WO2003019706A2 - Membranbrennstoffzelle - Google Patents

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WO2003019706A2
WO2003019706A2 PCT/EP2002/009342 EP0209342W WO03019706A2 WO 2003019706 A2 WO2003019706 A2 WO 2003019706A2 EP 0209342 W EP0209342 W EP 0209342W WO 03019706 A2 WO03019706 A2 WO 03019706A2
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WO
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membrane
fuel cell
cell according
electrolyte
membrane fuel
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Raimund STRÖBEL
Dominique Tasch
Kai Lemke
Markus Lemm
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Reinz Dichtungs GmbH
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • 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 membrane fuel cell consisting of an ion-conducting membrane which is arranged between two electrodes provided with catalytic reaction layers, the membrane having at least one cavity which is filled with an electrolyte.
  • the invention further relates to a method for operating such a fuel cell.
  • Membrane fuel cells consist of an ion-conducting membrane which is arranged between two electrodes provided with catalytic reaction layers. Diffusion layers and gas distribution structures are provided in the fuel cells to distribute the gases required for the reaction.
  • the catalytic reaction layers on the anode side of the fuel cell are e.g. Hydrogen or methanol and oxygen and / or air supplied on the cathode side.
  • the hydrogen or methanol oxidizes to protons, which migrate through the membrane to the cathode side and react there with the oxygen and with the electrons returned via the external load circuit to water.
  • the proton conductivity of the membrane is a function of the equivalent weight, the temperature and the water content of the membrane.
  • the water content of the membrane therefore plays a central role in the operational design of the fuel cell.
  • the water management must aim for the best possible swelling of the membrane by appropriately moistening the reaction gases.
  • the water management must be designed in such a way that the water of reaction is removed and thus an adequate gas supply to the reaction layers is ensured. A great deal of effort in the form of pumps, heat exchangers and the like is therefore necessary in order to remedy this. In practice, the performance-oriented design of water management proves to be complicated and difficult.
  • the object of the present invention is therefore to propose a membrane fuel cell in which an improved moistening of the membrane is achieved to achieve a high stable performance, and to provide a method for operating a fuel cell.
  • the membrane with at least one cavity, the cavity of the membrane being filled with an aqueous electrolyte. Because the membrane is constantly in contact with an aqueous electrolyte, the polymer membrane is optimally moistened. It was particularly surprising that tact of the electrolyte with the polymer membrane no interference with respect to the proton transport took place.
  • a divided membrane is used.
  • the membrane is divided in the area or two separate partial membranes are used. It is possible here to use a division into two, a division into three or else a membrane divided several times, the respective cavities containing an aqueous electrolyte.
  • a two-part membrane is preferably used.
  • a two-part sub-membrane is understood to mean an arrangement in which one sub-membrane bears against at least one electrode, so that a cavity which is filled with electrolyte is spanned between the two membrane parts.
  • the partial membrane with the electrodes preferably forms a membrane electrode assembly (membrane electrode assembly, MEA). It is also possible for one or more sub-membranes to be in contact with electrodes on both sides.
  • the fuel cell it is necessary for the fuel cell to be sealed to the outside, at least in the area of the MEA, with the cavities by a frame.
  • This is preferably an acid-resistant frame which has corresponding bores for the supply and discharge of the electrolyte.
  • an electrolyte distribution structure is arranged in the cavities themselves.
  • an electrolyte distribution structure understood a structure which on the one hand contributes to stabilization, that is to say that it supports the two membrane halves against one another and presses the membrane against the electrodes, and on the other hand that the formation of the electrolyte distribution structure ensures that the electrolyte is distributed over the entire surface of the membrane.
  • One embodiment for this is in the form of an acid-resistant support fabric.
  • the electrolyte distribution structure is in the form of a porous glass.
  • the porous glass of this electrolyte distribution structure is designed in such a way that it has at least one channel which is connected to the cavities of the porous glass, so that the cavities can communicate with the channel.
  • this embodiment now ensures that, on the one hand, mechanical stabilization is achieved and, on the other hand, that the porous glass ensures a uniform distribution of the electrolyte over the partial membrane. Because the at least one channel of the porous glass is connected to the cavities of the porous glass, the electrolyte can be uniformly distributed over the porous glass and thus also over the partial membrane.
  • the invention also includes all further embodiments in which electrolyte distribution structures are provided, provided the objectives are met, namely mechanical stabilization, high and uniform contact pressure and uniform distribution of the electrolyte on the membrane.
  • electrolyte distribution structures are provided, provided the objectives are met, namely mechanical stabilization, high and uniform contact pressure and uniform distribution of the electrolyte on the membrane.
  • the partial membrane each have a thickness of 10 ⁇ m to 250 ⁇ m. It is not necessary for the membrane parts to have the same thickness. Depending on the requirement profile, the partial membranes can have the same thickness or different thicknesses.
  • the partial membrane has an area of 5-1500, preferably 5-500 cm 2 .
  • the membrane portions should preferably have a distance of 5 ⁇ m to 10 mm.
  • a further embodiment of the invention proposes that the membrane has a plurality of cavities which are connected to one another.
  • An example of such an embodiment is an air mattress-like design of the membrane.
  • the membrane itself consists of cavities communicating with one another. 'This embodiment is thus implemented in the membrane itself trolyten the requirements of stabilization and the distribution of the electron.
  • the fuel cell is sealed from the outside with an acid-proof frame and that corresponding supply and discharge lines for the operation of the fuel cell are arranged in this frame for sealing.
  • the invention also includes the embodiment in which a capillary system of tubes is integrated in the membrane.
  • the cavity is thus formed by the tube system.
  • the advantage here is that in this case it is a "self-sucking" system. Through the capillary Sucked water from a reservoir to compensate for any loss of water in the electrolyte.
  • the aqueous electrolyte which is located in the at least one cavity, can be pressurized. As a result, there is a significant possibility of influencing the wetting of the membrane.
  • Suitable electrolytes for the membrane fuel cell according to the invention are aqueous solutions of an acid.
  • examples include sulfuric acid, phosphoric acid, organic acids, sulfonic acids, sulfonated fluoropolymer (Nafion ® ) and / or nitric acid.
  • membranes known per se from the prior art can be used as the membrane for the fuel cell according to the invention.
  • Proton-conducting membranes are preferred.
  • the invention as described above naturally also includes the embodiment in which the membrane fuel cell according to the invention is connected in series in the form of a fuel cell stack.
  • the individual cells are connected to integrated gas distribution structures via bipolar plates.
  • the invention further relates to a method for operating the fuel cell described above.
  • the Electrolyte is preferably continuously pumped through the fuel cell according to the invention. Because the electrolyte can be pressurized at the same time, there are various possibilities for influencing the wetting of the membrane. On the one hand the pressure and the flow rate can be varied, on the other hand a targeted influence can be exerted by selecting the acid or the acid strength. It is also advantageous that the water content of the aqueous electrolyte can be regulated. Depending on the acid concentration of the electrolyte, there may be an under or overflow of water during operation. This can be compensated for by adding or reducing the water. Another embodiment of the invention
  • the method suggests that the electrolyte is not only pumped through the cavity, but that cooling takes place outside the fuel cell at the same time, so that the electrolyte can also be used in a cooled form as a coolant for the fuel cell. It is also possible to cool the electrolyte below 0 ° C. since the freezing point is lowered by the aqueous electrolyte. This enables a cold start of the cell.
  • a particular advantage results from the design in which one / more partial membranes are / are in contact on both sides with catalytically active electrodes.
  • One or more electrodes facing the electrolyte space allow reaction products or fuel, in particular alcohols (or hydrocarbons) that have passed through a partial membrane to be incompletely converted, to be reacted chemically or electrochemically.
  • the energy obtained can also be used, and thus the efficiency of the Fuel cell to be increased.
  • FIG. 1 shows a schematic drawing of a membrane fuel cell according to the invention
  • Fig. 3 shows a further embodiment with a porous glass as a support fabric.
  • Fig. 4 shows an embodiment with a self-sucking structure.
  • FIG. 1 schematically shows the basic structure of a membrane fuel cell according to the invention.
  • the embodiment is shown in Fig. 1, is a membrane fuel cell, which is provided for a membrane fuel cell stack '. 1 relates to a so-called two-part membrane. The membrane is therefore in two sub-membranes 5, 6. Both sub-membranes 5, 6 are designed as a so-called membrane electrode assembly (MEA). The electrode material is thus already applied to the two sub-membranes.
  • an acid-resistant support fabric 7 is provided as the electrolyte distribution structure in order to stabilize and distribute the electrolyte liquid. Through the cavity 2, the electrolyte liquid is the pump 13 is pumped with the ring line 16.
  • the ring line 16 is connected to the cavity via the supply and discharge lines 3 and 4.
  • An additional sealing frame 17 is provided for better sealing of the inlet 3 or outlet 4.
  • Embodiment according to FIG. 1 additionally has a heat exchanger 12, and a feed line 18 with which water can additionally be supplied to the electrolyte in order to achieve any desired water regulation.
  • the embodiment according to FIG. 1 further shows, as is known per se from the prior art, the gas diffusion layer 19 and the bipolar plate with the gas distribution structure 20.
  • the electrolyte distribution structure is designed in the form of a meandering support fabric.
  • This meandering support fabric 21 has teeth that interlock. This now ensures that a targeted moistening over the entire surface of the membrane electrode unit 5, 6 is achieved by the forced guidance of the electrolyte.
  • FIG. 3 shows the embodiment in which a porous glass 22 has been used as the electrolyte distribution structure.
  • Fig. 4 shows another embodiment in which a self-sucking "system" has been implemented.
  • This electrolyte distribution structure 23 is designed in the form of channels, so that the electrolyte solution is guided to the membrane electrode part units 5, 6 by the suction effect.
  • the fuel cell according to the invention only has a feed 24 with which the electrolyte solution is led from a reservoir to the sub-membranes.
  • the access for the supply line 24 is sealed with a sealing frame 17.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Membranbrennstoffzelle bestehend aus einer ionenleitenden Membran, die zwischen zwei mit katalytischen Reaktionsschichten versehenen Elektroden angeordnet ist, Diffusionsschichten sowie Gasverteilerstrukturen, wobei die Membran mindestens einen mit einem wässrigen Elektrolyten gefüllten Hohlraum (2) aufweist und dass dieser Hohlraum (2) mit mindestens einer Zu- und/oder Ableitung (3, 4) für den wässrigen Elektrolyten verbunden ist.

Description

Me branbrennstoffzelle
Die Erfindung betrifft eine Membranbrennstoffzelle bestehend aus einer ionenleitenden Membran die zwi- sehen zwei mit katalytischen Reaktionsschichten versehenen Elektroden angeordnet ist, wobei die Membran mindestens einen Hohlraum aufweist, der mit einem Elektrolyten gefüllt ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben- einer derartigen Brennstoffzelle.
Membranbrennstoffzellen bestehen aus einer ionenleitenden Membran die zwischen zwei mit katalytischen Reaktionsschichten versehenen Elektroden angeordnet Ist. Zur Verteilung der für die Reaktion benötigten Gase sind bei den Brennstoffzellen Diffusionsschichten sowie Gasverteilerstrukturen vorgesehen.
Den katalytischen Reaktionsschichten werden auf der Anodenseite der Brennstoffzelle z.B. Wasserstoff oder Methanol und auf der Kathodenseite Sauerstoff und/oder Luft zugeführt. Der Wasserstoff oder das Methanol oxidiert zu Protonen, welche durch die Membran zur Kathodenseite wandern und dort mit dem Sauerstoff und mit den über den äußeren Laststromkreis rückgeführten Elektronen zu Wasser reagieren.
Die Protonenleitfähigkeit der Membran ist dabei eine Funktion des Äquivalentgewichtes, der Temperatur und des Wassergehaltes der Membran. Der Wassergehalt der Membran nimmt deshalb eine zentrale Stellung in der Betriebsauslegung der Brennstoffzelle ein. Das Was- sermangement muß die bestmögliche Quellung der Membran durch eine entsprechende Befeuchtung der Reaktionsgase anstreben. Weiterhin muß das Wassermanagement so ausgerichtet sein, daß der Abtransport des Reaktionswassers erfolgt und damit eine ausreichende Gas- Versorgung der Reaktionsschichten gewährleistet ist. Es ist deshalb ein großer Aufwand in Form von Pumpen, Wärmetauscher und dergleichen nötig, um hier Abhilfe zu schaffen. In der Praxis erweist sich daher die leistungsorientierte Auslegung des Wassermanagements als kompliziert und schwierig.
Es ist deshalb für die Aufrechterhaltung von leistungsfähigen Brennstoffzellen unerläßlich, daß der Feuchtehaushalt der Membrane ausgeglichen wird.
Eine Lösung ist in M. Watanbe et al., J. Electrochem. Soc, Vol 140, No. 11, Nov. 1993, p.3190, beschrieben. Darin wird vorgeschlagen, den Feuchtehaushalt durch Einbau eines Dochtes in die Polymermembran zu ver- bessern. Nach dieser Lösung wird somit über den Docht Feuchte der Polymermembran zugeführt . Eine ähnliche Lösung ist im US-Patent 5,952,119 beschrieben. Auch darin wird vorgeschlagen, den Feuchtehaushalt über Dochte zu erhöhen. In diesem Falle sind aber die Dochte nicht in die Membran als solche eingelagert, sondern um die GasverteilerStrukturen gewickelt .
Das US-Patent 6,066,408 beschreibt eine Lösung bei dem der Feuchtehaushalt durch spezielle Flußkanäle geregelt wird.
Es hat sich jedoch gezeigt, daß alle diese Maßnahmen noch nicht zu einer befriedigenden Lösung im Hinblick auf eine stabile hohe Leistung der Membranbrennstoff- zelle geführt haben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Membranbrennstoffzelle vorzuschlagen, bei der eine verbesserte Befeuchtung der Membran zur Erzie- lung einer hohen stabilen Leistung erreicht wird, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle anzugeben.
Die Aufgabe wird in bezug auf die Brennstoffzelle durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 in bezug auf das Verfahren durch die Merkmale des Anspruchs 16 gelöst. Die ünteransprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.
Erfindungsgemäß wird somit vorgeschlagen, die Membran mit mindestens einem Hohlraum zu versehen, wobei der Hohlraum der Membran mit einem wäßrigen Elektrolyten gefüllt ist. Dadurch, daß nun die Membran mit einem wäßrigen Elektrolyten dauernd in Kontakt steht, er- gibt sich eine optimale Durchfeuchtung der Polymer- membran. Besonders überraschend war es, daß beim Kon- takt des Elektrolyten mit der Polymermembran keine Beeinträchtigung in bezug auf den Protonentransport erfolgte.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist es besonders bevorzugt, wenn eine geteilte Membran verwendet wird. Die Membran wird hierzu in der Fläche geteilt bzw. es werden zwei separate Teilmembrane verwendet. Es ist hierbei möglich, eine Zweiteilung, Dreiteilung oder auch eine mehrfach geteilte Membran einzusetzen, wobei die jeweiligen Hohlräume einen wäßrigen Elektrolyten enthalten.
Bevorzugt wird eine zweigeteilte Membran verwendet. Erfindungsgemäß wird unter einer zweigeteilten Teilmembran eine Anordnung verstanden, bei der jeweils eine Teilmembran an mindestens einer Elektrode anliegt, so daß zwischen den beiden Membranteilen ein Hohlraum aufgespannt wird, der mit Elektrolyt gefüllt ist. Die Teilmembran mit den Elektroden bildet bevorzugt eine Membran-Elektroden-Einheit (Membrane- Electrode-Assembly, MEA) . Es ist auch möglich, daß eine/mehrere Teilmembranen beidseitig mit Elektroden in Kontakt steht/stehen.
In diesen Fällen ist es erforderlich, daß die Brennstoffzelle nach außen, mindestens im Bereich der MEA mit den Hohlräumen durch einen Rahmen abgedichtet ist. Bevorzugt handelt es sich hierbei um einen säu- refesten Rahmen, der entsprechende Bohrungen für die Zu- und Ableitung des Elektrolyten aufweist.
Bei der Ausführungsform mit der zweigeteilten Membran ist es weiterhin günstig, wenn in den Hohlräumen selbst eine Elektrolytverteilungsstruktur angeordnet ist. Unter einer Elektrolytverteilungsstruktur wird eine Struktur verstanden, die einerseits zur Stabilisierung beiträgt, d.h. daß sie die beiden Membranhälften gegeneinander abstützt und die Membran an die Elektroden andrückt und zum anderen, daß durch die Ausbildung der Elektrolytverteilungsstruktur eine möglichst ganzflächige Verteilung des Elektrolyten auf die Membrane sichergestellt wird.
Eine Ausführungsform hierfür ist in Form eines säure- festen Stützgewebes ausgebildet.
Eine weitere Ausführungsform schlägt vor, daß die Elektrolytverteilungsstruktur in Form eines porösen Glases ausgebildet ist. Das poröse Glas dieser Elek- trolytverteilungsstruktur ist dabei so ausgelegt, daß es mindestens einen Kanal aufweist, der mit den Hohlräumen des porösen Glases in Verbindung steht, so daß die Hohlräume mit dem Kanal kommunizieren können. Insbesondere diese Ausführungsform stellt nun sicher, daß einerseits eine mechanische Stabilisierung erreicht wird und daß andererseits durch das poröse Glas eine gleichmäßige Verteilung des Elektrolyten auf die Teilmembrane gewährleistet wird. Dadurch, daß der mindestens eine Kanal des porösen Glases mit den Hohlräumen des porösen Glases in Verbindung steht, kann die gleichmäßige Verteilung des Elektrolyten über das poröse Glas und damit auch auf die Teilmembrane erfolgen.
Die Erfindung schließt auch alle weiteren Ausführungsformen ein, bei denen Elektrolytverteilungsstrukturen vorgesehen sind, sofern die Ziele erfüllt sind, nämlich mechanische Stabilisierung, hoher und gleichmäßiger Anpreßdruck und gleichmäßige Verteilung des Elektrolyten auf die Membran. Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform mit der zweigeteilten Membran hat es sich gezeigt, daß es günstig ist, wenn die Teilmembrane je eine Dicke von 10 μm bis 250 μm aufweisen. Es ist hierbei nicht er- forderlich, daß die Membranteile gleich dick sind. Die Teilmembrane können je nach Anforderungsprofil gleiche Dicken aufweisen oder auch unterschiedliche Dicken.
Bevorzugt ist es weiterhin, wenn die Teilmembrane eine Fläche von 5-1500, bevorzugt 5-500 cm2 besitzen. Die Membranteile sollen dabei bevorzugt einen Abstand von 5 μm bis 10 mm besitzen.
Neben der geteilten Membran schlägt eine weitere Ausführungsform der Erfindung vor, daß die Membran mehrere Hohlräume aufweist, die miteinander in Verbindung stehen. Als Beispiel einer derartigen Ausführungsform ist eine luftmatrazenartige Ausbildung der Membrane zu nennen. Für diesen Fall ist vorgesehen, daß die Membrane selbst aus miteinander kommunizierenden Hohlräumen besteht.' Diese Ausführungsform verwirklicht somit bei der Membran selbst die Erfordernisse der Stabilisierung und der Verteilung des Elek- trolyten. Auch hierbei ist vorgesehen, daß die Brennstoffzelle nach außen hin mit einem säurefesten Rahmen abgedichtet ist und daß in diesem Rahmen zur Abdichtung entsprechende Zu- bzw. Ableitungen für den Betrieb der Brennstoffzelle angeordnet sind.
Die Erfindung umfaßt auch die A sführungsform bei der in der Membran ein kapillares System von Röhren integriert ist. Der Hohlraum wird somit in diesem Fall durch das Röhrensystem gebildet. Vorteilhaft hierbei ist, daß es sich in diesem Fall um ein "selbstsaugendes" System handelt. Durch die Kapillare wird dabei aus einem Reservoir Wasser gesaugt, um einen eingetretenen Wasserverlust des Elektrolyten auszugleichen.
Wesentlich bei der erfindungsgemäßen Membranbrenn- stoffzelle ist weiterhin, daß der wäßrige Elektrolyt, der sich in dem mindestens einem Hohlraum befindet, mit Druck beaufschlagt werden kann. Dadurch besteht eine wesentliche Einflußnahmemöglichkeit auf die Durchfeuchtung der Membran.
Geeignete Elektrolyte für die erfindungsgemäße Membranbrennstoffzelle sind wäßrige Lösungen einer Säure. Beispiele hierfür sind Schwefelsäure, Phosphor- säure, organische Säuren, Sulfonsäuren, sulfoniertes Fluorpolymer (Nafion®) und/oder Salpetersäure.
Als Membran für die erfindungsgemäße Brennstoffzelle können alle an und für sich aus dem Stand der Technik bisher bekannten Membrane eingesetzt werden. Bevorzugt sind protonenleitende Membrane.
Die Erfindung wie vorstehend beschrieben, umfaßt selbstverständlich auch die Ausführungsform, bei der die erfindungsgemäße Membranbrennstoffzelle in Form eines Brennstoffzellen-Stack hintereinander geschaltet ist. In diesem Fall sind dann, wie aus dem Stand der Technik bekannt, die einzelnen Zellen über Bipolarplatten mit integrierten Gasverteilungsstrukturen verbunden.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben der vorstehend beschriebenen Brennstoffzelle.
Erfindungsgemäß ist es danach vorgesehen, daß der Elektrolyt durch die erfindungsgemäße Brennstoffzelle bevorzugt kontinuierlich, gepumpt wird. Dadurch, daß gleichzeitig der Elektrolyt mit Druck beaufschlagt werden kann, bestehen vielfältige Möglichkeiten zur Einflußnahme auf die Durchfeuchtung der Membran. Einerseits kann der Druck und die Durchflußgeschwindigkeit variiert werden, andererseits kann durch Auswahl der Säure bzw. der Säurestärke wiederum eine gezielte Einflußnahme ausgeübt werden. Vorteilhaft ist weiter- hin, daß der Wassergehalt des wäßrigen Elektrolyten geregelt werden kann. Je nach Säurekonzentration des Elektrolyten kann es beim Betrieb zu einem Wasserunter- oder Überfluß kommen. Dieser kann durch Zufuhr oder Reduktion des Wassers ausgeglichen werden. Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens schlägt vor, daß der Elektrolyt nicht nur durch den Hohlraum gepumpt wird, sondern daß gleichzeitig außerhalb der Brennstoffzelle eine Abkühlung erfolgt, so daß der Elektrolyt in abgekühlter Form gleichzeitig noch als Kühlmittel für die Brennstoffzelle verwendet werden kann. Es ist auch möglich, den Elektrolyten unter 0 °C abzukühlen, da durch den wäßrigen Elektrolyten eine Gefrierpunkterniedrigung eintritt. Dadurch wird ein Kaltstart der Zelle möglich.
Ein besonderer Vorteil ergibt sich durch die Ausführung in denen eine/mehrere Teilmembranen in beidsei- tig mit katalytisch aktiven Elektroden in Kontakt steht/stehen. Durch eine/mehrere dem Elektrolytraum zugewandte Elektrode können Reaktionsprodukte bzw. Brennstoff, im Besonderen Alkohole (bzw. Kohlenwasserstoffe) , die unvollständig umgesetzt eine Teilmembran passiert haben, chemisch oder elektrochemisch weiter umgesetzt werden. In entsprechend ausgearbei- teter Anordnung kann die dabei gewonnene Energie ebenfalls genutzt werden, und so die Effizienz der Brennstoffzelle gesteigert werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 4 näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine SchemaZeichnung einer erfindungsgemäßen Membranbrennstoffzelle,
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform mit einer spezi- eilen Stützgewebe-Verteilerstruktur,
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform mit einem porösen Glas als Stützgewebe.
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform mit einer selbstsaugenden Struktur.
Fig. 1 zeigt schematisch den grundsätzlichen Aufbau einer erfindungsgemäßen Membranbrennstoffzelle.
Die Ausführungsform die in Fig. 1 gezeigt ist, ist eine Membranbrennstoffzelle, die' für einen Membranbrennstoffzellen-Stack vorgesehen ist. Die Ausführungsform nach Fig. 1 betrifft eine sogenannte zwei- geteilte Membran. Die Membran liegt demnach in zwei Teilmembranen 5, 6 vor. Beide Teilmembrane 5, 6 sind als sogenannte Membrane-Electrode-Assembly (MEA) ausgebildet. Auf den beiden Teilmembranen ist somit be-^ reits das Elektrodenmaterial aufgebracht. Zwischen den beiden Teilmembranen 5, 6 spannt sich ein Hohlraum 2 auf, der mit einer nicht dargestellten Elek- trolytlösung gefüllt ist. Zur Stabilisierung und zur Verteilung der Elektrolytflüssigkeit ist bei der Ausführungsform nach Fig. 1 ein säurefestes Stützgewebe 7 als Elektrolytverteilungsstruktur vorgesehen. Durch den Hohlraum 2 wird die Elektrolytflüssigkeit mittels der Pumpe 13 mit der Ringleitung 16 gepumpt. Die Ringleitung 16 steht dabei über die Zu- und Ableitung 3 und 4 mit dem Hohlraum in Verbindung. Zur besseren Abdichtung des Zuganges 3 bzw. Abganges 4 ist noch ein zusätzlicher Dichtungsrahmen 17 vorgesehen. Die
Ausführungsform nach Fig. 1 weist zusätzlich noch einen Wärmetauscher 12 auf, sowie eine Zuleitung 18 mit der zusätzlich Wasser dem Elektrolyt zugeführt werden kann, um eine eventuell gewünschte Wasserregelung zu erreichen. Die Ausführungsform nach Fig. 1 zeigt weiterhin, wie an und für sich aus dem Stand der Technik bekannt, die Gasdiffusionslage 19 sowie die Bipolarplatte mit der Gasverteilungsstruktur 20.
Fig. 2 zeigt nun ausschnittsweise den Aufbau einer weiteren Ausführungsform, bei der die Elektrolytverteilungsstruktur in Form eines meanderförmigen Stützgewebes ausgebildet ist. Dieses meanderförmige Stütz- gewebe 21 weist Zähne auf, die ineinandergreifen. Dadurch wird nun sichergestellt, daß durch die Zwangsführung des Elektrolyten eine gezielte Befeuchtung über die gesamte Fläche der Membranelektrodeneinheit 5, 6 erreicht wird.
Fig. 3 zeigt die Ausführungsform bei der als Elektrolytverteilungsstruktur ein poröses Glas 22 verwendet worden ist.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der ein selbstsaugendes "System" verwirklicht worden ist. Diese Elektrolytverteilungsstruktur 23 ist in Form von Kanälen ausgebildet, so daß die Elektrolytlösung durch den Saugeffekt zu den Membranelektrodenteilein- heiten 5, 6 geführt wird. In diesem Fall ist es aber ausreichend, daß die erfindungsgemäße Brennstoffzelle nur über eine Zuführung 24 verfügt, mit der aus einem Reservoir die Elektrolytlösung zu den Teilmembranen geführt wird. Selbstverständlich ist auch hier wieder vorgesehen, daß der Zugang für die Zuleitung 24 mit einem Dichtungsrahmen 17 abgedichtet ist.

Claims

Patentansprüche
1. Membranbrennstoffzelle bestehend aus einer ionenleitenden Membran, die zwischen zwei mit katalytischen Reaktionsschichten' versehenen Elektroden angeordnet ist, Diffusionsschichten sowie Gasverteilerstrukturen,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Membran mindestens einen mit einem wäßrigen Elektrolyten gefüllten Hohlraum (2) aufweist und daß dieser Hohlraum (2) mit mindestens einer Zu- und/oder Ableitung (3, 4) für den wäßrigen Elek- trolyten verbunden ist.
2. Membranbrennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran in der Fläche geteilt ist, so daß Teilmembrane (5, 6) entstehen von denen zwei Teilmembrane an den Elektrodenflächen anliegen, so daß zwischen den
Teilmembranen (5, 6) mindestens ein Hohlraum (2) entsteht, der nach außen abgedichtet und mit dem wäßrigen Elektrolyten gefüllt ist.
3. Membranbrennstoffzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran zweigeteilt ist.
4. Membranbrennstoffzelle nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilmembrane (5, 6) eine Dicke von 10 μ bis 250 μ aufweisen.
5. Membranbrennstoffzelle nach mindestens einem der Ansprüche 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran eine Fläche von 5 bis 1500 cm2 aufweist.
6. Membranbrennstoffzelle nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilmembrane (5, 6) einen Abstand von 5 μm bis 10 mm aufweisen.
7. Membranbrennstoffzelle nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Teilmembranen (5, 6) im Hohlraum eine Elektrolytverteilungsstruktur (7, 21, 22, 23) angeordnet ist.
8. Membranbrennstoffzelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrolyverteilungs- struktur ein säurefestes Stützgewebe (7) ist.
9. Membranbrennstoffzelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrolytverteilungsstruktur ein mit mindestens einem Kanal versehenes poröses Glas (22) ist, wobei der mindestens eine Kanal mit den Hohlräumen des porösen Glases kommuniziert und mit der mindestens einen Zu- und/oder Ableitung verbunden ist.
10. Membranbrennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran mehrere
Hohlräume aufweist, die miteinander in Verbindung stehen.
11. Membranbrennstoffzelle nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt aus einer wäßrigen Lösung einer Säure besteht.
12. Membranbrennstoffzelle nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Säure ausgewählt ist aus Schwefelsäure, Phosphorsäure, organische Säuren, Sulfonsäure, sulfoniertes Fluorpolymer und/oder Salpetersäure.
13. Membranbrennstoffzelle nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt im Hohlraum mit Druck beaufschlagt ist.
14. Membranbrennstoffzelle nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzelle (1) nach außen, mindestens im Bereich der Mem- bran mit den Hohlräumen, durch einen Rahmen abgedichtet ist.
15. Membranbrennstoffzelle nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran eine protonenleitende Membran ist.
16. Verfahren zum Betreiben einer Membranbrennstoffzelle nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt in dem mindestens ein Hohlraum unter Druck ge- halten wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnete, daß der wäßrige Elektrolyt durch den mindestens einen Hohlraum gepumpt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeich- net, daß der Wassergehalt des wäßrigen Elektrolyten geregelt wird.
9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 16 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt durch den Hohlraum gepumpt und außerhalb abgekühlt und als Kühlmittel zurückgeführt wird.
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