DE69429304T2

DE69429304T2 - Elektrochemische Zelle mit Ionen-Austauschmembranen und metallischen bipolaren Platten

Info

Publication number: DE69429304T2
Application number: DE69429304T
Authority: DE
Inventors: Giuseppe Faita; Claudio Mantegazza
Original assignee: Nuvera Fuel Cells Europe SRL
Current assignee: Nuvera Fuel Cells Europe SRL
Priority date: 1993-04-30
Filing date: 1994-04-29
Publication date: 2002-10-24
Anticipated expiration: 2014-04-30
Also published as: CN1076887C; CZ98694A3; BR9401641A; ES2169050T3; FI941932A0; EP0629015A1; AU674931B2; IT1270878B; US5482792A; US5565072A; ATE210339T1; US5578388A; SK50694A3; AU6054194A; DE69429304D1; EP0629015B1; CN1108005A; CA2121455C; JP2953555B2; FI941932A

Description

BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK

Brennstoffzellen, deren Anodenkammern (negative Polarität) und Kathodenkammern (positive Polarität) mit Wasserstoff beziehungsweise Sauerstoff enthaltenden Reaktionspartnern gespeist werden sind Geräte, die dadurch gekennzeichnet sind, dass sie elektrischen Strom mit einem Wirkungsgrad der Energieumwandlung bezogen auf den Brennwert des Brennstoffs erzeugen, der doppelt oder sogar dreifach höher als der typische Wirkungsgrad einer Verbrennungsmaschine ist. Außerdem können manche Brennstoffzellen bei relativ niedrigen Betriebstemperaturen arbeiten, etwa im Bereich von 50 bis 200ºC, was sie extrem nützlich für einen Betrieb mit Unterbrechungen macht, wie er sowohl für kleine vor Ort betriebene Elektrogeneratoren (wie sie beispielsweise in Werkstätten benötigt werden) als auch für die bordseitige Stromerzeugung von Transportmitteln typisch sind. Derartige Anwendungen werden auch durch die Eigenschaft der Brennstoffzellen begünstigt, abgesehen von geringfügigen Geräuschquellen, die mit dem Betrieb von Hilfsgeräten zusammenhängen, wie beispielsweise Gebläsen oder Pumpen des Kühlkreislaufs, absolut geräuschlos zu sein. Unter den verschiedensten Niedrigtemperaturbrennstoffzellen ist für die oben erwähnten Zwecke insbesondere der Typ mit Ionenaustauschmembranen, speziell perfluorierte Sulfonmembranen, besonders attraktiv. Die Verwendung von Ionenaustauschmembranen, welche herkömmliche flüssige Elektrolyte ersetzen, ermöglicht die Konstruktion von sehr einfachen Brennstoffzellen, da die für flüssige Elektrolyte benötigten Kreisläufe und Nachspeisesysteme nicht erforderlich sind und die von den Elektrolyten selbst hervorgerufenen Korrosionsprobleme nicht auftreten. Der Verzicht auf Elektrolyte führt zu einer größeren Auswahl von insbesondere leichteren und günstigeren Materialien. Die Verwendung von Ionenaustauschmembranen, die eigentlich als feste Elektrolyte angesehen werden müssen, bringt jedoch ein Problem hinsichtlich der Art der Grenzschicht mit den porösen Elektroden mit sich, die mit Wasserstoff und Sauerstoff gespeist werden. Im Fall von flüssigen Elektrolyten dringen diese auf Grund der Kapillarwirkung in die Poren der porösen Elektroden ein und bilden einen Meniskus, an dem ein Dreifachkontakt zwischen Flüssigkeit, Gas und Katalysator der Elektrode auftritt, der für eine schnelle Umsetzung von Wasserstoff beziehungsweise Sauerstoff erforderlich ist.
Im Fall von Ionenaustauschmembranen ist der Kontakt zwischen den Membranen selbst und den porösen Elektroden notwendigerweise durch die Tatsache beeinflusst, dass beide Komponenten Festkörper sind und der Bereich des Dreifachkontaktes auf Bereiche begrenzt ist, in denen tatsächlicher physikalischer Kontakt auftritt. Daher sind die Kapillarphänomene, die bei flüssigen Elektrolyten einen so entscheidenden Beitrag leisten nicht möglich. Als Folge davon ist die Umsetzungsgeschwindigkeit von Wasserstoff und Sauerstoff recht niedrig. Dieses Problem wird dadurch überwunden, dass man, wie im US-Patent 3,134,697 beschrieben, die aus elektrokatalytischen Teilchen bestehenden Elektroden unter Erwärmung auf die Membranen presst. Weitere Verbesserungen wurden durch Zugabe von elektrisch leitfähigen Teilchen, polymerem Bindematerial und insbesondere Materialien, die die Migration von Protonen begünstigen erreicht, wie im US-Patent 4,876,115 beansprucht.
Unabhängig von diesen Verbesserungen und Umsetzungen haben Brennstoffzellen mit Ionenaustauschmembranen noch keinen industriellen Durchbruch erzielt. Einer der Gründe für diese Schwierigkeit ist darin zu sehen, dass die Konstruktion der bekannten Membranbrennstoffzellen die Probleme der Sicherheit und der Herstellungskosten noch nicht zufriedenstellend lösen, insbesondere hinsichtlich der für den Bau verwendeten Materialien sowie der Notwendigkeit einer Massenproduktion und einer einfachen Herstellung. Diese Situation hängt damit zusammen, dass bei der Konstruktion einer Membranbrennstoffzelle ein objektiv komplexes technisches Problem gelöst werden muss, nämlich die Anoden gleichzeitig mit einer homogenen Verteilung sowohl des elektrischen Stroms als auch der Reaktionspartner zu versehen, einen vollständigen Kontakt mit der Membran zu gewährleisten und die durch Schwachstellen des Systems (Überspannungen, Ohmsche Verluste) verzeugte Wärme wirksam abzuführen. Die Konstruktion von bekannten Brennstoffzellen basiert üblicherweise darauf, dass die Elektroden mit der Membran eine einheitliche Struktur bilden müssen, die man, wie oben gesagt, durch Heißpressen der verschiedenen Bauteile erhält. Diese einheitliche Struktur gewährleistet intrinsisch den besten kontinuierlichen Kontakt zwischen der Membran und den Elektroden. Auf dieser Grundlage wurde die Konstruktion der Bipolarplatten so vollendet, dass diese die anderen Aufgaben der Verteilung von Gas und elektrischem Strom und der Abführung von Wärme übernehmen. Die bevorzugteste Geometrie waren Bipolarplatten, die mit Rillen versehen sind, insbesondere mit Rillen die auf einer Seite senkrecht zu den Rillen der anderen Seite orientiert sind, wie im US-Patent 4,175,165 beschrieben. Insbesondere ist die (positive) Kathodenkammer, wo Wasser entsteht und das Auftreten von flüssigem Kondensat wahrscheinlicher ist, durch Rillen gekennzeichnet, die vertikal orientiert sind, um einen effektiven Abfluss zu gewährleisten. Bei Brennstoffzellen, die aus einer Vielzahl von Zellelementen bestehen, umfasst jedes Zellelement eine einheitliche Elektroden/Membran-Struktur, die starr zwischen die beiden Seiten der beiden angrenzenden Bipolarplatten gepresst ist. Da die Rillen insbesondere rechtwinklig gekreuzt sind, sind die Bereiche mit beträchtlichem Kontaktdruck die Bereiche, wo die Rillen aufeinander liegen und insbesondere werden diese Bereiche durch eine Matrix gebildete, die aus Quadraten besteht, die eine der Breite des Kamms der Rillen entsprechende Seitenlänge und einen der Breite der "Täler" der Rillen entsprechenden Abstand aufweisen. Als Folge kann die Verteilung von Strom und die Abfuhr von Wärme, die sicherlich in Bereichen großen Kontaktdrucks lokalisiert ist, nur dadurch ausreichend homogen gestaltet werden, dass sehr dünne Rillen verwendet und die elektrische und thermische Querleitfähigkeit der Elektroden so weit wie möglich erhöht werden. In Anbetracht der Notwendigkeit, die Oberflächen sehr genau mechanisch zu bearbeiten, um die Rillen einzubringen und die durch ein im wesentlichen starres System, in dem das einzige Bauteil, das wenigstens teilweise elastisch ist, die Elektroden/Membran- Struktur darstellt, erforderliche Planarität zu gewährleisten, sind die Herstellungskosten der Bipolarplatten recht hoch. Die Art der erforderlichen Bearbeitung, die für eine Massenproduktion ungeeignet ist, beschränkt die Abmessungen der Bipolarplatten sehr stark auf Werte, die lediglich die Herstellung von kleinen Elektrogeneratoren ermöglichen, wie sie für Elektroantriebe notwendig sind. Sie sind aber sicherlich zu klein für andere wichtige Anwendungen, wie beispielsweise die stationäre Stromerzeugung vor Ort, wie sie etwa für lokale Elektrogeneratoren in Werkstätten benötigt wird. Die Notwendigkeit, die mit der Bearbeitung verbundenen Kosten zu reduzieren, hat den Einsatz von Materialien forciert, die gegossen oder extrudiert werden können, insbesondere Gemische aus Graphit und polymerem Bindematerial, wie dies klar in dem oben erwähnten US-Patent 4,175,165 beschrieben ist.
Da die Bipolarplatten eine ausreichende elektrische und thermische Leitfähigkeit aufweisen müssen, muss der Gehalt an dem mit Graphit vermischtem polymeren Bindematerial auf einem Minimum gehalten werden, das jedoch ausreichen muss, die notwendige Gießbarkeit sicherzustellen. Folglich ist die Belastbarkeit der Bipolarplatten nicht sehr hoch und kann sicherlich nicht mit derjenigen von typischen metallischen Materialien verglichen werden. Außerdem kann auch eine, wenn auch minimale Gaspermeabilität nicht ausgeschlossen werden. Es gibt daher naheliegende Bedenken hinsichtlich der Sicherheit von Brennstoffzellen, die mit Bipolarplatten aus Graphit versehen sind, insbesondere hinsichtlich der Stoßfestigkeit und einer möglichen Freisetzung von Wasserstoff, vor allem bei einem Betrieb unter Druck. Andererseits sind die üblicherweise in Betracht gezogenen Metalle, das heißt Titan, Niob, Tantal (die als Ventilmetalle bekannt sind, welche nach einiger Zeit ein elektrisch isolierendes Schutzoxid bilden), Edelstähle und Superlegierungen, wie beispielsweise verschiedene Hastelloy®- Typen, durch hohe Kosten, hohe spezifische Dichten und nur begrenzte thermische und elektrische Leitfähigkeit gekennzeichnet. Außerdem müssen zumindest die Ventilmetalle mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung versehen werden, welche einen niedrigen elektrischen Widerstand gewährleistet, wobei diese Notwendigkeit die bereits hohen Kosten weiter erhöht. Es ist außerdem möglich, dass die Rillenkonstruktion zu einem abweichenden Betrieb führt, da die Gasverteilung nur in Längsrichtung entlang der Rillen erfolgt, ohne dass eine nennenswerte Quervermischung auftritt.
Was die Elektroden betrifft, so verringert die Notwendigkeit einer hohen elektrischen und thermischen Querleitfähigkeit die Auswahl auf wenige Typen und die Verwendung einer einheitlichen Elektroden/Membran-Struktur führt zu einem weiteren Produktionsschritt der Heißpressung. Dieser Schritt ist doppelt teuer hinsichtlich der Arbeitskräfte und der notwendigen Ausrüstung, wie beispielsweise Hochleistungspressen mit kontrollierter Plattentemperatur und mit recht strengen Anforderungen hinsichtlich der Planarität.
Eine in dem US-Patent 4,224,121 beschriebene konstruktive Modifikation umfasst das Hinzufügen von einem oder mehreren Metallnetzen zwischen der gerillten Bipolarplatte und der einheitlichen Elektroden/Membran-Struktur. Diese Anordnung kann die Verteilung des elektrischen Stroms verbessern, wenn zumindest das mit der Elektrodenoberfläche in Kontakt stehende Netz eine feine Maschengröße aufweist, selbst wenn dies nicht dem endgültigen Zweck einer vollständigen Homogenität der Verteilung auch auf mikroskopischem Niveau erreicht. So sind die bevorzugten Bereiche diejenigen, die einem höheren Kontaktdruck ausgesetzt sind, was den Kreuzungen der Rillen entspricht. Das Hinzufügen einer Packung aus einer Anzahl Netzen gibt dem System außerdem eine gewisse Elastizität, so dass die Planarität der Bipolarplatten ein weniger strenges Erfordernis darstellt.
Eine Bipolarplattenkonstruktion, welche die Schwierigkeiten der für die Rillen notwendigen mechanischen Bearbeitung vermeidet, sieht die Verwendung von gewellten, gegebenenfalls perforierten Blechen vor, die, wie in DE 41 20 359 beschrieben, für den elektrischen Kontakt zwischen den Oberflächen der Elektroden und denjenigen der planaren Bipolarplatten verwendet werden. Die gewellten Bleche können mit den Bipolarplatten oder der Oberfläche der Elektroden oder mit beiden verschweißt werden. Gemäß einer einfacheren und billigeren Ausführungsform werden die gewellten Bleche einfach zwischen die Bipolarplatten und die einheitliche Elektroden/Membran-Strukturen gepresst. Im letzteren Fall müssen die beiden Bleche auf den Seiten jeder einzelnen Elektroden/Membran-Struktur notwendigerweise so angeordnet werden, dass sich die jeweiligen Wellen kreuzen. Die Bereiche mit einem höheren Kontaktdruck sind dann diejenigen, wo sich die Wellen überlagern. Die Vorrichtungen mit den oben erwähnten gewellten Blechen sind im wesentlichen mit den gleichen Nachteilen hinsichtlich Strom- und Gasverteilung behaftet, wie sie oben im Zusammenhang mit den Rillen beschrieben worden sind, und sie weisen größere Nachteile hinsichtlich der Wärmeabfuhr auf, was mit der notwendigerweise verringerten Dicke der Bleche zur Gewährleistung einer gewissen Elastizität zusammenhängt. Es ist außerdem ersichtlich, dass die Verwendung von gewellten Blechen erfordert, dass die Elektroden und Membrane eine einheitliche Struktur bilden, die, wie oben dargestellt, durch Heißpressen erhältlich ist.
Eine weitere im Stand der Technik beschriebene konstruktive Lösung sieht die Verwendung von porösen Blechen aus Sintermetall vor, die gleichzeitig als Strom- und Gasverteiler wirken. In diesem Fall besteht das Zellelement aus der einheitlichen Elektroden/Membran-Struktur, die zwischen zwei Bleche aus Sintermetall gepresst ist, die wiederum zwischen zwei planare Bipolarplatten gepresst ist, wie in DE 40 27 655 C1 beschrieben.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform wird die einheitliche Struktur nur durch eine Membran und eine Elektrode gebildet. Die zweite Elektrode wird als elektrokatalytische Beschichtung auf der Oberfläche eines Sintermetallblechs angebracht. Das Zellelement besteht daher aus der einheitlichen Elektroden/Membran-Struktur, einem ersten Sintermetallblech, das mit der Elektrode in Kontakt steht und einem zweiten Sintermetallblech, das eine Seite mit einer darauf angebrachten elektrokatalytischen Beschichtung aufweist, die mit einer Seite der Membran ohne Elektrode in Kontakt steht, wobei die gesamte Packung zwischen zwei Bipolarplatten eingesetzt ist.
Da die Sintermetallbleche im wesentlichen starr sind, kann ein unvermeidlicher Verlust an Planarität der Bipolarplatten nur durch Deformationen der Membran kompensiert werden, welche aber hinsichtlich der mechanischen Stabilität das schwächste Element ist. Die Membran wird folglich stark beansprucht, so dass Defekte auftreten können, insbesondere lokale geometrische Unregelmäßigkeiten, wie beispielsweise herausragende Spitzen des Sintermetallblechs und innere Porositäten der Membran selbst Dieses ungünstige Verhalten kann nur durch ein besonders sorgfältiges mechanisches Abflachen der Oberflächen der Bipolarplatten vermieden werden. Außerdem ist der Lückengrad des Sintermetallblechs üblicherweise gering, so dass der Gasstrom durch diese Bleche mit einem hohen Druckabfall verbunden ist. Als Folge davon können die Sintermetallbleche als Stromverteiler benutzt werden, um die aus US-Patent 4,224,121 bekannten Netze zu ersetzen, aber nicht als Gasverteiler. Daher ist es weiterhin notwendig, mit Rillen versehene Bipolarplatten zu verwenden, mit allen oben erwähnten Problemen im Zusammenhang mit der mechanischen Bearbeitung und den relevanten Kosten.
Die oben beschriebenen Probleme betreffen auch andere Typen von elektrochemischen Zellen, die mit mit Wasserstoff oder Sauerstoff gespeisten Elektroden ähnlich den für Brennstoffzellen verwendeten versehen sind. Typische Beispiele sind elektrochemische Zellen zum Aufkonzentrieren von Wasserstoff oder Sauerstoff oder zur Elektrolyse von Salzlösungen mit gasdepolarisierten Elektroden.
Aus US 4,339,314 ist eine elektrochemische Zelle bekannt, die ein Paar Bipolar- oder Endplatten, eine Ionenaustauschmembran, ein Paar poröser elektrokatalytischer Elektroden, ein Paar Dichtungsrahmen und ein Paar poröser Stromsammler umfasst.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Ein wesentlicher Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte elektrochemische Zelle, beispielsweise eine Brennstoffzelle, bereit zu stellen, welche die Probleme und Nachteile des Standes der Technik überwindet. Insbesondere die Übertragung von elektrischem Strom durch die Zellelemente, die Freisetzung von Wärme in die Umgebung, die Verteilung von elektrischem Strom auf die Elektroden und Membranen, die Abfuhr von Wärme aus den Elektroden und Membranen und die Verteilung der Reaktionspartner und Produkte werden von spezifischen Bauteilen durchgeführt, insbesondere von Bipolarplatten für die beiden erstgenannten und von porösen, elektrisch leitfähigen-Stromsammlern für die anderen. Auf Grund dieser Aufteilungen der Funktionen können die Bipolarplatten ebene Oberflächen ohne Rillen aufweisen. Demnach umfasst die erfindungsgemäße elektrochemische Zelle gemäß vorliegendem Anspruch 1 Bipolarplatten, vorzugsweise aus Aluminium, Titan oder deren Legierungen, die durch kostengünstige Techniken der Massenproduktion erhältlich sind, beispielsweise durch Schneiden aus kommerziell erhältlichen Blechen oder durch Gießen in geeignete Formen. Insbesondere erfordern die Bipolarplatten weder ein mechanisches Abplatten der Oberfläche noch ein Beschichten mit einem elektrisch leitfähigen Schutzfilm. Die Bipolarplatten werden erfindungsgemäß zusammen mit Stromkollektoren verwendet, die Verformbarkeit und Restelastizität aufweisen und in der Lage sind, hohen Druck in Kontaktbereichen sowohl mit den Elektroden als auch mit den Bipolarplatten aufzubringen. Die Kollektoren sind erfindungsgemäß außerdem durch eine hohe Porösität gekennzeichnet und wirken daher vorteilhaft auch als Verteiler für die Reaktionspartner und -produkte. Dank ihrer hohen elektrischen und thermischen Leitfähigkeit können die Kollektoren Wärme von den Membranen und Elektroden abführen und sie effektiv zu den Bipolarplatten weiterleiten, die mit Mitteln zur Wärmeabgabe versehen sind. Diese und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden besser in der folgenden detaillierten Beschreibung und in den relevanten Beispielen dargestellt, die jedoch keinesfalls als einschränkende Darstellung der Erfindung zu werten sind.
Die vorliegende Erfindung ist zur Herstellung von verbesserten Zellelementen für elektrochemische Membranzellen, insbesondere für Niedrigtemperaturbrennstoffzellen geeignet. Die erfindungsgemäßen Zellen werden mit Reaktionspartnern gespeist, beispielsweise Wasserstoff beziehungsweise Sauerstoff enthaltende Gase, die in die Anodenkammer (negative Polarität) und Kathodenkammer (positive Polarität) jedes Zellelements geleitet werden, wobei die Reaktionsprodukte sowohl Gase als auch Flüssigkeiten, wie beispielsweise Wasser sind. Dem Fachmann ist bewusst, dass die vorliegende Erfindung außer bei Brennstoffzellen auch in anderen Bereichen verwendet werden kann, beispielsweise bei der Wasserelektrolyse, die direkt in reinem Wasser ohne Elektrolyten oder auch in Dampf durchgeführt werden kann, zum elektrochemischen Aufkonzentrieren von Wasserstoff und Sauerstoff aus gasförmigen Reaktionspartnern, welche diese in reduziertem Anteil enthalten, zur Herstellung von Sauerstoffperoxid durch Reduktion von Sauerstoff und zur Elektrolyse von verschiedensten Lösungen mit gasdepolarisierten Anoden oder Kathoden, wobei diese Verfahren in Zellen durchgeführt werden, die Zellelemente mit einem Aufbau wie das Zellelement der vorliegenden Erfindung aufweisen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird auf die beigefügten Zeichnungen verwiesen, wo die gleichen Bauteile mit derselben Bezugsziffer bezeichnet sind.
Insbesondere zeigt:
Fig. 1 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Zellelements einer Zelle;
Fig. 2 und 3 axonometrische Detailansichten des erfindungsgemäßen Zellelements;
Fig. 4 den Querschnitt eines Dichtungsrahmens, der mit einer Elektrode und einem Kollektor verbunden ist;
Fig. 5 eine axonometrische Ansicht eines erfindungsgemäßen Stromkollektors;
Fig. 6 einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Zelle.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

In Fig. 1 erkennt man ein Zellelement einer erfindungsgemäßen Zelle mit einem Paar Bipolarplatten (1), einem Paar Stromkollektoren, (14), einem Paar Dichtungsrahmen (8), einem Paar elektrokatalytischer Elektroden (7) und einer Ionenaustauschmembran (6).
Wie in Fig. 2 dargestellt besteht die Bipolarplatte (1) aus einer Metallplatte, die im Kontaktbereich mit den Kollektoren (14) eine ebene Oberfläche aufweisen kann. Der Rahmenbereich am Umfang der Bipolarplatte (1) ist mit Löchern (2) und gegebenenfalls mit Verteilungskanälen (3) zum Ein- und Auslaß der Gase, Öffnungen (4) zum Durchlass von (nicht dargestellten) Zugstangen und gegebenenfalls internen Leitungen (5) zum Durchlass geeigneter Kühlmittel versehen. Die Abmessungen der Bipolarplatte werden folglich von der Notwendigkeit bestimmt, einen bestimmten aktiven Membranbereich (6) und Elektroden (7) mit den entsprechenden Stromkollektoren (14), sowie Öffnungen (2, 4) und Kanäle (3) aufzuweisen. Erfindungsgemäß ist ein wesentliches Merkmal der Bipolarplatten die Möglichkeit, sie durch Ausschneiden aus kommerziell erhältlichen Blechen oder durch Gießen in geeignete Formen in großer Stückzahl zu vernünftigen Kosten herstellen zu können, ohne dass ein zusätzliches mechanisches Abflachen der Oberfläche erforderlich ist. Die Bipolarplatten können aus Aluminium, Titan oder deren Legierungen bestehen, ohne dass ein elektrisch leitfähiger Schutzfilm benötigt wird. Dieser letzte Aspekt wird in der folgenden Beschreibung detaillierter erläutert. Andere Metalle oder Legierungen, die verwendet werden können, sind Niob, Tantal, Edelstähle, auch hochlegierte Stähle, Chrom-Nickel-Legierungen, die allerdings weniger kostengünstig und auf Grund der höheren spezifischen Dichte dieser Materialien schwerer sind. Wenn der Werkstoff Aluminium oder dessen Legierungen ist, kann die im Betrieb der Zelle erzeugte Wärme auf Grund der hohen Wärmeleitfähigkeit durch bloßes Kühlen des Randbereichs der Bipolarplatten abgeführt werden. Aus diesem Grund ist der Randbereich geeignet vergrößert und die Wärmeabfuhr kann durch eine (in den Figuren nicht gezeigte) Umwälzung von Luft oder eines anderen Kühlungsmittels durchgeführt werden. Gemäß dieser Ausführungsform weisen die aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehenden Bipolarplatten (1) keine internen Leitungen (5) auf, was die Herstellung vereinfacht und zu einer beträchtlichen Kostenreduktion beiträgt.
Die Dichtungsrahmen (8) der Fig. 3 umfassen Öffnungen (9) zum Ein- und Auslaß der Reaktionspartner und -produkte, welche den Öffnungen (2) der Bipolarplatten (1) entsprechen, sowie gegebenenfalls Öffnungen (10) für den Durchlass der Zugstangen. Die Öffnungen (10) sind bei einer möglichen abgewandelten Ausführungsform, bei der die Ecken abgerundet sind, nicht notwendig. Die Öffnungen (9) sind mit geeigneten Kanälen (11) verbunden, die aus der Dicke der Dichtungsrahmen ausgeschnitten sind und dazu dienen, zusammen mit Kanälen (3) die Reaktionspartner und -produkte im Innern der Zelle gleichmäßig zu verteilen und zu sammeln. Obwohl nicht zwingend, sollte der Auslaß für die Reaktionsprodukte im unteren Bereich angeordnet sein, damit das Kondenswasser, welches sich im Betrieb in der Zelle bilden kann, leichter abgeführt werden kann.
Die beiden Flächen der Dichtungsrahmen brauchen nicht übereinzustimmen, denn während die in Kontakt mit den Elektroden (7) und der Membran (6) stehende Fläche eben sein kann, ist die in Kontakt mit den Bipolarplatten stehende Fläche mit Kanälen (11), wie oben beschrieben, und mit Rippen (12) versehen, das heißt mit geradlinigen Vorsprüngen welche die notwendige Abdichtung gewährleisten, damit kein Gas nach außen strömt oder innerhalb der Zelle vermischt wird. Die Abdichtung auf der Elektrodenseite wird durch die intrinsische Elastizität jedes Paars aus Dichtungsrahmen und Membran gewährleistet. Aus diesem Grund besteht der Dichtungsrahmen aus einem elastomeren gießfähigen Material. Die notwendige Elastizität muss so groß sein, dass unter einer nicht zu großen mechanischen Last eine sichere Abdichtung gewährleistet ist, um zu verhindert, dass Verformungen unter Druck die Kanäle (3) und (11) blockieren und die Membran im Randbereich übermäßig beansprucht wird. Die Dicke der Dichtungsrahmen wird nicht nur durch mechanische Überlegungen bestimmt sondern auch durch die Notwendigkeit, für den Durchlass von Gas einen Innenraum zu definieren. Der Dichtungsrahmen der Fig. 3 und 4 weist außerdem eine Stufe (13) entlang der Innenkante auf, so dass die Elektrode (7) einfach eingesetzt werden kann und gleichzeitig ein guter Schutz der Membran (6) vor möglichen Unregelmäßigkeiten am Umfang des Stromkollektors (14) gewährleistet ist, wie beispielsweise Restspitzen oder Schnittgrate vom Schneiden der Bauteile mit den gewünschten Abmessungen aus kommerziell erhältlichen Blechen.
Fig. 4 zeigt die Anordnung aus Dichtungsrahmen (8)/Stromkollektor (14)/Elektrode (7) detaillierter.
Erfindungsgemäß sollen die Stromkollektoren (14) gleichzeitig folgendes bereit stellen:
- zahlreiche Kontaktpunkte mit den Elektroden um den Energieverlust, der durch extrem lange querverlaufende Strombahnen im Innern der Elektroden entsteht zu minimieren;
- niedrige Werte des Kontaktwiderstands mit der Oberfläche der Bipolarplatten, die bevorzugt aus einem passivierbaren Material wie Aluminium, Titan oder deren Legierungen bestehen und die keinen elektrisch leitfähigen Schutzfilm aufweisen;
- Wärmeübertragung von den Elektroden/Membran-Strukturen auf die Bipolarplatten (1), die gegebenenfalls mit Leitungen (5) versehen sind, in denen ein Kühlmittel fließt;
- Längsfluss von Reaktionspartnern mit geringem Druckabfall und gleichmäßiger Verteilung über die gesamte Oberfläche der Elektroden (7) auf Grund von umfangreichen Möglichkeiten einer Quervermischung;
- einfacher Abfluss von flüssigem Wasser, das im Betrieb durch Kondensation im Innern der Stromkollektoren entsteht;
- Verformbarkeit mit ausreichender Restelastizität unter Druck, um die unvermeidlichen Planparitätsdefekte der verschiedenen Bauteile der Zelle zu kompensieren, insbesondere diejenigen der Bipolarplatten, die idealerweise keiner präzisen mechanischen Oberflächenbearbeitung unterzogen worden sind. Ein gewisser Grad von Restelastizität ist außerdem notwendig, um die Elektroden/Membran-Strukturen unter konstantem Druck zu halten, damit die Wärmeausdehnung der verschiedenen Bauteile beim Hochfahren und Herunterfahren und bei Veränderungen der elektrischen Last kompensiert werden können.
Die oben genannten Vorteile sind erhältlich durch Verwendung von Stromkollektoren, deren Struktur einem dreidimensionalen Netzwerk aus Metalldrähten entspricht, die vorzugsweise Kreuzungspunkten aneinander fixiert sind. Durch geeignete Abstimmung des Durchmessers der Drähte und des Abstandes zwischen Kreuzungspunkten kann ein optimaler Lückengrad leicht eingestellt werden, der vorzugsweise durch hohe Werte gekennzeichnet ist. Die bevorzugten Abmessungen der Lücken sollten so klein sein, dass die benötigten zahlreichen Kontaktpunkte gewährleistet werden, aber auch so groß, dass Kapillarphänomene minimiert werden, die Probleme bei der Freisetzung von Kondenswasser bereiten würden. Dieses Phänomen kann außerdem reduziert werden, wenn das Netzwerk auf Metalldrähten und die Kanäle (3 und 11) hydrophobisiert werden, beispielsweise durch Eintauchen in eine Lösung, die ein geeignetes hydrophobes Mittel enthält und anschließendes Trocknen. Eine besonders bevorzugte Lösung ist eine Emulsion aus Polytetrafluorethylenteilchen. Dreidimensionale Netzwerke der oben beschriebenen Art sind die im US-Patent 4,340, 452 beschriebenen Matten, die in Elektrolysezellen eingesetzt werden, um die elektrische Kontinuität zwischen einem starren Stromverteiler und einer aus einem dünnen Blech bestehenden Elektrode zu gewährleisten, wobei bei geringen Stromdichten ein Elektrolyt mit hoher Leitfähigkeit vorhanden ist. Unter diesen Voraussetzungen werden bereits bei geringem Druck auf den Stromkollektor (einige 10 bis einige 100 g/cm²) und mit Kollektoren, die aus einem dreidimensionalen Netzwerk bestehen, das relativ weit voneinander beabstandete Kreuzungspunkte aufweist (einige mm), optimale Ergebnisse erzielt.
Vorzugsweise handelt es sich bei diesen Matten um Drahtgewebe oder Siebe, bei denen die Drähte eine Reihe von Spiralen, Wellen, Kräuselungen oder anderen gewellten Konturen bilden. Noch bevorzugter bestehen die Matten aus einer Reihe helixartiger zylindrischer Drahtspiralen, deren Wicklungen jeweils mit denjenigen der angrenzenden Spirale in einer vermaschten oder verdrillten Weise verwoben sind.
Im vorliegenden Fall wurde gefunden, dass die beste Leistung erzielt wird, wenn die Lücken des Netzwerks so gestaltet sind, dass auf einem druckempfindlichen Papier Abdrücke mit Abmessungen im Bereich von 0,1 bis 3 mm hinterlassen werden, während der auf die Bipolarplatten angewandte Druck in etwa im Bereich zwischen 0,1 und 10 kg/cm² liegt. Gemäß einer abgewandelten Lösung kann das dreidimensionale Netzwerk weiter dadurch charakterisiert werden, dass die Oberfläche die Endabschnitte zumindest eines Teils der Metalldrähte umfasst: durch dieses Merkmal ist ein hoher lokalisierter Druck in sehr eng begrenzten Bereichen und folglich niedrige Werte des Kontaktwiderstandes erhältlich.
In Fig. 5 ist der Stromkollektor (14) durch ein Netzwerk dargestellt, dessen Oberfläche Endabschnitte (15) aufweist, deren Wirksamkeit durch Messungen des elektrischen Widerstands demonstriert wurde, die an Anordnungen durchgeführt wurden, die ein Zellelement einer erfindungsgemäßen Zelle simulieren und aus zwei planaren Platten einer Aluminiumlegierung bestehen, die durch Guss ohne weitere mechanische Bearbeitung hergestellt wurden, ferner aus zwei 2 mm dicken aus Nickel bestehenden Stromkollektoren, mit 100 Hohlräumen pro cm² (mittlere Abmessungen der Hohlräume: 1 mm), 2 Elektroden, die von E-TEK USA, unter dem Handelsnamen ELAT vertrieben werden und zwischen denen eine Nation® 117-Membran von Du Pont, USA, angeordnet ist. Der gemessene elektrische Widerstand lag im Bereich von 100 bis 5 mΩ/cm² bei einem auf die Aluminiumplatten aufgebrachten Druck von 0,1 bis 80 kg/cm². Die gemessenen Werte blieben auch dann konstant, wenn sich die Anordnung bei 100ºC in einer Dampfatmosphäre befand, wie dies im tatsächlichen Betrieb stattfindet.
Mit Metallplatten aus Titan wurden ähnliche Ergebnisse erzielt. Ohne die erfindungsgemäßen Stromkollektoren wurde unter den gleichen Bedingungen mit der gleichen Anordnung Widerstände zwischen 200 und 1000 mΩ/cm² gemessen, die für eine industriell interessante Zelle absolut inakzeptabel sind. Die Tatsache, dass der elektrische Widerstand auch in Gegenwart von 100ºC heißem Dampf überraschend niedrig und zeitlich stabil ist zeigt, dass im Gegensatz zum Stand der Technik Bipolarplatten auch aus Aluminium, Titan oder deren Legierungen ohne elektrisch leitfähige Schutzbeschichtungen hergestellt werden können, wenn sie zusammen mit den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Stromkollektoren eingesetzt werden. Es ist auch bekannt, dass Aluminium, Titan und deren Legierungen nach einiger Zeit von einer elektrisch isolierenden Oxidschicht bedeckt werden, so dass, ohne die vorliegende Erfindung mit einer bestimmten Hypothese zu verbinden, angenommen werden kann, dass der hohe Druck, der in den kleinflächigen Kontaktpunkten zwischen den Bipolarplatten und den erfindungsgemäßen Stromkollektoren lokalisiert ist, ein Aufbrechen dieser Schicht bewirkt oder ihr Wachstum verhindert. Dieser Kontaktdruck ist vermutlich eine Größenordnung höher als der auf die Bipolarplatten ausgeübte Druck.
Außerdem können die Bipolarplatten, wie schon gesagt, nach dem Gießen oder Schneiden aus industriellen Blechen vorteilhaft als solche verwendet werden, ohne dass anschließend ein mechanisches Abflachen nötig wäre. Dieses Ergebnis hängt vermutlich mit der Verformbarkeit der Stromkollektoren und mit ihrer Restelastizität zusammen, die es ermöglicht, die für ein unbearbeitetes Bauteil typischen Abweichungen von der Planarität zu kompensieren. Da die Verformbarkeit der erfindungsgemäßen Stromkollektoren bei dem üblicherweise auf die Bipolarplatten aufgebrachten Druck relativ gering ist (in der Größenordnung von einigen Prozent der Dicke), kann man davon ausgehen, dass auch die Elektroden bei der Kompensation von Planaritätsabweichungen der Bipolarplatten mitwirken. Um insbesondere die Belastung der Membranen innerhalb akzeptabler Werte zu halten müssen die Elektroden eine beträchtliche Verformbarkeit aufweisen. Aus diesem Grund wurde gefunden, dass die besten Ergebnisse hinsichtlich Vermeidung von mechanischen Beschädigungen der Membranen erhalten werden, wenn die Elektroden eine deformierbare Schicht, wie beispielsweise ein Kohlenstofftuch umfassen. Die Bipolarplatten können entweder Rillen haben oder flach sein, wobei letzteres im Hinblick auf die wesentlich niedrigeren Herstellungskosten bevorzugt ist. Das dreidimensionale Netzwerk des Stromkollektors mit der in Fig. 5 dargestellten Struktur kann ausgehend von einem expandierten offenzelligen Schaum in einem Kunststoffmaterial, beispielsweise Polyurethan, hergestellt werden, welches zunächst vorbehandelt wird, damit man eine gewisse elektrische Leitfähigkeit erhält (beispielsweise Vakuummetallisierung oder Metallabscheidung mittels an sich bekannter stromloser Bäder oder Pyrolyse in inerter Atmosphäre oder in Vakuum zur Bildung von kohlenstoffhaltigem Material, welches gegebenenfalls teilweise graphitisiert werden kann). Auf das so vorbehandelte Material wird dann galvanisch das gewünschte Metall oder die gewünschte Legierung, beispielsweise Nickel, Kupfer oder deren Legierungen mit anderen Metallen, abgeschieden, bis man die gewünschte Dicke erhält. Die Hohlräume des Materials haben vorzugsweise Abmessungen zwischen 0,1 und 3 mm und der Durchmesser der Metalldrähte variiert vorteilhaft zwischen 0,01 und 1 mm. Bezugsziffer (15) in Fig. 5 bezeichnet die Endabschnitte der Metalldrähte welche, wie oben erläutert, die zahlreichen Kontaktpunkte mit hohem lokalisiertem Druck in kleinen Bereichen gewährleisten, welche den Querschnitten dieser Endabschnitte entsprechen. Wie aus Fig. 1 hervorgeht entspricht die Dicke der Stromkollektoren der Dicke der Dichtungsrahmen vermindert um die Dicke der Elektroden. Die Dicke der Stromkollektoren liegt im allgemeinen zwischen 0,5 und 5 mm und bevorzugt zwischen 1 und 2 mm. Das in Fig. 5 beschriebene Netzwerk ist in der europäischen Patentanmeldung EP 0 266 312 A1 beschrieben, wo seine Verwendung als expandierte Elektrode zur Elektrolyse von verdünnten wässrigen Lösungen von Metallionen beansprucht ist, sowie im US-Patent 4,657,650, welches seinen Einsatz als externer elektrischer Kontakt zur Verbindung der Elementarzellen in einem Elektrolyseur beschreibt.
Gegebenenfalls kann das erfindungsgemäße dreidimensionale Netzwerk (netzartiges Material) auch in Kombination mit einem Metallgitter oder einem graphitisierten Kohlenstoffgitter verwendet werden, das zwischen dem netzartigen Material und der Elektroden/Membran-Struktur eingebaut ist. Bei dieser Doppelschichtstruktur des Kollektors gewährleistet das Gitter, welches besonders fein sein kann (beispielsweise Gitter mit Öffnungen, die kleiner als 1 mm sind), die notwendigen zahlreichen Kontaktpunkte mit den Elektroden, während das netzartige Material freier ausgewählt werden kann, beispielsweise mit besonders großen Hohlräumen, so dass eine maximale Perkulation des möglicherweise im Inneren kondensierten Wassers stattfinden kann. Die Verwendung des Gitters gewährleistet auch einen höheren Schutz der Membran in den Fällen, in denen das netzartige Material eine Oberfläche mit besonders vortretenden Spitzen aufweist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform besteht der erfindungsgemäße Stromkollektor einfach aus ein oder mehreren übereinander gelegten Gittern, die aus geflochtenen Metalldrähten bestehen, die Gitteröffnungen in der Größenordnung von weniger als 3 mm, bevorzugt weniger als 1 mm aufweisen, um zahlreiche Kontaktpunkte zwischen den Elektroden und den Bipolarplatten zu gewährleisten. Hoher Kontaktdruck, der insbesondere auf der Seite der Bipolarplatten nützlich ist, erhält man, wenn der zur Herstellung der Gitter verwendete Draht einen quadratischen Querschnitt aufweist, wobei aber auch andere polygonale Querschnitte verwendet werden können. In diesen Fällen bilden die Längskanten der Drähte an den übereinander liegenden Stellen eine besonders nützlich Anordnung von Vorsprüngen, die sich in die Metallfläche der Bipolarplatten einprägen. Eine ebenfalls vorteilhafte Ausführungsform des Gitters ist ein Streckmetall, welches durch Schlitzen von dünnen Blechen und anschließendes Strecken erhältlich ist. Auf diese Weise erhält man ein Gitter mit unterschiedlich geformten Öffnungen, beispielsweise rhombische Öffnungen, wobei der Teil des Metalls, der die Gitteröffnungen definiert, gegenüber der Ebene des Bleches selbst gedreht ist. Wenn daher das Streckmetallblech gegen planare Oberflächen gepresst wird, werden die Spitzen der gedrehten Abschnitte des Metalls die Kontaktbereiche. Wenigstens ein Paar der oben beschriebenen Gitter wird eingesetzt, um höhere Elastizität und Verformbarkeit, Permeabilität für gasförmige Reaktionspartner und Perkulation von kondensiertem Wasser zu gewährleisten. Für den letzteren Fall können die Gitter unterschiedliche Öffnungen aufweisen, wobei man insbesondere ein feines Gitter für den Kontakt mit den Elektroden und ein gröberes Gitter für den Kontakt mit den Bipolarplatten verwendet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, die oben beschriebenen erfindungsgemäßen Stromkollektoren und insbesondere das netzartige Material auf einer Membranseite und ein oder mehrere Gitter, welche gegebenenfalls unterschiedliche Gitteröffnungen aufweisen können, auf der anderen Membranseite zusammen einzusetzen.
Außerdem kann der erfindungsgemäße Stromkollektor, der entweder aus netzartigem Material oder aus übereinandergeschichteten Gittern bestehen kann, nur auf einer Seite der Membran eingesetzt werden, während auf der anderen Seite ein starres, leitfähiges und poröses Material verwendet wird, wie beispielsweise eine Schicht aus Sintermetall. Diese muss dünn genug sein, um sich unter dem angelegten Druck dem Profil der Bipolarplatte, die nicht perfekt eben ist, anpassen zu können. Der Lückengrad und die Abmessungen der Poren der Sintermetallschicht muss so wie bereits oben für die erfindungsgemäßen Stromkollektoren beschrieben ausgebildet sein, damit der Durchfluss der Reaktionspartner und -produkte, die Perkulation des Kondenswassers und die zahlreichen Kontaktpunkte mit den Elektroden und den Bipolarplatten gewährleistet sind.
Das Metall, aus dem der erfindungsgemäße Stromkollektor hergestellt wird, muss möglichen aggressiven Bedingungen standhalten-, die besonders schwerwiegend sein können, wenn die Zelle in der positivpoligen Kammer mit Luft und/oder in der negativpoligen Kammer mit einem Gemisch aus Kohlendioxid und. Wasserstoff gespeist wird. Unter diesen Bedingungen ist mögliches Kondenswasser säurehaltig. Unter Berücksichtigung sowohl dieser Möglichkeit und der Tatsache, dass die Betriebstemperatur höher als Raumtemperatur ist, wird als Metall vorteilhaft Edelstahl vom Typ 18 Chrom-10 Nickel, bevorzugt hochlegierter Stahl, Chrom-Nickel-Legierungen, Titan, Niob oder andere Ventilmetalle verwendet. Die Stromsammler können gegebenenfalls mit einem elektrisch leitfähigen Schutzfilm beschichtet sein, der beispielsweise aus Metallen der Platingruppe oder deren Oxiden besteht. Alternativ kann der Schutzfilm aus leitfähigen Polymeren, die intrinsisch leitfähige Materialien umfassen, bestehen, wie beispielsweise Polyacethylene, Polypyrrole, Polyaniline oder ähnliche, oder Kunststoffmaterialien, die leitfähige Pulver (beispielsweise Graphitpulver) enthalten.
Die Fig. 1 und 6 zeigen deutlich, dass jedes Paar Bipolarplatten (1) aus Aluminium oder einem anderen passivierbaren Material oder dessen Legierungen zwischen sich ein Paar der erfindungsgemäßen Stromkollektoren (14), ein Paar Elektroden (7) und eine Membran (6) zusammengepresst hält. Die Elektroden werden, wie an sich bekannt, vor dem Einsetzen zwischen die Bipolarplatten und die Kollektoren unter Druck und Erwärmung mit der Membran verbunden, gegebenenfalls nachdem auf die Oberfläche der Elektroden eine Suspension oder eine Lösung, die das Polymer, aus dem die Membran besteht, enthält aufgetragen wurde, um sowohl die Haftung der Elektrode an der Membran zu verbessern, als auch die Bildung eines großen Bereichs des Dreifachkontakts zwischen Gas, Membran und katalytischen Teilchen der Elektroden zu erleichtern. Wenn die Membranen und die Elektroden zur Bildung einer einheitlichen Struktur miteinander verbunden werden, zeigen die Bipolarplatten und die erfindungsgemäßen Stromkollektoren allerdings keine nennenswerte Verbesserung der Zellenleistung verglichen mit der Lehre des Standes der Technik. In diesem Fall sind die Vorteile der Erfindung beschränkt auf eine einfachere Konstruktion und niedrigere Herstellungskosten, insbesondere für Bipolarplatten, die aus Aluminium oder einem anderen passivierbaren Metall bestehen und die keine Schutzbeschichtung aufweisen. Überraschend wurde gefunden, dass es die erfindungsgemäßen Bipolarplatten und Stromkollektoren ermöglichen, optimale Zellleistungen auch dann zu erhalten, wenn die Elektroden, im Gegensatz zur Lehre des Standes der Technik, vorab nicht mit der Membran verbunden wurden, was ganz offensichtlich ebenfalls zu einer Verringerung der Produktionskosten und zur Einschränkung von Beschädigungsrisiken der empfindlichen Membranen beiträgt. Ohne die vorliegende Erfindung mit einer bestimmten Theorie verknüpfen zu wollen kann man annehmen, dass die zahlreichen Kontaktpunkte und der an diesen Punkten erzielbare hohe Druck, der für die oben erwähnten Stromkollektoren typisch ist, in der Lage sind, einen großen Anteil der Fläche der Elektroden in einem innigen mechanischen Kontakt mit der Membran zu halten. Als Konsequenz ist die Anzahl der katalytischen Teilchen, die in die Membranoberfläche eingebettet sind (Dreifachkontaktbereich) im Fall der vorliegenden Erfindung, wo die Elektroden nur auf der Membran aufliegen, ebenso groß wie im Stand der Technik, wo die Elektroden mit der Membran verbunden sind. Umgekehrt wurde gefunden, dass bei Kollektoren, aus gewellten Blechen oder einfachen, gerillten Bipolarplatten wie beim Stand der Technik, die Leistung nur dann akzeptabel ist, wenn die Elektroden mit der Membran verbunden, sind. Wie oben beschrieben sind bei diesen Stromkollektoren die Kontaktbereiche mit ausreichend hohem Druck nur auf die Kreuzungspunkte der Rillen oder Wellen beschränkt und wirken daher nur auf einen beschränkten Anteil der Elektrodenoberfläche, welcher den einzigen Bereich darstellt, der mit der Membran in Kontakt gehalten wird. In den übrigen Bereichen der Elektrodenoberfläche existiert kein Kontaktdruck auf die Membran und die unterschiedliche Expansion der Membran und der Elektroden im Betrieb kann zu einer Trennung der Oberflächen führen. Dieser übrige Bereich trägt daher in keiner Weise zur Leistung der Zelle bei. Aus diesen Überlegungen wird deutlich, warum im Stand der Technik das Verbinden der Elektroden und der Membran als wesentlicher Faktor für eine gute Leistung der Zellen angesehen wurde, die mit Stromkollektoren mit Rillen oder Wellen ausgerüstet sind.
Die erfindungsgemäß mit Elektroden, die nicht mit der Membran verbunden sind, erzielten optimalen Resultate hängen vermutlich außerdem mit einer zweiten Eigenschaft der Stromkollektoren zusammen, nämlich deren Verformbarkeit und Restelastizität unter Druck. Diese Eigenschaft erlaubt es, kleinere Planaritätsabweichungen der keiner weiteren mechanischen Abflachung der Oberflächen und sogenannte ebenen Bipolarplatten auszugleichen.
Die Kompensation der Planaritätsdefekte ermöglicht es, einen über die gesamte Oberfläche der Bipolarplatten gleichmäßig verteilten Kontakt der Elektroden und Membranen aufrecht zu erhalten, was eine optimale Leistung auf Grund einer homogenen Stromverteilung gewährleistet. Wie bereits erwähnt, haben die Elektroden (7) eine verformbare Struktur um die Verformbarkeit des Systems zu maximieren. Sie bestehen aus einer porösen, verformbaren Schicht eines leitfähigen Materials, auf welche eine Suspension durch Sprühen oder Streichen oder eine ähnliche Technik aufgetragen wurde. Die Suspension umfasst einen flüssigen Träger, elektrokatalytische und elektrisch leitfähige Materialien in Pulverform und ein polymeres Bindematerial, welches gegebenenfalls ionische Gruppen umfassen kann, mit hydrophoben oder hydrophilen Eigenschaften, um die Benetzbarkeit des Systems zu kontrollieren. Die poröse Schicht wird anschließend getrocknet und einer der mechanischen Stabilisierung des aufgetragenen Materials dienenden Wärmebehandlung unterzogen. Geeignete Schichten bestehen aus gegebenenfalls graphitisiertem Kohlenstofftuch oder -papier. Das Kohlenstofftuch ist wegen seiner höheren Verformbarkeit und Flexibilität bevorzugt, da dies die Handhabung und den Einbau in die Zelle erleichtert. Derartige Produkte, welche Platin als Katalysator und Polytetrafluorethylen als polymere Komponente enthalten, werden von verschiedenen Herstellern angeboten, beispielsweise von E-TEK, USA unter dem Handelsnamen ELAT. Diese Produkte können in ihrer ursprünglichen Form verwendet werden oder nach Bestreichen mit einer Suspension oder einem Anstrich, der ein ionisches Polymer enthält, das ähnlich dem zur Bildung der Membran verwendeten ist. Andere Typen von porösen Schichten bestehen aus Sintermetallschichten oder feinen Netzen oder mehrschichtigen Tüchern, die beispielsweise hergestellt sein können aus unterschiedlichsten Edelstählen, hochlegierten Stählen oder Legierungen aus Nickel, Chrom und Titan. Im allgemeinen werden mehrschichtige Tücher auf Grund ihrer Verformbarkeit ganz bevorzugt eingesetzt. Gemäß einer anderen Ausführungsform können obige Schichten, wenn sie aus einem mehrschichtigen Tuch bestehen, gleichzeitig als Stromkollektoren und Elektroden dienen. In diesem Fall wird die oben erwähnte Suspension mit den elektrokatalytischen Partikeln nur auf der Oberfläche aufgetragen, die mit der Membran in Kontakt gebracht wird.
In Fig. 6 ist eine aus zahlreichen Zellelementen gemäß Fig. 1 hergestellte Anordnung beschrieben, die eine erfindungsgemäße Zelle bildet und Bipolarplatten (1), Stromkollektoren (14), Elektroden (7), Dichtungsrahmen (8), Ionenaustauschmembranen (6), Endplatten (18), Druckplatten (17) umfasst. Die Bipolarplatten (1) weisen externe Anschlüsse (16) auf, welche, sobald sie verbunden sind, einen Kurzschluss von zwei oder mehr Bipolarplatten der Zellelemente im Fall einer Funktionsstörung ermöglichen. Die gleichen Ergebnisse können mit Bipolarplatten erzielt werden, die geeignet geformte Ausnehmungen aufweisen. Dieses Vorgehen ermöglicht einen sicheren Betrieb der Zelle, die eine große Anzahl von elektrisch in Serie geschalteten Zellelementen umfasst, und ist daher unter praktischen Gesichtspunkten extrem hilfreich. Dabei ist zu beachten, dass das Kurschließen nur dann wirksam ist, wenn der ohmsche Verlust in den kurzgeschlossenen Bipolarplatten, die quer vom Strom durchflossen werden, vernachlässigbar ist: dies wird mit Bipolarplatten aus hochleitfähigen Materialien wie beispielsweise Aluminium oder dessen Legierungen erreicht.
Die folgenden Beispiele, die den Gegenstand der vorliegenden Erfindung keinesfalls einschränken sollen, werden die vorliegende Erfindung besser erläutern. Aus Gründen der Einfachheit sind die Beispiele auf den Fall von Brennstoffzellen beschränkt.

BEISPIEL 1

Vier Brennstoffzellen, jede bestehend aus drei Zellelementen mit zwei Druckplatten (17 in Fig. 6), zwei Endplatten (18 in Fig. 6) und zwei Bipolarplatten (1), drei Stromkollektorenpaare (14), drei Elektrodenpaare (7), drei Membranen und drei Dichtungsrahmenpaare (8) wurden wie in Fig. 6 dargestellt zusammengebaut. Die allgemeinen Betriebsbedingungen, die in allen drei Tests konstant gehalten wurden waren:
- Abmessungen der Elektroden und Kollektoren: 10 · 10 cm²
- Membranen: Nation® 117, von Du Pont, USA
- aktive Fläche der Membran.: 10 · 10 cm²
- gegossene Dichtungsrahmen mit Innenabmessungen von 10 · 10 cm² und Außenabmessungen von 20 · 20 cm², einer Dicke von 2 mm, die mit Löchern (9) und (10), Kanälen (11), 0,1 mm hohen Rippen (12), 0,5 mm tiefen inneren Stufen mit Außenabmessungen von 11 · 2 cm² wie in Fig. 3 dargestellt, aufweisen. Konstruktionsmaterial: Hytrel® von Du Pont, USA;
- Bipolarplatten und Endplatten mit externen Abmessungen von 20 · 20 cm², welche Löcher (2) und (4) und anderen im Folgenden dargestellten Eigenschaften aufweisen.
- die (negativen) Anodenkammern wurden mit reinem, in einem externen Sättiger auf 70ºC vorgewärmten und vorbefeuchteten Wasserstoffstrom von 2 Atmosphären beschickt, wobei die Durchflussrate bezüglich der Reaktionsstöchiometrie verdoppelt wurde;
- die (positiven) kathodischen Kammern wurden mit gereinigter, in einem externen Sättiger auf 50ºC vorgewärmten und vorbefeuchtetem Luftstrom bei 2,1 Atmosphären gespeist wobei die Durchflussrate bezüglich der Reaktionsstöchiometrie verdreifacht wurde;
- Betriebstemperatur: 80ºC
- Gesamtstrom: 50 A, was einer Stromdichte auf der aktiven Elektrodenfläche von 5000 A/m² entspricht
- die Gesamtbetriebsdauer für jeden Test war wie unten beschrieben, betrug aber in jedem Fall zwischen 300 und 400 Stunden, wobei am Beginn und am Ende jedes Arbeitstages Hochgefahren beziehungsweise heruntergefahren wurde.
Jede Brennstoffzelle war mit einer Kombination der folgenden Alternativen ausgerüstet:
A. Bipolarplatten und Endplatten aus Aluminiumlegierung, Typ UNI 5076 (italienischer Standard), hergestellt durch Druckguss mit einer Dicke von 5 mm und versehen mit internen Kühlleitungen (5) aus 18 Chrom-10 Nickel- Edelstahl mit einem Innendurchmesser von 3 mm und Kanälen (3) wie in Fig. 1 und 2 dargestellt.
B. Die gleichen Bipolarplatten und Endplatten wie in A, wobei als einziger Unterschied Titan anstelle von Aluminiumlegierungen als Konstruktionsmaterial eingesetzt wurde.
C. Bipolarplatten und Endplatten aus Aluminiumlegierung, Anticorodal 100 TA16 (italienischer Standard), welche durch Ausschneiden aus kommerziellen Blechen mit einer Dicke von 3 mm hergestellt wurden, ohne innere Kühlleitungen (5) und Kanäle (3). In diesem Fall wurden die äußeren Abmessungen der Platten auf 30 · 30 m² vergrößert um ein Kühlen durch Gebläseluft zu ermöglichen.
D. Dieselben Bipolarplatten wie in C, wobei die Kontaktfläche mit den Stromkollektoren mit einem galvanisch abgeschiedenen Chromfilm beschichtet sind.
E. Die gleichen Bipolarplatten wie in C, wobei aber die Kontaktfläche mit den Stromkollektoren mit einem leitfähigen Polymerfilm aus der Gruppe der Polyaniline beschichtet wurde.
F. Elektroden aus flexiblem, leitfähigem Kohlenstofftuch deren eine Seite mit einem Film beschichtet ist, der auf Aktivkohle geträgerte elektrokatalytische Platinteilchen und ein polymeres Bindematerial enthält und deren andere Seite mit einem hydrophoben, porösen und leitfähigen Film auf Polytetrafluorethylenbasis beschichtet ist, bezogen von E-TEK, USA unter dem Handelsnamen ELAT, 0,5 mm dick mit einem Platingehalt von 0,5 mg/cm².
G. Die gleichen Elektroden wie in F, wobei außerdem auf die den Katalysator enthaltene Seite ein dem der Membran entsprechendes Polymer durch Aufstreichen oder Sprühen einer Lösung eines Sulfongruppen enthaltenden perfluorierten Polymers aufgetragen wurde, das unter dem Handelsnamen Nation Solution 5% von der Firma Solution Technologie, USA vertrieben wird.
H. Die gleichen Elektroden wie in G, wobei an Stelle des flexiblen Kohlenstofftuchs ein von Toray, Japan, unter dem Handelsnamen TGHP 030 vertriebenes steifes Graphitpapier eingesetzt wurde.
I. Die gleichen Elektroden wie in G, wobei an Stelle des flexiblen Kohlenstofftuchs ein Mehrschichttuch aus 18 Chrom-10 Nickel-2 Molybdän-Edelstahl eingesetzt wurde.
L. Stromkollektoren aus netzartigem Material, wie in Fig. 5 dargestellt, aus einer 50Chrom-50Nickel-Legierung mit einem mittleren Porendurchmesser von etwa 0,2 mm und einer Dicke von 2 mm. Derartige, gewöhnlich als Metallschäume bezeichnete Materialien werden gegenwärtig von verschiedenen Firmen vertrieben.
M. Die gleichen Stromkollektoren wie in L mit einem mittleren Porendurchmesser von etwa 1 mm.
N. Die gleichen Kollektoren wie in L mit einem mittleren Porendurchmesser von etwa 3 mm.
O. Kollektoren aus drei übereinander geschichteten Gittern aus 18 Chrom-10 Nickel-Edelstahldraht mit einem Durchmesser von 0,3 mm, wobei die Gitteröffnungen von 0,5 · 0,5 mm² aufweisen.
P. Stromkollektoren aus zwei Streckmetallblechen aus Titan mit diamantförmigen Öffnungen, wobei die Hauptdiagonale 1 mm (Streckmetall auf der Elektrodenseite) beziehungsweise 3 mm (Streckmetall auf der Seite der Bipolarplatte) beträgt. Die Streckmetalle wurden aus einem 0,5 mm dicken Blech, das mit einer 0,3 um dicken, galvanisch abgeschiedenen Platinschicht beschichtet ist, hergestellt.
Q. Stromkollektoren aus mehrschichtigem Tuch, das aus 0,15 mm dickem Metalldraht aus 18Chrom-10Nickel-2Molybden- Edelstahl mit einer Dicke unter Druck von 2 mm hergestellt wurde und von der Firma Costacurta, Italien, bezogen wurde.
R. Stromkollektoren aus einer 2 mm dicken Sintermetallschicht, beispielsweise aus 18Chrom-10Nickel- Edelstahl.
Die mittleren, auf das Zellelement bezogenen und in Volt ausgedruckten Spannungen sind in Tabelle 1 für die mit Bipolarplatten vom Typ A ausgerüsteten Brennstoffzellen zusammengefasst.
Die Temperatur der Platten wurde durch Umwälzen von demineralisiertem Wasser auf 75ºC gehalten. Tabelle 1
(*) Mit Elektroden, die mit der Membran verbunden waren, gemessene Daten
(**) Das mehrschichtige Tuch dient gleichzeitig als Elektrode und Stromkollektor
(***) Stromkollektoren aus Sintermaterial des Typs R und darüber gelagerten Strecknetzen des Typs P, die in der (negativen) Anodenkammer eingebaut wurden.
Die in Tabelle 1 zusammengefassten Daten lassen sich wie folgt kommentieren:
- Die Daten, die mit Elektroden gemessen wurden, die mit der Membran verbunden waren (Linie L*) stellen einen Vergleich mit dem Stand der Technik dar. Es wird deutlich, dass eine Vorbehandlung der Elektroden mit einer Polymerlösung, die derjenigen der Membran entspricht, eine deutliche Leistungssteigerung ermöglicht.
- Die zahlreichen Kontaktpunkte pro Flächeneinheit sind eine notwendige Voraussetzung für optimale Leistung. Das dreidimensionale Netzwerk vom Typ N, das durch Poren mit einer mittleren Größe von 3 mm gekennzeichnet ist, zeigt in allen Fällen unzureichende Spannungswerte.
- Die Verformbarkeit der Stromkollektoren und der Elektroden ist ein entscheidender Faktor, was durch die unzureichenden Spannungen belegt wird, die man bei Verwendung von Sintermaterialien (Linie R) und steifem Graphitpapier als Substrat für die Elektroden (Spalte H) erhält.
- Im Fall von Kollektoren aus Sintermaterial (Linie R) hängt die unzureichende Leistung zumindest auch mit einem teilweisen Fluten der Kammern (vermutlich der positiven Kathodenkammern) auf Grund des im Betrieb gebildeten und durch die Kapillarwirkung in den kleinen Poren des Sintermaterials zurückgehaltenen Kondenswasser zusammen;
- Die optimalen und stabilen Spannungswerte die für alle Versuche typisch sind zeigen, dass der elektrische Widerstand zwischen den erfindungsgemäßen Stromkollektoren und den planaren Bipolarplatten aus Aluminiumlegierungen ohne elektrisch leitfähige Schutzschicht extrem verringert ist. Dieses Ergebnis ist sehr überraschend in Anbetracht der Tatsache, dass man weiß, dass Aluminium und dessen Legierungen insbesondere in Wärme bei Vorhandensein von Dampf (das heißt den typischen Betriebsbedingungen einer Brennstoffzelle) mit einem natürlichen, elektrisch isolierenden Oxid beschichtet werden. Eine Bestätigung dieser Schlussfolgerungen erhält man durch die Spannungen, die im wesentlichen denen entsprechen, die man mit Bipolarplatten erhält, die mit einem Schutzfilm aus Chrom (Typ D) und einem leitfähigem Polymermaterial (Typ E) beschichtet sind.

BEISPIEL 2

Der gleiche Test wie in Beispiel 1 wurde unter Verwendung von Elektroden des Typs G und Stromkollektoren des Typs R (Sintermaterial) wiederholt, nachdem die Bipolarplatten, Endplatten und Stromkollektoren durch Eintauchen in eine Polytetrafluorethylensuspension (von Du Pont unter dem Handelsnamen Teflon 30 N vertrieben) und einer anschließenden Wärmebehandlung bei 150ºC hydrophobisiert wurden. Die unter den gleichen Testbedingungen wie in Beispiel 1 gemessenen Spannungen lagen im Bereich zwischen 0,55 und 0,65 Volt. Diese Verbesserung kann der geringeren Tendenz des Sintermaterials zugeschrieben werden, das während des Betriebs gebildete Kondenswasser zurückzuhalten.

BEISPIEL 3

Bei der gleichen Zelle wie in Beispiel 1, wobei Elektroden des Typs G und Stromkollektoren des Typs L verwendet wurden, wurde das zweite Zellelement wiederholt mittels der in Fig. 1 mit der Bezugsziffer 16 gekennzeichneten externen Anschlussklemmen kurzgeschlossen. Die mittleren Spannungen der anderen Zellelemente änderten sich während der Kurzschlussperioden nicht und auch die kurzgeschlossene Zelle erreichte kurz nach Öffnen der Klemmen ihre normale Spannung wieder. Die Maximalspannung zwischen den Bipolarplatten des kurzgeschlossenen Zellelements lag während des Kurzschließens im Bereich von 20 bis 30 mV.

BEISPIEL 4

Der Einfluss von unterschiedlichen Typen der Bipolarplatten und Endplatten auf die Spannung wurde untersucht durch Wiederholen des Tests gemäß Beispiel 1, wobei Elektroden vom Typ G und Stromkollektoren vom Typ L verwendet und die gegossenen Bipolarplatten und Endplatten aus Aluminiumlegierung (Typ A) durch entsprechende aus Titan (Typ B) ersetzt wurden. Es wurden mittlere Spannungen der einheitlichen Elemente zwischen 0,68 und 0,71 Volt gemessen, die im wesentlichen denen für eine Brennstoffzelle mit Bipolar- und Endplatten aus Aluminiumlegierung typischen Spannungen entsprechen. Ähnliche Ergebnisse erhielt man, indem man außerdem die Bipolarplatten vom Typ B durch Platten aus Aluminiumlegierung vom Typ C ersetzte. Gekühlt wurde durch Umwälzen von vorgekühlter Luft, die über separate Leitungen unterhalb jedes Zellelementes eingespeist wurden.

BEISPIEL 5

Eine Reihe weiterer Versuche wurde durchgeführt, um Vergleichsdaten mit dem Stand der Technik zu ermitteln. Zwei Brennstoffzellen wurden aus drei Zellelementen hergestellt, die Bipolarplatten und Endplatten mit Rillen aufwiesen und als Stromverteiler dienen sollten. Sie bestanden aus Graphit beziehungsweise Aluminiumlegierung vom Typ UNI 5076. Außerdem wiesen die Bipolarplatten und Endplatten interne Kühlleitungen auf.
Die Rillen waren so orientiert, dass sie sich für gegenüberliegende, zueinander gewandte Seiten der Bipolar- und Endplatten in einem Winkel von 90º kreuzten.
Es wurden Elektroden vom Typ G gemäß Beispiel 1 und Membrane vom Typ Nation® 117 verwendet. Die mit Bipolarplatten und Endplatten aus Graphit und mit mit den Elektroden verbundenen Membranen ausgerüsteten Brennstoffzellen wurden unter den gleichen Betriebsbedingungen wie in Beispiel 1 betrieben. Die besten mittleren Spannungen bezogen auf die Zellelemente, die unter den verschiedenen Bedingungen gemessen wurden, sind in Tabelle 1 dargestellt (0,7 V). Allerdings zeigten die gleichen Brennstoffzellen, die mit nicht mit der Membran verbundenen Elektroden vom Typ G ausgestattet waren, sehr unbefriedigende mittlere Spannungen, die im Bereich von 0,5 bis 0,55 V lagen. Dies belegt, dass nur die erfindungsgemäßen Stromkollektoren mit den zahlreichen Kontaktpunkten in der Lage sind, eine befriedigende und ausgedehnte Kontinuität zwischen den Oberflächen der Membranen und denjenigen der Elektroden zu gewährleisten, wenn diese Elemente nicht miteinander verbunden sind.
Wie oben gesagt zeigen die Brennstoffzellen mit gerillten Bipolar- und Endplatten aus Aluminiumlegierung und die Elektroden vom Typ G, die nicht mit der Membran verbunden sind, zu Beginn des Tests eine befriedigende Leistung. Jedoch sank die Spannung innerhalb von 100 Stunden schnell auf niedrige Werte (0,4 V) was belegt, dass nur die erfindungsgemäßen Stromkollektoren in der Lage sind, den Kontaktwiderstand auch über längere Zeiträume auf vernachlässig klein bleibenden Werten zu halten.
Zur Bestätigung dieser Beobachtung wurde ein weiterer Test mit einer Brennstoffzelle durchgeführt, die mit gerillten Bipolar- und Endplatten aus Aluminiumlegierung, Elektroden vom Typ G (Beispiel 1), die nicht mit der Membran verbünden sind, und erfindungsgemäßen Stromkollektoren vom Typ M (Beispiel 1) durchgeführt. Die resultierende Spannung war zufriedenstellend (0,60-0,65 V) und zeitlich stabil. Außerdem war diese Ausführungsform sehr wirksam, um das in der (positiven) Kathodenkammer, wo die Rillen der Bipolar- und Endplatten in vertikaler Richtung angeordnet waren, gebildete Kondenswasser abzuführen.
Zahlreiche Änderungen der erfindungsgemäßen Zelle können durchgeführt werden und es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung nur in soweit eingeschränkt ist, wie dies in den beigefügten Ansprüchen zum Ausdruck kommt.

Claims

1. Zellenelement für eine Brennstoffzelle oder zur Elektrolyse von reinem Wasser oder zum Aufkonzentrieren von Wasserstoff und Sauerstoff aus gasförmigen Reaktionsteilnehmern, umfassend:

ein Paar Bipolar- oder Endplatten (1, 18), die mit Löchern (2) zur Zufuhr von Reaktionsteilnehmern und zum Entfernen von Produkten und restlichen Reaktionsteilnehmern versehen sind, wobei die Bipolar- oder Endplatten (1, 18) aus Metallen oder Metalllegierungen bestehen, die ein Schutzoxid ausbilden können, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Titan, Zirkon, Niob, Tantal und Legierungen dieser Metalle, Edelstählen, hochlegierten Stählen, Chrom-Nickel- Legierungen,

eine Ionenaustauschmembran (6),

ein Paar elektrokatalytischer, poröser Elektroden (7), welche eine verformbare Schicht umfassen, die so ausgelegt ist, dass eine mechanische Beschädigung der Membran (6) verhindert wird,

ein Paar Dichtungsrahmen (8)

ein Paar poröser Stromkollektoren (14), die mit zahlreichen Kontaktpunkten für den elektrischen Kontakt zwischen den Bipolar- oder Endplatten (1, 18) und den Elektroden (7) versehen sind, wobei wenigstens einer dieser porösen Stromkollektoren (14) aus einem nachgiebigen Material besteht, welches Hohlräume mit Abmessungen zwischen 0,1 und 3 mm aufweist und unter einem Druck zwischen 0,1 und 80 kg/cm² eine Restverformbarkeit und -elastizität aufweist,

wobei die zahlreichen Kontaktpunkte der Stromkollektoren (14) bei diesem Druck ein Aufbrechen des Schutzoxids der Bipolar- oder Endplatten (1, 18) ermöglichen oder dessen Wachstum verhindern.

2. Element gemäß Anspruch 1, wobei der Kollektor (14), welcher eine Restverformbarkeit und -elastizität aufweist, ein dreidimensionales Netzwerk aus Metalldrähten ist, wobei die Oberfläche des Netzwerkes die Endabschnitte (15) wenigstens eines Teils dieser Drähte umfasst.

3. Element gemäß Anspruch 2, wobei das dreidimensionale Netzwerk eine Porösität von wenigstens 50% aufweist und wobei der Durchmesser der Metalldrähte zwischen 0,01 und 1 mm beträgt.

4. Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Kollektor (14), welcher eine Restverformbarkeit und -elastizität aufweist, aus wenigstens zwei übereinanderliegenden Gittern besteht.

5. Element gemäß Anspruch 4, wobei die Gitter unterschiedliche Maschenweiten aufweisen, mit feineren Maschen für das mit den Elektroden (7) in Kontakt stehende Gitter und gröberen Maschen für das mit den Bipolar- oder Endplatten (1, 18) in Kontakt stehende Gitter

6. Element gemäß einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei die Gitter ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Drahtgeweben und expandierten Metallblechen.

7. Element gemäß Anspruch 6, wobei die Metalldrähte einen polygonalen Querschnitt aufweisen.

8. Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Kollektor (14), welcher eine Restverformbarkeit und -elastizität aufweist, aus einer Matte aus ineinander verschlungenen helixartigen Spiralen oder einem Mehrschichttuch besteht.

9. Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei beide Kollektoren (14) eine Restverformbarkeit und -elastizität aufweisen oder wobei ein Kollektor (14) eine Restverformbarkeit und -elastizität aufweist und der andere Kollektor (14) ein starres poröses Blech, vorzugsweise eine gesinterte Metallschicht ist.

10. Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Kollektoren (14) eine Dicke zwischen 0,5 und 5 mm aufweisen.

11. Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 8 bis 10, wobei die Kollektoren (14) außerdem ein feines Metallgitter umfassen, das zu den Elektroden (7) hin angeordnet ist.

12. Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Kollektoren (14) aus einem korrosionsbeständigen Material bestehen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Edelstählen, hochlegierten Stählen, Chrom-Nickel-Legierungen.

13. Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Kollektoren (14) und die Bipolar- oder Endplatten (1, 18) hydrophob sind.

14. Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Bipolar- oder Endplatten (1, 18) eine ebene Oberfläche aufweisen,

wobei die Bipolar- oder Endplatten (1, 18) bevorzugt durch Formen oder Schneiden kommerzieller Bleche ohne weitere Oberflächenbehandlung oder mit Vertiefungen in der Oberfläche hergestellt werden,

wobei die Bipolar- oder Endplatten (1, 18) vorzugsweise außerdem mit Kanälen (3) zum Verteilen und Entfernen der Reaktionsteilnehmer und Produkte versehen sind,

wobei die Bipolar- oder Endplatten (1, 18) vorzugsweise außerdem mit internen Leitungen (5) zum Kühlen mit Gasen oder Flüssigkeiten versehen sind,

und wobei die Außenabmessungen der Bipolar- oder Endplatten (1, 18) vorzugsweise vergrößert sind, um ein Kühlen mit Gasen oder Flüssigkeiten zu ermöglichen.

15. Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Bipolar- oder Endplatten (1, 18) aus einem Material hergestellt sind, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Titan, Zirkon, Niob, Tantal und Legierungen dieser Metalle, und wobei der Kontaktwiderstand zwischen den Bipolar- oder Endplatten (1, 18) und den Kollektoren (14) bei dem genannten Druck zwischen 100 und 5 mΩ·cm² liegt.

16. Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Dichtungsrahmen (8) aus einem gießfähigen elastomeren Material bestehen und Löcher (9) für die Verteilung und das Entfernen von Reaktionsteilnehmern und Produkten und eine Stufe (13) zur Aufnahme der Elektroden (7) und Rippen (12) zum Abdichten und zum Trennen der Reaktionsteilnehmer und der Produkte umfassen.

17. Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die Elektroden (7) aus einer porösen, leitfähigen Schicht hergestellt sind, welche eine Oberfläche mit einem Katalysator und eine Oberfläche mit hydrophobem Material aufweist.

18. Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die verformbare Schicht ein flexibles Kohlenstofftuch, Kohlenstoffpapier oder ein flexibles Tuch eines korrosionsbeständigen Metalls ist, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Edelstählen, hochlegierten Stählen, Chrom-Nickel-Stählen.

19. Element gemäß einem der Ansprüche 17 oder 18, wobei die Elektroden (7) außerdem mit einer Polymerbeschichtung versehen sind, die Ionenaustauscheigenschaften aufweist und die auf die katalysatorhaltige Oberfläche aufgetragen ist.

20. Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei die Elektroden (7) vor dem Zusammenbau der elektrochemischen Zelle nicht mit der Membran verbunden werden.

21. Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei die Elektroden (7) vor dem Zusammenbau der elektrochemischen Zelle mit der Membran verbunden werden und eine einheitliche Struktur bilden.

22. Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei die Bipolar- oder Endplatten (1, 18) mit externen Anschlüssen oder Vorsprüngen (16) zum Kurzschließen versehen sind.

23. Brennstoffzelle, welche das Zellenelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 22 umfasst.