DE10218371A1 - Brennstoffzelle - Google Patents

Brennstoffzelle

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle (1) umfassend wenigstens folgende Bauteile: DOLLAR A - eine protonenleitende Membran (2) als Elektrolyt; DOLLAR A - Katalysatorschichten (3), die beiderseits die Membran (2) überdecken; DOLLAR A - gasdurchlässige Elektroden in Form einer Anode (4) und Kathode (5), die an der nach außen weisenden Oberfläche der Katalysatorschichten (3) anliegen: DOLLAR A - elektrisch leitfähige Platten (6), welche die Elektroden in dicht benachbarten Abständen elektrisch leitend berühren und gemeinsam mit den Elektroden gasführende Kanäle begrenzen; sowie DOLLAR A - Gasanschlüsse für die Zufuhr von Wasserstoff (H¶2¶) einerseits und Sauerstoff (O¶2¶) andererseits. DOLLAR A Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle (1) zeichnet sich dadurch aus, dass DOLLAR A - die Membran (2) eine Matrix umfasst, in die eine protonenleitende Polymersubstanz auf organischer Basis eingemischt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, umfassend wenigstens folgende Bauteile:
  • - eine protonenleitende Membran als Elektrolyt;
  • - Katalysatorschichten, die beiderseits die Membran überdecken;
  • - gasdurchlässige Elektroden in Form einer Anode und Kathode, die an der nach außen weisenden Oberfläche der Katalysatorschichten anliegen;
  • - elektrisch leitfähige Platten, welche die Elektroden in dicht benachbarten Abständen elektrisch leitend berühren und gemeinsam mit den Elektroden gasführende Kanäle begrenzen; sowie
  • - Gasanschlüsse für die Zufuhr von Wasserstoff einerseits und Sauerstoff andererseits.
Eine gattungsgemäße Brennstoffzelle wird beispielsweise in folgenden Druckschriften ausführlich beschrieben, nämlich DE-A-36 40 108, DE-A-195 44 323, WO-A-94/09519, WO-A-01/28023, US-A-5 292 600 und in "Spektrum der Wissenschaft" (Juli 1995), Seiten 92 bis 98.
Brennstoffzellen sind elektrochemische Energieumwandler und vergleichbar mit Batteriensystemen, die gespeicherte chemische Energie in Strom umwandeln. Im Gegensatz zu den heutigen konventionellen Stromerzeugern erfolgt die Stromerzeugung in einer Brennstoffzelle ohne den Umweg über die Wärmeerzeugung.
Herzstück der Brennstoffzelle ist die Membran, die nur für Wasserstoff-Ionen (Protonen) durchlässig sein darf. Auf der einen Seite strömt Wasserstoff an Katalysatoren (z. B. Platin-Katalysatoren) vorbei und wird dabei in Protonen und Elektronen gespalten, auf der anderen Luft oder reiner Sauerstoff. Die Protonen treten durch die Membran und vereinigen sich zusammen mit den als Nutzstrom fungierenden Elektronen mit dem Sauerstoff zu Wasser, das als einziger Abfallstoff übrigbleibt. Mit anderen Worten: Der Wasserstoff gibt die Elektronen an der einen Elektrode ab, der Sauerstoff übernimmt sie an der anderen Elektrode.
Derzeit werden zumeist Kunststoffmembranen in Brennstoffzellen eingesetzt. Die diesbezüglichen Werkstoffe sind insbesondere Polysulfone (DE-A-198 09 119), thermoplastische Polyetherketone und Polytetrafluorethylen mit sulfonischen Perfluorvinylether-Seitenketten (Nation 117-DuPont).
In der Offenlegungsschrift WO-A-01/28023 wird ferner eine Elastomermembran in Form einer vulkanisierten Kautschukmischung auf der Basis eines halogenierten Kautschuks vorgestellt, wobei zwecks Erhöhung der Protonenleitfähigkeit der Kautschukmischung ein Trägermaterial beigefügt ist, das mit einer anorganischen Säure (z. B. Phoshorsäure) beladen ist.
Bislang war die Zielsetzung, Membranen herzustellen, deren das Membrangerüst bildende Basiswerkstoff protonenleitend ist, und zwar möglichst ohne Zusatzstoffe. Auf diese Weise war es möglich, Werkstoffe (z. B. Nation) mit hoher protonenleitender Effizienz einzusetzen. Allerdings musste dann häufig in Kauf genommen werden, dass diese Werkstoffe hinsichtlich Strukturfestigkeit und anderer Anforderungen mechanischer, physikalischer und/oder chemischer Art ihre Grenzen hatten. Auch die Betriebstemperatur hatte einen nicht unerheblichen Einfluss auf die protonenleitende Leistungsfähigkeit dieser Werkstoffe.
Die zusätzliche Einmischung eines mit einer Säure beladenen Trägermaterials führte wiederum zumeist zu einer Auswaschung der Säure.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin eine rotonenleitende Membran bereitzustellen, dessen Basiswerkstoff selbst nicht protonenleitend sein muss, so dass der Brennstoffzellentechnik ein breites Werkstoffspektrum zur Verfügung steht.
Mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle unter Verwendung einer Membran, umfassend eine Matrix, in die eine protonenleitende Polymersubstanz (Ionenleiter) auf organischer Basis eingemischt ist, wird ein neuer werkstoffmäßiger Weg beschritten, verbunden mit einer hohen Effizienz der Protonenleitfähigkeit bei gleichzeitig technisch einfacher und kostengünstiger Herstellung.
Die Polymersubstanz ist niedermolekular, und zwar bei einem mittleren Molekulargewicht von wenigstens 1000, insbesondere wenigstens 1500. Das mittlere Molekulargewicht beträgt hier maximal 5000.
Alternativ hierzu kann die Polymersubstanz auch hochmolekular sein, und zwar bei einem mittleren Molekulargesicht von größer 5000. Das mittlere Molekulargewicht beträgt in diesem Fall maximal 50000, insbesondere maximal 20000.
Die Polymersubstanz weist funktionelle Gruppen auf, vorzugsweise Carboxyl- und/oder Sulfonsäure-Gruppen, insbesondere wiederum unter dem Gesichtspunkt der Salzbildung (Natrium-Salz). Eine Herauswaschung findet im Gegensatz zu den mit Säuren beladenen Trägermaterialien nicht statt.
Der Anteil der Matrix als Basiswerkstoff, in die die protonenleitende Polymersubstanz eingemischt ist, beträgt 20 bis 50 Gew.-%, und zwar bezogen auf die Membran. Der Anteil der Polymersubstanz bzw. des Adduktes, gebildet aus einem Trägermaterial und der Polymersubstanz, umfasst 80 bis 50 Gew.-%. Auf die Adduktbildung wird an einer andern Stelle noch näher eingegangen.
Die Matrix der Membran kann ein Polymerwerkstoff sein, vorzugsweise ein thermoplastischer Kunststoff, ein Elastomer oder thermoplastisches Elastomer. Die thermoplastische Kunststoff basiert vorzugsweise auf einem halogenierten und/oder sulfonierten Polyalken, insbesondere wiederum einem halogenierten und/oder sulfonierten Polyethylen.
Alternativ hierzu kann auch ein Elastomer auf der Basis eines Kautschuks mit unpolarem oder polarem Charakter verwendet werden, wobei insbesondere folgende Kautschuktypen zum Einsatz kommen:
Naturkautschuk (Kurzform: NR)
Butadien-Kautschuk (Kurzform: BR)
Ethylen-Propylen-Dien-Mischpolymerisat (Kurzform: EPDM)
Fluorkautschuk (Kurzform: FKM)
Chloroprenkautschuk (2-Chlorbutadien-1,3; Kurzform: CR)
Chlorbutylkautschuk (Kurzform: CIIR)
Brombutylkautschuk (Kurzform: BIIR)
Nitrilkautschuk (Kurzform: NBR), insbesondere carboxylierter NBR
Acrylatkautschuk (Kurzform: ACM)
Polyoxidkautschuk (Kurzform: POR)
Polypropyloxidkautschuk (Kurzform: PPOR)
Auch thermoplastische Elastomere, insbesondere in Verbindung mit den oben genannten Werkstoffen, sind einsetzbar, wobei der Anteil der thermoplastischen Komponente dem Anteil der Elastomerkomponente ist.
Ist die Matrix ein Elastomer oder ein thermoplastisches Elastomer, so enthält diese noch übliche Mischungsingredienzien, insbesondere ein Vernetzungsmittel für den Kautschuk. Diese Ingredienzien sind ein Teilsystem der Matrix und stehen in Verbindung mit der Gesamtmengenangabe der Matrix.
Die Polymermatrix auf der oben genannten Werkstoffbasis bildet mit der protonenleitenden Polymersubstanz zumeist ein Blend oder ein Blockcopolymerisat.
Vorteilhafterweise enthält die Matrix, insbesondere die hier näher vorgestellte Polymermatrix, zusätzlich ein Trägermaterial, beispielsweise ein Molekularsieb mit oder ohne Kristallwasser. Dieses Trägermaterial wird nun mit der Polymersubstanz als Ionenleiter beladen, und zwar unter Bildung eines entsprechenden Adduktes. Der Anteil der Polymersubstanz beträgt ≦ 60 Gew.-%, insbesondere ≦ 50 Gew.-%, und zwar bezogen auf das Addukt.
Die Matrix der Membran kann auch ein aus Fasern gebildeter Vliesstoff sein, wobei der Vliesstoff mit der protonenleitenden Polymersubstanz getränkt oder bestrichen ist.
Die Erfindung wird nun anhand schematischer Darstellungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Brennstoffzelle;
Fig. 2 den elektrochemischen Reaktionsablauf einer Brennstoffzelle.
Nach Fig. 1 umfasst die Brennstoffzelle 1 eine Membran 2 als Elektrolyt, umfassend eine Matrix, in die eine protonenleitende Polymersubstanz auf organischer Basis eingemischt ist. Die Membran 2 wird dabei beiderseits von Katalysatorschichten 3 überdeckt. An der nach außen weisenden Oberfläche der Katalysatorschichten 3 liegen gasdurchlässige Elektroden in Form einer Anode 4 und Kathode 5 an. Die elektrisch leitfähigen Platten 6 begrenzen die Brennstoffzelle anoden- bzw. kathodenseitig, wobei diese Platten mit den gasdurchlässigen Elektroden eine bauliche Einheit bilden. Ferner sind Gasanschlüsse für den Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) vorhanden.
Mehrere Einzelzellen 1 lassen sich nun zu Zellenstapeln verschalten, wobei die Membran bei einer Schichtstärke von zumeist 0,05 bis 1 mm, insbesondere 0,1 bis 0,2 mm, zu einem geringen Gesamtbauraum beiträgt.
Fig. 2 zeigt den elektrochemischen Reaktionsablauf einer Brennstoffzelle mit folgenden Teilabläufen:
  • - erste Einzelreaktion an der Anode 4 (H2 → 2H+ + 2e);
  • - Protonenwanderung durch die Membran 2;
  • - Elektronenfluss über einen äußeren Stromkreis 7, der mit einem elektrischen Verbraucher 8 in Verbindung steht;
  • - zweite Einzelreaktion an der Kathode 5 (2H+ + 2e + ½O2 → H2O).
Da es zu teuer wäre, das vorhandene Tankstellennetz durch ein Wasserstoffnetz zu ersetzen, geht die Entwicklung dahin, den Wasserstoff direkt an Bord des Autos zu erzeugen, vorzugsweise aus Methanol, das sich leicht aus Erdgas oder auch aus nachwachsenden Rohstoffen gewinnen lässt und das wie Benzin getankt werden kann. Dazu ist ein Reformierungsreaktor als eine kleine Chemieanlage nötig. Ferner ist die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle mit internem Reformer unter Verwendung einer Reformerschicht bekannt (DE-A-199 45 667).
Als Sauerstofflieferant genügt zumeist die Luft.
Die Membran kann für eine Niedrigtemperatur-Brennstoffzelle bei einer Betriebstemperatur < 100°C verwendet werden.
Der Vorteil der neuartigen Membran ist, dass selbst Werkstoff, die keine oder nur eine geringe Protonenleitfähigkeit aufweisen, jedoch andere vorteilhafte Werkstoffeigenschaften haben, beispielsweise Naturkautschuk, durch das Einmischen des Ionenleiters protonenleitend aktiviert werden.
Bezugszeichenliste
1
Brennstoffzelle (Einzelzelle)
2
protonenleitende Membran
3
Katalysatorschicht
4
Elektrode (Anode)
5
Elektrode (Kathode)
6
elektrisch leitfähige Platte (bipolare Platte)
7
äußerer Stromkreis
8
elektrischer Verbraucher

Claims (28)

1. Brennstoffzelle (1), umfassend wenigstens folgende Bauteile:
eine protonenleitende Membran (2) als Elektrolyt;
Katalysatorschichten (3), die beiderseits die Membran (2) überdecken;
gasdurchlässige Elektroden in Form einer Anode (4) und Kathode (5), die an der nach außen weisenden Oberfläche der Katalysatorschichten (3) anliegen;
elektrisch leitfähige Platten (6), welche die Elektroden in dicht benachbarten Abständen elektrisch leitend berühren und gemeinsam mit den Elektroden gasführende Kanäle begrenzen; sowie
Gasanschlüsse für die Zufuhr von Wasserstoff einerseits und Sauerstoff andererseits;
dadurch gekennzeichnet, dass
die Membran (2) eine Matrix umfasst, in die eine protonenleitende Polymersubstanz auf organischer Basis eingemischt ist.
2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymersubstanz niedermolekular ist, und zwar bei einem mittleren Molekulargewicht von wenigstens 1000, insbesondere wenigstens 1500.
3. Brennstoffzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mittlere Molekulargewicht maximal 5000 beträgt.
4. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymersubstanz hochmolekular ist, und zwar bei einem mittleren Molekulargewicht von größer 5000.
5. Brennstoffzelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mittlere Molekulargewicht maximal 50000, insbesondere maximal 20000, beträgt.
6. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymersubstanz funktionelle Gruppen, vorzugsweise Carboxyl- und/oder Sulfonsäure-Gruppen, aufweist.
7. Brennstoffzelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymersubstanz ein Salz der ersten oder zweiten Hauptgruppe des Periodensystems, vorzugsweise ein Natrium-Salz, bildet.
8. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Matrix 20 bis 50 Gew.-% beträgt, und zwar bezogen auf die Membran (2).
9. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix der Membran (2) ein Polymerwerkstoff, vorzugsweise ein thermoplastischer Kunststoff, ein Elastomer oder ein thermoplastisches Elastomer ist.
10. Brennstoffzelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein thermoplastischer Kunststoff auf der Basis eines halogenierten und/oder sulfonierten Polyalkens Verwendung findet.
11. Brennstoffzelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein halogeniertes und/oder sulfoniertes Polyethylen Verwendung findet.
12. Brennstoffzelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Elastomer auf der Basis eines Kautschuks mit unpolarem Charakter Verwendung findet.
13. Brennstoffzelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass Naturkautschuk, Butadien-Kautschuk oder ein Ethylen-Propylen-Dien- Mischpolymerisat Verwendung findet.
14. Brennstoffzelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Elastomer auf der Basis eines Kautschuks mit polarem Charakter Verwendung findet.
15. Brennstoffzelle nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein halogenierter Kautschuk auf der Basis Fluor, Chlor oder Brom Verwendung findet.
16. Brennstoffzelle nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass Fluorkautschuk, Chloroprenkautschuk, Chlorbutylkautschuk oder insbesondere Brombutylkautschuk Verwendung findet.
17. Brennstoffzelle nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass Nitrilkautschuk Verwendung findet.
18. Brennstoffzelle nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass Acrylatkautschuk Verwendung findet.
19. Brennstoffzelle nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass Polyoxidkautschuk, vorzugsweise Polypropyloxidkautschuk, Verwendung findet.
20. Brennstoffzelle nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass carboxylierter Kautschuk, vorzugsweise carboxylierter Nitrilkautschuk, Verwendung findet.
21. Brennstoffzelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Elastomer aus einer thermoplastischen Komponente gemäß Anspruch 10 oder 11 und einer Elastomerkomponente gemäß einem der Ansprüche 12 bis 20 gebildet ist.
22. Brennstoffzelle nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der thermoplastischen Komponente dem Anteil der Elastomerkomponente ist.
23. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 22, insbesondere nach einem der Ansprüche 9 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass in die Matrix der Membran (2) zusätzlich ein Trägermaterial eingemischt ist.
24. Brennstoffzelle nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial mit der Polymersubstanz beladen ist, und zwar unter Bildung eines entsprechenden Adduktes.
25. Brennstoffzelle nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Polymersubstanz 60 Gew.-%, insbesondere ≦ 50 Gew.-%, beträgt, und zwar bezogen auf das Addukt.
26. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix der Membran (2) ein aus Fasern gebildeter Vliesstoff ist.
27. Brennstoffzelle nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Vliesstoff mit der Polymersubstanz getränkt ist.
28. Brennstoffzelle nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Vliesstoff mit der Polymersubstanz bestrichen ist.
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