DE10129190B4

DE10129190B4 - Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE10129190B4
Application number: DE10129190A
Authority: DE
Inventors: Yasumitsu Hamamatsu Ito
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2000-06-19
Filing date: 2001-06-19
Publication date: 2006-04-27
Anticipated expiration: 2021-06-20
Also published as: DE10129190A1; US6803137B2; US20020034671A1; JP2002008679A; JP3738956B2

Abstract

Festpolymerbrennstoffzelle, mit einer Vielzahl von Elementarzellen, die eine hinter der anderen gestapelt sind, die Elementarzelle aufweisend eine Anionenaustauschmembran (2) mit einer ersten Elektrode und eine Kationenaustauschmembran (1) mit einer zweiten Elektrode, die benachbart zueinander aber nicht in Kontakt miteinander angeordnet, sondern über eine Trennzone (6) voneinander getrennt sind, Diffusionsschichten, die auf beiden Seiten der Anionenaustauschmembran (2) und der Kationenaustauschmembran (1) angeordnet sind, um ein Hindurchtreten von Elektronen, die an den Katalysatorschichten einer Wasserstoffelektrode und einer Sauerstoffelektrode erzeugt wurden, zu ermöglichen, und bipolare Platten (9), die seitlich der Gasdiffusionsschichten (3) angeordnet sind und als Stromleiter mit einem Gaskanal (4, 5) dienen.

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein selbstbefeuchtendes Brennstoffzellensystem. Genauer gesagt betrifft die Erfindung eine mit einer Ionenaustauschmembran ausgestattete Festpolymer-Brennstoffzelle mit einer Kationenaustauschmembran und einer Anionenaustauschmembran.

Es sind verschiedene Arten von Brennstoffzellen bekannt. Unter diesen ist eine Festpolymer-Brennstoffzelle kompakt und in der Lage, Elektrizität selbst bei relativer geringer Temperatur zu erzeugen.

Der Körper einer Festpolymer-Brennstoffzelle ist ein Stapel, der eine Vielzahl von übereinander gestapelten Zellen aufweist. Wie in 4 dargestellt, sind die Elementarzellen in dem Stapel miteinander verbunden und in Serie durch eine bipolare Platte 9 gestapelt, der eine elektrisch leitende und gasundurchlässige Platte ist und auch als bipolare Platte bezeichnet wird.

Im allgemeinen wird als Ionenaustauschmembran 11, die den Hauptteil der Festkörperbrennstoffzelle bildet, eine Kationenaustauschmembran benutzt, die als „Protonenaustauschmembran" bezeichnet wird. In der Elementarzelle, die eine Basiskomponente der Brennstoffzelle darstellt, werden Katalysatoren 7, 8 auf beiden Seiten dieser Protonenaustaustauschmembran 11 (protonenleitender Polymerfilm) gehalten und eine Gasdiffusionsschicht 3 ist an der Außenseite eines jeden Katalysators angeordnet. Diese Diffusionsschicht 3 ist normalerweise aus Karbonpapier hergestellt und sie dient als eine Kollektorschicht, die das Hindurchtreten von Elektronen erlaubt, die auf den Katalysatoren oder einer aus Karbon hergestellten Elektrode erzeugt wurden (Wasserstoffelektrode. Sauerstoffelektrode). Als oben beschriebene Katalysatoren werden Metallkatalysatoren, wie beispielsweise aus Platin, benutzt. Die Katalysatorschichten 7, 8 sind beispielsweise hergestellt, indem ein solcher Metallkatalysator aus Karbonpartikeln hergestellt wird und dieser mit einem elektrisch leitenden Polymer gemischt wird, das als Bindemittel dient.

An der Außenseite einer jeden der oben beschriebenen Elementarzellen ist eine Platte vorgesehen, die einen darin vorgesehenen Gaskanal aufweist, und diese Platte wird bipolare Platte 9 genannt. Ein Reaktandengas wird durch die Gaskanäle 4, 5 gespeist, die in der bipolaren Platte 9 angeordnet sind, und die elektrizitätserzeugende Kapazität der Zelle wird durch ein zuzuführendes Brennstoffgas und ein zuzuführendes Oxidationsgas bestimmt. Es sind zwei Gasströmungskanäle vorgesehen, einer ist der Kanal 4 zum Einspeisen und zum Ausstoßen eines Brennstoffgases und der andere ist der Kanal 5 zur Einspeisung und zum Ausstoßen eines Oxidationsgases. Demzufolge hat die bipolare Platte auf einer Seite eine Fläche mit dem Gaskanal zur Einspeisung eines Brennstoffgases und auf der anderen Seite eine Fläche mit dem Gaskanal zur Einspeisung eines Oxidationsgases.

Die bipolare Platte 9 ist eine stromführende Substanz, die der Trennung des Brennstoffgases und des Oxidationsgases dient, wie dies in 4 dargestellt ist. Der Begriff „Brennstoffgas", wie er hierin benutzt wird, steht für ein Gas, das normalerweise aus einem Wasserstoffgas und Wasserdampf zusammengesetzt ist. Die Katalysatorschicht, die in Kontakt mit diesem wasserstoffgasenthaltenden Brennstoffgas steht, wird „Wasserstoffelektrode" genannt.

Der Begriff „Oxidationsgas", wie er hierin benutzt wird, bedeutet ein sauerstoffenthaltendes Gas, wie z. B. Luft, und die Katalysatorschicht, die in Kontakt mit dem Oxidationsgas steht, wird „Sauerstoffelektrode" genannt.

Wenn diese Festelektrolytenbrennstoffzelle mit einer äußeren Last verbunden wird, wird ein Wasserstoffgas an der Wasserstoffelektrode in Protonen und Elektronen zerlegt und tritt durch eine elektrolytische Membran zu der Seite der Sauerstoffelektrode über. Zu dieser Zeit treten die Protonen in Cluster über, zusammen mit Wassermolekülen in der Nähe dieser Protonen. Dies ist die sogenannte Elektroendosmose von Wasser. Durch dieses Phänomen trocknet die Wasserstoffelektrodenseite der Membran aus.

Um die oben beschriebenen Probleme zu überwinden, wird das Wasserstoffgas normalerweise von außen befeuchtet an der Wasserstoffelektrode eingespeist, was ein Ansteigen des elektrischen Widerstandes aufgrund der Trocknung der Membran unterdrückt.

Um einen ausreichenden Wasserdampfdruck zu erreichen, ist es notwendig, das Wasserstoffgas zu erwärmen. Es ist jedoch bekannt, daß eine starke Temperaturerhöhung den Wasserdampfteildruckes eines Wasserstoff/Wasserdampfgasgemisches erhöht, was einen schlechten Einfluß auf die Versorgung eines Wasserstoffgases ausübt, das selbst für die Reaktion notwendig ist.

Unter Berücksichtigung des vorbeschriebenen wurden eine Vielzahl unterschiedlicher Membranen für eine Brennstoffzelle untersucht.

In einer Brennstoffzelle reagieren Protonen, die in die Seite der Sauerstoffelektrode eingeführt wurden, mit Sauerstoff auf der Elektrode und Wasser wird erzeugt. Dieses Produktwasser muß sofort nach außen ausgestoßen werden, zusammen mit Wasser, das durch die Elektroendosmose erzeugt wurde, da ein Überfluß an Wasser den Gasdiffusionskanal der benachbarten Diffusionsschicht verstopft, wodurch der effektive Elektrodenbereich verringert wird. Diese Wasser diffundieren in Richtung der Wasserstoffelektrodenseite gemäß einem Feuchtigkeitskonzentrationsgradienten, der durch die Wasserstoffelektrodenseite vorgegeben ist. Dieses Phänomen wird im allgemeinen als „Rückdiffusion" bezeichnet.

Es ist gewöhnliche Praxis, die Rückdiffusion des Wassers durch Senkung der Dicke der Membran zu unterstützen, wodurch dieser Konzentrationsgradient erhöht wird. Dieses Verfahren macht es möglich, die Befeuchtungsbedingungen zu entspannen, während die Befeuchtung so stark wie möglich reduziert wird.

Wenn die Membran jedoch dünner ausgebildet wird, durchquert mehr als 1 % des physischen Wasserstoffgases die Membran, was zu Problemen führt, wie beispielsweise eine Senkung der elektromotorischen Kraft.

Unterschiedliche Verfahren zur inneren Befeuchtung wurden ausprobiert. Die erste Methode besteht darin, eine notwendige Feuchtigkeitsmenge zu erhalten durch Verteilen einer vorgegebenen Menge eines Katalysators in einer Membran, der ähnlich zu dem ist, der auf der Oberfläche des Elektrodenkatalysators verteilt ist, Einfangen des Wasserstoffs und des Sauerstoffs, die die katalysatorverteilte Membran durchqueren, und Erzeugen von Wasser innerhalb der Brennstoffzelle. Dieses Verfahren beinhaltet ebenfalls das Problem, daß die elektromotorische Kraft verringert wird. Zusätzlich verursacht dieses Verfahren vermutlich eine Verschlechterung der Performance, was auf eine Verschlechterung der Membran zurückzuführen ist, die durch feine Löcher, die innerhalb der Membran ausgebildet sind, durch die Hitze aufgrund der Reaktion verursacht wird.

Das zweite Verfahren besteht darin, die Feuchtigkeit des Ausgangs des Stapels mechanisch einzufangen und diese zu dem Befeuchtungsteil der stromaufwärtigen Stute des Stapels zurückzuführen. Der Begriff „Stapel" steht für ein Elementarmodul, das eine Vielzahl von Elementarbrennstoffzellen aufweist, die eine nach der anderen gestapelt sind. Dieses Verfahren ist jedoch von dem Problem begleitet, dass der Mechanismus dieses Verfahrens, der das Wasser an der stromabwärtigen Stufe des Stapels einfängt, die Vorrichtung zwangsläufig vergrößert und diese somit ungeeignet für ein mobile Brennstoffzelle macht.

Das dritte Verfahren besteht darin, eine Kühlpassage auf der Seite vorzusehen, die gegenüber dem Wasserstoffkanal der bipolaren Platte angeordnet ist, und der bipolaren Platte selbst Wasser zuzuführen, wodurch der Wasserstoff auf der gegenüberliegenden Seite befeuchtet wird. Für die bipolare Platte wird normalerweise ein Karbonmaterial eingesetzt, aber die unbearbeitete bipolare Platte erlaubt ein Hindurchtreten des Wasserstoffgases. Dessen Gasdichtigkeit wird daher durch dessen Einbettung in einem Polymer, wie z. B. Phenolharz, erhöht. Es ist jedoch nicht einfach, eine bipolare Platte herzustellen, die ein gutes Gleichgewicht zwischen verbesserter Wasserstoffgasdichtigkeit und der Möglichkeit zur Diffusion von Wasser aufweist, wodurch der Wasserstoff befeuchtet wird.

Die WO 00/17952 A1 beschreibt eine Selbstbefeuchtungsbrennstoffzelle herkömmlicher Art, d.h. der Aufbau entspricht im wesentlichen dem Aufbau einer typischen PEM-Brennstoffzelle. Die bekannte Brennstoffzelle umfaßt eine Ionen- bzw. Protonenaustauschmembran, folglich eine Kationenaustauschmembran, an die seitlich Diffusionsschichten angrenzen. Ferner sind bipolare Platten vorgesehen, die wiederum an die Diffusionsschichten angrenzen, wobei in den den Diffusionsschichten zugewandten Seiten der Platten Strömungskanäle vorgesehen sind, in die das Brennstoff- bzw. Oxidationsgas eingeleitet werden kann. Um die Selbstbefeuchtung der Brennstoffzelle zu verbessern, schlägt die WO 00/17952 A1 vor, in der Kationenaustauschmembran so genannte Hydrationsverbesserungszonen vorzusehen, wobei die Hydrationsverbesserungszonen auf die im folgenden beschriebenen Arten ausgebildet sein: Die Hydrationsverbesserungszonen können von unkatalysierten Bereichen der Kationenaustauschmembran gebildet sein. Oder die Hydrationsverbesserungszonen können von einem Bereich der Kationenaustauschmembran gebildet sein, der direkt – d.h. ohne Zwischenlage einer Diffusionsschicht – zwischen den bipolaren Platten angeordnet ist. Zusätzlich kann die Kationenaustauschmembran von einer verstärkten PEM-Membran gebildet sein.

Zusammenfassung der Erfindung

Unter Berücksichtigung der obigen Probleme haben die Erfinder weitreichende Untersuchungen durchgeführt, um ein Selbstbefeuchtungsbrennstoffzellensystem zu entwickeln, das ohne Zuhilfenahme einer Hilfsausrüstung, wie z. B. einem Befeuchter, ein Reaktandengas mit Wasser einspeisen kann, wobei ein starker Anstieg von Wasser gesteuert wird.

Als Ergebnis wurde herausgefunden, dass die oben beschriebenen Probleme durch ein Selbstbefeuchtungsbrennstoffzellensystem überwunden werden können, bei dem eine innere Zirkulation des Wassers durchgeführt wird, wobei eine Anionenaustauschmembran MEA (membrane electrode assembly) und eine Kationenaustauschmembran MEA, die abwechselnd angeordnet sind, benutzt werden und wobei elektroendosmotisches Wasser und Produktwasser benutzt werden, während diese durch den Transfer von Ionen in die den Membranen entgegengesetzter Richtungen zirkuliert werden.

Die vorliegende Erfindung wurde auf Grundlage einer solchen Betrachtung fertig-gestellt.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Festpolymerbrennstoffzellensystem zu schaffen, das eine Vielzahl von Elementarzellen, die eine hinter der anderen gestapelt sind, wobei jede Elementarzelle eine Elektrode mit einer Anionenaustauschmembran und eine Elektrode mit einer Kationenaustauschmembran aufweist, die benachbart zueinander angeordnet sind, aber nicht in Kontakt stehen, wobei Gasdiffusionsschichten normalerweise auf beiden Seiten dieser Elektroden angeordnet sind, um ein Hindurchtreten der auf den Katalysatoren erzeugten Elektronen zu ermöglichen, und bipolare Platten aufweist, die außerhalb der Gasdiffusionsschichten angeordnet sind und als Stromleiter mit einem Gaskanal dienen.

In dem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung ist der Gaskanal zur Speisung eines Gases innerhalb der Elementarzelle derart angeordnet, daß der Teil der Gasdiffusionsschicht, der der Anionenaustauschmembran benachbart ist, mit dem Teil der Gasdiffusionsschicht, der der Kationenaustauschmembran benachbart ist, verbunden ist.

Die vorliegende Erfindung macht es möglich, Hilfsausrüstung, wie z. B. einen Befeuchter, einzusparen, was aufgrund einer Verringerung der Anzahl von Teilen oder Vorrichtungen, zu einer Vereinfachung des Systems, zu einer Kostenreduzierung und zu einer Einsparung von Raum führt.

In dem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung ist ein von außen eingebrachtes Gas nicht durch den Wasserdampf-Partialdruck beeinflußt, der durch die Befeuchtung erhöht wird. Zusätzlich sind durch die Benutzung einer Kationenaustauschmembran und einer Anionenaustauschmembran die Wassererzeugungsseite und die elektroendosmotische Seite umgekehrt, so daß Feuchtigkeit, die für die Reaktion notwendig ist, durch die Befeuchtung an der stromaufwärtigen Stufe verfügbar ist. Darüber hinaus können aufgrund des Übertragungsunterschiedes zwischen OH^–Ionen und H⁺Ionen die Eigenschaften der Membran geändert werden durch einen Unterschied in dem Bereich oder der Dicke der Membran.

Überschuss oder Mangel an Feuchtigkeit kann durch Messung der Ausgangsspannung erfasst werden. Dieses Brennstoffzellensystem kann ohne jegliche externe Befeuchtungsmittel unter angemessenen Betriebsbedingungen betrieben werden. Ein Zirkulationsverhältnis des Wassers kann eingestellt werden durch eine Flussrate oder Temperatur der Hauptluft innerhalb eines Bereiches, der keine Überflutungserscheinung verursacht, die einen ruhigen Gasfluss durch Überschusswasser verhindert.

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden durch Ausführungsformen genauer beschrieben. Es soll jedoch vermerkt sein, dass der Erfindungsgedanke der vorliegenden Erfindung nicht auf die folgenden Ausführungsformen beschränkt oder durch diese beschränkt ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Darstellung, die ein Beispiel einer Elementarzelle zeigt, die eine Ionenaustauschmembran gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist; 2 ist eine schematische Darstellung, die ein anderes Anordnungsbeispiel der Ionenaustauschmembran zeigt, die in der vorliegenden Erfindung benutzt wird; 3 ist eine schematische Ansicht, die die Elektroendosmose von Wasser zeigt, wenn die vorliegende Erfindung angewandt wird; 4 ist eine schematische Ansicht, die den Schichtaufbau und den Betrieb von einer Elementarzelle des Brennstoffzellensystems veranschaulicht.
In diesen Figuren beschreibt das Bezugszeichen 1 eine Kationenaustauschmembran, 2 eine Anionenaustauschmembran, 3 eine Gasdiffusionsschicht, 4 einen Gaskanal (Brennstoffgas), 5 einen Gaskanal (Oxidationsgas), 6 eine Trennzone, 7 eine Katalysatorschicht (als eine Wasserstoffelektrode), 8 eine Katalysatorschicht (als eine Wasserstoffelektrode), 9 eine bipolare Platte, 10 eine Last und 11 eine Ionenaustauschmembran.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung schafft ein Brennstoffzellensystem mit Selbstwasserzirkulation, das aus Elementarzellen gebildet ist, wobei jede Elementarzelle zwei Ionenaustauschmembranen aufweist. In der vorliegenden Erfindung ist zusätzlich zu einer Kationenaustauschmembran (Protonenaustauschmembran) eine Anionenaustauschmembran eingesetzt.
In dem Teil einer Zelle, in dem die Kationenaustauschmembran angeordnet ist, finden die folgenden Reaktionen statt:

Wasserstoffelektrode: H₂ → 2H⁺ + 2e

Sauerstoffelektrode: 1/2O₂ + 2H⁺ + 2e → H₂O
In dem Teil einer Zelle, in dem die Anionenaustauschmembran angeordnet ist, finden die folgenden Reaktionen statt:

Wasserstoffelektrode: H₂ + 2OH^– → 2H₂O + 2e^–

Sauerstoffelektrode: 1/2O₂ + H₂O + 2e^– → 2OH^–
In einer Zelle sind die Elektrode mit einer Anionenaustauschmembran und die Elektrode mit einer Kationenaustauschmembran zueinander benachbart angeordnet und eine Gasdiffusionsschicht, die diesen ähnelt, ist an der äußeren Seite jeder der Elektroden angeordnet. Diese beiden Elektroden sind derart angeordnet, dass sie nicht miteinander in Kontakt stehen. Diese Diffusionsschicht, die herkömmlicherweise aus Karbonpapier hergestellt ist, ist eine stromführende Schicht, durch die an dem Katalysator erzeugte Elektronen hindurchtreten können. Außerhalb dieser Diffusionsschicht ist eine bipolare Platte angeordnet, in dem ein Gaskanal vorgesehen ist. Diese bipolare Platte ist ein Stromleiter und hat die Funktion, ein Brennstoffgas von einem Oxidationsgas zu trennen. Durch Verbindung der Zelle mit einer externen Last an der Kationenaustauschmembran zerfällt ein Wasserstoffgas in Protonen und Elektronen an der Wasserstoffelektrode und diese wandern durch die elektrolytische Membran in Richtung der Sauerstoffelektrodenseite. Zu dieser Zeit bewegen sich die Protonen in Clustern, zusammen mit Wassermolekülen in der Nähe der Protonen. Dies ist die sog. Elektroendosmose und durch dieses Phänomen trocknet die Membran an der Wasserstoffelektrodenseite aus.
Die Ionen, die sich in der Anionenaustauschmembran bewegen, sind OH^–Ionen, wie dies in dem oben gezeigten Reaktionsschema gezeigt ist, und in diesem Fall ist die Übertragungsrichtung der Ionen der Übertragungsrichtung der Ionen, die sich in der Kationenaustauschmembran bewegen, entgegengesetzt. An der Wasserstoffelektrode wird Wasser erzeugt und zusätzlich tritt hier eine Elektroendosmose durch OH^–Ionen auf, so dass der Feuchtigkeitskonzentrationsgradient umgekehrt zu dem der Kationenaustauschmembran ist.
Das Wasserstoffgas und Sauerstoffgas fließen abwechselnd durch diese Austauschmembranen und das somit erzeugte Wasser kann recycelt werden.
Als Kationenaustauschmembran kann in der vorliegenden Erfindung beispielsweise Nafion (Handelsmarke) benutzt werden. Als Anionenaustauschmembran ist jegliches hitzebeständiges Polymer benutzbar, das eine anionische Gruppe aufweist. Obwohl keine bestimmten Einschränkungen bzgl. der Anionenaustauschmembran vorgesehen sind, wird geeigneterweise ein Polymergemisch, wie beispielsweise Tosflex (Handelsmarke), eingesetzt.
Eines der einfachsten Beispiele der Anordnung im einem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 1 dargestellt.
In diesem Beispiel sind eine Kationenmembran 1 und eine Anionenmembran 2 vertikal angeordnet und ein Gas ist in jeden der Gaskanäle 4, 5 gespeist, die an der Außenseite der Membranen angeordnet sind. Die Kationenaustauschmembran 1 steht nicht im Kontakt mit der Ionenaustauschmembran 2 und zwischen diesen ist eine Trennzone 6 als ein Freiraum angeordnet. Wenn die Kationenaustauschmembran beispielsweise oberhalb der Anionenaustauschmembran 2 angeordnet ist, muss ein Wasserstoffgas an dem unteren Teil des Gaskanals eingeführt werden. Da die Kationenaustauschmembran 1 auf der oberen Seite angeordnet ist, fließt elektroendosmotisches Wasser und Produktwasser nach unten durch die Diffusionsschicht 3. Durch Benutzung dieses Wassers tritt eine Reaktion an der unteren Anionenaustauschmembran auf. Da das Wasserstoffgas durch die Reaktion an der oberen Kationenmembran 1 befeuchtet werden muß, recycelt es das Wasser derart, daß die Feuchtigkeit, die in der unteren Anionenmembran erhalten wird, nach oben gespeist wird. Das Oxidationsgas recycelt andererseits das Wasser, das an der Kationenmembran 1 erhalten wird. In der vorliegenden Erfindung ist die Anordnung dieser Membranen nicht auf eine vertikale Anordnung beschränkt, sondern kann derart festgelegt werden, wie es gemäß der Gaszufuhrrichtung notwendig ist.
2 zeigt eine andere Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung, die das Layout eines Gaskanals und einer Austauschmembran aufweist. 2a zeigt ein Anordnungsbeispiel, bei dem ein Gaskanal die Anionenaustauschmembran 2 und die Kationenaustauschmembran 1 an einer Vielzahl von Punkten kreuzt, während 2b ein Anordnungsbeispiel zeigt, bei dem mehrere Anionenaustauschmembranen 2 und mehrerer Kationenaustauschmembranen 1 abwechselnd in der gleichen Ebene angeordnet sind und mehrere Gaskanäle diese Ebene kreuzen. Die Dicke jeder Kationenaustauschmembran und jeder Anionenaustauschmembran unterliegt keiner speziellen Einschränkung, sondern kann frei festgesetzt werden. Die Dicke fällt vorzugsweise in einen Bereich von 10 μm bis 1,0 mm, wenn die Effizienz der Elektrodenreaktion oder die Stapelbarkeit der Zellen berücksichtigt wird.
3 zeigt schematisch die Elektrolyse von Wasser, wenn die Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird.
In dem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung werden Elementarzellen, in denen Ionenaustauschmembranen wie oben beschrieben angeordnet sind, als wesentliche Einrichtungen eingesetzt und ein Stapel ist durch Stapeln dieser Zellen eine hinter der anderen über eine bipolare Platte ausgebildet.
Spezifischer beschrieben weist die Ionenaustauschmembran auf beiden Seiten Katalysatorschichten auf, die mit einem Platinkatalysator oder ähnlichem ummantelt sind, und an der Außenseite dieser Katalysatorschichten ist eine Wasserstoffelektrode bzw. eine Sauerstoffelektrode angeordnet. Für diese Elektroden wird normalerweise ein Karbonteil benutzt, wie z. B. Karbonpapier oder Karbongewebe. Eine Elementarzelle wird von dieser Ionenaustauschmembran gebildet, die zwischen der Wasserstoffelektrode und der Sauerstoffelektrode sandwichartig angeordnet ist und diese haften durch Kontaktklebedruck aneinander.
Auf beiden Seiten der Elementarzelle ist eine bipolare Platte 9 angeordnet, die einen Kanal für Reaktandengas aufweist. Diese Teile sind zu einem Brennstoffzellenkörper verbunden. Die Brennstoffzellen/bipolare Platten-Kombinationen sind zu einem Brennstoffzellenstapel gestapelt. Wenn beispielsweise eine Zelle eine elektromotorische Leistung von 1 Volt hat, erzeugt ein Stapel, der von 100 Zellen gebildet wird, in etwa 100 Volt.
Diese bipolare Platte wird benötigt, um als grundlegende Funktion eine Elektronenleitfähigkeit zu haben, die den Transfer von Elektronen erlaubt, und zusätzlich hat dieser eine Struktur, die die Versorgung der Elektroden mit Wasserstoff und Sauerstoff ermöglicht. Auf einer Ebene der bipolaren Platte, d. h. einer Seite, die in Kontakt mit der Wasserstoffelektrode gebracht wird, ist ein Gaskanal zur Einspeisung von Wasserstoff vorgesehen, während auf der anderen Ebene, d. h., die Seite, die in Kontakt mit der Sauerstoffseite gebracht werden soll, ist ein Gaskanal zur Einspeisung von Sauerstoff vorgesehen. Diese Gaskanäle ermöglichen ein Hindurchtreten der Gase, wodurch die Wasserstoffelektrode und die Sauerstoffelektrode mit einem Brennstoffgas bzw. Oxidationsgas versorgt werden. Die Dicke der bipolaren Platte wird je nach Bedarf festgelegt, liegt aber gewöhnlicherweise zwischen 1,0 und 3,0 mm. Als Material für die bipolare Platte kann ein Material mit einer ausreichenden Druckfestigkeit ausgesucht werden. Es ist notwendig, dass es möglich ist, den Druck auf das Material zu erhöhen, wobei dessen elektrische Leitfähigkeit erhalten bleibt.
Als Oxidationsgas kann normalerweise Luft als solche eingeführt werden. Das Brennstoffgas kann durch verschiedene Verfahren eingespeist werden und dem sind keinerlei bestimmte Einschränkungen auferlegt. Zum Beispiel ist ein Verfahren zur Umwandlung eines Rohmaterials, wie z. B. Methanol, in Wasserstoff gemäß einer Wasserdampfmodifikationsreaktion brauchbar, durch Benutzung einer wasserstofferzeugenden Vorrichtung und Einspeisung des resultierenden Wasserstoffes nach der Reinigung durch eine Wasserstoffreinigungsvorrichtung oder ähnliches.
Das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung braucht keinerlei Hilfseinrichtungen, wie z. B. einen Befeuchter, was zu einer Vereinfachung des Systems, aufgrund einer Reduzierung der Anzahl der notwendigen Vorrichtungen, einer Kostenreduktion und einem geringen Platzbedarf führt.
In diesem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein extern zugeführtes Gas unbeeinflusst von einem Wasserdampfteildruck, der durch die Befeuchtung hervorgerufen wird. Zusätzlich kann dieses System eine Verringerung des effektiven Elektrodenbereiches, aufgrund eines exzessiven Anstiegs des Wassers in der Zelle, verhindern und gleichzeitig kann Wasser einem Reaktandengas zugeführt werden, was auf dessen selbstbefeuchtendes System zurückzuführen ist.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Ausführungsformen sind soweit beschrieben. Diese sind lediglich dafür vorgesehen, das Verständnis der vorliegenden Erfindung zu vereinfachen, sollen allerdings nicht zur Einschränkung des Erfindungsgedankens der vorliegenden Erfindung herangezogen werden.

Claims

Festpolymerbrennstoffzelle, mit einer Vielzahl von Elementarzellen, die eine hinter der anderen gestapelt sind, die Elementarzelle aufweisend eine Anionenaustauschmembran (2) mit einer ersten Elektrode und eine Kationenaustauschmembran (1) mit einer zweiten Elektrode, die benachbart zueinander aber nicht in Kontakt miteinander angeordnet, sondern über eine Trennzone (6) voneinander getrennt sind, Diffusionsschichten, die auf beiden Seiten der Anionenaustauschmembran (2) und der Kationenaustauschmembran (1) angeordnet sind, um ein Hindurchtreten von Elektronen, die an den Katalysatorschichten einer Wasserstoffelektrode und einer Sauerstoffelektrode erzeugt wurden, zu ermöglichen, und bipolare Platten (9), die seitlich der Gasdiffusionsschichten (3) angeordnet sind und als Stromleiter mit einem Gaskanal (4, 5) dienen.
Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1, bei der die Gaspassage zur Versorgung jeder Elementarzelle mit Gas derart angeordnet ist, daß ein Teil der Gasdiffusionsschicht (3), die der Anionenaustauschmembran (2) benachbart ist, mit einem Teil der Gasdiffusionsschicht (3), die der Kationenaustauschmembran (1) benachbart ist, verbunden ist.