WO2023094051A1 - Verfahren zur konditionierung einer elektrochemischen zelleneinheit - Google Patents

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WO2023094051A1
WO2023094051A1 PCT/EP2022/076830 EP2022076830W WO2023094051A1 WO 2023094051 A1 WO2023094051 A1 WO 2023094051A1 EP 2022076830 W EP2022076830 W EP 2022076830W WO 2023094051 A1 WO2023094051 A1 WO 2023094051A1
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Michael Giuseppe MARINO
Julia DRILLKENS
Anton Ringel
Juergen Hackenberg
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a method for conditioning an electrochemical cell unit according to the preamble of claim 1 and an electrochemical cell unit according to the preamble of claim 15.
  • 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.
  • the components of the fuel cells include anodes, cathodes and proton exchange membranes.
  • the components of the fuel cells in particular the electrodes and/or the catalyst layers, have oxide layers and impurities.
  • Components of the fuel cells, in particular proton exchange membranes have a low level of moisture or a low water content after the fuel cells have been arranged to form the stack.
  • the proton exchange membranes in particular would have a low proton conductivity and high ohmic and electrical losses would also occur at the anodes and cathodes.
  • the oxide layers and impurities disadvantageously reduce the performance of the fuel cell unit.
  • conditioning of the fuel cell unit as the stack with a conditioning fluid as a conditioning gas is necessary.
  • a conditioning fluid as a conditioning gas
  • a humidified gas generally air
  • the fuel cell unit is passed through the fuel and oxidant passages to prevent hydration of these components with water and moisture, respectively the conditioning gas is reached.
  • the oxide layers and impurities are also removed.
  • it is already known to operate the fuel cell unit to condition it ie to convert electrochemical energy into electrical energy by passing the fuel through the channels for fuel to the anode and passing oxidant through the channels for the oxidizing agent to the cathodes.
  • This operation of the fuel cell unit is generally carried out in different, changing load states, in particular also with very large and very small outputs of the fuel cell unit.
  • a large consumption of hydrogen as a fuel occurs, so that high costs are disadvantageously the consequence for the conditioning.
  • the conditioning gas As a conditioning fluid through the fuel and oxidant channels over a long period of several hours until impurities and oxide layers, particularly on the electrodes and/or catalyst layers, are removed and a sufficient water content of the components anodes, cathodes and proton exchange membrane is present, d. H. hydration of these components with water or moisture from the conditioning gas is achieved.
  • large storage rooms are therefore required in order to keep the fuel cell units produced in the several hours available for carrying out the conditioning.
  • DE 102013 101 829 A1 shows a method for breaking in and humidifying membrane electrode assemblies (MEAs) in a fuel cell stack, the method comprising: performing alternating voltage stress and humidifying the MEAs in the fuel cell stack with one or more temperature steps, wherein the current density of the stack is traversed within a predetermined range for each of the one or more temperature steps; Maintaining a fuel cell stack voltage within a predetermined range and maintaining anode and cathode reactant flows at an approximate set point while cycling the current density in the one or more temperature steps to break-in and humidify the MEAs in the stack such that the stack is at a predetermined threshold for a Fuel cell stack output voltage capability can be operated DE 10 2015 225 507 A1 shows a method for accelerating the activation of a fuel cell stack, in which a process for applying a high current to the fuel cell stack for a set period of time and a shutdown sustaining process for pumping hydrogen to an air electrode reaction surface for a set period of time to be repeated several times.
  • the process of applying the high current to the fuel cell stack and the shutdown sustaining process of pumping the hydrogen to the air electrode reaction surface are performed for 3 to 5 seconds in an initial stage of the fuel cell stack activation and then for 65 to 75 seconds by gradually increasing the time in one later stage of fuel cell stack activation.
  • the shutdown maintaining process includes: a process of shutting off the oxygen supply to an air electrode and supplying the hydrogen to a fuel electrode in a shutdown state of the fuel cell stack; a reaction process (H2 — > 2H + + 2e _ ) in which the hydrogen is dissociated into hydrogen cations and electrons in the fuel electrode; and a reaction process (2H + + 2e _ — > H2) in which the dissociated hydrogen cations and electrons are conducted to the air electrode through an electrolyte membrane and connected to the electrons again.
  • US 2016/0336612 A1 shows a method for accelerating the activation of a fuel cell stack.
  • Hydrogen as a reducing agent enables oxide layers and impurities to be effectively reduced, in particular by metal oxides being reduced to metal by the reducing agent hydrogen.
  • hydrogen is passed through the oxidant and/or electrolyte channels for at least 70%, 80%, or 90% of the time duration of the electrochemical cell unit conditioning method.
  • hydrogen is conducted through the channels for oxidizing agents and/or electrolytes for the entire duration of the method for conditioning the electrochemical cell unit.
  • the anodes and cathodes are connected to a DC power source such that a DC voltage difference is established between the anodes and cathodes. Due to the DC voltage difference between the anodes and cathodes on the electrochemical cells, in particular fuel cells, hydrogen is oxidized to protons at the anodes with the release of electrons and protons are reduced to hydrogen at the cathodes with the absorption of electrons.
  • protons migrate through the proton exchange membranes in a direction from the anodes to the cathodes.
  • hydrogen is simultaneously passed through the fuel and/or electrolyte channels as a conditioning fluid.
  • the hydrogen is thus simultaneously passed through the channels and/or gas spaces for fuel and/or electrolytes and through the channels and/or gas spaces for oxidizing agents and/or electrolytes.
  • protons are formed from the hydrogen at the anodes by the hydrogen being reduced to protons with the release of electrons and these protons through the proton exchange membranes in a direction away from the anodes move to the cathodes.
  • the mole fraction and/or mass fraction of hydrogen in the conditioning fluid that is passed through the oxidant and/or electrolyte channels and/or through the fuel and/or electrolyte channels is at least 80%, 90%, 95%, 98% or 99%.
  • the mole fraction and/or mass fraction of hydrogen in the conditioning fluid is generally slightly less than 100% because water and/or water vapor in the conditioning fluid is necessary for wetting components of the fuel cells.
  • the channels and/or gas spaces for fuel and/or electrolyte are simultaneously flooded with water as the conditioning fluid.
  • protons are formed from the water are formed and these protons migrate through the proton exchange membranes in a direction from the anodes to the cathodes.
  • a DC voltage is applied to the anodes and cathodes, so that hydrogen is formed at the anodes from the water by means of electrolysis and this hydrogen formed at the anodes is then also oxidized at the anodes, giving off electrons to form protons and these protons migrate through the proton exchange membranes.
  • hydrogen is formed by reducing the protons that have migrated through the proton exchange membrane to hydrogen by accepting electrons from the cathodes.
  • the hydrogen is conducted with a circuit, in particular a common circuit, through the channels and/or gas spaces for oxidizing agents and/or electrolytes and/or through the channels gas spaces for fuel and/or electrolytes.
  • the hydrogen is moistened and/or enriched with water and/or water vapor before it is introduced into the channels for oxidizing agents and/or electrolytes and/or into the channels for fuel and/or electrolytes.
  • the method in particular the passage of hydrogen through the channels for oxidizing agents and/or electrolytes, is carried out for a period of between 5 minutes and 3 hours, in particular between 10 minutes and 2 hours, preferably continuously.
  • Electrochemical cell unit according to the invention for converting electrochemical energy into electrical energy as a fuel cell unit and/or for converting electrical energy into electrochemical energy as an electrolysis cell unit comprising electrochemical cells arranged stacked and the electrochemical cells each comprising layered components arranged stacked and the components of the electrochemical cells proton exchange membranes, anodes, cathodes, are preferably gas diffusion layers and bipolar plates, it being possible to carry out a method described in this patent application with the electrochemical cell unit.
  • the mole fraction and/or mass fraction of water and/or water vapor in the conditioning fluid is between 0% and 15%, in particular between 0% and 5%.
  • the sum of the mole fraction and/or mass fraction of hydrogen and water and/or water vapor in the conditioning fluid is at least 95%, 98%, 99%, 99.5% or 99.9%, in particular 100%.
  • adhesion and/or hydration and/or hydration of water and/or moisture to components of the electrochemical cell unit derived from the conditioning fluid hydrogen is performed during performance of the method.
  • hydrogen is conducted through the channels and/or gas spaces for fuel and/or through the channels and/or gas spaces for oxidizing agent.
  • the channels and/or gas spaces for fuel are expediently flooded with water.
  • the channels for fuel and/or electrolytes are flooded with water in that water is conducted through the channels for fuel and/or electrolytes or is arranged without a flow.
  • the poles of the direct current source are reversed during the method, in particular several times, so that the anodes before the polarity reversal become cathodes after the polarity reversal and the cathodes before the polarity reversal become anodes after the polarity reversal and vice versa.
  • the method is carried out as a manufacturing method during a deactivated state of the electrochemical cell unit.
  • the temperature of the conditioning fluid is detected with a sensor and depending on the detected temperature of the conditioning fluid, heating and/or cooling is controlled and/or regulated, so that the temperature of the conditioning fluid is essentially, in particular with a deviation of less as 30%, 20% or 10%, corresponds to a setpoint of the temperature.
  • the desired value as a specific temperature is between 3°C and 70°C, for example, in particular between 15°C and 25°C.
  • the method for conditioning described in this property right application is a production step of a method for producing an electrochemical cell unit, with the electrochemical cells being made available and the electrochemical cells being stacked to form the electrochemical cell unit as a cell stack, preferably before the conditioning method becomes.
  • 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 property right 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 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.
  • 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 electrochemical cells in particular fuel cells and/or electrolytic cells, each preferably comprise an insulation 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 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).
  • 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 an electrolysis cell unit as a fuel cell stack and an 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. 6 is a perspective view of a bipolar plate
  • FIG. 7 greatly simplified representation of an electrochemical cell unit with a device for carrying out a method for conditioning.
  • 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, ie the oxygen in the air provides the necessary gaseous oxidizing agent.
  • 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 quiescent state and with small currents, voltages of more than 1.0 V can be reached, and when operating with larger currents, voltages between 0.5 V and 1.0 V are reached.
  • the series connection of several fuel cells 2, in particular a fuel cell unit 1 as a fuel cell stack 1 of several stacked fuel cells 2 has a higher voltage, which corresponds to the number of fuel cells 2 multiplied by the individual voltage of each fuel cell 2.
  • the fuel cell 2 also includes a proton exchange membrane 5 (proton exchange membrane, PEM), which between the anode 7 and the Cathode 8 is arranged.
  • 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 constructed from an ionomer, for example National®, carbon particles containing platinum 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 and the PEM 5 form membrane electrode assemblies 6 as a COM (catalyst coated membrane).
  • gas diffusion layer 9 gas diffusion layer, GDL
  • the gas diffusion layer 9 on the anode 7 evenly distributes the fuel from fuel channels 12 to the anode 7.
  • the gas diffusion layer 9 on the cathode 8 evenly distributes the oxidant from oxidant channels 13 to the cathode 8.
  • the GDL 9 also draws water of reaction in reverse Direction to the direction of flow of the reaction gases, ie in a direction from the electrodes 7, 8 to the channels 12, 13. Furthermore, the GDL 9 keeps the PEM 5 moist and conducts the current.
  • 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 .
  • Metal, conductive plastics and composite materials or graphite, for example, are used as the material for the bipolar plates 10 .
  • 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 .
  • the oxidizing agent 32 After the oxidizing agent 32 has flowed through the channels 13 or the gas space 32, the oxidizing agent not consumed at the cathode 8 and the water of reaction formed at the cathode 8 due to the electrochemical redox reaction are discharged from the fuel cells 2 through a discharge line 26.
  • a supply line 27 is used to supply coolant into the channels 14 for coolant and a discharge line 28 is used to discharge the coolant conducted through the channels 14 .
  • the supply and discharge lines 15, 16, 25, 26, 27, 28 are 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 between two clamping elements 33 as clamping plates 34 .
  • 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 thus braced in order to ensure tightness for the fuel, the oxidizing agent and the coolant, in particular due to the elastic seals 11, and also to keep the electrical contact resistance within the fuel cell stack 1 as small as possible.
  • 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 clamping plates 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 also subsumed under the term bipolar plate 10 and the opposite.
  • 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 the 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 oxidizing agent and oxygen O 2 is formed as the first substance at the anodes in or at channels 13 for oxidizing agent.
  • the fuel cells 2 of the fuel cell unit 1 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 formed Oxygen O2 is absorbed by the liquid electrolyte and transported in dissolved form.
  • the liquid electrolyte is stored in a storage tank 54 .
  • two storage containers 54 of the fuel cell system 4 are shown in FIG. 1, which also functions as an electrolytic cell system 48 .
  • a 3-way valve 55 on the supply line 16 for fuel 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 supply line 16 for fuel rather than fuel from the compressed gas storage tank 21 .
  • a 3-way valve 55 on the supply line 25 for oxidant is switched over during operation as an electrolytic cell unit 49, so that the liquid electrolyte with the pump 56 from the storage tank 54 is fed into the supply line 25 for oxidant rather than oxidant as air from the gas delivery device 22 is initiated.
  • the fuel cell unit 1, which also functions as an electrolysis 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.
  • 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.
  • the hydrogen separated off at the separator 57 can be fed to the compressed gas reservoir 21 using a compressor (not shown).
  • 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 for oxygen (not shown).
  • the oxygen in the compressed gas reservoir for oxygen (not shown) can optionally be used to operate the fuel cell unit 1
  • the electrolyte discharged 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.
  • an inert gas is passed through the channels 12, 13 and the discharge and supply lines 15, 16, 25, 26 for the complete removal of the liquid electrolyte before the passage of gaseous fuel and oxidizing agent.
  • the fuel cells 2 and the electrolytic cells 2 thus form electrochemical cells 52.
  • the fuel cell unit 1 and the electrolytic cell unit 49 thus form an electrochemical cell unit 53.
  • the 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 operated as a reversible fuel cell unit 1 , ie as an electrolytic cell unit 49 .
  • 7 shows the electrochemical cell unit 53, in particular as the fuel cell unit 1, with a device 68 for carrying out a method for conditioning the electrochemical cell unit 53.
  • the electrochemical cell unit 53 has the supply line 16 for fuel and the supply line 25 for oxidant. Furthermore, the electrochemical cell unit 53 has the discharge line 15 for fuel and the discharge line 26 for oxidizing agent. Instead of the discharge line 15 for fuel, the supply line 16 for fuel, the supply line 25 for oxidizing agent and the discharge line 26 for oxidizing agent, only corresponding four openings for discharging and supplying fuel and oxidizing agent can also be formed on the electrochemical cell unit 53 .
  • the supply line 16 for fuel or a corresponding opening and the supply line 25 for oxidant or a corresponding opening open into a common hydrogen line 60.
  • the discharge line 15 for fuel or a corresponding opening and the discharge line 26 for oxidant or a corresponding opening open into a common hydrogen line 60.
  • the hydrogen line 60 is designed in such a way that hydrogen as a conditioning fluid for conditioning the electrochemical cell unit 53 can be conducted jointly in a circuit through the channels 12 for fuel and the channels 13 for the oxidizing agent of the fuel cell unit 1.
  • a pump 65 for conveying the hydrogen in the circuit is arranged in the hydrogen line 60 .
  • a humidifier 66 is used to humidify the hydrogen before it is fed into the channels 12 for fuel and into the channels 13 for the oxidizing agent to a predetermined target value of a relative or absolute humidity.
  • a dehumidifying device 67 is installed in the hydrogen line 60 . In the dehumidifying device 67, excess moisture in the hydrogen in the hydrogen line 60 is removed.
  • a hydrogen supply 61 as a hydrogen pressure tank 62 is connected to the hydrogen line 60 with a metering line 63 and a valve 64 .
  • the valve 64 is opened and thereby the hydrogen line 60 and the channels 12 and/or gas spaces 31 for fuel and the channels 13 and/or gas spaces 32 for oxidizing agents are essentially opened completely filled with hydrogen, so that the mole fraction of hydrogen in the channels 12 for fuel and the channels 13 for oxidizing agent and in the hydrogen line 60 is greater than 99%, in particular the hydrogen line 60 and the channels 12 for fuel and the channels 13 for oxidizing agent are complete are filled with pure hydrogen.
  • additional corresponding valves are arranged in the hydrogen line 60 so that excess gas, in particular air after production, is discharged into the environment in the hydrogen line 60 and the channels 12 for fuel and the channels 13 for oxidizing agent during filling with hydrogen can be filled until they are completely and exclusively filled with hydrogen.
  • the device 68 for carrying out the method also includes a direct current source 69 and power lines 70.
  • the direct current source 69 is used to apply a corresponding direct current to the anodes 7 and to the cathodes 8 of the fuel cells 2.
  • a polarity reversal can also be carried out with a changeover switch (not shown), so that anodes 7 before the polarity reversal form cathodes 8 after the polarity reversal and cathodes 8 before the polarity reversal form anodes 7 after the polarity reversal and vice versa.
  • H 2 Hydrogen is thus oxidized at the anode 7 to form protons H + , with the release of electrons to the anodes 7 , and protons H + are reduced at the cathode 8 , taking up electrons from the cathode to form hydrogen.
  • the electrons are conducted from the anodes 7 to the cathodes 8 .
  • the protons H + generated at the anode 7 migrate through the proton exchange membrane 5 to the cathode 8 and are reduced there to hydrogen.
  • the educt hydrogen corresponds to the product hydrogen. This operation is generally carried out at a temperature at or slightly above room temperatures, ie in a temperature range between 20°C and 30°C, for example.
  • the material conversion or the reaction conversion with the conditioning fluid hydrogen enables more effective removal of oxide layers and impurities, in particular on the electrodes 7, 8 and the catalyst layers 30. Due to the possibility of polarity reversal, the anodes 7 and cathodes 8 can be treated identically, ie in the oxide layers and impurities are removed in an identical manner.
  • the humidification of components of the fuel cell unit 1, in particular the proton exchange membrane 5, is carried out by means of the humidification device 66 and the dehumidification device 67 by the hydrogen, which is conducted through the channels 12 for fuel and the channels 13 for oxidizing agent, being sufficiently humidified accordingly so that the Proton exchange membrane 5 has sufficient humidification, so that the proportion of hydrogen in the conditioning fluid is slightly less than 100%.
  • the mass fraction of hydrogen is 98% and the mass fraction of water and/or water vapor is 2%.
  • the conditioning fluid is thus formed by the hydrogen and water and/or steam.
  • the water used for humidification is degassed before it is used for the humidifying device 66, for example by means of ultrasound, so that no gases are dissolved in the water for humidification. While the method is being carried out, essentially no hydrogen is consumed because the oxide layers are only present with a very small, atomic thickness on the components of the fuel cell unit 1 and are therefore required for the reduction of oxides, for example platinum oxide to platinum, by means of the reducing agent hydrogen negligible consumption of hydrogen occurs.
  • the method for conditioning the electrochemical cell unit 53 can be changed in a further exemplary embodiment (not shown) such that the channels 12 for fuel are flooded with water, in particular water is conducted in a circuit through the channels 12 for fuel. Before being used in the channels 12 for fuel, the water is degassed, in particular by means of ultrasound. In a manner analogous to that in the first exemplary embodiment, the hydrogen is passed through the channels 13 for oxidizing agents. In this second embodiment, no polarity reversal of the anode 7 and cathode 8 is performed.
  • a process duration of approximately 20 to 60 minutes is necessary for the continuous conditioning of the electrochemical cell unit 53, so that a large number of electrochemical cell units 53 can be conditioned in a short time. A large storage of electrochemical cell units 53 during conditioning can thus be avoided.
  • the device 68 has a simple structure because only one type of gas, namely hydrogen, is required for the conditioning. In general, none Temperature control of the electrochemical cell units 53 is necessary while the method is being carried out because the method can be carried out at room temperature in the range between 15.degree. C. and 25.degree. No water is formed in the electrochemical cell unit 53 during the performance of the process, so that excess water does not have to be removed during the performance of the process.
  • the channels 12 for fuel and the channels 13 for oxidizing agent are filled with hydrogen, so that the fuel cell unit 1 cannot convert electrochemical energy into electrical energy and there is therefore no risk of electric shocks to the fuel cell unit 1 the implementation of the procedure.

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Abstract

Verfahren zur Konditionierung einer elektrochemische Zelleneinheit (53) vor der Inbetriebnahme der elektrochemischen Zelleneinheit (53) zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit (1) und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit (49) mit gestapelten elektrochemischen Zellen (52) und in der elektrochemischen Zelleneinheit (53) Kanäle zum Durchleiten eines Brennstoffes und/oder eines Elektrolyten und Kanäle zum Durchleiten eines Oxidationsmittels und/oder eines Elektrolyten ausgebildet sind mit den Schritten: zur Verfügung stellen eines Konditionierfluides, Durchleiten des Konditionierfluides durch die Kanäle (12) für Brennstoff und/oder Elektrolyten und/oder Durchleiten des Konditionierfluides durch die Kanäle (13) für Oxidationsmittel und/oder Elektrolyten, wobei während wenigstens 50% der Zeitdauer des Verfahrens zur Konditionierung der elektrochemischen Zelleneinheit (53) Wasserstoff als Konditionierfluid durch die Kanäle (13) für Oxidationsmittel und/oder Elektrolyten geleitet wird.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zur Konditionierung einer elektrochemischen Zelleneinheit
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konditionierung einer elektrochemischen Zelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und eine elektrochemische Zelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 15.
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.
Während der Herstellung einer Brennstoffzelleneinheit werden einzelne Brennstoffzellen zu einem Stack als der Brennstoffzelleneinheit gestapelt. Die Komponenten der Brennstoffzellen sind dabei unter anderem auch Anoden, Kathoden und Protonenaustauschermembranen. Die Komponenten der Brennstoffzellen, insbesondere die Elektroden und/oder die Katalysatorschichten, weisen Oxidschichten und Verunreinigungen auf. Komponenten der Brennstoffzellen, insbesondere Protonenaustauschermembranen, weisen nach der Anordnung der Brennstoffzellen zu dem Stack eine geringe Feuchtigkeit bzw. einen geringen Wassergehalt auf. Dadurch würden insbesondere die Protonenaustauschermembranen eine kleine Protonenleitfähigkeit aufweisen und außerdem an den Anoden und Kathoden hohe ohmsche und elektrische Verluste auftreten. Die Oxidschichten und Verunreinigungen reduzieren in nachteiliger Weise die Leistung der Brennstoffzelleneinheit. Um dies zu vermeiden, ist eine Konditionierung der Brennstoffzelleneinheit als dem Stack mit einem Konditionierfluid als einem Konditioniergas notwendig. Während der Konditionierung, auch als „pre-conditioning“ oder „break-in“ bezeichnet, der Brennstoffzelleneinheit wird ein befeuchtetes Gas, im Allgemeinen Luft, durch die Kanäle für Brennstoff und Oxidationsmittel geleitet, damit eine Hydratisierung dieser Komponenten mit Wasser bzw. Feuchtigkeit aus dem Konditioniergas erreicht wird. In dem Verfahren zur Konditionierung werden auch die Oxidschichten und Verunreinigungen entfernt. Darüber hinaus ist es bereits bekannt, zur Konditionierung der Brennstoffzelleneinheit diese zu betreiben, d. h. elektrochemische Energie in elektrische Energie umzuwandeln in dem durch die Kanäle für Brennstoff an die Anode der Brennstoff geleitet wird und durch die Kanäle für das Oxidationsmittel an die Kathoden Oxidationsmittel geleitet wird. Dieses Betreiben der Brennstoffzelleneinheit wird dabei im Allgemeinen in unterschiedlichen, wechselnden Lastzuständen ausgeführt, insbesondere auch mit sehr großen und sehr kleinen Leistungen der Brennstoffzelleneinheit. Dabei tritt ein großer Verbrauch an Wasserstoff als Brennstoff auf, sodass für die Konditionierung hohe Kosten in nachteiliger Weise die Folge sind.
Aufgrund der physikalischen und chemischen Vorgänge während des Verfahrens zur Konditionierung ist es notwendig, das Konditioniergas als ein Konditionierfluid über einen langen Zeitraum von mehreren Stunden durch die Kanäle für Brennstoff und Oxidationsmittel zu leiten bis Verunreinigungen und Oxidschichten, insbesondere an den Elektroden und/oder Katalysatorschichten, entfernt sind und ein ausreichender Wassergehalt der Komponenten Anoden, Kathoden und Protonenaustauschermembran vorhanden ist, d. h. eine Hydratisierung dieser Komponenten mit Wasser bzw. Feuchtigkeit aus dem Konditioniergas erreicht wird. Bei einer industriellen Herstellung einer großen Anzahl an Brennstoffzelleneinheiten in mehreren Stunden sind somit große Lagerräume erforderlich, um die in den mehreren Stunden hergestellten Brennstoffzelleneinheiten für die Durchführung der Konditionierung vorzuhalten. Dadurch treten in nachteiliger Weise hohe Kosten für die Herstellung der Brennstoffzelleneinheiten auf, weil entsprechende große Lagerräume vorgehalten werden müssen und auch eine große Anzahl an Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens zur simultanen Konditionierung der großen Anzahl der Brennstoffzelleneinheiten notwendig sind. In analoger Weise ist auch für Elektrolysezelleneinheiten eine Konditionierung notwendig.
Die DE 102013 101 829 A1 zeigt in Verfahren zum Einfahren und Befeuchten von Membranelektrodenanordnungen (MEAs) in einem Brennstoffzellenstapel, wobei das Verfahren umfasst: Ausführen von einer Spannungswechselbelastung und einer Befeuchtung der MEAs in dem Brennstoffzellenstapel mit einem oder mehreren Temperaturschritten, wobei die Stromdichte des Stapels innerhalb eines vorbestimmten Bereichs für jeden des einen oder mehreren Temperaturschrittes durchfahren wird; Aufrechterhalten einer Brennstoffzellenstapelspannung innerhalb eines vorbestimmten Bereichs und Aufrechterhalten von Anoden- und Kathodenreaktandenflüssen an einem ungefähren Sollpunkt, während die Stromdichte in dem einen oder mehreren Temperaturschritten zum Einfahren und Befeuchten der MEAs in dem Stapel durchfahren wird, so dass der Stapel an einem vorbestimmten Schwellenwert für ein Brennstoffzellenstapelausgangsspannungsvermögen betrieben werden kann Die DE 10 2015 225 507 A1 zeigt ein Verfahren zum Beschleunigen der Aktivierung eines Brennstoffzellenstapels, bei dem ein Prozess zum Anlegen eines hohen Stroms an den Brennstoffzellenstapel für eine festgesetzte Zeitdauer und ein Abschaltungs-Aufrechterhaltungsprozess zum Pumpen von Wasserstoff zu einer Luftelektroden-Reaktionsfläche für eine festgesetzte Zeitdauer mehrere Male wiederholt werden. Der Prozess zum Anlegen des hohen Stroms an den Brennstoffzellenstapel und der Abschaltungs- Aufrechterhaltungsprozess zum Pumpen des Wasserstoffs zu der Luftelektroden- Reaktionsfläche werden für 3 bis 5 Sekunden in einer Anfangsstufe der Brennstoffzellenstapelaktivierung durchgeführt und dann für 65 bis 75 Sekunden durch graduelles Verlängern der Zeit in einer späteren Stufe der Brennstoffzellenstapelaktivierung. Der Abschaltungs-Aufrechterhaltungsprozess weist Folgendes auf: einen Prozess zum Abstellen der Sauerstoffzufuhr zu einer Luftelektrode und Zuführen des Wasserstoffs zu einer Brennstoffel ektrode in einem Abschaltzustand des Brennstoffzellenstapels; einen Reaktionsprozess (H2 — > 2H+ + 2e_), bei dem der Wasserstoff in Wasserstoff-Kationen und Elektronen in der Brennstoffelektrode dissoziiert wird; und einen Reaktionsprozess (2H+ + 2e_ — > H2), bei dem die dissoziierten Wasserstoff-Kationen und Elektronen zu der Luftelektrode durch eine Elektrolytmembran geleitet werden und wieder mit den Elektronen verbunden.
Die US 2016/0336612 A1 zeigt ein Verfahren zum Beschleunigen der Aktivierung eines Brennstoffzellenstapels.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäßes Verfahren zur Konditionierung einer elektrochemische Zelleneinheit vor der Inbetriebnahme der elektrochemischen Zelleneinheit zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit mit gestapelten elektrochemischen Zellen und in der elektrochemischen Zelleneinheit Kanäle zum Durchleiten eines Brennstoffes und/oder eines Elektrolyten und Kanäle zum Durchleiten eines Oxidationsmittels und/oder eines Elektrolyten ausgebildet sind mit den Schritten: zur Verfügung stellen eines Konditionierfluides, Durchleiten und/oder Fluten des Konditionierfluides durch und/oder in die Kanäle für Brennstoff und/oder Elektrolyten und/oder Durchleiten und/oder Fluten des Konditionierfluides durch die Kanäle für Oxidationsmittel und/oder Elektrolyten, wobei während wenigstens 50% der Zeitdauer des Verfahrens zur Konditionierung der elektrochemischen Zelleneinheit Wasserstoff als Konditionierfluid durch die Kanäle für Oxidationsmittel und/oder Elektrolyten geleitet wird. Wasserstoff als Reduktionsmittel ermöglicht eine effektive Reduzierung von Oxidschichten und Verunreinigungen, insbesondere indem von dem Reduktionsmittel Wasserstoff Metalloxide zu Metall reduziert werden.
In einer ergänzenden Ausführungsform wird während wenigstens 70%, 80% oder 90% der Zeitdauer des Verfahrens zur Konditionierung der elektrochemischen Zelleneinheit Wasserstoff durch die Kanäle für Oxidationsmittel und/oder Elektrolyten geleitet.
In einer weiteren Variante wird während der gesamten Zeitdauer des Verfahrens zur Konditionierung der elektrochemischen Zelleneinheit Wasserstoff durch die Kanäle für Oxidationsmittel und/oder Elektrolyten geleitet.
In einer zusätzlichen Ausführungsform sind während des Durchleitens von Wasserstoff durch die Kanäle für Oxidationsmittel und/oder Elektrolyten die Anoden und Kathoden mit einer Gleichstromquelle verbunden, so dass zwischen den Anoden und Kathoden eine Gleichspannungsdifferenz ausgebildet wird. Aufgrund der Gleichspannungsdifferenz zwischen den Anoden und Kathoden an den elektrochemischen Zellen, insbesondere Brennstoffzellen, wird an den Anoden Wasserstoff zu Protonen unter Abgabe von Elektronen oxidiert und an den Kathoden werden Protonen unter Aufnahme von Elektronen zu Wasserstoff reduziert.
Vorzugsweise wandern während des Durchleitens von Wasserstoff durch die Kanäle für Oxidationsmittel und/oder Elektrolyten Protonen durch die Protonenaustauschermembranen in einer Richtung von den Anoden zu den Kathoden. In einer ergänzenden Ausführungsform wird während des Durchleitens von Wasserstoff durch die Kanäle für Oxidationsmittel und/oder Elektrolyten simultan durch die Kanäle für Brennstoff und/oder Elektrolyten Wasserstoff als Konditionierfluid geleitet. Während der Durchführung des Verfahrens wird somit simultan durch die Kanäle und/oder Gasräume für Brennstoff und/oder Elektrolyten sowie durch die Kanäle und/oder Gasräume für Oxidationsmittel und/oder Elektrolyten der Wasserstoff geleitet. Damit wird in vorteilhafter Weise für die Konditionierung der elektrochemischen Zelleneinheit nur ein Konditionierfluid, nämlich das Gas Wasserstoff, benötigt. Das Verfahren kann dadurch in vorteilhafter Weise einfach und preiswert sowie zuverlässig ausgeführt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung werden während des Durchleitens von Wasserstoff durch die Kanäle für Brennstoff und/oder Elektrolyten aus dem Wasserstoff Protonen an den Anoden gebildet indem der Wasserstoff zu Protonen reduziert wird unter Abgabe von Elektronen und diese Protonen durch die Protonenaustauschermembranen in einer Richtung von den Anoden zu den Kathoden wandern.
In einer zusätzlichen Ausführungsform beträgt der Stoffmengenanteil und/oder Massenanteil des Wasserstoffs in dem Konditionierfluid, welches durch die die Kanäle für Oxidationsmittel und/oder Elektrolyten und/oder durch die Kanäle für Brennstoff und/oder Elektrolyten geleitet wird, wenigstens 80%, 90%, 95%, 98% oder 99%. Der Stoffmengenanteil und/oder Massenanteil des Wasserstoffs in dem Konditionierfluid ist im Allgemeinen geringfügig kleiner als 100%, weil Wasser und/oder Wasserdampf in dem Konditionierfluid notwendig ist zum Befeuchten von Komponenten der Brennstoffzellen.
Zweckmäßig sind während des Durchleitens von Wasserstoff durch die Kanäle für Oxidationsmittel und/oder Elektrolyten simultan die Kanäle und/oder Gasräume für Brennstoff und/oder Elektrolyten mit Wasser als Konditionierfluid geflutet.
In einer weiteren Variante werden während des Flutens der Kanäle für Brennstoff und/oder Elektrolyten mit Wasser an den Anoden aus dem Wasser Protonen gebildet und diese Protonen durch die Protonenaustauschermembranen in einer Richtung von den Anoden zu den Kathoden wandern. Für die Durchführung des Verfahrens wird an die Anoden und Kathoden eine Gleichspannung angelegt, sodass an den Anoden aus dem Wasser mittels Elektrolyse Wasserstoff gebildet wird und dieser an den Anoden gebildete Wasserstoff wird anschließend auch an den Anoden unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert und diese Protonen wandern durch die Protonenaustauschermembranen.
In einer zusätzlichen Ausführungsform wird während des Durchleitens von Wasserstoff durch die Kanäle für Oxidationsmittel und/oder Elektrolyten an den Kathoden Wasserstoff gebildet indem die durch die Protonenaustauschermembran gewanderten Protonen durch die Aufnahme von Elektronen von den Kathoden zu Wasserstoff reduziert werden.
In einer ergänzenden Variante wird der Wasserstoff mit einem, insbesondere gemeinsamen, Kreislauf durch die Kanäle und/oder Gasräume für Oxidationsmittel und/oder Elektrolyten und/oder durch die Kanäle Gasräume für Brennstoff und/oder Elektrolyten geleitet.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung wird der Wasserstoff vor dem Einleiten in die Kanäle für Oxidationsmittel und/oder Elektrolyten und/oder in die Kanäle für Brennstoff und/oder Elektrolyten mit Wasser und/oder Wasserdampf befeuchtet und/oder angereichert.
Insbesondere wird das Verfahren, insbesondere das Leiten von Wasserstoff durch die Kanäle für Oxidationsmittel und/oder Elektrolyten, während eines Zeitraumes zwischen 5 min und 3 h, insbesondere zwischen 10 min und 2 h, vorzugsweise kontinuierlich, ausgeführt.
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 Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, vorzugsweise Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten sind, wobei mit der elektrochemische Zelleneinheit ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren ausführbar ist.
In einer zusätzlichen Ausführungsform beträgt der Stoffmengenanteil und/oder Massenanteil von Wasser und/oder Wasserdampf in dem Konditionierfluid zwischen 0% und 15%, insbesondere zwischen 0% und 5%.
In einer zusätzlichen Ausführungsform beträgt die Summe des Stoffmengenanteil und/oder Massenanteil von Wasserstoff und Wasser und/oder Wasserdampf in dem Konditionierfluid wenigstens 95%, 98%, 99%, 99,5% oder 99,9%, insbesondere 100%.
In einer weiteren Ausführungsform wird eine Adhäsion und/oder Hydratisierung und/oder Hydratation von Wasser und/oder Feuchtigkeit an Komponenten der elektrochemischen Zelleneinheit, welches aus dem Konditionierfluid Wasserstoff stammt, während der Ausführung des Verfahrens ausgeführt.
In einer weiteren Variante wird Wasserstoff durch die Kanäle und/oder Gasräume für Brennstoff geleitet und/oder durch die Kanäle und/oder Gasräume für Oxidationsmittel.
Zweckmäßig sind die Kanäle und/oder Gasräume für Brennstoff mit Wasser geflutet.
In einer weiteren Variante sind die Kanäle für Brennstoff und/oder Elektrolyten mit Wasser geflutet indem durch die Kanäle für Brennstoff und/oder Elektrolyten Wasser geleitet oder ohne Strömung angeordnet wird.
In einer weiteren Ausführungsform werden während des Verfahrens, insbesondere mehrfach, die Pole der Gleichstromquelle vertauscht, so dass die Anoden vor der Umpolung zu Kathoden nach der Umpolung werden und die Kathoden vor der Umpolung zu Anoden nach der Umpolung werden und umgekehrt. In einer weiteren Variante wird das Verfahren während eines deaktiven Zustandes der elektrochemischen Zelleneinheit als Herstellungsverfahren ausgeführt.
In einer ergänzenden Variante wird die Temperatur des Konditionierfluides mit einem Sensor erfasst und in Abhängigkeit von der erfassten Temperatur des Konditionierfluides wird eine Heizung und/oder Kühlung gesteuert und/oder geregelt, so dass die Temperatur der Konditionierfluides im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%, einem Sollwert der Temperatur entspricht. Der Sollwert als eine bestimmte Temperatur liegt beispielsweise zwischen 3°C und 70°C, insbesondere zwischen 15°C und 25°C.
In einer weiteren Variante wird das in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Verfahren mit einer in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen elektrochemischen Zelleneinheit ausgeführt.
In einer ergänzenden Variante ist das in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Verfahren zur Konditionierung ein Herstellungsschritt eines Verfahrens zur Herstellung einer elektrochemischen Zelleneinheit, wobei vorzugsweise vor dem Verfahren zur Konditionierung ein zur Verfügung stellen der elektrochemischen Zellen und ein Stapeln der elektrochemischen Zellen zu der elektrochemischen Zelleneinheit als Zellenstapel ausgeführt wird.
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 sind die Bipolarplatten als Separatorplatten ausgebildet und zwischen je einer Anode und je einer Kathode eine elektrische Isolationsschicht, insbesondere eine Protonenaustauschermembran, angeordnet ist.
Erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel mit Brennstoffzellen, einen Druckgasspeicher zur Speicherung von gasförmigem Brennstoff, eine Gasfördervorrichtung zur Förderung eines gasförmigen Oxidationsmittels zu den Kathoden der Brennstoffzellen, wobei die Brennstoffzelleneinheit als eine in dieser Schutzrechtsanmelddung beschriebene Brennstoffzelleneinheit und/oder Elektrolysezelleneinheit ausgebildet ist.
Erfindungsgemäßes Elektrolysesystem und/oder Brennstoffzellensystem, umfassend eine Elektrolysezelleneinheit als Elektrolysezellenstapel mit Elektrolysezellen, vorzugsweise einen Druckgasspeicher zur Speicherung von gasförmigem Brennstoff, vorzugsweise eine Gasfördervorrichtung zur Förderung eines gasförmigen Oxidationsmittels zu den Kathoden der Brennstoffzellen, einen Speicherbehälter für flüssigen Elektrolyten, eine Pumpe zur Förderung des flüssigen Elektrolyten, wobei die Elektrolysezelleneinheit als eine in dieser Schutzrechtsanmelddung beschriebene Elektrolysezelleneinheit und/oder Brennstoffzelleneinheit ausgebildet ist.
In einer weiteren Ausgestaltung 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.
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 und
Fig. 7 stark vereinfachte Darstellung einer elektrochemischen Zelleneinheit mit einer Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Konditionierung. 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:
O2 + 4 H+ + 4 e- -» 2 H2O
Anode:
2 H2 -» 4 H+ + 4 e-
Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode: 2 H2 + O2 -» 2 H2O
Die Differenz der Normalpotentiale der Elektrodenpaare unter Standardbedingungen als reversible Brennstoffzellenspannung oder Leerlaufspannung der unbelasteten Brennstoffzelle 2 beträgt 1,23 V. Diese theoretische Spannung von 1 ,23 V wird in der Praxis nicht erreicht. Im Ruhezustand und bei kleinen Strömen können Spannungen über 1 ,0 V erreicht werden und im Betrieb mit größeren Strömen werden Spannungen zwischen 0,5 V und 1 ,0 V erreicht. Die Reihenschaltung von mehreren Brennstoffzellen 2, insbesondere eine Brennstoffzelleneinheit 1 als Brennstoffzellenstapel 1 von mehreren gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 2, weist eine höhere Spannung auf, welche der Zahl der Brennstoffzellen 2 multipliziert mit der Einzelspannung je einer Brennstoffzelle 2 entspricht.
Die Brennstoffzelle 2 umfasst außerdem eine Protonenaustauschermembran 5 (Proton Exchange Membrane, PEM), welche zwischen der Anode 7 und der Kathode 8 angeordnet ist. Die Anode 7 und Kathode 8 sind schichtförmig bzw. scheibenförmig ausgebildet. Die PEM 5 fungiert als Elektrolyt, Katalysatorträger und Separator für die Reaktionsgase. Die PEM 5 fungiert außerdem als elektrischer Isolator und verhindert einen elektrischen Kurzschluss zwischen der Anode 7 und Kathode 8. Im Allgemeinen werden 12 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 aus einem Ionomer, beispielsweise Nation®, platinhaltigen Kohlenstoffpartikeln und Zusatzstoffen aufgebaut. Diese Elektroden 7, 8 mit dem Ionomer 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 und der PEM 5 bilden Membranelektrodenanordnungen 6 als COM (catalyst coated mem bran).
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 Anode 7. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Kathode 8 verteilt das Oxidationsmittel aus Kanälen 13 für Oxidationsmittel gleichmäßig auf die Kathode 8. Die GDL 9 zieht außerdem Reaktionswasser in umgekehrter Richtung zur Strömungsrichtung der Reaktionsgase ab, d. h. in einer Richtung je von den Elektroden 7, 8 zu den Kanälen 12, 13. Ferner hält die GDL 9 die PEM 5 feucht und leitet den Strom. 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 Graphit 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 27 dient zur Zuführung von Kühlmittel in die Kanäle 14 für Kühlmittel und eine Abfuhrleitung 28 dient zur Ableitung des durch die Kanäle 14 geleiteten Kühlmittels. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 sind in 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 Spannplatten 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 (H2SO4)=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 H3O+ + 4 e- -» 2 H2 + 4 H2O
Anode:
6 H2O — » O2 + 4 H3O+ + 4 e'
Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode: 2 H2O -» 2 H2 + O2
Die Polung der Elektroden 7, 8 erfolgt mit Elektrolyse bei dem Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 umgekehrt (nicht dargestellt) wie bei dem Betrieb als Brennstoffzelleneinheit 1 , so dass sich in den Kanälen 12 für Brennstoff, durch den der flüssige Elektrolyt geleitet wird, an den Kathoden Wasserstoff H2 als zweiter Stoff gebildet wird und der Wasserstoff H2 von dem flüssigen Elektrolyten aufgenommen und gelöst mittransportiert wird. Analog wird durch die Kanäle 13 für Oxidationsmittel der flüssige Elektrolyt geleitet und an den Anoden in bzw. an Kanälen 13 für Oxidationsmittel Sauerstoff O2 als erster Stoff gebildet wird. Die Brennstoffzellen 2 der Brennstoffzelleneinheit 1 fungieren beim Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 als Elektrolysezellen 50. Die Brennstoffzellen 2 und Elektrolysezellen 50 bilden damit elektrochemische Zellen 52. Der gebildete Sauerstoff O2 wird von dem flüssigen Elektrolyten aufgenommen und gelöst mittransportiert. Der flüssige Elektrolyt ist in einem Speicherbehälter 54 gelagert. In Fig. 1 sind aus zeichnerischen Vereinfachungsgründen zwei Speicherbehälter 54 des Brennstoffzellensystem 4 dargestellt, welches auch als Elektrolysezellensystem 48 fungiert. Ein 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.
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. Der an dem Abscheider 57 abgeschiedene Wasserstoff kann mit einem nicht dargestellten Verdichter dem Druckgasspeicher 21 zugeführt werden. 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 geleitet 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. In Fig. 7 ist die elektrochemische Zelleneinheit 53, insbesondere als die Brennstoffzelleneinheit 1, mit einer Vorrichtung 68 zur Durchführung eines Verfahrens zur Konditionierung der elektrochemischen Zelleneinheit 53 abgebildet. Die elektrochemische Zelleneinheit 53 weist die Zufuhrleitung 16 für Brennstoff und die Zufuhrleitung 25 für Oxidationsmittel auf. Ferner weist die elektrochemische Zelleneinheit 53 die Abfuhrleitung 15 für Brennstoff und die Abfuhrleitung 26 für Oxidationsmittel auf. Anstelle der Abfuhrleitung 15 für Brennstoff, der Zufuhrleitung 16 für Brennstoff, der Zufuhrleitung 25 für Oxidationsmittel und der Abfuhrleitung 26 für Oxidationsmittel können an der elektrochemischen Zelleneinheit 53 auch lediglich entsprechende vier Öffnungen zur Abfuhr und Zufuhr von Brennstoff und Oxidationsmittel ausgebildet sein. Die Zuführleitung 16 für Brennstoff bzw. eine entsprechende Öffnung und die Zufuhrleitung 25 für Oxidationsmittel bzw. eine entsprechende Öffnung münden in eine gemeinsame Wasserstoffleitung 60. Die Abfuhrleitung 15 für Brennstoff bzw. eine entsprechende Öffnung und die Abfuhrleitung 26 für Oxidationsmittel bzw. eine entsprechende Öffnung münden in eine gemeinsame Wasserstoffleitung 60. Die Wasserstoffleitung 60 ist dahingehend ausgebildet, dass Wasserstoff als ein Konditionierfluid zur Konditionierung der elektrochemischen Zelleneinheit 53 in einem Kreislauf durch die Kanäle 12 für Brennstoff und die Kanäle 13 für das Oxidationsmittel der Brennstoffzelleneinheit 1 gemeinsam geleitet werden können.
In die Wasserstoffleitung 60 ist eine Pumpe 65 zur Förderung des Wasserstoffes in dem Kreislauf angeordnet. Eine Befeuchtungsvorrichtung 66 dient zur Befeuchtung des Wasserstoffes vor der Zuführung in die Kanäle 12 für Brennstoff und in die Kanäle 13 für das Oxidationsmittel auf einen vorgegebenen Sollwert einer relativen oder absoluten Feuchtigkeit. Ferner ist in die Wasserstoffleitung 60 eine Entfeuchtungsvorrichtung 67 eingebaut. In der Entfeuchtungsvorrichtung 67 wird eine überschüssige Feuchtigkeit in dem Wasserstoff in der Wasserstoffleitung 60 abgeschieden. Eine Wasserstoffversorgung 61 als eine Wasserstoffdruckbehälter 62 ist mit einer Dosierleitung 63 und einem Ventil 64 mit der Wasserstoffleitung 60 verbunden. Zum Starten des Verfahrens zur Konditionierung der elektrochemischen Zelleneinheit 53 wird das Ventil 64 geöffnet und dadurch die Wasserstoffleitung 60 sowie die Kanäle 12 und/oder Gasräume 31 für Brennstoff und die Kanäle 13 und/oder Gasräume 32 für Oxidationsmittel im Wesentlichen vollständig mit Wasserstoff befüllt, sodass der Stoffmengenanteil von Wasserstoff in den Kanälen 12 für Brennstoff und den Kanälen 13 für Oxidationsmittel sowie in der Wasserstoffleitung 60 größer als 99 % ist, insbesondere die Wasserstoffleitung 60 und die Kanäle 12 für Brennstoff und die Kanäle 13 für Oxidationsmittel vollständig mit reinem Wasserstoff befüllt sind. Hierzu sind in der Wasserstoffleitung 60 noch zusätzliche entsprechende, nicht dargestellte Ventile angeordnet, sodass überschüssiges Gas, insbesondere Luft nach der Herstellung, in der Wasserstoffleitung 60 und den Kanälen 12 für Brennstoff und den Kanälen 13 für Oxidationsmittel während des Befüllens mit Wasserstoff in die Umgebung abgeleitet werden kann bis diese vollständig und ausschließlich mit Wasserstoff befüllt sind.
Die Vorrichtung 68 zur Durchführung des Verfahrens umfasst außerdem eine Gleichstromquelle 69 und Stromleitungen 70. Mittels der Gleichstromquelle 69 wird an die Anoden 7 und an die Kathoden 8 der Brennstoffzellen 2 ein entsprechender Gleichstrom angelegt. Mit einem nicht dargestellten Wechselschalter kann zusätzlich eine Umpolung ausgeführt werden, sodass Anoden 7 vor der Umpolung Kathoden 8 nach der Umpolung bilden und Kathoden 8 vor der Umpolung nach der Umpolung Anoden 7 bilden und umgekehrt.
Aufgrund dieses Anlegens von Gleichstrom bzw. Gleichspannung an die Anoden 7 und Kathoden 8 sowie der Befüllung der Kanäle 12 für Brennstoff und der Kanäle 13 für Oxidationsmittel mit Wasserstoff, d. h. dem kontinuierlichen Durchleiten von Wasserstoff durch die Kanäle 12 für Brennstoff und die Kanäle 13 für Oxidationsmittel, laufen die nachfolgenden chemischen Reaktionen während des Verfahrens zur Konditionierung ab:
Anode:
H2 -» 2 H+ + 2 e-
Kathode:
2 H+ + 2 e- -» H2 An der Anode 7 wird somit Wasserstoff unter Abgabe von Elektronen an die Anoden 7 zu Protonen H+ oxidiert und an der Kathode 8 werden Protonen H+ unter Aufnahme von Elektronen von der Kathode zu Wasserstoff reduziert. Die Elektronen werden von den Anoden 7 zu den Kathoden 8 geleitet. Die an der Anode 7 erzeugten Protonen H+ wandern durch die Protonenaustauschermembran 5 zu der Kathode 8 und werden dort zu Wasserstoff reduziert. Es liegt somit eine Stoffumwandlung vor bei der das Edukt Wasserstoff dem Produkt Wasserstoff entspricht. Dieser Vorgang wird im Allgemeinen bei einer Temperatur als Raumtemperaturen oder geringfügig darüber ausgeführt, d. h. beispielsweise in einem Temperaturbereich zwischen 20 °C und 30 °C. Die Stoffumwandlung bzw. der Reaktionsumsatz mit dem Konditionierfluid Wasserstoff ermöglicht eine effektivere Entfernung von Oxidschichten und Verunreinigungen, insbesondere an den Elektroden 7, 8 und den Katalysatorschichten 30. Aufgrund der Möglichkeit der Umpolung können die an Anoden 7 und Kathoden 8 identisch behandelt werden, d. h. in identischer Weise die Oxidschichten und Verunreinigungen entfernt werden. Die Befeuchtung von Komponenten der Brennstoffzelleneinheit 1 , insbesondere der Protonenaustauschermembran 5, wird mittels der Befeuchtungsvorrichtung 66 und der Entfeuchtungsvorrichtung 67 ausgeführt, indem der Wasserstoff, welcher durch die Kanäle 12 für Brennstoff und die Kanäle 13 für Oxidationsmittel geleitet wird, entsprechend ausreichen befeuchtet wird damit die Protonenaustauschermembran 5 eine ausreichende Befeuchtung aufweist, so dass der Anteil des Wasserstoffes in dem Konditionierfluid geringfügig kleiner als 100% ist. In den Konditionierfluid beträgt beispielsweise der Massenanteil von Wasserstoff 98% und der Massenanteil von Wasser und/oder Wasserdampf 2%. Das Konditionierfluid wird somit von dem Wasserstoff sowie Wasser und/oder Wasserdampf gebildet. Das für die Befeuchtung verwendete Wasser wird vor der Verwendung für die Befeuchtungsvorrichtung 66 entgast, z.B. mittels Ultraschall, damit in dem Wasser zur Befeuchtung keine Gase gelöst sind. Während der Durchführung des Verfahrens tritt im Wesentlichen kein Verbrauch an Wasserstoff ab, weil die Oxidschichten lediglich mit einer sehr kleinen, atomaren Dicke auf den Komponenten der Brennstoffzelleneinheit 1 vorhanden ist und somit für die Reduzierung von Oxide, beispielsweise Platinoxid zu Platin, mittels des Reduktionsmittels Wasserstoff ein vernachlässigbarer Verbrauch an Wasserstoff auftritt. Das Verfahren zur Konditionierung der elektrochemischen Zelleneinheit 53 kann in einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel dahingehend umgeändert werden, dass die Kanäle 12 für Brennstoff mit Wasser geflutet sind, insbesondere durch die Kanäle 12 für Brennstoffstoff Wasser in einem Kreislauf geleitet wird. Das Wasser wird vor der Verwendung in den Kanälen 12 für Brennstoff entgast, insbesondere mittels Ultraschall. In analoger Weise wie in dem ersten Ausführungsbeispiel wird durch die Kanäle 13 für Oxidationsmittel der Wasserstoff geleitet. In diesem zweiten Ausführungsbeispiel wird keine Umpolung der Anode 7 und Kathoden 8 ausgeführt. Aufgrund der Flutung der Kanäle 12 für Brennstoff mit Wasser liegt an den an Anoden 7 Wasser vor und dieses wird in einer Elektrolyse an der Anode 7 in Wasserstoff aufgespalten, sodass auch in dem zweiten Ausführungsbeispiel an der Anode 7 Wasserstoff aufgrund der Bildung aus Wasser vorhanden ist und anschließend die gleichen Prozesse ablaufen wie in dem ersten Ausführungsbeispiel, d. h. dass an der Anode 7 der Wasserstoff zu Protonen oxidiert wird und diese Protonen durch die Protonenaustauschermembran 5 in analoger Weise wandern.
Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Konditionierung der elektrochemischen Zelleneinheit 53 und der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelleneinheit 53 wesentliche Vorteile verbunden. In dem kontinuierlichen Verfahren wird für einen längeren Zeitraum von wenigstens 5 Minuten kontinuierlich durch die Kanäle 13 für Oxidationsmittel Wasserstoff geleitet und kontinuierlich durch die Kanäle 12 für Brennstoff wird Wasserstoff geleitet oder die Kanäle 12 für Brennstoff sind kontinuierlich mit Wasser geflutet, insbesondere wird Wasser durch die Kanäle 12 für Brennstoff geleitet. Dieses Verfahren wird kontinuierlich, d. h. ohne Unterbrechung, ausgeführt. Es tritt im Wesentlichen kein Verbrauch an Wasserstoff auf, weil der Wasserstoff in einem Kreislauf durch die elektrochemische Zelleneinheit 53 geleitet wird. Dadurch ist das Verfahren kostengünstig in der Durchführung. Für die kontinuierliche Konditionierung der elektrochemischen Zelleneinheit 53 ist eine Verfahrensdauer von ungefähr 20 bis 60 Minuten notwendig, sodass in kurzer Zeit eine große Anzahl an elektrochemischen Zelleneinheiten 53 konditioniert werden kann. Eine große Lagerhaltung von elektrochemischen Zelleneinheiten 53 während der Konditionierung kann damit vermieden werden. Die Vorrichtung 68 ist einfach aufgebaut, weil nur eine Sorte von Gas, nämlich Wasserstoff, für die Konditionierung notwendig ist. Im Allgemeinen ist keine Temperierung der elektrochemischen Zelleneinheiten 53 während der Durchführung des Verfahrens notwendig, weil das Verfahren bei Raumtemperatur im Bereich zwischen 15° C und 25° C ausgeführt werden kann. Während der Durchführung des Verfahrens entsteht in der elektrochemischen Zelleneinheit 53 kein Wasser, sodass kein überschüssiges Wasser während der Durchführung des Verfahrens entfernt werden muss. Nach der Konditionierung der elektrochemischen Zelleneinheit 53 sind die Kanäle 12 für Brennstoff und die Kanäle 13 für Oxidationsmittel mit Wasserstoff befüllt, sodass von der Brennstoffzelleneinheit 1 keine Umwandlung von elektrochemischer Energie in elektrische Energie ausgeführt werden kann und damit keine Gefahr von Stromschlägen an der Brennstoffzelleneinheit 1 nach der Durchführung des Verfahrens bestehen.

Claims

- 25 - Ansprüche
1. Verfahren zur Konditionierung einer elektrochemische Zelleneinheit (53) vor der Inbetriebnahme der elektrochemischen Zelleneinheit (53) zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit (1) und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit (49) mit gestapelten elektrochemischen Zellen (52) und in der elektrochemischen Zelleneinheit (53) Kanäle (12) zum Durchleiten eines Brennstoffes und/oder eines Elektrolyten und Kanäle (13) zum Durchleiten eines Oxidationsmittels und/oder eines Elektrolyten ausgebildet sind mit den Schritten: zur Verfügung stellen eines Konditionierfluides, Durchleiten des Konditionierfluides durch die Kanäle (12) für Brennstoff und/oder Elektrolyten und/oder Durchleiten des Konditionierfluides durch die Kanäle (13) für Oxidationsmittel und/oder Elektrolyten, dadurch gekennzeichnet, dass während wenigstens 50% der Zeitdauer des Verfahrens zur Konditionierung der elektrochemischen Zelleneinheit (53) Wasserstoff als Konditionierfluid durch die Kanäle (13) für Oxidationsmittel und/oder Elektrolyten geleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass während wenigstens 70%, 80% oder 90% der Zeitdauer des Verfahrens zur Konditionierung der elektrochemischen Zelleneinheit (53) Wasserstoff durch die Kanäle (13) für Oxidationsmittel und/oder Elektrolyten geleitet wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während der gesamten Zeitdauer des Verfahrens zur Konditionierung der elektrochemischen Zelleneinheit (53) Wasserstoff durch die Kanäle (13) für Oxidationsmittel und/oder Elektrolyten geleitet wird. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Durchleitens von Wasserstoff durch die Kanäle (13) für Oxidationsmittel und/oder Elektrolyten die Anoden (7) und Kathoden (8) mit einer Gleichstromquelle (69) verbunden sind, so dass zwischen den Anoden (7) und Kathoden (8) eine Gleichspannungsdifferenz ausgebildet wird. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Durchleitens von Wasserstoff durch die Kanäle (13) für Oxidationsmittel und/oder Elektrolyten Protonen durch die Protonenaustauschermembranen (5) in einer Richtung von den Anoden (7) zu den Kathoden (8) wandern. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Durchleitens von Wasserstoff durch die Kanäle (13) für
Oxidationsmittel und/oder Elektrolyten simultan durch die Kanäle (12) für Brennstoff und/oder Elektrolyten Wasserstoff als Konditionierfluid geleitet wird. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass während des Durchleitens von Wasserstoff durch die Kanäle (12) für Brennstoff und/oder Elektrolyten aus dem Wasserstoff Protonen an den Anoden (7) gebildet werden indem der Wasserstoff zu Protonen reduziert wird unter Abgabe von Elektronen und diese Protonen durch die Protonenaustauschermembranen (5) in einer Richtung von den Anoden (7) zu den Kathoden (8) wandern. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoffmengenanteil und/oder Massenanteil des Wasserstoffs in dem Konditionierfluid, welches durch die die Kanäle (13) für Oxidationsmittel und/oder Elektrolyten und/oder durch die Kanäle (12) für Brennstoff und/oder Elektrolyten geleitet wird, wenigstens 80%, 90%, 95%, 98% oder 99% beträgt. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass während des Durchleitens von Wasserstoff durch die Kanäle (13) für Oxidationsmittel und/oder Elektrolyten simultan die Kanäle (12) für Brennstoff und/oder Elektrolyten mit Wasser als Konditionierfluid geflutet sind. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass - 28 - während des Flutens der Kanäle (12) für Brennstoff und/oder Elektrolyten mit Wasser an den Anoden (7) aus dem Wasser Protonen gebildet werden und diese Protonen durch die Protonenaustauschermembranen (5) in einer Richtung von den Anoden (7) zu den Kathoden (8) wandern. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Durchleitens von Wasserstoff durch die Kanäle (13) für Oxidationsmittel und/oder Elektrolyten an den Kathoden (8) Wasserstoff gebildet wird indem die durch die Protonenaustauschermembran (5) gewanderten Protonen durch die Aufnahme von Elektronen von den Kathoden (8) zu Wasserstoff reduziert werden. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff mit einem, insbesondere gemeinsamen, Kreislauf durch die Kanäle (13) und/oder Gasräume (32) für Oxidationsmittel und/oder Elektrolyten und/oder durch die Kanäle (12) und/oder Gasräume (31) für Brennstoff und/oder Elektrolyten geleitet wird. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff vor dem Einleiten in die Kanäle (13) für Oxidationsmittel und/oder Elektrolyten und/oder in die Kanäle (12) für Brennstoff und/oder Elektrolyten mit Wasser und/oder Wasserdampf befeuchtet und/oder angereichert wird. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, - 29 - dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren, insbesondere das Leiten von Wasserstoff durch die Kanäle (13) für Oxidationsmittel und/oder Elektrolyten, während eines Zeitraumes zwischen 5 min und 3 h, insbesondere zwischen 10 min und 2 h, vorzugsweise kontinuierlich, ausgeführt wird. 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) Protonenaustauschermembranen (5), Anoden (7), Kathoden (8), vorzugsweise Gasdiffusionsschichten (9) und Bipolarplatten (10, 51) sind, dadurch gekennzeichnet, dass mit der elektrochemische Zelleneinheit (53) ein Verfahren gemäß einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche ausführbar ist.
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