WO2023227462A2 - Distribution structure for electrochemical cells, electrolyser and power-to-x system - Google Patents

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WO2023227462A2 PCT/EP2023/063418 EP2023063418W WO2023227462A2 WO 2023227462 A2 WO2023227462 A2 WO 2023227462A2 EP 2023063418 W EP2023063418 W EP 2023063418W WO 2023227462 A2 WO2023227462 A2 WO 2023227462A2
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Abstract

The invention relates to a distribution structure (10) for an electrochemical cell (30) for supplying a cell element (1) with a fluid medium (M). The distribution structure comprises a fluid inlet (11), which branches into a number of N distribution stages, wherein a distribution channel (12) is divided into two channels of smaller cross section in the main flow direction (S) from one stage (K) to the next stage (K+1), and wherein the distribution channels (12) of the N-th stage of the distribution structure (10) are configured so that the fluid medium (M) is distributed evenly over a width of the cell element (1). The invention further relates to an electrolyser or a corresponding component lighting system comprising the distribution structure.

Description

Beschreibung Description
Verteiler Struktur für elektrochemische Zellen, Elektrolyseur und Power-to-X-Anlage Distributor structure for electrochemical cells, electrolyzer and Power-to-X system
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verteilerstruktur für eine elektrochemische Zelle, insbesondere für einen Elektrolyseur, zur Versorgung eines oder mehrerer Zellelemente mit einem Fluidmedium. Weiterhin sind ein entsprechender Elektrolyseur und eine entsprechende Power-to-X-Anlage Gegenstand der vorliegenden Erfindung. The present invention relates to a distribution structure for an electrochemical cell, in particular for an electrolyzer, for supplying one or more cell elements with a fluid medium. Furthermore, a corresponding electrolyzer and a corresponding Power-to-X system are the subject of the present invention.
Bei dem Fluid Medium kann es sich insbesondere um ein Gas und/oder um eine Flüssigkeit, insbesondere einen Elektrolyten, einen Katalysten, einen Analysten oder ein Edukt für den Betrieb der betreffenden elektrochemischen Zelle, handeln. The fluid medium can in particular be a gas and/or a liquid, in particular an electrolyte, a catalyst, an analyst or an educt for the operation of the electrochemical cell in question.
Bei der Elektrolyse, insbesondere der Wasser (H2) oder C0- bzw. CCf-Elektrolyse wie auch bei Brennstoffzellen, müssen einströmende Fluidströme möglichst gleichmäßig über die Breite der aktiven Zelle verteilt werden, um über der gesamten Fläche, beispielsweise an der Ionen- bzw. Protonen-Austausch- Membran die elektrochemische Reaktion zu ermöglichen und aufrechtzuerhalten, d.h. frische Medien heranzuführen und verbrauchte Medien abzuführen. Nur eine gleichmäßige Medien- Versorgung bzw. deren Zuleitung und/oder Ableitung über die gesamte Membranfläche erlaubt auch gleichmäßige Stromdichten. Unter Einhaltung der maximal zulässigen Stromdichte, die von der jeweiligen Membran abhängig ist, kann die Gesamtleistung der Zelle maximiert werden, ohne lokale Überlastung und damit verbundene vorzeitiger Alterung. In electrolysis, in particular water (H 2 ) or C0 or CCf electrolysis as well as in fuel cells, incoming fluid flows must be distributed as evenly as possible over the width of the active cell in order to spread over the entire area, for example at the ion or .Proton exchange membrane to enable and maintain the electrochemical reaction, ie to introduce fresh media and remove used media. Only a uniform media supply or its supply and/or discharge across the entire membrane surface allows uniform current densities. By maintaining the maximum permissible current density, which depends on the respective membrane, the overall performance of the cell can be maximized without local overload and the associated premature aging.
Dabei ist es insbesondere von Vorteil, den Strömungswiderstand von Verteilerkanälen zumindest stromabwärts in der Nähe der aktiven Zelle möglichst weit zu erhöhen, um insbesondere elektrische Parasitärströme zu verhindern oder weitgehend zu reduzieren . Es ist daher insbesondere eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte, homogenisierte Medienverteilung für elektrochemische Zellen anzugeben, die zugleich eine möglichst robuste und kompakte Bauweise des die Zelle aufweisenden Bauteils ermöglicht. It is particularly advantageous to increase the flow resistance of distribution channels as much as possible, at least downstream in the vicinity of the active cell, in particular to prevent or largely reduce parasitic electrical currents. It is therefore a particular object of the present invention to provide an improved, homogenized media distribution for electrochemical cells, which at the same time enables the component containing the cell to be as robust and compact as possible.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. This task is solved by the subject matter of the independent patent claims. Advantageous refinements are the subject of the dependent patent claims.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Verteilerstruktur für eine elektrochemische Zelle, insbesondere einen Elektrolyseur zur Versorgung des Zellelements mit dem Fluidmedium. Die Verteilerstruktur umfasst einen Fluideinlass, vorzugsweise einen Hauptkanal für die Zuführung oder Zuleitung des Mediums an die Zelle, wobei der Fluideinlass sich in eine Anzahl von N, d.h. mindestens einer, vorzugsweise einer Mehrzahl von, Verteiler stuf en verzweigt, wobei sich ein Verteiler kanal in oder entlang einer (vorzugsweise in Richtung der Zelle weisenden) Hauptströmungsrichtung von einer Stufe zur nächsten Stufe in zwei oder mehr Kanäle kleineren Querschnitts aufteilt. Die Verteilerkanäle der „N-ten" Stufe sind eingerichtet, das Fluidmedium (unmittelbar) gleichmäßig über eine Breite des Zellelements zu verteilen bzw. den elektrochemisch aktiven Teil der Zelle gleichmäßig zu versorgen. One aspect of the present invention relates to a distribution structure for an electrochemical cell, in particular an electrolyzer for supplying the cell element with the fluid medium. The distributor structure comprises a fluid inlet, preferably a main channel for supplying or supplying the medium to the cell, the fluid inlet branching into a number of N, i.e. at least one, preferably a plurality of, distributor stages, with a distributor channel in or divided into two or more channels of smaller cross-section along a main flow direction (preferably pointing towards the cell) from one stage to the next stage. The distribution channels of the “Nth” stage are set up to distribute the fluid medium (immediately) evenly over a width of the cell element or to supply the electrochemically active part of the cell evenly.
Der Vorteil der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik betrifft insbesondere die verbesserte Möglichkeit der kompakten Bauweise bei gleichzeitig weitgehend homogener Verteilung des Fluids über die Zellbreite. Dadurch lassen sich wiederum robustere elektrochemische Bauteile mit stark verbesserter Leistungsdichte realisieren. Weiterhin ergibt sich der Vorteil einer verbesserten Hersteilbarkeit sowie die Möglichkeit, Zellstapel mit mehreren Zellelementen besonders stabil mechanisch gegeneinander zu stützen bzw. zu verpressen. In einer Ausgestaltung weisen Verteilerkanäle einer , insbesondere der gleichen , Stufe weitgehend die gleiche Kanallänge , vorzugsweise entlang der Hauptströmungsrichtung , auf . Diese Ausgestaltung ermöglicht vorteilhafterweise die Realisierung einer möglichst homogenen Fluidverteilung . The advantage of the invention over the prior art relates in particular to the improved possibility of a compact design while at the same time largely homogeneously distributing the fluid across the cell width. This in turn makes it possible to realize more robust electrochemical components with greatly improved power density. Furthermore, there is the advantage of improved manufacturability as well as the possibility of supporting or pressing cell stacks with several cell elements against one another in a particularly stable mechanical manner. In one embodiment, distribution channels of one stage, in particular of the same stage, have largely the same channel length, preferably along the main flow direction. This configuration advantageously enables the realization of fluid distribution that is as homogeneous as possible.
In einer Ausgestaltung weisen die Verteilerkanäle einer Stufe weiterhin weitgehend gleiche Kanalbreiten und/oder Kanalquerschnitte auf . Durch die se Ausgestaltung kann insbesondere die konventionelle Fertigung , insbesondere durch Einfrä sen in Kunststof fplatten oder der Kunst stof f Spritzgus s vereinfacht werden . In one embodiment, the distribution channels of a stage continue to have largely the same channel widths and/or channel cross sections. Through this design, conventional production can be simplified, in particular by milling into plastic panels or plastic injection molding.
In einer Ausgestaltung wird die Verteiler Struktur ab deren zweiter Stufe , insbesondere voll ständig , symmetrisch ausgebildet . Eine Symmetrieachse bezeichnet in diesem Zusammenhang vorzugsweise eine Achse parallel zur Höhe und senkrecht zur Breite der Verteilerstruktur bzw . de s Zellelementes . Auch diese Ausgestaltung ist der erfindungsgemäßen Aufgabe der möglichst homogenen Fluidverteilung zuträglich . In one embodiment, the distributor structure is designed symmetrically, in particular completely, from its second stage onwards. In this context, an axis of symmetry preferably refers to an axis parallel to the height and perpendicular to the width of the distribution structure or of the cell element. This configuration also contributes to the inventive task of distributing fluid as homogeneously as possible.
In einer Ausgestaltung sind Verteilerkanäle ab der zweiten Stufe gleichmäßig , vorzugsweise auch äquidistant , über die Zellbreite verteilt angeordnet . Auch diese Aus führungsform ermöglicht vorteilhafterweise eine möglichst gleichmäßige Fluidverteilung . In one embodiment, distribution channels are arranged evenly, preferably equidistantly, distributed over the cell width from the second stage onwards. This embodiment also advantageously enables fluid distribution to be as uniform as possible.
In einer Ausgestaltung ist die Verteilerstruktur derart ausgebildet , das s ein Kanalverlauf oder Strömungs verlauf der Verteiler Struktur nach der Verzweigung bzw . beim Übergang von einer Stufe zur nächsten Stufe zur Führung des Fluidmediums wieder in Richtung der Haupt strömungsrichtung ausgerichtet wird , bzw . sich entsprechend in diese Richtung ändert . In one embodiment, the distributor structure is designed in such a way that there is a channel course or flow course of the distributor structure after the branching or when moving from one stage to the next stage to guide the fluid medium, it is aligned again in the direction of the main flow direction, or changes accordingly in this direction.
Dementsprechend entspricht der Kanal- oder Strömungsverlauf zumindest partiell nicht exa kt der Hauptströmungsrichtung , sondern läuft nach der Verzweigung partiell oder teilweise senkrecht zur letztgenannten Richtung . In einer Ausgestaltung ist eine Höhe der Verteilerstruktur bzw. einer Ausdehnung der Verteilerstruktur entlang der Hauptströmungsrichtung, kleiner als die halbe Breite des Zellelements. Durch diese Ausgestaltung kann die Verteiler Struktur besonders vorteilhaft kompakt gehalten und gleichzeitig im Zusammenwirken mit den weiteren erfindungsgemäßen Merkmalen besonders robust ausgestaltet werden. Accordingly, the course of the channel or flow does not correspond, at least partially, exactly to the main flow direction, but rather runs partially or partially perpendicular to the latter direction after the branching. In one embodiment, a height of the distributor structure or an extent of the distributor structure along the main flow direction is smaller than half the width of the cell element. Through this configuration, the distributor structure can be kept particularly advantageously compact and at the same time can be designed to be particularly robust in cooperation with the other features according to the invention.
In einer Ausgestaltung beträgt eine relative bzw. auf den arithmetischen Mittelwert bezogene Standardabweichung (re- IStd) oder ein entsprechender Variationskoeffizient einer Fluidgeschwindigkeitsverteilung im bestimmungsgemäßen Betrieb der Verteiler Struktur weniger als 0, 15. Gemäß dieser Ausgestaltung wird ersichtlich, dass die Unterschiede in der Strömungsgeschwindigkeit (Geschwindigkeits- und Druckgradienten) vorteilhaft klein gehalten werden können. Der genannte Wert bezieht sich insbesondere auf eine Position entlang der zentralen Ebene der Kanäle, das heißt nicht an deren Rand (siehe die weiter unten anhand der Figuren beschriebenen speziellen Ausführungsbeispiele der Erfindung) . In one embodiment, a relative or standard deviation based on the arithmetic mean (re-INST) or a corresponding coefficient of variation of a fluid velocity distribution in the intended operation of the distributor structure is less than 0.15. According to this embodiment, it can be seen that the differences in the flow velocity ( Speed and pressure gradients) can be advantageously kept small. The value mentioned refers in particular to a position along the central plane of the channels, that is, not at their edge (see the specific exemplary embodiments of the invention described below with reference to the figures).
In einer Ausgestaltung weist die Verteilerstruktur in den höheren Stufen bzw. feineren Verästelungen weitgehend senkrecht zur Hauptströmungsrichtung, insbesondere quer oder senkrecht zu dieser Richtung verlaufende Verbindungskanäle zwischen Kanalzweigen der gleichen Stufe auf, die eingerichtet sind, eine Verteilung des Fluidmediums zwischen den Kanalzweigen noch weiter zu homogenisieren. Durch diese Querverbindungskanäle können Druckunterschiede oder Unterschiede in der Geschwin- digkeitsverteilung noch weiter reduziert und die Versorgung des Zellelements mit dem Medium damit weiterhin effizient vereinheitlicht werden. In one embodiment, the distributor structure in the higher stages or finer branches has connecting channels between channel branches of the same stage that run largely perpendicular to the main flow direction, in particular transversely or perpendicular to this direction, which are designed to further homogenize a distribution of the fluid medium between the channel branches . Through these cross-connection channels, pressure differences or differences in the speed distribution can be further reduced and the supply of the cell element with the medium can thus continue to be standardized efficiently.
In einer Ausgestaltung ist die Verteilerstruktur zur Führung eines flüssigen bzw. wässrigen Elektrolyten als Fluidmedium an das Zellelement eingerichtet. Diese Ausgestaltung ist be- sonders vorteilhaft und zweckmäßig für die Versorgung des Elektrolyten bei der CO/CCf-Elektrolyse . In one embodiment, the distribution structure is set up to supply a liquid or aqueous electrolyte as a fluid medium to the cell element. This design is particularly advantageous and useful for supplying the electrolyte in CO/CCf electrolysis.
In einer alternativen Ausgestaltung ist die Verteilerstruktur für die Wasserelektrolyse bzw. für die Zuführung von Wasser als Fluidmedium an das Zellelement eingerichtet. In an alternative embodiment, the distribution structure is set up for water electrolysis or for supplying water as a fluid medium to the cell element.
In einer Ausgestaltung ist die Verteilerstruktur durch ein additives Herstellungsverfahren herstellbar bzw. hergestellt. Die feine Verästelung der Kanäle und die Bereitstellung der Kanäle über ein Kunststoffmaterial kann insbesondere vorteilhaft auf additivem Wege erfolgen. Additive Herstellungsverfahren (AM: „additive manufacturing") , umgangssprachlich auch als 3D-Druck bezeichnet, umfassen beispielsweise als Pulverbettverfahren das selektive Laserschmelzen (SLM) oder „Fused Deposition Modeling" (FDM; deutsch: Schmelzschichtung) . Additive Fertigungsverf ahren haben sich insbesondere als besonders vorteilhaft für komplexe oder filigran gestaltete Bauteile, beispielsweise labyrinthartige Strukturen, Kühlstrukturen und/oder Leichtbau-Strukturen erwiesen. Insbesondere ist die additive Fertigung durch eine besonders kurze Kette von Prozessschritten vorteilhaft, da ein Herstellungs- oder Fertigungsschritt eines Bauteils weitgehend auf Basis einer entsprechenden CAD-Datei und der Wahl entsprechender Fertigungsparameter erfolgen kann. In one embodiment, the distribution structure can be produced or manufactured using an additive manufacturing process. The fine branching of the channels and the provision of the channels via a plastic material can particularly advantageously be done additively. Additive manufacturing processes (AM: “additive manufacturing”), also colloquially referred to as 3D printing, include, for example, selective laser melting (SLM) or “fused deposition modeling” (FDM) as a powder bed process. Additive manufacturing processes have proven to be particularly advantageous for complex or delicately designed components, for example labyrinth-like structures, cooling structures and/or lightweight structures. In particular, additive manufacturing is advantageous due to a particularly short chain of process steps, since a manufacturing or manufacturing step of a component can be carried out largely on the basis of a corresponding CAD file and the selection of corresponding manufacturing parameters.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Elektrolyseur, umfassend eine Verteilerstruktur zur Zuführung oder Versorgung des Fluidmediums an das Zellelement und eine gleichartig, insbesondere identisch zu dieser ausgebildete Auslassstruktur zum Ableiten des Fluidmediums. In Bezug auf die Hauptströmungsrichtung kann die Auslassstruktur dementsprechend vorzugsweise genau entgegengesetzt ausgebildet bzw. ausgerichtet sein, um das Fluid vom Zellelement ebenso gleichförmig wieder in einen möglicherweise zentralen einzelnen Auslasskanal zu führen, und abzuleiten. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Power-to-X-Anlage umfassend den beschriebenen Elektrolyseur bzw. die beschriebene Verteilerstruktur . „Power-fox'' bezeichnet insbesondere eine oder mehrere Technologie (n) zur Speicherung bzw. anderweitigen Nutzung von Stromüberschüssen aus einem Überangebot erneuerbarer Energien, wie Solarenergie, Photovoltaik, Wind- und/oder Wasserkraft. Im vorliegenden Fall wird ein solcher Stromüberschuss insbesondere für den Betrieb der elektrochemischen Zelle, vorzugsweise einer Elektrolysezelle, genutzt. A further aspect of the present invention relates to an electrolyser, comprising a distributor structure for supplying or supplying the fluid medium to the cell element and an outlet structure of similar, in particular identical design to this, for discharging the fluid medium. With respect to the main flow direction, the outlet structure can accordingly preferably be designed or oriented exactly oppositely in order to guide and drain the fluid from the cell element equally uniformly back into a possibly central individual outlet channel. Another aspect of the present invention relates to a Power-to-X system comprising the described electrolyzer or the described distribution structure. "Power-fox" refers in particular to one or more technologies for storing or otherwise using excess electricity from an oversupply of renewable energies, such as solar energy, photovoltaics, wind and/or hydropower. In the present case, such an excess of electricity is used in particular for the operation of the electrochemical cell, preferably an electrolysis cell.
Ausgestaltungen, Merkmale und/oder Vorteile, die sich vorliegend auf die Verteilerstruktur bzw. eine entsprechende elektrochemische Zelle beziehen, können ferner den Elektrolyseur bzw. die Power-to-X-Anlage direkt betreffen, und umgekehrt. Designs, features and/or advantages that in the present case relate to the distribution structure or a corresponding electrochemical cell can also directly affect the electrolyzer or the Power-to-X system, and vice versa.
Der hier verwendete Ausdruck „und/oder" oder „bzw.", wenn er in einer Reihe von zwei oder mehreren Elementen benutzt wird, bedeutet, dass jedes der aufgeführten Elemente alleine verwendet werden kann, oder es kann jede Kombination von zwei oder mehr der auf geführten Elemente verwendet werden. As used herein, the term "and/or" or "or" when used in a series of two or more elements means that any of the listed elements may be used alone, or it may be any combination of two or more of the can be used on guided elements.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren beschrieben. Further details of the invention are described below with reference to the figures.
Figur 1 zeigt eine schematische Seitenansicht bzw. Aufsicht auf eine konventionelle Verteilerstruktur für elektrochemische Zellen. Figure 1 shows a schematic side view or top view of a conventional distribution structure for electrochemical cells.
Figur 2 zeigt eine schematische Ansicht einer konventionellen elektrochemischen Zelle mit einer Verteilerstruktur ähnlich zur Figur 1. Figure 2 shows a schematic view of a conventional electrochemical cell with a distribution structure similar to Figure 1.
Figur 3 zeigt eine alternative Ausgestaltung einer konventionellen Verteilerstruktur . Figur 4 zeigt eine schematis che Ansicht einer erfindungsgemäßen Verteiler Struktur zur Versorgung einer ele ktrochemi schen Zelle mit einem Fluidmedium . Figure 3 shows an alternative embodiment of a conventional distribution structure. Figure 4 shows a schematic view of a distributor structure according to the invention for supplying an electrochemical cell with a fluid medium.
Figur 5 deutet eine schemati sche Ans icht einer erfindungsgemäßen Verteilerstruktur gemäß einer alternativen Ausgestaltung an . Figure 5 shows a schematic view of a distribution structure according to the invention according to an alternative embodiment.
Figur 6 zeigt eine vorteilhaft kompa kte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verteiler Struktur . Figure 6 shows an advantageously compact design of the distributor structure according to the invention.
Figur 7 deutet eine weiterhin vorteilhaft kompakte und Querverbindungs kanäle aufweisende Ausgestaltung der erf indungsgemäßen Verteilerstruktur an . Figure 7 indicates an embodiment of the distributor structure according to the invention that is also advantageously compact and has cross-connection channels.
Figur 8 zeigt noch eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verteilerstruktur . Figure 8 shows yet another advantageous embodiment of the distributor structure according to the invention.
Figur 9 zeigt noch eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verteilerstruktur . Figure 9 shows yet another advantageous embodiment of the distributor structure according to the invention.
Figur 10 zeigt noch eine weitere vorteilhafte Ausge staltung der erfindungsgemäßen Verteilerstruktur . Figure 10 shows yet another advantageous embodiment of the distributor structure according to the invention.
Figur 11 zeigt noch eine weitere vorteilhafte Ausge staltung der erfindungsgemäßen Verteilerstruktur . Figure 11 shows yet another advantageous embodiment of the distributor structure according to the invention.
Figur 12 zeigt die relative Standardabweichung von simulierten Fluidgeschwindigkeitsverteilungen der erfindungsgemäßen Verteiler Strukturen in einem Diagramm . Figure 12 shows the relative standard deviation of simulated fluid velocity distributions of the distributor structures according to the invention in a diagram.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleichwirkende Elemente j eweils mit den gleichen Be zugs zeichen versehen sein . Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnis se untereinander sind grundsätzlich nicht als maß stabsgerecht anzusehen , vielmehr können einzelne Elemente , zur bes seren Darstellbarkeit und/oder zum bes seren Verständ- nis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein . In the exemplary embodiments and figures, elements that are the same or have the same effect can each be provided with the same reference symbols. The elements shown and their size ratios to one another are generally not to be viewed as true to scale; rather, individual elements can be used for better representation and/or understanding. may not be depicted as excessively thick or large.
Die Figuren 1 bis 3 der folgenden Beschreibung beziehen sich auf den Stand der Technik bzw. konventionelle Medienverteiler oder Verteilerstrukturen für elektrochemische Zellen. Die Figuren 1 und 2 zeigen insbesondere eine gleichartige Ausgestaltung eines konventionellen Medienverteilers 10 ' für elektrochemische Zellen, wie Elektrolysezellen. Figures 1 to 3 of the following description relate to the prior art or conventional media distributors or distributor structures for electrochemical cells. Figures 1 and 2 show in particular a similar embodiment of a conventional media distributor 10 'for electrochemical cells, such as electrolysis cells.
In Figur 1 ist insbesondere ein solcher Verteiler mit einem Fluideinlass 11 ' gezeigt. Ausgehend von diesem rohrförmigen Medieneinlass erfolgt eine fächerartige Aufweitung in eine Vielzahl kleiner Kanäle 12 ' zur Abdeckung der Zellenbreite (vgl. horizontale Ausdehnung der Zelle in den Figuren 1 und 2) . Es ist ersichtlich, dass die längeren Kanäle dabei einen größeren Querschnitt aufweisen, um in etwa gleiche bzw. einheitliche Strömungswiderstände zu erhalten wie die weiteren, kürzeren Kanäle. Dadurch können wiederum etwa gleich große Volumenströme oder Durchflussraten erreicht werden. In Figure 1, such a distributor is shown in particular with a fluid inlet 11 '. Starting from this tubular media inlet, a fan-like expansion occurs into a large number of small channels 12 'to cover the cell width (cf. horizontal expansion of the cell in Figures 1 and 2). It can be seen that the longer channels have a larger cross section in order to obtain approximately the same or uniform flow resistances as the other, shorter channels. This means that volume flows or flow rates of approximately the same size can be achieved.
Die Figur 2 zeigt schematisch eine elektrochemische Zelle 2 ' der genannten Art, umfassend die Verteilerstruktur 10 ' für die Versorgung mit einem Fluidmedium (vgl. Bezugszeichen M weiter unten) . Es ist insbesondere eine komplette Zelle mit fluidischen Ein- und Auslässen auf Anoden- und Kathoden- Seiten der Membranzelle angedeutet. Für den Fluid- oder Medienauslass ist insbesondere ein gleichartiger Verteiler eingerichtet (vgl. Bezugszeichen 3 ' im unteren Teil der Darstellung) . Figure 2 shows schematically an electrochemical cell 2 'of the type mentioned, comprising the distribution structure 10' for the supply of a fluid medium (see reference number M below). In particular, a complete cell with fluidic inlets and outlets on the anode and cathode sides of the membrane cell is indicated. In particular, a similar distributor is set up for the fluid or media outlet (see reference number 3 'in the lower part of the illustration).
Die vorliegend anhand der Figuren 1 bis 3 gezeigten Strukturen können vorzugsweise für die Versorgung einer Elektrolysezelle für die Wasserelektrolyse und dementsprechend zur Versorgung und Führung von Wasser auf eine ( PEM-) Membran, eingerichtet sein. Figur 3 zeigt ein alternatives konventionelles Verteilerdesign, wobei der Verteiler auch aus einem Abschnitt großen Querschnitts (und geringem Strömungswiderstand) bestehen kann, mit dem dann die Verteilung in der Breite erfolgt, und davon abzweigenden kleinen gleichartigen Kanälen (mit entsprechend großem Strömungswiderstand) . Die kleinen gleichartigen Kanäle versorgen zweckmäßigerweise die einzelne Zellabschnitte in der Breite. Der Strömungswiderstand zu einem einzelnen Zellabschnitt wird dabei von den kleinen Kanälen dominiert und ist über die gesamte Breite nahezu konstant. The structures shown here with reference to Figures 1 to 3 can preferably be set up to supply an electrolytic cell for water electrolysis and accordingly to supply and guide water to a (PEM) membrane. Figure 3 shows an alternative conventional distributor design, whereby the distributor can also consist of a section with a large cross-section (and low flow resistance), with which the distribution is then carried out across the width, and small similar channels branching off from it (with a correspondingly large flow resistance). The small similar channels expediently supply the width of the individual cell sections. The flow resistance to an individual cell section is dominated by the small channels and is almost constant across the entire width.
Solche Verteilerstrukturen sind prinzipiell geeignet, Fluide gemäß einer Kombination von niedrigen und hohen Strömungswiderständen zu versorgen. Such distribution structures are in principle suitable for supplying fluids according to a combination of low and high flow resistances.
Beide oben dargestellten Verteilervarianten sind geeignet, Zellen mit vergleichsweise geringer Breite gleichmäßig zu versorgen. Wenn große Zellbreiten versorgt werden müssen, ohne dass die Verteilerstruktur eine zu große vertikale Ausdehnung annimmt, ergeben sich allerdings Probleme. Both distribution variants shown above are suitable for evenly supplying cells with a comparatively narrow width. However, problems arise when large cell widths have to be supplied without the distribution structure assuming too large a vertical extent.
Bei der in den Figuren 1 und 2 illustrierten Variante wächst das Längenverhältnis vom längsten relativ zum kürzesten Versorgungkanal mit der Zellbreite. Da die Kanäle alle vom gleichen Einlass abzweigen, erfordert dies ein entsprechend großes Verhältnis der Kanalbreiten (bzw. der Kanalquerschnitte) , um die Strömungswiderstände entsprechend anzugleichen. Fertigungsbedingt sind für die kleinste Kanalbreite jedenfalls technische Grenzen erreicht. In the variant illustrated in Figures 1 and 2, the aspect ratio of the longest relative to the shortest supply channel increases with the cell width. Since the channels all branch off from the same inlet, this requires a correspondingly large ratio of the channel widths (or channel cross sections) in order to adjust the flow resistances accordingly. Due to manufacturing reasons, technical limits are reached for the smallest channel width.
Bei der zweiten, in der Figur 3 dargestellten Variante, ist der Strömungswider stand des Abschnitts für die Verteilung in der Breite für große Zellbreiten nachteilhafterweise nicht mehr vernachlässigbar, bzw. zu unterschiedlich für Abschnitte nahe am Einlass und solchen, die weiter vom Einlass entfernt angeordnet sind, um eine ausreichend gleichmäßige Medienverteilung zu erreichen. Stützstrukturen sind in der Figur 3 mit dem Bezugszeichen 15 gekennzeichnet und dienen zur Aufnahme von Stempeln oder mechanischen Stützen. Die mechanische stabile Lagerung jeder einzelnen Elektrolysezelle wird bei der Betrachtung von notwendigen Fluiddrücken von mehreren bar evident. In the second variant, shown in Figure 3, the flow resistance of the section for the distribution in width is disadvantageously no longer negligible for large cell widths, or is too different for sections close to the inlet and those that are arranged further away from the inlet to achieve a sufficiently even media distribution. Support structures are marked with reference number 15 in FIG. 3 and are used to hold stamps or mechanical supports. The mechanically stable mounting of each individual electrolysis cell becomes evident when considering the necessary fluid pressures of several bar.
Die Figur 4 zeigt nun eine erfindungsgemäße Verteilerstruk- tur, welche die oben genannten technischen Schwierigkeiten löst, und insbesondere eine kompakte, robuste und versorgungseffiziente Bauweise von elektrochemischen Zellen ermöglicht, welche die erfindungsgegenständliche Verteilerstruktur einsetzen . Figure 4 now shows a distribution structure according to the invention, which solves the technical difficulties mentioned above, and in particular enables a compact, robust and supply-efficient design of electrochemical cells which use the distribution structure according to the invention.
Es wird also eine Verteilerstruktur 10 für eine elektrochemische Zelle, wie einen Elektrolyseur 30 vorgestellt, die zur Versorgung eines Zellelements 1 mit einem Fluidmedium M eingerichtet ist und einen Fluideinlass 11 umfasst, welcher sich in eine Anzahl von N Verteilerstuf en verzweigt, wobei sich ein Verteiler kanal 12 in Hauptströmungsrichtung S von einer Stufe K zur nächsten Stufe K+l in zwei oder mehr Kanäle kleineren Querschnitts aufteilt. Zudem sind die Verteilerkanäle 12 der N-ten Stufe der Verteiler Struktur 10 eingerichtet, das Fluidmedium M besonders gleichmäßig über eine Breite B des Zellelements 1 zu verteilen. A distribution structure 10 for an electrochemical cell, such as an electrolyzer 30, is therefore presented, which is set up to supply a cell element 1 with a fluid medium M and comprises a fluid inlet 11, which branches into a number of N distribution stages, with a distributor Channel 12 is divided into two or more channels of smaller cross-section in the main flow direction S from one stage K to the next stage K+l. In addition, the distribution channels 12 of the Nth stage of the distributor structure 10 are set up to distribute the fluid medium M particularly evenly over a width B of the cell element 1.
Dem Kanaleinlass 11 entstammen zwei nachgeordnete Verteilerkanäle der ersten Stufe (vgl. N=l, links in der Darstellung) . In dieser Stufe ist das Verteilerdesign deshalb (wie dargestellt) - im Falle der Fluidversorgung einer Zelle zur C02/C0-Elektrolyse mit flüssigem Elektrolyten - leicht asymmetrisch, da eine vollständig symmetrische Kanalkonfektionierung fertigungstechnisch nicht realisierbar ist. Dafür wurde die erste Stufe (Verzweigung) in dem Beispiel mit unterschiedlich langen Kanälen und Kanalbreiten gestaltet, um gleiche Strömungswiderstände für diesen Abschnitt zu erhalten, bzw. entsprechende Unterschiede auszugleichen. Die Fertigung in dieser Betriebsart , gemäß der üblicherweise Kohlenstoff dioxid im Kanal gebildet wird und gleichsam über einen Aus las s abgeführt werden mus s , erfordert genau genommen die Führung mehrerer Medien , insbesondere die eines Analysten , eine s Katalysten und eines gasförmigen Mediums . Anhand dieses Beispiels erkennt der Fachmann auch die praktische Schwierigkeit , der Zeit stabilität . Diesbe züglich können Gasblasen kleine Kanäle ungünstigerweise verschließen , was wiederum zu Inhomogenitäten in der Medienversorgung al s auch in der Stromdichte der Zelle und zu ent sprechender Degradation und vorzeitiger Alterung führt . Two downstream distribution channels of the first stage come from the channel inlet 11 (see N=l, left in the illustration). In this stage, the distributor design is therefore (as shown) - in the case of fluid supply to a cell for C02/C0 electrolysis with liquid electrolyte - slightly asymmetrical, since a completely symmetrical channel assembly is not feasible from a manufacturing perspective. For this purpose, the first stage (branch) in the example was designed with channels of different lengths and channel widths in order to obtain the same flow resistances for this section or to compensate for corresponding differences. Production in this operating mode, according to which carbon dioxide is usually formed in the channel and must be removed via an outlet, so to speak, requires the management of several media, in particular that of an analyst, a catalyst and a gaseous medium. Using this example, the expert also recognizes the practical difficulty of time stability. In this regard, gas bubbles can unfavorably close small channels, which in turn leads to inhomogeneities in the media supply as well as in the current density of the cell and to corresponding degradation and premature aging.
Nach dieser ersten Stufe , in der die Kanalquerschnitte ( noch ) relativ groß sind, ist in Figur 4 eine weitgehend symmetrische , baumartige Verteilerstruktur gezeigt , die sich - beispielhaft dargestellt - in s ieben (N=7 ) Stufen verzweigt , um das zu führende und verteilende Fluid oder Medium dann gleichmäß ig an die aktive Zellfläche 1 abzugeben . After this first stage, in which the channel cross-sections are (still) relatively large, a largely symmetrical, tree-like distribution structure is shown in Figure 4, which - shown as an example - branches into seven (N=7) stages in order to guide and Distributing fluid or medium is then delivered evenly to the active cell surface 1.
Verteiler kanäle 12 einer j eden Stufe weisen dabei weitgehend die gleiche Kanallänge 1 auf (vgl . horizontale Kanalausdehnung in Figur 5 ) . Gleiches gilt in dieser und den im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen auch substanziell für die entsprechenden Kanalbreiten b bzw . entsprechende Querschnitte , wodurch weitgehend gleiche Strömungswiderstände erhalten werden und weiterhin eine gleichmäßige Fluidverteilung über die Zellbreite sicherge stellt wird . Distributor channels 12 of each stage have largely the same channel length 1 (cf. horizontal channel extent in Figure 5). In this and the embodiments described below, the same applies substantially to the corresponding channel widths b and . Corresponding cross-sections, whereby largely the same flow resistances are obtained and furthermore a uniform fluid distribution across the cell width is ensured.
Weiterhin sind die Verteiler kanäle 12 etwa ab der zweiten Stufe weitgehend gleichmäßig über die Zellbreite B verteilt angeordnet . Furthermore, the distribution channels 12 are arranged largely evenly distributed over the cell width B from approximately the second stage onwards.
Nach bzw . bei der Verzweigung 13 einer Stufe Kb2 zur nächsten Stufe K+l folgt ein von der Verteilerstruktur zu führendes elektrolytisches Medium zweckmäß igerweise nicht streng der mit S gekennzeichneten Haupt strömungsrichtung . Stattdes sen erfolgt beim Übergang zur nächsten ( K+l sten ) Stufe sodann wieder eine Umlenkung des Kanals 12 oder Ausrichtung der ent- sprechenden Strömung M vorzugsweise in oder parallel zur Hauptströmungsrichtung S. After or At the branch 13 of a stage Kb2 to the next stage K+l, an electrolytic medium to be led from the distributor structure expediently does not strictly follow the main flow direction marked S. Instead, when moving to the next (K+lth) stage, the channel 12 is redirected or the corresponding ones are aligned. speaking flow M preferably in or parallel to the main flow direction S.
In dieser Manier verzweigen sich die Verteiler kanäle 12 von der zweiten auf die dritte Stufe in vier Kanäle, von der dritten auf die vierte Stufe in acht Kanäle, von der vierten auf die fünfte Stufe in 16 Kanäle, von der fünften auf die sechste Stufe in 32 Kanäle, von der sechsten auf die siebente Stufe in 64 Kanäle, sodass nach der siebenten Stufe schließlich 128 gleichartige Verteilerkanäle zur Versorgung des Zellelements 1 vorliegen. Mit anderen Worten erfolgt eine Verzweigung oder Vervielfältigung der Verteilerkanäle in Zweierpotenzen, wobei der Exponent die Anzahl der Stufen darstellt und die Potenz (zur Basis 2) die Anzahl der Kanäle der effektiven und letzten Stufe. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit und vom Grundgedanken Erfindung abzuweichen, kann auch eine Verzweigung in beispielsweise drei oder mehr Kanäle erfolgen. In this manner, the distribution channels 12 branch from the second to the third stage into four channels, from the third to the fourth stage into eight channels, from the fourth to the fifth stage into 16 channels, from the fifth to the sixth stage 32 channels, from the sixth to the seventh stage into 64 channels, so that after the seventh stage there are finally 128 similar distribution channels to supply cell element 1. In other words, the distribution channels are branched or multiplied in powers of two, where the exponent represents the number of stages and the power (base 2) represents the number of channels of the effective and last stage. Without limiting the generality and deviating from the basic idea of the invention, a branching into, for example, three or more channels can also take place.
Eine Geschwindigkeitsverteilung des Fluidmediums kann aus einer Strömungsdynamik-Simulation (CFD) berechnet und/oder abgeschätzt werden, wobei die Strömungsdynamik vorzugsweise in der zentralen Ebene der Kanäle (vgl. die Tiefe in der Darstellungsebene und das Koordinatensystem unten links) angenommen wird. Man erkennt, dass die Geschwindigkeiten in den Kanälen (und damit auch der Volumenstrom) weitgehend gleich sind. Als Maß kann die relative (auf den Mittelwert bezogene) Standardabweichung der Geschwindigkeit in Kanalmitte über alle 128 Kanäle herangezogen werden. Diese beträgt für diese Struktur (vgl. Figuren 4, 5 und Punkt „A" im Diagramm der Figur 12) relStd=0, 0482. A velocity distribution of the fluid medium can be calculated and/or estimated from a fluid dynamics simulation (CFD), with the fluid dynamics preferably being assumed in the central plane of the channels (cf. the depth in the representation plane and the coordinate system at the bottom left). It can be seen that the velocities in the channels (and therefore also the volume flow) are largely the same. The relative standard deviation (based on the average) of the velocity in the middle of the channel across all 128 channels can be used as a measure. For this structure (cf. Figures 4, 5 and point “A” in the diagram of Figure 12), this is relStd=0.0482.
Figur 6 zeigt im Gegensatz zur Darstellung der Figur 5, dass die Geschwindigkeitsverteilung deutlich inhomogener wird, wenn die oben dargestellte Struktur bzgl. der vertikalen Ausdehnung gestaucht wird, um den Aufbau kompakter zu machen. Eine Höhe H2 der Verteilerstruktur aus Figur 6 ist dazu entsprechend kleiner dargestellt als die Höhe Hl der Struktur aus Figur 5 (vgl. jeweils die Pfeillängen am rechten Bildrand) . In contrast to the illustration in FIG. 5, FIG. 6 shows that the speed distribution becomes significantly more inhomogeneous when the structure shown above is compressed in terms of vertical extent in order to make the structure more compact. A height H2 of the distribution structure from FIG. 6 is shown correspondingly smaller than the height Hl of the structure from Figure 5 (see the arrow lengths on the right edge of the picture).
Die kompaktere technische Ausgestaltung ist also samt der Ge- schwindigkeitsverteilung in Abb. 6 gekennzeichnet, wobei die gleichen Parameter dargestellt sind. Dies wird auch durch die wesentlich (Faktor 7) höhere relative Standardabweichung der Geschwindigkeit in Kanalmitte wiedergegeben, welche re- lStd=0,337 beträgt (vgl. Punkt „B" im Diagramm der Figur 12) . The more compact technical design is shown along with the speed distribution in Fig. 6, where the same parameters are shown. This is also reflected by the significantly (factor 7) higher relative standard deviation of the speed in the middle of the channel, which is re-1hr=0.337 (see point “B” in the diagram in Figure 12).
Eine Ursache der größeren Streuung (Inhomogenität) in der Fluiddynamik ist, dass die stark verkürzten vertikalen Kanalabschnitte vor der nächsten Verzweigung nicht ausreichen, den Impuls der Strömung auch in horizontaler Richtung aufzunehmen. Dadurch erhalten die in Strömungsrichtung liegenden Zweige oder Kanalabschnitte jeweils einen größeren Fluidanteil. Eine Abhilfemaßnahme ist die bereits in Abbildung 5 gezeigte Variante mit einer Verlängerung der vertikalen Ausdehnung, was jedoch im Widerspruch zur Forderung nach kompakten vertikalen Abmessungen steht. One reason for the greater scattering (inhomogeneity) in fluid dynamics is that the greatly shortened vertical channel sections before the next branch are not sufficient to absorb the momentum of the flow in the horizontal direction. As a result, the branches or channel sections lying in the direction of flow each receive a larger proportion of fluid. A remedy is the variant already shown in Figure 5 with an extension of the vertical extent, which, however, contradicts the requirement for compact vertical dimensions.
Die Figur 6 zeigt insbesondere eine Verteilerstruktur 10 mit komplexerer Bauart oder Konfektionierung, nämlich eine solche, wobei eine Höhe H der Verteiler Struktur kleiner ist als die halbe Breite des Zellelements 1. 6 shows in particular a distributor structure 10 with a more complex design or assembly, namely one in which a height H of the distributor structure is smaller than half the width of the cell element 1.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung der Verteilerstruktur 10 ist eine relative Standardabweichung einer Fluidgeschwindigkeitsverteilung im bestimmungsgemäßen Betrieb der Verteilerstruktur 10 kleiner als 0,34, vorzugsweise kleiner als 0,15, besonders bevorzugt kleiner als 0,1. According to an advantageous embodiment of the present invention of the distributor structure 10, a relative standard deviation of a fluid velocity distribution in the intended operation of the distributor structure 10 is less than 0.34, preferably less than 0.15, particularly preferably less than 0.1.
In Figur 7 ist gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung gezeigt, dass horizontal verlaufende (Quer) -Verbindungs kanäle in das Design, insbesondere zwischen Kanäle der letzten und siebenten Stufe, eingebracht wurden, um die Verteilung noch weiter zu homogenisieren. Gemäß der Ausgestaltung der Figur 7 beträgt die relative Standardabweichung relStd=0,137 (vgl. Punkt „C" im Diagramm der Figur 12) . 7 shows, according to an exemplary embodiment of the present invention, that horizontally extending (transverse) connecting channels were introduced into the design, in particular between channels of the last and seventh stages, in order to further homogenize the distribution. According to the Embodiment of Figure 7, the relative standard deviation is relST=0.137 (see point “C” in the diagram of Figure 12).
Die nachfolgenden Abbildungen deuten anhand der zeichnerisch akzentuierten Fluidpfade ebenso Ergebnisse weiterer CFD- Simulationen mit genau gleichen Parametern (Flussrate und Fluideigenschaften) an, wie in den vorangegangenen Simulationen und Beispielen. The following illustrations use the graphically accentuated fluid paths to show the results of further CFD simulations with exactly the same parameters (flow rate and fluid properties) as in the previous simulations and examples.
In den im Folgenden anhand der Figuren 7 bis 10 genannten Ausgestaltungsvarianten wurden in den Verteilerbereichen zunehmend niedrigerer Stufe sukzessive weitere Querverbindungskanäle 14 in den Verzweigungsstufen eingebracht. Mit anderen Worten wurden fluidische Verbindungen pro Stufe absteigend zwischen benachbarten Zweigen von Verteilerkanälen 12 der gleichen Stufe eingerichtet, welche Druck- oder Strömungsgradienten bei der Versorgung des Zellelements 1 vorteilhafterweise ausgleichen können. In the design variants mentioned below with reference to FIGS. 7 to 10, further cross-connection channels 14 were successively introduced into the branching stages in the distribution areas of increasingly lower levels. In other words, fluidic connections per stage were set up descending between adjacent branches of distribution channels 12 of the same stage, which can advantageously compensate for pressure or flow gradients when supplying the cell element 1.
Die Figur 8 zeigt Querverbindungskanäle 14 in der siebenten und sechsten Stufe. Gemäß der Ausgestaltung der Figur 8 beträgt die genannte relative Standardabweichung relStd=0,10 (vgl. Punkt „D" im Diagramm der Figur 12) . Figure 8 shows cross-connection channels 14 in the seventh and sixth stages. According to the embodiment of FIG. 8, the relative standard deviation mentioned is relST=0.10 (see point “D” in the diagram of FIG. 12).
Die Figur 9 zeigt Querverbindungskanäle 14 in der siebenten, sechsten und fünften Stufe. Gemäß der Ausgestaltung der Figur 9 beträgt die relative Standardabweichung relStd=0 , 0834 (vgl. Punkt „E" im Diagramm der Figur 12) . Figure 9 shows cross-connection channels 14 in the seventh, sixth and fifth stages. According to the embodiment of FIG. 9, the relative standard deviation is relST=0.0834 (see point "E" in the diagram of FIG. 12).
Die Figur 10 zeigt Querverbindungskanäle 14 in der siebenten, sechsten, fünften und vierten Stufe. Gemäß der Ausgestaltung der Figur 10 beträgt die relative Standardabweichung re- lStd=0,0781 (vgl. Punkt „F" im Diagramm der Figur 12) . Figure 10 shows cross-connection channels 14 in the seventh, sixth, fifth and fourth stages. According to the embodiment of FIG. 10, the relative standard deviation is rel=0.0781 (see point “F” in the diagram of FIG. 12).
Entsprechend der Darstellung der Figur 11 die relative Standardabweichung der Geschwindigkeitsverteilung mit re- lStd=0.0749 (vgl. Punkt „G" im Diagramm der Figur 12) am günstigsten für das erfindungsgemäße Ziel der homogenen Medi- enverteilung . Es existieren die Verbindungskanäle 14 hier ausgehend von der siebenten Stufe in fünf unmittelbar nachrangigen (stromaufwärts gerichteten) Stufen. According to the representation in FIG. distribution . The connecting channels 14 exist here, starting from the seventh stage, in five immediately subordinate (upstream) stages.
Die deutlichste Verbesserung in der Homogenität wird erfahrungsgemäß durch die Querkanäle in der siebenten, (vgl. Figur 10) erzielt. Aber auch alle weiteren zusätzlich eingebrachten Querkanäle führen zu einer weiteren Verbesserung der Homogenität der Geschwindigkeitsverteilung und damit der Medienversorgung über der Zellbreite. Experience has shown that the clearest improvement in homogeneity is achieved by the transverse channels in the seventh (see Figure 10). But all additional transverse channels introduced also lead to a further improvement in the homogeneity of the speed distribution and thus the media supply across the cell width.
Gemäß dem Erfindungsgedanken müssen die beschriebenen horizontal oder quer zur Hauptströmung S verlaufenden Kanäle 14 jedoch nicht zwingend in jedem Zweig vorgesehen sein, wobei dies für Strömungs Verteilung grundsätzlich förderlich sein kann . According to the idea of the invention, the described channels 14, which run horizontally or transversely to the main flow S, do not necessarily have to be provided in every branch, although this can in principle be beneficial for flow distribution.
Bei den vorliegend beschriebenen Zelldimensionen wird von einer beispielhaften Zellbreite von ca . 1,40 m x 1,40 m in der Höhe (und Breite) und von 27=128 Verteiler kanälen 12 ausgegangen. Dies ergibt im Wesentlichen einen Kanalquerschnitt von etwas über 10 mm. For the cell dimensions described here, an exemplary cell width of approx. 1.40 mx 1.40 m in height (and width) and assumed 2 7 =128 distribution channels 12. This essentially results in a channel cross section of just over 10 mm.
Wie oben beschrieben, kann die Verteilerstruktur 10 zur Zuführung eines flüssigen Elektrolyten als Fluidmedium an das Zellelement 1 eingerichtet sein (vgl. Figuren 1 bis 3 wie oben beschrieben) . As described above, the distribution structure 10 can be set up to supply a liquid electrolyte as a fluid medium to the cell element 1 (see Figures 1 to 3 as described above).
Alternativ dazu kann die Verteilerstruktur 10 zur Zuführung von Wasser als Fluidmedium an das Zellelement 1 für die Wasserelektrolyse eingerichtet sein. Alternatively, the distribution structure 10 can be set up to supply water as a fluid medium to the cell element 1 for water electrolysis.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Elektrolyseur 30, umfassend eine Verteilerstruktur 10 zur Zuführung des Fluidmediums M in das Zellelement 1 und eine gleichartig ausgebildete Auslassstruktur 20 zum Ableiten des Fluidmediums M (vgl. Figur 11) . Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Power-to-X-Anlage 100 umfassend einen Elektrolyseur 30. Für die Umstellung von weiten oder allen Teilen des Energieversorgungssystems auf einen möglichst großen Anteil erneuerbarer Energien im Zuge notwendiger Maßnahmen zur Dekarbonisierung sind entsprechende Power-to-X-Technologien essenziell, die unter anderem einen Überschuss partiell erneuerbarer Energien kompensieren bzw. deren Fluktuation dadurch ausgleichen können, dass die Überschussenergie im Gegenzug für die Herstellung von grünen oder synthetischen Kraftstoffen genutzt werden kann. Charakteristisch für einen in einer Power- to-X-Anlage eingesetzten sogenannten „Stack" von Elektrolysezellen ist beispielsweise ein Bündel von etwa 100 (in der Darstellungsebene) aneinandergereihten Elementen 1. A further aspect of the present invention relates to an electrolyzer 30, comprising a distributor structure 10 for supplying the fluid medium M into the cell element 1 and a similarly designed outlet structure 20 for discharging the fluid medium M (see Figure 11). A further aspect of the present invention relates to a power-to-X system 100 comprising an electrolyser 30. Appropriate power-to-energy systems are required to convert large or all parts of the energy supply system to the largest possible proportion of renewable energies as part of the necessary decarbonization measures. X-technologies are essential, which, among other things, can compensate for a surplus of partially renewable energy or compensate for its fluctuation by using the surplus energy in return for the production of green or synthetic fuels. A so-called “stack” of electrolysis cells used in a Power-to-X system is, for example, a bundle of approximately 100 elements 1 arranged in a row (in the representation plane).
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Ausgestaltung der Verteilerstruktur, welche durch ein additives Herstellungsverfahren hergestellt ist. Damit kann eine zweckmäßige Alternative, beispielsweise gegenüber der konventionellen Herstellung über Fräsen aus einer Kunststof fplatte oder über den Kunststof f Spritzguss angegeben werden. A further aspect of the present invention relates to an embodiment of the distributor structure, which is produced by an additive manufacturing process. This makes it possible to provide a practical alternative, for example to conventional production via milling from a plastic plate or via plastic injection molding.

Claims

Patentansprüche Patent claims
1. Verteilerstruktur (10) für eine elektrochemische Zelle1. Distribution structure (10) for an electrochemical cell
(30) zur Versorgung eines Zellelements (1) mit einem Fluidmedium (M) , umfassend einen Fluideinlass (11) , welcher sich in eine Anzahl von N Verteilerstuf en verzweigt, wobei sich ein Verteiler kanal (12) in Hauptströmungsrichtung (S) von einer Stufe (K) zur nächsten Stufe (K+l) in zwei Kanäle kleineren Querschnitts aufteilt, und wobei die Verteiler kanäle (12) der N-ten Stufe der Verteilerstruktur (10) eingerichtet sind, das Fluidmedium (M) gleichmäßig über eine Breite (B) des Zellelements (1) zu verteilen. (30) for supplying a cell element (1) with a fluid medium (M), comprising a fluid inlet (11), which branches into a number of N distribution stages, with a distribution channel (12) in the main flow direction (S) from one Stage (K) to the next stage (K+1) is divided into two channels of smaller cross-section, and wherein the distribution channels (12) of the Nth stage of the distribution structure (10) are set up, the fluid medium (M) is distributed evenly over a width ( B) to distribute the cell element (1).
2. Verteilerstruktur (10) nach Anspruch 1, wobei Verteilerkanäle einer Stufe weitgehend die gleiche Kanallänge (1) aufweisen . 2. Distribution structure (10) according to claim 1, wherein distribution channels of a stage have largely the same channel length (1).
3. Verteilerstruktur (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei Verteilerkanäle einer Stufe weitgehend gleiche Kanalbreiten (b) aufweisen . 3. Distribution structure (10) according to claim 1 or 2, wherein distribution channels of a stage have largely the same channel widths (b).
4. Verteilerstruktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verteiler Struktur ab deren zweiter Stufe symmetrisch ausgebildet ist. 4. Distributor structure (10) according to one of the preceding claims, wherein the distributor structure is designed symmetrically from its second stage.
5. Verteilerstruktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Verteilerkanäle ab der zweiter Stufe gleichmäßig über die Zellbreite (B) verteilt angeordnet sind. 5. Distribution structure (10) according to one of the preceding claims, wherein distribution channels are arranged evenly distributed over the cell width (B) from the second stage onwards.
6. Verteilerstruktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Kanalverlauf der Verteilerstruktur (10) nach der Verzweigung (13) einer Stufe (Kb2) zur nächsten Stufe (K+l) wieder in Richtung der Hauptströmungsrichtung (S) ausgerichtet wird. 6. Distributor structure (10) according to one of the preceding claims, wherein a channel course of the distributor structure (10) is aligned again in the direction of the main flow direction (S) after the branching (13) of a stage (Kb2) to the next stage (K+l).
7. Verteilerstruktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Höhe (H) der Verteilerstruktur kleiner ist als die halbe Breite des Zellelements (1) . 8. Verteilerstruktur (10) nach Anspruch 7, wobei eine relative Standardabweichung einer Fluidgeschwindigkeitsverteilung im bestimmungsgemäßen Betrieb der Verteilerstruktur (10) weniger als 0,15 beträgt. 7. Distribution structure (10) according to one of the preceding claims, wherein a height (H) of the distribution structure is smaller than half the width of the cell element (1). 8. Distributor structure (10) according to claim 7, wherein a relative standard deviation of a fluid velocity distribution during intended operation of the distributor structure (10) is less than 0.15.
9. Verteilerstruktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche in den höheren Stufen weitgehend senkrecht zur Hauptströmungsrichtung (S) verlaufende Verbindungskanäle (14) zwischen Kanalzweigen der gleichen Stufe aufweist, die eingerichtet sind, eine Verteilung des Fluidmediums (M) zwischen den Kanalzweigen zu homogenisieren. 9. Distributor structure (10) according to one of the preceding claims, which in the higher stages has connecting channels (14) running largely perpendicular to the main flow direction (S) between channel branches of the same stage, which are set up to distribute the fluid medium (M) between the channel branches to homogenize.
10. Verteiler Struktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche zur Zuführung eines flüssigen Elektrolyten als Fluidmedium an das Zellelement (1) eingerichtet ist. 10. Distributor structure (10) according to one of the preceding claims, which is set up to supply a liquid electrolyte as a fluid medium to the cell element (1).
11. Verteiler Struktur (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, welche zur Zuführung von Wasser als Fluidmedium an das Zellelement (1) für die Wasserelektrolyse eingerichtet ist. 11. Distributor structure (10) according to one of claims 1 to 9, which is set up to supply water as a fluid medium to the cell element (1) for water electrolysis.
12. Verteiler Struktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche durch ein additives Herstellungsverfahren hergestellt ist. 12. Distributor structure (10) according to one of the preceding claims, which is manufactured by an additive manufacturing process.
13. Elektrolyseur (30) , umfassend eine Verteilerstruktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Zuführung des Fluidmediums (M) in das Zellelement (1) und eine gleichartig ausgebildete Auslassstruktur (20) zum Ableiten des Fluidmediums (M) . 13. Electrolyzer (30), comprising a distributor structure (10) according to one of the preceding claims for supplying the fluid medium (M) into the cell element (1) and a similarly designed outlet structure (20) for discharging the fluid medium (M).
14. Power-to-X-Anlage (100) umfassend einen Elektrolyseur (30) nach Anspruch 13. 14. Power-to-X system (100) comprising an electrolyzer (30) according to claim 13.
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