DE102021205988A1 - Electrochemical Cell Unit - Google Patents
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Abstract
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 (52) und die elektrochemischen Zellen (52) jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51) umfassen, wenigstens einen in und/oder auf den Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51) adhäsierten partikelförmigen Reaktionsstoff zum Initialisieren von wenigstens einer chemischen Reaktion in und/oder auf den Komponente (5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51) mittels des wenigstens einen Reaktionsstoffes, so dass mittels der chemischen Reaktion die Stoffmenge wenigstens eines Schadstoffes in und/oder auf den Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51) während des Betriebes der elektrochemischen Zelleneinheit reduzierbar ist, wobei der wenigstens eine partikelförmige Reaktionsstoff von einer hydrophoben Hülle aus einem Hüllstoff umschlossen ist, so dass Kern-Hülle-Reaktionspartikel (61) mit je einer Kern-Hülle-Struktur ausgebildet sind mit Kernen aus dem wenigstens einen Reaktionsstoff und Hüllen aus dem Hüllstoff und die Kern-Hülle-Reaktionspartikel (61) in und/oder auf den Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51) adhäsiert sind.Electrochemical cell unit for converting electrochemical energy into electrical energy as a fuel cell unit and/or for converting electrical energy into electrochemical energy as an electrolysis cell unit, comprising stacked electrochemical cells (52) and the electrochemical cells (52) each having stacked layered components (5, 6, 7 , 8, 9, 10, 30, 51) comprise at least one particulate reactant adhered in and/or on the components (5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51) for initiating at least one chemical reaction in and/or on the components (5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51) by means of the at least one reaction substance, so that by means of the chemical reaction the amount of substance of at least one pollutant in and/or on the components (5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51) during operation of the electrochemical cell unit is reducible, wherein the at least one particulate reactant of a hydrophobic n shell is surrounded by a shell material, so that core-shell reaction particles (61) are each formed with a core-shell structure with cores made of the at least one reaction material and shells made of the shell material and the core-shell reaction particles (61) are adhered in and/or on the components (5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 14.The present invention relates to an electrochemical cell unit according to the preamble of claim 1 and a method of manufacturing an electrochemical cell unit according to the preamble of
Stand der TechnikState of the art
Brennstoffzelleneinheiten als galvanische Zellen wandeln mittels Redoxreaktionen an einer Anode und Kathode kontinuierlich zugeführten Brennstoff und Oxidationsmittel in elektrische Energie und Wasser um. Brennstoffzellen werden in den unterschiedlichsten stationären und mobilen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise in Häusern ohne Anschluss an ein Stromnetz oder in Kraftfahrzeugen, im Schienenverkehr, in der Luftfahrt, in der Raumfahrt und in der Schifffahrt. In Brennstoffzelleneinheiten sind eine Vielzahl von Brennstoffzellen in einem Stapel als Stack angeordnet.Fuel cell units as galvanic cells convert continuously supplied fuel and oxidizing agent into electrical energy and water by means of redox reactions at an anode and cathode. Fuel cells are used in a wide variety of stationary and mobile applications, for example in houses without a connection to a power grid or in motor vehicles, in rail transport, in aviation, in space travel and in shipping. In fuel cell units, a multiplicity of fuel cells are arranged in a stack as a stack.
In Brennstoffzelleneinheiten sind eine große Anzahl von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel angeordnet. Innerhalb der Brennstoffzellen ist jeweils ein Gasraum für Oxidationsmittel vorhanden, das heißt ein Strömungsraum zum Durchleiten von Oxidationsmittel, wie beispielsweise Luft aus der Umgebung mit Sauerstoff. Der Gasraum für Oxidationsmittel ist von Kanälen an der Bipolarplatte und von einer Gasdiffusionsschicht für eine Kathode gebildet. Die Kanäle sind somit von einer entsprechenden Kanalstruktur einer Bipolarplatte gebildet und durch die Gasdiffusionsschicht gelangt das Oxidationsmittel, nämlich Sauerstoff, zu der Kathode der Brennstoffzellen. In analoger Weise ist ein Gasraum für Brennstoff vorhanden. In fuel cell units, a large number of fuel cells are arranged in a fuel cell stack. Inside each fuel cell there is a gas space for oxidizing agent, ie a flow space for conducting oxidizing agent, such as air from the environment with oxygen, through. The oxidant gas space is formed by channels on the bipolar plate and by a gas diffusion layer for a cathode. The channels are thus formed by a corresponding channel structure of a bipolar plate and the oxidizing agent, namely oxygen, reaches the cathode of the fuel cells through the gas diffusion layer. A gas space for fuel is present in an analogous manner.
Elektrolysezelleneinheiten aus gestapelt angeordneten Elektrolysezellen, analog wie bei Brennstoffzelleneinheiten, dienen beispielsweise zur elektrolytischen Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser. Ferner sind Brennstoffzelleneinheiten bekannt, die als reversible Brennstoffzelleneinheiten und damit als Elektrolysezelleneinheiten betrieben werden können. Brennstoffzelleneinheiten und Elektrolysezelleinheiten bilden elektrochemische Zelleneinheiten. Brennstoffzellen und Elektrolysezellen bilden elektrochemische Zellen.Electrolytic cell units made up of stacked electrolytic cells, analogous to fuel cell units, are used, for example, for the electrolytic production of hydrogen and oxygen from water. Furthermore, fuel cell units are known which can be operated as reversible fuel cell units and thus as electrolytic cell units. Fuel cell units and electrolytic cell units form electrochemical cell units. Fuel cells and electrolytic cells form electrochemical cells.
An den Komponenten der Brennstoffzelleneinheit, beispielsweise den Protonenaustauschermembranen, den Anoden, den Kathoden und den Gasdiffusionsschichten, kommt es aufgrund thermischer, elektrischer und chemischer Belastung zu einem Alterungsprozess. Dieser Alterungsprozess verursacht unter anderem auch eine Anlagerung Schadstoffen an den Komponenten der Brennstoffzelleneinheit, beispielsweise Wasserstoffperoxid und Radikale. Dieser Alterungsprozess verändert auf mikroskopischer Ebene die chemischen Eigenschaften und die Struktur der Komponenten, insbesondere der lonomere, sodass dadurch die elektrische Leistung der Brennstoffzelleneinheit sich verkleinert. Dies ist insbesondere bei der Verwendung der Brennstoffzelleneinheit in Kraftfahrzeugen von Nachteil, weil dadurch weniger elektrische Leistung zum Antrieb des Kraftfahrzeuges mit einem Elektromotor zur Verfügung steht. Der oben beschriebene Alterungsprozess tritt in ähnlicher oder analoger Weise auch bei Elektrolysezelleneinheiten auf. Die Schadstoffe bauen die Protonenaustauschermembran chemisch ab, sodass dadurch die Protonenaustauschermembran dünner wird und es dadurch zu einem Durchbruch von Gas kommt. Die elektrochemische Zelleneinheit, insbesondere die Brennstoffzelleneinheit, ist damit nicht mehr funktionsfähig. Ein weiterer Schadensfall ist der Abbau des lonomers in den Elektroden.An aging process occurs on the components of the fuel cell unit, for example the proton exchange membranes, the anodes, the cathodes and the gas diffusion layers, due to thermal, electrical and chemical stress. This aging process also causes, among other things, accumulation of pollutants on the components of the fuel cell unit, for example hydrogen peroxide and radicals. On a microscopic level, this aging process changes the chemical properties and the structure of the components, in particular the ionomers, so that the electrical output of the fuel cell unit is reduced as a result. This is particularly disadvantageous when the fuel cell unit is used in motor vehicles, because as a result less electrical power is available for driving the motor vehicle with an electric motor. The aging process described above also occurs in a similar or analogous manner in electrolytic cell units. The pollutants chemically degrade the proton exchange membrane, thereby thinning the proton exchange membrane and thereby causing gas breakthrough. The electrochemical cell unit, in particular the fuel cell unit, is therefore no longer functional. Another case of damage is the degradation of the ionomer in the electrodes.
Aus diesen Gründen ist es bereits bekannt, in den Komponenten der elektrochemischen Zelleneinheit beispielsweise partikelförmige Reaktionsstoffe zum Initialisieren einer chemischen Reaktion anzuordnen und zu adhäsieren. Der Reaktionsstoff fängt beispielsweise Radikale ein, um den Alterungsprozess der Komponenten zu verringern. Die Radikale bilden sich aus Wasserstoffperoxid. Der Reaktionsstoff weist jedoch hydrophile Eigenschaften auf und ist außerdem in Wasser löslich. In der Protonenaustauschermembran gibt es Bereiche mit einer großen Feuchtigkeit und Bereiche mit einer geringen Feuchtigkeit. Darüber hinaus kann die Protonenaustauschermembran auch von Wasser durchströmt und/oder an den Außenseiten von Wasser angeströmt werden. Aufgrund der Wasserlöslichkeit des Reaktionsstoffes treten in der Protonenaustauschermembran als Folge des Betriebes der elektrochemischen Zelleneinheit Bereiche mit einer hohen Stoffmengenkonzentration des Reaktionsstoffes auf und Bereiche mit einer kleinen Stoffmengenkonzentration des Reaktionsstoffes. Darüber hinaus können die Reaktionsstoffe, insbesondere auch lokal nur an Bereichen, von Wasser ausgespült werden. In nachteiliger Weise tritt somit an den Bereichen mit der kleinen Stoffmengenkonzentration des Reaktionsstoffes im Wesentlichen keine Zersetzungswirkung bzw. Neutralisierungswirkung des Reaktionsstoffes auf, sodass dadurch an diesen Bereichen der Protonenaustauschermembran Schäden auftreten, insbesondere eine Durchlässigkeit für Gase.For these reasons, it is already known to arrange and adhere, for example, particulate reactants to initiate a chemical reaction in the components of the electrochemical cell unit. For example, the reactant scavenges free radicals to reduce the aging process of the components. The radicals form from hydrogen peroxide. However, the reactant has hydrophilic properties and is also soluble in water. In the proton exchange membrane, there are high humidity areas and low humidity areas. In addition, water can also flow through the proton exchange membrane and/or water can flow against it on the outside. Because of the water solubility of the reactant, regions of high molar concentration of the reactant and regions of low molar concentration of the reactant occur in the proton exchange membrane as a result of operation of the electrochemical cell unit. In addition, the reactants can be flushed out by water, especially locally only in areas. Disadvantageously, there is essentially no decomposition or neutralization effect of the reactant in the areas with the low molar concentration of the reactant, so that damage occurs in these areas of the proton exchange membrane, in particular permeability for gases.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Vorteile der ErfindungAdvantages of the Invention
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, wenigstens einen in und/oder auf den Komponenten adhäsierten partikelförmigen Reaktionsstoff zum Initialisieren von wenigstens einer chemischen Reaktion in und/oder auf den Komponenten mittels des wenigstens einen Reaktionsstoffes, so dass mittels der chemischen Reaktion die Stoffmenge wenigstens eines Schadstoffes in und/oder auf den Komponenten während des Betriebes der elektrochemischen Zelleneinheit reduzierbar ist, wobei der wenigstens eine partikelförmige Reaktionsstoff von einer hydrophoben Hülle aus einem Hüllstoff umschlossen ist, so dass Kern-Hülle-Reaktionspartikel mit je einer Kern-Hülle-Struktur ausgebildet sind mit Kernen aus dem wenigstens einen Reaktionsstoff und Hüllen aus dem Hüllstoff und die Kern-Hülle-Reaktionspartikel in und/oder auf den Komponenten adhäsiert sind. Die Kern-Hülle-Reaktionspartikeln weisen damit in vorteilhafter Weise hybride Eigenschaften auf, d. h. sind einerseits in der Lage mit dem Kern aus dem Reaktionsstoff eine Zersetzung der Schadstoffe zu bewirken und andererseits bewirkt Wasser und/oder Feuchtigkeit in den Komponenten der elektrochemischen Zellen keine oder im Wesentlichen keine Veränderung der Stoffmengen und/oder Stoffmengenkonzentrationen aufgrund der hydrophoben Eigenschaft des Hüllstoffes. Die hydrophoben Eigenschaften des Hüllstoffes sind somit größer als die Eigenschaften des wenigstens einen Reaktionsstoffes. Der wenigstens eine Reaktionsstoff ist vorzugsweise hydrophil.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 electrolytic cell unit, comprising electrochemical cells arranged stacked and the electrochemical cells each comprising layered components arranged stacked, at least one in and/or on the components Adhered particulate reactant for initiating at least one chemical reaction in and/or on the components by means of the at least one reactant, so that the amount of substance of at least one pollutant in and/or on the components can be reduced by means of the chemical reaction during operation of the electrochemical cell unit, wherein the at least one particulate reactant is surrounded by a hydrophobic shell made of a shell material, so that core-shell reaction particles each having a core-shell e-structure are formed with cores made of the at least one reaction material and shells made of the shell material and the core-shell reaction particles are adhered in and/or on the components. The core-shell reaction particles thus advantageously have hybrid properties, i. H. are on the one hand able to cause decomposition of the pollutants with the core of the reaction substance and on the other hand water and/or moisture in the components of the electrochemical cells causes no or essentially no change in the amounts of substances and/or concentrations of substances due to the hydrophobic property of the shell material. The hydrophobic properties of the shell material are therefore greater than the properties of the at least one reaction substance. The at least one reactant is preferably hydrophilic.
In einer ergänzenden Ausführungsform ist die Hülle nur teilweise und/oder fluidleitend und/oder porös auf der Oberfläche der Kerne ausgebildet zur Kontaktierung der Oberfläche der Kerne mit dem Schadstoff. Der Schadstoff kann somit durch Risse und/oder Aussparungen in der Hülle und/oder durch eine poröse und/oder diffusionsfähige Hülle an die Oberfläche des Kerns gelangen zur Initialisierung der chemischen Reaktion, insbesondere mittels einer Abgabe von Radikalfängern.In an additional embodiment, the shell is only partially and/or fluid-conducting and/or porous on the surface of the cores for contacting the surface of the cores with the pollutant. The pollutant can thus reach the surface of the core through cracks and/or gaps in the shell and/or through a porous and/or diffusible shell to initiate the chemical reaction, in particular by means of a release of free-radical scavengers.
In einer weiteren Ausgestaltung ist das Initialisieren der wenigstens einen chemischen Reaktion in und/oder auf den Komponenten mittels der Kern-Hülle-Reaktionspartikel ausführbar indem zwischen dem wenigstens einen Reaktionsstoff und dem wenigstens einen Schadstoff eine chemische Reaktion ausführbar ist. Der wenigstens eine Reaktionsstoff und der wenigstens eine Schadstoff bilden somit die Edukte der chemischen Reaktion. Wenigstens ein Produkt, insbesondere sämtliche Produkte, der chemischen Reaktion ist bzw. sind kein Schadstoff.In a further embodiment, the at least one chemical reaction in and/or on the components can be initialized by means of the core-shell reaction particles by a chemical reaction being executable between the at least one reactant and the at least one pollutant. The at least one reactant and the at least one pollutant thus form the educts of the chemical reaction. At least one product, in particular all products, of the chemical reaction is or are not a pollutant.
Zweckmäßig ist das Initialisieren der wenigstens einer chemischen Reaktion in und/oder auf den Komponenten mittels der Kern-Hülle-Reaktionspartikel ausführbar indem der wenigstens eine Reaktionsstoff als ein Katalysator fungiert für die chemischen Reaktion als Zersetzungsreaktion des wenigstens einen Schadstoffes in einen anderen Stoff. Der andere Stoff ist kein Schadstoff.The initiation of the at least one chemical reaction in and/or on the components can be expediently carried out by means of the core-shell reaction particles, in that the at least one reactant acts as a catalyst for the chemical reaction as a decomposition reaction of the at least one pollutant into another substance. The other substance is not a pollutant.
In einer weiteren Variante ist der wenigstens eine Reaktionsstoff ein metallhaltiges Oxid, insbesondere ein Oxid mit wenigstens einem Übergangsmetall und/oder wenigstens einem Lanthanoid.In a further variant, the at least one reactant is a metal-containing oxide, in particular an oxide with at least one transition metal and/or at least one lanthanide.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist der wenigstens eine Reaktionsstoff ein Metalloxid, insbesondere ein Metalloxid mit wenigstens einem Übergangsmetall und/oder wenigstens einem Lanthanoid.In an additional configuration, the at least one reactant is a metal oxide, in particular a metal oxide with at least one transition metal and/or at least one lanthanide.
Vorzugsweise umfasst das Metall wenigstens eines der Elemente Mn, Fe, Pt, Pd, Ni, Cr, Cu, Ce, Rb, Co, Ir, Ag, Au, Rh, Ti, Zr, Al, Hf, Ta, Nb und Os, insbesondere ist der Reaktionsstoff Ceroxid und/oder Manganoxid.The metal preferably comprises at least one of the elements Mn, Fe, Pt, Pd, Ni, Cr, Cu, Ce, Rb, Co, Ir, Ag, Au, Rh, Ti, Zr, Al, Hf, Ta, Nb and Os, in particular, the reactant is cerium oxide and/or manganese oxide.
In einer ergänzenden Ausgestaltung ist der wenigstens eine Reaktionsstoff hydrophil.In a supplementary embodiment, the at least one reactant is hydrophilic.
In einer weiteren Ausgestaltung sind in der Hülle Risse und/oder Aussparungen ausgebildet.In a further embodiment, cracks and/or recesses are formed in the shell.
In einer ergänzenden Variante ist der Hüllstoff aus einem Polymer mit Makromolekülen ausgebildet ist. Vorzugsweise weisen die Polymere konstitutionelle Repetiereinheiten auf.In an additional variant, the shell material is made from a polymer with macromolecules. Preferably, the polymers have constitutional repeat units.
Vorzugsweise ist der Hüllstoff wenigstens ein Kunststoff, insbesondere PTFE (Polytetrafluorethylen), PVDF (Polyvinylidenfluorid), PP (Polypropylen), PE (Polyethylen), PS (Polystyrol) und/oder Silikon.The covering material is preferably at least one plastic, in particular PTFE (polytetrafluoroethylene), PVDF (polyvinylidene fluoride), PP (polypropylene), PE (polyethylene), PS (polystyrene) and/or silicone.
In einer ergänzenden Ausgestaltung liegt in den Kern-Hülle-Reaktionspartikeln ein Massenverhältnis zwischen dem Reaktionsstoff und dem Hüllstoff kleiner als 75%, vorzugsweise kleiner als 50%, insbesondere kleiner als 20%, vor. Ab einem bestimmten Grenzwert des Massenverhältnisses zwischen dem Reaktionsstoff und dem Hüllstoff in den Kern-Hülle-Reaktionspartikel ist mit einer ansteigenden Wasserlöslichkeit der Kern-Hülle-Reaktionspartikel zu rechnen. Aus diesem Grund wird ein optimales Massenverhältnis zwischen dem Reaktionsstoff und dem Hüllstoff gewählt, bei dem die Kern-Hülle-Reaktionspartikeln einen ausreichenden Beitrag zum Initialisieren der chemischen Reaktion leisten können und ausreichend hydrophob sind.In a supplementary embodiment, there is a mass reduction in the core-shell reaction particles ratio between the reaction material and the shell material is less than 75%, preferably less than 50%, in particular less than 20%. Above a certain limit value of the mass ratio between the reaction substance and the shell substance in the core-shell reaction particles, increasing water solubility of the core-shell reaction particles can be expected. For this reason, an optimum mass ratio between the reactant and the shell material is chosen, at which the core-shell reaction particles can make a sufficient contribution to initiating the chemical reaction and are sufficiently hydrophobic.
In einer weiteren Variante sind die mit den Kern-Hülle-Reaktionspartikeln adhäsierten Komponenten Protonenaustauschermembranen und/oder Kathoden und/oder Anoden und/oder Katalysatorschichten und/oder Gasdiffusionsschichten und/oder Bipolarplatten. Vorzugsweise sind die adhäsierten Komponenten die Protonenaustauschermembranen, insbesondere sämtliche Protonenaustauschermembranen.In a further variant, the components adhered to the core-shell reaction particles are proton exchange membranes and/or cathodes and/or anodes and/or catalyst layers and/or gas diffusion layers and/or bipolar plates. The adhered components are preferably the proton exchange membranes, in particular all proton exchange membranes.
Erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelleneinheit zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit mit den Schritten: zur Verfügung stellen von schichtförmigen Komponenten von elektrochemischen Zellen, nämlich vorzugsweise Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, vorzugsweise Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten, Anordnen und/oder Montieren der schichtförmigen Komponenten zu Stapeln, so dass elektrochemische Zellen ausgebildet werden und die elektrochemischen Zellen zu einer elektrochemischen Zelleneinheit gestapelt werden, zur Verfügung stellen von wenigstens einem partikelförmigen Reaktionsstoff zum Initialisieren von wenigstens einer chemischen Reaktion in und/oder auf den Komponenten mittels des wenigstens einen Reaktionsstoffes, so dass mittels der chemischen Reaktion die Stoffmenge wenigstens eines Schadstoffes in und/oder auf den Komponenten während des Betriebes der elektrochemischen Zelleneinheit reduzierbar ist und Adhäsion des wenigstens eines partikelförmige Reaktionsstoffes in und/oder auf den schichtförmigen Komponenten, wobei der wenigstens eine partikelförmige Reaktionsstoff dahingehend zur Verfügung gestellt wird, dass der wenigstens eine partikelförmige Reaktionsstoff von einer hydrophoben Hülle aus einem Hüllstoff umschlossen ist, so dass Kern-Hülle-Reaktionspartikel mit je einer Kern-Hülle-Struktur ausgebildet sind mit Kernen aus dem wenigstens einen Reaktionsstoff und Hüllen aus dem Hüllstoff und die Kern-Hülle-Reaktionspartikel in und/oder auf den Komponenten adhäsiert werden. Die unmittelbare oder direkte Adhäsion des Hüllstoffes an den Komponenten bewirkt eine mittelbare oder indirekte Adhäsion des Reaktionsstoffes an den Komponenten.Method according to the invention for producing an electrochemical cell unit for converting electrochemical energy into electrical energy as a fuel cell unit and/or for converting electrical energy into electrochemical energy as an electrolysis cell unit, with the steps: providing layered components of electrochemical cells, namely preferably proton exchange membranes, anodes, cathodes, preferably gas diffusion layers and bipolar plates, arranging and/or assembling the layered components into stacks, so that electrochemical cells are formed and the electrochemical cells are stacked into an electrochemical cell unit, providing at least one particulate reactant to initiate at least one chemical reaction in and / or on the components by means of at least one reactant, so that by means of the chemical reaction, the amount of substance at least one Pollutant in and/or on the components can be reduced during operation of the electrochemical cell unit and adhesion of the at least one particulate reactant in and/or on the layered components, the at least one particulate reactant being made available in such a way that the at least one particulate reactant is surrounded by a hydrophobic shell made of a shell material, so that core-shell reaction particles are each formed with a core-shell structure with cores made of the at least one reaction material and shells made of the shell material and the core-shell reaction particles in and/or be adhered to the components. The direct or direct adhesion of the shell material to the components causes an indirect or indirect adhesion of the reaction material to the components.
Vorzugsweise werden zeitlich zuerst die Kern-Hülle-Reaktionspartikel mit den Kern-Hülle-Strukturen zur Verfügung gestellt, insbesondere hergestellt, und anschließend werden die Kern-Hülle-Reaktionspartikel in und/oder auf den Komponenten adhäsiert.The core-shell reaction particles with the core-shell structures are preferably made available first, in particular produced, and then the core-shell reaction particles are adhered in and/or on the components.
In einer weiteren Variante wird zeitlich zuerst der wenigstens eine partikelförmige Reaktionsstoff als die späteren Kerne zur Verfügung gestellt, insbesondere hergestellt, und anschließend wird auf dem wenigstens einen partikelförmigen Reaktionsstoff die Hülle aus dem Hüllstoff aufgebracht, insbesondere in einem Slurry.In a further variant, the at least one particulate reactant is made available first as the subsequent cores, in particular produced, and then the shell made of the enveloping substance is applied to the at least one particulate reactant, in particular in a slurry.
In einer weiteren Ausführungsform wird das zur Verfügung stellen der Kern-Hülle-Reaktionspartikeln ausgeführt indem ein Slurry mit dem wenigstens einen partikelförmigen Reaktionsstoff als den späteren Kernen, einem, insbesondere flüssigen, Lösungsmittel und vorzugsweise einem, insbesondere flüssigen, Dispersionsmittel und dem Hüllstoff hergestellt wird.In a further embodiment, the core-shell reaction particles are made available by producing a slurry with the at least one particulate reaction substance as the later cores, a particularly liquid solvent and preferably a particularly liquid dispersant and the shell material.
In einer ergänzenden Ausgestaltung wird der Slurry gemischt, sodass sich der Hüllstoff an der Oberfläche des wenigstens einen partikelförmigen Reaktionsstoffes anlagert und anschließend wird vorzugsweise ein Trocknen des Slurry ausgeführt und anschließend wird vorzugsweise eine thermische Behandlung, insbesondere ein Erwärmen, ausgeführt.In a supplementary embodiment, the slurry is mixed so that the encapsulant accumulates on the surface of the at least one particulate reaction substance and the slurry is then preferably dried and then a thermal treatment, in particular heating, is preferably carried out.
In einer weiteren Variante ist der wenigstens eine Reaktionsstoff ein, insbesondere reines, Metall, beispielsweise Cer.In a further variant, the at least one reactant is a metal, in particular a pure metal, for example cerium.
Zweckmäßig ist das Lösungsmittel Wasser und/oder Alkohol.The solvent is suitably water and/or alcohol.
Zweckmäßig beträgt die Massenkonzentration der Kern-Hülle-Reaktionspartikeln in den Komponenten zwischen 0,01 g/l und 10 g/l, insbesondere zwischen 0,1 g/l und 5 g/l.The mass concentration of the core-shell reaction particles in the components is expediently between 0.01 g/l and 10 g/l, in particular between 0.1 g/l and 5 g/l.
In einer ergänzenden Variante ist der wenigstens eine Schadstoff Wasserstoffperoxid und/oder Radikale.In an additional variant, the at least one pollutant is hydrogen peroxide and/or radicals.
In einer weiteren Variante weist zwischen 1% und 50%, vorzugsweise zwischen 5% und 30%, der Oberfläche der Kerne keine Hülle auf.In a further variant, between 1% and 50%, preferably between 5% and 30%, of the surface of the cores has no shell.
In einer ergänzenden Ausführungsform ist die Dicke der Hülle kleiner als der Durchmesser der Kerne, insbesondere ist die Dicke der Hülle kleiner als 30%, 50% oder 70% des Durchmessers der Kerne.In an additional embodiment, the thickness of the shell is smaller than the diameter of the cores, in particular the thickness of the shell is smaller than 30%, 50% or 70% of the diameter of the cores.
In einer ergänzenden Variante wird die hydrophobe Eigenschaft des Hüllstoffes und/oder die hydrophobe und/oder hydrophile Eigenschaft des Reaktionsstoffes mittels eines Grenzwinkels eines Wassertropfens auf einer horizontalen und ebene Testfläche aus dem Hüllstoff oder Reaktionsstoff bestimmt. Bei einem Grenzwinkel größer als 90° liegt eine hydrophobe Eigenschaft vor und bei einem Grenzwinkel kleiner als 90° liegt eine hydrophile Eigenschaft vor. Die Bestimmung einer hydrophoben oder hydrophilen Eigenschaft mit dem Grenzwinkel sind in der Fachliteratur beschrieben und die Bestimmung erfolgt vorzugsweise gemäß den Angaben in der Fachliteratur, die dem Fachmann bekannt sind.In an additional variant, the hydrophobic property of the shell material and/or the hydrophobic and/or hydrophilic property of the reaction material is determined by means of a critical angle of a drop of water on a horizontal and flat test surface made of the shell material or reaction material. A critical angle greater than 90° is a hydrophobic property and a critical angle less than 90° is a hydrophilic property. The determination of a hydrophobic or hydrophilic property using the critical angle is described in the specialist literature and the determination is preferably carried out in accordance with the information in the specialist literature which is known to the person skilled in the art.
In einer ergänzenden Ausgestaltung ist der wenigstens eine Reaktionsstoff ein Reduktionsmittel.In an additional configuration, the at least one reactant is a reducing agent.
In einer weiteren Variante werden für den wenigstens eine Reaktionsstoff als Reduktionsmittel Nichtmetalle, insbesondere elementarer Kohlenstoff und/oder kohlenstoffhaltigen organischen Verbindungen und/oder Metalle, beispielsweise Magnesium und/oder Aluminium und/oder Zink, vorzugsweise Alkalimetalle, beispielsweise Lithium und/oder Natrium und/oder Kalium, und/oder Hydride, beispielsweise Lithiumaluminiumhydrid und/oder Natriumborhydrid und/oder Natriumhydrid und/oder Salze und/oder molekulare Verbindungen z. B. In a further variant, non-metals, in particular elemental carbon and/or carbon-containing organic compounds and/or metals, for example magnesium and/or aluminum and/or zinc, preferably alkali metals, for example lithium and/or sodium and/or or potassium, and/or hydrides, e.g. lithium aluminum hydride and/or sodium borohydride and/or sodium hydride and/or salts and/or molecular compounds e.g. B.
Natriumsulfit, Natriumdithionit und/oder Natriumthiosulfat und/oder Hydrazin eingesetzt.Sodium sulfite, sodium dithionite and/or sodium thiosulfate and/or hydrazine are used.
In einer ergänzenden Ausgestaltung ist der Durchmesser der Kern-Hülle-Reaktionspartikel zwischen 0,1 nm und 50 µm, insbesondere zwischen 5 nm bis 30 µm, vorzugsweise zwischen 10 nm bis 10 µm.In a supplementary embodiment, the diameter of the core-shell reaction particles is between 0.1 nm and 50 μm, in particular between 5 nm and 30 μm, preferably between 10 nm and 10 μm.
In einer ergänzenden Ausgestaltung ist die elektrochemische Zelleneinheit eine Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie und/oder eine Elektrolysezelleneinheit zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie.In an additional embodiment, the electrochemical cell unit is a fuel cell unit as a fuel cell stack for converting electrochemical energy into electrical energy and/or an electrolytic cell unit for converting electrical energy into electrochemical energy.
Zweckmäßig sind die Bipolarplatten als Separatorplatten ausgebildet und zwischen je einer Anode und je einer Kathode eine elektrische Isolationsschicht, insbesondere eine Protonenaustauschermembran, angeordnet ist und vorzugsweise die Elektrolysezellen jeweils einen dritten Kanal für die getrennte Durchleitung eines Kühlfluid als drittes Prozessfluid umfassen.The bipolar plates are expediently designed as separator plates and an electrical insulation layer, in particular a proton exchange membrane, is arranged between each anode and each cathode, and preferably the electrolysis cells each include a third channel for the separate passage of a cooling fluid as the third process fluid.
In einer zusätzlichen Variante sind in der elektrochemischen Zelleneinheit Kanäle für Brennstoff und/oder Elektrolyt ausgebildet.In an additional variant, channels for fuel and/or electrolyte are formed in the electrochemical cell unit.
In einer zusätzlichen Variante sind in der elektrochemischen Zelleneinheit Kanäle für Oxidationsmittel und/oder Elektrolyt ausgebildet.In an additional variant, channels for oxidizing agent and/or electrolyte are formed in the electrochemical cell unit.
In einer zusätzlichen Variante ist die Elektrolysezelleneinheit zusätzlich als Brennstoffzelleneinheit, insbesondere eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Brennstoffzelleneinheit, ausgebildet, so dass die Elektrolysezelleneinheit eine reversible Brennstoffzelleneinheit bildet.In an additional variant, the electrolytic cell unit is additionally designed as a fuel cell unit, in particular a fuel cell unit described in this patent application, so that the electrolytic cell unit forms a reversible fuel cell unit.
In einer weiteren Variante ist der erste Stoff Sauerstoff und der zweite Stoff Wasserstoff.In a further variant, the first substance is oxygen and the second substance is hydrogen.
In einer weiteren Variante sind die Elektrolysezellen der Elektrolysezelleneinheit Brennstoffzellen.In a further variant, the electrolytic cells of the electrolytic cell unit are fuel cells.
Erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel mit Brennstoffzellen, einen Druckgasspeicher zur Speicherung von gasförmigem Brennstoff, eine Gasfördervorrichtung zur Förderung eines gasförmigen Oxidationsmittels zu den Kathoden der Brennstoffzellen, wobei die Brennstoffzelleneinheit als eine in dieser Schutzrechtsanmelddung beschriebene Brennstoffzelleneinheit und/oder Elektrolysezelleneinheit ausgebildet ist.Fuel cell system according to the invention, in particular for a motor vehicle, comprising a fuel cell unit as a fuel cell stack with fuel cells, a compressed gas store for storing gaseous fuel, a gas delivery device for delivering a gaseous oxidizing agent to the cathodes of the fuel cells, the fuel cell unit being a fuel cell unit described in this patent application and/or Electrolytic cell unit is formed.
Erfindungsgemäßes Elektrolysesystem und/oder Brennstoffzellensystem, umfassend eine Elektrolysezelleneinheit als Elektrolysezellenstapel mit Elektrolysezellen, vorzugsweise einen Druckgasspeicher zur Speicherung von gasförmigem Brennstoff, vorzugsweise eine Gasfördervorrichtung zur Förderung eines gasförmigen Oxidationsmittels zu den Kathoden der Brennstoffzellen, einen Speicherbehälter für flüssigen Elektrolyten, eine Pumpe zur Förderung des flüssigen Elektrolyten, wobei die Elektrolysezelleneinheit als eine in dieser Schutzrechtsanmelddung beschriebene Elektrolysezelleneinheit und/oder Brennstoffzelleneinheit ausgebildet ist.Electrolysis system and/or fuel cell system according to the invention, comprising an electrolysis cell unit as an electrolysis cell stack with electrolysis cells, preferably a pressurized gas store for storing gaseous fuel, preferably a gas delivery device for delivering a gaseous oxidizing agent to the cathodes of the fuel cells, a storage container for liquid electrolyte, a pump for delivering the liquid Electrolytes, wherein the electrolytic cell unit is designed as an electrolytic cell unit and/or fuel cell unit described in this patent application.
In einer weiteren Ausgestaltung bildet die in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Brennstoffzelleneinheit zusätzlich eine Elektrolysezelleneinheit und vorzugsweise umgekehrt.In a further embodiment, the fuel cell unit described in this patent application also forms an electrolytic cell unit and preferably vice versa.
In einer weiteren Variante umfasst die elektrochemische Zelleneinheit, insbesondere Brennstoffzelleneinheit und/oder die Elektrolysezelleneinheit, wenigstens eine Verbindungsvorrichtung, insbesondere mehrere Verbindungsvorrichtungen, und Spannelemente.In a further variant, the electrochemical cell unit, in particular the fuel cell unit and/or the electrolytic cell unit, comprises at least one connecting device, in particular a plurality of connecting devices, and tensioning elements.
Zweckmäßig sind Komponenten für elektrochemische Zellen, insbesondere Brennstoffzellen und/oder Elektrolysezellen, vorzugsweise Isolationsschichten, insbesondere Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, vorzugsweise Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten, insbesondere Separatorplatten.Components for electrochemical cells, in particular fuel cells and/or electrolytic cells, preferably insulation layers, in particular proton exchange membranes, anodes, cathodes, preferably gas diffusion layers and bipolar plates, in particular separator plates, are expedient.
In einer weiteren Ausgestaltung umfassen die elektrochemischen Zellen, insbesondere Brennstoffzellen und/oder Elektrolysezellen, jeweils vorzugsweise eine Isolationsschicht, insbesondere Protonenaustauschermembran, eine Anode, eine Kathode, vorzugsweise wenigstens eine Gasdiffusionsschicht und wenigstens eine Bipolarplatte, insbesondere wenigstens eine Separatorplatte.In a further embodiment, the electrochemical cells, in particular fuel cells and/or electrolytic cells, each preferably comprise an insulating layer, in particular proton exchange membrane, an anode, a cathode, preferably at least one gas diffusion layer and at least one bipolar plate, in particular at least one separator plate.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Verbindungsvorrichtung als ein Bolzen ausgebildet und/oder ist stabförmig und/oder ist als ein Spanngurt ausgebildet.In a further embodiment, the connecting device is designed as a bolt and/or is rod-shaped and/or is designed as a tension belt.
Zweckmäßig sind die Spannelemente als Spannplatten ausgebildet.The clamping elements are expediently designed as clamping plates.
In einer weiteren Variante ist die Gasfördervorrichtung als ein Gebläse und/oder ein Kompressor und/oder ein Druckbehälter mit Oxidationsmittel ausgebildet.In a further variant, the gas conveying device is designed as a blower and/or a compressor and/or a pressure vessel with oxidizing agent.
Insbesondere umfasst die elektrochemischen Zelleneinheit, insbesondere Brennstoffzelleneinheit und/oder Elektrolysezelleneinheit, wenigstens 3, 4, 5 oder 6 Verbindungsvorrichtungen.In particular, the electrochemical cell unit, in particular a fuel cell unit and/or an electrolytic cell unit, comprises at least 3, 4, 5 or 6 connecting devices.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die Spannelemente plattenförmig und/oder scheibenförmig und/oder eben ausgebildet und/oder als ein Gitter ausgebildet.In a further embodiment, the tensioning elements are plate-shaped and/or disk-shaped and/or flat and/or designed as a lattice.
Vorzugsweise ist der Brennstoff Wasserstoff, wasserstoffreiches Gas, Reformatgas oder Erdgas.Preferably the fuel is hydrogen, hydrogen rich gas, reformate gas or natural gas.
Zweckmäßig sind die Brennstoffzellen und/oder Elektrolysezellen im Wesentlichen eben und/oder scheibenförmig ausgebildet.The fuel cells and/or electrolytic cells are expediently designed to be essentially flat and/or disc-shaped.
In einer ergänzenden Variante ist das Oxidationsmittel Luft mit Sauerstoff oder reiner Sauerstoff.In a supplementary variant, the oxidizing agent is air with oxygen or pure oxygen.
Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit eine PEM-Brennstoffzelleneinheit mit PEM-Brennstoffzellen oder eine alkalische Brennstoffzelle (AFC).Preferably, the fuel cell unit is a PEM fuel cell unit with PEM fuel cells or an alkaline fuel cell (AFC).
Figurenlistecharacter list
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
-
1 eine stark vereinfachte Explosionsdarstellung eines elektrochemischen Zellensystems als Brennstoffzellensystem und Elektrolysezellensystem mit Komponenten einer elektrochemischen Zelle als Brennstoffzelle und Elektrolysezelle, -
2 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Brennstoffzelle und Elektrolysezelle, -
3 einen Längsschnitt durch elektrochemische Zellen als Brennstoffzelle und Elektrolysezelle, -
4 eine perspektivische Ansicht einer elektrochemischen Zelleneinheit als Brennstoffzelleneinheit und Elektrolysezelleneinheit als Brennstoffzellenstapel und Elektrolysezellenstapel, -
5 eine Seitenansicht der elektrochemischen Zelleneinheit als Brennstoffzelleneinheit und Elektrolysezelleneinheit als Brennstoffzellenstapel und Elektrolysezellenstapel, -
6 eine perspektivische Ansicht einer Bipolarplatte, -
7 einen stark vereinfachten Schnitt durch ein Kern-Hülle-Reaktionspartikel, -
8 einen Schnitt durch die elektrochemische Zelle in einem ersten Ausführungsbeispiel mit den Kern-Hülle-Reaktionspartikeln in der Membran, -
9 einen vergrößerten Schnitt durch dieMembran gemäß 8 , -
10 einen Schnitt durch die elektrochemische Zelle in einem zweiten Ausführungsbeispiel mit den Kern-Hülle-Reaktionspartikeln in der Kathode, -
11 einen Schnitt durch die elektrochemische Zelle in einem dritten Ausführungsbeispiel mit den Kern-Hülle-Reaktionspartikeln in der mikroporösen Schicht der Gasdiffusionsschicht, -
12 einen Schnitt durch die elektrochemische Zelle in einem vierten Ausführungsbeispiel mit den Kern-Hülle-Reaktionspartikeln in der gesamten Gasdiffusionsschicht.
-
1 a greatly simplified exploded view of an electrochemical cell system as a fuel cell system and electrolysis cell system with components of an electrochemical cell as a fuel cell and electrolysis cell, -
2 a perspective view of part of a fuel cell and electrolytic cell, -
3 a longitudinal section through electrochemical cells as fuel cells and electrolytic cells, -
4 a perspective view of an electrochemical cell unit as a fuel cell unit and electrolytic cell unit as a fuel cell stack and electrolytic cell stack, -
5 a side view of the electrochemical cell unit as a fuel cell unit and electrolytic cell unit as a fuel cell stack and electrolytic cell stack, -
6 a perspective view of a bipolar plate, -
7 a highly simplified section through a core-shell reaction particle, -
8th a section through the electrochemical cell in a first embodiment with the core-shell reaction particles in the membrane, -
9 according to an enlarged section through the membrane8th , -
10 a section through the electrochemical cell in a second embodiment with the core-shell reaction particles in the cathode, -
11 a section through the electrochemical cell in a third embodiment with the core-shell reaction particles in the microporous layer of the gas diffusion layer, -
12 a section through the electrochemical cell in a fourth embodiment with the core-shell reaction particles throughout the gas diffusion layer.
In den
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
- Cathode:
O 2 + 4 H + + 4 e - --» 2 H 2 O - Anode:
2 H 2 --» 4 H + + 4 e - - Summation reaction equation of cathode and anode:
2H2 + O2 -> 2H2O
Die Differenz der Normalpotentiale der Elektrodenpaare unter Standardbedingungen als reversible Brennstoffzellenspannung oder Leerlaufspannung der unbelasteten Brennstoffzelle 2 beträgt 1,23 V. Diese theoretische Spannung von 1,23 V wird in der Praxis nicht erreicht. Im Ruhezustand und bei kleinen Strömen können Spannungen über 1,0 V erreicht werden und im Betrieb mit größeren Strömen werden Spannungen zwischen 0,5 V und 1,0 V erreicht. Die Reihenschaltung von mehreren Brennstoffzellen 2, insbesondere eine Brennstoffzelleneinheit 1 als Brennstoffzellenstapel 1 von mehreren gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 2, weist eine höhere Spannung auf, welche der Zahl der Brennstoffzellen 2 multipliziert mit der Einzelspannung je einer Brennstoffzelle 2 entspricht.The difference between the normal potentials of the pairs of electrodes under standard conditions as a reversible fuel cell voltage or no-load voltage of the unloaded
Die Brennstoffzelle 2 umfasst außerdem eine Protonenaustauschermembran 5 (Proton Exchange Membrane, PEM), welche zwischen der Anode 7 und der Kathode 8 angeordnet ist. Die Anode 7 und Kathode 8 sind schichtförmig bzw. scheibenförmig ausgebildet. Die PEM 5 fungiert als Elektrolyt, Katalysatorträger und Separator für die Reaktionsgase. Die PEM 5 fungiert außerdem als elektrischer Isolator und verhindert einen elektrischen Kurzschluss zwischen der Anode 7 und Kathode 8. Im Allgemeinen werden 12 µm bis 150 µm dicke, protonenleitende Folien aus perfluorierten und sulfonierten Polymeren eingesetzt. Die PEM 5 leitet die Protonen H+ und sperrt andere Ionen als Protonen H+ im Wesentlichen, so dass aufgrund der Durchlässigkeit der PEM 5 für die Protonen H+ der Ladungstransport erfolgen kann. Die PEM 5 ist für die Reaktionsgase Sauerstoff O2 und Wasserstoff H2 im Wesentlichen undurchlässig, d. h. sperrt die Strömung von Sauerstoff O2 und Wasserstoff H2 zwischen einem Gasraum 31 an der Anode 7 mit Brennstoff Wasserstoff H2 und dem Gasraum 32 an der Kathode 8 mit Luft bzw. Sauerstoff O2 als Oxidationsmittel. Die Protonenleitfähigkeit der PEM 5 vergrößert sich mit steigender Temperatur und steigenden Wassergehalt.The
Auf den beiden Seiten der PEM 5, jeweils zugewandt zu den Gasräumen 31, 32, liegen die Elektroden 7, 8 als die Anode 7 und Kathode 8 auf. Eine Einheit aus der PEM 5 und den Elektroden 7, 8 wird als Membranelektrodenanordnung 6 (Membran Electrode Assembly, MEA) bezeichnet. Die Elektroden 7, 8 sind mit der PEM 5 verpresst. Die Elektroden 7, 8 sind platinhaltige Kohlenstoffpartikel, die an PTFE (Polytetrafluorethylen), FEP (Fluoriertes Ethylen-Propylen-Copolymer), PFA (Perfluoralkoxy), PVDF (Polyvinylidenfluorid) und/oder PVA (Polyvinylalkohol) gebunden sind und in mikroporösen Kohlefaser-, Glasfaser- oder Kunststoffmatten heißverpresst sind. An den Elektroden 7, 8 sind auf der Seite zu den Gasräumen 31, 32 hin normalerweise jeweils eine Katalysatorschichten 30 aufgebracht. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 31 mit Brennstoff an der Anode 7 umfasst nanodisperses Platin-Ruthenium auf grafitierten Rußpartikeln, die an einem Bindemittel gebunden sind. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 32 mit Oxidationsmittel an der Kathode 8 umfasst analog nanodisperses Platin. Als Bindemittel werden beispielsweise Nation®, eine PTFE-Emulsion oder Polyvinylalkohol eingesetzt.The
Abweichend hiervon (
Auf der Anode 7 und der Kathode 8 liegt eine Gasdiffusionsschicht 9 (Gas Diffusion Layer, GDL) auf. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Anode 7 verteilt den Brennstoff aus Kanälen 12 für Brennstoff gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Anode 7. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Kathode 8 verteilt das Oxidationsmittel aus Kanälen 13 für Oxidationsmittel gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Kathode 8. Die GDL 9 zieht außerdem Reaktionswasser in umgekehrter Richtung zur Strömungsrichtung der Reaktionsgase ab, d. h. in einer Richtung je von der Katalysatorschicht 30 zu den Kanälen 12, 13. Ferner hält die GDL 9 die PEM 5 feucht und leitet den Strom. Die GDL 9 ist beispielsweise aus einem hydrophobierten Kohlepapier als Träger- und Substratschicht und einer gebundenen Kohlepulverschicht als mikroporöser Schicht (microporous layer) aufgebaut.On the
Auf der GDL 9 liegt eine Bipolarplatte 10 auf. Die elektrisch leitfähige Bipolarplatte 10 dient als Stromkollektor, zur Wasserableitung und zur Leitung der Reaktionsgase als Prozessfluide durch die Kanalstrukturen 29 und/oder Flussfelder 29 und zur Ableitung der Abwärme, welche insbesondere bei der exothermischen elektrochemischen Reaktion an der Kathode 8 auftritt. Zum Ableiten der Abwärme sind in die Bipolarplatte 10 Kanäle 14 als Kanalstruktur 29 zur Durchleitung eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels als Prozessfluid eingearbeitet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 31 für Brennstoff ist von Kanälen 12 gebildet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel ist von Kanälen 13 gebildet. Als Material für die Bipolarplatten 10 werden beispielsweise Metall, leitfähige Kunststoffe und Kompositwerkstoffe oder Grafit eingesetzt.A bipolar plate 10 rests on the
In einer Brennstoffzelleneinheit 1 und/oder einem Brennstoffzellenstapel 1 und/oder einem Brennstoffzellenstack 1 sind mehrere Brennstoffzellen 2 fluchtend gestapelt angeordnet (
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
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
In
Da die Bipolarplatte 10 auch den Gasraum 31 für Brennstoff von dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel fluiddicht abtrennt und ferner auch den Kanal 14 für Kühlmittel fluiddicht abdichtet kann für die Bipolarplatte 10 ergänzend auch der Begriff der Separatorplatte 51 zur fluiddichten Trennung bzw. Separierung von Prozessfluiden gewählt werden. Damit wird unter dem Begriff der Bipolarplatte 10 auch der Begriff der Separatorplatte 51 subsumiert und umgekehrt. Die Kanäle 12 für Brennstoff, die Kanäle 13 für Oxidationsmittel und die Kanäle 14 für Kühlmittel der Brennstoffzelle 2 sind auch an der elektrochemische Zelle 52 ausgebildet, jedoch mit einer anderen Funktion.Since the bipolar plate 10 also separates the gas chamber 31 for fuel from the gas chamber 32 for oxidizing agent in a fluid-tight manner and also seals the
Die Brennstoffzelleneinheit 1 kann auch als Elektrolysezelleneinheit 49 eingesetzt und betrieben werden, d. h. bildet eine reversible Brennstoffzelleneinheit 1. Im Nachfolgenden werden einige Merkmale beschrieben, die den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 1 als Elektrolysezelleneinheit 49 ermöglichen. Für die Elektrolyse wird ein flüssiger Elektrolyt, nämlich stark verdünnte Schwefelsäure mit einer Konzentration von ungefähr c (H2SO4)=1 mol/l, verwendet. Eine ausrechende Konzentration von Oxoniumionen H3O+ in dem flüssigen Elektrolyten ist notwendig für die Elektrolyse.The fuel cell unit 1 can also be used and operated as an electrolytic cell unit 49, ie forms a reversible fuel cell unit 1. A number of features that allow the fuel cell unit 1 to be operated as an electrolytic cell unit 49 are described below. A liquid electrolyte, namely highly diluted sulfuric acid with a concentration of approximately c(H 2 SO 4 )=1 mol/l, is used for the electrolysis. A sufficient concentration of oxonium ions H 3 O + in the liquid electrolyte is necessary for the electrolysis.
Bei der Elektrolyse laufen die nachfolgenden Redoxreaktionen ab:
- Kathode:
4 H3O+ + 4 e- --» 2 H2 + 4 H2O - Anode:
6 H2O --» O2 + 4 H3O+ + 4 e- - Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode:
2 H2O --» 2 H2 + O2
- Cathode:
4 H 3 O + + 4 e - --» 2 H 2 + 4 H 2 O - Anode:
6 H 2 O --» O 2 + 4 H 3 O + + 4 e - - Summation reaction equation of cathode and anode:
2H2O --» 2H2 + O2
Die Polung der Elektroden 7, 8 erfolgt mit Elektrolyse bei dem Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 umgekehrt (nicht dargestellt) wie bei dem Betrieb als Brennstoffzelleneinheit 1, so dass sich in den Kanälen 12 für Brennstoff, durch den der flüssige Elektrolyt geleitet wird, an den Kathoden Wasserstoff H2 als zweiter Stoff gebildet wird und der Wasserstoff H2 von dem flüssigen Elektrolyten aufgenommen und gelöst mittransportiert wird. Analog wird durch die Kanäle 13 für Oxidationsmittel der flüssige Elektrolyt geleitet und an den Anoden in bzw. an Kanälen 13 für Oxidationsmittel Sauerstoff O2 als erster Stoff gebildet wird. Die Brennstoffzellen 2 der Brennstoffzelleneinheit 1 fungieren beim Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 als Elektrolysezellen 50. Die Brennstoffzellen 2 und Elektrolysezellen 50 bilden damit elektrochemische Zellen 52. Der gebildete Sauerstoff O2 wird von dem flüssigen Elektrolyten aufgenommen und gelöst mittransportiert. Der flüssige Elektrolyt ist in einem Speicherbehälter 54 gelagert. In
An der Abführleitung 15 für Brennstoff ist ein Abscheider 57 für Wasserstoff angeordnet. Der Abscheider 57 scheidet aus dem Elektrolyten mit Wasserstoff den Wasserstoff ab und der abgeschiedene Wasserstoff wird mit einem nicht dargestellten Verdichter in den Druckgasspeicher 21 eingeleitet. Der aus dem Abscheider 57 für Wasserstoff abgeleitete Elektrolyt wird anschließend wieder dem Speicherbehälter 54 für den Elektrolyten mit einer Leitung zugeführt. An der Abführleitung 26 für Brennstoff ist ein Abscheider 58 für Sauerstoff angeordnet. Der Abscheider 58 scheidet aus dem Elektrolyten mit Sauerstoff den Sauerstoff ab und der abgeschiedene Sauerstoff wird mit einem nicht dargestellten Verdichter in einem nicht dargestellten Druckgasspeicher für Sauerstoff eingeleitet. Der Sauerstoff in dem nicht dargestellten Druckgasspeicher für Sauerstoff kann optional für den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 1 genutzt werden indem mit einer nicht dargestellten Leitung der Sauerstoff in die Zuführleitung 25 für Oxidationsmittel gleitet wird beim Betrieb als Brennstoffzelleneinheit 1. Der aus dem Abscheider 58 für Sauerstoff abgeleitete Elektrolyt wird anschließend wieder dem Speicherbehälter 54 für den Elektrolyten mit einer Leitung zugeführt. Die Kanäle 12, 13 und die Abführ- und Zuführleitungen 15, 16, 25, 26 sind dahingehend ausgebildet, dass nach der Verwendung als Elektrolysezelleneinheit 49 und dem Abschalten der Pumpe 56 der flüssige Elektrolyt wieder vollständig in den Speicherbehälter 54 zurück läuft aufgrund der Schwerkraft. Optional wird nach der Verwendung als Elektrolysezelleneinheit 49 und vor der Verwendung als Brennstoffzelleneinheit 1 durch die Kanäle 12, 13 und die Abführ- und Zuführleitungen 15, 16, 25, 26 ein Inertgas durchgeleitet zum vollständigen Entfernen des flüssigen Elektrolyten vor dem Durchleiten von gasförmigem Brennstoff und Oxidationsmittel. Die Brennstoffzellen 2 und die Elektrolysezellen 2 bilden damit elektrochemische Zellen 52. Die Brennstoffzelleneinheit 1 und die Elektrolysezelleneinheit 49 bilden somit eine elektrochemische Zelleneinheit 53. Die Kanäle 12 für Brennstoff und der Kanäle für Oxidationsmittel bilden damit Kanäle 12, 13 zum Durchleiten des flüssigen Elektrolyten beim Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 und dies gilt analog für die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26. Eine Elektrolysezelleneinheit 49 benötigt aus prozesstechnischen Gründen normalerweise keine Kanäle 14 zum Durchleiten von Kühlmittel. In einer elektrochemischen Zelleneinheit 49 bilden die Kanäle 12 für Brennstoff auch Kanäle 12 zum Durchleiten von Brennstoff und/oder Elektrolyten und die Kanäle 13 für Oxidationsmittel bilden auch Kanäle 13 zum Durchleiten von Brennstoff und/oder Elektrolyten.A
In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Brennstoffzelleneinheit 1 als eine alkalische Brennstoffzelleneinheit 1 ausgebildet. Als mobiler Elektrolyt wird Kalilauge als Kaliumhydroxid-Lösung eingesetzt. Die Brennstoffzellen 2 sind gestapelt angeordnet. Dabei kann ein monopolarer Zellaufbau oder ein bipolarer Zellaufbau ausgebildet sein. Die Kaliumhydroxid-Lösung zirkuliert zwischen einer Anode und Kathode und transportiert Reaktionswasser, Wärme und Verunreinigungen (Carbonate, Gelöstgase) ab. Die Brennstoffzelleneinheit 1 kann auch als reversible Brennstoffzelleneinheit 1, d. h. als Elektrolysezelleneinheit 49, betrieben werden.In a further exemplary embodiment, which is not shown, the fuel cell unit 1 is designed as an alkaline fuel cell unit 1 . Potassium hydroxide solution is used as a mobile electrolyte. The
Während des Betriebes der Brennstoffzelleneinheit 1, d. h. während einer aktiven Brennstoffzelleneinheit 1, kommt es an den Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51 der Brennstoffzelleneinheit 1 zu einem Alterungsprozess insbesondere aufgrund einer thermischen, elektrischen und/oder chemischen Belastung. Dadurch ändern sich auf mikroskopischer Ebene die chemischen Eigenschaften der Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51, insbesondere verringert sich die Katalysator- und/oder Adhäsionsbildung und schützende Reaktionsstoffe 62 werden verbraucht oder wandern ab bzw. werden abgeschieden im Stand der Technik. Dies führt zur Bildung und Anreicherung an Schadstoffen und/oder einer Reaktion der Schadstoffe mit lonomeren in den Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51. Dadurch verringert sich die elektrische Leistung der Brennstoffzelleneinheit 1. Dies gilt analog auch für eine Elektrolysezelleneinheit 49. Die Schadstoffe sind beispielsweise Wasserstoffperoxid (H2O2) und/oder Radikale (·OH).During operation of the fuel cell unit 1, ie during an active fuel cell unit 1, the
In
Die Kern-Hülle-Reaktionspartikel 61 ermöglichen somit in vorteilhafter Weise einerseits das Initialisieren der chemischen Reaktion zur Reduzierung der Stoffmenge des Schadstoffes in den Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51 der elektrochemischen Zelle 52 während des Betriebes der elektrochemischen Zelle 52 und aufgrund der hydrophoben Eigenschaften des Hüllstoffes 64 des Kern-Hülle-Reaktionspartikel 61 weist der Kern-Hülle-Reaktionspartikel 61 insgesamt hydrophobe Eigenschaften und eine sehr kleine Wasserlöslichkeit auf. Nach der Herstellung der elektrochemischen Zelle 52 ist die Stoffmengenkonzentration der Kern-Hülle-Reaktionspartikel 61 an den schichtförmigen Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51 der elektrochemischen Zellen 52 im Wesentlichen konstant. Während des Betriebes der elektrochemischen Zellen 52 treten Bereiche mit hoher und niedriger Feuchtigkeit der Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51, insbesondere den Protonenaustauschermembranen 5, auf. Darüber hinaus kommt es zu einer Durchspülung und/oder Spülung an der Oberfläche der Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51 mit Wasser. Aufgrund der geringen Wasserlöslichkeit der Kern-Hülle-Reaktionspartikel 61 führen diese unterschiedlichen Bereiche der Feuchtigkeit und die Spülung mit Wasser im Wesentlichen zu keiner Veränderung der Stoffmengenkonzentration der Kern-Hülle-Reaktionspartikel 61 an den schichtförmigen Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51 der elektrochemischen Zellen 52. Damit bleibt während des Betriebes der elektrochemischen Zellen 52 die Wirkung des Reaktionsstoffes 62 zum Initialisieren der chemischen Reaktion gleichmäßig verteilt über die Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51 der elektrochemischen Zellen 52 erhalten.The core-
In
In
In
In
In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel der elektrochemischen Zelle 52 sind die Kern-Hülle-Reaktionspartikeln 61 auf eine oder beide Außenseiten der Bipolarplatte 10 aufgebracht. Dies wird beispielsweise dadurch ausgeführt, dass eine Dispersion mit den Kern-Hülle-Reaktionspartikeln 61 auf die entsprechende wenigstens eine Außenseite der Bipolarplatte 10 aufgebracht wird, anschließend ein Trocknen der Dispersion ausgeführt wird und nach dem Trocknen eine thermische Wärmebehandlung der Bipolarplatte 10 optional zusätzlich ausgeführt wird.In a further exemplary embodiment of the
Insgesamt betrachtet sind mit der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle 52 und dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der elektrochemischen Zelleneinheit 52 wesentliche Vorteile verbunden. Die Kern-Hülle-Reaktionspartikeln 61 weisen für die Anwendung in der elektrochemischen Zelle 52 wesentliche hybride Eigenschaften auf. Einerseits ermöglicht der hydrophile Reaktionsstoff 62 in dem Kern 63 die Zersetzung von Schadstoffen während des Betriebes der elektrochemischen Zelle 52. Andererseits weisen die Kern-Hülle-Reaktionspartikel 61 trotzdem hydrophoben Eigenschaften auf, sodass die Feuchtigkeit und/oder das Wasser in den Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51 der elektrochemischen Zellen 52 weder zu einer Reduzierung der Stoffmenge in den Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51 der elektrochemischen Zellen 52 führt noch zu einer Veränderung der Stoffmengenkonzentration als Verteilung über die schichtförmigen Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51 der elektrochemischen Zellen 52. Damit ermöglichen die Kern-Hülle-Reaktionspartikeln 61 in den Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51, in denen die Kern-Hülle-Reaktionspartikel 61 integriert sind, gleichmäßig verteilt über die gesamten Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51 eine über die Flächenausdehnung parallel zu den fiktiven Ebenen 59 gleichmäßige Zersetzung der Schadstoffe. Damit treten beim Betrieb der elektrochemischen Zellen 52 keine lokalen Anreicherungen mit Schadstoffen auf, sodass die Protonenaustauschermembranen 5 stets und auch bei einem längeren Betrieb für Gase undurchlässig sind. Dies ist insbesondere bei der Anwendung von Brennstoffzellen 2 in Kraftfahrzeugen vorteilhaft.Considered overall, the
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- EP 2244817 B1 [0008]EP 2244817 B1 [0008]
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