DE102021205987A1

DE102021205987A1 - Verfahren zur Regenerierung einer elektrochemischen Zelleneinheit

Info

Publication number: DE102021205987A1
Application number: DE102021205987.2A
Authority: DE
Inventors: Jan Hendrik Ohs; Andreas Gehrold
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-06-14
Filing date: 2021-06-14
Publication date: 2022-12-15
Also published as: WO2022263064A1

Abstract

Verfahren zur Regenerierung einer elektrochemische 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 (49) 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 einer Regenerierflüssigkeit (68) aus einem Lösungsmittel und wenigstens einem Additiv, Durchleiten der Regenerierflüssigkeit (68) durch die Kanäle für Brennstoff und/oder Elektrolyten und/oder Durchleiten der Regenerierflüssigkeit durch die Kanäle für Oxidationsmittel und/oder Elektrolyten, Adhäsion des wenigstens einen Additives an wenigstens einer Komponente der elektrochemischen Zelleneinheit (53), Initialisieren von wenigstens einer chemischen Reaktion in und/oder auf der wenigstens einen Komponente mittels des wenigstens einen Additives, so dass mittels der chemischen Reaktion die Stoffmenge wenigstens eines Schadstoffes in und/oder auf der wenigstens einen Komponente der elektrochemischen Zelleneinheit (53) verkleinert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regenerierung einer elektrochemischen Zelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und eine elektrochemische Zelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 15.
Stand der Technik
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.
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.
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.
An den Komponenten der Brennstoffzelleneinheit, beispielsweise den Protonenaustauschermembranen, den Anoden, den Kathoden und den Gasdiffusionsschichten, kommt es aufgrund thermischer, elektrischer und chemischer Belastung zu einem Alterungsprozess. Dieser Alterungsprozess verursacht unter anderem auch eine Anlagerung bzw. eine Kontamination der Komponenten der Brennstoffzelleneinheit mit Schadstoffen, beispielsweise Wasserstoffperoxid und Radikale. Dieser Alterungsprozess verändert auf mikroskopischer Ebene die chemischen Eigenschaften der Komponenten, sodass dadurch die elektrische Leistung der Brennstoffzelleneinheit sich verkleinert. Dies ist insbesondere bei der Verwendung der Brennstoffzelleneinheit in Kraftfahrzeugen von Nachteil, weil dadurch weniger elektrische Leistung zum Antrieb des Kraftfahrzeuges mit einem Elektromotor zur Verfügung steht. Der oben beschriebene Alterungsprozess tritt in ähnlicher oder analoger Weise auch bei Elektrolysezelleneinheiten auf.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäßes Verfahren zur Regenerierung einer elektrochemische 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 einer Regenerierflüssigkeit aus einem Lösungsmittel und wenigstens einem Additiv, Durchleiten der Regenerierflüssigkeit durch die Kanäle für Brennstoff und/oder Elektrolyten und/oder Durchleiten der Regenerierflüssigkeit durch die Kanäle für Oxidationsmittel und/oder Elektrolyten, Adhäsion des wenigstens einen Additives an wenigstens einer Komponente der elektrochemischen Zelleneinheit, Initialisieren von wenigstens einer chemischen Reaktion in und/oder auf der wenigstens einen Komponente mittels des wenigstens einen Additives, so dass mittels der chemischen Reaktion die Stoffmenge wenigstens eines Schadstoffes in und/oder auf der wenigstens einen Komponente der elektrochemischen Zelleneinheit verkleinert wird. In vorteilhafter Weise kann damit mittels des Verfahrens zur Regenerierung der elektrochemischen Zelleneinheit die Stoffmenge des wenigstens einen Schadstoffes in der wenigstens einen Komponente reduziert werden, sodass dadurch nach der Beendigung des Verfahrens zur Regenerierung die elektrochemische Zelleneinheit in vorteilhafter Weise wieder einen größeren elektrochemischen Wirkungsgrad aufweist.
In einer weiteren Variante wird das Verfahren während eines deaktiven Zustandes der elektrochemischen Zelleneinheit als Wartungsverfahren ausgeführt.
In einer ergänzenden Ausgestaltung wird während der Durchführung des Verfahrens zur Regeneration der deaktiven Brennstoffzellenheit keine Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie ausgeführt. Das Verfahren zur Regenerierung der Brennstoff Zelleneinheit kann nur bei einer deaktiven Brennstoffzelleneinheit durchgeführt werden, weil ein Durchleiten der Regenerierflüssigkeit durch die Kanäle für Brennstoff und oder Oxidationsmittel notwendig ist.
In einer zusätzlichen Ausführungsform wird das Initialisieren der wenigstens einen chemischen Reaktion in der wenigstens einen Komponente mittels des wenigstens einen Additives ausgeführt indem zwischen dem wenigstens einen Additiv und dem wenigstens einen Schadstoff eine chemische Reaktion ausgeführt wird. Das wenigstens eine Additiv und der wenigstens eine Schadstoff bilden somit die Edukte der chemischen Reaktion. Wenigstens ein Produkt, insbesondere sämtliche Produkte, der chemischen Reaktion ist bzw. sind kein Schadstoff.
Zweckmäßig wird das Initialisieren der wenigstens einer chemischen Reaktion in der wenigstens einen Komponente mittels des wenigstens einen Additives ausgeführt indem das wenigstens eine Additiv als ein Katalysator fungiert für die chemischen Reaktion als Zersetzungsreaktion des wenigstens einen Schadstoffes in einen anderen Stoff und vorzugsweise der andere Stoff kein Schadstoff ist. Das wenigstens eine Additiv als der Katalysator ist somit vorzugsweise ein zusätzliches Additiv mit katalytischer Wirkung und ein anderes Additiv bildet ein Edukt für die chemische Reaktion mit dem wenigstens einen Schadstoff.
In einer ergänzenden Variante wird die Regenerierflüssigkeit in einem Kreislauf durch die Kanäle geleitet.
Vorzugsweise ist das Lösungsmittel Wasser und/oder Alkohol.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist das wenigstens eine Additiv eines Säure, insbesondere Schwefelsäure.
In einer ergänzenden Ausgestaltung ist das wenigstens eine Additiv ein Reduktionsmittel.
In einer weiteren Variante ist das wenigstens eine Additiv ein Metalloxid, vorzugsweise ein Lanthanoidenoxid, insbesondere Ceroxid.
In einer weiteren Ausgestaltung ist das wenigstens eine Additiv ein Lanthaonoidion, insbesondere ein Cerion, welches in dem Lösungsmittel gelöst ist.
Insbesondere wird mittels der chemischen Reaktion die Stoffmenge an Wasserstoffperoxid und/oder Radikale in der wenigstens einen Komponente der elektrochemischen Zelleneinheit verkleinert, insbesondere wird mittels der chemischen Reaktion Wasserstoffperoxid und/oder Radikale in der wenigstens einen Komponente der elektrochemischen Zelleneinheit zersetzt.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die wenigstens eine Komponente eine Protonenaustauschermembran und/oder eine Kathode und/oder eine Anode und/oder eine Katalysatorschicht und/oder eine Gasdiffusionsschicht und/oder eine Bipolarplatte.
In einer ergänzenden Ausgestaltung wird das Durchleiten der Regenerierflüssigkeit nur durch die Kanäle für Brennstoff und/oder Elektrolyten ausgeführt und simultan diffundiert die Regenerierflüssigkeit durch die Protonenaustauschermembran von den mit Regenerierflüssigkeit durchströmten Kanälen für Brennstoff und/oder Elektrolyten in die mit einem Gas befüllten Kanäle für Oxidationsmittel und/oder Elektrolyten oder das Durchleiten der Regenerierflüssigkeit wird nur durch die Kanäle für Oxidationsmittel und/oder Elektrolyten ausgeführt und simultan diffundiert die Regenerierflüssigkeit durch die Protonenaustauschermembran von den mit Regenerierflüssigkeit durchströmten Kanälen für Oxidationsmittel und/oder Elektrolyten in die mit einem Gas befüllten Kanäle für Brennstoff und/oder Elektrolyten.
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, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten sind, wobei mit der elektrochemische Zelleneinheit ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren ausführbar ist und/oder in der Zufuhrleitung für Brennstoff und/oder Oxidationsmittel und/oder Elektrolyten und/oder in der Abfuhrleitung für Oxidationsmittel und/oder Brennstoff und/oder Elektrolyten je eine Öffnung, insbesondere ein mit einem Schließorgan verschließbarer Anschlussstutzen, zum Einleiten und/oder Ausleiten einer Regenerierflüssigkeit ausgebildet ist.
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 einer weiteren Variante wird das Durchleiten der Regenerierflüssigkeit durch die Kanäle für Brennstoff und/oder Elektrolyten und/oder das Durchleiten der Regenerierflüssigkeit durch die Kanäle für Oxidationsmittel und/oder Elektrolyten und die Adhäsion des wenigstens einen Additives an wenigstens einer Komponente der elektrochemischen Zelleneinheit und das Initialisieren von wenigstens einer chemischen Reaktion in und/oder auf der wenigstens einen Komponente mittels des wenigstens einen Additives simultan ausgeführt.
In einer weiteren Variante wird nach und/oder während der Adhäsion des wenigstens einen Additives an der wenigstens einen Komponente und vor dem normalen Betrieb zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie oder umgekehrt das Initialisieren von wenigstens einer chemischen Reaktion in und/oder auf der wenigstens einen Komponente mittels des wenigstens einen Additives ausgeführt.
In einer weiteren Variante wird nach der Adhäsion des wenigstens einen Additives an der wenigstens einen Komponente und während des normalen Betriebs zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie oder umgekehrt das Initialisieren von wenigstens einer chemischen Reaktion in und/oder auf der wenigstens einen Komponente mittels des wenigstens einen Additives ausgeführt. Aufgrund der Adhäsion des wenigstens einen Additives an der wenigstens einen Komponente kann somit mittels des wenigstens einen adhäsierten Addtives auch während des normalen Betriebes das Initialisieren von wenigstens einer chemischen Reaktion in und/oder auf der wenigstens einen Komponente mittels des wenigstens einen Additives ausgeführt werden.
In einer weiteren Variante werden für das wenigstens eine Additiv als Reduktionsmittel Nichtmetalle, insbesondere elementarer Kohlenstoff und/oder kohlenstoffhaltigen organischen Verbindungen und/oder Metalle, beispielsweise Magnesium und/oder Aluminium und/oder Zink, vorzugsweise Alkalimetalle, beispielsweise Lithium und/oder Natrium und/oder Kalium, und/oder Hydride, beispielsweise Lithiumaluminiumhydrid und/oder Natriumborhydrid und/oder Natriumhydrid und/oder Salze und/oder molekulare Verbindungen z. B. Natriumsulfit, Natriumdithionit und/oder Natriumthiosulfat und/oder Hydrazin eingesetzt.
In einer weiteren Variante wird das in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Verfahren mit einer in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen elektrochemischen Zelleneinheit ausgeführt.
Zweckmäßig ist mit der in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen elektrochemischen Zelleneinheit ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren ausführbar.
In einer weiteren Ausgestaltung beträgt die Massenkonzentration des Additives in der Regenerierflüssigkeit zwischen 0,1 g/l und 300 g/l, insbesondere zwischen 1 g/l und 100 g/l.
In einer ergänzenden Variante wird während des Durchleitens der Regenerierflüssigkeit durch die Kanäle für Brennstoff und/oder Elektrolyten und/oder während des Durchleitens der Regenerierflüssigkeit durch die Kanäle für Oxidationsmittel und/oder Elektrolyten die Konzentration des wenigstens einen Additives überwacht und bei einem Unterschreiten einer vorgegebenen Mindestkonzentration des Additives in der Regenerierflüssigkeit wird in die Regenerierflüssigkeit wenigstens ein Additiv zugegeben.
In einer weiteren Ausgestaltung wird das Verfahren zur Regeneration während des Betriebes einer Elektrolysezelleneinheit ausgeführt indem durch die Kanäle für den Elektrolyten ein Elektrolyt mit wenigstens einem zugesetzten Additiv durchgeleitet wird.
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.
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.
Zweckmäßig ist das wenigstens eine Additiv in Form von Partikeln in dem Lösungsmittel als Suspension vorhanden.
In einer ergänzenden Ausgestaltung ist das Additiv in Form von Ionen, insbesondere in Form von in dem Lösungsmittel gelösten Ionen, in dem Lösungsmittel vorhanden.
In einer ergänzenden Ausgestaltung ist der Durchmesser der Partikel zwischen 0,1 nm und 50 µm, insbesondere zwischen 5 nm bis 30 µm, vorzugsweise zwischen 10 nm bis 10 µm.
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.
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.
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 einer weiteren Variante ist der erste Stoff Sauerstoff und der zweite Stoff Wasserstoff.
In einer weiteren Variante sind die Elektrolysezellen der Elektrolysezelleneinheit Brennstoffzellen.
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.
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.
In einer weiteren Ausgestaltung bildet die in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Brennstoffzelleneinheit zusätzlich eine Elektrolysezelleneinheit und vorzugsweise umgekehrt.
In einer weiteren Variante umfasst die elektrochemische Zelleneinheit, insbesondere Brennstoffzelleneinheit und/oder die Elektrolysezelleneinheit, wenigstens eine Verbindungsvorrichtung, insbesondere mehrere Verbindungsvorrichtungen, und Spannelemente.
In einer weiteren Variante wird ein Durchleiten und/oder Fluten der Regenerierflüssigkeit durch und/oder in die Gasräume für Brennstoff und/oder ein Durchleiten und/oder Fluten der Regenerierflüssigkeit durch und/oder in die Gasräume für Oxidationsmittel ausgeführt. Beispielsweise verursacht das Durchleiten der Regenerierflüssigkeit durch die Kanäle für Brennstoff das Durchleiten und/oder Fluten der Regenerierflüssigkeit durch und/oder in die Gasräume für Brennstoff.
Zweckmäßig sind Komponenten für elektrochemische Zellen, insbesondere Brennstoffzellen und/oder Elektrolysezellen, vorzugsweise Isolationsschichten, insbesondere Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, vorzugsweise Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten, insbesondere Separatorplatten.
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 einer weiteren Ausführungsform ist die Verbindungsvorrichtung als ein Bolzen ausgebildet und/oder ist stabförmig und/oder ist als ein Spanngurt ausgebildet.
Zweckmäßig sind die Spannelemente als Spannplatten ausgebildet.
In einer weiteren Variante ist die Gasfördervorrichtung als ein Gebläse und/oder ein Kompressor und/oder ein Druckbehälter mit Oxidationsmittel ausgebildet.
Insbesondere umfasst die elektrochemischen Zelleneinheit, insbesondere Brennstoffzelleneinheit und/oder Elektrolysezelleneinheit, wenigstens 3, 4, 5 oder 6 Verbindungsvorrichtungen.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die Spannelemente plattenförmig und/oder scheibenförmig und/oder eben ausgebildet und/oder als ein Gitter ausgebildet.
Vorzugsweise ist der Brennstoff Wasserstoff, wasserstoffreiches Gas, Reformatgas oder Erdgas.
Zweckmäßig sind die Brennstoffzellen und/oder Elektrolysezellen im Wesentlichen eben und/oder scheibenförmig ausgebildet.
In einer ergänzenden Variante ist das Oxidationsmittel Luft mit Sauerstoff oder reiner Sauerstoff.
Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit eine PEM-Brennstoffzelleneinheit mit PEM-Brennstoffzellen oder eine alkalische Brennstoffzelle (AFC).
Figurenliste
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 Regenerierung der elektrochemischen Zelleneinheit.

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.
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

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.
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.
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.
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. Membranelektrodenanordnungen 6 mit diesen Elektroden 7, 8 umfassend das lonomer bilden Membranelektrodenanordnungen 6 als CCM (catalyst coated membran).
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.
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.
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.
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 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. 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.
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 fest verbunden.
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.
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.
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 (1/2 H₂SO₄)=1 mol/l, verwendet. Eine ausrechende Konzentration von Oxoniumionen H₃O⁺ in dem flüssigen Elektrolyten ist notwendig für die Elektrolyse.
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

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.
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. Der Kanal 12 für Brennstoff und der Kanal 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.
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.
Während des Betriebes der Brennstoffzelleneinheit 1, d. h. während einer aktiven Brennstoffzelleneinheit 1, kommt es an den Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51 der Brennstoffzelleneinheit 1 zu einem Alterungsprozess insbesondere aufgrund einer thermischen, elektrischen und/oder chemischen Belastung. Dadurch ändern sich auf mikroskopischer Ebene die chemischen Eigenschaften der Komponenten, insbesondere verringert sich die Katalysator- und/oder Adhäsionsbildung und schützende Stoffe werden verbraucht oder wandern ab bzw. werden abgeschieden. Dies führt zur Bildung und Anreicherung an Schadstoffen in den Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51. Dadurch verringert sich die elektrische Leistung der Brennstoffzelleneinheit 1. Dies gilt analog auch für eine Elektrolysezelleneinheit 49.
In 7 ist das elektrochemisches Zellensystem 60 dargestellt mit einer Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Regeneration der elektrochemischen Zelleneinheit 53. Die Vorrichtung umfasst einen Speicherbehälter 67, welcher mit einer Regenerierflüssigkeit 68 befüllt ist. Das stark vereinfacht dargestellte elektrochemische Zellensystem 60 als ein Brennstoffzellensystem 4 und/oder als ein Elektrolysezellensystem 48 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 Regenerierflüssigkeit. In die Leitungen 65 sind im Bereich der Öffnungen 61, 62, 63, 64 jeweils Schließorgan 66 zum Öffnen und Schließen der Leitungen 65 ausgebildet. Die Schließorgane 66 sind beispielsweise als ein Hahn oder ein Ventil ausgebildet. In zwei Leitungen 65 für die Regenerierflüssigkeit ist jeweils eine Umwälzpumpe 69 eingebaut. Außerdem ist in eine, in den Speicherbehälter 67 mündende Leitung 65 ein Sensor 70 zur Erfassung der Konzentration eines Additives eingebaut. Zusätzlich ist in den Speicherbehälter 67 eine Zugabevorrichtung 71 zur Zugabe eines Additives in die Regenerierflüssigkeit 68 eingebaut.
Das Brennstoffzellensystem 4 ist beispielsweise in ein nicht dargestelltes Kraftfahrzeug eingebaut und dient zur Versorgung des Kraftfahrzeuges mit elektrischer Energie, insbesondere für einen Traktionselektromotor des Kraftfahrzeuges. Nach einer vorgegebenen Anzahl an zurückgelegten Kilometern, beispielsweise 20.000 km, oder einer bestimmten Zeit, beispielsweise zwei Jahre, ist eine Regenerierung der Brennstoffzelleneinheit 1 des Brennstoffzellensystem 4 notwendig. Hierzu wird das Kraftfahrzeug in eine Werkstätte für das Kraftfahrzeug gefahren. Die Schließorgane 66 des Brennstoffzellensystem 4 sind leicht zugänglich, sodass die flexiblen und biegbaren Leitungen 65 als Schläuche einfach an den Schließorganen 66 angeschlossen werden können. Nach dem Anschließen der Leitungen 65 an den Schließorganen 66 werden die Schließorgane 66 geöffnet und die beiden Umwälzpumpen 69 eingeschalten. Die Regenerierflüssigkeit 68 ist mit Additiven versehen. Aufgrund des Einleitens der Regenerierflüssigkeit 68 durch die Öffnung 61 wird die Regenerierflüssigkeit 68 in die Zufuhrleitung 16 für Brennstoff und nachfolgend in die Kanäle 12 für Brennstoff eingeleitet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 12 für Brennstoff strömt die Regenerierflüssigkeit 68 in die Abfuhrleitung 15 für Brennstoff und anschließend durch die Leitung 65 und die Öffnung 63 wieder in den Speicherbehälter 67. In analoger Weise wird die Regenerierflüssigkeit 68 durch die Öffnung 62 in die Zufuhrleitung 25 für Oxidationsmittel und anschließend in die Kanäle 13 für Oxidationsmittel eingeleitet. Anschließend und nach dem Durchströmen der Kanäle 13 für Oxidationsmittel strömt die Regenerierflüssigkeit 68 durch die Öffnung 64 und die Abfuhrleitung 26 für Oxidationsmittel sowie durch die Leitung 65 wieder zurück in den Speicherbehälter 67. Die Regenerierflüssigkeit 68 wird somit in einem Kreislauf durch die Kanäle 12, 13 und die Leitungen 65 sowie den Speicherbehälter 67 geleitet. Während des Durchleitens der Regenerierflüssigkeit 68 durch die Kanäle 12, 13 wird das Additiv verbraucht, weil es als Edukt in einer chemischen Reaktion mit einem Schadstoff verwendet wird und/oder das Additiv sich an Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30 der Brennstoffzelleneinheit 1 an- und einlagert, d. h. adhäsiert. Für eine im Wesentlichen konstante Konzentration des Additives in der Regenerierflüssigkeit 68 wird mittels des Sensors 70 die Konzentration des Additives in der Regenerierflüssigkeit 68 überwacht. Ab einem Unterschreiten einer Mindestkonzentration des Additives in der Regenerierflüssigkeit 68 wird mit der Zugabevorrichtung 71 weiteres Additiv in die Regenerierflüssigkeit 68 zugegeben bis eine maximale Konzentration des Additives in der Regenerierflüssigkeit 68 erreicht ist. Dadurch kann die Konzentration, insbesondere Massenkonzentration, des Additives in der Regenerierflüssigkeit 68 im Wesentlichen, vorzugsweise mit einer Abweichung von weniger als 10% oder 20%, konstant gehalten werden.
Der Speicherbehälter 67 ermöglicht somit ein zur Verfügung stellen 72 der Regenerierflüssigkeit 68. Während des Durchströmens bzw. Durchleitens 73 der Regenerierflüssigkeit 68 durch die Kanäle 12 für Brennstoff und während des Durchströmens bzw. Durchleitens 74 der Regenerierflüssigkeit 68 durch die Kanäle 13 für Oxidationsmittel wird eine Adhäsion 75 des Additives in Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30 der Brennstoffzelleneinheit 1 ausgeführt, nämlich der Protonenaustauschermembran 5, der Anode 7, der Katode 8, der Katalysatorschicht 30 und der Gasdiffusionsschicht 9. Das Anlagern 75 und die Adhäsion 75 des Additives an den Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51 der Brennstoffzelleneinheit 1 verursacht ein Initialisieren 76 einer chemischen Reaktion. In der chemischen Reaktion wird die Stoffmenge des Schadstoffes in und/oder auf den Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51 der Brennstoffzelleneinheit 1 reduziert. Während der Durchführung des Verfahrens zur Regenerierung der elektrochemischen Zelleneinheit 53 wird das Durchleiten 73, 74 der Regenerierflüssigkeit, die Adhäsion 75 des Additives an den Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51 der Brennstoffzelleneinheit 1 und das Initialisieren 76 der wenigstens einen chemischen Reaktion simultan ausgeführt. Das Initialisieren 76 der chemischen Reaktion zur Reduzierung der Stoffmenge des wenigstens einen Schadstoffes ist eine chemische Reaktion mit den Edukten Schadstoff und Additiv zu einem Produkt, welcher kein Schadstoff ist. Zusätzlich kann das Additiv auch als Katalysator fungieren der eine Zersetzungsreaktion des Schadstoffes zu einem anderen Stoff, welcher kein Schadstoff ist, ermöglicht und/oder beschleunigt.
In den Komponenten der Brennstoffzelleneinheit 1 haben sich als Schadstoffe während des Betriebes der Brennstoffzelleneinheit 1 beispielsweise Wasserstoffperoxid und Radikale (·OH) angelagert. Als Additiv wird der Cer(IV)-oxid (CeO₂) und Cer(III)-oxid (Ce₂O₃) eingesetzt. Dabei liegt ein Gleichgewicht zwischen den beiden Oxidationsstufen des Additives in der Regenerierflüssigkeit 68 vor. Das Additiv mit den beiden Oxidationsstufen Cer(IV)-oxid und Cer(III)-oxid liegt als Suspension mit Nanopartikeln des Additives in der Regenerierflüssigkeit als Wasser vor. Das Additiv zersetzt das Wasserstoffperoxid und die Radikale in einer chemischen Reaktion. Außerdem lagert sich das Additiv an den Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51 der Brennstoffzelleneinheit 1 an, sodass auch nach Beendigung des Verfahrens zur Regenerierung und während des Betriebes, d. h. einer aktiven Brennstoffzelleneinheit 1 zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie, dass angelagerte und adhäsierte Additiv Schadstoffe in den Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51 zersetzt.
Insgesamt betrachtet sind mit erfindungsgemäßen Verfahren zur Regenerierung der elektrochemischen Zelleneinheit 53 und der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelleneinheit 53 wesentliche Vorteile verbunden. Während des Betriebes der elektrochemischen Zelleneinheit 53 lagern sich an den Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30 der elektrochemischen Zelleneinheit 53 Schadstoffe an. Diese Schadstoffe reduzieren die elektrische Leistung der Brennstoffzelleneinheit 1 und den elektrochemischen Wirkungsgrad der Elektrolysezelleneinheit 49. Aus diesem Grund kann mit dem Verfahren zur Regenerierung in den Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30 der elektrochemischen Zelleneinheit 53 eine Reduzierung der Stoffmenge der Schadstoffe erreicht werden. Damit ist nach der Regenerierung die elektrische Leistung der Brennstoffzelleneinheit 1 und der elektrochemische Wirkungsgrad der Elektrolysezelleneinheit 49 wieder größer, weil die Schadstoffe im Wesentlichen keine negativen Auswirkungen mehr haben. Darüber hinaus bedingt in vorteilhafter Weise die Adhäsion der Additive an den Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30 der elektrochemischen Zelleneinheit 53, dass auch nach Abschluss des Verfahrens zur Regenerierung Additive in und/oder auf den Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30 in einer ausreichenden Stoffmenge vorhanden sind und damit auch während des Betriebes, d. h. während einer aktiven elektrochemischen Zelleneinheit 53, die Additive 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30 eine Reduzierung der Stoffmenge der Schadstoffe in den Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30 ermöglichen, sodass eine hohe elektrische Leistung der Brennstoffzelleneinheit 1 und ein guter elektrochemischer Wirkungsgrad der Elektrolysezelleneinheit 49 auch über einen längeren Zeitraum nach Beendigung des Verfahrens zur Regenerierung der elektrochemischen Zelleneinheit 53 gewährleistet ist bis zur nächsten Durchführung des Verfahrens. Dies ist insbesondere bei der Verwendung der Brennstoffzelleneinheit 1 in Kraftfahrzeugen zur Erzeugung von elektrischer Energie für einen Elektromotor zur Traktion des Kraftfahrzeuges bzw. zum Antrieb des Kraftfahrzeuges von entscheidendem Vorteil.

Claims

Verfahren zur Regenerierung einer elektrochemische 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 (49) 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 einer Regenerierflüssigkeit (68) aus einem Lösungsmittel und wenigstens einem Additiv, - Durchleiten der Regenerierflüssigkeit (68) durch die Kanäle (12) für Brennstoff und/oder Elektrolyten und/oder Durchleiten der Regenerierflüssigkeit durch die Kanäle (13) für Oxidationsmittel und/oder Elektrolyten, - Adhäsion des wenigstens einen Additives an wenigstens einer Komponente der elektrochemischen Zelleneinheit (53), - Initialisieren von wenigstens einer chemischen Reaktion in und/oder auf der wenigstens einen Komponente (5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51) mittels des wenigstens einen Additives, so dass mittels der chemischen Reaktion die Stoffmenge wenigstens eins Schadstoffes in und/oder auf der wenigstens einen Komponente (5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51) der elektrochemischen Zelleneinheit (53) verkleinert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren während eines deaktiven Zustandes der elektrochemischen Zelleneinheit (53) als Wartungsverfahren ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während der Durchführung des Verfahrens zur Regeneration der deaktiven Brennstoffzelleneinheit (1) keine Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie ausgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Initialisieren der wenigstens einen chemischen Reaktion in der wenigstens einen Komponente (5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51) mittels des wenigstens einen Additives ausgeführt wird indem zwischen dem wenigstens einen Additiv und dem wenigstens einen Schadstoff eine chemische Reaktion ausgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Initialisieren der wenigstens einer chemischen Reaktion in der wenigstens einen Komponente (5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51) mittels des wenigstens einen Additives ausgeführt wird indem das wenigstens eine Additiv als ein Katalysator fungiert für die chemischen Reaktion als Zersetzungsreaktion des wenigstens einen Schadstoffes in einen anderen Stoff.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regenerierflüssigkeit in einem Kreislauf durch die Kanäle (12, 13) geleitet wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lösungsmittel Wasser und/oder Alkohol ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Additiv eines Säure, insbesondere Schwefelsäure, ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Additiv ein Reduktionsmittel ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Additiv ein Metalloxid, vorzugsweise ein Lanthanoidenoxid, insbesondere Ceroxid, ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Additiv ein Lanthaonoidion, insbesondere ein Cerion, ist, welches in dem Lösungsmittel gelöst ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der chemischen Reaktion die Stoffmenge von Wasserstoffperoxid und/oder Radikale in der wenigstens einen Komponente der elektrochemischen Zelleneinheit verkleinert wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Komponente (5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51) eine Protonenaustauschermembran (5) und/oder eine Kathode (8) und/oder eine Anode (7) und/oder eine Katalysatorschicht (30) und/oder eine Gasdiffusionsschicht (9) und/oder eine Bipolarplatte (10) ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchleiten der Regenerierflüssigkeit nur durch die Kanäle (12) für Brennstoff und/oder Elektrolyten ausgeführt wird und simultan die Regenerierflüssigkeit durch die Protonenaustauschermembran (5) von den mit Regenerierflüssigkeit durchströmten Kanälen (12) für Brennstoff und/oder Elektrolyten in die mit einem Gas befüllten Kanäle (13) für Oxidationsmittel und/oder Elektrolyten diffundiert oder das Durchleiten der Regenerierflüssigkeit nur durch die Kanäle (13) für Oxidationsmittel und/oder Elektrolyten ausgeführt wird und simultan die Regenerierflüssigkeit durch die Protonenaustauschermembran (5) von den mit Regenerierflüssigkeit durchströmten Kanälen für Oxidationsmittel und/oder Elektrolyten in die mit einem Gas befüllten Kanäle für Brennstoff (12) und/oder Elektrolyten diffundiert.
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), 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 in der Zufuhrleitung (16, 25) für Brennstoff und/oder Oxidationsmittel und/oder Elektrolyten und/oder in der Abfuhrleitung (15, 26) für Oxidationsmittel und/oder Brennstoff und/oder Elektrolyten je eine Öffnung (61, 62, 63, 64), insbesondere ein mit einem Schließorgan (66) verschließbarer Anschlussstutzen, zum Einleiten und/oder Ausleiten einer Regenerierflüssigkeit (68) ausgebildet ist.