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, US-A-5 292 600 und in"Spektrum der Wissenschaft" (Juli 1995), Seiten 92 bis 98.

Brennstoffzellen sind elektrochemische Energieumwandler und vergleichbar mit Batteriesystemen, die chemische Energie direkt in elektrische Energie umwandeln. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass ihr thermodynamischer Wirkungsgrad höher ist als vergleichsweise bei Systemen, die mittels Verbrennung chemische Energie indirekt in elektrische Energie umwandeln.

Der Prozess läuft so ab, dass Wasserstoff katalytisch auf der Anodenseite der Brennstoffzelle ionisiert wird, die Elektronen als Nutzstrom auf die Katodenseite wandern und die Wasserstoffkerne durch die Membran zur Kathode diffundieren. Dort rekombinieren Wasserstoffkerne, Elektronen und Sauerstoffatome zu Wasser, auch Prozesswasser genannt.

Derzeit werden häufig Kunststoffmembranen in Brennstoffzellen eingesetzt. Die diesbezüglichen Werkstoffe sind insbesondere Polysulfone (DE-A-198 09 119), thermoplastische Polyetherketone und Polytetrafluorethylen mit sulfonischen Perfluorvinylether-Seitenketten (Nafion 117-DuPont). Nachteilig ist, dass die Protonenleitfähigkeit dieser Werkstoffe stark abhängig ist von der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle.

Ferner gibt es Membranen, die zur Protonenleitung ein permanentes Vorhandensein von Wasser benötigen. Damit ist die Protonenleitfähigkeit an die Beweglichkeit der Wassermoleküle gebunden und damit u. a. von der Umgebungstemperatur abhängig.

Bei Temperaturen unter dem Trippelpunkt von Wasser (4°C) sind derzeitige Membranen nicht protonenleitend. Hinzu kommt eine aufwendige apparative Wiederbefeuchtungstechnik der Membran.

Mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle gemäß Kennzeichen des Patentanspruches 1 unter Verwendung einer kristallinen oder polykristallinen Dünnschichtmembran wird ein neuer werkstoffmäßiger Weg beschritten, verbunden mit einer hohen Effizienz der Protonenleitfähigkeit bei gleichzeitig technisch einfacher und kostengünstiger Herstellung.

Eine polykristalline Struktur ist dabei aus mindestens zwei Einkristallen gebildet.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle sind in den Patentansprüchen 2 bis 13 genannt.

Die kristalline oder polykristalline Dünnschichtmembran transportiert die Protonen (Wasserstoffkerne) durch die Kanäle eines Festkörpergitters (Channeling), welches um so besser funktioniert, je geringer die Schwingungsamplitude der Festkörperatome um ihrer Gitterposition und damit je geringer die Umgebungstemperatur ist. Eine Wiederbefeuchtung entfällt bei diesen Dünnschichtmembranen gänzlich. Metallische Dünnschichtmembranen sind auf Grund ihrer elektrischen Leitfähigkeit zweckmäßigerweise mittels siebartiger bzw. gasdurchlässiger dünner Schichten mindestens auf einer Seite der Dünnschichtmembran elektrisch zu isolieren. Zur Erhöhung des Protonenstroms durch die Membran kann es vorteilhaft sein, diese hinsichtlich ihres elektrochemischen Potentials unterschiedlich zu präparieren. Die Elektrode auf der Kathodenseite sollte edler als die Elektrode auf der Anodenseite sein.

Hierdurch werden die Protonen coulombsch von der Anode durch die Dünnschichtmembran zur Kathode gezogen. Durch das Kontaktieren oder Nichtkontaktieren der Dünnschichtmembran mit einer der beiden Elektroden kann zusätzlich die Potentialdifferenz und damit der Protonenstrom durch die Dünnschichtmembran variiert werden. Wird die Dünnschichtmembran beiderseits elektrisch isoliert, wird die Potentialdifferenz zwischen Anode und Kathode nur von den beiden Elektroden bestimmt, anderenfalls trägt die Dünnschichtmembran zur Größe des Potentials bei.

Die Dünnschichtmembran zeichnet sich des Weiteren dadurch aus, dass sie weder Wasserstoffmoleküle noch Sauerstoffmoleküle oder Sauerstoffionen signifikant durchdringen können. Das heißt, der Teilchenstrom eben genannter Teilchenarten durch die Membran ist verglichen mit dem Protonenstrom vernachlässigbar klein.

Durch Variation der Schichtdicke der Dünnschichtmembran kann Einfluss auf Strukturfestigkeit, Ermüdungsbeständigkeit, Lebensdauer und Abrieb (Migration) genommen werden. Die Dünnschichtmembranstärken liegen im Bereich von 5 bis 200 um.

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf eine schematische Zeichnung erläutert.

Nach der einzigen Figur umfasst die Brennstoffzelle 1 eine protonenleitende Membran 2 als Elektrolyt, und zwar in Form einer kristallinen oder polykristallinen Dünnschichtmembran. 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 (02) vorhanden.

Die Membran 2 umfasst hier eine Schicht 7 aus einem metallischen Werkstoff in Verbindung mit einer einseitig angeordneten elektrisch isolierenden Schicht 8. Die Schicht 7 kann dabei als Folie ausgebildet sein. Die elektrisch isolierende Schichte 8 ist vorzugsweise perforiert, und zwar zwecks Gasdurchlässigkeit.

Der metallische Werkstoff für die Schicht 7 besteht aus Fe, Co, Ni, Al, Ag, Au oder Cu und/oder dessen Legierungen und/oder Oxide. Von besonderer Bedeutung ist ein metallischer Werkstoff auf der Basis von Ag.

Die Membran 2 kann auch aus wenigstens einer Schicht aus einem nichtmetallischen Werkstoff auf der Basis von Silicium und/oder dessen Oxide und/oder Glas bestehen, wobei die Schicht insbesondere als Scheibe ausgebildet ist.

Mehrere Einzelzellen 1 lassen sich nun zu Zellenstapeln verschalten, wobei die Membran bei einer Schichtstärke von 5 bis 200 um zu einem geringen Gesamtbauraum beiträgt.

Die Figur zeigt ferner 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 9, der mit einem elektrischen Verbraucher 10 in Verbindung steht ; -zweite Einzelreaktion an der Kathode 5 (2H+ + 2e + % z0z- H20).

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.

Bezugszeichenliste 1 Brennstoffzelle (Einzelzelle) 2 protonenleitende Membran (Dünnschichtmembran) 3 Katalysatorschicht 4 Elektrode (Anode) 5 Elektrode (Kathode) 6 elektrisch leitfähige Platte (bipolare Platte) 7 Schicht aus metallischem Werkstoff 8 elektrisch isolierende Schicht 9 äußerer Stromkreis 10 elektrischer Verbraucher p Proton (H+) e Elektron