DE69608808T2

DE69608808T2 - Elektrochemische brennstoffzelle mit einem elektrodensubstrat mit in der ebene variierender struktur zur kontrolle von reaktant- und produktstroemung

Info

Publication number: DE69608808T2
Application number: DE69608808T
Authority: DE
Inventors: P. Asman; L. Bos; C. Johnson; J. Potter; P. Wilkinson
Original assignee: Ballard Power Systems Inc; Siemens VDO Electric Drives Inc
Current assignee: Mercedes Benz Group AG; Ford Motor Co
Priority date: 1995-08-25
Filing date: 1996-08-23
Publication date: 2000-12-28
Anticipated expiration: 2016-08-24
Also published as: US5840438A; EP0846347A2; WO1997008766A2; AU708709B2; AU6729196A; JPH11511289A; CA2229234A1; DE69608808D1; WO1997008766A3; JP2007149694A; EP0846347B1; CA2229234C

Description

Diese Erfindung betrifft allgemein elektrochemische Brennstoffzellen.
Elektrochemische Brennstoffzellen verwandeln Brennstoff und Oxidationsmittel in Elektrizität und Reaktionsprodukt. Elektrochemische Brennstoffzellen mit festem Polymer verwenden im allgemeinen eine Membran-Elektroden-Anordnung ("MEA"), die einen festen Polymerelektrolyten oder eine Ionenaustauschmembran, der/die zwischen zwei ebenen Elektrodendiffusionsschichten oder -substraten aus porösem, elektrisch leitendem Blattmaterial, wie Kohlefaserpapier oder Kohlenstoff-"Gewebe" angeordnet ist, umfaßt. Geeignetes Blattmaterial aus Kohlefaserpapier ist beispielsweise von Toray Industries, Inc., mit Klassenbezeichnungen wie TGP090, TGP060 und TGP030 mit Dicken von 0,27 mm, 0,19 nun bzw. 0,10 mm und einer Porosität von ungefähr 70% erhältlich. Kohlefaserpapier-Blattmaterial ist auch in anderen Dicken und Porositäten erhältlich. Typischerweise ist die Struktur des Elektrodensubstrats im makroskopischen Maßstab im wesentlichen regelmäßig, wenn es in der gleichen Ebene (d. h. in der x- und y-Richtung, parallel zu den ebenen Hauptflächen des Elektrodensubstrats) in irgendeiner Tiefe durchlaufen wird.
Die MEA enthält eine Schicht Elektrokatalysator, typischerweise in Form von fein verteiltem Platin, an der Membran/Elektrodensubstrat-Grenzfläche, um die gewünschte elektrochemische Reaktion zu induzieren. Die Elektroden sind elektrisch gekoppelt, um einen Weg für die Leitung der Elektronen zwischen den Elektroden durch eine externe Last bereitzustellen.
An der Anode bewegt sich der Brennstoffstrom durch das poröse Anodensubstrat und wird an der Anoden-Elektrokatalysatorschicht oxidiert. An der Kathode bewegt sich der Oxidationsmittelstrom durch das poröse Kathodensubstrat und wird an der Kathoden-Elektrokatalysatorschicht reduziert, um ein Reaktionsprodukt zu bilden.
In elektrochemischen Brennstoffzellen, die Wasserstoff als Brennstoff und sauerstoffhaltige Luft (oder im wesentlichen reinen Sauerstoff) als Oxidationsmittel verwenden, erzeugt die katalysierte Reaktion an der Anode Wasserstoffkationen (Protonen) aus dem zugeführten Brennstoff. Die Ionenaustauschmembran erleichtert die Wanderung von Wasserstoffionen von der Anode zur Kathode. Zusätzlich dazu, daß sie die Wasserstoffionen führt, isoliert die Membran den wasserstoffhaltigen Brennstoffstrom vom sauerstoffhaltigen Oxidationsmittelstrom. An der Kathoden-Elektrokatalysatorschicht reagiert Sauerstoff mit den Wasserstoffionen, die die Membran durchquert haben, und bildet Wasser als Reaktionsprodukt. Die Anoden- und Kathodenreaktionen in Wasserstoff/Sauerstoff-Brennstoffzellen werden in den folgenden Gleichungen gezeigt:
Anodenreaktion: H&sub2; → 2H+ + 2e
Kathodenreaktion: 1/2 O&sub2; + 2H+ + 2e → H&sub2;O
In elektrochemischen Brennstoffzellen, die Methanol als Brennstoff verwenden (so genannte "direct methanol"-Brennstoffzellen), der der Anode zugeführt wird, und sauerstoffhaltige Luft (oder im wesentlichen reinen Sauerstoff) zur Kathode, wird das Methanol an der Anode unter Bildung von Wasserstoffionen (Protonen) und Kohlendioxid oxidiert. Typischerweise wird das Methanol zur Anode als wäßrige Lösung zugeführt. Die Wasserstoffionen wandern durch die Ionenaustauschmembran von der Anode zur Kathode, und an der Kathoden-Elektrokatalysatorschicht reagiert Sauerstoff mit den Wasserstoffionen unter Bildung von Wasser. Die Anoden- und Kathodenreaktionen in dieser Art von direkter Methanol-Brennstoffzelle werden in den folgenden Gleichungen gezeigt:
Anodenreaktion: CH&sub3;OH + H&sub2;O → 6H+ + CO&sub2; + EC Kathodenreaktion: 3/2 O&sub2; + 6H+ + 6e → 3H&sub2;O
In Brennstoffzellen, die Protonenaustauschmembranen verwenden und mit niedriger Sauerstoff-Stöchiometrie laufen, tritt der Oxidationsmittelstrom bei einem Anfangsfeuchtigkeitsniveau in die Brennstoffzelle ein, das typischerweise zwischen 70% und 100% relativer Feuchtigkeit liegt. Die "Stöchiometrie" ist das Verhältnis der dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Menge Reaktant zur tatsächlich im Brennstoffzellenstapel verbrauchten Menge des Reaktanten (unverbrauchte Reaktanten treten aus dem Brennstoffzellenstapel aus). Eine Wasserstoff-Stöchiometrie von 1,35 bedeutet, daß dem Brennstoffzellenstapel 135 Teile Wasserstoff pro 100 Teile tatsächlich in dem Brennstoffzellenstapel verbrauchtem Wasserstoff zugeführt werden.
In elektrochemischen Brennstoffzellen ist die MEA typischerweise zwischen zwei Fluid-Strömungsfeldplatten (Anoden- und Kathodenplatte) angeordnet. Die Platten fungieren als Stromkollektoren, bieten der MEA Stütze, bieten Mittel für den Zugang des Brennstoffs und des Oxidationsmittels zur Anoden- bzw. Kathodenfläche und sorgen für die Entfernung des während des Betriebs der Zellen gebildeten Produktwassers.
Wenn der Oxidationsmittelstrom durch die Fluidströmungskanäle wandert, die typischerweise in den Fluid-Strömungsfeldplatten der Zelle ausgebildet sind, absorbiert der Strom Wasser, das als Produkt der elektrochemischen Reaktion gebildet wird. Das Produktwasser wird entweder als Wasserdampf oder als mitgeführte Wassertröpfchen absorbiert. Daher ist der Abschnitt des Strömungsfeldes, in den der Oxidationsmittelstrom eingeführt wird und durch den der Oxidationsmittelstrom anfangs strömt, trockener als der Abschnitt des Strömungsfeldes, durch den der Oxidationsmittelstrom unmittelbar bevor er aus der Brennstoffzelle abgeführt wird, strömt. In letzterem Abschnitt des Oxidationsmittel-Strömungsfeldes kann der Oxidationsmittelstrom mit Wasser gesättigt werden, in welchem Fall eine Zweiphasenströmung auftritt, d. h. der Oxidationsmittelstrom enthält Wasserdampf und führt auch flüssiges Wasser in dem Strom mit.
Feuchte und trockene Abschnitte des Strömungsfeldes können die Leistung der Brennstoffzelle nachteilig beeinflussen und die Verschlechterung der Leistung über die Zeit beschleunigen. Die Leistung der Brennstoffzelle ist definiert als die Ausgangsspannung aus der Zelle für eine gegebene Stromdichte; je höher die Spannung für eine gegebene Stromdichte ist, desto besser. Die Kontrolle des Wassertransports in "z"-Richtung (senkrecht auf die Ebene), d. h. die Bewegung von Wasser in Richtung von der Kathoden-Elektrokatalysatorschicht zu den Oxidationsmittel-Strömungskanälen ("freier Strom") ist wichtig für die Optimierung der Leistung der Brennstoffzelle. Der "freie Strom" ist der Fluidstrom innerhalb der Reaktantenverteilungskanäle.
Zusätzlich zur Kontrolle des Wassertransports ist die Kontrolle des Oxidationsmitteltransports entlang der z-Achse, d. h. die Bewegung von Sauerstoff in Richtung von den Oxidationsmittelströmungskanälen oder dem freien Strom zur Kathoden-Elektrokatalysatorschicht, wichtig für die Optimierung der Brennstoffzellenleistung. Die Sauerstoffkonzentration an der Elektrokatalysatorschicht beeinflußt die Brennstoffzellenleistung direkt, weil die Sauerstoffkonzentration die Geschwindigkeit der elektrochemischen Reaktion beeinflußt.
Weiter sind an der Anode in direkten Methanol-Brennstoffzellen die Kontrolle des Methanoltransports zur Elektrokatalysatorschicht und des Transports von Kohlendioxid, einem Produkt der Oxidation von Methanol, weg von der Anoden-Elektrokatalysatorschicht für die Optimierung der Brennstoffzellenleistung wichtig.
Daher ist ein Ziel der Erfindung die Verbesserung der Brennstoffzellenleistung durch Kontrolle des Transports von Reaktionsprodukt durch das Elektrodensubstrat entlang der z-Achse weg von der Elektrokatalysatorschicht und/oder durch Kontrolle des Transports von Reaktant durch das Elektrodensubstrat entlang der z-Achse hin zur Elektrokatalysatorschicht.
Dieses ziel wird durch eine elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 1 erreicht.
Die gegenständliche Erfindung verwendet ein Elektrodensubstrat, das im makroskopischen Maßstab eine in der gleichen Ebene unregelmäßige Struktur hat. Mit anderen Worten, wenn die Struktur des Substrats parallel zu seinen ebenen Hauptflächen in einiger Tiefe durchlaufen wird, findet man strukturelle Diskontinuitäten (über jene, die in der mikroskopischen Struktur des Substratmaterials inhärent sind, hinaus.
In einer Wasserstoff/Sauerstoff-Brennstoffzelle enthält der Brennstoffstrom Wasserstoff, der Oxidationsmittelstrom Sauerstoff und das Reaktionsprodukt Wasser.
In einer direkten Methanol-Brennstoffzelle enthält der Brennstoffstrom Methanol, der Oxidationsmittelstrom Sauerstoff, das Reaktionsprodukt der Oxidation des Brennstoffstroms Kohlendioxid und das Reaktionsprodukt der Reduktion des Oxidationsmittelstroms Wasser.
Weitere Ausführungsformen der gegenständlichen Erfindung sind in den Ansprüchen 2, 3 und 6 bis 23 definiert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Fig. 1A ist eine Seitenansicht eines typischen Brennstoffzellenstapels und zeigt die elektrochemisch aktive Zone und die Befeuchtungszone.
Die Fig. 1B ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines Brennstoffzellenstapels mit einer elektrochemisch aktiven Zone.
Die Fig. 2 ist eine auseinandergezogene Seitenansicht einer typischen Membran-Elektroden-Anordnung, die zwischen zwei Separatorplatten mit in den den Elektroden gegenüberliegenden Flächen ausgebildeten Reaktantenströmungskanälen angeordnet ist.
Die Fig. 3 ist eine Draufsicht der Kathoden-Separatorplatte für die Brennstoffzelle gemäß Fig. 2 und illustriert die Mehrzahl von Strömungskanälen zum Leiten eines Oxidationsmittelstroms zwischen einem Einlaß und einem Auslaß.
Die Fig. 4 ist eine Schnittansicht eines herkömmlichen Kathodensubstrats (Stand der Technik) für die Brennstoffzelle gemäß Fig. 2 und illustriert schematisch die Oxidationsmittelströmung in Richtung des Pfeils A.
Die Fig. 5 ist eine Schnittansicht eines Kathodensubstrats für die Brennstoffzelle der Fig. 2 mit einer mit Rillen versehenen, dem Oxidationsmittel-Strömungsfeld gegenüberliegenden Fläche, wobei schematisch die Oxidationsmittelströmung in Richtung des Pfeils A illustriert ist.
Die Fig. 6 ist eine Schnittansicht eines beide Flächen durchsetzende Öffnungen (Durchgangsöffnungen) aufweisenden Kathodensubstrats für die Brennstoffzelle nach Fig. 2, wobei sche matisch der Oxidationsmittelstrom in Richtung des Pfeils A illustriert ist.
Die Fig. 7 ist eine Schnittansicht des Kathodensubstrats nach Fig. 6, worin hydrophiles Material in die Durchgangsöffnungen eingebettet ist, wobei der Oxidationsmittelstrom schematisch in Richtung des Pfeils A illustriert ist.
Die Fig. 8 ist eine Schnittansicht eines Kathodensubstrats mit schrägen Öffnungen, die beide Flächen durchsetzen, für die Brennstoffzelle nach Fig. 2.
Die Fig. 9 ist eine Schnittansicht eines Kathodensubstrats mit einem fluidundurchlässigen oder -teildurchlässigen Überzug, der an der dem Oxidationsmittelströmungsfeld gegenüberliegenden Fläche angeordnet ist, wobei der Oxidationsmittelstrom schematisch in Richtung des Pfeils A illustriert ist.
Die Fig. 10 ist eine Schnittansicht eines Kathodensubstrats mit einem fluidundurchlässigen oder -teildurchlässigen Überzug, der an der dem Elektrokatalysator gegenüberliegenden Fläche angeordnet ist, wobei der Oxidationsmittelstrom schematisch in Richtung des Pfeils A illustriert ist.
Die Fig. 11 ist eine Draufsicht der Kathoden-Separatorplatte für die Brennstoffzelle nach Fig. 2, auf der das Muster der in dem zum Oxidationsmittelstromauslaß benachbarten Abschnitt des Kathodensubstrats gebildeten Kanäle darübergelegt gezeigt ist.
Die Fig. 12 ist eine Draufsicht eines Kathodensubstrats mit einem ersten Material, das eine sich zwischen den Hauptflächen erstreckende Öffnung aufweist, wobei ein Flicken eines zweiten Materials mit anderen Eigenschaften hinsichtlich des Reaktionsprodukt- und/oder Reaktantentransports als das erste Material in der Öffnung eingebettet ist.
Die Fig. 13 ist eine Draufsicht eines Kathodensubstrats, worin der zum Oxidationsmittelstromeinlaß benachbarte Substratabschnitt aus einem ersten Material besteht (durch einen ersten Satz strichlierter Linien angezeigt) und der zum Oxidationsmittelstromauslaß benachbarte Substratabschnitt aus einem zweiten Material besteht (durch einen zweiten Satz strichlierter Linien angezeigt), das andere Eigenschaften hinsichtlich des Reaktionsprodukt- und/oder Reaktantentransports hat als das erste Material.
Die Fig. 14A ist eine Draufsicht eines Kathodensubstrats mit einer dem Oxidationsmittel-Strömungsfeld gegenüberliegenden Fläche, die mit Rillen versehen ist, für die Brennstoffzelle nach Fig. 2, wobei die Rillen unregelmäßig beabstandet sind, sodaß in dem zum Oxidationsmittelstromauslaß benachbarten Abschnitt des Substrats mehr Rillen vorhanden sind.
Die Fig. 14B ist eine Draufsicht eines Kathodensubstrats mit beide Flächen durchsetzenden Öffnungen für die Brennstoffzelle nach Fig. 2 mit der Separatorplatte nach Fig. 3, wobei die Öffnungen unregelmäßig beabstandet sind, sodaß es in dem zum Oxidationsmittelstromauslaß benachbarten Abschnitt des Substrats mehr Öffnungen gibt.
Die Fig. 15 ist eine graphische Darstellung der Spannung gegen die Stromdichte (Ampere pro Quadratmeter) für das in der Fig. 4 gezeigte herkömmliche Kathodensubstrat (Kurve J), für das in der Fig. 13 gezeigte Kathodensubstrat aus halb Kohlefaserpapier/halb Kohlenstoff-Gewebe (Kurve K), für das in der Fig. 5 gezeigte, mit Rillen versehene Kathodensubstrat (Kurve L) und für das in der Fig. 6 gezeigte, mit Durchgangsöffnungen versehene Kathodensubstrat (Kurve M).
Die Fig. 16 ist ein Balkendiagramm, das die Brennstoffzellen spannungen zeigt, die unter Verwendung von sauerstoffhaltiger Luft und einer Mischung aus 21% Sauerstoff/79% Helium jeweils für das in der Fig. 4 gezeigte, herkömmliche Kathodensubstrat (Gruppe Q), das in der Fig. 5 gezeigte, mit Rillen versehene Kathodensubstrat (Gruppe R), das in der Fig. 6 gezeigte, mit Durchgangsöffnungen versehene Kathodensubstrat (Gruppe S) und das in der Fig. 13 gezeigte Kathodensubstrat aus halb Kohlefaserpapier/halb Kohlenstoff-Gewebe (Gruppe T) erhalten werden.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Zuerst unter Bezugnahme auf Fig. 1A: Eine Brennstoffzellenstapelanordnung 10 beinhaltet eine elektrochemisch aktive Zone 26 und eine Befeuchtungszone 28. Die Stapelanordnung 10 ist ein modulares Platte-und-Rahmen-Design und beinhaltet eine Druck- Endplatte 16 und eine Fluid-Endplatte 18. Ein in der Druck- Endplatte 16 angeordneter, optionaler pneumatischer Kolben 17 bringt gleichförmigen Druck auf die Anordnung auf, um die Dichtung zu fördern. An den entgegengesetzten Enden der aktiven Zone 26 angeordnete Sammelplatten 22 und 24 bieten den negativen bzw. positiven Kontakt zum Abnehmen von durch die Anordnung erzeugtem Strom zu einer Last (nicht gezeigt). Verbindungsstangen 20 erstrecken sich zwischen den Endplatten 16 und 18, um die Stapelanordnung 10 mit Befestigungsmuttern 21 im zusammengebauten Zustand zu halten und zu sichern.
Die aktive Zone 26 beinhaltet zusätzlich zu den Sammelplatten 22 und 24 eine Mehrzahl sich wiederholender Brennstoffzellen- Einheiten 12. Jede sich wiederholende Einheit 12 besteht aus mindestens einer Membran-Elektroden-Anordnung, Separatorplatten und einem optionalen Kühlmantel. Die sich wiederholenden Einheiten 12 sind durch den Kontakt zwischen den elektrisch leitenden Blättern, Separatorplatten und optionalen Kühlmänteln elektrisch in Serie verbunden.
Die Befeuchtungszone 28 beinhaltet eine Mehrzahl von Befeuchtungsanordnungen 14, die jede aus Brennstoff- und Oxidationsmittel-Reaktant-Strömungsfeldplatte, einer Wasser-Strömungsfeldplatte und einer zwischen der Reaktanten-Strömungsfeldplatte und der Wasser-Strömungsfeldplatte angeordneten Wasserdampftransportmembran bestehen. Die Befeuchtungszone 28 gibt Wasserdampf an den Brennstoff- und den Oxidationsmittelstrom, die dann der aktiven Zone 26 zugeführt werden, wodurch verhindert wird, daß die Membranen in der aktiven Zone austrocknen.
Nun zu Fig. 1B: Ein Brennstoffzellenstapel 11 hat eine aktive Zone, aber keine Befeuchtungszone als Teil des Stapels. Wie der Brennstoffzellenstapel 10 in der Fig. 1A, beinhaltet der Stapel 11 in der Fig. 1B eine Druck-Endplatte 16, eine Fluid- Endplatte 18 und eine Mehrzahl sich wiederholender Einheiten. Verbindungsstangen 20 erstrecken sich zwischen den Endplatten 16 und 18, um die Stapelanordnung 11 mit Befestigungsmuttern 21 im zusammengebauten Zustand zu halten und zu sichern.
Wie ebenfalls in auseinandergezogener Form in der Fig. 1B gezeigt wird, beinhaltet der Stapel 11 eine Anoden-Separatorplatte 34, eine Kathoden-Separatorplatte 36 und eine zwischen den Platten 34 und 36 angeordnete Membran-Elektroden-Anordnung 32. Wie in der Fig. 1B gezeigt wird, hat die Platte 34 eine Mehrzahl von Fluid-Strömungskanälen 34a in der der MEA 32 gegenüberliegenden Hauptfläche.
Die Fig. 2 illustriert eine typische Brennstoffzelle 30. Die Brennstoffzelle 30 beinhaltet eine zwischen der Anoden-Strömungsfeld- oder -Separatorplatte 34 und der Kathoden-Strömungsfeld- oder -Separatorplatte 36 angeordnete Membran-Elektroden-Anordnung 32. Die Membran-Elektroden-Anordnung 32 besteht aus einer zwischen zwei Elektroden, nämlich der Anode 41 und der Kathode 42, angeordneten Ionenaustauschmembran 40. In herkömmlichen Brennstoffzellen weisen die Anode 41 und die Ka thode 42 ein Substrat aus porösem, elektrisch leitendem Blattmaterial 43 bzw. 44 auf, vorzugsweise Kohlefaserpapier oder Kohlenstoff-Gewebe (carbon cloth), mit ebenen Hauptflächen. Jedes Substrat hat eine dünne Schicht Elektrokatalysator 45 bzw. 46, vorzugsweise feinst zerkleinertes Platin, auf einer der Hauptflächen an der Grenzfläche zur Membran 40, um jede Elektrode elektrochemisch aktiv zu machen.
Wie weiter in der Fig. 2 gezeigt wird, hat die Anoden-Separatorplatte 34 mindestens einen Brennstoff-Strömungskanal 34a in ihrer zur Anode 41 weisenden Fläche graviert, gefräst oder geformt. Ähnlich hat die Kathoden-Separatorplatte 36 mindestens einen Brennstoff-Strömungskanal 36a in ihrer zur Kathode 42 weisenden Fläche graviert, gefräst oder geformt. Wenn sie gegen die mitwirkenden Flächen der Elektroden 41 und 42 zusammengesetzt werden, bilden die Kanäle 34a und 36a die Reaktanten-Strömungsfelddurchgänge für den Brennstoff bzw. das Oxidationsmittel.
Die Fig. 3 zeigt, daß die Kanäle 36a der Kathoden-Separatorplatte 36 vorzugsweise als Mehrzahl von getrennt gebildeten Oxidationsmittel-Strömungskanälen 36a graviert, gefräst oder geformt sind, die sich in einem Schlangenmuster über die Hauptfläche der Kathoden-Separatorplatte erstrecken. Die Kanäle 36a beinhalten Einlaßkanalabschnitte 56 und Auslaßkanalabschnitte 58, die direkt mit der Öffnung 55 der Oxidationsmittel-Einlaßverzweigungsleitung bzw. der Öffnung 57 der Oxidationsmittel-Auslaßverzweigungsleitung verbunden sind. Im Betrieb wird ein unter Druck gesetzter Oxidationsmittelstrom in die Öffnung 55 der Einlaßverzweigungsleitung geleitet, von wo der Strom unter den Einlaßkanälen 56 aufgeteilt wird. Der Oxidationsmittelstrom wird dann durch Kanäle 36a zu den Auslaßkanalabschnitten 58 geleitet, von wo der Strom in die Öffnung 57 der Oxidationsmittel-Auslaßverzweigungsleitung abgeführt wird. Die in der Fig. 3 illustrierte Strömungsfeldplattenkonfigura tion mit mehrfachem schlangenförmigen Kanal wird ausführlicher in der US-PS 5,108,849 beschrieben.
Die Fig. 4 zeigt ein herkömmliches (Stand der Technik) Kathodensubstrat 42 der Brennstoffzelle 30 in der Fig. 2. Das Kathodensubstrat 42 weist ein im wesentlichen kontinuierliches Blatt aus elektrisch leitendem Material auf, typischerweise Kohlefaserpapier, und hat entgegengesetzte ebene Hauptflächen 42a, 42b. Der Oxidationsmittelstrom strömt in Richtung des Pfeils A in mindestens einem in der Kathoden-Strömungsfeld- /-Separatorplatte (nicht gezeigt) benachbart zur Fläche 42a der Kathode 42 gebildeten Kanal. Die Fläche 42b weist eine dünne Schicht Elektrokatalysator auf, vorzugsweise fein verteiltes Platin, die darauf an der Grenzfläche zur benachbarten Membran aufgebracht ist (siehe Fig. 2). In dem in der Fig. 4 illustrierten herkömmlichen Kathodensubstrat ist die Struktur des Substrats im makroskopischen Maßstab im wesentlichen regelmäßig, wenn es in der gleichen Ebene in irgendeiner Tiefe durchlaufen wird.
Die Fig. 5 zeigt ein Kathodensubstrat 66 mit einer zum Oxidationsmittel-Strömungsfeld weisenden, mit Rillen versehenen Fläche 66a für die Brennstoffzelle 30 der Fig. 2. Die mit Rillen versehene Fläche hat mindestens einen Kanal 68 darin ausgebildet. Die Kanäle 68 können in Bezug auf die Strömungsfeldkanäle in der benachbarten Separatorplatte in jeder Richtung orientiert sein. Vorzugsweise sind die Kanäle 68 jedoch schräg orientiert, um den Oxidationsmitteltransport zum Bereich unter den Stegen (den erhabenen Bereichen zwischen den Kanälen) der benachbarten Separatorplatte zu verbessern.
In der Fig. 5 strömt der Oxidationsmittelstrom in Richtung des Pfeils A. Die Fläche 66b weist eine dünne Schicht Elektrokatalysator auf, vorzugsweise fein verteiltes Platin, die darauf an der Grenzfläche zur benachbarten Membran aufgebracht ist (siehe Fig. 2).
Die Fig. 6 zeigt ein Kathodensubstrat 76 mit Öffnungen 78, die sich zwischen den Flächen 76a, 76b des Kathodensubstrats 76 erstrecken und diese beide durchsetzen. Der Oxidationsmittelstrom strömt in Richtung des Pfeils A. Die Fläche 76b weist eine dünne Schicht Elektrokatalysator auf, vorzugsweise fein verteiltes Platin, die darauf an der Grenzfläche zur benachbarten Membran aufgebracht ist (siehe Fig. 2).
Die mit Rillen versehenen und die mit Durchgangsöffnungen versehenen Ausführungsformen der Fig. 5 und 6 sind so angelegt, daß sie den Abtransport von Produktwasser und/oder den Transport von Sauerstoff hin zur Elektrokatalysatorschicht kontrollieren. Die mit Rillen versehenen oder mit Durchgangsöffnungen versehenen Ausführungsformen sollen in Bereichen des Elektrodensubstrats verwendet werden, in denen sich überschüssiges Produktwasser ansammelt. Bei der mit Rillen versehenen Ausführungsform der Fig. 5, können die Rillen mit variierenden Querschnittskonfigurationen, wie beispielsweise mit einer geneigten Fläche, mit rechteckigem, trapezförmigem, dreieckigem oder halbkreisförmigem Querschnitt, ausgeführt sein. Die Tiefe und Breite der Rillen können so angepaßt werden, daß die Kontrolle des Oxidationsmitteltransports zur Elektrokatalysatorschicht und/oder die Kontrolle des Produktwassertransports von der Elektrokatalysatorschicht geregelt wird.
Die Fig. 7 zeigt ein Kathodensubstrat 86, in dem hydrophile Fasern 89 in den Öffnungen 88 eingebettet sind, die sich zwischen beiden Flächen 86a, 86b der Kathode 86 erstrecken und diese durchsetzen. Der Oxidationsmittelstrom strömt in Richtung des Pfeils A. Auf der Fläche 86b ist eine dünne Schicht Elektrokatalysator, vorzugsweise fein verteiltes Platin, an der Grenzfläche zur benachbarten Membran aufgebracht (siehe Fig. 2).
Die Verwendung von hydrophilem Material in der Fig. 7 erhöht die Produktwasserentfernung von der dem Kathodensubstrat 86 benachbarten Elektrokatalysatorschicht. In diesem Zusammenhang könnten die hydrophilen Fasern auch in der gewünschten Menge und an der(den) gewünschten Stelle(n) in das Blattmaterial eingewebt sein, um die Geschwindigkeit der Wasserentfernung zu kontrollieren.
Die Fig. 8 zeigt ein Kathodensubstrat 96 mit schrägen Öffnungen 98, die sich zwischen den beiden Flächen 96a, 96b des Kathodensubstrats 96 erstrecken und diese durchsetzen. Der Oxidationsmittelstrom strömt in mindestens einem Kanal 106, der in der Kathoden-Strömungsfeld-/-Separatorplatte 102 benachbart zur Fläche 96a des Kathodensubstrats 96 ausgebildet ist. Auf die Fläche 96b ist eine dünne Schicht 110 Elektrokatalysator, vorzugsweise fein verteiltes Platin, an der Grenzfläche zur benachbarten Membran (nicht gezeigt) aufgebracht. Wie in der Fig. 8 gezeigt wird, sind die schrägen, durchbohrenden Öffnungen 98 des Kathodensubstrats 96 vorzugsweise so orientiert, daß sich die Öffnungen von der Fläche 96a an einem zum Oxidationsmittel-Strömungskanal 106 benachbarten Punkt zur Fläche 96b an einem Punkt unterhalb von Stegbereichen 104 der Kathoden-Strömungsfeld-/-Separatorplatte 102 erstrecken.
Die schrägen Durchgangsöffnungen in der Ausführungsform der Fig. 8 erhöhen den Sauerstofftransport zur Elektrokatalysatorschicht unter den Stegbereichen 104 der Platte 102. In herkömmlichen, nicht mit Durchgangsöffnungen versehenen Ausführungsformen ist die elektrochemische Aktivität im allgemeinen unter den Stegbereichen vermindert. Es wird angenommen, daß schräge Durchgangsöffnungen oder schräge Rillen die Zugänglichkeit des Elektrodenabschnitts unter den Stegbereichen für Sauerstoff verbessern.
Zusätzlich zu den Ausführungsformen der Fig. 5-8, die speziell auf die Verbesserung der Produktwasserentfernung gerichtet sind, kann die Elektrodensubstratstruktur modifiziert werden, um die Retention von Produktwasser zu kontrollieren. Eine solche modifizierte Elektrodensubstratstruktur zur Erhöhung der Produktwasserretention würde in den Abschnitten der Elektrode verwendet werden, die zu trocken werden, oder um den Betrieb der Brennstoffzelle mit trockeneren Reaktanteneinlaßbedingungen (weniger Befeuchtung) zu erlauben. Wasserretention erfolgt im allgemeinen durch Verwendung eines Überzugs aus wasserundurchlässigem oder -teildurchlässigem Material, wie NAFION Perfluor-Sulfonsäure-Ionenaustauschmembran oder eine Schicht Kohlenstoffteilchen an der Fläche des Elektrodensubstrats zum Verstopfen der Poren. Das wasserundurchlässige oder -teildurchlässige Material kann auf der dem Oxidationsmittelstrom gegenüberliegenden Fläche des Elektrodensubstrats oder auf der Fläche des Elektrodensubstrats, auf der anschließend der Elektrokatalysator aufgebracht wird, verwendet werden.
Die Fig. 9 zeigt ein Kathodensubstrat 116 mit einer fluidundurchlässigen oder -teildurchlässigen Überzugsschicht 118 auf der Fläche 116a des Kathodensubstrats 116, die zum Oxidationsmittel-Strömungsfeld weist. Der Oxidationsmittelstrom strömt in Richtung des Pfeils A. Die Fläche 116b hat eine dünne Schicht Elektrokatalysator, vorzugsweise fein verteiltes Platin, an der Grenzfläche zur benachbarten Membran (siehe Fig. 2).
Die Fig. 10 zeigt ein Kathodensubstrat 126 mit einer fluidundurchlässigen oder -teildurchlässigen Überzugsschicht 128 an der zum Elektrokatalysator weisenden Fläche 126b des Kathodensubstrats 126. Der Oxidationsmittelstrom strömt in Richtung des Pfeils A benachbart zur Fläche 126a. Die Fläche 126b hat eine dünne Schicht Elektrokatalysator (nicht gezeigt), vorzugsweise fein verteiltes Platin, die anschließend an der Grenzfläche zur benachbarten Membran (siehe Fig. 2) aufgebracht wird.
Die Fig. 11 zeigt eine Kathoden-Strömungsfeld-/-Separatorplatte 150 für die Brennstoff zelle 30 der Fig. 2. Die Platte 150 hat schlangenförmige Oxidationsmittel-Strömungskanäle 152 in der Hauptfläche ausgebildet, um einen Oxidationsmittelstrom zwischen einer Öffnung 154 der Oxidationsmittel-Einlaßverzweigungsleitung und der Öffnung 156 der Oxidationsmittel-Auslaßverzweigungsleitung zu führen. Die Fig. 11 zeigt eine Mehrzahl von Kanälen 158 in dem zum Oxidationsmittel-Auslaß 156 benachbarten Abschnitt der Kathodensubstratfläche.
Der Produktwassertransport kann auch durch Verwendung verschiedener Arten von Elektrodensubstratmaterialien in verschiedenen Bereichen der elektrochemisch aktiven Zone der Brennstoffzelle zur Bildung einer hybriden Substratstruktur kontrolliert werden. Beispielsweise zeigt Kohlenstoff-Gewebe im allgemeinen Sauerstofftransporteigenschaften, die denen von Kohlefaserpapier überlegen sind, aber Kohlenstoff-Gewebe hat gegenüber Kohlefaserpapier auch Nachteile, beispielsweise unter manchen Bedingungen schlechtere Verarbeitbarkeit und eine Neigung zum Trocknen der Membran unter manchen Betriebsbedingungen. Flicken von Kohlenstoff-Gewebe können in jenen Bereichen eines Kohlefaserpapier-Elektrodensubstrats substituiert werden, in denen erhöhte Produktwasserentfernung erwünscht ist, während in den restlichen Bereichen die Vorteile des Kohlefaserpapiers beibehalten werden. Andere Flickenmaterialien als Kohlenstoff-Gewebe können auch verwendet werden, wie beispielsweise ein Kohlefaserpapier mit geringerer Porosität, um die Geschwindigkeit des Produktwassertransports weg von der Elektrokatalysatorschicht zu senken, oder ein Kohlefaserpapier mit höherer Porosität, um die Geschwindigkeit des Produktwassertransports weg von der Elektrokatalysatorschicht zu erhöhen.
Die Fig. 12 zeigt ein Kathodensubstrat 160, das ein erstes Blattmaterial 162, vorzugsweise Kohlefaserpapier, aufweist. Das Kathodensubstrat 160 hat eine sich zwischen seinen Hauptflächen erstreckende Öffnung, in die ein Flicken eines zweiten Materials 164, vorzugsweise Kohlenstoff-Gewebe mit anderen Wassertransporteigenschaften als das erste Material, eingebettet ist.
Die Fig. 13 zeigt ein Kathodensubstrat 170, in dem der zum Oxidationsmittelstrom-Einlaß 176 benachbarte Abschnitt aus einem ersten Material 172 (durch einen ersten Satz strichlierter Linien angegeben), vorzugsweise Kohlefaserpapier, und der zum Oxidationsmittelstrom-Auslaß 178 benachbarte Kathodenabschnitt aus einem zweiten Material 174 (durch einen zweiten Satz strichlierter Linien, die senkrecht zum ersten stehen, angegeben), vorzugsweise Kohlenstoff-Gewebe mit anderen Wassertransporteigenschaften als das erste Material, besteht.
Die strukturellen Unregelmäßigkeiten in der gleichen Ebene in dem Substrat können unregelmäßig verteilt sein (d. h. unregelmäßig beabstandet), um unterschiedliche Massentransporteigenschaften in verschiedenen Bereichen des Elektrodensubstrats zu verleihen. Beispielsweise können die Rillen und Kanäle der obigen Ausführungsformen nur in bestimmten Bereichen des Elektrodensubstrats verwendet werden, oder man kann sie in abgestufter Form über das ganze Substrat einführen.
Die Fig. 14A und 14B zeigen Kathodensubstrate, in denen die strukturellen Unregelmäßigkeiten in der gleichen Ebene (Rillen bzw. Öffnungen) unregelmäßig auf dem Substrat beabstandet sind. Die Fig. 14A zeigt ein Kathodensubstrat 180 für eine Brennstoffzelle 30 der Fig. 2 mit einer Kathoden-Separatorplatte 36 der Fig. 3. Das Kathodensubstrat 180 hat einen Einlaßabschnitt 181 nahe der Öffnung 182 der Oxidationsmittel- Einlaßverzweigungsleitung und einen Auslaßabschnitt 183 nahe der Öffnung 184 der Oxidationsmittel-Auslaßverzweigungsleitung. Das Kathodensubstrat 180 hat weiter eine zum Oxidationsmittel-Strömungsfeld der benachbarten Separatorplatte 36 weisende, mit Rillen versehene Fläche mit Kanälen 188 darin. Die Verteilung der in der Fläche des Kathodensubstrats 180 gebildeten Kanäle 188 ist so abgestuft, daß das Verhältnis der von den Kanälen 188 umschriebenen Fläche zum Flächeninhalt des Kathodensubstrats 180 im Auslaßabschnitt 183 größer als das Verhältnis der von den Kanälen 188 umschriebenen Fläche zum Flächeninhalt des Kathodensubstrats 180 im Einlaßabschnitt 181 ist.
Die Fig. 14B zeigt ein Kathodensubstrat 190 für die Brennstoffzelle 30 der Fig. 1 mit einer Kathoden-Separatorplatte 36 der Fig. 3. Das Kathodensubstrat 190 hat einen Einlaßabschnitt 191 nahe der Öffnung 192 der Oxidationsmittel-Einlaßverzweigungsleitung und einen Auslaßabschnitt 193 nahe der Öffnung 194 der Oxidationsmittel-Auslaßverzweigungsleitung. Weiter hat das Kathodensubstrat 190 Öffnungen 198 darin ausgebildet, die beide Flächen durchsetzen. Die Verteilung der in dem Kathodensubstrat 190 gebildeten Öffnungen 198 ist abgestuft, sodaß das Verhältnis der von den Öffnungen 198 umschriebenen Fläche zum Flächeninhalt des Substrats im Auslaßabschnitt 193 größer ist als das Verhältnis der von den Öffnungen 198 umschriebenen Fläche zum Flächeninhalt des Substrats 190 im Einlaßabschnitt 191. Der Auslaßabschnitt des Substrats ist im allgemeinen der Bereich, in dem sich überschüssiges Produktwasser ansammelt.
Die mit Rillen versehenen, mit Durchgangsöffnungen versehenen und hybriden Elektrodensubstrat-Ausführungsformen wurden evaluiert, um die Leistung jeder Ausführungsform zu bestimmen. Das Kathodensubstrat hatte in zwei der Tests strukturelle Unregelmäßigkeit, die in regelmäßigen Intervallen über der ge samten elektrochemisch aktiven Zone eingeführt waren (d. h. keine unregelmäßige Verteilung oder unregelmäßige Abstände von struktureller Unregelmäßigkeit in der gleichen Ebene, um die Brennstoffzellenleistung zu optimieren). Im Falle der mit Rillen versehenen Substrate wurden die Rillen ungefähr 0,013 cm tief und ungefähr 0,050 cm breit mit einem Abstand zwischen den Rillen von ungefähr 0,254 cm gebildet. Im Falle der mit Durchgangsöffnungen versehenen Substrate wurden die durchbohrenden Öffnungen mit einem Durchmesser von ungefähr 0,050 cm mit einem Abstand zwischen den Öffnungen von ungefähr 0,254 cm gebildet. Im Falle von hybriden Substraten, wurde Kohlefaserpapier für den Einlaßabschnitt und Kohlenstoff-Gewebe als Auslaßabschnitt verwendet, wie in der Fig. 13 illustriert.
Die Fig. 15 ist eine graphische Darstellung der Spannung gegen die Stromdichte (Ampere pro Quadratmeter) für das in der Fig. 4 gezeigte herkömmliche Kathodensubstrat (Kurve J), für das in der Fig. 13 gezeigte Substrat aus halb Kohlefaserpapier/halb Kohlenstoff-Gewebe (Kurve K), für das in der Fig. 5 gezeigte mit Rillen versehene Substrat (Kurve L) und für das in der Fig. 6 gezeigte durchbohrte Substrat (Kurve M).
Die Fig. 15 zeigt, daß bei hohen Stromdichten (d. h. größer als 10760 Ampere pro Quadratmeter) das mit Rillen versehene Substrat, das mit Durchgangsöffnungen versehene Substrat und das hybride Substrat Brennstoffzellenleistung zeigen, die jener überlegen ist, die man mit herkömmlichen Kathodensubstratstrukturen mit in der gleichen Ebene regelmäßiger Struktur erreicht. In diesem Zusammenhang zeigen das mit Rillen versehene Substrat, das mit Durchgangsöffnungen versehene Substrat und das hybride Substrat Ausgangszellenspannungen, die bei einer gegebenen Stromdichte größer sind als die Zellenspannung unter Verwendung eines herkömmlichen Kathodensubstrats. Massentransportbeschränkungen zeigen sich bei höheren Stromdichten, weil die elektrochemische Reaktion empfindlicher gegenüber der Kon zentration des Reaktanten an der Elektrokatalysatorschicht ist. Größere Mengen des Reaktionsproduktes werden bei höheren Stromdichten erzeugt. Es ist vorteilhaft, an der Elektrokatalysatorschicht angesammeltes Reaktionsprodukt (Wasser im Falle einer Wasserstoff/Sauerstoff-Brennstoffzelle) von der Elektrokatalysatorschicht weg zu transportieren. Der Leistungsanstieg bei hohen Stromdichten ist ein Zeichen für den verbesserten Massentransport von Reaktant und Reaktionsprodukt, der mit Kathodensubstraten mit in der gleichen Ebene unregelmäßiger Struktur erreicht wird.
Die Fig. 16 ist ein Balkendiagramm, das die Brennstoffzellenspannungen zeigt, die unter Verwendung jeweils des in der Fig. 4 gezeigten herkömmlichen Substrats (Gruppe Q), des in der Fig. 5 gezeigten mit Rillen versehenen Substrats (Gruppe R), des in der Fig. 6 gezeigten mit Durchgangsöffnungen versehenen ("durchbohrten") Substrats (Gruppe S) und des in der Fig. 13 gezeigten Substrats aus halb Kohlefaserpapier/halb Kohlenstoff-Gewebe (Gruppe T) erreicht werden. Die Fig. 16 zeigt die Ausgangszellenspannung bei einer Stromdichte von 10760 Ampere pro Quadratmeter für eine einzelne Zelle, die ein herkömmliches Kathodensubstrat Q mit im wesentlichen in der gleichen Ebene regelmäßiger Struktur und drei Kathoden R, S und T mit jeweils in der gleichen Ebene unregelmäßiger Struktur enthält. Jedes der Kathodensubstrate Q, R, S und T wurde mit zwei verschiedenen Oxidationsmittelstrom-Zusammensetzungen betrieben: Luft (die 21% Sauerstoff enthält, wobei der Rest im wesentlichen Stickstoff ist) und "Helox" (79% Helium/21% Sauerstoff). Die Konzentration von Sauerstoff, dem reaktiven Bestandteil, ist also in den Helox- und Luftströmen gleich. Sauerstoff diffundiert jedoch leichter (schneller) durch Helium als durch Luft, die hauptsächlich aus Stickstoff besteht. Der Diffusionskoeffizient von Sauerstoff ist also in Helium größer als in Stickstoff. Folglich läßt für eine gegebene Elektrode die Differenz zwischen der unter Verwendung von Luft erhaltenen Ausgangszellenspannung und der unter Verwendung von Helox erhaltenen Ausgangszellenspannung auf das Ausmaß schließen, in dem Sauerstoffdiffusionsprobleme vorhanden sind. Diese Differenzen werden in der Tabelle 1 für jedes der 4 vorliegenden Kathodensubstrate angegeben: Tabelle 1
wobei ΔSpannung, ausgedrückt in Millivolt, die unter Verwendung von Helox erreichte Ausgangszellenspannung minus der unter Verwendung von Luft erreichten Ausgangszellenspannung bei einer Stromdichte von 10760 Ampere pro Quadratmeter ist.
Die Daten in der Fig. 16 und in der Tabelle 1 zeigen, daß das mit Rillen versehene Substrat, das durchbohrte Substrat und das hybride Substrat weniger Gewinn bei der Leistung (Spannung) beim Übergang von Luft zu Helox zeigen als der Leistungsgewinn, der von einem herkömmlichen Kathodensubstrat gezeigt wird. Das zeigt seinerseits, daß die mit Rillen versehenen, durchbohrten und hybriden Substrate (d. h. jene mit in der gleichen Ebene unregelmäßiger Struktur) im Verhältnis zu herkömmlichen Kathodensubstraten (d. h. jenen mit einer Struktur in der gleichen Ebene, die im makroskopischen Maßstab im wesentlichen regelmäßig ist) überlegene Sauerstofftransport- Charakteristika zeigen.

Claims

1. Elektrochemische Brennstoffzelle umfassend:

a) ein Anodensubstrat mit einem Paar entgegengesetzt gerichteter, ebener Hauptflächen, wobei das genannte Anodensubstrat weiters auf einer seiner ebenen Hauptflächen einen Katalysator zum Fördern der Oxidation eines Brennstoffstromes angeordnet hat,

b) ein Kathodensubstrat mit einem Paar entgegengesetzt gerichteter, ebener Hauptflächen, wobei das genannte Kathodensubstrat weiters auf einer seiner ebenen Hauptflächen einen Katalysator zum Fördern der Reduzierung eines Oxidationsmittelstromes zur Bildung eines Reaktionsprodukts angeordnet hat,

c) einen zwischen jeweils den Flächen des Anodensubstrats und des Kathodensubstrats, auf welchen Katalysator angeordnet ist, eingesetzten Membran- Elektrolyten, wobei der genannte Katalysator eine elektrochemisch aktive Zone abgrenzt,

d) eine Anoden-Separatorplatte, die neben der von dem genannten Membran-Elektrolyten abgewendeten ebenen Hauptfläche des genannten Anodensubstrats angeordnet ist, wobei die genannte Anoden-Separatorplatte einen Brennstoffstrom-Einlaß, einen Brennstoffstrom-Auslaß und mindestens einen Kanal zum Leiten des genannten Brennstoffstromes zwischen dem genannten Brennstoffstrom-Einlaß und dem genannten Brennstoffstrom-Auslaß besitzt,

e) eine Kathoden-Separatorplatte, die neben der von dem genannten Membran-Elektrolyten abgewendeten ebenen Hauptfläche des genannten Kathodensubstrats angeordnet ist, wobei die genannte Kathoden-Separatorplatte einen Oxidationsmittelstrom-Einlaß, einen Oxidationsmittelstrom-Auslaß und mindestens einen Kanal zum Leiten des genannten Oxidationsmittelstromes zwischen dem genannten Oxidationsmittelstrom-Einlaß und dem genannten Oxidationsmittelstrom-Auslaß besitzt,

dadurch gekennzeichnet, daß mindestens das genannte Anodensubstrat oder das genannte Kathodensubstrat in der genannten elektrochemisch aktiven Zone eine in der gleichen Ebene unregelmäßige Struktur hat, derart, daß unterschiedliche Bereiche des genannten mindestens einen Substrats unterschiedliche Fluid-Massentransporteigenschaften in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zu den genannten ebenen Hauptflächen besitzen.

2. Elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte in der gleichen Ebene unregelmäßige Struktur über mindestens eines der genannten Substrate regelmäßig verteilt ist.

3. Elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte in der gleichen Ebene unregelmäßige Struktur über mindestens eines der genannten Substrate unregelmäßig verteilt ist.

4. Elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Brennstoffstrom Wasserstoff enthält, der genannte Oxidationsmittelstrom Sauerstoff enthält und das genannte Reaktionsprodukt Wasser enthält.

5. Elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Brennstoffstrom Methanol enthält, der genannte Oxidationsmittelstrom Sauerstoff enthält, das Reaktionsprodukt der Oxidation des genannten Brennstoffstromes Kohlendioxid enthält und das Reaktionsprodukt der Reaktion des genannten Oxidationsmittelstromes Wasser enthält.

6. Elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte in der gleichen Ebene unregelmäßige Struktur mindestens einen auf der der genannten Kathoden-Separatorplatte gegenüberliegenden Hauptfläche des genannten Kathodensubstrats ausgebildeten Kanal umfaßt.

7. Elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte mindestens eine Kanal eine Mehrzahl von Kanälen umfaßt.

8. Elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Kathodensubstrat- Hauptfläche aus einem Einlaßabschnitt neben dem genannten Oxidationsmittelstrom-Einlaß und einem Auslaßabschnitt neben dem genannten Oxidationsmittelstrom-Auslaß besteht, und daß das Verhältnis der von dem genannten mindestens einen Kanal umschriebenen Fläche zum Flächeninhalt des genannten Substrats im genannten Auslaßabschnitt größer ist als das Verhältnis der von dem genannten mindestens einen Kanal umschriebenen Fläche zum Flächeninhalt des genannten Substrats im genannten Einlaßabschnitt.

9. Elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte in der gleichen Ebene unregelmäßige Struktur mindestens eine in dem genannten Kathodensubstrat ausgebildete Öffnung umfaßt, wobei die genannte mindestens eine Öffnung sich zwischen den beiden Hauptflächen des genannten Kathodensubstrats erstreckt und diese durchsetzt.

10. Elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte mindestens eine Öffnung eine Mehrzahl von Öffnungen umfaßt.

11. Elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Kathodensubstrat- Hauptfläche aus einem Einlaßabschnitt neben dem genannten Oxidationsmittelstrom-Einlaß und einem Auslaßabschnitt neben dem genannten Oxidationsmittelstrom-Auslaß besteht, und daß das Verhältnis der von den genannten Öffnungen umschriebenen Fläche zum Flächeninhalt des genannten Substrats im genannten Auslaßabschnitt größer ist als das Verhältnis der von den genannten Öffnungen umschriebenen Fläche zum Flächeninhalt des genannten Substrats im genannten Einlaßabschnitt.

12. Elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jede der genannten mindestens einen Öffnung sich von einem Punkt neben dem genannten mindestens einen in der Hauptfläche der genannten Kathoden- Separatorplatte ausgebildeten Kanal aus schräg zwischen den beiden genannten Kathodensubstrat-Hauptflächen erstreckt und diese durchsetzt.

13. Elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der genannten mindestens einen Öffnung eine Menge hydrophilen Materials angeordnet ist.

14. Elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der genannten mindestens einen Öffnung eine Menge hydrophoben Materials angeordnet ist.

15. Elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Kathodensubstrat eine auf einem Teil mindestens einer der genannten ebenen Hauptflächen angeordnete Überzugsschicht enthält, wobei die genannte Überzugsschicht Material enthält, das gegenüber Wasser teildurchlässig ist.

16. Elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Kathodensubstrat-Hauptfläche aus einem Einlaßabschnitt neben dem genannten Oxidationsmittelstrom-Einlaß und einem Auslaßabschnitt neben dem genannten Oxidationsmittelstrom-Auslaß besteht, und daß die genannte Überzugsschicht auf dem genannten Einlaßabschnitt angeordnet ist.

17. Elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Kathodensubstrat-Hauptfläche gegen die genannte Kathoden-Separatorplatte gerichtet ist.

18. Elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Kathodensubstrat-Hauptfläche gegen den genannten Membranelektrolyten gerichtet ist.

19. Elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Kathodensubstrat mindestens zwei poröse elektrisch leitende Blattmaterialien umfaßt, die im wesentlichen in der gleichen Ebene angeordnet sind.

20. Elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Kathodensubstrat ein erstes poröses, elektrisch leitendes Blattmaterial umfaßt, und daß die genannte in der gleichen Ebene unregelmäßige Struktur mindestens eine in dem genannten Kathodensubstrat ausgebildete Öffnung umfaßt, wobei die genannte mindestens eine Öffnung sich zwischen den beiden Hauptflächen des genannten ersten Blattmaterials erstreckt und diese durchsetzt, und wobei in der genannten mindestens einen Öffnung eine Menge eines zweiten porösen, elektrisch leitenden Blattmaterials angeordnet ist.

21. Elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Kathodensubstrat aus einem Einlaßabschnitt neben dem genannten Oxidationsmittelstrom-Einlaß und einem Auslaßabschnitt neben dem genannten Oxidationsmittelstrom-Auslaß besteht, und daß die genannte mindestens eine Öffnung in dem genannten Auslaßabschnitt ausgebildet ist.

22. Elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte erste poröse, elektrisch leitende Blattmaterial Kohlefaserpapier und das genannte zweite poröse, elektrisch leitende Blattmaterial Kohlenstoff-"Gewebe" ist.

23. Elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte erste poröse, elektrisch leitende Blattmaterial Kohlefaserpapier mit einer ersten Porosität und das genannte zweite, elektrisch leitende Blattmaterial Kohlefaserpapier mit einer zweiten Porosität ist.