DE102021208847A1

DE102021208847A1 - Verfahren zum Betreiben einer elektrochemische Zelleneinheit

Info

Publication number: DE102021208847A1
Application number: DE102021208847.3A
Authority: DE
Inventors: Andreas Gehrold
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-08-12
Filing date: 2021-08-12
Publication date: 2023-02-16

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer elektrochemische Zelleneinheit (53) zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit (1) und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit (49) mit gestapelten elektrochemischen Zellen (52) mit den Schritten: Einleiten eines primären Prozessfluides durch eine erste Öffnung (72) für das primäre Prozessfluid in die elektrochemische Zelleneinheit (53), Leiten des primären Prozessfluides durch Kanäle für das primäre Prozessfluid in einer ersten Richtung, Ausleiten des primären Prozessfluides aus der elektrochemische Zelleneinheit (53) durch eine zweite Öffnung (73) für das primäre Prozessfluid, Einleiten eines sekundären Prozessfluides durch eine erste Öffnung (74) für das sekundäre Prozessfluid in die elektrochemische Zelleneinheit (53), Leiten des sekundären Prozessfluides durch Kanäle für das sekundäre Prozessfluid in einer ersten Richtung, Ausleiten des sekundären Prozessfluides aus der elektrochemischen Zelleneinheit (53) durch eine zweite Öffnung (75) für das sekundäre Prozessfluid, wobei die Strömungsrichtung des primären Prozessfluides umgedreht wird, so dass das Einleiten eines primären Prozessfluides durch die zweite Öffnung (73) für das primäre Prozessfluid in die elektrochemische Zelleneinheit (53) ausgeführt wird und das Leiten des primären Prozessfluides durch Kanäle (12) für das primäre Prozessfluid in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zu der ersten Richtung ausgeführt wird und das Ausleiten des primären Prozessfluides aus der elektrochemischen Zelleneinheit (53) durch die erste Öffnung (72) für das primäre Prozessfluid ausgeführt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrochemische Zelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein elektrochemisches Zellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 10.
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 große Anzahl von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel als Brennstoffzellenstack 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.
In elektrochemischen Zelleneinheiten werden Prozessfluide zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie eingesetzt. Die Prozessfluide werden somit durch Kanäle für die Prozessfluide in einem Stapel mit elektrochemischen Zellen geleitet. Die Prozessfluide werden dabei stets in der gleichen Strömungsrichtung durch die Kanäle geleitet. Beispielsweise bei einer Brennstoffzelle mit Brennstoff als dem primären Prozessfluid erfolgt somit das Einleiten des Brennstoffes in eine erste Öffnung für den Brennstoff in dem Brennstoffzellenstapel und das Ausleiten des Brennstoffes wird aus einer zweiten Öffnung für den Brennstoff in dem Brennstoffzellenstapel ausgeführt ohne dass dies umkehrbar ist. Eine inverse Strömungsrichtung des Brennstoffes als dem primären Prozessfluid durch die Kanäle für Brennstoff in dem Brennstoffzellenstapel ist somit nicht möglich. Dies gilt analog für das Oxidationsmittel als das sekundäre Prozessfluid und das Kühlmittel als das tertiäre Prozessfluid. Auch bei Elektrolysezelleneinheiten mit dem primären und sekundären Prozessfluid als dem Elektrolyten erfolgt das Durchleiten durch die Kanäle für die 2 Elektrolyten in dem Elektrolysezellenstapel stets in der gleichen Strömungsrichtung.
Die Komponenten der elektrochemischen Zellen unterliegen einem Alterungsprozess, welcher insbesondere durch die thermische, elektrische und/oder chemische Belastung der einzelnen Zellen beeinflusst ist. Die Alterung wird dabei stark beeinflusst durch Parameter in dem Stack als der Temperatur, Feuchtigkeit und der Konzentration der Prozessfluide. Dies führte dazu, dass der Alterungsprozess für je ein Prozessfluid an dem Kanal dieses Prozessfluides zwischen der ersten Öffnung zum Einleiten des Prozessfluides und der zweiten Öffnung zum Ausleiten des Prozessfluides sich deutlich unterscheidet. Dadurch tritt eine ungleichmäßige Verteilung der Alterung in der elektrochemischen Zelleneinheit auf, sodass in nachteiliger Weise der Betrieb mit der elektrochemischen Zelleneinheit aufgrund Alterung beendet werden muss, obwohl beispielsweise nur an einem Einlassbereich für je ein Prozessfluid die Alterungsgrenze erreicht ist und an einem Auslassbereich für je ein Prozessfluid nur eine geringe Alterung vorhanden ist. Die thermische, elektrische und/oder chemische Belastung an dem Einlass- und Auslassbereich und damit die Alterung ist unterschiedlich. Der Betrieb mit der elektrochemischen Zelleneinheit muss somit frühzeitig beendet werden. Dies führt zu hohen Kosten, weil die elektrochemische Zelleneinheit mit einer verhältnismäßig geringen Anzahl an Betriebsstunden aufgrund Alterung zu entsorgen oder in aufwendiger Weise aufzubereiten ist. Außerdem wird durch die ungleichmäßige Alterung der Wirkungsgrad der elektrochemischen Zelleneinheit reduziert.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer elektrochemische Zelleneinheit oder eines elektrochemischen Zellensystems zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit mit gestapelten elektrochemischen Zellen mit den Schritten: Einleiten eines primären Prozessfluides durch eine erste Öffnung für das primäre Prozessfluid in die elektrochemische Zelleneinheit, Leiten des primären Prozessfluides durch Kanäle für das primäre Prozessfluid in einer ersten Richtung, Ausleiten des primären Prozessfluides aus der elektrochemische Zelleneinheit durch eine zweite Öffnung für das primäre Prozessfluid, Einleiten eines sekundären Prozessfluides durch eine erste Öffnung für das sekundäre Prozessfluid in die elektrochemische Zelleneinheit, Leiten des sekundären Prozessfluides durch Kanäle für das sekundäre Prozessfluid in einer ersten Richtung, Ausleiten des sekundären Prozessfluides aus der elektrochemischen Zelleneinheit durch eine zweite Öffnung für das sekundäre Prozessfluid, wobei die Strömungsrichtung des primären Prozessfluides umgedreht wird, so dass das Einleiten des primären Prozessfluides durch die zweite Öffnung für das primäre Prozessfluid in die elektrochemische Zelleneinheit ausgeführt wird und das Leiten des primären Prozessfluides durch Kanäle für das primäre Prozessfluid in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zu der ersten Richtung ausgeführt wird und das Ausleiten des primären Prozessfluides aus der elektrochemischen Zelleneinheit durch die erste Öffnung für das primäre Prozessfluid ausgeführt wird. In vorteilhafter Weise wird somit die Alterung verursacht von dem primären Prozessfluid gleichmäßig auf den Stack verteilt an einem Einlassbereich und einem Auslassbereich und aufgrund der unterschiedlichen Richtungen des primären Prozessfluides sind der Einlassbereich und der Auslassbereich unterschiedliche, abwechselnde Teile des Stacks, sodass die Alterung gleichmäßig auf diese Teile des Stacks verteilt wird und damit eine lange Lebensdauer der elektrochemischen Zelleneinheit bezüglich der Alterung verursacht von dem primären Prozessfluid ermöglicht wird.
In einer ergänzenden Variante wird die Strömungsrichtung des sekundären Prozessfluides umgedreht, so dass das Einleiten eines sekundären Prozessfluides durch die zweite Öffnung für das sekundäre Prozessfluid in die elektrochemische Zelleneinheit ausgeführt wird und das Leiten des sekundären Prozessfluides durch Kanäle für das sekundäre Prozessfluid in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zu der ersten Richtung ausgeführt wird und das Ausleiten des sekundären Prozessfluides aus der elektrochemischen Zelleneinheit durch die erste Öffnung für das sekundäre Prozessfluid ausgeführt wird.
In einer ergänzenden Ausführungsform werden die nachfolgenden Schritte ausgeführt: Einleiten eines tertiären Prozessfluides durch eine erste Öffnung für das tertiäre Prozessfluid in die elektrochemische Zelleneinheit, Leiten des tertiären Prozessfluides durch Kanäle für das tertiäre Prozessfluid in einer ersten Richtung, Ausleiten des tertiären Prozessfluides aus der elektrochemischen Zelleneinheit durch eine zweite Öffnung für das tertiäre Prozessfluid.
In einer weiteren Ausgestaltung wird die Strömungsrichtung des tertiären Prozessfluides umgedreht, so dass das Einleiten des tertiären Prozessfluides durch die zweite Öffnung für das tertiäre Prozessfluid in die elektrochemische Zelleneinheit ausgeführt wird und das Leiten des tertiären Prozessfluides durch Kanäle für das tertiäre Prozessfluid in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zu der ersten Richtung ausgeführt wird und das Ausleiten des tertiären Prozessfluides aus der elektrochemischen Zelleneinheit durch die erste Öffnung für das tertiäre Prozessfluid ausgeführt wird.
Zweckmäßig werden die entgegengesetzt gerichteten Strömungsrichtungen des primären und/oder sekundären und/oder tertiären Prozessfluides zeitlich aufeinanderfolgend während je zwei Strömungsrichtungsphasen mit einer ersten Strömungsrichtungsphase mit einer ersten Strömungsrichtung des primären und/oder sekundären und/oder tertiären Prozessfluides und mit einer zweiten Strömungsrichtungsphase mit einer zweiten, entgegengesetzt zu der ersten ausgerichteten Strömungsrichtung des primären und/oder sekundären und/oder tertiären Prozessfluides ausgeführt und die je erste und je zweite Strömungsrichtungsphase für je ein Prozessfluid zeitlich aufeinanderfolgend ausgeführt werden.
In einer weiteren Variante ist bei einer Brennstoffzelleneinheit das primäre Prozessfluid Brennstoff, das sekundären Prozessfluid Oxidationsmittel und das tertiäre Prozessfluid Kühlmittel und vorzugsweise werden der Brennstoff und das Oxidationsmittel ausschließlich im Gegenstrom oder ausschließlich im Gleichstrom durch die Brennstoffzelleneinheit während je einer Strömungsrichtungsphase, insbesondere während sämtlicher Strömungsrichtungsphasen, geleitet.
Insbesondere ist bei einer Elektrolysezelleneinheit das primäre und sekundäre Prozessfluid ein Elektrolyt.
In einer weiteren Ausführungsform beträgt die Dauer je einer Strömungsrichtungsphase wenigstens 5 h, 20 h oder 100 h Betriebsstunden der elektrochemischen Zelleneinheit. Die Dauer je einer Strömungsrichtungsphase ergibt sich somit insbesondere aus der Summe der Betriebsstunden der elektrochemischen Zelleneinheit.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung werden die Zeitdauer je einer Strömungsrichtungsphase für je ein Prozessfluid in Abhängigkeit von Betriebsparametern, insbesondere der Anzahl der Kaltstarts und/oder der durchschnittlichen Leistung und/oder der Betriebsstunden und/oder der Feuchtigkeit des Brennstoffes und/oder Oxidationsmittels, des elektrochemischen Zellensystem gesteuert und/oder geregelt. Die Betriebsparameter werden von einer Steuerungs- und/oder Regeleinheit erfasst und anhand von in der Steuerungs- und/oder Regeleinheit gespeicherter Daten, insbesondere empirischer Daten, wird in Modellen die Alterung erfasst und in Abhängigkeit von der Alterung wird getrennt für jedes Prozessfluid Dauer der ersten und zweiten Strömungsrichtungsphase gesteuert und/oder geregelt, insbesondere die Dauern der ersten und zweiten Strömungsrichtungsphasen, welche zeitlich aufeinanderfolgen. Die Steuerung der ersten und zweiten Strömungsrichtungsphasen getrennt für jedes Prozessfluid erfolgt somit optimiert in Abhängigkeit von den Betriebsparametern der elektrochemischen Zelleneinheit und/oder des elektrochemischen Zellensystems.
Erfindungsgemäßes elektrochemisches Zellensystem zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als elektrochemisches Brennstoffzellensystem und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als elektrochemisches Elektrolysezellensystem, umfassend eine elektrochemischen Zelleneinheit als Brennstoffzelleneinheit oder Elektrolysezelleneinheit mit gestapelt angeordneten elektrochemischen Zellen und die elektrochemischen Zellen jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten umfassen, Kanäle zum Durchleiten von Prozessfluiden, wenigstens ein Mittel zum Durchleiten der Prozessfluide durch die Kanäle, wobei mit dem elektrochemischen Zellensystem ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren ausführbar ist.
Vorzugsweise umfasst das elektrochemische Zellensystem wenigsten ein Ventil, insbesondere wenigstens ein 3-Wege-Ventil, als das wenigstens eine Mittel und in einer ersten Schaltstellung des wenigstens einen Ventils, insbesondere des wenigstens einen 3-Wege-Ventils, das primäre Prozessfluid in der ersten Richtung durch die Kanäle für das primäre Prozessfluid leitbar ist und in einer zweiten Schaltstellung des wenigstens einen Ventils, insbesondere des wenigstens einen 3-Wege-Ventils, das primäre Prozessfluid in der zweiten Richtung entgegengesetzt zu der ersten Richtung durch die Kanäle für das primäre Prozessfluid leitbar ist.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das elektrochemische Zellensystem wenigsten eine Pumpe als das wenigstens eine Mittel und die wenigstens eine Pumpe in entgegengesetzt gerichteten ersten und zweiten Förderrichtungen betreibbar ist und in einer ersten Förderrichtung der wenigstens einen Pumpe das primäre und/oder sekundäre und/oder tertiäre Prozessfluid in der ersten Richtung durch die Kanäle für das primäre und/oder sekundäre und/oder tertiäre Prozessfluid leitbar ist und in einer zweiten Förderrichtung der wenigstens einen Pumpe das primäre und/oder sekundäre und/oder tertiäre Prozessfluid in der zweiten Richtung entgegengesetzt zu der ersten Richtung durch die Kanäle für das primäre und/oder sekundäre und/oder tertiäre Prozessfluid leitbar ist.
In einer ergänzenden Variante umfasst das elektrochemische Zellensystem wenigsten ein Ventil, insbesondere wenigstens ein 3-Wege-Ventil, als das wenigstens eine Mittel und in einer ersten Schaltstellung des wenigstens einen Ventils, insbesondere des wenigstens einen 3-Wege-Ventils, das sekundäre Prozessfluid in der ersten Richtung durch die Kanäle für das sekundäre Prozessfluid leitbar ist und in einer zweiten Schaltstellung des wenigstens einen Ventils, insbesondere des wenigstens einen 3-Wege-Ventils, das sekundäre Prozessfluid in der zweiten Richtung entgegengesetzt zu der ersten Richtung durch die Kanäle für das sekundäre Prozessfluid leitbar ist.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das elektrochemische Zellensystem wenigsten ein Ventil, insbesondere wenigstens ein 3-Wege-Ventil, als das wenigstens eine Mittel und in einer ersten Schaltstellung des wenigstens einen Ventils, insbesondere des wenigstens einen 3-Wege-Ventils, das tertiäre Prozessfluid in der ersten Richtung durch die Kanäle für das tertiäre Prozessfluid leitbar ist und in einer zweiten Schaltstellung des wenigstens einen Ventils, insbesondere des wenigstens einen 3-Wege-Ventils, das tertiäre Prozessfluid in der zweiten Richtung entgegengesetzt zu der ersten Richtung durch die Kanäle für das tertiäre Prozessfluid leitbar ist. Das tertiäre Prozessfluid, beispielsweise das Kühlmittel, kann mittels des wenigstens eines Ventiles in den abwechselnden Strömungsrichtungsphasen in unterschiedlichen Richtungen durch die Kanäle für das Kühlmittel geleitet werden, sodass eine Kühlmittelpumpe stets in der gleichen Förderrichtung betrieben wird und die Umkehr der Strömungsrichtung des Kühlmittels durch die Kanäle für Kühlmittel mittels des wenigstens einen Ventiles gesteuert und/oder geregelt wird.
In einer zusätzlichen Ausführungsform ist das elektrochemische Zellensystem ein Brennstoffzellensystem, umfassend einen Druckgasspeicher für Brennstoff und eine Gasfördervorrichtung und das primäre Prozessfluid der Brennstoff, das sekundäre Prozessfluid das Oxidationsmittel Luft und das tertiäre Prozessfluid Kühlmittel ist.
Vorzugsweise werden der Brennstoff und das Oxidationsmittel in abwechselnd in unterschiedlichen Strömungsrichtungsphasen im Gegenstrom oder im Gleichstrom durch die Brennstoffzelleneinheit während je einer Strömungsrichtungsphase, insbesondere während sämtlicher Strömungsrichtungsphasen, geleitet.
In einer ergänzenden Variante wird das in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Verfahren mit dem in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen elektrochemischen Zellensystem zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als elektrochemisches Brennstoffzellensystem und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als elektrochemisches Elektrolysezellensystem ausgeführt.
In einer weiteren Variante sind die Komponenten der elektrochemischen Zellen vorzugsweise Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, vorzugsweise Membranelektrodenanordnungen, vorzugsweise Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten sind.
In einer weiteren Ausführungsform wird das in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Verfahren während der Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie und/oder während der Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie ausgeführt.
In einer ergänzenden Variante sind die Öffnungen und/oder Kanäle in dem Stack ausgebildet.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung wird während der Lebensdauer der elektrochemischen Zelleneinheit und/oder des elektrochemischen Zellensystems das Wechseln zwischen der ersten und zweiten Strömungsrichtungsphase, jeweils für das primäre und/oder sekundäre und/oder tertiäre Prozessfluid, wenigstens 2-, 5-, 10-, 30-, 50- oder 100-Mal ausgeführt. Die Lebensdauer wird beendet mit der Entsorgung oder der Aufbereitung der elektrochemischen Zelleneinheit und/oder des elektrochemischen Zellensystems. Bei einer Aufbereitung muss der Stack in die Zellen und/oder Komponenten zerlegt werden, d. h. einzelne Komponenten und/oder Zellen müssen ausgetauscht werden.
In einer weiteren Ausgestaltung wird das Verfahren mit einer elektrochemischen Zelleneinheit ausgeführt mit zu einem Stack gestapelten elektrochemischen Zellen mit schichtförmigen Komponenten, nämlich vorzugsweise Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, vorzugsweise Membranelektrodenanordnungen, vorzugsweise Gasdiffusionsschichten und vorzugsweise Bipolarplatten.
Vorzugsweise sind die Membranelektrodenanordnungen von je einer Protonenaustauschermembran, je wenigstens einem Subgasket, je einer Anode und je einer Kathode gebildet, insbesondere als CCM (catalyst coated membran) mit Katalysatormaterial in den Anoden und Kathoden.
In einer weiteren Variante wird mit das in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Verfahren mit einer in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen elektrochemischen Zelleneinheit und/oder elektrochemischen Zellensystem ausgeführt.
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.
In einer ergänzenden Ausgestaltung ist die elektrochemische Zelleneinheit eine Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie und/oder eine Elektrolysezelleneinheit zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie.
Zweckmäßig sind die Bipolarplatten als Separatorplatten ausgebildet und zwischen je einer Anode und je einer Kathode eine elektrische Isolationsschicht, insbesondere eine Protonenaustauschermembran, angeordnet ist und vorzugsweise die Elektrolysezellen jeweils einen dritten Kanal für die getrennte Durchleitung eines Kühlfluid als drittes Prozessfluid umfassen.
In einer zusätzlichen Variante ist die Elektrolysezelleneinheit zusätzlich als Brennstoffzelleneinheit, insbesondere eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Brennstoffzelleneinheit, ausgebildet, so dass die Elektrolysezelleneinheit eine reversible Brennstoffzelleneinheit bildet.
In einer weiteren Variante umfasst die elektrochemische Zelleneinheit ein Gehäuse und/oder eine Anschlussplatte. Der Stapel ist von dem Gehäuse und/oder der Anschlussplatte umschlossen.
In einer ergänzenden Ausführungsform umfasst das Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, 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.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung umfasst das Elektrolysesystem und/oder Brennstoffzellensystem, 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.
In einer weiteren Ausgestaltung bildet die in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Brennstoffzelleneinheit zusätzlich eine Elektrolysezelleneinheit und vorzugsweise umgekehrt.
In einer weiteren Variante ist die Gasfördervorrichtung als ein Gebläse und/oder ein Kompressor und/oder ein Druckbehälter mit Oxidationsmittel ausgebildet.
Vorzugsweise ist der Brennstoff Wasserstoff, wasserstoffreiches Gas, Reformatgas oder Erdgas.
Zweckmäßig sind die Brennstoffzellen und/oder Elektrolysezellen im Wesentlichen eben und/oder scheibenförmig ausgebildet.
In einer ergänzenden Variante ist das Oxidationsmittel Luft mit Sauerstoff oder reiner Sauerstoff.
Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit eine PEM-Brennstoffzelleneinheit mit PEM-Brennstoffzellen oder eine SOFC-Brennstoffzelleneinheit mit SOFC-Brennstoffzellen oder eine alkalische Brennstoffzelle (AFC).
Figurenliste
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

1 eine stark vereinfachte Explosionsdarstellung eines elektrochemischen Zellensystems als Brennstoffzellensystem und Elektrolysezellensystem mit Komponenten einer elektrochemischen Zelle als Brennstoffzelle und Elektrolysezelle,
2 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Brennstoffzelle und Elektrolysezelle,
3 einen Längsschnitt durch elektrochemische Zellen als Brennstoffzelle und Elektrolysezelle,
4 eine perspektivische Ansicht einer elektrochemischen Zelleneinheit als Brennstoffzelleneinheit und Elektrolysezelleneinheit als Brennstoffzellenstapel und Elektrolysezellenstapel,
5 eine Seitenansicht der elektrochemischen Zelleneinheit als Brennstoffzelleneinheit und Elektrolysezelleneinheit als Brennstoffzellenstapel und Elektrolysezellenstapel,
6 eine perspektivische Ansicht einer Bipolarplatte,
7 eine stark vereinfachte Darstellung der elektrochemischen Zelleneinheit als Brennstoffzelleneinheit während einer ersten Strömungsrichtungsphase für das primäre, sekundäre und tertiäre Prozessfluid und
8 eine stark vereinfachte Darstellung der elektrochemischen Zelleneinheit als Brennstoffzelleneinheit während einer zweiten Strömungsrichtungsphase für das primäre, sekundäre und tertiäre Prozessfluid.

In den 1 bis 3 ist der grundlegende Aufbau einer Brennstoffzelle 2 als einer PEM-Brennstoffzelle 3 (Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle 3) dargestellt. Das Prinzip von Brennstoffzellen 2 besteht darin, dass mittels einer elektrochemischen Reaktion elektrische Energie bzw. elektrischer Strom erzeugt wird. An eine Anode 7 wird Wasserstoff H₂ als gasförmiger Brennstoff geleitet und die Anode 7 bildet den Minuspol. An eine Kathode 8 wird ein gasförmiges Oxidationsmittel, nämlich Luft mit Sauerstoff, geleitet, d. h. der Sauerstoff in der Luft stellt das notwendige gasförmige Oxidationsmittel zur Verfügung. An der Kathode 8 findet eine Reduktion (Elektronenaufnahme) statt. Die Oxidation als Elektronenabgabe wird an der Anode 7 ausgeführt.
Die Redoxgleichungen der elektrochemischen Vorgänge lauten:

Kathode: O₂ + 4 H⁺ + 4 e^- --» 2 H₂O
Anode: 2 H₂ --» 4 H⁺ + 4 e^-
Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode: 2 H₂ + O₂ --» 2 H₂O

Die Differenz der Normalpotentiale der Elektrodenpaare unter Standardbedingungen als reversible Brennstoffzellenspannung oder Leerlaufspannung der unbelasteten Brennstoffzelle 2 beträgt 1,23 V. Diese theoretische Spannung von 1,23 V wird in der Praxis nicht erreicht. Im Ruhezustand und bei kleinen Strömen können Spannungen über 1,0 V erreicht werden und im Betrieb mit größeren Strömen werden Spannungen zwischen 0,5 V und 1,0 V erreicht. Die Reihenschaltung von mehreren Brennstoffzellen 2, insbesondere eine Brennstoffzelleneinheit 1 als Brennstoffzellenstapel 1 von mehreren gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 2, weist eine höhere Spannung auf, welche der Zahl der Brennstoffzellen 2 multipliziert mit der Einzelspannung je einer Brennstoffzelle 2 entspricht.
Die Brennstoffzelle 2 umfasst außerdem eine Protonenaustauschermembran 5 (Proton Exchange Membrane, PEM), welche zwischen der Anode 7 und der Kathode 8 angeordnet ist. Die Anode 7 und Kathode 8 sind schichtförmig bzw. scheibenförmig ausgebildet. Die PEM 5 fungiert als Elektrolyt, Katalysatorträger und Separator für die Reaktionsgase. Die PEM 5 fungiert außerdem als elektrischer Isolator und verhindert einen elektrischen Kurzschluss zwischen der Anode 7 und Kathode 8. Im Allgemeinen werden 12 µm bis 150 µm dicke, protonenleitende Folien aus perfluorierten und sulfonierten Polymeren eingesetzt. Die PEM 5 leitet die Protonen H⁺ und sperrt andere Ionen als Protonen H⁺ im Wesentlichen, so dass aufgrund der Durchlässigkeit der PEM 5 für die Protonen H⁺ der Ladungstransport erfolgen kann. Die PEM 5 ist für die Reaktionsgase Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ im Wesentlichen undurchlässig, d. h. sperrt die Strömung von Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ zwischen einem Gasraum 31 an der Anode 7 mit Brennstoff Wasserstoff H₂ und dem Gasraum 32 an der Kathode 8 mit Luft bzw. Sauerstoff O₂ als Oxidationsmittel. Die Protonenleitfähigkeit der PEM 5 vergrößert sich mit steigender Temperatur und steigenden Wassergehalt.
Auf den beiden Seiten der PEM 5, jeweils zugewandt zu den Gasräumen 31, 32, liegen die Elektroden 7, 8 als die Anode 7 und Kathode 8 auf. Eine Einheit aus der PEM 5 und den Elektroden 7, 8 wird als Membranelektrodenanordnung 6 (Membran Electrode Assembly, MEA) bezeichnet. Die Elektroden 7, 8 sind mit der PEM 5 verpresst. Die Elektroden 7, 8 sind platinhaltige Kohlenstoffpartikel, die an PTFE (Polytetrafluorethylen), FEP (Fluoriertes Ethylen-Propylen-Copolymer), PFA (Perfluoralkoxy), PVDF (Polyvinylidenfluorid) und/oder PVA (Polyvinylalkohol) gebunden sind und in mikroporösen Kohlefaser-, Glasfaser- oder Kunststoffmatten heißverpresst sind. An den Elektroden 7, 8 sind auf der Seite zu den Gasräumen 31, 32 hin normalerweise jeweils eine Katalysatorschichten 30 aufgebracht (nicht dargestellt). Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 31 mit Brennstoff an der Anode 7 umfasst nanodisperses Platin-Ruthenium auf grafitierten Rußpartikeln, die an einem Bindemittel gebunden sind. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 32 mit Oxidationsmittel an der Kathode 8 umfasst analog nanodisperses Platin. Als Bindemittel werden beispielsweise Nation®, eine PTFE-Emulsion oder Polyvinylalkohol eingesetzt.
Abweichend hiervon sind die Elektroden 7, 8 aus einem lonomer, beispielsweise Nation®, platinhaltigen Kohlenstoffpartikeln und Zusatzstoffen aufgebaut. Diese Elektroden 7, 8 mit dem lonomer sind aufgrund der Kohlenstoffpartikel elektrisch leitfähig und leiten auch die Protonen H⁺ und fungieren zusätzlich auch als Katalysatorschicht 30 wegen der platinhaltigen Kohlenstoffpartikel. Membranelektrodenanordnungen 6 mit diesen Elektroden 7, 8 umfassend das lonomer bilden Membranelektrodenanordnungen 6 als CCM (catalyst coated membran).
Auf der Anode 7 und der Kathode 8 liegt eine Gasdiffusionsschicht 9 (Gas Diffusion Layer, GDL) auf. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Anode 7 verteilt den Brennstoff aus Kanälen 12 für Brennstoff gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Anode 7. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Kathode 8 verteilt das Oxidationsmittel aus Kanälen 13 für Oxidationsmittel gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Kathode 8. Die GDL 9 zieht außerdem Reaktionswasser in umgekehrter Richtung zur Strömungsrichtung der Reaktionsgase ab, d. h. in einer Richtung je von der Katalysatorschicht 30 zu den Kanälen 12, 13. Ferner hält die GDL 9 die PEM 5 feucht und leitet den Strom. Die GDL 9 ist beispielsweise aus einem hydrophobierten Kohlepapier als Träger- und Substratschicht und einer gebundenen Kohlepulverschicht als mikroporöser Schicht (microporous layer) aufgebaut.
Auf der GDL 9 liegt eine Bipolarplatte 10 auf. Die elektrisch leitfähige Bipolarplatte 10 dient als Stromkollektor, zur Wasserableitung und zur Leitung der Reaktionsgase als Prozessfluide durch die Kanalstrukturen 29 und/oder Flussfelder 29 und zur Ableitung der Abwärme, welche insbesondere bei der exothermischen elektrochemischen Reaktion an der Kathode 8 auftritt. Zum Ableiten der Abwärme sind in die Bipolarplatte 10 Kanäle 14 als Kanalstruktur 29 zur Durchleitung eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels als Prozessfluid eingearbeitet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 31 für Brennstoff ist von Kanälen 12 gebildet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel ist von Kanälen 13 gebildet. Als Material für die Bipolarplatten 10 werden beispielsweise Metall, leitfähige Kunststoffe und Kompositwerkstoffe und/oder Graphit eingesetzt.
In einer Brennstoffzelleneinheit 1 und/oder einem Brennstoffzellenstapel 1 und/oder einem Brennstoffzellenstack 1 sind mehrere Brennstoffzellen 2 fluchtend gestapelt angeordnet (4 und 5). In 1 ist eine Explosionsdarstellung von zwei fluchtend gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 2 abgebildet. Dichtungen 11 dichten die Gasräume 31, 32 bzw. Kanäle 12, 13 fluiddicht ab. In einem Druckgasspeicher 21 (1) ist Wasserstoff H₂ als Brennstoff mit einem Druck von beispielsweise 350 bar bis 700 bar gespeichert. Aus dem Druckgasspeicher 21 wird der Brennstoff durch eine Hochdruckleitung 18 zu einem Druckminderer 20 geleitet zur Reduzierung des Druckes des Brennstoffes in einer Mitteldruckleitung 17 von ungefähr 10 bar bis 20 bar. Aus der Mitteldruckleitung 17 wird der Brennstoff zu einem Injektor 19 geleitet. An dem Injektor 19 wird der Druck des Brennstoffes auf einen Einblasdruck zwischen 1 bar und 3 bar reduziert. Von dem Injektor 19 wird der Brennstoff einer Zufuhrleitung 16 für Brennstoff (1) zugeführt und von der Zufuhrleitung 16 den Kanälen 12 für Brennstoff, welche die Kanalstruktur 29 für Brennstoff bilden. Der Brennstoff durchströmt dadurch den Gasraum 31 für den Brennstoff. Der Gasraum 31 für den Brennstoff ist von den Kanälen 12 und der GDL 9 an der Anode 7 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 12 wird der nicht in der Redoxreaktion an der Anode 7 verbrauchte Brennstoff und gegebenenfalls Wasser aus einer kontrollieren Befeuchtung der Anode 7 durch eine Abfuhrleitung 15 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet.
Eine Gasfördereinrichtung 22, beispielsweise als ein Gebläse 23 oder ein Kompressor 24 ausgebildet, fördert Luft aus der Umgebung als Oxidationsmittel in eine Zufuhrleitung 25 für Oxidationsmittel. Aus der Zufuhrleitung 25 wird die Luft den Kanälen 13 für Oxidationsmittel, welche eine Kanalstruktur 29 an den Bipolarplatten 10 für Oxidationsmittel bilden, zugeführt, so dass das Oxidationsmittel den Gasraum 32 für das Oxidationsmittel durchströmt. Der Gasraum 32 für das Oxidationsmittel ist von den Kanälen 13 und der GDL 9 an der Kathode 8 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 13 bzw. des Gasraumes 32 für das Oxidationsmittel wird das nicht an der Kathode 8 verbrauchte Oxidationsmittel und das an der Kathode 8 aufgrund der elektrochemischen Redoxreaktion entstehenden Reaktionswasser durch eine Abfuhrleitung 26 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet. Eine Zufuhrleitung 27 dient zur Zuführung von Kühlmittel in die Kanäle 14 für Kühlmittel und eine Abfuhrleitung 28 dient zur Ableitung des durch die Kanäle 14 geleiteten Kühlmittels. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 sind in 1 aus Vereinfachungsgründen als gesonderte Leitungen dargestellt. Am Endbereich in der Nähe der Kanäle 12, 13, 14 sind im Stapel als Stack 61 der Brennstoffzelleneinheit 1 fluchtende Fluidöffnungen 41 an Abdichtplatten 39 als Verlängerung am Endbereich 40 der aufeinander liegender Bipolarplatten 10 (6) und Membranelektrodenanordnungen 6 (nicht dargestellt) ausgebildet. Die Brennstoffzellen 2 und die Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51 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 Stacks 61 der Brennstoffzelleneinheit 1 sind als Prozessfluidleitungen ausgebildet. Die Zufuhr- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 außerhalb des Stacks 61 der Brennstoffzelleneinheit 1 münden in die Zuführ- und Abführkanäle 42, 43, 44, 45, 46, 47 innerhalb des Stacks 61 der Brennstoffzelleneinheit 1. Der Brennstoffzellenstack 1 zusammen mit dem Druckgasspeicher 21 und der Gasfördereinrichtung 22 bildet ein Brennstoffzellensystem 4.
In der Brennstoffzelleneinheit 1 sind die Brennstoffzellen 2 zwischen zwei Spannelementen 33 als Spannplatten 34 angeordnet. Eine erste Spannplatte 35 liegt auf der ersten Brennstoffzelle 2 auf und eine zweiten Spannplatte 36 liegt auf der letzten Brennstoffzelle 2 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst ungefähr 200 bis 400 Brennstoffzellen 2, die aus zeichnerischen Gründen nicht alle in 4 und 5 dargestellt sind. Die Spannelemente 33 bringen auf die Brennstoffzellen 2 eine Druckkraft auf, d. h. die erste Spannplatte 35 liegt mit einer Druckkraft auf der ersten Brennstoffzelle 2 auf und die zweite Spannplatte 36 liegt mit einer Druckkraft auf der letzten Brennstoffzelle 2 auf. Damit ist der Brennstoffzellenstapel 2 verspannt, um die Dichtheit für den Brennstoff, das Oxidationsmittel und das Kühlmittel, insbesondere aufgrund der elastischen Dichtungen 11, zu gewährleisten und außerdem den elektrischen Kontaktwiderstand innerhalb des Brennstoffzellenstapels 1 möglichst klein zu halten. Zur Verspannung der Brennstoffzellen 2 mit den Spannelementen 33 sind an der Brennstoffzelleneinheit 1 vier Verbindungsvorrichtungen 37 als Bolzen 38 ausgebildet, welche auf Zug beansprucht sind. Die vier Bolzen 38 sind mit den Spanplatten 34 verbunden.
In 6 ist die Bipolarplatte 10 der Brennstoffzelle 2 dargestellt. Die Bipolarplatte 10 umfasst die Kanäle 12, 13 und 14 als drei getrennte Kanalstrukturen 29. Die Kanäle 12, 13 und 14 sind in 6 nicht gesondert dargestellt, sondern lediglich vereinfacht als Schicht einer Kanalstruktur 29. Die Fluidöffnungen 41 an den Abdichtplatten 39 der Bipolarplatten 10 (6) und Membranelektrodenanordnungen 6 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 H₃O⁺ in dem flüssigen Elektrolyten ist notwendig für die Elektrolyse.
Bei der Elektrolyse laufen die nachfolgenden Redoxreaktionen ab:

Kathode: 4 H₃O⁺ + 4 e^- --» 2 H₂ + 4 H₂O
Anode: 6 H₂O --» O₂ + 4 H₃O⁺ + 4 e^-
Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode: 2 H₂O --» 2 H₂ + O₂

Die Polung der Elektroden 7, 8 erfolgt mit Elektrolyse bei dem Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 umgekehrt (nicht dargestellt) wie bei dem Betrieb als Brennstoffzelleneinheit 1, so dass sich in den Kanälen 12 für Brennstoff, durch den der flüssige Elektrolyt geleitet wird, an den Kathoden Wasserstoff H₂ als zweiter Stoff gebildet wird und der Wasserstoff H₂ von dem flüssigen Elektrolyten aufgenommen und gelöst mittransportiert wird. Analog wird durch die Kanäle 13 für Oxidationsmittel der flüssige Elektrolyt geleitet und an den Anoden in bzw. an Kanälen 13 für Oxidationsmittel Sauerstoff O₂ als erster Stoff gebildet wird. Die Brennstoffzellen 2 der Brennstoffzelleneinheit 1 fungieren beim Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 als Elektrolysezellen 50. Die Brennstoffzellen 2 und Elektrolysezellen 50 bilden damit elektrochemische Zellen 52. Der gebildete Sauerstoff O₂ wird von dem flüssigen Elektrolyten aufgenommen und gelöst mittransportiert. Der flüssige Elektrolyt ist in einem Speicherbehälter 54 gelagert. In 1 sind aus zeichnerischen Vereinfachungsgründen zwei Speicherbehälter 54 des Brennstoffzellensystem 4 dargestellt, welches auch als Elektrolysezellensystem 48 fungiert. Das 3-Wege-Ventil 55 an der Zuführleitung 16 für Brennstoff wird im Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 umgeschaltet, so dass nicht Brennstoff aus dem Druckgasspeicher 21, sondern das flüssige Elektrolyt mit einer Pumpe 56 aus dem Speicherbehälter 54 in die Zuführleitung 16 für Brennstoff eingeleitet wird. Ein 3-Wege-Ventil 55 an der Zuführleitung 25 für Oxidationsmittel wird im Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 umgeschaltet, so dass nicht Oxidationsmittel als Luft aus der Gasfördereinrichtung 22, sondern das flüssige Elektrolyt mit der Pumpe 56 aus dem Speicherbehälter 54 in die Zuführleitung 25 für Oxidationsmittel eingeleitet wird. Die Brennstoffzelleneinheit 1, welche auch als Elektrolysezelleneinheit 49 fungiert, weist im Vergleich zu einer nur als Brennstoffzelleneinheit 1 betreibbaren Brennstoffzelleneinheit 1 optional Modifikationen an den Elektroden 7, 8 und der Gasdiffusionsschicht 9 auf: beispielsweise ist die Gasdiffusionsschicht 9 nicht saugfähig, so das der flüssige Elektrolyt leicht vollständig abläuft oder die Gasdiffusionsschicht 9 ist nicht ausgebildet oder die Gasdiffusionsschicht 9 ist eine Struktur an der Bipolarplatte 10. Die Elektrolysezelleneinheit 49 mit dem Speicherbehälter 54, der Pumpe 56 und den Abscheidern 57, 58 und vorzugsweise dem 3-Wege-Ventil 55 bildet ein elektrochemisches Zellensystem 60.
An der Abführleitung 15 für Brennstoff ist ein Abscheider 57 für Wasserstoff angeordnet. Der Abscheider 57 scheidet aus dem Elektrolyten mit Wasserstoff den Wasserstoff ab und der abgeschiedene Wasserstoff wird mit einem nicht dargestellten Verdichter in den Druckgasspeicher 21 eingeleitet. Der aus dem Abscheider 57 für Wasserstoff abgeleitete Elektrolyt wird anschließend wieder dem Speicherbehälter 54 für den Elektrolyten mit einer Leitung zugeführt. An der Abführleitung 26 für Brennstoff ist ein Abscheider 58 für Sauerstoff angeordnet. Der Abscheider 58 scheidet aus dem Elektrolyten mit Sauerstoff den Sauerstoff ab und der abgeschiedene Sauerstoff wird mit einem nicht dargestellten Verdichter in einem nicht dargestellten Druckgasspeicher für Sauerstoff eingeleitet. Der Sauerstoff in dem nicht dargestellten Druckgasspeicher für Sauerstoff kann optional für den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 1 genutzt werden indem mit einer nicht dargestellten Leitung der Sauerstoff in die Zuführleitung 25 für Oxidationsmittel gleitet wird beim Betrieb als Brennstoffzelleneinheit 1. Der aus dem Abscheider 58 für Sauerstoff abgeleitete Elektrolyt wird anschließend wieder dem Speicherbehälter 54 für den Elektrolyten mit einer Leitung zugeführt. Die Kanäle 12, 13 und die Abführ- und Zuführleitungen 15, 16, 25, 26 sind dahingehend ausgebildet, dass nach der Verwendung als Elektrolysezelleneinheit 49 und dem Abschalten der Pumpe 56 der flüssige Elektrolyt wieder vollständig in den Speicherbehälter 54 zurück läuft aufgrund der Schwerkraft. Optional wird nach der Verwendung als Elektrolysezelleneinheit 49 und vor der Verwendung als Brennstoffzelleneinheit 1 durch die Kanäle 12, 13 und die Abführ- und Zuführleitungen 15, 16, 25, 26 ein Inertgas durchgeleitet zum vollständigen Entfernen des flüssigen Elektrolyten vor dem Durchleiten von gasförmigem Brennstoff und Oxidationsmittel. Die Brennstoffzellen 2 und die Elektrolysezellen 2 bilden damit elektrochemische Zellen 52. Die Brennstoffzelleneinheit 1 und die Elektrolysezelleneinheit 49 bilden somit eine elektrochemische Zelleneinheit 53. 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.
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 der in 6 dargestellten Bipolarplatte 10 wird das primäre Prozessfluid als der Brennstoff durch den Zuführkanal 44, das sekundäre Prozessfluid als das Oxidationsmittel durch den Zuführkanal 42 und das tertiäre Prozessfluid als das Kühlmittel durch den Zuführkanal 46 den Kanälen 12, 13, 14 in dem Stack 61 zugeführt. Damit bildet der in 6 unten dargestellte Endbereich 40 der Bipolarplatte 10 einen Einlassbereich für die primären, sekundären und tertiären Prozessfluide. Das primäre Prozessfluid als der Brennstoff wird durch den Abführkanal 45, das sekundäre Prozessfluid als das Oxidationsmittel wird durch den Abführkanal 43 und das tertiäre Prozessfluid als das Kühlmittel wird durch den Abführkanal 47 aus den Kanälen 12, 13, 14 abgeleitet. Damit bildet der in 6 oben dargestellte Endbereich 40 der Bipolarplatte 10 einen Auslassbereich für die primären, sekundären und tertiären Prozessfluide. Der Bereich zwischen den beiden Endbereichen 40 der Bipolarplatte 10 als dem Ein- und Auslassbereich bildet einen mittleren Bereich der Bipolarplatte 10 mit den Kanälen 12, 13 und 14 für die 3 Prozessfluide. Diese Einteilung in den Einlassbereich und den Auslassbereich als die Endbereich 40 und den mittleren Bereich kann auch für die Membranelektrodenanordnungen 6 analog angewendet werden. Dabei kann sowohl bei der Bipolarplatte 10 als auch bei der Membranelektrodenanordnung 6 auch ein geringer Teil des mittleren Bereiches mit den Kanälen 12, 13 und 14 in der Nähe der entsprechenden Endbereich 40 als Ein- und Auslassbereich betrachtet werden. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 außerhalb des Stacks 61 der Brennstoffzelleneinheit 1 sind als Prozessfluidleitungen ausgebildet. Die Zufuhr- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 außerhalb des Stacks 61 der Brennstoffzelleneinheit 1 münden durch Öffnungen 72, 73, 74, 75, 76, 77 in die Zuführ- und Abführkanäle 42, 43, 44, 45, 46, 47 innerhalb des Stacks 61 der Brennstoffzelleneinheit 1.
1 bis 6 und die entsprechende zugehörige Beschreibung fungieren im Wesentlichen zur Darstellung der grundlegenden Funktionsprinzipien der Brennstoffzelleneinheit 1, des Brennstoffzellensystems 4 und der Elektrolysezelleneinheit 49 sowie des Elektrolysezellensystem 48 im Wesentlichen ohne Darstellung der erfindungsgemäßen inversen Strömungsrichtung der Prozessfluide.
In 7 ist das Brennstoffzellensystem 4 während einer ersten Strömungsrichtungsphase dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 4 umfasst Mittel 80 zum Leiten der primären, sekundären und tertiären Prozessfluide als dem Brennstoff, dem Oxidationsmittel und dem Kühlmittel in einer ersten Richtung und einer zweiten Richtung entgegengesetzt zu der ersten Richtung. Als Mittel 80 zum Leiten der primären, sekundären und tertiären Prozessfluide fungieren auch die Zufuhrleitung 16 für Brennstoff, die Abfuhrleitung 15 für Brennstoff, die Zufuhrleitung 25 für Oxidationsmittel, die Abfuhrleitung 26 für Oxidationsmittel, die Zufuhrleitung 27 für Kühlmittel und die Abfuhrleitung 28 für Kühlmittel. Die Prozessfluide können somit abwechselnd in inversen Strömungsrichtungen durch die Kanäle 12, 13 und 14 geleitet werden. In der Zufuhrleitung 16 für Brennstoff ist in Strömungsrichtung des Brennstoffes nach dem Injektor 19 ein erstes 3-Wege-Ventil 65 als das Mittel 80 eingebaut. An diesem ersten 3-Wege-Ventil 65 teilt sich die Zufuhrleitung 16 für Brennstoff in 2 getrennte Zuführleitungen 16 je nach Strömungsrichtungsphase auf. In dem Stack 61 ist eine erste Öffnung 72 und eine zweite Öffnung 73 für das primäre Prozessfluid als dem Brennstoff ausgebildet. Die Öffnungen 72, 73 dienen somit zum Ein- oder Ausleiten des Brennstoffes. Die Zufuhrleitung 16 und Abfuhrleitung 15 für Brennstoff sind mit einer Rezirkulationsleitung 78 für Brennstoff miteinander verbunden. In die Rezirkulationsleitung 78 ist ein zweites 3-Wege-Ventil 66 und ein drittes 3-Wege-Ventil 67 eingebaut. Das zweite 3-Wege-Ventil 66 und das dritte 3-Wege-Ventil 67 sind durch 2 Rezirkulationsleitungen 78 miteinander verbunden und in diese 2 Rezirkulationsleitungen 78 ist ein erstes Rückschlagventil 68 und ein zweites Rückschlagventil 69 eingebaut. Das erste Rückschlagventil 68 und das zweite Rückschlagventil 69 sind entgegengesetzt ausgerichtet, sodass der Brennstoff nur in der gewünschten Strömungsrichtung durch die Rezirkulationsleitung 78 mit dem entsprechendem Rückschlagventil 68, 69 strömen kann.
In die Zuführleitung 25 für Oxidationsmittel als das sekundäre Prozessfluid ist ein erstes 3-Wege-Ventil 62 für das Oxidationsmittel eingebaut. Außerdem sind in die Zufuhrleitung 25 und die Abfuhrleitung 26 ein zweites 3-Wege-Ventil 63 und ein drittes 3-Wege-Ventil 64 eingebaut. Außerdem sind in den Stack 61 eine erste Öffnung 74 und eine zweite Öffnung 75 für das sekundäre Prozessfluid als dem Oxidationsmittel zum Einleiten oder zum Ausleiten des Prozessfluides in oder aus dem Stack 61 ausgebildet.
In die Zufuhrleitung 27 und die Abfuhrleitung 28 für Kühlmittel sind eine Kühlmittelpumpe 70 und ein Wärmeübertrager 71 eingebaut. Die Kühlmittelpumpe 70 bildet dabei auch ein Mittel 80 zum inversen Durchleiten des Kühlmittels aus, weil die Kühlmittelpumpe 70 in entgegengesetzt gerichteten Förderrichtungen betreibbar ist. In den Stack 61 sind eine erste Öffnung 76 und eine zweite Öffnung 77 zum Einleiten oder zum Ausleiten des tertiären Prozessfluides als das Kühlmittel aus oder in den Stack 61.
In der in 7 dargestellten ersten Strömungsrichtungsphase wird der Brennstoff als das primäre Fluid durch die Kanäle 12 in einer ersten Richtung geleitet, d. h. der Brennstoff wird durch die erste Öffnung 72 in den Stack 61 eingeleitet und durch die zweite Öffnung 73 aus dem Stack 61 ausgeleitet. In dieser ersten Strömungsrichtungsphase ist das erste 3-Wege-Ventil 65 nach dem Injektor 19 dahingehend geschalten als Schaltstellung, dass der durch die Zufuhrleitung 16 für Brennstoff dem ersten 3-Wege-Ventil 65 zugeführte Brennstoff ausschließlich in die in 7 links von dem ersten 3-Wege-Ventil 65 ausgebildeten Zufuhrleitung 16 geleitet wird. Zwischen dem zweiten 3-Wege-Ventil 66 und dem dritten 3-Wege-Ventil 67 sind 2 Rezirkulationsleitungen 78 ausgebildet und das zweite und dritte 3-Wege-Ventil 66, 67 sind dahingehend geschalten, dass der aus der Abfuhrleitung 15 für Brennstoff aus der zweiten Öffnung 73 aus dem Stack 61 ausgeleitete Brennstoff als Restbrennstoff ausschließlich durch die in 7 dargestellte obere Rezirkulationsleitung 78 geleitet wird. Das erste Rückschlagventil 68 in dieser oberen Rezirkulationsleitung ist dahingehend geschalten, dass Brennstoff nur in Strömungsrichtung von dem dritten 3-Wege-Ventil 67 zu dem zweiten 3-Wege-Ventil 66 leitbar ist und nicht umgekehrt. Damit kann Brennstoff nur in der vorgesehenen Strömungsrichtung in dem Rezirkulationskreislauf strömen. Der mit dem Injektor 19 dem Rezirkulationskreislauf für Brennstoff zugeführte Brennstoff aus dem Druckgasspeicher 21 wird mit einem nicht dargestellten Wärmeübertrager nach der Expansion und Auskühlung nach dem Druckgasspeicher 21 erwärmt.
In der ersten Strömungsrichtungsphase für das Oxidationsmittel als dem sekundären Prozessfluid gemäß der Darstellung in 7 wird das Oxidationsmittel als die Umgebungsluft von der Gasfördereinrichtung 22 angesaugt und durch die Zufuhrleitung 25 dem ersten 3-Wege-Ventil 62 für das Oxidationsmittel zugeführt. In der ersten Strömungsrichtungsphase ist dabei das erste 3-Wege-Ventil 62 dahingehend geschalten, dass das dem ersten 3-Wege-Ventil 62 zugeführte Oxidationsmittel ausschließlich der Zufuhrleitung 25 gemäß der Darstellung in 7 über dem ersten 3-Wege-Ventil 62 zugeleitet wird. Anschließend durchströmt dieses Oxidationsmittel das zweite 3-Wege-Ventil 63 ohne das Oxidationsmittel in die Umgebung abgeleitet wird und wird anschließend ausschließlich durch die erste Öffnung 74 dem Stack 61 zugeführt. Nach dem Durchströmen der Kanäle 13 in dem Stack 61 wird das Oxidationsmittel durch die zweite Öffnung 75 aus dem Stack 61 ausgeleitet und anschließend durch die Abfuhrleitung 26 dem dritten 3-Wege-Ventil 64 zugeführt. Das dritte 3-Wege-Ventil 64 ist dabei dahingehend geschalten, dass das gesamte dem dritten 3-Wege-Ventil 64 zugeführte Oxidationsmittel in die Umgebung abgeleitet wird.
In der ersten Strömungsrichtungsphase gemäß der Darstellung in 7 für das Kühlmittel als das tertiäre Prozessfluid wird der Kühlmittelkreislauf mit der Zufuhrleitung 27 und Abfuhrleitung 28 für Kühlmittel dahingehend betrieben, dass das Kühlmittel durch die erste Öffnung 76 in den Stack 61 eingeleitet wird und durch die zweite Öffnung 77 aus dem Stack 61 abgeleitet wird. Die Kühlmittelpumpe 70 wird somit in der ersten Strömungsrichtungsphase in einer ersten Förderrichtung betrieben. Der Wärmeübertrager 71 gibt Wärme aus dem Kühlmittel, insbesondere einer Kühlflüssigkeit, an die Umgebung ab, um den Stack 61 mit einer im Wesentlichen konstanten Temperatur betreiben zu können.
In 8 ist das Brennstoffzellensystem 4 während einer zweiten Strömungsrichtungsphase dargestellt. In der zweiten Strömungsrichtungsphase werden sämtliche Prozessfluide, d. h. das primäre Prozessfluid als der Brennstoff, das sekundäre Prozessfluid als das Oxidationsmittel und das tertiäre Prozessfluid als das Kühlmittel, in einer zweiten Richtung durch die Kanäle 12, 13, 14 geleitet und diese zweite Richtung ist entgegengesetzt zu der ersten Richtung während der ersten Strömungsrichtungsphase gemäß 7. In der zweiten Strömungsrichtungsphase werden somit sämtliche Prozessfluide in einer inversen Strömungsrichtung durch die Kanäle 12, 13, 14 geleitet im Vergleich zu der Strömungsrichtung in und während der ersten Strömungsrichtungsphase gemäß 7.
In der zweiten Strömungsrichtungsphase ist das erste 3-Wege-Ventil 65 als Mittel 80 durch Durchleiten des Brennstoffes in inversen Richtungen dahingehenden geschalten, dass der gesamte Brennstoff von dem Injektor 19 in die in 8 rechts von dem ersten 3-Wege-Ventil 65 ausgebildete Zufuhrleitung 16 für Brennstoff eingeleitet wird und damit die zweite Öffnung 73 für den Brennstoff zum Einleiten des Brennstoffes in den Stack 61 fungiert und die erste Öffnung 72 fungiert zum Ausleiten des Brennstoffes aus dem Stack 61. Während der zweiten Strömungsrichtungsphase sind das zweite 3-Wege-Ventil 66 und das dritte 3-Wege-Ventil 67 entgegengesetzt zu der ersten Strömungsrichtungsphase geschalten, sodass der zu rezirkulierenden Brennstoff durch die in 8 unten dargestellte Rezirkulationsleitung 78 und das zweite Rückschlagventil 69 als Mittel 80 durch Durchleiten des rezirkulierenden Brennstoffes in inversen Richtungen geleitet wird. Das zweite Rückschlagventil 69 verhindert, analog zu dem ersten Rückschlagventil 68 während der ersten Strömungsrichtungsphase, dass Brennstoff entgegengesetzt der vorgesehenen Strömungsrichtung in dem Rezirkulationskreislauf strömen kann bzw. leitbar ist.
In der zweiten Strömungsrichtungsphase ist das erste 3-Wege-Ventil 62 dahingehend geschalten, dass das durch die Zufuhrleitung 25 von der Gasfördereinrichtung 22 dem ersten 3-Wege-Ventil 62 zugeführte Oxidationsmittel ausschließlich in die gemäß der Darstellung in 8 rechts von dem ersten 3-Wege-Ventil 62 ausgebildete Zufuhrleitung 25 für Oxidationsmittel eingeleitet wird. Dieses Oxidationsmittel wird anschließend durch das dritte 3-Wege-Ventil 64 geleitet ohne dass durch das dritte 3-Wege-Ventil 64 Oxidationsmittel in die Umgebung abgeleitet wird und anschließend ausschließlich durch die zweite Öffnung 75 dem Stack 61 zugeführt wird. Anschließend wird das Oxidationsmittel durch die Kanäle 13 in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zu der ersten Richtung gemäß der ersten Strömungsrichtungsphase durch die Kanäle 13 geleitet und anschließend aus der ersten Öffnung 74 ausgeleitet. Das aus der ersten Öffnung 74 ausgeleitete Oxidationsmittel wird durch die Abfuhrleitung 26 dem zweiten 3-Wege-Ventil 63 zugeführt und von diesem ausschließlich in die Umgebung abgeleitet.
In der zweiten Strömungsrichtungsphase wird die Kühlmittelpumpe 70 invers betrieben, sodass das Kühlmittel durch die zweite Öffnung 77 in den Stack 61 eingeleitet und durch die erste Öffnung 76 aus dem Stack 61 ausgeleitet wird. Damit strömt das Kühlmittel durch die Kanäle 14 für Kühlmittel in dem Stack 61 in einer zweiten Richtung während der zweiten Strömungsrichtungsphase, welche entgegengesetzt zu der ersten Richtung während der ersten Strömungsrichtungsphase ausgerichtet ist.
Abweichend von der oben beschriebenen Vorgehensweise können in dem Brennstoffzellensystem 4 auch nur ein oder nur zwei Prozessfluide in den unterschiedlichen Strömungsrichtungsphasen betrieben werden. Beispielsweise können während eines ersten Betriebszustandes des Brennstoffzellensystems 4 das primäre und sekundäre Prozessfluid in der ersten Strömungsrichtungsphase betrieben werden und das tertiäre Prozessfluid der zweiten Strömungsrichtungsphase und anschließend in einem zweiten Betriebszustand das primäre und sekundäre Prozessfluid in der zweiten Strömungsrichtungsphase betrieben werden und das tertiäre Prozessfluid in der ersten Strömungsrichtungsphase. Darüber hinaus können beispielsweise in einem Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 4 das primäre und sekundäre Prozessfluid in der ersten Strömungsrichtungsphase betrieben werden und während der ersten Strömungsrichtungsphase des primären und sekundären Prozessfluides wird das tertiäre Prozessfluid abwechselnd in der ersten und zweiten Strömungsrichtungsphase betrieben. Diese oben beschriebenen Varianten können dabei auch beliebig kombiniert werden. Entsprechend der Anforderungen zur möglichst gleichmäßigen Verteilung des Alterungsprozess in dem Stack 61 können entsprechend optimiert getrennt für jedes Prozessfluid die ersten und zweiten Strömungsrichtungsphase unabhängig voneinander mittels einer Steuerungs- und/oder Regeleinheit 79 betrieben werden.
In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel als dem Elektrolysezellensystem 48 werden auch in dem Elektrolysezellensystem 48 der der Elektrolyt an der Anode als dem primären Prozessfluid und der Elektrolyt an der Kathode als dem sekundären Prozessfluid in unterschiedlichen Strömungsrichtungsphasen in unterschiedlichen Strömungsrichtungen betrieben. Das primäre und sekundäre Prozessfluid als der Elektrolyt werden dabei von einer Pumpe durch die Kanäle 12, 13 in dem Stack 61 geleitet und die Pumpe 56 für die Elektrolyten als das primäre und sekundäre Prozessfluid ist in unterschiedlichen Förderrichtungen betreibbar, sodass die Elektrolyten in entgegengesetzten, inversen Strömungsrichtungen in den abwechselnden Strömungsrichtungsphasen durch die Kanäle 12, 13 für die Elektrolyten in dem Stack 61 geleitet werden bzw. leitbar sind.
Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben der elektrochemischen Zelleneinheit 53 und dem erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellensystem 48 wesentliche Vorteile verbunden. Die Strömungsrichtungen der Prozessfluide während der Strömungsrichtungsphasen, welche zeitlich aufeinanderfolgen, werden entgegengesetzt ausgerichtet. Damit fungiert in einer ersten Strömungsrichtungsphase ein erster Teil des Stacks 61 als Einlassbereich und ein zweiter Teil des Stacks 61 als Auslassbereich und in der zweiten Strömungsrichtungsphase fungiert der zweite Teil des Stacks 61 als Einlassbereich und der zweite Teil des Stacks 61 als Auslassbereich. Die Alterung des Stacks 61 hängt von der thermischen, elektrischen und chemischen Belastung ab und dies ist an dem ein Einlassbereich und Auslassbereich unterschiedlich. Aufgrund der Umkehrung der Strömungsrichtung der Prozessfluide in den aufeinanderfolgenden Strömungsrichtungsphasen kann damit der Alterungsprozess gleichmäßig auf die Einlassbereiche und Auslassbereiche verteilt werden. Damit tritt in vorteilhafter Weise die Alterungsgrenze erst nach einer sehr großen Anzahl an Betriebsstunden in dem erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellensystem 60 auf.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer 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) mit den Schritten: - Einleiten eines primären Prozessfluides durch eine erste Öffnung (72) für das primäre Prozessfluid in die elektrochemische Zelleneinheit (53), - Leiten des primären Prozessfluides durch Kanäle (12) für das primäre Prozessfluid in einer ersten Richtung, - Ausleiten des primären Prozessfluides aus der elektrochemischen Zelleneinheit (53) durch eine zweite Öffnung (73) für das primäre Prozessfluid, - Einleiten eines sekundären Prozessfluides durch eine erste Öffnung (74) für das sekundäre Prozessfluid in die elektrochemische Zelleneinheit (53), - Leiten des sekundären Prozessfluides durch Kanäle (13) für das sekundäre Prozessfluid in einer ersten Richtung, - Ausleiten des sekundären Prozessfluides aus der elektrochemischen Zelleneinheit (53) durch eine zweite Öffnung (75) für das sekundäre Prozessfluid, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsrichtung des primären Prozessfluides umgedreht wird, so dass das Einleiten des primären Prozessfluides durch die zweite Öffnung (73) für das primäre Prozessfluid in die elektrochemische Zelleneinheit (53) ausgeführt wird und das Leiten des primären Prozessfluides durch Kanäle (12) für das primäre Prozessfluid in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zu der ersten Richtung ausgeführt wird und das Ausleiten des primären Prozessfluides aus der elektrochemischen Zelleneinheit (53) durch die erste Öffnung (72) für das primäre Prozessfluid ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsrichtung des sekundären Prozessfluides umgedreht wird, so dass das Einleiten eines sekundären Prozessfluides durch die zweite Öffnung (75) für das sekundäre Prozessfluid in die elektrochemische Zelleneinheit (53) ausgeführt wird und das Leiten des sekundären Prozessfluides durch Kanäle (13) für das sekundäre Prozessfluid in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zu der ersten Richtung ausgeführt wird und das Ausleiten des sekundären Prozessfluides aus der elektrochemischen Zelleneinheit (53) durch die erste Öffnung (74) für das sekundäre Prozessfluid ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die nachfolgenden Schritte ausgeführt werden: - Einleiten eines tertiären Prozessfluides durch eine erste Öffnung (76) für das tertiäre Prozessfluid in die elektrochemische Zelleneinheit (53), - Leiten des tertiären Prozessfluides durch Kanäle (14) für das tertiäre Prozessfluid in einer ersten Richtung, - Ausleiten des tertiären Prozessfluides aus der elektrochemischen Zelleneinheit (53) durch eine zweite Öffnung (77) für das tertiäre Prozessfluid.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsrichtung des tertiären Prozessfluides umgedreht wird, so dass das Einleiten des tertiären Prozessfluides durch die zweite Öffnung (77) für das tertiäre Prozessfluid in die elektrochemische Zelleneinheit (53) ausgeführt wird und das Leiten des tertiären Prozessfluides durch Kanäle (14) für das tertiäre Prozessfluid in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zu der ersten Richtung ausgeführt wird und das Ausleiten des tertiären Prozessfluides aus der elektrochemischen Zelleneinheit (53) durch die erste Öffnung (76) für das tertiäre Prozessfluid ausgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die entgegengesetzt gerichteten Strömungsrichtungen des primären und/oder sekundären und/oder tertiären Prozessfluides zeitlich aufeinanderfolgend während je zwei Strömungsrichtungsphasen mit einer ersten Strömungsrichtungsphase mit einer ersten Strömungsrichtung des primären und/oder sekundären und/oder tertiären Prozessfluides und mit einer zweiten Strömungsrichtungsphase mit einer zweiten, entgegengesetzt zu der ersten ausgerichteten Strömungsrichtung des primären und/oder sekundären und/oder tertiären Prozessfluides ausgeführt werden und die je erste und je zweite Strömungsrichtungsphase für je ein Prozessfluid zeitlich aufeinanderfolgend ausgeführt werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Brennstoffzelleneinheit (1) das primäre Prozessfluid Brennstoff, das sekundären Prozessfluid Oxidationsmittel und das tertiäre Prozessfluid Kühlmittel ist und vorzugsweise der Brennstoff und das Oxidationsmittel ausschließlich im Gegenstrom oder ausschließlich im Gleichstrom durch die Brennstoffzelleneinheit (1) während je einer Strömungsrichtungsphase, insbesondere während sämtlicher Strömungsrichtungsphasen, geleitet werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Elektrolysezelleneinheit (49) das primäre und sekundäre Prozessfluid ein Elektrolyt ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer je einer Strömungsrichtungsphase wenigstens 5 h, 20 h oder 100 h Betriebsstunden der elektrochemischen Zelleneinheit (53) beträgt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitdauer je einer Strömungsrichtungsphase für je ein Prozessfluid in Abhängigkeit von Betriebsparametern, insbesondere der Anzahl der Kaltstarts und/oder der durchschnittlichen Leistung und/oder der Betriebsstunden und/oder der Feuchtigkeit des Brennstoffes und/oder Oxidationsmittels, des elektrochemischen Zellensystem (53) gesteuert und/oder geregelt werden.
Elektrochemisches Zellensystem (60) zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als elektrochemisches Brennstoffzellensystem (4) und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als elektrochemisches Elektrolysezellensystem (48), umfassend - eine elektrochemische Zelleneinheit (53) als Brennstoffzelleneinheit (1) oder Elektrolysezelleneinheit (49) mit gestapelt angeordneten elektrochemischen Zellen (52) und die elektrochemischen Zellen (52) jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10) umfassen, - Kanäle (12, 13, 14) zum Durchleiten von Prozessfluiden, - wenigstens ein Mittel (80) zum Durchleiten der Prozessfluide durch die Kanäle (12, 13, 14), dadurch gekennzeichnet, dass mit dem elektrochemischen Zellensystem (60) ein Verfahren gemäß einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche ausführbar ist.
Elektrochemische Zellensystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrochemische Zellensystem (53) wenigsten ein Ventil (65, 66, 67), insbesondere wenigstens ein 3-Wege-Ventil (65, 66, 67), als das wenigstens eine Mittel (80) umfasst und in einer ersten Schaltstellung des wenigstens einen Ventils (65, 66, 67), insbesondere des wenigstens einen 3-Wege-Ventils (65, 66, 67), das primäre Prozessfluid in der ersten Richtung durch die Kanäle für das primäre Prozessfluid leitbar ist und in einer zweiten Schaltstellung des wenigstens einen Ventils (65, 66, 67), insbesondere des wenigstens einen 3-Wege-Ventils (65, 66, 67), das primäre Prozessfluid in der zweiten Richtung entgegengesetzt zu der ersten Richtung durch die Kanäle (12) für das primäre Prozessfluid leitbar ist.
Elektrochemische Zellensystem nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrochemische Zellensystem (53) wenigsten eine Pumpe (70) als das wenigstens eine Mittel (80) umfasst und die wenigstens eine Pumpe (70) in entgegengesetzt gerichteten ersten und zweiten Förderrichtungen betreibbar ist und in einer ersten Förderrichtung der wenigstens einen Pumpe (70) das primäre und/oder sekundäre und/oder tertiäre Prozessfluid in der ersten Richtung durch die Kanäle (12, 13,14) für das primäre und/oder sekundäre und/oder tertiäre Prozessfluid leitbar ist und in einer zweiten Förderrichtung der wenigstens einen Pumpe (70) das primäre und/oder sekundäre und/oder tertiäre Prozessfluid in der zweiten Richtung entgegengesetzt zu der ersten Richtung durch die Kanäle (12, 13, 14) für das primäre und/oder sekundäre und/oder tertiäre Prozessfluid leitbar ist.
Elektrochemische Zellensystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrochemische Zellensystem (53) wenigsten ein Ventil (62, 63, 64), insbesondere wenigstens ein 3-Wege-Ventil (62, 63, 64), als das wenigstens eine Mittel (80) umfasst und in einer ersten Schaltstellung des wenigstens einen Ventils (62, 63, 64), insbesondere des wenigstens einen 3-Wege-Ventils (62, 63, 64), das sekundäre Prozessfluid in der ersten Richtung durch die Kanäle (13) für das sekundäre Prozessfluid leitbar ist und in einer zweiten Schaltstellung des wenigstens einen Ventils (62, 63, 64), insbesondere des wenigstens einen 3-Wege-Ventils (62, 63, 64), das sekundäre Prozessfluid in der zweiten Richtung entgegengesetzt zu der ersten Richtung durch die Kanäle (13) für das sekundäre Prozessfluid leitbar ist.
Elektrochemische Zellensystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrochemische Zellensystem (53) wenigsten ein Ventil, insbesondere wenigstens ein 3-Wege-Ventil, als das wenigstens eine Mittel (80) umfasst und in einer ersten Schaltstellung des wenigstens einen Ventils, insbesondere des wenigstens einen 3-Wege-Ventils, das tertiäre Prozessfluid in der ersten Richtung durch die Kanäle (14) für das tertiäre Prozessfluid leitbar ist und in einer zweiten Schaltstellung des wenigstens einen Ventils, insbesondere des wenigstens einen 3-Wege-Ventils, das tertiäre Prozessfluid in der zweiten Richtung entgegengesetzt zu der ersten Richtung durch die Kanäle (14) für das tertiäre Prozessfluid leitbar ist.
Elektrochemische Zellensystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrochemische Zellensystem (53) ein Brennstoffzellensystem (4) ist, umfassend einen Druckgasspeicher (21) für Brennstoff und eine Gasfördervorrichtung (22, 23, 24) und das primäre Prozessfluid der Brennstoff, das sekundäre Prozessfluid das Oxidationsmittel Luft und das tertiäre Prozessfluid Kühlmittel ist.