände des bipolaren Separators unterschiedlich zu kühlen.
8. Separator nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Einrichtung in der Kammer zum Erzeugen unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeiten eine Platte mit Vorsprüngen auf der einen Seite und Vertiefungen auf der gegenüberliegenden Seite einschließt.