DE1873176U - Brennstoffzelle. - Google Patents

Description

P.A.25i(9<.MU.63

DR. MÜLLER-BORE

f PATENTANWALT BRAUNSCHWEIG, 16. April 63

f AM BURSERPARK 8

\ TELEFON 28487

L. - A 628

Allis-Chalmers Manufacturing Company 1126 South 70th Street, West Allis 14

U.S.A.

Brennstoffzelle

Die Erfindung "bezieht sich auf die unmittelbare Umwandlung der chemischen Energie eines Brennstoffes mit Hilfe elektrochemischer Reaktionen in elektrische Energie. Sie betrifft eine Brennstoffzelleneinheit, die sich mit gleichen Zelleneinheiten zu einer Brennstoffzellenbatterie zusammenstellen läßt und dem Brenstoffzellentyp angehört, "bei dem übereinander angeordnet sind: ein zentral liegender, plattenartiger, eine für Gas undurchlässige und für Ionen durchlässige Membran bildender Elektrolyt, eine erste und eine aweite plattenartige Elektrode, die aus einem elektrisch leitenden und für das durchlässigen Material gebildet sind und zu beiden Seiten des zentralen Elektrolyts liegen, und je eine beim Zusammenstellen der Batterie als Distanzplatte dienende Endplatte auf der äußeren Seite der ersten und der zweiten Elektrode.

Sine Brennstoffzelleneiniieit dieses Üyps erzeugt eine elektromotorische Kraft, indem ein oxydierendes gas und ein Irennstoffgas mit zwei geeigneten Elektroden und einem Elektrolyten in Kontakt gebracht werden, ohne die Gase zu vermischen. Das oxydierende Gas wird an der ersten Elektrode eingeführt, wo es elektrochemisch mit dem Elektrolyten reagiert und an dieser Elektrode Elektronen verbraucht. Gleichzeitig wird das Brennstoffgas an der zweiten Elektrode eingeführt, wo es elektrochemisch mit dem Elektrolyten reagiert und dieser Elektrode Elektronen zuführt. Verbindet man die beiden Elektroden durch einen äußeren Kreis, so fließt ein elektrischer Strom in diesem Kreis, und man kann elektrische Energie aus der Zelle entnehmen.

Es ist bei Brennstoffzellen, auf die sich die Erfindung bezieht, eine bekannte !Tatsache, daß die Inergieabgabe, auf das Volumen der Batterie bezogen, umso größer ist, je mehr Zelleneinheiten auf den Zentimeter Dicke der zusammengesetzten Batterie kommen.

Die Erfindung hat sich deshalb die Aufgabe gestellt, eine Brennstoffzelleneinheit zu entwickeln, die kompakter und leistungsfähiger als die bekannten Zellen ist.

line Brennstoffzelleneinheit, die sich, mit gleichen Zelleneinheiten zu einer Brennstoffzellenbatterie zusammensetzen läßt und. übereinander einen zentral liegenden festen plattenartigen, eine für Sas undurchlässige und für Ionen durchlässige Membran "bildenden Elektrolyten, eine erste und eine zweite plattenartige, aus elektrisch leitendem und für Gas durchlässigem Material gebildete und jeweils auf einer Seite des zentralen Elektrolyten liegende Elektrode und je eine auf der Außenseite der ersten und der zweiten Elektrode liegende, in der zusammengestellten Batterie als Distanzplatten dienende Endplatte umfaßt, ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß in den Sndplatten, den Elektroden und dem zentralen Elektrolyten mehrere einzelne Löcher vorgesehen sind, die jeweils in einer Reihe liegen und dadurch eine Mehrzahl von Durchgängen durch die Zelleneinheit "bilden, wobei ein Paar dieser Durchgänge nur mit der ersten Elektrode in Verbindung steht, um das Strömen von oxydierendem Gas zu bzw. von dieser zu ermöglichen, während ein anderes paar dieser Durchgänge nur mit der zweiten Elektrode in Verbindung steht, um das Strömen von Brennstoffgas zu bzw. von dieser zu ermöglichen.

Als Membranelektrolyt für die erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinheit wiiedein Ionenaustauscherharz in Scheibenform bevorzugt.

Die Erfindung ist im nachstehenden anhand der Zeichnung beispielsweise beschrieben und dargestellt.

Fig· t ist eine perspektivische Darstellung einer Brennstoffzelleneinheit, wobei die einzelnen Platten voneinander abgehoben sind, um den Bau und die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit zu zeigen .

Fig. 2 ist ein vergrößerter Querschnitt durch eine Batterie, die aus einer Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten nach Fig. 1 zusammengestellt wurde.

Die in Fig. 1 auseinandergezogen dargestellte, als Ganzes mit 11 bezeichnete einzelne Brennstoffzelleneinheit umfaßt übereinanderliegend die folgenden Teile:

ein plattenartiges Kleirfc rode nelement 12 für oxydierendes Gras,

ein plattenartiges Elefctrodenelement 13 für Brennst off gas,

ein zentrales festes plattenartiges Ele&trolytelement 14, das a.üs einer für Ionen durchlässigen Membran besteht und zwischen den beiden genannten llektrodenelementen angeordnet ist,

einen durch das Bezugszeichen 16 angedeuteten Weg für oxydierendes Gras,

einen durch das lezugszeiehen 17 angedeuteten für Brennstoff gas und

Endplatten 18, die in einer aus den Brennstoffzelleneinheiten zusammengestellten Batterie als Distanzplatten dienen.

Die Elektrodenelemente 12 und 13 sind jeweils durch eine Dichtung 19 umgeben, die einen Rahmen bildet, von dem das Ilektrodenelement eingefaßt ist. Die Elektrodenelemente und ihre Dichtungsrahmen, das Elektrolytelement 14 und die Endpüatten 18 sind von praktisch rechtwinkliger gestalt und von gleicher Größe.

Obwohl die Ilektrodenelemente 12 und 13 und ihre Dichtungsrahmen 19, das llektrolytelement 14 und die Endplatten.18 in Form dünner flacher rechtwinkliger Platten dargestellt sind, versteht sich, daß sie auch in irgendeiner anderen geeigneten Gestalt konstruiert sein können.

Das Slektrodenelement 12 ist die Elektrode der Brennstoffzelleneinheit, zu der ein Gas, welches ein geeignetes Oxydationsmittel enthält, geleitet wird, und dieses Slektrodenelement 12 dient als Anode der Brennstoffzelleneinheit 11. Das Brennstoff gas-Elektrodenelement 13 wirkt als Kathode der Brennstoffzelleneinheit 11, Elektrodenelement 12 und Elektrodenelement Ϊ3 lie-

gen parallel und werden durch das feste llektrolytelement 14, das zwischen ihnen liegt, getrennt.

Die Elektrodenelemente 12 und 13 können aus irgend einem geeigneten porösen oder nicht porösen gasdurchlässigen Material, das die erforderlichen katalytischen Eigenschaften aufweist, hergestellt werden. Es ist äußerst wichtig, für die Reaktion große Oberflächen zu schaffen, um den jeweiligen Gasen das Durchdringen der Elektrodenelemente 12 und 13 zu gestatten, weil die elektrochemischen Reaktionen in der Brennstoffzelleneinheit an den Punkten stattfinden, an denen die Slektrodenelemente 12 und 13, das Elektrolytelement 14 und die Gase miteinander in Berührung kommenj ein derartiger Berührungspunkt wird im nachstehenden als Dreiphasen-¥erbindung bezeichnet. Wenn ein im wesentlichen nicht poröses Material verwendet wird, sollte es in Form eines Drahtgewebes oder einer gelochten oder gewellten Platte eingesetzt werden. In der hier in Bezug auf Fig« I beschriebenen Brennstoffzelleneinheit besitzt das Material für ^edes llektrodenelement ein flaches Gewebe aus platiniertem Mckeldraht (lOO Maschen) oder aus platiniertem Silberoder platiniertem Platindraht (52 Maschen), das innerhalb des Dichtungsrahmens 19 befestigt ist. Poröser Körper aus gesintertem Metall können ebenfalls mit einigem Vorteil als Slektrodenelemente eingesetzt werden.

Verschiedene ionendurchlässige und gasundurchlässige Membranen sind im Handel erhältlich und können mit Erfolg zur Herstellung des festen Elektrolytelenientes 14 benutzt werden. Eine geeignete Membran hat niedrigen elektrischen Widerstand und hohe Ionendurchlässigkeit. Es ist ferner wichtig, daß sich das Ionenaustausehermaterial in Form dünner Scheiben oder Blätter herstellen läßt, so daß man einzelne Zellen zu einer Hehrfaehzellenbatterie zusammenstellen kann, indem man dünne Seheiben der ionendurchlässigen Membrane abwechselnd mit den dünnen Scheiben der Elektrodenelemente 12 und 13 der Brennstoffzelleneinheit It üb e re inande rs c hie ht e t.

Es sei bemerkt, daß die Ionenselektivität einer besonderen Membran für die praktische Durchführung der Erfindung nicht entscheidend ist. Es hat sich gezeigt, daß sowohl für Anionen als auch für Kationen durchlässige Membranen verwendet werden können. Membranen, die aus Ionenaustauscherharzen auf einem Gewebeträger hergestellt wurden, ergaben gute Resultate und haben eine höhere mechanische Festigkeit als Membranen ohne Träger. Das für die ionendurchlässige Membrane ausgewählte Material soll für die benutzten Gase undurchlässig sein, um eine zuverlässige Trennung zwischen Brennstoffgas und oxydierendem Gas zu schaffen und jede direkte Vermischung der Gase zu verhindern. Ffär Anionen

durchlässige Membranen sind im Rahmen der Erfindung brauchbar, wenn sie mit der Lösung einer starken Base wie Natriumhydroxyd, ins Gleichgewicht gebracht

d/

wurden, um. sie vollständig in die Hydroxyform umzuwandeln. Für Kationen durchlässige Membranen werden mitkeE Lösung einer starken Mineralsäure, z.B. Schwefelsäure, ins Gleichgewicht gebracht, um sie vollständig in die Wasserstoff-Form umzuwandeln.

Die Wege 16 und 1,7 für oxydierendes Gas bzw. Brennstoffgas werden gebildet durch eine Mehrzahl von einzelnen Löchern 25 in dem Dichtungsrahmen 19. Jedes der rechteckigen Elektrodenelemente 12 und 1,3» dem zentralen llektrolytelement 14 und den Sndplatten 18 in der $Fähe der vier Ecken jedes dieser Elemente. Die Löcher in den Ecken jedes Elements liegen in einer Reihe und bilden dadurch vier Durchgänge, die durch die Bezugszeichen 21, 22, 23 und 24 gekennzeichnet sind.

Die beiden Durchgänge 21 und 22, die an diagonal gegenüberliegenden Ecken jedes Elementes liegen, sind in den Weg 16 des oxydierenden Gases eingeschaltet, und beide Durchgänge stehen über Verbindungskanäle 26 (von denen in der Zeichnung nur einer dargestellt ist) in Form länglicher Schlitze, die in dem Dichtungsrahmen I.9 zwischen den Löchern 25 in diesem und seiner elektrodischen Füllung vorgesehen sind, nur mit der elektro-

dischen Füllung des Elektrodenelementes 12 in Verbindung. Der Durchgang 21 bildet einen Einlaß für das oxydierende Gas zur Elektrodenfüllung des Elektrodenelementes 12, und der Durchgang 22 bildet einen Auslaß für das der Füllung von Elektrodenelement 12 zugeführte Gas.

Die beiden Durchgänge 23 und 24, die in diagonal gegenüberliegenden Ecken jedes Elektrodenelementes liegen, sind in den Brennstoffgas-Weg 17 eingeschaltet und stehen über Verbindungskanäle 27 in Form länglicher Schlitze, die in dem Dichtungsrahmen 19 des Elektrodenelementes 13 zwischen den löchern 25 in diesem und seiner elektrodischen Füllung vorgesehen sind, nur mit der elektrodischen Füllung des Elektrodenelementes 13 in Verbindung. Der Durchgang 23 bildet einen Einlaß für das Brennstoffgas zu der elektrodischen Füllung des Elektrodenelementes 13, und der Durchgang 24 bildet einen Auslaß für das der Füllung von Elektrodenelement 13 zugeführte Gas.

Is wird betont, daß die Ströme von oxydierendem Gas und Brennstoffgas sich nicht physikalisch miteinander vermischen, sondern während ihres Durchgangs durch die Brennstoffzelleneinheit 11 getrennt bleiben. Die Gase werden in die Brennstoffzelleneinheit 11 durch geeignete Pumpeinrichtungen oder andere Druckquellen (nicht dargestellt) eingeführt.

Das oxydierende Gas tritt in den Durchgang 21 ein, strömt durch den Verbindungskanal 26 und kommt mit der Füllung des Elektrodenelementes 12 in Kontakt. Zwischen dem als Einlaß dienenden Durchgang 21 und dem als Auslaß dienenden Durchgang 22 wird ein schwacher Druckunterschied aufrechterhalten, so daß das oxydierende Gas die ganze Fläche der Füllung von Elektrodenelement 12 bestreichen kann. Man läßt eine genügende Gasmenge zirkulieren, um die Ansammlung von Verunreinigungen zu verhindern und überschüssigen Wasserdampf zu entfernen» Das oxydierende Gas verläßt die Füllung des Ilektrodenelementes 12 über den diagonal gegenüberliegenden Verbindungskanal 26,

dem
der mit/nach außen führenden Durchgang 22 in Verbindung steht. Auf diese Weise ist es möglich, das oxydierende Gas von neuem durch die Brennstoffzelleneinheit hindurc hz ufuhreη.

Das in die Brennstoffzelleneinheit 11 eingeführte Brennstoffgas folgt einem ähnlichen Strömungsweg. Das Brennstoffgas wird zu dem als Einlaß dienenden Durchgang 23 geleitet und strömt dann durch den Verbindungskanal 27, um mit der Füllung von Elektrodenelement 13 in Kontakt zu kommen. Das der Füllung von Elektrodenelement 13 zugeführte Brennstoffgas verläßt dieses über den Kanal 27, der mit dem nach außen

führenden Durchgang 24 in Verbindung steht. Einlaß- und Auslaßdurchgang 21 PAi 22 bzw. 23 und 24 sind an gegenüberliegenden Ecken der Brennstoffzelleneinheit 11 angeordnet, um die Reinigung zu erleichtern» und die Endplatten 18 durch die ionendurchlässige Membrane 14 gebildete Elektrolytelemente begrenzen= die Wanderung der Gasströme in parallelen Ebenen. In normalem Betrieb mit reinen Gasen ist die Menge an Gas, das die Elektroden verläßt, vernachlässigbar. Der größte Teil des die Elektrode bestreichenden Gases wird verbraucht. Der an der Elektrode gebildete Wasserdampf hat jedoch gewöhnlich ein beträchtliches Volumen.

Die Dichtungsrahmen 19 jedes Elektrodenelementes und 13 ergeben eine dichte Kammer für die Ströme von oxydierendem Gas und Brennst off gas in den Elektrodenräumen. Die Dicke des Dichtungsrahmens I9 wird so gewählt, daß die Elektroden ί§ und 1.3 fest gegen die ionendurchlässige feste Elektrolytmembran 14 gepreßt werden, also viele Kontaktpunkte zwischen Elektrode und Elektrolyten ausgebildet werden können.

Es liegt auf der Hand, daß die Verbindungskanäle 26 und wenn gewünscht in die Oberfläche der Endplatten 18 eingearbeitet werden können, anstatt sie in den Dichtungsrahmen 19 auszubilden.

Wie Fig. 2 zeigt, erhält man eine Batterie, indem man eine Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten 11 zu einer Schicht vereinigt. Um diese Anordnung zu erläutern, ist die Ddeke der Elemente, aus denen jede Brennstoffzelleneinheit besteht, stark vergrößert dargestellt. Die Brennstoffzelleneinheiten 11 sind eine auf der anderen liegend vereinigt, so daß sie elektrisch in Reihe geschaltet sind, um eine höhere Klemmenspannung zu erreichen.

Wenn auch in der Brennstoffzelleneinheit, die in Fig. 1- auseinandergezogen dargestellt ist, zwei Indplatten 18 vorgesehen sind, versteht sich, daß bei Vereinigung einer Mehrzahl solcher Brennstoffzelleneinheiten zu einer Batterie gemäß Fig. '? eine solche Endplatte 18 bei benachbarten Brennstoffzelleneinheiten gemeinsam angehört und zwischen diesen als Distanzplatte dient.

Alle Elemente der zusammengebauten Brennstoffzelleneinheiten werden durch mehrere Stehbolzen 28 zusammengepreßt, die durch geeignete Löcher in den beiden Hauptendplatten 29 führen. Diese Hauptendplatten sind von der Gesamtheit der Brennstoffzelleneinheiten durch Isolationsplatten 31 isoliert.

Die Durchgänge 21., 22, 25 und 24 sind an ihren jeweiligen Gaswegen durch leitungen verbunden, von denen nur zwei in Fig. 2 dargestellt sind (bezeichnet durch die gleichen Bezugszeichen, die auch für die entsprechenden Durchgänge verwandt wurden); diese leitungen sind in die obere Hauptendplatte 29 eingebaut.

Das mit dem oxydierenden Sas in Berührung kommende Elektrodenelement 12 der letzten Brennstoffzelleneinheit ist mit einem geeigneten leiter 32 elektrisch verbunden, und das mit dem Brennstoffgas in Berührung kommende llektrodenelement 13 der Brennstoffzelleneinheit am anderen Ende der Batterie ist mit einem geeigneten leiter 33 elektrisch verbunden. Es versteht sich, daß die einzelnen Brennstoffzelleneinheiten auch parallel ^schaltet werden können, wenn es gewünscht wird, die Stromstärke oder Stromkapazität zu erhöhen; in diesem Fall sind die Distanzplatten 18 aus isolierendem Material anstatt aus leitendem Material zu benutzen.

Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Brennstoff- . zelleneinheit wird im nachfolgenden beschrieben, und zwar wird Sauerstoff als oxydierendes Gas und Wasserstoff als Brennstoffgas benutzt. Es hat sich gezeigt, daß auch luft mit Irfolg als oxydierendes Gas verwendet werden kann. In der bevorzugten Ausführungsform der

Erfindung wird jedoch Sauerstoff der Einlaßleitung und dem Durchgang 2t zugeführt, von wo es durch das Elektrodenelement 12 dringt. Έβηχι auch der exakte Mechanismus der innerhalb der Brennstoffzelleneinheit 1t stattfindenden Reaktionen nicht vollkommen aufgeklärt ist, läßt sich annehmen, daß die folgende Reaktion an dem mit dem oxydierenden Gas in Berührung kommenden Elektrodenelement 12 stattfindet:

O₂ + ²H₂O + 4e ^ 40H

Bie bei dieser Reaktion gebildeten negativen Hydroxylionen wandern durch die das Elektrolyt element bildende ionendurchlässige Membran 14 zum Brennstoffgas-Elektrodenelement 13, wo die folgende Reaktion stattfindet :

2H₂ + 4-OH" > 4H₂O + 4e

Die überschüssigen Elektronen an dem Brennstoffgas-Elektrodenelement 13 'k.önnen. zu dem Elektrodenelement t2 fließen, wenn die Elektrodenelemente 12 und 13 durch einen äußeren elektrischen Kreis verbunden sind.

Es ist auch möglich, daß der Wasserstoff an der Brennstoff elektrode wie folgt ionisiert:

4H⁺ + 4e

Die Wasserstoffionen wandern durch, die das Elektrolytelement "bildende ionendurehlässige Membran zur Elektrode 12, wo die folgende Reaktion stattfindet:

O₂ + 4H⁺ + 4e > 2H₂O

Iheoretisch sollte als Elektrolytelement eine für Anionen durchlässige Membrane in der Hydroydform wirksamer sein, wenn der erste Mechanismus korrekt istj eine für Kationen durchlässige Membrane in der Wasserstoff-Form dagegen, wenn der zweite Mechanismus korrekt ist. Es hat sich jedoch gezeigt, daß beide Arten von Membranen etwa gleich gut arbeiten. Dies kann auf den Umstand zurückzuführen sein, daß beide Mechanismen gleichzeitig stattfinden, oder daß für Anionen durchlässige Membranen einige Wässerstoffionen hindurchlassen und für Kationen durchlässige Membranen einige Hydroxylionen.

W4-6: .sieh aus den obigen Elektrodenreaktionsgleiehungen ergibt, wird Wasser vermutlich an einer Elektrode verbraucht und an der anderen Elektrode gebildet. Das entstehende Wasser läßt sich leicht entfernen, indem man den Gasstrom im Kreislauf führt und das Wasser auskondensiert. Es hat sich ferner als notwendig erwiesen., die Gasströme zu befeuchten, um ein Austrocknen der ionendurchlässigen Membrane zu verhüten. Wenn nötig, kann man eine Aufheizung der Brennstoffzelleneinheiten

bei längerem Betrieb verhindern, indem man die Gasströme im Kreislauf führt und kühlt.

Eine wesentliche praktische Folgerung aus dem Gebrauch dünner ionendurchlässiger Membranen als Elektrolytelement ist, daß man eine erhöhte Leistungsabgabe, bezogen auf das Volumen der Batterie, erreichen kann. Wie bereits gesagt, ist die leistungsabgabe pro Volumen ein wichtiger Faktor für die Feststellung, ob eine bestimmte Zelle wirtschaftlieh ausführbar ist. Eine lei-

stungsabgabe von ungefähr 42 Watt pro dm ist erreichbar, wie die Ergebnisse von Versuchen mit Fällen gleich denen der Beispiele gezeigt haben. Eine Verbesserung der katalytischen Eigenschaften der Elektroden wird diesen Wert vermutlich erhöhen.

Ss folgen typische Beispiele der besonderen Herstellungsart und Konstruktion von Brennstoffzelleneinheiten gemäß der Erfindung, bei denen eine ionendurchlässige Membrane als Elektrolytelement einer Zelleneinheit für gasförmigen Brennstoff verwendet wird.

Beispiel 1

Eine Brennstoffzelleneinheit wurde zusammengestellt unter Verwendung eines rechteckigen Blattes einer für Anionen durchlässigen Membrane (Ämberplex A-I Rohm and Haas Company, Philadelphia, U.S.A.). Diese Membrane,

die das Elektrolytelement bildete, wurde zunächst mit einer latriumliydroxydlösung (SO g Natriumhydroxyd in 400 ml Lösung) ins Gleichgewicht gebracht. Zwei Elekt ro dene lenient e aus einem 100 Maschen-Efickeldrahtgewebe (75 ehü χ ICO mm) wurden zuerst durch Eintauchen in eine Platinehloridlosung platiniert. Die Membrane wurde dann zwischen die beiden Hickeldraht-Elektroden gelegt, und das Ganze wurde zwischen Platten aus einem Polymethylmethacrylat-Kunststoff (iueite) gebracht. Die Endplatten hatten etwa die Größe 100 2c 125 nun. Die Brennstoffzelleneinheit wurde durch geeignete Klammern zusammengehalten. Eine Säuerst of fq.uelle wurde an eine Einlaßöffnung an einer Endplatte und eine Wasserstoffquelle an die Einlaßöffnung der anderen Endplatte angeschlossen. Die Elektroden waren an den Kanten nicht abgedichtet, und überschüssiges Gas konnte an den Kanten der Elektroden entweichen.

Eine Kante jedes Elektrodenelementes ließ man über die Endplatte hinausragen, so daß elektrische Verbindungen direkt an das Nickeldrahtgewebe angeschlossen werden konnten. Als das Brennstoffgas und das oxydierende Gas den Elektroden zugeführt wurde, zeigte sich, daß ein Potential von 0,98 Volt auftrat. Die !Eestzelle konnte entweder eine kleine Blitzlichtbirne oder einen elektrischen Motor betreibfen. IJm ein Austrocknen der Membrane

zu verhindern, erwies es sich als notwendig, den Wasserstoff und den Sauerstoff zu "befeuchten, indem man diese Gase vor dem Einleiten in die Zelle durch Wasser schichte.

Unter Verwendung von Vergleichswiderständen verschiedener Stärke als äußere elektrische Last für die Batterie wurde die Leistungsabgabe in Abhängigkeit von der gemessenen Spannung "bestimmt. Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle I zusammengefaßt.

labeile	I	Leistung (Milliwatt)
Widerstand (Ohm)	Spannung (Volt)	23 41
32 16	0,86 0,81	68
S	0,74	96
4	0,62	113
2	0,48	102
1	0,32

Während der Bestimmung der in Tabelle I angegebenen Werte wurde der Gasstrom mit einer konstanten Geschwindigkeit aufrechterhalten. Es zeigte sich, daß die von dieser besonderen Brennstoffzelleneinheit abgegebene Leistung eine Funktion der Gasströmungsgeschwindigkeit

war. Bei Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit erhöhte sieh auch die von der Zelle abgegebene leistung proportional. Um ein Beispiel anzugeben, sei festgestellt, daß mit dem 1-Ohm-Widerstand im äußeren Kreis bei Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit eine leistungsabgabe von 250 Milliwatt erzielt wurde, verglichen mit den 102 Milliwatt der obigen Tabelle I.

Beispiel II

Eine Brennstoffzelleneinheit ähnlich der in Beispiel I beschriebenen wurde zusammengestellt, wobei als Elektrolytelement eine für Kationen durchlässige Membran (Amberplex C-1, Rohm and Haas Company, Philadelphia, U.S.A.) verwendet wurde. Die verwendeten Elektrodenelemente bestanden aus einem 52-Maschen-Drahtgewebe aus platiniertem Platin und hatten eine Größe von etwa 57 Μα χ 94 mm. Die Brennstoffzelleneinheit wurde mit Wasserstoff als Brennstoffgas und Sauerstoff als oxydierendem Gas betrieben. Die Endplatten hatten die gleiche Konstruktion wie die in Beispiel I beschriebenen. Um die bei Verwendung einer für Kationen durchlässigen Membrane erzielbaren Ergebnisse mit den bei Verwendung einer füx Anionen durchlässigen Membrane erzielten Ergebnisse vergleichen zu können, wurde die Zelle mit beiden Typen von Membranen betrieben. Die für Kationen durchlässige Membrane wurde mit einer Schwefelsäurelösung und die für Anionen durchlässige Membrane

mit einer Ilatriuinhydroxydlösung ins Gleichgewicht gebracht. Die Gasströmungsgeschwindigkeiten waren in "beiden Fällen etwa gleich. Die Ergebnisse sind in tabelle II gegenübergestellt:

Tabelle II

Widerstand Spannung (Volt) Spannung (YoIt)

(Ohm) für Anionen für Kationen

durchlässig durchlässig

6,4 3,2 1,6 0,8 0,4 0,2

0,68

0,53 0,36 0,20 0,11 0,06

0,74 0,67 0,56 0,45 0,32 0,30

Beispiel III

Eine einzelne Brennstoffzelleneinheit wurde unter Verwendung von Dichtungen zwischen den Endplatten und der Elektrolyt-Ionenaustauschermembran konstruiert. Die Elektrodenelemente bestanden aus einem 100-Masehen-Gewebe von platiniertem ÜTickeldraht der Größe 88 mm χ 88 mm. Die Dichtungen wurden aus Polyäthylenkunststoff

hergestellt, sie ähnelten den in Fig. 1 der Zeichnung dargestellten Dichtungen. Da nur eine einzige Brennstoffzelleneinheit "benutzt wurde, waren nur in den Endplatten Gaseinlaß- und AuslaßUffnungen vorgesehen. Es wurden zwei verschiedene im Handel erhältliche anionendurchlässige Membranen "bei Untersuchungen mit dieser Zelle verwendet, und zwar Amberplex A-I, Rohm and Haas, Company, Philadelphia, U.S.A., und Nepton AR AD, Ionics, Inc. Cambridge, U.S.A. Die Membranen wurden mit zwei-, fünf- und achtnormaler natronlauge ins Gleichgewicht gesetzt. Fachdem die Blektrodenkammern gründlich gespült waren, hatte die Gasströmungsgeschwindigkeit !kaum einen Einfluß auf die leistungsabgabe der Zelle. Die Leistungsabgabe von Zellen, die die beiden verschidenen Membranen, mit zwei-, fünf- und achtnormaler Hatriumhydroxydlösung behandelt, benutzten, ergibt sich aus der nachstehenden !Tabelle III.

Tabelle III
(Leistungsa'bga'be Milliwatt)

Widerstand A-I AR-IΠ A-I AR-111 A-I AR-HI. (Olim) 2Έ 2F 5F 5M 8ΙΓ

12,8	61	59	60	59	58	59
6,4	108	107	109	108	104	106
3,2	185	184	187	188	171	176
1,6	289	289	291	298	240	225
0,8	3TS	3T8	378	399	268	211
0,4	386	400	386	415	263	163
0,2	306	313	313	364	176	109
0,1	225	240	225	272	121	81

Claims (7)

1. RA. ?5ί 348-1 IkMV

   Anspriiolie ;

   Brennstoffzelleneinheit, die sich, mit ähnlichen Zelleneinheiten zu einer Brennstoffzellenbatterie zusammenstellen läßt und übereinanderliegend einen zentral angeordneten festen, plattenartigen, gasundurchlässigen und ionendurchlässigen membranförmigen Elektrolyten, je eine plattenartige, aus gasdurchlässigem Material gebildete Elektrode zu beiden Seiten des zentralen Elektrolyten und je eine auf der äußeren Seite der beiden Elektroden liegende und in der zusammengestellten Batterie als Distanzplatten dienende Endplatte, aufweist,

   dadurch gekennzeichnet, daß in den Endplatten (18), den Elektroden (12,13) und dem zentralen Elektrolyten (14) eine Mehrzahl von einzelnen löchern (25) vorgesehen ist, die jeweils in einer Reihe liegen und so eine Mehrzahl von Durchgängen (21,22,23,24) durch die Zelleneinheit bilden, wobei ein Paar dieser Durchgänge (21,22) nur mit der ersten Elektrode (12) in Verbindung steht und das Strömen von oxydierendem Gas zu und von dieser Elektrode (1.2) gestattet, während ein anderes paar dieser Durchgänge (23,24) nur mit der zweiten

   Elektrode (15) in Verbindung steht und das Strömen von Brennstoffgas zu und von dieser Elektrode (13) gestattet.
2. 2. Brennstoffzelleneinheit nach. Anspruch 1, bei der die Elektroden durch eine von einem Rahmen eingefaßte elektrodische Füllung gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die löcher (25) in jedem Rahmen (19) liegen und daß Verbindungskanäle (26,27) in dem Rahmen (19) zwischen den löchern (25) in diesem Rahmen (19) und seiner elektrodisehen Füllung vorgesehen sind.
3. 3. Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Elektrodenrahmen (19) ein Paar solcher Verbindungskanäle (26,27) vorgesehen ist, wobei ein Verbindungskanal einen Einlaß für oxydierendes Gas oder Brennstoffgas und der andere einen Auslaß für das zugeführte Gas bildet.
4. 4. Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 2 oder 3, bei der die Rahmen rechteckige Form haben, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungskanale (26,27) in der Fähe der Ecken der Rahmen (19) angeordnet sind.
5. 5. Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungskanäle (26,27) längliche Sehlitze sind.
6. Si Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Löcher (25) in der Bähe der Ecken jedes der Rahmen (1.9) liegen, wobei die Durchgänge (21,22) in der Einheit durch ein Paar diagonal gegenüberliegender Löcher (25) gebildet werden und zum Zu- und Ableiten von oxydierendem Gas dienen, während die Durchgänge (23,24) in der Brennstoffzelleneinheit durch das andere Paar von diagonal gegenüberliegenden Löchern (25) gebildet werden und zum Zu- und Ableiten von Brennstoffgas dienen.
7. 7. Brennstoffzellenbatterie aus Brennstoffzelleneinheiten nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Endplatte (18) zwei benachbarten Brennstoffzelleneinheiten (11) gemeinsam ist und als Distanzplatte zwischen diesen dient.