DE102024111159A1 - Elektrolyseur und Zellenkomponentenanordnung für ein elektrochemisches System - Google Patents

Abstract

Eine Zellenkomponentenanordnung (1) für ein elektrochemisches System umfasst ein dreidimensional strukturiertes Plattenelement (16), durch welches ein Prägefeld (12) gebildet ist, welches über einen eine Flussrichtung (FR) vorgebenden Durchleitungsbereich (7) mit einem Port (5) des elektrochemischen Systems verbunden ist, wobei durch eine Strukturierung (21) des Plattenelementes (16) insbesondere verschiedene 3er-Gruppen (22, 25) an länglichen, nebeneinander angeordneten, in Längsrichtung, das heißt Flussrichtung (FR), des Durchleitungsbereichs (7) ausgerichteten Prägeelementen (23, 24, 26, 27) gebildet sind. Hierbei handelt es sich um eine mittlere 3er-Gruppe (22) sowie zwei äußere 3er-Gruppen (25). In jeder 3er-Gruppe (22, 25) ist das mittlere Prägeelement (23, 26) geringer vom Rand (28) des Prägefeldes (12) beabstandet als die zwei seitlichen Prägeelemente (24, 27). Zugleich ist jede der beiden äußeren 3er-Gruppen (25) geringer vom Rand (28) des Prägefeldes (12) beabstandet als die mittlere 3er-Gruppe (22) an Prägeelementen (23, 24).

Description

• Die Erfindung betrifft eine für die Verwendung in einem elektrochemischen System vorgesehene Anordnung von Zellenkomponenten. Ferner betrifft die Erfindung einen Elektrolyseur, insbesondere zur Herstellung von Wasserstoff aus Wasser.
• Die WO 2022/184199 A1 offenbart eine Elektrolyseplatte für die Wasserstoffproduktion sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrolyseplatte. Die Elektrolyseplatte umfasst mindestens ein geprägtes Blech, welches zur Begrenzung eines Strömungskanals ausgebildet ist und einzelne, tropfenförmige Prägeelemente aufweist.
• Eine weitere Elektrolyseplatte, welche für die Verwendung in einer Anlage zur Wasserstoffherstellung konzipiert ist, geht aus der WO 2022/171237 A1 hervor. Durch ein Profilblech dieser Elektrolyseplatte sind Prägemuster ausgebildet, welche mindestens drei Mal, nicht überlappend oder berührend, hintereinander angeordnet sind.
• Die EP 3 396 025 B1 hat eine kontinuierliche Fertigungstechnik zur Herstellung einer nicht-verstärkten elektrochemischen Zellenkomponente zum Gegenstand. Das Fertigungsverfahren schließt das Bilden einer Bahnform aus einer Bahnmaterialsuspension direkt auf einer Oberfläche eines Förderbands ein.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung von Komponenten elektrochemischer Systeme, insbesondere Elektrolysesysteme, gegenüber dem Stand der Technik weiterzuentwickeln, wobei fertigungstechnischen Aspekten ebenso wie strömungstechnischen Aspekten und statischen Anforderungen Rechnung getragen werden soll.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine für die Verwendung in einem elektrochemischen System vorgesehene Zellenkomponentenanordnung nach Anspruch 1. Insbesondere kann die Zellenkomponentenanordnung einem Elektrolyseur nach Anspruch 17 zuzurechnen sein.
• Die Zellenkomponentenanordnung nach Anspruch 1 umfasst ein dreidimensional strukturiertes, verschiedene Strömungsräume voneinander trennendes, von verschiedenen Rahmen umgebenes Plattenelement, durch welches ein Prägefeld gebildet ist, welches über mehrere zueinander parallele, eine Flussrichtung vorgebende Durchleitungsbereiche jeweils mit einem Port des elektrochemischen Systems verbunden ist. Hierbei ist die summierte Breite der auf ein und derselben Seite des Prägefeldes angeordneten Durchleitungsbereiche geringer als die über diese Durchleitungsbereiche versorgte Breite des mit strömendem Medium zu beaufschlagenden Prägefeldes. Im Prägefeld sind, angrenzend an jeden Durchleitungsbereich, sowohl in einem Einström- als auch in einem Ausströmbereich des Prägefeldes, pro Durchleitungsbereich mindestens zwei in ihrer Gesamtheit eine auffächernde, je nach Strömungsrichtung zum Aufsplitten oder Zusammenführen des strömenden Mediums geeignete Form beschreibende Präge-Leitelemente ausgebildet. In Flussrichtung zwischen dem Einströmbereich und dem Ausströmbereich liegt das Prägefeld in Form einer Vielzahl an Prägeelementen vor. Insbesondere handelt es sich hierbei um in Reihen angeordnete, zueinander parallele, in Flussrichtung ausgerichtete längliche Prägeelemente.
• Die Präge-Leitelemente können beispielsweise als gekrümmte, spiegelbildlich zur Mittelachse des Durchleitungsbereichs ausgebildete Elemente des Prägefeldes gestaltet sein. Ebenso können die einzelnen Präge-Leitelemente in sich gerade sein. Auch eine Kombination gerader und gekrümmter Präge-Leitelemente kommt in Beracht.
• Die summierte Breite der auf ein und derselben Seite des Prägefeldes angeordneten Durchleitungsbereiche beträgt insbesondere weniger als die Hälfte der über diese Durchleitungsbereiche versorgte Breite des mit strömendem Medium zu beaufschlagenden Prägefeldes.
• Die Durchleitungsbereiche können dazu ausgebildet sein, Kühlmittel in ein Aktivfeld zu leiten beziehungsweise aus dem Aktivfeld abzuleiten, wobei sich das Aktivfeld einer jeden elektrochemischen Zelle, in Draufsicht auf die plattenförmigen Strukturen des elektrochemischen Systems, im Bereich des Prägefeldes befindet und die Durchleitungsbereiche nicht die Funktion haben, das Kühlmittel in Querrichtung, bezogen auf die Hauptrichtung, in welcher das Kühlmittel in Richtung zum Aktivfeld strömt beziehungsweise aus dem entsprechenden Bereich abgeleitet wird, zu verteilen. Vielmehr wird diese Funktion in dieser Ausgestaltung ausschließlich durch Strukturen innerhalb des Prägefeldes übernommen.
• Die erwähnten Rahmen können sich hinsichtlich ihrer lichten Weite voneinander unterscheiden, wobei sich der weitere der beiden Rahmen auf einer Seite des in Form des Prägefeldes strukturierten Plattenelementes befindet, welche einem zusätzlichen, glatten Plattenelement zugewandt ist. Hinsichtlich ihrer Außenabmessungen existieren nicht notwendigerweise Unterschiede zwischen den verschiedenen Rahmen. Dies gilt auch für Ausführungsformen, in denen sich an jedem Rahmen eine Dichtung befindet, wobei - in Draufsicht auf die Plattenelemente - eine Überlappung zwischen den Dichtungen gegeben ist.
• Unabhängig vom Vorhandensein einer zweiten, glatten Platte und einer Mehrzahl verschiedener Rahmen umfasst die anmeldungsgemäße Zellenkomponentenanordnung gemäß verschiedener möglicher Ausgestaltungen ein dreidimensional strukturiertes, verschiedene Strömungsräume voneinander trennendes Plattenelement, durch welches ein Prägefeld gebildet ist, welches über einen eine Flussrichtung vorgebenden Durchleitungsbereich mit einem Port des elektrochemischen Systems, insbesondere Elektrolysesystems, verbunden ist. Durch die Strukturierung des Plattenelementes können verschiedene 3er-Gruppen an länglichen, nebeneinander angeordneten, in Längsrichtung, das heißt Flussrichtung, des Durchleitungsbereich ausgerichteten Prägeelementen gebildet sein. Hierbei handelt es sich um eine mittlere 3er-Gruppe, welche sich in gerader Verlängerung des Durchleitungsbereichs befindet, sowie zwei seitlich neben der mittleren 3er-Gruppe befindliche, spiegelbildlich zur Mittelachse des Durchleitungsbereichs angeordnete äußere 3er-Gruppen an Prägeelementen. Insbesondere ist jede der 3er-Gruppen an Prägeelementen in sich spiegelbildlich, bezogen auf eine mittig durch das mittlere der drei Prägeelemente, welche derselben 3er-Gruppe zuzurechnen ist, gelegte Spiegelebene, aufgebaut.
• In jeder der verschiedenen 3er-Gruppen an Prägeelementen kann das jeweils mittlere Prägeelement geringer von dem an den Durchleitungsbereich grenzenden Rand des Prägefeldes entfernt sein als die zwei neben dem mittleren Prägeelement befindlichen seitlichen Prägeelemente. Zugleich kann hierbei jede der beiden äußeren 3er-Gruppen geringer vom Rand des Prägefeldes entfernt sein als die mittlere 3er-Gruppe an Prägeelementen.
• Insgesamt ist damit ein System sich wiederholender Symmetrie geschaffen, welches auf die Strömungsverhältnisse am Übergang zwischen dem Durchleitungsbereich und einem durch das strukturierte Plattenelement begrenzten Aktivfeld des elektrochemischen Systems abgestimmt ist. Insbesondere können hierbei die beiden äußeren 3er-Gruppen an Prägeelementen bis zum Rand des Prägefeldes reichen.
• Gemäß verschiedener möglicher Ausgestaltungen können mehrere der erwähnten, dem Prägefeld zuzurechnende Präge-Leitelemente zwischen der mittleren 3er-Gruppe und dem Durchleitungsbereich angeordnet sein. Dies gilt unter anderem für Fälle, in denen zwei Präge-Leitelemente mit in sich gerader oder gekrümmter Form spiegelbildlich zur Mittelachse des Durchleitungsbereichs ausgebildet sind. Unabhängig von einem eventuellen Krümmungsradius weise die Präge-Leitelemente jeweils ein erstes, dem Durchleitungsbereich zugewandtes Ende und ein zweites, einer der beiden äußeren 3er-Gruppen zugewandtes Ende auf. Zusätzlich existieren optional zwei in sich gerade, quer zur Flussrichtung, das heißt zur Mittelachse des Durchleitungsbereichs, gestellte, parallel zum Rand des Prägefeldes und damit orthogonal zur im Durchleitungsbereich gegebenen Flussrichtung ausgerichtete, jeweils zwischen einem der gekrümmten Präge-Leitelemente und einer der beiden äußeren 3er-Gruppen angeordnete Prägeelemente.
• Unabhängig von der Gestaltung der Bereiche zwischen der mittleren und den beiden äußeren 3er-Gruppen an Prägeelementen können auf der vom Durchleitungsbereich abgewandten Seite der 3er-Gruppen mehrere orthogonal zur Mittelachse des Durchleitungsbereichs angeordnete Reihen an länglichen Prägeelementen vorhanden sein, wobei die Längsachse eines jeden länglichen Prägeelementes parallel zur Mittelachse des Durchleitungsbereichs ausgerichtet ist. Die in zueinander parallelen Reihen angeordneten länglichen Prägeelemente tragen wesentlich zur Vergleichmäßigung der durch die Strukturierung des Prägefeldes gelenkten Strömung bei, nachdem diese durch die 3er-Gruppe an Prägeelementen sowie die optionalen zusätzlichen Prägeelemente aufgeweitet wurde. Analoges gilt für die Sammlung von Fluid, welches einem Durchleitungsbereich zuzuführen ist.
• Das die dreidimensionale Strukturierung aufweisende Plattenelement kann insbesondere einer Bipolarplatte des elektrochemischen Systems zuzurechnen sein, wobei das Plattenelement einen Kühlmittelraum von einem Medienraum des elektrochemischen Systems trennt. Insbesondere ist das Plattenelement als Halbblech einer Bipolarplatte ausgebildet, wobei die beiden Halbbleche der Bipolarplatte nicht notwendigerweise vollständig spiegelsymmetrisch zueinander geformt sind.
• Das Prägefeld des Plattenelementes hat beispielsweise eine rechteckige Grundform und weist allgemein eine Gesamtfläche GA auf. Es kann eine zur Kontaktierung einer Membran des elektrochemischen Systems vorgesehene Stirnfläche SF existieren. Weiterhin kann das Prägefeld eine von einer Ebene, welche an die genannte Stirnfläche angelegt ist, parallel beabstandete Glattfläche GF aufweisen, wobei folgender Zusammenhang gilt: $$\mathrm{0,5}\le \left(\text{SF}\times \text{GA}\right)/{\text{GF}}^2\le 1$$
• Beispielsweise liegt der dimensionslose Bruch, dessen Zähler das Produkt aus der Stirnfläche SF und der Gesamtfläche GA ist, und dessen Nenner die Glattfläche GF zum Quadrat ist, im Bereich von 0,55 bis 0,75, insbesondere bei ca. 2/3.
• Der Port, von welchem aus Fluid, insbesondere ein Kühlmittel, über den Durchleitungsbereich zum Prägefeld geleitet wird, beziehungsweise, in welchen Fluid strömt, das vom Prägefeld über den Durchleitungsbereich abgeleitet wird, hat beispielsweise eine kreisrunde oder quadratische Querschnittsform. Auch hiervon abweichende Querschnittsformen des Ports sind möglich. Insbesondere kann sich der Port, in Draufsicht auf das Prägefeld sowie den angrenzenden Durchleitungsbereich des elektrochemischen Systems, mit zunehmendem Abstand vom Prägefeld aufweiten. Dies kann beispielsweise bei einem trapezförmigen Querschnitt des Ports der Fall sein. Gleiches kann auf Ports zutreffen, die im Querschnitt eine Dach- oder Dreiecksform beschreiben.
• In jedem dieser Fälle kann zwischen zwei derartigen nebeneinander angeordneten Ports zur Durchleitung von Kühlmittel ein Port zur Durchleitung von Betriebsmitteln des elektrochemischen Systems angeordnet ist, wobei sich der letztgenannte Port mit zunehmendem Abstand vom Prägefeld verjüngt und insgesamt einen geringeren Abstand von Prägefeld als die Ports zur Kühlmitteldurchleitung hat. Auch der Port, durch welchen beim Betrieb des elektrochemischen Systems ein Betriebsmittel, das heißt ein Ausgangs- oder Endprodukt einer elektrochemischen Reaktion, strömt, kann hierbei eine Dach- oder Dreiecksform beschreiben, welche jedoch gegenüber der Form des zur Kühlmittelleitung vorgesehenen Ports auf den Kopf gestellt ist. Durch die alternierende Anordnung von Ports, das heißt Durchbrüchen, mit Dachform und umgedrehter Dachform ist zum einen die zur Verfügung stehende Fläche zu einem großen Teil zur Mediendurchleitung nutzbar und zum anderen ein gutes Verhältnis zwischen Materialeinsatz und Stabilität erzielbar. Insbesondere können die an die Form von Dächern oder Häuschen erinnernden Strukturen, prinzipiell vergleichbar mit den beschriebenen Strukturen des Prägefeldes, durch Materialumformung, insbesondere Blechumformung, gefertigt sein.
• Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
• 1 Komponenten eines elektrochemischen Systems, nämlich Elektrolyseurs, in Draufsicht,
• 2 in einer Schnittdarstellung ausschnittsweise eine Zellenkomponentenanordnung des elektrochemischen Systems nach 1,
• 3 ein Detail der Zellenkomponentenanordnung des elektrochemischen Systems nach den 1 und 2,
• 4 eine modifizierte Zellenkomponentenanordnung in einer Ansicht analog 3,
• 5 in vergrößerter Darstellung einen Ausschnitt eines Prägefeldes eines Plattenelementes der Anordnung nach 1,
• 6 ein Detail des Plattenelementes nach 5 in einer Schnittdarstellung,
• 7 das Prägefeld nach 5 in einer weiteren Darstellung,
• 8 das gesamte Prägefeld nach 5 in Draufsicht,
• 9 ein Detail des Prägefeldes nach den 5 bis 8,
• 10 das Prägefeld in einer gegenüber 9 modifizierten Darstellung,
• 11 eine weitere Ausführungsform einer Zellenkomponentenanordnung eines elektrochemischen Systems,
• 12 ein Detail der Anordnung nach 11 in perspektivischer Ansicht,
• 13 ein Detail der Anordnung nach 11 in einer Schnittdarstellung.
• Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf sämtliche Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
• Eine Zellenkomponentenanordnung 1 ist zur Verwendung in einem insgesamt mit 10 bezeichneten Stapel elektrochemischer Zellen, in den vorliegenden Fällen Elektrolysezellenstapel, vorgesehen. Hinsichtlich des prinzipiellen Aufbaus des kurz auch als Stack bezeichneten Zellenstapels 10 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen. Der Stack 10 ist die Kernkomponente eines Elektrolyseurs 20 zur Herstellung von Wasserstoff aus Wasser. Innerhalb des Stacks 10 ist das Prozesswasser, das heißt Wasser, welches in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird, vom Kühlwasserkreislauf getrennt. Dies impliziert, dass sich die Zusammensetzung des pauschal als Kühlwasser bezeichneten Kühlmediums vom Prozesswasser unterscheiden kann. Je nach Betriebs- und Umgebungsbedingungen ist das Kühlmittel auch zum Aufheizen des Stacks 10 nutzbar.
• Durch zahlreiche im Stack 10 übereinander gestapelte elektrochemische Zellen 11, das heißt Elektrolysezellen, sind Aktivfelder 2 gebildet, welche in den Ausführungsbeispielen nach den 1 bis 10 einen achteckigen, näherungsweise rechteckigen Grundriss aufweisen. Im Ausführungsbeispiel nach den 11 bis 13 hat das Aktivfeld 2 dagegen eine rechteckige Form mit abgerundeten Ecken. In allen Fällen wird in den Elektrolysezellen 11 in an sich bekannter Weise Wasserstoff mit Hilfe elektrischer Energie gewonnen. Das Aktivfeld 2 ist mit Hilfe von Dichtungen 3 abgedichtet.
• Ein erster Rahmen, welcher das gesamte Aktivfeld 2 umgibt, ist mit 4 bezeichnet. Ein zweiter, mit 38 bezeichneter Rahmen weist, wie aus 2 hervorgeht, eine größere lichte Weite als der erste Rahmen 4 auf. An jeden Rahmen 4, 38 ist, jeweils auf der dem Inneren des Stacks 10 zugewandten Seite, eine Dichtung 3 angeformt.
• Zur Zu- und Ableitung von Kühlmittel sind in jedem der Ausführungsbeispiels sechs Kühlmittelports 5 vorgesehen. Eine Vielzahl übereinander gestapelter Kühlmittelports 5 ist jeweils einem Hauptkanal zuzurechnen, welcher orthogonal zur Ebene, in welcher das Aktivfeld 2 liegt, verläuft. Analoges gilt für Hauptkanäle, durch welche Betriebsmedien des Zellenstapels 10 strömen. Den letztgenannten Hauptkanälen sind Betriebsmittelports 6 zuzurechnen. Wie aus den 1 und 11 hervorgeht, sind zwei Siebenergruppen an Ports 5, 6 einander spiegelsymmetrisch gegenüberliegend an den Längsseiten des Aktivfeldes 2 platziert. Hierbei sind die Kühlmittelports 5 weiter von der Längsseite des Aktivfeldes 2 entfernt als die Betriebsmittelports 6. Ein in der Anordnung nach 1 oben befindlicher Einströmbereich ist mit 39, ein Ausströmbereich mit 40 bezeichnet.
• Im Gegensatz zu den Betriebsmitteln wird das Kühlmittel nicht in die elektrochemischen Zellen 11 eingeleitet. Vielmehr fließt das Kühlmittel zwischen dreidimensional strukturierten Plattenelementen 16, die zusammen eine Bipolarplatte bilden. Ein glattes Plattenelement innerhalb des Stacks 10 ist mit 17 bezeichnet. Der Rahmen 38 befindet sich auf derjenigen Seite des Plattenelementes 16, die dem zweiten, glatten Plattenelement 17 zugewandt ist. Bezogen auf die Anordnung nach 2 liegt der erste Rahmen 4 im Wesentlichen auf der gleichen Höhe wie das Plattenelement 16.
• Durch das Plattenelement 16 wird ein Prägefeld 12 bereitgestellt, welches zum einen für eine Verwirbelung und Strömungsleitung des Kühlmittels im Inneren der Bipolarplatte sorgt und zum anderen auch eine strömungsleitende Struktur an den Außenoberflächen der Bipolarplatte, das heißt an Grenzen der benachbarten elektrochemischen Zellen 11, darstellt. Die Breite des Prägefeldes 12 ist mit B12 bezeichnet.
• Von den Ports 5 aus wird das Kühlmittel über Durchleitungsbereiche 7 in den Hohlraum zwischen den Plattenelementen 16 geleitet, um das gesamte Aktivfeld 2 gleichmäßig zu kühlen. In analoger Weise fließt Kühlmittel über gleichartig geformte Durchleitungsbereiche 7 ab. B7 bezeichnet die Breite eines Durchleitungsbereichs 7. Die Summe der Breiten B7 sämtlicher an den Einströmbereich 39 grenzender Durchleitungsbereiche 7 entspricht weniger als der Hälfte der Breite B12 des gesamten Prägefeldes 12. Entsprechendes gilt für die Durchleitungsbereiche 7 auf der Ausströmseite, das heißt die drei an den Ausströmbereich 40 angeschlossenen Durchleitungsbereiche 7. In den Ausführungsbeispielen weisen sämtliche Durchleitungsbereiche 7 eine einheitliche Breite B7 auf. Mit 8 bezeichnete Durchleitungsbereiche für Betriebsmittel sind deutlich kürzer als die an die Kühlmittelports 5 angeschlossenen Durchleitungsbereiche 7 für Kühlmittel.
• Die Betriebsmittelports 6 beschreiben, mit Ausnahme der an den vier Ecken des Aktivfelds 2 befindlichen Betriebsmittelports 6, jeweils die Form eines Häuschens, welches etwas von dem mit 28 bezeichneten Rand des Prägefeldes 12 beabstandet ist. Dies ist gleichbedeutend damit, dass sich der Querschnitt eines jeden Betriebsmittelports 6 mit zunehmendem Abstand vom Prägefeldrand 28 verengt. Im Gegensatz hierzu weitet sich der Querschnitt eines jeden Kühlmittelports 5 mit zunehmendem Abstand vom Prägefeldrand 28 auf. Insbesondere im Ausführungsbeispiel nach 11 ist - am oberen Rand des Aktivfeldes 2 - die auf den Kopf gestellte Häuschenform der Kühlmittelports 5 deutlich erkennbar. Gegenüber dem Prägefeldrand 28 schräg gestellte Flanken der Kühlmittelports 5 sind, wie beispielhaft in 4 eingezeichnet ist, mit 18 bezeichnet. Flanken der Betriebsmittelports 6 sind mit 19 bezeichnet und in allen Ausführungsbeispielen parallel zu den Flanken 18 ausgerichtet, so dass Stege zwischen den verschiedenen Ports 5, 6 gebildet sind.
• Der Durchleitungsbereich 7, welcher den Kühlmittelport 5 mit dem Prägefeld 12 verbindet, weist eine Mittelachse MD auf, die Flussrichtung FR des Kühlmittels vorgibt. Im Ausführungsbeispiel nach den 1 bis 3 sind in den Durchleitungsbereichen 7 für Kühlmittel Prägeelemente 30 erkennbar, die jeweils eine kurze Streifenform aufweisen und in Längsrichtung des betreffenden Durchleitungsbereichs 7 ausgerichtet sind. Im Unterschied hierzu ist in der modifizierten Bauform nach 4 in jede der Durchleitungsbereiche 7 für Kühlmittel ein streifenförmiger Einleger 9 eingesetzt, welcher sowohl eine strömungsleitende als auch eine statische Funktion hat. Die Durchleitung 7 ist durch den streifenförmigen, als Blechteil ausgebildeten Einleger 9 in mehrere Teilkanäle 15 aufgesplittet. Die beiden benachbarten, ein und derselben Bipolarplatte zuzurechnenden Plattenelemente 16 werden unter anderem durch die Einleger 9 gegeneinander abgestützt.
• In sämtlichen Ausführungsbeispielen trägt die mechanisch stabile Gestaltung der Plattenelemente 16 wesentlich zur Stabilität des gesamten Zellenstapels 10 und auch zur Konstanthaltung der Geometrie der einzelnen elektrochemischen Zellen 11 bei. Den einzelnen elektrochemischen Zellen sind unter anderem Membranen 13, nämlich Polymer-Elektrolyt-Membranen, sowie poröse Transportlagen 14 zuzurechnen.
• Durch das Prägefeld 12 ist eine Strukturierung 21 gebildet, die verschiedene, teils in definierter Weise zu Gruppen 22, 25 zusammengefasste Prägeelemente 23, 24, 26, 27, 29, 31, 32, 33, 34 einschließt, auf welche im Folgenden eingegangen wird.
• In gerader Verlängerung des Durchleitungsbereichs 7 für Kühlmittel befindet sich eine vom Prägefeldrand 28 beabstandete mittige 3er-Gruppe 22 an Prägeelementen 23, 24. Bei den drei Prägeelementen 23, 24 handelt es sich um ein mittleres Prägeelement 23 und zwei seitliche Prägeelemente 24. Jedes der Prägeelemente 23, 24 hat eine längliche, in Flussrichtung FR ausgerichtete, das heißt zur Mittelachse MD parallele Form, wobei die Mittelachse des mittleren Prägeelementes 23 mit der Mittelachse MD zusammenfällt. Insgesamt ist die 3er-Gruppe 22 spiegelsymmetrisch zu einer durch die Mittelachse MD gelegte Spiegelebene aufgebaut. Von den drei Prägeelementen 23, 24, welche die 3er-Gruppe 22 bilden, hat das mittlere Prägeelement 23 den geringsten Abstand vom Prägefeldrand 28. Die beiden äußeren Prägeelemente 24 sind kürzer als das mittlere Prägeelement 23, wobei das letztgenannte Prägeelement 23 die äußeren Prägeelemente 24 in Längsrichtung der Mittelachse MD in beiden Richtungen überragt. Um die gesamte mittige 3er-Gruppe 22 kann damit ein in 3 angedeutetes Sechseck gelegt werden, welches jedes der Prägeelemente 23, 24 tangiert, wobei in diesem Sechseck an dessen Ecken ausschließlich Winkel, die geringer als 180° sind, gebildet sind.
• Von der mittleren 3er-Gruppe 22 sind äußere 3er-Gruppen 25 zu unterscheiden, welche sich, in Flussrichtung FR betrachtet, seitlich neben der mittleren 3er-Gruppe 22 befinden und geringer vom Prägefeldrand 28 beabstandet sind. Im Fall der äußeren 3er-Gruppen 25 existiert jeweils ein mittleres Prägeelement 26, welches von zwei seitlichen Prägeelementen 27 flankiert ist. Das mittlere Prägeelement 26 hat, prinzipiell vergleichbar mit der mittleren 3er-Gruppe 22, den geringsten Abstand vom Prägefeldrand 28 und bildet damit die Spitze der auch in diesem Fall spiegelsymmetrischen 3er-Gruppe 25. Anders als bei der mittleren 3er-Gruppe 22 wird jedoch auf der der Spitze gegenüberliegenden Seite der 3er-Gruppe 25 das mittlere Prägeelement 26 von den beiden seitlichen Prägeelementen 27 in Längsrichtung der Mittelachse MD überragt. Ein die seitliche 3er-Gruppe 25 umschreibendes Sechseck weist damit, wie aus 3 hervorgeht, an seinen Ecken fünf Winkel unter 180° und einen Winkel über 180° auf.
• Der mittleren 3er-Gruppe 22 sind in Flussrichtung FR zwei gekrümmte Präge-Leitelemente 29 vorgelagert, die - ebenso wie die mittlere 3er-Gruppe 22 - spiegelsymmetrisch zur Mittelachse MD ausgebildet sind. Vom Durchleitungsbereich 7 aus betrachtet beschreiben die beiden Präge-Leitelemente 29 eine Gabelung. Hierbei grenzt ein erstes Ende eines jeden Präge-Leitelements 29 an den Prägefeldrand 28, während das zweite Ende des Präge-Leitelements 29 grob in Richtung zu einer der äußeren 3er-Gruppen 25 weist.
• Zwischen dem gekrümmten Präge-Leitelement 29 und der äußeren 3er-Gruppe 25 an Prägeelementen 26, 27 ist ein parallel zum Prägefeldrand 28 ausgerichtetes, den Prägefeldrand 28 tangierendes quergestelltes Prägeelement 31 angeordnet. Dieses Prägeelement 31 leistet, wie auch die verschiedenen Prägeelemente 23, 24, 26, 27 sowohl einen Beitrag zur Strömungsleitung als auch zur mechanischen Stabilisierung des dreidimensional strukturierten Plattenelementes 16. In eingeschränktem Maße gilt dies auch für Zwischen-Prägeelemente 32, 33, nämlich ein langes Zwischen-Prägeelement 32 und ein vergleichsweise kurzes Zwischen-Prägeelement 33, welche - ebenso wie das quergestellte Prägeelement 31 - im Raum zwischen den verschiedenen 3er-Gruppen 22, 25 angeordnet sind.
• Im Vergleich zu der vorstehend beschriebenen, an den Prägefeldrand 28 grenzenden Teilfläche des Prägefeldes 12 ist die weiter vom Rand 28 des Prägefeldes 12 und damit weiter vom Durchleitungsbereich 7 entfernte Teilfläche des Prägefeldes 21 weniger komplex strukturiert. Innerhalb der letztgenannten Teilfläche sind mehrere Reihen 35 an länglichen Prägeelementen 34 erkennbar, wobei die Längsachsen der einzelnen Prägeelemente 34 parallel zur Mittelachse MD ausgerichtet sind.
• Im gesamten Prägefeld 12 ist durch die Strukturierung 21 eine erhabene Kontaktfläche 36 gebildet, welche sich aus zahlreichen inselförmigen Teilflächen zusammensetzt, die in einer gemeinsamen Ebene liegen. Auf der Kontaktfläche 36 stützen sich Elemente der elektrochemischen Zelle 11, insbesondere die Membran 13, ab. In einer zur Kontaktfläche 36 parallelen Basisfläche 37 befindet sich nicht verformtes Material des Plattenelementes 16.
• Der gesamte Flächeninhalt der vielfach unterteilten, durch die Prägeelemente 23, 24, 26, 27, 29, 31, 32, 33, 34 gebildeten Kontaktfläche 36 wird als Stirnfläche SF bezeichnet. Als Glattfläche GF wird der Flächeninhalt der Basisfläche 37 bezeichnet. Insgesamt weit das Prägefeld 12 eine Gesamtfläche GA auf. Die Summe aus der Stirnfläche SF und der Glattfläche GF ist geringer als die Gesamtfläche GA, wie anschaulich aus einem Vergleich der 8 bis 10 hervorgeht. Ferner gilt in jedem Ausführungsbeispiel unabhängig von den verwendeten Einheiten folgender Zusammenhang: $$\mathrm{0,5}\le \left(\text{SF}\times \text{GA}\right)/{\text{GF}}^2\le 1$$
• Die 11 bis 13 zeigen ein Ausführungsbeispiel, welches sich hinsichtlich der Gestaltung der verschiedenen Ports 5, 6 von den Ausführungsbeispielen nach den 1 bis 10 unterscheidet. Sämtliche Ports 5, 6 sind im Fall der 11 bis 13 besonders nah am Aktivfeld 2 positioniert. Insbesondere aus den 12 und 13 geht die strömungsgünstige Gestaltung der Ränder, unter anderem der Flanken 18, 19, der Ports 5, 6, welche sich im Rahmen 4 befinden, hervor. Beispielhaft ist in 13 ein Flankenwinkel α eingezeichnet, der die Schrägstellung einer Flanke 19 gegenüber einer Flächennormalen der Basisfläche 37 angibt. Durch die abgeschrägten Ränder der Ports 5, 6 wird insbesondere eine widerstandsarme Strömung der verschiedenen Fluide, das heißt Betriebs- und Kühlmittel, zwischen Ebenen, die zur Basisfläche 37 parallel sind, ermöglicht. Gleichzeitig haben die unter anderem in Form der Flanken 18, 19 vorliegenden Ränder der Ports 5, 6 eine mechanisch stabilisierende Funktion innerhalb des Zellenstapels 10.
• Bezugszeichenliste

1

Zellenkomponentenanordnung

2

Aktivfeld

3

Dichtung

4

Rahmen

5

Kühlmittelport

6

Betriebsmittelport

7

Durchleitungsbereich für Kühlmittel

8

Durchleitungsbereich für Betriebsmittel

9

Einleger

10

Zellenstapel, Stack

11

elektrochemische Zelle

12

Prägefeld

13

Membran

14

poröse Transportlage

15

Teilkanal

16

Plattenelement, strukturiert

17

Plattenelement, glatt

18

Flanke des Ports für Kühlmittel

19

Flanke des Ports für Betriebsmittel

20

Elektrolyseur

21

Strukturierung

22

3er-Gruppe, mittig

23

mittleres Prägeelement der mittigen 3er-Gruppe

24

seitliches Prägeelement der mittigen 3er-Gruppe

25

äußere 3er-Gruppe

26

mittleres Prägeelement der äußeren 3er-Gruppe

27

seitliches Prägeelement der äußeren 3er-Gruppe

28

Rand des Prägefeldes

29

Präge-Leitelement, gekrümmt

30

Prägeelement im Durchleitungsbereich 7

31

Prägeelement, quergestellt

32

Zwischen-Prägeelement, lang

33

Zwischen-Prägeelement, kurz

34

längliches Prägeelement

35

Reihe an Prägeelementen

36

Kontaktfläche, erhaben

37

Basisfläche

38

Rahmen

39

Einströmbereich

40

Ausströmbereich

α

Flankenwinkel

B7

Breite eines Durchleitungsbereichs

B12

Breite des Prägefeldes

FR

Flussrichtung

MD

Mittelachse des Durchleitungsbereichs 7

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• WO 2022/184199 A1 [0002]
• WO 2022/171237 A1 [0003]
• EP 3 396 025 B1 [0004]

Claims (17)

1. Zellenkomponentenanordnung (1) für ein elektrochemisches System, umfassend ein dreidimensional strukturiertes, verschiedene Strömungsräume voneinander trennendes, von verschiedenen Rahmen (4, 38) umgebenes Plattenelement (16), durch welches ein Prägefeld (12) gebildet ist, welches über mehrere zueinander parallele, eine Flussrichtung (FR) vorgebende Durchleitungsbereiche (7) jeweils mit einem Port (5) des elektrochemischen Systems verbunden ist, wobei die summierte Breite der auf ein und derselben Seite des Prägefeldes (12) angeordneten Durchleitungsbereiche (7) geringer als die über diese Durchleitungsbereiche (7) versorgte Breite (B12) des mit strömendem Medium zu beaufschlagenden Prägefeldes (12) ist, und wobei im Prägefeld (12), angrenzend an jeden Durchleitungsbereich (7), sowohl in einem Einströmbereich (39) als auch in einem Ausströmbereich (40) des Prägefeldes (12), pro Durchleitungsbereich (7) mindestens zwei in ihrer Gesamtheit eine auffächernde, zum Aufsplitten oder Zusammenführen des strömenden Mediums geeignete Form beschreibende Präge-Leitelemente (29) ausgebildet sind, und wobei in Flussrichtung (FR) zwischen dem Einströmbereich (39) und dem Ausströmbereich (40) das Prägefeld (12) in Form einer Vielzahl an Prägeelementen (34) vorliegt.
2. Anordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die im Prägefeld (12) zwischen dem Einströmbereich (39) und dem Ausströmbereich (40) ausgebildeten Prägeelemente (34) in Form einer Vielzahl in Reihen (35) angeordneter, zueinander paralleler, in Flussrichtung (FR) ausgerichteter länglicher Prägeelemente (34) vorliegen.
3. Anordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Präge-Leitelemente (29) als gekrümmte, spiegelbildlich zur Mittelachse (MD) des Durchleitungsbereichs (7) ausgebildete Elemente des Prägefeldes (12) vorliegen.
4. Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die summierte Breite der auf ein und derselben Seite des Prägefeldes (12) angeordneten Durchleitungsbereiche (7) weniger als die Hälfte der über diese Durchleitungsbereiche (7) versorgte Breite (B12) des mit strömendem Medium zu beaufschlagenden Prägefeldes (12) beträgt.
5. Anordnung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchleitungsbereiche (7) dazu ausgebildet sind, Kühlmittel zur ausschließlichen Verteilung oder Zusammenführung innerhalb eines im Bereich des Prägefeldes (12) ausgebildeten Aktivfeldes (2) zu leiten.
6. Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die verschiedenen Rahmen (4, 38) hinsichtlich ihrer lichten Weite voneinander unterscheiden, wobei sich der weitere der beiden Rahmen (38) auf einer Seite des in Form des Prägefeldes (12) strukturierten Plattenelementes (16) befindet, welche einem glatten Plattenelement (17) zugewandt ist.
7. Anordnung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich an jedem Rahmen (4, 38) eine Dichtung (3) befindet, wobei - in Draufsicht auf die Plattenelemente (16, 17) - eine Überlappung zwischen den Dichtungen (3) gegeben ist.
8. Anordnung (1) nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Strukturierung (21) des Plattenelementes (16) verschiedene 3er-Gruppen (22, 25) an länglichen, nebeneinander angeordneten, in Längsrichtung, das heißt Flussrichtung (FR), des Durchleitungsbereichs (7) ausgerichteten Prägeelementen (23, 24, 26, 27) gebildet sind, nämlich - eine mittlere 3er-Gruppe (22), welche sich in gerader Verlängerung des Durchleitungsbereichs (7) befindet, und - zwei seitlich neben der mittleren 3er-Gruppe (22) befindliche, spiegelbildlich zur Mittelachse (MD) des Durchleitungsbereichs (7) angeordnete äußere 3er-Gruppen (25), wobei in jeder der verschiedenen 3er-Gruppen (22, 25) das jeweils mittlere Prägeelement (23, 26) geringer von dem an den Durchleitungsbereich (7) grenzenden Rand (28) des Prägefeldes (12) beabstandet ist als die zwei neben dem betreffenden Prägeelement (23, 26) befindlichen seitlichen Prägeelemente (24, 27), und wobei jede der beiden äußeren 3er-Gruppen (25) geringer vom Rand (28) des Prägefeldes (12) beabstandet ist als die mittlere 3er-Gruppe (22) an Prägeelementen (23, 24).
9. Anordnung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden äußeren 3er-Gruppen (25) bis zum Rand (28) des Prägefeldes (12) reichen.
10. Anordnung (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Präge-Leitelemente (29) zwischen der mittleren 3er-Gruppe (22) und dem Durchleitungsbereich (7) angeordnet sind und jeweils ein erstes, dem Durchleitungsbereich (7) zugewandtes Ende und ein zweites, einer der beiden äußeren 3er-Gruppen (25) zugewandtes Ende aufweisen.
11. Anordnung (1) nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch zwei quer zur Flussrichtung (FR) gestellte, parallel zum Rand (28) des Prägefeldes (12) ausgerichtete, jeweils zwischen einem der gekrümmten Präge-Leitelemente (29) und einer der beiden äußeren 3er-Gruppen (25) angeordnete Prägeelemente (31).
12. Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass auf der vom Durchleitungsbereich (7) abgewandten Seite der 3er-Gruppen (22, 25) mehrere orthogonal zur Mittelachse (MD) des Durchleitungsbereichs (7) angeordnete Reihen (35) an länglichen Prägeelementen (34) vorhanden sind, wobei die Längsachse eines jeden länglichen Prägeelementes (34) parallel zur Mittelachse (MD) des Durchleitungsbereichs (7) ausgerichtet ist.
13. Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Plattenelement (16) einer Bipolarplatte des elektrochemischen Systems zuzurechnen ist, wobei das Plattenelement (16) einen Kühlmittelraum von einem Medienraum des elektrochemischen Systems trennt.
14. Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Prägefeld (12) eine Gesamtfläche GA, eine zur Kontaktierung einer Membran (13) des elektrochemischen Systems vorgesehene Stirnfläche SF, sowie eine von einer Ebene, welche an die Stirnfläche angelegt ist, parallel beabstandete Glattfläche GF aufweist, wobei folgender Zusammenhang gilt: $$\mathrm{0,5}\le \left(\text{SF}\times \text{GA}\right)/{\text{GF}}^2\le 1$$
15. Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sich der zur Durchleitung von Kühlmittel vorgesehene Port (5), in Draufsicht auf das Prägefeld (12) sowie den angrenzenden Durchleitungsbereich (7), mit zunehmendem Abstand vom Prägefeld (12) aufweitet.
16. Anordnung (1) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei nebeneinander angeordneten, nach Anspruch 8 ausgebildeten Ports (5), welche jeweils zur Durchleitung von Kühlmittel vorgesehen sind, ein Port (6) zur Durchleitung von Betriebsmitteln angeordnet ist, wobei sich der letztgenannte Port (6) mit zunehmendem Abstand vom Prägefeld (12) verjüngt und insgesamt einen geringeren Abstand von Prägefeld (12) als die Ports (5) zur Kühlmitteldurchleitung hat.
17. Elektrolyseur (20), umfassend eine nach Anspruch 1 ausgebildete Anordnung (1) von Zellenkomponenten.