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DE19624887A1 - Electrochemical cell including solid electrolyte system formed by thin film technologies - Google Patents

Electrochemical cell including solid electrolyte system formed by thin film technologies

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Publication number
DE19624887A1
DE19624887A1 DE19624887A DE19624887A DE19624887A1 DE 19624887 A1 DE19624887 A1 DE 19624887A1 DE 19624887 A DE19624887 A DE 19624887A DE 19624887 A DE19624887 A DE 19624887A DE 19624887 A1 DE19624887 A1 DE 19624887A1
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DE
Germany
Prior art keywords
solid electrolyte
cell system
conductive
electrolyte cell
electrochemical
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Ceased
Application number
DE19624887A
Other languages
German (de)
Inventor
Konstantin Dr Ledjeff
Roland Dr Nolte
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority to DE19624887A priority Critical patent/DE19624887A1/en
Publication of DE19624887A1 publication Critical patent/DE19624887A1/en
Ceased legal-status Critical Current

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Abstract

An electrochemical solid electrolyte cell system is based on a flat, gas- permeable, non-conductive flexible polymer substrate (1). The cell regions (3,4,5) consist of a porous, electrically-conductive, flexible electrode layer (7); a proton conducting, flexible membrane layer (8, 9, 10); and a second porous, flexible, electron-conducting electrode layer (11) laid one over the other, using coating technologies. Also claimed is a procedure to make the electrochemical cell system by successive deposition of layers on a substrate, as described. Further claimed are the use of the cell as an electrolysis system, splitting water into hydrogen and oxygen, and its use as a fuel cell converting hydrogen or methanol into electricity.

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.The invention relates to an electrochemical festival electrolyte cell system, in which by means of layer technology on a surface of a gas permeable support body pers a first porous electrically conductive electro layer, a proton-conducting membrane layer and a second porous electronically conductive electro layer is applied.

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.For example, electrochemical cells are in shape the fuel cell or the electrolysis cell knows. Fuel cells e.g. B. convert chemical energy directly into electrical energy with high efficiency grade (50-60%). They simply consist of two electrodes and an intermediate elec trolyten. The chemi introduced and electrochemical implemented. As a typical example  Called hydrogen-oxygen fuel cell, where one electrode with hydrogen and the other Electrode is supplied with oxygen. To the kataly table electrodes then run voluntarily following electrochemical reactions.

Wasserstoff-Elektrode (Anode): H₂ → 2 H⁺ + 2 e⁻
Sauerstoff-Elektrode (Kathode): 0.5 O₂ + 2 H⁺ + 2 e⁻ → H₂O.
Hydrogen electrode (anode): H₂ → 2 H⁺ + 2 e⁻
Oxygen electrode (cathode): 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.There is a between the two electrodes proton-conducting electrolyte, which is in the case le of a PEN fuel cell (polymer electrolyte mem bran fuel cell) around a proton conductive Po lymer membrane. Can on the two electrodes then a tension can be tapped that ever after electrical load typically in the area moved between 0.5 and 1 V.

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.For higher output voltage for practical applications to be realized in the so-called bipolar Stack construction of a large number of cells by means of elec tronically conductive bipolar plates in a row connected in series. The cells have in macroscopic extents in all directions and who made from a variety of components, which are then pressed together in the cell stack by means of pressure will. Such a stack is e.g. B. in the patent US 4,175,165 "Fuel Cell System utilizing ion exchange membranes and bipolar plates ", Inventor: Otto S. Adlehart.

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.The heart of such a cell stack is the Membra nen, which is typically on both sides with elek coated trochemically active catalyst material  are. The membrane surfaces usually move between 1 and 1500 cm², the membrane thickness between 30 and 200 µm. On the two catalyst coatings th surfaces of the membrane press gas permeable and electronically conductive power distributors that are used for a good electronic cross conductivity and a homogeneous Ensure gas supply to the membrane. The power distribution ler are separate structures with a thickness of z. B. 200-500 µm. They close on both sides electronically conductive bipolar plates where the tension can be tapped and the internal channels for the gas supply of the respective elec trode included. They have thicknesses in the range of some Millimeters to centimeters. To secure the gas tight activity of the cell stack is between the membrane side and bipolar plate each provided a seal. This whole arrangement is, for example, by means of Ver compress the screw connection, on the one hand, to electri cal contacting of the membrane and the other Achieve gas tightness.

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.In the course of the smallest possible volume of the cell stack and the lowest possible electrical losses tries the arrangement described above so run small and thin as possible. Principle is such a miniaturization with a Kon according to the above state of the art only very limits possible: The entire arrangement must be together be pressed so that the individual components (Membrane, plates etc.) strong mechanical and front withstand all stresses that did not appear homogeneous have to hold. A drastic reduction in thickness of the components involved is therefore ruled out because very thin components inevitably break or  would tear. Miniaturization of the cells area in the square millimeter range, for example assign high voltages with only low currents with this concept reaches the limits of Feasibility. A mechanical assembly of hundreds smallest individual parts and their screw connection not feasible from a practical point of view.

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.In addition, a fuel cell arrangement is in the DE 39 07 485 A1 described. It refers to a so-called SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) order. This type of fuel cell is in one Operating temperature range between 800 and 1000 ° C. and for this reason must be temperature accordingly resistant inorganic materials used the. The electrolytes are ion-conducting oxide ceramics miken and the guiding mechanism is almost done finally about oxygen ions. In addition to the electro lyten is also used according to DE 39 07 485 Carrier material is a porous ceramic material, such as e.g. B. magnesium aluminum spinel (MgAl₂O₄) or zirco nium oxide. Next to the high demands the materials used disadvantageously that the before known fuel cell arrangement also accordingly must have large dimensions, so that the use not in any shape and in any place can be carried out.

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.Ceramic materials are beyond doubt beyond those existing advantages also with the disadvantage that they are very brittle, afflicted. Once specified Shape can no longer be changed and it is therefore only rigid structures can be maintained. One after sluggish change of shape or geometry or  an adaptation to different site modifications NEN is no longer available.

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.DE 43 29 819 A1 is a so-called Strip membrane described as being electrochemical Form a cell with at least one core area the strip membrane, on which poly mere solid electrolyte as an electrode layer are brought and in which several single cells in series are switched, is formed. Such a fight fenmembran can then be used in fuel cells will. Here, however, the low strength must be be taken into account and a corresponding housing recording. It is further with the disadvantageous solution that for achieving high Tensions a correspondingly large number of individual cells must be connected in series, which ent require large space requirements. There an insert cannot be variably sent to the ver can be adapted to different locations.

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.Another arrangement is known from DE 40 33 284 A1 of fuel cells based on a high temperature Tur solid electrolytes known. This just belongs if to the previously mentioned group of SOFC burners fabric cells with which already in the description of the Fuel cell arrangement according to DE 39 07 485 Disadvantages.

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. The object of the present invention was therefore a new electrochemical solid electrolyte cell system to propose a miniaturization of a Cell stack in the area and / or in the thickness of the Components should be possible.  

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.The task is carried out in relation to the cell system the characterizing features of claim 1 according to the characteristics of the An Proverb 21 and according to use by the mark nenden features of claims 24 and 25 solved. The Subclaims show advantageous configurations on.

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.According to the invention, it is therefore proposed that a flat, gas-permeable, non-conductive supporting body using a fuel cell system in layer technology bring to. This makes the cell analogous to the elec and integrated circuits as a chip applicable.

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.Is essential to the invention in the subject of the application, that a flat, gas-permeable, non-conductive flexible support body is used, on the The cell surface is then layered on is brought. The applied by means of layer technology Cell is only one-sided, i.e. H. only on one Surface arranged so that it thereby in verbin possible with the gas-permeable support body will, a first, in the fireplace reaction partners on which the cell area is opposite opposite side through the gas-permeable support body the cell and the second reaction partner lead directly to the surface of the cell.

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.Particularly noteworthy in the cell according to the invention system is that this structure makes it possible to arrange several cell areas on a supporting body and electrically interconnect. This makes an on order realizable, that of the state of the art  Technology known stack design corresponds.

Grundsätzlich lassen sich auf diese Weise analog den integrierten Schaltungen mindestens bis zu 1 000 000 Zellbereiche anordnen.Basically, this can be done analogously to the integrated circuits at least up to 1,000,000 Arrange cell ranges.

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).According to the invention, this is under a cell area an isolated structure of a cell understood, each consisting of a first porous, flexible, elec trically conductive electrode layer, a proton conductive membrane layer and a second porous, flexible, electronically conductive electrodes layer. These individual cell areas can each through appropriate layer technology (e.g. masks technology) applied, and by means of suitable, elec trical contacts. Through which he Open layering technology used according to the invention there are thus numerous possibilities for one behind the other switching of the individual cell areas. So can on the one hand several of the cells described above areas, preferably 2-10,000, in a row in a row can be connected so that a one-dimensional cell l arrangement arises. With the cell according to the invention system is also any arrangement of consecutive cells possible. Such Two-dimensional arrangements can be designed in this way be that several rows of cells in a row bigen forms are arranged on the support body, or also that several individual cell rows are preferred 2-10 000, which are then par with each other are all interconnected (redundant arrangement).

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.The basis of the cell system according to the invention is thus with the gas-permeable, flat, non-conductive,  flexible supporting body. This support body serves as me chan basic structure for all following, to bring up layers. The burning takes place at the same time Material supply for the one electrode also through this support body. Since according to the invention also several Cells applied next to each other on the supporting body the support body need not be conductive, because otherwise the individual cells over the supporting body would be short-circuited. The turned according to the invention set support body has a thickness of 10 µm to 10 mm and an area of 1 mm² to 1 m². The dimension tion of the support body depends on the type use case, d. H. whether one or more cells are applied to the surface. It is preferred the support body is a non-conductive, gas permeable ge, flat membrane. The materials for the support Bodies are typically polymeric supports made of e.g. B. Polysulfone. Such porous membranes can symmetrical, d. H. same membrane structure over the entire membrane cross-section, or asymmetrical, d. H. Changes in membrane structure across the membrane cross cut, have. Composite membranes are also possible Lich. An overview of usable according to the invention Materials for the support body are e.g. B. from "Membra nen ", Prof. Dr. Eberhard Staude, from Ullmann's Enzy Klopedia of technical chemistry, 4th edition, 1978, 16, pages 515 to 535.

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.In contrast to the SOFC fuel cells, it acts around the trained according to the invention PEMFC fuel cells (polymer electrolyte membrane fuel cell), typically in a temperature range work between 80 and 100 ° C and the ion conduction not about the oxygen ions, but about proto  Conductive membranes, which are usually made of protons conductive polymer material exist. Since that solid electrolyte cell system designed according to the invention stem consists of polymer materials, they are for the Suitable for use in PEMFC fuel cells and ins special very light and flexible what this enables appropriate flexible structures. With the polymer materials, porous, gas permeable films are produced, the known phase inversion ver in membrane technology driving can be applied. A poly solution immersed in a cell bath and a Ent mixing the solution into a polymer-rich and into a low polymer phase takes place. After the membrane ge has been dried, a gas-permeable, porö structure can be obtained. All other layers of the cell system according to the invention (ion-conducting Plastic film or conductive structures) then on the porous polymer support thus obtained, the is also flexible to be applied. Here is a completely flexible layer structure enough. The cell system thus produced then has the Shape one flexible film that continues in various forms can be used. For example Winding modules are made, the be in advance Written film structure of the cell according to the invention systems with a second non-functional, not conductive, thin flexible plastic film other is laid and wound up accordingly. There at should between the latter plastic foil and the "fuel cell foil" gas spaces are formed so that the fuel cell film on the one hand with hydrogen and on the other hand with  Oxygen or air can be brought into contact so that a functional fuel cell with through the possibility of daisy chaining achievable ho forth output voltage is formed. For example as the cell system is designed as a winding module, so can by using the plastic starting mat rialien the sealing of the edges on the two End faces of the winding module by simple gluing ben or welding the plastics with a ge suitable closure (lid) can be achieved. The Ver conclusions are made from a stable, non-conductive gas impermeable 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.With the cell system designed according to the invention Besides the use as a winding module, the ver various structures and forms the so that it becomes possible in a relatively small space To provide fuel cells, the ge desirably deliver a high output voltage can.

Üblicherweise weist die Oberfläche des Tragkörpers eine Fläche von 1 cm² bis 1000 cm² auf.The surface of the support body usually has an area of 1 cm² to 1000 cm².

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.An overview of this is e.g. B. from "membranes", Prof. Dr. Eberhard Staude, from Ullmann's encyclopedia of technical chemistry, 4th edition, 1978, vol. 16, Page 515-535.

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.The on the support body described above electrodes deposited using layer technology layers typically have a thickness of 10 nm to 100 µm. Everyone arrives as materials for this and already be from the state of the art  knew electrode materials in question.

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.The prerequisite for the electrode layers is that the electronically conductive and catalytically active are. They are usually used to run the electro suitable chemical reactions necessary to avoid high transition voltages. So is for a hydrogen-oxygen fuel cell typically platinum as electrodes material catalyst used. Other examples of electronics The materials are platinum-coated coal or iridium. Furthermore, additives such. B. Hydrophobia agents are included.

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 SiO3/2, R-(HX)x, 0 x 0,5 erhalten. Ein Beispiel für ein Aminosil istIn the membrane layer, which is also deposited by means of layer technology on the most electrode layer, it is important that this is proton-conductive in order to ensure the ionic charge transport between the two electrodes. Typically, polymers containing sulfonic acid, carboxylic acid or phosphonic acid groups have the property of proton conductivity in the presence of water. Examples are sulfonated polysulfones or sulfonated polyether sulfones. Another possibility is the organic-inorganic polymer class of the Ormolytes (ORganicaly MOdified ceramics elektroLYTES), such as for example aminosile, poly (benzylsulfonic acid) siloxane or sulfonamidosile, all of which are produced via sol-gel processes. Aminosils are obtained from a solution of aminated organotrisiloxane, an acid HX and water. Materials of the general formula SiO 3/2 , R- (HX) x , 0 x 0.5 are obtained via a sol-gel process. An example of an aminosil is

SiO3/2(CH₂)₃NH(CH₂)₂NH₂-(HCF₃SO₃)0,2.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 wieInorganic compounds can also be protons have conductivity, especially at higher ones Temperatures, examples are modified alkaline earths cerates or zirconates such as

SrCe0.95Yb0.05O3- α oder CaZr0.95In0.05O3- a.SrCe 0.95 Yb 0.05 O 3- α or CaZr 0.95 In 0.05 O 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.According to the invention, according to a preferred embodiment tion form proposed several of the above be to arrange the written cell areas on the supporting body and electronically interconnect. This execution form is particularly preferred since ana log the stack known from the prior art very high output voltages due to rear implement interconnection of the individual cells to let. According to the invention, this is achieved by that the electrical connection via one, the pro tone-conducting membrane layers from neighboring Separating cell areas, not proton-conducting, electrical contact is made. It is important that the Proton conduction between the individual membranes and is broken. At the same time, an electro African conductivity of z. B. the membrane underside of the first cell area to the membrane top of the second cell area can be guaranteed. this will now achieved in that an electrical contact the two membrane layers, the face to face borders, separates from each other and each with the bottom electrode layer and with the top Electrode layer of the neighboring cell area in Contact is there. The contact can be designed in this way be that an electrode surface between the two  Membranes is passed through and with the first electrode surface opposite electric the next cell area in contact stands. This contact is preferably made so forms that he in the area of the proton-conducting membrane bran is not porous and is not catalytically active. Examples of such materials are titanium or conductive polymers. The invention continues to see before that in addition to electrical contact an insulating layer, d. H. non conductive Be rich, which also by means of layering technology can be brought between the contact and the mem are arranged. This non-conductive area che, d. H. insulating layers, may neither io be electronically conductive. As materia For this reason, metal oxides such as Alumina or non-conductive polymers such as for example polysulfones are used.

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.In addition to the cell structure described above it is also possible to use narrow stripes or git ter of electronically conductive material on the Apply electrode surfaces. On the one hand, this leads to improve the transverse conductivity of the elec tread layers and on the other hand to an improvement the stabilization of the mechanical properties. This embodiment is advantageous if it excessive mechanical stress on the electrical system the surface comes what z. B. is the case if with ion-conducting electrolyte is used since it this leads to volume changes in operation by What reception and delivery can come.

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.The substances are applied by typical  Methods of layering technology, such as sputtering, CVD-Pro processes, plasma-assisted CVD processes, plasma polymers risation, sol-gel technology, galvanic or coating from solution or from suspensions with powders. So metal layers can be sputtered Apply metal oxides are also reactive Sputtering accessible. CVD processes, e.g. B. the Zer settlement of organometallic starting compounds, enable metal oxide layers, whereby plasmaun supported CVD coatings with temperature sensitivity offer substrates. For example by the decomposition of πcyclopentadienyltrimethyl platinum in the plasma thin platinum layers accessible. Organic layers are also through, for example Plasma polymerization of ethylene or other organi not accessible. The incorporation of carboxylate groups in plasma polymerization enables production of proton-conducting plasma polymers. Ormolytes as Proton conductors are used, for example Sol-gel process manufactured, other sulfonated polymers can be applied as a solution. This is how sul formulated polysulfones usually well in dimethyl sulfoxide and can be applied in a viscous form will.

Geeignete Masken während des Abscheidevorganges oder Abdeckung mit Photolacken ermöglichen die Aufbringung von geometrisch definierten Bereichen, wie sie für das integrierte Brennstoffzellensystem notwendig sind.Suitable masks during the deposition process or Covering with photoresists enables application of geometrically defined areas as they are for the integrated fuel cell system is necessary are.

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.Because the integrated fuel cell is self-supporting is a simple encapsulation in plastic housing possible. After applying all layers  the layered fuel cell is placed on the supporting body system in the corresponding plastic housing welded or cast.

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.As described above, it is thus possible to Fuel cells in an appropriate plastic container weld or cast housing. This installation wise it also allows cooling the cell this is necessary by applying cooling fins to enable.

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.The inventive concept described above for electrochemical solid electrolyte cell systems on the one hand, suitable for. B. hydrogen or Me to energize ethanol, also for water electrolysis cells.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorzüge der Erfin­ dung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung dreier Ausführungsformen, sowie anhand der Zeichnun­ gen. Hierbei zeigen:Other features, details and advantages of the Erfin dung result from the following description three embodiments, and based on the drawing Here show:

Fig. 1 den Querschnitt durch den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Zellsystems mit einer zusätzlichen isolierenden Schicht; Fig. 1 is a cross sectional view of the schematic structure of a cellular system according to the invention with an additional insulating layer;

Fig. 2 den Aufbau analog Fig. 1, jedoch mit einer isolierenden Schicht, die nur teilweise in die Membran hineinragt im Querschnitt; FIG. 2 shows the structure analogous to FIG. 1, but with an insulating layer that only partially projects into the membrane in cross section;

Fig. 3 einen erfindungsgemäßen Aufbau analog Fig. 1, jedoch hier ausschließlich mit ei­ nem elektrischen Kontakt; FIG. 3 shows a construction according to the invention analogous to Fig 1, but here with only egg nem electrical contact.

Fig. 4 die eindimensionale Anordnung von vier Ein­ zelzellen hintereinander in der Draufsicht; Fig. 4 shows the one-dimensional arrangement of four single cells one behind the other in plan view;

Fig. 5 die zweidimensionale Anordnung von mehreren Zellreihen hintereinander in der Drauf­ sicht; Figure 5 shows the two-dimensional arrangement of several rows of cells one behind the other in the top view.

Fig. 6a in Seitenansicht und Querschnitt den Einbau eines erfindungsgemäßen Zellsystems in ein Gehäuse, und Fig. 6a in side view and cross section the installation of a cell system according to the invention in a housing, and

Fig. 6b in der Frontansicht; Fig. 6b in the front view;

Fig. 7a eine weitere Ausführungsform betreffend den Einbau des Zellsystems in ein Gehäuse, je­ doch hier mit einer integrierten Gasversor­ gung; Fig. 7a shows another embodiment regarding the installation of the cell system in a housing, but here with an integrated gas supply;

Fig. 7b diese Anordnung in der Frontansicht. Fig. 7b this arrangement in the front view.

Fig. 8a den Einbau mehrerer Zellsysteme in ein Ge­ häuse, wiederum im Querschnitt, Fig. 8a installing several cell systems in housing a Ge, again in cross section,

Fig. 9 die Integration einer Wasserkühlung in ein Gehäuse, Fig. 9 shows the integration of a water cooling system in a housing,

Fig. 10 einen erfindungsgemäßen Aufbau in Form ei­ nes Wickelmoduls im Querschnitt, Fig. 10 shows a structure according to the invention in the form ei nes wound module in cross section,

Fig. 11 ein weiteres Ausführungsbeispiel unter zu­ sätzlicher Verwendung von gasundurchlässi­ gen, nicht leitenden Folien und Fig. 11 shows another embodiment using additional gas-impermeable, non-conductive foils and

Fig. 12 eine Anordnung, bei der das in Fig. 11 gezeigte Ausführungsbeispiel auf einen Kör­ per gewickelt ist. Fig. 12 shows an arrangement in which the embodiment shown in Fig. 11 is wound on a Kör by.

Fig. 1 zeigt im Querschnitt schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Zellsystems am Beispiel einer Brennstoffzelle. Fig. 1 shows in cross section schematically showing the structure of a cell system according to the invention using the example of a fuel cell.

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). In the embodiment of Fig. 1, four individual cells (cell 1-4) are connected in series ver. The cell 1 is formed by the cell region 3 and a part of the supporting body which is assigned to this region 3. The basis of the cell system according to the invention is the gas-permeable, flexible supporting body 1 . The gas-permeable support body 1 is shown in Fig. 1 as in the following figures only for better clarity in the form of a perforated support body. However, the invention includes all variants of a support body, provided that they are gas permeable. The support body can therefore itself be made of porous material or be made of non-porous material and have corresponding openings for the gas inflow. A support body which is otherwise made of a closed material, but has corresponding openings for the gas flow, can be used. The dimensioning of the supporting body, ie the thickness and the surface, is selected depending on the conditions of use and the desired output voltages. The thickness is in the range from 10 µm to 10 mm, the surface in the range from 1 mm² to 1 m². To produce the cell system according to the Invention, a likewise flexible insulating layer 15 made of non-conductive material is now placed on the gas-permeable, flexible support body 1 in a first step on its surface 2 at certain intervals using layering technology. This non-conductive material serves to isolate the cell regions 3 that then arise. The thickness of the insulation 15 is in the range from 10 nm to 1 mm. In the embodiment of FIG. 1 exi stieren thus three applied to the supporting body 1, insulating layers 15. The height of the layer is chosen so that the upper edge runs almost flush with the membrane layer 8 to be produced. In the next step, the gas-permeable support body 1 is coated with an electronically conductive, flexible material for producing the electrode layer 7 . At this electrode layer 7 , the electronic partial reactions z. B. hydrogen oxidation. This layer (first electrode) must not be tight, but, like the supporting body 1 , must have a certain porosity. In the following step, small, electronically conductive areas, which represent the electrical contact 12 , are then applied directly next to the insulating layer 15 and on the first electrode layer 7 . In the resulting deepenings between the insulating layer 15 and the conductive contact 12 , a flexible proto-conductive layer is applied. This proton-conducting layer then forms the membrane layer 8 . The membrane layer 8 is in contact with the conductive material of the electrode layer 7 on the underside. A coating is then again carried out with an electronically conductive flexible material for producing the second electrode layer 11 , on which the other partial electrochemical reaction then takes place (second electrode).

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.In the case of the example of a hydrogen-oxygen fuel cell described above, the oxygen reduction then takes place here. This layer must be such that a three-phase contact between the supplied gas, second electrode 11 and membrane layer 8 is possible, ie it must not be a dense layer. Furthermore, the layer 11 must be applied so that an electro nically conductive connection between the lower electrode 7 of a cell and the upper electrode 11 of the following cell with the help of the electrical contact 12 comes about. An internal electrical series connection of the individual cells 1 to 4 is thus realized and the sum of all cell voltages can be tapped at the first upper electrode with the connection 20 and the last lower electrode with the connection 21 .

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. , FIG. 2 shows another embodiment of a cell system according to the invention. The structure corresponds essentially to the structure according to FIG. 1, however, according to FIG. 2, the connection is realized differently by means of the electrical contact. The connection according to Fig. 2 takes place here by an electrical contact 13, which is embodied so that it directly connects the upper electrode layer 7 layer to the lower electrode 7. The electrical contact 13 is consistently made of a dense material. In the embodiment according to FIG. 1, the material was only arranged in the area of the proton-conducting membrane layer. Such an arrangement comes z. B. to wear when the electrical contacts ( 13 ) are only inserted in the last manufacturing step by z. B. appropriate conductive structures are inserted from above into the cell system with pressure. In a modification of Ausführungsbei game of FIG. 1 here, the insulating layer 16 is not formed so that it leads 9 over the entire thickness of the membrane layer, but only partially. With this embodiment too, a series connection of the cell region 4 according to the invention can be realized. Fig. 3 shows an embodiment in which it is completely dispense with the insulating layers. In this embodiment, the membrane layer 10 is formed so that it is guided up to the support body 1 in the region of the electrical contact 14 . This also allows a series connection of the cell area 5 to be realized.

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.It is essential in all the embodiments according to FIGS. 1 to 3 that the individual cells 3, 4, 5 are connected in series one after the other, the electrical contact 12 , 13 , 14 having to separate the two adjacent membrane layers.

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. 4 now shows the cell structure according to the invention according to FIG. 1 in a top view. The cells 1 to 4 arranged one behind the other can be seen, the individual voltages of which, according to the series connection according to FIG. 4, add up to form a total voltage which can be tapped off at the connections 20 and 21 . This arrangement of the individual cells is an arrangement in one direction.

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. Fig. 5 shows an embodiment in which the individual cells are arranged so that they expand in two directions, which is easily possible with the help of the layering technique. Fig. 5 shows the example of the 16 individual cells, whereby in each axis Rich each tung 4 cells (cell range 1-4) are arranged. All cells are brought up on the support body 1 and connected in series according to the principle described in Fig. 1, so that the 16-fold output voltage compared to a single cell is available. The voltage can then be tapped at the connections 20 and 21 . In the embodiment according to FIG. 5, the support body regions which are not covered by the cell arrangement are coated with a non-conductive substance 40 in such a way that no gas penetration takes place from the bottom to the top. The sequence and type of electrical connection in a cell arrangement in two directions is shown in FIG. 5 as an example. Other arrangements and interconnections are also possible. So mixed series / parallel connections can be used. For example, 4 cells are then connected in series and these arrangements are then connected in parallel by applying conductive layers, so that redundant power supplies are available which continue to work even at full voltage even after failure of a single cell.

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. FIGS. 6 to 9 now show an example of how the fuel cell according to the invention simply by Ver encapsulation in a plastic housing 17, 18, 19, carrying in bar is. Fig. 6a shows an example in the Be tenansicht, Fig. 6b in the front view. The inte grated fuel cell 22 is welded or cast in a gas-tight manner in a non-conductive plastic housing 17 , openings 23 , 24 for the fuel supply being provided on both sides of the cell. The electrical connections 25 , 26 of the cell are also encapsulated and are led to the outside as a metal contact.

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. Fig. 7a and 7b show a further variant of an advantageous gas supply multiple integrated fuel cell systems. Here, too, the integrated fuel cell 22 is welded / sealed in a gas-tight manner into a non-conductive plastic housing 18 , but channels 27-30 running through the entire cell for fuel supply and removal are present. Using the example of a hydrogen-oxygen cell, there would be a hydrogen supply channel 27 , which is connected to one side of the integrated fuel cell 22 , and an oxygen supply channel 30 , which is connected to the other side of the integrated fuel cell. Any inert gases can be discharged through the discharge channels 28 and 29 for each side of the integrated fuel cell. The electrical connections of the cell 25 , 26 are just cast if and are led to the outside as metal contacts. In this arrangement, a large number of these encapsulated cells can be arranged one behind the other via seals, the channels meaning a central fuel supply for all cells.

Die Kapselungstechnik ermöglicht aber ebenfalls den Einbau mehrerer integrierter Brennstoffzellensysteme in ein Kunststoffgehäuse 19 wie in Fig. 8 darge­ stellt.The encapsulation technology also allows the installation of several integrated fuel cell systems in a plastic housing 19 as shown in Fig. 8 Darge.

Sollte eine Kühlung der Zellen notwendig werden, ist dies z. B. durch Aufbringen von Kühlkörpern möglich. Should it be necessary to cool the cells this z. B. possible by applying heat sinks.  

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.Metallic heat sinks, for example made of aluminum, can be glued onto the cell. Water cooling is also possible ( FIG. 9), in which case a channel for the water supply 31 and a channel for the water discharge 32 are integrated into the housing 33 in addition to the fuel supply channels 27-30 . The front and back of the housing contain corresponding large-area depressions 34 , and then when assembling several modules z. B. by gluing, welding or using seals and pressure, the actual cooling structures arise.

Soll nur ein einziges Modul gekühlt werden, sind die oben beschriebenen Vertiefungen 34 als Hohlräume in das Gehäuse zu integrieren.If only a single module is to be cooled, the depressions 34 described above are to be integrated as cavities in the housing.

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.It is possible in a further variant, the gas-permeable support body through which the fuel gas flows, serves as a heat exchanger, which means that the coolant channels through this support body 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.The plastic housing 17 , 18 , 19 and 33 are before formed from a flexible material. The housing walls and the fuel cells 22 are kept at a distance, so that the gas supply to the fuel cell 22 can take place without interference. Since can be used in the examples of FIGS. 6a, 7a, 7b, 8 and 9 spacer not shown there ter made of non-conductive material.

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. Fig. 10 shows the construction diagram of a fuel cell winding module, which is based on the described, flexi ble fuel cell film, in cross section, which is particularly advantageous and can be used in a small space.

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.The structure initially consists of the fuel cell film, which in turn in the variant shown here consists of the porous support body 40 , the electrodes 41 on both sides, the polymeric solid electrolyte 42 , the electronically conductive regions 43 and the insulation regions 44 . This fuel cell film is wound together with a non-conductive and gas-permeable film 45 , so that two separate gas spaces - 46 and 47 - are formed. In these gas spaces, the chemical energies are supplied for the fuel cell foil, in the case of H₂ / O₂ or H₂ / air fuel cells, these are hydrogen in gas space 46 and air in gas space 47, for example.

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. Thus, the electrodes 41 applied on both sides to the polymer electrolyte regions receive the energy carriers required for the oxidation and reduction processes of the fuel cell. So that this fuel supply is possible, there must be spaces between the fuel cell film and the non-conductive separating film 45 , which are generated, for example, by spacers 48 . Such spacers can be produced practically by polymer networks, which are coiled in the module and generate free volume for a glass flow. Another possibility is that no spacers are used, but that there are small channels in the separating film 45 on both sides through which the gas can flow to the electrodes.

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.The spacers 48 can also be used for the cooling and coolant can be passed through a tubular or tubular design ge. The end faces not recognizable in the illustration, of the particularly advantageous winding module, are closed gas-tight with lid-shaped closures which consist of a non-directing material.

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. FIG. 11 shows a further, universal and affordable way to embodiment of the invention. First 3 foils are needed and placed one on top of the other. A gas-impermeable, non-conductive film 50 , a fuel cell film according to the invention and a further gas-impermeable, non-conductive film 52 . Such a combination has a gas-impermeable film on both the top and bottom and is therefore gas-tight on both sides. So it does not have to be completely wound in itself as in Fig. 10, but can be wound on any curves or body.

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.The two required gas spaces are located between foils 50 and 51 and between foils 51 and 52 and, as already described, can be produced by inserting porous foils or meshes between foils 50 and 51 on the one hand and foils 51 and 52 on the other hand.

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.
The arrangement shown in Fig. 11 is then wound up, for example on a body 53 , as shown in Fig. 12. The gas supply can be done in different ways:
On the one hand, the sides A and D ( FIG. 11) can each be sealed gas-tight between the foils 50 , 51 and 52 by gluing, welding or by inserting strips of sealing material between the foil ends. In addition, the space between film 50 and 51 is sealed on side B and the space between film 51 and 52 on side C. After winding, the gas is supplied on each side of the roll, for example hydrogen being fed on one side (wound side B) and oxygen on the other side of the roll (wound side C).

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.On the other hand, sides B, C and D ( FIG. 11) can each be sealed gas-tight between foils 50 , 51 and 52 by gluing, welding or by inserting strips of sealing material. The gas is then supplied and removed, for example, for hydrogen on side A between foils 50 and 51 and for oxygen between foils 51 and 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.In both cases, gas guiding structures can ensure an optimal supply of the gases to the electrodes. The gas guiding structures can be channels, for example, which are integrated in the impermeable foils 50 and 52 .

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.Mate are preferred as materials for the foils rialien into consideration, which manufactures as a flexible film bar and the conditions in the fuel cell can withstand d. H. oxygen resistant, water are resistant to substances and resistant to hydrolysis. Example Foils are made of polysulfones or perfluorinated materials can be used.

Claims (25)

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.1. Electrochemical solid electrolyte cell system, consisting of a flat gas-permeable non-conductive and flexible support body ( 1 ) made of polymer material, in which on a surface ( 2 ) at least one cell area ( 3 , 4 , 5 ), consisting of a first porous, electrically conductive Capable flexible electrode layer ( 7 ), a proton-conducting, flexible membrane layer ( 8 , 9 , 10 ) and a second porous, flexible, electronically conductive electrode layer ( 11 ) one above the other, by means of layering technology, is brought up. 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.2. Electrochemical solid electrolyte cell system according to claim 1, characterized in that 2-1 000 000 cell areas ( 3 , 4 , 5 ) are arranged on the support body and electrically connected. 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.3. Electrochemical solid electrolyte cell system according to claim 1 or 2, characterized in that 2-10 000 cell areas ( 3 , 4 , 5 ) are connected in series in a row. 4. Elektrochemisches Festelektrolyt-Zellsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß 2-10 000 Reihen parallel verschaltet sind. 4. Electrochemical solid electrolyte cell system according to claim 3, characterized in that 2-10 000 rows are connected in parallel.   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.5. Electrochemical solid electrolyte cell system according to at least one of claims 1 to 4, characterized in that the electrical circuit via a Ver, the proton-conducting membrane layers ( 8 , 9 , 10 ) of adjacent cell areas ( 3 , 4 , 5 ) separating, Non-proton-conducting electrical contact ( 12 , 13 , 14 ) takes place, which connects an electrode surface ( 7 ) of a first cell area ( 3 , 4 , 5 ) with the opposite electrode surface ( 11 ) of the next cell area. 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.6. Electrochemical solid electrolyte cell system according to claim 5, characterized in that the electrical contact ( 12 , 13 , 14 ) in the region of the proton-conducting membrane layers is not porous and not catalytically active. 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.7. Electrochemical solid electrolyte cell system according to claim 5 or 6, characterized in that between the elec trical contact ( 12 , 13 , 14 ) and the neighboring th, proton-conducting membrane layer ( 8 , 9 , 10 ) additionally one, brought up by means of layering technology, insulating layer ( 15 , 16 ) is arranged. 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. 8. Electrochemical solid electrolyte cell system according to at least one of claims 1 to 7, characterized in that on the electrically conductive electrode layer ( 7 , 11 ) electro nically conductive material, for. B. is applied in the form of strips or grids. 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.9. Electrochemical solid electrolyte cell system according to at least one of claims 1 to 8, characterized in that the support body ( 1 ) is a non-conductive, gas-permeable, flat membrane which can be constructed symmetrically, asymmetrically or as a composite membrane. 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.10. Electrochemical solid electrolyte cell system according to at least one of claims 1 to 9, characterized in that the material of the support body ( 1 ) consists of polymeric materials such as polysulfones, or of such carrier-supported materials. 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.11. Electrochemical solid electrolyte cell system according to at least one of claims 1 to 10, characterized in that the material for the electrode layers ( 7 , 11 ) is selected from elements of subgroup VIII, and their alloys, oxides, mixed oxides, or mixtures thereof or from mixtures or composites of the named materials with carbon. 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. 12. Electrochemical solid electrolyte cell system according to at least one of claims 1 to 11, characterized in that the material for the proton-conducting membrane layer ( 8 , 9 , 10 ) is selected from organic polymeric ionic conductors or flexible organic-inorganic polyme. 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.13. Electrochemical solid electrolyte cell system according to at least one of claims 1 to 12, characterized in that the material for the electrical contact to connect the cells areas in the area of the membrane layer, metals such as titanium or conductive carbon or are electronically conductive polymers. 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.14. Electrochemical solid electrolyte cell system according to at least one of claims 1 to 13, characterized in that the insulating layer ( 15 , 16 ) is an organically non-conductive polymer such as polysulfones or plasma polymerized te polymer layers. 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.15. Electrochemical solid electrolyte cell system according to at least one of claims 1 to 14, characterized in that 1-10,000,000 cell systems are poured or welded into a non-conductive plastic housing ( 17 , 18 , 19 ), the connections of the cell being cast around and are led as a contact to the outside. 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.16. Electrochemical solid electrolyte cell system according to claim 15, characterized in that 1-2000 encapsulated Cell systems using seals one behind the other arranged and central material supply or -ab own driving channels. 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.17. Electrochemical solid electrolyte cell system according to at least one of claims 1 to 16, characterized in that a flexible film consisting of support body ( 40 ), the electrodes ( 41 ), solid electrolyte ( 42 ) together with a non-conductive, gas-impermeable flexible film ( 45 ) forming a gas space ( 46 ), arranged and wound at a distance, so that a second gas space ( 47 ) is formed and the end faces of the winding module-shaped system are closed. 18. Elektrochemisches Festelektrolyt-Zellsystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß in den beiden Gas­ räumen (46) und (47) Abstandshalter (48) ange­ ordnet sind.18. Electrochemical solid electrolyte cell system according to claim 17, characterized in that in the two gas spaces ( 46 ) and ( 47 ) spacers ( 48 ) are arranged. 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.19. Electrochemical solid electrolyte cell system according to at least one of claims 1 to 16, characterized in that the cell system is designed as a flexible film ( 51 ) which is surrounded on both sides by non-conductive separating films ( 50 ) and ( 52 ) and the sides (A), (B), (C) and (D) are connected to one another in such a way that two gas spaces on both sides of the flexible film ( 51 ) are formed with a separate gas supply. 20. Elektrochemisches Festelektrolyt-Zellsystem nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Folien (50, 51, 52) um einen Körper (53) gewickelt sind.20. Electrochemical solid electrolyte cell system according to claim 19, characterized in that the foils ( 50 , 51 , 52 ) are wound around a body ( 53 ). 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.21. Process for producing an electrochemical the solid electrolyte cell system after at least one of claims 1 to 20, characterized in that on the support body one after the other a first electrically conductive  Electrode layer, a proton conductive Membrane layer and a second, porous, electro nically conductive membrane layer, by means of and known methods of film technology be deposited. 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.22. The method according to claim 21, characterized in that the layers with PVD, CVD, thermal or plasma support decomposition of organometallic compound, galvanic methods or pressing processes be put. 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.23. The method according to claim 21 or 22, characterized in that the generation defi geometrical structures to be applied layers using masks on the Substrate are placed, or by means of suitable The photoresist takes place. 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.
24. Use of the electrochemical solid electrolyte cell system according to at least one of claims 1 to 20
as an electrolysis system that splits water into hydrogen and oxygen.
25. Verwendung des elektrochemischen Fest­ elektrolyt-Zellsystems nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 20, als Brennstoffzelle, welche Wasserstoff oder Me­ thanol verstromt.25. Use of the electrochemical festival Electrolyte cell system according to at least one of the claims 1 to 20, as a fuel cell, which is hydrogen or Me ethanol turned into electricity.
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