DE19915227A1 - Brennstoffzelle mit einer Flüssig-Fest-Elektrolytmembran - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, die eine Feststoffelektrolytmembran aufweist, die mit Säure oder Lauge versehene Bereiche umfaßt. Die Säure ist vorgesehen, wenn Protonen die Membran passieren. Sie weist eine Lauge auf, wenn OH·-·-Ionen die Membran, von der Kathodenseite kommend, passieren. DOLLAR A Durch Vorsehen der Säure bzw. der Lauge wird ein die Elektrolytmembran passierender Stoff wie Methanol durch das in der Säure bzw. in der Lauge befindliche Wasser verdünnt. Da ein solcher Stofftransport mit zunehmender Verdünnung abnimmt, wird durch das Vorsehen der Flüssigkeit in der Membran erreicht, daß unerwünschte Stoffe in geringerem Umfang die Membran passieren. Vergiftungserscheinungen auf der Kathodenseite werden entsprechend vermieden. Passieren Protonen die Membran, so werden diese durch die Säure nicht oder nur gering verdünnt, da die Säure stark protonenhaltig ist. Der erwünschte Protonentransport wird daher nicht oder kaum unterbunden. Entsprechendes gilt bei Vorsehen einer Lauge, wenn OH·-·-Ionen die Membran passieren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit einer Kathode, einer Anode und einer dazwischen liegenden Elektrolytschicht.

Eine Brennstoffzelle weist eine Kathode, einen Elektro­ lyten sowie eine Anode auf. Der Kathode wird ein Oxida­ tionsmittel, z. B. Luft und der Anode wird ein Brenn­ stoff, z. B. Wasserstoff zugeführt.

Verschiedene Brennstoffzellentypen sind bekannt, so beispielsweise die SOFC-Brennstoffzelle aus der Druck­ schrift DE 44 30 958 C1 sowie die PEM-Brennstoffzelle aus der Druckschrift DE 195 31 852 C1.

Die SOFC-Brennstoffzelle wird auch Hochtemperaturbrenn­ stoffzelle genannt, da ihre Betriebstemperatur bis zu 1000°C beträgt. An der Kathode einer Hochtemperatur­ brennstoffzelle bilden sich in Anwesenheit des Oxida­ tionsmittels Sauerstoffionen. Die Sauerstoffionen pas­ sieren den Elektrolyten und rekombinieren auf der Anodenseite mit dem vom Brennstoff stammenden Wasser­ stoff zu Wasser. Mit der Rekombination werden Elektro­ nen freigesetzt und so elektrische Energie erzeugt.

Die Betriebstemperatur einer PEM-Brennstoffzelle liegt zum Beispiel bei 80°C. An der Anode einer PEM- Brennstoffzelle bilden sich in Anwesenheit des Brennstoffs mittels eines Katalysators Protonen. Die Protonen passieren den Elektrolyten und verbinden sich auf der Kathodenseite mit dem vom Oxidationsmittel stammenden Sauerstoff zu Wasser. Elektronen werden dabei freigesetzt und elektrische Energie erzeugt.

Mehrere Brennstoffzellen werden in der Regel zur Erzie­ lung großer elektrischer Leistungen durch verbindende Elemente elektrisch und mechanisch miteinander verbunden. Ein Beispiel für ein solches verbindendes Element stellt die aus DE 44 10 711 C1 bekannte bipolare Platte dar. Mittels bipolarer Platten entstehen übereinander gestapelte, elektrisch in Serie geschaltete Brennstoffzellen. Diese Anordnung wird Brennstoffzellenstapel genannt.

Als Brennstoff kann unter anderem Methan oder Methanol vorgesehen werden. Die genannten Brennstoffe werden durch Reformierung oder Oxidation u. a. in Wasserstoff oder wasserstoffreiches Gas umgewandelt.

Aus der Druckschrift DE 195 19 847 C1 ist bekannt, Brennstoff wie Methan intern, das heißt unmittelbar an der Anode einer SOFC-Brennstoffzelle zu reformieren. Der Druckschrift DE 196 46 354 A1 ist zu entnehmen, daß Brennstoff wie Methanol an der Anode einer PEM- Brennstoffzelle mittels eines Katalysators wie Platin oxidiert werden kann und so Wasserstoff freigesetzt wird.

Bei einer zum Beispiel mit Methanol betriebenen Brennstoffzelle besteht das Problem, daß die durch die Feststoffmembran hindurchtretenden Protonen zugleich in den Anodenraum eingeleitetes Methanol unerwünscht in den Kathodenraum transportieren. Stoffe wie Methanol gelangen ferner aufgrund von Diffusion in den Kathodenraum.

Methanol vergiftet so auf der Kathodenseite den Katalysator und geht außerdem als Brennstoff verloren. Dies schränkt den Betrieb der Brennstoffzelle ein.

Neben Methanol wird dem Anodenraum Wasser zugeführt. Hierdurch wird Methanol verdünnt. Je stärker Methanol durch Wasser verdünnt ist, desto weniger Methanol tritt durch die Membran hindurch in den Kathodenraum ein.

Aus der Druckschrift DE 197 34 634 A1 ist bekannt, zur Vermeidung des Durchtritts von Methanol durch die Membran eine Sperrschicht vorzusehen. Die Sperrschicht besteht aus einer Palladium-Silber-Legierung. Sie ist durchlässig für Protonen und im wesentlichen undurchlässig für Methanol.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Brenn­ stoffzelle, bei der Probleme aufgrund des Durchtritts von Methanol durch die Membran weiter verringert wer­ den. Aufgabe der Erfindung ist ferner die Angabe eines Verfahrens für den Betrieb der Brennstoffzelle.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Brennstoff­ zelle mit den Merkmalen des Anspruchs gelöst. Sie wird ferner durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Neben­ anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus Unteransprüchen.

Die anspruchsgemäße Brennstoffzelle weist eine Feststoffelektrolytmembran auf, die mit Säure oder Lauge versehene Bereiche umfaßt. Die Säure ist vorgesehen, wenn Protonen die Membran passieren. Sie weist eine Lauge auf, wenn OH^--Ionen die Membran, von der Kathodenseite kommend, passieren.

Durch Vorsehen der Säure bzw. der Lauge wird ein die Elektrolytmembran passierender Stoff wie Methanol durch das in der Säure bzw. in der Lauge befindliche Wasser verdünnt. Da ein solcher Stofftransport mit zunehmender Verdünnung abnimmt, wird durch das Vorsehen der Flüssigkeit in der Membran erreicht, daß unerwünschte Stoffe in geringerem Umfang die Membran passieren. Vergiftungserscheinungen auf der Kathodenseite werden entsprechend vermieden. Passieren Protonen die Membran, so werden diese durch die Säure nicht oder nur gering verdünnt, da die Säure stark protonenhaltig ist. Der erwünschte Protonentransport wird daher nicht oder kaum unterbunden. Entsprechendes gilt bei Vorsehen einer Lauge, wenn OH^--Ionen die Membran passieren.

Die Bereitstellung einer Membran, die Säure oder Lauge aufweist, kann durch bipolare Membranen erfolgen. Bipolare Membranen sind beispielsweise aus der Druck­ schrift "Watanabe, Satoh, Shimura, J. Electrochem. Soc. 140 (1993), 3190" sowie aus der Druckschrift US 5,635,039 bekannt. Derartige Membranen weisen zum Beispiel spezielle Röhrchen oder wassertransportierende Fäden auf. In die Röhrchen oder wassertransportierenden Fäden wird die Säure bzw. die Lauge eingebracht oder hindurchgeleitet. Im übrigen besteht die Membran aus bekannten Materialien wie zum Beispiel Nafion®. Röhrchen oder Fäden sind dabei für Flüssigkeiten durchlässig.

Bei der Erfindung werden die Vorteile einer Festelek­ trolytmembran mit den Vorteilen kombiniert, die sich aus dem Vorsehen einer Säure oder Lauge ergeben.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Membran drei Schichten auf. Die beiden äußeren Schichten bestehen aus Festelektrolyt- Materialien. Die mittlere Schicht ist so ausgestaltet, daß durch sie die Säure bzw. die Lauge hindurchgeleitet werden kann.

Verfahrensgemäß wird die saure, basische oder neutrale Flüssigkeit durch den flüssigkeitstransportierenden Bereich der Membran hindurchgeleitet. Auf diese Weise wird erreicht, daß in der Flüssigkeit gelöstes Methanol abtransportiert wird. Nachfolgendes, die Membran passierendes Methanol, wird somit gleichmäßig verdünnt oder abtransportiert. Der erfindungsgemäße Effekt wird so langfristig sichergestellt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Säure oder Lauge eine Konzentration auf, die der Protonenkonzentration bzw. der OH^-- Ionenkonzentration in der Membran während des Betriebes der Brennstoffzelle entspricht. Typischerweise beträgt beispielsweise der Säuregehalt von Nation einer Protonenkonzentration 1 mol/Liter. In einem solchen Fall ist folglich eine Säure vorzuziehen, die über 1 mol/Liter Protonen verfügt. Sie weist also einen pH- Wert von 1 auf.

Als Säure kann beispielsweise Schwefelsäure oder Salz­ säure vorgesehen sein. Als Lauge sei Natronlauge beispielhaft genannt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Säure, die durch die Elektrolytmembran hin­ durchgeleitet wird, anschließend dem Anodenraum zugeführt. Die Säure weist nach Passieren durch die Membran Komponenten wie Wasser, Methanol und Wasserstoff auf, die im Anodenraum erwünscht auftreten. Daher stellt die Zuführung der mit Methanol angereicherten Säure in den Anodenraum eine vorteilhafte Weiterverwertung der durch die Membran hindurchgeleiteten Säure dar.

Die Figur skizziert eine Ausführungsform der Erfindung im Schnitt. Zwischen einer Anode 1 und einer Kathode 2 befindet sich ein Feststoffelektrolyt 3. Der Feststoffelektrolyt 3 weist einen flüssigkeitsführenden Bereich 4 auf, durch den Säure geleitet wird. Die Säure wird anschließend über eine Leitung 5 in den Anodenraum 6 eingeleitet. In den Anodenraum 6 wird ferner als Brennstoff Methanol eingeleitet und im Anodenraum 6 oxidiert. In den Kathodenraum 7 wird Luft eingeleitet. Die Pfeile deuten die Strömungsrichtungen an.

Nicht dargestellt ist der Abgriff des Stroms, der durch diese Brennstoffzelle erzeugt wird.

Claims (4)

1. Brennstoffzelle mit einer Anode, einer Kathode und einer dazwischen befindlichen Feststoffelektrolytmembran, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststoffelektrolytmembran Bereiche aufweist, die Säure oder Lauge enthalten.

2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststoffelektrolytmembran Röhrchen oder flüssigkeitsleitende Fäden umfaßt, die die Säure oder Lauge enthalten.

3. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit Mitteln, die die Säure aus der Feststoffelektrolytmembran in den Anodenraum einleiten.

4. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle, die eine Anode, eine Kathode und einer dazwischen befindlichen Feststoffelektrolytmembran aufweist, mit den Schritten:

• - Betriebsmittel werden den Elektrodenräumen zugeführt,
• - durch die Membran wird eine Säure oder eine Lauge geleitet.