Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle.

Eine Brennstoffzelle, z. B. bekannt aus DE 42 41 150 C1, weist eine Kathode, einen Elektrolyten und eine Anode auf. Der Kathode wird ein Oxidationsmit- tel, z. B. Luft und der Anode wird ein Brennstoff, z.

B. Wasserstoff zugeführt. Kathode und Anode einer Brennstoffzelle weisen in der Regel eine durchgehende Porosität auf, damit die beiden Betriebsmittel Oxidati- onsmittel und Brennstoff den aktiven Bereichen der Elektroden zugeführt und das Produktwasser abgeführt werden können.

Es gibt sogenannte PEM-Brennstoffzellen, bei denen pro- tonenleitende Membranen als Elektrolyt eingesetzt wer- den. Die Betriebstemperaturen liegen unterhalb von 130 °C, um die üblicherweise eingesetzte Nafionmembran nicht zu zerstören.

An der Anode einer PEM-Brennstoffzelle bilden sich in Anwesenheit des Brennstoffs mittels eines Katalysators Wasserstoffionen (Protonen). Die Wasserstoffionen pas- sieren den Elektrolyten und verbinden sich auf der Ka- thodenseite mit dem vom Oxidationsmittel stammenden

Sauerstoff zu Wasser. Elektronen werden dabei freige- setzt und so elektrische Energie erzeugt.

Weist eine Brennstoffzelle einen alkalischen Elektrolyten auf, so wird das oxidationsmittel in OH- umgewandelt. OH--Ionen passieren dann den Elektrolyten und verbinden sich anschließend mit zugeführtem Wasserstoff zu Wasser. Dabei wird der Wasserstoff ebenfalls oxidiert. Als Katalysator ist dann regelmäßig Nickel vorgesehen. Es wird dabei elektrische Energie freigesetzt.

Es ist aus DE 195 43 759 bekannt, Brennstoffe wie Methan oder Methanol zunächst extern (d. h. außerhalb der Brennstoffzelle mittels eines Reformierreaktors) oder intern an der Anode der Brennstoffzelle zu refor- mieren. Durch die Reformierung entsteht der für die Brennstoffzelle benötigte Wasserstoff.

Die externe Reformierungsreaktion wird beispielsweise durch Kupfer/Zinklegierungen bewirkt.

Nachteilhaft ist der apparative sowie der regelungs- technische Aufwand bei der externen Reformierung sehr hoch. Auch vermag ein externer Reformer keinen reinen Wasserstoff zu produzieren. Eine aufwendige Wasser- stoffreinigung ist erforderlich. Die für die endotherme Reformierungsreaktion benötigte Energie muß separat be- reitgestellt werden. Das System weist eine große Träg- heit auf und ist daher für einen dynamischen oder in- termittierenden Betrieb ungeeignet.

Die aus DE 195 43 759 bekannte interne Reformierung, wird unmittelbar in der Brennstoffzelle durchgeführt.

Nachteilhaft ist diese nur bei sehr hohen Betriebstem- peraturen möglich.

Bei der sogenannten Direkt-Methanol-Brennstoffzelle, z. B. bekannt aus EP 0 068 508 B1, wird Methanol elek- trochemisch unmittelbar an der Anode zu Protonen und CO2 oxidiert. Betriebstemperaturen unterhalb von 130 °C sind möglich.

Bei Betriebstemperaturen unterhalb von 130 °C läuft die Methanoloxidation nachteilhaft nur sehr langsam ab.

Schlechte Wirkungsgrade sind die Folge. Methanol kann ferner durch die üblicherweise verwendeten Elektrolyt- polymere (z. B. Nafion) hindurchtreten. Das hindurchge- tretene Methanol trägt nicht mehr zur Energieerzeugung bei. Die Kathodenreaktion, nämlich die Sauerstoffreduk- tion wird ferner durch das hindurchgetretene Methanol gehemmt. Leistungsverluste treten auf.

Auch ist bei der Direkt-Methanol-Brennstoffzelle darauf zu achten, daß der Elektrolyt nicht mit Methanol che- misch reagiert. Aus diesem Grunde scheidet beispiels- weise Phosphorsäure als Elektrolytmaterial aus.

Eine Kupfer/Zinklegierung kann bei der Direkt-Methanol- Brennstoffzelle regelmäßig nicht eingesetzt werden, da diese elektrochemisch nicht aktiv ist und sich diese regelmäßig nicht mit dem Material des Elektrolyten ver- trägt.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Brenn- stoffzelle, bei der eine Reformierung des Brennstoffs unmittelbar an der Anode der Brennstoffzelle in gegen- über dem vorgenannten Stand der Technik verbesserter Weise durchgeführt werden kann.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die anspruchsge- mäße Brennstoffzelle gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltun- gen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Auf der Anodenseite der Brennstoffzelle befindet sich eine Sperrschicht. Die Sperrschicht trennt mit Ausnahme von Wasserstoff die Brennstoffe vom Elektrolyten. Sie ist (praktisch) undurchlässig für Brennstoffe wie Methanol. Die Sperrschicht ist durchlässig für atomaren oder molekularen Wasserstoff.

Die Sperrschicht besteht z. B. aus einem elektronisch leitfähigen Hydridbildner und zwar insbesondere aus ei- nem metallischen Hydridbildner. Palladium oder Palla- dium/Silberlegierungen stellen geeignete metallische Hydridbildner dar, um zu einer Sperrschicht im Sinne des Anspruchs zu gelangen.

Es ist ferner ein Katalysator vorgesehen, der den durch die Sperrschicht hindurchtretenden Wasserstoff oxidiert. Im Fall einer protonendurchlässigen Membran wird der Wasserstoff zu Protonen oxidiert. Im Fall eines alkalischen Elektrolyten wird der Wasserstoff oxidiert und verbindet sich mit OH-Ionen zu Wasser.

Weist die Anode beispielsweise ein Edelmetall wie Pla- tin oder eine Edelmetallegierung auf und ist der

Elektrolyt protonenleitend, so wird der Wasserstoff mittels Katalyse zu Protonen oxidiert. Die Anode stellt hier folglich zugleich einen Katalysator dar, der den durch die Sperrschicht hindurchtretenden Wasserstoff zu Protonen oxidiert.

Brennstoffe wie Methanol sind bei der anspruchsgemäßen Vorrichtung von der Elektrolytschicht getrennt. Die bei der Direkt-Methanol-Brennstoffzelle genannten Lei- stungsverluste (verursacht durch Brennstoffverluste und die gehemmte Kathodenreaktion) werden daher vermieden.

Chemische Reaktionen zwischen dem Brennstoff und dem Elektrolytmaterial werden verhindert. Die Elektrolyt- schicht kann folglich im Unterschied zur Direkt-Metha- nol-Brennstoffzelle aus den üblichen Feststoffen wie Nafion oder Flüssigkeiten wie Phosphorsäure bestehen.

Die Elektrolytschicht kann ferner alkalisch sein.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Sperrschicht elektrisch leitfähig. Sie kann so Anoden- funktionen übernehmen.

An die Sperrschicht grenzt vorzugsweise unmittelbar ein Mittel zur Reformierung des Brennstoffes. Dieses kann als entsprechend katalytisch aktive Schicht ausgestal- tet sein, die auf der Sperrschicht aufgebracht ist.

Diese Schicht kann z. B. auf einem hochporösen Hydrid- bildner aufgebracht sein, so daß die Porenwände mit Re- formierkatalysator beschichtet sind. Durch die räumlich enge Verbindung zum Hydridbildner wird Wasserstoff un-

mittelbar der Reaktionszone entzogen. Hierdurch wird die Reformierungsreaktion beschleunigt.

Die katalytisch aktive Schicht wird im folgenden refor- mierende Schicht genannt. Die reformierende Schicht kann aus einer Kupfer/Zinklegierung, Platin oder einer Platin/Rutheniumlegierung bestehen. Pt oder Pt/Ru stellen dann einen Katalysator für die chemische Reak- tion dar.

Die reformierende Schicht ist möglichst dünn auf ihrem Trägermaterial (das zugleich Sperrschichtmaterial sein sollte) aufgebracht, damit der Wasserstoff schnellstmöglich hindurch zum Sperrschichtmaterial dif- fundieren kann.

Der durch die Reformierung entstehende Wasserstoff ent- weicht durch die Sperrschicht. Er wird sozusagen "abgesaugt". Da sich folglich kein Reaktionsgleichge- wicht der Reformierungsreaktion einstellen kann, wird die Reformierungsreaktion in Richtung der Produkte be- schleunigt. Der Wirkungsgrad wird so verbessert. Die Reaktionstemperatur kann abgesenkt werden.

Der Beschleunigungseffekt bezüglich der Reformierung und die damit einhergehende Temperaturabsenkung ist ma- ximal, wenn die Sperrschicht zugleich die Anode ist und der Katalysator für die Reformierungsreaktion unmittel- bar auf der Sperrschicht aufgebracht ist.

Vorteilhaft weist die Sperrschicht ein hohes Lösungs- vermögen für Wasserstoff auf. Der bei der Reformierung entstehende Wasserstoff wird so besonders schnell abge-

zogen. Palladiumlegierungen, z. B. Pd-Ag-Legierungen, insbesondere die mit einem Atomverhältnis Pd : Ag = 75 : 25, weisen ein hohes Lösungsvermögen für Wasserstoff im Sinne der Erfindung auf.

Vorteilhaft weist die Sperrschicht aufgerauhte Oberflä- chen auf. Durch eine hohe Rauhigkeit wird zum einen auf der Seite der Reformierschicht die wirksame Oberfläche für die Reformierungsreaktion vergrößert. Zum anderen wird auf der Seite des Elektrolyten das Desorptionsver- mögen und die Oxidation des gelösten Wasserstoffs ver- bessert. Zudem wird durch die Rauhigkeit die Haftung sowohl eines ionenleitenden Polymers als auch der äuße- ren reformierenden Schicht verbessert.

Die Rauhigkeit kann z. B. durch elektrochemische Ab- scheidung von Palladium auf eine dünne Pd-Ag-Folie er- reicht werden.

Die reformierende Schicht ist regelmäßig porös, um die katalytisch aktive Oberfläche zu vergrößern. Auch gelangt der entstehende Wasserstoff durch die Poren hindurch zur bzw. in die Sperrschicht.

Figur 1 verdeutlicht den Aufbau der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle. Diese besteht aus einem Schichtsystem mit einer porösen Kathodenschicht 1, einer protonenlei- tenden Elektrolytschicht 2, einer Anode 3, einer Sperr- schicht 4 und einer reformierenden Schicht 5. Die Anode stellt hier zugleich den anspruchsgemäßen Katalysator dar, der den durch die Sperrschicht hindurchtretenden Wasserstoff zu Protonen oxidiert.

CH30H gelangt zusammen mit H20 zur reformierenden Schicht 5. Die Reformierungsreaktion findet daraufhin an der reformierenden Schicht 5 statt. Der resultie- rende Wasserstoff passiert die reformierende Schicht 5 und diffundiert durch die Sperrschicht 4 hindurch zur Anode 3. Als Abfallprodukt entsteht dabei CO2. Dieses entweicht. An der Anode 3 wird der Wasserstoff zu Protonen oxidiert. Die Protonen passieren die Elektrolytschicht 2 und gelangen so zur Kathode 1.

Sauerstoff wird der Kathode 1 zugeführt und verbindet sich mit den Protonen zu Wasser. Ein elektrischer Strom wird so erzeugt.