EP3612664A1 - Elektrochemievorrichtung, funktionelles element sowie verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Elektrochemievorrichtung, funktionelles element sowie verfahren zu dessen herstellung

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EP3612664A1
EP3612664A1 EP18728307.2A EP18728307A EP3612664A1 EP 3612664 A1 EP3612664 A1 EP 3612664A1 EP 18728307 A EP18728307 A EP 18728307A EP 3612664 A1 EP3612664 A1 EP 3612664A1
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EP
European Patent Office
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cell
electrochemical
electrochemical device
contact element
contact
Prior art date
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Pending
Application number
EP18728307.2A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Frank ALLEBROD
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Quest One GmbH
Original Assignee
HTec Systems GmbH
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Filing date
Publication date
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    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to an electrochemical device according to the preamble of claim 1, a functional element according to the preamble of claim 15 and a method for producing a functional element according to claim 16.
  • Electrolysers are known in the art which comprise a cell stack, often referred to as a "stack", having a plurality of series connected ones
  • An operating voltage is applied to the entire cell stack, often monitoring its timing and / or a time history of a total current, in order to identify any disturbances and / or a need for a change of operating parameters.
  • the object of the invention is in particular to achieve advantageous properties in terms of a construction. Furthermore, an object of the invention is in particular to achieve a simple and / or reliable monitoring of parts of a cell stack. In addition, an object of the invention is in particular to achieve advantageous properties in terms of a simple and / or cost-effective production. The object is achieved by the features of claim 1, while advantageous embodiments and modifications of the invention can be taken from the dependent claims.
  • the invention is based on an electrochemical device, in particular a
  • Electrolysis apparatus in particular a polymer electrolyte membrane - -
  • Electrolysis apparatus with at least one cell unit, the at least one
  • electrochemical cell comprises.
  • the electrochemical cell has at least one contact element that is different from a connection element for a power supply.
  • an advantageous construction can be achieved.
  • an electrochemical device can be provided whose operation can be easily and / or reliably monitored.
  • a low-cost and / or easy-to-manufacture electrochemical device can be provided.
  • advantageous properties with regard to a simple and / or cost-effective production of components of an electrochemical device can be achieved.
  • operating parameters of parts of an electrochemical device, in particular of individual electrochemical cells can be reliably measured.
  • a large number of contact elements can be provided in a small space, whereby in particular single cell measurements can be made possible on a large number of adjacent cells.
  • even very thin single cells can be reliably contacted.
  • a high reliability and / or a high load capacity of electrical contact elements can be achieved.
  • electrochemical device is intended in particular to mean at least one, preferably functional, part of a device and / or a machine, in particular a
  • Electrolyzer understood that is / is provided for performing at least one at least partially electrochemical operation.
  • the electrochemical device may also comprise the entire device and / or the entire machine.
  • the electrochemical device is intended to convert electrical energy into chemical binding energy and / or chemical binding energy into electrical energy.
  • at least in at least one normal operating state at least one chemical reaction takes place, which starts with a
  • the electrochemical device may include a fuel cell device, a battery device, a measuring device device, a generator device, an analysis device, an electrode position device, an anodization device, a
  • Electroplating apparatus a redox reactor apparatus or the like.
  • the electrochemical device is as an electrolyzer , ,
  • the electrochemical device can be provided to provide at least one gas, in particular hydrogen, with an overpressure to an environment, in particular with a pressure of at least 1 bar, whereby pressures of at least 5 bar, at least 10 bar, at least 15 bar, at least 20 bar , at least 30 bar or even greater pressures are conceivable.
  • the electrochemical device can be provided for connection to a gas container, in particular a hydrogen tank, it being conceivable for an operating pressure of the electrochemical device to be adaptable and / or adapted to a filling level of the gas container. For example, it is conceivable that the electrochemical device generates the gas against a filling pressure of the gas container and this particular without
  • the electrochemical device is operated at least substantially free of overpressure.
  • the electrochemical device is operable at a constant pressure and / or is operated in the normal operating state with a constant working pressure.
  • a combination with a compressor is conceivable.
  • the electrochemical device can be a
  • High pressure electrolysis device and in particular be provided to at least one gas, in particular hydrogen, with a pressure of at least 50 bar, preferably of at least 70 bar and more preferably of at least 100 bar or more to produce and / or provide.
  • the term "provided” should be understood to mean specially programmed, designed and / or equipped.Assuming that an object is intended for a specific function should in particular mean that the object fulfills this specific function in at least one application and / or operating state and / or or executes.
  • electrochemical cell is to be understood in particular as meaning a functional unit by means of which at least one electrochemical reaction can be carried out, in particular an electrochemical reaction of the type for the implementation of which the electrochemical device is provided
  • the electrochemical cell is advantageously an electrolysis cell, and the electrochemical cell is particularly advantageously a cell stack-compatible electrolysis cell, in particular , ,
  • the electrochemical cell comprises at least one anode, to which oxygen is preferably formed in the normal operating state.
  • the electrochemical cell preferably comprises at least one cathode, to which hydrogen is preferably formed in the normal operating state.
  • the electrochemical cell comprises at least one membrane, in particular an advantageously selectively proton-conducting membrane, preferably a polymer electrolyte membrane.
  • the anode and the cathode are separated from one another at least by the membrane.
  • the anode and / or the cathode is planar and / or layered and / or a layer and / or coating.
  • the membrane is formed at least partially, and more preferably at least a majority, of Nation.
  • the electrochemical cell comprises at least one
  • a bipolar element in particular a bipolar element, preferably a
  • Bipolar plate In particular, a first side of the bipolar element forms a
  • At least some, advantageously at least a large part and particularly advantageously all electrochemical cells of the cell unit are at least substantially identical in construction and / or of the same and / or of an analogous construction.
  • at least substantially identical objects objects are to be understood in particular that are constructed in such a way that they can each perform a common function and differ in their construction apart from manufacturing tolerances at most by individual elements that are insignificant for the common function are, and advantageous objects, apart from manufacturing tolerances and / or in the context
  • Production-technical possibilities are identical, with identical objects in particular also mutually symmetrical objects to be understood.
  • At least 55%, advantageously at least 65%, preferably at least 75%, particularly preferably at least 85%, and particularly advantageously at least 95%, but in particular also completely, is to be understood by the term "at least a majority”.
  • At least 55%, advantageously at least 65%, preferably at least 75%, particularly preferably at least 85%, and particularly advantageously at least 95%, but in particular also 100%, are to be understood by the term "at least a large part". , ,
  • the cell unit comprises a plurality, preferably a plurality, of, in particular at least substantially identically formed, electrochemical cells.
  • the cell unit comprises at least one cell stack, in particular an electrolysis stack, which comprises a plurality, preferably a multiplicity, of stacked electrochemical cells.
  • the cell stack comprises at least the electrochemical cell.
  • the electrochemical cells of the cell stack are at least substantially identical.
  • the cell stack preferably has repeating units which comprise a plurality of different functional elements, advantageously different functional cell stack elements, for example, in particular in the stated order, at least one bipolar plate and / or at least one screen plate and / or perforated plate or the like and / or at least one gas diffusion layer, in particular an oxygen diffusion layer, advantageously a titanium felt and / or a membrane, advantageously a polymer electrolyte membrane, and / or a further gas diffusion layer, in particular a hydrogen diffusion layer, advantageously a carbon felt, and / or a compression buffer comprising in particular another screen plate and / or perforated plate, in particular a compression ped, advantageously an expanded metal.
  • gas diffusion layer in particular an oxygen diffusion layer, advantageously a titanium felt and / or a membrane, advantageously a polymer electrolyte membrane, and / or a further gas diffusion layer, in particular a hydrogen diffusion layer, advantageously a carbon felt, and / or a compression buffer comprising in particular another screen plate and /
  • a bipolar plate and / or a perforated plate and / or a screen plate and / or an expanded metal and / or another metallic cell stack element is at least partially, advantageously at least a majority of titanium and / or stainless steel and / or formed of at least one coated metal ,
  • one electrochemical cell each extends from one bipolar plate to a next bipolar plate.
  • the cell stack may comprise any number of electrochemical cells, for example ten or twenty or thirty or fifty or one hundred or fifteen hundred or two hundred or more or fewer or any intervening number.
  • the cell unit has exactly one cell stack.
  • the cell unit comprises a plurality of cell stacks, in particular at least substantially identical or differently designed, of which at least some may be connected electrically and / or hydraulically in series and / or in series.
  • the cell unit preferably has at least one first end plate and / or at least one second end plate.
  • the electrochemical cells of the cell stack are arranged between the end plates, in particular densely stacked.
  • the first end plate and the second end plate are connected together. , ,
  • the first end plate and the second end plate act on the cell stack from opposite sides and in particular in a direction perpendicular and / or at least substantially perpendicular to a stacking direction with a compressive force.
  • the stacking direction corresponds to a direction in which the cell stack is constructed of electrochemical cells.
  • the stacking direction is perpendicular and / or at least substantially perpendicular to a main extension plane of the first electrochemical cell and / or perpendicular to a main extension plane of at least one, in particular plate-shaped,
  • the cell stack is such that
  • Main extension planes of the electrochemical cells of the cell stack are arranged parallel to each other and in particular perpendicular to the stacking direction.
  • a working voltage is applied between a foremost electrochemical cell, which bears in particular against the first end plate, and a rearmost electrochemical cell, which bears in particular against the second end plate.
  • the electrochemical device as a
  • Electrolysis device is formed, is advantageous in the normal operating state of the electrochemical cells, in particular of the cell stack, one each
  • Single working voltage of at least 0.5 V advantageously of at least 1 V, more preferably of at least 1.2 V and preferably of at least 1.5 V and / or of at most 10 V, advantageously of at most 5V, particularly advantageously of at most 2.5 V and preferably at most 2V.
  • a fuel cell device that in the
  • a “main extension plane” of an object should be understood to mean, in particular, a plane which is parallel to a largest side surface of a smallest imaginary cuboid which just completely encloses the object, and in particular runs through the center of the cuboid.
  • an orientation of a direction relative to a reference direction in particular in a reference plane, to be understood, wherein the direction and the reference direction include an angle, in particular less than 8 °, advantageous - -
  • the cell unit has at least one first connection element and at least one second connection element for connection to a power supply.
  • an overall operating voltage is applied between the first connection element and the second connection element.
  • the connection elements are arranged on the, in particular opposite, end plates of the cell stack.
  • a total operating current in particular a direct current, flows from the first connection element to the second connection element or vice versa.
  • the contact element is electrically connected to the electrochemical cell, in particular to at least one functional and / or electrochemically active one
  • Component of the electrochemical cell connected.
  • the contact element is at least partially connected in one piece with the functional component.
  • the functional component Preferably, in the normal operating state, the
  • the contact element is at least partially, particularly advantageously at least a large part and / or formed entirely of metal, for example of titanium and / or steel and / or copper and / or of another suitable metal.
  • the contact element is assigned to two directly adjacent electrochemical cells. Particularly advantageously, in each case two adjacent electrochemical cells are assigned a common contact element.
  • the electrochemical cell is associated with two contact elements, one of which at an anode potential and one on an
  • Cathode potential of the electrochemical cell is located. This is particularly the case for a plurality and / or for all cells of the cell unit and / or the
  • the contact element in particular in the case of directly adjacent electrochemical cells, it is conceivable for the contact element to be, for example, at an anode potential of one electrochemical cell and at a cathode potential of the immediately adjacent one , ,
  • electrochemical cell is or vice versa, especially in the case of a
  • the contact element is from an exterior of the cell unit, in particular from an exterior of the cell stack, preferably from an exterior of the
  • Electrochemical device ago accessible Preferably, the contact element is arranged outside an active interior of the cell unit.
  • the electrochemical cell comprises at least one functional element, in particular at least one functional cell stack element, which has the contact element.
  • the functional element is plate-shaped and / or plate-like and / or sheet-shaped and / or sheet-like.
  • the functional element a bipolar plate and / or a perforated plate and / or a screen plate and / or a
  • Gas distribution element in particular a gas distribution plate member and / or a compression buffer, in particular a Compression Päd or the like and / or be designed as such.
  • the functional element is at least partially, advantageously at least a large part and particularly advantageously completely made of metal and / or has a metal-like or at least metal-like conductivity, in particular in a lateral direction.
  • a single electrochemical cell in particular a cell stack, can be contacted easily and / or reliably.
  • the contact element and at least one functional component of the functional element are at least partially connected in one piece.
  • the functional component is at least partially disposed within an active volume of the electrochemical cell, within which at least in the
  • At least one reaction step of the chemical reaction takes place, in particular at least one substep of hydrogen electrolysis.
  • a first object and a second object are "at least partially integral” with each other, should be understood in particular that at least one element and / or part of the first object is integrally connected to at least one element and / or part of the second object.
  • one piece is intended in particular at least , ,
  • Adhesive process, a Anspritzrind and / or another the skilled person appear useful process, and / or advantageously formed in one piece, such as by a production from a cast and / or by a production in a one- or multi-component injection molding method and advantageous from a single blank. As a result, advantageously a high reliability of a contact can be achieved.
  • the contact element is designed as a nose-like projection of a plate, in particular a sheet.
  • the sheet is formed as a titanium sheet.
  • the plate forms the contact element.
  • the contact element and the plate, in particular the sheet are produced from a common blank and / or produced.
  • the functional element is at least partially as a stamped part, in particular a stamped sheet metal part, and / or as a stamped and bent part, in particular a stamped sheet metal bent part formed.
  • the contact element is designed as a blade contact element.
  • the contact element is flat and / or flat.
  • a main extension plane of the contact element is arranged at least substantially parallel to a main extension plane of the functional element.
  • the contact element and the functional component have a common main extension plane.
  • Main extension plane of the contact element arranged at least substantially perpendicular to the stacking direction.
  • the electrochemical cell has a thickness of at most 5 mm, advantageously not more than 3 mm and particularly advantageously not more than 2 mm, in particular a thickness measured parallel to the
  • the electrochemical cells of the cell stack are at least substantially the same thickness.
  • the cell unit be at least one more
  • the further electrochemical cell is at least substantially identical to the electrochemical cell.
  • the other electrochemical cell is at least substantially identical to the electrochemical cell.
  • the further electrochemical cell of the electrochemical cell in particular immediately adjacent.
  • the electrochemical cell and the further electrochemical cell can, in particular independently of each other, be arranged at arbitrary positions of the cell unit, in particular of the cell stack.
  • a plurality and / or a plurality of electrochemical cells of the cell unit each have at least one, in particular exactly one, contact element.
  • each electrochemical cell of the cell unit has at least one contact element.
  • the cells of the cell unit each have a functional element with at least one contact element for contacting the corresponding electrochemical cell, in particular its anode and / or cathode, wherein the functional elements are each preferably functional elements of the same type and / or of the same type, for example, in each case by a bipolar plate and / or in each case by a perforated plate and / or in each case by an expanded metal or the like.
  • the functional elements are each preferably functional elements of the same type and / or of the same type, for example, in each case by a bipolar plate and / or in each case by a perforated plate and / or in each case by an expanded metal or the like.
  • a distance between the corresponding contact elements in particular measured along the stacking direction, corresponds at least substantially to a thickness of the electrochemical cells.
  • contact elements of electrochemical cells are arranged at different positions of their respective cell with respect to the stacking direction.
  • corresponding contact elements may be arranged on opposite sides of their respective electrochemical cell in
  • contact elements in particular adjacent, electrochemical cells are arranged on functional elements of different types.
  • Cell may be arranged on the bipolar plate, while the further contact element of the further electrochemical cell is arranged on the perforated plate, in which context, of course, any functional elements are conceivable.
  • At least one contact element lies on one each
  • Anode potential or at a cathode potential according to contactable electrochemical cells can thus be queried simply and / or reliably.
  • a high space efficiency can be achieved in particular and / or space for attaching contacts can be provided in particular if the contact element and the further contact element are arranged offset to one another, in particular in a view in the stacking direction.
  • the electrochemical cell and the further electrochemical cell are aligned in the stacking direction, wherein advantageously the contact element and the further contact element at different positions of the respective electrochemical cell, in particular at different positions of a respective outer edge of the respective electrochemical cell are arranged.
  • Possibility of contacting individual cells in particular in the case of thin cells, can be provided in particular if at least a plurality of the electrochemical cells of the cell stack, in particular all electrochemical cells of the cell stack, each have at least one contact element, wherein at least some of the contact elements are arranged offset to one another , In particular, contact elements of directly adjacent electrochemical cells are each arranged offset from one another. Preferably, two are each immediately adjacent
  • Each contact element is particularly preferably associated with two directly adjacent electrochemical cells, in particular an anode of one and a cathode of the other electrochemical cell.
  • Stacking direction in several rows for example, in two or three or four or five or six rows are arranged.
  • the rows are at least substantially parallel to the stacking direction.
  • a contact element of each ith of the electrochemical cell is arranged in an i-th of the rows, where i denotes a natural number.
  • the contact elements in a view of the cell stack are arranged in a staircase perpendicular to the stacking direction. In particular, in this case, a distance between in a row immediately behind one another arranged contact elements is constant. But it is also conceivable that at least for a portion of the cell stack, the contact elements are arbitrarily different, especially random, associated with the rows. This can advantageously in a simple and / or cost-effective manner for contacting contact elements
  • Electrochemical device has at least one bridging element, which is intended to produce in at least one operating state, an electrical connection between the contact element and at least one other contact element, in particular the further contact element to at least one, in particular one or more in particular adjacent arranged
  • Electrochemical cells part of the cell unit, in particular the
  • At least one first contact region of the bridging element is provided for connection to the contact element.
  • At least one second contact region of the bridging element is provided for, in particular simultaneous, connection to the other contact element, wherein preferably the contact elements are connected.
  • the Bridging element provided for plugging and / or peeling. It is also conceivable that the bridging element is welded and / or soldered. Preferably, the bridging element is provided for a, in particular manual, attachment to the cell unit by a user. However, it is also conceivable that the bridging element has at least one, in particular at least partially automated, switch, for example, at least temporarily switching on and / or at least temporarily decommissioning at least a part of - -
  • the bridging element is arranged at a distance from the cell unit and, for example, connected to the contact elements by means of suitable electrical lines.
  • the bridging element may be formed as an electrical and / or electronic circuit. It is also conceivable that the
  • the operating state may be an error operating state in which at least one electrochemical cell is not operable and / or operated properly and, in particular, is bypassed.
  • the operating state can alternatively or additionally also a measurement operating state and / or a
  • Maintenance mode be in which particular maintenance and / or measurements or the like can be made to at least one bridged electrochemical cell.
  • the bridging element bridges between the contact element and the other contact element arranged
  • At least one of the following features can flow through them without damage.
  • at least one of the following features can flow through them without damage.
  • at least one of the following features can flow through them without damage.
  • the bridging element may be formed as a metal clip and / or a cable with corresponding connection elements or the like.
  • Electrochemical device has at least one monitoring unit which is electrically connected to the contact element and with the further contact element and / or connected.
  • the monitoring unit can permanently or optionally with the
  • the monitoring unit is modular and / or optionally removable.
  • the monitoring unit is modular and / or optionally removable.
  • Monitoring unit on at least one arithmetic unit Preferably, the
  • Monitoring unit connected to a plurality of contact elements, particularly preferably with each contact element of the cell unit.
  • the contact elements particularly preferably with each contact element of the cell unit.
  • Monitoring unit on a plurality of input channels, which in particular - -
  • electrochemical cell advantageously unique, assignable and / or associated.
  • the monitoring unit is to be monitored with each
  • the monitoring unit may have at least one user interface such as at least one display, in particular a touch display, and / or at least one input unit, for example a mouse and / or a keyboard and / or a control panel and / or switches and / or buttons and the like.
  • the monitoring unit may be provided for monitoring the operation of the cell unit. As a result, a reliable operation can advantageously be achieved.
  • the monitoring unit is provided for a determination of at least one single cell parameter, in particular a single cell voltage, by means of the contact elements.
  • the single-cell parameter is at least one operating state parameter of the electrochemical cell, which can be advantageously determined by means of at least one measurement for which only two electrodes of the electrochemical cell, in particular their anode and cathode, are required.
  • the monitoring unit is provided to the single cell parameters using at least one additional
  • Parameters such as an environmental parameter such as a temperature, a humidity, an air pressure, a fluid temperature, a fluid conductivity or the like to determine.
  • the monitoring unit can be provided for determining the corresponding environmental parameter.
  • the single cell parameter may also be a conductivity and / or a current and / or a temperature and / or an impedance or the like.
  • the monitoring unit preferably has at least one sensor unit and / or measuring unit for determining the single cell parameter. Particularly preferred is the sensor unit and / or measuring unit with the
  • Input channels connectable and / or in particular permanently connected.
  • the monitoring unit is preferably provided to measure a single voltage, which is different in particular from a total voltage of the cell unit, between any two contact elements.
  • the monitoring unit is provided for a single-cell voltage, for example the electrochemical cell and / or the further electrochemical cell, based on a potential difference - -
  • Single cell voltages can be measured independently.
  • the monitoring unit is provided to detect at least one fault operating state based on the single cell parameter and to change at least one operating parameter of the cell unit as a function of an occurrence of the fault operating state, in particular automatically.
  • the fault operating state may include a short circuit of at least one electrochemical cell.
  • the monitoring unit can be provided to effect at least bridging at least a part of the cell unit.
  • the bridging element as a
  • the bridging element can be used in addition to the monitoring unit.
  • the bridging element can be used in addition to the monitoring unit.
  • Monitoring unit for a control and / or a regulation of a
  • Reaction fluid and / or a cooling fluid or the like in particular depending on the single cell parameter, is provided, in particular alternatively or additionally in at least one normal operating state. It is also conceivable that the
  • Monitoring unit is provided to at least temporarily pressurize at least individual electrochemical cells with an additional voltage and / or at least temporarily reduce a load of at least individual electrochemical cells, for example, under realization of a shunt.
  • the monitoring unit has at least one AC voltage source by means of which - -
  • an alternating voltage can be modulated on at least individual electrochemical cells.
  • total failures due to individual defective cells can advantageously be avoided.
  • a diverse monitoring and / or controllability can be achieved.
  • Advantageous properties with respect to a construction can be achieved in particular with an electrolyzer having at least one electrochemical device according to the invention.
  • the invention relates to a functional element, in particular a functional cell stack element, preferably the functional element described above, for the electrochemical device.
  • the functional element has at least two contact elements which are each intended to be able to be disconnected optionally.
  • the functional element advantageously has at least one plate, in particular a metal sheet, with the contact elements.
  • the functional element has three or four or five or six or even more contact elements, which are arranged in particular along an edge of the functional element, in particular in a view in a direction perpendicular to a main extension plane of the functional element.
  • the contact elements may be arranged along a single edge of the functional element. It is also conceivable that the functional element has several,
  • At least one of the contact elements of the functional element is cut off.
  • all but one contact element of the functional element are disconnected.
  • the contact elements of the functional element are intended to be either selectively disconnected or to form a contact element of the cell stack.
  • a position of the contact elements in the cell stack is by appropriate separation from the rest
  • the cell stack is at least partially constructed of functional elements, each having either no contact element or exactly one contact element and their optionally additionally present in a preassembled state contact elements are separated. - -
  • Electrolysers are achieved. Furthermore, an electrochemical device can be provided whose operation can be easily and / or reliably monitored. In addition, a low-cost and / or easy-to-manufacture electrochemical device can be provided. Furthermore, advantageous properties with regard to a simple and / or cost-effective production of components of an electrochemical device can be achieved. Advantageously, operating parameters of parts of an electrochemical device, in particular of individual electrochemical cells, can be reliably measured. Further, a plurality of contact elements can be provided in a small space, which can be made possible in particular single cell measurements on a plurality of adjacent cells. In addition, even very thin single cells can be reliably contacted. In addition, a high reliability and / or a high load capacity of electrical contact elements can be achieved.
  • the invention relates to a method for producing a functional element which, in particular as described above, has at least two contact elements arranged at different positions in at least one preassembled state, wherein at least one of the contact elements is severed.
  • a functional element which, in particular as described above, has at least two contact elements arranged at different positions in at least one preassembled state, wherein at least one of the contact elements is severed.
  • all but one contact element of the functional element are separated. It is also conceivable that all contact elements of the functional element are separated, for example, if identically designed functional elements are to be used to construct a cell stack, with only a few electrochemical cells of the
  • the method is part of a method for producing an electrochemical device according to the invention.
  • inventive method advantageous properties can be achieved in terms of cost efficiency.
  • an advantageous construction of an electrochemical device in particular an electrolyzer, can be achieved.
  • an electrochemical device can be provided whose operation can be easily and / or reliably monitored.
  • a low-cost and / or easy-to-manufacture electrochemical device can be provided.
  • Components of an electrochemical device can be achieved. Can be advantageous
  • Operating parameters of parts of an electrochemical device in particular of individual electrochemical cells are reliably measured. Further, a plurality of contact elements can be provided in a small space, which can be made possible in particular single cell measurements on a plurality of adjacent cells. In addition, even very thin single cells can be reliably contacted. In addition, a high reliability and / or a high load capacity of electrical contact elements can be achieved.
  • electrochemical device according to the invention, the functional element according to the invention and the method according to the invention are not intended to be limited to the applications and embodiments described above.
  • the electrochemical device according to the invention, the functional element according to the invention and the method according to the invention for performing a function described herein may have a different number from a number of individual elements and / or components and / or units and / or method steps mentioned herein.
  • the in this disclosure may have a different number from a number of individual elements and / or components and / or units and / or method steps mentioned herein.
  • FIG. 2 shows the electrochemical device with a bridging element in a schematic side view, - -
  • Fig. 3 is a functional element of the electrochemical device in a
  • FIG. 1 shows an electrochemical device 10 in a schematic side view.
  • the electrochemical device 10 is part of an electrolyzer 44.
  • Components such as a fluid supply, a housing and the like of the electrolyzer 44 are not shown in the figure 1. This one, however, can
  • the electrochemical device 10 in the present case is designed as an electrolysis device. As mentioned above, however, it is also conceivable that the electrochemical device 10 a
  • Fuel cell device a measuring device, a galvanizing device or the like.
  • the electrochemical device 10 has a cell unit 12 which has at least one electrochemical cell 14. Furthermore, the cell unit 12 comprises at least one further electrochemical cell 16. In the present case, the cell unit 12 has a plurality of electrochemical cells 14, 16, for reasons of which
  • the electrochemical cells 14, 16 of the cell unit 12 are not shown to scale in FIG.
  • the electrochemical cells 14, 16 of the cell unit 12 can be substantially flatter than in the schematic representation of FIG. 1.
  • the cell unit 12 may comprise 20 or 30 or 50 or 100 or 150 or 200 electrochemical cells 14, 16.
  • the cell unit 12 has a cell stack 34 comprising a plurality of stacked electrochemical cells 14, 16. In the present case, all the electrochemical cells 14, 16 of the cell unit 12 are stacked to the cell stack 34. Furthermore, in the present case, the electrochemical cells 14, 16 of the cell unit 12 are at least substantially identical to one another.
  • the cell stack 34 in the present case is an electrolysis stack. The electrochemical - -
  • Cells 14, 16 of the cell unit 12 are stacked in a stacking direction 36.
  • Stacking direction 36 corresponds to a stack thickness direction of the cell stack 34.
  • the stacking direction 36 in the present case runs perpendicular to one
  • Main extension plane of the electrochemical cell 14 Further, in the present case, main extension planes of the electrochemical cells 14, 16 of the cell unit 12 are arranged parallel to each other.
  • the cell unit 12 has a first end plate 50 and a second end plate 52.
  • the first end plate 50 and the second end plate 52 define the electrochemical cells 14, 16 of the cell stack 34 toward opposite sides of the cell stack 34.
  • the end plates 50, 52 are connected to each other, for example by means not shown connecting struts and act on the electrochemical cells 14, 16 of the cell stack 34 with a compressive force which counteracts in particular a pressure due to formation of hydrogen gas and / or oxygen gas or in particular a tightness of the juxtaposed electrochemical cells 14, 16 with each other and / or a tightness of the respective electrochemical cell 14, 16 accomplished or at least contributes to this.
  • the electrochemical device 10 has connection elements 22, 24 for connection to a power supply 26. In a normal operating state, the cell unit 12 is supplied with electrical power via the connection elements 22, 24.
  • Total voltage is in this case between a frontmost electrochemical cell 58, which bears in particular on the first end plate 50, and a rearmost electrochemical cell 60, which rests in particular on the second end plate 52 at.
  • a frontmost electrochemical cell 58 which bears in particular on the first end plate 50
  • a rearmost electrochemical cell 60 which rests in particular on the second end plate 52 at.
  • individual electrochemical cells 14, 16, 58, 60 of the cell unit 12 is located in the
  • the electrochemical cell 14 has a thickness of at most 5 mm.
  • the electrochemical cells 14, 16, 58, 60 of the cell unit 12 each have a thickness of approximately 1.8 mm, wherein any other thicknesses are conceivable.
  • the electrochemical cell 14 has at least one contact element 18, which is different from a connection element 22, 24 for a power supply 26.
  • Contact element 18 is accessible from an exterior of the cell unit 12. in the , -
  • the contact element 18 from an exterior of the
  • Electrochemical device 10 forth accessible.
  • the contact element 18 is arranged outside an active interior of the electrochemical cell 14 and / or outside an active interior of the cell unit 12.
  • the contact element 18 allows an electrical
  • the further electrochemical cell 16 has at least one other
  • each of the electrochemical cells 14, 16, 58, 60 of the cell unit 12 in each case at least one contact element 18, 20, wherein the contact elements 18, 20 for reasons of clarity not all
  • electrochemical cells 14, 16, 58, 60 of the cell unit 12 contact elements 18, 20 have.
  • a particular electrochemical cell 14, 16, 58, 60 are each assigned two contact elements 18, 20, of which in particular one is at an anode potential and one at a cathode potential of the corresponding electrochemical cell 14, 16, 58, 60.
  • the contact elements 18, 20 associated with a particular electrochemical cell 14, 16, 58, 60 are each a contact element of the corresponding electrochemical cell 14, 16, 58, 60 and a contact element 18, 20 of an immediately adjacent other electrochemical cell 14, 16, 58, 60.
  • a specific contact element 18, 20 is assigned in each case to two directly adjacent electrochemical cells 14, 16, 58, 60, the corresponding contact element 18, 20 being at an anode potential of one electrochemical cell 14, 16, 58, 60, which corresponds to a cathode potential of the other electrochemical cell 14, 16, 58, 60.
  • the electrochemical cell 14 is the electrochemical cell 14
  • the contact element 18 is formed in the present case as a sheet contact element.
  • the contact element 18 has a thickness of less than 1 mm, preferably less than 0.5 mm.
  • the contact element 18 has a main extension plane, which extends at least substantially perpendicular to the stacking direction 36. in the - -
  • the contact element 18 protrudes laterally out of the cell stack 34 in a direction perpendicular to the stacking direction 36. Furthermore, the contact element 18 is formed in the present case of a metal, in particular of titanium, wherein, as mentioned above, other materials are conceivable. The further contact element 20 is at least substantially identical to the contact element 18 is formed.
  • the contact element 18 and the further contact element 20 are arranged offset to one another, in particular as viewed along the stacking direction 36.
  • the contact element 18 and the further contact element 20 are arranged on the same side of the cell stack 34. It is also conceivable that the contact element 18 and the further contact element 20 are arranged on different sides of the cell unit 12 and / or the cell stack 34.
  • the contact element 18 is arranged in the present case in a view perpendicular to the stacking direction 36 above a longitudinal axis 80 of the cell stack 34.
  • the further contact element 20 is arranged in the present case in the view perpendicular to the stacking direction 36 below the longitudinal axis 80 of the cell stack 34.
  • the arrangement shown is purely exemplary. In particular, any other staggered arrangements of
  • Cell stack 34 each have at least one contact element 18, 20, wherein at least some of the contact elements 18, 20 are arranged offset to one another.
  • adjacent contact elements 18, 20 are arranged offset from each other.
  • the contact elements 18, 20 are respectively arranged with respect to the stacking direction 36 at the same position of their corresponding electrochemical cell 14, 16, 58, 60, so that in particular a distance between immediately adjacent contact elements 18, 20 of a thickness of the electrochemical cells 14, 16th , 58, 60 corresponds.
  • other arrangements with respect to the stacking direction 36 are conceivable, so that, for example, immediately adjacent contact elements 18, 20 can be arranged on opposite sides of their respective electrochemical cells 14, 16, 58, 60.
  • immediately adjacent contact elements 18, 20 can be arranged on opposite sides of their respective electrochemical cells 14, 16, 58, 60.
  • a consideration along the stacking direction 36 are at least some of
  • the rows are arranged on a common side of the cell unit 12 and / or on different, in particular opposite, sides of the cell unit 12. Further, in the present case, the contact elements 18, 20
  • the electrochemical device 10 has a monitoring unit 42, which is electrically connected to the contact element 18 and the further contact element 20.
  • the monitoring unit 42 is connected to each contact element 18, 20 of the cell unit 12.
  • the monitoring unit 42 is provided for a determination of at least one single cell parameter by means of the contact elements 18, 20.
  • the single cell parameter may be a
  • a single voltage of the electrochemical cell 14 by means of a measurement of one between the contact element 18 and the other
  • the monitoring unit 42 is provided in the present case for carrying out a corresponding measurement.
  • the monitoring unit 42 is provided to detect at least one fault operating state based on the single cell parameter and at least one
  • the monitoring unit 42 may be provided to short-circuit parts, in particular defective electrochemical cells, of the cell unit 12, in particular via corresponding ones
  • an operating current flows at least in sections through a bridging section, not shown, of the monitoring unit.
  • the monitoring unit is provided for controlling and / or regulating at least one operating parameter in at least one normal operating state.
  • the monitoring unit 42 may be provided to a
  • Fluid supply, a power supply, a temperature, a gas production rate or the like as a function of at least one determined single cell parameters adapt.
  • Monitoring unit 42 has. It is also conceivable that, instead of or in addition to the monitoring unit 42, any other measuring devices are connected and / or connectable with at least one of the contact elements 18, 20, for example for maintenance purposes, during commissioning, during a quality control, when testing individual electrochemical cells 14, 16, 58, 60 or the like.
  • the electrochemical device 10 has a, in particular optionally attachable, bridging element 38, which is provided in at least one
  • the invention also includes a system with the electrochemical device 10 and the bridging element 38.
  • the bridging element 38 can be plugged onto the contact elements 18, 40, for example manually, in particular by a user.
  • the bridging element 38 may comprise a flexible conductor section, for example a cable.
  • bridging element 38 is intended to be any one of the following elements:
  • Contact elements 18, 20, 40 to connect together, preferably at least two.
  • the bridging element 38 individual electrochemical cells 14, 16, 58, 60 or also a partial stack of the cell unit 12 and / or the cell stack 34 can be temporarily bridged, in particular.
  • a bridging of short-circuited areas is conceivable, in particular as an alternative to
  • FIG. 3 shows a functional element 28 of the electrochemical cell 14 in a schematic plan view.
  • the functional element 28 is plate-like.
  • the functional element 28 is formed as a cell stack element.
  • the cell stack 34 comprises a plurality of cell stack elements which, as mentioned above, are arranged in repeating units and thus form the electrochemical cells 14, 16, 58, 60 and the cell stack 34.
  • the functional element 28 may be, for example, a bipolar plate, a perforated plate, a screen plate, a pressure pedestal or the like. , -
  • the functional element 28 has the contact element 18.
  • the functional element 28 is at least partially metallic.
  • the functional element 28 is particularly preferably at its anode potential or at its cathode potential, so that a corresponding potential can be tapped off via the functional element 28.
  • Cell unit 12 which has a contact element 18, 20, an analogously designed functional element 28 with the corresponding contact element 18, 20.
  • the functional elements 28 with the contact elements 18, 20 are of the same type. But it is, especially if a variable distance in
  • Contact elements 18, 20 are attached to functional elements 28 of different types.
  • the functional element 28 has a functional component 30, which is connected at least partially in one piece with the contact element 18.
  • the functional component 30 is connected at least partially in one piece with the contact element 18.
  • Component 30 provides an active area 68 for an active interior of the electrochemical cell 14.
  • the functional component 30 may be a
  • the contact element 18 is formed as a nose-like projection of a plate 32.
  • the plate 32 is a component of the functional component 30 and / or forms this.
  • the plate 32 may be a sheet, in particular a titanium sheet.
  • the contact element 18 and the plate 32 are integrally formed.
  • the contact element 18 and the plate 32 from a common blank, in particular a common plate can be produced.
  • the contact element 18 and the plate 32 are formed as a stamped part and / or as a stamped and bent part.
  • the functional element 28 is shown in a preassembled state. In the preassembled state, the functional element 28 has at least two
  • Contact elements 18, 46, 48 conceivable.
  • the contact elements 18, 46, 48 project beyond an edge 70 of the functional element 28 and in particular can be separated along the edge 70. It is conceivable that corresponding embossing and / or
  • Contact elements 18, 46, 48 are assigned to the rows in which the contact elements 18, 20 of the cell unit 12 are arranged.
  • the method includes a method 72 for producing the functional element 28.
  • the functional element 28 is manufactured with the contact elements 18, 46, 48.
  • the functional component 30 and the contact elements 18, 46, 48 are manufactured in at least one common working step, for example by means of punching.
  • at least one method step 76 at least one of the contact elements 46, 48 is disconnected. In the present case, two of the three contact elements 18, 46, 48 are separated, so that in particular only the contact element 18 remains.
  • contact elements 46, 48 takes place in accordance with an arrangement of contact elements 18, 20 in the cell stack 34.
  • contact elements 18, 20 it is conceivable to remove all contact elements 18, 46, 48, if, for example, a
  • corresponding electrochemical cell 14, 16, 58, 60 should have no contact element.
  • the functional element 28 is stacked with other functional elements in order to form the cell stack 34.

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Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Elektrochemievorrichtung, insbesondere einer Elektrolysevorrichtung, insbesondere einer Polymerelektrolytmembran- Elektrolysevorrichtung, mit zumindest einer Zelleneinheit (12), die zumindest eine elektrochemische Zelle (14) umfasst. Es wird vorgeschlagen, dass die elektrochemische Zelle (14) zumindest ein Kontaktelement (18) aufweist, das von einem Anschlusselement (22, 24) für eine Energieversorgung (26) verschieden ist.

Description

Elektrochemievorrichtung, funktionelles Element sowie Verfahren zu dessen Herstellung
Stand der Technik Die Erfindung betrifft eine Elektrochemievorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , ein funktionelles Element nach dem Oberbegriff des Anspruchs 15 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines funktionellen Elements gemäß dem Anspruch 16.
Aus dem Stand der Technik sind Elektrolyseure bekannt, die einen Zellenstapel, oft auch als„Stack" bezeichnet, aufweisen, der eine Vielzahl von in Reihe geschalteten
Elektrolysezellen aufweist. Eine Betriebsspannung wird an den gesamten Zellenstapel angelegt, wobei oftmals deren zeitlicher Verlauf und/oder ein zeitlicher Verlauf eines Gesamtstroms überwacht wird, um etwaige Störungen und/oder einen Bedarf für eine Änderung von Betriebsparametern identifizieren zu können.
Die Aufgabe der Erfindung besteht insbesondere darin, vorteilhafte Eigenschaften hinsichtlich einer Bauweise zu erzielen. Weiterhin besteht eine Aufgabe der Erfindung insbesondere darin, eine einfache und/oder zuverlässige Überwachbarkeit von Teilen eines Zellenstapels zu erzielen. Zudem besteht eine Aufgabe der Erfindung insbesondere darin, vorteilhafte Eigenschaften hinsichtlich einer einfachen und/oder kostengünstigen Fertigung zu erzielen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnommen werden können.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einer Elektrochemievorrichtung, insbesondere einer
Elektrolysevorrichtung, insbesondere einer Polymerelektrolytmembran- - -
Elektrolysevorrichtung, mit zumindest einer Zelleneinheit, die zumindest eine
elektrochemische Zelle umfasst.
Es wird vorgeschlagen, dass die elektrochemische Zelle zumindest ein Kontaktelement aufweist, das von einem Anschlusselement für eine Energieversorgung verschieden ist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine vorteilhafte Bauweise erzielt werden. Ferner kann eine Elektrochemievorrichtung bereitgestellt werden, deren Betrieb einfach und/oder zuverlässig überwacht werden kann. Zudem kann eine kostengünstig und/oder einfach zu fertigende Elektrochemievorrichtung bereitgestellt werden. Ferner können vorteilhafte Eigenschaften hinsichtlich einer einfachen und/oder kostengünstigen Fertigung von Komponenten einer Elektrochemievorrichtung erzielt werden. Vorteilhaft können Betriebsparameter von Teilen einer Elektrochemievorrichtung, insbesondere von einzelnen elektrochemischen Zellen, zuverlässig gemessen werden. Ferner kann eine Vielzahl von Kontaktelementen auf engem Raum bereitgestellt werden, wodurch insbesondere Einzelzellenmessungen an einer Vielzahl benachbarter Zellen ermöglicht werden können. Zudem können auch sehr dünne Einzelzellen zuverlässig kontaktiert werden. Außerdem kann eine hohe Zuverlässigkeit und/oder eine hohe Belastbarkeit von elektrischen Kontaktelementen erzielt werden.
Unter einer„Elektrochemievorrichtung" soll insbesondere zumindest ein, vorzugsweise funktionsfähiger, Teil eines Geräts und/oder einer Maschine, insbesondere eines
Elektrolyseurs, verstanden werden, das/die zur Durchführung zumindest eines zumindest teilweise elektrochemischen Arbeitsschritts vorgesehen ist. Insbesondere kann die Elektrochemievorrichtung auch das gesamte Gerät und/oder die gesamte Maschine umfassen. Vorzugsweise ist die Elektrochemievorrichtung dazu vorgesehen, elektrische Energie in chemische Bindungsenergie und/oder chemische Bindungsenergie in elektrische Energie umzuwandeln. Insbesondere läuft zumindest in zumindest einem Normalbetriebszustand zumindest eine chemische Reaktion ab, die mit einem
elektrischen Strom verknüpft ist, insbesondere eine Redox-Reaktion. Beispielsweise kann die Elektrochemievorrichtung eine Brennstoffzellenvorrichtung, eine Batterievorrichtung, eine Messgerätevorrichtung, eine Generatorvorrichtung, eine Analysevorrichtung, eine Elektrodepositionsvorrichtung, eine Anodisierungsvorrichtung, eine
Galvanisierungsvorrichtung, eine Redoxreaktorvorrichtung oder dergleichen umfassen. Vorzugsweise ist die Elektrochemievorrichtung als eine Elektrolysevorrichtung . .
ausgebildet, besonders bevorzugt als eine Wasserstoffelektrolysevorrichtung, die insbesondere zur elektrochemischen Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff vorgesehen ist. Die Elektrochemievorrichtung kann dazu vorgesehen sein, zumindest ein Gas, insbesondere Wasserstoff, mit einem Überdruck gegenüber einer Umgebung bereitzustellen, insbesondere mit einem Druck von wenigstens 1 bar, wobei auch Drücke von wenigstens 5 bar, wenigstens 10 bar, wenigstens 15 bar, wenigstens 20 bar, wenigstens 30 bar oder noch größere Drücke denkbar sind. Insbesondere kann die Elektrochemievorrichtung zu einer Verbindung mit einem Gasbehälter, insbesondere einem Wasserstofftank, vorgesehen sein, wobei denkbar ist, dass ein Betriebsdruck der Elektrochemievorrichtung an einen Füllstand des Gasbehälters anpassbar und/oder angepasst ist. Beispielsweise ist denkbar, dass die Elektrochemievorrichtung das Gas gegen einen Fülldruck des Gasbehälters erzeugt und diesen insbesondere ohne
Verwendung eines Kompressors oder dergleichen befüllt. Alternativ ist auch denkbar, dass die Elektrochemievorrichtung zumindest im Wesentlichen frei von einem Überdruck betrieben wird. Ferner ist denkbar, dass die Elektrochemievorrichtung bei einem konstanten Druck betreibbar ist und/oder in dem Normalbetriebszustand mit einem konstanten Arbeitsdruck betrieben ist. Insbesondere in diesem Fall ist eine Kombination mit einem Kompressor denkbar. Zudem kann die Elektrochemievorrichtung eine
Hochdruckelektrolysevorrichtung und insbesondere dazu vorgesehen sein, zumindest ein Gas, insbesondere Wasserstoff, mit einem Druck von wenigstens 50 bar, vorzugsweise von wenigstens 70 bar und besonders bevorzugt von wenigstens 100 bar oder noch mehr zu erzeugen und/oder bereitzustellen. Unter„vorgesehen" soll insbesondere speziell programmiert, ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungsund/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt.
Unter einer„elektrochemischen Zelle" soll insbesondere eine funktionelle Einheit verstanden werden, mittels derer zumindest eine elektrochemische Reaktion durchführbar ist, insbesondere eine elektrochemische Reaktion der Art, für deren Durchführung die Elektrochemievorrichtung vorgesehen ist. Beispielsweise kann die elektrochemische Zelle eine Brennstoffzelle, eine Batteriezelle, eine Messzelle, eine Redoxzelle oder dergleichen sein. Vorteilhaft ist die elektrochemische Zelle eine Elektrolysezelle. Besonders vorteilhaft ist die elektrochemische Zelle eine Zellenstapel-kompatible Elektrolysezelle, insbesondere . .
eines Elektrolyse-Zellenstapels. Vorteilhaft umfasst die elektrochemische Zelle zumindest eine Anode, an welcher in dem Normalbetriebszustand vorzugsweise Sauerstoff gebildet wird. Vorzugsweise umfasst die elektrochemische Zelle zumindest eine Kathode, an welcher in dem Normalbetriebszustand bevorzugt Wasserstoff gebildet wird. Vorteilhaft umfasst die elektrochemische Zelle zumindest eine Membran, insbesondere eine vorteilhaft selektiv protonenleitende Membran, bevorzugt eine Polymerelektrolytmembran. Besonders bevorzugt sind die Anode und die Kathode zumindest durch die Membran voneinander getrennt. Insbesondere ist die Anode und/oder die Kathode flächig und/oder schichtartig und/oder eine Schicht und/oder Beschichtung. Vorzugsweise ist die Membran zumindest teilweise und besonders bevorzugt zu wenigstens einem Großteil aus Nation ausgebildet. Vorzugsweise umfasst die elektrochemische Zelle zumindest ein
funktionelles Element, insbesondere ein bipolares Element, vorzugsweise eine
Bipolarplatte. Insbesondere bildet eine erste Seite des bipolaren Elements eine
Anodenseite einer elektrochemischen Zelle und insbesondere eine zweite Seite des bipolaren Elements eine Kathodenseite einer unmittelbar benachbarten anderen elektrochemischen Zelle. Insbesondere sind wenigstens einige, vorteilhaft wenigstens ein Großteil und besonders vorteilhaft alle elektrochemischen Zellen der Zelleneinheit zumindest im Wesentlichen identisch ausgebildet und/oder von derselben und/oder einer analogen Bauart. Unter„zumindest im Wesentlichen identischen" Objekten sollen in diesem Zusammenhang insbesondere Objekte verstanden werden, die derart konstruiert sind, dass sie jeweils eine gemeinsame Funktion erfüllen können und sich in ihrer Konstruktion abgesehen von Fertigungstoleranzen höchstens durch einzelne Elemente unterscheiden, die für die gemeinsame Funktion unwesentlich sind, und vorteilhaft Objekte, die abgesehen von Fertigungstoleranzen und/oder im Rahmen
fertigungstechnischer Möglichkeiten identisch ausgebildet sind, wobei unter identischen Objekten insbesondere auch zueinander symmetrische Objekte verstanden werden sollen. Unter dem Ausdruck„zu wenigstens einem Großteil" soll dabei insbesondere zu wenigstens 55 %, vorteilhaft zu wenigstens 65 %, vorzugsweise zu wenigstens 75 %, besonders bevorzugt zu wenigstens 85 % und besonders vorteilhaft zu wenigstens 95 %, insbesondere aber auch vollständig verstanden werden. Unter dem Ausdruck„wenigstens ein Großteil" sollen dabei insbesondere wenigstens 55 %, vorteilhaft wenigstens 65 %, vorzugsweise wenigstens 75 %, besonders bevorzugt wenigstens 85 % und besonders vorteilhaft wenigstens 95 %, insbesondere aber auch 100 % verstanden werden. . .
Vorzugsweise umfasst die Zelleneinheit eine Mehrzahl, bevorzugt eine Vielzahl, von, insbesondere zumindest im Wesentlichen identisch ausgebildeten, elektrochemischen Zellen. Vorteilhaft umfasst die Zelleneinheit zumindest einen Zellenstapel, insbesondere einen Elektrolyse-Stack, der eine Mehrzahl, vorzugsweise eine Vielzahl, gestapelt angeordneter elektrochemischer Zellen umfasst. Vorzugsweise umfasst der Zellenstapel zumindest die elektrochemische Zelle. Vorteilhaft sind die elektrochemischen Zellen des Zellenstapels zumindest im Wesentlichen identisch ausgebildet. Vorzugsweise weist der Zellenstapel Wiederholeinheiten auf, die mehrere unterschiedliche funktionelle Elemente, vorteilhaft unterschiedliche funktionelle Zellenstapelelemente, umfassen, beispielsweise, insbesondere in der angegebenen Reihenfolge, zumindest eine Bipolarplatte und/oder zumindest ein Siebblech und/oder Lochblech oder dergleichen und/oder zumindest eine Gasdiffusionsschicht, insbesondere eine Sauerstoffdiffusionsschicht, vorteilhaft ein Titanfilz und/oder eine Membran, vorteilhaft eine Polymerelektrolytmembran, und/oder eine weitere Gasdiffusionsschicht, insbesondere eine Wasserstoffdiffusionsschicht, vorteilhaft einen Kohlenstofffilz, und/oder einen, insbesondere ein weiteres Siebblech und/oder Lochblech umfassenden, Kompressionspuffer, insbesondere ein Compression Päd, vorteilhaft ein Streckmetall. Vorteilhaft ist eine Bipolarplatte und/oder ein Lochblech und/oder ein Siebblech und/oder ein Streckmetall und/oder ein anderes metallisches Zellenstapelelement zumindest teilweise, vorteilhaft zu wenigstens einem Großteil aus Titan und/oder aus Edelstahl und/oder aus zumindest einem beschichteten Metall ausgebildet. Insbesondere erstreckt sich jeweils eine elektrochemische Zelle von einer Bipolarplatte bis zu einer nächsten Bipolarplatte. Der Zellenstapel kann dabei eine beliebige Anzahl an elektrochemischen Zellen umfassen, beispielsweise zehn oder 20 oder 30 oder 50 oder 100 oder 150 oder 200 oder mehr oder weniger oder eine beliebige dazwischenliegende Anzahl. Vorteilhaft weist die Zelleneinheit genau einen Zellenstapel auf. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Zelleneinheit mehrere, insbesondere zumindest im Wesentlichen identisch ausgebildete oder unterschiedlich ausgebildete Zellenstapel umfasst, von denen zumindest einige elektrisch und/oder hydraulisch in Reihe und/oder in Serie geschaltet sein können. Vorzugsweise weist die Zelleneinheit zumindest eine erste Endplatte und/oder zumindest eine zweite Endplatte auf. Besonders bevorzugt sind die elektrochemischen Zellen des Zellenstapels zwischen den Endplatten, insbesondere dicht gestapelt, angeordnet.
Vorzugsweise sind die erste Endplatte und die zweite Endplatte miteinander verbunden. . .
Besonders bevorzugt beaufschlagen die erste Endplatte und die zweite Endplatte den Zellenstapel von gegenüberliegenden Seiten und insbesondere in eine Richtung senkrecht und/oder zumindest im Wesentlichen senkrecht zu einer Stapelrichtung mit einer Druckkraft. Vorzugsweise entspricht die Stapelrichtung einer Richtung, in welcher der Zellenstapel aus elektrochemischen Zellen aufgebaut ist. Insbesondere verläuft die Stapelrichtung senkrecht und/oder zumindest im Wesentlichen senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der ersten elektrochemischen Zelle und/oder senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene zumindest eines, insbesondere plattenförmigen,
Zellenstapelelements. Vorzugsweise ist der Zellenstapel derart beschaffen, dass
Haupterstreckungsebenen der elektrochemischen Zellen des Zellenstapels parallel zueinander und insbesondere senkrecht zu der Stapelrichtung angeordnet sind.
Vorzugsweise liegt in dem Normalbetriebszustand eine Arbeitsspannung zwischen einer vordersten elektrochemischen Zelle, die insbesondere an der ersten Endplatte anliegt, und einer hintersten elektrochemischen Zelle, die insbesondere an der zweiten Endplatte anliegt, an. Insbesondere in dem Fall, dass die Elektrochemievorrichtung als eine
Elektrolysevorrichtung ausgebildet ist, liegt vorteilhaft in dem Normalbetriebszustand an den elektrochemischen Zellen, insbesondere des Zellenstapels, jeweils eine
Einzelarbeitsspannung von wenigstens 0,5 V, vorteilhaft von wenigstens 1 V, besonders vorteilhaft von wenigstens 1 ,2 V und vorzugsweise von wenigstens 1 ,5 V und/oder von höchstens 10 V, vorteilhaft von höchstens 5V, besonders vorteilhaft von höchstens 2,5 V und bevorzugt von höchstens 2 V an. Es ist aber, insbesondere für andere Fälle, beispielsweise für eine Brennstoffzellenvorrichtung, denkbar, dass in dem
Normalbetriebszustand an den elektrochemischen Zellen, insbesondere des
Zellenstapels, jeweils eine Einzelarbeitsspannung anliegt, die kleiner als 1 V ist oder auch kleiner als 0,5 V oder noch kleiner oder beispielsweise auch größer als 10 V oder größer als 20 V oder größer als 50 V oder noch größer ist. Ein Fachmann wird eine geeignete Einzelarbeitsspannung einer Anwendung entsprechend beliebig wählen. Unter einer „Haupterstreckungsebene" eines Objekts soll insbesondere eine Ebene verstanden werden, welche parallel zu einer größten Seitenfläche eines kleinsten gedachten Quaders ist, welcher das Objekt gerade noch vollständig umschließt, und insbesondere durch den Mittelpunkt des Quaders verläuft. Unter„zumindest im Wesentlichen senkrecht" soll hier insbesondere eine Ausrichtung einer Richtung relativ zu einer Bezugsrichtung, insbesondere in einer Bezugsebene, verstanden werden, wobei die Richtung und die Bezugsrichtung einen Winkel einschließen, der insbesondere weniger als 8°, vorteilhaft - -
weniger als 5° und besonders vorteilhaft weniger als 2° von einem rechten Winkel abweicht.
Insbesondere weist die Zelleneinheit zumindest ein erstes Anschlusselement und zumindest ein zweites Anschlusselement zur Anbindung an eine Energieversorgung auf. Vorteilhaft liegt in dem Normalbetriebszustand eine Gesamtbetriebsspannung zwischen dem ersten Anschlusselement und dem zweiten Anschlusselement an. Vorzugsweise sind die Anschlusselemente an den, insbesondere gegenüberliegenden, Endplatten des Zellenstapels angeordnet. Besonders vorteilhaft fließt in dem Normalbetriebszustand ein Gesamtbetriebsstrom, insbesondere ein Gleichstrom, von dem ersten Anschlusselement zu dem zweiten Anschlusselement oder umgekehrt.
Insbesondere ist das Kontaktelement elektrisch mit der elektrochemischen Zelle, insbesondere mit zumindest einer funktionellen und/oder elektrochemisch aktiven
Komponente der elektrochemischen Zelle, verbunden. Beispielsweise kann das
Kontaktelement an die funktionelle Komponente angeschweißt und/oder angelötet sein. Es ist auch denkbar, dass das Kontaktelement an die funktionelle Komponente
angesteckt und/oder anderweitig kraft- und/oder formschlüssig mit dieser verbunden ist. Vorteilhaft ist das Kontaktelement zumindest teilweise einteilig mit der funktionellen Komponente verbunden. Bevorzugt liegt in dem Normalbetriebszustand das
Kontaktelement auf einem Potential einer Anode oder auf einem Potential einer Kathode der elektrochemischen Zelle. Vorteilhaft ist das Kontaktelement zumindest teilweise, besonders vorteilhaft zu wenigstens einem Großteil und/oder vollständig aus Metall ausgebildet, beispielsweise aus Titan und/oder aus Stahl und/oder aus Kupfer und/oder aus einem anderen geeigneten Metall. Vorteilhaft ist das Kontaktelement zwei unmittelbar benachbarten elektrochemischen Zellen zugeordnet. Besonders vorteilhaft ist jeweils zwei benachbarten elektrochemischen Zellen jeweils ein gemeinsames Kontaktelement zugeordnet. Vorzugsweise sind der elektrochemischen Zelle zwei Kontaktelemente zugeordnet, von denen eines auf einem Anodenpotential und eines auf einem
Kathodenpotential der elektrochemischen Zelle liegt. Besonders bevorzugt ist dies der Fall für eine Mehrzahl und/oder für alle Zellen der Zelleneinheit und/oder des
Zellenstapels. Insbesondere im Fall unmittelbar benachbarter elektrochemischer Zellen ist denkbar, dass das Kontaktelement beispielsweise auf einem Anodenpotential der einen elektrochemischen Zelle und auf einem Kathodenpotential der unmittelbar benachbarten . .
elektrochemischen Zelle liegt oder umgekehrt, insbesondere im Fall einer
Reihenschaltung elektrochemischer Zellen wie beispielsweise in dem Zellenstapel.
Insbesondere ist das Kontaktelement von einem Äußeren der Zelleneinheit, insbesondere von einem Äußeren des Zellenstapels, vorzugsweise von einem Äußeren der
Elektrochemievorrichtung her zugänglich. Vorzugsweise ist das Kontaktelement außerhalb eines aktiven Inneren der Zelleneinheit angeordnet.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die elektrochemische Zelle zumindest ein funktionelles Element, insbesondere zumindest ein funktionelles Zellenstapelelement, umfasst, welches das Kontaktelement aufweist.
Bevorzugt ist das funktionelle Element plattenförmig und/oder plattenartig und/oder blechförmig und/oder blechartig. Beispielsweise kann das funktionelle Element eine Bipolarplatte und/oder ein Lochblech und/oder ein Siebblech und/oder ein
Gasverteilungselement, insbesondere ein Gasverteilungsplattenelement und/oder einen Kompressionspuffer, insbesondere ein Compression Päd oder dergleichen aufweisen und/oder als ein solches ausgebildet sein. Insbesondere ist das funktionelle Element zumindest teilweise, vorteilhaft zu wenigstens einem Großteil und besonders vorteilhaft vollständig aus Metall ausgebildet und/oder weist eine metallartige oder zumindest metallähnliche Leitfähigkeit auf, insbesondere in eine laterale Richtung. Hierdurch kann vorteilhaft eine einzelne elektrochemische Zelle, insbesondere eines Zellenstapels, einfach und/oder zuverlässig kontaktiert werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Kontaktelement und zumindest eine funktionelle Komponente des funktionellen Elements zumindest teilweise einstückig verbunden sind. Bevorzugt sind das
Kontaktelement und die funktionelle Kompontente einteilig ausgebildet. Insbesondere ist die funktionelle Komponente zumindest teilweise innerhalb eines aktiven Volumens der elektrochemischen Zelle angeordnet, innerhalb dessen zumindest in dem
Normalbetriebszustand zumindest ein Reaktionsschritt der chemischen Reaktion abläuft, insbesondere zumindest ein Teilschritt einer Wasserstoffelektrolyse. Darunter, dass ein erstes Objekt und ein zweites Objekt„zumindest teilweise einstückig" miteinander verbunden sind, soll insbesondere verstanden werden, dass zumindest ein Element und/oder Teil des ersten Objekts mit zumindest einem Element und/oder Teil des zweiten Objekts einstückig verbunden ist. Unter„einstückig" soll insbesondere zumindest . .
stoffschlüssig verbunden, beispielsweise durch einen Schweißprozess, einen
Klebeprozess, einen Anspritzprozess und/oder einen anderen, dem Fachmann als sinnvoll erscheinenden Prozess, und/oder vorteilhaft in einem Stück geformt verstanden werden, wie beispielsweise durch eine Herstellung aus einem Guss und/oder durch eine Herstellung in einem Ein- oder Mehrkomponentenspritzverfahren und vorteilhaft aus einem einzelnen Rohling. Hierdurch kann vorteilhaft eine hohe Zuverlässigkeit einer Kontaktierung erzielt werden.
Zudem wird vorgeschlagen, dass das Kontaktelement als ein nasenartiger Vorsprung einer Platte, insbesondere eines Blechs, ausgebildet ist. Vorteilhaft weist die funktionelle Komponente die Platte, insbesondere das Blech auf. Besonders vorteilhaft ist das Blech als ein Titanblech ausgebildet. Insbesondere bildet die Platte das Kontaktelement aus. Insbesondere sind das Kontaktelement und die Platte, insbesondere das Blech, aus einem gemeinsamen Rohling hergestellt und/oder herstellbar. Besonders vorteilhaft ist das funktionelle Element zumindest teilweise als ein Stanzteil, insbesondere ein Blechstanzteil, und/oder als ein Stanzbiegeteil, insbesondere ein Blechstanzbiegeteil, ausgebildet. Vorzugsweise ist das Kontaktelement als ein Blattkontaktelement ausgebildet. Insbesondere ist das Kontaktelement flach und/oder eben ausgebildet. Vorzugsweise ist eine Haupterstreckungsebene des Kontaktelements zumindest im Wesentlichen parallel zu einer Haupterstreckungsebene des funktionellen Elements angeordnet. Insbesondere weisen das Kontaktelement und die funktionelle Komponente eine gemeinsame Haupterstreckungsebene auf. Vorteilhaft ist die
Haupterstreckungsebene des Kontaktelements zumindest im Wesentlichen senkrecht zu der Stapelrichtung angeordnet. Hierdurch können vorteilhaft niedrige Fertigungskosten erzielt werden. Zudem kann hierdurch eine einfache und/oder zuverlässige elektrische Kontaktierbarkeit erzielt werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die elektrochemische Zelle eine Dicke von höchstens 5 mm, vorteilhaft von höchstens 3 mm und besonders vorteilhaft von höchstens 2 mm aufweist, insbesondere eine Dicke gemessen parallel zu der
Stapelrichtung, wodurch insbesondere eine vorteilhafte Kompaktheit und/oder eine hohe Leistungsdichte, insbesondere eines Zellenstapels, beispielsweise im Fall einer großen Anzahl gestapelter Zellen, erzielt werden kann. Selbstverständlich sind auch noch - -
kleinere oder auch größere Dicken denkbar. Vorzugsweise sind die elektrochemischen Zellen des Zellenstapels zumindest im Wesentlichen gleich dick.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Zelleneinheit zumindest eine weitere
elektrochemische Zelle mit zumindest einem weiteren Kontaktelement aufweist.
Vorteilhaft ist die weitere elektrochemische Zelle zumindest im Wesentlichen identisch zu der elektrochemischen Zelle ausgebildet. Besonders vorteilhaft ist das weitere
Kontaktelement zumindest im Wesentlichen identisch zu dem Kontaktelement
ausgebildet. Insbesondere ist die weitere elektrochemische Zelle der elektrochemischen Zelle, insbesondere unmittelbar, benachbart angeordnet. Die elektrochemische Zelle und die weitere elektrochemische Zelle können, insbesondere unabhängig voneinander, an beliebigen Positionen der Zelleneinheit, insbesondere des Zellenstapels, angeordnet sein. Vorzugsweise weist eine Mehrzahl und/oder eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen der Zelleneinheit jeweils zumindest ein, insbesondere genau ein, Kontaktelement auf. Insbesondere ist denkbar, dass jede elektrochemische Zelle der Zelleneinheit zumindest ein Kontaktelement aufweist. Vorteilhaft weisen die Zellen der Zelleneinheit jeweils ein funktionelles Element mit zumindest einem Kontaktelement zur Kontaktierung der entsprechenden elektrochemischen Zelle, insbesondere deren Anode und/oder deren Kathode, auf, wobei es sich vorzugsweise bei den funktionellen Elementen jeweils um funktionelle Elemente des gleichen Typs und/oder der gleichen Bauart, beispielsweise jeweils um eine Bipolarplatte und/oder jeweils um ein Lochblech und/oder jeweils um ein Streckmetall oder dergleichen handelt. Weisen unmittelbar benachbarte elektrochemische Zellen jeweils zumindest ein Kontaktelement auf, entspricht ein Abstand zwischen den entsprechenden Kontaktelementen, insbesondere gemessen entlang der Stapelrichtung, zumindest im Wesentlichen einer Dicke der elektrochemischen Zellen. Es ist auch denkbar, dass Kontaktelemente elektrochemischer Zellen an unterschiedlichen Positionen ihrer jeweiligen Zelle bezüglich der Stapelrichtung angeordnet sind. Insbesondere können, vorzugsweise im Fall von benachbart angeordneten elektrochemischen Zellen, entsprechende Kontaktelemente an in Stapelrichtung entgegengesetzten Seiten ihrer jeweiligen elektrochemischen Zelle angeordnet sein, wodurch insbesondere ein größerer Raum für eine Kontaktierung der Kontaktelemente bereitgestellt werden kann.
Beispielsweise in diesem Fall ist denkbar, dass Kontaktelemente, insbesondere benachbarter, elektrochemischer Zellen an funktionellen Elementen unterschiedlichen Typs angeordnet sind. Beispielsweise kann das Kontaktelement der elektrochemischen - -
Zelle an deren Bipolarplatte angeordnet sein, während das weitere Kontaktelement der weiteren elektrochemischen Zelle an deren Lochblech angeordnet ist, wobei in diesem Zusammenhang selbstverständlich beliebige funktionelle Elemente denkbar sind.
Vorzugsweise liegt jeweils zumindest ein Kontaktelement jeweils auf einem
Anodenpotential oder auf einem Kathodenpotential entsprechend kontaktierbarer elektrochemischer Zellen. Vorteilhaft können hierdurch Einzelzellenparameter, beispielsweise Einzelspannungen, einfach und/oder zuverlässig abgefragt werden.
Eine hohe Bauraumeffizienz kann insbesondere erzielt und/oder Raum zur Anbringung von Kontaktierungen kann insbesondere bereitgestellt werden, wenn das Kontaktelement und das weitere Kontaktelement zueinander versetzt angeordnet sind, insbesondere in einer Betrachtung in Stapelrichtung. Vorteilhaft sind die elektrochemische Zelle und die weitere elektrochemische Zelle in Stapelrichtung fluchtend angeordnet, wobei vorteilhaft das Kontaktelement und das weitere Kontaktelement an unterschiedlichen Positionen der jeweiligen elektrochemischen Zelle, insbesondere an unterschiedlichen Positionen eines jeweiligen äußeren Rands der jeweiligen elektrochemischen Zelle, angeordnet sind.
Eine Elektrochemievorrichtung mit vorteilhaften Eigenschaften hinsichtlich einer
Möglichkeit zur Kontaktierung einzelner Zellen, insbesondere im Fall von dünnen Zellen, kann insbesondere bereitgestellt werden, wenn wenigstens eine Mehrzahl der elektrochemischen Zellen des Zellenstapels, insbesondere alle elektrochemischen Zellen des Zellenstapels, jeweils zumindest ein Kontaktelement aufweisen, wobei zumindest einige der Kontaktelemente zueinander versetzt angeordnet sind. Insbesondere sind Kontaktelemente unmittelbar benachbarter elektrochemischer Zellen jeweils versetzt zueinander angeordnet. Vorzugsweise sind jeweils zwei unmittelbar benachbarte
Kontaktelemente einer elektrochemischen Zelle zugeordnet. Besonders bevorzugt ist jedes Kontaktelement jeweils zwei unmittelbar benachbarten elektrochemischen Zellen, insbesondere einer Anode der einen und einer Kathode der anderen elektrochemischen Zelle, zugeordnet.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass zumindest einige der Kontaktelemente des Zellenstapels in einer Betrachtung entlang einer
Stapelrichtung in mehreren Reihen, beispielsweise in zwei oder drei oder vier oder fünf oder sechs Reihen, angeordnet sind. Vorteilhaft verlaufen die Reihen zumindest im Wesentlichen parallel zu der Stapelrichtung. Vorzugsweise sind die Kontaktelemente, - -
insbesondere die Reihen, auf einer gemeinsamen Seite der Zelleneinheit, insbesondere des Zellenstapels, angeordnet. Es ist auch denkbar, dass einige Kontaktelemente und/oder Reihen auf unterschiedlichen, insbesondere senkrecht zu der Stapelrichtung angeordneten, Seiten der Zelleneinheit, insbesondere des Zellenstapels, angeordnet sind. Vorteilhaft ist zumindest für einen Abschnitt des Zellenstapels ein Kontaktelement jeder i- ten der elektrochemischen Zelle in einer i-ten der Reihen angeordnet, wobei i eine natürliche Zahl bezeichnet. Vorzugsweise sind die Kontaktelemente in einer Betrachtung des Zellenstapels senkrecht zu der Stapelrichtung treppenartig angeordnet. Insbesondere in diesem Fall ist ein Abstand zwischen in eine Reihe unmittelbar hintereinander angeordneten Kontaktelementen jeweils konstant. Es ist aber auch denkbar, dass zumindest für einen Abschnitt des Zellenstapels die Kontaktelemente beliebig anders, insbesondere zufällig, den Reihen zugeordnet sind. Hierdurch kann vorteilhaft in einfacher und/oder kostengünstiger Weise ein zur Kontaktierung von Kontaktelementen
bereitstehender Raum vergrößert werden. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die
Elektrochemievorrichtung zumindest ein Überbrückungselement aufweist, das dazu vorgesehen ist, in zumindest einem Betriebszustand eine elektrische Verbindung zwischen dem Kontaktelement und zumindest einem anderen Kontaktelement, insbesondere dem weiteren Kontaktelement, herzustellen, um zumindest einen, insbesondere eine oder mehrere insbesondere benachbart angeordnete
elektrochemische Zellen umfassenden, Teil der Zelleneinheit, insbesondere des
Zellenstapels, zu überbrücken. Insbesondere ist zumindest ein erster Kontaktbereich des Überbrückungselements zur Verbindung mit dem Kontaktelement vorgesehen.
Vorzugsweise ist zumindest ein zweiter Kontaktbereich des Überbrückungselements zur, insbesondere gleichzeitigen, Verbindung mit dem anderen Kontaktelement vorgesehen, wobei vorzugsweise die Kontaktelemente verbunden werden. Vorteilhaft ist das
Überbrückungselement zu einem Aufstecken und/oder einem Abziehen vorgesehen. Es ist auch denkbar, dass das Überbrückungselement angeschweißt und/oder angelötet ist. Vorzugsweise ist das Überbrückungselement zu einem, insbesondere manuellen, Anbringen an der Zelleneinheit durch einen Benutzer vorgesehen. Es ist jedoch auch denkbar, dass das Überbrückungselement zumindest einen, insbesondere zumindest teilautomatisierten, Schalter aufweist, der beispielsweise ein zumindest vorübergehendes Zuschalten und/oder ein zumindest vorübergehendes Stilllegen zumindest eines Teils der - -
Zelleneinheit, insbesondere des Zellenstapels, ermöglicht. Zudem ist denkbar, dass das Überbrückungselement von der Zelleneinheit beabstandet angeordnet und beispielsweise mittels geeigneter elektrischer Leitungen mit den Kontaktelementen verbunden ist.
Insbesondere in diesem Fall kann das Überbrückungselement als eine elektrische und/oder elektronische Schaltung ausgebildet sein. Es ist auch denkbar, dass das
Überbrückungselement zu einer Verbindung von mehr als zwei Kontaktelementen vorgesehen ist. Insbesondere kann der Betriebszustand ein Fehlerbetriebszustand sein, in welchem zumindest eine elektrochemische Zelle nicht ordnungsgemäß betreibbar ist und/oder betrieben wird und insbesondere überbrückt wird. Der Betriebszustand kann alternativ oder zusätzlich auch ein Messbetriebszustand und/oder ein
Wartungsbetriebszustand sein, in welchem insbesondere Wartungsarbeiten und/oder Messungen oder dergleichen an zumindest einer überbrückten elektrochemischen Zelle vorgenommen werden können. Zudem kann der Betriebszustand auch der
Normalbetriebszustand sein. Vorzugsweise überbrückt das Überbrückungselement zwischen dem Kontaktelement und dem anderen Kontaktelement angeordnete
elektrochemische Zellen. Insbesondere sind die Kontaktelemente und/oder das
Überbrückungselement derart dimensioniert, dass ein Normalbetriebsstrom
beschädigungsfrei durch sie fließen kann. Vorzugsweise ist zumindest ein
überbrückender Teil des Überbrückungselements leitfähig. Insbesondere kann das Überbrückungselement als eine Metallklammer und/oder ein Kabel mit entsprechenden Anschlusselementen oder dergleichen ausgebildet sein. Hierdurch kann vorteilhaft ein Teil einer Zelleneinheit weiterbetrieben werden, wenn beispielsweise in einem anderen Teil ein Kurzschluss vorliegt und/oder Wartungsarbeiten durchzuführen sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die
Elektrochemievorrichtung zumindest eine Überwachungseinheit aufweist, die mit dem Kontaktelement und mit dem weiteren Kontaktelement elektrisch verbindbar und/oder verbunden ist. Die Überwachungseinheit kann permanent oder wahlweise mit den
Kontaktelementen verbunden sein. Zudem ist denkbar, dass die Überwachungseinheit modular ausgebildet und/oder wahlweise entfernbar ist. Vorzugsweise weist die
Überwachungseinheit zumindest eine Recheneinheit auf. Bevorzugt ist die
Überwachungseinheit mit einer Vielzahl von Kontaktelementen verbunden, besonders bevorzugt mit jedem Kontaktelement der Zelleneinheit. Vorzugsweise weist die
Überwachungseinheit eine Mehrzahl von Eingangskanälen auf, denen insbesondere - -
jeweils zumindest ein Kontaktelement beziehungsweise jeweils zumindest eine
elektrochemische Zelle, vorteilhaft eindeutig, zuordenbar und/oder zugeordnet ist.
Insbesondere ist die Überwachungseinheit mit jeder zu überwachenden
elektrochemischen Zelle der Zelleneinheit elektrisch verbunden. Die Überwachungseinheit kann zumindest eine Benutzerschnittstelle wie beispielsweise zumindest ein Display, insbesondere ein Touch-Display, und/oder zumindest eine Eingabeeinheit, beispielsweise eine Maus und/oder eine Tastatur und/oder ein Bedienfeld und/oder Schalter und/oder Knöpfe und dergleichen aufweisen. Insbesondere kann die Überwachungseinheit zu einer Betriebsüberwachung der Zelleneinheit vorgesehen sein. Hierdurch kann vorteilhaft ein zuverlässiger Betrieb erzielt werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Überwachungseinheit zu einer Bestimmung zumindest eines Einzelzellenparameters, insbesondere einer Einzelzellenspannung, mittels der Kontaktelemente vorgesehen ist. Insbesondere ist der Einzelzellenparameter zumindest ein Betnebszustandsparameter der elektrochemischen Zelle, der vorteilhaft mittels zumindest einer Messung, für welche besonders vorteilhaft lediglich ein Kontaktieren zweier der elektrochemischen Zelle, insbesondere deren Anode und Kathode, zugeordneter Kontaktelemente notwendig ist, ermittelbar ist. Es ist aber auch denkbar, dass die Überwachungseinheit dazu vorgesehen ist, den Einzelzellenparameter unter Verwendung zumindest eines zusätzlichen
Parameters wie beispielsweise eines Umgebungsparameters wie etwa einer Temperatur, einer Luftfeuchtigkeit, eines Luftdrucks, einer Fluidtemperatur, einer Fluidleitfähigkeit oder dergleichen zu ermitteln. Zudem kann die Überwachungseinheit zur Ermittlung des entsprechenden Umgebungsparameters vorgesehen sein. Der Einzelzellenparameter kann auch eine Leitfähigkeit und/oder ein Strom und/oder eine Temperatur und/oder eine Impedanz oder dergleichen sein. Vorzugsweise weist die Überwachungseinheit zumindest eine Sensoreinheit und/oder Messeinheit zur Bestimmung des Einzelzellenparameters auf. Besonders bevorzugt ist die Sensoreinheit und/oder Messeinheit mit den
Eingangskanälen verbindbar und/oder insbesondere permanent verbunden.
Vorzugsweise ist die Überwachungseinheit dazu vorgesehen, eine insbesondere von einer Gesamtspannung der Zelleneinheit verschiedene Einzelspannung zwischen beliebigen zwei Kontaktelementen zu messen. Vorzugsweise ist die Überwachungseinheit dazu vorgesehen, eine Einzelzellenspannung, beispielsweise der elektrochemischen Zelle und/oder der weiteren elektrochemischen Zelle, anhand eines Potentialunterschieds - -
benachbarter Kontaktelemente zu ermitteln, beispielsweise anhand eines
Potentialunterschieds zwischen in Stapelrichtung benachbarten Bipolarplatten und/oder zwischen in Stapelrichtung benachbarten Lochblechen oder dergleichen, zwischen denen selbstverständlich weitere funktionelle Elemente, insbesondere eines anderen Typs, angeordnet sein können. Hierdurch kann vorteilhaft eine Überwachung von Einzelzellen beispielsweise eines Zellenstapels durchgeführt werden, wobei vorteilhaft
Einzelzellenspannungen unabhängig voneinander messbar sind.
Außerdem wird vorgeschlagen, dass die Überwachungseinheit dazu vorgesehen ist, anhand des Einzelzellenparameters zumindest einen Fehlerbetriebszustand zu erkennen und zumindest einen Betriebsparameter der Zelleneinheit in Abhängigkeit von einem Auftreten des Fehlerbetriebszustands, insbesondere automatisch, zu ändern.
Beispielsweise kann der Fehlerbetriebszustand einen Kurzschluss zumindest einer elektrochemischen Zelle umfassen. Insbesondere kann die Überwachungseinheit dazu vorgesehen sein, zumindest eine Überbrückung zumindest eines Teils der Zelleneinheit zu bewirken. Insbesondere in diesem Fall kann das Überbrückungselement als ein
Schalter ausgebildet sein, der vorteilhaft von der Recheneinheit der Überwachungseinheit ansteuerbar ist. Es ist denkbar, dass die Überwachungseinheit das
Überbrückungselement aufweist. Alternativ ist denkbar, dass das Überbrückungselement zusätzlich zu der Überwachungseinheit verwendbar ist. Insbesondere kann die
Überwachungseinheit dazu vorgesehen sein, jeweils zumindest zwei beliebige
Kontaktelemente, mit denen sie verbunden ist, elektrisch zu verbinden, um insbesondere eine entsprechende Überbrückung zu erzielen. Es ist auch denkbar, dass die
Überwachungseinheit zu einer Steuerung und/oder einer Regelung einer
Gesamtspannung und/oder eines Gesamtstroms und/oder einer Gesamtreaktionsrate und/oder eines Flusses eines produzierten Gases und/oder eines Flusses eines
Reaktionsfluids und/oder eines Kühlfluids oder dergleichen, insbesondere in Abhängigkeit von dem Einzelzellenparameter, vorgesehen ist, insbesondere alternativ oder zusätzlich in zumindest einem Normalbetriebszustand. Außerdem ist denkbar, dass die
Überwachungseinheit dazu vorgesehen ist, zumindest einzelne elektrochemische Zellen zumindest vorübergehend mit einer zusätzlichen Spannung zu beaufschlagen und/oder eine Last zumindest einzelner elektrochemischer Zellen zumindest vorübergehend zu reduzieren, beispielsweise unter Realisierung eines Shunts. Zudem ist denkbar, dass die Überwachungseinheit zumindest eine Wechselspannungsquelle aufweist, mittels derer - -
eine Wechselspannung zumindest einzelnen elektrochemischen Zellen aufmodulierbar ist. Hierdurch können vorteilhaft Totalausfälle aufgrund einzelner defekter Zellen vermieden werden. Ferner kann hierdurch eine vielfältige Überwachung und/oder Ansteuerbarkeit erzielt werden. Vorteilhafte Eigenschaften hinsichtlich einer Bauweise können insbesondere mit einem Elektrolyseur mit zumindest einer erfindungsgemäßen Elektrochemievorrichtung erzielt werden.
Zudem betrifft die Erfindung ein funktionelles Element, insbesondere ein funktionelles Zellenstapelelement, vorzugsweise das oben beschriebene funktionelle Element, für die Elektrochemievorrichtung. Es wird vorgeschlagen, dass das funktionelle Element wenigstens zwei Kontaktelemente aufweist, die jeweils dazu vorgesehen sind, wahlweise abgetrennt werden zu können. Wie oben beschrieben, weist das funktionelle Element vorteilhaft zumindest eine Platte, insbesondere ein Blech, mit den Kontaktelementen auf. Es ist denkbar, dass das funktionelle Element drei oder vier oder fünf oder sechs oder noch mehr Kontaktelemente aufweist, die insbesondere entlang eines Rands des funktionellen Elements angeordnet sind, insbesondere in einer Betrachtung in eine Richtung senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des funktionellen Elements. Die Kontaktelemente können entlang einer einzelnen Kante des funktionellen Elements angeordnet sein. Es ist auch denkbar, dass das funktionelle Element mehrere,
insbesondere gegenüberliegende, Kanten mit jeweils zumindest einem Kontaktelement aufweist. Vorzugsweise ist in zumindest einem montierten Zustand des funktionellen Elements, in welchem dieses insbesondere einen Teil des Zellenstapels ausbildet, zumindest eines der Kontaktelemente des funktionellen Elements abgetrennt.
Insbesondere sind in dem montierten Zustand alle bis auf ein Kontaktelement des funktionellen Elements abgetrennt. Vorzugsweise sind die Kontaktelemente des funktionellen Elements dazu vorgesehen, wahlweise entweder abgetrennt zu werden, oder ein Kontaktelement des Zellenstapels zu bilden. Insbesondere ist eine Position der Kontaktelemente in dem Zellenstapel durch geeignetes Abtrennen von übrigen
Kontaktelementen des funktionellen Elements wählbar. Vorzugsweise ist der Zellenstapel zumindest teilweise aus funktionellen Elementen aufgebaut, die jeweils entweder kein Kontaktelement oder genau ein Kontaktelement aufweisen und deren gegebenenfalls in einem vormontierten Zustand zusätzlich vorhandene Kontaktelemente abgetrennt sind. - -
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des funktionellen Elements können vorteilhafte Eigenschaften hinsichtlich einer Kosteneffizienz erzielt werden. Zudem kann eine vorteilhafte Bauweise einer Elektrochemievorrichtung, insbesondere eines
Elektrolyseurs, erzielt werden. Ferner kann eine Elektrochemievorrichtung bereitgestellt werden, deren Betrieb einfach und/oder zuverlässig überwacht werden kann. Zudem kann eine kostengünstig und/oder einfach zu fertigende Elektrochemievorrichtung bereitgestellt werden. Ferner können vorteilhafte Eigenschaften hinsichtlich einer einfachen und/oder kostengünstigen Fertigung von Komponenten einer Elektrochemievorrichtung erzielt werden. Vorteilhaft können Betriebsparameter von Teilen einer Elektrochemievorrichtung, insbesondere von einzelnen elektrochemischen Zellen, zuverlässig gemessen werden. Ferner kann eine Vielzahl von Kontaktelementen auf engem Raum bereitgestellt werden, wodurch insbesondere Einzelzellenmessungen an einer Vielzahl benachbarter Zellen ermöglicht werden kann. Zudem können auch sehr dünne Einzelzellen zuverlässig kontaktiert werden. Außerdem kann eine hohe Zuverlässigkeit und/oder eine hohe Belastbarkeit von elektrischen Kontaktelementen erzielt werden.
Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines funktionellen Elements, welches, insbesondere wie oben beschrieben, in zumindest einem vormontierten Zustand zumindest zwei an unterschiedlichen Positionen angeordnete Kontaktelemente aufweist, wobei zumindest eines der Kontaktelemente abgetrennt wird. Vorzugsweise werden alle bis auf ein Kontaktelement des funktionellen Elements abgetrennt. Es ist auch denkbar, dass alle Kontaktelemente des funktionellen Elements abgetrennt werden, beispielsweise, falls identisch ausgebildete funktionelle Elemente zum Aufbau eines Zellenstapels verwendet werden sollen, wobei lediglich einige elektrochemische Zellen des
Zellenstapels einzeln kontaktierbar sein sollen. Vorzugsweise ist das Verfahren Teil eines Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Elektrochemievorrichtung.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können vorteilhafte Eigenschaften hinsichtlich einer Kosteneffizienz erzielt werden. Zudem kann eine vorteilhafte Bauweise einer Elektrochemievorrichtung, insbesondere eines Elektrolyseurs, erzielt werden. Ferner kann eine Elektrochemievorrichtung bereitgestellt werden, deren Betrieb einfach und/oder zuverlässig überwacht werden kann. Zudem kann eine kostengünstig und/oder einfach zu fertigende Elektrochemievorrichtung bereitgestellt werden. Ferner können vorteilhafte Eigenschaften hinsichtlich einer einfachen und/oder kostengünstigen Fertigung von - -
Komponenten einer Elektrochemievorrichtung erzielt werden. Vorteilhaft können
Betriebsparameter von Teilen einer Elektrochemievorrichtung, insbesondere von einzelnen elektrochemischen Zellen, zuverlässig gemessen werden. Ferner kann eine Vielzahl von Kontaktelementen auf engem Raum bereitgestellt werden, wodurch insbesondere Einzelzellenmessungen an einer Vielzahl benachbarter Zellen ermöglicht werden kann. Zudem können auch sehr dünne Einzelzellen zuverlässig kontaktiert werden. Außerdem kann eine hohe Zuverlässigkeit und/oder eine hohe Belastbarkeit von elektrischen Kontaktelementen erzielt werden.
Die erfindungsgemäße Elektrochemievorrichtung, das erfindungsgemäße funktionelle Element und das erfindungsgemäße Verfahren sollen hierbei nicht auf die oben beschriebenen Anwendungen und Ausführungsformen beschränkt sein. Insbesondere können die erfindungsgemäße Elektrochemievorrichtung, das erfindungsgemäße funktionelle Element und das erfindungsgemäße Verfahren zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen und/oder Bauteilen und/oder Einheiten und/oder Verfahrensschritten abweichende Anzahl aufweisen. Zudem sollen bei den in dieser Offenbarung
angegebenen Wertebereichen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als offenbart und als beliebig einsetzbar gelten.
Zeichnungen Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den
Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Es zeigen:
Fig. 1 einen Elektrolyseur mit einer Elektrochemievorrichtung in einer
schematischen Seitenansicht,
Fig. 2 die Elektrochemievorrichtung mit einem Überbrückungselement in einer schematischen Seitenansicht, - -
Fig. 3 ein funktionelles Element der Elektrochemievorrichtung in einem
vormontierten Zustand in einer schematischen Draufsicht und
Fig. 4 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung der Elektrochemievorrichtung. Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die Figur 1 zeigt eine Elektrochemievorrichtung 10 in einer schematischen Seitenansicht. Im vorliegenden Fall ist die Elektrochemievorrichtung 10 Teil eines Elektrolyseurs 44. Komponenten wie beispielsweise eine Fluidversorgung, ein Gehäuse und dergleichen des Elektrolyseurs 44 sind in der Figur 1 nicht dargestellt. Dieser kann jedoch
selbstverständlich dergleichen umfassen. Die Elektrochemievorrichtung 10 ist im vorliegenden Fall als eine Elektrolysevorrichtung ausgebildet. Wie oben erwähnt, ist jedoch ebenso denkbar, dass die Elektrochemievorrichtung 10 eine
Brennstoffzellenvorrichtung, eine Messvorrichtung, eine Galvanisierungsvorrichtung oder dergleichen ist.
Die Elektrochemievorrichtung 10 weist eine Zelleneinheit 12 auf, die zumindest eine elektrochemische Zelle 14 aufweist. Ferner umfasst die Zelleneinheit 12 zumindest eine weitere elektrochemische Zelle 16. Im vorliegenden Fall weist die Zelleneinheit 12 eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen 14, 16 auf, von denen aus Gründen einer
Übersichtlichkeit schematisch lediglich zwölf dargestellt und die nicht alle mit
Bezugszeichen versehen sind. Zudem sind die elektrochemischen Zellen 14, 16 der Zelleneinheit 12 in der Figur 1 nicht maßstabsgetreu dargestellt. Insbesondere können die elektrochemischen Zellen 14, 16 der Zelleneinheit 12 wesentlich flacher ausgebildet sein als in der schematischen Darstellung der Figur 1 . Beispielsweise kann die Zelleneinheit 12 20 oder 30 oder 50 oder 100 oder 150 oder 200 elektrochemische Zellen 14, 16 umfassen.
Die Zelleneinheit 12 weist einen Zellenstapel 34 auf, der eine Mehrzahl gestapelt angeordneter elektrochemischer Zellen 14, 16 umfasst. Im vorliegenden Fall sind sämtliche elektrochemische Zellen 14, 16 der Zelleneinheit 12 zu dem Zellenstapel 34 gestapelt. Ferner sind im vorliegenden Fall die elektrochemischen Zellen 14, 16 der Zelleneinheit 12 zumindest im Wesentlichen identisch zueinander ausgebildet. Der Zellenstapel 34 ist im vorliegenden Fall ein Elektrolyse-Stack. Die elektrochemischen - -
Zellen 14, 16 der Zelleneinheit 12 sind in eine Stapelrichtung 36 gestapelt. Die
Stapelrichtung 36 entspricht einer Stapeldickenrichtung des Zellenstapels 34. Die Stapelrichtung 36 verläuft im vorliegenden Fall senkrecht zu einer
Haupterstreckungsebene der elektrochemischen Zelle 14. Ferner sind im vorliegenden Fall Haupterstreckungsebenen der elektrochemischen Zellen 14, 16 der Zelleneinheit 12 parallel zueinander angeordnet.
Die Zelleneinheit 12 weist eine erste Endplatte 50 und eine zweite Endplatte 52 auf. Die erste Endplatte 50 und die zweite Endplatte 52 begrenzen die elektrochemischen Zellen 14, 16 des Zellenstapels 34 zu gegenüberliegenden Seiten des Zellenstapels 34 hin. Die Endplatten 50, 52 sind beispielsweise mittels nicht gezeigter Verbindungsstreben miteinander verbunden und beaufschlagen die elektrochemischen Zellen 14, 16 des Zellenstapels 34 mit einer Druckkraft, die insbesondere einem Druck aufgrund einer Bildung von Wasserstoffgas und/oder Sauerstoffgas entgegenwirkt beziehungsweise insbesondere eine Dichtigkeit der aneinandergepressten elektrochemischen Zellen 14, 16 untereinander und/oder eine Dichtigkeit der jeweiligen elektrochemischen Zelle 14, 16 bewerkstelligt oder zumindest zu dieser beiträgt.
Die Elektrochemievorrichtung 10 weist Anschlusselemente 22, 24 zur Verbindung mit einer Energieversorgung 26 auf. In einem Normalbetriebszustand wird die Zelleneinheit 12 über die Anschlusselemente 22, 24 mit elektrischer Leistung versorgt. Eine
Gesamtspannung liegt dabei zwischen einer vordersten elektrochemischen Zelle 58, die insbesondere an der ersten Endplatte 50 anliegt, und einer hintersten elektrochemischen Zelle 60, die insbesondere an der zweiten Endplatte 52 anliegt, an. An einzelnen elektrochemischen Zellen 14, 16, 58, 60 der Zelleneinheit 12 liegt in dem
Normalbetriebszustand jeweils eine Spannung zwischen etwa 1 V und etwas 2,5 V an, wie insbesondere auch oben erwähnt.
Die elektrochemische Zelle 14 weist eine Dicke von höchstens 5 mm auf. Im vorliegenden Fall weisen die elektrochemischen Zellen 14, 16, 58, 60 der Zelleneinheit 12 eine Dicke von jeweils etwa 1 ,8 mm auf, wobei beliebige andere Dicken denkbar sind.
Die elektrochemische Zelle 14 weist zumindest ein Kontaktelement 18 auf, das von einem Anschlusselement 22, 24 für eine Energieversorgung 26 verschieden ist. Das
Kontaktelement 18 ist von einem Äußeren der Zelleneinheit 12 her zugänglich. Im . -
vorliegenden Fall ist das Kontaktelement 18 von einem Äußeren der
Elektrochemievorrichtung 10 her zugänglich. Das Kontaktelement 18 ist außerhalb eines aktiven Inneren der elektrochemischen Zelle 14 und/oder außerhalb eines aktiven Inneren der Zelleneinheit 12 angeordnet. Das Kontaktelement 18 erlaubt ein elektrisches
Kontaktieren der elektrochemischen Zelle 14, insbesondere deren Anode oder deren Kathode.
Ferner weist die weitere elektrochemische Zelle 16 zumindest ein weiteres
Kontaktelement 20 auf. Im vorliegenden Fall weist jede der elektrochemischen Zellen 14, 16, 58, 60 der Zelleneinheit 12 jeweils zumindest ein Kontaktelement 18, 20 auf, wobei die Kontaktelemente 18, 20 aus Gründen einer Übersichtlichkeit nicht alle mit
Bezugszeichen versehen sind. Zudem ist denkbar, dass lediglich einige der
elektrochemischen Zellen 14, 16, 58, 60 der Zelleneinheit 12 Kontaktelemente 18, 20 aufweisen. Im vorliegenden Fall sind einer bestimmten elektrochemischen Zelle 14, 16, 58, 60 jeweils zwei Kontaktelemente 18, 20 zugeordnet, von denen insbesondere eines auf einem Anodenpotential und eines auf einem Kathodenpotential der entsprechenden elektrochemischen Zelle 14, 16, 58, 60 liegt. Insbesondere handelt es sich bei den einer bestimmten elektrochemischen Zelle 14, 16, 58, 60 zugeordneten Kontaktelementen 18, 20 jeweils um ein Kontaktelement der entsprechenden elektrochemischen Zelle 14, 16, 58, 60 sowie um ein Kontaktelement 18, 20 einer unmittelbar benachbarten anderen elektrochemischen Zelle 14, 16, 58, 60. Insbesondere ist auf diese Weise ein bestimmtes Kontaktelement 18, 20 jeweils zwei unmittelbar benachbarten elektrochemischen Zellen 14, 16, 58, 60 zugeordnet, wobei das entsprechende Kontaktelement 18, 20 auf einem Anodenpotential der einen elektrochemischen Zelle 14, 16, 58, 60 liegt, welches einem Kathodenpotential der anderen elektrochemischen Zelle 14, 16, 58, 60 entspricht.
Beispielsweise sind im vorliegenden Fall der elektrochemischen Zelle 14 das
Kontaktelement 18 sowie das weitere Kontaktelement 20 zugeordnet. Zudem ist im vorliegenden Fall das weitere Kontaktelement 20 der elektrochemischen Zelle 14 und der weiteren elektrochemischen Zelle 16 zugeordnet.
Das Kontaktelement 18 ist im vorliegenden Fall als ein Blattkontaktelement ausgebildet. Das Kontaktelement 18 weist eine Dicke von weniger als 1 mm, vorzugsweise von weniger als 0,5 mm auf. Das Kontaktelement 18 weist eine Haupterstreckungsebene auf, die zumindest im Wesentlichen senkrecht zu der Stapelrichtung 36 verläuft. Im - -
vorliegenden Fall ragt das Kontaktelement 18 seitlich aus dem Zellenstapel 34 in eine Richtung senkrecht zu der Stapelrichtung 36. Ferner ist das Kontaktelement 18 im vorliegenden Fall aus einem Metall, insbesondere aus Titan, ausgebildet, wobei, wie oben erwähnt, auch andere Materialien denkbar sind. Das weitere Kontaktelement 20 ist zumindest im Wesentlichen identisch zu dem Kontaktelement 18 ausgebildet.
Das Kontaktelement 18 und das weitere Kontaktelement 20 sind zueinander versetzt angeordnet, insbesondere betrachtet entlang der Stapelrichtung 36. Im vorliegenden Fall sind das Kontaktelement 18 und das weitere Kontaktelement 20 auf derselben Seite des Zellenstapels 34 angeordnet. Es ist auch denkbar, dass das Kontaktelement 18 und das weitere Kontaktelement 20 auf unterschiedlichen Seiten der Zelleneinheit 12 und/oder des Zellenstapels 34 angeordnet sind. Das Kontaktelement 18 ist im vorliegenden Fall in einer Betrachtung senkrecht zu der Stapelrichtung 36 oberhalb einer Längsachse 80 des Zellenstapels 34 angeordnet. Das weitere Kontaktelement 20 ist im vorliegenden Fall in der Betrachtung senkrecht zu der Stapelrichtung 36 unterhalb der Längsachse 80 des Zellenstapels 34 angeordnet. Die gezeigte Anordnung ist jedoch rein exemplarisch zu verstehen. Insbesondere sind beliebige andere versetzte Anordnungen von
Kontaktelementen 18, 20 denkbar.
Mehrere, im vorliegenden Fall alle, elektrochemische Zellen 14, 16, 58, 60 des
Zellenstapels 34 weisen jeweils zumindest ein Kontaktelement 18, 20 auf, wobei zumindest einige der Kontaktelemente 18, 20 zueinander versetzt angeordnet sind.
Insbesondere sind jeweils benachbarte Kontaktelemente 18, 20 zueinander versetzt angeordnet. Im vorliegenden Fall sind die Kontaktelemente 18, 20 jeweils bezüglich der Stapelrichtung 36 an der gleichen Position ihrer entsprechenden elektrochemischen Zelle 14, 16, 58, 60 angeordnet, sodass insbesondere ein Abstand zwischen unmittelbar benachbarten Kontaktelementen 18, 20 einer Dicke der elektrochemischen Zellen 14, 16, 58, 60 entspricht. Es sind aber auch andere Anordnungen bezüglich der Stapelrichtung 36 denkbar, sodass beispielsweise unmittelbar benachbarte Kontaktelemente 18, 20 an einander abgewandten Seiten ihrer jeweiligen elektrochemischen Zellen 14, 16, 58, 60 angeordnet sein können. In einer Betrachtung entlang der Stapelrichtung 36 sind zumindest einige der
Kontaktelemente 18, 20 des Zellenstapels 34 in mehreren Reihen angeordnet. In der Figur 1 sind jeweils Längsachsen 62, 64, 66 der Reihen gekennzeichnet. In der Figur 1 . -
sind drei Reihen dargestellt, wobei eine beliebige andere Anzahl denkbar ist. Zudem ist denkbar, dass die Reihen auf einer gemeinsamen Seite der Zelleneinheit 12 angeordnet sind und/oder auf unterschiedlichen, insbesondere gegenüberliegenden, Seiten der Zelleneinheit 12. Ferner sind im vorliegenden Fall die Kontaktelemente 18, 20
treppenartig angeordnet und/oder in einem regelmäßigen Muster den Reihen zugeordnet. Hierbei sind ebenfalls beliebige Anordnungen denkbar.
Die Elektrochemievorrichtung 10 weist eine Überwachungseinheit 42 auf, die mit dem Kontaktelement 18 und dem weiteren Kontaktelement 20 elektrisch verbunden ist. Im vorliegenden Fall ist die Überwachungseinheit 42 mit jedem Kontaktelement 18, 20 der Zelleneinheit 12 verbunden. Die Überwachungseinheit 42 ist zu einer Bestimmung zumindest eines Einzelzellenparameters mittels der Kontaktelemente 18, 20 vorgesehen. Beispielsweise kann es sich bei dem Einzelzellenparameter um eine
Einzelzellenspannung, einen Strom, eine Impedanz oder dergleichen handeln.
Beispielsweise ist im vorliegenden Fall eine Einzelspannung der elektrochemischen Zelle 14 mittels einer Messung einer zwischen dem Kontaktelement 18 und dem weiteren
Kontaktelement 20 anliegenden Spannung ermittelbar. Die Überwachungseinheit 42 ist im vorliegenden Fall zur Durchführung einer entsprechenden Messung vorgesehen.
Die Überwachungseinheit 42 ist dazu vorgesehen, anhand des Einzelzellenparameters zumindest einen Fehlerbetriebszustand zu erkennen und zumindest einen
Betriebsparameter der Zelleneinheit 12 in Abhängigkeit von einem Auftreten des
Fehlerbetriebszustands zu ändern. Beispielsweise kann die Überwachungseinheit 42 dazu vorgesehen sein, kurzgeschlossene Teile, insbesondere defekte elektrochemische Zellen, der Zelleneinheit 12 zu überbrücken, insbesondere über entsprechende
Kontaktelemente. Ein Betriebsstrom fließt in diesem Fall zumindest abschnittsweise durch einen nicht gezeigten Überbrückungsabschnitt der Überwachungseinheit 42. Zudem ist denkbar, dass die Überwachungseinheit 42 zur Steuerung und/oder Regelung zumindest eines Betriebsparameters in zumindest einem Normalbetriebszustand vorgesehen ist. Beispielsweise kann die Überwachungseinheit 42 dazu vorgesehen sein, eine
Fluidversorgung, eine Energieversorgung, eine Temperatur, eine Gasproduktionsrate oder dergleichen in Abhängigkeit von zumindest einem ermittelten Einzelzellenparameter anzupassen. . -
Grundsätzlich ist denkbar, dass die Elektrochemievorrichtung 10 keine
Überwachungseinheit 42 aufweist. Außerdem ist denkbar, dass anstelle oder zusätzliche zu der Überwachungseinheit 42 beliebige andere Messeinrichtungen mit wenigstens einem der Kontaktelemente 18, 20 verbunden und/oder verbindbar sind, beispielsweise zu Wartungszwecken, bei einer Inbetriebnahme, bei einer Qualitätskontrolle, bei einem Testen einzelner elektrochemischer Zellen 14, 16, 58, 60 oder dergleichen.
Die Figur 2 zeigt die Elektrochemievorrichtung 10 in einer schematischen Seitenansicht, wobei die Überwachungseinheit 42 aus Gründen einer Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist. Die Elektrochemievorrichtung 10 weist ein, insbesondere optional anbringbares, Überbrückungselement 38 auf, das dazu vorgesehen ist, in zumindest einem
Betriebszustand eine elektrische Verbindung zwischen dem Kontaktelement 18 und zumindest einem anderen Kontaktelement 40 herzustellen, um zumindest einen Teil der Zelleneinheit 12 zu überbrücken. Insbesondere umfasst die Erfindung auch ein System mit der Elektrochemievorrichtung 10 und dem Überbrückungselement 38. Im vorliegenden Fall ist das Überbrückungselement 38 auf die Kontaktelemente 18, 40 aufsteckbar, beispielsweise manuell, insbesondere von einem Benutzer. Das Überbrückungselement 38 kann einen flexiblen Leiterabschnitt, beispielsweise ein Kabel, aufweisen.
Insbesondere ist das Überbrückungselement 38 dazu vorgesehen, beliebige
Kontaktelemente 18, 20, 40 miteinander zu verbinden, vorzugsweise jeweils zumindest zwei. Mittels des Überbrückungselements 38 können einzelne elektrochemische Zellen 14, 16, 58, 60 oder auch ein Teilstapel der Zelleneinheit 12 und/oder des Zellenstapels 34 insbesondere vorübergehend überbrückt werden. Ebenso ist eine Überbrückung von kurzgeschlossenen Bereichen denkbar, insbesondere alternativ zu der
Überwachungseinheit 42 oder zusätzlich zu dieser. Die Figur 3 zeigt ein funktionelles Element 28 der elektrochemischen Zelle 14 in einer schematischen Draufsicht. Das funktionelle Element 28 ist plattenartig ausgebildet. Das funktionelle Element 28 ist als ein Zellenstapenelement ausgebildet. Im vorliegenden Fall umfasst der Zellenstapel 34 eine Vielzahl von Zellenstapelelementen, die, wie oben erwähnt, in Wiederholeinheiten angeordnet sind und somit die elektrochemischen Zellen 14, 16, 58, 60 und den Zellenstapel 34 ausbilden. Das funktionelle Element 28 kann beispielsweise eine Bipolarplatte, ein Lochblech, ein Siebblech, ein Pressure Päd oder dergleichen sein. . -
Das funktionelle Element 28 weist das Kontaktelement 18 auf. Vorzugsweise ist das funktionelle Element 28 zumindest teilweise metallisch. Besonders bevorzugt liegt das funktionelle Element 28 in einem montierten Zustand der elektrochemischen Zelle 14 auf deren Anodenpotential oder auf deren Kathodenpotential, sodass ein entsprechendes Potential über das funktionelle Element 28 abgreifbar ist.
Im vorliegenden Fall weist jede der elektrochemischen Zellen 14, 16, 58, 60 der
Zelleneinheit 12, die ein Kontaktelement 18, 20 aufweist, ein analog ausgebildetes funktionelles Element 28 mit dem entsprechenden Kontaktelement 18, 20 auf.
Vorzugsweise sind die funktionellen Elemente 28 mit den Kontaktelementen 18, 20 dabei von dem gleichen Typ. Es ist aber, insbesondere falls ein variabler Abstand in
Stapelrichtung 36 zwischen Kontaktelementen gewünscht ist, denkbar, dass
Kontaktelemente 18, 20 an funktionellen Elementen 28 unterschiedlichen Typs angebracht sind.
Das funktionelle Element 28 weist eine funktionelle Komponente 30 auf, die zumindest teilweise einstückig mit dem Kontaktelement 18 verbunden ist. Die funktionelle
Komponente 30 stellt eine aktive Fläche 68 für ein aktives Inneres der elektrochemischen Zelle 14 bereit. Beispielsweise kann die funktionelle Komponente 30 eine
Elektrodenfläche und/oder eine Fluidverteilungsschicht oder dergleichen umfassen. Das Kontaktelement 18 ist als ein nasenartiger Vorsprung einer Platte 32 ausgebildet. Im vorliegenden Fall ist die Platte 32 ein Bestandteil der funktionellen Komponente 30 und/oder bildet diese aus. Beispielsweise kann die Platte 32 ein Blech, insbesondere ein Titanblech sein. Vorzugsweise sind das Kontaktelement 18 und die Platte 32 einteilig ausgebildet. Besonders bevorzugt sind das Kontaktelement 18 und die Platte 32 aus einem gemeinsamen Rohling, insbesondere einem gemeinsamen Blech, herstellbar. Bevorzugt sind das Kontaktelement 18 und die Platte 32 als ein Stanzteil und/oder als ein Stanzbiegeteil ausgebildet.
In der Figur 3 ist das funktionelle Element 28 in einem vormontierten Zustand gezeigt. In dem vormontierten Zustand weist das funktionelle Element 28 wenigstens zwei
Kontaktelemente 18, 46, 48 auf, die jeweils dazu vorgesehen sind, wahlweise abgetrennt werden zu können. Im vorliegenden Fall weist das funktionelle Element 28 drei
Kontaktelemente 18, 46, 48 auf, die insbesondere zumindest im Wesentlichen identisch ausgebildet sind. Selbstverständlich ist eine beliebige andere Anzahl an . -
Kontaktelementen 18, 46, 48 denkbar. Die Kontaktelemente 18, 46, 48 stehen über einen Rand 70 des funktionellen Elements 28 über und sind insbesondere entlang des Rands 70 abtrennbar. Dabei ist denkbar, dass entsprechende Prägungen und/oder
Sollbruchstellen und/oder Perforierungen oder dergleichen vorgesehen sind. Durch geeignetes Abtrennen von Kontaktelementen 18, 46, 48 kann ein verbleibendes
Kontaktelement 18 beziehungsweise gegebenenfalls mehrere verbleibende
Kontaktelemente 18, 46, 48 den Reihen, in denen die Kontaktelemente 18, 20 der Zelleneinheit 12 angeordnet sind, zugeordnet werden.
Die Figur 4 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung der Elektrochemievorrichtung 10. Das Verfahren beinhaltet ein Verfahren 72 zur Herstellung des funktionellen Elements 28. In zumindest einem Verfahrensschritt 74 wird das funktionelle Element 28 mit den Kontaktelementen 18, 46, 48 gefertigt. Vorzugsweise werden die funktionelle Komponente 30 und die Kontaktelemente 18, 46, 48 in zumindest einem gemeinsamen Arbeitsschritt, beispielsweise mittels eines Stanzens, gefertigt. In zumindest einem Verfahrensschritt 76 wird zumindest eines der Kontaktelemente 46, 48 abgetrennt. Im vorliegenden Fall werden zwei der drei Kontaktelemente 18, 46, 48 abgetrennt, sodass insbesondere lediglich das Kontaktelement 18 verbleibt. Ein
Abtrennen von Kontaktelementen 46, 48 erfolgt dabei gemäß einer Anordnung von Kontaktelementen 18, 20 in dem Zellenstapel 34. Selbstverständlich ist denkbar, sämtliche Kontaktelemente 18, 46, 48 zu entfernen, falls beispielsweise eine
entsprechende elektrochemische Zelle 14, 16, 58, 60 kein Kontaktelement aufweisen soll. Zudem ist denkbar, mehrere Kontaktelemente 18, 46, 48 nicht abzutrennen, sodass das funktionelle Element 28 in einem montierten Zustand mehrere Kontaktelemente 18, 46, 48 ausweisen kann, um beispielsweise eine mehrfache Kontaktierung, etwa von
verschiedenen Seiten der Zelleneinheit 12 oder auch gleichzeitig durch eine
Überwachungseinheit 42 und ein zusätzlich angebrachtes Überbrückungselement 38, zu ermöglichen.
In einem weiteren Verfahrensschritt 78 wird das funktionelle Element 28 mit anderen funktionellen Elementen gestapelt, um den Zellenstapel 34 auszubilden. Grundsätzlich ist selbstverständlich auch denkbar, Kontaktelemente 18, 46, 48 erst nach Herstellung eines Zellenstapels 34 abzutrennen.

Claims

19.04.18 Ansprüche
1 . Elektrochemievorrichtung, insbesondere Elektrolysevorrichtung, insbesondere Polymerelektrolytmembran-Elektrolysevorrichtung, mit zumindest einer
Zelleneinheit (12), die zumindest eine elektrochemische Zelle (14) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Zelle (14) zumindest ein Kontaktelement (18) aufweist, das von einem Anschlusselement (22, 24) für eine Energieversorgung (26) verschieden ist.
2. Elektrochemievorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Zelle (14) zumindest ein funktionelles Element (28), insbesondere ein funktionelles Zellenstapelelement, umfasst, welches das Kontaktelement (18) aufweist.
3. Elektrochemievorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (18) und zumindest eine funktionelle Komponente (30) des funktionellen Elements (28) zumindest teilweise einstückig verbunden sind.
4. Elektrochemievorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (18) als ein nasenartiger Vorsprung einer Platte (32), insbesondere eines Blechs, ausgebildet ist.
5. Elektrochemievorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Zelle (14) eine Dicke von höchstens 5 mm, vorteilhaft von höchstens 3 mm und besonders vorteilhaft von höchstens 2 mm aufweist.
6. Elektrochemievorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelleneinheit (12) zumindest eine weitere
elektrochemische Zelle (16) mit zumindest einem weiteren Kontaktelement (20) aufweist.
7. Elektrochemievorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (18) und das weitere Kontaktelement (20) zueinander versetzt angeordnet sind.
8. Elektrochemievorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelleneinheit (12) zumindest einen Zellenstapel (34) mit einer Mehrzahl gestapelt angeordneter elektrochemischer Zellen (14, 16) mit jeweils zumindest einem Kontaktelement (18, 20) umfasst, wobei zumindest einige der Kontaktelemente (18, 20) zueinander versetzt angeordnet sind.
9. Elektrochemievorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Kontaktelemente (18, 20) des Zellenstapels (34) in einer Betrachtung entlang einer Stapelrichtung (36) in mehreren Reihen angeordnet sind.
10. Elektrochemievorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, gekennzeichnet durch zumindest ein Überbrückungselement (38), das dazu vorgesehen ist, in zumindest einem Betriebszustand eine elektrische Verbindung zwischen dem Kontaktelement (18) und zumindest einem anderen Kontaktelement (40) herzustellen, um zumindest einen Teil der Zelleneinheit (12) zu überbrücken.
1 1 . Elektrochemievorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch zumindest eine Überwachungseinheit (42), die mit dem Kontaktelement (18) und mit dem weiteren Kontaktelement (20) elektrisch verbindbar und/oder verbunden ist.
12. Elektrochemievorrichtung nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (42) zu einer Bestimmung zumindest eines
Einzelzellenparameters, insbesondere einer Einzelzellenspannung, mittels der Kontaktelemente (18, 20) vorgesehen ist.
13. Elektrochemievorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (42) dazu vorgesehen ist, anhand des
Einzelzellenparameters zumindest einen Fehlerbetriebszustand zu erkennen und zumindest einen Betriebsparameter der Zelleneinheit (12) in Abhängigkeit von einem Auftreten des Fehlerbetriebszustands zu ändern.
14. Elektrolyseur mit zumindest einer Elektrochemievorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
15. Funktionelles Element, insbesondere funktionelles Zellenstapelelement, für eine Elektrochemievorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
gekennzeichnet durch wenigstens zwei Kontaktelemente (18, 46, 48), die jeweils dazu vorgesehen sind, wahlweise abgetrennt werden zu können.
16. Verfahren zur Herstellung eines funktionellen Elements (28), insbesondere nach Anspruch 15, einer Elektrochemievorrichtung (10), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 13, welches in zumindest einem vormontierten Zustand zumindest zwei an unterschiedlichen Positionen angeordnete Kontaktelemente (18, 46, 48) aufweist, wobei zumindest eines der Kontaktelemente (46, 48) abgetrennt wird.
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