DE102017215471A1

DE102017215471A1 - Use of a plasma as an ion conductor of a fuel cell

Info

Publication number: DE102017215471A1
Application number: DE102017215471.3A
Authority: DE
Inventors: Elisabeth Maria Börger; Alexander Börger
Original assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2017-09-04
Filing date: 2017-09-04
Publication date: 2019-03-07

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle (50) für ein Brennstoffzellensystem (100) mit einem an eine zum Zuführen eines Kathodenbetriebsmediums eingerichtete Kathodenversorgung (30) angeschlossenen Kathodenraum (51) mit einer Kathode (52) und mit einem an eine zum Zuführen eines Anodenbetriebsmediums eingerichtete Anodenversorgung (20) angeschlossenen Anodenraum (53) mit einer Anode (54). Die Brennstoffzelle (50) weist ferner Mittel zur Ionisation der Betriebsmedien und einen die Anode (52) und die Kathode (54) elektrisch miteinander verbindenden Laststromkreis (55) auf. Erfindungsgemäß wird ein zwischen der Anode (52) und der Kathode (54) ausgebildetes Niederdruck- oder Atmosphärendruckplasma (56) als Ionenleiter verwendet. Diese Verwendung ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung.

The invention relates to a fuel cell (50) for a fuel cell system (100) having a cathode chamber (51) connected to a cathode supply (30) for supplying a cathode operating medium and having a cathode supply (52) and an anode supply (FIG. 20) connected anode compartment (53) having an anode (54). The fuel cell (50) further comprises means for ionization of the operating media and a load circuit (55) electrically connecting together the anode (52) and the cathode (54). According to the invention, a low pressure or atmospheric pressure plasma (56) formed between the anode (52) and the cathode (54) is used as the ion conductor. This use is also the subject of the invention.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit einem Plasma, insbesondere einem Niederdruck- oder Atmosphärendruckplasma, als lonenleiter sowie die Verwendung eines solchen Plasmas als lonenleiter einer Brennstoffzelle.The invention relates to a fuel cell with a plasma, in particular a low-pressure or atmospheric pressure plasma, as an ion conductor and the use of such a plasma as the ion conductor of a fuel cell.

Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser zum Erzeugen elektrischer Energie. In der Regel wird eine katalysatorgestützte Redoxreaktion von Wasserstoff und Sauerstoff genutzt, wobei Oxidationsmittel und Reduktionsmittel durch einen selektiv ionenleitenden Elektrolyten getrennt jeweiligen Reaktionsräumen zugeführt werden. In beiden Reaktionsräumen ist eine Elektrode angeordnet, die über einen Laststromkreis elektrisch leitend miteinander verbunden sind.Fuel cells use the chemical conversion of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy. In general, a catalyst-supported redox reaction of hydrogen and oxygen is used, wherein oxidizing agent and reducing agent are fed through a selectively ion-conducting electrolyte separately to respective reaction spaces. In both reaction chambers, an electrode is arranged, which are electrically conductively connected to one another via a load circuit.

Polymerelektrolytbrennstoffzellen (PEM-Brennstoffzellen) gemäß dem Stand der Technik weisen eine kombinierte Membran-Elektroden-Einheit (MEA) auf, die durch eine protonenleitende Membran, PEM, mit beidseitig darauf angeordneten katalytischen Elektroden gebildet ist. Die Membran trennt den Anodenraum der Anode und den Kathodenraum der Kathode voneinander und isoliert diese elektrisch. Auf den nicht der Membran zugewandten Seiten der Elektroden können zusätzlich Gasdiffusionslagen angeordnet sein.Prior art polymer electrolyte fuel cells (PEM fuel cells) comprise a combined membrane-electrode assembly (MEA) formed by a proton-conducting membrane, PEM, with catalytic electrodes disposed on both sides thereof. The membrane separates the anode space of the anode and the cathode space of the cathode from each other and electrically isolated. Gas diffusion layers may additionally be arranged on the non-membrane sides of the electrodes.

Festoxidbrennstoffzellen (SOFC) gemäß dem Stand der Technik weisen einen zwischen den Elektroden angeordneten festen keramischen Werkstoff als Elektrolyten auf. Der Elektrolyt leitet dabei selektiv die Sauerstoff-Ionen und kann beispielsweise aus einer Oxidkeramik wie Zirkonoxid gebildet sein. Auch die Elektroden einer solchen SOFC können aus gasdurchlässigen keramischen Werkstoffen gebildet sein, so dass sich sehr kompakte Brennstoffzellen mit beispielsweise röhrenförmigen Geometrien realisieren lassen. Solid oxide fuel cells (SOFC) according to the prior art have a solid ceramic material disposed between the electrodes as electrolytes. The electrolyte selectively conducts the oxygen ions and may be formed, for example, from an oxide ceramic such as zirconia. The electrodes of such a SOFC can also be formed from gas-permeable ceramic materials, so that very compact fuel cells with, for example, tubular geometries can be realized.

Im Betrieb solcher Brennstoffzellen wird ein wasserstoffhaltiger Brennstoff der Anode zugeführt, an der eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu H⁺ unter Abgabe von Elektronen erfolgt. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über einen Laststromkreis der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird ein sauerstoffhaltiges Betriebsmedium zugeführt und dort unter Aufnahme der Elektronen aus dem Laststromkreis von O₂ zu O^2- reduziert. In PEM-Brennstoffzellen erfolgt über die elektrolytische Membran ein wassergebundener oder wasserfreier Transport der Protonen H⁺ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum, wo die Protonen mit den Sauerstoff-Ionen zu Wasser reagieren. In SOFC Brennstoffzellen erfolgt über den Festkörperelektrolyten ein Transport der Sauerstoff-Ionen aus dem Kathodenraum in den Anodenraum und dort die Rekombination mit den Protonen zu Wasser.During operation of such fuel cells, a hydrogen-containing fuel is supplied to the anode, at which an electrochemical oxidation of H ₂ to H ⁺ takes place with release of electrons. The electrons provided at the anode are fed to the cathode via a load circuit. The cathode is supplied with an oxygen-containing operating medium and there reduced by absorbing the electrons from the load circuit of O ₂ to O ^2- . In PEM fuel cells via the electrolytic membrane, a water-bound or anhydrous transport of the protons H ⁺ from the anode compartment into the cathode compartment, where the protons react with the oxygen ions to form water. In SOFC fuel cells carried over the solid electrolyte transport of the oxygen ions from the cathode compartment into the anode compartment and there the recombination with the protons to water.

Aus dem Stand der Technik sind weitere Typen von Brennstoffzellen bekannt, die sich insbesondere durch den verwendeten Elektrolyten unterscheiden. Beispielsweise werden MCFC-Brennstoffzelle (Molten Carbonate Fuel Cell) mit Alkalikarbonatschmelzen als Elektrolyten betrieben und werden PAFC-Brennstoffzellen (Phosphor Acid Fuel Cell) mit konzentrierter Phosphorsäure als Elektrolyten betrieben. Aufgrund einer Vielzahl von Nachteilen dieser Elektrolyttypen haben sich diese Systeme nicht durchgesetzt.From the prior art, other types of fuel cells are known, which differ in particular by the electrolyte used. For example, MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) fuel cells are operated with alkali carbonate melts as electrolytes and PAFC (Phosphor Acid Fuel Cell) fuel cells are operated with concentrated phosphoric acid as the electrolyte. Due to a variety of disadvantages of these electrolyte types, these systems have not prevailed.

Der Betrieb bekannter und üblicher Brennstoffzellen erfolgt in der Regel erst bei erhöhten Betriebstemperaturen weitgehend energiekonservativ, wobei diese Betriebstemperaturen je nach Art der Brennstoffzelle zwischen 80°C und 1000°C betragen können. Gerade in der Startphase ist daher in der Regel die Einspeisung größerer Energiemengen in die Brennstoffzellen notwendig, weswegen Brennstoffzellenfahrzeuge bislang zwingend eine Hochvoltbatterie zum Anfahren benötigen. Die Verwendung von Hochvoltbatterien ist jedoch wirtschaftlich nachteilig und benötigt zusätzlichen Bauraum.The operation of known and conventional fuel cells is generally largely conservative energy only at elevated operating temperatures, these operating temperatures can be between 80 ° C and 1000 ° C depending on the type of fuel cell. Especially in the startup phase, the supply of larger amounts of energy into the fuel cells is therefore usually necessary, which is why fuel cell vehicles so far urgently need a high-voltage battery to start. However, the use of high-voltage batteries is economically disadvantageous and requires additional space.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzelle mit einem alternativen Elektrolytkonzept vorzustellen, welches die Nachteile des Standes der Technik überwindet oder vermindert und insbesondere Hochvoltbatterien in Brennstoffzellenfahrzeugen überflüssig macht.The present invention is therefore based on the object to present a fuel cell with an alternative electrolyte concept, which overcomes or reduces the disadvantages of the prior art and in particular makes high-voltage batteries in fuel cell vehicles superfluous.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch eine Brennstoffzelle für ein Brennstoffzellensystem, wobei die Brennstoffzelle einen Anodenraum mit einer Anode und einen Kathodenraum mit einer Kathode aufweist. Der Anodenraum ist an eine Anodenversorgung angeschlossen, die zum Zuführen, und bevorzugt auch zum Abführen, eines Anodenbetriebsmediums ausgebildet ist. Der Kathodenraum ist an eine Kathodenversorgung angeschlossen, die zum Zuführen, und bevorzugt auch zum Abführen, eines Kathodenbetriebsmediums ausgebildet ist. Die Brennstoffzelle weist ferner Mittel zur Ionisation des Anodenbetriebsmediums und des Kathodenbetriebsmediums auf. Dabei kann die Ionisation getrennt oder gemeinsam mit der Oxidation beziehungsweise Reduktion des jeweiligen Betriebsmediums erfolgen. Die Brennstoffzelle weist ferner einen die Anode und die Kathode elektrisch miteinander verbindenden Laststromkreis auf. Bevorzugt kann eine Last, beispielsweise ein Elektromotor, dem Laststromkreis zugeschaltet werden. Erfindungsgemäß weist die Brennstoffzelle schließlich ein zwischen der Anode und der Kathode ausgebildetes Niederdruck- oder Atmosphärendruckplasma als lonenleiter (Elektrolyten) für die Brennstoffzellenreaktionen auf.The object of the invention is achieved by a fuel cell for a fuel cell system, wherein the fuel cell has an anode compartment with an anode and a cathode compartment with a cathode. The anode compartment is connected to an anode supply, which is designed for supplying, and preferably also for discharging, an anode operating medium. The cathode compartment is connected to a cathode supply, which is designed for supplying, and preferably also for discharging, a cathode operating medium. The fuel cell further includes means for ionizing the anode operating medium and the cathode operating medium. In this case, the ionization can be carried out separately or together with the oxidation or reduction of the respective operating medium. The fuel cell further includes a load circuit electrically interconnecting the anode and the cathode. Preferably, a load, for example an electric motor, can be connected to the load circuit. Finally, according to the invention, the fuel cell has a low-pressure or atmospheric-pressure plasma formed between the anode and the cathode as an ion conductor (electrolyte) for the fuel cell reactions.

Erfindungsgemäß wird somit ein Niederdruckplasma oder Atmosphärendruckplasma als lonenleiter für das ionisierte Anodenbetriebsmedium, insbesondere für Wasserstoffkerne H⁺, oder als lonenleiter für das ionisierte Kathodenbetriebsmedium, insbesondere für Sauerstoffanionen O^2-, genutzt. Vorteilhaft ist ein einmal gezündetes Niederdruckplasma oder Atmosphärendruckplasma weitgehend unabhängig von der Temperatur. Weiterhin vorteilhaft kann somit auf eine Hochvoltbatterie in Brennstoffzellenfahrzeugen verzichtet werden. Ferner kann aufgrund der hohen Beweglichkeit der Ladungsträger im Plasma die Energiedichte der Brennstoffzelle im Vergleich zur Verwendung von festen oder flüssigen Elektrolyten erhöht werden. According to the invention, a low-pressure plasma or atmospheric-pressure plasma is thus used as an ion conductor for the ionized anode operating medium, in particular for hydrogen nuclei H ⁺ , or as an ion conductor for the ionized cathode operating medium, in particular for oxygen anions O ^2- . Advantageously, a low-pressure plasma ignited once or atmospheric pressure plasma is largely independent of the temperature. Further advantageous can thus be dispensed with a high-voltage battery in fuel cell vehicles. Furthermore, due to the high mobility of the charge carriers in the plasma, the energy density of the fuel cell can be increased compared to the use of solid or liquid electrolytes.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter einem Niederdruckplasma ein Plasma verstanden, das bei einem Druck unterhalb des Atmosphärendrucks betrieben wird. In diesem Fall weist die erfindungsgemäße Brennstoffzelle ferner Mittel zum Erzeugen eines Vakuums, insbesondere eines Niedrigvakuums, auf. Bevorzugt beträgt der Druck eines erfindungsgemäß eingesetzten Niederdruckplasmas zwischen 0,5 und 50 Pascal, ferner bevorzugt zwischen 1 und 20 Pascal und besonders bevorzugt zwischen 2 und 10 Pascal. Unter einem Atmosphärendruckplasma wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung hingegen ein Plasma verstanden, dessen Druck im Wesentlichen gleich dem Atmosphärendruck ist. Somit kann vorteilhaft auf Mittel zum Erzeugen beziehungsweise Halten eines Vakuums verzichtet werden.In the context of the present invention, a low-pressure plasma is understood as meaning a plasma which is operated at a pressure below the atmospheric pressure. In this case, the fuel cell according to the invention further comprises means for generating a vacuum, in particular a low vacuum. The pressure of a low-pressure plasma used according to the invention is preferably between 0.5 and 50 Pascal, more preferably between 1 and 20 Pascal and particularly preferably between 2 and 10 Pascal. In the context of the present invention, however, an atmospheric pressure plasma is understood to mean a plasma whose pressure is essentially equal to the atmospheric pressure. Thus, advantageously can be dispensed with means for generating or holding a vacuum.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle weist diese ferner Mittel zum Anregen des Niederdruck- oder Atmosphärendruckplasma mittels dielektrischer Barriereentladung (dielectric barrier discharge - DBD) und/oder mittels Mikrowellen und/oder mittels elektromagnetischer Hochfrequenzanregung auf.In a preferred embodiment of the fuel cell according to the invention, this further comprises means for exciting the low-pressure or atmospheric-pressure plasma by means of dielectric barrier discharge (DBD) and / or by means of microwaves and / or by means of electromagnetic high-frequency excitation.

Alternativ kann das Plasma in der Brennstoffzelle auch thermisch angeregt werden. In diesem Fall weist die erfindungsgemäße Brennstoffzelle Mittel zum Erzeugen ausreichend hoher Temperaturen auf, bei denen ein zum Erzeugen eines Plasmas eingeleitetes Gas, beispielsweise ein Edelgas oder eines der Betriebsmedien, den Plasmazustand zündet. Bevorzugt ist die zum Zünden eines Niederdruck- oder Atmosphärendruckplasmas notwendige Temperatur geringer als die zum Zünden eines Hochdruckplasmas notwendige Temperatur. Insbesondere ist lediglich die Temperaturen der Plasmaelektronen deutlich erhöht, wohingegen die kinetischen Energien des Neutralgases, das heißt der Atomrümpfe, im Wesentlichen Zimmertemperatur entspricht. Besonders bevorzugt ist daher ein selektives Heizen der negativ geladenen Elektronen.Alternatively, the plasma in the fuel cell can also be thermally excited. In this case, the fuel cell according to the invention has means for generating sufficiently high temperatures at which a gas introduced to generate a plasma, for example a noble gas or one of the operating media, ignites the plasma state. Preferably, the temperature necessary for igniting a low-pressure or atmospheric pressure plasma is lower than the temperature necessary for igniting a high-pressure plasma. In particular, only the temperatures of the plasma electrons is significantly increased, whereas the kinetic energies of the neutral gas, that is, the atomic fuselages, substantially corresponds to room temperature. Therefore, it is particularly preferable to selectively heat the negatively charged electrons.

Die Mittel zum Anregen des Plasmas mittels dielektrischer Barriereentladung, auch stille elektrische Entladung genannt, umfassen bevorzugt zumindest zwei isolierend umhüllte Elektroden. Mit anderen Worten ist der Reaktionsraum zum Zünden des Plasmas zwischen Anode und Kathode von zumindest zwei gegenpoligen Elektroden begrenzt, die jeweils auf ihrer dem Reaktionsraum zugewandten Seite mit einem Dielektrikum beschichtet sind. In einem gepulsten Betrieb mit schaltbar getrenntem Last- und Anregungsstromkreis können Anode und Kathode der Brennstoffzelle gleichzeitig als Elektroden zur Plasmaanregung dienen. Die Mittel zum Anregen des Plasmas mittels dielektrischer Barriereentladung umfassen ferner bevorzugt eine Spannungsversorgung, die dazu eingerichtet ist, eine elektrischen Wechselspannung von zumindest 1 kV, bevorzugt zwischen 500 V und 10 kV, und mit einer Frequenz zwischen 10 kHz und 1000 kHz an die beschichteten Elektroden anzulegen. Bei der Plasmaanregung mittels dielektrischer Barriereentladung handelt es sich bevorzugt um eine kapazitive Plasmaanregung.The means for exciting the plasma by means of dielectric barrier discharge, also called quiet electrical discharge, preferably comprise at least two electrodes covered in an insulating manner. In other words, the reaction space for igniting the plasma between the anode and the cathode is delimited by at least two opposing pole electrodes, which are each coated on their side facing the reaction space with a dielectric. In a pulsed operation with switchable separate load and excitation circuit, the anode and cathode of the fuel cell can simultaneously serve as electrodes for plasma excitation. The means for exciting the plasma by means of dielectric barrier discharge preferably further comprise a voltage supply which is adapted to an electrical AC voltage of at least 1 kV, preferably between 500 V and 10 kV, and with a frequency between 10 kHz and 1000 kHz to the coated electrodes to apply. The plasma excitation by means of dielectric barrier discharge is preferably a capacitive plasma excitation.

Durch das Anlegen der starken und hochfrequenten Wechselspannung an die dielektrisch beschichteten Elektroden werden im Plasmaraum zwischen den Elektroden zum Zünden eines Plasmas ausreichende Feldstärken erzielt. Aufgrund der Trägheit der in den Dielektrika erzeugten Verschiebungsströmen können jedoch dem Plasmaraum zugewandte Oberflächenladungen und somit Lichtbogenentladungen verhindert werden. Die dielektrische Barriereentladung ermöglicht somit vorteilhaft eine homogene Gasentladung nahezu im gesamten Volumen des Plasmaraums zwischen den Elektroden.By applying the strong and high-frequency alternating voltage to the dielectrically coated electrodes, sufficient field strengths are achieved in the plasma space between the electrodes for igniting a plasma. However, due to the inertia of the displacement currents generated in the dielectrics, surface charges facing the plasma space, and thus arc discharges, can be prevented. The dielectric barrier discharge thus advantageously enables a homogeneous gas discharge in almost the entire volume of the plasma space between the electrodes.

Derartige dielektrisch beschichtete und mit hochfrequentem Wechselstrom beaufschlagte Elektroden können vorteilhaft zum Erzeugen von Niederdruckplasma und Atmosphärendruckplasma verwendet werden. Dem Fachmann sind zahlreiche technische Lösungen zum Erzeugen von Niederdruckplasma oder Atmosphärendruckplasma mittels dielektrischer Barriereentladung aus dem Stand der Technik bekannt. Lediglich beispielhaft sei hierzu auf die Patentliteratur WO 2006118870 A2 , US 20170127506 A1 und WO 2016095035 A1 verwiesen, auf deren Inhalt hiermit jeweils vollumfänglich Bezug genommen wird.Such dielectrically coated and high-frequency alternating current applied electrodes can be advantageously used for generating low pressure plasma and atmospheric pressure plasma. Numerous technical solutions for producing low-pressure plasma or atmospheric-pressure plasma by means of dielectric barrier discharge from the prior art are known to the person skilled in the art. By way of example only, the patent literature WO 2006118870 A2 . US 20170127506 A1 and WO 2016095035 A1 Reference is hereby made to the entire contents of which reference is hereby made.

Die Mittel zum Anregen des Plasmas mittels Mikrowellen umfassen bevorzugt einen Mikrowellengenerator, beispielsweise ein Magnetron, sowie Mittel zum Zuleiten und Einkoppeln der Mikrowellen in das Prozessgas beziehungsweise in das Plasma. Alternativ zur Verwendung eines Mikrowellengenerators wird das Niederdruck- und Atmosphärendruckplasma bevorzugt durch Jets oder Strahler und über gut in der Leistung regelbare Transistorschaltungen mit Leistungen zwischen 2 W und 200 W sowie mit Frequenzen oberhalb von 2,45 GHz erzeugt. Um die Effektivität der Plasmaanregung zu erhöhen, ist der Raum zwischen Anode und Kathode bevorzugt zumindest teilweise von einer Plasmakammer umgeben, deren Wände für Mikrowellen stark reflektierend ausgebildet sind.The means for exciting the plasma by means of microwaves preferably comprise a microwave generator, for example a magnetron, and means for supplying and coupling the microwaves into the process gas or into the plasma. As an alternative to using a microwave generator, the low pressure and atmospheric pressure plasma is preferably jets or emitters and well-tunable transistor circuits with powers between 2 W and 200 W and with Generated frequencies above 2.45 GHz. In order to increase the effectiveness of the plasma excitation, the space between anode and cathode is preferably at least partially surrounded by a plasma chamber whose walls are designed to be highly reflective for microwaves.

Vorteilhaft können die Mittel zum Erzeugen des Plasmas mittels Mikrowellen zum großen Teil außerhalb der Brennstoffzelle angeordnet sein. Dem Fachmann sind aus dem Stand der Technik zahlreiche technische Lösungen zum Erzeugen von Niederdruckplasma oder Atmosphärendruckplasma mittels Mikrowellen bekannt. Lediglich beispielhaft sei hierzu auf die Patentliteratur EP 0501466 A1 , DE 4136297 A1 , WO 1997025837 A1 und WO 1988010506 A1 verwiesen, auf deren Inhalt hiermit jeweils vollumfänglich Bezug genommen wird.Advantageously, the means for generating the plasma can be arranged by means of microwaves for the most part outside the fuel cell. Numerous technical solutions for producing low-pressure plasma or atmospheric-pressure plasma by means of microwaves are known to the person skilled in the art from the prior art. By way of example only, the patent literature EP 0501466 A1 . DE 4136297 A1 . WO 1997025837 A1 and WO 1988010506 A1 Reference is hereby made to the entire contents of which reference is hereby made.

Zum Beleg des Wissens des Fachmanns zur Plasmaelektrochemie und Plasmachemie im Allgemeinen sowie bezogen auf die vorliegende Erfindung im Speziellen und hinsichtlich der bekannten Anregung von Plasmen mittels elektromagnetischer Hochfrequenzanregung wird ferner auf die folgenden Veröffentlichungen verwiesen, auf deren Inhalt hiermit vollumfänglich Bezug genommen wird:

[1] Reinshagen and J. Janek, Proc. 16th Iketani Conference on „Electrochemistry and Thermodynamics of Materials, Processing for Sustainable Production/Masuko Symposium“, Hrsg.: S. Yamaguchi, Tokyo, Japan, (2006) 599-62 ;
[2] https://www.uni-giessen.de/fbz/fb08/lnst/physchem/janek/forschung/ Echemieplasma/plaseleechemie;
[3] https://www.uni-giessen.de/fbz/fb08/lnst/physchem/janek/forschung/ Echemieplasma/Mikroplasmen;
[4] Michael A. Lieberman und Allan J. Lichtenberg: Principles of Plasma Discharges and Materials Processing. Wiley, New York u.a. 1994, ISBN 0-471-00577-0 ;
[5] Alfred Grill: Cold Plasma in Materials Fabrication. From Fundamentals to Applications. IEEE Press, New York 1994, ISBN 0-7803-4714-5 ;
[6] https://www.ieap.uni-kiel.de/plasma/ag-kersten/de.

For further proof of the knowledge of the person skilled in the art of plasma electrochemistry and plasma chemistry in general, and with regard to the known excitation of plasmas by means of electromagnetic high-frequency excitation, reference is further made to the following publications, the contents of which are hereby fully incorporated by reference:

[1] Reinshagen and J. Janek, Proc. 16th Iketani Conference on "Electrochemistry and Thermodynamics of Materials, Processing for Sustainable Production / Masuko Symposium", eds .: S. Yamaguchi, Tokyo, Japan, (2006) 599-62 ;
[2] https://www.uni-giessen.de/fbz/fb08/lnst/physchem/janek/forschung/ Echemieplasma / plaseleechemie;
[3] https://www.uni-giessen.de/fbz/fb08/lnst/physchem/janek/forschung/ Echemieplasma / Mikroplasmen;
[4] Michael A. Lieberman and Allan J. Lichtenberg: Principles of Plasma Discharges and Materials Processing. Wiley, New York et al. 1994, ISBN 0-471-00577-0 ;
[5] Alfred Grill: Cold Plasma in Materials Fabrication. From Fundamentals to Applications. IEEE Press, New York 1994, ISBN 0-7803-4714-5 ;
[6] https://www.ieap.uni-kiel.de/plasma/ag-kersten/de.

In einer ferner bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Brennstoffzelle Mittel zum Zuführen eines Edelgases zum Ausbilden des Niederdruck- oder Atmosphärendruckplasmas zwischen Anode und die Kathode auf. Bevorzugt umfasst die Brennstoffzelle zumindest eine Zuleitung in und eine Ableitung aus dem Bereich zwischen Anode und Kathode für ein Edelgas als Plasmagas. Ebenfalls bevorzugt umfasst die Brennstoffzelle ferner ein Gasreservoir für das Edelgas sowie Mittel zur gesteuerten Zu- und Abführung des Edelgases sowie ferner bevorzugt Mittel zur Rezirkulation des Edelgases. Ferner bevorzugt ist die Brennstoffzelle so ausgebildet, dass nur geringe Mengen des Edelgases aus dem Bereich zwischen Anode und Kathode entweichen können. Gemäß dieser Ausführungsform wird das Plasma zwischen der Anode und der Kathode zumindest auch aus dem zugeführten Edelgas, beispielsweise Neon, Xenon oder Argon, gezündet.In a further preferred embodiment, the fuel cell according to the invention comprises means for supplying a noble gas for forming the low-pressure or atmospheric-pressure plasma between the anode and the cathode. Preferably, the fuel cell comprises at least one feed line into and a discharge from the region between anode and cathode for a noble gas as plasma gas. Also preferably, the fuel cell further comprises a gas reservoir for the noble gas and means for the controlled supply and discharge of the noble gas and further preferably means for recirculation of the noble gas. Further preferably, the fuel cell is designed so that only small amounts of the noble gas can escape from the region between the anode and cathode. According to this embodiment, the plasma between the anode and the cathode at least also from the supplied noble gas, such as neon, xenon or argon, ignited.

Alternativ bevorzugt weist die erfindungsgemäße Brennstoffzelle Mittel zum Zuleiten des Niederdruck- oder Atmosphärendruckplasmas auf. In einer einfachen Ausführungsform sind die Mittel zum Zuführen des Edelgases als Mittel zum Zuführen des Plasmas ausgebildet, beispielsweise durch Anordnung einer Plasmafackel in einer der Zuleitungen. Besonders bevorzugt erfolgt in dieser Ausführungsform die Zuführung der Betriebsmedien indem diese dem zugeführten Plasma zugemischt werden. In diesem Fall erfolgt eine Plasmazuleitung sowohl über die Anodenkammer als auch über die Kathodenkammer. Die Zuleitung der Betriebsmittel mittels der zugeführten Plasmen, das heißt deren Beimischung zu diesen Plasmen, begünstigt vorteilhaft die Ionisation der Betriebsmedien und ermöglicht die Reduktion der Katalysatorbeladung von Anode und/oder Kathode.Alternatively preferably, the fuel cell according to the invention comprises means for supplying the low-pressure or atmospheric-pressure plasma. In a simple embodiment, the means for supplying the inert gas are designed as a means for supplying the plasma, for example by arranging a plasma torch in one of the feed lines. Particularly preferred in this embodiment, the supply of the operating media by these are added to the supplied plasma. In this case, a plasma supply takes place both via the anode chamber and via the cathode chamber. The supply of the resources by means of the supplied plasmas, that is their admixture with these plasmas, favorably promotes the ionization of the operating media and allows the reduction of the catalyst loading of the anode and / or cathode.

In einem zwischen der Anode und der Kathode gezündeten Edelgas-Niederdruck- oder Atmosphärendruckplasma weisen im Wesentlichen lediglich die freigesetzten Elektronen Temperaturen von einigen Elektronenvolt auf, wohingegen die Temperatur der Atomrümpfe als Neutralgas in der Regel nur wenig über Umgebungstemperatur liegt. Somit weisen auch nur die Elektronen eine mittlere freie Weglänge auf, die in der Größenordnung des Abstands zwischen Anode und Kathode liegt. Die Beweglichkeit der Gaskationen ist deutlich geringer. Ein solches Edelgasplasma kann vorteilhaft einfach zwischen der Anode und der Kathode gehalten werden. Während die Edelgaskationen im Plasma relativ unbeweglich sind, können sich die deutlich leichteren Wasserstoffkerne H⁺ aber auch die Sauerstoffanionen O^2- im Edelgasplasma zumindest im Wesentlichen frei entlang des elektrochemischen Gradienten bewegen. Somit erfolgt der für die Brennstoffzellenreaktionen benötigte Ladungstransfer über das Edelgasplasma als Elektrolyten. Die Selektivität des Plasmas hinsichtlich der zu leitenden Ionen ist gering. Bevorzugt weist die Brennstoffzelle daher Mittel auf, um den Zugang der H⁺ und/oder der O^2- zum Plasma zu limitieren oder zu verhindern. Prinzipiell ist jedoch der elektrochemische Gradient der Brennstoffzellen-Redoxreaktion als Triebkraft für einen gerichteten Ladungstransport bereits ausreichend.In a rare gas low pressure or atmospheric pressure plasma ignited between the anode and the cathode, essentially only the released electrons have temperatures of a few electron volts, whereas the temperature of the atomic bodies as the neutral gas is generally only slightly above ambient temperature. Thus, only the electrons have a mean free path, which is of the order of the distance between anode and cathode. The mobility of the gasations is much lower. Advantageously, such a noble gas plasma can simply be held between the anode and the cathode. While the noble gas cations in the plasma are relatively immobile, the significantly lighter hydrogen nuclei H ⁺ but also the oxygen anions O ^2- in the noble gas plasma can move at least essentially freely along the electrochemical gradient. Thus, the charge transfer required for the fuel cell reactions via the noble gas plasma takes place as electrolytes. The selectivity of the plasma with respect to the ions to be conducted is low. Preferably, therefore, the fuel cell has means to limit or prevent the access of H ⁺ and / or O ^2- to the plasma. In principle, however, the electrochemical gradient of the fuel cell redox reaction as a driving force for a directed charge transport is already sufficient.

In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Brennstoffzelle ferner Mittel zum zusätzlichen oder ausschließlichen Zuführen von Anodenbetriebsmedium, bevorzugt von Anodenbetriebsmedium und Kathodenbetriebsmedium, zwischen die Anode und die Kathode auf. Gemäß dieser Ausführungsform wird das Plasma bevorzugt ausschließlich oder zusätzlich auch aus dem Anodenbetriebsmedium und/oder dem Kathodenbetriebsmedium erzeugt. Vorteilhaft kann so auf ein zusätzliches Edelgas zum Erzeugen des Plasmas verzichtet werden, indem allein die ohnehin vorhandenen Betriebsmedien zum Erzeugen des Plasmas genutzt werden. Vorteilhaft können so zusätzlich Kosten und Bauraum eingespart werden. In a likewise preferred embodiment, the fuel cell according to the invention further comprises means for additionally or exclusively supplying anode operating medium, preferably anode operating medium and cathode operating medium, between the anode and the cathode. According to this embodiment, the plasma is preferably exclusively or additionally produced from the anode operating medium and / or the cathode operating medium. Advantageously, it is thus possible to dispense with an additional noble gas for generating the plasma, by using only the operating media, which are present anyway, for generating the plasma. Advantageously, as additional costs and space can be saved.

Ferner bevorzugt sind die Anode und/oder die Kathode der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle als Lochbleche ausgebildet. Somit wird vorteilhaft auf einfache Weise eine Trennung der Elektrodenräume von der Plasmakammer erzielt, insbesondere im Hinblick auf die Gasführung. Gleichzeitig sind die Elektroden jedoch gaspermeable ausgebildet, zumindest für die Ionenspezies, die entlang des elektrochemischen Gradienten durch das Plasma zu transportieren ist.Further preferably, the anode and / or the cathode of the fuel cell according to the invention are formed as perforated plates. Thus, a separation of the electrode spaces from the plasma chamber is advantageously achieved in a simple manner, in particular with regard to the gas guidance. At the same time, however, the electrodes are gas-permeable, at least for the ionic species that is to be transported along the electrochemical gradient through the plasma.

Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle sind die Mittel zur Ionisation der Betriebsmedien als katalytische Elektroden ausgebildet. Mit anderen Worten weist die erfindungsgemäße Brennstoffzelle die in üblichen PEM-Brennstoffzellen üblichen katalytischen Elektroden auf. Gemäß dieser Ausführungsform wird unbehandeltes Anodenbetriebsmedium in den Anodenraum eingespeist. An der katalytischen Anode erfolgt dann, unterstützt durch die über den Laststromkreis anliegende Spannung, die Oxidation des darin enthaltenen Wasserstoffs in Protonen H⁺ und Elektronen. Die Protonen dringen von dem Anodenraum, beispielsweise durch die als Lochblech ausgebildete katalytische Anode, in den mit Plasma gefüllten Raum zwischen Anode und Kathode ein. Dem Kathodenraum wird zudem unbehandeltes Kathodenbetriebsmedium zugeführt. An der katalytischen Kathode erfolgt dann die Reduktion des darin enthaltenen Sauerstoffs mit den über den Laststromkreis zugeführten Elektroden zu O^2-. Im Plasma bewegen sich die Protonen H⁺ durch Drift aufgrund des elektrochemischen Gradienten sowie durch Diffusion zur Kathode und dringen, beispielsweise durch die als Lochblende ausgebildete Kathode, in den Kathodenraum ein, wo sie mit den Sauerstoffanionen zu Wasser reagieren. Da die Atomrümpfe als Neutralgas des Plasmas weitgehend unbeweglich sind, kollidieren diese nur mit sehr geringer Wahrscheinlichkeit mit den Protonen H⁺ im Plasma. Die Brennstoffzelle weist bevorzugt Mittel zum Vermeiden einer Rekombination der Protonen H⁺ mit den freien Elektronen des Plasmas auf.According to a first preferred embodiment of the fuel cell according to the invention, the means for ionizing the operating media are formed as catalytic electrodes. In other words, the fuel cell according to the invention has the customary in conventional PEM fuel cells catalytic electrodes. According to this embodiment, untreated anode operating medium is fed into the anode compartment. At the catalytic anode then, supported by the voltage applied across the load circuit, the oxidation of the hydrogen contained therein into protons H ⁺ and electrons. The protons penetrate from the anode compartment, for example through the catalytic anode formed as a perforated plate, into the plasma-filled space between anode and cathode. The cathode compartment is also supplied with untreated cathode operating medium. At the catalytic cathode then takes place the reduction of the oxygen contained therein with the supplied via the load circuit electrodes to O ^2- . In the plasma, the protons H ⁺ move by drift due to the electrochemical gradient as well as by diffusion to the cathode and penetrate, for example through the cathode formed as a pinhole, in the cathode compartment, where they react with the oxygen anions to water. Since the atomic hulls are largely immobile as the neutral gas of the plasma, they collide only very slightly with the protons H ⁺ in the plasma. The fuel cell preferably has means for avoiding recombination of the protons H ⁺ with the free electrons of the plasma.

Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle sind die Mittel zur Ionisation der Betriebsmedien als Mittel zum Erzeugen zumindest eines Plasmas ausgebildet. In diesem Fall ist ein Katalysator in der Brennstoffzelle insgesamt verzichtbar. Ferner ist gemäß dieser Ausführungsform eine Plasmakammer dem Anodenraum vorgelagert, in der das Anodenbetriebsmedium ionisiert wird. Dem Anodenraum wird somit das Anodenbetriebsmedium bereits als Plasma zugeführt. Ferner ist auch dem Kathodenraum eine Plasmakammer vorgelagert, in der das Kathodenbetriebsmedium ionisiert wird. Dem Kathodenraum wird somit das Kathodenbetriebsmedium bereits als Plasma zugeführt. Der weitere Betrieb der Brennstoffzelle verläuft wie mit Bezug zur ersten Ausführungsform erläutert. In beiden Ausführungsformen werden alternativ bevorzugt die Protonen H⁺ an einem Eintritt in das Plasma gehindert. In diesem Fall driften und diffundieren die Sauerstoffanionen O^2- durch das Plasma zur Anode, und reagieren dort mit den Wasserstoffkernen H⁺ zu Wasser.According to a second preferred embodiment of the fuel cell according to the invention, the means for ionizing the operating media are designed as means for generating at least one plasma. In this case, a catalyst in the fuel cell is dispensable altogether. Furthermore, according to this embodiment, a plasma chamber precedes the anode space in which the anode operating medium is ionized. Thus, the anode operating medium is already supplied to the anode space as plasma. Further, the cathode compartment is preceded by a plasma chamber in which the cathode operating medium is ionized. Thus, the cathode operating medium is already supplied to the cathode space as plasma. The further operation of the fuel cell proceeds as described with reference to the first embodiment. Alternatively, in both embodiments, the protons H ⁺ are preferably prevented from entering the plasma. In this case, the oxygen anions O ^2- drift and diffuse through the plasma to the anode, where they react with the hydrogen nuclei H ⁺ to form water.

Um eine unkontrollierte Reaktion der Wasserstoffkerne mit den freien Elektronen des Plasmas zu verhindern, müssen Maßnahmen zur Ladungstrennung im Plasma getroffen werden. Bevorzugt weist die Brennstoffzelle daher Mittel zum Erzeugung eines Magnetfelds (B), insbesondere eines Magnetfelds zwischen Anode und Kathode, auf. Positive (H⁺) und negative (O^2-) Ladungsträger im Plasma unterscheiden sich in ihrer Masse und, zumindest im elektrochemischen Gradienten, zum Teil auch in ihrer Bewegungsrichtung. Folglich kann mittels der vom Magnetfeld erzeugten Lorentzkraft eine effektive Ladungstrennung im Plasma verwirklicht werden. Dieses Prinzip ist dem Fachmann beispielsweise aus dem Bereich der Massenspektroskopie hinlänglich bekannt und wird daher hier nicht nochmals detailliert erläutert.In order to prevent an uncontrolled reaction of the hydrogen nuclei with the free electrons of the plasma, measures for the separation of charges in the plasma must be made. The fuel cell therefore preferably has means for generating a magnetic field (B), in particular a magnetic field between the anode and the cathode. Positive (H ⁺ ) and negative (O ^2- ) charge carriers in the plasma differ in their mass and, at least in the electrochemical gradient, partly in their direction of motion. Consequently, by means of the Lorentz force generated by the magnetic field, an effective charge separation in the plasma can be realized. This principle is well known to those skilled in the field of mass spectroscopy, for example, and will therefore not be discussed again in detail here.

In einer alternativen Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Brennstoffzelle einen in dem Raum zwischen Anode und Kathode angeordneten Ionen-permeablen Separator auf. Innerhalb der Brennstoffzelle unterbricht der Separator bevorzugt jeden freien Pfad von der Anode zur Kathode. Ebenfalls bevorzugt trennt der Separator den Plasmaraum zwischen Anode und Kathode in zwei Teile. Bevorzugt ist der Separator so ausgebildet, dass die zum Ladungstransport der Brennstoffzellenreaktion benötigte Ionenspezies den Separator passieren kann, während die Elektronen von dem Separator zurückgehalten werden. Besonders bevorzugt ist der Separator aus einer Keramik, beispielsweise einer selektiv Sauerstoffanionen oder selektiv Protonen (H⁺) leitenden Keramik ausgebildet. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Separator ferner mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung, beispielsweise einer Metallisierung, versehen und elektrisch leitfähig mit der Kathode verbunden. Ebenfalls bevorzugt ist der Separator als Lochblech ausgebildet. Vorteilhaft werden somit auf den Separator treffende freie Elektronen aus dem Plasma abgezogen und können im Plasma nicht mehr mit den Protonen H⁺ rekombinieren. Besonders bevorzugt ist der beschichtete Separator über den Laststromkreis mit der Kathode verbunden. Dies ermöglicht vorteilhaft einen unterstöchiometrischen Einsatz des Anodenbetriebsmediums sowie die Energierückgewinnung aus dem Plasma durch elektrisches Speisen der Last mittels der Plasmaelektronen. In an alternative embodiment, the fuel cell according to the invention has an ion-permeable separator arranged in the space between anode and cathode. Within the fuel cell, the separator preferably interrupts any clear path from the anode to the cathode. Also preferably, the separator separates the plasma space between the anode and cathode in two parts. Preferably, the separator is configured such that the ion species needed to charge transport the fuel cell reaction can pass through the separator while the electrons are retained by the separator. The separator is particularly preferably formed from a ceramic, for example a selectively oxygen anions or selectively proton (H ⁺ ) -conducting ceramic. In a particularly preferred embodiment, the separator is further provided with an electrically conductive coating, such as a metallization, and electrically conductive connected to the cathode. Also preferably, the separator is formed as a perforated plate. Thus, free electrons striking the separator are advantageously removed from the plasma and can no longer recombine with the protons H ⁺ in the plasma. Particularly preferably, the coated separator is connected via the load circuit to the cathode. This advantageously allows a substoichiometric use of the anode operating medium and the energy recovery from the plasma by electrically feeding the load by means of the plasma electrons.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung eines Niederdruck- oder Atmosphärendruckplasmas, bevorzugt eines Edelgasniederdruckplasmas oder Edelgasatmosphärendruckplasmas, als lonenleiter einer Brennstoffzelle. Bei der Brennstoffzelle handelt es sich bevorzugt aber nicht zwingend um eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle wie hierin beschrieben.Another aspect of the invention relates to the use of a low-pressure or atmospheric-pressure plasma, preferably a noble gas low-pressure plasma or inert gas atmospheric pressure plasma, as the ion conductor of a fuel cell. However, the fuel cell is preferably not necessarily a fuel cell according to the invention as described herein.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen. Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern nicht explizit anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the remaining, mentioned in the dependent claims characteristics. The various embodiments of the invention mentioned in this application are, unless explicitly stated otherwise, advantageously combinable with each other.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß dem Stand der Technik;
2 eine Brennstoffzelle gemäß einer ersten Ausführungsform und
3 eine Brennstoffzelle gemäß einer zweiten Ausführungsform.

The invention will be explained below in embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 a schematic representation of a fuel cell system according to the prior art;
2 a fuel cell according to a first embodiment and
3 a fuel cell according to a second embodiment.

1 zeigt ein insgesamt mit 100 bezeichnetes Brennstoffzellensystem gemäß dem Stand der Technik. Das Brennstoffzellensystem 100 ist Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, der durch das Brennstoffzellensystem 100 mit elektrischer Energie versorgt wird. 1 shows a fuel cell system according to the prior art generally designated 100. The fuel cell system 100 is part of a not further illustrated vehicle, in particular an electric vehicle having an electric traction motor, by the fuel cell system 100 is supplied with electrical energy.

Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst als Kernkomponente einen Brennstoffzellenstapel 10, der eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten PEM-Einzelzellen 11 aufweist, die durch abwechselnd gestapelte Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA) 14 und Bipolarplatten 15 ausgebildet werden (siehe Detailausschnitt). Jede Einzelzelle 11 umfasst somit jeweils eine MEA 14 mit einer hier nicht näher dargestellten ionenleitfähigen Polymerelektrolytmembran sowie beidseits daran angeordnete katalytische Elektroden. Diese Elektroden katalysieren die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffumsetzung. Die Anoden- und Kathodenelektrode sind als Beschichtung auf der Membran ausgebildet und weisen ein katalytisches Material auf, beispielsweise Platin, das auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial großer spezifischer Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt.The fuel cell system 100 comprises as a core component a fuel cell stack 10 containing a plurality of stacked PEM single cells 11 having alternately stacked membrane-electrode assemblies (MEAs) 14 and bipolar plates 15 be formed (see detail). Every single cell 11 thus includes one MEA each 14 with an ion-conducting polymer electrolyte membrane (not shown here) as well as catalytic electrodes arranged on both sides. These electrodes catalyze the respective partial reaction of the fuel conversion. The anode and cathode electrodes are formed as a coating on the membrane and comprise a catalytic material, for example platinum, supported on an electrically conductive substrate of high specific surface area, for example a carbon based material.

Wie in der Detaildarstellung der 1 gezeigt, ist zwischen einer Bipolarplatte 15 und der Anode ein Anodenraum 12 ausgebildet und ist zwischen der Kathode und der nächsten Bipolarplatte 15 der Kathodenraum 13 ausgebildet. Die Bipolarplatten 15 dienen der Zuführung der Betriebsmittel in die Anoden- und Kathodenräume 12, 13 und stellen ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 11 her. Optional können Gasdiffusionslagen zwischen den Membran-Elektroden-Anordnungen 14 und den Bipolarplatten 15 angeordnet sein.As in the detailed representation of the 1 is shown between a bipolar plate 15 and the anode an anode compartment 12 is formed and is between the cathode and the next bipolar plate 15 the cathode compartment 13 educated. The bipolar plates 15 serve to supply the resources in the anode and cathode spaces 12 . 13 and further provide the electrical connection between the individual fuel cells 11 ago. Optionally, gas diffusion layers may be interposed between the membrane-electrode assemblies 14 and the bipolar plates 15 be arranged.

Um den Brennstoffzellenstapel 10 mit den Betriebsmitteln zu versorgen, weist das Brennstoffzellensystem 100 einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf.To the fuel cell stack 10 to supply with the resources, the fuel cell system 100 on the one hand, an anode supply 20 and on the other hand, a cathode supply 30 on.

Die Anodenversorgung 20 des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems 100 umfasst einen Anodenversorgungspfad 21, welcher der Zuführung eines Anodenbetriebsmittels (dem Brennstoff), beispielsweise Wasserstoff, in die Anodenräume 12 des Brennstoffzellenstapels 10 dient. Zu diesem Zweck verbindet der Anodenversorgungspfad 21 einen Brennstoffspeicher 23 mit einem Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels 10. Das Einstellen des Einspeisedrucks des Anodenbetriebsmediums in die Anodenräume 12 des Brennstoffzellenstapels 10 erfolgt über ein Dosierventil 27.1. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anodenabgaspfad 22, der das Anodenabgas aus den Anodenräumen 12 über einen Anodenauslass des Brennstoffzellenstapels 10 abführt.The anode supply 20 of in 1 shown fuel cell system 100 includes an anode supply path 21 which feeds an anode resource (the fuel), for example hydrogen, into the anode spaces 12 of the fuel cell stack 10 serves. For this purpose, the anode supply path connects 21 a fuel storage 23 with an anode inlet of the fuel cell stack 10 , Adjusting the feed pressure of the anode operating medium into the anode compartments 12 of the fuel cell stack 10 via a metering valve 27.1 , The anode supply 20 further includes an anode exhaust path 22 containing the anode exhaust gas from the anode chambers 12 via an anode outlet of the fuel cell stack 10 dissipates.

Darüber hinaus weist die Anodenversorgung 20 des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems 100 eine Rezirkulationsleitung 24 auf, welche den Anodenabgaspfad 22 mit dem Anodenversorgungspfad 21 verbindet. Die Rezirkulation von Brennstoff ist üblich, um den überstöchiometrisch eingesetzten Brennstoff dem Brennstoffzellenstapel 10 zurückzuführen. In der Rezirkulationsleitung 24 sind eine Rezirkulationsfördereinrichtung 25, vorzugsweise ein Rezirkulationsgebläse, sowie ein Klappenventil 27.2 angeordnet.In addition, the anode supply points 20 of in 1 shown fuel cell system 100 a recirculation line 24 on which the anode exhaust path 22 with the anode supply path 21 combines. The recirculation of fuel is common to the over-stoichiometric fuel used in the fuel cell stack 10 due. In the recirculation line 24 are a recirculation conveyor 25 , preferably a recirculation fan, as well as a flapper valve 27.2 arranged.

In der Anodenversorgung 20 des Brennstoffzellensystems 100 ist ferner ein Wasserabscheider 26 verbaut, um das aus der Brennstoffzellenreaktion entstehende Produktwasser abzuleiten. Ein Ablass des Wasserabscheiders kann mit der Kathodenabgasleitung 32, einem Wassertank oder einer Abgasanlage verbunden sein.In the anode supply 20 of the fuel cell system 100 is also a water separator 26 built to that from the Derive fuel cell reaction resulting product water. A drain of the water separator can with the cathode exhaust gas line 32 be connected to a water tank or an exhaust system.

Die Kathodenversorgung 30 des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems 100 umfasst einen Kathodenversorgungspfad 31, welcher den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 ein sauerstoffhaltiges Kathodenbetriebsmittel zuführt, insbesondere Luft, die aus der Umgebung angesaugt wird. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathodenabgaspfad 32, welcher das Kathodenabgas (insbesondere die Abluft) aus den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 abführt und dieses gegebenenfalls einer nicht dargestellten Abgasanlage zuführt.The cathode supply 30 of in 1 shown fuel cell system 100 includes a cathode supply path 31 which is the cathode spaces 13 of the fuel cell stack 10 supplies an oxygen-containing cathode resource, in particular air which is drawn in from the environment. The cathode supply 30 further includes a cathode exhaust path 32 , which the cathode exhaust gas (in particular the exhaust air) from the cathode compartments 13 of the fuel cell stack 10 dissipates and optionally this feeds an exhaust system, not shown.

Zur Förderung und Verdichtung des Kathodenbetriebsmittels ist in dem Kathodenversorgungspfad 31 ein Verdichter 33 angeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Verdichter 33 als ein hauptsächlich elektromotorisch angetriebener Verdichter 33 ausgestaltet, dessen Antrieb über einen mit einer entsprechenden Leistungselektronik 35 ausgestatteten Elektromotor 34 erfolgt.For conveying and compressing the cathode operating means is in the cathode supply path 31 a compressor 33 arranged. In the illustrated embodiment, the compressor 33 as a mainly electric motor driven compressor 33 designed, the drive via a with a corresponding power electronics 35 equipped electric motor 34 he follows.

Das in 1 gezeigte Brennstoffzellensystem 100 weist ferner ein stromaufwärts des Verdichters 33 in der Kathodenversorgungsleitung 31 angeordnetes Befeuchtermodul 39 auf. Das Befeuchtermodul 39 ist einerseits so in dem Kathodenversorgungspfad 31 angeordnet, dass es von dem Kathodenbetriebsgas durchströmbar ist. Andererseits ist es so in dem Kathodenabgaspfad 32 angeordnet, dass es von dem Kathodenabgas durchströmbar ist. Ein Befeuchter 39 weist typischerweise eine Mehrzahl von wasserdampfpermeablen Membranen auf, die entweder flächig oder in Form von Hohlfasern ausgebildet sind. Dabei wird eine Seite der Membranen von dem vergleichsweise trockenen Kathodenbetriebsgas (Luft) überströmt und die andere Seite von dem vergleichsweise feuchten Kathodenabgas (Abgas). Getrieben durch den höheren Partialdruck an Wasserdampf in dem Kathodenabgas kommt es zu einem Übertritt von Wasserdampf über die Membranen in das Kathodenbetriebsgas, das auf diese Weise befeuchtet wird.This in 1 shown fuel cell system 100 further includes an upstream of the compressor 33 in the cathode supply line 31 arranged humidifier module 39 on. The humidifier module 39 on the one hand is in the cathode supply path 31 arranged so that it can be flowed through by the cathode operating gas. On the other hand, it is so in the cathode exhaust path 32 arranged so that it can be flowed through by the cathode exhaust gas. A humidifier 39 typically has a plurality of water vapor permeable membranes formed either flat or in the form of hollow fibers. In this case, one side of the membranes is overflowed by the comparatively dry cathode operating gas (air) and the other side by the comparatively moist cathode exhaust gas (exhaust gas). Driven by the higher partial pressure of water vapor in the cathode exhaust gas, there is a transfer of water vapor across the membranes into the cathode working gas, which is moistened in this way.

Das Brennstoffzellensystem 100 weist ferner einen die Kathodenversorgungsleitung 31 stromaufwärts und stromabwärts des Befeuchters 39 miteinander verbindenden Befeuchterbypass 37 mit einem darin angeordneten Klappenventil als Bypassstellmittel 38 auf. Ferner sind Klappenventile 27.3 und 27.4 stromaufwärts des Brennstoffzellenstapels 10 in der Anodenversorgungsleitung 21 beziehungsweise stromabwärts des Brennstoffzellenstapels 10 in der Anodenabgasleitung 22 angeordnet.The fuel cell system 100 also has a cathode supply line 31 upstream and downstream of the humidifier 39 interconnecting humidifier bypass 37 with a flap valve disposed therein as a bypass actuator 38 on. Furthermore, flap valves 27.3 and 27.4 upstream of the fuel cell stack 10 in the anode supply line 21 or downstream of the fuel cell stack 10 in the anode exhaust gas line 22 arranged.

Verschiedene weitere Einzelheiten der Anoden- und Kathodenversorgung 20, 30 sind in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt. Beispielsweise kann die Anodenabgasleitung 22 in die Kathodenabgasleitung 32 münden, sodass das Anodenabgas und das Kathodenabgas über eine gemeinsame Abgasanlage abgeführt werden.Various other details of the anode and cathode supply 20 . 30 are in 1 not shown for reasons of clarity. For example, the anode exhaust line 22 into the cathode exhaust gas line 32 lead, so that the anode exhaust gas and the cathode exhaust gas are discharged via a common exhaust system.

2 zeigt eine Brennstoffzelle 50 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung für ein Brennstoffzellensystem 100, wie beispielsweise mit Bezug zu 1 erläutert. Die in der 2 dargestellte Brennstoffzelle 50 soll somit insbesondere die Brennstoffzelle 10 der 1 ersetzen. 2 shows a fuel cell 50 according to a first embodiment of the invention for a fuel cell system 100 , such as with reference to 1 explained. The in the 2 illustrated fuel cell 50 should thus in particular the fuel cell 10 of the 1 replace.

Die Brennstoffzelle 50 gemäß einer ersten Ausführungsform weist einen Kathodenraum 51 mit einer darin angeordneten Kathode 52 auf. Der Kathodenraum 51 ist bevorzugt an die Kathodenversorgung 30, insbesondere den Kathodenversorgungspfad 31 zum Zuführen des Kathodenbetriebsmediums und den Kathodenabgaspfad 32 zum Abführen des Kathodenbetriebsmediums angeschlossen. Im Fall des Brennstoffzellensystems 100 der 1 ist die Kathode 52 bevorzugt eine katalytische Kathode 52 wie vorstehend beschrieben. Alternativ ist die Kathode 52 ohne Katalysator ausgebildet, sofern dem Kathodenraum 51 das Kathodenbetriebsmedium bereits als Plasma zugeführt wird. Hierzu kann beispielsweise eine Plasmafackel im Kathodenversorgungspfad 31 angeordnet sein.The fuel cell 50 according to a first embodiment has a cathode compartment 51 with a cathode disposed therein 52 on. The cathode compartment 51 is preferred to the cathode supply 30 , in particular the cathode supply path 31 for supplying the cathode operating medium and the cathode exhaust path 32 connected for discharging the cathode operating medium. In the case of the fuel cell system 100 of the 1 is the cathode 52 preferably a catalytic cathode 52 as described above. Alternatively, the cathode 52 formed without catalyst, provided the cathode space 51 the cathode operating medium is already supplied as plasma. For this purpose, for example, a plasma torch in the cathode supply path 31 be arranged.

Die Brennstoffzelle 50 gemäß der ersten Ausführungsform weist ferner einen Anodenraum 53 mit einer darin angeordneten Anode 54 auf. Der Anodenraum 53 ist bevorzugt an die Anodenversorgung 20, insbesondere den Anodenversorgungspfad 21 zum Zuführen des Anodenbetriebsmediums und den Anodenabgaspfad 22 zum Abführen des Anodenbetriebsmediums angeschlossen. Im Fall des Brennstoffzellensystems 100 der 1 ist die Anode 54 bevorzugt eine katalytische Anode 54, wie vorstehend beschrieben. Alternativ ist die Anode 54 ohne Katalysator ausgebildet, sofern dem Anodenraum 53 das Anodenbetriebsmedium bereits als Plasma zugeführt wird. Hierzu kann beispielsweise eine Plasmafackel im Anodenversorgungspfad 21 angeordnet sein.The fuel cell 50 according to the first embodiment, further comprises an anode space 53 with an anode disposed therein 54 on. The anode compartment 53 is preferred to the anode supply 20 , in particular the anode supply path 21 for supplying the anode operating medium and the anode exhaust gas path 22 connected for discharging the anode operating medium. In the case of the fuel cell system 100 of the 1 is the anode 54 preferably a catalytic anode 54 as described above. Alternatively, the anode 54 formed without a catalyst, provided the anode space 53 the anode operating medium is already supplied as a plasma. For this purpose, for example, a plasma torch in the anode supply path 21 be arranged.

Die Kathode 52 und die Anode 54 sind über einen Laststromkreis 55 miteinander verbunden, in dem eine Last 57 angeordnet ist. In einem Raum zwischen der Kathode 52 und der Anode 54 wird ein Argon-Niederdruckplasma 56 erzeugt. Die Rumpfatome des Argon bilden dabei ein Neutralgas mit einer mittleren freien Weglänge, die geringer ist, als der Abstand zwischen Kathode 52 und Anode 54. Die an der Anode 54 gebildeten Wasserstoffprotonen H⁺ werden dem Plasma 56 zugeführt, während die Elektronen des Wasserstoffs e^- der Kathode 52 über den Laststromkreis 55 zugeführt werden und Arbeit über die Last 57 verrichten. Im elektrochemischen Gradienten der Brennstoffzellen-Redoxreaktion bewegen sich die Protonen H⁺ im Plasma 56 in Richtung der Kathode 52, wo sie mit reduziertem Sauerstoff O^2- zu Wasser reagieren.The cathode 52 and the anode 54 are via a load circuit 55 interconnected in which a load 57 is arranged. In a space between the cathode 52 and the anode 54 becomes an argon low-pressure plasma 56 generated. The core atoms of the argon form a neutral gas with a mean free path, which is less than the distance between the cathode 52 and anode 54 , The at the anode 54 formed hydrogen protons H ⁺ become the plasma 56 supplied while the electrons of the hydrogen e ^- the cathode 52 over the load circuit 55 be fed and work over weight 57 do. In the electrochemical gradient of the fuel cell redox reaction, the protons move H ⁺ in the plasma 56 in the direction of the cathode 52 where they use reduced oxygen O ^2- react to water.

Um eine Rekombination der Wasserstoffkerne H⁺ mit den freien Elektronen e^- des Plasmas 56 zu verhindern, ist ein Separator 58 mittig zwischen Kathode 52 und Anode 54 angeordnet. Wie in der Detaildarstellung der 2 dargestellt, besteht der Separator 58 aus einem keramischen Grundkörper 61 der selektiv Wasserstoffprotonen leitet. Auf der dem Plasma 56 zugewandten Oberflächen ist der Separator 58 ferner mit Aluminium 60 beschichtet und somit elektrisch leitfähig ausgebildet. Der Separator 58 ist über eine Zuleitung 59 stromaufwärts der Last 57 mit dem Laststromkreis 55 und über diesen mit der Kathode 52 verbunden. Somit entzieht der Separator 58 dem Plasma 56 Elektronen und ist gleichzeitig für H⁺ passierbar. Folglich wird die Wahrscheinlichkeit einer Rekombination der Protonen H⁺ und Elektronen e^- im Plasma deutlich reduziert.To a recombination of hydrogen nuclei H ⁺ with the free electrons e ^{- of} the plasma 56 to prevent is a separator 58 in the middle between the cathode 52 and anode 54 arranged. As in the detailed representation of the 2 shown, there is the separator 58 from a ceramic base body 61 which selectively conducts hydrogen protons. On the plasma 56 facing surfaces is the separator 58 furthermore with aluminum 60 coated and thus formed electrically conductive. The separator 58 is via a supply line 59 upstream of the load 57 with the load circuit 55 and over this with the cathode 52 connected. Thus, the separator withdraws 58 the plasma 56 Electrons and is at the same time for H ⁺ passable. Consequently, the probability of recombination of the protons H ⁺ and electrons e ^- significantly reduced in the plasma.

3 zeigt eine Brennstoffzelle 50 gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung für ein Brennstoffzellensystem 100, wie beispielsweise mit Bezug zu 1 erläutert. Die in der 3 dargestellte Brennstoffzelle 50 soll somit insbesondere die Brennstoffzelle 10 der 1 ersetzen. Sofern nicht anders beschrieben, gleicht der Aufbau der Brennstoffzelle 50 gemäß der zweiten Ausführungsform dem der ersten Ausführungsform der 2. 3 shows a fuel cell 50 according to a third embodiment of the invention for a fuel cell system 100 , such as with reference to 1 explained. The in the 3 illustrated fuel cell 50 should thus in particular the fuel cell 10 of the 1 replace. Unless otherwise stated, the structure of the fuel cell is similar 50 according to the second embodiment of the first embodiment of the 2 ,

Abweichend von der Brennstoffzelle 50 der 2 ist in der Brennstoffzelle 50 der 3 kein Separator zwischen der Kathode 52 und der Anode 54 angeordnet. Stattdessen weist die Brennstoffzelle 50 Mittel zum Erzeugen eines Magnetfelds B 70 auf. Die Feldlinien des Magnetfeld B 70 verlaufen dabei zumindest im Inneren der Brennstoffzelle 50, und bevorzugt im Wesentlichen senkrecht zur Zeichenebene. Aufgrund dieses Magnetfelds B 70 erfahren die Elektronen e^- und die Protonen H⁺ eine entgegengesetzte Beschleunigung innerhalb des Plasmas 56. Durch geeignete Einstellung von Feldrichtung und Feldstärke der Magnetfelds B 70 wird somit die Wahrscheinlichkeit einer Rekombination der Protonen H⁺ mit den Elektronen e^-drastisch reduziert. Zudem kann ein Auftreffen der Elektronen e^- auf die Kathode 52 und folglich ein Kurzschluss der Brennstoffzelle 50 über das Plasma 56 verhindert werden.Deviating from the fuel cell 50 of the 2 is in the fuel cell 50 of the 3 no separator between the cathode 52 and the anode 54 arranged. Instead, the fuel cell points 50 Means for generating a magnetic field B 70. The field lines of the magnetic field B 70 extend at least in the interior of the fuel cell 50 , and preferably substantially perpendicular to the plane of the drawing. Because of this magnetic field B 70, the electrons experience e ^- and the protons H ⁺ an opposite acceleration within the plasma 56 , By suitable adjustment of the field direction and field strength of the magnetic field B 70, the probability of a recombination of the protons is thus increased H ⁺ with the electrons e ^- drastically reduced. In addition, an impact of the electrons e ^- on the cathode 52 and consequently a short circuit of the fuel cell 50 over the plasma 56 be prevented.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2006118870 A2 [0016]
US 20170127506 A1 [0016]
WO 2016095035 A1 [0016]
EP 0501466 A1 [0018]
DE 4136297 A1 [0018]
WO 1997025837 A1 [0018]
WO 1988010506 A1 [0018]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Reinshagen and J. Janek, Proc. 16th Iketani Conference on "Electrochemistry and Thermodynamics of Materials, Processing for Sustainable Production / Masuko Symposium", Ed .: S. Yamaguchi, Tokyo, Japan, (2006) 599-62 [0019]
Michael A. Lieberman and Allan J. Lichtenberg: Principles of Plasma Discharges and Materials Processing. Wiley, New York, etc. 1994, ISBN 0-471-00577-0 [0019]
Alfred Grill: Cold Plasma in Materials Fabrication. From Fundamentals to Applications. IEEE Press, New York 1994, ISBN 0-7803-4714-5 [0019]

Claims

A fuel cell (50) for a fuel cell system (100) comprising a cathode compartment (51) connected to a cathode supply (30) arranged for supplying a cathode operating medium, having a cathode (52), an anode compartment (53) having an anode (54) connected to an anode supply (20) furnished for supplying an anode operating medium; Means for ionizing the operating media; a load circuit (55) electrically interconnecting the anode (52) and the cathode (54); and a low pressure or atmospheric pressure plasma (56) formed between the anode (52) and the cathode (54) as an ion conductor.

Fuel cell (50) after Claim 1 further comprising means for exciting said low pressure or atmospheric pressure plasma (56) by dielectric barrier discharge and / or by means of microwaves and / or by means of high frequency electromagnetic excitation or means for introducing said low pressure or atmospheric pressure plasma (56).

Fuel cell (50) after Claim 1 or 2 further comprising means for supplying a noble gas for forming the low pressure or atmospheric pressure plasma (56) between the cathode (52) and the anode (54).

A fuel cell (50) according to any one of the preceding claims, comprising means for additionally or exclusively supplying anode operating medium, preferably anode operating medium and cathode operating medium, between cathode (52) and anode (54).

Fuel cell (50) according to one of the preceding claims, wherein the cathode (52) and / or anode (54) are formed as perforated plates.

Fuel cell (50) according to one of the preceding claims, wherein the means for ionization of the operating media catalytic electrodes (52, 54) and / or means for generating a plasma.

A fuel cell (50) according to any one of the preceding claims, comprising means for generating a magnetic field (70) between the cathode (52) and the anode (54).

A fuel cell (50) according to any one of the preceding claims, comprising an ion permeable separator (58) between the cathode (52) and the anode (54).

Fuel cell after Claim 8 wherein the separator (58) has an electrically conductive coating (60) and is electrically connected to the load circuit (55) and / or the cathode (52) via a feed line (59).

Use of a designed low pressure or atmospheric pressure plasma (56) as an ion conductor of a fuel cell (50).