DE3907819A1

DE3907819A1 - Aufbau einer ionenaustauscher-brennstoffzelle mit verbesserter waerme- und wasserhandhabung

Info

Publication number: DE3907819A1
Application number: DE3907819A
Authority: DE
Inventors: Otto J Adlhart; Jun Matthew J Rosso
Original assignee: ERGENICS POWER SYSTEMS Inc NEW
Current assignee: ERGENICS POWER SYSTEMS Inc NEW
Priority date: 1987-06-02
Filing date: 1989-03-10
Publication date: 1990-09-13
Also published as: US4826741A

Description

Diese Erfindung befaßt sich mit der Konstruktion von Brennstoffzellen mit Ionenaustauschermembran, wie im US-Patent 41 75 165 von dem hier zuerst genannten Er finder beschrieben. Speziell liefert diese Erfindung eine Zellenanordnung mit verbesserter Wasser- und Wärmehandhabung.

Seit einiger Zeit ist bekannt, daß Brennstoffzellenan ordnungen mit Ionenaustauschermembran geeignete Quellen für elektrische Energie sein können. Sie können bei oder unterhalb der Raumtemperatur in Betrieb genommen werden und erfordern zum Betrieb keine ätzenden Elektrolyte. Zur Energieerzeugung wird eine Wasser stoff-Sauerstoff-Reaktion verwendet. Somit ist das Reaktionsprodukt Wasser die einzige zu berücksichtende Flüssigkeit.

Wasserstoff ist eine entwicklungsfähige Brennstoffwahl für Zellen mit Ionenaustauscher-Elektrolyten in Mem branen. Wasserstoff kann man aus den bekannten Quellen erhalten, wie z.B. Methanol, jedoch ist Wasserstoff gebunden in reversiblen Metallhydriden besonders attraktiv. Typische reversible Metallhydride sind u.a. LaNi₅, FeTi und MnNi_{4 · 15}Fe_0.85. Die Packungsdichte von Wasserstoff in Hydriden ist sehr hoch. Damit bildet diese Methode vom Standpunkt der Sicherheit her eine attraktive Alternative zu anderen Methoden der Wasser stofflieferung. Die Freisetzung des Wasserstoffs aus Hybride-Vorratstanks wird durch die verfügbare Heizung begrenzt, weil die Freisetzungsreaktion für Wasserstoff endotherm ist (typisch im Bereich von 7,5 Kcal/Mol H₂ entsprechend 324 Kj/mol H₂).

Bei der Entwicklung geeigneter Stacks aus Brennstoff zellen mit Ionenaustauschermembran ergaben sich ver schiedene Probleme, die die Handhabung von Wasser und Wärme betrafen.

Gut leitende Ionenaustauschermembranen waren, bei E.I. DuPont Nemours and Company als Persulfonsäuremembranen bekannt, unter dem Handelsnamen NAFION zu erhalten. Ebenso hat Dow Chemicals Company sehr leistungsfähige Ionenaustauschermembranen entwickelt. Dows US-Patent 44 17 969 beschreibt Membranen, die im wesentlichen aus einem fluoritierten Polymer bestehen, das Seitenketten mit Sulfonsäure Ionenaustauschergruppen enthält. Bei Verwendung dieser Membranen werden ausgezeichnete Eigenschaften erzielt, wenn die Brennstoffzellen unter vollständig hydratisierten, im wesentlichen wasserge sättigten Bedingungen betrieben werden. Jedoch ist solch ein gesättigter Zustand in Stack-Aufbauten schwer zu erreichen. Ein Überfluten der Zelle, verursacht durch das Entstehen von Reaktionswasser im Stack oder eine Membranaustrockung, verursacht durch Temperatur unterschiede oder übermäßiges Ausdampfen von Wasser aufgrund des Aduktgasflusses können einzeln oder ins gesamt zu einem Leistungsverlust oder einer Beschädi gung der Membran führen.

Die Aduktgase müssen über große Elektrodenflächen ver teilt werden, ohne daß es in der Ionenaustauschermem bran zur lokalen Austrocknung kommt. Ebenso darf die Ansammlung des Reaktionswassers nicht die Verteilung der Adukte stören.

Der Zelltemperatur kommt in diesem Zusammenhang eine besondere Bedeutung zu. Falls eine Kühlung nicht so ausgeführt ist, daß sich ein minimaler Temperatur gradient längs der Elektroden einstellt, ist keine gleichmäßige Stromdichte aufrechtzuerhalten.

Auf diese Probleme zugeschnittene Zell- und System konstruktionen sind eine Voraussetzung für die Ent wicklung von Brennstoffzellen-Kraftwerken unter Ver wendung von Zellen mit Ionenaustauschermembran.

Mit den Problemen der Handhabung des Wassers hat sich der hier zuerst genannte Erfinder im US-Patent 41 75 165 befaßt. Dabei wurden hydrophile Beschichtungen auf die relevanten Teile der Brennstoffzellen aufgebracht, um ein Ablaufen des Produktwassers zu erleichtern. Der Einsatz einer hydrophilen Beschichtung ist jedoch nur in kleinen Zellanordnungen effektiv. Zudem ist der Schutz gegen ein Austrocknen der Zelle nicht ausrei chend.

Das US-Patent 42 15 183 der General Electric Company zeigt die Verwendung eines wasserdichten Kohlepapiers über der katalytischen Elektrode, die sich neben der Membran befindet, um das Überfluten der Elektrode zu verhindern. Auch die Verwendung des US-Patents 42 15 183 löste nicht das Problem des Austrocknens der Mem bran oder das Problem, das Wasser aus einer Zellanord nung zu entfernen.

Demgemäß gab es eine Notwendigkeit für eine Brennstoff zelle mit Ionenaustauschermembran und eines daraus be stehenden Stacks mit Verbesserungen bezüglich der Wärme- und Wasserhandhabung. Es war auch wünschenswert, einen solchen Brennstoffzellen-Stack darzulegen, der hydridgebundenen Wasserstoff für den Betrieb der Zelle verwendet und die beim Betrieb der Zelle anfallende Wärme zur Freisetzung des Wasserstoffs heranzieht.

Die zuvor beschriebenen sowie weitere Mängel werden hier in einer besonders geeigneten, neuartigen und unüblichen Weise behoben. Jede Brennstoffzelle eines Stacks wird mit einer Beschichtung für den Wassertrans port versehen. Dies ergibt flexible Konstruktionsmög lichkeiten bezüglich der Wasserhandhabung und ermög licht eine Optimieren der speziellen Brennstoffzellen und Stack-Konstruktion.

Somit ist es ein wichtiger Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzelle mit Ionenaustauscher membran darzulegen, die eine Ausführung mit verbesser ter Wasser- und Wärmehandhabung ermöglicht. Des weite ren ist es ein Gegenstand dieser Erfindung, eine solche Brennstoffzelle darzulegen, die das Problem des Über flutens und Austrocknens der Membran löst und die wei terhin über effektive Maßnahmen zur Wärmeableitung ver fügt.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle darzulegen, in der ein Ausdampfen des in der Zelle gespeicherten oder der Zelle zugeführten Wassers dazu verwendet werden kann, Wärme aus dem ge stackten Zellenaufbau abzuführen.

Es ist noch ein weiterer Gegenstand dieser Erfindung, eine solche Brennstoffzelle darzulegen, bei der Flüs sigkeits- und Luftkühlung eingesetzt wird.

Es ist ein weiterer Gegenstand dieser Erfindung, eine solche Brennstoffzelle darzulegen, die eine Vergröße rung des Stacks ermöglicht.

Es ist ein weiterer Gegenstand dieser Erfindung, solch ein gestacktes Brennstoffzellensystem darzulegen, das die in der Zelle entstehende Wärme dazu verwendet, Was serstoff aus einer Hydridschicht freizusetzen, um so für den notwendigen Wasserstoff als Brennstoff zu sor gen.

Eine erfindungsgemäße Anordnung von Brennstoffzellen enthält eine Vielzahl gestackter Brennstoffzellen. Jede besitzt eine Brennstoffelektrode und eine Sauer stoffelektrode, eine dazwischen liegende Ionenaustau schermembran, die beide angeführten Elektroden berührt, eine Brennstoffverteilerplatte, um den Brennstoff der Brennstoffelektrode zuzuführen, eine Sauerstoffvertei lerplatte, um den Sauerstoff der Sauerstoffelektrode zuzuführen, ein flüssigkeitsdurchlässiges, elektrisch leitfähiges Bauteil, das von den Elektroden isoliert ist und undurchlässige, äußere Bauteile. Die Positio nierung des flüssigkeitsdurchlässigen, leitfähigen Bau teils (Bauteil zur Speicherung und zum Transport des Produktwassers) hängt von der Wahl der Ausführung ab. Es muß sich aber zwischen den äußeren Bauteilen und, von den Elektroden aus gesehen, außen befinden.

Die Anordnung ist üblicherweise Teil eines integrierten Systems, das auch für das Abführen der Wärme von der Brennstoffzelle während des Betriebs sorgt. Das Abfüh ren der Wärme kann alternativ durch Verdampfungsküh lung, direkte Luftkühlung oder Flüssigkeitskühlung er folgen.

Das zu bevorzugende integrierte System umfaßt auch ein Hydridlager, aus dem gasförmiger Wasserstoff als Brenn stoff für die Brennstoffzelle erzeugt wird. Der gasför mige Wasserstoff ist der Brennstoff, der in der Brenn stoffzelle verbraucht wird. Das integrierte System lei tet weiterhin Abfallwärme von der Brennstoffzelle zum Hydridlager, dort wird die Abfallwärme dazu verwendet, Wasserstoff aus dem Hydridlager als Brennstoff freizu setzen. Die Art des Wärmetransports hängt von der Art der Zellkühlung ab. Die besagte Methode des Wärmetrans ports kann mittels Wasserkondensation aus der heißen Reaktionsluft arbeiten, die den Stack verläßt. Ebenso kann der Wärmetransport durch direkten Kontakt zwischen dem Stack und dem Hydridtank erreicht werden. Des wei teren kann das flüssige Kühlmittel, das die Wärme aus der Zelle abführt, dazu verwendet werden, die Wärme für die Freisetzung des Wasserstoffs zu liefern.

Die zuvor beschriebenen sowie weitere Merkmale und Ver besserungen werden mittels der beigefügten Zeichnungen deutlicher:

Fig. 1 zeigt eine schematische, perspektivische Explosionszeichnung einer bevorzugten Stack- Anordnung der erfindungsgemäßen Brennstoff zellen,

Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht einer einzelnen Brennstoffzellenanordnung aus Fig. 1,

Fig. 3 zeigt einen perspektivischen Umriß einer vertikal aufgebauten Anordnung. Sie verdeut licht das Abführen der Wärme aus der Anordnung mittels Verdampfungskühlung,

Fig. 4 zeigt einen perspektivischen Umriß einer ver tikal aufgebauten Brennstoffzellenanordnung, sie verdeutlicht das Abführen der Wärme aus der Anordnung mittels direkter Luftkühlung,

Fig. 5 zeigt einen perspektivischen Umriß einer ver tikal aufgebauten Brennstoffzellenanordnung, sie verdeutlicht das Abführen der Wärme aus der Anordnung mittels Flüssigkeitskühlung,

Fig. 6 zeigt einen perspektivischen Umriß einer ver tikal aufgebauten Brennstoffzellenanordnung, sie verdeutlicht die Verwendung von Wasser stoffgas als Brennstoff für den Betrieb der Zellen, welches aus einem Hydridlager in einem Hydridbehälter herangeführt wird,

Fig. 7 zeigt im Schnitt eine Vorrichtung zur Ablei tung von Wasser aus der Brennstoffzellen anordnung unter den Bedingungen der Schwere losigkeit.

Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Brennstoffzellenanordnung allgemein als 20 bezeichnet. Sie enthält eine Vielzahl von gestackten Brennstoffzellen 22. Die Zellen 22 sind bipolargestackt, sie werden durch die Endplatten 24 und 26 in der Weise zusammengehalten, wie im US-Patent 41 75 165 beschrieben.

Jede Brennstoffzelle 22 ist aus den folgenden Komponen ten zusammengesetzt. Ein gasdurchlässiges, elektrisch leitendes Blech 44 ist mit einem hydrophilen, flüssig keitsdurchlässigen Bauteil 42 in elektrischem und mechanischem Kontakt. Die gegenüberliegende Seite des Bauteils 42 ist mit einer porösen hydrophoben Vertei lerplatte 34 in mechanischem Kontakt. Das hydrophile flüssigkeitsdurchlässige Bauteil 42 und die hydrophobe Verteilerplatte 34 sind von einer Dichtung 33 aus z.B. Silikongummi oder Vitron umschlossen. Diese bildet einen gasdichten Verschluß für die Brennstoffelektro denseite. Die Verteilerplatte 34 ist ebenfalls in elektrischem und mechanischem Kontakt mit der kataly tischen Brennstoffelektrode 28 und zwar über ihre ge samte Oberfläche. Sie besitzt Nuten 40, die sich auf der Seite der Brennstoffelektrode 28 befinden. Die Brennstoffelektrode 28 liegt an einer Ionenaustauscher membran 32. Auf der gegenüberliegenden Fläche der Mem bran liegt die katalytische Sauerstoffelektrode 30. Eine zweite hydrophobe, poröse Verteilerplatte 38 ist in elektrischem und mechanischem Kontakt mit der Sauer stoffelektrode 30. Die poröse Verteilerplatte 38 be sitzt Nuten 36, die sich auf der Seite der Sauerstoff elektrode 30 befinden. Die Platte 38 ist in einem iso lierten Kathodenrahmen 37 aus z.B. Plastik oder Hart gummi eingefaßt, der über Schlitze 39 für die Reak tionsluft verfügt. Der Kathodenrahmen 37 und die Ver teilerplatte 38 sind beide in elektrischem und me chanischem Kontakt mit einem gasundurchlässigen, elek trisch leitenden Abscheideblech 44, das eine Brenn stoffzelle 22 vervollständigt. Eine Vielzahl von Brenn stoffzellen werden so übereinander angeordnet und zwi schen den Endplatten 24 und 26 zusammengepreßt, um die Brennstoffzellenanordnung 20 zu vervollständigen.

Zusätzliche Konstruktionsmerkmale jeder Brennstoffzelle 22 werden in Fig. 2 dargestellt. Sie zeigt, daß die Zelle 22 eine Vielzahl von Schichten umfaßt, nämlich eine katalytische Brennstoffelektrode 28, zu der der Brennstoff geleitet wird, eine katalytische Sauerstoff elektrode 30, zu der ein sauerstoffhaltiges Gas gelei tet wird und eine dazwischenliegende Ionenaustauscher membran 32, die mit den Elektroden 28 und 30 in Kontakt ist. Die Ionenaustauschermembran 32 arbeitet als Elektrolyt. Die Schichten der Brennstoffzelle 22 umfassen weiterhin eine elektrisch leitende Aduktver teilerplatte 34. Sie ist mit der gesamten Oberfläche der Brennstoffelektrode 28 in Kontakt. Die Verteiler platte 34 ist aus porösem Material, das Nuten 40 haben kann, die zur benachbarten Brennstoffelektrode 28 wei sen, jedoch, wie in Fig. 1 gezeigt, können die Nuten 40 des Materials auch fortgelassen werden. Die Brennstoff zelle 22 umfaßt weiterhin eine elektrisch leitende Aduktverteilerplatte 38. Sie ist mit der gesamten Flä che der Sauerstoffelektrode 30 in Kontakt. Die Vertei lerplatte 38 ist aus porösem Material und besitzt Nuten 36, die zur Sauerstoffelektrode 30 weisen. Die Nuten 36 können jedoch auch fortgelassen werden.

Die Brennstoffzelle 22 besitzt ein flüssigkeitsdurch lässiges elektrisch leitendes Bauteil 42. Es befindet sich mit der von der Elektrode 28 abgewandten Fläche der Äduktverteilerplatte 34 in Kontakt. In alternativen Konstruktionen ist das Bauteil 42 von der Verteiler platte 38 oder den Platten 34 und 38 nach außen weisend angebracht. Die Brennstoffzelle 22 hat äußere Begren zungen in Form von gasundurchlässigen leitfähigen Blechen 44, die dafür sorgen, daß die Reaktionsgase von den benachbarten Brennstoffzellen des Stackes fernge halten werden.

Die Aduktverteilerplatten 34 und 38 sind vorteilhafter weise Metallsiebe, metallisierte Kunststoffsiebe oder poröse Kunststoffe oder Keramiken. Es können auch per forierte oder gewellte Metallbleche sein. Alternativ hierzu können die Verteilerplatten 34 und 38 aus Graphitschaum hergestellt werden, wie etwa netzförmiges glasartiges Graphit. Ein weiteres geeignetes Material für die Platten 34 und 38 ist poröses Graphit mit oder ohne den Nuten gemäß Fig. 2.

Die Dicke der Verteilerplatten 34 und 38 liegt typi scherweise im Bereich von 0,2 mm bis 5 mm. Die Vertei lerplatten 34 und 38 können zur Reduzierung des Kontaktwiderstandes vergoldet oder vernickelt werden. Weiterhin sind die Verteilerplatten 34 und 38 hydro phob. Dies kann durch Imprägnieren mit Tetrafluor äthylen (Teflon) erreicht werden.

Das flüssigkeitsdurchlässige elektrisch leitende Bauteil 42 besitzt Einrichtungen zum Speichern und zum Transportieren von Wasser zur Brennstoffzelle 22 hin und von der Brennstoffzelle 22 fort. Das Bauteil 42 kann ein Metallsieb mit einer Ausfütterung aus mine ralischen oder organischen Fasern sein, so daß ein elektrischer Strom durch das flüssigkeitsdurchlässige Bauteil 42 fließen kann. Beispielsweise kann Bauteil 42 aus einem netzförmigen Graphitschaum bestehen. Alterna tiv hierzu kann das flüssigkeitsdurchlässige Bauteil 42 aus porösen Graphit oder Kohlenstoff bestehen, die durch Imprägnieren mit kolloidaler Kieselerde hydrophil gemacht wurden oder es besteht aus metallisierten Kera miken.

Das Erzeugen der elektrischen Energie geschieht im we sentlichen in der katalytisch aktivierten Membran 32. Die Ionenleitfähigkeit resultiert aus einem Wandern der Wasserstoffionen durch die Polymerketten in der Membran 32. Die Energie wird durch die Reaktion des Wasser stoff-Brennstoffs an der katalytischen Elektrode 28 er zeugt, wobei der Wasserstoff Elektronen abgibt und als Protonen in das Polymer eintritt. An der Sauerstoff elektrode 30 reagieren Protonen von der katalytisch aktivierten Membran 32 mit Sauerstoff und den Elek tronen, die vom elektrischen Verbraucher zurückkommen, zu Wasser. Dieses muß nun aus der Brennstoffzelle 22 abgeführt werden.

Beim Betrieb der Brennstoffzelle 22 strömt sauerstoff haltiges Gas und gasförmiger Wasserstoff als Brennstoff in die Anordnung 20. Der Brennstoff wird in der Anord nung 20 verbraucht, wobei Wärme erzeugt wird, die abge führt werden muß. Die Fig. 3, 4 und 4 zeigen schema tisch, wie dieses Abführen der Wärme erreicht werden kann, nämlich alternativ durch Verdampfungskühlung, direkter Luftkühlung und Flüssigkeitskühlung.

In Fig. 3 wird eine Zellenordnung 20 und eine daran be festigte, mit Rippen versehene, Platte 50 gezeigt. Sie bildet eine Kondensationsfläche 51. Ein Reaktionsstrom 53, der der Anordnung 20 entströmt, ist mit Wasser ge sättigt. Der Strom trifft auf die Platte 50, gibt dort Wärme ab und führt zu einem Kondensat aus flüssigem Wasser, das in die Brennstoffzellenanordnung 20 zurück gespeist werden kann, wie in Fig. 2 durch 52 angedeu tet. Der Aufbau gemäß Fig. 3 zur Wärmeableitung durch Verdampfungskühlung kann ähnlich einem Wärmeableitrohr sein. Einer der Vorteile dieses Aufbaus gegenüber Alternativen zur Zellkühlung ist, daß der Durchfluß der Reaktionsstoffe ein Vielfaches des stöchiometrisch erforderlichen Wertes sein kann, ohne daß die Notwen digkeit der Vorbefeuchtung gegen ein Austrocknen der Zelle gegeben ist.

Die Aufbauten gemäß den Fig. 4 und 5 enthalten Modifi kationen der Brennstoffzellenanordnung 20. In einem System, das Luft benötigt, wird Luft durch die Fusion oder erzwungenes Strömen zugeführt. Die Luft tritt di rekt in die Zellanordnung durch (nicht gezeigte) Öff nungen, die sich längs der Seite des Brennstoffzellen stacks 22 befinden. Durch eine übliche Verteilerleitung wird Wasserstoff zugeführt (nicht gezeigt).

In der Fig. 4 ist eine Brennstoffzellenanordnung 20 A dargestellt, bei der Kühlelemente 60 zwischen den Brennstoffzellen 22 oder Gruppen von Brennstoffzellen 22 angeordnet sind. Dies ermöglicht der Kühlluft durch die Anordnung 20 A hindurchzutreten, wie bei 62 schema tisch dargestellt.

Fig. 5 zeigt eine Brennstoffzellenanordnung 20 B, bei der Kühlelemente 64 zwischen den Brennstoffzellen 22 oder Gruppen von Brennstoffzellen 22 angeordnet sind. Wie bei 66 schematisch dargestellt, tritt flüssiges Kühlmittel in die Brennstoffzellenanordnung 20 B ein, durchquert die Anordnung 20 B durch die Elemente 64 und tritt nun aufgeheizt aus den Elementen 64 aus, wie bei 68 schematisch gezeigt. Von dort aus kann das Kühlmit tel direkt zu einem Wärmetauscher geleitet werden. Die Elemente 60 und 64 müssen elektrische Leiter sein. Die Röhren 66 und 68 müssen von dem Brennstoffzellenstack elektrisch isoliert sein.

Die erfindungsgemäße Zellanordnung kann vorteilhafter weise mit Wasserstoffgas als Brennstoff betrieben wer den. Fig. 6 zeigt schematisch einen solchen Aufbau. Er umfaßt eine modifizierte Brennstoffzellenanordnung 20 C, die, wie zuvor beschrieben, mit einem zirkulierenden Kühlmittel gekühlt wird sowie einen Hydridbehälter 70, der ein Hydridlager 72 enthält. Der Wasserstoff-Brenn stoff wird im Hydridlager 72 durch Wärme erzeugt, die vom Kühlmittelstrom 74 aus der Brennstoffzelle he rangeführt wird. Die beim Betrieb der Brennstoffzelle entstehende Überschußwärme, die nicht zur Freisetzung des Wasserstoffs benötigt wird, wird in einem luftge kühlten Wärmetauscher 78 abgegeben.

Fig. 7 zeigt ein Wasserrückgewinnungssystem zur Verwen dung in der Schwerelosigkeit. In dieses wird von einer Vielzahl von flüssigkeitsdurchlässigen Bauteilen 42 Wasser transportiert. Das flüssigkeitsdurchlässige Bau teil 42 dient dem Wassertransport und der Wasser speicherung. Seine Aufgabe ist es, von außen zugeführ tes Wasser, das in einer Brennstoffzelle 22 eintritt, zu verteilen und Produktwasser von dort abzuziehen. Ein Docht 82 ist mit einem wasseraufsaugenden Blatt 84 ver bunden, aus dem über eine Rückgewinnungsöffnung 88 das Wasser durch ein aufblasbares Kissen 86 ausgetrieben wird.

Ein zu Fig. 7 alternativer Ausbau ist für kurze terrestrische Missionen oder Mission in Schwerelosig keit geeignet. Bei diesem Aufbau ist die Notwendigkeit eines Vorratsreservoirs 84 der Dochtstruktur 82 und des Blattes 86 nicht mehr gegeben. In diesem Fall wird das Produktwasser in dem flüssigkeitsdurchlässigen Bauteil 42 innerhalb jeder Zelle gespeichert. Nach Beendigung jeder Mission wird das Wasser durch Anlegen eines Vaku ums über dieselben Wege, die für die Dochtstruktur 82 vorgesehen sind, entfernt. Dies kann praktischerweise mittels einer Saugpumpe geschehen, um eine große Menge des Wassers, das sich als flüssiges Wasser innerhalb der Bauteile 42 befindet, zurückzugewinnen. Bauteil 42 kann zu diesen Zwecken in Abhängigkeit von der Dauer der Mission vergrößert werden.

Beispiel 1

Eine Anordnung aus fünf Zellen wird mit Wasserstoff und Luft betrieben. Der Zell-Stack wird durch Ausdampfen von Wasser in den Reaktions-Luftstrom gekühlt. Die Zel len haben eine aktive Fläche von 100 cm² (15 cm×20 cm) und verwenden Nafion 117 Ionenaustauschermembranen. Beide Seiten der Membran werden durch eine dünne Be schichtung mit einem Platinkatalysator aktiviert. Auf der katalysierten Oberfläche auf der Anode befindet sich für die Reaktionsteilnehmer eine 0,2 cm Verteiler struktur. An der Katode dient zu diesem Zweck eine 0,1 cm dickes Blatt. Beide Bauteile sind aus porösem Gra phit (0,36 g/cm³) hergestellt, das mit einer Teflon- Emulsion imprägniert ist, um es hydrophob zu machen. Im Katodenbereich befindet sich zusätzlich zur wasserab weisenden Struktur eine hydrophile Komponente zum Wassertransport. Zwischen der Verteilerplatte und einem 0,06 cm dicken Grafoil-Blatt, das als gasundurchlässige Trennung dient, befinden sich hydrophile Elemente, die das Einsickern von Wasser in die Zelle erlauben. Es handelt sich dabei um 0,18 cm dicke poröse Graphit- Platten (0,36 g/cm³), die mit Nuten versehen sind, um auch den Gaszutritt zu den Zellen zu ermöglichen. Das poröse Graphit ist mit kolloidaler Kieselerde über zogen, um es hydrophob zu machen.

Die Zelle wird bei einem Wasserstoffdruck von 1,5 PSI = 10 500 Pascal in einem "dead-end"-Modus betrieben. Die Umgebungsluft wird im wesentlichen unter Atmosphären druck zugeführt. Die Durchflußrate der Luft beträgt etwa 4-6 l/Min (das fünffache des stöchiometrischen Wertes). Elektrische Messungen bei Betrieb des Fünf- Zellen-Stacks ergaben eine Stack-Spannung von 3,5 V bei 12 A Ausgangsstrom. Bei dieser Spannung werden 28,2 kcal/Std. an Wärme erzeugt, basierend auf dem geringe ren Heizwert von Wasserstoff. Ein Teil dieser Wärme wird aufgrund der natürlichen Konvektion von der Stack oberfläche und der Eigenwärme der Reaktionsgase abgege ben. Je nach den Bedingungen verbleibt ein bedeutender Teil der Wärme durch das Verdampfen von Wasser aus dem Stack zu transportieren, beispielsweise werden bei einer Stack-Temperatur von 55°C und einer Umgebungstem peratur von 22°C 26 g/Std. aus dem Stack zusätzlich zu dem Wasser verdampft, das sich bei der chemischen Reak tion bildet (20 g/Std). Dies entspricht bis zu 13,7 kcal/Std. oder 48,6% der erzeugten Wärme. Die für das Verdampfen des Wassers erforderliche Energie stabili siert bei diesen Betriebsbedingungen, wie Stack- Temperatur bei 55°C. Das Wasser wird aus einer externen Quelle eingespeist, sickert vom Boden aus in den Stack und wird über die hydrophilen Platten zu den Zellen ge führt.

Beispiel 2

Es wird ein luftumsetzender Stack aus 17 Zellen mit Wasserstoff betrieben, der aus einen Hydridlagertank herangeführt wird. Die von der Brennstoffzelle abgege bene Wärme wird in diesen Tests zur Freisetzung von Wasserstoff aus dem Hydridlagertank eingesetzt. Die Methode des Wärmetransports umfaßt ein Abdampfen von Wasser aus der Brennstoffzelle in den Strom der Reak tionsluft und sein anschließendes Kondensieren auf der Oberfläche des Hydridlagertanks.

Beispiel 3

Eine Anordnung aus 5 Zellen gemäß Beispiel 1 wird mit Wasserstoff-Sauerstoff betrieben. In diesem Test wird das Produktwasser innerhalb der Zelle im Bauteil 42 gespeichert. Es wird nach dem Betrieb der Zelle durch Anlegen eines Vakuums an die Verteilerleitung 84 ent fernt. Die Dicke des Bauteils 42 wird von 0,18 cm auf 0,5 cm vergrößert, um zusätzliches Wasser aufnehmen zu können. Der Stack wird bei 10 A im "dead-end"-Modus be trieben. Wasserstoff und Sauerstoff werden mit 1,5 PSI eingespeist. Die Stack-Spannung beträgt 4 V. Nach fünf einhalb Stunden wird der Betrieb unterbrochen, um das Produktwasser zu entfernen. In der Verteilerleitung 82 wird ein Vakuum erzeugt, wodurch 93 g Wasser gesammelt werden. Der Betrieb der Zelle wird wieder aufgenommen. Die Stack-Kühlung wird durch eine Wärmeabgabe durch die Endplatten bewerkstelligt.

Die Konstruktion des Stacks ist identisch mit der im Beispiel 1 beschriebenen. Der Hydridlagertank besteht aus zwei zylindrischen, nicht rostenden Stahlbehältern. Sie haben einen Durchmesser von 3,2 cm, sind 17,5 cm lang und sind mit 950 g HY-STOR 209 gefüllt, einer Mischmetall Nickel-Eisen-Legierung von Ergenics, Inc. Insgesamt beträgt die Wasserstoff-Lagerkapazität 100 l. Bei Raumtemperatur liegt der Wasserstoffdruck im Be reich von 150 bis 200 PSI er wird zum Betrieb der Zelle in einem Regulator auf 1,5 PSI herabgesetzt. Der Brenn stoffzelle wird Luft aus der Umgebung durch ein Minia tur-Gleichstrom-Gebläse zugeführt. Der Luftstrom wird durch eine Öffnung auf der Ansaugseite des Gebläses begrenzt. Die Luft durchströmt den Stack und liefert dabei Sauerstoff für die elektrochemische Reaktion so wie für das Ausdampfen des Wassers zur Zellkühlung. Die Stacktemperatur für eine vorgegebene Last variiert mit dem Luftdurchfluß. Beispielsweise stellt sich die Tem peratur der ausströmenden Luft bei 7 A Belastung (12,4 V und 87 W) auf eine Temperatur von 55° bis 57°C bei einer Durchflußrate von 12 l/min ein (5,5-faches des stöchiometrischen Wertes). Die ausströmende Luft wird direkt in die Hydridlagertanks geführt. Sobald die Luft in Kontakt mit den Hydridlagertanks kommt, sinkt die Lufttemperatur auf 50 bis 53°C. Weiterhin kondensiert die Feuchtigkeit auf den nichtrostenden Stahlzylindern, um den Wasserstoff freizusetzen, der für die Versorgung der Last gebraucht wird. Bei dieser Belastung arbeitet die Brennstoffzelle kontinuierlich über 110 Minuten, wobei in dieser Zeit der Wasserstoffinhalt der Hydrid lagertanks verbraucht wird. Ein kontinuierlicher Be trieb wurde mit Lasten bis zu 140 W bei 12 A erreicht. Das flüssige Wasser, das man zurückerhält, kann wieder in die Zelle für ein erneutes Verdampfen zurückgeführt werden. Dies ist nur ein Teil des Wassers, das ver dampft und reicht nicht aus, um die Zellkühlung auf rechtzuerhalten. Es ist notwendig, um genug Wasser für einen sich selbst erhaltenden Betrieb zu bekommen, zu sätzliches Wasser durch einen Wärmetauscher zu konden sieren, bevor oder nachdem die Luft in den Hydridtank gelangt.

Die Erfindung erfüllt die gestellten Anforderungen, Vorteile und weiteres gut. Die beschriebenen Details sind exemplarisch, sie dürfen nicht als Beschränkung der Erfindung verstanden werden, da vorbehaltlich sol che Details in den angefügten Ansprüchen eingeschlossen werden können.

Claims

1. Ionenaustauscher-Brennstoffzelle, gekennzeichnet durch,
eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, die beide in Kontakt mit einem Ionenaustauscherteil stehen, welches zwischen den Elektroden angeordnet ist;
ein erstes Verteilerelement für die Zuleitung eines Reaktionsmittels zur ersten Elektrode;
ein zweites Verteilerelement für die Zuleitung eines Reaktionsmittels zur zweiten Elektrode;
eine elektrische Leitfähigkeit der beiden Verteiler elemente;
eine Anordnung der beiden Verteilerelemente zwischen gasundurchlässigen, elektrisch leitenden Bauteilen und
ein flüssigkeitsdurchlässiges, elektrisch leitendes Bauteil zwischen den gasundurchlässigen Bauteilen, welches an den Außenseiten der Elektroden sowie in Abstand davon zwecks Speicherung und Transport von Flüssigkeit angeordnet ist.

2. Ionenaustauscher-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode eine Brennstoffelektrode und die zweite Elektrode eine Reaktionsmittelelektrode ist, wobei zwischen diesen beiden Elektroden ein Io nentauscherelement angeordnet ist, das mit den bei den Elektroden in Kontakt steht, das erste Vertei lerelement ein Brennstoffverteilerelement ist, das für die Zuleitung des Brennstoffs mit der Brenn stoffelektrode in Verbindung steht.

3. Ionenaustauscher-Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode eine plattenförmige Brenn stoffelektrode und die zweite Elektrode eine plat tenförmige Sauerstoffelektrode ist, das Ionentausch erelement plattenförmig ausgebildet und in Sandwich- Bauweise zwischen der Brennstoffelektrode und der Sauerstoffelektrode in Kontakt damit angeordnet ist, das durchlässige Brennstoffverteilerelement platten förmig und oberhalb einer Oberfläche der Brennstoff elektrode zwecks Zuleitung eines Wasserstoffgases als Brennstoff angeordnet ist, das Sauerstoffvertei lerelement plattenförmig ausgebildet ist und in Kon takt mit einer Oberfläche der Sauerstoffelektrode zwecks Zuleitung eines sauerstoffhaltigen Gases steht, wobei ferner das Brennstoffverteilerelement und das Sauerstoffverteilerelement zwischen einem Paar von gasdurchlässigen, elektrisch leitenden Se paratorplatten angeordnet ist, und das flüssigkeits durchlässige, elektrisch leitende Bauteil, welches zwischen den Separatorplatten an den Außenseiten der Elektroden angeordnet ist, plattenförmig ist.

4. Ionenaustauscher-Brennstoffzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssigkeitsdurchlässige Bauteil im Kontakt mit der Sauerstoffverteilerplatte steht.

5. Ionenaustauscher-Brennstoffzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssigkeitsdurchlässige Bauteil ein Faser material aufweist, in welches ein Metallsieb einge bettet ist.

6. Ionenaustauscher-Brennstoffzelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Fasermaterial aus Mineralfasern besteht.

7. Ionenaustauscher-Brennstoffzelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Fasermaterial aus organischen Fasern be steht.

8. Ionenaustauscher-Brennstoffzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssigkeitsdurchlässige Bauteil aus Kohlen stoff besteht und mit einem hydrophilen Material, wie kolloidaler Kieselerde, imprägniert ist.

9. Ionenaustauscher-Brennstoffzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssigkeitsdurchlässige Bauteil aus einem hydrophil imprägnierten Metall besteht.

10. Ionenaustauscher-Brennstoffzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilerelemente Metallsiebe sind.

11. Ionenaustauscher-Brennstoffzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilerelemente aus metallisierten Kunst stoffsieben oder aus porösen Kunststoffen bestehen.

12. Ionenaustauscher-Brennstoffzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilerelemente aus perforierten und ge wellten Metallblechen bestehen.

13. Ionenaustauscher-Brennstoffzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilerelemente aus einem Metallfilz be stehen.

14. Ionenaustauscher-Brennstoffzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilerelemente aus einem geschäumten Kohlenstoffmaterial bestehen.

15. Ionenaustauscher-Brennstoffzelle nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoffschaum aus netzförmigen, glasar tigen Kohlenstoffasern besteht.

16. Ionenaustauscher-Brennstoffzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilerelemente aus porösem Graphit her gestellt sind.

17. Ionenaustauscher-Brennstoffzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilerelemente aus einem porösem oder mit Nuten versehenen Keramikmaterial bestehen, wel ches durch eine Ummantelung mit Metall oder Armie rung mit Metallsieben elektrisch leitend gemacht ist.

18. Ionenaustauscher-Brennstoffzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke jedes der Verteilerelemente im Be reich von 0,2-5 mm liegt.

19. Ionenaustauscher-Brennstoffzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilerelemente durch Imprägnierung mit Tretrafluoräthylen hydrophob gemacht sind.

20. Ionenaustauscher-Brennstoffzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Gasseparatorplatten aus einem Metall, wie Tantal, Niobium, rostfreiem Stahl, Kupfer oder dergleichen besteht.

21. Ionenaustauscher-Brennstoffzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Gasseparatorplatten eine Dicke im Be reich von 0,05-2 mm hat und mit einem Metallüber zug als Korrosionswiderstand und/oder Mittel zur Reduzierung des Übergangswiderstandes hat.

22. Ionenaustauscher-Brennstoffzelle nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallüberzug aus Gold besteht.

23. Ionenaustauscher-Brennstoffzelle nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallüberzug aus Nickel besteht.

24. Ionenaustauscher-Brennstoffzelle nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasseparatorelement aus einem elektrisch leitenden, gasdurchlässigen, nichtmetallischen Ma terial besteht.

25. Ionenaustauscher-Brennstoffzelle nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch,
eine katalytische Brennstoffelektrode, zu der Brennstoff zugeleitet wird;
eine katalytische Sauerstoffelektrode, zu der ein Sauerstoff enthaltendes Gas zugeleitet wird;
eine Ionenaustauschermembrane als ein elektrolytisches Glied, welches zwischen und in Kontakt mit der Brennstoffelektrode und der Sauerstoffelektrode an geordnet ist.

26. Ionenaustauscher-Brennstoffzelle nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Wärmeableitvorrichtung.

27. Ionenaustauscher-Brennstoffzelle nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeableitvorrichtung eine Wasserverdamp fungsvorrichtung aufweist, wobei der Hauptteil des dieser Vorrichtung zugeführten Wassers von einer externen Wasserquelle stammt.

28. Ionenaustauscher-Brennstoffzelle nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußrate des Reaktionsgasstroms mehr als das Zweifache des stöchiometrischen Wertes be trägt.

29. Ionenaustauscher-Brennstoffzelle nach Anspruch 27, gekennzeichnet durch eine räumlich getrennt angeordnete, Kondensiervor richtung mit einer Kondensationsfläche, auf die der Reaktionsgasstrom, der gesättigten Wasserdampf mit sich führt, auftrifft unter Entspannung und Abgabe der aus der Brennstoffzelle abgeleiteten Wärme, wo bei das Kondensat in die Brennstoffzelle zurückge leitet wird.

30. Ionenaustauscher-Brennstoffzelle nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeableitvorrichtung Kühlelemente auf weist, die zwischen wenigstens einem benachbarten Paar von Brennstoffzellen angeordnet sind und durch die Kühlluft hindurchgeleitet wird.

31. Ionenaustauscher-Brennstoffzelle nach Anspruch 26, gekennzeichnet durch ein bipolares System mit zwei Zellen, wobei die Wärmeableitvorrichtungen Kühlelemente zwischen we nigstens zwei von benachbarten Paaren der Zellen aufweisen, wobei eine Kühlflüssigkeit durch die Kühlelemente hindurchgeleitet wird.

32. Ionenaustauscher-Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Hydridcontainer und ein reversibles Metall hydridlager in diesem Container zur Erzeugung von gasförmigem Wasserstoff für den Betrieb der Brenn stoffzelle.

33. Ionenaustauscher-Brennstoffzellensystem nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die heiße Flüssigkeit, die in der Brennstoff zelle erzeugt wird, durch den Hydridcontainer hin durch geleitet wird zwecks Nutzung der Wärme der heißen Flüssigkeit zur Freisetzung des gasförmigen Wasserstoffs in dem Hydridlager.

34. Ionenaustauscher-Brennstoffzellensystem nach Anspruch 32, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Hindurchleiten der erwärmten Kühlluft oder der durch Kondensierung erwärmten Luft aus der Zelle in den Hydridcontainer zur Nut zung der von der Luft mitgeführten Wärme zur Frei setzung des gasförmigen Wasserstoffs.

35. Ionenaustauscher-Brennstoffzellensystem nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche mit einer Brennstoffzelle, einem Hydridbehälter, einem Me tallhydridlager in dem Behälter zur Erzeugung gas förmigen Wasserstoffs als Brennstoff für die Brenn zelle und mit Mitteln für die Nutzung der aus der Brennstoffzelle abzuleitenden Wärme im Hydridlager durch unmittelbare thermische Leitung unter Nutzung der Separatorplatten.

36. Ionenaustauscher-Brennstoffzellensystem nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Wasserrückgewinnungssystem für die Nutzung un ter schwerelosen Bedingungen, wobei dieses Wasser rückgewinnungssystem aus flüssigkeitsdurchlässigen Verteilerplatten, dochtartigen Leitern, flüssig keitsabsorbierenden Blättern und aufblasbaren Bla sen besteht.

37. Ionenaustauscher-Brennstoffzellensystem nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Wasservorrats- und Rückgewinnungssystem, wel ches vergrößerte, flüssigkeitsdurchlässige Vertei lerplatten aufweist, die mehrfach gefaltet sind und an eine Evakuierungsvorrichtung angeschlossen sind.