-
Die
Erfindung betrifft eine Elektroden-Membran-Einheit für eine Brennstoffzelle,
welche mit gasförmigem
Brennstoff betrieben ist, umfassend eine Kathode, eine Anode und
eine protonenleitende Membraneinrichtung, welche zwischen der Anode und
der Kathode angeordnet ist, wobei die Membraneinrichtung mindestens
eine katalytische Zwischenlage aufweist, an welcher Wasser durch
eine katalytische Reaktion von Oxidator und Brennstoff erzeugbar
ist.
-
Die
Erfindung betrifft ferner eine Brennstoffzelle.
-
-
Brennstoffzellen
vom Typ PEFC (Protone Exchange Fuel Cells) weisen eine Membran auf,
welche üblicherweise
aus einer protonenleitenden Folie hergestellt ist. Die Membran leitet
nur in befeuchtetem Zustand Protonen.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Elektroden-Membran-Einheit
der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei der die Membraneinrichtung
auf einfache Weise befeuchtbar ist.
-
Diese
Aufgabe wird bei der eingangs genannten Elektroden-Membran-Einheit
erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass in der Membraneinrichtung zwischen der mindestens einen Zwischenlage und
der Anode mindestens ein elektrisches Verbindungselement angeordnet
ist, welches so positioniert und so ausgebildet ist, dass die elektrische
Verbindung zwischen der mindestens einen Zwischenlage und der Anode
durch das mindestens eine elektrische Verbindungselement vom Feuchtegrad
der Membraneinrichtung gesteuert schaltbar ist.
-
Durch
die katalytische Zwischenlage lässt sich
die Membraneinrichtung auf einfache Weise herstellen. Beispielsweise
wird eine erste Membranlage hergestellt, auf welcher die katalytische
Zwischenlage aufgebracht wird. Es wird dann eine weitere Membranlage
auf der katalytischen Zwischenlage angeordnet.
-
Bei
der erfindungsgemäßen Lösung ist
in die Membraneinrichtung eine Befeuchtungseinrichtung integriert.
An der katalytischen Zwischenlage können Brennstoff und Oxidator
katalytisch zu Wasser reagieren, so dass die Membraneinrichtung
von innen heraus befeuchtet wird. Dadurch ist eine externe Befeuchtung
von Reaktionsgasen nicht mehr notwendig. Ein externes Befeuchtungsmodul
verbraucht zusätzlich
Energie, Bauraum und Kosten.
-
Durch
die erfindungsgemäße Lösung ist
es möglich,
auch bei Temperaturen oberhalb von 100°C eine ausreichende Befeuchtung
der Membraneinrichtung sicherzustellen, ohne dass beispielsweise der
Betriebsdruck der Reaktionsgase erhöht werden muss.
-
Über das
mindestens eine elektrische Verbindungselement in der Membraneinrichtung
ist ein feuchtegesteuerter Schalter gebildet, mit dem sich die elektrische
Verbindung und insbesondere eine Kurzschlussverbindung zwischen
der mindestens einen Zwischenlage und der Anode in Abhängigkeit vom
Feuchtegrad der Membraneinrichtung steuern lässt. Die Membranfeuchte ist
dadurch eine direkte Regelgröße und Stellgröße, so dass
sich zu jedem Zeitpunkt ein optimierter Befeuchtungsgrad für die Membraneinrichtung
ergibt.
-
Durch
die elektrische Verbindung zwischen der mindestens einen Zwischenlage
und der Anode lässt
sich aufgrund von Elektronenzuführung
zu der Zwischenlage die katalytische Umsetzung von Wasser erhöhen und
damit der Feuchtigkeitsgrad erhöhen.
Bei elektrischem Kontakt sind Teilreaktionen der Kathode an die
mindestens eine Zwischenlage verlagert. Bei Erhöhung des Feuchtigkeitsgrads
lässt sich insbesondere
durch einen Selbstregelungsprozess die elektrische Verbindung zwischen
der mindestens einen Zwischenlage und der Anode abkoppeln, so dass
die Teilreaktionen der Kathode an der Zwischenlage nicht mehr ablaufen
können
und eine "Überfeuchtung" der Membraneinrichtung
verhindert wird. Bei Verringerung des Feuchtegrads lässt sich die elektrische
Verbindung wieder herstellen, um die Wasserproduktion zu erhöhen. Bei
geeigneter Einstellung lässt
sich zu jedem Zeitpunkt ein optimierter Feuchtegrad für die Membraneinrichtung
erreichen.
-
Insbesondere
kontaktiert das mindestens eine elektrische Verbindungselement die
mindestens eine Zwischenlage und/oder die Anode in Abhängigkeit
vom Feuchtegrad der Membraneinrichtung oder kontaktiert diese nicht.
Bei trockener Membraneinrichtung oder bei geringem Feuchtegrad liegt
eine elektrische Verbindung zwischen der mindestens einen Zwischenlage
und der Anode vor, um die Wasserproduktion zu erhöhen und
die Membraneinrichtung zu befeuchten bzw. den Feuchtegrad weiter
zu erhöhen.
Bei höherem
Feuchtegrad (wobei die Feuchtegradschwelle vorzugsweise einstellbar
ist) wird die elektrische Verbindung zwischen der mindestens einen
Zwischenlage und der Anode aufgehoben, um die Entstehung von Wasser
nicht weiter zu fördern.
-
Durch
die Entstehung von Wasser an der mindestens einen Zwischenlage quillt
die Membraneinrichtung auf. Insbesondere ist die Kontaktierung oder
Nicht-kontaktierung
durch das mindestens eine elektrische Verbindungselement abhängig vom Quellgrad
der Membraneinrichtung. Dadurch lässt sich die elektrische Verbindung
zwischen der mindestens einen Zwischenlage und der Anode direkt über den
Quellgrad der Membraneinrichtung steuern bzw. regeln. Der Feuchtegrad
der Membraneinrichtung ist dann eine direkte Stellgröße bzw.
Regelgröße für die elektrische
Verbindung.
-
Durch
die katalytische Zwischenlage wird auch verhindert, dass Oxidator
von der Kathodenseite zur Anodenseite gelangen kann und Brennstoff von
der Anodenseite zur Kathodenseite gelangen kann. An der katalytischen
Zwischenlage erfolgt eine Abreaktion. Der Übergang von Fremdreaktionsgas zur
anderen Elektrode führt
zu einer Mischpotentialbildung und damit zu einer Absenkung des
Ruhepotentials, was wiederum den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle
verringert. Durch die erfindungsgemäße Lösung wird dies verhindert oder
zumindest stark verringert.
-
Insbesondere
stellt bei trockener Membraneinrichtung das mindestens eine elektrische
Verbindungselement eine elektrische Verbindung (vorzugsweise Kurzschlussverbindung)
zwischen der mindestens einen Zwischenlage und der Anode her. Dadurch
lässt sich
eine erhöhte
Wasserproduktion an der mindestens einen Zwischenlage zur Erhöhung des
Feuchtegrads der Membraneinrichtung bewirken.
-
Günstig ist
es, wenn das mindestens eine elektrische Verbindungselement in Wirkverbindung mit
einem Feuchtigkeitssensor für
die Membraneinrichtung steht. Der Feuchtigkeitssensor kann dabei direkt
mittels einer entsprechenden Membranlage der Membraneinrichtung,
welche zwischen der Anode und der mindestens einen Zwischenlage
sitzt, gebildet werden. Bei Befeuchtung quillt die entsprechende
Membranlage auf und deren Dicke charakterisiert dann den Feuchtegrad
der entsprechenden Membranlage. Der Feuchtegrad dieser Membranlage
ist dann durch die Differenz ihrer Dicke zu der Länge des
mindestens einen elektrischen Verbindungselements charakterisiert.
-
Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn das mindestens eine elektrische
Verbindungselement und der Feuchtigkeitssensor so angeordnet und
ausgebildet sind, dass die elektrische Verbindung zwischen der mindestens
einen Zwischenlage und der Anode automatisch hergestellt und aufgehoben
wird. Es ist dadurch ein System bereitgestellt, in welchem der Feuchtegrad
in der Membraneinrichtung automatisch gesteuert bzw. geregelt wird,
wobei der Feuchtegrad der Membraneinrichtung die Stellgröße bzw. Regelgröße ist.
-
Günstig ist
es, wenn die Membraneinrichtung so ausgebildet ist, dass sie durch
Feuchtigkeit aufquillt. Dadurch lässt sich auf einfache Weise
ein feuchtegesteuerter Schalter realisieren, mittels welchem sich
der Feuchtegrad der Membraneinrichtung zu jedem Zeitpunkt in einem
optimalen Wertebereich halten lässt.
-
Günstig ist
es, wenn zwischen der mindestens einen Zwischenlage und der Anode
in der Membraneinrichtung mindestens eine Ausnehmung gebildet ist,
in welcher das mindestens eine elektrische Verbindungselement angeordnet
ist. Das mindestens eine elektrische Verbindungselement weist eine
Länge (bezogen
auf die Verbindungsrichtung zwischen der mindestens einen Zwischenlage
und der Anode) auf, welche unabhängig
vom Feuchtegrad der Membraneinrichtung ist. Die Länge der
Ausnehmung in der Membraneinrichtung zwischen der mindestens einen
Zwischenlage und der Anode ist dagegen abhängig von dem Feuchtegrad der
Membraneinrichtung. Es lässt
sich dann auf einfache Weise ein feuchtegesteuerter Schalter bereitstellen,
da durch die Vergrößerung der
Länge der
Ausnehmung der elektrische Kontakt zwischen der mindestens einen Zwischenlage
und der Anode über
ein entsprechendes elektrisches Verbindungselement auf einfache Weise
aufhebbbar ist bzw. bei abnehmenden Feuchtegrad wieder herstellbar
ist.
-
Insbesondere
weist das mindestens eine elektrische Verbindungselement eine Länge auf,
welche im Wesentlichen der Länge
der Ausnehmung entspricht, in welcher das mindestens eine elektrische
Verbindungselement sitzt, wenn die Membraneinrichtung an der Ausnehmung
trocken ist. Dadurch wird bei trockener Membraneinrichtung bzw.
bei geringem Feuchtegrad der Membraneinrichtung eine elektrische
Verbindung und insbesondere Kurzschlussverbindung zwischen der mindestens
einen Zwischenlage und der Anode bereitgestellt. Durch diese elektrische
Verbindung wird die Wasserproduktion an der mindestens einen Zwischenlage
gefördert,
um den Feuchtegrad zu erhöhen.
Bei zunehmender Befeuchtung der Membraneinrichtung quillt diese
auf und die Länge
der entsprechenden Ausnehmung nimmt zu. Dadurch wird der elektrische Kontakt
zwischen der mindestens einen Zwischenlage und der Anode über ein
oder mehrere elektrische Verbindungselement aufgehoben.
-
Aus
dem gleichen Grund ist es günstig,
wenn das mindestens eine elektrische Verbindungselement eine Länge hat,
welche kürzer
ist als die Länge der
Ausnehmung, in welcher das mindestens eine elektrische Verbindungselement
sitzt, wenn die Membraneinrichtung aufgequollen ist.
-
Günstig ist
es, wenn das mindestens eine elektrische Verbindungselement als
Stift ausgebildet ist. Es lässt
sich dadurch auf einfache Weise herstellen und auch auf einfache
Weise in eine Ausnehmung einpassen. Ferner lässt es sich auf einfache Weise
beispielsweise mit der mindestens einen Zwischenlage oder der Anode
verbinden.
-
Günstig ist
es, wenn das mindestens eine elektrische Verbindungselement fest
entweder mit der mindestens einen Zwischenlage oder der Anode verbunden
ist. Dadurch ist garantiert, dass das mindestens eine elektrische
Verbindungselement permanent entweder mit der mindestens einen Zwischenlage
oder mit der Anode verbunden ist. Die Aufhebung der Verbindung in
Abhängigkeit
von dem Feuchtegrad der Membraneinrichtung erfolgt dann nur an einer
Seite.
-
Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn mittels des mindestens einen
elektrischen Verbindungselements ein feuchtegesteuerter Schalter
für eine Kurzschlussverbindung
zwischen der mindestens einen Zwischenlage und der Anode gebildet
ist. Dadurch lässt
sich automatisch der Feuchtegrad der Membraneinrichtung zu jedem
Zeitpunkt in einem optimalen Bereich halten. der Feuchtegrad der
Membraneinrichtung bildet dabei direkt eine Stellgröße bzw.
Regelgröße für die Einstellung
des Feuchtegrads. Der mindestens eine Schalter ist in de Elektroden-Membran-Einrichtung
integriert.
-
Es
kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine elektrische Verbindungselement
an oder in der Nähe
eines Randbereichs der Membraneinrichtung angeordnet ist. Insbesondere
sind mehrere elektrische Verbindungselemente vorgesehen. Es ist dann
auch günstig,
wenn diese gleichmäßig verteilt sind.
Durch die Anordnung an oder in der Nähe eines Randbereichs wird
die eigentliche Brennstoffzellenreaktion minimal beeinflusst.
-
Insbesondere
ist die Membraneinrichtung mehrlagig aufgebaut mit einer ersten
Membranlage, welche an die Kathode grenzt, einer zweiten Membranlage,
welche an die Anode grenzt, und der mindestens einen katalytischen
Zwischenlage. Eine solche Membraneinrichtung lässt sich auf einfache Weise
herstellen.
-
Insbesondere
ist eine einzige katalytische Zwischenlage zwischen der ersten Membranlage und
der zweiten Membranlage angeordnet und grenzt dabei jeweils an diese.
Eine solche Membraneinrichtung lässt
sich auf einfache Weise herstellen.
-
Es
kann vorgesehen sein, dass die erste Membranlage eine kleinere Dicke
aufweist als die zweite Membranlage. Dadurch lässt sich sicherstellen, dass
Sauerstoff zu der katalytischen Zwischenlage gelangt.
-
Insbesondere
erstreckt sich die mindestens eine katalytische Zwischenlage über die
ganze Querschnittsfläche
der Membraneinrichtung quer zur Verbindungsrichtung zwischen der
Kathode und der Anode. Dadurch müssen
Protonen die katalytische Zwischenlage durchlaufen. Weiterhin lässt sich
so garantieren, dass Brennstoff und Oxidator, welcher zu der katalytischen
Zwischenlage gelangt, sich zu Wasser abreagiert.
-
Günstig ist
es, wenn die mindestens eine katalytische Zwischenlage durch Aufsprühen hergestellt
ist. Dadurch lässt
sich eine dünne
Schicht auf einfache Weise herstellen.
-
Günstig ist
es, wenn die Membraneinrichtung durchlässig für Oxidator zur mindestens einen katalytischen
Zwischenlage ausgebildet ist. Dadurch lässt sich der Oxidatortransport
zu der katalytischen Zwischenlage (abgesehen von der sowieso vorhandenen
Oxidatordiffusion) gewährleisten.
-
Insbesondere
kann die Membraneinrichtung mit einer Mehrzahl von Öffnungen
versehen sein, um den Oxidatortransport zu der katalytischen Zwischenlage
zu gewährleisten.
Beispielsweise ist die Membraneinrichtung perforiert ausgebildet.
-
Günstig ist
es dabei, wenn eine erste Membranlage, welche zwischen der Kathode
und der mindestens einen katalytischen Zwischenlage angeordnet ist,
durchlässig
für Oxidator
ausgebildet ist.
-
Es
kann vorteilhaft sein, wenn die mindestens eine katalytische Zwischenlage
mit der Kathode elektrisch verbunden ist. Dadurch ergeben sich zusätzliche
Steuerungsmöglichkeiten
bzw. Einstellmöglichkeiten.
-
Beispielsweise
lässt sich
durch eine elektrische Verbindung zwischen der katalytischen Zwischenlage
und der Kathode die Protonenleitung verbessern.
-
Es
kann günstig
sein, wenn die mindestens eine katalytische Zwischenlage mit der
Anode über eine
Widerstandseinrichtung verbunden ist. Dadurch ergeben sich zusätzliche
Steuerungsmöglichkeiten, da
der Stromfluss zwischen der Anode und der katalytischen Zwischenlage
einstellbar ist und damit die Protonenleitung einstellbar ist.
-
Es
ist dann günstig,
wenn die Widerstandseinrichtung bezüglich ihres Widerstandswerts
einstellbar ausgebildet ist, um den Stromfluss entsprechend einzustellen.
-
Beispielsweise
ist es vorgesehen, dass die Widerstandseinrichtung bezüglich ihres
Widerstandswerts temperatursensitiv ausgebildet ist. Dadurch kann
der Stromfluss je nach Temperatur variieren. Dadurch wiederum lässt sich
eine automatische Regelung der Befeuchtung erreichen. Insbesondere ist
es vorgesehen, dass der Widerstand mit Temperaturerhöhung abnimmt,
um so bei Temperaturerhöhung
die Protonenleitung zu verbessern. Dadurch wiederum erhält man eine
erhöhte
Wasserbildung in der Membraneinrichtung.
-
Günstig ist
es, wenn die Dicke der mindestens einen katalytischen Zwischenlage
in der Größenordnung
Mikrometer liegt. Eine typische Dicke liegt bei ca. 3 μm. Dadurch
werden die elektrolytischen Eigenschaften der Membraneinrichtung
nicht negativ beeinflusst, wobei sich auf effektive Weise eine interne
Befeuchtungseinrichtung ausbilden lässt.
-
Insbesondere
ist die katalytische Zwischenlage protonenleitend. Dadurch würden die
normalen Brennstoffzellenreaktionen durch die Wasserbildung an der
katalytischen Zwischenlage nicht wesentlich beeinflusst.
-
Insbesondere
ist der Brennstoff (gasförmiger)
Wasserstoff.
-
Vorteilhafterweise
ist die mindestens eine katalytische Zwischenlage aus einem Katalysatormaterial
wie Platin oder Platin-Ruthenium hergestellt. Dadurch lässt sich
auf effektive Weise eine katalytische Umsetzung von Oxidator und
Brennstoff zur Wasserbildung erreichen.
-
Die
erfindungsgemäße Elektroden-Membran-Einheit
lässt sich
auf vorteilhafte Weise in einer Brennstoffzelle verwenden.
-
Die
Brennstoffzelle ist insbesondere eine PEFC-Brennstoffzelle.
-
Die
nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang
mit der Zeichnung der näheren
Erläuterung
der Erfindung.
-
Es
zeigen:
-
1 schematisch
ein Ausführungsbeispiel einer
Brennstoffzelle mit einem Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Elektroden-Membran-Einheit;
-
2 eine
schematische vergrößerte Darstellung
des Bereiches A gemäß 1 im
unbefeuchteten Zustand (nicht aufgequollene Membraneinrichtung);
und
-
3 die
gleiche Ansicht wie 2 im befeuchteten Zustand (aufgequollene
Membraneinrichtung).
-
Ein
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle 10 umfasst
eine Elektroden-Membran-Einheit 12. Die Elektroden-Membran-Einheit 12 weist
eine Kathode 14, eine Anode 16 und eine protonenleitende
Membraneinrichtung 18, welche zwischen der Anode 14 und
der Kathode 16 angeordnet ist, auf.
-
Bei
der Brennstoffzelle 10 handelt es sich insbesondere um
eine solche vom Typ PEFC (Protone Exchange Membrane Fuel Cell).
Der Kathode 14 wird Oxidator in der Form von reinem Sauerstoff
oder Luftsauerstoff zugeführt.
Der Anode 16 wird gasförmiger
Brennstoff und insbesondere Wasserstoff zugeführt. Die Membraneinrichtung
dient als Elektrolyt, als Träger
für die
Kathode 14 und die Anode 16 und als Separator
für die
gasförmigen
Reaktanden. An der Anode läuft
die Teilreaktion H2 → 2H+ + 2e- ab.
An der Kathode 14 läuft
die Teilreaktion 2H+ + 1 / 2O2 +
2e- → H2O ab.
-
Die
Membraneinrichtung 18 umfasst eine erste Membranlage 20,
welche an die Kathode 14 grenzt. Insbesondere ist die Kathode 14 an
der ersten Membranlage 20 angeordnet. Ferner umfasst die Membraneinrichtung 18 eine
zweite Membranlage 22, welche an die Anode 16 grenzt.
Insbesondere ist die Anode 16 an der zweiten Membranlage 22 angeordnet.
-
Die
erste Membranlage 20 und die zweite Membranlage 22 sind
protonenleitend ausgebildet; sie sind beispielsweise auf der Basis
eines perfluorierten, sulfonierten Polymers hergestellt. Ein mögliches
Material für
die erste Membranlage 20 und die zweite Membranlage 22 ist
beispielsweise NAFION (NAFION ist eine eingetragene Marke der E.I.
du Pont de Nemours and Co., Wilmington, Del., US).
-
Zwischen
der ersten Membranlage 20 und der zweiten Membranlage 22 ist
eine katalytische Zwischenlage 24 angeordnet. Diese ist
aus einem Katalysatormaterial wie Platin oder Platin-Ruthenium hergestellt.
Das Katalysatormaterial kann auch kohlenstoffgeträgert sein.
Die katalytische Zwischenlage 24 ist insbesondere durch
Aufsprühen
auf die erste Membranlage 20 oder die zweite Membranlage 22 hergestellt.
Die katalytische Zwischenlage weist vorzugsweise eine im Wesentlichen
gleichmäßige Dicke (bezogen
auf die Verbindungsrichtung zwischen der Kathode 14 und
der Anode 16) auf. Dadurch sind die erste Membranlage 20 und
die zweite Membranlage 22 im Wesentlichen parallel zueinander
ausgerichtet.
-
Eine
typische Dicke der katalytischen Zwischenlage 24 liegt
bei ca. 1 μm
bis 5 μm.
-
Die
katalytische Zwischenlage 24 erstreckt sich vorzugsweise über die
gesamte Querschnittsfläche
der ersten Membranlage 20 und der zweiten Membranlage 22,
wobei die Querschnittsfläche
quer zu der Verbindungsrichtung zwischen der Kathode 14 und
der Anode 16 liegt. Dies bedeutet, dass in die Membraneinrichtung
eindringendes Reaktionsgas die katalytische Zwischenlage 24 nicht
umgehen kann.
-
Üblicherweise
sind Membrane einer Brennstoffzelle 10 vom Typ PEFC nur
dann protonenleitend, wenn sie befeuchtet sind. Oftmals reicht das
bei der katalytischen Reaktion entstehende Wasser zur Befeuchtung
einer Membran nicht aus, insbesondere bei Temperaturen oberhalb
von 100°C.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, dass Reaktionsgase (Oxidator
und/oder gasförmiger
Brennstoff) zusätzlich
befeuchtet werden.
-
Die
katalytische Zwischenlage 24 bildet eine integrierte Befeuchtungseinrichtung
der Elektroden-Membran-Einheit 12. An ihr lassen sich katalytisch Wasserstoff
und Sauerstoff zu Wasser umsetzen, wodurch die erste Membranlage 20 und
die zweite Membranlage 22 von innen heraus befeuchtet werden.
-
Die
katalytische Zwischenlage 24 ist protonenleitend und über die
erste Membranlage 20 und die zweite Membranlage 22 von
den Elektroden elektrisch getrennt. Dadurch wird die eigentliche
Brennstoffzellenreaktion, zu der oben die Reaktionsgleichungen angegeben
wurden, nicht behindert. Durch die katalytische Zwischenlage 24 wird
weiterhin dafür gesorgt,
dass Reaktionsgase, welche durch die erste Membranlage 20 diffundieren
(Oxidator) bzw. durch die zweite Membranlage 22 diffundieren
(Brennstoff) abreagieren können
und damit nicht zur anderen Elektrode (Brennstoff zur Kathode 14,
Oxidator zur Anode 16) gelangen können. Dadurch wird eine Mischpotentialbildung
und eine damit einhergehende Absenkung des Ruhepotentials verhindert.
Durch eine Mischpotentialbildung wird grundsätzlich der Wirkungsgrad einer
Brennstoffzelle verschlechtert.
-
Die
katalytische Zwischenlage 24 lässt sich auf einfache Weise
herstellen, indem die erste Membranlage 20 und die zweite
Membranlage 22 getrennt hergestellt werden und die katalytische
Zwischenlage 24 dann auf einer der Membranlagen 20 oder 22 beispielsweise
durch Aufsprühen
hergestellt wird und anschließend
die andere Membranlage 22 oder 20 auf der katalytischen
Zwischenlage 24 positioniert wird.
-
Es
kann vorgesehen sein, dass die erste Membranlage 20 durchlässig für den Oxidator
ausgebildet ist (zusätzlich
zu der vorhandenen Diffusionsdurchlässigkeit), um den Oxidatortransport
zu der katalytischen Zwischenlage 24 zu ermöglichen.
Eine solche erhöhte
Durchlässigkeit
kann beispielsweise über
entsprechende Perforation der ersten Membranlage 20 erfolgen.
-
Es
kann ferner vorgesehen sein, dass die Dicke der ersten Membranlage 20 (bezogen
auf die Abstandsrichtung zwischen der Kathode 14 und der
Anode 16) kleiner ist als die Dicke der zweiten Membranlage 22.
Dadurch wird der Oxidatorzugang zu der katalytischen Zwischenlage 24 verbessert.
-
Es
kann auch vorgesehen sein, dass die katalytische Zwischenlage 24 mit
der Kathode 14 elektrisch verbunden ist. Es kann sich dabei
beispielsweise um eine Kurzschlussverbindung handeln. Bei der Verbindung
mit der Kathode 14 lässt
sich die Protonenleitung unter Umständen verbessern.
-
Vorteilhaft
ist es, wenn die katalytische Zwischenlage 24 mit der Anode 16 über eine
Verbindungseinrichtung 26 verbunden ist. Dadurch lässt sich
die Wasserproduktion erhöhen.
-
Die
Verbindungseinrichtung 26 kann eine Widerstandseinrichtung 28 mit
einstellbarem Widerstand umfassen. Über die Einstellung des Widerstandswerts
der Widerstandseinrichtung 28 lässt sich der elektrische Strom,
welcher zwischen der Anode 16 und der katalytischen Zwischenlage 24 fließt, einstellen.
Dadurch wiederum lässt
sich in gewissem Maße
die Wasserbildung an der katalytischen Zwischenlage 24 einstellen.
Dadurch ist eine Anpassung an die externen Verhältnisse möglich; beispielsweise ist eine
Temperaturanpassung möglich.
So kann bei höheren
Temperaturen die Wasserbildung erhöht werden.
-
Beispielsweise
ist es grundsätzlich
möglich, dass
die Widerstandseinrichtung 28 temperatursensitiv ausgebildet
ist und zwar derart, dass bei Temperaturerhöhung der Widerstandswert sinkt,
so dass bei Temperaturerhöhung
ein größerer Strom
zwischen der Anode 16 und der katalytischen Zwischenlage 24 fließt. Dadurch
wird bei Temperaturerhöhung die
Wasserbildung erhöht.
Bei entsprechender Ausbildung der Widerstandseinrichtung 28 lässt sich
eine Regelung und insbesondere automatische Regelung der Befeuchtung
der Membraneinrichtung 18 durchführen.
-
Erfindungsgemäß ist in
die Elektroden-Membran-Einheit 12 eine elektrische Verbindungseinrichtung 30 integriert,
durch welche eine elektrische Verbindung zwischen der Zwischenlage 24 und
der Anode 16 herstellbar ist, um die Wasserproduktion zu
erhöhen.
Die elektrische Verbindungseinrichtung 30 umfasst einen
oder mehrere feuchtigkeitsgesteuerte Schalter 32, deren
Schaltzustand von dem Feuchtegrad der Membraneinrichtung 18 und
insbesondere der zweiten Membranlage 22 abhängig ist.
An der katalytischen Zwischenlage 24 laufen grundsätzlich die gleichen
Reaktionen ab wie an der Kathode 14 (siehe oben), das heißt Protonen
reagieren mit von der Anode 16 kommenden durch die Zwischenlage 24 fließenden Elektronen
und mit dem Oxidator, solange elektrischer Kontakt zur Kathode 14 vorliegt.
-
Die
Membraneinrichtung 18 ist mit ihrer ersten Membranlage 20 und
zweiten Membranlage 22 so ausgebildet, dass diese bei Befeuchtung
aufquellen. Durch das Aufquellen vergrößert sich die Dicke der entsprechenden
Membranlage 20, 22. Die erste Membranlage 20 weist
eine Grenzfläche 34 zu
der Kathode 14 auf. Der Abstand dieser Grenzfläche 34 zu
der Zwischenlage 24 vergrößert sich bei Feuchtwerden
der ersten Membranlage 20 durch Aufquellen der ersten Membranlage 20.
-
Ebenso
weist die zweite Membranlage 22 eine Grenzfläche 36 zu
der Anode 16 auf. Der Abstand zwischen dieser Grenzfläche 36 und
der Zwischenlage 24 vergrößert sich beim Feuchtwerden der
zweiten Membranlage 22 aufgrund von Aufquellen.
-
Zur
Ausbildung eines feuchtigkeitsgesteuerten Schalters 32 ist
in der zweiten Membranlage 22 für jeden solchen Schalter 32 eine
Ausnehmung 38 gebildet. Die Ausnehmung 38 ist
beispielsweise zylindrisch ausgebildet. Sie erstreckt sich zwischen
der Zwischenlage 24 und der Anode 16.
-
In
der jeweiligen Ausnehmung 38 ist ein elektrisches Verbindungselement 40 angeordnet.
Das elektrische Verbindungselement 40 ist beispielsweise
stiftförmig
ausgebildet und aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt.
Es ist in die Ausnehmung 38 eingepasst.
-
Bei
einem Ausführungsbeispiel
ist das jeweilige elektrische Verbindungselement 40 fest
mit der Zwischenschicht 24 verbunden.
-
Der
mindestens eine feuchtigkeitsgesteuerte Schalter 32 ist
vorzugsweise an oder in der Nähe
eines Randbereichs der Membraneinrichtung 18 angeordnet.
Insbesondere sind mehrere feuchtigkeitsgesteuerte Schalter 32,
welche die elektrische Verbindungseinrichtung 30 bilden,
an oder in der Nähe
von Randbereichen der Membraneinrichtung 18 angeordnet.
-
Die
Länge der
Ausnehmung 38 entspricht der Dicke der zweiten Membranlage 22 (2).
Im trockenen Zustand der Membraneinrichtung 18 (und insbesondere
im trockenen Zustand der zweiten Membranlage 22) entspricht
die Länge
der Ausnehmung 38 der Länge
des elektrischen Verbindungselements 40, welches in der
Ausnehmung 38 angeordnet ist.
-
Ein
elektrisches Verbindungselement 40 kontaktiert im trockenen
Zustand der Membraneinrichtung 18 sowohl die Zwischenlage 24 als
auch die Anode 16 elektrisch und stellt dadurch eine Kurzschlussverbindung
zwischen diesen bereit. Dadurch können der Zwischenschicht 24 durch
die direkte elektrische Verbindung mit der Anode 16 Elektronen zur
katalytischen Wasserbildung bereitgestellt werden. Durch die Wasserbildung
in der Membraneinrichtung 18 und auch in der zweiten Membranlage 22 wird
diese befeuchtet und quillt auf. Die zweite Membranlage 22 wird
dadurch dicker. Auch die Länge
der Ausnehmung 38 erhöht
sich. Dies ist in 3 angedeutet; L1 ist
die Länge
der Ausnehmung 38 im trockenen Zustand der zweiten Membranlage 22.
L1 ist im Wesentlichen auch die Länge des
elektrischen Verbindungselements 40. L2 ist die
Länge der
Ausnehmung 38 im aufgequollenen Zustand der zweiten Membranlage 22,
wobei die Länge
L2 abhängig
ist von dem Feuchtegrad der zweiten Membranlage 22. Die
Länge L2 ist größer als
die Länge
L1. Da die Länge des elektrischen Verbindungselements 40 unabhängig von
dem Feuchtezustand der Membraneinrichtung 18 ist, entsteht
durch das Aufquellen in der Ausnehmung 38 ein Zwischenraum 42 zwischen dem
elektrischen Verbindungselement 40 und der Anode 16.
Dadurch ist das elektrische Verbindungselement 40 nicht
mehr mit der Anode 16 kontaktiert und die Kurzschlussverbindung
zwischen der Zwischenlage 24 und der Anode 16 ist
aufgehoben.
-
Wenn
durch verringerte Wasserbildung der Feuchtegrad in der zweiten Membranlage 22 abnimmt,
dann nimmt auch die Quellung der zweiten Membranlage 22 ab
und die Länge
L2 der Ausnehmung 38 nimmt ab.
Bei Unterschreitung einer bestimmten Feuchtigkeitsschwelle kontaktiert
die Anode 16 wieder das elektrische Verbindungselement 40 und
die Kurzschlussverbindung ist wieder hergestellt.
-
Erfindungsgemäß wird eine
elektrische Verbindungseinrichtung 30 bereitgestellt, welche
eine oder mehrere Schalter 32 aufweist, die feuchtigkeitsgesteuert
automatisch zwischen Kurzschlussverbindung/Aufhebung der Kurzschlussverbindung
der Zwischenlage 24 und der Anode 16 umschalten. Über die
zweite Membranlage 22 ist dabei ein Feuchtigkeitssensor
gebildet, der in Wirkverbindung mit dem elektrischen Verbindungselement 40 steht.
Dieser Feuchtigkeitssensor steuert den Schalter 32. Der oder
die Schalter 32 sind dabei in die Elektroden-Membran-Einheit 12 integriert.
-
Erfindungsgemäß lässt sich
eine automatische Feuchtigkeitsregelung für die Membraneinrichtung 18 erreichen.
Durch entsprechende Einstellung der Dicke der zweiten Membranlage 22 im
trockenen Zustand und angepasste Ausbildung des elektrischen Verbindungselements 40 lässt sich
die Membraneinrichtung 18 und insbesondere die zweite Membranlage 22 automatisch
in einem bestimmten Feuchtigkeitszustand halten. Es lässt sich
dabei direkt der Feuchtegrad der zweiten Membranlage 22 als
Regelgröße und Stellgröße verwenden.
Damit lässt
sich zu jedem Zeitpunkt ein optimaler Befeuchtungszustand der Membraneinrichtung 18 und
insbesondere der zweiten Membranlage 22 garantieren.
-
Durch
die erfindungsgemäße Lösung lässt sich
eine selbstregulierende Befeuchtung realisieren, so dass eine externe
Befeuchtung der Reaktionsgase nicht notwendig ist.