WO2022263064A1 - Verfahren zur regenerierung einer elektrochemischen zelleneinheit - Google Patents

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WO2022263064A1
WO2022263064A1 PCT/EP2022/062789 EP2022062789W WO2022263064A1 WO 2022263064 A1 WO2022263064 A1 WO 2022263064A1 EP 2022062789 W EP2022062789 W EP 2022062789W WO 2022263064 A1 WO2022263064 A1 WO 2022263064A1
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WO
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cell unit
fuel
channels
additive
electrochemical
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PCT/EP2022/062789
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Inventor
Jan Hendrik OHS
Andreas Gehrold
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04238—Depolarisation
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    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
    • C25B9/75—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type having bipolar electrodes
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    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
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    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
    • C25B9/77—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type having diaphragms

Definitions

  • the present invention relates to a method for regenerating an electrochemical cell unit according to the preamble of claim 1 and an electrochemical cell unit according to the preamble of claim 15.
  • 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.
  • a multiplicity of fuel cells are arranged in a stack as a stack.
  • 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.
  • 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. Fuel cells and electrolytic cells form electro
  • An aging process occurs on the components of the fuel cell unit, for example the proton exchange membranes, the anodes, the cathodes and the gas diffusion layers, due to thermal, electrical and chemical stress.
  • This aging process also causes, among other things, accumulation or contamination of the components of the fuel cell unit with pollutants, for example hydrogen peroxide and radicals.
  • pollutants for example hydrogen peroxide and radicals.
  • This aging process changes the chemical properties of the components on a microscopic level, so that the electrical output of the fuel cell unit is reduced. This is particularly disadvantageous when the fuel cell unit is used in motor vehicles, because as a result less electrical power is available for driving the motor vehicle with an electric motor.
  • the aging process described above also occurs in a similar or analogous manner in electrolytic cell units.
  • Method according to the invention for regenerating an electrochemical cell unit for converting electrochemical energy into electrical energy as a fuel cell unit and/or for converting electrical energy into electrochemical energy as an electrolytic cell unit with stacked electrochemical cells and in the electrochemical cell unit channels for conducting a fuel and/or an electrolyte and channels for Passing through an oxidizing agent and / or an electrolyte are formed with the steps: provide a regeneration liquid from a solvent and at least one additive, passing the regeneration liquid through the channels for fuel and/or electrolytes and/or passing the regeneration liquid through the channels for oxidizing agents and/or electrolytes, adhesion of the at least one additive to at least one component of the electrochemical cell unit, initialization of at least a chemical reaction in and/or on the at least one component by means of the at least one additive, so that the amount of substance of at least one pollutant in and/or on the at least one component of the electrochemical cell unit is reduced by means of the chemical reaction.
  • the amount of substance of the at least one pollutant in the at least one component can thus advantageously be reduced by means of the method for regenerating the electrochemical cell unit, so that after the end of the method for regenerating the electrochemical cell unit advantageously has a greater electrochemical efficiency again.
  • the method is carried out as a maintenance method during a deactivated state of the electrochemical cell unit.
  • electrochemical energy is not converted into electrical energy while the method for regenerating the deactivated fuel cell unit is being carried out.
  • the method for regenerating the fuel cell unit can only be carried out when the fuel cell unit is deactivated, because the regeneration liquid has to be passed through the channels for fuel and/or oxidizing agent.
  • the initiation of the at least one chemical reaction in the at least one component is carried out by means of the at least one additive by carrying out a chemical reaction between the at least one additive and the at least one pollutant.
  • the at least one additive and the at least one pollutant thus form the educts of the chemical reaction.
  • At least one product, in particular all products, of the chemical reaction is or are not a pollutant.
  • the initiation of the at least one chemical reaction in the at least one component is carried out by means of the at least one additive in that the at least one additive acts as a catalyst for the chemical reaction as a decomposition reaction of the at least one pollutant into another substance and preferably the other substance is not a pollutant is.
  • the at least one additive as the catalyst is therefore preferably an additional additive with a catalytic effect and another additive forms a starting material for the chemical reaction with the at least one pollutant.
  • the regeneration liquid is conducted in a circuit through the channels.
  • the solvent is water and/or alcohol.
  • the at least one additive is an acid, in particular sulfuric acid.
  • the at least one additive is a reducing agent.
  • the at least one additive is a metal oxide, preferably a lanthanide oxide, in particular cerium oxide.
  • the at least one additive is a lanthanide ion, in particular a cerium ion, which is dissolved in the solvent.
  • the amount of hydrogen peroxide and/or radicals in the at least one component of the electrochemical cell unit is reduced by means of the chemical reaction; in particular, hydrogen peroxide and/or radicals in the at least one component of the electrochemical cell unit are decomposed by means of the chemical reaction.
  • the at least one component is a proton exchange membrane and/or a cathode and/or an anode and/or a catalyst layer and/or a gas diffusion layer and/or a bipolar plate.
  • the regeneration liquid is conducted only through the channels for fuel and/or electrolyte and the regeneration liquid simultaneously diffuses through the proton exchange membrane from the channels for fuel and/or electrolyte through which regeneration liquid flows into the channels for oxidizing agent and which are filled with a gas /or electrolytes or the passage of the regeneration liquid is carried out only through the channels for oxidizing agents and/or electrolytes and at the same time the regeneration liquid diffuses through the proton exchange membrane from the channels for oxidizing agents and/or electrolytes, through which regeneration liquid flows, into the channels filled with a gas for fuel and /or electrolytes.
  • Electrochemical cell unit 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, gas diffusion layers and bipolar plates, in which case a method described in this patent application can be carried out with the electrochemical cell unit and/or in the supply line for fuel and/or oxidizing agent and/or electrolyte and/or in the discharge line for oxidizing agent and/or fuel and /or electrolytes each have an opening, in particular a closable connection piece with a closing element, for introducing and/or discharging a regeneration fluid liquid is formed.
  • the channels for the process fluids are made of a porous, fluid-conducting and/or fluid-permeable material, in particular metal, formed.
  • 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.
  • At least one chemical reaction is initiated in and/or on the at least one component carried out by means of the at least one additive.
  • At least one chemical reaction is initiated in and/or on the at least one component by means of the at least one Additives executed. Due to the adhesion of the at least one additive to the at least one component, the at least one additive can be used to initiate at least one chemical reaction in and/or on the at least one component using the at least one additive even during normal operation.
  • non-metals in particular elemental carbon and/or carbon-containing organic compounds and/or metals, for example magnesium and/or aluminum and/or zinc, preferably alkali metals, for example lithium and/or sodium and/or or potassium, and/or hydrides, for example lithium aluminum hydride and/or sodium borohydride and/or Sodium hydride and/or salts and/or molecular compounds e.g. B. sodium sulfite, sodium dithionite and / or sodium thiosulfate and / or hydrazine are used.
  • alkali metals for example lithium and/or sodium and/or or potassium
  • hydrides for example lithium aluminum hydride and/or sodium borohydride and/or Sodium hydride and/or salts and/or molecular compounds e.g. B. sodium sulfite, sodium dithionite and / or sodium thiosulfate and / or hydrazine are used.
  • a method described in this patent application can expediently be carried out with the electrochemical cell unit described in this patent application.
  • the mass concentration of the additive in the regeneration liquid is between 0.1 g/l and 300 g/l, in particular between 1 g/l and 100 g/l.
  • the concentration of the at least one additive is monitored while the regeneration liquid is being conducted through the channels for fuel and/or electrolytes and/or while the regeneration liquid is being conducted through the channels for oxidizing agents and/or electrolytes and if it falls below a predetermined minimum concentration of the additive in the regeneration liquid, at least one additive is added to the regeneration liquid.
  • the method for regeneration is carried out during the operation of an electrolytic cell unit in that an electrolyte with at least one added additive is passed through the channels for the electrolyte.
  • 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.
  • 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.
  • the at least one additive is expediently present in the form of particles in the solvent as a suspension.
  • the additive is present in the solvent in the form of ions, in particular in the form of ions dissolved in the solvent.
  • the diameter of the particles is between 0.1 nm and 50 ⁇ m, in particular between 5 nm and 30 ⁇ m, preferably between 10 nm and 10 ⁇ m.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • the first substance is oxygen and the second substance is hydrogen.
  • the electrolytic cells of the electrolytic cell unit are fuel cells.
  • Fuel cell system 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.
  • Electrolysis system and/or fuel cell system 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.
  • the fuel cell unit described in this patent application also forms an electrolytic cell unit and preferably vice versa.
  • the electrochemical cell unit in particular the fuel cell unit and/or the electrolytic cell unit, comprises at least one connecting device, in particular several connecting devices, and tensioning elements.
  • the regeneration liquid is conducted and/or flooded through and/or into the gas spaces for fuel and/or the regeneration liquid is conducted and/or flooded through and/or into the gas spaces for oxidizing agents.
  • the passage of the regeneration liquid through the fuel channels causes this Conducting and/or flooding the regeneration liquid through and/or into the fuel gas compartments.
  • 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.
  • 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.
  • the connecting device is designed as a bolt and/or is rod-shaped and/or is designed as a tension belt.
  • the clamping elements are expediently designed as clamping plates.
  • the gas conveying device is designed as a blower and/or a compressor and/or a pressure vessel with oxidizing agent.
  • 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.
  • the tensioning elements are plate-shaped and/or disc-shaped and/or flat and/or designed as a lattice.
  • the fuel is hydrogen, hydrogen rich gas, reformate gas or natural gas.
  • the fuel cells and/or electrolytic cells are expediently designed to be essentially flat and/or disc-shaped.
  • the oxidizing agent is air with oxygen or pure oxygen.
  • the fuel cell unit is a PEM fuel cell unit with PEM fuel cells or an alkaline fuel cell (AFC).
  • AFC alkaline fuel cell
  • FIG. 1 shows a greatly simplified exploded view of an electrochemical cell system as a fuel cell system and electrolytic cell system with components of an electrochemical cell as a fuel cell and electrolytic cell,
  • FIG. 2 is a perspective view of part of a fuel cell and electrolytic cell
  • FIG. 3 shows a longitudinal section through electrochemical cells as a fuel cell and electrolytic cell
  • FIG. 4 shows a perspective view of an electrochemical cell unit as a fuel cell unit and electrolysis cell unit as a fuel cell stack and electrolysis cell stack
  • FIG. 5 shows 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
  • FIG. 7 greatly simplified representation of the electrochemical cell system with a device for carrying out the method
  • Fig. 8 Representation of the method steps for carrying out the method for regenerating the electrochemical cell unit.
  • FIG. 1 to 3 show the basic structure of a fuel cell 2 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 H2 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, i. H. the oxygen in the air provides the necessary gaseous oxidant.
  • a reduction acceptance of electrons takes place at the cathode 8 .
  • the oxidation as electron release is carried out at the anode 7 .
  • 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 a plurality of fuel cells 2, in particular a fuel cell unit 1 as a fuel cell stack 1 of a plurality of stacked fuel cells 2, has a higher Voltage, which corresponds to the number of fuel cells 2 multiplied by the individual voltage of a fuel cell 2 each.
  • 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 .
  • PEM proton exchange membrane
  • 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.
  • 12 ⁇ m to 150 ⁇ m 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 O2 and hydrogen H2, i.e. blocks the flow of oxygen O2 and hydrogen H2 between a gas space 31 at the anode 7 with fuel hydrogen H2 and the gas space 32 at the cathode 8 with air or Oxygen O2 as an oxidizing agent.
  • the proton conductivity of the PEM 5 increases with increasing temperature and increasing water content.
  • 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).
  • MEA membrane electrode assembly
  • 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.
  • 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 oxidant on the Cathode 8 analogously comprises nanodispersed platinum.
  • Nation® a PTFE emulsion or polyvinyl alcohol are used as binders.
  • the electrodes 7, 8 are constructed from an ionomer, for example National®, 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. Membrane electrode assemblies 6 with these electrodes 7, 8 comprising the ionomer form membrane electrode assemblies 6 as a CCM (catalyst coated membrane).
  • CCM catalyst coated membrane
  • 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.
  • 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.
  • 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 .
  • material for the bipolar plates 10 For example, metal, conductive plastics and composite materials or graphite are used.
  • a plurality of fuel cells 2 are arranged stacked in alignment (FIGS. 4 and 5).
  • 1 shows an exploded view of two fuel cells 2 arranged in a stacked alignment.
  • Seals 11 seal the gas chambers 31, 32 or channels 12, 13 in a fluid-tight manner.
  • Hydrogen H2 is stored as fuel at a pressure of, for example, 350 bar to 700 bar in a compressed gas store 21 (FIG. 1). 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 .
  • the pressure of the fuel is reduced to an injection pressure of between 1 bar and 3 bar.
  • the fuel is supplied to a fuel supply line 16 (FIG. 1) and from the supply line 16 to the fuel channels 12 which form the channel structure 29 for fuel.
  • 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 .
  • 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 .
  • 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 .
  • a Discharge line 26 derived from the fuel cells 2.
  • a supply line TI 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 shown in FIG. 1 as separate lines for reasons of simplification.
  • aligned fluid openings 41 on sealing plates 39 are formed in the stack of the fuel cell unit 1 as an extension on the end area 40 of the bipolar plates 10 (FIG.
  • 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.
  • 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 FIGS. 4 and 5 for reasons of drawing.
  • 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 braced to the tightness of the fuel, the oxidant and the coolant, in particular due to the elastic seals 11 to ensure and also to keep the electrical contact resistance within the fuel cell stack 1 as small as possible.
  • 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 firmly connected to the chipboards 34 .
  • 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 not shown separately in FIG
  • Bipolar plates 10 and membrane electrode arrangements 6 (not shown) are arranged stacked in alignment within the fuel cell unit 1, so that feed and discharge channels 42, 43, 44, 45, 46, 47 are formed.
  • 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.
  • 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.
  • 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 sufficient concentration of Oxonium ions H 3 0 + in the liquid electrolyte is necessary for electrolysis.
  • 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.
  • the liquid electrolyte is conducted through the channels 13 for the oxidizing agent and oxygen O 2 is formed as the first substance at the anodes in or on the channels 13 for the oxidizing agent.
  • the fuel cells 2 of the fuel cell unit 1 act 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 .
  • FIG. 1 two storage containers 54 of the fuel cell system 4 are shown in FIG. 1, 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 with a pump 56 from the storage tank 54 is introduced into the fuel supply line 16 rather than fuel from the compressed gas storage tank 21 .
  • a 3-way valve 55 on the oxidant supply line 25 is switched during operation as the electrolytic cell unit 49 so that oxidant is not used as air from the gas conveying device 22, but the liquid electrolyte is introduced with the pump 56 from the storage tank 54 into the feed line 25 for oxidizing agent.
  • 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 easily drains completely 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 preferably the 3-way valve 55 forms a electrochemical cell system 60.
  • 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 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.
  • 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 channel 12 for fuel and the channel 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.
  • 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.
  • 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.
  • the device comprises a storage container 67 which is filled with a regeneration liquid 68.
  • the electrochemical cell system 60 shown in highly simplified form, as a fuel cell system 4 and/or as an electrolytic cell system 48 has the supply line 25 for oxidizing agent, the discharge line 26 for oxidizing agent and water, the supply line 16 for fuel and the discharge line 15 for fuel and these lines 15, 16, 25 and 26 are not shown on the electrochemical cell system 60 in FIG.
  • 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
  • an orifice 64 is formed in oxidant discharge line 26 .
  • Lines 65 for a regeneration liquid open into these openings 61, 62, 63, 64.
  • Closing elements 66 for opening and closing the lines 65 are formed in the lines 65 in the region of the openings 61 , 62 , 63 , 64 .
  • 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 regeneration liquid.
  • a sensor 70 for detecting the concentration of an additive is installed in a line 65 which opens into the storage tank 67 .
  • an addition device 71 for adding an additive to the regeneration liquid 68 is built into the storage tank 67 .
  • the fuel cell system 4 is installed, for example, in a motor vehicle (not shown) and is used to supply the motor vehicle with electrical energy, in particular for a traction electric motor of the motor vehicle. After a specified number of kilometers traveled, for example 20,000 km, or a specific time, for example two years, regeneration of the fuel cell unit 1 of the fuel cell system 4 is necessary. For this purpose, the motor vehicle is driven into a workshop for the motor vehicle.
  • the closing elements 66 of the fuel cell system 4 are easily accessible, so that the flexible and bendable lines 65 can be easily connected to the closing elements 66 as hoses. After connecting the lines 65 to the Closing elements 66, the closing elements 66 are opened and the two circulating pumps 69 are switched on.
  • the regeneration liquid 68 is provided with additives.
  • the regeneration liquid 68 Due to the introduction of the regeneration liquid 68 through the opening 61, the regeneration liquid 68 is introduced into the fuel supply line 16 and subsequently into the channels 12 for fuel. After flowing through the channels 12 for fuel, the regeneration liquid 68 flows into the discharge line 15 for fuel and then through the line 65 and the opening 63 back into the storage container 67. In an analogous manner, the regeneration liquid 68 flows through the opening 62 into the supply line 25 for Oxidizing agent and then introduced into the channels 13 for oxidizing agent. Subsequently and after flowing through the channels 13 for oxidizing agent, the regeneration liquid 68 flows through the opening 64 and the discharge line 26 for oxidizing agent and through the line 65 back into the storage container 67.
  • the regeneration liquid 68 is thus circulated through the channels 12, 13 and the lines 65 and the storage tank 67 passed.
  • the additive is consumed because it is used as a starting material in a chemical reaction with a pollutant and/or the additive is attached to components 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30 of the fuel cell unit 1 attaches and stores, ie adheres.
  • the concentration of the additive in the regeneration liquid 68 is monitored by means of the sensor 70 for a substantially constant concentration of the additive in the regeneration liquid 68 .
  • concentration of the additive in the regeneration liquid 68 falls below a minimum level, further additive is added to the regeneration liquid 68 with the addition device 71 until a maximum concentration of the additive in the regeneration liquid 68 is reached.
  • the concentration, in particular mass concentration, of the additive in the regeneration liquid 68 can be kept essentially constant, preferably with a deviation of less than 10% or 20%.
  • the storage container 67 thus enables the regeneration liquid 68 to be made available 72.
  • adhesion occurs 75 of the additive in Components 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30 of the fuel cell unit 1 run, namely the proton exchange membrane 5, the anode 7, the cathode 8, the catalyst layer 30 and the gas diffusion layer 9.
  • the depositing 75 and the adhesion 75 of the additive the components 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51 of the fuel cell unit 1 causes an initialization 76 of a chemical reaction.
  • the amount of substance of the pollutant in and/or on the components 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51 of the fuel cell unit 1 is reduced in the chemical reaction.
  • the at least one chemical reaction is performed simultaneously.
  • the initialization 76 of the chemical reaction to reduce the amount of substance of the at least one pollutant is a chemical reaction with the educts pollutant and additive to form a product which is not a pollutant.
  • the additive can also function as a catalyst which enables and/or accelerates a decomposition reaction of the pollutant to form another substance which is not a pollutant.
  • the additive accumulates on the components 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51 of the fuel cell unit 1, so that even after the end of the process for regeneration and during operation, ie an active fuel cell unit 1 for converting electrochemical energy into electrical energy that accumulated and adhered additive decomposes pollutants in the components 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51.
  • an active fuel cell unit 1 for converting electrochemical energy into electrical energy that accumulated and adhered additive decomposes pollutants in the components 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51.
  • the method for regenerating the components 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30 of the electrochemical cell unit 53 can reduce the amount of substance of the pollutants are reached. After the regeneration, the electrical output of the fuel cell unit 1 and the electrochemical efficiency of the electrolytic cell unit 49 are greater again because the pollutants essentially no longer have any negative effects.
  • the adhesion of the additives to the components 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30 of the electrochemical cell unit 53 advantageously causes additives in and/or on the components 5, 6 , 7, 8, 9, 10, 30 are present in a sufficient amount of substance and thus also during operation, ie during an active electrochemical cell unit 53, the additives 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30 reduce the amount of substance of the pollutants in the components 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, so that a high electrical output of the fuel cell unit 1 and a good electrochemical efficiency of the electrolytic cell unit 49 also over a longer period of time after the end of the process for regenerating the electrochemical cell unit 53 is guaranteed until the next time the procedure is carried out.
  • This is of decisive advantage, in particular, when using the fuel cell unit 1 in motor vehicles to generate electrical energy for an electric motor for traction of the motor vehicle or for driving the motor vehicle.

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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

Beschreibung
Titel
Verfahren zur Regenerierung einer elektrochemischen Zelleneinheit
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 einerweiteren 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 einerweiteren 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 einerweiteren 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 einerweiteren 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 einerweiteren 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 einerweiteren 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 einerweiteren 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 einerweiteren 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 einerweiteren 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 pm, insbesondere zwischen 5 nm bis 30 pm, vorzugsweise zwischen 10 nm bis 10 pm.
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 einerweiteren 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 einerweiteren Ausgestaltung bildet die in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Brennstoffzelleneinheit zusätzlich eine Elektrolysezelleneinheit und vorzugsweise umgekehrt.
In einerweiteren Variante umfasst die elektrochemische Zelleneinheit, insbesondere Brennstoffzelleneinheit und/oder die Elektrolysezelleneinheit, wenigstens eine Verbindungsvorrichtung, insbesondere mehrere Verbindungsvorrichtungen, und Spannelemente.
In einerweiteren 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 einerweiteren 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 einerweiteren 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 einerweiteren 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 einerweiteren 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).
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter
Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 eine stark vereinfachte Explosionsdarstellung eines elektrochemischen Zellensystems als Brennstoffzellensystem und Elektrolysezellensystem mit Komponenten einer elektrochemischen Zelle als Brennstoffzelle und Elektrolysezelle,
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Brennstoffzelle und Elektrolysezelle,
Fig. 3 einen Längsschnitt durch elektrochemische Zellen als Brennstoffzelle und Elektrolysezelle,
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer elektrochemischen Zelleneinheit als Brennstoffzelleneinheit und Elektrolysezelleneinheit als Brennstoffzellenstapel und Elektrolysezellenstapel,
Fig. 5 eine Seitenansicht der elektrochemischen Zelleneinheit als Brennstoffzelleneinheit und Elektrolysezelleneinheit als Brennstoffzellenstapel und Elektrolysezellenstapel,
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht einer Bipolarplatte,
Fig. 7 stark vereinfachte Darstellung des elektrochemischen Zellensystems mit einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, Fig. 8 Darstellung der Verfahrensschritte zur Durchführung des Verfahrens zur Regenerierung der elektrochemischen Zelleneinheit.
In den Fig. 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:
02 + 4 H+ + 4 e- ~» 2 H20
Anode:
2 H2 ~» 4 H+ + 4 e-
Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode:
2 H2 + 02 ~» 2 H20
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 pm bis 150 pm 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 (Fig. 4 und 5). In Fig. 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 (Fig. 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 (Fig. 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 TI 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 Fig. 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 (Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 H2S04)=1 mol/l, verwendet. Eine ausrechende Konzentration von Oxoniumionen H30+ in dem flüssigen Elektrolyten ist notwendig für die Elektrolyse.
Bei der Elektrolyse laufen die nachfolgenden Redoxreaktionen ab:
Kathode:
4 H30+ + 4 e- ~» 2 H2 + 4 H20
Anode:
6 H20 -» 02 + 4 H30+ + 4 e-
Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode:
2 H20 -» 2 H2 + 02
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 02 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 02 wird von dem flüssigen Elektrolyten aufgenommen und gelöst mittransportiert. Der flüssige Elektrolyt ist in einem Speicherbehälter 54 gelagert. In Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 (ΌH) angelagert. Als Additiv wird der Cer(IV)- oxid (CeC>2) und Cer(lll)-oxid (Ce2C>3) 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(lll)-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

Ansprüche
1. 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.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren während eines deaktiven Zustandes der elektrochemischen Zelleneinheit (53) als Wartungsverfahren ausgeführt wird.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regenerierflüssigkeit in einem Kreislauf durch die Kanäle (12, 13) geleitet wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lösungsmittel Wasser und/oder Alkohol ist.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Additiv eines Säure, insbesondere Schwefelsäure, ist.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Additiv ein Reduktionsmittel ist.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Additiv ein Metalloxid, vorzugsweise ein Lanthanoidenoxid, insbesondere Ceroxid, ist.
11. 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.
12. 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.
13. 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.
14. 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.
15. 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.
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DE10328257A1 (de) * 2003-06-24 2005-01-13 Daimlerchrysler Ag Verfahren zur Regeneration einer Membran-Elektroden-Anordnung einer PEM-Brennstoffzelle
US20200002821A1 (en) * 2018-03-22 2020-01-02 Kabushiki Kaisha Toshiba Carbon dioxide electrolytic device and method of electrolyzing carbon dioxide

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