DE202010012377U1

DE202010012377U1 - Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE202010012377U1
Application number: DE202010012377U
Authority: DE
Original assignee: Bluecher GmbH
Current assignee: Bluecher GmbH
Priority date: 2009-09-09
Filing date: 2010-09-09
Publication date: 2011-08-04
Anticipated expiration: 2020-09-10
Also published as: DE102010044794A1

Abstract

Brennstoffzelle (1) mit mindestens einer Elektrode und einem zugeordneten Elektrolyt (4), wobei die Elektrode ein poröses Flächengebilde (10) aus Fasern aufweist oder davon gebildet ist, das mit dem Elektrolyt (4) in Kontakt steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern alle oder zumindest größtenteils Aktivkohlefasern sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Brennstoffzellenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 14.
Die Gewinnung von elektrischer Energie aus chemischen Energieträgern erfolgt heute zumeist durch Verbrennung in Wärmekraftmaschinen in Verbindung mit Generatoren über den Umweg der thermischen und kinetischen Energie. Brennstoffzellen sind dagegen geeignet, die Umformung ohne Umweg zu erreichen und damit potentiell effizienter zu sein. Dabei unterliegen Brennstoffzellen nicht den Restriktionen des sogenannten Carnot-Prozesses. Weiterhin sind Brennstoffzellen im Vergleich zu Systemen auf Basis von Wärmekraftmaschine/Generator einfacher aufgebaut und können zuverlässiger und abnutzungsfester als letztgenannte ausgebildet sein. Bereits heute werden Brennstoffzellen als Energiewandler in der Raumfahrt (z. B. im Space-Shuttle) und im Bereich des Militärs (z. B. für U-Boot-Antriebe) eingesetzt.
Brennstoffzellen sind galvanische Zellen, welche die chemische Reaktionsenergie eines vorzugsweise kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie umwandeln.
Im allgemeinen Sprachgebrauch steht der Begriff der Brennstoffzelle meist für eine Wasserstoff/Sauerstoff-Brennstoffzelle, die bisweilen auch als Knallgasbrennstoffzelle bezeichnet wird, obwohl eine Vielzahl anderer Brennstoffzellen existieren bzw. bekannt sind.
Brennstoffzellen bezeichnen somit im allgemeinen galvanische Zellen oder Elemente, bei denen durch elektrochemische Oxidation von im allgemeinen leicht zu oxidierenden Substanzen (d. h. Brennstoffen, wie Wasserstoff, Methanol etc.) mit einem Oxidationsmittel (z. B. Sauerstoff, ”elektrochemische Verbrennung”) elektrische Energie erzeugt wird.
Eine Brennstoffzelle besteht im allgemeinen aus zwei Elektroden (Anode und Kathode), welche beispielsweise durch einen Elektrolyten bzw. Innenleiter und/oder eine Membran voneinander getrennt sind. Die Anode wird dabei im allgemeinen mit dem Brennstoff, z. B. mit Wasserstoff, Methan, Methanol, Glukose etc., in Kontakt gebracht bzw. umspült, der dort oxidiert wird, wohingegen die Kathode mit dem Oxidationsmittel (z. B. Sauerstoff, Wasserstoffperoxid, Kaliumthiocyanat etc.) in Kontakt gebracht bzw. umspült wird, das an der Kathode reduziert wird. Die verwendeten Materialien und Edukte sind je nach Brennstoffzellentyp unterschiedlich. Beispielsweise können die aus Metall (z. B. Platin) oder Kohlenstoff bestehen; zu Zwecken des effizienteren Ablaufs der chemischen Prozesse sind sie im allgemeinen mit einem Katalysator beschichtet oder anderweitig beaufschlagt bzw. versehen.
Strom wird kontinuierlich dadurch geliefert, daß die zu oxidierende Substanz (als eigentliche Brennstoffe dienen z. B. Wasserstoff oder Kohlenmonoxid, die z. B. durch Spaltung von Erdgas, Methanol, Hydrazin, Ammoniak etc. gewonnen werden können) und das Oxidationsmittel kontinuierlich zugeführt und die Oxidationsprodukte kontinuierlich abgeführt werden. Man spricht von elektrochemischer Verbrennung, wenn als Oxidationsmittel Sauerstoff (Luft) verwendet wird.
Das Prinzip der Wasserstoff/Sauerstoff-Brennstoffzelle läßt sich wie folgt zusammenfassen: Das Brenngas (Wasserstoff) wird an der Anode von einem Katalysator in Protonen (Wasserstoffionen) und Elektronen zerlegt. Die Protonen (Wasserstoffionen) wandern z. B. durch einen Elektrolyten und ggf. eine protonenleitende Membran (z. B. eine sulfonierte PTFE-Membran, wie Nafion^®) zur Kathode und reagieren dort an einem Katalysator mit Sauerstoff und Elektronen zu Wasser. Die Elektronen, welche die Membran bzw. den Elektrolyten nicht durchdringen können, fließen von der Anode zur Kathode über einen äußeren Stromkreis, der einen Stromverbraucher (z. B. einen Motor) enthalten kann. Das Potential einer einzelnen Brennstoffzelle beträgt etwa 0,7 Volt, und höhere Spannungen erhält man durch Zusammenschalten mehrerer Zellen zu sogenannten Brennstoffzellenstapeln oder -stacks. Die Wasserstoff/Sauerstoff-Brennstoffzelle ist das bekannteste Beispiel für eine Brennstoffzelle; sie gehört zu den Niedertemperaturbrennstoffzellen. Die Gesamtreaktion (2H₂ + O₂ → 2H₂O + Energie) entspricht der Knallgasreaktion, welche durch räumliche Trennung von Oxidation des Wasserstoffs und Reduktion des Sauerstoffs in kontrollierter Form stattfindet.
Ebenfalls von Bedeutung sind Methanolbrennstoffzellen, insbesondere Direkt-Methanol-Brennstoffzellen (DMFC), bei denen folgende Gesamtreaktion ablauft, wobei neben Energie bzw. Elektrizität auch Wasser und Kohlendioxid erzeugt werden:
Weiterhin von technischer Bedeutung ist auch die sogenannte Kohlenmonoxid/Sauerstoff-Brennstoffzelle, welche bei katalytischem Vorgang, beispielsweise mit einem Polyoxometallat (POM), wie H₃PMo₁₂O₄₀, als Katalysator, z. B. bei Raumtemperatur betrieben werden kann, wobei die Brennstoffzellengesamtreaktion nach folgender Gesamtreaktionsgleichung (Wassergas-Shift-Reaktion bzw. WGS) abläuft: CO + H₂O → CO₂ + H₂

In der nachfolgenden Tabelle sind einige Daten ausgewählter Brennstoffzellen wiedergegeben (vgl. hierzu auch Phys. Unserer Zeit 27, 52–59 (1996)):

Typ	AFC	PEMFC	PAFC	MCFC	SOFC
Elektrolyt	Lauge KOH 30%	Polymer PTFE sulfon.	Säure H₃PO₄ 95%	Schmelze Li_2-xK_xCO₃	Keramik ZrO₂8Y₂O₃
Ion	OH^–	H⁺ nH₂O	H⁺ nH₂O	CO₃ ^2–	O^2–
Matrix	Asbest	keine	PTFE-SiC	PTFE-SiC	keine
Temp. [°C]	0–80	0–140	60–207	600–700	850–1050
Brennstoffe	H₂	H₂, CH₃OH	H₂, [CH₄]	CH₄, CO, H₂	CH₄, CO, H₂
Anode	Ni, Pt	Pt/Ru/Kohle	Pt/Kohle	Ni-LiCrCO₂	Ni/ZrO₂
Kathode	Ag	Pt/Kohle	Pt/Kohle	LiFeO₂	La_1-xSr_xMnO₃

AFC:: Alkalische Brennstoffzelle (Alcaline Fuel Cell)
PEMFC:: Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)
PAFC:: Phosphorsäure-Brennstoffzelle (Phosphoric Acid Fuel Cell)
MCFC:: Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (Molten Carbonate Fuel Cell)
S: OFC: Oxidkeramische Brennstoffzelle (Solid Oxide Fuel Cell)
PTFE:: Polytetrafluorethylen

Mit der Verwendung von Brennstoffzellen sind eine Reihe von Vorteilen verbunden: Zum einen sind Brennstoffzellen sehr wartungsarm ausgestaltet, und zum anderen verfügen sie über eine hohe Effizienz, insbesondere führen sie zur Einsparung fossiler Energieträger. Weiterhin sind Brennstoffzellen durch eine niedrige Belastung durch Abgase, insbesondere Stickoxide, gekennzeichnet. Sie verfügen weiterhin über ein gutes Anfahrverhalten und zeigen eine schnelle Reaktion auf Lastwechsel. Durch modulare Bauweise lassen sich die einzelnen Komponenten ohne weiteres austauschen. In der Raumfahrt- und Militärtechnik werden sie bereits erfolgreich eingesetzt.
Brennstoffzellen ermöglichen eine vielfältige Verwendung: So können Brennstoffzellen zur stationären wie mobilen Energie- bzw. Stromgewinnung verwendet werden. Beispielsweise lassen sich Brennstoffzellen zum Antrieb von Straßenfahrzeugen (z. B. PKWs), in der Raumfahrt, in Verbindung mit Wasserstoffspeichern (z. B. Metallhydriden) als Kraftwerke oder auch als Sauerstoffsensoren verwenden. Weiterhin eignen sich Brennstoffzellen auch für den portablen Einsatz, insbesondere als Ersatz von Batterien und Akkumulatoren, in kleineren elektrischen Geräten, wie Computer, Mobilfunktelefonen, Filmkameras etc.
Weiterhin lassen sich Brennstoffzellen in der Raumfahrt- und Militärtechnik einsetzen (z. B. in U-Booten, zur Energiegewinnung in Raumfahrzeugen etc.). Weiterhin eignen sich Brennstoffzellen als Kraftwerke bzw. stationäre Energieversorger beispielsweise für Wohnanlagen oder öffentlichen Gebäude. Auch eignen sie sich in Kleineinheiten zur Strom- und Wärmeversorgung von Haushalten.
Zum ungestörten und effizienten Ablauf der Brennstoffzellenreaktionen ist es erforderlich, die betreffenden Brennstoffzellenreaktionen unter Verwendung geeigneter Katalysatoren zu katalysieren. Die betreffenden Katalysatoren (z. B. Edelmetalle, Nickel wie Raney-Nickel, Wolframcarbide, Molybdän- oder Wolframsulfide, Phthalocyanin- und andere Chelatkomplete etc.) müssen in zum Teil aufwendigen Verfahren auf die Elektroden der Brennstoffzelle aufgebracht werden, wobei zu diesem Zweck beträchtliche Mengen an Katalysatormaterial zum Einsatz kommen müssen und auch die Fixierung an den Elektroden nicht immer einfach realisierbar ist. Zum anderen müssen die eingesetzten Katalysatoren elektrolytresistent, insbesondere alkali- bzw. säurestabilisiert, an den Elektroden fixiert werden, gleichzeitig aber eine möglichst große frei zugängliche Oberfläche aufweisen. Nach dem Stand der Technik erfolgt die Aufbringung des Katalysators im allgemeinen derart, daß der Katalysator auf ein poröses Elektrodenmaterial aufgebracht wird. Nachteilig sind hierbei jedoch die im allgemeinen nur geringe Langzeitstabilität, insbesondere Abnutzungsbeständigkeit, einer derartigen Anordnung sowie die relativ großen Mengen des zu diesem Zweck benötigten Katalysatormaterials. Die DE 10 2007 028 007 A1 sieht daher vor, den Katalysator auf kornförmigen Trägerpartikeln aufzubringen.
Die DE 101 15 928 A1 , die den Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung bildet, offenbart Elektrolytmembranen und Elektroden für Brennstoffzellen. In einer Ausführungsform wird eine Gasdiffusionselektrode mit einem elektrisch leitfähigen Material, wie einem porösen Kohlevlies, vorgeschlagen. Als Elektrolyt bzw. protonenleitfähiges Material kann eine ionische Flüssigkeit verwendet werden, die eine Brönstedsäure enthalten kann. Besonders bevorzugt wird die Gasdiffusionselektrode, bestehend aus dem elektrisch leitfähigen Material, Katalysator und Elektrolyt direkt auf die Membran aufgebracht und dadurch eine Membranelektrodeneinheit gebildet. Dieser bekannte Aufbau gestattet jedoch keinen optimalen Reaktionsablauf.
Die EP 1 550 766 A1 offenbart die Verwendung eines Kohlefasergewebes zur Herstellung einer Gasdiffusionsschicht in einer Brennstoffzelle mit Festelektrolyt. Auch dieser bekannte Aufbau gestattet keinen optimalen Reaktionsablauf.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzelle, eine Brennstoffzellenanordnung und eine Verwendung eines porösen Flächengebildes aus Aktivkohlefasern anzugeben, wobei eine besonders gute ionische oder protonenmäßige Kopplung von Elektrolyt und Elektrode ermöglicht wird, wobei die Brennstoffzellenreaktion unterstützt wird, wobei eine gute Temperaturbeständigkeit ermöglichst wird, wobei eine einfache bzw. kostengünstige Herstellung ermöglicht wird und/oder wobei eine gute mechanische Stabilität und/oder hohe Flexibilität ermöglicht wird bzw. werden.
Die obige Aufgabe wird durch eine Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Brennstoffzellenanordnung gemäß Anspruch 14 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorschlagsgemäß wird ein poröses Flächengebilde aus Aktivkohlefasern, besonders bevorzugt ein Aktivkohlefasergewebe, als Elektrode einer Brennstoffzelle eingesetzt. Dies führt zu mehreren Vorteilen.
Die Verwendung von Aktivkohle anstelle von Kohlenstoff o. dgl. ermöglicht eine gegenüber dem Stand der Technik bessere ionische bzw. protonenmäßige Kopplung von Elektrolyt und Elektrode.
Durch die Verwendung von Aktivkohlfasern kann die Brennstoffzellenreaktion, insbesondere die katalytische Zerlegung des Brennstoffs oder des Oxidationsmittels, unterstützt werden. Dies kommt voraussichtlich aufgrund der gegenüber nicht aktivierter Kohle oder Kohlenstoff höheren Polarität der Aktivkohle zustande.
Aktivkohlefasern sind sehr temperaturbeständig. Dementsprechend lassen sich auch bei höheren Temperaturen arbeitende Brennstoffzellen realisieren.
Bei der Verwendung von Aktivkohlefasern wird eine einfache bzw. kostengünstige Herstellung ermöglicht. Aktivkohlefasern sind im allgemeinen sehr robust und widerstandsfähig. Die Herstellung kann beispielsweise sehr einfach durch carbonisieren und Aktivieren entsprechender geeigneter Grundfasern erfolgen.
Die Aktivkohlefasern werden vorzugsweise durch carbonisierte und aktivierte Viskose- oder Polyacrylnitrilfasern gebildet. Dies gestattet eine einfache Herstellung.
Insbesondere wird das Flächengebilde durch ein carbonisiertes und aktiviertes Viskose- oder Polyacrylnitrilgewebe, -gewirk oder -vlies gebildet. Dies gestattet ebenfalls eine einfache Herstellung.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Flächengebilde um ein Gewebe oder Gewirk aus Aktivkohlefasern. Hierdurch kann eine sehr gute mechanische Stabilität und/oder Belastbarkeit erreicht werden. Gleichzeitig oder alternativ kann so eine sehr definierte und/oder hohe Flexibilität, insbesondere quer zur Flächenerstreckung des vorzugsweise flachen Flächengebildes, erreicht werden. Grundsätzlich kann es sich jedoch auch beispielsweise um eine Nadelmatte, ein Vlies o. dgl. aus Aktivkohlefasern handeln.
Wie bereits erwähnt, kann die Aktivkohle die Brennstoffzellenreaktion bw. die katalytische Reaktion an Anode oder Kathode unterstützen. Trotzdem ist das Flächengebilde bzw. sind die Aktivkohlefasern vorzugsweise mit einem Katalysatormaterial, insbesondere Rotenium, Palladium und/oder Platin, zumindest partiell versehen, imprägniert oder beschichtet. Dies kann beispielsweise durch entsprechendes Anhaften des Katalysatormaterials an den Aktivkohlefasern und/oder Einbau des Katalysatormaterials, beispielsweise in Form von Partikeln, ggf. auch durch Aufbringen des Katalysatormaterials auf Trägerpartikel (wie insbesondere in der DE 10 2007 028 007 A1 beschrieben), die ihrerseits in das Flächengebilde eingebracht oder darauf aufgebracht werden, erfolgen. Diese Kombination von Katalysatormaterial einerseits und Aktivkohlefasern andererseits hat sich als besonders zuträglich für die Brennstoffzellenreaktion erwiesen.
Gemäß einem besonders bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Flächengebilde bzw. werden die Aktivkohlefasern mit einem elektrischen Anschluß verbunden, insbesondere durch Einklemmen, Verkleben und/oder elektrisch leitendes Einbetten. Dies gestattet eine einfache und/oder sehr effiziente elektrische Kontaktierung.
Vorzugsweise ist das Flächengebilde bzw. die Elektrode flach oder plattenartig ausgebildet. So kann eine große Oberfläche realisiert werden.
Vorzugsweise ist das Flächengebilde bzw. die Elektrode quer zur Flächenerstreckung flexibel. Dies gestattet eine gute mechanische Anpaßbarkeit.
Vorzugsweise ist das Flächengebilde bzw. die Elektrode temperaturbeständig über 100°C, vorzugsweise über 150°C, insbesondere über 200°C. Dies ist einem universellen Einsatz, insbesondere auch in Brennstoffzellen mit höheren Temperaturen, zuträglich.
Vorzugsweise ist das Flächengebilde bzw. die Elektrode selbsttragend ausgebildet. Dies ist einer hohen mechanischen Stabilität bzw. Widerstandsfähigkeit zuträglich.
Besonders bevorzugt ist das Flächengebilde bzw. die Elektrode mit dem Elektrolyt getränkt. Dies gestattet eine besonders gute, insbesondere ionische oder protonische Kopplung zwischen Elektrolyt und Elektrode.
Vorzugsweise besteht das Flächengebilde ausschließlich aus Aktivkohlefasern. Grundsätzlich kann das Flächengebilde aber auch nur teilweise, dann insbesondere größtenteils, aus Aktivkohlefasern bestehen oder hergestellt sein. Gleiches gilt, wenn die Elektrode bzw. das Flächengebilde zusätzlich mit einem Träger oder einer Trägerschicht vorgesehen ist.
Besonders bevorzugt wird die zumindest teilweise oder insbesondere zumindest im wesentlichen vollständig aus Aktivkohlefasern bestehende Elektrode mit einem Elektrolyt kombiniert, der eine ionische Flüssigkeit enthält oder daraus besteht. So kann eine besonders gute ionische bzw. protonische Kopplung zwischen Elektrolyt und Elektrode erreicht werden. Dies wird vorzugsweise weiter dadurch unterstützt, daß der Elektrolyt bzw. die ionische Flüssigkeit in das poröse Flächengebilde bzw. in Hohlräume zwischen die Aktivkohlefasern eindringen und dementsprechend in einem großen Oberflächenbereich damit in Kontakt treten kann.
Das Flächengebilde ist gemäß einer Ausführungsvariante vorzugsweise derart ausgebildet, daß die Größe der Hohlräume zwischen Fasern und/oder die Kapillarität über die Dicke des Flächengebildes bzw. der Elektrode variiert bzw. variieren, insbesondere von einer Seite, wie der Gasseite aus zu- oder abnimmt. Je nach verwendetem Elektrolyten bzw. ionischer Flüssigkeit kann eine optimale Anpassung erfolgen, um einen guten Gasaustausch zu ermöglichen. Alternativ oder zusätzlich kann bzw. können die Größe der Hohlräume und/oder die Kapillarität auch in Flächen- oder Längserstreckung der Elektrode bzw. des Flächengebildes variieren.
Ergänzend oder alternativ zu den vorgenannten Variationen oder zur Realisierung der vorgenannten Variationen können auch unterschiedliche Fasern bzw. Aktivkohlefasern und/oder Fasern mit unterschiedlichem Durchmesser und/oder mit in Faserlängsrichtung variierendem Durchmesser eingesetzt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann auch die Aktivierung der Aktivkohle entsprechend – insbesondere in Dickenrichtung und/oder Flächenerstreckung – variieren.
Alternativ oder zusätzlich kann das Flächengebilde bzw. die Elektrode auch aus mehreren (ggf. unterschiedlichen) Schichten von Fasern bzw. Aktivkohlefasern aufgebaut sein. Auch hierdurch lassen sich die vorgenannten Variationen, insbesondere über die Dicke des Flächengebildes bzw. der Elektrode, realisieren.
Besonders bevorzugt wird ein poröses Flächengebilde aus Aktivkohlefasern, insbesondere eines Aktivkohlegewebes, als Elektrode in einer Brennstoffzelle verwendet, wobei die Elektrode mit einer ionischen Flüssigkeit zur Protonenleitung in Kontakt gebracht oder getränkt wird. Wie bereits erwähnt, wird durch diese Kombination die Brennstoffzellenreaktion unterstützt, wobei eine besonders gute protonische Kopplung von Elektrode und ionischer Flüssigkeit ermöglicht wird. Die Aktivkohle zeigt nämlich im Gegensatz zu nicht aktivierter Kohle oder Kohlenstoff eine noch bessere Kopplung. Dies kommt voraussichtlich aufgrund der höheren Polarität der Aktivkohle zustande.
Weitere Aspekte, Vorteile, Eigenschaften und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der Zeichnung. Die einzige Figur zeigt eine schematische schnittartige Darstellung einer vorschlagsgemäßen Brennstoffzelle.
Die Figur zeigt eine vorschlagsgemäße Brennstoffzelle 1 mit einer ersten Elektrode, nämlich einer Anode 2, und einer zweiten Elektrode, nämlich eine Kathode 3. Die Elektroden sind jeweils mit einem Elektrolyten 4 ionisch bzw. protonenmäßig gekoppelt. Insbesondere ist der Elektrolyt 4 zwischen der Anode 2 und der Kathode 3 angeordnet.
Die Brennstoffzelle 1 kann eine Membran 5 aufweisen, die den Elektrolyt 4 enthalten bzw. bilden kann. Hierzu ist anzumerken, daß der Elektrolyt 4 bzw. die Membran 5 generell als Innenleiter bzw. Protonenleiter verstanden werden kann. Grundsätzlich kann es sich bei dem Elektrolyten 4 um eine Flüssigkeit oder um einen Feststoff handeln. Weiter kann die optionale Membran 5 auch den gesamten Raum zwischen der Anode 2 und der Kathode 3 ausfüllen. Insbesondere in diesem Fall kann die Membran 5 den Elektrolyten 4 bilden oder mit diesem beispielsweise getränkt sein.
Was die Membran 5 anbelangt, so sollte diese vorteilhafterweise thermisch beständig ausgebildet sein, insbesondere thermisch stabil bis zu Temperaturen von mindestens 100°C, insbesondere mindestens 150°C, besonders bevorzugt mindestens 200°C.
Des weiteren sollte die Membran 5 feuchtigkeitsunempfindlich ausgebildet sein.
Gleichermaßen sollte die Membran 5 elektrolytleitend und/oder protonenleitend ausgebildet sein. Insbesondere sollte die Protonenleitfähigkeit der Membran 5 in Abhängigkeit vom Wassergehalt bzw. Feuchtigkeitsgehalt einstellbar sein.
Als Membranmaterialien für die Membran 5 insbesondere geeignet sind fluorierte, vorzugsweise perfluorierte Kunststoffe. Insbesondere kann die Membran 5 als perfluorierte Kunststoffmembran, vorzugsweise als gegebenenfalls sulfonierte PTFE-Membran (Polytetrafluorethylenmembran) (z. B. Nafion^®), ausgebildet.
Erfindungsgemäß bevorzugt eingesetzte Membranen 5 sind insbesondere ausgewählt aus der Gruppe von gegebenenfalls sulfonierten fluorierten oder perfluorierten Kunststoffmembranen, insbesondere gegebenenfalls sulfonierten Polytetrafluorethylenmembranen (PTFE-Membranen), Polymerelektrolytmembranen (PEMs) und perfluorierten Fluorsulfonsäuremembranen (PFSA-Membranen).
Die Brennstoffzelle 1 weist vorzugsweise einen der Anode 2 zugeordneten Anodenraum 6 zur Zuführung von Brenngas, wie Wasserstoff (schematisch als H₂ in der Figur angedeutet), auf. Die Brennstoffzelle 1 weist weiter vorzugsweise einen der Kathode 3 zugeordneten Kathodenraum 7 zur Zuführung eines Oxidationsmittels, wie Luft oder Sauerstoff (schematisch durch O₂ in der Figur angedeutet), auf.
Der Anodenraum 6 und der Kathodenraum 7 werden durch den Elektrolyten 4 bzw. die Membran 5 vorzugsweise derart getrennt, daß sich der Brennstoff und das Oxidationsmittel nicht direkt mischen können, insbesondere um die Bildung von Knallgas oder einem sonstigen explosiven Gemisch zu vermeiden.
Die erste Elektrode bzw. Anode 2 ist vorzugsweise mit einem elektrischen Anschluß 8 verbunden bzw. versehen. Die zweite Elektrode bzw. Kathode 3 ist vorzugsweise mit einem elektrischen Anschluß 9 verbunden bzw. versehen.
Im Betrieb der Brennstoffzelle 1 wird zwischen den Anschlüssen 8 und 9 eine elektrische Spannung erzeugt. Wenn ein entsprechender (nicht dargestellter) Verbraucher dazwischen gestaltet wird, kann zwischen der Kathode 3 und der Anode 2 ein Strom fließen, der durch die Brennstoffzellenreaktion bzw. elektrochemische Verbrennung oder Oxidation, die dann abläuft, erzeugt wird. Hinsichtlich der ablaufenden Brennstoffzellenreaktion bzw. der an der Anode 2 und Kathode 3 ablaufenden Reaktion und der einsetzbaren Brennstoffe und Oxidationsmittel wird ergänzend auf die Einleitung verwiesen.
Nachfolgend wird der vorschlaggemäße Aufbau einer der Elektroden oder beider Elektroden erläutert. Hierbei wird immer Bezug genommen auf eine Elektrode, wobei es sich wahlweise um die Anode 2 oder Kathode 3 handeln kann. Generell können beide Elektroden jedoch zumindest im wesentlichen gleich aufgebaut sein und sich beispielsweise nur durch unterschiedlich Katalysatormaterialien o. dgl. unterscheiden. Die nachfolgenden Ausführungen gelten also insbesondere für beide Elektroden bzw. die Anode 2 und die Kathode 3 gleichermaßen.
Die Elektrode weist ein poröses Flächengebilde 10 aus Fasern auf oder ist davon gebildet, wie in der Figur schematisch angedeutet. Vorschlaggemäß handelt es sich bei den Fasern insgesamt oder zumindest größtenteils um Aktivkohlefasern. Vorschlagsgemäß werden also Flächengebilde 10 oder Flächenstücke aus Aktivkohlefasern für die Elektroden eingesetzt.
Bei den Aktivkohlefaserflächengebilden 10 kann es sich beispielsweise um Gewebe, Gewirke, Gestricke, Gelege, Vliese, Non-Wovens oder Verbundstoffe jeweils zumindest im wesentlichen aus Aktivkohlefasern handeln. Bevorzugterweise werden Aktivkohlefasergewebe eingesetzt.
Die Aktivkohlefaserflächengebilde 10 können in ihren Flächengewichten in weiten Bereichen variieren. Im allgemeinen kommen Aktivkohlefaserflächengebilde 10 mit Flächengewichten von 50 bis 250 g/m², insbesondere 50 bis 200 g/m², vorzugsweise 80 bis 180 g/m², besonders bevorzugt 90 bis 150 g/m², zum Einsatz. Hierbei werden üblicherweise Aktivkohlefaserflächengebilde 10 mit einer Dicke von 0,1 bis 10 mm, insbesondere 0,2 bis 0,8 mm, vorzugsweise 0,3 bis 0,5 mm, verwendet.
Besonders gute mechanische Eigenschaften werden erreicht, wenn die Aktivkohlefasern aus carbonisierter und aktivierter Cellulose oder Viskose und/oder carbonisiertem und aktiviertem Polyacrylnitril bestehen.
Die mechanische Stabilität der Aktivkohlefaserflächengebilde 10 kann noch dadurch gesteigert werden, daß die Aktivkohlefaserflächengebilde 10 aus sogenannten Filamentfasern, d. h. aus nichtgesponnenen Endlosfasern, bestehen. Unter dem Begriff der Filament- bzw. Endlosfasern versteht man insbesondere auf chemisch-technischem Wege nach verschiedenen Verfahren erzeugte, praktisch endlose Fasern als Bestandteil von Textilerzeugnissen entsprechend DIN 60 001 T1 2 (10/1990); für weitere diesbezügliche Einzelheiten kann beispielsweise auf Römpp Chemielexikon, 9. Auflage, Band 2, 1997, Seite 1336, Stichwort: ”Filament”, verwiesen werden. Zwar können erfindungsgemäß grundsätzlich auch Aktivkohlespinnfasern zur Anwendung kommen, jedoch sind aus den vorgenannten Gründen, insbesondere aufgrund der verbesserten mechanischen Stabilität, Filamentfasern erfindungsgemäß bevorzugt.
Die mechanische Stabilität der Flächengebilde 10 kann noch dadurch verbessert werden, daß die Aktivkohlefasern einen Titer (synonym auch als Feingehalt oder Feinheitsgrad bezeichnet), berechnet als Gewichtsangabe pro Länge, von mindestens 0,9 Denier, insbesondere von mindestens 1,0 Denier, vorzugsweise von mindestens 1,1 Denier, bevorzugt im Bereich von 0,8 bis 1,2 Denier, besonders bevorzugt im Bereich von 1,0 bis 1,2 Denier, aufweisen.
Zu Gewährleistung einer guten mechanischen Stabilität weisen die Aktivkohlefasern im allgemeinen ein längenbezogenes Gewicht im Bereich von 1,0 bis 2,0 g/m, insbesondere 1,2 bis 1,8 g/m, vorzugsweise 1,4 bis 1,6 g/m, auf.
Bevorzugterweise besitzen die Aktivkohlefasern eine Zugstärke bzw. Reißfestigkeit von mehr als 1,6 g/Denier, vorzugsweise von mehr als 1,8 g/Denier.
Bevorzugt liegt die Bruchdehnung bzw. die maximale Dehnbarkeit der Aktivkohlefasern bei mehr als 8%, bezogen auf ihre Eigenlänge. Dies gewährleistet eine gute mechanische Belastbarkeit.
Zur Verbesserung der Dehn- bzw. Belastbarkeitseigenschaften der Aktivkohlefasern und somit des Flächengebildes 10 besitzen die Aktivkohlefasern einen gewissen Feuchtigkeitsgehalt, der vorzugsweise 5 bis 15%, bezogen auf das Aktivkohlefasergewicht, beträgt.
Aus den vorgenannten Gründen ist es bevorzugt, wenn die Aktivkohlefasern eine Dichte von mindestens 1,2 g/cm³, insbesondere von mindestens 1,3 g/cm³, insbesondere von mindestens 1,4 g/cm³, und von bis zu 2,0 g/cm³, aufweisen.
Je nach Anwendung ist es vorteilhaft, wenn die Aktivkohlefasern nur schwer entflammbar sind, insbesondere einen sogenannten Limited Oxygen Index (L.O.I.) von mindestens 50% aufweisen. Die flammhemmenden Eigenschaften können noch dadurch verstärkt werden, daß den Aktivkohlefasern entweder flammhemmende Substanzen zugesetzt oder aber die Aktivkohlefasern flammhemmend imprägniert sein können.
Vorzugswiese sollten die Aktivkohlefasern eine innere Oberfläche (BET) von mindestens 800 m²/g, insbesondere von mindestens 900 m²/g, vorzugsweise von mindestens 1.000 m²/g, bevorzugt im Bereich von 800 bis 2.000 m²/g, insbesondere im Bereich von 1.000 bis 1.500 m²/g, aufweisen.
Erfindungsgemäß geeignete Aktivkohlefaserflächengebilde 10, welche die zuvor genannten Eigenschaften aufweisen, sind im Handel erhältlich. Beispielsweise werden erfindungsgemäß geeignete Aktivkohlefaserflächengebilde 10 von den Firmen CCTeks bzw. Challenge Carbon Technology Co., Ltd. und TCT Taiwan Carbon Technologies, Taiwan, vertrieben.
Erfindungsgemäß geeignete Aktivkohlefaserflächengebilde 10 können auch nach der WO 98/41678 A1 bzw. der hieraus hervorgehenden EP 0 966 558 B1 bzw. DE 698 09 718 T2 oder nach der WO 01/70372 A1 hergestellt werden, wobei der gesamte Offenbarungsgehalt der vorgenannten Druckschriften hiermit durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
Die Elektroden bzw. Flächengebilde 10 bzw. Aktivkohlefasern sind vorzugsweise mit einem Katalysatormaterial, wie Ruthenium, Palladium oder Platin, zumindest partiell versehen, imprägniert oder beschichtet.
Die Flächengebilde 10 bzw. Aktivkohlefasern sind mit dem zugeordneten elektrischen Anschluß 8 bzw. 9 insbesondere durch Einklemmen, Verkleben und/oder elektrisch leitendes Einbetten verbunden.
Der Elektrolyt 4 enthält vorzugsweise eine ionische Flüssigkeit oder besteht daraus. Die ionische Flüssigkeit ist vorzugsweise sehr gut protonenleitend. Des weiteren gestattet die ionische Flüssigkeit eine sehr gute Kopplung mit den Flächengebilden 10 bzw. Aktivkohlefasern.
Besonders bevorzugt sind die Flächengebilde 10 bzw. Elektroden mit dem Elektrolyten 4 bzw. der ionischen Flüssigkeit getränkt. Dies gestattet eine besonders gute ionische oder protonenmäßige Kopplung.
Die vorliegende Erfindung betrifft nicht nur die Brennstoffzelle 1 als solche, sondern auch eine daraus gebildete (nicht dargestellte) Brennstoffzellenanordnung mit mehreren, in Reihe geschalteten Brennstoffzellen 1. Die Brennstoffzellen 1 sind dann insbesondere in einem gemeinsamen Gehäuse o. dgl. angeordnet. Besonders bevorzugt ist die Brenngaszuführung und/oder die Zuführung von Oxidationsmitteln für die Brennstoffzellen 1 jeweils zusammengefaßt.
Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus auch generell die Verwendung des vorzugsweise porösen Flächengebildes 10 aus Aktivkohlefasern, insbesondere eines Aktivkohlefasergewebes, als Elektrode in einer Brennstoffzelle 1, wobei die Elektrode mit einer elektronischen Flüssigkeit zur Protonenleitung in Kontakt gebracht oder getränkt wird. Wie bereits gesagt, daß so eine besonders gute ionische oder protonenmäßige Kopplung erreicht werden.
Die vorschlagsgemäße Brennstoffzelle 1 hat eine relativ gute Resistenz gegenüber höheren Temperaturen, ist also sehr temperaturbeständig, insbesondere im Vergleich zum Stand der Technik.
Die vorschlagsgemäße Brennstoffzelle 1 weist ein verhältnismäßig geringes Gewicht auf und/oder eine hohe Energiedichte auf.
Das vorschlagsgemäß vorgesehene flächige Elektrodenmaterial bildet eine große Oberfläche mit besonders guter Kopplung mit dem Elektrolyten 4, wobei eine sehr hohe mechanische Stabilität und gleichzeitige mechanische Flexibilität ermöglicht werden.
Die poröse Struktur des Aktivkohlefasergewebes bzw. Flächengebildes 10 gestattet eine sehr gute Leitfähigkeit.
Unter dem Begriff ”ionische Flüssigkeit” ist insbesondere ein bei der Betriebstemperatur flüssiges Salz zu verstehen. Derartige ionische Flüssigkeiten sind beispielsweise von der Firma Merck, Darmstadt, in zahlreichen Variationen und Zusammensetzungen erhältlich.
Insbesondere enthalten ionische Flüssigkeiten (Englisch: Tonic Liquids) ausschließlich Ionen, d. h. es handelt sich somit sozusagen um flüssige Salze, ohne daß das Salz dabei in einem Lösungsmittel, wie z. B. Wasser, gelöst ist.
Insbesondere werden unter dem Begriff der ionischen Flüssigkeiten im Rahmen der vorliegenden Erfindung solche Salze verstanden, welche bei Temperaturen unterhalb von 100°C flüssig sind.
Beispiele für erfindungsgemäß verwendbare Kationen, die insbesondere alkyliert sein können, sind Imidazolium, Pyridinium, Pyrrolidinium, Guanidinium, Uronium, Thiouronium, Piperidinium, Morpholinium, Ammonium und Phosphonium.
Als Anionen können insbesondere Halogenide und komplexe Ionen, wie Tetrafluoroborate, Trifluoracetate, Triflate, Hexafluorophosphate, Phosphinate und Tosylate, in Betracht kommen. Auch organische Ionen, wie beispielsweise Imide und Amide, können als Anionen eingesetzt werden.
Die Größe und die Symmetrie der beteiligten Ionen behindert die Bildung eines starken Kristallgitters. Bereits geringe thermische Energie genügt daher, um die Gitterenergie zu überwinden und die feste Kristallstruktur aufzubrechen.
Ionische Flüssigkeiten, wie sie im Rahmen der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen, zeichnen sich insbesondere durch eine Reihe von Eigenschaften aus: Im allgemeinen sind sie thermisch stabil, nicht entzündlich und haben einen sehr niedrigen, kaum messbaren Dampfdruck und verfügen über sehr gute Lösungseigenschaften für zahlreiche Substanzen. Auch besitzen sie aufgrund ihres rein ionischen Aufbaus gute elektrochemische Eigenschaften, wie z. B. elektrische Leitfähigkeit, die zudem auch von einer hohen elektrochemischen Stabilität, insbesondere Stabilität gegen Oxidationen und Reduktionen, begleitet wird. Die elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen den Ionen lassen sich mit der sogenannten Poisson-Boltzmann-Gleichung beschreiben.
Durch Variation der Seitenketten des Kations und die Auswahl geeigneter Anionen läßt sich z. B. die Löslichkeit in Wasser oder organischen Lösungsmitteln weitgehend frei bestimmen. Ähnliches gilt für den Schmelzpunkt und die Viskosität. Durch entsprechende funktionelle Gruppen können die ionischen Flüssigkeiten als Säuren, Basen oder Liganden synthetisiert werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kommen insbesondere ionische Flüssigkeiten zum Einsatz, welche bei Temperaturen von mindestens bis zu 100°C, insbesondere mindestens bis zu 150°C, vorzugsweise von mindestens bis zu 200°C, thermisch stabil sind.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kommen insbesondere solche ionischen Flüssigkeiten zum Einsatz, welche bei 25°C einen Dampfdruck von höchstens 10 Pa, insbesondere höchstens 5 Pa, vorzugsweise höchstens 1 Pa, aufweisen. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass während des Betriebs der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle kein Verdampfungsverlust eintreten kann.
Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzten ionischen Flüssigkeiten besitzen insbesondere eine ausreichende Protonenleitfähigkeit und darüber hinaus eine gute Oxidationsbeständigkeit, insbesondere gegenüber Luftsauerstoff, sowie eine gute Reduktionsbeständigkeit, insbesondere gegenüber Wasserstoff.
Darüber hinaus besitzen die erfindungsgemäß eingesetzten ionischen Flüssigkeiten insbesondere gute Lösungseigenschaften.
Weitere Ausgestaltungen, Abwandlungen und Variationen der vorliegenden Erfindung sind für den Fachmann beim Lesen der Beschreibung ohne weiteres erkennbar und realisierbar, ohne daß er dabei den Rahmen der vorliegenden Erfindung verläßt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007028007 A1 [0015, 0028]
DE 10115928 A1 [0016]
EP 1550766 A1 [0017]
WO 98/41678 A1 [0069]
EP 0966558 B1 [0069]
DE 69809718 T2 [0069]
WO 01/70372 A1 [0069]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Phys. Unserer Zeit 27, 52–59 (1996) [0011]
DIN 60 001 T1 2 (10/1990) [0059]
Römpp Chemielexikon, 9. Auflage, Band 2, 1997, Seite 1336 [0059]

Claims

Brennstoffzelle (1) mit mindestens einer Elektrode und einem zugeordneten Elektrolyt (4), wobei die Elektrode ein poröses Flächengebilde (10) aus Fasern aufweist oder davon gebildet ist, das mit dem Elektrolyt (4) in Kontakt steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern alle oder zumindest größtenteils Aktivkohlefasern sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächengebilde (10) in seiner Kapillarität und/oder die Größe von Hohlräumen zwischen den Fasern und/oder die Größe oder Art der Fasern – insbesondere über die Dicke und/oder in Flächenersteckung des Flächengebildes (10) – variiert bzw. variieren.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächengebilde (10) ein Flächengewicht von 50 bis 300 g/m², insbesondere 70 bis 180 g/m², besonders bevorzugt 75 bis 150 g/m², aufweist.
Brennstoffzelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktivkohlefasern eine BET-Oberfläche von 500 bis 2.500 m²/g, insbesondere 500 bis 2.000 m²/g, aufweisen.
Brennstoffzelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktivkohlefasern durch carbonisierte und aktivierte Viskose- oder Polyacrylnitrilfasern gebildet sind.
Brennstoffzelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächengebilde (10) ein Gewebe, Gewirk oder Vlies aus den Aktivkohlefasern ist oder daß das Flächengebilde (10) durch ein carbonisiertes und aktiviertes Viskose- oder Polyacrylnitrilgewebe, -gewirk oder -vlies gebildet ist.
Brennstoffzelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächengebilde (10) bzw. die Aktivkohlefasern mit einem Katalysatormaterial, insbesondere Ruthenium, Palladium oder Platin, zumindest partiell versehen, imprägniert oder beschichtet ist bzw. sind.
Brennstoffzelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächengebilde (10) bzw. die Aktivkohlefasern mit einem elektrischen Anschluß verbunden ist bzw. sind, insbesondere durch Einklemmen, Verkleben und/oder elektrisch leitendem Einbetten.
Brennstoffzelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächengebilde (10) bzw. die Elektrode flach oder plattenartig ausgebildet ist, quer zur Flächenerstreckung flexibel ist, temperaturbeständig über 100°C, vorzugsweise über 150°C, insbesondere über 200°C, ist und/oder selbsttragend ist.
Brennstoffzelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächengebilde (10) bzw. die Elektrode mit dem Elektrolyten (4) getränkt ist.
Brennstoffzelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt (4) eine ionische Flüssigkeit ist oder zumindest im wesentlichen daraus besteht.
Brennstoffzelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzelle (1) eine Anode (2) und eine Kathode (3) aufweist, die vorzugsweise beide als Elektrode jeweils mit einem Flächengebilde (10) aus Aktivkohlefasern ausgebildet sind.
Brennstoffzelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzelle (1) eine vorzugsweise nur für Ionen oder Protonen durchlässige Membran (5) insbesondere zur gasmäßigen Trennung von Brenngas einerseits und Oxidationsmittel, insbesondere Luft oder Sauerstoff aufweist, insbesondere wobei die Membran (5) mit mindestens einer Elektrode eine Baueinheit bildet.
Brennstoffzellenanordnung mit mehreren, Reihe geschalteten Brennstoffzellen (1), dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzellen (1) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche ausgebildet sind.