DE102017108440A1

DE102017108440A1 - Elektrochemievorrichtung und Verfahren zum Betrieb einer Elektrochemievorrichtung

Info

Publication number: DE102017108440A1
Application number: DE102017108440.1A
Authority: DE
Inventors: Joachim Herrmann; Frank Allebrod
Original assignee: H TEC SYSTEMS GmbH; HTec Systems GmbH
Current assignee: HTec Systems GmbH
Priority date: 2017-04-20
Filing date: 2017-04-20
Publication date: 2018-10-25
Also published as: WO2018193071A1; JP7155246B2; EP3612667A1; US20200040474A1; CA3060319C; JP2020517836A; AU2018253926A1; US11326267B2; AU2018253926B2; CA3060319A1

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Elektrochemievorrichtung, insbesondere einer Elektrolysevorrichtung, insbesondere einer Polymerelektrolytmembran-Elektrolysevorrichtung, mit zumindest einer Zelleneinheit (12a-d), die zumindest eine erste elektrochemische Zelle (14a-d) und zumindest eine zweite elektrochemische Zelle (16a-d) umfasst, und mit zumindest einer Fluidversorgungseinheit (18a-d) zur Versorgung der Zelleneinheit (12a-d) mit zumindest einem Fluid, insbesondere mit Wasser, die zumindest einen ersten Fluidversorgungspfad (20a-d), der zumindest abschnittsweise durch die erste elektrochemische Zelle (14a-d) führt, und zumindest einen zweiten Fluidversorgungspfad (22a-d), der zumindest abschnittsweise durch die zweite elektrochemische Zelle (16a-d) führt, umfasst
Es wird vorgeschlagen, dass die Fluidversorgungseinheit (18a-d) derart ausgebildet ist, dass in zumindest einem Normalbetriebszustand ein Volumenstrom des Fluids durch die erste elektrochemische Zelle (14a-d) und durch die zweite elektrochemische Zelle (16a-d) zumindest im Wesentlichen identisch ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Elektrochemievorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Elektrochemievorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 13.
Aus dem Stand der Technik sind Elektrolyseure bekannt, die einen Zellenstapel, oft auch als „Stack“ bezeichnet, aufweisen, der eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Elektrolysezellen aufweist. Beispielsweise im Fall von Wasserstoffelektrolyseuren zur Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff aus elektrochemischer Spaltung von Wasser wird der Zellenstapel kontinuierlich mit Wasser versorgt, das zugleich als Edukt und als Kühlmittel fungiert.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht insbesondere darin, verbesserte Eigenschaften hinsichtlich eines zuverlässigen und/oder effizienten Betriebs einer Elektrochemievorrichtung, insbesondere einer Elektrolysevorrichtung, bereitzustellen. Weiterhin besteht eine Aufgabe der Erfindung insbesondere darin, eine zuverlässige und/oder gleichmäßige Fluidversorgung einer Elektrochemievorrichtung zu erzielen. Zudem besteht eine Aufgabe der Erfindung insbesondere darin, eine baulich einfache und zugleich effiziente Geometrie einer Fluidversorgung bereitzustellen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 sowie des Patentanspruchs 13 gelöst, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnommen werden können.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einer Elektrochemievorrichtung, insbesondere einer Elektrolysevorrichtung, insbesondere einer Polymerelektrolytmembran-Elektrolysevorrichtung, mit zumindest einer Zelleneinheit, die zumindest eine erste elektrochemische Zelle und zumindest eine zweite elektrochemische Zelle umfasst, und mit zumindest einer Fluidversorgungseinheit zur Versorgung der Zelleneinheit mit zumindest einem Fluid, insbesondere mit Wasser, die zumindest einen ersten Fluidversorgungspfad, der zumindest abschnittsweise durch die erste elektrochemische Zelle führt, und zumindest einen zweiten Fluidversorgungspfad, der zumindest abschnittsweise durch die zweite elektrochemische Zelle führt, umfasst.
Es wird vorgeschlagen, dass die Fluidversorgungseinheit derart ausgebildet ist, dass in zumindest einem Normalbetriebszustand ein Volumenstrom des Fluids durch die erste elektrochemische Zelle und durch die zweite elektrochemische Zelle zumindest im Wesentlichen identisch ist.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann insbesondere ein zuverlässiger und/oder effizienter Betrieb erzielt werden. Ferner kann eine Elektrochemievorrichtung mit vorteilhaften Eigenschaften hinsichtlich einer Fluidversorgung bereitgestellt werden. Zudem kann eine bauliche Einfachheit und/oder eine reduzierte Teilevielfalt erzielt werden. Außerdem kann eine gleichmäßige Druckverteilung in einem Zellenstapel erzielt werden. Vorteilhaft können elektrochemische Zellen gleichmäßig mit Fluid, insbesondere mit Wasser, versorgt werden. Des Weiteren kann insbesondere im Fall von Zellenstapeln mit einer großen Anzahl von Einzelzellen und/oder für lange Zellenstapel eine gleichmäßige und/oder umfassende Fluidversorgung erzielt werden. Vorteilhaft kann eine ungleichmäßige Erwärmung vermieden werden. Außerdem kann vorteilhaft eine hohe Dichtigkeit eines Zellenstapels erzielt werden. Weiterhin kann ein hoher Wirkungsgrad, insbesondere einer Wasserstofferzeugung, erzielt werden. In vorteilhafter Weise kann zur Erzielung einer gleichmäßigen Fluidversorgung auf Regulierventile oder dergleichen zumindest weitgehend verzichtet werden.
Unter einer „Elektrochemievorrichtung“ soll insbesondere zumindest ein, vorzugsweise funktionsfähiger, Teil eines Geräts und/oder einer Maschine, insbesondere eines Elektrolyseurs, verstanden werden, die zur Durchführung zumindest eines zumindest teilweise elektrochemischen Arbeitsschritts vorgesehen ist. Insbesondere kann die Elektrochemievorrichtung auch das gesamte Gerät und/oder die gesamte Maschine umfassen. Vorzugsweise ist die Elektrochemievorrichtung dazu vorgesehen, elektrische Energie in chemische Bindungsenergie und/oder chemische Bindungsenergie in elektrische Energie umzuwandeln. Insbesondere läuft in dem Normalbetriebszustand zumindest eine chemische Reaktion ab, die mit einem elektrischen Strom verknüpft ist, insbesondere eine Redox-Reaktion. Beispielsweise kann die Elektrochemievorrichtung eine Brennstoffzellenvorrichtung, eine Batterievorrichtung, eine Messgerätevorrichtung, eine Generatorvorrichtung, eine Analysevorrichtung, eine Elektrodepositionsvorrichtung, eine Anodisierungsvorrichtung, eine Galvanisierungsvorrichtung, eine Redoxreaktorvorrichtung oder dergleichen umfassen. Vorzugsweise ist die Elektrochemievorrichtung als eine Elektrolysevorrichtung ausgebildet, besonders bevorzugt als eine Wasserstoffelektrolysevorrichtung, die insbesondere zur elektrochemischen Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff vorgesehen ist. Die Elektrochemievorrichtung kann dazu vorgesehen sein, zumindest ein Gas, insbesondere Wasserstoff, mit einem Überdruck gegenüber einer Umgebung bereitzustellen, insbesondere mit einem Druck von wenigstens 1 bar, wobei auch Drücke von wenigstens 5 bar, wenigstens 10 bar, wenigstens 15 bar, wenigstens 20 bar, wenigstens 30 bar oder noch größere Drücke denkbar sind. Insbesondere kann die Elektrochemievorrichtung zu einer Verbindung mit einem Gasbehälter, insbesondere einem Wasserstofftank, vorgesehen sein, wobei denkbar ist, dass ein Betriebsdruck der Elektrochemievorrichtung an einen Füllstand des Gasbehälters anpassbar und/oder angepasst ist. Beispielsweise ist denkbar, dass die Elektrochemievorrichtung das Gas gegen einen Fülldruck des Gasbehälters erzeugt und diesen insbesondere ohne Verwendung eines Kompressors oder dergleichen befüllt. Alternativ ist auch denkbar, dass die Elektrochemievorrichtung zumindest im Wesentlichen frei von einem Überdruck betrieben wird. Ferner ist denkbar, dass die Elektrochemievorrichtung bei einem konstanten Druck betreibbar ist und/oder in dem Normalbetriebszustand mit einem konstanten Arbeitsdruck betrieben ist. Insbesondere in diesem Fall ist eine Kombination mit einem Kompressor denkbar. Zudem kann die Elektrochemievorrichtung eine Hochdruckelektrolysevorrichtung und insbesondere dazu vorgesehen sein, zumindest ein Gas, insbesondere Wasserstoff, mit einem Druck von wenigstens 50 bar, vorzugsweise von wenigstens 70 bar und besonders bevorzugt von wenigstens 100 bar oder noch mehr zu erzeugen und/oder bereitzustellen. Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell programmiert, ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt.
Unter einer „elektrochemischen Zelle“ soll insbesondere eine funktionelle Einheit verstanden werden, mittels derer zumindest eine elektrochemische Reaktion durchführbar ist, insbesondere eine elektrochemische Reaktion der Art, für deren Durchführung die Elektrochemievorrichtung vorgesehen ist. Beispielsweise kann die elektrochemische Zelle eine Brennstoffzelle, eine Batteriezelle, eine Messzelle, eine Redoxzelle oder dergleichen sein. Vorteilhaft ist die elektrochemische Zelle eine Elektrolysezelle. Besonders vorteilhaft ist die elektrochemische Zelle eine Zellenstapel-kompatible Elektrolysezelle, insbesondere eines Elektrolyse-Zellenstapels. Vorteilhaft umfasst die elektrochemische Zelle zumindest eine Anode, an welcher in dem Normalbetriebszustand vorzugsweise Sauerstoff gebildet wird. Vorzugsweise umfasst die elektrochemische Zelle zumindest eine Kathode, an welcher in dem Normalbetriebszustand bevorzugt Wasserstoff gebildet wird. Vorteilhaft umfasst die elektrochemische Zelle zumindest eine Membran, insbesondere eine vorteilhaft selektiv protonenleitende Membran, bevorzugt eine Polymerelektrolytmembran. Besonders bevorzugt sind die Anode und die Kathode zumindest durch die Membran voneinander getrennt. Insbesondere ist die Anode und/oder die Kathode flächig und/oder schichtartig und/oder eine Schicht und/oder Beschichtung. Vorzugsweise ist die Membran zumindest teilweise und besonders bevorzugt zu wenigstens einem Großteil aus Nafion ausgebildet. Vorzugsweise umfasst die elektrochemische Zelle zumindest ein funktionelles Element, insbesondere ein bipolares Element, vorzugsweise eine Bipolarplatte. Insbesondere bildet eine erste Seite des bipolaren Elements eine Anodenseite einer elektrochemischen Zelle und insbesondere eine zweite Seite des bipolaren Elements eine Kathodenseite einer unmittelbar benachbarten anderen elektrochemischen Zelle. Insbesondere kann die erste elektrochemische Zelle und/oder die zweite elektrochemische Zelle wie in diesem Zusammenhang beschrieben ausgebildet sein. Insbesondere sind wenigstens einige, vorteilhaft wenigstens ein Großteil und besonders vorteilhaft alle elektrochemischen Zellen der Zelleneinheit zumindest im Wesentlichen identisch ausgebildet und/oder von derselben und/oder einer analogen Bauart. Unter „zumindest im Wesentlichen identischen“ Objekten sollen in diesem Zusammenhang insbesondere Objekte verstanden werden, die derart konstruiert sind, dass sie jeweils eine gemeinsame Funktion erfüllen können und sich in ihrer Konstruktion abgesehen von Fertigungstoleranzen höchstens durch einzelne Elemente unterscheiden, die für die gemeinsame Funktion unwesentlich sind, und vorteilhaft Objekte, die abgesehen von Fertigungstoleranzen und/oder im Rahmen fertigungstechnischer Möglichkeiten identisch ausgebildet sind, wobei unter identischen Objekten insbesondere auch zueinander symmetrische Objekte verstanden werden sollen. Unter dem Ausdruck „zu wenigstens einem Großteil“ soll dabei insbesondere zu wenigstens 55 %, vorteilhaft zu wenigstens 65 %, vorzugsweise zu wenigstens 75 %, besonders bevorzugt zu wenigstens 85 % und besonders vorteilhaft zu wenigstens 95 %, insbesondere aber auch vollständig verstanden werden. Unter dem Ausdruck „wenigstens ein Großteil“ sollen dabei insbesondere wenigstens 55 %, vorteilhaft wenigstens 65 %, vorzugsweise wenigstens 75 %, besonders bevorzugt wenigstens 85 % und besonders vorteilhaft wenigstens 95 %, insbesondere aber auch 100 % verstanden werden.
Vorzugsweise umfasst die Zelleneinheit eine Mehrzahl, bevorzugt eine Vielzahl, von, insbesondere zumindest im Wesentlichen identisch ausgebildeten, elektrochemischen Zellen. Insbesondere kann es sich bei der ersten elektrochemischen Zelle und/oder bei der zweiten elektrochemischen Zelle jeweils um eine beliebige, insbesondere randständige oder mittig angeordnete, elektrochemische Zelle der Zelleneinheit handeln, wobei insbesondere die Bezeichnungen „erste“ und „zweite“ nicht zwingend, sondern lediglich möglicherweise als eine Reihenfolge und/oder Anordnung beschreibend zu verstehen sind. Insbesondere ist denkbar, dass die erste elektrochemische Zelle und/oder die zweite elektrochemische Zelle, insbesondere unmittelbar, benachbart oder nicht benachbart angeordnet sind. Insbesondere kann die erste elektrochemische Zelle von einer elektrochemischen Zelle der Zelleneinheit, die einer Nummerierung von elektrochemischen Zellen der Zelleneinheit, beispielsweise ausgehend von einer Seite, gemäß mit einer Nummer Eins bezeichnet wäre, verschieden sein. Gleiches gilt insbesondere für die zweite elektrochemische Zelle, insbesondere für eine entsprechende elektrochemische Zelle mit einer Nummer Zwei. Des Weiteren ist denkbar, dass Merkmale, die in Bezug auf die erste elektrochemische Zelle und die zweite elektrochemische Zelle beschrieben sind, für wenigstens einen Großteil und/oder für alle elektrochemischen Zellen der Zelleneinheit gelten.
Vorteilhaft umfasst die Zelleneinheit zumindest einen Zellenstapel, insbesondere einen Elektrolyse-Stack, der eine Mehrzahl, vorzugsweise eine Vielzahl, gestapelt angeordneter elektrochemischer Zellen umfasst. Vorzugsweise umfasst der Zellenstapel zumindest die erste elektrochemische Zelle und/oder die zweite elektrochemische Zelle. Vorteilhaft sind die elektrochemischen Zellen des Zellenstapels zumindest im Wesentlichen identisch ausgebildet. Vorzugsweise weist der Zellenstapel Wiederholeinheiten auf, die mehrere unterschiedliche funktionelle Elemente, vorteilhaft unterschiedliche funktionelle Zellenstapelelemente, umfassen, beispielsweise, insbesondere in der angegebenen Reihenfolge, zumindest eine Bipolarplatte und/oder zumindest ein Siebblech und/oder Lochblech oder dergleichen und/oder zumindest eine Gasdiffusionsschicht, insbesondere eine Sauerstoffdiffusionsschicht, vorteilhaft ein Titanfilz und/oder eine Membran, vorteilhaft eine Polymerelektrolytmembran, und/oder eine weitere Gasdiffusionsschicht, insbesondere eine Wasserstoffdiffusionsschicht, vorteilhaft einen Kohlenstofffilz, und/oder einen, insbesondere ein weiteres Siebblech und/oder Lochblech umfassenden, Kompressionspuffer, insbesondere ein Compression Pad, vorteilhaft ein Streckmetall. Vorteilhaft ist eine Bipolarplatte und/oder ein Lochblech und/oder ein Siebblech und/oder ein Streckmetall und/oder ein anderes metallisches Zellenstapelelement zumindest teilweise, vorteilhaft zu wenigstens einem Großteil aus Titan und/oder aus Edelstahl und/oder aus zumindest einem beschichteten Metall ausgebildet. Insbesondere erstreckt sich jeweils eine elektrochemische Zelle von einer Bipolarplatte bis zu einer nächsten Bipolarplatte. Der Zellenstapel kann dabei eine beliebige Anzahl an elektrochemischen Zellen umfassen, beispielsweise zehn oder 20 oder 30 oder 50 oder 100 oder 150 oder 200 oder mehr oder weniger oder eine beliebige dazwischenliegende Anzahl. Vorteilhaft weist die Zelleneinheit genau einen Zellenstapel auf. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Zelleneinheit mehrere, insbesondere zumindest im Wesentlichen identisch ausgebildete oder unterschiedlich ausgebildete Zellenstapel umfasst, von denen zumindest einige elektrisch und/oder hydraulisch in Reihe und/oder in Serie geschaltet sein können. Vorteilhaft sind die erste elektrochemische Zelle und die zweite elektrochemische Zelle in einem gemeinsamen Zellenstapel angeordnet. Es ist jedoch auch denkbar, dass die erste elektrochemische Zelle und die zweite elektrochemische Zelle in unterschiedlichen Zellenstapeln angeordnet sind.
Vorzugsweise weist die Zelleneinheit zumindest eine erste Endplatte und/oder zumindest eine zweite Endplatte auf. Besonders bevorzugt sind die elektrochemischen Zellen des Zellenstapels zwischen den Endplatten, insbesondere dicht gestapelt, angeordnet. Vorzugsweise sind die erste Endplatte und die zweite Endplatte miteinander verbunden. Besonders bevorzugt beaufschlagen die erste Endplatte und die zweite Endplatte den Zellenstapel von gegenüberliegenden Seiten und insbesondere in eine Richtung senkrecht und/oder zumindest im Wesentlichen senkrecht zu einer Stapelrichtung mit einer Druckkraft. Vorzugsweise entspricht die Stapelrichtung einer Richtung, in welcher der Zellenstapel aus elektrochemischen Zellen aufgebaut ist. Insbesondere verläuft die Stapelrichtung senkrecht und/oder zumindest im Wesentlichen senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der ersten elektrochemischen Zelle und/oder senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene zumindest eines, insbesondere plattenförmigen, Zellenstapelelements. Vorzugsweise ist der Zellenstapel derart beschaffen, dass Haupterstreckungsebenen der elektrochemischen Zellen des Zellenstapels parallel zueinander und insbesondere senkrecht zu der Stapelrichtung angeordnet sind. Vorzugsweise liegt in dem Normalbetriebszustand eine Arbeitsspannung zwischen einer vordersten elektrochemischen Zelle, die insbesondere an der ersten Endplatte anliegt, und einer hintersten elektrochemischen Zelle, die insbesondere an der zweiten Endplatte anliegt, an. Insbesondere in dem Fall, dass die Elektrochemievorrichtung als eine Elektrolysevorrichtung ausgebildet ist, liegt vorteilhaft in dem Normalbetriebszustand an den elektrochemischen Zellen, insbesondere des Zellenstapels, jeweils eine Einzelarbeitsspannung von wenigstens 0,5 V, vorteilhaft von wenigstens 1 V, besonders vorteilhaft von wenigstens 1,2 V und vorzugsweise von wenigstens 1,5 V und/oder von höchstens 10 V, vorteilhaft von höchstens 5V, besonders vorteilhaft von höchstens 2,5 V und bevorzugt von höchstens 2 V an. Es ist aber, insbesondere für andere Fälle, beispielsweise für eine Brennstoffzellenvorrichtung, denkbar, dass in dem Normalbetriebszustand an den elektrochemischen Zellen, insbesondere des Zellenstapels, jeweils eine Einzelarbeitsspannung anliegt, die kleiner als 1 V ist oder auch kleiner als 0,5 V oder noch kleiner oder beispielsweise auch größer als 10 V oder größer als 20 V oder größer als 50 V oder noch größer ist. Ein Fachmann wird eine geeignete Einzelarbeitsspannung einer Anwendung entsprechend beliebig wählen. Unter einer „Haupterstreckungsebene“ eines Objekts soll insbesondere eine Ebene verstanden werden, welche parallel zu einer größten Seitenfläche eines kleinsten gedachten Quaders ist, welcher das Objekt gerade noch vollständig umschließt, und insbesondere durch den Mittelpunkt des Quaders verläuft. Unter „zumindest im Wesentlichen senkrecht“ soll hier insbesondere eine Ausrichtung einer Richtung relativ zu einer Bezugsrichtung, insbesondere in einer Bezugsebene, verstanden werden, wobei die Richtung und die Bezugsrichtung einen Winkel einschließen, der insbesondere weniger als 8°, vorteilhaft weniger als 5° und besonders vorteilhaft weniger als 2° von einem rechten Winkel abweicht.
Insbesondere ist die Fluidversorgungseinheit dazu vorgesehen, die elektrochemischen Zellen der Zelleneinheit, insbesondere die erste elektrochemische Zelle und/oder die zweite elektrochemische Zelle, mit zumindest einem Fluid, insbesondere mit Wasser, vorteilhaft mit deionisiertem Wasser, zu versorgen. Vorteilhaft ist die Fluidversorgungseinheit dazu vorgesehen, Wasser als Edukt einer elektrolytischen Wasserspaltung und/oder als Kühlmittel der Zelleneinheit und/oder dem Zellenstapel und/oder den elektrochemischen Zellen der Zelleneinheit zur Verfügung zu stellen. Vorzugsweise weist die Fluidversorgungseinheit zumindest einen Anschluss auf, der mit einer, insbesondere externen, Fluidversorgung, insbesondere einem Fluidkreislauf, vorzugsweise einem Wasserkreislauf verbindbar und/oder verbunden ist. Es ist auch denkbar, dass die Elektrochemievorrichtung die Fluidversorgung aufweist. Beispielsweise kann die Fluidversorgung einen Fluidversorgungskreis, insbesondere mit zumindest einer Pumpe und/oder mit zumindest einem Filter und/oder mit zumindest einem Fluidreservoir oder dergleichen umfassen. Insbesondere ist die Fluidversorgungseinheit dazu vorgesehen, zumindest einen Teil eines Fluidversorgungskreislaufs auszubilden. Vorzugsweise wird die Zelleneinheit in dem Normalbetriebszustand mittels der Fluideinheit mit dem Fluid, insbesondere kontinuierlich und/oder mit einem konstanten und/oder an einen jeweiligen Betriebszustand, beispielsweise in Abhängigkeit von einer Leistungsaufnahme, anpassbaren Gesamtfluss, durchspült. Vorzugsweise sind die Zelleneinheit, insbesondere der Zellenstapel, und die Fluidversorgungseinheit zumindest teilweise einteilig ausgebildet. Bevorzugt ist die Fluidversorgungseinheit frei von einem Regulierventil zum Angleichen der Volumenströme durch die erste elektrochemische Zelle und die zweite elektrochemische Zelle. Unter einem „Fluidversorgungspfad“ soll insbesondere ein Bereich und/oder ein Abschnitt eines Fluidleitungssystems, insbesondere einer Fluidleitung und/oder eines durchströmbaren und/oder, insbesondere in dem Normalbetriebszustand, durchströmten Volumens verstanden werden. Insbesondere kann der Fluidversorgungspfad eine Fluidleitung und/oder einen Fluidleitungsabschnitt umfassen. Insbesondere umfasst die Fluidversorgungseinheit zumindest einen Fluidversorgungspfad je elektrochemischer Zelle des Zellenstapels, wobei vorteilhaft jeweils einer elektrochemischen Zelle jeweils ein Fluidversorgungspfad, insbesondere eindeutig, zugeordnet ist und/oder durch die entsprechende elektrochemische Zelle führt. Darunter, dass ein erstes Objekt und ein zweites Objekt „zumindest teilweise einteilig“ ausgebildet sind, soll insbesondere verstanden werden, dass zumindest ein Element und/oder Teil des ersten Objekts und zumindest ein Element und/oder Teil des zweiten Objekts einteilig ausgebildet sind.
Unter einem „Normalbetriebszustand“ soll insbesondere ein Zustand verstanden werden, in welchem die Elektrochemievorrichtung und/oder die Zelleneinheit innerhalb ihrer spezifizierten Betriebsparameter und/oder fehlerfrei und/oder gemäß ihrem Verwendungszweck betrieben wird. Insbesondere umfasst der Normalbetriebszustand eine kontinuierliche Leistungsaufnahme und/oder -abgabe und/oder ein kontinuierliches Umsetzen von Reaktionsedukten und/oder Produkten, jeweils insbesondere mit einer zumindest im Wesentlichen konstanten Rate. Zudem kann der Normalbetriebszustand alternativ oder zusätzlich ein Hochfahren und/oder ein Herunterfahren und/oder ein, insbesondere gezieltes und/oder gesteuertes und/oder geregeltes, Umschalten von einem, insbesondere fehlerfreien, Betriebszustand in zumindest einen, insbesondere fehlerfreien, anderen Betriebszustand der Elektrochemievorrichtung und/oder der Zelleneinheit umfassen. Vorzugsweise ist die Elektrochemievorrichtung, insbesondere die Zelleneinheit und/oder die Fluidversorgungseinheit, vorzugsweise in dem Normalbetriebszustand, an zumindest eine Energieversorgung und/oder an zumindest eine Fluidversorgung, insbesondere eine Wasserleitung und/oder eine Gasleitung, angeschlossen. Unter einem „Volumenstrom durch eine elektrochemische Zelle“ soll insbesondere ein Volumen eines Fluids, insbesondere von Wasser, welches pro Zeit durch einen Querschnitt wenigstens eines Teilbereichs der elektrochemischen Zelle, insbesondere durch einen Querschnitt zumindest eines elektrochemisch aktiven Bereichs der elektrochemischen Zelle und/oder durch einen Querschnitt der elektrochemischen Zelle, insbesondere durch einen Querschnitt senkrecht zu einer Flussrichtung des Fluids durch wenigstens den Teilbereich, fließt. Darunter, dass der Volumenstrom des Fluids durch die erste elektrochemische Zelle und durch die zweite elektrochemische Zelle zumindest im Wesentlichen identisch ist, soll insbesondere verstanden werden, dass der Volumenstrom durch die erste Zelle und der Volumenstrom durch die zweite Zelle um weniger als 30 %, vorteilhaft um weniger als 20 %, besonders vorteilhaft um weniger als 15 %, bevorzugt um weniger als 10 %, vorzugsweise um weniger als 5 % und besonders bevorzugt um weniger als 2 % voneinander abweichen. Insbesondere ist der Volumenstrom von 0 verschieden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass in dem Normalbetriebszustand ein Druckverlust in dem ersten Fluidversorgungspfad zumindest im Wesentlichen einem Druckverlust in dem zweiten Fluidversorgungspfad entspricht. Insbesondere entspricht ein Druckabfall von einem Zulauf des ersten Fluidversorgungspfads zu einem Ablauf des ersten Fluidversorgungspfads zumindest im Wesentlichen einem Druckabfall von einem Zulauf des zweiten Fluidversorgungspfads zu einem Ablauf des zweiten Fluidversorgungspfads. Insbesondere ist denkbar, dass eine lokale Druckverteilung in dem ersten Fluidversorgungspfad von einer lokalen Druckverteilung in dem zweiten Fluidversorgungspfad zumindest abschnittsweise abweicht und/oder zumindest abschnittsweise mit dieser zumindest im Wesentlichen identisch ist. Insbesondere ist in dem Normalbetriebszustand die Zelleneinheit zumindest im Wesentlichen frei von einem, insbesondere mehrere elektrochemische Zellen vollständig übergreifenden, Druckgradienten in Richtung der Stapelrichtung. Vorteilhaft sind der erste Fluidversorgungspfad und der zweite Fluidversorgungspfad hydraulisch abgeglichen. Unter „zumindest im Wesentlichen“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass eine Abweichung von einem vorgegebenen Wert insbesondere weniger als 15 %, vorzugsweise weniger als 10 % und besonders bevorzugt weniger als 5 % des vorgegebenen Werts entspricht. Hierdurch kann vorteilhaft eine ungleichmäßige Fluidversorgung vermieden werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der erste Fluidversorgungspfad und der zweite Fluidversorgungspfad zumindest im Wesentlichen gleich lang sind. Insbesondere ist ein innerhalb der ersten elektrochemischen Zelle angeordneter erster Zellenversorgungsabschnitt des ersten Fluidversorgungspfads zumindest im Wesentlich identisch zu einem innerhalb der zweiten elektrochemischen Zelle angeordneten zweiten Zellenversorgungsabschnitt des zweiten Fluidversorgungspfads ausgebildet und/oder zumindest im Wesentlich gleich lang wie dieser. Vorzugsweise weisen der erste Fluidversorgungspfad und der zweite Fluidversorgungspfad zumindest abschnittsweise, insbesondere außerhalb der ersten elektrochemischen Zelle und/oder der zweiten elektrochemischen Zelle, eine zumindest im Wesentlichen identische Querschnittsfläche auf. Hierdurch kann vorteilhaft eine bauliche Einfachheit erzielt werden. Ferner kann hierdurch vorteilhaft eine Komplexität einer Fluidversorgungsgeometrie reduziert werden. Zudem kann hierdurch vorteilhaft auf eine Verwendung von Regulierventilen zur Erzielung einer gleichmäßigen Durchströmung verzichtet werden.
Grundsätzlich ist jedoch auch denkbar, dass Volumenströme durch die erste elektrochemische Zelle und die zweite elektrochemische Zelle anderweitig angeglichen werden, beispielsweise durch geeignete Regulierventile, insbesondere in Kombination mit zumindest einer Steuer- und/oder Regeleinheit und/oder in Kombination mit zumindest einem Drucksensor und/oder Flusssensor oder dergleichen, und/oder durch geeignete Wahl von, insbesondere veränderlichen, Leitungsdurchmessern und/oder Leitungsquerschnitten und/oder variablen Dicken von elektrochemischen Zellen oder dergleichen.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der erste Fluidversorgungspfad und der zweite Fluidversorgungspfad von einem gemeinsamen Zulauf, insbesondere einem Zulauf der Fluidversorgungseinheit, zu den elektrochemischen Zellen und/oder von den elektrochemischen Zellen zu einem gemeinsamen Ablauf, insbesondere einem Ablauf der Fluidversorgungseinheit, führen. Insbesondere ist eine Anzahl von Zuläufen und/oder Abläufen der Fluidversorgungseinheit kleiner und vorteilhaft wenigstens zehnmal oder 20-mal kleiner oder noch kleiner als eine Anzahl von Fluidversorgungspfaden und/oder eine Anzahl von elektrochemischen Zellen. Vorzugsweise weist die erste Endplatte den Zulauf auf. Besonders bevorzugt weist die zweite Endplatte den Ablauf auf. Bevorzugt ist der Zulauf in Stapelrichtung betrachtet vor der Zelleneinheit angeordnet. Vorteilhaft ist der Ablauf in Stapelrichtung betrachtet hinter der Zelleneinheit angeordnet. Vorzugsweise sind der Zulauf und der Ablauf bei einer Betrachtung in Stapelrichtung versetzt zueinander angeordnet. Vorteilhaft führen der erste Fluidversorgungspfad und der zweite Fluidversorgungspfad zumindest abschnittsweise durch eine gemeinsame Fluidleitung, die insbesondere von einem Leitungsabschnitt des Zulaufs und/oder von einem Leitungsabschnitt des Ablaufs verschieden ist. Vorteilhaft ist der Zulauf und/oder der Ablauf, insbesondere jeweils, mit einem Anschluss der Fluidversorgungseinheit verbunden und/oder zu einer Verbindung mit der Fluidversorgung vorgesehen. Hierdurch kann vorteilhaft eine Elektrochemievorrichtung einfach und/oder zuverlässig in einen Fluidkreislauf eingebunden werden.
Zudem wird vorgeschlagen, dass die Fluidversorgungseinheit zumindest einen Zulaufkanal und zumindest einen Ablaufkanal aufweist, die zu einem Führen des Fluids in dem Normalbetriebszustand in eine Zulaufflussrichtung und in eine Ablaufflussrichtung vorgesehen sind, die zumindest im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Vorzugsweise verläuft die Zulaufrichtung und/oder die Ablaufrichtung zumindest im Wesentlichen parallel zu der Stapelrichtung. Insbesondere ist der Zulaufkanal mit dem Zulauf und/oder der Ablaufkanal mit dem Ablauf verbunden. Vorzugsweise sind die Zulaufrichtung und die Ablaufrichtung identisch. Vorteilhaft verläuft eine Längsachse des Zulaufkanals parallel zu einer Längsachse des Ablaufkanals. Insbesondere sind der Zulaufkanal und der Ablaufkanal zueinander versetzt angeordnet, insbesondere in einer Betrachtung entlang der Stapelrichtung. Vorzugsweise verlaufen wenigstens einige, besonders bevorzugt alle, Fluidversorgungspfade des Zellenstapels zumindest abschnittsweise durch den Zulaufkanal und/oder zumindest abschnittsweise durch den Ablaufkanal. Insbesondere ist der Zulaufkanal und/oder der Ablaufkanal eine gemeinsame Fluidleitung mehrerer, insbesondere aller, elektrochemischer Zellen des Zellenstapels und/oder der Zelleneinheit. Unter „zumindest im Wesentlichen parallel“ soll hier insbesondere eine Ausrichtung einer Richtung relativ zu einer Bezugsrichtung, insbesondere in einer Ebene, verstanden werden, wobei die Richtung gegenüber der Bezugsrichtung eine Abweichung insbesondere kleiner als 8°, vorteilhaft kleiner als 5° und besonders vorteilhaft kleiner als 2° aufweist. Hierdurch kann vorteilhaft eine gleichmäßige Durchströmung einer einfach in einen Fluidkreislauf integrierbaren Elektrochemievorrichtung erzielt werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass eine Summe einer Länge eines ersten Zulaufabschnitts und einer Länge eines ersten Ablaufabschnitts des ersten Fluidversorgungspfads zumindest im Wesentlichen einer Summer einer Länge eines zweiten Zulaufabschnitts und einer Länge eines zweiten Ablaufabschnitts des zweiten Fluidversorgungspfads entspricht. Beispielsweise ist der erste Zulaufabschnitt um denselben oder zumindest im Wesentlichen denselben Betrag kürzer als der zweite Zulaufabschnitt, um den der erste Ablaufabschnitt länger ist als der zweite Ablaufabschnitt oder umgekehrt. Hierdurch kann vorteilhaft eine einfache und eine gleichmäßige Versorgung ermöglichende Fluidversorgungsgeometrie bereitgestellt werden.
Undichtigkeiten in einem Zellenstapel und/oder Druckunterschiede entlang einer Stapelrichtung können insbesondere vermieden werden, wenn ein Druckverlust in dem ersten Zulaufabschnitt größer ist als ein Druckverlust in dem zweiten Zulaufabschnitt und ein Druckverlust in dem ersten Ablaufabschnitt kleiner ist als ein Druckverlust in dem zweiten Ablaufabschnitt. Vorzugsweise entspricht eine Summe aller Teildruckverluste in dem ersten Fluidversorgungspfad zumindest im Wesentlichen einer Summer aller Teildruckverluste in dem zweiten Fluidversorgungspfad, wobei es sich jeweils insbesondere um eine Summe zumindest eines Zulaufdruckverlusts, eines Zellendruckverlusts und eines Ablaufdruckverlusts handelt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Zulaufkanal den ersten Zulaufabschnitt und den zweiten Zulaufabschnitt und/oder der Ablaufkanal den ersten Ablaufabschnitt und den zweiten Ablaufabschnitt zumindest teilweise ausbildet. Vorteilhaft sind der erste Zulaufabschnitt und der zweite Zulaufabschnitt zumindest abschnittsweise identisch und insbesondere zumindest abschnittsweise identisch mit dem Zulaufkanal. Vorzugsweise sind der erste Ablaufabschnitt und der zweite Ablaufabschnitt zumindest abschnittsweise identisch und insbesondere zumindest abschnittsweise identisch mit dem Ablaufkanal. Hierdurch kann vorteilhaft ein gemeinsamer Zulauf und/oder ein gemeinsamer Ablauf für elektrochemische Zellen beispielsweise eines Zellenstapels verwendet werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die erste elektrochemische Zelle zumindest ein funktionelles Element aufweist, das zumindest einen Abschnitt des ersten Fluidversorgungspfads und zumindest einen Abschnitt des zweiten Fluidversorgungspfads ausbildet. Insbesondere bilden mehrere, insbesondere gestapelt angeordnete, funktionelle Elemente der Zelleneinheit, insbesondere des Zellenstapels, gemeinsam den ersten Fluidversorgungspfad und/oder den zweiten Fluidversorgungspfad gemeinsam aus. Vorzugsweise bilden funktionelle Elemente unterschiedlicher elektrochemischer Zellen zumindest einen Abschnitt des Zulaufkanals und/oder den Zulaufkanal und/oder zumindest einen Abschnitt des Ablaufkanals und/oder den Ablaufkanal aus. Hierdurch kann vorteilhaft eine kompakte Bauweise erzielt werden.
Außerdem wird vorgeschlagen, dass das funktionelle Element ein funktionelles Zellenstapelelement ist. Insbesondere kann das Zellenstapelelement von der Art eines der oben erwähnten Zellenstapelelemente sein. Vorzugsweise ist das Zellenstapelelement plattenförmig und/oder plattenartig und/oder mit anderen Zellenstapelelementen zu dem Zellenstapel stapelbar ausgebildet. Bevorzugt weist das Zellenstapelelement zumindest eine Ausnehmung, insbesondere eine Durchführung, auf, die dazu vorgesehen ist, insbesondere fluchtend, Durchführungen anderer Zellenstapelelemente benachbart und/oder mit diesen in Reihe angeordnet zu werden, sodass vorteilhaft ein Fluidkanal von den Durchführungen gebildet ist. Vorzugsweise bilden die unterschiedlichen Zellenstapelelemente des Zellenstapels gemeinsam, insbesondere gemeinsam mit den Endplatten, den Zulaufkanal und/oder den Ablaufkanal und/oder jeweils zumindest einen Abschnitt jeweils eines Fluidversorgungspfads für die elektrochemischen Zellen des Zellenstapels aus. Vorteilhaft verläuft der erste Fluidversorgungspfad, insbesondere in dieser Reihenfolge, von dem Zulauf durch den, insbesondere von einer Vielzahl gestapelter Zellenstapelelemente unterschiedlicher gestapelter elektrochemischer Zellen gebildeten, insbesondere parallel zu der Stapelrichtung angeordneten, Zulaufkanal und/oder durch die erste elektrochemische Zelle und/oder durch den, insbesondere von einer Vielzahl gestapelter Zellenstapelelemente unterschiedlicher gestapelter elektrochemischer Zellen gebildeten, insbesondere parallel zu der Stapelrichtung angeordneten, Ablaufkanal zu dem Ablauf. Vorzugsweise verläuft der erste Fluidversorgungspfad durch die erste elektrochemische Zelle hindurch in eine Richtung, die zumindest im Wesentlichen senkrecht zu der Stapelrichtung und/oder zumindest im Wesentlichen parallel zu einer Haupterstreckungsebene der ersten elektrochemischen Zelle verläuft. Hierdurch kann eine einfach und/oder kostengünstig zu fertigende Elektrochemievorrichtung bereitgestellt werden.
Eine hohe Zuverlässigkeit und/oder eine hohe Effizienz und/oder vorteilhafte Eigenschaften hinsichtlich eines Betriebs können mit einem Elektrolyseur mit zumindest einer erfindungsgemäßen Elektrochemievorrichtung erzielt werden.
Zudem geht die Erfindung aus von einem Verfahren zum Betrieb einer Elektrochemievorrichtung, insbesondere einer Elektrolysevorrichtung, insbesondere einer Polymerelektrolytmembran-Elektrolysevorrichtung, mit zumindest einer Zelleneinheit, die zumindest eine erste elektrochemische Zelle und zumindest eine zweite elektrochemische Zelle umfasst.
Es wird vorgeschlagen, dass die erste elektrochemische Zelle und die zweite elektrochemische Zelle mit einem Fluid, insbesondere mit Wasser, derart durchströmt werden, dass ein Volumenstrom des Fluids durch die erste elektrochemische Zelle und durch die zweite elektrochemische Zelle zumindest im Wesentlichen identisch ist.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere ein zuverlässiger und/oder effizienter Betrieb erzielt werden. Ferner kann eine Elektrochemievorrichtung mit vorteilhaften Eigenschaften hinsichtlich einer Fluidversorgung bereitgestellt werden. Zudem kann eine bauliche Einfachheit und/oder eine reduzierte Teilevielfalt erzielt werden. Außerdem kann eine gleichmäßige Druckverteilung in einem Zellenstapel erzielt werden. Vorteilhaft können elektrochemische Zellen gleichmäßig mit Fluid, insbesondere mit Wasser, versorgt werden. Des Weiteren kann insbesondere im Fall von Zellenstapeln mit einer großen Anzahl von Einzelzellen eine gleichmäßige und/oder umfassende Fluidversorgung erzielt werden. Vorteilhaft kann eine ungleichmäßige Erwärmung vermieden werden. Außerdem kann vorteilhaft eine hohe Dichtigkeit eines Zellenstapels erzielt werden. Weiterhin kann ein hoher Wirkungsgrad, insbesondere einer Wasserstofferzeugung, erzielt werden. In vorteilhafter Weise kann zur Erzielung einer gleichmäßigen Fluidversorgung auf Regelventile oder dergleichen zumindest weitgehend verzichtet werden.
Die erfindungsgemäße Elektrochemievorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren sollen hierbei nicht auf die oben beschriebenen Anwendungen und Ausführungsformen beschränkt sein. Insbesondere können die erfindungsgemäße Elektrochemievorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen und/oder Bauteilen und/oder Einheiten und/oder Verfahrensschritten abweichende Anzahl aufweisen. Zudem sollen bei den in dieser Offenbarung angegebenen Wertebereichen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als offenbart und als beliebig einsetzbar gelten.
Figurenliste
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:

1 einen Elektrolyseur mit einer Elektrochemievorrichtung in einer schematischen Seitenansicht,
2 ein funktionelles Element einer elektrochemischen Zelle der Elektrochemievorrichtung in einer schematischen Draufsicht,
3 die Elektrochemievorrichtung in einer schematischen Frontalansicht,
4 eine erste alternative Elektrochemievorrichtung in einer schematischen Seitenansicht,
5 eine zweite alternative Elektrochemievorrichtung in einer schematischen Seitenansicht und
6 eine dritte alternative Elektrochemievorrichtung in einer schematischen Seitenansicht.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die 1 zeigt einen Elektrolyseur 48a mit einer Elektrochemievorrichtung 10a in einer schematischen Seitenansicht. Der Elektrolyseur 48a ist im vorliegenden Fall lediglich schematisch gezeigt und kann nicht dargestellte Komponenten umfassen, wie beispielsweise Stromanschlüsse, ein Gehäuse, einen Wasserkreislauf, eine Steuer- und/oder Regeleinheit oder dergleichen. Die Elektrochemievorrichtung 10a ist im vorliegenden Fall als eine Elektrolyseurvorrichtung ausgebildet. Insbesondere ist die Elektrolysevorrichtung 10a eine Wasserstoffelektrolysevorrichtung. Wie oben erwähnt, ist jedoch auch denkbar, dass die Elektrochemievorrichtung 10a als eine Brennstoffzellenvorrichtung, eine Messgerätevorrichtung, eine Galvanisierungsvorrichtung oder dergleichen ausgebildet ist.
Die Elektrochemievorrichtung 10a weist eine Zelleneinheit 12a auf, die zumindest eine erste elektrochemische Zelle 14a und zumindest eine zweite elektrochemische Zelle 16a umfasst. Im vorliegenden Fall weist die Zelleneinheit 12a eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen 14a, 16a auf, von denen aus Gründen einer Übersichtlichkeit schematisch lediglich fünf dargestellt und die nicht alle mit Bezugszeichen versehen sind. Zudem sind die elektrochemischen Zellen 14a, 16a der Zelleneinheit 12a in der 1 nicht maßstabsgetreu dargestellt. Insbesondere können die elektrochemischen Zellen 14a, 16a der Zelleneinheit 12a wesentlich flacher ausgebildet sein als in der schematischen Darstellung der 1. Beispielsweise kann die Zelleneinheit 12a 20 oder 30 oder 50 oder 100 oder 150 oder 200 elektrochemische Zellen umfassen.
Die Zelleneinheit 12a weist einen Zellenstapel 46a auf, der eine Mehrzahl gestapelt angeordneter elektrochemischer Zellen 14a, 16a umfasst. Im vorliegenden Fall sind sämtliche elektrochemische Zellen 14a, 16a der Zelleneinheit 12a zu dem Zellenstapel 46a gestapelt. Ferner sind im vorliegenden Fall die elektrochemischen Zellen 14a, 16a der Zelleneinheit 12a zumindest im Wesentlichen identisch zueinander ausgebildet. Der Zellenstapel 46a ist im vorliegenden Fall ein Elektrolyse-Stack. Die elektrochemischen Zellen 14a, 16a der Zelleneinheit 12a sind in eine Stapelrichtung 50a gestapelt. Die Stapelrichtung 50a entspricht einer Stapeldickenrichtung des Zellenstapels 46a. Die Stapelrichtung 50a verläuft im vorliegenden Fall senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der ersten elektrochemischen Zelle 14a. Ferner sind im vorliegenden Fall Haupterstreckungsebenen der elektrochemischen Zellen 14a, 16a der Zelleneinheit 12a parallel zueinander angeordnet.
Die Zelleneinheit 12a weist eine erste Endplatte 52a und eine zweite Endplatte 54a auf. Die erste Endplatte 52a und die zweite Endplatte 54a begrenzen die elektrochemischen Zellen 14a, 16a des Zellenstapels 46a zu gegenüberliegenden Seiten des Zellenstapels 46a hin. Die Endplatten 52a, 54a sind beispielsweise mittels Verbindungsstreben miteinander verbunden und beaufschlagen die elektrochemischen Zellen 14a, 16a des Zellenstapels 46a mit einer Druckkraft, die insbesondere einem Druck aufgrund einer Bildung von Wasserstoffgas und/oder Sauerstoffgas entgegenwirkt beziehungsweise insbesondere eine Dichtigkeit der aneinandergepressten elektrochemischen Zellen 14a, 16a untereinander und/oder eine Dichtigkeit der jeweiligen elektrochemischen Zelle 14a, 16a bewerkstelligt oder zumindest zu dieser beiträgt.
Die Elektrochemievorrichtung 10a weist nicht gezeigte Kontaktelemente zur Verbindung mit einer Leistungsversorgung auf. In einem Normalbetriebszustand wird die Zelleneinheit 12a über die Kontaktelemente mit elektrischer Leistung versorgt. Eine Gesamtspannung liegt dabei zwischen einer vordersten elektrochemischen Zelle 56a, die insbesondere an der ersten Endplatte 52a anliegt, und einer hintersten elektrochemischen Zelle 58a, die insbesondere an der zweiten Endplatte 54a anliegt, an. An einzelnen elektrochemischen Zellen 14a, 16a, 56a, 58a der Zelleneinheit 12a liegt in dem Normalbetriebszustand jeweils eine Spannung zwischen etwa 1 V und etwas 2,5 V an, wie insbesondere auch oben erwähnt.
Die Elektrochemievorrichtung 10a weist eine Fluidversorgungseinheit 18a auf. Die Fluidversorgungseinheit 18a ist im vorliegenden Fall zu einer Versorgung der Zelleneinheit 12a, insbesondere des Zellenstapels 46a, mit einem Fluid vorgesehen. Im vorliegenden Fall ist das Fluid Wasser, insbesondere deionisiertes Wasser. Das Fluid dient als Ausgangsprodukt für eine elektrolytische Reaktion. Ferner dient im vorliegenden Fall das Fluid zusätzlich als Kühlmittel. Es ist jedoch grundsätzlich denkbar, dass die Elektrochemievorrichtung 10a mehrere unterschiedliche Fluidversorgungseinheiten 18a aufweist, die zur getrennten Versorgung mit insbesondere unterschiedlichen Fluiden, beispielsweise mit Reaktionsgasen, Kühlmitteln, Eduktfluiden oder dergleichen vorgesehen sind.
Die Fluidversorgungseinheit 18a weist zumindest einen ersten Fluidversorgungspfad 20a auf, der zumindest abschnittsweise durch die erste elektrochemische Zelle 14a führt.
Zudem weist die Fluidversorgungseinheit 18a zumindest einen zweiten Fluidversorgungspfad 22a auf, der zumindest abschnittsweise durch die zweite elektrochemische Zelle 16a führt. Verläufe des ersten Fluidversorgungspfads 20a und des zweiten Fluidversorgungspfads 22a sind in der 1 schematisch als Linien dargestellt. Der erste Fluidversorgungspfad 20a und der zweite Fluidversorgungspfad 22a umfassen jeweils ein von dem Fluid durchströmbares Volumen.
Die Fluidversorgungseinheit 18a ist derart ausgebildet, dass in dem Normalbetriebszustand ein Volumenstrom des Fluids durch die erste elektrochemische Zelle 14a und durch die zweite elektrochemische Zelle 16a zumindest im Wesentlichen identisch ist. Insbesondere produziert die Elektrochemievorrichtung 10a in dem Normalbetriebszustand Wasserstoffgas. Ferner wird in dem Normalbetriebszustand die Zelleneinheit 12a kontinuierlich mit einem Fluidstrom versorgt, beispielsweise mittels eines nicht gezeigten Fluidkreislaufs und/oder einer nicht gezeigten Pumpe. Im vorliegenden Fall sind die erste elektrochemische Zelle 14a und die zweite elektrochemische Zelle 16a zumindest im Wesentlichen identisch ausgebildet. Insbesondere weisen die erste elektrochemische Zelle 14a und die zweite elektrochemische Zelle 16a einen zumindest im Wesentlichen identisch ausgebildeten Innenraum und/oder einen zumindest im Wesentlichen identisch ausgebildeten inneren Querschnitt auf, der in dem Normalbetriebszustand insbesondere von dem Fluid durchströmt ist. Im vorliegenden Fall ist ein Volumenstrom durch jede der elektrochemischen Zellen 14a, 16a, 56a, 58a der Zelleneinheit 12a zumindest im Wesentlichen identisch. Die elektrochemischen Zellen 14a, 16a, 56a, 58a des Zellenstapels 46a werden in dem Normalbetriebszustand gleichmäßig und/oder gleichartig und/oder mit identischen Volumenströmen durchströmt.
Bei einem Verfahren zum Betrieb der Elektrochemievorrichtung 10a werden die erste elektrochemische Zelle 14a und die zweite elektrochemische Zelle 16a derart mit dem Fluid durchströmt, dass ein Volumenstrom des Fluids durch die erste elektrochemische Zelle 14a und durch die zweite elektrochemische Zelle 16a zumindest im Wesentlichen identisch ist.
Ferner entspricht in dem Normalbetriebszustand ein Druckverlust in dem ersten Fluidversorgungspfad 20a zumindest im Wesentlichen einem Druckverlust in dem zweiten Fluidversorgungspfad 22a. Im vorliegenden Fall ist ein Druckverlust in jeder der elektrochemischen Zellen 14a, 16a, 56a, 58a der Zelleneinheit 12a zumindest im Wesentlichen identisch. Ferner ist im vorliegenden Fall der Zellenstapel 46a frei von einem Druckgradienten, der in Stapelrichtung 50a mehrere elektrochemische Zellen umfasst. Insbesondere entspricht ein Druckverlust in der vordersten elektrochemischen Zelle 56a zumindest im Wesentlichen einem Druckverlust in der hintersten elektrochemischen Zelle 58a.
Der erste Fluidversorgungspfad 20a und der zweite Fluidversorgungspfad 22a sind zumindest im Wesentlichen gleich lang. Im vorliegenden Fall umfasst die Fluidversorgungseinheit 18a jeweils einen Fluidversorgungspfad 20a, 22a je elektrochemischer Zelle 14a, 16a, 56a, 58a, wobei die Fluidversorgungspfade 20a, 22a jeweils einer elektrochemischen Zelle 14a, 16a, 56a, 58a insbesondere eindeutig zugeordnet sind. Aus Gründen einer Übersichtlichkeit sind in der 1, analog zu den elektrochemischen Zellen 14a, 16a, 56a, 58a, lediglich fünf Fluidversorgungspfade 20a, 22a dargestellt und lediglich zwei mit Bezugszeichen versehen. Zudem sind im vorliegenden Fall alle der Fluidversorgungspfade 20a, 22a zumindest im Wesentlichen gleich lang.
Der erste Fluidversorgungspfad 20a und der zweite Fluidversorgungspfad 22a führen von einem gemeinsamen Zulauf 24a zu den elektrochemischen Zellen 14a, 16a. Ferner führen der erste Fluidversorgungspfad 20a und der zweite Fluidversorgungspfad 22a von den elektrochemischen Zellen 14a, 16a zu einem gemeinsamen Ablauf 26a. Der Zulauf 24a und der Ablauf 26a sind mit dem nicht gezeigten Fluidkreislauf verbunden. In dem Normalbetriebszustand zirkuliert das Fluid von dem Zulauf 24a durch den Zellenstapel 46a zu dem Ablauf 26a, von dort durch eine Rückleitung und/oder ein Fluidreservoir und/oder einen Filter und/oder eine Pumpe oder dergleichen und wieder zu dem Zulauf 24a. Der Zulauf 24a ist mit der ersten Endplatte 52a verbunden und/oder wird von dieser zumindest teilweise ausgebildet. Der Ablauf 26a ist mit der zweiten Endplatte 54a verbunden und/oder wird von dieser zumindest teilweise ausgebildet. Der Zulauf 24a und der Ablauf 26a sind, insbesondere in einer Betrachtung parallel zu der Stapelrichtung 50a, versetzt zueinander angeordnet.
Die Fluidversorgungseinheit 18a weist zumindest einen Zulaufkanal 28a und zumindest einen Ablaufkanal 30a auf, die zu einem Führen des Fluids in dem Normalbetriebszustand in eine Zulaufflussrichtung 32a und in eine Ablaufflussrichtung 34a vorgesehen sind, die zumindest im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Im vorliegenden Fall verläuft die Zulaufflussrichtung 32a parallel zu der Ablaufflussrichtung 34a. Die Zulaufflussrichtung 32a verläuft parallel zu der Stapelrichtung 50a. Die Ablaufflussrichtung 34a verläuft parallel zu der Stapelrichtung 50a.
Eine Summe einer Länge eines ersten Zulaufabschnitts 36a und einer Länge eines ersten Ablaufabschnitts 38a des ersten Fluidversorgungspfads 20a entspricht zumindest im Wesentlichen einer Summer einer Länge eines zweiten Zulaufabschnitts 40a und einer Länge eines zweiten Ablaufabschnitts 42a des zweiten Fluidversorgungspfads 22a. Insbesondere erstrecken sich der erste Zulaufabschnitt 36a beziehungsweise der zweite Zulaufabschnitt 40a jeweils von dem Zulauf 24a zu der ersten elektrochemischen Zelle 14a beziehungsweise zu der zweiten elektrochemischen Zelle 16a. Ferner erstrecken sich im vorliegenden Fall der erste Ablaufabschnitt 38a beziehungsweise der zweite Ablaufabschnitt 42a jeweils von der ersten elektrochemischen Zelle 14a beziehungsweise von der zweiten elektrochemischen Zelle 16a zu dem Ablauf 26a. Im vorliegenden Fall ist der erste Zulaufabschnitt 36a kürzer als der zweite Zulaufabschnitt 40a. Zudem ist im vorliegenden Fall der erst Ablaufabschnitt 38a länger als der zweite Ablaufabschnitt 42a, insbesondere um ebendenselben Betrag.
Ein Druckverlust in dem ersten Zulaufabschnitt 36a ist größer als ein Druckverlust in dem zweiten Zulaufabschnitt 40a. Zudem ist ein Druckverlust in dem ersten Ablaufabschnitt 38a kleiner als ein Druckverlust in dem zweiten Ablaufabschnitt 42a. Insbesondere entspricht eine Summe von Teildruckverlusten in dem ersten Zulaufabschnitt 36a, in der ersten elektrochemischen Zelle 14a und in dem ersten Ablaufabschnitt 38a zumindest im Wesentlichen einer Summe von Teildruckverlusten in dem zweiten Zulaufabschnitt 40a, in der zweiten elektrochemischen Zelle 16a und in dem zweiten Ablaufabschnitt 42a.
Der Zulaufkanal 28a bildet den ersten Zulaufabschnitt 36a und den zweiten Zulaufabschnitt 40a zumindest teilweise, insbesondere vollständig aus. Der Ablaufkanal 30a bildet den ersten Ablaufabschnitt 38a und den zweiten Ablaufabschnitt 42a zumindest teilweise, insbesondere vollständig, aus. Im vorliegenden Fall führt jeweils ein Fluidversorgungspfad 20a, 22a der Fluidversorgungseinheit 18a abschnittsweise durch den Zulaufkanal 28a zu jeweils einer elektrochemischen Zelle 14a, 16a, 56a, 58a der Zelleneinheit 12a. Zudem führt jeweils ein Fluidversorgungspfad 20a, 22a der Fluidversorgungseinheit 18a von jeweils einer elektrochemischen Zelle 14a, 16a, 56a, 58a der Zelleneinheit 12a abschnittsweise durch den Ablaufkanal 30a.
Im vorliegenden Fall gilt das hier exemplarisch für den ersten Fluidversorgungspfad 20a und den zweiten Fluidversorgungspfad 22a Beschriebene analog für alle Fluidversorgungspfade 20a, 22a der elektrochemischen Zellen 14a, 16a, 56a, 58a der Zelleneinheit 12a.
Die 2 zeigt ein funktionelles Element 44a der ersten elektrochemischen Zelle 14a in einer schematischen Draufsicht. Im vorliegenden Fall ist das funktionelle Element 44a als ein Zellenstapelelement ausgebildet. Das funktionelle Element 44a ist plattenartig ausgebildet. Das funktionelle Element 44a kann beispielsweise eine Bipolarplatte, ein Pressure Pad, Lochblech, ein Siebblech, eine Membran oder dergleichen sein. Wie oben beschrieben ist die erste elektrochemische Zelle 14a aus einer Mehrzahl unterschiedlicher funktioneller Elemente 44a, insbesondere unterschiedlicher funktioneller Zellenstapelelemente, ausgebildet, die in den Figuren nicht einzeln dargestellt sind. Zudem umfasst, wie oben beschrieben, der Zellenstapel 46a eine Vielzahl von Wiederholeinheiten unterschiedlicher Zellenstapelelemente, die den Zellenstapel 46a sowie dessen elektrochemische Zellen 14a, 16a, 56a, 58a ausbilden.
Das funktionelle Element 44a bildet zumindest einen Abschnitt des ersten Fluidversorgungspfads 20a und zumindest einen Abschnitt des zweiten Fluidversorgungspfads 22a aus. Eine Länge dieser Abschnitte entspricht zumindest im Wesentlichen einer Dicke des funktionellen Elements 44a, die insbesondere in einem Bereich von etwa 0,1 mm bis mehrere Millimeter liegt.
Das funktionelle Element 44a weist eine erste Ausnehmung 60a auf, die im vorliegenden Fall als eine Durchführung ausgebildet ist. Die erste Ausnehmung 60a ist dazu vorgesehen, mit anderen, insbesondere analog ausgebildeten, Ausnehmungen anderer funktioneller Elemente in Reihe, insbesondere fluchtend, angeordnet zu werden und/oder gemeinsam mit diesen den Zulaufkanal 28a auszubilden. Der Zulaufkanal 28a erstreckt sich insbesondere durch mehrere unterschiedliche funktionelle Elemente 44a unterschiedlicher elektrochemischer Zellen 14a, 16a, 56a, 58a hindurch. Im vorliegenden Fall weist das funktionelle Element 44a drei analog ausgebildete erste Ausnehmungen 60a, 62a, 64a auf. Entsprechend weist die Fluidversorgungseinheit 18a im vorliegenden Fall drei analog ausgebildete und insbesondere parallel verlaufende Zulaufkanäle 28a auf.
Das funktionelle Element 44a weist eine zweite Ausnehmung 66a auf, die im vorliegenden Fall als eine Durchführung ausgebildet ist. Die zweite Ausnehmung 66a ist dazu vorgesehen, mit anderen, insbesondere analog ausgebildeten, Ausnehmungen anderer funktioneller Elemente in Reihe, insbesondere fluchtend, angeordnet zu werden und/oder gemeinsam mit diesen den Ablaufkanal 30a auszubilden. Der Ablaufkanal 30a erstreckt sich insbesondere durch mehrere unterschiedliche funktionelle Elemente 44a unterschiedlicher elektrochemischer Zellen 14a, 16a, 56a, 58a hindurch. Im vorliegenden Fall weist das funktionelle Element 44a drei analog ausgebildete zweite Ausnehmungen 66a, 68a, 70a auf. Entsprechend weist die Fluidversorgungseinheit 18a im vorliegenden Fall drei analog ausgebildete und insbesondere parallel verlaufende Ablaufkanäle 30a auf.
Die Ausnehmungen 60a, 62a, 64a, 66a, 68a, 70a sind zu einem Inneren der ersten elektrochemischen Zelle 14a hin geöffnet, sodass der erste Fluidversorgungspfad 20a durch die erste elektrochemische Zelle 14a hindurch führen kann. Insbesondere zweigt der erste Fluidversorgungspfad 20a von dem Zulaufkanal 28a in einen Innenraum der ersten elektrochemischen Zelle 14a hinein ab und/oder aus dem Innenraum der ersten elektrochemischen Zelle 14a hinaus in den Ablaufkanal 30a ein. Die funktionellen Elemente 44a des Zellenstapels 46a bilden die elektrochemischen Zellen 14a, 16a, 56a, 58a sowie die Fluidversorgungspfade 20a, 22a der Fluidversorgungseinheit 18a zumindest teilweise aus. Die Ausnehmungen 60a, 62a, 64a, 66a, 68a, 70a sind derart angeordnet, dass sie sich gemeinsam über wenigstens einen Großteil einer Breite des funktionellen Elements 44a erstrecken, wodurch vorteilhaft Druckgradienten in Querrichtung vermieden werden können und/oder eine gleichmäßige Fluiddurchströmung erzielt werden kann.
Es ist denkbar, dass die Zulaufkanäle 28a querverbunden sind oder dass die Fluidversorgungseinheit 18a einen einzelnen Zulaufkanal 28a aufweist, der sich insbesondere über wenigstens einen Großteil einer Breite des funktionellen Elements 44a erstreckt. Analog können die Ablaufkanäle 30a querverbunden sein. Ebenso analog kann die Fluidversorgungseinheit 18a einen einzelnen, breiten Ablaufkanal 30a aufweisen.
Die 3 zeigt die Elektrochemievorrichtung 10a in einer schematischen Frontalansicht betrachtet in Stapelrichtung 50a. Im vorliegenden Fall ist der Zulauf 24a als eine mehrfach abzweigende Leitung ausgebildet, wobei jeweils ein Leitungszweig mit einem der Zulaufkanäle 28a verbunden ist. In analoger Weise ist der Ablauf 26a als eine mehrfach abzweigende Leitung ausgebildet, wobei jeweils ein Leitungszweig mit einem der Ablaufkanäle 30a verbunden ist. Insbesondere sind deshalb beliebige Fluidversorgungspfade 20a, 22a ausgehend von einer Hauptleitung des Zulaufs 24a zu einer Hauptleitung des Ablaufs 26a gleich lang, analog zu den Fluidversorgungspfaden 20a, 22a innerhalb der Zelleneinheit 12a.
In den 4 bis 6 sind drei weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt. Die nachfolgenden Beschreibungen und die Zeichnungen beschränken sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen, wobei bezüglich gleich bezeichneter Bauteile, insbesondere in Bezug auf Bauteile mit gleichen Bezugszeichen, grundsätzlich auch auf die Zeichnungen und/oder die Beschreibung der anderen Ausführungsbeispiele, insbesondere der 1 bis 3, verwiesen werden kann. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele ist der Buchstabe a den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels in den 1 bis 3 nachgestellt. In den Ausführungsbeispielen der 4 bis 6 ist der Buchstabe a durch die Buchstaben b bis d ersetzt.
Die 4 zeigt eine erste alternative Elektrochemievorrichtung 10b in einer schematischen Seitenansicht. Die erste alternative Elektrochemievorrichtung 10b weist eine Zelleneinheit 12b auf, die zumindest eine erste elektrochemische Zelle 14b und zumindest eine zweite elektrochemische Zelle 16b umfasst. Ferner weist die erste alternative Elektrochemievorrichtung 10b eine Fluidversorgungseinheit 18b zur Versorgung der Zelleneinheit 12b mit zumindest einem Fluid auf. Die Fluidversorgungseinheit 18b umfasst zumindest einen ersten Fluidversorgungspfad 20b, der zumindest abschnittsweise durch die erste elektrochemische Zelle 14b führt, und zumindest einen zweiten Fluidversorgungspfad 22b, der zumindest abschnittsweise durch die zweite elektrochemische Zelle 16b führt. Die Fluidversorgungseinheit 18b ist derart ausgebildet, dass in zumindest einem Normalbetriebszustand ein Volumenstrom des Fluids durch die erste elektrochemische Zelle 14b und durch die zweite elektrochemische Zelle 16b zumindest im Wesentlichen identisch ist. Im vorliegenden Fall sind der erste Fluidversorgungspfad 20b und der zweite Fluidversorgungspfad 22b zumindest im Wesentlichen gleich lang.
Die Fluidversorgungseinheit 18b umfasst zumindest einen außerhalb der elektrochemischen Zellen 14b, 16b und/oder außerhalb der Zelleneinheit 12b angeordneten Zulaufkanal 28b. Der Zulaufkanal 28b ist ein gemeinsamerr Zulaufkanal für die Fluidversorgungspfade 20b, 22b der Fluidversorgungseinheit 18b. Ferner umfasst die Fluidversorgungseinheit 18b zumindest einen außerhalb der elektrochemischen Zellen 14b, 16b und/oder außerhalb der Zelleneinheit 12b angeordneten Ablaufkanal 30b. Der Ablaufkanal 30b ist ein gemeinsamer Ablaufkanal für die Fluidversorgungspfade 20b, 22b der Fluidversorgungseinheit 18b.
Im vorliegenden Fall ist der ersten elektrochemischen Zelle 14b und der zweiten elektrochemischen Zelle 16b jeweils ein außerhalb der Zelleneinheit 12b angeordneter Zuleitungsabschnitt 72b, 74b, insbesondere eindeutig, zugeordnet. Die Zuleitungsabschnitte 72b, 74b führen seitlich in die elektrochemischen Zellen 14b, 16b. Die elektrochemischen Zellen 14b, 16b sind einzeln und/oder unabhängig voneinander fluidversorgt. Die Zuleitungsabschnitte 72b, 74b münden in den gemeinsamen Zulaufkanal 28b. In analoger Weise umfasst die Fluidversorgungseinheit 18b entsprechende Ableitungsabschnitte 76b, 78b. Im vorliegenden Fall ist jeder elektrochemischen Zelle 14b, 16b der Zelleneinheit 12b jeweils zumindest ein individueller Zuleitungsabschnitt 72b, 74b und/oder jeweils zumindest ein individueller Ableitungsabschnitt 76b, 78b eindeutig zugeordnet.
Mittels der gezeigten Geometrie der Fluidversorgungseinheit 18b können insbesondere auch beliebig angeordnete elektrochemische Zellen in analoger Weise gleichmäßig mit einem Fluid versorgt werden, insbesondere elektrochemische Zellen, die nicht gestapelt und/oder aufgereiht angeordnet sind.
Die 5 zeigt eine erste alternative Elektrochemievorrichtung 10c in einer schematischen Seitenansicht. Die erste alternative Elektrochemievorrichtung 10c weist eine Zelleneinheit 12c auf, die zumindest eine erste elektrochemische Zelle 14c und zumindest eine zweite elektrochemische Zelle 16c umfasst. Ferner weist die erste alternative Elektrochemievorrichtung 10c eine Fluidversorgungseinheit 18c zur Versorgung der Zelleneinheit 12c mit zumindest einem Fluid auf. Die Fluidversorgungseinheit 18c umfasst zumindest einen ersten Fluidversorgungspfad 20c, der zumindest abschnittsweise durch die erste elektrochemische Zelle 14c führt, und zumindest einen zweiten Fluidversorgungspfad 22c, der zumindest abschnittsweise durch die zweite elektrochemische Zelle 16c führt. Die Fluidversorgungseinheit 18c ist derart ausgebildet, dass in zumindest einem Normalbetriebszustand ein Volumenstrom des Fluids durch die erste elektrochemische Zelle 14c und durch die zweite elektrochemische Zelle 16c zumindest im Wesentlichen identisch ist. Im vorliegenden Fall sind der erste Fluidversorgungspfad 20c und der zweite Fluidversorgungspfad 22c zumindest im Wesentlichen gleich lang.
Die Zelleneinheit 12c umfasst im vorliegenden Fall eine Mehrzahl von Zellenstapeln 46c, 80c, 82c, beispielsweise drei Zellenstapel 46c, 80c, 82c, wobei eine beliebige andere Anzahl denkbar ist. Die erste elektrochemische Zelle 14c und die zweite elektrochemische Zelle 16c sind in unterschiedlichen Zellenstapeln 46c, 80c der Zelleneinheit 12c angeordnet. Die Zellenstapel 46c, 80c, 82c sind elektrisch in Reihe geschaltet, wobei jedoch auch eine Parallelschaltung denkbar wäre. Die Zellenstapel 46c, 80c, 82c sind hydraulisch derart geschaltet, dass ihnen jeweils Fluidversorgungspfade von identischer Länge zugeordnet sind. Im vorliegenden Fall sind Volumenströme durch die einzelnen Zellenstapel 46c, 80c, 82c zumindest im Wesentlichen identisch zueinander. Insbesondere sind die Zellenstapel 46c, 80c, 82c hydraulisch analog zu den elektrochemischen Zellen 14a, 16a des Ausführungsbeispiels der 1 bis 3 geschaltet.
Die 6 zeigt eine erste alternative Elektrochemievorrichtung 10d in einer schematischen Seitenansicht. Die erste alternative Elektrochemievorrichtung 10d weist eine Zelleneinheit 12d auf, die zumindest eine erste elektrochemische Zelle 14d und zumindest eine zweite elektrochemische Zelle 16d umfasst. Ferner weist die erste alternative Elektrochemievorrichtung 10d eine Fluidversorgungseinheit 18d zur Versorgung der Zelleneinheit 12d mit zumindest einem Fluid auf. Die Fluidversorgungseinheit 18d umfasst zumindest einen ersten Fluidversorgungspfad 20d, der zumindest abschnittsweise durch die erste elektrochemische Zelle 14d führt, und zumindest einen zweiten Fluidversorgungspfad 22d, der zumindest abschnittsweise durch die zweite elektrochemische Zelle 16d führt. Die Fluidversorgungseinheit 18d ist derart ausgebildet, dass in zumindest einem Normalbetriebszustand ein Volumenstrom des Fluids durch die erste elektrochemische Zelle 14d und durch die zweite elektrochemische Zelle 16d zumindest im Wesentlichen identisch ist. Im vorliegenden Fall sind der erste Fluidversorgungspfad 20d und der zweite Fluidversorgungspfad 22d zumindest im Wesentlichen gleich lang.
Die Zelleneinheit 12d umfasst eine Mehrzahl von Zellenstapeln 46d, 80d, 82d. Die Zellenstapel 46d, 80d, 82d sind hydraulisch analog zu den elektrochemischen Zellen 14b, 16b des Ausführungsbeispiels der 4 geschaltet. Die elektrochemischen Zellen 14d, 16d der einzelnen Zellenstapel 46d, 80d, 82d sind hydraulisch jeweils hintereinandergeschaltet. Es ist auch denkbar, dass jeder der Zellenstapel 46d, 80d, 82d wie gezeigt von der Fluidversorgungseinheit 18d mit Fluid versorgt ist, die einzelnen elektrochemischen Zellen 14d, 16d jedes Stapels jedoch ungleichmäßig mit Fluid versorgt sind. Beispielsweise ist denkbar, dass bei jedem Zellenstapel 46d, 80d, 82d ein Zulauf und ein Ablauf auf derselben Seite angeordnet sind und/oder eine Zulaufrichtung einer Ablaufrichtung entgegengesetzt verläuft, sodass insbesondere unterschiedliche Volumenströme durch einzelne elektrochemische Zellen 14d, 16d eines jeden Zellenstapels 46d, 80d, 82d fließen, elektrochemische Zellen 14d, 16d mit analoger Nummerierung in ihrem Zellenstapel 46d, 80d, 82d jedoch jeweils zumindest im Wesentlichen identisch durchströmt sind.

Claims

Elektrochemievorrichtung, insbesondere Elektrolysevorrichtung, insbesondere Polymerelektrolytmembran-Elektrolysevorrichtung, mit zumindest einer Zelleneinheit (12a-d), die zumindest eine erste elektrochemische Zelle (14a-d) und zumindest eine zweite elektrochemische Zelle (16a-d) umfasst, und mit zumindest einer Fluidversorgungseinheit (18a-d) zur Versorgung der Zelleneinheit (12a-d) mit zumindest einem Fluid, insbesondere mit Wasser, die zumindest einen ersten Fluidversorgungspfad (20a-d), der zumindest abschnittsweise durch die erste elektrochemische Zelle (14a-d) führt, und zumindest einen zweiten Fluidversorgungspfad (22a-d), der zumindest abschnittsweise durch die zweite elektrochemische Zelle (16a-d) führt, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidversorgungseinheit (18a-d) derart ausgebildet ist, dass in zumindest einem Normalbetriebszustand ein Volumenstrom des Fluids durch die erste elektrochemische Zelle (14a-d) und durch die zweite elektrochemische Zelle (16a-d) zumindest im Wesentlichen identisch ist.
Elektrochemievorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Normalbetriebszustand ein Druckverlust in dem ersten Fluidversorgungspfad (20a-d) zumindest im Wesentlichen einem Druckverlust in dem zweiten Fluidversorgungspfad (22a-d) entspricht.
Elektrochemievorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Fluidversorgungspfad (20a-d) und der zweite Fluidversorgungspfad (22a-d) zumindest im Wesentlichen gleich lang sind.
Elektrochemievorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Fluidversorgungspfad (20a) und der zweite Fluidversorgungspfad (22a) von einem gemeinsamen Zulauf (24a) zu den elektrochemischen Zellen (14a, 16a) und/oder von den elektrochemischen Zellen (14a, 16a) zu einem gemeinsamen Ablauf (26a) führen.
Elektrochemievorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidversorgungseinheit (18a) zumindest einen Zulaufkanal (28a) und zumindest einen Ablaufkanal (30a) aufweist, die zu einem Führen des Fluids in dem Normalbetriebszustand in eine Zulaufflussrichtung (32a) und in eine Ablaufflussrichtung (34a) vorgesehen sind, die zumindest im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
Elektrochemievorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Summe einer Länge eines ersten Zulaufabschnitts (36a) und einer Länge eines ersten Ablaufabschnitts (38a) des ersten Fluidversorgungspfads (20a) zumindest im Wesentlichen einer Summe einer Länge eines zweiten Zulaufabschnitts (40a) und einer Länge eines zweiten Ablaufabschnitts (42a) des zweiten Fluidversorgungspfads (22a) entspricht.
Elektrochemievorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckverlust in dem ersten Zulaufabschnitt (36a) größer ist als ein Druckverlust in dem zweiten Zulaufabschnitt (40a) und ein Druckverlust in dem ersten Ablaufabschnitt (38a) kleiner ist als ein Druckverlust in dem zweiten Ablaufabschnitt (42a).
Elektrochemievorrichtung nach Anspruch 5 und 6 oder nach Anspruch 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zulaufkanal (28a) den ersten Zulaufabschnitt (36a) und den zweiten Zulaufabschnitt (40a) und/oder der Ablaufkanal (30a) den ersten Ablaufabschnitt (38a) und den zweiten Ablaufabschnitt (42a) zumindest teilweise ausbildet.
Elektrochemievorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrochemische Zelle (14a) zumindest ein funktionelles Element (44a) aufweist, das zumindest einen Abschnitt des ersten Fluidversorgungspfads (20a) und zumindest einen Abschnitt des zweiten Fluidversorgungspfads (22a) ausbildet.
Elektrochemievorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das funktionelle Element (44a) ein funktionelles Zellenstapelelement ist.
Elektrochemievorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelleneinheit (12a) zumindest einen Zellenstapel (46a) mit einer Mehrzahl gestapelt angeordneter elektrochemischer Zellen (14a, 16a) umfasst, denen jeweils ein Fluidversorgungspfad (20a, 22a) zugeordnet ist.
Elektrolyseur mit zumindest einer Elektrochemievorrichtung (10a) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Betrieb einer Elektrochemievorrichtung (10a), insbesondere einer Elektrolysevorrichtung, insbesondere einer Polymerelektrolytmembran-Elektrolysevorrichtung, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 11, mit zumindest einer Zelleneinheit (12a), die zumindest eine erste elektrochemische Zelle (14a) und zumindest eine zweite elektrochemische Zelle (16a) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrochemische Zelle (14a) und die zweite elektrochemische Zelle (16a) mit einem Fluid derart durchströmt werden, dass ein Volumenstrom des Fluids durch die erste elektrochemische Zelle (14a) und durch die zweite elektrochemische Zelle (16a) zumindest im Wesentlichen identisch ist.