WO2022152402A1 - Elektrische protonenfluss-steuereinrichtung für brennstoffzellen - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a reactor cell for a power flow controllable fuel cell, a power flow controllable fuel cell with a reactor cell, and an electrolytic cell with a reactor cell.
  • Fuel cells are fed with hydrogen and oxygen to generate electrical energy.
  • a residual gas containing water vapor is produced as a reaction product.
  • H2 molecules dissociate on the anode side and are oxidized with the release of two electrons to two protons each. These protons diffuse through a membrane.
  • oxygen is reduced by the electrons that were previously able to do electrical work in an external circuit; together with the protons transported by an electrolyte, water is formed.
  • the anode and cathode are connected to an electrical consumer. This converts chemical energy into electrical energy.
  • a solid polymer membrane for example from National, can serve as the electrolyte. Depending on the operating point, the electrical efficiency is around 60 percent.
  • the operating temperature can be in the range of 60 to 120 ° C, where for the temperatures between 60 and 85 °C are preferred for continuous operation.
  • the membrane can be coated on both sides with a catalytically active substance. This can be a mixture of carbon and a catalyst such as platinum, or a mixture of platinum and ruthenium, platinum and nickel, or platinum and cobalt.
  • the direct voltage generated by fuel cells can be converted into single-phase or multi-phase alternating voltages using power electronic converters.
  • Power electronic inverters with different pulse processes can be used here, for example pulse width modulation (PWM) is used here.
  • Pulse width modulation is based on the variation of the switch-on time (modulation) of the voltage within small periods of time. This is used to set average voltage values within these small time intervals. In this way, for example, the shape of a sine curve can be reproduced in sections from a DC voltage.
  • the described embodiments apply equally to the reactor cell for a power flow controllable fuel cell, the power flow controllable fuel cell with a reactor cell and the electrolytic cell with a reactor cell. Synergetic effects can arise from different combinations of the embodiments, even if they are not described in detail.
  • a reactor cell for a power flow controllable fuel cell includes an anode layer, a cathode layer, a proton-permeable porous membrane disposed between the anode layer and the cathode layer, and a control electrode assembly disposed between the anode layer and the cathode layer.
  • the control electrode assembly is configured to control proton flow from one of the anode layer and the cathode layer through the membrane to the other of the anode layer and the cathode layer.
  • the control electrode arrangement can thus control the proton current and thus the power flow of the fuel cell directly on and/or in the membrane of the fuel cell.
  • the passage of the protons through the membrane can be impeded or prevented.
  • the reactions taking place in the fuel cell can be suppressed, so that the conversion of chemical energy into electrical energy is interrupted.
  • the power flow of the fuel cell can be controlled via two effects that act independently of one another.
  • activation losses in the reactor cell can be regulated by applying the voltage. An increase or a reduction in the activation losses can lead to a reduction or an increase in the voltage of the reactor cell present between the anode and the cathode.
  • the proton current or the flow of protons between anode and cathode or between cathode and anode can be controlled.
  • the proton flow through the membrane of the reactor cell can be controlled by two independent effects, the voltage-dependent control and the current-dependent control.
  • the protons migrating through the membrane are electrically charged as ions and their movement can therefore be influenced by electric fields (voltage-dependent control) or magnetic fields (current-dependent control).
  • the ion exchange through the membrane is influenced by the control electrode arrangement.
  • the control electrode arrangement can be mounted on one or both sides of the proton-permeable membrane above a catalyst layer and insulated from the catalyst layer. Alternatively or additionally, the control electrode arrangement can be arranged within the membrane and can therefore be arranged on the anode and/or cathode side and/or within the membrane.
  • a polymer membrane can be used as the membrane, the thickness of which can be in the range of 5-150 ⁇ m.
  • the electrical output of polymer electrolyte membrane fuel cells depends on the cell and thus membrane area and is approx. 1 W/cm 2 .
  • the electrical power can be controlled by blocking or releasing the active cell surface.
  • a power flow control device on and/or in the membrane of the fuel cell thus switches the proton flow in the membrane on and off by blocking and unblocking at least one additional conductive or semiconductive layer.
  • It can be one Act control device for membranes in fuel and electrolysis cells for continuous or pulsed blocking of charge carrier flow or proton flow in the membrane.
  • This enables an electrical power flow control device for fuel cells and electrolytic cells or an electrochemical commutation device for time-variable single-phase or multi-phase AC voltage output variables from fuel cell systems or time-variable single- or multi-phase AC voltage input variables from electrolytic cell systems.
  • control electrode arrangement has at least one electrode arrangement and is proton-permeable-porous in a region of the electrode arrangement.
  • the control electrode arrangement has a porous, electrically conductive layer which can be arranged on, on or in the membrane.
  • the porous, electrically conductive layer has proton conductivity.
  • the proton flow in the membrane can be interrupted or stopped by applying a DC or AC voltage to the control electrode arrangement.
  • the proton flow can be controlled as a function of the measured voltage and current values.
  • the proton flow control can be dependent on the voltage and current readings in combination with the hydrogen and oxygen readings.
  • the porous, electrically conductive layer can be produced by various methods.
  • the porous, electrically conductive layer can be open-pored, with a pore size smaller than a hydrogen molecule, for example in the range of 5 nm.
  • All metallic conductors such as gold, titanium, copper, aluminium, but also carbon can be used as conductive material.
  • the control structure of the control electrode assembly can be made of conductive inorganic materials such as gold, silver, copper, aluminum, or graphite, or organic conductive materials such as organic conductors, organic metals, or synthetic metals.
  • Doped polymers based on organic compounds are also possible, or ionic compounds based on organic molecules.
  • the group of organic conductors includes, for example, iodine-doped polyacetylene.
  • semiconducting materials in the form of element semiconductors or Compound semiconductors possible such as gallium arsenide, indium antimonide, zinc selenide or cadmium sulfide.
  • organic semiconductors examples include tetracene, pentacene, phthalocyanines, polythiophenes, PTCDA, MePTCDI, quinacridone, acridone, indanthrone, flavanthrone, perinone, Alq3, P3HT (poly-3-hexylthiophene, polymer), pentacene (small molecule) or PCBM (phenyl- C61 -butyric acid methyl ester, fullerene derivative).
  • Any combinations of ionomer materials such as, for example, nation and conductors/semiconductors can be considered as material pairs of membrane body and conductive layer.
  • porous, electrically conductive layer Possible manufacturing processes for the porous, electrically conductive layer are, for example:
  • membrane coated in different ways e.g. by vapor deposition, sputtering or printing with electrically conductive or semiconductive materials.
  • Diaphragm, conductive or coated with semiconductor by etching process Diaphragm, conductive or coated with semiconductor by etching process.
  • the contacting of the electrically conductive layer as a control electrode arrangement can take place via flat ribbons or flat bonding wires made of the same material as the conductive layer, which are already provided during manufacture of the control structure (e.g. during vapor deposition, hot pressing, printing, melting, sputtering, or cold gas spraying).
  • the additional membrane area required for contacting is already taken into account in the geometric shape of the membrane. In the simplest case, this can be done by cutting out the membrane, including the necessary contact surfaces.
  • the control electrode arrangement is porous insulated on both sides. In this way, in the inactive state, without a control voltage being applied to the control electrode arrangement or without a control current flowing through the control electrode arrangement, the passage of charge carriers, in particular protons, through the control electrode arrangement can be made possible.
  • the porous insulation enables electrical potential separation and thus insulation between the control electrode arrangement and adjacent components such as the anode or cathode layer or also to a catalyst layer or a gas diffusion layer.
  • the insulation can be porous, which can allow protons or gases to pass through, but which can nevertheless allow potential separation due to the distance between the control electrode arrangement and neighboring components caused by the insulation.
  • control electrode arrangement is arranged on at least one of the surfaces of the membrane facing the anode layer or the cathode layer.
  • the control electrode assembly can either be located only on the anode side of the membrane or it can be located only on the cathode side of the membrane. It is also possible for the control electrode arrangement to be located both on the anode-side of the membrane and on the cathode-side of the membrane. As a result, the membrane, or at least part of the membrane, can be located between an anode-side control electrode arrangement and a cathode-side control electrode arrangement. As a result, a voltage can be applied between the anode-side control electrode arrangement and the cathode-side control electrode arrangement, which can lead to an electric field across the membrane. Alternatively, the anode-side control electrode arrangement and the cathode-side control electrode arrangement can be driven separately, so that each can independently control the proton flow through the membrane. The effects of controlling the proton current can thus overlap.
  • control electrode assembly is located within the membrane.
  • the control electrode assembly can be located within the membrane.
  • the control electrode arrangement can thus move in the direction of the proton flow between a first part of the membrane and a second part of the membrane.
  • a portion of the control electrode assembly may be located within the membrane and another portion of the control electrode assembly may be on one or both surfaces of the membrane.
  • control electrode arrangement for applying a voltage has a first electrode arrangement and a second electrode arrangement, the first electrode arrangement and the second electrode arrangement being arranged in such a way that an electrical current prevailing between the first electrode arrangement and the second electrode arrangement when a voltage is applied Field parasitic currents are generated to control the flow of protons through the membrane.
  • the control electrode assembly may include a first electrode assembly and a second electrode assembly. In this embodiment of the invention, these can be in the same plane and perpendicular to the direction of the proton flow.
  • the flow of protons through the membrane and thus the electrical output of the fuel cell or the electrolytic cell can be controlled via a control structure in the form of a divided electrode that is contacted on both sides, for example in the form of comb electrodes, ring or half-ring electrodes or distributed, spatially differently assigned electrodes, each of which are only electrically contacted from one side.
  • an electrical voltage can be applied between the first electrode arrangement and the second electrode arrangement.
  • the control of the proton passage through the membrane can be brought about here on the one hand by a near-field effect of the electric field resulting from the applied voltage on the moving protons.
  • a parasitic current flow that occurs between the first electrode arrangement and the second electrode arrangement via the membrane surfaces located between them can be used to control the proton current through the membrane.
  • the movement of the protons in the proton stream can therefore be influenced on the one hand by the electrical field applied between the two electrode arrangements. This allows the strength of the proton current to be controlled.
  • an electrical surface conductivity of the membrane surfaces between the first electrode arrangement and the second electrode arrangement can cause a parasitic current flow on the membrane of the membrane or within the membrane.
  • This parasitic current flow can thus flow indirectly from the first electrode arrangement via the membrane to the second electrode arrangement.
  • the strength of the parasitic current flow can depend on the humidification of the membrane. Like any current flow, this one also creates a magnetic field that can influence the moving charge carriers of the proton current. The proton flow through the membrane can thus be controlled by the strength of the parasitic currents.
  • the first electrode arrangement meshes with the second electrode arrangement, there being a substantially constant distance between an edge of the first electrode arrangement and an opposite edge of the second electrode arrangement.
  • the comb-like design of the first electrode arrangement and the second electrode arrangement allows the creation of an electric field between the first electrode arrangement and the second electrode arrangement which has a large spatial extent and can extend over a large part of the area of the control electrode arrangement and the membrane. Since the electric field extends from one electrode to the adjacent electrode, this embodiment of the control electrode arrangement can cover large areas of the membrane in which the spacing of the first electrode arrangement from the second electrode arrangement is approximately constant.
  • the electric field is orthogonal to a direction of proton flow.
  • the flow of protons is preferably in a direction perpendicular to the surface of the membrane.
  • the electric field is in-plane or parallel to the plane of the membrane. The electric field between the first electrode arrangement and the second electrode arrangement thus runs perpendicularly to the direction of the proton current.
  • the parasitic current from the first electrode arrangement to the second electrode arrangement or from the second electrode arrangement to the first electrode arrangement through at least a part of the Membrane measured and taken to determine the moisture content of the membrane.
  • this embodiment of the invention can be used to determine the surface conductivity of the membrane by measuring the parasitically flowing current. This allows conclusions to be drawn directly on the surface of the membrane as to the key parameter of membrane humidification for the operation of a fuel cell or electrolytic cell.
  • control electrode arrangement has a current-conducting electrode, the current-conducting electrode being arranged in such a way that a current flowing through the current-conducting electrode generates a near-field effect for controlling the proton current through the membrane.
  • an electric current can flow from a first contact point of the current-conducting electrode to a second contact point of the current-conducting electrode through the current-conducting electrode and thus through a surface structure of the current-conducting electrode that is continuous from one side to the other.
  • the proton current is controlled by applying an electrical voltage to the current-conducting electrode, which can be designed, for example, as a continuous strip grid, continuous ring or half-ring electrodes or distributed, spatially differently assigned electrodes.
  • the applied voltage generates a current flow in the control electrode arrangement which, due to its electromagnetic near-field effect, influences the proton passage through the membrane and can thus interrupt it.
  • the proton flux is influenced by the electromagnetic near field.
  • the electromagnetic near field inhibits the proton passage through the membrane.
  • the proton flux is directly related to the control of the current flow and can be inversely proportional to the magnitude of the current.
  • control electrode arrangement has a meandering electrode arrangement, one edge of a meandering branch of the Electrode arrangement has a substantially constant distance from an edge of an adjacent meander branch.
  • the electromagnetic near field of the meander branches can thus extend to a large part or also to the entire surface of the membrane, so that the proton flow can be suppressed over the entire membrane surface.
  • control electrode arrangement is designed in such a way that at least part of the membrane lies between a first electrode arrangement and a second electrode arrangement in such a way that when a voltage is applied between the first electrode arrangement and the second electrode arrangement, the control electrode arrangement reduces activation losses by inhibiting the passage of charge to control the Increased or decreased proton flux through the membrane.
  • the control electrode arrangement has a first electrode arrangement and a second electrode arrangement, the membrane or just a part of the membrane being located in the direction of the proton flow between the first electrode arrangement and the second electrode arrangement.
  • an electrical field is generated which runs parallel or antiparallel to the direction of the proton current.
  • the transport of the protons through the membrane can be influenced by this field. This influence can be brought about by controlling activation losses.
  • the effect of an opposing electric field with the field direction opposite to the cell voltage can be used to increase the activation losses and on the other hand the effect of an electric positive field with the same field direction as the cell voltage can be used to reduce the activation losses.
  • Activation losses are also called passage or activation potential losses. They describe the voltage drop, also known as the transfer overvoltage, when the charge transfers from the electron-conducting to the ion-conducting phase. The cause is kinetic inhibition of the electrochemical partial reactions at the electrode-electrolyte transition, which take place at different finite speeds. Loss of activation control is voltage control. If the voltage is reduced, the power can decrease depending on the direction of the voltage; if the voltage is higher, the power then increases. On the one hand, the proton flux is directly dependent on the control of the activation losses and inversely proportional to the level of activation losses. With higher activation losses, a lower proton flux occurs, with lower activation losses, a higher proton flux occurs.
  • either the cathode layer or the anode layer is used as the second electrode arrangement.
  • an electric field can be generated either parallel or antiparallel to the direction of the proton current.
  • control electrode arrangement has an arrangement of photosensitive resistors with a light-sensitive surface arrangement, and an optical waveguide arrangement with a light-exit surface arrangement and a light-entry surface arrangement, the light-exit surface arrangement corresponding to the light-sensitive surface arrangement in such a way that the proton current through the membrane is increased by coupling light into the light entry surface arrangement is controllable.
  • the proton current can be controlled by means of optical regulation of the current flowing through the control electrode arrangement or the voltage present thereon.
  • a current flow through the photosensitive resistor or a photosensitive diode can be controlled by coupling in light, which is conducted, for example, through an optical waveguide to a photosensitive resistor.
  • the flow of current generated or enabled in this way can be used to regulate the flow of protons through the membrane. This enables control and regulation of a regulated or unregulated light intensity or
  • Amount of light energy or a pulsed light intensities or amounts of light energy can be realized.
  • the control electrode arrangement has an optical waveguide arrangement, the optical waveguide arrangement being designed to guide light from a light source onto a surface of the membrane.
  • the introduction of light can cause a radiation pressure Pstr and thus a force on the membrane be exercised.
  • a moisture content of the membrane can be controlled by the force acting on the membrane.
  • the moisture content of the membrane can have an influence on the proton flux through the membrane, so that the proton flux can be controlled.
  • Changing the pressure on the membrane can also change the light intensity, so that the moisture content on the membrane can be monitored. If light is coupled into the fiber optic cable, the speed of the light in the fiber optic cable can change with the current flow and the resulting magnetic field, for example via the Faraday effect. As a result, a current flow can be measured on or in the membrane.
  • control electrode arrangement has an arrangement of piezo elements and the membrane has a pressure-dependent proton permeability, the membrane being controllable by driving the piezo elements.
  • This electromechanical control, or control via piezo elements can be used to control and regulate the regulated or unregulated voltage or current source with switched or permanent direct or alternating variables or pulsed profiles for controlling and regulating an electromechanical force field in the form of a static electromechanical force field and/or an electromechanical alternating force field or a pulsed electromechanical force field, eg a static electromechanical force field and/or an electromechanical alternating force field.
  • the piezo elements can be attached, for example, as a grid with piezo elements connected in series or in parallel and/or in the form of a surface coating of piezo elements.
  • a constant DC voltage or a pulsed DC voltage can be applied.
  • a force can be exerted on the membrane by means of an inverse piezo effect.
  • This force exerted on the membrane can affect the moisture content of the membrane, which in turn has an impact on the strength of the proton current through the membrane.
  • the proton flow through the membrane can thus be controlled by applying a voltage to the piezo elements.
  • a second operating mode of the piezo elements by measuring the pressure exerted by the membrane on a piezo element in the latter Embodiment of the invention, for example, a health monitoring of the membrane can be carried out.
  • the moisture content in the membrane can have an influence on the pressure exerted by the membrane on the piezo elements. Using the piezo effect, this pressure can be converted into a voltage signal that can be measured and thus allows conclusions to be drawn about the moisture content and/or the condition of the membrane.
  • the reactor cell has at least one of a catalyst layer arranged on the side of the membrane facing the anode layer and a catalyst layer arranged on the side of the membrane facing the cathode layer.
  • the catalyst layer on the anode side of the membrane can serve to oxidize the hydrogen gas as the fuel of the reactor cell, so that the electrons are released to the anode layer via the catalyst, and two protons are produced from each hydrogen molecule, which are the membrane can migrate as electrolytes.
  • the catalyst layer on the cathode side can bring about the reduction of an oxygen molecule by accepting electrons to form negatively charged oxygen ions, which can combine with the protons that have migrated through the membrane to form a water molecule.
  • the reactor cell is used in an electrolytic cell, the water molecules are broken down into protons and oxygen ions on the anode-side catalyst layer, and the oxygen ions are oxidized to form oxygen.
  • the protons that have migrated through the membrane are reduced to hydrogen on the cathode-side catalyst layer.
  • the reactor cell has at least one of a gas diffusion layer between the anode layer and the membrane and a gas diffusion layer between the cathode layer and the membrane.
  • the gas diffusion layers can ensure the supply of hydrogen or oxygen to the anode-side or cathode-side catalyst layer and ensure efficient removal of the reaction products and any residual gases.
  • the anode-side gas diffusion layer and the anode-side catalyst layer can also be designed as part of the anode layer, with the gas diffusion layer also being able to be used for the electrical contacting of the anode-side catalyst layer, so that the anode-side Catalyst layer released electrons can be directed to the anode.
  • the gas diffusion layer on the cathode side and the catalyst layer on the cathode side can also be designed as part of the cathode layer, in which case the gas diffusion layer can also be used for making electrical contact with the catalyst layer on the cathode side.
  • control electrode arrangement is arranged on the side of the anode layer and/or the cathode layer facing away from the membrane.
  • control electrode assembly is not located between the anode layer and the cathode layer. This embodiment enables improved conductivity of the electrons between the anode layer and the anode-side catalyst layer or between the cathode layer and the cathode-side catalyst layer.
  • the power flow controllable fuel cell has: A reactor cell according to one of the preceding embodiments, a fuel gas feed opening on the side of the membrane facing the anode layer, an oxygen gas feed opening on the side of the membrane facing the cathode layer, and a combustion product discharge leading away from the side of the membrane facing the cathode layer .
  • the control electrode arrangement is designed to control a flow of protons from the anode layer through the membrane to the cathode layer.
  • the reactor cell can be part of a fuel cell.
  • the fuel cell also has devices that serve to supply the fuel cell with reactants and devices for transporting away reaction products.
  • the device and the method for electrical proton flow control can be used in all types of fuel cells or electrolytic cells. These types can be, for example, polymer electrolyte membrane fuel cells or electrolytic cells (PEM), methanol fuel cells or electrolytic cells, alkaline fuel cells or electrolytic cells, phosphoric acid fuel cells or electrolytic cells, molten carbonate fuel cells or electrolytic cells and oxide ceramic fuel cells or electrolytic cells .
  • PEM polymer electrolyte membrane fuel cells or electrolytic cells
  • methanol fuel cells or electrolytic cells methanol fuel cells or electrolytic cells
  • alkaline fuel cells or electrolytic cells phosphoric acid fuel cells or electrolytic cells
  • phosphoric acid fuel cells or electrolytic cells molten carbonate fuel cells or electrolytic cells and oxide ceramic fuel cells or electrolytic cells .
  • the power flow controllable fuel cell also has a control device connected to the control electrode arrangement, wherein the control device is designed to provide a continuous or pulsed current and/or a continuous or pulsed voltage for the continuous or pulsed blocking of a proton flow through the membrane.
  • the fuel cell according to the invention with the reactor cell having a control electrode arrangement and the control device can implement the functionality of power electronics that are customary today and thereby at least partially replace the power electronics.
  • the commutation or the modulation of the voltage and the current flow of the fuel cell can thus take place in the form of an "electrochemical commutation".
  • An advantage of the fuel cell device according to the invention for controlling the proton flow with the control device can be that the method of pulse width modulation can be carried out by the control device in connection with the conductive, porous layer of the control electrode arrangement on the membrane directly in the fuel cell or
  • Electrolytic cell can be applied. This allows the electric current generated by the fuel cell to be blocked or released directly at the membrane of the fuel cell.
  • the proton current and current flow can be controlled and regulated using a regulated or unregulated voltage or current source.
  • the voltage or current source can have a continuous or pulsed course of a DC voltage or AC voltage.
  • pulsed electrical fields such as an electrostatic field and/or an alternating electrical field, can be controlled.
  • magnetostatic and/or magnetodynamic DC or AC fields can be controlled and regulated with a continuous or pulsed course.
  • control device is designed to provide a control current or a control voltage in such a way that an amplitude of an output voltage of the fuel cell assumes a value between 0 and 100% of a maximum value of the amplitude, in particular within any time intervals, in particular by pulse width modulation.
  • the control device By applying a voltage or current to the control electrode assembly the control device can be designed to either at least almost completely block the flow of protons through the membrane or to allow a maximum value of the flow of protons through the membrane.
  • the output voltage of the fuel cell can either be equal to zero, or it can have the maximum value of the output voltage that is determined by the design.
  • the control device can discretely switch the value of the output voltage and thus the current flow of the fuel cell back and forth between these two extreme values.
  • the time intervals within which the fuel cell is switched on or off can be set and changed by the control device.
  • the control device is thus designed to generate any profile of the output voltage of the fuel cell by means of pulse width modulation.
  • the position of the output voltage of the fuel cell between 0 and 100% within any time interval corresponds to a pulse width modulation previously implemented with external power electronics.
  • the output voltage of the fuel cell can also be set continuously over time between 0 and 100%.
  • the output voltage of the fuel cell can also be set continuously over time between 0 and 100% by a control voltage at the proton flow control device that varies continuously over time. With the proton flow control device, the output voltage in the fuel cell can be set as desired in terms of amplitude and frequency.
  • the external power electronics required today can be replaced by an electrical proton flow control device directly in the fuel cell and can therefore be omitted.
  • the pulse width modulation simulates a sine curve.
  • control device can control the fuel cell in such a way that the positive part of a sinusoidal oscillation can be represented by means of the pulse width modulation.
  • the fuel cell can thus have the course of a rectified sine curve as the output voltage.
  • a downstream inverter which reverses and commutates the voltage after every half period of the sine wave, can thus produce a complete sine wave with positive and negative components.
  • fuel cells generate a DC voltage when fed with hydrogen and oxygen. This must be converted into an AC voltage to operate AC consumers or before it is fed into the power supply network. So far, this can be done with power electronic inverters.
  • the switching of the control electronics downstream of the fuel cell can thus take place at a significantly lower frequency, which can have a positive effect on the requirements and the service life of the control electronics.
  • Advantages can arise when used in conjunction with electrical alternating current or three-phase machines.
  • This output voltage can also be used directly to feed electrical alternating current or three-phase machines if the phase windings of the electrical machine are supplied by fuel cells with a proton flow control device with alternating polarity. A commutation can thus be omitted entirely.
  • the fuel cell has at least one of a gas diffusion layer between the fuel gas feed, in particular a hydrogen gas feed, and the anode layer and a gas diffusion layer between the oxygen gas feed and the cathode layer.
  • the gas diffusion layer can be designed to ensure an optimal supply of fuel such as hydrogen and oxygen to the fuel cell and in particular to the anode and the cathode, or to the anode-side catalyst layer and the cathode-side catalyst layer.
  • the gas diffusion layer also allows the reaction products, in particular water vapor, and unused fuels to be transported away.
  • a further aspect of the invention comprises an electrolytic cell with a reactor cell according to one of the preceding embodiments.
  • the electrolytic cell has: A fuel oxide feed opening on the side of the membrane facing the anode layer, in particular a water feed, a fuel gas discharge leading away from the side of the membrane facing the cathode layer, in particular a hydrogen gas outlet, and an oxygen gas outlet leading away from the side of the membrane facing the anode layer.
  • the control electrode arrangement is designed to control a flow of protons from the anode layer through the membrane to the cathode layer.
  • the electrolytic cell has a reactor cell with a control electrode assembly.
  • the control electrode arrangement is designed to control a proton current through the membrane of the electrolytic cell by a voltage applied thereto or by an electric current flowing through it.
  • the proton flow control device can be used to set the strength of an additional electric field at the membrane in order to influence the proton flow through the membrane. As a result, the proton flow control device can be used in electrolysis cells to control the quantity of hydrogen produced.
  • the electrolytic cell also has an electrolysis control device connected to the control electrode arrangement, the electrolysis control device being designed to generate a continuous or pulsed current and/or a continuous or pulsed voltage for the continuous or pulsed blocking of a proton current from the anode layer through the membrane to the provide cathode layer.
  • Electrolytic cells generate hydrogen and oxygen when fed with water and electrical energy.
  • the proton flow control device can be used in electrolytic cells to control the amount of hydrogen produced.
  • the control device can be designed in such a way that the proton current through the membrane is influenced by applying a voltage to the control electrode arrangement or by causing a current through the control electrode arrangement.
  • the invention relates to a reactor cell for a power flow controllable fuel cell.
  • the reactor cell has an anode layer, a cathode layer, and one between the anode layer and the cathode layer arranged proton-permeable-porous membrane.
  • the reactor cell has a control electrode arrangement arranged between the anode layer and the cathode layer, which is designed to control a proton flow through the membrane between the anode layer and the cathode layer by applying a voltage to the control electrode arrangement.
  • FIG. 1 shows a schematic structure of a power flow controllable fuel cell with a reactor cell according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 2 shows a schematic structure of an electrolytic cell with a reactor cell according to an embodiment of the invention.
  • FIG 3 shows various embodiments of a reactor cell according to the invention.
  • FIG. 4 shows various embodiments of a reactor cell according to the invention.
  • FIG. 5 shows various embodiments of a control electrode arrangement according to the invention.
  • FIG. 6 shows a schematic structure of a power flow controllable fuel cell with a reactor cell with an electrical circuit according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 8 shows a control electrode arrangement with an arrangement of piezo elements according to an embodiment of the invention.
  • 9 shows a control electrode arrangement with an optical waveguide arrangement according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic structure of a power flow controllable fuel cell 2 with a reactor cell 100 according to an embodiment of the invention.
  • the reactor cell 100 has an anode layer 30 and a cathode layer 70 between which the membrane 50 is located.
  • An anode-side control electrode assembly 40 is interposed between the anode layer 30 and the membrane 50 .
  • a cathode-side control electrode assembly 60 is interposed between the cathode layer 70 and the membrane 50 .
  • a catalyst layer 48 or 68 is arranged on the anode-side and on the cathode-side of the membrane 50 .
  • the anode layer 30 is connected to the cathode layer 70 via an electrical load 20 .
  • the fuel cell 2 also has a control device 200 which is designed to apply a voltage to the control electrode arrangement 40,60 or to cause a current to flow through the control electrode arrangement 40,60.
  • Hydrogen is supplied to the anode layer 30 via a fuel gas supply line 10 and is oxidized there to form protons.
  • the electrodes migrate via the electrical load to the cathode layer 70, and the protons produced migrate in the form of a proton stream through the membrane 50 as electrolyte to the cathode layer 70.
  • oxygen from the oxygen gas supply 80 is reduced to negatively charged oxygen ions, which combine with the Combine protons from the proton stream into water vapor molecules.
  • the water vapor is transported away via a combustion product discharge 90 .
  • the control device 200 is designed to control the flow of protons through the membrane 50 .
  • FIG. 2 shows a schematic structure of an electrolytic cell 3 with a reactor cell 100 according to an embodiment of the invention.
  • the reactor cell 100 has an anode layer 30 and a cathode layer 70 between which the membrane 50 is located.
  • An anode-side control electrode assembly 40 is interposed between the anode layer 30 and the membrane 50 .
  • a cathode-side control electrode assembly 60 is interposed between the cathode layer 70 and the membrane 50 .
  • a catalyst layer 48 or 68 is arranged on the anode-side and on the cathode-side of the membrane 50 .
  • the anode layer 30 is connected to the cathode layer 70 via an electrical current or voltage source 20 tied together.
  • the electrolysis cell 3 also has an electrolysis control device 300 which is designed to apply a voltage to the control electrode arrangement 40,60 or to cause a current to flow through the control electrode arrangement 40,60.
  • Water vapor is fed to the anode layer 30 via a fuel oxide feed 90 and broken down there into protons and oxygen ions by electrolysis.
  • the oxygen ions are oxidized to form oxygen, which is discharged via an oxygen gas discharge 80 .
  • the released electrons flow via the electrical current or voltage source 20 to the cathode layer 70, and the protons produced migrate in the form of a proton stream through the membrane 50 as the electrolyte to the cathode layer 70.
  • the protons from the proton stream are reduced to hydrogen.
  • the hydrogen produced is transported away via a fuel gas discharge 10 .
  • the control device 300 is designed to control the flow of protons through the membrane 50 .
  • FIG. 3A shows a reactor cell 100 according to an embodiment of the invention.
  • the reactor cell 100 has an anode layer 30 and a cathode layer 70 between which the membrane 50 is located.
  • An anode-side control electrode assembly 40 is interposed between the anode layer 30 and the membrane 50 .
  • a cathode-side control electrode assembly 60 is interposed between the cathode layer 70 and the membrane 50 .
  • a further control electrode arrangement 40,60 is arranged within the membrane 50.
  • FIG. A catalyst layer 48 or 68 is arranged on the anode-side and on the cathode-side of the membrane 50 .
  • the anode layer 30 is connected to the cathode layer 70 via an electrical load 20 .
  • anode-side gas diffusion layer 35 between anode layer 30 and anode-side catalyst layer 48 There is an anode-side gas diffusion layer 35 between anode layer 30 and anode-side catalyst layer 48.
  • a cathode-side gas diffusion layer 75 between cathode layer 70 and cathode-side catalyst layer 68 is arranged on the opposite side of the anode layer 30 from the membrane 50, and the cathode-side control electrode assembly 60 is arranged on the opposite side of the cathode layer 70 from the membrane 50.
  • FIG. 4 shows various embodiments of a reactor cell 100 according to the invention.
  • FIG. 4A there is a control electrode arrangement 40 only between the anode layer 30 and the membrane 50.
  • FIG. 4B there is one Control electrode assembly 60 between cathode layer 70 and membrane 50 only.
  • Figure 4C shows both an anode-side control electrode assembly 40 between anode layer 30 and membrane 50, and a cathode-side control electrode assembly 60 between cathode layer 70 and membrane 50.
  • Figure 4D shows only one Control electrode assembly 40,60 located within membrane 50.
  • FIG. 5 shows various embodiments of a control electrode arrangement 40, 60 according to the invention.
  • 5A shows a strip grid as the electrode arrangement of the control electrode arrangement 40, 60, which here is arranged horizontally.
  • 5B shows a one-sided comb structure.
  • the control electrode assemblies 40, 60 of both Figures 5A and 5B are designed to be traversed by a current which controls the proton current.
  • FIGS. 5C, 5D, 5E and 5F each show a two-sided comb structure as control electrode arrangement 40,60.
  • the control electrode arrangement 40,60 has here in each case at least a first electrode arrangement 41,61 and a second electrode arrangement 42,62. A control current can flow through each of these electrode arrangements separately.
  • FIG. 5G shows a lattice structure
  • FIG. 5J a ring electrode
  • FIG. 5K a matrix structure of the control electrode arrangement, which can each serve as a current-conducting electrode.
  • the ring structure of Fig. 5H and the half ring structure shown in Fig. 5I can be used as electrodes for applying a control voltage. All variants of the control electrode arrangement shown can be arranged in any desired spatial orientation, in particular horizontally, vertically or diagonally.
  • the various embodiments of the control electrode arrangement can also be combined with one another.
  • contacting surfaces can be produced together with the control electrode arrangement, which can protrude over the active surface of the membrane.
  • the contact can be made, for example, by clamps, screws or spring contacts on the contacting surface.
  • FIG. 6 shows a schematic structure of a power flow controllable fuel cell 2 with a reactor cell 100 with an electrical circuit according to an embodiment of the invention.
  • the reactor cell 100 is shown here by way of example only with a control electrode arrangement 60 on the cathode side.
  • a control device is connected to the Control electrode assembly 60 connected and can control the flow of protons through the membrane 50 by applying a pulsed and pulse-width-modeled voltage.
  • the voltage present between the anode layer 30 and the cathode layer 70 of the fuel cell 2 can be directly proportional to the control voltage present at the control electrode arrangement 60 .
  • the course of the voltage of the fuel cell 2 can simulate the course of a rectified sinusoidal voltage by means of a pulse width modulation, as shown as the course of the voltage U1 over time t.
  • Downstream control electronics with switches S1 to S4 can serve as an inverter and generate a sinusoidal AC voltage, the curve of which is shown as voltage U2 over time t. This voltage U2 can then be applied to a consumer represented here by an RL element. It is also possible to use a three-phase inverter with subsequent feeding into a power grid.
  • FIG. 7 shows a sine wave generated by pulse width modulation.
  • the principle of pulse width modulation is explained here. Through the pulsed switching on of a DC voltage with a constant level and varying on-times of the voltage, after smoothing and averaging the voltage over a corresponding time interval, a continuous voltage curve can be simulated, in this case half a period of a sinusoidal oscillation.
  • FIG. 8 shows a control electrode arrangement 40, 60 with an arrangement of piezo elements 45, 65 according to an embodiment of the invention.
  • the piezo elements 45, 65 are arranged here in the form of a two-dimensional lattice or matrix structure, it being possible for one or more of the piezo elements to be connected in series. Additional piezo elements can be located in arms of the voltage supply that are connected in parallel to them. However, as shown in FIG. 5, a large number of other arrangements of the piezo elements on the control electrode arrangement are also conceivable.
  • a voltage supply U is connected to the arrangement of piezo elements via a switch S, and a voltage measuring device V can be located in parallel therewith.
  • a pulsed DC voltage can be applied to the arrangement of the piezo elements, as a result of which a pressure is exerted on the membrane 50 .
  • the switch s When the switch s is open, the voltage generated by the piezoelectric elements 45, 65 can be measured using the voltage measuring device V, so that, for example, the moisture content of the membrane can be determined.
  • 9 shows a control electrode arrangement 40, 60 with an optical waveguide arrangement 44, 64 according to an embodiment of the invention.
  • the optical waveguide arrangement 44, 64 can transport light from a switched or pulsed light source S to a light exit surface arrangement of the optical waveguide arrangement 44, 64. The light can then be directed onto a surface of the membrane 50 and irradiate it.
  • a second part of the optical waveguide arrangement can be connected to a light sensor L.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Reaktorzelle für eine leistungsflusssteuerbare Brennstoffzelle. Die Reaktorzelle weist eine Anodenschicht, eine Kathodenschicht, und eine zwischen der Anodenschicht und der Kathodenschicht angeordnete Protonen-durchlässig-poröse Membran auf. Weiterhin weist die Reaktorzelle eine zwischen der Anodenschicht und der Kathodenschicht angeordnete Steuerungselektrodenanordnung auf, die dazu ausgelegt ist durch Anlegen einer Spannung an die Steuerungselektrodenanordnung einen Protonenstrom durch die Membran zwischen der Anodenschicht und der Kathodenschicht zu steuern.

Description

Elektrische Protonenfluss-Steuereinrichtunq für Brennstoffzellen
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Reaktorzelle für eine leistungsflusssteuerbare Brennstoffzelle, eine leistungsflusssteuerbare Brennstoffzelle mit einer Reaktorzelle, und eine Elektrolysezelle mit einer Reaktorzelle.
Hintergrund der Erfindung
Brennstoffzellen werden zur Erzeugung elektrischer Energie mit Wasserstoff und Sauerstoff gespeist. Als Reaktionsprodukt entsteht neben elektrischer Energie ein Restgas, welches Wasserdampf enthält. H2-Moleküle dissoziieren auf der Anodenseite und werden unter Abgabe von zwei Elektronen zu je zwei Protonen oxidiert. Diese Protonen diffundieren durch eine Membran. Auf der Kathodenseite wird Sauerstoff durch die Elektronen, die zuvor in einem äußeren Stromkreis elektrische Arbeit verrichten konnten, reduziert; zusammen mit den durch einen Elektrolyten transportierten Protonen entsteht Wasser.
Anodenreaktion: H2 -> 2H+ + 2e_
Kathoden reaktion: % O2 + 2H+ + 2e_ -> H2O
Gesamtreaktion: H2 + % O2 -> H2O + Pei + Ptn
Um die elektrische Energie nutzen zu können werden Anode und Kathode an einen elektrischen Verbraucher angeschlossen. Damit wird chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Als Elektrolyt kann eine feste Polymermembran, beispielsweise aus Nation, dienen. Der elektrische Wirkungsgrad beträgt je nach Arbeitspunkt etwa 60 Prozent. Die Betriebstemperatur kann im Bereich von 60 bis 120 °C liegen, wobei für den kontinuierlichen Betrieb bevorzugt Temperaturen zwischen 60 und 85 °C gewählt werden. Die Membran kann beidseitig mit einer katalytisch aktiven Substanz beschichtet sein. Dies kann eine Mischung aus Kohlenstoff und einem Katalysator wie Platin, oder ein Gemisch aus Platin und Ruthenium, Platin und Nickel, oder Platin und Kobalt sein.
Wird das Funktionsprinzip der Brennstoffzelle umgekehrt, spricht man von Elektrolysezellen. Diese werden mit Wasser und elektrischer Energie gespeist, die Reaktionsgleichung laufen somit in umgekehrter Richtung ab. Als Reaktionsprodukte entstehen hier Wasserstoff und Sauerstoff:
Anodenreaktion: H2O -> 2H+ + % O2 + 2e_
Kathodenreaktion: 2H+ + 2e_ -> H2
Gesamtreaktion: H2O + Pei -> H2 + % O2
Die von Brennstoffzellen (BZ) erzeugte Gleichspannung kann bisher mit leistungselektronischen Wandlern in ein- oder mehrphasige Wechselspannungen umgeformt werden. Hierbei können leistungselektronische Wechselrichter mit verschiedenen Pulsverfahren eingesetzt werden, beispielsweise wird hier die Pulsweitenmodulation (PWM) genutzt. Die Pulsweitenmodulation beruht auf der Variation der Einschaltdauer (Modulation) der Spannung innerhalb kleiner Zeitabschnitte. Dies dient der Einstellung von Spannungsmittelwerten innerhalb dieser kleinen Zeitabschnitte. Somit lässt sich zum Beispiel aus einer Gleichspannung abschnittsweise die Form einer Sinuskurve nachbilden. Die bisher beschriebene Energiewandlung galt für die Brennstoffzelle. Bei Elektrolysezellen verläuft die Energieflussrichtung in umgekehrter Richtung wie bei Brennstoffzellen. Bei Elektrolysezellen kann die Speisung mit elektrischer Energie aus dem Wechsel- oder Drehstromnetz über Gleichrichter erfolgen, die eine ein- oder dreiphasige Wechselspannung in eine Gleichspannung umformen können. Der Betrieb von Brennstoffzellen erfordert somit leistungselektronische Wechselrichter und der Betrieb von Elektrolysezellen erfordert leistungselektronische Gleichrichter, sofern diese in Verbindung mit einem Wechselspannungsnetz betrieben werden sollen. Es besteht heute bei dem Betrieb von Brennstoffzellen die Notwendigkeit teure, schwere und in ihrer Lebensdauer begrenzte leistungselektronische Bauteile zu nutzen, mit denen sich zudem die Komplexität und damit auch die Fehleranfälligkeit solcher Anlagen vergrößert. Es entsteht auch ein Platzbedarf für den Einbau, die Verdrahtung sowie die Absicherung der Leistungselektronik. Ein wesentlicher und systematischer Nachteil Halbleiter-basierter leistungselektronischer Schalter besteht in der hohen Stromdichtekonzentration auf kleinen Halbleiterflächen. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben daher festgestellt, dass es vorteilhaft wäre, über eine verbesserte Reaktorzelle einer Brennstoffzelle oder einer Elektrolysezelle zu verfügen.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Reaktorzelle für eine leistungsflusssteuerbare Brennstoffzelle anzugeben, die eine verbesserte Steuerung des Protonenstroms durch die Membran ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der folgenden Beschreibung, sowie der Figuren.
Die beschriebenen Ausführungsformen gelten gleichermaßen für die Reaktorzelle für eine leistungsflusssteuerbare Brennstoffzelle, die leistungsflusssteuerbare Brennstoffzelle mit einer Reaktorzelle und die Elektrolysezelle mit einer Reaktorzelle. Synergetische Effekte können aus verschiedenen Kombinationen der Ausführungsformen entstehen, auch wenn sie nicht im Detail beschrieben sind.
Weiterhin soll darauf hingewiesen werden, dass alle ein Verfahren betreffende Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in der beschriebenen Reihenfolge der Schritte ausgeführt werden können. Trotzdem muss das nicht die einzigmögliche und erforderliche Reihenfolge der Schritte des Verfahrens sein. Die hierin beschriebenen Verfahren können in einer anderen Reihenfolge der offenbarten Schritte ausgeführt werden, ohne von der entsprechenden Ausführungsform des Verfahrens abzuweichen, sofern nicht nachfolgend ausdrücklich das Gegenteil erwähnt wird.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist eine Reaktorzelle für eine leistungsflusssteuerbare Brennstoffzelle angegeben. Die Reaktorzelle weist auf: Eine Anodenschicht, eine Kathodenschicht, eine zwischen der Anodenschicht und der Kathodenschicht angeordnete Protonen-durchlässig-poröse Membran, und eine zwischen der Anodenschicht und der Kathodenschicht angeordnete Steuerungselektrodenanordnung. Die Steuerungselektrodenanordnung ist ausgelegt, einen Protonenstrom von einer von der Anodenschicht und der Kathodenschicht durch die Membran zu der anderen von der Anodenschicht und der Kathodenschicht zu steuern. Die Steuerungselektrodenanordnung kann somit den Protonenstrom und damit den Leistungsfluss der Brennstoffzelle direkt an und/oder in der Membran der Brennstoffzelle steuern. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Steuerungselektrodenanordnung kann der Durchgang der Protonen durch die Membran gehindert oder verhindert werden. Durch eine Verhinderung des Protonenstroms durch die Membran können die in der Brennstoffzelle ablaufenden Reaktionen unterbunden werden, so dass die Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie unterbrochen wird. Die Steuerung des Leistungsflusses der Brennstoffzelle kann dabei über zwei voneinander unabhängig wirkende Effekte erfolgen. Einerseits können durch das Anlegen der Spannung Aktivierungsverluste in der Reaktorzelle reguliert werden. Eine Erhöhung oder einer Verringerung der Aktivierungsverluste kann dabei zu einer Verringerung oder einer Erhöhung der zwischen Anode und Kathode anliegenden Spannung der Reaktorzelle führen. Anderseits kann der Protonenstrom oder der Protonenfluss zwischen Anode und Kathode beziehungsweise zwischen Kathode und Anode gesteuert werden. Die Steuerung des Protonenflusses durch die Membran der Reaktorzelle kann durch zwei voneinander unabhängig wirkende Effekte erfolgen, die spannungsabhängige Steuerung und die stromabhängige Steuerung. Die durch die Membran wandernden Protonen sind als Ionen elektrisch geladen und können daher in ihrer Bewegung durch elektrische Felder (spannungsabhängige Steuerung) oder magnetische Felder (stromabhängige Steuerung) beeinflusst werden. Durch die Steuerungselektrodenanordnung wird der lonenaustausch durch die Membran beeinflusst. Die Steuerungselektrodenanordnung kann auf der protonendurchlässigen Membran ein oder beidseitig oberhalb einer Katalysatorschicht und isoliert gegen die Katalysatorschicht angebracht sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerungselektrodenanordnung innerhalb der Membran angeordnet sein und kann damit anoden- und/oder kathodenseitig und/oder innerhalb der Membran angeordnet sein.
Als Membran kann eine Polymermembran dienen, deren Dicke im Bereich von 5-150 pm liegen kann. Man unterscheidet zwischen perfluorierten, teilweise fluorierten, und nichtfluorierten Membranen und Membranen mit einem davon unterschiedlichen Aufbau. Die elektrische Leistung von Polymer-Elektrolyt-Membran Brennstoffzellen (PEM-BZ) ist abhängig von der Zell- und damit Membranfläche und beträgt ca. 1 W/cm2. Die elektrische Leistung lässt sich über das Sperren bzw. Freigeben der aktiven Zellfläche steuern. Eine Leistungsfluss-Steuereinrichtung an und/oder in der Membran der Brennstoffzelle schaltet den somit den Protonenfluss in der Membran durch das Sperren und Entsperren mindestens einer zusätzlichen leitfähigen oder halbleitenden Schicht ein und aus. Es kann sich um eine Steuereinrichtung für Membranen in Brennstoff- und Elektrolysezellen zur kontinuierlichen oder gepulsten Sperrung des Ladungsträgerflusses oder Protonenflusses in der Membran handeln. Damit ist eine elektrische Leistungsfluss-Steuereinrichtung für Brennstoffzellen und Elektrolysezellen bzw. eine elektrochemische Kommutierungseinrichtung für zeitlich variable ein- oder mehrphasige Wechselspannungs-Ausgangsgrößen von Brennstoffzellenanlagen bzw. zeitlich variable ein- oder mehrphasige Wechselspannungs-Eingangsgrößen von Elektrolysezellenanlagen ermöglicht.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Steuerungselektrodenanordnung wenigstens eine Elektrodenanordnung auf und ist in einem Bereich der Elektrodenanordnung Protonen-durchlässig-porös.
Die Steuerungselektrodenanordnung weist in dieser Ausführungsform der Erfindung eine poröse, elektrisch leitfähige Schicht auf, welche an, auf oder in der Membran angeordnet sein kann. Die poröse, elektrisch leitfähige Schicht weist eine Protonenleitfähigkeit auf. Durch das Anlegen einer Gleich- oder Wechselspannung an die Steuerungselektrodenanordnung kann der Protonenstrom in der Membran unterbrochen bzw. gestoppt werden. Die Protonenfluss-Steuerung kann bei Brennstoffzellen abhängig von den Spannungs- und Strommesswerten erfolgen. Bei Elektrolysezellen kann die Protonenfluss-Steuerung abhängig von den Spannungs- und Strommesswerten in Kombination mit den Wasserstoff- und Sauerstoffmesswerten erfolgen. Die poröse, elektrisch leitfähige Schicht kann durch verschiedene Verfahren hergestellt werden. Bei der Beschichtung von Membranen wie zum Beispiel aus Nation mit einem elektrisch leitfähigen Material kann wegen einer unebenen Oberfläche der Membran beim Aufbringen sehr dünner Leiterschichten eine poröse Struktur des leitfähigen Materials entstehen. Die poröse, elektrisch leitfähige Schicht kann offenporig, mit einer Porengröße kleiner als ein Wasserstoffmolekül, etwa im Bereich von 5 nm sein. Bei Befeuchtung kann die Membran quellen, so dass sich die Porengröße auf der Oberfläche ändern kann. Als leitfähiges Material können alle metallischen Leiter wie Gold, Titan, Kupfer, Aluminium, aber auch Kohlenstoff verwendet werden. Die Steuerstruktur der Steuerungselektrodenanordnung kann aus leitenden anorganischen Materialien wie Gold, Silber, Kupfer, Aluminium, oder Graphit bestehen, oder aus organischen Leitermaterialien wie organischen Leitern, organischen Metallen, oder synthetischen Metallen. Weiterhin sind auf organischen Verbindungen aufbauende >dotierte< Polymere möglich, oder auf organischen Molekülen basierende ionische Verbindungen. Zur Gruppe organischer Leiter gehört z.B. das mit lod dotierte Polyazetylen. Weiterhin sind halbleitenden Materialien in Form von Elementhalbleitern oder Verbindungshalbleitern möglich wie Galliumarsenid, Indiumantimonid, Zinkselenid oder Cadmiumsulfid. Beispiele für organische Halbleiter sind Tetracen, Pentacen, Phthalocyanine, Polythiophene, PTCDA, MePTCDI, Chinacridon, Acridon, Indanthron, Flavanthron, Perinon, Alq3, P3HT (Poly-3-hexylthiophen, Polymer), Pentacen (kleines Molekül) oder PCBM (Phenyl-C61 -butyric acid methyl ester, Fulleren-Derivat). Als Materialpaare von Membrankörper und leitfähiger Schicht kommen beliebige Kombinationen von lonomermaterialien wie z.B. Nation und Leitern/Halbleitern in Frage.
Mögliche Herstellungsverfahren der porösen, elektrisch leitfähigen Schicht sind zum Beispiel:
I. Membran, beschichtet auf unterschiedliche Art und Weise, z.B. durch Bedampfen, Sputtern oder Bedrucken mit elektrisch leitenden oder halbleitenden Materialien.
II. Membran, leitfähig oder mit Halbleiter beschichtet durch Heiß- oder Kaltgasspritzen.
III. Membran, leitfähig oder mit Halbleiter beschichtet durch Tauchverfahren.
IV. Membran, leitfähig oder mit Halbleiter beschichtet durch Ätzverfahren.
V. Membran, maskiert und leitfähig oder mit Halbleiter beschichtet durch eines der
Verfahren I. bis IV.
VI. dünne poröse bzw. porös ausgestanzten Platten aus elektrisch leitenden oder halbleitenden Materialien.
VII. dünne poröse bzw. porös ausgestanzte Folie aus elektrisch leitenden oder halbleitenden Materialien.
Die Kontaktierung der elektrisch leitfähigen Schicht als Steuerungselektrodenanordnung kann über flache Bänder oder flache Bonddrähte aus dem gleichen Material wie die leitfähige Schicht erfolgen, die bei der Herstellung der Steuerstruktur bereits beim Fertigen vorgesehen sind (z.B. beim Bedampfen, Heißpressen, Drucken, Aufschmelzen, Sputtern, oder Kaltgasspritzen). Dazu wird die für die Kontaktierung erforderliche zusätzliche Membranfläche schon bei der geometrischen Formgebung der Membran berücksichtigt. Dies kann im einfachsten Fall durch das Ausschneiden der Membran inklusive der notwendigen Kontaktierungsflächen erfolgen.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Steuerungselektrodenanordnung beidseitig porös isoliert. Damit kann im inaktiven Zustand ohne an die Steuerungselektrodenanordnung angelegte Steuerungsspannung bzw. ohne durch die Steuerungselektrodenanordnung fließendem Steuerungsstrom der Durchgang von Ladungsträgern, insbesondere Protonen, durch die Steuerungselektrodenanordnung ermöglicht werden. Die poröse Isolierung ermöglicht die elektrische Potentialtrennung und damit Isolierung zwischen der Steuerungselektrodenanordnung und benachbart gelegen Bauteilen wie der Anoden- bzw. Kathodenschicht oder auch zu einer Katalysatorschicht oder einer Gasdiffusionsschicht. Die Isolierung kann porös sein, was den Durchgang von Protonen bzw. Gasen ermöglichen kann, was jedoch trotzdem aufgrund des durch die Isolierung bewirkten Abstandes der Steuerungselektrodenanordnung zu benachbarten Bauteilen eine Potentialtrennung ermöglichen kann.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Steuerungselektrodenanordnung auf wenigstens einer der der Anodenschicht oder der Kathodenschicht zugewandten Oberflächen der Membran angeordnet.
Die Steuerungselektrodenanordnung kann sich entweder nur auf der anodenseitigen Seite der Membran befinden, oder sie kann sich nur auf der kathodenseitigen Seite der Membran befinden. Auch ist es möglich, dass sich die Steuerungselektrodenanordnung sowohl auf der anodenseitigen Seite der Membran befindet, als auch auf der kathodenseitigen Seite der Membran. Dadurch kann sich die Membran, oder zumindest ein Teil der Membran, zwischen einer anodenseitigen Steuerungselektrodenanordnung und einer kathodenseitigen Steuerungselektrodenanordnung befinden. Dadurch kann sowohl eine Spannung zwischen der anodenseitigen Steuerungselektrodenanordnung und der kathodenseitigen Steuerungselektrodenanordnung angelegt werden, was zu einem elektrischen Feld durch die Membran führen kann. Alternativ können die anodenseitige Steuerungselektrodenanordnung und die kathodenseitige Steuerungselektrodenanordnung separat angesteuert werden, so dass jede für sich den Protonenstrom durch die Membran steuern kann. Die Auswirkungen der Steuerung des Protonenstroms können sich somit überlagern.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Steuerungselektrodenanordnung innerhalb der Membran angeordnet.
Die Steuerungselektrodenanordnung kann sich innerhalb der Membran befinden. Die Steuerungselektrodenanordnung kann sich somit in der Richtung des Protonenstroms zwischen einem ersten Teil der Membran und einem zweiten Teil der Membran befinden. Alternativ kann ein Teil der Steuerungselektrodenanordnung innerhalb der Membran angeordnet sein, und ein anderer Teil der Steuerungselektrodenanordnung kann sich auf einer oder auch auf beiden Oberflächen der Membran befinden.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Steuerungselektrodenanordnung zum Anlegen einer Spannung eine erste Elektrodenanordnung und eine zweite Elektrodenanordnung auf, wobei die erste Elektrodenanordnung und die zweite Elektrodenanordnung derart angeordnet sind, dass durch ein zwischen der ersten Elektrodenanordnung und der zweiten Elektrodenanordnung bei Anliegen einer Spannung herrschendes elektrisches Feld parasitäre Ströme zur Steuerung des Protonenstroms durch die Membran erzeugt werden.
Die Steuerungselektrodenanordnung kann eine erste Elektrodenanordnung und eine zweite Elektrodenanordnung aufweisen. Diese können sich in dieser Ausführungsform der Erfindung in derselben Ebene und senkrecht zur Richtung des Protonenstroms befinden. Der Protonenstrom durch die Membran und damit die elektrische Leistung der Brennstoffzelle oder der Elektrolysezelle lässt sich damit über eine beidseitig kontaktierte Steuerstruktur in Form einer geteilten Elektrode steuern, zum Beispiel in Form von Kammelektroden, Ring- oder Halbringelektroden oder verteilte räumlich unterschiedlich zugeordnete Elektroden, die jeweils nur von einer Seite elektrisch kontaktiert sind. Damit ist kein direkter Stromfluss durch eine durchgehende Leiterfläche aus dem Elektrodenmaterial von der ersten Elektrodenanordnung zu der zweiten Elektrodenanordnung möglich. Es kann jedoch eine elektrische Spannung zwischen der ersten Elektrodenanordnung und der zweiten Elektrodenanordnung angelegt werden. Die Steuerung des Protonendurchgangs durch die Membran kann hierbei einerseits durch eine Nahfeldwirkung des aus der angelegten Spannung resultierenden elektrischen Feldes auf die bewegten Protonen bewirkt werden. Andererseits kann ein auftretender parasitärer Stromfluss zwischen der ersten Elektrodenanordnung und der zweiten Elektrodenanordnung über die dazwischen befindlichen Membranflächen zur Steuerung des Protonenstroms durch die Membran verwendet werden. Die Bewegung der Protonen im Protonenstrom kann also in dieser Ausführungsform der Erfindung einerseits durch das angelegte elektrische Feld zwischen den beiden Elektrodenanordnungen beeinflusst werden. Damit kann die Stärke des Protonenstroms gesteuert werden. Andererseits kann eine elektrische Oberflächenleitfähigkeit der Membranflächen zwischen der ersten Elektrodenanordnung und der zweiten Elektrodenanordnung einen parasitären Stromfluss auf der Membran, entlang der Membran oder innerhalb der Membran verursachen. Dieser parasitäre Stromfluss kann somit indirekt von der ersten Elektrodenanordnung über die Membran zu der zweiten Elektrodenanordnung fließen. Die Stärke des parasitären Stromflusses kann von der Befeuchtung der Membran abhängen. Wie jeder Stromfluss erzeugt auch dieser ein magnetisches Feld, durch welches die bewegten Ladungsträger des Protonenstroms beeinflusst werden können. Damit kann der Protonenstrom durch die Membran durch die Stärke der parasitären Ströme gesteuert werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung greift die erste Elektrodenanordnung kamm-mäßig in die zweite Elektrodenanordnung ein, wobei ein im wesentlichen konstanter Abstand zwischen einer Kante der ersten Elektrodenanordnung und einer dieser gegenüberliegenden Kante der zweiten Elektrodenanordnung besteht.
Die kamm-mäßige Ausführung der ersten Elektrodenanordnung und der zweiten Elektrodenanordnung erlaubt die Schaffung eines elektrischen Feldes zwischen der ersten Elektrodenanordnung und der zweiten Elektrodenanordnung, welches eine große räumliche Ausdehnung hat und sich über einen Großteil der Fläche der Steuerungselektrodenanordnung und der Membran erstrecken kann. Da das elektrische Feld sich von einer Elektrode zur benachbarten Elektrode erstreckt, kann diese Ausführungsform der Steuerungselektrodenanordnung große Bereiche der Membran abdecken, in denen der Abstand der ersten Elektrodenanordnung von der zweiten Elektrodenanordnung näherungsweise konstant ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung verläuft das elektrische Feld orthogonal zu einer Richtung des Protonenstroms.
Der Protonenstrom verläuft vorzugsweise in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche der Membran. In dieser Ausführungsform der Erfindung verläuft das elektrische Feld in der Ebene oder parallel zur Ebene der Membran. Damit verläuft das elektrische Feld zwischen der ersten Elektrodenanordnung und der zweiten Elektrodenanordnung senkrecht zur Richtung des Protonenstroms.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird bei Anlegen einer Spannung zwischen der ersten Elektrodenanordnung und der zweiten Elektrodenanordnung der parasitäre Strom von der ersten Elektrodenanordnung zur zweiten Elektrodenanordnung bzw. von der zweiten Elektrodenanordnung zur ersten Elektrodenanordnung durch wenigstens einen Teil der Membran gemessen und zur Feuchtigkeitsbestimmung der Membran hergenommen. Dadurch kann über die Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit der Membran auf die Feuchtigkeit der Membran geschlossen werden.
Somit lässt sich in dieser Ausführungsform der Erfindung dazu nutzen, um über eine Messung des parasitär fließenden Stroms die Oberflächenleitfähigkeit der Membran zu bestimmen. Damit kann auf die für den Betrieb einer Brennstoffzelle oder Elektrolysezelle wichtige Kenngröße der Membranbefeuchtung direkt auf der Oberfläche der Membran geschlossen werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Steuerungselektrodenanordnung eine Stromleitelektrode auf, wobei die Stromleitelektrode derart angeordnet ist, dass durch einen durch die Stromleitelektrode fließenden Strom ein Nahfeldeffekt zur Steuerung des Protonenstroms durch die Membran erzeugt wird.
Dabei kann ein elektrischer Strom von einer ersten Kontaktierungsstelle der Stromleitelektrode zu einer zweiten Kontaktierungsstell der Stromleitelektrode durch die Stromleitelektrode und somit durch eine von einer Seite zur anderen Seite durchgehende Oberflächenstruktur der Stromleitelektrode fließen. Die Steuerung des Protonenstroms erfolgt in dieser Ausführungsform der Erfindung durch das Anlegen einer elektrischen Spannung an die Stromleitelektrode, die zum Beispiel als durchgehendes Streifengitter, durchgehende Ring- oder Halbringelektroden oder verteilte räumlich unterschiedlich zugeordnete Elektroden ausgeführt sein kann. In dieser Ausführungsform erzeugt die angelegte Spannung einen Stromfluss in der Steuerungselektrodenanordnung, der aufgrund seiner elektromagnetischen Nahfeldwirkung den Protonendurchgang durch die Membran beeinflusst und somit unterbrechen kann. Der Protonenfluss wird durch das elektromagnetische Nahfeld beeinflusst. Das elektromagnetische Nahfeld hemmt durch seine Magnetfeldwirkung den Protonendurchgang durch die Membran. Der Protonenfluss ist direkt abhängig von der Steuerung des Stromflusses und kann umgekehrt proportional zur Höhe des Stroms sein. Bei höherem elektromagnetischen Nahfeld aufgrund eines höheren Stroms in der Steuerungselektrodenanordnung tritt ein geringerer Protonenfluss auf, bei geringerem elektromagnetischen Nahfeld aufgrund eines kleineren Stroms in der Steuerungselektrodenanordnung tritt ein höherer Protonenfluss durch die Membran auf.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Steuerungselektrodenanordnung eine mäanderförmige Elektrodenanordnung auf, wobei eine Kante eines Mäanderastes der Elektrodenanordnung einen im wesentlichen konstanten Abstand zu einer Kante eines benachbarten Mäanderastes aufweist.
Dadurch kann eine gute Flächenabdeckung der Fläche der Steuerungselektrodenanordnung erreicht werden. Das elektromagnetische Nahfeld der Mäanderäste kann sich somit auf einen Großteil oder auch auf die gesamte Fläche der Membran erstrecken, so dass der Protonenstrom auf der gesamten Membranfläche unterbunden werden kann.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Steuerungselektrodenanordnung derart ausgestaltet, dass wenigstens ein Teil der Membran derart zwischen einer ersten Elektrodenanordnung und einer zweiten Elektrodenanordnung liegt, dass die Steuerungselektrodenanordnung bei Anliegen einer Spannung zwischen der ersten Elektrodenanordnung und der zweiten Elektrodenanordnung Aktivierungsverluste durch eine Ladungsdurchtrittshemmung zur Steuerung des Protonenstroms durch die Membran erhöht oder verringert.
Die Steuerungselektrodenanordnung weist in dieser Ausführungsform der Erfindung eine erste Elektrodenanordnung und eine zweite Elektrodenanordnung auf, wobei sich die Membran oder auch nur ein Teil der Membran in Richtung des Protonenstroms zwischen der ersten Elektrodenanordnung und der zweiten Elektrodenanordnung befindet. Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der ersten Elektrodenanordnung und der zweiten Elektrodenanordnung wird ein elektrisches Feld erzeugt, welches parallel oder antiparallel zur Richtung des Protonenstroms verläuft. Durch dieses Feld kann der Transport der Protonen durch die Membran beeinflusst werden. Diese Beeinflussung kann durch eine Steuerung von Aktivierungsverlusten bewirkt werden. Dazu kann einerseits der Effekt eines elektrischen Gegenfeldes mit entgegengesetzter Feldrichtung zur Zellspannung zur Erhöhung der Aktivierungsverluste und andererseits der Effekt eines elektrischen Mitfeldes mit gleicher Feldrichtung zur Zellspannung zur Verringerung der Aktivierungsverluste genutzt werden. Aktivierungsverluste werden auch Durchtritts- oder Aktivierungspotentialverluste genannt. Sie beschreiben den Spannungsverlust, auch Durchtrittsüberspannung, beim Ladungsdurchtritt von der elektronen- zur ionenleitenden Phase. Ursache sind kinetische Hemmungen der elektrochemischen Teilreaktionen am Elektrode-Elektrolyt-Übergang, die mit unterschiedlicher endlicher Geschwindigkeit ablaufen. Eine Aktivierungsverluststeuerung ist eine Spannungssteuerung. Bei verringerter Spannung kann je nach Spannungsrichtung die Leistung abnehmen, bei höherer Spannung nimmt die Leistung dann zu. Der Protonenfluss ist einerseits direkt abhängig von der Steuerung der Aktivierungsverluste und umgekehrt proportional zur Höhe der Aktivierungsverluste. Bei höheren Aktivierungsverlusten tritt ein geringerer Protonenfluss auf, bei geringeren Aktivierungsverlusten tritt ein höherer Protonenfluss auf. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist es auch möglich, dass entweder die Kathodenschicht oder die Anodenschicht als zweite Elektrodenanordnung verwendet wird. Damit kann durch das Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der ersten Elektrodenanordnung und entweder der Kathodenschicht oder der Anodenschicht ein elektrisches Feld entweder parallel oder antiparallel zur Richtung des Protonenstroms erzeugt werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Steuerungselektrodenanordnung eine Anordnung von photoempfindlichen Widerständen mit einer lichtsensitiven Oberflächenanordnung, sowie eine Lichtwellenleiteranordnung mit einer Lichtaustrittsflächenanordnung und einer Lichteintrittsflächenanordnung auf, wobei die Lichtaustrittsflächenanordnung mit der lichtsensitiven Oberflächenanordnung derart korrespondiert, dass der Protonenstrom durch die Membran durch Einkoppeln von Licht in die Lichteintrittsflächenanordnung steuerbar ist.
Mittels einer optischen Regelung des durch die Steuerungselektrodenanordnung fließenden Stromes oder der daran anliegenden Spannung lässt sich in dieser Ausführungsform der Erfindung der Protonenstrom steuern. Durch die Einkopplung von Licht, welches beispielsweise durch einen Lichtwellenleiter auf einen photoempfindlichen Widerstand geleitet wird, lässt sich ein Stromfluss durch den photoempfindlichen Widerstand oder eine photoempfindliche Diode steuern. Der dadurch erzeugte oder ermöglichte Stromfluss lässt sich zur Regelung des Protonenstroms durch die Membran verwenden. Damit kann eine Steuerung und Regelung einer geregelten oder ungeregelten Lichtstärke bzw.
Lichtenergiemenge mit geschalteten oder dauerhaften Gleich- oder Wechselgrößen bzw. impulsförmigen Verläufen von elektrischen oder optischen Größen zur Steuerung und Regelung einer optischen Lichtstärke bzw. Lichtenergiemenge in Form einer statischen Lichtstärke bzw. Lichtenergiemenge und/oder einer veränderlichen Lichtstärke bzw.
Lichtenergiemenge oder einer impulsförmigen Lichtstärken bzw. Lichtenergiemengen verwirklicht werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Steuerungselektrodenanordnung eine Lichtwellenleiteranordnung auf, wobei die Lichtwellenleiteranordnung dazu ausgeführt ist Licht von einer Lichtquelle auf eine Oberfläche der Membran zu leiten. Durch das Einbringen von Licht kann ein Strahlungsdruck Pstr und somit eine Kraftwirkung auf die Membran ausgeübt werden. Durch die Kraftwirkung auf die Membran kann ein Feuchtegehalt der Membran gesteuert werden. Der Feuchtegehalt der Membran kann einen Einfluss auf den Protonenstrom durch die Membran haben, so dass der Protonenstrom gesteuert werden kann. Durch die Veränderung des Druckes an der Membran kann sich weiterhin die Lichtstärke ändern, so dass dadurch der Feuchtegehalt an der Membran überwacht werden kann. Koppelt man Licht in die Lichtwellenleiter ein, so kann sich bei Stromfluss und dem dadurch erzeugten magnetischen Feld die Geschwindigkeit des Lichtes im Lichtwellenleiter beispielsweise über den Faraday-Effekt verändern. Dadurch kann ein Stromfluss an oder in der Membran gemessen werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Steuerungselektrodenanordnung eine Anordnung von Piezoelementen auf und die Membran weist eine Druck-abhängige Protonendurchlässigkeit auf, wobei die Membran durch Ansteuern der Piezoelemente steuerbar ist.
Mit dieser elektromechanischen Steuerung, beziehungsweise der Steuerung über Piezoelemente lässt sich eine Steuerung und Regelung der geregelten oder ungeregelten Spannungs- bzw. Stromquelle mit geschalteten oder dauerhaften Gleich- oder Wechselgrößen bzw. impulsförmigen Verläufen zur Steuerung und Regelung eines elektromechanischen Kraftfelds in Form eines statischen elektromechanischen Kraftfelds oder/und eines elektromechanischen Wechselkraftfelds oder eines impulsförmigen elektromechanischen Kraftfelds, z.B. eines statischen elektromechanischen Kraftfelds und/oder eines elektromechanischen Wechselkraftfelds bewirken. Die Piezoelemente können dabei zum Beispiel als Gitter mit in Reihe oder parallel geschalteten Piezoelementen und/oder in Form einer Flächenbeschichtung von Piezoelementen angebracht sein. Durch das Anlegen einer externen Spannung an die Piezoelemente in einem ersten Betriebsmodus der Piezoelemente kann sich deren räumliche Ausdehnung verändern, so dass ein Druck auf die Membran ausgeübt wird. Dabei kann eine konstante Gleichspannung oder auch eine gepulste Gleichspannung angelegt werden. Durch das Anlegen der Spannung an die Piezoelemente kann mittels eines inversen Piezoeffektes eine Kraft auf die Membran ausgeübt werden. Diese auf die Membran ausgeübte Kraft kann den Feuchtegehalt der Membran beeinflussen, welcher wiederum einen Einfluss auf die Stärke des Protonenstroms durch die Membran aufweist. Damit kann in dieser Ausführungsform der Erfindung durch das Anlegen einer Spannung an die Piezoelemente der Protonenstrom durch die Membran gesteuert werden. In einem zweiten Betriebsmodus der Piezoelemente kann durch eine Messung des von der Membran ausgeübten Druckes auf ein Piezoelement in dieser Ausführungsform der Erfindung zum Beispiel ein Health-Monitoring der Membran durchgeführt werden. Dabei kann der Feuchtegehalt in der Membran einen Einfluss auf den von der Membran auf die Piezoelemente ausgeübten Druck haben. Mittels des Piezoeffektes kann dieser Druck in ein Spannungssignal umgewandelt werden, welches messbar ist und somit einen Rückschluss auf den Feuchtegehalt und/oder den Zustand der Membran erlaubt.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Reaktorzelle wenigstens eine von einer auf der der Anodenschicht zugewandten Seite der Membran angeordneten Katalysatorschicht und einer auf der der Kathodenschicht zugewandten Seite der Membran angeordneten Katalysatorschicht auf.
Die Katalysatorschicht auf der Anodenseite der Membran kann bei Verwendung der Reaktorzelle in einer Brennstoffzelle dazu dienen, das Wasserstoffgas als Brennstoff der Reaktorzelle zu oxidieren, so dass die Elektronen über den Katalysator an die Anodenschicht abgegeben werden, und aus jedem Wasserstoffmolekül zwei Protonen entstehen, welche durch die Membran als Elektrolyten wandern können. Die Katalysatorschicht auf der Kathodenseite kann die Reduktion eines Sauerstoffmoleküls unter Elektronenaufnahme zu negativ geladenen Sauerstoffionen bewirken, welche sich mit den durch die Membran gewanderten Protonen zu einem Wassermolekül verbinden können. Bei Verwendung der Reaktorzelle in einer Elektrolysezelle erfolgt an der anodenseitigen Katalysatorschicht die Zerlegung der Wassermoleküle in Protonen und Sauerstoffionen, und die Oxidation der Sauerstoffionen zu Sauerstoff. An der kathodenseitigen Katalysatorschicht erfolgt die Reduktion der durch die Membran gewanderten Protonen zu Wasserstoff.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Reaktorzelle wenigstens eine von einer Gasdiffusionsschicht zwischen der Anodenschicht und der Membran und einer Gasdiffusionsschicht zwischen der Kathodenschicht und der Membran auf.
Die Gasdiffusionsschichten können in dieser Ausführungsform der Erfindung die Versorgung der anodenseitigen bzw. kathodenseitigen Katalysatorschicht mit Wasserstoff bzw. Sauerstoff gewährleisten, und für einen effizienten Abtransport der Reaktionsprodukte und eventueller Restgase sorgen. Dabei können die anodenseitige Gasdiffusionsschicht und die anodenseitige Katalysatorschicht auch als Teil der Anodenschicht ausgeführt sein, wobei die Gasdiffusionsschicht auch für die elektrische Kontaktierung der anodenseitigen Katalysatorschicht verwendet werden kann, so dass die an der anodenseitigen Katalysatorschicht freiwerdenden Elektronen zur Anode geleitet werden können. Genauso können die kathodenseitige Gasdiffusionsschicht und die kathodenseitige Katalysatorschicht auch als Teil der Kathodenschicht ausgeführt sein, wobei die Gasdiffusionsschicht auch für die elektrische Kontaktierung der kathodenseitigen Katalysatorschicht verwendet werden kann.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Steuerungselektrodenanordnung auf der von der Membran abgewandten Seite der Anodenschicht und/oder der Kathodenschicht angeordnet. Damit befindet sich die Steuerungselektrodenanordnung nicht zwischen der Anodenschicht und der Kathodenschicht. Diese Ausführungsform ermöglicht eine verbesserte Leitfähigkeit der Elektronen zwischen der Anodenschicht und der anodenseitigen Katalysatorschicht bzw. zwischen der Kathodenschicht und der kathodenseitigen Katalysatorschicht.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung umfasst eine leistungsflusssteuerbare Brennstoffzelle. Die leistungsflusssteuerbare Brennstoffzelle weist auf: Eine Reaktorzelle gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, eine auf der der Anodenschicht zugewandten Seite der Membran mündende Brennstoffgaszuführung, eine auf der der Kathodenschicht zugewandten Seite der Membran mündende Sauerstoffgaszuführung, und eine von der der Kathodenschicht zugewandten Seite der Membran wegführende Verbrennungsproduktabführung. Die Steuerungselektrodenanordnung ist ausgelegt einen Protonenstrom von der Anodenschicht durch die Membran zu der Kathodenschicht zu steuern.
Die Reaktorzelle kann ein Teil einer Brennstoffzelle sein. Die Brennstoffzelle weist weiterhin Vorrichtungen auf, die der Versorgung der Brennstoffzelle mit Reaktionsedukten dienen, und Vorrichtungen zum Abtransport von Reaktionsprodukten. Die Vorrichtung und das Verfahren zur elektrischen Protonenfluss-Steuerung ist in allen Typen von Brennstoffzellen beziehungsweise Elektrolysezellen nutzbar. Diese Typen können zum Beispiel sein Polymer-Elektrolytmembran-Brennstoffzellen bzw. Elektrolysezellen (PEM), Methanol- Brennstoffzellen bzw. Elektrolysezellen, Alkalische Brennstoffzellen bzw. Elektrolysezellen, Phosphorsaure Brennstoffzellen bzw. Elektrolysezellen, Schmelzkarbonat- Brennstoffzellen bzw. Elektrolysezellen und Oxidkeramik- Brennstoffzellen bzw. Elektrolysezellen.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist die leistungsflusssteuerbare Brennstoffzelle ferner eine mit der Steuerungselektrodenanordnung verbundene Steuerungsvorrichtung auf, wobei die Steuerungsvorrichtung ausgelegt ist einen kontinuierlichen oder gepulsten Strom und/ oder eine kontinuierliche oder gepulste Spannung zur kontinuierlichen oder gepulsten Sperrung eines Protonenstromes durch die Membran bereitzustellen.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle mit der Reaktorzelle aufweisend eine Steuerungselektrodenanordnung und die Steuerungsvorrichtung kann die Funktionalität einer heute üblichen Leistungselektronik realisieren und die Leistungselektronik dadurch zumindest teilweise ersetzen. Die Kommutierung beziehungsweise die Modulation der Spannung und des Stromflusses der Brennstoffzelle kann somit in Form einer „elektrochemischen Kommutierung“ erfolgen. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle Vorrichtung zur Steuerung des Protonenstroms mit der Steuerungsvorrichtung kann darin bestehen, dass die Methode einer Pulsweitenmodulation durch die Steuerungsvorrichtung in Verbindung mit der leitfähigen, porösen Schicht der Steuerungselektrodenanordnung an der Membran direkt in der Brennstoffzellen- bzw.
Elektrolysezelle angewendet werden kann. Dies erlaubt die Sperrung oder Freigabe des von der Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Stromes direkt an der Membran der Brennstoffzelle.
Die Steuerung und Regelung des Protonenstroms und des Stromflusses kann mithilfe einer geregelten oder ungeregelten Spannungs- bzw. Stromquelle erfolgen. Die Spannungs- bzw. Stromquelle kann einen kontinuierlichen oder gepulsten Verlauf einer Gleichspannung oder Wechselspannung aufweisen. Damit kann die Steuerung und Regelung einer elektrischen Feldstärke in Form eines elektrostatischen Feldes und/oder eines elektrischen Wechselfeldes erfolgen. Ebenso können impulsförmige elektrische Felder, wie zum Beispiel ein elektrostatisches Feld und/oder ein elektrisches Wechselfeld gesteuert werden. Alternativ können magnetostatische und/oder magnetodynamische Gleich- oder Wechselfelder mit kontinuierlichem oder impulsförmigem Verlauf gesteuert und geregelt werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Steuerungsvorrichtung ausgelegt einen Steuerungsstrom bzw. eine Steuerungsspannung dergestalt bereitzustellen, dass eine Amplitude einer Ausgangsspannung der Brennstoffzelle einen Wert zwischen 0 und 100% eines Maximalwertes der Amplitude annimmt, insbesondere innerhalb beliebiger zeitlicher Intervalle, insbesondere durch eine Pulsweitenmodulation.
Durch Anlegen einer Spannung oder eines Stromes an die Steuerungselektrodenanordnung kann die Steuerungsvorrichtung dazu ausgelegt sein, den Protonenstrom durch die Membran entweder zumindest annähernd komplett zu blockieren, oder einen Maximalwert des Protonenstroms durch die Membran zuzulassen. Dadurch kann die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle entweder gleich Null sein, oder sie kann den konstruktionsbedingten Maximalwert der Ausgangsspannung aufweisen. Die Steuerungsvorrichtung kann den Wert der Ausgangsspannung und damit den Stromfluss der Brennstoffzelle diskret zwischen diesen beiden Extremwerten hin- und herschalten. Die Zeitintervalle, innerhalb derer die Brennstoffzelle somit ausgeschaltet oder eingeschaltet ist, lassen sich von der Steuerungsvorrichtung einstellen und verändern. Damit ist die Steuerungsvorrichtung dazu ausgelegt, mittels einer Pulsweitenmodulation einen beliebigen Verlauf der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle zu generieren.
Die Stellung der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle zwischen 0 und 100% innerhalb beliebiger zeitlicher Intervalle entspricht einer bisher mit einer externen Leistungselektronik realisierten Pulsweitenmodulation. Alternativ kann abweichend von der Stellung der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle zwischen 0 und 100% innerhalb beliebiger zeitlicher Intervalle auch eine zeitlich kontinuierliche Stellung der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle zwischen 0 und 100% erfolgen. Darüber hinaus kann auch eine zeitlich kontinuierliche Stellung der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle zwischen 0 und 100% durch eine zeitlich kontinuierlich veränderliche Steuerspannung an der Protonenfluss- Steuereinrichtung erfolgen. Durch die Protonenfluss-Steuereinrichtung kann bei der Brennstoffzelle die Ausgangsspannung beliebig in Amplitude und Frequenz eingestellt werden. Die heute notwendige externe Leistungselektronik kann durch eine elektrische Protonenfluss-Steuerungsvorrichtung direkt in der Brennstoffzelle ersetzt werden und kann somit entfallen.
In einer Ausführungsform der Erfindung bildet die Pulsweitenmodulation eine Sinuskurve nach.
Insbesondere kann die Steuerungsvorrichtung die Brennstoffzelle so steuern, dass mittels der Pulsweitenmodulation der positive Teil einer Sinusschwingung dargestellt werden kann. Die Brennstoffzelle kann damit als Ausgangsspannung den Verlauf einer gleichgerichteten Sinuskurve aufweisen. Durch einen nachgeschalteten Wechselrichter, der nach jeder halben Periode der Sinuskurve die Spannung umpolt und kommutiert kann somit eine komplette Sinusschwingung mit positiven und negativen Komponenten dargestellt werden. Brennstoffzellen erzeugen bei der Speisung mit Wasserstoff und Sauerstoff prinzipiell eine Gleichspannung. Diese muss zum Betrieb von Wechselstrom-Verbrauchern beziehungsweise vor der Einspeisung in das Energieversorgungsnetz in eine Wechselspannung umgewandelt werden. Dies kann bisher mit leistungselektronischen Wechselrichtern erfolgen. Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle mit der Steuerungsvorrichtung kann das Prinzip der Pulsweitenmodulation nun direkt in der Brennstoffzelle realisiert werden. Dabei entsteht am Ausgang der Brennstoffzelle eine gepulste Gleichspannung, die vor der Netzeinspeisung nur noch alle 10 Millisekunden umgepolt werden muss, um einer Netzfrequenz von 50 Hz zu entsprechen. Auch das Einstellen beliebiger anderer Netzfrequenzen ist damit möglich. Die Schaltung der der Brennstoffzelle nachgeschalteten Steuerungselektronik kann dadurch mit einer deutlich geringeren Frequenz erfolgen, was sich positiv auf die Anforderungen an und die Lebensdauer der Steuerungselektronik auswirken kann. Vorteile können sich bei der Anwendung in Verbindung mit elektrischen Wechsel- oder Drehstrommaschinen ergeben. Zur Speisung von elektrischen Wechsel- oder Drehstrommaschinen kann diese Ausgangsspannung auch direkt genutzt werden, wenn die Wicklungsstränge der elektrischen Maschine von Brennstoffzellen mit einer Protonenfluss-Steuereinrichtung mit abwechselnder Polarität versorgt werden. Damit kann eine Kommutierung ganz entfallen.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Brennstoffzelle wenigstens eine von einer Gasdiffusionsschicht zwischen der Brennstoffgaszuführung, insbesondere einer Wasserstoffgaszuführung, und der Anodenschicht und einer Gasdiffusionsschicht zwischen der Sauerstoffgaszuführung und der Kathodenschicht auf.
Die Gasdiffusionsschicht kann dazu ausgeführt sein, eine optimale Versorgung der Brennstoffzelle und insbesondere der Anode und der Kathode, beziehungsweise der anodenseitigen Katalysatorschicht und der kathodenseitigen Katalysatorschicht mit Brennstoff wie Wasserstoff und Sauerstoff zu gewährleisten. Ebenso erlaubt die Gasdiffusionsschicht den Abtransport der Reaktionsprodukte, insbesondere Wasserdampf, und nicht verbrauchter Brennstoffe.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung umfasst eine Elektrolysezelle mit einer Reaktorzelle gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen. Die Elektrolysezelle weist auf: Eine auf der der Anodenschicht zugewandten Seite der Membran mündende Brennstoffoxidzuführung, insbesondere eine Wasserzuführung, eine von der der Kathodenschicht zugewandten Seite der Membran wegführende Brennstoffgasabführung, insbesondere eine Wasserstoffgasabführung, und eine von der der Anodenschicht zugewandten Seite der Membran wegführende Sauerstoffgasabführung. Die Steuerungselektrodenanordnung ist ausgelegt einen Protonenstrom von der Anodenschicht durch die Membran zu der Kathodenschicht zu steuern.
Die Elektrolysezelle weist eine Reaktorzelle mit einer Steuerungselektrodenanordnung auf. Die Steuerungselektrodenanordnung ist dazu ausgelegt, durch eine daran angelegte Spannung oder durch einen dadurch fließenden elektrischen Strom einen Protonenstrom durch die Membran der Elektrolysezelle zu steuern. In Elektrolysezellen kann mit der Protonenfluss-Steuereinrichtung die Stärke eines zusätzlichen elektrischen Feldes an der Membran eingestellt werden, um den Protonenfluss durch die Membran zu beeinflussen. Dadurch ist die Protonenfluss-Steuereinrichtung bei Elektrolysezellen zur Mengensteuerung des erzeugten Wasserstoffs nutzbar.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Elektrolysezelle ferner eine mit der Steuerungselektrodenanordnung verbundenen Elektrolysesteuerungsvorrichtung auf, wobei die Elektrolysesteuerungsvorrichtung ausgelegt ist einen kontinuierlichen oder gepulsten Strom und/ oder eine kontinuierliche oder gepulste Spannung zur kontinuierlichen oder gepulsten Sperrung eines Protonenstroms von der Anodenschicht durch die Membran zu der Kathodenschicht bereitzustellen.
Elektrolysezellen erzeugen bei der Speisung mit Wasser und elektrischer Energie Wasserstoff und Sauerstoff. Die Protonenfluss-Steuereinrichtung ist bei Elektrolysezellen zur Mengensteuerung des erzeugten Wasserstoffs nutzbar. Die Steuerungsvorrichtung kann so ausgelegt sein, dass durch das Anlegen einer Spannung an die Steuerungselektrodenanordnung oder durch das Bewirken eines Stromes durch die Steuerungselektrodenanordnung der Protonenstrom durch die Membran beeinflusst wird.
Das erlaubt die Steuerung der Menge des erzeugten Wasserstoffs und Sauerstoffs durch die Elektrolysezelle.
Somit gelten die Vorteile, die einer der oben genannten Aspekte bietet, gleichermaßen für alle anderen Aspekte und umgekehrt.
Im Wesentlichen bezieht sich die Erfindung auf eine Reaktorzelle für eine leistungsflusssteuerbare Brennstoffzelle. Die Reaktorzelle weist eine Anodenschicht, eine Kathodenschicht, und eine zwischen der Anodenschicht und der Kathodenschicht angeordnete Protonen-durchlässig-poröse Membran auf. Weiterhin weist die Reaktorzelle eine zwischen der Anodenschicht und der Kathodenschicht angeordnete Steuerungselektrodenanordnung auf, die dazu ausgelegt ist durch Anlegen einer Spannung an die Steuerungselektrodenanordnung einen Protonenstrom durch die Membran zwischen der Anodenschicht und der Kathodenschicht zu steuern.
Die oben genannten Aspekte und Ausführungsformen werden anhand der im Folgenden beispielhaft beschriebenen Ausführungsformen veranschaulicht und erläutert. Weitere Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben:
Kurze Beschreibung der Figuren
Fig. 1 zeigt einen schematischen Aufbau einer leistungsflusssteuerbaren Brennstoffzelle mit einer Reaktorzelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 2 zeigt einen schematischen Aufbau einer Elektrolysezelle mit einer Reaktorzelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 3 zeigt verschiedene Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Reaktorzelle.
Fig. 4 zeigt verschiedene Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Reaktorzelle.
Fig. 5 zeigt verschiedene Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Steuerungselektrodenanordnung.
Fig. 6 zeigt einen schematischen Aufbau einer leistungsflusssteuerbaren Brennstoffzelle mit einer Reaktorzelle mit einer elektrischen Beschaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 7 zeigt eine durch Pulsweitenmodulation generierte Sinusschwingung.
Fig. 8 zeigt eine Steuerungselektrodenanordnung mit einer Anordnung von Piezoelementen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Fig. 9 zeigt eine Steuerungselektrodenanordnung mit einer Lichtwellenleiteranordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Figuren
Fig. 1 zeigt einen schematischen Aufbau einer leistungsflusssteuerbaren Brennstoffzelle 2 mit einer Reaktorzelle 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Reaktorzelle 100 weist eine Anodenschicht 30 und eine Kathodenschicht 70 auf, zwischen denen sich die Membran 50 befindet. Eine anodenseitige Steuerungselektrodenanordnung 40 ist zwischen der Anodenschicht 30 und der Membran 50 angeordnet. Eine kathodenseitige Steuerungselektrodenanordnung 60 ist zwischen der Kathodenschicht 70 und der Membran 50 angeordnet. Auf der anodenseitigen Seite sowie auf der kathodenseitigen Seite der Membran 50 ist jeweils eine Katalysatorschicht 48 bzw. 68 angeordnet. Die Anodenschicht 30 ist mit der Kathodenschicht 70 über einen elektrischen Verbraucher 20 verbunden. Die Brennstoffzelle 2 weist ferner eine Steuerungsvorrichtung 200 auf, die dazu ausgeführt ist, eine Spannung an die Steuerungselektrodenanordnung 40,60 anzulegen, oder einen Stromfluss durch die Steuerungselektrodenanordnung 40,60 zu bewirken. Über eine Brennstoffgaszuführung 10 wird Wasserstoff der Anodenschicht 30 zugeführt und dort zu Protonen oxidiert. Die Elektroden wandern über den elektrischen Verbraucher zur Kathodenschicht 70, und die entstandenen Protonen wandern in Form eines Protonenstroms durch die Membran 50 als Elektrolyten zur Kathodenschicht 70. An der Kathodenschicht 70 wird Sauerstoff von der Sauerstoffgaszuführung 80 zu negativ geladenen Sauerstoffionen reduziert, die sich mit den Protonen aus dem Protonenstrom zu Wasserdampfmolekülen verbinden. Der Wasserdampf wird über eine Verbrennungsproduktabführung 90 abtransportiert. Die Steuerungsvorrichtung 200 ist dazu ausgeführt, den Protonenstrom durch die Membran 50 zu steuern.
Fig. 2 zeigt einen schematischen Aufbau einer Elektrolysezelle 3 mit einer Reaktorzelle 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Reaktorzelle 100 weist eine Anodenschicht 30 und eine Kathodenschicht 70 auf, zwischen denen sich die Membran 50 befindet. Eine anodenseitige Steuerungselektrodenanordnung 40 ist zwischen der Anodenschicht 30 und der Membran 50 angeordnet. Eine kathodenseitige Steuerungselektrodenanordnung 60 ist zwischen der Kathodenschicht 70 und der Membran 50 angeordnet. Auf der anodenseitigen Seite sowie auf der kathodenseitigen Seite der Membran 50 ist jeweils eine Katalysatorschicht 48 bzw. 68 angeordnet. Die Anodenschicht 30 ist mit der Kathodenschicht 70 über eine elektrische Strom- oder Spannungsquelle 20 verbunden. Die Elektrolysezelle 3 weist ferner eine Elektrolysesteuerungsvorrichtung 300 auf, die dazu ausgeführt ist, eine Spannung an die Steuerungselektrodenanordnung 40,60 anzulegen, oder einen Stromfluss durch die Steuerungselektrodenanordnung 40,60 zu bewirken. Über eine Brennstoffoxidzuführung 90 wird Wasserdampf der Anodenschicht 30 zugeführt und dort durch Elektrolyse in Protonen und Sauerstoffionen zerlegt. Die Sauerstoffionen werden zu Sauerstoff oxidiert, welcher über eine Sauerstoffgasabführung 80 abgeführt wird. Die frei werdenden Elektronen fließen über die elektrische Strom- oder Spannungsquelle 20 zur Kathodenschicht 70, und die entstandenen Protonen wandern in Form eines Protonenstroms durch die Membran 50 als Elektrolyten zur Kathodenschicht 70. An der Kathodenschicht 70 werden die Protonen aus dem Protonenstrom zu Wasserstoff reduziert. Der entstandene Wasserstoff wird über eine Brennstoffgasabführung 10 abtransportiert. Die Steuerungsvorrichtung 300 ist dazu ausgeführt, den Protonenstrom durch die Membran 50 zu steuern.
Fig. 3A zeigt eine Reaktorzelle 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Reaktorzelle 100 weist eine Anodenschicht 30 und eine Kathodenschicht 70 auf, zwischen denen sich die Membran 50 befindet. Eine anodenseitige Steuerungselektrodenanordnung 40 ist zwischen der Anodenschicht 30 und der Membran 50 angeordnet. Eine kathodenseitige Steuerungselektrodenanordnung 60 ist zwischen der Kathodenschicht 70 und der Membran 50 angeordnet. In dieser Ausführungsform ist eine weitere Steuerungselektrodenanordnung 40,60 innerhalb der Membran 50 angeordnet. Auf der anodenseitigen Seite sowie auf der kathodenseitigen Seite der Membran 50 ist jeweils eine Katalysatorschicht 48 bzw. 68 angeordnet. Die Anodenschicht 30 ist mit der Kathodenschicht 70 über einen elektrischen Verbraucher 20 verbunden. Zwischen Anodenschicht 30 und anodenseitiger Katalysatorschicht 48 befindet sich eine anodenseitige Gasdiffusionsschicht 35. Zwischen Kathodenschicht 70 und kathodenseitiger Katalysatorschicht 68 befindet sich eine kathodenseitige Gasdiffusionsschicht 75. Fig. 3B zeigt eine Reaktorzelle 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wobei hier die anodenseitige Steuerungselektrodenanordnung 40 auf der von der Membran 50 abgewandten Seite der Anodenschicht 30 angeordnet ist, und die kathodenseitige Steuerungselektrodenanordnung 60 auf der von der Membran 50 abgewandten Seite der Kathodenschicht 70 angeordnet ist.
Fig. 4 zeigt verschiedene Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Reaktorzelle 100. In Fig. 4A befindet sich eine Steuerungselektrodenanordnung 40 lediglich zwischen der Anodenschicht 30 und der Membran 50. In Fig. 4B befindet sich eine Steuerungselektrodenanordnung 60 lediglich zwischen der Kathodenschicht 70 und der Membran 50. Fig. 4C zeigt sowohl eine anodenseitige Steuerungselektrodenanordnung 40 zwischen Anodenschicht 30 und der Membran 50, als auch eine kathodenseitige Steuerungselektrodenanordnung 60 zwischen der Kathodenschicht 70 und der Membran 50. Fig. 4D zeigt lediglich eine Steuerungselektrodenanordnung 40,60, welche innerhalb der Membran 50 angeordnet ist.
Fig. 5 zeigt verschiedene Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Steuerungselektrodenanordnung 40,60. Fig. 5A zeigt als Elektrodenanordnung der Steuerungselektrodenanordnung 40,60 ein Streifengitter, welches hier horizontal angeordnet ist. Fig. 5B zeigt eine einseitige Kammstruktur. Die Steuerungselektrodenanordnungen 40,60 von sowohl Fig. 5A als auch von Fig. 5B sind dazu ausgelegt, von einem Strom durchflossen zu werden, weicher den Protonenstrom steuert. Die Figuren 5C, 5D, 5E, und 5F zeigen jeweils eine zweiseitige Kammstruktur als Steuerungselektrodenanordnung 40,60. Die Steuerungselektrodenanordnung 40,60 weist hier jeweils zumindest eine erste Elektrodenanordnung 41 ,61 und eine zweite Elektrodenanordnung 42,62 auf. Jede dieser Elektrodenanordnungen kann separat von einem Steuerungsstrom durchflossen werden. Jedoch ist es auch möglich, dass zwischen der ersten Elektrodenanordnung und der zweiten Elektrodenanordnung eine Steuerungsspannung angelegt wird. Fig. 5G zeigt eine Gitterstruktur, Fig. 5J eine Ringelektrode und Fig. 5K eine Matrixstruktur der Steuerungselektrodenanordnung, welche jeweils als Stromleitelektrode dienen können. Die Ringstruktur aus Fig. 5H und die in Fig. 5I gezeigte Halbringstruktur können als Elektroden zum Anlegen einer Steuerungsspannung verwendet werden. Alle gezeigten Varianten der Steuerungselektrodenanordnung können in jeder beliebigen räumlichen Orientierung angeordnet sein, insbesondere horizontal, vertikal oder diagonal. Auch können die verschiedenen Ausführungsformen der Steuerungselektrodenanordnung miteinander kombiniert werden. Zur Kontaktierung der Elektrodenanordnung der Steuerungselektrodenanordnung können Kontaktierungsflächen zusammen mit der Steuerungselektrodenanordnung gefertigt werden, welche über die aktive Fläche der Membran herausragen können. Die Kontaktierung kann beispielsweise durch Klemmen, Schrauben oder Federkontakte an der Kontaktierungsfläche erfolgen.
Fig. 6 zeigt einen schematischen Aufbau einer leistungsflusssteuerbaren Brennstoffzelle 2 mit einer Reaktorzelle 100 mit einer elektrischen Beschaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Reaktorzelle 100 ist hier beispielhaft nur mit einer kathodenseitigen Steuerungselektrodenanordnung 60 gezeigt. Eine Steuerungsvorrichtung ist an die Steuerungselektrodenanordnung 60 angeschlossen und kann den Protonenstrom durch die Membran 50 durch Anlegen einer gepulsten und Pulsweiten-modellierten Spannung steuern. Die zwischen der Anodenschicht 30 und der Kathodenschicht 70 der Brennstoffzelle 2 anliegende Spannung kann direkt proportional zur an der Steuerungselektrodenanordnung 60 anliegenden Steuerspannung sein. Der Verlauf der Spannung der Brennstoffzelle 2 kann mittels einer Pulsweitenmodulation den Verlauf einer gleichgerichteten Sinusspannung nachbilden, wie er als Verlauf der Spannung U1 über der Zeit t dargestellt ist. Eine nachgeschaltete Steuerungselektronik mit den Schaltern S1 bis S4 kann als Wechselrichter dienen und eine sinusförmige Wechselspannung generieren, deren Verlauf als Spannung U2 über der Zeit t dargestellt ist. Diese Spannung U2 kann dann an einem hier durch ein RL Glied dargestellten Verbraucher anliegen. Ebenso ist die Verwendung eines dreiphasigen Wechselrichters mit anschließender Einspeisung in ein Stromnetz möglich.
Fig. 7 zeigt eine durch Pulsweitenmodulation generierte Sinusschwingung. Hier wird das Prinzip der Pulsweitenmodulation erläutert. Durch das gepulste Einschalten einer Gleichspannung mit konstanter Höhe bei variierender Einschaltdauer der Spannung lässt sich nach Glättung und Mittelung der Spannung über ein entsprechendes Zeitintervall ein kontinuierlicher Spannungsverlauf nachbilden, hier eine halbe Periode einer Sinusschwingung.
Fig. 8 zeigt eine Steuerungselektrodenanordnung 40, 60 mit einer Anordnung von Piezoelementen 45, 65 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Piezoelemente 45, 65 sind hier in Form einer zweidimensionalen Gitter- oder Matrixstruktur angeordnet, wobei jeweils ein oder mehrere der Piezoelemente seriell geschaltet sein können. Weitere Piezoelemente können sich in dazu parallel geschalteten Armen der Spannungsversorgung befinden. Allerdings sind auch wie in Fig. 5 dargestellt eine Vielzahl weiterer Anordnungen der Piezoelemente auf der Steuerungselektrodenanordnung denkbar. Eine Spannungsversorgung U ist über einen Schalter S an die Anordnung der Piezoelemente angeschlossen, wobei sich parallel dazu eine Spannungsmessvorrichtung V befinden kann. Durch Öffnen und Schließen des Schalters S kann insbesondere eine gepulste Gleichspannung an die Anordnung der Piezoelemente angelegt werden, wodurch ein Druck auf die Membran 50 ausgeübt wird. Bei geöffnetem Schalter s ist die Messung der von den Piezoelementen 45, 65 erzeugten Spannung mittels der Spannungsmessvorrichtung V möglich, so dass zum Beispiel der Feuchtegehalt der Membran bestimmt werden kann. Fig. 9 zeigt eine Steuerungselektrodenanordnung 40, 60 mit einer Lichtwellenleiteranordnung 44, 64 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Lichtwellenleiteranordnung 44, 64 kann Licht von einer geschalteten oder gepulsten Lichtquelle S zu einer Lichtaustrittsflächenanordnung der Lichtwellenleiteranordnung 44, 64 transportieren. Das Licht kann dann auf eine Fläche der Membran 50 gerichtet werden und diese bestrahlen. Ein zweiter Teil der Lichtwellenleiteranordnung kann mit einem Lichtsensor L verbunden sein.
Obwohl die Erfindung in den Zeichnungen und der vorstehenden Beschreibung illustriert und detailliert beschrieben wurde, sind diese Zeichnungen und Beschreibungen als illustrativ oder beispielhaft zu verstehen und nicht als einschränkend zu betrachten. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Andere Variationen der offenbarten Ausführungsformen können von den Fachleuten, die die beanspruchte Erfindung ausführen, anhand der Zeichnungen, der Offenbarung und der abhängigen Ansprüche verstanden und ausgeführt werden.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können.
Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
Bezugszeichenverzeichnis:
2 Brennstoffzelle
3 Elektrolysezelle
10 Brennstoffgaszuführung/Brennstoffgasabführung
20 Verbraucher/Stromquelle
30 Anodenschicht
35 anodenseitige Gasdiffusionsschicht
40 anodenseitige Steuerungselektrodenanordnung
41 erste anodenseitige Elektrodenanordnung/Stromleitelektrode
42 zweite anodenseitige Elektrodenanordnung/Stromleitelektrode
44 anodenseitige Lichtwellenleiteranordnung
45 anodenseitige Anordnung von Piezoelementen
48 anodenseitige Katalysatorschicht
50 Protonen-durchlässig-poröse Membran
60 kathodenseitige Steuerungselektrodenanordnung
61 erste kathodenseitige Elektrodenanordnung/Stromleitelektrode
62 zweite kathodenseitige Elektrodenanordnung/Stromleitelektrode
64 kathodenseitige Lichtwellenleiteranordnung
65 kathodenseitige Anordnung von Piezoelementen
68 kathodenseitige Katalysatorschicht
70 Kathodenschicht
75 kathodenseitige Gasdiffusionsschicht
80 Sauerstoffgaszuführung/Sauerstoffgasabführung
90 Verbrennungsproduktabführung/Brennstoffoxidzuführung
100 Reaktorzelle für eine leistungsflusssteuerbare Brennstoffzelle
200 Steuerungsvorrichtung für die leistungsflusssteuerbare Brennstoffzelle
300 Elektrolysesteuerungsvorrichtung

Claims

- 27 - Ansprüche
1 . Reaktorzelle für eine leistungsflusssteuerbare Brennstoffzelle, wobei die Reaktorzelle aufweist: eine Anodenschicht (30); eine Kathodenschicht (70); eine zwischen der Anodenschicht und der Kathodenschicht angeordnete Protonen- durchlässig-poröse Membran (50); eine zwischen der Anodenschicht und der Kathodenschicht angeordnete Steuerungselektrodenanordnung (40, 60); wobei die Steuerungselektrodenanordnung (40, 60) ausgelegt ist einen Protonenstrom von einer von der Anodenschicht (30) und der Kathodenschicht (70) durch die Membran (50) zu der anderen von der Anodenschicht (30) und der Kathodenschicht (70) zu steuern.
2. Reaktorzelle gemäß Anspruch 1 , wobei die Steuerungselektrodenanordnung (40, 60) wenigstens eine Elektrodenanordnung (41 , 42, 61 , 62) aufweist und in einem Bereich der Elektrodenanordnung (41 , 42, 61 , 62) Protonen-durchlässig-porös ist.
3. Reaktorzelle gemäß einem der Ansprüche 1 und 2, wobei die Steuerungselektrodenanordnung (40, 60) auf wenigstens einer der der Anodenschicht (30) oder der Kathodenschicht (70) zugewandten Oberfläche der Membran (50) angeordnet ist.
4. Reaktorzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Steuerungselektrodenanordnung (40, 60) innerhalb der Membran (50) angeordnet ist.
5. Reaktorzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Steuerungselektrodenanordnung (40, 60) zum Anlegen einer Spannung eine erste Elektrodenanordnung (41 , 61) und eine zweite Elektrodenanordnung (42, 62) aufweist, wobei die erste Elektrodenanordnung (41 , 61) und die zweite Elektrodenanordnung (42, 62) derart angeordnet sind, dass durch ein zwischen der ersten Elektrodenanordnung (41 , 61) und der zweiten Elektrodenanordnung (42, 62) bei Anliegen einer Spannung herrschendes elektrisches Feld parasitäre Ströme zur Steuerung des Protonenstroms durch die Membran (50) erzeugt werden.
6. Reaktorzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Steuerungselektrodenanordnung (40, 60) eine Stromleitelektrode (41 , 42, 61 , 62) aufweist, wobei die Stromleitelektrode (41 , 42, 61 , 62) derart angeordnet ist, dass durch einen durch die Stromleitelektrode fließenden Strom ein Nahfeldeffekt zur Steuerung des Protonenstroms durch die Membran erzeugt wird.
7. Reaktorzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Steuerungselektrodenanordnung (40, 60) derart ausgestaltet ist, dass wenigstens ein Teil der Membran (50) derart zwischen einer ersten Elektrodenanordnung (41 , 61) und einer zweiten Elektrodenanordnung (42, 62) liegt, dass die Steuerungselektrodenanordnung (40, 60) bei Anliegen einer Spannung zwischen der ersten Elektrodenanordnung (41 , 61) und der zweiten Elektrodenanordnung (42, 62) Aktivierungsverluste durch eine Ladungsdurchtrittshemmung zur Steuerung des Protonenstroms durch die Membran (50) erhöht oder verringert.
8. Reaktorzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Steuerungselektrodenanordnung (40, 60) eine Anordnung von photoempfindlichen Widerständen mit einer lichtsensitiven Oberflächenanordnung, sowie eine Lichtwellenleiteranordnung (44, 64) mit einer Lichtaustrittsflächenanordnung und einer Lichteintrittsflächenanordnung aufweist, wobei die Lichtaustrittsflächenanordnung mit der lichtsensitiven Oberflächenanordnung derart korrespondiert, dass der Protonenstrom durch die Membran (50) durch Einkoppeln von Licht in die Lichteintrittsflächenanordnung steuerbar ist.
9. Reaktorzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Steuerungselektrodenanordnung (40, 60) eine Anordnung von Piezoelementen (45, 65) aufweist und die Membran (50) eine Druck-abhängige Protonendurchlässigkeit aufweist, wobei die Membran (50) durch Ansteuern der Piezoelemente (45, 65) steuerbar ist.
10. Reaktorzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Reaktorzelle wenigstens eine von einer auf der der Anodenschicht (30) zugewandten Seite der Membran (50) angeordneten Katalysatorschicht (48) und einer auf der der Kathodenschicht (70) zugewandten Seite der Membran (50) angeordneten Katalysatorschicht (68) aufweist.
11 . Reaktorzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Reaktorzelle wenigstens eine von einer Gasdiffusionsschicht (35) zwischen der Anodenschicht (30) und der Membran (50) und einer Gasdiffusionsschicht (75) zwischen der Kathodenschicht (70) und der Membran (50) aufweist.
12. Leistungsflusssteuerbare Brennstoffzelle aufweisend: eine Reaktorzelle (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 , eine auf der der Anodenschicht (30) zugewandten Seite der Membran (50) mündende Brennstoffgaszuführung (10); eine auf der der Kathodenschicht (70) zugewandten Seite der Membran (50) mündende Sauerstoffgaszuführung (80); eine von der der Kathodenschicht (70) zugewandten Seite der Membran (50) wegführende Verbrennungsproduktabführung (90); wobei die Steuerungselektrodenanordnung (40, 60) ausgelegt ist einen Protonenstrom von der Anodenschicht (30) durch die Membran (50) zu der Kathodenschicht (70) zu steuern.
13. Leistungsflusssteuerbare Brennstoffzelle gemäß Anspruch 12, ferner mit einer mit der Steuerungselektrodenanordnung (40, 60) verbundenen Steuerungsvorrichtung (200), wobei die Steuerungsvorrichtung (200) ausgelegt ist einen kontinuierlichen oder gepulsten Strom und/ oder eine kontinuierliche oder gepulste Spannung zur kontinuierlichen oder gepulsten Sperrung eines Protonenstromes durch die Membran (50) bereitzustellen.
14. Leistungsflusssteuerbare Brennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 12 und 13, wobei die Steuerungsvorrichtung (200) ausgelegt ist einen Steuerungsstrom bzw. eine Steuerungsspannung dergestalt bereitzustellen, dass eine Amplitude einer Ausgangsspannung der Brennstoffzelle einen Wert zwischen 0 und 100% eines Maximalwertes der Amplitude annimmt, insbesondere innerhalb beliebiger zeitlicher Intervalle, insbesondere durch eine Pulsweitenmodulation.
15. Leistungsflusssteuerbare Brennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die Brennstoffzelle wenigstens eine von einer Gasdiffusionsschicht (35) zwischen der Brennstoffgaszuführung (10), insbesondere einer Wasserstoffgaszuführung, und der Anodenschicht (30) und einer Gasdiffusionsschicht (85) zwischen der Sauerstoffgaszuführung (80) und der Kathodenschicht (70) aufweist.
16. Elektrolysezelle mit einer Reaktorzelle (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 , aufweisend eine auf der der Anodenschicht (30) zugewandten Seite der Membran (50) mündende Brennstoffoxidzuführung (90), insbesondere eine Wasserzuführung; eine von der der Kathodenschicht (70) zugewandten Seite der Membran (50) wegführende Brennstoffgasabführung (10), insbesondere eine Wasserstoffgasabführung; eine von der der Anodenschicht (30) zugewandten Seite der Membran (50) wegführende Sauerstoffgasabführung (80); wobei die Steuerungselektrodenanordnung (40, 60) ausgelegt ist einen Protonenstrom von der Anodenschicht (30) durch die Membran (50) zu der Kathodenschicht (70) zu steuern.
17. Elektrolysezelle gemäß Anspruch 16, ferner mit einer mit der
Steuerungselektrodenanordnung (40, 60) verbundenen Elektrolysesteuerungsvorrichtung (300), wobei die Elektrolysesteuerungsvorrichtung ausgelegt ist einen kontinuierlichen oder gepulsten Strom und/ oder eine kontinuierliche oder gepulste Spannung zur kontinuierlichen oder gepulsten Sperrung eines Protonenstroms von der Anodenschicht (30) durch die
Membran (50) zu der Kathodenschicht (70) bereitzustellen.
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