B E S C H R E I B U N G

BRENNSTOFFZELLE MIT KOHLEKUGEL- KATALYSATOREN

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle zur Erzeugung elektrischen Stromes mit einer mit Wasserstoff beaufschlagten Anode und einer mit Luft bzw. Sauerstoff versorgten Kathode sowie der dazwischen angeordneten, gasdichten und elektrisch isolierenden Membran (Elektrolyt), wobei Anode und auch Kathode ein Katalysator zugeordnet ist und wobei Anode und Kathode über einen Stromkreis verbunden sind. Die Verbindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Beschichten einer Elektrolytfolie mit Kohle bzw. einer keramischen Elektrolytplatte.

Eine solche Brennstoffzelle besteht aus einer Anode, einer Kathode und einer dazwischen liegenden Membran, dem so genannten Elektrolyten. An der Anode wird der Wasserstoff oxidiert (Elektroüberschuss), an der Kathode (Elektronenmangel) werden die Protonen mit dem Sauerstoff zu Wasser umgesetzt. Werden Anode und Kathode über einen elektrischen Leiter verbunden, fließt Strom. Außerdem wird Wärme freigesetzt. Der gesamte Vorgang läuft kontinuierlich, d. h. es wird ständig Wasserstoff und Sauerstoff den jeweiligen Elektroden zugeführt. Bekannt sind unterschiedliche Brennstoffzellentypen, wie die alkalische, die phosphorsaure, die direktmethanol, die schmelzcarbonat, die polymer elektrolyt Membran oder die oxid keramische Brennstoffzelle. Die polymer elektrolyt Membran Brennstoffzelle eignet sich insbesondere für die mobile Anwendung, wobei dabei auch günstige Temperaturverhältnisse vorliegen. Bekannt sind solche Brennstoffzellen beispielsweise aus der DE 16 72 679 A1 sowie der EP 0490 808 A1. Bei diesen bekannten Brennstoffzellen werden für die Elektroden, d. h. also für die Anode und die Kathode, solche mit hoher Porosität eingesetzt, damit eine große Oberfläche für die elektrochemischen Umsetzungen zur Verfügung steht. Diese Elektroden sind mit dünnen, katalytisch wirkenden

Edelmetallschichten überzogen, insbesondere mit Platin oder Platinlegierungen. Sauerstoff und Wasserstoff werden über Bipolarplatten, in die feine Gänge gefräst sind, den Elektroden zugeführt. Bei diesen bekannten Brennstoffzellen ist von Nachteil, dass die Herstellung der Elektroden aufwendig und großtechnisch nur mit erheblichem Aufwand darstellbar ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Brennstoffzelle mit Elektroden zu schaffen, die über eine optimal große und katalytisch wirksame Reaktionsfläche verfügen und gut zu verarbeiten sowie verfahrensmäßig gut und sicher herstellbar sind.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass Anode und Kathode eine Vielzahl , eine Durchströmpackung bildender , eine hohe Porosität aufweisender Kohleelemente aufweisen oder daraus bestehen.

Bei derart ausgebildeten Elektroden werden die Kohleelemente auf eine Stützmatrix aufgebracht, so dass sie in dieser Form als Anode und auch Kathode einsetzbar sind. Die eine hohe Porosität aufweisende Kohle verfügt über die notwendig große Oberfläche für die elektrochemischen Umsetzungen, so dass der entsprechende Prozess sicher und gleichmäßig ablaufen kann. Besonders vorteilhaft ist aber, dass diese Stützmatrix und die Kohleelemente die Möglichkeit geben, entsprechende Elektroden auch großtechnisch herzustellen. Dies ist vor allem mit gleichförmig ausgebildeten Kohleelementen möglich, wobei diese gleichzeitig auch als Katalysator wirken. Die Kohleelemente sind auf der Stützmatrix vor allem einem textilen Gewebe so aufgebracht, dass der Sauerstoff, als die Luft, oder der Wasserstoff gezwungen ist, die Kohleelemente zu umstreichen und in die Poren auch entsprechend einzudringen. Vorteilhaft ist darüber hinaus, dass das Herstellen derartiger Elektroden auch in großem Maße möglich ist.

Nach einer zweckmäßigen Ausbildung ist vorgesehen, dass die Kohleelemente eine definierte Kugelform aufweisen, wobei beispielsweise aus der

DE 196 00 237 A1 ein Verfahren bekannt ist, wie man körnige bzw. kugelförmige Kohleelemente herstellen kann. Auch die DE 201 21 506 U1 lehrt entsprechende Kohlekügelchen, die über eine große Oberfläche bzw. Porosität verfügen. Dabei ist eine extrem große Oberfläche dann gegeben, wenn die Kohleelemente aus einer geformten Aktivkohle bestehen, wie dies ebenfalls erfindungsgemäß vorgesehen ist.

Wie weiter vorne schon erwähnt, ist es besonders vorteilhaft, wenn die eine definierte Kugelform aufweisenden Kohleelemente auf ein Stützgewebe aufge- bracht sind, wobei sie in diesem Stützgewebe bzw. am Stützgewebe optimal durch Klebung o. ä. festzulegen sind. Die definierte Kugelform gibt die Möglichkeit, eine entsprechende Kanäle aufweisende Durchströmpackung aufzubauen, die dann für die Anode und auch die Kathode zu einem Aufbau führen, der gerade in der Brennstoffzelle besonders vorteilhaft einsetzbar ist. Dies gilt sowohl bezüglich der Stabilität dieses Elektrodenelementes wie auch der gezielten Durchleitung des Wasserstoffes bzw. der Luft.

Sollte die Katalysatorwirkung der Kohleelemente nicht ausreichend oder nicht optimal sein, sieht die Erfindung vor, dass die kugelförmigen Kohleelemente einen katalytisch wirkenden überzug oder eine Beimischung aufweisen. Denkbar ist es auch, dass das Gewebe und die Kohleelemente mit einem katalytisch wirkenden Stoff belegt sind.

Weiter vorn ist ausgeführt worden, dass zwischen den Elektroden, d. h. also Anode und Kathode, eine Membran angeordnet ist. Diese Membran besteht aus einer Kunststofffolie oder einer Keramikplatte, wobei je nach Brennstoffzellentyp die Notwendigkeit besteht, diese mit Phosphorsäure zu tränken, wobei die Phosphorsäure die elektrolytische Funktion bewirkt, nämlich die Protonenpassage, während die Elektronen zurückgehalten werden. Um die Stützmatrix bzw. das Stützgewebe überflüssig zu machen, ist es gemäß der Erfindung von Vorteil, wenn die kugelförmigen Kohleelemente auf der Elektrolyt-Membran angeordnet sind. Auf beiden Seiten der Membran werden also kugelförmige Kohleelemente

angeordnet, so dass die Membran selber die Tragfunktion oder die Stützfunktion mit übernehmen kann, wodurch der Gesamtaufbau der Brennstoffzelle vorteilhaft vereinfacht werden kann.

Nach einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die kugelförmigen Kohleelemente aufgeklebt, in die Membran leicht eingedrückt oder in die Membran eingebunden sind. Eine solche entsprechende Verbindungs- oder Druck- oder Auftragstechnik ist vorteilhaft, weil sie dadurch die erwähnte Stützmatrix oder das Stützgewebe nicht benötigt, dennoch ein genauer und auch technisch zu verwirklichender Aufbau von Anode und Kathode möglich wird. Besonders vorteilhaft ist eine solcher Aufbau, wenn die Kohle selbst eine katalytische Wirkung aufweist.

Eine dritte Möglichkeit für den Aufbau von Anode und Kathode bzw. der gesamten einzelnen Zelle ist die, bei der die kugelförmigen Kohleelemente eine Kohlematrix bilden, wobei die Kohlematrix eine innere elektrolytische Schichtung aufweist und gleichzeitig Anode, elektrolytische Membran und Kathode darstellt. Die innere elektrolytische Schichtung übernimmt die Aufgabe der Membran, während die beiden äußeren Schichten Anode und Kathode darstellen Ein solcher Aufbau erleichtert die Herstellung derartiger Brennstoffzellen und ermöglicht es, verhältnismäßig schmale bzw. dünnwandige Zellen zu verwirklichen.

Soweit eine gesonderte Membran verwirklicht werden soll, ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass diese elektrolytische Membran eine auf Kunststoff- basis bestehende Folie oder eine Keramikplatte ist. Sowohl die Folie wie auch die Keramikplatte bietet die Möglichkeit einer großtechnischen Herstellung, wobei weiterhin auch noch die dazu benötigten Verfahren erläutert sind. Vorteilhaft ist eine derartige Herstellung auch deshalb, weil damit die Möglichkeit besteht, derartige komplizierte Systeme zu vertretbaren Preisen herzustellen und dem Anwender zur Verfügung zu stellen. Hierbei ist es letztlich egal, um welchen Anwender es sich dabei handelt.

Der Luft- und Brenngaszuführung sowie auch der Abgasabführung und der Abführung des Wassers dienen Bipolarplatten mit mäanderförmigen Rillen. Diese Bipolarplatten sind Anode und Kathode zur Luft- und zur Brenngaszuführung vorgeordnet. über diese Bipolarplatten ist es insbesondere möglich, die Luft und das Brenngas, also dem Wasserstoff getrennt sicher zuzuführen und das Abgas bzw. das Wasser wiederum sicher abzuleiten.

Insbesondere dann, wenn für die kugelförmigen Kohleelemente auf eine Trägerfolie oder ein Trägerelement verzichtet werden kann, weil sie eine Doppelfunktion übernehmen, ist es von Vorteil, wenn die kugelförmigen Kohleelemente in gestapelter, getrennt hergestellter Durchström-Packung einsetzbar sind. Auch bei anderen Ausbildungen, d. h. dann, wenn sie mit einem Trägerelement verbunden werden sollen, können solche vorher hergestellten Durchströmpackungen von Vorteil sein, da sie selbst ein stabiles Gerüst bildend quasi einfach an das Trägerelement aufgelegt und damit verbunden werden.

Unabhängig davon, ob sie eine solche vorhergestellte Packung bilden oder aber auf das Trägerelement aufgebracht werden, ist zur optimalen Durchströmung dieser Kugelpackung von großem Vorteil, wenn die kugelförmigen Kohleelemente kanal- bzw. mäanderförmige Strukturen bei der Herstellung der Anoden und Kathoden freilassend ausgebildet sind. Die eigentliche Kugelpackung ist also von solchen Kanälen durchdrungen, wobei sie so angeordnet und ausgebildet sind, dass sowohl der Wasserstoff wie auch die Luft gleichmäßig durch die gesamte Packung hindurchströmen muß.

Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die zum Einsatz kommenden Folien vor dem Einsatz mit einer Elektrolytflüssigkeit getränkt werden muss, ist es von Vorteil, wenn die kugelförmigen Kohleelemente bei der Herstellung der Anoden und Kathoden oder der Elektrolytfolie der Elektrolytmembran dicht beieinander liegend angeordnet sind und erst nach dem Tränken der

Elektrolytfolie mit Elektrolytflüssigkeit Strömungskanäle für die Prozessmedien vorgebend positioniert sind. Da man weiß, wie weit bzw. in welchem Maße die

Folie ihre Abmaße verändert, kann so genau die Größe der Strömungskanäle vorgegeben werden, was für die anschließende Wirkung von großem Vorteil ist.

Die Brennstoffzelle besteht ja aus einer Vielzahl von Zellen, die dicht beieinander positioniert die gesamte Brennstoffzelle ergeben. Um hier die Abmaße in Grenzen zu halten, sieht die Erfindung vor, dass die die Kathode und Anode und die Elektrolytmembran einfassenden Bipolarplatten benachbarter Zellen zu einer Platte zusammengefasst sind, wobei die rillenförmigen Kanäle für die Zu- und Abführung der Prozessmedien sowie der Kühlmedien integriert sind und die Pole für die elektrisch in Reihe geschalteten Zellen aufweisen. Dies hat den großen Vorteil, dass beispielsweise bei 10 oder 20 benachbarter Zellen doch eine deutliche Baumaßreduzierung erreicht werden kann, ohne dass die Wirkung der gesamten Brennstoffzelle dadurch beeinträchtigt würde.

Eine andere Variante des Zellenaufbaus sieht vor, dass dass die Kathoden und Anoden eine mit kugelförmigen Kohleelementen vorzugsweise beidseitig beschichtete Elektrolytmembranoberfläche aufweisend ausgebildet und dicht an die Keramikplatte oder mit Elektrolytflüssigkeit getränkte Folie ausgeführte Elektrolytmembran angefügt sind. Eine derart ausgebildete Zelle ist voll wirksam und kann mit günstigen Bauabmessungen verwirklicht werden.

Eine weitere Möglichkeit des Zellenaufbaus ist die, bei der als Kathoden und Anoden je eine mit kugelförmigen Kohleelementen beschichtete, separate Trägerfolie eingesetzt ist und direkt oder über den zugeordneten Katalysator indirekt der Elektrolytmembran zugeordnet ist. Eine derartige Ausbildung von Kathode und Anode hat erhebliche Vorteile bei der Herstellung, zumal diese direkt einfach und sicher herzustellen und mit Kugelkohle zu beschichten sind. Auch bei dieser Ausbildung sind die Bipolarplatten benachbarter Zellen zusammengefasst verwirklicht und mit den Zu- und Abführungen für die Prozessmedien versehen.

Eine weitere zweckmäßige Ausbildung ist die, bei der die Kathode von der einseitig mit kugelförmigen Kohleelementen beschichteten Trägerfolie und die

Anode von der einseitig mit kugelförmigen Kohleelementen beschichteten Elektrolytmembran gebildet ist. Auch dies hat herstellungsmäßige Vorteile und ermöglicht es, die Baumaße derartiger Brennstoffzellen weiter den Einsatzbedingungen zweckmäßig anpassbar auszubilden.

Eine weitere wesentliche Vereinfachung ist, bei der die Bipolarplatten als Polkathalysatoren ausgebildet und zwischen benachbarten Zellen Isolierfolien angeordnet sind, die über als Kanäle dienende öffnungen und/oder Durchbrüche verfügen. Diese Ausbildung der Bipolarplatten bringt eine entscheidende Vereinfachung, weil diese Bipolarplatten nur noch als einfache Polplatten hergestellt müssen und damit mit einem preiswerten großtechnischen Verfahren praktisch von der Rolle gefertigt werden können. Die Isolierfolie bildet die elektrische Isolierung zwischen zwei Zellen und wird wie erfindungsgemäß vorgesehen, mit den notwendigen Strömungskanälen versehen, so dass sie in gewisser Weise den Austausch zwischen den einzelnen Zellen ermöglichen. Die eigentliche Elektrolytmembran kann ohne Kohlebelag verwirklicht werden und dient dann der eigentlichen Aufgabe, ohne sie mit Zweitaufgaben zusätzlich zu belasten.

Die einzelnen Polplatten oder besser Polkatalysatoren sind gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung mit Stromfahnen versehen, die einzelnen Zellen sind einzeln verschaltet und angesteuert und nach Bedarf in Reihe oder parallel zu schalten. Damit kann je nach Bedarf verschaltet werden und vor allen Dingen besteht die Möglichkeit bei Ausfall einzelner Zellen dennoch die Brennstoffzelle insgesamt weiter betreiben zu können, was besonders vorteilhaft ist, weil ansonsten bei Ausfall einzelner Zellen beispielsweise durch Schichtungsfehler ein vierstelliger Euro-Betrag anfällt, weil die Gesamtbrennstoffzelle entsorgt werden muss. Durch das Verschalten einzelner Zellen lässt sich die gewünschte Reihenschaltung weiter ausführen, auch wenn eine der „Zwischenzellen" abgeschaltet wurde oder sich abgeschaltet hat.

Die Polkathalysatoren als solche sind gemäß der Erfindung als biegsame, wickelfähige und elektrisch leitende Folien ausgeführt, die dann entsprechend wie erfindungsgemäß vorgesehen vorteilhaft mit Kohle als Katalysatoroberfläche zu beschichten sind. Diese Polplatten bzw. Polkatalysatoren sind wie schon erwähnt mit öffnungen versehen, um für die Prozessmedien einen Zugang zur Katalysatoroberfläche zu schaffen.

Bei der Herstellung der verschiedenen Bauteile ist das Aufbringen von Kohle besonders wichtig, wobei gemäß der Erfindung ein Verfahren zum Beschichten einer Träger- oder auch einer Elektrolytfolie mit Kohle, die in einer Brennstoffzelle zwischen Anode und Kathode angeordnet wird, vorgesehen ist, dass die Träger- oder Elektrolytfolie über ein Spann-, Heiz- und Führungssystem gezogen und dabei über eine Endlosschablone mit Kleber im vorgegebenen Muster und feinen Kleberpunkten im beliebigen Abstand bis dichter Anordnung versehen wird, woraufhin Kugelkohle aufgestreut und anschließend die überflüssige Kugelkohle abgesaugt wird. Mit einem solchen Verfahren ist es vor allem möglich, die Elektrolytfolie, also die Membran selbst gleich mit der „Anode" und auch der „Kathode" zu versehen. Dazu wird auf beiden Seiten oder zunächst auch nur auf der einen Seite Kugelkohle oder besser gesagt Aktivkohlekügelchen aufgeklebt und zwar in einem bestimmten, durch die Kleberpunkte vorgegebenen Muster, um dann auch auf der anderen Seite die Aktivkohlekügelchen entsprechend aufzubringen. Ist nur die Trägerfolie, die mit Kohlekügelchen zu versehen ist, so wird diese nur auf einer Seite entsprechend beschichtet und zwar auf der, die der Membran zugeordnet ist. Vorteilhaft ist, dass bei einer derartigen Verfahrensführung die Aktivkohlekügelchen bzw. die Kohlekügelchen gezielt als Packung und so aufgebracht werden, dass sie auch auf der Unterlage noch weitestgehend mit für das Verfahren verwendet werden können, weil sie gezielt aufgeklebt sind.

Weiter vorne ist bereits erläutert worden, dass neben der Membran auf

Basis der Kunststofffolie auch Keramikplatten zum Einsatz kommen können, wobei hierzu die Erfindung ergänzend lehrt, dass die Elektrolytplatte zunächst von

anderen Elektrolytplatten eines Stapels vereinzelt einem Spann-, Heiz- und Führungssystem zugeführt wird, wobei in diesem SHF-System über eine routierende Endlosschablone im vorgegebenen Muster Klebstoff punktweise Im Abstand oder in dichter Anordnung aufgebracht und darauf Kugelkohle gestreut und anschließend überflüssige Kugelkohle abgesaugt wird. Nach Aushärten des Klebers bzw. des Leims steht dann eine entsprechende Elektrolytplatte, die vor allem als Elektrolyt eingesetzt werden kann zur Verfügung, die beidseitig mit Kohlekügelchen beschichtet ist. Denkbar ist es aber auch, dass diese Platten lediglich als Trägerelement oder Stützelement zu verwenden ausgebildet sind, also nur einseitig mit Kohlekügelchen.

Um die Folie auf der anderen, also auf der Rückseite gezielt auch mit Kohlekügelchen beschichten zu können, ist vorgesehen, dass die schon beschichtete Folie abgewickelt und mit der Rückseite nach oben durch die Anlage gezogen und durch Synchronisierung des Folienvorschubes und der rotierenden Endlosschablone das Muster auf die Rückseite deckungsgleich zur Vorderseite in Form von kugelförmigen Kohleelementen aufgebracht wird. Damit ist sichergestellt, dass auf beiden Seiten, d. h. auf der Vor- und der Rückseite der Folie die kugelförmigen Kohleelemente gleichmäßig und auch gleichmäßig dicht vorhanden sind, so dass damit auch die vorgesehenen Einsätze in der

Brennstoffzelle durchzuziehen sind. Denkbar ist es auch, auf die erste Schicht von kugelförmigen Kohleelementen eine weitere aufzubringen, wenn dies aus irgentwelchen Gründen sich als notwendig erweisen sollte. Dann allerdings ist es schwierig, bei der nachfolgenden Tränkung mit Elektrolytflüssigkeit die gewünschten Kanäle zwischen den einzelnen kugelförmigen Kohleelementen zu verwirklichen.

Auch bei Elektrolytplatten ist es von Vorteil, wenn diese, wie weiter vorne schon erwähnt, auf beiden Seiten mit kugelförmigen Kohleelementen beschichtet sind. Hierzu sieht die Erfindung verfahrensmäßig vor, dass die schon beschichteten Elektrolytplatten mit der nicht beschichteten Rückseite nach oben noch einmal durch die Anlage geführt werden, wobei die kugelförmigen Kohle-

elemente durch geeignete Synchronisation von Plattenvorschub und Schablonendrehung deckungsgleich mit der Vorderseite auf die Rückseite aufgetragen werden.

Zum Schutz der schon aufgebrachten kugelförmigen Kohleelemente ist es von Vorteil, wenn beim Einführen der schon beschichteten Folie bzw. der Elektrolytplatten eine die auf der Rückseite schon aufgebrachten kugelförmigen Kohleelemente abdeckende und sichernde, elastisch bis weich ausgeführte Trägerschicht mitgeführt und dabei von einer Reserverolle abgezogen wird. Beim Durchlaufen der Anlage ist somit ein vorteilhafter Schutz für die schon aufgebrachten kugelförmigen Kohleelemente verwirklicht und damit sichergestellt, dass bei dem anschließenden Einbau in eine Brennstoffzelle die kugelförmigen Kohleelemente wie benötigt für den Prozess zur Verfügung stehen.

Ein Brennstoffzellenaggregat besteht aus einer Vielzahl von gestapelten und elektrisch verschalteten Zahl von Zellen, den so genannten Stacks. Diese einzelnen Elemente bzw. Zellen werden zusammengesetzt und bilden die fertige Brennstoffzelle. Hierzu sieht die Erfindung vor, dass das Muster, in dem die Kugelkohle aufgebracht wird, von Rapport zu Rapport bzw. Platte zu Platte gezielt verändert wird. Damit kann, falls erforderlich, von einzelner Zelle zu einzelner Zelle die Ausbildung der Durchströmpackung verändert, also die Kanäle in ihrem Verlauf gezielt angepasst und/oder verändert werden.

Die Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass eine Brennstoffzelle geschaffen ist, die Elektroden besonderer und optimaler

Beschaffenheit aufweist. Diese Elektroden bestehen aus einem Stützgerüst oder einem Stützgewebe, das mit Kohlekugeln definierter Größe und Form versehen ist oder diese Kohlekugeln bilden die Anode und Kathode selbst, indem sie die besagte Durchströmpackung zu einer solchen Durchströmpackung zusammen- gefasst sind. Die Kugelkohle insbesondere in Form einer Aktivkohlekugel verfügt über eine enorm große Oberfläche, so dass sie besonders geeignet ist für den Einsatz als Anode oder Kathode in der Brennstoffzelle und zwar in der Regel ohne

zusätzlichen Katalysator. Ist ein solcher Katalysator aber zweckmäßig, so kann er einfach und zweckmäßig in die Kugelkohle integriert sein oder als Schicht auf sie aufgebracht werden. Sie dringt auch bei der schichtweisen Aufbringung in die Poren ein und sorgt für eine gleichmäßige Wirkungsweise als Katalysator bzw. als Anode oder bzw. Kathode. Besonders hervorzuheben ist, dass solche Anoden und Kathoden aber auch bei einer Kombination als Kathode, Elektrolyt und Anode großtechnisch herzustellen ist. Besonders vorteilhaft ist eine Ausbildung der Brennstoffzelle, bei der die Bipolarplatten zu Polplatten bzw. zu Polkatalysatoren umfunktioniert ausgebildet sind. Den Polplatten oder Polkatalysatoren können die Stromfahnen zugeordnet werden, wobei die Möglichkeit besteht, die einzelnen Zellen einfach zu verschalten und anzusteuern und je nach Bedarf in Reihe oder parallel zu schalten. Die entsprechend zweckmäßig ausgebildeten Polplatten, die einseitig mit Kohle als Katalysatoroberfläche beschichtet sind, sind einfach und zweckmäßig herzustellen und auch preiswert im großtechnischen Verfahren, wobei als weiterer Vorteil zu nennen ist, dass die eigentliche Elektrolytmembran ohne Kohlebeleg verwirklicht werden kann. Auch hier ist die Herstellung vereinfacht, wobei die Vielseitigkeit der Verwendung als besonderer Vorteil hervorzuheben ist.

Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel mit den dazu notwendigen Einzelheiten und Einzelteilen dargestellt ist. Es zeigen:

Fig. 1 eine Brennstoffzelle in perspektivischer Darstellung,

Fig. 2 eine Einzelzelle im Teilschnitt,

Fig. 3 Kugelfläche in perspektivischer Darstellung, in kompakter Durchströmpackung bzw. Durchströmpackung mit Kanälen, Fig. 4 eine Beschichtungsanlage für Kunststofffolien,

Fig. 5 eine Beschichtungsanlage für keramische Platten,

Fig. 6 eine Draufsicht auf eine Trägerfolie mit mehreren

Mustern nebeneinander,

Fig. 7 eine Draufsicht auf eine Elektrolytmembran bzw. eine Elektrolytfolie vor dem Tränken mit Elektrolytflüssigkeit und nach dem Tränken, wo dann die erforderlichen Strömungskanäle klar vorhanden sind, Fig. 8 zwei nebeneinander liegende Zellen bzw. Stacks mit nur einer zwischen gefügten Bipolarplatte, Fig. 9 eine weitere Aufbauvariante von Zellen 2, 2',

Fig. 10 eine dritte Ausführungsform zweier nebeneinander angeordneter Zellen 2, 2', Fig. 11 eine vierte Variante für einen Zellenaufbau mit als

Polplatten ausgebildeten Bipolarplatten und Fig. 12 eine Anlage zur doppelseitigen Beschichtung mit kugelförmigen Kohleelementen in Teilansicht.

Fig. 1 zeigt eine Brennstoffzelle 1 in perspektivischer Ansicht, wobei deutlich wird, dass die einzelnen Zellen oder Stacks 2, 2', 2" zwischen den beiden Begrenzungsplatten 3 und 4 eingespannt sind. Nicht dargestellt ist, dass der Wasserstoff über Ausnehmungen in der Begrenzungsplatte 3 dem Zellenpaket zugeführt wird, während die Luft die Begrenzungsplatte 4 in den Zellenpacken hineingeführt bzw. gepumpt wird.

Fig. 2 zeigt eine solche einzelne Zelle oder Stack 2, 2', 2" wobei mit 5 und 6 die Kathode und die Anode bezeichnet sind und mit 7 die Membran oder den Elektrolyten, die zwischen beiden Elektroden, also Kathode 5 und Anode 6 angeordnet ist. An die Kathode 5 bzw. die Anode 6 schließt sich die Gasverteilerplatte 8 bzw. 8' und daran jeweils eine Bipolarplatte 9, 9' an. Alle diese Teile finden sich in jeder Einzelzelle, womit auch deutlich wird, dass auch alle gleichmäßig mit dem Brenngas also dem Wasserstoff und der Luft bespült werden müssen.

Fig. 3 zeigt eine solche Kathode 5 oder Anode 6 in Draufsicht, wodurch die Durchströmpackungen 11 aus einer Vielzahl von Kohleelementen 15, 16, 17 ersichtlich ist. Diese Kohleelemente 15, 16, 17 sind einem Stützgewerbe 18 zugeordnet, wobei die einzelnen Kohleelemente 15, 16, 17 wie in Fig. 3 a gezeigt zu einer möglichst optimalen Durchströmpackung 11 zusammengefasst sind. Alle diese Kohleelemente 15, 16, 17 oder auch nur einige sind mit einem Katalysator 10 beschichtet, der hier die gesteuerte kalte Verbrennung bzw. Oxidation von Wasserstoff und Sauerstoff beschleunigen soll. Sowohl der Sauerstoff wie auch der Wasserstoff werden über die mit 9, 9' bezeichneten Bipolarplatten zugeführt, die über eine Vielzahl von Rillen 12 verfügen.

Noch einmal zurück zur Fig. 3 a, wo die Kugelkohlen bzw. die Kohleelemente 15, 16, 17 vergrößert wiedergegeben sind. Der Katalysator 10 wird in der Regel durch einen entsprechenden überzug 20 erreicht, wobei aufgrund der großen Porosität der einzelnen kugelförmigen Kohleelemente 15, 16, 17 der Katalysator 10 auch in die einzelnen Poren eindringt. Diese kugelförmigen Kohleelemente 15, 16, 17 sind Aktivkohlekügelche, die gezielt so hergestellt sind, dass sie etwa die gleichen Abmessungen und Formen aufweisen.

Fig. 3 b zeigt eine Draufsicht auf eine Kathode oder Anode 5, 6, wobei hier in Fig. 3 b eine geordnete Durchströmpackung wiedergegeben ist, während Fig. 3 c eine solche zeigt, bei der gezielt die kugelförmigen Kohleelemente 15, 16, 17 eine kanal- bzw. mäanderförmige Struktur 25 aufweisend aufgebracht sind.

Bei der Anlage zur Verwirklichung des Verfahrens wird die Folie 22 auf einer Trägerfolienrolle 28 aufgerollt vorgegeben und dann der eigentlichen Anlage zugeführt. Zunächst einmal folgt im Stütz-, Heiz- und Umlenksystem 29 eine genaue Vorgabe für die Bearbeitungsebene und eine Vorbereitung der Folie 22 soweit notwendig. Gleichzeitig dient die entsprechende Rolle als Wiederlage für den bestehenden Rakel 32, über den der von der Klebezuführung 31 aufgegebene Kleber gleichmäßig verteilt und punktförmig auf die Folie 22 aufgebracht wird. In

welcher Form die einzelnen Kleberpunkte angeordnet sind wird durch die rotierende Endlosschablone 30 vorgegeben, die eben eine genauere Vorgabe der Kleberpunkte ermöglicht.

5 Nach Durchlaufen des Stütz-, Heiz- und Umlenksystems 29 wird in einer

Fixier-, Meß- und Prüfstation 33 überprüft, ob die Kleberzuführung auch genau wie vorgesehen erfolgt ist. Im nachgeordneten Streuaggregat 34 erfolgt dann das Aufbringen der Kugelkohle, wobei dies ergänzend dadurch kenntlich gemacht ist, dass ein durchgehender schwarzer Strich gezeigt ist. Da über das Streuaggregat

10 34 zwar etwa die notwendige Menge an Kugelkohle dosiert zugegeben wird, ist nicht zu vermeiden, dass nicht alle diese Kugelkohle benötigt wird. Daher ist eine Absaugung 35 vorgesehen, die auch dafür sorgt, dass die auf den Kanälen 25 lose aufliegende Kugelkohle mit entfernt und damit diese vorgegebenen Kanäle genau frei bleiben.

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In der nachgeordneten Fixier-, Mess- und Prüfstation 36 wird noch einmal festgestellt, ob die Folie die notwendige Kohlebeschichtung aufweist. Soweit es sich um den Elektrolyten handelt, der hier beschichtet wird, würde gleichzeitig oder im Anschluss daran auch von unten die Beklebung und dann Beschichtung 0 erfolgen. Mit 37 ist die Aufwickelstation bezeichnet. Soweit die Verarbeitung nicht zufrieden stellend erfolgt ist oder von unten her noch eine Beschichtung notwendig ist, erfolgt über 38 und 45 eine überprüfung und Zusatzbeschichtung in der Nachbearbeitung 45.

5 Bei Fig. 5 ist eine Anlage gezeigt, die im Wesentlichen der nach Fig. 4 entspricht. Hier werden allerdings Keramikplatten 23 verarbeitet, die zunächst einmal zu vereinzeln sind. Diese einzelne Keramikplatte 23 gelangt dann vom Plattenspeicher 41 über das Transportsystem 42 zum Stütz-, Heiz- und Umlenksystem 29. Die Keramikplatte 23 wird punktförmig mit Kleber über die Kleber- 0 Zuführung 31 und den stehenden Rakel 32 versehen, wobei die rotierende

Endlosschablone 30 für die genaue Anordnung der Rapporte 39 Sorge trägt. Nach Durchlaufen der gesamten Anlage werden die fertigen Keramikplatten 23 dem

Ablagestapel 43 zugeführt, gegebenenfalls nach Umwenden und Ergänzen der Beschichtung. Die Wendevorrichtung ist mit 44 versehen. Auch hier kann eine Nachbehandlung bzw. Nachbearbeitung 45 erfolgen, wobei mit 38 das Bild der Kleberpunkte wiedergegeben ist.

Fig. 6 schließlich zeigt eine Trägerfolie 40, die mit immer gleichen Rapport 39, 39' versehen ist. Auf den Rapports erkennbar sind die kanal- bzw. mäander- förmigen Strukturen 25. Die Schichtdicke der einzelnen Kohlekugeln kann durch die Kugeldurchmesser und mehrfachen Kohleauftrag je nach Erfordernis variiert werden.

Die vorliegende und durch die genannten Figuren erläuterte Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass durch die Kugelkohle, die hier zum Einsatz kommt, große Oberflächen vorgegeben sind, und zwar auch wenn zur Unter- Stützung eine bestimmte Katalysatorschicht auf die Kugelkohle erst aufgebracht wird. Die Kugelkohle ist elektrisch leitfähig. Durch die Stapellücken ergeben sich automatisch eine vorteilhafte Strömungsmechanik und dies auch dann, wenn wie nach Fig. 7 zunächst einmal die einzelnen kugelförmigen Kohleelemente 15, 16, 17 auf der Elektrolytfolien 27 dicht bei dicht angeordnet sind. Durch das an- schließende Tränken mit Elektrolytflüssigkeit ergeben sich dann nach der rechten Darstellung nach Fig. 7 automatisch vorteilhafte Strömungskanäle 26, 26', durch die die Prozessmedien so strömen können, dass die angestrebte Wirkung optimal erreicht wird. Die gesamte Herstellung und Darstellung dieser Elektroden in Form von Kathode 5 und Anode 6 sowie letztlich auch der Elektrolytmembran 7 ermöglicht es, entsprechende Brennstoffzellen 1 nach einem serientauglichen Verfahren herzustellen. Damit verbunden sind erhebliche technische und wirtschaftliche Vorteile.

Fig. 8 zeigt eine erste Variante, wie eine Zelle 2, 2' aufgebaut sein kann. Die die einzelnen Zellen begrenzenden Bipolarplatten 9, 9', 9" sind mit den Zu- und Abführungen für die Prozessmedien ausgerüstet, und zwar in Form hier nicht gesondert gekennzeichneter Kanäle auch für die Kühlmedien. Die zwischen zwei

Zellen 2, 2' angeordnete Bipolarplatte ist dabei so ausgebildet, dass sie beide Zellen 2, 2' entsprechend mit dem Prozessmedien versorgt. Zwischen zwei solcher Bipolarplatten 2, 2' und auch 2, 2" sind als Katalysatoren die Anode 6 und die Kathode 5 angeordnet, wobei diese Anode 6 und Kathode 5 als mit Kohlen- staub versetzte textile Schichten ausgebildet und die damit auch sehr zweckmäßig herzustellen sind. Die Elektrolytmembranoberfläche 48 wird entsprechend mehr oder weniger strukturiert ausgebildet, wobei es sich hier um eine keramische oder mit Elektrolytflüssigkeit getränkte Folie handelt, oder aber eben entsprechende Elektrolytplatten. Die Elektrolytmembran ist mit dem Bezugszeichen 7 versehen.

Nach Fig. 9 ist die zwischen den Zellen 2, 2' ausgebildete Bipolarplatte 9 ¹ wiederum so ausgebildet, dass in ihr die Zu- und Abführungen der Prozessmedien integriert sind, und zwar in Form von Kanälen auch für die Kühlmedien. Die Pole mit den in Reihe geschalteten Zellen 2, 2' sind ebenfalls in die Bipolarplatten integriert. Die mit Kohlekugeln beschichteten Elektrolytmembranoberfläche ist beidseitig mit kugelförmigen Kohleelementen 15, 16, 17 beschichtet und die Katalysatoren in Form der Kathode 5 und Anode 6 sind dicht entsprechend angeformt, wodurch sich günstige Baumaße ergeben. Beide Zellen 2, 2' sind gleich aufgebaut und wie schon erwähnt über die gemeinsame Bipolarplatte 9, 9' voneinander getrennt.

Fig. 10 zeigt den Aufbau einer Brennstoffzelle 1 , hier dargestellt anhand von zwei nebeneinander angeordneten Zellen 2, 2 ^J , wobei bei der Zelle 2 die Bipolarplatten 9, 9', 9" im Aufbau denen nach Fig. 9 entsprechen. Dies bedeutet, dass in der mittleren Bipolarplatte 9' die Zu- und Abführungen der Prozessmedien integriert sind in Form entsprechender Kanäle. Bei den Katalysatoren in Form der Kathode und auch der Anode 5, 6 sind die Kohlekugeln bzw. die kugelförmigen Kohleelemente 15, 16, 17 auf separat beschichteten Trägerfolien 49, 50 angeordnet. Die Elektrolytmembran 7 ist als Keramikplatte oder mit Elektrolytflüssigkeit getränkte Folie verwirklicht. Bei der Elektrolytmembran ist eine mit Kohle beschichtete zusätzliche Trägerfolie vorgeschlagen und nicht eine beidseitig beschichtete Elektrolytmembran.

Als Variante ist dann bei Fig. 10 ergänzend vorgeschlagen, die Elektrolytmembran 6, T einseitig mit kugelförmigen Kohleelementen 15, 16, 17 zu beschichten und auf der anderen Seite eine mit Kohle beschichtete separate Trägerfolie 50/5 als Katalysatorschicht einzusetzen. Dies ist in der Zelle 2' verwirklicht. Der Aufbau dieser separaten Trägerfolie entspricht der der Folie 49/5.

Eine besonders vorteilhafte Ausführung einer Zellenkombination 2, 2' zeigt Fig. 11. Hierbei sind die Bipolarplatten zu Polplatten bzw. Polkatalysatoren 52, 53 verändert. Diese Polplatten bzw. Polkatalysatoren 52, 53 können mit Stromfahnen 56, 57 versehen werden. Die Zellelemente 2, 2' können dann einzeln verschaltet und angesteuert werden, sowie nach Bedarf in Reihe oder parallel geschaltet werden. Diese Polkatalysatoren 52, 53 sind als biegsame, wickelfähige Folien ausgebildet, die elektrisch leitend sind. Einseitig sind diese Folien mit Kohle als Katalysatorfläche beschichtet. Die Polkatalysatoren 51 , 53 sind mit öffnungen versehen, um für die Prozessmedien einen Zugang zur Katalysatoroberfläche zu schaffen.

Die Katalysatoren bestehen hier eigentlich nur aus den kugelförmigen Kohleelementen 15, 16, 17 auf den Polkatalysatoren 52, 53. Als Elektrolytmembran dienen keramische Platten oder mit Elektrolytflüssigkeit getränkte Folien 7. Entsprechend dem Aufbau sind die Polkatalysatoren 52, 53 zusätzlich mit dem Bezugszeichen 5 und 6 versehen. Zwischen den einzelnen Zellen 2, 2' ist eine Isolierfolie 54, 55 vorgesehen, die mit öffnungen bzw. Durchbrüchen versehen sind, die als Strömungskanäle für Prozess- und Kühlmedien dienen .

Als besonderer Vorteil dieser Ausbildung nach Fig. 11 ist zu nennen, dass die eigentliche Elektrolytmembran ohne Kohlebelag optimiert werden kann. Die Bipolarplatte 9, 9' ist hier eine „einfache" Polplatte, die als solche genutzt werden kann und die mit einem preiswerten großtechnischen Verfahren „von der Rolle" zu fertigen ist. Sie wird mit den kugelförmigen Kohleelementen 15, 16, 17, die entsprechend aufgebracht werden, dann zum Polkatalysator 52, 52". Weiter ist von

Vorteil, dass hier jede beliebige Verschaltung möglich ist und insbesondere bei Ausfall einer der Zellen 2, 2', 2" problemlos die gesamte Brennstoffzelle 1 weiterbetrieben werden kann, weil nur eine entsprechende Umschaltung notwendig ist, nicht aber die Entsorgung der gesamten Brennstoffzelle 1.

Fig. 12 schließlich zeigt eine Anlage, mit der entsprechende Folien 22 und auch Keramikplatten 23 hergestellt werden können, und zwar solche, die auf beiden Seiten, d. h. auf der Vorderseite 60 und der Rückseite 59 mit kugelförmigen Kohleelementen 15, 16, 17 beschichtet werden können. Die Vorderseite 60, hier die untere Seite, ist bereits mit einer Kohlebeschichtung bzw. einem Rapport 39 versehen. Es geht hier bei der gezeigten Anlage nun darum, auch die bisherige Unterseite oder Rückseite 59 auch noch mit einer entsprechenden Beschichtung bzw. einem Rapport zu versehen. Durch erneutes Abwickeln der Folie 22 bzw. der Elektrolytmembran kann mit der hier gezeigten Anlage eine zweite Kohleschicht 39" auf die Rückseite 59 aufgetragen werden. Durch die Synchronisierung des Folienvorschubes und der rotierenden Endlosschablone 30 werden die Nutzen bzw. Rapporte 39 von der Vorder- und Rückseite 60, 59 deckungsgleich aufgetragen.

Entsprechend wird mit keramischen Elektrolytplatten bzw. Keramikplatten

23 verfahren, die in einem zweiten Beschichtungsgang auf der Rückseite mit Kohle beschichtet werden können, indem die kugelförmigen Kohleelemente 15, 16, 17 durch geeignete Synchronisation von Plattenvorschub und Schablonendrehung deckungsgleich mit der Vorderseite 60 aufgetragen werden. Bei der in Fig. 12 gezeigten Ausführung der Anlage kann gleichzeitig auch eine

Trägerschicht 62, die elastisch und weich ausgebildet ist, unter der Folie 22 geführt und auf die Oberseite der bereits aufgebrachten Rapporte 39 aufgebracht werden, so dass diese vorteilhaft geschützt sind. Die Trägerschicht 62 wird hierzu von einer Reserverolle 63 abgerollt bzw. gezielt geführt und an die Oberseiten der schon aufgebrachten Rapporte 39, 39' aufgelegt. Diese Reserverolle 63 ist ähnlich wie die Stützrollen 65, 66 aufgebaut und angeordnet, nur dass bei der

Reserverolle 63 auch bei Bedarf die Trägerschicht 62 mit abgerollt werden kann oder wie hier dargestellt auch nur angefügt werden kann.

Mit 67 ist die Aufnahmerolle bezeichnet, die die Folie 22 aufgenommen hat, die bereits einseitig mit Rapporten 39 versehen ist. Hierzu wird, wie auch im ersten Beschichtungsvorgang über die rotierende Endlosschablone 30 mit der Kleberzuführung 31 und dem stehenden Rakel 32 zunächst einmal eine Kleberschicht 68 aufgebracht, deren Zustand über die Fixier-, Meß- und Prüfstation 33 überprüft und dann durch eine Schicht von kugelförmigen Kohleelementen 15, 16, 17 über das Streuaggregat 34 abgedeckt wird. Indem dann in der nachfolgenden Absaugung 35 die überflüssigen kugelförmigen Kohleelemente entnommen werden, ergibt sich dann der genaue Rapport 39", dessen Lage, so wie vorgesehen, in der nachfolgenden Nachbearbeitung 45 gegebenenfalls noch mal überprüft wird.

Alle genannten Merkmale, auch die den Zeichnungen allein zu entnehmenden, werden allein und in Kombination als erfindungswesentlich angesehen.