WO2006058357A2 - Mikroreaktor, insbesondere brennstoffzelle und verfahren zur herstellung - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a microreactor, in particular a fuel cell, comprising at least one anode and one cathode and an ion conducting material arranged between these electrodes.
  • the present invention furthermore relates to a method for producing a microreactor, in particular a fuel cell, comprising at least one anode and one cathode and an ion-conducting material arranged between these electrodes.
  • an ionic conductor In a microreactor, which may be used in a special case for fuel cell construction, an ionic conductor must be conductive at least for an ionic portion of an electroactive species, which may be represented, for example, as being composed of ions involved in an overall reaction. In this case, it may be necessary to supply energy in the form of electrical energy or optionally also heat in order to allow a reaction and to produce a desired product. Furthermore, it is possible to carry out voluntary reactions on catalysed electrodes to obtain electrical energy, for example in the form of a fuel cell, in particular a PEM fuel cell, an SOFC fuel cell or the like.
  • Fuel cells as a special case of a microreactor are electrochemical cells, which consist of anode, cathode and interposed solid electrolyte as ion-conducting material. In the case of a polymer solid electrolyte, it is then a PEM (polymer electrochemical) lyt membrane PEM) cell. By electrochemically reacting a fuel and an oxidizing agent on the electrodes, electrical energy can be obtained.
  • the state of the art in this case are filter press-type cells, in which a plurality of membrane-electrode units, which are separated by conductive bipolar plates, are assembled into stacks, as disclosed, for example, in US Pat. No. 4,175,165.
  • a sealing of the individual cell segments from each other takes place in this "vertical" construction by compressing the bipolar plates with the polymer membrane and sealing rings.
  • the pressing force is usually applied by screwing together the fuel cell stack.
  • a seal can also be achieved by gluing or welding the polymer membrane to the bipolar plates.
  • the present invention aims to avoid the above-mentioned problems of the known prior art and to provide a microreactor, in particular a fuel cell, which is easy to manufacture and supply. is to assemble, and provides an optimal tightness between the electrodes. Furthermore, the invention aims to provide a microreactor, in particular a fuel cell, which can be operated, in particular, without complex additional equipment.
  • a microreactor of the type mentioned is essentially characterized in that a plurality of anodes and cathodes is alternately arranged on one side of a particular solid, ion-conducting material.
  • a plurality of anodes and cathodes is provided alternately on one side of an ion conductor, the above-mentioned disadvantages of a particular stack-like design can be avoided.
  • each an anode and a cathode adjacent to one side of the ionic conductive material or provided it can be ensured, for example when used as a fuel cell, that the water required to achieve a desired ionic conductivity in each case from the reaction water of an immediately adjacent Electrode can be removed so that expensive additional facilities, as they were provided in a stacked design with an array of each same electrodes on a side surface of an ionic conductive material can be dispensed with.
  • a base plate in which the electrodes are arranged in depressions or channels arranged in particular parallel to one another and that the ion-conducting material is formed by a layer covering the base plate and the electrodes arranged in the channels, for example a membrane, a ceramic material or the like.
  • Such in particular mutually parallel recesses or channels for the arrangement of the electrodes can be not only easy to produce, but it succeeds in a further simple and reliable determination of the ion-conducting material layer, via which subsequently by diffusion of the charge and mass transfer he follows.
  • the electrodes are provided with a counterpart tiger distance which is smaller than the diffusion length of the reaction water through the ion conducting material.
  • a sufficient mass transport of the water is ensured due to the existing density gradient between the adjacent electrodes, so that additional humidifying elements, which are required for optimal operation, are dispensed with can.
  • the distance between the electrodes or the electrode receiving recesses or channels between 1 ⁇ and 1000 .mu.m, preferably between 20 .mu.m and 180 .mu.m lies, as corresponds to a further preferred embodiment of the microreactor according to the invention.
  • the dimensions of the hydrogen electrode are smaller than the dimensions of the oxygen electrode.
  • the oxygen electrode When using an oxygen electrode, it is proposed for a reliable and simple supply of the oxidizing agent, for example of atmospheric oxygen according to a further preferred embodiment, that the oxygen electrode is arranged in each case in a channel penetrating the base plate.
  • the Ion conductive material is formed by a polymer electrolyte membrane.
  • the ion-conducting material is formed by zirconia.
  • zirconia Such consisting of zirconium oxide material layer allows the production of fuel cells operating at higher temperature level, for example about 600 ° C to 1000 0 C, but these have the advantage with respect to the fuel to be critical, and, if a catalyst It is necessary with a low-cost catalyst, such as nickel, to be able to find the Aus Siemens can.
  • the ion-conducting material has a thickness between 1 .mu.m and 20 mm, preferably between 50 ⁇ m and 1 mm, and preferably about 500 ⁇ m.
  • the electrode material is mixed with a catalyst. If a supply of additional energy, for example in the form of electrical energy, is required, or in the case of providing electrical energy for dissipating the same, it is proposed according to a further preferred embodiment that electrical contacting of the electrodes via at the back of the Base plate arranged metal films or layers or embedded in the electrode layer, metallic wires or carbon fibers is provided.
  • electrode pairs of a fuel and an oxidant such as hydrogen-oxygen, hydrogen-oxygen, natural gas-oxygen, methanol-air - Oxygen are provided, as corresponds to a further preferred embodiment of the microreactor according to the invention.
  • the catalysts used according to a further preferred embodiment is formed from noble metal particles or noble metal particles applied to a carrier material, for example carbon black.
  • the Base plate is formed of an inorganic non-conductor, semiconductor or plastic, for example of a thermoplastic or elastomer, whereby a cost-effective and simple production of the microreactor according to the invention can be achieved.
  • a plurality of anodes and cathodes is arranged alternately on both sides of the substantially flat, ion-conducting material, in which case, for example, by appropriate compliance with a greater thickness of To ensure ionic conductive material and by appropriate symmetrical arrangement electrodes on both sides of the ion conducting material that a reaction between adjacent electrodes on one side of the material and not substantially perpendicular takes place through the material layer between the electrodes.
  • a method of the above-mentioned object is a method of the type mentioned essentially characterized in that formed in a base plate formed by a base body a plurality of recesses or channels for the arrangement of the electrodes, that the Electrodes are arranged in the recesses or channels and that a base plate and the channels or recesses covering layer consisting of the ion-conducting material, is arranged on the base plate. It is thus possible to produce the micro-reactor, for example a fuel cell, quickly and cost-effectively with simple method steps and taking into account the electrode materials to be used for carrying out the reaction.
  • the base plate and / or the depressions or channels in the base plate by injection molding, powder spraying, Embossing or hot stamping are produced.
  • a catalyst layer is applied to the electrodes before the application of the layer of the ion-conducting material.
  • Membrane or a ceramic material is formed, as corresponds to a further preferred embodiment of the method according to the invention.
  • the polymer when using a polymer electrolyte membrane, the polymer is applied in a dissolved form on the sisplatte containing the electrodes and then the solvent of the Polymers is evaporated.
  • the base plate with the electrodes received therein and the layer of an ion-conducting material by gluing or the like. Connected to each other.
  • the electrodes by electrically conductive metal films or embedded in the electrode layer, metallic Wires or carbon fibers are connected.
  • the microreactor according to the invention can also be used, for example, as a miniaturized calibration unit in analysis systems, for example in HPLC, GC, MS coupling systems, sensor systems or the like.
  • a simple and small to build and easy to manufacture embodiment of a microreactor can be provided, which can be dispensed in particular to previously necessary ancillaries, for example in connection with a humidification of a membrane.
  • the system efficiency is improved and, for example, with suitable interconnection of individual cells, an immediately usable output voltage, for example greater than 1.5 V can be achieved without individual elements being assembled or arranged to form a larger stack. to have to.
  • an immediately usable output voltage for example greater than 1.5 V can be achieved without individual elements being assembled or arranged to form a larger stack. to have to.
  • FIG. 1 shows a plan view and a section through a first embodiment of a microreactor according to the invention in the form of a fuel cell, FIG. 1 a showing a plan view of a base plate or a main body of the fuel cell, and FIG. 1 b a section along the line AA Fig. Ia shows;
  • FIG. 2 is a bottom view of the base plate of the embodiment of Fig. 1;
  • FIG. 3 is a top view of the base plate of the embodiment of FIG. 1 with an exemplary arrangement of electrical discharge from an anode;
  • FIG. Fig. 4 is a schematic sectional view on an enlarged scale through the embodiment of FIG. 1; 5 shows a schematic section similar to the representation according to FIG. 4 through a modified embodiment of a microreactor according to the invention in the form of a fuel cell;
  • FIG. 6 is a sectional view similar to FIG. 4 of a further modified embodiment of a microreactor according to the invention with an ion-conducting layer formed by a ceramic material;
  • FIG. FIG. 7 is a plan view similar to FIG.
  • FIG. 7a is a plan view
  • FIG. 7b being a section according to FIG the line BB of Fig. 7a represents
  • Fig. 7c shows a section along the line CC of Fig. 7a
  • FIG. 8a is an enlarged view of a detail view of the sub-area Villa of FIG. 7b
  • FIG. 8b is a detail also on an enlarged scale of sub-area VIIIb of FIG. 7c;
  • FIG. 9 is a perspective view of the embodiment of FIG .. 7
  • a planar PEM fuel cell consists of a base body or a base plate I 1 which has a microstructured "flow field” or “flow field” on both sides of many adjacent channels or depressions 7, 8 having.
  • the material of this microstructured basic body 1 consists of an inorganic dielectric, semiconductor or plastic.
  • the plastic is preferably made of a thermoplastic or elastomer, in particular of a chemogalan metallisierbaren thermoplastic or elastomer, such as ABS, ABS-polycarbonate blends, polyimide, or PP, PE.
  • the channels 7, 8 are at a distance of 1 to 1000 microns, preferably between 20 and 180 microns.
  • the channels 7, 8 are preferably parallel to each other.
  • the channels form the "flow field" for the fuel and the oxidizing agent (air).
  • openings for the oxidant inlet are formed by the continuous channels 8 for the oxidizing agent, which traverse the entire cross section of the base plate or of the main body 1.
  • In order to obtain an increased stability of the main body 1 and to the sealing surfaces between the electrode cavities 7, 8 can also be interrupted (eg simple holes).
  • Electrocatalysts 9, 10 typically consist of metallic noble metal particles ("metal blacks”), or of noble metal particles, which are applied to catalyst support material, such as carbon black or carbon nanotubes. Conductive polymer, Nafion or Teflon are often added as additives.
  • the metal layers 5, 6 are made of precious metal, preferably of gold or gold alloy layers.
  • the application of these layers 5, 6 takes place chemically, galvanically, by means of CVD or PVD techniques.
  • electrical discharge can also be effected via metallic wires or carbon fibers which are embedded in the electrode layer.
  • These wires are wholly or partially made of precious metals, preferably of Au, Pt, Ir, Rh and their alloys.
  • a proton-conducting polymer membrane 2 covers the underside of the main body 1.
  • the preparation of this electrode-membrane-main body unit for example, by pouring the polymer in its dissolved form on the base plate 1 and then evaporating off the solvent.
  • intimate contact of the membrane 2 with the active electrode layers 3, 4 is produced, and on the other hand, by intimately bonding the membrane 2 with the Channel webs 11 ensures excellent sealing of the individual channels 7, 8.
  • the thickness of the applied membrane 2 is between 2 .mu.m and 20 mm, preferably between 50 .mu.m and 1 mm, most preferably 500 .mu.m.
  • fuel for example, hydrogen is used, but in principle the use of alcohols, sugars or other fuels is possible.
  • the supply of the oxidant - usually atmospheric oxygen - via the channels 8 of the top of the body 1.
  • these channels 7, 8 are filled with a gas diffusion medium.
  • the cell shown in Figs. 1 to 4 can be used as a single cell. In special forms, this single cell can also be rolled up. It is also possible to combine several of these individual cells in a planar or rolled-up state for the purpose of increasing the power.
  • Microstructured channels 7, 8 can be manufactured as there is no need to assemble separately manufactured parts.
  • a ceramic material 13 for example zirconium oxide, is used between the adjacent electrodes 3 and 4, instead of the proton transport indicated in FIGS. 4 and 5, an oxygen ion transport takes place between respectively adjacent electrodes 3 and 4.
  • a micro-reactor shown in FIG. 6, which is provided with a material layer 13 For example, operates from zirconia, operates at a higher temperature level, with respect to the fuel cell shown in Fig. 4 and 5, for example, the advantage of being uncritical to the fuel and with a cheaper catalyst material for the catalysts 9 and 10, for example nickel, the To find Ausmaschine.
  • a further modified embodiment of a microreactor is shown in detail, again with a base body or a base plate is denoted by 1, in which or which a plurality of recesses or channels 14 and 15 arranged in particular parallel to each other As can be seen in particular from FIG. 7b, these channels partially completely traverse the thickness of the main body or of the base plate 1, as indicated in the illustrations according to FIGS. 4 to 6, for example directly via a supply of oxygen to allow the surface facing away from the material layer of ionic conductive material.
  • a polymer electrolyte membrane or a layer of a ceramic material use.
  • the openings labeled 16 at the rear side of the main body or the base plate 1 are tapered, wherein an angle of inclination ⁇ is selected to be less than 20 °, in particular approximately 10 ° becomes.
  • a simple production of the base body or of the base plate 1 with the depressions or channels 7, 8 or 14 and 15 formed by the microstructure takes place, for example, by injection molding, powder spraying, embossing or hot stamping.
  • the electrodes 3 and 4 can be arranged in the recesses or channels I 1 8 or 14 and 15, whereupon a catalyst layer 9 is optionally provided or 10 is applied. Subsequently, when using a polymer electrolyte membrane 2, as shown in Fig. 4 and 5, this example, applied as a polymer in a dissolved or liquid form on the electrodes 3, 4 containing base plate 1, whereupon the solvent of Polymer is evaporated, so that there is a substantially solid or rigid formation of the membrane layer 2.
  • the polymer layer 2 can be bonded to the base body or the base plate 1 in the region of the webs 11 between the individual channels or depressions and thus between the electrodes 3, 4, so that Overall, a good seal between the respective adjacent electrodes 3 and 4 can be achieved.
  • the arrangement of parallel channels or recesses 7, 8 or 14, and 15 thus results in a row or column-shaped arrangement of the electrodes 3 and 4, respectively.
  • alternating arrangement of the electrodes 3, 4 on each side of the layer 2 and 13 of ion-conducting material can be provided that on both sides or side surfaces of the layer 2 and 13 respectively alternately one Sequence of electrodes 3 and 4 is arranged.
  • Hiebei is to ensure that by a corresponding, for example symmetrical arrangement of the electrodes 3, 4 in respective basic bodies 1 and by a corresponding large thickness of the intermediate material layer 2 to 13 diffusion of ions perpendicularly through the material 2 is prevented, but in accordance with the representations, in particular according to FIGS. 4 to 6, a lateral diffusion takes place between respectively adjacent electrodes 3 and 4.

Abstract

Bei einem Mikroreaktor, insbesondere Brennstoffzelle, umfassend wenigstens eine Anode und eine Kathode sowie ein zwischen diesen Elektroden (3, 4) angeordnetes, Ionen leitendes Material (2) ist vorgesehen, daß eine Mehrzahl von Anoden und Kathoden (3, 4) auf einer Seite eines insbesondere festen, Ionen leitenden Materials (2) abwechselnd angeordnet ist. Weiters ist bei einem Verfahren zur Herstellung eines derartigen Mikroreaktors, insbesondere einer Brennstoffzelle vorgesehen, daß in einem von einer Basisplatte (1) gebildeten Grundkörper eine Mehrzahl von Vertiefungen bzw. Kanälen (7, 8) zur Anordnung der Elektroden (3, 4) ausgebildet wird, daß die Elektroden in den Vertiefungen bzw. Kanälen angeordnet werden und daß eine die Basisplatte und die Kanäle bzw. Vertiefungen abdeckende Schicht (2), bestehend aus dem Ionen leitenden Material, auf der Basisplatte (1) angeordnet wird, wodurch sich insgesamt bei einfachem Aufbau und einfacher Herstellung ein zuverlässig zu betreibender Mikroreaktor zur Verfügung stellen läßt.

Description

MIKROREAKTOR, INSBESONDERE BRENNSTOFFZELLE UND VERFAHREN
ZUR HERSTELLUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Mikroreak- tor, insbesondere Brennstoffzelle, umfassend wenigstens eine Anode und eine Kathode sowie ein zwischen diesen Elektroden angeordnetes, Ionen leitendes Material. Die vorliegende Erfindung bezieht sich weiters auf ein Verfahren zur Herstellung eines Mikroreaktors, insbesondere einer Brenn- Stoffzelle, umfassend wenigstens eine Anode und eine Kathode sowie ein zwischen diesen Elektroden angeordnetes, Ionen leitendes Material.
Bei einem Mikroreaktor, welcher in einem Spezialfall für eine Konstruktion einer Brennstoffzelle verwendet bzw. eingesetzt werden kann, muß ein Ionenleiter wenigstens für einen Ionenanteil einer elektroaktiven Spezies leitfähig sein, die beispielsweise als aus Ionen aufgebaut dargestellt werden kann, die an einer Gesamtreaktion beteiligt ist. Es kann hiebei erforderlich sein, Energie in Form von elektrischer Energie oder auch gegebenenfalls Wärme zuzuführen, um eine Reaktion zu ermöglichen und ein gewünschtes Produkt herzustellen. Weiters sind freiwillig ablaufende Reaktionen an katalysierten Elektroden unter Gewinnung von elektrischer Energie, beispielsweise in Form einer Brennstoffzelle, insbesondere einer PEM-Brennstoffzelle, einer SOFC-Brennstoffzelle oder dgl. möglich.
Brennstoffzellen als Spezialfall eines Mikroreaktors sind elektrochemische Zellen, die vereinfacht aus Anode, Kathode und dazwischen liegendem Festelektrolyten als ionenleitendem Material bestehen. Im Falle eines polymeren Festelektrolyten handelt es sich dann um eine PEM- (Polymer-Elektro- lyt-Membran PEM)-ZeIIe. Durch elektrochemische Umsetzung eines Brennstoffs und eines Oxidationsmittels an den Elektroden kann elektrische Energie gewonnen werden. Stand der Technik sind dabei Zellen in Filterpressenbauweise, bei denen jeweils mehrere Membran-Elektroden-Einheiten, welche durch leitfähige bipolare Platten getrennt sind, zu Stapeln (Stacks) zusammengebaut werden, wie dies beispielsweise in US 4,175,165 geoffenbart ist. Eine Abdichtung der einzelnen Zellsegmente voneinander erfolgt bei dieser "vertikalen" Bauweise durch Zusammenpressen der Bipolarplatten mit der Polymermembran und Dichtungsringen. Die Preßkraft wird üblicherweise durch Zusammenschrauben des Brennstoffzellen- stapels aufgebracht. Alternativ dazu kann eine Abdichtung auch durch Verkleben oder Verschweißen der Polymermembran mit den Bipolarplatten erreicht werden.
Im Zusammenhang mit derartigen stapeiförmigen Brennstoffzellen, welche eine Reihenschaltung einer entsprechenden Anzahl an Einzelzellen darstellt, ist jedoch nachteilig, daß das zum Befeuchten der Polymer-Elektrolyt-Membran benötigte Wasser zum Erreichen der gewünschten Ionenleitfähigkeit durch die einander gegenüberliegende Anordnung von Anode und Kathode jeweils unter Zwischenschaltung der Membran zusätzliche Nebenaggregate, insbesondere Befeuchter, erfordert, welche der Brennstoffseite, beispielsweise WasserstoffSeite, Wasser zuführen, um ein Austrocknen der Membran und in weiterer Folge ein Versagen der Brennstoffzellen zu verhindern.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, die oben genannten Probleme des bekannten Standes der Technik zu vermeiden und einen Mikroreaktor, insbesondere eine Brennstoffzelle zur Verfügung zu stellen, die einfach herzustellen und zu- sammenzubauen ist, und eine optimale Dichtheit zwischen den Elektroden zur Verfügung stellt. Weiters zielt die Erfindung darauf ab, einen Mikroreaktor, insbesondere eine Brennstoffzelle zur Verfügung zu stellen, welche insbeson- dere ohne aufwendige Zusatzeinrichtungen betrieben werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Mikroreaktor der eingangs genannten Art im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Anoden und Kathoden auf einer Seite eines insbesondere festen, Ionen leitenden Materials abwechselnd angeordnet ist. Dadurch, daß erfindungsgemäß eine Mehrzahl von Anoden und Kathoden jeweils abwechselnd auf einer Seite eines lonenleiters vorgesehen ist, lassen sich die oben ge- nannten Nachteile einer insbesondere stapelartigen Ausbildung vermeiden. Dadurch, daß jeweils eine Anode und eine Kathode an einer Seite des Ionen leitenden Materials benachbart angeordnet bzw. vorgesehen sind, kann beispielsweise bei Einsatz als Brennstoffzelle sichergestellt wer- den, daß das zum Erreichen einer gewünschten Ionenleitfähigkeit benötigte Wasser jeweils aus dem Reaktionswasser einer unmittelbar benachbarten Elektrode entnommen werden kann, so daß auf aufwendige zusätzliche Einrichtungen, wie sie bei einer gestapelten Ausführung mit einer Anordnung von jeweils gleichen Elektroden auf einer Seitenfläche eines Ionen leitenden Materials vorgesehen waren, verzichtet werden kann.
Zur Erzielung eines ausreichenden Stofftransports zwischen benachbarten Elektroden ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, daß eine Basisplatte vorgesehen ist, in welcher die Elektroden in insbesondere parallel zueinander angeordneten Vertiefungen bzw. Kanälen angeordnet sind und daß das Ionen leitende Material von einer die Basis- platte und die in den Kanälen angeordneten Elektroden abdeckenden Schicht, beispielsweise einer Membran, einem keramischen Material oder dgl., gebildet ist. Derartige ins- besondere parallel zueinander angeordnete Vertiefungen bzw. Kanäle zur Anordnung der Elektroden lassen sich nicht nur einfach herstellen, sondern es gelingt in weiterer Folge eine einfache und zuverlässige Festlegung der Ionen leitenden Materialschicht, über welche in weiterer Folge durch Diffusion der Ladungs- und Stofftransport erfolgt. Im Gegensatz zu einer bekannten Ausführungsform mit gestapelter Anordnung von Elektroden, wobei ein Ladungs- und Stoff- transport im wesentlichen senkrecht zu dem Ionen leitenden Material, beispielsweise einer Membran oder einem kera- mischen Material erfolgt, ist somit erfindungsgemäß durch die jeweils benachbarte Anordnung von Elektroden auf einer Seite des Ionen leitenden Materials eine laterale Ausbildung erfindungsgemäß vorgesehen. Weiters erfolgt durch eine im wesentlichen vollflächige Abdeckung des von einer Basis- platte gebildeten Grundkörpers, in welchem die Elektroden in Vertiefungen bzw. Kanälen aufgenommen sind, durch die Materialschicht aus Ionen leitendem Material eine entsprechende Abdichtung gegenüber den einander benachbarten Elektroden, so daß insgesamt der Herstellungsaufwand und Auf- wand zum Zusammenbau eines erfindungsgemäßen Mikroreaktors gegenüber dem bekannten Stand der Technik reduziert werden kann.
Zur Erzielung der bei Einsatz als Brennstoffzelle erforder- liehen notwendigen Befeuchtung bzw. zur Bereitstellung des für jede Zelle jeweils benötigten Befeuchtungswasser ist darüber hinaus gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, daß die Elektroden einen gegensei- tigen Abstand aufweisen, welcher kleiner als die Diffusionslänge des Reaktionswassers durch das Ionen leitende Material ist. Dadurch, daß der gegenseitige Abstand der Elektroden kleiner als die Diffusionslänge gewählt ist, wird aufgrund des bestehenden Dichtegradienten zwischen den jeweils benachbarten Elektroden ein ausreichender Stoff- transport des Wassers sichergestellt, so daß auf zusätzliche Befeuchtungselemente, welche für eine optimale Funktionsweise erforderlich sind, verzichtet werden kann.
Unter Berücksichtigung insbesondere der obigen Ausführungen betreffend die Diffusionslänge des Reaktionswassers durch das Ionen leitende Material wird darüber hinaus vorgeschlagen, daß der Abstand zwischen den Elektroden oder den die Elektroden aufnehmenden Vertiefungen bzw. Kanälen zwischen 1 μ und 1000 μm, vorzugsweise zwischen 20 μm und 180 μm, liegt, wie dies einer weiters bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikroreaktors entspricht.
Zur Bereitstellung der erforderlichen Stoffmenge und zur Erzielung einer ausreichenden Reaktionsgeschwindigkeit wird darüber hinaus bevorzugt vorgeschlagen, daß bei Verwendung einer Wasserstoffelektrode und einer Sauerstoffelektrode die Abmessungen der Wasserstoffelektrode kleiner als die Abmessungen der Sauerstoffelektrode sind.
Bei Verwendung einer Sauerstoffelektrode wird für eine zuverlässige und einfache Zufuhr des Oxidationsmittels, beispielsweise von Luftsauerstoff gemäß einer weiters bevor- zugten Ausführungsform vorgeschlagen, daß die Sauerstoffelektrode in jeweils einem die Basisplatte durchdringenden Kanal angeordnet ist. Zur Bereitstellung einer kostengünstigen Brennstoffzelle und insbesondere zur Vereinfachung des Wassermanagements, wobei dies zu einer signifikanten Kostenreduktion und aufgrund des reduzierten Energiebedarfs auch zu einer erhöhten Systemwirkungsgrad führt, wird in diesem Zusammenhang gemäß einer weiters bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, daß bei Verwendung einer Wasserstoffelektrode und einer Sauerstoffelektrode das Ionen leitende Material von einer Polymer-Elektrolyt-Membran gebildet ist.
Anstelle einer derartigen Polymer-Elektrolyt-Membran kann gemäß einer abgewandelten Ausführungsform vorgesehen sein, daß das Ionen leitende Material von Zirkonoxid gebildet ist. Eine derartige aus Zirkonoxid bestehende Material- schicht erlaubt die Herstellung von Brennstoffzellen, welche auf höherem Temperaturniveau, beispielsweise ca. 600 °C bis 1.000 0C arbeiten, wobei diese jedoch den Vorteil bieten, bezüglich des Brennstoffs unkritisch zu sein, und, sofern ein Katalysator erforderlich ist, mit einem kostengün- stigen Katalysator, beispielsweise Nickel, das Auslangen finden zu können.
Zur Bereitstellung eines entsprechend klein zu bauenden Mikroreaktors und unter Berücksichtigung der gegenseitigen Abstände der Elektroden zur Erzielung eines gegenseitigen Abstands geringer als die Diffusionslänge des Reaktionswassers wird gemäß einer weiters bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, daß das Ionen leitende Material eine Dicke zwischen 1 μm und 20 mm, bevorzugt zwischen 50 μm und 1 mm, und vorzugsweise etwa 500 μm aufweist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, das Elektrodenmaterial mit einem Katalysator versetzt ist. Falls eine Zufuhr zusätzlicher Energie, beispielsweise in Form elektrischer Energie, erforderlich ist, oder für den Fall einer Bereitstellung von elektrischer Energie zur Ab- leitung derselben wird gemäß einer weiters bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, daß eine elektrische Kontaktie- rung der Elektroden über an der Rückseite der Basisplatte angeordneten Metallfilme bzw. -schichten oder in die Elektrodenschicht eingebettete, metallische Drähte oder Kohle- fasern vorgesehen ist.
Zur Herstellung von kostengünstigen Mikroreaktoren, welche auch bei geringer Größe eine hohe Leistungsdichte zur Verfügung stellen, wird darüber hinaus vorgeschlagen, daß Elektrodenpaare aus einem Brennstoff und einem Oxidations- mittel, beispielsweise Wasserstoff-Luftsauerstoff, Wasserstoff-Sauerstoff, Erdgas-Luftsauerstoff, Methanol-Luft- Sauerstoff vorgesehen sind, wie dies einer weiters bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikroreaktors entspricht.
Zur Erzielung der erforderlichen Reaktionseigenschaften bei Verwendung einer Polymer-Elektrolyt-Membran wird für die zum Einsatz gelangenden Katalysatoren gemäß einer weiters bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, daß der Katalysator aus Edelmetallpartikeln oder auf ein Trägermaterial, beispielsweise Ruß, aufgebrachten Edelmetallpartikeln gebildet ist.
In Anpassung an das eingesetzte Elektrodenmaterial sind unterschiedliche Materialien für die Basisplatte bzw. den Grundkörper denkbar. In diesem Zusammenhang wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, daß die Basisplatte aus einem anorganischen Nichtleiter, Halbleiter oder Kunststoff, beispielsweise aus einem Thermoplast oder Elastomer gebildet ist, wodurch sich eine kostengünstige und einfache Herstellung des erfindungsgemäßen Mikroreak- tors erzielen läßt.
Zur weiteren Steigerung der Leistungsdichte ist gemäß einer weiters bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, daß auf beiden Seiten des im wesentlichen flächigen, Ionen leiten- den Materials eine Mehrzahl von Anoden und Kathoden jeweils abwechselnd angeordnet ist, wobei in diesem Fall beispielsweise durch entsprechende Einhaltung einer größeren Dicke des Ionen leitenden Materials und durch entsprechende symmetrische Anordnung Elektroden zu beiden Seiten des Ionen leitenden Materials sichergestellt wird, daß eine Reaktion zwischen benachbarten Elektroden auf einer Seite des Materials und nicht im wesentlichen senkrecht durch die Materialschicht zwischen den Elektroden stattfindet.
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgaben ist darüber hinaus ein Verfahren der oben genannten Aufgabe ein Verfahren der eingangs genannten Art im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß in einem von einer Basisplatte gebildeten Grundkörper eine Mehrzahl von Vertiefungen bzw. Kanälen zur Anordnung der Elektroden ausgebildet wird, daß die Elektroden in den Vertiefungen bzw. Kanälen angeordnet werden und daß eine die Basisplatte und die Kanäle bzw. Vertiefungen abdeckende Schicht, bestehend aus dem Ionen leitenden Material, auf der Basisplatte angeordnet wird. Es läßt sich somit mit einfachen Verfahrensschritten und unter Berücksichtigung der zur Durchführung der Reaktion heranzuziehenden Elektrodenmaterialien der Mikroreaktor, beispielsweise eine Brennstoffzelle, rasch und kostengünstig herstellen. Zur Bereitstellung einer kostengünstigen und unter Berücksichtigung der jeweils geringen Abmessungen der einzelnen Kanäle bzw. Vertiefungen für die Elektroden einzuhaltenden Präzision wird gemäß einer weiters bevorzugten Verfahrensführung vorgeschlagen, daß die Basisplatte und/oder die Vertiefungen bzw. Kanäle in der Basisplatte durch ein Spritzgießen, Pulverspritzen, Prägen oder Heißprägen hergestellt werden.
Gemäß einer weiters bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, daß vor dem Aufbringen der Schicht aus dem Ionen leitenden Material eine Katalysatorschicht auf die Elektroden aufgebracht wird.
Wie oben bereits angedeutet, sind insbesondere unter Berücksichtung der einzusetzenden Elektrodenpaare unterschiedliche Materialien für das Ionen leitende Material vorgesehen, wobei vorgeschlagen wird, daß die Schicht aus dem Ionen leitenden Material von einer Polymer-Elektrolyt-
Membran oder einem keramischen Material gebildet wird, wie dies einer weiters bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens entspricht.
Zur Erzielung einer gegebenenfalls geringen und gleichmäßigen Dicke des Ionen leitenden Materials wird gemäß einer weiters bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, daß bei Verwendung einer Polymer-Elektrolyt-Membran das Polymer in einer gelösten Form auf die die Elektroden enthaltende Ba- sisplatte aufgebracht wird und anschließend das Lösungsmittel des Polymers abgedampft wird. Für eine ordnungsgemäße Verbindung kann gemäß einer weiters bevorzugten Ausführungsform vorgesehen sein, daß die Basisplatte mit den darin aufgenommenen Elektroden und die Schicht aus einem Ionen leitenden Material durch Kleben oder dgl. miteinander verbunden werden.
Für eine einfache und zuverlässige elektrische Kontaktie- rung zur Bereitstellung von zusätzlicher elektrischer Energie oder zur Ableitung derselben bei einer Ausbildung als Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie wird gemäß einer weiters bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, daß die Elektroden durch elektrisch leitende Metallfilme oder in die Elektrodenschicht eingebettete, metallische Drähte oder Kohlefasern verbunden werden.
Neben einem Einsatz als Brennstoffzelle kann der erfindungsgemäße Mikroreaktor auch beispielsweise als miniaturisierte Kalibriereinheit in Analysesystemen, beispielsweise in HPLC-, GC-, MS-KopplungsSystemen, Sensorsystemen oder dgl. zum Einsatz gelangen.
Insgesamt läßt sich somit eine einfache und klein zu bauende sowie einfach herstellbare Ausführungsform eines Mikroreaktors zur Verfügung stellen, wobei insbesondere auf bisher notwendige Nebenaggregate, beispielsweise im Zusammenhang mit einer Befeuchtung einer Membran verzichtet werden kann. Darüber hinaus wird aufgrund eines reduzierten Energiebedarfs der Systemwirkungsgrad verbessert und es kann beispielsweise bei geeigneter Verschaltung von einzel- nen Zellen eine unmittelbar verwertbare AusgangsSpannung, beispielsweise größer als 1,5 V erzielt werden, ohne Einzelelemente zu einem größeren Stapel montieren bzw. anord- nen zu müssen. Darüber hinaus ergibt sich eine kostengünstige Produktion bei stark reduziertem Materialeinsatz .
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der beiliegen- den Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In dieser zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf und einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikroreaktors in Form einer Brennstoffzelle, wobei Fig. Ia eine Drauf- sieht auf eine Basisplatte bzw. einen Grundkörper der Brennstoffzelle zeigt, und Fig. Ib einen Schnitt nach der Linie AA der Fig. Ia zeigt;
Fig. 2 eine Ansicht der Unterseite der Basisplatte der Ausführungsform von Fig. 1; Fig. 3 eine Ansicht der Oberseite der Basisplatte der Ausführungsform gemäß Fig. 1 mit einer beispielhaften Anordnung einer elektrischen Ableitung von einer Anode; Fig. 4 eine schematische Schnittansicht in vergrößertem Maßstab durch die Ausführungsform gemäß Fig. 1; Fig. 5 einen schematischen Schnitt ähnlich der Darstellung gemäß Fig. 4 durch eine abgewandelte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikroreaktors in Form einer Brennstoffzelle; Fig. 6 in einer wiederum zu Fig. 4 ähnlichen Darstellung eine Schnittansicht durch eine weitere abgewandelte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikroreaktors mit einer von einem keramischen Material gebildeten Ionen leitenden Schicht; Fig. 7 in einer zu Fig. 1 ähnlichen Darstellung eine Drauf- sieht auf und zwei Schnitte durch eine abgewandelte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikroreaktors, wobei Fig. 7a eine Draufsicht darstellt, Fig. 7b einen Schnitt nach der Linie B-B der Fig. 7a darstellt; und Fig. 7c einen Schnitt nach der Linie C-C der Fig. 7a darstellt; Fig. 8a in vergrößertem Maßstab eine Detailansicht des Teilbereichs Villa der Fig. 7b, und Fig. 8b eine Detailan- sieht ebenfalls in Vergrößertem Maßstabs des Teilbereichs VIIIb der Fig. 7c; und
Fig. 9 eine perspektivische Ansicht der Ausführungsform gemäß Fig. 7.
Wie in Fig. 1 gezeigt, besteht eine planare PEM Brennstoffzelle aus einem Grundkörper bzw. einer Basisplatte I1 der bzw. die auf beiden Seiten ein mikrostrukturiertes "Flow field" bzw. "Strömungsfeld" aus vielen nebeneinander liegenden Kanälen bzw. Vertiefungen 7, 8 aufweist. Das Mate- rial dieses mikrostrukturierten Grundkörpers 1 besteht aus einem anorganischen Nichtleiter, Halbleiter oder Kunststoff . Der Kunststoff besteht vorzugsweise aus einem Thermoplasten oder Elastomer, insbesondere aus einem chemogal- vanisch metallisierbaren Thermoplast oder Elastomer, wie ABS, ABS-Polycarbonat Blends, Polyimid, oder PP, PE.
Die Kanäle 7, 8 liegen in einem Abstand von 1 bis 1000 μm, vorzugsweise zwischen 20 und 180 μm. Die Kanäle 7, 8 liegen vorzugsweise parallel nebeneinander. Auf der Oberseite des Grundkörpers 1 (Fig. 1) bilden die Kanäle das "Flow field" für den Brennstoff und das Oxidationsmittel (Luft) . An der Rückseite des Grundkörpers 1 (Fig. 2) sind Öffnungen für den Oxidationsmitteleintritt durch die durchgehenden Kanäle 8 für das Oxidationsmittel ausgebildet, welche den gesamten Querschnitt der Basisplatte bzw. des Grundkörpers 1 durchqueren. Um eine erhöhte Stabilität des Grundkörpers 1 zu erhalten und um die Dichtflächen zwischen den Elektroden- räumen zu vergrößern, können die Kanäle 7, 8 auch unterbrochen sein (z.B. einfache Bohrungen) .
Die Elektroden 3, 4, welche in den Kanälen 7, 8 angeordnet sind, sind fest mit einer Membran 2 verbunden. Elektrokata- lysatoren 9, 10 bestehen typischerweise aus metallischen Edelmetallpartikeln ("metal blacks"), oder aus Edelmetallpartikel, die auf Katalysatorträgermaterial, wie Ruß oder Carbon Nanotubes aufgebracht sind. Als Zusatzstoffe werden oft leitfähiges Polymer, Nafion oder Teflon zugesetzt.
Eine elektrische Ableitung 5, 6 erfolgt über dünne Metallfilme an den Kanalwänden bzw. an der Unterseite des Grundkörpers 1. Die Metallschichten 5, 6 bestehen aus Edelme- tall, vorzugsweise aus Gold- oder Goldlegierungsschichten. Die Aufbringung dieser Schichten 5, 6 erfolgt chemisch, galvanisch, mittels CVD oder PVD Techniken.
Eine elektrische Ableitung kann in einer weiteren Ausbil- düng der Erfindung auch über metallische Drähte oder Kohlefasern erfolgen, die in die Elektrodenschicht eingebettet sind. Diese Drähte bestehen vollständig oder teilweise aus Edelmetallen, vorzugsweise aus Au, Pt, Ir, Rh und deren Legierungen.
Eine Protonen leitende Polymermembran 2 bedeckt die Unterseite des Grundkörpers 1. Die Herstellung dieser Elektroden-Membran-Grundkörper-Einheit erfolgt beispielsweise mittels Aufgießen des Polymers in seiner gelösten Form auf die Basisplatte 1 und anschließendem Abdampfen des Lösungsmittels. So wird einerseits ein inniger Kontakt der Membran 2 mit den aktiven Elektrodenschichten 3, 4 hergestellt, und andererseits, durch innigen Verbund der Membran 2 mit den Kanalstegen 11 eine hervorragende Abdichtung der einzelnen Kanäle 7, 8 gewährleistet. Die Stärke der aufgetragenen Membran 2 liegt zwischen 2 μm und 20 mm, vorzugsweise zwischen 50 μm und 1 mm, am besten bei 500 μm.
Als Brennstoff wird beispielsweise Wasserstoff verwendet, jedoch ist prinzipiell auch die Verwendung von Alkoholen, Zuckern oder anderen Brennstoffen möglich.
Die Zufuhr des Oxidationsmittels - zumeist Luftsauerstoff - erfolgt über die Kanäle 8 der Oberseite des Grundkörpers 1. In einer besonderen Ausbildung sind diese Kanäle 7, 8 mit einem Gasdiffusionsmedium gefüllt.
Die in Fig. 1 bis 4 gezeigte Zelle kann als Einzelzelle verwendet werden. In Sonderformen kann diese Einzelzelle auch zusammengerollt werden. Es ist auch möglich, mehrere dieser Einzelzellen in planarem oder eingerolltem Zustand zum Zwecke der Leistungserhöhung zusammenzuschließen.
Die Vorteile der beschriebenen Zelle gegenüber herkömmlichen Zellen:
• Es werden keine zusätzlichen Dichtungsmaterialien benötigt • Es können mikrostrukturierte Kanäle 7, 8 gefertigt werden, da der Schritt eines Zusammenbaus von separat gefertigten Teilen entfällt.
• Es werden keine zusätzlichen Kompressoren für den Antransport des Sauerstoffs an die Kathode benötigt. Der Antransport des Sauerstoffs erfolgt über natürliche Konvektion und Diffusion von der Unterseite der Brennstoffzelle an die Kathoden. • Es können dickere Membranen 2 eingesetzt werden. Je dicker man die Membran aufgießt, desto größer wird der zur Protonen-Leitung verfügbare Querschnitt, und desto geringer wird der Widerstand.
Bei der Darstellung gemäß Fig. 5 ist ersichtlich, daß in einer Basisplatte bzw. einem Grundkörper 1 wiederum mit 7 bzw. 8 bezeichnete Kanäle bzw. Vertiefungen vorgesehen sind, in welchen Elektroden 3 und 4 nebeneinander auf einer Seite einer wiederum mit 2 bezeichneten Membran angeordnet sind. Weiters sind auch bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 Katalysatoren 9 und 10 angedeutet. Aus der Darstellung gemäß Fig. 5 ist ersichtlich, daß in der Membran ein Protonentransport zwischen jeweils benachbarten Elektroden 3 und 4 erfolgt. Weiters ist schematisch die Zufuhr von Sauerstoff in die durchgehenden Kanäle 8 über die von der Membran abgewandte Rückseite 12 des Grundkörpers bzw. der Basisplatte 1 angedeutet. Aus der Darstellung gemäß Fig. 5 ist unmittelbar ersichtlich, daß durch den Protonentrans- port zwischen benachbarten Elektroden 3 und 4 auch unmittelbar eine Befeuchtung bzw. Benetzung der Membran 2 erfolgt, so daß auf zusätzliche Aggregate bzw. Elemente für einen Wasserabtransport bzw. eine Wasserzufuhr verzichtet werden kann. Der Abstand zwischen den einzelnen Kanälen bzw. Vertiefungen 7 und 8 und somit zwischen den einzelnen Elektroden 3 und 4 ist jeweils geringer als die Diffusions- länge des Reaktionswassers in dem Material der Membran 2 gewählt. Weiters ist aus Fig. 7b und 7c ersichtlich, daß die Abmessungen der Sauerstoffelektrode 4 die Abmessungen der Wasserstoffelektrode 3 übersteigen.
Die beispielsweise in Fig. 4 angedeuteten elektrischen Leitungen bzw. Ableitungen 5 und 6 sind bei der Ausführungs- form gemäß Fig. 5 zur Vereinfachung der Darstellung nicht angegeben.
Bei der in Fig. 6 dargestellten abgewandelten Ausführungs- form findet anstelle der in Fig. 4 und' 5 verwendeten Polymer-Elektrolyt-Membran ein keramischer Werkstoff 13, beispielsweise Zirkonoxid, Verwendung. In diesem Fall erfolgt zwischen den benachbarten Elektroden 3 und 4 anstelle des in Fig. 4 und 5 angedeuteten Protonentransports ein Sauer- stoffionentransport zwischen jeweils benachbarten Elektroden 3 und 4. Ein derartiger, in Fig. 6 dargestellter Mikro- reaktor, welcher mit einer Materialschicht 13 beispielsweise aus Zirkonoxid arbeitet, arbeitet auf höherem Temperaturniveau, wobei gegenüber der in Fig. 4 und 5 dargestell- ten Brennstoffzelle beispielsweise der Vorteil besteht, gegenüber dem Brennstoff unkritisch zu sein und mit einem billigeren Katalysatormaterial für die Katalysatoren 9 und 10, beispielsweise Nickel, das Auslangen zu finden.
In Fig. 7 bis 9 ist im Detail eine weitere abgewandelte Ausführungsform eines Mikroreaktors dargestellt, wobei wiederum ein Grundkörper bzw. eine Basisplatte mit 1 bezeichnet ist, in welchem bzw. welcher eine Mehrzahl von insbesondere parallel zueinander angeordneten Vertiefungen bzw. Kanälen 14 und 15 angeordnet ist, wobei diese Kanäle, wie dies insbesondere aus Fig. 7b ersichtlich ist, teilweise die Dicke des Grundkörpers bzw. der Basisplatte 1 vollständig durchqueren, wie in den Darstellungen gemäß Fig. 4 bis 6 angedeutet, beispielsweise eine Zufuhr von Sauerstoff di- rekt über die von der mit der Materialschicht aus Ionen leitendem Material abgewandten Oberfläche zu ermöglichen. Auch bei dieser Ausführungsform finden beispielsweise wie- derum eine Polymer-Elektrolyt-Membran oder eine Schicht aus einem keramischen Material Verwendung.
Bei der Darstellung gemäß Fig. 8a ist ersichtlich, daß die mit 16 bezeichneten Mündungen an der mit 17 bezeichneten Rückseite des Grundkörpers bzw. der Basisplatte 1 sich verjüngend ausgebildet sind, wobei ein Neigungswinkel α mit beispielsweise weniger als 20°, insbesondere etwa 10° gewählt wird.
Eine einfache Herstellung des Grundkörpers bzw. der Basisplatte 1 mit den von der Mikrostruktur gebildeten Vertiefungen bzw. Kanälen 7, 8 bzw. 14 und 15 erfolgt beispielsweise durch ein Spritzgießen, Pulverspritzen, Prägen oder Heißprägen.
Wie oben erwähnt im Zusammenhang mit der Ausbildung gemäß Fig. 1 bis 4 angedeutet, können nach einem Herstellen der Basisplatte 1 die Elektroden 3 und 4 in den Vertiefungen bzw. Kanälen I1 8 bzw. 14 und 15 angeordnet werden, worauf gegebenenfalls eine Katalysatorschicht 9 bzw. 10 aufgebracht wird. Nachfolgend wird bei Einsatz einer Polymer- Elektrolyt-Membran 2, wie sie in Fig. 4 und 5 dargestellt ist, diese beispielsweise als Polymer in einer gelösten bzw. flüssigen Form auf die die Elektroden 3, 4 enthaltende Basisplatte 1 aufgebracht, worauf das Lösungsmittel des Polymers abgedampft wird, so daß es zu einer im wesentlichen festen bzw. starren Ausbildung der Membranschicht 2 kommt.
Gegebenenfalls kann die Polymerschicht 2 auch mit dem Grundkörper bzw. der Basisplatte 1 im Bereich der Stege 11 zwischen den einzelnen Kanälen bzw. Vertiefungen und somit zwischen den Elektroden 3, 4 verklebt werden, so daß sich insgesamt eine gute Abdichtung zwischen den jeweils benachbarten Elektroden 3 und 4 erzielen läßt. Bei Anordnung von parallelen Kanälen bzw. Vertiefungen 7, 8 bzw. 14, und 15 ergibt sich somit eine zeilen- bzw. spaltenförmige Anord- nung der Elektroden 3 bzw. 4.
Anstelle der in den Figuren dargestellten, abwechselnden Anordnung der Elektroden 3, 4 an jeweils einer Seite der Schicht 2 bzw. 13 aus Ionen leitendem Material kann vorge- sehen sein, daß auf beiden Seiten bzw. Seitenflächen der Schicht 2 bzw. 13 jeweils abwechselnd eine Abfolge von Elektroden 3 bzw. 4 angeordnet ist. Hiebei ist darauf zu achten, daß durch eine entsprechende, beispielsweise symmetrische Anordnung der Elektroden 3, 4 in jeweiligen Grundkörpern 1 und durch eine entsprechende große Dicke der zwischenliegenden Materialschicht 2 bis 13 eine Diffusion von Ionen senkrecht durch das Material 2 verhindert wird, sondern in Übereinstimmung mit den Darstellungen, insbesondere gemäß Fig. 4 bis 6 eine laterale Diffusion zwischen jeweils benachbarten Elektroden 3 und 4 erfolgt.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Mikroreaktor, insbesondere Brennstoffzelle, umfassend wenigstens eine Anode und eine Kathode sowie ein zwischen diesen Elektroden (3, 4) angeordnetes, Ionen leitendes Material (2, 13) , dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Anoden und Kathoden (3, 4) auf einer Seite eines insbesondere festen, Ionen leitenden Materials (2, 13) abwechselnd angeordnet ist.
2. Mikroreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Basisplatte (1) vorgesehen ist, in welcher die Elektroden (3, 4) in insbesondere parallel zueinander angeordneten Vertiefungen bzw. Kanälen (7, 8, 14, 15) angeord- net sind und daß das Ionen leitende Material von einer die
Basisplatte und die in den Kanälen angeordneten Elektroden abdeckenden Schicht (2, 13) , beispielsweise einer Membran
(2) , einem keramischen Material (13) oder dgl. , gebildet ist.
3. Mikroreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (3, 4) einen gegenseitigen Abstand aufweisen, welcher kleiner als die Diffusionslänge des Reaktionswassers durch das Ionen leitende Material (2, 13) ist.
4. Mikroreaktor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Elektroden (3, 4) oder den die Elektroden aufnehmenden Vertiefungen bzw. Ka- nälen (7, 8, 14, 15) zwischen 1 μ und 1000 μm, vorzugsweise zwischen 20 μm und 180 μm, liegt.
5. Mikroreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer Wasserstoffelek- trode (4) und einer Sauerstoffelektrode (3) die Abmessungen der Wasserstoffelektrode (4) kleiner als die Abmessungen der Sauerstoffelektrode sind.
6. Mikroreaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffelektrode (3) in jeweils einem die Basisplatte (1) durchdringenden Kanal (8, 15) angeordnet ist.
7. Mikroreaktor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer Wasserstoffelektrode (4) und einer Sauerstoffelektrode (3) das Ionen leitende Material von einer Polymer-Elektrolyt-Membran (2) gebildet ist.
8. Mikroreaktor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ionen leitende Material von Zirkonoxid (13) gebildet ist.
9. Mikroreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das die Ionen leitende Material (2, 13) eine Dicke zwischen 1 μm und 20 mm, bevorzugt zwischen 50 μm und 1 mm, und vorzugsweise etwa 500 μm aufweist.
10. Mikroreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodenmaterial (3, 4) mit einem Katalysator (9, 10) versetzt ist.
11. Mikroreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Kontaktierung der Elektroden (3, 4) über an der Rückseite der Basisplatte (1) angeordneten Metallfilme bzw. -schichten (5, 6) oder in die Elektrodenschicht eingebettete, metallische Drähte oder Kohlefasern vorgesehen ist.
12. Mikroreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß Elektrodenpaare (3, 4) aus einem Brennstoff und einem Oxidationsmittel, beispielsweise Wasserstoff-Luftsauerstoff, Wasserstoff-Sauerstoff, Erdgas-Luftsauerstoff, Methanol-Luftsauerstoff vorgesehen sind.
13. Mikroreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator (9, 10) aus Edelmetallpartikeln oder auf ein Trägermaterial, beispielsweise Ruß, aufgebrachten Edelmetallpartikeln gebildet ist.
14. Mikroreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisplatte (1) aus einem anorganischen Nichtleiter, Halbleiter oder Kunststoff, beispielsweise aus einem Thermoplast oder Elastomer gebildet ist.
15. Mikroreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß auf beiden Seiten des im wesentlichen flächigen, Ionen leitenden Materials (2, 3) eine Mehrzahl von Anoden und Kathoden (3, 4) jeweils abwechselnd angeordnet ist.
16. Verfahren zur Herstellung eines Mikroreaktors, insbesondere einer Brennstoffzelle, umfassend wenigstens eine Anode und eine Kathode sowie ein zwischen diesen Elektroden (3, 4) angeordnetes, Ionen leitendes Material (2, 13) , da- durch gekennzeichnet, daß in einem von einer Basisplatte
(1) gebildeten Grundkörper eine Mehrzahl von Vertiefungen bzw. Kanälen (7, 8, 14, 15) zur Anordnung der Elektroden
(3, 4) ausgebildet wird, daß die Elektroden (3, 4) in den Vertiefungen bzw. Kanälen (7, 8, 14, 15) angeordnet werden und daß eine die Basisplatte (1) und die Kanäle bzw. Vertiefungen (7, 8, 14, 15) abdeckende Schicht (2, 13), bestehend aus dem Ionen leitenden Material, auf der Basis- platte angeordnet wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisplatte (1) und/oder die Vertiefungen bzw. Kanäle (7, 8, 14, 15) in der Basisplatte (1) durch ein Spritz- gießen, Pulverspritzen, Prägen oder Heißprägen hergestellt werden.
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufbringen der Schicht (2, 13) aus dem Ionen leitenden Material eine Katalysatorschicht (9, 10) auf die Elektroden (3, 4) aufgebracht wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (2, 13) aus dem Ionen lei- tenden Material von einer Polymer-Elektrolyt-Membran oder einem keramischen Material gebildet wird.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer Polymer-Elektrolyt-Membran (2) das Polymer in einer gelösten Form auf die die Elektroden (3, 4) enthaltende Basisplatte aufgebracht wird und anschließend das Lösungsmittel des Polymers abgedampft wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisplatte (1) mit den darin aufgenommenen Elektroden (3, 4) und die Schicht aus einem Ionen leitenden Material (2, 13) durch ein Kleben oder dgl. miteinander verbunden werden.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (3, 4) durch elektrisch leitende Metallfilme (5, 6) oder in die Elektrodenschicht eingebettete, metallische Drähte oder Kohlefasern verbunden werden.
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