Verfahren und Vorrichtung zur Verringerung der mit den

Leckströmen verbundenen Energieverluste elektrochemischer Zellen

Technisches Gebiet

Elektrochemische Zellen zur Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie und umgekehrt. Insbesondere Brenn¬ stoffzellen zur direkten Umwandlung des chemischen Poten¬ tials eines gasförmigen Brennstoffs in elektrische Energie.

Die Erfindung bezieht sich auf die Dichtungsprobleme und die Leckstellen in den Randzonen von elektrochemischen Zellen und die damit in Verbindung stehenden Stoff- und Energieverluste. Diese stellen besonders bei einer Viel¬ zahl plattenförmiger Zellen ein konstruktiv-technisch und energetisch-oekonomisch nicht zu vernachlässigendes Thema dar.

Im engeren Sinne betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Verringerung der an den Stosstellen und Randpartien

im Dichtungsbereich der Elektroden und des Elektrolyten einer elektrochemischen Zelle auftretenden, durch Leck¬ stoffströme und Leckenergieströme auftretenden Stoff- und Exergieverluste.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durch¬ führung des Verfahrens in einer elektrochemischen Zelle oder in einem Stapel oder einer anderen Anordnung bestehend aus einer Vielzahl elektrochemischer Zellen.

Stand der Technik

Bei allen elektrochemischen Zellen ganz gleich welcher Art und welchen zur Anwendung gelangenden Verfahrens treten an gewissen Stellen Stoffverluste und Exergieverluste auf. Dies bezieht sich vor allem auf Stosstellen und Randpartien, wo entsprechende Verluste durch Leckstoff- ströme und Leckenergieströme beobachtet werden. Die ent¬ sprechenden Erscheinungen haben einen Rückgang der Strom¬ ausbeute, unerwünschte chemische Reaktionen, schädliche Wärmeentwicklung und im extremen Fall örtliche Explosions¬ gefahr zur Folge. Die Sicherheit des Betriebes der Zelle oder der Zellenanordnung muss durch möglichst gute Dichtun¬ gen an den kritischen Stellen gewährleistet werden. Es handelt sich somit im vorliegenden Fall vor allem um die Lösung eines Dichtungsproblems . Die Praxis zeigt indessen, dass zufolge beschränkten zur Verfügung stehenden Raumes, Anpressdruckes und eingeschränkter Freiheit für den Kon¬ strukteur keine Dichtung auf die Dauer vollkommen ist.

Es stellt sich daher das Bedürfnis ein, die durch Leck¬ ströme verursachten Verluste sowohl an Materie wie an Energie sowie die eventuell damit im Zusammenhang stehen¬ den Unsicherheiten und Gefahren durch weitere Massnahmen zu begrenzen. Diese Forderung ist umso gerechtfertigter,

als die klassischen Dichtungen zusätzlichen toten Raum beanspruchen, materialtechnische Schwierigkeiten verur¬ sachen und im allgemeinen aufwendig und kostspielig sind.

Zum Stand der Technik werden die folgenden Dokumente zitiert:

- O. Antonsen, W. Baukai und W. Fischer, "Hochtemperatur- Brennstoffbatterie mit keramischem Elektrolyten". Brown Boveri Mitteilungen Januar/Februar 1966,

Seiten 21-30,

- US-A-4692274 ^'

- US-A-4395468

- US-A-4214969

- US-A-4039409

- US-A-4326943

- DE-A-2905168

Die bei bisherigen elektrochemischen Zellen üblichen her¬ kömmlichen Dichtungskonzepte befriedigen nicht. Insbeson¬ dere in Anbetracht der beabsichtigten Zukunftsentwicklung der Brennstoffzellen in Richtung grossindustrielle Ferti¬ gung und Verwendung besteht ein grosses Bedürfnis nach Vervollkommnung und Vereinfachung und optimaler konstruk¬ tiver Gestaltung der beteiligten Bauelemente.

Darstellung der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vor¬ richtung anzugeben, womit die Leck-Stoffverluste und die Leck-Exergieverluste im Dichtungsbereich von Elektroden und Elektrolyt elektrochemischer Zellen namhaft gesenkt und gegebenenfalls ganz vermieden werden können . Das Ver¬ fahren sowie die zu dessen Durchführung bedingten konstruk¬ tiven Aenderungen der elektrochemischen Zelle oder eines ganzen Zellenverbandes sollen sich universell auf mög¬ lichst alle gängigen Typen und Konstruktionen elektro¬ chemischer Zellen, insbesondere auf Brennstoffzellen an¬ wenden lassen, einfach zu bewerkstelligen sein und keine oder nur geringe Mehrkosten, womöglich sogar Minderkosten verursachen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass im eingangs er¬ wähnten Verfahren gezielt unter Verzicht des Anstrebens möglichst vollständiger Dichtung und möglichst geringer Leckströme in den Randpartien der Kammern benachbarter Sauerstoffelektrode und Brennstoffelektrode in den be¬ sagten Randpartien die aus den Elektrodenkammern stammen¬ den, senkrecht zur Richtung der elektrischen Feldstärke

strömenden Reaktanden Sauerstoffträger und Brennstoff zur Fortführung und möglichst vollständigen Beendigung ihrer unter dem Einfluss der elektrischen Feldstärke ge¬ ordnet ablaufenden Reaktion gezwungen werden, dergestalt, dass sämtliche aus der Leckstelle nach aussen gelangen¬ den Stoffströme zu keiner noch verbleibenden unerwünsch¬ ten ungeordneten Reaktion befähigt sind, kein eigenes chemisches Potential mehr besitzen und gesamthaft keinen, einen Verlust repräsentierenden Exergieinhalt mehr auf¬ weisen, und dass die innerhalb der Leckstelle zu erfolgen¬ de Energieumsetzung im Sinne der Erhöhung des elektro¬ chemischen Gesamtwirkungsgrades erfolgt.

Die Aufgabe wird ferner dadurch gelöst, dass im geometri¬ schen Aufbau der eingangs erwähnten elektrochemischen Zelle konstruktiv dafür gesorgt ist, dass Elektrolyt, Sauerstoffelektrode, Brennstoffelektrode sowie die die Stromzuführung und Stromabführung zu den Elektroden be¬ werkstelligenden Stromkollektoren genau bis zur Kante der Randpartie der Bipolarplatten oder der entsprechen¬ den Endplatten reichen und mit letzteren bündig ab- schliessen, und dass die durch die Grenzfläche der Zufuhr oder Abfuhr der gasförmigen Reaktanden oder Reaktionspro¬ dukte und der äussersten Kontur der Kante der Randpartie der Bipolarplatten bestimmte, senkrecht zur elektrischen Feldstärke gemessene Breite der Randpartie der Bipolar¬ platten derart bestimmt ist, dass die auf diesem Leckweg in der Randpartie sich abspielenden elektrochemischen Reaktionen beim Erreichen der Kante vollständig zum Ab- schluss gelangt sind.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden, durch Figu¬ ren näher erläuterten Ausführungsbeispiele beschrieben.

Dabei zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung/Aufriss-Schnitt einer plattenförmigen elektrochemischen Zelle (Plattenebene horizontal) mit Dichtungsbereich,

Fig. 2 einen schematischen Schnitt (Aufriss) durch eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle mit keramischem Feststoffelektrolyt auf Zr0 ₂ -Basis,

Fig. 3 einen schematischen Schnitt (Aufriss) durch eine Brennstoffzelle mit perfluoriertem sulfoniertem Kationenaustauscher (Kunststoff-Polymer) als Feststoffelektrolyt,

Fig. 4 einen schematischen Schnitt (Aufriss) durch eine Brennstoffzelle mit H-.PO. als Flüssigelektrolyt,

Fig. 5 einen schematischen Schnitt (Aufriss) durch eine Brennstoffzelle mit einer eutektischen Schmelze von Li ₂ CO_/K_C0 ₃ als Flüssigelektrolyt,

Fig. 6 einen schematischen Schnitt (Aufriss) durch eine Brennstoffzelle mit KOH als Flüssigelektrolyt.

Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung/Aufriss-Schnitt einer plattenförmigen elektrochemischen Zelle (Platten¬ ebene horizontal). Diese Figur stellt den allgemeinsten Fall einer elektrochemischen Zelle dar, die sowohl als separate Einzelzelle wie als Einzelzellen-Ausschnitt aus einem Stapel einer Vielzahl von Zellen betrachtet werden kann. Entsprechend der Bedeutung der Erfindung ist in diesem grundsätzlichen Beispiel eine Brennstoffzelle dar-

gestellt. Sie besteht aus dem Elektrolyten 1 (allgemein), der im vorliegenden Betriebsfall negativ (— ) geladenen Sauerstoffelektrode 2 und der positiv (+) geladenen Brenn¬ stoffelektrode 3. Zur Stromleitung und Stromverteilung im Bereich der Elektroden 2 und 3 dienen die Stromkollek¬ toren 4 (Sauerstoffseite) und 5 (Brennstoffseite) . 6 stellt den mit Kanälen versehenen Teil der Bipolarplatte auf der Sauerstoffseite, 7 den entsprechenden Teil auf der Brennstoffseite dar. Bei einem Stapel einer Vielzahl von Zellen sind Teil 6 und Teil 7 selbstverständlich eine m onolithische Einheit, die zwei benachbarte Zellen trennt. 8 stellt die Grenzfläche der Reaktandenzufuhr im Bereich der Bipolarplatten 6; 7 dar, d.h. dies ist der äusserste Bereich in dem den Elektroden 2; 3'die gasförmigen Medien zugeführt werden. 9 ist die äusserste Kante der Randpartie der Bipolarplatte 6 (bzw. 7), die zugleich den Abschluss des Stapels der Zellen bildet und mit dem Ende der "Dich¬ tung" zusammenfällt. Entsprechend ist 10 die Randpartie der Bipolarplatte, deren Breite der sonst herkömmlichen "Dichtungsbreite" gemäss Stand der Technik entspricht.

11 stellt die Zufuhr des gasförmigen Sauerstoffträgers,

12 die Zufuhr des gasförmigen Brennstoffs dar. Der Sauer¬ stoffträger besteht im allgemeinen aus Luft, technisch reinem Sauerstoff oder an Sauerstoff angereicherter Luft

(02-,; N,2- ) , der Brennstoff aus H2--, CO, CH4., CllHm oder einer

Mischung aus mindestens zweien- dieser Stoffe.

In Fig. 2 ist ein schematischer Schnitt (Aufriss) durch eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle mit keramischem Fest¬ stoffelektrolyt auf Zr0_-Basis dargestellt. Die Bezugs¬ zeichen 1 bis 12 entsprechen im wesentlichen denjenigen der Figur 1. Im vorliegenden Fall besteht der Elektrolyt 1 aus dotiertem stabilisierten Zr0_ und befindet sich auf einer Betriebstemperatur von durchschnittlich ca. 850 C. Die poröse Sauerstoffelektrode 2 besteht aus eine mit SrO dotierten. La/Mn-Perowskit, während die ebenfalls

poröse Brennstoffelektrode 3 aus einem Ni/ZrO_-Cermet besteht. Die Stromkollektoren 4 (Sauerstoffseite) und 5 ( Brennstoffseite) bestehen in der Regel aus Drahtgeflech¬ ten, Metallgeweben, Vliesen etc. einer hochwarmfesten hochchromhaltigen Nickelbasislegierung bzw. aus Nickel (vorzugsweise oxyddispersionsgehärtet) , während die Bipo¬ larplatte 6, 7 vorteilhafterweise aus einer zunderbeständi¬ gen Nickel- oder Eisenbasislegierung besteht. Die Randpar¬ tie 10 der letzteren wird durch die strichpunktiert an¬ gedeutete Grenzfläche 8 der Reaktanden-Zufuhr (gasförmige Medien) und durch die ebenso angedeutete Kante 9 begrenzt. Der gesamte aktive Teil der Zelle, insbesondere der Fest¬ stoffelektrolyt 1 und die Elektroden 2; 3 setzt sich bis zur Kante 9 der Bipolarplatte 6, 7 fort. Die durch die Kanäle in der Bipolarplatte, Sauerstoffseite 6 erfolgende Zufuhr 11 des Sauerstoffträgers ist schematisch von aussen durch den Pfeil 0_ + 4.N_ (Luft) angedeutet. Desgleichen die durch die Kanäle in der Bipolarplatte, Brennstoff- seite 7 erfolgende Zufuhr 12 des Brennstoffs durch den Pfeil2H_ . Der Feststoffelektrolyt 1 ist bei hohen Tempe¬ raturen ein Leiter für Sauerstoffionen. Mit 13 ist der im vorliegenden Fall auf der Plattenebene senkrecht stehen¬ de elektrische Feldstärkevektor bezeichnet, was gleich¬ zeitig die Wanderungsrichtung der negativen Ladungsträger

2- (Pfeil2θ ) im Elektrolyt im aktiven Bereich der Zelle wiedergibt. 14 ist die Abfuhr des Reaktionsproduktes (im vorliegenden Fall2H,-0) im aktiven Kernbereich der Zelle. Dies ist schematisch mit einem nach unten weisenden Pfeil angedeutet, um zu verdeutlichen, dass diese Abfuhr noch innerhalb des aktiven Kernbereichs der Zelle auf der Brenn¬ stoffseite der Bipolarplatte 7 erfolgt. Die Abfuhr 15 (und die in gewissen Fällen erfolgende Abfuhr des Ueber- schuss-Sauerstoffträgers; in der Figur 2 nicht eingezeichnet; des Ballaststickstoffs erfolgt ebenfalls im Kernbereich der Zelle, was mit einem nach oben weisenden Pfeil ( N→. ) angedeutet ist. 16 stellt den elektrischen Feldstärkevek-

tor und die Wanderungsrichtung der negativen Ladungsträger (Pfeil^20 ) im Elektrolyt im Bereich der Randpartie 10 der Bipolarplatte dar. Ueber diese Randpartie 10 der Bipolarplatte Brennstoffseite 7 tritt durch den Strom¬ kollektor 5 parallel zur Plattenebene der energielose Teil-Leckstoffström 17 (Pfeil ^ H.O) aus. Ein analoger energieloser Teil-Leckstoffström 18 (Pfeil 60-,) tritt im Bereich der Randpartie der Bipolarplatte Sauerstoff- seite 6 aus. Letzterer enthält gegebenenfalls noch zusätz¬ lich Ballaststickstoff (in der Figur 2 nicht eingezeichnet)

In Fig. 3 ist ein schematischer Schnitt (Aufriss) durch eine Brennstoffzelle mit perfluoriertem sulfoniertem Kationenaustauscher (Kunststoff-Polymer) als Feststoff- elektrolyt dargestellt. Die Bezugszeichen 2 bis 12 ent¬ sprechen im wesnetlichen denjenigen der Figur 1. Im vor¬ liegenden Fall besteht der auf ca. 80 C gehaltene Elektro¬ lyt 1 aus einer in H„0 gequollenen Membran aus einem Kunst¬ stoff-Polymer auf der Basis eines dotierten Kationenaus¬ tauschers (z.B. "Nafion" von Du Pont). Dies ist in Figur 3 durch schräge Balken (Kunststoff-Gerüst) und durch hori¬ zontale unterbrochene Striche (H_0-Füllung) angedeutet. Die Elektroden 2 und 3 bestehen in der Regel aus Platin¬ metallen oder mit Platinmetallen beschichteten korrosions¬ beständigen Legierungen (z.B. Titanlegierungen) bzw. aus Kohlenstoff oder Verbundwerkstoffen auf Kohlenstoffbasis . Als Sauerstoffelektrode hat sich unter anderem eine Mi¬ schung von Iridium und Ruthenium bzw. deren Oxyden be¬ währt. Als Stromkollektoren 4; 5 werden Drahtgewebe oder gewellte Lamellen aus korrosionsbeständigen Materialien (z.B. Titan) verwendet. Die Bipolarplatte 6; 7 ist mono¬ lithisch oder besteht aus verschiedenen Schichten, wobei wieder Titan ( Sauerstoffseite 6) bzw. Graphit (Brennstoff- seite 7) Verwendung finden. Für die Bezugszeichen 8, 9, 10 gilt das unter Figuren 1 und 2 Gesagte. Dasselbe be¬ zieht sich auf die Zufuhr 11 des gasförmigen Sauerstoff-

trägers ( 0-. + 4N_) und die Zufuhr 12 des gasförmigen Brennstoffs( 2 W ) . Im vorliegenden Fall verlässt das Reak¬ tionsprodukt2H.-0 sowie der Ballaststickstoff 4N_ die Zelle auf der gleichen Seite der Bipolarplatte 6, nämlich auf der Sauerstoffseite (Bezugszeichen 14; 15). Der mit H-O gequollene Feststoffelektrolyt 1 ist bei Temperaturen unter dem beim jeweiligen Druck sich ergebenden Verdamp¬ fungstemperaturen des Wassers ein Leiter für Wasserstoff¬ ionen. 19 stellt im vorliegenden Fall den auf der Platten¬ ebene senkrecht stehenden elektrischen Feldstärkevektor dar, was gleichzeitig die Wanderungsrichtung der positiven Ladungsträger (Pfeil ή→-W ) im Elektrolyt im aktiven Bereich der Zelle bedeutet. 20 gibt den elektrischen Feldstärke¬ vektor und die Wanderungsrichtung der positiven Ladungs¬ träger (Pfeil Δ 4-Η ) im Elektrolyt im Bereich der Rand¬ partie 10 der Bipolarplatte dar. Ueber die Randpartie 10 der Bipolarplatte Sauerstoffseite 6 tritt durch den Stromkollektor 4 parallel zur Plattenebene der energie¬ lose Gesamt-Leckstoffström 21 (Pfeil i H-,0 + S 0_ ) aus. 22 ist der durch das Reaktionsprodukt (H-,0) des Leckstoff- stroms bedingte Wassermantel. Ausser über den Leckstoff- ström tritt gelegentlich etwas Ueberschusswasser direkt aus dem Elektrolyten 1 aus. 23 stellt eine aus elektri¬ schem Isoliermaterial bestehende wasserdichte Umhüllung des Wassermantels 22 dar. Diese ist mit nach innen ge¬ richteten umlaufenden Rippen in Form eines Labyrinths versehen, das dazu dient, die Weglänge zwischen benachbar¬ ten Zellen zu vergrössern, den Wasserquerschnitt zu ver¬ kleinern und schädliche Nebenschluss-Stromkreise zu ver¬ meiden.

Fig. 4 zeigt einen schematischen Schnitt (Aufriss) durch eine Brennstoffzelle mit H-.P0. als Flüssigelektrolyt. Die Bezugszeichen 2 bis 12 entsprechen im wesentlichen denjenigen der Figur 1. Im vorliegenden Fall besteht der vorzugsweise auf ca. 200 C gehaltene Elektrolyt 1 aus

flüssiger H--PO. (mit wenig % H_0-Zusatz ) , was durch hori¬ zontale unterbrochene Striche in Figur 4 angedeutet ist. Der Elektrolyt 1 ist in einem Vlies 24 aus keramischem Stoff auf SiO-,-Basis als Gerüst gehalten und nimmt somit den Raum zwischen den Elektroden 2 und 3 als eine Art "flüssige Platte" ein. Der Flüssigelektrolyt 1 ist ein Leiter für Wasserstoffionen. 19 ist der auf der Platten¬ ebene senkrecht stehende elektrische Feldstärkevektor, der gleichzeitig die Wanderungsrichtung der positiven Ladungsträger (Pfeil 4H ) im Elektrolyt im aktiven Bereich der Zelle darstellt. 20 stellt den elektrischen Feldstärke¬ vektor und die Wanderungsrichtung der positiven Ladungs¬ träger (Pfeil ^4H ) im Elektrolyt im Bereich der Rand¬ partie 10 der Bipolarplatte dar. Die Elektroden 2 und 3 bestehen aus gegenüber H-.PO. im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 200 C (Betriebstemperatur) korrosions¬ beständigem Material. Das Reaktionsprodukt2H_0 sowie der Ballaststickstoff 4N_ verlässt die Zelle auf der Bipolar¬ platte Sauerstoffseite 6, während der energielose Gesamt- Leckstoffström 21 (Pfeil Δ H-..0 + «f O über die Randpartie 10 der Bipolarplatte Sauerstoffseite 6 durch den Strom¬ kollektor 4 seitlich austritt. 25 ist ein Rahmen aus Kera¬ mik zur Abdichtung des Flüssigelektrolyten 1.

Fig. 5 stellt einen schematischen Schnitt (Aufriss) durch eine Brennstoffzelle mit einer eutektischen Schmelze von Li_ CO-NK-.CO., als Flüssigelektrolyt dar. Die Bezugszeichen 2 bis 12 entsprechen im wesentlichen denjenigen der Figur 1. Der im allgemeinen auf ca. 650 C gehaltene Elektrolyt 1 besteht im vorliegenden Fall aus einer schmelzflüssigen Mischung von Li-CO-, und K-CO-. eutektischer Zusammensetzung, Der Elektrolyt 1 ist in Figur 5 durch horizontale unter¬ brochene Striche angedeutet. Er ist in einem Vlies 26 (gestrichelte Schraffur) aus korrosionsbeständigem kerami¬ schem Stoff als Gerüst gehalten, im Raum zwischen den Elektroden 2 und 3 eine Art "flüssige Platte" bildend.

Der Flüssigelektrolyt 1 ist bei Betriebstemperatur ein Leiter für Karbonationen und somit mittelbar für Sauer- stoffionen. 13 ist der auf der Plattenebene senkrecht stehende elektrische Feldstärkevektor, der gleichzeitig die Wanderungsrichtung der negativen Ladungsträger (Pfeil

2- CO., ) im Elektrolyt im aktiven Bereich der Zelle dar¬ stellt. 16 stellt den elektrischen Feldstärkevektor und die Wanderungsrichtung der negativen Ladungsträger (Pfeil

2_ ifc2CO-, ) im Elektrolyt im Bereich der Randpartie 10 der

Bipolarplatte dar. Die Elektroden 2 und 3 bestehen selbst¬ verständlich aus gegenüber Li_CO-./K-.CO^-Schmelze korro¬ sionsbeständigen Werkstoffen. Die Sauerstoffelektrode 2 muss ausserdem gegenüber den Sauerstoffträgern (0_ und CO- ) oxydationsbeständig sein. Die Abfuhr 14 der Reaktions¬ produkte2(H_0 + CO-, ) im aktiven Kernbereich der Zelle erfolgt über die Bipolarplatte Brennstoffseite 7, während die Abfuhr 15 des Ballaststickstoffs (4.N"-,) über die Bipo¬ larplatte Sauerstoffseite 6 erfolgt. Das auf der Brenn- stoffseite abgezogene CO-, wird nach Befreiung von H-,0 der Zelle auf der Sauerstoffseite wieder zugeführt. Damit ist der CO-,-Kreislauf geschlossen. Auf der Brennstoffseite tritt der energielose Teil-Leckstoffström 17 [Pfeil ZKH-.0 + CO-. )~] durch den Stromkollektor 5 parallel zur Plat¬ tenebene über die Randpartie 10 der Bipolarplatte aus. Auf der Sauerstoffseite verlässt der energielose Teil- Leckstoffström 27 (Pfeil δ 0_ + S CO_) die Zelle durch den Stromkollektor 4 parallel zur Plattenebene über die Randpartie 10 der Bipolarplatte. Dieser Teil-Leckstoff- ström 27 ist bedingt durch Ueberschüsse an 0_ (Luft) und CO-, je nach Betriebsart der Zelle. 28 ist ein Rahmen aus Keramik zur Abdichtung des Flüsεigelektrolyten 1.

In Fig. 6 ist ein schematischer Schnitt (Aufriss) durch eine Brennstoffzelle mit KOH als Flüssigelektrolyt darge¬ stellt. Die Bezugszeichen 2 bis 12 entsprechen im wesent¬ lichen denjenigen der Figur 1. Im vorliegenden Fall be¬ steht der vorzugsweise auf ca. 80 gehaltene Elektrolyt 1 aus einer 15 bis 30%-igen wässrigen Lösung von KOH. Zur Vermeidung der direkten ungeordneten Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff ist im Elektrolyt 1 ein Dia¬ phragma 29 aus einem Vlies aus Asbest oder einem kerami¬ schen Stoff angeordnet. Der Flüssigelektrolyt 1 ist ein Leiter für OH-Ionen und somit mittelbar für Sauerstoff¬ ionen. 13 ist der auf der Plattenebene senkrecht stehende elektrische Feldstärkevektor, der gleichzeitig die Wande¬ rungsrichtung der negativen Ladungsträger (Pfeil 40H ) im Elektrolyt im aktiven Bereich der Zelle darstellt. 16 stellt den elektrischen Feldstärkevektor und die Wande¬ rungsrichtung der negativen Ladungsträger (Pfeil Δ 40H~) im Elektrolyt im Bereich der Randpartie 10 der Bipolar¬ platte dar. Die Elektroden 2 und 3 bestehen aus gegenüber KOH-Lösung korrosionsbeständigem Material. Die Sauerstoff¬ elektrode 2 muss ausserdem gegenüber den Sauerstoffträgem ( O →* und H_0) oxydationsbeständig sein. Die Abfuhr 14 des Reaktionsprodukts 4H-.0 im aktiven Kernbereich der Zelle erfolgt über die Bipolarplatte Brennstoffseite 7, während die Abfuhr 15 des Ballaststickstoffs (4N-,) über die Bipolar¬ platte Sauerstoffseite 6 erfolgt. Die Hälfte des auf der Brennstoffseite abgezogenen Wassers wird der Zelle auf der Sauerstoffseite wieder zugeführt. Auf der Brennstoff- seite tritt der energielose Teil-Leckstoffström 17 (Pfeil £ H _y O ) durch den Stromkollektor 5 parallel zur Platten¬ ebene über die Randpartie 10 der Bipolarplatte aus. Auf der Sauerstoffseite verlässt der energielose Teil-Leck¬ stoffström 18 (Pfeil S _? ) die Zelle durch den Stromkollek¬ tor 4 parallel zur Plattenebene über die Randpartie 10 der Bipolarplatte. 30 ist ein Rahmen aus laugenbeständigem Kunststoff zur Abdichtung des Flüssigelektrolyten 1.

U

Ausführungsbeispiel 1:

Siehe Fig. 2!

Für die Untersuchung des Betriebsverhaltens stand ein aus 20 einzelnen Hochtemperatur-Brennstoffzellen bestehen¬ der plattenförmiger Stapel zur Verfügung. Eine einzelne Zelle bestand aus Feststoffelektrolyt 1, Sauerstoffelek¬ trode 2, Brennstoffelektrode 3, Stromkollektoren 4 und 5 und zwei Hälften einer Bipolarplatte 6; 7. Der Fest¬ stoffelektrolyt 1 bestand aus stabilisiertem, dotiertem ZrO-,, war rechteckig, plattenförmig, eben und hatte eine Breite von HO mm, eine Länge von 145 mm und eine Dicke von 0,25 mm. Der Feststoffelektrolyt 1 war auf einer Seite auf seiner ganzen Fläche mit der porösen Sauerstoffelek¬ trode 2 aus SrO-dotiertem La/Mn-Perowskit von 0,08 mm Dicke beschichtet. Auf der anderen Seite trug der Fest¬ stoffelektrolyt 1 als poröse Brennstoffelektrode 3 eine Beschichtung aus Ni/ZrO^-Cermet von 0,04 mm Dicke. Der Stromkollektor 4 auf der Sauerstoffseite bestand aus einem elastischen feinmaschigen Metallgewebe aus einer zunderbe¬ ständigen warmfesten Nickelbasislegierung mit ca. 30 % Cr und ca. 9,5 % Fe, während der Stromkollektor 5 auf der Brennstoffseite aus einem elastischen Gewebe aus disper- sionsgehärtetem Nickel bestand. Die mit Kanälen für die gasförmigen Medien ausgestattete Bipolarplatte 6; 7 be¬ stand aus einer zunderbeständigen Eisenbasislegierung mit ca. 20 % Cr, ca. 5 % AI und ca. 1 % Si. Die Brenn¬ stoffseite 7 der Bipolarplatte war mit einer ca. 0,05 mm dicken Nickelschicht belegt. Zwischen der Grenzfläche 8 der Reaktanden-Zufuhr und der Kante 9 der Bipolarplatte befand sich die parallel zur Plattenebene 7,5mm Breite aufweisende Randpartie 10. Die Zufuhr 11 des gasförmigen Sauerstoffträgers zum Stapel der Zellen bestand aus vor¬ gewärmter Luft ( 0_ + 4-N-, ) und die Zufuhr 12 des gas¬ förmigen Brennstoffs aus ebenfalls vorgewärmtem Wasser-

Stoff (2H ₂ ).

Die Brennstoffzellen wurden mit einer Nennstromdichte

2 von 0,2 A/cm , bezogen auf einseitige Elektrodenoberfläche im aktiven Kernbereich der Zellen (vergl. elektrischer Feldstärkevektor 13) betrieben. Der Luftstrom (Zufuhr 11) wurde derart eingestellt, dass eine mittlere konstante Betriebstemperatur der Zellen von ca. 850 C gehalten wurde. Die Zellenspannung betrug ca. 0,7 V, diejenige des gesam¬ ten Stapels (20 Zellen) ca. 14 V. Betreffend die den Be¬ zugszeichen 14 bis 18 entsprechenden Grossen wird auf die Beschreibung der Fig. 2 verwiesen. Der energielose Teil-Leckstoffström 18 ( ff 0_) betrug im vorliegenden Fall ca.15 % der Zufuhr 11 des Sauerstoffträgers, während der energielose Teil-Leckstoffström 17 ( £ H_0) ca. 10 % des im aktiven Kernbereich der Zelle verbrauchten Brennstoffs (H-,) entsprach und keinerlei freien Wasser¬ stoff mehr enthielt. Das bedeutet, dass die elektrochemi¬ sche Reaktion praktisch nach Durchlaufen von ca.2/3 der Breite der Randpartie 10 der Bipolarplatte zum Abschluss kam.

Ausführungsbeispiel 2:

Siehe Fig. 3!

Es wurde ein aus 25 einzelnen Brennstoffzellen mit Ionen¬ austauscher-Membran bestehender plattenförmiger Stapel untersucht. Eine einzelne Zelle bestand aus Feststoff- elektrolyt 1, Sauerstoffelektrode 2, Brennstoffelektrode 3, Stromkollektoren 4 und 5 und zwei Hälften einer Bipolar¬ platte 6; 7. Der Feststoffelektrolyt 1 bestand aus einer Kationenaustauschermembran in Form einer Folie vom Typ perfluorierter Polymer mit Sulfosäuren (Handelsname Nafion von Du Pont), war von quadratischer Form von230 mm Seiten¬ länge und einer Dicke von 0,35 mm. Auf einer Seite war

der Feststoffelektrolyt 1 auf seiner ganzen Fläche mit einem als poröse Sauerstoffelektrode 2 dienenden Elektro- katalysator aus einer Ir0 ₂ /RuO---Mischung von 2 u Dicke beschichtet. Auf der anderen Seite war der Feststoffelek¬ trolyt 1 auf seiner ganzen Fläche mit einer als Brenn¬ stoffelektrode 3 dienenden gasdurchlässigen Beschichtung auf der Basis von feinverteiltem Kohlenpulver von total 15 jum Dicke versehen. Der Stromkollektor 4 auf der Sauer¬ stoffseite bestand aus einem Geflecht/Gewebe aus Titan, das an den Berührungsflächen zu den benachbarten Bauele¬ menten eine Platinbeschichtung aufwies. Der Stromkollektor 5 auf der Brennstoffseite war aus einem Vlies aus Nickel aufgebaut, das zur Verstärkung der mechanischen Stabilität mit einem federnden Drahtgeflecht aus Nickel armiert war. Die mit kreuzweise angeordneten Kanälen für die gasförmi¬ gen und flüssigen Medien versehene Bipolarplatte 6;7 be¬ stand auf der Sauerstoffseite 6 aus einer aus Titanpulver dicht gesinterten Platte, die an den Berührungsstellen zum Stromkollektor 4 zwecks Depassivierung eine Platinbe¬ schichtung trug, während die Brennstoffseite 7 aus dicht gesintertem Graphit bestand. Die beiden Hälften der Bipo¬ larplatte 6; 7 waren durch Sintern zu einem monolithischen Körper zusammengefügt. Die Randpartie 10 zwischen der Grenzfläche 8 der Reaktanden-Zufuhr und der Kante 9 der Bipolarplatte hatte eine Breite von 12,5mm. Die Zufuhr 11 des gasförmigen Sauerstoffträgers zur Zelle bestand aus Luft (0_ +4N , die Zufuhr 12 des Brennstoffs aus Wasserstoff(2 →. ) . Die wasserdichte Umhüllung 23 zur Abdichtung des Wassermantels 22 bestand aus isolierendem, korrosionsbeständigem Kunststoff von 3 mm Wandstärke und wies umlaufende, nach innen vorkragende Rippen von 2 mm Breite und 1,5 mm Dicke auf.

Die Brennstoffzellen wurden mit einer Nennstromdichte

2 von 1 A/cm , bezogen auf einseitige Elektrodenoberflach im aktiven Kernbereich der Zellen (Feldstärkevektor 19)

betrieben. Die mittlere konstante Betriebstemperatur der Zellen war ca. 80 C. Die Zellenspannung betrug ca. 0,75V, die Spannung des gesamten Stapels (25 Zellen) ca. 18,75V. Betreffend Bezugszeichen 14; 15, 19, 20 siehe Beschrei¬ bung Fig. 3. Der energielose Gesamt-Leckstoffström 21 ( £ H_0 + O _y ) betrug hier ca.12 % der Zufuhr 11 des Sauerstoffträgers bzw. ca. 7 % des im aktiven Kernbereich der Zelle verbrauchten Brennstoffs (H,,). Der Leckstoff- ström enthielt keinerlei freien Wasserstoff, was bewies, dass die elektrochemischen Reaktionen innerhalb der Rand¬ partie zum Abschluss kamen. ^•

Ausführungsbeispiel 3

Siehe Fig. 41

Eine aus 50 einzelnen Brennstoffzellen bestehende platten- fömπige Batterie des Typs mit H.-PO. als Elektrolyt wurde auf ihr Betriebsverhalten hin untersucht. Eine einzelne Zelle bestand aus Flüssigelektrolyt 1, Sauerstoffelektro¬ de 2, Brennstoffelektrode 3 und Stromkollektoren 4 und 5 sowie aus zwei Hälften der Bipolarplatte 6; 7. Der Flüs¬ sigelektrolyt 1 bestand aus H-.PO., dem ca. 3 % H_0 bei¬ gemischt war. Er war in einem Vlies 24 aus keramischem Stoff auf SiO_-Basis als Gerüst festgehalten, das eine quadratische Form von 800 mm Seitenlänge und eine Dicke von 1,2 mm aufwies. Sowohl die Sauerstoffelektrode 2 wie die Brennstoffelektrode 3 bestand aus einer 0,15 mm dicken porösen, gasdurchlässigen Folie aus Kohlenstoff, in dem Platinpartikel dispergiert waren. Die Sauerstoffelektrode 2 war ausserdem auf der Stromkollektorseite zur besseren Kontaktgabe platiniert. Der Stromkollektor 4 auf der Sauerstoffseite bestand aus federnden, an den Berührungs¬ punkten zu benachbarten Bauelementen platinierten gewell¬ ten Lamellen aus einer warmfesten Eisenbasislegierung mit hohem Cr- und AI-Gehalt, während der Stromkollektor

5 auf der Brennstoffseite aus einem federharten elasti¬ schen Drahtgeflecht aus Nickel bestand. Die Bipolarplatte 6; 7 wies kreuzweise angeordnete Kanäle zur Führung der gasförmigen Medien auf und bestand auf der Sauerstoffseite

6 aus einer aus Titan- und Kohlepulver dicht gesinterten Platte, während die Brennstoffseite 7 aus gesintertem Kohlepulver allein bestand. Beide Hälften der Bipolar¬ platte 6; 7 bildeten einen einzigen, monolithischen kom¬ pakten Sinterkörper. Die sich zwischen der Grenzfläche

8 der Reaktanden-Zufuhr und der Kante 9 der Bipolarplatte befindliche Randpartie 10 wies parallel zur Plattenebene eine Breite von 25 mm auf. Die Zufuhr 11 des Sauerstoff- trägers zum Zellenstapel erfolgte in Form von Luft

( 0- + 4N-.) und die Zufuhr 12 des Brennstoffs in Form von Wasserstoff(2H-, ) . Der Rahmen 25 aus Oxyd-Keramik zur Abdichtung des Flüssigelektrolyten 1 war mit dem Vlies 24 durch Sintern fest verbunden und hatte einen recht¬ eckigen Querschnitt von 10 mm Breite und 1,5 mm Höhe (In Figur 4 verzerrt gezeichnet).

Der Stapel der Brennstoffzellen wurde mit einer Nennstrom-

2 dichte von 0,5 A/cm im aktiven Kernbereich der Zellen

(Feldstärkevektor 19) betrieben. Die mittlere Betriebs¬ temperatur der Zellen betrug 200 C. Die Zellenspannung war ca. 0,65 V, diejenige des ganzen Stapels (50 Zellen) 32,5 V. Die Bezugszeichen 14; 15 sowie 20 und 21 gehen aus der Beschreibung der Fig. 4 hervor. Der energielose Gesamt-Leckstoffström 21 ( A H_0 + cf O→. ) betrug im vor¬ liegenden Fall ca.10 % der Zufuhr 11 des Sauerstoffträgers bzw. ca. 5 % des im aktiven Kernbereich der Zelle ver¬ brauchten Brennstoffs (H_). Es konnte keinerlei freier Wasserstoff mehr im Leckstoffström festgestellt werden. Die elektrochemische Reaktion kam noch deutlich vor Er¬ reichen des äusseren Endes der Randzone 10 der Bipolar¬ platte zum Stillstand.

1 S

Ausführungsbeispiel 4:

Siehe Fig. 5!

Das Betriebsverhalten wurde an einem plattenförmigen Stapel von 10 einzelnen Brennstoffzellen des Typs mit Karbonat¬ schmelze als Elektrolyt untersucht. Eine einzelne Zelle bestand aus Flüssigelektrolyt 1 , Sauerstoffelektrode 2, Brennstoffelektrode 3, Stromkollektoren 4 und 5 und zwei Hälften einer Bipolarplatte 6;7. Der Flüssigelektro¬ lyt 1 bestand aus einer eutektischen Schmelze von Li_CO-. und K--CO., und war in einem Vlies 26 aus einem korrosions¬ beständigen keramischen Stoff als Gerüst festgehalten. Es war von quadratischer Form mit einer Seitenlänge von 400 mm und einer Dicke von 0,8 mm. Die Sauerstoffelektrode 2 bestand aus einer porösen, gasdurchlässigen Nickelschicht von o,2mm Dicke, die auf der Stromkollektorseite zwecks besserer Kontaktgabe platiniert war. Die Brennstoffelek¬ trode 3 bestand aus einem fein perforierten, gasdurch¬ lässigen Nickelblech von 0,4 mm Dicke. Der Stromkollektor 4 auf der Sauerstoffseite bestand aus federharten, an den Berührungsstellen zur benachbarten Elektrode und zur benachbarten Bipolarplatte platinierten gewellten Lamellen aus einer hochwarmfesten Nickelbasislegierung mit Al- und Ti-Zusatz und einem Cr-Gehalt von mindestens 20 %, während der Stromkollektor 5 auf der Brennstoffseite aus einem federharten elastischen Drahtgeflecht aus einer dispersionsgehärteten Nickellegierung bestand. Die Bipo¬ larplatte 6; 7 war mit Kanälen zur Führung der gasförmigen Medien ausgestattet und bestand auf der Sauerstoffseite 6 aus einer aus Titan- und Kohlepulver dicht gesinterten Platte, während die Brennstoffseite 7 aus gesintertem Kohlepulver bestand. Beide Hälften der Bipolarplatte 6;7 bildeten einen kompakten, monolithischen Sinterkörper. Die zwischen Grenzfläche 8 und Kante 9 vorhandene Rand¬ partie 10 der Bipolarplatte wies eine Breite von 15 mm

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auf. Die Zufuhr 11 des gasförmigen Sauerstoffträgers be¬ stand aus vorgewärmter Luft und rückgeführtem Kohlendioxyd

{ 0- + 4N-, +2CO-.) und die Zufuhr 12 des gasförmigen Brennstoffs aus Wasserstoff(2 H-, ) . Der Rahmen 28 aus korro¬ sionsbeständiger Hochtemperatur-Keramik zur Abdichtung des Flüssigelektrolyten 1 war mit dem Vlies 26 durch Sintern fest verbunden und hatte einen rechteckigen Quer¬ schnitt von 10 mm Breite und 1,4 mm Höhe.

Die Brennstoffzellen wurden mit einer Nennstromdichte

2 von0,8A/cm im aktiven Kernbereich der Zellen (Feldstärke¬ vektor 13) betrieben. Die mittlere Betriebstemperatur der Zellen wurde mittels Steuerung der Stoffströme auf ca. 650 C, also deutlich oberhalb der eutektischen Tempe¬ ratur, gehalten. Die Zellenspannung betrug ca. 0,6 V, diejenige des ganzen Stapels (10 Zellen) 6 V. Die Bedeu¬ tung der Bezugszeichen 14, 15 und 16 geht aus der Figuren¬ beschreibung (Fig. 5) hervor. Der energielose Teil-Leck¬ stoffström 17 £ A (H ₂ 0 + C0 ₂ )] entsprach ca. 8 % des im aktiven Kernbereich der Zelle verbrauchten Brennstoffs (H_) und enthielt keinerlei freien Wasserstoff. Die elek¬ trochemische Reaktion war somit vor Erreichen des äusseren Endes der Randzone 10 der Bipolarplatte abgeschlossen. Der energielose Teil-Leckstoffström 27 ( S 0_ + g CO_) betrug im vorliegenden Fall ca.20 % der Zufuhr 11 des Sauerstoffträgers für die Luft und ca. 8 % für das Kohlen¬ dioxyd.

Ausführungsbeispiel 5:

Siehe Fig. 6!

Es wurde das Betriebsverhalten einer aus 40 einzelnen plattenförmigen Brennstoffzellen bestehenden Batterie des Typs mit KOH als Elektrolyt auf ihr Betriebsverhalten hin untersucht. Die einzelne Zelle bestand aus Flüssigelek¬ trolyt 1, Sauerstoffelektrode 2, Brennstoffelektrode 3, Stromkollektoren 4 und 5, Diaphragma 29 und zwei Hälften der Bipolarplatte 6; 7. Der Flüssigelektrolyt 1 bestand aus einer 25%-igen wässrigen Lösung von KOH. Der zwischen zwei benachbarten Elektroden 2;3 eingeschlossene Elektrolyt belegte ein Quadrat von 600 mm Seitenlänge und hatte eine Dicke (Elektrodenabstand) von 15 mm. Die Sauerstoffelektrode 2 bestand aus einem porösen, gasdurchlässigen Vlies/Filz aus Nickel von 0,5 mm Dicke, während die Brennstoffelektro¬ de 3 aus einem ebensolchen Vlies aus Stahl gleicher Ab¬ messungen gefertigt war. Der Stromkollektor 4 auf der Sauerstoffseite bestand aus einem federharten elastischen feinmaschigen Drahtgeflecht aus Nickel, während der Strom¬ kollektor 5 auf der Brennstoffseite aus einem ebensolchen aus Stahl bestand. Die Bipolarplatte 6; 7 wies parallel angeordnete Kanäle zur Führung der gasförmigen und flüssi¬ gen Medien auf und bestand auf der Brennstoffseite 7 aus Stahl, während die Sauerstoffseite 6 mit Nickel plattiert war. Beide Hälften der Bipolarplatte 6; 7 bildeten einen einzigen, monolithischen kompakten Metallkörper. Die sich zwischen der Grenzfläche 8 der Reaktanden-Zufuhr und der Kante 9 der Bipolarplatte befindliche Randpartie 10 wies parallel zur Plattenebene eine Breite von 30 mm auf. Die Zufuhr 11 des Sauerstoffträgers bestand aus Luft und ge¬ kühltem, teilweise rückgeführten Wasser (0--+4N-.+2H_0) und die Zufuhr 12 des gasförmigen Brennstoffs in Form von Wasserstoff ( 2H_ ) . Das Diaphragma 29 bestand aus einem Vlies aus keramischem Stoff, an dessen Kontur sich ein

vollständig abschliessender Rahmen 30 aus laugenbeständi¬ gem Kunststoff zur Abdichtung des Flüssigelektrolyten

I mit rechteckigem Querschnitt von 12 mm Breite und 17 mm Höhe anschloss.

Der Stapel der Brennstoffzellen wurde mit einer Nennstrom-

2 dichte von 0,6 A/cm im aktiven Kernbereich der Zellen

(Feldstärkevektor 13) - ^* e trieben. Die mittlere Betriebs¬ temperatur der Zellen betrug 80 C. Die Zellenspannung war ca. 0,55 V, diejenige ^' es ganzen Stapels (40 Zellen) 22 V. Die Bedeutung der Bezugszeichen 14, 15 und 16 geht aus der Figurenbeschreibung (Fig. 6) hervor. Der energie¬ lose Teil-Leckstoffström 17 ( A H_0 ) entsprach ca. 12 % des im aktiven Kernbereich der Zelle verbrauchten Brennstoffs (H-). Er enthielt keinerlei freien Wasser¬ stoff mehr. Der energielose Teil-Leckstoffström 18 ( tf 0 ₂ ) betrug im vorliegenden Fall ca. 25 % der Zufuhr

II des Sauerstoffträgers für die Luft und ca. 10 % für das Wasser.

Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt, desgleichen keineswegs auf ebene Dichtungs* bereiche.

Das Verfahren zur Verringerung der an den Stosstellen und Randpartien im Dichtungsbereich der Elektroden 2; 3 und des Elektrolyten 1 einer elektrochemischen Zelle auftretenden, durch Leckstoffströme und Leckenergieströme auftretenden Stoff- und Exergieverluste wird durchgeführt, indem gezielt unter Verzicht des Anstrebens möglichst vollständiger Dichtung und möglichst geringer Leckströme in den Randpartien der Kammern benachbarter Sauerstoff- elektrode 2 und Brennstoffelektrode 3 in den besagten Randpartien 10 die aus den Elektrodenkammern stammenden, senkrecht zur Richtung der elektrischen Feldstärke strö¬ menden Reaktanden Sauerstoffträger und Brennstoff zur Fortführung und möglichst vollständigen Beendigung Ihrer unter dem Einfluss der elektrischen Feldstärke geordnet ablaufenden Reaktion gezwungen werden, dergestalt, dass sämtliche aus der Leckstelle nach aussen gelangenden Stoff- ströme zu keiner noch verbleibenden unerwünschten ungeord¬ neten Reaktion befähigt sind, kein eigenes chemisches Potential mehr besitzen und gesamthaft keinen, einen Ver¬ lust repräsentierenden Exergieinhalt mehr aufweisen, und dass die innerhalb der Leckstelle zu erfolgende Energie¬ umsetzung im Sinne der Erhöhung des elektrochemischen Gesamtwirkungsgrades erfolgt.

Die Vorrichtung zur Verringerung der an den Stosstellen und Randpartien im Dichtungsbereich der Elektroden 2; 3 und des Elektrolyten 1 einer elektrochemischen Zelle oder eines Stapels oder einer anderen Anordnung bestehend aus einer Vielzahl elektrochemischer Zellen auftretenden, durch Leckstoffströme und Leckenergieströme auftretenden Stoff- und Exergieverluste, ist derart konzipiert, dass im geometrischen Aufbau der elektrochemischen Zelle kon¬ struktiv dafür gesorgt ist, dass Elektrolyt 1, Sauerstoff-

elektrode 2, Brennstoffelektrode 3 sowie die die Strom¬ zuführung und Stromabführung zu den Elektroden 2; 3 bewerk¬ stelligenden Stromkollektoren 4; 5 genau bis zur Kante 9 der Randpartie 10 der Bipolarplatten 6; 7 oder der ent¬ sprechenden Endplatten reichen und mit letzteren bündig abschliessen, und dass die durch die Grenzfläche 8 der Zufuhr oder Abfuhr der gasförmigen Reaktanden oder Reak¬ tionsprodukte und der äussersten Kontur der Kante 9 der Randpartie 10 der Bipolarplatten 6; 7 bestimmte, senkrecht zur elektrischen Feldstärke gemessene Breite der Rand¬ partie 10 der Bipolarplatten 6; 7 derart bestimmt ist, - dass die auf diesem Leckweg in der Randpartie 10 sich abspielenden elektrochemischen Reaktionen beim Erreichen der Kante 9 vollständig zum Abschluss gelangt sind.

In bevorzugter Weise ist die als elektrochemische Zelle (n) ausgebildete Vorrichtung eine aus plattenförmigen Bauelementen bestehende Hochtemperatur-Brennstoffzelle mit dotiertem und stabilisiertem ZrO-, als Feststoffelektro¬ lyt oder ein Stapel einer Vielzahl gleichartiger Brenn¬ stoffzellen mit Kammern für die gasförmigen Medien bil¬ denden separierenden Bipolarplatten 6; 7, wobei der zuge¬ führte Sauerstoffträger auf der Seite der Sauerstoffelek¬ trode 2 Luft, technisch reiner Sauerstoff oder an Sauer¬ stoff angereicherte Luft und der zugeführte gasförmige Brennstoff auf der Seite der Brennstoffelektrode 3 H-, , CO, CH. , C _yj H _j .- oder eine Mischung aus mindestens zweien der vorgenannten Stoffe ist und ferner der Abstand zweier eine Brennstoffzelle begrenzenden Bipolarplatten 6; 7 senkrecht zur Plattenebene höchstens 5 mm und die durch die Grenzfläche 8 und die äussere Kontur der Kante be¬ stimmte Breite der Randpartie 10 der Bipolarplatten 6; 7 mindestens 5 mm beträgt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der elektro¬ chemischen Zelle (n) liegt die Vorrichtung als eine aus

plattenförmigen Bauelementen bestehende Brennstoffzelle mit perfluoriertem sulfoniertem organischen Kationenaus¬ tauscher-Polymer in Membranform als Feststoffelektrolyt oder als ein Stapel einer Vielzahl gleichartiger Brenn¬ stoffzellen mit Kammern für die gasförmigen Medien und Kanälen für den Wasserabfluss bildenden separierenden Bi¬ polarplatten 6; 7 vor, wobei der zugeführte Sauerstoff- träger auf der Seite der Sauerstoffelektrode 2 Luft-, tech¬ nisch reiner Sauerstoff oder an Sauerstoff angereicherte Luft und der zugeführte gasförmige Brennstoff auf der Seite der Brennstoffelektrode 3 H-. ist und zwecks Zusammen¬ haltens des aus dem Reaktionsprodukt gebildeten Wasser¬ mantels 22 in unmittelbarer Nähe der äusseren Begrenzung der Brennstoffzelle(n ) eine wasserdichte Umhüllung 23 mit nach innen gerichteten umlaufenden Rippen in Form eines Labyrinths, deren Ebenen parallel zur Plattenebene stehen, angeordnet ist und ferner der Abstand zweier eine Brenn¬ stoffzelle begrenzenden Bipolarplatten 6; 7 senkrecht zur Plattenebene höchstens 5 mm und die durch die Grenzfläche 8 und die äussere Kontur der Kante bestimmte Breite der Randpartie 10 der Bipolarplatten 6; 7 mindestens 5 mm beträgt.

In einer anderen Ausbildung der elektrochemischen Zelle(n) ist die Vorrichtung eine aus plattenförmigen Bauelementen bestehende Brennstoffzelle mit in einem Vlies 24 aus einem keramischen Stoff auf SiO_-Basis als Gerüst festgehaltenen Flüssigelektrolyten in Form von H-.PO. oder ein Stapel einer Vielzahl gleichartiger Brennstoffzellen mit Kammern für die gasförmigen Medien bildenden separierenden Bipolar¬ platten 6; 7, wobei der zugeführte Sauerstoffträger auf der Seite der Sauerstoffelektrode 2 Luft, technisch reiner Sauerstoff oder an Sauerstoff angereicherte Luft und der zugeführte gasförmige Brennstoff auf der Seite der Brenn¬ stoffelektrode 3 H-. ist, und in unmittelbarer Nähe der Begrenzung der Brennstoffzelle(n) für jede Zelle ein am

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Rand des Elektrolyten 1 bündig und dicht anschliessender Rahmen zur Abdichtung und Zurückhaltung des letzteren, bestehend aus keramischem Material auf SiO_-Basis angeord¬ net ist und ferner der Abstand zweier eine Brennstoffzelle begrenzenden Bipolarplatten 6; 7 senkrecht zur Platten¬ ebene höchstens 8 mm und die durch die Grenzfläche 8 und die äussere Kontur der Kante bestimmte Breite der Randpartie 10 der Bipolarplatten 6; 7 mindestens 10 m beträgt.

Die als elektrochemische Zelle(n) vorliegende Vorrichtung ist in einer anderen Ausführung eine aus plattenförmigen Bauelementen bestehende Brennstoffzelle mit in einem Vlies 26 aus einem keramischen Stoff als Gerüst festgehaltenem Flüssigelektrolyten in Form einer eutektischen Schmelze von Li_CO-. und K--CO., oder ein Stapel einer Vielzahl gleich¬ artiger Brennstoffzellen mit Kammern für die gasförmigen Medien bildenden separierenden Bipolarplatten 6; 7, wobei der zugeführte Sauerstoffträger auf der Seite der Sauer¬ stoffelektrode 2 Luft, technisch reiner Sauerstoff oder an Sauerstoff angereicherte Luft und der zugeführte gas¬ förmige Brennstoff auf der Seite der Brennstoffelektrode 3 H_ oder CO ist und in unmittelbarer Nähe der Begrenzung der Brennstoffzelle(n) für jede Zelle ein am Rand des Elektrolyten 1 bündig und dicht anschliessender Rahmen zur Abdichtung und Zurückhaltung des letzteren, bestehend aus keramischem Material auf A1_0.,-Basis angeordnet ist und ferner der Abstand zweier eine Brennstoffzelle begren¬ zenden Bipolarplatten 6; 7 senkrecht zur Plattenebene höchstens 7 mm und die durch die Grenzfläche 8 und die äussere Kontur der Kante bestimmte Breite der Randpartie 10 der Bipolarplatten 6; 7 mindestens 10 mm beträgt.

In einer weiteren Ausführung ist die als elektrochemische Zellen ausgebildete Vorrichtung eine aus plattenförmigen Bauelementen bestehende Brennstoffzelle mit durch ein trennendes Diaphragma 29 aus Asbest oder aus einem kera¬ mischen Stoff in zwei Räumen festgehaltenen Flüssigelek¬ trolyten in Form einer wässrigen KOH-Lösung oder ein Stapel einer Vielzahl gleichartiger Brennstoffzellen mit Kammern für die gasförmigen Medien bildenden sepa¬ rierenden Bipolarplatten 6; 7, wobei der zugeführte Sauer¬ stoffträger auf der Seite der Sauerstoffelektrode 2 Luft, technisch reiner Sauerstoff oder an Sauerstoff angereicher¬ te Luft und der zugeführte gasförmige Brennstoff auf der Seite der Brennstoffelektrode 3 H-, ist, und in un¬ mittelbarer Nähe der Begrenzung der Brennstoffzelle(n) für jede Zelle ein am Rand des Elektrolyten 1 bündig und dicht anschliessender Rahmen zur Abdichtung und Zurück¬ haltung des letzteren, bestehend aus laugenbeständigem Kunststoff angeordnet ist und ferner der Abstand zweier eine Brennstoffzelle begrenzenden Bipolarplatten 6;7 senkrecht zur Plattenebene höchstens 10 mm und die durch die Grenzfläche 8 und die äussere Kontur der Kante be¬ stimmte Breite der Randpartie 10 der Bipolarplatten 6;7 mindestens 15 mm beträgt.

Das Verfahren zur Verringerung der Verluste in elektro- lytischen Zellen wird durchgeführt, indem in einer elek¬ trochemischen, der Elektrolyse dienenden Zelle die vom aktiven Elektrolyseteil durch einen allseitigen isolieren¬ den Spalt elektrisch vollständig getrennte, einen ge¬ schlossenen Rahmen bildende Randpartie 10 als Brennstoff¬ zelle betrieben wird, dergestalt, dass die vom aktiven Elektrolyseteil nach aussen abgehenden, aus den Reaktanden Sauerstoffträger und Brennstoff bestehenden Leckstoff¬ ströme abgefangen und unter dem Einfluss der elektrischen Feldstärke zum vollständigen Ablauf ihrer geordneten Reaktion gezwungen werden, und dass die dadurch zurück-

gewonnene elektrische Energie zur Unterstützung der Elektrolyse und zur Erhöhung ihrer Stromausbeute und ihres Gesamtwirkungsgrades herangezogen wird.

Vorteile der Erfindung

- Universelle Anwendbarkeit auf praktisch alle Typen und Konstruktionen von Brennstoffzellen.

- Markante Vereinfachung der Zellenkonstruktionen im Bereich der Dichtungen.

- Elegante Lösung der schwierigen Dichtungsprobleme bzw. Umgehung der letzteren durch vorteilhafte konstruktive Gestaltung der Randpartien und optimale Betriebsführung,

- Wegfall teurer temperatur- und/oder korrosionsbestän¬ diger, der physikalischen, mechanischen und chemischen Alterung unterworfener Dichtungsmaterialien.

- Vereinfachung der Führung strömender Medien im Randbe¬ reich der Zellen.

- Erhöhung der Zwischenüberholzeiten von Zellen und Zellenverbänden.

- Schwimmende Lagerung des Elektrolyten mit Möglichkeit der unterschiedlichen Längendehnung bei Temperatur¬ änderungen.

- Funktionstrennung.

- Schnelle, problemlose Montage.

- Vollständige Energienutzung der Leckstoffströme.