DE102017204191A1

DE102017204191A1 - Brennstoffzelle mit Wasserstoffträgermaterial als Oxidationsmittel

Info

Publication number: DE102017204191A1
Application number: DE102017204191.9A
Authority: DE
Inventors: Ralf Brandenburger; Timo Bosch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-03-14
Filing date: 2017-03-14
Publication date: 2018-09-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie in einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (2), wobei als Brennstoff Wasserstoff und als Oxidationsmittel mindestens ein organisches Wasserstoffträgermaterial eingesetzt wird. Die Erfindung betrifft auch eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (2), in der ein solches Verfahren durchgeführt werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle, umfassend mindestens eine Anode und mindestens eine Kathode, wobei Wasserstoff als Brennstoff eingesetzt wird und mindestens ein organisches Wasserstoffträgermaterial als Oxidationsmittel eingesetzt wird. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie unter Verwendung einer solchen Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle.
Stand der Technik
Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, welche die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Eine Brennstoffzelle ist also ein elektrochemischer Energiewandler. Bei bekannten Brennstoffzellen werden insbesondere Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) in Wasser (H₂O), elektrische Energie und Wärme gewandelt. Es sind aber auch Brennstoffzellen bekannt, welche mit Methanol oder Methan arbeiten.
Unter anderem sind Protonenaustauschmembran (Proton-Exchange-Membran = PEM) -Brennstoffzellen bekannt. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen weisen eine zentral angeordnete Membran auf, die ausschließlich für Protonen, also nur für Wasserstoffionen, durchlässig ist. Das Oxidationsmittel, üblicherweise Luftsauerstoff, ist dadurch räumlich von dem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, getrennt.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen weisen ferner eine Anode und eine Kathode auf. Der Brennstoff wird an der Anode der Brennstoffzelle zugeführt und katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert. Die Protonen gelangen durch die Protonenaustauschmembran zu der Kathode. Die abgegebenen Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen externen Stromkreis zu der Kathode.
Das Oxidationsmittel wird an der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt und durch Aufnahme der Elektronen aus dem externen Stromkreis zu Anionen reduziert. Die Anionen reagieren mit den Protonen, welche durch die Protonenaustauschmembran zu der Kathode gelangt sind. Bei der herkömmlichen Verwendung von Luftsauerstoff wird so Wasser gebildet, welches aus der Brennstoffzelle abgeleitet wird.
Zwischen der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle liegt dabei eine Spannung an. Zur Erhöhung der Spannung können mehrere Brennstoffzellen mechanisch hintereinander zu einem Brennstoffzellenstapel angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet werden.
Wasserstoff ist unter Normalbedingungen ein brennbares Gas. Die sichere Speicherung von Wasserstoff stellt daher eine wichtige Herausforderung dar. Ein Verfahren zur Speicherung von Wasserstoff ist die Speicherung in Form von chemisch gebundenem Wasserstoff. Hierzu sind insbesondere flüssige organische Wasserstoffträger (sog. liquid organic hydrogen carrier, LOHC) geeignet. Diese sind in der Lage Wasserstoff reversibel chemisch zu binden. Üblicherweise findet die Hydrierung solcher Wasserstoffträger bei erhöhten Temperaturen und Drücken statt und ist exotherm. Beispielsweise kann die Wasserstoffspeicherung mit Dibenzyltoluol (C₂₁H₂₀) unter Bildung von Perhydro-Dibenzyltoluol (C₂₁H₃₈) bei einem Druck von 50 bar und einer Betriebstemperatur von 150°C erfolgen. Bei dieser Reaktion werden 27 % des Energiegehaltes des gespeicherten Wasserstoffs in Form von Wärme freigesetzt. Die Umkehr dieser Reaktion, d.h. die Dehydrierung von Perhydro-Dibenzyltoluol unter Freisetzung von Wasserstoff erfolgt bei einem Druck von 1 bar und 300°C Betriebstemperatur. Diese Reaktion ist endotherm. 27% des Energiegehalts des Wasserstoffs müssen zur Freisetzung aufgewendet werden.
Bislang wird die Energie, welche bei der Hydrierung flüssiger organischer Wasserstoffträger freigesetzt wird, in der Regel nicht effizient verwendet. Dies führt dazu, dass diese Energie als Verlustenergie in die Energiebilanz des Prozesses eingeht. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher den Anteil an Verlustenergie, welcher bei der Wasserstoffspeicherung entsteht zu minimieren. Diese Aufgabe wird durch die nachfolgend beschriebene Erfindung gelöst.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Verfahren zur Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie in einer Protonenaustauschmembran(PEM)-Brennstoffzelle offenbart, wobei als Brennstoff Wasserstoff und als Oxidationsmittel mindestens ein organisches Wasserstoffträgermaterial eingesetzt wird. Die PEM-Brennstoffzelle umfasst mindestens eine Anode, mindestens eine Kathode und mindestens eine zwischen der Anode und der Kathode angeordnete Protonenaustauschmembran.
Die Anode wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren mit Wasserstoff als Brennstoff betrieben. Der Wasserstoff kann mit jedem bekannten Herstellungsverfahren bereitgestellt werden, z.B. durch die Elektrolyse von Wasser. Der Wasserstoff wird dabei wie in herkömmlichen Verfahren zur Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie in einer PEM-Brennstoffzelle der Anode zugeführt. Vorzugsweise geschieht dies über Vorrichtungen, die eine möglichst gleichmäßige Verteilung des Wasserstoffs auf der gesamten Oberfläche der Anode gewährleisten. Geeignete Vorrichtungen weisen eine Medienverteilstruktur auf. Vorzugsweise werden Bipolarplatten und/oder Gasdiffusionslagen eingesetzt.
Die Anode ist elektrisch leitfähig und auf einer Oberfläche der Protonenaustauschmembran aufgebracht. Vorzugsweise umfasst die Anode mindestens ein elektrisch leitfähiges Material, insbesondere ein Metall, und einen Katalysator, üblicherweise einen Übergangsmetallkatalysator, welcher die an der Anode stattfindende Reaktion katalysiert.
An der Anode werden die Wasserstoffmoleküle unter Abgabe elektrischer Ladung in Form von Elektronen in Protonen umgewandelt. Die Reaktionsgleichung an der Anodenseite der PEM-Brennstoffzelle lautet somit: × H₂ → 2x H⁺ + 2x e^- Anode: wobei x eine ganze Zahl darstellt.
Die Elektronen verlassen über einen Stromableiter die Anode und können am negativen Terminal der Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle abgegriffen werden.
Die an Anode erzeugten Protonen treten von der Anode in die angrenzende Polymeraustauschmembran ein. Diese ist flächig zwischen der Anode und der Kathode angeordnet und unterbindet einen Kontakt zwischen der Anode und der Kathode.
Die Protonenaustauschmembran ist leitfähig gegenüber Protonen. Anionen gegenüber ist die Protonenaustauschmembran undurchlässig. So ist es den an der Anode erzeugten Protonen möglich durch die Protonenaustauschmembran zur Kathode zu wandern. Dort werden die Protonen unter Aufnahme von Elektronen in Anwesenheit eines Oxidationsmittels oxidiert.
Als Oxidationsmittel wird an der Kathode mindestens ein organisches Wasserstoffträgermaterial eingesetzt. Dieses wird dabei wie in herkömmlichen Verfahren zur Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie in einer PEM-Brennstoffzelle der Kathode zugeführt. Vorzugsweise geschieht dies über Vorrichtungen, die eine möglichst gleichmäßige Verteilung des organischen Wasserstoffträgermaterials auf der gesamten Oberfläche der Kathode gewährleisten. Geeignete Vorrichtungen weisen eine Medienverteilstruktur auf. Vorzugsweise werden Bipolarplatten und/oder Fluiddiffusionslagen eingesetzt, welche vorzugsweis auch für die Verteilung flüssiger Komponenten geeignet sind.
Die Kathode ist ebenfalls elektrisch leitfähig und auf der von der Anode abgewandten Oberfläche der Protonenaustauschmembran aufgebracht. Vorzugsweise umfasst die Kathode mindestens ein elektrisch leitfähiges Material, insbesondere ein Metall, und einen Katalysator, üblicherweise einen Übergangsmetallkatalysator, welcher die an der Kathode stattfindende Reaktion katalysiert.
Das organische Wasserstoffträgermaterial wird an der Kathode unter Aufnahme von Elektronen und der an der Anode erzeugten Protonen hydriert, um so ein hydriertes organisches Wasserstoffträgermaterial zu bilden. Die Kathodenreaktion lautet somit: [WTM]_dehyd. + 2x H⁺ + 2x e^- → [WTM]_hyd. Kathode: wobei [WTM]_dehyd. ein nicht hydriertes organisches Wasserstoffträgermaterial darstellt, [WTM]_hyd. ein hydriertes organisches Wasserstoffträgermaterial darstellt, und x eine ganze Zahl ist.
Die Gesamtreaktion der PEM-Brennstoffzelle lautet somit: x H₂ + [WTM]_dehyd. → [WTM]_hyd. Brennstoffzelle:
Der Grad der Hydrierung des organischen Wasserstoffträgermaterials ist dabei von den Reaktionsbedingungen und dem verwendeten organischen Wasserstoffträgermaterial abhängig. Beispielsweise ist eine einfache Hydrierung in Form einer Aufnahme zweier Protonen denkbar. In Hinblick auf die Effizienz der Wasserstoffspeicherung ist eine mehrfache Hydrierung bevorzugt. Insbesondere ist eine vollständige Hydrierung sämtlicher funktioneller Gruppen in dem Wasserstoffträgermaterial, welche hydriert werden können, bevorzugt.
Das Verfahren zur Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie in einer PEM-Brennstoffzelle wird vorzugsweise bei einer Temperatur durchgeführt, welche einen raschen Ablauf der beteiligten Reaktionen ermöglicht. Insbesondere wird die Temperatur so gewählt, dass der Transport der Protonen durch die Protonenaustauschmembran zügig erfolgt. Eine geeignete Temperatur liegt vorzugsweise in einem Bereich von 50°C bis 250°C, stärker bevorzugt in einem Bereich von 90°C bis 200°C und insbesondere in einem Bereich von 140°C bis 200°C. Diese Temperatur erhöht die Leitfähigkeit der Protonenaustauschmembran und verbessert so den Transport der Protonen von der Anode zur Kathode.
Geeignete organische Wasserstoffträgermaterialien umfassen prinzipiell sämtliche organischen Materialien, welche reversibel hydriert und dehydriert werden können. Die organischen Wasserstoffträgermaterialien sind somit in der Lage Wasserstoff aufzunehmen und chemisch zu binden. Die Hydrierung ist ferner reversibel, d.h. die hydrierten organischen Wasserstoffträgermaterialien sind in der Lage den gespeicherten Wasserstoff unter geeigneten Bedingungen, wie z.B. erhöhter Temperatur und/oder reduziertem Druck ggf. in Gegenwart eines Katalysators, freizusetzen und so in den dehydrierten Zustand zurückgeführt zu werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die organischen Wasserstoffträgermaterialien mindestens eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfassen die organischen Wasserstoffträgermaterialien aromatische Kohlenwasserstoffverbindungen, welche gegebenenfalls neben Kohlenstoff und Wasserstoff auch Heteroatome, ausgewählt aus Stickstoff und Bor, umfassen können.
Beispiele für geeignete organische Wasserstoffträgermaterialien umfassen aromatische oder heteroaromatische Kohlenwasserstoffverbindungen mit 6 bis 30 Kohlenstoffatomen, welche jeweils 1 bis 3 Heteroatome, ausgewählt aus Stickstoff und Sauerstoff, umfassen können.
Als bevorzugte aromatische Kohlenwasserstoffverbindungen hervorzuheben sind Benzol, C₁-C₆-Alkylbenzolderivate, insbesondere Toluol, o-, m- und p-Xylol und Trimethylbenzol, vorzugsweise Mesitylen, C₂-C₆-Alkenylbenzolderivate, insbesondere Styrol und Divinylbenzol, polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe wie Stilben, Benzyltoluol, Dibenzyltoluol und Naphthalin.
Als bevorzugte heteroaromatische Kohlenwasserstoffverbindungen hervorzuheben sind Carbazolderivate, insbesondere N-C_1-C₆-Alkyl-Carbazole, Azaborine und Pyridin.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das organische Wasserstoffträgermaterial mindestens eine aromatische und/oder heteroaromatische Kohlenwasserstoffverbindung ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Toluol, Benzyltoluol, Dibenzyltoluol und N-Ethyl-Carbazol.
In Hinblick auf die im Vergleich zum N-Ethyl-Carbazol niedrige Schmelztemperatur und den im Vergleich zum Toluol hohen Siedepunkt sind insbesondere Benzyltoluol, Dibenzyltoluol sowie Gemische davon als besonders bevorzugte organische Wasserstoffträgermaterialien hervorzuheben. Diese können in Form jedes Strukturisomers, d.h. als jeweiliges ortho-, meta- und para-Isomer sowie in als Gemisch davon, verwendet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das organische Wasserstoffträgermaterial eine Verbindung oder Zusammensetzung, welche bei der Betriebstemperatur der PEM-Brennstoffzelle in Form einer Flüssigkeit vorliegt. Vorzugsweise weist das organische Wasserstoffträgermaterial sowohl in seiner hydrierten als auch in seiner dehydrierten Form somit eine Schmelztemperatur von ≤ 90°C, insbesondere von ≤ 50°C auf. In einer stärker bevorzugten Ausführungsform liegt die Schmelztemperatur des eingesetzten organischen Wasserstoffträgermaterials, sowohl in seiner hydrierten als auch in seiner dehydrierten Form, bei einer Temperatur von ≤ 20°C, stärker bevorzugt von ≤0°C, insbesondere von ≤ -20°C. Dies ermöglicht eine einfache Lagerung und einen einfachen Transport des organischen Wasserstoffträgermaterials auch bei niedrigen Temperaturen. In Hinblick auf die Transport- und Lagereigenschaften des organischen Wasserstoffträgermaterials weist dieses sowohl in seiner hydrierten als auch in seiner dehydrierten Form bevorzugt einen Siedepunkt von ≥100°C, insbesondere ≥120°C auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die Verfahrenstemperatur und die Schmelztemperatur des Wasserstoffträgermaterials aufeinander abgestimmt. In einer Ausführungsform wird das Verfahren vorzugsweise bei einer Temperatur in einem Bereich von 50°C bis 250°C durchgeführt und das organische Wasserstoffträgermaterial weist sowohl in seiner hydrierten als auch in seiner dehydrierten Form somit eine Schmelztemperatur von ≤ 90°C auf.
In einer alternativen Ausführungsform wird das Verfahren vorzugsweise bei einer Temperatur in einem Bereich von 90°C bis 200°C durchgeführt und das organische Wasserstoffträgermaterial weist sowohl in seiner hydrierten als auch in seiner dehydrierten Form somit eine Schmelztemperatur von ≤ 90°C auf.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform wird das Verfahren vorzugsweise bei einer Temperatur in einem Bereich von 90°C bis 200°C durchgeführt und das organische Wasserstoffträgermaterial weist sowohl in seiner hydrierten als auch in seiner dehydrierten Form somit eine Schmelztemperatur von ≤ 50°C auf.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle, umfassend mindestens eine Anode, mindestens eine Kathode und mindestens eine Protonenaustauschmembran, wobei der Anode Wasserstoff als Brennstoff zugeführt wird und an der Kathode mindestens ein organisches Wasserstoffträgermaterial als Oxidationsmittel zugeführt wird.
Die mindestens eine Anode und die mindestens eine Kathode bestehen vorzugsweise aus einem elektrisch leitfähigem Material, insbesondere einem Metall, und umfassen vorzugsweise einen Katalysator, insbesondere einen Übergangsmetallkatalysator, welcher dazu in der Lage ist, die an der Anode und/oder der Kathode stattfindenden Reaktionen zu katalysieren. Insbesondere können Katalysatoren auf Basis von Palladium und/oder Platin vorteilhaft eingesetzt werden. Die Anode und die Kathode sind jeweils auf zwei voneinander abgewandten Oberflächen der Protonenaustauschmembran aufgebracht.
Die Protonenaustauschmembran ist aus einem Material gefertigt, welches eine gute Leitfähigkeit gegenüber Protonen aufweist und undurchlässige gegenüber Anionen ist. Ferner ist die Protonenaustauschmembran aus einem Material gefertigt, welches gegenüber Wasserstoff, dem mindestens einen organischen Wasserstoffträgermaterial und dem mindestens einen hydrierten Wasserstoffträgermaterial chemisch und physikalisch stabil ist, d.h. weder reaktiv gegenüber diesen Materialien, noch darin löslich ist. Geeignet sind insbesondere polymere Materialien, welche gegenüber aromatischen bzw. heteroaromatischen Kohlenwasserstoffen chemisch und physikalisch stabil sind. Als Beispiele sind fluorhaltige Polymere zu nennen, beispielsweise Polytetrafluor(PTFE)-Derivate und Polyvinylidenfluorid(PVDF)-Derivate, welche gegebenenfalls Sulfonsäuregruppen umfassen können.
Darüber hinaus umfasst die Anodenseite und die Kathodenseite der PEM-Brennstoffzelle vorzugsweise jeweils eine Vorrichtung, die den gleichmäßigen Transport des Brennstoffs und des Oxidationsmittels zur Anode bzw. Kathode sowie den Abtransport des hydrierten Oxidationsmittels von der Kathode ermöglicht. Solche Vorrichtungen sind grundsätzlich bekannt und umfassen beispielsweise eine elektrisch leitfähige Bipolarplatte und eine Gas- bzw. Fluiddiffusionslage. Die Bipolarplatte ist beispielsweise aus Graphit gefertigt und weist jeweils mindestens eine Struktur auf, die es ermöglicht fluide Medien gleichmäßig zu verteilen (sog. Medienverteilstruktur). Die Medienverteilstruktur dient einerseits der Verteilung des Brennstoffs auf der Anodenseite bzw. des Oxidationsmittels auf der Kathodenseite. Darüber hinaus ist es möglich unter Verwendung einer Vielzahl von Medienverteilstrukturen einen Kühlkreislauf zu etablieren, um so ggf. entstehende Wärmeenergie aus der PEM-Brennstoffzelle abzuleiten. Der Brennstoff bzw. das Oxidationsmittel werden durch Anschlussstellen in die Medienverteilstruktur der Bipolarplatten eingeleitet und verteilt.
Zur weiteren Verteilung des Brennstoffs wird der Wasserstoff an der Anodenseite vorzugsweise in eine poröse Gasdiffusionslage eingeleitet, welche in Kontakt mit der Anode steht. Das Oxidationsmittel wird an der Kathodenseite vorzugsweise in eine poröse Fluiddiffusionslage eingeleitet, welche in Kontakt mit der Kathode steht. Die Fluiddiffusionslage und die Gasdiffusionslage sind vorzugsweise ebenfalls elektrisch leitfähig und unterscheiden sich dadurch voneinander, dass die Fluiddiffusionslage mit einer Porenstruktur ausgestattet ist, welche auch Flüssigkeiten eine gute Permeabilität ermöglicht.
Die Fluiddiffusionslage und die Bipolarplatte der Kathodenseite sind vorzugsweise ferner so ausgestaltet, dass das hydrierte organische Wasserstoffträgermaterial gut abgeleitet werden kann. Je nach Betriebstemperatur und Wasserstoffträgermaterial fällt dieses vorzugsweise in flüssiger oder gasförmiger Form an. Wasserstoffträgermaterialien mit niedrigen Siedepunkten, z.B. Toluol, können bei Verfahrenstemperaturen in einem Bereich oberhalb des Siedepunktes (110°C bei Normaldruck) auch als Gas vorliegen und so entsprechend zur Fluiddiffusionslage geführt werden. Gleiches gilt für den Abtransport des hydrierten Wasserstoffträgermaterials, z.B. Methylcyclohexan mit einem Siedepunkt von 101°C bei Normaldruck. Werden höhersiedende Wasserstoffträgermaterialien wie Dibenzyltoluol eingesetzt, so sind entsprechende Anpassungen insbesondere der Fluiddiffusionslage zu berücksichtigen. Diese sollte insbesondere eine höhere Porengröße aufweisen, um so der höheren Viskosität der Flüssigkeit gegenüber einem Gas Rechnung zu tragen. Insbesondere ist die Bipolarplatte und die Fluiddiffusionslage der Kathodenseite daher dazu geeignet eine Flüssigkeit zu der Kathode und von dieser weg zu transportieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform der PEM-Brennstoffzelle ist das eingesetzte organische Wasserstoffträgermaterial eine hydrierbare, organische Kohlenwasserstoffverbindung, insbesondere eine aromatische und/oder heteroaromatische Kohlenwasserstoffverbindung. Als Beispiele sind insbesondere aromatische flüssige, organische Kohlenwasserstoffverbindung hervorzuheben. Diesbezüglich wird auf die zuvor beschriebenen Verbindungen verwiesen.
Eine erfindungsgemäße PEM-Brennstoffzelle findet vorteilhaft Verwendung in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV) oder in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV).
Vorteile der Erfindung
Durch das beschrieben Verfahren ist es möglich, Wasserstoff in einem organischen Wasserstoffträgermaterial zu speichern und die bei der Speicherung freiwerdende Energie zu einem Großteil als elektrische Energie anstelle von Wärmeenergie zu gewinnen. Die elektrische Energie kann so anderen Zwecken genutzt werden und beispielsweise in der Elektrolyse von Wasser zur Herstellung von Wasserstoff verwendet werden. Die Energiebilanz des Gesamtprozesses wird dadurch verbessert.
Figurenliste
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle,

Ausführungsformen der Erfindung
In 1 ist eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle 2 (nachfolgend auch als PEM-Brennstoffzelle 2 bezeichnet) schematisch dargestellt. Die PEM-Brennstoffzelle 2 umfasst ein negatives Terminal 11 und ein positives Terminal 12. Über die Terminals 11, 12 kann eine von der PEM-Brennstoffzelle 2 zur Verfügung gestellte Spannung abgegriffen werden. Im Betrieb der PEM-Brennstoffzelle 2 fließt ein elektrischer Strom zwischen den beiden Terminals 11, 12 über einen externen Stromkreis.
Die PEM-Brennstoffzelle 2 weist eine erste Anschlussstelle 31 auf, welche zur Zuführung eines Brennstoffs Wasserstoff dient. Die PEM-Brennstoffzelle 2 weist ferner eine zweite Anschlussstelle 32 auf, welche zur Zuführung eines organischen Wasserstoffträgermaterials als Oxidationsmittel dient. Die PEM-Brennstoffzelle 2 weist auch eine dritte Anschlussstelle 33 auf, welche zur Ableitung von entstandenem hydriertem organischem Wasserstoffträgermaterial dient.
Weiterhin weist die PEM-Brennstoffzelle 2 eine Anode 21, eine Kathode 22 und eine Protonenaustauschmembran 18 auf. Die Protonenaustauschmembran 18 ist dabei zwischen der Anode 21 und der Kathode 22 angeordnet. Die Anode 21, die Kathode 22 und die Protonenaustauschmembran 18 bilden gemeinsam eine Protonenaustauschmembran-Elektroden-Einheit 10, welche zentral innerhalb der PEM-Brennstoffzelle 2 angeordnet ist.
Auf der Seite der Anode 21 ist eine erste Bipolarplatte 41 angeordnet, welche mit der ersten Anschlussstelle 31 verbunden ist. Die erste Bipolarplatte 41 weist eine Medienverteilstruktur 45 auf, über welche der Brennstoff, der über die erste Anschlussstelle 31 der PEM-Brennstoffzelle 2 zugeführt wird, zu der Anode 21 weitergeleitet wird. Die erste Bipolarplatte 41 ist elektrisch leitfähig.
Auf der Seite der Kathode 22 ist eine zweite Bipolarplatte 42 angeordnet, welche mit der zweiten Anschlussstelle 32 verbunden ist. Die zweite Bipolarplatte 42 weist eine Medienverteilstruktur 46 auf, über welche das Oxidationsmittel (vorliegend z.B. Dibenzyltoluol), das über die zweite Anschlussstelle 32 der PEM-Brennstoffzelle 2 zugeführt wird, zu der Kathode 22 weitergeleitet wird. Die zweite Bipolarplatte 42 ist ebenfalls elektrisch leitfähig.
Ferner ist die auf der Seite der Kathode 22 angeordnete zweite Bipolarplatte 42 mit der dritten Anschlussstelle 33 verbunden. Über die Medienverteilstruktur 46 der zweiten Bipolarplatte 42 wird auch das im Betrieb der PEM-Brennstoffzelle 2 entstehende hydrierte organische Wasserstoffträgermaterial (z.B. Perhydro-Dibenzyltoluol) über die dritte Anschlussstelle 33 aus der PEM-Brennstoffzelle 2 abgeleitet.
Die Bipolarplatten 41, 42 weisen weiterhin hier nicht dargestellte Strukturen zur Durchleitung einer Kühlflüssigkeit durch die PEM-Brennstoffzelle 2 auf. Somit ist eine Abführung von im Betrieb der PEM-Brennstoffzelle 2 entstehender Wärme und damit eine Kühlung der PEM-Brennstoffzelle 2 ermöglicht.
Zwischen der Anode 21 und der ersten Bipolarplatte 41 ist eine Gasdiffusionslage 51 vorgesehen. Die Gasdiffusionslage 51 ist elektrisch leitfähig und beispielsweise aus einem porösen Schaum gefertigt. Die Gasdiffusionslage 51 gewährleistet eine gleichmäßige Verteilung des über die Medienverteilstruktur 45 der ersten Bipolarplatte 41 zugeführten Brennstoffs zu der Anode 21.
Zwischen der Kathode 22 und der zweiten Bipolarplatte 42 ist eine Fluiddiffusionslage 52 vorgesehen. Die Fluiddiffusionslage 52 ist elektrisch leitfähig und beispielsweise aus einem porösen Schaum gefertigt. Die Fluiddiffusionslage 52 weist in der Regel eine größere Porosität auf als die Gasdiffusionslage 51 und gewährleistet eine gleichmäßige Verteilung des über die Medienverteilstruktur 46 der zweiten Bipolarplatte 42 zugeführten Oxidationsmittels zu der Kathode 22.
Die Anode 21, die erste Bipolarplatte 41 und die dazwischen angeordnete Gasdiffusionslage 51 sind elektrisch mit dem negativen Terminal 11 der PEM-Brennstoffzelle 2 verbunden. Die Kathode 22, die zweite Bipolarplatte 42 und die dazwischen angeordnete Fluiddiffusionslage 52 sind elektrisch mit dem positiven Terminal 12 der PEM-Brennstoffzelle 2 verbunden.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Verfahren zur Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie in einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (2), wobei als Brennstoff Wasserstoff und als Oxidationsmittel mindestens ein organisches Wasserstoffträgermaterial eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei an der Kathode (22) mindestens ein organisches Wasserstoffträgermaterial als Brennstoff verwendet wird und dieses Wasserstoffträgermaterial unter Aufnahme der an der Anode (21) erzeugten Protonen hydriert wird, um so ein hydriertes organisches Wasserstoffträgermaterial zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das organische Wasserstoffträgermaterial mindestens ein organisches Materialien umfasst, welches reversibel hydriert und dehydriert werden kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das organische Wasserstoffträgermaterial mindestens eine organische Verbindung mit einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das organische Wasserstoffträgermaterial mindestens eine aromatische und/oder heteroaromatische Kohlenwasserstoffverbindung mit 6 bis 30 Kohlenstoffatomen umfasst, welche jeweils 1 bis 3 Heteroatome, ausgewählt aus Stickstoff und Sauerstoff, umfassen kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das organische Wasserstoffträgermaterial ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Toluol, Benzyltoluol, Dibenzyltoluol und N-Ethyl-Carbazol.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Verfahren bei einer Temperatur in einem Bereich von 50°C bis 250°C durchgeführt wird und das organische Wasserstoffträgermaterial sowohl in seiner hydrierten als auch in seiner dehydrierten Form somit eine Schmelztemperatur von ≤ 90°C aufweist.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (2), umfassend mindestens eine Anode (21), mindestens eine Kathode (22) und mindestens eine Protonenaustauschmembran (18), wobei der Anode (21) Wasserstoff als Brennstoff zugeführt wird und der Kathode (22) mindestens ein organisches Wasserstoffträgermaterial als Oxidationsmittel zugeführt wird.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (2) nach Anspruch 8, wobei die Protonenaustauschmembran (18) aus einem Material gefertigt ist, welches eine gute Leitfähigkeit gegenüber Protonen aufweist, undurchlässige gegenüber Anionen ist und gegenüber Wasserstoff, dem mindestens einen organischen Wasserstoffträgermaterial und dem mindestens einen hydrierten Wasserstoffträgermaterial chemisch und physikalisch stabil ist.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (2) nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (2) auf der Seite der Kathode (22) mindestens eine Bipolarplatte (42) und eine Fluiddiffusionslage (52) umfasst, die geeignet sind eine Flüssigkeit zu der Kathode (22) und von dieser weg zu transportieren.
Verwendung einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (2), nach einem der Ansprüche 8 bis 10 in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV) oder in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV).