DE10129190A1 - Brennstoffzelle - Google Patents
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Abstract
Offenbart ist ein Festpolymerbrennstoffzellensystem mit einer Vielzahl von Elementarzellen, die eine hinter der anderen gestapelt sind, wobei jede der Elementarzellen mit einer Elektrode einer Anionenaustauschmembran und einer Elektrode einer Kationenaustauschmembran versehen ist, die benachbart zueinander, jedoch nicht in Kontakt miteinander stehen, wobei Gasdiffusionsschichten, die normalerweise auf beiden Seiten dieser Membranen angeordnet sind, zur Ermöglichung eines Hindurchleitens der an den Katalysatoren erzeugten Elektroden, und ein Zwischenverbinder vorgesehen ist, der einen Stromführer mit einer Gaspassage darstellt und an der Außenseite der Gasdiffusionsschicht angeordnet ist. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, bei einem Brennstoffzellensystem Hilfseinrichtungen, wie z. B. einen Befeuchter, einzusparen und aufgrund dieser Verkleinerung der Vorrichtung eine Systemvereinfachung, eine Kostenreduzierung und eine Platzeinsparung zu erreichen.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein selbstbefeuchtendes
Brennstoffzellensystem. Genauer gesagt betrifft die Erfindung eine mit einer
Ionenaustauschmembran ausgestattete Festpolymer-Brennstoffzelle mit einer
Kationenaustauschmembran und einer Anionenaustauschmembran.
Es sind verschiedene Arten von Brennstoffzellen bekannt. Unter diesen ist eine
Festpolymer-Brennstoffzelle kompakt und in der Lage, Elektrizität selbst bei
relativer geringer Temperatur zu erzeugen.
Der Körper einer Festpolymer-Brennstoffzelle ist ein Stapel, der eine Vielzahl von
übereinander gestapelten Zellen aufweist. Wie in Fig. 4 dargestellt, sind die
Elementarzellen in dem Stapel miteinander verbunden und in Serie durch einen
Zwischenverbinder 9 gestapelt, der eine elektrisch leitende und gasundurchlässige
Platte ist.
Im allgemeinen wird als Ionenaustauschmembran 11, die den Hauptteil der
Festkörperbrennstoffzelle bildet, eine Kationenaustauschmembran benutzt, die als
"Protonenaustauschmembran" bezeichnet wird. In der Elementarzelle, die eine
Basiskomponente der Brennstoffzelle darstellt, werden Katalysatoren 7, 8 auf
beiden Seiten dieser Protonenaustauschmembran 11 (protonenleitender
Polymerflim) gehalten und eine Gasdiffusionsschicht 3 ist an der Außenseite eines
jeden Katalysators angeordnet. Diese Diffusionsschicht 3 ist normalerweise aus
Karbonpapier hergestellt und sie dient als eine Kollektorschicht, die das
Hindurchtreten von Elektronen erlaubt, die auf den Katalysatoren oder einer aus
Karbon hergestellten Elektrode erzeugt wurden (Wasserstoffelektrode,
Sauerstoffelektrode). Als oben beschriebene Katalysatoren werden
Metallkatalysatoren, wie beispielsweise aus Platin, benutzt. Die
Katalysatorschichten 7, 8 sind beispielsweise hergestellt, indem ein solcher
Metallkatalysator aus Karbonpartikeln hergestellt wird und dieser mit einem
elektrisch leitenden Polymer gemischt wird, das als Bindemittel dient.
An der Außenseite einer jeden der oben beschriebenen Elementarzellen ist eine
Platte vorgesehen, die einen darin vorgesehenen Gaskanal aufweist, und diese
Platte wird "Zwischenverbinder" 9 genannt. Ein Reaktandengas wird durch die
Gaskanäle 4, 5 gespeist, die in dem Zwischenverbinder 9 angeordnet sind, und die
elektrizitätserzeugende Kapazität der Zelle wird durch ein zuzuführendes
Brennstoffgas und ein zuzuführendes Oxidationsgas bestimmt. Es sind zwei
Gasströmungskanäle vorgesehen, einer ist der Kanal 4 zum Einspeisen und zum
Ausstoßen eines Brennstoffgases und der andere ist der Kanal 5 zur Einspeisung
und zum Ausstoßen eines Oxidationsgases. Demzufolge hat der
Zwischenverbinder auf einer Seite eine Fläche mit dem Gaskanal zur Einspeisung
eines Brennstoffgases und auf der anderen Seite eine Fläche mit dem Gaskanal zur
Einspeisung eines Oxidationsgases.
Der Zwischenverbinder 9 ist eine stromführende Substanz, die der Trennung des
Brennstoffgases und des Oxidationsgases dient, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist.
Der Begriff "Brennstoffgas", wie er hierin benutzt wird, steht für ein Gas, das
normalerweise aus einem Wasserstoffgas und Wasserdampf zusammengesetzt ist.
Die Katalysatorschicht, die in Kontakt mit diesem wasserstoffgasenthaltenden
Brennstoffgas steht, wird "Wasserstoffelektrode" genannt.
Der Begriff "Oxidationsgas", wie er hierin benutzt wird, bedeutet ein
sauerstoffenthaltendes Gas, wie z. B. Luft, und die Katalysatorschicht, die in
Kontakt mit dem Oxidationsgas steht, wird "Sauerstoffelektrode" genannt.
Wenn diese Festelektrolytenbrennstoffzelle mit einer äußeren Last verbunden
wird, wird ein Wasserstoffgas an der Wasserstoffelektrode in Protonen und
Elektronen zerlegt und tritt durch eine elektrolytische Membran zu der Seite der
Sauerstoffelektrode über. Zu dieser Zeit treten die Protonen in Cluster über,
zusammen mit Wassermolekülen in der Nähe dieser Protonen. Dies ist die
sogenannte Elektroendosmose von Wasser. Durch dieses Phänomen trocknet die
Wasserstoffelektrodenseite der Membran aus.
Um die oben beschriebenen Probleme zu überwinden, wird das Wasserstoffgas
normalerweise von außen befeuchtet an der Wasserstoffelektrode eingespeist, was
ein Ansteigen des elektrischen Widerstandes aufgrund der Trocknung der
Membran unterdrückt.
Um einen ausreichenden Wasserdampfdruck zu erreichen, ist es notwendig, das
Wasserstoffgas zu erwärmen. Es ist jedoch bekannt, daß eine starke
Temperaturerhöhung den Wasserdampfteildruckes eines
Wasserstoff/Wasserdampfgasgemisches erhöht, was einen schlechten Einfluß auf
die Versorgung eines Wasserstoffgases ausübt, das selbst für die Reaktion
notwendig ist.
Unter Berücksichtigung des vorbeschriebenen wurden eine Vielzahl
unterschiedlicher Membranen für eine Brennstoffzelle untersucht.
In einer Brennstoffzelle reagieren Protonen, die in die Seite der
Sauerstoffelektrode eingeführt wurden, mit Sauerstoff auf der Elektrode und
Wasser wird erzeugt. Dieses Produktwasser muß sofort nach außen ausgestoßen
werden, zusammen mit Wasser, das durch die Elektroendosmose erzeugt wurde,
da ein Überfluß an Wasser den Gasdiffusionskanal der benachbarten
Diffusionsschicht verstopft, wodurch der effektive Elektrodenbereich verringert
wird. Diese Wasser diffundieren in Richtung der Wasserstoffelektrodenseite
gemäß einem Feuchtigkeitskonzentrationsgradienten, der durch die
Wasserstoffelektrodenseite vorgegeben ist. Dieses Phänomen wird im allgemeinen
als "Rückdiffusion" bezeichnet.
Es ist gewöhnliche Praxis, die Rückdiffusion des Wassers durch Senkung der
Dicke der Membran zu unterstützen, wodurch dieser Konzentrationsgradient
erhöht wird. Dieses Verfahren macht es möglich, die Befeuchtungsbedingungen
zu entspannen, während die Befeuchtung so stark wie möglich reduziert wird.
Wenn die Membran jedoch dünner ausgebildet wird, durchquert mehr als 1% des
physischen Wasserstoffgases die Membran, was zu Problemen führt, wie
beispielsweise eine Senkung der elektromotorischen Kraft.
Unterschiedliche Verfahren zur inneren Befeuchtung wurden ausprobiert. Die
erste Methode besteht darin, eine notwendige Feuchtigkeitsmenge zu erhalten
durch Verteilen einer vorgegebenen Menge eines Katalysators in einer Membran,
der ähnlich zu dem ist, der auf der Oberfläche des Elektrodenkatalysators verteilt
ist, Einfangen des Wasserstoffs und des Sauerstoffs, die die katalysatorverteilte
Membran durchqueren, und Erzeugen von Wasser innerhalb der Brennstoffzelle.
Dieses Verfahren beinhaltet ebenfalls das Problem, daß die elektromotorische
Kraft verringert wird. Zusätzlich verursacht dieses Verfahren vermutlich eine
Verschlechterung der Performance, was auf eine Verschlechterung der Membran
zurückzuführen ist, die durch feine Löcher, die innerhalb der Membran
ausgebildet sind, durch die Hitze aufgrund der Reaktion verursacht wird.
Das zweite Verfahren besteht darin, die Feuchtigkeit des Ausgangs des Stapels
mechanisch einzufangen und diese zu dem Befeuchtungsteil der stromaufwärtigen
Stufe des Stapels zurückzuführen. Der Begriff "Stapel" steht für ein
Elementarmodul, das eine Vielzahl von Elementarbrennstoffzellen aufweist, die
eine nach der anderen gestapelt sind. Dieses Verfahren ist jedoch von dem
Problem begleitet, daß der Mechanismus dieses Verfahrens, der das Wasser an der
stromabwärtigen Stufe des Stapels einfängt, die Vorrichtung zwangsläufig
vergrößert und diese somit ungeeignet für ein mobile Brennstoffzelle macht.
Das dritte Verfahren besteht darin, eine Kühlpassage auf der Seite vorzusehen, die
gegenüber dem Wasserstoffkanal des Zwischenverbinders angeordnet ist, und dem
Zwischenverbinder selbst Wasser zuzuführen, wodurch der Wasserstoff auf der
gegenüberliegenden Seite befeuchtet wird. Für den Zwischenverbinder wird
normalerweise ein Karbonmaterial eingesetzt, aber der unbearbeitete
Zwischenverbinder erlaubt ein Hindurchtreten des Wasserstoffgases. Dessen
Gasdichtigkeit wird daher durch dessen Einbettung in einem Polymer, wie z. B.
Phenolharz, erhöht. Es ist jedoch nicht einfach, einen Zwischenverbinder
herzustellen, der ein gutes Gleichgewicht zwischen verbesserter
Wasserstoffgasdichtigkeit und der Möglichkeit zur Diffusion von Wasser
aufweist, wodurch der Wasserstoff befeuchtet wird.
Unter Berücksichtigung der obigen Probleme haben die Erfinder weitreichende
Untersuchungen durchgeführt, um ein Selbstbefeuchtungsbrennstoffzellensystem
zu entwickeln, das ohne Zuhilfenahme einer Hilfsausrüstung, wie z. B. einem
Befeuchter, ein Reaktandengas mit Wasser einspeisen kann, wobei ein starker
Anstieg von Wasser gesteuert wird.
Als Ergebnis wurde herausgefunden, daß die oben beschriebenen Probleme durch
ein Selbstbefeuchtungsbrennstoffzellensystem überwunden werden können, bei
dem eine innere Zirkulation des Wassers durchgeführt wird, wobei eine
Anionenaustauschmembran MEA (membrane electrode assembly) und eine
Kationenaustauschmembran MEA, die abwechselnd angeordnet sind, benutzt
werden und wobei elektroendosmotisches Wasser und Produktwasser benutzt
werden, während diese durch den Transfer von Ionen in die den Membranen
entgegengesetzter Richtungen zirkuliert werden.
Die vorliegende Erfindung wurde auf Grundlage einer solchen Betrachtung fertig
gestellt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein
Festpolymerbrennstoffzellensystem zu schaffen, das eine Vielzahl von
Elementarzellen, die eine hinter der anderen gestapelt sind, wobei jede
Elementarzelle eine Elektrode einer Anionenaustauschmembran und eine
Elektrode einer Kationenaustauschmembran aufweist, die benachbart zueinander
angeordnet sind, aber nicht in Kontakt stehen, wobei Gasdiffusionsschichten
normalerweise auf beiden Seiten dieser Elektroden angeordnet sind, um ein
Hindurchtreten der auf den Katalysatoren erzeugten Elektronen zu ermöglichen,
und Zwischenverbinder aufweist, die außerhalb der Gasdiffusionsschichten
angeordnet sind und als Stromführer mit einem Gaskanal dienen.
In dem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung ist der Gaskanal zur
Speisung eines Gases innerhalb der Elementarzelle derart angeordnet, daß der Teil
der Gasdiffusionsschicht, der der Anionenaustauschmembran benachbart ist, mit
dem Teil der Gasdiffusionsschicht, der der Kationenaustauschmembran
benachbart ist, verbunden ist.
Die vorliegende Erfindung macht es möglich, Hilfsausrüstung, wie z. B. einen
Befeuchter, einzusparen, was aufgrund einer Verringerung der Anzahl von Teilen
oder Vorrichtungen, zu einer Vereinfachung des Systems, zu einer
Kostenreduzierung und zu einer Einsparung von Raum führt.
In dem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung ist ein von außen
eingebrachtes Gas nicht durch den Wasserdampf-Partialdruck beeinflußt, der
durch die Befeuchtung erhöht wird. Zusätzlich sind durch die Benutzung einer
Kationenaustauschmembran und einer Anionenaustauschmembran die
Wassererzeugungsseite und die elektroendosmotische Seite umgekehrt, so daß
Feuchtigkeit, die für die Reaktion notwendig ist, durch die Befeuchtung an der
stromaufwärtigen Stufe verfügbar ist. Darüber hinaus können aufgrund des
Übertragungsunterschiedes zwischen OH-Ionen und H+Ionen die Eigenschaften
der Membran geändert werden durch einen Unterschied in dem Bereich oder der
Dicke der Membran.
Überschuß oder Mangel an Feuchtigkeit kann durch Messung der
Ausgangsspannung erfaßt werden. Dieses Brennstoffzellensystem kann ohne
jegliche externe Befeuchtungsmittel unter angemessenen Betriebsbedingungen
betrieben werden. Ein Zirkulationsverhältnis des Wassers kann eingestellt werden
durch eine Flußrate oder Temperatur der Hauptluft innerhalb eines Bereiches, der
keine Überflutungserscheinung verursacht, die einen ruhigen Gasfluß durch
Überschußwasser verhindert.
Die vorliegende Erfindung wird im folgenden durch Ausführungsformen genauer
beschrieben. Es soll jedoch vermerkt sein, daß der Erfindungsgedanke der
vorliegenden Erfindung nicht auf die folgenden Ausführungsformen beschränkt
oder durch diese beschränkt ist.
Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung, die ein Beispiel einer Elementarzelle
zeigt, die eine Ionenaustauschmembran gemäß der vorliegenden Erfindung
aufweist; Fig. 2 ist eine schematische Darstellung, die ein anderes
Anordnungsbeispiel der Ionenaustauschmembran zeigt, die in der vorliegenden
Erfindung benutzt wird; Fig. 3 ist eine schematische Ansicht, die die
Elektroendosmose von Wasser zeigt, wenn die vorliegende Erfindung angewandt
wird; Fig. 4 ist eine schematische Ansicht, die den Schichtaufbau und den
Betrieb von einer Elementarzelle des Brennstoffzellensystems veranschaulicht.
In diesen Figuren beschreibt das Bezugszeichen 1 eine
Kationenaustauschmembran, 2 eine Anionenaustauschmembran, 3 eine
Gasdiffusionsschicht, 4 einen Gaskanal (Brennstoffgas), 5 einen Gaskanal
(Oxidationsgas), 6 eine Trennzone, 7 eine Katalysatorschicht (als eine
Wasserstoffelektrode), 8 eine Katalysatorschicht (als eine Wasserstoffelektrode), 9
einen Zwischenverbinder, 10 eine Last und 11 eine Ionenaustauschmembran.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Brennstoffzellensystem mit
Selbstwasserzirkulation, das aus Elementarzellen gebildet ist, wobei jede
Elementarzelle zwei Ionenaustauschmembranen aufweist. In der vorliegenden
Erfindung ist zusätzlich zu einer Kationenaustauschmembran
(Protonenaustauschmembran) eine Anionenaustauschmembran eingesetzt.
In dem Teil einer Zelle, in dem die Kationenaustauschmembran angeordnet ist,
finden die folgenden Reaktionen statt:
Wasserstoffelektrode: H2 → 2H+ + 2e-
Sauerstoffelektrode: 1/2O2 + 2H+ + 2e- → H2O
Wasserstoffelektrode: H2 → 2H+ + 2e-
Sauerstoffelektrode: 1/2O2 + 2H+ + 2e- → H2O
In dem Teil einer Zelle, in dem die Anionenaustauschmembran angeordnet ist,
finden die folgenden Reaktionen statt:
Wasserstoffelektrode: H2 + 2OH- → 2H2O + 2e-
Sauerstoffelektrode: 1/2O2 + H2O + 2e- → 2OH-
Wasserstoffelektrode: H2 + 2OH- → 2H2O + 2e-
Sauerstoffelektrode: 1/2O2 + H2O + 2e- → 2OH-
In einer Zelle sind die Elektrode einer Anionenaustauschmembran und die
Elektrode einer Kationenaustauschmembran zueinander benachbart angeordnet
und eine Gasdiffusionsschicht, die diesen ähnelt, ist an der äußeren Seite jeder der
Elektroden angeordnet. Diese beiden Elektroden sind derart angeordnet, daß sie
nicht miteinander in Kontakt stehen. Diese Diffusionsschicht, die
herkömmlicherweise aus Karbonpapier hergestellt ist, ist eine stromführende
Schicht, durch die an dem Katalysator erzeugte Elektronen hindurchtreten können.
Außerhalb dieser Diffusionsschicht ist ein Zwischenverbinder angeordnet, in dem
ein Gaskanal vorgesehen ist. Dieser Zwischenverbinder ist ein Stromführer und
hat die Funktion, ein Brennstoffgas von einem Oxidationsgas zu trennen. Durch
Verbindung der Zelle mit einer externen Last an der Kationenaustauschmembran
zerfällt ein Wasserstoffgas in Protonen und Elektronen an der
Wasserstoffelektrode und diese wandern durch die elektrolytische Membran in
Richtung der Sauerstoffelektrodenseite. Zu dieser Zeit bewegen sich die Protonen
in Clustern, zusammen mit Wassermolekülen in der Nähe der Protonen. Dies ist
die sog. Elektroendosmose und durch dieses Phänomen trocknet die Membran an
der Wasserstoffelektrodenseite aus.
Die Ionen, die sich in der Anionenaustauschmembran bewegen, sind OH-Ionen,
wie dies in dem oben gezeigten Reaktionsschema gezeigt ist, und in diesem Fall
ist die Übertragungsrichtung der Ionen der Übertragungsrichtung der Ionen, die
sich in der Kationenaustauschmembran bewegen, entgegengesetzt. An der
Wasserstoffelektrode wird Wasser erzeugt und zusätzlich tritt hier eine
Elektroendosmose durch OH-Ionen auf, so daß der
Feuchtigkeitskonzentrationsgradient umgekehrt zu dem der
Kationenaustauschmembran ist.
Das Wasserstoffgas und Sauerstoffgas fließen abwechselnd durch diese
Austauschmembranen und das somit erzeugte Wasser kann recycelt werden.
Als Kationenaustauschmembran kann in der vorliegenden Erfindung
beispielsweise Nation (Handelsmarke) benutzt werden. Als
Anionenaustauschmembran ist jegliches hitzebeständiges Polymer benutzbar, das
eine anionische Gruppe aufweist. Obwohl keine bestimmten Einschränkungen
bzgl. der Anionenaustauschmembran vorgesehen sind, wird geeigneterweise ein
Polymergemisch, wie beispielsweise Tosflex (Handelsmarke), eingesetzt.
Eines der einfachsten Beispiele der Anordnung im einem Brennstoffzellensystem
gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt.
In diesem Beispiel sind eine Kationenmembran 1 und eine Anionenmembran 2
vertikal angeordnet und ein Gas ist in jeden der Gaskanäle 4, 5 gespeist, die an der
Außenseite der Membranen angeordnet sind. Die Kationenaustauschmembran 1
steht nicht im Kontakt mit der Ionenaustauschmembran 2 und zwischen diesen ist
eine Trennzone 6 als ein Freiraum angeordnet. Wenn die
Kationenaustauschmembran beispielsweise oberhalb der
Anionenaustauschmembran 2 angeordnet ist, muß ein Wasserstoffgas an dem
unteren Teil des Gaskanals eingeführt werden. Da die Kationenaustauschmembran
1 auf der oberen Seite angeordnet ist, fließt elektroendosmotisches Wasser und
Produktwasser nach unten durch die Diffusionsschicht 3. Durch Benutzung dieses
Wasser tritt eine Reaktion an der unteren Anionenaustauschmembran auf. Da das
Wasserstoffgas durch die Reaktion an der oberen Kationenmembran 1 befeuchtet
werden muß, recycelt es das Wasser derart, daß die Feuchtigkeit, die in der
unteren Anionenmembran erhalten wird, nach oben gespeist wird. Das
Oxidationsgas recycelt andererseits das Wasser, das an der Kationenmembran 1
erhalten wird. In der vorliegenden Erfindung ist die Anordnung dieser Membranen
nicht auf eine vertikale Anordnung beschränkt, sondern kann derart festgelegt
werden, wie es gemäß der Gaszufuhrrichtung notwendig ist.
Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung,
die das Layout eines Gaskanals und einer Austauschmembran aufweist. Fig. 2a
zeigt ein Anordnungsbeispiel, bei dem ein Gaskanal die
Anionenaustauschmembran 2 und die Kationenaustauschmembran 1 an einer
Vielzahl von Punkten kreuzt, während Fig. 2b ein Anordnungsbeispiel zeigt, bei
dem mehrere Anionenaustauschmembranen 2 und mehrerer
Kationenaustauschmembranen 1 abwechselnd in der gleichen Ebene angeordnet
sind und mehrere Gaskanäle diese Ebene kreuzen. Die Dicke jeder
Kationenaustauschmembran und jeder Anionenaustauschmembran unterliegt
keiner speziellen Einschränkung, sondern kann frei festgesetzt werden. Die Dicke
fällt vorzugsweise in einen Bereich von 10 µm bis 1,0 mm, wenn die Effizienz der
Elektrodenreaktion oder die Stapelbarkeit der Zellen berücksichtigt wird.
Fig. 3 zeigt schematisch die Elektrolyse von Wasser, wenn die Brennstoffzelle
der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird.
In dem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung werden
Elementarzellen, in denen Ionenaustauschmembranen wie oben beschrieben
angeordnet sind, als wesentliche Einrichtungen eingesetzt und ein Stapel ist durch
Stapeln dieser Zellen eine hinter der anderen über einen Zwischenverbinder
ausgebildet.
Spezifischer beschrieben weist die Ionenaustauschmembran auf beiden Seiten
Katalysatorschichten auf, die mit einem Platinkatalysator oder ähnlichem
ummantelt sind, und an der Außenseite dieser Katalysatorschichten ist eine
Wasserstoffelektrode bzw. eine Sauerstoffelektrode angeordnet. Für diese
Elektroden wird normalerweise ein Karbonteil benutzt, wie z. B. Karbonpapier
oder Karbongewebe. Eine Elementarzelle wird von dieser
Ionenaustauschmembran gebildet, die zwischen der Wasserstoffelektrode und der
Sauerstoffelektrode sandwichartig angeordnet ist und diese haften durch
Kontaktklebedruck aneinander.
Auf beiden Seiten der Elementarzelle ist ein Zwischenverbinder 9 angeordnet, der
einen Kanal für Reaktandengas aufweist. Diese Teile sind zu einem
Brennstoffzellenkörper verbunden. Die Brennstoffzellen/Zwischenverbinder-
Kombinationen sind zu einem Brennstoffzellenstapel gestapelt. Wenn
beispielsweise eine Zelle eine elektromotorische Leistung von 1 Volt hat, erzeugt
ein Stapel, der von 100 Zellen gebildet wird, in etwa 100 Volt.
Dieser Zwischenverbinder wird benötigt, um als grundlegende Funktion eine
Elektronenleitfähigkeit zu haben, die den Transfer von Elektronen erlaubt, und
zusätzlich hat dieser eine Struktur, die die Versorgung der Elektroden mit
Wasserstoff und Sauerstoff ermöglicht. Auf einer Ebene des Zwischenverbinders,
d. h. einer Seite, die in Kontakt mit der Wasserstoffelektrode gebracht wird, ist ein
Gaskanal zur Einspeisung von Wasserstoff vorgesehen, während auf der anderen
Ebene, d. h., die Seite, die in Kontakt mit der Sauerstoffseite gebracht werden soll,
ist ein Gaskanal zur Einspeisung von Sauerstoff vorgesehen. Diese Gaskanäle
ermöglichen ein Hindurchtreten der Gase, wodurch die Wasserstoffelektrode und
die Sauerstoffelektrode mit einem Brennstoffgas bzw. Oxidationsgas versorgt
werden. Die Dicke des Zwischenverbinders wird je nach Bedarf festgelegt, liegt
aber gewöhnlicherweise zwischen 1,0 und 3,0 mm. Als Material für den
Zwischenverbinder, kann ein Material mit einer ausreichenden Druckfestigkeit
ausgesucht werden. Es ist notwendig, daß es möglich ist, den Druck auf das
Material zu erhöhen, wobei dessen elektrische Leitfähigkeit erhalten bleibt.
Als Oxidationsgas kann normalerweise Luft als solche eingeführt werden. Das
Brennstoffgas kann durch verschiedene Verfahren eingespeist werden und dem
sind keinerlei bestimmte Einschränkungen auferlegt. Zum Beispiel ist ein
Verfahren zur Umwandlung eines Rohmaterials, wie z. B. Methanol, in
Wasserstoff gemäß einer Wasserdampfmodifikationsreaktion brauchbar, durch
Benutzung einer wasserstofferzeugenden Vorrichtung und Einspeisung des
resultierenden Wasserstoffes nach der Reinigung durch eine
Wasserstoffreinigungsvorrichtung oder ähnliches.
Das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung braucht keinerlei
Hilfseinrichtungen, wie z. B. einen Befeuchter, was zu einer Vereinfachung des
Systems, aufgrund einer Reduzierung der Anzahl der notwendigen Vorrichtungen,
einer Kostenreduktion und einem geringen Platzbedarf führt.
In diesem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein
extern zugeführtes Gas unbeeinflusst von einem Wasserdampfteildruck, der durch
die Befeuchtung hervorgerufen wird. Zusätzlich kann dieses System eine
Verringerung des effektiven Elektrodenbereiches, aufgrund eines exzessiven
Anstiegs des Wassers in der Zelle, verhindern und gleichzeitig kann Wasser einem
Reaktandengas zugeführt werden, was auf dessen selbstbefeuchtendes System
zurückzuführen ist.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Ausführungsformen sind soweit
beschrieben. Diese sind lediglich dafür vorgesehen, das Verständnis der
vorliegenden Erfindung zu vereinfachen, sollen allerdings nicht zur
Einschränkung des Erfindungsgedankens der vorliegenden Erfindung
herangezogen werden.
Claims (2)
1. Festpolymerbrennstoffzelle, mit einer Vielzahl von Elementarzellen, die
eine hinter der anderen gestapelt sind, die Elementarzelle aufweisend eine
Elektrode einer Anionenaustauschmembran und eine Elektrode einer
Kationenaustauschmembran, die benachbart zueinander aber nicht in
Kontakt miteinander angeordnet sind, Diffusionsschichten, die gewöhnlich
auf beiden Seiten dieser Elektroden angeordnet sind, um ein
Hindurchtreten von Elektronen, die an den Katalysatoren erzeugt wurden,
zu ermöglichen, und Zwischenverbinder, die außerhalb der
Gasdiffusionsschichten angeordnet sind und als Stromführer mit einem
Gaskanal dienen.
2. Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1, bei der die Gaspassage zur Versorgung
jeder Elementarzelle mit Gas derart angeordnet ist, daß ein Teil der
Gasdiffusionsschicht, die der Anionenaustauschmembran benachbart ist,
mit einem Teil der Gasdiffusionsschicht, die der
Kationenaustauschmembran benachbart ist, verbunden ist.
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