DE69417567T2

DE69417567T2 - Verfahren und einrichtung zur oxidierung von kohlenstoffmonoxid in dem reaktantstrom einer elektrochemischen brennstoffzelle

Info

Publication number: DE69417567T2
Application number: DE69417567T
Authority: DE
Inventors: Vesna Basura; James Dudley; Gordon J. Lamont; Henry H. Voss; David P. Wilkinson
Original assignee: Siemens VDO Electric Drives Inc
Current assignee: Siemens VDO Electric Drives Inc
Priority date: 1993-09-24
Filing date: 1994-09-14
Publication date: 1999-10-14
Anticipated expiration: 2014-09-15
Also published as: CA2172167A1; WO1995008851A1; AU7649394A; EP0720781B1; US5432021A; AU685845B2; DE69417567D1; CA2172167C; EP0720781A1

Description

Gebiet der Erfindung: Die vorliegende Erfindung betrifft die Behandlung der Reaktantengasströme elektrochemischer Brennstoffzellen. Mehr im besonderen betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Oxidieren des im eintretenden Reaktantenbrennstoffstrom vorhandenen Kohlenmonoxids und/oder des durch die umgekehrte Wasser- Shift-Reaktion im Reaktantenstrom einer elektrochemischen Brennstoffzelle erzeugten Kohlenmonoxids.
Hintergrund der Erfindung: Elektrochemische Brennstoffzellen verwandeln Brennstoff und Oxidationsmittel in Elektrizität und Reaktionsprodukt. In elektrochemischen Brennstoffzellen, die Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel verwenden, ist das Reaktionsprodukt Wasser. Solche Brennstoffzellen verwenden im allgemeinen eine Membran-Elektroden-Anordnung ("MEA"), bestehend aus einem festen Polymerelektrolyt oder einer Ionenaustauschmembran, die zwischen zwei aus porösem, elektrisch leitendem Blattmaterial, normalerweise Kohlefaserpapier, bestehenden Elektroden angeordnet ist. Die MEA enthält eine Lage Katalysator, typischerweise in Form von feinverteiltem Platin, an jeder Membran/Elektrode-Grenzfläche, um die gewünschte elektrochemische Reaktion zu induzieren. Die Elektroden sind elektrisch verbunden, um einen Weg für die Elektronenleitung zwischen den Elektroden durch eine externe Last vorzusehen.
An der Anode durchdringt der Brennstoff das poröse Elektrodenmaterial und reagiert an der Katalysatorlage unter Bildung von Kationen, die durch die Membran zur Kathode wandern. An der Kathode reagiert das zugeführte sauerstoffhaltige Gas an der Katalysatorlage unter Bildung von Anio nen. Die an der Kathode gebildeten Anionen reagieren mit den Kationen, wodurch die elektrochemische Reaktion vervollständigt und ein Reaktionsprodukt gebildet wird.
In elektrochemischen Brennstoffzellen, die Wasserstoff als Brennstoff und sauerstoffhaltige Luft (oder im wesentlichen reinen Sauerstoff) als Oxidationsmittel verwenden, erzeugt die katalysierte Reaktion an der Anode Wasserstoffkationen (Protonen) aus dem zugeführten Brennstoff. Die Ionenaustauschmembran erleichtert die Wanderung der Wasserstoffionen von der Anode zur Kathode. Zusätzlich dazu, daß sie die Wasserstoffionen führt, isoliert die Membran den wasserstoffhaltigen Brennstoffstrom vom sauerstoffhaltigen Oxidationsmittelstrom. An der Kathode reagiert der Sauerstoff an der Katalysatorlage unter Bildung von Anionen. Die an der Kathode gebildeten Anionen reagieren mit den Wasserstoffionen, die die Membran durchquert haben, wodurch die elektrochemische Reaktion vervollständigt und flüssiges Wasser als Reaktionsprodukt gebildet wird.
In herkömmlichen Brennstoffzellen befindet sich die MEA zwischen zwei fluidundurchlässigen, elektrisch leitenden Platten, die üblicherweise als Anoden- bzw. Kathodenplatte bezeichnet werden. Die Platten bestehen typischerweise aus Graphit, einem Graphitverbundstoff, wie Graphit/Epoxy, können aber auch aus anderen geeigneten elektrisch leitenden Materialien gebildet sein. Die Platten dienen als Stromkollektoren, bieten strukturelle Stütze für die porösen, elektrisch leitenden Elektroden, bieten Mittel, um Brennstoff und Oxidationsmittel zur Anode bzw. Kathode zu tragen, und bieten Mittel zur Entfernung des während des Betriebs der Brennstoffzelle gebildeten Wassers. Wenn die Kanäle in der Anoden- und Kathodenplatte ausgebildet sind, bezeichnet man die Platten als Fluid-Strömungsfeldplatten. Wenn die Anoden- und Kathodenplatte über Kanälen liegen, die in dem porösen Material der Anode und der Kathode ausgebildet sind, bezeichnet man die Platten als Separatorplatten.
Reaktantenzuführsammelleitungen sind im allgemeinen in der Anoden- und Kathodenplatte sowie in der MEA ausgebildet, um über die in den Fluid-Strömungsfeldplatten oder den Elektroden selbst ausgebildeten Kanäle Brennstoff (typischerweise ein im wesentlichen reiner Wasserstoffgasstrom oder wasserstoffhaltiger Reformatgasstrom aus der Umwandlung von Kohlenwasserstoffen wie Methanol oder Erdgas) zur Anode und Oxidationsmittel (typischerweise im wesentlichen reiner Sauerstoff oder sauerstoffhaltiges Gas) zur Kathode zu führen. Ablaßsammelleitungen sind im allgemeinen ebenfalls in der Anoden- und Kathodenplatte sowie der MEA ausgebildet, um nicht umgesetzte Komponenten des Brennstoff- und des Oxidationsmittelstroms sowie das an der Kathode angesammelte Wasser aus der Brennstoffzelle zu führen.
Mehrfache Brennstoffzellenanordnungen, die zwei oder mehr Anodenplatte/MEA/Kathodenplatte-Kombinationen umfassen und als Brennstoffzellenstapel (Stack) bezeichnet werden, können in Serienschaltung (oder parallel) verbunden werden, um die gesamte Energieleistung nach Wunsch zu erhöhen. In solchen Stapelanordnungen sind die Zellen meist in Serie verbunden, wobei eine Seite einer gegebenen Fluid-Strömungsfeldplatte oder Separatorplatte die Anodenplatte für eine Zelle und die andere Seite der Platte die Kathodenplatte für die benachbarte Zelle ist u. s. w.
Perfluorsulfonsäure-Ionenaustauschmembranen, wie die von DuPont unter der Handelsbezeichnung Nation verkauften, wurden wirksam in elektrochemischen Brennstoffzellen verwendet. Brennstoffzellen, in denen Kationenaustauschmembranen vom Nation-Typ verwendet werden, erfordern, daß das angesammelte Wasser von der Kathodenseite (Oxidationsmittelseite) ent fernt wird, weil Wasser mit den Kationen durch die Membran transportiert wird und Produktwasser an der Kathode durch die elektrochemische Reaktion von Wasserstoffkationen mit Sauerstoff gebildet wird. Eine Perfluorsulfonsäure-Versuchs- Ionenaustauschmembran, die von Dow Chemical Company unter der Handelsbezeichnung XUS 13204.10 verkauft wird, scheint signifikant weniger Wasser mit Wasserstoffkationen durch die Membran zu transportieren. Brennstoffzellen, in denen die Versuchsmembran von Dow verwendet wird, neigen also dazu, weniger an der Kathodenseite (Oxidationsmittelseite) anzusammeln, da das an der Kathode angesammelte Wasser im wesentlichen auf das aus der elektrochemischen Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff gebildete Produktwasser beschränkt ist.
Kürzlich wurden Anstrengungen unternommen, Wege zu finden, um elektrochemische Brennstoffzellen zu betreiben, die einen anderen Brennstoff als reinen Wasserstoff verwenden. Brennstoffzellensysteme, die mit reinem Wasserstoff arbeiten, sind wegen der Kosten für die Erzeugung und Lagerung von reinem Wasserstoffgas im allgemeinen von Nachteil. Außerdem ist die Verwendung von flüssigem Brennstoff gegenüber reinem Wasserstoff in Flaschen in mobilen Anwendungen und in Anwendungen von Brennstoffzellen in Fahrzeugen vorzuziehen.
Neuere Bestrebungen haben sich auf die Verwendung eines unreinen Wasserstoff-Brennstoffstroms konzentriert, der aus der chemischen Umwandlung von Kohlenwasserstoffbrennstoffen in Wasserstoff und Kohlenstoff-Nebenprodukte erhalten wird. Um jedoch für Brennstoffzellen und andere ähnliche auf Wasserstoff basierende chemische Anwendungen nützlich zu sein, müssen Kohlenwasserstoff-Brennstoffe wirksam in relativ reinen Wasserstoff mit nur einer minimalen Menge unerwünschter chemischer Nebenprodukte, wie Kohlenmonoxid, umgewandelt werden.
Die Umwandlung von Kohlenwasserstoffen in Wasserstoff erfolgt im allgemeinen durch Dampfreformation eines Kohlenwasserstoffs wie Methanol in einem Reaktor, der manchmal als Reformer bezeichnet wird. Der wasserstoffhaltige Strom, der aus dem Reformer austritt, wird im allgemeinen als Reformatstrom bezeichnet. Die Dampfreformation von Methanol wird durch die folgende chemische Gleichung dargestellt:
CH&sub3;OH + H&sub2;O + Wärme 3 H&sub2; + CO&sub2; (1)
Aufgrund konkurrierender Reaktionen enthält das anfangs durch die Dampfreformation von Methanol erzeugte Gasgemisch typisch etwa 65 bis etwa 75 Vol. -% Wasserstoff, etwa 10 bis etwa 25 Vol.-% Kohlendioxid sowie etwa 0,5 bis etwa 20 Vol.-% CO, alles bezogen auf Trockenbasis (zusätzlich kann Wasserdampf in dem Gasstrom anwesend sein). Das von dem Dampfreformer erzeugte Anfangsgasgemisch kann weiter durch einen Shift-Reaktor (manchmal als Shift-Konverter bezeichnet) weiterverarbeitet werden, um den CO-Gehalt auf etwa 0,2 bis 2 Vol.-% (auf Trockenbasis) zu reduzieren. Die in dem Shift-Konverter auftretende katalysierte Reaktion wird durch die folgende chemische Gleichung dargestellt:
CO + H&sub2;O CO&sub2; + H&sub2; (2)
Selbst nach einer Kombination von Dampfreformer/Shift-Konverterverarbeitung enthält das Produktgasgemisch kleinere Mengen CO und verschiedene Kohlenwasserstoffspezies, typischerweise etwa 5 Vol.-% oder weniger (auf Trockenbasis) des gesamten Produktgemischs.
In Tieftemperaturanwendungen von Brennstoffzellen auf Wasserstoffbasis ist die Anwesenheit von CO in dem Einlaßbrennstoffstrom selbst bei einem Gehalt von 0,1 bis 1% im allgemeinen inakzeptabel. In Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzellen wird die elektrochemische Reaktion typischerweise durch ein aktives katalytisches Material katalysiert, das ein Edelmetall, wie Platin, aufweist. Kohlenmonoxid wird vorzugsweise an der Oberfläche von Platin adsorbiert, besonders bei Temperaturen unter etwa 150ºC, wodurch der Katalysator wirksam vergiftet und die Effizienz der gewünschten elektrochemischen Wasserstoffoxidationsreaktion signifikant vermindert wird. Ein Dampfreformer/Shift-Konverterprozeß kann herangezogen werden, um die Menge CO in dem wasserstoffhaltigen Reformatgasstrom auf weniger als etwa 100 ppm zu reduzieren. Um einen solchen CO-haltigen Reformatstrom als Brennstoffstrom für eine Brennstoffzelle einzusetzen, muß die Brennstoffzelle in der Lage sein, mit dem im Reformatstrom vorhandenen CO umzugehen (d. h. der in den MEAs vorhandene Katalysator darf nicht vergiftet werden). Zusätzlich zum CO-Gehalt des Reformatstroms kann CO auch in der Brennstoffzelle durch die umgekehrte Wasser-Shift-Reaktion erzeugt werden:
CO&sub2; + H&sub2; CO + H&sub2;O (3)
In typischen Reformat-Brennstoffströmen beträgt die Gleichgewichtskonzentration von CO aus dieser Reaktion etwa 100 ppm nahe Raumtemperatur.
Das vorliegende Verfahren und die Vorrichtung oxidieren das Kohlenmonoxid, das in dem eintretenden Reaktantenstrom einer Brennstoffzelle vorhanden ist und/oder durch die umgekehrte Wasser-Shift-Reaktion (Reaktion (3) oben) erzeugt wird. Die Oxidation von Kohlenmonoxid ist besonders wichtig, wenn der Elektrokatalysator die umgekehrte Wasser-Shift-Reaktion fördert, wie das bei platinhaltigen Katalysatoren der Fall ist.
Watkins' et al., kanadisches Patent Nr. 1305212 mit dem Titel "Method for Operating a Fuel Cell on Carbon Monoxide Containing Fuel Gas" offenbart die Oxidation von Kohlenmonoxid, das in einem Brennstoffgas vorhanden ist, welches in eine Niedrigtemperatur-Brennstoffzelle mit einem festen Polymerelektrolyten und einem Edelmetallkatalysator wie Platin, Rhodium oder Ruthenium in der Anode eingeführt wird. Das Verfahren beinhaltet (a) die Umsetzung des Brennstoffgases mit einem sauerstoffhaltigen Gas, (b) das Inkontaktbringen des resultierenden Brennstoffgasgemischs mit einem geeigneten Katalysator, um Kohlenmonoxid selektiv in Kohlendioxid überzuführen und dabei den Kohlenmonoxidgehalt in dem Brennstoffgas auf Spurenmengen zu reduzieren, und (c) das Zuführen des resultierenden, im wesentlichen kohlenmonoxidfreien Brennstoffgases in die Brennstoffzelle.
Das Gottesfeld US-Patent 4910099 mit dem Titel "Preventing CO Poisoning In Fuel Cells" offenbart das Einführen von Sauerstoff (O&sub2;) in den Brennstoffstrom, bevor dieser in die Brennstoffzelle eingeführt wird, um in dem der Brennstoffzelle zugeführten Reformat-Brennstoffstrom vorhandenes CO zu entfernen. Der so eingeführte Sauerstoff ist entweder im wesentlichen reines O&sub2; oder sauerstoffhaltige Luft.
Watkins' selektive Oxidation von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid und Gottesfelds Einführen von Sauerstoff in den Reformat-Brennstoffstrom vor dem Einführen des Brennstoffstroms in die Brennstoffzelle entfernen beide wirksam anfangs in dem Brennstoffstrom vorhandenes CO. Die Entfernung von CO stromauf von der Brennstoffzelle beeinflußt jedoch die weitere Erzeugung von CO in dem Reaktanten-Brennstoffstrom der Brennstoffzelle durch die umgekehrte Wasser-Shift-Reaktion nicht. Im Hinblick darauf fördert die Entfernung von CO aus dem Brennstoffstrom durch selektive Oxidation und/oder anfängliches Einführen von Sauerstoff die Produktion von CO durch die umgekehrte Wasser-Shift-Reaktion (d. h. die obige Reaktion (3) wird nach rechts verschoben), wegen der beträchtlichen Gegenwart von Kohlendioxid und Wasserstoff in dem Brennstoffstrom sowie der Gegenwart des Platin-Elektrokatalysators in der Brennstoffzelle. Um in dem Reaktantenstrom der Brennstoffzelle erzeugtes CO wirksam zu entfernen, soll te Oxidationsmittel (im wesentlichen reiner Sauerstoff oder sauerstoffhaltige Luft) eingeführt werden, und zwar vorzugsweise im wesentlichen gleichmäßig über den aktiven Bereich der Brennstoffzelle, in dem der Elektrokatalysator vorhanden ist. Das gleichmäßige Einführen von Oxidationsmittel ist speziell wirksam für Brennstoffzellenkonstruktionen mit großen aktiven Bereichen und wo die Verweilzeit des Reformatstroms in der Brennstoffzelle länger ist.
Selbst in Abwesenheit der umgekehrten Wasser-Shift-Reaktion ist das gleichmäßige Einführen und Verteilen von Sauerstoff über den aktiven Bereich der Brennstoffzelle vorteilhaft. Was das betrifft, fördert das gleichmäßige Einführen und Verteilen von O&sub2; über den aktiven Bereich der Brennstoffzelle das Aufrechterhalten eines gleichmäßigen Temperaturprofils über den aktiven Bereich, indem ein Temperaturanstieg aus den Oxidationsreaktionen (Reaktionen (1) und (2) oben) verhindert wird. Ein gleichmäßiges Temperaturprofil verhindert seinerseits die lokale Erhitzung und das Sintern des Katalysators. Das Sintern des Katalysators kann die Oberfläche des Katalysators verkleinern, den Massetransport durch den Katalysator hemmen und die Porosität des Katalysators senken, wodurch die Fähigkeit des Katalysators zur Förderung der gewünschten elektrochemischen Reaktionen in der Brennstoffzelle vermindert wird. Das gleichmäßige Einführen und Verteilen von Sauerstoff in den aktiven Bereich der Brennstoffzelle bewirkt also nicht nur die Oxidation von Kohlenmonoxid, sondern hält auch ein vorteilhaftes gleichmäßiges Temperaturprofil über dem aktiven Bereich aufrecht.
Folglich ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Reduktion der Konzentration von Kohlenmonoxid in einer Wasserstoff enthaltenden Gasmischung zu bieten, sodaß die Mischung für die Verwendung als Brennstoffstrom für elektrochemische Brennstoffzellen und für andere Anwendungen, die Katalysatoren einsetzen, die durch höhere Kohlenmonoxidkonzentrationen nachteilig beeinflußt werden, geeignet wird.
Es ist auch ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Oxidation von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid in einem Reaktantenstrom innerhalb einer elektrochemischen Brennstoffzelle vorzusehen.
Ein anderes Ziel der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Oxidation von durch die umgekehrte Wasser-Shift-Reaktion erzeugten Kohlenmonoxid in einem Wasserstoff enthaltenden Reformatgasgemisch vorzusehen, indem Sauerstoff oder eine sauerstoffhaltige Gasmischung an Stellen entlang des Reaktionsweges innerhalb der Brennstoffzelle eingeführt wird.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Oxidation von Kohlenmonoxid in einem Wasserstoff enthaltenden Reformatgasgemisch vorzusehen, indem Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch an verschiedenen Stellen entlang des Reaktionsweges in den aktiven Bereich einer Brennstoffzelle eingeführt wird.
Noch ein weiteres Ziel der Erfindung ist das Bereitstellen eines Verfahrens und einer Vorrichtung für das gleichmäßige Einführen und Verteilen von Sauerstoff oder einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch in den aktiven Bereich einer Brennstoffzelle, um ein gleichmäßiges Temperaturprofil über den aktiven Bereich aufrechtzuerhalten.

Zusammenfassung der Erfindung:

Die obigen und andere Ziele erreicht man durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Oxidieren von Kohlenmonoxid im Reaktantenstrom, insbesondere im Brennstoffstrom einer elektrochemischen Brennstoffzelle. In einer ersten Ausführungsform des Verfahrens wird Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid oxidiert, wenn das Kohlenmonoxid in einem Reaktantenstrom einer elektrochemischen Brennstoffzelle vorhanden ist. Die Brennstoffzelle hat einen Reaktantenstromeinlaß und einen Reaktantenstromauslaß, und der Reaktantenstrom enthält Wasserstoff, Kohlendioxid und gegebenenfalls Kohlenmonoxid. Das Verfahren umfaßt:
Vorsehen einer elektrochemischen Brennstoffzelle mit einem Brennstoffstromeinlaß, einem Brennstoffstromauslaß, mindestens einem Strömungsweg, der einen Brennstoffstrom zwischen dem Brennstoffstromeinlaß und dem Brennstoffstromauslaß führt, und einem elektrochemisch aktiven Bereich, durch welchen sich mindestens ein Teil des Strömungswegs erstreckt, wobei der Brennstoffstrom Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasserstoff enthält;
Einführen eines ersten sauerstoffhaltigen Gasstroms in den Brennstoffstrom durch eine erste Öffnung, die in dem elektrochemisch aktiven Bereich zwischen dem Brennstoffstromeinlaß und dem Brennstoffstromauslaß angeordnet ist;
Inkontaktbringen des Brennstoffstroms einschließlich des ersten sauerstoffhaltigen Gasstroms mit einem Katalysator, der sich in dem Strömungsweg der Brennstoffzelle befindet, wobei dieser Katalysator die Oxidation von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid fördert;
Einführen eines zweiten sauerstoffhaltigen Gasstroms in den Brennstoffstrom durch mindestens eine Sekundäröffnung, die sich in dem elektrochemisch aktiven Bereich befindet und von der ersten Öffnung beabstandet ist, zwischen der ersten Öffnung und dem Brennstoffstromauslaß;
und weiter Inkontaktbringen des Brennstoffstroms und des zweiten sauerstoffhaltigen Gasstroms mit dem Katalysator, wobei die Oxidation von Kohlenmonoxid weiter gefördert wird, sodaß die Konzentration von Kohlenmonoxid in dem Brennstoffstrom am Brennstoffstromauslaß niedriger als oder gleich der Konzentration von Kohlenmonoxid am Brennstoffstromeinlaß ist.
Der Katalysator befindet sich vorzugsweise im elektrochemisch aktiven Bereich der Brennstoffzelle, kann aber auch in anderen Teilen der Brennstoffzelle als im elektrochemisch aktiven Bereich vorhanden sein, wie in Reaktantensammelleitungen oder dem optionalen Befeuchtungsabschnitt, wenn er mit dem Brennstoffzellenstapel integral ist.
In bevorzugten Ausführungsformen jedes Verfahrens umfaßt die mindestens eine Sekundäröffnung vorzugsweise eine Vielzahl von Sekundäröffnungen, die sich zwischen der ersten Öffnung und dem Reaktantenstromauslaß befinden. Die erste Öffnung und die mindestens eine Sekundäröffnung sind vorzugsweise entlang des Weges des Reaktantenstroms zwischen dem Reaktantenstromeinlaß und dem Reaktantenstromauslaß beabstandet, sodaß die Sauerstoffkonzentration in dem Reaktantenstrom zwischen dem Reaktantenstromeinlaß und dem Reaktantenstromauslaß im wesentlichen konstant gehalten wird. Die Öffnungen sind am bevorzugtesten gleichmäßig entlang des Weges des Reaktantenstroms zwischen dem Reaktantenstromeinlaß und dem Reaktantenstromauslaß beabstandet. Wenn der Reaktantenstrom weiter Sauerstoff enthält, kann der sauerstoffhaltige Gasstrom vom Reaktantenstrom abgezogen werden.
In einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung wird die Oxidation von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid gefördert, wenn das Kohlenmonoxid in einem Brennstoffstrom einer elektrochemischen Brennstoffzelle vorhanden ist. Der Brennstoffstrom enthält Wasserstoff, Kohlendioxid und gegebenenfalls Kohlenmonoxid. Die Vorrichtung umfaßt:
(a) erste und zweite aus elektrisch leitendem Material gebildete Fluid-Strömungsfeldplatten, wobei das Material der ersten Platte für den Brennstoffstrom im wesentlichen undurchlässig ist, das Material der zweiten Platte für einen sauerstoffhaltigen Oxidationsmittelstrom im wesentlichen undurchlässig ist, die erste Platte einen Einlaß zum Einführen des Brennstoffstroms zu einer Hauptfläche davon und einen Auslaß zum Abführen des Brennstoffstroms von dieser Hauptfläche aufweist, wobei die Hauptfläche mindestens einen Kanal darin ausgebildet hat, um den Brennstoffstrom von dem Brennstoffstromeinlaß zum Brennstoffstromauslaß zu führen;
(b) eine zwischen der ersten und der zweiten Platte angeordnete Membran-Elektroden-Anordnung, die eine erste und eine zweite Elektrodenlage aufweist, wobei die erste Elektrodenlage benachbart zu der Hauptfläche der ersten Platte mit mindestens einem darin ausgebildeten Kanal angeordnet ist, jede der Elektrodenlagen aus porösem, elektrisch leitendem Blattmaterial gebildet ist und Katalysator damit assoziiert hat, wobei der Katalysator einen elektrochemisch aktiven Bereich definiert, und eine zwischen der ersten und der zweiten Elektrodenlage angeordnete Ionenaustauschmembran; wobei in der ersten Platte Einrichtungen zum Einführen eines sauerstoffhaltigen Gasstroms in den Brennstoffstrom an mindestens zwei in dem elektrochemisch aktiven Bereich zwischen dem Brennstoffstromeinlaß und dem Brennstoffstromauslaß verteilten Stellen ausgebildet sind.
Die Einrichtung zum Einführen des sauerstoffhaltigen Gasstroms in den Brennstoffstrom umfaßt eine Vielzahl von Poren in der ersten Platte. Alternativ umfaßt die Einrichtung zum Einführen des sauerstoffhaltigen Gasstroms in den Brennstoffstrom eine Vielzahl gefräster Öffnungen in der ersten Platte. Die Vielzahl von Öffnungen ist vorzugsweise in der ersten Platte ausgebildet, sodaß die Öffnungen im wesentlichen dem mindestens einen Kanal benachbart sind, wenn die erste Platte benachbart zur ersten Elektrodenlage angebracht ist. Die Vielzahl von Öffnungen ist am bevorzugtesten gleichmäßig zwischen dem Brennstoffstromeinlaß und dem Brennstoffstromauslaß beabstandet, sodaß die Konzentration des sauerstoffhaltigen Gases in dem Brennstoffstrom zwischen dem Brennstoffstromeinlaß und dem Brennstoffstromauslaß im wesentlichen konstant gehalten wird. Der sauerstoffhaltige Gasstrom kann aus dem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittelstrom abgezogen werden. In diesem Fall wird der sauerstoffhaltige Gasstrom vorzugsweise aus dem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittelstrom durch die Ionenaustauschmembran abgezogen. Wenn der Brennstoffstrom weiter Sauerstoff aufweist, wird der sauerstoffhaltige Gasstrom vorzugsweise aus dem Brennstoffstrom abgezogen.
Das Mittel, um den Brennstoffstrom vom Brennstoffstromeinlaß zum Brennstoffstromauslaß zu führen, umfaßt mindestens einen kontinuierlichen Kanal, der den Brennstoffstromeinlaß mit dem Brennstoffstromauslaß verbindet. Dieser kontinuierliche Kanal umfaßt entweder einen einzelnen kontinuierlichen Kanal oder eine Vielzahl von kontinuierlichen Kanälen. Alternativ umfaßt das Mittel, um den Brennstoffstrom vom Brennstoffstromeinlaß zum Brennstoffstromauslaß zu führen, mindestens einen Einlaßkanal, der sich vom Brennstoffstromeinlaß erstreckt, und mindestens einen Auslaßkanal, der sich vom Brennstoffstromauslaß erstreckt, sodaß der Einlaßkanal diskontinuierlich in bezug auf den Auslaßkanal ist. Im Betrieb strömt der Brennstoffstrom vom Einlaßkanal durch die interstitiellen Räume der benachbarten ersten Elektrodenlage zum Auslaßkanal. Der Auslaßkanal umfaßt vorzugsweise mindestens zwei Auslaßkanäle, und jeder der Einlaßkanäle ist vorzugsweise zwischen benachbarten Auslaßkanälen angeordnet, sodaß die Brennstoffstromeinlaß- und die Brennstoffstromauslaßkanäle ineinandergreifen.
In einer zweiten Ausführungsform der Vorrichtung wird Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid oxidiert, wenn das Kohlenmonoxid in einem Brennstoffstrom einer elektrochemischen Brennstoffzelle vorhanden ist. Der Brennstoffstrom umfaßt Wasserstoff, Kohlendioxid und gegebenenfalls Kohlenmonoxid. Die Vorrichtung umfaßt:
(a) erste und zweite aus elektrisch leitendem Blattmaterial gebildete Separatorplatten, wobei das Blattmaterial der ersten Separatorplatte für den Brennstoffstrom im wesentlichen undurchlässig ist und das Blattmaterial der zweiten Separatorplatte für einen sauerstoffhaltigen Oxidationsmittelstrom im wesentlichen undurchlässig ist;
(b) eine zwischen der ersten und der zweiten Separatorplatte angeordnete Membran-Elektroden-Anordnung, die eine erste und eine zweite Elektrodenlage aufweist, die aus porösem, elektrisch leitendem Blattmaterial gebildet sind und Katalysator damit assoziiert haben, wobei der Katalysator einen elektrochemisch aktiven Bereich definiert, und eine zwischen der ersten und der zweiten Elektrodenlage angeordnete Ionenaustauschmembran, wobei die erste Elektrodenlage einen Brennstoffstromeinlaß, einen Brennstoffstromauslaß und Einrichtungen, um den Brennstoffstrom innerhalb der ersten Elektrodenlage zwischen dem Brennstoffstromeinlaß und dem Brennstoffstromauslaß strömen zu lassen, aufweist; wobei in der ersten Separatorplatte Einrichtungen zum Einführen eines sauerstoffhaltigen Gasstroms in den Brennstoffstrom an mindestens zwei in dem elektrochemisch aktiven Bereich zwischen dem Brennstoffstromeinlaß und dem Brennstoffstromauslaß verteilten Stellen ausgebildet sind.
Die Einrichtung zum Einführen des sauerstoffhaltigen Gasstroms in den Brennstoffstrom umfaßt eine Vielzahl von Poren in der ersten Platte. Alternativ umfaßt die Einrichtung zum Einführen des sauerstoffhaltigen Gasstroms in den Brennstoff strom eine Vielzahl gefräster Öffnungen in der ersten Platte. Die Vielzahl von Öffnungen ist vorzugsweise zwischen dem Brennstoffstromeinlaß und dem Brennstoffstromauslaß beabstandet, sodaß die Sauerstoffkonzentration in dem Brennstoffstrom zwischen dem Brennstoffstromeinlaß und dem Brennstoffstromauslaß im wesentlichen konstant gehalten wird. Die Vielzahl der Öffnungen ist am bevorzugtesten im wesentlichen gleichmäßig zwischen dem Brennstoffstromeinlaß und dem Brennstoffstromauslaß beabstandet. Der sauerstoffhaltige Gasstrom kann aus dem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittelstrom abgezogen werden. In diesem Fall wird der sauerstoffhaltige Gasstrom vorzugsweise durch die Ionenaustauschmembran aus dem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittelstrom abgezogen. Wenn der Brennstoffstrom weiter Sauerstoff aufweist, wird der sauerstoffhaltige Gasstrom vorzugsweise aus dem Brennstoffstrom abgezogen. Das Strömungsmittel umfaßt vorzugsweise die interstitiellen Räume in der ersten Elektrodenlage.
Die erste Elektrodenlage weist vorzugsweise mindestens einen Kanal auf, der in der von der Membran wegweisenden Fläche gebildet ist, und die der ersten Elektrodenlage gegenüberliegende Fläche der ersten Separatorlage ist im wesentlichen planar, wobei die Fläche der ersten Elektrodenlage und die benachbarte Fläche der ersten Separatorlage zusammenwirken, um einen Strömungsweg für den Brennstoffstrom innerhalb der ersten Elektrodenlage zu definieren. Die Vielzahl von Öffnungen ist vorzugsweise in der ersten Separatorlage ausgebildet, sodaß die Öffnungen im wesentlichen dem Strömungsweg benachbart angeordnet sind. Der Kanal verbindet vorzugsweise den Brennstoffeinlaß mit dem Brennstoffauslaß. Alternativ umfaßt der Kanal einen ersten Kanal, der sich vom Brennstoffeinlaß erstreckt, und einen zweiten Kanal, der sich vom Brennstoffauslaß erstreckt, wobei der zweite Kanal in bezug auf den ersten Kanal diskontinuierlich ist, wobei der Brennstoffstrom vom ersten Kanal durch die interstitiellen Räume der ersten Elektrodenlage zum zweiten Kanal strömt. Der Auslaßkanal umfaßt vorzugsweise mindestens zwei Auslaßkanäle, und jeder Einlaßkanal ist vorzugsweise zwischen benachbarten Auslaßkanälen angeordnet, sodaß die Brennstoffstromeinlaß- und die Brennstoffstromauslaßkanäle ineinandergreifen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen:

Die Fig. 1 ist eine Seitenansicht eines Brennstoffzellenstapels, der den elektrochemisch aktiven und den Befeuchtungsabschnitt zeigt.
Die Fig. 2 ist eine auseinandergezogene Ansicht einer Brennstoffzelle mit einer Membran-Elektroden-Anordnung, die zwischen zwei Fluid-Strömungsfeldplatten angeordnet ist, die Reaktantenströmungskanäle in den den Elektroden zugewandten Hauptflächen der Platten ausgebildet haben.
Die Fig. 3 ist eine auseinandergezogene Ansicht einer Brennstoffzelle mit einer Membran-Elektroden-Anordnung mit integralen Reaktantenströmungskanälen, die zwischen zwei Separatorplatten angeordnet ist.
Die Fig. 4 ist eine Draufsicht einer Fluid-Strömungsfeldplatte mit einem einzelnen, kontinuierlichen offenen Kanal, der den mittleren Bereich der Platte in einer Vielzahl von Gängen zwischen einem direkt mit einer Fluidzuführöffnung verbundenen Fluideinlaß und einem direkt mit einer Fluidauslaßöffnung verbundenen Fluidauslaß überquert, wie im US-Patent 4988583 beschrieben.
Die Fig. 5 ist eine vergrößerte Schnittansicht der in der Fläche der in der Fig. 2 illustrierten Fluid-Strömungsfeldplatte gebildeten Kanäle.
Die Fig. 6 ist eine Draufsicht einer Fluid-Strömungsfeldplatte mit mehreren kontinuierlichen offenen Kanälen, von denen jeder den mittleren Teil der Platte in einer Vielzahl von Gängen zwischen einem direkt mit einer Fluidzuführöffnung verbundenen Fluideinlaß und einem direkt mit einer Fluidauslaßöffnung verbundenen Fluidauslaß überquert, wie im US-Patent 5108849 beschrieben.
Die Fig. 7 ist eine Draufsicht einer Fluid-Strömungsfeldplatte mit 11 diskontinuierlichen, ineinandergreifenden Fluid-Strömungskanälen, von denen 5 Kanäle Einlaßkanäle sind, die sich von einer Reaktanteneinlaßöffnung erstrecken, und 6 Kanäle Auslaßkanäle sind, die sich von einer Reaktantenauslaßöffnung erstrecken, wobei jeder der Einlaßkanäle zwischen einem Paar von Auslaßkanälen angeordnet ist.
Die Fig. 8 ist eine Draufsicht einer Fluid-Strömungsfeldplatte mit einem Oxidationsmittelentnahmekanal, der darin um den Umfang des elektrochemisch aktiven Bereichs gebildet ist und der gleichmäßig beabstandete sich davon erstreckende Seitenkanäle hat, zum Einführen eines sauerstoffhaltigen Gasstroms von der Oxidationsmittel-Ablaßsammelleitung zu dem durch ein serpentinenförmiges Strömungsfeld strömenden Brennstoffstrom.
Die Fig. 9 ist eine seitliche Schnittansicht in Richtung der Pfeile A-A in der Fig. 8.
Die Fig. 10 ist eine seitliche Schnittansicht einer Fluid- Strömungsfeldplatte, die zwischen einer gasundurchlässigen Separatorlage und einer Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet ist, wobei die Platte eine Vielzahl von Öffnungen (openings or ports) zum Einführen eines sauerstoffhaltigen Reformatgasstroms zur entgegengesetzten Brennstoff-Strömungsfeld seite der Platte aufweist.
Die Fig. 11 ist eine Draufsicht der Brennstoff-Sammelleitungsseite einer Fluid-Strömungsfeldplatte mit zwei Serpentinenkanälen, von denen jeder 15 gleichmäßig beabstandete Öffnungen für das Einführen eines sauerstoffhaltigen Reformatgases zur entgegengesetzten Brennstoff-Strömungsfeldseite der Platte aufweist.
Die Fig. 12 ist eine Draufsicht der Brennstoff-Strömungsfeldseite der in der Fig. 11 illustrierten Fluid-Strömungsfeldplatte mit zwei Serpentinenkanälen, von denen jeder 15 gleichmäßig beabstandete Öffnungen für das Aufnehmen eines sauerstoffhaltigen Reformatgases aufweist, das von der entgegengesetzten Brennstoff-Sammelleitungsseite der Platte eingeführt wird.
Die Fig. 13 ist eine Draufsicht der Brennstoff-Sammelleitungsseite einer Fluid-Strömungsfeldplatte mit zwei Serpentinenkanälen, von denen jeder 30 gleichmäßig beabstandete Öffnungen für das Einführen eines sauerstoffhaltigen Reformatgases zur entgegengesetzten Brennstoff-Strömungsfeldseite der Platte aufweist.
Die Fig. 14 ist eine Draufsicht der Brennstoff-Strömungsfeldseite der in der Fig. 13 illustrierten Fluid-Strömungsfeldplatte mit zwei Serpentinenkanälen, von denen jeder 30 gleichmäßig beabstandete Öffnungen für das Aufnehmen eines sauerstoffhaltigen Reformatgases aufweist, das von der entgegengesetzten Brennstoff-Sammelleitungsseite der Platte eingeführt wird.
Die Fig. 15 ist eine Draufsicht der Brennstoff-Sammelleitungsseite einer Fluid-Strömungsfeldplatte mit 5 diskontinuierlichen Kanälen, von denen jeder eine Vielzahl gleichmäßig beabstandeter Öffnungen für das Einführen eines sauerstoffhaltigen Reformatgases zur entgegengesetzten Brennstoff-Strömungsfeldseite der Platte aufweist.
Die Fig. 16 ist eine Draufsicht der Brennstoff-Strömungsfeldseite der in der Fig. 15 illustrierten Fluid-Strömungsfeldplatte mit 11 diskontinuierlichen ineinandergreifenden Kanälen, von denen 5 eine Vielzahl gleichmäßig beabstandeter Öffnungen für das Aufnehmen eines sauerstoffhaltigen Reformatgases aufweisen, das von der entgegengesetzten Brennstoff- Sammelleitungsseite der Platte eingeführt wird.
Die Fig. 17 ist eine Draufsicht der Brennstoff-Sammelleitungsseite einer Fluid-Strömungsfeldplatte mit 5 diskontinuierlichen Kanälen, von denen jeder eine Vielzahl gleichmäßig beabstandeter Öffnungen für das Einführen eines sauerstoffhaltigen Reformatgases zur entgegengesetzten Brennstoff-Strömungsfeldseite der Platte aufweist.
Die Fig. 18 ist eine Draufsicht der Brennstoff-Strömungsfeldseite der in der Fig. 17 illustrierten Fluid-Strömungsfeldplatte mit 5 Reihen gleichmäßig beabstandeter Öffnungen für das Aufnehmen eines sauerstoffhaltigen Reformatgases, das von der entgegengesetzten Brennstoff-Sammelleitungsseite der Platte eingeführt wird, und 6 diskontinuierlichen Kanälen, die in die Reihen von Öffnungen eingreifend angeordnet sind.
Die Fig. 19 ist eine Draufsicht der Brennstoff-Sammelleitungsseite einer Fluid-Strömungsfeldplatte mit 5 diskontinuierlichen Einlaßkanälen, von denen jeder eine Vielzahl gleichmäßig beabstandeter Einlaßöffnungen für das Einführen eines sauerstoffhaltigen Reformatgases zur entgegengesetzten Brennstoff-Strömungsfeldseite der Platte hat, und 6 diskontinuierlichen Auslaßkanälen, von denen jeder eine Vielzahl gleichmäßig beabstandeter Auslaßöffnungen für das Aufnehmen eines sauerstoffhaltigen Reformatgases von der entgegengesetzten Brennstoff-Strömungsfeldseite der Platte aufweist, wobei die Einlaß- und Auslaßkanäle ineinandergreifend und durch eine Dichtung getrennt angeordnet sind.
Die Fig. 20 ist eine Draufsicht der Brennstoff-Strömungsfeldseite der in der Fig. 19 illustrierten Fluid-Strömungsfeldplatte mit 5 Einlaßkanälen, von denen jeder eine Vielzahl gleichmäßig beabstandeter Einlaßöffnungen für das Aufnehmen eines sauerstoffhaltigen Reformatgases aufweist, das von der entgegengesetzten Brennstoff-Sammelleitungsseite der Platte eingeführt wird, und 6 Auslaßkanälen, von denen jeder eine Vielzahl gleichmäßig beabstandeter Auslaßöffnungen für das Zurückführen von Reformatgas zur entgegengesetzten Brennstoff-Sammelleitungsseite der Platte aufweist, wobei die Einlaß- und Auslaßkanäle abwechselnd angeordnet sind.
Die Fig. 21 ist eine Draufsicht einer Membran-Elektroden-Anordnung mit einer zylindrischen Öffnung für das Einführen eines sauerstoffhaltigen Gasstroms von der Kathodenseite der Brennstoffzelle in den Reaktanten-Brennstoffstrom auf der Anodenseite der Brennstoffzelle durch in den Elektroden und der Membran ausgebildeten Öffnungen.
Die Fig. 22 ist eine Seitenschnittansicht in Richtung der Pfeile B-B in der Fig. 21.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen:

Zuerst zur Fig. 1: Eine Brennstoffzellenstapelanordnung 10 enthält einen elektrochemisch aktiven Abschnitt 26 und gegebenenfalls einen Befeuchtungsabschnitt 28. Die Stapelanordnung 10 ist eine modulare Platten- und Rahmenkonstruktion und enthält eine Druck-Endplatte 16 und eine Fluid-Endplatte 18. Ein in der Druck-Endplatte 16 angebrachter optionaler pneumatischer Kolben 17 bringt gleichmäßigen Druck auf die Anordnung auf, um das Abdichten zu fördern. Die Sammelplatten 22 und 24, die sich an entgegengesetzten Enden des aktiven Abschnitts 26 befinden, bieten den negativen bzw. positiven Kontakt für den elektrischen Weg, der in der Anordnung erzeugten Strom zu einer externen Last (nicht gezeigt) führt. Verbindungsstangen 20 erstrecken sich zwischen den Endplatten 16 und 18, um die Stapelanordnung 10 mit Befestigungsmuttern 21 im zusammengebauten Zustand zu halten und zu sichern.
Der aktive Abschnitt 26 weist zusätzlich zu den Sammelplatten 22 und 24 eine Vielzahl sich wiederholender Brennstoffzelleneinheiten 12 auf. Jede sich wiederholende Einheit 12 besteht aus einer Membran-Elektroden-Anordnung, einer Anoden-Fluidströmungsfeldplatte, einer Kathoden-Fluidströmungsfeldplatte (oder alternativ einer Anoden- und Kathodenseparatorlage, wenn die Anoden- und Kathoden-Reaktantenströmungskanäle in den Flächen des Elektrodenmaterials ausgebildet sind) und gegebenenfalls einem Kühlmantel, wie später hier detaillierter beschrieben. In der in der Fig. 1 illustrierten Anordnung sind die sich wiederholenden Einheiten 12 elektrisch durch den Kontakt zwischen den elektrisch leitenden Lagen, die die Strömungsfeldplatten (oder die Separatorplatten) bilden, und den Kühlmänteln in Serie verbunden.
Der optionale Befeuchtungsabschnitt 28 enthält eine Vielzahl von Befeuchtungsanordnungen 14, die jede aus einer Brennstoff- oder Oxidationsmittelreaktant-Strömungsfeldplatte, einer Wasser-Strömungsfeldplatte und einer zwischen der Reaktant-Strömungsfeldplatte und der Wasser-Strömungsfeldplatte angeordneten Wassertransportmembran bestehen. Wenn er vorhanden ist, gibt der Befeuchtungsabschnitt 28 an die dem aktiven Abschnitt zugeführten Brennstoff- und Oxidationsmittelströme Wasser ab, sodaß das Austrocknen der Membranen im aktiven Abschnitt verhindert wird.
Die Fig. 2 illustriert eine Brennstoffzelle 30 mit einer Membran-Elektroden-Anordnung 32 zwischen steifen Strömungsfeldplatten 34 und 36, die vorzugsweise aus Graphit oder einem Graphitverbundmaterial gebildet sind. Die Membran-Elektroden-Anordnung 32 besteht aus einer zwischen zwei Elektroden, nämlich der Anode 44 und der Kathode 46, angeordneten Ionenaustauschmembran 42. Die Anode 44 und die Kathode 46 bestehen typischerweise aus einem porösen, elektrisch leitenden Blattmaterial, vorzugsweise Kohlefaserpapier, und haben plane Hauptflächen. Die Elektroden 44 und 46 haben auf den Hauptflächen, an der Grenzfläche zur Membran 42, eine dünne Schicht Katalysatormaterial, um sie elektrochemisch aktiv zu machen.
Wie in der Fig. 2 gezeigt wird, hat die Anoden-Strömungsfeldplatte 34 mindestens einen offenen Kanal 34a in ihrer der Membran 42 zugewandten Hauptfläche graviert, gefräst oder geformt. Ebenso hat die Kathoden-Strömungsfeldplatte 36 mindestens einen offenen Kanal 36a in ihrer der Membran 42 zugewandten Hauptfläche graviert, gefräst oder geformt. Wenn sie gegen die mitwirkenden Flächen der Elektroden 44 und 46 zusammengebaut werden, bilden die Kanäle 34a und 36a die Reaktantenströmungsfeldwege für den Brennstoff- bzw. Oxidationsmittelstrom.
Nun zur Fig. 3: Eine Brennstoffzelle 50 verwendet eine Membran-Elektroden-Anordnung 52 mit integralen Reaktantenfluid- Strömungskanälen. Die Brennstoffzelle 50 enthält die Membran- Elektroden-Anordnung 52 zwischen leichten Separatorlagen 54 und 56 angeordnet, die im wesentlichen undurchlässig für den Reaktantenfluidstrom sind. Die Membran-Elektroden-Anordnung 52 besteht aus einer zwischen zwei Elektroden, nämlich der Anode 64 und der Kathode 66, angeordneten Ionenaustauschmem bran 62. Die Anode 64 und die Kathode 66 bestehen aus porösem, elektrisch leitendem Blattmaterial, vorzugsweise Kohlefaserpapier. Die Elektroden 64 und 66 haben eine dünne Schicht Katalysatormaterial auf den Hauptflächen an der Grenzfläche zur Membran 62, um sie elektrochemisch aktiv zu machen.
Wie in der Fig. 3 gezeigt wird, hat die Anode 64 mindestens einen offenen Kanal 64a in der von der Membran 62 wegweisenden Fläche. Ebenso hat die Kathode 66 mindestens einen offenen Kanal 66a in der von der Membran 62 wegweisenden Fläche. Wenn mit den mitwirkenden Flächen der Separatorlagen 54 und 56 zusammengebaut wird, bilden die Kanäle 64a und 66a die Reaktantenströmungsfeldwege für den Brennstoff- bzw. Oxidationsmittelstrom.
Eine Fluid-Strömungsfeldplatte 110 des Standes der Technik mit einem einzelnen kontinuierlichen Reaktantenströmungskanal, beschrieben im Watkins US-Patent 4988583, wird in der Fig. 4 gezeigt. In der Hauptplattenfläche 115 ist ein einzelner kontinuierlicher Fluidströmungskanal 122 typischerweise durch numerisch gesteuerte maschinelle Bearbeitung, Prägen oder Formen gebildet. Der Kanal 122 hat einen Fluideinlaß 124 an einem Ende und einen Fluidauslaß 126 am anderen Ende. Der Fluideinlaß 124 ist direkt mit der Fluidzuführöffnung oder -sammelleitung 125 verbunden, die in der Platte 112 gebildet ist. Der Fluidauslaß 126 ist direkt mit einer Fluidablaßöffnung oder -sammelleitung 127 verbunden, die in der Platte 112 gebildet ist. Die Fluidöffnung 126 ist im Falle der Anoden-Strömungsfeldplatte mit einer Brennstoffquelle (nicht gezeigt) bzw. bei der Kathoden-Strömungsfeldplatte mit einer Oxidationsmittelquelle (nicht gezeigt) verbunden. Der Kanal 122 quert in einer Vielzahl von Durchgängen einen mittleren Hauptbereich der Platte 112, der seinerseits im allgemeinen dem elektrochemisch aktiven Bereich der Anode oder Kathode entspricht, der er im zusammengebauten Zustand benachbart ist.
Die Fig. 5 zeigt eine Querschnittsansicht des Kanals 122 der Fluid-Strömungsfeldplatte 110 in der Fig. 4. Der Kanal 122 hat eine für maschinelle gefertigte offene Kanäle typische Konfiguration, er wird nämlich durch eine im wesentlichen flache Basis 129 und einander gegenüberliegende nach außen zur offenen Seite 123 des Kanals 122 hin divergierende Seitenwände 130 begrenzt. Die illustrierte Querschnittskonfiguration des Kanals 122 ist so angelegt, daß der Werkzeugverschleiß minimiert wird. Der Kanal 122 hat vorzugsweise gleichmäßige Tiefe über seine gesamte Länge. Eine Reihe von Stegen 132 befindet sich zwischen den Gängen des Kanals 122. Im zusammengebauten Zustand sind die Stege 132 zwischen den Kanälen 122 im Kontakt mit der benachbarten Elektrodenfläche, sodaß jede Strömungsfeldplatte auch als Stromkollektor fungiert.
Eine Fluid-Strömungsfeldplatte 140 des Standes der Technik mit mehrfachen kontinuierlichen Reaktantenströmungskanälen, beschrieben in Watkins US-Patent 5108849, wird in der Fig. 6 gezeigt. In der Hauptfläche 142 gibt es eine Vielzahl von Strömungsfeldkanälen, von denen einige mit der Zahl 144 bezeichnet sind. Die Kanäle 144 definieren jeweils einen im allgemeinen serpentinenförmigen Weg zwischen der Fluidzuführöffnung oder -sammelleitung 145 und der Fluidablaßöffnung oder -sammelleitung 147. Jeder Kanal 144 hat ein Einlaßende 146 und ein Auslaßende 148, die direkt mit den jeweiligen Fluidzuführöffnungen 145 und Fluidablaßöffnungen 147 verbunden sind. Die 10 individuelle Serpentinenkanäle 144 enthaltende Platte 140 arbeitet wirksam in einer Brennstoffzelle, der Kathode benachbart, und wird manchmal als 10-Gang Kathoden-Strömungsfeldplatte bezeichnet. Eine größere oder kleinere Anzahl von Kanälen 144 könnte in der Platte ausge bildet sein, wie beispielsweise in einer 2-Gang Strömungsfeldplatte, die der Anode benachbart wirksam arbeitet und die manchmal als 2-Gang Anoden-Strömungsfeldplatte bezeichnet wird.
Die Fig. 7 zeigt eine Fluid-Strömungsfeldplatte 180 mit 11 diskontinuierlichen ineinandergreifenden Fluidströmungskanälen. Die Platte 180 hat einen Fluideinlaß 182 in der Fläche 181. Die Einlaßkanäle 186 erstrecken sich vom Einlaß 182 zum Mittelbereich der Platte, der dem elektrochemisch aktiven Bereich der der Platte zugeordneten Elektrode benachbart ist. Die Platte 180 hat auch einen Fluidauslaß 188 in der Fläche 181 der Platte 180. Die Auslaßkanäle 192 erstrecken sich vom Auslaß 188 zum Mittelbereich der Platte. Wie in der Fig. 7 illustriert wird, greifen die Einlaßkanäle 186 und die Auslaßkanäle 192 ineinander, sodaß ein unter Druck gesetzter Fluidstrom, der durch die Öffnung 182 eintritt, zum Einlaßkanal 186 geführt wird. An diesem Punkt wird der Fluidstrom durch die interstitiellen Räume des benachbarten porösen Elektrodenmaterials (nicht gezeigt) an jeder Seite jedes Einlaßkanals 186 zu einem der nahen Auslaßkanäle 192 gezwungen. Von dort strömt der Fluidstrom durch den Auslaß 188, wo er aus der Strömungsfeldplatte 180 abgegeben wird.
Wie in der Fig. 7 gezeigt wird, hat die Platte 180 elf diskontinuierliche Fluidströmungskanäle, von denen 5 sich vom Einlaß erstreckende Einlaßkanäle sind und 6 Kanäle sich vom Auslaß erstreckende Auslaßkanäle sind. Jeder der Einlaßkanäle ist vorzugsweise zwischen einem Paar von Auslaßkanälen angeordnet, sodaß der Fluidstrom vom Einlaßkanal gleichförmig von jeder Seite des Einlaßkanals zu einem der benachbarten Auslaßkanäle gerichtet wird.
Die Fig. 7 illustriert auch die Stelle eines Dichtungsmate rials 194, das mit der Fläche 181 in Kontakt ist und den mittleren Bereich der Platte 180 umgibt. Das Dichtungsmaterial 194 isoliert und begrenzt den der Platte 180 benachbarten elektrochemisch aktiven Teil der Brennstoffzelle. Die Platte 180 hat auch andere Öffnungen 196, die als Sammelleitungen für andere Reaktanten- und Kühlströme in der Brennstoffzelle dienen.
Die Fig. 8 illustriert eine Fluid-Strömungsfeldplatte 210 mit einem Oxidationsmittelentnahmekanal 212 darin zum Einführen eines sauerstoffhaltigen Gasstroms von der Abgabesammelleitung für befeuchtetes Oxidationsmittel 220 und der Zuführsammelleitung für trockenes Oxidationsmittel 222 zum Brennstoffstrom, bevor der Brennstoffstrom dem aktiven Bereich der Brennstoffzelle zugeführt wird. Der Brennstoffstrom wird zur Fläche der Platte 210 von der Sammelleitung des befeuchteten Brennstoffs 214 durch einen Brennstoffeinlaß 228 eingeführt. Der Brennstoffstrom geht dann durch ein 2-Gang serpentinenförmiges Strömungsfeld, das durch zwei Kanäle 216a und 216b in der Hauptfläche der Platte 210 gebildet wird. Der durch die Kanäle 216a und 216b strömende Brennstoffstrom erhält sauerstoffhaltiges Gas aus den Seitenkanälen 234, die sich vom Oxidationsmittelentnahmekanal 212 erstrecken. Wie in der Fig. 8 gezeigt wird, sind die Seitenkanäle 234 im wesentlichen gleichmäßig um den Umfang des elektrochemisch aktiven Bereichs der Platte 210 beabstandet, der von den Serpentinenkanälen 216a und 216b überquert wird. Die nicht umgesetzten Brennstoffstromkomponenten treten aus den Kanälen 216a und 216b über den Auslaß 230 zu einer Brennstoffauslaßsammelleitung 218 aus. Der Bereich 226 zwischen den strichlierten Linien auf der Fläche der Platte 210 stellt den Ort des Dichtungsmaterials dar, das den elektrochemisch aktiven Bereich von den Sammelleitungen, die Sammelleitungen voneinander und den elektrochemisch aktiven Bereich und die Sammelleitungen von der äußeren Umgebung isoliert.
Die Fig. 9 zeigt einen Schnitt der Platte 210 in der Richtung der Pfeile A-A in der Fig. 8 und illustriert insbesondere die Konfiguration des in der Platte 210 gebildeten Oxidationsmittelentnahmekanals 212.
Die Fig. 10 zeigt eine Fluid-Strömungsplatte 250, die zwischen einer gasundurchlässigen Separatorlage 254 und einer Membran-Elektroden-Anordnung 252 angeordnet ist. Die Platte 250 hat eine Vielzahl gefräster Öffnungen 256 für das Einführen eines sauerstoffhaltigen Reformat-Brennstoffstroms 256 zur entgegengesetzten Brennstoffströmungsfeldseite der Platte. Wie in der Fig. 10 gezeigt wird, treten die nicht umgesetzten Komponenten des Brennstoffgasstroms aus dem Brennstoffströmungsfeld als Brennstoffabgasstrom 258 aus.
Alternativ kann die Fluid-Strömungsfeldplatte 250 der Fig. 10 als poröse Platte ausgebildet sein. In der Ausführungsform mit der porösen Platte wird der sauerstoffhaltige Gasstrom in den Brennstoffstrom durch eine Vielzahl von in der Platte 250 ausgebildeten Poren eingeführt. Die Poren sind die interstitiellen Räume oder Durchgänge im Inneren der Platte 250, die nicht vom festen, elektrisch leitenden Blattmaterial eingenommen werden, aus dem die Platte 250 gebildet ist. Die Poren in der Ausführungsform mit der porösen Platte haben die Funktion der Öffnungen 256 in der Fig. 10.
Die Fig. 11 zeigt die Brennstoffsammelleitungsseite einer Fluid-Strömungsfeldplatte 310. Die Platte 310 hat zwei Serpentinenkanäle 316a und 316b auf der Fläche der Brennstoffsammelleitungsseite. Sauerstoffhaltiges Reformat-Brennstoffgas tritt in die Kanäle 316a und 316b über einen Einlaß 314 aus der Reformatbrennstoffgas-Sammelleitung 312 ein. Jeder der Kanäle 316a und 316b hat 15 gleichmäßig beabstandete Öffnungen 318 für das Einführen des sauerstoffhaltigen Refor matgases zur entgegengesetzten Brennstoff-Strömungsfeldseite der Platte 310 (in der Fig. 12 gezeigt). Die Fig. 11 illustriert auch die Stelle der Brennstoffablaßsammelleitung 324, in die die nicht umgesetzten Brennstoffstromkomponenten aus der entgegengesetzten Brennstoff-Strömungsfeldseite der Platte 310 austreten.
Die Fig. 12 zeigt die Brennstoff-Strömungsfeldseite der in der Fig. 11 illustrierten Platte 310. Die Platte 310 hat zwei Serpentinenkanäle 320a und 320b auf der Brennstoff-Strömungsfeldseite. Jeder der Kanäle 320a und 320b hat 15 gleichmäßig beabstandete Öffnungen 318 für die Aufnahme von sauerstoffhaltigem Reformat-Brennstoffgas, das von der entgegengesetzten Brennstoff-Sammelleitungsseite der Platte 310 eingeführt wird. Die nicht umgesetzten Brennstoffstromkomponenten treten aus den Kanälen 320a und 320b über den Auslaß 322 zu einer Brennstoffablaßsammelleitung 324 aus.
Die Fig. 13 zeigt die Brennstoff-Sammelleitungsseite einer Fluid-Strömungsfeldplatte 340. Die Platte 340 hat zwei Serpentinenkanäle 346a und 346b auf der Fläche der Brennstoff- Sammelleitungsseite. Sauerstoffhaltiges Reformat-Brennstoffgas tritt über einen Einlaß 344 aus der Reformat-Brennstoffgassammelleitung 342 in die Kanäle 346a und 346b ein. Jeder der Kanäle 346a und 346b hat 30 gleichmäßig beabstandete Öffnungen 348 für das Einführen des sauerstoffhaltigen Reformatgases zur entgegengesetzten Brennstoff-Strömungsfeldseite der Platte 340 (in der Fig. 14 gezeigt). Die Fig. 13 illustriert auch die Stelle der Brennstoffablaßsammelleitung 354, in welche die nicht umgesetzten Brennstoffstromkomponenten von der entgegengesetzten Brennstoff-Strömungsfeldseite der Platte 340 austreten.
Die Fig. 14 zeigt die Brennstoff-Strömungsfeldseite der in der Fig. 13 illustrierten Platte 340. Die Platte 340 hat zwei Serpentinenkanäle 350a und 350b auf der Brennstoff-Strömungsfeldseite. Jeder der Kanäle 350a und 350b hat 30 gleichmäßig beabstandete Öffnungen 348 für die Aufnahme von sauerstoffhaltigem Reformatbrennstoffgas, das von der entgegengesetzten Brennstoff-Sammelleitungsseite der Platte 340 eingeführt wird. Die nicht umgesetzten Brennstoffstromkomponenten treten aus den Kanälen 350a und 350b über einen Auslaß 352 zu einer Brennstoffablaßsammelleitung 354 aus.
Die Fig. 15 zeigt die Brennstoff-Sammelleitungsseite einer Fluid-Strömungsfeldplatte 370. Die Platte 370 hat 5 diskontinuierliche Kanäle, von denen zwei in der Fig. 15 als Kanäle 376a und 376b bezeichnet, werden, auf der Fläche der Brennstoff-Sammelleitungsseite ausgebildet. Sauerstoffhaltiges Reformat-Brennstoffgas tritt über einen Einlaß 374 aus der Reformat-Brennstoffgassammelleitung 372 in die Kanäle ein. Jeder Kanal hat eine Vielzahl von gleichmäßig beabstandeten Öffnungen 378 für das Einführen von sauerstoffhaltigem Reformatgas zur entgegengesetzten Brennstoff-Strömungsfeldseite der Platte 370 (in der Fig. 16 gezeigt). Die Fig. 15 illustriert auch die Stelle der Brennstoffablaßsammelleitung 384, in welche die nicht umgesetzten Brennstoffstromkomponenten aus der entgegengesetzten Brennstoff-Strömungsfeldseite der Platte 370 austreten.
Die Fig. 16 zeigt die Brennstoff-Strömungsfeldseite der in der Fig. 15 illustrierten Platte 370. Die Platte 370 hat 11 diskontinuierliche, ineinandergreifende Kanäle. Eine erste Gruppe von 5 Kanälen, von denen einer in der Fig. 16 als Kanal 380a bezeichnet wird, hat eine Vielzahl von gleichmäßig beabstandeten Öffnungen 378 für die Aufnahme von sauerstoffhaltigem Reformatgas, das von der entgegengesetzten Brennstoff-Sammelleitungsseite der Platte 370 eingeführt wird. Eine zweite Gruppe von 6 Kanälen, von denen einer in der Fig. 16 als Kanal 380b bezeichnet wird, hat keine Öffnun gen darin. Jeder der Kanäle der zweiten Gruppe nimmt den Brennstoffgasstrom auf, der durch das poröse Elektrodenmaterial aus der ersten Gruppe von Kanälen mit darin ausgebildeten Öffnungen 378 strömt. Die nicht umgesetzten Brennstoffstromkomponenten treten aus der zweiten Gruppe von Kanälen über einen Auslaß 382 zu einer Brennstoff-Ablaßsammelleitung 384 aus.
Die Fig. 17 zeigt die Brennstoff-Sammelleitungsseite einer Fluid-Strömungsfeldplatte 410. Die Platte 410 hat 5 diskontinuierliche Kanäle, von denen zwei in der Fig. 17 als Kanäle 416a und 416b bezeichnet werden, auf der Fläche der Brennstoff-Sammelleitungsseite ausgebildet. Sauerstoffhaltiges Reformat-Brennstoffgas tritt über einen Einlaß 414 aus der Reformat-Brennstoffgassammelleitung 412 in die Kanäle ein. Jeder Kanal hat eine Vielzahl von gleichmäßig beabstandeten Öffnungen 418 für das Einführen von sauerstoffhaltigem Reformatgas zur entgegengesetzten Brennstoff-Strömungsfeldseite der Platte 410 (in der Fig. 18 gezeigt). Die Fig. 17 illustriert auch die Stelle der Brennstoffablaßsammelleitung 424, in welche die nicht umgesetzten Brennstoffstromkomponenten aus der entgegengesetzten Brennstoff-Strömungsfeldseite der Platte 410 austreten.
Die Fig. 18 zeigt die Brennstoff-Strömungsfeldseite der in der Fig. 17 illustrierten Platte 410. Die Platte 410 hat 5 Reihen gleichförmig beabstandeter Öffnungen 418 für die Aufnahme von sauerstoffhaltigem Reformatgas, das von der entgegengesetzten Brennstoff-Sammelleitungsseite der Platte 410 eingeführt wird. Die Platte 410 hat auch 6 diskontinuierliche, eingreifende Kanäle, von denen zwei in der Fig. 18 als Kanäle 420a und 420b bezeichnet werden, die keine Öffnungen aufweisen. Jeder Kanal nimmt den Brennstoffgasstrom auf, der von den Öffnungen 418 durch das poröse Elektrodenmaterial strömt. Die nicht umgesetzten Brennstoffstromkomponen ten treten aus den Kanälen über einen Auslaß 422 zu einer Brennstoffablaßsammelleitung 424 aus.
Die Fig. 19 zeigt die Brennstoff-Sammelleitungsseite einer Fluid-Strömungsfeldplatte 450. Die Platte 450 hat 5 diskontinuierliche Einlaßkanäle, von denen einer in der Fig. 19 als Kanal 456a bezeichnet wird. Sauerstoffhaltiges Reformat- Brennstoffgas tritt über einen Einlaß 454 aus der Reformat- Brennstoffgassammelleitung 452 in die Einlaßkanäle ein. Jeder Einlaßkanal hat eine Vielzahl von im wesentlichen gleichmäßig beabstandeten Einlaßöffnungen 458 für das Einführen von sauerstoffhaltigem Reformatgas zur entgegengesetzten Brennstoff-Strömungsfeldseite der Platte 450 (in der Fig. 20 gezeigt). Platte 450 hat auch 6 diskontinuierliche Auslaßkanäle, von denen einer in der Fig. 19 als Kanal 356b bezeichnet wird. Jeder Auslaßkanal hat eine Vielzahl von im wesentlichen gleichmäßig beabstandeten Auslaßöffnungen 472 für die Aufnahme der nicht umgesetzten Brennstoffstromkomponenten von der entgegengesetzten Brennstoff-Strömungsfeldseite der Platte 450 (in der Fig. 20 gezeigt). Die nicht umgesetzten Brennstoffstromkomponenten treten aus den Auslaßkanälen über einen Auslaß 462 zu einer Brennstoffablaßsammelleitung 464 aus. Wie in der Fig. 19 gezeigt wird, sind die Einlaß- und Auslaßkanäle ineinandergreifend angeordnet und durch eine Dichtung 470 getrennt. Die Fig. 19 illustriert auch die Stelle der Brennstoffablaßsammelleitung 464, in welche die nicht umgesetzten Brennstoffstromkomponenten von der entgegengesetzten Brennstoff-Strömungsfeldseite der Platte 450 austreten. Die Gegenwart der Kanäle 460a und 460b ist optional; der Reaktanten-(Brennstoff)strom könnte durch die interstitiellen Räume in dem benachbarten porösen Elektrodenmaterial zwischen den Einlaßöffnungen 458 und den Auslaßöffnungen 472 strömen.
Die Fig. 20 zeigt die Brennstoff-Strömungsfeldseite der in der Fig. 19 illustrierten Platte 450. Die Strömungsfeldseite der Platte 450 hat 5 Einlaßkanäle, von denen einer in der Fig. 20 als Kanal 460a bezeichnet ist. Jeder Einlaßkanal hat eine Vielzahl von im wesentlichen gleichmäßig beabstandeten Einlaßöffnungen 458 für die Aufnahme von sauerstoffhaltigem Reformatgas, das von der entgegengesetzten Brennstoff-Sammelleitungsseite der Platte 450 eingeführt wird. Die Strömungsfeldseite der Platte 450 hat auch 6 Auslaßkanäle, von denen einer in der Fig. 20 als Kanal 460b bezeichnet wird. Jeder Auslaßkanal hat eine Vielzahl im wesentlichen gleichmäßig beabstandeter Auslaßöffnungen 472 zum Zurückführen von Reformatgas zur entgegengesetzten Brennstoff-Sammelleitungsseite der Platte 450.
Die Fig. 21 illustriert eine Membran-Elektroden-Anordnung 510 mit einer zylindrischen Öffnung 512 darin. Wie in der Fig. 22 detaillierter gezeigt wird, besteht die Membran-Elektroden-Anordnung 510 aus einem Membranelektrolyten, der zwischen zwei Lagen porösen Elektrodenmaterials angeordnet ist, wobei eine dieser Lagen die Anode 516 und die andere die Kathode 518 darstellt. Wie weiter in der Fig. 22 gezeigt wird, ist eine steife Scheibe 520, die vorzugsweise aus Metall besteht und eine ringförmige Öffnung 522 in der Mitte aufweist, in dem von der Kathode 518 gebildeten Teil der Öffnung 512 angeordnet. Im Betrieb wird ein sauerstoffhaltiger Gasstrom von der Kathodenseite der Brennstoffzelle in den Reaktanten-Brennstoffstrom auf der Anodenseite durch die Öffnung 522 eingeführt.

Claims

1. Verfahren zum Oxidieren von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid, wobei das Kohlenmonoxid in einem Brennstoffstrom einer elektrochemischen Brennstoffzelle vorhanden ist, welches Verfahren umfaßt:

Vorsehen einer elektrochemischen Brennstoffzelle mit einem Brennstoffstromeinlaß, einem Brennstoffstromauslaß, mindestens einem Strömungsweg, der einen Brennstoffstrom zwischen dem Brennstoffstromeinlaß und dem Brennstoffstromauslaß führt, und einem elektrochemisch aktiven Bereich, durch welchen sich mindestens ein Teil des Strömungswegs erstreckt, wobei der Brennstoffstrom Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasserstoff enthält;

Einführen eines ersten sauerstoffhaltigen Gasstroms in den Brennstoffstrom durch eine erste Öffnung, die in dem elektrochemisch aktiven Bereich zwischen dem Brennstoffstromeinlaß und dem Brennstoffstromauslaß angeordnet ist;

Inkontaktbringen des Brennstoffstroms einschließlich des ersten sauerstoffhaltigen Gasstroms mit einem Katalysator, der sich in dem Strömungsweg der Brennstoffzelle befindet, wobei dieser Katalysator die Oxidation von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid fördert;

Einführen eines zweiten sauerstoffhaltigen Gasstroms in den Brennstoffstrom durch mindestens eine Sekundäröffnung, die sich in dem elektrochemisch aktiven Bereich befindet und von der ersten Öffnung beabstandet ist, zwischen der ersten Öffnung und dem Brenn stoffstromauslaß;

und weiter Inkontaktbringen des Brennstoffstroms und des zweiten sauerstoffhaltigen Gasstroms mit dem Katalysator, wobei die Oxidation von Kohlenmonoxid weiter gefördert wird, sodaß die Konzentration von Kohlenmonoxid in dem Brennstoffstrom am Brennstoffstromauslaß niedriger als oder gleich der Konzentration von Kohlenmonoxid am Brennstoffstromeinlaß ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Sekundäröffnung eine Vielzahl von Sekundäröffnungen umfaßt, die in dem elektrochemisch aktiven Bereich zwischen der ersten Öffnung und dem Brennstoffstromauslaß verteilt sind.

3. Verfahren nach Anspruch 2, worin die erste Öffnung und die Vielzahl von Sekundäröffnungen in dem elektrochemisch aktiven Bereich zwischen dem Brennstoffstromeinlaß und dem Brennstoffstromauslaß verteilt sind, sodaß die Sauerstoffkonzentration in dem Brennstoffstrom zwischen der ersten Öffnung und dem Brennstoffstromauslaß im wesentlichen konstant gehalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, worin die erste Öffnung und die Vielzahl von Sekundäröffnungen im wesentlichen gleichmäßig entlang des Weges des Brennstoffstroms in dem elektrochemisch aktiven Bereich beabstandet sind.

5. Vorrichtung zur Förderung der Oxidation von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid, wobei das Kohlenmonoxid in einem Brennstoffstrom einer elektrochemischen Brennstoffzelle vorhanden ist und der Brennstoffstrom weiter Wasserstoff und Kohlendioxid enthält, welche Vorrichtung umfaßt:

(a) erste und zweite aus elektrisch leitendem Material gebildete Fluid-Strömungsfeldplatten, wobei das Material der ersten Platte für den Brennstoffstrom im wesentlichen undurchlässig ist, das Material der zweiten Platte für einen sauerstoffhaltigen Oxidationsmittelstrom im wesentlichen undurchlässig ist, die erste Platte einen Einlaß zum Einführen des Brennstoffstroms zu einer Hauptfläche davon und einen Auslaß zum Abführen des Brennstoffstroms von dieser Hauptfläche aufweist, wobei die Hauptfläche mindestens einen Kanal darin ausgebildet hat, um den Brennstoffstrom von dem Brennstoffstromeinlaß zum Brennstoffstromauslaß zu führen;

(b) eine zwischen der ersten und der zweiten Platte angeordnete Membran-Elektroden-Anordnung, die eine erste und eine zweite Elektrodenlage aufweist, wobei die erste Elektrodenlage benachbart zu der Hauptfläche der ersten Platte mit mindestens einem darin ausgebildeten Kanal angeordnet ist, jede der Elektrodenlagen aus porösem, elektrisch leitendem Blattmaterial gebildet ist und Katalysator damit assoziiert hat, wobei der Katalysator einen elektrochemisch aktiven Bereich definiert, und eine zwischen der ersten und der zweiten Elektrodenlage angeordnete Ionenaustauschmembran;

welche Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß: in der ersten Platte Einrichtungen zum Einführen eines sauerstoffhaltigen Gasstroms in den Brennstoffstrom an mindestens zwei in dem elektrochemisch aktiven Bereich zwischen dem Brennstoffstromeinlaß und dem Brennstoffstromauslaß verteilten Stellen ausgebildet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, worin die Einrichtungen zum Einführen eine Vielzahl von in der ersten Platte ausgebildeten Poren umfassen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, worin die Einrichtungen zum Einführen eine Vielzahl von in der ersten Platte ausgebildeten Öffnungen umfassen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, worin die Vielzahl von Öffnungen in dem elektrochemisch aktiven Bereich zwischen dem Brennstoffstromeinlaß und dem Brennstoffstromauslaß verteilt ist, um die Konzentration von Sauerstoff in dem Brennstoffstrom zwischen dem Brennstoffstromeinlaß und dem Brennstoffstromauslaß im wesentlichen konstant zu halten.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, worin die Vielzahl von Öffnungen in dem elektrochemisch aktiven Bereich zwischen dem Brennstoffstromeinlaß und dem Brennstoffstromauslaß im wesentlichen gleichmäßig beabstandet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 5, worin der sauerstoffhaltige Gasstrom aus dem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittelstrom abgezogen wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 5, worin der Brennstoffstrom weiter Sauerstoff aufweist und der sauerstoffhaltige Gasstrom aus dem Brennstoffstrom abgezogen wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 5, worin der Kanal mindestens einen kontinuierlichen Kanal umfaßt, der den Brennstoffstromeinlaß mit dem Brennstoffstromauslaß verbindet.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, worin der kontinuierliche Kanal einen einzelnen kontinuierlichen Kanal umfaßt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, worin der kontinuierliche Kanal eine Vielzahl von kontinuierlichen Kanälen umfaßt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 5, worin der genannte Kanal mindestens einen sich von dem Brennstoffstromeinlaß erstreckenden Einlaßkanal und mindestens einen sich von dem Brennstoffstromauslaß erstreckenden Auslaßkanal umfaßt, wobei der Einlaßkanal in bezug auf den Auslaßkanal diskontinuierlich ist, wobei der Brennstoffstrom vom Einlaßkanal zum Auslaßkanal durch die interstitiellen Räume der ersten Elektrodenlage strömt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Auslaßkanal mindestens zwei Auslaßkanäle umfaßt und jeder der Einlaßkanäle zwischen benachbarten Auslaßkanälen angeordnet ist, sodaß die Brennstoffstromeinlaß- und Brennstoffstromauslaßkanäle ineinandergreifen.

17. Vorrichtung zur Förderung der Oxidation von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid, wobei das Kohlenmonoxid in einem Brennstoffstrom einer elektrochemischen Brennstoffzelle vorhanden ist, der Brennstoffstrom weiter Wasserstoff und Kohlendioxid enthält, welche Vorrichtung umfaßt:

(a) erste und zweite aus elektrisch leitendem Blattmaterial gebildete Separatorplatten, wobei das Blattmaterial der ersten Separatorplatte für den Brennstoffstrom im wesentlichen undurchlässig ist und das Blattmaterial der zweiten Separatorplatte für einen sauerstoffhaltigen Oxidationsmittelstrom im wesentlichen undurchlässig ist;

(b) eine zwischen der ersten und der zweiten Separatorplatte angeordnete Membran-Elektroden-Anordnung, die eine erste und eine zweite Elektrodenlage aufweist, die aus porösem, elektrisch leitendem Blattmaterial gebildet sind und Katalysator damit assoziiert haben, wobei der Katalysator einen elektrochemisch aktiven Bereich definiert, und eine zwischen der ersten und der zweiten Elektrodenlage angeordnete Ionenaustauschmembran, wobei die erste Elektrodenlage einen Brennstoffstromeinlaß, einen Brennstoffstromauslaß und Einrichtungen, um den Brennstoffstrom innerhalb der ersten Elektrodenlage zwischen dem Brennstoffstromeinlaß und dem Brennstoffstromauslaß strömen zu lassen, aufweist;

welche Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß: in der ersten Separatorplatte Einrichtungen zum Einführen eines sauerstoffhaltigen Gasstroms in den Brennstoffstrom an mindestens zwei in dem elektrochemisch aktiven Bereich zwischen dem Brennstoffstromeinlaß und dem Brennstoffstromauslaß verteilten Stellen ausgebildet sind.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, worin die Einrichtungen zum Einführen eine Vielzahl von in der ersten Platte ausgebildeten Poren umfassen.

19. Vorrichtung nach Anspruch 17, worin die Einrichtungen zum Einführen eine Vielzahl von in der ersten Platte ausgebildeten Öffnungen umfassen.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, worin die Vielzahl von Öffnungen in dem elektrochemisch aktiven Bereich zwischen dem Brennstoffstromeinlaß und dem Brenn stoffstromauslaß verteilt ist, um die Konzentration von Sauerstoff in dem Brennstoffstrom zwischen dem Brennstoffstromeinlaß und dem Brennstoffstromauslaß im wesentlichen konstant zu halten.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, worin die Öffnungen in dem elektrochemisch aktiven Bereich zwischen dem Brennstoffstromeinlaß und dem Brennstoffstromauslaß im wesentlichen gleichmäßig beabstandet sind.

22. Vorrichtung nach Anspruch 17, worin der sauerstoffhaltige Gasstrom aus dem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittelstrom abgezogen wird.

23. Vorrichtung nach Anspruch 17, worin der Brennstoffstrom weiter Sauerstoff aufweist und der sauerstoffhaltige Gasstrom aus dem Brennstoffstrom abgezogen wird.

24. Vorrichtung nach Anspruch 17, worin die Einrichtungen zum Strömenlassen interstitielle Räume innerhalb der ersten Elektrodenlage umfassen.

25. Vorrichtung nach Anspruch 19, worin in der von der Membran wegweisenden Fläche der ersten Elektrodenlage mindestens ein Kanal ausgebildet ist, die der ersten Elektrodenlage gegenüberliegende Fläche der ersten Separatorplatte im wesentlichen plan ist, wobei die Fläche der ersten Elektrodenlage und die benachbarte Fläche der ersten Separatorplatte zusammenwirken, um einen Strömungsweg für den Brennstoffstrom in der ersten Elektrodenlage zu definieren, und wobei die Vielzahl von Öffnungen in der ersten Separatorplatte so gebildet ist, daß die Öffnungen im wesentlichen benachbart zu diesem Strömungsweg angeordnet sind.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, worin der Kanal den Brennstoffstromeinlaß und den Brennstoffstromauslaß verbindet.

27. Vorrichtung nach Anspruch 25, worin der Kanal einen ersten, sich von dem Brennstoffstromeinlaß erstreckenden Kanal und einen zweiten, sich von dem Brennstoffstromauslaß erstreckenden Kanal umfaßt, wobei der zweite Kanal in bezug auf den ersten Kanal diskontinuierlich ist, wobei der Brennstoffstrom von dem ersten Kanal zu dem zweiten Kanal durch die interstitiellen Räume der ersten Elektrodenlage strömt.

28. Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei der Auslaßkanal mindestens zwei Auslaßkanäle umfaßt und jeder der Einlaßkanäle zwischen benachbarten Auslaßkanälen angeordnet ist, sodaß die Brennstoffstromeinlaß- und Brennstoffstromauslaßkanäle ineinandergreifen.