WO2021089226A1 - Zellenanordnung - Google Patents

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WO2021089226A1
WO2021089226A1 PCT/EP2020/076543 EP2020076543W WO2021089226A1 WO 2021089226 A1 WO2021089226 A1 WO 2021089226A1 EP 2020076543 W EP2020076543 W EP 2020076543W WO 2021089226 A1 WO2021089226 A1 WO 2021089226A1
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membrane
electrode
arrangement
electrode unit
housing
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PCT/EP2020/076543
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Peter Schuetzbach
Dietmar Steiner
Stefan Martin
Michael Stauch
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a cell arrangement which has a pressure-resistant housing with at least one first electrode arrangement and at least one second electrode arrangement in the housing, the at least one first electrode arrangement having at least one first membrane-electrode unit with a first anode and a first cathode which are mutually separate are separated by a first membrane, and wherein the at least one second electrode arrangement has at least one second membrane-electrode unit with a second anode and a second cathode, which are separated from one another by a second membrane.
  • the invention also relates to a motor vehicle which comprises at least one cell arrangement according to the invention.
  • Fuel cells form one possibility for generating electrical energy for an electrical drive system of a vehicle.
  • a fuel cell is a galvanic cell that converts the chemical reaction energy of a continuously supplied fuel and an oxidizing agent into electrical energy.
  • a fuel cell is therefore an electrochemical energy converter.
  • hydrogen (H2) and oxygen (02) in particular are converted into water (H20), electrical energy and heat.
  • An electrolyser is usually used to generate hydrogen.
  • An electrolyser is an electrochemical energy converter that converts water (H20) into hydrogen (H2) and oxygen by means of electrical energy (02) splits.
  • Compressors are usually used so that the hydrogen produced can be stored in a high-pressure storage device.
  • the fuel cell, the electrolyzer and the compressor can each be designed as a cell and based on polymer electrolyte membranes, which are also referred to as proton exchange membranes (PEM).
  • PEM proton exchange membranes
  • Several individual cells can be arranged in a stack.
  • the single cell usually comprises a membrane electrode assembly (Membrane Electrode Assembly, MEA) which has two electrodes, namely an anode and a cathode, which are separated by a polymer electrolyte membrane (PEM).
  • MEA Membrane Electrode Assembly
  • a gas diffusion layer for even distribution of the medium, such as, for. B. gases and liquids, or for a regulated media transport.
  • Electrolyzers and compressors designed on the basis of PEM are also referred to as PEM electrolyzers and electrochemical compressors.
  • the single cell also includes bipolar plates for contacting the anode and the cathode and for media routing. Channels for media distribution within the stack are generated through recesses in the bipolar plates. This stack is usually held together by clamping plates screwed against each other, on which the media connections of the stack are also located. Each individual cell or individual parts such as bipolar plates must be sealed from the environment as well as internally between the anode and cathode side or between the individual media ducts.
  • a cell arrangement includes a pressure-resistant housing. At least one first electrode arrangement and at least one second electrode arrangement are arranged in the housing, the at least one first electrode arrangement having at least one first membrane-electrode unit with a first anode and a first cathode, which are separated from one another by a first membrane, and wherein the at least one second electrode arrangement has at least one second membrane-electrode unit with a second anode and a second cathode, which are separated from one another by a second membrane.
  • the at least one first and the at least one second electrode arrangement are cylindrical and have a closed cross section.
  • the at least one first electrode arrangement has a first type, while the at least one second electrode arrangement has a second type.
  • the first type and the second type are each selected from a fuel cell, an electrolyzer and an electrochemical compressor-membrane-electrode unit.
  • a cylinder is a geometric body in which two parallel, flat, congruent base surfaces are connected to one another by a lateral surface.
  • a cylinder in the sense of the invention is preferably a vertical cylinder in which the two base surfaces are perpendicular to a longitudinal axis of the cylinder.
  • the two base areas and a cross-section of the cylinder are identical in shape and size to one another.
  • the two base areas and the cross section of the cylinder can be circular, oval or polygonal.
  • an elliptical cylinder and a prism also fall under the term cylinder in the context of the invention.
  • the at least one cylindrical first electrode arrangement with a closed cross section and the at least one cylindrical second electrode arrangement with a closed cross section divide an interior of the cell arrangement according to the invention into several mutually sealed sub-interiors.
  • the plurality of partial interiors are connected to one another in such a way that protons are passed through the first membrane of the at least one first membrane-electrode unit.
  • the at least one first electrode arrangement has a first carrier for carrying the at least one first membrane-electrode unit.
  • the first carrier can also be cylindrical and closed in cross section.
  • the at least one second electrode arrangement has a second carrier for carrying the at least one second membrane-electrode unit.
  • the first carrier can also be cylindrical and closed in cross section.
  • bipolar plates and gas diffusion layers can be provided for the first anode and the first cathode. As a result of appropriate insulation, there is no electrically conductive connection between the first anode and the first cathode of the at least one first membrane-electrode unit.
  • Bipolar plates and gas diffusion layers can also be provided for the second anode and the second cathode.
  • a gas-permeable, electrically insulating layer can be arranged between the at least one first electrode arrangement and the at least one second electrode arrangement. This gas-permeable, electrically insulating layer serves both for the uniform distribution of the gas and for the electrical separation of the at least one first electrode arrangement and the at least one second electrode arrangement.
  • the first type and the second type are preferably different from one another.
  • the at least one first membrane-electrode unit is advantageously designed as an electrolyzer-membrane-electrode unit, while the at least one second membrane-electrode unit is designed as an electrochemical compressor-membrane-electrode unit.
  • the at least one first membrane-electrode unit can be designed as an electrochemical compressor-membrane-electrode unit, while the at least one second membrane-electrode unit is designed as an electrolyzer-membrane-electrode unit.
  • the at least one first membrane-electrode unit is designed as a fuel cell-membrane-electrode unit, while the at least one second membrane-electrode unit is designed as an electrochemical compressor-membrane-electrode unit.
  • the at least one first membrane-electrode unit can be designed as an electrochemical compressor-membrane-electrode unit, while the at least one second membrane-electrode unit is designed as a fuel cell-membrane-electrode unit.
  • the housing, the at least one first and the at least one second electrode arrangement each have a round, oval or polygonal cross section.
  • polygonal cross section includes, for example, a triangular, rectangular, star-shaped and cross-shaped cross section of a cylindrically designed body.
  • the housing, the at least one first and the at least one second electrode arrangement each have a round or a rectangular cross section.
  • the cross section of the housing, the cross section of the at least one first electrode arrangement and the cross section of the at least one second electrode arrangement can each be selected to be different.
  • the cell arrangement according to the invention preferably comprises a plurality of first electrode arrangements.
  • the plurality of first electrode arrangements are preferably arranged coaxially to one another in the housing.
  • a bipolar plate is preferably arranged between each two first electrode arrangements.
  • the plurality of first electrode arrangements are arranged next to one another in the housing.
  • the multiple first electrode arrangements can have different cross-sections.
  • the plurality of first electrode arrangements can be arranged coaxially to one another in the housing in such a way that the adjacent first electrode arrangements always face one another with the same electrode sides, i.e. anode sides or cathode sides of the at least one first membrane electrode unit of the respective first electrode arrangements.
  • the several first electrode arrangements are divided into several groups.
  • the multiple groups each have a number of the first electrode arrangements which are arranged coaxially to one another.
  • the several groups are then arranged next to one another in the housing.
  • the plurality of first electrode arrangements can be divided into a first and a second group, the first group having a first number of the first electrode arrangements that are arranged coaxially to one another, while the second group has a second number of the first electrode arrangements that are coaxial arranged to each other are.
  • the first group and the second group are arranged next to one another in the housing.
  • the first number of first electrode arrangements is preferably equal to the second number of first electrode arrangements.
  • the cell arrangement according to the invention preferably comprises a plurality of second electrode arrangements.
  • the plurality of second electrode arrangements are preferably arranged coaxially to one another in the housing.
  • a bipolar plate is preferably arranged between each two second electrode arrangements.
  • the plurality of second electrode arrangements are arranged next to one another in the housing.
  • the plurality of second electrode arrangements can have different cross sections.
  • the multiple second electrode arrangements can be arranged coaxially to one another in the housing such that the adjacent second electrode arrangements always face one another with the same electrode sides, i.e. anode sides or cathode sides of the at least one second membrane electrode unit of the respective second electrode arrangements.
  • the several second electrode arrangements are divided into several groups.
  • the multiple groups each have a number of the second electrode arrangements which are arranged coaxially to one another.
  • the several groups are then arranged next to one another in the housing.
  • the at least one second electrode arrangement can be arranged coaxially with or next to the at least one first electrode arrangement. It is preferred that the at least one first electrode arrangement and the at least one second electrode arrangement are arranged coaxially to one another.
  • first or several second electrode arrangements are arranged coaxially to one another in the housing, the first or second membrane-electrode units of which are designed as electrochemical compressor-membrane-electrode units, a multi-stage electrochemical compressor is formed.
  • the adjacent first or second electrode arrangements always face one another with different electrode sides.
  • the cross-sections of the partial interiors in front of the anode and the cathode can be made so large that the anode and the cathode of a membrane electrode unit designed as a fuel cell membrane electrode unit when the fuel cell is operated with pure oxygen, the anode, a membrane-electrode unit designed as an electrolyzer-membrane-electrode unit, and the anode of a membrane-electrode unit designed as an electrochemical compressor-membrane-electrode unit, can be operated in a so-called “dead-end mode” can.
  • a distance between the adjacent electrode arrangements can be at least 1 mm. The distance is preferably in a range from 1 mm to 10 cm.
  • the housing can therefore be designed free of discharge connections which serve to discharge excess fuel, in particular hydrogen, and excess oxygen.
  • the housing has further connections, which are used, for example, for the passage of a temperature control medium and for the discharge of water produced by reaction or condensation.
  • the housing can also be designed free of drainage connections that serve to remove excess water to be split.
  • the housing here has further connections which, for example, serve to discharge the water that has passed through the membrane due to the osmotic effect.
  • the housing can also be designed free of discharge connections that serve to discharge excess hydrogen to be compressed.
  • the housing here has further connections, for example for the passage of a Tempering medium and serve to remove water formed by condensation.
  • the cell arrangement configured as a fuel cell can be cooled by an increased air / oxygen throughput.
  • the housing has two connections, one of which is used to supply the air / oxygen and the other is used to remove the air / oxygen.
  • the cooling can also be implemented by an increased throughput of fuel, in particular hydrogen, the housing having two connections, one of which is used to supply the fuel and the other to discharge the fuel. Combined cooling by simultaneously increasing the air / oxygen throughput and the fuel throughput is also possible.
  • a motor vehicle which comprises at least one cell arrangement according to the invention.
  • the cell arrangement according to the invention has a geometrically simple structure.
  • the assembly of the cell arrangement according to the invention is thus greatly simplified.
  • the cell arrangement according to the invention it is possible to make the cross-sections of the partial interiors in front of the anode and the cathode large. As a result, the flow resistance or the pressure loss of the gases is very low and there is no concentration gradient in the direction of flow.
  • a local concentration of the gases at the anode and the cathode is determined via the pressure of the gases and not the geometric position in the partial interiors. It is thus possible for the anode and the cathode of a fuel cell as well as the anode of an electrochemical compressor to be operated in so-called “dead-end operation”. As a result, there is no need to recirculate the gases.
  • an electrochemical compressor for local extraction of hydrogen from the natural gas network through a correspondingly large cross section on the anode side in full flow with practically no pressure loss or pumping effort.
  • cooling via an additional coolant circuit in a fuel cell can be replaced by a correspondingly large cross section on the cathode side by an increased air throughput.
  • This also enables the construction of the cell arrangement according to the invention to be simplified.
  • appropriate arrangement of the cell arrangement according to the invention such as perpendicular or inclined to the horizontal plane, an independent drainage of water from condensation, reaction or water that passes through the membrane due to osmotic effects can easily be achieved.
  • a pressure-balanced fuel cell or a pressure-balanced electrolyzer can easily be implemented with the cell arrangement according to the invention, since an individual electrode arrangement does not have to be sealed off from the external environment of the cell arrangement.
  • the maximum pressure of the anode or the cathode is thus only determined by the maximum pressure of the pressure-tight housing of the cell arrangement.
  • a pressure-balanced fuel cell or a pressure-balanced electrolyzer is to be understood as meaning that approximately the same pressure prevails on the anode side and cathode side of the fuel cell or of the electrolyzer.
  • An established sealing method such as for flanges, can be used to seal the pressure-tight housing of the cell arrangement.
  • the cell arrangement designed as an electrochemical compressor is also well suited for a solid oxide fuel cell, since a large gas throughput can be made possible with very little pressure loss.
  • Figure 1 is a schematic cross-sectional view of a cell arrangement according to a first embodiment
  • FIG. 2 shows a schematic first longitudinal sectional illustration of the cell arrangement according to the first embodiment
  • FIG. 3 shows a schematic second longitudinal sectional illustration of the cell arrangement according to the first embodiment
  • FIG. 4 shows a schematic cross-sectional illustration of a cell arrangement according to a second embodiment
  • FIG. 5 shows a schematic cross-sectional illustration of a cell arrangement according to a third embodiment.
  • FIG. 1 shows a schematic cross-sectional illustration of a cell arrangement 100 according to the invention in accordance with a first embodiment.
  • the cell arrangement 100 according to the invention comprises a pressure-resistant, rectangular housing 10 in which a first electrode arrangement 20 and a second electrode arrangement 40 are arranged coaxially to one another.
  • the first electrode arrangement 20 is also rectangular and comprises four first membrane electrode units 30 and a first carrier 22 for supporting the four first membrane electrode units 30.
  • the four first membrane electrode units 30 each include a first anode 31 and a first cathode 32 separated by a first membrane 33.
  • Bipolar plates and gas diffusion layers can be provided for the first anode 31 and the first cathode 32 of the respective first membrane-electrode units 30.
  • the second electrode arrangement 40 is also rectangular and comprises four second membrane electrode units 50 and a second carrier 42 for supporting the four second membrane electrode units 50.
  • the four second membrane electrode units 50 each include a second anode 51 and a second cathode 52 separated by a second membrane 53.
  • Bipolar plates and gas diffusion layers can be provided for the second anode 51 and the second cathode 52 of the respective second membrane-electrode units 50. As a result of appropriate insulation, there is no electrically conductive connection between the second anode 51 and the second cathode 52 of the respective second membrane-electrode units 50.
  • the housing 10, the first electrode arrangement 20 and the second electrode arrangement 40 can have different cross-sections.
  • the housing 10, the first electrode arrangement 20 and the second electrode arrangement 40 each have a round cross section.
  • the housing 10 has a rectangular / polygonal cross section, while the first and second electrode arrangements 20, 40 each have a round cross section.
  • the first and second electrode arrangements 20, 40 which are closed in cross-section, divide an interior 11 of the cell arrangement 100 according to the invention into a first partial interior 12, a second partial interior 13 and a third partial interior 14, which are sealed off from one another.
  • a gas-permeable, electrically insulating layer 60 is arranged in the second partial interior 13, which serves both for the uniform distribution of the gas and for the electrical separation of the first electrode arrangement 20 and the second electrode arrangement 40.
  • the four first membrane-electrode units 30 have a first type which is selected from a fuel cell, an electrolyzer and an electrochemical compressor-membrane-electrode unit.
  • the four second membrane-electrode units 50 have a second type, which is also selected from a fuel cell, an electrolyzer and an electrochemical compressor-membrane-electrode unit. The second type differs from the first type.
  • the four first membrane electrode units 30 and the four second membrane electrode units 50 are arranged such that the first anodes 31 of the respective first membrane electrode units 30 face the first partial interior 12 and the second cathodes 52 of the respective second membrane electrode units 50 faces the third partial interior 14, while the first cathodes 32 of the respective first membrane electrode units 30 and the second anode 51 face the second partial interior 13.
  • the four first membrane electrode units 30 and the four second membrane electrode units 50 can be arranged in such a way that the first cathodes 32 of the respective first membrane electrode units 30 face the first partial interior 12 and the second anodes 51 face the respective second membrane electrode units 50 facing the third partial interior 14, while the first anodes 31 of the respective first membrane electrode units 30 and the second cathodes 52 face the second partial interior 13.
  • the cell arrangement 100 according to the invention from FIG. 1 can be designed, for example, as a combination of an electrolyzer and an electrochemical compressor.
  • the four first membrane electrode units 30 are each designed as an electrolyzer membrane electrode unit, while the four second membrane electrode units 50 are each designed as an electrochemical compressor membrane electrode unit.
  • the first cathodes 32 and the second anodes 51 face the second partial interior 13.
  • the water to be split is fed to the first partial interior 12.
  • the hydrogen generated by the first electrode arrangement 20 in the second partial interior 13 is compressed directly by the second electrode arrangement 40.
  • the compressed hydrogen is then discharged from the third partial interior 14.
  • the four second membrane-electrode units 50 are each designed as an electrolyzer-membrane-electrode unit and the four first membrane-electrode units 30 are each designed as an electrochemical compressor-membrane-electrode unit, that is, the second cathodes 52 and the first anodes 31 face the second partial interior 13
  • the water to be split is fed to the third partial interior 14.
  • the hydrogen generated by the second electrode arrangement 40 in the second partial interior 13 is compressed directly by the first electrode arrangement 20. The compressed hydrogen is then discharged from the first partial interior 12.
  • the cell arrangement 100 according to the invention can be designed as a combination of an electrolyzer and a fuel cell or as a combination of a fuel cell and an electrochemical compressor. In the latter case, the excess hydrogen can advantageously be compressed for further use.
  • FIG. 2 a first longitudinal section of the cell arrangement 100 is shown schematically in FIG. 1 along a line AA.
  • two of the four are first Membrane electrode units 30 and two of the four second membrane electrode units 50 from FIG. 1 are shown.
  • the two illustrated first membrane electrode units 30 each have a first anode 31 and a first cathode 32, which are separated by a first membrane 33.
  • the two illustrated second membrane electrode units 50 each have a second anode 51 and a second cathode 52, which are separated by a second membrane 53.
  • the first and second electrode arrangements 20, 40 subdivide the interior 11 of the cell arrangement 100 according to the invention into a first partial interior 12, a second partial interior 13 and a third partial interior 14.
  • the first and the second electrode arrangement 20, 40 are designed in such a way that the first, second and third partial interior spaces 12, 13, 14 in the housing 10 are continuous.
  • FIG. 3 a second longitudinal section of the cell arrangement 100 in FIG. 1 along the line A-A is shown schematically, FIG. 3 showing an alternative embodiment of the second and third partial interior spaces 13, 14.
  • FIG. 3 two of the four first membrane electrode units 30 and two of the four second membrane electrode units 50 from FIG. 1 are shown.
  • the two illustrated first membrane electrode units 30 each have a first anode 31 and a first cathode 32, which are separated by a first membrane 33.
  • the two illustrated second membrane electrode units 50 each have a second anode 51 and a second cathode 52, which are separated by a second membrane 53.
  • the first and second electrode arrangements 20, 40 subdivide the interior 11 of the cell arrangement 100 according to the invention into a first partial interior 12, a second partial interior 13 and a third partial interior 14.
  • the first and the second electrode arrangement 20, 40 are designed in such a way that that the second and third sub-interior 13, 14 in the housing 10 are not continuous.
  • first and second electrode arrangements 20, 40 are also conceivable, for example only the first, only the second or only the third partial interior 12, 13, 14 in the housing 10 is not continuous.
  • FIG. 4 shows a schematic cross-sectional illustration of a cell arrangement 100 according to the invention in accordance with a second embodiment.
  • the cell arrangement 100 according to the invention comprises two first electrode arrangements 20 and a second electrode arrangement 40, which are arranged next to one another in the pressure-resistant housing 10.
  • the housing 10 and the two first electrode arrangements 20 and the second electrode arrangement 40 each have a rectangular cross section.
  • the two first electrode arrangements 20 and the second electrode arrangement 40 subdivide an interior 11 of the cell arrangement 100 according to the invention into four sub-interior spaces 12, 13, 14, 15.
  • FIG. 5 shows a schematic cross-sectional illustration of a cell arrangement 100 according to the invention in accordance with a third embodiment.
  • the cell arrangement 100 according to the invention comprises two first electrode arrangements 20 and a second electrode arrangement 40.
  • the housing 10 and the left first electrode arrangement 20a each have a rectangular cross section, while the central first electrode arrangement 20b has a round cross section and the right second electrode arrangement 40 has a cruciform cross section having.
  • the two first electrode arrangements 20 and the second electrode arrangement 40 subdivide an interior 11 of the cell arrangement 100 according to the invention into four sub-interior spaces 12, 13, 14, 15.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zellanordnung (100), die ein druckfestes Gehäuse (10) wobei im Gehäuse (10) mindestens eine erste Elektrodenanordnung (20) und mindestens eine zweite Elektrodenanordnung (40) umfasst, wobei die mindestens eine erste Elektrodenanordnung (20) mindestens eine erste Membran-Elektroden-Einheit (30) mit einer ersten Anode (31) und einer ersten Kathode (32) aufweist, welche voneinander durch eine erste Membran (33) getrennt sind, und wobei die mindestens eine zweite Elektrodenanordnung (40) mindestens eine zweite Membran-Elektroden-Einheit (50) mit einer zweiten Anode (51) und einer zweiten Kathode (52) aufweist, welche voneinander durch eine zweite Membran (53) getrennt sind. Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug, das mindestens eine erfindungsgemäße Zellanordnung (100) umfasst.

Description

Zellenanordnung
Die Erfindung betrifft eine Zellanordnung, die ein druckfestes Gehäuse wobei im Gehäuse mindestens eine erste Elektrodenanordnung und mindestens eine zweite Elektrodenanordnung umfasst, wobei die mindestens eine erste Elektrodenanordnung mindestens eine erste Membran- Elektroden- Einheit mit einer ersten Anode und einer ersten Kathode aufweist, welche voneinander durch eine erste Membran getrennt sind, und wobei die mindestens eine zweite Elektrodenanordnung mindestens eine zweite Membran- Elektroden- Einheit mit einer zweiten Anode und einer zweiten Kathode aufweist, welche voneinander durch eine zweite Membran getrennt sind.
Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug, das mindestens eine erfindungsgemäße Zellanordnung umfasst.
Stand der Technik
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft insbesondere in Fahrzeugen vermehrt elektrische Systeme zum Einsatz kommen, die fortschrittliche Technologie zur Energieerzeugung mit elektrischer Antriebstechnik kombinieren. Eine Möglichkeit zur Erzeugung elektrischer Energie für ein elektrisches Antriebssystem eines Fahrzeugs bilden Brennstoffzellen.
Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, welche die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Eine Brennstoffzelle ist also ein elektrochemischer Energiewandler. Bei bekannten Brennstoffzellen werden insbesondere Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (02) in Wasser (H20), elektrische Energie und Wärme gewandelt.
Zur Erzeugung von Wasserstoff findet üblicherweise ein Elektrolyseur Anwendung. Ein Elektrolyseur ist ein elektrochemischer Energiewandler, welcher Wasser (H20) mittels elektrischer Energie in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (02) spaltet. Damit der erzeugte Wasserstoff in einem Hochdruckspeicher gespeichert werden kann, werden üblicherweise Verdichter eingesetzt.
Die Brennstoffzelle, der Elektrolyseur und der Verdichter können jeweils als eine Zelle und auf Basis von Polymerelektrolytmembranen, die auch als Protonen- Austausch-Membrane (PEM) bezeichnet werden, ausgebildet. Mehrere Einzelzellen können zu einem Stapel angeordnet werden. Die Einzelzelle umfasst üblicherweise eine Membran-Elektroden-Einheit (Engl.: Membrane Electrode Assembly, MEA), welche zwei Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode, aufweist, die durch eine Polymerelektrolytmembran (PEM) getrennt sind. An die Anode und die Kathode kann jeweils eine Gasdiffusionslage für eine gleichmäßige Verteilung des Mediums, wie z. B. Gase und Flüssigkeit, bzw. für einen geregelten Medientransport angebracht werden. Basis von PEM ausgestaltete Elektrolyseure und Verdichter werden auch als PEM-Elektrolyseur und elektrochemischer Verdichter bezeichnet.
Die Einzelzelle umfasst ferner Bipolarplatten zur Kontaktierung der Anode sowie der Kathode und zur Medienführung. Durch Aussparungen in den Bipolarplatten werden Kanäle zur Medienverteilung innerhalb des Stapels generiert. Zusammengehalten wird dieser Stapel üblicherweise durch gegeneinander verschraubte Spannplatten, an denen sich auch die Medienanschlüsse des Stapels befinden. Jede Einzelzelle bzw. Einzelteile wie Bipolarplatten müssen zur Umgebung hin sowie intern zwischen Anoden- und Kathodenseite bzw. zwischen den einzelnen Medienführungen abgedichtet werden.
Offenbarung der Erfindung
Es wird eine Zellanordnung vorgeschlagen. Dabei umfasst die Zellanordnung ein druckfestes Gehäuse. Dabei sind mindestens eine erste Elektrodenanordnung und mindestens eine zweite Elektrodenanordnung im Gehäuse angeordnet, wobei die mindestens eine erste Elektrodenanordnung mindestens eine erste Membran-Elektroden-Einheit mit einer ersten Anode und einer ersten Kathode aufweist, welche voneinander durch eine erste Membran getrennt sind, und wobei die mindestens eine zweite Elektrodenanordnung mindestens eine zweite Membran-Elektroden-Einheit mit einer zweiten Anode und einer zweiten Kathode aufweist, welche voneinander durch eine zweite Membran getrennt sind. Erfindungsgemäß sind die mindestens eine erste und die mindestens eine zweite Elektrodenanordnung zylindrisch ausgebildet und im Querschnitt geschlossen. Dabei weist die mindestens eine erste Elektrodenanordnung einen ersten Typ auf, während die mindestens eine zweite Elektrodenanordnung einen zweiten Typ aufweist. Der erste Typ und der zweite Typ sind dabei jeweils aus einer Brennstoffzelle-, einer Elektrolyseur- und einer elektrochemischen Verdichter- Membran- Elektroden- Einheit ausgewählt.
Ein Zylinder ist ein geometrischer Körper, bei dem zwei parallele, ebene, kongruente Grundflächen durch eine Mantelfläche miteinander verbunden sind. Bevorzugt ist ein Zylinder im Sinne der Erfindung ein senkrechter Zylinder, bei dem die beiden Grundflächen senkrecht zu einer Längsachse des Zylinders sind. In diesem Fall sind die beiden Grundflächen sowie ein Querschnitt des Zylinders von Form und Größe identisch zueinander. Die beiden Grundflächen sowie der Querschnitt des Zylinders können kreisrund, oval oder polygonal ausgebildet werden. Somit fallen ein elliptischer Zylinder und ein Prisma auch unter den Begriff Zylinder im Sinne der Erfindung.
Durch die mindestens eine zylindrisch ausgebildete und im Querschnitt geschlossene erste Elektrodenanordnung und die mindestens eine zylindrisch ausgebildete und im Querschnitt geschlossene zweite Elektrodenanordnung wird ein Innenraum der erfindungsgemäßen Zellanordnung in mehrere gegeneinander abgedichtete Teilinnenräume unterteilt. Die mehreren Teilinnenräume sind derart miteinander verbunden, dass Protonen durch die erste Membran der mindestens einen ersten Membran- Elektroden- Einheit geleitet werden.
Die mindestens eine erste Elektrodenanordnung weist dabei einen ersten Träger zum Tragen der mindestens einen ersten Membran- Elektroden- Einheit auf.
Dabei kann der erste Träger ebenfalls zylindrisch ausgebildet werden und im Querschnitt geschlossenen sein.
Die mindestens eine zweite Elektrodenanordnung weist dabei einen zweiten Träger zum Tragen der mindestens einen zweiten Membran- Elektroden- Einheit auf. Dabei kann der erste Träger ebenfalls zylindrisch ausgebildet werden und im Querschnitt geschlossenen sein. Für die erste Anode und die erste Kathode können ferner Bipolarplatten und Gasdiffusionslagen vorgesehen werden. Durch entsprechende Isolierung besteht keine elektrisch leitende Verbindung zwischen der ersten Anode und der ersten Kathode der mindestens einen ersten Membran- Elektroden- Einheit.
Für die zweite Anode und die zweite Kathode können ebenfalls Bipolarplatten und Gasdiffusionslagen vorgesehen werden. Durch entsprechende Isolierung besteht keine elektrisch leitende Verbindung zwischen der zweiten Anode und der zweiten Kathode der mindestens einen zweiten Membran- Elektroden- Einheit. zwischen der mindestens einen ersten Elektrodenanordnung und der mindestens einen zweiten Elektrodenanordnung kann eine gasdurchlässige, elektrisch isolierende Schicht angeordnet. Diese gasdurchlässige, elektrisch isolierende Schicht dient sowohl zur gleichmäßigen Verteilung des Gases, als auch zur elektrischen Trennung der mindestens einen ersten Elektrodenanordnung und der mindestens einen zweiten Elektrodenanordnung.
Vorzugsweise unterscheiden sich der erste Typ und der zweite Typ voneinander.
Vorteilhaft ist die mindestens eine erste Membran- Elektroden- Einheit als eine Elektrolyseur-Membran-Elektroden-Einheit ausgestaltet, während die mindestens eine zweite Membran- Elektroden- Einheit als eine elektrochemische Verdichter- Membran- Elektroden- Einheit ausgestaltet ist. Alternativ kann die mindestens eine erste Membran- Elektroden- Einheit als eine elektrochemische Verdichter- Membran- Elektroden- Einheit ausgestaltet, während die mindestens eine zweite Membran-Elektroden-Einheit als eine Elektrolyseur-Membran-Elektroden-Einheit ausgestaltet ist.
Vorteilhaft ist auch, dass die mindestens eine erste Membran-Elektroden-Einheit als eine Brennstoffzelle-Membran-Elektroden-Einheit ausgestaltet ist, während die mindestens eine zweite Membran-Elektroden-Einheit als eine elektrochemische Verdichter-Membran-Elektroden-Einheit ausgestaltet ist. Alternativ kann die mindestens eine erste Membran-Elektroden-Einheit als eine elektrochemische Verdichter-Membran-Elektroden-Einheit ausgestaltet, während die mindestens eine zweite Membran-Elektroden-Einheit als eine Brennstoffzelle- Membran- Elektroden- Einheit ausgestaltet ist. Bevorzugt weisen das Gehäuse, die mindestens eine erste und die mindestens eine zweite Elektrodenanordnung jeweils einen runden, ovalen oder polygonalen Querschnitt auf. Unter dem Begriff des polygonalen Querschnitts fallen beispielsweise ein dreieckiger, ein rechteckiger, ein sternförmiger und ein kreuzförmiger Querschnitt eines zylindrisch ausgebildeten Körpers. Besonders bevorzugt weisen das Gehäuse, die mindestens eine erste und die mindestens eine zweite Elektrodenanordnung jeweils einen runden oder einen rechteckigen Querschnitt auf.
Der Querschnitt des Gehäuses, der Querschnitt der mindestens eine ersten Elektrodenanordnung und der Querschnitt der mindestens einen zweiten Elektrodenanordnung können jeweils unterschiedlich gewählt werden.
Bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße Zellanordnung mehrere erste Elektrodenanordnungen. Dabei sind die mehreren ersten Elektrodenanordnungen bevorzugt koaxial zueinander im Gehäuse angeordnet werden. Bevorzugt ist jeweils zwischen zwei ersten Elektrodenanordnungen eine Bipolarplatte angeordnet. Denkbar ist aber, dass die mehreren ersten Elektrodenanordnungen nebeneinander im Gehäuse angeordnet werden. Dabei können die mehreren ersten Elektrodenanordnungen unterschiedliche Querschnitte aufweisen.
Die mehreren ersten Elektrodenanordnungen können koaxial zueinander im Gehäuse derart angeordnet sein, dass die benachbarten ersten Elektrodenanordnungen immer mit gleichen Elektrodenseiten, also Anodenseiten oder Kathodenseiten der mindestens einen ersten Membran- Elektroden- Einheit der jeweiligen ersten Elektrodenanordnungen, einander zugewandt sind.
Denkbar ist auch, dass die mehreren ersten Elektrodenanordnungen in mehrere Gruppen unterteilt werden. Dabei weisen die mehreren Gruppen jeweils eine Anzahl von den ersten Elektrodenanordnungen auf, die koaxial zueinander angeordnet sind. Die mehreren Gruppen sind dann nebeneinander im Gehäuse angeordnet. Beispielsweise können die mehreren ersten Elektrodenanordnungen in eine erste und eine zweite Gruppe unterteilt werden, wobei die erste Gruppe eine erste Anzahl von den ersten Elektrodenanordnungen aufweist, die koaxial zueinander angeordnet sind, während die zweite Gruppe eine zweite Anzahl von den ersten Elektrodenanordnungen aufweist, die koaxial zueinander angeordnet sind. Die erste Gruppe und die zweite Gruppe sind dabei nebeneinander im Gehäuse angeordnet. Bevorzugt ist die erste Anzahl der ersten Elektrodenanordnungen gleich der zweiten Anzahl der ersten Elektrodenanordnungen.
Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Zellanordnung mehrere zweite Elektrodenanordnungen. Dabei sind die mehreren zweiten Elektrodenanordnungen bevorzugt koaxial zueinander im Gehäuse angeordnet. Bevorzugt ist jeweils zwischen zwei zweiten Elektrodenanordnungen eine Bipolarplatte angeordnet. Denkbar ist aber auch, dass die mehreren zweiten Elektrodenanordnungen nebeneinander im Gehäuse angeordnet sind. Die mehreren zweiten Elektrodenanordnungen können unterschiedliche Querschnitte aufweisen.
Die mehreren zweiten Elektrodenanordnungen können koaxial zueinander im Gehäuse derart angeordnet sein, dass die benachbarten zweiten Elektrodenanordnungen immer mit gleichen Elektrodenseiten, also Anodenseiten oder Kathodenseiten der mindestens einen zweiten Membran- Elektroden- Einheit der jeweiligen zweiten Elektrodenanordnungen, einander zugewandt sind.
Denkbar ist auch, dass die mehreren zweiten Elektrodenanordnungen in mehrere Gruppen unterteilt werden. Dabei weisen die mehreren Gruppen jeweils eine Anzahl von den zweiten Elektrodenanordnungen auf, die koaxial zueinander angeordnet sind. Die mehreren Gruppen sind dann nebeneinander im Gehäuse angeordnet.
Die mindestens eine zweite Elektrodenanordnung kann dabei koaxial zu oder neben der mindestens einen ersten Elektrodenanordnung angeordnet werden. Bevorzugt ist, dass die mindestens eine erste Elektrodenanordnung und die mindestens eine zweite Elektrodenanordnung koaxial zueinander angeordnet sind.
Sind die mehreren ersten oder mehreren zweiten Elektrodenanordnungen koaxial zueinander im Gehäuse angeordnet, deren ersten oder zweiten Membran-Elektroden-Einheiten als elektrochemische Verdichter-Membran- Elektroden- Einheit ausgestaltet sind, wird ein mehrstufiger elektrochemischer Verdichter ausgebildet. Somit kann ein zu großer Druckunterschied an der Membran- Elektroden- Einheit bei nur einer Druckstufe vermieden werden. In diesem Fall sind die benachbarten ersten oder zweiten Elektrodenanordnungen immer mit unterschiedlichen Elektrodenseiten einander zugewandt.
Mit der erfindungsgemäßen Zellanordnung können die Querschnitte der Teilinnenräume vor der Anode und der Kathode so groß ausgebildet werden, dass die Anode und die Kathode einer als eine Brennstoffzelle- Membran elektroden- Einheit ausgestalteten Membran-Elektroden-Einheit bei einem reinen Sauerstoff- Betrieb der Brennstoffzelle, die Anode eine als eine Elektrolyseur- Membran- Elektroden- Einheit ausgestalteten Membran-Elektroden-Einheit sowie die Anode einer als eine elektrochemischen Verdichter-Membran-Elektroden- Einheit ausgestalteten Membran-Elektroden-Einheit in einem sogenannten „Dead-End-Betrieb“ betrieben werden können. Dadurch ist eine Rezirkulation der Gase oder des Wassers nicht mehr erforderlich. Beispielsweise kann ein Abstand zwischen den benachbarten Elektrodenanordnungen mindestens 1 mm betragen. Bevorzugt liegt der Abstand in einem Bereich von 1 mm bis 10 cm.
Im Falle einer Brennstoffzelle mit reinem Sauerstoff- Betrieb kann daher das Gehäuse frei von Ableitungsanschlüssen, die zur Abfuhr von überschüssigem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, und überschüssigem Sauerstoff dienen, ausgestaltet werden. Das heißt, am Gehäuse brauchen nur zwei Zuleitungsanschlüsse am Gehäuse angebracht zu werden, welche zur Zufuhr eines Brennstoffs, insbesondere Wasserstoff, und des Sauerstoffs dient. Das Gehäuse weist hierbei weitere Anschlüsse auf, die beispielsweise zur Durchleitung eines Temperierungsmediums und zur Abführung von durch Reaktion oder Kondensation entstehendem Wasser dienen.
In Falle eines Elektrolyseurs kann das Gehäuse auch frei von Ableitungsanschlüssen, die der Abfuhr von überschüssigem, aufzuspaltendem Wasser dienen, ausgestaltet werden. Das Gehäuse weist hierbei weitere Anschlüsse auf, die beispielsweise der Abfuhr von dem aufgrund vom osmotischen Effekt die Membrane durchquerendes Wasser dienen.
Im Falle eines elektrochemischen Verdichters kann das Gehäuse ebenfalls frei von Ableitungsanschlüssen, die zur Abfuhr von überschüssigem, zu verdichtendem Wasserstoff dienen, ausgestaltet werden. Das Gehäuse weist hierbei weitere Anschlüsse auf, die beispielsweise zur Durchleitung eines Temperierungsmediums und zur Abführung von durch Kondensation entstehendem Wasser dienen.
Durch einen entsprechenden großen Querschnitt der Teilinnenräume, die der Kathode der mindestens einen als eine Brennstoffzelle- Membran- Elektroden- Einheit ausgestalteten ersten Membran- Elektroden- Einheit zugewandt sind, kann die als eine Brennstoffzelle ausgebildete Zellanordnung durch einen erhöhten Luft-/Sauerstoffdurchsatz abgekühlt werden. Hierbei weist das Gehäuse zwei Anschlüsse auf, wobei einer davon der Zufuhr der Lufl/des Sauerstoffs und der andere der Abfuhr der Lufl/des Sauerstoffs dient. Alternativ kann die Kühlung auch durch einen erhöhten Durchsatz von Brennstoff, insbesondere Wasserstoff realisiert werden, wobei das Gehäuse zwei Anschlüsse aufweist, wobei einer davon der Zufuhr des Brennstoffs und der andere der Abfuhr des Brennstoffs dient. Eine kombinierte Kühlung durch gleichzeitige Erhöhung des Luft- /Sauerstoffdurchsatzes und des Brennstoffdurchsatzes ist ebenfalls möglich.
Es wird ferner ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, das mindestens eine erfindungsgemäße Zellanordnung umfasst.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Zellanordnung weist einen geometrisch einfachen Aufbau auf. Somit ist die Montage der erfindungsgemäßen Zellanordnung stark vereinfacht.
Es ist möglich, mit der erfindungsgemäßen Zellanordnung die Querschnitte der Teilinnenräume vor der Anode und der Kathode groß auszubilden. Dadurch ist der Fließwiederstand bzw. der Druckverlust der Gase sehr gering und es besteht kein Konzentrationsgradient in Fließrichtung. Hierbei wird eine lokale Konzentration der Gase an der Anode sowie der Kathode über den Druck der Gase und nicht die geometrische Lage in den Teilinnenräumen bestimmt. Somit ist es möglich, dass die Anode und die Kathode einer Brennstoffzelle sowie die Anode eines elektrochemischen Verdichters im sogenannten „Dead-End- Betrieb“ betrieben werden. Folglich ist eine Rezirkulation der Gase nicht erforderlich. Weiterhin ist es mit der erfindungsgemäßen Zellanordnung möglich, einen elektrochemischen Verdichter für eine lokale Extraktion von Wasserstoff aus dem Erdgasnetz durch einen entsprechend großen Querschnitt auf der Anodenseite im Vollstrom praktisch ohne Druckverlust oder Pumpaufwand, einzusetzen.
Darüber hinaus kann eine Kühlung über einen zusätzlichen Kühlmittelkreislauf bei einer Brennstoffzelle durch einen entsprechend großen Querschnitt auf der Kathodenseite durch einen erhöhten Luftdurchsatz ersetzt werden. Dies ermöglicht ebenfalls eine Vereinfachung des Aufbaus der erfindungsgemäßen Zellanordnung. Zudem kann bei entsprechendem Anordnen der erfindungsgemäßen Zellanordnung, wie beispielsweise senkrecht oder schräg zur Horizontalebene, ein selbständiges Abfließen von Wasser aus Kondensation, Reaktion oder Wasser, das aufgrund von osmotischen Effekten durch die Membrane durchquert, leicht erzielt werden.
Durch die einfache Bauweise der erfindungsgemäßen Zellanordnung bzw. den Wegfall der integrierten Kühlung kann speziell bei koaxialer Anordnung der mindestens einen ersten und der mindestens zweiten Elektrodenanordnung Material für Wandung bzw. Träger zum Tragen der mindestens einen ersten und zweiten Membran-Elektroden-Einheit eingespart werden. Dies ermöglicht sowohl eine Gewichtreduktion, als auch eine Kostenreduktion für Material und Montage der erfindungsgemäßen Zellanordnung.
Außerdem kann eine druckausgeglichene Brennstoffzelle oder ein druckausgeglichener Elektrolyseur mit der erfindungsgemäßen Zellanordnung leicht realisiert werden, da eine einzelne Elektrodenordnung nicht gegenüber der äußere Umgebung der Zellanordnung abgedichtet werden muss. Damit wird der Maximaldruck der Anode oder der Kathode nur durch den Maximaldruck des druckfesten Gehäuses der Zellanordnung bestimmt. Unter einer druckausgeglichenen Brennstoffzelle oder einem druckausgeglichenen Elektrolyseur ist zu verstehen, dass auf Anodenseite und Kathodenseite der Brennstoffzelle oder des Elektrolyseurs annähernd der gleiche Druck vorherrscht. Dadurch liegt kein große Druckabfall über die Membran-Elektroden-Einheit, was zu einer geringeren mechanischen Belastung der Membran-Elektroden-Einheit und zu einer geringeren Gasdiffusion durch die Membran führt. Für eine Abdichtung des druckfesten Gehäuses der Zellanordnung kann ein etabliertes Dichtverfahren wie z.B. für Flansche herangezogen werden. Eine entsprechende Pressung zwischen der Membran- Elektroden- Einheit zu den kontaktierenden Flächen und somit ein guter elektrischer Kontakt kann durch einen geringen Druckunterschied zwischen der Anode und der Kathode sichergestellt werden.
Die als ein elektrochemischer Verdichter ausgebildete Zellanordnung ist ferner gut geeignet für eine Festoxidbrennstoffzelle, da ein großer Gasdurchsatz bei sehr geringem Druckverlust ermöglicht werden kann.
Mit der erfindungsgemäßen Zellanordnung können leichte Teile ohne Anforderungen an die elektrische Leitfähigkeit durch nichtmetallische Werkstoffe, wie z.B. Kunststoff oder Carbonfaser, ersetzt werden. Dies führt ebenfalls zu einer Gewichtreduktion und einer Kostenreduktion.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Querschnittdarstellung einer Zellanordnung gemäß einer ersten Ausgestaltung,
Figur 2 eine schematische erste Längsschnittdarstellung der Zellanordnung gemäß der ersten Ausgestaltung,
Figur 3 eine schematische zweite Längsschnittdarstellung der Zellanordnung gemäß der ersten Ausgestaltung,
Figur 4 eine schematische Querschnittdarstellung einer Zellanordnung gemäß einer zweiten Ausgestaltung und
Figur 5 eine schematische Querschnittdarstellung einer Zellanordnung gemäß einer dritten Ausgestaltung.
Ausführungsformen der Erfindung In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
Figur 1 zeigt eine schematische Querschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Zellanordnung 100 gemäß einer ersten Ausgestaltung. Die erfindungsgemäße Zellanordnung 100 umfasst ein druckfestes, rechteckiges Gehäuse 10, in dem eine erste Elektrodenanordnung 20 und eine zweite Elektrodenanordnung 40 koaxial zueinander angeordnet sind.
Die erste Elektrodenanordnung 20 ist ebenfalls rechteckig ausgebildet und umfasst vier erste Membran- Elektroden- Einheiten 30 und einen ersten Träger 22 zum Tragen der vier ersten Membran-Elektroden-Einheiten 30. Die vier ersten Membran- Elektroden- Einheiten 30 umfassen jeweils eine erste Anode 31 und eine erste Kathode 32, welche durch eine erste Membran 33 getrennt sind. Für die erste Anode 31 und die erste Kathode 32 der jeweiligen ersten Membran- Elektroden-Einheiten 30 können Bipolarplatten und Gasdiffusionslagen vorgesehen werden. Durch entsprechende Isolierung besteht keine elektrisch leitende Verbindung zwischen der ersten Anode 31 und der ersten Kathode 32 der jeweiligen ersten Membran-Elektroden-Einheiten 30.
Die zweite Elektrodenanordnung 40 ist auch rechteckig ausgebildet und umfasst vier zweite Membran-Elektroden-Einheiten 50 und einen zweiten Träger 42 zum Tragen der vier zweiten Membran-Elektroden-Einheiten 50. Die vier zweiten Membran-Elektroden-Einheiten 50 umfassen jeweils eine zweite Anode 51 und eine zweite Kathode 52, welche durch eine zweite Membran 53 getrennt sind.
Für die zweite Anode 51 und die zweite Kathode 52 der jeweiligen zweiten Membran-Elektroden-Einheiten 50 können Bipolarplatten und Gasdiffusionslagen vorgesehen werden. Durch entsprechende Isolierung besteht keine elektrisch leitende Verbindung zwischen der zweiten Anode 51 und der zweiten Kathode 52 der jeweiligen zweiten Membran-Elektroden-Einheiten 50.
Das Gehäuse 10, die erste Elektrodenanordnung 20 und die zweite Elektrodenanordnung 40 können unterschiedliche Querschnitte aufweisen. Beispielsweise können das Gehäuse 10, die erste Elektrodenanordnung 20 und die zweite Elektrodenanordnung 40 jeweils einen runden Querschnitt aufweisen. Möglich ist auch, dass das Gehäuse 10 einen rechteckigen/polygonalen Querschnitt aufweist, während die erste und zweite Elektrodenanordnung 20, 40 jeweils einen runden Querschnitt aufweisen.
Durch die im Querschnitt geschossene erste und zweite Elektrodenanordnung 20, 40 ist ein Innenraum 11 der erfindungsgemäßen Zellanordnung 100 in einen ersten Teilinnenraum 12, einen zweiten Teilinnenraum 13 und einen dritten Teilinnenraum 14 unterteilt, welche gegeneinander abgedichtet sind.
Zwischen der ersten Elektrodenanordnung 20 und der zweiten Elektrodenanordnung 40 ist eine gasdurchlässige, elektrisch isolierende Schicht 60 im zweiten Teilinnenraum 13 angeordnet, die sowohl zur gleichmäßigen Verteilung des Gases, als auch zur elektrischen Trennung der ersten Elektrodenanordnung 20 und der zweiten Elektrodenanordnung 40 dient.
Die vier ersten Membran- Elektroden- Einheiten 30 weisen einen ersten Typ auf, der ausgewählt aus einer Brennstoffzelle-, einer Elektrolyseur- und einer elektrochemischen Verdichter-Membran-Elektroden-Einheit. Die vier zweiten Membran- Elektroden- Einheiten 50 weisen einen zweiten Typ auf, der ebenfalls ausgewählt aus einer Brennstoffzelle-, einer Elektrolyseur- und einer elektrochemischen Verdichter-Membran-Elektroden-Einheit. Dabei unterscheidet sich der zweite Typ von dem ersten Typ.
In Figur 1 sind die vier ersten Membran-Elektroden-Einheiten 30 und die vier zweiten Membran-Elektroden-Einheiten 50 derart angeordnet, dass die ersten Anoden 31 der jeweiligen ersten Membran-Elektroden-Einheiten 30 dem ersten Teilinnenraum 12 zugewandt und die zweiten Kathoden 52 der jeweiligen zweiten Membran-Elektroden-Einheiten 50 dem dritten Teilinnenraum 14 zugewandt ist, während die ersten Kathoden 32 der jeweiligen ersten Membran- Elektroden-Einheiten 30 und die zweite Anode 51 dem zweiten Teilinnenraum 13 zugewandt sind.
Ebenfalls können die vier ersten Membran-Elektroden-Einheiten 30 und die vier zweiten Membran-Elektroden-Einheiten 50 derart angeordnet werden, dass die ersten Kathoden 32 der jeweiligen ersten Membran-Elektroden-Einheiten 30 dem ersten Teilinnenraum 12 zugewandt und die zweiten Anoden 51 der jeweiligen zweiten Membran-Elektroden-Einheiten 50 dem dritten Teilinnenraum 14 zugewandt ist, während die ersten Anoden 31 der jeweiligen ersten Membran- Elektroden-Einheiten 30 und die zweiten Kathoden 52 dem zweiten Teilinnenraum 13 zugewandt sind.
Die erfindungsgemäße Zellanordnung 100 aus Figur 1 kann beispielsweise als eine Kombination von einem Elektrolyseur und einem elektrochemischen Verdichter ausgebildet werden. Hierbei sind die vier ersten Membran-Elektroden- Einheiten 30 jeweils als eine Elektrolyseur-Membran-Elektroden-Einheit ausgestaltet ist, während die vier zweiten Membran-Elektroden-Einheiten 50 jeweils als eine elektrochemische Verdichter-Membran-Elektroden-Einheit ausgestaltet ist. Dabei sind die ersten Kathoden 32 und die zweiten Anoden 51 dem zweiten Teilinnenraum 13 zugewandt. Das aufzuspaltende Wasser wird dem ersten Teilinnenraum 12 zugeführt. Der durch die erste Elektrodenanordnung 20 im zweiten Teilinnenraum 13 erzeugte Wasserstoff wird direkt durch die zweite Elektrodenanordnung 40 verdichtet. Der verdichtete Wasserstoff wird dann vom dritten Teilinnenraum 14 abgeführt.
Sind die vier zweiten Membran-Elektroden-Einheiten 50 jeweils als eine Elektrolyseur-Membran-Elektroden-Einheit ausgestaltet und die vier ersten Membran-Elektroden-Einheiten 30 jeweils als eine elektrochemische Verdichter- Membran- Elektroden- Einheit ausgestaltet, d.h., dass die zweiten Kathoden 52 und die ersten Anoden 31dem zweiten Teilinnenraum 13 zugewandt sind, wird das aufzuspaltende Wasser dem dritten Teilinnenraum 14 zugeführt. Der durch die zweite Elektrodenanordnung 40 im zweiten Teilinnenraum 13 erzeugte Wasserstoff wird direkt durch die erste Elektrodenanordnung 20 verdichtet. Der verdichtete Wasserstoff wird dann vom ersten Teilinnenraum 12 abgeführt.
Weitere Kombinationen sind auch möglich. Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Zellanordnung 100 als eine Kombination von einem Elektrolyseur und einer Brennstoffzelle oder als eine Kombination von einer Brennstoffzelle und einem elektrochemischen Verdichter ausgebildet werden. Vorteilhaft kann im letzteren Fall der überschüssige Wasserstoff zur weiteren Verwendung verdichtet werden.
In Figur 2 ist ein erster Längsschnitt der Zellanordnung 100 in Figur 1 entlang einer Linie A-A schematisch dargestellt. In Figur 2 sind zwei der vier ersten Membran- Elektroden- Einheiten 30 und zwei der vier zweiten Membran- Elektroden- Einheiten 50 aus Figur 1 dargestellt.
Die zwei dargestellten ersten Membran-Elektroden-Einheiten 30 weisen dabei jeweils eine erste Anode 31 und eine erste Kathode 32 auf, die durch eine erste Membran 33 getrennt sind.
Die zwei dargestellten zweiten Membran-Elektroden-Einheiten 50 weisen dabei jeweils eine zweite Anode 51 und eine zweite Kathode 52 auf, die durch eine zweite Membran 53 getrennt sind.
Durch die erste und die zweite Elektrodenanordnung 20, 40 ist der Innenraum 11 der erfindungsgemäßen Zellanordnung 100 in einen ersten Teilinnenraum 12, einen zweiten Teilinnenraum 13 und einen dritten Teilinnenraum 14 unterteilt. Die erste und die zweite Elektrodenanordnung 20, 40 sind dabei derart ausgebildet, dass der erste, zweite sowie dritte Teilinnenraum 12, 13, 14 im Gehäuse 10 durchgängig sind.
In Figur 3 ist ein zweiter Längsschnitt der Zellanordnung 100 in Figur 1 entlang der Linie A-A schematisch dargestellt, wobei die Figur 3 eine alternative Ausgestaltung des zweiten und dritten Teilinnenraums 13, 14 zeigt. In Figur 3 sind zwei der vier ersten Membran-Elektroden-Einheiten 30 und zwei der vier zweiten Membran-Elektroden-Einheiten 50 aus Figur 1 dargestellt.
Die zwei dargestellten ersten Membran-Elektroden-Einheiten 30 weisen dabei jeweils eine erste Anode 31 und eine erste Kathode 32 auf, die durch eine erste Membran 33 getrennt sind.
Die zwei dargestellten zweiten Membran-Elektroden-Einheiten 50 weisen dabei jeweils eine zweite Anode 51 und eine zweite Kathode 52 auf, die durch eine zweite Membran 53 getrennt sind.
Durch die erste und die zweite Elektrodenanordnung 20, 40 ist der Innenraum 11 der erfindungsgemäßen Zellanordnung 100 in einen ersten Teilinnenraum 12, einen zweiten Teilinnenraum 13 und einen dritten Teilinnenraum 14 unterteilt. Die erste und die zweite Elektrodenanordnung 20, 40 sind dabei derart ausgebildet, dass der zweite sowie dritte Teilinnenraum 13, 14 im Gehäuse 10 nicht durchgängig sind.
Weitere Ausgestaltung der ersten und der zweiten Elektrodenanordnung 20, 40 sind aber auch denkbar, wie beispielsweise ist nur der erste, nur der zweite oder nur der dritte Teilinnenraum 12, 13, 14 im Gehäuse 10 nicht durchgängig.
Figur 4 zeigt eine schematische Querschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Zellanordnung 100 gemäß einer zweiten Ausgestaltung. Dabei umfasst die erfindungsgemäße Zellanordnung 100 zwei erste Elektrodenanordnungen 20 und eine zweite Elektrodenanordnung 40, welche im druckfesten Gehäuse 10 nebeneinander angeordnet sind. Das Gehäuse 10 sowie die zwei ersten Elektrodenanordnungen 20 und die zweite Elektrodenanordnung 40 weisen jeweils einen rechteckigen Querschnitt auf. Durch die zwei ersten Elektrodenanordnungen 20 und die zweite Elektrodenanordnung 40 ist ein Innenraum 11 der erfindungsgemäßen Zellanordnung 100 in vier Teilinnenräume 12, 13,14,15 unterteilt.
Figur 5 zeigt eine schematische Querschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Zellanordnung 100 gemäß einer dritten Ausgestaltung. Dabei umfasst die erfindungsgemäße Zellanordnung 100 zwei erste Elektrodenanordnungen 20 und eine zweite Elektrodenanordnung 40. Das Gehäuse 10 und die linke erste Elektrodenanordnung 20a weisen jeweils einen rechteckigen Querschnitt auf, während die mittle erste Elektrodenanordnung 20b einen runden Querschnitt und die rechte zweite Elektrodenanordnung 40 einen kreuzförmigen Querschnitt aufweist. Durch die zwei ersten Elektrodenanordnungen 20 und die zweite Elektrodenanordnung 40 ist ein Innenraum 11 der erfindungsgemäßen Zellanordnung 100 in vier Teilinnenräume 12, 13,14,15 unterteilt.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche
1. Zellanordnung (100), umfassend ein druckfestes Gehäuse (10), wobei im Gehäuse (10) mindestens eine erste Elektrodenanordnung (20) und mindestens eine zweite im Gehäuse (10) angeordnete Elektroanordnung (40) angeordnet sind, wobei die mindestens eine erste Elektrodenanordnung (20) mindestens eine erste Membran- Elektroden- Einheit (30) mit einer ersten Anode (31) und einer ersten Kathode (32) aufweist, welche voneinander durch eine erste Membran (33) getrennt sind, und wobei die mindestens eine zweite Elektroanordnung (40) mindestens eine zweite Membran- Elektroden- Einheit (50) mit einer zweiten Anode (51) und einer zweiten Kathode (52) aufweist, welche voneinander durch eine zweite Membran (53) getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste und die mindestens eine zweite Elektrodenanordnung (20, 40) zylindrisch ausgebildet und im Querschnitt geschlossen sind und dass die mindestens eine erste Membran- Elektroden- Einheit (30) einen ersten Typ aufweist und die mindestens eine zweite Membran- Elektroden- Einheit (50) einen zweiten Typ aufweist, wobei sich der erste Typ und der zweite Typ jeweils ausgewählt sind aus einer Brennstoffzelle-, einer Elektrolyseur- und einer elektrochemischen Verdichter-Membran- Elektroden- Einheit.
2. Zellanordnung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erste Typ und der zweite Typ voneinander unterscheiden.
3. Zellanordnung (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste Membran- Elektroden- Einheit (30) als eine Elektrolyseur-Membran-Elektroden-Einheit ausgestaltet ist, während die mindestens eine zweite Membran- Elektroden- Einheit (50) als eine elektrochemische Verdichter- Membran- Elektroden- Einheit ausgestaltet ist, oder die mindestens eine erste Membran- Elektroden- Einheit (30) als eine elektrochemische Verdichter- Membran- Elektroden- Einheit ausgestaltet ist, während die mindestens eine zweite Membran- Elektroden- Einheit (50) als eine Elektrolyseur- Membran- Elektroden- Einheit ausgestaltet ist.
4. Zellanordnung (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste Membran- Elektroden- Einheit (30) als eine Brennstoffzelle-Membran-Elektroden-Einheit ausgestaltet ist, während die mindestens eine zweite Membran- Elektroden- Einheit (50) als eine elektrochemische Verdichter- Membran- Elektroden- Einheit ausgestaltet ist, oder die mindestens eine erste Membran- Elektroden- Einheit (30) als eine elektrochemische Verdichter- Membran- Elektroden- Einheit ausgestaltet ist, während die mindestens eine zweite Membran- Elektroden- Einheit (50) als eine Brennstoffzelle-Membran-Elektroden-Einheit ausgestaltet ist.
5. Zellanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10), die mindestens eine erste und die mindestens eine zweite Elektrodenanordnung (20, 40) jeweils einen runden, ovalen oder polygonalen Querschnitt aufweisen.
6. Zellanordnung (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Gehäuses (10), der Querschnitt der mindestens einen ersten Elektrodenanordnung und der Querschnitt der mindestens einen zweiten Elektrodenanordnung jeweils unterschiedlich gewählt sind.
7. Zellanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend mehrere erste Elektrodenanordnungen (20), dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren ersten Elektrodenanordnungen (20) koaxial zueinander oder nebeneinander im Gehäuse (10) angeordnet sind.
8. Zellanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend mehrere zweite Elektrodenanordnungen (40), dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren zweiten Elektrodenanordnungen (40) koaxial zueinander oder nebeneinander im Gehäuse (10) angeordnet sind.
9. Zellanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste und die mindestens eine zweite Elektrodenanordnung (20, 40) koaxial zueinander oder nebeneinander im Gehäuse (10) angeordnet sind.
10. Kraftfahrzeug, das mindestens eine Zellanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 umfasst.
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