DE19951687A1 - Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle - Google Patents

Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle

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Axel Kauffmann
Peter Eyerer
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ZIEGLER, MAIK, DIPL.-ING., 76327 PFINZTAL, DE
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Abstract

Es wird eine Brennstoffzelle mit mehreren, von einer Polymerelektrolytmembran getrennten Reaktionskammern vorgeschlagen, die von einem Bündel aus Membran-Hohlfasern, insbesondere Kapillar-Hohlfasern, gebildet ist, wobei innerhalb der Membran-Hohlfasern und außerhalb der Membran-Hohlfasern jeweils elektrische Leiter gleicher Polarität vorgesehen sind, die jeweils unter Bildung einer Kathode und einer Anode der Brennstoffzelle miteinander verbunden sind. Hierbei kann der Brennstoff, z. B. Wasserstoff oder Methanol, bzw. das entsprechende Oxidationsmittel, z. B. Sauerstoff, jeweils entweder innerhalb oder außerhalb der Hohlfasern der Brennstoffzelle geführt sein. Die Hohlfasern sind bevorzugt mit einem adsorptiven Katalysatormaterial beschichtet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit mehreren, von einer Polymerelektrolytmembran getrennten Reaktionskam­ mern, in denen wechselweise elektrische Leiter unterschied­ licher Polarität angeordnet sind.
Brennstoffzellen dienen zur Erzeugung elektrischer Energie durch Direktumwandlung chemischer Energie aus Oxidations­ prozessen. Sie bestehen in der Regel aus mehreren Einzel­ zellen, die über bipolare Platten zu einem Zellstapel (Stack) verbunden sind. Die Einzelzellen bestehen jeweils aus zwei durch eine für Ladungsträger des Brennstoffs per­ meable Membran getrennten Reaktionskammern mit jeweils ei­ ner Elektrode, wobei die Elektroden über die als Elektrolyt dienende Polymerelektrolytmembran in Verbindung stehen. Am bekanntesten sind Wasserstoff- und Methanol-Brennstoff­ zellen. Den beiden Kammern werden die zu oxidierende Sub­ stanz bzw. der Brennstoff und ein Oxidationsmittel in flüs­ siger oder gasförmiger Phase kontinuierlich zugeführt.
Bei der Direktmethanol-Brennstoffzelle werden als Brenn­ stoff Methanol bzw. ein Methanol-Wasser-Gemisch und als Oxidationsmittel Sauerstoff, insbesondere Luftsauerstoff, verwendet, wobei an der Anode Methanol zu Kohlendioxid oxi­ diert (Gleichung 1) und an der Kathode molekularer Sauer­ stoff zunächst mittels eines auf die Kathode aufgebrachten Katalysators, z. B. Platin, adsorbiert (Gleichung 2) und an­ schließend zu Wasser reduziert wird (Gleichung 3).
CH3OH + H2O → CO2 + 6 H+ + 6 e- (Gleichung 1)
1,5 O2 → 3 O(ads) (Gleichung 2)
3 O(ads) + 6 H+ + 6 e- → 3 H2O (Gleichung 3)
Hieraus resultiert die Gesamtreaktion:
CH3OH + 1,5 O2 → CO2 + 2 H2O (Gleichung 4)
Bei Verwendung von Wasserstoff als Brennstoff und Sauer­ stoff, insbesondere Luftsauerstoff, als Oxidationsmittel sind in der Regel beide Elektroden mit einem Katalysator beschichtet, so daß der Wasserstoff an der Anode (Glei­ chung 5) und der Sauerstoff an der Kathode (Gleichung 7) zunächst adsorbiert und daraufhin der Wasserstoff an der Anode zu Protonen oxidiert (Gleichung 6) und der Sauerstoff an der Kathode zu Wasser reduziert werden (Gleichung 8).
2 H2 → 4 H(ads) (Gleichung 5)
4 H(ads) → 4 H+ + 4 e- (Gleichung 6)
O2 → 2 O(ads) (Gleichung 7)
2 O(ads) + 4 H+ + 4 e- → 2 H2O (Gleichung 8)
Hieraus resultiert die Gesamtreaktion:
2 H2 + O2 → 2 H2O (Gleichung 9)
Ferner sind Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen mit einem vorgeschalteten Reformer bekannt, der mit Methanol gespeist wird und dieses zu Kohlendioxid und dem eigentlich als Brennstoff verwendeten Wasserstoff umsetzt.
In jedem Fall werden die Protonen bzw. H3O+-Ionen selektiv durch die Polymerelektrolytmembran tansportiert und dadurch ein Stromfluß aufrechterhalten. Als Membran werden in der Regel solche auf der Basis synthetischer Polymere, wie Po­ lyimide, Polybenzimidazole oder dergleichen, insbesondere aber fluorierte oder perfluorierte Polysulfone, wie Poly­ ether- oder Polyarylethersulfone, verwendet. Letztere be­ stehen aus einem Fluor-Kohlenstoff- oder Fluor-Kohlen­ wasserstoff-Polymergerüst, an dessen Sulfonsäure- bzw. Sul­ fonatgruppen die Protonen bzw. die H3O+-Ionen reversibel angelagert werden, so daß sie leicht beweglich sind, um den Stromfluß in der Brennstoffzelle aufrechtzuerhalten. Derar­ tige Membranen zeichnen sich durch eine hohe thermische (bis etwa 100°C) und mechanische Belastbarkeit (bis etwa 2 bar) sowie durch eine hohe Korrosionsbeständigkeit aus.
Da mit einer Einzelzelle nur elektrische Spannungen im Be­ reich von 1 V bis 1,2 V erreicht werden können, werden meh­ rere Einzelzellen zu einem sogenannten Brennstoffzellen- Stack aufgereiht. Diese Bauweise ist mit einem erheblichen Material- und somit Gewichts- und Kostenaufwand verbunden, da die Einzelzellen durch Halteplatten bzw. Separatoren voneinander getrennt sind, so daß nur eine verhältnismäßig geringe Membranoberfläche, die für den Protonentransport und folglich für die Gesamtleistung der Brennstoffzelle maßgeblich ist, erzielt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoff­ zelle auf einfache und kostengünstige Weise dahingehend weiterzubilden, daß sie eine höhere Leistungsdichte auf­ weist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Brennstoffzelle von einem Bündel aus Membran-Hohlfasern, insbesondere Kapillar-Hohlfasern, gebildet ist, wobei in­ nerhalb der Membran-Hohlfasern und außerhalb der Membran- Hohlfasern jeweils elektrische Leiter gleicher Polarität vorgesehen sind, die jeweils unter Bildung einer Kathode und einer Anode der Brennstoffzelle miteinander verbunden sind.
Hohlfaser- oder Kapillarrohrmodule mit in einem Bündel an­ geordneten Membran-Hohlfasern sind an sich aus der Membran- Trenntechnik bekannt und werden beispielsweise zur Meer- und Brackwasserentsalzung oder in der Medizintechnik (Dialyse) eingesetzt. Die Membranen sind röhrenartig ge­ staltet und in paralleler Anordnung in einem Gehäuse fest­ gelegt. Bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle bilden die einzelnen, mit elektrischen Leitern bestückten Membran- Hohlfasern die Einzelzellen, wobei die innerhalb und außer­ halb der Hohlfasern angeordneten Leiter jeweils unter Bil­ dung der Elektroden der Brennstoffzelle miteinander verbun­ den sind. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine kompakte Bau­ weise der Brennstoffzelle und aufgrund der hohen Membran­ oberfläche eine hohe Leistungsdichte. Die Membranen beste­ hen wie auch bei herkömmlichen Brennstoffzellen insbesonde­ re aus fluorierten oder perfluorierten Polysulfonen, wie Polyether- oder Polyarylethersulfonen. Der Fertigungsauf­ wand solcher als Hohlfasern ausgebildeten Membranen ist ge­ ringer als bei den in herkömmlichen, nach Art eines Stacks ausgebildeten Brennstoffzellen eingesetzten folienartigen Membranen.
Die sowohl innerhalb als auch außerhalb der Membran-Hohl­ fasern vorgesehenen elektrischen Leiter können heispiels­ weise von dünnen Folien oder Fäden aus einem leitfähigen Material, z. B. einem Metall, gebildet sein oder von in die Membran-Hohlfasern eingebrachten und/oder außerhalb der Membran-Hohlfasern angeordneten Füllstoffen aus einem leit­ fähigen Material, z. B. Graphit, gebildet sein. Im letztge­ nannten Fall ist der Füllstoff diffusionsoffen, um eine kontinuierliche Zufuhr des Brennstoffs bzw. des Oxidations­ mittels zu gewährleisten. Der Füllstoff kann gleichzeitig eine Stützfunktion für die Membran-Hohlfasern übernehmen, wobei die Hohlfasern alternativ oder zusätzlich selbstver­ ständlich auch in an sich bekannter Weise durch Stütznetze oder ausgehärtete Harze in dem Gehäuse gehalten sein kön­ nen.
Zur Adsorption des Oxidationsmittels, insbesondere Sauer­ stoff (Gleichungen 2 und 7), sind die Membran-Hohlfasern vorzugsweise zumindest auf der von dem Oxidationsmittel durchströmten Seite mit einem adsorptiven Katalysatormate­ rial beschichtet. Sofern vorzugsweise ein ebenfalls gasför­ miger Brennstoff, wie Wasserstoff oder Methanol, eingesetzt wird, sind die Membran-Hohlfasern bevorzugt auch auf der Seite des Brennstoffs mit einem entsprechenden Katalysator­ material beschichtet.
Als Katalysatormaterialien kommen vornehmlich Platin oder Platinlegierungen in Frage, wobei bevorzugt wenigstens ein Legierungselement aus der Gruppe Ruthenium, Zinn oder Nic­ kel gewählt ist. Für die anodenseitige Beschichtung der Membran einer erfindungsgemäßen Direktmethanol-Brennstoff­ zelle hat sich beispielsweise eine Platin-Ruthenium-Zinn- Legierung oder eine Platin-Ruthenium-Nickel-Legierung als besonders vorteilhaft erwiesen.
Je nach Brennstoff kann der Durchmesser der Membran-Hohl­ fasern vorzugsweise zwischen 10 und 1000 µm, insbesondere zwischen 50 und 500 µm betragen.
Es kann entweder vorgesehen sein, daß der Brennstoff inner­ halb der Hohlfasern und das Oxidationsmittel außerhalb der Hohlfasern, oder daß der Brennstoff außerhalb der Hohlfa­ sern und das Oxidationsmittel innerhalb der Hohlfasern ge­ führt ist.
Das außerhalb der Hohlfasern geführte Medium kann bezüglich des innerhalb geführten Mediums im Gleich-, im Gegen- oder auch im Querstrom geführt sein.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläu­ tert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer er­ findungsgemäßen Brennstoffzelle;
Fig. 2 eine Detailansicht eines Ausschnitts IT der Membran-Hohlfasern der Brennstoffzelle ge­ mäß Fig. 1 und
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht der Membran- Hohlfasern der Brennstoffzelle gemäß Fig. 1.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäß nach Art eines Membran­ hohlfasermoduls ausgebildete Polymerelektrolytmembran- Brennstoffzelle 1 mit einem Bündel aus einer Vielzahl von parallel angeordneten, die Einzelzellen der Brennstoffzel­ le 1 bildenden Membran-Hohlfasern 10. Die Hohlfasern 10 sind an beiden Enden über Abschlußplatten 6, 7 an einem Ge­ häuse 8 festgelegt. Die Abschlußplatten 6, 7 können z. B. aus einem ausgehärteten Kunststoffharz bestehen, in welches die Hohlfasern 10 endseitig eingegossen sind. Die Hohlfa­ sern 10 sind über einen Einlaßstutzen 2 bzw. über einen Auslaßstutzen 3 entweder mit einem Brennstoff oder einem Oxidationsmittel beaufschlagbar. Das Gehäuse 8 ist in glei­ cher Weise über einen Ein- 4 bzw. einem Auslaßstutzen 5 entweder mit einem Brennstoff oder einem Oxidationsmittel beaufschlagbar.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist innerhalb jeder Membran- Hohlfaser 10 ein elektrischer Leiter 11a angeordnet, der z. B. aus dünnen Folien oder Fäden aus einem leitfähigen Ma­ terial, z. B. Metallfäden, oder aus einem in die Hohlfa­ sern 10 eingebrachten diffusionsoffenen Füllstoff, z. B. Graphit, gebildet sein kann. Werden die Hohlfasern 10 mit dem Brennstoff, z. B. Wasserstoff oder Methanol, beauf­ schlagt (Pfeil 12), so bilden die elektrischen Leiter 11a die Anoden der Brennstoffzelle. Im Falle der Verwendung des Brennstoffs Methanol wird das bei der chemischen Reaktion mit Wasser gebildete Kohlendioxid (Gleichung 1) aus den Hohlfasern 10 abgezogen (Pfeil 13). Werden die Hohl­ fasern 10 mit dem Oxidationsmittel, z. B. Sauerstoff, ins­ besondere Luftsauerstoff, beaufschlagt (Pfeil 12), so bilden die elektrischen Leiter 11a die Kathoden und wird das bei der chemischen Reaktion gebildete Wasser (Glei­ chungen 3 und 8) aus den Hohlfasern 10 abgezogen (Pfeil 13). In jedem Fall sind die innerhalb der Hohl­ fasern 10 angeordneten Leiter 11a unter Bildung einer Elektrode, z. B. der Kathode, der erfindungsgemäßen Brenn­ stoffzelle 1 miteinander verbunden (nicht dargestellt).
Wie aus Fig. 3 entnehmbar, sind auch außerhalb der Membran- Hohlfasern 10 elektrische Leiter 11b vorgesehen, die ent­ sprechend den innerhalb der Hohlfasern 10 angeordneten Leitern 11a ausgebildet sein können und ebenfalls unter Bildung einer Elektrode, z. B. der Anode, der erfindungs­ gemäßen Brennstoffzelle 1 miteinander verbunden sind. Die Membran-Hohlfasern 10 sind insbesondere sowohl innen- als auch außenseitig mit einem Katalysatormaterial, z. B. mit einer Platinlegierung beschichtet, um Brennstoff und Oxidationsmittel zu adsorbieren. Der Durchmesser d der Membran-Hohlfasern 10 beträgt beispielsweise etwa 50 bis 500 µm.
In der gezeigten Ausführung ist das außerhalb der Hohl­ fasern 10 geführte Medium, z. B. Sauerstoff, bezüglich des innerhalb geführten Mediums, z. B. Wasserstoff, im Querstrom geführt (Pfeil 14). Alternativ kann das außerhalb der Hohlfasern 10 geführte Medium bezüglich des im Innern der Hohlfasern 10 geführten Mediums auch im Gleich- oder Gegenstrom geführt sein.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle 1 weist eine hohe Leistungsdichte und eine insbesondere gegenüber herkömm­ lichen Brennstoffzellen bessere Oberflächenleistung bei einer kompakten Bauweise mit vermindertem Gewicht auf und ist folglich insbesondere zum Einsatz in Kraftfahrzeugen geeignet.

Claims (15)

1. Brennstoffzelle mit mehreren, von einer Polymerelektro­ lytmembran getrennten Reaktionskammern, in denen wech­ selweise elektrische Leiter unterschiedlicher Polarität angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Brenn­ stoffzelle (1) von einem Bündel aus Membran-Hohlfasern, insbesondere Kapillar-Hohlfasern, gebildet ist, wobei innerhalb der Membran-Hohlfasern (10) und außerhalb der Membran-Hohlfasern (10) jeweils elektrische Lei­ ter (11a, 11b) gleicher Polarität vorgesehen sind, die jeweils unter Bildung einer Kathode und einer Anode der Brennstoffzelle (1) miteinander verbunden sind.
2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die elektrischen Leiter (11a, 11b) von dünnen Folien oder Fäden aus einem leitfähigen Material gebil­ det sind.
3. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die elektrischen Leiter (11a, 11b) von in die Membran-Hohlfasern (10) eingebrachten und/oder außer­ halb der Membran-Hohlfasern (10) angeordneten Füllstof­ fen aus einem leitfähigen Material gebildet sind.
4. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Membran-Hohlfasern (10) zumindest auf der von dem Oxidationsmittel umströmten Seite mit einem adsorptiven Katalysatormaterial be­ schichtet sind.
5. Brennstoffzelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Membran-Hohlfasern (10) beidseitig mit ei­ nem adsorptiven Katalysatormaterial beschichtet sind.
6. Brennstoffzelle nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Katalysatormaterial Platin ist.
7. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 4 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß das Katalysatormaterial eine Platinlegierung ist.
8. Brennstoffzelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß wenigstens ein Legierungselement aus der Grup­ pe Ruthenium, Zinn, Nickel gewählt ist.
9. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Membran- Hohlfasern (10) zwischen 10 und 1000 µm beträgt.
10. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Membran- Hohlfasern (10) zwischen 50 und 500 µm beträgt.
11. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß der Brennstoff innerhalb der Hohlfasern (10) und das Oxidationsmittel außerhalb der Hohlfasern (10) geführt ist.
12. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß der Brennstoff außerhalb der Hohlfasern (10) und das Oxidationsmittel innerhalb der Hohlfasern (10) geführt ist.
13. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß das außerhalb der Hohlfa­ sern (10) geführte Medium bezüglich des innerhalb ge­ führten Mediums im Gleichstrom geführt ist.
14. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß das außerhalb der Hohlfa­ sern (10) geführte Medium bezüglich des innerhalb ge­ führten Mediums im Gegenstrom geführt ist.
15. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß das außerhalb der Hohlfa­ sern (10) geführte Medium bezüglich des innerhalb ge­ führten Mediums im Querstrom geführt ist.
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