EP4690329A2 - Elektrochemische zelle, zellstapel - Google Patents

Elektrochemische zelle, zellstapel

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EP4690329A2
EP4690329A2 EP24715723.3A EP24715723A EP4690329A2 EP 4690329 A2 EP4690329 A2 EP 4690329A2 EP 24715723 A EP24715723 A EP 24715723A EP 4690329 A2 EP4690329 A2 EP 4690329A2
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EP
European Patent Office
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frame structure
electrochemical cell
liquid transport
cell
gas
Prior art date
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Pending
Application number
EP24715723.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Lucas Prinsen
Joost VAN LAERHOVEN
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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 Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP4690329A2 publication Critical patent/EP4690329A2/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0273—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes with sealing or supporting means in the form of a frame
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    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
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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 cell, in particular a fuel cell or an electrolysis cell.
  • a large number of electrochemical cells are connected to form a cell stack, in particular a fuel cell stack or an electrolysis cell stack.
  • the invention therefore also relates to a cell stack with at least one electrochemical cell according to the invention.
  • the preferred field of application of the invention is fuel cell stacks and/or electrolyzers.
  • the electrolyzer can in particular be a PEM or an AEM electrolyzer for producing hydrogen or a CCh electrolyzer.
  • Electrochemical cells have a multi-layered or multi-ply structure.
  • the central layer forms a membrane, which is usually coated on both sides with a catalytically active material to form an anode and a cathode and is often referred to as a membrane electrode assembly (MEA).
  • MEA membrane electrode assembly
  • On both the anode and cathode sides of the membrane there is a gas and/or liquid transport layer, via which the respective reaction medium is supplied to the membrane.
  • the end is formed by bipolar plates arranged on both sides, which are often embossed metal sheets, especially in fuel cells. These form flow channels running parallel to the cell plane, which serve to connect the respective gas and/or liquid transport layer to at least one supply and/or disposal channel running perpendicular to the cell plane.
  • a gas and/or liquid transport layer is supplied with the respective reaction medium via a supply channel. or the respective reaction medium and/or a reaction product are removed
  • the supply and disposal channels are formed by openings in the bipolar plates, with the arrangement taking place in opposite edge areas of the cell and thus outside an active area of the membrane.
  • the active area is the area in which the electrochemical reaction takes place. The efficiency of the cell therefore depends - among other things - on the size of the active area.
  • the openings formed in the bipolar plates lie one above the other, so that channels are formed that pass through the cell stack.
  • the channels are sealed to the outside by at least one intermediate seal and by bracing the cells together.
  • the seal can be formed by the membrane itself, which is led to the edge areas of the bipolar plates and provided with corresponding openings.
  • the seal is often formed by a separate frame structure, also called a "gasket", which encloses the edge areas of the membrane while leaving the active area free and is arranged between the bipolar plates.
  • the frame structure is provided with corresponding openings to form the supply and disposal channels.
  • the gas and/or liquid transport layer is arranged within the frame structure, namely on the active surface of the membrane.
  • the frame structure preferably has an elongated opening that extends over the entire length of the active surface.
  • crossbars can be inserted for stabilization, which divide the elongated opening into several openings. From each opening, connecting channels in the form of grooves formed in the frame structure then lead to the gas and/or liquid transport layer, which is arranged on the active surface.
  • the disadvantage of this design of the frame structure is that in the area of the crossbars there is no connection between the openings and the transport layer. The connection therefore needs to be improved.
  • the present invention is concerned with this problem. To solve the
  • the task is to provide an electrochemical cell with the features of claim 1 proposed. Preferred developments of the invention can be found in the subclaims. In addition, a cell stack with at least one electrochemical cell according to the invention is specified.
  • the proposed electrochemical cell in particular a fuel cell or electrolysis cell, has a membrane with an active surface and an edge region enclosing the active surface, with a gas and/or liquid transport layer resting on both sides of the active surface of the membrane and the edge region being enclosed at least along one side of the active surface by a frame structure adjacent to the gas and/or liquid transport layers.
  • At least one elongated opening serving as a media channel is formed in the frame structure, which is divided into several individual openings by at least one transverse web.
  • the frame structure has a depression that extends over the entire length of the media channel and connects the individual openings to one another and to the adjacent gas and/or liquid transport layer.
  • the frame structure has connecting channels that extend in a fan-shaped arrangement from an individual opening to the adjacent gas and/or liquid transport layer.
  • the lowering of the frame structure proposed in the first alternative allows the adjacent gas and/or liquid transport layer to be connected to the individual openings over its entire length.
  • the connection of the individual openings to one another achieved with the help of the lowering ensures an even distribution of the respective reaction medium, provided that the media channel is a supply channel. If the media channel serves as a disposal channel, the reaction medium and/or a reaction product created in the cell during the electrochemical reaction can be fed to the individual openings via the lowering.
  • the connecting channels of the frame structure proposed in accordance with the second alternative can also be used to connect the adjacent gas and/or liquid transport layer to the individual openings over its entire length, since the connecting channels do not run parallel but diagonally to each other, resulting in a fan-shaped arrangement.
  • the connecting channels of the individual openings separated by the transverse web can be brought together so that this region of the adjacent gas and/or liquid transport layer is also supplied with the respective reaction medium or the reaction medium/reaction product is discharged from this region.
  • the connecting channels are each arranged at a distance a1 in the area of an individual opening and at a distance a2 from one another in the area of the adjacent gas and/or liquid transport layer, with the distance a1 being smaller than the distance a2.
  • the connecting channels are therefore closer together and then fan out in the direction of the gas and/or liquid transport layer. If the number of connecting channels leading from an individual opening is irregular, the connecting channel arranged centrally in relation to the individual opening runs essentially perpendicular to the adjacent gas and/or liquid transport layer.
  • the other connecting channels arranged to the side of it already run at an angle to this, with the angle between one of these connecting channels and the centrally arranged connecting channel increasing with increasing distance from the centrally arranged connecting channel. If the number of connecting channels leading from an individual opening is even, the two centrally arranged connecting channels can still run parallel to one another.
  • angles or distances between the connecting channels are preferably selected such that in the area of the adjacent gas and/or liquid transport layer all distances a2 between the connecting channels are the same. This means that the distance between the two connecting channels converging in the area of the at least one transverse web is also the same as the distance a2.
  • the connecting channels are all the same length. This applies in particular if the media channel serves to supply the gas and/or liquid transport layer with a reaction medium, since the same length of the connecting channels ensures an even distribution of the reaction medium.
  • the individual openings on the side of the connecting channels can have a convex-shaped boundary wall so that the individual openings are less wide in the middle than in the area of at least one crossbar. This measure is particularly easy to implement.
  • At least one further connecting channel for connecting the individual openings to one another is formed in the frame structure in the region of the at least one transverse web. The connection of the individual openings to one another enables pressure equalization.
  • the at least one crosspiece can be made wider if required, for example in order to clamp the electrochemical cell to other cells of a cell stack in the area of the at least one crosspiece.
  • an opening for receiving a clamping device for example a clamping bolt, can be formed in the frame structure in the area of the at least one crosspiece. This opening is then preferably circular.
  • a bipolar plate forming flow channels be placed on the frame structure and the adjacent gas and/or liquid transport layer.
  • the flow channels of the bipolar plate serve to distribute the reaction medium over the surface.
  • each flow channel is connected to a connecting channel of the frame structure. This ensures that the reaction medium is evenly distributed across the flow channels.
  • a cell stack in particular a fuel cell stack or an electrolysis cell stack, which has at least one electrochemical cell according to the invention.
  • a cell stack is proposed, in particular a fuel cell stack or an electrolysis cell stack, which has at least one electrochemical cell according to the invention.
  • several electrochemical cells according to the invention arranged one above the other form the cell stack.
  • the advantages of the electrochemical cell according to the invention contribute to an increase in the efficiency of the cell stack.
  • the dimensions of the cell stack can be reduced without this being at the expense of performance.
  • Fig. 1 is a schematic longitudinal section through an electrochemical cell according to the invention
  • Fig. 2 is a plan view of a frame structure and a gas and/or liquid transport layer of an electrochemical cell according to the invention
  • Fig.3 shows an enlarged section of Figure 2 in the area of two individual openings of the frame structure separated by a crossbar
  • Fig. 4 is a plan view of a second frame structure for an electrochemical cell according to the invention in the region of two individual openings separated by a crossbar,
  • Fig. 5 is a plan view of a third frame structure for an electrochemical cell according to the invention in the region of two individual openings separated by a crossbar,
  • Fig. 6 is a plan view of a fourth frame structure for an electrochemical cell according to the invention.
  • Fig. 7 shows an enlarged section of Figure 6 in the area of a single opening and Fig. 8 is a plan view of a fifth frame structure for an electrochemical cell according to the invention.
  • FIG. 1 shows an electrochemical cell 1 according to the invention, which has a membrane 2 arranged between two gas and/or liquid transport layers.
  • the membrane 2 is enclosed by a frame structure 4, which reaches up to the gas and/or liquid transport layers 3.
  • Bipolar plates 13 rest on both sides of this and on the gas and/or liquid transport layers 3.
  • the frame structure 4 forms a surrounding frame while leaving an active surface of the membrane 2 free.
  • the active surface is covered by the gas and/or liquid transport layer 3.
  • a media channel 5 is formed in the frame structure 4 along each of the two long sides, which is divided into several individual openings 5.1, 5.2, etc. by crossbars 6.
  • the two media channels 5 each have a length L that corresponds to the length of the gas and/or liquid transport layer 3.
  • the frame structure 4 has circular openings 11 that serve to accommodate clamping bolts (not shown).
  • the frame structure 4 has a depression 7 extending over the entire length L of the media channel 5, which reaches up to the gas and/or liquid transport layer 3 (see Figure 1).
  • the reaction medium can be optimally distributed via the depression 7, so that the gas and/or liquid transport layer 3 is evenly supplied with the reaction medium.
  • Figure 3 shows an enlarged section of the frame structure 4 with two individual openings 5.1, 5.2 and the depression 7.
  • FIG. 4 An alternative embodiment in which the depression 7 is replaced by several connecting channels 8 is shown in Figure 4.
  • the connecting channels have a fan-shaped arrangement. This means that the connecting channels 8 are arranged at a distance a1 in the area of the individual openings 5.1, 5.2 and at a distance a2 in the area of the gas and/or liquid transport layer 3, where a1 is smaller than a2.
  • the connecting channels thus diverge or converge again in the area of a crosspiece 6.
  • the crosspieces 6 can be made wider so that the openings 11 for the clamping bolts can be arranged in the area of the crosspieces 6.
  • the frame structure 4 can accordingly be made narrower so that the external dimensions of the electrochemical cell 1 are reduced.
  • crosspieces 6 can also have further connecting channels 10 which connect the individual openings 5.1, 5.2 etc. to one another. Pressure equalization can then be achieved in this way.
  • FIG 8 shows a frame structure 4 which is designed analogously to Figures 6 and 7. Each connecting channel 8 is also connected to a flow channel 12 the bipolar plate 13 adjacent to the frame structure 4.
  • the flow channels 12 are shown in dashed lines in Figure 8, since they lie outside the plane of the sheet. The connection to the flow channels 12 ensures a uniform distribution of the reaction medium in the surface.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle (1), insbesondere Brennstoffzelle oder Elektrolysezelle, aufweisend eine Membran (2) mit einer aktiven Fläche und einem die aktive Fläche einfassenden Randbereich, wobei an der aktiven Fläche der Membran (2) beidseits eine Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage (3) anliegt und der Randbereich zumindest entlang einer Seite der aktiven Fläche von einer an die Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlagen (3) angrenzenden Rahmenstruktur (4) eingefasst wird, und wobei in der Rahmenstruktur (4) mindestens eine als Medienkanal (5) dienende längliche Öffnung ausgebildet ist, die durch mindestens einen Quersteg (6) in mehrere Einzelöffnungen (5.1, 5.2, …5.n) unterteilt ist. Erfindungsgemäß weist die Rahmenstruktur (4) eine Absenkung (7) auf, die sich über die gesamte Länge (L) des Medienkanals (5) erstreckt und die Einzelöffnungen (5.1, 5.2, …5.n) untereinander sowie mit der angrenzenden Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage (3) verbindet. Alternativ wird vorgeschlagen, dass die Rahmenstruktur (4) Verbindungskanäle (8) aufweist, die sich in einer fächerförmigen Anordnung jeweils von einer Einzelöffnung (5.1, 5.2, …5.n) bis zur angrenzenden Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage (3) erstrecken. Die Erfindung betrifft ferner einen Zellstapel, insbesondere einen Brennstoffzellenstapel oder einen Elektrolysezellenstapel, mit mindestens einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle (1).

Description

Beschreibung
Titel:
Elektrochemische Zelle, Zellstapel
Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle oder eine Elektrolysezelle. In der Praxis werden eine Vielzahl elektrochemischer Zellen zu einem Zellstapel, insbesondere einem Brennstoffzellenstapel oder einem Elektrolysezellenstapel, verbunden. Die Erfindung betrifft daher ferner einen Zellstapel mit mindestens einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle.
Bevorzugter Anwendungsbereich der Erfindung sind Brennstoffzellenstapel und/oder Elektrolyseure. Bei dem Elektrolyseur kann es sich insbesondere um einen PEM- oder einen AEM-Elektrolyseur zur Herstellung von Wasserstoff oder um einen CCh-Elektrolyseur handeln.
Stand der Technik
Elektrochemische Zellen weisen einen mehrschichtigen bzw. mehrlagigen Aufbau auf. Die zentrale Lage bildet eine Membran aus, die zur Ausbildung einer Anode und einer Kathode üblicherweise beidseits mit einem katalytisch aktiven Material beschichtet ist und häufig als Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) bezeichnet wird. Sowohl anoden- als auch kathodenseitig liegt an der Membran jeweils eine Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage an, über die der Membran das jeweilige Reaktionsmedium zugeführt wird. Den Abschluss bilden beidseits angeordnete Bipolarplatten aus, wobei es sich häufig, insbesondere bei Brennstoffzellen, um geprägte Metallbleche handelt. Diese bilden parallel zur Zellebene verlaufende Strömungskanäle aus, die der Anbindung der jeweiligen Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage an mindestens einen senkrecht zur Zellebene verlaufenden Versorgungs- und/oder Entsorgungskanal dienen. Über einen Versorgungskanal wird eine Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage mit dem jeweiligen Reaktionsmedium versorgt. Über einen Entsorgungskanal wird bzw. werden das jeweilige Reaktionsmedium und/oder ein Reaktionsprodukt abgeführt
Die Versorgungs- und Entsorgungskanäle werden durch Öffnungen in den Bipolarplatten gebildet, wobei die Anordnung in sich gegenüberliegenden Randbereichen der Zelle und damit außerhalb einer aktiven Fläche der Membran erfolgt. Die aktive Fläche ist der Bereich, in dem die elektrochemische Reaktion stattfindet. Von der Größe der aktiven Fläche hängt demnach - unter anderem - die Effizienz der Zelle ab. Bei einem Zellstapel mit mehreren elektrochemischen Zellen liegen die in den Bipolarplatten ausgebildeten Öffnungen übereinander, so dass den Zellstapel durchsetzende Kanäle ausgebildet werden. Die Abdichtung der Kanäle nach außen erfolgt durch mindestsens eine zwischenliegende Dichtung und durch Verspannen der Zellen miteinander. Die Dichtung kann durch die Membran selbst gebildet werden, die hierzu bis in die Randbereiche der Bipolarplatten geführt und mit entsprechenden Öffnungen versehen wird. Häufig wird die Dichtung jedoch durch eine separate Rahmenstruktur, auch „Gasket“ genannt, gebildet, welche die Randbereiche der Membran unter Freilassung der aktiven Fläche einfasst und zwischen den Bipolarplatten angeordnet wird. In diesem Fall ist die Rahmenstruktur mit entsprechenden Öffnungen zur Ausbildung der Versorgungs- und Entsorgungskanäle versehen. Innerhalb der Rahmenstruktur, und zwar auf der aktiven Fläche der Membran, ist die Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage angeordnet.
Zur optimalen Anbindung der aktiven Fläche einer Zellmembran an einen in einer Rahmenstruktur ausgebildeten Versorgungs- oder Entsorgungskanal weist die Rahmenstruktur bevorzugt eine längliche Öffnung auf, die sich über die gesamte Länge der aktiven Fläche erstreckt. Bei Zellstapeln mit einer besonders großen Grundfläche können dann zur Stabilisierung Querstege eingezogen werden, welche die längliche Öffnung in mehrere Öffnungen unterteilt. Von jeder Öffnung führen dann in der Rahmenstruktur ausgebildete Verbindungskanäle in Form von Rillen bis an die Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage heran, die auf der aktiven Fläche angeordnet ist. Nachteil dieser Ausgestaltung der Rahmenstruktur ist, dass im Bereich der Querstege keine Anbindung der Öffnungen an die Transportlage besteht. Es gilt demnach die Anbindung zu verbessern.
Mit dieser Aufgabe ist die vorliegende Erfindung befasst. Zur Lösung der
Aufgabe wird die elektrochemische Zelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus wird ein Zellstapel mit mindestens einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle angegeben.
Offenbarung der Erfindung
Die vorgeschlagene elektrochemische Zelle, insbesondere Brennstoffzelle oder Elektrolysezelle, weist eine Membran mit einer aktiven Fläche und einem die aktive Fläche einfassenden Randbereich auf, wobei an der aktiven Fläche der Membran beidseits eine Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage anliegt und der Randbereich zumindest entlang einer Seite der aktiven Fläche von einer an die Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlagen angrenzenden Rahmenstruktur eingefasst wird. In der Rahmenstruktur ist mindestens eine als Medienkanal dienende längliche Öffnung ausgebildet, die durch mindestens einen Quersteg in mehrere Einzelöffnungen unterteilt ist. Erfindungsgemäß weist die Rahmenstruktur eine Absenkung auf, die sich über die gesamte Länge des Medienkanals erstreckt und die Einzelöffnungen untereinander sowie mit der angrenzenden Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage verbindet. Alternativ wird vorgeschlagen, dass die Rahmenstruktur Verbindungskanäle aufweist, die sich in einer fächerförmigen Anordnung jeweils von einer Einzelöffnung bis zur angrenzenden Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage erstrecken.
Über die gemäß der ersten Alternative vorgeschlagene Absenkung der Rahmenstruktur kann die angrenzende Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage über ihre gesamte Länge an die Einzelöffnungen angebunden werden. Die mit Hilfe der Absenkung erzielte Verbindung der Einzelöffnungen untereinander stellt dabei eine gleichmäßige Verteilung des jeweiligen Reaktionsmediums sicher, sofern es sich bei dem Medienkanal um einen Versorgungskanal handelt. Dient der Medienkanal als Entsorgungskanal, kann das Reaktionsmedium und/oder ein während der elektrochemischen Reaktion in der Zelle entstehendes Reaktionsprodukt über die Absenkung den Einzelöffnungen zugeführt werden.
Über die gemäß der zweiten Alternative vorgeschlagenen Verbindungskanäle der Rahmenstruktur kann die angrenzende Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage ebenfalls über ihre gesamte Länge an die Einzelöffnungen angebunden werden, da die Verbindungskanäle nicht parallel, sondern schräg zueinander verlaufen, so dass sich eine fächerförmige Anordnung ergibt. Über die fächerförmige Anordnung können im Bereich des mindestens einen Querstegs die Verbindungskanäle der durch den Quersteg getrennten Einzelöffnungen zusammengeführt werden, so dass auch dieser Bereich der angrenzenden Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage mit dem jeweiligen Reaktionsmedium versorgt wird bzw. das Reaktionsmedium/Reaktionsprodukt aus diesem Bereich abgeführt wird.
Bevorzugt sind die Verbindungskanäle jeweils im Bereich einer Einzelöffnung in einem Abstand a1 und im Bereich der angrenzenden Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage in einem Abstand a2 zueinander angeordnet, wobei der Abstand a1 kleiner als der Abstand a2 ist. Hieraus ergibt sich die fächerförmige Anordnung der Verbindungskanäle. Im Bereich der Einzelöffnungen liegen demnach die Verbindungskanäle enger beieinander und laufen dann in Richtung der Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage fächerförmig auseinander. Sofern die Anzahl der von einer Einzelöffnung abgehenden Verbindungskanäle unregelmäßig ist, verläuft der in Bezug auf die Einzelöffnung mittig angeordnete Verbindungskanal im Wesentlichen senkrecht zur angrenzenden Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage. Die seitlich davon angeordneten weiteren Verbindungskanäle verlaufen bereits schräg hierzu, wobei der Winkel zwischen einem dieser Verbindungskanäle und dem mittig angeordneten Verbindungskanal mit zunehmendem Abstand zum mittig angeordneten Verbindungskanal steigt. Sofern die Anzahl der von einer Einzelöffnung abgehenden Verbindungskanäle gerade ist, können die beiden mittig angeordneten Verbindungskanäle noch parallel zueinander verlaufen.
Die Winkel bzw. Abstände zwischen den Verbindungskanälen sind bevorzugt so gewählt, dass im Bereich der angrenzenden Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage alle Abstände a2 zwischen den Verbindungskanälen gleich sind. Das heißt, dass auch der Abstand zwischen den beiden im Bereich des mindestens einen Querstegs aufeinander zulaufenden Verbindungskanäle gleich dem Abstand a2 ist.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Verbindungskanäle alle gleich lang sind. Dies gilt insbesondere, wenn der Medienkanal der Versorgung der Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage mit einem Reaktionsmedium dient, da die gleiche Länge der Verbindungskanäle eine gleichmäßige Verteilung des Reaktionsmediums sichergestellt. Um alle Verbindungskanäle gleich lang zu gestalten, können die Einzelöffnungen auf der Seite der Verbindungskanäle eine konvex geformte Begrenzungswand aufweisen, so dass die Einzelöffnungen mittig weniger breit als im Bereich des mindestens einen Querstegs sind. Diese Maßnahme lässt sich besonders einfach umsetzen.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass in der Rahmenstruktur im Bereich des mindestens einen Querstegs mindestens ein weiterer Verbindungskanal zur Verbindung der Einzelöffnungen untereinander ausgebildet ist. Die Verbindung der Einzelöffnungen untereinander ermöglicht einen Druckausgleich.
Der gleiche Effekt kann - auch ohne weiteren Verbindungskanal im Quersteg - mit Hilfe der sich über die gesamte Länge des Medienkanals erstreckenden Absenkung der Rahmenstruktur gemäß der vorgeschlagenen ersten Alternative erzielt werden.
Da die Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage über die Absenkung oder die Verbindungskanäle der Rahmenstruktur optimal an die Einzelöffnungen des Medienkanals angebunden ist, kann der mindestens eine Quersteg bei Bedarf breiter ausgelegt werden, beispielsweise, um im Bereich des mindestens einen Querstegs die elektrochemische Zelle mit weiteren Zellen eines Zellstapels zu verspannen. Hierzu kann in der Rahmenstruktur im Bereich des mindestens einen Querstegs eine Öffnung zur Aufnahme eines Spannmittels, beispielsweise eines Spannbolzens, ausgebildet sein. Diese Öffnung ist dann bevorzugt kreisrund aufgeführt. Durch Anordnung der Öffnung im Bereich des mindestens einen Querstegs kann die Rahmenstruktur schmaler ausgeführt werden, wodurch sich die Außenabmessungen der elektrochemischen Zelle verringern, ohne dass die aktive Fläche verkleinert werden muss.
Ferner wird vorgeschlagen, dass an der Rahmenstruktur und der angrenzenden Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage eine Strömungskanäle ausbildende Bipolarplatte anliegt. Die Strömungskanäle der Bipolarplatte dienen der Verteilung des Reaktionsmediums in der Fläche. Vorzugsweise ist jeder Strömungskanal an einen Verbindungskanal der Rahmenstruktur angebunden. Dadurch ist sichergestellt, dass das Reaktionsmedium gleichmäßig auf die Strömungskanäle verteilt wird.
Darüber hinaus wird ein Zellstapel vorgeschlagen, insbesondere ein Brennstoffzellenstapel oder ein Elektrolysezellenstapel, der mindestens eine erfindungsgemäße elektrochemische Zelle aufweist. Vorzugsweise bilden mehrere übereinander angeordnete erfindungsgemäße elektrochemische Zellen den Zellstapel aus. Die Vorteile der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle tragen zu einer Effizienzsteigerung des Zellstapels bei. Des Weiteren können - je nach Lage der Spannmittel zum Verspannen der Zellen - die Abmessungen des Zellstapels verringert werden, ohne dass dies zu Lasten der Leistung geht.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße elektrochemische Zelle,
Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Rahmenstruktur und eine Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle,
Fig.3 einen vergrößerten Ausschnitt der Figur 2 im Bereich zweier durch einen Quersteg getrennter Einzelöffnungen der Rahmenstruktur,
Fig. 4 eine Draufsicht auf eine zweite Rahmenstruktur für eine erfindungsgemäße elektrochemische Zelle im Bereich zweier durch einen Quersteg getrennter Einzelöffnungen,
Fig. 5 eine Draufsicht auf eine dritte Rahmenstruktur für eine erfindungsgemäße elektrochemische Zelle im Bereich zweier durch einen Quersteg getrennter Einzelöffnungen,
Fig. 6 eine Draufsicht auf eine vierte Rahmenstruktur für eine erfindungsgemäße elektrochemische Zelle,
Fig. 7 einen vergrößerten Ausschnitt der Figur 6 im Bereich einer Einzelöffnung und Fig. 8 eine Draufsicht auf eine fünfte Rahmenstruktur für eine erfindungsgemäße elektrochemische Zelle.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Der Darstellung der Figur 1 ist eine erfindungsgemäße elektrochemische Zelle 1 zu entnehmen, die eine zwischen zwei Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlagen angeordnete Membran 2 aufweist. In einem Randbereich ist die Membran 2 von einer Rahmenstruktur 4 eingefasst, die bis an die Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlagen 3 heranreicht. An dieser sowie an den Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlagen 3 liegen beidseits Bipolarplatten 13 an.
Wie insbesondere der Figur 2 zu entnehmen ist, bildet die Rahmenstruktur 4 unter Freilassung einer aktiven Fläche der Membran 2 einen umlaufenden Rahmen aus. Die aktive Fläche wird in der Figur 2 durch die Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage 3 abgedeckt. Entlang der beiden Längsseiten ist jeweils ein Medienkanal 5 in der Rahmenstruktur 4 ausgebildet, der durch Querstege 6 in mehrere Einzelöffnungen 5.1 , 5.2 usw. unterteilt wird. Die beiden Medienkanäle 5 weisen jeweils eine Länge L auf, die der Länge der Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage 3 entspricht. Weiter außen liegend weist die Rahmenstruktur 4 kreisrunde Öffnungen 11 auf, die der Aufnahme von Spannbolzen (nicht dargestellt) dienen.
Um die Anbindung der Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage 3 an die Einzelöffnungen 5.1 , 5.2 usw. zu verbessern, insbesondere im Bereich der Querstege 6, weist die Rahmenstruktur 4 eine sich über die gesamte Länge L des Medienkanals 5 erstreckende Absenkung 7 auf, die bis an die Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage 3 heranreicht (siehe Figur 1). Über die Absenkung 7 kann sich das Reaktionsmedium optimal verteilen, so dass die Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage 3 gleichmäßig mit dem Reaktionsmedium versorgt wird. In der Bipolarplatte 13 ausgebildete Strömungskanäle 12, die ebenfalls an die Absenkung 7 angebunden sind (siehe Figur 1), tragen dazu bei, dass das Reaktionsmedium in der Fläche verteilt wird. Da sich die Absenkung 7 über die gesamte Länge L des Medienkanals 5 erstreckt, sind zudem alle Einzelöffnungen 5.1 , 5.2 usw. untereinander über die Absenkung 7 verbunden. Dies ermöglicht einen Druckausgleich, so dass in allen Einzelöffnungen 5.1 , 5.2 usw. der gleiche Druck herrscht.
In der Figur 3 ist als vergrößerter Ausschnitt die Rahmenstruktur 4 mit zwei Einzelöffnungen 5.1 , 5.2 und der Absenkung 7 nochmals dargestellt.
Eine alternative Ausführungsform, in welcher die Absenkung 7 durch mehrere Verbindungskanäle 8 ersetzt wird, ist in der Figur 4 dargestellt. Um eine gleichmäßige Verteilung des Reaktionsmediums zu erreichen, weisen die Verbindungskanäle eine fächerförmige Anordnung auf. Das heißt, dass die Verbindungskanäle 8 im Bereich der Einzelöffnungen 5.1 , 5.2 jeweils in einem Abstand a1 und im Bereich der Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage 3 in einem Abstand a2 angeordnet sind, wobei a1 kleiner als a2 ist. Die Verbindungskanäle laufen somit auseinander bzw. im Bereich eines Querstegs 6 wieder zusammen.
Wie beispielhaft in der Figur 5 dargestellt, können die Querstege 6 breiter ausgebildet werden, so dass im Bereich der Querstege 6 die Öffnungen 11 für die Spannbolzen angeordnet werden können. Die Rahmenstruktur 4 kann dementsprechend schmaler ausgebildet werden, so dass sich die Außenabmessungen der elektrochemischen Zelle 1 verringern.
Alternativ können - wie beispielhaft in der Figur 6 dargestellt - die Querstege 6 auch weitere Verbindungskanäle 10 aufweisen, welche die Einzelöffnungen 5.1 , 5.2 usw. untereinander verbinden. Hierüber kann dann ein Druckausgleich erzielt werden.
Der Figur 6, insbesondere dem vergrößerten Ausschnitt der Figur 7, ist zu entnehmen, dass die Einzelöffnungen 5.1 , 5.2 usw. eine konvex gebogene Begrenzungswand 9 aufweisen können, so dass die Einzelöffnungen 5.1 , 5.2 usw. in ihrer Mitte jeweils eine geringere Breite aufweisen als an den Querstegen 6. Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass alle Verbindungskanäle 8 gleich lang sind. In der Figur 7 ist ein Radius R angegeben, der einen Kreisbogen beschreibt, entlang dessen die Begrenzungswand 9 verläuft.
Figur 8 zeigt eine Rahmenstruktur 4, die analog den Figuren 6 und 7 ausgebildet ist. Jeder Verbindungskanal 8 ist darüber hinaus an einen Strömungskanal 12 der an der Rahmenstruktur 4 anliegenden Bipolarplatte 13 angebunden. Die Strömungskanäle 12 sind in der Figur 8 gestrichelt dargestellt, da sie außerhalb der Blattebene liegen. Die Anbindung an die Strömungskanäle 12 stellt eine gleichmäßige Verteilung des Reaktionsmediums in der Fläche sicher.

Claims

Ansprüche
1 . Elektrochemische Zelle (1), insbesondere Brennstoffzelle oder Elektrolysezelle, aufweisend eine Membran (2) mit einer aktiven Fläche und einem die aktive Fläche einfassenden Randbereich, wobei an der aktiven Fläche der Membran (2) beidseits eine Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage (3) anliegt und der Randbereich zumindest entlang einer Seite der aktiven Fläche von einer an die Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlagen (3) angrenzenden Rahmenstruktur (4) eingefasst wird, und wobei in der Rahmenstruktur (4) mindestens eine als Medienkanal (5) dienende längliche Öffnung ausgebildet ist, die durch mindestens einen Quersteg (6) in mehrere Einzelöffnungen (5.1 , 5.2, ...5.n) unterteilt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenstruktur (4)
(a) eine Absenkung (7) aufweist, die sich über die gesamte Länge (L) des Medienkanals (5) erstreckt und die Einzelöffnungen (5.1 , 5.2, ...5.n) untereinander sowie mit der angrenzenden Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage (3) verbindet, oder
(b) Verbindungskanäle (8) aufweist, die sich in einer fächerförmigen Anordnung jeweils von einer Einzelöffnung (5.1 , 5.2, ...5.n) bis zur angrenzenden Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage (3) erstrecken.
2. Elektrochemische Zelle (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungskanäle (8) jeweils im Bereich einer Einzelöffnung (5.1 , 5.2, ...5.n) in einem Abstand (a1) und im Bereich der angrenzenden Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage (3) in einem Abstand (a2) zueinander angeordnet sind, wobei der Abstand (a1) kleiner als der Abstand (a2) ist.
3. Elektrochemische Zelle (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der angrenzenden Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage (3) alle Abstände (a2) zwischen den Verbindungskanälen (8) gleich sind.
4. Elektrochemische Zelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungskanäle (8) alle gleich lang sind.
5. Elektrochemische Zelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelöffnungen (5.1 , 5.2, ...5.n) auf der Seite der Verbindungskanäle (8) eine konvex geformte Begrenzungswand (9) aufweisen, so dass die Einzelöffnungen (5.1 , 5.2, ...5.n) mittig weniger breit als im Bereich des mindestens einen Querstegs (6) sind.
6. Elektrochemische Zelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rahmenstruktur (4) im Bereich des mindestens einen Querstegs (6) mindestens ein weiterer Verbindungskanal (10) zur Verbindung der Einzelöffnungen (5.1 , 5.2, ...5.n) untereinander ausgebildet ist.
7. Elektrochemische Zelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rahmenstruktur (4) im Bereich des mindestens einen Querstegs (6) eine Öffnung (11) zur Aufnahme eines Spannmittels, beispielsweise eines Spannbolzens, ausgebildet ist.
8. Elektrochemische Zelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Rahmenstruktur (4) und der angrenzenden Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage (3) eine Strömungskanäle (12) ausbildende Bipolarplatte (13) anliegt, wobei vorzugsweise jeder Strömungskanal (12) an einen Verbindungskanal (8) der Rahmenstruktur (4) angebunden ist.
9. Zellstapel, insbesondere Brennstoffzellenstapel oder Elektrolysezellenstapel, mit mindestens einer elektrochemischen Zelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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