DE10063456B4 - Brennstoffzelleneinheit - Google Patents

Abstract

Brennstoffzelleneinheit (1) mit wenigstens zwei Elektroden (2, 3), mit einer ersten Zuführung (5) für ein erstes Betriebsmittel B im Bereich der ersten Elektrode (2) und mit einer zweiten Zuführung (6) für ein zweites Betriebsmittel L im Bereich der zweien Elektrode (3), dadurch gekennzeichnet, dass eine Umschalteinheit (7) zum Umschalten der Zufuhr des ersten Betriebsmittels B auf die zweite Zuführung (6) und zum Umschalten der Zufuhr des zweiten Betriebsmittels L auf die erste Zuführung (5) vorgesehen ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinheit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Brennstoffzellen sind elektrochemische Wandler von chemischer Energie in elektrische Energie. Eine Brennstoffzelle besteht aus einer Anode, in der ein Stoff elektrochemisch oxidiert wird, einer Kathode, an der ein weiterer Stoff elektrochemisch reduziert wird und einem Elektrolyten, der einen ionischen Ladungstransport zwischen den beiden Elektroden erlaubt. Zur anschaulicheren Darstellung wird im Folgenden mit Brennstoff der zu oxidierende Stoff bezeichnet. Entsprechend soll ohne Beschränkung der Allgemeinheit mit dem Begriff "Luft" der zu reduzierende Stoff bezeichnet werden.
• Unter einem Brennstoffzellenstack wird zusammenfassend sowohl die elektrische Schaltung mehrerer Einzelzellen als auch die Verwendung einer einzelnen Zelle verstanden. Neben der elektrischen Verschaltung befindet sich in einem Brennstoffzellenstack auch eine Struktur, die der Versorgung der Elektroden mit Betriebsmitteln, das heißt dem Brennstoff und dem zu reduzierenden Stoff und dem Abtransport von abzuleitenden Stoffen, insbesondere von chemisch umgesetzten Betriebsmitteln, dient. Zu einem Brennstoffzellensystem zählen neben dem Brennstoffzellenstack auch Peripheriekomponenten, die beispielsweise zur Betriebsmittelversorgung, zum Wärmemanagement und zur Regelungstechnik des Stacks benötigt werden.
• Die erreichbare Leistungsdichte, der Wirkungsgrad und die Lebensdauer von Brennstoffzellenstacks hängen sehr stark von den Betriebsbedingungen ab. Beispielsweise sind bei der Polymerelektrolytmembran (PEM) Brennstoffzelle, die CO-Konzentration des Anodengases, d.h. des in diesem Fall gasförmigen Brennstoffs, und die Feuchtigkeit sowohl des Anoden- als auch des Kathodengases kritische Parameter, die in engen Grenzen gehalten werden müssen. So kann eine zu geringe Feuchtigkeit des Anodengases zu einem Austrocknen des Polymerelektrolyten mit einer möglicherweise irreparablen Schädigung der Membran führen. Ist die Feuchtigkeit zu hoch, so kann sich die Porenstruktur der Elektroden über den optimalen Wert hinaus mit Wasser füllen, wodurch der Transport der Betriebsmittel zum katalytischen Bereich der Elektroden behindert wird und sich die maximal mögliche Leistung des Stacks verringert.
• CO wiederum verursacht eine sogenannte Katalysatorvergiftung, wobei die Leistung des Brennstoffzellensystems mit steigender CO-Konzentration und Betriebsdauer abnimmt.
• Bei der Erzeugung des Brennstoffs aus Kohlenwasserstoffen mit einem Reformer ist bislang die CO-Bildung unvermeidlich. Zur Verminderung der CO-Konzentration werden in Brennstoffzellensystemen nach der Reformierungsstufe mehrere Reinigungsstufen eingesetzt, welche die CO-Konzentration schrittweise verringern.
• Zur Beseitigung von CO-Restkonzentrationen wurde bislang beispielsweise das sogenannte Air-Bleading bekannt. Hierbei wird dem Anodengas eine kleine Menge Luft (z.B. für eine Sauerstoffkonzentration von 1 %) zugeführt, welches die Oxidation des am Katalysator der Elektrode gebundenen CO bewirkt. Die Selektivität bezüglich der CO-Oxidation ist jedoch begrenzt, so dass neben der erwünschten Oxidation des CO auch die an dieser Stelle unerwünschte Oxidation des Brennstoffs in hohem Maße abläuft.
• Weiterhin ist es bereits bekannt geworden (vgl. DE 197 108 19 ), die beiden Elektroden der Brennstoffzelle elektrisch impulsartig kurzzuschließen bzw. die Zellspannung stark abzusenken, wodurch unter bestimmten Randbedingungen eine Reinigung der CO-belasteten Elektrode möglich ist. Neben der hierdurch auftretenden Leistungsverlusten zwischen 1 % bis 2 % ist bei diesem Stand der Technik eine Leistungselektronik für die elektrische Schaltung erforderlich, die im Kurzschluss der beiden Elektroden einen großen Kurzschlussstrom aushalten muss. Diese Leistungselektronik ist sehr aufwendig.
• Weiterhin ist der US 6,096,448 A eine Brennstoffzelleneinheit mit Zuführung eines Brennstoffs zur Anode und eines Oxidanten zur Kathode entnehmbar, bei der periodisch die Brennstoffzufuhr zur Anode unterbrochen und mit Hilfe einer Ventile umfassenden Umschalteinheit auf brennstofffreie Fluide umgeschaltet wird, um so einer Katalysatorvergiftung, insbesondere durch Kohlenmonoxid, entgegenzuwirken.
• Vorteile der Erfindung
• Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Vorrichtung vorzuschlagen, bei der der Aufwand zur Verringerung der CO-Konzentration vermindert wird.
• Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Stand der Technik der einleitend genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
• Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.
• Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinheit, bei der eine erste Zuführung für ein erstes Betriebsmittel im Bereich der ersten Elektrode und eine zweite zuführung fpr ein zweites Betriebsmittel im Bereich der zweiten Elektrode vorgesehen sind, dadurch aus, dass eine Umschalteinheit zum Umschalten der Zufuhr des ersten Betriebsmittels auf die zweite Zuführung und zum Umschalten der Zufuhr des zweiten Betriebsmittels auf die erste Zuführung vorgesehen ist.
• Durch diese Umschalteinheit ist ein Wechsel der Betriebsmittel auf beiden Seiten der Brennstoffzelle möglich, wobei es zu einer Umpolung der Brennstoffzellenpolarität kommt. Die Anode wird beim Umschalten der Betriebsmittelzufuhr zur Kathode und die Kathode zur Anode. Als wesentlicher Vorteil der Erfindung ergibt sich hierbei, dass eine durch CO-Kontamination des Anodenbetriebsmittels hervorgerufene Vergiftung des Katalysators der Anode nach dem Umschalten oxidiert wird. Gleichzeitig findet auf der anderen Elektrode die Umsetzung des Brennstoffs an einer zunächst nicht vergifteten Elektrode statt. Der Umschaltvorgang kann wiederholt werden, sobald an der nunmehr zur Anode gewordenen zweiten Elektrode die oben angeführte CO-Kontamination eintritt.
• Durch periodisches Umschalten der Betriebsmittelzufuhr kann die CO-Toleranz der Brennstoffzelle um ein Mehrfaches gesteigert werden, z.B. von 50 ppm im Standardbetrieb auf 1 %.
• Die geringeren Anforderungen an die Reinheit des Brennstoffs bedingen dabei einen verminderten Aufwand in der Brennstoffreinigung, der sich beispielsweise im Wegfall von Feinreinigungsstufen oder z.B. einer verkleinerten Auslegung einer sogenannten Shift-Stufe widerspiegelt. Hierdurch werden die Kosten und die Komplexität des Brennstoffzellensystems entscheidend verringert.
• Darüber hinaus ergeben sich vorteilhafte Auswirkungen für den Wasserhaushalt der Brennstoffzelle.
• Zur genauen Einstellung der Feuchtigkeit auf der Anoden- und Kathodenseite ist ein gewisser verfahrenstechnischer Aufwand notwendig. In einer PEM-Brennstoffzelle wird die Befeuchtung der Wasserstoffseite beispielsweise dadurch erschwert, dass mit jedem Ladungsträger (Proton) zusätzliche Wassermoleküle durch die Membran transportiert werden, man spricht von einer elektroosmotischen Wassermigration. Tendenziell herrscht deshalb auf der Anodenseite eine Verarmung der Membran an Wasser vor, während auf der Kathodenseite das durch die Membran migrierte Wasser zusammen mit dem durch den Verbrauch bzw. die elektrochemische Umsetzung der Betriebsmittel entstehenden Wasser aus der elektrochemischen Reaktion ein Überangebot an Wasser darstellt. Es sind deshalb verfahrenstechnische Anstrengungen notwendig, um dieses Ungleichgewicht im Wasserhaushalt auszugleichen.
• Durch die Umschaltung der Betriebsmittelzuführungen gemäß der Erfindung wird auch die Migration des Wassers durch die Membran umgekehrt. Unmittelbar nach dem Umschalten befindet sich an der Anodenseite eine mit Wasser angereicherte Elektrodenstruktur. Auf der Kathodenseite, welche im kontinuierlichen Betrieb ein Überangebot von Wasser aufweist, liegt nach dem Umschalten zunächst eine wasserarme Elektrodenstruktur vor. Das Wasser wird jeweils in einer Halbperiode eines periodischen Umschaltzyklus von der Anodenseite zur Kathodenseite transportiert, um von dort nach der Umpolung wieder zurückzuwandern. Die Elektrodenstruktur erweist sich somit als Zwischenspeicher für einen Teil des für den Betrieb benötigten Wassers. Der mittlere Wassergehalt der Membran und hierdurch bedingt die Leitfähigkeit wird somit angehoben, was sich vorteilhaft auf den inneren Widerstand der Brennstoffzelle und somit auf die an den Elektroden abgreifbare Betriebsspannung auswirkt.
• Vorzugsweise werden bei einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit die beiden Elektroden gleich ausgebildet. Unterschiedliche Einflüsse der Elektroden beim Umschalten der Betriebsmittelzufuhr werden hierdurch vermieden.
• In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Elektrodenanordnung in der Brennstoffzelle symmetrisch ausgebildet. Hierdurch liegen beim Umschalten der Betriebsmittelzufuhr auf jeder Seite der Brennstoffzelle die gleichen Betriebsbedingungen vor, so dass das Verhalten der Brennstoffzelle in jedem Halbzyklus, von der Umpolung abgesehen, während des periodischen Umschaltens exakt gleich ist.
• Vorzugsweise umfasst die Umschalteinheit wenigstens ein Ventil. So kann beispielsweise mit Hilfe eines sogenannten 4-Wegeventils in einem Schaltvorgang zugleich die Zufuhr des ersten Betriebsmittels auf die zweite Zuführung und die Zufuhr des zweiten Betriebsmittels auf die erste Zuführung und umgekehrt vorgenommen werden. Im Falle eines einzigen Ventils für diesen Umschaltvorgang wird der Steuerungsaufwand vereinfacht. Der Einsatz mehrerer Ventile mit entsprechender Ansteuerung und Verschaltung ist jedoch ohne Weiteres denkbar.
• Weiterhin wird vorteilhafterweise die Zuführung eines Spülmediums vorgesehen. Die Verwendung eines Spülmediums erhöht die Sicherheit des Gesamtsystems. Durch die Spülung der Betriebsmittelkanäle kann in diesen Kanälen kein zündfähiges Gemisch zur explosionsartigen Umsetzung gelangen (z.B. durch eine Knallgasexplosion). Als Spülmittel kommt beispielsweise ein Inertgas, z.B. ein Edelgas oder Stickstoff, in Frage. Auch ein von Betriebsmitteln abgereichertes Gas, welches sich z.B. aus den abzuleitenden Stoffen, insbesondere aus den elektrochemisch umgesetzten Betriebsmitteln, gewinnen und beispielsweise in einem separaten Gaszwischenspeicher aufbewahren lässt, könnte hierfür Verwendung finden. Vorzugsweise wird hierzu das Umschaltventil bzw. die Umschaltventile entsprechend erweitert, so dass die Zufuhr des Spülmediums auf die erste und die zweite Betriebsmittelzuführung wahlweise oder gleichzeitig schaltbar ist.
• Eine weitere Möglichkeit, zündfähige Gemische zur explosionsartigen Umsetzung der Betriebsmittel zu vermeiden, besteht darin, durch entsprechend kleine Betriebsmittel-Verteilerstrukturen eine laminare Strömung der Betriebsmittel auszubilden, so dass sich nur im Grenzbereich durch Interdiffusion ein reaktionsfähiges Gemisch bilden kann. Weiterhin wird die Verhinderung einer Kettenreaktion dadurch erleichtert, dass einer anzunehmenden Reaktion durch derart enge Kanäle ständig Wärme entzogen würde und sie somit unmittelbar zum Erliegen käme. In Betriebsmittel-Verteilerstrukturen von größeren Stacks kann entweder durch eine entsprechende Wahl der Kanalgeometrie oder durch das oben beschriebene Verfahren des Zwischenspülens mit einem reaktionsträgen Spülmedium die unerwünschte Reaktion verhindert werden.
• Vorteilhafterweise erfolgt das Umschalten der Stoffströme periodisch, wozu beispielsweise eine entsprechende Steuerung für die Umschalteinheit vorgesehen werden kann. In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform wird das Umschalten abhängig vom Betriebszustand der Brennstoffzelle vorgenommen. Hierzu wird vorteilhafterweise ein Messwertaufnehmer zur Erfassung des Betriebszustands, beispielsweise der Spannung oder der Stromdichte vorgesehen. Die Steuerung schaltet hierbei die Stoffströme abhängig von dem über den Messwertaufnehmer ermittelten Betriebszustand um.
• Weiterhin wird in einer vorteilhaften Ausführungsform eine Umschaltung in Abhängigkeit von der CO-Konzentration im Brenngas vorgesehen. Hierzu wird ein entsprechender CO-Sensor im Brenngas vorgesehen, der mit der Steuerung der Umschalteinheit in Verbindung steht. Beim periodischen Umschalten der Stoffströme wird hierbei beispielsweise abhängig von der CO-Konzentration die Periodenlänge variiert. Die CO-Konzentration im Brenngas gibt einen Hinweis darauf, innerhalb welcher Zeit eine CO-Vergiftung der Elektrode vorliegt.
• Die Umschaltung kann weiterhin abhängig von der Durchflussmenge des Brenngases abhängig gemacht werden. Die Durchflussmenge gibt ebenfalls ein Indiz für den Grad der CO-Vergiftung wieder. In einer vorteilhaften Ausführungsform die Durchflussmenge und die CO-Konzentration zusammen ausgewertet, um die Periodenlänge für das Umschalten der Stoffströme zu ermitteln.
• Weiterhin wird vorteilhafterweise eine elektronische Schaltung zum elektrischen Umschalten der Polarität der Elektroden vorgesehen. Sofern diese elektrische Umschaltung im Takt mit der Umschaltung der Betriebsmittel erfolgt, liegt an den Ausgangsklemmen der Brennstoffzelleneinheit stets die gleiche elektrische Polarität vor, da die Umpolung durch Umschaltung der Betriebsmittel durch die elektrische Umpolung kompensiert wird.
• Daher ist es von Vorteil, die elektronische Schaltung zum elektrischen Umschalten der Polarität der Elektroden mit der Umschalteinheit für die Betriebsmittel zu synchronisieren. Hierzu wird vorteilhafterweise ein abhängig vom Schalten der Umschalteinheit für die Betriebsmittel generierbares Signal für die elektronische Schaltung zum elektrischen Schalten vorgesehen. Mit Hilfe dieses Signals kann die elektrische Umpolung zeitgleich oder mit einem gewünschten Zeitversatz kontrolliert vorgenommen werden.
• Weiterhin kann es von Vorteil sein, eine zentrale Steuereinheit für das Schalten der Betriebsmittel und für das elektrische Schalten vorzusehen. Eine solche Steuereinheit kann beispielsweise auch ohne das oben angeführte Signal für die Umschaltung der Betriebsmittelzufuhr beide Umschaltvorgänge kontrollieren.
• Darüber hinaus können einzelne Brennstoffzellen über ein entsprechendes Steuermodul verfügen, wobei jedes Steuermodul über eine separate schaltbare Betriebsmittelverteilung und gegebenenfalls die entsprechende Leistungselektronik zum elektrischen Umschalten der Polarität verfügt. Die Verwendung solcher Steuermodule für einzelne Brennstoffzellen ermöglicht die beliebige Kombination mehrerer Brennstoffzellen zu einem sogenannten Stack.
• Weiterhin wird in einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ein elektrischer Speicher vorgesehen. Ein solcher Speicher kann beispielsweise in Form eines Akkus, Kondensators oder dergleichen, ausgebildet werden. Er bildet einen elektrischen Puffer, der den Leistungsabfall unmittelbar nach dem Umschalten der Betriebsmittelzufuhr wenigstens teilweise kompensiert und somit die Schwankungen in der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle reduziert.
• Weiterhin ist es von Vorteil, die Entsorgungsleitungen für die beiden abzuleitenden Stoffströme so zusammenzuführen, dass keine zündfähigen Mischungen gebildet werden. Es ist beispielsweise möglich, diesen abzuleitenden Stoffstrom über einen nachgeschalteten katalytischen Brenner energetisch zu nutzen.
• Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit, die Entsorgungsleitungen für abzuleitende Stoffströme mit elektrochemisch umgesetzten Betriebsmitteln ebenfalls umschaltbar auszubilden, so dass diese abzuleitenden Stoffströme wie bei bisherigen Brennstoffzellen ohne Umschalteinheit ohne Wechsel der Stoffströme an entsprechenden Ausgangsleitungen abzugreifen und gegebenenfalls weiterzuverarbeiten sind.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert.
• Im Einzelnen zeigen
• 1 eine schematische Darstellung des Grundaufbaus einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle,
• 2 eine erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinheit mit Mehrfachventil,
• 3 ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung der Schaltzustände einer erfindungsgemäßen Umschalteinheit und
• 4 eine Brennstoffzelleneinheit mit umschaltbaren Ableitströmen.
• In der schematischen Darstellung gemäß 1 ist eine Brennstoffzelle 1 mit zwei Brennstoffzellenelektroden 2, 3 und einem dazwischen befindlichen Brennstoffzellenelektrolyten 4 veranschaulicht. Im Bereich des Brennstoffzellenelektrolyten 4 befindet sich üblicherweise eine nicht näher dargestellte Membran.
• Eine Betriebsmittelzuführung 5 ist im Bereich der Brennstoffzellenelektrode 2 und eine Betriebsmittelzuführung 6 im Bereich der Brennstoffzellenelektrode 3 mit der Brennstoffzelle 1 verbunden. Die beiden Betriebsmittelzuführungen 5, 6 sind mit einem 4-Wege-Ventil 7 verbunden. Weiterhin sind zwei Betriebsmittel-Versorgungsleitungen 8, 9 mit dem 4-Wege-Ventil 7 verbunden. Eine dieser Betriebsmittel-Versorgungsleitung, beispielsweise die Versorgungsleitung 8, führt hierbei ständig den Brennstoff B zu, während die andere Versorgungsleitung, beispielsweise die Versorgungsleitung 9, ständig das zu reduzierende Betriebsmittel, beispielsweise Luft L, zuführt. Das 4-Wege-Ventil 7 ist nunmehr in der Lage, die Brennstoff B führende Versorgungsleitung, beispielsweise die Versorgungsleitung 8, den Betriebsmittelzuführungen 5, 6 abwechselnd zuzuschalten. In umgekehrter Abfolge wird dementsprechend die Versorgungsleitung 9, beispielsweise zur Versorgung mit Luft L, ebenfalls abwechselnd der anderen Betriebsmittelzuführung 5, 6 zugeschaltet.
• Weiterhin sind in 1 auf der gegenüberliegenden Seite der Brennstoffzelle 1 zwei Entsorgungsleitungen 10, 11 erkennbar.
• 2 entspricht im Wesentlichen der Darstellung gemäß
• 1, wobei nunmehr ein Mehrfachventil 12 zusätzlich mit einer Leitung 13 für ein Spülmedium I verbunden ist. Das Mehrfachventil 12 ist in der Lage, zusätzlich zu dem periodischen Umschalten der Versorgungsleitung 8, 9 auf die Betriebsmittelzuführungen 5, 6 wahlweise auch ein Spülmedium I aus der Leitung 13 auf die Betriebsmittelzuführungen 5, 6 zu schalten.
• Die zeitliche Abfolge der jeweiligen Schaltzustände ist in 3 veranschaulicht. Über die waagrechte Achse ist die Zeit t aufgetragen. Durch die waagrechte Trennlinie ist der Ablauf für die beiden Betriebsmittelzuführungen 5, 6 getrennt. Jeweils drei Positionen entlang der senkrechten Achse veranschaulichen die Zufuhr eines Brenngases B, eines zu reduzierenden Betriebsmittels, beispielsweise Luft L, und eines Inertgases I zum Spülen der Betriebsmittelzuführungen 5, 6. So ist beispielsweise bei Beginn des Zeitdiagramms Luft L der Betriebsmittelzuführung 6 und somit der Elektrode 3 zugeschaltet. Das heißt, die Betriebsmittelzuführung 6 ist über das Mehrwegeventil mit der Betriebsmittel-Versorgungsleitung 9 verbunden. Die andere Betriebsmittelzuführung 6 ist zu diesem Zeitpunkt dem Brenngas B, d.h. der Betriebsmittel-Versorgungsleitung 8, zugeschaltet.
• Zum Zeitpunkt t₁ werden beide Betriebsmittelzuführungen 5, 6 über das Mehrfachventil 12 mit der Leitung 13 verbunden, so dass das Inertgas 2 zur Spülung der Elektroden 2, 3 zugeführt wird.
• Zum Zeitpunkt t₂ wird der Spülvorgang beendet und eine gegenüber dem Zeitpunkt t₀ umgekehrte Betriebsmittelversorgung vorgenommen. Das heißt, die Betriebsmittelzuführung 5 wird nunmehr mit Luft L über die Betriebsmittel-Versorgungsleitung 9 versorgt, während die Betriebsmittelzuführung 6 über die Betriebsmittel-Versorgungsleitung 8 mit Brennstoff B versorgt wird.
• Zum Zeitpunkt t₃ wird erneut auf einen Spültakt geschaltet, bei dem beide Betriebsmittelzuführungen 5, 6 mit der Leitung 13 zur Spülung mit Inertgas I verbunden werden.
• Ab dem Zeitpunkt t₄ wird wieder der ursprüngliche Schaltzustand entsprechend dem Zeitpunkt t₀ hergestellt, indem die Betriebsmittelzuführung 5 mit Brennstoff B über die Betriebsmittel-Versorgungsleitung 8 und die Betriebsmittelzuführung 6 mit Luft L über die Betriebsmittel-Versorgungsleitung 9 versorgt wird. Anschließend erfolgt eine periodische Wiederholung der dargestellten Betriebszyklen.
• 4 entspricht im Wesentlichen der Darstellung gemäß 1, wobei nunmehr die beiden Entsorgungsleitungen 10, 11 mit einem weiteren 4-Wege-Ventil 14 verbunden sind. Weiterhin sind zwei Ausgangsleitungen 15, 16 mit dem 4-Wege-Ventil 14 verbunden. Durch periodisches Schalten des 4-Wege-Ventils 14 im Gleichtakt mit dem 4-Wege-Ventil 7 kann dabei sichergestellt werden, dass die zu entsorgenden Stoffströme in der Ausgangsleitung 15 bzw. in der Ausgangsleitung 16 gleich bleiben. Diese Anordnung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn eine unterschiedliche Weiterverarbeitung für die von der Kathode bzw. von der Anode stammenden Stoffströme vorgesehen ist.
• Da die beiden Elektroden 2, 3 bei jedem Schalttakt ihre Funktion als Anode bzw. Kathode ändern, ändern sich in den Entsorgungsleitungen 10, 11 auch die entsprechenden Stoffströme. Durch das 4-Wege-Ventil 14 wird sichergestellt, dass jeweils der von der aktuellen Anode stammende Stoffstrom einer festen Ausgangsleitung, beispielsweise der Ausgangsleitung 15, und der von der jeweils aktuellen Kathode stammende Stoffstrom einer festen Ausgangsleitung, beispielsweise der Ausgangsleitung 16, zugeordnet wird.
• Durch die periodische Umschaltung der Betriebsmittelzufuhr zwischen den Betriebsmittelzuführungen 5, 6 ändert sich mit der gleichen Periodizität die Richtung der elektrochemischen Umsetzung in der Brennstoffzelle und somit auch die elektrische Polarität der Elektroden. Um diese elektrochemisch verursachte Umpolung zu kompensieren, kann, wie oben angeführt, eine nicht näher dargestellte, elektronische Schalteinheit zur elektrischen Umpolung vorgesehen werden. Diese Schalteinheit muss im Übrigen nicht zwangsläufig elektronisch ausgebildet sein, sie könnte ohne Weiteres beispielsweise auch mechanische Schaltelemente umfassen.
• Wesentlich bei der Erfindung ist, dass durch die Umkehr der elektrochemischen Reaktionsrichtung die jeweils CO-überladene Elektrode gereinigt wird, während sich die andere Elektrode mit CO anreichert. Die CO-Verträglichkeit der Brennstoffzelle wird hierbei um ein Vielfaches erhöht, wodurch sich der Aufwand zur Reinigung des Brennstoffs von CO deutlich reduzieren lässt.

1

Brennstoffzelle

2

Brennstoffzellenelektrode

3

Brennstoffzellenelektrode

4

Brennstoffzellenelektrolyt

5

Betriebsmittelzuführung

6

Betriebsmittelzuführung

7

4-Wege-Ventil

8

Betriebsmittel-Versorgungsleitung

9

Betriebsmittel-Versorgungsleitung

10

Entsorgungsleitung

11

Entsorgungsleitung

12

Mehrfachventil

13

Leitung

14

4-Wege-Ventil

15

Ausgangsleitung

16

Ausgangsleitung

Claims (14)

1. Brennstoffzelleneinheit (1) mit wenigstens zwei Elektroden (2, 3), mit einer ersten Zuführung (5) für ein erstes Betriebsmittel B im Bereich der ersten Elektrode (2) und mit einer zweiten Zuführung (6) für ein zweites Betriebsmittel L im Bereich der zweien Elektrode (3), dadurch gekennzeichnet, dass eine Umschalteinheit (7) zum Umschalten der Zufuhr des ersten Betriebsmittels B auf die zweite Zuführung (6) und zum Umschalten der Zufuhr des zweiten Betriebsmittels L auf die erste Zuführung (5) vorgesehen ist.
2. Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (2, 3) gleich ausgebildet sind.
3. Brennstoffzelleneinheit nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung in der Brennstoffzelle symmetrisch ausgebildet ist.
4. Brennstoffzelleneinheit nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschalteinheit (7) wenigstens ein Ventil umfasst.
5. Brennstoffzelleneinheit nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zuführung (13) für ein Spülmedium I vorgesehen ist.
6. Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr des Spülmediums I auf die erste und/oder die zweite Betriebsmittelzuführung (5, 6) schaltbar ist.
7. Brennstoffzelleneinheit nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschalteinheit zum Umschalten der Stoffströme eine Steuerung für ein periodisches Umschalten umfasst.
8. Brennstoffzelleneinheit nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Messwertaufnehmer zur Erfassung des Betriebszustands der Brennstoffzelle vorgesehen ist, wobei die Steuerung für ein Umschalten der Stoffströme in Abhängigkeit von diesem Betriebszustand ausgebildet ist.
9. Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor zur Erfassung der CO-Konzentration im Brenngas und/oder der Durchflussmenge des Brenngases vorgesehen und die Steuerung der Umschalteinheit zum Umschalten in Abhängigkeit von der CO-Konzentration im Brenngas und/oder der Durchflussmenge des Brenngases ausgebildet ist.
10. Brennstoffzelleneinheit nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektronische Schaltung zum elektrischen Umschalten der Polarität der Brennstoffzelle vorgesehen ist.
11. Brennstoffzelleneinheit nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zentrale Steuereinheit für das Schalten der Betriebsmittel und für das Schalten der elektrischen Umpolung vorgesehen ist.
12. Brennstoffzelleneinheit nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein elektrischer Speicher vorgesehen ist.
13. Brennstoffzelleneinheit nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Entsorgungsleitungen (10, 11) für elektrochemisch umgesetzte Betriebsmittel enthaltende Stoffströme zusammengeführt sind.
14. Brennstoffzelleneinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Entsorgungsleitungen für elektrochemisch umgesetzte Betriebsmittel enthaltende Stoffströme umschaltbar sind.