EP4499901A2 - Verteilerstruktur für elektrochemische zellen, elektrolyseur und power-to-x-anlage - Google Patents

Verteilerstruktur für elektrochemische zellen, elektrolyseur und power-to-x-anlage

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Publication number
EP4499901A2
EP4499901A2 EP23726529.3A EP23726529A EP4499901A2 EP 4499901 A2 EP4499901 A2 EP 4499901A2 EP 23726529 A EP23726529 A EP 23726529A EP 4499901 A2 EP4499901 A2 EP 4499901A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
distribution
stage
channels
distributor
fluid medium
Prior art date
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Pending
Application number
EP23726529.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dirk Diehl
Helmut Eckert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Energy Global GmbH and Co KG filed Critical Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Publication of EP4499901A2 publication Critical patent/EP4499901A2/de
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • 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
    • 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
    • C25B9/60—Constructional parts of cells

Definitions

  • the present invention relates to a distribution structure for an electrochemical cell, in particular for an electrolyzer, for supplying one or more cell elements with a fluid medium. Furthermore, a corresponding electrolyzer and a corresponding Power-to-X system are the subject of the present invention.
  • the fluid medium can in particular be a gas and/or a liquid, in particular an electrolyte, a catalyst, an analyst or an educt for the operation of the electrochemical cell in question.
  • incoming fluid flows must be distributed as evenly as possible over the width of the active cell in order to spread over the entire area, for example at the ion or .Proton exchange membrane to enable and maintain the electrochemical reaction, ie to introduce fresh media and remove used media. Only a uniform media supply or its supply and/or discharge across the entire membrane surface allows uniform current densities. By maintaining the maximum permissible current density, which depends on the respective membrane, the overall performance of the cell can be maximized without local overload and the associated premature aging.
  • the distributor structure comprises a fluid inlet, preferably a main channel for supplying or supplying the medium to the cell, the fluid inlet branching into a number of N, i.e. at least one, preferably a plurality of, distributor stages, with a distributor channel in or divided into two or more channels of smaller cross-section along a main flow direction (preferably pointing towards the cell) from one stage to the next stage.
  • the distribution channels of the “Nth” stage are set up to distribute the fluid medium (immediately) evenly over a width of the cell element or to supply the electrochemically active part of the cell evenly.
  • the advantage of the invention over the prior art relates in particular to the improved possibility of a compact design while at the same time largely homogeneously distributing the fluid across the cell width.
  • This in turn makes it possible to realize more robust electrochemical components with greatly improved power density.
  • distribution channels of one stage, in particular of the same stage have largely the same channel length, preferably along the main flow direction. This configuration advantageously enables the realization of fluid distribution that is as homogeneous as possible.
  • the distribution channels of a stage continue to have largely the same channel widths and/or channel cross sections.
  • conventional production can be simplified, in particular by milling into plastic panels or plastic injection molding.
  • the distributor structure is designed symmetrically, in particular completely, from its second stage onwards.
  • an axis of symmetry preferably refers to an axis parallel to the height and perpendicular to the width of the distribution structure or of the cell element. This configuration also contributes to the inventive task of distributing fluid as homogeneously as possible.
  • distribution channels are arranged evenly, preferably equidistantly, distributed over the cell width from the second stage onwards. This embodiment also advantageously enables fluid distribution to be as uniform as possible.
  • the distributor structure is designed in such a way that there is a channel course or flow course of the distributor structure after the branching or when moving from one stage to the next stage to guide the fluid medium, it is aligned again in the direction of the main flow direction, or changes accordingly in this direction.
  • the course of the channel or flow does not correspond, at least partially, exactly to the main flow direction, but rather runs partially or partially perpendicular to the latter direction after the branching.
  • a height of the distributor structure or an extent of the distributor structure along the main flow direction is smaller than half the width of the cell element.
  • a relative or standard deviation based on the arithmetic mean (re-INST) or a corresponding coefficient of variation of a fluid velocity distribution in the intended operation of the distributor structure is less than 0.15. According to this embodiment, it can be seen that the differences in the flow velocity ( Speed and pressure gradients) can be advantageously kept small.
  • the value mentioned refers in particular to a position along the central plane of the channels, that is, not at their edge (see the specific exemplary embodiments of the invention described below with reference to the figures).
  • the distributor structure in the higher stages or finer branches has connecting channels between channel branches of the same stage that run largely perpendicular to the main flow direction, in particular transversely or perpendicular to this direction, which are designed to further homogenize a distribution of the fluid medium between the channel branches .
  • cross-connection channels pressure differences or differences in the speed distribution can be further reduced and the supply of the cell element with the medium can thus continue to be standardized efficiently.
  • the distribution structure is set up to supply a liquid or aqueous electrolyte as a fluid medium to the cell element.
  • This design is particularly advantageous and useful for supplying the electrolyte in CO/CCf electrolysis.
  • the distribution structure is set up for water electrolysis or for supplying water as a fluid medium to the cell element.
  • the distribution structure can be produced or manufactured using an additive manufacturing process.
  • the fine branching of the channels and the provision of the channels via a plastic material can particularly advantageously be done additively.
  • Additive manufacturing processes include, for example, selective laser melting (SLM) or “fused deposition modeling” (FDM) as a powder bed process.
  • SLM selective laser melting
  • FDM fused deposition modeling
  • Additive manufacturing processes have proven to be particularly advantageous for complex or delicately designed components, for example labyrinth-like structures, cooling structures and/or lightweight structures.
  • additive manufacturing is advantageous due to a particularly short chain of process steps, since a manufacturing or manufacturing step of a component can be carried out largely on the basis of a corresponding CAD file and the selection of corresponding manufacturing parameters.
  • a further aspect of the present invention relates to an electrolyser, comprising a distributor structure for supplying or supplying the fluid medium to the cell element and an outlet structure of similar, in particular identical design to this, for discharging the fluid medium.
  • the outlet structure can accordingly preferably be designed or oriented exactly oppositely in order to guide and drain the fluid from the cell element equally uniformly back into a possibly central individual outlet channel.
  • a Power-to-X system comprising the described electrolyzer or the described distribution structure.
  • Power-fox refers in particular to one or more technologies for storing or otherwise using excess electricity from an oversupply of renewable energies, such as solar energy, photovoltaics, wind and/or hydropower. In the present case, such an excess of electricity is used in particular for the operation of the electrochemical cell, preferably an electrolysis cell.
  • the term "and/or” or “or” when used in a series of two or more elements means that any of the listed elements may be used alone, or it may be any combination of two or more of the can be used on guided elements.
  • Figure 1 shows a schematic side view or top view of a conventional distribution structure for electrochemical cells.
  • Figure 2 shows a schematic view of a conventional electrochemical cell with a distribution structure similar to Figure 1.
  • Figure 3 shows an alternative embodiment of a conventional distribution structure.
  • Figure 4 shows a schematic view of a distributor structure according to the invention for supplying an electrochemical cell with a fluid medium.
  • Figure 5 shows a schematic view of a distribution structure according to the invention according to an alternative embodiment.
  • Figure 6 shows an advantageously compact design of the distributor structure according to the invention.
  • Figure 7 indicates an embodiment of the distributor structure according to the invention that is also advantageously compact and has cross-connection channels.
  • Figure 8 shows yet another advantageous embodiment of the distributor structure according to the invention.
  • Figure 9 shows yet another advantageous embodiment of the distributor structure according to the invention.
  • FIG 10 shows yet another advantageous embodiment of the distributor structure according to the invention.
  • FIG 11 shows yet another advantageous embodiment of the distributor structure according to the invention.
  • Figure 12 shows the relative standard deviation of simulated fluid velocity distributions of the distributor structures according to the invention in a diagram.
  • elements that are the same or have the same effect can each be provided with the same reference symbols.
  • the elements shown and their size ratios to one another are generally not to be viewed as true to scale; rather, individual elements can be used for better representation and/or understanding. may not be depicted as excessively thick or large.
  • Figures 1 to 3 of the following description relate to the prior art or conventional media distributors or distributor structures for electrochemical cells.
  • Figures 1 and 2 show in particular a similar embodiment of a conventional media distributor 10 'for electrochemical cells, such as electrolysis cells.
  • such a distributor is shown in particular with a fluid inlet 11 '.
  • a fan-like expansion occurs into a large number of small channels 12 'to cover the cell width (cf. horizontal expansion of the cell in Figures 1 and 2).
  • the longer channels have a larger cross section in order to obtain approximately the same or uniform flow resistances as the other, shorter channels. This means that volume flows or flow rates of approximately the same size can be achieved.
  • Figure 2 shows schematically an electrochemical cell 2 'of the type mentioned, comprising the distribution structure 10' for the supply of a fluid medium (see reference number M below).
  • a complete cell with fluidic inlets and outlets on the anode and cathode sides of the membrane cell is indicated.
  • a similar distributor is set up for the fluid or media outlet (see reference number 3 'in the lower part of the illustration).
  • FIG. 1 to 3 can preferably be set up to supply an electrolytic cell for water electrolysis and accordingly to supply and guide water to a (PEM) membrane.
  • Figure 3 shows an alternative conventional distributor design, whereby the distributor can also consist of a section with a large cross-section (and low flow resistance), with which the distribution is then carried out across the width, and small similar channels branching off from it (with a correspondingly large flow resistance).
  • the small similar channels expediently supply the width of the individual cell sections.
  • the flow resistance to an individual cell section is dominated by the small channels and is almost constant across the entire width.
  • Such distribution structures are in principle suitable for supplying fluids according to a combination of low and high flow resistances.
  • the aspect ratio of the longest relative to the shortest supply channel increases with the cell width. Since the channels all branch off from the same inlet, this requires a correspondingly large ratio of the channel widths (or channel cross sections) in order to adjust the flow resistances accordingly. Due to manufacturing reasons, technical limits are reached for the smallest channel width.
  • the flow resistance of the section for the distribution in width is disadvantageously no longer negligible for large cell widths, or is too different for sections close to the inlet and those that are arranged further away from the inlet to achieve a sufficiently even media distribution.
  • Support structures are marked with reference number 15 in FIG. 3 and are used to hold stamps or mechanical supports. The mechanically stable mounting of each individual electrolysis cell becomes evident when considering the necessary fluid pressures of several bar.
  • Figure 4 now shows a distribution structure according to the invention, which solves the technical difficulties mentioned above, and in particular enables a compact, robust and supply-efficient design of electrochemical cells which use the distribution structure according to the invention.
  • a distribution structure 10 for an electrochemical cell, such as an electrolyzer 30, is therefore presented, which is set up to supply a cell element 1 with a fluid medium M and comprises a fluid inlet 11, which branches into a number of N distribution stages, with a distributor Channel 12 is divided into two or more channels of smaller cross-section in the main flow direction S from one stage K to the next stage K+l.
  • the distribution channels 12 of the Nth stage of the distributor structure 10 are set up to distribute the fluid medium M particularly evenly over a width B of the cell element 1.
  • gas bubbles can unfavorably close small channels, which in turn leads to inhomogeneities in the media supply as well as in the current density of the cell and to corresponding degradation and premature aging.
  • Distributor channels 12 of each stage have largely the same channel length 1 (cf. horizontal channel extent in Figure 5). In this and the embodiments described below, the same applies substantially to the corresponding channel widths b and . Corresponding cross-sections, whereby largely the same flow resistances are obtained and furthermore a uniform fluid distribution across the cell width is ensured.
  • the distribution channels 12 are arranged largely evenly distributed over the cell width B from approximately the second stage onwards.
  • an electrolytic medium to be led from the distributor structure expediently does not strictly follow the main flow direction marked S. Instead, when moving to the next (K+lth) stage, the channel 12 is redirected or the corresponding ones are aligned. speaking flow M preferably in or parallel to the main flow direction S.
  • the distribution channels 12 branch from the second to the third stage into four channels, from the third to the fourth stage into eight channels, from the fourth to the fifth stage into 16 channels, from the fifth to the sixth stage 32 channels, from the sixth to the seventh stage into 64 channels, so that after the seventh stage there are finally 128 similar distribution channels to supply cell element 1.
  • the distribution channels are branched or multiplied in powers of two, where the exponent represents the number of stages and the power (base 2) represents the number of channels of the effective and last stage.
  • base 2 represents the number of channels of the effective and last stage.
  • FIG. 6 shows that the speed distribution becomes significantly more inhomogeneous when the structure shown above is compressed in terms of vertical extent in order to make the structure more compact.
  • a height H2 of the distribution structure from FIG. 6 is shown correspondingly smaller than the height Hl of the structure from Figure 5 (see the arrow lengths on the right edge of the picture).
  • FIG. 6 shows in particular a distributor structure 10 with a more complex design or assembly, namely one in which a height H of the distributor structure is smaller than half the width of the cell element 1.
  • a relative standard deviation of a fluid velocity distribution in the intended operation of the distributor structure 10 is less than 0.34, preferably less than 0.15, particularly preferably less than 0.1.
  • the connecting channels 14 exist here, starting from the seventh stage, in five immediately subordinate (upstream) stages.
  • the described channels 14, which run horizontally or transversely to the main flow S do not necessarily have to be provided in every branch, although this can in principle be beneficial for flow distribution.
  • the distribution structure 10 can be set up to supply a liquid electrolyte as a fluid medium to the cell element 1 (see Figures 1 to 3 as described above).
  • the distribution structure 10 can be set up to supply water as a fluid medium to the cell element 1 for water electrolysis.
  • a further aspect of the present invention relates to an electrolyzer 30, comprising a distributor structure 10 for supplying the fluid medium M into the cell element 1 and a similarly designed outlet structure 20 for discharging the fluid medium M (see Figure 11).
  • a further aspect of the present invention relates to a power-to-X system 100 comprising an electrolyser 30.
  • Appropriate power-to-energy systems are required to convert large or all parts of the energy supply system to the largest possible proportion of renewable energies as part of the necessary decarbonization measures.
  • X-technologies are essential, which, among other things, can compensate for a surplus of partially renewable energy or compensate for its fluctuation by using the surplus energy in return for the production of green or synthetic fuels.
  • a so-called “stack” of electrolysis cells used in a Power-to-X system is, for example, a bundle of approximately 100 elements 1 arranged in a row (in the representation plane).
  • a further aspect of the present invention relates to an embodiment of the distributor structure, which is produced by an additive manufacturing process. This makes it possible to provide a practical alternative, for example to conventional production via milling from a plastic plate or via plastic injection molding.

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Abstract

Es wird eine Verteilerstruktur (10) für eine elektrochemische Zelle (30) zur Versorgung eines Zellelements (1) mit einem Fluidmedium (M) angegeben. Die Verteilerstruktur umfasst einen Fluideinlass (11), welcher sich in eine Anzahl von N Verteilerstufen verzweigt, wobei sich ein Verteilerkanal (12) in Hauptströmungsrichtung (S) von einer Stufe (K) zur nächsten Stufe (K+1) in zwei Kanäle kleineren Querschnitts aufteilt, und wobei die Verteilerkanäle (12) der N-ten Stufe der Verteilerstruktur (10) eingerichtet sind, das Fluidmedium (M) gleichmäßig über eine Breite des Zellelements (1) zu verteilen. Weiterhin werden ein die Verteilerstruktur aufweisen der Elektrolyseur bzw. eine entsprechende Bauteillichtanlage angegeben.

Description

Beschreibung
Verteiler Struktur für elektrochemische Zellen, Elektrolyseur und Power-to-X-Anlage
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verteilerstruktur für eine elektrochemische Zelle, insbesondere für einen Elektrolyseur, zur Versorgung eines oder mehrerer Zellelemente mit einem Fluidmedium. Weiterhin sind ein entsprechender Elektrolyseur und eine entsprechende Power-to-X-Anlage Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Bei dem Fluid Medium kann es sich insbesondere um ein Gas und/oder um eine Flüssigkeit, insbesondere einen Elektrolyten, einen Katalysten, einen Analysten oder ein Edukt für den Betrieb der betreffenden elektrochemischen Zelle, handeln.
Bei der Elektrolyse, insbesondere der Wasser (H2) oder C0- bzw. CCf-Elektrolyse wie auch bei Brennstoffzellen, müssen einströmende Fluidströme möglichst gleichmäßig über die Breite der aktiven Zelle verteilt werden, um über der gesamten Fläche, beispielsweise an der Ionen- bzw. Protonen-Austausch- Membran die elektrochemische Reaktion zu ermöglichen und aufrechtzuerhalten, d.h. frische Medien heranzuführen und verbrauchte Medien abzuführen. Nur eine gleichmäßige Medien- Versorgung bzw. deren Zuleitung und/oder Ableitung über die gesamte Membranfläche erlaubt auch gleichmäßige Stromdichten. Unter Einhaltung der maximal zulässigen Stromdichte, die von der jeweiligen Membran abhängig ist, kann die Gesamtleistung der Zelle maximiert werden, ohne lokale Überlastung und damit verbundene vorzeitiger Alterung.
Dabei ist es insbesondere von Vorteil, den Strömungswiderstand von Verteilerkanälen zumindest stromabwärts in der Nähe der aktiven Zelle möglichst weit zu erhöhen, um insbesondere elektrische Parasitärströme zu verhindern oder weitgehend zu reduzieren . Es ist daher insbesondere eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte, homogenisierte Medienverteilung für elektrochemische Zellen anzugeben, die zugleich eine möglichst robuste und kompakte Bauweise des die Zelle aufweisenden Bauteils ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Verteilerstruktur für eine elektrochemische Zelle, insbesondere einen Elektrolyseur zur Versorgung des Zellelements mit dem Fluidmedium. Die Verteilerstruktur umfasst einen Fluideinlass, vorzugsweise einen Hauptkanal für die Zuführung oder Zuleitung des Mediums an die Zelle, wobei der Fluideinlass sich in eine Anzahl von N, d.h. mindestens einer, vorzugsweise einer Mehrzahl von, Verteiler stuf en verzweigt, wobei sich ein Verteiler kanal in oder entlang einer (vorzugsweise in Richtung der Zelle weisenden) Hauptströmungsrichtung von einer Stufe zur nächsten Stufe in zwei oder mehr Kanäle kleineren Querschnitts aufteilt. Die Verteilerkanäle der „N-ten" Stufe sind eingerichtet, das Fluidmedium (unmittelbar) gleichmäßig über eine Breite des Zellelements zu verteilen bzw. den elektrochemisch aktiven Teil der Zelle gleichmäßig zu versorgen.
Der Vorteil der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik betrifft insbesondere die verbesserte Möglichkeit der kompakten Bauweise bei gleichzeitig weitgehend homogener Verteilung des Fluids über die Zellbreite. Dadurch lassen sich wiederum robustere elektrochemische Bauteile mit stark verbesserter Leistungsdichte realisieren. Weiterhin ergibt sich der Vorteil einer verbesserten Hersteilbarkeit sowie die Möglichkeit, Zellstapel mit mehreren Zellelementen besonders stabil mechanisch gegeneinander zu stützen bzw. zu verpressen. In einer Ausgestaltung weisen Verteilerkanäle einer , insbesondere der gleichen , Stufe weitgehend die gleiche Kanallänge , vorzugsweise entlang der Hauptströmungsrichtung , auf . Diese Ausgestaltung ermöglicht vorteilhafterweise die Realisierung einer möglichst homogenen Fluidverteilung .
In einer Ausgestaltung weisen die Verteilerkanäle einer Stufe weiterhin weitgehend gleiche Kanalbreiten und/oder Kanalquerschnitte auf . Durch die se Ausgestaltung kann insbesondere die konventionelle Fertigung , insbesondere durch Einfrä sen in Kunststof fplatten oder der Kunst stof f Spritzgus s vereinfacht werden .
In einer Ausgestaltung wird die Verteiler Struktur ab deren zweiter Stufe , insbesondere voll ständig , symmetrisch ausgebildet . Eine Symmetrieachse bezeichnet in diesem Zusammenhang vorzugsweise eine Achse parallel zur Höhe und senkrecht zur Breite der Verteilerstruktur bzw . de s Zellelementes . Auch diese Ausgestaltung ist der erfindungsgemäßen Aufgabe der möglichst homogenen Fluidverteilung zuträglich .
In einer Ausgestaltung sind Verteilerkanäle ab der zweiten Stufe gleichmäßig , vorzugsweise auch äquidistant , über die Zellbreite verteilt angeordnet . Auch diese Aus führungsform ermöglicht vorteilhafterweise eine möglichst gleichmäßige Fluidverteilung .
In einer Ausgestaltung ist die Verteilerstruktur derart ausgebildet , das s ein Kanalverlauf oder Strömungs verlauf der Verteiler Struktur nach der Verzweigung bzw . beim Übergang von einer Stufe zur nächsten Stufe zur Führung des Fluidmediums wieder in Richtung der Haupt strömungsrichtung ausgerichtet wird , bzw . sich entsprechend in diese Richtung ändert .
Dementsprechend entspricht der Kanal- oder Strömungsverlauf zumindest partiell nicht exa kt der Hauptströmungsrichtung , sondern läuft nach der Verzweigung partiell oder teilweise senkrecht zur letztgenannten Richtung . In einer Ausgestaltung ist eine Höhe der Verteilerstruktur bzw. einer Ausdehnung der Verteilerstruktur entlang der Hauptströmungsrichtung, kleiner als die halbe Breite des Zellelements. Durch diese Ausgestaltung kann die Verteiler Struktur besonders vorteilhaft kompakt gehalten und gleichzeitig im Zusammenwirken mit den weiteren erfindungsgemäßen Merkmalen besonders robust ausgestaltet werden.
In einer Ausgestaltung beträgt eine relative bzw. auf den arithmetischen Mittelwert bezogene Standardabweichung (re- IStd) oder ein entsprechender Variationskoeffizient einer Fluidgeschwindigkeitsverteilung im bestimmungsgemäßen Betrieb der Verteiler Struktur weniger als 0, 15. Gemäß dieser Ausgestaltung wird ersichtlich, dass die Unterschiede in der Strömungsgeschwindigkeit (Geschwindigkeits- und Druckgradienten) vorteilhaft klein gehalten werden können. Der genannte Wert bezieht sich insbesondere auf eine Position entlang der zentralen Ebene der Kanäle, das heißt nicht an deren Rand (siehe die weiter unten anhand der Figuren beschriebenen speziellen Ausführungsbeispiele der Erfindung) .
In einer Ausgestaltung weist die Verteilerstruktur in den höheren Stufen bzw. feineren Verästelungen weitgehend senkrecht zur Hauptströmungsrichtung, insbesondere quer oder senkrecht zu dieser Richtung verlaufende Verbindungskanäle zwischen Kanalzweigen der gleichen Stufe auf, die eingerichtet sind, eine Verteilung des Fluidmediums zwischen den Kanalzweigen noch weiter zu homogenisieren. Durch diese Querverbindungskanäle können Druckunterschiede oder Unterschiede in der Geschwin- digkeitsverteilung noch weiter reduziert und die Versorgung des Zellelements mit dem Medium damit weiterhin effizient vereinheitlicht werden.
In einer Ausgestaltung ist die Verteilerstruktur zur Führung eines flüssigen bzw. wässrigen Elektrolyten als Fluidmedium an das Zellelement eingerichtet. Diese Ausgestaltung ist be- sonders vorteilhaft und zweckmäßig für die Versorgung des Elektrolyten bei der CO/CCf-Elektrolyse .
In einer alternativen Ausgestaltung ist die Verteilerstruktur für die Wasserelektrolyse bzw. für die Zuführung von Wasser als Fluidmedium an das Zellelement eingerichtet.
In einer Ausgestaltung ist die Verteilerstruktur durch ein additives Herstellungsverfahren herstellbar bzw. hergestellt. Die feine Verästelung der Kanäle und die Bereitstellung der Kanäle über ein Kunststoffmaterial kann insbesondere vorteilhaft auf additivem Wege erfolgen. Additive Herstellungsverfahren (AM: „additive manufacturing") , umgangssprachlich auch als 3D-Druck bezeichnet, umfassen beispielsweise als Pulverbettverfahren das selektive Laserschmelzen (SLM) oder „Fused Deposition Modeling" (FDM; deutsch: Schmelzschichtung) . Additive Fertigungsverf ahren haben sich insbesondere als besonders vorteilhaft für komplexe oder filigran gestaltete Bauteile, beispielsweise labyrinthartige Strukturen, Kühlstrukturen und/oder Leichtbau-Strukturen erwiesen. Insbesondere ist die additive Fertigung durch eine besonders kurze Kette von Prozessschritten vorteilhaft, da ein Herstellungs- oder Fertigungsschritt eines Bauteils weitgehend auf Basis einer entsprechenden CAD-Datei und der Wahl entsprechender Fertigungsparameter erfolgen kann.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Elektrolyseur, umfassend eine Verteilerstruktur zur Zuführung oder Versorgung des Fluidmediums an das Zellelement und eine gleichartig, insbesondere identisch zu dieser ausgebildete Auslassstruktur zum Ableiten des Fluidmediums. In Bezug auf die Hauptströmungsrichtung kann die Auslassstruktur dementsprechend vorzugsweise genau entgegengesetzt ausgebildet bzw. ausgerichtet sein, um das Fluid vom Zellelement ebenso gleichförmig wieder in einen möglicherweise zentralen einzelnen Auslasskanal zu führen, und abzuleiten. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Power-to-X-Anlage umfassend den beschriebenen Elektrolyseur bzw. die beschriebene Verteilerstruktur . „Power-fox'' bezeichnet insbesondere eine oder mehrere Technologie (n) zur Speicherung bzw. anderweitigen Nutzung von Stromüberschüssen aus einem Überangebot erneuerbarer Energien, wie Solarenergie, Photovoltaik, Wind- und/oder Wasserkraft. Im vorliegenden Fall wird ein solcher Stromüberschuss insbesondere für den Betrieb der elektrochemischen Zelle, vorzugsweise einer Elektrolysezelle, genutzt.
Ausgestaltungen, Merkmale und/oder Vorteile, die sich vorliegend auf die Verteilerstruktur bzw. eine entsprechende elektrochemische Zelle beziehen, können ferner den Elektrolyseur bzw. die Power-to-X-Anlage direkt betreffen, und umgekehrt.
Der hier verwendete Ausdruck „und/oder" oder „bzw.", wenn er in einer Reihe von zwei oder mehreren Elementen benutzt wird, bedeutet, dass jedes der aufgeführten Elemente alleine verwendet werden kann, oder es kann jede Kombination von zwei oder mehr der auf geführten Elemente verwendet werden.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren beschrieben.
Figur 1 zeigt eine schematische Seitenansicht bzw. Aufsicht auf eine konventionelle Verteilerstruktur für elektrochemische Zellen.
Figur 2 zeigt eine schematische Ansicht einer konventionellen elektrochemischen Zelle mit einer Verteilerstruktur ähnlich zur Figur 1.
Figur 3 zeigt eine alternative Ausgestaltung einer konventionellen Verteilerstruktur . Figur 4 zeigt eine schematis che Ansicht einer erfindungsgemäßen Verteiler Struktur zur Versorgung einer ele ktrochemi schen Zelle mit einem Fluidmedium .
Figur 5 deutet eine schemati sche Ans icht einer erfindungsgemäßen Verteilerstruktur gemäß einer alternativen Ausgestaltung an .
Figur 6 zeigt eine vorteilhaft kompa kte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verteiler Struktur .
Figur 7 deutet eine weiterhin vorteilhaft kompakte und Querverbindungs kanäle aufweisende Ausgestaltung der erf indungsgemäßen Verteilerstruktur an .
Figur 8 zeigt noch eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verteilerstruktur .
Figur 9 zeigt noch eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verteilerstruktur .
Figur 10 zeigt noch eine weitere vorteilhafte Ausge staltung der erfindungsgemäßen Verteilerstruktur .
Figur 11 zeigt noch eine weitere vorteilhafte Ausge staltung der erfindungsgemäßen Verteilerstruktur .
Figur 12 zeigt die relative Standardabweichung von simulierten Fluidgeschwindigkeitsverteilungen der erfindungsgemäßen Verteiler Strukturen in einem Diagramm .
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleichwirkende Elemente j eweils mit den gleichen Be zugs zeichen versehen sein . Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnis se untereinander sind grundsätzlich nicht als maß stabsgerecht anzusehen , vielmehr können einzelne Elemente , zur bes seren Darstellbarkeit und/oder zum bes seren Verständ- nis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein .
Die Figuren 1 bis 3 der folgenden Beschreibung beziehen sich auf den Stand der Technik bzw. konventionelle Medienverteiler oder Verteilerstrukturen für elektrochemische Zellen. Die Figuren 1 und 2 zeigen insbesondere eine gleichartige Ausgestaltung eines konventionellen Medienverteilers 10 ' für elektrochemische Zellen, wie Elektrolysezellen.
In Figur 1 ist insbesondere ein solcher Verteiler mit einem Fluideinlass 11 ' gezeigt. Ausgehend von diesem rohrförmigen Medieneinlass erfolgt eine fächerartige Aufweitung in eine Vielzahl kleiner Kanäle 12 ' zur Abdeckung der Zellenbreite (vgl. horizontale Ausdehnung der Zelle in den Figuren 1 und 2) . Es ist ersichtlich, dass die längeren Kanäle dabei einen größeren Querschnitt aufweisen, um in etwa gleiche bzw. einheitliche Strömungswiderstände zu erhalten wie die weiteren, kürzeren Kanäle. Dadurch können wiederum etwa gleich große Volumenströme oder Durchflussraten erreicht werden.
Die Figur 2 zeigt schematisch eine elektrochemische Zelle 2 ' der genannten Art, umfassend die Verteilerstruktur 10 ' für die Versorgung mit einem Fluidmedium (vgl. Bezugszeichen M weiter unten) . Es ist insbesondere eine komplette Zelle mit fluidischen Ein- und Auslässen auf Anoden- und Kathoden- Seiten der Membranzelle angedeutet. Für den Fluid- oder Medienauslass ist insbesondere ein gleichartiger Verteiler eingerichtet (vgl. Bezugszeichen 3 ' im unteren Teil der Darstellung) .
Die vorliegend anhand der Figuren 1 bis 3 gezeigten Strukturen können vorzugsweise für die Versorgung einer Elektrolysezelle für die Wasserelektrolyse und dementsprechend zur Versorgung und Führung von Wasser auf eine ( PEM-) Membran, eingerichtet sein. Figur 3 zeigt ein alternatives konventionelles Verteilerdesign, wobei der Verteiler auch aus einem Abschnitt großen Querschnitts (und geringem Strömungswiderstand) bestehen kann, mit dem dann die Verteilung in der Breite erfolgt, und davon abzweigenden kleinen gleichartigen Kanälen (mit entsprechend großem Strömungswiderstand) . Die kleinen gleichartigen Kanäle versorgen zweckmäßigerweise die einzelne Zellabschnitte in der Breite. Der Strömungswiderstand zu einem einzelnen Zellabschnitt wird dabei von den kleinen Kanälen dominiert und ist über die gesamte Breite nahezu konstant.
Solche Verteilerstrukturen sind prinzipiell geeignet, Fluide gemäß einer Kombination von niedrigen und hohen Strömungswiderständen zu versorgen.
Beide oben dargestellten Verteilervarianten sind geeignet, Zellen mit vergleichsweise geringer Breite gleichmäßig zu versorgen. Wenn große Zellbreiten versorgt werden müssen, ohne dass die Verteilerstruktur eine zu große vertikale Ausdehnung annimmt, ergeben sich allerdings Probleme.
Bei der in den Figuren 1 und 2 illustrierten Variante wächst das Längenverhältnis vom längsten relativ zum kürzesten Versorgungkanal mit der Zellbreite. Da die Kanäle alle vom gleichen Einlass abzweigen, erfordert dies ein entsprechend großes Verhältnis der Kanalbreiten (bzw. der Kanalquerschnitte) , um die Strömungswiderstände entsprechend anzugleichen. Fertigungsbedingt sind für die kleinste Kanalbreite jedenfalls technische Grenzen erreicht.
Bei der zweiten, in der Figur 3 dargestellten Variante, ist der Strömungswider stand des Abschnitts für die Verteilung in der Breite für große Zellbreiten nachteilhafterweise nicht mehr vernachlässigbar, bzw. zu unterschiedlich für Abschnitte nahe am Einlass und solchen, die weiter vom Einlass entfernt angeordnet sind, um eine ausreichend gleichmäßige Medienverteilung zu erreichen. Stützstrukturen sind in der Figur 3 mit dem Bezugszeichen 15 gekennzeichnet und dienen zur Aufnahme von Stempeln oder mechanischen Stützen. Die mechanische stabile Lagerung jeder einzelnen Elektrolysezelle wird bei der Betrachtung von notwendigen Fluiddrücken von mehreren bar evident.
Die Figur 4 zeigt nun eine erfindungsgemäße Verteilerstruk- tur, welche die oben genannten technischen Schwierigkeiten löst, und insbesondere eine kompakte, robuste und versorgungseffiziente Bauweise von elektrochemischen Zellen ermöglicht, welche die erfindungsgegenständliche Verteilerstruktur einsetzen .
Es wird also eine Verteilerstruktur 10 für eine elektrochemische Zelle, wie einen Elektrolyseur 30 vorgestellt, die zur Versorgung eines Zellelements 1 mit einem Fluidmedium M eingerichtet ist und einen Fluideinlass 11 umfasst, welcher sich in eine Anzahl von N Verteilerstuf en verzweigt, wobei sich ein Verteiler kanal 12 in Hauptströmungsrichtung S von einer Stufe K zur nächsten Stufe K+l in zwei oder mehr Kanäle kleineren Querschnitts aufteilt. Zudem sind die Verteilerkanäle 12 der N-ten Stufe der Verteiler Struktur 10 eingerichtet, das Fluidmedium M besonders gleichmäßig über eine Breite B des Zellelements 1 zu verteilen.
Dem Kanaleinlass 11 entstammen zwei nachgeordnete Verteilerkanäle der ersten Stufe (vgl. N=l, links in der Darstellung) . In dieser Stufe ist das Verteilerdesign deshalb (wie dargestellt) - im Falle der Fluidversorgung einer Zelle zur C02/C0-Elektrolyse mit flüssigem Elektrolyten - leicht asymmetrisch, da eine vollständig symmetrische Kanalkonfektionierung fertigungstechnisch nicht realisierbar ist. Dafür wurde die erste Stufe (Verzweigung) in dem Beispiel mit unterschiedlich langen Kanälen und Kanalbreiten gestaltet, um gleiche Strömungswiderstände für diesen Abschnitt zu erhalten, bzw. entsprechende Unterschiede auszugleichen. Die Fertigung in dieser Betriebsart , gemäß der üblicherweise Kohlenstoff dioxid im Kanal gebildet wird und gleichsam über einen Aus las s abgeführt werden mus s , erfordert genau genommen die Führung mehrerer Medien , insbesondere die eines Analysten , eine s Katalysten und eines gasförmigen Mediums . Anhand dieses Beispiels erkennt der Fachmann auch die praktische Schwierigkeit , der Zeit stabilität . Diesbe züglich können Gasblasen kleine Kanäle ungünstigerweise verschließen , was wiederum zu Inhomogenitäten in der Medienversorgung al s auch in der Stromdichte der Zelle und zu ent sprechender Degradation und vorzeitiger Alterung führt .
Nach dieser ersten Stufe , in der die Kanalquerschnitte ( noch ) relativ groß sind, ist in Figur 4 eine weitgehend symmetrische , baumartige Verteilerstruktur gezeigt , die sich - beispielhaft dargestellt - in s ieben (N=7 ) Stufen verzweigt , um das zu führende und verteilende Fluid oder Medium dann gleichmäß ig an die aktive Zellfläche 1 abzugeben .
Verteiler kanäle 12 einer j eden Stufe weisen dabei weitgehend die gleiche Kanallänge 1 auf (vgl . horizontale Kanalausdehnung in Figur 5 ) . Gleiches gilt in dieser und den im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen auch substanziell für die entsprechenden Kanalbreiten b bzw . entsprechende Querschnitte , wodurch weitgehend gleiche Strömungswiderstände erhalten werden und weiterhin eine gleichmäßige Fluidverteilung über die Zellbreite sicherge stellt wird .
Weiterhin sind die Verteiler kanäle 12 etwa ab der zweiten Stufe weitgehend gleichmäßig über die Zellbreite B verteilt angeordnet .
Nach bzw . bei der Verzweigung 13 einer Stufe Kb2 zur nächsten Stufe K+l folgt ein von der Verteilerstruktur zu führendes elektrolytisches Medium zweckmäß igerweise nicht streng der mit S gekennzeichneten Haupt strömungsrichtung . Stattdes sen erfolgt beim Übergang zur nächsten ( K+l sten ) Stufe sodann wieder eine Umlenkung des Kanals 12 oder Ausrichtung der ent- sprechenden Strömung M vorzugsweise in oder parallel zur Hauptströmungsrichtung S.
In dieser Manier verzweigen sich die Verteiler kanäle 12 von der zweiten auf die dritte Stufe in vier Kanäle, von der dritten auf die vierte Stufe in acht Kanäle, von der vierten auf die fünfte Stufe in 16 Kanäle, von der fünften auf die sechste Stufe in 32 Kanäle, von der sechsten auf die siebente Stufe in 64 Kanäle, sodass nach der siebenten Stufe schließlich 128 gleichartige Verteilerkanäle zur Versorgung des Zellelements 1 vorliegen. Mit anderen Worten erfolgt eine Verzweigung oder Vervielfältigung der Verteilerkanäle in Zweierpotenzen, wobei der Exponent die Anzahl der Stufen darstellt und die Potenz (zur Basis 2) die Anzahl der Kanäle der effektiven und letzten Stufe. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit und vom Grundgedanken Erfindung abzuweichen, kann auch eine Verzweigung in beispielsweise drei oder mehr Kanäle erfolgen.
Eine Geschwindigkeitsverteilung des Fluidmediums kann aus einer Strömungsdynamik-Simulation (CFD) berechnet und/oder abgeschätzt werden, wobei die Strömungsdynamik vorzugsweise in der zentralen Ebene der Kanäle (vgl. die Tiefe in der Darstellungsebene und das Koordinatensystem unten links) angenommen wird. Man erkennt, dass die Geschwindigkeiten in den Kanälen (und damit auch der Volumenstrom) weitgehend gleich sind. Als Maß kann die relative (auf den Mittelwert bezogene) Standardabweichung der Geschwindigkeit in Kanalmitte über alle 128 Kanäle herangezogen werden. Diese beträgt für diese Struktur (vgl. Figuren 4, 5 und Punkt „A" im Diagramm der Figur 12) relStd=0, 0482.
Figur 6 zeigt im Gegensatz zur Darstellung der Figur 5, dass die Geschwindigkeitsverteilung deutlich inhomogener wird, wenn die oben dargestellte Struktur bzgl. der vertikalen Ausdehnung gestaucht wird, um den Aufbau kompakter zu machen. Eine Höhe H2 der Verteilerstruktur aus Figur 6 ist dazu entsprechend kleiner dargestellt als die Höhe Hl der Struktur aus Figur 5 (vgl. jeweils die Pfeillängen am rechten Bildrand) .
Die kompaktere technische Ausgestaltung ist also samt der Ge- schwindigkeitsverteilung in Abb. 6 gekennzeichnet, wobei die gleichen Parameter dargestellt sind. Dies wird auch durch die wesentlich (Faktor 7) höhere relative Standardabweichung der Geschwindigkeit in Kanalmitte wiedergegeben, welche re- lStd=0,337 beträgt (vgl. Punkt „B" im Diagramm der Figur 12) .
Eine Ursache der größeren Streuung (Inhomogenität) in der Fluiddynamik ist, dass die stark verkürzten vertikalen Kanalabschnitte vor der nächsten Verzweigung nicht ausreichen, den Impuls der Strömung auch in horizontaler Richtung aufzunehmen. Dadurch erhalten die in Strömungsrichtung liegenden Zweige oder Kanalabschnitte jeweils einen größeren Fluidanteil. Eine Abhilfemaßnahme ist die bereits in Abbildung 5 gezeigte Variante mit einer Verlängerung der vertikalen Ausdehnung, was jedoch im Widerspruch zur Forderung nach kompakten vertikalen Abmessungen steht.
Die Figur 6 zeigt insbesondere eine Verteilerstruktur 10 mit komplexerer Bauart oder Konfektionierung, nämlich eine solche, wobei eine Höhe H der Verteiler Struktur kleiner ist als die halbe Breite des Zellelements 1.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung der Verteilerstruktur 10 ist eine relative Standardabweichung einer Fluidgeschwindigkeitsverteilung im bestimmungsgemäßen Betrieb der Verteilerstruktur 10 kleiner als 0,34, vorzugsweise kleiner als 0,15, besonders bevorzugt kleiner als 0,1.
In Figur 7 ist gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung gezeigt, dass horizontal verlaufende (Quer) -Verbindungs kanäle in das Design, insbesondere zwischen Kanäle der letzten und siebenten Stufe, eingebracht wurden, um die Verteilung noch weiter zu homogenisieren. Gemäß der Ausgestaltung der Figur 7 beträgt die relative Standardabweichung relStd=0,137 (vgl. Punkt „C" im Diagramm der Figur 12) .
Die nachfolgenden Abbildungen deuten anhand der zeichnerisch akzentuierten Fluidpfade ebenso Ergebnisse weiterer CFD- Simulationen mit genau gleichen Parametern (Flussrate und Fluideigenschaften) an, wie in den vorangegangenen Simulationen und Beispielen.
In den im Folgenden anhand der Figuren 7 bis 10 genannten Ausgestaltungsvarianten wurden in den Verteilerbereichen zunehmend niedrigerer Stufe sukzessive weitere Querverbindungskanäle 14 in den Verzweigungsstufen eingebracht. Mit anderen Worten wurden fluidische Verbindungen pro Stufe absteigend zwischen benachbarten Zweigen von Verteilerkanälen 12 der gleichen Stufe eingerichtet, welche Druck- oder Strömungsgradienten bei der Versorgung des Zellelements 1 vorteilhafterweise ausgleichen können.
Die Figur 8 zeigt Querverbindungskanäle 14 in der siebenten und sechsten Stufe. Gemäß der Ausgestaltung der Figur 8 beträgt die genannte relative Standardabweichung relStd=0,10 (vgl. Punkt „D" im Diagramm der Figur 12) .
Die Figur 9 zeigt Querverbindungskanäle 14 in der siebenten, sechsten und fünften Stufe. Gemäß der Ausgestaltung der Figur 9 beträgt die relative Standardabweichung relStd=0 , 0834 (vgl. Punkt „E" im Diagramm der Figur 12) .
Die Figur 10 zeigt Querverbindungskanäle 14 in der siebenten, sechsten, fünften und vierten Stufe. Gemäß der Ausgestaltung der Figur 10 beträgt die relative Standardabweichung re- lStd=0,0781 (vgl. Punkt „F" im Diagramm der Figur 12) .
Entsprechend der Darstellung der Figur 11 die relative Standardabweichung der Geschwindigkeitsverteilung mit re- lStd=0.0749 (vgl. Punkt „G" im Diagramm der Figur 12) am günstigsten für das erfindungsgemäße Ziel der homogenen Medi- enverteilung . Es existieren die Verbindungskanäle 14 hier ausgehend von der siebenten Stufe in fünf unmittelbar nachrangigen (stromaufwärts gerichteten) Stufen.
Die deutlichste Verbesserung in der Homogenität wird erfahrungsgemäß durch die Querkanäle in der siebenten, (vgl. Figur 10) erzielt. Aber auch alle weiteren zusätzlich eingebrachten Querkanäle führen zu einer weiteren Verbesserung der Homogenität der Geschwindigkeitsverteilung und damit der Medienversorgung über der Zellbreite.
Gemäß dem Erfindungsgedanken müssen die beschriebenen horizontal oder quer zur Hauptströmung S verlaufenden Kanäle 14 jedoch nicht zwingend in jedem Zweig vorgesehen sein, wobei dies für Strömungs Verteilung grundsätzlich förderlich sein kann .
Bei den vorliegend beschriebenen Zelldimensionen wird von einer beispielhaften Zellbreite von ca . 1,40 m x 1,40 m in der Höhe (und Breite) und von 27=128 Verteiler kanälen 12 ausgegangen. Dies ergibt im Wesentlichen einen Kanalquerschnitt von etwas über 10 mm.
Wie oben beschrieben, kann die Verteilerstruktur 10 zur Zuführung eines flüssigen Elektrolyten als Fluidmedium an das Zellelement 1 eingerichtet sein (vgl. Figuren 1 bis 3 wie oben beschrieben) .
Alternativ dazu kann die Verteilerstruktur 10 zur Zuführung von Wasser als Fluidmedium an das Zellelement 1 für die Wasserelektrolyse eingerichtet sein.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Elektrolyseur 30, umfassend eine Verteilerstruktur 10 zur Zuführung des Fluidmediums M in das Zellelement 1 und eine gleichartig ausgebildete Auslassstruktur 20 zum Ableiten des Fluidmediums M (vgl. Figur 11) . Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Power-to-X-Anlage 100 umfassend einen Elektrolyseur 30. Für die Umstellung von weiten oder allen Teilen des Energieversorgungssystems auf einen möglichst großen Anteil erneuerbarer Energien im Zuge notwendiger Maßnahmen zur Dekarbonisierung sind entsprechende Power-to-X-Technologien essenziell, die unter anderem einen Überschuss partiell erneuerbarer Energien kompensieren bzw. deren Fluktuation dadurch ausgleichen können, dass die Überschussenergie im Gegenzug für die Herstellung von grünen oder synthetischen Kraftstoffen genutzt werden kann. Charakteristisch für einen in einer Power- to-X-Anlage eingesetzten sogenannten „Stack" von Elektrolysezellen ist beispielsweise ein Bündel von etwa 100 (in der Darstellungsebene) aneinandergereihten Elementen 1.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Ausgestaltung der Verteilerstruktur, welche durch ein additives Herstellungsverfahren hergestellt ist. Damit kann eine zweckmäßige Alternative, beispielsweise gegenüber der konventionellen Herstellung über Fräsen aus einer Kunststof fplatte oder über den Kunststof f Spritzguss angegeben werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verteilerstruktur (10) für eine elektrochemische Zelle
(30) zur Versorgung eines Zellelements (1) mit einem Fluidmedium (M) , umfassend einen Fluideinlass (11) , welcher sich in eine Anzahl von N Verteilerstuf en verzweigt, wobei sich ein Verteiler kanal (12) in Hauptströmungsrichtung (S) von einer Stufe (K) zur nächsten Stufe (K+l) in zwei Kanäle kleineren Querschnitts aufteilt, und wobei die Verteiler kanäle (12) der N-ten Stufe der Verteilerstruktur (10) eingerichtet sind, das Fluidmedium (M) gleichmäßig über eine Breite (B) des Zellelements (1) zu verteilen.
2. Verteilerstruktur (10) nach Anspruch 1, wobei Verteilerkanäle einer Stufe weitgehend die gleiche Kanallänge (1) aufweisen .
3. Verteilerstruktur (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei Verteilerkanäle einer Stufe weitgehend gleiche Kanalbreiten (b) aufweisen .
4. Verteilerstruktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verteiler Struktur ab deren zweiter Stufe symmetrisch ausgebildet ist.
5. Verteilerstruktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Verteilerkanäle ab der zweiter Stufe gleichmäßig über die Zellbreite (B) verteilt angeordnet sind.
6. Verteilerstruktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Kanalverlauf der Verteilerstruktur (10) nach der Verzweigung (13) einer Stufe (Kb2) zur nächsten Stufe (K+l) wieder in Richtung der Hauptströmungsrichtung (S) ausgerichtet wird.
7. Verteilerstruktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Höhe (H) der Verteilerstruktur kleiner ist als die halbe Breite des Zellelements (1) . 8. Verteilerstruktur (10) nach Anspruch 7, wobei eine relative Standardabweichung einer Fluidgeschwindigkeitsverteilung im bestimmungsgemäßen Betrieb der Verteilerstruktur (10) weniger als 0,15 beträgt.
9. Verteilerstruktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche in den höheren Stufen weitgehend senkrecht zur Hauptströmungsrichtung (S) verlaufende Verbindungskanäle (14) zwischen Kanalzweigen der gleichen Stufe aufweist, die eingerichtet sind, eine Verteilung des Fluidmediums (M) zwischen den Kanalzweigen zu homogenisieren.
10. Verteiler Struktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche zur Zuführung eines flüssigen Elektrolyten als Fluidmedium an das Zellelement (1) eingerichtet ist.
11. Verteiler Struktur (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, welche zur Zuführung von Wasser als Fluidmedium an das Zellelement (1) für die Wasserelektrolyse eingerichtet ist.
12. Verteiler Struktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche durch ein additives Herstellungsverfahren hergestellt ist.
13. Elektrolyseur (30) , umfassend eine Verteilerstruktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Zuführung des Fluidmediums (M) in das Zellelement (1) und eine gleichartig ausgebildete Auslassstruktur (20) zum Ableiten des Fluidmediums (M) .
14. Power-to-X-Anlage (100) umfassend einen Elektrolyseur (30) nach Anspruch 13.
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