DE3853006T2

DE3853006T2 - Verfahren zur Verbesserung der Temperaturverteilung in einer Brennstoffzelle.

Info

Publication number: DE3853006T2
Application number: DE3853006T
Authority: DE
Inventors: Toru Shimizu; Shoji Shiozawa
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1987-05-08
Filing date: 1988-11-18
Publication date: 1995-09-28
Anticipated expiration: 2008-11-19
Also published as: EP0369059A1; US4978589A; US4977041A; DE3853006D1; JP2569550B2; EP0369059B1; EP0399077A1; JPS63279574A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Temperaturverteilung in einer Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Das Prinzip der Brennstoffzelle ist folgendes:
Man läßt Wasserstoff als Brennstoffgas und Sauerstoff als Oxidationsmittel chemisch miteinander reagieren unter Verwendung eines Elektrolyten, wodurch Strom und Wasser erzeugt werden. Dies ist die Umkehr der Elektrodialyse von Wasser. Hauptbestandteile der Brennstoffzelle sind Zellenelemente von denen jedes eine Elektrolytplatte, eine poröse Anodenplatte und eine poröse Kathodenplatte umfaßt, wobei die Elektrolytplatte zwischen der Anodenplatte und der Kathodenplatte sandwichartig eingeschlossen ist. Strom wird dadurch erzeugt, daß Brennstoffgas zur Anodenseite zugeführt wird, während der Oxidator zur Kathodenseite zugeführt wird.
Bisher wird Phosphorsäure oder Karbonatschmelze als Elektrolyt in der Brennstoffzelle verwendet. Die Reaktionen an der Anodenplatte und der Kathodenplatte bei der Verwendung einer Karbonatschmelze als Elektrolyt sind folgende:
Kathode: 1/2 O&sub2; + CO&sub2;+ 2e T CO&sub3;²&supmin;
Anode: H&sub2; + CO&sub3;²&supmin; T H&sub2;O + CO&sub2; + 2e&supmin;
In der konventionellen Brennstoffzelle sind die Zellenelemente und die Separatorplatten in abwechselnder Reihenfolge aufeinander gestapelt unter Bildung mehrerer Stufen und das Brennstoffgas und der gasförmige Oxidator werden jedem Zellenelement so zugeführt, daß diese Gasströme entlang der oberen und unteren Fläche der Separatorplatte von einer Seite der Separatorplatte zu ihrer anderen Seite fließen.
Da bei der Erzeugung von Strom in der Brennstoffzelle Wärme erzeugt wird, muß man inzwischen bestimmte Maßnahmen ergreifen, um solche Wärme abzuführen. Die Abführung der Wärme oder das Kühlen kann durch bestimmte Kühleinrichtungen oder durch eine kontinuierliche Zufuhr von Brennstoffgas und Oxidatorgas bewirkt werden, so daß das vorher zugeführte Brennstoffgas und der vorher zugeführte Oxidator sowie das Brennstoffzellensystem durch die nachfolgenden Gase gekühlt werden können. Gase, die in einen Kanal innerhalb der Separatorplatte eingeführt werden, kühlen das Zellenelement durch Aufnahme von Wärme aus dem Zellenelement sowie aus der Separatorplatte, bis sie den Ausgang des Kanales erreichen. Bei dieser Kühlung jedoch ist die Temperaturverteilung entlang der Zellenelementfläche nicht stetig, wodurch beträchtliche Temperaturunterschiede von bis zu 300º C zwischen dem Punkt der höchsten und dem Punkt der niedrigsten Temperatur der betrachteten Fläche auftreten.
Eine derartig große Schwankung im Temperaturprofil entlang der Zellenelementfläche führt zu einer ungleichförmigen Stromdichte, die ihrerseits wiederum zur Verschlechterung des Energieerzeugungswirkungsgrades der Brennstoffzelle führt. Ferner reduziert eine scharfe Steigung der Temperaturverteilung die Lebensdauer des Zellenelementes und des Separators.
Eine Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der JP-A-62-80 967 und JP-A-63-27 9574 bekannt. Die Flußrichtung des Brennstoffgases auf der einen Seite der Separatorplatte ist dieselbe wie die Flußrichtung des Oxidatorgases auf der anderen Seite der Brennstoffplatte. Die Gasströmungsrichtung an einer Separatorplatte ist entgegengesetzt zu der Gasströmungsrichtung an den benachbarten Separatorplatten.
Die US-A-4 708 916 offenbart eine Brennstoffzelle mit einem Stapel von Zellenelementen, die durch Separatorplatten voneinander getrennt sind, wobei die Elektroden der Zellenelemente und die Separatorplatten Öffnungen haben, welche Kanäle für das Brennstoffgas und Oxidatorgas bilden. Ferner sind die aufeinander gestapelten Zellenelemente und Separatorplatten durch Halterungsmittel zusammengespannt.
Die JP-A-62 108 67 zeigt ein Separatorelement mit Öffnungen zum Zuführen und Abführen von Luft und Brennstoffgas. Zurückgesetzte oder vorspringende Teile, die von den Öffnungen ausgehen oder zu den Öffnungen gerichtet sind, bilden Führungs - oder Verteilermittel zum Führen oder Verteilen der Gasströme.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Reduzieren der Abweichungen in der Temperaturverteilung nach oben und unten über die Flächen der Zellenelemente und der Separatoren anzugeben, wobei das Temperaturprofil des Zellenelementes symmetrisch mit nur einem geringen Auf- und Abstieg sein kann.
Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Verbessern der Temperaturverteilung für eine Brennstoffzelle angegeben, umfassend Zellenelemente, von denen jedes eine Elektrolytplatte, eine Anodenplatte und Kathodenplatte umfaßt, wobei die Elektrolytplatte sandwichartig zwischen der Anodenplatte und der Kathodenplatte liegt; Separatorplatten, von denen jede Kanäle hat, die an ihrer Vorderseite und Rückseite so ausgebildet sind, daß sie Brennstoffgas zu der Anodenplatte des Zellenelementes und gasförmigen Oxidator zu der Kathodenplatte zuführen, wobei die Zellenelemente und die Separatorplatten unter Bildung mehrerer Stufen aufeinander gestapelt sind, eine anodenseitige Gaszu- und Abführeinrichtung zum Zuführen des Brennstoffgases zu den auf einer Seite der Separatorplatte ausgebildeten Brennstoffgaskanälen, eine kathodenseitige Gaszu- und Abführeinrichtung zum Zuführen des gasförmigen Oxidators zu den auf der anderen Seite der Separatorplatte ausgebildeten Oxidatorkanälen in der Weise, daß das einer Separatorplatte zugeführte Oxidatorgas in einer Richtung strömen kann, die zur Strömungsrichtung des den benachbarten Separatorplatten zugeführten Oxidatorgases entgegengesetzt ist, und eine Wärmeübertragungsunterstützungseinrichtung, die an der Vorder- und Rückseite jeder Separatorplatte so ausgebildet ist, daß sie die Wärmeübertragung in der Richtung unterstützt, in der die Separatorplatten und Zellenelemente aufeinander gestapelt sind, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß die anodenseitige Gaszu- und Abführeinrichtung einer Separatorplatte das Brennstoffgas in der Richtung zuführt, die parallel zu dem Oxidatorgas ist, das von der kathodenseitigen Gaszu- und Abführeinrichtung der nächsten Separatorplatte bezüglich eines zwischen diesen Separatorplatten gelegenen Zellenelementes zugeführt wird.
Die Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verständlich in der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den verschiedenen Figuren und beigefügten Zeichnungen.
Die Zeichnungen bilden einen integralen Bestandteil der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispieles und sind in Verbindung mit dieser zu lesen.
Figur 1 ist eine perspektivische Ansicht einer grundsätzlichen Anordnung einer Brennstoffzelle, die im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
Figur 2 ist eine schematische Ansicht zum Erläutern der Zufuhr und Abfuhr von Brennstoffgas und Oxidator zu den Separatorplatten, die mit Zellenelementen aufeinander gestapelt sind;
Figur 3 ist eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht eines gesamten Brennstoffzellensystems, das bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
Figur 4 ist eine perspektivische Ansicht von Details der Zellenelemente und der Separatorplatte nach Figur 3, wie sie aufeinander gestapelt werden,
Figur 5 eine vergrößerte Teilansicht der Separatorplatte,
Figur 6 eine vergrößerte Teilansicht zur Erläuterung der Gaszufuhr durch die Gaskanäle der Separatorplatten, wenn die Zellenelemente und die Separatorplatten aufeinander gestapelt sind;
Figur 7 ein Diagramm zur Darstellung der Temperaturverteilung der Gase, die entlang den Vorder - und Rückseiten einander benachbarter Separatorplatten und Zellenelemente strömen, wobei die horizontale Achse eine Strecke angibt, die in Richtung der Gasströme gemessen wird;
Figur 8 ist eine perspektivische Ansicht des grundsätzlichen Aufbaus einer Brennstoffzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform, die im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
Figur 9 ist eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht der Brennstoffzelle gemäß Figur 8 und
Figur 10 zeigt die Temperaturverteilung einer herkömmlichen Brennstoffzelle zum Vergleich mit Figur 7.
Unter Bezugnahme auf Figur 1 der beigefügten Zeichnungen wird der grundsätzliche Aufbau einer Brennstoffzelle beschrieben, die im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Bezugszeichen 10 bezeichnet ein Zellenelement, das aus einer aus Karbonatschmelze, Phosphorsäure oder dergleichen hergestellten Elektrolytplatte 12, einer Anodenplatte 14 und einer Kathodenplatte 16 zusammengesetzt ist, wobei die Elektrolytplatte zwischen der Anodenplatte und der Kathodenplatte angeordnet ist. Bezugszeichen 18 bezeichnet eine Separatorplatte, durch welche Brennstoffgas wie Wasserstoff zu der Anodenplatte 14 und gasförmiger Oxidator wie Luft zu der Kathodenplatte 16 zugeführt wird.
Die Zellenelemente 10 und die Separatorplatten 18 werden unter Bildung mehrerer Stufen aufeinander gestapelt zu einem Körper 20 der Brennstoffzelle. Beim Aufeinanderstapeln wird jedes Zellenelement 10 so angeordnet, daß die Kathodenplatte 16 eine Vorder- oder Oberseite wird, während die Anodenplatte 14 eine Rück- oder Unterseite wird, und ferner so, daß Brennstoffgaskanäle A1 und A2 zwischen der Anodenplatte 14 und der Oberseite der Separatorplatte 18 gebildet werden können, wie dies durch dunkle Pfeile in Figur 1 angezeigt ist, während Oxidatorgaskanäle C1 und C2 zwischen der Kathodenplatte 16 und der Unterseite des Separators 18 gebildet werden können, wie dies durch helle Pfeile C1 und C2 angedeutet ist.
Die Oxidatorgaskanäle C1 und C2 sind so ausgebildet, daß der zu einer Separatorplatte zugeführte Oxidator in der entgegengesetzten Richtung relativ zu dem Oxidatorgas fließen kann, das benachbarten Separatorplatten zugeführt wird, wie dies durch C1 und C2 angedeutet ist. Bezüglich eines Zellenelementes 10 strömen das Oxidatorgas und das Brennstoffgas in derselben Richtung, was als "Co-Fluß" bezeichnet wird und durch C2 und A2 oder C1 und A1 angedeutet ist. Bezüglich einer Separatorplatte 18 strömt das zu einer Seite zugeführte Brennstoffgas in der entgegengesetzten Richtung wie das zu der anderen Seite des Separators zugeführte Oxidatorgas, wie dies durch A1 und C2 oder A2 und C1 angedeutet ist.
An der Oberseite wie an der Unterseite jeder Separatorplatte 18 sind nahe dem Eingang und dem Ausgang des Kanals blockförmige Vorsprünge oder Finnen 22 und 24 vorgesehen, die sich parallel zueinander in Richtung der zugeführten Gasströme erstrecken, wobei ferner kleine halbkugelförmige Vorsprünge 26 zwischen ihnen angeordnet sind. Unter diesen Finnen 22 und 24 sind die äußersten Finnen 22 relativ kurz und die innen liegenden Finnen 24 haben von den äußersten Finnen 22 einen Abstand 28 und sind relativ lang ausgebildet. Diese Finnen 22 und 24 sind so geformt, daß sie annähernd die Hälfte der Separatorplattenoberfläche von der Eingangsseite und der Ausgangsseite her überdecken, wobei jeweils ein Viertel von jeder Seite her bedeckt ist. Die andere Hälfte der Separatorplattenfläche ist durch die kleinen halbkugelförmigen Vorsprünge 26 besetzt, die zwischen den Finnen 24 vorgesehen sind. Die blockförmigen Finnen 22 und 24 berühren die entsprechende Anodenplatte l4 und Kathodenplatte 16 der Zellenelemente 10, wenn die Zellenelemente 10 und die Separatorplatten 18 aufeinander gestapelt werden, so daß die Wärmeübertragung zwischen der Anodenplatte 14 und der Kathodenplatte 16 verbessert wird. Dasselbe gilt für die Kathodenplatten benachbarter Zellenelemente.
Gemäß Figur 2 sind die anodenseitigen Kanäle A1 und A2 benachbarter Separatoren 18 mit Brennstoffgaszuführkanälen 30a und 32a sowie Brennstoffgasabflußkanälen 30b und 32b verbunden, während die kathodenseitigen Kanäle C1 und C2 mit Oxidatorgaszuführkanälen 34a und 36a sowie Oxidatorgasabflußkanälen 34b bzw. 36b verbunden sind, so daß das Brennstoffgas und das Oxidatorgas in zueinander entgegengesetzten Richtungen entlang der Oberseite und Unterseite jeder Separatorplatte 18 strömen können und daß C1 und C2 entgegengesetzt zueinander gerichtet sein können.
Wenn das Brennstoffgas der Anodenplatte 14 und das Oxidatorgas der Kathodenplatte 16 jedes Zellenelementes 10 zugeführt werden, reagieren die so zugeführten Gase miteinander über den Elektrolyten 12 und erzeugen elektrische Energie, wie dies in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist.
Jedes Zellenelement 10 und jede Separatorplatte 18 sind elektrisch miteinander verbunden, wodurch die summierte elektrische Energie zwischen der obersten Kathodenplatte 16 und der untersten Anodenplatte 14 des Brennstoffzellenkörpers 20 abgezogen werden kann.
Während der Erzeugung der elektrischen Energie wird 10 bis 20 mal soviel Oxidatorgas zugeführt wie Brennstoffgas. Wenn die Temperatur des Oxidatorgases am Eingang des Kanales 550º C beträgt, steigt dieses auf 750ºC, was das Temperaturprofil des Zellenelementes erheblich beeinflußt. Da die Oxidatorgaskanäle C1 und C2 einander entgegengesetzt gerichtet sind und die Finnen 22 und 24 nahe den Eingängen und den Ausgängen dieser Kanäle angeordnet sind, wird bei dieser speziellen Ausführungsform Wärme des Oxidatorgases im wesentlichen in Stapelrichtung nahe der blockförmigen Finnen 22 und 24 übertragen. Da diese Finnen 22 und 24 dazu dienen, die Wärmeübertragung zwischen benachbarten Zellenelementen 10, insbesondere zwischen den Oxidatorgasströmen durch C1 und C2 zu übertragen, bedeutet dies mit anderen Worten, daß die Temperaturdifferenz zwischen dem Eingang und dem Ausgang jedes Zellenelementes 10 reduziert wird, wodurch die Temperaturverteilungskurve in der Einströmrichtung der Gase ziemlich flach wird.
Die Figuren 3 bis 6 zeigen in größeren Details den Aufbau der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle. Das Zellenelement 10 und die Separatorplatte 18 sind rechteckig, wie dies Figur 4 zeigt. Eine große Anzahl kleiner Öffnungen 40 und 42, die als Zuführkanäle 30a, 32a, 34a und 36a dienen, sowie die Abflußkanäle 30b, 32b, 34b und 36b gemäß Figur 2 sind mit gleichen Abständen innerhalb der Platte 10 entlang den beiden Längsseiten derselben ausgebildet. Das Zellenelement 10 wird durch einen sandwichartigen Einschluß des Elektrolyten 12 zwischen der Anodenplatte 14 und der Kathodenplatte 16 gebildet. Die Öffnungen 40 zum Zuführen/Abführen der Gase sind in der Anodenplatte 14 und der Kathodenplatte 16 ausgebildet.
Die Poren 42 der Separatorplatte 18 sind mit Verteilern 44a und 44b versehen, welche eine Kommunikation zwischen den Poren 44a und 44b und den entsprechenden Kanälen A1, A2, C1 und C2 ermöglichen, so daß die Brennstoffgase und der Oxidator in die Kanäle A1, A2, C1 und C2 eingeführt werden können, die an der Oberseite und der Unterseite des Separators 18 gebildet sind. Genauer gesagt, wie dies die Figuren 5 und 6 zeigen, ist, wenn die Brennstoffgase zu dem anodenseitigen Gaskanal A2 der Separatorplatte 18 zugeführt werden sollen, ein Eingangsverteiler 44a an dem Brennstoffgaszuführkanal 32a vorgesehen, während ein Ausgangsverteiler 44b an dem Abflußkanal 32b vorgesehen ist. Wenn beispielsweise eine vierkanalige Zufluß/Abflußleitung für das Brennstoffgas und den Oxidator vorgesehen ist, sind vier Verteiler 44a/44b entlang den Poren 42 auf jeder Seite der Separatorplatte 18 vorgesehen.
Dichtrahmen 46 zur Bildung einer sicheren Dichtung mit dem Zellenelement 10 sind an der Oberseite bzw. Unterseite der Separatorplatte 18 angeordnet, wobei ein Stanzblech 18 in dem Dichtrahmen 46 vorgesehen ist, so daß die Wärme zwischen einander benachbarten Zellenelementen gut über die vorspringenden Finnen 22 und 24 der Separatorplatte 18 und das Stanzblech 48 übertragen werden kann, während die zugeführten Gase durch die Kanäle strömen können.
Der Zusammenbau des vorstehend beschriebenen Brennstoffzellensystems mit den Zellenelementen 10 und den Separatorplatten 18, die aufeinander gestapelt werden, wird anhand der Figur 3 erläutert. Auf dem unteren Halter 50 wird ein Brennstoffzellenkörper 20 angeordnet, der aus einer Schichtstruktur aus mehreren Zellenelementen 10 und Separatorplatten 18 besteht. Auf der Oberseite des schichtförmigen Körpers 20 wird ein oberer Halter 52 angeordnet. In dem unteren und dem oberen Halter 50 sind Eintritts- und Austrittsöffnungen 30A, 32A, 34A, 36A, 30B, 32B, 34B und 36B ausgebildet, die jeweils mit dem Gaszuführkanal 30A, 32A, 34A, 36A und dem Abflußkanal 30B, 32B, 34B bzw. 36B verbunden sind. Um diese Eintritts - und Austrittsöffnungen miteinander zu verbinden, sind innerhalb der Halter 50 und 52 Kanäle 52a und 52b vorgesehen. Ferner sind an dem unteren und dem oberen Halter 50 bzw. 52 Anschlußklemmen 54, 56 zum Ableiten des elektrischen Stromes vorgesehen.
Eine Druckplatte 60 ist auf dem oberen Halter 52 über einen Balgen 58 angeordnet. Von dem unteren Halter 50 bzw. der Druckplatte 60 stehen aneinander entsprechenden Stellen derselben Augen 62 und 64 vor, die jeweils paarweise durch eine Stange 68 und Muttern 70 miteinander verbunden sind. An der Druckplatte 60 sind Verstärkungselemente 72 ausgebildet, so daß sie jeweils zwei Augen 64 in Breitenrichtung des Brennstoffzellenkörpers überspannen.
Wenn bei der in der oben beschriebenen Weise aufgebauten Brennstoffzelle die Energieerzeugungstemperatur auf 650ºC eingestellt wird, muß Brennstoffgas wie beispielsweise Wasserstoff mit annähernd 500ºC in die Einlaßöffnungen 30A und 32A eingeführt werden. Das Brennstoffgas ist beispielsweise wasserstoffreiches Gas, das durch Reformieren von Erdgas mit Dampf in einem Reformer erhalten wird. Oxidierendes Gas mit einer Temperatur von annähernd 400ºC wird den Einlässen 34A und 36A zugeführt. Die Menge des zugeführten Oxidatorgases ist vorzugsweise 10 bis 20mal größer als die Menge des Brennstoffgases. Bei der Energieerzeugung werden Dampf und CO&sub2; aus dem Brennstoffgasauslaß 30B und 32B ausgestoßen, während Restgase von dem Oxidatorgasauslaß 34B und 36B ausgestoßen werden.
In Figur 7 bezeichnen A1 und A2 die Brennstoffgastemperatur, C1 und C2 die Oxidatorgastemperatur und I die Zellenelementtemperatur in Richtung der jeweiligen Gasströme.
Da die Finnen 22 und 24, die als Hilfmittel zur Wärmeübertragung dienen, nahe den Eingängen und den Ausgängen der Separatorplatte vorgesehen sind, wird die Wärmeausbreitung zwischen dem durch C1 und C2 strömenden Oxidatorgas gefördert, welches die Temperaturverteilung beeinflußt. Dadurch werden die Schwankungen des Temperaturprofils I des Zellenelementes sanfter. Der Temperaturbereich wird nämlich auf einen Bereich von circa 100ºC mit symmertrischem Verlauf reduziert.
Figur 10 zeigt das Temperaturprofil einer Brennstoffzelle herkömmlichen Aufbaus: das kathodenseitige Gas C1 und C2 strömt in derselben Richtung ("Co-Fluß"-Typ) für den Vergleich mit Figur 8. In Figur 10 beträgt die Gastemperatur am Eingang ungefähr 550ºC und die Gastemperatur am Ausgang ungefähr 700ºC, so daß das Profil eine starke Schwankung von ungefähr 150ºC hat.
Figur 8 zeigt den Grundaufbau einer weiteren Ausführungsform, die im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Das Hauptmerkmal dieses dargestellten Ausführungsbeispieles liegt in der Weise, wie das Brennstoffgas und das Oxidatorgas einströmen, d.h. das Brennstoffgas und das Oxidatorgas strömen senkrecht zueinander entlang der Oberseite bzw. der Unterseite der Separatorplatte 18. Der grundsätzliche Aufbau der Brennstoffzelle bei dieser Ausführungsform ist identisch mit dem der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform und gleiche Bezugszeichen sind gleichen Teilen in beiden Figuren zugeordnet, so daß die Erläuterung dieser Komponenten unterbleibt.
Bei dieser speziellen Ausführungsform sind die vorstehenden Finnen 22 und 24 der Kathodenplatte 16 in eine Richtung senkrecht zu jenen an der Anode 14 gelegt, sodaß die Kanäle C1 und C2 an der Kathodenplatte die Kanäle A1 und A2 an der Anodenplatte unter rechtem Winkel kreuzen.
Eine Brennstoffzelle unter Verwendung der in Figur 8 dargestellten grundsätzlichen Konstruktion ist in Figur 9 dargestellt. Das Zellenelement 10 und die Separatorplatte 18 sind jeweils quadratisch geformt und es sind Öffnungen 40 und 42 entlang ihrem Rand ausgebildet, um so Zufuhr- und Abflußwege für das Brennstoffgas und das Oxidatorgas zu bilden. Die Verteiler 44 sind an den Öffnungen 42 für die jeweiligen Wege in den Separatorplatten 18 ausgebildet.
An dem unteren Halter 50 und dem oberen Halter 52 sind jeweils Einlaß- und Auslaßöffnungen 30A, 32A, 34A, 36A bzw. 30B, 32B, 34B und 36B für das Brennstoffgas und das Oxidatorgas ausgebildet. Daher treten das Brennstoffgas und das Oxidatorgas in diese Öffnungen ein, durchströmen die Kanäle 30a, 32a, 34a, 36a, 30b, 32b, 34b bzw. 36b und treten aus den Auslaßöffnungen aus.
Obwohl bei dieser Ausführungsform die Richtungen des Brennstoffgasstromes und des Oxidatorgasstromes an den beiden Flächen der Separatorplatte 18 rechtwinklig zueinander sind, wirken die vorstehenden Finnen 22 und 24, die in den Gaskanälen angeordnet sind, als Wärmeübertragungshilfsmittel in der gleichen Weise, wie dies bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform erläutert wurde. Dadurch verbessern sie den Wärmeaustausch zwischen dem Brennstoffgas, das entlang einer Fläche des Separators fließt, und dem Oxidatorgas, das entlang der anderen Fläche des Separators fließt. Infolgedessen verlaufen die Auf- und Abstiege des Temperaturprofils des Zellenelementes 10 sanfter.
Der Fachmann wird natürlich erkennen, daß verschiedene Abänderungen an den bevorzugten Ausführungsformen, die zur Erläuterung der Erfindung dargestellt wurden, vorgenommen werden können. Gemäß einer Abänderungen kann die Kathode an der unteren Seite des Zellenelementes 10 und die Anode an der oberen Seite des Zellenelementes 10 vorgesehen sein.

Claims

1. Verfahren zur Verbesserung der Temperaturverteilung in einem Zellenelement (10) für eine Brennstoffzelle umfassend:

Zellenelemente (10), von denen jedes eine Elektrolytplatte (12), eine Anodenplatte (14) und eine Kathodenplatte (16) umfaßt, wobei die Elektrolytplatte (12) sandwichartig zwischen der Anodenplatte (14) und der Kathodenplatte (16) liegt;

Separatorplatten (18), von denen jede Kanäle (A1, A2, C1, C2) hat, die an ihrer Vorderseite und Rückseite so ausgebildet sind, daß sie Brennstoffgas zu der Anodenplatte (14) des Zellenelementes (10) und gasförmigen Oxidator zu der Kathodenplatte (16) zuführen,

wobei die Zellenelemente (10) und die Separatorplatten (18) unter Bildung mehrerer Stufen aufeinander gestapelt sind,

eine anodenseitige Gaszu- und abführeinrichtung (30a, 32a, 30b, 32b) zum Zuführen des Brennstoffgases zu den auf einer Seite der Separatorplatte (18) ausgebildeten Brennstoffgaskanälen (A1, A2);

eine kathodenseitige Gaszu- und abführeinrichtung (34a, 36a, 42a, 44a, 34b, 36b, 42b, 44b) zum Zuführen des gasförmigen Oxidators zu den auf der anderen Seite der Separatorplatte (18) ausgebildeten Oxidatorkanälen (C1, C2) in der Weise, daß das einer Separatorplatte (18) zugeführte Oxidatorgas in einer Richtung strömen kann, die zur Strömungsrichtung des den benachbarten Separatorplatten (18) zugeführten Oxidatorgases entgegengesetzt ist,

und eine Wärmeübertragungsunterstützungseinrichtung (22, 24), die an der Vorder- und Rückseite jeder Separatorplatte (18) so ausgebildet ist, daß sie die Wärmeübertragung in der Richtung unterstützt, in der die Separatorplatten (18) und die Zellenelemente (10) aufeinander gestapelt sind,

dadurch gekennzeichnet, daß die anodenseitige Gaszu- und abführeinrichtung (30a, 32a, 30b, 32b) einer Separatorplatte (18) das Brennstoffgas in der Richtung (A2) zuführt, die parallel zu dem Oxidatorgas (C2) ist, das von der kathodenseitigen Gaszu- und abführeinrichtung (34a, 36a, 42a, 44a, 34b, 36b, 42b, 44b) der nächsten Separatorplatte (18) bezüglich eines zwischen diesen Separatorplatten (18, 18) gelegenen Zellenelementes (10) zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromerzeugungstemperatur zwischen 650 und 700ºC beträgt und daß ungefähr 10-20mal soviel Volumen an Oxidatorgas wie an Brennstoffgas zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrolytplatte (12) aus geschmolzenem Karbonat hergestellt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoffgas Wasserstoff und der Oxidator Sauerstoff enthalten.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß entlang seitlichen Rändern der Zellenelemente (10) und der Separatorplatten (18) eine Vielzahl von Öffnungen (40, 42) so ausgebildet sind, daß diese Öffnungen (40, 42) Kanäle (30a, 32a, 34a, 36a, 30b, 32b, 34b, 36b) bilden, wenn die Zellenelemente (10) und die Separatorplatten (18) aufeinandergestapelt werden, wobei das Brennstoffgas und Oxidatorgas durch diese Kanäle zu- und abgeführt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß anodenseitige Verteiler (44a, 44b) in der Nachbarschaft der Öffnungen (40a, 42b) vorgesehen sind, die als Eingang und Ausgang für die Brennstoffgaskanäle (A1, A2) dienen, so daß das Brennstoffgas aus dem Brennstoffzellenelement (10) durch die anodenseitigen Verteiler (44a, 44b) eintritt und austritt, und daß kathodenseitige Verteiler (44a, 44b) in der Nähe der Öffnungen (42a, 42b) vorgesehen sind, die als Eingang und Ausgang der Oxidatorgaskanäle (C1, C2) dienen, so daß das Oxidatorgas aus dem Brennstoffzellenelement (10) durch die kathodenseitigen Verteiler (44a, 44b) ein- und austritt.