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Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Vorrichtung.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer elektrochemischen Vorrichtung.
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Aus der
EP 1 755 187 A2 ist eine Bipolarplatte oder Elektrodenplatte für Brennstoffzellen oder Elektrolyseur-Stapel bekannt, die aus einem leitenden Material gebildet ist, und bei der das leitende Material wenigstens teilweise mit einem nicht leitenden Material umspritzt ausgebildet ist, oder die aus Einzelteilen aus leitendem und nicht leitendem Material zusammengesetzt ist, wobei durch das nicht leitende Material Kanäle für Reaktionsmittel ausgebildet sind. Eine in Segmente geteilte Anode und eine in Segmente geteilte Kathode der Bipolarplatte oder Elektrodenplatte weisen jeweils wenigstens eine Trennstelle in einer Leiterstruktur auf.
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Aus der
WO 2006/061239 A1 ist eine Einheit aus einer Membran-Brennstoffzelle und einer elektrochemischen Zelle bekannt. Diese sind elektrisch in Reihe geschaltet. Ein Anodenbereich der Elektrolysezelle wird mit anodischem Abgas der Brennstoffzelle gefüttert und der Wasserstoff, welcher an dem Kathodenbereich der Elektrolysezelle entsteht, wird teilweise der Anode der Brennstoffzelle zugeführt.
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Aus der
US 5,156,927 A ist ein Brennstoffzellensystem zur Konvertierung von elektrischer Energie in chemische Energie und zur Konvertierung von chemischer Energie in elektrische Energie bekannt, welches ein gaserzeugendes System zur Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse, eine Speicheranordnung für erzeugten Wasserstoff und eine Brennstoffzelle zur Erzeugung von Elektrizität als Antwort auf die Bereitstellung von Wasserstoff von der Speicheranordnung aufweist.
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Aus der
EP 0 718 904 A1 ist ein Brennstoffzellensystem mit einem Elektrolyseur, dessen wasserstoffabgebende Seite mit einer Brennstoffzelle verbunden ist, bekannt. Die Brennstoffzelle ist eine Niedertemperatur-Polymer-Elektrolytmembran-Brennstoffzelle und der Elektrolyseur ist eine umgekehrt betriebene Niedertemperatur-Polymer-Elektrolytmembran-Brennstoffzelle.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrochemische Vorrichtung bereitzustellen, welche variabel einsetzbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens eine Zelleinrichtung mit einer Brennstoffzelle und einer benachbarten Elektrolysezelle vorgesehen ist, wobei an einer Seite der Brennstoffzelle, welche der Elektrolysezelle abgewandt ist, eine erste elektrische Kontakteinrichtung angeordnet ist, an einer Seite der Elektrolysezelle, welche der Brennstoffzelle abgewandt ist, eine zweite elektrische Kontakteinrichtung angeordnet ist, und zwischen der Brennstoffzelle und der Elektrolysezelle eine dritte elektrische Kontakteinrichtung angeordnet ist, und eine Schalteinrichtung vorgesehen ist, durch die alternativ schaltbar ist, dass die erste elektrische Kontakteinrichtung und die dritte elektrische Kontakteinrichtung elektrisch verbunden sind oder die zweite elektrische Kontakteinrichtung und die dritte elektrische Kontakteinrichtung elektrisch verbunden sind.
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Die erfindungsgemäße elektrochemische Vorrichtung enthält eine Brennstoffzelleneinrichtung, durch welche elektrischer Strom erzeugbar ist, und eine Elektrolysezelleneinrichtung, durch welche Elektrolysegase, insbesondere Wasserstoff und Sauerstoff erzeugbar sind. Durch die Schalteinrichtung ist entweder auf Elektrolysebetrieb oder auf Brennstoffzellenbetrieb schaltbar.
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Bei der erfindungsgemäßen Lösung sind die (mindestens eine) Brennstoffzelle und (mindestens eine) Elektrolysezelle galvanisch getrennt. Dies erlaubt es, die Brennstoffzelleneinrichtung und die Elektrolysezelleneinrichtung getrennt zu optimieren und insbesondere auf dem optimierten Spannungsniveau zu betreiben. Üblicherweise liegt das optimierte Spannungsniveau für eine Elektrolysezelle höher als für eine Brennstoffzelle. Typischerweise weisen Brennstoffzellen zum Beispiel einen optimierten Spannungsbereich in der Größenordnung von 500 mV auf. Größere Spannungen führen zum Wegoxidieren von Kohlenstoffanteilen. Elektrolysezellen weisen dabei beispielsweise ein optimales Spannungsniveau bei ca. 2 V auf.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung lässt sich insbesondere im Niedertemperaturbetrieb im Elektrolysebetrieb Wasserstoff und Sauerstoff herstellen. Im Brennstoffzellenbetrieb lässt sich elektrischer Strom bereitstellen.
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Die erfindungsgemäße Lösung lässt sich mit verschiedenen Brennstoffzellentypen (und auch Elektrolysezellentypen) realisieren. Neben Polymermembran-Brennstoffzellen ist auch der Einsatz von oxidkeramischen Brennstoffzellen (SOFC) und oxidkeramischen Elektrolysezellen möglich.
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Die elektrochemische Vorrichtung lässt sich kompakt realisieren.
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Insbesondere sind die Elektrolysezelle und die Brennstoffzelle galvanisch getrennt. Wenn eine Mehrzahl von Elektrolysezellen und/oder Brennstoffzellen vorgesehen ist, dann sind die Brennstoffzellen von den Elektrolysezellen galvanisch getrennt. Dadurch lässt sich im Elektrolysebetrieb und im Brennstoffzellenbetrieb das jeweilige optimierte Spannungsniveau einstellen.
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Insbesondere ist durch die Schalteinrichtung zwischen Brennstoffzellenbetrieb und Elektrolysebetrieb umschaltbar. Dadurch kann auf einfache Weise umgestellt werden zwischen der Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff (unter Stromzufuhr) und dem Verbrauch von Wasserstoff und Sauerstoff (unter Stromerzeugung).
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Es ist dabei insbesondere vorgesehen, dass die zweite elektrische Kontakteinrichtung an einer der Elektrolysezelle abgewandten Seite mit einer weiteren Brennstoffzelle oder einer Endplatte verbunden ist. Dadurch lässt sich ein Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von elektrisch in Reihe geschalteten Brennstoffzellen realisieren.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass die erste Kontakteinrichtung an einer der Brennstoffzellen abgewandten Seite mit einer weiteren Elektrolysezelle oder einer Endplatte verbunden ist. Dadurch lässt sich ein Elektrolysezellenstapel mit einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten Elektrolysezellen realisieren.
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Insbesondere sind eine Mehrzahl von Brennstoffzellen und/oder eine Mehrzahl von Elektrolysezellen vorgesehen. Dadurch umfasst die erfindungsgemäße elektrochemische Vorrichtung einen Brennstoffzellenstapel und einen Elektrolysezellenstapel.
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Günstig ist es, wenn die Brennstoffzellen und die Elektrolysezellen alternierend aufeinander folgen. Insbesondere lässt sich dadurch eine Bipolareinrichtung zwischen benachbarten Brennstoffzellen bereitstellen, in die eine Elektrolysezelle integriert ist.
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Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die zweite elektrische Kontakteinrichtung und die dritte elektrische Kontakteinrichtung eine schaltbare Bipolareinrichtung für benachbarte Brennstoffzellen bilden. Diese Bipolareinrichtung verbindet benachbarte Brennstoffzellen, um einen Brennstoffzellenstapel mit in Reihe geschalteten Brennstoffzellen bereitzustellen. Die Bipolareinrichtung ist in dem Sinne schaltbar, dass schaltbar ist, ob die elektrische Verbindung vorliegt oder nicht. Im letzteren Falle liegt Elektrolysebetrieb vor.
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Insbesondere ist dann durch die Schalteinrichtung schaltbar, ob benachbarte Brennstoffzellen elektrisch in Reihe geschaltet sind oder galvanisch getrennt sind. Wenn benachbarte Brennstoffzellen galvanisch getrennt sind, dann werden diese ”überbrückt”. Dadurch lassen sich dann benachbarte Elektrolysezellen in Reihe schalten.
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Es ist dann ebenfalls günstig, wenn die erste elektrische Kontakteinrichtung und die dritte elektrische Kontakteinrichtung eine schaltbare Bipolareinrichtung für benachbarte Elektrolysezellen bilden. Dadurch lässt sich ein Elektrolysezellenstapel bereitstellen. Es ist schaltbar, ob die Elektrolysezellen in Reihe geschaltet sind oder galvanisch getrennt sind.
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Insbesondere sind die mindestens eine Brennstoffzelle und die mindestens eine Elektrolysezelle in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Dadurch lässt sich eine elektrochemische Vorrichtung, die Brennstoffzellenbetrieb und Elektrolysezellenbetrieb erlaubt, kompakt aufbauen.
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Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die zweite elektrische Kontakteinrichtung und/oder die dritte elektrische Kontakteinrichtung einen oder mehrere Kanäle zur Flüssigkeitskühlung aufweisen. Dadurch lässt sich die zweite elektrische Kontakteinrichtung und/oder die dritte elektrische Kontakteinrichtung und eine insbesondere aus diesen gebildete Bipolareinrichtung mit Kühlmedium und insbesondere Wasser durchströmen. Dadurch lässt sich der Brennstoffzellenbetrieb optimieren. Ferner lässt sich im Elektrolysebetrieb das durchströmende Wasser als Reaktionsmedium verwenden.
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Es ist dann günstig, wenn der oder die Kanäle mit einer Kühlungseinrichtung zur Flüssigkeitskühlung der Brennstoffzelle verbunden sind. Die Kühleinrichtung sorgt dafür, dass Kühlmedium und insbesondere Wasser durchgepumpt wird. Im Elektrolysebetrieb wird Reaktionsmedium durchgepumpt.
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Insbesondere sind ein oder mehrere Kanäle zu der Elektrolysezelle hin offen, um im Elektrolysebetrieb Reaktionsmedium (Wasser) bereitstellen zu können.
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Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die erste elektrische Kontakteinrichtung eine Gasverteilungseinrichtung für die Brennstoffzelle aufweist. Es lässt sich dadurch Brennstoff bzw. Oxidator der jeweiligen Elektrode der Brennstoffzelle bereitstellen.
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Aus dem gleichen Grund ist es günstig, wenn die dritte elektrische Kontakteinrichtung eine Gasverteilungseinrichtung für die Brennstoffzelle aufweist.
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Günstigerweise umfasst die jeweilige Gasverteilungseinrichtung einen oder mehrere zu der Brennstoffzelle hin offene Kanäle. Dadurch lässt sich die entsprechende Elektrode der Brennstoffzelle mit Reaktionsgas beaufschlagen.
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Günstig ist es, wenn die erste elektrische Kontakteinrichtung und/oder zweite elektrische Kontakteinrichtung und/oder dritte elektrische Kontakteinrichtung plattenförmig ausgebildet sind. Dadurch lässt sich auf einfache Weise ein Verbund zwischen den elektrischen Kontakteinrichtungen, den Brennstoffzellen und den Elektrolysezellen bereitstellen. Dieser Verbund lässt sich kompakt realisieren. Ferner lässt sich ein relativ großer Kontaktbereich zwischen den jeweiligen Brennstoffzellen und Elektrolysezellen realisieren.
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Günstig ist es, wenn eine Speichereinrichtung für im Elektrolysebetrieb gewonnenen Sauerstoff vorhanden ist. Dieser kann dann zwischengespeichert werden für die spätere Nutzung beispielsweise im Brennstoffzellenbetrieb.
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Aus dem gleichen Grund ist es günstig, wenn eine Speichereinrichtung für im Elektrolysebetrieb gewonnenen Wasserstoff vorhanden ist.
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Es ist ferner günstig, wenn eine Brennstoffzelleneinrichtung mit der jeweiligen Speichereinrichtung schaltbar verbunden ist. Dadurch lässt sich die Speichereinrichtung auf Abgabe von Wasserstoff bzw. Sauerstoff im Brennstoffzellenbetrieb schalten, um die entsprechenden Reaktionsmedien den Brennstoffzellen bereitstellen zu können.
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Es ist vorgesehen, dass die Brennstoffzellen einer Brennstoffzelleneinrichtung elektrisch in Reihe geschaltet sind.
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Die Elektrolysezellen einer Elektrolysezelleneinrichtung sind ebenfalls elektrisch in Reihe geschaltet.
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Günstig ist es, wenn die Schaltungseinrichtung so ausgebildet ist, dass gleichzeitig alle Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinrichtung im Brennstoffzellenbetrieb schaltbar sind und alternativ gleichzeitig alle Elektrolysezellen der Elektrolysezelleneinrichtung im Elektrolysebetrieb schaltbar sind. Dadurch wird sichergestellt, dass eine komplette Umschaltung erfolgt, das heißt dass entweder alle Brennstoffzellen überbrückt sind oder alle Elektrolysezellen überbrückt sind.
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Insbesondere umfasst die Schalteinrichtung eine Verbindungseinrichtung zwischen der ersten elektrischen Kontakteinrichtung und der dritten elektrischen Kontakteinrichtung und einen Schalter an der Verbindungseinrichtung. Dadurch lässt sich die elektrische Verbindung herstellen (schließen) bzw. öffnen.
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Aus dem gleichen Grund ist es dann günstig, wenn zwischen der zweiten elektrischen Kontakteinrichtung und der dritten elektrischen Kontakteinrichtung durch eine Verbindungseinrichtung eine Verbindung herstellbar ist und ein Schalter an der Verbindungseinrichtung vorgesehen ist. Beispielsweise umfasst die Schaltungseinrichtung mindestens einen Schalter, welcher elektronisch angesteuert ist. Dadurch lässt sich auf einfache Weise eine Umschaltung zwischen Elektrolysebetrieb und Brennstoffzellenbetrieb erreichen.
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Es ist auch möglich, dass die Schalteinrichtung mindestens einen Schalter umfasst, welcher mechanisch angesteuert ist. Dadurch lässt sich durch die Bewegung eines oder mehrerer Elemente eine Umschaltung erreichen.
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Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die Schalteinrichtung ein bewegliches (beispielsweise verschiebliches) Element mit Kontaktflächen, wobei je nach Stellung des beweglichen Elements die erste elektrische Kontakteinrichtung und die dritte elektrische Kontakteinrichtung oder die zweite elektrische Kontakteinrichtung und die dritte elektrische Kontakteinrichtung elektrisch miteinander verbunden sind. Bei dieser Ausführungsform ist das bewegliche Element der Schalter, welcher gleichzeitig Verbindungseinrichtungen in Form von Kontaktflächen umfasst.
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Es ist insbesondere eine Mehrzahl von Schalterpaaren vorgesehen, welche jeweils einem Brennstoffzellen-Elektrolysezellen-Paar zugeordnet sind. Die Schalter eines Schalterpaars sind gegenläufig angesteuert, das heißt wenn ein Schalter eines Schalterpaars offen ist, dann ist der andere Schalter geschlossen und umgekehrt.
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Insbesondere ist die Brennstoffzelle eine Polymermembran-Brennstoffzelle mit einer ionenleitenden Polymermembran als Elektrolyten. Eine entsprechende Brennstoffzelle lässt sich im Niedertemperaturbetrieb betreiben. Als Brennstoff wird Wasserstoff eingesetzt und als Oxidator Sauerstoff oder Luft.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass die Elektrolysezelle eine Polymermembran-Elektrolysezelle ist.
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Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer elektrochemischen Vorrichtung bereitzustellen, welches variable Einsatzmöglichkeiten erlaubt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei der erfindungsgemäßen elektrochemischen Vorrichtung dadurch gelöst, dass durch die Schalteinrichtung entweder Elektrolysebetrieb oder Brennstoffzellenbetrieb eingestellt wird.
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Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die zweite elektrische Kontakteinrichtung und/oder die dritte elektrische Kontakteinrichtung mit Wasser durchströmt werden, welches im Elektrolysebetrieb als Reaktionsmedium dient und im Brennstoffzellenbetrieb als Kühlmedium. Zwischen der zweiten elektrischen Kontakteinrichtung und der dritten elektrischen Kontakteinrichtung ist jeweils eine Elektrolysezelle angeordnet. Diese ist dadurch gewissermaßen in eine Bipolareinrichtung integriert, wobei schaltbar ist, ob die Bipolareinrichtung für Brennstoffzellen als solche wirkt oder in ihrer Eigenschaft als Bipolareinrichtung gewissermaßen ausgeschaltet ist.
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Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Vorrichtung in Schnittansicht;
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2 eine vergrößerte Darstellung einer Zelleneinrichtung der elektrochemischen Vorrichtung gemäß 1;
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3 schematisch einen Brennstoffzellenbetriebsmodus der elektrochemischen Vorrichtung gemäß 1;
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4 schematisch einen Elektrolysebetriebsmodus der elektrochemischen Vorrichtung gemäß 1;
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5 eine Teildarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer elektrochemischen Vorrichtung mit einem ersten Ausführungsbeispiel einer Schalteinrichtung; und
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6 ein Ausführungsbeispiel einer elektrochemischen Vorrichtung mit einem zweiten Ausführungsbeispiel einer Schalteinrichtung.
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Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Vorrichtung, welches in 1 gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, umfasst ein Gehäuse 12. An dem Gehäuse 12 sind eine erste Endplatte 14a und eine zweite Endplatte 14b angeordnet. Diese Endplatten 14a, 14b schließen das Gehäuse 12 stirnseitig ab. In dem Gehäuse 12 ist zwischen den Endplatten 14a, 14b ein Aufnahmeraum 16 gebildet.
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Die Endplatten 14a, 14b bilden einen Stromkollektor oder an oder in der Nähe der Endplatten 14a, 14b ist jeweils ein Stromkollektor angeordnet. Über diesen jeweiligen Stromkollektor lässt sich im Brennstoffzellenbetrieb der elektrochemischen Vorrichtung 10 Strom auskoppeln. Im Elektrolysebetrieb lässt sich Strom einkoppeln. In 1 ist dies schematisch durch die Anschlüsse mit dem Bezugszeichen 18a, 18b gezeigt.
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In dem Aufnahmeraum 16 des Gehäuses 12 sind eine oder mehrere Zelleneinrichtungen 20 (2) angeordnet. Ein Ausführungsbeispiel einer Zelleneinrichtung umfasst eine Brennstoffzelle 22 und eine Elektrolysezelle 24. Die Brennstoffzelle 22 umfasst eine Anode, einen Elektrolyten und eine Kathode. Insbesondere handelt es sich um eine Polymermembran-Brennstoffzelle (PMFC), bei dem der Elektrolyt eine Polymermembran ist. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die Brennstoffzelle 22 eine Elektroden-Membran-Einheit.
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Die Elektrolysezelle 24 weist ebenfalls eine Kathode, eine Anode und einen Elektrolyten auf. Beispielsweise ist die Elektrolysezelle 24 als Polymermembran-Elektrolysezelle ausgebildet, bei dem der Elektrolyt eine Polymermembran ist.
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Eine erste elektrische Kontakteinrichtung 26, welche insbesondere plattenförmig ausgebildet ist, kontaktiert die Brennstoffzelle 22 an einer Seite 28, welche der Elektrolysezelle 24 abgewandt ist. Die erste elektrische Kontakteinrichtung 26 ist aus einem elektrisch leitfähigen Material und beispielsweise aus einem metallischen Material oder Graphit hergestellt. Das Material ist korrosionsbeständig.
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Die erste elektrische Kontakteinrichtung 26 ist als Gasverteilungseinrichtung ausgebildet. Sie umfasst einen oder mehrere Kanäle 30, über die ein Reaktionsgas der Brennstoffzelle 22 zuführbar ist. Wenn die Seite 28 der Brennstoffzelle 22 eine Anodenseite ist, dann ist über den oder die Kanäle 30 der Anode Brennstoff zuführbar. Ferner dienen der oder die Kanäle 30 zur Abfuhr von Reaktionsprodukten und von unverbrauchtem Reaktionsgas.
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Die Brennstoffzelle 22 und die Elektrolysezelle 24 sind benachbart. An einer Seite 32 der Elektrolysezelle 24, welche der Brennstoffzelle 22 abgewandt ist, ist eine zweite elektrische Kontakteinrichtung angeordnet, welche die Seite 32 der Elektrolysezelle 24 kontaktiert. Die zweite elektrische Kontakteinrichtung 34 ist plattenförmig ausgebildet. Sie ist aus einem elektrisch leitfähigen Material und beispielsweise aus einem metallischen Material oder Graphit hergestellt. Ferner ist das Material korrosionsbeständig.
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An der zweiten elektrischen Kontakteinrichtung 34 sind der Elektrolysezelle 24 zugewandt ein oder mehrere Kanäle 36 gebildet. Über den oder die Kanäle 36 lässt sich der Elektrolysezelle 24 Wasser als Reaktionsmedium zuführen. Ferner lässt sich durch die Kanäle 36 Wasser zur Flüssigkeitskühlung durchführen. Der oder die Kanäle 36 können auch zur Abfuhr von Reaktionsprodukten dienen.
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Zwischen der Brennstoffzelle 22 und der Elektrolysezelle 24 ist eine dritte elektrische Kontakteinrichtung 38 angeordnet. Diese ist insbesondere plattenförmig ausgebildet. Sie kontaktiert die Brennstoffzelle 22 an einer Seite 40, welche der Seite 28 abgewandt ist. Wenn die Seite 28 eine Anodenseite ist, dann ist die Seite 40 eine Kathodenseite. Ferner kontaktiert die dritte elektrische Kontakteinrichtung 38 die Elektrolysezelle 24 an einer Seite 42, welche der Seite 32 abgewandt ist.
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Die dritte elektrische Kontakteinrichtung 38 ist aus einem elektrisch leitfähigen Material und insbesondere aus einem metallischen Material hergestellt.
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Die dritte elektrische Kontakteinrichtung 38 ist als Gasverteilungseinrichtung für die Brennstoffzelle 22 ausgebildet. Insbesondere weist sie einen oder mehrere Kanäle 44 auf, durch die ein Reaktionsmedium der Brennstoffzelle 22 zuführbar ist und unverbrauchtes Reaktionsmedium und Reaktionsprodukte abführbar sind. Wenn die Seite 40 der Brennstoffzelle 22 eine Kathodenseite ist, dann lässt sich durch den oder die Kanäle 44 der Kathode der Brennstoffzelle 22 Oxidator zuführen.
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Weiterhin weist die dritte elektrische Kontakteinrichtung 38 einen oder mehrere Kanäle 46 auf, durch die Wasser durchführbar ist. Wie oben erwähnt, kann das Wasser zur Kühlung dienen bzw. als Reaktionsmedium für die Elektrolysezelle 24. Ferner können Reaktionsprodukte abgeführt werden.
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Der oder die Kanäle 30 sind dabei mindestens an einer Seite zu der Brennstoffzelle 22 offen. Der oder die Kanäle 44 sind an mindestens einer Seite zu der Brennstoffzelle 22 offen. Der oder die Kanäle 36 und 46 sind mindestens an einer Seite zu der jeweiligen Seite der Elektrolysezelle 24 offen.
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Die Kanäle 30, 44 für die Zuführung von Reaktionsmedium zu der Brennstoffzelle 22 und die Kanäle 36, 46 für die Zuführung von Wasser zu der Elektrolysezelle 24 sind dabei fluiddicht voneinander getrennt.
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Die erste elektrische Kontakteinrichtung 26 und die zweite elektrische Kontakteinrichtung 34 sind grundsätzlich gleich ausgebildet. Die zweite elektrische Kontakteinrichtung 34 ist die erste elektrische Kontakteinrichtung für eine Brennstoffzelle, welche der Elektrolysezelle 24 benachbart ist (in 2 nicht gezeigt) bzw. die erste elektrische Kontakteinrichtung 26 kontaktiert eine Elektrolysezelle, welche der Brennstoffzelle 22 benachbart ist (in 2 nicht gezeigt).
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Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel 10 ist in dem Gehäuse 12 eine Brennstoffzelleneinrichtung 48 und eine Elektrolysezelleneinrichtung 50 angeordnet. Die Brennstoffzelleneinrichtung 48 umfasst eine Mehrzahl von Brennstoffzellen 22 und die Elektrolysezelleneinrichtung umfasst eine Mehrzahl von Elektrolysezellen 24. Die Brennstoffzellen 22 und die Elektrolysezellen 24 sind dabei galvanisch getrennt voneinander. Die elektrochemische Vorrichtung 10 weist dadurch zwei alternative Betriebsmodi auf, nämlich einen Brennstoffzellenbetrieb und einen Elektrolysebetrieb.
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Die Brennstoffzellen 22 und die Elektrolysezellen 24 folgen alternierend aufeinander, das heißt nächstbenachbarte Zellen sind jeweils eine Brennstoffzelle 22 und eine Elektrolysezelle 24. Zwischen benachbarten Brennstoffzellen 22 ist dadurch eine Elektrolysezelle 24 angeordnet und zwischen benachbarten Elektrolysezellen 24 ist jeweils eine Brennstoffzelle 22 angeordnet.
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Die Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinrichtung 48 sind elektrisch in Reihe geschaltet. Ferner sind die Elektrolysezellen der Elektrolysezelleneinrichtung 50 elektrisch in Reihe geschaltet.
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Die elektrochemische Vorrichtung 10 umfasst eine Schalteinrichtung 52, durch die schaltbar ist, ob Brennstoffzellenbetrieb oder Elektrolysebetrieb vorliegt.
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Die Schalteinrichtung 52 umfasst jeweils eine Verbindungseinrichtung 54a zwischen der ersten elektrischen Kontakteinrichtung 26 und der dritten elektrischen Kontakteinrichtung 38 sowie eine Verbindungseinrichtung 54b zwischen der zweiten elektrischen Kontakteinrichtung 34 und der dritten elektrischen Kontakteinrichtung 38. An der Verbindungseinrichtung 54a ist ein Schalter 56a angeordnet. An der Verbindungseinrichtung 54b ist ein Schalter 56b angeordnet. Wenn der Schalter 56a geschlossen ist, dann sind die erste elektrische Kontakteinrichtung 26 und die dritte elektrische Kontakteinrichtung 38 elektrisch miteinander verbunden. Wenn der Schalter 56b geschlossen ist, dann sind die zweite elektrische Kontakteinrichtung 34 und die dritte elektrische Kontakteinrichtung 38 elektrisch miteinander verbunden. Die elektrische Schalteinrichtung 52 ist so ausgebildet, dass gleichzeitig nur entweder der Schalter 56a geschlossen ist oder der Schalter 56b geschlossen ist. Dadurch ist die galvanische Trennung der Brennstoffzelle 22 und der Elektrolysezelle 24 erreicht.
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Wenn der Schalter 56a geschlossen ist, dann bilden die erste elektrische Kontakteinrichtung 26 und die dritte elektrische Kontakteinrichtung 38 eine Bipolareinrichtung 58 für benachbarte Elektrolysezellen. In diesem Falle wird die zwischen der ersten elektrischen Kontakteinrichtung 26 und der dritten elektrischen Kontakteinrichtung 38 liegende Brennstoffzelle 22 überbrückt.
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Wenn der Schalter 56b geschlossen ist (und der Schalter 56a offen ist), dann bilden die zweite elektrische Kontakteinrichtung 34 und die dritte elektrische Kontakteinrichtung 38 eine Bipolareinrichtung 60 für die Brennstoffzelleneinrichtung 48. Durch die Bipolareinrichtung 60 werden benachbarte Brennstoffzellen miteinander elektrisch verbunden (in Reihe geschaltet). Bei geschlossenem Schalter 56b wird die Elektrolysezelle 24 überbrückt.
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In der Zelleneinrichtung 20 bilden die Brennstoffzelle 22 und die Elektrolysezelle 24 ein Brennstoffzellen-Elektrolysezellen-Paar. Diesem Paar ist ein Schalterpaar zugeordnet, welches aus den Schaltern 56a und 56b gebildet ist. Die Schalter dieses Schalterpaars werden synchron gegenläufig angesteuert, das heißt wenn der Schalter 56a offen ist, dann ist der Schalter 56b geschlossen und umgekehrt.
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Durch die Schalteinrichtung 52 ist schaltbar, ob die Brennstoffzellen 22 der Brennstoffzelleneinrichtung 48 elektrisch miteinander verbunden sind oder alternativ die Elektrolysezellen 24 der Elektrolysezelleneinrichtung 50 elektrisch miteinander verbunden sind.
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Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die elektrochemische Vorrichtung 10 eine Speichereinrichtung 62 für von der Elektrolysezelleneinrichtung 50 in Elektrolysebetrieb produzierten Wasserstoff. Die Speichereinrichtung 62 ist dazu über eine oder mehrere Leitungen 63 mit der Wasserstoffseite der Elektrolysezellen 24 verbunden.
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Die Speichereinrichtung 62 wiederum steht beispielsweise über ein Absperrventil 64 in Verbindung mit der Brennstoffzelleneinrichtung 48, so dass der Brennstoffzelleneinrichtung 48 im Brennstoffzellenbetrieb Wasserstoff als Brennstoff bereitstellbar ist.
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Weiterhin umfasst die elektrochemische Vorrichtung 10 eine Speichereinrichtung 66 für Sauerstoff, durch die im Elektrolysebetrieb hergestellter Sauerstoff speicherbar ist. Entsprechend ist die Speichereinrichtung 66 über eine oder mehrere Leitungen 68 mit der sauerstoffproduzierenden Seite der Elektrolysezellen 24 verbunden.
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Die Speichereinrichtung 66 steht über ein Absperrventil 70 in Verbindung mit einer Kathodenseite der Brennstoffzelleneinrichtung 48, um im Brennstoffzellenbetrieb den Brennstoffzellen 22 Oxidator bereitstellen zu können.
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Weiterhin umfasst die elektrochemische Vorrichtung 10 eine Kühleinrichtung 72, durch die ein Kühlmedium (insbesondere Wasser) durch die Bipolareinrichtung durchführbar ist, um im Brennstoffzellenbetrieb die Bipolareinrichtung 60 zu kühlen.
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Im Elektrolysebetrieb dient das durchgeführte Wasser als Reaktionsmedium für die jeweilige Elektrolysezelle 24.
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Die erfindungsgemäße elektrochemische Vorrichtung 10 funktioniert wie folgt:
Durch die Kanäle 36, 46 wird im Betrieb über die Kühleinrichtung 72 Wasser durchgepumpt. Im Brennstoffzellenbetrieb dient das Wasser als Kühlmedium.
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Im Brennstoffzellenbetrieb sind, wie in 3 schematisch angedeutet, die jeweiligen zweiten elektrischen Kontakteinrichtungen 34 und dritten elektrischen Kontakteinrichtungen 38 über die jeweilige Verbindungseinrichtung 54b (bei geschlossenem Schalter 56b) elektrisch miteinander verbunden. Die jeweiligen Elektrolysezellen 24 liegen dabei zwischen der zweiten elektrischen Kontakteinrichtung 34 und der dritten elektrischen Kontakteinrichtung 38. Diese werden dadurch überbrückt.
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Die Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinrichtung 48 stellen einen elektrischen Strom bereit. Den Brennstoffzellen 22 wird dabei Brennstoff (insbesondere Wasserstoff) und Oxidator (insbesondere Sauerstoff oder Luft) bereitgestellt. Dazu kann gespeicherter Wasserstoff aus der Speichereinrichtung 62 und gespeicherter Sauerstoff aus der Speichereinrichtung 66 verwendet werden. Zusätzlich oder alternativ kann eine Zuführungseinrichtung für Brennstoff und Oxidator unabhängig von den Speichereinrichtungen 62, 66 vorgesehen sein.
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Die elektrochemische Vorrichtung 10 stellt einen Strom bereit. Die galvanisch getrennten Elektrolysezellen 24 sind elektrisch ”abgekoppelt”, das heißt sie arbeiten nicht.
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Durch die Kühleinrichtung 72 werden die Bipolareinrichtungen 60 gekühlt.
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In dem Elektrolysebetrieb sind die jeweiligen ersten elektrischen Kontakteinrichtungen 26 und dritten elektrischen Kontakteinrichtungen 38, zwischen welchen die jeweiligen Brennstoffzellen 22 liegen, durch die jeweiligen elektrischen Verbindungseinrichtungen 54a elektrisch miteinander verbunden. Die Brennstoffzellen 22 werden dadurch überbrückt. Die Elektrolysezellen 24 der Elektrolysezelleneinrichtung 50 sind in Reihe geschaltet.
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Es wird ein äußerer Strom aufgeprägt. Dadurch erfolgen in den Elektrolysezellen 24 Elektrolysevorgänge. Das über die Kühleinrichtung 72 und den Kanälen 36, 46 zugeführte Wasser ist ein Reaktionsmedium, welches elektrolytisch zerlegt wird. Es entstehen an der Anode Sauerstoff und an der Kathode Wasserstoff. Letzterer wird über die Speichereinrichtung 62 gesammelt. Der Sauerstoff wird über die Speichereinrichtung 66 gesammelt oder ganz oder teilweise an die Atmosphäre abgegeben.
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Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist durch die Schalteinrichtung 52 schaltbar, ob die Brennstoffzellen 22 der Brennstoffzelleneinrichtung 48 elektrisch in Reihe geschaltet sind oder ob alternativ die Elektrolysezellen 24 der Elektrolysezelleneinrichtung 50 elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die Brennstoffzellen 22 und die Elektrolysezellen 24 sind galvanisch voneinander getrennt. Durch die Schalteinrichtung 52 ist gewissermaßen eine Wanderung der galvanischen Trennung erreichbar.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung lässt sich sowohl ein optimierter Elektrolysebetrieb als auch ein optimierter Brennstoffzellenbetrieb erreichen; es lässt sich das für die Elektrolyse optimierte Spannungsniveau einstellen und es lässt sich das für den Brennstoffzellenbetrieb optimierte Spannungsniveau erreichen. Üblicherweise ist für die Elektrolyse ein höheres Spannungsniveau optimaler; dieses liegt beispielsweise in der Größenordnung von 2 V. Bei regenerativen Brennstoffzellen mit Kohlenstoffmaterialien sollte die Spannung nicht über 1500 mV liegen, da die Kohlenstoffmaterialien bei höheren Spannungen wegoxidieren. Durch die erfindungsgemäße Lösung können unterschiedliche Spannungsniveaus im Brennstoffzellenbetrieb und im Elektrolysebetrieb eingestellt werden.
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Die Brennstoffzelleneinrichtung 48 und die Elektrolysezelleneinrichtung 50 sind in demselben Aufnahmeraum 16 des Gehäuses 12 angeordnet.
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Die Elektrolysezellen 24 sind in die Bipolareinrichtungen 60 für die Brennstoffzelleneinrichtung 48 eingebaut. Entsprechend sind die Brennstoffzellen 22 in die Bipolareinrichtungen 58 für die Elektrolysezelleneinrichtung 50 eingebaut.
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Durch den Einbau der Elektrolysezellen 24 in die Bipolareinrichtungen 60 lässt sich die Kühleinrichtung 72 zur Bereitstellung von Wasser als Reaktionsmedium nutzen.
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Bei einem Ausführungsbeispiel einer Schalteinrichtung, welches in 5 gezeigt und dort mit 76 bezeichnet ist, ist eine Steuerungseinrichtung 78 vorgesehen, welche die jeweiligen Schalter 56a, 56b (synchron) ansteuert. Die Steuerungseinrichtung 78 schließt entweder alle Schalter 56a und öffnet gleichzeitig alle Schalter 56b oder öffnet alle Schalter 56a und schließt gleichzeitig alle Schalter 56b. Dadurch ist eine Umschaltung zwischen Brennstoffzellenbetrieb (mit elektrisch in Reihe geschalteten Brennstoffzellen 22) oder Elektrolysebetrieb (mit in Reihe geschalteten Elektrolysezellen 24) realisiert.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel einer Schalteinrichtung, welches in 6 schematisch gezeigt und dort mit 80 bezeichnet ist, umfasst diese ein bewegliches und insbesondere verschiebliches Element 82 beispielsweise in Form eines Stabs. An dem Stab sind benachbart und beabstandet zueinander Kontaktflächen 84 angeordnet, welche so dimensioniert sind, dass in einer ersten Stellung des Elements 82 die jeweiligen ersten elektrischen Kontakteinrichtungen 26 und dritten elektrischen Kontakteinrichtungen 38, welche benachbart zueinander sind, elektrisch miteinander verbunden sind. In einer zweiten Stellung des Elements 82 sind durch die Kontaktflächen 84 die jeweiligen dritten elektrischen Kontakteinrichtungen 38 und die zweiten elektrischen Kontakteinrichtungen 34 elektrisch miteinander verbunden.
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Die Kontaktflächen 84 bilden dadurch jeweils eine Verbindungseinrichtung. Der zugeordnete Schalter ist durch die Umschaltung zwischen der ersten Stellung des Elements 82 und der zweiten Stellung des Elements 82 gebildet.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Schalteinrichtung 80 eine mechanische Schalteinrichtung; durch die Stellung des Elements 82 ist vorgegeben, ob die elektrochemische Vorrichtung 10 im Brennstoffzellenmodus oder im Elektrolysemodus vorliegt.
