DE10218371A1 - Brennstoffzelle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle (1) umfassend wenigstens folgende Bauteile: DOLLAR A - eine protonenleitende Membran (2) als Elektrolyt; DOLLAR A - Katalysatorschichten (3), die beiderseits die Membran (2) überdecken; DOLLAR A - gasdurchlässige Elektroden in Form einer Anode (4) und Kathode (5), die an der nach außen weisenden Oberfläche der Katalysatorschichten (3) anliegen: DOLLAR A - elektrisch leitfähige Platten (6), welche die Elektroden in dicht benachbarten Abständen elektrisch leitend berühren und gemeinsam mit den Elektroden gasführende Kanäle begrenzen; sowie DOLLAR A - Gasanschlüsse für die Zufuhr von Wasserstoff (H¶2¶) einerseits und Sauerstoff (O¶2¶) andererseits. DOLLAR A Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle (1) zeichnet sich dadurch aus, dass DOLLAR A - die Membran (2) eine Matrix umfasst, in die eine protonenleitende Polymersubstanz auf organischer Basis eingemischt ist.
Description
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, umfassend wenigstens folgende Bauteile:
- - eine protonenleitende Membran als Elektrolyt;
- - Katalysatorschichten, die beiderseits die Membran überdecken;
- - gasdurchlässige Elektroden in Form einer Anode und Kathode, die an der nach außen weisenden Oberfläche der Katalysatorschichten anliegen;
- - elektrisch leitfähige Platten, welche die Elektroden in dicht benachbarten Abständen elektrisch leitend berühren und gemeinsam mit den Elektroden gasführende Kanäle begrenzen; sowie
- - Gasanschlüsse für die Zufuhr von Wasserstoff einerseits und Sauerstoff andererseits.
Eine gattungsgemäße Brennstoffzelle wird beispielsweise in folgenden Druckschriften
ausführlich beschrieben, nämlich DE-A-36 40 108, DE-A-195 44 323, WO-A-94/09519,
WO-A-01/28023, US-A-5 292 600 und in "Spektrum der Wissenschaft" (Juli 1995),
Seiten 92 bis 98.
Brennstoffzellen sind elektrochemische Energieumwandler und vergleichbar mit
Batteriensystemen, die gespeicherte chemische Energie in Strom umwandeln. Im
Gegensatz zu den heutigen konventionellen Stromerzeugern erfolgt die
Stromerzeugung in einer Brennstoffzelle ohne den Umweg über die Wärmeerzeugung.
Herzstück der Brennstoffzelle ist die Membran, die nur für Wasserstoff-Ionen
(Protonen) durchlässig sein darf. Auf der einen Seite strömt Wasserstoff an
Katalysatoren (z. B. Platin-Katalysatoren) vorbei und wird dabei in Protonen und
Elektronen gespalten, auf der anderen Luft oder reiner Sauerstoff. Die Protonen treten
durch die Membran und vereinigen sich zusammen mit den als Nutzstrom
fungierenden Elektronen mit dem Sauerstoff zu Wasser, das als einziger Abfallstoff
übrigbleibt. Mit anderen Worten: Der Wasserstoff gibt die Elektronen an der einen
Elektrode ab, der Sauerstoff übernimmt sie an der anderen Elektrode.
Derzeit werden zumeist Kunststoffmembranen in Brennstoffzellen eingesetzt. Die
diesbezüglichen Werkstoffe sind insbesondere Polysulfone (DE-A-198 09 119),
thermoplastische Polyetherketone und Polytetrafluorethylen mit sulfonischen
Perfluorvinylether-Seitenketten (Nation 117-DuPont).
In der Offenlegungsschrift WO-A-01/28023 wird ferner eine Elastomermembran in
Form einer vulkanisierten Kautschukmischung auf der Basis eines halogenierten
Kautschuks vorgestellt, wobei zwecks Erhöhung der Protonenleitfähigkeit der
Kautschukmischung ein Trägermaterial beigefügt ist, das mit einer anorganischen
Säure (z. B. Phoshorsäure) beladen ist.
Bislang war die Zielsetzung, Membranen herzustellen, deren das Membrangerüst
bildende Basiswerkstoff protonenleitend ist, und zwar möglichst ohne Zusatzstoffe. Auf
diese Weise war es möglich, Werkstoffe (z. B. Nation) mit hoher protonenleitender
Effizienz einzusetzen. Allerdings musste dann häufig in Kauf genommen werden, dass
diese Werkstoffe hinsichtlich Strukturfestigkeit und anderer Anforderungen
mechanischer, physikalischer und/oder chemischer Art ihre Grenzen hatten. Auch die
Betriebstemperatur hatte einen nicht unerheblichen Einfluss auf die protonenleitende
Leistungsfähigkeit dieser Werkstoffe.
Die zusätzliche Einmischung eines mit einer Säure beladenen Trägermaterials führte
wiederum zumeist zu einer Auswaschung der Säure.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin eine rotonenleitende Membran
bereitzustellen, dessen Basiswerkstoff selbst nicht protonenleitend sein muss, so dass
der Brennstoffzellentechnik ein breites Werkstoffspektrum zur Verfügung steht.
Mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle unter Verwendung einer Membran,
umfassend eine Matrix, in die eine protonenleitende Polymersubstanz (Ionenleiter) auf
organischer Basis eingemischt ist, wird ein neuer werkstoffmäßiger Weg beschritten,
verbunden mit einer hohen Effizienz der Protonenleitfähigkeit bei gleichzeitig technisch
einfacher und kostengünstiger Herstellung.
Die Polymersubstanz ist niedermolekular, und zwar bei einem mittleren
Molekulargewicht von wenigstens 1000, insbesondere wenigstens 1500. Das mittlere
Molekulargewicht beträgt hier maximal 5000.
Alternativ hierzu kann die Polymersubstanz auch hochmolekular sein, und zwar bei
einem mittleren Molekulargesicht von größer 5000. Das mittlere Molekulargewicht
beträgt in diesem Fall maximal 50000, insbesondere maximal 20000.
Die Polymersubstanz weist funktionelle Gruppen auf, vorzugsweise Carboxyl- und/oder
Sulfonsäure-Gruppen, insbesondere wiederum unter dem Gesichtspunkt der
Salzbildung (Natrium-Salz). Eine Herauswaschung findet im Gegensatz zu den mit
Säuren beladenen Trägermaterialien nicht statt.
Der Anteil der Matrix als Basiswerkstoff, in die die protonenleitende Polymersubstanz
eingemischt ist, beträgt 20 bis 50 Gew.-%, und zwar bezogen auf die Membran. Der
Anteil der Polymersubstanz bzw. des Adduktes, gebildet aus einem Trägermaterial und
der Polymersubstanz, umfasst 80 bis 50 Gew.-%. Auf die Adduktbildung wird an einer
andern Stelle noch näher eingegangen.
Die Matrix der Membran kann ein Polymerwerkstoff sein, vorzugsweise ein
thermoplastischer Kunststoff, ein Elastomer oder thermoplastisches Elastomer.
Die thermoplastische Kunststoff basiert vorzugsweise auf einem halogenierten
und/oder sulfonierten Polyalken, insbesondere wiederum einem halogenierten
und/oder sulfonierten Polyethylen.
Alternativ hierzu kann auch ein Elastomer auf der Basis eines Kautschuks mit
unpolarem oder polarem Charakter verwendet werden, wobei insbesondere folgende
Kautschuktypen zum Einsatz kommen:
Naturkautschuk (Kurzform: NR)
Butadien-Kautschuk (Kurzform: BR)
Ethylen-Propylen-Dien-Mischpolymerisat (Kurzform: EPDM)
Fluorkautschuk (Kurzform: FKM)
Chloroprenkautschuk (2-Chlorbutadien-1,3; Kurzform: CR)
Chlorbutylkautschuk (Kurzform: CIIR)
Brombutylkautschuk (Kurzform: BIIR)
Nitrilkautschuk (Kurzform: NBR), insbesondere carboxylierter NBR
Acrylatkautschuk (Kurzform: ACM)
Polyoxidkautschuk (Kurzform: POR)
Polypropyloxidkautschuk (Kurzform: PPOR)
Butadien-Kautschuk (Kurzform: BR)
Ethylen-Propylen-Dien-Mischpolymerisat (Kurzform: EPDM)
Fluorkautschuk (Kurzform: FKM)
Chloroprenkautschuk (2-Chlorbutadien-1,3; Kurzform: CR)
Chlorbutylkautschuk (Kurzform: CIIR)
Brombutylkautschuk (Kurzform: BIIR)
Nitrilkautschuk (Kurzform: NBR), insbesondere carboxylierter NBR
Acrylatkautschuk (Kurzform: ACM)
Polyoxidkautschuk (Kurzform: POR)
Polypropyloxidkautschuk (Kurzform: PPOR)
Auch thermoplastische Elastomere, insbesondere in Verbindung mit den oben
genannten Werkstoffen, sind einsetzbar, wobei der Anteil der thermoplastischen
Komponente dem Anteil der Elastomerkomponente ist.
Ist die Matrix ein Elastomer oder ein thermoplastisches Elastomer, so enthält diese
noch übliche Mischungsingredienzien, insbesondere ein Vernetzungsmittel für den
Kautschuk. Diese Ingredienzien sind ein Teilsystem der Matrix und stehen in
Verbindung mit der Gesamtmengenangabe der Matrix.
Die Polymermatrix auf der oben genannten Werkstoffbasis bildet mit der
protonenleitenden Polymersubstanz zumeist ein Blend oder ein Blockcopolymerisat.
Vorteilhafterweise enthält die Matrix, insbesondere die hier näher vorgestellte
Polymermatrix, zusätzlich ein Trägermaterial, beispielsweise ein Molekularsieb mit
oder ohne Kristallwasser. Dieses Trägermaterial wird nun mit der Polymersubstanz als
Ionenleiter beladen, und zwar unter Bildung eines entsprechenden Adduktes. Der
Anteil der Polymersubstanz beträgt ≦ 60 Gew.-%, insbesondere ≦ 50 Gew.-%, und
zwar bezogen auf das Addukt.
Die Matrix der Membran kann auch ein aus Fasern gebildeter Vliesstoff sein, wobei der
Vliesstoff mit der protonenleitenden Polymersubstanz getränkt oder bestrichen ist.
Die Erfindung wird nun anhand schematischer Darstellungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Brennstoffzelle;
Fig. 2 den elektrochemischen Reaktionsablauf einer Brennstoffzelle.
Nach Fig. 1 umfasst die Brennstoffzelle 1 eine Membran 2 als Elektrolyt, umfassend
eine Matrix, in die eine protonenleitende Polymersubstanz auf organischer Basis
eingemischt ist. Die Membran 2 wird dabei beiderseits von Katalysatorschichten 3
überdeckt. An der nach außen weisenden Oberfläche der Katalysatorschichten 3
liegen gasdurchlässige Elektroden in Form einer Anode 4 und Kathode 5 an. Die
elektrisch leitfähigen Platten 6 begrenzen die Brennstoffzelle anoden- bzw.
kathodenseitig, wobei diese Platten mit den gasdurchlässigen Elektroden eine bauliche
Einheit bilden. Ferner sind Gasanschlüsse für den Wasserstoff (H2) und Sauerstoff
(O2) vorhanden.
Mehrere Einzelzellen 1 lassen sich nun zu Zellenstapeln verschalten, wobei die
Membran bei einer Schichtstärke von zumeist 0,05 bis 1 mm, insbesondere 0,1 bis 0,2
mm, zu einem geringen Gesamtbauraum beiträgt.
Fig. 2 zeigt den elektrochemischen Reaktionsablauf einer Brennstoffzelle mit
folgenden Teilabläufen:
- - erste Einzelreaktion an der Anode 4 (H2 → 2H+ + 2e);
- - Protonenwanderung durch die Membran 2;
- - Elektronenfluss über einen äußeren Stromkreis 7, der mit einem elektrischen Verbraucher 8 in Verbindung steht;
- - zweite Einzelreaktion an der Kathode 5 (2H+ + 2e + ½O2 → H2O).
Da es zu teuer wäre, das vorhandene Tankstellennetz durch ein Wasserstoffnetz zu
ersetzen, geht die Entwicklung dahin, den Wasserstoff direkt an Bord des Autos zu
erzeugen, vorzugsweise aus Methanol, das sich leicht aus Erdgas oder auch aus
nachwachsenden Rohstoffen gewinnen lässt und das wie Benzin getankt werden
kann. Dazu ist ein Reformierungsreaktor als eine kleine Chemieanlage nötig. Ferner ist
die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle mit internem Reformer unter Verwendung einer
Reformerschicht bekannt (DE-A-199 45 667).
Als Sauerstofflieferant genügt zumeist die Luft.
Die Membran kann für eine Niedrigtemperatur-Brennstoffzelle bei einer
Betriebstemperatur < 100°C verwendet werden.
Der Vorteil der neuartigen Membran ist, dass selbst Werkstoff, die keine oder nur eine
geringe Protonenleitfähigkeit aufweisen, jedoch andere vorteilhafte
Werkstoffeigenschaften haben, beispielsweise Naturkautschuk, durch das Einmischen
des Ionenleiters protonenleitend aktiviert werden.
1
Brennstoffzelle (Einzelzelle)
2
protonenleitende Membran
3
Katalysatorschicht
4
Elektrode (Anode)
5
Elektrode (Kathode)
6
elektrisch leitfähige Platte (bipolare Platte)
7
äußerer Stromkreis
8
elektrischer Verbraucher
Claims (28)
1. Brennstoffzelle (1), umfassend wenigstens folgende Bauteile:
eine protonenleitende Membran (2) als Elektrolyt;
Katalysatorschichten (3), die beiderseits die Membran (2) überdecken;
gasdurchlässige Elektroden in Form einer Anode (4) und Kathode (5), die an der nach außen weisenden Oberfläche der Katalysatorschichten (3) anliegen;
elektrisch leitfähige Platten (6), welche die Elektroden in dicht benachbarten Abständen elektrisch leitend berühren und gemeinsam mit den Elektroden gasführende Kanäle begrenzen; sowie
Gasanschlüsse für die Zufuhr von Wasserstoff einerseits und Sauerstoff andererseits;
dadurch gekennzeichnet, dass
die Membran (2) eine Matrix umfasst, in die eine protonenleitende Polymersubstanz auf organischer Basis eingemischt ist.
eine protonenleitende Membran (2) als Elektrolyt;
Katalysatorschichten (3), die beiderseits die Membran (2) überdecken;
gasdurchlässige Elektroden in Form einer Anode (4) und Kathode (5), die an der nach außen weisenden Oberfläche der Katalysatorschichten (3) anliegen;
elektrisch leitfähige Platten (6), welche die Elektroden in dicht benachbarten Abständen elektrisch leitend berühren und gemeinsam mit den Elektroden gasführende Kanäle begrenzen; sowie
Gasanschlüsse für die Zufuhr von Wasserstoff einerseits und Sauerstoff andererseits;
dadurch gekennzeichnet, dass
die Membran (2) eine Matrix umfasst, in die eine protonenleitende Polymersubstanz auf organischer Basis eingemischt ist.
2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Polymersubstanz niedermolekular ist, und zwar bei einem mittleren
Molekulargewicht von wenigstens 1000, insbesondere wenigstens 1500.
3. Brennstoffzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mittlere
Molekulargewicht maximal 5000 beträgt.
4. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Polymersubstanz hochmolekular ist, und zwar bei einem mittleren
Molekulargewicht von größer 5000.
5. Brennstoffzelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mittlere
Molekulargewicht maximal 50000, insbesondere maximal 20000, beträgt.
6. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
die Polymersubstanz funktionelle Gruppen, vorzugsweise Carboxyl- und/oder
Sulfonsäure-Gruppen, aufweist.
7. Brennstoffzelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die
Polymersubstanz ein Salz der ersten oder zweiten Hauptgruppe des
Periodensystems, vorzugsweise ein Natrium-Salz, bildet.
8. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
der Anteil der Matrix 20 bis 50 Gew.-% beträgt, und zwar bezogen auf die
Membran (2).
9. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass
die Matrix der Membran (2) ein Polymerwerkstoff, vorzugsweise ein
thermoplastischer Kunststoff, ein Elastomer oder ein thermoplastisches
Elastomer ist.
10. Brennstoffzelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein
thermoplastischer Kunststoff auf der Basis eines halogenierten und/oder
sulfonierten Polyalkens Verwendung findet.
11. Brennstoffzelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein
halogeniertes und/oder sulfoniertes Polyethylen Verwendung findet.
12. Brennstoffzelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Elastomer
auf der Basis eines Kautschuks mit unpolarem Charakter Verwendung findet.
13. Brennstoffzelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass
Naturkautschuk, Butadien-Kautschuk oder ein Ethylen-Propylen-Dien-
Mischpolymerisat Verwendung findet.
14. Brennstoffzelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Elastomer
auf der Basis eines Kautschuks mit polarem Charakter Verwendung findet.
15. Brennstoffzelle nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein
halogenierter Kautschuk auf der Basis Fluor, Chlor oder Brom Verwendung
findet.
16. Brennstoffzelle nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass
Fluorkautschuk, Chloroprenkautschuk, Chlorbutylkautschuk oder insbesondere
Brombutylkautschuk Verwendung findet.
17. Brennstoffzelle nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass Nitrilkautschuk
Verwendung findet.
18. Brennstoffzelle nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass
Acrylatkautschuk Verwendung findet.
19. Brennstoffzelle nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass
Polyoxidkautschuk, vorzugsweise Polypropyloxidkautschuk, Verwendung findet.
20. Brennstoffzelle nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass carboxylierter
Kautschuk, vorzugsweise carboxylierter Nitrilkautschuk, Verwendung findet.
21. Brennstoffzelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das
thermoplastische Elastomer aus einer thermoplastischen Komponente gemäß
Anspruch 10 oder 11 und einer Elastomerkomponente gemäß einem der
Ansprüche 12 bis 20 gebildet ist.
22. Brennstoffzelle nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der
thermoplastischen Komponente dem Anteil der Elastomerkomponente ist.
23. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 22, insbesondere nach einem
der Ansprüche 9 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass in die Matrix der Membran
(2) zusätzlich ein Trägermaterial eingemischt ist.
24. Brennstoffzelle nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das
Trägermaterial mit der Polymersubstanz beladen ist, und zwar unter Bildung
eines entsprechenden Adduktes.
25. Brennstoffzelle nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der
Polymersubstanz 60 Gew.-%, insbesondere ≦ 50 Gew.-%, beträgt, und zwar
bezogen auf das Addukt.
26. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass
die Matrix der Membran (2) ein aus Fasern gebildeter Vliesstoff ist.
27. Brennstoffzelle nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Vliesstoff
mit der Polymersubstanz getränkt ist.
28. Brennstoffzelle nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Vliesstoff
mit der Polymersubstanz bestrichen ist.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: PHOENIX AG, 21079 HAMBURG, DE |
|
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |