DE102019104402B4

DE102019104402B4 - Elektrochemischer Reaktor und Verfahren zum Umwandeln von chemischer Reaktionsenergie in elektrische Energie

Info

Publication number: DE102019104402B4
Application number: DE102019104402.2A
Authority: DE
Inventors: Seyed Schwan Hosseiny; Jens Mitzel; Aldo Saul Gago Rodriguez
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2018-10-26
Filing date: 2019-02-21
Publication date: 2021-05-06
Anticipated expiration: 2039-02-22
Also published as: DE102019104402A1

Abstract

Elektrochemischer Reaktor (34), welcher in Form einer Brennstoffzelle (44) ausgebildet ist, zum Umwandeln von chemischer Reaktionsenergie, welche bei der chemischen Umsetzung eines Brennstoffes (46) und eines Oxidationsmittels (48) entsteht, in elektrische Energie, welcher elektrochemische Reaktor (34) eine Anode (50) und eine Kathode (52) umfasst, die durch eine Ionenaustauschmembran (22) voneinander getrennt sind, wobei die Ionenaustauschmembran (22) in Form einer Bipolarmembran (12) ausgebildet ist, welche eine Anionenaustauschmembran (14) und eine Kationenaustauschmembran (16) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Anionenaustauschmembran (14) auf einer von der Kationenaustauschmembran (16) abgewandten Seitenfläche (28) eine anodische Katalysatorschicht (24) trägt und dass die anodische Katalysatorschicht (24) zwischen der Anionenaustauschmembran (14) und einer anodischen Gasdiffusionsschicht (36) angeordnet oder ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrochemischen Reaktor, welcher in Form einer Brennstoffzelle ausgebildet ist, zum Umwandeln von chemischer Reaktionsenergie, welche bei der chemischen Umsetzung eines Brennstoffes und eines Oxidationsmittels entsteht, in elektrische Energie, welcher elektrochemische Reaktor eine Anode und eine Kathode umfasst, die durch eine Ionenaustauschmembran voneinander getrennt sind, wobei die Ionenaustauschmembran in Form einer Bipolarmembran ausgebildet ist, welche eine Anionenaustauschmembran und eine Kationenaustauschmembran umfasst.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Umwandeln von chemischer Reaktionsenergie, welche bei der chemischen Umsetzung eines Brennstoffes und eines Oxidationsmittels entsteht, in elektrische Energie, bei welchem Verfahren eine Anode und eine Kathode, die durch eine Ionenaustauschmembran voneinander getrennt sind, eingesetzt werden, wobei die Ionenaustauschmembran in Form einer Bipolarmembran ausgebildet und eingesetzt wird, welche eine Anionenaustauschmembran und eine Kationenaustauschmembran umfasst.
Elektrochemische Reaktoren in Form von Brennstoffzellen gewinnen aufgrund der fortschreitenden Elektromobilität zunehmend an Bedeutung. Brennstoffzellen eignen sich insbesondere dazu, Strom direkt aus Brennstoffen zu erzeugen, so dass elektrisch betriebene Fahrzeuge ebenso betankt werden können, wie Fahrzeuge, die von einem Verbrennungsmotor angetrieben werden. Dies hat gegenüber rein batteriebetriebenen Fahrzeugen den Vorteil, dass nur ein vergleichsweise kurzer Stopp nötig ist, um einen Tank des Fahrzeugs zu befüllen, im Gegensatz zu einer um ein Vielfaches längeren Ladezeit zum Aufladen einer Batterie.
Der Einsatz elektrochemischer Reaktoren zum Umwandeln von chemischer Reaktionsenergie in elektrische Energie, birgt jedoch ebenfalls Probleme. Werden beispielsweise kohlenstoffbasierte Brennstoffe eingesetzt, wie insbesondere Methanol oder Ethanol, müssen diese zunächst dissoziiert oder aufgespalten werden. Als Oxidationsmittel wird in der Regel der überall verfügbare Sauerstoff der Luft eingesetzt, der mittels eines Katalysators reduziert werden muss. Bekannt ist es, für solche Brennstoffzellen Ionenaustauschmembranen einzusetzen, die entweder als Kationenaustauschmembran oder Anionenaustauschmembran ausgebildet sind. Durch die Wahl der jeweiligen Membran wird jedoch das Milieu derselben entweder im sauren oder im alkalischen Bereich vorgegeben. Es ist daher auf beiden Seiten der Ionenaustauschmembran gleich. Mit anderen Worten sind die Milieus beider Seiten, also der Kathodenseite und der Anodenseite des elektrochemischen Reaktors, aneinander gekoppelt. Dies hat jedoch insbesondere den Nachteil, dass die Oxidations- und Reduktionsreaktionen, die auf beiden Seiten der Ionenaustauschmembran im elektrochemischen Reaktor stattfinden, entweder im sauren Gesamtmilieu des Reaktors oder im insgesamt alkalischen Gesamtmilieu des Reaktors ablaufen müssen. Dies ist jedoch zumindest für eine der beiden Reaktionen dann stets nicht optimal.
Eine Ethanolbrennstoffzelle kann beispielsweise wahlweise mit einer Kationenaustauschmembran oder einer Anionenaustauschmembran betrieben werden. Beide haben Vorteile, jedoch auch Nachteile. Mit einer Anionenaustauschmembran kann das Problem des Durchdringens von Ethanol durch die Austauschmembran sehr effizient verhindert werden. Allerdings wird dann auf beiden Seiten der Austauschmembran, also anodenseitig und kathodenseitig, jeweils ein alkalischer Elektrolyt benötigt, der ein alkalisches Milieu erzeugt. Ein alkalischer Elektrolyt hat jedoch den Nachteil, dass dieser nicht nur kriecht, sondern bei fortschreitender Reaktion auch verbraucht wird. Ferner kann ein alkalischer Elektrolyt nicht an Luft betrieben werden, da dies zu einer Ausfällung unlösbarer Karbonatsalze aufgrund der Reaktion mit Kohlenstoffdioxid (CO₂) in der Luft führt, wodurch das gesamte System blockiert wird. Dagegen hat der Einsatz einer Kationenaustauschmembran den Nachteil, dass Ethanol eine solche Austauschmembran einfach durchdringen kann. Mit anderen Worten kann eine Kationenaustauschmembran Ethanol nur schwer zurückhalten. Dies führt letztlich zur Vergiftung des Katalysators auf der Kathodenseite mit verheerenden Auswirkungen auf die Leistung des elektrochemischen Reaktors. Ferner sei angemerkt, dass in Systemen mit Kationenaustauschmembran sehr häufig Katalysatoren basierend auf Metallen der Platingruppe eingesetzt werden, die jedoch sehr teuer sind. Ferner werden derartige Katalysatoren wie insbesondere Platin durch Ethanol oder Kohlenmonoxid, wie bereits angemerkt, sehr leicht vergiftet.
Aus der WO 2017/205458 A1 sind auf Nanofasern basiert Bipolarmembranen sowie Verfahren zu deren Herstellung und Anwendungen derselben bekannt. In der US 2007/0141456 A1 sind Bipolarmembranen, insbesondere für Brennstoffzellen, beschrieben. Die US 2004/0121227 A1 offenbart elektrochemische Zellen mit Bipolarmembranen, insbesondere Brennstoffzellen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektrochemischen Reaktor sowie ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art so zu verbessern, dass die Umwandlung chemischer Reaktionsenergie in elektrische Energie verbessert wird.
Diese Aufgabe wird bei einem elektrochemischen Reaktor der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Anionenaustauschmembran auf einer von der Kationenaustauschmembran abgewandten Seitenfläche eine anodische Katalysatorschicht trägt und dass die anodische Katalysatorschicht zwischen der Anionenaustauschmembran und einer anodischen Gasdiffusionsschicht angeordnet oder ausgebildet ist.
Anders als bei den bekannten Systemen wird also vorgeschlagen, die Ionenaustauschmembran in Form einer Bipolarmembran auszubilden. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass die chemischen Bedingungen an der Anode und der Kathode eines solchen elektrochemischen Reaktors entkoppelt werden können. Ein solcher elektrochemischer Reaktor, nachfolgend auch als bipolarer Membranreaktor oder bipolare Brennstoffzelle bezeichnet, ermöglicht auf einer Seite, also anoden- oder kathodenseitig, Reaktionen im alkalischen Milieu und auf der anderen Seite im sauren Milieu durchzuführen. So ist es möglich, die Elektrodenreaktionen so anzupassen, wie sie für die Umsetzung, insbesondere auch hinsichtlich der Kosten, des Membranreaktors am günstigsten sind. Insbesondere kann so eine erhöhte Selektivität sowie eine schnellere Umsatzrate einer gewünschten Reaktion in einem bestimmten Medium erreicht werden. Beispielsweise kann im Bereich der Kathode in einem sauren Milieu gearbeitet werden und im Bereich der Anode in einem alkalischen Milieu. So kann insbesondere die Sauerstoffreduktion in der Kathode optimiert werden durch Wahl eines sauren Milieus. Die Zersetzung oder Oxidation eines kohlenstoffbasierten Brennstoffs, wie beispielsweise Ethanol ,kann auf der Anodenseite in einem alkalischen Milieu erfolgen. Ein weiterer Vorteil dieser Trennung der Milieus ist eine angepasste Wahl der Katalysatoren, da für dieselbe Reaktion im Sauren und Basischen unterschiedliche Katalysatoren eingesetzt werden können. Durch den bipolaren Membranreaktor kann wie beschrieben das Milieu auf beiden Seiten frei gewählt werden, so dass jeweils durch Einstellung des Milieus oder Charakters auf den beiden Seiten der Ionenaustauschmembran gegebenenfalls deutlich kostengünstigere Katalysatoren eingesetzt werden können. Ein weiterer Vorteil ist insbesondere eine Reduktion von Betriebskosten solcher bipolaren Membranreaktoren. Ferner sind die Reduktionspotentiale der Teilreaktionen an den Elektroden bekanntermaßen stark vom jeweiligen Milieu abhängig. Durch den Einsatz einer Bipolarmembran als Ionenaustauschmembran können die Elektrodenpotentiale durch entsprechende Wahl eines sauren oder basischen Milieus auf der jeweiligen Seite der Ionenaustauschmembran so gewählt werden, dass eine möglichst hohe Zellspannung insgesamt erzielt werden kann. Eine hohe Zellspannung führt jedoch zu einer hohen Energieschöpfung, ist also auch ein Maß für eine hohe Effizienz des elektrochemischen Reaktors, und verbessert dadurch auch eine Wirtschaftlichkeit eines Betriebs desselben. Durch die Wahl einer Bipolarmembran als Ionenaustauschmembran kann so effizient ein Oxidationsmittel, wie beispielsweise Sauerstoff, an der Kathode reduziert und ein kohlenstoffbasierter Brennstoff, wie beispielsweise Ethanol oder Methanol, an der Anode hocheffizient in Wasser und Kohlenstoffdioxid zerlegt werden. Günstig ist es, dass die Bipolarmembran eine Anionenaustauschmembran und eine Kationenaustauschmembran umfasst. Wie beschrieben ermöglicht eine solche Bipolarmembran insbesondere, unterschiedliche Milieus auf beiden Seiten der Ionenaustauschmembran voneinander zu trennen. Zum einen können mittels der Anionenaustauschmembran Anionen optimal ausgetauscht werden und mittels der Kationenaustauschmembran Kationen. Um die Anodenreaktion des elektrochemischen Reaktors zu optimieren, ist es günstig, dass die Anionenaustauschmembran auf einer von der Kationenaustauschmembran abgewandten Seitenfläche eine anodische Katalysatorschicht trägt. So kann im Bereich dieser Katalysatorschicht die Oxidation beziehungsweise Zersetzung des Brennstoffs in gewünschter begünstigt werden. Ferner ist es vorteilhaft, dass die anodische Katalysatorschicht zwischen der Anionenaustauschmembran und einer anodischen Gasdiffusionsschicht angeordnet oder ausgebildet ist. Im Bereich der anodischen Katalysatorschicht entstehen Dissoziationsprodukte des Brennstoffs, insbesondere Wasser und Kohlenstoffdioxid, die durch die anodische Gasdiffusionsschicht einfach und sicher abgeleitet werden können.
Um zu vermeiden, dass im Bereich der Ionenaustauschmembran eine Neutralisierung der beidseits herrschenden Milieus erfolgt, sind die Anionenaustauschmembran und die Kationenaustauschmembran vorzugsweise durch eine Trennschicht voneinander getrennt.
Günstigerweise enthält die Trennschicht einen Dissoziationskatalysator. Sie kann daher auch als eine die Anionenaustauschmembran und die Kationenaustauschmembran voneinander trennende Dissoziationsschicht bezeichnet werden. Insbesondere kann der Dissoziationskatalysator ausgebildet sein zum Aufspalten von Wassermolekülen in Hydroxidionen (OH^-) und Protonen (H⁺). Insbesondere kann der Dissoziationskatalysator für die Aufspaltung von Wasser optimiert sein. Durch den Dissoziationskatalysator kann insbesondere das jeweils herrschende Milieu im Bereich der Anode beziehungsweise im Bereich der Kathode einfach und sicher aufrechterhalten werden. Bevorzugt wird die Trennschicht mit Wasser feucht gehalten, um stets genügend Wassermoleküle für eine Dissoziation in Protonen (H⁺) und Hydroxidionen (OH^-) bereitzustellen.
Vorzugsweise ist oder enthält der Dissoziationskatalysator Eisenoxid. Insbesondere kann er Eisen-(III)-Oxid (Fe₂O₃) sein oder enthalten. Eisenoxid unterstützt eine Dissoziation von Wasser in Hydroxidionen und Protonen in günstiger Weise.
Um eine optimale Trennung der beiden Elektrodenseiten des Reaktors zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn die Trennschicht eine Schichtdicke in einem Bereich von etwa 500 nm bis etwa 500 µm aufweist.
Um die Zersetzung oder Dissoziation des Brennstoffs weiter zu verbessern, ist es vorteilhaft, wenn die anodische Katalysatorschicht einen anodischen Katalysator zum Oxidieren des Brennstoffs enthält.
Vorzugsweise ist der anodische Katalysator Palladium (Pd), Palladium und Silber (Pd-Ag), Palladium und Nickel (Pd-Ni), Palladium und Zinn (Pd-Sn), Palladium und Nickeloxid (Pd-NiO), Ceroxid (CeO₂), Cobaltoxid (Co₃O₄), Manganoxid (Mn₃O₄) und/oder Platin-Ruthenium (PtRu) oder der anodische Katalysator enthält einen oder mehrere der genannten Stoffe. Je nach Wahl des Brennstoffs kann dann der passende anodische Katalysator eingesetzt werden, um die anodische Oxidationsreaktion für den jeweiligen Brennstoff zu optimieren.
Um einen sowohl chemisch als auch mechanisch stabilen Verbund der Ionenaustauschmembran ausbilden zu können, ist es vorteilhaft, wenn die anodische Katalysatorschicht mindestens ein Polymer enthält, welches auch in der Anionenaustauschmembran enthalten ist.
Für eine optimale Zersetzung oder Dissoziation des Brennstoffs ist es günstig, wenn ein anodischer Elektrolyt in der anodischen Katalysatorschicht einen pH-Wert größer als 7 aufweist. Insbesondere kann er einen pH-Wert von mindestens 9 aufweisen. Der anodische Elektrolyt in der anodischen Katalysatorschicht bestimmt letztlich das anodenseitige Milieu, so dass mit anderen Worten das anodenseitige Milieu einen pH-Wert vorzugsweise größer als 7 aufweist.
Vorteilhafterweise ist der Brennstoff mindestens eine Kohlenstoff enthaltende Verbindung. Insbesondere kann dies eine Verbindung aus der Gruppe Methanol (CH₃OH), Ethanol (C₂H₅OH), Polycarbonalkohole, Glycerin (C₃H₈O₃), Ethylenglykol und 2-Propanol (C₃H₈O) sein. Derartige Brennstoffe können insbesondere flüssig, beispielsweise auch in wässriger Lösung, bereitgestellt werden. Dies ermöglicht insbesondere einen kontinuierlichen Betrieb des elektrochemischen Reaktors. Ferner wird durch einen solchen Brennstoff auch ein Betanken eines Fahrzeugs ermöglicht, das diesen Brennstoff als Energieträger mitführt.
Des Weiteren ist es günstig, wenn die Kationenaustauschmembran auf einer von der Anionenaustauschmembran abgewandten Seitenfläche eine kathodische Katalysatorschicht trägt. Die kathodische Katalysatorschicht dient insbesondere dazu, die Reduktion des Oxidationsmittels zu unterstützen und zu optimieren, also beispielsweise die Sauerstoffreduktionsreaktion, sowie die Reaktion von im Bereich der Trennschicht erzeugten Protonen mit dem reduzierten Sauerstoff durch Aufnahme von Elektronen zu Wasser.
Um das Ableiten des erzeugten Wassers, unabhängig davon, ob dieses gasförmig oder flüssig ist, von der kathodischen Katalysatorschicht zu verbessern, ist es günstig, wenn kathodische Katalysatorschicht zwischen der Kationenaustauschmembran und einer kathodischen Gasdiffusionsschicht angeordnet oder ausgebildet ist. Durch die kathodische Gasdiffusionsschicht kann das Wasser sicher und gezielt abgeführt werden. Ferner wird die gezielte Zufuhr des Oxidationsmittels, insbesondere von Luftsauerstoff, durch die kathodische Gasdiffusionsschicht hindurch zur kathodischen Katalysatorschicht verbessert.
Vorzugsweise enthält die kathodische Katalysatorschicht einen kathodischen Katalysator zum Reduzieren des Oxidationsmittels, insbesondere von Sauerstoff (O₂). Wie beschrieben kann so gezielt Wasser als Reaktionsprodukt auf der Kathodenseite des Reaktors erzeugt werden.
Vorzugsweise ist oder enthält der kathodische Katalysator Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh), Osmium (Os), Iridium (Ir) und/oder Ruthenium (Ru). Diese Katalysatoren aus der Gruppe der Platinmetalle unterstützen insbesondere eine hocheffiziente Reduktion von Sauerstoff, der mit verfügbaren Protonen und Elektronen zu Wasser umgesetzt werden kann.
Zur Ausbildung insbesondere einer stabilen Membraneinheit ist es günstig, wenn die kathodische Katalysatorschicht mindestens ein Polymer enthält, welches auch in der Kationenaustauschmembran enthalten ist.
Um die Wasserentwicklungsreaktion an der Kathode besonders effizient gestalten zu können, ist es günstig, wenn ein kathodischer Elektrolyt in der kathodischen Katalysatorschicht einen pH-Wert kleiner als 7 aufweist, insbesondere einen pH-Wert kleiner als 5. Der kathodische Elektrolyt in der kathodischen Katalysatorschicht bestimmt letztlich das kathodenseitige Milieu, so dass mit anderen Worten das kathodenseitige Milieu einen pH-Wert vorzugsweise kleiner als 7 aufweist. Die Reduktion von Sauerstoff mit Protonen und Elektronen zu Wasser findet vorzugsweise im sauren Milieu statt.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die anodische Gasdiffusionsschicht an einer anodischen Bipolarplatte anliegt und wenn die kathodische Gasdiffusionsschicht an einer kathodischen Bipolarplatte anliegt. Die anodische Bipolarplatte kann insbesondere mit Strömungskanälen ausgebildet sein und ein Strömungsfeld für die Spalt- oder Dissoziationsprodukte des Brennstoffs bilden, um diese, also insbesondere Wasser und Kohlenstoffdioxid, gezielt ableiten zu können. Die kathodische Bipolarplatte kann insbesondere auch mit Strömungskanälen ausgebildet sein, um das Wasser gezielt ableiten zu können. Die Strömungskanäle der jeweiligen Bipolarplatten stehen bevorzugt mit den anodischen beziehungsweise kathodischen Gasdiffusionsschichten in fluidischer Verbindung, so dass die durch die Gasdiffusionschichten geleiteten Fluide zu den Bipolarplatten hin und durch diese hindurch geleitet werden können.
Günstig ist es, wenn der elektrochemische Reaktor eine Membran-Elektroden-Einheit umfasst, welche die Bipolarmembran, die anodische Katalysatorschicht, die kathodische Katalysatorschicht, die anodische Gasdiffusionsschicht und die kathodische Gasdiffusionsschicht umfasst. Mit einer solchen Membran-Elektroden-Einheit lässt sich ein elektrochemischer Reaktor auf einfache Weise und kostengünstig ausbilden. Die Membran-Elektroden-Einheit kann insbesondere als eigenständige Einheit mit den genannten Komponenten bereitgestellt werden. Zur Ausbildung des elektrochemischen Reaktors werden zusätzlich nur noch zwei Bipolarplatten benötigt, die mit den beiden Gasdiffusionsschichten der Membran-Elektroden-Einheit in Kontakt gebracht werden müssen. Beispielsweise können diese mit der Membran-Elektroden-Einheit verpresst werden.
Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn elektrochemische Reaktor eine katalytisch beschichtete Membran umfasst, welche die anodenseitig mit der anodischen Katalysatorschicht und die kathodenseitig mit der kathodischen Katalysatorschicht beschichtete Bipolarmembran umfasst. Eine solche katalytisch beschichtete Membran kann insbesondere als Teilkomponente des elektrochemischen Reaktors bereitgestellt werden. Eine solche katalytisch beschichtete Membran kann insbesondere zur Ausbildung einer Membran-Elektroden-Einheit genutzt werden, wenn die katalytisch beschichtete Membran beidseits mit jeweils einer Gasdiffusionsschicht kontaktiert wird. Diese kann beispielsweise durch eine poröse Gitternetzstruktur ausgebildet werden. Insbesondere können Gasdiffusionsschichten auch durch chemische oder physikalische Beschichtungsverfahren auf den jeweiligen Katalysatorschichten aufgebracht werden.
Die eingangs gestellte Aufgabe wird ferner bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass auf einer von der Kationenaustauschmembran abgewandten Seitenfläche der Anionenaustauschmembran eine anodische Katalysatorschicht aufgebracht wird und dass die anodische Katalysatorschicht zwischen der Anionenaustauschmembran und einer anodischen Gasdiffusionsschicht angeordnet oder ausgebildet wird.
Wie bereits oben eingehend dargelegt, ermöglicht es die Bipolarmembran, auch als bipolare Membran bezeichnet, die chemischen Bedingungen an der Anode und der Kathode des elektrochemischen Reaktors zu entkoppeln. Es können als anodenseitig und kathodenseitig unterschiedliche Milieus realisiert werden, beispielsweise alkalische oder saure Milieus, so dass die jeweiligen Elektrodenreaktionen optimal ablaufen können. Wie bereits beschrieben können insbesondere Kosten für die Ausbildung eines bipolaren Membranreaktors im Vergleich zu bekannten Membranreaktoren ohne Bipolarmembran verringert werden. Ferner lässt sich insbesondere auch eine Zellspannung des elektrochemischen Reaktors maximieren und damit einhergehend auch eine Effizienz desselben steigern. Dadurch kann eine wirtschaftlichere Betriebsweise des Reaktors erreicht werden. Gemäß der Erfindung wird eine Bipolarmembran eingesetzt, welche eine Anionenaustauschmembran und eine Kationenaustauschmembran umfasst. Eine solche Bipolarmembran ermöglicht es insbesondere, wie beschrieben unterschiedliche Milieus auf beiden Seiten der Ionenaustauschmembran voneinander zu trennen. Insbesondere kann ein optimaler Anionenaustausch mittels der Anionenaustauschmembran erreicht werden, eine optimaler Kationenaustausch mittels der Kationenaustauschmembran. Vorteilhaft ist es, dass auf einer von der Kationenaustauschmembran abgewandten Seitenfläche der Anionenaustauschmembran eine anodische Katalysatorschicht aufgebracht wird. Insbesondere kann diese durch Rakeln, Trockensprühen oder Nasssprühen aufgebracht werden. Beispielsweise lässt sich so eine beschichtete Bipolarmembran ausbilden. Die anodische Katalysatorschicht wird zwischen der Anionenaustauschmembran und einer anodischen Gasdiffusionsschicht angeordnet oder ausgebildet. Die im Bereich der anodischen Katalysatorschicht entstehenden Dissoziationsprodukte, insbesondere Gase, beispielsweise Wasser und Kohlenstoffdioxid, können durch die anodische Gasdiffusionsschicht einfach und sicher von der anodischen Katalysatorschicht weg geleitet werden.
Damit im Bereich der Ionenaustauschmembran keine Neutralisierung der beidseits herrschenden, insbesondere unterschiedlichen, Milieus erfolgen kann, werden die Anionenaustauschmembran und die Kationenaustauschmembran vorzugsweise durch eine Trennschicht voneinander getrennt.
Vorteilhaft ist es, wenn in die Trennschicht ein Dissoziationskatalysator eingebracht wird. Ein solcher Dissoziationskatalysator ermöglicht insbesondere eine optimierte Aufspaltung beziehungsweise Dissoziation von Wasser in Protonen (H⁺) und Hydroxidionen (OH^-). Sowohl Protonen als auch Hydroxidionen lassen sich auf einfache Weise bereitstellen, wenn die Trennschicht hierfür feucht gehalten wird, also stets genügend Wassermoleküle für eine Dissoziation in Protonen (H⁺) und Hydroxidionen (OH^-) bereitgestellt werden.
Günstig ist es, wenn ein Dissoziationskatalysator eingesetzt wird, welcher aus Eisenoxid ist oder enthält. Insbesondere kann als Dissoziationskatalysator Eisen(III)-Oxid (Fe₂O₃) eingesetzt werden.
Um eine Neutralisierung der beidseits der Trennschicht herrschenden Milieus möglichst effektiv zu vermeiden, ist es vorteilhaft, wenn die Trennschicht mit einer Schichtdicke in einem Bereich von etwa 500 nm bis etwa 500 µm ausgebildet wird.
Vorteilhafterweise wird die anodische Katalysatorschicht mit einem anodischen Katalysator zum Oxidieren beziehungsweise Dissoziieren des Brennstoffs ausgebildet. Ein solcher Katalysator fördert die Zersetzung des Brennstoffs an der Anode. So lässt sich der Brennstoff unter Entstehung von Wasser und Kohlenstoffdioxid an der Anode besonders effizient aufspalten.
Vorzugsweise wird ein anodischer Katalysator eingesetzt oder ausgebildet, welcher Palladium (Pd), Palladium und Silber (Pd-Ag), Palladium und Nickel (Pd-Ni), Palladium und Zinn (Pd-Sn), Palladium und Nickeloxid (Pd-NiO), Ceroxid (CeO₂), Cobaltoxid (Co₃O₄), Manganoxid (Mn₃O₄) und/oder Platin-Ruthenium (PtRu) ist oder welcher Palladium (Pd), Palladium und Silber (Pd-Ag), Palladium und Nickel (Pd-Ni), Palladium und Zinn (Pd-Sn), Palladium und Nickeloxid (Pd-NiO), Ceroxid (CeO₂), Cobaltoxid (Co₃O₄), Manganoxid (Mn₃O₄) und/oder Platin-Ruthenium (PtRu) enthält. Diese Katalysatoren ermöglichen eine optimale Zersetzung von Brennstoffen, die Kohlenstoff-basiert sind. Abhängig davon, welcher Brennstoff zum Betreiben des elektrochemischen Reaktors eingesetzt werden soll, kann dann der passende Katalysator gewählt werden.
Günstig ist es, wenn eine anodische Katalysatorschicht ausgebildet wird, welche mindestens ein Polymer enthält, welches auch in der Anionenaustauschmembran enthalten ist. Diese Vorgehensweise ermöglicht es insbesondere, eine sowohl chemisch als auch mechanisch stabile Verbindung zwischen der anodischen Katalysatorschicht und der Anionenaustauschmembran herzustellen. Das Polymer kann insbesondere ein Träger oder eine Gerüststruktur der Anionenaustauschmembran, welche die anodische Katalysatorschicht trägt, bilden.
Um eine Aufspaltung des Brennstoffs weiter zu fördern, ist es vorteilhaft, wenn ein anodischer Elektrolyt für die anodische Katalysatorschicht mit einem pH-Wert größer als 7 eingesetzt oder bereitgestellt wird. Insbesondere kann der anodische Elektrolyt mit einem pH-Wert größer als 9 eingesetzt oder bereitgestellt werden. In einem solchen alkalischen Milieu zersetzt sich der Brennstoff, insbesondere ein auf Kohlstoff basierter Brennstoff wie beispielsweise Methanol oder Ethanol, besonders gut.
Vorteilhafterweise wird als Brennstoff mindestens eine Kohlenstoff enthaltende Verbindung verwendet. Insbesondere kann dies eine Verbindung aus der Gruppe Methanol (CH₃OH), Ethanol (C₂H₅OH), Polycarbonalkohole, Glycerin (C₃H₈O₃), Ethylenglykol und 2-Propanol (C₃H₈O) sein. Insbesondere können diese Brennstoffe flüssig, beispielsweise in wässriger Lösung, bereitgestellt werden. Sie lassen sich auf einfache und kostengünstige Weise speichern und lagern. Ferner können sie insbesondere für ein schnelles Betanken eines Fahrzeugs eingesetzt werden, welches diesen Brennstoff als Energieträger zum Betreiben eines elektrochemischen Reaktors in Form einer Brennstoffzelle mitführt.
Vorteilhaft ist es, wenn auf einer von der Anionenaustauschmembran abgewandten Seitenfläche der Kationenaustauschmembran eine kathodische Katalysatorschicht ausgebildet wird. Eine solche Katalysatorschicht unterstützt insbesondere die Reduktionsreaktion des Oxidationsmittels, beispielsweise die Sauerstoffreduktionsreaktion, und ermöglicht es, diese zu optimieren. Durch diese Reduktionsreaktion wird molekularer Sauerstoff durch Aufnahme von Elektronen reduziert und mit den Protonen, die im Bereich der Trennschicht durch Dissoziation von Wasser erzeugt werden, zu Wasser umgesetzt.
Ferner lässt sich der elektrochemische Reaktor auf einfache Weise herstellen, wenn die kathodische Katalysatorschicht zwischen der Kationenaustauschmembran und einer kathodischen Gasdiffusionsschicht angeordnet oder ausgebildet wird. Insbesondere kann die kathodische Gasdiffusionsschicht als poröse Trägerstruktur bereitgestellt werden, die dann flächig mit der kathodischen Katalysatorschicht in Kontakt gebracht wird. Die kathodische Gasdiffusionsschicht ermöglicht es zudem, das Oxidationsmittel, beispielsweise Sauerstoff, zur kathodischen Katalysatorschicht hin zu leiten und das im Bereich der kathodischen Katalysatorschicht entstehende Wasser sicher und gezielt abzuleiten.
Vorteilhafterweise wird die kathodische Katalysatorschicht mit einem kathodischen Katalysator zum Reduzieren des Oxidationsmittels, insbesondere von Sauerstoff (O₂), ausgebildet. Ein solcher kathodischer Katalysator ermöglicht auf einfache Weise wie beschrieben eine Reduktion beispielsweise von molekularem Sauerstoff, um diesen mit an der Trennschicht dissoziierten Protonen zu Wasser zu verbinden.
Für eine hocheffiziente Reduktion des Oxidationsmittels, insbesondere von molekularem Sauerstoff, ist es vorteilhaft, wenn ein kathodischer Katalysator eingesetzt oder ausgebildet wird, welcher Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh), Osmium (Os), Iridium (Ir) und/oder Ruthenium (Ru) ist oder enthält.
Auf einfache und sichere Weise lässt sich eine stabile Membraneinheit ausbilden, wenn eine kathodische Katalysatorschicht ausgebildet wird, welche mindestens ein Polymer enthält, welches auch in der Kationenaustauschmembran enthalten ist. Ein solches Polymer kann insbesondere ein stabiles Gerüst sowohl für die Kationenaustauschmembran als auch für die kathodische Katalysatorschicht bilden und diese zudem auch mechanisch und/oder chemisch miteinander verbinden.
Auf günstige Weise kann die Reaktion zur Reduzierung des Oxidationsmittels an der Kathode unterstützt werden, wenn ein kathodischer Elektrolyt für die kathodische Katalysatorschicht mit einem pH-Wert kleiner als 7 eingesetzt wird, insbesondere mit einem pH-Wert kleiner als 5. Auf diese Weise kann ein saures Milieu mit den angegebenen pH-Werten auf der Kathodenseite eingestellt werden, welches die Reduktion des Oxidationsmittels fördert, in deren Folge Wasser als Endprodukt entsteht.
Vorteilhaft ist es, wenn die anodische Gasdiffusionsschicht an einer anodischen Bipolarplatte anliegend und wenn die kathodische Gasdiffusionsschicht an einer kathodischen Bipolarplatte anliegend ausgebildet werden. Auf diese Weise kann eine sogenannte Sandwich-Struktur auf einfache Weise realisiert werden. Die Bipolarplatten ermöglichen insbesondere eine optimale Zu- und Ableitung der Edukte und Produkte beim Betrieb des elektrochemischen Reaktors, und zwar sowohl auf der Anodenseite als auch auf der Kathodenseite. Beispielsweise lassen sich so anodenseitig die Dissoziationsprodukte des Brennstoffs und kathodenseitig das entstehende Wasser getrennt voneinander abführen.
Vorteilhaft ist es, wenn eine Membran-Elektroden-Einheit ausgebildet wird, welche die Bipolarmembran, die anodische Katalysatorschicht, die kathodische Katalysatorschicht, die anodische Gasdiffusionsschicht und die kathodische Gasdiffusionsschicht umfasst. Insbesondere kann eine solche Membran-Elektroden-Einheit als eigenständiges Bauteil des elektrochemischen Reaktors ausgebildet werden. So kann insbesondere eine Montage des elektrochemischen Reaktors vereinfacht werden.
Ferner kann es günstig sein, wenn eine katalytisch beschichtete Membran ausgebildet wird, welche die anodenseitig mit der anodischen Katalysatorschicht und kathodenseitig mit der kathodischen Katalysatorschicht beschichtete Bipolarmembran umfasst. Eine solche katalytisch beschichtete Membran kann ebenfalls eine eigenständige Baukomponente zur Ausbildung des elektrochemischen Reaktors bilden. Zur Ausbildung des elektrochemischen Reaktors wird dann beispielsweise die katalytisch beschichtete Membran beidseits mit Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten versehen.
Des Weiteren wird die Verwendung eines der oben beschriebenen elektrochemischen Reaktoren zur Durchführung eines der oben beschriebenen Verfahren zum Umwandeln von chemischer Reaktionsenergie, welche bei der chemischen Umsetzung eines Brennstoffes und eines Oxidationsmittels entsteht, in elektrische Energie, vorgeschlagen. Dies ermöglicht insbesondere eine effiziente Erzeugung von Strom, welcher beispielsweise zum netzunabhängigen Betreiben von Elektromotoren, insbesondere von Fahrzeugen zu Lande, zu Wasser und in der Luft, eingesetzt werden kann.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung. Es zeigen:

1: eine schematische Darstellung eines Aufbaus eines Ausführungsbeispiels einer Membran-Elektroden-Einheit;
2: eine schematische Darstellung eines Aufbaus eines Ausführungsbeispiels eines elektrochemischen Reaktors in Form eines bipolaren Membranreaktors;
3: eine schematische Darstellung der Membran-Elektroden-Einheit aus 1 mit Edukten und Produkten;
4: eine schematische Darstellung ähnlich 3 mit schematisch eingezeichneten Reaktionsbereichen der in 5 dargestellten chemischen Reaktionen;
5: eine beispielhafte Darstellung der elektrochemischen Reaktionen in den Bereichen I, II und III in 4;
6: eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Membran-Elektroden-Einheit mit schematisch eingezeichneten Reaktionsbereichen der in 7 dargestellten chemischen Reaktionen; und
7: eine beispielhafte Darstellung der elektrochemischen Reaktionen in den Bereichen I, II und III in 6.

Ein erstes Ausführungsbeispiel einer Membran-Elektroden-Einheit 10 ist schematisch in 1 dargestellt und umfasst eine Bipolarmembran 12 mit einer Anionenaustauschmembran 14 und einer Kationenaustauschmembran 16.
Zwischen der Anionenaustauschmembran 14 und der Kationenaustauschmembran 16 ist eine Trennschicht 18 angeordnet beziehungsweise ausgebildet, welche optional einen Dissoziationskatalysator 20 enthält oder aus einem solchen besteht.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Dissoziationskatalysator 20 Eisenoxid oder enthält Eisenoxid. Beim Eisenoxid kann es sich insbesondere um Eisen(III)-Oxid (Fe₂O₃) handeln.
Die Bipolarmembran 12 bildet eine Ionenaustauschmembran 22.
Eine solche Ionenaustauschmembran 22 kann insbesondere als Fertigprodukt eingesetzt werden. Sie bildet dann eine Subeinheit der Membran-Elektroden-Einheit 10, die für die Herstellung der Membran-Elektroden-Einheit 10 bereitgestellt wird.
In einer weiteren Fertigungsstufe umfasst die Bipolarmembran 12, wie schematisch bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel gezeigt, eine anodische Katalysatorschicht 24 und eine kathodische Katalysatorschicht 26. Die Anionenaustauschmembran 14 trägt auf einer von der Kationenaustauschmembran 16 abgewandten Seitenfläche 28 die anodische Katalysatorschicht 24.
Die Kationenaustauschmembran 16 trägt auf einer von der Anionenaustauschmembran 14 abgewandten Seitenfläche 30 die kathodische Katalysatorschicht 26.
Die Bipolarmembran 12 mit den Katalysatorschichten 24 und 26 bildet eine katalytisch beschichtete Membran 32, die ebenfalls als Fertigprodukt ausbildbar ist, beispielsweise zur Herstellung eines elektrochemischen Reaktors 34. Ein Ausführungsbeispiel eines elektrochemischen Reaktors 34 ist schematisch in 2 dargestellt und wird im Weiteren näher beschrieben.
Die Membran-Elektroden-Einheit 10 umfasst ferner eine anodische Gasdiffusionsschicht 36 sowie eine kathodische Gasdiffusionsschicht 38, die einerseits mit der anodischen Katalysatorschicht 24 und andererseits mit der kathodischen Katalysatorschicht 26 in Kontakt stehen derart, dass die anodische Katalysatorschicht 24 zwischen der anodischen Gasdiffusionsschicht 36 und der Anionenaustauschmembran 14 angeordnet ist und die kathodische Katalysatorschicht 26 zwischen der Kationenaustauschmembran 16 und der kathodischen Gasdiffusionsschicht 38.
Die beschriebene Membran-Elektroden-Einheit 10 kann zur Ausbildung des elektrochemischen Reaktors 34 eingesetzt werden. Sie wird zur Ausbildung desselben zwischen zwei Bipolarplatten 40 und 42 angeordnet, so dass die anodische Bipolarplatte 40 an der anodischen Gasdiffusionsschicht 36 anliegt und die kathodische Bipolarplatte 42 an der kathodischen Gasdiffusionsschicht 38.
Die Gasdiffusionsschichten 36 und 38 sind porös ausgebildet, um fluidische Medien, insbesondere Gase, zu den Katalysatorschichten 24 beziehungsweise 26 hin oder von diesen weg zu leiten.
Das in 2 schematisch dargestellte Ausführungsbeispiel eines elektrochemischen Reaktors 34 ist in Form einer Brennstoffzelle 44 ausgebildet. Die Brennstoffzelle 44 dient zum Umwandeln von chemischer Reaktionsenergie, welche bei der chemischen Umsetzung eines Brennstoffes 46 und Oxidationsmittels 48 entsteht, in elektrische Energie.
Eine Anode 50 der Brennstoffzelle 44 umfasst die anodische Gasdiffusionsschicht 36 sowie die anodische Katalysatorschicht 24. Die Bipolarplatte 40 bildet insbesondere einen Anschlusskontakt der Anode 50 und somit quasi auch einen Teil der Anode 50.
Eine Kathode 52 der Brennstoffzelle 44 umfasst die kathodische Gasdiffusionsschicht 38 und die kathodische Katalysatorschicht 26. Die Bipolarplatte 42 bildet insbesondere einen Anschlusskontakt der Kathode 52 und somit quasi auch einen Teil der Kathode 52.
Die Bipolarplatten 40 und 42 sind mit einer Mehrzahl von Strömungskanälen 54 beziehungsweise 56 versehen, die Strömungsfelder 58 beziehungsweise 60 bilden.
Das Strömungsfeld 58 dient der Zufuhr des Brennstoffs 46 sowie dem Ableiten von aus dem Brennstoff 46 entstehenden Dissoziationsprodukten 62 und 64. Das Strömungsfeld 60 dient der Zufuhr des Oxidationsmittels 48 sowie dem Abführen eines anodenseitig entstehenden Reduktionsprodukts 66.
Das Strömungsfeld 58 weist einen Brennstoffeinlass 68 auf, durch den der Brennstoff 46 in die Strömungskanäle 54 strömen und von diesen, die mit der anodischen Gasdiffusionsschicht 36 in Fluidverbindung stehen, zur anodischen Katalysatorschicht 24 strömen und mit dieser in Kontakt treten kann.
Die anodische Bipolarplatte 40 weist ferner einen Auslass 70 auf, durch den die Dissoziationsprodukte 62 und 64 austreten und gegebenenfalls gesammelt werden können.
Die kathodische Bipolarplatte 42 weist einen Oxidationsmitteleinlass 72 auf, welcher mit dem Strömungsfeld 60 fluidisch verbunden ist. Durch ihn kann das Oxidationsmittel 48 in die Strömungskanäle 56 strömen, die fluidwirksam mit der kathodischen Gasdiffusionsschicht 38 verbunden sind, so dass das Oxidationsmittel 48 zur kathodischen Katalysatorschicht 26 strömen kann.
Die kathodische Bipolarplatte 42 weist ferner einen Auslass 74 für die Reduktionsprodukte 66 auf, die an der Kathode 52 entstehen.
Die Brennstoffzelle 44 bildet eine Spannungsquelle 76 mit einem Pluspol 78, welcher durch die Anode 50 gebildet wird, und einen Minuspol 80, welcher durch die Kathode 52 gebildet wird.
Die Trennschicht 18 der Bipolarmembran 12 weist eine Schichtdicke 86 auf, die in einem Bereich von etwa 0,1 µm bis etwa 2 mm, insbesondere in einem Bereich von etwa 500 nm bis etwa 500 µm, liegen kann.
Schichtdicken 82 und 84 der anodischen Katalysatorschicht 24 beziehungsweise der kathodischen Katalysatorschicht 26 liegen vorzugsweise in einem Bereich von etwa 100 µm bis etwa 2 mm.
Mit der Brennstoffzelle 44 kann insbesondere elektrische Energie in Form fließenden Stromes erzeugt werden, welcher zum Betreiben einer elektrischen Last 88, beispielsweise eines Elektromotors, genutzt werden kann, welcher einerseits mit dem Pluspol 78 und andererseits mit dem Minuspol 80 verbunden wird über schematisch in 2 gestrichelt eingezeichnete Verbindungsleitungen 90 und 92.
Zur Ausbildung einer elektrischen Spannung zwischen dem Pluspol 78 und dem Minuspol 80 müssen Ladungen getrennt werden. Dies erfolgt in Folge elektrochemischer Oxidations- und Reduktionsreaktionen, die nachfolgend im Einzelnen beschrieben werden.
Wie schematisch in 3 dargestellt, wird die durch den Dissoziationskatalysator 20 gebildete Trennschicht 18 mit dem mit Wasser 94 befeuchtet. Der Dissoziationskatalysator 20 unterstützt die Dissoziation von Wasser 94 in Protonen 96 und Hydroxidionen 98.
Wird als Brennstoff 46 Ethanol (C₂H₅OH) eingesetzt, wird dieses wie beschriebenen zur anodischen Katalysatorschicht 24 geleitet und kann dort im alkalischen Milieu der Anode 50 in die Dissoziationsprodukte 62 und 64 in Form von Wasser (H₂O) 102 und Kohlenstoffdioxid (CO₂) 104 dissoziieren, wobei gleichzeitig Elektronen 106 frei werden.
Kathodenseitig wird im sauren Milieu der Kathode 52 molekularer Sauerstoff 108 zur kathodischen Katalysatorschicht 26 geleitet und dort reduziert, sodass mit den aus der Trennschicht 18 dissoziierten Protonen 96 und Elektronen 106 als kathodenseitiges Reduktionsprodukt 66 Wasser 110 entstehen kann.
Durch die beschriebene Umsetzung des Ethanols 100 mit Sauerstoff 108 in der Brennstoffzelle 44 durch eine sogenannte kalte Verbrennung werden Ladungen getrennt. Mithin entsteht zwischen dem Pluspol 78 und dem Minuspol 80 eine elektrische Spannung, die sich zusammensetzt aus den Teilspannungen an der Anode 50 und der Kathode 52.
Die Anodenspannung beträgt der Oxidationsreaktion des Ethanol 100 0,74 Volt. Die kathodenseitige Spannung beträgt bei der Reduktionsreaktion des Sauerstoffs 108 1,23 Volt. Damit ergibt sich ein theoretisches Zellpotenzial der Brennstoffzelle 44 von 1,23 Volt + 0,74 Volt = 1,97 Volt.
Für eine optimierte Dissoziation des Brennstoffs 46 in Form von Ethanol 100 enthält die anodische Katalysatorschicht 24 einen anodischen Katalysator 112. Dieser ist oder enthält Palladium (Pd), Palladium und Silber (Pd-Ag), Palladium und Nickel (Pd-Ni), Palladium und Zinn (Pd-Sn), Palladium und Nickeloxid (Pd-NiO), Ceroxid (CeO₂), Cobaltoxid (Co₃O₄), Manganoxid (Mn₃O₄) und/oder Platin-Ruthenium (PtRu).
Die kathodische Katalysatorschicht 26 enthält einen kathodischen Katalysator 114 beziehungsweise ist aus einem solchen gebildet. Der kathodische Katalysator 114 ist für die Sauerstoffreduktionsreduktion optimiert und besteht aus oder enthält Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh), Osmium (Os), Iridium (Ir) und/oder Ruthenium (Ru).
Anodenseitig ist die Brennstoffzelle 44 mit einem Elektrolyt befüllt, welcher einen pH-Wert größer als 7 aufweist, vorzugsweise mehr als 9. So wird ein alkalisches Milieu auf der Seite der Anode 50 realisiert.
Dagegen wird auf der Seite der Kathode 52 ein saures Milieu eingestellt durch einen sauren Elektrolyten, welchen einen pH-Wert kleiner als 7 aufweist, insbesondere einen pH-Wert von weniger als 5.
Die anodische Katalysatorschicht 24 enthält ein oder mehrere Polymere, welche auch in der Anionenaustauschmembran 14 enthalten sind, um einen stabilen mechanischen Verbund auszubilden.
Entsprechend kann bei einem Ausführungsbeispiel auch die kathodische Katalysatorschicht 26 ein oder mehrere Polymere enthalten, welche auch in der Kationenaustauschmembran 16 enthalten sind, um eine stabile mechanische Verbindung herzustellen.
Wie eingangs beschrieben ermöglicht die Bipolarmembran 12, dass unterschiedliche saure beziehungsweise alkalische Milieus an der Anode 50 beziehungsweise an der Kathode 52 vorgegeben werden können.
5 zeigt die elektrochemischen Reaktionen, die in den Bereichen I, II und III, die in 4 schematisch dargestellt sind, ablaufen.
Im Bereich I, also im Bereich der Trennschicht 18 dissoziiert Wasser 94 zu Protonen 96 und Hydroxidionen 98.
Im Bereich II der Anode 50 wird Ethanol 100 im alkalischen Milieu unter Einbeziehung von Hydroxidionen 98 zu Wasser 102 und Kohlenstoffdioxid 104 dissoziiert. Dabei entstehen zusätzlich Elektronen 106.
Im Bereich III der Kathode 52, nämlich insbesondere im Bereich der kathodischen Katalysatorschicht 26, wird Sauerstoff 108 im sauren Milieu unter Einbeziehung von Protonen 96 und Elektronen 106 zu Wasser 110 als Reduktionsprodukt 66 reduziert.
Die in 5 angegebene Reaktionsgleichung an der Anode entspricht einem Halbzellpotential von 0,74 Volt. Die in 5 angegebene Teilreaktion an der Kathode trägt mit einem Spannungspotential von 1,23 Volt zum theoretischen Gesamtzellspannungspotential von 1,97 Volt bei.
In 6 ist schematisch, ähnlich wie in 4, ein Teil einer Brennstoffzelle 44 dargestellt, die abweichend vom vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel nicht mit Ethanol 100, sondern mit einer wässrigen Lösung, die Methanol 116 und Wasser 118 enthält, als Brennstoff 46 betrieben wird.
An der Anode 50 wird bevorzugt im Bereich II der anodischen Katalysatorschicht 24 das Methanol 116 mit Wasser 118 im alkalischen Milieu unter Mitwirkung der in der Trennschicht 18 dissoziierten Hydroxidionen 98 in Wasser 102 und Kohlenstoffdioxid 104 unter Abgabe von Elektronen 106 dissoziiert.
In der Trennschicht 18 wird im Bereich I Wasser 94 in die bereits erwähnten Hydroxidionen 98 sowie in Protonen 96 dissoziiert.
In der Kathode 52 wird im Bereich III Sauerstoff 108 im sauren Milieu unter Mitwirkung der Protonen 96 sowie von Elektronen 106 zu Wasser 110 reduziert.
Die Halbzellspannung der Brennstoffzelle 44 beträgt auf der Anodenseite in diesem Fall etwa ... Volt. Die Halbzellspannung auf der Kathodenseite wiederum etwa 1,23 Volt, sodass sich theoretisch eine Gesamtzellspannung von ... Volt + 1,23 Volt = ... Volt ergibt.
Alternativ zu den erwähnten Ethanol 100 und Methanol 116 können auch andere Brennstoffe 46 zum Betreiben der Brennstoffzelle 44 eingesetzt werden. Bei den alternativen Brennstoffen 46 handelt es sich ebenfalls um Kohlenstoff enthaltende Verbindungen, insbesondere aus der Gruppe Methanol (CH₃OH), Ethanol (C₂H₅OH), Polycarbonalkohole, Glycerin (C₃H₈O₃), Ethylenglykol und 2-Propanol (C₃H₈O).
Die beschriebenen Ausführungsformen elektrochemischer Reaktoren 34 zum Umwandeln von chemischer Reaktionsenergie in elektrische Energie können insbesondere zum Betreiben beliebiger elektrischer Lasten 88 wie insbesondere Leuchtmitteln, Motoren und elektrischen Steuerungen eingesetzt werden, um diese netzunabhängig zu betreiben.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele von Brennstoffzellen 44 stellen insbesondere ökologisch bevorzugte und klimaneutrale Spannungsquellen dar, die zudem kontinuierlich betrieben werden und insbesondere durch schnelles Auffüllen von Brennstoffspeichern in Form von Tanks auch in sehr kurzer Zeit betankt, also mit Brennstoff beschickt werden können. So lassen sich Betankungszeiten erreichen, die signifikant unterhalb von Ladezeiten bekannter wiederaufladbarer Batterien liegen.
Die Trennung der Brennstoffzellen 44 in unterschiedliche Milieus auf Seiten der Anode 50 und auf Seiten der Kathode 52 ermöglicht es, die im Bereich derselben ablaufenden Oxidations- beziehungsweise Reduktionsreaktionen optimiert zu gestalten durch entsprechende Auswahl geeigneter anodischer und kathodischer Katalysatoren 112 beziehungsweise 114, die für eine optimale Umsetzung des Brennstoffs 46 beziehungsweise des Oxidationsmittels 48 sorgen. So lassen sich insgesamt die Kosten bei der Herstellung der elektrochemischen Reaktoren 34 reduzieren und auch Unterhaltskosten verringern, da die Gefahr eines Kriechens alkalischen Elektrolyts zur Kathode 52 hin ebenso vermieden wird wie das Ausfällen von Karbonaten auf Seiten der Kathode 52, die zum Blockieren des elektrochemischen Reaktors 34 führen können.
Bezugszeichenliste

10: Membran-Elektrodeneinheit
12: Bipolarmembran
14: Anionenaustauschmembran
16: Kationenaustauschmembran
18: Trennschicht
20: Dissoziationskatalysator
22: Ionenaustauschmembran
24: anodische Katalysatorschicht
26: kathodische Katalysatorschicht
28: Seitenfläche
30: Seitenfläche
32: Membran
34: elektrochemischer Reaktor
36: anodische Gasdiffusionsschicht
38: kathodische Gasdiffusionsschicht
40: Bipolarplatte
42: Bipolarplatte
44: Brennstoffzelle
46: Brennstoff
48: Oxidationsmittel
50: Anode
52: Kathode
54: Strömungskanal
56: Strömungskanal
58: Strömungsfeld
60: Strömungsfeld
62: Dissoziationsprodukt
64: Dissoziationsprodukt
66: Reduktionsprodukt
68: Brennstoffeinlass
70: Auslass
72: Oxidationsmitteleinlass
74: Auslass
76: Spannungsquelle
78: Pluspol
80: Minuspol
82: Schichtdicke
84: Schichtdicke
86: Schichtdicke
88: elektrische Last
90: Verbindungsleitung
92: Verbindungsleitung
94: Wasser
96: Proton
98: Hydroxidion
100: Ethanol
102: Wasser
104: Kohlenstoffdioxid
106: Elektron
108: Sauerstoff
110: Wasser
112: anodischer Katalysator
114: Methanol
116: Wasser

Claims

Elektrochemischer Reaktor (34), welcher in Form einer Brennstoffzelle (44) ausgebildet ist, zum Umwandeln von chemischer Reaktionsenergie, welche bei der chemischen Umsetzung eines Brennstoffes (46) und eines Oxidationsmittels (48) entsteht, in elektrische Energie, welcher elektrochemische Reaktor (34) eine Anode (50) und eine Kathode (52) umfasst, die durch eine Ionenaustauschmembran (22) voneinander getrennt sind, wobei die Ionenaustauschmembran (22) in Form einer Bipolarmembran (12) ausgebildet ist, welche eine Anionenaustauschmembran (14) und eine Kationenaustauschmembran (16) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Anionenaustauschmembran (14) auf einer von der Kationenaustauschmembran (16) abgewandten Seitenfläche (28) eine anodische Katalysatorschicht (24) trägt und dass die anodische Katalysatorschicht (24) zwischen der Anionenaustauschmembran (14) und einer anodischen Gasdiffusionsschicht (36) angeordnet oder ausgebildet ist.
Elektrochemischer Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anionenaustauschmembran (14) und die Kationenaustauschmembran (16) durch eine Trennschicht (18) voneinander getrennt sind.
Elektrochemischer Reaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht (18) a) einen Dissoziationskatalysator (20), insbesondere zum Aufspalten von Wassermolekülen (94) in Hydroxidionen (98) und Protonen (96), enthält, wobei insbesondere der Dissoziationskatalysator (20) Eisenoxid, insbesondere Eisen(III)-Oxid (Fe₂O₃), ist oder enthält, und/oder b) eine Schichtdicke (86) in einem Bereich von etwa 500 nm bis etwa 500 µm aufweist.
Elektrochemischer Reaktor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die anodische Katalysatorschicht (24) einen anodischen Katalysator (112) zum Oxidieren des Brennstoffs (46) enthält, wobei insbesondere der anodische Katalysator (112) Palladium (Pd), Palladium und Silber (Pd-Ag), Palladium und Nickel (Pd-Ni), Palladium und Zinn (Pd-Sn), Palladium und Nickeloxid (Pd-NiO), Ceroxid (CeO₂), Cobaltoxid (Co₃O₄), Manganoxid (Mn₃O₄) und/oder Platin-Ruthenium (PtRu) ist oder enthält.
Elektrochemischer Reaktor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die anodische Katalysatorschicht (24) mindestens ein Polymer enthält, welches auch in der Anionenaustauschmembran (14) enthalten ist.
Elektrochemischer Reaktor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein anodischer Elektrolyt in der anodischen Katalysatorschicht (24) einen pH-Wert größer als 7 aufweist, insbesondere einen pH-Wert von mindestens 9.
Elektrochemischer Reaktor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff (46) mindestens eine Kohlenstoff enthaltende Verbindung ist, insbesondere aus der Gruppe Methanol (C₃OH), Ethanol (C₂H₅OH), Polycarbonalkohole, Glycerin (C₃H₈O₃), Ethylenglykol und 2-Propanol (C₃H₈O).
Elektrochemischer Reaktor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kationenaustauschmembran (16) auf einer von der Anionenaustauschmembran (14) abgewandten Seitenfläche (30) eine kathodische Katalysatorschicht (26) trägt.
Elektrochemischer Reaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass a) die kathodische Katalysatorschicht (26) zwischen der Kationenaustauschmembran (16) und einer kathodischen Gasdiffusionsschicht (38) angeordnet oder ausgebildet ist und/oder b) die kathodische Katalysatorschicht (26) einen kathodischen Katalysator (114) zum Reduzieren des Oxidationsmittels (48), insbesondere von Sauerstoff (O₂) (108), enthält, wobei insbesondere der kathodische Katalysator (114) Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh), Osmium (Os), Iridium (Ir) und/oder Ruthenium (Ru) ist oder enthält, und/oder c) die kathodische Katalysatorschicht (26) mindestens ein Polymer enthält, welches auch in der Kationenaustauschmembran (16) enthalten ist, und/oder d) ein kathodischer Elektrolyt in der kathodischen Katalysatorschicht (26) einen pH-Wert kleiner als 7 aufweist, insbesondere einen pH-Wert kleiner als 5.
Elektrochemischer Reaktor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass a) die anodische Gasdiffusionsschicht (36) an einer anodischen Bipolarplatte (40) anliegt und dass die kathodische Gasdiffusionsschicht (38) an einer kathodischen Bipolarplatte (42) anliegt und/oder b) der elektrochemischer Reaktor eine Membran-Elektroden-Einheit (10) umfasst, welche die Bipolarmembran (12), die anodische Katalysatorschicht (24), die kathodische Katalysatorschicht (26), die anodische Gasdiffusionsschicht (36) und die kathodische Gasdiffusionsschicht (38) umfasst, und/oder c) der elektrochemischer Reaktor eine katalytisch beschichtete Membran (32) umfasst, welche die anodenseitig mit der anodischen Katalysatorschicht (24) und kathodenseitig mit der kathodischen Katalysatorschicht (26) beschichtete Bipolarmembran (12) umfasst.
Verfahren zum Umwandeln von chemischer Reaktionsenergie, welche bei der chemischen Umsetzung eines Brennstoffes (46) und eines Oxidationsmittels (48) entsteht, in elektrische Energie, bei welchem Verfahren eine Anode (50) und eine Kathode (52), die durch eine Ionenaustauschmembran (22) voneinander getrennt sind, eingesetzt werden, wobei die Ionenaustauschmembran (22) in Form einer Bipolarmembran (12) ausgebildet und eingesetzt wird, welche eine Anionenaustauschmembran (14) und eine Kationenaustauschmembran (16) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer von der Kationenaustauschmembran (16) abgewandten Seitenfläche (28) der Anionenaustauschmembran (14) eine anodische Katalysatorschicht (24) aufgebracht wird und dass die anodische Katalysatorschicht (24) zwischen der Anionenaustauschmembran (14) und einer anodischen Gasdiffusionsschicht (36) angeordnet oder ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Anionenaustauschmembran (14) und die Kationenaustauschmembran (16) durch eine Trennschicht (18) voneinander getrennt werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in die Trennschicht (18) ein Dissoziationskatalysator (20) eingebracht wird, wobei insbesondere a) ein Dissoziationskatalysator (20), insbesondere zum Aufspalten von Wassermolekülen (94) in Hydroxidionen (98) und Protonen (96), eingesetzt wird, welcher Eisenoxid, insbesondere Eisen(III)-Oxid (Fe₂O₃), ist oder enthält, und/oder b) die Trennschicht (18) mit einer Schichtdicke (86) in einem Bereich von etwa 500 nm bis etwa 500 µm ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die anodische Katalysatorschicht (24) aufgebracht wird durch Rakeln, Trockensprühen oder Nasssprühen.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass a) die anodische Katalysatorschicht (24) mit einem anodischen Katalysator (112) zum Oxidieren des Brennstoffs (46) ausgebildet wird, wobei insbesondere ein anodischer Katalysator (112) ausgebildet wird, welcher Palladium (Pd), Palladium und Silber (Pd-Ag), Palladium und Nickel (Pd-Ni), Palladium und Zinn (Pd-Sn), Palladium und Nickeloxid (Pd-NiO), Ceroxid (CeO₂), Cobaltoxid (Co₃O₄), Manganoxid (Mn₃O₄) und/oder Platin-Ruthenium (PtRu) ist oder enthält, und/oder b) eine anodische Katalysatorschicht (24) ausgebildet wird, welche mindestens ein Polymer enthält, welches auch in der Anionenaustauschmembran enthalten ist, und/oder c) ein anodischer Elektrolyt für die anodische Katalysatorschicht (24) mit einem pH-Wert größer als 7 eingesetzt wird, insbesondere mit einem pH-Wert größer als 9.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoff (46) mindestens eine Kohlenstoff enthaltende Verbindung verwendet wird, insbesondere aus der Gruppe Methanol (C₃OH), Ethanol (C₂H₅OH), Polycarbonalkohole, Glycerin (C₃H₈O₃), Ethylenglykol und 2-Propanol (C₃H₈O).
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer von der Anionenaustauschmembran (14) abgewandten Seitenfläche (30) der Kationenaustauschmembran (16) eine kathodische Katalysatorschicht (26) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass a) die kathodische Katalysatorschicht (26) zwischen der Kationenaustauschmembran (16) und einer kathodischen Gasdiffusionsschicht (38) angeordnet oder ausgebildet wird und/oder b) die kathodische Katalysatorschicht (26) mit einem kathodischen Katalysator (114) zum Reduzieren des Oxidationsmittels (46), insbesondere von Sauerstoff (O₂) (108), ausgebildet wird, wobei insbesondere ein kathodischer Katalysator (114) ausgebildet wird, welcher Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh), Osmium (Os), Iridium (Ir) und/oder Ruthenium (Ru) ist oder enthält, und/oder c) eine kathodische Katalysatorschicht (26) ausgebildet wird, welche mindestens ein Polymer enthält, welches auch in der Kationenaustauschmembran (16) enthalten ist, und/oder d) ein kathodischer Elektrolyt für die kathodische Katalysatorschicht (26) mit einem pH-Wert kleiner als 7 eingesetzt wird, insbesondere mit einem pH-Wert kleiner als 5.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass a) die anodische Gasdiffusionsschicht (36) an einer anodischen Bipolarplatte (40) anliegend und dass die kathodische Gasdiffusionsschicht (38) an einer kathodischen Bipolarplatte (42) anliegend ausgebildet werden und/oder b) eine Membran-Elektroden-Einheit (10) ausgebildet wird, welche die Bipolarmembran (12), die anodische Katalysatorschicht (24), die kathodische Katalysatorschicht (26), die anodische Gasdiffusionsschicht (36) und die kathodische Gasdiffusionsschicht (38) umfasst und/oder c) eine katalytisch beschichtete Membran (32) ausgebildet wird, welche die anodenseitig mit der anodischen Katalysatorschicht (24) und kathodenseitig mit der kathodischen Katalysatorschicht (26) beschichtete Bipolarmembran (12) umfasst.
Verwendung eines elektrochemischen Reaktors (34) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 11 bis 19.