EP1402586A2 - Brennstoffzelle mit dünnschichtmembran - Google Patents
Brennstoffzelle mit dünnschichtmembranInfo
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- EP1402586A2 EP1402586A2 EP02717973A EP02717973A EP1402586A2 EP 1402586 A2 EP1402586 A2 EP 1402586A2 EP 02717973 A EP02717973 A EP 02717973A EP 02717973 A EP02717973 A EP 02717973A EP 1402586 A2 EP1402586 A2 EP 1402586A2
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- cell according
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Definitions
- the invention relates to a fuel cell, comprising at least the following components:
- Fuel cells are electrochemical energy converters and can be compared to battery systems that convert chemical energy directly into electrical energy. They are characterized by the fact that their thermodynamic efficiency is higher than in systems that convert chemical energy indirectly into electrical energy by means of combustion.
- the process is such that hydrogen is catalytically ionized on the anode side of the fuel cell, the electrons migrate to the cathode side as useful current and the hydrogen nuclei diffuse through the membrane to the cathode. There recombine hydrogen nuclei, electrons and oxygen atoms to water, also called process water.
- Plastic membranes are currently frequently used in fuel cells.
- the relevant materials are in particular polysulfones (DE-A-198 09 119), thermoplastic polyether ketones and polytetrafluoroethylene with sulfonic perfluorovinyl ether side chains (Nafion 117-DuPont).
- the disadvantage is that the proton conductivity of these materials is strongly dependent on the operating temperature of the fuel cell.
- a polycrystalline structure is formed from at least two single crystals.
- the crystalline or polycrystalline thin-film membrane transports the protons (hydrogen nuclei) through the channels of a solid-state lattice (channeling), which works the better, the lower the vibration amplitude of the solid-state atoms around their lattice position and thus the lower the ambient temperature. Remoistening is completely eliminated with these thin-film membranes.
- Metallic thin-film membranes are expedient due to their electrical conductivity by means of sieve-like or gas-permeable thin layers to electrically isolate at least on one side of the thin-film membrane. To increase the proton current through the membrane, it can be advantageous to prepare it differently with regard to its electrochemical potential.
- the electrode on the cathode side should be more noble than the electrode on the anode side.
- the protons are drawn coulombically from the anode through the thin-film membrane to the cathode.
- the potential difference and thus the proton current through the thin film membrane can also be varied. If the thin-film membrane is electrically insulated on both sides, the potential difference between the anode and cathode is only determined by the two electrodes, otherwise the thin-film membrane contributes to the size of the potential.
- the thin-film membrane is also characterized by the fact that it cannot significantly penetrate hydrogen molecules, oxygen molecules or oxygen ions. This means that the particle flow of the aforementioned types of particles through the membrane is negligibly small compared to the proton flow.
- the thin-film membrane thicknesses are in the range from 5 to 200 ⁇ m.
- the fuel cell 1 comprises a proton-conducting membrane 2 as an electrolyte, in the form of a crystalline or polycrystalline thin-film membrane.
- the membrane 2 is covered on both sides by catalyst layers 3.
- Gas-permeable electrodes in the form of an anode 4 and cathode 5 rest on the outwardly facing surface of the catalyst layers 3.
- the electrically conductive plates 6 delimit the fuel cell on the ground or cathode side, these plates with the gas-permeable electrodes having a structural design Form unity.
- the membrane 2 here comprises a layer 7 made of a metallic material in conjunction with an electrically insulating layer 8 arranged on one side.
- the layer 7 can be designed as a film.
- the electrically insulating layer 8 is preferably perforated for the purpose of gas permeability.
- the metallic material for the layer 7 consists of Fe, Co, Ni, Al, Ag, Au or Cu and / or its alloys and / or oxides.
- a metallic material based on Ag is of particular importance.
- the membrane 2 can also consist of at least one layer made of a non-metallic material based on silicon and / or its oxides and / or glass, the layer being designed in particular as a disk.
- the figure also shows the electrochemical reaction sequence of a fuel cell with the following partial sequences:
- Air is usually sufficient as an oxygen supplier.
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle (1), umfassend wenigstens folgende Bauteile: eine protonenleitende Membran (2) als Elektrolyt; Katalysatorschichten (3), die beiderseits die Membran (2) überdecken; gasdurchlässige Elektroden in Form einer Anode (4) und Kathode (5), die an der nach aussen weisenden Oberfläche der Katalysatorschichten (3) anliegen; elektrisch leitfähige Platten (6), welche die Elektroden in dicht benachbarten Abständen elektrisch leitend berühren und gemeinsam mit den Elektroden gasführende Kanäle begrenzen; sowie Gasanschlüsse für die Zufuhr von Wasserstoff (H2) einerseits und Sauerstoff (O2) andererseits. Die erfindungsgemässe Brennstoffzelle (1) zeichnet sich dadurch aus, dass die Membran (2) eine kristalline oder polykristalline Dünnschichtmembran ist. Vorzugsweise besteht die Dünnschichtmembran aus wenigstens einer Schicht (7) aus einem metallischen Werkstoff in Verbindung mit wenigstens einer elektrisch isolierenden Schicht (8).
Description
Brennstoffzelle
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, umfassend wenigstens folgende Bauteile:
- eine protonenleitende Membran als Elektrolyt;
- Katalysatorschichten, die beiderseits die Membran überdecken;
- gasdurchlässige Elektroden in Form einer Anode und Kathode, die an der nach außen weisenden Oberfläche der Katalysatorschichten anliegen;
- elektrisch leitfähige Platten, welche die Elektroden in dicht benachbarten Abständen elektrisch leitend berühren und gemeinsam mit den Elektroden gasführende Kanäle begrenzen; sowie
- Gasanschlüsse für die Zufuhr von Wasserstoff einerseits und Sauerstoff andererseits.
Eine gattungsgemäße Brennstoffzelle wird beispielsweise in folgenden Druckschriften ausführlich beschrieben, nämlich DE-A-36 40 108, DE-A-195 44 323, WO-A-94/09519, US-A-5 292 600 und in „Spektrum der Wissenschaft" (Juli 1995), Seiten 92 bis 98.
Brennstoffzellen sind elektrochemische Energieumwandler und vergleichbar mit Batteriesystemen, die chemische Energie direkt in elektrische Energie umwandeln. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass ihr thermodynamischer Wirkungsgrad höher ist als vergleichsweise bei Systemen, die mittels Verbrennung chemische Energie indirekt in elektrische Energie umwandeln.
Der Prozess läuft so ab, dass Wasserstoff katalytisch auf der Anodenseite der Brennstoffzelle ionisiert wird, die Elektronen als Nutzstrom auf die Katodenseite wandern und die Wasserstoffkerne durch die Membran zur Kathode diffundieren. Dort
rekombinieren Wasserstoffkerne, Elektronen und Sauerstoffatome zu Wasser, auch Prozesswasser genannt.
Derzeit werden häufig Kunststoffmembranen in Brennstoffzellen eingesetzt. Die diesbezüglichen Werkstoffe sind insbesondere Polysulfone (DE-A-198 09 119), thermoplastische Polyetherketone und Polytetrafluorethylen mit sulfonischen Perfluorvinylether-Seitenketten (Nafion 117-DuPont). Nachteilig ist, dass die Protonenleitfähigkeit dieser Werkstoffe stark abhängig ist von der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle.
Ferner gibt es Membranen, die zur Protonenleitung ein permanentes Vorhandensein von Wasser benötigen. Damit ist die Protonenleitfähigkeit an die Beweglichkeit der Wassermoleküle gebunden und damit u.a. von der Umgebungstemperatur abhängig. Bei Temperaturen unter dem Trippelpunkt von Wasser (4°C) sind derzeitige Membranen nicht protonenleitend. Hinzu kommt eine aufwendige apparative Wiederbefeuchtungstechnik der Membran.
Mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle gemäß Kennzeichen des Patentanspruches 1 unter Verwendung einer kristallinen oder polykristallinen Dunnschichtmembran wird ein neuer werkstoffmäßiger Weg beschritten, verbunden mit einer hohen Effizienz der Protonenleitfähigkeit bei gleichzeitig technisch einfacher und kostengünstiger Herstellung.
Eine polykristalline Struktur ist dabei aus mindestens zwei Einkristallen gebildet.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle sind in den Patentansprüchen 2 bis 13 genannt.
Die kristalline oder polykristalline Dunnschichtmembran transportiert die Protonen (Wasserstoffkerne) durch die Kanäle eines Festkörpergitters (Channeling), welches um so besser funktioniert, je geringer die Schwingungsamplitude der Festkörperatome um ihrer Gitterposition und damit je geringer die Umgebungstemperatur ist. Eine Wiederbefeuchtung entfällt bei diesen Dünnschichtmembranen gänzlich. Metallische Dünnschichtmembranen sind auf Grund ihrer elektrischen Leitfähigkeit zweckmäßigerweise mittels siebartiger bzw. gasdurchlässiger dünner Schichten
mindestens auf einer Seite der Dunnschichtmembran elektrisch zu isolieren. Zur Erhöhung des Protonenstroms durch die Membran kann es vorteilhaft sein, diese hinsichtlich ihres elektrochemischen Potentials unterschiedlich zu präparieren. Die Elektrode auf der Kathodenseite sollte edler als die Elektrode auf der Anodenseite sein. Hierdurch werden die Protonen coulombsch von der Anode durch die Dunnschichtmembran zur Kathode gezogen. Durch das Kontaktieren oder Nichtkontaktieren der Dunnschichtmembran mit einer der beiden Elektroden kann zusätzlich die Potentialdifferenz und damit der Protonenstrom durch die Dunnschichtmembran variiert werden. Wird die Dunnschichtmembran beiderseits elektrisch isoliert, wird die Potentialdifferenz zwischen Anode und Kathode nur von den beiden Elektroden bestimmt, anderenfalls trägt die Dunnschichtmembran zur Größe des Potentials bei.
Die Dunnschichtmembran zeichnet sich des Weiteren dadurch aus, dass sie weder Wasserstoffmoleküle noch Sauerstoffmoleküle oder Sauerstoffionen signifikant durchdringen können. Das heißt, der Teilchenstrom eben genannter Teilchenarten durch die Membran ist verglichen mit dem Protonenstrom vernachlässigbar klein.
Durch Variation der Schichtdicke der Dunnschichtmembran kann Einfluss auf Strukturfestigkeit, Ermüdungsbeständigkeit, Lebensdauer und Abrieb (Migration) genommen werden. Die Dünnschichtmembranstärken liegen im Bereich von 5 bis 200 μm.
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf eine schematische Zeichnung erläutert.
Nach der einzigen Figur umfasst die Brennstoffzelle 1 eine protonenleitende Membran 2 als Elektrolyt, und zwar in Form einer kristallinen oder polykristallinen Dunnschichtmembran. Die Membran 2 wird dabei beiderseits von Katalysatorschichten 3 überdeckt. An der nach außen weisenden Oberfläche der Katalysatorschichten 3 liegen gasdurchlässige Elektroden in Form einer Anode 4 und Kathode 5 an. Die elektrisch leitfähigen Platten 6 begrenzen die Brennstoffzelle anöden- bzw. kathodenseitig, wobei diese Platten mit den gasdurchlässigen Elektroden eine bauliche
Einheit bilden. Ferner sind Gasanschlüsse für den Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) vorhanden.
Die Membran 2 umfasst hier eine Schicht 7 aus einem metallischen Werkstoff in Verbindung mit einer einseitig angeordneten elektrisch isolierenden Schicht 8. Die Schicht 7 kann dabei als Folie ausgebildet sein. Die elektrisch isolierende Schichte 8 ist vorzugsweise perforiert, und zwar zwecks Gasdurchlässigkeit.
Der metallische Werkstoff für die Schicht 7 besteht aus Fe, Co, Ni, AI, Ag, Au oder Cu und/oder dessen Legierungen und/oder Oxide. Von besonderer Bedeutung ist ein metallischer Werkstoff auf der Basis von Ag.
Die Membran 2 kann auch aus wenigstens einer Schicht aus einem nichtmetallischen Werkstoff auf der Basis von Silicium und/oder dessen Oxide und/oder Glas bestehen, wobei die Schicht insbesondere als Scheibe ausgebildet ist.
Mehrere Einzelzellen 1 lassen sich nun zu Zellenstapeln verschalten, wobei die Membran bei einer Schichtstärke von 5 bis 200 μm zu einem geringen Gesamtbauraum beiträgt.
Die Figur zeigt ferner den elektrochemischen Reaktionsablauf einer Brennstoffzelle mit folgenden Teilabläufen:
- erste Einzelreaktion an der Anode 4 (H2 → 2H+ + 2e);
- Protonenwanderung durch die Membran 2;
- Elektronenfluss über einen äußeren Stromkreis 9, der mit einem elektrischen Verbraucher 10 in Verbindung steht;
- zweite Einzelreaktion an der Kathode 5 (2H+ + 2e + 1/2O2 - H2O).
Da es zu teuer wäre, das vorhandene Tankstellennetz durch ein Wasserstoffnetz zu ersetzen, geht die Entwicklung dahin, den Wasserstoff direkt an Bord des Autos zu
erzeugen, vorzugsweise aus Methanol, das sich leicht aus Erdgas oder auch aus nachwachsenden Rohstoffen gewinnen lässt und das wie Benzin getankt werden kann. Dazu ist ein Reformierungsreaktor als eine kleine Chemieanlage nötig. Ferner ist die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle mit internem Reformer unter Verwendung einer Reformerschicht bekannt (DE-A-199 45 667).
Als Sauerstofflieferant genügt zumeist die Luft.
Bezugszeichenliste
1 Brennstoffzelle (Einzelzelle)
2 protonenleitende Membran (Dunnschichtmembran)
3 Katalysatorschicht
4 Elektrode (Anode)
5 Elektrode (Kathode)
6 elektrisch leitfähige Platte (bipolare Platte)
7 Schicht aus metallischem Werkstoff
8 elektrisch isolierende Schicht
9 äußerer Stromkreis
10 elektrischer Verbraucher p Proton (H+) e Elektron
Claims
1. Brennstoffzelle (1 ), umfassend wenigstens folgende Bauteile:
- eine protonenleitende Membran (2) als Elektrolyt;
- Katalysatorschichten (3), die beiderseits die Membran (2) überdecken;
- gasdurchlässige Elektroden in Form einer Anode (4) und Kathode (5), die an der nach außen weisenden Oberfläche der Katalysatorschichten (3) anliegen;
- elektrisch leitfähige Platten (6), welche die Elektroden in dicht benachbarten Abständen elektrisch leitend berühren und gemeinsam mit den Elektroden gasführende Kanäle begrenzen; sowie
- Gasanschlüsse für die Zufuhr von Wasserstoff einerseits und Sauerstoff andererseits;
dadurch gekennzeichnet, dass
- die Membran (2) eine kristalline oder polykristalline Dunnschichtmembran ist.
2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Dunnschichtmembran (2) ein System aus einem metallischen und einem elektrisch isolierenden Werkstoff ist, wobei wenigstens der metallische Werkstoff kristallin oder polykristallin ist.
3. Brennstoffzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dunnschichtmembran (2) aus wenigstens einer Schicht (7) aus einem metallischen Werkstoff in Verbindung mit wenigstens einer elektrisch isolierenden Schicht (8) besteht.
4. Brennstoffzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (7) aus metallischem Werkstoff einseitig mit wenigstens einer elektrisch isolierenden Schicht (8) versehen ist.
5. Brennstoffzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (7) aus metallischem Werkstoff beidseitig mit wenigstens einer elektrisch isolierenden Schicht (8) versehen ist.
6. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (7) aus metallischem Werkstoff als Folie ausgebildet ist.
7. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende Schicht (8) perforiert ist, und zwar zwecks Glasdurchlässigkeit.
8. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Werkstoffe aus Fe, Co, Ni, AI, Ag, Au oder Cu und/oder dessen Legierungen und/oder Oxide besteht.
9. Brennstoffzelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis des metallischen Werkstoffes Ag ist.
10. Brennstoffzelle nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Dunnschichtmembran (2) aus wenigstens einer Schicht aus einem nichtmetallischen Werkstoff auf der Basis von Silicium und/oder dessen Oxide und/oder Glas besteht.
11. Brennstoffzelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus nichtmetallischem Werkstoff als Scheibe ausgebildet ist.
12. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Dunnschichtmembran (2) mehrschichtig in Form eines Sandwich- Systems ausgebildet ist.
3. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Dunnschichtmembran (2) eine Schichtstärke von 5 bis 200 μm aufweist.
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