DE19624887A1

DE19624887A1 - Elektrochemisches Festelektrolyt-Zellsystem

Info

Publication number: DE19624887A1
Application number: DE19624887A
Authority: DE
Inventors: Konstantin Dr Ledjeff; Roland Dr Nolte
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1995-06-21
Filing date: 1996-06-21
Publication date: 1997-01-02
Also published as: WO1997001194A1

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrochemisches Fest elektrolyt-Zellsystem, bei dem mittels Schichttechnik auf einer Oberfläche eines gasdurchlässigen Tragkör pers eine erste poröse elektrisch leitfähige Elektro denschicht, eine protonenleitende Membranschicht und eine zweite poröse elektronisch leitfähige Elektro denschicht aufgebracht ist.

Elektrochemische Zellen sind beispielsweise in Form der Brennstoffzelle oder der Elektrolysezelle be kannt. Brennstoffzellen z. B. wandeln chemische Ener gie direkt in elektrische Energie mit hohen Wirkungs graden (50-60%) um. Sie bestehen vereinfacht aus zwei Elektroden und einem dazwischenliegenden Elek trolyten. An die Elektroden werden laufend die chemi schen Energieträger herangeführt und elektrochemisch umgesetzt. Als typisches Beispiel sei die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle genannt, wobei die eine Elektrode mit Wasserstoff und die andere Elektrode mit Sauerstoff versorgt wird. An den kataly tisch wirksamen Elektroden laufen dann freiwillig die folgenden elektrochemischen Reaktionen ab.

Wasserstoff-Elektrode (Anode): H₂ → 2 H⁺ + 2 e⁻
Sauerstoff-Elektrode (Kathode): 0.5 O₂ + 2 H⁺ + 2 e⁻ → H₂O.

Zwischen beiden Elektroden befindet sich dabei ein protonenleitender Elektrolyt, bei dem es sich im Fal le einer PEN-Brennstoffzelle (Polymer-Elektrolyt-Mem bran-Brennstoffzelle) um eine protonenleitfähige Po lymermembran handelt. An den beiden Elektroden kann dann eine Spannung abgegriffen werden, die sich je nach elektrischer Belastung typischerweise im Bereich zwischen 0,5 und 1 V bewegt.

Um für praktische Anwendungen höhere Ausgangsspannung zu realisieren, werden in der sogenannten bipolaren Stapelbauweise eine Vielzahl von Zellen mittels elek tronisch leitfähiger bipolarer Platten hintereinander in Reihe verschaltet. Die Zellen besitzen dabei in allen Richtungen makroskopische Ausdehnungen und wer den aus einer Vielzahl von Komponenten hergestellt, die im Zellstapel dann mittels Druck zusammengepreßt werden. Ein derartiger Stapel ist z. B. in der Patent schrift US 4.175,165 "Fuel Cell System utilizing ion exchange membranes and bipolar plates", Inventor: Otto S. Adlehart, beschrieben.

Herzstück eines solchen Zellstapels sind die Membra nen, die typischerweise auf beiden Seiten mit elek trochemisch aktivem Katalysatormaterial beschichtet sind. Die Membranflächen bewegen sich üblicherweise zwischen 1 und 1500 cm², die Membrandicke zwischen 30 und 200 µm. Auf die beiden katalysatorbeschichte ten Flächen der Membran drücken gasdurchlässige und elektronisch leitfähige Stromverteiler, die für eine gute elektronische Querleitfähigkeit und eine homoge ne Gasversorgung der Membran sorgen. Die Stromvertei ler sind separate Strukturen mit einer Dicke von z. B. 200-500 µm. Es schließen sich auf beiden Seiten die elektronisch leitfähigen bipolaren Platten an, an denen die Spannung abgegriffen werden kann und die interne Kanäle für die Gaszufuhr der jeweiligen Elek trode enthalten. Sie haben Dicken im Bereich einiger Millimeter bis Zentimeter. Zur Sicherung der Gasdich tigkeit des Zellstapels ist zwischen Membranseite und bipolarer Platte jeweils eine Dichtung vorgesehen. Diese ganze Anordnung ist beispielsweise mittels Ver schraubung zusammenzupressen, um zum einen elektri sche Kontaktierung der Membran und zum anderen die Gasdichtigkeit zu erreichen.

Im Zuge eines möglichst geringen Volumens des Zell stapels und möglichst geringer elektrischer Verluste wird versucht, die oben beschriebene Anordnung so klein und dünn wie möglich auszuführen. Prinzipbe dingt ist eine solche Miniaturisierung mit einem Kon zept nach dem obigen Stand der Technik nur sehr be grenzt möglich: Die gesamte Anordnung muß zusammen gepreßt werden, so daß die einzelnen Komponenten (Membran, Platten etc.) starken mechanischen und vor allem nicht homogen wirkenden Beanspruchungen stand halten müssen. Eine drastische Reduzierung der Dicke der beteiligten Komponenten scheidet damit aus, da sehr dünne Komponenten unweigerlich brechen oder reißen würden. Auch eine Miniaturisierung der Zell fläche in den Quadratmillimeterbereich, um beispiels weise hohe Spannungen bei nur geringen Strömen zu erhalten, stößt bei diesem Konzept an die Grenzen der Machbarkeit. Ein mechanischer Zusammenbau von Hunder ten kleinster Einzelteile und deren Verschraubung ist unter praktischen Gesichtspunkten nicht durchführbar.

Außerdem ist eine Brennstoffzellenanordnung in der DE 39 07 485 A1 beschrieben. Dabei handelt es sich um eine sogenannte SOFC (Solid Oxid Fuel Cell) An ordnung. Dieser Brennstoffzellentyp wird in einem Temperaturbereich zwischen 800 und 1000°C betrieben und aus diesem Grunde müssen entsprechend temperatur beständige anorganische Materialien eingesetzt wer den. So sind die Elektrolyten ionenleitende Oxidkera miken und der Leitmechanismus erfolgt nahezu aus schließlich über Sauerstoffionen. Neben dem Elektro lyten ist das auch nach der DE 39 07 485 verwendete Trägermaterial ein poröser keramischer Werkstoff, wie z. B. Magnesium-Aluminiumspinell (MgAl₂O₄) oder Zirko niumoxid. Weiter ist neben den hohen Anforderungen an die verwendeten Materialien nachteilig, daß die vor bekannte Brennstoffzellenanordnung auch entsprechend große Abmessungen aufweisen muß, so daß der Einsatz nicht in beliebigen Formen und an beliebigen Orten durchgeführt werden kann.

Keramische Materialien sind neben den zweifelsfrei vorhandenen Vorteilen auch mit dem Nachteil, daß sie sehr spröde sind, behaftet. Eine einmal vorgegebene Form kann nicht mehr verändert werden und es sind dadurch nur starre Strukturen einhaltbar. Eine nach trägliche Veränderung der Form oder Geometrie oder eine Anpassung an verschiedene Einsatzortmodifikatio nen ist nachträglich nicht mehr gegeben.

In der DE 43 29 819 A1 ist weiter eine sogenannte Streifenmembran beschrieben, die als elektrochemische Zelle mit mindestens einer einen Kernbereich bilden den Streifenmembran, auf der jeweils beidseitig poly mere Festelektrolyten als Elektrodenschicht aufge bracht sind und bei der mehrere Einzelzellen in Reihe geschaltet sind, ausgebildet ist. Eine solche Strei fenmembran kann dann in Brennstoffzellen verwendet werden. Hierbei muß aber die geringe Festigkeit be rücksichtigt werden und eine entsprechende Gehäuse aufnahme durchgeführt werden. Weiter ist es bei die ser Lösung nachteilig, daß für die Erzielung hoher Spannungen eine entsprechend große Anzahl von Einzel zellen in Reihe geschaltet werden muß, die einen ent sprechend großen flächigen Raumbedarf erfordern. Da durch kann ein Einsatz nicht variabel an die ver schiedensten Einsatzorte angepaßt werden.

Aus der DE 40 33 284 A1 ist eine weitere Anordnung von Brennstoffzellen auf der Basis eines Hochtempera tur-Feststoffelektrolyten bekannt. Diese gehört eben falls zu der bereits erwähnten Gruppe der SOFC-Brenn stoffzellen, mit den bereits bei der Beschreibung der Brennstoffzellenanordnung nach DE 39 07 485 genannten Nachteilen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, ein neues elektrochemisches Festelektrolyt-Zellsystem vorzuschlagen, mit dem eine Miniaturisierung eines Zellstapels in der Fläche und/oder in der Dicke der Komponenten möglich sein soll.

Die Aufgabe wird in Bezug auf das Zellsystem durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1, verfah rensgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des An spruchs 21 und verwendungsgemäß durch die kennzeich nenden Merkmale der Ansprüche 24 und 25 gelöst. Die Unteransprüche zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen auf.

Erfindungsgemäß wird somit vorgeschlagen, auf einen flächigen, gasdurchlässigen, nicht leitenden Tragkör per ein Brennstoffzellensystem in Schichttechnik auf zubringen. Dadurch ist die Zelle analog den elek trisch integrierten Schaltungen als Chip herstell- und einsetzbar.

Erfindungswesentlich beim Anmeldungsgegenstand ist, daß ein flächiger, gasdurchlässiger, nicht leitender flexibler Tragkörper eingesetzt wird, auf dessen Oberfläche dann in Schichttechnik die Zelle aufge bracht ist. Die mittels Schichttechnik aufgebrachte Zelle ist dabei nur einseitig, d. h. nur auf einer Oberfläche angeordnet, so daß es dadurch in Verbin dung mit dem gasdurchlässigen Tragkörper möglich wird, einen ersten, an der Brennzellenreaktion betei ligten Partner, auf der dem Zellbereich gegenüberlie genden Seite durch den gasdurchlässigen Tragkörper der Zelle zuzuleiten und den zweiten Reaktionspartner direkt auf die Oberfläche der Zelle zu führen.

Besonders hervorzuheben beim erfindungsgemäßen Zell system ist, daß es durch diesen Aufbau möglich wird, auf einem Tragkörper mehrere Zellbereiche anzuordnen und elektrisch zu verschalten. Dadurch ist eine An ordnung realisierbar, die der aus dem Stand der Technik bekannten Stapelbauweise entspricht.

Grundsätzlich lassen sich auf diese Weise analog den integrierten Schaltungen mindestens bis zu 1 000 000 Zellbereiche anordnen.

Erfindungsgemäß wird dabei unter einem Zellbereich ein isolierter Aufbau einer Zelle verstanden, jeweils bestehend aus einer ersten porösen, flexiblen, elek trisch leitfähigen Elektrodenschicht, einer protonen leitenden Membranschicht und einer zweiten porösen, flexiblen, elektronisch leitfähigen Elektroden schicht. Diese einzelnen Zellbereiche können jeweils durch entsprechende Schichttechnologie (z. B. Masken technik) aufgebracht, und mittels geeigneter, elek trischer Kontakte verschaltet werden. Durch die er findungsgemäß eingesetzte Schichttechnik eröffnen sich somit zahlreiche Möglichkeiten der Hintereinan derschaltung der einzelnen Zellbereiche. So können zum einen mehrere der vorstehend beschriebenen Zell bereiche, bevorzugt 2-10 000, hintereinander in Reihe verschaltet werden, so daß eine eindimensionale Zel lanordnung entsteht. Mit dem erfindungsgemäßen Zell system ist aber auch jede beliebige Anordnung von hintereinander geschalteten Zellen möglich. Derartige zweidimensionale Anordnungen können so ausgestaltet sein, daß mehrere Zellreihen hintereinander in belie bigen Formen auf dem Tragkörper angeordnet sind, oder auch, daß mehrere einzelne Zellreihen, bevorzugt 2-10 000, gebildet werden, die dann untereinander par allel verschaltet sind (redundante Anordnung).

Grundlage des erfindungsgemäßen Zellensystems ist so mit der gasdurchlässige, flächige, nichtleitende, flexible Tragkörper. Dieser Tragkörper dient als me chanisches Grundgerüst für alle folgenden, aufzubrin genden Schichten. Gleichzeitig erfolgt die Brenn stoffzufuhr für die eine Elektrode ebenfalls durch diesen Tragkörper. Da erfindungsgemäß auch mehrere Zellen nebeneinander auf dem Tragkörper aufgebracht sein können, muß der Tragkörper nicht leitfähig sein, da sonst die einzelnen Zellen über den Tragkörper kurzgeschlossen würden. Der erfindungsgemäß einge setzte Tragkörper hat eine Dicke von 10 µm bis 10 mm und eine Fläche von 1 mm² bis 1 m². Die Dimensionie rung des Tragkörpers richtet sich dabei nach dem An wendungsfall, d. h. ob eine oder mehrere Zellen auf der Oberfläche aufgebracht sind. Bevorzugterweise ist der Tragkörper eine nicht leitfähige, gasdurchlässi ge, flächige Membran. Die Materialien für den Trag körper sind typischerweise polymere Träger aus z. B. Polysulfon. Derartige poröse Membranen können dabei symmetrisch, d. h. gleiche Membranstruktur über den gesamten Membranquerschnitt, oder asymmetrisch, d. h. Änderungen der Membranstruktur über den Membranquer schnitt, aufweisen. Auch Composit-Membranen sind mög lich. Ein Überblick über erfindungsgemäß einsetzbare Materialien für den Tragkörper sind z. B. aus "Membra nen", Prof. Dr. Eberhard Staude, aus Ullmanns Enzy klopädie der technischen Chemie, 4. Auflage, 1978, Bd. 16, Seite 515 bis 535, zu entnehmen.

Im Gegensatz zu den SOFC-Brennstoffzellen handelt es sich bei den erfindungsgemäß ausgebildeten um PEMFC-Brennstoffzellen (Polymer electrolyt membran fuel cell), die typischerweise in einem Temperaturbereich zwischen 80 und 100°C arbeiten und die Ionenleitung nicht über die Sauerstoffionen, sondern über proto nenleitende Membranen, die in der Regel aus protonen leitendem Polymermaterial bestehen, erfolgt. Da das erfindungsgemäß ausgebildete Festelektrolyt-Zellsy stem aus Polymermaterialien besteht, sind sie für den Einsatz in PEMFC-Brennstoffzellen geeignet und ins besondere sehr leicht und flexibel ausgebildet, was dadurch entsprechende flexible Strukturen ermöglicht. Mit den Polymermaterialien können günstig poröse, gasdurchlässige Folien hergestellt werden, wobei das in der Membrantechnik bekannte Phaseninversionsver fahren angewendet werden kann. Dabei wird eine Poly merlösung in ein Zellbad getaucht und eine Ent mischung der Lösung in eine polymerreiche und in eine polymerarme Phase erfolgt. Nachdem die Membran ge trocknet worden ist, kann eine gasdurchlässige, porö se Struktur erhalten werden. Alle anderen Schichten des erfindungsgemäßen Zellsystems (ionenleitende Kunststoffolie oder leitfähige Strukturen), können dann auf den so erhaltenen porösen Polymerträger, der ebenfalls flexibel ist, aufgebracht werden. Dabei wird ein vollständig flexibler Schichtaufbau er reicht. Das so hergestellte Zellsystem hat dann die Form einer flexiblen Folie, die in verschiedenster Form weiter eingesetzt werden kann. So können beispielsweise Wickelmodule hergestellt werden, wobei der vorab be schriebene Folienaufbau des erfindungsgemäßen Zell systems mit einer zweiten nicht funktionalen, nicht leitenden, dünnen flexiblen Kunststoffolie überein ander gelegt und entsprechend aufgewickelt wird. Da bei sollten zwischen der letztgenannten Kunststoff folie und der "Brennstoffzellenfolie" Gasräume ausge bildet werden, so daß die Brennstoffzellenfolie ein seitig mit Wasserstoff und auf der anderen Seite mit Sauerstoff oder Luft in Kontakt gebracht werden kann, so daß eine funktionsfähige Brennstoffzelle mit durch die Möglichkeit der Reihenschaltung erreichbarer ho her Ausgangsspannung gebildet wird. Wird beispiels weise das Zellsystem als Wickelmodul ausgebildet, so kann durch die Verwendung der Kunststoffausgangsmate rialien die Abdichtung der Ränder an den beiden Stirnflächen des Wickelmoduls durch einfaches Verkle ben oder Verschweißen der Kunststoffe mit einem ge eigneten Verschluß (Deckel) erreicht werden. Die Ver schlüsse sind aus einem stabilen, nicht leitendem gasundurchlässigen Material.

Mit dem erfindungsgemäß ausgebildeten Zellsystem kön nen neben der Verwendung als Wickelmodul die ver schiedensten Strukturen und Formen ausgebildet wer den, so daß es möglich wird, auf relativ kleinem Raum Brennstoffzellen zur Verfügung zu stellen, die ge wünschtermaßen eine hohe Ausgangsspannung liefern können.

Üblicherweise weist die Oberfläche des Tragkörpers eine Fläche von 1 cm² bis 1000 cm² auf.

Ein Überblick hierüber ist z. B. aus "Membranen", Prof. Dr. Eberhard Staude, aus Ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie, 4. Auflage, 1978, Bd. 16, Seite 515-535, zu entnehmen.

Die auf dem vorstehend beschriebenen Tragkörper mit tels Schichttechnik abgeschiedenen Elektroden schichten weisen typischerweise eine Dicke 10 nm bis 100 µm auf. Als Materialien hierfür kommen alle, an und für sich bereits aus dem Stand der Technik be kannten Elektrodenmaterialien in Frage.

Voraussetzung für die Elektrodenschichten ist, daß die elektronisch leitfähig und katalytisch aktiv sind. In der Regel sind für den Ablauf der elektro chemischen Teilreaktionen geeignete Katalysatoren notwendig, um hohe Übergangsspannungen zu vermeiden. So wird für eine Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoff zelle typischerweise Platin als Elektroden material-Katalysator verwendet. Andere Beispiele für Elektro denmaterialien sind platinierte Kohlen oder Iridium. Weiterhin können Zusatzstoffe wie z. B. Hydrophobie rungsmittel enthalten sein.

Bei der ebenfalls mittels Schichttechnik auf der er sten Elektrodenschicht abgeschiedenen Membranschicht ist wichtig, daß diese protonenleitfähig ist, um den ionischen Ladungstransport zwischen den beiden Elek troden zu gewährleisten. Typischerweise besitzen Po lymere, welche Sulfonsäure-, Carbonsäure- oder Phosphonsäuregruppen enthalten, in Gegenwart von Was ser die Eigenschaft der Protonenleitfähigkeit. Bei spiele sind sulfonierte Polysulfone oder sulfonierte Polyethersulfone. Eine andere Möglichkeit ist die organisch-anorganische Polymerklasse der Ormolyte (ORganicaly MOdified ceramics elektroLYTES), wie bei spielsweise Aminosile, Poly(benzylsulfonsäure)siloxa ne oder Sulfonamidosile, welche alle über Sol-Gel-Prozesse hergestellt werden. Aminosile werden aus einer Lösung von aminiertem Organotrisiloxan, einer Säure HX und Wasser erhalten. Über einen Sol-Gel-Pro zeß werden Materialien der allgemeinen Formel SiO_3/2, R-(HX)_x, 0 x 0,5 erhalten. Ein Beispiel für ein Aminosil ist

SiO_3/2(CH₂)₃NH(CH₂)₂NH₂-(HCF₃SO₃)_0,2.

Auch anorganische Verbindungen können Protonen leitfähigkeit aufweisen, insbesondere bei höheren Temperaturen, Beispiele sind modifizierte Erdalkali cerate oder -zirkonate wie

SrCe_0.95Yb_0.05O_3- _α oder CaZr_0.95In_0.05O_3- _a.

Erfindungsgemäß wird gemäß einer bevorzugten Ausfüh rungsform vorgeschlagen, mehrere der vorstehend be schriebenen Zellbereiche auf dem Tragkörper anzuord nen und elektronisch zu verschalten. Diese Ausfüh rungsform ist besonders bevorzugt, da sich hier ana log der aus dem Stand der Technik bekannten Stapel bauweise sehr hohe Ausgangsspannungen durch Hinter einanderschaltung der einzelnen Zellen realisieren lassen. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die elektrische Verschaltung über einen, die pro tonenleitenden Membranschichten von benachbarten Zellbereichen trennenden, nicht protonenleitenden, elektrischen Kontakt erfolgt. Wichtig ist, daß die Protonenleitung zwischen den einzelnen Membranen un terbrochen wird. Gleichzeitig muß dabei eine elektro nische Leitfähigkeit von z. B. der Membranunterseite des ersten Zellbereiches zur Membranoberseite des zweiten Zellbereiches gewährleistet sein. Dies wird nun dadurch erreicht, daß ein elektrischer Kontakt die beiden Membranschichten, die stirnseitig anein andergrenzen, voneinander trennt und dabei jeweils mit der unteren Elektrodenschicht und mit der oberen Elektrodenschicht des benachbarten Zellbereiches in Kontakt steht. Der Kontakt kann dabei so ausgebildet sein, daß eine Elektrodenfläche zwischen den beiden Membranen hindurchgeführt wird und mit der, der ersten Elektrodenfläche gegenüberliegenden Elektro denfläche, des nächsten Zellbereichs in Kontakt steht. Bevorzugt ist dabei dieser Kontakt so ausge bildet, daß er im Bereich der protonenleitenden Mem bran nicht porös und nicht katalytisch aktiv ist. Beispiele für solche Materialien sind Titan oder auch leitfähige Polymere. Die Erfindung sieht weiterhin vor, daß zusätzlich zum elektrischen Kontakt noch eine isolierende Schicht, d. h. nicht leitfähige Be reiche, die ebenfalls mittels Schichttechnik aufge bracht sein können, zwischen dem Kontakt und der Mem bran angeordnet sind. Diese nicht leitfähigen Berei che, d. h. isolierenden Schichten, dürfen weder io nisch noch elektronisch leitfähig sein. Als Materia lien kommen deshalb typischerweise Metalloxide wie Aluminiumoxid oder nicht leitfähige Polymere, wie beispielsweise Polysulfone zum Einsatz.

Zusätzlich zum vorstehend beschriebenen Zellaufbau ist es auch noch möglich, schmale Streifen oder Git ter von elektronisch leitfähigem Material auf die Elektrodenflächen aufzubringen. Dies führt zum einen zu einer Verbesserung der Querleitfähigkeit der Elek trodenschichten und zum anderen zu einer Verbesserung der Stabilisierung der mechanischen Eigenschaften. Diese Ausführungsform ist dann vorteilhaft, wenn es zu starken mechanischen Beanspruchungen der Elektro denfläche kommt, was z. B. dann der Fall ist, wenn mit ionenleitenden Elektrolyten gearbeitet wird, da es hierdurch zu Volumenänderungen im Betrieb durch Was seraufnahme und -abgabe kommen kann.

Das Aufbringen der Substanzen erfolgt durch typische Methoden der Schichttechnik, wie Sputtern, CVD-Pro zesse, plasmaunterstützte CVD-Prozesse, Plasmapolyme risation, Sol-Gel-Technik, galvanisch oder beschich ten aus Lösung oder aus Suspensionen mit Pulvern. So lassen sich Metallschichten über Sputter-Prozesse aufbringen, Metalloxide sind ebenfalls über reaktives Sputtern zugänglich. Auch CVD-Prozesse, z. B. die Zer setzung von metallorganischen Ausgangsverbindungen, ermöglichen Metalloxidschichten, wobei sich plasmaun terstützte CVD-Beschichtungen bei temperaturempfind lichen Substraten anbieten. So sind beispielsweise durch die Zersetzung von πCyclopentadienyltrimethyl platin im Plasma dünne Platinschichten zugänglich. Auch organische Schichten sind beispielsweise durch Plasmapolymerisation von Ethylen oder anderen Organi ka zugänglich. Der Einbau von Carboxylatgruppen bei der Plasmapolymerisation ermöglicht die Herstellung von protonenleitenden Plasmapolymeren. Ormolyte als Protonenleiter werden beispielsweise mittels Sol-Gel-Prozeß hergestellt, andere sulfonierte Polymere kön nen als Lösung aufgebracht werden. So lösen sich sul fonierte Polysulfone in der Regel gut in Dimethyl sulfoxid und können so in viskoser Form aufgebracht werden.

Geeignete Masken während des Abscheidevorganges oder Abdeckung mit Photolacken ermöglichen die Aufbringung von geometrisch definierten Bereichen, wie sie für das integrierte Brennstoffzellensystem notwendig sind.

Da die integrierte Brennstoffzelle freitragend aufge baut ist, ist eine einfache Kapselung in Kunststoff gehäusen möglich. Nach dem Aufbringen aller Schichten auf den Tragkörper wird das Schicht-Brennstoffzellen system in entsprechende Kunststoffgehäuse einge schweißt oder eingegossen.

Wie vorstehend beschrieben, ist es somit möglich, die Brennstoffzellen in ein entsprechendes Kunststoffge häuse einzuschweißen oder einzugießen. Diese Einbau weise erlaubt es auch, wenn eine Kühlung der Zelle notwendig ist, dies durch Aufbringen von Kühlrippen zu ermöglichen.

Das vorstehend beschriebene, erfindungsgemäße Konzept für elektrochemische Festelektrolyt-Zellsysteme ist einerseits dafür geeignet, z. B. Wasserstoff oder Me thanol zu verstromen, ebenso für Wasserelektrolyse zellen.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorzüge der Erfin dung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung dreier Ausführungsformen, sowie anhand der Zeichnun gen. Hierbei zeigen:

Fig. 1 den Querschnitt durch den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Zellsystems mit einer zusätzlichen isolierenden Schicht;

Fig. 2 den Aufbau analog Fig. 1, jedoch mit einer isolierenden Schicht, die nur teilweise in die Membran hineinragt im Querschnitt;

Fig. 3 einen erfindungsgemäßen Aufbau analog Fig. 1, jedoch hier ausschließlich mit ei nem elektrischen Kontakt;

Fig. 4 die eindimensionale Anordnung von vier Ein zelzellen hintereinander in der Draufsicht;

Fig. 5 die zweidimensionale Anordnung von mehreren Zellreihen hintereinander in der Drauf sicht;

Fig. 6a in Seitenansicht und Querschnitt den Einbau eines erfindungsgemäßen Zellsystems in ein Gehäuse, und

Fig. 6b in der Frontansicht;

Fig. 7a eine weitere Ausführungsform betreffend den Einbau des Zellsystems in ein Gehäuse, je doch hier mit einer integrierten Gasversor gung;

Fig. 7b diese Anordnung in der Frontansicht.

Fig. 8a den Einbau mehrerer Zellsysteme in ein Ge häuse, wiederum im Querschnitt,

Fig. 9 die Integration einer Wasserkühlung in ein Gehäuse,

Fig. 10 einen erfindungsgemäßen Aufbau in Form ei nes Wickelmoduls im Querschnitt,

Fig. 11 ein weiteres Ausführungsbeispiel unter zu sätzlicher Verwendung von gasundurchlässi gen, nicht leitenden Folien und

Fig. 12 eine Anordnung, bei der das in Fig. 11 gezeigte Ausführungsbeispiel auf einen Kör per gewickelt ist.

Fig. 1 zeigt im Querschnitt schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Zellsystems am Beispiel einer Brennstoffzelle.

In der Ausführungsform nach Fig. 1 sind vier Einzel zellen (Zelle 1-4) hintereinander in Reihe ver schaltet. Die Zelle 1 wird dabei durch den Zellbe reich 3 und einem diesem Bereich 3 zugerechneten Teil des Tragkörpers gebildet. Grundlage des erfindungs gemäßen Zellsystems ist der gasdurchlässige, flexible Tragkörper 1. Der gasdurchlässige Tragkörper 1 ist in Fig. 1 wie in den folgenden Figuren nur der besseren Übersichtlichkeit wegen in Form eines gelochten Trag körpers dargestellt. Die Erfindung schließt jedoch alle Varianten eines Tragkörpers mit ein, sofern die se gasdurchlässig sind. Der Tragkörper kann demnach selbst aus porösem Material sein, oder aus nichtpo rösem Material sein und entsprechende Durchbrechungen für den Gaszufluß aufweisen. Auch ist ein Tragkörper der ansonsten aus einem geschlossenen Material gefer tigt ist, jedoch entsprechende Durchbrechungen für den Gasfluß aufweist, einsetzbar. Die Dimensionierung des Tragkörpers, d. h. die Dicke und die Oberfläche, wird je nach Einsatzbedingungen und angestrebten Aus gangsspannungen ausgewählt. Die Dicke liegt im Be reich von 10 µm bis 10 mm, die Oberfläche im Bereich von 1 mm² bis 1 m². Zur Herstellung des erfindungs gemäßen Zellsystems wird nun auf den gasdurchlässi gen, flexiblen Tragkörper 1 in einem ersten Schritt auf dessen Oberfläche 2 in bestimmten Abständen mit tels Schichttechnik eine ebenfalls flexible isolie rende Schicht 15 aus nicht leitfähigem Material auf gebracht. Dieses nicht leitfähige Material dient zur Isolierung der dann entstehenden Zellbereiche 3. Die Dicke der Isolierung 15 liegt dabei im Bereich von 10 nm bis 1 mm. In der Ausführungsform nach Fig. 1 exi stieren somit drei auf dem Tragkörper 1 aufgebrachte, isolierende Schichten 15. Die Höhe der Schicht wird dabei so gewählt, daß die Oberkante mit der dann her zustellenden Membranschicht 8 nahezu bundig verläuft. Im nun folgenden Schritt erfolgt die Beschichtung des gasdurchlässigen Tragkörpers 1 mit elektronisch leit fähigem, flexiblen Material zur Herstellung der er sten Elektrodenschicht 7. An dieser Elektrodenschicht 7 laufen dann die elektronischen Teilreaktionen z. B. Wasserstoffoxidation ab. Diese Schicht (erste Elek trode) darf nicht dicht sein, sondern muß ebenso wie der Tragkörper 1 eine gewisse Porosität aufweisen. Im folgenden Schritt werden dann direkt neben der iso lierenden Schicht 15 und auf die erste Elektrodenschicht 7 zusätzlich kleine, elektronisch leitfähige Bezirke aufgebracht, die den elektrischen Kontakt 12 darstellen. In den nun entstandenen Ver tiefungen zwischen der isolierenden Schicht 15 und dem leitfähigen Kontakt 12 wird eine flexible proto nenleitende Schicht aufgebracht. Diese protonenlei tende Schicht bildet dann die Membranschicht 8. Die Membranschicht 8 steht auf der Unterseite in Kontakt mit dem leitfähigen Material der Elektrodenschicht 7. Anschließend erfolgt dann eine Beschichtung wiederum mit einem elektronisch leitfähigen flexiblen Material zur Herstellung der zweiten Elektrodenschicht 11, an der dann die andere elektrochemische Teilreaktion abläuft (zweite Elektrode).

Im Falle des vorstehend beschriebenen Beispiels einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle findet hier dann die Sauerstoffreduktion statt. Diese Schicht muß so beschaffen sein, daß ein Dreiphasenkontakt zwi schen dem zugeführten Gas, zweiter Elektrode 11 und Membranschicht 8 möglich ist, d. h. es darf sich nicht um eine dichte Schicht handeln. Desweiteren muß die Schicht 11 so aufgebracht werden, daß eine elektro nisch leitfähige Verbindung zwischen der unteren Elektrode 7 einer Zelle und der oberen Elektrode 11 der folgenden Zelle mit Hilfe des elektrischen Kon taktes 12 zustande kommt. Damit wird eine interne elektrische Reihenverschaltung der einzelnen Zellen 1 bis 4 realisiert und an der ersten oberen Elektrode mit dem Anschluß 20 und der letzten unteren Elektrode mit dem Anschluß 21 kann die Summe aller Zellenspan nungen abgegriffen werden.

Fig. 2 zeigt nun eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zellsystems. Der Aufbau entspricht im wesentlichen dem Aufbau nach Fig. 1, jedoch ist nach Fig. 2 die Verschaltung mittels des elektrischen Kontaktes anders realisiert. Die Verschaltung nach Fig. 2 erfolgt hier durch einen elektrischen Kontakt 13, der hierbei so ausgebildet ist, daß er direkt die obere Elektrodenschicht 7 mit der unteren Elektroden schicht 7 verbindet. Der elektrische Kontakt 13 ist hierbei durchgängig aus einem dichten Material gebil det. In der Ausführungsform nach Fig. 1 war das dich te Material lediglich im Bereich der protonenleiten den Membranschicht angeordnet. Eine solche Anordnung kommt z. B. dann zum Tragen, wenn die elektrischen Kontakte (13) erst im letzten Herstellungsschritt eingefügt werden, indem z. B. entsprechende leitfähige Strukturen von oben mit Druck in das Zellensystem eingefügt werden. In Abwandlung vom Ausführungsbei spiel nach Fig. 1 ist hier die isolierende Schicht 16 nicht so ausgebildet, daß sie über die gesamte Dicke der Membranschicht 9 führt, sondern nur teilweise. Auch mit dieser Ausführungsform ist eine erfindungs gemäße Reihenschaltung des Zellbereichs 4 realisier bar. Fig. 3 zeigt nun eine Ausführungsform bei der gänzlich auf die isolierenden Schichten verzichtet wird. Bei dieser Ausführungsform wird die Membran schicht 10 so ausgebildet, daß sie bis auf den Trag körper 1 im Bereich des elektrischen Kontaktes 14 geführt ist. Dadurch läßt sich ebenfalls eine Reihen schaltung des Zellbereichs 5 realisieren.

Wesentlich bei allen Ausführungsformen nach Fig. 1 bis 3 ist jeweils, daß die einzelnen Zellen 3, 4, 5 hintereinander in Reihe verschaltet sind, wobei der elektrische Kontakt 12, 13, 14 die beiden benachbarten Membranschichten trennen muß.

Fig. 4 zeigt nun den erfindungsgemäßen Zellaufbau nach Fig. 1 in der Draufsicht. Zu erkennen sind die hintereinander angeordneten Zellen 1 bis 4, deren Einzelspannungen sich gemäß der Serienverschaltung nach Fig. 4 zu einer Gesamtspannung addieren, die an den Anschlüssen 20 und 21 abgreifbar sind. Diese An ordnung der Einzelzellen ist eine Anordnung in einer Richtung.

Fig. 5 zeigt nun eine Ausführungsform bei der Einzel zellen so angeordnet sind, daß sie sich in zwei Rich tungen ausdehnen, was mit Hilfe der Schichttechnik problemlos möglich ist. Fig. 5 zeigt dies am Beispiel von 16 einzelnen Zellen, wobei in jeder Achsenrich tung jeweils 4 Zellen (Zellbereich 1-4) angeordnet sind. Alle Zellen sind auf dem Tragkörper 1 aufge bracht und gemäß dem in Fig. 1 beschriebenen Prinzip in Reihe verschaltet, so daß die 16fache Ausgangs spannung gegenüber einer Einzelzelle zur Verfügung steht. Die Spannung kann dann an den Anschlüssen 20 und 21 abgegriffen werden. Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 sind die Tragkörperbereiche, die nicht von der Zellenanordnung bedeckt werden, mit einer nicht leitfähigen Substanz 40 so beschichtet, daß kein Gasdurchtritt von der Unter- zur Oberseite stattfindet. Die Reihenfolge und Art der elektrischen Verschaltung bei einer Zellenanordnung in zwei Rich tungen ist in Fig. 5 beispielhaft dargestellt. Andere Anordnungen und Verschaltungen sind ebenfalls mög lich. So können gemischte Serien-/Parallelschaltungen verwendet werden. Beispielsweise sind dann jeweils 4 Zellen in Reihe verschaltet und diese Anordnungen werden dann durch Aufbringen leitfähiger Schichten parallel verschaltet, so daß redundant arbeitende Stromversorgungen zur Verfügung stehen, die auch nach Ausfall einer Einzelzelle weiterhin bei voller Span nung arbeitsfähig bleiben.

Die Fig. 6 bis 9 zeigen nun beispielhaft, wie die erfindungsgemäße Brennstoffzelle einfach durch Ver kapselung in ein Kunststoffgehäuse 17, 18, 19 einbring bar ist. Fig. 6a zeigt hier ein Beispiel in der Sei tenansicht, Fig. 6b in der Frontansicht. Die inte grierte Brennstoffzelle 22 wird dabei in ein nicht leitendes Kunststoffgehäuse 17 gasdicht eingeschweißt oder eingegossen, wobei auf beiden Seiten der Zelle Öffnungen 23, 24 für die Brennstoffversorgung vorgese hen sind. Die elektrischen Anschlüsse 25, 26 der Zelle sind ebenfalls umgossen und werden als Metallkontakt nach außen geführt.

Fig. 7a und 7b zeigen eine weitere Variante, für eine vorteilhafte Gasversorgung mehrerer integrierter Brennstoffzellensysteme. Auch hier wird die inte grierte Brennstoffzelle 22 gasdicht in ein nicht leitendes Kunststoffgehäuse 18 eingschweißt/eingegos sen, wobei aber durch die gesamte Zelle laufende Ka näle 27-30 zur Brennstoff Zufuhr und -abfuhr vorhanden sind. Am Beispiel einer Wasserstoff-Sauerstoff-Zelle wär also ein Wasserstoffzufuhrkanal 27 vorhanden, der mit der einen Seite der integrierten Brennstoffzelle 22 verbunden ist, sowie ein Sauerstoffzufuhrkanal 30, der mit der anderen Seite der integrierten Brennstoff zelle verbunden ist. Eventuelle Inertgase können durch die Abfuhrkanäle 28 bzw. 29 für jede Seite der integrierten Brennstoffzelle abgeführt werden. Die elektrischen Anschlüsse der Zelle 25, 26 sind eben falls umgossen und werden als Metallkontakte nach außen geführt. In dieser Anordnung können eine Viel zahl dieser gekapselten Zellen über Dichtungen hin tereinander angeordnet werden, wobei die Kanale eine zentrale Brennstoffversorgung für alle Zellen bedeu ten.

Die Kapselungstechnik ermöglicht aber ebenfalls den Einbau mehrerer integrierter Brennstoffzellensysteme in ein Kunststoffgehäuse 19 wie in Fig. 8 darge stellt.

Sollte eine Kühlung der Zellen notwendig werden, ist dies z. B. durch Aufbringen von Kühlkörpern möglich.

So können metallische Kühlkörper, beispielsweise aus Aluminium, auf die Zelle aufgeklebt werden. Auch eine Wasserkühlung ist möglich (Fig. 9), wobei dann zu sätzlich zu den Brennstoffversorgungskanälen 27-30 ein Kanal für die Wasserzufuhr 31 und ein Kanal für die Wasserabfuhr 32 in das Gehäuse 33 integriert wer den. Vorder- und Rückseite des Gehäuses enthalten entsprechende großflächige Vertiefungen 34, wobei dann beim Zusammenbau mehrerer Module z. B. durch Ver kleben, Verschweißen oder über Dichtungen und Druck die eigentlichen Kühlstrukturen entstehen.

Soll nur ein einziges Modul gekühlt werden, sind die oben beschriebenen Vertiefungen 34 als Hohlräume in das Gehäuse zu integrieren.

Es ist in einer weiteren Variante möglich, wobei der gasdurchlässige Tragkörper, durch den das Brenngas anströmt, als Wärmetauscher dient, was bedeutet, daß die Kühlmittelkanäle durch diesen Tragkörper verlau fen.

Die Kunststoffgehäuse 17, 18, 19 und 33 sind bevor zugt aus einem flexiblen Material gebildet. Dabei werden die Gehäusewände und die Brennstoffzellen 22 in einem Abstand gehalten, so daß die Gaszufuhr zur Brennstoffzelle 22 ohne Störungen erfolgen kann. Da bei können bei den Beispielen nach den Fig. 6a, 7a, 7b, 8 und 9 dort nicht dargestellte Abstandshal ter aus nicht leitendem Material eingesetzt werden.

Fig. 10 zeigt das Aufbauschema eines Brennstoffzel len-Wickelmoduls, das auf der beschriebenen, flexi blen Brennstoffzellenfolie basiert, im Querschnitt, der besonders vorteilhaft ausgebildet und auf kleinem Raum einsetzbar ist.

Der Aufbau besteht zunächst aus der Brennstoffzellen folie, die wiederum in der hier gezeichneten Variante aus dem porösen Tragkörper 40, den beidseitigen Elektroden 41, dem polymeren Festelektrolyten 42, den elektronisch leitfähigen Bezirken 43 sowie den Isola tionsbezirken 44 besteht. Diese Brennstoffzellenfolie ist zusammen mit einer nicht leitfähigen und gasun durchlässigen Folie 45 aufgewickelt, so daß zwei von einander getrennte Gasräume - 46 und 47 - entstehen. In diesen Gasräumen werden die chemischen Energieträ ger für die Brennstoffzellenfolie zugeführt, im Falle der H₂/O₂ bzw. H₂/Luft-Brennstoffzelle sind dies bei spielsweise im Gasraum 46 Wasserstoff und im Gasraum 47 Luft.

Damit erhalten die beidseitig auf den Polymerelektro lytbereichen aufgebrachten Elektroden 41 die für die Oxidations- und Reduktionsvorgänge der Brennstoffzel le benötigten Energieträger zugeführt. Damit diese Brennstoffzufuhr möglich ist, müssen sich zwischen der Brennstoffzellenfolie und der nicht leitenden Trennfolie 45 Zwischenräume befinden, die beispiels weise durch Abstandshalter 48 erzeugt werden. Solche Abstandshalter können praktisch durch Polymernetze erzeugt werden, die in dem Modul mit aufgewickelt werden und freies Volumen für einen Glasfluß erzeu gen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß keine Abstandshalter verwendet werden, sondern daß sich in der Trennfolie 45 auf beiden Seiten kleine Kanäle befinden, durch die das Gas an die Elektroden strömen kann.

Die Abstandshalter 48 können aber auch für die Küh lung eingesetzt werden und durch eine rohrförmige bzw. schlauchförmige Ausbildung kann Kühlmittel ge leitet werden. Die in der Darstellung nicht erkenn baren Stirnflächen, des besonderes vorteilhaften Wickelmoduls, werden gasdicht mit deckelförmigen Ver schlüssen abgeschlossen, die aus einem nicht leiten den Material bestehen.

Fig. 11 zeigt eine weitere, universelle und günstige Möglichkeit zur Ausgestaltung der Erfindung. Hierbei werden zunächst 3 Folien benötigt und übereinanderge legt. Eine gasundurchlässige, nicht leitende Folie 50, eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenfolie sowie eine weitere gasundurchlässige, nicht leitende Folie 52. Eine derartige Kombination besitzt sowohl auf der Ober- als auch auf der Unterseite eine gasundurchläs sige Folie und ist deshalb auf beiden Seiten gas dicht. Sie muß also nicht wie in Fig. 10 vollständig in sich aufgewickelt sein, sondern kann auf beliebige Rundungen oder Körper aufgewickelt werden.

Die zwei benötigten Gasräume befinden sich zwischen Folie 50 und 51 und zwischen Folie 51 und 52 und kön nen wie bereits beschrieben, durch Einfügen von porö sen Folien oder Netzen zwischen Folie 50 und 51 ei nerseits sowie Folie 51 und 52 andererseits erzeugt werden.

Die in Fig. 11 gezeigte Anordnung wird dann aufge wickelt, beispielsweise auf einen Körper 53, wie in Fig. 12 gezeigt. Die Gaszufuhr kann auf unterschied liche Art erfolgen:
Zum einen können die Seiten A und D (Fig. 11) je weils zwischen den Folien 50, 51 und 52 gasdicht ab gedichtet werden durch Verkleben, Verschweißen oder durch Einfügen von Dichtungsmaterialstreifen zwischen die Folienenden. Zusätzlich wird auf der Seite B der Zwischenraum zwischen Folie 50 und 51 abgedichtet und auf der Seite C der Zwischenraum zwischen der Folie 51 und 52. Nach dem Aufwickeln erfolgt die Gaszufuhr jeweils an den Seiten der Rolle, wobei beispielsweise Wasserstoff auf der einen (aufgewickelte Seite B), und Sauerstoff auf der anderen Seite der Rolle (auf gewickelte Seite C) zugeführt wird.

Zum anderen können die Seiten B, C und D (Fig. 11) jeweils zwischen den Folien 50, 51 und 52 gasdicht abgedichtet werden durch Verkleben, Verschweißen oder durch Einfügen von Dichtungsmaterialstreifen. Die Gas zu- und abfuhr erfolgt dann beispielsweise für Wasserstoff auf der Seite A zwischen den Folien 50 und 51 und für Sauerstoff zwischen den Folien 51 und 52.

In beiden Fällen können Gasleitstrukturen für eine optimale Zufuhr der Gase an die Elektroden sorgen. Die Gasleitstrukturen können beispielsweise Kanäle sein, die in die undurchlässigen Folien 50 und 52 integriert sind.

Als Materialien für die Folien kommen bevorzugt Mate rialien in Betracht, die als flexible Folie herstell bar sind und den Bedingungen in der Brennstoffzelle standhalten können, d. h. sauerstoffresistent, wasser stoffresistent und hydrolysestabil sind. Beispiels weise sind Folien aus Polysulfonen oder perfluorier ten Materialien einsetzbar.

Claims

1. Elektrochemisches Festelektrolyt-Zellsystem, bestehend aus einem flachigen gasdurchlässigen nichtleitenden und flexiblen Tragkörper (1) aus Polymermaterial, bei dem auf einer Oberfläche (2) mindestens ein Zellbereich (3, 4, 5), beste hend aus einer ersten porösen, elektrisch leit fähigen flexiblen Elektrodenschicht (7), einer protonenleitenden, flexiblen Membranschicht (8, 9, 10) und einer zweiten porösen, flexiblen, elektronisch leitfähigen Elektrodenschicht (11) übereinander, mittels Schichttechnik, aufge bracht ist.

2. Elektrochemisches Festelektrolyt-Zellsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 2-1 000 000 Zell bereiche (3, 4, 5) auf dem Tragkörper angeordnet und elektrisch verschaltet sind.

3. Elektrochemisches Festelektrolyt-Zellsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß 2-10 000 Zellbe reiche (3, 4, 5) hintereinander in Reihe verschal tet sind.

4. Elektrochemisches Festelektrolyt-Zellsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß 2-10 000 Reihen parallel verschaltet sind.

5. Elektrochemisches Festelektrolyt-Zellsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Ver schaltung über einen, die protonenleitenden Mem branschichten (8, 9, 10) von benachbarten Zellbe reichen (3, 4, 5) trennenden, nicht protonenlei tenden, elektrischen Kontakt (12, 13, 14) erfolgt, wobei dieser eine Elektrodenfläche (7) eines ersten Zellbereichs (3, 4, 5) mit der gegenüber liegenden Elektrodenfläche (11) des nächsten Zellbereichs verbindet.

6. Elektrochemisches Festelektrolyt-Zellsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Kon takt (12, 13, 14) im Bereich der protonenleitenden Membranschichten nicht porös und nicht kataly tisch aktiv ist.

7. Elektrochemisches Festelektrolyt-Zellsystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem elek trischen Kontakt (12, 13, 14) und der benachbar ten, protonenleitenden Membranschicht (8, 9, 10) zusätzlich eine, mittels Schichttechnik aufge brachte, isolierende Schicht (15, 16) angeordnet ist.

8. Elektrochemisches Festelektrolyt-Zellsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf der elektrisch leitfähigen Elektrodenschicht (7, 11) elektro nisch leitfähiges Material, z. B. in Form von Streifen oder Gittern, aufgebracht ist.

9. Elektrochemisches Festelektrolyt-Zellsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragkörper (1) eine nicht leitfähige, gasdurchlässige, flächige Membran ist, die symmetrisch, asymme trisch oder als Composit-Membran aufgebaut sein kann.

10. Elektrochemisches Festelektrolyt-Zellsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Tragkörpers (1) aus polymeren Materialien wie Polysulfonen, oder aus derartigen trägergestütz ten Materialien besteht.

11. Elektrochemisches Festelektrolyt-Zellsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Material für die Elektrodenschichten (7, 11) ausgewählt ist aus Elementen der VIII. Nebengruppe, sowie deren Legierungen, Oxide, Mischoxide, oder Mischungen davon oder aus Mischungen oder Verbünden der ge nannten Materialien mit Kohlenstoff.

12. Elektrochemisches Festelektrolyt-Zellsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Material für die protonenleitende Membranschicht (8, 9, 10) ausge wählt ist aus organischen polymeren Ionenleitern oder flexiblen organisch-anorganischen Polyme ren.

13. Elektrochemisches Festelektrolyt-Zellsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Material für den elektrischen Kontakt zur Verschaltung der Zell bereiche im Bereich der Membranschicht, Metalle wie Titan oder leitfähiger Kohlenstoff oder elektronisch leitfähige Polymere sind.

14. Elektrochemisches Festelektrolyt-Zellsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierende Schicht (15, 16) ein organisch nicht leitfähiges Polymer wie Polysulfone oder plasmapolymerisier te Polymerschichten ist.

15. Elektrochemisches Festelektrolyt-Zellsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß 1-10 000 000 Zell systeme in ein nicht leitendes Kunststoffgehäuse (17, 18, 19) eingegossen oder eingeschweißt sind, wobei die Anschlüsse der Zelle mitumgossen und als Kontakt nach außen geführt sind.

16. Elektrochemisches Festelektrolyt-Zellsystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß 1-2000 verkapselte Zellsysteme mittels Dichtungen hintereinander angeordnet und zentrale Stoffzufuhr- bzw. -ab fuhrkanäle besitzen.

17. Elektrochemisches Festelektrolyt-Zellsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus Tragkörper (40), den Elektroden (41), Festelektrolyt (42) bestehende flexible Folie gemeinsam mit einer nicht leitenden, gasundurchlässigen flexiblen Folie (45), in einem Abstand einen Gasraum (46) ausbildend, angeordnet und gewickelt sind, so daß ein zweiter Gasraum (47) ausgebildet ist und die Stirnflächen des wickelmodulförmigen Systems verschlossen sind.

18. Elektrochemisches Festelektrolyt-Zellsystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß in den beiden Gas räumen (46) und (47) Abstandshalter (48) ange ordnet sind.

19. Elektrochemisches Festelektrolyt-Zellsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Zellsystem als flexible Folie (51) ausgebildet, die beidseitig von nichtleitenden Trennfolien (50) und (52) umgeben ist und die Seiten (A), (B), (C) und (D) so miteinander verbunden sind, daß zwei Gasräume beidseitig der flexiblen Folie (51) mit getrenn ter Gaszufuhr ausgebildet sind.

20. Elektrochemisches Festelektrolyt-Zellsystem nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Folien (50, 51, 52) um einen Körper (53) gewickelt sind.

21. Verfahren zur Herstellung eines elektrochemi schen Festelektrolyt-Zellsystems nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Tragkörper nacheinander eine erste elektrisch leitfähige Elektrodenschicht, eine protonenleitende Membranschicht und eine zweite, poröse, elektro nisch leitfähige Membranschicht, mittels an und für sich bekannten Verfahren der Filmtechnik abgeschieden werden.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten mit tels PVD, CVD, thermisch- oder plasmaunterstütz ter Zersetzung metallorganischer Verbindung, galvanischer Methoden oder Pressverfahren herge stellt werden.

23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung defi nierter geometrischer Strukturen der aufzubrin genden Schichten mittels Masken, die auf das Substrat aufgelegt werden, oder mittels geeigne ter Photolacke erfolgt.

24. Verwendung des elektrochemischen Fest elektrolyt-Zellsystems nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 20
als Elektrolysesystem, welches Wasser in Wasser stoff und Sauerstoff spaltet.

25. Verwendung des elektrochemischen Fest elektrolyt-Zellsystems nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 20, als Brennstoffzelle, welche Wasserstoff oder Me thanol verstromt.