DE102022205235A1 - Method for operating at least one electrochemical cell - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle (10), aufgenommen in einem vertikal übereinander angeordneten Zellenstapel (12), der eine obere Endplatte (16) und eine untere Endplatte (18) umfasst, zwischen denen eine Anzahl elektrochemischer Zellen (10) gegeneinander verspannt und mittels Dichtungen (40) gegeneinander abgedichtet sind, der Zellenstapel (12) mindestens einen Einlasskanal (30) und mindestens einen Auslasskanal (32) für einen zirkulierenden Reaktanten (38), insbesondere H2O, aufweist. Der mindestens eine Einlasskanal (30) und der mindestens eine Auslasskanal (32) weisen an einer Unterseite (48) des Zellenstapels (12) offene Enden (52) und an einer Oberseite (46) des Zellenstapels (12) geschlossene Ende (50) auf. Alternativ weisen der mindestens eine Einlasskanal (30) und der mindestens eine Auslasskanal (32) an der Unterseite (48) und an der Oberseite (46) offene Enden (52) auf oder der mindestens eine Einlasskanal (30) und der mindestens eine Auslasskanal (32) sind jeweils wechselweise mit einander gegenüberliegenden offene Enden (52) und geschlossenen Enden (50) versehen. Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung der elektrochemischen Zelle (10) in einem Elektrolyseur oder in einer Brennstoffzelle zum Antrieb eines Fahrzeugs.The invention relates to an electrochemical cell (10), accommodated in a cell stack (12) arranged vertically one above the other, which comprises an upper end plate (16) and a lower end plate (18), between which a number of electrochemical cells (10) are braced against one another and by means of Seals (40) are sealed against each other, the cell stack (12) has at least one inlet channel (30) and at least one outlet channel (32) for a circulating reactant (38), in particular H2O. The at least one inlet channel (30) and the at least one outlet channel (32) have open ends (52) on an underside (48) of the cell stack (12) and closed ends (50) on an upper side (46) of the cell stack (12). . Alternatively, the at least one inlet channel (30) and the at least one outlet channel (32) have open ends (52) on the bottom (48) and on the top (46), or the at least one inlet channel (30) and the at least one outlet channel ( 32) are each alternately provided with opposite open ends (52) and closed ends (50). The invention further relates to the use of the electrochemical cell (10) in an electrolyzer or in a fuel cell for driving a vehicle.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben mindestens einer elektrochemischen Zelle, aufgenommen vertikal übereinander angeordnet in einem Zellenstapel, mit einer oberen Endplatte und einer unteren Endplatte, zwischen denen eine Anzahl elektrochemischer Zellen gegeneinander verspannt und mittels Dichtungen gegeneinander abgedichtet werden und der Zellenstapel mindestens einen Einlasskanal und mindestens einen Auslasskanal für einen zirkulierenden Reaktanten, insbesondere H2O, umfasst. Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des Verfahrens zum Betreiben eines Elektrolyseurs oder einer Brennstoffzelle eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs.The invention relates to a method for operating at least one electrochemical cell, arranged vertically one above the other in a cell stack, with an upper end plate and a lower end plate, between which a number of electrochemical cells are braced against one another and sealed against one another by means of seals and the cell stack has at least one Inlet channel and at least one outlet channel for a circulating reactant, in particular H 2 O. In addition, the invention relates to the use of the method for operating an electrolyzer or a fuel cell of an electrically powered vehicle.

Stand der TechnikState of the art

Elektrochemische Zellen sind elektrochemische Energiewandler und in Form von Brennstoffzellen oder Elektrolyseuren bekannt.Electrochemical cells are electrochemical energy converters and are known in the form of fuel cells or electrolyzers.

Eine Brennstoffzelle wandelt chemische Reaktionsenergie in elektrische Energie. Bei bekannten Brennstoffzellen werden insbesondere Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) in Wasser (H2O), elektrische Energie und Wärme gewandelt.A fuel cell converts chemical reaction energy into electrical energy. In known fuel cells, hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) in particular are converted into water (H 2 O), electrical energy and heat.

Unter anderem sind Protonenaustauschmembran (Proton Exchange Membrane = PEM)-Brennstoffzellen bekannt. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen weisen eine zentral angeordnete Membran auf, die für Protonen, also Wasserstoffionen, durchlässig ist. Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, ist dadurch räumlich von dem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, getrennt.Among other things, proton exchange membrane (PEM) fuel cells are known. Proton exchange membrane fuel cells have a centrally located membrane that is permeable to protons, i.e. hydrogen ions. The oxidizing agent, in particular atmospheric oxygen, is thereby spatially separated from the fuel, in particular hydrogen.

Brennstoffzellen weisen eine Anode und eine Kathode auf. Der Brennstoff wird an der Anode der Brennstoffzelle kontinuierlich zugeführt und katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert, die zur Kathode gelangen. Die abgegebenen Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen externen Stromkreis zur Kathode. Das Oxidationsmittel wird an der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt und reagiert durch Aufnahme der Elektronen aus dem externen Stromkreis und Protonen zu Wasser. Das so entstandene Wasser wird aus der Brennstoffzelle abgeleitet. Die Bruttoreaktion lautet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O Fuel cells have an anode and a cathode. The fuel is continuously supplied to the anode of the fuel cell and catalytically oxidized by releasing electrons into protons, which reach the cathode. The electrons released are derived from the fuel cell and flow to the cathode via an external circuit. The oxidizing agent is supplied to the cathode of the fuel cell and reacts by absorbing electrons from the external circuit and protons to form water. The resulting water is drained from the fuel cell. The gross reaction is: O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O

Zwischen der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle liegt dabei eine Spannung an. Zur Erhöhung der Spannung können mehrere Brennstoffzellen mechanisch hintereinander zu einem Brennstoffzellenstapel, der auch als Stack oder Brennstoffzellenaufbau bezeichnet wird, angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet werden.There is a voltage between the anode and the cathode of the fuel cell. To increase the voltage, several fuel cells can be arranged mechanically one behind the other to form a fuel cell stack, which is also referred to as a stack or fuel cell structure, and connected electrically in series.

Ein Stapel von elektrochemischen Zellen, der als Anordnung elektrochemischer Zellen bezeichnet werden kann, weist üblicherweise Endplatten auf, die die einzelnen Zellen miteinander verpressen und dem Stapel Stabilität verleihen.A stack of electrochemical cells, which may be referred to as an array of electrochemical cells, typically has end plates that press the individual cells together and provide stability to the stack.

Die Elektroden, also die Anode und die Kathode, und die Membran können konstruktiv zu einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) zusammengefasst sein, die auch als Membrane Electrode Assembly bezeichnet wird.The electrodes, i.e. the anode and the cathode, and the membrane can be structurally combined to form a membrane-electrode arrangement (MEA), which is also referred to as a membrane electrode assembly.

Stapel von elektrochemischen Zellen weisen ferner Bipolarplatten auf, die auch als Gasverteilerplatten oder Verteilerplatten bezeichnet werden. Bipolarplatten dienen zur gleichmäßigen Verteilung des Brennstoffs an die Anode sowie zur gleichmäßigen Verteilung des Oxidationsmittels an die Kathode. Neben der Medienführung bezüglich Sauerstoff, Wasserstoff, Wasser und gegebenenfalls eines Kühlmittels gewährleisten die Bipolarplatten einen flächigen elektrischen Kontakt zur Membran.Stacks of electrochemical cells also have bipolar plates, which are also referred to as gas distribution plates or distribution plates. Bipolar plates are used to evenly distribute the fuel to the anode and to evenly distribute the oxidizing agent to the cathode. In addition to media guidance regarding oxygen, hydrogen, water and, if necessary, a coolant, the bipolar plates ensure flat electrical contact with the membrane.

Zum Beispiel umfasst ein Brennstoffzellenstapel typischerweise bis zu einige Hundert einzelne Brennstoffzellen, die lagenweise aufeinandergestapelt werden. Die einzelnen Brennstoffzellen weisen eine MEA sowie jeweils eine Bipolarplattenhälfte auf der Anodenseite und auf der Kathodenseite auf. Eine Brennstoffzelle umfasst insbesondere eine Anoden-Monopolar-Platte und eine Kathoden-Monopolar-Platte, üblicherweise jeweils in Form von geprägten Blechen, die zusammen die Bipolarplatte und damit Kanäle zur Führung von Gas und Flüssigkeiten bilden und zwischen denen Kühlmedium fließen kann.For example, a fuel cell stack typically includes up to several hundred individual fuel cells that are stacked on top of each other in layers. The individual fuel cells have an MEA and a bipolar plate half on the anode side and on the cathode side. A fuel cell includes in particular an anode monopolar plate and a cathode monopolar plate, usually each in the form of embossed sheets, which together form the bipolar plate and thus channels for guiding gas and liquids and between which cooling medium can flow.

Weiterhin umfassen elektrochemische Zellen in der Regel Gasdiffusionslagen, die zwischen einer Bipolarplatte und einer MEA angeordnet sind.Furthermore, electrochemical cells generally include gas diffusion layers that are arranged between a bipolar plate and an MEA.

Gegenüber einer Brennstoffzelle ist ein Elektrolyseur ein Energiewandler, welcher unter Anlegen von elektrischer Spannung bevorzugt Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff spaltet. Auch Elektrolyseure weisen unter anderem MEAs, Bipolarplatten und Gasdiffusionslagen auf.Compared to a fuel cell, an electrolyzer is an energy converter that prefers to split water into hydrogen and oxygen by applying electrical voltage. Electrolysers also have, among other things, MEAs, bipolar plates and gas diffusion layers.

Elektrochemische Zellen in einem Stapel werden häufig über senkrecht zur Membran der elektrochemischen Zellen angeordnete Medienkanäle mit den Medien, insbesondere Wasserstoff und Sauerstoff, versorgt beziehungsweise werden diese abgeführt. Die Medienkanäle sind durch Ports, die auch als Fluidanschlüsse bezeichnet werden können, mit den elektrochemischen Zellen, insbesondere mit den Bipolarplatten, fluidisch verbunden. Die Medienkanäle liegen üblicherweise am Rand des Stapels und werden häufig durch deckungsgleich übereinander angeordnete Aussparungen, die die Ports bilden, erzeugt. Von den Ports werden die Medien durch Port-Durchführungen in das sogenannte Flowfield, die aktive Fläche der Bipolarplatte beziehungsweise der Membran-Elektroden-Anordnung, geführt. Insbesondere an den Ports müssen die verschiedenen Medien gegeneinander und gegenüber der Umgebung abgedichtet sein.Electrochemical cells in a stack are often supplied with the media, in particular hydrogen and oxygen, or are removed via media channels arranged perpendicular to the membrane of the electrochemical cells. The media channels are connected by ports, which can also be referred to as fluid connections nen, fluidically connected to the electrochemical cells, especially to the bipolar plates. The media channels are usually located at the edge of the stack and are often created by recesses arranged congruently one above the other that form the ports. From the ports, the media is guided through port feedthroughs into the so-called flowfield, the active surface of the bipolar plate or the membrane-electrode arrangement. The various media must be sealed against each other and from the environment, especially at the ports.

Insbesondere die zur MEA zeigenden Port-Durchführungen für Luft beziehungsweise Wasserstoff sind derart zu gestalten, dass die Port-Durchführungen einerseits eine möglichst große Öffnung für die einströmenden und ausströmenden Medien bereitstellen und andererseits eine möglichst gute mechanische Stützwirkung für auf der Gegenseite der MEA angeordnete Dichtungen bieten.In particular, the port feedthroughs for air or hydrogen facing the MEA must be designed in such a way that the port feedthroughs, on the one hand, provide the largest possible opening for the inflowing and outflowing media and, on the other hand, offer the best possible mechanical support effect for seals arranged on the opposite side of the MEA .

DE 10158772 C1 und DE 10248531 B4 betreffen Brennstoffzellenstapel mit einer Schichtung von mehreren Brennstoffzellen, wobei durch Bipolarplatten Medien zu- beziehungsweise abgeführt werden und Sickenanordnungen zur Abdichtung vorgesehen sind. DE 10158772 C1 and DE 10248531 B4 relate to fuel cell stacks with a layering of several fuel cells, with media being supplied or removed through bipolar plates and bead arrangements being provided for sealing.

Beim Betrieb eines Zellenstapels aus elektrochemischen Zellen mit einem flüssigen Reaktanten, zum Beispiel H2O, hat sich herausgestellt, dass der Strömungsfluss durch die Aktivbereiche der einzelnen elektrochemischen Zellen des Zellenstapels stark voneinander abweicht. Dies hat seine Ursache unter anderem in der Trägheit des strömenden Reaktanten, was durch zahlreiche numerische und analytische Modellierungsverfahren der Zirkulation durch den Zellenstapel belegt ist. Des Weiteren hat sich erwiesen, dass innerhalb des Zellenstapels eine nicht-lineare Druckverteilung in den Einlass- wie in den Auslasskanälen sowie während des Betriebs auftreten kann. Dies hat zur Folge, dass die Strömung des Reaktanten beim Durchströmen der einzelnen elektrochemischen Zellen sehr ungleichmäßig verteilt ist. Des Weiteren scheint dieses Phänomen noch dadurch verstärkt zu werden, dass Druckdifferenzen innerhalb des Reaktanten aufgrund der Schwerkraft bei einem senkrecht stehenden Zellenstapel auftritt.When operating a cell stack of electrochemical cells with a liquid reactant, for example H 2 O, it has been found that the flow through the active areas of the individual electrochemical cells of the cell stack differs greatly from one another. This is due, among other things, to the inertia of the flowing reactant, which is proven by numerous numerical and analytical modeling methods of the circulation through the cell stack. Furthermore, it has been shown that a non-linear pressure distribution can occur within the cell stack in the inlet and outlet channels as well as during operation. The result of this is that the flow of the reactant as it flows through the individual electrochemical cells is very unevenly distributed. Furthermore, this phenomenon appears to be exacerbated by the fact that pressure differences within the reactant occur due to gravity when the cell stack is vertical.

Des Weiteren wird die Temperatur, bei welcher die elektrochemischen Prozesse in den elektrochemischen Zellen ablaufen, durch die Strömung von Wasser in dem Zellenstapel beeinflusst. Heutzutage wird jedoch anstelle der Temperatur in der elektrochemischen Zelle die Temperatur eines gesamten Zellenstapels überwacht. Dies führt dazu, dass eine Wasserströmung in der Regel überdimensioniert ist, um das Auftreten lokaler Temperatur-Hotspots aus Sicherheitsgründen in allen in einem Zellenstapel verbauten elektrochemischen Zellen zu verhindern. Dies wiederum führt zu einem übermäßigen Wasser- und Energieverbrauch, des Weiteren wird aus diesen Gründen die Temperatur des Zellenstapels unterhalb einer optimalen Temperatur für den Elektrolyseprozess gehalten, um ausreichende Temperatursicherheit gegen das Auftreten von Hotspots zu gewährleisten.Furthermore, the temperature at which the electrochemical processes take place in the electrochemical cells is influenced by the flow of water in the cell stack. Today, however, instead of monitoring the temperature in the electrochemical cell, the temperature of an entire cell stack is monitored. This means that a water flow is usually oversized in order to prevent the occurrence of local temperature hotspots for safety reasons in all electrochemical cells installed in a cell stack. This in turn leads to excessive water and energy consumption; furthermore, for these reasons, the temperature of the cell stack is kept below an optimal temperature for the electrolysis process in order to ensure sufficient temperature security against the occurrence of hotspots.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Betreiben mindestens einer elektrochemischen Zelle, aufgenommen vertikal übereinander angeordnet in einem Zellenstapel, mit einer oberen Endplatte und einer unteren Endplatte, zwischen denen eine Anzahl elektrochemischer Zellen gegeneinander verspannt und mittels Dichtungen gegeneinander abgedichtet wird, der Zellenstapel mindestens einen Einlasskanal und mindestens einen Auslasskanal für einen zirkulierenden Reaktanten, insbesondere H2O, aufweist, vorgeschlagen, wobei

  1. a) der mindestens eine Einlasskanal und der mindestens eine Auslasskanal, ausgehend von einem an einer Unterseite des Zellenstapels vorgesehenen, offenen Ende von dem zirkulierenden Reaktanten, insbesondere H2O, in einer Zirkulation im Uhrzeigersinn zu einem offenen Ende an der Unterseite des Zellenstapels durchströmt werden, oder
  2. b) der mindestens eine Einlasskanal an seinen offenen Enden mit einem ersten Teilstrom und einem zweiten Teilstrom gegenläufig mit dem zirkulierenden Reaktanten, insbesondere H2O, beaufschlagt wird, welcher den Zellenstapel durchströmt und über offene Enden des mindestens einen Auslasskanals als Teilströme wieder verlässt oder
  3. c) der Zellenstapel vom zirkulierenden Reaktanten, insbesondere H2O, in Z-Form in unveränderter Strömungsrichtung, ausgehend von einem offenen Ende des mindestens einen Einlasskanals zu einem offenen Ende mindestens eines Auslasskanals durchströmt wird.
According to the invention, a method for operating at least one electrochemical cell, arranged vertically one above the other in a cell stack, with an upper end plate and a lower end plate, between which a number of electrochemical cells are braced against one another and sealed against one another by means of seals, the cell stack has at least one inlet channel and at least an outlet channel for a circulating reactant, in particular H 2 O, is proposed, wherein
  1. a) the at least one inlet channel and the at least one outlet channel, starting from an open end provided on an underside of the cell stack, are flowed through by the circulating reactant, in particular H 2 O, in a clockwise circulation to an open end on the underside of the cell stack , or
  2. b) the at least one inlet channel is acted upon at its open ends with a first partial flow and a second partial flow in opposite directions with the circulating reactant, in particular H 2 O, which flows through the cell stack and leaves again as partial flows via open ends of the at least one outlet channel or
  3. c) the cell stack is flowed through by the circulating reactant, in particular H 2 O, in a Z shape in an unchanged flow direction, starting from an open end of the at least one inlet channel to an open end of at least one outlet channel.

Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren lässt sich mindestens eine elektrochemische Zelle, bevorzugt eine Anzahl in Stapelform ausgebildeter elektrochemischer Zellen, so betreiben, dass sich durch übereinander angeordnete elektrochemische Zellen des Zellenstapels ein gleichmäßiger Fluidfluss des zirkulierenden Reaktanten einstellt. Dadurch kann in vorteilhafter Weise die Betriebstemperatur, bei der sich der Zellenstapel in optimaler Weise betreiben lässt, angehoben und in der Nähe des Optimums gehalten werden. Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren in seinen drei Ausprägungen bietet die Möglichkeit des Erreichens einer wesentlich vergleichmäßigten Durchströmung der einzelnen elektrochemischen Zellen des Zellenstapels. Durch die Vergleichmäßigung der Strömung des zirkulierenden Reaktanten durch die einzelnen, im Zellenstapel angeordneten elektrochemischen Zellen kann die Gesamtströmungsrate reduziert werden, wodurch der Zellenstapel wesentlich effizienter betrieben werden kann und insbesondere sicher ausgeschlossen werden kann, dass sich in einzelnen elektrochemischen Zellen innerhalb des Zellenstapels Hotspots ausbilden, die eine erhöhte Temperatur aufweisen.The method proposed according to the invention allows at least one electrochemical cell, preferably a number of electrochemical cells designed in stack form, to be operated in such a way that a uniform fluid flow of the circulating reactant is achieved through electrochemical cells of the cell stack arranged one above the other. As a result, the operating temperature at which the cell stack can be operated in an optimal manner can advantageously be increased and kept close to the optimum. The method proposed according to the invention in its three forms offers the possibility of achieving chens of a much more uniform flow through the individual electrochemical cells of the cell stack. By equalizing the flow of the circulating reactant through the individual electrochemical cells arranged in the cell stack, the overall flow rate can be reduced, whereby the cell stack can be operated much more efficiently and, in particular, it can be reliably ruled out that hotspots form in individual electrochemical cells within the cell stack, which have an elevated temperature.

In vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens wird dieses zum Betreiben der mindestens einen elektrochemischen Zelle als Elektrolyseur oder als Brennstoffzelle für den Antrieb eines Fahrzeugs eingesetzt.In an advantageous development of the method proposed according to the invention, this is used to operate the at least one electrochemical cell as an electrolyzer or as a fuel cell for driving a vehicle.

In vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens wird gemäß a) eine Zirkulation des zirkulierenden Reaktanten, insbesondere H2O, im Uhrzeigersinn innerhalb des mindestens einen Einlasskanals, entgegen der Wirkung der Schwerkraft erreicht.In an advantageous development of the method proposed according to the invention, according to a), a circulation of the circulating reactant, in particular H 2 O, in a clockwise direction within the at least one inlet channel, against the effect of gravity, is achieved.

Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren zum Betreiben mindestens einer elektrochemischen Zelle werden gemäß b) zueinander gegenläufige Zirkulationen des zirkulierenden Reaktanten, insbesondere H2O, in einem oberen Teil des Zellenstapels und in einem unteren Teil des Zellenstapels, der eine Anzahl übereinander angeordneter elektrochemischer Zellen umfasst, erzeugt.In the method proposed according to the invention for operating at least one electrochemical cell, according to b), mutually opposing circulations of the circulating reactant, in particular H 2 O, are generated in an upper part of the cell stack and in a lower part of the cell stack, which comprises a number of electrochemical cells arranged one above the other .

In Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens gemäß a) strömen Teilströme des zirkulierenden Reaktanten, insbesondere H2O, in entgegengesetzten Strömungsrichtungen über offene Enden des mindestens einen Einlasskanals ein, durchströmen die übereinanderliegend angeordneten elektrochemischen Zellen des Zellenstapels und verlassen über den mindestens einen Auslasskanal an dessen offenen Enden diesen in entgegengesetzten Richtungen.In a further development of the method proposed according to the invention according to a), partial streams of the circulating reactant, in particular H 2 O, flow in in opposite flow directions via open ends of the at least one inlet channel, flow through the electrochemical cells of the cell stack arranged one above the other and leave via the at least one outlet channel at its open These end in opposite directions.

Durch diese Ausführungsvariante des Verfahrens zum Betreiben mindestens einer elektrochemischen Zelle können Teilströme verwendet werden, die einerseits hinsichtlich des Volumenstroms reduziert sind und andererseits zwei übereinanderliegende Bereiche des Zellenstapels effektiv kühlen und insbesondere effektiv den Strömungsfluss durch diesen vergleichmäßigen.With this embodiment variant of the method for operating at least one electrochemical cell, partial flows can be used which, on the one hand, are reduced in terms of the volume flow and, on the other hand, effectively cool two superimposed areas of the cell stack and in particular effectively even out the flow flow through this.

In Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren gemäß b) durchströmt der erste Teilstrom des zirkulierenden Reaktanten, insbesondere H2O, ca. 50 % der elektrochemischen Zellen im Zellenstapel, während der zweite Teilstrom des zirkulierenden Reaktanten, insbesondere H2O, die verbliebenen elektrochemischen Zellen im Zellstapel durchströmt. Durch das Ausbilden zweier zueinander gegenläufiger Zirkulationen lässt sich eine effektive Kühlung und eine Vergleichmäßigung des Strömungsflusses des zirkulierenden Reaktanten durch die einzelnen, übereinanderliegend angeordneten elektrochemischen Zellen erreichen.In a further development of the method according to b) proposed according to the invention, the first partial stream of the circulating reactant, in particular H 2 O, flows through approximately 50% of the electrochemical cells in the cell stack, while the second partial stream of the circulating reactant, in particular H 2 O, flows through the remaining electrochemical cells in the cell stack Cell stack flows through. By forming two mutually opposing circulations, effective cooling and an equalization of the flow of the circulating reactant through the individual electrochemical cells arranged one above the other can be achieved.

In vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens zum Betreiben mindestens einer elektrochemischen Zelle wird eine Strömungspfadlängendifferenz zwischen einem kürzesten und einem längsten Strömungspfad durch den Zellstapel reduziert, vorzugsweise halbiert.In an advantageous development of the method proposed according to the invention for operating at least one electrochemical cell, a flow path length difference between a shortest and a longest flow path through the cell stack is reduced, preferably halved.

Ein weiterer, vorteilhafter Aspekt des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens ist, dass im Rahmen der gegenläufigen Zirkulationen des zirkulierenden Reaktanten, insbesondere H2O, durch den Zellenstapel ein Strömungsmuster in H-Form erzeugt wird.A further, advantageous aspect of the method proposed according to the invention is that an H-shaped flow pattern is generated through the cell stack as part of the counter-rotating circulations of the circulating reactant, in particular H 2 O.

Gemäß einem weiteren Aspekt des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens zum Betreiben mindestens einer elektrochemischen Zelle gemäß c) wird bei einer Z-Zirkulation des zirkulierenden Reaktanten, insbesondere H2O, mindestens ein Einlasskanal, die Anzahl der im Zellenstapel aufgenommenen elektrochemischen Zellen und der mindestens eine Auslasskanal in unveränderter Strömungsrichtung durchströmt. Dadurch können Verwirbelungen vermieden werden und eine Vergleichmäßigung des Strömungscharakters erreicht werden, insbesondere lässt sich eine gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb der elektrochemischen Zellen im Zellenstapel erreichen.According to a further aspect of the method proposed according to the invention for operating at least one electrochemical cell according to c), in a Z-circulation of the circulating reactant, in particular H 2 O, at least one inlet channel, the number of electrochemical cells accommodated in the cell stack and the at least one outlet channel in flows through in an unchanged direction of flow. This allows turbulence to be avoided and the flow character to be evened out; in particular, a uniform temperature distribution within the electrochemical cells in the cell stack can be achieved.

Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren durchströmt der zirkulierende Reaktant, insbesondere H2O, den mindestens einen Einlasskanal an einem offenen Ende und den mindestens einen Auslasskanal an einem offenen Ende in unveränderter Strömungsrichtung.In the method proposed according to the invention, the circulating reactant, in particular H 2 O, flows through the at least one inlet channel at an open end and the at least one outlet channel at an open end in an unchanged flow direction.

Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren gemäß c) ist eine Strömungspfadlänge für den zirkulierenden Reaktanten, insbesondere H2O, zwischen einem Anfang des mindestens einen Einlasskanals und einem Ende des mindestens einen Auslasskanals innerhalb des Zellenstapels im Wesentlichen gleich.In the method according to c) proposed according to the invention, a flow path length for the circulating reactant, in particular H 2 O, between a beginning of the at least one inlet channel and an end of the at least one outlet channel within the cell stack is essentially the same.

Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens zum Betreiben eines Elektrolyseurs oder einer Brennstoffzelle eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs.In addition, the invention relates to the use of the method proposed according to the invention for operating an electrolyzer or a fuel cell of an electrically powered vehicle.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren zum Betreiben mindestens einer elektrochemischen Zelle, bevorzugt einer Anzahl als Zellenstapel übereinandergestapelt angeordneter elektrochemischer Zellen, lässt sich eine Vergleichmäßigung der Strömung eines zirkulierenden Reaktanten, insbesondere H2O, im Falle von Wasserelektrolyse erreichen. Die Vergleichmäßigung der Strömung des zirkulierenden Reaktanten wird durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren in allen elektrochemischen Zellen erreicht, die übereinanderliegend in einem Zellenstapel angeordnet sind. Durch die Vergleichmäßigung des zirkulierenden Reaktanten über die elektrochemischen Zellen im Zellenstapel lässt sich die Gesamtströmung des flüssigen zirkulierenden Reaktanten in vorteilhafter Weise reduzieren. Dadurch wiederum kann ein Zellenstapel, eine Anzahl übereinanderliegend angeordneter elektrochemischer Zellen umfassend, effizienter betrieben werden. Insbesondere kann durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren durch eine Vergleichmäßigung der Temperaturverteilung innerhalb des Zellenstapels das Auftreten lokaler Temperatur-Hotspots auf zuverlässigere Weise vermieden werden.The method proposed according to the invention for operating at least one electrochemical cell, preferably a number of electrochemical cells stacked one on top of the other as a cell stack, makes it possible to achieve an equalization of the flow of a circulating reactant, in particular H 2 O, in the case of water electrolysis. The uniformity of the flow of the circulating reactant is achieved by the method proposed according to the invention in all electrochemical cells that are arranged one above the other in a cell stack. By equalizing the circulating reactant across the electrochemical cells in the cell stack, the overall flow of the liquid circulating reactant can be advantageously reduced. This in turn allows a cell stack, comprising a number of electrochemical cells arranged one above the other, to be operated more efficiently. In particular, the method proposed according to the invention can be used to avoid the occurrence of local temperature hotspots in a more reliable manner by equalizing the temperature distribution within the cell stack.

Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren besteht weiterhin eine Verbesserungsmöglichkeit dahingehend, dass die Prozesstemperatur, bei der der Zellenstapel aus einer Anzahl übereinanderliegend angeordneter elektrochemischer Zellen betrieben werden kann, in Richtung der optimalen Temperatur verschoben wird. Bei bisherigen Anwendungen war zur Vermeidung von Temperatur-Hotspots ein Betreiben des Zellenstapels mit einem überdimensionierten Strömungsvolumen eines Fluids, insbesondere Wasser, die Regel. Dadurch konnte sicher eine lokale Überhitzung der übereinanderliegend angeordneten elektrochemischen Zellen innerhalb des Zellenstapels verhindert werden. Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren kann über eine vergleichmäßigtere Strömungsführung des zirkulierenden Reaktanten, insbesondere H2O, ein wesentlich gleichmäßigeres Temperaturniveau eingestellt werden, so dass sich insgesamt gesehen der Volumenstrom von Wasser, der durch den Zellenstapel geleitet wird, reduziert werden kann, und sich dessen Betriebstemperatur in Richtung der optimalen Betriebstemperatur verschieben lässt.The method proposed according to the invention also offers the possibility of improvement in that the process temperature at which the cell stack consisting of a number of electrochemical cells arranged one above the other can be operated is shifted towards the optimal temperature. In previous applications, in order to avoid temperature hotspots, the rule was to operate the cell stack with an oversized flow volume of a fluid, in particular water. This made it possible to reliably prevent local overheating of the electrochemical cells arranged one above the other within the cell stack. Through the method proposed according to the invention, a much more uniform temperature level can be set by means of a more uniform flow of the circulating reactant, in particular H 2 O, so that overall the volume flow of water that is passed through the cell stack can be reduced, and this Operating temperature can be shifted towards the optimal operating temperature.

Des Weiteren kann durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung aufgrund einer Vergleichmäßigung des Strömungs- und Temperaturniveaus innerhalb des Zellenstapels eine Vergleichmäßigung des in diesem herrschenden Druckniveaus erreicht werden.Furthermore, the solution proposed according to the invention can be used to equalize the pressure level prevailing in the cell stack due to an equalization of the flow and temperature level within the cell stack.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

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 perspektivische Ansicht eines Zellenstapels, umfassend mehrere übereinanderliegend angeordnete elektrochemische Zellen, samt oberer und unterer Endplatte,
  • 2, 3.1 und 3.2 verschiedene Szenarien einer Durchströmung eines hier schematisch dargestellten Zellenstapels mit mehreren übereinanderliegend angeordneten elektrochemischen Zellen mit einem zirkulierenden Reaktanten,
  • 4 die Draufsicht auf eine Dichtung, die zwischen zwei übereinanderliegenden elektrochemischen Zellen angeordnet ist und Kanäle für verschiedene Medien umfasst,
  • 5 eine Zirkulation eines zirkulierenden Reaktanten durch einen Zellenstapel mit mehreren elektrochemischen Zellen im Uhrzeigersinn,
  • 6 gegenläufige Zirkulationen eines zirkulierenden Reaktanten durch einen oberen und einen unteren Teil eines Zellenstapels,
  • 7 eine Z-Zirkulation eines zirkulierenden Reaktanten, ausgehend vom Anfang eines Einlasskanals zum Ende eines Auslasskanals und
  • 8 eine perspektivische Darstellung eines Zellenstapels.
Show it:
  • 1 a perspective view of a cell stack, comprising several electrochemical cells arranged one above the other, including upper and lower end plates,
  • 2 , 3 .1 and 3.2 different scenarios of a flow through a cell stack shown schematically here with several electrochemical cells arranged one above the other with a circulating reactant,
  • 4 the top view of a seal that is arranged between two electrochemical cells lying one above the other and includes channels for different media,
  • 5 a clockwise circulation of a circulating reactant through a cell stack with multiple electrochemical cells,
  • 6 opposing circulations of a circulating reactant through an upper and a lower part of a cell stack,
  • 7 a Z-circulation of a circulating reactant, starting from the beginning of an inlet channel to the end of an outlet channel and
  • 8th a perspective view of a cell stack.

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 referred to with the same reference numerals, with a repeated description of these elements being omitted in individual cases. The figures represent the subject matter of the invention only schematically.

1 zeigt in perspektivischer Ansicht einen Zellenstapel 12, der eine Anzahl von übereinanderliegend gestapelt angeordneten elektrochemischen Zellen 10 umfasst. Der Zellenstapel 12 wird durch sich im Wesentlichen in vertikaler Richtung erstreckende Verbinder 14 fixiert. An der Oberseite des Zellenstapels 12 befindet sich eine obere Endplatte 16 mit daran angeordneten Anschlüssen; der Zellenstapel 12 weist an seiner Unterseite eine untere Endplatte 18 auf. Den Endplatten 16, 18 ist auf ihrer, dem Zellenstapel 12 zuweisenden Seite eine Isolationsplatte 20 zugeordnet. Seitlich am Zellenstapel 12 sind ein erster Stromsammler 22 sowie ein zweiter Stromsammler 24 dargestellt. Die einzelnen elektrochemischen Zellen 10 weisen Bipolarplatten, also aktive Bereiche, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind auf, wobei sich beispielsweise 24 einzelne elektrochemische Zellen 10 innerhalb eines Zellenstapels 12 befinden können. Deren Anzahl kann je nach Höhe des Zellenstapels 12 variieren. 1 shows a perspective view of a cell stack 12, which comprises a number of electrochemical cells 10 arranged one above the other. The cell stack 12 is fixed by connectors 14 that extend essentially in the vertical direction. At the top of the cell stack 12 there is an upper end plate 16 with connections arranged thereon; the cell stack 12 has a lower end plate 18 on its underside. An insulation plate 20 is assigned to the end plates 16, 18 on their side facing the cell stack 12. A first current collector 22 and a second current collector 24 are shown on the side of the cell stack 12. The individual electrical Chemical cells 10 have bipolar plates, i.e. active areas, as are known from the prior art, whereby, for example, 24 individual electrochemical cells 10 can be located within a cell stack 12. Their number can vary depending on the height of the cell stack 12.

Den 2, 3.1 und 3.2 sind verschiedene Szenarien zu entnehmen, gemäß welchen ein zirkulierender Reaktant 38, beispielsweise Wasser, einen in diesen Figuren nur schematisch dargestellten Zellenstapel 12 durchströmt. Gemäß 2 erstrecken sich im Wesentlichen in vertikaler Richtung mindestens ein Einlasskanal 30 und parallel zu diesem mindestens ein Auslasskanal 32. Zwischen diesen sind einzelne Querverbinder 34 sowie elektrochemische Zellen 10 angeordnet. Durch den in den Einlasskanal 30 an dessen oberem Ende eintretenden zirkulierenden Reaktanten 38 werden die übereinanderliegend im Zellenstapel 12 angeordneten elektrochemischen Zellen 10 vom zirkulierenden Reaktanten 38 durchströmt. Der zirkulierende Reaktant 38 verlässt die übereinanderliegend angeordneten elektrochemischen Zellen 10 über den mindestens einen Auslasskanal 32 an dessen oberen Ende. Den 3.1 und 3.2 sind verschiedene Abwandlungen des Strömungssystems gemäß 2 zu entnehmen. Aus der Darstellung gemäß 3.1 geht hervor, dass die einzelnen elektrochemischen Zellen 10 in dichter, übereinanderliegender Anordnung innerhalb des Zellenstapels 12 angeordnet sind. 3.2 zeigt nur einen Teil eines Zellenstapels 12, wie dieser bereits in 2 dargestellt ist. Nach Durchströmung der einzelnen elektrochemischen Zellen 10 durch den zirkulierenden Reaktanten 38, insbesondere H2O, verlässt dieser den Zellenstapel 12 über den mindestens einen Auslasskanal 32 an dessen oberen Ende.The 2 , 3 .1 and 3.2 show various scenarios according to which a circulating reactant 38, for example water, flows through a cell stack 12, which is only shown schematically in these figures. According to 2 At least one inlet channel 30 extends essentially in the vertical direction and at least one outlet channel 32 extends parallel to it. Individual cross-connectors 34 and electrochemical cells 10 are arranged between these. Through the circulating reactant 38 entering the inlet channel 30 at its upper end, the electrochemical cells 10 arranged one above the other in the cell stack 12 are flowed through by the circulating reactant 38. The circulating reactant 38 leaves the electrochemical cells 10 arranged one above the other via the at least one outlet channel 32 at its upper end. The 3 .1 and 3.2 are different modifications of the flow system 2 refer to. From the illustration according to 3 .1 shows that the individual electrochemical cells 10 are arranged in a dense, superimposed arrangement within the cell stack 12. 3 .2 shows only part of a cell stack 12, as already shown in 2 is shown. After the circulating reactant 38, in particular H 2 O, flows through the individual electrochemical cells 10, it leaves the cell stack 12 via the at least one outlet channel 32 at its upper end.

4 zeigt eine Draufsicht auf eine Dichtung 40. Die Dichtung 40 wird innerhalb des Zellenstapels 12 bevorzugt zwischen den einzelnen, in vertikaler Richtung übereinanderliegend angeordneten elektrochemischen Zellen 10 vorgesehen, um diese bei Verspannung der Verbinder 14 innerhalb des Zellenstapels 12 gegeneinander abzudichten. Aus der Draufsicht gemäß 4 geht hervor, dass durch die Dichtung 40, einander gegenüberliegend, Auslasskanäle 32 für den zirkulierenden Reaktanten 38, insbesondere H2O, verlaufen. Des Weiteren weist die Dichtung 40 in ihrem mittleren Bereich eine poröse Schicht 42 (PTL) auf. Des Weiteren sind in der Dichtung Auslasskanäle 44 für gasförmigen Wasserstoff (H2) vorgesehen. Werden die einzelnen elektrochemischen Zellen 10 unter Zwischenschaltung der in 4 in der Draufsicht dargestellten Dichtung 40 übereinanderliegend angeordnet, so entstehen in vertikaler Richtung sich durch den Zellenstapel 12 erstreckende Kanäle in die Zeichenebene, wie in 4 durch Positionen 32 und 44 angedeutet. 4 shows a plan view of a seal 40. The seal 40 is preferably provided within the cell stack 12 between the individual electrochemical cells 10 arranged one above the other in the vertical direction in order to seal them against one another when the connectors 14 are clamped within the cell stack 12. From the top view according to 4 It can be seen that outlet channels 32 for the circulating reactant 38, in particular H 2 O, run through the seal 40, opposite one another. Furthermore, the seal 40 has a porous layer 42 (PTL) in its central region. Furthermore, outlet channels 44 for gaseous hydrogen (H 2 ) are provided in the seal. If the individual electrochemical cells 10 are interposed with the in 4 Seal 40 shown in the plan view is arranged one above the other, channels extending in the vertical direction through the cell stack 12 are created into the plane of the drawing, as in 4 indicated by positions 32 and 44.

5 zeigt eine erste Zirkulationsvariante des zirkulierenden Reaktanten 38, insbesondere H2O, durch den Zellenstapel 12. Die Zirkulation 54 gemäß der schematischen Darstellung gemäß 5 erfolgt im Uhrzeigersinn. In dieser gewählten Variante strömt der zirkulierende Reaktant 38 über ein offenes Ende 52 auf einer Unterseite 48 des Zellenstapels 12 in den mindestens einen Einlasskanal 30 ein. Dem offenen Ende 52 gegenüberliegend weist der mindestens eine Einlasskanal 30 im Bereich seiner Oberseite 46 ein geschlossenes Ende 50 auf. Mithin strömt der zirkulierende Reaktant 38 entgegen der Wirkung der Schwerkraft 60. Von dem mindestens einen Einlasskanal 30 erstrecken sich seitlich die im Zellenstapel 12 übereinanderliegend angeordneten elektrochemischen Zellen 10 in vertikaler Richtung gestapelt. Diese werden von der Zirkulation 54 im Uhrzeigersinn des zirkulierenden Reaktanten 38 gleichmäßig durchströmt. Der zirkulierende Reaktant 38, insbesondere H2O, strömt über den parallel zu dem mindestens einen Einlasskanal 30 verlaufenden mindestens einen Auslasskanal 32 im Bereich von dessen Unterseite 48 am offenen Ende 52 wieder aus. Durch die im Zusammenhang mit 5 dargestellte Strömungsvariante des zirkulierenden Reaktanten 38 kann eine gleichmäßige Durchströmung und damit eine gleichmäßige Temperaturverteilung der in vertikaler Richtung übereinanderliegend gestapelten elektrochemischen Zellen 10 des Zellenstapels 12 erreicht werden. 5 shows a first circulation variant of the circulating reactant 38, in particular H 2 O, through the cell stack 12. The circulation 54 according to the schematic representation 5 occurs clockwise. In this selected variant, the circulating reactant 38 flows into the at least one inlet channel 30 via an open end 52 on an underside 48 of the cell stack 12. Opposite the open end 52, the at least one inlet channel 30 has a closed end 50 in the area of its upper side 46. The circulating reactant 38 therefore flows against the effect of gravity 60. The electrochemical cells 10, which are arranged one above the other in the cell stack 12, extend laterally from the at least one inlet channel 30 and are stacked in a vertical direction. These are flowed through evenly by the circulation 54 in the clockwise direction of the circulating reactant 38. The circulating reactant 38, in particular H 2 O, flows out again via the at least one outlet channel 32, which runs parallel to the at least one inlet channel 30, in the area of its underside 48 at the open end 52. Through the related to 5 In the illustrated flow variant of the circulating reactant 38, a uniform flow and thus a uniform temperature distribution of the electrochemical cells 10 of the cell stack 12 stacked one above the other in the vertical direction can be achieved.

6 zeigt eine weitere Variante einer Zirkulation eines zirkulierenden Reaktanten 38 durch die übereinanderliegend angeordneten elektrochemischen Zellen 10 des Zellenstapels 12. Gemäß der Darstellung in 6 erfolgt die Zirkulation des zirkulierenden Reaktanten 38 mittels einer ersten gegenläufigen Zirkulation 56.1 sowie einer zweiten gegenläufigen Zirkulation 56.2. Aus der schematischen Ansicht gemäß 6 geht hervor, dass durch die ersten und zweiten gegenläufigen Zirkulationen 56.1 und 56.2 jeweils nur ein Teil des Zellenstapels 12 aus mehreren übereinanderliegend angeordneten elektrochemischen Zellen 10 vom zirkulierenden Reaktanten 38, insbesondere H2O, durchströmt wird. 6 shows a further variant of a circulation of a circulating reactant 38 through the electrochemical cells 10 of the cell stack 12 arranged one above the other. As shown in 6 the circulation of the circulating reactant 38 takes place by means of a first counter-rotating circulation 56.1 and a second counter-rotating circulation 56.2. From the schematic view according to 6 It can be seen that through the first and second counter-rotating circulations 56.1 and 56.2 only a part of the cell stack 12 made up of several electrochemical cells 10 arranged one above the other is flowed through by the circulating reactant 38, in particular H 2 O.

6 zeigt, dass ausgehend von den offenen Enden 52 des mindestens einen Einlasskanals 30 ein erster Teilstrom 66 und ein zweiter Teilstrom 68 gegenläufig zueinander einströmen und Teile des ersten Teilstroms 66 den oberen Teil des Zellenstapels 12 durchströmen und im Fall des zweiten Teilstroms 68 den unteren Teil des Zellenstapels 12 durchströmen. Die ersten und zweiten Teilströme 66, 68 durchströmen die einzelnen, in vertikaler Richtung übereinanderliegend angeordneten elektrochemischen Zellen 10 des Zellenstapels 12. Der erste Teilstrom 66 der ersten gegenläufigen Zirkulation 56.1 strömt über das offene Ende 52 des mindestens einen Auslasskanals 32 in die zweite Strömungsrichtung 74 ab, während in Bezug auf die zweite gegenläufige Zirkulation 56.2 der zweite Teilstrom 68 am offenen Ende 52 an der Unterseite 48 des mindestens einen Auslasskanals 32 in die erste Strömungsrichtung 72 abströmt. 6 shows that, starting from the open ends 52 of the at least one inlet channel 30, a first partial flow 66 and a second partial flow 68 flow in opposite directions to one another and parts of the first partial flow 66 flow through the upper part of the cell stack 12 and, in the case of the second partial flow 68, the lower part of the Flow through cell stack 12. The first and second partial streams 66, 68 flow through the individual electrodes arranged one above the other in the vertical direction mix cells 10 of the cell stack 12. The first partial flow 66 of the first counter-rotating circulation 56.1 flows out via the open end 52 of the at least one outlet channel 32 in the second flow direction 74, while with respect to the second counter-rotating circulation 56.2 the second partial flow 68 at the open end 52 flows out on the underside 48 of the at least one outlet channel 32 in the first flow direction 72.

Mithin kann durch die Konfiguration gemäß 6 eine geteilte Durchströmung eines oberen und eines unteren Bereichs des Zellenstapels 12 erreicht werden. Dadurch lässt sich eine Vergleichmäßigung der Wärmeverteilung und demzufolge der Temperaturverteilung innerhalb des Zellenstapels 12 erreichen.Therefore, the configuration can be done according to 6 a divided flow through an upper and a lower region of the cell stack 12 can be achieved. This makes it possible to even out the heat distribution and consequently the temperature distribution within the cell stack 12.

Des Weiteren ist in 6 ein H-förmiges Strömungsmuster 70 dargestellt, welches die einzelnen Strömungspfade des im Zellenstapel 12 zirkulierenden Reaktanten 38 darstellt. In der Konfiguration gemäß 6 sind sämtliche Enden der parallel zueinander verlaufenden Einlass- beziehungsweise Auslasskanäle 30, 32 mit offenen Enden 52 versehen, um die erste und die zweite gegenläufige Zirkulation 56.1, 56.2 zu ermöglichen.Furthermore, in 6 an H-shaped flow pattern 70 is shown, which represents the individual flow paths of the reactant 38 circulating in the cell stack 12. In the configuration according to 6 All ends of the parallel inlet and outlet channels 30, 32 are provided with open ends 52 in order to enable the first and second counter-rotating circulation 56.1, 56.2.

Der Darstellung gemäß 7 ist eine weitere Ausführungsmöglichkeit der Zirkulation des zirkulierenden Reaktanten 38 durch die elektrochemischen Zellen 10 des Zellenstapels 12 zu entnehmen. In der Darstellung gemäß 7 erfolgt die Durchströmung der einzelnen übereinanderliegend angeordneten elektrochemischen Zellen 10 des Zellenstapels 12 über eine Z-Zirkulation 58. Damit ist gemeint, dass der zirkulierende Reaktant 38, insbesondere H2O, an einem offenen Ende 52 an der Unterseite 48 des mindestens einen Einlasskanals 30 in diesen eintritt, dessen gegenüberliegendes Ende als geschlossenes Ende 50 ausgeführt ist. Der zirkulierende Reaktant 38 strömt in unveränderter Strömungsrichtung 76. 7 zeigt die im Zellenstapel 12 übereinanderliegend angeordneten elektrochemischen Zellen 10, die gleichmäßig vom zirkulierenden Reaktanten 38 durchströmt werden. Der zirkulierende Reaktant 38, insbesondere H2O, strömt über den mindestens einen Auslasskanal 32 an dessen offenem Ende 52 im Bereich von dessen Oberseite 46 wieder aus. Die Strömungsrichtung des zirkulierenden Reaktanten 38 durch den mindestens einen Einlasskanal 30 und den mindestens einen Auslasskanal 32 ist sehr stark vergleichmäßigt, so dass sich in den einzelnen elektrochemischen Zellen 10 des Zellenstapels 12 eine gleichmäßige Temperaturverteilung einstellt. Je gleichmäßiger die Temperaturverteilung ist, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit des Auftretens lokaler Temperatur-Hotspots innerhalb des Zellenstapels 12. Aus der Darstellung gemäß 7 geht des Weiteren hervor, dass sich ausgehend vom Anfang 78 des mindestens einen Einlasskanals 30 bis zum offenen Ende 52 des mindestens einen Auslasskanals 32 eine Strömungspfadlänge 82 erstreckt. Diese ist in Bezug auf sämtliche im Zellenstapel 12 übereinanderliegend angeordneten elektrochemischen Zellen 10 im Wesentlichen gleich, was ebenfalls zur Vergleichmäßigung der Temperaturverteilung und der Strömungscharakteristik durch den Zellenstapel 12 beiträgt.According to the representation 7 is a further possible embodiment of the circulation of the circulating reactant 38 through the electrochemical cells 10 of the cell stack 12. According to the representation 7 The flow through the individual electrochemical cells 10 of the cell stack 12 arranged one above the other takes place via a Z circulation 58. This means that the circulating reactant 38, in particular H 2 O, at an open end 52 on the underside 48 of the at least one inlet channel 30 in this occurs, the opposite end of which is designed as a closed end 50. The circulating reactant 38 flows in the unchanged flow direction 76. 7 shows the electrochemical cells 10 arranged one above the other in the cell stack 12, through which the circulating reactant 38 flows evenly. The circulating reactant 38, in particular H 2 O, flows out again via the at least one outlet channel 32 at its open end 52 in the area of its upper side 46. The direction of flow of the circulating reactant 38 through the at least one inlet channel 30 and the at least one outlet channel 32 is very uniform, so that a uniform temperature distribution is established in the individual electrochemical cells 10 of the cell stack 12. The more uniform the temperature distribution, the lower the probability of local temperature hotspots occurring within the cell stack 12. From the illustration 7 It can also be seen that a flow path length 82 extends from the beginning 78 of the at least one inlet channel 30 to the open end 52 of the at least one outlet channel 32. This is essentially the same with respect to all of the electrochemical cells 10 arranged one above the other in the cell stack 12, which also contributes to equalizing the temperature distribution and the flow characteristics through the cell stack 12.

In vorteilhafter Weise ist gemäß der in 7 dargestellten Strömungsvariante des zirkulierenden Reaktanten 38 dessen Strömungsrichtung 76, sowohl was den mindestens einen Einlasskanal 30 als auch was den mindestens einen Auslasskanal 32 angeht, unverändert. In vorteilhafter Weise kann mit der in 7 dargestellten Strömungsführung erreicht werden, dass der in den mindestens einen Einlasskanal 30 eintretende zirkulierende Reaktant 38 in horizontaler Richtung nach oben, entgegen der Wirkung der Schwerkraft 60, strömt, so dass ein Druckaufbau innerhalb des mindestens einen Einlasskanals 30 aufgrund der Wirkung der Schwerkraft 60 nicht auftritt. In dieser Ausführungsvariante wirkt die Schwerkraft in vorteilhafter Weise einem Druckaufbau aufgrund der Trägheit des strömenden Mediums am geschlossenen Ende 50 des mindestens einen Einlasskanals 30 entgegen.Advantageously, according to in 7 illustrated flow variant of the circulating reactant 38 whose flow direction 76, both with regard to the at least one inlet channel 30 and with regard to the at least one outlet channel 32, remains unchanged. Advantageously, with the in 7 Flow guidance shown can be achieved that the circulating reactant 38 entering the at least one inlet channel 30 flows upwards in the horizontal direction, against the effect of gravity 60, so that a pressure build-up within the at least one inlet channel 30 due to the effect of gravity 60 does not occur . In this embodiment variant, gravity advantageously counteracts a pressure build-up due to the inertia of the flowing medium at the closed end 50 of the at least one inlet channel 30.

8 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Zellenstapels 12, der aus einer Anzahl übereinanderliegend angeordneter elektrochemischer Zellen 10 aufgebaut ist. Die elektrochemischen Zellen 10 sind übereinanderliegend zwischen der oberen Endplatte 16 und der unteren Endplatte 18 aufgenommen. Wenngleich Anschlüsse 64 auf der Oberseite der oberen Endplatte 16 in vertikaler Richtung nach oben abstehen, können diese auch gewinkelt abstehen, d. h. in einer 90°-Orientierung 62 zur Seite. Dadurch kann die Gesamthöhe des Zellenstapels 12 gemäß der perspektivischen Darstellung in 8 in vorteilhafter Weise verringert werden. 8th shows a perspective view of a cell stack 12, which is constructed from a number of electrochemical cells 10 arranged one above the other. The electrochemical cells 10 are accommodated one above the other between the upper end plate 16 and the lower end plate 18. Although connections 64 on the top of the upper end plate 16 protrude upwards in the vertical direction, they can also protrude at an angle, ie in a 90 ° orientation 62 to the side. This allows the total height of the cell stack 12 to be adjusted according to the perspective view in 8th can be advantageously reduced.

Die Höhe des Zellenstapels 12 repräsentiert üblicherweise dessen größte Abmessung, die durch eine 90°-Orientierung 62 der Anschlüsse 64 zur Seite reduziert werden kann.The height of the cell stack 12 usually represents its largest dimension, which can be reduced to the side by a 90 ° orientation 62 of the connections 64.

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 limited to the exemplary embodiments described here and the aspects highlighted therein. Rather, within the range specified by the claims, a large number of modifications are possible, which are within the scope of professional action.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 10158772 C1 [0015]DE 10158772 C1 [0015]
  • DE 10248531 B4 [0015]DE 10248531 B4 [0015]

Claims (12)

Verfahren zum Betreiben mindestens einer elektrochemischen Zelle (10), aufgenommen vertikal übereinander angeordnet in einem Zellenstapel (12) mit einer oberen Endplatte (16) und einer unteren Endplatte (18), zwischen denen eine Anzahl elektrochemischer Zellen (10) gegeneinander verspannt und mittels Dichtungen (40) gegeneinander abgedichtet werden und der Zellenstapel (12) mindestens einen Einlasskanal (30) und mindestens einen Auslasskanal (32) für einen zirkulierenden Reaktanten (38), insbesondere H2O, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass a) der mindestens eine Einlasskanal (30) und der mindestens eine Auslasskanal (32) ausgehend von einem an einer Unterseite (48) des Zellenstapels (12) vorgesehenen offenen Ende (52) von dem zirkulierenden Reaktanten (38), insbesondere H2O, in einer Zirkulation (54) im Uhrzeigersinn hin zu einem offenen Ende (52) an der Unterseite (48) des Zellenstapels (12) durchströmt wird, b) der mindestens eine Einlasskanal (30) an seinen offenen Enden (52) mit einem ersten Teilstrom (66) und einem zweiten Teilstrom (68) gegenläufig mit dem zirkulierenden Reaktanten (38), insbesondere H2O, beaufschlagt wird, welcher den Zellenstapel (12) durchströmt und über offene Enden (52) des mindestens einen Auslasskanals (32) als Teilströme (66, 68) wieder verlässt, c) der Zellenstapel (12) vom zirkulierenden Reaktanten (38), insbesondere H2O, in Z-Zirkulation (58) in unveränderter Strömungsrichtung (76), ausgehend von einem offenen Ende (52) des mindestens einen Einlasskanals (30) hin zu einem offenen Ende (52) des mindestens einen Auslasskanals (32), durchströmt wird.Method for operating at least one electrochemical cell (10), arranged vertically one above the other in a cell stack (12) with an upper end plate (16) and a lower end plate (18), between which a number of electrochemical cells (10) are braced against one another and by means of seals (40) are sealed against one another and the cell stack (12) comprises at least one inlet channel (30) and at least one outlet channel (32) for a circulating reactant (38), in particular H 2 O, characterized in that a) the at least one inlet channel (30) and the at least one outlet channel (32), starting from an open end (52) provided on an underside (48) of the cell stack (12), from the circulating reactant (38), in particular H 2 O, in a circulation (54) clockwise towards an open end (52) on the underside (48) of the cell stack (12), b) the at least one inlet channel (30) at its open ends (52) with a first partial flow (66) and a second Partial flow (68) is acted upon in opposite directions with the circulating reactant (38), in particular H 2 O, which flows through the cell stack (12) and again as partial flows (66, 68) via open ends (52) of the at least one outlet channel (32). c) the cell stack (12) from the circulating reactant (38), in particular H 2 O, in Z-circulation (58) in an unchanged flow direction (76), starting from an open end (52) of the at least one inlet channel (30) flows through to an open end (52) of the at least one outlet channel (32). Verfahren zum Betreiben mindestens einer elektrochemischen Zelle (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese als Elektrolyseur oder als Brennstoffzelle für einen Antrieb eines Fahrzeugs eingesetzt wird. Method for operating at least one electrochemical cell (10) according to Claim 1 , characterized in that it is used as an electrolyzer or as a fuel cell for driving a vehicle. Verfahren zum Betreiben mindestens einer elektrochemischen Zelle (10) gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass gemäß a) eine Zirkulation (54) des zirkulierenden Reaktanten (38), insbesondere H2O, innerhalb des Einlasskanals (30) entgegen der Wirkung der Schwerkraft (60) erfolgt.Method for operating at least one electrochemical cell (10) according to Claims 1 and 2 , characterized in that according to a) a circulation (54) of the circulating reactant (38), in particular H 2 O, takes place within the inlet channel (30) against the effect of gravity (60). Verfahren zum Betreiben mindestens einer elektrochemischen Zelle (10) gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass gemäß b) zueinander gegenläufige Zirkulationen (56.1, 56.2) des zirkulierenden Reaktanten (38), insbesondere H2O, in einem oberen Teil und in einem unteren Teil des Zellenstapels (12) erzeugt werden.Method for operating at least one electrochemical cell (10) according to Claims 1 and 2 , characterized in that according to b), mutually opposing circulations (56.1, 56.2) of the circulating reactant (38), in particular H 2 O, are generated in an upper part and in a lower part of the cell stack (12). Verfahren zum Betreiben mindestens einer elektrochemischen Zelle (10) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Teilströme (66, 68) des zirkulierenden Reaktanten (68), insbesondere H2O, in entgegengesetzten Strömungsrichtungen (72, 74) über offene Enden (52) des mindestens einen Einlasskanals (30) einströmen, die elektrochemischen Zellen (10) des Zellenstapels (12) durchströmen und über den mindestens einen Auslasskanal (32) an dessen offenen Enden (52) in entgegengesetzte Richtung (72, 74) ausströmen.Method for operating at least one electrochemical cell (10) according to Claim 4 , characterized in that partial streams (66, 68) of the circulating reactant (68), in particular H 2 O, flow in in opposite flow directions (72, 74) via open ends (52) of the at least one inlet channel (30), the electrochemical cells ( 10) of the cell stack (12) and flow out via the at least one outlet channel (32) at its open ends (52) in the opposite direction (72, 74). Verfahren zum Betreiben mindestens einer elektrochemischen Zelle (10) gemäß den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilstrom (66) des zirkulierenden Reaktanten (38), insbesondere H2O, ca. 50 % der elektrochemischen Zellen (10) im Zellenstapel (12) durchströmt und der zweite Teilstrom (68) des zirkulierenden Reaktanten (38), insbesondere H2O, die verbleibenden elektrochemischen Zellen (10) innerhalb des Zellenstapels (12) durchströmt.Method for operating at least one electrochemical cell (10) according to Claims 4 and 5 , characterized in that the first partial stream (66) of the circulating reactant (38), in particular H 2 O, flows through approximately 50% of the electrochemical cells (10) in the cell stack (12) and the second partial stream (68) of the circulating reactant ( 38), in particular H 2 O, flows through the remaining electrochemical cells (10) within the cell stack (12). Verfahren zum Betreiben mindestens einer elektrochemischen Zelle (10) gemäß den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strömungspfadlängendifferenz zwischen einem kürzesten und einem längsten Strömungspfad durch den Zellenstapel (12) reduziert, vorzugsweise halbiert wird.Method for operating at least one electrochemical cell (10) according to Claims 4 until 6 , characterized in that a flow path length difference between a shortest and a longest flow path through the cell stack (12) is reduced, preferably halved. Verfahren zum Betreiben mindestens einer elektrochemischen Zelle (10) gemäß den Ansprüchen 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der gegenläufigen Zirkulation (56.1, 56.2) des zirkulierenden Reaktanten 38, insbesondere H2O, im Zellenstapel (12) ein Strömungsmuster in H-Form (70) erzeugt wird.Method for operating at least one electrochemical cell (10) according to Claims 4 until 7 , characterized in that as part of the counter-rotating circulation (56.1, 56.2) of the circulating reactant 38, in particular H 2 O, an H-shaped flow pattern (70) is generated in the cell stack (12). Verfahren zum Betreiben mindestens einer elektrochemischen Zelle (10) gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass gemäß c) bei einer Z-Zirkulation (58) des zirkulierenden Reaktanten (38), insbesondere H2O, der mindestens eine Einlasskanal (30), die Anzahl der im Zellenstapel (12) aufgenommenen elektrochemischen Zellen (10) und der mindestens eine Auslasskanal (32) in unveränderter Strömungsrichtung (76) durchströmt werden.Method for operating at least one electrochemical cell (10) according to Claims 1 and 2 , characterized in that according to c) in a Z-circulation (58) of the circulating reactant (38), in particular H 2 O, the at least one inlet channel (30), the number of electrochemical cells (10) accommodated in the cell stack (12) and the at least one outlet channel (32) flows through in an unchanged flow direction (76). Verfahren zum Betreiben mindestens einer elektrochemischen Zelle (10) gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zirkulierende Reaktant (38), insbesondere H2O, den mindestens einen Einlasskanal (30) an einem offenen Ende (52) und den mindestens einen Auslasskanal (32) an einem offenen Ende (52) in unveränderter Strömungsrichtung (76) durchströmt.Method for operating at least one electrochemical cell (10) according to Claim 9 , characterized in that the circulating reactant (38), in particular H 2 O, the at least one inlet channel (30) at an open end (52) and the at least one outlet channel (32) at an open end (52) in an unchanged flow direction ( 76) flows through. Verfahren zum Betreiben mindestens einer elektrochemischen Zelle (10) gemäß den Ansprüchen 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strömungspfadlänge (82) für den zirkulierenden Reaktanten (38), insbesondere H2O, zwischen einem Anfang (78) des mindestens einen Einlasskanals (30) und einem Ende (80) des mindestens einen Auslasskanals (32) im Zellenstapel (12) im Wesentlichen gleich ist.Method for operating at least one electrochemical cell (10) according to Claims 9 and 10 , characterized in that a flow path length (82) for the circulating reactant (38), in particular H 2 O, between a beginning (78) of the at least one inlet channel (30) and an end (80) of the at least one outlet channel (32) in Cell stack (12) is essentially the same. Verwendung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 zum Betreiben eines Elektrolyseurs oder einer Brennstoffzelle eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs.Use of the method according to one of the Claims 1 until 11 for operating an electrolyzer or a fuel cell of an electrically powered vehicle.
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