DE102021205986A1 - Method of conditioning an electrochemical cell unit - Google Patents

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Abstract

Elektrochemisches Verfahren zur Konditionierung einer elektrochemische Zelleneinheit (53) vor der Inbetriebnahme der elektrochemischen Zelleneinheit (53) zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit (1) und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit (49) mit gestapelten elektrochemischen Zellen und in der elektrochemischen Zelleneinheit (53) Kanäle zum Durchleiten eines Brennstoffes und/oder eines Elektrolyten und Kanäle zum Durchleiten eines Oxidationsmittels und/oder eines Elektrolyten ausgebildet sind mit den Schritten: zur Verfügung stellen eines Konditionierfluides (68), Durchleiten des Konditionierfluides (68) durch die Kanäle für Brennstoff und/oder Elektrolyten und/oder Durchleiten des Konditionierfluides (68) durch die Kanäle für Oxidationsmittel und/oder Elektrolyten und Adhäsion und/oder Hydratisierung und/oder Hydratation von Wasser und/oder Feuchtigkeit an Komponenten der elektrochemischen Zelleneinheit (53), welches aus dem Konditionierfluid (68) stammt, wobei das Konditionierfluid (68) eine Konditionierflüssigkeit (68) ist.Electrochemical method for conditioning an electrochemical cell unit (53) before putting the electrochemical cell unit (53) into operation for converting electrochemical energy into electrical energy as a fuel cell unit (1) and/or for converting electrical energy into electrochemical energy as an electrolytic cell unit (49) with stacked electrochemical cells and channels for conducting a fuel and/or an electrolyte and channels for conducting an oxidizing agent and/or an electrolyte are formed in the electrochemical cell unit (53), with the steps: providing a conditioning fluid (68), conducting the conditioning fluid (68) through the fuel and/or electrolyte channels and/or passing the conditioning fluid (68) through the oxidant and/or electrolyte channels and adhesion and/or hydration and/or hydration of water and/or moisture to components of the elec trochemical cell unit (53) originating from the conditioning fluid (68), the conditioning fluid (68) being a conditioning liquid (68).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konditionierung einer elektrochemischen Zelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und eine elektrochemische Zelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 15.The present invention relates to a method for conditioning an electrochemical cell unit according to the preamble of claim 1 and an electrochemical cell unit according to the preamble of claim 15.

Stand der TechnikState of the art

Brennstoffzelleneinheiten als galvanische Zellen wandeln mittels Redoxreaktionen an einer Anode und Kathode kontinuierlich zugeführten Brennstoff und Oxidationsmittel in elektrische Energie und Wasser um. Brennstoffzellen werden in den unterschiedlichsten stationären und mobilen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise in Häusern ohne Anschluss an ein Stromnetz oder in Kraftfahrzeugen, im Schienenverkehr, in der Luftfahrt, in der Raumfahrt und in der Schifffahrt. In Brennstoffzelleneinheiten sind eine Vielzahl von Brennstoffzellen in einem Stapel als Stack angeordnet.Fuel cell units as galvanic cells convert continuously supplied fuel and oxidizing agent into electrical energy and water by means of redox reactions at an anode and cathode. Fuel cells are used in a wide variety of stationary and mobile applications, for example in houses without a connection to a power grid or in motor vehicles, in rail transport, in aviation, in space travel and in shipping. In fuel cell units, a multiplicity of fuel cells are arranged in a stack as a stack.

In Brennstoffzelleneinheiten sind eine große Anzahl von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel angeordnet. Innerhalb der Brennstoffzellen ist jeweils ein Gasraum für Oxidationsmittel vorhanden, das heißt ein Strömungsraum zum Durchleiten von Oxidationsmittel, wie beispielsweise Luft aus der Umgebung mit Sauerstoff. Der Gasraum für Oxidationsmittel ist von Kanälen an der Bipolarplatte und von einer Gasdiffusionsschicht für eine Kathode gebildet. Die Kanäle sind somit von einer entsprechenden Kanalstruktur einer Bipolarplatte gebildet und durch die Gasdiffusionsschicht gelangt das Oxidationsmittel, nämlich Sauerstoff, zu der Kathode der Brennstoffzellen. In analoger Weise ist ein Gasraum für Brennstoff vorhanden. In fuel cell units, a large number of fuel cells are arranged in a fuel cell stack. Inside each fuel cell there is a gas space for oxidizing agent, ie a flow space for conducting oxidizing agent, such as air from the environment with oxygen, through. The oxidant gas space is formed by channels on the bipolar plate and by a gas diffusion layer for a cathode. The channels are thus formed by a corresponding channel structure of a bipolar plate and the oxidizing agent, namely oxygen, reaches the cathode of the fuel cells through the gas diffusion layer. A gas space for fuel is present in an analogous manner.

Elektrolysezelleneinheiten aus gestapelt angeordneten Elektrolysezellen, analog wie bei Brennstoffzelleneinheiten, dienen beispielsweise zur elektrolytischen Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser. Ferner sind Brennstoffzelleneinheiten bekannt, die als reversible Brennstoffzelleneinheiten und damit als Elektrolysezelleneinheiten betrieben werden können. Brennstoffzelleneinheiten und Elektrolysezelleinheiten bilden elektrochemische Zelleneinheiten. Brennstoffzellen und Elektrolysezellen bilden elektrochemische Zellen.Electrolytic cell units made up of stacked electrolytic cells, analogous to fuel cell units, are used, for example, for the electrolytic production of hydrogen and oxygen from water. Furthermore, fuel cell units are known which can be operated as reversible fuel cell units and thus as electrolytic cell units. Fuel cell units and electrolytic cell units form electrochemical cell units. Fuel cells and electrolytic cells form electrochemical cells.

Während der Herstellung einer Brennstoffzelleneinheit werden einzelne Brennstoffzellen zu einem Stack als der Brennstoffzelleneinheit gestapelt. Die Komponenten der Brennstoffzellen sind dabei unter anderem auch Anoden, Kathoden und Protonenaustauschermembranen. Diese Komponenten der Brennstoffzellen weisen nach der Anordnung der Brennstoffzellen zu dem Stack eine geringe Feuchtigkeit bzw. einen geringen Wassergehalt auf. Dadurch würden die Protonenaustauschermembranen eine kleine Protonenleitfähigkeit aufweisen und außerdem an den Anoden und Kathoden hohe ohmsche und elektrische Verluste auftreten. Um dies zu vermeiden, ist eine Konditionierung der Brennstoffzelleneinheit als dem Stack mit einem Konditioniergas notwendig. Während der Konditionierung der Brennstoffzelleneinheit wird ein befeuchtetes Gas, im Allgemeinen Luft, durch die Kanäle für Brennstoff und Oxidationsmittel geleitet. Aufgrund des physikalisch bedingten geringen Wassergehalts als absolute Luftfeuchtigkeit des befeuchteten Gases ist es notwendig, das Konditioniergas als ein Konditionierfluid über einen langen Zeitraum von mehreren Stunden durch die Kanäle für Brennstoff und Oxidationsmittel zu leiten bis ein ausreichender Wassergehalt der Komponenten Anoden, Kathoden und Protonenaustauschermembran vorhanden ist, d. h. eine Hydratisierung dieser Komponenten mit Wasser bzw. Feuchtigkeit aus dem Konditioniergas erreicht wird. Bei einer industriellen Herstellung einer großen Anzahl an Brennstoffzelleneinheiten innerhalb mehrerer Stunden sind somit große Lagerräume erforderlich, um die in den mehreren Stunden hergestellten Brennstoffzelleneinheiten für die Durchführung der Konditionierung vorzuhalten. Dadurch treten in nachteiliger Weise hohe Kosten für die Herstellung der Brennstoffzelleneinheiten auf, weil entsprechende große Lagerräume vorgehalten werden müssen und auch eine große Anzahl an Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens zur simultanen Konditionierung an der großen Anzahl der Brennstoffzelleneinheiten notwendig sind. In analoger Weise ist auch für Elektrolysezelleneinheiten eine Konditionierung notwendig.During the manufacture of a fuel cell unit, individual fuel cells are stacked into a stack as the fuel cell unit. The components of the fuel cells include anodes, cathodes and proton exchange membranes. After the fuel cells have been arranged to form the stack, these components of the fuel cells have a low level of moisture or a low water content. As a result, the proton exchange membranes would have a low proton conductivity and high ohmic and electrical losses would also occur at the anodes and cathodes. In order to avoid this, conditioning of the fuel cell unit as the stack with a conditioning gas is necessary. During conditioning of the fuel cell assembly, a humidified gas, generally air, is passed through the fuel and oxidant passages. Due to the physically caused low water content as absolute humidity of the humidified gas, it is necessary to conduct the conditioning gas as a conditioning fluid through the channels for fuel and oxidizing agent over a long period of several hours until a sufficient water content of the components anodes, cathodes and proton exchange membrane is present , i.e. H. hydration of these components with water or moisture from the conditioning gas is achieved. In the case of an industrial production of a large number of fuel cell units within several hours, large storage rooms are therefore required in order to keep the fuel cell units produced in the several hours available for carrying out the conditioning. This disadvantageously results in high costs for the production of the fuel cell units, because correspondingly large storage rooms have to be kept available and a large number of devices are required for carrying out the method for simultaneous conditioning of the large number of fuel cell units. In an analogous manner, conditioning is also necessary for electrolytic cell units.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Vorteile der ErfindungAdvantages of the Invention

Erfindungsgemäßes Verfahren zur Konditionierung einer elektrochemische Zelleneinheit vor der Inbetriebnahme der elektrochemischen Zelleneinheit zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit mit gestapelten elektrochemischen Zellen und in der elektrochemischen Zelleneinheit Kanäle zum Durchleiten eines Brennstoffes und/oder eines Elektrolyten und Kanäle zum Durchleiten eines Oxidationsmittels und/oder eines Elektrolyten ausgebildet sind mit den Schritten: zur Verfügung stellen eines Konditionierfluides, Durchleiten des Konditionierfluides durch die Kanäle für Brennstoff und/oder Elektrolyten und/oder Durchleiten des Konditionierfluides durch die Kanäle für Oxidationsmittel und/oder Elektrolyten und Adhäsion und/oder Hydratisierung und/oder Hydratation von Wasser und/oder Feuchtigkeit an Komponenten der elektrochemischen Zelleneinheit, welches aus dem Konditionierfluid stammt, wobei das Konditionierfluid eine Konditionierflüssigkeit ist. Eine Konditionierflüssigkeit mit einem hohen Massenanteil an Wasser weist einen größeren Wasseranteil auf als ein Konditioniergas. Damit kann das Verfahren zur Konditionierung der elektrochemischen Einheit in einer sehr kurzen Zeit, beispielsweise in einer halben Stunde oder einer Stunde, ausgeführt werden. In vorteilhafter Weise sind damit keine großen Lagerräume zum Vorhalten der elektrochemischen Zelleneinheiten während der Durchführung des Verfahrens zur Konditionierung notwendig und außerdem muss nur eine geringe Anzahl an Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens bereitgehalten werden.Method according to the invention for conditioning an electrochemical cell unit before putting the electrochemical cell unit into operation for converting electrochemical energy into electrical energy as a fuel cell unit and/or for converting electrical energy into electrochemical energy as an electrolysis cell unit with stacked electrochemical cells and in the electrochemical cell unit channels for conducting a fuel and/or or an electrolyte and channels for conducting an oxidizing agent and/or an electrolyte are formed with the steps: providing a conditioning fluid, conducting the conditioning fluid through the channels for fuel and/or electrolyte and/or conducting the conditioning fluid through the channels for oxidizing agent and /or electrolytes and adhesion and/or hydration and/or hydration of water and/or moisture to components the electrochemical cell unit derived from the conditioning fluid, the conditioning fluid being a conditioning liquid. A conditioning liquid with a high mass fraction of water has a greater proportion of water than a conditioning gas. With this, the method for conditioning the electrochemical unit can be carried out in a very short time, for example in half an hour or an hour. Advantageously, no large storage rooms are required for keeping the electrochemical cell units available while the conditioning method is being carried out, and in addition only a small number of devices for carrying out the method have to be kept ready.

In einer ergänzenden Variante weist die Konditionierflüssigkeit einen Massenanteil an Wasser von wenigstens 50%, 80%, 90% oder 95% auf.In an additional variant, the conditioning liquid has a mass fraction of water of at least 50%, 80%, 90% or 95%.

In einer zusätzlichen Ausgestaltung weist die durch die Kanäle für Brennstoff und/oder Elektrolyten und/oder die durch die Kanäle für Oxidationsmittel und/oder Elektrolyten durchgeleitete Konditionierflüssigkeit eine Temperatur zwischen 50°C und 100°C, insbesondere zwischen 75°C und 98°C, auf. Eine erhöhte Temperatur der Konditionierflüssigkeit beschleunigt die Adhäsion und/oder Hydratisierung und/oder Hydratation von Wasser und/oder Feuchtigkeit an den Komponenten der elektrochemischen Zelleneinheit.In an additional embodiment, the conditioning liquid passed through the channels for fuel and/or electrolyte and/or the channels for oxidizing agent and/or electrolyte has a temperature between 50°C and 100°C, in particular between 75°C and 98°C , on. Elevated temperature of the conditioning liquid accelerates adhesion and/or hydration and/or hydration of water and/or moisture to the electrochemical cell unit components.

In einer weiteren Ausführungsform ist der pH-Wert der Konditionierflüssigkeit kleiner als 5, 3 oder 2.In another embodiment, the pH of the conditioning liquid is less than 5, 3 or 2.

Zweckmäßig ist der Konditionierflüssigkeit wenigstens ein Zusatzstoff, vorzugsweise eine Säure, insbesondere Schwefelsäure, zugesetzt. Insbesondere in den Protonenaustauschermembranen sind saure Eigenschaften für den Betrieb notwendig, sodass es dadurch notwendig ist, eine saure Konditionierflüssigkeit durch die Kanäle zu leiten, damit sich die saure Konditionierflüssigkeit an den Protonenaustauschermembranen adhäsiert.At least one additive, preferably an acid, in particular sulfuric acid, is expediently added to the conditioning liquid. In the proton exchange membranes in particular, acidic properties are necessary for operation, thereby making it necessary to pass an acidic conditioning liquid through the channels in order for the acidic conditioning liquid to adhere to the proton exchange membranes.

In einer ergänzenden Ausgestaltung wird die Konditionierflüssigkeit in einem Kreislauf durch die Kanäle geleitet. Das Durchleiten der Konditionierflüssigkeit in einem Kreislauf durch die Kanäle ermöglicht eine besonders einfache Durchführung des Verfahrens, weil dadurch eine ständige Wiederverwendung der Konditionierflüssigkeit möglich ist.In a supplementary embodiment, the conditioning liquid is conducted through the channels in a circuit. Passing the conditioning liquid through the channels in a circuit makes it possible to carry out the method in a particularly simple manner, since this allows the conditioning liquid to be reused continuously.

Vorzugsweise wird während des Durchleitens der Konditionierflüssigkeit durch die Kanäle mit einem Sensor der pH-Wert der Konditionierflüssigkeit erfasst.The pH value of the conditioning liquid is preferably detected by a sensor while the conditioning liquid is being conducted through the channels.

In einer weiteren Variante umfassen die elektrochemischen Zellen jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten und die Komponenten der elektrochemischen Zellen sind vorzugsweise Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, vorzugsweise Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten.In a further variant, the electrochemical cells each comprise stacked layered components and the components of the electrochemical cells are preferably proton exchange membranes, anodes, cathodes, preferably gas diffusion layers and bipolar plates.

In einer ergänzenden Ausführungsform spannen die schichtförmigen elektrochemischen Zellen und/oder die schichtförmigen Komponenten fiktive Ebenen auf.In a supplementary embodiment, the layered electrochemical cells and/or the layered components span fictitious levels.

In einer weiteren Ausgestaltung ist ein Stack aus den elektrochemischen Zellen mit einer primären Druckkraft senkrecht zu den fiktiven Ebene vor und/oder während des Durchleitens der Konditionierflüssigkeit durch die Kanäle vorgespannt und nach dem Durchleiten der Konditionierflüssigkeit durch die Kanäle und/oder nach dem Ableiten der Konditionierflüssigkeit aus den Kanälen die Druckkraft auf eine sekundäre Druckkraft verändert wird und die sekundäre Druckkraft ist größer, ist insbesondere um 10%, 30% oder 50% größer, als die primäre Druckkraft. Die Brennstoffzelleneinheit als der Stack aus den elektrochemischen Zellen weist während der Vorspannung mit der kleinen primären Druckkraft eine größere Ausdehnung senkrecht zu den fiktiven Ebenen auf als während der Vorspannung mit der größeren sekundären Druckkraft. Dies liegt beispielsweise an den elastischen Eigenschaften der Komponenten und/oder von Dichtungen. Während des Durchleitens der Konditionierflüssigkeit durch die Kanäle tritt ein Anschwellen der Komponenten, d. h. eine Vergrößerung des Volumens der Komponenten, auf. Damit diese Vergrößerung des Volumens der Komponenten keine Beschädigung der Komponenten bewirkt, ist es notwendig, mittels der kleinen primären Druckkraft diesen Komponenten einen ausreichenden Raum zur Vergrößerung des Volumens zur Verfügung stellen zu können.In a further embodiment, a stack of the electrochemical cells is prestressed with a primary compressive force perpendicular to the imaginary plane before and/or during the passage of the conditioning liquid through the channels and after the passage of the conditioning liquid through the channels and/or after the conditioning liquid is drained off from the channels the compressive force is changed to a secondary compressive force and the secondary compressive force is larger, in particular by 10%, 30% or 50% larger than the primary compressive force. The fuel cell unit as the stack of the electrochemical cells has a greater expansion perpendicular to the imaginary planes during the prestressing with the small primary compressive force than during the prestressing with the larger secondary compressive force. This is due, for example, to the elastic properties of the components and/or seals. During the passage of the conditioning liquid through the channels, swelling of the components, i. H. an increase in the volume of the components. So that this increase in the volume of the components does not cause any damage to the components, it is necessary to be able to provide these components with a sufficient space for increasing the volume by means of the small primary compressive force.

In einer zusätzlichen Variante ist nach dem Durchleiten der Konditionierflüssigkeit durch die Kanäle und/oder nach dem Ableiten der Konditionierflüssigkeit aus den Kanälen der Wassergehalt der Komponenten, insbesondere der Protonenaustauschermembranen und/oder Anoden und/oder Kathoden und/oder Katalysatorschichten, größer ist, insbesondere um 10%, 50% oder 100% größer, als vor dem Durchleiten der Konditionierflüssigkeit durch die Kanäle. Dieser vergrößerte Wassergehalt der Komponenten bewirkt in vorteilhafter Weise eine gute Protonenleitfähigkeit der Protonenaustauschermembranen und einen geringen ohmschen elektrischen Widerstand der Anoden und Kathoden.In an additional variant, after the conditioning liquid has been passed through the channels and/or after the conditioning liquid has been discharged from the channels, the water content of the components, in particular the proton exchange membranes and/or anodes and/or cathodes and/or catalyst layers, is greater, in particular by 10%, 50% or 100% greater than before the conditioning liquid was passed through the channels. This increased water content of the components advantageously brings about good proton conductivity in the proton exchange membranes and low ohmic electrical resistance in the anodes and cathodes.

In einer weiteren Ausgestaltung wird die Konditionierflüssigkeit mittels Schwerkraft und/oder einem Gas, insbesondere Inertgas, aus den Kanälen abgeleitet. Das Ableiten oder Ausleiten der Konditionierflüssigkeit aus den Kanälen mittels Schwerkraft wird durch eine entsprechende konstruktive Ausbildung der elektrochemischen Zelleneinheit ermöglicht, d. h. dass die Kanäle ein Ableiten der Konditionierflüssigkeit mittels Schwerkraft aufgrund einer entsprechenden Neigung der Kanäle ermöglichen. Die Konditionierflüssigkeit kann dabei entweder nur mit dem Gas, z. B. dem Inertgas Stickstoff, abgeleitet werden oder für eine vollständige Ableitung der Konditionierflüssigkeit wird nach dem Ableiten der Konditionierflüssigkeit mittels Schwerkraft der Rest an Konditionierflüssigkeit mit dem Gas aus den Kanälen abgeleitet.In a further refinement, the conditioning liquid is drawn out of the channels by means of gravity and/or a gas, in particular an inert gas derived. The draining or draining of the conditioning liquid from the channels by gravity is made possible by a corresponding structural design of the electrochemical cell unit, ie the channels allow the conditioning liquid to be drained by gravity due to a corresponding inclination of the channels. The conditioning liquid can either only with the gas, z. B. the inert gas nitrogen, or for a complete discharge of the conditioning liquid is derived by gravity of the rest of the conditioning liquid with the gas from the channels after draining the conditioning liquid.

In einer ergänzenden Ausführungsform nimmt während des Durchleitens der Konditionierflüssigkeit durch die Kanäle das Volumen der Komponenten aufgrund der Adhäsion und/oder Hydratisierung und/oder Hydratation von Wasser und/oder Feuchtigkeit an den Komponenten zu, insbesondere nimmt das Volumen um 3%, 5% oder 10% zu.In a supplementary embodiment, during the passage of the conditioning liquid through the channels, the volume of the components increases due to the adhesion and/or hydration and/or hydration of water and/or moisture on the components, in particular the volume increases by 3%, 5% or 10% to.

Insbesondere wird das Durchleiten der Konditionierflüssigkeit durch die Kanäle während eines Zeitraumes kleine als 3 h, insbesondere kleiner als 1 h, 30 min oder 10 min, durchgeführt. Aufgrund des kurzen Zeitraumes zur Durchführung des Verfahrens ist somit eine nur eine Lagerhaltung einer kleinen Anzahl an elektrochemischen Zelleneinheiten während der Durchführung des Verfahrens zur Konditionierung notwendig.In particular, the conditioning liquid is passed through the channels during a period of less than 3 hours, in particular less than 1 hour, 30 minutes or 10 minutes. Due to the short period of time for carrying out the method, only a small number of electrochemical cell units need to be stored while the conditioning method is being carried out.

Erfindungsgemäße elektrochemische Zelleneinheit zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit, umfassend gestapelt angeordnete elektrochemische Zellen und die elektrochemischen Zellen jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten umfassen und die Komponenten der elektrochemischen Zellen vorzugsweise Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, vorzugsweise Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten sind, wobei mit der elektrochemische Zelleneinheit ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren ausführbar ist und/oder ein Stack aus den elektrochemischen Zellen mit wenigstens einer Verbindungsvorrichtung mit einer Druckkraft senkrecht zu fiktiven Ebenen vorgespannt ist und mittels der wenigstens einen Verbindungsvorrichtung die Druckkraft veränderbar ist, so dass aufgrund der veränderten Druckkraft die Ausdehnung des Stacks senkrecht zu den fiktiven Ebenen veränderbar ist.Electrochemical cell unit according to the invention for converting electrochemical energy into electrical energy as a fuel cell unit and/or for converting electrical energy into electrochemical energy as an electrolysis cell unit, comprising electrochemical cells arranged stacked and the electrochemical cells each comprising layered components arranged stacked and the components of the electrochemical cells preferably proton exchange membranes, anodes , cathodes, preferably gas diffusion layers and bipolar plates, with the electrochemical cell unit being able to carry out a method described in this patent application and/or a stack of the electrochemical cells being prestressed with at least one connecting device with a compressive force perpendicular to imaginary planes and by means of the at least one connecting device the compressive force is variable, so that due to the changed compressive force, the expansion of the St acks can be changed perpendicularly to the fictitious planes.

In einer weiteren Ausführungsform sind die Kanäle für die Prozessfluide, insbesondere Brennstoff, Oxidationsmittel und/oder Kühlmittel, von einem porösen, fluidleitenden und/oder fluiddurchlässigem Material, insbesondere Metall, gebildet. Die Kanäle, insbesondere in der Bipolarplatte, sind beispielsweise von einem porösen Streckmetall und/oder einem Schaum, insbesondere Metallschaum, gebildet.In a further embodiment, the channels for the process fluids, in particular fuel, oxidizing agent and/or coolant, are formed from a porous, fluid-conducting and/or fluid-permeable material, in particular metal. The channels, in particular in the bipolar plate, are formed, for example, from a porous expanded metal and/or a foam, in particular metal foam.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst die wenigstens eine Verbindungsvorrichtung je ein Innengewinde und je ein Außengewinde an zwei unterschiedlichen Bauteilen, insbesondere je eine Mutter mit dem Innengewinde und je ein Bolzen mit dem Außengewinde, der Verbindungsvorrichtung und das Innengewinde und Außengewinde sind ineinander eingeschraubt und mittels einer Veränderung dieser Verschraubung zwischen dem Innengewinde und dem Außengewinde ist die Länge der wenigstens einen Verbindungsvorrichtung senkrecht zu den fiktiven Ebenen veränderbar, sodass dadurch eine Veränderung der Druckkraft in der elektrochemischen Zelleneinheit ausführbar ist. Nach der Durchführung des Verfahrens zur Konditionierung braucht somit beispielsweise zur Vergrößerung der Druckkraft in der elektrochemischen Zelleneinheit lediglich eine Mutter mit einem Innengewinde in ein Außengewinde eines Stabes eingeschraubt werden.In a further embodiment, the at least one connecting device comprises one internal thread and one external thread each on two different components, in particular one nut each with the internal thread and one bolt each with the external thread, the connecting device and the internal thread and external thread are screwed into one another and by means of a change With this screw connection between the internal thread and the external thread, the length of the at least one connecting device can be changed perpendicularly to the imaginary planes, so that the compressive force in the electrochemical cell unit can be changed as a result. After carrying out the method for conditioning, only a nut with an internal thread needs to be screwed into an external thread of a rod, for example to increase the compressive force in the electrochemical cell unit.

In einer ergänzenden Variante ist in der wenigstens einen Verbindungsvorrichtung je ein Mechanismus zur Veränderung des Abstandes zwischen den Spannelementen, insbesondere Spannplatten, in einer Richtung senkrecht zu den fiktiven Ebenen integriert, so dass vorzugsweise mit dem Mechanismus die Druckkraft zur Vorspannung des Stapels verändert wird, insbesondere nach dem Durchleiten der Konditionierflüssigkeit durch die Kanäle und/oder nach dem Ableiten der Konditionierflüssigkeit aus den Kanälen.In an additional variant, a mechanism for changing the distance between the clamping elements, in particular clamping plates, in a direction perpendicular to the fictitious planes is integrated in the at least one connecting device, so that the compressive force for prestressing the stack is preferably changed with the mechanism, in particular after the conditioning liquid has been passed through the channels and/or after the conditioning liquid has been drained from the channels.

In einer weiteren Variante wird das Verfahren während eines deaktiven Zustandes der elektrochemischen Zelleneinheit als Herstellungsverfahren ausgeführt.In a further variant, the method is carried out as a manufacturing method during a deactivated state of the electrochemical cell unit.

In einer weiteren Variante wird ein Durchleiten und/oder Fluten der Konditionierflüssigkeit durch und/oder in die Gasräume für Brennstoff und/oder ein Durchleiten und/oder Fluten der Konditionierflüssigkeit durch und/oder in die Gasräume für Oxidationsmittel ausgeführt. Beispielsweise verursacht das Durchleiten der Konditionierflüssigkeit durch die Kanäle für Brennstoff ein Durchleiten und/oder Fluten der Gasräume für Brennstoff.In a further variant, the conditioning liquid is passed through and/or flooded through and/or into the gas spaces for fuel and/or the conditioning liquid is passed through and/or flooded through and/or into the gas spaces for oxidizing agents. For example, passage of the conditioning liquid through the fuel channels causes passage and/or flooding of the fuel headspaces.

In einer zusätzlichen Ausgestaltung wird während der Durchführung des Verfahrens der pH-Wert der Konditionierflüssigkeit erfasst und bei einem erfassten pH-Wert, der größer ist als ein vorgegebener Sollwert des pH-Wertes, wird in die Konditionierflüssigkeit eine Säure zugegeben, insbesondere wird die Säure derart zugegeben bis der vorgegebene Sollwert des pH-Wertes erreicht ist. In vorteilhafter Weise kann damit ein im wesentlicher konstanter pH-Wert, beispielsweise von 2, zur Durchleitung der Konditionierflüssigkeit durch die Kanäle erreicht werden. Zweckmäßig ist eine im Wesentlicher konstanter pH-Wert ein pH-Wert, der sich um weniger als 30 %, 20 % oder 10 % unterscheidet.In an additional embodiment, the pH value of the conditioning liquid is recorded while the method is being carried out, and if the pH value recorded is greater than a predetermined target value of the pH value, an acid is added to the conditioning liquid, in particular the acid is admitted until the specified target value of the pH value is reached. An essentially constant pH value, for example 2, can thus be achieved in an advantageous manner for the passage of the conditioning liquid through the channels. Suitably, a substantially constant pH is a pH that differs by less than 30%, 20% or 10%.

In einer ergänzenden Variante wird die Temperatur der Konditionierflüssigkeit mit einem Sensor erfasst und in Abhängigkeit von der erfassten Temperatur der Konditionierflüssigkeit wird eine Heizung gesteuert und/oder geregelt, so dass die Temperatur der Konditionierflüssigkeit im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%, einem Sollwert der Temperatur entspricht. Der Sollwert als eine bestimmte Temperatur liegt beispielsweise zwischen 50°C und 100°C, insbesondere zwischen 75°C und 98°C.In an additional variant, the temperature of the conditioning liquid is recorded with a sensor and a heater is controlled and/or regulated as a function of the recorded temperature of the conditioning liquid, so that the temperature of the conditioning liquid is essentially, in particular with a deviation of less than 30%, 20% or 10%, corresponds to a setpoint of the temperature. The desired value as a specific temperature is between 50°C and 100°C, for example, in particular between 75°C and 98°C.

In einer weiteren Variante wird das in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Verfahren mit einer in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen elektrochemischen Zelleneinheit ausgeführt.In a further variant, the method described in this patent application is carried out with an electrochemical cell unit described in this patent application.

Zweckmäßig ist mit der in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen elektrochemischen Zelleneinheit ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren ausführbar.A method described in this patent application can expediently be carried out with the electrochemical cell unit described in this patent application.

In einer ergänzenden Variante ist das in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Verfahren zur Konditionierung ein Herstellungsschritt eines Verfahrens zur Herstellung einer elektrochemischen Zelleneinheit, wobei vorzugsweise vor dem Verfahren zur Konditionierung ein zur Verfügung stellen der elektrochemischen Zellen und ein Stapeln der elektrochemischen Zellen zu der elektrochemischen Zelleneinheit als Zellenstapel ausgeführt wird.In a supplementary variant, the method for conditioning described in this property right application is a production step of a method for producing an electrochemical cell unit, with the electrochemical cells being made available and the electrochemical cells being stacked to form the electrochemical cell unit as a cell stack, preferably before the conditioning method becomes.

Die Erfindung umfasst ferner ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit durchgeführt wird.The invention also includes a computer program with program code means, which are stored on a computer-readable data carrier, in order to carry out a method described in this patent application, when the computer program is carried out on a computer or a corresponding computing unit.

Bestandteil der Erfindung ist außerdem ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit durchgeführt wird.The invention also includes a computer program product with program code means that are stored on a computer-readable data carrier in order to carry out a method described in this property right application when the computer program is carried out on a computer or a corresponding processing unit.

In einer ergänzenden Ausgestaltung ist die elektrochemische Zelleneinheit eine Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie und/oder eine Elektrolysezelleneinheit zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie.In an additional embodiment, the electrochemical cell unit is a fuel cell unit as a fuel cell stack for converting electrochemical energy into electrical energy and/or an electrolytic cell unit for converting electrical energy into electrochemical energy.

Zweckmäßig sind die Bipolarplatten als Separatorplatten ausgebildet und zwischen je einer Anode und je einer Kathode eine elektrische Isolationsschicht, insbesondere eine Protonenaustauschermembran, angeordnet ist und vorzugsweise die Elektrolysezellen jeweils einen dritten Kanal für die getrennte Durchleitung eines Kühlfluid als drittes Prozessfluid umfassen.The bipolar plates are expediently designed as separator plates and an electrical insulation layer, in particular a proton exchange membrane, is arranged between each anode and each cathode, and preferably the electrolysis cells each include a third channel for the separate passage of a cooling fluid as the third process fluid.

In einer zusätzlichen Variante ist die Elektrolysezelleneinheit zusätzlich als Brennstoffzelleneinheit, insbesondere eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Brennstoffzelleneinheit, ausgebildet, so dass die Elektrolysezelleneinheit eine reversible Brennstoffzelleneinheit bildet.In an additional variant, the electrolytic cell unit is additionally designed as a fuel cell unit, in particular a fuel cell unit described in this patent application, so that the electrolytic cell unit forms a reversible fuel cell unit.

In einer weiteren Variante ist der erste Stoff Sauerstoff und der zweite Stoff Wasserstoff.In a further variant, the first substance is oxygen and the second substance is hydrogen.

In einer weiteren Variante sind die Elektrolysezellen der Elektrolysezelleneinheit Brennstoffzellen.In a further variant, the electrolytic cells of the electrolytic cell unit are fuel cells.

In einer weiteren Variante umfasst die elektrochemische Zelleneinheit ein Gehäuse und/oder eine Anschlussplatte. Der Stapel ist von dem Gehäuse und/oder der Anschlussplatte umschlossen.In a further variant, the electrochemical cell unit comprises a housing and/or a connection plate. The stack is enclosed by the housing and/or the connection board.

Erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel mit Brennstoffzellen, einen Druckgasspeicher zur Speicherung von gasförmigem Brennstoff, eine Gasfördervorrichtung zur Förderung eines gasförmigen Oxidationsmittels zu den Kathoden der Brennstoffzellen, wobei die Brennstoffzelleneinheit als eine in dieser Schutzrechtsanmelddung beschriebene Brennstoffzelleneinheit und/oder Elektrolysezelleneinheit ausgebildet ist.Fuel cell system according to the invention, in particular for a motor vehicle, comprising a fuel cell unit as a fuel cell stack with fuel cells, a compressed gas store for storing gaseous fuel, a gas delivery device for delivering a gaseous oxidizing agent to the cathodes of the fuel cells, the fuel cell unit being a fuel cell unit described in this patent application and/or Electrolytic cell unit is formed.

Erfindungsgemäßes Elektrolysesystem und/oder Brennstoffzellensystem, umfassend eine Elektrolysezelleneinheit als Elektrolysezellenstapel mit Elektrolysezellen, vorzugsweise einen Druckgasspeicher zur Speicherung von gasförmigem Brennstoff, vorzugsweise eine Gasfördervorrichtung zur Förderung eines gasförmigen Oxidationsmittels zu den Kathoden der Brennstoffzellen, einen Speicherbehälter für flüssigen Elektrolyten, eine Pumpe zur Förderung des flüssigen Elektrolyten, wobei die Elektrolysezelleneinheit als eine in dieser Schutzrechtsanmelddung beschriebene Elektrolysezelleneinheit und/oder Brennstoffzelleneinheit ausgebildet ist.Electrolysis system and/or fuel cell system according to the invention, comprising an electrolysis cell unit as an electrolysis cell stack with electrolysis cells, preferably a pressurized gas store for storing gaseous fuel, preferably a gas delivery device for delivering a gaseous oxidizing agent to the cathodes of the fuel cells, a storage container for liquid electrolyte, a pump for delivering the liquid Electrolytes, wherein the electrolytic cell unit is designed as an electrolytic cell unit and/or fuel cell unit described in this patent application.

In einer weiteren Ausgestaltung bildet die in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Brennstoffzelleneinheit zusätzlich eine Elektrolysezelleneinheit und vorzugsweise umgekehrt.In a further embodiment, the fuel cell unit described in this patent application also forms an electrolytic cell unit and preferably vice versa.

In einer weiteren Variante umfasst die elektrochemische Zelleneinheit, insbesondere Brennstoffzelleneinheit und/oder die Elektrolysezelleneinheit, wenigstens eine Verbindungsvorrichtung, insbesondere mehrere Verbindungsvorrichtungen, und Spannelemente.In a further variant, the electrochemical cell unit, in particular the fuel cell unit and/or the electrolytic cell unit, comprises at least one connecting device, in particular a plurality of connecting devices, and tensioning elements.

Zweckmäßig sind Komponenten für elektrochemische Zellen, insbesondere Brennstoffzellen und/oder Elektrolysezellen, vorzugsweise Isolationsschichten, insbesondere Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, vorzugsweise Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten, insbesondere Separatorplatten.Components for electrochemical cells, in particular fuel cells and/or electrolytic cells, preferably insulation layers, in particular proton exchange membranes, anodes, cathodes, preferably gas diffusion layers and bipolar plates, in particular separator plates, are expedient.

In einer weiteren Ausgestaltung umfassen die elektrochemischen Zellen, insbesondere Brennstoffzellen und/oder Elektrolysezellen, jeweils vorzugsweise eine Isolationsschicht, insbesondere Protonenaustauschermembran, eine Anode, eine Kathode, vorzugsweise wenigstens eine Gasdiffusionsschicht und wenigstens eine Bipolarplatte, insbesondere wenigstens eine Separatorplatte.In a further embodiment, the electrochemical cells, in particular fuel cells and/or electrolytic cells, each preferably comprise an insulating layer, in particular proton exchange membrane, an anode, a cathode, preferably at least one gas diffusion layer and at least one bipolar plate, in particular at least one separator plate.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Verbindungsvorrichtung als ein Bolzen ausgebildet und/oder ist stabförmig und/oder ist als ein Spanngurt ausgebildet.In a further embodiment, the connecting device is designed as a bolt and/or is rod-shaped and/or is designed as a tension belt.

Zweckmäßig sind die Spannelemente als Spannplatten ausgebildet.The clamping elements are expediently designed as clamping plates.

In einer weiteren Variante ist die Gasfördervorrichtung als ein Gebläse und/oder ein Kompressor und/oder ein Druckbehälter mit Oxidationsmittel ausgebildet.In a further variant, the gas conveying device is designed as a blower and/or a compressor and/or a pressure vessel with oxidizing agent.

Insbesondere umfasst die elektrochemischen Zelleneinheit, insbesondere Brennstoffzelleneinheit und/oder Elektrolysezelleneinheit, wenigstens 3, 4, 5 oder 6 Verbindungsvorrichtungen.In particular, the electrochemical cell unit, in particular a fuel cell unit and/or an electrolytic cell unit, comprises at least 3, 4, 5 or 6 connecting devices.

In einer weiteren Ausgestaltung sind die Spannelemente plattenförmig und/oder scheibenförmig und/oder eben ausgebildet und/oder als ein Gitter ausgebildet.In a further embodiment, the tensioning elements are plate-shaped and/or disk-shaped and/or flat and/or designed as a lattice.

Vorzugsweise ist der Brennstoff Wasserstoff, wasserstoffreiches Gas, Reformatgas oder Erdgas.Preferably the fuel is hydrogen, hydrogen rich gas, reformate gas or natural gas.

Zweckmäßig sind die Brennstoffzellen und/oder Elektrolysezellen im Wesentlichen eben und/oder scheibenförmig ausgebildet.The fuel cells and/or electrolytic cells are expediently designed to be essentially flat and/or disc-shaped.

In einer ergänzenden Variante ist das Oxidationsmittel Luft mit Sauerstoff oder reiner Sauerstoff.In a supplementary variant, the oxidizing agent is air with oxygen or pure oxygen.

Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit eine PEM-Brennstoffzelleneinheit mit PEM-Brennstoffzellen oder eine alkalische Brennstoffzelle (AFC).Preferably, the fuel cell unit is a PEM fuel cell unit with PEM fuel cells or an alkaline fuel cell (AFC).

Figurenlistecharacter list

Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

  • 1 eine stark vereinfachte Explosionsdarstellung eines elektrochemischen Zellensystems als Brennstoffzellensystem und Elektrolysezellensystem mit Komponenten einer elektrochemischen Zelle als Brennstoffzelle und Elektrolysezelle,
  • 2 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Brennstoffzelle und Elektrolysezelle,
  • 3 einen Längsschnitt durch elektrochemische Zellen als Brennstoffzelle und Elektrolysezelle,
  • 4 eine perspektivische Ansicht einer elektrochemischen Zelleneinheit als Brennstoffzelleneinheit und Elektrolysezelleneinheit als Brennstoffzellenstapel und Elektrolysezellenstapel,
  • 5 eine Seitenansicht der elektrochemischen Zelleneinheit als Brennstoffzelleneinheit und Elektrolysezelleneinheit als Brennstoffzellenstapel und Elektrolysezellenstapel,
  • 6 eine perspektivische Ansicht einer Bipolarplatte,
  • 7 stark vereinfachte Darstellung des elektrochemischen Zellensystems mit einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens,
  • 8 Darstellung der Verfahrensschritte zur Durchführung des Verfahrens zur Konditionierung der elektrochemischen Zelleneinheit.
Exemplary embodiments of the invention are described in more detail below with reference to the attached drawings. It shows:
  • 1 a greatly simplified exploded view of an electrochemical cell system as a fuel cell system and electrolysis cell system with components of an electrochemical cell as a fuel cell and electrolysis cell,
  • 2 a perspective view of part of a fuel cell and electrolytic cell,
  • 3 a longitudinal section through electrochemical cells as fuel cells and electrolytic cells,
  • 4 a perspective view of an electrochemical cell unit as a fuel cell unit and electrolytic cell unit as a fuel cell stack and electrolytic cell stack,
  • 5 a side view of the electrochemical cell unit as a fuel cell unit and electrolytic cell unit as a fuel cell stack and electrolytic cell stack,
  • 6 a perspective view of a bipolar plate,
  • 7 highly simplified representation of the electrochemical cell system with a device for carrying out the method,
  • 8th Representation of the process steps for carrying out the process for conditioning the electrochemical cell unit.

In den 1 bis 3 ist der grundlegende Aufbau einer Brennstoffzelle 2 als einer PEM-Brennstoffzelle 3 (Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle 3) dargestellt. Das Prinzip von Brennstoffzellen 2 besteht darin, dass mittels einer elektrochemischen Reaktion elektrische Energie bzw. elektrischer Strom erzeugt wird. An eine Anode 7 wird Wasserstoff H2 als gasförmiger Brennstoff geleitet und die Anode 7 bildet den Minuspol. An eine Kathode 8 wird ein gasförmiges Oxidationsmittel, nämlich Luft mit Sauerstoff, geleitet, d. h. der Sauerstoff in der Luft stellt das notwendige gasförmige Oxidationsmittel zur Verfügung. An der Kathode 8 findet eine Reduktion (Elektronenaufnahme) statt. Die Oxidation als Elektronenabgabe wird an der Anode 7 ausgeführt.In the 1 until 3 the basic structure of a fuel cell 2 is shown as a PEM fuel cell 3 (polymer electrolyte fuel cell 3). The principle of fuel cells 2 is that electrical energy or electrical current is generated by means of an electrochemical reaction. Hydrogen H 2 is passed as a gaseous fuel to an anode 7 and the anode 7 forms the negative pole. A gaseous oxidizing agent, namely air with oxygen, is fed to a cathode 8, ie the oxygen in the air provides the necessary gaseous oxidizing agent. At the cathode 8 there is a reduction (electrons recording) instead. The oxidation as electron release is carried out at the anode 7 .

Die Redoxgleichungen der elektrochemischen Vorgänge lauten:

  • Kathode: O2 + 4 H+ + 4 e- --» 2 H2O
  • Anode: 2 H2 --» 4 H+ + 4 e-
  • Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode: 2 H2 + O2 --» 2 H2O
The redox equations of the electrochemical processes are:
  • Cathode: O 2 + 4 H + + 4 e - --» 2 H 2 O
  • Anode: 2 H 2 --» 4 H + + 4 e -
  • Summation reaction equation of cathode and anode: 2H2 + O2 --» 2H2O

Die Differenz der Normalpotentiale der Elektrodenpaare unter Standardbedingungen als reversible Brennstoffzellenspannung oder Leerlaufspannung der unbelasteten Brennstoffzelle 2 beträgt 1,23 V. Diese theoretische Spannung von 1,23 V wird in der Praxis nicht erreicht. Im Ruhezustand und bei kleinen Strömen können Spannungen über 1,0 V erreicht werden und im Betrieb mit größeren Strömen werden Spannungen zwischen 0,5 V und 1,0 V erreicht. Die Reihenschaltung von mehreren Brennstoffzellen 2, insbesondere eine Brennstoffzelleneinheit 1 als Brennstoffzellenstapel 1 von mehreren gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 2, weist eine höhere Spannung auf, welche der Zahl der Brennstoffzellen 2 multipliziert mit der Einzelspannung je einer Brennstoffzelle 2 entspricht.The difference between the normal potentials of the pairs of electrodes under standard conditions as a reversible fuel cell voltage or no-load voltage of the unloaded fuel cell 2 is 1.23 V. This theoretical voltage of 1.23 V is not reached in practice. In the idle state and with small currents, voltages of over 1.0 V can be reached and when operating with larger currents, voltages between 0.5 V and 1.0 V are reached. The series connection of several fuel cells 2, in particular a fuel cell unit 1 as a fuel cell stack 1 of several stacked fuel cells 2, has a higher voltage, which corresponds to the number of fuel cells 2 multiplied by the individual voltage of each fuel cell 2.

Die Brennstoffzelle 2 umfasst außerdem eine Protonenaustauschermembran 5 (Proton Exchange Membrane, PEM), welche zwischen der Anode 7 und der Kathode 8 angeordnet ist. Die Anode 7 und Kathode 8 sind schichtförmig bzw. scheibenförmig ausgebildet. Die PEM 5 fungiert als Elektrolyt, Katalysatorträger und Separator für die Reaktionsgase. Die PEM 5 fungiert außerdem als elektrischer Isolator und verhindert einen elektrischen Kurzschluss zwischen der Anode 7 und Kathode 8. Im Allgemeinen werden 12 µm bis 150 µm dicke, protonenleitende Folien aus perfluorierten und sulfonierten Polymeren eingesetzt. Die PEM 5 leitet die Protonen H+ und sperrt andere Ionen als Protonen H+ im Wesentlichen, so dass aufgrund der Durchlässigkeit der PEM 5 für die Protonen H+ der Ladungstransport erfolgen kann. Die PEM 5 ist für die Reaktionsgase Sauerstoff O2 und Wasserstoff H2 im Wesentlichen undurchlässig, d. h. sperrt die Strömung von Sauerstoff O2 und Wasserstoff H2 zwischen einem Gasraum 31 an der Anode 7 mit Brennstoff Wasserstoff H2 und dem Gasraum 32 an der Kathode 8 mit Luft bzw. Sauerstoff O2 als Oxidationsmittel. Die Protonenleitfähigkeit der PEM 5 vergrößert sich mit steigender Temperatur und steigenden Wassergehalt.The fuel cell 2 also includes a proton exchange membrane 5 (proton exchange membrane, PEM), which is arranged between the anode 7 and the cathode 8 . The anode 7 and cathode 8 are in the form of layers or discs. The PEM 5 acts as an electrolyte, catalyst support and separator for the reaction gases. The PEM 5 also acts as an electrical insulator and prevents an electrical short circuit between the anode 7 and cathode 8. In general, 12 μm to 150 μm thick, proton-conducting foils made from perfluorinated and sulfonated polymers are used. The PEM 5 conducts the H + protons and essentially blocks ions other than H + protons, so that the charge transport can take place due to the permeability of the PEM 5 for the H + protons. The PEM 5 is essentially impermeable to the reaction gases oxygen O 2 and hydrogen H 2 , ie blocks the flow of oxygen O 2 and hydrogen H 2 between a gas space 31 at the anode 7 with fuel hydrogen H 2 and the gas space 32 at the cathode 8 with air or oxygen O 2 as the oxidizing agent. The proton conductivity of the PEM 5 increases with increasing temperature and increasing water content.

Auf den beiden Seiten der PEM 5, jeweils zugewandt zu den Gasräumen 31, 32, liegen die Elektroden 7, 8 als die Anode 7 und Kathode 8 auf. Eine Einheit aus der PEM 5 und den Elektroden 7, 8 wird als Membranelektrodenanordnung 6 (Membran Electrode Assembly, MEA) bezeichnet. Die Elektroden 7, 8 sind mit der PEM 5 verpresst. Die Elektroden 7, 8 sind platinhaltige Kohlenstoffpartikel, die an PTFE (Polytetrafluorethylen), FEP (Fluoriertes Ethylen-Propylen-Copolymer), PFA (Perfluoralkoxy), PVDF (Polyvinylidenfluorid) und/oder PVA (Polyvinylalkohol) gebunden sind und in mikroporösen Kohlefaser-, Glasfaser- oder Kunststoffmatten heißverpresst sind. An den Elektroden 7, 8 sind auf der Seite zu den Gasräumen 31, 32 hin normalerweise jeweils eine Katalysatorschichten 30 aufgebracht. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 31 mit Brennstoff an der Anode 7 umfasst nanodisperses Platin-Ruthenium auf grafitierten Rußpartikeln, die an einem Bindemittel gebunden sind. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 32 mit Oxidationsmittel an der Kathode 8 umfasst analog nanodisperses Platin. Als Bindemittel werden beispielsweise Nation®, eine PTFE-Emulsion oder Polyvinylalkohol eingesetzt.The electrodes 7 , 8 as the anode 7 and cathode 8 lie on the two sides of the PEM 5 , each facing towards the gas chambers 31 , 32 . A unit made up of the PEM 5 and the electrodes 7, 8 is referred to as a membrane electrode assembly 6 (membrane electrode assembly, MEA). The electrodes 7, 8 are pressed with the PEM 5. The electrodes 7, 8 are platinum-containing carbon particles bonded to PTFE (polytetrafluoroethylene), FEP (fluorinated ethylene-propylene copolymer), PFA (perfluoroalkoxy), PVDF (polyvinylidene fluoride) and/or PVA (polyvinyl alcohol) and embedded in microporous carbon fiber, Glass fiber or plastic mats are hot-pressed. A catalyst layer 30 is normally applied to each of the electrodes 7, 8 on the side facing the gas chambers 31, 32. FIG. The catalyst layer 30 on the gas space 31 with fuel on the anode 7 comprises nanodisperse platinum-ruthenium on graphitized soot particles which are bound to a binder. The catalyst layer 30 on the gas space 32 with oxidizing agent on the cathode 8 analogously comprises nanodispersed platinum. For example, Nation®, a PTFE emulsion or polyvinyl alcohol are used as binders.

Abweichend hiervon sind die Elektroden 7, 8 aus einem lonomer, beispielsweise Nation®, platinhaltigen Kohlenstoffpartikeln und Zusatzstoffen aufgebaut. Diese Elektroden 7, 8 mit dem lonomer sind aufgrund der Kohlenstoffpartikel elektrisch leitfähig und leiten auch die Protonen H+ und fungieren zusätzlich auch als Katalysatorschicht 30 wegen der platinhaltigen Kohlenstoffpartikel. Deviating from this, the electrodes 7, 8 are constructed from an ionomer, for example Nation®, platinum-containing carbon particles and additives. These electrodes 7, 8 with the ionomer are electrically conductive due to the carbon particles and also conduct the protons H + and also function as a catalyst layer 30 due to the platinum-containing carbon particles.

Membranelektrodenanordnungen 6 mit diesen Elektroden 7, 8 umfassend das lonomer bilden Membranelektrodenanordnungen 6 als CCM (catalyst coated membran).Membrane electrode assemblies 6 with these electrodes 7, 8 comprising the ionomer form membrane electrode assemblies 6 as a CCM (catalyst coated membrane).

Auf der Anode 7 und der Kathode 8 liegt eine Gasdiffusionsschicht 9 (Gas Diffusion Layer, GDL) auf. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Anode 7 verteilt den Brennstoff aus Kanälen 12 für Brennstoff gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Anode 7. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Kathode 8 verteilt das Oxidationsmittel aus Kanälen 13 für Oxidationsmittel gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Kathode 8. Die GDL 9 zieht außerdem Reaktionswasser in umgekehrter Richtung zur Strömungsrichtung der Reaktionsgase ab, d. h. in einer Richtung je von der Katalysatorschicht 30 zu den Kanälen 12, 13. Ferner hält die GDL 9 die PEM 5 feucht und leitet den Strom. Die GDL 9 ist beispielsweise aus einem hydrophobierten Kohlepapier als Träger- und Substratschicht und einer gebundenen Kohlepulverschicht als mikroporöser Schicht (microporous layer) aufgebaut.On the anode 7 and the cathode 8 there is a gas diffusion layer 9 (gas diffusion layer, GDL). The gas diffusion layer 9 on the anode 7 distributes the fuel from fuel channels 12 evenly onto the catalyst layer 30 on the anode 7. The gas diffusion layer 9 on the cathode 8 distributes the oxidant from oxidant channels 13 evenly onto the catalyst layer 30 on the cathode 8. The GDL 9 also withdraws reaction water in the reverse direction to the direction of flow of the reaction gases, i. H. in one direction each from the catalyst layer 30 to the channels 12, 13. Furthermore, the GDL 9 keeps the PEM 5 wet and conducts the current. The GDL 9 is constructed, for example, from hydrophobic carbon paper as the carrier and substrate layer and a bonded carbon powder layer as the microporous layer.

Auf der GDL 9 liegt eine Bipolarplatte 10 auf. Die elektrisch leitfähige Bipolarplatte 10 dient als Stromkollektor, zur Wasserableitung und zur Leitung der Reaktionsgase als Prozessfluide durch die Kanalstrukturen 29 und/oder Flussfelder 29 und zur Ableitung der Abwärme, welche insbesondere bei der exothermischen elektrochemischen Reaktion an der Kathode 8 auftritt. Zum Ableiten der Abwärme sind in die Bipolarplatte 10 Kanäle 14 als Kanalstruktur 29 zur Durchleitung eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels als Prozessfluid eingearbeitet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 31 für Brennstoff ist von Kanälen 12 gebildet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel ist von Kanälen 13 gebildet. Als Material für die Bipolarplatten 10 werden beispielsweise Metall, leitfähige Kunststoffe und Kompositwerkstoffe oder Grafit eingesetzt.A bipolar plate 10 rests on the GDL 9 . The electrically conductive bipolar plate 10 serves as a current collector, for water drainage and for conducting the reaction gases as process fluids through the channel structures 29 and/or flow fields 29 and for dissipating the waste heat, which occurs in particular during the exothermic electrochemical reaction at the cathode 8. In order to dissipate the waste heat, channels 14 are incorporated into the bipolar plate 10 as a channel structure 29 for conducting a liquid or gaseous coolant as the process fluid. The channel structure 29 in the gas space 31 for fuel is formed by channels 12 . The channel structure 29 in the gas space 32 for the oxidizing agent is formed by channels 13 . Metal, conductive plastics and composite materials or graphite, for example, are used as the material for the bipolar plates 10 .

In einer Brennstoffzelleneinheit 1 und/oder einem Brennstoffzellenstapel 1 und/oder einem Brennstoffzellenstack 1 sind mehrere Brennstoffzellen 2 fluchtend gestapelt angeordnet (4 und 5). In 1 ist eine Explosionsdarstellung von zwei fluchtend gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 2 abgebildet. Dichtungen 11 dichten die Gasräume 31, 32 bzw. Kanäle 12, 13 fluiddicht ab. In einem Druckgasspeicher 21 (1) ist Wasserstoff H2 als Brennstoff mit einem Druck von beispielsweise 350 bar bis 700 bar gespeichert. Aus dem Druckgasspeicher 21 wird der Brennstoff durch eine Hochdruckleitung 18 zu einem Druckminderer 20 geleitet zur Reduzierung des Druckes des Brennstoffes in einer Mitteldruckleitung 17 von ungefähr 10 bar bis 20 bar. Aus der Mitteldruckleitung 17 wird der Brennstoff zu einem Injektor 19 geleitet. An dem Injektor 19 wird der Druck des Brennstoffes auf einen Einblasdruck zwischen 1 bar und 3 bar reduziert. Von dem Injektor 19 wird der Brennstoff einer Zufuhrleitung 16 für Brennstoff (1) zugeführt und von der Zufuhrleitung 16 den Kanälen 12 für Brennstoff, welche die Kanalstruktur 29 für Brennstoff bilden. Der Brennstoff durchströmt dadurch den Gasraum 31 für den Brennstoff. Der Gasraum 31 für den Brennstoff ist von den Kanälen 12 und der GDL 9 an der Anode 7 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 12 wird der nicht in der Redoxreaktion an der Anode 7 verbrauchte Brennstoff und gegebenenfalls Wasser aus einer kontrollieren Befeuchtung der Anode 7 durch eine Abfuhrleitung 15 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet.In a fuel cell unit 1 and/or a fuel cell stack 1 and/or a fuel cell stack 1, a plurality of fuel cells 2 are arranged stacked in alignment ( 4 and 5 ). In 1 is an exploded view of two aligned stacked fuel cells 2 shown. Seals 11 seal the gas chambers 31, 32 or channels 12, 13 in a fluid-tight manner. In a compressed gas accumulator 21 ( 1 ) hydrogen H 2 is stored as a fuel at a pressure of, for example, 350 bar to 700 bar. From the compressed gas reservoir 21, the fuel is passed through a high-pressure line 18 to a pressure reducer 20 to reduce the pressure of the fuel in a medium-pressure line 17 from approximately 10 bar to 20 bar. The fuel is routed to an injector 19 from the medium-pressure line 17 . At the injector 19, the pressure of the fuel is reduced to an injection pressure of between 1 bar and 3 bar. From the injector 19, the fuel is supplied to a supply line 16 for fuel ( 1 ) and from the supply line 16 to the channels 12 for fuel, which form the channel structure 29 for fuel. As a result, the fuel flows through the gas space 31 for the fuel. The gas space 31 for the fuel is formed by the channels 12 and the GDL 9 on the anode 7 . After flowing through the channels 12 , the fuel not consumed in the redox reaction at the anode 7 and any water from controlled humidification of the anode 7 are discharged from the fuel cells 2 through a discharge line 15 .

Eine Gasfördereinrichtung 22, beispielsweise als ein Gebläse 23 oder ein Kompressor 24 ausgebildet, fördert Luft aus der Umgebung als Oxidationsmittel in eine Zufuhrleitung 25 für Oxidationsmittel. Aus der Zufuhrleitung 25 wird die Luft den Kanälen 13 für Oxidationsmittel, welche eine Kanalstruktur 29 an den Bipolarplatten 10 für Oxidationsmittel bilden, zugeführt, so dass das Oxidationsmittel den Gasraum 32 für das Oxidationsmittel durchströmt. Der Gasraum 32 für das Oxidationsmittel ist von den Kanälen 13 und der GDL 9 an der Kathode 8 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 13 bzw. des Gasraumes 32 für das Oxidationsmittel 32 wird das nicht an der Kathode 8 verbrauchte Oxidationsmittel und das an der Kathode 8 aufgrund der elektrochemischen Redoxreaktion entstehenden Reaktionswasser durch eine Abfuhrleitung 26 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet. Eine Zufuhrleitung 27 dient zur Zuführung von Kühlmittel in die Kanäle 14 für Kühlmittel und eine Abfuhrleitung 28 dient zur Ableitung des durch die Kanäle 14 geleiteten Kühlmittels. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 sind in 1 aus Vereinfachungsgründen als gesonderte Leitungen dargestellt. Am Endbereich in der Nähe der Kanäle 12, 13, 14 sind im Stapel als Stack der Brennstoffzelleneinheit 1 fluchtende Fluidöffnungen 41 an Abdichtplatten 39 als Verlängerung am Endbereich 40 der aufeinander liegender Bipolarplatten 10 (6) und Membranelektrodenanordnungen 6 (nicht dargestellt) ausgebildet. A gas conveying device 22, embodied for example as a fan 23 or a compressor 24, conveys air from the environment as oxidizing agent into a supply line 25 for oxidizing agent. The air is supplied from the supply line 25 to the channels 13 for oxidizing agent, which form a channel structure 29 on the bipolar plates 10 for oxidizing agent, so that the oxidizing agent flows through the gas space 32 for the oxidizing agent. The gas space 32 for the oxidizing agent is formed by the channels 13 and the GDL 9 on the cathode 8 . After the oxidizing agent 32 has flowed through the channels 13 or the gas space 32, the oxidizing agent not consumed at the cathode 8 and the water of reaction formed at the cathode 8 due to the electrochemical redox reaction are discharged from the fuel cells 2 through a discharge line 26. A supply line 27 is used to supply coolant into the channels 14 for coolant and a discharge line 28 is used to discharge the coolant conducted through the channels 14 . The supply and discharge lines 15, 16, 25, 26, 27, 28 are in 1 shown as separate lines for reasons of simplification. At the end area in the vicinity of the channels 12, 13, 14 are in the stack as a stack of the fuel cell unit 1 aligned fluid openings 41 on sealing plates 39 as an extension at the end area 40 of the bipolar plates 10 ( 6 ) and membrane electrode assemblies 6 (not shown) are formed.

Die Brennstoffzellen 2 und die Komponenten der Brennstoffzellen 2 sind scheibenförmig ausgebildet und spannen zueinander im Wesentlichen parallel ausgerichtete fiktive Ebenen 59 auf. Die fluchtenden Fluidöffnungen 41 und Dichtungen (nicht dargestellt) in einer Richtung senkrecht zu den fiktiven Ebenen 59 zwischen den Fluidöffnungen 41 bilden somit einen Zuführkanal 42 für Oxidationsmittel, einen Abführkanal 43 für Oxidationsmittel, einen Zuführkanal 44 für Brennstoff, einen Abführkanal 45 für Brennstoff, einen Zuführkanal 46 für Kühlmittel und einen Abführkanal 47 für Kühlmittel. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 außerhalb des Stapels der Brennstoffzelleneinheit 1 sind als Prozessfluidleitungen ausgebildet. Die Zufuhr- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 außerhalb des Stapels der Brennstoffzelleneinheit 1 münden in die Zuführ- und Abführkanäle 42, 43, 44, 45, 46, 47 innerhalb des Stapels der Brennstoffzelleneinheit 1. Der Brennstoffzellenstack 1 zusammen mit dem Druckgasspeicher 21 und der Gasfördereinrichtung 22 bildet ein Brennstoffzellensystem 4.The fuel cells 2 and the components of the fuel cells 2 are disk-shaped and span imaginary planes 59 aligned essentially parallel to one another. The aligned fluid openings 41 and seals (not shown) in a direction perpendicular to the notional planes 59 between the fluid openings 41 thus form an oxidant supply duct 42, an oxidant discharge duct 43, a fuel supply duct 44, a fuel discharge duct 45, a Supply channel 46 for coolant and a discharge channel 47 for coolant. The supply and discharge lines 15, 16, 25, 26, 27, 28 outside the stack of the fuel cell unit 1 are designed as process fluid lines. The supply and discharge lines 15, 16, 25, 26, 27, 28 outside the stack of the fuel cell unit 1 open into the supply and discharge channels 42, 43, 44, 45, 46, 47 inside the stack of the fuel cell unit 1. The fuel cell stack 1 together with the compressed gas reservoir 21 and the gas delivery device 22 forms a fuel cell system 4.

In der Brennstoffzelleneinheit 1 sind die Brennstoffzellen 2 zwischen zwei Spannelementen 33 als Spannplatten 34 angeordnet. Eine erste Spannplatte 35 liegt auf der ersten Brennstoffzelle 2 auf und eine zweiten Spannplatte 36 liegt auf der letzten Brennstoffzelle 2 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst ungefähr 200 bis 400 Brennstoffzellen 2, die aus zeichnerischen Gründen nicht alle in 4 und 5 dargestellt sind. Die Spannelemente 33 bringen auf die Brennstoffzellen 2 eine Druckkraft auf, d. h. die erste Spannplatte 35 liegt mit einer Druckkraft auf der ersten Brennstoffzelle 2 auf und die zweite Spannplatte 36 liegt mit einer Druckkraft auf der letzten Brennstoffzelle 2 auf. Damit ist der Brennstoffzellenstapel 2 verspannt, um die Dichtheit für den Brennstoff, das Oxidationsmittel und das Kühlmittel, insbesondere aufgrund der elastischen Dichtungen 11, zu gewährleisten und außerdem den elektrischen Kontaktwiderstand innerhalb des Brennstoffzellenstapels 1 möglichst klein zu halten. Zur Verspannung der Brennstoffzellen 2 mit den Spannelementen 33 sind an der Brennstoffzelleneinheit 1 vier Verbindungsvorrichtungen 37 als Bolzen 38 ausgebildet, welche auf Zug beansprucht sind. Die vier Bolzen 38 sind mit den Spanplatten 34 verbunden.The fuel cells 2 are arranged as clamping plates 34 between two clamping elements 33 in the fuel cell unit 1 . A first clamping plate 35 lies on the first fuel cell 2 and a second clamping plate 36 lies on the last fuel cell 2 . The fuel cell unit 1 comprises approximately 200 to 400 fuel cells 2, not all of which are shown in 4 and 5 are shown. The clamping elements 33 apply a compressive force to the fuel cells 2, ie the first clamping plate 35 rests on the first fuel cell 2 with a compressive force and the second clamping plate 36 rests on the last fuel cell 2 with a compressive force. The fuel cell stack 2 is thus braced to ensure the tightness of the fuel, the oxidizing agent and the coolant, in particular due to the elastic seals 11, and also to keep the electrical contact resistance within the fuel cell stack 1 as small as possible. To brace the fuel cells 2 with the tensioning elements 33, four connecting devices 37 are designed as bolts 38 on the fuel cell unit 1, which are subjected to tensile stress. The four bolts 38 are connected to the chipboards 34 .

In 6 ist die Bipolarplatte 10 der Brennstoffzelle 2 dargestellt. Die Bipolarplatte 10 umfasst die Kanäle 12, 13 und 14 als drei getrennte Kanalstrukturen 29. Die Kanäle 12, 13 und 14 sind in 6 nicht gesondert dargestellt, sondern lediglich vereinfacht als Schicht einer Kanalstruktur 29. Die Fluidöffnungen 41 an den Abdichtplatten 39 der Bipolarplatten 10 und Membranelektrodenanordnungen 6 (nicht dargestellt) sind fluchtend gestapelt angeordnet innerhalb der Brennstoffzelleneinheit 1, so dass sich Zuführ- und Abführkanäle 42, 43, 44, 45, 46, 47 ausbilden. Dabei sind zwischen den Abdichtplatten 39 nicht dargestellte Dichtungen angeordnet zur fluiddichten Abdichtung der von den Fluidöffnungen 41 gebildeten Zuführ- und Abführkanäle 42, 43, 44, 45, 46, 47.In 6 the bipolar plate 10 of the fuel cell 2 is shown. The bipolar plate 10 includes the channels 12, 13 and 14 as three separate channel structures 29. The channels 12, 13 and 14 are in 6 not shown separately, but only in simplified form as a layer of a channel structure 29. The fluid openings 41 on the sealing plates 39 of the bipolar plates 10 and membrane electrode arrangements 6 (not shown) are arranged stacked in alignment within the fuel cell unit 1, so that supply and discharge channels 42, 43, 44, 45, 46, 47. Seals (not shown) are arranged between the sealing plates 39 for fluid-tight sealing of the supply and discharge channels 42, 43, 44, 45, 46, 47 formed by the fluid openings 41.

Da die Bipolarplatte 10 auch den Gasraum 31 für Brennstoff von dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel fluiddicht abtrennt und ferner auch den Kanal 14 für Kühlmittel fluiddicht abdichtet kann für die Bipolarplatte 10 ergänzend auch der Begriff der Separatorplatte 51 zur fluiddichten Trennung bzw. Separierung von Prozessfluiden gewählt werden. Damit wird unter dem Begriff der Bipolarplatte 10 auch der Begriff der Separatorplatte 51 subsumiert und umgekehrt. Die Kanäle 12 für Brennstoff, die Kanäle 13 für Oxidationsmittel und die Kanäle 14 für Kühlmittel der Brennstoffzelle 2 sind auch an der elektrochemische Zelle 52 ausgebildet, jedoch mit einer anderen Funktion.Since the bipolar plate 10 also separates the gas chamber 31 for fuel from the gas chamber 32 for oxidizing agent in a fluid-tight manner and also seals the channel 14 for coolant in a fluid-tight manner, the term separator plate 51 for the fluid-tight separation or separation of process fluids can also be selected for the bipolar plate 10 . The term separator plate 51 is thus also subsumed under the term bipolar plate 10 and vice versa. The channels 12 for fuel, the channels 13 for oxidant and the channels 14 for coolant of the fuel cell 2 are also formed on the electrochemical cell 52, but with a different function.

Die Brennstoffzelleneinheit 1 kann auch als Elektrolysezelleneinheit 49 eingesetzt und betrieben werden, d. h. bildet eine reversible Brennstoffzelleneinheit 1. Im Nachfolgenden werden einige Merkmale beschrieben, die den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 1 als Elektrolysezelleneinheit 49 ermöglichen. Für die Elektrolyse wird ein flüssiger Elektrolyt, nämlich stark verdünnte Schwefelsäure mit einer Konzentration von ungefähr c (H2SO4)=1 mol/l, verwendet. Eine ausrechende Konzentration von Oxoniumionen H3O+ in dem flüssigen Elektrolyten ist notwendig für die Elektrolyse.The fuel cell unit 1 can also be used and operated as an electrolytic cell unit 49, ie forms a reversible fuel cell unit 1. A number of features that allow the fuel cell unit 1 to be operated as an electrolytic cell unit 49 are described below. A liquid electrolyte, namely highly diluted sulfuric acid with a concentration of approximately c(H 2 SO 4 )=1 mol/l, is used for the electrolysis. A sufficient concentration of oxonium ions H 3 O + in the liquid electrolyte is necessary for the electrolysis.

Bei der Elektrolyse laufen die nachfolgenden Redoxreaktionen ab:

  • Kathode: 4 H3O+ + 4 e- --» 2 H2 + 4 H2O
  • Anode: 6 H2O --» O2 + 4 H3O+ + 4 e-
  • Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode: 2 H2O --» 2 H2 + O2
The following redox reactions take place during electrolysis:
  • Cathode: 4 H 3 O + + 4 e - --» 2 H 2 + 4 H 2 O
  • Anode: 6 H 2 O --» O 2 + 4 H 3 O + + 4 e -
  • Summation reaction equation of cathode and anode: 2H2O --» 2H2 + O2

Die Polung der Elektroden 7, 8 erfolgt mit Elektrolyse bei dem Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 umgekehrt (nicht dargestellt) wie bei dem Betrieb als Brennstoffzelleneinheit 1, so dass sich in den Kanälen 12 für Brennstoff, durch den der flüssige Elektrolyt geleitet wird, an den Kathoden Wasserstoff H2 als zweiter Stoff gebildet wird und der Wasserstoff H2 von dem flüssigen Elektrolyten aufgenommen und gelöst mittransportiert wird. Analog wird durch die Kanäle 13 für Oxidationsmittel der flüssige Elektrolyt geleitet und an den Anoden in bzw. an Kanälen 13 für Oxidationsmittel Sauerstoff O2 als erster Stoff gebildet wird. Die Brennstoffzellen 2 der Brennstoffzelleneinheit 1 fungieren beim Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 als Elektrolysezellen 50. Die Brennstoffzellen 2 und Elektrolysezellen 50 bilden damit elektrochemische Zellen 52. Der gebildete Sauerstoff O2 wird von dem flüssigen Elektrolyten aufgenommen und gelöst mittransportiert. Der flüssige Elektrolyt ist in einem Speicherbehälter 54 gelagert. In 1 sind aus zeichnerischen Vereinfachungsgründen zwei Speicherbehälter 54 des Brennstoffzellensystem 4 dargestellt, welches auch als Elektrolysezellensystem 48 fungiert. Das 3-Wege-Ventil 55 an der Zuführleitung 16 für Brennstoff wird im Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 umgeschaltet, so dass nicht Brennstoff aus dem Druckgasspeicher 21, sondern das flüssige Elektrolyt mit einer Pumpe 56 aus dem Speicherbehälter 54 in die Zuführleitung 16 für Brennstoff eingeleitet wird. Ein 3-Wege-Ventil 55 an der Zuführleitung 25 für Oxidationsmittel wird im Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 umgeschaltet, so dass nicht Oxidationsmittel als Luft aus der Gasfördereinrichtung 22, sondern das flüssige Elektrolyt mit der Pumpe 56 aus dem Speicherbehälter 54 in die Zuführleitung 25 für Oxidationsmittel eingeleitet wird. Die Brennstoffzelleneinheit 1, welche auch als Elektrolysezelleneinheit 49 fungiert, weist im Vergleich zu einer nur als Brennstoffzelleneinheit 1 betreibbaren Brennstoffzelleneinheit 1 optional Modifikationen an den Elektroden 7, 8 und der Gasdiffusionsschicht 9 auf: beispielsweise ist die Gasdiffusionsschicht 9 nicht saugfähig, so das der flüssige Elektrolyt leicht vollständig abläuft oder die Gasdiffusionsschicht 9 ist nicht ausgebildet oder die Gasdiffusionsschicht 9 ist eine Struktur an der Bipolarplatte 10. Die Elektrolysezelleneinheit 49 mit dem Speicherbehälter 54, der Pumpe 56 und den Abscheidern 57, 58 und vorzugsweise dem 3-Wege-Ventil 55 bildet ein elektrochemisches Zellensystem 60.The polarity of the electrodes 7, 8 with electrolysis when operating as an electrolytic cell unit 49 is reversed (not shown) as when operating as a fuel cell unit 1, so that in the channels 12 for fuel, through which the liquid electrolyte is conducted, at the cathodes Hydrogen H 2 is formed as a second substance and the hydrogen H 2 is taken up by the liquid electrolyte and transported in dissolved form. Analogously, the liquid electrolyte is conducted through the channels 13 for oxidizing agent and oxygen O 2 is formed as the first substance at the anodes in or at channels 13 for oxidizing agent. The fuel cells 2 of the fuel cell unit 1 function as electrolytic cells 50 during operation as an electrolytic cell unit 49. The fuel cells 2 and electrolytic cells 50 thus form electrochemical cells 52. The oxygen O 2 formed is absorbed by the liquid electrolyte and transported in dissolved form. The liquid electrolyte is stored in a storage tank 54 . In 1 For reasons of simplification in the drawing, two storage tanks 54 of the fuel cell system 4 are shown, which also functions as an electrolytic cell system 48 . The 3-way valve 55 on the fuel supply line 16 is switched over during operation as an electrolytic cell unit 49, so that the liquid electrolyte is introduced into the fuel supply line 16 from the storage tank 54 with a pump 56 and not fuel from the compressed gas storage tank 21 . A 3-way valve 55 on the supply line 25 for oxidant is switched over during operation as an electrolytic cell unit 49, so that the liquid electrolyte with the pump 56 from the storage tank 54 is fed into the supply line 25 for oxidant rather than oxidant as air from the gas delivery device 22 is initiated. The fuel cell unit 1, which also functions as an electrolytic cell unit 49, has optional modifications to the electrodes 7, 8 and the gas diffusion layer 9 compared to a fuel cell unit 1 that can only be operated as a fuel cell unit 1: for example, the gas diffusion layer 9 is not absorbent, so that the liquid electrolyte easy to completely drain or the gas diffusion layer 9 is not formed or the gas diffusion layer 9 is a structure on the bipolar plate 10. The electrolytic cell unit 49 with the storage tank 54, the pump 56 and the separators 57, 58 and preferrably wise the 3-way valve 55 forms an electrochemical cell system 60.

An der Abführleitung 15 für Brennstoff ist ein Abscheider 57 für Wasserstoff angeordnet. Der Abscheider 57 scheidet aus dem Elektrolyten mit Wasserstoff den Wasserstoff ab und der abgeschiedene Wasserstoff wird mit einem nicht dargestellten Verdichter in den Druckgasspeicher 21 eingeleitet. Der aus dem Abscheider 57 für Wasserstoff abgeleitete Elektrolyt wird anschließend wieder dem Speicherbehälter 54 für den Elektrolyten mit einer Leitung zugeführt. An der Abführleitung 26 für Brennstoff ist ein Abscheider 58 für Sauerstoff angeordnet. Der Abscheider 58 scheidet aus dem Elektrolyten mit Sauerstoff den Sauerstoff ab und der abgeschiedene Sauerstoff wird mit einem nicht dargestellten Verdichter in einem nicht dargestellten Druckgasspeicher für Sauerstoff eingeleitet. Der Sauerstoff in dem nicht dargestellten Druckgasspeicher für Sauerstoff kann optional für den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 1 genutzt werden indem mit einer nicht dargestellten Leitung der Sauerstoff in die Zuführleitung 25 für Oxidationsmittel gleitet wird beim Betrieb als Brennstoffzelleneinheit 1. Der aus dem Abscheider 58 für Sauerstoff abgeleitete Elektrolyt wird anschließend wieder dem Speicherbehälter 54 für den Elektrolyten mit einer Leitung zugeführt. Die Kanäle 12, 13 und die Abführ- und Zuführleitungen 15, 16, 25, 26 sind dahingehend ausgebildet, dass nach der Verwendung als Elektrolysezelleneinheit 49 und dem Abschalten der Pumpe 56 der flüssige Elektrolyt wieder vollständig in den Speicherbehälter 54 zurück läuft aufgrund der Schwerkraft. Optional wird nach der Verwendung als Elektrolysezelleneinheit 49 und vor der Verwendung als Brennstoffzelleneinheit 1 durch die Kanäle 12, 13 und die Abführ- und Zuführleitungen 15, 16, 25, 26 ein Inertgas durchgeleitet zum vollständigen Entfernen des flüssigen Elektrolyten vor dem Durchleiten von gasförmigem Brennstoff und Oxidationsmittel. Die Brennstoffzellen 2 und die Elektrolysezellen 2 bilden damit elektrochemische Zellen 52. Die Brennstoffzelleneinheit 1 und die Elektrolysezelleneinheit 49 bilden somit eine elektrochemische Zelleneinheit 53. Die Kanäle 12 für Brennstoff und der Kanäle für Oxidationsmittel bilden damit Kanäle 12, 13 zum Durchleiten des flüssigen Elektrolyten beim Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 und dies gilt analog für die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26. Eine Elektrolysezelleneinheit 49 benötigt aus prozesstechnischen Gründen normalerweise keine Kanäle 14 zum Durchleiten von Kühlmittel. In einer elektrochemischen Zelleneinheit 49 bilden die Kanäle 12 für Brennstoff auch Kanäle 12 zum Durchleiten von Brennstoff und/oder Elektrolyten und die Kanäle 13 für Oxidationsmittel bilden auch Kanäle 13 zum Durchleiten von Brennstoff und/oder Elektrolyten.A separator 57 for hydrogen is arranged on the discharge line 15 for fuel. The separator 57 separates the hydrogen from the electrolyte with hydrogen and the separated hydrogen is introduced into the compressed gas reservoir 21 with a compressor (not shown). The electrolyte discharged from the hydrogen separator 57 is then returned to the electrolyte storage tank 54 through a pipe. A separator 58 for oxygen is arranged on the discharge line 26 for fuel. The separator 58 separates the oxygen from the electrolyte with oxygen, and the separated oxygen is introduced with a compressor (not shown) into a compressed gas reservoir (not shown) for oxygen. The oxygen in the compressed gas reservoir for oxygen, not shown, can optionally be used to operate the fuel cell unit 1 by using a line, not shown, to slide the oxygen into the supply line 25 for oxidizing agent when operating as a fuel cell unit 1. The electrolyte derived from the separator 58 for oxygen is then fed back to the storage tank 54 for the electrolyte with a line. The channels 12, 13 and the discharge and supply lines 15, 16, 25, 26 are designed in such a way that after use as an electrolytic cell unit 49 and the pump 56 has been switched off, the liquid electrolyte runs back completely into the storage container 54 due to gravity. Optionally, after use as an electrolytic cell unit 49 and before use as a fuel cell unit 1, an inert gas is passed through the channels 12, 13 and the discharge and supply lines 15, 16, 25, 26 for the complete removal of the liquid electrolyte before the passage of gaseous fuel and oxidizing agent. The fuel cells 2 and the electrolytic cells 2 thus form electrochemical cells 52. The fuel cell unit 1 and the electrolytic cell unit 49 thus form an electrochemical cell unit 53. The channels 12 for fuel and the channels for oxidizing agent thus form channels 12, 13 for the passage of the liquid electrolyte during operation as an electrolytic cell unit 49 and this applies analogously to the supply and discharge lines 15, 16, 25, 26. An electrolytic cell unit 49 does not normally require any channels 14 for the passage of coolant for process-related reasons. In an electrochemical cell unit 49, the channels 12 for fuel also form channels 12 for passing fuel and/or electrolyte and the channels 13 for oxidant also form channels 13 for passing fuel and/or electrolyte.

In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Brennstoffzelleneinheit 1 als eine alkalische Brennstoffzelleneinheit 1 ausgebildet. Als mobiler Elektrolyt wird Kalilauge als Kaliumhydroxid-Lösung eingesetzt. Die Brennstoffzellen 2 sind gestapelt angeordnet. Dabei kann ein monopolarer Zellaufbau oder ein bipolarer Zellaufbau ausgebildet sein. Die Kaliumhydroxid-Lösung zirkuliert zwischen einer Anode und Kathode und transportiert Reaktionswasser, Wärme und Verunreinigungen (Carbonate, Gelöstgase) ab. Die Brennstoffzelleneinheit 1 kann auch als reversible Brennstoffzelleneinheit 1, d. h. als Elektrolysezelleneinheit 49, betrieben werden.In a further exemplary embodiment, which is not shown, the fuel cell unit 1 is designed as an alkaline fuel cell unit 1 . Potassium hydroxide solution is used as a mobile electrolyte. The fuel cells 2 are stacked. A monopolar cell structure or a bipolar cell structure can be formed. The potassium hydroxide solution circulates between an anode and cathode and transports reaction water, heat and impurities (carbonates, dissolved gases) away. The fuel cell unit 1 can also be used as a reversible fuel cell unit 1, i. H. as an electrolytic cell unit 49.

In 7 ist das elektrochemisches Zellensystem 60 dargestellt mit einer Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Konditionierung der elektrochemischen Zelleneinheit 53 als Brennstoffzelleneinheit 1. Die Vorrichtung umfasst einen Speicherbehälter 67, welcher mit einer Konditionierflüssigkeit 68 als im Wesentlichen Wasser befüllt ist. Der Speicherbehälter 67 ermöglicht im Wesentlichen ein zur Verfügung stellen 73 der Konditionierflüssigkeit 68 für die zeitlich nacheinander zu konditionierenden elektrochemischen Zelleneinheiten 53. Das stark vereinfacht dargestellte elektrochemische Zellensystem 60 als das Brennstoffzellensystem 4 weist die Zufuhrleitung 25 für Oxidationsmittel, die Abfuhrleitung 26 für Oxidationsmittel und Wasser, die Zufuhrleitung 16 für Brennstoff und die Abfuhrleitung 15 für Brennstoff auf und diese Leitungen 15, 16, 25 und 26 sind in 7 an dem elektrochemischen Zellensystems 60 nicht dargestellt. In der Zufuhrleitung 16 für Brennstoff ist eine Öffnung 61 ausgebildet, in der Zufuhrleitung 25 für Oxidationsmittel ist eine Öffnung 62 ausgebildet, in der Abfuhrleitung 15 für Brennstoff ist eine Öffnung 63 ausgebildet und in der Abfuhrleitung 26 für Oxidationsmittel ist eine Öffnung 64 ausgebildet. In diese Öffnungen 61, 62, 63, 64 münden Leitungen 65 für eine Konditionierflüssigkeit. In die Leitungen 65 sind im Bereich der Öffnungen 61, 62, 63, 64 jeweils Schließorgan 66 zum Öffnen und Schließen der Leitungen 65 ausgebildet, so dass bei geschlossenen Schließorganen 66 einfach eine andere Brennstoffzelleneinheit 1 an die Vorrichtung hydraulisch angeschlossen werden kann. Die Schließorgane 66 sind beispielsweise als ein Hahn oder ein Ventil ausgebildet. In zwei Leitungen 65 für die Konditionierflüssigkeit 58 ist jeweils eine Umwälzpumpe 69 eingebaut. Außerdem ist in eine, in den Speicherbehälter 67 mündende Leitung 65 ein Sensor 70 zur Erfassung des pH-Wertes eingebaut. Zusätzlich ist in den Speicherbehälter 67 eine Zugabevorrichtung 71 zur Zugabe von Säure als Zusatzstoff in die Konditionierflüssigkeit 68 eingebaut. Bei einer Abweichung des pH-Wertes der Konditionierflüssigkeit 68 von einem Sollwert, beispielsweise ein pH-Wert von 2, wird beispielsweise bei einem Erreichen eines pH-Wertes von 2,5 mit der Zugabevorrichtung 71 die Säure als der Zusatzstoff zugegeben. Damit kann während der Durchführung des Verfahrens ein im Wesentlichen konstanter pH-Wert der Konditionierflüssigkeit 68 gewährleistet werden. Außerdem ist in den Speicherbehälter 67 eine Heizung 72 eingebaut zum Erwärmen der Konditionierflüssigkeit auf 90°C. Mit einem nicht dargestellten Temperatursensor wird die Temperatur der Konditionierflüssigkeit erfasst und bei einer Abweichung der Temperatur der Konditionierflüssigkeit von einem vorgegebenen Sollwert wird die Heizung 72 ein- oder ausgeschaltet. Damit kann die Konditionierflüssigkeit mit einer im Wesentlich konstanten Temperatur von 90°C durch die Kanäle 12, 13 geleitet werden.In 7 the electrochemical cell system 60 is shown with a device for carrying out a method for conditioning the electrochemical cell unit 53 as a fuel cell unit 1. The device comprises a storage container 67 which is filled with a conditioning liquid 68 as essentially water. The storage container 67 essentially enables the conditioning liquid 68 to be made available 73 for the electrochemical cell units 53 to be conditioned one after the other. the fuel supply line 16 and the fuel discharge line 15, and these lines 15, 16, 25 and 26 are in 7 not shown on the electrochemical cell system 60. An orifice 61 is formed in fuel supply line 16 , an orifice 62 is formed in oxidant supply line 25 , an orifice 63 is formed in fuel discharge line 15 , and an orifice 64 is formed in oxidant discharge line 26 . Lines 65 for a conditioning liquid open into these openings 61, 62, 63, 64. In the lines 65 in the area of the openings 61, 62, 63, 64 there are closing elements 66 for opening and closing the lines 65, so that when the closing elements 66 are closed another fuel cell unit 1 can simply be connected hydraulically to the device. The closing elements 66 are designed, for example, as a cock or a valve. A circulating pump 69 is installed in each of two lines 65 for the conditioning liquid 58 . In addition, a sensor 70 for detecting the pH value is installed in a line 65 which opens into the storage container 67 . In addition, an addition device 71 for adding acid as an additive to the conditioning liquid 68 is built into the storage tank 67 . If the pH value of the conditioning liquid 68 deviates from a target value, for example a pH value of 2, for example when a pH value of 2.5 is reached, with the addition device 71 added the acid as the additive. A substantially constant pH value of the conditioning liquid 68 can thus be ensured while the method is being carried out. In addition, a heater 72 is built into the storage container 67 for heating the conditioning liquid to 90°C. The temperature of the conditioning liquid is detected by a temperature sensor, not shown, and if the temperature of the conditioning liquid deviates from a predetermined desired value, the heater 72 is switched on or off. The conditioning liquid can thus be conducted through the channels 12, 13 at a substantially constant temperature of 90°C.

Es wird ein Durchleiten 74 der Konditionierflüssigkeit 68 durch die Kanäle 12 für Brennstoff und simultan ein Durchleiten 75 der Konditionierflüssigkeit 68 durch die Kanäle 13 für Oxidationsmittel ausgeführt. Die Konditionierflüssigkeit 68 wird in einem Kreislauf durch die Kanäle 12, 13, die Leitungen 65 und den Speicherbehälter 68 geleitet. Bei der Ausführung des Verfahrens zur Konditionierung der elektrochemischen Zelleneinheit 53 als der Brennstoffzelleneinheit 1 tritt aufgrund des Durchleitens 75 der Konditionierflüssigkeit 68 mit der hohen Temperatur von 90° eine sehr schnelle Hydratisierung 76 und Adhäsion 76 der Protonenaustauschermembranen 5 auf. Dadurch ist bereits in ungefähr 5 Minuten (min) nach dem Beginn des Verfahrens zur Konditionierung der Brennstoffzelleneinheit 1 ein ausreichender Wassergehalt der Protonenaustauschermembranen 5 erreicht für die gute Protonenleitfähigkeit. In dieser Zeit kann auch ein ausreichender Wassergehalt der Anoden 7 und Kathoden 8 erreicht werden für einen kleinen ohmschen und elektrischen Widerstand der Anoden 7 und Kathoden 8. Während der Hydratisierung der Protonenaustauschermembranen 5, der Anoden 7 und Kathoden 8 tritt als Folge eine Vergrößerung des Volumens dieser Komponenten 5, 7 und 8 auf. Damit diese Vergrößerung des Volumens dieser Komponenten 5, 7 und 8 nicht zu Beschädigungen an diesen Komponenten 5, 7 und 8 führt ist der Brennstoffzellenstapel 1 als der Brennstoffzellenstack 1 zunächst vor und während der Durchführung des Verfahrens mit einer kleinen primären Druckkraft von den Verbindungsvorrichtungen 37 beaufschlagt. Die Vorspannung des Brennstoffzellenstacks 1 mit der kleinen primären Druckkraft bedingt eine große Ausdehnung des Brennstoffzellenstacks 1 senkrecht zu den fiktiven Ebenen 59, sodass dadurch den Komponenten 5, 7 und 8 ein ausreichender Raum für die Vergrößerung des Volumens, d. h. für die Ausdehnung, zur Verfügung steht. Erst nach der Beendigung des Verfahrens, d. h. dem Ableiten der Konditionierflüssigkeit 68 aus den Kanälen 12, wird die Druckkraft von der kleinen primären Druckkraft auf eine größere sekundäre Druckkraft erhöht. Die Stäbe 38 bzw. Bolzen 38 der Verbindungsvorrichtungen 37 weisen an einem Endbereich ein Außengewinde auf (nicht dargestellt) in welches ein Innengewinde einer Mutter (nicht dargestellt) eingeschraubt ist. Durch ein einfaches Einschrauben der Muttern in das Außengewinde der Bolzen 38 kann damit die Druckkraft in dem Brennstoffzellen Stack 1 erhöht werden. Die hohe sekundäre Druckkraft zur Vorspannung des Brennstoffzellenstacks 1 ist für den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 1 notwendig, damit die Dichtungen 11 zuverlässig fluiddicht sind und ein geringer elektrischer und ohmscher Widerstand an dem Brennstoffzellenstapel 1 auftritt.Passing 74 of the conditioning liquid 68 through the channels 12 for fuel and simultaneously passing 75 of the conditioning liquid 68 through the channels 13 for oxidizing agent is carried out. The conditioning liquid 68 is circulated through the channels 12, 13, the lines 65 and the storage tank 68. When the method for conditioning the electrochemical cell unit 53 as the fuel cell unit 1 is carried out, very rapid hydration 76 and adhesion 76 of the proton exchange membranes 5 occur due to the passage 75 of the conditioning liquid 68 at the high temperature of 90°. As a result, a sufficient water content of the proton exchange membranes 5 for good proton conductivity is already reached in approximately 5 minutes (min) after the start of the method for conditioning the fuel cell unit 1 . During this time, a sufficient water content of the anodes 7 and cathodes 8 can also be achieved for a small ohmic and electrical resistance of the anodes 7 and cathodes 8. During the hydration of the proton exchange membranes 5, the anodes 7 and cathodes 8, the volume increases as a result of these components 5, 7 and 8. So that this increase in the volume of these components 5, 7 and 8 does not lead to damage to these components 5, 7 and 8, the fuel cell stack 1 as the fuel cell stack 1 is initially subjected to a small primary compressive force from the connecting devices 37 before and during the implementation of the method . The prestressing of the fuel cell stack 1 with the small primary compressive force causes a large expansion of the fuel cell stack 1 perpendicular to the imaginary planes 59, so that the components 5, 7 and 8 have sufficient space for the increase in volume, i. H. for expansion, is available. Only after the end of the procedure, i. H. draining the conditioning liquid 68 from the channels 12, the compressive force is increased from the small primary compressive force to a larger secondary compressive force. The rods 38 or bolts 38 of the connecting devices 37 have an external thread (not shown) at one end region, into which an internal thread of a nut (not shown) is screwed. By simply screwing the nuts into the external thread of the bolts 38, the compressive force in the fuel cell stack 1 can be increased. The high secondary compressive force for prestressing the fuel cell stack 1 is necessary for the operation of the fuel cell unit 1 so that the seals 11 are reliably fluid-tight and a low electrical and ohmic resistance occurs in the fuel cell stack 1 .

In analoger Weise kann das Verfahren zur Konditionierung auch bei einer Elektrolysezelleneinheit 49 durchgeführt werden. Vor der Inbetriebnahme der Elektrolysezelleneinheit 49 während der Herstellung wird somit durch die Kanäle 12, 13 für den Elektrolyten die Konditionierflüssigkeit 68 durchgeleitet.The method for conditioning can also be carried out in an analogous manner in the case of an electrolytic cell unit 49 . Before the electrolytic cell unit 49 is put into operation during production, the conditioning liquid 68 is passed through the channels 12, 13 for the electrolyte.

Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Konditionierung der elektrochemischen Zelleneinheit 53 und der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelleneinheit 53 wesentliche Vorteile verbunden. Die Konditionierung der elektrochemischen Zelleneinheit 53 mit der Konditionierflüssigkeit 68 von ungefähr 90 °C ermöglicht eine sehr schnelle Erhöhung des Wassergehaltes der Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 51 der elektrochemischen Zelleneinheit 53. Damit müssen für die Konditionierung von elektrochemischen Zelleneinheiten 53 nur eine sehr geringe Anzahl an elektrochemischen Zelleneinheiten 53 simultan während der Durchführung des Verfahrens zur Konditionierung vorgehalten werden. Damit können in vorteilhafter Weise die Kosten für die Herstellung der elektrochemischen Zelleneinheiten 53 wesentlich reduziert werden.Considered overall, the method according to the invention for conditioning the electrochemical cell unit 53 and the electrochemical cell unit 53 according to the invention have significant advantages. The conditioning of the electrochemical cell unit 53 with the conditioning liquid 68 at approximately 90° C. enables the water content of the components 5, 6, 7, 8, 9, 10, 51 of the electrochemical cell unit 53 to be increased very quickly 53 only a very small number of electrochemical cell units 53 are kept available simultaneously while the method for conditioning is being carried out. The costs for the production of the electrochemical cell units 53 can thus be significantly reduced in an advantageous manner.

Claims (15)

Verfahren zur Konditionierung einer elektrochemische Zelleneinheit (53) vor der Inbetriebnahme der elektrochemischen Zelleneinheit (53) zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit (1) und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit (49) mit gestapelten elektrochemischen Zellen (52) und in der elektrochemischen Zelleneinheit (53) Kanäle (12) zum Durchleiten eines Brennstoffes und/oder eines Elektrolyten und Kanäle (13) zum Durchleiten eines Oxidationsmittels und/oder eines Elektrolyten ausgebildet sind mit den Schritten: - zur Verfügung stellen eines Konditionierfluides (68), - Durchleiten des Konditionierfluides (68) durch die Kanäle (12) für Brennstoff und/oder Elektrolyten und/oder Durchleiten des Konditionierfluides (68) durch die Kanäle (13) für Oxidationsmittel und/oder Elektrolyten und - Adhäsion und/oder Hydratisierung und/oder Hydratation von Wasser und/oder Feuchtigkeit an Komponenten (5, 6, 7, 8,9, 10, 51) der elektrochemischen Zelleneinheit (53), welches aus dem Konditionierfluid (68) stammt, dadurch gekennzeichnet, dass das Konditionierfluid (68) eine Konditionierflüssigkeit (68) ist.Method for conditioning an electrochemical cell unit (53) before putting the electrochemical cell unit (53) into operation for converting electrochemical energy into electrical energy as a fuel cell unit (1) and/or for converting electrical energy into electrochemical energy as an electrolytic cell unit (49) with stacked electrochemical cells ( 52) and in the electrochemical cell unit (53) channels (12) for conducting a fuel and/or an electrolyte and channels (13) for conducting an oxidizing agent and/or an electrolyte are formed with the steps: - providing a conditioning fluid ( 68), - passing the conditioning fluid (68) through the channels (12) for fuel and/or electrolyte and/or passing the conditioning fluid (68) through through the channels (13) for oxidizing agent and/or electrolyte and - adhesion and/or hydration and/or hydration of water and/or moisture to components (5, 6, 7, 8, 9, 10, 51) of the electrochemical cell unit ( 53) which originates from the conditioning fluid (68), characterized in that the conditioning fluid (68) is a conditioning liquid (68). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Konditionierflüssigkeit (68) einen Massenanteil an Wasser von wenigstens 50%, 80%, 90% oder 95% aufweist.procedure after claim 1 , characterized in that the conditioning liquid (68) has a mass fraction of water of at least 50%, 80%, 90% or 95%. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Kanäle (12) für Brennstoff und/oder Elektrolyten und/oder die durch die Kanäle (13) für Oxidationsmittel und/oder Elektrolyten durchgeleitete Konditionierflüssigkeit (68) eine Temperatur zwischen 50°C und 100°C, insbesondere zwischen 75°C und 98°C, aufweist.procedure after claim 1 or 2 , characterized in that the conditioning liquid (68) passed through the channels (12) for fuel and/or electrolytes and/or through the channels (13) for oxidizing agents and/or electrolytes has a temperature between 50°C and 100°C, in particular between 75°C and 98°C. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der pH-Wert der Konditionierflüssigkeit (68) kleiner als 5, 3 oder 2 ist.Method according to one or more of the preceding claims, characterized in that the pH value of the conditioning liquid (68) is less than 5, 3 or 2. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Konditionierflüssigkeit (68) wenigstens ein Zusatzstoff, vorzugsweise eine Säure, insbesondere Schwefelsäure, zugesetzt ist.Method according to one or more of the preceding claims, characterized in that at least one additive, preferably an acid, in particular sulfuric acid, is added to the conditioning liquid (68). Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konditionierflüssigkeit (68) in einem Kreislauf durch die Kanäle (12, 13) geleitet wird.Method according to one or more of the preceding claims, characterized in that the conditioning liquid (68) is conducted in a circuit through the channels (12, 13). Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Durchleitens der Konditionierflüssigkeit (68) durch die Kanäle (12, 13) mit einem Sensor (70) der pH-Wert der Konditionierflüssigkeit (68) erfasst wird.Method according to one or more of the preceding claims, characterized in that the pH value of the conditioning liquid (68) is detected with a sensor (70) while the conditioning liquid (68) is being passed through the channels (12, 13). Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemischen Zellen (52) jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 51) umfassen und die Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 51) der elektrochemischen Zellen (52) vorzugsweise Protonenaustauschermembranen (5), Anoden (7), Kathoden (8), vorzugsweise Gasdiffusionsschichten (9) und Bipolarplatten (10) sind.Method according to one or more of the preceding claims, characterized in that the electrochemical cells (52) each comprise stacked layered components (5, 6, 7, 8, 9, 10, 51) and the components (5, 6, 7, 8, 9, 10, 51) of the electrochemical cells (52) are preferably proton exchange membranes (5), anodes (7), cathodes (8), preferably gas diffusion layers (9) and bipolar plates (10). Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die schichtförmigen elektrochemischen Zellen (52) und/oder die schichtförmigen Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 51) fiktive Ebenen (59) aufspannen.procedure after claim 8 , characterized in that the layered electrochemical cells (52) and/or the layered components (5, 6, 7, 8, 9, 10, 51) span imaginary planes (59). Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stack (1, 49, 53) aus den elektrochemischen Zellen (52) mit einer primären Druckkraft senkrecht zu den fiktiven Ebene (59) vor und/oder während des Durchleitens der Konditionierflüssigkeit durch die Kanäle (12, 13) vorgespannt ist und nach dem Durchleiten der Konditionierflüssigkeit (68) durch die Kanäle (12, 13) und/oder nach dem Ableiten der Konditionierflüssigkeit (68) aus den Kanälen (12, 13) die Druckkraft auf eine sekundäre Druckkraft verändert wird und die sekundäre Druckkraft größer ist, insbesondere um 10%, 30% oder 50% größer ist, als die primäre Druckkraft.procedure after claim 9 , characterized in that a stack (1, 49, 53) of the electrochemical cells (52) with a primary compressive force perpendicular to the imaginary plane (59) before and / or during the passage of the conditioning liquid through the channels (12, 13) is prestressed and after the conditioning liquid (68) has been passed through the channels (12, 13) and/or after the conditioning liquid (68) has been discharged from the channels (12, 13), the pressure force is changed to a secondary pressure force and the secondary pressure force is greater, in particular by 10%, 30% or 50%, than the primary compressive force. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Durchleiten der Konditionierflüssigkeit (68) durch die Kanäle (12, 13) und/oder nach dem Ableiten der Konditionierflüssigkeit (68) aus den Kanälen (12, 13) der Wassergehalt der Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 51), insbesondere der Protonenaustauschermembranen (5) und/oder Anoden (7) und/oder Kathoden (8) und/oder Katalysatorschichten (30), größer ist, insbesondere um 10%, 50% oder 100% größer ist, als vor dem Durchleiten der Konditionierflüssigkeit (68) durch die Kanäle (12, 13).Method according to one or more of the preceding claims, characterized in that after the conditioning liquid (68) has been passed through the channels (12, 13) and/or after the conditioning liquid (68) has been discharged from the channels (12, 13), the water content of the components (5, 6, 7, 8, 9, 10, 51), in particular the proton exchange membranes (5) and/or anodes (7) and/or cathodes (8) and/or catalyst layers (30), is larger, in particular is 10%, 50% or 100% greater than before the conditioning liquid (68) was passed through the channels (12, 13). Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konditionierflüssigkeit (68) mittels Schwerkraft und/oder einem Gas, insbesondere Inertgas, aus den Kanälen (12, 13) abgeleitet wird.Method according to one or more of the preceding claims, characterized in that the conditioning liquid (68) is drained from the channels (12, 13) by means of gravity and/or a gas, in particular an inert gas. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Durchleitens der Konditionierflüssigkeit (68) durch die Kanäle (12, 13) das Volumen der Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 51) aufgrund der Adhäsion und/oder Hydratisierung und/oder Hydratation von Wasser und/oder Feuchtigkeit an den Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 51) zunimmt, insbesondere das Volumen um 3%, 5% oder 10% zunimmt.The method according to one or more of the preceding claims, characterized in that during the passage of the conditioning liquid (68) through the channels (12, 13) the volume of the components (5, 6, 7, 8, 9, 10, 51) due to the Adhesion and/or hydration and/or hydration of water and/or moisture to the components (5, 6, 7, 8, 9, 10, 51) increases, in particular the volume increases by 3%, 5% or 10%. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchleiten der Konditionierflüssigkeit (68) durch die Kanäle (12, 13) während eines Zeitraumes kleiner als 3 h, insbesondere kleiner als 1 h, 30 min oder 10 min, durchgeführt wird.Method according to one or more of the preceding claims, characterized in that the conditioning liquid (68) is passed through the channels (12, 13) for a period of less than 3 hours, in particular less than 1 hour, 30 minutes or 10 minutes . Elektrochemische Zelleneinheit (53) zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit (2) und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit (49), umfassend - gestapelt angeordnete elektrochemische Zellen (52) und die elektrochemischen Zellen (52) jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 51) umfassen und - die Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 51) der elektrochemischen Zellen (52) vorzugsweise Protonenaustauschermembranen (5), Anoden (7), Kathoden (8), vorzugsweise Gasdiffusionsschichten (9) und Bipolarplatten (10, 51) sind, dadurch gekennzeichnet, dass mit der elektrochemische Zelleneinheit (53) ein Verfahren gemäß einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche ausführbar ist und/oder ein Stack (1, 49, 53) aus den elektrochemischen Zellen (52) mit wenigstens einer Verbindungsvorrichtung (37) mit einer Druckkraft senkrecht zu fiktiven Ebenen (59) vorgespannt ist und mittels der wenigstens einen Verbindungsvorrichtung (59) die Druckkraft veränderbar ist, so dass aufgrund der veränderten Druckkraft die Ausdehnung des Stacks (1, 49, 53) senkrecht zu den fiktiven Ebenen (59) veränderbar ist.Electrochemical cell unit (53) for converting electrochemical energy into electrical energy as a fuel cell unit (2) and/or for converting electrical energy into electrochemical energy as an electrolytic cell unit (49), comprising send - stacked electrochemical cells (52) and the electrochemical cells (52) each stacked layered components (5, 6, 7, 8, 9, 10, 51) and - the components (5, 6, 7, 8, 9, 10, 51) of the electrochemical cells (52) are preferably proton exchange membranes (5), anodes (7), cathodes (8), preferably gas diffusion layers (9) and bipolar plates (10, 51), characterized in that with the electrochemical cell unit (53) a method can be carried out according to one or more of the preceding claims and/or a stack (1, 49, 53) of the electrochemical cells (52) with at least one connecting device (37) with a compressive force perpendicular to imaginary planes (59) is prestressed and by means of the at least one connecting device (59) the compressive force can be changed, so that due to the changed compressive force the expansion of the stack (1, 49, 53) perpendicular to the imaginary planes (59) can be changed.
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