WO2021089226A1 - Zellenanordnung - Google Patents

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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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Peter Schuetzbach
Dietmar Steiner
Stefan Martin
Michael Stauch
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Robert Bosch Gmbh
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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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