DE3323491C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Batterien mit mehreren elektrochemischen Brennstoffzellen und mehr im besonderen eine Struktur, um Produktflüssigkeit, wie Wasser, vom abgegebenen oxidierenden Gas, das die Kathodenkammer jeder Brennstoffzelle verläßt, zu trennen.

Die vorliegende Erfindung wird zwar im Zusammenhang mit einer Brennstoffzelle beschrieben, die eine Membran als das Ionen transportierende Medium zwischen den Elektroden benutzt, doch ist die Erfindung auf eine solche Zelle nicht beschränkt. Der neue Flüssigkeits-/Gas-Separator kann ebenso gut bei einer Brennstoffzelle eingesetzt werden, bei der ein flüssiger Elektrolyt, der in einer Matrix absorbiert ist, das Ionen transportierende Medium zwischen den Elektroden bildet.

Obwohl die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit einer Brennstoffzelle beschrieben wird, in der H₂ und O₂ die reagierenden Gase sind und Wasser die Produktflüssigkeit ist, ist die Erfindung auch nicht auf diese reagierenden Gase und diese Produktflüssigkeit beschränkt.

Brennstoffzellenbatterien mit mehreren einzelnen Brennstoffzellen zum Erzeugen elektrischer Energie sind bekannt. In solchen Zellen wird ein Reaktantengas, wie Wasserstoff, an der Anodenelektrode, die mit einer Seite einer Ionenaustauschermembran verbunden ist, durch Abgabe von Elektronen oxidiert. Diese Elektronen fließen durch eine äußere Last, während die Wasserstoffionen durch die Ionen austauschende Membran zur Kathodenelektrode transportiert werden, die mit der anderen Seite der Membran verbunden ist. Der Kathode wird ein Oxidationsmittel, wie Sauerstoff, zugeführt. Der Sauerstoff wird durch Hinzufügen von Elektroden reduziert und verbindet sich unter Bildung einer Produktflüssigkeit, wie in diesem Falle Wasser, mit den durch die Membran transportierten Wasserstoffionen. Die an der Kathode gebildete Produktflüssigkeit muß entfernt werden, da sie zur Ausbildung eines Filmes neigt, der das Oxidationsmittel daran hindert, die Kathodenelektrode zu erreichen.

Es ist eine Anzahl von Wegen entwickelt worden, um das Problem der Entfernung des Produktwassers in H₂/O₂-Brennstoffzellen zu lösen. Einer dieser Wege besteht in der Verwendung von dochtartigen Mitteln und der andere Weg besteht im Aufrechterhalten einer ausreichend hohen Strömungsgeschwindigkeit des Sauerstoffs, um Wassertröpfchen von der Kathodenelektrode zu verdrängen und die mitgerissene Flüssigkeit zu einer Sammelstelle außerhalb der Zelle zu befördern.

In Brennstoffzellenbatterien mit einer großen Anzahl von Zellen ist das Problem der Wasserentfernung und die nachfolgende Abtrennung erschwert, wenn die Brennstoffzellenbatterie in einer Kaskadenanordnung vorliegt, d. h. einer Zellanordnung, in der das gesamte Gas einer Gruppe von Zellen der Batterie in die folgende Gruppe von Zellen in der Kaskade eintritt. In einer solchen Kaskadenanordnung erfordert die Wasserentfernung durch Aufrechterhalten einer hohen Sauerstoff-Strömungsgeschwindigkeit separate äußere Wasserabtrenner und ein Paar von Leitungen für jede Stufe der Kaskadenbatterie. Dies kompliziert die äußeren Rohrlegearbeiten und erfordert eine relativ große Zahl von Rohren und Abdichtungen.

Es wäre daher vorteilhaft, wenn man das Produktwasser und das abgegebene Oxidationsmittel in jeder Zelle trennen könnte, was das Betreiben der Zellen mit verschiedenen Drucken erlauben würde, während man das Produktwasser durch eine einzige gemeinsame Leitung abführen würde. Dies ergäbe einen einfacheren Betrieb als das Behandeln des verbrauchten Oxidationsgasstromes mit dem mitgerissenen Produktwasser außerhalb der Zelle in einem getrennten Wasser/Gas-Separator.

Es ist daher eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzellenbatterie zu schaffen, mit der ein ökonomischer Vielstufenbetrieb möglich ist, in dem man das Produktwasser vom Oxidationsgas in jeder Zelle der Batterie abtrennt. Weiter soll eine Brennstoffzellenbatterie geschaffen werden, bei der die Trennung von Produktwasser und Gas in jeder einzelnen Zelle stattfindet, was die Notwendigkeit einer außerhalb befindlichen Separatorausrüstung für die Trennung von Wasser und Gas beseitigt. Schließlich soll eine kaskadenartig aufgebaute Brennstoffzellenbatterie geschaffen werden, in der das Oxidationsgas eines Abschnittes der Kaskade einfach im nächsten Abschnitt der Kaskadenbatterie benutzt werden kann, ohne daß eine externe Wasser/Gas-Trennung stattfindet.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird gelöst durch eine Brennstoffzellenbatterie mit einer Vielzahl von Zellen, die in kaskadenartige Abschnitte getrennt sind, wobei das oxidierende Gas eines Abschnittes der Batterie direkt im nächsten Abschnitt der Batterie benutzbar ist. Die Zellen jedes Abschnittes der kaskadenartigen Batterie weisen eine hydratisierte, Kationen transportierende Membran auf, die die Zelle in eine Anoden- und Kathodenkammer trennt. Anoden- und Kathodenelektroden sind an die gegenüberliegenden Seiten der Membran gebunden und die Zellen sind durch innen gekühlte bipolare Separatoren voneinander getrennt. Der Kathodenseitenauslaß jeder Zelle schließt Separatorelemente für die Trennung von Wasser und Gas ein, die das Produktwasser aus dem austretenden Gasstrom abtrennen. Der Oxidationsmittelstrom kann daher mit einer Auslaßleitung für das Oxidationsmittel gekoppelt werden, während das Wasser durch eine separate Wasserauslaßleitung entfernt wird.

Der Gas/Wasser-Separator beruht auf einer Struktur, die eine mikroporöse Ventil-Metall-Struktur (vorzugsweise Niob) einschließt, die zwar Wasser, nicht aber das Oxidationsmittel bis zu einem Druckunterschied von einigen 0,07 bar durchläßt. Jeder Separator schließt ein Paar poröser hydrophiler Teile ein, die als wasserdurchlässige, selektive Sperren zwischen jeder Kathodenkammer und einer gemeinsamen Wasserauslaßleitung wirken. Solche hydrophilen, porösen Matrices sind durch die Tatsache charakterisiert, daß sie, wenn benetzt, einen Flüssigkeitsstrom gestatten, den Durchgang von Gas unter einem gewissen kritischen Druckniveau jedoch verhindern, wobei dieses kritische Druckniveau üblicherweise als der "Blasendruck" bezeichnet wird, der in Beziehung steht zur Porengröße und zur Oberflächenspannung der Flüssigkeit, die in der porösen hydrophilen Membran absorbiert ist. Der mittlere zylindrische Porendurchmesser des porösen, hydrophilen Teiles liegt im Bereich von 0,5 bis 2 µm, um einen Blasendruck aufrechtzuerhalten, der für einen Druckunterschied sorgt, so daß Wasser bei einem Druck, der mindestens etwa 0,2 bar höher ist als der Gasdruck, durch die Teile in einen Durchgang zwischen den porösen Teilen und dann in die gemeinsame Wasserauslaßleitung gelangt, während das Gas in einer separaten Oxidationsmittelleitung die Zelle verläßt.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 eine auseinandergezogene Ansicht, die mehrere Zellen der Brennstoffzellenbatterie wiedergbt, und die den neuen Separator zur Trennung von Wasser und Gas nach der vorliegenden Erfindung enthält,

Fig. 2 eine teilweise weggebrochene Schnittansicht eines bipolaren Kühlmittelseparators, der das Separatorelement zum Trennen von Wasser und Gas einschließt und

Fig. 3 eine Querschnittsansicht längs der Linie 3-3 der Fig. 2.

In der Fig. 1 sind in auseinandergezogener Form mehrere in Reihe verbundene Brennstoffzellen ersichtlich, die Teil einer Batterie bilden, wobei die Fig. 1 den mit jeder Zelle verbundenen neuen Separator zum Trennen von Wasser und Gas zeigt. Die Brennstoffzelle 10, die Teil der Batterie bildet, weist eine Kationen austauschende Membran 11 auf, die zwischen den bipolaren Separatoren 12 und 13 angeordnet ist, und die die Zelle in die Anodenkammer 14 und die Kathodenkammer 15 trennt.

Die nächste benachbarte Zelle weist die Membran 16 auf, die zwischen den bipolaren Separatoren 13 und 17 angeordnet ist, wobei der letztere nur in teilweise weggebrochener Form ersichtlich ist. Die Membran 18 ist zwischen dem Separator 12 und dem nächsten, in der Fig. 1 jedoch nicht ersichtlichen Separator angeordnet und bildet Teil noch einer anderen Zelle der Batterie.

Eine Anodenelektrode 19, die ein flüssigkeits- und gasdurchlässiges, gebundenes Aggregat katalytischer und polymerer Binderteilchen umfaßt, ist an einer Oberfläche der Membran 11 angebracht. Membran 11, Anode 19 und die eine Seite des Separators 12 bilden die Anodenkammer 14 und eine in der Fig. 1 nicht ersichtliche Kathode, die an die andere Seite der Membran 11 gebunden ist und der Separator 13 begrenzen die Kathodenkammer 15. In ähnlicher Weise bilden der Separator 13 und die an die Membran 16 gebundene Anodenelektrode 20 bzw. der Separator 17 und die an die andere Seite der Membran 16 gebundene Elektrode, die in Fig. 1 nicht ersichtlich ist, die Anoden- bzw. Kathodenkammer der rechts der Zelle 10 angeordneten weiteren Zelle.

Wasserstoff wird durch Entzug von Elektroden an der Anode 19 oxidiert. Die Wasserstoffionen werden durch die Membran 11 zu der auf der anderen Seite angebrachten flüssigkeits- und gasdurchlässigen Kathode befördert. In die Kathodenkammer 15 wird Sauerstoff eingeführt und dieser Sauerstoff nimmt die zur Kathode fließenden Elektronen auf, wird dadurch reduziert und verbindet sich mit den Wasserstoffionen unter Bildung von Wasser.

Wird dieses gebildete Produktwasser nicht umgehend entfernt, kann es über der Kathodenelektrode einen Film bilden und so die Kathodenreaktion behindern, indem es den Sauerstofffluß zur Kathode blockiert. Um ein solches "Fluten" der Kathoden mit zu verhindern, ist eine poröse, imprägnierte stromleitende Kohlenstoffolie 21 zwischen der Kathode jeder Zelle und den Oberflächen der Separatoren 12, 13 und 17, die ein Sauerstoff- Strömungsfeld bilden, angeordnet. Die Folie 21 hat eine Dicke von etwa 0,25 mm und sie besteht aus Kohlenstoff und einem hydrophoben polymeren Binder, wie Polytetrafluoräthylen, und diese Folie ist vorzugsweise durch Anwenden von Wärme und Druck direkt mit der Einheit aus Membran und Elektrode verbunden, um eine einheitliche Struktur zu bilden.

Die Anwesenheit des hydrophoben Binders läßt das Wasser Perlen bilden, so daß die Ausbildung eines Wasserfilmes verhindert ist und Sauerstoff durch die Poren zur Kathode diffundieren kann, während sich das Produktwasser durch die poröse Folie bewegen kann, ohne die Poren zu fluten. Es wird in diesem Zusammenhang auf die US-PS 42 15 183 bezug genommen, in der ein solches imprägniertes Stromsammlerelement aus Kohlenstoffpapier zusammen mit seiner Herstellung beschrieben ist.

Eine zylindrische Einlaßleitung 22 für Sauerstoff oder Luft ist in einer Ausnehmung 23 im Oberteil der Separatoren angeordnet. Die Leitung 22 steht in Verbindung mit einem Strömungskanal 24, der sich längs des Oberteils des Separators erstreckt. Durchgänge in der Leitung 22 stehen in Verbindung mit einer Einlaßbohrung 25 und Sauerstoff oder Luft strömt in den Kanal 24 und dann über die Oberfläche des Separators, die mehrere die Strömung leitende Vorsprünge oder Vertiefungen 26 aufweist, die das Strömungsfeld begrenzen. Mehrere parallele, im Abstand voneinander angeordnete Grate 27 erstrecken sich über die Vorsprünge hinaus und bilden mehrere Strömungsfelder für das Oxidationsmittel. Der strömende Sauerstoff gelangt in Berührung mit dem porösen imprägnierten Stromleiter und fließt durch diesen hindurch zur Kathode in der Kammer 15. Die Separatoren 12 und 13 enthalten auch Wasserstoffeinlässe 28, durch die Wasserstoff in die Anodenkammer gelangt. Der Kühlmitteleinlaß 29 in jedem der Separatoren gestattet das Fließen des Kühlmittelwassers durch die innere Kühlmittelkammer der bipolaren Separatoren 12 und 13.

Wie sich am besten aus dem weggebrochenen Abschnitt des bipolaren Separators 12 ergibt, besteht dieser Separator aus einer mit Erhebungen versehenen Strömungsfeldplatte 30 zur Kathodenseite hin, einer mit Vertiefungen oder Erhebungen versehenen Platte 31 zur Anodenseite hin und einem rechteckigen Rahmen 32, der diese beiden Platten trägt. Die Kombination aus dem Rahmen 32 und den Platten 30 und 31 begrenzt eine innere Kühlmittelkammer. Ein mit Vertiefungen versehener Strömungsfeldeinsatz 33 für das Kühlmittel ist innerhalb dieser Kammer angeordnet und sorgt für unterschiedliche Kühlmittel-Strömungsgeschwindigkeiten auf den gegenüberliegenden Seiten der Kammer, damit die Anodenplatte stärker gekühlt wird als die Kathodenplatte.

Die am 18. Juni 1983 eingereichte Patentanmeldung P 33 21 984.2 beschreibt und beansprucht einen solchen innen gekühlten bipolaren Separator. Es wird hiermit Bezug genommen auf diese Anmeldung und ihr Inhalt durch die Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen.

Wie in dieser Anmeldung ausgeführt, wird die Anodenseite einer Zellenmembran bei einer tieferen Temperatur als die Kathodenseite gehalten, und dies führt zu einer Rückdiffusion von Wasser von der Kathoden- zur Anodenseite der Membran. Diese Rückdiffusion kompensiert teilweise das Trocknen der Anodenseite der Membran aufgrund der dort stattfindenden Entfernung von Membranwasser durch den durch die Membran fließenden Ionenstrom.

Am Boden des Separators 12 ist ein Wasser/Gas-Separator 35 in einer Ausnehmung 36 angeordnet. Diese Ausnehmung 36 steht in Verbindung mit einem Strömungskanal 37 für Sauerstoff und Produktwasser, der sich längs des Bodens des Separators erstreckt. Sauerstoff, der an der Kathode nicht verbraucht worden ist, sowie das entstandene Produktwasser der Kathode werden im Kanal 37 und der Ausnehmung 36 gesammelt. Der Gas/Wasser- Separator behandelt diese Wasser/Sauerstoff-Mischung, die aus jeder Zelle austritt und trennt das Wasser vom Sauerstoff, so daß diese in separate Leitungen strömen. Auf diese Weise können verschiedene Stufen einer kaskadenartigen Batterie bei verschiedenen Drucken betrieben werden und man kann trotzdem das Produktwasser in eine gemeinsame Leitung abführen, was eine große Zahl von Leitungen und Abdichtungen unnötig macht. Der Separator 12, wie detaillierter in Zusammenhang mit den Fig. 2 und 3 beschrieben werden wird, weist hydrophile, poröse Scheiben auf, die für Wasser durchlässig, aber für Gas unterhalb eines vorausgewählten höheren Druckes, des "Blasendruckes", undurchlässig sind. Auf diese Weise werden das Wasser und das aus der Zelle wieder austretende Oxidationsmittel am Auslaß jeder Zelle getrennt und mittels Separatorleitungen für Gas und Wasser entfernt, wobei diese Leitungen für alle Zellen der Batterie gemeinsam sind.

Geeignete Öffnungen am nicht-aktiven Rand der Membran 11 sind mit den Leitungen für das Kühlmittel, Wasserstoff, Sauerstoff und das Produktwasser ausgerichtet, um das Fließen dieser Flüssigkeiten und Gase in und aus jeder der Zellkammern zu gestatten. Der nicht-aktive Membranrand ist mit einem Silikonklebstoff bedeckt und die Membranen und Separatoren sind durch nicht-gezeigte, geeignete metallische Endplatten zusammengeklemmt. Mit Ventilen versehene Einlaßleitungen in den Endplatten stehen in Verbindung mit den Leitungen für Brennstoffoxidationsmittel und Kühlmittel, um das Strömen der Gase bzw. Flüssigkeiten in die einzelnen Zellkammern bzw. die Kühlmittelkammer im bipolaren Separator zu gestatten. Ähnliche mit Ventilen versehene Auslaßleitungen in den Endplatten stehen in Verbindung mit den obengenannten Auslaßleitungen, um die Entfernung des Produktwassers, Kühlmittels und der Überschußgase zu gestatten. Das Auslaßventil für das Produktwasser ist vorzugsweise ein Rückschlagventil, das den Wasserdruck in der aus Oxidationsmittel und Produktwasser bestehenden Mischung bei etwa 0,2 bar oberhalb dem Druck, des Wassers in der Auslaßleitung hält.

Die Membranen sind vorzugsweise mit Sulfonsäuregruppen versehene Perfluorkohlenstoff-Membranen, die Kationen austauschen, und die unter der Handelsbezeichnung Nafion vertrieben werden. Die Sulfonsäuregruppen sitzen an dem Fluorkohlenstoffgerüst und wirken als Ionenaustauschstellen.

Die Elektroden sind vorzugsweise gebundene Agglomerate aus katalytischen Platingruppenmetall- und polymeren Binderteilchen. Die katalytischen Teilchen können Platinschwarz oder Teilchen anderer Platingruppenmetalle oder von Oxiden solcher Platingruppenmetalle sein. Der polymere Binder ist vorzugsweise ein hydrophober Binder, wie Polytetrafluoräthylen. Eine Mischung der katalytischen und polymeren Binderteilchen wird auf einer dünnen Titanfolie angeordnet und eine Seite der Membran darübergelegt. Durch Anwenden von Wärme und Druck für 3 bis 5 Minuten werden die Teilchen miteinander und mit der Membran verbunden und bilden eine gas- und flüssigkeitsdurchlässige Elektrode. Der Druck ist nicht kritisch und kann im Bereich von etwa 28 bis 70 bar liegen, wobei ein Druck von etwa 56 bar bevorzugt ist. In ähnlicher Weise ist die Temperatur nicht kritisch und sie kann im Bereich von etwa 90 bis etwa 315°C variieren, wobei das bevorzugte obere Ende des Bereiches zumindest die Temperatur ist, bei der die polymeren Binderteilchen mit den katalytischen Teilchen zusammensintern. Das untere Ende des Temperaturbereiches liegt grob zwischen etwa 90 und etwa 115°C, d. h. bei der Temperatur, bei der die Haftung fraglich wird.

Wenn es erwünscht ist, das imprägnierte Kohlenstoffpapier zusammen mit der Elektrode mit der Membran zu verbinden, dann wird das Verfahren nur leicht geändert. In diesem Falle legt man das imprägnierte Kohlenstoffpapier auf die Titanfolie und verteilt die Pulvermischung aus Katalysator und hydrophobem Binder auf der Oberfläche des Kohlenstoffpapiers. Dann legt man die Membran über die Mischung und das Kohlenstoffpapier und verbindet die Elektrode und das Kohlenstoffpapier mit der Membran durch Anwenden von Wärme und Druck.

Die Kathoden-Strömungsplatte des bipolaren Separators wird vorzugsweise aus handelsüblich reinem Niob hergestellt und sie kann eine Dicke von 0,125 mm haben. Die in Fig. 1 gezeigte Anoden- Strömungsplatte besteht vorzugsweise aus Zirkonium, wegen dessen ausgezeichneter Beständigkeit gegenüber Wasserstoffversprödung, obwohl auch andere Materialien wie Niob benutzt werden können. Der Strömungsfeldeinsatz für das Kühlmittel besteht vorzugsweise aus Titan, und er weist mehrere halbkugelförmige Vorsprünge auf, die den Kühlmittelfluß längs den gegenüberliegenden Seiten des Separators leiten. Der Strömungseinsatz für das Kühlmittel ist in dem Rahmen 32 nicht fixiert, sondern er wird lose zwischen den Strömungsfeldplatten der Anode und Kathode gehalten. Diese Platten bestehen, wie oben ausgeführt, aus mit Erhebungen versehenen, etwa 0,125 mm dicken Blechen aus Zirkonium, Niob und Titan. Die Tiefe der dabei gebildeten verschiedenen Vertiefungen und die Abstände dazwischen sind offensichtlich eine Funktion der erwünschten Strömungsgeschwindigkeit und des erwünschten Masseflusses für die verschiedenen Reaktanten und Kühlmittel. So können die Vorsprünge in der Anoden- und Kathodenverteilungsplatte einen Abstand von etwa 2 mm und eine Tiefe von etwa 0,25 mm haben. Die Vorsprünge der Strömungsverteilungsplatte für das Kühlmittel haben andererseits eine Tiefe von etwa 1,25 mm und einen Abstand von etwa 6,25 mm, weil die übertragene Kühlmittelmenge zum inneren Hohlraum des Separators sehr viel größer ist, als die Menge der reagierenden Gase, die über die außenseitigen Strömungsfeldplatten strömen.

Wie in Fig. 1 ersichtlich, befinden sich die Vorsprünge in versetzten Reihen, wobei der genaue Abstand durch das erwünschte Strömungsmuster für die Strömungsmittel bestimmt wird. Der Fachmann kann Höhe, Abstand und Gestalt der Vertiefungen variieren, um sowohl auf der Oberfläche als auch in dem bipolaren Separator das erwünschte Strömungsmuster zu erhalten.

Der neue Gas/Wasser-Separator weist, wie detaillierter im Zusammenhang mit den Fig. 2 und 3 beschrieben wird, eine hydrophile, poröse Matrix auf, die das Hindurchströmen von Wasser gestattet, den Durchgang von Gas unterhalb eines gewissen kritischen Druckniveaus jedoch verhindert, wobei dieses kritische Druckniveau üblicherweise als "Blasendruck" bezeichnet wird. Der Blasendruck für irgendeine solche poröse Matrix steht in der folgenden Beziehung zur Porengröße:

Die Porengröße wird so ausgewählt, daß der für das Einleiten der Gasströmung durch die Matrix erforderliche Druck beträchtlich größer ist als der Druckunterschied zwischen der Zelle des größten Gasdruckes und der Auslaßleitung.

Wie in Fig. 2 ersichtlich, besteht der in der Zelle befindliche Gas/Wasser-Separator allgemein aus einem scheibenförmigen äußeren Rahmen 40, einer koaxialen Auslaßleitungsnabe 41 und einem Paar poröser, hydrophiler Scheiben 42, die zwischen dem Rahmen und der Nabe angeordnet sind. Die Wasserseparatorscheiben 42 bestehen vorzugsweise aus einem gesinterten Ventilmetall, wie Niob, obwohl auch irgendein anderes poröses Material wirksam sein wird. Der Rahmen 40 weist mehrere Einlaßdurchgänge 50 auf, durch die die Mischung aus Sauerstoff und Produktwasser aus der Ausnehmung 36 in eine Kammer gelangt, die durch die porösen hydrophilen Separatorscheiben 42 gebildet wird. Das Wasser gelangt durch die hydrophilen Scheiben in eine Wasserkammer, die durch die porösen Scheiben benachbarter Wasser/ Gas-Separatoren gebildet wird und strömt in die Produktwasser- Auslaßbohrung 44, die sich durch die Nabe 41 erstreckt.

Der Sauerstoff, aus dem das Wasser nun entfernt worden ist, gelangt durch geeignete Durchgänge 52 in der Nabe 41 zu einer Sauerstoffauslaßbohrung 46, sie sich axial längs der Nabe erstreckt.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt längs der Linie 3-3 der Fig. 2. Die Fig. 3 zeigt drei übereinander gestapelte Wasser/Gas- Separatoreinheiten und veranschaulicht spezifisch die Art und Weise, in der Sauerstoff zu der Sauerstoff-Auslaßleitung strömt und Produktwasser, das durch die porösen hydrophilen Scheiben getreten ist, durch einen Wasserdurchgang, der durch die porösen Scheiben benachbarter Separatoren gebildet wird, sich in die Produktwasser-Auslaßleitung bewegt. Die scheibenförmigen äußeren Rahmen 40 weisen Schultern 46 auf, die die bipolaren Kühlmittelseparatoren tragen. In ähnlicher Weise hat die Nabe 41 Schultern 47 und 48, die die Innenkante der oberen und unteren Wasserseparatorscheiben 42 abstützen. Die Außenkanten der zylindrischen Scheiben liegen an der Schulter des äußeren Rahmens und sind an den Trägern durch einen Klebstoff befestigt. Jedes Paar von Scheiben 42 bildet eine innere Gas/Wasser-Kammer 49, die durch die Passagen 50 in Verbindung steht mit der Ausnehmung 36 des Separators. Sauerstoff und Wasser gelangen in die Kammer 49 und das Wasser bewegt sich durch die porösen Scheiben in eine Wasser-Sammelkammer 51, die durch die porösen hydrophilen Scheiben benachbarter Wasserseparatoren gebildet wird.

Der Sauerstoff, der durch diese Scheiben nicht hindurchströmen kann, verbleibt in der Kammer 49 und strömt durch den Durchgang 52 in der Nabe 41 zur Sauerstoff-Auslaßleitung 46. Die Vielzahl von Produktwasser und Gas trennenden Separatoren ist mittels doppelseitigen Klebebändern 53 zusammengehalten, die sich zwischen den Naben benachbarter Separatoren befinden.

Die Produktwasser-Auslaßleitung 44 erstreckt sich durch die Schulter der Separatornabe und steht in Verbindung mit der Wasser-Sammelkammer 51. Das Produktwasser von der Ausnehmung 36 jedes bipolaren Zellseparators strömt durch die Passage 50 des Separators in den Wasser/Gas-Separatorrahmen 40 sowie in die Wasser/Gas-Kammer 49. Dann passiert das Wasser die hydrophilen Scheiben 42 und gelangt in die Produktwasser-Sammelkammer 49 und von dort in die gemeinsame Produktwasserleitung 44. Sauerstoff in der Sauerstoff/Wasser-Kammer 48 passiert den Durchgang 52 in der Nabe 41 und gelangt in die Sauerstoff- Auslaßleitung.

In einem typischen System wird die Mischung aus Sauerstoff und Produktwasser, die in die Wasser/Gas-Kammer eintritt, bei einem Druck gehalten, der etwa 0,2 bar größer ist als der Druck in der Wasser-Sammelkammer und in der gemeinsamen Produktwasserleitung. Der "Blasendruck" für die wasserdurchlässige Matrix muß mindestens einige 0,07 bar größer sein als der Druck in der Wasser-Sammelkammer. Eine poröse Matrix aus Niob oder einem anderen Material, die zylindrische Poren mit einem mittleren Durchmesser von etwa 1 µm aufweist, ist geeignet, den erwünschten "Blasendruck" aufrechtzuerhalten, um den Durchgang des Oxidationsmittels durch die Matrix zu verhindern.

Somit ist durch die vorliegende Erfindung ein einfacher und wirksamer Wasser/Gas-Separator für die Zelle geschaffen worden, der die Notwendigkeit für äußere Separatoren beseitigt. Außerdem werden austretende Gase und Produktwasser mittels Separator- Gas- und Wasserleitungen aus den Zellen entfernt.

Claims (11)

1. Brennstoffzellenbatterie mit mindestens zwei benachbarten Brennstoffzellen, von denen jede die folgenden Bestandteile aufweist.

• a) ein Ionen transportierendes Medium, das die Zelle in eine Anoden- und eine Kathodenkammer trennt,
• b) eine Anoden- und eine Kathodenelektrode, die sich in innigem Kontakt mit den gegenüberliegenden Flächen des Ionen transportierenden Mediums befinden,
• c) einen bipolaren Separator, der sich zwischen den Ionen transportierenden Medien benachbarter Zellen befindet,
• d) eine Einrichtung, um Brennstoffgas der Anodenkammer und ein oxidierendes Gas der Kathodenkammer zuzuführen,
• e) eine mit der Kathodenkammer jeder Zelle verbundene Einrichtung, um die vom oxidierenden Gasstrom mitgerissene Produktflüssigkeit abzutrennen, wobei diese Einrichtung ein Mittel einschließt, das selektiv für die Flüssigkeit durchlässig, aber unterhalb eines vorausgewählten Druckes für das Gas undurchlässig ist, und
• f) separate Auslaßleitungen zur Aufnahme der Flüssigkeit, die durch die flüssigkeitsdurchlässige Einrichtung tritt und zur Aufnahme des oxidierenden Gases, nachdem die Produktflüssigkeit daraus entfernt ist.

2. Brennstoffzellenbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Produktflüssigkeit Wasser ist und die Trenneinrichtung eine Kammer einschließt, die in Verbindung mit der Kathodenkammer einer Zelle steht, damit ein Produktwasser enthaltender Gasstrom in diese Kammer eintreten kann, wobei ein Abschnitt dieser Kammer selektiv für Wasser durchlässig, aber undurchlässig gegenüber Gas unterhalb eines vorausgewählten Druckes ist, was die Entfernung des Wassers aus dieser Kammer und aus dem Gasstrom gestattet.

3. Brennstoffzellenbatterie nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die wasserdurchlässigen Abschnitte in den Separatoren benachbarter Zellen eine Produktwasser-Kammer bilden, die in Verbindung steht mit der Wasser-Auslaßleitung.

4. Brennstoffzellenbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Wasser und Gas trennenden Einrichtungen ein Paar im Abstand zueinander angeordneter wasserdurchlässiger und gasundurchlässiger Elemente einschließt, die die mit der Kathodenkammer in Verbindung stehende Kammer begrenzen.

5. Brennstoffzellenbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wasserdurchlässige aber gasundurchlässige Einrichtung eine poröse, hydrophile Struktur umfaßt, deren Porengröße derart ist, daß Gas unterhalb eines vorausgewählten Druckes durch diese Einrichtung nicht hindurchdringen kann.

6. Brennstoffzellenbatterie nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die wasserdurchlässige und gasundurchlässige Einrichtung eine poröse hydrophile gesinterte Ventilmetallstruktur umfaßt.

7. Brennstoffzelle zur Verwendung in einer Brennstoffzellenbatterie gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, die die folgenden Bestandteile aufweist:

• a) eine hydratisierte Ionenaustauschermembran, die die Zelle in eine Anoden- und Kathodenkammer trennt,
• b) eine Anoden- und eine Kathodenelektrode in innigem Kontakt mit den gegenüberliegenden Oberflächen der Membran,
• c) eine Einrichtung, um Brennstoffgas in die Anodenkammer zu leiten,
• d) eine Einrichtung, um Oxidationsmittelgas in die Kathodenkammer zu leiten,
• e) eine mit der Kathodenkammer in Verbindung stehende Einrichtung, um das von dem die Kathodenkammer verlassenden oxidierenden Gas mitgerissene Produktwasser abzutrennen, wobei diese Einrichtung ein Mittel einschließt, das durchlässig für Wasser unterhalb eines vorausgewählten Druckes, jedoch undurchlässig für Gas ist,
• f) eine Einrichtung zum Entfernen von Wasser, das von der Kathodenkammer aus durch das wasserdurchlässige Mittel dringt, und
• g) eine Einrichtung, um das oxidierende Gas zu entfernen, nachdem das Produktwasser daraus entfernt worden ist.

8. Brennstoffzelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anoden- und Kathodenelektrode mit den gegenüberliegenden Seiten der Membran verbunden sind.

9. Brennstoffzelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasser/Gas-Separator ein Paar wasserdurchlässiger aber gasundurchlässiger Elemente enthält, die eine Kammer bilden, die mit der Kathodenkammer in Verbindung steht, um das Eindringen eines Gasstromes zu gestatten, der Produktwasser mitgerissen hat, damit die Trennung von Wasser und Gas stattfinden kann.

10. Brennstoffzelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das wasserdurchlässige aber gasundurchlässige Teil eine poröse gesinterte Ventilmetallstruktur aufweist.

11. Brennstoffzelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das wasserdurchlässige aber gasundurchlässige Element eine poröse hydrophile gesinterte Ventilmetallstruktur ist.