AT528323B1 - Boxermodul für ein elektrochemisches Zellensystem - Google Patents

Abstract

Boxermodul (10) für ein elektrochemisches Zellensystem (200), mit einer Mehrzahl von entlang einer Boxerrichtung (BR) übereinander angeordneten Zellenstapeln (100), jeweils aufweisend einen Kraftstoffabschnitt mit einem Kraftstoffzuführabschnitt (122) zur Zufuhr von Kraftstoffzuführgas (KZG) und einem Kraftstoffabführabschnitt (124) zur Abfuhr von Kraftstoffabgas (KAG) und einen Luftabschnitt mit einem Luftzuführabschnitt (132) zur Zufuhr von Luftzuführgas (LZG) und einem Luftabführabschnitt (134) zur Abfuhr von Luftabgas (LAG), wobei wenigstens ein gemeinsamer Modul-Gasführungsabschnitt (110) mit einer Führungsrichtung (FR) quer zur Boxerrichtung (BR) zwischen zwei Zellenstapeln (100) angeordnet ist, so dass der Modul-Gasführungsabschnitt (110) einen ersten Modulbereich (M1) mit einer ersten Teilmenge (T1) der Zellenstapel (100) von einem zweiten Modulbereich (M2) einer zweiten Teilmenge (T2) der Zellenstapel (100) trennt, wobei der Modul- Gasführungsabschnitt (110) in gemeinsamer fluidkommunizierender Verbindung mit dem Kraftstoffzuführabschnitt (122), dem Kraftstoffabführabschnitt (124), dem Luftzuführabschnitt (132) oder dem Luftabführabschnitt (134) der Zellenstapel (110) beider Teilmengen (T1, T2) der Zellenstapel (100) entlang der Boxerrichtung (BR) steht, wobei wenigstens eine der beiden Teilmengen (T1, T2) zwei oder mehr, entlang der Boxerrichtung (BR) übereinander gestapelte Zellenstapel (100) aufweist, wobei die Zellenstapel (100) seitlich für einen Gasdurchlass ausgebildet sind, insbesondere mit einer Durchlassrichtung (DR) quer zur Boxerrichtung (BR).

Description

Beschreibung

BOXERMODUL FÜR EIN ELEKTROCHEMISCHES ZELLENSYSTEM

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Boxermodul für ein elektrochemisches Zellensystem sowie ein elektrochemisches Zellensystem mit wenigstens einem solchen Boxermodul.

[0002] Es ist bekannt, dass elektrochemische Zellensysteme eingesetzt werden, um als Brennstoffzellensystem elektrischen Strom zu erzeugen oder als Elektrolysesystem aus elektrischem Strom Kraftstoff in Form von Brenngas herzustellen. Dabei werden häufig einzelne elektrochemische Zellen stapelweise zu Zellenstapeln kombiniert. Für den Betrieb solcher Zellenstapel müssen Zuführgase zum Zellenstapel hinzugeführt und Abführgase von diesem abgeführt werden. Elektrochemisch lassen sich solche Zellenstapel in einen Kraftstoffabschnitt und einen Luftabschnitt aufteilen. Entsprechend muss Luftzuführgas zum Luftabschnitt hingeführt und Luftabgas als entstehendes Abgas abgeführt werden. Für den Kraftstoffabschnitt wird entsprechend Kraftstoffzuführgas zugeführt und Kraftstoffabgas abgeführt.

[0003] Nachteilhaft bei den bekannten elektrochemischen Zellensystem ist die hohe Komplexität für die Fluidkommunikation für die einzelnen Gase. So ist für jedes der einzelnen Gase, sowohl auf der Zuführseite als auch auf der Abführseite, eine separate und insbesondere auch kontrollierbare Zuführmöglichkeit für eine Fluidkommunikation notwendig. Auch auf Abführseite ist entsprechend, in vorzugsweise kontrollierbarer Weise, eine Fluidkommunikation zur Verfügung zu stellen. Bekannte elektrochemische Zellensysteme weisen entsprechend aufwendige Leitungssysteme auf, welche sowohl hinsichtlich des Platzbedarfs als auch hinsichtlich des Montageaufwandes eine hohe Komplexität mit sich bringen.

[0004] Weitere Boxermodule sind beispielsweise aus der EP 1947726 A1, der DE 102004003670 A1 und der US 2016344057 A1 bekannt.

[0005] Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise die Kompaktheit von einem elektrochemischen Zellensystemen mit mehreren Zellenstapeln zu verbessern.

[0006] Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Boxermodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein elektrochemisches Zellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Boxermodul beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellensystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.

[0007] Erfindungsgemäß ist ein Boxermodul für ein elektrochemisches Zellensystem ausgebildet und weist eine Mehrzahl von entlang einer Boxerrichtung übereinander angeordneten Zellenstapeln auf. Jeder dieser Zellenstapel ist mit einem Kraftstoffabschnitt mit einem Kraftstoffzuführabschnitt zur Zufuhr von Kraftstoffzuführgas und einem Kraftstoffabführabschnitt zur Abfuhr von Kraftstoffabgas ausgestattet. Darüber hinaus weist jeder Zellenstapel einen Luftabschnitt auf mit einem Luftzuführabschnitt zur Zufuhr von Luftzuführgas und einem Luftabführabschnitt zur Abfuhr von Luftabführgas.

[0008] Ein erfindungsgemäßes Boxermodul zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens ein gemeinsamer Modul-Gasführungsabschnitt mit einer Führungsrichtung quer zur Boxerrichtung und zwischen den Zellenstapeln angeordnet ist. Damit trennt dieser Modul-Gasführungsabschnitt einen ersten Modulbereich mit einer ersten Teilmenge der Zellenstapel von einem zweiten Modulbereich mit einer zweiten Teilmenge der Zellenstapel. Der Modul-Gasführungsabschnitt ist in gemeinsamer fluidkommunizierender Verbindung mit dem Kraftstoffzuführabschnitt, dem Kraftstoffabführabschnitt, dem Luftzuführabschnitt oder dem Luftabführabschnitt der Zellenstapel beider

Teilmengen der Zellenstapel entlang der Boxerrichtung. Damit steht der Modul-Gasführungsabschnitt mit genau einem der vier möglichen Abschnitte mit jedem der Zellenstapel in fluidkommunizierender Verbindung.

[0009] Der erfindungsgemäße Kerngedanke beruht nun darauf, eine besonders kompakte Bauweise und eine erhöhte spezifische volumetrische Leistungsdichte mit einer kompakten und vereinfachten Fluidkommunikation zu kombinieren. Eine besonders kompakte Bauweise wird durch die hier als Boxerbauweise bezeichnete Konstruktion erreicht, weshalb das erfindungsgemäß ausgebildete Modul des elektrochemisches Zellensystems auch als Boxermodul bezeichnet wird. Der Begriff „Boxer“ nimmt dabei Anleihe an die aus dem Verbrennungsmotorenbereich bekannten Boxermotoren, bei welchen die einzelnen Zylinder entlang einer Boxerrichtung einander gegenüberliegend angeordnet sind.

[0010] Erfindungsgemäß ist nun ein Boxermodul mit einer Mehrzahl von Zellenstapeln ausgestattet. Diese Zellenstapel sind vorzugsweise alle identisch oder im Wesentlichen identisch aufgebaut und sind mit einzelnen Zellen entlang einer Stapelrichtung gestapelt versehen. Die einzelnen Zellentapel sind nun zueinander entlang einer Boxerrichtung ausgerichtet und damit übereinander oder gegenüber zueinander angeordnet. Jeder Zellenstapel ist für die Funktionalität des elektrochemischen Zellensystems mit den entsprechenden Gaskomponenten ausgebildet, sodass eine elektrochemische Umsetzung von Kraftstoffzuführgas und Luftzuführgas zu Kraftstoffabgas und Luftabgas stattfinden kann. Hier ist noch darauf hinzuweisen, dass sich die Begriffe „Luft“ und „Kraftstoff“ auf den jeweiligen Abschnitt des Zellenstapels beziehen und keine exakte Gaszusammensetzung vorschreiben. Vielmehr bilden die elektrochemischen Zellen eine Kraftstoffseite und eine Luftseite aus. Im Brennstoffzellenbetrieb erfolgt eine Umsetzung von Kraftstoff auf der Kraftstoffseite unter dem Verbrauch von Sauerstoff auf der Luftseite zur Erzeugung elektrischen Stroms. Bei einer Verwendung im Elektrolysebetrieb wird unter Verbrauch von elektrischem Strom auf der Kraftstoffseite Kraftstoff in Form von Brenngas erzeugt.

[0011] Der erfindungsgemäße Kerngedanke beruht nun darauf, die Gasführungsfunktionalität deutlich zu vereinfachen. Dies gelingt dadurch, dass wenigstens ein gemeinsamer Modul-Gasführungsabschnitt vorgesehen ist. Ein gemeinsamer Modul-Gasführungsabschnitt ist ein Gasführungsabschnitt zur Führung von genau einem der Prozessgase, für dieses Boxermodul und damit gemeinsam für alle entsprechenden Abschnitte der Zellenstapel entlang der Boxerrichtung. Der Kerngedanke insbesondere beruht darauf, dass nun mit einem gemeinsamen Modul-Gasführungsabschnitt alle Zellenstapel entlang der Boxerrichtung gemeinsam mit diesem spezifischem Prozessgas, also dem Kraftstoffzuführgas, dem Kraftstoffabführgas, dem Luftzuführgas oder dem Luftabgas, versorgt werden können. Dabei ist in einem ersten Schritt unerheblich für welches dieser Prozessgase der Modul-Gasführungsabschnitt ausgebildet ist. Es kann sogar Vorteile mit sich bringen, wenn für zwei, mehr oder sogar alle Prozessgase der Zellenstapel jeweils ein gemeinsamer und damit für das jeweilige Prozessgas spezifischer Modul-Gasführungsabschnitt vorgesehen ist. Darunter ist zu verstehen, dass für zwei oder mehr Prozessgase jeweils ein separater und damit für das jeweilige Prozessgas spezifischer Modul-Gasführungsabschnitt vorgesehen ist.

[0012] Die erfindungsgemäßen Vorteile werden bereits dann erzielt, wenn genau ein solcher gemeinsamer Modul-Gasführungsabschnitt vorgesehen ist. Nachfolgend werden die Vorteile anhand eines Beispiels erläutert, bei dem die zentrale gemeinsame Gasführung für das Kraftstoffzuführgas gewährleistet wird. Für einen solchen Fall ist nun der Modul-Gasführungsabschnitt zwischen den Zellenstapeln angeordnet und trennt damit die Zellenstapel in einen ersten Modulbereich und einen zweiten Modulbereich. Der erste Modulbereich und der zweite Modulbereich liegen damit einander gegenüber und bilden die eingangs aus dem Verbrennungsmotorbereich bekannte Boxeranordnung der einzelnen aktiven Systemteile hier nun in Form der Zellenstapel. Vorzugweise weist jede der Teilmengen wenigstens einen Zellenstapel auf, jedoch können die Vorteile maximiert werden, wenn jede der Teilmengen zwei oder mehr Zellenstapel zu einem entsprechend größeren Boxerstapel ausbildet.

[0013] Erfindungsgemäß wird nun für alle Zellenstapel aller Teilmengen aller Modulbereiche eine

gemeinsame Zuführung oder Abführung des jeweiligen Prozessgases möglich. Beim Einsatz für das Kraftstoffzuführgas kann also der Modul-Gasführungsabschnitt das Kraftstoffzuführgas gemeinsam dem Boxermodul zuführen und entsprechend durch die fluidkommunizierende Verbindung mit allen Kraftstoffzuführabschnitten aller Zellenstapel an diese weitergeben und verteilen. In ähnlicher oder sogar identischer Weise kann auch ein Aufnehmen des Kraftstoffabgases oder ein Zuführen von Luftzuführgas oder ein Abführen von Luftabgas mit einem jeweils separaten und für dieses Prozessgas spezifischen Modul-Gasführungsabschnitt stattfinden. Dadurch, dass nun die Führungsrichtung des Modul-Gasführungsabschnittes im Wesentlichen quer zur Boxerrichtung angeordnet ist, können sich die Zellenstapel seitlich aneinanderreihen, während quer dazu entlang der Führungsrichtung das entsprechende Prozessgas durch den Modul-Gasführungsabschnitt gefördert und geführt werden kann.

[0014] Später mit Bezug auf das elektrochemische Zellensystem wird noch erläutert, dass nicht nur für das Boxermodul selbst damit eine deutliche Verbesserung der Kompaktheit und eine Reduktion der Komplexität erzielt werden kann. Vielmehr wird durch diesen modularen Aufbau auch eine Aneinanderreihung mehrerer Boxermodule möglich, sodass Modulreihen und/oder Modulpacks ausgebildet werden können.

[0015] Damit wird eine im Wesentlichen beliebig große Skalierbarkeit gegeben, um entsprechend vorzugsweise entlang der Führungsrichtung oder sogar quer zur Führungsrichtung beliebig große elektrische Leistungsfähigkeiten des elektrochemischen Zellensystems zur Verfügung stellen zu können.

[0016] Es ist noch darauf hinzuweisen, dass bei diesem Boxermodul dieses sowohl für den Stromerzeugungsbetrieb als auch für den Brenngas-Erzeugungsbetrieb verwendet werden kann. So kann das damit ausgestattet elektrochemische Zellensystem zum Beispiel als SOFC-Anlage betrieben werden, um entsprechend aus Brenngasen eine Stromerzeugungseinheit darzustellen. In umgekehrter Richtung ist es auch denkbar, ein entsprechend ausgestaltetes elektrochemisches Zellensystem mit einen oder mehreren Boxermodulen zur Erzeugung von Kraftstoff in Form von Brenngasen unter Stromverbrauch zu gewährleisten. In beiden Fällen können die einzelnen Boxermodule die beschriebenen Vorteile hinsichtlich Kompaktheit und reduzierter Komplexität für den jeweiligen Einsatzzweck mit sich bringen.

[0017] Beim erfindungsgemäßen Boxermodul weisen wenigstens eine der beiden Teilmengen zwei oder mehr, entlang der Boxerrichtung übereinander gestapelte Zellenstapel, auf. Insbesondere führt dies dazu, dass wenigstens eine einseitige, doppelte Stapelung der Zellenstapel zur Verfügung gestellt wird. Je mehr Zellenstapel auf einer Seite und damit in einem der beiden Modulbereiche angeordnet sind, umso höher wird die Leistungsdichte des Boxermoduls zur Verfügung gestellt. Gleichzeitig wird durch eine geringe Erhöhung der Komplexität ohne eine unnötig hohe Vergrößerung des benötigten Bauraums eine weitere Nutzung der Vorteile eines erfindungsgemäßen Boxermoduls möglich. Somit wird unter Beibehaltung der Vorteile eine weitere Maximierung der Flexibilität sowie der elektrochemischen Zellenfunktionalität hinsichtlich der Kompaktheit und des reduzierten Platzbedarfs erzielt.

[0018] Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Boxermodul die Anzahl der Zellenstapel der beiden Teilmengen identisch ist. Dies führt zu einer symmetrischen Ausgestaltung die auch als Boxersymmetrie im Boxermodul bezeichnet werden kann, sodass vorzugweise beide Teilmengen der beiden Modulbereiche identisch sind. Zum Beispiel sind jeweils zwei Zellenstapel oder auch beidseitig mehr als zwei Zellenstapel vorgesehen. Durch die symmetrische Ausgestaltung bei dieser Ausführungsform wird insbesondere hinsichtlich der fluidkommunizierenden Verbindung eine Fluidsymmetrie erzielt, sodass ein vereinfachtes Kontrollieren der fluidkommunizierenden Verbindung und Förderung des jeweiligen Prozessgases zu und von den einzelnen Zellenstapeln gewährleistet werden kann. Werden beispielsweise zwei Zellenstapel pro Teilmenge vorgesehen, so kann das Boxermodul auch als doppeltes Boxermodul bezeichnet werden.

[0019] Von Vorteil ist es darüber hinaus, wenn bei einem erfindungsgemäßen Boxermodul wenigstens ein zweiter Modul-Gasführungsabschnitt mit einer Führungsrichtung quer zur Boxerrich-

tung angeordnet ist für eine Führung für eine von dem ersten Modul-Gasführungsabschnitt unterschiedlichen Gas. Somit kann auch für ein zweites Prozessgas des elektrochemischen Zellensystems der erfindungsgemäße Vorteil der erhöhten Kompaktheit und der reduzierten Komplexität zur Verfügung gestellt werden. Die Vorteile werden also damit auch für weitere Prozessgase gewährleistet, sodass sich die erfindungsgemäßen Optimierungsmöglichkeiten auf diese Weise multiplizieren. Auch ist es möglich, dass die Führungsrichtungen aller Modul-Gasführungsabschnitte parallel oder im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind und sich damit quer zur Boxerrichtung erstrecken. Beispielsweise kann für den Kraftstoffabschnitt der einzelnen Zellenstapel ein erster Modul-Gasführungsabschnitt für das Kraftstoffzuführgas und ein zweiter Modul-Gasführungsabschnitt für das Kraftstoffabführgas vorgesehen sein.

[0020] Weitere Vorteile können erzielt werden, wenn bei einem erfindungsgemäßen Boxermodul gemäß dem voranstehenden Absatz für alle Gase der Zellenstapel jeweils ein spezifischer gemeinsamer Modul-Gasführungsabschnitt mit einer Führungsrichtung quer zur Boxerrichtung angeordnet ist. Dabei ist noch darauf hinzuweisen, dass es ausreicht, wenn zumindest einer der gemeinsamen Modul-Gasführungsabschnitte zwischen den Zellenstapeln angeordnet ist. Je nach tatsächlicher Nutzung und vor allem der Größe des elektrochemischen Zellensystems können zusätzliche zweite oder weitere gemeinsame Modul-Gasführungsabschnitte auch vorteilhaft neben den einzelnen Zellenstapeln angeordnet sein. Dabei wird jedoch insbesondere die Anordnung der Führungsrichtung quer zur Boxerrichtung beibehalten, sodass nicht nur zwischen den Zellenstapeln, sondern seitlich zu den Zellenstapeln der jeweilige Modul-Gasführungsabschnitt angeordnet ist.

[0021] Ebenfalls Vorteile bringt es mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Boxermodul der wenigstens eine Modul-Gasführungsabschnitt zumindest einen Zuführabschnitt zu zumindest einem Zellenstapel entlang der Boxerrichtung aufweist. Ein solcher Zuführabschnitt dient dazu, den Abstand zwischen einem nahen Zellenstapel und einem zum Modul-Gasführungsabschnitt weiter entfernten Zellenstapel zu überbrücken. Während die meisten Vorteile bereits erzielt werden, wenn eine direkte fluidkommunizierende Verbindung zwischen einem benachbarten Zellenstapel und dem Modul-Gasführungsabschnitt vorgesehen ist, kann ein solcher separater Zuführabschnitt nicht nur eine Uberbrückung von einem größeren Abstand gewährleisten, sondern beim Einbinden von Kontrollsystemen, wie beispielsweise Kontrollventilen, auch eine leichtere und verbesserte Kontrollierbarkeit der einzelnen Zellenstapel im Boxermodul zur Verfügung stellen.

[0022] Vorteile kann es weiter mit sich bringen, wenn bei einem Boxermodul gemäß dem voranstehenden Absatz der zumindest eine Zuführabschnitt sich in einem der beiden Modulbereiche mit einer Teilmenge von mehr als einem Zellenstapel seitlich neben einem, dem Modul-Gasführungsabschnitt nahen Zellenstapel, zu einem, dem Modul-Gasführungsabschnitt fernen Zellenstapel erstreckt. Wie bereits weiter oben erläutert, gibt es Ausführungsformen mit einem sogenannten doppelten Boxermodul, sodass zwei oder sogar noch mehr Zellenstapel in einer Teilmenge und damit in einem der beiden Modulbereiche angeordnet sind. Für die fluidkommunizierende Verbindung zu dem vom Modul-Gasführungsabschnitt weiter entfernten Zellenstapel dient ein solcher Zuführabschnitt entsprechend einer fluidkommunizierenden Uberbrückung, um die erfindungsgemäßen Vorteile der kompakten Bauweise mit einer leicht erhöhten Komplexität, aber immer noch bei reduziertem und damit optimiertem Bauraum, zu verwirklichen.

[0023] Weitere Vorteile sind ebenfalls erzielbar, wenn bei einem erfindungsgemäßen Boxermodul zwischen zwei Zellenstapeln einer der beiden Teilmengen und/oder zwischen einem der Brennstoffzellenstapel und dem Modul-Gasführungsabschnitt quer zur Boxerrichtung eine elektrische Isolationsschicht angeordnet ist für eine elektrische Isolation der beiden Zellenstapel gegeneinander und/oder gegen den Modul-Gasführungsabschnitt. Dabei kann es sich zum Beispiel um eine eingelegte, separate Isolationsschicht handeln, aber auch um eine direkt in den jeweiligen Zellenstapel und/oder den Modul-Gasführungsabschnitt integrierte elektrische Isolationsschicht. Dieser einfache sandwichartige Aufbau erlaubt es insbesondere bei der Montage der Zellenstapel wie auch des Boxermoduls vereinfacht vorzugehen. So wird ein einfaches, sequentielles und modulares Aufbauen der einzelnen Zellenstapel möglich, welche in einem weiteren Montageschritt entlang der Boxerrichtung übereinandergestapelt werden. Um die separate Kon-

trollierbarkeit und die elektrische Isolation zu gewährleisten, kann durch ein einfaches Ausbilden oder Einlegen der elektrischen Isolationsschicht eine elektrische Trennung der einzelnen Zellenstapel oder zum Modul-Gasführungsabschnitt im Boxermodul zur Verfügung gestellt werden. Insbesondere bei Varianten mit zwei oder mehr Zellenstapeln pro Modulbereich kann für eine vereinfachte Gasführung zwischen den jeweiligen Zellenstapeln eine metallische Verteilerplatte angeordnet sein. Um eine elektrisch leitende Verbindung über das metallische Material der Verteilerplatte zur vermeiden, kann diese insbesondere beidseitig mit der beschriebenen Isolationsschicht ausgestattet sein.

[0024] Weiter ist es bei einem erfindungsgemäßen Boxermodul vorgesehen, dass der Zellenstapel seitlich für einen Gasdurchlass ausgebildet ist, insbesondere mit einer Durchlassrichtung quer zur Boxerrichtung. Eine solche Ausgestaltung kann auch als offene Elektrode bezeichnet werden, bei welcher der Kraftstoffabschnitt der Zellenstapel mit dezidierten Zuführungen und Abführungen für die Prozessgase auf der Kraftstoffseite vorgesehen ist. Die offen ausgebildete Elektrode erlaubt ein freies Durchströmen von einer Luftseite des Zellenstapel zur anderen Seite mit Luft. Dies verbessert und steigert die erfindungsgemäßen Vorteile noch weiter, da für die Luftabschnitte der Zellenstapel überhaupt keine separaten oder zumindest geringer Aufwand für die fluidkommunizierenden Zufuhr- und Abfuhrleitungen mehr benötigt werden. Die Durchlassrichtung ist dabei zum Beispiel nicht nur quer zur Boxerrichtung, sondern zusätzlich auch quer zur Führungsrichtung ausgebildet, sodass sich aus Boxerrichtung, Führungsrichtung und Durchlassrichtung ein dreiachsiges, drei-dimensionales Koordinatensystem aufspannen lässt.

[0025] Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein elektrochemisches Zellensystem zur Ausbildung einer elektrochemischen Funktionalität, welches wenigstens ein erfindungsgemäBes Boxermodul aufweist. Damit bringt ein erfindungsgemäßes elektrochemisches Zellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Boxermodul erläutert worden sind. Eine elektrochemische Funktionalität ist im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere die Stromerzeugung unter der elektrochemischen Umsetzung von Kraftstoff in Form von Brenngasen und/oder eine Produktion von Kraftstoff in Form von Brenngasen unter Stromverbrauch. Durch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Boxermoduls bringt ein erfindungsgemäßes elektrochemisches Zellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Boxermodul erläutert worden sind.

[0026] Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellensystem wenigstens zwei Boxermodulen entlang einer Reihenrichtung nebeneinander angeordnet sind und damit eine Modulreihe ausbilden, wobei die Modul-Gasführungsabschnitte der wenigstens zwei Boxermodule der Modulreihe ineinander übergehen, wobei insbesondere die Führungsrichtung der Modul-Gasführungsabschnitte der wenigstens zwei Boxermodule gleich, vorzugswiese koaxial, ausgerichtet ist. Hier wird durch diese Ausführungsform ein entscheidender Vorteil in der Optimierung durch ein erfindungsgemäßes Boxermodul deutlich. Durch die reihenförmige Ausrichtung entlang der Reihenrichtung bilden die Modul-Gasführungsabschnitte jeweils die Modulreihe weiter und gehen bei koaxialer Ausrichtung sogar ineinander über. Der gemeinsame Modul-Gasführungsabschnitt bildet die gemeinsame Gasführung nicht nur für alle Zellenstapel innerhalb eines Boxermoduls, sondern entlang der Modulreihe für alle Boxermodule dieser Modulreihe aus. Damit kann der gemeinsame Modul-Gasführungsabschnitt als gemeinsamer, modulübergreifender Reihengasführungsabschnitt bezeichnet werden. Die erfindungsgemäßen Vorteile werden damit entlang der Modulreihe skalierbar, sodass insbesondere im flexiblen Aufbau unterschiedlich große und unterschiedlich leistungsfähige elektrochemische Zellensysteme sehr einfach konfiguriert und ausgelegt werden können. Wird eine größere elektrische Leistungsfähigkeit für das elektrochemische Zellensystem benötigt, so wird einfach die Modulreihe durch die entsprechend benötigte Anzahl an Boxermodulen verlängert oder bei geringerer benötigter elektrischer Leistungsfähigkeit verkürzt.

[0027] Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellensystem wenigstens zwei Boxermodule nebeneinander angeordnet sind und damit einen Modulpack ausbilden, wobei die Modul-Gasführungsabschnitte Boxermodule des Modulpacks voneinander getrennt ausgebildet sind und insbesondere mit parallel oder im Wesentlichen parallel

ausgerichteten Führungsrichtungen. Damit kann alternativ oder zusätzlich zur Reihenskalierung gemäß dem voranstehenden Abschnitt eine Packskalierung zur Verfügung gestellt werden. So ist es insbesondere sogar möglich, wenn mehrere Modulreihen in dieser Modulpackweise nebeneinander ausgebildet sind, sodass eine doppelte Skalierbarkeit die Vorteile des erfindungsgemäBen Boxermoduls noch flexibler zur Verfügung stellen kann.

[0028] Insbesondere ist es von Vorteil, wenn bei einem erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellensystem zwischen den Modulreihen wenigstens ein gemeinsamer Gaskanal angeordnet ist für eine Versorgung der Zellenstapel beider Modulreihen. Dabei handelt es sich um einen Gaskanal der sich insbesondere von dem gemeinsamen Modul-Gasführungsabschnitt unterscheidet und insbesondere nicht Teil des jeweiligen Boxermoduls ist. Dabei kann es sich um einen zentralen Kanal zwischen zwei Modulreihen oder aber auch um einen dezentralen Kanal außerhalb der jeweiligen Modulreihe als Sammelkanal handeln.

[0029] Wie im voranstehenden Absatz erläutert, kann es von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellensystem zusätzlich oder alternativ zu dem gemeinsamen zentralen Gaskanal ein gemeinsamer Sammelkanal für ein Sammeln von Gasen von den Zellenstapeln einer Modulreihe angeordnet ist. Dieser gemeinsame Sammelkanal kann ebenfalls als zentraler Gaskanal oder als dezentraler Sammelkanal außerhalb der Modulreihen angeordnet sein.

[0030] Weitere Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellensystem die Boxermodule in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Dieses gemeinsame Gehäuse ist insbesondere gasdicht ausgebildet und bringt besonders dann eine weitere Steigerung der Kompaktheit mit sich, wenn die Zellenstapel mit einer offenen Elektrode ausgebildet sind.

[0031] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen schematisch:

[0032] Fig. 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Boxermoduls, [0033] Fig. 2 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Boxermoduls,

[0034] Fig. 4 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellensystems und

[0035] Fig. 5 die Ausführungsform der Figur 4 in Draufsicht.

[0036] Figur 1 zeigt schematisch ein Boxermodul 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Dieses ist bei dieser Bauweise mit insgesamt vier Zellenstapeln 100 ausgebildet, wobei jeder der Zellenstapel 100 nicht näher dargestellt in stapelweiser Anordnung eine Vielzahl einzelner elektrochemischer Zellen aufweist. Für den Betrieb der jeweiligen Zellenstapel 100 sind diese in eine Kraftstoffseite und eine Luftseite in Form eines Kraftstoffabschnitts und eines Luftabschnitts getrennt, die durch die jeweilige Zellenmembran die elektrochemische Funktionalität zur Verfügung stellen. Der Ubersichtlichkeit geschuldet, sind diese einzelnen Details der einzelnen elektrochemischen Zellen in den Zellenstapeln 100 hier nicht dargestellt.

[0037] In der dargestellten Ausführung des Boxermoduls 10 sind nun oberhalb und unterhalb von hier zwei gemeinsamen Modul-Gasführungsabschnitten 110 jeweils zwei Zellenstapel 100 vorgesehen. Dabei bildet sich bei der Ausführung der Figur 1 oberhalb der gemeinsamen ModulGasführungsabschnitte 110 eine erste Teilmenge T1 in einem ersten Modulbereich M1 und unterhalb der beiden Modul-Gasführungsabschnitte 110 eine zweite Teilmenge T2 im zweiten Modulbereich M2, welcher durch den Modul-Gasführungsabschnitt 110 vom ersten Modulbereich M1 getrennt ist.

[0038] Durch die Trennung in einen ersten und zweiten Modulbereich M1 und M2 kann eine Versorgung der Prozessgase durch die Modul-Gasführungsabschnitte 110 nun für alle Zellenstapel 100 in gemeinsamer Weise erfolgen. Bei der Ausführungsform der Figur 1 handelt es sich zum Beispiel um das Kraftstoffabführgas KAG und das Kraft-stoffzuführgas KZG.

[0039] Die vier Zellenstapel 100 sind entlang einer Boxerrichtung BR übereinander angeordnet, wobei sich die beiden Zellenstapel 100 des ersten Modulbereichs M1 gegenüber oberhalb der beiden Zellenstapel 100 des zweiten Modulbereichs M2 befinden und sich damit die mehrfach erläuterte Boxeranordnung relativ zum zentralen Modul-Gasführungsabschnitt 110 ergibt. Die Führungsrichtung FR ist senkrecht zur Zeichnungsebene der Figur 1 ausgerichtet und damit quer zur Boxerrichtung BR. Die Zellenstapel 100 sind hier in offener Elektrodenbauweise für die Luftseite ausgebildet, sodass von rechts nach links Luftzuführgas LZG entlang der Durchlassrichtung DR durch die offenen Zellenstapel 100 strömen kann und das Luftabgas LAG entsprechend auf der linken Seite wieder gesammelt wird.

[0040] Dadurch, dass es sich bei der Ausführungsform der Figur 1 um ein doppeltes Boxermodul 10 handelt, also in jedem Modulbereich im Einzelnen jeweils zwei Zellenstapel 100 angeordnet sind, ist eine moderate Steigerung der Komplexität zu erkennen. Um die jeweils weiter von dem Modul-Gasführungsabschnitt 110 beanstanden Zellenstapel 100 mit einer fluidkommunizierende Verbindung auszustatten, sind hier jeweils seitlich zu dem zum Modul-Gasführungsabschnitt 110 nahen Zellenstapel 100 verlaufende Zuführabschnitte 112 zu erkennen. Diese bilden die fluidkommunizierende Verbindung entsprechend zum Kraftstoffzuführabschnitt 122 und zum Kraftstoffabführabschnitt 124 des jeweils entfernteren Zellenstapels 100 aus.

[0041] In der Figur 1 sind noch elektrische Isolationsschichten 140 zwischen den jeweiligen Zellenstapeln 100 angeordnet. Diese dienen der elektrischen Isolation des jeweiligen Zellenstapels 100 gegen den benachbarten Zellenstapel 100 des gleichen Modulbereichs M1 oder M2 sowie insbesondere gegen eine beispielsweise aus Metall ausgebildete Verteilerplatte (nicht dargestellt) zwischen den beiden Zellenstapeln 100 und/oder ebenfalls aus Metall ausgebildeten Zuführabschnitte 112. Beispielsweise ist die Isolationsschicht 140 als Ringisolator für die Zuführabschnitte 112 ausgebildet. Die Figur 2 bildet eine asymmetrische Darstellung bei vergrößerter Kompaktheit und etwas reduzierter elektrischer Leistungsfähigkeit aus. Hier ist gut zu erkennen, dass die erfindungsgemäßen Vorteile auch dann zu Tage treten, wenn die beiden Teilmengen T1 und T2 sich hinsichtlich der Anzahl der Zellenstapel 100 voneinander unterscheiden. Die restliche Funktionalität ist dabei gleichbleibend mit der zur Figur 1 beschriebenen.

[0042] Nicht in den Figuren dargestellt ist eine Variante mit geschlossener Elektrode. Dort wird separat nun über eine fluidkommunizierende Leitungsverbindung das Luftzuführgas LZG jeweils dem Luftzuführabschnitt 132 zugeführt und von allen Zellenstapeln 100 wieder über einen gemeinsamen Luftabführabschnitt 134 das Luftabführgas LAG gesammelt.

[0043] Die Figuren 3 und 4 zeigen ein elektrochemisches Zellensystem 200 mit mehreren erfindungsgemäßen Boxermodulen 10. So sind hier insgesamt sechs Boxermodule 10 vorgesehen, welche entlang von zwei Modulreihen 20 angeordnet sind. Die Figur 3 zeigt eine Vorderansicht auf eine linke und eine rechte Modulreihe 20. Beide Modulreihen sind mit mehreren hintereinander angeordneten Boxermodulen 10 ausgebildet, wie sie die Figur 1 zeigt. Auch hier sind die Boxermodule 10 mit offenen Elektroden ausgestattet. Um entsprechend die Gaszuführung des Luftzuführgases LZG zu gewährleisten, sind nun zentral innerhalb des Gehäuses 230 zwei Gaskanäle 210 vorgesehen, welche seitliche Öffnungen aufweisen. Das Luftzuführgas LZG kann dann offen durch die Elektrodenabschnitte der Zellenstapel 100 aller Teilmengen T1 und T2 strömen und wird jeweils außen als Luftabführgas LAG von gemeinsamen Sammelkanälen 220 wieder gesammelt. Auf der anderen Elektrodenseite aller Zellenstapel 100 erfolgt die Versorgung und Entsorgung mit den Prozessgasen, wie mit Bezug auf die Figur 1 erläutert. Hier ist gut zu erkennen, wie durch die reihenförmige Ausbildung mehrerer Reihen jeweils gemeinsam einen Modulpack 30 ausbilden können. So kann ein seitliches und damit packweises Skalieren der Leistungsfähigkeit eines auf diese Weise aufgebauten elektrochemischen Zellensystems 200 zur Verfügung gestellt werden.

[0044] In der Figur 4 ist eine Draufsicht auf die Figur 3 zu erkennen. Hier sind die einzelnen Modulpacks 30 hintereinandergeschaltet, sodass sich eine linke und eine rechte Modulreihe 20 ergibt. Jede Modulreihe 20 ist hier mit drei Boxermodulen 10 mit jeweils vier Zellenstapeln 100, wie in Figur 3 dargestellt, ausgebildet. Hier ist gut zu erkennen, wie Durchlassrichtung DR, Füh-

rungsrichtung FR und Boxerrichtung BR zusammen ein dreiachsiges, dreidimensionales Koordinatensystem ausbilden.

[0045] Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.

BEZUGSZEICHENLISTE

10 Boxermodul 20 Modulreihe 30 Modulpack

100 Zellenstapel

110 Modul-Gasführungsabschnitt 112 Zuführabschnitt

122 Kraftstoffzuführabschnitt

124 Kraftstoffabführabschnitt

132 Luftzuführabschnitt

134 Luftabführabschnitt

140 elektrische Isolationsschicht

200 elektrochemisches Zellensystem 210 gemeinsamer Gaskanal

220 gemeinsamer Sammelkanal

230 Gehäuse

BR Boxerrichtung

FR Führungsrichtung DR Durchlassrichtung RR Reihenrichtung

KZG Kraftstoffzuführgas KAG Kraftstoffabführgas LZG Luftzuführgas LAG Luftabführgas

M1 erster Modulbereich T1 erste Teilmenge

M2 zweiter Modulbereich T2 zweite Teilmenge

Claims (13)

Patentansprüche

1. Boxermodul (10) für ein elektrochemisches Zellensystem (200), mit einer Mehrzahl von entlang einer Boxerrichtung (BR) übereinander angeordneten Zellenstapeln (100), jeweils aufweisend einen Kraftstoffabschnitt mit einem Kraftstoffzuführabschnitt (122) zur Zufuhr von Kraftstoffzuführgas (KZG) und einem Kraftstoffabführabschnitt (124) zur Abfuhr von Kraftstoffabgas (KAG) und einen Luftabschnitt mit einem Luftzuführabschnitt (132) zur Zufuhr von Luftzuführgas (LZG) und einem Luftabführabschnitt (134) zur Abfuhr von Luftabgas (LAG), wobei wenigstens ein gemeinsamer Modul-Gasführungsabschnitt (110) mit einer Führungsrichtung (FR) quer zur Boxerrichtung (BR) zwischen zwei Zellenstapeln (100) angeordnet ist, so dass der Modul-Gasführungsabschnitt (110) einen ersten Modulbereich (M1) mit einer ersten Teilmenge (T1) der Zellenstapel (100) von einem zweiten Modulbereich (M2) einer zweiten Teilmenge (T2) der Zellenstapel (100) trennt, wobei der Modul-Gasführungsabschnitt (110) in gemeinsamer fluidkommunizierender Verbindung mit dem Kraftstoffzuführabschnitt (122), dem Kraftstoffabführabschnitt (124), dem Luftzuführabschnitt (132) oder dem Luftabführabschnitt (134) der Zellenstapel (110) beider Teilmengen (T1, T2) der Zellenstapel (100) entlang der Boxerrichtung (BR) steht, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der beiden Teilmengen (T1, T2) zwei oder mehr, entlang der Boxerrichtung (BR) übereinander gestapelte Zellenstapel (100) aufweist, wobei die Zellenstapel (100) seitlich für einen Gasdurchlass ausgebildet sind, insbesondere mit einer Durchlassrichtung (DR) quer zur Boxerrichtung (BR).

2. Boxermodul (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Zellenstapel (100) der beiden Teilmengen (T1, T2) identisch ist.

3. Boxermodul (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein zweiter Modul-Gasführungsabschnitt (110) mit einer Führungsrichtung (FR) quer zur Boxerrichtung (BR) angeordnet ist für eine Führung von einem von dem ersten Modul-Gasführungsabschnitt (110) unterschiedlichen Gas.

4. Boxermodul (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass für alle Gase der Zellenstapel (100) jeweils ein spezifischer gemeinsamer Modul-Gasführungsabschnitt (110) mit einer Führungsrichtung (FR) quer zur Boxerrichtung (BR) angeordnet ist.

5. Boxermodul (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Modul-Gasführungsabschnitt (110) zumindest einen Zuführabschnitt (112) zu zumindest einem Zellenstapel (100) entlang der Boxerrichtung (BR) aufweist.

6. Boxermodul (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Zuführabschnitt (112) sich in einem der beiden Modulbereiche (M1, M2) mit einer Teilmenge (T1, T2) von mehr als einem Zellenstapel (100) seitlich neben einem, dem Modul-Gasführungsabschnitt (110) nahen Zellenstapel (100) zu einem, dem Modul-Gasführungsabschnitt (110) fernen Zellenstapel (100) erstreckt.

7. Boxermodul (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei Zellenstapeln (100) einer der beiden Teilmengen (T1, T2) und/oder dem Modul-Gasführungsabschnitt (110) quer zur Boxerrichtung (BR) eine elektrische Isolationsschicht (140) angeordnet ist für eine elektrische Isolation der beiden Zellenstapel (100) gegeneinander und/oder gegen den Modul-Gasführungsabschnitt (110).

8. Elektrochemisches Zellensystem (200) zur Ausbildung einer elektrochemischen Funktionalität, gekennzeichnet durch wenigstens ein Boxermodul (10) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 7.

9. Elektrochemisches Zellensystem (200) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Boxermodule (10) entlang einer Reihenrichtung (RR) nebeneinander angeordnet sind und damit eine Modulreihe (20) ausbilden, wobei die Modul-Gasführungsabschnitte (110) der wenigstens zwei Boxermodule (10) der Modulreihe (20) ineinander übergehen, wobei insbesondere die Führungsrichtung (FR) der Modul-Gasführungsabschnitte

(110) der wenigstens zwei Boxermodule (10) gleich, vorzugsweise koaxial, ausgerichtet ist.

10. Elektrochemisches Zellensystem (200) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Boxermodule (10) nebeneinander angeordnet sind und damit ein Modulpack (30) ausbilden, wobei die Modul-Gasführungsabschnitte (110) der Boxermodule (10) des Modulpacks (30) voneinander getrennt ausgebildet sind, insbesondere mit parallel oder im Wesentlichen parallel ausgerichteten Führungsrichtungen (FR).

11. Elektrochemisches Zellensystem (200) nach den Ansprüchen 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Modulreihen (20) wenigstens ein gemeinsamer Gaskanal (210) angeordnet ist für eine Versorgung der Zellenstapel (100) beider Modulreihen (20).

12. Elektrochemisches Zellensystem (200) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass außerhalb der Modulreihen (20) ein gemeinsamer Sammelkanal (220) für eine Sammeln von Gas von den Zellenstapeln (100) einer Modulreihe (20) angeordnet sind.

13. Elektrochemisches Zellensystem (200) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Boxermodule (10) in einem gemeinsamen Gehäuse (230) angeordnet sind.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen