DE102019217210A1 - Cell arrangement - Google Patents

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Peter SCHUETZBACH
Dietmar Steiner
Stefan Martin
Michael Stauch
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zellanordnung (100), die ein druckfestes Gehäuse (10) wobei im Gehäuse (10) mindestens eine erste Elektrodenanordnung (20) und mindestens eine zweite Elektrodenanordnung (40) umfasst, wobei die mindestens eine erste Elektrodenanordnung (20) mindestens eine erste Membran-Elektroden-Einheit (30) mit einer ersten Anode (31) und einer ersten Kathode (32) aufweist, welche voneinander durch eine erste Membran (33) getrennt sind, und wobei die mindestens eine zweite Elektrodenanordnung (40) mindestens eine zweite Membran-Elektroden-Einheit (50) mit einer zweiten Anode (51) und einer zweiten Kathode (52) aufweist, welche voneinander durch eine zweite Membran (53) getrennt sind.Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug, das mindestens eine erfindungsgemäße Zellanordnung (100) umfasst.The invention relates to a cell arrangement (100) which has a pressure-resistant housing (10), with at least one first electrode arrangement (20) and at least one second electrode arrangement (40) in the housing (10), the at least one first electrode arrangement (20) at least one first membrane electrode unit (30) with a first anode (31) and a first cathode (32), which are separated from one another by a first membrane (33), and wherein the at least one second electrode arrangement (40) at least a second Membrane-electrode unit (50) with a second anode (51) and a second cathode (52), which are separated from one another by a second membrane (53). The invention further relates to a motor vehicle which has at least one cell arrangement (100 ) includes.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zellanordnung, die ein druckfestes Gehäuse wobei im Gehäuse mindestens eine erste Elektrodenanordnung und mindestens eine zweite Elektrodenanordnung umfasst, wobei die mindestens eine erste Elektrodenanordnung mindestens eine erste Membran-Elektroden-Einheit mit einer ersten Anode und einer ersten Kathode aufweist, welche voneinander durch eine erste Membran getrennt sind, und wobei die mindestens eine zweite Elektrodenanordnung mindestens eine zweite Membran-Elektroden-Einheit mit einer zweiten Anode und einer zweiten Kathode aufweist, welche voneinander durch eine zweite Membran getrennt sind.The invention relates to a cell arrangement which has a pressure-resistant housing, the housing comprising at least one first electrode arrangement and at least one second electrode arrangement, the at least one first electrode arrangement having at least one first membrane-electrode unit with a first anode and a first cathode, which are mutually are separated by a first membrane, and wherein the at least one second electrode arrangement has at least one second membrane-electrode unit with a second anode and a second cathode, which are separated from one another by a second membrane.

Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug, das mindestens eine erfindungsgemäße Zellanordnung umfasst.The invention also relates to a motor vehicle which comprises at least one cell arrangement according to the invention.

Stand der TechnikState of the art

Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft insbesondere in Fahrzeugen vermehrt elektrische Systeme zum Einsatz kommen, die fortschrittliche Technologie zur Energieerzeugung mit elektrischer Antriebstechnik kombinieren. Eine Möglichkeit zur Erzeugung elektrischer Energie für ein elektrisches Antriebssystem eines Fahrzeugs bilden Brennstoffzellen.It is becoming apparent that in the future, especially in vehicles, more and more electrical systems will be used that combine advanced technology for energy generation with electrical drive technology. Fuel cells form one possibility for generating electrical energy for an electrical drive system of a vehicle.

Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, welche die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Eine Brennstoffzelle ist also ein elektrochemischer Energiewandler. Bei bekannten Brennstoffzellen werden insbesondere Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (02) in Wasser (H2O), elektrische Energie und Wärme gewandelt.A fuel cell is a galvanic cell that converts the chemical reaction energy of a continuously supplied fuel and an oxidizing agent into electrical energy. A fuel cell is therefore an electrochemical energy converter. In known fuel cells, hydrogen (H2) and oxygen (02) in particular are converted into water (H2O), electrical energy and heat.

Zur Erzeugung von Wasserstoff findet üblicherweise ein Elektrolyseur Anwendung. Ein Elektrolyseur ist ein elektrochemischer Energiewandler, welcher Wasser (H20) mittels elektrischer Energie in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) spaltet. Damit der erzeugte Wasserstoff in einem Hochdruckspeicher gespeichert werden kann, werden üblicherweise Verdichter eingesetzt.An electrolyser is usually used to generate hydrogen. An electrolyzer is an electrochemical energy converter which splits water (H20) into hydrogen (H2) and oxygen (O2) using electrical energy. Compressors are usually used so that the hydrogen produced can be stored in a high-pressure storage device.

Die Brennstoffzelle, der Elektrolyseur und der Verdichter können jeweils als eine Zelle und auf Basis von Polymerelektrolytmembranen, die auch als Protonen-Austausch-Membrane (PEM) bezeichnet werden, ausgebildet. Mehrere Einzelzellen können zu einem Stapel angeordnet werden. Die Einzelzelle umfasst üblicherweise eine Membran-Elektroden-Einheit (Engl.: Membrane Electrode Assembly, MEA), welche zwei Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode, aufweist, die durch eine Polymerelektrolytmembran (PEM) getrennt sind. An die Anode und die Kathode kann jeweils eine Gasdiffusionslage für eine gleichmäßige Verteilung des Mediums, wie z. B. Gase und Flüssigkeit, bzw. für einen geregelten Medientransport angebracht werden. Basis von PEM ausgestaltete Elektrolyseure und Verdichter werden auch als PEM-Elektrolyseur und elektrochemischer Verdichter bezeichnet.The fuel cell, the electrolyzer and the compressor can each be designed as a cell and based on polymer electrolyte membranes, which are also referred to as proton exchange membranes (PEM). Several individual cells can be arranged in a stack. The single cell usually comprises a membrane electrode assembly (Membrane Electrode Assembly, MEA) which has two electrodes, namely an anode and a cathode, which are separated by a polymer electrolyte membrane (PEM). A gas diffusion layer for even distribution of the medium, such as, for. B. gases and liquids, or for a regulated media transport. Electrolyzers and compressors designed on the basis of PEM are also referred to as PEM electrolyzers and electrochemical compressors.

Die Einzelzelle umfasst ferner Bipolarplatten zur Kontaktierung der Anode sowie der Kathode und zur Medienführung. Durch Aussparungen in den Bipolarplatten werden Kanäle zur Medienverteilung innerhalb des Stapels generiert. Zusammengehalten wird dieser Stapel üblicherweise durch gegeneinander verschraubte Spannplatten, an denen sich auch die Medienanschlüsse des Stapels befinden. Jede Einzelzelle bzw. Einzelteile wie Bipolarplatten müssen zur Umgebung hin sowie intern zwischen Anoden- und Kathodenseite bzw. zwischen den einzelnen Medienführungen abgedichtet werden.The single cell also includes bipolar plates for contacting the anode and the cathode and for media routing. Channels for media distribution within the stack are generated through recesses in the bipolar plates. This stack is usually held together by clamping plates screwed against each other, on which the media connections of the stack are also located. Each individual cell or individual parts such as bipolar plates must be sealed from the environment as well as internally between the anode and cathode side or between the individual media ducts.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es wird eine Zellanordnung vorgeschlagen. Dabei umfasst die Zellanordnung ein druckfestes Gehäuse. Dabei sind mindestens eine erste Elektrodenanordnung und mindestens eine zweite Elektrodenanordnung im Gehäuse angeordnet, wobei die mindestens eine erste Elektrodenanordnung mindestens eine erste Membran-Elektroden-Einheit mit einer ersten Anode und einer ersten Kathode aufweist, welche voneinander durch eine erste Membran getrennt sind, und wobei die mindestens eine zweite Elektrodenanordnung mindestens eine zweite Membran-Elektroden-Einheit mit einer zweiten Anode und einer zweiten Kathode aufweist, welche voneinander durch eine zweite Membran getrennt sind. A cell arrangement is proposed. The cell arrangement includes a pressure-resistant housing. At least one first electrode arrangement and at least one second electrode arrangement are arranged in the housing, the at least one first electrode arrangement having at least one first membrane-electrode unit with a first anode and a first cathode, which are separated from one another by a first membrane, and wherein the at least one second electrode arrangement has at least one second membrane-electrode unit with a second anode and a second cathode, which are separated from one another by a second membrane.

Erfindungsgemäß sind die mindestens eine erste und die mindestens eine zweite Elektrodenanordnung zylindrisch ausgebildet und im Querschnitt geschlossen. Dabei weist die mindestens eine erste Elektrodenanordnung einen ersten Typ auf, während die mindestens eine zweite Elektrodenanordnung einen zweiten Typ aufweist. Der erste Typ und der zweite Typ sind dabei jeweils aus einer Brennstoffzelle-, einer Elektrolyseur- und einer elektrochemischen Verdichter-Membran- Elektroden- Einheit ausgewählt.According to the invention, the at least one first and the at least one second electrode arrangement are cylindrical and have a closed cross section. The at least one first electrode arrangement has a first type, while the at least one second electrode arrangement has a second type. The first type and the second type are each selected from a fuel cell, an electrolyzer and an electrochemical compressor-membrane-electrode unit.

Ein Zylinder ist ein geometrischer Körper, bei dem zwei parallele, ebene, kongruente Grundflächen durch eine Mantelfläche miteinander verbunden sind. Bevorzugt ist ein Zylinder im Sinne der Erfindung ein senkrechter Zylinder, bei dem die beiden Grundflächen senkrecht zu einer Längsachse des Zylinders sind. In diesem Fall sind die beiden Grundflächen sowie ein Querschnitt des Zylinders von Form und Größe identisch zueinander. Die beiden Grundflächen sowie der Querschnitt des Zylinders können kreisrund, oval oder polygonal ausgebildet werden. Somit fallen ein elliptischer Zylinder und ein Prisma auch unter den Begriff Zylinder im Sinne der Erfindung.A cylinder is a geometric body in which two parallel, flat, congruent base surfaces are connected to one another by a lateral surface. A cylinder in the sense of the invention is preferably a vertical cylinder in which the two base surfaces are perpendicular to a longitudinal axis of the cylinder. In this case, the two base areas and a cross section of the cylinder are identical in shape and size to one another. The two base areas as well as the cross section of the cylinder can be circular, oval or polygonal. Thus, an elliptical cylinder and a prism also fall under the term cylinder in the context of the invention.

Durch die mindestens eine zylindrisch ausgebildete und im Querschnitt geschlossene erste Elektrodenanordnung und die mindestens eine zylindrisch ausgebildete und im Querschnitt geschlossene zweite Elektrodenanordnung wird ein Innenraum der erfindungsgemäßen Zellanordnung in mehrere gegeneinander abgedichtete Teilinnenräume unterteilt. Die mehreren Teilinnenräume sind derart miteinander verbunden, dass Protonen durch die erste Membran der mindestens einen ersten Membran-Elektroden-Einheit geleitet werden.The at least one cylindrical first electrode arrangement with a closed cross section and the at least one cylindrical second electrode arrangement with a closed cross section divide an interior of the cell arrangement according to the invention into several mutually sealed sub-interiors. The plurality of partial interiors are connected to one another in such a way that protons are passed through the first membrane of the at least one first membrane-electrode unit.

Die mindestens eine erste Elektrodenanordnung weist dabei einen ersten Träger zum Tragen der mindestens einen ersten Membran-Elektroden-Einheit auf. Dabei kann der erste Träger ebenfalls zylindrisch ausgebildet werden und im Querschnitt geschlossenen sein.The at least one first electrode arrangement has a first carrier for carrying the at least one first membrane-electrode unit. The first carrier can also be cylindrical and closed in cross section.

Die mindestens eine zweite Elektrodenanordnung weist dabei einen zweiten Träger zum Tragen der mindestens einen zweiten Membran-Elektroden-Einheit auf. Dabei kann der erste Träger ebenfalls zylindrisch ausgebildet werden und im Querschnitt geschlossenen sein.The at least one second electrode arrangement has a second carrier for carrying the at least one second membrane-electrode unit. The first carrier can also be cylindrical and closed in cross section.

Für die erste Anode und die erste Kathode können ferner Bipolarplatten und Gasdiffusionslagen vorgesehen werden. Durch entsprechende Isolierung besteht keine elektrisch leitende Verbindung zwischen der ersten Anode und der ersten Kathode der mindestens einen ersten Membran-Elektroden-Einheit.Furthermore, bipolar plates and gas diffusion layers can be provided for the first anode and the first cathode. As a result of appropriate insulation, there is no electrically conductive connection between the first anode and the first cathode of the at least one first membrane-electrode unit.

Für die zweite Anode und die zweite Kathode können ebenfalls Bipolarplatten und Gasdiffusionslagen vorgesehen werden. Durch entsprechende Isolierung besteht keine elektrisch leitende Verbindung zwischen der zweiten Anode und der zweiten Kathode der mindestens einen zweiten Membran-Elektroden-Einheit.Bipolar plates and gas diffusion layers can also be provided for the second anode and the second cathode. As a result of appropriate insulation, there is no electrically conductive connection between the second anode and the second cathode of the at least one second membrane-electrode unit.

zwischen der mindestens einen ersten Elektrodenanordnung und der mindestens einen zweiten Elektrodenanordnung kann eine gasdurchlässige, elektrisch isolierende Schicht angeordnet. Diese gasdurchlässige, elektrisch isolierende Schicht dient sowohl zur gleichmäßigen Verteilung des Gases, als auch zur elektrischen Trennung der mindestens einen ersten Elektrodenanordnung und der mindestens einen zweiten Elektrodenanordnung.A gas-permeable, electrically insulating layer can be arranged between the at least one first electrode arrangement and the at least one second electrode arrangement. This gas-permeable, electrically insulating layer serves both for the uniform distribution of the gas and for the electrical separation of the at least one first electrode arrangement and the at least one second electrode arrangement.

Vorzugsweise unterscheiden sich der erste Typ und der zweite Typ voneinander.The first type and the second type are preferably different from one another.

Vorteilhaft ist die mindestens eine erste Membran-Elektroden-Einheit als eine Elektrolyseur-Membran-Elektroden-Einheit ausgestaltet, während die mindestens eine zweite Membran-Elektroden-Einheit als eine elektrochemische Verdichter-Membran-Elektroden-Einheit ausgestaltet ist. Alternativ kann die mindestens eine erste Membran-Elektroden-Einheit als eine elektrochemische Verdichter-Membran-Elektroden-Einheit ausgestaltet, während die mindestens eine zweite Membran-Elektroden-Einheit als eine Elektrolyseur-Membran-Elektroden-Einheit ausgestaltet ist.The at least one first membrane-electrode unit is advantageously designed as an electrolyzer-membrane-electrode unit, while the at least one second membrane-electrode unit is designed as an electrochemical compressor-membrane-electrode unit. Alternatively, the at least one first membrane-electrode unit can be designed as an electrochemical compressor-membrane-electrode unit, while the at least one second membrane-electrode unit is designed as an electrolyzer-membrane-electrode unit.

Vorteilhaft ist auch, dass die mindestens eine erste Membran-Elektroden-Einheit als eine Brennstoffzelle-Membran-Elektroden-Einheit ausgestaltet ist, während die mindestens eine zweite Membran-Elektroden-Einheit als eine elektrochemische Verdichter-Membran-Elektroden-Einheit ausgestaltet ist. Alternativ kann die mindestens eine erste Membran-Elektroden-Einheit als eine elektrochemische Verdichter-Membran-Elektroden-Einheit ausgestaltet, während die mindestens eine zweite Membran-Elektroden-Einheit als eine Brennstoffzelle-Membran-Elektroden-Einheit ausgestaltet ist.It is also advantageous that the at least one first membrane-electrode unit is designed as a fuel cell-membrane-electrode unit, while the at least one second membrane-electrode unit is designed as an electrochemical compressor-membrane-electrode unit. Alternatively, the at least one first membrane-electrode unit can be designed as an electrochemical compressor-membrane-electrode unit, while the at least one second membrane-electrode unit is designed as a fuel cell-membrane-electrode unit.

Bevorzugt weisen das Gehäuse, die mindestens eine erste und die mindestens eine zweite Elektrodenanordnung jeweils einen runden, ovalen oder polygonalen Querschnitt auf. Unter dem Begriff des polygonalen Querschnitts fallen beispielsweise ein dreieckiger, ein rechteckiger, ein sternförmiger und ein kreuzförmiger Querschnitt eines zylindrisch ausgebildeten Körpers. Besonders bevorzugt weisen das Gehäuse, die mindestens eine erste und die mindestens eine zweite Elektrodenanordnung jeweils einen runden oder einen rechteckigen Querschnitt auf.The housing, the at least one first and the at least one second electrode arrangement each have a round, oval or polygonal cross section. The term polygonal cross section includes, for example, a triangular, rectangular, star-shaped and cross-shaped cross section of a cylindrically designed body. Particularly preferably, the housing, the at least one first and the at least one second electrode arrangement each have a round or a rectangular cross section.

Der Querschnitt des Gehäuses, der Querschnitt der mindestens eine ersten Elektrodenanordnung und der Querschnitt der mindestens einen zweiten Elektrodenanordnung können jeweils unterschiedlich gewählt werden.The cross section of the housing, the cross section of the at least one first electrode arrangement and the cross section of the at least one second electrode arrangement can each be selected to be different.

Bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße Zellanordnung mehrere erste Elektrodenanordnungen. Dabei sind die mehreren ersten Elektrodenanordnungen bevorzugt koaxial zueinander im Gehäuse angeordnet werden. Bevorzugt ist jeweils zwischen zwei ersten Elektrodenanordnungen eine Bipolarplatte angeordnet. Denkbar ist aber, dass die mehreren ersten Elektrodenanordnungen nebeneinander im Gehäuse angeordnet werden. Dabei können die mehreren ersten Elektrodenanordnungen unterschiedliche Querschnitte aufweisen.The cell arrangement according to the invention preferably comprises a plurality of first electrode arrangements. The plurality of first electrode arrangements are preferably arranged coaxially to one another in the housing. A bipolar plate is preferably arranged between each two first electrode arrangements. However, it is conceivable that the plurality of first electrode arrangements are arranged next to one another in the housing. The multiple first electrode arrangements can have different cross-sections.

Die mehreren ersten Elektrodenanordnungen können koaxial zueinander im Gehäuse derart angeordnet sein, dass die benachbarten ersten Elektrodenanordnungen immer mit gleichen Elektrodenseiten, also Anodenseiten oder Kathodenseiten der mindestens einen ersten Membran-Elektroden-Einheit der jeweiligen ersten Elektrodenanordnungen, einander zugewandt sind.The plurality of first electrode arrangements can be arranged coaxially to one another in the housing in such a way that the adjacent first electrode arrangements are always identical Electrode sides, that is to say anode sides or cathode sides of the at least one first membrane-electrode unit of the respective first electrode arrangements, face one another.

Denkbar ist auch, dass die mehreren ersten Elektrodenanordnungen in mehrere Gruppen unterteilt werden. Dabei weisen die mehreren Gruppen jeweils eine Anzahl von den ersten Elektrodenanordnungen auf, die koaxial zueinander angeordnet sind. Die mehreren Gruppen sind dann nebeneinander im Gehäuse angeordnet. Beispielsweise können die mehreren ersten Elektrodenanordnungen in eine erste und eine zweite Gruppe unterteilt werden, wobei die erste Gruppe eine erste Anzahl von den ersten Elektrodenanordnungen aufweist, die koaxial zueinander angeordnet sind, während die zweite Gruppe eine zweite Anzahl von den ersten Elektrodenanordnungen aufweist, die koaxial zueinander angeordnet sind. Die erste Gruppe und die zweite Gruppe sind dabei nebeneinander im Gehäuse angeordnet. Bevorzugt ist die erste Anzahl der ersten Elektrodenanordnungen gleich der zweiten Anzahl der ersten Elektrodenanordnungen.It is also conceivable that the several first electrode arrangements are divided into several groups. The multiple groups each have a number of the first electrode arrangements which are arranged coaxially to one another. The several groups are then arranged next to one another in the housing. For example, the plurality of first electrode arrangements can be divided into a first and a second group, the first group having a first number of the first electrode arrangements that are arranged coaxially to one another, while the second group has a second number of the first electrode arrangements that are coaxial are arranged to each other. The first group and the second group are arranged next to one another in the housing. The first number of first electrode arrangements is preferably equal to the second number of first electrode arrangements.

Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Zellanordnung mehrere zweite Elektrodenanordnungen. Dabei sind die mehreren zweiten Elektrodenanordnungen bevorzugt koaxial zueinander im Gehäuse angeordnet. Bevorzugt ist jeweils zwischen zwei zweiten Elektrodenanordnungen eine Bipolarplatte angeordnet. Denkbar ist aber auch, dass die mehreren zweiten Elektrodenanordnungen nebeneinander im Gehäuse angeordnet sind. Die mehreren zweiten Elektrodenanordnungen können unterschiedliche Querschnitte aufweisen.The cell arrangement according to the invention preferably comprises a plurality of second electrode arrangements. The plurality of second electrode arrangements are preferably arranged coaxially to one another in the housing. A bipolar plate is preferably arranged between each two second electrode arrangements. However, it is also conceivable that the plurality of second electrode arrangements are arranged next to one another in the housing. The plurality of second electrode arrangements can have different cross sections.

Die mehreren zweiten Elektrodenanordnungen können koaxial zueinander im Gehäuse derart angeordnet sein, dass die benachbarten zweiten Elektrodenanordnungen immer mit gleichen Elektrodenseiten, also Anodenseiten oder Kathodenseiten der mindestens einen zweiten Membran-Elektroden-Einheit der jeweiligen zweiten Elektrodenanordnungen, einander zugewandt sind.The plurality of second electrode arrangements can be arranged coaxially to one another in the housing in such a way that the adjacent second electrode arrangements always face one another with the same electrode sides, i.e. anode sides or cathode sides of the at least one second membrane electrode unit of the respective second electrode arrangements.

Denkbar ist auch, dass die mehreren zweiten Elektrodenanordnungen in mehrere Gruppen unterteilt werden. Dabei weisen die mehreren Gruppen jeweils eine Anzahl von den zweiten Elektrodenanordnungen auf, die koaxial zueinander angeordnet sind. Die mehreren Gruppen sind dann nebeneinander im Gehäuse angeordnet.It is also conceivable that the several second electrode arrangements are divided into several groups. The multiple groups each have a number of the second electrode arrangements which are arranged coaxially to one another. The several groups are then arranged next to one another in the housing.

Die mindestens eine zweite Elektrodenanordnung kann dabei koaxial zu oder neben der mindestens einen ersten Elektrodenanordnung angeordnet werden. Bevorzugt ist, dass die mindestens eine erste Elektrodenanordnung und die mindestens eine zweite Elektrodenanordnung koaxial zueinander angeordnet sind.The at least one second electrode arrangement can be arranged coaxially with or next to the at least one first electrode arrangement. It is preferred that the at least one first electrode arrangement and the at least one second electrode arrangement are arranged coaxially to one another.

Sind die mehreren ersten oder mehreren zweiten Elektrodenanordnungen koaxial zueinander im Gehäuse angeordnet, deren ersten oder zweiten Membran-Elektroden-Einheiten als elektrochemische Verdichter-Membran-Elektroden-Einheit ausgestaltet sind, wird ein mehrstufiger elektrochemischer Verdichter ausgebildet. Somit kann ein zu großer Druckunterschied an der Membran-Elektroden-Einheit bei nur einer Druckstufe vermieden werden. In diesem Fall sind die benachbarten ersten oder zweiten Elektrodenanordnungen immer mit unterschiedlichen Elektrodenseiten einander zugewandt.If the plurality of first or a plurality of second electrode arrangements are arranged coaxially to one another in the housing, the first or second membrane electrode units of which are designed as an electrochemical compressor membrane electrode unit, a multi-stage electrochemical compressor is formed. In this way, too great a pressure difference on the membrane-electrode unit can be avoided with only one pressure level. In this case, the adjacent first or second electrode arrangements always face one another with different electrode sides.

Mit der erfindungsgemäßen Zellanordnung können die Querschnitte der Teilinnenräume vor der Anode und der Kathode so groß ausgebildet werden, dass die Anode und die Kathode einer als eine Brennstoffzelle-Membran-elektroden-Einheit ausgestalteten Membran-Elektroden-Einheit bei einem reinen Sauerstoff-Betrieb der Brennstoffzelle, die Anode eine als eine Elektrolyseur-Membran-Elektroden-Einheit ausgestalteten Membran-Elektroden-Einheit sowie die Anode einer als eine elektrochemischen Verdichter-Membran-Elektroden-Einheit ausgestalteten Membran-Elektroden-Einheit in einem sogenannten „Dead-End-Betrieb“ betrieben werden können. Dadurch ist eine Rezirkulation der Gase oder des Wassers nicht mehr erforderlich. Beispielsweise kann ein Abstand zwischen den benachbarten Elektrodenanordnungen mindestens 1 mm betragen. Bevorzugt liegt der Abstand in einem Bereich von 1 mm bis 10 cm.With the cell arrangement according to the invention, the cross-sections of the partial interiors in front of the anode and the cathode can be made so large that the anode and the cathode of a membrane-electrode unit designed as a fuel cell-membrane-electrode unit when the fuel cell is operated with pure oxygen , the anode is operated as a membrane electrode unit designed as an electrolyzer membrane electrode unit and the anode of a membrane electrode unit designed as an electrochemical compressor membrane electrode unit in a so-called "dead-end operation" can be. This means that recirculation of the gases or water is no longer necessary. For example, a distance between the adjacent electrode arrangements can be at least 1 mm. The distance is preferably in a range from 1 mm to 10 cm.

Im Falle einer Brennstoffzelle mit reinem Sauerstoff-Betrieb kann daher das Gehäuse frei von Ableitungsanschlüssen, die zur Abfuhr von überschüssigem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, und überschüssigem Sauerstoff dienen, ausgestaltet werden. Das heißt, am Gehäuse brauchen nur zwei Zuleitungsanschlüsse am Gehäuse angebracht zu werden, welche zur Zufuhr eines Brennstoffs, insbesondere Wasserstoff, und des Sauerstoffs dient. Das Gehäuse weist hierbei weitere Anschlüsse auf, die beispielsweise zur Durchleitung eines Temperierungsmediums und zur Abführung von durch Reaktion oder Kondensation entstehendem Wasser dienen.In the case of a fuel cell with pure oxygen operation, the housing can therefore be designed free of discharge connections which serve to discharge excess fuel, in particular hydrogen, and excess oxygen. This means that only two supply line connections need to be attached to the housing, which are used to supply a fuel, in particular hydrogen, and the oxygen. The housing has further connections, which are used, for example, for the passage of a temperature control medium and for the discharge of water resulting from reaction or condensation.

In Falle eines Elektrolyseurs kann das Gehäuse auch frei von Ableitungsanschlüssen, die der Abfuhr von überschüssigem, aufzuspaltendem Wasser dienen, ausgestaltet werden. Das Gehäuse weist hierbei weitere Anschlüsse auf, die beispielsweise der Abfuhr von dem aufgrund vom osmotischen Effekt die Membrane durchquerendes Wasser dienen.In the case of an electrolyzer, the housing can also be designed free of drainage connections that serve to remove excess water to be split. The housing here has further connections which, for example, serve to discharge the water that has passed through the membrane due to the osmotic effect.

Im Falle eines elektrochemischen Verdichters kann das Gehäuse ebenfalls frei von Ableitungsanschlüssen, die zur Abfuhr von überschüssigem, zu verdichtendem Wasserstoff dienen, ausgestaltet werden. Das Gehäuse weist hierbei weitere Anschlüsse auf, die beispielsweise zur Durchleitung eines Temperierungsmediums und zur Abführung von durch Kondensation entstehendem Wasser dienen.In the case of an electrochemical compressor, the housing can also be free of Drainage connections, which serve to remove excess hydrogen to be compressed, are designed. The housing has further connections, which are used, for example, for the passage of a temperature control medium and for the discharge of water resulting from condensation.

Durch einen entsprechenden großen Querschnitt der Teilinnenräume, die der Kathode der mindestens einen als eine Brennstoffzelle-Membran-Elektroden-Einheit ausgestalteten ersten Membran-Elektroden-Einheit zugewandt sind, kann die als eine Brennstoffzelle ausgebildete Zellanordnung durch einen erhöhten Luft-/Sauerstoffdurchsatz abgekühlt werden. Hierbei weist das Gehäuse zwei Anschlüsse auf, wobei einer davon der Zufuhr der Luft/des Sauerstoffs und der andere der Abfuhr der Luft/des Sauerstoffs dient. Alternativ kann die Kühlung auch durch einen erhöhten Durchsatz von Brennstoff, insbesondere Wasserstoff realisiert werden, wobei das Gehäuse zwei Anschlüsse aufweist, wobei einer davon der Zufuhr des Brennstoffs und der andere der Abfuhr des Brennstoffs dient. Eine kombinierte Kühlung durch gleichzeitige Erhöhung des Luft-/Sauerstoffdurchsatzes und des Brennstoffdurchsatzes ist ebenfalls möglich.With a correspondingly large cross section of the partial interiors facing the cathode of the at least one first membrane electrode unit configured as a fuel cell membrane electrode unit, the cell arrangement configured as a fuel cell can be cooled by an increased air / oxygen throughput. The housing has two connections, one of which is used to supply the air / oxygen and the other is used to remove the air / oxygen. Alternatively, the cooling can also be implemented by an increased throughput of fuel, in particular hydrogen, the housing having two connections, one of which is used to supply the fuel and the other to discharge the fuel. Combined cooling by simultaneously increasing the air / oxygen throughput and the fuel throughput is also possible.

Es wird ferner ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, das mindestens eine erfindungsgemäße Zellanordnung umfasst.A motor vehicle is also proposed which comprises at least one cell arrangement according to the invention.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die erfindungsgemäße Zellanordnung weist einen geometrisch einfachen Aufbau auf. Somit ist die Montage der erfindungsgemäßen Zellanordnung stark vereinfacht.The cell arrangement according to the invention has a geometrically simple structure. The assembly of the cell arrangement according to the invention is thus greatly simplified.

Es ist möglich, mit der erfindungsgemäßen Zellanordnung die Querschnitte der Teilinnenräume vor der Anode und der Kathode groß auszubilden. Dadurch ist der Fließwiederstand bzw. der Druckverlust der Gase sehr gering und es besteht kein Konzentrationsgradient in Fließrichtung. Hierbei wird eine lokale Konzentration der Gase an der Anode sowie der Kathode über den Druck der Gase und nicht die geometrische Lage in den Teilinnenräumen bestimmt. Somit ist es möglich, dass die Anode und die Kathode einer Brennstoffzelle sowie die Anode eines elektrochemischen Verdichters im sogenannten „Dead-End-Betrieb“ betrieben werden. Folglich ist eine Rezirkulation der Gase nicht erforderlich.With the cell arrangement according to the invention, it is possible to make the cross-sections of the partial interiors in front of the anode and the cathode large. As a result, the flow resistance or the pressure loss of the gases is very low and there is no concentration gradient in the direction of flow. Here, a local concentration of the gases at the anode and the cathode is determined via the pressure of the gases and not the geometric position in the partial interiors. It is thus possible for the anode and the cathode of a fuel cell as well as the anode of an electrochemical compressor to be operated in so-called “dead-end operation”. As a result, there is no need to recirculate the gases.

Weiterhin ist es mit der erfindungsgemäßen Zellanordnung möglich, einen elektrochemischen Verdichter für eine lokale Extraktion von Wasserstoff aus dem Erdgasnetz durch einen entsprechend großen Querschnitt auf der Anodenseite im Vollstrom praktisch ohne Druckverlust oder Pumpaufwand, einzusetzen.Furthermore, with the cell arrangement according to the invention it is possible to use an electrochemical compressor for local extraction of hydrogen from the natural gas network through a correspondingly large cross section on the anode side in full flow with practically no pressure loss or pumping effort.

Darüber hinaus kann eine Kühlung über einen zusätzlichen Kühlmittelkreislauf bei einer Brennstoffzelle durch einen entsprechend großen Querschnitt auf der Kathodenseite durch einen erhöhten Luftdurchsatz ersetzt werden. Dies ermöglicht ebenfalls eine Vereinfachung des Aufbaus der erfindungsgemäßen Zellanordnung. Zudem kann bei entsprechendem Anordnen der erfindungsgemäßen Zellanordnung, wie beispielsweise senkrecht oder schräg zur Horizontalebene, ein selbständiges Abfließen von Wasser aus Kondensation, Reaktion oder Wasser, das aufgrund von osmotischen Effekten durch die Membrane durchquert, leicht erzielt werden.In addition, cooling via an additional coolant circuit in a fuel cell can be replaced by a correspondingly large cross section on the cathode side by an increased air throughput. This also enables the construction of the cell arrangement according to the invention to be simplified. In addition, with appropriate arrangement of the cell arrangement according to the invention, such as perpendicular or inclined to the horizontal plane, an independent drainage of water from condensation, reaction or water that passes through the membrane due to osmotic effects can easily be achieved.

Durch die einfache Bauweise der erfindungsgemäßen Zellanordnung bzw. den Wegfall der integrierten Kühlung kann speziell bei koaxialer Anordnung der mindestens einen ersten und der mindestens zweiten Elektrodenanordnung Material für Wandung bzw. Träger zum Tragen der mindestens einen ersten und zweiten Membran-Elektroden-Einheit eingespart werden. Dies ermöglicht sowohl eine Gewichtreduktion, als auch eine Kostenreduktion für Material und Montage der erfindungsgemäßen Zellanordnung.Due to the simple construction of the cell arrangement according to the invention or the omission of the integrated cooling, material for the wall or carrier for supporting the at least one first and second membrane electrode unit can be saved, especially with a coaxial arrangement of the at least one first and the at least second electrode arrangement. This enables both a weight reduction and a cost reduction for material and assembly of the cell arrangement according to the invention.

Außerdem kann eine druckausgeglichene Brennstoffzelle oder ein druckausgeglichener Elektrolyseur mit der erfindungsgemäßen Zellanordnung leicht realisiert werden, da eine einzelne Elektrodenordnung nicht gegenüber der äußere Umgebung der Zellanordnung abgedichtet werden muss. Damit wird der Maximaldruck der Anode oder der Kathode nur durch den Maximaldruck des druckfesten Gehäuses der Zellanordnung bestimmt. Unter einer druckausgeglichenen Brennstoffzelle oder einem druckausgeglichenen Elektrolyseur ist zu verstehen, dass auf Anodenseite und Kathodenseite der Brennstoffzelle oder des Elektrolyseurs annähernd der gleiche Druck vorherrscht. Dadurch liegt kein große Druckabfall über die Membran-Elektroden-Einheit, was zu einer geringeren mechanischen Belastung der Membran-Elektroden-Einheit und zu einer geringeren Gasdiffusion durch die Membran führt. Für eine Abdichtung des druckfesten Gehäuses der Zellanordnung kann ein etabliertes Dichtverfahren wie z.B. für Flansche herangezogen werden. Eine entsprechende Pressung zwischen der Membran-Elektroden-Einheit zu den kontaktierenden Flächen und somit ein guter elektrischer Kontakt kann durch einen geringen Druckunterschied zwischen der Anode und der Kathode sichergestellt werden.In addition, a pressure-balanced fuel cell or a pressure-balanced electrolyzer can easily be implemented with the cell arrangement according to the invention, since an individual electrode arrangement does not have to be sealed off from the external environment of the cell arrangement. The maximum pressure of the anode or the cathode is thus only determined by the maximum pressure of the pressure-tight housing of the cell arrangement. A pressure-balanced fuel cell or a pressure-balanced electrolyzer is to be understood as meaning that approximately the same pressure prevails on the anode side and cathode side of the fuel cell or of the electrolyzer. As a result, there is no great pressure drop across the membrane-electrode unit, which leads to less mechanical stress on the membrane-electrode unit and less gas diffusion through the membrane. An established sealing method, e.g. for flanges, can be used to seal the pressure-tight housing of the cell arrangement. A corresponding pressure between the membrane-electrode unit and the contacting surfaces and thus a good electrical contact can be ensured by a small pressure difference between the anode and the cathode.

Die als ein elektrochemischer Verdichter ausgebildete Zellanordnung ist ferner gut geeignet für eine Festoxidbrennstoffzelle, da ein großer Gasdurchsatz bei sehr geringem Druckverlust ermöglicht werden kann.The cell arrangement designed as an electrochemical compressor is also well suited for a solid oxide fuel cell, since a large gas throughput can be made possible with very little pressure loss.

Mit der erfindungsgemäßen Zellanordnung können leichte Teile ohne Anforderungen an die elektrische Leitfähigkeit durch nichtmetallische Werkstoffe, wie z.B. Kunststoff oder Carbonfaser, ersetzt werden. Dies führt ebenfalls zu einer Gewichtreduktion und einer Kostenreduktion.With the cell arrangement according to the invention, light parts can be replaced by non-metallic materials, such as plastic or carbon fiber, without any requirements for electrical conductivity. This also leads to a weight reduction and a cost reduction.

FigurenlisteFigure list

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings and the following description.

Es zeigen:

  • 1 eine schematische Querschnittdarstellung einer Zellanordnung gemäß einer ersten Ausgestaltung,
  • 2 eine schematische erste Längsschnittdarstellung der Zellanordnung gemäß der ersten Ausgestaltung,
  • 3 eine schematische zweite Längsschnittdarstellung der Zellanordnung gemäß der ersten Ausgestaltung,
  • 4 eine schematische Querschnittdarstellung einer Zellanordnung gemäß einer zweiten Ausgestaltung und
  • 5 eine schematische Querschnittdarstellung einer Zellanordnung gemäß einer dritten Ausgestaltung.
Show it:
  • 1 a schematic cross-sectional representation of a cell arrangement according to a first embodiment,
  • 2 a schematic first longitudinal sectional view of the cell arrangement according to the first embodiment,
  • 3rd a schematic second longitudinal sectional view of the cell arrangement according to the first embodiment,
  • 4th a schematic cross-sectional representation of a cell arrangement according to a second embodiment and
  • 5 a schematic cross-sectional illustration of a cell arrangement according to a third embodiment.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.In the following description of the embodiments of the invention, the same or similar elements are denoted by the same reference numerals, with a repeated description of these elements in individual cases being dispensed with. The figures represent the subject matter of the invention only schematically.

1 zeigt eine schematische Querschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Zellanordnung 100 gemäß einer ersten Ausgestaltung. Die erfindungsgemäße Zellanordnung 100 umfasst ein druckfestes, rechteckiges Gehäuse 10, in dem eine erste Elektrodenanordnung 20 und eine zweite Elektrodenanordnung 40 koaxial zueinander angeordnet sind. 1 shows a schematic cross-sectional representation of a cell arrangement according to the invention 100 according to a first embodiment. The cell arrangement according to the invention 100 includes a pressure-resistant, rectangular housing 10 , in which a first electrode arrangement 20th and a second electrode assembly 40 are arranged coaxially to one another.

Die erste Elektrodenanordnung 20 ist ebenfalls rechteckig ausgebildet und umfasst vier erste Membran-Elektroden-Einheiten 30 und einen ersten Träger 22 zum Tragen der vier ersten Membran-Elektroden-Einheiten 30. Die vier ersten Membran-Elektroden-Einheiten 30 umfassen jeweils eine erste Anode 31 und eine erste Kathode 32, welche durch eine erste Membran 33 getrennt sind. Für die erste Anode 31 und die erste Kathode 32 der jeweiligen ersten Membran-Elektroden-Einheiten 30 können Bipolarplatten und Gasdiffusionslagen vorgesehen werden. Durch entsprechende Isolierung besteht keine elektrisch leitende Verbindung zwischen der ersten Anode 31 und der ersten Kathode 32 der jeweiligen ersten Membran-Elektroden-Einheiten 30.The first electrode arrangement 20th is also rectangular and comprises four first membrane-electrode units 30th and a first carrier 22nd for carrying the first four membrane electrode assemblies 30th . The first four membrane-electrode assemblies 30th each include a first anode 31 and a first cathode 32 which through a first membrane 33 are separated. For the first anode 31 and the first cathode 32 of the respective first membrane electrode units 30th bipolar plates and gas diffusion layers can be provided. Due to the appropriate insulation, there is no electrically conductive connection between the first anode 31 and the first cathode 32 of the respective first membrane electrode units 30th .

Die zweite Elektrodenanordnung 40 ist auch rechteckig ausgebildet und umfasst vier zweite Membran-Elektroden-Einheiten 50 und einen zweiten Träger 42 zum Tragen der vier zweiten Membran-Elektroden-Einheiten 50. Die vier zweiten Membran-Elektroden-Einheiten 50 umfassen jeweils eine zweite Anode 51 und eine zweite Kathode 52, welche durch eine zweite Membran 53 getrennt sind. Für die zweite Anode 51 und die zweite Kathode 52 der jeweiligen zweiten Membran-Elektroden-Einheiten 50 können Bipolarplatten und Gasdiffusionslagen vorgesehen werden. Durch entsprechende Isolierung besteht keine elektrisch leitende Verbindung zwischen der zweiten Anode 51 und der zweiten Kathode 52 der jeweiligen zweiten Membran-Elektroden-Einheiten 50.The second electrode arrangement 40 is also rectangular and comprises four second membrane-electrode units 50 and a second carrier 42 for carrying the four second membrane electrode assemblies 50 . The four second membrane-electrode units 50 each include a second anode 51 and a second cathode 52 which through a second membrane 53 are separated. For the second anode 51 and the second cathode 52 of the respective second membrane-electrode units 50 bipolar plates and gas diffusion layers can be provided. Due to the appropriate insulation, there is no electrically conductive connection between the second anode 51 and the second cathode 52 of the respective second membrane-electrode units 50 .

Das Gehäuse 10, die erste Elektrodenanordnung 20 und die zweite Elektrodenanordnung 40 können unterschiedliche Querschnitte aufweisen. Beispielsweise können das Gehäuse 10, die erste Elektrodenanordnung 20 und die zweite Elektrodenanordnung 40 jeweils einen runden Querschnitt aufweisen. Möglich ist auch, dass das Gehäuse 10 einen rechteckigen/polygonalen Querschnitt aufweist, während die erste und zweite Elektrodenanordnung 20, 40 jeweils einen runden Querschnitt aufweisen.The case 10 , the first electrode array 20th and the second electrode assembly 40 can have different cross-sections. For example, the housing 10 , the first electrode array 20th and the second electrode assembly 40 each have a round cross-section. It is also possible that the housing 10 has a rectangular / polygonal cross section, while the first and second electrode arrangements 20th , 40 each have a round cross-section.

Durch die im Querschnitt geschossene erste und zweite Elektrodenanordnung 20, 40 ist ein Innenraum 11 der erfindungsgemäßen Zellanordnung 100 in einen ersten Teilinnenraum 12, einen zweiten Teilinnenraum 13 und einen dritten Teilinnenraum 14 unterteilt, welche gegeneinander abgedichtet sind.Due to the first and second electrode arrangement, which are closed in cross-section 20th , 40 is an interior 11 the cell arrangement according to the invention 100 in a first partial interior 12th , a second partial interior 13th and a third partial interior 14th divided, which are sealed against each other.

Zwischen der ersten Elektrodenanordnung 20 und der zweiten Elektrodenanordnung 40 ist eine gasdurchlässige, elektrisch isolierende Schicht 60 im zweiten Teilinnenraum 13 angeordnet, die sowohl zur gleichmäßigen Verteilung des Gases, als auch zur elektrischen Trennung der ersten Elektrodenanordnung 20 und der zweiten Elektrodenanordnung 40 dient.Between the first electrode arrangement 20th and the second electrode assembly 40 is a gas-permeable, electrically insulating layer 60 in the second part of the interior 13th arranged, both for the uniform distribution of the gas, as well as for the electrical separation of the first electrode arrangement 20th and the second electrode assembly 40 serves.

Die vier ersten Membran-Elektroden-Einheiten 30 weisen einen ersten Typ auf, der ausgewählt aus einer Brennstoffzelle-, einer Elektrolyseur- und einer elektrochemischen Verdichter-Membran-Elektroden-Einheit. Die vier zweiten Membran-Elektroden-Einheiten 50 weisen einen zweiten Typ auf, der ebenfalls ausgewählt aus einer Brennstoffzelle-, einer Elektrolyseur- und einer elektrochemischen Verdichter-Membran-Elektroden-Einheit. Dabei unterscheidet sich der zweite Typ von dem ersten Typ.The first four membrane-electrode assemblies 30th have a first type, which is selected from a fuel cell, an electrolyzer and an electrochemical compressor-membrane-electrode unit. The four second membrane-electrode units 50 have a second type, which is also selected from a fuel cell, an electrolyzer and an electrochemical compressor-membrane-electrode unit. The second type differs from the first type.

In 1 sind die vier ersten Membran-Elektroden-Einheiten 30 und die vier zweiten Membran-Elektroden-Einheiten 50 derart angeordnet, dass die ersten Anoden 31 der jeweiligen ersten Membran-Elektroden-Einheiten 30 dem ersten Teilinnenraum 12 zugewandt und die zweiten Kathoden 52 der jeweiligen zweiten Membran-Elektroden-Einheiten 50 dem dritten Teilinnenraum 14 zugewandt ist, während die ersten Kathoden 32 der jeweiligen ersten Membran-Elektroden-Einheiten 30 und die zweite Anode 51 dem zweiten Teilinnenraum 13 zugewandt sind.In 1 are the first four membrane-electrode assemblies 30th and the four second membrane-electrode assemblies 50 arranged such that the first anodes 31 of the respective first membrane electrode units 30th the first partial interior 12th facing and the second cathode 52 of the respective second membrane-electrode units 50 the third part interior 14th is facing while the first cathode 32 of the respective first membrane electrode units 30th and the second anode 51 the second partial interior 13th are facing.

Ebenfalls können die vier ersten Membran-Elektroden-Einheiten 30 und die vier zweiten Membran-Elektroden-Einheiten 50 derart angeordnet werden, dass die ersten Kathoden 32 der jeweiligen ersten Membran-Elektroden-Einheiten 30 dem ersten Teilinnenraum 12 zugewandt und die zweiten Anoden 51 der jeweiligen zweiten Membran-Elektroden-Einheiten 50 dem dritten Teilinnenraum 14 zugewandt ist, während die ersten Anoden 31 der jeweiligen ersten Membran-Elektroden-Einheiten 30 und die zweiten Kathoden 52 dem zweiten Teilinnenraum 13 zugewandt sind.The first four membrane-electrode units 30th and the four second membrane-electrode assemblies 50 be arranged such that the first cathodes 32 of the respective first membrane electrode units 30th the first partial interior 12th facing and the second anodes 51 of the respective second membrane-electrode units 50 the third part interior 14th is facing while the first anodes 31 of the respective first membrane electrode units 30th and the second cathodes 52 the second partial interior 13th are facing.

Die erfindungsgemäße Zellanordnung 100 aus 1 kann beispielsweise als eine Kombination von einem Elektrolyseur und einem elektrochemischen Verdichter ausgebildet werden. Hierbei sind die vier ersten Membran-Elektroden-Einheiten 30 jeweils als eine Elektrolyseur-Membran-Elektroden-Einheit ausgestaltet ist, während die vier zweiten Membran-Elektroden-Einheiten 50 jeweils als eine elektrochemische Verdichter-Membran-Elektroden-Einheit ausgestaltet ist. Dabei sind die ersten Kathoden 32 und die zweiten Anoden 51 dem zweiten Teilinnenraum 13 zugewandt. Das aufzuspaltende Wasser wird dem ersten Teilinnenraum 12 zugeführt. Der durch die erste Elektrodenanordnung 20 im zweiten Teilinnenraum 13 erzeugte Wasserstoff wird direkt durch die zweite Elektrodenanordnung 40 verdichtet. Der verdichtete Wasserstoff wird dann vom dritten Teilinnenraum 14 abgeführt.The cell arrangement according to the invention 100 out 1 can for example be designed as a combination of an electrolyzer and an electrochemical compressor. Here are the first four membrane-electrode units 30th each designed as an electrolyzer membrane electrode unit, while the four second membrane electrode units 50 is designed in each case as an electrochemical compressor-membrane-electrode unit. There are the first cathodes 32 and the second anodes 51 the second partial interior 13th facing. The water to be split becomes the first part of the interior 12th fed. The through the first electrode arrangement 20th in the second part of the interior 13th Hydrogen produced is generated directly by the second electrode assembly 40 condensed. The compressed hydrogen is then from the third partial interior 14th discharged.

Sind die vier zweiten Membran-Elektroden-Einheiten 50 jeweils als eine Elektrolyseur-Membran-Elektroden-Einheit ausgestaltet und die vier ersten Membran-Elektroden-Einheiten 30 jeweils als eine elektrochemische Verdichter-Membran-Elektroden-Einheit ausgestaltet, d.h., dass die zweiten Kathoden 52 und die ersten Anoden 31dem zweiten Teilinnenraum 13 zugewandt sind, wird das aufzuspaltende Wasser dem dritten Teilinnenraum 14 zugeführt. Der durch die zweite Elektrodenanordnung 40 im zweiten Teilinnenraum 13 erzeugte Wasserstoff wird direkt durch die erste Elektrodenanordnung 20 verdichtet. Der verdichtete Wasserstoff wird dann vom ersten Teilinnenraum 12 abgeführt.Are the four second membrane electrode assemblies 50 each designed as an electrolyzer-membrane-electrode unit and the four first membrane-electrode units 30th each configured as an electrochemical compressor-membrane-electrode unit, that is to say that the second cathodes 52 and the first anodes 31 to the second partial interior 13th are facing, the water to be split is the third part interior 14th fed. The one by the second electrode arrangement 40 in the second part of the interior 13th Hydrogen generated is generated directly by the first electrode assembly 20th condensed. The compressed hydrogen is then from the first partial interior 12th discharged.

Weitere Kombinationen sind auch möglich. Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Zellanordnung 100 als eine Kombination von einem Elektrolyseur und einer Brennstoffzelle oder als eine Kombination von einer Brennstoffzelle und einem elektrochemischen Verdichter ausgebildet werden. Vorteilhaft kann im letzteren Fall der überschüssige Wasserstoff zur weiteren Verwendung verdichtet werden.Other combinations are also possible. For example, the cell arrangement according to the invention 100 be designed as a combination of an electrolyzer and a fuel cell or as a combination of a fuel cell and an electrochemical compressor. In the latter case, the excess hydrogen can advantageously be compressed for further use.

In 2 ist ein erster Längsschnitt der Zellanordnung 100 in 1 entlang einer Linie A-A schematisch dargestellt. In 2 sind zwei der vier ersten Membran-Elektroden-Einheiten 30 und zwei der vier zweiten Membran-Elektroden-Einheiten 50 aus 1 dargestellt.In 2 is a first longitudinal section of the cell arrangement 100 in 1 shown schematically along a line AA. In 2 are two of the first four membrane-electrode assemblies 30th and two of the four second membrane electrode assemblies 50 out 1 shown.

Die zwei dargestellten ersten Membran-Elektroden-Einheiten 30 weisen dabei jeweils eine erste Anode 31 und eine erste Kathode 32 auf, die durch eine erste Membran 33 getrennt sind.The two first membrane-electrode assemblies shown 30th each have a first anode 31 and a first cathode 32 on that through a first membrane 33 are separated.

Die zwei dargestellten zweiten Membran-Elektroden-Einheiten 50 weisen dabei jeweils eine zweite Anode 51 und eine zweite Kathode 52 auf, die durch eine zweite Membran 53 getrennt sind.The two illustrated second membrane-electrode assemblies 50 each have a second anode 51 and a second cathode 52 on that through a second membrane 53 are separated.

Durch die erste und die zweite Elektrodenanordnung 20, 40 ist der Innenraum 11 der erfindungsgemäßen Zellanordnung 100 in einen ersten Teilinnenraum 12, einen zweiten Teilinnenraum 13 und einen dritten Teilinnenraum 14 unterteilt. Die erste und die zweite Elektrodenanordnung 20, 40 sind dabei derart ausgebildet, dass der erste, zweite sowie dritte Teilinnenraum 12, 13, 14 im Gehäuse 10 durchgängig sind.Through the first and second electrode assemblies 20th , 40 is the interior 11 the cell arrangement according to the invention 100 in a first partial interior 12th , a second partial interior 13th and a third partial interior 14th divided. The first and second electrode assemblies 20th , 40 are designed in such a way that the first, second and third sub-interior 12th , 13th , 14th in the housing 10 are consistent.

In 3 ist ein zweiter Längsschnitt der Zellanordnung 100 in 1 entlang der Linie A-A schematisch dargestellt, wobei die 3 eine alternative Ausgestaltung des zweiten und dritten Teilinnenraums 13, 14 zeigt. In 3 sind zwei der vier ersten Membran-Elektroden-Einheiten 30 und zwei der vier zweiten Membran-Elektroden-Einheiten 50 aus 1 dargestellt.In 3rd is a second longitudinal section of the cell arrangement 100 in 1 shown schematically along the line AA, the 3rd an alternative embodiment of the second and third partial interior 13th , 14th shows. In 3rd are two of the first four membrane-electrode assemblies 30th and two of the four second membrane electrode assemblies 50 out 1 shown.

Die zwei dargestellten ersten Membran-Elektroden-Einheiten 30 weisen dabei jeweils eine erste Anode 31 und eine erste Kathode 32 auf, die durch eine erste Membran 33 getrennt sind.The two first membrane-electrode assemblies shown 30th each have a first anode 31 and a first cathode 32 on that through a first membrane 33 are separated.

Die zwei dargestellten zweiten Membran-Elektroden-Einheiten 50 weisen dabei jeweils eine zweite Anode 51 und eine zweite Kathode 52 auf, die durch eine zweite Membran 53 getrennt sind.The two illustrated second membrane-electrode assemblies 50 each have a second anode 51 and a second cathode 52 on that through a second membrane 53 are separated.

Durch die erste und die zweite Elektrodenanordnung 20, 40 ist der Innenraum 11 der erfindungsgemäßen Zellanordnung 100 in einen ersten Teilinnenraum 12, einen zweiten Teilinnenraum 13 und einen dritten Teilinnenraum 14 unterteilt. Die erste und die zweite Elektrodenanordnung 20, 40 sind dabei derart ausgebildet, dass der zweite sowie dritte Teilinnenraum 13, 14 im Gehäuse 10 nicht durchgängig sind.Through the first and second electrode assemblies 20th , 40 is the interior 11 the cell arrangement according to the invention 100 in a first partial interior 12th , a second partial interior 13th and a third partial interior 14th divided. The first and second electrode assemblies 20th , 40 are designed in such a way that the second and third sub-interior 13th , 14th in the housing 10 are not continuous.

Weitere Ausgestaltung der ersten und der zweiten Elektrodenanordnung 20, 40 sind aber auch denkbar, wie beispielsweise ist nur der erste, nur der zweite oder nur der dritte Teilinnenraum 12, 13, 14 im Gehäuse 10 nicht durchgängig.Further configuration of the first and the second electrode arrangement 20th , 40 but are also conceivable, for example only the first, only the second or only the third partial interior 12th , 13th , 14th in the housing 10 not consistently.

4 zeigt eine schematische Querschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Zellanordnung 100 gemäß einer zweiten Ausgestaltung. Dabei umfasst die erfindungsgemäße Zellanordnung 100 zwei erste Elektrodenanordnungen 20 und eine zweite Elektrodenanordnung 40, welche im druckfesten Gehäuse 10 nebeneinander angeordnet sind. Das Gehäuse 10 sowie die zwei ersten Elektrodenanordnungen 20 und die zweite Elektrodenanordnung 40 weisen jeweils einen rechteckigen Querschnitt auf. Durch die zwei ersten Elektrodenanordnungen 20 und die zweite Elektrodenanordnung 40 ist ein Innenraum 11 der erfindungsgemäßen Zellanordnung 100 in vier Teilinnenräume 12, 13,14,15 unterteilt. 4th shows a schematic cross-sectional representation of a cell arrangement according to the invention 100 according to a second embodiment. The cell arrangement according to the invention comprises 100 two first electrode assemblies 20th and a second electrode assembly 40 , which are in a pressure-resistant housing 10 are arranged side by side. The case 10 and the first two electrode assemblies 20th and the second electrode assembly 40 each have a rectangular cross section. By the first two electrode arrangements 20th and the second electrode assembly 40 is an interior 11 the cell arrangement according to the invention 100 in four partial interiors 12th , 13th , 14th , 15th divided.

5 zeigt eine schematische Querschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Zellanordnung 100 gemäß einer dritten Ausgestaltung. Dabei umfasst die erfindungsgemäße Zellanordnung 100 zwei erste Elektrodenanordnungen 20 und eine zweite Elektrodenanordnung 40. Das Gehäuse 10 und die linke erste Elektrodenanordnung 20a weisen jeweils einen rechteckigen Querschnitt auf, während die mittle erste Elektrodenanordnung 20b einen runden Querschnitt und die rechte zweite Elektrodenanordnung 40 einen kreuzförmigen Querschnitt aufweist. Durch die zwei ersten Elektrodenanordnungen 20 und die zweite Elektrodenanordnung 40 ist ein Innenraum 11 der erfindungsgemäßen Zellanordnung 100 in vier Teilinnenräume 12, 13,14,15 unterteilt. 5 shows a schematic cross-sectional representation of a cell arrangement according to the invention 100 according to a third embodiment. The cell arrangement according to the invention comprises 100 two first electrode assemblies 20th and a second electrode assembly 40 . The case 10 and the left first electrode assembly 20a each have a rectangular cross section, while the middle first electrode arrangement 20b a round cross-section and the right second electrode arrangement 40 has a cruciform cross-section. By the first two electrode arrangements 20th and the second electrode assembly 40 is an interior 11 the cell arrangement according to the invention 100 in four partial interiors 12th , 13th , 14th , 15th divided.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.The invention is not restricted to the exemplary embodiments described here and the aspects emphasized therein. Rather, a large number of modifications are possible within the range specified by the claims, which are within the scope of expert action.

Claims (10)

Zellanordnung (100), umfassend ein druckfestes Gehäuse (10), wobei im Gehäuse (10) mindestens eine erste Elektrodenanordnung (20) und mindestens eine zweite im Gehäuse (10) angeordnete Elektroanordnung (40) angeordnet sind, wobei die mindestens eine erste Elektrodenanordnung (20) mindestens eine erste Membran-Elektroden-Einheit (30) mit einer ersten Anode (31) und einer ersten Kathode (32) aufweist, welche voneinander durch eine erste Membran (33) getrennt sind, und wobei die mindestens eine zweite Elektroanordnung (40) mindestens eine zweite Membran-Elektroden-Einheit (50) mit einer zweiten Anode (51) und einer zweiten Kathode (52) aufweist, welche voneinander durch eine zweite Membran (53) getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste und die mindestens eine zweite Elektrodenanordnung (20, 40) zylindrisch ausgebildet und im Querschnitt geschlossen sind und dass die mindestens eine erste Membran-Elektroden-Einheit (30) einen ersten Typ aufweist und die mindestens eine zweite Membran-Elektroden-Einheit (50) einen zweiten Typ aufweist, wobei sich der erste Typ und der zweite Typ jeweils ausgewählt sind aus einer Brennstoffzelle-, einer Elektrolyseur- und einer elektrochemischen Verdichter-Membran-Elektroden-Einheit.Cell arrangement (100), comprising a pressure-resistant housing (10), at least one first electrode arrangement (20) and at least one second electrical arrangement (40) arranged in the housing (10) being arranged in the housing (10), the at least one first electrode arrangement ( 20) has at least one first membrane electrode unit (30) with a first anode (31) and a first cathode (32), which are separated from one another by a first membrane (33), and wherein the at least one second electrical arrangement (40 ) has at least one second membrane-electrode unit (50) with a second anode (51) and a second cathode (52), which are separated from one another by a second membrane (53), characterized in that the at least one first and the at least one second electrode arrangement (20, 40) are cylindrical and closed in cross-section and that the at least one first membrane-electrode unit (30) has a first type and the at least ens a second membrane-electrode unit (50) has a second type, wherein the first type and the second type are each selected from a fuel cell, an electrolyzer and an electrochemical compressor membrane-electrode unit. Zellanordnung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erste Typ und der zweite Typ voneinander unterscheiden.Cell arrangement (100) according to Claim 1 , characterized in that the first type and the second type are different from each other. Zellanordnung (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste Membran-Elektroden-Einheit (30) als eine Elektrolyseur-Membran-Elektroden-Einheit ausgestaltet ist, während die mindestens eine zweite Membran-Elektroden-Einheit (50) als eine elektrochemische Verdichter-Membran-Elektroden-Einheit ausgestaltet ist, oder die mindestens eine erste Membran-Elektroden-Einheit (30) als eine elektrochemische Verdichter-Membran-Elektroden-Einheit ausgestaltet ist, während die mindestens eine zweite Membran-Elektroden-Einheit (50) als eine Elektrolyseur-Membran-Elektroden-Einheit ausgestaltet ist.Cell arrangement (100) according to Claim 2 , characterized in that the at least one first membrane electrode unit (30) is designed as an electrolyzer membrane electrode unit, while the at least one second membrane electrode unit (50) is designed as an electrochemical compressor membrane electrode -Unit is designed, or the at least one first membrane-electrode unit (30) is designed as an electrochemical compressor membrane-electrode unit, while the at least one second membrane-electrode unit (50) as an electrolyzer membrane Electrode unit is designed. Zellanordnung (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste Membran-Elektroden-Einheit (30) als eine Brennstoffzelle-Membran-Elektroden-Einheit ausgestaltet ist, während die mindestens eine zweite Membran-Elektroden-Einheit (50) als eine elektrochemische Verdichter-Membran-Elektroden-Einheit ausgestaltet ist, oder die mindestens eine erste Membran-Elektroden-Einheit (30) als eine elektrochemische Verdichter-Membran-Elektroden-Einheit ausgestaltet ist, während die mindestens eine zweite Membran-Elektroden-Einheit (50) als eine Brennstoffzelle-Membran-Elektroden-Einheit ausgestaltet ist.Cell arrangement (100) according to Claim 2 , characterized in that the at least one first membrane electrode unit (30) is designed as a fuel cell membrane electrode unit, while the at least one second membrane electrode unit (50) is designed as an electrochemical compressor membrane electrode Unit is designed, or the at least one first membrane-electrode unit (30) is designed as an electrochemical compressor-membrane-electrode unit, while the at least one second membrane-electrode unit (50) is designed as a fuel cell membrane Electrode unit is designed. Zellanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10), die mindestens eine erste und die mindestens eine zweite Elektrodenanordnung (20, 40) jeweils einen runden, ovalen oder polygonalen Querschnitt aufweisen.Cell arrangement (100) according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that the housing (10), the at least one first and the at least one second electrode arrangement (20, 40) each have a round, oval or polygonal cross section. Zellanordnung (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Gehäuses (10), der Querschnitt der mindestens einen ersten Elektrodenanordnung und der Querschnitt der mindestens einen zweiten Elektrodenanordnung jeweils unterschiedlich gewählt sind.Cell arrangement (100) according to Claim 5 , characterized in that the cross section of the housing (10), the cross section of the at least one first electrode arrangement and the cross section of the at least one second electrode arrangement are each selected to be different. Zellanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend mehrere erste Elektrodenanordnungen (20), dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren ersten Elektrodenanordnungen (20) koaxial zueinander oder nebeneinander im Gehäuse (10) angeordnet sind.Cell arrangement (100) according to one of the Claims 1 to 6th , comprising several first electrode arrangements (20), characterized in that the several first electrode arrangements (20) are arranged coaxially to one another or next to one another in the housing (10). Zellanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend mehrere zweite Elektrodenanordnungen (40), dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren zweiten Elektrodenanordnungen (40) koaxial zueinander oder nebeneinander im Gehäuse (10) angeordnet sind.Cell arrangement (100) according to one of the Claims 1 to 7th , comprising several second electrode arrangements (40), characterized in that the several second electrode arrangements (40) are arranged coaxially to one another or next to one another in the housing (10). Zellanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste und die mindestens eine zweite Elektrodenanordnung (20, 40) koaxial zueinander oder nebeneinander im Gehäuse (10) angeordnet sind.Cell arrangement (100) according to one of the Claims 1 to 8th , characterized in that the at least one first and the at least one second electrode arrangement (20, 40) are arranged coaxially to one another or next to one another in the housing (10). Kraftfahrzeug, das mindestens eine Zellanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 umfasst.Motor vehicle having at least one cell arrangement (100) according to one of the Claims 1 to 9 includes.
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