DMFC型燃料电池装置及其操作.pdf

为在其中将液态甲醇氧化为二氧化碳和水的DMFC型燃料电池中获得较高的功率密度，在使用优化用于第一个所需的阳极反应(a)的催化剂的同时使甲醇在第一个步骤(1)中经受所述第一个反应，将来自所述第一个步骤的反应产物引导至其中在使用优化用于第二个所需的阳极反应(b)的催化剂的同时进行所述反应的第二个步骤(2)，和将来自所述第二个步骤的反应产物引导至其中在使用优化用于第三个所需的阳极反应(c)的催化剂的同时进行所述第三个反应的第三个步骤(3)。所述三个反应步骤合适地在燃料电池装置中的流动状态串联连接的三个电池(1，2，3)中进行，和适当地控制不同步骤的氧化剂供给使得在每个单独的步骤中在阳极侧和阴极侧上的反应是彼此化学计量平衡的。因此，可更加可靠地精制和控制所述反应以提高产率。优选使用过氧化氢作为氧化剂。通过将两个这种燃料电池装置流动状态串联连接，可使用液态乙醇作为燃料。在第一个装置中，乙醇氧化为二氧化碳和甲醇，和在第二个装置中甲醇氧化为二氧化碳和水。

1.  DMFC型燃料电池装置的操作方法，其中将通式RCH₂OH的脂肪族短链水溶性液态醇、通式RCHO的醛或者通式RCOOH的酸氧化为二氧化碳和水，其中R表示H、CH₃、C₂H₅和C₃H₇，特征在于
如果从所述酸开始，则使用优化用于所需阳极反应的催化剂，使所述酸经受该阳极反应的反应步骤，该阳极反应用于形成二氧化碳、比所述酸少一个碳原子的醇，或者如果R表示H则形成二氧化碳和水，并且释放质子和电子，
如果从所述醛开始，则在在前反应步骤中使用优化用于所需阳极反应的催化剂，使所述醛经受该阳极反应，该阳极反应用于形成所述酸，并且释放质子和电子，
如果从所述醇开始，则在更前的在前反应步骤中使用优化用于所需阳极反应的催化剂，使所述醇经受该阳极反应，该阳极反应用于形成所述醛，并且释放质子和电子，和
如果所形成的比所述酸少一个碳原子的醇不是甲醇，则使其经受上述系列反应步骤直至所形成的醇是甲醇，之后使所述甲醇经受所述系列反应步骤。

2.  权利要求1的方法，特征在于：在使用优化用于阳极反应(a)的催化剂的同时，所述醇在该阳极反应中氧化以形成醛
RCH₂OH→RCHO+2H⁺+2e^-               (a)，
在使用优化用于阳极反应(b)的催化剂的同时，所述醛在该阳极反应中氧化以形成酸
RCHO+H₂O→RCOOH+2H⁺+2e^-             (b)，和
在使用优化用于阳极反应(c)的催化剂的同时，所述酸在该阳极反应中氧化以形成二氧化碳和醇，或者如果R表示H则形成二氧化碳和水
RCOOH+H₂O→CO₂+ROH+2H⁺+2e^-           (c)。

3.  权利要求2的方法，特征在于单独使用或者与Au和/或TiO₂组合使用含有60-94％Ag、5-30％Te和/或Ru、和1-10％Pt的催化剂，优选以约90:9:1的比例，作为用于醇氧化为醛中的阳极反应的催化剂。

4.  权利要求2或3的方法，特征在于与Ag组合使用SiO₂和TiO₂作为用于醛氧化为酸中的阳极反应的催化剂。

5.  权利要求2-4中任一项的方法，特征在于单独使用或者与TiO₂和/或Te组合使用Ag作为用于酸分别氧化为二氧化碳和醇或二氧化碳和水中的阳极反应的催化剂。

6.  权利要求2-5中任一项的方法，特征在于使用氧气例如空气中的氧气作为阴极(12)处的氧化剂。

7.  权利要求2-5中任一项的方法，特征在于使用过氧化氢作为阴极(12)处的氧化剂。

8.  权利要求7的方法，特征在于所述过氧化氢与炭粉、蒽醌和Ag催化剂组合使用用于在各个步骤(1，2，3)中的下列阴极反应(d)
H₂O₂+2H⁺+2e^-→2H₂O              (d)。

9.  权利要求2-8中任一项的方法，特征在于所述反应步骤在燃料电池装置中流动状态串联连接的电池(1，2，3)中进行。

10.  权利要求2-9中任一项的方法，特征在于控制对不同步骤(1，2，3)的氧化剂供给使得在每个单独的步骤中阳极侧和阴极侧上的反应处于彼此化学计量平衡。

11.  DMFC型燃料电池装置，该装置包括具有阳极(11)和用于阳极反应的催化剂的阳极侧、具有阴极(12)和用于阴极反应的催化剂的阴极侧、以及将所述阳极侧和所述阴极侧彼此隔开的中间膜(13)，特征在于：所述装置适合使用通式RCH₂OH的脂肪族短链水溶性液态醇、通式RCHO的醛、或者通式RCOOH的酸作为燃料，其中R表示H、CH₃、C₂H₅和C₃H₇；并且所述装置分成流动状态串联连接的多个电池用于进行多步骤阳极反应，各个电池中的阳极侧和阴极侧具有优化用于将在所述电池中进行的反应步骤的催化剂。

12.  权利要求11的燃料电池装置，特征在于：第一个电池(1)在阳极侧上具有单独的或者与Au和/或TiO₂组合的含有60-94％Ag、5-30％Te和/或Ru、和1-10％Pt的催化剂，优选以约90:9:1的比例，用于进行下列阳极反应(a)
RCH₂OH→RCHO+2H⁺+2e^-                     (a)
流动状态顺次的第二个电池(2)具有与Ag组合的SiO₂和TiO₂催化剂，用于进行下列阳极反应(b)
RCHO+H₂O→RCOOH+2H⁺+2e^-             (b)
和流动状态顺次在所述第二个电池之后的第三个电池(3)具有单独的或者与TiO₂和/或Te组合的Ag催化剂，用于进行下列阳极反应(c)
RCOOH+H₂O→CO₂+ROH+2H⁺+2e^-           (c)。

13.  权利要求12的燃料电池装置，特征在于所有电池(1，2，3)设计成使用液态氧化剂。

14.  权利要求13的燃料电池装置，特征在于所有电池(1，2，3)在阴极侧上具有炭粉、蒽醌和Ag催化剂用于在下列阴极反应(d)中使用过氧化氢作为液态氧化剂
H₂O₂+2H⁺+2e^-→2H₂O                  (d)。

15.  权利要求11-14中任一项的燃料电池装置，特征在于所述膜(13)构成在所述阳极侧和/或阴极侧上的催化剂的载体。

16.  权利要求11-15中任一项的燃料电池装置，特征在于阳极(11)、阴极(12)和膜(13)由彼此附着的厚度小于1mm并且具有平面侧的薄板构成，膜(13)的两侧是平面的，并且所述阳极(11)和阴极(12)各自具有一个平面侧并且在面向膜(13)的其各自相反侧上具有表面结构(16)，所述表面结构(16)在基本上该板的整个侧面上产生优化的液体流动。

17.  权利要求16的燃料电池装置，特征在于所述表面结构(16)由具有波形横截面的通道构成。

18.  权利要求17的燃料电池装置，特征在于所述薄的阳极板和阴极板(11，12)由厚度大小为0.6mm下至0.1mm，优选0.3mm的金属片构成，并且所述通道(16)具有宽度大小为2mm上至3mm和深度大小为0.5mm下至0.05mm。

19.  权利要求11-18中任一项的燃料电池装置，特征在于所述膜(13)由玻璃构成。

20.  权利要求19的燃料电池装置，特征在于所述玻璃是掺杂的以容许质子/水合氢离子通过。

21.  权利要求11-20中任一项的燃料电池装置，使用液态甲醇作为燃料，特征在于其包括流动状态串联连接的三个电池，其中第一个电池(1)具有优化以进行下列阳极反应(a)的催化剂
CH₃OH→HCHO+2H⁺+2e^-                (a)
流动状态顺次的第二个电池(2)具有优化以进行下列阳极反应(b)的催化剂
HCHO+H₂O→HCOOH+2H⁺+2e^-                (b)和
流动状态顺次在所述第二个电池之后的第三个电池(3)具有优化以进行下列阳极反应(c)的催化剂
HCOOH+H₂O→CO₂+H₂O+2H⁺+2e^-               (c)。

22.  权利要求11-20中任一项的燃料电池装置，使用液态乙醇作为燃料，特征在于其包括流动状态串联连接的六个电池，其中第一个电池具有优化以进行下列阳极反应(a)的催化剂
C₂H₅OH→CH₃CHO+2H⁺+2e^-                  (a)
流动状态顺次的第二个电池具有优化以进行下列阳极反应(b)的催化剂
CH₃CHO+H₂O→CH₃COOH+2H⁺+2e^-              (b)
流动状态顺次在所述第二个电池之后的第三个电池具有优化以进行下列阳极反应(c)的催化剂
CH₃COOH+H₂O→CO₂+CH₃OH+2H⁺+2e^-           (c)
流动状态顺次在所述第三个电池之后的第四个电池具有优化以进行下列阳极反应(d)的催化剂
CH₃OH→HCHO+2H⁺+2e^-                     (d)
流动状态顺次在所述第四个电池之后的第五个电池具有优化以进行下列阳极反应(e)的催化剂
HCHO+H₂O→HCOOH+2H⁺+2e^-                  (e)
流动状态顺次在所述第五个电池之后的第六个电池具有优化以进行下列阳极反应(f)的催化剂
HCOOH+H₂O→CO₂+H₂O+2H⁺+2e^-               (f)。

DMFC型燃料电池装置及其操作
技术领域
本发明涉及DMFC型燃料电池的操作方法，其中将通式RCH₂OH的脂肪族短链水溶性液态醇、通式RCHO的醛或者通式RCOOH的酸氧化为二氧化碳和水，其中R表示H、CH₃、C₂H₅或者C₃H₇。
本发明还涉及DMFC型燃料电池装置，所述装置包括：具有阳极和用于阳极反应的催化剂的阳极侧、具有阴极和用于阴极反应的催化剂的阴极侧、以及将阳极侧和阴极侧彼此隔开的中间膜。
背景技术
通过直接甲醇驱动的燃料电池是先前已知的，参见例如http://www.wpi.edu/Pubs/ETD/Available/etd-051205-151955/unrestricted/A.Hacquard.pdf上公布的Alexander Hacquard，Improving and Understanding DirectMethanol Fuel Cell(DMFC)Performance(提交给Worcester PolytechnicInstitute教员的论文)。在可获得的优点中，可提及：燃料是液态的，因此使得能够快速加燃料；可以低的成本生产甲醇以及可制成紧凑设计的燃料电池两者；以及燃料电池可设计用于许多不同的固定或者移动/便携式应用。此外，DMFC型燃料电池是环境友好的，仅排出水和二氧化碳；不形成硫或者氮的氧化物。
已知的DMFC型燃料电池的最显著缺点为：由于阳极处甲醇的缓慢电化学氧化，功率密度太低；和甲醇能够穿过PEM膜(聚合物电解质膜)迁移到其中氧化甲醇的阴极。这不仅导致燃料损失，而且导致所形成的一氧化碳使在阴极处所使用的铂催化剂中毒，这导致降低的效率。反应的复杂性使得难以获得令人满意的收率。此外，膜的将质子(水合氢离子)从阳极迁移到阴极的能力受到限制且容易被超过，因为每个甲醇分子产生六个将通过的质子，这与其中每个氢分子氢形成两个质子的氢燃料电池中的情形不同。
发明内容
本发明的主要目的是在DMFC型燃料电池中实现较高的功率密度，即给定尺寸的燃料电池的较高输出功率，以及给定功率的燃料电池应为占较少空间的。
在介绍中所提及的方法中，该目的根据本发明通过如下实现：如果从所述酸开始，则使用优化用于所需阳极反应的催化剂，使其经受该阳极反应的反应步骤以形成二氧化碳、比所述酸少一个碳原子的醇，或者如果R表示氢则形成二氧化碳和水，并且释放质子和电子；如果从所述醛开始，则在前面反应步骤中使用优化用于所需阳极反应的催化剂，使其经受该阳极反应以形成所述酸，并且释放质子和电子；如果从所述醇开始，则在更在前的前面反应步骤中使用优化用于所需阳极反应的催化剂，使其经受该阳极反应以形成所述醛，并且释放质子和电子，并且如果所形成的比所述酸少一个碳原子的醇不是甲醇，则使其经受上述系列反应步骤直至所形成的醇是甲醇，在这之后使所述甲醇经受所述系列反应步骤。
相应地，在介绍中所提及的燃料电池装置的目的根据本发明通过如下装置实现：该装置适于使用通式RCH₂OH的脂肪族短链水溶性液态醇、通式RCHO的醛、或者通式RCOOH的酸作为燃料，其中R表示H、CH₃、C₂H₅或者C₃H₇，和该装置分成流动状态串联连接的用于进行多步骤阳极反应的多个电池，各个电池具有优化用于待在所述电池中进行的反应步骤的催化剂。
通过这种将所述方法和所述燃料电池装置分成多个步骤，可精制和控制该反应以增加产率(yield)，这导致较高的功率密度。流动状态串联连接降低了不同反应产物以不期望的方式彼此反应的风险和反应在错误方向上进行的风险。
合适地，所述方法为：在使用优化用于阳极反应(a)的催化剂的同时，在该阳极反应中醇氧化为醛
RCH₂OH→RCHO+2H⁺+2e^-      (a)，
在使用优化用于阳极反应(b)的催化剂的同时，在该阳极反应中醛氧化以形成酸
RCHO+H₂O→RCOOH+2H⁺+2e^-   (b)，
和在使用优化用于阳极反应(c)的催化剂的同时，在该阳极反应中酸氧化以形成二氧化碳和醇(如果R表示H，则形成二氧化碳和水)
RCOOH+H₂O→CO₂+ROH+2H⁺+2e^-  (c)。
因此，合适的是：单独使用或者与Au和/或TiO₂组合使用含有60-94％Ag、5-30％Te和/或Ru、和1-10％Pt的催化剂作为用于醇氧化为醛的阳极反应的催化剂，优选以约90:9:1的比例；与Ag组合使用SiO₂和TiO₂作为用于醛氧化为酸的阳极反应的催化剂；和单独使用或者与TiO₂和/或Te组合使用Ag作为用于在酸氧化为醇(如果R表示H则氧化为水)的阳极反应的催化剂。从而可精制和控制所需反应以更好地利用甲醇和提高功率密度。
可使用氧气例如空气中的氧气作为阴极处的氧化剂，但是优选使用过氧化氢，合适地与炭粉(炭黑)、蒽醌和Ag催化剂一起用于在各个步骤中的下列阴极反应(d)
H₂O₂+2H⁺+2e^-→2H₂O          (d)。
通过使用过氧化氢替代空气作为氧化剂，获得需要低得多的体积流动的优点。此外，对于空气的情况E⁰＝1.227V，而对于过氧化氢E⁰＝1.766V。使用过氧化氢作为氧化剂将因此导致较高的电压并因此导致较高的功率。
所述三个反应步骤合适地在燃料电池装置中的流动状态串联连接的三个电池中进行，并且适当地控制对不同步骤的氧化剂供应，使得在每个单独的步骤中在阳极侧和阴极侧上的反应彼此处于化学计量平衡。因此，可更可靠地精制和控制反应以提高产率。
燃料电池装置优选使得第一个电池在阳极侧上具有单独的或者与Au和/或TiO₂组合的含有60-94％ Ag、5-30％Te和/或Ru、和1-10％Pt的催化剂，优选以约90:9:1的比例，用于进行下列阳极反应(a)
RCH₂OH→RCHO+2H⁺+2e^-        (a)
第二个电池具有与Ag组合的SiO₂和TiO₂催化剂，用于进行下列阳极反应(b)
RCHO+H₂O→RCOOH+2H⁺+2e^-     (b)
以及第三个电池具有单独的或者与TiO₂和/或Te组合的Ag催化剂，用于进行下列阳极反应(c)
RCOOH+H₂O→CO₂+ROH+2H⁺+2e^-   (c)。
合适地，所有电池设计成使用液态氧化剂，并且所有电池在阴极侧上具有炭粉(炭黑)、蒽醌和Ag催化剂以及酚醛树脂用于在下列阴极反应(d)中使用过氧化氢作为液态氧化剂
H₂O₂+2H⁺+2e^-→2H₂O         (d)。
已在上面讨论了使用过氧化氢替代空气作为氧化剂的优点。
优选地，膜构成阳极侧以及阴极侧上的催化剂的载体。因此，实现了紧凑设计和高功率密度。
合适的是，阳极、阴极和膜通过彼此附着的厚度小于1mm并且具有一个平面侧的薄板形成，并且所述阳极和阴极在它们面向膜的侧面上具有表面结构，所述表面结构导致在基本上该板的整个侧面上的优化的液体流动。
而且合适的是，所述表面结构由具有波形横截面的通道组成。这种通道易于实现并且使得能够实现所需流型。
合适地，薄的阳极板和阴极板由厚度大小为0.6mm下至0.1mm，优选0.3mm的金属片构成，并且所述通道具有的宽度大小为2mm上至3mm和深度大小为0.5mm下至0.05mm。由此，燃料电池装置的尺寸可减小，并且同时可控制所需反应以更好地利用甲醇和提高功率密度。
优选地，所述膜由适当掺杂以允许质子/水合氢离子通过的玻璃组成。实际上，玻璃膜在电池中的反应物中是不溶的并且因此不受这些影响。而且，其对于其它离子是不能透过的。
在第一个优选的实施方式中，燃料电池装置设计成由甲醇驱动并且其包括流动状态串联连接的三个电池，第一个电池将甲醇氧化为甲醛，第二个电池将甲醛氧化为甲酸且第三个电池将甲酸氧化为二氧化碳和水。
在第二个实施方式中，燃料电池装置设计成由乙醇驱动并且包括流动状态串联连接的六个电池。第一个电池将乙醇氧化为乙醛，第二个将乙醛氧化为乙酸且第三个将乙酸氧化为二氧化碳和甲醇。如上所述，第四个电池将甲醇氧化为甲醛，第五个将甲醛氧化为甲酸且第六个将甲酸氧化为二氧化碳和水。当使用例如机动车辆时，这种燃料电池装置具有如下的优点：容易在乙醇操作和甲醇操作之间切换，使得可使用那时可得到的和/或最合适的燃料。
当然，具有用于第一种醇逐步氧化为少一个碳原子的第二种醇的三个电池的成组电池的系统可扩大为使用任何脂肪族短链水溶性液态醇、醛或者酸作为起始材料。如果需要，例如完全可能在10个电池的第一个电池中例如将丁酸氧化为丙醇和水，在下一电池中将丙醇氧化为丙醛，在下一电池中将丙醛氧化为丙酸，在下一电池中将丙酸氧化为二氧化碳和乙醇，以便然后在剩下的六个电池中继续将乙醇氧化为二氧化碳和水，如上所述。
附图说明
以下，将参照优选实施方式以及附图更详细地描述本发明。
图1为显示DMFC型燃料电池装置的优选实施方式的原理流程图，其中液态甲醇在燃料电池中逐步氧化形成二氧化碳和水。
图2为根据图1的燃料电池装置的横截面视图，显示电极、中间膜和流体通道的优选布置。
图3和4为两个不同流型的平面视图，其中可在各个装置内部引导反应物。
具体实施方式
图1中的原理流程图显示根据本发明的DMFC型燃料电池装置的优选实施方式。在该燃料电池装置中，通式RCH₂OH的脂肪族短链水溶性液态起始醇例如甲醇在燃料电池中氧化以形成二氧化碳和比起始醇少一个碳原子的醇，或者如果该起始醇含有一个碳原子则形成二氧化碳和水。所示的燃料电池装置包括流动状态串联连接的三个燃料电池1、2、3以在三个单独的步骤中进行逐步氧化，其中各个燃料电池包括阳极11、阴极12和将这些彼此隔开的膜13。
在电池1中的第一个步骤中，在使用优化用于第一个所需阳极反应的催化剂的同时，使起始醇例如甲醇经受该第一个阳极反应以将醇氧化到醛以及释放质子和电子；将来自第一个步骤的反应产物引导至电池2中的第二个步骤，其中在使用优化用于第二个所需阳极反应的催化剂的同时进行该第二个阳极反应以将醛氧化到酸以及释放质子和电子；将来自第二个步骤的反应产物引导至电池3中的第三个步骤，其中在使用优化用于第三个所需阳极反应的催化剂的同时进行该第三个阳极反应以将酸氧化到二氧化和比起始的醇少一个碳原子的醇的氧化，或者如果该起始材料含有一个碳原子则氧化到二氧化碳和水，以及释放质子和电子。
在阳极侧上，在使用优化用于反应(a)的催化剂，合适地单独使用或者与Au和/或TiO₂组合使用含有60-94％ Ag、5-30％Te和/或Ru、和1-10％Pt的催化剂(优选以约90:9:1的比例)的同时，其中R表示H、CH₃、C₂H₅或者C₃H₇的起始醇RCH₂OH通过该反应氧化为醛
RCH₂OH→RCHO+2H⁺+2e^-        (a)，
在第二个步骤中，在使用优化用于反应(b)的催化剂，合适地与Ag组合使用SiO₂和TiO₂的同时，得到的醛通过该反应氧化为酸
RCHO+H₂O→RCOOH+2H⁺+2e^-     (b)，和
在第三个步骤中，在使用优化用于反应(c)的催化剂，合适地单独使用或者与TiO₂和/或Te组合使用Ag的同时，得到的酸通过该反应氧化为二氧化碳和比所述酸少一个碳原子的醇，或如果R表示H则氧化为二氧化碳和水
RCOOH+H₂O→CO₂+ROH+2H⁺+2e^-  (c)。
通过将醇氧化到二氧化碳和水分成几个步骤，可用优化用于各个步骤的催化剂精制和控制所需反应，使得醇被更好地利用并且功率密度增加。下面将描述其中醇为甲醇的情况。
对于甲醇氧化到乙醛，E⁰≈0.9V，对于乙醛氧化到甲酸，E⁰≈0.4V，并且对于甲酸氧化到二氧化碳，E⁰≈0.2V，并且在低的负载下这一起将提供约1.5～1.6V。当转化良好时，热可从中间电池2取出。
在图1中所示的实施方式中，在使用炭粉(炭黑)、蒽醌和Ag催化剂以及酚醛树脂的同时，新鲜供应的过氧化氢通过如下反应在阴极侧上在各个步骤中还原以形成水
H₂O₂+2H⁺+2e-→2H₂O          (d)，
适当控制氧化剂向不同步骤的供给使得在每个单独的步骤中在阳极侧和阴极侧上的反应处于彼此化学计量平衡。因此，反应可更可靠地精制和可通过常规的控制设备(未示出)控制，使得产率可增加。可以但不优选使用氧气例如空气中的氧气作为氧化剂。通过使用过氧化氢代替空气作为氧化剂，获得需要低得多的体积流动的优点。此外，对于空气的情况E⁰＝1.227V，而对于过氧化氢E⁰＝1.766V。使用过氧化氢作为氧化剂将因此导致较高的电压并因此导致较高的功率。在膜13两侧上具有液相也是优点。
蒽醌(CAS no.84-65-1)是具有286℃的熔点并且在水和醇中不溶但是在硝基苯和苯胺中可溶的结晶粉末。催化剂可通过如下制造：将炭粉(炭黑)、蒽醌和银与例如酚醛树脂混合，此后将其形成为涂层，让所述涂层干燥。然后将涂层与其载体分离，将其粉碎并且细磨，之后所获得的粉末在合适的溶剂中调浆，涂布在所需处，之后让溶剂挥发。
所述三个燃料电池1、2和3还是串联电连接的。两个电子从步骤1中的阳极11₁经由以灯泡形式显示的负载15去往步骤3中的阴极12₃；两个电子从步骤3中的阳极11₃去往步骤2中的阴极12₂；并且两个电子从步骤2中的阳极11₂去往步骤1中的阴极12₁。在所有的三个电池1、2和3中，所形成的质子/水合氢离子从阳极11穿过膜13去往阴极12。
图2是根据图1的燃料电池装置的横截面视图，显示电极11、12、中间膜13和流体通道的优选布置。阳极11、阴极12和膜13由彼此附着以形成组(package)或者堆(pile)的薄板或者片形成。所述接合可为机械的，例如通过连杆(未示出)，但是优选使用合适的胶水例如硅酮型胶水的接合(未示出)以将所述板/片保持在一起。在膜13和阳极11之间以及在膜13和阴极12之间布置表面结构16，所述表面结构将在基本上该板的整个侧面上提供优化的液体流动。此外，从图2清楚的是，进行串联电连接使得构成步骤1中的阴极12₁的板与作为步骤2中的阳极11₂的板导电表面接触，和构成步骤2中的阴极12₂的板与作为步骤3中的阳极11₃的板导电表面接触。图1中所示的在单独的燃料电池1、2和3之间的流线由在板组/堆中形成的流动连接以及图2中所示的位于外部的流动连接构成。
膜13可由Nafion^TM的常规PEM膜构成，但是在优选实施方式中，该膜由优选地掺杂以允许质子/水合氢离子从膜一侧迁移至另一侧的薄玻璃板构成。所述玻璃可有利地由便宜的玻璃级别，如钠钙玻璃和绿玻璃组成。当使得这种玻璃薄时，其回弹性和其对机械负载的比耐久性将增加。作为玻璃中的掺杂剂，可想到几种不同的金属，但是优选使用氯化银形式的银，其相当便宜。掺杂剂以及小的玻璃厚度促进质子/水合氢离子穿过膜的迁移。此外，所述玻璃阻止其它离子和分子例如甲醇的通过，并且其不导电，这意味着来自阴极的电子不能穿过膜传递至阳极。因此，不会发生从阳极11到阴极12的甲醇迁移，这意味着没有由于甲醇迁移引起的燃料损失和在阴极12处一氧化碳的形成，所述一氧化碳的形成否则可降低此处任选使用的铂催化剂的效率。
在图2中所示的优选实施方式中，阳极11、阴极12和膜13具有小于1mm的厚度。阳极11以及阴极12具有一个平面侧，并且所述表面结构16布置在阳极11以及阴极12上，而中间膜13的两侧为平面的，所述表面结构在基本上所述板的整个侧面上提供优化的液体流动。然后将图1中所示的燃料电池装置中的电池1中的阴极12₁的平面侧与电池2中的阳极11₂的平面侧邻接接触等等。容易实现，燃料电池1、2和3可具有阳极11、膜13以及阴极12，其全部具有面向在邻接板上具有表面结构16的一侧的平面侧，反之亦然，或者阳极11和阴极12具有面向膜13的平面侧，所述膜13的两侧具有表面结构16。
合适地，阳极11以及阴极12由导电并且耐反应物的材料例如不锈钢的薄金属片构成，所述薄金属片的厚度大小为0.6mm下至0.1mm，优选0.3mm。膜13中的任何表面结构16以及在阳极11和阴极12中的表面结构可由波形横截面的通道形成。合适地，通道16具有宽度大小为2mm上至3mm和深度大小为0.5mm下至0.05mm。玻璃膜13中的任何表面结构16例如通过蚀刻产生，并且在阳极和阴极板11、12中表面结构通过绝热成型(也称为高冲击成型)产生。这种成型的一个实例公开于美国专利No.6,821,471中。通过绝热成型制造的期望表面结构或者流型的板的成本仅为其上的流型通过碎片切割除去实现的板的成本的约1/10。
图3和4显示两种不同的表面结构或者流型16，其在基本上该板的上整个侧面上产生优化的液体流动。在图3中，平行通道反复地横向贯穿，使得整个表面结构由以格子样式布置的肩(shoulder)构成并且通道16以类似于格栅的样式布置。最后，图4显示还可使用平行运行的曲流形通道16。在包括不同的可能流径的所有情况中，应该争取使它们从入口到出口是等长的。
优选地，玻璃板13具有一个平面侧并且所述平面侧适当地具有进行燃料电池或者反应器中的阳极反应或者阴极反应必须的催化剂，并且优选所述催化剂熔合(fuse)在膜一侧上的玻璃表面上。因此还合适的是，玻璃板13的另一侧是平的并且进行阴极反应必须的催化剂熔合在膜另一侧上的玻璃表面上。从其中还显示两个膜13在两侧上具有催化剂的层14的图2清楚的是，促进具有包括一个平面侧和具有表面结构的一侧的相同薄板形状的电极11、12的燃料电池1、2、3的紧凑堆的构造，由此可获得高的功率密度。
如上所述，用于第二个步骤的优化的催化剂合适地是由SiO₂、TiO₂和Ag构成。在膜13由玻璃构成的情况下，SiO₂已包含在玻璃中，这意味着仅需要单独地涂布TiO₂和Ag。
通过将催化剂合适地熔合在玻璃表面上，在保持给出高的功率密度的紧凑结构的同时保护其免受机械破坏。所述熔合例如通过激光，合适地在惰性气氛中进行，并且在所述熔合之前自然应该使催化剂颗粒非常小，例如通过在球磨机中研磨，以提高催化剂面积。
自然，催化剂也可为电极11、12之一或者两者所携带。或者，催化剂的至少之一，例如含有蒽醌和银的催化剂，可布置在中间的单独载体(未示出)例如碳纤维毡载体中。然而，这样的布置将意味着扩散变慢，这意味着即使这种变化是较不优选的，尽管其是可能的。
上述催化剂不是仅特别对于R表示H的情况，而是可用于当R表示CH₃、C₂H₅或者C₃H₇时的相应反应。
从以上描述中清楚的是，参照附图，在第一个优选的实施方式中燃料电池装置设计成由甲醇驱动并且其包括流动状态串联连接的三个电池，第一个电池将甲醇氧化为甲醛，第二个电池将甲醛氧化为甲酸，并且第三个电池将甲酸氧化为二氧化碳和水。
在第二个但是未示出的实施方式中，燃料电池装置设计成由乙醇驱动并且包括流动状态串联连接的六个电池，其中第一个电池将乙醇氧化为乙醛，第二个电池将乙醛氧化为乙酸，第三个电池将乙酸氧化为二氧化碳和甲醇，第四个电池将甲醇氧化为甲醛，第五个电池将甲醛氧化为甲酸，并且第六个电池将甲酸氧化为二氧化碳和水。当使用例如机动车辆时，这种燃料电池装置具有如下优点：容易在乙醇操作和甲醇操作之间切换，使得可使用当时可得到的和/或最合适的燃料。
当然，具有用于将第一种醇逐步氧化为少一个碳原子的第二种醇的三个电池的成组电池的系统可扩大为使用任何脂肪族短链水溶性液态醇、醛或者酸作为起始材料。如果需要，例如完全可能在10个的第一个电池中将例如丁酸氧化为丙醇和水，在下一电池中将丙醇氧化为丙醛，在下一电池中将丙醛氧化为丙酸，在下一电池中将丙酸氧化为二氧化碳和乙醇，以便然后在剩下的六个电池中继续将乙醇氧化为二氧化碳和水，如上所述。如此，可使用在本文中先前未考虑的化合物作为燃料电池装置中的燃料。可能地，还可选择落在醇、醛和酸的上述组之外但是可借助于催化剂通过合适的阳极反应氧化以在所述组中结束的化合物作为起始物。