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Die
Erfindung betrifft eine elektrochemische Vorrichtung.
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Ferner
betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer elektrochemischen
Vorrichtung.
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Aus
der
EP 1 755 187 A2 ist
eine Bipolarplatte oder Elektrodenplatte für Brennstoffzellen
oder Elektrolyseur-Stapel bekannt, die aus einem leitenden Material
gebildet ist, und bei der das leitende Material wenigstens teilweise
mit einem nicht leitenden Material umspritzt ausgebildet ist, oder
die aus Einzelteilen aus leitendem und nicht leitendem Material zusammengesetzt
ist, wobei durch das nicht leitende Material Kanäle für
Reaktionsmittel ausgebildet sind. Eine in Segmente geteilte Anode
und eine in Segmente geteilte Kathode der Bipolarplatte oder Elektrodenplatte
weisen jeweils wenigstens eine Trennstelle in einer Leiterstruktur
auf.
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Aus
der
WO 2006/061239
A1 ist eine Einheit aus einer Membran-Brennstoffzelle und
einer elektrochemischen Zelle bekannt. Diese sind elektrisch in Reihe geschaltet.
Ein Anodenbereich der Elektrolysezelle wird mit anodischem Abgas
der Brennstoffzelle gefüttert und der Wasserstoff, welcher
an dem Kathodenbereich der Elektrolysezelle entsteht, wird teilweise
der Anode der Brennstoffzelle zugeführt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrochemische Vorrichtung
bereitzustellen, welche variabel einsetzbar ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass mindestens eine Zelleinrichtung mit einer Brennstoffzelle und
einer benachbarten Elektrolysezelle vorgesehen ist, wobei an einer
Seite der Brennstoffzelle, welche der Elektrolysezelle abgewandt
ist, eine erste elektrische Kontakteinrichtung angeordnet ist, an
einer Seite der Elektrolysezelle, welche der Brennstoffzelle abgewandt
ist, eine zweite elektrische Kontakteinrichtung angeordnet ist, und
zwischen der Brennstoffzelle und der Elektrolysezelle eine dritte
elektrische Kontakteinrichtung angeordnet ist, und eine Schalteinrichtung
vorgesehen ist, durch die alternativ schaltbar ist, dass die erste elektrische
Kontakteinrichtung und die dritte elektrische Kontakteinrichtung
elektrisch verbunden sind oder die zweite elektrische Kontakteinrichtung
und die dritte elektrische Kontakteinrichtung elektrisch verbunden
sind.
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Die
erfindungsgemäße elektrochemische Vorrichtung
enthält eine Brennstoffzelleneinrichtung, durch welche
elektrischer Strom erzeugbar ist, und eine Elektrolysezelleneinrichtung,
durch welche Elektrolysegase, insbesondere Wasserstoff und Sauerstoff
erzeugbar sind. Durch die Schalteinrichtung ist entweder auf Elektrolysebetrieb
oder auf Brennstoffzellenbetrieb schaltbar.
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Bei
der erfindungsgemäßen Lösung sind die (mindestens
eine) Brennstoffzelle und (mindestens eine) Elektrolysezelle galvanisch
getrennt. Dies erlaubt es, die Brennstoffzelleneinrichtung und die Elektrolysezelleneinrichtung
getrennt zu optimieren und insbesondere auf dem optimierten Spannungsniveau
zu betreiben. Üblicherweise liegt das optimierte Spannungsniveau
für eine Elektrolysezelle höher als für
eine Brennstoffzelle. Typischerweise weisen Brennstoffzellen zum
Beispiel einen optimierten Spannungsbereich in der Größenordnung
von 500 mV auf. Größere Spannungen führen
zum Wegoxidieren von Kohlenstoffanteilen. Elektrolysezellen weisen
dabei beispielsweise ein optimales Spannungsniveau bei ca. 2 V auf.
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Durch
die erfindungsgemäße Lösung lässt sich
insbesondere im Niedertemperaturbetrieb im Elektrolysebetrieb Wasserstoff
und Sauerstoff herstellen. Im Brennstoffzellenbetrieb lässt
sich elektrischer Strom bereitstellen.
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Die
erfindungsgemäße Lösung lässt
sich mit verschiedenen Brennstoffzellentypen (und auch Elektrolysezellentypen)
realisieren. Neben Polymermembran-Brennstoffzellen ist auch der
Einsatz von oxidkeramischen Brennstoffzellen (SOFC) und oxidkeramischen
Elektrolysezellen möglich.
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Die
elektrochemische Vorrichtung lässt sich kompakt realisieren.
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Insbesondere
sind die Elektrolysezelle und die Brennstoffzelle galvanisch getrennt.
Wenn eine Mehrzahl von Elektrolysezellen und/oder Brennstoffzellen
vorgesehen ist, dann sind die Brennstoffzellen von den Elektrolysezellen
galvanisch getrennt. Dadurch lässt sich im Elektrolysebetrieb
und im Brennstoffzellenbetrieb das jeweilige optimierte Spannungsniveau
einstellen.
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Insbesondere
ist durch die Schalteinrichtung zwischen Brennstoffzellenbetrieb
und Elektrolysebetrieb umschaltbar. Dadurch kann auf einfache Weise umgestellt
werden zwischen der Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff (unter
Stromzufuhr) und dem Verbrauch von Wasserstoff und Sauerstoff (unter
Stromerzeugung).
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Es
ist dabei insbesondere vorgesehen, dass die zweite elektrische Kontakteinrichtung
an einer der Elektrolysezelle abgewandten Seite mit einer weiteren
Brennstoffzelle oder einer Endplatte verbunden ist. Dadurch lässt
sich ein Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von elektrisch
in Reihe geschalteten Brennstoffzellen realisieren.
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Es
kann auch vorgesehen sein, dass die erste Kontakteinrichtung an
einer der Brennstoffzellen abgewandten Seite mit einer weiteren
Elektrolysezelle oder einer Endplatte verbunden ist. Dadurch lässt sich
ein Elektrolysezellenstapel mit einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten
Elektrolysezellen realisieren.
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Insbesondere
sind eine Mehrzahl von Brennstoffzellen und/oder eine Mehrzahl von
Elektrolysezellen vorgesehen. Dadurch umfasst die erfindungsgemäße elektrochemische
Vorrichtung einen Brennstoffzellenstapel und einen Elektrolysezellenstapel.
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Günstig
ist es, wenn die Brennstoffzellen und die Elektrolysezellen alternierend
aufeinander folgen. Insbesondere lässt sich dadurch eine
Bipolareinrichtung zwischen benachbarten Brennstoffzellen bereitstellen,
in die eine Elektrolysezelle integriert ist.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn die zweite elektrische Kontakteinrichtung
und die dritte elektrische Kontakteinrichtung eine schaltbare Bipolareinrichtung
für benachbarte Brennstoffzellen bilden. Diese Bipolareinrichtung
verbindet benachbarte Brennstoffzellen, um einen Brennstoffzellenstapel
mit in Reihe geschalteten Brennstoffzellen bereitzustellen. Die
Bipolareinrichtung ist in dem Sinne schaltbar, dass schaltbar ist,
ob die elektrische Verbindung vorliegt oder nicht. Im letzteren
Falle liegt Elektrolysebetrieb vor.
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Insbesondere
ist dann durch die Schalteinrichtung schaltbar, ob benachbarte Brennstoffzellen elektrisch
in Reihe geschaltet sind oder galvanisch getrennt sind. Wenn benachbarte
Brennstoffzellen galvanisch getrennt sind, dann werden diese "überbrückt".
Dadurch lassen sich dann benachbarte Elektrolysezellen in Reihe
schalten.
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Es
ist dann ebenfalls günstig, wenn die erste elektrische
Kontakteinrichtung und die dritte elektrische Kontakteinrichtung
eine schaltbare Bipolareinrichtung für benachbarte Elektrolysezellen
bilden. Dadurch lässt sich ein Elektrolysezellenstapel
bereitstellen. Es ist schaltbar, ob die Elektrolysezellen in Reihe
geschaltet sind oder galvanisch getrennt sind.
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Insbesondere
sind die mindestens eine Brennstoffzelle und die mindestens eine
Elektrolysezelle in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Dadurch
lässt sich eine elektrochemische Vorrichtung, die Brennstoffzellenbetrieb
und Elektrolysezellenbetrieb erlaubt, kompakt aufbauen.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn die zweite elektrische Kontakteinrichtung
und/oder die dritte elektrische Kontakteinrichtung einen oder mehrere
Kanäle zur Flüssigkeitskühlung aufweisen.
Dadurch lässt sich die zweite elektrische Kontakteinrichtung
und/oder die dritte elektrische Kontakteinrichtung und eine insbesondere
aus diesen gebildete Bipolareinrichtung mit Kühlmedium
und insbesondere Wasser durchströmen. Dadurch lässt
sich der Brennstoffzellenbetrieb optimieren. Ferner lässt
sich im Elektrolysebetrieb das durchströmende Wasser als Reaktionsmedium
verwenden.
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Es
ist dann günstig, wenn der oder die Kanäle mit
einer Kühlungseinrichtung zur Flüssigkeitskühlung
der Brennstoffzelle verbunden sind. Die Kühleinrichtung
sorgt dafür, dass Kühlmedium und insbesondere
Wasser durchgepumpt wird. Im Elektrolysebetrieb wird Reaktionsmedium
durchgepumpt.
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Insbesondere
sind ein oder mehrere Kanäle zu der Elektrolysezelle hin
offen, um im Elektrolysebetrieb Reaktionsmedium (Wasser) bereitstellen
zu können.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn die erste elektrische Kontakteinrichtung
eine Gasverteilungseinrichtung für die Brennstoffzelle
aufweist. Es lässt sich dadurch Brennstoff bzw. Oxidator
der jeweiligen Elektrode der Brennstoffzelle bereitstellen.
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Aus
dem gleichen Grund ist es günstig, wenn die dritte elektrische
Kontakteinrichtung eine Gasverteilungseinrichtung für die
Brennstoffzelle aufweist.
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Günstigerweise
umfasst die jeweilige Gasverteilungseinrichtung einen oder mehrere
zu der Brennstoffzelle hin offene Kanäle. Dadurch lässt
sich die entsprechende Elektrode der Brennstoffzelle mit Reaktionsgas
beaufschlagen.
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Günstig
ist es, wenn die erste elektrische Kontakteinrichtung und/oder zweite
elektrische Kontakteinrichtung und/oder dritte elektrische Kontakteinrichtung
plattenförmig ausgebildet sind. Dadurch lässt
sich auf einfache Weise ein Verbund zwischen den elektrischen Kontakteinrichtungen,
den Brennstoffzellen und den Elektrolysezellen bereitstellen. Dieser
Verbund lässt sich kompakt realisieren. Ferner lässt
sich ein relativ großer Kontaktbereich zwischen den jeweiligen
Brennstoffzellen und Elektrolysezellen realisieren.
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Günstig
ist es, wenn eine Speichereinrichtung für im Elektrolysebetrieb
gewonnenen Sauerstoff vorhanden ist. Dieser kann dann zwischengespeichert
werden für die spätere Nutzung beispielsweise
im Brennstoffzellenbetrieb.
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Aus
dem gleichen Grund ist es günstig, wenn eine Speichereinrichtung
für im Elektrolysebetrieb gewonnenen Wasserstoff vorhanden
ist.
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Es
ist ferner günstig, wenn eine Brennstoffzelleneinrichtung
mit der jeweiligen Speichereinrichtung schaltbar verbunden ist.
Dadurch lässt sich die Speichereinrichtung auf Abgabe von
Wasserstoff bzw. Sauerstoff im Brennstoffzellenbetrieb schalten, um
die entsprechenden Reaktionsmedien den Brennstoffzellen bereitstellen
zu können.
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Es
ist vorgesehen, dass die Brennstoffzellen einer Brennstoffzelleneinrichtung
elektrisch in Reihe geschaltet sind.
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Die
Elektrolysezellen einer Elektrolysezelleneinrichtung sind ebenfalls
elektrisch in Reihe geschaltet.
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Günstig
ist es, wenn die Schaltungseinrichtung so ausgebildet ist, dass
gleichzeitig alle Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinrichtung
im Brennstoffzellenbetrieb schaltbar sind und alternativ gleichzeitig
alle Elektrolysezellen der Elektrolysezelleneinrichtung im Elektrolysebetrieb
schaltbar sind. Dadurch wird sichergestellt, dass eine komplette
Umschaltung erfolgt, das heißt dass entweder alle Brennstoffzellen überbrückt
sind oder alle Elektrolysezellen überbrückt sind.
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Insbesondere
umfasst die Schalteinrichtung eine Verbindungseinrichtung zwischen
der ersten elektrischen Kontakteinrichtung und der dritten elektrischen
Kontakteinrichtung und einen Schalter an der Verbindungseinrichtung.
Dadurch lässt sich die elektrische Verbindung herstellen
(schließen) bzw. öffnen.
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Aus
dem gleichen Grund ist es dann günstig, wenn zwischen der
zweiten elektrischen Kontakteinrichtung und der dritten elektrischen
Kontakteinrichtung durch eine Verbindungseinrichtung eine Verbindung
herstellbar ist und ein Schalter an der Verbindungseinrichtung vorgesehen
ist. Beispielsweise umfasst die Schaltungseinrichtung mindestens
einen Schalter, welcher elektronisch angesteuert ist. Dadurch lässt
sich auf einfache Weise eine Umschaltung zwischen Elektrolysebetrieb
und Brennstoffzellenbetrieb erreichen.
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Es
ist auch möglich, dass die Schalteinrichtung mindestens
einen Schalter umfasst, welcher mechanisch angesteuert ist. Dadurch
lässt sich durch die Bewegung eines oder mehrerer Elemente eine
Umschaltung erreichen.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel umfasst die Schalteinrichtung
ein bewegliches (beispielsweise verschiebliches) Element mit Kontaktflächen,
wobei je nach Stellung des beweglichen Elements die erste elektrische
Kontakteinrichtung und die dritte elektrische Kontakteinrichtung
oder die zweite elektrische Kontakteinrichtung und die dritte elektrische
Kontakteinrichtung elektrisch miteinander verbunden sind. Bei dieser
Ausführungsform ist das bewegliche Element der Schalter,
welcher gleichzeitig Verbindungseinrichtungen in Form von Kontaktflächen
umfasst.
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Es
ist insbesondere eine Mehrzahl von Schalterpaaren vorgesehen, welche
jeweils einem Brennstoffzellen-Elektrolysezellen-Paar zugeordnet sind.
Die Schalter eines Schalterpaars sind gegenläufig angesteuert,
das heißt wenn ein Schalter eines Schalterpaars offen ist,
dann ist der andere Schalter geschlossen und umgekehrt.
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Insbesondere
ist die Brennstoffzelle eine Polymermembran-Brennstoffzelle mit
einer ionenleitenden Polymermembran als Elektrolyten. Eine entsprechende
Brennstoffzelle lässt sich im Niedertemperaturbetrieb betreiben.
Als Brennstoff wird Wasserstoff eingesetzt und als Oxidator Sauerstoff
oder Luft.
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Es
kann auch vorgesehen sein, dass die Elektrolysezelle eine Polymermembran-Elektrolysezelle
ist.
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Der
Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb
einer elektrochemischen Vorrichtung bereitzustellen, welches variable
Einsatzmöglichkeiten erlaubt.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß bei der erfindungsgemäßen
elektrochemischen Vorrichtung dadurch gelöst, dass durch
die Schalteinrichtung entweder Elektrolysebetrieb oder Brennstoffzellenbetrieb
eingestellt wird.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn die zweite elektrische Kontakteinrichtung
und/oder die dritte elektrische Kontakteinrichtung mit Wasser durchströmt
werden, welches im Elektrolysebetrieb als Reaktionsmedium dient und
im Brennstoffzellenbetrieb als Kühlmedium. Zwischen der
zweiten elektrischen Kontakteinrichtung und der dritten elektrischen
Kontakteinrichtung ist jeweils eine Elektrolysezelle angeordnet.
Diese ist dadurch gewissermaßen in eine Bipolareinrichtung
integriert, wobei schaltbar ist, ob die Bipolareinrichtung für
Brennstoffzellen als solche wirkt oder in ihrer Eigenschaft als
Bipolareinrichtung gewissermaßen ausgeschaltet ist.
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Die
nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung
der Erfindung. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer
erfindungsgemäßen elektrochemischen Vorrichtung
in Schnittansicht;
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2 eine
vergrößerte Darstellung einer Zelleneinrichtung
der elektrochemischen Vorrichtung gemäß 1;
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3 schematisch
einen Brennstoffzellenbetriebsmodus der elektrochemischen Vorrichtung gemäß 1;
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4 schematisch
einen Elektrolysebetriebsmodus der elektrochemischen Vorrichtung
gemäß 1;
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5 eine
Teildarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer
elektrochemischen Vorrichtung mit einem ersten Ausführungsbeispiel
einer Schalteinrichtung; und
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6 ein
Ausführungsbeispiel einer elektrochemischen Vorrichtung
mit einem zweiten Ausführungsbeispiel einer Schalteinrichtung.
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Ein
Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
elektrochemischen Vorrichtung, welches in 1 gezeigt
und dort mit 10 bezeichnet ist, umfasst ein Gehäuse 12.
An dem Gehäuse 12 sind eine erste Endplatte 14a und
eine zweite Endplatte 14b angeordnet. Diese Endplatten 14a, 14b schließen
das Gehäuse 12 stirnseitig ab. In dem Gehäuse 12 ist
zwischen den Endplatten 14a, 14b ein Aufnahmeraum 16 gebildet.
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Die
Endplatten 14a, 14b bilden einen Stromkollektor
oder an oder in der Nähe der Endplatten 14a, 14b ist
jeweils ein Stromkollektor angeordnet. Über diesen jeweiligen
Stromkollektor lässt sich im Brennstoffzellenbetrieb der
elektrochemischen Vorrichtung 10 Strom auskoppeln. Im Elektrolysebetrieb lässt
sich Strom einkoppeln. In 1 ist dies
schematisch durch die Anschlüsse mit dem Bezugszeichen 18a, 18b gezeigt.
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In
dem Aufnahmeraum 16 des Gehäuses 12 sind
eine oder mehrere Zelleneinrichtungen 20 (2)
angeordnet. Ein Ausführungsbeispiel einer Zelleneinrichtung
umfasst eine Brennstoffzelle 22 und eine Elektrolysezelle 24.
Die Brennstoffzelle 22 umfasst eine Anode, einen Elektrolyten
und eine Kathode. Insbesondere handelt es sich um eine Polymermembran-Brennstoffzelle (PMFC),
bei dem der Elektrolyt eine Polymermembran ist. Bei einem Ausführungsbeispiel
umfasst die Brennstoffzelle 22 eine Elektroden-Membran-Einheit.
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Die
Elektrolysezelle 24 weist ebenfalls eine Kathode, eine
Anode und einen Elektrolyten auf. Beispielsweise ist die Elektrolysezelle 24 als
Polymermembran-Elektrolysezelle ausgebildet, bei dem der Elektrolyt
eine Polymermembran ist.
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Eine
erste elektrische Kontakteinrichtung 26, welche insbesondere
plattenförmig ausgebildet ist, kontaktiert die Brennstoffzelle 22 an
einer Seite 28, welche der Elektrolysezelle 24 abgewandt
ist. Die erste elektrische Kontakteinrichtung 26 ist aus
einem elektrisch leitfähigen Material und beispielsweise
aus einem metallischen Material oder Graphit hergestellt. Das Material
ist korrosionsbeständig.
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Die
erste elektrische Kontakteinrichtung 26 ist als Gasverteilungseinrichtung
ausgebildet. Sie umfasst einen oder mehrere Kanäle 30, über
die ein Reaktionsgas der Brennstoffzelle 22 zuführbar
ist. Wenn die Seite 28 der Brennstoffzelle 22 eine
Anodenseite ist, dann ist über den oder die Kanäle 30 der Anode
Brennstoff zuführbar. Ferner dienen der oder die Kanäle 30 zur
Abfuhr von Reaktionsprodukten und von unverbrauchtem Reaktionsgas.
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Die
Brennstoffzelle 22 und die Elektrolysezelle 24 sind
benachbart. An einer Seite 32 der Elektrolysezelle 24,
welche der Brennstoffzelle 22 abgewandt ist, ist eine zweite
elektrische Kontakteinrichtung angeordnet, welche die Seite 32 der
Elektrolysezelle 24 kontaktiert. Die zweite elektrische
Kontakteinrichtung 34 ist plattenförmig ausgebildet.
Sie ist aus einem elektrisch leitfähigen Material und beispielsweise
aus einem metallischen Material oder Graphit hergestellt. Ferner
ist das Material korrosionsbeständig.
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An
der zweiten elektrischen Kontakteinrichtung 34 sind der
Elektrolysezelle 24 zugewandt ein oder mehrere Kanäle 36 gebildet. Über
den oder die Kanäle 36 lässt sich der
Elektrolysezelle 24 Wasser als Reaktionsmedium zuführen.
Ferner lässt sich durch die Kanäle 36 Wasser
zur Flüssigkeitskühlung durchführen.
Der oder die Kanäle 36 können auch zur
Abfuhr von Reaktionsprodukten dienen.
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Zwischen
der Brennstoffzelle 22 und der Elektrolysezelle 24 ist
eine dritte elektrische Kontakteinrichtung 38 angeordnet.
Diese ist insbesondere plattenförmig ausgebildet. Sie kontaktiert
die Brennstoffzelle 22 an einer Seite 40, welche
der Seite 28 abgewandt ist. Wenn die Seite 28 eine
Anodenseite ist, dann ist die Seite 40 eine Kathodenseite.
Ferner kontaktiert die dritte elektrische Kontakteinrichtung 38 die
Elektrolysezelle 24 an einer Seite 42, welche der
Seite 32 abgewandt ist.
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Die
dritte elektrische Kontakteinrichtung 38 ist aus einem
elektrisch leitfähigen Material und insbesondere aus einem
metallischen Material hergestellt.
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Die
dritte elektrische Kontakteinrichtung 38 ist als Gasverteilungseinrichtung
für die Brennstoffzelle 22 ausgebildet. Insbesondere
weist sie einen oder mehrere Kanäle 44 auf, durch
die ein Reaktionsmedium der Brennstoffzelle 22 zuführbar
ist und unverbrauchtes Reaktionsmedium und Reaktionsprodukte abführbar
sind. Wenn die Seite 40 der Brennstoffzelle 22 eine
Kathodenseite ist, dann lässt sich durch den oder die Kanäle 44 der
Kathode der Brennstoffzelle 22 Oxidator zuführen.
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Weiterhin
weist die dritte elektrische Kontakteinrichtung 38 einen
oder mehrere Kanäle 46 auf, durch die Wasser durchführbar
ist. Wie oben erwähnt, kann das Wasser zur Kühlung
dienen bzw. als Reaktionsmedium für die Elektrolysezelle 24.
Ferner können Reaktionsprodukte abgeführt werden.
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Der
oder die Kanäle 30 sind dabei mindestens an einer
Seite zu der Brennstoffzelle 22 offen. Der oder die Kanäle 44 sind
an mindestens einer Seite zu der Brennstoffzelle 22 offen.
Der oder die Kanäle 36 und 46 sind mindestens
an einer Seite zu der jeweiligen Seite der Elektrolysezelle 24 offen.
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Die
Kanäle 30, 44 für die Zuführung
von Reaktionsmedium zu der Brennstoffzelle 22 und die Kanäle 36, 46 für
die Zuführung von Wasser zu der Elektrolysezelle 24 sind
dabei fluiddicht voneinander getrennt.
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Die
erste elektrische Kontakteinrichtung 26 und die zweite
elektrische Kontakteinrichtung 34 sind grundsätzlich
gleich ausgebildet. Die zweite elektrische Kontakteinrichtung 34 ist
die erste elektrische Kontakteinrichtung für eine Brennstoffzelle,
welche der Elektrolysezelle 24 benachbart ist (in 2 nicht gezeigt)
bzw. die erste elektrische Kontakteinrichtung 26 kontaktiert
eine Elektrolysezelle, welche der Brennstoffzelle 22 benachbart
ist (in 2 nicht gezeigt).
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Bei
dem gezeigten Ausführungsbeispiel 10 ist in dem
Gehäuse 12 eine Brennstoffzelleneinrichtung 48 und
eine Elektrolysezelleneinrichtung 50 angeordnet. Die Brennstoffzelleneinrichtung 48 umfasst eine
Mehrzahl von Brennstoffzellen 22 und die Elektrolysezelleneinrichtung
umfasst eine Mehrzahl von Elektrolysezellen 24. Die Brennstoffzellen 22 und
die Elektrolysezellen 24 sind dabei galvanisch getrennt voneinander.
Die elektrochemische Vorrichtung 10 weist dadurch zwei
alternative Betriebsmodi auf, nämlich einen Brennstoffzellenbetrieb
und einen Elektrolysebetrieb.
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Die
Brennstoffzellen 22 und die Elektrolysezellen 24 folgen
alternierend aufeinander, das heißt nächstbenachbarte
Zellen sind jeweils eine Brennstoffzelle 22 und eine Elektrolysezelle 24.
Zwischen benachbarten Brennstoffzellen 22 ist dadurch eine Elektrolysezelle 24 angeordnet
und zwischen benachbarten Elektrolysezellen 24 ist jeweils
eine Brennstoffzelle 22 angeordnet.
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Die
Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinrichtung 48 sind
elektrisch in Reihe geschaltet. Ferner sind die Elektrolysezellen
der Elektrolysezelleneinrichtung 50 elektrisch in Reihe
geschaltet.
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Die
elektrochemische Vorrichtung 10 umfasst eine Schalteinrichtung 52,
durch die schaltbar ist, ob Brennstoffzellenbetrieb oder Elektrolysebetrieb
vorliegt.
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Die
Schalteinrichtung 52 umfasst jeweils eine Verbindungseinrichtung 54a zwischen
der ersten elektrischen Kontakteinrichtung 26 und der dritten
elektrischen Kontakteinrichtung 38 sowie eine Verbindungseinrichtung 54b zwischen
der zweiten elektrischen Kontakteinrichtung 34 und der
dritten elektrischen Kontakteinrichtung 38. An der Verbindungseinrichtung 54a ist
ein Schalter 56a angeordnet. An der Verbindungseinrichtung 54b ist
ein Schalter 56b angeordnet. Wenn der Schalter 56a geschlossen
ist, dann sind die erste elektrische Kontakteinrichtung 26 und
die dritte elektrische Kontakteinrichtung 38 elektrisch
miteinander verbunden. Wenn der Schalter 56b geschlossen
ist, dann sind die zweite elektrische Kontakteinrichtung 34 und
die dritte elektrische Kontakteinrichtung 38 elektrisch
miteinander verbunden. Die elektrische Schalteinrichtung 52 ist
so ausgebildet, dass gleichzeitig nur entweder der Schalter 56a geschlossen
ist oder der Schalter 56b geschlossen ist. Dadurch ist
die galvanische Trennung der Brennstoffzelle 22 und der
Elektrolysezelle 24 erreicht.
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Wenn
der Schalter 56a geschlossen ist, dann bilden die erste
elektrische Kontakteinrichtung 26 und die dritte elektrische
Kontakteinrichtung 38 eine Bipolareinrichtung 58 für
benachbarte Elektrolysezellen. In diesem Falle wird die zwischen
der ersten elektrischen Kontakteinrichtung 26 und der dritten
elektrischen Kontakteinrichtung 38 liegende Brennstoffzelle 22 überbrückt.
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Wenn
der Schalter 56b geschlossen ist (und der Schalter 56a offen
ist), dann bilden die zweite elektrische Kontakteinrichtung 34 und
die dritte elektrische Kontakteinrichtung 38 eine Bipolareinrichtung 60 für
die Brennstoffzelleneinrichtung 48. Durch die Bipolareinrichtung 60 werden
benachbarte Brennstoffzellen miteinander elektrisch verbunden (in
Reihe geschaltet). Bei geschlossenem Schalter 56b wird die
Elektrolysezelle 24 überbrückt.
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In
der Zelleneinrichtung 20 bilden die Brennstoffzelle 22 und
die Elektrolysezelle 24 ein Brennstoffzellen-Elektrolysezellen-Paar.
Diesem Paar ist ein Schalterpaar zugeordnet, welches aus den Schaltern 56a und 56b gebildet
ist. Die Schalter dieses Schalterpaars werden synchron gegenläufig
angesteuert, das heißt wenn der Schalter 56a offen
ist, dann ist der Schalter 56b geschlossen und umgekehrt.
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Durch
die Schalteinrichtung 52 ist schaltbar, ob die Brennstoffzellen 22 der
Brennstoffzelleneinrichtung 48 elektrisch miteinander verbunden
sind oder alternativ die Elektrolysezellen 24 der Elektrolysezelleneinrichtung 50 elektrisch
miteinander verbunden sind.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel umfasst die elektrochemische
Vorrichtung 10 eine Speichereinrichtung 62 für
von der Elektrolysezelleneinrichtung 50 in Elektrolysebetrieb
produzierten Wasserstoff. Die Speichereinrichtung 62 ist
dazu über eine oder mehrere Leitungen 64 mit der
Wasserstoffseite der Elektrolysezellen 24 verbunden.
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Die
Speichereinrichtung 62 wiederum steht beispielsweise über
ein Absperrventil 64 in Verbindung mit der Brennstoffzelleneinrichtung 48,
so dass der Brennstoffzelleneinrichtung 48 im Brennstoffzellenbetrieb
Wasserstoff als Brennstoff bereitstellbar ist.
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Weiterhin
umfasst die elektrochemische Vorrichtung 10 eine Speichereinrichtung 66 für
Sauerstoff, durch die im Elektrolysebetrieb hergestellter Sauerstoff
speicherbar ist. Entsprechend ist die Speichereinrichtung 66 über
eine oder mehrere Leitungen 68 mit der sauerstoffproduzierenden
Seite der Elektrolysezellen 24 verbunden.
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Die
Speichereinrichtung 66 steht über ein Absperrventil 70 in
Verbindung mit einer Kathodenseite der Brennstoffzelleneinrichtung 48,
um im Brennstoffzellenbetrieb den Brennstoffzellen 22 Oxidator
bereitstellen zu können.
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Weiterhin
umfasst die elektrochemische Vorrichtung 10 eine Kühleinrichtung 72,
durch die ein Kühlmedium (insbesondere Wasser) durch die
Bipolareinrichtung durchführbar ist, um im Brennstoffzellenbetrieb
die Bipolareinrichtung 60 zu kühlen.
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Im
Elektrolysebetrieb dient das durchgeführte Wasser als Reaktionsmedium
für die jeweilige Elektrolysezelle 24.
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Die
erfindungsgemäße elektrochemische Vorrichtung 10 funktioniert
wie folgt:
Durch die Kanäle 36, 46 wird
im Betrieb über die Kühleinrichtung 72 Wasser
durchgepumpt. Im Brennstoffzellenbetrieb dient das Wasser als Kühlmedium.
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Im
Brennstoffzellenbetrieb sind, wie in 3 schematisch
angedeutet, die jeweiligen zweiten elektrischen Kontakteinrichtungen 34 und
dritten elektrischen Kontakteinrichtungen 38 über
die jeweilige Verbindungseinrichtung 54b (bei geschlossenem Schalter 56b)
elektrisch miteinander verbunden. Die jeweiligen Elektrolysezellen 24 liegen
dabei zwischen der zweiten elektrischen Kontakteinrichtung 34 und
der dritten elektrischen Kontakteinrichtung 38. Diese werden
dadurch überbrückt.
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Die
Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinrichtung 48 stellen
einen elektrischen Strom bereit. Den Brennstoffzellen 22 wird
dabei Brennstoff (insbesondere Wasserstoff) und Oxidator (insbesondere Sauerstoff
oder Luft) bereitgestellt. Dazu kann gespeicherter Wasserstoff aus
der Speichereinrichtung 62 und gespeicherter Sauerstoff
aus der Speichereinrichtung 66 verwendet werden. Zusätzlich
oder alternativ kann eine Zuführungseinrichtung für
Brennstoff und Oxidator unabhängig von den Speichereinrichtungen 62, 66 vorgesehen
sein.
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Die
elektrochemische Vorrichtung 10 stellt einen Strom bereit.
Die galvanisch getrennten Elektrolysezellen 24 sind elektrisch
"abgekoppelt", das heißt sie arbeiten nicht.
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Durch
die Kühleinrichtung 72 werden die Bipolareinrichtungen 60 gekühlt.
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In
dem Elektrolysebetrieb sind die jeweiligen ersten elektrischen Kontakteinrichtungen 26 und
dritten elektrischen Kontakteinrichtungen 38, zwischen welchen
die jeweiligen Brennstoffzellen 22 liegen, durch die jeweiligen
elektrischen Verbindungseinrichtungen 54a elektrisch miteinander
verbunden. Die Brennstoffzellen 22 werden dadurch überbrückt.
Die Elektrolysezellen 24 der Elektrolysezelleneinrichtung 50 sind
in Reihe geschaltet.
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Es
wird ein äußerer Strom aufgeprägt. Dadurch
erfolgen in den Elektrolysezellen 24 Elektrolysevorgänge.
Das über die Kühleinrichtung 72 und den
Kanälen 36, 46 zugeführte Wasser
ist ein Reaktionsmedium, welches elektrolytisch zerlegt wird. Es entstehen
an der Anode Sauerstoff und an der Kathode Wasserstoff. Letzterer
wird über die Speichereinrichtung 62 gesammelt.
Der Sauerstoff wird über die Speichereinrichtung 66 gesammelt
oder ganz oder teilweise an die Atmosphäre abgegeben.
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Bei
der erfindungsgemäßen Lösung ist durch die
Schalteinrichtung 52 schaltbar, ob die Brennstoffzellen 22 der
Brennstoffzelleneinrichtung 48 elektrisch in Reihe geschaltet
sind oder ob alternativ die Elektrolysezellen 24 der Elektrolysezelleneinrichtung 50 elektrisch
in Reihe geschaltet sind. Die Brennstoffzellen 22 und die
Elektrolysezellen 24 sind galvanisch voneinander getrennt.
Durch die Schalteinrichtung 52 ist gewissermaßen
eine Wanderung der galvanischen Trennung erreichbar.
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Durch
die erfindungsgemäße Lösung lässt sich
sowohl ein optimierter Elektrolysebetrieb als auch ein optimierter
Brennstoffzellenbetrieb erreichen; es lässt sich das für
die Elektrolyse optimierte Spannungsniveau einstellen und es lässt
sich das für den Brennstoffzellenbetrieb optimierte Spannungsniveau
erreichen. Üblicherweise ist für die Elektrolyse ein
höheres Spannungsniveau optimaler; dieses liegt beispielsweise
in der Größenordnung von 2 V. Bei regenerativen
Brennstoffzellen mit Kohlenstoffmaterialien sollte die Spannung nicht über
1500 mV liegen, da die Kohlenstoffmaterialien bei höheren
Spannungen wegoxidieren. Durch die erfindungsgemäße
Lösung können unterschiedliche Spannungsniveaus
im Brennstoffzellenbetrieb und im Elektrolysebetrieb eingestellt
werden.
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Die
Brennstoffzelleneinrichtung 48 und die Elektrolysezelleneinrichtung 50 sind
in demselben Aufnahmeraum 16 des Gehäuses 12 angeordnet.
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Die
Elektrolysezellen 24 sind in die Bipolareinrichtungen 60 für
die Brennstoffzelleneinrichtung 48 eingebaut. Entsprechend
sind die Brennstoffzellen 22 in die Bipolareinrichtungen 58 für
die Elektrolysezelleneinrichtung 50 eingebaut.
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Durch
den Einbau der Elektrolysezellen 14 in die Bipolareinrichtungen 60 lässt
sich die Kühleinrichtung 72 zur Bereitstellung
von Wasser als Reaktionsmedium nutzen.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel einer Schalteinrichtung, welches
in 5 gezeigt und dort mit 76 bezeichnet
ist, ist eine Steuerungseinrichtung 78 vorgesehen, welche
die jeweiligen Schalter 56a, 56b (synchron) ansteuert.
Die Steuerungseinrichtung 78 schließt entweder
alle Schalter 56a und öffnet gleichzeitig alle
Schalter 56b oder öffnet alle Schalter 56a und
schließt gleichzeitig alle Schalter 56b. Dadurch ist
eine Umschaltung zwischen Brennstoffzellenbetrieb (mit elektrisch
in Reihe geschalteten Brennstoffzellen 22) oder Elektrolysebetrieb
(mit in Reihe geschalteten Elektrolysezellen 24) realisiert.
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel einer Schalteinrichtung,
welches in 6 schematisch gezeigt und dort
mit 80 bezeichnet ist, umfasst diese ein bewegliches und
insbesondere verschiebliches Element 82 beispielsweise
in Form eines Stabs. An dem Stab sind benachbart und beabstandet
zueinander Kontaktflächen 84 angeordnet, welche
so dimensioniert sind, dass in einer ersten Stellung des Elements 82 die
jeweiligen ersten elektrischen Kontakteinrichtungen 26 und
dritten elektrischen Kontakteinrichtungen 38, welche benachbart
zueinander sind, elektrisch miteinander verbunden sind. In einer
zweiten Stellung des Elements 82 sind durch die Kontaktflächen 84 die
jeweiligen dritten elektrischen Kontakteinrichtungen 38 und
die zweiten elektrischen Kontakteinrichtungen 34 elektrisch
miteinander verbunden.
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Die
Kontaktflächen 84 bilden dadurch jeweils eine
Verbindungseinrichtung. Der zugeordnete Schalter ist durch die Umschaltung
zwischen der ersten Stellung des Elements 82 und der zweiten
Stellung des Elements 82 gebildet.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel ist die Schalteinrichtung 80 eine
mechanische Schalteinrichtung; durch die Stellung des Elements 82 ist
vorgegeben, ob die elektrochemische Vorrichtung 10 im Brennstoffzellenmodus
oder im Elektrolysemodus vorliegt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1755187
A2 [0003]
- - WO 2006/061239 A1 [0004]