DE19724712A1

DE19724712A1 - Doppelschichtkondensator

Info

Publication number: DE19724712A1
Application number: DE19724712A
Authority: DE
Inventors: Guenter Dipl Ing Luft; Konrad Dipl Chem Dr Mund
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 1997-06-11
Filing date: 1997-06-11
Publication date: 1998-12-17

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Doppelschicht kondensator sowie dessen Verwendung.

Elektrochemische Doppelschichtkondensatoren, die beispiels weise aus der DE-OS 32 10 420 bekannt sind, nehmen eine Stel lung zwischen herkömmlichen Kondensatoren und galvanischen Elementen ein; die Energie derartiger Kondensatoren wird in einer Doppelschicht gespeichert. Doppelschichtkondensatoren bestehen aus einer Vielzahl von Zellen, die jeweils zwei poröse Elektroden aufweisen, welche identisch aufgebaut sind und beispielsweise aus Kohlepulver bestehen. Zwischen den Elektroden befindet sich ein poröser Separator, die Poren systeme der Elektroden und des Separators sind mit einem Elektrolyt gefüllt. An der Phasengrenze von Kohlepulver und Elektrolyt bildet sich eine elektrochemische Doppelschicht kapazität aus; infolge der großen inneren Oberfläche des Kohlepulvers können vergleichsweise hohe volumenbezogene Kapazitäten realisiert werden. Jede Zelle besteht somit aus zwei Kondensatoren mit einem in Serie geschalteten Wider stand, der durch den Elektrolyt des Separators gebildet wird. Die Kapazität einer Zelle entspricht derjenigen einer Elek trode.

Für die Elektrotraktion sollen zukünftig elektrochemische Brennstoffzellen eingesetzt werden, unter anderem wegen ihres hohen Wirkungsgrades. Ein Problem stellt dabei die Optimie rung der Leistung der Brennstoffzellen dar. Im praktischen Betrieb von Fahrzeugen wechselt nämlich die erforderliche Leistung sehr stark, d. h. beim Straßenverkehr treten aus geprägte Leistungsspitzen auf. Dies wird besondere deutlich, wenn man einen Fahrzyklus wie den Europa-Zyklus für Personen kraftwagen betrachtet. Dabei zeigt sich beispielsweise, daß - bei vorgegebenen Randbedingungen - eine Spitzenleistung von 33 kW gefordert wird, die mittlere Leistung aber nur 3,6 kW beträgt. Es besteht deshalb Bedarf an einem energieliefernden System, das den Leistungsspitzen Rechnung trägt und bei hohem Leistungsbedarf den Antrieb versorgt.

Zu diesem Zweck ist es möglich, die Brennstoffzellen, d. h. das Brennstoffzellen-Aggregat, mit einem Kondensator zu koppeln (siehe dazu: IECEC Paper No. ES-381, ASME 1995, Seiten 89 bis 95). Dabei soll der Kondensator bei geringer Leistungsanforderung Energie aufnehmen und, wenn höhere Leistungen gefordert werden, wieder abgeben. Dazu ist ein Doppelschichtkondensator besonders geeignet. Wesentlich ist dabei, daß der Kondensator für Resonanzfrequenzen unter 10 Hz bis zu 1 mHz optimiert ist; für die Anwendung bei der Elek trotraktion wird eine Resonanzfrequenz von etwa 1 Hz gefor dert.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Doppelschichtkondensator anzugeben, der eine hohe volumen- und gewichtsbezogene Kapa zität besitzt.

Dies wird erfindungsgemäß durch einen Doppelschichtkonden sator mit folgendem Aufbau erreicht:

- eine poröse, elektrolythaltige Doppelschichtelektrode,
- eine poröse Wasserstoffelektrode,
- eine zwischen der Doppelschichtelektrode und der Wasser stoffelektrode angeordnete ionenleitende Membran
- und je eine elektronisch leitende Kontaktierungsschicht auf der von der ionenleitenden Membran abgewandten Seite der Doppelschicht- bzw. Wasserstoffelektrode.

Mit dem Doppelschichtkondensator nach der Erfindung, der sozusagen ein hybrider Doppelschichtkondensator ist, werden besonders hohe Kapazitäten erreicht, beispielsweise 0,3 F/cm² und mehr (bei einer Frequenz von 1 Hz). Dies ist deshalb der Fall, weil die beiden Elektroden (einer Zelle) nicht gleich artig ausgestaltet sind, sondern eine Doppelschichtelektrode, d. h. die Elektrode eines Doppelschichtkondensators, mit einer Wasserstoffelektrode kombiniert ist. Dies ist eine Elektrode, wie sie in mit Wasserstoff betriebenen Brennstoffzellen als Anode eingesetzt wird, beispielsweise in sogenannten PEM- Brennstoffzellen (PEM = Polymer-Elektrolyt-Membran). Die Was serstoffelektrode hat den Vorteil, daß sie nur wenig polari siert, d. h. der Polaritätswiderstand beträgt lediglich ca. 10 mΩ.cm².

Eine Zelle des Doppelschichtkondensators, der aus einer Viel zahl von Zellen aufgebaut ist, weist eine Doppelschichtelek trode, eine Membran (als Elektrolytschicht) und eine Wasser stoffelektrode auf. Ein derartiges System kann durch die Kapazität der Doppelschichtelektrode, den Widerstand der Mem bran und den Polarisationswiderstand der Wasserstoffelektrode beschrieben werden. Aufgrund der Tatsache, daß in einem der artigen Ersatzschaltbild nicht mehr zwei Kondensatoren vor handen sind, verdoppelt sich - im Vergleich zu einem konven tionellen Doppelschichtkondensator - die Kapazität einer Zelle. Damit verdoppelt sich auch die volumenbezogene Lei stung und der Energieinhalt.

Beim Doppelschichtkondensator nach der Erfindung beträgt der Elektrolytgehalt der Doppelschichtelektrode vorzugsweise etwa 40 bis 70 Gew.-%. Die Doppelschichtelektrode besteht vorteil haft aus Kohlenstoff; die spezifische Oberfläche beträgt bis zu 1500 m²/g. Dazu kann insbesondere Kohlepulver, Aktivkohle, Acetylenruß oder Glaskohlenstoff eingesetzt werden. Die Be legung beträgt beispielsweise 20 bis 40 mg/cm². Als Elektro lyt enthält die Doppelschichtelektrode vorzugsweise eine Poly(perfluoralkylen)-sulfonsäure. Der Elektrolyt kann bei spielsweise aber auch Schwefelsäure sein. Die Doppelschicht elektrode ist relativ dick, im allgemeinen etwa 0,2 bis 2 mm.

Die Wasserstoffelektrode besteht vorzugsweise aus einem Pla tinmetall oder aus einer Platinmetall-Legierung als Katalysa tormaterial. Das Katalysatormaterial, wie Platin, kann auch mit einem Polymer gebunden sein. Das Bindemittel ist hierbei vorteilhaft eine Poly(perfluoralkylen)-sulfonsäure. Die Pla tinbelegung beträgt etwa 0,2 bis 4 mg/cm². Als Wasserstoff elektrode kann beispielsweise auch eine Palladiumfolie ver wendet werden. Die Wasserstoffelektrode ist relativ dünn, im allgemeinen etwa 50 µm bis 0,1 mm.

Die ionenleitende, d. h. protonenleitende Membran ist vorzugs weise eine Ionenaustauschermembran. Vorteilhaft dient dazu eine Membran aus einer Poly(perfluoralkylen)-sulfonsäure. Die Membran weist beispielsweise eine Dicke von 0,1 bis 0,3 mm auf.

Die Kontaktierungsschichten bestehen vorzugsweise aus Kohle papier, beispielsweise mit einer Dicke von 0,1 bis 0,4 mm. Als Kontaktierungsschicht können aber auch Bleche eingesetzt werden, beispielsweise aus nichtrostendem Stahl. Die Kontak tierungsschicht an der Doppelschichtelektrode kann porös oder nicht-porös sein; die Kontaktierungsschicht an der Wasser stoffelektrode ist porös. Ist die Wasserstoffelektrode bei spielsweise eine dünne Palladiumfolie, dann kann diese gleichzeitig auch als Kontaktierungsschicht dienen.

Die Herstellung des Doppelschichtkondensators erfolgt beispielsweise folgendermaßen. Kohlepulver wird mit einer 5%igen Lösung von Poly(perfluoralkylen)-sulfonsäure (als Elektrolyt) in einem Isopropanol/Wasser-Gemisch getränkt, bis sich eine knetbare Paste ergibt; die durchgeknetete Paste wird dann an der Luft getrocknet. Die dabei erhaltene trockene Masse wird verrieben und erneut getränkt, bis der gewünschte Gehalt an Elektrolyt erreicht ist. Die trockene Masse wird dann zermahlen und auf eine Seite einer feuchten Folie aus Poly(perfluoralkylen)-sulfonsäure aufgebracht; dann wird isostatisch bei ca. 170°C heißgepreßt. In einem zweiten Arbeitsschritt wird auf die andere Seite der Folie - in ent sprechender Weise - mit dem vorstehend genannten Polymer gebundendes Platinpulver aufgebracht. Diese Anordnung aus Doppelschichtelektrode, ionenleitender Membran und Wasser stoffelektrode wird dann noch mit zwei Kontaktierungsschich ten aus Kohlepapier zu einer Doppelschichtkondensator-Zelle komplettiert.

Der elektrochemische Doppelschichtkondensator nach der Erfin dung kann beispielsweise als Pufferbatterie in Rechenanlagen dienen. Vorzugsweise findet dieser Doppelschichtkondensator aber in der Elektrotraktion Anwendung, und zwar zusammen mit Brennstoffzellen, insbesondere PEM-Brennstoffzellen. Dabei ergeben sich eine Reihe von Vorteilen. Für den Doppelschicht kondensator kann die Brennstoffzellen-Technologie genutzt werden, die Wasserstoffelektrode ist die gleiche wie bei den Brennstoffzellen und sie kann an die Wasserstoffleitung des Brennstoffzellen-Aggregates angeschlossen werden.

Die einfachste Möglichkeit, den Doppelschichtkondensator mit dem Brennstoffzellen-Aggregat zu koppeln, besteht darin, beide Systeme parallel zu schalten. Das Brennstoffzellen- Aggregat und der Doppelschichtkondensator versorgen dann ent sprechend dem Fahrzyklus den Motor mit einer zeitabhängigen Leistung. Der Doppelschichtkondensator dient dabei zur Unter stützung bei Spitzenlast. Die Bremsenergie des Fahrzeuges kann dazu benutzt werden, den Kondensator wieder aufzuladen.

Claims

1. Elektrochemischer Doppelschichtkondensator, ge kennzeichnet durch

2. Doppelschichtkondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolytgehalt der Doppelschichtelektrode 40 bis 70 Gew.-% beträgt.

3. Doppelschichtkondensator nach Anspruch 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß die Doppel schichtelektrode aus Kohlenstoff besteht.

4. Doppelschichtkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Doppelschichtelektrode als Elektrolyt eine Poly(perfluor alkylen)-sulfonsäure enthält.

5. Doppelschichtkondensator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich net, daß die Wasserstoffelektrode aus einem Platinmetall oder aus einer Platinmetall-Legierung besteht.

6. Doppelschichtkondensator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich net, daß die ionenleitende Membran eine Ionenaus tauschermembran ist.

7. Doppelschichtkondensator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich net, daß die Kontaktierungsschichten aus Kohlepapier bestehen.

8. Verwendung des Doppelschichtkondensators nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 in Kombination mit PEM-Brenn stoffzellen für die Elektrotraktion.