EP3612667A1 - Elektrochemievorrichtung und verfahren zum betrieb einer elektrochemievorrichtung - Google Patents

Elektrochemievorrichtung und verfahren zum betrieb einer elektrochemievorrichtung

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Publication number
EP3612667A1
EP3612667A1 EP18728308.0A EP18728308A EP3612667A1 EP 3612667 A1 EP3612667 A1 EP 3612667A1 EP 18728308 A EP18728308 A EP 18728308A EP 3612667 A1 EP3612667 A1 EP 3612667A1
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EP
European Patent Office
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electrochemical
cell
fluid supply
supply path
fluid
Prior art date
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Pending
Application number
EP18728308.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Joachim Herrmann
Frank ALLEBROD
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Quest One GmbH
Original Assignee
HTec Systems GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by HTec Systems GmbH filed Critical HTec Systems GmbH
Publication of EP3612667A1 publication Critical patent/EP3612667A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • C25B9/19—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to an electrochemical device according to the preamble of claim 1 and to a method for operating an electrochemical device according to the preamble of claim 13.
  • Electrolysers are known in the art which comprise a cell stack, often referred to as a "stack", having a plurality of series connected ones
  • the cell stack is continuously supplied with water, which also acts as a starting material and as a coolant.
  • An object of the invention is, in particular, improved properties with regard to a reliable and / or efficient operation of a
  • Electrochemical device in particular an electrolysis device to provide.
  • an object of the invention is in particular to provide a structurally simple and at the same time efficient geometry of a fluid supply.
  • the object is achieved by the features of claim 1 and the claim
  • the invention is based on an electrochemical device, in particular a
  • An electrolytic apparatus in particular a polymer electrolyte membrane electrolysis apparatus, having at least one cell unit comprising at least a first electrochemical cell and at least one second electrochemical cell, and at least one fluid supply unit for supplying the cell unit with at least one fluid, in particular water, which at least one first
  • Fluid supply path which leads at least partially through the first electrochemical cell
  • at least one second fluid supply path which at least partially leads through the second electrochemical cell includes. It is proposed that the fluid supply unit is designed such that in at least one normal operating state, a volume flow of the fluid through the first electrochemical cell and through the second electrochemical cell at least in the
  • the inventive design can be achieved in particular a reliable and / or efficient operation. Further, an electrochemical device having advantageous properties with respect to a fluid supply can be provided.
  • electrochemical cells can be uniformly supplied with fluid, in particular with water. Furthermore, especially in the case of cell stacks with a large number of single cells and / or for long cell stacks one
  • uniform and / or comprehensive fluid supply can be achieved.
  • uneven heating can be avoided.
  • a high density of a cell stack can be achieved.
  • a high efficiency, in particular a hydrogen production can be achieved.
  • to achieve a uniform fluid supply to regulating valves or the like are at least largely dispensed with.
  • 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 to be provided for performing at least one at least partially electrochemical operation.
  • the electrochemical device can also be 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.
  • the electrochemical device may include a fuel cell device, a battery device, a meter device, a generator device, an analyzer, an electrode position device, an anodization device, a plating device
  • the electrochemical device can be provided to at least one gas, in particular hydrogen, with an overpressure against an environment
  • 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.
  • gas in particular hydrogen
  • the term "intended” should be understood to mean in particular specially programmed, designed and / or equipped, in particular that an object is intended for a specific function - -
  • the object fulfills and / or executes this particular function in at least one application and / or operating state.
  • 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 an electrolysis cell
  • the electrochemical cell is particularly advantageously a cell stack-compatible electrolysis cell, in particular an electrolysis cell stack
  • the electrochemical cell comprises at least one anode, to which oxygen is preferably applied in the normal operating state
  • the electrochemical cell comprises at least one cathode, to which hydrogen is preferably formed in the normal operating state
  • the electrochemical cell comprises z 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 National.
  • 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
  • the first electrochemical cell and / or the second electrochemical cell may be designed as described in this context.
  • 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. Under "at least substantially identical" objects are intended in this
  • 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 first electrochemical cell and / or the second electrochemical cell may each be any, in particular
  • first and second are not necessarily, but merely possibly to be understood as descriptive of an order and / or arrangement.
  • first electrochemical cell and / or the second electrochemical cell in particular directly, adjacent or not adjacent are arranged.
  • first electrochemical cell may be from an electrochemical cell of the cell unit that is numbered by
  • electrochemical cells of the cell unit for example, starting from one side, according to a number one would be different.
  • 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 , ,
  • the electrochemical cells of the cell stack are at least substantially identical.
  • the cell stack comprises repeating units comprising a plurality of different functional elements, advantageously different functional ones
  • Cell stack elements include, for example, in particular in the order given, 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 comprising a carbon felt, and / or a, in particular a further screen plate and / or perforated plate,
  • Compression buffer in particular a Compression Päd, advantageously an expanded metal.
  • 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 it is also conceivable for the cell unit to comprise 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 first electrochemical cell and the second electrochemical cell are arranged in a common cell stack.
  • the first electrochemical cell and the second electrochemical cell are arranged in different cell stacks.
  • 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.
  • first end plate and the second end plate are connected together.
  • first end plate and the second end plate urge the , ,
  • 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 one
  • Main extension plane of the first electrochemical cell and / or perpendicular to a main extension plane 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 fluid supply unit is provided to supply the electrochemical cells of the cell unit, in particular the first electrochemical cell and / or the second electrochemical cell, with at least one fluid, in particular water, advantageously deionized water.
  • the fluid supply unit is provided to supply the electrochemical cells of the cell unit, in particular the first electrochemical cell and / or the second electrochemical cell, with at least one fluid, in particular water, advantageously deionized water.
  • Fluid supply unit provided to provide water as Edukt an electrolytic water splitting and / or as a coolant of the cell unit and / or the cell stack and / or the electrochemical cells of the cell unit.
  • the fluid supply unit has at least one connection which can be connected to and / or connected to a, in particular external, fluid supply, in particular a fluid circuit, preferably a water circuit.
  • a fluid supply may comprise a fluid supply circuit, in particular with at least one pump and / or with at least one filter and / or with at least one fluid reservoir or the like.
  • the fluid supply unit is provided to form at least a part of a fluid supply circuit.
  • the cell unit is in the normal operating state by means of
  • Fluid unit with the fluid in particular continuously and / or with a constant and / or to a respective operating state, for example, as a function of a power consumption, adjustable total flow, rinsed.
  • the cell unit, in particular the cell stack, and the fluid supply unit are at least partially formed in one piece.
  • the fluid supply unit is free of a regulating valve for equalizing the volume flows through the first electrochemical cell and the second electrochemical cell.
  • a "fluid supply path" is intended in particular to mean a region and / or a section of a fluid conduit system,
  • the fluid supply path may be a fluid line and / or a
  • Fluid line section include.
  • the fluid supply unit comprises at least one fluid supply path per electrochemical cell of the cell stack, wherein in each case an electrochemical cell is assigned in each case a fluid supply path, in particular unambiguously, and / or by the corresponding one , ,
  • electrochemical cell leads By the fact that a first object and a second object are formed "at least partially in one piece" should be understood in particular that at least one element and / or part of the first object and at least one element and / or part of the second object are integrally formed
  • a "normal operating state” is to be understood as a state in which the electrochemical device and / or the cell unit operate within their specified operating parameters and / or without faults and / or in accordance with their own
  • the normal operating state comprises a continuous power input and / or output and / or a continuous reaction of reaction educts and / or products, in each case in particular with an at least substantially constant rate.
  • the normal operating state can alternatively or additionally include startup and / or shutdown and / or a, in particular targeted and / or controlled and / or regulated, switching from one, in particular error-free, operating state into at least one, in particular error-free, other operating state of the electrochemical device and /or the
  • Cell unit include.
  • the electrochemical device in particular the cell unit and / or the fluid supply unit, is preferably in the
  • a "volume flow through an electrochemical cell” is intended in particular to mean a volume of a fluid, in particular of water, per unit of time through a cross section of at least one subregion of the electrochemical cell, in particular through a cross section of at least one electrochemically active region of the electrochemical cell and / or through a Cross-section of the electrochemical cell, in particular by a cross-section perpendicular to a flow direction of the fluid through at least the sub-region, flowing, in particular that the volume flow of the fluid through the first electrochemical cell and through the second electrochemical cell is at least substantially identical in that the volume flow through the first cell and the volume flow through the second cell are less than 30%, advantageously less than 20%, particularly advantageously less than 15%, preferably less than 10%, preferably less than 5% and especially bev may differ by less than 2%.
  • the volume flow through the first cell and the volume flow through the second cell are less than 30%, advantageously less than 20%, particularly advantageously less than 15%, preferably less than 10%, preferably less than 5% and especially bev
  • a pressure loss in the first fluid supply path at least substantially equal to a pressure drop in the second fluid supply path.
  • a pressure drop corresponds to an inlet of the first
  • Fluid supply path to a drain of the first fluid supply path at least substantially a pressure drop from an inlet of the second fluid supply path to an outlet of the second fluid supply path.
  • a local pressure distribution in the first fluid supply path from a local
  • the cell unit is at least substantially free of one, in particular a plurality of electrochemical cells, completely overlapping pressure gradients in the direction of the stacking direction.
  • the first fluid supply path and the second fluid supply path are hydraulically balanced.
  • the term "at least essentially” should be understood to mean that a deviation from a predefined value corresponds in particular to less than 15%, preferably less than 10% and particularly preferably less than 5% of the predetermined value
  • the first fluid supply path and the second fluid supply path are at least substantially the same length,
  • a first cell supply section of the first fluid supply path arranged within the first electrochemical cell is at least substantially identical to one within the second electrochemical cell arranged second cell supply section of the second
  • Fluid supply paths formed and / or at least substantially the same length as this.
  • Fluid supply path at least in sections, in particular outside the first electrochemical cell and / or the second electrochemical cell, an at least substantially identical cross-sectional area.
  • volume flows through the first
  • electrochemical cell and the second electrochemical cell are otherwise aligned, for example by suitable control valves, in particular in combination with at least one control and / or regulating unit and / or in combination with at least one pressure sensor and / or flow sensor or the like, and / or by a suitable choice of, in particular variable, pipe diameters and / or
  • the first fluid supply path and the second fluid supply path from a common inlet, in particular an inlet of the fluid supply unit, to the electrochemical cells and / or from the electrochemical cells to a common sequence, in particular a flow of the fluid supply unit , to lead.
  • Fluid supply unit smaller and advantageous at least ten times or 20 times smaller or even smaller than a number of fluid supply paths and / or a number of electrochemical cells.
  • the first end plate on the inlet.
  • the second end plate on the expiration is preferably arranged in front of the cell unit in the stacking direction.
  • the sequence is arranged in the stacking direction behind the cell unit.
  • the inlet and the outlet are arranged offset from each other when viewed in the stacking direction.
  • the first fluid supply path and the second lead are arranged in front of the cell unit in the stacking direction.
  • Fluid supply path at least in sections by a common fluid line, in particular of a line section of the inlet and / or of a
  • Line section of the process is different.
  • the inlet and / or the outlet in particular respectively, connected to a connection of the fluid supply unit and / or provided for connection to the fluid supply.
  • an electrochemical device can be easily and / or reliably integrated into a fluid circuit.
  • the fluid supply unit at least one
  • Inlet channel and at least one drain channel which are provided for guiding the fluid in the normal operating state in a Zulaufhnesch and in a flow direction of flow, which extend at least substantially parallel to each other.
  • the feed direction and / or the Abiaufraum runs at least substantially parallel to the stacking direction.
  • the inlet channel with the inlet and / or the outlet channel is connected to the drain.
  • the feed direction and the Abiaufraum are identical.
  • a longitudinal axis of the inlet channel runs parallel to a longitudinal axis of the drainage channel.
  • the inlet channel and the outlet channel are arranged offset to one another, in particular in a view along the stacking direction.
  • at least some, particularly preferably all, fluid supply paths of the cell stack extend at least in sections through the inlet channel and / or at least in sections through the outlet channel.
  • the inlet channel and / or the outlet channel is a common fluid line of several, in particular all, electrochemical cells of the cell stack and / or the cell unit.
  • at least substantially parallel should be understood here in particular an orientation of a direction relative to a reference direction, in particular in a plane, wherein the direction relative to the reference direction a deviation in particular less than 8 °, advantageously less than 5 ° and particularly advantageously smaller.
  • Electrochemical device can be achieved.
  • Fluid supply paths at least substantially a buzzer corresponds to a length of a second inlet section and a length of a second outlet section of the second fluid supply path.
  • the first inlet section is shorter than the second inlet section by the same or at least substantially the same amount by which the first outlet section is longer than the second outlet section or vice versa. This can advantageously a simple and a uniform
  • Leaks in a cell stack and / or pressure differences along a stacking direction can be avoided in particular if a pressure drop in the first inlet section is greater than a pressure drop in the second inlet section and a pressure drop in the first outlet section is smaller than a pressure drop in the second outlet section.
  • a sum of all partial pressure losses in the first fluid supply path corresponds at least substantially to a buzzer of all partial pressure losses in the second fluid supply path, wherein in each case, in particular, a sum of at least one inlet pressure loss
  • Inlet channel at least partially forms the first inlet section and the second inlet section and / or the outlet channel, the first outlet section and the second outlet section.
  • Feed section at least partially identical and in particular at least partially identical with the inlet channel.
  • Drain section and the second drain section at least partially identical and in particular at least partially identical with the drain channel.
  • This can advantageously be a common inlet and / or a common sequence for
  • electrochemical cells are used, for example, a cell stack.
  • the first electrochemical cell has at least one functional element which forms at least a portion of the first fluid supply path and at least a portion of the second fluid supply path.
  • a plurality of, in particular stacked, functional elements of the cell unit, in particular of the cell stack jointly form the first fluid supply path and / or the second fluid supply path.
  • functional elements of different electrochemical cells form at least a portion of the inlet channel and / or the inlet channel and / or at least a portion of the outlet channel and / or the outlet channel. This can advantageously be achieved a compact design.
  • the functional element is a functional one
  • Cell stack element is.
  • the cell stacking element has at least one recess, in particular a passage, which is provided, in particular aligned, bushings of others
  • the different cell stack elements of the cell stack preferably form together, in particular together with the end plates, the inlet channel and / or the outlet channel and / or in each case at least one section of a respective fluid supply path for the electrochemical cells of the cell stack.
  • the first runs preferably form together, in particular together with the end plates, the inlet channel and / or the outlet channel and / or in each case at least one section of a respective fluid supply path for the electrochemical cells of the cell stack.
  • Fluid supply path in particular in this order, from the inlet formed by, in particular of a plurality stacked cell stack elements of different stacked electrochemical cells, in particular parallel to the
  • the first fluid supply path extends through the first electrochemical cell in a direction that is at least substantially perpendicular to the stacking direction and / or at least substantially parallel to one
  • the invention is based on a method for operating a
  • Electrochemical device in particular an electrolysis device, in particular a polymer electrolyte membrane electrolysis device, having at least one cell unit comprising at least a first electrochemical cell and at least one second electrochemical cell.
  • electrochemical cell with a fluid in particular with water, are flowed through such that a volume flow of the fluid through the first electrochemical cell and through the second electrochemical cell is at least substantially identical.
  • a reliable and / or efficient operation can be achieved by the method according to the invention.
  • an electrochemical device having advantageous properties with respect to a fluid supply can be provided.
  • a structural simplicity and / or a reduced variety of parts can be achieved.
  • a uniform pressure distribution in a cell stack can be achieved.
  • electrochemical cells can be uniformly supplied with fluid, in particular with water.
  • a uniform and / or comprehensive fluid supply can be achieved.
  • uneven heating can be avoided.
  • a high density of a cell stack can be achieved.
  • control valves or the like can at least largely be dispensed with in order to achieve a uniform supply of fluid.
  • electrochemical device 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 and the method according to the invention for performing a function described herein can have a number deviating from a number of individual elements and / or components and / or units and / or method steps mentioned herein.
  • values lying within the stated limits are also to be disclosed as disclosed and used as desired.
  • Fig. 2 is a functional element of an electrochemical cell of
  • Electrochemical device in a schematic plan view
  • FIG. 3 shows the electrochemical device in a schematic frontal view
  • FIG. 4 shows a first alternative electrochemical device in a schematic
  • FIG. 6 shows a third alternative electrochemical device in a schematic
  • FIG. 1 shows an electrolyzer 48a with an electrochemical device 10a in a schematic side view.
  • the electrolyzer 48a is shown only schematically in the present case and may include components not shown, such as
  • the electrochemical device 10a in the present case is formed as an electrolyzer device.
  • the electrolyzer 10a is a hydrogen electrolyzer.
  • the electrochemical device 10a may be used as a
  • Fuel cell device a meter device, a galvanization device or the like is formed.
  • the electrochemical device 10a has a cell unit 12a that includes at least a first electrochemical cell 14a and at least a second electrochemical cell 16a - -
  • the cell unit 12a has a plurality of
  • electrochemical cells 14a, 16a of which for reasons of clarity schematically shown only five and not all provided with reference numerals.
  • the electrochemical cells 14a, 16a of the cell unit 12a are not shown to scale in FIG.
  • the electrochemical cells 14a, 16a of the cell unit 12a may be substantially flatter than those in FIG.
  • the cell unit 12a may comprise 20 or 30 or 50 or 100 or 150 or 200 electrochemical cells.
  • the cell unit 12a has a cell stack 46a comprising a plurality of stacked electrochemical cells 14a, 16a.
  • all the electrochemical cells 14a, 16a of the cell unit 12a are stacked to the cell stack 46a.
  • the electrochemical cells 14a, 16a of the cell unit 12a are at least substantially identical to one another.
  • the cell stack 46a is in the present case an electrolysis stack.
  • the electrochemical cells 14a, 16a of the cell unit 12a are stacked in a stacking direction 50a.
  • the stacking direction 50a corresponds to a stack thickness direction of the cell stack 46a.
  • the stacking direction 50a extends in the present case perpendicular to a
  • Main extension plane of the first electrochemical cell 14a Further, in the present case, main extension planes of the electrochemical cells 14a, 16a of the cell unit 12a are arranged in parallel with each other.
  • the cell unit 12a has a first end plate 52a and a second end plate 54a.
  • the first end plate 52a and the second end plate 54a define the electrochemical cells 14a, 16a of the cell stack 46a toward opposite sides of the cell stack 46a.
  • the end plates 52a, 54a are connected to one another, for example, by means of connecting struts and act on the electrochemical cells 14a, 16a of the cell stack 46a with a pressure force which counteracts, in particular, a pressure due to the formation of hydrogen gas and / or oxygen gas or, in particular, a tightness of the abutted electrochemical cells 14a, 16a with each other and / or a tightness of the respective electrochemical cell 14a, 16a accomplished or at least contributes to this.
  • the electrochemical device 10a has contact elements, not shown, for connection to a power supply. In a normal operating state, the cell unit becomes - -
  • a total voltage is in this case between a foremost electrochemical cell 56a, which bears in particular on the first end plate 52a, and a rearmost electrochemical cell 58a, which bears in particular on the second end plate 54a.
  • a voltage of between about 1 V and about 2.5 V is applied in the normal operating state, in particular also mentioned above.
  • the electrochemical device 10a has a fluid supply unit 18a.
  • the fluid supply unit 18a is in the present case to a supply of
  • the fluid is water, especially deionized water.
  • the fluid serves as the starting product for an electrolytic reaction.
  • the fluid additionally serves as a coolant.
  • the electrochemical device 10a has a plurality of different fluid supply units 18a, which are provided for the separate supply of in particular different fluids, for example with reaction gases, coolants, educt fluids or the like.
  • the fluid supply unit 18a has at least one first fluid supply path 20a, which leads at least in sections through the first electrochemical cell 14a.
  • the fluid supply unit 18a has at least a second one
  • Fluid supply path 22a which leads at least in sections through the second electrochemical cell 16a. Curves of the first fluid supply path 20a and the second fluid supply path 22a are shown schematically in FIG. 1 as lines.
  • the first fluid supply path 20 a and the second fluid supply path 22 a each include a volume through which the fluid can flow.
  • the fluid supply unit 18a is formed such that in the
  • a volume flow of the fluid through the first electrochemical cell 14a and through the second electrochemical cell 16a is at least substantially identical.
  • the electrochemical device 10a produces in the
  • the cell unit 12a is supplied continuously with a fluid flow, for example by means of a fluid circuit, not shown, and / or a pump (not shown). in the - -
  • electrochemical cell 16a formed at least substantially identical.
  • first electrochemical cell 14a and the second electrochemical cell 14a are identical to each other.
  • Electrochemical cell 16a an at least substantially identically formed interior and / or an at least substantially identical formed inner cross-section, which is flowed through in particular in the normal operating state of the fluid. In the present case, a flow through each of the
  • Cell stack 46a are flowed through uniformly and / or similarly and / or with identical volume flows in the normal operating state.
  • the fluid flows through the first electrochemical cell 14a and the second electrochemical cell 16a such that a volume flow of the fluid through the first electrochemical cell 14a and through the second electrochemical cell 16a is at least substantially identical.
  • Fluid supply path 20 a at least substantially a pressure drop in the second fluid supply path 22 a.
  • a pressure loss in each of the electrochemical cells 14a, 16a, 56a, 58a of the cell unit 12a is at least in the
  • the cell stack 46a is free of a pressure gradient which comprises a plurality of electrochemical cells in the stacking direction 50a.
  • a pressure loss in the foremost electrochemical cell 56a at least substantially corresponds to a pressure loss in the rearmost
  • the first fluid supply path 20a and the second fluid supply path 22a are at least substantially equal in length. In the present case, the
  • Fluid supply unit 18a each have a fluid supply path 20a, 22a each
  • electrochemical cell 14a, 16a, 56a, 58a wherein the fluid supply paths 20a, 22a each of an electrochemical cell 14a, 16a, 56a, 58a are particularly clearly associated.
  • FIG. 1 analogously to the electrochemical cells 14a, 16a, 56a, 58a, only five fluid supply paths 20a, , -
  • all of the fluid supply paths 20a, 22a are at least substantially the same length.
  • the first fluid supply path 20a and the second fluid supply path 22a lead from a common inlet 24a to the electrochemical cells 14a, 16a. Further, the first fluid supply path 20a and the second fluid supply path 22a lead from the electrochemical cells 14a, 16a to a common drain 26a.
  • the inlet 24a and the outlet 26a are connected to the fluid circuit, not shown. In the normal operating state, the fluid circulates from the inlet 24a through the cell stack 46a to the outlet 26a, from there through a return line and / or a fluid reservoir and / or a filter and / or a pump or the like and back to the inlet 24a.
  • the inlet 24a is connected to the first end plate 52a and / or is at least partially formed by the latter.
  • the drain 26a is connected to and / or at least partially formed by the second end plate 54a.
  • the inlet 24a and the outlet 26a are, in particular in a view parallel to the stacking direction 50a, offset from each other.
  • the fluid supply unit 18a has at least one inlet channel 28a and at least one outlet channel 30a, which are provided for guiding the fluid in the normal operating state into an inlet flow direction 32a and into a flow flow direction 34a, which extend at least substantially parallel to one another.
  • the inflow flow direction 32a runs parallel to the flow flow direction 34a.
  • the inflow flow direction 32a is parallel to the stacking direction 50a.
  • the drain flow direction 34a is parallel to the stacking direction 50a.
  • a sum of a length of a first inflow portion 36a and a length of a first outflow portion 38a of the first fluid supply path 20a corresponds at least substantially to a buzzer of a length of a second inflow portion 40a and a length of a second outflow portion 42a of the second fluid supply path 22a.
  • first inlet section 36a and the second inlet section 40a each extend from the inlet 24a to the first electrochemical cell 14a and to the second electrochemical cell 16a, respectively.
  • first discharge section 38a or the second extend from the first inlet section 36a to the first electrochemical cell 14a and to the second electrochemical cell 16a, respectively.
  • Drain section 42a respectively from the first electrochemical cell 14a and - -
  • the first inlet section 36a is shorter than the second inlet section 40a.
  • the first discharge section 38a is longer than the second discharge section 42a, in particular by the same amount.
  • a pressure loss in the first inflow section 36a is greater than a pressure loss in the second inflow section 40a.
  • a pressure loss in the first drain section 38a is smaller than a pressure loss in the second drain section 42a.
  • a sum of partial pressure losses in the first inflow section 36a, in the first electrochemical cell 14a and in the first drain section 38a corresponds to at least substantially a sum of partial pressure losses in the second inflow section 40a, in the second electrochemical cell 16a and in the second drain section 42a.
  • the inlet channel 28a forms the first inlet section 36a and the second
  • Inlet section 40a at least partially, in particular completely off.
  • the drainage channel 30a forms the first drainage section 38a and the second drainage section 42a at least partially, in particular completely. In the present case leads in each case
  • Fluid supply path 20a, 22a of the fluid supply unit 18a in sections through the inlet channel 28a to each one electrochemical cell 14a, 16a, 56a, 58a of the cell unit 12a.
  • a fluid supply path 20a, 22a leads the
  • FIG. 2 shows a functional element 44a of the first electrochemical cell 14a in a schematic plan view.
  • the functional element 44a is formed as a cell stacking element.
  • the functional element 44a is plate-shaped.
  • the functional element 44a may be, for example, a bipolar plate, a pressure pad, a perforated plate, a screen plate, a membrane or the like.
  • the first electrochemical cell 14a is made up of a plurality of different functional elements 44a, in particular, different functional ones , -
  • the cell stack 46a includes a plurality of
  • a length of these sections corresponds at least substantially to a thickness of the functional element 44a, which is in particular in a range of about 0.1 mm to several millimeters.
  • the functional element 44a has a first recess 60a, which in the present case is designed as a passage.
  • the first recess 60a is to
  • the inlet channel 28a extends in particular through a plurality of different functional elements 44a
  • the functional element 44a has three analogous first recesses 60a, 62a, 64a.
  • the fluid supply unit 18a has three analogously designed and in particular parallel inlet channels 28a.
  • the functional element 44a has a second recess 66a, which in the present case is designed as a passage.
  • the second recess 66a is intended to be arranged with other, in particular analog, recesses of other functional elements in series, in particular aligned, and / or together with these form the drainage channel 30a.
  • the drainage channel 30a extends in particular through a plurality of different functional elements 44a
  • the functional element 44a has three analogous second recesses 66a, 68a, 70a.
  • the fluid supply unit 18a has three flow channels 30a designed in an analogous manner and in particular running parallel. , -
  • the recesses 60a, 62a, 64a, 66a, 68a, 70a are opened to an interior of the first electrochemical cell 14a so that the first fluid supply path 20a can pass through the first electrochemical cell 14a.
  • the first fluid supply path 20a branches off from the inlet channel 28a into an interior of the first electrochemical cell 14a and / or out of the interior of the first electrochemical cell 14a into the outlet channel 30a.
  • the functional elements 44a of the cell stack 46a at least partially form the electrochemical cells 14a, 16a, 56a, 58a and the fluid supply paths 20a, 22a of the fluid supply unit 18a.
  • the recesses 60a, 62a, 64a, 66a, 68a, 70a are arranged to extend together over at least a majority of a width of the functional element 44a, thereby advantageously providing pressure gradients in
  • Transverse direction can be avoided and / or a uniform fluid flow can be achieved.
  • inlet channels 28a are cross-linked or that the inlet channels 28a are cross-linked.
  • Fluid supply unit 18a has a single inlet channel 28a, which extends in particular over at least a major part of a width of the functional element 44a. Similarly, the drainage channels 30a may be cross-linked. Likewise, the fluid supply unit 18a may have a single, wide discharge channel 30a.
  • FIG. 3 shows the electrochemical device 10a in a schematic frontal view in the stacking direction 50a.
  • the inlet 24a is designed as a multi-branching line, wherein in each case a line branch is connected to one of the inlet channels 28a.
  • the drain 26a is designed as a multi-branching line, wherein in each case a line branch is connected to one of the drainage channels 30a.
  • the inlet 24a is designed as a multi-branching line, wherein in each case a line branch is connected to one of the inlet channels 28a.
  • the drain 26a is designed as a multi-branching line, wherein in each case a line branch is connected to one of the drainage channels 30a.
  • Fluid supply paths 20a, 22a from a main line of the inlet 24a to a main line of the drain 26a of the same length, analogous to the fluid supply paths 20a, 22a within the cell unit 12a.
  • FIGS. 4 to 6 show three further exemplary embodiments of the invention.
  • the following descriptions and the drawings are essentially limited to the differences between the embodiments, with respect to the same components, in particular with respect to components with the same reference numerals, in principle also to the drawings and / or the description of the other , -
  • FIG. 4 shows a first alternative electrochemical device 10b in one
  • the first alternative electrochemical device 10b has a cell unit 12b which comprises at least a first electrochemical cell 14b and at least a second electrochemical cell 16b. Furthermore, the first alternative electrochemical device 10b has a fluid supply unit 18b
  • Fluid supply unit 18b comprises at least one first fluid supply path 20b, which at least partially leads through the first electrochemical cell 14b, and at least one second fluid supply path 22b, which leads at least in sections through the second electrochemical cell 16b.
  • the fluid supply unit 18b is designed such that in at least one normal operating state, a volume flow of the
  • Fluids through the first electrochemical cell 14b and through the second electrochemical cell 16b is at least substantially identical.
  • the first fluid supply path 20b and the second fluid supply path 22b are at least substantially equal in length.
  • the fluid supply unit 18b comprises at least one outside the
  • the inlet channel 28b is a common inlet channel for the fluid supply paths 20b, 22b of the fluid supply unit 18b.
  • the fluid supply unit 18b comprises at least one outflow channel 30b arranged outside the electrochemical cells 14b, 16b and / or outside the cell unit 12b.
  • the drain passage 30b is a common drain passage for the fluid supply paths 20b, 22b of the fluid supply unit 18b.
  • the first electrochemical cell 14b and the second electrochemical cell 16b are each assigned a supply section 72b, 74b arranged outside the cell unit 12b, in particular unambiguously.
  • the electrochemical cells 14b, 16b are single and / or independent of each other , -
  • Electrochemical cell 14b, 16b of the cell unit 12b each have at least one individual lead portion 72b, 74b and / or in each case at least one individual
  • electrochemical cells can be uniformly supplied with a fluid in an analogous manner, in particular electrochemical cells which are not stacked and / or lined up.
  • FIG. 5 shows a first alternative electrochemical device 10c in one
  • the first alternative electrochemical device 10c has a cell unit 12c comprising at least a first electrochemical cell 14c and at least a second electrochemical cell 16c. Furthermore, the first alternative electrochemical device 10c has a fluid supply unit 18c
  • Fluid supply unit 18c comprises at least one first fluid supply path 20c, which leads at least in sections through the first electrochemical cell 14c, and at least one second fluid supply path 22c, which leads at least in sections through the second electrochemical cell 16c.
  • the fluid supply unit 18c is designed such that in at least one normal operating state, a volume flow of the fluid through the first electrochemical cell 14c and through the second electrochemical cell 16c is at least substantially identical.
  • the first fluid supply path 20c and the second fluid supply path 22c are at least in the
  • the cell unit 12c in the present case comprises a plurality of cell stacks 46c, 80c, 82c, for example three cell stacks 46c, 80c, 82c, wherein any other number is conceivable.
  • the first electrochemical cell 14c and the second electrochemical cell 16c are arranged in different cell stacks 46c, 80c of the cell unit 12c.
  • the cell stacks 46c, 80c, 82c are electrically connected in series, although a parallel connection would also be conceivable.
  • the cell stacks 46 c, 80 c, 82 c are hydraulically connected in such a way that they each have fluid supply paths of identical , -
  • Length are assigned.
  • volume flows through the individual cell stacks 46c, 80c, 82c are at least substantially identical to one another.
  • cell stacks 46 c, 80 c, 82 c are hydraulically analogous to those
  • FIG. 6 shows a first alternative electrochemical device 10d in one
  • the first alternative electrochemical device 10d has a cell unit 12d which comprises at least a first electrochemical cell 14d and at least a second electrochemical cell 16d. Furthermore, the first alternative electrochemical device 10d comprises a fluid supply unit 18d
  • Fluid supply unit 18d comprises at least one first fluid supply path 20d, which at least partially leads through the first electrochemical cell 14d, and at least one second fluid supply path 22d, which leads at least in sections through the second electrochemical cell 16d.
  • the fluid supply unit 18d is designed such that in at least one normal operating state, a volume flow of the fluid through the first electrochemical cell 14d and through the second electrochemical cell 16d is at least substantially identical.
  • the first fluid supply path 20d and the second fluid supply path 22d are at least substantially equal in length.
  • the cell unit 12d includes a plurality of cell stacks 46d, 80d, 82d.
  • the cell stacks 46d, 80d, 82d are connected hydraulically analogously to the electrochemical cells 14b, 16b of the embodiment of FIG.
  • the electrochemical cells 14d, 16d of the individual cell stacks 46d, 80d, 82d are hydraulically respectively
  • each of the cell stacks 46d, 80d, 82d is supplied with fluid by the fluid supply unit 18d as shown, but the individual electrochemical cells 14d, 16d of each stack are unevenly supplied with fluid.
  • each cell stack 46d, 80d, 82d it is conceivable for each cell stack 46d, 80d, 82d to have an inlet and a drain arranged on the same side and / or an inlet direction of an outlet to be opposite, so that in particular different
  • Cell stack 46d, 80d, 82d flow, electrochemical cells 14d, 16d with analog - -

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Abstract

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

Description

Elektrochemievorrichtung und Verfahren zum Betrieb einer
Elektrochemievorrichtung
Stand der Technik Die Erfindung betrifft eine Elektrochemievorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Elektrochemievorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 13.
Aus dem Stand der Technik sind Elektrolyseure bekannt, die einen Zellenstapel, oft auch als„Stack" bezeichnet, aufweisen, der eine Vielzahl von in Reihe geschalteten
Elektrolysezellen aufweist. Beispielsweise im Fall von Wasserstoffelektrolyseuren zur Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff aus elektrochemischer Spaltung von Wasser wird der Zellenstapel kontinuierlich mit Wasser versorgt, das zugleich als Edukt und als Kühlmittel fungiert.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht insbesondere darin, verbesserte Eigenschaften hinsichtlich eines zuverlässigen und/oder effizienten Betriebs einer
Elektrochemievorrichtung, insbesondere einer Elektrolysevorrichtung, bereitzustellen.
Weiterhin besteht eine Aufgabe der Erfindung insbesondere darin, eine zuverlässige und/oder gleichmäßige Fluidversorgung einer Elektrochemievorrichtung zu erzielen.
Zudem besteht eine Aufgabe der Erfindung insbesondere darin, eine baulich einfache und zugleich effiziente Geometrie einer Fluidversorgung bereitzustellen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 sowie des Patentanspruchs
13 gelöst, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den
Unteransprüchen entnommen werden können.
Vorteile der Erfindung . -
Die Erfindung geht aus von einer Elektrochemievorrichtung, insbesondere einer
Elektrolysevorrichtung, insbesondere einer Polymerelektrolytmembran- Elektrolysevorrichtung, mit zumindest einer Zelleneinheit, die zumindest eine erste elektrochemische Zelle und zumindest eine zweite elektrochemische Zelle umfasst, und mit zumindest einer Fluidversorgungseinheit zur Versorgung der Zelleneinheit mit zumindest einem Fluid, insbesondere mit Wasser, die zumindest einen ersten
Fluidversorgungspfad, der zumindest abschnittsweise durch die erste elektrochemische Zelle führt, und zumindest einen zweiten Fluidversorgungspfad, der zumindest abschnittsweise durch die zweite elektrochemische Zelle führt, umfasst. Es wird vorgeschlagen, dass die Fluidversorgungseinheit derart ausgebildet ist, dass in zumindest einem Normalbetriebszustand ein Volumenstrom des Fluids durch die erste elektrochemische Zelle und durch die zweite elektrochemische Zelle zumindest im
Wesentlichen identisch ist.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann insbesondere ein zuverlässiger und/oder effizienter Betrieb erzielt werden. Ferner kann eine Elektrochemievorrichtung mit vorteilhaften Eigenschaften hinsichtlich einer Fluidversorgung bereitgestellt werden.
Zudem kann eine bauliche Einfachheit und/oder eine reduzierte Teilevielfalt erzielt werden. Außerdem kann eine gleichmäßige Druckverteilung in einem Zellenstapel erzielt werden. Vorteilhaft können elektrochemische Zellen gleichmäßig mit Fluid, insbesondere mit Wasser, versorgt werden. Des Weiteren kann insbesondere im Fall von Zellenstapeln mit einer großen Anzahl von Einzelzellen und/oder für lange Zellenstapel eine
gleichmäßige und/oder umfassende Fluidversorgung erzielt werden. Vorteilhaft kann eine ungleichmäßige Erwärmung vermieden werden. Außerdem kann vorteilhaft eine hohe Dichtigkeit eines Zellenstapels erzielt werden. Weiterhin kann ein hoher Wirkungsgrad, insbesondere einer Wasserstofferzeugung, erzielt werden. In vorteilhafter Weise kann zur Erzielung einer gleichmäßigen Fluidversorgung auf Regulierventile oder dergleichen zumindest weitgehend verzichtet werden.
Unter einer„Elektrochemievorrichtung" soll insbesondere zumindest ein, vorzugsweise funktionsfähiger, Teil eines Geräts und/oder einer Maschine, insbesondere eines
Elektrolyseurs, verstanden werden, die zur Durchführung zumindest eines zumindest teilweise elektrochemischen Arbeitsschritts vorgesehen ist. Insbesondere kann die Elektrochemievorrichtung auch das gesamte Gerät und/oder die gesamte Maschine . .
umfassen. Vorzugsweise ist die Elektrochemievorrichtung dazu vorgesehen, elektrische Energie in chemische Bindungsenergie und/oder chemische Bindungsenergie in elektrische Energie umzuwandeln. Insbesondere läuft in dem Normalbetriebszustand zumindest eine chemische Reaktion ab, die mit einem elektrischen Strom verknüpft ist, insbesondere eine Redox-Reaktion. Beispielsweise kann die Elektrochemievorrichtung eine Brennstoffzellenvorrichtung, eine Batterievorrichtung, eine Messgerätevorrichtung, eine Generatorvorrichtung, eine Analysevorrichtung, eine Elektrodepositionsvorrichtung, eine Anodisierungsvorrichtung, eine Galvanisierungsvorrichtung, eine
Redoxreaktorvorrichtung oder dergleichen umfassen. Vorzugsweise ist die
Elektrochemievorrichtung als eine Elektrolysevorrichtung ausgebildet, besonders bevorzugt als eine Wasserstoffelektrolysevorrichtung, die insbesondere zur
elektrochemischen Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff vorgesehen ist. Die Elektrochemievorrichtung kann dazu vorgesehen sein, zumindest ein Gas, insbesondere Wasserstoff, mit einem Überdruck gegenüber einer Umgebung
bereitzustellen, insbesondere mit einem Druck von wenigstens 1 bar, wobei auch Drücke von wenigstens 5 bar, wenigstens 10 bar, wenigstens 15 bar, wenigstens 20 bar, wenigstens 30 bar oder noch größere Drücke denkbar sind. Insbesondere kann die Elektrochemievorrichtung zu einer Verbindung mit einem Gasbehälter, insbesondere einem Wasserstofftank, vorgesehen sein, wobei denkbar ist, dass ein Betriebsdruck der Elektrochemievorrichtung an einen Füllstand des Gasbehälters anpassbar und/oder angepasst ist. Beispielsweise ist denkbar, dass die Elektrochemievorrichtung das Gas gegen einen Fülldruck des Gasbehälters erzeugt und diesen insbesondere ohne
Verwendung eines Kompressors oder dergleichen befüllt. Alternativ ist auch denkbar, dass die Elektrochemievorrichtung zumindest im Wesentlichen frei von einem Überdruck betrieben wird. Ferner ist denkbar, dass die Elektrochemievorrichtung bei einem konstanten Druck betreibbar ist und/oder in dem Normalbetriebszustand mit einem konstanten Arbeitsdruck betrieben ist. Insbesondere in diesem Fall ist eine Kombination mit einem Kompressor denkbar. Zudem kann die Elektrochemievorrichtung eine
Hochdruckelektrolysevorrichtung und insbesondere dazu vorgesehen sein, zumindest ein Gas, insbesondere Wasserstoff, mit einem Druck von wenigstens 50 bar, vorzugsweise von wenigstens 70 bar und besonders bevorzugt von wenigstens 100 bar oder noch mehr zu erzeugen und/oder bereitzustellen. Unter„vorgesehen" soll insbesondere speziell programmiert, ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden - -
werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem 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 kann die erste elektrochemische Zelle und/oder die zweite elektrochemische Zelle wie in diesem Zusammenhang beschrieben ausgebildet sein. Insbesondere sind wenigstens einige, vorteilhaft wenigstens ein Großteil und besonders vorteilhaft alle elektrochemischen Zellen der Zelleneinheit zumindest im Wesentlichen identisch ausgebildet und/oder von derselben und/oder einer analogen Bauart. Unter„zumindest im Wesentlichen identischen" Objekten sollen in diesem
Zusammenhang insbesondere Objekte verstanden werden, die derart konstruiert sind, dass sie jeweils eine gemeinsame Funktion erfüllen können und sich in ihrer Konstruktion abgesehen von Fertigungstoleranzen höchstens durch einzelne Elemente unterscheiden, - -
die für die gemeinsame Funktion unwesentlich sind, und vorteilhaft Objekte, die abgesehen von Fertigungstoleranzen und/oder im Rahmen fertigungstechnischer Möglichkeiten identisch ausgebildet sind, wobei unter identischen Objekten insbesondere auch zueinander symmetrische Objekte verstanden werden sollen. Unter dem Ausdruck „zu wenigstens einem Großteil" soll dabei insbesondere zu wenigstens 55 %, vorteilhaft zu wenigstens 65 %, vorzugsweise zu wenigstens 75 %, besonders bevorzugt zu wenigstens 85 % und besonders vorteilhaft zu wenigstens 95 %, insbesondere aber auch vollständig verstanden werden. Unter dem Ausdruck„wenigstens ein Großteil" sollen dabei insbesondere wenigstens 55 %, vorteilhaft wenigstens 65 %, vorzugsweise wenigstens 75 %, besonders bevorzugt wenigstens 85 % und besonders vorteilhaft wenigstens 95 %, insbesondere aber auch 100 % verstanden werden.
Vorzugsweise umfasst die Zelleneinheit eine Mehrzahl, bevorzugt eine Vielzahl, von, insbesondere zumindest im Wesentlichen identisch ausgebildeten, elektrochemischen Zellen. Insbesondere kann es sich bei der ersten elektrochemischen Zelle und/oder bei der zweiten elektrochemischen Zelle jeweils um eine beliebige, insbesondere
randständige oder mittig angeordnete, elektrochemische Zelle der Zelleneinheit handeln, wobei insbesondere die Bezeichnungen„erste" und„zweite" nicht zwingend, sondern lediglich möglicherweise als eine Reihenfolge und/oder Anordnung beschreibend zu verstehen sind. Insbesondere ist denkbar, dass die erste elektrochemische Zelle und/oder die zweite elektrochemische Zelle, insbesondere unmittelbar, benachbart oder nicht benachbart angeordnet sind. Insbesondere kann die erste elektrochemische Zelle von einer elektrochemischen Zelle der Zelleneinheit, die einer Nummerierung von
elektrochemischen Zellen der Zelleneinheit, beispielsweise ausgehend von einer Seite, gemäß mit einer Nummer Eins bezeichnet wäre, verschieden sein. Gleiches gilt insbesondere für die zweite elektrochemische Zelle, insbesondere für eine entsprechende elektrochemische Zelle mit einer Nummer Zwei. Des Weiteren ist denkbar, dass
Merkmale, die in Bezug auf die erste elektrochemische Zelle und die zweite
elektrochemische Zelle beschrieben sind, für wenigstens einen Großteil und/oder für alle elektrochemischen Zellen der Zelleneinheit gelten. Vorteilhaft umfasst die Zelleneinheit zumindest einen Zellenstapel, insbesondere einen Elektrolyse-Stack, der eine Mehrzahl, vorzugsweise eine Vielzahl, gestapelt angeordneter elektrochemischer Zellen umfasst. Vorzugsweise umfasst der Zellenstapel zumindest die . .
erste elektrochemische Zelle und/oder die zweite elektrochemische Zelle. Vorteilhaft sind die elektrochemischen Zellen des Zellenstapels zumindest im Wesentlichen identisch ausgebildet. Vorzugsweise weist der Zellenstapel Wiederholeinheiten auf, die mehrere unterschiedliche funktionelle Elemente, vorteilhaft unterschiedliche funktionelle
Zellenstapelelemente, umfassen, beispielsweise, insbesondere in der angegebenen Reihenfolge, zumindest eine Bipolarplatte und/oder zumindest ein Siebblech und/oder Lochblech oder dergleichen und/oder zumindest eine Gasdiffusionsschicht, insbesondere eine Sauerstoffdiffusionsschicht, vorteilhaft ein Titanfilz und/oder eine Membran, vorteilhaft eine Polymerelektrolytmembran, und/oder eine weitere Gasdiffusionsschicht, insbesondere eine Wasserstoffdiffusionsschicht, vorteilhaft einen Kohlenstofffilz, und/oder einen, insbesondere ein weiteres Siebblech und/oder Lochblech umfassenden,
Kompressionspuffer, insbesondere ein Compression 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.
Vorteilhaft sind die erste elektrochemische Zelle und die zweite elektrochemische Zelle in einem gemeinsamen Zellenstapel angeordnet. Es ist jedoch auch denkbar, dass die erste elektrochemische Zelle und die zweite elektrochemische Zelle in unterschiedlichen Zellenstapeln angeordnet sind.
Vorzugsweise weist die Zelleneinheit zumindest eine erste Endplatte und/oder zumindest eine zweite Endplatte auf. Besonders bevorzugt sind die elektrochemischen Zellen des Zellenstapels zwischen den Endplatten, insbesondere dicht gestapelt, angeordnet.
Vorzugsweise sind die erste Endplatte und die zweite Endplatte miteinander verbunden. Besonders bevorzugt beaufschlagen die erste Endplatte und die zweite Endplatte den . .
Zellenstapel von gegenüberliegenden Seiten und insbesondere in eine Richtung senkrecht und/oder zumindest im Wesentlichen senkrecht zu einer Stapelrichtung mit einer Druckkraft. Vorzugsweise entspricht die Stapelrichtung einer Richtung, in welcher der Zellenstapel aus elektrochemischen Zellen aufgebaut ist. Insbesondere verläuft die Stapelrichtung senkrecht und/oder zumindest im Wesentlichen senkrecht zu einer
Haupterstreckungsebene der ersten elektrochemischen Zelle und/oder senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene zumindest eines, insbesondere plattenförmigen,
Zellenstapelelements. Vorzugsweise ist der Zellenstapel derart beschaffen, dass
Haupterstreckungsebenen der elektrochemischen Zellen des Zellenstapels parallel zueinander und insbesondere senkrecht zu der Stapelrichtung angeordnet sind.
Vorzugsweise liegt in dem Normalbetriebszustand eine Arbeitsspannung zwischen einer vordersten elektrochemischen Zelle, die insbesondere an der ersten Endplatte anliegt, und einer hintersten elektrochemischen Zelle, die insbesondere an der zweiten Endplatte anliegt, an. Insbesondere in dem Fall, dass die Elektrochemievorrichtung als eine
Elektrolysevorrichtung ausgebildet ist, liegt vorteilhaft in dem Normalbetriebszustand an den elektrochemischen Zellen, insbesondere des Zellenstapels, jeweils eine
Einzelarbeitsspannung von wenigstens 0,5 V, vorteilhaft von wenigstens 1 V, besonders vorteilhaft von wenigstens 1 ,2 V und vorzugsweise von wenigstens 1 ,5 V und/oder von höchstens 10 V, vorteilhaft von höchstens 5V, besonders vorteilhaft von höchstens 2,5 V und bevorzugt von höchstens 2 V an. Es ist aber, insbesondere für andere Fälle, beispielsweise für eine Brennstoffzellenvorrichtung, denkbar, dass in dem
Normalbetriebszustand an den elektrochemischen Zellen, insbesondere des
Zellenstapels, jeweils eine Einzelarbeitsspannung anliegt, die kleiner als 1 V ist oder auch kleiner als 0,5 V oder noch kleiner oder beispielsweise auch größer als 10 V oder größer als 20 V oder größer als 50 V oder noch größer ist. Ein Fachmann wird eine geeignete Einzelarbeitsspannung einer Anwendung entsprechend beliebig wählen. Unter einer „Haupterstreckungsebene" eines Objekts soll insbesondere eine Ebene verstanden werden, welche parallel zu einer größten Seitenfläche eines kleinsten gedachten Quaders ist, welcher das Objekt gerade noch vollständig umschließt, und insbesondere durch den Mittelpunkt des Quaders verläuft. Unter„zumindest im Wesentlichen senkrecht" soll hier insbesondere eine Ausrichtung einer Richtung relativ zu einer Bezugsrichtung, insbesondere in einer Bezugsebene, verstanden werden, wobei die Richtung und die Bezugsrichtung einen Winkel einschließen, der insbesondere weniger als 8°, vorteilhaft - -
weniger als 5° und besonders vorteilhaft weniger als 2° von einem rechten Winkel abweicht.
Insbesondere ist die Fluidversorgungseinheit dazu vorgesehen, die elektrochemischen Zellen der Zelleneinheit, insbesondere die erste elektrochemische Zelle und/oder die zweite elektrochemische Zelle, mit zumindest einem Fluid, insbesondere mit Wasser, vorteilhaft mit deionisiertem Wasser, zu versorgen. Vorteilhaft ist die
Fluidversorgungseinheit dazu vorgesehen, Wasser als Edukt einer elektrolytischen Wasserspaltung und/oder als Kühlmittel der Zelleneinheit und/oder dem Zellenstapel und/oder den elektrochemischen Zellen der Zelleneinheit zur Verfügung zu stellen.
Vorzugsweise weist die Fluidversorgungseinheit zumindest einen Anschluss auf, der mit einer, insbesondere externen, Fluidversorgung, insbesondere einem Fluidkreislauf, vorzugsweise einem Wasserkreislauf verbindbar und/oder verbunden ist. Es ist auch denkbar, dass die Elektrochemievorrichtung die Fluidversorgung aufweist. Beispielsweise kann die Fluidversorgung einen Fluidversorgungskreis, insbesondere mit zumindest einer Pumpe und/oder mit zumindest einem Filter und/oder mit zumindest einem Fluidreservoir oder dergleichen umfassen. Insbesondere ist die Fluidversorgungseinheit dazu vorgesehen, zumindest einen Teil eines Fluidversorgungskreislaufs auszubilden.
Vorzugsweise wird die Zelleneinheit in dem Normalbetriebszustand mittels der
Fluideinheit mit dem Fluid, insbesondere kontinuierlich und/oder mit einem konstanten und/oder an einen jeweiligen Betriebszustand, beispielsweise in Abhängigkeit von einer Leistungsaufnahme, anpassbaren Gesamtfluss, durchspült. Vorzugsweise sind die Zelleneinheit, insbesondere der Zellenstapel, und die Fluidversorgungseinheit zumindest teilweise einteilig ausgebildet. Bevorzugt ist die Fluidversorgungseinheit frei von einem Regulierventil zum Angleichen der Volumenströme durch die erste elektrochemische Zelle und die zweite elektrochemische Zelle. Unter einem„Fluidversorgungspfad" soll insbesondere ein Bereich und/oder ein Abschnitt eines Fluidleitungssystems,
insbesondere einer Fluidleitung und/oder eines durchströmbaren und/oder, insbesondere in dem Normalbetriebszustand, durchströmten Volumens verstanden werden.
Insbesondere kann der Fluidversorgungspfad eine Fluidleitung und/oder einen
Fluidleitungsabschnitt umfassen. Insbesondere umfasst die Fluidversorgungseinheit zumindest einen Fluidversorgungspfad je elektrochemischer Zelle des Zellenstapels, wobei vorteilhaft jeweils einer elektrochemischen Zelle jeweils ein Fluidversorgungspfad, insbesondere eindeutig, zugeordnet ist und/oder durch die entsprechende . .
elektrochemische Zelle führt. Darunter, dass ein erstes Objekt und ein zweites Objekt „zumindest teilweise einteilig" ausgebildet sind, soll insbesondere verstanden werden, dass zumindest ein Element und/oder Teil des ersten Objekts und zumindest ein Element und/oder Teil des zweiten Objekts einteilig ausgebildet sind. Unter einem„Normalbetriebszustand" soll insbesondere ein Zustand verstanden werden, in welchem die Elektrochemievorrichtung und/oder die Zelleneinheit innerhalb ihrer spezifizierten Betriebsparameter und/oder fehlerfrei und/oder gemäß ihrem
Verwendungszweck betrieben wird. Insbesondere umfasst der Normalbetriebszustand eine kontinuierliche Leistungsaufnahme und/oder -abgäbe und/oder ein kontinuierliches Umsetzen von Reaktionsedukten und/oder Produkten, jeweils insbesondere mit einer zumindest im Wesentlichen konstanten Rate. Zudem kann der Normalbetriebszustand alternativ oder zusätzlich ein Hochfahren und/oder ein Herunterfahren und/oder ein, insbesondere gezieltes und/oder gesteuertes und/oder geregeltes, Umschalten von einem, insbesondere fehlerfreien, Betriebszustand in zumindest einen, insbesondere fehlerfreien, anderen Betriebszustand der Elektrochemievorrichtung und/oder der
Zelleneinheit umfassen. Vorzugsweise ist die Elektrochemievorrichtung, insbesondere die Zelleneinheit und/oder die Fluidversorgungseinheit, vorzugsweise in dem
Normalbetriebszustand, an zumindest eine Energieversorgung und/oder an zumindest eine Fluidversorgung, insbesondere eine Wasserleitung und/oder eine Gasleitung, angeschlossen. Unter einem„Volumenstrom durch eine elektrochemische Zelle" soll insbesondere ein Volumen eines Fluids, insbesondere von Wasser, welches pro Zeit durch einen Querschnitt wenigstens eines Teilbereichs der elektrochemischen Zelle, insbesondere durch einen Querschnitt zumindest eines elektrochemisch aktiven Bereichs der elektrochemischen Zelle und/oder durch einen Querschnitt der elektrochemischen Zelle, insbesondere durch einen Querschnitt senkrecht zu einer Flussrichtung des Fluids durch wenigstens den Teilbereich, fließt. Darunter, dass der Volumenstrom des Fluids durch die erste elektrochemische Zelle und durch die zweite elektrochemische Zelle zumindest im Wesentlichen identisch ist, soll insbesondere verstanden werden, dass der Volumenstrom durch die erste Zelle und der Volumenstrom durch die zweite Zelle um weniger als 30 %, vorteilhaft um weniger als 20 %, besonders vorteilhaft um weniger als 15 %, bevorzugt um weniger als 10 %, vorzugsweise um weniger als 5 % und besonders bevorzugt um weniger als 2 % voneinander abweichen. Insbesondere ist der
Volumenstrom von 0 verschieden. - -
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass in dem
Normalbetriebszustand ein Druckverlust in dem ersten Fluidversorgungspfad zumindest im Wesentlichen einem Druckverlust in dem zweiten Fluidversorgungspfad entspricht. Insbesondere entspricht ein Druckabfall von einem Zulauf des ersten
Fluidversorgungspfads zu einem Ablauf des ersten Fluidversorgungspfads zumindest im Wesentlichen einem Druckabfall von einem Zulauf des zweiten Fluidversorgungspfads zu einem Ablauf des zweiten Fluidversorgungspfads. Insbesondere ist denkbar, dass eine lokale Druckverteilung in dem ersten Fluidversorgungspfad von einer lokalen
Druckverteilung in dem zweiten Fluidversorgungspfad zumindest abschnittsweise abweicht und/oder zumindest abschnittsweise mit dieser zumindest im Wesentlichen identisch ist. Insbesondere ist in dem Normalbetriebszustand die Zelleneinheit zumindest im Wesentlichen frei von einem, insbesondere mehrere elektrochemische Zellen vollständig übergreifenden, Druckgradienten in Richtung der Stapelrichtung. Vorteilhaft sind der erste Fluidversorgungspfad und der zweite Fluidversorgungspfad hydraulisch abgeglichen. Unter„zumindest im Wesentlichen" soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass eine Abweichung von einem vorgegebenen Wert insbesondere weniger als 15 %, vorzugsweise weniger als 10 % und besonders bevorzugt weniger als 5 % des vorgegebenen Werts entspricht. Hierdurch kann vorteilhaft eine ungleichmäßige Fluidversorgung vermieden werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der erste Fluidversorgungspfad und der zweite Fluidversorgungspfad zumindest im Wesentlichen gleich lang sind. Insbesondere ist ein innerhalb der ersten elektrochemischen Zelle angeordneter erster Zellenversorgungsabschnitt des ersten Fluidversorgungspfads zumindest im Wesentlich identisch zu einem innerhalb der zweiten elektrochemischen Zelle angeordneten zweiten Zellenversorgungsabschnitt des zweiten
Fluidversorgungspfads ausgebildet und/oder zumindest im Wesentlich gleich lang wie dieser. Vorzugsweise weisen der erste Fluidversorgungspfad und der zweite
Fluidversorgungspfad zumindest abschnittsweise, insbesondere außerhalb der ersten elektrochemischen Zelle und/oder der zweiten elektrochemischen Zelle, eine zumindest im Wesentlichen identische Querschnittsfläche auf. Hierdurch kann vorteilhaft eine bauliche Einfachheit erzielt werden. Ferner kann hierdurch vorteilhaft eine Komplexität einer Fluidversorgungsgeometrie reduziert werden. Zudem kann hierdurch vorteilhaft auf - -
eine Verwendung von Regulierventilen zur Erzielung einer gleichmäßigen Durchströmung verzichtet werden.
Grundsätzlich ist jedoch auch denkbar, dass Volumenströme durch die erste
elektrochemische Zelle und die zweite elektrochemische Zelle anderweitig angeglichen werden, beispielsweise durch geeignete Regulierventile, insbesondere in Kombination mit zumindest einer Steuer- und/oder Regeleinheit und/oder in Kombination mit zumindest einem Drucksensor und/oder Flusssensor oder dergleichen, und/oder durch geeignete Wahl von, insbesondere veränderlichen, Leitungsdurchmessern und/oder
Leitungsquerschnitten und/oder variablen Dicken von elektrochemischen Zellen oder dergleichen.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der erste Fluidversorgungspfad und der zweite Fluidversorgungspfad von einem gemeinsamen Zulauf, insbesondere einem Zulauf der Fluidversorgungseinheit, zu den elektrochemischen Zellen und/oder von den elektrochemischen Zellen zu einem gemeinsamen Ablauf, insbesondere einem Ablauf der Fluidversorgungseinheit, führen. Insbesondere ist eine Anzahl von Zuläufen und/oder Abläufen der
Fluidversorgungseinheit kleiner und vorteilhaft wenigstens zehnmal oder 20-mal kleiner oder noch kleiner als eine Anzahl von Fluidversorgungspfaden und/oder eine Anzahl von elektrochemischen Zellen. Vorzugsweise weist die erste Endplatte den Zulauf auf.
Besonders bevorzugt weist die zweite Endplatte den Ablauf auf. Bevorzugt ist der Zulauf in Stapelrichtung betrachtet vor der Zelleneinheit angeordnet. Vorteilhaft ist der Ablauf in Stapelrichtung betrachtet hinter der Zelleneinheit angeordnet. Vorzugsweise sind der Zulauf und der Ablauf bei einer Betrachtung in Stapelrichtung versetzt zueinander angeordnet. Vorteilhaft führen der erste Fluidversorgungspfad und der zweite
Fluidversorgungspfad zumindest abschnittsweise durch eine gemeinsame Fluidleitung, die insbesondere von einem Leitungsabschnitt des Zulaufs und/oder von einem
Leitungsabschnitt des Ablaufs verschieden ist. Vorteilhaft ist der Zulauf und/oder der Ablauf, insbesondere jeweils, mit einem Anschluss der Fluidversorgungseinheit verbunden und/oder zu einer Verbindung mit der Fluidversorgung vorgesehen. Hierdurch kann vorteilhaft eine Elektrochemievorrichtung einfach und/oder zuverlässig in einen Fluidkreislauf eingebunden werden. - -
Zudem wird vorgeschlagen, dass die Fluidversorgungseinheit zumindest einen
Zulaufkanal und zumindest einen Ablaufkanal aufweist, die zu einem Führen des Fluids in dem Normalbetriebszustand in eine Zulaufflussrichtung und in eine Ablaufflussrichtung vorgesehen sind, die zumindest im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
Vorzugsweise verläuft die Zulaufrichtung und/oder die Abiaufrichtung zumindest im Wesentlichen parallel zu der Stapelrichtung. Insbesondere ist der Zulaufkanal mit dem Zulauf und/oder der Ablaufkanal mit dem Ablauf verbunden. Vorzugsweise sind die Zulaufrichtung und die Abiaufrichtung identisch. Vorteilhaft verläuft eine Längsachse des Zulaufkanals parallel zu einer Längsachse des Ablaufkanals. Insbesondere sind der Zulaufkanal und der Ablaufkanal zueinander versetzt angeordnet, insbesondere in einer Betrachtung entlang der Stapelrichtung. Vorzugsweise verlaufen wenigstens einige, besonders bevorzugt alle, Fluidversorgungspfade des Zellenstapels zumindest abschnittsweise durch den Zulaufkanal und/oder zumindest abschnittsweise durch den Ablaufkanal. Insbesondere ist der Zulaufkanal und/oder der Ablaufkanal eine gemeinsame Fluidleitung mehrerer, insbesondere aller, elektrochemischer Zellen des Zellenstapels und/oder der Zelleneinheit. Unter„zumindest im Wesentlichen parallel" soll hier insbesondere eine Ausrichtung einer Richtung relativ zu einer Bezugsrichtung, insbesondere in einer Ebene, verstanden werden, wobei die Richtung gegenüber der Bezugsrichtung eine Abweichung insbesondere kleiner als 8°, vorteilhaft kleiner als 5° und besonders vorteilhaft kleiner als 2° aufweist. Hierdurch kann vorteilhaft eine gleichmäßige Durchströmung einer einfach in einen Fluidkreislauf integrierbaren
Elektrochemievorrichtung erzielt werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass eine Summe einer Länge eines ersten
Zulaufabschnitts und einer Länge eines ersten Ablaufabschnitts des ersten
Fluidversorgungspfads zumindest im Wesentlichen einer Summer einer Länge eines zweiten Zulaufabschnitts und einer Länge eines zweiten Ablaufabschnitts des zweiten Fluidversorgungspfads entspricht. Beispielsweise ist der erste Zulaufabschnitt um denselben oder zumindest im Wesentlichen denselben Betrag kürzer als der zweite Zulaufabschnitt, um den der erste Ablaufabschnitt länger ist als der zweite Ablaufabschnitt oder umgekehrt. Hierdurch kann vorteilhaft eine einfache und eine gleichmäßige
Versorgung ermöglichende Fluidversorgungsgeometrie bereitgestellt werden. - -
Undichtigkeiten in einem Zellenstapel und/oder Druckunterschiede entlang einer Stapelrichtung können insbesondere vermieden werden, wenn ein Druckverlust in dem ersten Zulaufabschnitt größer ist als ein Druckverlust in dem zweiten Zulaufabschnitt und ein Druckverlust in dem ersten Ablaufabschnitt kleiner ist als ein Druckverlust in dem zweiten Ablaufabschnitt. Vorzugsweise entspricht eine Summe aller Teildruckverluste in dem ersten Fluidversorgungspfad zumindest im Wesentlichen einer Summer aller Teildruckverluste in dem zweiten Fluidversorgungspfad, wobei es sich jeweils insbesondere um eine Summe zumindest eines Zulaufdruckverlusts, eines
Zellendruckverlusts und eines Ablaufdruckverlusts handelt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der
Zulaufkanal den ersten Zulaufabschnitt und den zweiten Zulaufabschnitt und/oder der Ablaufkanal den ersten Ablaufabschnitt und den zweiten Ablaufabschnitt zumindest teilweise ausbildet. Vorteilhaft sind der erste Zulaufabschnitt und der zweite
Zulaufabschnitt zumindest abschnittsweise identisch und insbesondere zumindest abschnittsweise identisch mit dem Zulaufkanal. Vorzugsweise sind der erste
Ablaufabschnitt und der zweite Ablaufabschnitt zumindest abschnittsweise identisch und insbesondere zumindest abschnittsweise identisch mit dem Ablaufkanal. Hierdurch kann vorteilhaft ein gemeinsamer Zulauf und/oder ein gemeinsamer Ablauf für
elektrochemische Zellen beispielsweise eines Zellenstapels verwendet werden. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die erste elektrochemische Zelle zumindest ein funktionelles Element aufweist, das zumindest einen Abschnitt des ersten Fluidversorgungspfads und zumindest einen Abschnitt des zweiten Fluidversorgungspfads ausbildet. Insbesondere bilden mehrere, insbesondere gestapelt angeordnete, funktionelle Elemente der Zelleneinheit, insbesondere des Zellenstapels, gemeinsam den ersten Fluidversorgungspfad und/oder den zweiten Fluidversorgungspfad gemeinsam aus. Vorzugsweise bilden funktionelle Elemente unterschiedlicher elektrochemischer Zellen zumindest einen Abschnitt des Zulaufkanals und/oder den Zulaufkanal und/oder zumindest einen Abschnitt des Ablaufkanals und/oder den Ablaufkanal aus. Hierdurch kann vorteilhaft eine kompakte Bauweise erzielt werden.
Außerdem wird vorgeschlagen, dass das funktionelle Element ein funktionelles
Zellenstapelelement ist. Insbesondere kann das Zellenstapelelement von der Art eines - -
der oben erwähnten Zellenstapelelemente sein. Vorzugsweise ist das
Zellenstapelelement plattenförmig und/oder plattenartig und/oder mit anderen
Zellenstapelelementen zu dem Zellenstapel stapelbar ausgebildet. Bevorzugt weist das Zellenstapelelement zumindest eine Ausnehmung, insbesondere eine Durchführung, auf, die dazu vorgesehen ist, insbesondere fluchtend, Durchführungen anderer
Zellenstapelelemente benachbart und/oder mit diesen in Reihe angeordnet zu werden, sodass vorteilhaft ein Fluidkanal von den Durchführungen gebildet ist. Vorzugsweise bilden die unterschiedlichen Zellenstapelelemente des Zellenstapels gemeinsam, insbesondere gemeinsam mit den Endplatten, den Zulaufkanal und/oder den Ablaufkanal und/oder jeweils zumindest einen Abschnitt jeweils eines Fluidversorgungspfads für die elektrochemischen Zellen des Zellenstapels aus. Vorteilhaft verläuft der erste
Fluidversorgungspfad, insbesondere in dieser Reihenfolge, von dem Zulauf durch den, insbesondere von einer Vielzahl gestapelter Zellenstapelelemente unterschiedlicher gestapelter elektrochemischer Zellen gebildeten, insbesondere parallel zu der
Stapelrichtung angeordneten, Zulaufkanal und/oder durch die erste elektrochemische Zelle und/oder durch den, insbesondere von einer Vielzahl gestapelter
Zellenstapelelemente unterschiedlicher gestapelter elektrochemischer Zellen gebildeten, insbesondere parallel zu der Stapelrichtung angeordneten, Ablaufkanal zu dem Ablauf. Vorzugsweise verläuft der erste Fluidversorgungspfad durch die erste elektrochemische Zelle hindurch in eine Richtung, die zumindest im Wesentlichen senkrecht zu der Stapelrichtung und/oder zumindest im Wesentlichen parallel zu einer
Haupterstreckungsebene der ersten elektrochemischen Zelle verläuft. Hierdurch kann eine einfach und/oder kostengünstig zu fertigende Elektrochemievorrichtung bereitgestellt werden. Eine hohe Zuverlässigkeit und/oder eine hohe Effizienz und/oder vorteilhafte
Eigenschaften hinsichtlich eines Betriebs können mit einem Elektrolyseur mit zumindest einer erfindungsgemäßen Elektrochemievorrichtung erzielt werden.
Zudem geht die Erfindung aus von einem Verfahren zum Betrieb einer
Elektrochemievorrichtung, insbesondere einer Elektrolysevorrichtung, insbesondere einer Polymerelektrolytmembran-Elektrolysevorrichtung, mit zumindest einer Zelleneinheit, die zumindest eine erste elektrochemische Zelle und zumindest eine zweite elektrochemische Zelle umfasst. - -
Es wird vorgeschlagen, dass die erste elektrochemische Zelle und die zweite
elektrochemische Zelle mit einem Fluid, insbesondere mit Wasser, derart durchströmt werden, dass ein Volumenstrom des Fluids durch die erste elektrochemische Zelle und durch die zweite elektrochemische Zelle zumindest im Wesentlichen identisch ist. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere ein zuverlässiger und/oder effizienter Betrieb erzielt werden. Ferner kann eine Elektrochemievorrichtung mit vorteilhaften Eigenschaften hinsichtlich einer Fluidversorgung bereitgestellt werden.
Zudem kann eine bauliche Einfachheit und/oder eine reduzierte Teilevielfalt erzielt werden. Außerdem kann eine gleichmäßige Druckverteilung in einem Zellenstapel erzielt werden. Vorteilhaft können elektrochemische Zellen gleichmäßig mit Fluid, insbesondere mit Wasser, versorgt werden. Des Weiteren kann insbesondere im Fall von Zellenstapeln mit einer großen Anzahl von Einzelzellen eine gleichmäßige und/oder umfassende Fluidversorgung erzielt werden. Vorteilhaft kann eine ungleichmäßige Erwärmung vermieden werden. Außerdem kann vorteilhaft eine hohe Dichtigkeit eines Zellenstapels erzielt werden. Weiterhin kann ein hoher Wirkungsgrad, insbesondere einer
Wasserstofferzeugung, erzielt werden. In vorteilhafter Weise kann zur Erzielung einer gleichmäßigen Fluidversorgung auf Regelventile oder dergleichen zumindest weitgehend verzichtet werden.
Die erfindungsgemäße Elektrochemievorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren sollen hierbei nicht auf die oben beschriebenen Anwendungen und Ausführungsformen beschränkt sein. Insbesondere können die erfindungsgemäße Elektrochemievorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen und/oder Bauteilen und/oder Einheiten und/oder Verfahrensschritten abweichende Anzahl aufweisen. Zudem sollen bei den in dieser Offenbarung angegebenen Wertebereichen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als offenbart und als beliebig einsetzbar gelten.
Zeichnungen - -
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Elektrolyseur mit einer Elektrochemievorrichtung in einer
schematischen Seitenansicht,
Fig. 2 ein funktionelles Element einer elektrochemischen Zelle der
Elektrochemievorrichtung in einer schematischen Draufsicht,
Fig. 3 die Elektrochemievorrichtung in einer schematischen Frontalansicht, Fig. 4 eine erste alternative Elektrochemievorrichtung in einer schematischen
Seitenansicht,
Fig. 5 eine zweite alternative Elektrochemievorrichtung in einer schematischen
Seitenansicht und
Fig. 6 eine dritte alternative Elektrochemievorrichtung in einer schematischen
Seitenansicht.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die Figur 1 zeigt einen Elektrolyseur 48a mit einer Elektrochemievorrichtung 10a in einer schematischen Seitenansicht. Der Elektrolyseur 48a ist im vorliegenden Fall lediglich schematisch gezeigt und kann nicht dargestellte Komponenten umfassen, wie
beispielsweise Stromanschlüsse, ein Gehäuse, einen Wasserkreislauf, eine Steuer- und/oder Regeleinheit oder dergleichen. Die Elektrochemievorrichtung 10a ist im vorliegenden Fall als eine Elektrolyseurvorrichtung ausgebildet. Insbesondere ist die Elektrolysevorrichtung 10a eine Wasserstoffelektrolysevorrichtung. Wie oben erwähnt, ist jedoch auch denkbar, dass die Elektrochemievorrichtung 10a als eine
Brennstoffzellenvorrichtung, eine Messgerätevorrichtung, eine Galvanisierungsvorrichtung oder dergleichen ausgebildet ist.
Die Elektrochemievorrichtung 10a weist eine Zelleneinheit 12a auf, die zumindest eine erste elektrochemische Zelle 14a und zumindest eine zweite elektrochemische Zelle 16a - -
umfasst. Im vorliegenden Fall weist die Zelleneinheit 12a eine Vielzahl von
elektrochemischen Zellen 14a, 16a auf, von denen aus Gründen einer Übersichtlichkeit schematisch lediglich fünf dargestellt und die nicht alle mit Bezugszeichen versehen sind. Zudem sind die elektrochemischen Zellen 14a, 16a der Zelleneinheit 12a in der Figur 1 nicht maßstabsgetreu dargestellt. Insbesondere können die elektrochemischen Zellen 14a, 16a der Zelleneinheit 12a wesentlich flacher ausgebildet sein als in der
schematischen Darstellung der Figur 1 . Beispielsweise kann die Zelleneinheit 12a 20 oder 30 oder 50 oder 100 oder 150 oder 200 elektrochemische Zellen umfassen.
Die Zelleneinheit 12a weist einen Zellenstapel 46a auf, der eine Mehrzahl gestapelt angeordneter elektrochemischer Zellen 14a, 16a umfasst. Im vorliegenden Fall sind sämtliche elektrochemische Zellen 14a, 16a der Zelleneinheit 12a zu dem Zellenstapel 46a gestapelt. Ferner sind im vorliegenden Fall die elektrochemischen Zellen 14a, 16a der Zelleneinheit 12a zumindest im Wesentlichen identisch zueinander ausgebildet. Der Zellenstapel 46a ist im vorliegenden Fall ein Elektrolyse-Stack. Die elektrochemischen Zellen 14a, 16a der Zelleneinheit 12a sind in eine Stapelrichtung 50a gestapelt. Die Stapelrichtung 50a entspricht einer Stapeldickenrichtung des Zellenstapels 46a. Die Stapelrichtung 50a verläuft im vorliegenden Fall senkrecht zu einer
Haupterstreckungsebene der ersten elektrochemischen Zelle 14a. Ferner sind im vorliegenden Fall Haupterstreckungsebenen der elektrochemischen Zellen 14a, 16a der Zelleneinheit 12a parallel zueinander angeordnet.
Die Zelleneinheit 12a weist eine erste Endplatte 52a und eine zweite Endplatte 54a auf. Die erste Endplatte 52a und die zweite Endplatte 54a begrenzen die elektrochemischen Zellen 14a, 16a des Zellenstapels 46a zu gegenüberliegenden Seiten des Zellenstapels 46a hin. Die Endplatten 52a, 54a sind beispielsweise mittels Verbindungsstreben miteinander verbunden und beaufschlagen die elektrochemischen Zellen 14a, 16a des Zellenstapels 46a mit einer Druckkraft, die insbesondere einem Druck aufgrund einer Bildung von Wasserstoffgas und/oder Sauerstoffgas entgegenwirkt beziehungsweise insbesondere eine Dichtigkeit der aneinandergepressten elektrochemischen Zellen 14a, 16a untereinander und/oder eine Dichtigkeit der jeweiligen elektrochemischen Zelle 14a, 16a bewerkstelligt oder zumindest zu dieser beiträgt.
Die Elektrochemievorrichtung 10a weist nicht gezeigte Kontaktelemente zur Verbindung mit einer Leistungsversorgung auf. In einem Normalbetriebszustand wird die Zelleneinheit - -
12a über die Kontaktelemente mit elektrischer Leistung versorgt. Eine Gesamtspannung liegt dabei zwischen einer vordersten elektrochemischen Zelle 56a, die insbesondere an der ersten Endplatte 52a anliegt, und einer hintersten elektrochemischen Zelle 58a, die insbesondere an der zweiten Endplatte 54a anliegt, an. An einzelnen elektrochemischen Zellen 14a, 16a, 56a, 58a der Zelleneinheit 12a liegt in dem Normalbetriebszustand jeweils eine Spannung zwischen etwa 1 V und etwas 2,5 V an, wie insbesondere auch oben erwähnt.
Die Elektrochemievorrichtung 10a weist eine Fluidversorgungseinheit 18a auf. Die Fluidversorgungseinheit 18a ist im vorliegenden Fall zu einer Versorgung der
Zelleneinheit 12a, insbesondere des Zellenstapels 46a, mit einem Fluid vorgesehen. Im vorliegenden Fall ist das Fluid Wasser, insbesondere deionisiertes Wasser. Das Fluid dient als Ausgangsprodukt für eine elektrolytische Reaktion. Ferner dient im vorliegenden Fall das Fluid zusätzlich als Kühlmittel. Es ist jedoch grundsätzlich denkbar, dass die Elektrochemievorrichtung 10a mehrere unterschiedliche Fluidversorgungseinheiten 18a aufweist, die zur getrennten Versorgung mit insbesondere unterschiedlichen Fluiden, beispielsweise mit Reaktionsgasen, Kühlmitteln, Eduktfluiden oder dergleichen vorgesehen sind.
Die Fluidversorgungseinheit 18a weist zumindest einen ersten Fluidversorgungspfad 20a auf, der zumindest abschnittsweise durch die erste elektrochemische Zelle 14a führt. Zudem weist die Fluidversorgungseinheit 18a zumindest einen zweiten
Fluidversorgungspfad 22a auf, der zumindest abschnittsweise durch die zweite elektrochemische Zelle 16a führt. Verläufe des ersten Fluidversorgungspfads 20a und des zweiten Fluidversorgungspfads 22a sind in der Figur 1 schematisch als Linien dargestellt. Der erste Fluidversorgungspfad 20a und der zweite Fluidversorgungspfad 22a umfassen jeweils ein von dem Fluid durchströmbares Volumen.
Die Fluidversorgungseinheit 18a ist derart ausgebildet, dass in dem
Normalbetriebszustand ein Volumenstrom des Fluids durch die erste elektrochemische Zelle 14a und durch die zweite elektrochemische Zelle 16a zumindest im Wesentlichen identisch ist. Insbesondere produziert die Elektrochemievorrichtung 10a in dem
Normalbetriebszustand Wasserstoffgas. Ferner wird in dem Normalbetriebszustand die Zelleneinheit 12a kontinuierlich mit einem Fluidstrom versorgt, beispielsweise mittels eines nicht gezeigten Fluidkreislaufs und/oder einer nicht gezeigten Pumpe. Im - -
vorliegenden Fall sind die erste elektrochemische Zelle 14a und die zweite
elektrochemische Zelle 16a zumindest im Wesentlichen identisch ausgebildet.
Insbesondere weisen die erste elektrochemische Zelle 14a und die zweite
elektrochemische Zelle 16a einen zumindest im Wesentlichen identisch ausgebildeten Innenraum und/oder einen zumindest im Wesentlichen identisch ausgebildeten inneren Querschnitt auf, der in dem Normalbetriebszustand insbesondere von dem Fluid durchströmt ist. Im vorliegenden Fall ist ein Volumenstrom durch jede der
elektrochemischen Zellen 14a, 16a, 56a, 58a der Zelleneinheit 12a zumindest im
Wesentlichen identisch. Die elektrochemischen Zellen 14a, 16a, 56a, 58a des
Zellenstapels 46a werden in dem Normalbetriebszustand gleichmäßig und/oder gleichartig und/oder mit identischen Volumenströmen durchströmt.
Bei einem Verfahren zum Betrieb der Elektrochemievorrichtung 10a werden die erste elektrochemische Zelle 14a und die zweite elektrochemische Zelle 16a derart mit dem Fluid durchströmt, dass ein Volumenstrom des Fluids durch die erste elektrochemische Zelle 14a und durch die zweite elektrochemische Zelle 16a zumindest im Wesentlichen identisch ist.
Ferner entspricht in dem Normalbetriebszustand ein Druckverlust in dem ersten
Fluidversorgungspfad 20a zumindest im Wesentlichen einem Druckverlust in dem zweiten Fluidversorgungspfad 22a. Im vorliegenden Fall ist ein Druckverlust in jeder der elektrochemischen Zellen 14a, 16a, 56a, 58a der Zelleneinheit 12a zumindest im
Wesentlichen identisch. Ferner ist im vorliegenden Fall der Zellenstapel 46a frei von einem Druckgradienten, der in Stapelrichtung 50a mehrere elektrochemische Zellen umfasst. Insbesondere entspricht ein Druckverlust in der vordersten elektrochemischen Zelle 56a zumindest im Wesentlichen einem Druckverlust in der hintersten
elektrochemischen Zelle 58a.
Der erste Fluidversorgungspfad 20a und der zweite Fluidversorgungspfad 22a sind zumindest im Wesentlichen gleich lang. Im vorliegenden Fall umfasst die
Fluidversorgungseinheit 18a jeweils einen Fluidversorgungspfad 20a, 22a je
elektrochemischer Zelle 14a, 16a, 56a, 58a, wobei die Fluidversorgungspfade 20a, 22a jeweils einer elektrochemischen Zelle 14a, 16a, 56a, 58a insbesondere eindeutig zugeordnet sind. Aus Gründen einer Übersichtlichkeit sind in der Figur 1 , analog zu den elektrochemischen Zellen 14a, 16a, 56a, 58a, lediglich fünf Fluidversorgungspfade 20a, . -
22a dargestellt und lediglich zwei mit Bezugszeichen versehen. Zudem sind im
vorliegenden Fall alle der Fluidversorgungspfade 20a, 22a zumindest im Wesentlichen gleich lang.
Der erste Fluidversorgungspfad 20a und der zweite Fluidversorgungspfad 22a führen von einem gemeinsamen Zulauf 24a zu den elektrochemischen Zellen 14a, 16a. Ferner führen der erste Fluidversorgungspfad 20a und der zweite Fluidversorgungspfad 22a von den elektrochemischen Zellen 14a, 16a zu einem gemeinsamen Ablauf 26a. Der Zulauf 24a und der Ablauf 26a sind mit dem nicht gezeigten Fluidkreislauf verbunden. In dem Normalbetriebszustand zirkuliert das Fluid von dem Zulauf 24a durch den Zellenstapel 46a zu dem Ablauf 26a, von dort durch eine Rückleitung und/oder ein Fluidreservoir und/oder einen Filter und/oder eine Pumpe oder dergleichen und wieder zu dem Zulauf 24a. Der Zulauf 24a ist mit der ersten Endplatte 52a verbunden und/oder wird von dieser zumindest teilweise ausgebildet. Der Ablauf 26a ist mit der zweiten Endplatte 54a verbunden und/oder wird von dieser zumindest teilweise ausgebildet. Der Zulauf 24a und der Ablauf 26a sind, insbesondere in einer Betrachtung parallel zu der Stapelrichtung 50a, versetzt zueinander angeordnet.
Die Fluidversorgungseinheit 18a weist zumindest einen Zulaufkanal 28a und zumindest einen Ablaufkanal 30a auf, die zu einem Führen des Fluids in dem Normalbetriebszustand in eine Zulaufflussrichtung 32a und in eine Ablaufflussrichtung 34a vorgesehen sind, die zumindest im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Im vorliegenden Fall verläuft die Zulaufflussrichtung 32a parallel zu der Ablaufflussrichtung 34a. Die Zulaufflussrichtung 32a verläuft parallel zu der Stapelrichtung 50a. Die Ablaufflussrichtung 34a verläuft parallel zu der Stapelrichtung 50a.
Eine Summe einer Länge eines ersten Zulaufabschnitts 36a und einer Länge eines ersten Ablaufabschnitts 38a des ersten Fluidversorgungspfads 20a entspricht zumindest im Wesentlichen einer Summer einer Länge eines zweiten Zulaufabschnitts 40a und einer Länge eines zweiten Ablaufabschnitts 42a des zweiten Fluidversorgungspfads 22a.
Insbesondere erstrecken sich der erste Zulaufabschnitt 36a beziehungsweise der zweite Zulaufabschnitt 40a jeweils von dem Zulauf 24a zu der ersten elektrochemischen Zelle 14a beziehungsweise zu der zweiten elektrochemischen Zelle 16a. Ferner erstrecken sich im vorliegenden Fall der erste Ablaufabschnitt 38a beziehungsweise der zweite
Ablaufabschnitt 42a jeweils von der ersten elektrochemischen Zelle 14a beziehungsweise - -
von der zweiten elektrochemischen Zelle 16a zu dem Ablauf 26a. Im vorliegenden Fall ist der erste Zulaufabschnitt 36a kürzer als der zweite Zulaufabschnitt 40a. Zudem ist im vorliegenden Fall der erst Ablaufabschnitt 38a länger als der zweite Ablaufabschnitt 42a, insbesondere um ebendenselben Betrag. Ein Druckverlust in dem ersten Zulaufabschnitt 36a ist größer als ein Druckverlust in dem zweiten Zulaufabschnitt 40a. Zudem ist ein Druckverlust in dem ersten Ablaufabschnitt 38a kleiner als ein Druckverlust in dem zweiten Ablaufabschnitt 42a. Insbesondere entspricht eine Summe von Teildruckverlusten in dem ersten Zulaufabschnitt 36a, in der ersten elektrochemischen Zelle 14a und in dem ersten Ablaufabschnitt 38a zumindest im Wesentlichen einer Summe von Teildruckverlusten in dem zweiten Zulaufabschnitt 40a, in der zweiten elektrochemischen Zelle 16a und in dem zweiten Ablaufabschnitt 42a.
Der Zulaufkanal 28a bildet den ersten Zulaufabschnitt 36a und den zweiten
Zulaufabschnitt 40a zumindest teilweise, insbesondere vollständig aus. Der Ablaufkanal 30a bildet den ersten Ablaufabschnitt 38a und den zweiten Ablaufabschnitt 42a zumindest teilweise, insbesondere vollständig, aus. Im vorliegenden Fall führt jeweils ein
Fluidversorgungspfad 20a, 22a der Fluidversorgungseinheit 18a abschnittsweise durch den Zulaufkanal 28a zu jeweils einer elektrochemischen Zelle 14a, 16a, 56a, 58a der Zelleneinheit 12a. Zudem führt jeweils ein Fluidversorgungspfad 20a, 22a der
Fluidversorgungseinheit 18a von jeweils einer elektrochemischen Zelle 14a, 16a, 56a, 58a der Zelleneinheit 12a abschnittsweise durch den Ablaufkanal 30a.
Im vorliegenden Fall gilt das hier exemplarisch für den ersten Fluidversorgungspfad 20a und den zweiten Fluidversorgungspfad 22a Beschriebene analog für alle
Fluidversorgungspfade 20a, 22a der elektrochemischen Zellen 14a, 16a, 56a, 58a der Zelleneinheit 12a. Die Figur 2 zeigt ein funktionelles Element 44a der ersten elektrochemischen Zelle 14a in einer schematischen Draufsicht. Im vorliegenden Fall ist das funktionelle Element 44a als ein Zellenstapelelement ausgebildet. Das funktionelle Element 44a ist plattenartig ausgebildet. Das funktionelle Element 44a kann beispielsweise eine Bipolarplatte, ein Pressure Päd, Lochblech, ein Siebblech, eine Membran oder dergleichen sein. Wie oben beschrieben ist die erste elektrochemische Zelle 14a aus einer Mehrzahl unterschiedlicher funktioneller Elemente 44a, insbesondere unterschiedlicher funktioneller . -
Zellenstapelelemente, ausgebildet, die in den Figuren nicht einzeln dargestellt sind.
Zudem umfasst, wie oben beschrieben, der Zellenstapel 46a eine Vielzahl von
Wiederholeinheiten unterschiedlicher Zellenstapelelemente, die den Zellenstapel 46a sowie dessen elektrochemische Zellen 14a, 16a, 56a, 58a ausbilden. Das funktionelle Element 44a bildet zumindest einen Abschnitt des ersten
Fluidversorgungspfads 20a und zumindest einen Abschnitt des zweiten
Fluidversorgungspfads 22a aus. Eine Länge dieser Abschnitte entspricht zumindest im Wesentlichen einer Dicke des funktionellen Elements 44a, die insbesondere in einem Bereich von etwa 0,1 mm bis mehrere Millimeter liegt. Das funktionelle Element 44a weist eine erste Ausnehmung 60a auf, die im vorliegenden Fall als eine Durchführung ausgebildet ist. Die erste Ausnehmung 60a ist dazu
vorgesehen, mit anderen, insbesondere analog ausgebildeten, Ausnehmungen anderer funktioneller Elemente in Reihe, insbesondere fluchtend, angeordnet zu werden und/oder gemeinsam mit diesen den Zulaufkanal 28a auszubilden. Der Zulaufkanal 28a erstreckt sich insbesondere durch mehrere unterschiedliche funktionelle Elemente 44a
unterschiedlicher elektrochemischer Zellen 14a, 16a, 56a, 58a hindurch. Im vorliegenden Fall weist das funktionelle Element 44a drei analog ausgebildete erste Ausnehmungen 60a, 62a, 64a auf. Entsprechend weist die Fluidversorgungseinheit 18a im vorliegenden Fall drei analog ausgebildete und insbesondere parallel verlaufende Zulaufkanäle 28a auf. Das funktionelle Element 44a weist eine zweite Ausnehmung 66a auf, die im vorliegenden Fall als eine Durchführung ausgebildet ist. Die zweite Ausnehmung 66a ist dazu vorgesehen, mit anderen, insbesondere analog ausgebildeten, Ausnehmungen anderer funktioneller Elemente in Reihe, insbesondere fluchtend, angeordnet zu werden und/oder gemeinsam mit diesen den Ablaufkanal 30a auszubilden. Der Ablaufkanal 30a erstreckt sich insbesondere durch mehrere unterschiedliche funktionelle Elemente 44a
unterschiedlicher elektrochemischer Zellen 14a, 16a, 56a, 58a hindurch. Im vorliegenden Fall weist das funktionelle Element 44a drei analog ausgebildete zweite Ausnehmungen 66a, 68a, 70a auf. Entsprechend weist die Fluidversorgungseinheit 18a im vorliegenden Fall drei analog ausgebildete und insbesondere parallel verlaufende Ablaufkanäle 30a auf. . -
Die Ausnehmungen 60a, 62a, 64a, 66a, 68a, 70a sind zu einem Inneren der ersten elektrochemischen Zelle 14a hin geöffnet, sodass der erste Fluidversorgungspfad 20a durch die erste elektrochemische Zelle 14a hindurch führen kann. Insbesondere zweigt der erste Fluidversorgungspfad 20a von dem Zulaufkanal 28a in einen Innenraum der ersten elektrochemischen Zelle 14a hinein ab und/oder aus dem Innenraum der ersten elektrochemischen Zelle 14a hinaus in den Ablaufkanal 30a ein. Die funktionellen Elemente 44a des Zellenstapels 46a bilden die elektrochemischen Zellen 14a, 16a, 56a, 58a sowie die Fluidversorgungspfade 20a, 22a der Fluidversorgungseinheit 18a zumindest teilweise aus. Die Ausnehmungen 60a, 62a, 64a, 66a, 68a, 70a sind derart angeordnet, dass sie sich gemeinsam über wenigstens einen Großteil einer Breite des funktionellen Elements 44a erstrecken, wodurch vorteilhaft Druckgradienten in
Querrichtung vermieden werden können und/oder eine gleichmäßige Fluiddurchströmung erzielt werden kann.
Es ist denkbar, dass die Zulaufkanäle 28a querverbunden sind oder dass die
Fluidversorgungseinheit 18a einen einzelnen Zulaufkanal 28a aufweist, der sich insbesondere über wenigstens einen Großteil einer Breite des funktionellen Elements 44a erstreckt. Analog können die Ablaufkanäle 30a querverbunden sein. Ebenso analog kann die Fluidversorgungseinheit 18a einen einzelnen, breiten Ablaufkanal 30a aufweisen.
Die Figur 3 zeigt die Elektrochemievorrichtung 10a in einer schematischen Frontalansicht betrachtet in Stapelrichtung 50a. Im vorliegenden Fall ist der Zulauf 24a als eine mehrfach abzweigende Leitung ausgebildet, wobei jeweils ein Leitungszweig mit einem der Zulaufkanäle 28a verbunden ist. In analoger Weise ist der Ablauf 26a als eine mehrfach abzweigende Leitung ausgebildet, wobei jeweils ein Leitungszweig mit einem der Ablaufkanäle 30a verbunden ist. Insbesondere sind deshalb beliebige
Fluidversorgungspfade 20a, 22a ausgehend von einer Hauptleitung des Zulaufs 24a zu einer Hauptleitung des Ablaufs 26a gleich lang, analog zu den Fluidversorgungspfaden 20a, 22a innerhalb der Zelleneinheit 12a.
In den Figuren 4 bis 6 sind drei weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt. Die nachfolgenden Beschreibungen und die Zeichnungen beschränken sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen, wobei bezüglich gleich bezeichneter Bauteile, insbesondere in Bezug auf Bauteile mit gleichen Bezugszeichen, grundsätzlich auch auf die Zeichnungen und/oder die Beschreibung der anderen . -
Ausführungsbeispiele, insbesondere der Figuren 1 bis 3, verwiesen werden kann. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele ist der Buchstabe a den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels in den Figuren 1 bis 3 nachgestellt. In den Ausführungsbeispielen der Figuren 4 bis 6 ist der Buchstabe a durch die Buchstaben b bis d ersetzt. Die Figur 4 zeigt eine erste alternative Elektrochemievorrichtung 10b in einer
schematischen Seitenansicht. Die erste alternative Elektrochemievorrichtung 10b weist eine Zelleneinheit 12b auf, die zumindest eine erste elektrochemische Zelle 14b und zumindest eine zweite elektrochemische Zelle 16b umfasst. Ferner weist die erste alternative Elektrochemievorrichtung 10b eine Fluidversorgungseinheit 18b zur
Versorgung der Zelleneinheit 12b mit zumindest einem Fluid auf. Die
Fluidversorgungseinheit 18b umfasst zumindest einen ersten Fluidversorgungspfad 20b, der zumindest abschnittsweise durch die erste elektrochemische Zelle 14b führt, und zumindest einen zweiten Fluidversorgungspfad 22b, der zumindest abschnittsweise durch die zweite elektrochemische Zelle 16b führt. Die Fluidversorgungseinheit 18b ist derart ausgebildet, dass in zumindest einem Normalbetriebszustand ein Volumenstrom des
Fluids durch die erste elektrochemische Zelle 14b und durch die zweite elektrochemische Zelle 16b zumindest im Wesentlichen identisch ist. Im vorliegenden Fall sind der erste Fluidversorgungspfad 20b und der zweite Fluidversorgungspfad 22b zumindest im Wesentlichen gleich lang. Die Fluidversorgungseinheit 18b umfasst zumindest einen außerhalb der
elektrochemischen Zellen 14b, 16b und/oder außerhalb der Zelleneinheit 12b
angeordneten Zulaufkanal 28b. Der Zulaufkanal 28b ist ein gemeinsamerr Zulaufkanal für die Fluidversorgungspfade 20b, 22b der Fluidversorgungseinheit 18b. Ferner umfasst die Fluidversorgungseinheit 18b zumindest einen außerhalb der elektrochemischen Zellen 14b, 16b und/oder außerhalb der Zelleneinheit 12b angeordneten Ablaufkanal 30b. Der Ablaufkanal 30b ist ein gemeinsamer Ablaufkanal für die Fluidversorgungspfade 20b, 22b der Fluidversorgungseinheit 18b.
Im vorliegenden Fall ist der ersten elektrochemischen Zelle 14b und der zweiten elektrochemischen Zelle 16b jeweils ein außerhalb der Zelleneinheit 12b angeordneter Zuleitungsabschnitt 72b, 74b, insbesondere eindeutig, zugeordnet. Die
Zuleitungsabschnitte 72b, 74b führen seitlich in die elektrochemischen Zellen 14b, 16b. Die elektrochemischen Zellen 14b, 16b sind einzeln und/oder unabhängig voneinander . -
fluidversorgt. Die Zuleitungsabschnitte 72b, 74b münden in den gemeinsamen
Zulaufkanal 28b. In analoger Weise umfasst die Fluidversorgungseinheit 18b
entsprechende Ableitungsabschnitte 76b, 78b. Im vorliegenden Fall ist jeder
elektrochemischen Zelle 14b, 16b der Zelleneinheit 12b jeweils zumindest ein individueller Zuleitungsabschnitt 72b, 74b und/oder jeweils zumindest ein individueller
Ableitungsabschnitt 76b, 78b eindeutig zugeordnet.
Mittels der gezeigten Geometrie der Fluidversorgungseinheit 18b können insbesondere auch beliebig angeordnete elektrochemische Zellen in analoger Weise gleichmäßig mit einem Fluid versorgt werden, insbesondere elektrochemische Zellen, die nicht gestapelt und/oder aufgereiht angeordnet sind.
Die Figur 5 zeigt eine erste alternative Elektrochemievorrichtung 10c in einer
schematischen Seitenansicht. Die erste alternative Elektrochemievorrichtung 10c weist eine Zelleneinheit 12c auf, die zumindest eine erste elektrochemische Zelle 14c und zumindest eine zweite elektrochemische Zelle 16c umfasst. Ferner weist die erste alternative Elektrochemievorrichtung 10c eine Fluidversorgungseinheit 18c zur
Versorgung der Zelleneinheit 12c mit zumindest einem Fluid auf. Die
Fluidversorgungseinheit 18c umfasst zumindest einen ersten Fluidversorgungspfad 20c, der zumindest abschnittsweise durch die erste elektrochemische Zelle 14c führt, und zumindest einen zweiten Fluidversorgungspfad 22c, der zumindest abschnittsweise durch die zweite elektrochemische Zelle 16c führt. Die Fluidversorgungseinheit 18c ist derart ausgebildet, dass in zumindest einem Normalbetriebszustand ein Volumenstrom des Fluids durch die erste elektrochemische Zelle 14c und durch die zweite elektrochemische Zelle 16c zumindest im Wesentlichen identisch ist. Im vorliegenden Fall sind der erste Fluidversorgungspfad 20c und der zweite Fluidversorgungspfad 22c zumindest im
Wesentlichen gleich lang.
Die Zelleneinheit 12c umfasst im vorliegenden Fall eine Mehrzahl von Zellenstapeln 46c, 80c, 82c, beispielsweise drei Zellenstapel 46c, 80c, 82c, wobei eine beliebige andere Anzahl denkbar ist. Die erste elektrochemische Zelle 14c und die zweite elektrochemische Zelle 16c sind in unterschiedlichen Zellenstapeln 46c, 80c der Zelleneinheit 12c angeordnet. Die Zellenstapel 46c, 80c, 82c sind elektrisch in Reihe geschaltet, wobei jedoch auch eine Parallelschaltung denkbar wäre. Die Zellenstapel 46c, 80c, 82c sind hydraulisch derart geschaltet, dass ihnen jeweils Fluidversorgungspfade von identischer . -
Länge zugeordnet sind. Im vorliegenden Fall sind Volumenströme durch die einzelnen Zellenstapel 46c, 80c, 82c zumindest im Wesentlichen identisch zueinander.
Insbesondere sind die Zellenstapel 46c, 80c, 82c hydraulisch analog zu den
elektrochemischen Zellen 14a, 16a des Ausführungsbeispiels der Figuren 1 bis 3 geschaltet.
Die Figur 6 zeigt eine erste alternative Elektrochemievorrichtung 10d in einer
schematischen Seitenansicht. Die erste alternative Elektrochemievorrichtung 10d weist eine Zelleneinheit 12d auf, die zumindest eine erste elektrochemische Zelle 14d und zumindest eine zweite elektrochemische Zelle 16d umfasst. Ferner weist die erste alternative Elektrochemievorrichtung 10d eine Fluidversorgungseinheit 18d zur
Versorgung der Zelleneinheit 12d mit zumindest einem Fluid auf. Die
Fluidversorgungseinheit 18d umfasst zumindest einen ersten Fluidversorgungspfad 20d, der zumindest abschnittsweise durch die erste elektrochemische Zelle 14d führt, und zumindest einen zweiten Fluidversorgungspfad 22d, der zumindest abschnittsweise durch die zweite elektrochemische Zelle 16d führt. Die Fluidversorgungseinheit 18d ist derart ausgebildet, dass in zumindest einem Normalbetriebszustand ein Volumenstrom des Fluids durch die erste elektrochemische Zelle 14d und durch die zweite elektrochemische Zelle 16d zumindest im Wesentlichen identisch ist. Im vorliegenden Fall sind der erste Fluidversorgungspfad 20d und der zweite Fluidversorgungspfad 22d zumindest im Wesentlichen gleich lang.
Die Zelleneinheit 12d umfasst eine Mehrzahl von Zellenstapeln 46d, 80d, 82d. Die Zellenstapel 46d, 80d, 82d sind hydraulisch analog zu den elektrochemischen Zellen 14b, 16b des Ausführungsbeispiels der Figur 4 geschaltet. Die elektrochemischen Zellen 14d, 16d der einzelnen Zellenstapel 46d, 80d, 82d sind hydraulisch jeweils
hintereinandergeschaltet. Es ist auch denkbar, dass jeder der Zellenstapel 46d, 80d, 82d wie gezeigt von der Fluidversorgungseinheit 18d mit Fluid versorgt ist, die einzelnen elektrochemischen Zellen 14d, 16d jedes Stapels jedoch ungleichmäßig mit Fluid versorgt sind. Beispielsweise ist denkbar, dass bei jedem Zellenstapel 46d, 80d, 82d ein Zulauf und ein Ablauf auf derselben Seite angeordnet sind und/oder eine Zulaufrichtung einer Abiaufrichtung entgegengesetzt verläuft, sodass insbesondere unterschiedliche
Volumenströme durch einzelne elektrochemische Zellen 14d, 16d eines jeden
Zellenstapels 46d, 80d, 82d fließen, elektrochemische Zellen 14d, 16d mit analoger - -
Nummerierung in ihrem Zellenstapel 46d, 80d, 82d jedoch jeweils zumindest im Wesentlichen identisch durchströmt sind.

Claims

19.04.18
Ansprüche
Elektrochemievorrichtung, insbesondere Elektrolysevorrichtung, insbesondere Polymerelektrolytmembran-Elektrolysevorrichtung, mit zumindest einer
Zelleneinheit (12a-d), die zumindest eine erste elektrochemische Zelle (14a-d) und zumindest eine zweite elektrochemische Zelle (16a-d) umfasst, und mit zumindest einer Fluidversorgungseinheit (18a-d) zur Versorgung der
Zelleneinheit (12a-d) mit zumindest einem Fluid, insbesondere mit Wasser, die zumindest einen ersten Fluidversorgungspfad (20a-d), der zumindest
abschnittsweise durch die erste elektrochemische Zelle (14a-d) führt, und zumindest einen zweiten Fluidversorgungspfad (22a-d), der zumindest abschnittsweise durch die zweite elektrochemische Zelle (16a-d) führt, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidversorgungseinheit (18a-d) derart ausgebildet ist, dass in zumindest einem Normalbetriebszustand ein
Volumenstrom des Fluids durch die erste elektrochemische Zelle (14a-d) und durch die zweite elektrochemische Zelle (16a-d) zumindest im Wesentlichen identisch ist.
Elektrochemievorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in dem Normalbetriebszustand ein Druckverlust in dem ersten
Fluidversorgungspfad (20a-d) zumindest im Wesentlichen einem Druckverlust in dem zweiten Fluidversorgungspfad (22a-d) entspricht.
Elektrochemievorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Fluidversorgungspfad (20a-d) und der zweite
Fluidversorgungspfad (22a-d) zumindest im Wesentlichen gleich lang sind. Elektrochemievorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Fluidversorgungspfad (20a) und der zweite Fluidversorgungspfad (22a) von einem gemeinsamen Zulauf (24a) zu den elektrochemischen Zellen (14a, 16a) und/oder von den elektrochemischen Zellen (14a, 16a) zu einem gemeinsamen Ablauf (26a) führen.
Elektrochemievorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidversorgungseinheit (18a) zumindest einen Zulaufkanal (28a) und zumindest einen Ablaufkanal (30a) aufweist, die zu einem Führen des Fluids in dem Normalbetriebszustand in eine Zulaufflussrichtung (32a) und in eine Ablaufflussrichtung (34a) vorgesehen sind, die zumindest im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
Elektrochemievorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Summe einer Länge eines ersten Zulaufabschnitts (36a) und einer Länge eines ersten Ablaufabschnitts (38a) des ersten
Fluidversorgungspfads (20a) zumindest im Wesentlichen einer Summe einer Länge eines zweiten Zulaufabschnitts (40a) und einer Länge eines zweiten Ablaufabschnitts (42a) des zweiten Fluidversorgungspfads (22a) entspricht.
7. Elektrochemievorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckverlust in dem ersten Zulaufabschnitt (36a) größer ist als ein Druckverlust in dem zweiten Zulaufabschnitt (40a) und ein Druckverlust in dem ersten Ablaufabschnitt (38a) kleiner ist als ein Druckverlust in dem zweiten
Ablaufabschnitt (42a).
Elektrochemievorrichtung nach Anspruch 5 und 6 oder nach Anspruch 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zulaufkanal (28a) den ersten
Zulaufabschnitt (36a) und den zweiten Zulaufabschnitt (40a) und/oder der Ablaufkanal (30a) den ersten Ablaufabschnitt (38a) und den zweiten
Ablaufabschnitt (42a) zumindest teilweise ausbildet.
9. Elektrochemievorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrochemische Zelle (14a) zumindest ein funktionelles Element (44a) aufweist, das zumindest einen Abschnitt des ersten Fluidversorgungspfads (20a) und zumindest einen Abschnitt des zweiten
Fluidversorgungspfads (22a) ausbildet.
10. Elektrochemievorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das funktionelle Element (44a) ein funktionelles Zellenstapelelement ist.
1 1 . Elektrochemievorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelleneinheit (12a) zumindest einen Zellenstapel (46a) mit einer Mehrzahl gestapelt angeordneter elektrochemischer Zellen (14a, 16a) umfasst, denen jeweils ein Fluidversorgungspfad (20a, 22a) zugeordnet ist.
12. Elektrolyseur mit zumindest einer Elektrochemievorrichtung (10a) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
13. Verfahren zum Betrieb einer Elektrochemievorrichtung (10a), insbesondere einer Elektrolysevorrichtung, insbesondere einer Polymerelektrolytmembran- Elektrolysevorrichtung, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , mit zumindest einer Zelleneinheit (12a), die zumindest eine erste elektrochemische Zelle (14a) und zumindest eine zweite elektrochemische Zelle (16a) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrochemische Zelle (14a) und die zweite elektrochemische Zelle (16a) mit einem Fluid derart durchströmt werden, dass ein Volumenstrom des Fluids durch die erste elektrochemische Zelle (14a) und durch die zweite elektrochemische Zelle (16a) zumindest im Wesentlichen identisch ist.
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