DE19859765A1

DE19859765A1 - Elektroden-Elektrolyt-Einheit für eine Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE19859765A1
Application number: DE19859765A
Authority: DE
Inventors: Jiri Divisek
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1998-12-23
Filing date: 1998-12-23
Publication date: 2000-06-29
Also published as: WO2000039876A2

Abstract

Es ist bekannt, in einer Elektroden-Elektrolyt-Einheit für eine Brennstoffzelle, insbesondere für eine Direkt-Methanol-Brennstoffzelle, eine Sperrschicht zwischen zwei Elektrolytschichten vorzusehen, die ein Weiterleiten von Protonen ermöglicht, aber das Übertreten anderer Stoffe, insbesondere des Methanols, auf die Kathodenseite verhindert. Bekannte Sperrschichtmaterialien sind Palladium-Silber-Legierungen, die sehr kostenintensiv sind oder Metallhydride auf der Baiss von Vanadium, Nickel und Titan, deren Verwendung im Falle von Polymermembranen mit einer erhöhten Korrosionsgefahr verbunden ist. Mit einem neuen Material für die Sperrschicht sollen die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik vermieden werden. DOLLAR A Die Sperrschichteinheit (3) umfaßt eine Sperrschicht (4) aus elektrisch leitendem Kohlenstoff. Bei dünnen Schichten ist die Sperrschicht (4) hinreichend durchlässig für atomaren oder molekularen Wasserstoff, gleichzeitig aber hinreichend undurchlässig für andere Stoffe, wie z. B. Methanol oder Wasser. DOLLAR A Direkt-Methanol-Brennstoffzellen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektroden-Elektrolyt-Einheit für eine Brennstoffzelle, umfassend eine im Einsatz einen Brennstoff oder ein Brennstoffgemisch kontaktierende Anode, eine im Einsatz einen Reaktionsstoff oder ein Reaktionsstoffgemisch kontaktierende Kathode sowie - zwischen Anode und Kathode angeordnet - mindestens eine protonenleitfähige Elektrolytschicht, mindestens eine den Durchtritt von atomarem oder molekularem Wasserstoff erlaubende, den Durchtritt anderer aus dem Brennstoff oder dem Brennstoffgemisch und/oder dem Reaktions stoff oder dem Reaktionsstoffgemisch stammender Stoffe hindernde Sperrschicht. Die Erfindung betrifft des weiteren eine Brennstoffzelle.

Eine Elektroden-Elektrolyt-Einheit sowie eine Brennstoffzelle der eingangs genannten Art sind aus der DE 196 46 487 A1 bekannt. Dort ist es offenbart, die Sperrschicht aus einer Palladium- Silber-Legierung zu bilden und zwischen zwei Elektrolytschichten, die beispielsweise aus poly meren Membranen gebildet sind, anzuordnen. Die bekannte Sperrschicht erlaubt die Diffusion von atomarem Wasserstoff, während die Elektrolytschichten protonenleitfähig sind. An der der Anode zugewandten Seite der Sperrschicht muß daher eine Kombination von Protonen und Elektronen zu atomaren Wasserstoff und auf der der Kathode zugewandten Seite eine Dissozia tion des Wasserstoffs in Protonen und Elektronen stattfinden. Es ist bekannt, diese Transferreak tionen durch poröse Schichten, z. B. aus Platin bzw. aus Platin-Ruthenium-Legierung zu kataly sieren. Die Sperrschicht dient dazu, ein Übertreten anderer Stoffe, als Wasserstoff von der An oden- zur Kathodenseite möglichst weitgehend zu verhindern. Hierzu besteht insbesondere bei mit Alkoholen als Brennstoff betriebenen Membran-Brennstoffzellen Bedarf, da der verwendete Alkohol, insbesondere Methanol, nur unvollständig an der Anodenseite verbraucht wird und durch die üblicherweise für die Elektrolyt-Polymermembranen verwendeten Materialien (z. B. Nafion®) hindurchtreten kann. Ohne Sperrschicht würde somit das hindurchtretende Methanol nicht mehr zur Energieerzeugung beitragen können und würde außerdem die Kathodenreaktion hemmen. Die bekannten Sperrschichten aus Palladium-Silber-Legierungen können den Durch tritt des Methanols zur Kathodenseite wirkungsvoll herabsetzen und möglicherweise sogar voll ständig verhindern und somit den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle erheblich erhöhen. Palladi um-Silber-Legierungen sind jedoch teuer, so daß eine wirtschaftliche Anwendung nur unter gün stigen Bedingungen möglich ist.

Überdies kann aus einer Palladium-Silber-Legierung das Silber während des Betriebs der Brenn stoffzelle austreten und die Polymermembranen vergiften.

Des weiteren ist es bekannt (J. Electrochem. Soc., Vol. 142, (1995) L 119), eine Sperrschicht aus einem Vanadium-Nickel-Titan-Metallhydrid zu verwenden, welches im Vergleich zur Palladi um-Silber-Legierung wesentlich preiswerter ist. Derartige Metallhydride bringen allerdings eine höhere Korrosionsgefahr aufgrund der sauren Polymerelektrolyten mit sich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Elektroden-Elektrolyt-Einheit mit einer preis werten und beständigen Sperrschicht bzw. eine mit einer solchen Elektroden-Elektrolyt-Einheit versehene Brennstoffzelle zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die mindestens eine Sperrschicht aus einem elektrisch leitenden Kohlenstoff besteht.

In den elektronenleitenden Modifikationen des Kohlenstoffes ist bei den üblichen Schichtdicken von 1 bis 50 Mikrometern eine für die Sperrschicht hinreichende Wasserstoffleitfähigkeit gege ben. Der Kohlenstoff ist hinsichtlich der verwendeten Elektrolyten absolut korrosionsfest.

Die erfindungsgemäße Elektroden-Elektrolyt-Einheit kann auch so ausgebildet sein, daß die mindestens eine Sperrschicht aus Graphit oder aus Glaskohlenstoff besteht.

Weiterhin kann die Elektroden-Elektrolyt-Einheit so ausgebildet sein, daß die mindestens eine Sperrschicht zwischen zwei Elektrolytschichten angeordnet und auf beiden Seiten der minde stens einen Sperrschicht jeweils eine poröse, katalytisch aktive Schicht aufgebracht ist, wobei die der Anode zugewandte katalytisch aktive Schicht eine Transferreaktion von Protonen und Elek tronen zu atomarem oder molekularem Wasserstoff und die der Kathode zugewandte katalytisch aktive Schicht eine Transferreaktion von atomarem oder molekularem Wasserstoff zu Protonen und Elektronen katalysiert.

Die der Anode zugewandte Schicht bildet quasi eine Hilfskathode und die der Kathode zuge wandte Schicht eine Hilfsanode. An der Hilfskathode kombinieren Elektronen und Protonen zu atomarem oder molekularem Wasserstoff, der dann die Sperrschicht durchläuft. Die für die Re kombination notwendigen Elektroden, die auf der Hilfsanodenseite bei der Erzeugung der Proto nen entstehen, fließen in umgekehrter Richtung.

Es ist auch möglich, die erfindungsgemäße Elektroden-Elektrolyt-Einheit so auszubilden, daß die Sperrschicht oder eine der Sperrschichten unmittelbar auf der Anode angebracht ist.

Im Falle der unmittelbar an der Anode angebrachten Sperrschicht kann die erfindungsgemäße Elektroden-Elektrolyt-Einheit auch so ausgebildet sein, daß auf der an der Anode angebrachten Sperrschicht auf ihrer der Kathode zugewandten Seite eine poröse, katalytisch aktive Schicht aufgebracht ist, die eine Transferreaktion von atomarem oder molekularem Wasserstoff zu Pro tonen und Elektronen katalysiert.

Wird die Sperrschicht unmittelbar an der Anode angebracht, wird eine Hilfskathode nicht mehr benötigt. Bei einer derartigen geometrischen Anordnung entstehen nämlich vor der Sperrschicht keine Protonen. Die Sperrschicht und die Anode bilden vielmehr eine Einheit, die aus dem Brennstoff bzw. dem Brennstoffgemisch Protonen abspaltet, die dann den angrenzenden Elek trolyten durchwandern.

Im folgenden ist anhand der einzigen Figur ein Ausbildungsbeispiel der erfindungsgemäßen Elektroden-Elektrolyt-Einheit dargestellt.

Die Figur gibt schematisch den Aufbau einer Elektroden-Elektrolyt-Einheit für den Betrieb einer Direkt-Methanol-Brennstoffzelle wieder. Eine poröse, katalytisch wirksame Anode 1 aus seiner Platin-Ruthenium-Legierung ist im Einsatz der Brennstoffzelle in unmittelbarem Kontakt mit einem Gemisch aus Methanol und Wasser. In einer mehrstufigen Reaktion werden aus dem Brennstoffgemisch Protonen abgespalten. Als Reaktionsprodukt entsteht u. a. CO₂, das aus dem hier nicht dargestellten Anodenraum heraus abgeführt wird. Mit jedem erzeugten Proton wird auch ein Elektron e⁻ für die Stromerzeugung zur Verfügung gestellt. Die Protonen wandern durch eine Elektrolytschicht 2, die eine Polymermembran ist. Das Proton trifft dann auf die Sperrschichteinheit 3, die aus einer Sperrschicht 4 aus Graphit und zwei porös ausgebildeten Platinschichten 5 und 6 zusammengesetzt ist. Die erste Platinschicht 5 fungiert als katalytisch aktive Hilfskathode, an der die auftreffenden Protonen mit Elektronen kombinieren. Der neutrale Wasserstoff diffundiert dann in atomarer oder molekularer Form durch die Sperrschicht 4 hin durch und trifft auf die ebenfalls als katalytisch aktive Hilfsanode wirkende zweite Platinschicht 6, an der die Wasserstoffatome ihr Elektron wieder abgeben. Die Sperrschicht 4 ist elektrisch leitend so daß die an der zweiten Platinschicht 6 frei werdenden Elektronen zur ersten Platin schicht 5 fließen können. Die an der zweiten Platinschicht 6 erzeugten Protonen wandern dann durch eine zweite Elektrolytschicht 7, die aus dem gleichen Material besteht wie die erste Elek trolytschicht 2, zur Kathode 8. An der Kathode 8, die hochporös ist und aus Platin besteht, rea gieren die Protonen unter Aufnahme jeweils eines Elektrons mit Sauerstoff zu Wasser. Die für den Wasserstoff durchlässige Sperrschicht 4 ist undurchlässig gegenüber Wasser, Methanol, Kohlendioxyd und Sauerstoff. Hierdurch wird insbesondere vermieden, daß der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle aufgrund eines Übertritts von Methanol zur Kathodenseite verringert wird.

Die in der Figur dargestellte Elektroden-Elektrolyt-Einheit kann auch in Wasserstoffbrennstoff zellen eingesetzt werden. In diesem Fall verhindert die Sperrschicht 4 insbesondere das Aus trocknen der Anode, da die Diffusion der Wassermoleküle zur Kathodenseite gehemmt wird.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Anode

2

erste Elektrolytschicht

3

Sperrschichteinheit

4

Sperrschicht

5

erste Platinschicht

6

zweite Platinschicht

7

zweite Elektrolytschicht

8

Kathode

Claims

1. Elektroden-Elektrolyt-Einheit für eine Brennstoffzelle, umfassend

- eine im Einsatz einen Brennstoff oder ein Brennstoffgemisch kontaktierende Anode (1),
- eine im Einsatz einen Reaktionsstoff oder ein Reaktionsstoffgemisch kontaktierende Kathode (8) sowie
zwischen Anode (1) und Kathode (8) angeordnet
- mindestens eine protonenleitfähige Elektrolytschicht (2, 7),
- mindestens eine den Durchtritt von atomarem oder molekularem Wasserstoff erlaubende, den Durchtritt anderer aus dem Brennstoff oder dem Brennstoffgemisch und/oder dem Reakti onsstoff oder dem Reaktionsstoffgemisch stammender Stoffe hindernde Sperrschicht (4), dadurch gekennzeichnet, daß
- die mindestens eine Sperrschicht (4) aus einem elektrisch leitenden Kohlenstoff besteht.

2. Elektroden-Elektrolyt-Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Sperrschicht (4) aus Graphit besteht.

3. Elektroden-Elektrolyt-Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Sperrschicht (4) aus Glaskohlenstoff besteht.

4. Elektroden-Elektrolyt-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die mindestens eine Sperrschicht (4) zwischen zwei Elektrolytschichten (2 bzw. 7) angeordnet und auf beiden Seiten der mindestens einen Sperrschicht (4) jeweils eine poröse, katalytisch aktive Schicht (5 bzw. 6) aufgebracht ist, wobei die der Anode zugewandte katalytisch aktive Schicht (5) eine Transferreaktion von Protonen und Elektronen zu atomarem oder molekularem Wasserstoff und die der Kathode zugewandte katalytisch aktive Schicht (6) eine Transferreaktion von atomarem oder molekularem Wasserstoff zu Protonen und Elektronen katalysiert.

5. Elektroden-Elektrolyt-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Sperrschicht (4) oder eine der Sperrschichten (4) unmittelbar auf der An ode (I) angebracht ist.

6. Elektroden-Elektrolyt-Einheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf der an der Anode (1) angebrachten Sperrschicht (4) auf ihrer der Kathode (8) zugewandten Seite eine poröse, katalytisch aktive Schicht (6) aufgebracht ist, die eine Transferreaktion von atoma rem oder molekularem Wasserstoff zu Protonen und Elektronen katalysiert.

7. Brennstoffzelle mit einer Elektroden-Elektrolyt-Einheit nach einem der Ansprü che 1 bis 6.