DE10136753A1

DE10136753A1 - Portable direct-methanol fuel cell for portable electronic appliances has a fuel cell unit made from a polymer membrane with an anode and cathode forming a membrane electrode unit, anode/cathode areas and a reservoir for methanol

Info

Publication number: DE10136753A1
Application number: DE10136753A
Authority: DE
Inventors: Manfred Baldauf; Klaus Dennerlein; Ulrich Gebhardt; Manfred Waidhas
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-07-27
Filing date: 2001-07-27
Publication date: 2003-02-20
Also published as: WO2003012906A2; WO2003012906A3; AU2002333159A1

Abstract

A fuel cell has a fuel cell unit with a membrane electrode unit and a reservoir for a methanol-water mixture. A methanol-permeable diaphragm (2) acts an element for supplying methanol to an anode (12). The diaphragm can be separated mechanically from the reservoir by means of a slide (6). If necessary, the anode and/or a polymer membrane can serve as a diaphragm.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine portable Direkt-Methanol- Brennstoffzelle mit wenigstens einer Brennstoffzelleneinheit, die eine Membranelektrodeneinheit aus einer mit einer Anode und einer Kathode versehenen Polymermembran sowie einen zugehörigen Anodenraum einerseits und einen Kathodenraum andererseits beinhaltet, und mit einem Vorratsbehälter für Methanol. The invention relates to a portable direct methanol Fuel cell with at least one fuel cell unit, which is a membrane electrode assembly with an anode and a cathode provided polymer membrane and one associated anode compartment on the one hand and a cathode compartment on the other hand includes, and with a reservoir for methanol.

Kleine, portable elektronische Geräte, beispielsweise Laptops oder Handys, mit einem Leistungsbereich bis zu 30 W bei Laptops oder 4 W bei Handys, werden im sog. High-End-Bereich üblicherweise mit Li-Ionen-Batterien betrieben. Die Betriebszeit dieser Batterien ist wegen ihrer Speicherkapazität zeitlich begrenzt. Betriebszeiten von insbesondere mehr als 4 h bei Laptops oder Sprechzeiten von mehr als 6°h bei Handys, sind problematisch. Die als Akkus ausgebildeten Batterien müssen dann nachgeladen werden. Small, portable electronic devices, such as laptops or cell phones, with a power range up to 30 W. Laptops or 4 W for cell phones are in the so-called high-end area usually operated with Li-ion batteries. The Operating time of these batteries is because of their storage capacity limited. Operating times of more than 4 hours in particular for laptops or talk times of more than 6 ° h for mobile phones, are problematic. The batteries designed as rechargeable batteries must then be reloaded.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, Brennstoffzellen als Batteriesatz für die portable Elektronik einzusetzen. Kleine PEM-Brennstoffzellensysteme lassen durch die hohe Energiedichte ihres Energieträgers Wasserstoff bzw. Methanol bis zu 4fach höhere Betriebszeiten bei gleicher Baugröße wie Li- Ionen-Batterien erwarten. Weiterhin ist es möglich, bei einem Brennstoffzellensystem durch die räumliche Trennung von Brennstoffzelle und Brennstoffspeicher Leistung und Kapazität frei zu dimensionieren. It has already been proposed as a fuel cell Use battery pack for portable electronics. little one PEM fuel cell systems let through the high Energy density of your energy source hydrogen or methanol to operating times four times longer with the same size as Li Expect ion batteries. Furthermore, it is possible for one Fuel cell system through the spatial separation of Fuel cell and fuel storage capacity and capacity dimension freely.

Im Stillstand zeigen diese Brennstoffzellensysteme mit Wasserstoff als Brenngas eine vernachlässigbar kleine Selbstentladung. Beim Einsatz von Methanol als Brennstoff, der dann direkt an der Anode umgesetzt wird, muss die Diffusion des Methanols durch die Elektrolytmembran zur Kathode, was einer Selbstentladung entspricht, durch besondere Maßnahmen verhindert werden. Insbesondere für den Stand-by-Modus ist eine Permeation von Methanol durch die Membran, was einem direkten Methanolverlust und somit einem Eneregieverlust entspricht, ein Hinderungsgrund für den Einsatz einer Miniatur-Direkt- Methanol-Brennstoffzelle, der sog. DMFC. At standstill, these fuel cell systems also show Hydrogen as a fuel gas is negligible Self-discharge. When using methanol as fuel, the then is implemented directly at the anode, the diffusion of the Methanol through the electrolyte membrane to the cathode, which one Self discharge corresponds through special measures be prevented. One is especially for stand-by mode Permeation of methanol through the membrane, giving a direct Methanol loss and thus corresponds to a loss of energy, an obstacle to the use of a miniature direct Methanol fuel cell, the so-called DMFC.

Üblicherweise wird ein Methanol/Wassergemisch durch den Anodenraum der Zelle gepumpt. Konzepte, das Problem der bedarfsgerechten Methanoldosierung für kleine DMFC-Zellen zu lösen, sind bisher nicht bekannt. Usually, a methanol / water mixture through the Pumped anode compartment of the cell. Concepts, the problem of to solve demand-based methanol dosing for small DMFC cells, are not yet known.

Bei den DMFC-Systemen des Standes der Technik versucht man, die Methanolkonzentration zunächst sehr niedrig zu halten, und zwar typischerweise kleiner als 2 Mol/l. Darüber hinaus wird in US 4 629 664 A ein Verfahren zum Betreiben einer DMFC beschrieben, bei dem die Methanolkonzentration lastabhängig eingestellt wird. Schließlich wurde auch bereits eine Modifizierung der Membran vorgeschlagen dergestalt, dass die Durchlässigkeit des Membranmaterials für Methanol verringert wird. In the DMFC systems of the prior art, attempts are made to to keep the methanol concentration very low at first, typically less than 2 mol / l. Furthermore US 4,629,664 A discloses a method of operating a DMFC in which the methanol concentration is load-dependent is set. After all, one has already been Modification of the membrane suggested that the Permeability of the membrane material for methanol is reduced.

Keine der beschriebenen Methoden kann aber - weder allein noch in Kombination - die Permeation von Methanol durch die Kathode vollständig verhindern. Ein merklicher Methanolverlust im Stillstand ist demnach die Folge. However, none of the methods described can - either alone still in combination - the permeation of methanol through the Prevent the cathode completely. A noticeable one This results in methanol loss at standstill.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, den Methanolverlust insbesondere bei einer Miniatur-Direktmethanolbrennstoffzelle zu umgehen. The object of the invention is therefore the loss of methanol especially with a miniature direct methanol fuel cell bypass.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. The object of the invention is through the features of Claim 1 solved. Further training is in the dependent claims specified.

Die Erfindung beinhaltet eine neue Konzeption für den Methanolvorratsbehälter und dessen Ankopplung an den Anodenraum, durch die sowohl eine einfache Methanolzuführung zur Anode mittels einem methanoldurchlässigen Diaphragma, als auch die Abtrennung des Tanks im Stillstand durch Zurückziehen realisiert werden kann. Letzteres ist wichtig, um ein unkontrolliertes "Auslaufen", bspw. durch Diffusion, und das Fluten der gesamten Membran-Elektrodeneinheit zu verhindern. Der Tank kann mit einem doppelten Boden ausgestattet sein, der mit einer Feder o. ä. nachgeführt wird, um so zu verhindern, dass im Tank ein Unterdruck oder ein Gasraum entsteht. Ein Gasraum muss ausgeschlossen werden, um zu erreichen, dass die Funktion der methanoldurchlässigen Tankmembran orientierungsunabhängig gewährleistet bleibt, d. h. die BZ auch auf dem Kopf stehend funktioniert. The invention includes a new concept for the Methanol storage container and its coupling to the anode compartment, through which both a simple methanol feed to the anode using a methanol permeable diaphragm, as well as the Separation of the tank at standstill by pulling back can be realized. The latter is important to one uncontrolled "leakage", for example by diffusion, and flooding to prevent the entire membrane electrode assembly. The Tank can be equipped with a double bottom, the with a spring or the like, in order to prevent that a vacuum or a gas space is created in the tank. On Gas space must be excluded in order to achieve that Function of the methanol-permeable tank membrane remains guaranteed regardless of orientation, d. H. the BZ also on the Upside down works.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen. Die vier Figuren zeigen jeweils in Schnittdarstellung unterschiedliche konstruktive Ausführungen von Brennstoffzellen mit ankoppelbarem Tank für ein Methanol-Wassergemisch als Betriebsmittel für die DMFC. Further details and advantages of the invention emerge from the following description of the figures of Embodiments. The four figures each show in Sectional representation of different designs of Fuel cells with attachable tank for one Methanol-water mixture as a resource for the DMFC.

In den Figuren haben gleiche bzw. gleichwirkende Teile gleiche Bezugszeichen. Die einzelnen Ausführungsbeispiele werden nachfolgend weitestgehend gemeinsam beschrieben, wobei auf die spezifischen Unterschiede im Einzelnen eingegangen wird. Eine portable Brennstoffzelle zur Erzeugung von elektrischer Energie nach dem Prinzip der Direkt-Methanol-Brennstoffzelle oder kurz DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) besteht aus wenigstens einer Brennstoffzelleneinheit und einem zugehörigen Behälter für den Brennstoff. In den Figuren ist ein Vorratsbehälter für den Brennstoff, der nachfolgend auch als Methanol-/Wassertank bezeichnet wird, mit 1 bezeichnet. Der Vorratsbehälter nimmt ein Gemisch von Methanol (CH₃OH) und Wasser (H₂O) auf und ist an der einen Seite großflächig von einer Membran 2 mit definierter Methanoldiffusion abgeschlossen. Das Vorratsvolumen des Tanks 1 hat eine bewegliche Wand, die über eine Feder 4 nachführbar ist. Mit einer solchen Wand, beispielsweise als doppelter Boden 3, ist eine Nachführung an den aktuellen Flüssigkeitsvorrat möglich und wird insbesondere ein positionsunabhängiges Nachführen der Flüssigkeit gewährleistet. Die Membran 2 bildet also eine großflächige Methanolzuführung 5 für eine Brennstoffzelle oder dergleichen, wobei ein Abkoppeln möglich ist. In the figures, the same or equivalent parts have the same reference numerals. The individual exemplary embodiments are largely described below together, the specific differences being discussed in detail. A portable fuel cell for generating electrical energy according to the principle of the direct methanol fuel cell or DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) consists of at least one fuel cell unit and an associated container for the fuel. In the figures, a storage container for the fuel, which is also referred to below as a methanol / water tank, is designated by 1. The reservoir holds a mixture of methanol (CH ₃ OH) and water (H ₂ O) and is largely sealed on one side by a membrane 2 with a defined methanol diffusion. The storage volume of the tank 1 has a movable wall which can be adjusted via a spring 4 . With such a wall, for example as a double floor 3 , it is possible to track the current liquid supply and in particular a position-independent tracking of the liquid is ensured. The membrane 2 thus forms a large-area methanol feed 5 for a fuel cell or the like, it being possible to disconnect it.

Für die hier vorgeschlagene Konstruktionsprinzipien gilt zur Vermeidung des Methanolverlustes gemeinsam, dass das Brennstoffreservoir im Stillstand mechanisch von der elektrochemischen Zelle getrennt werden muss. Praktisch kann dies z. B. mit Hilfe eines Schiebeschalters erfolgen, über den auch die elektrische Ein/Ausschaltfunktion gesteuert werden kann. Der Elektrolytbehälter ist so ausgeführt, dass er bei Bedarf neu gefüllt, beziehungsweise leicht gegen einen gefüllten ausgetauscht werden kann. For the construction principles proposed here applies to Avoiding the loss of methanol in common that the Fuel reservoir mechanically stopped by the electrochemical cell must be separated. Practically, this can e.g. B. with the help of a slide switch, via which the electrical on / off function can be controlled. The Electrolyte tank is designed so that it is new if necessary filled, or slightly against a filled one can be exchanged.

Bei der konventionellen Ausführung einer bekannten DMFC wird die Methanol-Lösung durch Pumpen in die Brennstoffzelleneinheit (BZ) gefördert. Dies bedeutet zusätzliches Gewicht und Volumen, aber auch erhöhten Energieverbrauch. Deshalb ist die konventionelle Ausführung für den Einsatz in portablen elektronischen Geräten aufgrund des sehr kleinen Raums, der für die Energieversorgung zur Verfügung steht, ungeeignet. In the conventional version of a known DMFC the methanol solution by pumping it into the Funded fuel cell unit (BZ). This means extra weight and Volume, but also increased energy consumption. That is why conventional version for use in portable electronic devices due to the very small space required for the energy supply is available, unsuitable.

Die nachfolgend anhand der Figuren beschriebenen, neuen Konstruktionen ermöglichen eine langsame, dosierte Zufuhr des Methanols aufgrund des physikalischen Prinzips der Diffusion an Stelle von Pumpen. Damit wird eine wesentliche Vereinfachung der Brennstoffzellenperipherie erreicht. Das Ausmaß der Diffusion kann durch die Konzentration der Methanol-Lösung sowie durch die Dicke und die chemische Natur der Membran und deren Porengröße beeinflusst werden. Möglicherweise kann auch durch Variation der Federkraft im doppelten Boden die Methanoldiffusion beeinflusst werden. The new ones described below with reference to the figures Constructions allow slow, metered feeding of the Methanol due to the physical principle of diffusion instead of pumps. It becomes an essential one Simplification of the fuel cell periphery achieved. The extent of Diffusion can be caused by the concentration of the methanol solution and the thickness and chemical nature of the membrane and whose pore size are affected. Maybe you can too by varying the spring force in the double floor Methanol diffusion can be influenced.

In den Figuren bedeuten 10 eine Brennstoffzelleneinheit, die im Wesentlichen eine Membranelektrodeneinheit (MEA = Membrane Electrode Assembly) aus einer mit Anode 12 und Kathode 13beschichteter Polymermembran 11 umfasst. Als Betriebsmedien dienen ein Gemisch aus Methanol (CH₃OH) und Wasser (H₂O) einerseits sowie Sauerstoff aus der Umgebungsluft andererseits. In der Membranelektrodeneinheit 11 erfolgt im wässrigen Elektrolyten die chemische Umsetzung des Wasserstoffs aus dem Methanol mit dem Sauerstoff aus der Luft zu Wasser unter Bildung von Ladungsträgern. In the figures, 10 denotes a fuel cell unit which essentially comprises a membrane electrode unit (MEA = Membrane Electrode Assembly) made of a polymer membrane 11 coated with anode 12 and cathode 13 . A mixture of methanol (CH ₃ OH) and water (H ₂ O) on the one hand and oxygen from the ambient air on the other hand serve as operating media. The chemical conversion of the hydrogen from the methanol with the oxygen from the air to water takes place in the membrane electrode unit 11 in the aqueous electrolyte to form charge carriers.

Eine solche Brennstoffzelleneinheit 10 kann mit ihrer Anode 12 an die Membran 2 des Vorratsbehälters 1 angekoppelt werden. Rückseitig ist eine Halterung 15 insbesondere für die Kathode 13 der Membran-Elektroden-Einheit vorhanden, die mit entsprechenden Öffnungen 14 luftdurchlässig ist, wodurch die Kathode 13 mit Luftsauerstoff versorgt werden kann. Such a fuel cell unit 10 can be coupled with its anode 12 to the membrane 2 of the storage container 1 . On the back there is a holder 15, in particular for the cathode 13 of the membrane electrode unit, which is permeable to air with corresponding openings 14 , as a result of which the cathode 13 can be supplied with atmospheric oxygen.

Im prinzipiellen Aufbau von Vorratsbehälter 1 und Brennstoffzelle 10 sind also die Fig. 1 bis 4 weitestgehend gleich. Unterschiede bestehen in den konstruktiven Einzelheiten: In Fig. 2 ist die Anode 12 mit der Diffusionsmembran 2 des Vorratsbehälters 1 verbunden. In den Fig. 3 und 4 ist keine separate Membran 2 für die definierte Methanoldiffusion vorhanden. Vielmehr ist in Fig. 3 die Öffnung des Vorratsbehälters 1 unmittelbar durch die Anode 12 und eine erste Teilmembran 11a der MEA abgeschlossen, während eine zweite Teilmembran 11b in der Brennstoffzellenanordnung mit der Kathode 13 verbunden ist. In the basic structure of the storage container 1 and the fuel cell 10 , FIGS. 1 to 4 are largely the same. There are differences in the structural details: in FIG. 2, the anode 12 is connected to the diffusion membrane 2 of the storage container 1 . In FIGS. 3 and 4 no separate membrane 2 available for the defined methanol diffusion. Rather, in FIG. 3 the opening of the storage container 1 is closed directly by the anode 12 and a first partial membrane 11 a of the MEA, while a second partial membrane 11 b in the fuel cell arrangement is connected to the cathode 13 .

Speziell in Fig. 4 ist dagegen die Anode 12 und die komplette Membran 11 Teil des Vorratsbehälters 1, wogegen die Brennstoffzelleneinheit aus Kathode 13 und Kathodenträger 15 besteht. In contrast, specifically in FIG. 4, the anode 12 and the complete membrane 11 are part of the storage container 1 , whereas the fuel cell unit consists of the cathode 13 and the cathode carrier 15 .

Bei allen Beispielen ergibt sich eine einfache mechanische Abkopplung der Anode von der protonenleitenden Membran der Brennstoffzelle, so dass ein Fluten der Kathode im Ruhezustand durch eine ungewollte Methanoldiffusion verhindert wird. Dies wird beim konventionellen Aufbau der DMFC durch einen Hahn bzw. ein oder mehrere Ventile bewirkt, die aber in einem kleinen elektronischen Gerät zu viel Platz beanspruchen und zu hohe Kosten verursachen würden. Damit im "zurückgezogenen Zustand" die Anode nicht geflutet wird, kann bei einer weiteren Ausführungsform der Anodenraum durch einen Verschluss entsprechend den einzelnen Figuren von der Tankmembran abgetrennt werden. Dieser Verschluss kann beispielsweise als einfacher Schieber oder wie ein Lamellenverschluss ausgeführt sein. In all examples there is a simple mechanical one Decoupling the anode from the proton-conducting membrane Fuel cell so that a flooding of the cathode in the Idle state prevented by an unwanted methanol diffusion becomes. This is done with the conventional structure of the DMFC causes a tap or one or more valves, but in take up too much space in a small electronic device and would cost too much. So that in "retracted state" the anode is not flooded, can with a another embodiment of the anode compartment by a Closure according to the individual figures of the Tank membrane are separated. This closure can for example as a simple slider or like a slat lock be executed.

Claims

1. Portable direct methanol fuel cell (DMFC) with at least one fuel cell unit, the one membrane electrode unit (MEA) from a with an anode ( 12 ) and a cathode ( 13 ) provided polymer membrane ( 11 ) and an associated anode compartment ( 12 a) on the one hand and a cathode compartment ( 13 a) on the other hand, and with a storage container ( 1 ) for the methanol, a diaphragm ( 2 ) as a methanol-permeable membrane being present as the methanol feed ( 5 ) to the anode ( 12 ).

2. Portable DMFC according to claim 1, characterized in that the storage container ( 1 ) at standstill with the methanol feed ( 5 ) from the anode compartment ( 12 a) is separable.

3. Portable DMFC according to claim 1, characterized in that the storage container ( 1 ) has a movable wall ( 3 ) as an internally displaceable double bottom, which can be adjusted with a spring or the like to the methanol supply.

4. Portable DMFC according to one of the preceding claims, characterized in that the function of the methanol / water tanks ( 1 ) with closure ( 5 , 6 ) and methanol-permeable membrane ( 2 ) is orientation-independent.

5. Portable DMFC according to one of the preceding claims, characterized in that the storage container ( 1 ) is refillable.

6. Portable DMFC according to one of the preceding claims, characterized in that the storage container ( 1 ) is interchangeable.

7. Portable DMFC according to one of the preceding claims, characterized in that flooding of the cathode compartment by unwanted methanol diffusion in the idle state can be excluded by means of a closure ( 6 ).

8. Portable DMFC according to claim 7, characterized in that the closure ( 6 ) is a slide or a slat closure.